(57)【要約】【課題】初期劣化率が小さくて長寿命の半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子１０１は、ｎ型クラッド層１０４とｐ型クラッド層１０９の間に挟まれた活性層１０６を有する。ｐ型クラッド層１０９は、不純物としてマグネシウムを含み、活性層１０６とｐ型クラッド層１０９との間には、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＜１）で表されるｎ型拡散防止層１０７が設けられている。ｎ型拡散防止層１０７におけるｎ型不純物のドーピング濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下とすることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系化合物半導体よりなるｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層の上に形成されて窒化物系化合物半導体よりなる活性層と、該活性層の上に形成されて窒化物系化合物半導体よりなるｐ型クラッド層とを備えた半導体発光素子において、
前記ｐ型クラッド層は、不純物としてマグネシウムを含み、
前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間には
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ  （但し、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＜１）
で表される窒化物系化合物半導体よりなるｎ型拡散防止層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型拡散防止層は１つの層のみからなっていて、該層におけるｎ型不純物のドーピング濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型拡散防止層は複数の層からなっていて、この内の少なくとも１つの層にｎ型不純物が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｎ型拡散防止層の膜厚は、５ｎｍ以上で２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型拡散防止層と前記ｐ型クラッド層との間には、前記ｎ型拡散防止層に接するようにして、窒化物系化合物半導体よりなるｐ型電子障壁層が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型拡散防止層と前記ｐ型電子障壁層との間には、アンドープのＧａＮ層またはアンドープのＩｎＧａＮ層が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層と前記ｎ型拡散防止層との間には、窒化物系化合物半導体よりなるアンドープのガイド層が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｐ型クラッド層には、水素が含まれることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光素子や電子デバイス用の材料として、III−Ｖ族窒化物系化合物半導体に関する研究が盛んに行われている。また、その特性を利用して、青色発光ダイオードや緑色発光ダイオード、さらには、次世代の高密度光ディスクの光源としての青紫色半導体レーザなどが既に実用化されている。
【０００３】
従来の半導体レーザとしては、例えば、特許文献１または特許文献２に開示されているものがある。
【０００４】
特許文献１には、インジウム（Ｉｎ）およびガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体よりなり、第１および第２の面を有する活性層と、活性層の第１の面に接してＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）よりなるｎ型窒化物半導体層と、活性層の第２の面に接してＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）よりなるｐ型窒化物半導体層とを備える窒化物半導体発光素子が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、インジウムおよびガリウムを含む第１の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、この活性層に接し、第１の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体とは異なるインジウムおよびガリウムを含む第２の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体からなる中間層と、この中間層に接し、アルミニウム（Ａｌ）およびガリウムを含む第３の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体からなるキャップ層とを有する半導体発光素子が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７８０６９１号明細書
【特許文献２】特開２００２−２６１３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の半導体レーザでは、通電時における初期劣化率が大きく、時間の経過とともに動作電流が徐々に増大するようになる。このため、長寿命化が困難であり、歩留まりを大きく低下させてしまうという問題があった。
【０００８】
これに対して、特許文献２では、活性層とキャップ層の間に、ＩｎＧａＮなどのインジウムおよびガリウムを含む窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層を介在させることを提案している。しかし、この構造だけでは十分な長寿命化を得るには至らず、発光特性が悪化したり、信頼性が低下したりするなどの問題は、依然として解決されないままであった。
【０００９】
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、初期劣化率が小さくて長寿命の半導体発光素子を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、窒化物系化合物半導体よりなるｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層の上に形成されて窒化物系化合物半導体よりなる活性層と、該活性層の上に形成されて窒化物系化合物半導体よりなるｐ型クラッド層とを備えた半導体発光素子において、
前記ｐ型クラッド層は、不純物としてマグネシウムを含み、
前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間には
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ  （但し、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＜１）
で表される窒化物系化合物半導体よりなるｎ型拡散防止層が設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、活性層とｐ型クラッド層との間にｎ型拡散防止層を設けるので、ｐ型クラッド層から活性層にマグネシウムや水素が移動するのを防ぐことができる。したがって、初期劣化率が小さくて長寿命の半導体発光素子とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
窒化物系化合物半導体発光素子において、通電時の初期劣化率が大きくなる原因としては、ｐ型半導体層中のドーパントであるマグネシウムが、動作中に活性層に拡散することが挙げられる。一方、半導体発光素子の製造工程で、水素を含む化合物を原料として用いた場合には、半導体層の内部に水素が残留する。本発明者は、この水素が活性層に拡散することも初期劣化率を大きくする原因になっていると考え、本発明に至った。
【００１４】
上述したように、ｐ型半導体層中には、ドーパントとしてマグネシウムが含まれる。また、水素はマグネシウムと結合するので、ｐ型半導体層中には、ｎ型半導体層中よりも多くの水素が含まれる。このため、初期劣化率を増大させる要因は、ｐ型半導体層から活性層への水素とマグネシウムの拡散にある。
【００１５】
そこで、本発明においては、活性層とｐ型半導体層の間、より詳しくは、活性層とｐ型クラッド層の間に、式（１）に示す化合物からなるｎ型拡散防止層を設ける。ｎ型拡散防止層にドープするｎ型不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）または硫黄（Ｓ）などを挙げることができる。
【００１６】
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＜１）      （１）
【００１７】
本発明において、ｎ型拡散防止層は、１つの層のみからなっていてもよく、複数の層からなっていてもよい。前者の場合には、ｎ型拡散防止層におけるｎ型不純物のドーピング濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。一方、後者の場合には、ｎ型拡散防止層を構成する少なくとも１つの層にｎ型不純物が含まれていればよい。
【００１８】
ｎ型拡散防止層を設けることによって、ｐ型半導体層中から水素やマグネシウムが活性層に拡散するのを防ぐことができるので、通電時における初期劣化率を従来より小さくすることができる。
【００１９】
以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態におけるIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体レーザ素子の断面図である。
【００２１】
図１に示すように、半導体レーザ素子１０１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１０２の表面に、ｎ型ＧａＮ層１０３、ｎ型クラッド層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０６、ｎ型拡散防止層１０７、ｐ型電子障壁層１０８、ｐ型クラッド層１０９、およびｐ型コンタクト層１１０が順に積層された構造を有している。また、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０には、ストライプ状のリッジ１１１が形成されている。リッジ１１１は、活性層１０６の内部で電流が狭窄される領域である導波路を規定するために設けられる。尚、ｎ型ＧａＮ層１０３やｎ型光ガイド層１０５はなくてもよい。
【００２２】
ｐ型電子障壁層１０８の上には、リッジ１１１を覆うようにして絶縁膜１１２が形成されている。但し、リッジ１１１の上の絶縁膜１１２には開口部１１３が設けられており、開口部１１３において、ｐ型コンタクト層１１０にｐ側電極１１４が接触している。一方、基板１０２において、ｎ型ＧａＮ層１０３が形成されていない方の面には、ｎ側電極１１５が設けられている。
【００２３】
ｐ側電極１１４とｎ側電極１１５の間に順方向の電流を供給すると、活性層１０６の内部に電子と正孔が注入されて光が発生する。この光は、導波路に閉じ込められて増幅し、共振面の出射端面側からレーザ光となって放出される。
【００２４】
次に、半導体レーザ素子１０１の製造方法について述べる。
【００２５】
一般に、III−Ｖ族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）またはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などが挙げられる。本実施の形態では、この内のＭＯＣＶＤ法を用いるが、他の方法を用いてもよい。
【００２６】
本実施の形態においては、III族化合物の原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を使用し、Ｖ族化合物の原料としてアンモニア（ＮＨ３）を使用する。また、ｎ型不純物の原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）を使用し、ｐ型不純物の原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を使用する。さらに、これらの原料のキャリアガスとして、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）を使用する。
【００２７】
まず、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなり、主面として（０００１）面を有する基板１０２を準備する。ここで、基板方位として、主面（０００１）に対して＜１−１００＞方向又は＜１１−２０＞方向に０．１度以上１度以下でオフアングルしている基板を用いる。これにより、ステップの方向や密度が規定されるため、結晶性および平坦性に優れた半導体層を形成することができる。従って、ｐ型半導体層中の点欠陥や積層欠陥密度を低減することができるため、ｐ型半導体中の残留水素やマグネシウムの拡散を低減することができる。次いで、ＭＯＣＶＤ装置内に基板１０２を載置した後、アンモニア（ＮＨ３）ガスを供給しながら温度を１，０００℃まで上げる。次に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスとモノシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給して、基板１０２の主面の上にｎ型ＧａＮ層１０３を形成する。ｎ型ＧａＮ層１０３の膜厚は、例えば、１μｍ程度とすることができる。
【００２８】
続いて、さらにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを供給して、ｎ型ＧａＮ層１０３の上に、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ）からなるｎ型クラッド層１０４を形成する。ｎ型クラッド層１０４の膜厚は、例えば、１．０μｍ程度とすることができる。
【００２９】
次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスの供給を停止する。他のガスの供給はそのままとする。これにより、ｎ型クラッド層１０４の上に、ｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０５を形成する。ｎ型光ガイド層１０５の膜厚は、例えば、０．１μｍ程度とすることができる。
【００３０】
次に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスとモノシラン（ＳｉＨ４）ガスの供給を停止し、温度を７００℃まで下げる。そして、ｎ型光ガイド層１０５の上に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる多重量子井戸活性層１０６を形成する。
【００３１】
具体的には、まず、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスおよびアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給して、Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎからなる井戸層を成長させる。次いで、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスの供給を停止して、ＧａＮからなる障壁層を形成する。井戸層の膜厚は、例えば、３．５ｎｍ程度とすることができる。また、障壁層の膜厚は、例えば、７．０ｎｍ程度とすることができる。井戸層と障壁層を交互に形成することによって、これらの層の積層体である活性層１０６を形成することができる。例えば、井戸層と障壁層の組を３組形成して活性層１０６とすることができる。
【００３２】
次に、アンモニア（ＮＨ３）ガスを供給しながら、再び温度を１，０００℃まで上げる。そして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスおよびモノシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給して、活性層１０６の上にｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなるｎ型拡散防止層１０７を形成する。Ｎ型拡散防止層１０７の膜厚は例えば５０ｎｍとすることができ、ドーピング濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３とすることができる。
【００３３】
次に、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスの供給を停止した後、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを供給する。そして、ｎ型拡散防止層１０７の上に、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるｐ型電子障壁層１０８と、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層１０９とを順に形成する。ｐ型電子障壁層１０８の膜厚は、例えば、０．０２μｍ程度とすることができる。また、ｐ型クラッド層１０９の膜厚は、例えば、０．４μｍ程度とすることができる。
【００３４】
次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスの供給を停止すると、ｐ型クラッド層１０９の上に、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１０を形成することができる。ｐ型コンタクト層１１０の膜厚は、例えば、０．１μｍ程度とすることができる。
【００３５】
ｐ型コンタクト層１１０を形成した後は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスとシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスの供給を停止して、温度を室温まで下げる。
【００３６】
以上の工程を終えた後は、リソグラフィー法を用いてリッジ１１１を形成する。具体的には、全面にレジストを塗布した後、このレジストを所定の形状に対応したパターンに加工する。次いで、得られたレジストパターンをマスクとし、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）によって、ｐ型コンタクト層１１０とｐ型クラッド層１０９をエッチングする。これにより、リッジ１１１を形成することができる。ＲＩＥ法におけるエッチングガスとしては、例えば、塩素系ガスを用いることができる。
【００３７】
次に、ｐ型電子障壁層１０８の上に、リッジ１１１を覆うようにして絶縁膜１１２を形成する。次いで、リフトオフ法を用いて、リッジ１１１の上の絶縁膜１１２に開口部１１３を形成する。具体的には、まず、上記のレジストパターンを残した状態で、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、真空蒸着法またはスパッタリング法などによって、全面に絶縁膜１１２を形成する。絶縁膜１１２としては、例えば、膜厚０．２μｍ程度のＳｉＯ２膜を用いることができる。次に、レジストパターンとともに絶縁膜１１２を除去すると、リッジ１１１の部分に開口部１１３が形成される。
【００３８】
次に、真空蒸着法などによって、全面に白金（Ｐｔ）膜および金（Ａｕ）膜を順に形成する。次いで、リソグラフィー法を用いて、これらの膜を少なくとも開口部１１３の部分を残して除去する。これにより、開口部１１３でｐ型コンタクト層１１０にオーミックコンタクトするｐ側電極１１４を形成することができる。
【００３９】
次に、真空蒸着法などによって、基板１０２の裏面全体に、チタン（Ｔｉ）膜、白金（Ｐｔ）膜および金（Ａｕ）膜を順に形成する。その後、アロイ処理を施して、オーミック電極として機能するｎ型電極１１５を形成する。
【００４０】
以上の工程を終えた後は、劈開などによって基板１０２を棒状に加工して両共振器端面（図示せず）を形成する。次いで、これらの端面に適当なコーティングを施した後、劈開などによってさらにチップ状に加工する。これにより、半導体レーザ素子１０１を得ることができる。
【００４１】
上記の方法では、原料として、有機金属、アンモニアおよび水素が用いられる。このため、窒化物系化合物半導体層の内部には水素が取り込まれる。特に、ｐ型半導体層では、ドーパントとして用いられるマグネシウムと水素が結合するために、ｎ型半導体層よりも多くの水素が残留することになる。一般に、ｐ型半導体層中にドープされるマグネシウムの量は１×１０１８ｃｍ−３以上であり、残留水素の量は、マグネシウムと同程度またはこれ以下となる。
【００４２】
半導体層中に水素が残留すると、欠陥と並んで、半導体レーザ素子の特性や寿命を低下させる原因となる。これは、水素が活性層に拡散することによって、活性層の劣化が起こるためである。特に、上述の通り、ｐ型半導体層中には、ドーパントとしてマグネシウムが含まれており、このマグネシウムは水素と結合するので、ｐ型半導体層中には、ｎ型半導体層中よりも多くの水素が含まれることになる。したがって、半導体レーザ素子の初期劣化率を低減するには、ｐ型半導体層から活性層への水素とマグネシウムの拡散を抑制することが有効である。
【００４３】
本実施の形態によれば、拡散層とｐ型半導体層の間にｎ型拡散防止層を設けているので、ｐ型半導体層から水素やマグネシウムが活性層へ拡散するのを防ぐことができる。これは、ｐ型半導体中の残留水素はＨ＋の状態で存在しており、Ｈ＋はＮ型拡散防止層中に存在する電子に容易にトラップされるため活性層まで拡散しないからである。図８は、実施の形態１による半導体レーザ素子のマグネシウム、水素及びシリコンの深さ方向の濃度プロファイル結果を示す図である。Ｎ型拡散防止層により、ｐ型半導体中の水素やマグネシウムの活性層への拡散が防止されることが分かる。したがって、従来より初期劣化率を小さくすることができるので、長寿命で信頼性の高い半導体レーザ素子とすることが可能となる。
【００４４】
図２は、本実施の形態による半導体レーザ素子について、通電試験を行った結果を示すものである。尚、比較例として、ｎ型拡散防止層に代えて、膜厚が５０ｎｍであるアンドープのＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層を設けた以外は、上記と同様にして作製した半導体レーザ素子についても示している。
【００４５】
通電試験は、温度を８０℃とし、光出力を８０ｍＷとして行った。図２において、横軸は通電時間を表している。また、縦軸は、動作電流の上昇率、すなわち、通電開始直後の動作電流に対する動作電流の増加の割合を表している。
【００４６】
図２に示すように、比較例の半導体レーザ素子では、通電開始から２００時間経過後の動作電流の上昇率が１０％を超えている。このため、光ディスク用としての実用レベルを満たすには至らない。一方、本実施の形態の半導体レーザ素子では、通電開始から１，０００時間を経過した後であっても、動作電流の上昇率は１０％未満である。したがって、ｎ型拡散防止層を設けることにより、初期劣化率が小さくて長寿命の半導体レーザ素子を実現できることが分かった。
【００４７】
図３は、本実施の形態による半導体レーザ素子について、拡散防止層における不純物のドーピング濃度を変えて通電試験を行った結果を示すものである。ここで、ｎ型拡散防止層の膜厚は５０ｎｍである。
【００４８】
図３において、横軸は、不純物としてのシリコンのドーピング濃度であり、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲で変化している。また、縦軸は、通電開始から１，０００時間経過後の動作電流の上昇率を表している。尚、通電試験は、温度を８０℃とし、光出力を８０ｍＷとして行った。
【００４９】
図３に示すように、シリコンのドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３より小さくなると、動作電流の上昇率が大きくなって、劣化の程度が大きくなる。これは、拡散防止層中のｎ型不純物の濃度が少ないことによって、ｐ型半導体層中のマグネシウムや水素が活性層に拡散して行くのを有効に防止できていないためと考えられる。また、シリコンのドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３より大きくなった場合にも、動作電流の上昇率は大きくなる。これは、拡散防止層を構成するｎ型ＡｌＧａＮ層の結晶性が低下することによって、半導体レーザ素子の劣化が大きくなるためと考えられる。
【００５０】
図３より、シリコンのドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下である場合には、動作電流の上昇率が１０％以下となっていることが分かる。特に、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上で２×１０１９ｃｍ−３以下であれば、動作電流の上昇率は低い値に抑制される。すなわち、ドーピング濃度がこの範囲であれば、ｐ型半導体層中のマグネシウムや水素が活性層に拡散して行くのを有効に防止できるので、初期劣化率を小さくして長寿命の半導体レーザ素子とすることができる。
【００５１】
尚、ｎ型不純物をシリコンに代えてセレンや硫黄を用いた場合にも、５×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下のドーピング濃度とすることが好ましく、１×１０１８ｃｍ−３以上で２×１０１９ｃｍ−３以下のドーピング濃度とすることがより好ましい。
【００５２】
図４は、本実施の形態による半導体レーザ素子について、ｎ型ＡｌＧａＮ拡散防止層の膜厚を変えて通電試験を行った結果を示すものである。横軸は、拡散防止層の膜厚であり、０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で変化している。また、縦軸には、通電開始から１，０００時間経過後の動作電流の上昇率と、動作電圧とを示している。尚、通電試験は、温度を８０℃とし、光出力を８０ｍＷとして行った。また、ｎ型不純物としてのシリコンのドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３とした。
【００５３】
図４に示すように、拡散防止層の膜厚が５ｎｍより薄くなると、動作電流の上昇率が大きくなって、劣化の程度が大きくなる。これは、拡散防止層に含まれるｎ型不純物の量が少ないことによって、ｐ型半導体層中のマグネシウムや水素が活性層に拡散して行くのを有効に防止できていないためと考えられる。一方、拡散防止層の膜厚が５ｎｍ以上であれば、動作電流の上昇率を小さくすることができる。すなわち、膜厚が５ｎｍ以上になれば、ｐ型半導体層中のマグネシウムや水素が活性層に拡散して行くのを有効に防止することが可能となる。
【００５４】
しかし、拡散防止層の膜厚が厚くなると、動作電圧は次第に上昇するようになる。これは、Ｎ型拡散防止層の膜厚が厚くなると、ＰＮ接合がリモートジャンクションと呼ばれる状態となり、ポテンシャル障壁が増大するためである。リモートジャンクションの形成される影響が少ないＮ型拡散防止層の膜厚は２００ｎｍ程度までであり、それより厚くなると動作電圧は６Ｖを超えてしまう。半導体レーザ素子を光ディクスに用いた場合、このことは、消費電力の増大を招く結果となることから好ましくない。また、Ｎ型拡散防止層の膜厚が厚くなると、キャリアの活性層への注入効率も低下することから、レーザ特性の劣化も生じる。
【００５５】
以上より、拡散防止層の膜厚は、５ｎｍ以上で２００ｎｍ以下とすることが好ましく、特に、動作電流の上昇率を効果的に抑制できる点から、１０ｎｍ以上で１５０ｎｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以上で１００ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００５６】
このように、活性層とｐ型クラッド層の間にｎ型拡散防止層を設けることによって、ｐ型クラッド層から活性層にマグネシウムや水素が移動するのを防ぐことができる。したがって、従来より初期劣化率が小さくて長寿命の半導体レーザ素子とすることができる。この場合、ｎ型拡散防止層におけｎ型不純物のドーピング濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上で５×１０１９ｃｍ−３以下とすることが好ましい。また、ｎ型拡散防止層の膜厚は、５ｎｍ以上で２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５７】
尚、上記実施の形態では、ｎ型拡散防止層とｐ型クラッド層との間に、ｐ型電子障壁層をｎ型拡散防止層に接するようにして設けた。本発明においては、ｐ型電子障壁層は必ずしも設けなくてもよいが、ｐ型電子障壁層を設けることにより、ｐ型クラッド層から活性層にマグネシウムや水素が拡散するのを一層効果的に抑制することが可能となる。
【００５８】
また、本実施の形態では、図５に示すように、活性層１０６とｎ型拡散防止層１０７の間に、アンドープのガイド層１１６を設けることも可能である。尚、図５において、図１と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００５９】
ガイド層１１６としては、例えば、膜厚が３０ｎｍであるアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層を用いることができる。ガイド層１１６を設けることにより、光の閉じ込めを良好にすることができ、所望の遠視野像（ＦＦＰ；Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）を得ることができる。
【００６０】
さらに、本実施の形態では、図６に示すように、ｎ型拡散防止層１０７とｐ型電子障壁層１０８の間に、アンドープのＧａＮ層１１７を設けることも可能である。尚、図６において、図１または図５と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００６１】
ＧａＮ層１１７の膜厚は、例えば、５ｎｍ程度とすることができる。ＧａＮ層１１７を設けることにより、ｐ型電子障壁層１０８とＧａＮ層１１７との間の伝導帯エネルギー差（ΔＥｃ）によって、活性層１０６に注入された電子のオーバーフローに対するブロッキング効果を高めることができる。したがって、高温および高出力時においても優れたレーザ特性とすることが可能となる。尚、アンドープのＧａＮ層に代えて、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層を用いることもできる。この場合には、ΔＥｃをさらに大きくすることができるので、電子のオーバーフローを一層抑制することが可能となる。
【００６２】
実施の形態２．
実施の形態１では、ｎ型拡散防止層として、単一の層からなるｎ型ＡｌＧａＮ層を用いた。これに対して、本実施の形態では、式（２）に示す化合物から形成されて複数の層からなるｎ型拡散防止層を用いる。
【００６３】
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＜１）      （２）
【００６４】
図７は、本実施の形態におけるIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体レーザ素子の断面図である。
【００６５】
図７に示すように、半導体レーザ素子２０１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板２０２の表面に、ｎ型ＧａＮ層２０３、ｎ型クラッド層２０４、ｎ型光ガイド層２０５、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２０６、ｎ型拡散防止層２０７、ｐ型電子障壁層２０８、ｐ型クラッド層２０９、およびｐ型コンタクト層２１０が順に積層された構造を有している。また、ｐ型クラッド層２０９およびｐ型コンタクト層２１０には、ストライプ状のリッジ２１１が形成されている。リッジ２１１は、活性層２０６の内部で電流が狭窄される領域である導波路を規定するために設けられる。尚、ｎ型ＧａＮ層２０３やｎ型光ガイド層２０５はなくてもよい。
【００６６】
ｐ型電子障壁層２０８の上には、リッジ２１１を覆うようにして絶縁膜２１２が形成されている。但し、リッジ２１１の上の絶縁膜２１２には開口部２１３が設けられており、開口部２１３において、ｐ型コンタクト層２１０にｐ側電極２１４が接触している。一方、基板２０２において、ｎ型ＧａＮ層２０３が形成されていない方の面には、ｎ側電極２１５が設けられている。
【００６７】
ｐ側電極２１４とｎ側電極２１５の間に順方向の電流を供給すると、活性層２０６の内部に電子と正孔が注入されて光が発生する。この光は、導波路に閉じ込められて増幅し、共振面の出射端面側からレーザ光となって放出される。
【００６８】
半導体レーザ素子２０１は、実施の形態１と同様にして製造することができるが、実施の形態１とは、ｎ型拡散防止層２０７が、ｎ型ＡｌＧａＮ層２０７ａとｎ型ＩｎＧａＮ層２０７ｂとからなる点で異なる。これらの層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて形成することができる。
【００６９】
ｎ型ＡｌＧａＮ層２０７ａは、例えば、アンモニア（ＮＨ３）ガスを供給しながら、温度を１，０００℃まで上げた後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスおよびモノシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給することによって形成することができる。この場合、アルミニウムとガリウムの組成比は、３％：９７％とすることができる。
【００７０】
ｎ型ＩｎＧａＮ層２０７ｂは、例えば、温度を７００℃まで下げた後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスおよびアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給することによって形成することができる。この場合、インジウムとガリウムの組成比は、２％：９８％とすることができる。
【００７１】
ｎ型ＡｌＧａＮ層２０７ａおよびｎ型ＩｎＧａＮ層２０７ｂに用いられるｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）または硫黄（Ｓ）などを挙げることができる。これらのドーピング濃度は、ｎ型拡散防止層２０７の全体で５×１０１７ｃｍ−３以上とすることが好ましい。ドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３より小さくなると、拡散防止層２０７中のｎ型不純物の濃度が少ないことによって、ｐ型クラッド層２０９中のマグネシウムや水素が活性層２０６に拡散して行くのを有効に防止できない。このため、動作電流の上昇率が大きくなって、劣化の程度が増大してしまう。一方、ドーピング濃度の上限は、ｎ型ＡｌＧａＮ層２０７ａやｎ型ＩｎＧａＮ層２０７ｂの結晶性を考慮して決定することができる。具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮ層２０７ａとｎ型ＩｎＧａＮ層２０７ｂのそれぞれについて、５×１０１９ｃｍ−３以下とすることが好ましい。
【００７２】
ｎ型拡散防止層２０７の膜厚、すなわち、ｎ型ＡｌＧａＮ層２０７ａとｎ型ＩｎＧａＮ層２０７ｂの各膜厚の合計は、５ｎｍ以上で２００ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以上で１５０ｎｍ以下とすることがより好ましく、５０ｎｍ以上で１００ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。ｎ型拡散防止層２０７の膜厚が５ｎｍより薄くなると、動作電流の上昇率が大きくなって、劣化の程度が大きくなる。一方、ｎ型拡散防止層２０７の膜厚が５ｎｍ以上であれば、動作電流の上昇率を小さくすることができるが、膜厚が厚くなると動作電圧が上昇するようになるので、２００ｎｍ以下の膜厚とすることが好ましい。
【００７３】
本実施の形態の構成によれば、実施の形態１と同様に、ｐ型クラッド層から活性層にマグネシウムや水素が移動するのを防ぐことができる。したがって、従来より初期劣化率が小さくて長寿命の半導体レーザ素子とすることができる。
【００７４】
尚、本実施の形態では、ｎ型拡散防止層２０７が、ｎ型ＡｌＧａＮ層２０７ａとｎ型ＩｎＧａＮ層２０７ｂの２つの層からなる例について述べた。しかし、本発明のｎ型拡散防止層は、これに限られるものではなく、式（２）に示す化合物から形成されて複数の層からなるものであれば、３つ以上の層からなっていてもよい。
【００７５】
また、本実施の形態では、ｎ型拡散防止層２０７を形成する層のいずれにもｎ型不純物がドープされている例について述べた。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、ｎ型拡散防止層を形成する層の内の少なくとも１つに、ｎ型不純物がドープされていればよい。例えば、ｎ型拡散防止層を、ｎ型ＡｌＧａＮ層と、アンドープのＩｎＧａＮ層とからなるものとすることもできる。このような構成であっても、ｐ型クラッド層から活性層にマグネシウムや水素が移動するのを防ぐことができるので、従来より初期劣化率が小さくて長寿命の半導体レーザ素子とすることができる。
【００７６】
また、本実施の形態では、ｎ型拡散防止層とｐ型クラッド層との間に、ｐ型電子障壁層をｎ型拡散防止層に接するようにして設けた。本発明においては、ｐ型電子障壁層は必ずしも設けなくてもよいが、ｐ型電子障壁層を設けることにより、ｐ型クラッド層から活性層にマグネシウムや水素が拡散するのを一層効果的に抑制することが可能となる。
【００７７】
ｐ型電子障壁層を設ける場合、さらに、ｎ型拡散防止層とｐ型電子障壁層の間に、アンドープのＧａＮ層を設けることが好ましい。ＧａＮ層の膜厚は、例えば、５ｎｍ程度とすることができる。ＧａＮ層を設けることにより、ｐ型電子障壁層とＧａＮ層との間の伝導帯エネルギー差（ΔＥｃ）によって、活性層に注入された電子のオーバーフローに対するブロッキング効果を高めることができる。したがって、高温および高出力時においても優れたレーザ特性とすることが可能となる。尚、アンドープのＧａＮ層に代えて、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層を用いることもできる。この場合には、ΔＥｃをさらに大きくすることができるので、電子のオーバーフローを一層抑制することが可能となる。
【００７８】
また、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、活性層とｎ型拡散防止層の間に、アンドープのガイド層を設けることも可能である。ガイド層としては、例えば、膜厚が３０ｎｍであるアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層を用いることができる。ガイド層を設けることにより、光の閉じ込めを良好にすることができ、所望の遠視野像（ＦＦＰ；Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）を得ることができる。
【００７９】
尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【００８０】
例えば、上記各実施の形態においては、半導体レーザ素子を例に挙げたが、本発明はこれに限られるものではなく、発光ダイオードなどの他の半導体発光素子に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】実施の形態１における半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】実施の形態１による半導体レーザ素子について、通電試験を行った結果を示す図である。
【図３】実施の形態１による半導体レーザ素子について、ｎ型拡散防止層における不純物のドーピング濃度を変えて通電試験を行った結果を示す図である。
【図４】実施の形態１による半導体レーザ素子について、ｎ型拡散防止層の膜厚を変えて通電試験を行った結果を示す図である。
【図５】実施の形態１における他の半導体レーザ素子の断面図である。
【図６】実施の形態１における他の半導体レーザ素子の断面図である。
【図７】実施の形態２における半導体レーザ素子の断面図である。
【図８】実施の形態１による半導体レーザ素子のマグネシウム、水素及びシリコンの深さ方向の濃度プロファイル結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０１，２０１  半導体レーザ素子
１０２，２０２  基板
１０３，２０３  ｎ型ＧａＮ層
１０４，２０４  ｎ型クラッド層
１０５，２０５  ｎ型ガイド層
１０６，２０６  活性層
１０７，２０７  ｎ型拡散防止層
１０８，２０８  ｐ型電子障壁層
１０９，２０９  ｐ型クラッド層
１１０，２１０  ｐ型コンタクト層
１１１，２１１  リッジ
１１２，２１２  絶縁膜
１１３，２１３  開口部
１１４，２１４  ｐ側電極
１１５，２１５  ｎ側電極
１１６  アンドープのガイド層
１１７  アンドープのＧａＮ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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