(57)【要約】【課題】高温、高出力駆動時に、活性層への正孔の注入を阻害することなく、電子のオーバーフローを抑制することができ、駆動電流および駆動電圧の大幅な低減が可能な、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７と、これに接したＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８と、これに接したｐ型ＧａＮ光導波層９と、これに接したｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０とを有する半導体発光素子を製造する場合に、活性層７およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８は実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、ｐ型ＧａＮ光導波層９およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０は窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させる。【選択図】図１
2008277867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
上記活性層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなるキャップ層と、
上記キャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、
上記光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する半導体発光素子を製造する場合に、
上記活性層および上記キャップ層は、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、
上記光導波層および上記ｐ型クラッド層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにした半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
上記実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気はＮ2 ガス雰囲気である請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
上記窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気はＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気である請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
上記活性層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第１のキャップ層と、
上記第１のキャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、
上記光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第９の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３の厚さを有する障壁層とＧａを含む第１０の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第４の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第２のキャップ層と、
上記第２のキャップ層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する半導体発光素子を製造する場合に、
上記活性層および上記第１のキャップ層は、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、
上記光導波層、上記第２のキャップ層および上記ｐ型クラッド層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにした半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
上記活性層に接した、Ｇａを含む第１１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の光導波層と、
上記第１の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなるキャップ層と、
上記キャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の光導波層と、
上記第２の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する半導体発光素子を製造する場合に、
上記活性層、上記第１の光導波層および上記キャップ層は、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、
上記第２の光導波層および上記ｐ型クラッド層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにした半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
上記活性層に接した、Ｇａを含む第１１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の光導波層と、
上記第１の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第１のキャップ層と、
上記第１のキャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の光導波層と、
上記第２の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第９の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３の厚さを有する障壁層とＧａを含む第１０の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第４の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第２のキャップ層と、
上記第２のキャップ層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する半導体発光素子を製造する場合に、
上記活性層、上記第１の光導波層および上記第１のキャップ層は、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、
上記第２の光導波層、上記第２のキャップ層および上記ｐ型クラッド層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにした半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体発光素子の製造方法に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われている。この半導体レーザのうち、特に光ディスクに対する書き込み用の高出力半導体レーザの実現に必要とされるのは、高温、高出力下での低い駆動電流および長寿命である。
【０００３】
これまでに報告されている書き込み用高出力半導体レーザにおいては、ｐ型クラッド層側の活性層の直上にｐ型ＡｌＧａＮからなるキャップ層が設けられている（例えば、特開平９−２１９５５６号公報）。この半導体レーザにおいては、このキャップ層が活性層からのＩｎの脱離を防ぎ、かつ、高温、高電流駆動時の電子のオーバーフローを抑制すると考えられている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２１９５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、報告されている上述の書き込み用高出力半導体レーザにおいては、活性層直上のｐ型ＡｌＧａＮキャップ層は、電子のオーバーフローを抑制することから高温、高出力駆動時の駆動電流低減には有効に働くが、正孔に対しても障壁層として働くため、正孔の活性層への注入を阻害するという好ましからざる面を持っている。このことは、駆動電圧の上昇を招き、ひいては半導体レーザの寿命を制限する要因となる。
さらに、一般的に、ＡｌＧａＮはＧａＮに比べてアクセプタのイオン化エネルギーが大きいため、Ｍｇをドーピングしても高い正孔濃度が得られにくい。このことは、活性層直上のｐ型ＡｌＧａＮキャップ層の抵抗が高いことを意味しており、半導体レーザの駆動電圧の上昇につながる。
【０００６】
したがって、この発明が解決しようとする課題は、高温、高出力駆動時に、活性層への正孔の注入を阻害することなく、電子のオーバーフローを抑制することができ、駆動電流および駆動電圧の大幅な低減が可能な、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子およびそのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層がはさまれた構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
活性層とｐ型クラッド層との間に、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなるキャップ層が、少なくとも一つ設けられている
ことを特徴とするものである。
【０００８】
この発明の第１の発明においては、場合によっては、超格子からなるキャップ層に、従来と同様な単一のｐ型ＡｌＧａＮ層からなるキャップ層を組み合わせてもよい。具体的には、例えば、活性層に近い側に従来と同様な単一のｐ型ＡｌＧａＮ層からなるキャップ層を設け、遠い側に超格子からなるキャップ層を設けてもよい。
【０００９】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、一般的には、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によってさらにＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなり、具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。
【００１０】
この発明の第２の発明は、
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
活性層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなるキャップ層と、
キャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、
光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１１】
この発明の第３の発明は、
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
活性層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第１のキャップ層と、
第１のキャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、
光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第９の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３の厚さを有する障壁層とＧａを含む第１０の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第４の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第２のキャップ層と、
第２のキャップ層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１２】
この発明の第４の発明は、
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
活性層に接した、Ｇａを含む第１０の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の光導波層と、
第１の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなるキャップ層と、
キャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の光導波層と、
第２の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１３】
この発明の第５の発明は、
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
活性層に接した、Ｇａを含む第１１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の光導波層と、
第１の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第１のキャップ層と、
第１のキャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の光導波層と、
第２の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第９の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３の厚さを有する障壁層とＧａを含む第１０の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第４の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第２のキャップ層と、
第２のキャップ層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１４】
この発明の第４および第５の発明において、第１の光導波層を構成する第１１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、この第１の光導波層の抵抗の低減の観点より、好適にはｐ型不純物がドープされず、アンドープである。また、活性層のｐ型クラッド層に最も近い井戸層とキャップ層あるいは第１のキャップ層の活性層に最も近い障壁層との間の距離は、１０ｎｍより小さいとこれらのキャップ層あるいは第１のキャップ層により活性層が受ける歪の影響が顕著になり、一方、１５０ｎｍより大きいと電子と正孔との再結合が、通常ｐ型とされる第２の光導波層で起こる確率が増え、半導体発光素子の駆動電流が増大するため、これらを防止する観点より、好適には１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下に選ばれる。
【００１５】
この発明の第６の発明は、
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
活性層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなるキャップ層と、
キャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、
光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、
活性層およびキャップ層は、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、
光導波層およびｐ型クラッド層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００１６】
この発明の第７の発明は、
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
活性層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第１のキャップ層と、
第１のキャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、
光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第９の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３の厚さを有する障壁層とＧａを含む第１０の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第４の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第２のキャップ層と、
第２のキャップ層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、
活性層および第１のキャップ層は、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、
光導波層、第２のキャップ層およびｐ型クラッド層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【００１７】
この発明の第８の発明は、
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
活性層に接した、Ｇａを含む第１１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の光導波層と、
第１の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなるキャップ層と、
キャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の光導波層と、
第２の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、
活性層、第１の光導波層およびキャップ層は、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、
第２の光導波層およびｐ型クラッド層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００１８】
この発明の第９の発明は、
ＩｎおよびＧａを含む第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＩｎおよびＧａを含む第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、
活性層に接した、Ｇａを含む第１１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の光導波層と、
第１の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第１のキャップ層と、
第１のキャップ層に接した、Ｇａを含む第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の光導波層と、
第２の光導波層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第９の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３の厚さを有する障壁層とＧａを含む第１０の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第４の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなる第２のキャップ層と、
第２のキャップ層に接した、ＡｌおよびＧａを含む第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを有する半導体発光素子の製造方法であって、
活性層、第１の光導波層および第１のキャップ層は、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させ、
第２の光導波層、第２のキャップ層およびｐ型クラッド層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００１９】
この発明の第５〜第９の発明において、半導体発光素子の各層の成長時のキャリアガス雰囲気については、活性層からのＩｎの脱離をより効果的に防止する観点より、最も好適には、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気としてＮ2 ガス雰囲気を用い、一方、ｐ型層の抵抗の低減を図る観点より、最も好適には、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気としてＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気を用いる。
【００２０】
この発明の第２〜第９の発明において、ＡｌおよびＧａを含む第１、第６、第７および第９の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＡｌおよびＧａ以外のＩＩＩ族元素、例えばＩｎやＢなどを含むこともあり、Ｖ族元素としてＡｓやＰなどを含むこともある。また、Ｇａを含む第２、第５、第８、第１０および第１１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ以外のＩＩＩ族元素、例えばＩｎやＡｌやＢなどを含むこともあり、Ｖ族元素としてＡｓやＰなどを含むこともある。また、ＩｎおよびＧａを含む第３および第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩｎおよびＧａ以外のＩＩＩ族元素、例えばＡｌやＢなどを含むこともあり、Ｖ族元素としてＡｓやＰなどを含むこともある。
【００２１】
この発明において、キャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層の障壁層および井戸層の厚さは、１ｎｍより小さいと活性層に注入される電子のオーバーフローの抑制効果が小さくなりすぎ、１０ｎｍより大きいと活性層に与える歪みが大きくなって劣化が生じるおそれがあるため、好適には、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下に選ばれ、より好適には、１ｎｍ以上５ｎｍ以下に選ばれ、さらに好適には、１．５〜３．５ｎｍに選ばれる。これらの障壁層および井戸層の厚さは互いに異なっていてもよいし、互いに同一であってもよい。
【００２２】
好適には、キャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層の障壁層を構成する第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はアンドープであり、それらの井戸層を構成する第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はｐ型不純物、例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされる。また、典型的には、キャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層の障壁層を構成する第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＡｌz Ｇａ1-z Ｎ（ただし、０＜ｙ＜１）であり、それらの井戸層を構成する第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＧａＮである。ここで、このＡｌz Ｇａ1-z ＮのＡｌ組成ｚは、０．１２（１２％）より小さいと電子のオーバーフローの抑制効果が小さくなりすぎ、０．３（３０％）より大きいと成長層に生じる歪みが大きくなってエピタキシャル成長が難しくなることから、好適には０．１２以上０．３以下に選ばれ、より好適には０．１２以上０．２以下に選ばれる。キャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層の障壁層を構成する第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてはＡｌz Ｇａ1-z-w Ｉｎw Ｎ（ただし、０＜ｚ＜１、０＜ｗ＜１かつ０＜ｚ＋ｗ＜１）を用いてもよく、この場合にはキャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層により活性層に生じる歪みがより小さくなるため、活性層の劣化をより有効に防止することができる。一方、キャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層の井戸層を構成する第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてはＩｎp Ｇａ1-p Ｎ（ただし、０＜ｐ＜１）を用いてもよい。
【００２３】
典型的には、活性層の障壁層を構成する第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０≦ｘ＜１）であり、活性層の井戸層を構成する第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＩｎy Ｇａ1-y Ｎ（ただし、０＜ｙ＜１かつｙ＞ｘ）である。ここで、活性層に注入される電子に対する急峻な障壁を形成し、オーバーフローをより効果的に防止する観点より、好適には、活性層のｐ型クラッド層に最も近い井戸層にキャップ層の活性層に最も近い障壁層が接するようにする。
【００２４】
活性層に注入される電子のオーバフローを効果的に抑制する観点より、好適には、キャップ層の平均バンドギャップエネルギーはｐ型クラッド層の平均バンドギャップエネルギーより大きい。また、ｐ側電極から注入される正孔が活性層に移動しやすくする観点より、好適には、ｐ型クラッド層はＡｌおよびＧａを含む第７の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層とＧａを含む第８の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる井戸層とが交互に積層された超格子からなる。ここで、好適には、ｐ型クラッド層の障壁層を構成する第７の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はアンドープであり、ｐ型クラッド層の井戸層を構成する第８の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はｐ型不純物、例えばＭｇがドープされている。
【００２５】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる基板としては、種々のものを用いることができ、具体的には、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、スピネル基板、酸化シリコン基板などのほか、厚いＧａＮ層などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる基板を用いてもよい。
【００２６】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長またはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）などを用いることができる。
【００２７】
上述のように構成されたこの発明によれば、活性層とｐ型クラッド層との間、具体的には、例えば、活性層に接して、あるいは、活性層に接した第１の光導波層に接して超格子からなるキャップ層が設けられ、場合によってはさらに、ｐ型クラッド層の直前に超格子からなるキャップ層が設けられていることにより、活性層に注入される電子は超格子からなるキャップ層の障壁層によりこのキャップ層を通り抜けるのが抑制されるとともに、ｐ側電極から注入され、ｐ型クラッド層を通り抜けた正孔は超格子からなるキャップ層をトンネル効果により容易に通り抜けて活性層に注入されるようになる。ここで、特に、キャップ層を構成する障壁層および井戸層をそれぞれ同一の厚さに設定しているため、これらの井戸層に形成されるエネルギー準位は互いに一致することから、このトンネル効果は共鳴的に起こり、正孔のトンネルの確率は極めて高い。
【００２８】
また、第６の発明においては活性層およびキャップ層を、第７の発明においては活性層および第１のキャップ層を、第８の発明においては活性層、第１の光導波層およびキャップ層を、第９の発明においては活性層、第１の光導波層および第１のキャップ層を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにしているので、活性層からＩｎが脱離するのを抑えることができ、活性層の劣化を防止することができる。また、第６の発明においては光導波層およびｐ型クラッド層を、第７の発明においては光導波層、第２のキャップ層およびｐ型クラッド層を、第８の発明においては第２の光導波層およびｐ型クラッド層を、第９の発明においては第２の光導波層、第２のキャップ層およびｐ型クラッド層を、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させるようにしているので、通常ｐ型層とされるこれらの光導波層、第２のキャップ層あるいは第２の光導波層、あるいはｐ型クラッド層を良好な結晶性で成長させることができる。
また、キャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層を構成する障壁層の厚さは同一で、井戸層の厚さも同様に同一であるため、これらの障壁層および井戸層の成長が容易である。特に、障壁層の厚さと井戸層の厚さとを同一とすることにより、これらの成長は極めて容易になる。
【発明の効果】
【００２９】
この発明によれば、活性層とｐ型クラッド層との間に、ＡｌおよびＧａを含む第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１の厚さを有する障壁層とＧａを含む第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２の厚さを有する井戸層とが交互に積層された超格子からなるキャップ層が、少なくとも一つ設けられ、より具体的には、例えば、活性層に接して、あるいは、活性層に接した第１の光導波層に接して超格子からなるキャップ層が設けられ、場合によってはさらに、ｐ型クラッド層の直前に超格子からなるキャップ層が設けられていることにより、活性層に注入される電子は超格子からなるキャップ層の障壁層によりこのキャップ層を通り抜けるのが抑制されるとともに、ｐ側電極から注入され、ｐ型クラッド層を通り抜けた正孔は超格子からなるキャップ層をトンネル効果により容易に通り抜けて活性層に注入されるようになる。このため、高温、高出力駆動時の駆動電流および駆動電圧の大幅な低減が可能である。
また、半導体発光素子を構成する各層の成長時のキャリアガス雰囲気を、各層に合わせて、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気と窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気とで使い分けているので、活性層からのＩｎの脱離を防止することができるとともに、ｐ型層の結晶性を良好にすることができる。さらに、キャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層を構成する障壁層および井戸層をそれぞれ同一の厚さに設定していることにより、これらのキャップ層あるいは第１のキャップ層あるいは第２のキャップ層の成長が容易である。これらにより、半導体発光素子の製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００３１】
図１は、この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、リッジ構造およびＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有するものである。
【００３２】
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板１上に、低温成長によるアンドープＧａＮバッファ層２を介して、ＥＬＯなどの横方向結晶成長技術を用いて成長されたアンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、例えばアンドープのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８、ｐ型ＧａＮ光導波層９、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１が順次積層されている。なお、ｐ型クラッド層としてｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０を用いているのは、トンネル効果により正孔が通りやすくするためである。
【００３３】
ここで、アンドープＧａＮバッファ層２は厚さが例えば３０ｎｍである。アンドープＧａＮ層３は厚さが例えば０．５μｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は厚さが例えば４μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は厚さが例えば１．０μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、Ａｌ組成は例えば０．０７である。ｎ型ＧａＮ光導波層６は厚さが例えば０．１μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。また、アンドープＩｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７は、障壁層としてのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層と井戸層としてのＩｎy Ｇａ1-y Ｎ層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層の厚さが７ｎｍでｘ＝０．０２、井戸層としてのＩｎy Ｇａ1-y Ｎ層の厚さが３．５ｎｍでｙ＝０．１４、井戸数が３である。
【００３４】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８は、例えば厚さが２．５ｎｍでＡｌ組成が０．１８のアンドープのＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが同じく２．５ｎｍでｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、障壁層としてのＡｌＧａＮ層の合計の厚さは例えば１００ｎｍである。このＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８は、ｐ型ＧａＮ光導波層９、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１の成長時に活性層７からＩｎが脱離して劣化するのを防止するとともに、活性層９からの電子のオーバーフローを防止するためのものである。
【００３５】
ｐ型ＧａＮ光導波層９は厚さが例えば０．１μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０は、例えば厚さが２．５ｎｍでＡｌ組成が０．１２のアンドープのＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが同じく２．５ｎｍのＭｇがドープされたＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、全体の厚さは例えば０．５μｍである。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１は厚さが例えば０．１μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００３６】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、活性層７、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８、ｐ型ＧａＮ光導波層９およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０は所定幅のメサ形状を有する。このメサ部におけるｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０の上層部およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１には、例えば〈１−１００〉方向に延在するリッジ１２が形成されている。このリッジ１２の幅は例えば３μｍである。
【００３７】
上記のメサ部の全体を覆うように例えば厚さが０．３μｍのＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１３が設けられている。この絶縁膜１３は、電気絶縁および表面保護のためのものである。この絶縁膜１３のうちのリッジ１２の上の部分には開口１３ａが設けられており、この開口１３ａを通じてｐ型ＧａＮコンタクト層１１にｐ側電極１４が接触している。このｐ側電極１４は、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。一方、絶縁膜１３のうちのメサ部に隣接する所定部分には開口１３ｂが設けられており、この開口１３ｂを通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にｎ側電極１５が接触している。このｎ側電極１５は、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍである。
【００３８】
このＧａＮ系半導体レーザの要部のエネルギーバンド構造を図２に示す。図２において、Ｅc は伝導帯の下端のエネルギー、Ｅv は価電子帯の上端のエネルギーを示す。
【００３９】
次に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば５００℃程度の温度でアンドープＧａＮバッファ層２を成長させた後、例えばＥＬＯなどの横方向結晶成長技術を用いて例えば１０００℃の成長温度で、アンドープＧａＮ層３を成長させる。
【００４０】
引き続いて、アンドープＧａＮ層３上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＮコンタクト層４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８、ｐ型ＧａＮ光導波層９、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１を順次成長させる。ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＧａＮコンタクト層４からｎ型ＧａＮ光導波層６までは１０００℃、活性層７からｐ型ＧａＮ光導波層９までは７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１は１０００℃とする。
【００４１】
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはＮＨ3 を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００４２】
また、これらのＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮコンタクト層４からｎ型ＧａＮ光導波層６まではＮ2 とＨ2 との混合ガス、活性層７およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８はＮ2 ガス雰囲気、ｐ型ＧａＮ光導波層９からｐ型ＧａＮコンタクト層１１まではＮ2 とＨ2 との混合ガスを用いる。この場合、活性層７を成長させた後、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８の成長まではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、活性層７の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＧａＮ光導波層９からｐ型ＧａＮコンタクト層１１までの成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、これらのｐ型層を良好な結晶性で成長させることができる。
【００４３】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．１μｍのＳｉＯ2 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ2 膜上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ2 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層４に達するまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、活性層７、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８、ｐ型ＧａＮ光導波層９、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１がメサ形状にパターニングされる。
【００４４】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ2 膜をエッチング除去した後、再び基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．２μｍのＳｉＯ2 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ2 膜上にリソグラフィーによりリッジ部に対応する所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ2 膜をエッチングし、リッジ部に対応する形状とする。
【００４５】
次に、このＳｉＯ2 膜をマスクとしてＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０の厚さ方向の所定の深さまでエッチングを行うことによりリッジ１２を形成する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【００４６】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ2 膜をエッチング除去した後、基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．３μｍのＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１３を成膜する。
【００４７】
次に、リソグラフィーによりｎ側電極形成領域を除いた領域の絶縁膜１３の表面を覆うレジストパターン（図示せず）を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜１３をエッチングすることにより、開口１３ｂを形成する。
【００４８】
次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、絶縁膜１３の開口１３ｂを通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にコンタクトしたｎ側電極１５が形成される。ここで、このｎ側電極１５を構成するＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍである。次に、ｎ側電極１５をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００４９】
次に、同様なプロセスで、リッジ１２の上の部分の絶縁膜１３をエッチング除去して開口１３ａを形成した後、ｎ側電極１５と同様にして、この開口１３ａを通じてｐ型ＧａＮコンタクト層１１にコンタクトしたＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ構造のｐ側電極１４を形成する。
【００５０】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらにこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。
以上により、目的とするリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００５１】
以上のように、この第１の実施形態によれば、活性層７に接してＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８が設けられているので、ｎ側電極１５から活性層７に注入される電子はこのＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８の障壁層、すなわちＡｌＧａＮ層により通り抜けるのを防止することができ、高温、高出力駆動時の電子のオーバーフローを防止することができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザの駆動電流および駆動電圧の低減を図ることができる。また、ｐ側電極１４から注入され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮ光導波層９を通ってＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８に到達した正孔はこのＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８をトンネル効果により容易に通り抜けて活性層７に注入されるので、正孔の活性層７への注入も容易となり、ＧａＮ系半導体レーザの駆動電圧の低減を図ることができる。さらに、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８の井戸層、すなわちＧａＮ層にはｐ型不純物としてＭｇがドープされていて低抵抗率となっているので、キャップ層をノンドープのＡｌＧａＮ層だけで形成する場合に比べてキャップ層の抵抗の低減を図ることができ、ＧａＮ系半導体レーザの駆動電圧のより一層の低減を図ることができる。そして、これらの駆動電流および駆動電圧の低減により、ＧａＮ系半導体レーザの長寿命化を図ることができる。
【００５２】
また、一般に活性層７の近傍にＡｌＧａＮ層を形成すると、このＡｌＧａＮ層により活性層７は格子歪みを受けるため、活性層７における発光が不均一になるという問題があり、これはＧａＮ系半導体レーザの駆動電流の増大につながる。しかしながら、この第１の実施形態においては、活性層７に接して形成するのは厚さ２．５ｎｍと十分に薄いＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に積層したＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８であるので、活性層７が受ける歪みが低減され、活性層７における発光の不均一性の抑制を図ることができ、発光むらを防止することができる。
【００５３】
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、高温、高出力駆動時の駆動電流および駆動電圧の低減を図ることができ、長寿命でもあることから、特に、光ディスクに対する書き込み用高出力半導体レーザとして用いて好適なものである。
【００５４】
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８の障壁層および井戸層とも同じ厚さであるので、このＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８の成長が容易であり、ＧａＮ系半導体レーザの製造も容易である。
【００５５】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図３はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。
図３に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、活性層７に接してアンドープＧａＮ光導波層１６が設けられ、このアンドープＧａＮ光導波層１６に接してＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８が設けられ、このＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８に接してｐ型ＧａＮ光導波層９が設けられ、このｐ型ＧａＮ光導波層９に接してｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０が設けられている。アンドープＧａＮ光導波層１６はｎ型伝導性を示す。このアンドープＧａＮ光導波層１７の厚さは一般的には１０〜１５０ｎｍであるが、ここでは２０ｎｍとする。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同一であるので、説明を省略する。
【００５６】
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、基本的には第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるが、この場合、特に各層の成長時の成長温度およびキャリアガス雰囲気を次のように設定する。すなわち、成長温度については、例えば、ｎ型ＧａＮコンタクト層４からｎ型ＧａＮ光導波層６までは１０００℃、活性層７からｐ型ＧａＮ光導波層９までは７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１２は１０００℃とする。また、キャリアガス雰囲気については、例えば、ｎ型ＧａＮコンタクト層４からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５まではＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気、ｎ型ＧａＮ光導波層６からＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８まではＮ2 雰囲気、ｐ型ＧａＮ光導波層９からｐ型ＧａＮコンタクト層１１まではＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気とする。この場合、活性層７を成長させた後、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８の成長まではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、活性層７の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＧａＮ光導波層９からｐ型ＧａＮコンタクト層１１までの成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、これらのｐ型層を良好な結晶性で成長させることができる。
【００５７】
この第２の実施形態によれば、活性層７にアンドープＧａＮ光導波層１６を介して接したＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８により、第１の実施形態と同様の理由により、ＧａＮ系半導体レーザの駆動電流および駆動電圧の低減を図ることができる。これに加えて、この第２の実施形態によれば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８を活性層７に直接接して設けるのではなく、活性層７に接して設けられた厚さ２０ｎｍのアンドープＧａＮ光導波層１６に接して設けていることにより、活性層７のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０に最も近い井戸層とＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８の活性層７に最も近い障壁層との間の距離は２０ｎｍとなる。このため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８により活性層７が受ける歪みの低減を図ることができ、活性層７における発光の不均一性の抑制を図ることができるとともに、ｐ型ＧａＮ光導波層９で電子と正孔との再結合が起こる確率が減少し、駆動電流の増大を抑えることができる。
【００５８】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図４はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。
この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、活性層７に接してＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８が設けられ、このＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８に接してｐ型ＧａＮ光導波層９が設けられ、このｐ型ＧａＮ光導波層９に接してＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７が設けられ、このＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７に接してｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０が設けられている。ここで、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７は、例えば厚さが２．５ｎｍでＡｌ組成が０．１５のアンドープのＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが同じく２．５ｎｍでｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、障壁層としてのＡｌＧａＮ層の合計の厚さは例えば１００ｎｍである。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同一であるので、説明を省略する。
【００５９】
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、基本的には第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるが、この場合、特に各層の成長時の成長温度およびキャリアガス雰囲気を次のように設定する。すなわち、成長温度については、例えば、ｎ型ＧａＮコンタクト層４からｎ型ＧａＮ光導波層６までは１０００℃、活性層７からＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７までは７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１は１０００℃とする。また、キャリアガス雰囲気については、例えば、ｎ型ＧａＮコンタクト層４からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５まではＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気、ｎ型ＧａＮ光導波層６からＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７まではＮ2 雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１はＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気とする。この場合、活性層７を成長させた後、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７の成長まではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、活性層７の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、これらのｐ型層を良好な結晶性で成長させることができる。
【００６０】
この第３の実施形態によれば、活性層７に接してＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８が設けられ、さらにｐ型ＧａＮ光導波層９に接してＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７が設けられているので、言い換えれば、活性層７とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０との間に二つのＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層が設けられていることにより、第１の実施形態と同様な理由により、ＧａＮ系半導体レーザの駆動電流および駆動電圧の大幅な低減を図ることができ、ひいてはＧａＮ系半導体レーザの長寿命化を図ることができる。
【００６１】
次に、この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。
この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいて、ｐ型ＧａＮ光導波層９とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０との間にさらにＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７が設けられている。その他の構成は、第１および第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同一であるので、説明を省略する。
【００６２】
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、基本的には第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるが、この場合、特に各層の成長時の成長温度およびキャリアガスを次のように設定する。すなわち、成長温度については、例えば、アンドープＧａＮ層３からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５までは１０００℃、ｎ型ＧａＮ光導波層６からＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７までは７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮクラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１は１０００℃とする。また、キャリアガス雰囲気については、例えば、アンドープＧａＮ層３からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５まではＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気、ｎ型ＧａＮ光導波層６からＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７まではＮ2 雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１はＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気とする。この場合、活性層７を成長させた後、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７の成長まではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、活性層７の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、これらのｐ型層を良好な結晶性で成長させることができる。
【００６３】
この第４の実施形態によれば、活性層７に接してアンドープＧａＮ光導波層１６が設けられ、このアンドープＧａＮ光導波層１６に接してＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８が設けられ、このＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８に接してｐ型ＧａＮ光導波層９が設けられ、さらにこのｐ型ＧａＮ光導波層９に接してＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層１７が設けられているので、言い換えれば、活性層７とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０との間に二つのＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層が設けられていることにより、第１の実施形態と同様な理由により、ＧａＮ系半導体レーザの駆動電流および駆動電圧の大幅な低減を図ることができるとともに、活性層７とＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８との間にアンドープＧａＮ光導波層１６が設けられていることにより第２の実施形態と同様な理由により、活性層７における発光の不均一性の抑制を図ることができ、しかもｐ型ＧａＮ光導波層９での電子と正孔との再結合の確率を減少させることができることにより駆動電流のより一層の低減を図ることができる。
【００６４】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６５】
例えば、上述の第１〜第４の実施形態において挙げた数値、構造、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００６６】
具体的には、例えば、上述の第１〜第４の実施形態においては、レーザ構造を形成するｎ型層を基板上に最初に積層し、その上にｐ型層を積層しているが、これと積層順序を逆にし、基板上に最初にｐ型層を積層し、その上にｎ型層を積層した構造としてもよい。
【００６７】
また、上述の第１〜第４の実施形態においては、ｃ面サファイア基板を用いているが、必要に応じて、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板、厚いＧａＮ層からなる基板などを用いてもよい。また、ＧａＮバッファ層の代わりに、ＡｌＮバッファ層やＡｌＧａＮバッファ層を用いてもよい。
【００６８】
また、上述の第１〜第４の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、ＤＨ（Double Heterostructure）構造のＧａＮ系半導体レーザに適用してもよいことはもちろん、ＧａＮ系発光ダイオードに適用してもよい。
【００６９】
さらに、上述の第１〜第４の実施形態においては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層８、１７やｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０において、ＡｌＧａＮ層にはＭｇをドープしていないが、必要に応じて、このＡｌＧａＮ層にもＭｇをドープしてもよく、さらには、ＧａＮ層にはＭｇをドープせず、ＡｌＧａＮ層にのみＭｇをドープしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図３】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図４】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【符号の説明】
【００７１】
１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・ｎ型ＧａＮ光導波層、７・・・活性層、８、１７・・・ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子キャップ層、９・・・ｐ型ＧａＮ光導波層、１０・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、１１・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、１２・・・リッジ、１３・・・絶縁膜、１４・・・ｐ側電極、１５・・・ｎ側電極、１６・・・アンドープＧａＮ光導波層
【図１】
2008277867.tif 000003
【図２】
2008277867.tif 000004
【図３】
2008277867.tif 000005
【図４】
2008277867.tif 000006