(57)【要約】【課題】所望のインジウム組成を有する半導体層を備え、青色光または緑色光を発生する発光素子に好適な半導体素子を提供する。【解決手段】サファイアよりなる基板１１に、低温バッファ層１２および下地層１３を介して、活性層１７を含む各層が積層されている。活性層１７は全体としてＡｌＧａＩｎＮ混晶よりなる量子井戸構造を有し、井戸層のインジウム組成は例えば１４％以上となっている。下地層１３は、ＧａＩｎＮ混晶よりなると共に活性層１７の井戸層との格子定数差が１％以内となっている。従来のＧａＮよりなるバッファ層に比べて下地層１３の格子定数が活性層１７の格子定数に近くなり、結晶成長の際に活性層１７に欠陥を生じることなくインジウムが取り込まれやすくなる。また、活性層１７に導入される歪みが少なくなり、シュタルク効果が発現しにくくなる。【選択図】        図１
2004247563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板の一面側に設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる半導体層と、
３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に前記半導体層との格子定数差が１％以内であり、前記半導体層と前記基板との間に設けられた下地層と
を備えたことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記半導体層は活性層であり、前記活性層に含まれるインジウムの組成は１４％以上である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記下地層は、ＧａＩｎＮ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項４】
前記下地層は、前記基板の直上に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項５】
前記基板は、ＧａＮまたはＧａＩｎＮ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項４記載の半導体素子。
【請求項６】
前記下地層は、前記基板の上に、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる低温バッファ層を介して設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項７】
前記基板は、サファイア（Ａｌ２  Ｏ３  ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）により構成されている
ことを特徴とする請求項６記載の半導体素子。
【請求項８】
前記低温バッファ層は、ＧａＩｎＮ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項６記載の半導体素子。
【請求項９】
前記下地層の格子定数は、ＧａＮの格子定数以上である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記下地層の格子定数は、前記半導体層のフリースタンディング状態における格子定数以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記下地層の膜厚は、１．５μｍ以上４μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記下地層の成長温度は、６００℃以上８００℃以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる半導体層を備えた半導体素子に係り、特に発光層にインジウム（Ｉｎ）を含む半導体レーザなどの半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌＧａＩｎＮ混晶は、直接遷移の半導体材料であると共に、紫外領域から赤色領域にわたるバンドギャップエネルギーをもつという特徴を有し、このエネルギーに相当する波長域の発光素子への応用がすすめられている。実際に、この材料系を用いて、現在では、紫外光あるいは青色光を放出する半導体レーザ、紫外光，青色光あるいは緑色光を放出する発光ダイオードなどが実現されている。これらの素子は、一般に、組成の異なる半導体層からなるヘテロ接合を有し、発光層にはインジウムが含まれる。
【０００３】
図５は、従来の半導体レーザの構造の一例を表したものである。この半導体レーザは、サファイアよりなる基板１１１のｃ面に、例えば、低温成長のＧａＮよりなる第１バッファ層１１２およびＧａＮよりなる第２バッファ層１１３を介して、ｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１１４，ｎ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｎ型クラッド層１１５，ｎ型ＧａＩｎＮ混晶よりなるｎ型ガイド層１１６，ＡｌＧａＩｎＮ混晶よりなる活性層（発光層）１１７，ｐ型ＧａＩｎＮ混晶よりなるｐ型ガイド層１１８，このｐ型ガイド層１１８の一部に設けられると共にＡｌＧａＮ混晶よりなる脱離防止層１１９、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層１２０およびｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１２１がこの順に積層された構成を有している。ｐ側コンタクト層１２１の上にはｐ側電極１２２が設けられ、ｎ側コンタクト層１１４の上にはｎ側電極１２３が設けられている。なお、脱離防止層１１９は活性層１１７からインジウムが脱離するのを防止するため、および注入電流がオーバーフローするのを防ぐためのものである。
【０００４】
このような半導体レーザは、一般に、基板の上に気相成長法を用いて各層を成長させることにより製造される。その際、原料となるＡｌＮ，ＧａＮおよびＩｎＮはそれぞれ格子定数が異なり、フリースタンディング状態（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ  ）での格子定数はＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮの順に大きくなるので、成長した各層には歪みが生じるおそれがある。この歪みは、活性層にも及び、結晶成長時に次のような二つの問題を引き起こす。
【０００５】
一つは、組成ひきこみ効果と呼ばれるものであり、活性層を成長させるときに活性層の格子定数（設計値のフリースタンディング状態での値）が、活性層の下側の各層の格子定数と異なっている場合に、設計どおりのインジウム組成をもつ活性層を得ることが難しくなるというものである。これは、インジウムが活性層に取り込まれると圧縮歪みが生じるが、インジウムが取り込まれないと活性層内の歪みによるエネルギーが小さくなってより安定になるからである。例えば、サファイア基板上にＧａＮ層を形成した後にＧａＩｎＮ混晶層を形成する場合、ＧａＩｎＮ混晶のほうがＧａＮに比較して格子定数が大きいため、インジウムが取り込まれにくくなるということが起こる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００６】
もう一つは、活性層に生じる歪みに起因する圧電効果である（例えば、非特許文献２参照。）。特にＡｌＧａＩｎＮ混晶ではイオン結合性が高いため、圧電効果が出現しやすい。
【０００７】
更に、活性層に歪みが生じる他の原因として、基板を含めた各層の間での熱膨張係数の差があげられる。熱膨張係数の差に起因する歪みは、結晶成長時の温度と室温との差が大きいほど顕著になる。
【０００８】
なお、従来では、シリコン（Ｓｉ）基板の上にＩｎＧａＮバッファ層を形成し、さらにその上にＧａＮ層を形成することによって、シリコン基板とＧａＮ層との格子定数の差および熱膨張係数の差を緩和しようとする提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）
【０００９】
【非特許文献１】
Ｓ．ペレイラ（Ｓ．  Ｐｅｒｅｉｒａ）、外６名，フィジカル・レビュー・Ｂ（Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ），（米国），２００１年１１月，第６４巻，第２０号，２０５３１１
【非特許文献２】
竹内哲也（Ｔｅｔｓｕｙａ  Ｔａｋｅｕｃｈｉ）、外６名，ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．），１９９７年，第３６巻，ｐ．Ｌ３８２−ｐ．Ｌ３８５
【特許文献１】
特開２００１−９３８３４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＡｌＧａＩｎＮ混晶を用いて青色光あるいは緑色光を放出する素子を得るには、活性層のインジウム組成を、ある程度大きくする必要がある。しかしながら、従来では、図５に示したように、ＧａＩｎＮ混晶に比べて格子定数の比較的小さいＧａＮよりなる第２バッファ層１１３を用いていたので、活性層１１７の結晶成長時において、上述したような組成ひきこみ効果および圧電効果が生じ、所望のインジウム組成を有する活性層１１７を得ることが難しかった。
【００１１】
組成ひきこみ効果によるインジウム組成の低下を防ぐためには、活性層自身に格子欠陥が生じて歪みの一部が緩和される必要がある。しかしながら、活性層に生じる格子欠陥は、素子の発光効率低下および寿命短縮の原因となるので望ましくない。
【００１２】
また、上述した圧電効果が生じると内蔵電位が誘発される。その結果、シュタルク効果が起こり、注入キャリアの発光再結合確率を減少させ、素子の発光効率低下あるいは半導体レーザのしきい値増大などを引き起こす。
【００１３】
更に、注入キャリア密度が増すと、シュタルク効果により生じた電界を打ち消すようにキャリアが再分布し、活性層から放出される光の波長が短波長化してしまうという問題が生じる。特に、表示デバイスの光源として応用する場合、光出力を増大させようとすると活性層から放出する光の波長が短波長化し、表示品質の低下を招くおそれがある。
【００１４】
加えて、シュタルク効果によるもう一つの問題は、電界がかかっていない場合に比べて量子準位のエネルギー差が小さくなることによって、同じ組成の活性層であっても厚さが増大するほど活性層から放出する光が長波長化するということである。図６は、シュタルク効果による発振波長の長波長化を表す実験結果であり、ＧａＩｎ０．０５Ｎよりなる障壁層とＧａＩｎ０．１５Ｎよりなる井戸層とＧａＩｎ０．０５Ｎよりなる障壁層とを積層してなる量子井戸構造を有する活性層からのＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ；フォトルミネセンス）スペクトルのピークエネルギーと井戸幅との対応関係を、弱励起の場合（励起パワー密度１０Ｗ／ｃｍ２  ）と強励起の場合（誘導放出光のスペクトルのピークエネルギーで表し、励起パワー密度は後述の図７に示すしきいパワー密度に対応する）とについて表したものである。ここで、井戸幅とは、井戸層のみの厚さ（積層方向の厚さ）をいい、障壁層の厚さ（積層方向の厚さ）は含まない。図６から分かるように、井戸幅が増大するにつれ、弱励起の場合と強励起の場合とでピークエネルギーの差が増大している。これは、井戸幅の増大に伴ってシュタルク効果が顕著になることによるものであると考えられる。
【００１５】
図７は、図６と同一の試料について誘導放出が起こるしきいパワー密度と井戸幅との対応関係を表している。しきいパワー密度が井戸幅に対して非線形的に上昇していることが特徴である。これは、井戸幅の増大と共にキャリア密度が反比例的に減少すること以外に、シュタルク効果により発光再結合確率が減少していることに起因するものと考えられる。
【００１６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、所望のインジウム組成を有する半導体層を備え、青色光または緑色光を発生する発光素子に好適な半導体素子を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体素子は、基板と、この基板の一面側に設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる半導体層と、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に半導体層との格子定数差が１％以内であり、半導体層と基板との間に設けられた下地層とを備えたものである。
【００１８】
本発明による半導体素子では、下地層が３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に半導体層との格子定数差が１％以内であるので、製造プロセスにおいて半導体層のインジウム組成が容易に所望の値に制御される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの断面構造を表すものである。この半導体レーザは、例えばＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ−Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）  構造を有し、基板１１の上に、低温バッファ層１２および下地層１３を介して、ｎ側コンタクト層１４，ｎ型クラッド層１５，ｎ型ガイド層１６，活性層（発光層）１７，ｐ型ガイド層１８，障壁層１９，ｐ型クラッド層２０およびｐ側コンタクト層２１がこの順に積層された構成を有している。基板１１は、例えば、厚さが８０μｍのサファイアにより構成されており、この基板１１のｃ面に低温バッファ層１２が形成されている。
【００２１】
低温バッファ層１２は、例えば、厚さが２０ｎｍないし３０ｎｍであり、成長温度４５０℃ないし５５０℃の比較的低温で成長されたバッファ層である。低温バッファ層１２は、例えば、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体により構成されている。特に、不純物を添加しないｕｎｄｏｐｅｄ  ＧａＩｎＮ混晶により構成されていることが好ましい。低温バッファ層１２を図５に示した従来の第１バッファ層１１２のようにＧａＮにより構成すると、その段階で格子定数が決められてしまい、本発明の効果が期待しにくくなるからである。なお、低温バッファ層１２の材料は、ＧａＩｎＮ混晶に限られず、例えば四元系のＡｌＧａＩｎＮ混晶であってもよい。
【００２２】
下地層１３は、例えば、基板１１の上に低温バッファ層１２を介して設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成されている。具体的には、例えば不純物を添加しないｕｎｄｏｐｅｄ  ＧａＩｎＮ混晶よりなることが好ましい。下地層１３の詳細については後述する。
【００２３】
ｎ側コンタクト層１４は、例えば、厚さが２μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。
【００２４】
ｎ型クラッド層１５は、例えば、厚さが１．４μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶により構成され、アルミニウム組成は６．５％である。なお、ｎ型クラッド層１５としては、ＡｌＧａＮ混晶／ＧａＮ超格子を用いてもよい。
【００２５】
ｎ型ガイド層１６は、例えば、厚さが０．１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＩｎＮ混晶により構成されている。
【００２６】
活性層１７は、例えば、全体としてＡｌＧａＩｎＮ混晶により構成され、障壁層と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有している。活性層１７の井戸層のインジウム組成は、青色あるいは緑色の光を発生する素子を構成するためにはある程度大きいことが必要であり、例えば発振波長を４４０ｎｍよりも長波長とする場合には活性層１７の井戸層のインジウム組成は１４％以上とすることが好ましい。具体的には、発振波長４６０ｎｍの場合、活性層１７は、例えば、ＡｌＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶よりなる厚さ６ｎｍの障壁層と、ＡｌＧａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ混晶よりなる厚さ３ｎｍの井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有し、井戸数は３となる。ここで、活性層１７が、本発明における「半導体層」に対応する。
【００２７】
ｐ型ガイド層１８は、例えば、厚さが０．１μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。
【００２８】
脱離防止層１９は、活性層１７からインジウムが脱離するのを防止するため、および注入電流のオーバーフローを抑制するためのものである。脱離防止層１９は、例えば、ｐ型ガイド層１８の一部に設けられると共にＡｌＧａＮ混晶により構成され、その厚さは例えば１０ｎｍである。
【００２９】
ｐ型クラッド層２０は、例えば、厚さが０．５μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成され、アルミニウム組成は６．０％である。なお、ｐ型クラッド層２０としては、ＡｌＧａＮ混晶／ＧａＮ超格子を用いてもよい。
【００３０】
ｐ側コンタクト層２１は、例えば、厚さが０．１μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。
【００３１】
ｐ側コンタクト層２１の上にはｐ側電極２２が形成されている。このｐ側電極２２は、例えば、ｐ側コンタクト層２１の側からパラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）およびアルミニウム（Ａｌ）が順次積層された構造を有しており、ｐ側コンタクト層２１と電気的に接続されている。ｐ側電極２２は、また、電流狭窄をするように帯状に延長されており、ｐ側電極２２に対応する活性層１７の領域が発光領域となっている。一方、ｎ側コンタクト層１４の上にはｎ側電極２３が形成されている。ｎ側電極２３は、例えば、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウムを順次積層して熱処理により合金化した構造を有しており、ｎ側コンタクト層１４と電気的に接続されている。
【００３２】
なお、この半導体レーザでは、例えばｐ側電極２２の長さ方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、この一対の共振器端面に図示しない一対の反射鏡膜がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方の反射鏡膜の反射率は低くなるように、他方の反射鏡膜の反射率は高くなるようにそれぞれ調整されている。これにより活性層１７において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、一方の反射鏡膜からレーザビームとして出射される。
【００３３】
次に、本実施の形態における下地層１３について詳細に説明する。まず、下地層１３の格子定数は、活性層１７の格子定数に可及的に近いことが好ましい。結晶成長の際に活性層１７に導入される歪みを少なくすることができるからである。具体的には、下地層１３は、活性層１７との格子定数差が１％以内であることが好ましい。その理由は、サファイア基板上に形成された歪量子井戸構造の活性層を有する発振波長４０５ｎｍの半導体レーザにおいて、下地層と活性層との格子定数差を上記範囲内とした場合に実用レベルの特性が得られ、上記範囲内において活性層１７の歪みを小さくする効果が最も発揮されると考えられるからである。ここで、「活性層１７の格子定数」とは、活性層１７が量子井戸構造を有する場合には井戸層の格子定数をいい、活性層１７が一つの厚い層からなるバルク型の場合にはその厚い層の格子定数をいう。
【００３４】
下地層１３の格子定数の下限値については、ＧａＮの格子定数以上、具体的には図５に示した従来のＧａＮよりなる第２バッファ層１１３の格子定数以上であることが好ましい。このようにすることにより、従来のＧａＮよりなる第２バッファ層１１３（図５参照）に比べて活性層１７の格子定数に近くなるので、結晶成長の際に活性層１７に導入される圧縮歪の上限値が小さくなるという本発明の効果を得ることができるからである。
【００３５】
下地層１３の格子定数の上限値については、活性層１７のフリースタンディング状態における格子定数以下であることが好ましい。下地層１３の格子定数が活性層１７のフリースタンディング状態における格子定数を著しく超えると、活性層１７に引っ張りの歪みが入るおそれがあるからである。ただし、活性層１７のフリースタンディング状態における格子定数を少し超えても、上述したように活性層１７との格子定数差が１％以内であれば本発明の効果を得ることができる。特に、下地層１３の格子定数を、活性層１７のフリースタンディング状態における格子定数に等しくすれば、結晶成長の際に活性層１７に導入される圧縮歪が０となり、最も大きな効果が期待できる。
【００３６】
下地層１３の厚さは、例えば、１．５μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。１．５μｍよりも薄いと界面の状態により活性層１７の結晶性が低下するおそれがあり、また、４μｍよりも厚いと熱膨張係数の差により基板１１の割れが発生する場合があるからである。
【００３７】
下地層１３の成長温度は、低温バッファ層１２の成長温度よりも高い、例えば６００℃以上８００℃以下であることが好ましい。
【００３８】
この半導体レーザは、例えば次のようにして製造することができる。
【００３９】
まず、例えば、厚さ４３０μｍ程度のサファイアよりなる基板１１を用意し、基板１１の例えばｃ面に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により低温バッファ層１２，下地層１３，ｎ側コンタクト層１４，ｎ型クラッド層１５，ｎ型ガイド層１６，活性層１７，ｐ型ガイド層１８，脱離防止層１９，ｐ型クラッド層２０およびｐ側コンタクト層２１を順次成長させる。
【００４０】
具体的には、まず、基板１１の上に例えば４５０℃ないし５５０℃程度の温度で、例えばｕｎｄｏｐｅｄ  ＧａＩｎＮ混晶よりなる低温バッファ層１２を成長させる。次いで、例えば、基板１１の温度を６００℃以上８００℃以下まで上げ、低温バッファ層１２の上に、ｕｎｄｏｐｅｄ  ＧａＩｎＮ混晶よりなる下地層１３，ｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１４，ｎ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｎ型クラッド層１５，ｎ型ＧａＩｎＮ混晶よりなるｎ型ガイド層１６を順次成長させる。続いて、例えば、ＡｌＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ混晶よりなる障壁層およびＡｌＧａ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ混晶よりなる井戸層を交互に成長させて、活性層１７を形成する。ここでは、下地層１３が、ＧａＩｎＮ混晶よりなると共に活性層１７との格子定数差が１％以内であるので、従来のＧａＮよりなる第２バッファ層１１３（図５参照）に比べて下地層１３の格子定数が活性層１７の格子定数に近くなり、結晶成長の際に活性層１７に欠陥を生じることなくインジウムが取り込まれやすくなる。また、活性層１７に導入される歪みが少なくなり、シュタルク効果が発現しにくくなる。
【００４１】
そののち、例えば、活性層１７の上に、ｐ型ＧａＩｎＮ混晶よりなるｐ型ガイド層１８，ＡｌＧａＮ混晶よりなる脱離防止層１９，ｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｐ型クラッド層２０およびｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２１を順次成長させる。
【００４２】
なお、ＭＯＣＶＤを行う際、ガリウムの原料ガスとしては例えばトリメチルガリウム（（ＣＨ３  ）３  Ｇａ）またはトリエチルガリウム（（Ｃ２  Ｈ５  ）３  Ｇａ）、アルミニウムの原料ガスとしては例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３  ）３  Ａｌ）、インジウムの原料ガスとしては例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ３  ）３  Ｉｎ）、窒素の原料ガスとしては例えばアンモニア（ＮＨ３  ）をそれぞれ用いる。また、ケイ素の原料ガスとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ４  ）を用い、マグネシウムの原料ガス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（（Ｃ５  Ｈ５  ）２  Ｍｇ）を用いる。
【００４３】
ｐ側コンタクト層２１を成長させたのち、例えば、ｐ側コンタクト層２１の上にレジストよりなる図示しないマスクを選択的に形成する。次いで、このマスクを利用してｐ側コンタクト層２１，ｐ型クラッド層２０，脱離防止層１９，ｐ型ガイド層１８，活性層１７，ｎ型ガイド層１６，ｎ型クラッド層１５およびｎ側コンタクト層１４の一部を順次エッチングして、ｎ側コンタクト層１４を表面に露出させる。続いて、例えばチタンおよびアルミニウムを順次蒸着してｎ側電極２３を形成すると共に、加熱処理を行い、ｎ側電極２３を合金化する。加熱処理を行ったのち、例えばパラジウム，白金および金を順次蒸着してｐ側電極２２を形成する。
【００４４】
ｐ側電極２２を形成したのち、基板１１を例えば８０μｍ程度の厚さとなるように研削する。基板１１を研削したのち、所定の大きさに整え、ｐ側電極２２の長さ方向において対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、図１に示した半導体レーザが完成する。
【００４５】
本実施の形態の半導体レーザにおいては、ｎ側電極２３とｐ側電極２２との間に所定の電圧が印加されると、活性層１７に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここでは、下地層１３が、ＧａＩｎＮ混晶よりなると共に活性層１７との格子定数差が１％以内であるので、従来のＧａＮよりなる第２バッファ層１１３（図５参照）に比べて下地層１３の格子定数が活性層１７の格子定数に近くなり、結晶成長の際に活性層１７に欠陥を生じることなくインジウムが取り込まれやすくなる。よって、組成ひきこみ効果による活性層１７のインジウム組成の低下が防止され、発光効率が上昇し、半導体レーザのしきい値が低減され、更に、素子寿命が長くなる。また、活性層１７に導入される歪みが少なくなり、シュタルク効果が発現しにくくなることからも、発光効率が上昇し、半導体レーザのしきい値が低減されるものであり、よってスロープ効率が向上し、更に、発光波長の注入電流量に対するブルーシフトが抑制される。
【００４６】
このように本実施の形態では、下地層１３をＧａＩｎＮ混晶により形成すると共に活性層１７との格子定数差を１％以内とするようにしたので、結晶成長の際に活性層１７に欠陥を生じることなくインジウムを容易に取り込むことができる。よって、組成ひきこみ効果による活性層１７のインジウム組成の低下を防止できると共に、シュタルク効果の発現を抑えることができ、発光効率の上昇、半導体レーザのしきい値の低減、スロープ効率の向上、更に、発光波長の注入電流量に対するブルーシフトの抑制などを達成することができる。加えて、活性層１７の厚みに対する制約が解消されるので、素子の設計の自由度を高めることができる。
【００４７】
これらの効果は、活性層１７のインジウム組成がある程度大きい場合に特に顕著であり、したがって青色または緑色の光を放出する素子に特に有効である。
【００４８】
〔第２の実施の形態〕
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの断面構造を表すものである。この半導体レーザは、ＧａＩｎＮ混晶よりなる基板３１を用いたこと、下地層１３が低温バッファ層１２を設けずに基板３１の直上に形成されていること、およびｎ側電極２３が基板３１の裏面に設けられていることを除き、他は第１の実施の形態と同様の構成を有している。よって、ここでは同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての詳細な説明を省略する。
【００４９】
基板３１は、例えば塩化インジウム（ＩｎＣｌ３  ），塩化ガリウム（ＧａＣｌ３  ）およびアンモニア（ＮＨ３  ）を原料として気相成長法により作製されたものである。基板３１のインジウム組成は、活性層１７の井戸層のインジウム組成と実質的に同じ（格子定数差が１％以内）であることが好ましい。結晶成長の際に活性層１７に導入される歪みが少なくなるという本発明の効果をより高めることができるからである。
【００５０】
この半導体レーザは、第１の実施の形態と同様にして製造することができ、同様に作用し、同様の効果を得ることができる。
【００５１】
〔第３の実施の形態〕
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子としての半導体レーザの断面構造を表すものである。この半導体レーザは、垂直共振器型の面発光レーザであることを除き、他は第１の実施の形態と同様の構成を有している。よって、ここでは同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての詳細な説明を省略する。
【００５２】
この半導体レーザは、基板１１の上面側に、例えば、低温バッファ層１２および下地層１３を介して、ｎ側コンタクト層１４，ｎ型半導体多層膜よりなるｎ側分布型ブラッグ反射（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；ＤＢＲ）層４５，ｎ型ガイド層１６，活性層１７，ｐ型ガイド層１８，ｐ型半導体多層膜よりなるｐ側分布型ブラッグ反射（ＤＢＲ）層５０，例えばＳｉＯ２  よりなる絶縁膜５１およびｐ側コンタクト層２１がこの順に積層された構成を有している。
【００５３】
この半導体レーザは、第１の実施の形態と実質的に同様にして製造することができ、第１の実施の形態と同様の下地層１３を有することから同様の作用効果を得ることができる。
【００５４】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記第１の実施の形態では、サファイアよりなる基板１１を用いる場合について説明したが、基板１１は炭化ケイ素（ＳｉＣ）により構成されていてもよい。
【００５５】
また、上記第２の実施の形態では、ＧａＩｎＮ混晶よりなる基板３１を用いる場合について説明したが、基板３１はＧａＮにより構成されていてもよい。
【００５６】
更に、上記第３の実施の形態では、サファイアよりなる基板１１の上に垂直共振器型の面発光レーザを形成する場合について説明したが、ＧａＩｎＮ混晶あるいはＧａＮよりなる基板を用いてもよい。その場合には、第２の実施の形態と同様に下地層１３を基板の直上に設けることが可能である。
【００５７】
加えてまた、上記実施の形態では、低温バッファ層１２および下地層１３を基板１１の全面から上方へ成長させるようにしたが、図４（Ａ）に示したように、サファイアよりなる基板１１の上に、ＧａＩｎＮ混晶よりなる種結晶層１１Ａを所定のパターンで形成すると共に基板１１に凹部１１Ｂを形成し、続いて図４（Ｂ）に示したように、種結晶１１Ａを用いてＧａＩｎＮ混晶を横方向成長させることにより下地層１３を形成するようにしてもよい。この場合、下地層１３の厚さＤは、種結晶層１１Ａの上面と下地層１３の上面との距離ではなく、下地層１３と基板１１との間に形成される間隙１１Ｃと下地層１３の上面との距離である。また、低温バッファ層は不要である。
【００５８】
なお、具体的な構成としてｎ型ガイド層およびｐ型ガイド層を備えたレーザについて説明したが、本発明は、これらガイド層を有しない半導体レーザについても適用することができるものであり、また、電流狭窄構造についても上記実施の形態のものに限定されるものではない。更に、導波方式についても屈折率導波型，リッジ導波型のいずれでもよい。また、各層を構成する材料についても具体的に例を挙げて説明したが、各層を他の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成するようにしてもよい。
【００５９】
更にまた、上記実施の形態では、低温バッファ層１２，下地層１３，ｎ側コンタクト層１４，ｎ型クラッド層１５，ｎ型ガイド層１６，活性層１７，ｐ型ガイド層１８，脱離防止層１９，ｐ型クラッド層２０およびｐ側コンタクト層２１をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いてもよい。その場合、原料としては、アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），マグネシウム（Ｍｇ），ケイ素（Ｓｉ）およびアンモニア（ＮＨ３  ）を用いることができる。あるいは、ハイドライド気相成長法またはハライド気相成長法などの他の気相成長法により形成するようにしてもよい。
【００６０】
更にまた、上記実施の形態では、半導体素子として半導体レーザを具体例に挙げて説明したが、本発明は、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウムおよびインジウムと５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる半導体層を備えた半導体素子について広く適用することができる。例えば、発光ダイオードなどの他の発光素子についても同様に適用することができ、更にはトランジスタなどの電子素子についても適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体素子によれば、下地層を、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成すると共に半導体層との格子定数差を１％以内としたので、従来のＧａＮよりなるバッファ層に比べて下地層の格子定数を半導体層の格子定数に近くして、結晶成長の際に半導体層に欠陥を生じることなくインジウムを取り込まれやすくすることができる。よって、組成ひきこみ効果による半導体層のインジウム組成の低下を防止することができ、発光素子の発光効率の上昇、半導体レーザのしきい値の低減、更に、素子の長寿命化を実現することができる。
【００６２】
また、半導体層に導入される歪みが低減されることから、シュタルク効果の発現を抑えることができ、これによっても発光素子の発光効率の上昇、半導体レーザのしきい値の低減、スロープ効率の向上、更に、発光波長の注入電流量に対するブルーシフトの抑制などを達成することができる。加えて、半導体層の厚みに対する制約が解消されるので、素子の設計の自由度を高めることができる。
【００６３】
これらの効果は、半導体層のインジウム組成がある程度大きい場合に特に顕著であり、したがって、青色または緑色の光を放出する発光素子に特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図４】本発明の変形例を表す断面図である。
【図５】従来の半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図６】シュタルク効果の実例を弱励起の場合と強励起の場合とについて表す図である。
【図７】図６に示した強励起の場合の励起パワー密度に対応するしきいパワー密度を表す図である。
【符号の説明】
１１，３１…基板、１２…低温バッファ層、１３…下地層、１４…ｎ側コンタクト層、１５…ｎ型クラッド層、１６…ｎ型ガイド層、１７…活性層（半導体層）、１８…ｐ型ガイド層、１９…脱離防止層、２０…ｐ型クラッド層、２１…ｐ側コンタクト層、２２…ｐ側電極、２３…ｎ側電極
【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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