(57)【要約】【課題】特別な欠陥低減手法を用いることなく、高発光効率、高信頼性、高生産性、低コストの窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小さい格子定数を有する小格子定数層と、を交互に２周期以上積層した構造からなる歪多層構造層と、前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。【選択図】  図１
2004200362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなるｎ型層と、
前記ｎ型層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小さい格子定数を有する小格子定数層と、を交互に周期的に積層した構造からなる歪多層構造層と、
前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
窒化物半導体からなるｎ型層と、
前記ｎ型層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小さい格子定数を有する小格子定数層と、からなるヘテロ接合構造を、複数有する歪多層構造層と、
前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成され単結晶のＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０．８５≦ｖ≦１）からなる単結晶バッファー層と、
前記単結晶バッファー層上に形成されＧａＮからなるｎ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層上に形成されＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０＜ｗ≦１）からなるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小きい格子定数を有する小格子定数層と、を交互に周期的に積層した構造からなる歪多層構造層と、
前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成され単結晶のＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０．８５≦ｖ≦１）からなる単結晶バッファー層と、
前記単結晶バッファー層上に形成されＧａＮからなるｎ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層上に形成されＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０＜ｗ≦１）からなるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小きい格子定数を有する小格子定数層と、からなるヘテロ接合構造を、複数有する歪多層構造層と、
前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記歪多層構造層の平均Ａｌ組成が０．１４以上０．２０以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記小格子定数層の厚さが０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であり、前記大格子定数層の厚さが０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記歪多層構造層の厚さが１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記小格子定数層および前記大格子定数層にマグネシウムが添加されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記窒化物半導体発光素子が窒化物半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、等の窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体であり、バンドギャップが約３ｅＶと大きく、直接遷移型であり、短波長発光素子用材料として利用が急速に拡大している。この窒化物半導体、例えばＧａＮ、は格子整合する良質な基板がないため、便宜上、サファイア基板上に成長されている。このサファイア基板と、ＧａＮと、は格子不整合が１５％程度と大きいために、他の材料系と同様の結晶成長方法では、単結晶のＧａＮ層を得ることは極めて困難である。このため、ＧａＮの結晶成長では、格子不整合の影響を緩和するために、サファイア基板上に低温バッファー層としてアモルファスまたは多結晶のＧａＮまたはＡｌＮを極薄く低温（６００℃程度）成長させ、この低温バッファー層上に単結晶のＧａＮ層を高温（１０００℃程度）成長させる方法が多く用いられている。この低温バッファー層を用いる方法により、単結晶のＧａＮ層が得られている。
【０００３】
もっとも、この低温バッファー層を用いた場合でも、ＧａＮとサファイアとの格子不整合のために、単結晶のＧａＮ層には貫通転移や結晶欠陥が高密度に発生する。このため、このＧａＮ層をＬＥＤやレーザなどの半導体発光素子に用いると、ＬＥＤでは発光効率の低下、レーザでは信頼性低下、が問題となっていた。特に、レ−ザでは、結晶欠陥の増加により動作電圧が上昇して信頼性が低下することが、深刻な問題となっていた。
【０００４】
そこで、窒化物半導体発光素子では、上記のような信頼性の低下を避けるために、まずサファイア基板上にバッファー層を形成し、次にこのバッファー層上の一部にストライプ状のマスクを形成し、次にマスクのない部分に単結晶のＧａＮを選択成長し、次にこのＧａＮを核にして単結晶のＧａＮをマスク上に横方向成長させて、マスク上に結晶欠陥が少ない単結晶のＧａＮを形成する方法が用いられていた。この横方向成長の方法を用いた窒化物半導体レーザは、例えば、日亜化学の中村らが、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」，米国物理学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｕｃｓ），１９９８年１月１２日，第７２巻，第２号，ｐ．２１１−２１３、に記載している。このように、横方向成長のＧａＮを用いて窒化物半導体レーザを形成することで、高信頼性の窒化物半導体レーザが得られている。
【０００５】
【非特許文献１】
中村修二、他，「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」，米国物理学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｕｃｓ），１９９８年１月１２日，第７２巻，第２号，ｐ．２１１−２１３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような横方向成長と低温バッファー層とを組み合わせた方法では、横方向成長による低欠陥密度のＧａＮが得られる領域は極めて狭く、他の領域では逆に欠陥が増大する傾向があった。このため、例えば直径２インチの基板を用いて窒化物半導体レーザを製造しても、極めて狭い領域からしかレーザが得られず、生産性が悪いという問題があった。また、生産性が悪いことから、製造コストも高くなった。
【０００７】
もっとも、上記のように生産性が悪くなったり製造コストが高くなったりすることは、従来は、仕方がないと考えられていた。なぜなら、従来は、信頼性が高い窒化物半導体レーザを得るためには発光層の結晶欠陥を減らすための欠陥低減手法を用いることが不可欠であり、この欠陥低減手法を用いれば上記のように生産性が悪くなったり製造コストが高くなったりすることが避けられないと考えられていたからである。
【０００８】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、特別な欠陥低減手法を用いることなく、高発光効率、高信頼性の窒化物半導体発光素子を提供する点である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体からなるｎ型層と、前記ｎ型層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小さい格子定数を有する小格子定数層と、を交互に周期的に積層した構造からなる歪多層構造層と、前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第２の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体からなるｎ型層と、  前記ｎ型層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小さい格子定数を有する小格子定数層と、からなるヘテロ接合構造を、複数有する歪多層構造層と、前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第３の窒化物半導体発光素子は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成され単結晶のＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０．８５≦ｖ≦１）からなる単結晶バッファー層と、前記単結晶バッファー層上に形成されＧａＮからなるｎ型コンタクト層と、前記ｎ型コンタクト層上に形成されＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０＜ｗ≦１）からなるｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小きい格子定数を有する小格子定数層と、を交互に周期的に積層した構造からなる歪多層構造層と、前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第４の窒化物半導体発光素子は、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成され単結晶のＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０．８５≦ｖ≦１）からなる単結晶バッファー層と、前記単結晶バッファー層上に形成されＧａＮからなるｎ型コンタクト層と、前記ｎ型コンタクト層上に形成されＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０＜ｗ≦１）からなるｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成されＩｎを含む窒化物半導体からなる発光層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層と、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小きい格子定数を有する小格子定数層と、からなるヘテロ接合構造を、複数有する歪多層構造層と、前記歪多層構造層上に形成され、窒化物半導体からなり、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムが添加されたｐ型層と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細な説明を行う前に、本発明の前提となる、本発明者の独自の実験の結果について説明する。
【００１４】
従来、窒化物半導体発光素子の信頼性や発光効率が低下する主な原因は、発光層の結晶欠陥が多いためであると考えられていた。このため、前述のように、信頼性が高い窒化物半導体発光素子を得るためには発光層の結晶欠陥を減らすための欠陥低減手法を用いることが不可欠であると考えられていた。しかしながら、本発明者は、実験結果に基づき、信頼性や発光効率の低下の主な原因は、発光層の結晶欠陥が多いことではなく、発光層上のｐ型クラッド層中のマグネシウムが結晶欠陥に沿って発光層に拡散することにあると考えるに至った。これにより、本発明者は、発光層の結晶欠陥が従来と同程度でも、発光層へのマグネシウムの拡散を低減すれば、信頼性が高い窒化物半導体発光素子が得られることを独自に知得した。そして、発光層の結晶欠陥を減らすための特別な欠陥低減手法を用いることなく、高信頼性、高生産性、低コストの窒化物半導体発光素子が得られることが分かった。
【００１５】
図７は、本発明者が上記の実験に用いた窒化物半導体発光素子のサンプルの基本構造を示す断面図である。サファイア基板１００上には、ＧａＮからなる低温バッファ層１１２、ＧａＮからなる緩和層１２０、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１２１、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１２２、ＩｎＧａＮからなる発光層１３０、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１４２、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１４３、が順次形成されている。発光層１３０は、ｎ側電極１６１と、ｐ側電極１６２と、からの電流注入により光を放射する。ここで、ｐ型層１４２、１４３には、ｐ型ドーパントとして、マグネシウムが添加されている。このマグネシウムは、他の材料系の素子に比べ、高濃度に添加されている。これは、窒化物半導体では、正孔の移動度が低く、マグネシウムの濃度を高くしないと、動作電圧が上昇してしまうためである。特に、窒化物半導体発光素子として半導体レーザを用いる場合は、動作電圧低減のために、高濃度にマグネシウムを添加する必要がある。ただし、マグネシウム濃度を増やしすぎると窒化物半導体の結晶性が劣化してしまうため、マグネシウム濃度は、通常、３×１０２０ｃｍ−３程度以下とされる。
【００１６】
この図７のサンプルを用いて、本発明者は、まず、結晶欠陥が窒化物半導体発光素子の特性に及ぼす影響を調べるために、様々な条件下で、素子の特性と、発光層１３０およびｐ型層１４２、１４３の結晶欠陥と、の関係を調べた。その結果、素子の特性と、発光層１３０およびｐ型層１４２、１４３の結晶欠陥と、には明らかな負の相関が認められた。なお、窒化物半導体では、欠陥が各層を貫く貫通転移が多いので、発光層１３０、ｐ型層１４２、１４３、及び他の層１１２、１２０〜１２２、の結晶欠陥密度はほぼ比例する。
【００１７】
次に、本発明者は、素子の特性と、ｐ型層１４２、１４３のＭｇド−ピング濃度と、の関係を調べたところ、抵抗低減を狙ってｐ型層１４２、１４３に１×１０２０ｃｍ−３から３×１０２０ｃｍ−３の高濃度にＭｇを添加した試料で、発光効率の低下が顕著であった。本発明者は、このように発光効率が低下したサンプルを解析したところ、このサンプルではｐ型層１４２、１４３から発光層１３０へのＭｇの拡散が生じていることが分かった。そして、発光層１３０中のＭｇ濃度が３×１０６ｃｍ−３以上になると、結晶欠陥密度に変化がなくても、顕著な発光効率の低下が生じることが判明した。また、この発光効率の低下は、ｐ型層１４２、１４３中のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３から３×１０２０ｃｍ−３であり、ｐ型クラッド層１４２の結晶欠陥密度が２×１０８ｃｍ−２以上のときに顕著になることが判明した。これにより、発光効率の低下は、主に、ｐ型層１４２、１４３中のＭｇが発光層１３０へ拡散することにより引き起こされるものであり、ｐ型クラッド層１４２中の結晶欠陥密度の増大はＭｇの拡散を助長すると考えられる。
【００１８】
そこで、本発明者らは、窒化物半導体素子において、結晶欠陥が存在する素子でも、発光層１３０へのＭｇの拡散を有効に抑制して、高い信頼性の素子を得るための方策を検討した。その結果、ｐ型クラッド層１４２と発光層１３０との間に、またはｐ型クラッド層１４２に代えて、例えば図６に示すように、低Ａｌ組成のＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる大格子定数層１５０Ａと、高Ａｌ組成のＡｌyＧａ１−yＮからなる小格子定数層１５０Ｂと、を交互に複数周期積層した歪多層構造層１５０を設けることにより、ｐ型層１４３のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上の場合にも、発光層１３０へのＭｇの拡散を防止できることを見出した。本発明者は、この歪多層構造層１５０の拡散防止機構を調べたところ、各小格子定数層１５０Ｂと各大格子定数層１５０Ａとの間の歪がＭｇの拡散を抑制していると解析された。さらに詳しく実験を行うと、Ａｌ組成の差（ｙ−ｘ）を大きくして歪を大きくするほど歪による拡散防止効果は高くなり、Ａｌ組成の差（ｙ−ｘ）が０．３０以上で発光効率が顕著に上昇した。ただし、Ａｌ組成の差（ｙ−ｘ）を０．５０より大きくすると、結晶欠陥密度が高くなって結晶欠陥に沿った拡散が増えてしまい、発光効率の上昇の効果が得にくくなった。このため、Ａｌ組成の差（ｙ−ｘ）は、０．３０以上０．５０以下が良いことが分かった。また、各小格子定数層１５０Ｂおよび各大格子定数層１５０Ａは、結晶として有効に機能するために０．５ｎｍ以上の厚さが望ましく、正孔が界面に束縛されないために１．５ｎｍ以下の厚さが望ましい。また、結晶特性の悪化を防ぐために、歪多層構造層１５０の平均Ａｌ組成が０．２０以下、厚さが３０ｎｍ以下、になるようにすることが望ましい。また、拡散防止の効果と、発光層１３０からｐ型コンタクト層１４３への電子漏洩の効果と、を兼ねさせるためには、十分な障壁高さを確保して正孔よりも軽い電子のトンネル効果を抑制することが重要であり、歪多層構造層１５０を、平均Ａｌ組成が０．１４以上、厚さ１０ｎｍ以上、になるようにすることが望ましい。さらに、トンネル効果を助長する量子準位形成を抑制するには、各小格子定数層１５０Ｂおよび各大格子定数層１５０Ａの厚さを、１ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００１９】
以上のように、本発明者は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ）からなる大格子定数層１５０Ａと、ＡｌyＧａ１−yＮ（ｘ＜ｙ≦１、０．３０≦ｙ−ｘ≦０．５０）からなり前記大格子定数層よりも小さい格子定数を有する小格子定数層１５０Ｂと、を交互に２周期以上積層した構造からなる歪多層構造層１５０を、発光層１３０とｐ型層１４３との間に設けることで、ｐ型層１４３から発光層１３０へのＭｇの拡散を防止し、発光効率や信頼性が高い窒化物半導体発光素子を得ることができることを独自に知得した。以下の実施の形態では、この知得に基づいてなされた窒化物半導体発光素子の具体的な構造を説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。図１の窒化物半導体発光素子は、青色半導体レーザである。この青色発光半導体レーザでは、歪多層構造層１５０は、発光層１３０からｐ型クラッド層１４２への電子漏れを防ぐ働きも兼ねている。また、バッファー層として、通常用いられている低温バッファー層１１２（図７参照）ではなく、高温成長の単結晶バッファー層１１０、１１１を用いている。この単結晶バッファー層１１０、１１１を用いると、結晶欠陥密度を２×１０１８ｃｍ−２以下にすることができ、本発明が特に有効である。
【００２１】
図１のレーザでは、サファイア基板１００のｃ面上に、高炭素濃度ＡｌＮ（炭素濃度３×１０１８ｃｍ−３から１×１０２０ｃｍ−３、厚さ１０ｎｍから５０ｎｍ）からなる第１の単結晶バッファー層１１０、単結晶ＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０．８５≦ｖ≦1、膜さ０．３μｍ以上６μｍ以下）からなる第２の単結晶バッファー層１１１、ノンド−プＧａＮ格子緩和層（厚さ３μｍ）１２０、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層（Ｓｉ濃度３×１０１８ｃｍ−３、厚さ４μｍ）１２１、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層（Ｓｉ濃度２×１０１８ｃｍ−３、厚さ１．０μｍ）１２２、ｎ型ＧａＮからなる第１光導波層（Ｓｉ濃度２×１０１８ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）１２３、Ｇａ０．８８ｌｎ０．１２Ｎからなる井戸層（厚さ３．５ｎｍ）１３０ＡとＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎからなるバリア層（Ｓｉ濃度５×１０１８ｃｍ−３、厚さ７ｎｍ）１３０Ｂとを交互に３周期積層した多重量子井戸構造の発光層１３０、ノンド−プＧａＮからなる第２光導波層（厚さ０．０５μｍ）１４０、が順次形成されている。本実施形態の特徴の１つは、この第２光導波層１４０上に、歪多層構造層１５０が形成されている点である。この歪多層構造層１５０は、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ（Ｍｇ濃度１．0×１０１９ｃｍ−３、厚さ１．０ｎｍ）からなる小格子定数層１５０Ｂと、ＧａＮ（Ｍｇ濃度１．０×１０１９ｃｍ−３、厚さ１．０ｎｍ）からなる大格子定数層１５０Ａと、を交互に１０周期積層した構造である。この歪多層構造層１５０は、容易に分かるように、厚さが２０ｎｍ、平均Ａｌ組成が０．１７５となる。この歪多層構造層１５０上には、ｐ型ＧａＮからなる第３光導波層（Ｍｇ濃度１．５×１０２０ｃｍ−３、厚さ０．０５μｍ）１４１、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（Ｍｇ濃度１．５×１０１９ｃｍ−３、厚さ２．５ｎｍ）／ＧａＮ（Ｍｇ濃度１．５×１０１９ｃｍ−３、厚さ２．５ｎｍ）１００周期からなるｐ型クラッド層１４２、が順次形成されている。このｐ型クラッド層１４２の一部はエッチングされ薄くなっており、幅１．５μｍから３μｍのストライプ状の凸部を有する。このｐ型クラッド層１４２の凸部上には、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層（Ｍｇ濃度２．０×１０２０ｃｍ−３、厚さ０．０５μｍ）１４３が形成されている。このｐ型コンタクト層１４３およびｐ型クラッド層１４２の凸部の両側には、横モード制御のためのＡｌＮ電流ブロック層１４４が形成されている。このＡｌＮ電流ブロック層１４４およびｐ型コンタクト層１４３上には、Ｐｄ（厚さ０．０５μｍ）／Ｐｔ（厚さ０．０５μｍ）／Ａｕ（厚さ１．０μｍ）からなるｐ側電極１６２が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極１６１は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１２１上に、Ｔｉ（厚さ０．００５μｍ）／Ａｌ（厚さ１μｍ）からなるものとして形成されている。なお、図１では、理解を容易にするため、各層の縮尺を実際とは変えて示している。
【００２２】
図１の半導体レーザでは、ｎ側電極１６１と、ｐ側電極１６２と、から活性層１３０に電流が注入され、この電流の注入により活性層１３０から青色の光が放射される。この光は、増幅されて、紙面と垂直な方向に、レーザ光として放射される。
【００２３】
図１の窒化物半導体素子は、特別な欠陥低減手法を用いていないので、特殊な製造方法を用いることなく、製造することができる。以下、この製造方法について、簡単に説明する。成長装置は減圧ＭＯＣＶＤ装置を用いている。
【００２４】
（１）まず、直径２インチのサファイア基板１００を、ヒーターを兼ねたサセプタ上に載置する。
【００２５】
（２）次に、ガス導入管から高純度水素を毎分２０リットル導入し、反応管内の大気を置換する。置換後、ガス排気口をロータリーポンプに接続し、反応管内を減圧し、内部の圧力を７４００Ｐａ以上２３０００Ｐａ以下の範囲に設定する。そして、１０５０℃以上１２００℃以下の基板温度で高純度水素の一部をＶ族原料であるＮＨ３ガスに切り替える。その後、ＩＩＩ族原料であるＡｌ（ＣＨ３）３或いはＡｌ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ａｌ化合物を反応管内に導入して結晶方位のそろったＡｌＮを厚さ５ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるように成長して、高炭素濃度ＡｌＮからなる第１の単結晶バッファー層１１０を成長する。ここで、ＡｌＮ層１１０の結晶方位をそろえるためには、Ｖ族原料とIII族原料の供給比の制御が重要である。穴のない高品質な膜に成長するためにはＶ族原料／ＩＩＩ族原料が０．７以上５０以下の条件が必要である。また、十分な品質を再現性よく得るにはＶ族原料／ＩＩＩ族原料が１．２以上３．０以下の条件が望ましい。
【００２６】
（３）次に、基板温度を１２５０℃以上１３５０℃以下になるように昇温して、ＩＩＩ族原料としてＧａ（ＣＨ３）３或いはＧａ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｇａ化合物を追加導入して、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮからなる第２の単結晶バッファー層１１１を厚さ０．３μｍから６μｍ成長し表面を平坦化する。
【００２７】
（４）次に、基板温度を１１００℃以上１２５０℃以下に設定し、ＧａＮ格子緩和層１２０を成長する。
【００２８】
（５）次に、ＧａＮ格子緩和層１２０上に、素子構造部となるＡｌ、Ｉｎ、Ｇａ等を有する窒化物半導体層１２１〜１２３、１３０、１４０、１５０、１４１〜１４３、を成長する。ＩＩＩ族原料としては、前述した有機金属Ａｌ化合物のほかに、Ｇａ（ＣＨ３）３或いはＧａ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｇａ化合物、Ｉｎ（ＣＨ３）３或いはＩｎ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｉｎ化合物を用いればよい。ドーピング用原料としてはｎ型用としてＳｉＨ４等のＳｉ水素化物やＳｉ（ＣＨ３）４等の有機金属Ｓｉ化合物を用いればよい。ｐ型用としてはＣｐ２Ｍｇ或いはｍ−Ｃｐ２Ｍｇ等の有機金属Ｍｇ化合物を用いればよい。ここで、Ｃｐはシクロペンタジエニルの略である。
【００２９】
（６）次に、サファイア基板１００を各素子に分離し、図１の半導体レーザが得られる。ここで、図１の半導体レーザの大きさは５００μｍ×５００μｍ程度なので、２インチ（約５ｃｍ）の基板から、図１の半導体レーザを、数千個得ることができる。
【００３０】
以上の製造方法によって製造される図１の半導体レーザでは、歪多層構造層１５０を設けたので、ｐ型層１４１〜１４３のマグネシウムが発光層１３０に拡散することを防止することができる。これにより、発光層１３０の発光効率や信頼性の低下を防止することができる。このように拡散を防止することができる理由について、本発明者は、歪多層構造層１５０の内部での歪が大きいからであると考えている。すなわち、図１の半導体レーザでは、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる小格子定数層１５０Ｂと、ＧａＮからなる大格子定数層１５０Ａと、のＡｌ組成の差が０．３５と非常に大きくなっている。このため、小格子定数層１５０Ｂと、大格子定数層１５０Ａと、の格子定数の差が大きくなる。この結果、歪多層構造層１５０の内部で大きな歪が発生する。そして、このように大きな歪が発生することで、ｐ型層１４１〜１４３のマグネシウムが発光層１３０に拡散することを有効に防止できると考えられる。
【００３１】
もっとも、Ａｌ組成の差が０．３５もある層を組み合わせた歪多層構造層１５０を設けることは、通常の技術者にとっては、思いもよらないことである。なぜなら、これだけＡｌ組成差の大きい層を組み合わせると、歪多層構造層１５０の内部の歪が大きくなって、歪多層構造層１５０およびその周辺の発光層１３０の結晶欠陥密度が増加しやすくなってしまうからである。そして、前述のように、従来は、発光層１３０の結晶欠陥密度が少しでも増加すると、発光効率や信頼性が大きく低下してしまうと考えられていたからである。しかしながら、本発明者の実験によれば、前述のように、発光層１３０の結晶欠陥密度が増加しても、それだけでは発光効率や信頼性は大きくは低下しない。また、歪多層構造層１５０には、歪によりマグネシウムを拡散しにくくするという効果がある。そして、図１の素子では、歪多層構造層１５０およびその周辺の発光層１３０の結晶欠陥密度が増加しやすいというデメリットよりも、ｐ型層１４１〜１４３のマグネシウムが発光層１３０に拡散することを防止できるメリットの方が大きくなって、発光効率や信頼性が上昇すると考えられる。
【００３２】
また、上記の発光効率の低下の防止の効果は、特別な欠陥低減手法を用いることなく、得ることができる。このため、図１の半導体レーザは、１枚の基板から多数得ることができる。これにより、生産性を高くし、コストを低くすることができる。
【００３３】
また、図１の半導体レーザでは、歪多層構造層１５０における、小格子定数層１５０Ｂと、大格子定数層１５０Ａと、の両方に１．０×１０１９ｃｍ−３の濃度のマグネシウムを添加したので、歪多層構造層１５０を設けたことにより動作電圧が上昇することはない。
【００３４】
また、図１の半導体レーザでは、単結晶バッファー層１１０、１１１を用いたので、低温バッファー層１１２（図７参照）を用いた場合に比べ、発光層１３０および歪多層構造層１５０の結晶欠陥密度をさらに低減することができる。このように歪多層構造層１５０の結晶欠陥密度を低減することで、ｐ型層１４１〜１４３のマグネシウムがさらに発光層１３０に拡散しにくくなり、発光効率をさらに高くすることができる。
【００３５】
以上説明した図１の半導体レーザでは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる大格子定数層１５０Ａと、ＡｌyＧａ１−yＮからなる小格子定数層１５０Ｂと、のＡｌ組成の差（ｙ−ｘ）を０．３５としたが、これを０．３０以上０．５０以下とすることもできる。これは、この範囲であれば、結晶欠陥密度の増加によりｐ型層１４１〜１４３のマグネシウムが発光層１３０に拡散しやすくなるというデメリットよりも、歪によりｐ型層１４１〜１４３のマグネシウムが発光層１３０に拡散しにくくなるというメリットが大きくなるからであると解析される。逆に、差を０．５０よりも大きくすると、歪多層構造層１５０の結晶欠陥が増えすぎて、上記のメリットよりもデメリットの方が大きくなり、発光効率が低下する。また、差を０．３０未満にすると、歪多層構造層１５０の歪が少なくなりすぎて、上記のメリットが小さくなり、発光効率が上昇する効果が得にくくなる。
【００３６】
また、図１の半導体レーザでは、歪多層構造層１５０における、小格子定数層１５０Ｂと、大格子定数層１５０Ａと、の両方にマグネシウムを添加したが、片方の層だけに添加しても、動作電圧は大きく上昇しない。このように片方の層だけに添加する方法は、変調ドープと呼ばれる方法である。また、歪多層構造層１５０を１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下と薄くすれば、両方の層にマグネシウムを添加しなくても、動作電圧は大きく上昇しない。
【００３７】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の半導体レーザが第１の実施の形態（図１）のレーザと異なる点は、図２に示すように、発光層１３０と、第３光導波層１４１と、の間に、歪多層構造層１５０と、第２光導波層１４０と、ｐ型ＡｌＧａＮ（Ｍｇドープ）からなる電子バリア層１５１と、を設けた点である。
【００３８】
図２の電子バリア層１５１は、発光層１３０から第３光導波層１４１やｐ型コンタクト層１４３に電子が漏洩するのを防ぐ効果を有する。このような電子バリア層１５１を設けると、歪多層構造層１５０の平均Ａｌ組成をやや低めにしたり、厚さをやや薄めにしたりしても、発光層１３０から第３光導波層１４１やｐ型コンタクト層１４３への電子漏洩を防ぐことができる。また、発光層１３０の直上に歪多層構造層１５０を設けることで、発光層１３０へのマグネシウムの拡散の防止の効果を有効に得ることができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の半導体レーザが第１の実施の形態（図１）と異なる点は、図３に示すように、第１および第２の単結晶バッファー層１１０、１１１に代えて、低温成長ＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０．９≦ｕ≦１．０）バッファー層（１０〜３０ｎｍ）１１２を用いた点である。
【００４０】
図３のように、低温成長バッファー層１１２を用いた場合、発光層１３０の結晶欠陥密度は従来の素子（図７）と同程度である。しかし、図３の素子では、歪多層構造層１５０を設けたので、結晶欠陥密度が多くても、ｐ型層１４１〜１４３のマグネシウムが発光層１３０に拡散することを防止することができる。これにより、発光層１３０の発光効率の低下を防止することができる。
【００４１】
また、図３の半導体レーザでは、特別な欠陥低減手法を用いていないので、生産性を高くし、コストを低くすることができる。
【００４２】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の半導体レーザが第２の実施の形態（図２）と異なる点は、図４に示すように、第１および第２の単結晶バッファー層１１０、１１１に代えて、低温成長ＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０．９≦ｕ≦１．０）バッファー層（１０〜３０ｎｍ）１１２を用いた点である。
【００４３】
図４の半導体レーザでも、歪多層構造層１５０を設けたので、発光層１３０の結晶欠陥密度が多いにもかかわらず、発光層１３０の発光効率の低下を防止することができる。また、特別な欠陥低減手法を用いていないので、生産性を高くし、コストを低くすることができる。
【００４４】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。図５の窒化物半導体発光素子は、ＬＥＤである。サファイア基板１００のｃ面上には、単結晶のＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０．８５≦ｖ≦1）からなる第１および第２の単結晶バッファー層１１０、１１１、ノンド−プＧａＮ格子緩和層１２０、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１２１、ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０＜ｗ≦１）からなるｎ型クラッド層１２２、ＩｎＧａＮからなる発光層１３０、が順次形成されている。この発光層１３０上には、第１の実施の形態（図１）と同様の歪多層構造層１５０が形成されている。この歪多層構造層１５０上には、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１４３が形成されている。このｐ型コンタクト層１４３上には、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極１６２が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極１６１は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１２１上に、Ｔｉ／Ａｌからなるものとして形成されている。
【００４５】
図５のようなＬＥＤの場合でも、歪多層構造層１５０を設けることにより、発光層１３０の発光効率の低下を防止することができる。また、生産性を高くし、コストを低くすることができる。
【００４６】
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態のＬＥＤが第５の実施の形態（図５）と異なる点は、図６に示すように、第１および第２の単結晶バッファー層１１０、１１１に代えて、低温成長ＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０．９≦ｕ≦１．０）バッファー層１１２を用いた点である。
【００４７】
図６のように、低温成長バッファー層１１２を用いた場合、発光層１３０の結晶欠陥密度は従来の素子（図７）と同程度である。しかし、図６の素子では、歪多層構造層１５０を設けたので、結晶欠陥密度が多くても、ｐ型層１４３のマグネシウムが発光層１３０に拡散することを防止することができる。これにより、発光層１３０の発光効率の低下を防止することができる。
【００４８】
また、図６の半導体レーザでは、特別な欠陥低減手法を用いていないので、生産性を高くし、コストを低くすることができる。
【００４９】
以上説明した実施の形態では、歪多層構造層１５０として、大格子定数層１５０Ａと、小格子定数層１５０Ａと、の膜厚が等しい場合を示したが、両者の膜厚が異なってもかまわない。また、以上説明した実施の形態では、複数の大格子定数層１５０Ａの膜厚が互いに等しい場合を示したが、これらが異なっていてもかまわない。また、以上説明した実施の形態では、複数の小格子定数層１５０Ｂの膜厚が互いに等しい場合を示したが、これらが異なっていてもかまわない。
【００５０】
また、以上説明した実施の形態では、大格子定数層と小格子定数とが交互に積層された構造を示したが、積層の周期が多少乱れたものも本発明に含まれる。例えば、大格子定数層が２層積層された上に小格子定数層が積層されるもの、或いはその逆のもの、または別の格子定数の層が１層乃至数層入り込んだもの等も本発明の範囲に含まれるものである。
【００５１】
また、以上説明した実施の形態では、歪多層構造層１５０として、大格子定数層１５０Ａと、小格子定数層１５０Ｂと、を交互に周期的に積層した構造を用いた例について説明した。しかし、歪多層構造層１５０として、大格子定数層１５０Ａと小格子定数層１５０Ｂとからなるヘテロ接合構造を複数有している構造を用いれば、必ずしも周期的な構造でなくても、本実施形態の効果を得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化物半導体発光素子において、マグネシウムが添加されたｐ型層と、光を放射する発光層と、の間に、低Ａｌ組成のＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる大格子定数層と、高Ａｌ組成のＡｌyＧａ１−yＮからなる小格子定数層と、を交互に複数周期積層した歪多層構造層を設けたので、ｐ型層から発光層へのマグネシウムの拡散を防止し、高発光効率、高信頼性の窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図。
【図５】本発明の第５の実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図。
【図６】本発明の第６の実施の形態の窒化物半導体発光素子の断面図。
【図７】従来の窒化物半導体発光素子の断面図。
【符号の説明】
１００  サファイア基板
１１０  第１の単結晶バッファー層
１１１  第２の単結晶バッファー層
１２１  ｎ型コンタクト層
１２２  ｎ型クラッド層
１３０  発光層
１４１  ｐ型ＧａＮからなる第３光導波層（ｐ型層）
１４２  ｐ型クラッド層（ｐ型層）
１４３  ｐ型コンタクト層（ｐ型層）
１５０  歪多層構造層
１５０Ａ  大格子定数層
１５０Ｂ  小格子定数層
【図１】
2004200362.tif 000003
【図２】
2004200362.tif 000004
【図３】
2004200362.tif 000005
【図４】
2004200362.tif 000006
【図５】
2004200362.tif 000007
【図６】
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【図７】
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