(57)【要約】【課題】青紫色から紫外光に及ぶＧａＮ系発光素子でＡｌ組成が増加した場合においても低動作電流および低動作電圧を実現し、素子の信頼性を確保できる素子構造を提供すること。【解決手段】本発明に係る半導体発光素子は、ｎ型伝導性を示す窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体１７，１８，１９とｐ型伝導性を示す半導体２４，２５，２６との間に半導体からなる活性層２２が具備されており、ｎ型伝導性を示す半導体１７，１８，１９から活性層２２へ注入される電子にとって障壁となるバンドギャップエネルギーを有するトンネル障壁層２０が具備されている。障壁層の構成原子として少なくともアルミニウム（Ａｌ）が含まれる。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型伝導性を示す窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とｐ型伝導性を示す上記半導体との間に半導体からなる活性層が具備されており、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層へ注入される電子にとって障壁となるバンドギャップエネルギーを有する半導体が具備されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１において、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層に注入される電子が活性層注入前にトンネル効果で通過できる膜厚を有する上記半導体からなる障壁層を具備することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項２において、上記障壁層がｎ型伝導性を示すことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項２、３において、上記障壁層の構成原子として少なくともアルミニウム（Ａｌ）が含まれることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項２、３および４において、上記障壁層の膜厚が少なくとも１０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１、２、３、４および５において、上記活性層の構成原子として少なくともインジウム（Ｉｎ）が含まれることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５および６において、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層に注入された電子が、活性層からオーバーフローすることを抑制されることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成される、青紫光から紫外光に及ぶ短波長領域の半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、次世代の高密度光ディスク用光源として青紫色の光を発するレーザダイオードに対する要望が高まり、特に、青紫光から紫外光に及ぶ短波長領域で動作可能な窒化ガリウム（ＧａＮ）系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の研究開発が盛んに行われている。さらに、深紫外域（〜３００ｎｍ）に及ぶ短波長発光素子は、生体や化学物質との相互作用が大きいため、殺菌等の医療分野、環境破壊物質の高速分解処理への応用が期待できる。
【０００３】
現在のＧａＮ系発光素子は、活性層へのキャリアの有効注入のために、活性層に近接したｐ側にバンドギャップエネルギーの大きなｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層が具備されている。これは、電子の有効質量が正孔と比較して小さく、特にＧａＮ系半導体では電子と正孔の有効質量差が顕著になるために、活性層からの電子のオーバーフローが顕著になり、この電子オーバーフローを抑制することが目的である。このため、現在のＧａＮ系発光素子では、上記ｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層は必須構造として使用されている。ＧａＮ系紫色レーザのｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層に関しては、非特許文献１および非特許文献２があり、上記のキャリアオーバーフロー抑制効果が示されている。尚、ＡｌＧａＮ半導体の電子および正孔の有効質量のＡｌ組成依存性を図１に示す。図１から、紫外発光素子のようにＡｌ組成が増加する場合には、正孔の有効質量の増加が著しいために、電子と正孔の有効質量差がより顕著になる様子がわかる。
【０００４】
一方、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体はＡｌ組成の増加に伴い、正孔濃度が低下し高抵抗化する傾向がある。これは、Ａｌ組成の増加に伴い、アクセプターの活性化エネルギー（Ｅａ）が大きくなるために、電気伝導に寄与する正孔濃度が低下するためである。
このｐ型ＡｌＧａＮ半導体の高抵抗化傾向に関しては、非特許文献３および非特許文献４に示されている。このため、ＧａＮ系発光素子、特に紫外領域の発光素子では、上記ｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層の低抵抗化は困難になり、活性層からの電子オーバーフローが容易に発生することになる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層は活性層に隣接しているため、ｐ型不純物（Ｍｇ）プロファイル制御には細心の注意が必要となる。これは、ｐ型（Ａｌ）ＧａＮ中のＭｇは光吸収ロスを形成し、発光素子特性を悪化させるためである。さらに、深紫外域に及ぶ短波長発光素子では、ｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層のＡｌ組成もより大きくなるため、発光素子の低抵抗化が困難になる。
ＧａＮ系発光素子の信頼性は消費電力（動作電流と動作電圧の積）に依存するために、Ａｌ組成増加による発光素子の高抵抗化は、素子の信頼性を低下させることになる。
【０００５】
そこで、我々は、ＧａＮ系発光素子において、Ａｌ組成が増加した場合においても低動作電流および低動作電圧を実現し、素子の信頼性を確保できる素子構造を見出した。
【０００６】
【非特許文献１】
「Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．４１  （２００２）  ５−１０」
【非特許文献２】
Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．４１  （２００２）  １８２９−１８３３
【非特許文献３】
Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．３６  （１９９７）  ５３９３−５３９７
【非特許文献４】
Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，  Ｖｏｌ．１８９／１９０  （１９９８）  ５１１−５１４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、青紫色から紫外光に及ぶＧａＮ系発光素子でＡｌ組成が増加した場合においても低動作電流および低動作電圧を実現し、素子の信頼性を確保できる素子構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の半導体発光素子は、上記の目的を達成し、ｎ型伝導性を示す窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とｐ型伝導性を示す半導体との間に半導体からなる活性層が具備されており、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層へ注入される電子にとって障壁となるバンドギャップエネルギーを有する上記半導体が具備されていることを特徴とする。ｎ型ＧａＮ系半導体のバンドギャップエネルギーを変化させ、活性層近傍でバンドギャップエネルギーの大きなｎ型ＧａＮ系半導体を配置することで、伝導電子のエネルギーを低下させることが可能になり、電子を活性層からオーバーフローさせることなく、活性層に有効に電子を注入することができる。これにより、ＧａＮ系発光素子の低動作電流が可能になる。
【０００９】
第２の半導体発光素子は、上記第１の製造方法において、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層に注入される電子が活性層注入前にトンネル効果で通過できる膜厚を有する上記半導体からなる障壁層を具備することを特徴とする。伝導電子が活性層注入前に上記障壁層をトンネル効果で通過することにより、伝導電子のエネルギーが低下する。このため、電子を活性層からオーバーフローさせることなく、活性層に有効に電子を注入することができる。これにより、ＧａＮ系発光素子の低動作電流が可能になる。
【００１０】
本発明に係る第３の半導体発光素子は、上記第２の製造方法において、上記障壁層がｎ型伝導性を示すことを特徴とする。上記障壁層がｎ型であることにより、障壁層での電圧降下が抑制される。また、上記障壁層により電子を活性層からオーバーフローさせることなく、活性層に有効に電子を注入することができる。以上の効果により、ＧａＮ系発光素子の低動作電圧および低動作電流が可能になる。
【００１１】
第４の半導体発光素子は、上記第２および第３の製造方法において、上記障壁層の構成原子として少なくともアルミニウム（Ａｌ）が含まれることを特徴とする。上記障壁層にＡｌが含まれることにより、障壁層がＡｌＧａＮで構成され、Ａｌ組成制御により上記障壁層のバンドギャップエネルギーを任意に変化させることが可能になる。これにより、上記障壁層をトンネル効果で通過する伝導電子量を制御することが可能になる。
【００１２】
本発明に係る第５の半導体発光素子は、上記第２、３および第４の製造方法において、上記障壁層の膜厚が少なくとも１０ｎｍ以下であることを特徴とする。上記障壁層の膜厚が１０ｎｍ以下の場合は、伝導電子は上記障壁層をトンネル効果で通過可能である。しかしながら、上記障壁層の膜厚が１０ｎｍよりも厚い場合には、トンネル効果で通過可能な伝導電子量が減少し、活性層への電子注入効率が低下することになる。したがって、上記障壁層の膜厚を１０ｎｍ以下とすることにより、電子を活性層からオーバーフローさせることなく、活性層に有効に電子を注入することができ、ＧａＮ系発光素子の低動作電流が可能になる。
【００１３】
第６の半導体発光素子は、上記第１、２、３、４および第５の製造方法において、上記活性層の構成原子として少なくともインジウム（Ｉｎ）が含まれることを特徴とする。活性層にＩｎが含まれることにより、ＧａＮ系発光素子の発光効率が大幅に改善される。さらに、活性層にＩｎが含まれることにより、活性層のバンドギャップエネルギーが低下し、活性層からオーバーフローする電子をより抑制することが可能になる。以上の効果により、ＧａＮ系発光素子の低動作電流が可能になる。
【００１４】
本発明に係る第７の半導体発光素子は、上記第１、２、３、４、５および第６の製造方法において、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層に注入された電子が、活性層からオーバーフローすることを抑制されることを特徴とする。電子が活性層からオーバーフローした場合には、電子はｐ側ＧａＮ系半導体へ容易に移動し、そこで発光・非発光再結合することになる。この場合、活性層での発光に寄与しない無効電流が増加することになり、ＧａＮ系発光素子の動作電流を増加させることになる。したがって、活性層からの電子オーバーフローを抑制することで、無効電流を低減できＧａＮ系発光素子の動作電流を低減し、素子の信頼性を大幅に向上させることが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態は、波長４００ｎｍ程度のＧａＮ系紫色レーザにおいて、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層を設けることで動作電流および動作電圧の低減を実現し、高出力化および長寿命化を実証することを目的とする。
【００１６】
以下、本発明の第１の実施形態によるＧａＮ系紫色レーザの結晶成長方法の詳細について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図２は本実施形態に係るレーザの構成断面図を示している。まず、（０００１）面を主面とするサファイア基板１１を酸溶液を用いて洗浄を行なう。その後、洗浄した基板１１を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置（図示せず）の反応炉内のサセプタに保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が３００Ｔｏｒｒの水素雰囲気とし、温度を約１１００℃にまで昇温して基板１１を加熱し表面のサーマルクリーニングを約１０分間行なう。
【００１８】
次に、反応炉を約５００℃にまで降温した後、基板１１の主面上に、供給量７ｓｃｃｍのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、供給量が７．５ｓｌｍのアンモニア（ＮＨ３）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、厚さが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を成長する。続いて、反応炉を約１０００℃にまで昇温し、厚さが約１ｍｍ  のＧａＮ層１２を成長する（図２）。
【００１９】
この後、基板１１を反応炉から取り出し、ＧａＮ層１２上に選択成長用の絶縁膜１３を形成する。絶縁膜１３は二酸化珪素（ＳｉＯ２）とし、プラズマＣＶＤ装置で１００ｎｍ程度堆積させる（図３）。続いて、絶縁膜１３上にレジスト膜１４を塗布し（図４）、フォトリソグラフィー法により、（レジスト膜１４の幅：レジスト除去幅、開口率）＝（１５ｍｍ：３ｍｍ、０．１７）のレジストパターンを形成する（図５）。ただし、このストライプ方向はＧａＮ膜の＜１−１００＞方向である。この後、レジスト膜１４をエッチングマスクとして、レジスト除去部の絶縁膜１３をフッ酸溶液で除去しＧａＮ層１２を露出させる（図６）。続いて、アセトンなどの有機溶液によりレジスト膜１４を除去する（図７）。
【００２０】
この後、ＧａＮ層を選択成長するために、ストライプ状絶縁膜１３が堆積された基板１１を上記ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内のサセプタに再度保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が２００Ｔｏｒｒの水素雰囲気とし、温度を約１０００℃にまで昇温して、供給量７ｓｃｃｍのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、供給量が７．５ｓｌｍのアンモニア（ＮＨ３）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、ＧａＮ層１５を選択成長する。
【００２１】
この選択成長では、ＧａＮ層１５は絶縁膜１３の開口部分から基板面に垂直および平行に成長を開始し、やがて絶縁膜１３上に横方向に伸びたＧａＮ層１５がお互いに合体（合体部１６）して平坦化する（図８）。この際、絶縁膜１３上でのＧａＮ層１５の膜厚は約５ｍｍである。この選択成長により、絶縁膜１３上でのＧａＮ層１５ではサファイア基板１１から伝搬してくる貫通転位が大幅に低減され、低転位密度領域となっている。
【００２２】
引続いて、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスも供給して、厚さが約２ｍｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１７を成長する。
次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）も供給しながら、厚さが約１．４ｍｍでＳｉ不純物濃度が５Ｅ１７ｃｍ−３のｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるｎ型クラッド層１８を成長する。続いて、厚さが約１１０ｎｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなる第１の光ガイド層１９を成長する。
【００２３】
引続いて、厚さが約６ｎｍでＳｉ不純物濃度が約５Ｅ１７ｃｍ−３のｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなるトンネル障壁層２０を成長する。その後、厚さが約１０ｎｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなる第１の光ガイド層２１を成長する。
【００２４】
上記実施例においては、Ｓｉ不純物濃度は約５Ｅ１７ｃｍ−３としたが、この濃度は０（すなわち、アンドープ）以上１Ｅ１９  ｃｍ−３以下であることが好ましい。１Ｅ１９  ｃｍ−３を超えた場合には、トンネル障壁層２０の結晶性が悪くなるおそれがある。同様に、ＡｌＧａの組成比についても、Ａｌが０．０７以上０．２５以下が好ましく、０．１０以上０．２０以下がより好ましい。Ａｌが０．０７未満では障壁層として十分な効果を発揮し得ず、逆に０．２０を超える場合には、トンネル障壁層２０の結晶性が悪くなるおそれがある。トンネル障壁層２０の厚みについては、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下がより好ましい。３ｎｍ以下である場合には、障壁層としてあまりにも薄すぎて障壁層として十分な効果を発揮し得ないおそれがあり、２０ｎｍを超える場合には、実施形態２（図１９）に示すように、閾値電流が必要以上に上昇するおそれがある。
【００２５】
次に、温度を約８００℃にまで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変更して、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧを供給して厚さが約３ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる量子井戸（３層）と厚さが約９ｎｍのｎ型ＧａＮバリア層（２層）からなる多重量子井戸活性層２２を成長する。ここで、ｎ型ＧａＮバリア層（２層）のＳｉ不純物濃度は約１Ｅ１８ｃｍ−３である。続いて、厚さが約２０ｎｍでアンドープＧａＮ  よりなるｐ型不純物（Ｍｇ）拡散抑制層２３を成長する。その後、再び反応炉内の温度を約１０００℃にまで昇温しキャリアガスを窒素から水素に戻して、ｐ型ドーパントであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを供給しながら、厚さが約１２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｐ型  ＧａＮよりなる第２の光ガイド層２４を成長する。続いて、厚さが約０．５ｍｍでＭｇ不純物濃度が約５Ｅ１７ｃｍ−３のｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるｐ型クラッド層２５を成長する。最後に、厚さが約０．１ｍｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２６を成長する（図９）。
【００２６】
結晶成長終了後、まずｐ型半導体層の活性化加熱処理を行う。ＭＯＶＰＥ装置の反応炉から基板を取り出し、ｐ型不純物活性化の加熱処理を施すためにアニール炉の中に搬送する。次にアニール炉を真空排気した後、供給量３ｓｌｍの窒素ガスを導入して大気圧にした後、約７００℃で２０分間の加熱処理をおこなう。加熱処理後、基板を室温まで降温し、アニール炉から取り出す。
【００２７】
加熱処理終了後、リッジ形成を絶縁膜１３上の低転位密度領域で実施する。リッジ形成位置以外はドライエッチング装置でエッチングし、活性層２１上のｐ型層の残し膜厚を０．１ｍｍ程度にする。その後、ｐ側とｎ側の電気的分離をＳｉＯ２からなる絶縁膜２７で形成し、ｎ型電極２８としてＴｉ／Ａｌ、ｐ型電極２９としてＮｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する（図１０）。
【００２８】
続いて、レーザ共振器端面のへき開工程に移る。まず、基板１１をサファイア基板の裏面から研磨し総膜厚を１００ｍｍ程度に薄膜化する。その後、共振器端面がサファイア基板の＜１−１００＞方向（へき開面は（１１−２０）面）となるように、基板１１をへき開装置（図示せず）でへき開する。尚、レーザ共振器長は７００ｍｍとした。
【００２９】
次に、以下の手順でレーザ共振器の後端面に高反射膜コートをおこなう。
【００３０】
高反射膜はＳｉＯ２と二酸化チタン（ＴｉＯ２）の３対で構成される誘電体多層膜構造とした。
【００３１】
最後に、バー状態のレーザ素子の２次へき開をおこなってレーザチップに分離して、レーザキャンにｐサイドダウンで実装する。実装時には、レーザチップを炭化珪素（ＳｉＣ）からなるサブマウントに半田を介して実装する。
【００３２】
第１の実施形態で作製されたレーザ素子１では、レーザ特性に以下に述べる大きな特徴を有している。
【００３３】
まず、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いたカソードルミネッセンス（ＣＬ）法により転位密度を実測した。その結果、絶縁膜１３の開口部分では転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２程度で転位低減は見られないが、絶縁膜１３上では転位密度が５Ｅ６ｃｍ−２程度に低減されていることが確認できた。転位密度はレーザの寿命時間と相関があるため、低転位密度領域に電流注入されるレーザ素子１では長寿命化が期待できる。
【００３４】
本実施形態により作製したレーザ素子１は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流、スロープ効率および閾値電圧は各々２５ｍＡ、１．５Ｗ／Ａおよび４．０Ｖであった（図１１）。また、レーザ素子１の室温連続発振は少なくとも９０℃まで確認できており、閾値電流の温度依存性を示す温度特性（Ｔ０）は１９５Ｋであった。次に、４５ｍＷの高出力での室温一定光出力（ＡＰＣ）寿命試験をレーザ素子１において実施した（図１２）。レーザ素子１では劣化率が０．０２ｍＡ／ｈ程度であり、１０００時間以上の安定動作を確認した。尚、光出力４５ｍＷでの動作電流、動作電圧および消費電力（動作電流と動作電圧の積）は各々５５ｍＡ、４．３Ｖおよび０．２４Ｗであった。
【００３５】
尚、本第１の実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０は１層としたが、１層以上の多層構造にしても同様な効果が得られる。
【００３６】
尚、本第１の実施形態では、波長４００ｎｍ程度のＧａＮ系紫色レーザにおいて検討したが、波長３００ｎｍ程度のＧａＮ系紫外発光素子においても同様な効果がある。
【００３７】
（第１の実施形態の比較例１）
本比較例１では、ＧａＮ系紫色レーザにおいて、上記第１の実施形態でのｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０の有効性を検証するために、上記トンネル障壁層２０を具備しないレーザ構造（図１３）にて特性比較をおこなった。
【００３８】
本比較例１によるＧａＮ系レーザの製造方法は、上記第１の実施形態においてｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０を導入しない以外は、上記第１の実施形態と同様である。
【００３９】
本比較例１により作製したレーザ素子２は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流、スロープ効率および閾値電圧は各々５０ｍＡ、１．０Ｗ／Ａおよび４．２Ｖであった。また、レーザ素子２の室温連続発振は８０℃までであり、温度特性（Ｔ０）は１４０Ｋであった。レーザ素子１と比較すると、閾値電流、スロープ効率および温度特性は各々２５ｍＡ、０．５Ｗ／Ａおよび５５Ｋ程度悪化している。次に、４５ｍＷでの室温ＡＰＣ寿命試験をレーザ素子２においても実施した（図１４）。レーザ素子２では、劣化率が０．２ｍＡ／ｈ程度であり、３００時間程度で急速に劣化した。尚、光出力４５ｍＷでの動作電流、動作電圧および消費電力は各々９５ｍＡ、５．０Ｖおよび０．５０Ｗであった。レーザ素子１と比較して寿命時間が短いのは、レーザ素子２の４５ｍＷでの消費電力が高いことに起因すると思われる。
【００４０】
以上から、上記第１の実施形態によるレーザ素子１では、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０が導入されていることにより、閾値電流、スロープ効率および温度特性が大幅に改善されていることがわかる。これは、以下の理由で解釈可能である。
【００４１】
ＧａＮ系半導体では、電子および正孔の有効質量が大きく、またその有効質量差も大きい。このため、ＧａＮ系紫色レーザ（レーザ素子２）に電流注入した場合には、活性層からのキャリアのオーバーフロー、特にｎ側からｐ側への電子のオーバーフローが顕著になる（図１５）。ここで、レーザ素子１ではｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０が導入されているために、ｎ側からｐ側へ移動する電子がｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０で減速され、オーバーフローが抑制され活性層へ有効に注入されることになる（図１６）。尚、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層１９のＡｌ組成は１５％で比較的大きいが、電子がトンネル移動可能な膜厚（６ｎｍ）であること、およびｎ型であることにより、動作電圧を増加させることはない。
【００４２】
（第１の実施形態の比較例２）
本比較例２では、ＧａＮ系紫色レーザにおいて、上記第１の実施形態でのｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０の有効性を検証するために、上記トンネル障壁層２０を具備せずｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層を具備する従来のレーザ構造（図１７）にて特性比較をおこなった。
【００４３】
本比較例２によるＧａＮ系レーザの製造方法は、上記第１の実施形態の比較例１において、アンドープＧａＮ  よりなるＭｇ拡散抑制層９９上に厚さが約２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約３Ｅ１７ｃｍ−３のｐ型  Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる電流ブロック層１００を成長する以外は、上記第１の実施形態と同様である。
【００４４】
本比較例２により作製したレーザ素子３は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流、スロープ効率および閾値電圧は各々３０ｍＡ、１．５Ｗ／Ａおよび４．５Ｖであった。また、レーザ素子３の室温連続発振は少なくとも９０℃まで確認でき、温度特性（Ｔ０）は１８５Ｋであった。レーザ素子１と比較すると、閾値電流および温度特性の差は僅かであるが、閾値電圧が０．５Ｖ増加している。尚、同電流値（３０ｍＡ）で比較しても、レーザ素子１の電圧は４．１Ｖであるため、レーザ素子３よりも０．４Ｖ低いことになり、レーザ素子１の優位性が確認できた。次に、４５ｍＷでの室温ＡＰＣ寿命試験をレーザ素子３においても実施した。レーザ素子３では、劣化率が０．０５ｍＡ／ｈ程度であり、１０００時間安定に動作した。尚、光出力４５ｍＷでの動作電流、動作電圧および消費電力は各々６０ｍＡ、５．２Ｖおよび０．３１Ｗであった。レーザ素子１と比較して劣化率が大きいのは、レーザ素子３の４５ｍＷでの消費電力が高いことに起因すると思われる。
【００４５】
以上から、上記第１の実施形態によるレーザ素子１では、従来のレーザ素子３と比較して以下の理由により優位性があるものと思われる。
【００４６】
従来のＧａＮ系紫色レーザでは、活性層に隣接したｐ側にｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層を導入し、キャリア（電子）のオーバーフローを抑制する構造が一般的である（図１８）。しかしながら、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体は低抵抗化が困難であるため、レーザ素子の動作電圧を必然的に増加させることになる。さらに、本比較例２で作製したレーザ素子３では、活性層とｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層との間にＭｇ拡散抑制層が導入されている。このＭｇ拡散抑制層は、活性層へのＭｇ拡散を抑制し活性層の結晶性低下を防ぐ役目を担う重要な層である。このため、レーザ素子３では、活性層に注入されたキャリア（電子）は、少なくとも上記Ｍｇ拡散抑制層には容易にオーバーフローする。これは、上記Ｍｇ拡散抑制層での発光・非発光再結合を促すことになり、レーザ発振に寄与しない無効電流の増加、即ち閾値電流の増加に到ることになる。一方、上記第１の実施形態でのレーザ素子１では、上記Ｍｇ拡散抑制層が存在するが、電子のオーバーフローは活性層手前のｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層で抑制されるため、上記Ｍｇ拡散抑制層へのオーバーフローは大幅に抑制される。
【００４７】
以上から、上記第１の実施形態のレーザ素子１は、従来のレーザとは異なりｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層を新規に具備しているため、低動作電流、低動作電圧で且つ高温動作が可能になるため、高温高出力での信頼性が格段に向上する。
【００４８】
（第２の実施形態）
本発明に係る第２の実施形態は、ＧａＮ系紫色レーザの結晶成長において、上記第１の実施形態でのｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０の膜厚とレーザ特性との相関を検証するために、ｎ型トンネル障壁層２０の膜厚を６ｎｍ以外に１５ｎｍ、３０ｎｍと変化させて特性比較をおこなった。
【００４９】
本第２の実施形態によるＧａＮ系レーザの製造方法は、上記第１の実施形態において、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層２０の膜厚を１５ｎｍ（レーザ素子４）、３０ｎｍ（レーザ素子５）とする以外は、上記第１の実施形態と同様である。
【００５０】
本第２の実施形態により作製したレーザ素子４、５は、電流注入により室温連続発振に到った。レーザ素子４の閾値電流およびスロープ効率は各々４０ｍＡ、１．２Ｗ／Ａであった。また、レーザ素子５の閾値電流およびスロープ効率は各々７０ｍＡ、０．８Ｗ／Ａであった。また、電流値（３０ｍＡ）での動作電圧を比較すると、レーザ素子１、４および５の電圧は各々４．１Ｖ、４．１Ｖおよび４．２Ｖであった。以上の結果は、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層は、Ａｌ組成が１５％で高いもののｎ型であるため低抵抗であり、動作電圧の膜厚依存性は小さいものと思われる。一方、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層の膜厚増加によりトンネル電流が減少するために、電子の活性層への注入効率が低下する。このため、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層の膜厚増加により閾値電流およびスロープ効率が悪化する。閾値電流のｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層の膜厚依存性を図１９に示す。
【００５１】
図１９から、ｎ型ＡｌＧａＮトンネル障壁層の膜厚が１０ｎｍ以下で閾値電流の増加は抑制されることがわかる。次に、４５ｍＷでの室温ＡＰＣ寿命試験をレーザ素子４および５においても実施した。レーザ素子４では７００時間、レーザ素子５では５００時間程度の寿命時間であった。レーザ素子１と比較して寿命時間が短いのは、レーザ素子４および５共に、４５ｍＷでの消費電力（動作電流）が高いことに起因すると思われる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る第１の半導体発光素子は、上記の目的を達成し、ｎ型伝導性を示す窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とｐ型伝導性を示す上記半導体との間に上記半導体からなる活性層が具備されており、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層へ注入される電子にとって障壁となるバンドギャップエネルギーを有する上記半導体が具備されていることを特徴とする。ｎ型ＧａＮ系半導体のバンドギャップエネルギーを変化させ、活性層近傍でバンドギャップエネルギーの大きなｎ型ＧａＮ系半導体を配置することで、伝導電子のエネルギーを低下させることが可能になり、電子を活性層からオーバーフローさせることなく、活性層に有効に電子を注入することができる。これにより、ＧａＮ系発光素子の低動作電流が可能になる。
【００５３】
第２の半導体発光素子は、上記第１の製造方法において、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層に注入される電子が活性層注入前にトンネル効果で通過できる膜厚を有する上記半導体からなる障壁層を具備することを特徴とする。伝導電子が活性層注入前に上記障壁層をトンネル効果で通過することにより、伝導電子のエネルギーが低下する。このため、電子を活性層からオーバーフローさせることなく、活性層に有効に電子を注入することができる。これにより、ＧａＮ系発光素子の低動作電流が可能になる。
【００５４】
本発明に係る第３の半導体発光素子は、上記第２の製造方法において、上記障壁層がｎ型伝導性を示すことを特徴とする。上記障壁層がｎ型であることにより、障壁層での電圧降下が抑制される。また、上記障壁層により電子を活性層からオーバーフローさせることなく、活性層に有効に電子を注入することができる。以上の効果により、ＧａＮ系発光素子の低動作電圧および低動作電流が可能になる。
【００５５】
第４の半導体発光素子は、上記第２および第３の製造方法において、上記障壁層の構成原子として少なくともアルミニウム（Ａｌ）が含まれることを特徴とする。上記障壁層にＡｌが含まれることにより、障壁層がＡｌＧａＮで構成され、Ａｌ組成制御により上記障壁層のバンドギャップエネルギーを任意に変化させることが可能になる。これにより、上記障壁層をトンネル効果で通過する伝導電子量を制御することが可能になる。
【００５６】
本発明に係る第５の半導体発光素子は、上記第２、３および第４の製造方法において、上記障壁層の膜厚が少なくとも１０ｎｍ以下であることを特徴とする。上記障壁層の膜厚が１０ｎｍ以下の場合は、伝導電子は上記障壁層をトンネル効果で通過可能である。しかしながら、上記障壁層の膜厚が１０ｎｍよりも厚い場合には、トンネル効果で通過可能な伝導電子量が減少し、活性層への電子注入効率が低下することになる。したがって、上記障壁層の膜厚を１０ｎｍ以下とすることにより、電子を活性層からオーバーフローさせることなく、活性層に有効に電子を注入することができ、ＧａＮ系発光素子の低動作電流が可能になる。
【００５７】
第６の半導体発光素子は、上記第１、２、３、４および第５の製造方法において、上記活性層の構成原子として少なくともインジウム（Ｉｎ）が含まれることを特徴とする。活性層にＩｎが含まれることにより、ＧａＮ系発光素子の発光効率が大幅に改善される。さらに、活性層にＩｎが含まれることにより、活性層のバンドギャップエネルギーが低下し、活性層からオーバーフローする電子をより抑制することが可能になる。以上の効果により、ＧａＮ系発光素子の低動作電流が可能になる。
【００５８】
本発明に係る第７の半導体発光素子は、上記第１、２、３、４、５および第６の製造方法において、ｎ型伝導性を示す上記半導体から活性層に注入された電子が、活性層からオーバーフローすることを抑制されることを特徴とする。電子が活性層からオーバーフローした場合には、電子はｐ側ＧａＮ系半導体へ容易に移動し、そこで発光・非発光再結合することになる。この場合、活性層での発光に寄与しない無効電流が増加することになり、ＧａＮ系発光素子の動作電流を増加させることになる。したがって、活性層からの電子オーバーフローを抑制することで、無効電流を低減できＧａＮ系発光素子の動作電流を低減し、素子の信頼性を大幅に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡｌＧａＮ半導体の電子および正孔の有効質量のＡｌ組成依存性を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図３】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図４】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図５】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図６】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図７】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図８】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図９】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図１０】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板上に選択成長したＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の構成断面図
【図１１】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の電流−光出力特性を示す図
【図１２】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の寿命試験結果を示す図
【図１３】本発明の第１の実施形態の比較例１に係るＧａＮ系レーザ（レーザ素子２）の構成断面図
【図１４】本発明の第１の実施形態の比較例１に係るＧａＮ系レーザ（レーザ素子２）の寿命試験結果を示す図
【図１５】本発明の第１の実施形態の比較例１に係るＧａＮ系レーザ（レーザ素子２）の活性層周辺の伝導帯バンドギャッププロファイルと注入電子の流れを示す図
【図１６】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系レーザ（レーザ素子１）の活性層周辺の伝導帯バンドギャッププロファイルと注入電子の流れを示す図
【図１７】本発明の第１の実施形態の比較例２に係るＧａＮ系レーザ（レーザ素子３）の構成断面図
【図１８】本発明の第１の実施形態の比較例２に係るＧａＮ系レーザ（レーザ素子３）の活性層周辺の伝導帯バンドギャッププロファイルと注入電子の流れを示す図
【図１９】本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系レーザの閾値電流とｎ型ＡｌＧａＮ障壁層膜厚の関係を示す図
【符号の説明】
１１  サファイア基板
１２  ＧａＮ層
１３  ＳｉＯ２膜
１４  レジスト膜
１５  選択成長ＧａＮ層
１６  ＧａＮ合体部
１７  ｎ型ＧａＮコンタクト層
１８  ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
１９  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
２０  ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎトンネル障壁層
２１  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
２２  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
２３  Ｍｇ拡散抑制層
２４  ｐ型  ＧａＮ光ガイド層
２５  ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
２６  ｐ型ＧａＮコンタクト層
２７  ＳｉＯ２膜
２８  ｎ側電極
２９  ｐ側電極
５１  サファイア基板
５２  ＧａＮ層
５３  ＳｉＯ２膜
５４  選択成長ＧａＮ層
５５  ｎ型ＧａＮコンタクト層
５６  ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
５７  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
５８  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
５９  Ｍｇ拡散抑制層
６０  ｐ型  ＧａＮ光ガイド層
６１  ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
６２  ｐ型ＧａＮコンタクト層
６３  ＳｉＯ２膜
６４  ｎ側電極
６５  ｐ側電極
７１  ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
７２  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
７３  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
７４  ｎ型ＧａＮバリア層
７５  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
７６  ｎ型ＧａＮバリア層
７７  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
７８  Ｍｇ拡散抑制層
７９  ｐ型  ＧａＮ光ガイド層
８０  ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
８１  注入電子の流れ
８１  ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
８２  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
８３  ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎトンネル障壁層
８４  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
８５  ｎ型ＧａＮバリア層
８６  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
８７  ｎ型ＧａＮバリア層
８８  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
８９  Ｍｇ拡散抑制層
９０  ｐ型  ＧａＮ光ガイド層
９１  ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
９２  注入電子の流れ
９１  サファイア基板
９２  ＧａＮ層
９３  ＳｉＯ２膜
９４  選択成長ＧａＮ層
９５  ｎ型ＧａＮコンタクト層
９６  ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
９７  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
９８  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
９９  Ｍｇ拡散抑制層
１００  ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ電流ブロック層
１０１  ｐ型  ＧａＮ光ガイド層
１０２  ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
１０３  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０４  ＳｉＯ２膜
１０５  ｎ側電極
１０６  ｐ側電極
１０１  ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
１０２  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０３  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
１０４  ｎ型ＧａＮバリア層
１０５  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
１０６  ｎ型ＧａＮバリア層
１０７  Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸
１０８  Ｍｇ拡散抑制層
１０９  ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ電流ブロック層
１１０  ｐ型  ＧａＮ光ガイド層
１１１  ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
１１２  注入電子の流れ
【図１】
2004179487.tif 000003
【図２】
2004179487.tif 000004
【図３】
2004179487.tif 000005
【図４】
2004179487.tif 000006
【図５】
2004179487.tif 000007
【図６】
2004179487.tif 000008
【図７】
2004179487.tif 000009
【図８】
2004179487.tif 000010
【図９】
2004179487.tif 000011
【図１０】
2004179487.tif 000012
【図１１】
2004179487.tif 000013
【図１２】
2004179487.tif 000014
【図１３】
2004179487.tif 000015
【図１４】
2004179487.tif 000016
【図１５】
2004179487.tif 000017
【図１６】
2004179487.tif 000018
【図１７】
2004179487.tif 000019
【図１８】
2004179487.tif 000020
【図１９】
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