(57)【要約】【課題】高い絶縁性を有して信頼性に優れた電流ブロック層を備えた半導体発光素子を提供する。【解決手段】上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０の両側には、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１を形成している。このＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１は、Ｎｉが１×１０１８ｃｍ−３の濃度で添加されて半絶縁化している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｎＯ系半導体を含んだ半導体発光素子であって、
ＶＩＩＩ族遷移元素が添加されて半絶縁化したＺｎＯ系半導体層より成る電流ブロック層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体で形成され、
上記第２導電型第２クラッド層および上記第２導電型コンタクト層はリッジストライプ形状に加工され、
上記電流ブロック層は、上記第２導電型第２クラッド層および上記第２導電型コンタクト層の両側に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、電流ブロック層、第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体で形成され、
上記電流ブロック層は、上記エッチングストップ層と上記第２導電型第２クラッド層との間に形成され、
上記電流ブロック層が有するストライプ形状の溝は、上記第２導電型第２クラッド層の一部で埋められていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体で形成され、
上記電流ブロック層は、島状に形成されると共に、上記第１導電型クラッド層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層のうちのいずれか１つと接するように形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層はＺｎＯ系半導体で形成され、
上記活性層からの発振光を積層方向において１対の反射鏡で反射共振し、
上記電流ブロック層は、上記第１導電型クラッド層、上記第２導電型クラッド層および上記第２導電型コンタクト層のうちの少なくと１つの側方に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記ＶＩＩＩ族遷移元素は、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、ＩｒおよびＮｉのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記ＶＩＩＩ族遷移元素の添加濃度は１×１０１６〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲内であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記電流ブロック層は組成の異なる複数のＺｎＯ系半導体層を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項２乃至５のいずれか１つに記載の半導体発光素子において、
上記電流ブロック層は上記活性層からの発振光を吸収する領域を含む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、例えば発光ダイオード素子や半導体レーザ素子などの半導体発光素子に関し、更に詳しくは、酸化物半導体で形成され信頼性に優れた電流ブロック層を備えた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子の素子構造においては、電流ブロック機構の作製技術が重要な要素を占めている。この電流ブロック機構によって、キャリアはストライプ状の電流路を通過して活性層の限られた領域に注入される。これにより、電流密度を下げること無く発振閾値電流や動作電流を低減することが出来る。このような半導体レーザ素子としては、特開平９−２３２６８０号公報（特許文献１）などに開示されたものがある。この特許文献１では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子におけるメサ型のｐ型クラッド層の側面をノンドープ電流ブロック層で埋め込むことにより、電流ブロックと単一横モードとを共に得ている。
【０００３】
また、発光ダイオード素子では、素子中央の電流路を電流ブロック層で遮断することにより、光取り出し効率の高い素子表面近傍でキャリア再結合を起こし、発光効率を格段に向上させることが出来る。このような発光ダイオード素子としては、特開平０７−３２６７９３号公報（特許文献２）などに開示されたものがある。この特許文献２では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光ダイオード素子の構造内に、逆導電型に不純物添加した電流ブロック層を設けることより、電極直下など光取り出し効率の低い領域への電流注入を防止している。
【０００４】
ところで、近年、半導体発光素子の材料としてＺｎＯが用いられている。このＺｎＯ（酸化亜鉛）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた半導体発光素子を実現出来る可能性がある。
【０００５】
以下、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めてＺｎＯ系半導体と言う。
【０００６】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット（特許文献３）では、ＩＡ族やＶＢ族のｐ型ドーパントをドーピングして半絶縁化したＺｎＯ系半導体を電流ブロック層として使用する技術が開示されている。この特許文献３には、その電流ブロック層による効果（１）〜（４）が示されている。この効果（１）〜（４）を以下に記載する。
【０００７】
（１）ｐ型クラッド層内に形成したｎ型電流ブロック層より遥かに電流ブロックの効果が大きい。
【０００８】
（２）ウェットエッチングをすることが出来る。
【０００９】
（３）ＧａＮ系化合物半導体とも格子定数などの物理的性質が近いため、発光層形成部と連続して積層することが出来る。
【００１０】
（４）活性層に近い場所に設けることが出来ることなどの理由により、高特性の半導体レーザ素子が得られる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−２３２６８０号公報
【特許文献２】
特開平０７−３２６７９３号公報
【特許文献３】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、Ｌｉ（リチウム）やＮａ（ナトリウム）などのＩＡ族元素をドーピングして半絶縁化したＺｎＯ半導体を電流ブロック層として用いる場合、ＩＡ族元素の拡散係数が大きいため、結晶成長中や素子駆動中にＩＡ族元素のドーピングプロファイルが変化してしまう。その結果、上記電流ブロック層の導電率が増大して電流ブロック機能が低減するという問題を生じてしまう。
【００１３】
一方、Ｎ（窒素）などのＶＢ族元素をドーピングして半絶縁化したＺｎＯ系半導体は、発光素子を機能させるのに十分な電流ブロック効果を有しないという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、高い絶縁性を有して信頼性に優れた電流ブロック層を備えた半導体発光素子を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＺｎＯ系半導体に特定の遷移金属元素を添加して半絶縁化させた電流ブロック層が、アクセプタ不純物をドープした場合に比べ絶縁性と信頼性において格段に優れていることを見い出し本発明に至った。
【００１６】
本発明の半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体を含んだ半導体発光素子であって、ＶＩＩＩ族遷移元素が添加されて半絶縁化したＺｎＯ系半導体層より成る電流ブロック層を備えたことを特徴としている。
【００１７】
本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
【００１８】
また、上記半絶縁とは抵抗率が１Ωｃｍ以上１０９Ωｃｍ以下の状態を意味する。
【００１９】
上記構成の半導体発光素子によれば、上記ＶＩＩＩ族遷移元素は、ドナー不純物やアクセプタ不純物と異なり、自らがキャリアを生成して電気伝導に関与することが無い。このため、上記ＶＩＩＩ族遷移元素は、ＺｎＯ系半導体中で深い準位を形成し、残留キャリアを捕獲して絶縁化する。よって、上記ＺｎＯ系半導体の結晶が高品質化しても、ＺｎＯ系半導体の絶縁性を高く保つことが出来る。したがって、上記電流ブロック層は十分な電流ブロック効果を奏することが出来る。
【００２０】
一実施形態の半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体で形成され、
上記第２導電型第２クラッド層および上記第２導電型コンタクト層はリッジストライプ形状に加工され、
上記電流ブロック層は、上記第２導電型第２クラッド層および上記第２導電型コンタクト層の両側に形成されている。
【００２１】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、活性層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００２２】
また、上記発光層は、発光を司る層という意味において活性層と同義であるので、以下においては発光層と活性層を特に区別しない。
【００２３】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層はリッジストライプ形状に加工しているので、光学特性を向上出来、電流路の再結合界面を無くすことが出来る。
【００２４】
また、上記電流ブロック層を第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層の両側に形成しているので、低い閾値電流で安定したレーザ発振を実現できる。
【００２５】
一実施形態の半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型第１クラッド層、エッチングストップ層、電流ブロック層、第２導電型第２クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体で形成され、
上記電流ブロック層は、上記エッチングストップ層と上記第２導電型第２クラッド層との間に形成され、
上記電流ブロック層が有するストライプ形状の溝は、上記第２導電型第２クラッド層の一部で埋められている。
【００２６】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、活性層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００２７】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記電流ブロック層の溝を第２導電型第２クラッド層の一部で埋めるので、チャネルを自己整合的に形成することが出来る。したがって、製造プロセスの簡便性に優れた半導体発光素子を実現することが出来る。
【００２８】
一実施形態の半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体で形成され、
上記電流ブロック層は、島状に形成されると共に、上記第１導電型クラッド層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層のうちのいずれか１つと接するように形成されている。
【００２９】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、活性層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００３０】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記電流ブロック層は第１導電型クラッド層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層のうちのいずれか１つと接するように島状に形成されるので、素子周辺部に電流を広げて光取り出しを向上させることが出来る。
【００３１】
一実施形態の半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層はＺｎＯ系半導体で形成され、
上記活性層からの発振光を積層方向において１対の反射鏡で反射共振し、
上記電流ブロック層は、上記第１導電型クラッド層、上記第２導電型クラッド層および上記第２導電型コンタクト層のうちの少なくと１つの側方に形成されている。
【００３２】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００３３】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記活性層からの発振光を積層方向において１対の反射鏡で反射共振するので、面発光型の半導体発光素子を実現出来る。
【００３４】
上記面発光型の半導体発光素子は、発振閾値電流が低く微分効率が高いため、高速変調性と信頼性に優れる。
【００３５】
また、上記面発光型の半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体を含むので、可視光領域での光通信などに極めて有用である。
【００３６】
一実施形態の半導体発光素子は、上記１対の反射鏡の一方は、上記基板に形成された開口内に配置される。
【００３７】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記基板に開口が形成されているので、その開口から発振光を効率よく取り出すことが出来る。
【００３８】
一実施形態の半導体発光素子は、上記ＶＩＩＩ族遷移元素は、Ｆｅ（鉄）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｃｏ（コバルト）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）およびＮｉ（ニッケル）のうちの少なくとも１つを含む。
【００３９】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、ＩｒおよびＮｉのうちの少なくとも１つを含むＶＩＩＩ族遷移元素をＺｎＯ系半導体に添加すると、ＺｎＯ系半導体で結晶欠陥を生じにくくなる。したがって、上記ＺｎＯ系半導体から成る電流ブロック層の絶縁性を特に高めることが出来る。
【００４０】
一実施形態の半導体発光素子は、上記ＶＩＩＩ族遷移元素の添加濃度は１×１０１６〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲内である。
【００４１】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記ＶＩＩＩ族遷移元素の添加濃度を１×１０１６〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲内に設定すると、電流ブロック層における光吸収を低減出来ると共に、電流ブロック層の抵抗性を高めることが出来る。
【００４２】
一実施形態の半導体発光素子は、上記電流ブロック層は組成の異なる複数のＺｎＯ系半導体層を含む。
【００４３】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記電流ブロック層が組成の異なる複数のＺｎＯ系半導体層を含むので、電流ブロック層の実効的な屈折率を微細に制御することが出来る。したがって、横モードを安定化させることが出来る。
【００４４】
一実施形態の半導体発光素子は、上記電流ブロック層は上記活性層からの発振光を吸収する領域を含む。
【００４５】
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記電流ブロック層は活性層からの発振光を吸収する領域を含むので、微小な光吸収を制御することが出来る。したがって、横モードを安定化させることが出来る。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体発光素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４７】
（実施形態１）
本実施形態１では、リッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。
【００４８】
図１に、本発明の実施形態１のリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【００４９】
上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａ（ガリウム）ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのＺｎＯバッファ層１０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４、ノンドープ量子井戸活性層１０５、Ｎ（窒素）ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１０７、厚さ２０ｎｍのＢｅＺｎＯエッチングストップ層１０８、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９、Ｎドーピング濃度が５×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０がこの順で積層されている。
【００５０】
本実施形態１では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層１０５が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１０７が第２導電型第１クラッド層の一例に、ＢｅＺｎＯエッチングストップ層１０８がエッチングストップ層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９が第２導電型第２クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。
【００５１】
上記量子井戸活性層１０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層との交互積層で構成されている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層は３層ある。
【００５２】
上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０は、リッジストライプ状にエッチング加工され、側面が電流ブロック層の一例としての厚さ１μｍのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１によって埋め込まれている。つまり、上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０の両側には、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１を形成している。このＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１は、Ｎｉが１×１０１８ｃｍ−３の濃度で添加されて半絶縁化している。
【００５３】
上記ｎ型ＺｎＯ基板１０１下にはｎ型オーミック電極１１２が形成される一方、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０からｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層１１１の主表面にかけてはｐ型オーミック電極１１３が形成されている。
【００５４】
本発明の半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、本実施形態１の半導体レーザ素子は、図２に示すレーザＭＢＥ装置で作製した。
【００５５】
上記レーザＭＢＥ装置は超高真空に排気可能な成長室１００１を備えている。この成長室１００１の一方の側壁には、パルスレーザ光１００８が通過するビューポート１００７を設けている。そして、上記成長室１００１の他方の側壁においては、成長室１００１内に複数のガスを導入するため複数のガス導入管１０１０（図２では１つのみ示す）が貫通している。また、上記成長室１００１の他方の側壁には、活性化された原子状ビームを基板１００３に向けて照射可能なラジカルセル１００９を設けている。このラジカルセル１００９には、ガス導入管１０１１を介してガスが供給される。また、上記成長室１００１の上部には、基板１００３を保持する基板ホルダ１００２を配置している。更に、上記基板ホルダ１００２の上方にはヒータ１００４を配置し、基板ホルダ１００２の下方には所定の距離をおいてターゲットテーブル１００５を配置している。このターゲットテーブル１００５は、複数の原料ターゲット１００６を上面（基板ホルダ１００２側の表面）上に配置できる。また、図示しないが、上記ターゲットテーブル１００５は回転機構を有している。
【００５６】
上記構成のレーザＭＢＥ装置によれば、ヒータ１００４が基板ホルダー１００２の上面（原料ターゲット１００６とは反対側の表面）を加熱すると、基板ホルダー１００２の上面の熱が熱伝導により基板１００３に伝わって、基板１００３が加熱される。その後、上記ビューポート１００７を通じてパルスレーザ光１００８を原料ターゲット１００６の表面に照射し、原料ターゲット１００６の表面をアブレーションする。これにより、瞬時に蒸発した原料ターゲット１００６が基板１００３の下面に付着し、基板１００３下に薄膜が成長する。そして、上記パルスレーザ光１００８の照射シーケンスに同期してターゲットテーブル１００５の回転を制御することにより、異なる原料ターゲット１００６の表面にパルスレーザ光１００８を照射して、その異なる原料ターゲット１００６を上記薄膜に付着させることが可能となる。つまり、上記薄膜とは異なる薄膜を基板１００３下に成長させることが可能となる。また、上記ラジカルセル１００９によって活性化された原子状ビームを基板１００３に照射することも可能である。
【００５７】
上記レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと、この原料ターゲットの表面をアブレーションすることで成長させた薄膜との間において組成ずれが小さく、またＺｎＧａ２Ｏ４などの意図しない副生成物の生成を抑えることができるので好ましい。
【００５８】
以下、図３（ａ），（ｂ）および図４（ｃ）〜（ｅ）を用いて、本実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【００５９】
まず、洗浄処理したＺｎＯ基板１０１をレーザＭＢＥ装置に導入し、温度６００℃で３０分間加熱し清浄化する。
【００６０】
次に、基板温度を５５０℃に降温して、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、Ｇａ２Ｏ３を添加したＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とにパルスレーザ光１００８を照射することにより、図３（ａ）に示すＺｎＯバッファ層１０２を成長させる。
【００６１】
このとき、上記２つの原料ターゲット１００６は、所望のＧａドーピング濃度が得られる比率で交互にアブレーションされる。また、上記回転機構によるターゲットテーブル１００５の駆動周期と、パルスレーザ光１００８の照射周期とを外部制御装置（図示しない）によって同期させている。そして、上記パルスレーザ光１００８は、ＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ、パルス数：１０Ｈｚ、出力１Ｊ／ｃｍ２）で得ている。なお、上記ＺｎＯバッファ層１０２の成長中は、ガス導入管１０１０を介して成長室１００１内にＯ２ガスを導入している。
【００６２】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶とから成る原料ターゲット１００６と、Ｇａ２Ｏ３を添加したＭｇＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とを用い、交互アブレーション手法によってＧａドーピング濃度とＭｇ組成を制御し、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３を成長させる。
【００６３】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、Ｇａ２Ｏ３を添加したＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とを用い、交互アブレーション手法によってＧａドーピング濃度を制御し、ｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４を成長させる。
【００６４】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、ノンドープＣｄＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６とを用い、交互アブレーション手法によってＣｄ組成を制御し、ＺｎＯ障壁層とＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とより成る量子井戸活性層１０５を成長させる。
【００６５】
次に、上記ガス導入管１０１１より導入したＮ２ガスをラジカルセル１００９でプラズマ化してＺｎＯ基板１０１へ向けて照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６をアブレーションし、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６を成長させる。
【００６６】
次に、上記ガス導入管１０１１より導入したＮ２ガスをラジカルセル１００９でプラズマ化してＺｎＯ基板１０１へ向けて照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、ノンドープＭｇＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とを用い、交互アブレーションによってＭｇ組成を制御し、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１０７を成長させる。
【００６７】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、ＢｅＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６とを用い、交互アブレーション手法によってＢｅ組成を制御し、ＢｅＺｎＯエッチングストップ層１０８を成長させる。
【００６８】
次に、上記ガス導入管１０１１より導入したＮ２ガスをラジカルセル１００９でプラズマ化してＺｎＯ基板１０１へ向けて照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶とから成る原料ターゲット１００６と、ノンドープＭｇＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とを用い、交互アブレーションによってＭｇ組成を制御し、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９を形成するためのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層１１０９を成長させる。
【００６９】
次に、上記ガス導入管１０１１より導入したＮ２ガスをラジカルセル１００９でプラズマ化してＺｎＯ基板１０１へ向けて照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６をアブレーションし、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０を形成するためのｐ型ＺｎＯ層１１１０を成長させる。
【００７０】
次に、上記ＺｎＯ基板１０１をレーザＭＢＥ装置から取り出し、図３（ｂ）に示すように、幅３μｍのストライプ形状のレジストマスク１１４をｐ型ＺｎＯ層１１１０上に形成する。そして、１重量％の硝酸水溶液を用いてｐ型ＺｎＯ層１１１０およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層１１０９をリッジストライプ形状にエッチングし、縦方向（積層方向）のエッチングをＢｅＺｎＯエッチングストップ層１０８で停止させる。その後、リッジストライプ幅が１．５μｍになるまで横方向のエッチングを進行させて、ＺｎＯ基板１０１をエッチング液から引き上げて水洗しエッチングを停止させる。これにより、図４（ｃ）に示すように、リッジストライプ形状のｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０が得られる。
【００７１】
上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０のリッジストライプ幅は狭い方がキャリア注入効率が高く、また高次横モードをカットオフしてキンクレベルを向上させることが出来るが、一方で動作電圧が上昇し信頼性も悪化するため、およそ０．５〜３μｍの範囲内で適宜制御されることが好ましい。
【００７２】
次に、上記レジストマスク１１４を洗浄除去し、ＺｎＯ基板１０１を再度レーザＭＢＥ装置に導入して、Ｎｉを添加したＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６と、ノンドープＭｇＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とを用いた交互アブレーション手法で、図４（ｄ）に示すように、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１を形成するためのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層１１１１を成長させる。
【００７３】
電流ブロック層のＭｇ組成は、実屈折率型の導波機構を実現し光吸収を生じないためにクラッド層のＭｇ組成より高く、且つ、結晶性の悪化を生じないよう０．３５以下であることが好ましい。
【００７４】
次に、上記ＺｎＯ基板１０１をレーザＭＢＥ装置から取り出し、リッジストライプ上に堆積したＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層１１１１をエッチング除去して、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０を露出させる。これにより、図４（ｅ）に示すように、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１１０の両側に、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１が形成される。
【００７５】
次に、上記Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１を含む上面全面に、厚さ１００ｎｍのＮｉから成るｐ型オーミック電極１１３を真空蒸着で形成する。
【００７６】
最後に、ＺｎＯ基板１０１の裏面に、厚さ１００ｎｍのＡｌから成るｎ型オーミック電極１１２を真空蒸着で形成する。
【００７７】
上述した積層構造を作製した後、ＺｎＯ基板１０１を劈開して端面ミラーを形成し、保護膜をその端面ミラー真空蒸着して、素子を３００μｍに分離した。
【００７８】
このように作製した本実施形態１の半導体レーザ素子に電流を流したところ、閾値電流３５ｍＡで端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、出力５ｍＷにおける動作電流および動作電圧は各々４０ｍＡおよび４Ｖであった。また、室温で出力５ｍＷの連続発振動作において、５０００時間以上動作電流が上昇せず安定に発振した。
【００７９】
比較例１として、ＮｉドープのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１の代わりに、ＮドープとしたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形態１と同様にＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例１の半導体レーザ素子では、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層がｐ型化したため、電流ブロック効果が得られず、発振しなかった。
【００８０】
比較例２として、Ｎｉドープにより半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１の代わりに、Ｌｉドープにより半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形態１と同様にＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例２のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、レーザ駆動後１０時間程度で動作電流が増大し始め、２４時間後の動作電流が初期動作電流より２０％増大してしまう。
【００８１】
比較例３として、Ｎｉドープにより半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１１１に代えて、Ｇａドープによりｎ型化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形態１と同様にＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例３の半導体レーザ素子は、レーザ駆動後１０００時間程度で動作電流が増大し始め、４５００時間後の動作電流が初期動作電流より２０％増大してしまう。
【００８２】
以上より、本発明の遷移金属添加電流ブロック層を用いたリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、従来技術によって電流ブロック層を形成した半導体レーザ素子に比べ、省電力性に優れ高い信頼性を有することが判った。
【００８３】
このような高い絶縁性と信頼性を有する電流ブロック層を実現するために添加する遷移金属の種類としては、ＶＩＩＩ族元素が好ましく、本実施形態１で用いたＮｉの他に、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、ＲｈおよびＩｒなどがある。つまり、本発明の電流ブロック層には、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、ＩｒおよびＮｉのうちの少なくとも１種以上を添加することが好ましい。
【００８４】
上記電流ブロック層は、ＶＩＩＩ族元素の添加濃度が低いと高抵抗化しにくく、逆に添加濃度が高いと不純物吸収などによる損失が生じてしまう。したがって、ＶＩＩＩ族元素の添加濃度は１×１０１６〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲内で調整されることが好ましい。
【００８５】
上記実施形態１では、所望のＭｇ組成およびＧａドーピング濃度を、ＺｎＯ単結晶とＧａドープＭｇＺｎＯ焼結体との２つの原料ターゲット１００６を交互アブレーションして制御したが、ＺｎＯ単結晶、ノンドープＭｇＺｎＯ焼結体およびＧａドープＺｎＯ焼結体の３つの原料ターゲット１００６を打ち分けるなどの方法で制御性を向上させると好ましい。
【００８６】
また、Ｇａ添加ＺｎＯまたはＭｇＺｎＯ焼結体を用いる代りに、蒸発セルを用いてＧａをドーピングしてもよい。
【００８７】
更に、電流ブロック層へのＮｉ添加においても、ＺｎＯ焼結体に代えてＺｎＯ単結晶を用い、Ｎｉを蒸発セルから供給して添加してもよい。
【００８８】
（実施形態２）
本実施形態２では、Ｎｉ添加電流ブロック層１１１の代わりに、５００ÅのＮｉ添加Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層と５００ÅのＮｉ添加ＺｎＯ層との１０周期の交互積層構造を有する電流ブロック層を用いた他は、上記実施形態１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。
【００８９】
本実施形態２のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、電流ブロック層の実効的な屈折率とｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１０９の屈折率との差が上記実施形態１より小さくなるので、リッジストライプ幅を５μｍまで広げても単一横モード発振を維持出来た。
【００９０】
また、上記半導体レーザ素子は、上記実施形態１と同様に、室温で出力５ｍＷの連続発振動作において、５０００時間以上動作電流が上昇せず安定に発振した。
【００９１】
本実施形態２において示したように、電流ブロック層の構造を屈折率の異なる複数の半導体の多重積層構造にすることにより、電流ブロック層の実効的な屈折率を制御することが出来、ストライプ幅が広くても単一横モード発振を得やすく、素子作製が容易となる。この場合においても、本発明の高い電流ブロック効果は損なわれることが無い。
【００９２】
すなわち、電流ブロック層は組成の異なる複数のＺｎＯ系半導体層を含んでもよい。
【００９３】
なお、上記電流ブロック層を構成する半導体層の層厚および積層周期は、本実施形態１に限定されるものではない。
【００９４】
（実施形態３）
本実施形態３では、上記実施形態２における１０層の５００ÅのＮｉ添加ＺｎＯ層うちの１層のみを５００ÅのＮｉ添加Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層とした他は、上記実施形態２と同様にしてＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。
【００９５】
本実施形態３のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、電流ブロック層が含むＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層がレーザ光を吸収し、更に横モードが安定化したため、リッジストライプ幅を１０μｍまで広げても単一横モード発振を維持出来た。
【００９６】
また、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子のキンクレベルが１０ｍＷから２０ｍＷに向上した。この場合においても、本発明の高い電流ブロック効果は損なわれることが無い。
【００９７】
本実施形態３では、Ｎｉ添加Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層が活性層から発振光を吸収する領域の一例に相当している。
【００９８】
なお、光吸収層として機能するＮｉ添加Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層の層厚、積層数、挿入位置などは、横モードを安定化させるために任意に変更可能であり、本実施形態３に限定されるものではない。
【００９９】
また、上記電流ブロック層が光吸収層として含む層は、Ｎｉ添加Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層に限定されない。
【０１００】
また、上記電流ブロック層は光吸収する領域は層に限定されない。例えば、上記電流ブロック層は光吸収する粒子を含んでもよい。
【０１０１】
（実施形態４）
本実施形態４では、ＳＡＳ（自己整合）型ＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。
【０１０２】
図５に、本発明の実施形態４のＳＡＳ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【０１０３】
上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１上に、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのＺｎＯバッファ層２０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層２０４、ノンドープ量子井戸活性層２０５、Ｎドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層２０６、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層２０７、厚さ２０ｎｍのＢｅＺｎＯエッチングストップ層２０８、Ｃｏ添加濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９がこの順で積層されている。
【０１０４】
本実施形態４では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層２０５が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層２０７が第２導電型第１クラッド層の一例に、ＢｅＺｎＯエッチングストップ層２０８がエッチングストップ層の一例、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９が電流ブロック層の一例にそれぞれ相当している。
【０１０５】
上記量子井戸活性層２０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層は３層ある。
【０１０６】
上記Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９には、エッチングによってチャネルストライプとしての溝２１４が形成されている。この溝２１４の底面は、ＢｅＺｎＯエッチングストップ層２０８の表面の一部から成っている。この表面の一部と、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９との上に、第２導電型第２クラッド層の一例としての厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２１０を形成している。これにより、上記Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９の溝２１４は、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２１０の一部で埋められている。また、上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２１０は、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３となっている。
【０１０７】
また、上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２１０上には、第２導電型コンタクト層の一例としての厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層２１１が形成されている。このｐ型ＺｎＯコンタクト層２１１は、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３となっている。
【０１０８】
また、上記ｎ型ＺｎＯ基板２０１下にはｎ型オーミック電極２１２が形成されている一方、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２１１上にはｐ型オーミック電極２１３が形成されている。
【０１０９】
本実施形態４のＺｎＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、閾値電流３５ｍＡで端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、出力５ｍＷにおける動作電流および動作電圧が各々４０ｍＡおよび４Ｖであった。
【０１１０】
また、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、室温で出力５ｍＷの連続発振動作において、５０００時間以上動作電流が上昇せず安定に発振した。
【０１１１】
比較例４として、Ｃｏ添加のＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９に代えて、ＮドープしたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形態４と同様にＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例４のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、そのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層がｐ型化しているため、発振しなかった。
【０１１２】
比較例５として、Ｃｏ添加で半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９に代えて、Ｌｉドープで半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形態４と同様にＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例５の半導体レーザ素子は、レーザ駆動後１０時間程度で動作電流が増大し始め、２４時間後の動作電流が初期動作電流より２０％増大してしまう。
【０１１３】
比較例６として、Ｃｏ添加のＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層２０９に代えて、Ｇａドープでｎ型化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形態４と同様にＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例６の半導体レーザ素子は、レーザ駆動後１０００時間程度で動作電流が増大し始め、４５００時間後の動作電流が初期動作電流より２０％増してしまう。
【０１１４】
以上より、本発明の遷移金属添加電流ブロック層は、ＳＡＳ構造の半導体レーザ素子においても省電力性に優れ高い信頼性を有することが判った。
【０１１５】
（実施形態５）
本実施形態５では、面発光型ＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。
【０１１６】
図６に、本発明の実施形態５の面発光型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。この面発光型半導体レーザ素子は基板側から発振光を取り出す構造になっており、図６に示された構造は積層順とは上下が逆になっている。つまり、図６において、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１下の複数の成長層では、図中上側の成長層が図中下側の成長層よりも先に積層されたものである。
【０１１７】
以下では、基板上に上記複数の成長層が形成されているものとして説明を行う。つまり、以下の説明の上下は図６における上下とは逆になる。
【０１１８】
上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１上に、厚さ２０ｎｍのＢｅＺｎＯ第１エッチングストップ層３０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのＺｎＯバッファ層３０３、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０４、ノンドープ量子井戸活性層３０５、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層３０６、厚さ２０ｎｍのＢｅＺｎＯ第２エッチングストップ層３０７、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層３０８、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層３０９がこの順で積層されている。
【０１１９】
本実施形態５では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層３０４が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層３０５が活性層の一例にそれぞれ相当している。また、上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層３０６とｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層３０８とで、第２導電型クラッド層の一例を構成している。
【０１２０】
上記量子井戸活性層３０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層は３層ある。
【０１２１】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層３０８は円柱形状にエッチング加工され、側面が電流ブロック層の一例としてのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３１０によって埋め込まれている。つまり、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層３０８の側方に、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３１０を形成している。上記Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３１０は、Ｆｅが１×１０１８ｃｍ−３の濃度で添加されている。
【０１２２】
上記ｎ型ＺｎＯ基板３０１下にはｎ型オーミック電極３１１が形成されている。このｎ型ＺｎＯ基板３０１およびｎ型オーミック電極３１１では、円柱形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層３０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層３１８直下に対応する部分がエッチング除去されている。このエッチング除去で形成された開口３２０内には、反射鏡の一例としての多層反射膜３１２が形成されてＢｅＺｎＯ第１エッチングストップ層３０７の裏面に接触している。この多層反射膜３１２は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の交互積層によって構成されている。また、上記多層反射膜３１２の波長４００ｎｍの発光に対する反射率は２０％となっている。
【０１２３】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層３０９およびＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３１０上には、ｐ型オーミック電極３１３、反射鏡の一例としてのＡｇ高反射電極３１４およびＡｕパッド電極３１５がこの順で形成されている。上記Ａｇ高反射膜３１４の波長４００ｎｍの発光に対する反射率は９５％となっている。
【０１２４】
上記構成のＺｎＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口３２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。
【０１２５】
また、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、室温で出力５ｍＷの連続発振動作において、５０００時間以上動作電流が上昇せず安定に発振した。
【０１２６】
比較例７として、Ｆｅ添加のＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３１０の代わりに、ＮドープのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３１０を用いた他は、本実施形態５と同様にしてＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例７のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層がｐ型化したため、発振しなかった。
【０１２７】
比較例８として、Ｆｅ添加により半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３１０の代わりに、Ｌｉドープにより半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形態５と同様にしてＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。この比較例８のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、レーザ駆動後１０時間程度で動作電流が増大し始め、２４時間後の動作電流が初期動作電流より２０％増大してしまった。
【０１２８】
比較例９として、Ｆｅ添加により半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層３１０の代わりに、Ｇａドープによりｎ型化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形態５と同様にしてＺｎＯ系半導体を作製した。この比較例９のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、レーザ駆動後１０００時間程度で動作電流が増大し始め、４５００時間後の動作電流が初期動作電流より２０％増大してしまった。
【０１２９】
以上より、本発明の遷移金属添加電流ブロック層は、面発光型半導体レーザ素子においても省電力性に優れ高い信頼性を有することが判った。
【０１３０】
上記実施形態５では、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層の側方に電流ブロック層を形成していたが、ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層のうちの少なくと１つの側方に電流ブロック層を形成してもよい。
【０１３１】
（実施形態６）
本実施形態６では、ＺｎＯ系発光ダイオード素子に本発明を適用した例について説明する。
【０１３２】
図７に、本発明の実施形態６のＺｎＯ系発光ダイオード素子の模式斜視図を示す。
【０１３３】
上記ＺｎＯ系発光ダイオード素子は、亜鉛面を主面とするｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１上に、Ｇａを３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０２、ノンドープで厚さ０．５μｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層４０３、厚さ２０ｎｍのＢｅＺｎＯエッチングストップ層４０４、Ｎを１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０５、Ｎを１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングした厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層４０６がこの順で積層されている。
【０１３４】
本実施形態６では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０２が第１導電型クラッド層の一例に、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層４０３が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０５が第２導電型クラッド層の一例、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０６が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当している。
【０１３５】
上記ＢｅＺｎＯエッチングストップ層４０４とｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０５との間には、電流ブロック層の一例としての厚さ０．２μｍのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７が島状に形成されている。より詳しくは、上記Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７は、ＢｅＺｎＯエッチングストップ層４０４よりも形成されてｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０５で覆われている。これにより、上記Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７は、ＢｅＺｎＯエッチングストップ層４０４の表面に接すると共に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０５の裏面に接している。また、上記Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７は、Ｉｒを１×１０１８ｃｍ−３の濃度で添加されている。
【０１３６】
上記ｐ型コンタクト層４０６の主表面全面には、厚さ１５ｎｍのＮｉから成るｐ型オーミック電極４０９が積層されている。そして、上記Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７直上のｐ型オーミック電極４０９上には、厚さ１００ｎｍのボンディング用Ａｕパッド電極４１０が、Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７とほぼ同じ面積で形成されている。また、上記ＺｎＯ基板４０１の裏面には、厚さ１００ｎｍのＡｌから成るｎ型オーミック電極４０８が形成されている。
【０１３７】
上記構成のＺｎＯ系発光ダイオード素子は、ボンディング用Ａｕパッド電極４１０直下のＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層４０３はＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７によってキャリア注入が阻止されるため、主に周辺部のＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層４０３が発光する。したがって、上記周辺部のＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ発光層４０３からの発光はボンディング用Ａｕパッド電極４１０で遮られないので、光取り出し効率が高い。
【０１３８】
上記ＺｎＯ系発光ダイオード素子に電流を流したところ、動作電圧３．７Ｖで２０ｍＡの電流が流れ、波長４００ｎｍの青色発光が得られた。
【０１３９】
比較例１０として、Ｉｒ添加のＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７に代わりに、ＮドープのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形形態６と同様にＺｎＯ系発光ダイオード素子を作製した。この比較例１０のＺｎＯ系発光ダイオード素子は、そのＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層がｐ型化したため電流ブロック層として機能せず、発光強度が４０％減少した。
【０１４０】
比較例１１として、Ｉｒ添加により半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７の代わりに、Ｌｉドープにより半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形形態６と同様にＺｎＯ系発光ダイオード素子を作製した。この比較例１１のＺｎＯ系発光ダイオード素子は、駆動後１０時間程度で輝度が低下し始め、２４時間後の輝度が駆動直後の輝度より５０％低下した。
【０１４１】
比較例１２として、Ｉｒ添加により半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層４０７の代わりに、Ｇａドープにより半絶縁化させたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層を用いた他は、本実施形形態６と同様にＺｎＯ系発光ダイオード素子を作製した。この比較例１２のＺｎＯ系発光ダイオード素子は、駆動後５００時間程度で輝度が低下し始め、１０００時間後の輝度が駆動直後の輝度より５０％低下した。
【０１４２】
以上より、本発明の遷移金属添加電流ブロック層は、発光ダイオード素子においても省電力性に優れ高い信頼性を有することが判った。
【０１４３】
上記実施形態７では、電流ブロック層はエッチングストップ層とｐ型クラッド層との間に島状に形成していたが、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間に島状に形成してもよいし、基板とｎ型クラッド層の間に島状に形成してもよい。つまり、上記電流ブロック層は、ｐ型コンタクト層に接するように形成してもよいし、ｎ型クラッド層に接するように形成してもよい。
【０１４４】
なお、上記の実施形態１〜６では、ＺｎＯ系半導体発光素子に本発明の電流ブロック層を適用した例を示したが、ＺｎＯ系半導体はＩＩＩ族窒化物系半導体と同じウルツ鉱結晶構造であり格子定数などの物理的性質が近いため、ＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子の電流ブロック層として用いても効果を奏する。
【０１４５】
また、上記実施形態１〜６では、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層をこの順で形成していたが、基板上に、ｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層およびｎ型コンタクト層をこの順で形成してもよい。
【０１４６】
また、本発明の半導体発光素子は、ダブルへテロ構造であってもよいし、シングルへテロ構造であってもよい。
【０１４７】
また、本発明は、ＺｎＯ系半導体から成る酸化物半導体発光素子に用いることが出来る。
【０１４８】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の半導体発光素子によれば、ＺｎＯ系半導体を含んだ半導体発光素子において、ＶＩＩＩ族遷移元素が添加され半絶縁化したＺｎＯ系半導体層より成る電流ブロック層を形成するようにしたので、高品質なＺｎＯ系半導体結晶を用いた発光素子においても高い絶縁性を保って十分な電流ブロック効果を奏することが出来、信頼性に優れた半導体発光素子を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施形態１のリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図２】図２は上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子の製造に用いるレーザＭＢＥ装置の概略構成図である。
【図３】図３（ａ），（ｂ）は上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】図４（ｃ）〜（ｅ）は上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図５】図５は本発明の実施形態４のＳＡＳ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図６】図６本発明の実施形態５の面発光型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図７】図７は本発明の実施形態６のＺｎＯ系発光ダイオード素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
１１１，２０９，３１０，４０７  Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層
【図１】
2005005518.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005005518.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005005518.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005005518.tif 000009