(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体発光素子であって、
基板の主面の上に設けられておりｎ型III族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、
前記基板の前記主面の上に設けられておりIII族窒化物半導体からなる活性層と、
前記基板の前記主面の上に設けられておりｐ型III族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、
を備え、
前記活性層は前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は、前記基板の前記主面の法線軸にそって配置されており、
前記ｐ型クラッド層には、アクセプタのレベルを提供するｐ型ドーパントが添加されており、
前記ｐ型クラッド層は、ドナーのレベルを提供するｎ型不純物を含み、
前記ｐ型ドーパントの濃度は前記ｎ型不純物の濃度より大きく、
前記ｐ型クラッド層のフォトルミネセンススペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と該フォトルミネセンススペクトルにおけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が、０．４２エレクトロンボルト以下であり、ここで、前記バンド端発光のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）及び前記ドナーアクセプタ対発光のエネルギＥ（ＤＡＰ）はエレクトロンボルトの単位で表され、
前記ｎ型クラッド層の前記ｎ型III族窒化物半導体のｃ軸は、前記法線軸に対して傾斜しており、
前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体のｃ軸は、前記法線軸に対して傾斜しており、
前記ｐ型ドーパントはマグネシウムを含み、前記ｐ型ドーパントのマグネシウム濃度は、３×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下であり、
前記ｎ型不純物は酸素を含み、前記ｎ型不純物の酸素濃度は、６×１０１７ｃｍ−３以下６×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記ｐ型クラッド層は水素を含み、前記ｐ型クラッド層の水素濃度は４×１０１８ｃｍ−３以下である、III族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
III族窒化物半導体発光素子であって、
基板の主面の上に設けられておりｎ型III族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、
前記基板の前記主面の上に設けられておりIII族窒化物半導体からなる活性層と、
前記基板の前記主面の上に設けられておりｐ型III族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層に接して設けられたモニタ半導体層と、
を備え、
前記活性層は前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は、前記基板の前記主面の法線軸にそって配置されており、
前記ｐ型クラッド層には、アクセプタのレベルを提供するｐ型ドーパントが添加されており、
前記ｐ型クラッド層は、ドナーのレベルを提供するｎ型不純物を含み、
前記ｐ型ドーパントの濃度は前記ｎ型不純物の濃度より大きく、
前記ｐ型クラッド層のフォトルミネセンススペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と該フォトルミネセンススペクトルにおけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が、０．４２エレクトロンボルト以下であり、ここで、前記バンド端発光のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）及び前記ドナーアクセプタ対発光のエネルギＥ（ＤＡＰ）はエレクトロンボルトの単位で表され、
前記ｎ型クラッド層の前記ｎ型III族窒化物半導体のｃ軸は、前記法線軸に対して傾斜しており、
前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体のｃ軸は、前記法線軸に対して傾斜しており、
前記モニタ半導体層の材料は前記ｐ型クラッド層の材料と同じであり、
前記モニタ半導体層のｐ型ドーパント濃度は、前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度より小さく、
前記モニタ半導体層の厚さは前記ｐ型クラッド層の厚さより薄い、III族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型ドーパントはマグネシウムを含み、
前記マグネシウムの濃度は３×１０１８ｃｍ−３以上であり、
前記ｎ型不純物は酸素を含み、
前記酸素の濃度は６×１０１７ｃｍ−３以下である、請求項２に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型クラッド層はＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
前記ＩｎＡｌＧａＮ層は１８０ｎｍ以上である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型クラッド層はＩｎＡｌＧａＮ層を含む、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体の前記ｃ軸と前記法線軸との成す角度は、１０度以上８０度以下又は１００度以上１７０度以下の範囲にある、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体の前記ｃ軸と前記法線軸との成す角度は、６３度以上８０度以下又は１００度以上１１７度以下の範囲にある、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記活性層の発光スペクトルは、５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｐ型クラッド層の上に設けられたｐ型コンタクト層を更に備え、
前記ｐ型コンタクト層の厚さは、０．０６マイクロメートル以下であり、
前記ｐ型コンタクト層は、ｐ型III族窒化物半導体からなり、
前記ｐ型コンタクト層の前記ｐ型III族窒化物半導体のバンドギャップは、前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体のバンドギャップより小さく、
前記ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパント濃度は、前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度より大きい、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型コンタクト層はｐ型ＧａＮからなり、
前記ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパント濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上である、請求項９に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ｐ型コンタクト層は、ｐ型の第１III族窒化物半導体層及びｐ型の第２III族窒化物半導体層を含み、
前記第２III族窒化物半導体層は前記第１III族窒化物半導体層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記第１III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度は前記第２III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度より大きく、
前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度は前記第２III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度より小さく、
当該III族窒化物半導体発光素子は、前記第１III族窒化物半導体層に接触を成すアノード電極を更に備える、請求項９又は請求項１０に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記基板の前記主面はIII族窒化物からなり、
前記基板の前記主面の前記法線軸は、前記基板の前記III族窒化物のｃ軸に対して傾斜する、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記ｐ型クラッド層は炭素不純物を含み、
前記炭素不純物の濃度は４×１０１６ｃｍ−３以下である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記ｐ型クラッド層に接して設けられたモニタ半導体層を更に備え、
前記モニタ半導体層の材料は前記ｐ型クラッド層の材料と同じであり、
前記モニタ半導体層のｐ型ドーパント濃度は、前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度より小さく、
前記モニタ半導体層の厚さは前記ｐ型クラッド層の厚さより薄い、請求項１に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記モニタ半導体層の厚さは５ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲にある、請求項２、請求項３、及び請求項１４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記モニタ半導体層のｐ型ドーパント濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満の範囲にある、請求項２、請求項３、請求項１４、及び請求項１５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記ｐ型クラッド層は水素を含み、
前記ｐ型クラッド層の水素の濃度は４×１０１８ｃｍ−３以下である、請求項２又は請求項３に記載されたIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
III族窒化物半導体発光素子を作製する方法であって、
ｎ型クラッド層のためのｎ型III族窒化物半導体層、活性層のためのIII族窒化物半導体層、及びｐ型クラッド層のためのｐ型III族窒化物半導体層を基板の上に成長して、前記III族窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板を作製する工程と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に励起光を照射して、前記ｐ型III族窒化物半導体層のバンド端発光及び前記ｐ型クラッド層におけるドナーアクセプタ対発光を含むフォトルミネセンススペクトルの測定を行う工程と、
前記フォトルミネセンススペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と前記フォトルミネセンススペクトルにおけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を生成する工程と、
前記差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を用いて、前記エピタキシャル基板に引き続く工程を適用するか否かの判断を行う工程と、
前記判断が肯定的であるとき、電極を形成するための加工を前記エピタキシャル基板に施す工程と、
を備え、
前記励起光の波長は、前記ｐ型クラッド層のための前記ｐ型III族窒化物半導体層におけるバンドギャップ波長より短い、III族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【請求項１９】
前記差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））は０．４２エレクトロンボルト以下であり、ここで、前記バンド端発光のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）及び前記ドナーアクセプタ対発光のエネルギＥ（ＤＡＰ）はエレクトロンボルトの単位で表される、請求項１８に記載されたIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【請求項２０】
前記フォトルミネセンススペクトルの測定は、絶対温度１００度以下の温度で行われる、請求項１８又は請求項１９に記載されたIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【請求項２１】
前記ｐ型クラッド層の成膜のために前記エピタキシャル基板の引き続く作製における成膜条件を前記差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））に基づき見直す工程を更に備える、請求項１８〜請求項２０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【請求項２２】
前記エピタキシャル基板を作製する前記工程は、前記ｐ型クラッド層のための前記ｐ型III族窒化物半導体層を成長した後に、ｐ型コンタクト層のための別のｐ型III族窒化物半導体層を前記基板の上に成長する工程を更に含み、
前記ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパント濃度は前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度より大きく、
前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップは前記ｐ型クラッド層のバンドギャップより小さく、
前記ｐ型コンタクト層の厚さは０．０６マイクロメートル以下であり、
前記ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパント濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上である、請求項１８〜請求項２１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【請求項２３】
前記ｐ型コンタクト層はｐ型ＧａＮからなる、請求項２２に記載されたIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【請求項２４】
前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパントはマグネシウムを含み、
前記マグネシウムの濃度は３×１０１８ｃｍ−３以上である、請求項１８〜請求項２３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【請求項２５】
前記ｐ型クラッド層のｎ型不純物は酸素を含み、
前記酸素の濃度は６×１０１７ｃｍ−３以下である、請求項１８〜請求項２４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【請求項２６】
前記ｐ型クラッド層のための前記ｐ型III族窒化物半導体層は炭素不純物を含み、
前記炭素の濃度は４×１０１６ｃｍ−３以下である、請求項１８〜請求項２５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体発光素子、及びIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、緑色の光を発生する窒化ガリウム系半導体レーザが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Enya  Yohei,  Yoshizumi  Yusuke,  Kyono  Takashi,  Akita  Katsushi,  Ueno  Masaki,  Adachi  Masahiro,  Sumitomo  Takamichi,  Tokuyama  Shinji,  Ikegami  Takatoshi,  Katayama  Koji,  Nakamura  Takao,  "531  nm  Green  Lasing  of  InGaN  Based  Laser  Diodes  on  Semi-Polar  {20-21}  Free-Standing  GaN  Substrates,"  Applied  Physics  Express,  Volume  2,  Issue  8,  pp.  082101  (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザダイオードの性能を左右する要因の一つである電気的特性は、例えば以下のように行われてきた：レーザダイオード自体の電気的特性評価を行う；或いは、ｐ型クラッド層やｐ型ガイド層のための単層の半導体膜の電気的特性評価を行う。これらの特性の評価により、レーザダイオードの電気的特性が管理されている。
【０００５】
発明者らの知見によれば、主にｐ型クラッド層及びｐ型ガイド層が、レーザダイオードの電気的特性に強く寄与している。これ故に、レーザダイオード構造においてｐ型クラッド層の電気的特性を独立して評価することが可能であれば、より正確にレーザダイオードの電気的特性を管理することが可能となる。つまり、レーザダイオードにおけるｐ型クラッド層の電気的特性を単独で評価することが求められる。
【０００６】
ｐ型クラッド層の電気的特性に関するより正確な評価は、良好な電気的特性を示すレーザダイオードや発光ダイオードを提供することを可能にする。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、低減された順方向電圧を有するIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子は、（ａ）基板の主面の上に設けられておりｎ型III族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、（ｂ）前記基板の前記主面の上に設けられておりIII族窒化物半導体からなる活性層と、（ｃ）前記基板の前記主面の上に設けられておりｐ型III族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層とを備える。前記活性層は前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は、前記基板の前記主面の法線軸にそって配置されており、前記ｐ型クラッド層には、アクセプタのレベルを提供するｐ型ドーパントが添加されており、前記ｐ型クラッド層は、ドナーのレベルを提供するｎ型不純物を含み、前記ｐ型ドーパントの濃度は前記ｎ型不純物の濃度より大きく、前記ｐ型クラッド層のフォトルミネセンススペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と該フォトルミネセンススペクトルにおけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が、０．４２エレクトロンボルト以下であり、ここで、前記バンド端発光のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）及び前記ドナーアクセプタ対発光のエネルギＥ（ＤＡＰ）はエレクトロンボルトの単位で表され、前記ｎ型クラッド層の前記ｎ型III族窒化物半導体のｃ軸は、前記法線軸に対して傾斜しており、前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体のｃ軸は、前記法線軸に対して傾斜している。
【０００９】
このIII族窒化物半導体発光素子では、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層は基板の主面の法線軸に沿って配置されており、ｎ型クラッド層のｎ型III族窒化物半導体のｃ軸及びｐ型クラッド層のｐ型III族窒化物半導体のｃ軸が共に法線軸に対して傾斜し、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間には活性層が設けられる。このIII族窒化物半導体発光素子において、ｐ型クラッド層におけるｐ型ドーパントの濃度がｎ型不純物の濃度より大きくなるように、ｐ型クラッド層はｐ型ドーパント及びｎ型不純物を含む。これ故に、ｐ型クラッド層のバンドギャップより大きい励起光を用いた測定によるフォトルミネセンススペクトルは、バンド端発光及びドナーアクセプタ対発光のピークを有する。発明者らの検討によれば、このフォトルミネセンススペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と該フォトルミネセンススペクトルにおけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が当該III族窒化物半導体発光素子の駆動電圧と相関を有することが明らかにされた。このエネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が０．４２エレクトロンボルト以下であるとき、これまでのIII族窒化物半導体発光素子に比べて、順方向電圧印加に係る駆動電圧が低減される。
【００１０】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型ドーパントはマグネシウムを含み、前記マグネシウム濃度は３×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。
【００１１】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層において、電気伝導を担うキャリアは正孔である。マグネシウム濃度が３×１０１８（３Ｅ＋１８）ｃｍ−３以上であるとき、III族窒化物半導体発光素子の電圧特性が悪化しないレベルのキャリア濃度を電気伝導のために提供でき、エネルギー差0.42eV以下のPLスペクトルを提供することに有利である。
【００１２】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｎ型不純物は酸素を含み、前記酸素濃度は６×１０１７ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００１３】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層において、電気伝導を担うキャリアは正孔である一方で、酸素は電子を提供するドナーとして働く。酸素濃度は６×１０１７ｃｍ−３以下であるとき、ｐ型クラッド層におけるキャリア補償を抑制して、活性化されたアクセプタからキャリアが電気伝導を担うことを可能にする。６×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度は、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を０．４２エレクトロンボルト以下の値にすることに有利である。
【００１４】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型クラッド層はＩｎＡｌＧａＮ層を含み、前記ＩｎＡｌＧａＮ層は１８０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１５】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層のための四元ＩｎＡｌＧａＮの電圧特性を良好な精度で評価するためには、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるクラッド成分（クラッド層における励起からの信号成分）の割合を９０％以上にすることが好ましく、ｐ型クラッド層の膜厚が０．１８μｍ以上であるとき、ｐ型クラッド層は、他のｐ型半導体層からの信号成分に対して充分に強いスペクトルを提供できる。
【００１６】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｎ型クラッド層はＩｎＡｌＧａＮ層を含むことが好ましい。このIII族窒化物半導体発光素子によれば、ｎ型クラッド層がＩｎＡｌＧａＮ層を含むとき、良好な光閉じ込め性能を提供できる。
【００１７】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体の前記ｃ軸と前記法線軸との成す角度は、10度以上８０度以下又は100度以上１７０度以下の範囲にあることができる。
【００１８】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、III族窒化物半導体は、極性ｃ面に基づく性質よりも半極性に基づく性質を示すようになる。これ故に、半極性面上のIII族窒化物半導体発光素子の電気的特性は、ｃ面上のIII族窒化物半導体発光素子と異なるものとなる。
【００１９】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含み、前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体の前記ｃ軸と前記法線軸との成す角度は、６３度以上８０度以下又は100度以上117度以下の範囲にあることが好ましい。
【００２０】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、ｃ面に対するオフ角が６３度以上８０度以下（或いは、100度以上117度以下）の範囲では、ｐ型クラッド層のIII族窒化物半導体におけるインジウム取り込みが良好であり、III族窒化物半導体発光素子は、良好な結晶品質のクラッド層を含むことができる。また、この角度範囲では、０．４２エレクトロンボルト以下のエネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を提供することが、上記角度範囲の外側におけるｐ型クラッド層に比べて容易である。
【００２１】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記活性層の発光スペクトルは５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することが好ましい。
【００２２】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、活性層は、半極性面を用いて、緑色及びその周辺波長域（５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の範囲）にピーク波長を有する発光を提供する。この発光素子に、低減された順方向電圧が提供される。
【００２３】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子は、前記ｐ型クラッド層の上に設けられたｐ型コンタクト層を更に備えることができる。前記ｐ型コンタクト層の厚さは、０．０６マイクロメートル以下であり、前記ｐ型コンタクト層は、ｐ型III族窒化物半導体からなり、前記ｐ型コンタクト層の前記ｐ型III族窒化物半導体のバンドギャップは、前記ｐ型クラッド層の前記ｐ型III族窒化物半導体のバンドギャップより小さく、前記ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパント濃度は、前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度より大きいことが好ましい。
【００２４】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層のためのIII族窒化物半導体の電圧特性を良好な精度で評価するためには、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるクラッド成分（クラッド層における励起からの信号成分）の割合を９０％以上にすることが好ましく、ｐ型コンタクト層の厚さが０．０６マイクロメートル以下であるとき、ｐ型コンタクト層からのコンタクト成分がクラッド成分に対して大きな割合を占めることなく、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるコンタクト成分の割合を１０％程度以下に下げることに有効である。
【００２５】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型コンタクト層はｐ型ＧａＮからなり、前記ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパント濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましい。このIII族窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型ＧａＮが１×１０１９ｃｍ−３以上のｐ型ドーパント濃度を有するとき、ｐ型コンタクト層からのコンタクト成分がクラッド成分に対して大きな割合を占めることなく、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるコンタクト成分の割合を１０％程度以下に下げることに有効である。
【００２６】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型コンタクト層は、ｐ型の第１III族窒化物半導体層及びｐ型の第２III族窒化物半導体層を含み、前記第２III族窒化物半導体層は前記第１III族窒化物半導体層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記第１III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度は前記第２III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度より大きく、前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度は前記第２III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度より小さいことが好ましい。当該III族窒化物半導体発光素子は、前記第１III族窒化物半導体層に接触を成すアノード電極を更に備えることができる。
【００２７】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型コンタクト層は、単一の層に限定されることなく、第１III族窒化物半導体層及び第２III族窒化物半導体層を含むことができ、これらのIII族窒化物半導体層は互いに異なるｐ型ドーパント濃度を有する。
【００２８】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記基板の前記主面はIII族窒化物からなり、前記基板の前記主面の前記法線軸は前記基板の前記III族窒化物のｃ軸に対して傾斜することが好ましい。このIII族窒化物半導体発光素子によれば、いわゆる半極性面の法線軸に沿って配列された半導体積層を提供できる。
【００２９】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型クラッド層は炭素不純物を含み、前記炭素濃度は、４×１０１６ｃｍ−３以下であることができる。
【００３０】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、６×１０１７ｃｍ−３以下の炭素濃度は、炭素が電子を提供するドナーとして働くとき、ｐ型クラッド層におけるキャリア補償を抑制して、活性化されたアクセプタからのキャリアが電気伝導を担うことを可能にする。ｐ型クラッド層において、６×１０１７ｃｍ−３以下の炭素濃度は、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を０．４２エレクトロンボルト以下の値にすることに有利である。
【００３１】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子は、前記ｐ型クラッド層に接して設けられたモニタ半導体層を更に備えることができる。前記モニタ半導体層の材料は前記ｐ型クラッド層の材料と同じであり、前記モニタ半導体層のｐ型ドーパント濃度は、前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度より小さく、前記モニタ半導体層の厚さは前記ｐ型クラッド層の厚さより薄いことが好ましい。
【００３２】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、フォトルミネッセンススペクトルは、ドナーアクセプタ対発光だけでなく、バンド端発光も利用する。III族窒化物半導体では、アクセプタ濃度が大きくなるにつれてバンド端発光は弱まる。一方で、ｐ型クラッド層には、その特性から求められる濃度のｐ型ドーパントが添加される。フォトルミネッセンススペクトルにおいて良好な信号強度のバンド端発光を得るために、ｐ型クラッド層に接して設けられたモニタ半導体層を用いることが有効である。モニタ半導体層のｐ型ドーパント濃度及び厚さは、ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度及び厚さと独立していることができる。これ故に、モニタ半導体層を用いて、そのｐ型ドーパント濃度をｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度より小さくでき、またモニタ半導体層の厚さをｐ型クラッド層の厚さより薄くすることが可能になる。
【００３３】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記モニタ半導体層の厚さは５ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。
【００３４】
このIII族窒化物半導体発光素子によれば、モニタ半導体層の膜厚が５ｎｍより薄いとき、このモニタ半導体層は励起光のエネルギを十分に吸収することができず、充分な強度のバンド端発光がモニタ半導体層から得られない。一方で、モニタ半導体層の膜厚が４０ｎｍより厚いとき、ｐ型ドーパント濃度が低めのモニタ半導体層の追加による抵抗増加のため、発光素子の電圧特性が低下する可能性がある。
【００３５】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記モニタ半導体層のｐ型ドーパント濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満の範囲にあることが好ましい。このIII族窒化物半導体発光素子によれば、１０１７ｃｍ−３台のｐ型ドーパント濃度がモニタ半導体層に好ましい。
【００３６】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型クラッド層は水素を含み、前記ｐ型クラッド層の水素濃度は４×１０１８ｃｍ−３以下であることが良い。このIII族窒化物半導体発光素子によれば、水素はｐ型ドーパントと結合して、ｐ型ドーパントの活性化を妨げる。ｐ型クラッド層中の水素濃度を低減することは、ｐ型ドーパントが深い準位を形成することなく、ｐ型クラッド層におけるキャリア濃度を増加させることになる。
【００３７】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法は、（ａ）ｎ型クラッド層のためのｎ型III族窒化物半導体層、活性層のためのIII族窒化物半導体層、及びｐ型クラッド層のためのｐ型III族窒化物半導体層を基板の上に成長して、前記III族窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板を作製する工程と、（ｂ）前記ｐ型III族窒化物半導体層に励起光を照射して、前記ｐ型III族窒化物半導体層のバンド端発光及び前記ｐ型クラッド層におけるドナーアクセプタ対発光を含むフォトルミネセンススペクトルの測定を行う工程と、（ｃ）前記フォトルミネセンススペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と前記フォトルミネセンススペクトルにおけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を求める工程と、（ｄ）前記差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を用いて、前記エピタキシャル基板に引き続く工程を適用するか否かの判断を行う工程と、（ｅ）前記判断が肯定的であるとき、電極を形成するための加工を前記エピタキシャル基板に施す工程とを備える。前記励起光の波長は、前記ｐ型クラッド層のための前記ｐ型III族窒化物半導体層におけるバンドギャップ波長より短い。
【００３８】
この作製方法によれば、エピタキシャル基板を成長した後に、エピタキシャル成長工程後の工程に進む前に、ｐ型III族窒化物半導体層に励起光を照射して、バンド端発光及びドナーアクセプタ対発光を含むフォトルミネセンススペクトルの測定を行う。この測定におけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）及びドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）を用いて、差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を生成し、この差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を用いてエピタキシャル基板に引き続く処理を適用するか否かの判断を行う。差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））は、III族窒化物半導体発光素子の電圧特性との相関を示す。これらの工程を用いて作製されたIII族窒化物半導体発光素子は、ｐ型クラッド層の高い抵抗に起因した電圧特性を示すことはない。
【００３９】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法では、前記差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））は０．４２エレクトロンボルト以下であることが好ましい。この作製方法によれば、より好適な電圧特性を示すIII族窒化物半導体発光素子が提供される。
【００４０】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法では、前記フォトルミネセンススペクトルの測定は、絶対温度１００度以下の温度で行われることが好ましい。この作製方法によれば、フォトルミネセンススペクトルは、明確なピークを示すバンド端発光及びドナーアクセプタ対発光を含むことができる。
【００４１】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法では、前記ｐ型クラッド層の成膜のために前記エピタキシャル基板の引き続く作製における成膜条件を前記差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））に基づき見直す工程を更に備えることができる。
【００４２】
この作製方法によれば、電極を作製した後に得られるIII族窒化物半導体発光素子の評価を待つことなく、エピタキシャル基板のフォトルミネセンススペクトル測定の結果に基づき、製造工程に成膜条件に関するフィードバックを行うことができる。この作製方法は、迅速な工程管理を可能にする。
【００４３】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法では、前記エピタキシャル基板を作製する前記工程は、ｐ型コンタクト層のための別のｐ型III族窒化物半導体層を前記基板の上に成長する工程を更に含むことができる。前記別のｐ型III族窒化物半導体層は、前記ｐ型クラッド層のための前記ｐ型III族窒化物半導体層と前記活性層のための前記III族窒化物半導体層との間に設けられ、前記ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパント濃度は前記ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度より大きく、前記ｐ型コンタクト層のバンドギャップは前記ｐ型クラッド層のバンドギャップより小さく、前記ｐ型コンタクト層の厚さは０．０６マイクロメートル以下であり、前記ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパント濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であることが好適である。
【００４４】
この作製方法によれば、ｐ型クラッド層のためのIII族窒化物半導体の電圧特性を良好な精度で評価するためには、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるクラッド成分（クラッド層における励起からの信号成分）の割合を９０％以上にすることが好ましく、ｐ型コンタクト層の厚さが０．０６マイクロメートル以下であるとき、ｐ型コンタクト層からのコンタクト成分は、クラッド成分に対して大きな割合を占めることなく、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるコンタクト成分の割合を１０％程度以下に下げることに有効である。また、ｐ型コンタクト層が１×１０１９ｃｍ−３以上のｐ型ドーパント濃度を有するとき、ｐ型コンタクト層からのコンタクト成分は、クラッド成分に対して大きな割合を占めることなく、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるコンタクト成分の割合を１０％程度以下に下げることに有効である。
【００４５】
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法では、前記ｐ型コンタクト層はｐ型ＧａＮからなることが好ましい。
【００４６】
この作製方法によれば、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層は、明確なピークを示すバンド端発光及びドナーアクセプタ対発光を含むフォトルミネセンススペクトルの測定に好適である。
【発明の効果】
【００４７】
以上説明したように、本発明の上記の側面によれば、低減された順方向電圧を有するIII族窒化物半導体発光素子が提供される。また、本発明の上記の側面によれば、このIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子の構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、フォトルミネッセンススペクトル及び相関関係を示す図面である。
【図３】図３は、差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））の傾向を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法における工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法における工程を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法における工程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子に係る実施例を示す図面である。
【図９】図９は、異なる３つの構造のレーザダイオードのためのエピタキシャル基板のフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。
【図１０】図１０は、フォノンレプリカを含むフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。
【図１１】図１１は、平均化処理されたフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
引き続いて、添付図面を参照しながら、III族窒化物半導体発光素子、エピタキシャル基板、並びにエピタキシャル基板及びIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００５０】
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子の構造を概略的に示す図面である。このIII族窒化物半導体発光素子として、本実施の形態では、III族窒化物半導体レーザ素子１１を説明する。また、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、利得ガイド型の構造を有するけれども、本発明の実施の形態は、利得ガイド型の構造に限定されるものではない。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、アノード電極１５、基板１７、半導体領域１９及びカソード電極４１を備える。基板１７及び半導体領域１９はレーザ構造体１３を構成する。基板１７は半極性の主面１７ａ及び裏面１７ｂを有する。半導体領域１９は、基板１７の主面１７ａ上に設けられている。アノード電極１５は、レーザ構造体１３の半導体領域１９上に設けられる。カソード電極４１はｎ型クラッド層２１に電気的に結合される。半導体領域１９は、ｎ型クラッド層２１と、ｐ型クラッド層２３と、活性層２５とを含み、ｎ型クラッド層２１、活性層２５及びｐ型クラッド層２３は、基板１７の主面１７ａ上に設けられている。ｎ型クラッド層２１は、ｎ型III族窒化物半導体からなる。このｎ型III族窒化物半導体は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含み、例えばｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。ｐ型クラッド層２３は、ｐ型III族窒化物半導体からなる。このｐ型III族窒化物半導体は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含み、例えばｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。活性層２５は、ｎ型クラッド層２１とｐ型クラッド層２３との間に設けられる。ｎ型クラッド層２１、活性層２５及びｐ型クラッド層２３は、基板１７の主面１７ａの法線軸ＮＸの方向（法線ベクトルＮＶの方向）に配置されている。ｐ型クラッド層２３には、アクセプタのレベル２２を提供するｐ型ドーパント２２が添加されている。アクセプタのレベル２２は分布しており、その多くはあるエネルギ幅内にある。また、ｐ型クラッド層２３は、ドナーのレベル２４を提供するｎ型不純物２４を含む。ドナーのレベル２４は分布しており、その多くはあるエネルギ幅内にある。ｐ型ドーパント２２の濃度はｎ型不純物２４の濃度より大きい。ｎ型クラッド層２１のｎ型III族窒化物半導体のｃ軸（ベクトルＶＣの方向に延在する軸）は、法線軸ＮＸに対して傾斜しており、ｐ型クラッド層２３のｐ型III族窒化物半導体のｃ軸は法線軸ＮＸに対して傾斜している。
【００５１】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、ｐ型クラッド層２３のフォトルミネセンススペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と該フォトルミネセンススペクトル（「ＰＬスペクトル」と記す）におけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が、０．４２エレクトロンボルト以下である。ここで、バンド端発光のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）及びドナーアクセプタ対発光のエネルギＥ（ＤＡＰ）はエレクトロンボルトの単位で表される。
【００５２】
基板１７の主面１７ａはIII族窒化物からなり、基板１７のIII族窒化物のｃ軸は基板１７の主面１７ａの法線軸ＮＸに対して傾斜する。基板１７は六方晶系III族窒化物半導体からなることができる。また、III族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、いわゆる半極性の主面１７ａの法線軸ＮＸに沿って配列された半導体層の積層を提供できる。
【００５３】
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１では、ｎ型クラッド層２１、活性層２５及びｐ型クラッド層２３は基板１７の主面１７ａの法線軸に沿って配置されており、ｎ型クラッド層２１のｎ型III族窒化物半導体のｃ軸及びｐ型クラッド層２３のｐ型III族窒化物半導体のｃ軸が共に法線軸に対して傾斜し、ｎ型クラッド層２１とｐ型クラッド層２３との間には活性層３５が設けられる。このIII族窒化物半導体発光素子１１において、ｐ型クラッド層２３におけるｐ型ドーパントの濃度がｎ型不純物の濃度より大きくなるように、ｐ型クラッド層２３はｐ型ドーパント及びｎ型不純物を含む。これ故に、ｐ型クラッド層２３のバンドギャップより大きい励起光を用いた測定によるフォトルミネセンススペクトルは、図２の（ａ）部に示されるように、バンド端発光及びドナーアクセプタ対発光のピークを有する。発明者らの検討によれば、このＰＬスペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と該ＰＬスペクトルにおけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））は、図２の（ｂ）部に示されるように、当該III族窒化物半導体レーザ素子１１の順方向駆動電圧（Ｖｆ）と相関を有することが明らかにされた。このエネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が０．４２エレクトロンボルト以下であるとき、これまでのIII族窒化物半導体発光素子に比べて、順方向電圧印加に係る駆動電圧が低減される。図２の（ｂ）部における順方向駆動電圧（Ｖｆ）は、１００ミリアンペアの電流をレーザダイオードに流すとき、レーザダイオードの端子間の駆動電圧を示す。
【００５４】
バンド端発光はｐ型クラッド層２３のｐ型III族窒化物半導体のバンドギャップに関連している。また、ドナーアクセプタ対発光は、フォトンがフォノンと相互作用を行う複雑な過程を介して生成されるので、ＰＬスペクトル自体が複雑な形状をしている。これ故に、ＰＬスペクトルからドナーアクセプタ対発光ピーク値を得るために、スペクトル形状のデータ処理（例えば、スムージング処理）を行うことが好ましく、ドナーアクセプタ対発光のスペクトルの裾がバンド端発光のスペクトルと重なるので、正確なピーク位置を特定するために、スペクトル形状のデータ処理（例えば、平均化処理）を行うことが好ましい。
【００５５】
再び図１を参照すると、活性層２５は窒化ガリウム系半導体層を含み、この窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層２５ａである。活性層２５は窒化ガリウム系半導体からなるいくつか障壁層２５ｂを含む。井戸層２５ａが障壁層２５ｂの間に設けられ、これは交互に配列されている。井戸層２５ａは、例えばＩｎＧａＮ等からなり、障壁層２５ｂは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。活性層２５は、波長３６０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。また、半極性面の利用により、発光スペクトルの範囲は、波長５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下であることが好適である。ｎ型クラッド層２１、ｐ型クラッド層２３及び活性層２５は、主面１７ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ構造体１３は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する第１の端面２７及び第２の端面２９を含む。
【００５６】
図１には、直交座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが描かれている。法線軸ＮＸは、直交座標系ＳのＺ軸の方向に向く。主面１７ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸により規定される所定の平面に平行に延在する。また、図１には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれている。基板１７の六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に法線軸ＮＸに対してゼロより大きい角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。
【００５７】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、絶縁膜３１を更に備える。絶縁膜３１はレーザ構造体１３の半導体領域１９の表面１９ａを覆っており、半導体領域１９は絶縁膜３１と基板１７との間に位置する。基板１７は六方晶系III族窒化物半導体からなる。絶縁膜３１は開口３１ａを有し、開口３１ａは半導体領域１９の表面１９ａと上記のｍ−ｎ面との交差線ＬＩＸの方向に延在し、例えばストライプ形状を成す。アノード電極１５は、開口３１ａを介して半導体領域１９の表面１９ａ（例えばｐ型コンタクト層３３）に接触を成しており、上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ導波路は、ｎ型クラッド層２１、ｐ型クラッド層２３及び活性層２５を含み、また上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。
【００５８】
基板１７は自立可能な厚さを有する。基板１７は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な端面２７、２９を得ることができる。また、III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１の割断面２７及び第２の割断面２９は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する。III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器は第１及び第２の割断面２７、２９を含み、第１の割断面２７及び第２の割断面２９の一方から他方に、レーザ導波路が延在している。レーザ構造体１３は第１の面１３ａ及び第２の面１３ｂを含み、第１の面１３ａは第２の面１３ｂの反対側の面である。第１及び第２の割断面２７、２９は、第１の面１３ａのエッジ１３ｃから第２の面１３ｂのエッジ１３ｄまで延在する。第１及び第２の割断面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。
【００５９】
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、レーザ共振器を構成する第１及び第２の割断面２７、２９がｍ−ｎ面に交差する。これ故に、ｍ−ｎ面と半極性面１７ａとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有することになる。
【００６０】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｎ側光ガイド層３５及びｐ側光ガイド層３７を含む。ｎ側光ガイド層３５は、第１の部分３５ａ及び第２の部分３５ｂを含み、ｎ側光ガイド層３５は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。ｐ側光ガイド層３７は、第１の部分３７ａ及び第２の部分３７ｂを含み、ｐ側光ガイド層３７は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。キャリアブロック層３９は、例えば第１の部分３７ａと第２の部分３７ｂとの間に設けられる。基板１７の裏面１７ｂには別の電極４１が設けられ、電極４１は例えば基板１７の裏面１７ｂを覆っている。
【００６１】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、法線軸ＮＸと六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度ＡＬＰＨＡは１０度以上であることが好ましく、また８０度以下であることが好ましい。また、角度ＡＬＰＨＡは１００度以上であることが好ましく、また１７０度以下であることが好ましい。１０度未満の角度では、In取り込が不均一になりクラッド層の結晶性が悪化する結果、クラッドのPL強度が減少し、クラッドのPL強度がコンタクトのPL強度に対して９０％以下になる。さらに、バンド端発光も弱まりバンド端発光波長の同定が難しくなる結果、電圧特性の指標であるE(BAND)-E(DAP)を生成しにくくなる。８０度を越え１００度未満の角度では、In取り込が不均一になりクラッド層の結晶性が悪化する結果、クラッドのPL強度が減少し、クラッドのPL強度がコンタクトのPL強度に対して９０％以下になる。さらに、バンド端発光も弱まりバンド端発光波長の同定が難しくなる結果、電圧特性の指標であるE(BAND)-E(DAP)を生成しにくくなる。１７０度を越える角度では、In取り込が不均一になりクラッド層の結晶性が悪化する結果、クラッドのPL強度が減少し、クラッドのPL強度がコンタクトのPL強度に対して９０％以下になる。さらに、バンド端発光も弱まりバンド端発光波長の同定が難しくなる結果、電圧特性の指標であるE(BAND)-E(DAP)を生成しにくくなる。
【００６２】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、更には、法線軸ＮＸと六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度ＡＬＰＨＡは６３度以上であることが好ましく、また８０度以下であることが好ましい。また、角度ＡＬＰＨＡは１００度以上であることが好ましく、また１１７度以下であることが好ましい。６３度未満の角度では、In取り込が不均一になりクラッド層の結晶性が悪化する結果、クラッドのPL強度が減少し、クラッドのPL強度がコンタクトのPL強度に対して９０％以下になる。さらに、バンド端発光も弱まりバンド端発光波長の同定が難しくなる結果、電圧特性の指標であるE(BAND)-E(DAP)を生成しにくくなる。８０度を越え１００度未満の角度では、In取り込が不均一になりクラッド層の結晶性が悪化する結果、クラッドのPL強度が減少し、クラッドのPL強度がコンタクトのPL強度に対して９０％以下になる。さらに、バンド端発光も弱まりバンド端発光波長の同定が難しくなる結果、電圧特性の指標であるE(BAND)-E(DAP)を生成しにくくなる。１１７度を越える角度では、In取り込が不均一になりクラッド層の結晶性が悪化する結果、クラッドのPL強度が減少し、クラッドのPL強度がコンタクトのPL強度に対して９０％以下になる。さらに、バンド端発光も弱まりバンド端発光波長の同定が難しくなる結果、電圧特性の指標であるE(BAND)-E(DAP)を生成しにくくなる。これ故に、角度ＡＬＰＨＡは６３度以上８０度以下又は１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。
【００６３】
レーザ共振器のための第１及び第２の端面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。しかしながら、第１及び第２の端面２７、２９は共振器のための,ミラーとしての平坦性、垂直性を有する。これ故に、第１及び第２の端面２７、２９をへき開面と区別するために割断面と呼ぶこともある。第１及び第２の端面２７、２９とこれらの端面２７、２９間に延在するように向きづけられたレーザ導波路とを用いて、低しきい値のレーザ発振が可能になる。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、第１及び第２の端面２７、２９上にそれぞれ設けられた誘電体多層膜４３ａ、４３ｂを更に備えることができる。端面２７、２９にも端面コートを適用して、端面コートにより反射率を調整できる。
【００６４】
ＰＬスペクトルの測定において、ｐ型クラッド層２３の膜厚Ｄ２３が０．１８μｍ以上であるとき、ｐ型クラッド層２３は、他のｐ型半導体層からの信号成分に対して充分に強いスペクトルを提供できる。ｐ型クラッド層２３はＩｎＡｌＧａＮ層を含み、このＩｎＡｌＧａＮ層は１８０ｎｍ以上であることが好ましい。ｐ型クラッド層２３のための四元ＩｎＡｌＧａＮの電圧特性を良好な精度で評価するためには、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるクラッド成分（クラッド層における励起からの信号成分）の割合を９０％以上にすることが好ましい。この割合は、(PLスペクトルにおけるコンタクト成分のDAP発光積分強度)/(全体のDAP発光積分強度)  <  0.1によって規定される。
【００６５】
また、ｎ型クラッド層２１はＩｎＡｌＧａＮ層を含むことが好ましい。ｎ型クラッド層２１がＩｎＡｌＧａＮ層を含むとき、良好な光閉じ込め性能を提供できる。
【００６６】
図３は、いくつかのIII族窒化物半導体レーザ素子に関して、III族窒化物半導体レーザ素子個々のフォトルミネッセンススペクトルにおけるエネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を示す図面である。図３を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７におけるエネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が示されている。発明者らは、二次イオン質量分析法を用いてｐ型クラッド層に含まれるいくつかの元素（Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃ）の濃度を調べている。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ１。
マグネシウム濃度：１×１０１８ｃｍ−３。
酸素濃度：６×１０１７ｃｍ−３。
炭素濃度：７×１０１６ｃｍ−３。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ２。
マグネシウム濃度：２×１０１８ｃｍ−３。
酸素濃度：７×１０１７ｃｍ−３。
炭素濃度：６×１０１６ｃｍ−３。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ３。
マグネシウム濃度：１×１０１８ｃｍ−３。
酸素濃度：９×１０１７ｃｍ−３。
炭素濃度：８×１０１６ｃｍ−３。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ４。
マグネシウム濃度：６×１０１８ｃｍ−３。
酸素濃度：６×１０１７ｃｍ−３。
炭素濃度：４×１０１６ｃｍ−３。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ５。
マグネシウム濃度：１×１０１９ｃｍ−３。
酸素濃度：１×１０１７ｃｍ−３。
炭素濃度：１×１０１６ｃｍ−３。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ６。
マグネシウム濃度：８×１０１８ｃｍ−３。
酸素濃度：２×１０１７ｃｍ−３。
炭素濃度：３×１０１６ｃｍ−３。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ７。
マグネシウム濃度：１×１０１９ｃｍ−３。
酸素濃度：８×１０１６ｃｍ−３。
炭素濃度：３×１０１６ｃｍ−３。
【００６７】
これらの元素濃度の実験結果として、上記の元素濃度とエネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））との関係を説明する。III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ４〜Ｓ７は、発明者らによって行われる改善・改良のための実験において得られたデバイスであり、III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ１〜Ｓ３は、これらの実験の前において得られたデバイスである。改善・改良のための実験では、例えばＭｇ濃度の上昇、酸素濃度の低減、端子濃度の低減を可能にする成膜を目指す。ここに示されていない他の実験における知見も含めるとき、これらの２つのグループは、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））０．４２エレクトロンボルト（ｅＶ）を境に分けられる。
【００６８】
発明者らの検討によれば、これらの元素濃度の観点からも、III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ１〜Ｓ７は、一群（III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ１〜Ｓ３）と別の一群（III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ４〜Ｓ７）とに分けられる。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ１〜Ｓ３におけるは元素濃度の範囲。
Ｍｇ濃度：３×１０１８ｃｍ−３未満。
Ｏ濃度：６×１０１７ｃｍ−３より大きい。
Ｃ濃度：４×１０１６ｃｍ−３より大きい。
・III族窒化物半導体レーザ素子Ｓ４〜Ｓ７におけるは元素濃度の範囲。
Ｍｇ濃度：３×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下。
Ｏ濃度：６×１０１７ｃｍ−３以下６×１０１６ｃｍ−３以上。
Ｃ濃度：４×１０１６ｃｍ−３以下４×１０１５ｃｍ−３以上。
【００６９】
これらの実験及び更なる実験からの知見に基づく検討によれば、ｐ型クラッド層２３中の水素濃度は４×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。この上限は、Mg-H複合体の生成によるMg不活性化による電圧特性悪化を防止することに基づく。
【００７０】
上記の検討から、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））の上限が０．４２ｅＶ以下であるとき、低減された順方向電圧をIII族窒化物半導体レーザ素子に提供できる。また、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））は例えば０．３ｅＶ以上であることがよい。この下限は、経験的に、Mg濃度を増大させるとDAP発光ピーク位置は長波長側(低エネルギー側)にシフトする。E(BAND)-E(DAP)を0.3eV以下にするために単純にMg濃度を低下させても(DAP発光波長を短波長側にシフト)、Mg濃度の低下による電圧特性の悪化を同時に招いてしまい、結局0.3eV以下にならない。0.3eVという値は、閥値のようなものに基づく。
【００７１】
ｐ型クラッド層２３のｐ型ドーパントはマグネシウムを含み、ｐ型クラッド層２３において、電気伝導を担うキャリアは正孔である。マグネシウム濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上であるとき、III族窒化物半導体レーザ素子１１の電圧特性が悪化しないレベルのキャリア濃度を電気伝導のために提供できる。
【００７２】
ｐ型クラッド層２３のｎ型不純物は酸素を含み、ｐ型クラッド層２３において電気伝導を担うキャリアは正孔である一方で、酸素は電子を提供するドナーとして働く。酸素濃度が６×１０１７ｃｍ−３以下であるとき、ｐ型クラッド層２３におけるキャリア補償を抑制して、活性化されたアクセプタからキャリアが電気伝導を担うことを可能にする。６×１０１７ｃｍ−３以下の酸素濃度は、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を０．４２エレクトロンボルト以下の値にすることに有利である。
【００７３】
ｐ型クラッド層２３は炭素不純物を含み、炭素が電子を提供するドナーとして働くとき、６×１０１７ｃｍ−３以下の炭素濃度は、ｐ型クラッド層におけるキャリア補償を抑制して、活性化されたアクセプタからキャリアが電気伝導を担うことを可能にする。ｐ型クラッド層２３において、６×１０１７ｃｍ−３以下の炭素濃度は、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を０．４２エレクトロンボルト以下の値にすることに有利である。
【００７４】
ｐ型クラッド層２３は水素を含み、水素はｐ型ドーパントのＭｇと結合して、ｐ型ドーパントの活性化を妨げる。ｐ型クラッド層２３の水素濃度は４×１０１８ｃｍ−３以下であることが良い。ｐ型クラッド層２３中の水素濃度を低減することは、ｐ型ドーパントが深い準位を形成することなく、ｐ型クラッド層２３におけるキャリア濃度を増加させることになる。
【００７５】
図１を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｐ型クラッド層２３の上に設けられたｐ型コンタクト層３３を更に備えることができる。ｐ型コンタクト層３３のｐ型III族窒化物半導体のバンドギャップは、ｐ型クラッド層２３のｐ型III族窒化物半導体のバンドギャップより小さい。ｐ型コンタクト層３３のｐ型ドーパント濃度は、ｐ型クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度より大きいことが良い。
【００７６】
ｐ型コンタクト層３３の厚さＤ３３は例えば０．０６マイクロメートル以下であることが良い。ｐ型クラッド層２３のためのIII族窒化物半導体の電圧特性を良好な精度で評価するためには、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるクラッド成分（クラッド層における励起からの信号成分）の割合を９０％以上にすることが好ましく、ｐ型コンタクト層３３の厚さが０．０６マイクロメートル以下であるとき、ｐ型コンタクト層３３からのコンタクト成分がクラッド成分に対して大きな割合を占めることなく、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるコンタクト成分の割合を１０％程度以下に下げることに有効である。
【００７７】
ｐ型コンタクト層３３は、ｐ型III族窒化物半導体からなる。ｐ型コンタクト層３３は例えばｐ型ＧａＮからなることができ、ｐ型コンタクト層３３のｐ型ドーパント濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましい。ｐ型ＧａＮが１×１０１９ｃｍ−３以上のｐ型ドーパント濃度を有するとき、ｐ型コンタクト層３３からのコンタクト成分がクラッド成分に対して大きな割合を占めることなく、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるコンタクト成分の割合を１０％程度以下に下げることに有効である。
【００７８】
図１に示されるように、ｐ型コンタクト層３３は、単一の層に限定されることなく、複数のIII族窒化物半導体層を含むことができ、これらのIII族窒化物半導体層は互いに異なるｐ型ドーパント濃度を有する。ｐ型コンタクト層３３は、例えばｐ型の第１III族窒化物半導体層３４ａ及びｐ型の第２III族窒化物半導体層３４ｂを含む。第２III族窒化物半導体層３４ｂは第１III族窒化物半導体層３４ａとｐ型クラッド層２３との間に設けられる。第１III族窒化物半導体層３４ａのｐ型ドーパント濃度は第２III族窒化物半導体層３４ｂのｐ型ドーパント濃度より大きいことが好ましい。ｐ型クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度は第２III族窒化物半導体層３４ｂのｐ型ドーパント濃度より小さいことが好ましい。アノード電極１５は、第１III族窒化物半導体層３４ａに接触を成す。
【００７９】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、図１に示されるように、ｐ型クラッド層２３に接して設けられた半導体層４５を更に備えることができる。この半導体層４５の材料は、半導体層４５のバンドギャップがｐ型クラッド層２３のバンドギャップと同じになるように、ｐ型クラッド層２３の材料と同じである。半導体層４５のｐ型ドーパント濃度はｐ型クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度より小さい。半導体層４５の厚さＤ４５はｐ型クラッド層２３の厚さＤ２３より薄いことが好ましい。これ故に、半導体層４５は、明りょうなバンド端発光を得るためのモニタ半導体層として利用可能である。
【００８０】
既に説明したように、フォトルミネッセンススペクトルは、ドナーアクセプタ対発光だけでなく、バンド端発光も利用する。発明者らの知見によれば、III族窒化物半導体では、アクセプタ濃度が大きくなるにつれてバンド端発光は弱まる。一方で、ｐ型クラッド層２３には、その特性から求められる濃度のｐ型ドーパントが添加される。フォトルミネッセンススペクトルにおいて良好な信号強度のバンド端発光を得るために、ｐ型クラッド層２３に接して設けられた半導体層４５を用いることが有効である。半導体層４５のｐ型ドーパント濃度及び厚さは、ｐ型クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度及び厚さと独立していることができる。これ故に、半導体層４５を用いて、そのｐ型ドーパント濃度をｐ型クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度より小さくでき、また半導体層４５の厚さＤ４５をｐ型クラッド層２３の厚さＤ２３より薄くすることが可能になる。
【００８１】
半導体層４５の厚さＤ４５は４０ｎｍ以下であることが好ましい。半導体層４５の膜厚Ｄ４５が４０ｎｍより厚いとき、ｐ型ドーパント濃度が低めの半導体層４５の追加による抵抗増加のため、発光素子の電圧特性が低下する可能性がある。一方で、半導体層４５の厚さＤ４５は５ｎｍ以上であることが好ましい。この半導体層４５の膜厚が５ｎｍより薄いとき、この半導体層４５は励起光のエネルギを十分に吸収することができず、充分な強度のバンド端発光が半導体層４５から得られない。したがって、半導体層４５の好適な厚さは５ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲にある。
【００８２】
半導体層４５のｐ型ドーパント濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満の範囲にあることが好ましい。１０１７ｃｍ−３台のｐ型ドーパント濃度が、良好なバンド端発光を得るために半導体層４５に好ましい。
【００８３】
図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。工程Ｓ１０１では、III族窒化物半導体レーザ素子の作製のための基板（基板は、図５の（ａ）部に符号「５１」として参照される）を準備する。基板５１の六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸（図１のベクトルＶＣ）は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸方向に法線軸ＮＸに対して有限な角度（図１に示された角度ＡＬＰＨＡ）で傾斜している。これ故に、基板５１は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性の主面５１ａを有する。図５の（ａ）部において、エピタキシャル基板はほぼ円板形の部材として描かれているけれども、基板生産物ＳＰの形状はこれに限定されるものではない。
【００８４】
工程Ｓ１０２では、III族窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板を形成する。工程Ｓ１０３では、図５の（ａ）部に示されるように、ｎ型クラッド層のためのｎ型III族窒化物半導体層５３及び発光層のためのIII族窒化物半導体層５５を基板５１の主面５１ａ上に成長炉１０ａで成長する。必要な場合には、ｎ型III族窒化物半導体層５３及びIII族窒化物半導体層５５の成長に先立って、基板５１の主面５１ａ上に成長炉１０ａで成長することができる。次いで、図５の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０４では、ｐ型クラッド層のためのｐ型III族窒化物半導体層５７を基板５１の主面５１ａ上に成長炉１０ａで成長する。必要な場合には、工程Ｓ１０５では、ｐ型III族窒化物半導体層５７の成長の後に、及び／又はｐ型III族窒化物半導体層５７の成長の前に、図６の（ａ）部に示されるように、ｐ型III族窒化物半導体層５７に接するようにｐ型III族窒化物半導体層５９を成長炉１０ａで成長する。工程Ｓ１０６では、図６の（ｂ）部に示されるように、ｐ型III族窒化物半導体層５７の成長の後に、ｐ型コンタクト層のためのｐ型III族窒化物半導体層６１を基板５１の主面５１ａ上に成長炉１０ａで成長する。
【００８５】
III族窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板Ｅは、基板５１の主面５１ａ上に設けられておりｎ型クラッド層のためのｎ型III族窒化物半導体層５３と、基板５１の主面５１ａ上に設けられており活性層のためのIII族窒化物半導体層５５と、基板５１の主面５１ａ上に設けられておりｐ型クラッド層のためのｐ型III族窒化物半導体層５７とを備える。ｎ型III族窒化物半導体層５３、III族窒化物半導体層５５及びｐ型III族窒化物半導体層５７は、基板５１の主面５１ａ上に設けられている。ｐ型III族窒化物半導体層５７は、アクセプタのレベルを提供するｐ型ドーパントとドナーのレベルを提供するｎ型不純物とを含む。ｐ型III族窒化物半導体層５７は、ｐ型クラッド層のためのｐ型III族窒化物半導体層５７のＰＬスペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）と該ＰＬスペクトルにおけるドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が０．４２エレクトロンボルト以下であるように設けられる。
【００８６】
これらの工程により、エピタキシャル基板Ｅが作製される。図７の（ａ）部は、エピタキシャル基板Ｅの一例を示す。
・基板５１：｛２０−２１｝面を有するＧａＮウエハ。
・バッファ層５２：厚さ１．１μｍ、ＳｉドープＧａＮ。
・ｎ型III族窒化物半導体層５３：厚さ１．２μｍ、ＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ。ＩｎＡｌＧａＮのＩｎ組成０．０３及びＡｌ組成０．１４。
・III族窒化物半導体層５５の構成層。
ｎ側光ガイド層：厚さ０．２５０μｍ、ＳｉドープＧａＮ層；厚さ０．１１５μｍ、ＳｉドープＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成０．０３）。
活性層（量子井戸構造）。
井戸層：厚さ３ｎｍ、アンドープＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成０．０３）。
障壁層：厚さ１５ｎｍ、アンドープＧａＮ。
ｐ側光ガイド層：厚さ０．０７５μｍ、ＭｇドープＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成０．０３）；厚さ０．０５０μｎｍ、ＭｇドープＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成０．０３）；厚さ０．２００μｍ、ＭｇドープＧａＮ層。
電子ブロック層：厚さ０．０２０μｍ、ＭｇドープＧａＮ層。
・ｐ型III族窒化物半導体層５７：厚さ０．４μｍ、ＭｇドープＩｎＡｌＧａＮ。
ＩｎＡｌＧａＮのＩｎ組成０．０３及びＡｌ組成０．１４。
・ｐ型III族窒化物半導体層５９：厚さ０．０５０μｍ、ＭｇドープＩｎＡｌＧａＮ。ＩｎＡｌＧａＮのＩｎ組成０．０３及びＡｌ組成０．１４。
・ｐ型III族窒化物半導体層６１：厚さ０．０５０μｍ、Ｍｇドープｐ＋ＧａＮ。
【００８７】
工程Ｓ１０７において、図７の（ａ）部に示されるように、エピタキシャル基板Ｅに励起光Ｌ（Ｅｘ）を照射して、ｐ型III族窒化物半導体層（ｐ型クラッド層）５７のバンド端発光及びｐ型クラッド層におけるドナーアクセプタ対発光を含むＰＬスペクトルＬ（ＰＬ）の測定を行う。測定装置１０ｂは、励起光源９ａ、検出器９ｂ、温度コントローラ９ｃ及び筐体９ｄを含む。図７の（ｂ）部に示されるように、励起光源９ａからの励起光Ｌ（Ｅｘ）がエピタキシャル基板Ｅのエピ表面から入射して、この光はｐ型III族窒化物半導体層（ｐ型クラッド層）５７によって吸収される。この励起は、バンド間の励起及びドナー・アクセプタレベル間の励起の両方を含む。励起光Ｌ（Ｅｘ）の波長は、ｐ型クラッド層のためのｐ型III族窒化物半導体層５７におけるバンドギャップ波長（バンドギャップＥｇ）より短く、例えば波長２４４ｎｍ（Ｅ＝５．０ｅＶ）のＡｒ−ＳＨＧレーザ光を用いることができる。温度コントローラ９ｃは、ＰＬ測定が、絶対温度１００Ｋ以下、好ましくは１０Ｋ以下、更に好ましくはＨｅ温度で行われることを可能にする。低温におけるＰＬ測定によってｐ型クラッド層から明瞭な信号を得ることができる。ＰＬスペクトルの測定を絶対温度１００度以下の温度で行うとき、明確なピークを示すバンド端発光及びドナーアクセプタ対発光を含むことができる。
【００８８】
工程Ｓ１０８では、ＰＬスペクトルにおけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）とドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）との差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を求める。ここで、Ｅ（ＢＡＮＤ）及びＥ（ＤＡＰ）の単位は例えばエレクトロンボルトで行う。
【００８９】
工程Ｓ１０９では、上記の差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を用いて、エピタキシャル基板Ｅに引き続く工程を適用するか否かの判断を行う。判断は、例えば差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を基準値と比較することにより行うことができる。
【００９０】
この作製方法によれば、エピタキシャル基板Ｅを成長した後に、エピタキシャル成長工程後の工程に進む前に、ｐ型III族窒化物半導体層５７に励起光Ｌ（Ｅｘ）を照射して、バンド端発光及びドナーアクセプタ対発光を含むＰＬスペクトルの測定を行う。このＰＬ測定におけるバンド端発光ピーク値のエネルギＥ（ＢＡＮＤ）及びドナーアクセプタ対発光ピーク値のエネルギＥ（ＤＡＰ）を用いて、差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を生成し、この差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））を用いてエピタキシャル基板に引き続く処理を適用するか否かの判断を行う。既に説明したように、差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））はIII族窒化物半導体レーザ素子の電圧特性（例えばＶｆ）との相関を示す。これらの工程を用いて作製されたIII族窒化物半導体レーザ素子では、ｐ型クラッド層の高い抵抗に起因した電圧特性が改善される。
【００９１】
工程Ｓ１０９における基準値としては、ＩｎＡｌＧａＮといったｐ型クラッド層では、０．４２エレクトロンボルトを用いることができる。差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が、これまで達成できなかった０．４２エレクトロンボルト以下であるとき、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層を有するIII族窒化物半導体レーザ素子により好適な電圧特性を提供できる。
【００９２】
工程Ｓ１１０では、工程Ｓ１０９における判断が肯定的であるとき、III族窒化物半導体レーザ素子のための電極を形成するための加工をエピタキシャル基板Ｅに施す。
【００９３】
必要な場合には、工程Ｓ１１１では、差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））に基づき、ｐ型クラッド層の成膜のリファインのためにエピタキシャル基板Ｅの引き続く作製における成膜条件を見直すことを行っても良い。この作製方法によれば、電極を作製した後に得られるIII族窒化物半導体発光素子の評価を待つことなく、エピタキシャル基板ＥのＰＬスペクトル測定の結果に基づき、製造工程に細かな成膜条件に関するフィードバックを行うことができる。
【００９４】
工程Ｓ１１２では、工程Ｓ１０９における判断が否定的であるとき、III族窒化物半導体レーザ素子のための電極を形成するための加工をエピタキシャル基板Ｅに施さない決定を行う。この場合には、工程Ｓ１１２において、差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））に基づき、ｐ型クラッド層の成膜のためにエピタキシャル基板Ｅの引き続く作製における成膜条件を見直す。この作製方法によれば、電極を作製した後に得られるIII族窒化物半導体発光素子の評価を待つことなく、エピタキシャル基板Ｅのフォトルミネセンススペクトル測定の結果に基づき、製造工程に成膜条件に関する速やかなフィードバックが可能になる。この作製方法は、迅速な工程管理を可能にする。
【００９５】
既に説明したように、エピタキシャル基板を作製する工程Ｓ１０２では、ｐ型コンタクト層のためのｐ型III族窒化物半導体層６１を基板５１上に成長する。ｐ型クラッド層のためのｐ型III族窒化物半導体層５７は、ｐ型III族窒化物半導体層６１と発光層のためのIII族窒化物半導体層５５との間に設けられる。ｐ型III族窒化物半導体層６１のｐ型ドーパント濃度はｐ型III族窒化物半導体層５７のｐ型ドーパント濃度より大きく、ｐ型III族窒化物半導体層６１のバンドギャップはｐ型III族窒化物半導体層５７のバンドギャップより小さい。ｐ型III族窒化物半導体層６１の厚さは０．０６マイクロメートル以下であることが好適であり、ｐ型III族窒化物半導体層６１のｐ型ドーパント濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であることが好適である。
【００９６】
ｐ型クラッド層のためのｐ型III族窒化物半導体層５７の電圧特性を良好な精度で評価するためには、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるクラッド成分（クラッド層における励起からの信号成分）の割合を９０％以上にすることが好ましく、ｐ型コンタクト層のためのｐ型III族窒化物半導体層６１の厚さが０．０６マイクロメートル以下であるとき、ｐ型III族窒化物半導体層６１からのＰＬ成分（コンタクト成分）は、ｐ型III族窒化物半導体層５７からのＰＬ成分（クラッド成分）に対して大きな割合を占めることなく、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるコンタクト成分の割合を１０％程度以下に下げることに有効である。また、ｐ型III族窒化物半導体層６１が１×１０１９ｃｍ−３以上のｐ型ドーパント濃度を有するとき、ｐ型III族窒化物半導体層６１からのコンタクト成分は、クラッド成分に対して大きな割合を占めることなく、フォトルミネッセンススペクトルに含まれるコンタクト成分の割合を１０％程度以下に下げることに有効である。ｐ型コンタクト層のためのｐ型III族窒化物半導体層６１はｐ型ＧａＮからなることが好ましい。ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層は、明確なピークを示すバンド端発光及びドナーアクセプタ対発光を含むフォトルミネセンススペクトルの測定に好適である。
【００９７】
（実施例１）
実施例１では、オフ角度７５度の半極性｛２０−２１｝面を有するＧａＮ基板上に、図８の（ａ）部に示されるレーザダイオードのための半導体積層を有機金属気相成長法により成長する。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）及びビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層は摂氏８７０度で成長する。光ガイド層は摂氏８４０度で成長する。ＩｎＧａＮ発光層は摂氏７１５度で成長する。ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層は摂氏８７０度で成長する。ｐ型ＧａＮコンタクト層は摂氏８７０度で成長する。ｐ型ＧａＮコンタクト層の厚さは０．０５μｍであり、ｐ型ＧａＮコンタクト層のＭｇ濃度は３×１０２０ｃｍ−３である。
【００９８】
実施例１におけるIII族窒化物半導体レーザダイオードのｐ型クラッドＩｎＡｌＧａＮ層におけるは元素濃度の範囲。
Ｍｇ濃度：１×１０１９ｃｍ−３。
Ｏ濃度：１×１０１７ｃｍ−３。
Ｃ濃度：１×１０１６ｃｍ−３。
Ｈ濃度：２×１０１８ｃｍ−３。
エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））：０．３９エレクトロンボルト（ｅＶ）。
順方向駆動電圧：６．０Ｖ。
【００９９】
（実施例２）
実施例１では、７５度のオフ角度を有する半極性｛２０−２１｝面を有するＧａＮ基板上に、図８の（ｂ）部に示されるレーザダイオードのための半導体積層を有機金属気相成長法により成長する。ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層は摂氏８７０度で成長する。光ガイド層は摂氏８４０度で成長する。ＩｎＧａＮ発光層は摂氏７２５度で成長する。ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層は摂氏８７０度で成長する。ｐ型ＧａＮコンタクト層は摂氏８７０度で成長する。ｐ型ＧａＮコンタクト層は２層構造を有する。第１ＧａＮ層の厚さは０．０１０μｍであり、そのＭｇ濃度は３×１０２０ｃｍ−３である。第２ＧａＮ層の厚さは０．０４μｍであり、そのＭｇ濃度は３×１０１９ｃｍ−３である。
【０１００】
実施例２におけるIII族窒化物半導体レーザダイオードのｐ型クラッドＩｎＡｌＧａＮ層におけるは元素濃度の範囲。
Ｍｇ濃度：１×１０１９ｃｍ−３。
Ｏ濃度：８×１０１６ｃｍ−３。
Ｃ濃度：３×１０１６ｃｍ−３。
Ｈ濃度：１×１０１８ｃｍ−３。
エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））：０．３９エレクトロンボルト（ｅＶ）。
順方向駆動電圧：５．９Ｖ。
【０１０１】
（実施例３）
【０１０２】
図９は、Ａｒ−ＳＨＧレーザ光を用いて得られるＰＬスペクトルを示す。図９において、短い波長領域の鋭いピークがバンド端発光を示し、長い波長領域における大きなピークがドナーアクセプタ対（ＤＡＰ）発光を示す。図９には、３つのスペクトルＳＰＬ１、ＳＰＬ２、ＳＰＬ３が示されている。２つのスペクトルＳＰＬ１、ＳＰＬ２は、同じｐ型クラッド層の構造を有するけれども、異なるコンタクト層の構造（単層のコンタクト層、２層のコンタクト層）を有するデバイスから得られる。残りの１つのスペクトルＳＰＬ３は、２層のコンタクト層であり、２層のｐ型クラッド層の構造を有する。図９のＰＬスペクトルは、ｐ型クラッド層の構造に大きく依存するけれども、ｐ型コンタクト層の構造には大きく依存しない。これは、Ａｒ−ＳＨＧレーザ光の励起エネルギはｐ型コンタクト層でも吸収されるけれども図９のＰＬスペクトルは主にｐ型クラッド層（本実施例では、ＩｎＡｌＧａＮ層）の状態をよく示していることを表す。
【０１０３】
図１０の（ａ）部を参照すると、バンド端発光及びＤＡＰ発光を含むＰＬスペクトルが示されている。このＰＬスペクトルは、細かな構造を有しており、このまま、つまり生の測定スペクトルは、ピークの特定に不向きである。生の測定スペクトルにおける細かな構造は、フォノンレプリカに起因するものと考えられる。
フォノンレプリカとは、図１０の（ｂ）部に示されるように、フォノンを媒介とした間接遷移Ｔ（ＰＨＯＮＯＮ）に起因する発光であり、これに起因するピークは、価電子帯Ｅｖ及び伝導帯Ｅｃとの間のバンド端と連動して動き、またフォノン準位が離散的なであるので、離散的に配列されたピークを持つ。これ故に、生の測定スペクトルにおける最大強度の位置から、ＤＡＰ発光ピーク波長を見積もるとき、発明者らの知見によれば、その見積もりは、フォノンレプリカの影響を強く受けて、ＤＡＰ発光ピーク波長の位置を正確に同定することは容易ではない。このため、フォノンレプリカの影響を取り除いた解析を行うことが好適であり、このために、平均化処理を行うことができる。
【０１０４】
平均化処理の一例に関して説明する。図１０の（ａ）部には、スペクトル部分ＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３、ＳＰ４、ＳＰ５が示されている。スペクトル部分ＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３にはフォノンレプリカの影響が現れており、スペクトル部分ＳＰ４、ＳＰ５はフォノンレプリカの影響が現れていない。フォノンレプリカの影響が現れていないスペクトル部分ＳＰ４、ＳＰ５に対する接線Ｌ１（ＴＡＮＧ）、Ｌ２（ＴＡＮＧ）（図１１の（ａ）部における２つの破線）を引き、これらの接線の交点をピーク位置とする。図１１の（ａ）部は、生のＰＬスペクトルＰＬ０とソフトウエハ処理による平均化処理を加工されたＰＬスペクトルＰＬ（ＡＶＲ）を示す。平均化処理によるＰＬスペクトルＰＬ（ＡＶＲ）におけるピーク位置の波長は、生のスペクトルＰＬ０における接線の交点位置の波長とほぼ同じであり、これは、いずれの方法においても、フォノンレプリカに起因する細かな構造の影響が除かれることを示す。
【０１０５】
平均化処理することによってフォノンレプリカによるピークの影響を低減してＤＡＰ発光ピーク波長を同定したとき、既に説明したように、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））は駆動電圧（Ｖｆ）と明らかに強い相関関係を示す。この相関は、駆動電圧（Ｖｆ）がp型クラッド層の電圧特性と強く関連していることを示唆している。これは、バンドギャップに対する相対的なドナー準位及び／又はバンドギャップに対する相対的なアクセプタ準位の深さが駆動電圧特性と関係していることを示す。
【０１０６】
図１１の（ｂ）部は、改善・改良前のｐ型クラッド層の構造を模式的に示す図面であり、図１１の（ｃ）部は、本実施の形態に係るｐ型クラッド層の構造を模式的に示す図面である。図１１の（ｂ）部及び（ｃ）部には、伝導帯Ｅｃ、価電子帯Ｅｖ、半導体内である程度のエネルギ範囲に分布する多数のアクセプタ準位を代表した平均のアクセプタ準位ＥＡ（ＡＶＲ）、半導体内である程度のエネルギ範囲に分布する多数のドナー準位を代表した平均のドナー準位ＥＤ（ＡＶＲ）が示されている。図１１の（ｂ）部に示されるように、アクセプタ準位がその平均として深い(つまり、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））に対応する波長差が大きくなる)とき、価電子帯Ｅｖから平均のアクセプタ準位ＥＡ（ＡＶＲ）に電子が励起されにくくなり、電気伝導に寄与できるキャリア数（正孔数）が減少する。この結果、ｐ型クラッド層の電圧特性が悪くなると考えられる。図１１の（ｃ）部に示されるように、アクセプタ準位がその平均として適切な値(つまり、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））に対応する波長差が小さくなる)であるとき、価電子帯Ｅｖ又は平均のアクセプタ準位ＥＡ（ＡＶＲ）に電子が励起されるようになり、電気伝導に寄与できるキャリア数（正孔数）が増加する。この結果、ｐ型クラッド層の電圧特性が良好になると考えられる。
【０１０７】
以上説明したように、エネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））の改善により、駆動電圧（Ｖｆ）に関する情報を抽出できる。III族窒化物半導体レーザ素子が、所定のエネルギ差（Ｅ（ＢＡＮＤ）−Ｅ（ＤＡＰ））が得られるようにドナー及びアクセプタを制御したｐ型クラッド層を有するとき、改善された駆動電圧（Ｖｆ）の特性を有する。また、プロセス前の段階におけるｐ型クラッド層の駆動電圧（Ｖｆ）の電気特性の管理指標としても有効である。
【０１０８】
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本実施の形態によれば、低減された順方向電圧を有するIII族窒化物半導体レーザ素子が提供される。また、このIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法が提供される。さらに、低減された順方向電圧を有するIII族窒化物半導体発光素子のためのエピタキシャル基板が提供することを目的とする。
【符号の説明】
【０１１０】
１１…III族窒化物半導体レーザ素子、１３…レーザ構造体、１５…アノード電極、１７…基板、１７ａ…主面、１７ｂ…裏面、１９…半導体領域、１９ａ…半導体領域表面、２１…ｎ型クラッド層、２３…ｐ型クラッド層、２５…活性層、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７、２９…端面、ＡＬＰＨＡ…角度、Ｓｃ…ｃ面、ＮＸ…法線軸、３１…絶縁膜、３１ａ…絶縁膜開口、３５…ｎ側光ガイド層、３７…ｐ側光ガイド層、３９…電子ブロック層、４１…カソード電極、４３ａ、４３ｂ…誘電体多層膜。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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