(57)【要約】本発明の窒化物半導体素子、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備えている。ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有している。第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、第２ｐ型窒化物半導体層は、第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している。
2005034301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備えた窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層は、
ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、
Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有し、
前記第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と前記第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、
前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している、窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層からのキャリアオーバーフローを抑制するバリア層として機能する請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下であり、
前記第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下の領域の厚さは、１ｎｍ以上である、請求項１に記載に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１ｐ型窒化物半導体層と前記活性層との間に位置し、Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層を更に備えている請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ノンドープ窒化物半導体層は、前記第２ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有している、請求項４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記ノンドープ窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップに等しいバンドギャップを有している、請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記ノンドープ窒化物半導体層および前記第１ｐ型窒化物半導体層の合計の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項４から６の何れかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記第２ｐ型窒化物半導体層の厚さは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、請求項７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記第２ｐ型窒化物半導体層においてＭｇ濃度が８×１０１８ｃｍ−３以下の領域の厚さは１ｎｍ以下である、請求項８に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記ｐ型窒化物半導体層は、前記第２ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第３ｐ型窒化物半導体層を更に有し、
前記第３ｐ型窒化物半導体層と前記第１ｐ型窒化物半導体層との間に前記第２ｐ型窒化物半導体層が位置している、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記第３ｐ型窒化物半導体層のバンドキャップは前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドキャップよりも小さい、請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記第３ｐ型窒化物半導体層はクラッド層として機能する請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記第１ｐ型窒化物半導体層および第２ｐ型窒化物半導体層の少なくとも一方はＩｎを含む請求項１０から１２の何れかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記第２ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも大きい請求項１３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１５】
ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備え、前記ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有し、前記第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と前記第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記活性層を形成する工程と、
Ｍｇを有する原料ガスおよびＡｌを有する原料ガスを共に供給することによって、ＡｌおよびＭｇを含む前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、
Ｍｇを有する原料ガスを供給することによって前記第２ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、
を含む、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程の前に、ｐ型不純物を供給せずにＡｌを有する原料ガスを供給することによって、Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層を形成する工程を更に含む、請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下であり、
前記第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下の領域の厚さは、１ｎｍ以上である、請求項１５または１６に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、窒化物半導体素子に関し、特に光電子情報処理装置および照明光源などへの応用が期待されている半導体発光素子や、バイポーラ型トランジスタを含む窒化物半導体素子、ならびにそれらの製造方法に関している。
【背景技術】  Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ系半導体：ＡｌＧａＩｎＮ）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤが既に実用化されている。また、光ディスク装置の大容量化のために、４００ｎｍ帯に発振波長を有する半導体レーザが熱望されており、ＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベルに達しつつある。
ＧａＮ系半導体レーザは、例えば特開平１０−１２６００６号公報、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３８，Ｌ２２６−Ｌ２２９（１９９９）、ｐｈｙｓｉｃａ  ｓｔａｔｕｓ  ｓｏｌｉｄｉ（ａ）１９４，Ｎｏ．２，４０７−４１３（２００２）などに開示されている。
以下、図１および図２を参照しながら、従来のＧａＮ系半導体レーザを説明する。
まず、図１（ａ）を参照する。
図１（ａ）に示される半導体レーザは、低転位のＥＬＯ−ＧａＮ基板１０１と、ＥＬＯ−ＧａＮ基板１０１上にエピタキシャル成長した窒化物半導体の積層構造とを有している。ＥＬＯ−ＧａＮ基板１０１は、選択横方向成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）によって作製されたＧａＮの厚膜から構成される。
図１（ａ）における半導体積層構造は、基板１０１の側から、ｎ−Ａｌ０．０１５Ｇａ０．９８５Ｎコンタクト層１０２、Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎクラック抑制層１０３、ｎ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ｎ−ＧａＮ超格子（ＳＬｓ）クラッド層１０４、ＧａＮ光ガイド層１０５、Ｇａ０．８６Ｉｎ０．１４Ｎ／Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０６、ｐ−Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎキャップ層１０７、ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層１０９、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１１０を有している。これらの半導体層の結晶成長は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行なわれる。
上記の構成を有する半導体積層構造は、図１（ａ）に示す形状に加工され、その上にｐ電極１１１、ＳｉＯ２層１１２、およびｎ電極１１３が形成されている。
図１（ｂ）は、この半導体レーザの伝導帯側バンド構造を模式的に示している。図１（ｂ）の横軸は基板表面から距離に対応しており、図中の左側に進むほど基板表面から遠ざかる。縦軸は、伝導帯下端のエネルギレベルである。
この半導体レーザの特徴は、結晶成長中における活性層からのＩｎ蒸発の抑制と活性層からの電子のオーバーフローを抑制するために、最も禁制帯幅が大きいｐ−Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎキャップ層１０７がＭＱＷ活性層１０６の直上に形成されていることである。
次に、図２（ａ）を参照して、他のＧａＮ半導体レーザを説明する。
この半導体レーザは、図１（ａ）の半導体レーザと同様に、ＥＬＯ−ＧａＮ基板２０１と、その上に形成された半導体積層構造とを有している。半導体積層構造は、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０２、ｎ−Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラッド層２０３、ＧａＮ光ガイド層２０４、Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ−ＭＱＷ活性層２０５、ＧａＩｎＮ中間層２０６、ＡｌＧａＮ中間層２０７、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子ブロック層２０８、ｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層２０９、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１０を有している。
この半導体積層構造は、図２（ａ）に示す形状に加工され、その上にｐ電極２１１、ＳｉＯ２層２１２、およびｎ電極２１３が形成されている。
この半導体レーザにおける伝導帯側バンド構造の模式図を図２（ｂ）に示す。この半導体レーザの特徴は、ｐ型不純物をドーピングした層による光吸収損失をできるだけ低減するために、ＭＱＷ活性層２０５とｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子ブロック層２０８の間にＧａＩｎＮ中間層２０６、ＡｌＧａＮ中間層２０７と呼ばれるスペーサー層を形成していることである。また、ＧａＩｎＮ中間層２０６およびＡｌＧａＮ中間層２０７が光ガイド層としても機能するため、図１（ａ）に示す半導体レーザとは異なり、ｐ側の光ガイド層が形成されていない。
このような構造を有するＧａＮ半導体レーザは、いずれも、室温における出力３０ｍＷでの連続発振を達成することが報告されている。
しかしながら、図１（ａ）および（ｂ）に示す構造を有する半導体レーザの場合、レーザ構造中で最も格子定数の大きい活性層１０６の直上に、最も格子定数が小さいＡｌＧａＮキャップ層１０４が接し、大きな歪が活性層１０６に加えられることになり、レーザ素子作製時の均一性、再現性があまり良好ではない。
一方、図２（ａ）および（ｂ）に示す構造を有する半導体レーザの場合は、活性層２０５とＡｌＧａＮ電子ブロック層（図１のＡｌＧａＮキャップ層１０７と同一の機能を果たす）の間に、中間層が挿入されている。このため、活性層に印加される歪が効果的に緩和され、レーザ素子作製時の均一性が向上する。
これらの半導体レーザで共通するのは、ｐ型結晶を実現するアクセプタ不純物のドーピングを、レーザ構造中で最もバンドギャップが大きいＡｌＧａＮキャップ層（ＡｌＧａＮ電子ブロック層）の成長を行なう時から開始していることである。
窒化物系半導体では、アクセプタ不純物として通常マグネシウム（Ｍｇ）がよく用いられる。このＭｇには、結晶成長時のドーピングに際して「メモリー効果」と呼ばれる現象が発生することが知られている。「メモリー効果」とは、結晶成長中に不純物ドーピングを開始した時点から、実際に結晶中にドーピングされた不純物が取り込まれるまでに、時間遅れが生じることに起因して発生する。より具体的には、このようなメモリー効果が生じると、ドーピング開始位置が、意図した位置よりも結晶の成長表面側にずれたり、不純物濃度の深さ方向分布における濃度の増加が急峻ではなく裾を引いてしまう。
また「メモリー効果」は、上記の場合とは逆に、結晶成長中にドーピングを終了した時点から、実際に結晶中にドーピングされた不純物の取り込みが終了するまでに時間遅れを生じさせる。この場合は、ドーピング終了位置が意図した位置よりも結晶成長層の表面側にずれたり、不純物濃度の深さ方向分布におけるＭｇ濃度の低下が急峻ではなく裾を引いてしまう。
Ｍｇのドーピング開始位置を、レーザ構造中で最もバンドギャップの大きいＡｌＧａＮキャップ層（ＡｌＧａＮ電子ブロック層）の成長開始位置に合わせた場合において、このメモリー効果が発生すると、ＡｌＧａＮキャップ層（ＡｌＧａＮ電子ブロック層）中にＭｇ濃度が局所的に低くなる部分が発生する。
一般にアクセプタ不純物の活性化エネルギはバンドギャップエネルギが大きくなるほど、言い換えれば、結晶中のＡｌ組成が高くなるほど大きくなる傾向がある。メモリー効果に起因したＭｇドーピング遅れによってＭｇ濃度の低い部分が形成されると、その部分でＭｇが充分に活性化されず、ＡｌＧａＮ電子ブロック層の機能が低下してしまう。
特開２０００−１４３３９６号公報に記載されている他の従来例では、ｐ型ＧａＮ結晶を作製する場合に２×１０２０ｃｍ−３以下のＡｌをドーピング（バンドギャップエネルギがＧａＮから変化しない程度なのでＡｌＧａＮ混晶化ではない）している。これにより、Ｍｇがドーピングされたことによる結晶の歪を緩和し、アクセプタ不純物であるＭｇをＧａＮ結晶中のＧａ原子位置に効果的に配置し、高ホール濃度が得られると説明している。しかしながら、Ａｌドーピングを施してもＭｇ濃度自身は一定値であり、最適なＡｌ濃度を制御すれば、アクセプタの活性化率が向上して高ホール濃度を実現できるが、ドーピング界面におけるメモリー効果の抑制と、制御性、急峻性の高いアクセプタ不純物プロファイルに関しては説明されていない。
特開２００２−１９８３１４号公報に記載されている更に他の従来例では、Ｍｇドーピングプロファイルの急峻性を向上させるために、ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層もしくはＧａＩｎＮ層／ＧａＮ層の多重ヘテロ構造（超格子構造）を作製し、そこにＭｇドーピングを行っている。この方法によればＭｇを一様にドーピングしていても、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層もしくはＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とのヘテロ界面のＡｌＧａＮ層もしくはＧａＩｎＮ層の基板側（成長開始側）の界面近傍でＭｇ濃度が局所的に増大する。そして、このＭｇ濃度が局所的に増大する現象を利用し、積極的に界面を形成して急峻性を向上させている。しかしながら、この方法では急峻性は向上しているものの、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮ層中では依然としてＭｇドーピング遅れが、生じており、ＡｌＧａＮ層中にはＭｇ濃度不均一が生じている。また、多数のヘテロ界面を形成することにより結晶中にはＭｇ濃度の過不足が不規則に発生し、制御性、再現性が非常に低い。
これらのことに鑑み、本発明者らは、図３（ａ）に示すようなレーザ構造を作製した。図３（ａ）の素子は、ＥＬＯ−ＧａＮ基板３０１を有している。ＥＬＯ−ＧａＮ基板３０１は、ＡＢＬＥＧ（Ａｉｒ−Ｂｒｉｄｇｅｄ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ）基板であり、不図示のエアギャップ構造を有している。ＡＢＬＥＧの詳細は、例えば特開２００２−００９００４号公報に開示されている。
基板３０１上の半導体積層構造は、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０２、ｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層３０３、ｎ−ＧａＮ光ガイド層３０４、Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ−ＭＱＷ活性層３０５、ＧａＩｎＮ中間層３０６、ＧａＮ中間層３０７、ｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層３０８、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９、ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層３１０、ｐ−ＧａＮコンタクト層３１１を含んでいる。図３（ｂ）は、このレーザ構造の伝導帯側バンド構造を模式的に示している。
このレーザ構造の特徴は、レーザ構造中で最もバンドギャップが大きいｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９の成長開始とともにアクセプタ不純物のドーピングを開始するのではなく、その前にｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層３０８を設けていることである。このｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層３０８中には、メモリー効果に起因したドーピング遅れが存在するが、それを考慮した膜厚設計を行うことにより、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９のＭｇドーピング濃度を一定にすることができるようになる。
しかしながら、これら従来の成長方法では、レーザ構造中で最もバンドギャップエネルギが大きいｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９のＭｇ濃度は一定値となるものの、メモリー効果に起因してドーピングの開始及び終了に時間遅れが生じるためにＭｇのドーピングプロファイルの急峻性が低く、結果としてクラッド層のＭｇ濃度に対して５０％から７０％程度のＭｇ濃度しかｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９にはドーピングされておらずＭｇの絶対量としては不足している。このため、活性層へのホールの注入効率が低下し十分な低しきい値電流駆動を再現性、均一性良く実現することが困難である。また、ｐｎ界面が活性層位置からずれることにより、しきい値電圧の上昇を招いている。
ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９のＭｇ濃度を高めるためにはｐ−ＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層３０８を充分に厚くすればよく、こうすることにより、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９のＭｇ濃度はクラッド層のＭｇ濃度と同程度にできる。しかしながら、ｐ−ＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層３０８中にも多くのＭｇが存在することになり、レーザ動作時の電流印加や、レーザに加えられた熱、磁界によりこのＭｇが容易に活性層側へ拡散する。この結果、Ｍｇは活性層付近にまで到達し、活性層近傍で光吸収損失を引き起こし、レーザの信頼性に悪影響を及ぼし、再現性、均一性良く、高い信頼性を有するレーザ素子を実現することが困難であった。
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まり良く提供することにある。
【発明の開示】
本発明の窒化物半導体素子は、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備えた窒化物半導体素子であって、前記ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有し、前記第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と前記第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している。
好ましい実施形態において、前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層からのキャリアオーバーフローを抑制するバリア層として機能する。
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下であり、前記第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下の領域の厚さは、１ｎｍ以上である。
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層と前記活性層との間に位置し、Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層を更に備えている。
好ましい実施形態において、前記ノンドープ窒化物半導体層は、前記第２ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有している。
好ましい実施形態において、前記ノンドープ窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップに等しいバンドギャップを有している。
好ましい実施形態において、前記ノンドープ窒化物半導体層および前記第１ｐ型窒化物半導体層の合計の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
好ましい実施形態において、前記第２ｐ型窒化物半導体層の厚さは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
好ましい実施形態において、前記第２ｐ型窒化物半導体層においてＭｇ濃度が８×１０１８ｃｍ−３以下の領域の厚さは１ｎｍ以下である。
好ましい実施形態において、前記ｐ型窒化物半導体層は、前記第２ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第３ｐ型窒化物半導体層を更に有し、前記第３ｐ型窒化物半導体層と前記第１ｐ型窒化物半導体層との間に前記第２ｐ型窒化物半導体層が位置している。
好ましい実施形態において、前記第３ｐ型窒化物半導体層のバンドキャップは前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドキャップよりも小さい。
好ましい実施形態において、前記第３ｐ型窒化物半導体層はクラッド層として機能する。
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層および第２ｐ型窒化物半導体層の少なくとも一方はＩｎを含む。
好ましい実施形態において、前記第２ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも大きい。
本発明による窒化物半導体素子の製造方法は、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備え、前記ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有し、前記第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と前記第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している窒化物半導体素子の製造方法であって、前記ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記活性層を形成する工程と、Ｍｇを有する原料ガスおよびＡｌを有する原料ガスを共に供給することによって、ＡｌおよびＭｇを含む前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、Ｍｇを有する原料ガスを供給することによって前記第２ｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含む。
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程の前に、ｐ型不純物を供給せずにＡｌを有する原料ガスを供給することによって、Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層を形成する工程を更に含む。
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下であり、前記第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下の領域の厚さは、１ｎｍ以上である。
【図面の簡単な説明】  図１（ａ）は、ＧａＮ半導体レーザの従来例を示す断面図であり、図１（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
図２（ａ）は、ＧａＮ半導体レーザの他の従来例を示す断面図であり、図２（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
図３（ａ）は、ＧａＮ半導体レーザの更に他の従来例を示す断面図であり、図３（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
図４（ａ）は、本発明の実施形態１における窒化物半導体レーザの断面構造図であり、図４（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
図５（ａ）は、図３（ａ）および（ｂ）に示す半導体レーザにおけるＳＩＭＳプロファイルを示すグラフであり、図５（ｂ）は、実施形態１の半導体レーザにおけるＳＩＭＳプロファイルを示すグラフである。
図６は、ｐ−ＡｌＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層のＡｌ組成に対するｐ−ＡｌＧａＮ電流オーバーフロー抑制層のＭｇ濃度を示すグラフである。
図７（ａ）は、本発明の実施形態３における半導体レーザを示す断面図であり、図７（ｂ）は、比較例の伝導帯側バンド構造の模式図であり、図７（ｃ）は、本実施形態における伝導帯側バンド構造の模式図である。
図８（ａ）は、本発明の実施形態４における半導体レーザを示す断面図であり、図８（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
図９（ａ）は、本発明の実施形態５における半導体レーザを示す断面図であり、図９（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
図１０（ａ）は、本発明の実施形態６における半導体レーザを示す断面図であり、図１０（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
図１１（ａ）は、本発明の実施形態７における半導体レーザを示す断面図であり、図１１（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
図１２は、本発明の実施形態８における半導体レーザを示す断面図である。
図１３は、実施形態８の半導体レーザにおける活性層近傍の伝導体バンド構造を示す模式図である。
図１４は、本発明の実施形態９における半導体レーザを示す断面図である。
図１５は、実施形態９の半導体レーザにおける活性層近例の伝導体バンド構造を示す模式図である。
図１６は、実施形態９の半導体レーザにおける活性層近傍の他の伝導体バンド構造を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
まず、本発明による窒化物半導体素子の第１の実施形態を説明する。
図４（ａ）は、本実施形態の半導体レーザの断面構造を示し、図４（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。本実施形態の半導体レーザは、ｎ−ＧａＮ基板４０１と、ｎ−ＧａＮ基板４０１上に形成された半導体積層構造とを有している。この半導体積層構造は、基板側から、ｎ−ＧａＮ層４０２、ｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層４０３、ｎ−ＧａＮ光ガイド層４０４と、Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ−ＭＱＷ活性層４０５、ノンドープＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ中間層４０６、ノンドープＧａＮ中間層４０７、ノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓクラッド層（１２０ペア）４１１、およびｐ−ＧａＮコンタクト層４１２を有している。
ここで、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９は「ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層」として機能し、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０は「Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層」として機能する。
図４（ｂ）に示されるように、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９のバンドギャップは、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０のバンドギャップより小さく、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓクラッド層（１２０ペア）４１１におけるハンドギャップの最大値よりも小さい。
このような半導体積層構造は、図４（ａ）に示す形状に加工され、その上にｐ電極４１３、ｎ電極４１４、およびＳｉＯ２層４１５が形成されている。
このような半導体レーザにおいて、ｎ電極４１４とｐ電極４１３の間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層４０５に向かってｐ電極４１３から正孔がｎ電極４１４から電子が注入され、ＭＱＷ活性層４０５で利得を生じ、４１０ｎｍの波長でレーザ発振を起こす。
以下、図４（ａ）に示す半導体レーザの製造方法の実施形態を説明する。
本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて窒化物半導体層の結晶成長を行なう。成長圧力は減圧から、大気圧（１ａｔｍ）、大気圧以上の加圧のいずれでも良く、各層において最適な圧力に切り替えても良い。また、原料を基板に供給するためのキャリアガスは、少なくとも窒素（Ｎ２）または水素（Ｈ２）等の不活性ガスを含むガスであることが好ましい。
なお、本発明における窒化物半導体の成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定されず、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）など、化合物半導体結晶を成長させる全ての方法に適用することができる。
本実施形態では、まず、ｎ−ＧａＮ基板４０１の表面を有機溶剤、酸によって清浄化した後、サセプタ上に設置し十分にＮ２で置換する。Ｎ２置換が終了した後、Ｎ２雰囲気中、１０℃／１０秒の昇温レートで１０００℃まで昇温する。その後、キャリアガスをＨ２に切り替え、同時にアンモニア（ＮＨ３）を供給し、１分間基板表面のクリーニングを行う。
次に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシラン（ＳｉＨ４）を供給し、２μｍ厚のｎ−ＧａＮ層４０２を成長させる。引き続いて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、１．５μｍ厚のｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層４０３を成長させる。その後、ＴＭＡの供給を停止し、ｎ−ＧａＮ光ガイド層４０４を厚さ０．１μｍまで成長させる。
ｎ−ＧａＮ光ガイド層４０４成長後、キャリアガスをＮ２に変えＮＨ３の供給を停止し、成長温度を７８０℃まで降温する。成長温度が７８０℃で安定後、まずＮＨ３を供給し、続いてＴＭＧとトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給する。こうして、Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ−ＭＱＷ活性層４０５を成長させる。Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ井戸層厚は３ｎｍ、Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ障壁層厚は７ｎｍであり、井戸層数は３である。活性層には意図的なドーピングはしていない。
次に、３０ｎｍ厚のノンドープＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ中間層４０６、および３０ｎｍ厚のノンドープＧａＮ中間層４０７を成長した後、いったんＴＭＧの供給を停止する。その後、Ｎ２とＮＨ３を供給した状態で速やかに１０００℃まで昇温し、成長温度が１０００℃に到達後、キャリアガスをＮ２とＨ２の混合ガスに変更し、Ｎ２とＨ２とＮＨ３を供給した状態にする。
そして直ちにＴＭＧとＴＭＡを供給して４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８を成長させ、その後、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をＭｇ原料としてＭｇをドーピングしたｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を厚さ５ｎｍまで成長させる。
次に、１０ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０を成長した後、速やかにキャリアガスをＨ２のみに切り替え、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓクラッド層（１２０ペア）４１１、および５０ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層４１２を順次積層する。
次に、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１、およびｐ−ＧａＮコンタクト層４１２を、ストライプ状に加工する。その後、ストライプ状に加工された積層構造の両脇を絶縁膜であるＳｉＯ２層４１５で覆い、電流注入領域を形成する。ストライプ幅は２〜３μｍ程度である。
次に、ＳｉＯ２層４１５の開口部におけるｐ−ＧａＮコンタクト層４１２の表面とＳｉＯ２層４１５の一部の上に、ｐ電極４１３をを形成する。この後、半導体の積層構造をエッチングすることによってｎ−ＧａＮ層４０２の一部を露出させた後、その露出表面上にｎ電極４１４を形成する。このようにする代わりに、ｎ−ＧａＮ基板の裏面にｎ電極を形成しても良い。
本実施形態では、ｐ電極４１３とのコンタクト抵抗を低減するため、ｐ−ＧａＮコンタクト層４１１におけるＭｇ濃度を１×１０２０ｃｍ−３から５×１０２０ｃｍ−３の範囲内に調節している。
上記の製造方法によれば、ノンドープＧａＮ中間層４０７を成長した後、ノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８を成長させている間に、いったんＴＭＧの供給を停止している。そして、Ｎ２とＮＨ３を供給した状態で速やかに昇温し、かつ途中でキャリアガスをＮ２とＨ２の混合ガスに変更している。
しかし、ＴＭＧの供給を停止せず、ＴＭＧを供給したままノンドープＧａＮ中間層４０７の結晶成長を続け、かつ、昇温しても良い。また、ＴＭＧおよびＴＭＡを供給してノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８の結晶成長を行ないながら昇温しても良い。このように、結晶中に非発光再結合中心の原因となるような欠陥が生成されない方法であれば、どのような昇温方法を採用しても良い。
次に、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０のＭｇ濃度分布に与えるノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８およびｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９の役割について説明する。
図５（ａ）は、図３（ａ）および（ｂ）に示す半導体レーザにおけるＳＩＭＳプロファイルを示すグラフであり、図５（ｂ）は、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０を成長させる前にノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８と、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９とを形成した本実施形態の半導体レーザにおけるＳＩＭＳプロファイルを示すグラフである。なお、グラフにおいて、「１．０Ｅ＋Ｍ」は「１．０×１０Ｍ」を意味する。
図５（ａ）および（ｂ）のいずれのサンプルにおいても、ｐ型のクラッド層（ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１及びｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層３１０）のホール濃度が２×１０１８ｃｍ−３となるようにＭｇドーピングを行っている。具体的には、ｐ型クラッド層におけるＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３となる条件で、Ｍｇのドーピングを実行している。
ｐ型アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９の膜厚は５ｎｍ、電子オーバーフロー抑制層４１０の膜厚は１０ｎｍで統一している。本実施形態の半導体レーザでは、図５（ｂ）に示されるＭｇの濃度プロファイルから明らかなように、ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層４１０のＭｇ濃度が既に９．５×１０１８ｃｍ−３に達し、クラッド層４１１におけるＭｇ濃度の目標値（１×１０１９ｃｍ−３）に略等しい値を実現している。これに対し、図５（ａ）の例では、Ｍｇドーピングのメモリー効果に起因したドーピング遅れの影響が顕著に現れている。すなわち、ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層３０９中でＭｇ濃度が深さ方向に変化しており、その大きさも５〜７×１０１８ｃｍ−３程度しかない。
以上のように、Ａｌを含んだノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８とｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９とを成長させた後に、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０を成長させることにより、メモリー効果によるＭｇのドーピング遅れを抑制することが可能となる。その結果、レーザ構造中で最もバンドギャップエネルギが大きいｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０におけるＭｇ濃度を、クラッド層４０１におけるＭｇ濃度とほぼ等しくすることができる。
本実施形態の効果を得るには、Ｍｇドーピングを開始した後、オーバーフロー抑制層４１０（第２ｐ型窒化物半導体層）の成長開始前に成長させる「Ａｌを含んだ窒化物半導体層（第１ｐ型窒化物半導体層）」の厚さを１ｎｍ以上５０ｎｍ以下にすることが好ましい。このＡｌを含んだ窒化物半導体層（第１ｐ型窒化物半導体層）におけるＡｌ濃度は充分に高いことが好ましいため、第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下であり、かつ、第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上２×１０２１ｃｍ−３以下の領域の厚さが１ｎｍ以上であることが好ましい。
また、第１ｐ型窒化物半導体層の成長前に行なうＡｌを含むノンドープ窒化物半導体層（Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８）には、最終的には第１ｐ型窒化物半導体層からＭｇが拡散する結果、ｐ型化する領域が含まれる可能性がある。しかし、簡単のため、本明細書では、成長時点で意図的にｐ型不純物をドープしない限り、Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８を「Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層」と称することとする。
本実施形態によって得られる効果は、ＧａのかわりにＩｎを含んだｐ−Ａｌ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いても得ることができる。この場合、レーザ構造中でバンドギャップエネルギが最も大きいｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０に対して、それよりもバンドギャップエネルギが小さく（ただしＧａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ−ＭＱＷ活性層４０５よりはバンドギャップエネルギが大きい）、そして少なくともＡｌが含まれるノンドープの中間層と少なくともＡｌが含まれるアクセプタ不純物ドーピング開始層の３層構造が形成されていることが重要である。このＡｌが含まれることの必要性については後述する。
なお、特開２００２−００９００４号公報に記載されている半導体レーザでは、ＡｌＧａＮ層からのＭｇの拡散を防止するためにＭｇドープｐ−ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層とＳｉドープｎ−ＧａＮ層の間にノンドープＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ≦Ｙ≦１）を挿入している。この構成では、ノンドープＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を挿入することにより、Ｍｇドープｐ−ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層から活性層（Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層）へのＭｇの拡散を抑制している。Ｍｇ拡散を抑制する目的は、ドナー・アクセプターペア発光を抑え、バンド端発光を支配的にすることにある。
上記の半導体レーザでは、レーザ構造中で最もバンドギャップエネルギの大きいＭｇドープｐ−ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層に対してノンドープＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を用いた２層構造を形成しているため、Ｍｇ不純物の拡散は抑制可能である。しかし、レーザ構造中で最もバンドギャップエネルギの大きいＭｇドープｐ−ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層にメモリー効果によるＭｇドーピング遅れが発生してしまう。
なお、本願発明者らの検討によると、Ａｌを含んだＭｇドープｐ−ＡｌＧａＮ層からの活性層へのＭｇ拡散は、Ａｌを含まないＭｇドープｐ−ＧａＮ層と比較して非常に起こりにくいことがわかっている。この点の詳細は、後述する。
本来、ＧａＮのバンドギャップエネルギよりもＡｌを含有したＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギの方が大きいため、ＡｌＧａＮにおけるアクセプタ不純物の活性化エネルギは相対的に大きくなる。したがって、ＡｌＧａＮの成長中にＭｇのドーピングを開始すると、ｐ型不純物が不活性化しやすく、再現性、均一性の低下につながるため、望ましいことではない。
また、ＡｌＧａＮとＧａＮとの間の格子定数差よりも、ＡｌＧａＮとＧａＩｎＮとの間の格子定数差が大きくなるため、ＡｌＧａＮ層を活性層の近傍に配置すると、活性層を構成する井戸層の歪の不均一を招きやすい。この歪が大きくなると、発光特性に悪影響を与え、均一性や信頼性にとって望ましいことではない。
しかしながら、本発明者らの検討の結果によると、ＧａＮにＡｌを敢えて含有させることにより、Ｍｇドーピングのメモリー効果の低減に成功し、急峻性の高いドーピング界面を実現することができ、レーザの発光特性を著しく改善することができる。
なお、井戸層に生じ得る格子歪を低減するためには、ノンドープのＧａＮ中間層の厚さを、歪低減に最適な大きさに設定することが好ましい。
次に、ドーピング開始層におけるＡｌの役割を説明する。
Ｍｇ原料は結晶成長装置の配管やリアクター内壁に非常に付着しやすく、ドーピングが開始された直後の初期は、原料のほとんどがこの反応に消費される。これがメモリー効果の生じる主な原因である。メモリー効果の影響は結晶成長装置にも依存するが、本実施形態で使用している結晶成長装置でＧａＮ成長中に１×１０１９ｃｍ−３のＭｇ濃度を得るためにＭｇドーピングを開始した場合、Ｍｇのドーピングフロントは結晶表面側に約１０ｎｍシフトする。このため、Ｍｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３の９０％のレベル（９×１０１８ｃｍ−３）に達するのは、ＧａＮの成長開始後に厚さ２００ｎｍ程度の結晶成長が進行したときになる。
一方、Ａｌ組成１％のＡｌＧａＮ成長中に同様のＭｇドーピングを行った場合、Ｍｇのドーピングフロントの遅れはなく、９×１０１８ｃｍ−３のＭｇ濃度に到達するまで１０ｎｍを要するだけであった。これは、ＭｇとＡｌの反応性が非常に高いために、Ａｌが含有された原料ガス中にＭｇを添加すると、ＡｌとＭｇが即座に反応し、配管やリアクター内壁に付着することなく複合体を形成して、結晶中に取り込まれるからである。
次に、図６を参照する。図６は、ｐ−ＡｌＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層のＡｌ組成に対するｐ−ＡｌＧａＮ電流オーバーフロー抑制層のＭｇ濃度を示すグラフである。図６に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層におけるＡｌ濃度は、Ｍｇのドーピング濃度の１０倍以上の大きさに設定することが好ましい。具体的には、必要なＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３であれば、Ａｌ濃度は１×１０２０ｃｍ−３、結晶中のＡｌ組成で０．１％以上に設定することが好ましい。ｐ−ＡｌＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層におけるＡｌ濃度を、Ｍｇのドーピング濃度の１００倍以上の大きさに設定すると、更にＭｇ濃度が増加するため、より好ましい。
以上のように、効率よくＡｌとＭｇの複合体を形成してＭｇドーピングを行うことにより、Ｍｇのメモリー効果を抑制できる。その結果、急峻なドーピング界面を持った、ドーピング遅れのないＭｇドーピングプロファイルを実現できる。
なお、図３に示す半導体レーザにおけるＧａＮ中間層３０７、およびｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層３０８のかわりに、ノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８およびｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を用いることにより、電子オーバーフロー抑制層を形成したときの圧縮応力を小さくすることができる。
圧縮応力は、ピエゾ電界を発生させ、それに起因して起こるバンド構造の変化は、アクセプタ不純物を拡散させ、不均一な濃度分布を形成する。しかし、本実施形態では、圧縮応力を小さくできるＡｌを含んだ中間層／アクセプタ不純物ドーピング開始層の組み合わせを用いることにより、効果的に急峻性の優れたＭｇドーピングプロファイルを実現できる。
ＧａＮ結晶中のＭｇが形成するアクセプタ準位は、ドナー不純物であるＳｉよりも活性化エネルギが大きい。このため、電流注入によりレーザ発振させた場合に光学的損失（光吸収損失）を発生させやすい。しかし、本発明では、高い制御性、高い急峻性で、界面における所望のドーピングプロファイルを形成できるため、光吸収損失が極めて低いレーザ素子を歩留まり良く提供できるようになる。
なお、ｐ−ＧａＮ層でＭｇドーピングを開始し、急峻なドーピングプロファイルを実現する方法としては、ドーピング界面のみにＭｇ供給量を過剰にし、ドーピング遅れを抑制する方法も考えられる。しかし、配管やリアクター内壁への付着は低減できず、やはりメモリー効果によりドーピング遅れが発生し、ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層中では逆にアクセプタ不純物であるＭｇが過剰に取り込まれ（例えばＭｇ濃度にして１×１０２０ｃｍ−３以上）、アクセプタが補償され高抵抗化してしまうなど制御性に乏しい。
また、メモリー効果が発生しにくい配管、リアクター構造に結晶成長装置を改造することもできるが、そのためには、コストや、必要な時間等が莫大なものとなる。
これらに対し、本発明によれば、特別な装置の改造や手法を用いることなく、容易にＭｇドーピングの制御性を向上できる。
本発明の効果を得るには、ＡｌとＭｇの複合体を効率良く形成しながらＭｇドーピングを行うことが重要である。Ｍｇドーピングを行なうとき、キャリアガスとしてＨ２だけでなくＮ２が含まれていると、反応性が高まるため、より望ましい。また、この反応性を高めるためには、レーザ構造の電気特性に影響を与えない範囲で酸素、炭素、シリコン等の不純物を微量添加することも有効である。
従来のｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いた場合には、レーザ動作時の電流印加や、レーザに加えられた熱、磁界により、Ｍｇが容易に活性層側へ拡散する。その結果、活性層近傍で光吸収損失を引き起こし、レーザの信頼性に悪影響を及ぼすという問題が生じる。これに対し、ｐ−ＡｌＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いてレーザ構造を作製した場合は、結晶中でもＡｌとＭｇの結合が強く、レーザ動作中のＭｇの拡散が生じにくい。
更に、従来のｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いた場合には、結晶成長装置の配管やリアクター内壁に付着したＭｇが、結晶成長後も残留し、引き続いてレーザ構造を作製する場合にｎ型層に徐々に混入し、ｎ型ドナー不純物を補償し高抵抗化してしまう。これに対し、ｐ−ＡｌＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いてレーザ構造を作製した場合、この影響を抑制できる。
本実施形態ではＧａＮ基板を用いているが、基板はＧａＮに限られず、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体バルク基板、サファイア基板、炭化珪素基板、シリコン基板、表面にＧａＮが成長したガリウム砒素基板、選択横方向成長を用いて作製されたＥＬＯ−ＧａＮ基板でも良い。
本実施形態では、ｎ型のクラッド層にバルク結晶のＡｌＧａＮ、ｐ型のクラッド層にＡｌＧａＮとＧａＮから構成される超格子構造を用いているが、ｐ型のクラッド層にバルク結晶のＡｌＧａＮ、ｎ型のクラッド層にＡｌＧａＮとＧａＮから構成される超格子構造を用いても良い。また、ｎ型、ｐ型の両方にバルク結晶のＡｌＧａＮ、またはＡｌＧａＮとＧａＮから構成される超格子構造を用いてもよい。更に、これらの半導体層は、Ｉｎやホウ素（Ｂ）砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）を含有していてもよく、光とキャリアの閉じ込めが効果的に実現できる構成であれば良い。
また、本実施形態では、Ｇａの原料としてＴＭＧ、Ａｌの原料としてＴＭＡ、Ｉｎの原料としてＴＭＩ、Ｍｇの原料としてＣｐ２Ｍｇ、Ｎの原料としてＮＨ３を用いているが、原料ガスは、これらに限定されない。Ｇａの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）や塩化ガリウム（ＧａＣｌやＣａＣｌ３）、Ａｌの原料としてトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）やジメチルアルミハイドライド（ＤＭＡＨ）、ジメチルアルミクロライド（ＤＭＡＣｌ）、トリメチルアミンアラン（ＴＭＡＡ）、Ｉｎの原料としてトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｍｇの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）やビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ２Ｍｇ）、Ｎの原料としてヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）やモノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用いても良い。特に、本発明を効果的に実現するためには、ＡｌとＭｇの複合体が効率よく形成され、それを用いてＭｇドーピングを行うことが重要であり、この複合体の形成では分子量が大きい方がより効果的に作用するため、使用可能な範囲でできるだけ分子量の大きい原料を用いることがさらに望ましい。
（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１と同様に半導体積層構造を形成した後、ドライエッチングプロセスにより、この積層構造をストライプ状に加工する。このとき、ノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８が露出する寸前まで、表面側からｐ−ＧａＮコンタクト層４１２、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を順にエッチングする。エッチング深さはレーザのキンクレベルやビーム形状を決定する重要なパラメータであり、精密な制御することが望ましい。
レーザ構造エピウェハーの数箇所に５０μｍ角の光学評価用モニター窓を設置しておき、ドライエッチングプロセスを進めながら、その場観測で光学的評価を行い、ドライエッチングを施した。
本実施形態では光学的評価手法としてフォトルミネッセンス測定を行った。フォトルミネッセンスの評価には波長３２５ｎｍのヘリウム−カドミウムレーザを用いた。ｐ型アクセプタ不純物がドーピングされた化合物半導体ではｐ型アクセプタ不純物準位が形成されており、ドナー・アクセプターペア発光が観測され、ｐ型アクセプタ不純物がドーピングされていない化合物半導体では主にバンド端近傍からの発光が観測される。ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を用いない従来技術では、ｐ型アクセプタのドーピングプロファイルが裾を引いており、ドーピング界面が明確でないため光学的評価からドーピング界面を求めることは不可能であった。
しかしながら、実施形態１のようにｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を用いることにより、ドーピング界面の急峻性が向上でき、光学的評価により容易に膜厚制御が可能であった。もちろんこの制御方法はフォトルミネッセンス測定だけではなく、プラズマ発光分析等、評価が可能な手法であれば何を用いても良い。また、光学評価用モニター窓は、ウェハー内で素子の歩留まりが低下せず、また、光学評価が可能であれば形状、サイズは問わない。
また、エッチング終了後、この光学評価用モニター窓からフォトルミネッセンスの測定を行うことにより、活性層の発光波長を評価することができ、レーザプロセスの前段階で、レーザ構造の出来栄え評価を行うこともでき素子プロセスの効率化が達成できた。
（実施形態３）
実施形態１とｐ型クラッド層の構造を除いて同様な構成でレーザ構造を結晶成長した。実施形態１ではｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１を用いていたが、ここではそのかわりにｐ−Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ／ｐ−Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ−ＳＬｓクラッド層６０１を用いている。図７（ａ）は、このレーザ構造の構造図を示す。
ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１を用いた場合、周期的にＴＭＡの供給／非供給を繰り返してＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を形成していく。このとき、一様にＭｇドーピングを行っていると、ＧａＮ層形成中にはメモリー効果によってＭｇの取り込み量が減少する。逆にＡｌＧａＮ層を形成する場合には、界面付近で急激にＭｇの取り込み量が増大する。このため、定常値で安定するという変化を繰り返し、図７（ｂ）に示すように、Ｍｇ濃度がクラッド層内で安定せず、増減を繰り返すため、レーザ構造の低電圧動作に対する再現性が低下してしまうことになる。
一方、ｐ−Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ／ｐ−Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ−ＳＬｓクラッド層６０１を用いた場合、常にＴＭＡが供給されておりメモリー効果の影響が低減できる。このため、図７（ｃ）に示すようにクラッド層内のＭｇ濃度は再現性良く一定値に制御することが可能となり、高い制御性で動作電圧低減が実現できる。
（実施形態４）
以下、図８（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第４の実施形態を説明する。本実施形態の半導体レーザは、次に説明する部分を除いて、図４（ａ）に示す半導体レーザ（実施形態１）の構成と同様の構成を有している。すなわち、実施形態１における４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８、および５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に代えて、４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０２Ｎ中間層７０１、および５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０２Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層７０２を有している。
これらの層におけるＡｌ組成は、本実施形態と実施形態１との間で等しくしているため、Ｍｇのドーピングプロファイルに差異はないが、Ｉｎを含有している分だけバンドギャップエネルギは小さくなる。その結果、これらの層における不純物の活性化エネルギが小さくなり、ホール濃度は高くなっている。また、活性層に加わる歪も小さくなっている。このため、本実施形態によれば、より一層のしきい値電流の低減と信頼性の向上が実現できる。
（実施形態５）
以下、図９（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第５の実施形態を説明する。本実施形態の半導体レーザは、次に説明する部分を除いて、図４（ａ）に示す半導体レーザ（実施形態１）の構成と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態では、実施形態１における５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に代えて、５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０２Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層８０１、および５ｎｍ厚のｐ−Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ層８０２を有している。
Ｍｇドーピング開始層８０１のＡｌ組成は両実施形態で等しく、Ｍｇのドーピングプロファイルに差異はないが、本実施形態の方がｐ−Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ層８０２を挿入している分だけＭＱＷ活性層４０５とｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０の間の距離が長い。しかしながら、５ｎｍ厚のｐ−Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ層８０２は、Ｉｎを含有しているため、そのバンドギャップエネルギがＧａＮのバンドギャップエネルギよりも小さく、結果的に非常に高いホール濃度を有する。このため、活性層４０５へのホールの注入効率が向上し、より一層のしきい値電流の低減と信頼性の向上が実現できる。
（実施形態６）
以下、図１０（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第６の実施形態を説明する。本実施形態の半導体レーザは、次に説明する部分を除いて、図４（ａ）に示す半導体レーザ（実施形態１）の構成と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態では、図４（ａ）の半導体レーザにおける４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８、および５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に代えて、４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１０Ｎ中間層９０１および３ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．０６Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１０Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層９０２を有している。
本実施形態では、中間層９０１およびアクセプタ不純物ドーピング開始層９０２のＡｌ組成が、それぞれ、実施形態１における中間層４０８およびアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９のＡｌ組成よりも高い。そのため、Ｍｇのドーピングプロファイルが、より急峻に立ち上がるので、ｐ−Ａｌ０．０６Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１０Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層９０２を薄くすることができる。
また、本実施形態のｐ−Ａｌ０．０６Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１０Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層９０２はＧａＮと格子整合するため、活性層４０５に印加される歪を実施形態１よりも小さくできる。このため、より一層の高出力化と信頼性の向上が実現できる。
（実施形態７）
以下、図１１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第７の実施形態を説明する。本実施形態の半導体レーザは、次に説明する部分を除いて、図４（ａ）に示す半導体レーザ（実施形態１）の構成と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態では、４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８、および５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に代えて、４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ中間層１００１、および１ｎｍごとにＡｌ組成が０．０３ずつ階段的に０．０１から０．１３まで上昇する５ｎｍ厚のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０１≦ｘ≦０．１３）アクセプタ不純物ドーピング開始層１００２を有している。
本実施形態では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０１≦ｘ≦０．１３）アクセプタ不純物ドーピング開始層１００２におけるＡｌ組成を段階的に増加させることにより、Ｍｇのドーピングプロファイルを更に急峻に立ち上げることが可能となる。
また、本実施形態では、格子定数差に起因した格子歪の発生を抑制できるため、活性層に印加される応力の低減、バンド不連続によるノッチの発生の低減が実現できる。
さらに、圧縮応力によって生じるピエゾ電界効果の影響を効果的に低減できるために、活性層へのホールの注入効率が高まり、より一層のしきい値電流の低減と信頼性の向上、そして歩留まりの向上が実現できる。
本実施形態では、１ｎｍごとにＡｌ組成が０．０３ずつ階段的に０．０１から０．１３まで上昇するように５ｎｍ厚のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０１≦ｘ≦０．１３）アクセプタ不純物ドーピング開始層１００２を形成しているが、このことよる効果は、Ａｌ組成を階段的に増加させた場合にのみ得られるものではない。図１１（ｂ）の一部に拡大して示すように、Ａｌ組成を連続的に増加させることや、放物線的に増加させることによっても、格子定数差に起因した歪の発生を大幅に低減でき、バンド不連続によるノッチの発生は完全に抑えられる。
以上説明してきたように、本発明の窒化物半導体素子によれば、第２ｐ型窒化物半導体層によるキャリア閉じ込め効率を向上させることができるため、クラッド層として機能する第３ｐ型窒化物半導体層によるキャリアの閉じ込めを重視する必要がなくなる。このため、クラッド層（第３ｐ型窒化物半導体層）のバンドギャップを小さくすることが許容され、その結果、クラッド層におけるＡｌ組成化を低減することが可能になる。以下に説明する実施形態では、上述の各実施形態に比べてクラッド層（第３ｐ型窒化物半導体層）Ａｌ組成化を低減することにより、そのバンドギャップを第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さく設定している。クラッド層として機能する第３ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成化の低減は、窒化物半導体素子の直列抵抗Ｒｓを低下させるため、消費電力を低減できる。
（実施形態８）
以下、図１２を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第８の実施形態を説明する。
まず、ｎ−ＧａＮ基板１６０１を用意し、その表面を有機溶剤及び酸によって清浄化した後、成長炉内のサセプタ上に基板１６０１を設置する。Ｎ２ガスにて成長炉内を十分に置換した後、１℃／秒の昇温レートで１０００℃まで昇温し、キャリアガスをＨ２に切り替えると共にアンモニア（ＮＨ３）の供給を開始して基板表面のクリーニングを行なう。このクリーニングの時間は１分以上行なうことが望ましい。その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシラン（ＳｉＨ４）の供給を開始し、２μｍ厚のｎ−ＧａＮ層１６０２の成長を行い、引き続いてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、１．５μｍ厚のｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層１６０３の成長を行う。次に、ＴＭＡの供給を停止してｎ−ＧａＮ光ガイド層１６０４を０．１μｍ成長した後、キャリアガスをＮ２に変えＮＨ３の供給を停止し、成長温度を７８０℃まで降温する。
次に、ＮＨ３、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給することにより、光ガイド層１６０４上に厚さが約３ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ井戸層と、井戸層の上に厚さが約７ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層とを１周期とする３周期分の半導体層を成長させることにより多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１６０５を形成する。
引き続いて３０ｎｍ厚のノンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ中間層１６０６を成長させ、３０ｎｍ厚のノンドープＧａＮ中間層１６０７を成長した後、ＴＭＧの供給を停止する。Ｎ２とＮＨ３を供給した状態で速やかに１０００℃まで昇温し、キャリアガスをＮ２とＨ２の混合ガスに切り替える。ＴＭＧ及びＴＭＡの供給を再開し、４５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ中間層（ドーピングエンハンス層）１６０８を成長させる。
このドーピングエンハンス層１６０８の成長開始時、または成長途中において、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）によるＭｇドーピングを開始する。
ドーピングエンハンス層１６０８の成長開始後、その成長途中において、Ｍｇドーピングを開始した場合、ドーピングエンハンス層１６０８には、ＭｇがドープされていないＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ下層部分と、ＭｇがドープされたＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ上層部分とが形成されることになる。言い換えると、ドーピングエンハンス層１６０８は、ノンドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ下層部分と、ＭｇドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ上層部分の両方を含む構造を有することになる。この場合、ノンドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ下層部分は、実施形態１におけるＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８に対応し、ＭｇドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ上層部分は、実施形態１におけるｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に相当する。
なお、ドーピングエンハンス層１６０８の成長開始時と同時にＭｇドーピングを開始した場合でも、ドーピング遅れにより、ノンドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ下層部分が形成される。
このようにして、ドーピングエンハンス層１６０８の一部には、Ｍｇがドープされていない領域が形成され得るが、しかし、その後の工程で生じるＭｇの熱拡散により、ドーピングエンハンス層１６０８の全体にもＭｇがドープされ得る。
なお、ドーピングエンハンス層１６０８のうち、Ｍｇがドープされた部分が本発明の第１ｐ型窒化物半導体層として機能する。
ドーピングエンハンス層１６０８を形成した後、１０ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層１６０９を成長させる。このｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層１６０９が本発明の第２ｐ型窒化物半導体層として機能する。
ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電子オーバーフロー抑制層１６０９を成長させた後、速やかにキャリアガスをＨ２に切り替え、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎクラッド層１６１０を成長した後、５０ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層１１６１１を順次積層する。
本実施形態においては、ｐ型ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を用いたが、Ｍｇに加えて、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）等のｐ型ドーパントを添加してもよい。
なお、窒化物半導体の成長方法はＭＯＶＰＥ法に限定されず、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）など、化合物半導体結晶を成長させるためにこれまで提案されている全ての方法を採用することができる。
本実施形態では、Ｇａの原料としてＴＭＧ、Ａｌの原料としてＴＭＡを用い、Ｉｎの原料としてＴＭＩ、Ｍｇの原料としてＣｐ２Ｍｇ、Ｎの原料としてＮＨ３を用いているが、上記条件の原理を生かす結晶成長であれば、原料ガスは、これらに限定されない。Ｇａの原料として、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）や塩化ガリウム（ＧａＣｌやＣａＣｌ３）を、Ａｌの原料として、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）やジメチルアルミハイドライド（ＤＭＡＨ）、ジメチルアルミクロライド（ＤＭＡＣｌ）を、Ｉｎの原料として、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｍｇの原料として、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）やビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ２Ｍｇ）、Ｎの原料として、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）やモノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）ジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用いても良い。
本実施形態では、各クラッド層及びコンタクト層等にバルク結晶を用いたが、超格子構造を適用しても良い。
次に、共振器形成領域となる部分をｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ中間層（ドーピングエンハンス層）１６０８に至るまでエッチングにより掘り込むことにより、ストライプ状に加工し、共振器形成領域の上部にリッジ部を形成する。リッジ部におけるストライプ幅は２〜３μｍ程度である。エピタキシャル層におけるストライプ状の共振器形成領域をマスクして、該エピタキシャル層に対してｎ型コンタクト層１６０２の一部が露出するまでエッチングを行なう。
続いて、ｐ型コンタクト層の上面の電極とのコンタクト部分及びｎ型コンタクト層の上面の電極とのコンタクト部をそれぞれマスクし、ＣＶＤ法等により、リッジ部の両脇に酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる保護絶縁膜１６１３を堆積し、電流注入領域を形成する。絶縁膜の開口部のｐ−ＧａＮコンタクト層１６１１表面にはｐ電極１６１２を、ｎ−ＧａＮコンタクト層１６０２表面にはｎ電極１６１４を形成する。ｐ−ＧａＮコンタクト層１６１１のＭｇ濃度は、ｐ電極１６１２とのコンタクト抵抗低減のため、１×１０２０ｃｍ−３から５×１０２０ｃｍ−３に設定される。このようにして、図１２に示される窒化物半導体レーザを作製できる。
なお、本実施形態においては、ｎ側の電極を上面（ｐ側電極と同じ側）に形成したが、ｎ−ＧａＮ基板の裏面にｎ電極を形成し、上下から導通を取る構造としても良い。
このようにして得られた半導体レーザに対して、ｐ側電極１６１２とｎ側電極１６１４との間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１６０５に向かってｐ側電極１６１２から正孔が注入されると共にｎ側電極１６１４から電子が注入される。これにより、ＭＱＷ活性層１６０５において、正孔と電子との再結合により光学利得を生じて約４１０ｎｍの波長でレーザ発振を起こす。
以下、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ中間層（ドーピングエンハンス層）１６０８のＡｌ組成比（バンドギャップ）が、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎオーバーフロー抑制層１６０９よりも小さく、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎクラッド層１６１０よりも大きい構造をとることの有効性について説明する。
図１３は、本実施形態における活性層近傍の構成を示す図である。活性層側から、膜厚およびＡｌ組成比（バンドギャップ）の異なる３領域以上の層から形成される。
本実施形態では、ｐ−ＡｌＧａＮドーピングエンハンス層１１０２のうちのＭｇがドープされている部分が、第１ｐ型窒化物半導体層に対応する。そして、ｐ−ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１１０３は第２ｐ型窒化物半導体層に対応し、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１０４は第３ｐ型窒化物半導体層に対応する。第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比を第３ｐ型窒化物半導体層の組成比よりも高く設定し、かつ第２ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比を第３ｐ型窒化物半導体層より高く構成する。この結果、ハンドギャップについては、第２ｐ型窒化物半導体層＞第１ｐ型窒化物半導体層＞第３ｐ型窒化物半導体層の関係が満足される。
第１ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成比は、そのバンドギャップが第２ｐ型窒化物半導体層よりも小さくなる範囲内で、できるだけ高いＡｌ組成比を用いることが望ましい。この第１ｐ型窒化物半導体層の存在により、ｐ型不純物のドーピング遅れを解消することができ、第２ｐ型窒化物半導体層に対して十分な不純物濃度を確保することが可能となる。
望ましいＡｌ組成比は第１ｐ型窒化物半導体層が５〜２０％、第２ｐ型窒化物半導体層が１０〜３０％、第３ｐ型窒化物半導体層が平均３〜９％であり、最も望ましいＡｌ組成比は第１ｐ型窒化物半導体層が６〜１２％、第２ｐ型窒化物半導体層が１５〜２０％、第３ｐ型窒化物半導体層が平均３．５〜５．５％である。第１ｐ型窒化物半導体層や第２ｐ型窒化物半導体層といった高Ａｌ組成比の層を厚く構成した場合、直列抵抗の増加を導くため、第３ｐ型窒化物半導体層よりも膜厚を薄くすることが必要である。よって、各層の望ましい膜厚は第１ｐ型窒化物半導体層で１〜５０ｎｍ、第２ｐ型窒化物半導体層で５〜２０ｎｍである。最も望ましい膜厚は第１ｐ型窒化物半導体層で５〜２０ｎｍ、第２ｐ型窒化物半導体層で５〜１０ｎｍである。
なお、第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比は、上記した望ましいＡｌ組成比の範囲内であれば傾斜を持っていても良い。また、この傾斜は連続的でも、階段的でも良い。
また、各領域は、上記した望ましいＡｌ組成比および膜厚の範囲内であれば、バルク層ではなく超格子層でもよい。また、バルク層と超格子層が混在していてもよい。
本実施形態によれば、ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１１０３において９×１０１８ｃｍ−３以上の高いＭｇ濃度を実現できることを実験的に確認した。
本実施形態では、ドーピングの開始を、ドーピングエンハンス層１１０２の成長最初時または成長途中に行うが、ドーピングエンハンス層１１０２の全部又は一部でＭｇのドーピングを行っていれば良く、ドーピングエンハンス層１１０２におけるＭｇ濃度が均一である必要は無い。
オーバーフロー抑制層１１０３におけるｐ型不純物濃度は、最大８×１０１８ｃｍ−３から２×１０１９ｃｍ−３の範囲内にあることが好ましく、また、不純物濃度の分布も厚さ方向に均一であることが好ましい。
このように、ＡｌＧａＮドーピングエンハンス層１１０２の挿入により、Ｍｇドーピング遅れの影響を抑制することが可能となるため、レーザ構造の中で最もバンドギャップエネルギが大きいＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１１０３中のＭｇ濃度をクラッド層のＭｇ濃度とほぼ等しくすることができる。こうしてホール注入効率を改善することにより、しきい値電流を低減すると共に、ｐｎ界面位置のズレによる動作電圧の上昇等を抑制することができる。特に、ドーピングエンハンス層１１０２を超格子層とすることにより、平均Ａｌ組成が同一でもＡｌ濃度の高い部分を形成でき、Ｍｇ取り込まれの急峻性を向上させることができる。
なお、オーバーフロー抑制層１１０３を超格子層から構成することにより、Ｍｇアクセプターの活性化エネルギを低減することができるため、直列抵抗を低減することができる。この効果は、ＧａのかわりにＩｎを含んだｐ−Ａｌ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎアクセプター不純物ドーピング開始層でもよく、ドーピングを開始する層に少なくともＡｌが含まれていれば良い。
こうした構造上の工夫により、オーバーフロー抑制層に対して十分にｐ型ドーパントをドーピングできれば、この層内でキャリアを十分ブロックすることができる。これにより、クラッド層においてキャリアの閉じ込めを考慮する必要性はほとんどなく、ＡｌＧａＮクラッド層１１０４のＡｌ組成比を低減することが可能となる。また、光の閉じ込めに関しては、クラッド層のＡｌ組成比を低減してもクラッド層の厚みを厚くすることによってカバーできる。
以上により、ｐ型ドーパント濃度を構造上の工夫により制御することにより、キャリアの閉じ込めを向上させ、クラッド層のＡｌ組成比の低減化により低抵抗化が可能となる。これにより、デバイスの直列抵抗を低減でき、動作電圧を下げることが可能となる。
本実施形態ではＧａＮ基板上のレーザ構造について説明したが、本発明の結晶成長は、上記条件の原理を生かす結晶成長であれば基板はＧａＮに限るものではなく、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体バルク基板、サファイア基板や炭化珪素基板、シリコン基板、ガリウム砒素基板上に成長したＧａＮ等でも、もちろん選択横方向成長を用いて作製したＥＬＯ−ＧａＮ基板でも良い。
また、本実施形態ではレーザ素子について説明したが、これに限るものではなく、発光ダイオード素子にも適用できる。また、ｐｎ接合を有し、電子のオーバーフロー防止と低抵抗化とを同時に必要とする全ての素子に適用できる。更に、上記効果はＢＡｌＧａＩｎＮや砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）を含有した混晶化合物半導体全般に成り立つ。
（実施形態９）
図１４を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第９の実施形態を説明する。
まず、ｎ−ＧａＮ基板１７０１の表面を有機溶剤及び酸によって清浄化した後、成長炉内のサセプター上に基板１７０１を設置する。Ｎ２ガスにて成長炉内を十分に置換した後、１℃／秒の昇温レートで１０００℃まで昇温し、キャリアガスをＨ２に切り替えると共にアンモニア（ＮＨ３）の供給を開始して基板表面のクリーニングを行なう。このクリーニングの時間は１分以上行なうことが望ましい。その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシラン（ＳｉＨ４）の供給を開始し、２μｍ厚のｎ−ＧａＮ層１７０２の成長、引き続いてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、１．５μｍ厚のｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層１７０３の成長を行う。ＴＭＡの供給を停止してｎ−ＧａＮ光ガイド層１７０４を０．１μｍ成長した後、キャリアガスをＮ２に変えＮＨ３の供給を停止し、成長温度を７８０℃まで降温する。
次に、ＮＨ３、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給することにより、光ガイド層１７０４上に厚さが約３ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ井戸層と、井戸層の上に厚さが約７ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層とを１周期とする３周期分の半導体層を成長させることにより多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１７０５を形成する。
引き続いて３０ｎｍ厚のノンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ中間層１７０６、３０ｎｍ厚のノンドープＧａＮ中間層１７０７を成長した後、ＴＭＧの供給を停止する。Ｎ２とＮＨ３を供給した状態で速やかに１０００℃まで昇温し、キャリアガスをＮ２とＨ２の混合ガスに切り替える。ＴＭＧ及びＴＭＡ、ＴＭＩの供給を再開し、４５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ中間層（ドーピングエンハンス層）１７０８を成長させる。この中間層の成長途中において、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）によるＭｇドーピングを開始する。その後、１０ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．７５Ｉｎ０．１０Ｎオーバーフロー抑制層１７０９を成長させた後、速やかにキャリアガスをＨ２に切り替え、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎクラッド層１７１０と、５０ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層１７１１とを順次積層する。
以上のようにして、半導体レーザを構成するエピタキシャル層を得ることができる。なお、これ以降の窒化物半導体レーザの製作工程は実施形態８と同様であるため、その説明を省略する。
なお、本実施形態においてはｐ型ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を用いたが、代わりに炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）等を用いても良い。
また、本実施形態においては、窒化物半導体の成長方法としてＭＯＶＰＥ法を用いたが、これに限定するものではなく、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）など、化合物半導体結晶を成長させるためにこれまで提案されている全ての方法に適用できる。
また、本実施形態ではＧａの原料としてＴＭＧ、Ａｌの原料としてＴＭＡを、Ｉｎの原料としてＴＭＩを、Ｍｇの原料としてＣｐ２Ｍｇ、Ｎの原料としてＮＨ３を用いたが、上記条件の原理を生かす結晶成長であればこれらに限るものではなく、Ｇａの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）や塩化ガリウム（ＧａＣｌやＣａＣｌ３）を、Ａｌの原料としてトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、ジメチルアルミハイドライド（ＤＭＡＨ）、ジメチルアルミクロライド（ＤＭＡＣｌ）を、Ｉｎの原料としてトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｍｇの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）、ビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ２Ｍｇ）を、Ｎの原料としてヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用いても良い。
また、本実施形態では、各クラッド層及びコンタクト層等にバルク結晶を用いたが超格子構造を適用しても良い。
次に、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ中間層（ドーピングエンハンス層）１７０８のＡｌ組成（バンドギャップ）が、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．７５Ｉｎ０．１０Ｎオーバーフロー抑制層１７０９よりも小さく、ｐ−Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎクラッド層１７１０よりも大きい構造をとり、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．７５Ｉｎ０．１０Ｎオーバーフロー抑制層１７０９およびｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ中間層１７０８にＩｎ組成を含むことの有効性について説明する。
本実施形態において用いた構造の特徴は、ｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．８５ｌｎ０．０５Ｎ中間層（ドーピングエンハンス層）１７０８という比較的Ａｌ組成比が高い層をＡｌＧａＩｎＮ電子オーバーフロー抑制層の直前に挿入し、Ｍｇのドーピングをｐ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ中間層の形成中から開始していることである。実施形態８で説明した通り、Ａｌが含まれる混晶半導体層にはｐ型不純物（例えばＭｇ等）が取り込まれやすく、ドーピング遅れが発生しにくいという大きな特徴を持つ。また、ｐ型不純物の取り込み易さにはＡｌ組成依存性があり、Ａｌ組成比が０％から５０％の間においては、Ａｌ組成比の増加に伴いｐ型不純物が取り込まれる量は増加する。
本実施形態では、実施形態８と異なり活性層の近傍にＩｎＧａＮとの格子定数差が大きいＡｌＧａＮをそのまま配置するのではなく、格子定数差をおさえるためにＩｎを含んだＡｌＧａＩｎＮを用いた。こうした構造をとることにより、高いＡｌ組成比によりドーピング遅れを抑えつつ、格子定数差を低減することにより活性層を構成する井戸層の歪の不均一を出来る限り解消し、発光特性への影響を抑えられる。
図１５は、本実施形態における活性層近傍の構成を示した図である。活性層側から、膜厚、Ａｌ組成比（バンドギャップ）およびＩｎ組成比の異なる３領域以上の層から形成される。本実施形態では、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮドーピングエンハンス層１８０３は第１ｐ型窒化物半導体層に対応し、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮオーバーフロー抑制層１８０４は第２ｐ型窒化物半導体層に対応し、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１８０５は第３ｐ型窒化物半導体層に対応する。第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比（バンドギャップ）は、第２ｐ型窒化物半導体層よりも小さく、かつ、第３ｐ型窒化物半導体層よりも大きくなるように構成する。第１ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成比は、そのバンドギャップが第２ｐ型窒化物半導体層よりも小さくなる範囲内で、できるだけ高いＡｌ組成を用いることが望ましい。これに加えて、第２ｐ型窒化物半導体層と前記第１ｐ型窒化物半導体層にＩｎ組成を含むことにより、近傍に存在する活性層との格子定数差を抑えることが可能となる。この第１ｐ型窒化物半導体層の存在により、従来の構成では発生していたｐ型不純物のドーピング遅れを解消することができ、第２ｐ型窒化物半導体層に対して十分な不純物濃度を確保することが可能となる。
なお、望ましいＡｌ組成比は、第１ｐ型窒化物半導体層が５〜２０％、第２ｐ型窒化物半導体層が１０〜３０％、第３ｐ型窒化物半導体層が平均３〜９％であり、最も望ましいＡｌ組成比は、第１ｐ型窒化物半導体層が６〜１２％、第２ｐ型窒化物半導体層が１５〜２０％、第３ｐ型窒化物半導体層が平均３．５〜５．５％である。また、望ましいＩｎ組成比は第１ｐ型窒化物半導体層が１〜２０％、第２ｐ型窒化物半導体層が１〜３０％である。このように、Ｉｎ組成比は少なくとも各層のＡｌ組成よりも小さく設定することが望ましい。
本実施形態においては第１ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成比と比べ、第２ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成比を高く設定するため、Ｉｎ組成比に関しても第１ｐ型窒化物半導体層よりも第２ｐ型窒化物半導体層の方が大きくなるように設定する。これにより、各層の格子定数の差を小さくすることができ、活性層の歪をより低減できる。但し、第１ｐ型窒化物半導体層と活性層までの距離が比較的近い場合には、Ａｌ組成比の大きい第２ｐ型窒化物半導体層よりも第１ｐ型窒化物半導体層の格子定数が、活性層の歪に対してより大きく影響する場合もある。このような場合には、図１６に挙げたようにＩｎ組成を第１ｐ型窒化物半導体層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＮドーピングエンハンス層１９０３）よりも第２ｐ型窒化物半導体層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＮオーバーフロー抑制層１９０４）の方が小さくなるように設定する方が好ましい。
また、第１ｐ型窒化物半導体層や第２ｐ型窒化物半導体層といった高Ａｌ組成比の層を厚くすると直列抵抗が増加するため、これらの層の膜厚は、第３ｐ型窒化物半導体層よりも小さくすることが必要である。よって、各層の望ましい膜厚は、第１ｐ型窒化物半導体層で１〜５０ｎｍ、第２ｐ型窒化物半導体層で５〜２０ｎｍであり、さらに望ましい膜厚は、第１ｐ型窒化物半導体層で５〜２０ｎｍ、第２ｐ型窒化物半導体層で５〜１０ｎｍである。
なお、第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比およびＩｎ組成比は、上記した望ましいＡｌ組成比およびＩｎ組成の範囲内であれば傾斜を持っていても良い。また、この傾斜は連続的でも、階段的でも良い。また、各領域は上記した望ましいＡｌ組成比およびＩｎ組成比、そして膜厚の範囲内であれば、バルク層ではなく超格子層であってもよく、バルク層と超格子層が混在していてもよい。
本実施形態の構造をとることにより、ＡｌＧａＩｎＮ電子オーバーフロー抑制層１８０４のｐ−ＡｌＧａＩｎＮドーピングエンハンス層との界面近傍においても、すでに９×１０１８ｃｍ−３以上の高いＭｇ濃度が実験的に確認できた。この値は実施形態８で挙げたＭｇの濃度と比べて同等レベルであり、Ｉｎ組成比により格子定数差を低減させた場合においても高いＡｌ組成比を用いる限り、同様のドーピング効果が得られることが分かった。ドーピングの開始位置に関しては、ドーピングエンハンス層１８０３の最初又は途中から行う必要がある。なお、ドーピングエンハンス層の全部又は一部で不純物のドーピングを行っていれば良く、層内で不純物濃度が均一である必要は無い。オーバーフロー抑制層１８０４のドーピング濃度に関しては、最大８×１０１８ｃｍ−３から２×１０１９ｃｍ−３のｐ型不純物が均一にドーピングされていることが望ましい。
このように、ＡｌＧａＩｎＮドーピングエンハンス層１８０３の挿入によりＭｇドーピング遅れの影響を抑制することが可能となり、レーザ構造の中で最もバンドギャップエネルギが大きいＡｌＧａＩｎＮ電子オーバーフロー抑制層８０４中のＭｇ濃度をクラッド層のＭｇ濃度とほぼ等しくすることができた。ホール注入効率を改善することにより、しきい値電流を低減できる。特に、ドーピングエンハンス層１８０３を超格子層とすることにより、平均Ａｌ組成比が同一でもＡｌ濃度の高い部分を形成でき、Ｍｇ取り込まれの急峻性を向上させることができる。また、オーバーフロー抑制層１８０４を超格子層とすることによりＭｇアクセプターの活性化エネルギを低減することができ、直列抵抗を低減することができる。
こうした構造上の工夫により、オーバーフロー抑制層１８０４に対して十分にｐ型ドーパントをドーピングできれば、この層内でキャリアを十分ブロックすることができる。これにより、クラッド層においてキャリアの閉じ込めを考慮する必要性はほとんどなく、ＡｌＧａＮクラッド層１８０５のＡｌ組成比を低減することが可能となる。なお、クラッド層のＡｌ組成比を低減しても、光の閉じ込めに関しては、クラッド層の厚みを厚くすることによってカバーできる。以上のように、ｐ型ドーパント濃度を構造上の工夫により制御することにより、キャリアの閉じ込めを向上させ、クラッド層のＡｌ組成比の低減化により低抵抗化が可能となる。これにより、デバイスの直列抵抗を低減でき、動作電圧を下げることが可能となる。
なお、本実施形態ではＧａＮ基板上のレーザ構造について説明したが、本発明の結晶成長は、上記条件の原理を生かす結晶成長であれば基板はＧａＮに限るものではなく、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体バルク基板、サファイア基板や炭化珪素基板、シリコン基板、ガリウム砒素基板上に成長したＧａＮ等でも、あるいは選択横方向成長を用いて作製したＥＬＯ−ＧａＮ基板でも良い。
また、上述の実施形態における半導体素子は、いずれも、レーザ素子であるが、本発明は、これに限定されず、ｐｎ接合を有し、電子のオーバーフロー防止および低抵抗化を同時に必要とする全ての窒化物半導体素子に適用できる。例えば、発光ダイオード素子、受光素子、トランジスタなどの窒化物半導体素子に適用されえ得る。
前述した実施形態では、いずれも、ｐ型アクセプタ不純物としてＭｇを用いているが、Ｍｇに加えて炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）を添加しても良い。また、Ｍｇドーピングを行なう窒化物半導体としては、ＢＡｌＧａＩｎＮや、Ａｓ、Ｐを含有したＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ混晶化合物半導体であっても良い。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、活性層よりもバンドギャップエネルギが大きく、電子オーバーフロー抑制層よりもバンドギャップエネルギが小さいｐ型アクセプタ不純物ドーピング開始層を設けることにより、メモリー効果に起因したドーピング遅れのない急峻なアクセプタ不純物プロファイルを実現できる。これにより、高い信頼性を有した低しきい値電流、低動作電圧の化合物半導体受発光素子を、再現性、均一性良く作製することが提供できる。
このような本発明による窒化物半導体素子は、主に光ディスク関連分野の光源として有用であり、また、レーザプリンタ、バーコードリーダ等にも応用できる。
【図１】
2005034301.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
2005034301.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年5月12日(2005.5.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備えた窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層は、
ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、
Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有し、
前記第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と前記第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、
前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している、窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層からのキャリアオーバーフローを抑制するバリア層として機能する請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下であり、
前記第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下の領域の厚さは、１ｎｍ以上である、請求項１に記載に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１ｐ型窒化物半導体層と前記活性層との間に位置し、Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層を更に備えている請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ノンドープ窒化物半導体層は、前記第２ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有している、請求項４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記ノンドープ窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップに等しいバンドギャップを有している、請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記ノンドープ窒化物半導体層および前記第１ｐ型窒化物半導体層の合計の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項４から６の何れかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記第２ｐ型窒化物半導体層の厚さは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、請求項７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記第２ｐ型窒化物半導体層においてＭｇ濃度が８×１０18ｃｍ-3以下の領域の厚さは１ｎｍ以下である、請求項８に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記ｐ型窒化物半導体層は、前記第２ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第３ｐ型窒化物半導体層を更に有し、
前記第３ｐ型窒化物半導体層と前記第１ｐ型窒化物半導体層との間に前記第２ｐ型窒化物半導体層が位置している、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記第３ｐ型窒化物半導体層のバンドキャップは前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドキャップよりも小さい、請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記第３ｐ型窒化物半導体層はクラッド層として機能する請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記第１ｐ型窒化物半導体層および第２ｐ型窒化物半導体層の少なくとも一方はＩｎを含む請求項１０から１２の何れかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記第２ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも大きい請求項１３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１５】
ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備え、前記ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有し、前記第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と前記第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記活性層を形成する工程と、
Ｍｇを有する原料ガスおよびＡｌを有する原料ガスを共に供給することによって、ＡｌおよびＭｇを含む前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、
Ｍｇを有する原料ガスを供給することによって前記第２ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、
を含む、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程の前に、ｐ型不純物を供給せずにＡｌを有する原料ガスを供給することによって、Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層を形成する工程を更に含む、請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下であり、
前記第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下の領域の厚さは、１ｎｍ以上である、請求項１５または１６に記載の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子に関し、特に光電子情報処理装置および照明光源などへの応用が期待されている半導体発光素子や、バイポーラ型トランジスタを含む窒化物半導体素子、ならびにそれらの製造方法に関している。
【背景技術】
【０００２】
Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ系半導体：ＡｌＧａＩｎＮ）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤが既に実用化されている。また、光ディスク装置の大容量化のために、４００ｎｍ帯に発振波長を有する半導体レーザが熱望されており、ＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベルに達しつつある。
【０００３】
ＧａＮ系半導体レーザは、例えば特許文献１、非特許文献１などに開示されている。
【０００４】
以下、図１および図２を参照しながら、従来のＧａＮ系半導体レーザを説明する。
【０００５】
まず、図１（ａ）を参照する。
【０００６】
図１（ａ）に示される半導体レーザは、低転位のＥＬＯ−ＧａＮ基板１０１と、ＥＬＯ−ＧａＮ基板１０１上にエピタキシャル成長した窒化物半導体の積層構造とを有している。ＥＬＯ−ＧａＮ基板１０１は、選択横方向成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）によって作製されたＧａＮの厚膜から構成される。
【０００７】
図１（ａ）における半導体積層構造は、基板１０１の側から、ｎ−Ａｌ0.015Ｇａ0.985Ｎコンタクト層１０２、Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｎクラック抑制層１０３、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ／ｎ−ＧａＮ超格子（ＳＬｓ）クラッド層１０４、ＧａＮ光ガイド層１０５、Ｇａ0.86Ｉｎ0.14Ｎ／Ｇａ0.99Ｉｎ0.01Ｎ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０６、ｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎキャップ層１０７、ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層１０９、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１１０を有している。これらの半導体層の結晶成長は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行なわれる。
【０００８】
上記の構成を有する半導体積層構造は、図１（ａ）に示す形状に加工され、その上にｐ電極１１１、ＳｉＯ2層１１２、およびｎ電極１１３が形成されている。
【０００９】
図１（ｂ）は、この半導体レーザの伝導帯側バンド構造を模式的に示している。図１（ｂ）の横軸は基板表面から距離に対応しており、図中の左側に進むほど基板表面から遠ざかる。縦軸は、伝導帯下端のエネルギレベルである。
【００１０】
この半導体レーザの特徴は、結晶成長中における活性層からのＩｎ蒸発の抑制と活性層からの電子のオーバーフローを抑制するために、最も禁制帯幅が大きいｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎキャップ層１０７がＭＱＷ活性層１０６の直上に形成されていることである。
【００１１】
次に、図２（ａ）を参照して、他のＧａＮ半導体レーザを説明する。
【００１２】
この半導体レーザは、図１（ａ）の半導体レーザと同様に、ＥＬＯ−ＧａＮ基板２０１と、その上に形成された半導体積層構造とを有している。半導体積層構造は、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０２、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層２０３、ＧａＮ光ガイド層２０４、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ／Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ−ＭＱＷ活性層２０５、ＧａＩｎＮ中間層２０６、ＡｌＧａＮ中間層２０７、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子ブロック層２０８、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層２０９、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１０を有している。
【００１３】
この半導体積層構造は、図２（ａ）に示す形状に加工され、その上にｐ電極２１１、ＳｉＯ2層２１２、およびｎ電極２１３が形成されている。
【００１４】
この半導体レーザにおける伝導帯側バンド構造の模式図を図２（ｂ）に示す。この半導体レーザの特徴は、ｐ型不純物をドーピングした層による光吸収損失をできるだけ低減するために、ＭＱＷ活性層２０５とｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子ブロック層２０８の間にＧａＩｎＮ中間層２０６、ＡｌＧａＮ中間層２０７と呼ばれるスペーサー層を形成していることである。また、ＧａＩｎＮ中間層２０６およびＡｌＧａＮ中間層２０７が光ガイド層としても機能するため、図１（ａ）に示す半導体レーザとは異なり、ｐ側の光ガイド層が形成されていない。
【００１５】
このような構造を有するＧａＮ半導体レーザは、いずれも、室温における出力３０ｍＷでの連続発振を達成することが報告されている。
【００１６】
しかしながら、図１（ａ）および（ｂ）に示す構造を有する半導体レーザの場合、レーザ構造中で最も格子定数の大きい活性層１０６の直上に、最も格子定数が小さいＡｌＧａＮキャップ層１０４が接し、大きな歪が活性層１０６に加えられることになり、レーザ素子作製時の均一性、再現性があまり良好ではない。
【００１７】
一方、図２（ａ）および（ｂ）に示す構造を有する半導体レーザの場合は、活性層２０５とＡｌＧａＮ電子ブロック層（図１のＡｌＧａＮキャップ層１０７と同一の機能を果たす）の間に、中間層が挿入されている。このため、活性層に印加される歪が効果的に緩和され、レーザ素子作製時の均一性が向上する。
【００１８】
これらの半導体レーザで共通するのは、ｐ型結晶を実現するアクセプタ不純物のドーピングを、レーザ構造中で最もバンドギャップが大きいＡｌＧａＮキャップ層（ＡｌＧａＮ電子ブロック層）の成長を行なう時から開始していることである。
【００１９】
窒化物系半導体では、アクセプタ不純物として通常マグネシウム（Ｍｇ）がよく用いられる。このＭｇには、結晶成長時のドーピングに際して「メモリー効果」と呼ばれる現象が発生することが知られている。「メモリー効果」とは、結晶成長中に不純物ドーピングを開始した時点から、実際に結晶中にドーピングされた不純物が取り込まれるまでに、時間遅れが生じることに起因して発生する。より具体的には、このようなメモリー効果が生じると、ドーピング開始位置が、意図した位置よりも結晶の成長表面側にずれたり、不純物濃度の深さ方向分布における濃度の増加が急峻ではなく裾を引いてしまう。
【００２０】
また「メモリー効果」は、上記の場合とは逆に、結晶成長中にドーピングを終了した時点から、実際に結晶中にドーピングされた不純物の取り込みが終了するまでに時間遅れを生じさせる。この場合は、ドーピング終了位置が意図した位置よりも結晶成長層の表面側にずれたり、不純物濃度の深さ方向分布におけるＭｇ濃度の低下が急峻ではなく裾を引いてしまう。
【００２１】
Ｍｇのドーピング開始位置を、レーザ構造中で最もバンドギャップの大きいＡｌＧａＮキャップ層（ＡｌＧａＮ電子ブロック層）の成長開始位置に合わせた場合において、このメモリー効果が発生すると、ＡｌＧａＮキャップ層（ＡｌＧａＮ電子ブロック層）中にＭｇ濃度が局所的に低くなる部分が発生する。
【００２２】
一般にアクセプタ不純物の活性化エネルギはバンドギャップエネルギが大きくなるほど、言い換えれば、結晶中のＡｌ組成が高くなるほど大きくなる傾向がある。メモリー効果に起因したＭｇドーピング遅れによってＭｇ濃度の低い部分が形成されると、その部分でＭｇが充分に活性化されず、ＡｌＧａＮ電子ブロック層の機能が低下してしまう。
【００２３】
特許文献２に記載されている他の従来例では、ｐ型ＧａＮ結晶を作製する場合に２×１０20ｃｍ-3以下のＡｌをドーピング（バンドギャップエネルギがＧａＮから変化しない程度なのでＡｌＧａＮ混晶化ではない）している。これにより、Ｍｇがドーピングされたことによる結晶の歪を緩和し、アクセプタ不純物であるＭｇをＧａＮ結晶中のＧａ原子位置に効果的に配置し、高ホール濃度が得られると説明している。しかしながら、Ａｌドーピングを施してもＭｇ濃度自身は一定値であり、最適なＡｌ濃度を制御すれば、アクセプタの活性化率が向上して高ホール濃度を実現できるが、ドーピング界面におけるメモリー効果の抑制と、制御性、急峻性の高いアクセプタ不純物プロファイルに関しては説明されていない。
【００２４】
特許文献３に記載されている更に他の従来例では、Ｍｇドーピングプロファイルの急峻性を向上させるために、ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層もしくはＧａＩｎＮ層／ＧａＮ層の多重ヘテロ構造（超格子構造）を作製し、そこにＭｇドーピングを行っている。この方法によればＭｇを一様にドーピングしていても、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層もしくはＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とのヘテロ界面のＡｌＧａＮ層もしくはＧａＩｎＮ層の基板側（成長開始側）の界面近傍でＭｇ濃度が局所的に増大する。そして、このＭｇ濃度が局所的に増大する現象を利用し、積極的に界面を形成して急峻性を向上させている。しかしながら、この方法では急峻性は向上しているものの、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮ層中では依然としてＭｇドーピング遅れが、生じており、ＡｌＧａＮ層中にはＭｇ濃度不均一が生じている。また、多数のヘテロ界面を形成することにより結晶中にはＭｇ濃度の過不足が不規則に発生し、制御性、再現性が非常に低い。
【００２５】
これらのことに鑑み、本発明者らは、図３（ａ）に示すようなレーザ構造を作製した。図３（ａ）の素子は、ＥＬＯ−ＧａＮ基板３０１を有している。ＥＬＯ−ＧａＮ基板３０１は、ＡＢＬＥＧ（Ａｉｒ−Ｂｒｉｄｇｅｄ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ）基板であり、不図示のエアギャップ構造を有している。ＡＢＬＥＧの詳細は、例えば特許文献４に開示されている。
【００２６】
基板３０１上の半導体積層構造は、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０２、ｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層３０３、ｎ−ＧａＮ光ガイド層３０４、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ／Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ−ＭＱＷ活性層３０５、ＧａＩｎＮ中間層３０６、ＧａＮ中間層３０７、ｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層３０８、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９、ｐ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層３１０、ｐ−ＧａＮコンタクト層３１１を含んでいる。図３（ｂ）は、このレーザ構造の伝導帯側バンド構造を模式的に示している。
【００２７】
このレーザ構造の特徴は、レーザ構造中で最もバンドギャップが大きいｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９の成長開始とともにアクセプタ不純物のドーピングを開始するのではなく、その前にｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層３０８を設けていることである。このｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層３０８中には、メモリー効果に起因したドーピング遅れが存在するが、それを考慮した膜厚設計を行うことにより、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９のＭｇドーピング濃度を一定にすることができるようになる。
【特許文献１】特開平１０−１２６００６号公報
【特許文献２】特開２０００−１４３３９６号公報
【特許文献３】特開２００２−１９８３１４号公報
【特許文献４】特開２００２−００９００４号公報
【非特許文献１】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ, Ｖｏｌ.３８, Ｌ２２６-Ｌ２２９ （１９９９）、ｐｈｙｓｉｃａ ｓｔａｔｕｓ ｓｏｌｉｄｉ （ａ） １９４, Ｎｏ.２, ４０７−４１３ (２００２)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
しかしながら、これら従来の成長方法では、レーザ構造中で最もバンドギャップエネルギが大きいｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９のＭｇ濃度は一定値となるものの、メモリー効果に起因してドーピングの開始及び終了に時間遅れが生じるためにＭｇのドーピングプロファイルの急峻性が低く、結果としてクラッド層のＭｇ濃度に対して５０％から７０％程度のＭｇ濃度しかｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９にはドーピングされておらずＭｇの絶対量としては不足している。このため、活性層へのホールの注入効率が低下し十分な低しきい値電流駆動を再現性、均一性良く実現することが困難である。また、ｐｎ界面が活性層位置からずれることにより、しきい値電圧の上昇を招いている。
【００２９】
ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９のＭｇ濃度を高めるためにはｐ−ＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層３０８を充分に厚くすればよく、こうすることにより、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層３０９のＭｇ濃度はクラッド層のＭｇ濃度と同程度にできる。しかしながら、ｐ−ＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層３０８中にも多くのＭｇが存在することになり、レーザ動作時の電流印加や、レーザに加えられた熱、磁界によりこのＭｇが容易に活性層側へ拡散する。この結果、Ｍｇは活性層付近にまで到達し、活性層近傍で光吸収損失を引き起こし、レーザの信頼性に悪影響を及ぼし、再現性、均一性良く、高い信頼性を有するレーザ素子を実現することが困難であった。
【００３０】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まり良く提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の窒化物半導体素子は、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備えた窒化物半導体素子であって、前記ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有し、前記第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と前記第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している。
【００３２】
好ましい実施形態において、前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層からのキャリアオーバーフローを抑制するバリア層として機能する。
【００３３】
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下であり、
前記第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下の領域の厚さは、１ｎｍ以上である。
【００３４】
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層と前記活性層との間に位置し、Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層を更に備えている。
【００３５】
好ましい実施形態において、前記ノンドープ窒化物半導体層は、前記第２ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有している。
【００３６】
好ましい実施形態において、前記ノンドープ窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップに等しいバンドギャップを有している。
【００３７】
好ましい実施形態において、前記ノンドープ窒化物半導体層および前記第１ｐ型窒化物半導体層の合計の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００３８】
好ましい実施形態において、前記第２ｐ型窒化物半導体層の厚さは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００３９】
好ましい実施形態において、前記第２ｐ型窒化物半導体層においてＭｇ濃度が８×１０18ｃｍ-3以下の領域の厚さは１ｎｍ以下である。
【００４０】
好ましい実施形態において、前記ｐ型窒化物半導体層は、前記第２ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第３ｐ型窒化物半導体層を更に有し、前記第３ｐ型窒化物半導体層と前記第１ｐ型窒化物半導体層との間に前記第２ｐ型窒化物半導体層が位置している。
【００４１】
好ましい実施形態において、前記第３ｐ型窒化物半導体層のバンドキャップは前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドキャップよりも小さい。
【００４２】
好ましい実施形態において、前記第３ｐ型窒化物半導体層はクラッド層として機能する。
【００４３】
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層および第２ｐ型窒化物半導体層の少なくとも一方はＩｎを含む。
【００４４】
好ましい実施形態において、前記第２ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも大きい。
【００４５】
本発明による窒化物半導体素子の製造方法は、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層、および、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｎ型窒化物半導体層との間に挟まれている活性層を備え、前記ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層と、Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層とを有し、前記第１ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層と前記第２ｐ型窒化物半導体層との間に位置しており、前記第２ｐ型窒化物半導体層は、前記第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している窒化物半導体素子の製造方法であって、前記ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記活性層を形成する工程と、Ｍｇを有する原料ガスおよびＡｌを有する原料ガスを共に供給することによって、ＡｌおよびＭｇを含む前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、Ｍｇを有する原料ガスを供給することによって前記第２ｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含む。
【００４６】
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程の前に、ｐ型不純物を供給せずにＡｌを有する原料ガスを供給することによって、Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層を形成する工程を更に含む。
【００４７】
好ましい実施形態において、前記第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下であり、前記第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下の領域の厚さは、１ｎｍ以上である。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、活性層よりもバンドギャップエネルギが大きく、電子オーバーフロー抑制層よりもバンドギャップエネルギが小さいｐ型アクセプタ不純物ドーピング開始層を設けることにより、メモリー効果に起因したドーピング遅れのない急峻なアクセプタ不純物プロファイルを実現できる。これにより、高い信頼性を有した低しきい値電流、低動作電圧の化合物半導体受発光素子を、再現性、均一性良く作製することが提供できる。
【００４９】
このような本発明による窒化物半導体素子は、主に光ディスク関連分野の光源として有用であり、また、レ−ザプリンタ、バーコードリーダ等にも応用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００５１】
（実施形態１）
まず、本発明による窒化物半導体素子の第１の実施形態を説明する。
【００５２】
図４（ａ）は、本実施形態の半導体レーザの断面構造を示し、図４（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。本実施形態の半導体レーザは、ｎ−ＧａＮ基板４０１と、ｎ−ＧａＮ基板４０１上に形成された半導体積層構造とを有している。この半導体積層構造は、基板側から、ｎ−ＧａＮ層４０２、ｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層４０３、ｎ−ＧａＮ光ガイド層４０４と、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ／Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ−ＭＱＷ活性層４０５、ノンドープＧａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ中間層４０６、ノンドープＧａＮ中間層４０７、ノンドープＡｌ0.03Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０、ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓクラッド層（１２０ペア）４１１、およびｐ−ＧａＮコンタクト層４１２を有している。
【００５３】
ここで、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９は「ＡｌおよびＭｇを含む第１ｐ型窒化物半導体層」として機能し、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０は「Ｍｇを含む第２ｐ型窒化物半導体層」として機能する。
【００５４】
図４（ｂ）に示されるように、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９のバンドギャップは、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０のバンドギャップより小さく、ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓクラッド層（１２０ペア）４１１におけるハンドギャップの最大値よりも小さい。
【００５５】
このような半導体積層構造は、図４（ａ）に示す形状に加工され、その上にｐ電極４１３、ｎ電極４１４、およびＳｉＯ2層４１５が形成されている。
【００５６】
このような半導体レーザにおいて、ｎ電極４１４とｐ電極４１３の間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層４０５に向かってｐ電極４１３から正孔がｎ電極４１４から電子が注入され、ＭＱＷ活性層４０５で利得を生じ、４１０ｎｍの波長でレーザ発振を起こす。
【００５７】
以下、図４（ａ）に示す半導体レーザの製造方法の実施形態を説明する。
【００５８】
本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて窒化物半導体層の結晶成長を行なう。成長圧力は減圧から、大気圧（１ａｔｍ）、大気圧以上の加圧のいずれでも良く、各層において最適な圧力に切り替えても良い。また、原料を基板に供給するためのキャリアガスは、少なくとも窒素（Ｎ2）または水素（Ｈ2）等の不活性ガスを含むガスであることが好ましい。
【００５９】
なお、本発明における窒化物半導体の成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定されず、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）など、化合物半導体結晶を成長させる全ての方法に適用することができる。
【００６０】
本実施形態では、まず、ｎ−ＧａＮ基板４０１の表面を有機溶剤、酸によって清浄化した後、サセプタ上に設置し十分にＮ2で置換する。Ｎ2置換が終了した後、Ｎ2雰囲気中、１０℃／１０秒の昇温レートで１０００℃まで昇温する。その後、キャリアガスをＨ2に切り替え、同時にアンモニア（ＮＨ3）を供給し、１分間基板表面のクリーニングを行う。
【００６１】
次に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシラン（ＳｉＨ4）を供給し、２μｍ厚のｎ−ＧａＮ層４０２を成長させる。引き続いて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、１．５μｍ厚のｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層４０３を成長させる。その後、ＴＭＡの供給を停止し、ｎ−ＧａＮ光ガイド層４０４を厚さ０．１μｍまで成長させる。
【００６２】
ｎ−ＧａＮ光ガイド層４０４成長後、キャリアガスをＮ2に変えＮＨ3の供給を停止し、成長温度を７８０℃まで降温する。成長温度が７８０℃で安定後、まずＮＨ3を供給し、続いてＴＭＧとトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給する。こうして、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ／Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ−ＭＱＷ活性層４０５を成長させる。Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ井戸層厚は３ｎｍ、Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ障壁層厚は７ｎｍであり、井戸層数は３である。活性層には意図的なドーピングはしていない。
【００６３】
次に、３０ｎｍ厚のノンドープＧａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ中間層４０６、および３０ｎｍ厚のノンドープＧａＮ中間層４０７を成長した後、いったんＴＭＧの供給を停止する。その後、Ｎ2とＮＨ3を供給した状態で速やかに１０００℃まで昇温し、成長温度が１０００℃に到達後、キャリアガスをＮ2とＨ2の混合ガスに変更し、Ｎ2とＨ2とＮＨ3を供給した状態にする。
【００６４】
そして直ちにＴＭＧとＴＭＡを供給して４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ0.03Ｇａ０．９７Ｎ中間層４０８を成長させ、その後、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）をＭｇ原料としてＭｇをドーピングしたｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を厚さ５ｎｍまで成長させる。
【００６５】
次に、１０ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０を成長した後、速やかにキャリアガスをＨ2のみに切り替え、ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓクラッド層（１２０ペア）４１１、および５０ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層４１２を順次積層する。
【００６６】
次に、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０、ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１、およびｐ−ＧａＮコンタクト層４１２を、ストライプ状に加工する。その後、ストライプ状に加工された積層構造の両脇を絶縁膜であるＳｉＯ2層４１５で覆い、電流注入領域を形成する。ストライプ幅は２〜３μｍ程度である。
【００６７】
次に、ＳｉＯ2層４１５の開口部におけるｐ−ＧａＮコンタクト層４１２の表面とＳｉＯ2層４１５の一部の上に、ｐ電極４１３を形成する。この後、半導体の積層構造をエッチングすることによってｎ−ＧａＮ層４０２の一部を露出させた後、その露出表面上にｎ電極４１４を形成する。このようにする代わりに、ｎ−ＧａＮ基板の裏面にｎ電極を形成しても良い。
【００６８】
本実施形態では、ｐ電極４１３とのコンタクト抵抗を低減するため、ｐ−ＧａＮコンタクト層４１１におけるＭｇ濃度を１×１０20ｃｍ-3から５×１０20ｃｍ-3の範囲内に調節している。
【００６９】
上記の製造方法によれば、ノンドープＧａＮ中間層４０７を成長した後、ノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８を成長させている間に、いったんＴＭＧの供給を停止している。そして、Ｎ2とＮＨ3を供給した状態で速やかに昇温し、かつ途中でキャリアガスをＮ2とＨ2の混合ガスに変更している。
【００７０】
しかし、ＴＭＧの供給を停止せず、ＴＭＧを供給したままノンドープＧａＮ中間層４０７の結晶成長を続け、かつ、昇温しても良い。また、ＴＭＧおよびＴＭＡを供給してノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８の結晶成長を行ないながら昇温しても良い。このように、結晶中に非発光再結合中心の原因となるような欠陥が生成されない方法であれば、どのような昇温方法を採用しても良い。
【００７１】
次に、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０のＭｇ濃度分布に与えるノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８およびｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９の役割について説明する。
【００７２】
図５（ａ）は、図３（ａ）および（ｂ）に示す半導体レーザにおけるＳＩＭＳプロファイルを示すグラフであり、図５（ｂ）は、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０を成長させる前にノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８と、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９とを形成した本実施形態の半導体レーザにおけるＳＩＭＳプロファイルを示すグラフである。なお、グラフにおいて、「１．０Ｅ＋Ｍ」は「１．０×１０M」を意味する。
【００７３】
図５（ａ）および（ｂ）のいずれのサンプルにおいても、ｐ型のクラッド層（ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１及びｐ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層３１０）のホール濃度が２×１０18ｃｍ-3となるようにＭｇドーピングを行っている。具体的には、ｐ型クラッド層におけるＭｇ濃度が１×１０19ｃｍ-3となる条件で、Ｍｇのドーピングを実行している。
【００７４】
ｐ型アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９の膜厚は５ｎｍ、電子オーバーフロー抑制層４１０の膜厚は１０ｎｍで統一している。本実施形態の半導体レーザでは、図５（ｂ）に示されるＭｇの濃度プロファイルから明らかなように、ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層４１０のＭｇ濃度が既に９．５×１０18ｃｍ-3に達し、クラッド層４１１におけるＭｇ濃度の目標値（１×１０19ｃｍ-3）に略等しい値を実現している。これに対し、図５（ａ）の例では、Ｍｇドーピングのメモリー効果に起因したドーピング遅れの影響が顕著に現れている。すなわち、ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層３０９中でＭｇ濃度が深さ方向に変化しており、その大きさも５〜７×１０18ｃｍ-3程度しかない。
【００７５】
以上のように、Ａｌを含んだノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８とｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９とを成長させた後に、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０を成長させることにより、メモリー効果によるＭｇのドーピング遅れを抑制することが可能となる。その結果、レーザ構造中で最もバンドギャップエネルギが大きいｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０におけるＭｇ濃度を、クラッド層４０１におけるＭｇ濃度とほぼ等しくすることができる。
【００７６】
本実施形態の効果を得るには、Ｍｇドーピングを開始した後、オーバーフロー抑制層４１０（第２ｐ型窒化物半導体層）の成長開始前に成長させる「Ａｌを含んだ窒化物半導体層（第１ｐ型窒化物半導体層）」の厚さを１ｎｍ以上５０ｎｍ以下にすることが好ましい。このＡｌを含んだ窒化物半導体層（第１ｐ型窒化物半導体層）におけるＡｌ濃度は充分に高いことが好ましいため、第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ濃度は、１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下であり、かつ、第１ｐ型窒化物半導体層においてＡｌ濃度が１×１０20ｃｍ-3以上２×１０21ｃｍ-3以下の領域の厚さが１ｎｍ以上であることが好ましい。
【００７７】
また、第１ｐ型窒化物半導体層の成長前に行なうＡｌを含むノンドープ窒化物半導体層（Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８）には、最終的には第１ｐ型窒化物半導体層からＭｇが拡散する結果、ｐ型化する領域が含まれる可能性がある。しかし、簡単のため、本明細書では、成長時点で意図的にｐ型不純物をドープしない限り、Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８を「Ａｌを含むノンドープ窒化物半導体層」と称することとする。
【００７８】
本実施形態によって得られる効果は、ＧａのかわりにＩｎを含んだｐ−Ａｌ0.90Ｉｎ0.10Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いても得ることができる。この場合、レーザ構造中でバンドギャップエネルギが最も大きいｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０に対して、それよりもバンドギャップエネルギが小さく（ただしＧａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ／Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ−ＭＱＷ活性層４０５よりはバンドギャップエネルギが大きい）、そして少なくともＡｌが含まれるノンドープの中間層と少なくともＡｌが含まれるアクセプタ不純物ドーピング開始層の３層構造が形成されていることが重要である。このＡｌが含まれることの必要性については後述する。
【００７９】
なお、特許文献４に記載されている半導体レーザでは、ＡｌＧａＮ層からのＭｇの拡散を防止するためにＭｇドープｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ層とＳｉドープｎ−ＧａＮ層の間にノンドープＡｌXＧａ1-XＮ層（０≦Ｘ≦Ｙ≦１）を挿入している。この構成では、ノンドープＡｌXＧａ1-XＮ層を挿入することにより、Ｍｇドープｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ層から活性層（Ｓｉドープｎ−ＧａＮ層）へのＭｇの拡散を抑制している。Ｍｇ拡散を抑制する目的は、ドナー・アクセプターペア発光を抑え、バンド端発光を支配的にすることにある。
【００８０】
上記の半導体レーザでは、レーザ構造中で最もバンドギャップエネルギの大きいＭｇドープｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ層に対してノンドープＡｌXＧａ1-XＮ層を用いた２層構造を形成しているため、Ｍｇ不純物の拡散は抑制可能である。しかし、レーザ構造中で最もバンドギャップエネルギの大きいＭｇドープｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ層にメモリー効果によるＭｇドーピング遅れが発生してしまう。
【００８１】
なお、本願発明者らの検討によると、Ａｌを含んだＭｇドープｐ−ＡｌＧａＮ層からの活性層へのＭｇ拡散は、Ａｌを含まないＭｇドープｐ−ＧａＮ層と比較して非常に起こりにくいことがわかっている。この点の詳細は、後述する。
【００８２】
本来、ＧａＮのバンドギャップエネルギよりもＡｌを含有したＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギの方が大きいため、ＡｌＧａＮにおけるアクセプタ不純物の活性化エネルギは相対的に大きくなる。したがって、ＡｌＧａＮの成長中にＭｇのドーピングを開始すると、ｐ型不純物が不活性化しやすく、再現性、均一性の低下につながるため、望ましいことではない。
【００８３】
また、ＡｌＧａＮとＧａＮとの間の格子定数差よりも、ＡｌＧａＮとＧａＩｎＮとの間の格子定数差が大きくなるため、ＡｌＧａＮ層を活性層の近傍に配置すると、活性層を構成する井戸層の歪の不均一を招きやすい。この歪が大きくなると、発光特性に悪影響を与え、均一性や信頼性にとって望ましいことではない。
【００８４】
しかしながら、本発明者らの検討の結果によると、ＧａＮにＡｌを敢えて含有させることにより、Ｍｇドーピングのメモリー効果の低減に成功し、急峻性の高いドーピング界面を実現することができ、レーザの発光特性を著しく改善することができる。
【００８５】
なお、井戸層に生じ得る格子歪を低減するためには、ノンドープのＧａＮ中間層の厚さを、歪低減に最適な大きさに設定することが好ましい。
【００８６】
次に、ドーピング開始層におけるＡｌの役割を説明する。
【００８７】
Ｍｇ原料は結晶成長装置の配管やリアクター内壁に非常に付着しやすく、ドーピングが開始された直後の初期は、原料のほとんどがこの反応に消費される。これがメモリー効果の生じる主な原因である。メモリー効果の影響は結晶成長装置にも依存するが、本実施形態で使用している結晶成長装置でＧａＮ成長中に１×１０19ｃｍ-3のＭｇ濃度を得るためにＭｇドーピングを開始した場合、Ｍｇのドーピングフロントは結晶表面側に約１０ｎｍシフトする。このため、Ｍｇ濃度が１×１０19ｃｍ-3の９０％のレベル（９×１０18ｃｍ-3）に達するのは、ＧａＮの成長開始後に厚さ２００ｎｍ程度の結晶成長が進行したときになる。
【００８８】
一方、Ａｌ組成１％のＡｌＧａＮ成長中に同様のＭｇドーピングを行った場合、Ｍｇのドーピングフロントの遅れはなく、９×１０18ｃｍ-3のＭｇ濃度に到達するまで１０ｎｍを要するだけであった。これは、ＭｇとＡｌの反応性が非常に高いために、Ａｌが含有された原料ガス中にＭｇを添加すると、ＡｌとＭｇが即座に反応し、配管やリアクター内壁に付着することなく複合体を形成して、結晶中に取り込まれるからである。
【００８９】
次に、図６を参照する。図６は、ｐ−ＡｌＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層のＡｌ組成に対するｐ−ＡｌＧａＮ電流オーバーフロー抑制層のＭｇ濃度を示すグラフである。図６に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層におけるＡｌ濃度は、Ｍｇのドーピング濃度の１０倍以上の大きさに設定することが好ましい。具体的には、必要なＭｇ濃度が１×１０19ｃｍ-3であれば、Ａｌ濃度は１×１０20ｃｍ-3、結晶中のＡｌ組成で０．１％以上に設定することが好ましい。ｐ−ＡｌＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層におけるＡｌ濃度を、Ｍｇのドーピング濃度の１００倍以上の大きさに設定すると、更にＭｇ濃度が増加するため、より好ましい。
【００９０】
以上のように、効率よくＡｌとＭｇの複合体を形成してＭｇドーピングを行うことにより、Ｍｇのメモリー効果を抑制できる。その結果、急峻なドーピング界面を持った、ドーピング遅れのないＭｇドーピングプロファイルを実現できる。
【００９１】
なお、図３に示す半導体レーザにおけるＧａＮ中間層３０７、およびｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層３０８のかわりに、ノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８およびｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を用いることにより、電子オーバーフロー抑制層を形成したときの圧縮応力を小さくすることができる。
【００９２】
圧縮応力は、ピエゾ電界を発生させ、それに起因して起こるバンド構造の変化は、アクセプタ不純物を拡散させ、不均一な濃度分布を形成する。しかし、本実施形態では、圧縮応力を小さくできるＡｌを含んだ中間層／アクセプタ不純物ドーピング開始層の組み合わせを用いることにより、効果的に急峻性の優れたＭｇドーピングプロファイルを実現できる。
【００９３】
ＧａＮ結晶中のＭｇが形成するアクセプタ準位は、ドナー不純物であるＳｉよりも活性化エネルギが大きい。このため、電流注入によりレーザ発振させた場合に光学的損失（光吸収損失）を発生させやすい。しかし、本発明では、高い制御性、高い急峻性で、界面における所望のドーピングプロファイルを形成できるため、光吸収損失が極めて低いレーザ素子を歩留まり良く提供できるようになる。
【００９４】
なお、ｐ−ＧａＮ層でＭｇドーピングを開始し、急峻なドーピングプロファイルを実現する方法としては、ドーピング界面のみにＭｇ供給量を過剰にし、ドーピング遅れを抑制する方法も考えられる。しかし、配管やリアクター内壁への付着は低減できず、やはりメモリー効果によりドーピング遅れが発生し、ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層中では逆にアクセプタ不純物であるＭｇが過剰に取り込まれ（例えばＭｇ濃度にして１×１０20ｃｍ-3以上）、アクセプタが補償され高抵抗化してしまうなど制御性に乏しい。
【００９５】
また、メモリー効果が発生しにくい配管、リアクター構造に結晶成長装置を改造することもできるが、そのためには、コストや、必要な時間等が莫大なものとなる。
【００９６】
これらに対し、本発明によれば、特別な装置の改造や手法を用いることなく、容易にＭｇドーピングの制御性を向上できる。
【００９７】
本発明の効果を得るには、ＡｌとＭｇの複合体を効率良く形成しながらＭｇドーピングを行うことが重要である。Ｍｇドーピングを行なうとき、キャリアガスとしてＨ2だけでなくＮ2が含まれていると、反応性が高まるため、より望ましい。また、この反応性を高めるためには、レーザ構造の電気特性に影響を与えない範囲で酸素、炭素、シリコン等の不純物を微量添加することも有効である。
【００９８】
従来のｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いた場合には、レーザ動作時の電流印加や、レーザに加えられた熱、磁界により、Ｍｇが容易に活性層側へ拡散する。その結果、活性層近傍で光吸収損失を引き起こし、レーザの信頼性に悪影響を及ぼすという問題が生じる。これに対し、ｐ−ＡｌＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いてレーザ構造を作製した場合は、結晶中でもＡｌとＭｇの結合が強く、レーザ動作中のＭｇの拡散が生じにくい。
【００９９】
更に、従来のｐ−ＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いた場合には、結晶成長装置の配管やリアクター内壁に付着したＭｇが、結晶成長後も残留し、引き続いてレーザ構造を作製する場合にｎ型層に徐々に混入し、ｎ型ドナー不純物を補償し高抵抗化してしまう。これに対し、ｐ−ＡｌＧａＮアクセプタ不純物ドーピング開始層を用いてレーザ構造を作製した場合、この影響を抑制できる。
【０１００】
本実施形態ではＧａＮ基板を用いているが、基板はＧａＮに限られず、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体バルク基板、サファイア基板、炭化珪素基板、シリコン基板、表面にＧａＮが成長したガリウム砒素基板、選択横方向成長を用いて作製されたＥＬＯ−ＧａＮ基板でも良い。
【０１０１】
本実施形態では、ｎ型のクラッド層にバルク結晶のＡｌＧａＮ、ｐ型のクラッド層にＡｌＧａＮとＧａＮから構成される超格子構造を用いているが、ｐ型のクラッド層にバルク結晶のＡｌＧａＮ、ｎ型のクラッド層にＡｌＧａＮとＧａＮから構成される超格子構造を用いても良い。また、ｎ型、ｐ型の両方にバルク結晶のＡｌＧａＮ、またはＡｌＧａＮとＧａＮから構成される超格子構造を用いてもよい。更に、これらの半導体層は、Ｉｎやホウ素（Ｂ）砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）を含有していてもよく、光とキャリアの閉じ込めが効果的に実現できる構成であれば良い。
【０１０２】
また、本実施形態では、Ｇａの原料としてＴＭＧ、Ａｌの原料としてＴＭＡ、Ｉｎの原料としてＴＭＩ、Ｍｇの原料としてＣｐ2Ｍｇ、Ｎの原料としてＮＨ3を用いているが、原料ガスは、これらに限定されない。Ｇａの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）や塩化ガリウム（ＧａＣｌやＣａＣｌ3）、Ａｌの原料としてトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）やジメチルアルミハイドライド（ＤＭＡＨ）、ジメチルアルミクロライド（ＤＭＡＣｌ）、トリメチルアミンアラン（ＴＭＡＡ）、Ｉｎの原料としてトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｍｇの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）やビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ2Ｍｇ）、Ｎの原料としてヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）やモノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用いても良い。特に、本発明を効果的に実現するためには、ＡｌとＭｇの複合体が効率よく形成され、それを用いてＭｇドーピングを行うことが重要であり、この複合体の形成では分子量が大きい方がより効果的に作用するため、使用可能な範囲でできるだけ分子量の大きい原料を用いることがさらに望ましい。
【０１０３】
（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１と同様に半導体積層構造を形成した後、ドライエッチングプロセスにより、この積層構造をストライプ状に加工する。このとき、ノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８が露出する寸前まで、表面側からｐ−ＧａＮコンタクト層４１２、ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を順にエッチングする。エッチング深さはレーザのキンクレベルやビーム形状を決定する重要なパラメータであり、精密な制御することが望ましい。
【０１０４】
レーザ構造エピウェハーの数箇所に５０μｍ角の光学評価用モニター窓を設置しておき、ドライエッチングプロセスを進めながら、その場観測で光学的評価を行い、ドライエッチングを施した。
【０１０５】
本実施形態では光学的評価手法としてフォトルミネッセンス測定を行った。フォトルミネッセンスの評価には波長３２５ｎｍのヘリウム−カドミウムレーザを用いた。ｐ型アクセプタ不純物がドーピングされた化合物半導体ではｐ型アクセプタ不純物準位が形成されており、ドナー・アクセプターペア発光が観測され、ｐ型アクセプタ不純物がドーピングされていない化合物半導体では主にバンド端近傍からの発光が観測される。ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を用いない従来技術では、ｐ型アクセプタのドーピングプロファイルが裾を引いており、ドーピング界面が明確でないため光学的評価からドーピング界面を求めることは不可能であった。
【０１０６】
しかしながら、実施形態１のようにｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９を用いることにより、ドーピング界面の急峻性が向上でき、光学的評価により容易に膜厚制御が可能であった。もちろんこの制御方法はフォトルミネッセンス測定だけではなく、プラズマ発光分析等、評価が可能な手法であれば何を用いても良い。また、光学評価用モニター窓は、ウェハー内で素子の歩留まりが低下せず、また、光学評価が可能であれば形状、サイズは問わない。
【０１０７】
また、エッチング終了後、この光学評価用モニター窓からフォトルミネッセンスの測定を行うことにより、活性層の発光波長を評価することができ、レーザプロセスの前段階で、レーザ構造の出来栄え評価を行うこともでき素子プロセスの効率化が達成できた。
【０１０８】
（実施形態３）
実施形態１とｐ型クラッド層の構造を除いて同様な構成でレーザ構造を結晶成長した。実施形態１ではｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１を用いていたが、ここではそのかわりにｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ／ｐ−Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ−ＳＬｓクラッド層６０１を用いている。図７（ａ）は、このレーザ構造の構造図を示す。
【０１０９】
ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層４１１を用いた場合、周期的にＴＭＡの供給／非供給を繰り返してＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を形成していく。このとき、一様にＭｇドーピングを行っていると、ＧａＮ層形成中にはメモリー効果によってＭｇの取り込み量が減少する。逆にＡｌＧａＮ層を形成する場合には、界面付近で急激にＭｇの取り込み量が増大する。このため、定常値で安定するという変化を繰り返し、図７（ｂ）に示すように、Ｍｇ濃度がクラッド層内で安定せず、増減を繰り返すため、レーザ構造の低電圧動作に対する再現性が低下してしまうことになる。
【０１１０】
一方、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ／ｐ−Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ−ＳＬｓクラッド層６０１を用いた場合、常にＴＭＡが供給されておりメモリー効果の影響が低減できる。このため、図７（ｃ）に示すようにクラッド層内のＭｇ濃度は再現性良く一定値に制御することが可能となり、高い制御性で動作電圧低減が実現できる。
【０１１１】
（実施形態４）
以下、図８（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第４の実施形態を説明する。本実施形態の半導体レーザは、次に説明する部分を除いて、図４（ａ）に示す半導体レーザ（実施形態１）の構成と同様の構成を有している。すなわち、実施形態１における４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８、および５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に代えて、４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.95Ｉｎ0.02Ｎ中間層７０１、および５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.95Ｉｎ0.02Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層７０２を有している。
【０１１２】
これらの層におけるＡｌ組成は、本実施形態と実施形態１との間で等しくしているため、Ｍｇのドーピングプロファイルに差異はないが、Ｉｎを含有している分だけバンドギャップエネルギは小さくなる。その結果、これらの層における不純物の活性化エネルギが小さくなり、ホール濃度は高くなっている。また、活性層に加わる歪も小さくなっている。このため、本実施形態によれば、より一層のしきい値電流の低減と信頼性の向上が実現できる。
【０１１３】
（実施形態５）
以下、図９（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第５の実施形態を説明する。本実施形態の半導体レーザは、次に説明する部分を除いて、図４（ａ）に示す半導体レーザ（実施形態１）の構成と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態では、実施形態１における５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に代えて、５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.95Ｉｎ0.02Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層８０１、および５ｎｍ厚のｐ−Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ層８０２を有している。
【０１１４】
Ｍｇドーピング開始層８０１のＡｌ組成は両実施形態で等しく、Ｍｇのドーピングプロファイルに差異はないが、本実施形態の方がｐ−Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ層８０２を挿入している分だけＭＱＷ活性層４０５とｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層４１０の間の距離が長い。しかしながら、５ｎｍ厚のｐ−Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ層８０２は、Ｉｎを含有しているため、そのバンドギャップエネルギがＧａＮのバンドギャップエネルギよりも小さく、結果的に非常に高いホール濃度を有する。このため、活性層４０５へのホールの注入効率が向上し、より一層のしきい値電流の低減と信頼性の向上が実現できる。
【０１１５】
（実施形態６）
以下、図１０（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第６の実施形態を説明する。本実施形態の半導体レーザは、次に説明する部分を除いて、図４（ａ）に示す半導体レーザ（実施形態１）の構成と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態では、図４（ａ）の半導体レーザにおける４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８、および５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に代えて、４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ0.06Ｇａ0.84Ｉｎ0.10Ｎ中間層９０１および３ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.06Ｇａ0.84Ｉｎ0.10Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層９０２を有している。
【０１１６】
本実施形態では、中間層９０１およびアクセプタ不純物ドーピング開始層９０２のＡｌ組成が、それぞれ、実施形態１における中間層４０８およびアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９のＡｌ組成よりも高い。そのため、Ｍｇのドーピングプロファイルが、より急峻に立ち上がるので、ｐ−Ａｌ0.06Ｇａ0.84Ｉｎ0.10Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層９０２を薄くすることができる。
【０１１７】
また、本実施形態のｐ−Ａｌ0.06Ｇａ0.84Ｉｎ0.10Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層９０２はＧａＮと格子整合するため、活性層４０５に印加される歪を実施形態１よりも小さくできる。このため、より一層の高出力化と信頼性の向上が実現できる。
【０１１８】
（実施形態７）
以下、図１１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第７の実施形態を説明する。本実施形態の半導体レーザは、次に説明する部分を除いて、図４（ａ）に示す半導体レーザ（実施形態１）の構成と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態では、４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８、および５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ−アクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に代えて、４０ｎｍ厚のノンドープＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ中間層１００１、および１ｎｍごとにＡｌ組成が０．０３ずつ階段的に０．０１から０．１３まで上昇する５ｎｍ厚のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１３）アクセプタ不純物ドーピング開始層１００２を有している。
【０１１９】
本実施形態では、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１３）アクセプタ不純物ドーピング開始層１００２におけるＡｌ組成を段階的に増加させることにより、Ｍｇのドーピングプロファイルを更に急峻に立ち上げることが可能となる。
【０１２０】
また、本実施形態では、格子定数差に起因した格子歪の発生を抑制できるため、活性層に印加される応力の低減、バンド不連続によるノッチの発生の低減が実現できる。
【０１２１】
さらに、圧縮応力によって生じるピエゾ電界効果の影響を効果的に低減できるために、活性層へのホールの注入効率が高まり、より一層のしきい値電流の低減と信頼性の向上、そして歩留まりの向上が実現できる。
【０１２２】
本実施形態では、１ｎｍごとにＡｌ組成が０．０３ずつ階段的に０．０１から０．１３まで上昇するように５ｎｍ厚のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１３）アクセプタ不純物ドーピング開始層１００２を形成しているが、このことよる効果は、Ａｌ組成を階段的に増加させた場合にのみ得られるものではない。図１１（ｂ）の一部に拡大して示すように、Ａｌ組成を連続的に増加させることや、放物線的に増加させることによっても、格子定数差に起因した歪の発生を大幅に低減でき、バンド不連続によるノッチの発生は完全に抑えられる。
【０１２３】
以上説明してきたように、本発明の窒化物半導体素子によれば、第２ｐ型窒化物半導体層によるキャリア閉じ込め効率を向上させることができるため、クラッド層として機能する第３ｐ型窒化物半導体層によるキャリアの閉じ込めを重視する必要がなくなる。このため、クラッド層（第３ｐ型窒化物半導体層）のバンドギャップを小さくすることが許容され、その結果、クラッド層におけるＡｌ組成化を低減することが可能になる。以下に説明する実施形態では、上述の各実施形態に比べてクラッド層（第３ｐ型窒化物半導体層）Ａｌ組成化を低減することにより、そのバンドギャップを第１ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さく設定している。クラッド層として機能する第３ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成化の低減は、窒化物半導体素子の直列抵抗Ｒｓを低下させるため、消費電力を低減できる。
【０１２４】
（実施形態８）
以下、図１２を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第８の実施形態を説明する。
【０１２５】
まず、ｎ−ＧａＮ基板１６０１を用意し、その表面を有機溶剤及び酸によって清浄化した後、成長炉内のサセプタ上に基板１６０１を設置する。Ｎ2ガスにて成長炉内を十分に置換した後、１℃／秒の昇温レ−トで１０００℃まで昇温し、キャリアガスをＨ2に切り替えると共にアンモニア（ＮＨ3）の供給を開始して基板表面のクリ−ニングを行なう。このクリ−ニングの時間は１分以上行なうことが望ましい。その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシラン（ＳｉＨ4）の供給を開始し、２μｍ厚のｎ−ＧａＮ層１６０２の成長を行い、引き続いてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、１．５μｍ厚のｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層１６０３の成長を行う。次に、ＴＭＡの供給を停止してｎ−ＧａＮ光ガイド層１６０４を０．１μｍ成長した後、キャリアガスをＮ2に変えＮＨ3の供給を停止し、成長温度を７８０℃まで降温する。
【０１２６】
次に、ＮＨ3、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給することにより、光ガイド層１６０４上に厚さが約３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層と、井戸層の上に厚さが約７ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層とを１周期とする３周期分の半導体層を成長させることにより多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１６０５を形成する。
【０１２７】
引き続いて３０ｎｍ厚のノンド−プＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ中間層１６０６を成長させ、３０ｎｍ厚のノンド−プＧａＮ中間層１６０７を成長した後、ＴＭＧの供給を停止する。Ｎ2とＮＨ3を供給した状態で速やかに１０００℃まで昇温し、キャリアガスをＮ2とＨ2の混合ガスに切り替える。ＴＭＧ及びＴＭＡの供給を再開し、４５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ中間層（ド−ピングエンハンス層）１６０８を成長させる。
【０１２８】
このド−ピングエンハンス層１６０８の成長開始時、または成長途中において、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）によるＭｇド−ピングを開始する。
【０１２９】
ド−ピングエンハンス層１６０８の成長開始後、その成長途中において、Ｍｇド−ピングを開始した場合、ドーピングエンハンス層１６０８には、ＭｇがドープされていないＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ下層部分と、ＭｇがドープされたＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ上層部分とが形成されることになる。言い換えると、ドーピングエンハンス層１６０８は、ノンドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ下層部分と、ＭｇドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ上層部分の両方を含む構造を有することになる。この場合、ノンドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ下層部分は、実施形態１におけるＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ中間層４０８に対応し、ＭｇドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ上層部分は、実施形態１におけるｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎアクセプタ不純物ドーピング開始層４０９に相当する。
【０１３０】
なお、ド−ピングエンハンス層１６０８の成長開始時と同時にＭｇド−ピングを開始した場合でも、ドーピング遅れにより、ノンドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ下層部分が形成される。
【０１３１】
このようにして、ドーピングエンハンス層１６０８の一部には、Ｍｇがドープされていない領域が形成され得るが、しかし、その後の工程で生じるＭｇの熱拡散により、ドーピングエンハンス層１６０８の全体にもＭｇがドープされ得る。
【０１３２】
なお、ドーピングエンハンス層１６０８のうち、Ｍｇがドープされた部分が本発明の第１ｐ型窒化物半導体層として機能する。
【０１３３】
ドーピングエンハンス層１６０８を形成した後、１０ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層１６０９を成長させる。このｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層１６０９が本発明の第２ｐ型窒化物半導体層として機能する。
【０１３４】
ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ電子オーバーフロー抑制層１６０９を成長させた後、速やかにキャリアガスをＨ2に切り替え、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層１６１０を成長した後、５０ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層１１６１１を順次積層する。
【０１３５】
本実施形態においては、ｐ型ド−パントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を用いたが、Ｍｇに加えて、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）等のｐ型ドーパントを添加してもよい。
【０１３６】
なお、窒化物半導体の成長方法はＭＯＶＰＥ法に限定されず、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や分子線エピタキシ−法（ＭＢＥ法）など、化合物半導体結晶を成長させるためにこれまで提案されている全ての方法を採用することができる。
【０１３７】
本実施形態では、Ｇａの原料としてＴＭＧ、Ａｌの原料としてＴＭＡを用い、Ｉｎの原料としてＴＭＩ、Ｍｇの原料としてＣｐ2Ｍｇ、Ｎの原料としてＮＨ3を用いているが、上記条件の原理を生かす結晶成長であれば、原料ガスは、これらに限定されない。Ｇａの原料として、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）や塩化ガリウム（ＧａＣｌやＣａＣｌ3）を、Ａｌの原料として、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）やジメチルアルミハイドライド（ＤＭＡＨ）、ジメチルアルミクロライド（ＤＭＡＣｌ）を、Ｉｎの原料として、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｍｇの原料として、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）やビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ2Ｍｇ）、Ｎの原料として、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）やモノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）ジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用いても良い。
【０１３８】
本実施形態では、各クラッド層及びコンタクト層等にバルク結晶を用いたが、超格子構造を適用しても良い。
【０１３９】
次に、共振器形成領域となる部分をｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ中間層（ド−ピングエンハンス層）１６０８に至るまでエッチングにより掘り込むことにより、ストライプ状に加工し、共振器形成領域の上部にリッジ部を形成する。リッジ部におけるストライプ幅は２〜３μｍ程度である。エピタキシャル層におけるストライプ状の共振器形成領域をマスクして、該エピタキシャル層に対してｎ型コンタクト層１６０２の一部が露出するまでエッチングを行なう。
【０１４０】
続いて、ｐ型コンタクト層の上面の電極とのコンタクト部分及びｎ型コンタクト層の上面の電極とのコンタクト部をそれぞれマスクし、ＣＶＤ法等により、リッジ部の両脇に酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる保護絶縁膜１６１３を堆積し、電流注入領域を形成する。絶縁膜の開口部のｐ−ＧａＮコンタクト層１６１１表面にはｐ電極１６１２を、ｎ−ＧａＮコンタクト層１６０２表面にはｎ電極１６１４を形成する。ｐ−ＧａＮコンタクト層１６１１のＭｇ濃度は、ｐ電極１６１２とのコンタクト抵抗低減のため、１×１０20ｃｍ-3から５×１０20ｃｍ-3に設定される。このようにして、図１２に示される窒化物半導体レーザを作製できる。
【０１４１】
なお、本実施形態においては、ｎ側の電極を上面（ｐ側電極と同じ側）に形成したが、ｎ−ＧａＮ基板の裏面にｎ電極を形成し、上下から導通を取る構造としても良い。
【０１４２】
このようにして得られた半導体レーザに対して、ｐ側電極１６１２とｎ側電極１６１４との間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１６０５に向かってｐ側電極１６１２から正孔が注入されると共にｎ側電極１６１４から電子が注入される。これにより、ＭＱＷ活性層１６０５において、正孔と電子との再結合により光学利得を生じて約４１０ｎｍの波長でレ−ザ発振を起こす。
【０１４３】
以下、ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ中間層（ド−ピングエンハンス層）１６０８のＡｌ組成比（バンドギャップ）が、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎオーバーフロー抑制層１６０９よりも小さく、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層１６１０よりも大きい構造をとることの有効性について説明する。
【０１４４】
図１３は、本実施形態における活性層近傍の構成を示す図である。活性層側から、膜厚およびＡｌ組成比（バンドギャップ）の異なる３領域以上の層から形成される。
【０１４５】
本実施形態では、ｐ−ＡｌＧａＮド−ピングエンハンス層１１０２のうちのＭｇがドープされている部分が、第１ｐ型窒化物半導体層に対応する。そして、ｐ−ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１１０３は第２ｐ型窒化物半導体層に対応し、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１０４は第３ｐ型窒化物半導体層に対応する。第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比を第３ｐ型窒化物半導体層の組成比よりも高く設定し、かつ第２ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比を第３ｐ型窒化物半導体層より高く構成する。この結果、ハンドギャップについては、第２ｐ型窒化物半導体層＞第１ｐ型窒化物半導体層＞第３ｐ型窒化物半導体層の関係が満足される。
【０１４６】
第１ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成比は、そのバンドギャップが第２ｐ型窒化物半導体層よりも小さくなる範囲内で、できるだけ高いＡｌ組成比を用いることが望ましい。この第１ｐ型窒化物半導体層の存在により、ｐ型不純物のド−ピング遅れを解消することができ、第２ｐ型窒化物半導体層に対して十分な不純物濃度を確保することが可能となる。
【０１４７】
望ましいＡｌ組成比は第１ｐ型窒化物半導体層が５〜２０％、第２ｐ型窒化物半導体層が１０〜３０％、第３ｐ型窒化物半導体層が平均３〜９％であり、最も望ましいＡｌ組成比は第１ｐ型窒化物半導体層が６〜１２％、第２ｐ型窒化物半導体層が１５〜２０％、第３ｐ型窒化物半導体層が平均３.５〜５.５％である。第１ｐ型窒化物半導体層や第２ｐ型窒化物半導体層といった高Ａｌ組成比の層を厚く構成した場合、直列抵抗の増加を導くため、第３ｐ型窒化物半導体層よりも膜厚を薄くすることが必要である。よって、各層の望ましい膜厚は第１ｐ型窒化物半導体層で１〜５０ｎｍ、第２ｐ型窒化物半導体層で５〜２０ｎｍである。最も望ましい膜厚は第１ｐ型窒化物半導体層で５〜２０ｎｍ、第２ｐ型窒化物半導体層で５〜１０ｎｍである。
【０１４８】
なお、第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比は、上記した望ましいＡｌ組成比の範囲内であれば傾斜を持っていても良い。また、この傾斜は連続的でも、階段的でも良い。
【０１４９】
また、各領域は、上記した望ましいＡｌ組成比および膜厚の範囲内であれば、バルク層ではなく超格子層でもよい。また、バルク層と超格子層が混在していてもよい。
【０１５０】
本実施形態によれば、ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１１０３において９×１０18ｃｍ-3以上の高いＭｇ濃度を実現できることを実験的に確認した。
【０１５１】
本実施形態では、ド−ピングの開始を、ド−ピングエンハンス層１１０２の成長最初時または成長途中に行うが、ド−ピングエンハンス層１１０２の全部又は一部でＭｇのド−ピングを行っていれば良く、ド−ピングエンハンス層１１０２におけるＭｇ濃度が均一である必要は無い。
【０１５２】
オーバーフロー抑制層１１０３におけるｐ型不純物濃度は、最大８×１０18ｃｍ-3から２×１０19ｃｍ-3の範囲内にあることが好ましく、また、不純物濃度の分布も厚さ方向に均一であることが好ましい。
【０１５３】
このように、ＡｌＧａＮド−ピングエンハンス層１１０２の挿入により、Ｍｇド−ピング遅れの影響を抑制することが可能となるため、レ−ザ構造の中で最もバンドギャップエネルギが大きいＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１１０３中のＭｇ濃度をクラッド層のＭｇ濃度とほぼ等しくすることができる。こうしてホ−ル注入効率を改善することにより、しきい値電流を低減すると共に、ｐｎ界面位置のズレによる動作電圧の上昇等を抑制することができる。特に、ド−ピングエンハンス層１１０２を超格子層とすることにより、平均Ａｌ組成が同一でもＡｌ濃度の高い部分を形成でき、Ｍｇ取り込まれの急峻性を向上させることができる。
【０１５４】
なお、オーバーフロー抑制層１１０３を超格子層から構成することにより、Ｍｇアクセプタ−の活性化エネルギを低減することができるため、直列抵抗を低減することができる。この効果は、ＧａのかわりにＩｎを含んだｐ−Ａｌ0.90Ｉｎ0.10Ｎアクセプタ−不純物ド−ピング開始層でもよく、ド−ピングを開始する層に少なくともＡｌが含まれていれば良い。
【０１５５】
こうした構造上の工夫により、オーバーフロー抑制層に対して十分にｐ型ド−パントをド−ピングできれば、この層内でキャリアを十分ブロックすることができる。これにより、クラッド層においてキャリアの閉じ込めを考慮する必要性はほとんどなく、ＡｌＧａＮクラッド層１１０４のＡｌ組成比を低減することが可能となる。また、光の閉じ込めに関しては、クラッド層のＡｌ組成比を低減してもクラッド層の厚みを厚くすることによってカバ−できる。
【０１５６】
以上により、ｐ型ド−パント濃度を構造上の工夫により制御することにより、キャリアの閉じ込めを向上させ、クラッド層のＡｌ組成比の低減化により低抵抗化が可能となる。これにより、デバイスの直列抵抗を低減でき、動作電圧を下げることが可能となる。
【０１５７】
本実施形態ではＧａＮ基板上のレ−ザ構造について説明したが、本発明の結晶成長は、上記条件の原理を生かす結晶成長であれば基板はＧａＮに限るものではなく、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体バルク基板、サファイア基板や炭化珪素基板、シリコン基板、ガリウム砒素基板上に成長したＧａＮ等でも、もちろん選択横方向成長を用いて作製したＥＬＯ−ＧａＮ基板でも良い。
【０１５８】
また、本実施形態ではレ−ザ素子について説明したが、これに限るものではなく、発光ダイオ−ド素子にも適用できる。また、ｐｎ接合を有し、電子のオーバーフロー防止と低抵抗化とを同時に必要とする全ての素子に適用できる。更に、上記効果はＢＡｌＧａＩｎＮや砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）を含有した混晶化合物半導体全般に成り立つ。
【０１５９】
（実施形態９）
図１４を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第９の実施形態を説明する。
【０１６０】
まず、ｎ−ＧａＮ基板１７０１の表面を有機溶剤及び酸によって清浄化した後、成長炉内のサセプタ−上に基板１７０１を設置する。Ｎ2ガスにて成長炉内を十分に置換した後、１℃／秒の昇温レ−トで１０００℃まで昇温し、キャリアガスをＨ2に切り替えると共にアンモニア（ＮＨ3）の供給を開始して基板表面のクリ−ニングを行なう。このクリ−ニングの時間は１分以上行なうことが望ましい。その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシラン（ＳｉＨ4）の供給を開始し、２μｍ厚のｎ−ＧａＮ層１７０２の成長、引き続いてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、１．５μｍ厚のｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層１７０３の成長を行う。ＴＭＡの供給を停止してｎ−ＧａＮ光ガイド層１７０４を０．１μｍ成長した後、キャリアガスをＮ2に変えＮＨ3の供給を停止し、成長温度を７８０℃まで降温する。
【０１６１】
次に、ＮＨ3、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給することにより、光ガイド層１７０４上に厚さが約３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層と、井戸層の上に厚さが約７ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層とを１周期とする３周期分の半導体層を成長させることにより多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１７０５を形成する。
【０１６２】
引き続いて３０ｎｍ厚のノンド−プＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ中間層１７０６、３０ｎｍ厚のノンド−プＧａＮ中間層１７０７を成長した後、ＴＭＧの供給を停止する。Ｎ2とＮＨ3を供給した状態で速やかに１０００℃まで昇温し、キャリアガスをＮ2とＨ2の混合ガスに切り替える。ＴＭＧ及びＴＭＡ、ＴＭＩの供給を再開し、４５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.85Ｉｎ0.05Ｎ中間層（ド−ピングエンハンス層）１７０８を成長させる。この中間層の成長途中において、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）によるＭｇド−ピングを開始する。その後、１０ｎｍ厚のｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.75Ｉｎ0.10Ｎオーバーフロー抑制層１７０９を成長させた後、速やかにキャリアガスをＨ2に切り替え、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層１７１０と、５０ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層１７１１とを順次積層する。
【０１６３】
以上のようにして、半導体レーザを構成するエピタキシャル層を得ることができる。なお、これ以降の窒化物半導体レーザの製作工程は実施形態８と同様であるため、その説明を省略する。
【０１６４】
なお、本実施形態においてはｐ型ド−パントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を用いたが、代わりに炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）等を用いても良い。
【０１６５】
また、本実施形態においては、窒化物半導体の成長方法としてＭＯＶＰＥ法を用いたが、これに限定するものではなく、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や分子線エピタキシ−法（ＭＢＥ法）など、化合物半導体結晶を成長させるためにこれまで提案されている全ての方法に適用できる。
【０１６６】
また、本実施形態ではＧａの原料としてＴＭＧ、Ａｌの原料としてＴＭＡを、Ｉｎの原料としてＴＭＩを、Ｍｇの原料としてＣｐ2Ｍｇ、Ｎの原料としてＮＨ3を用いたが、上記条件の原理を生かす結晶成長であればこれらに限るものではなく、Ｇａの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）や塩化ガリウム（ＧａＣｌやＣａＣｌ3）を、Ａｌの原料としてトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、ジメチルアルミハイドライド（ＤＭＡＨ）、ジメチルアルミクロライド（ＤＭＡＣｌ）を、Ｉｎの原料としてトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｍｇの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）、ビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ2Ｍｇ）を、Ｎの原料としてヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）、モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用いても良い。
【０１６７】
また、本実施形態では、各クラッド層及びコンタクト層等にバルク結晶を用いたが超格子構造を適用しても良い。
【０１６８】
次に、ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.85Ｉｎ0.05Ｎ中間層（ド−ピングエンハンス層）１７０８のＡｌ組成（バンドギャップ）が、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.75Ｉｎ0.10Ｎオーバーフロー抑制層１７０９よりも小さく、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層１７１０よりも大きい構造をとり、ｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.75Ｉｎ0.10Ｎオーバーフロー抑制層１７０９およびｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.85Ｉｎ0.05Ｎ中間層１７０８にＩｎ組成を含むことの有効性について説明する。
【０１６９】
本実施形態において用いた構造の特徴は、ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.85Ｉｎ0.05Ｎ中間層（ド−ピングエンハンス層）１７０８という比較的Ａｌ組成比が高い層をＡｌＧａＩｎＮ電子オーバーフロー抑制層の直前に挿入し、Ｍｇのド−ピングをｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.85Ｉｎ0.05Ｎ中間層の形成中から開始していることである。実施形態８で説明した通り、Ａｌが含まれる混晶半導体層にはｐ型不純物（例えばＭｇ等）が取り込まれやすく、ド−ピング遅れが発生しにくいという大きな特徴を持つ。また、ｐ型不純物の取り込み易さにはＡｌ組成依存性があり、Ａｌ組成比が０％から５０％の間においては、Ａｌ組成比の増加に伴いｐ型不純物が取り込まれる量は増加する。
【０１７０】
本実施形態では、実施形態８と異なり活性層の近傍にＩｎＧａＮとの格子定数差が大きいＡｌＧａＮをそのまま配置するのではなく、格子定数差をおさえるためにＩｎを含んだＡｌＧａＩｎＮを用いた。こうした構造をとることにより、高いＡｌ組成比によりド−ピング遅れを抑えつつ、格子定数差を低減することにより活性層を構成する井戸層の歪の不均一を出来る限り解消し、発光特性への影響を抑えられる。
【０１７１】
図１５は、本実施形態における活性層近傍の構成を示した図である。活性層側から、膜厚、Ａｌ組成比（バンドギャップ）およびＩｎ組成比の異なる３領域以上の層から形成される。本実施形態では、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮド−ピングエンハンス層１８０３は第１ｐ型窒化物半導体層に対応し、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮオーバーフロー抑制層１８０４は第２ｐ型窒化物半導体層に対応し、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１８０５は第３ｐ型窒化物半導体層に対応する。第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比（バンドギャップ）は、第２ｐ型窒化物半導体層よりも小さく、かつ、第３ｐ型窒化物半導体層よりも大きくなるように構成する。第１ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成比は、そのバンドギャップが第２ｐ型窒化物半導体層よりも小さくなる範囲内で、できるだけ高いＡｌ組成を用いることが望ましい。これに加えて、第２ｐ型窒化物半導体層と前記第１ｐ型窒化物半導体層にＩｎ組成を含むことにより、近傍に存在する活性層との格子定数差を抑えることが可能となる。この第１ｐ型窒化物半導体層の存在により、従来の構成では発生していたｐ型不純物のド−ピング遅れを解消することができ、第２ｐ型窒化物半導体層に対して十分な不純物濃度を確保することが可能となる。
【０１７２】
なお、望ましいＡｌ組成比は、第１ｐ型窒化物半導体層が５〜２０％、第２ｐ型窒化物半導体層が１０〜３０％、第３ｐ型窒化物半導体層が平均３〜９％であり、最も望ましいＡｌ組成比は、第１ｐ型窒化物半導体層が６〜１２％、第２ｐ型窒化物半導体層が１５〜２０％、第３ｐ型窒化物半導体層が平均３.５〜５.５％である。また、望ましいＩｎ組成比は第１ｐ型窒化物半導体層が１〜２０％、第２ｐ型窒化物半導体層が１〜３０％である。このように、Ｉｎ組成比は少なくとも各層のＡｌ組成よりも小さく設定することが望ましい。
【０１７３】
本実施形態においては第１ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成比と比べ、第２ｐ型窒化物半導体層におけるＡｌ組成比を高く設定するため、Ｉｎ組成比に関しても第１ｐ型窒化物半導体層よりも第２ｐ型窒化物半導体層の方が大きくなるように設定する。これにより、各層の格子定数の差を小さくすることができ、活性層の歪をより低減できる。但し、第１ｐ型窒化物半導体層と活性層までの距離が比較的近い場合には、Ａｌ組成比の大きい第２ｐ型窒化物半導体層よりも第１ｐ型窒化物半導体層の格子定数が、活性層の歪に対してより大きく影響する場合もある。このような場合には、図１６に挙げたようにＩｎ組成を第１ｐ型窒化物半導体層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＮド−ピングエンハンス層１９０３）よりも第２ｐ型窒化物半導体層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＮオーバーフロー抑制層１９０４）の方が小さくなるように設定する方が好ましい。
【０１７４】
また、第１ｐ型窒化物半導体層や第２ｐ型窒化物半導体層といった高Ａｌ組成比の層を厚くすると直列抵抗が増加するため、これらの層の膜厚は、第３ｐ型窒化物半導体層よりも小さくすることが必要である。よって、各層の望ましい膜厚は、第１ｐ型窒化物半導体層で１〜５０ｎｍ、第２ｐ型窒化物半導体層で５〜２０ｎｍであり、さらに望ましい膜厚は、第１ｐ型窒化物半導体層で５〜２０ｎｍ、第２ｐ型窒化物半導体層で５〜１０ｎｍである。
【０１７５】
なお、第１ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比およびＩｎ組成比は、上記した望ましいＡｌ組成比およびＩｎ組成の範囲内であれば傾斜を持っていても良い。また、この傾斜は連続的でも、階段的でも良い。また、各領域は上記した望ましいＡｌ組成比およびＩｎ組成比、そして膜厚の範囲内であれば、バルク層ではなく超格子層であってもよく、バルク層と超格子層が混在していてもよい。
【０１７６】
本実施形態の構造をとることにより、ＡｌＧａＩｎＮ電子オーバーフロー抑制層１８０４のｐ−ＡｌＧａＩｎＮドーピングエンハンス層との界面近傍においても、すでに９×１０18ｃｍ-3以上の高いＭｇ濃度が実験的に確認できた。この値は実施形態８で挙げたＭｇの濃度と比べて同等レベルであり、Ｉｎ組成比により格子定数差を低減させた場合においても高いＡｌ組成比を用いる限り、同様のド−ピング効果が得られることが分かった。ド−ピングの開始位置に関しては、ド−ピングエンハンス層１８０３の最初又は途中から行う必要がある。なお、ド−ピングエンハンス層の全部又は一部で不純物のド−ピングを行っていれば良く、層内で不純物濃度が均一である必要は無い。オーバーフロー抑制層１８０４のド−ピング濃度に関しては、最大８×１０18ｃｍ-3から２×１０19ｃｍ-3のｐ型不純物が均一にド−ピングされていることが望ましい。
【０１７７】
このように、ＡｌＧａＩｎＮド−ピングエンハンス層１８０３の挿入によりＭｇド−ピング遅れの影響を抑制することが可能となり、レ−ザ構造の中で最もバンドギャップエネルギが大きいＡｌＧａＩｎＮ電子オーバーフロー抑制層８０４中のＭｇ濃度をクラッド層のＭｇ濃度とほぼ等しくすることができた。ホ−ル注入効率を改善することにより、しきい値電流を低減できる。特に、ド−ピングエンハンス層１８０３を超格子層とすることにより、平均Ａｌ組成比が同一でもＡｌ濃度の高い部分を形成でき、Ｍｇ取り込まれの急峻性を向上させることができる。また、オーバーフロー抑制層１８０４を超格子層とすることによりＭｇアクセプタ−の活性化エネルギを低減することができ、直列抵抗を低減することができる。
【０１７８】
こうした構造上の工夫により、オーバーフロー抑制層１８０４に対して十分にｐ型ド−パントをド−ピングできれば、この層内でキャリアを十分ブロックすることができる。これにより、クラッド層においてキャリアの閉じ込めを考慮する必要性はほとんどなく、ＡｌＧａＮクラッド層１８０５のＡｌ組成比を低減することが可能となる。なお、クラッド層のＡｌ組成比を低減しても、光の閉じ込めに関しては、クラッド層の厚みを厚くすることによってカバ−できる。以上のように、ｐ型ド−パント濃度を構造上の工夫により制御することにより、キャリアの閉じ込めを向上させ、クラッド層のＡｌ組成比の低減化により低抵抗化が可能となる。これにより、デバイスの直列抵抗を低減でき、動作電圧を下げることが可能となる。
【０１７９】
なお、本実施形態ではＧａＮ基板上のレ−ザ構造について説明したが、本発明の結晶成長は、上記条件の原理を生かす結晶成長であれば基板はＧａＮに限るものではなく、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体バルク基板、サファイア基板や炭化珪素基板、シリコン基板、ガリウム砒素基板上に成長したＧａＮ等でも、あるいは選択横方向成長を用いて作製したＥＬＯ−ＧａＮ基板でも良い。
【０１８０】
また、上述の実施形態における半導体素子は、いずれも、レ−ザ素子であるが、本発明は、これに限定されず、ｐｎ接合を有し、電子のオーバーフロー防止および低抵抗化を同時に必要とする全ての窒化物半導体素子に適用できる。例えば、発光ダイオード素子、受光素子、トランジスタなどの窒化物半導体素子に適用されえ得る。
【０１８１】
前述した実施形態では、いずれも、ｐ型アクセプタ不純物としてＭｇを用いているが、Ｍｇに加えて炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）を添加しても良い。また、Ｍｇドーピングを行なう窒化物半導体としては、ＢＡｌＧａＩｎＮや、Ａｓ、Ｐを含有したＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ混晶化合物半導体であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１８２】
本発明によれば、活性層よりもバンドギャップエネルギが大きく、電子オーバーフロー抑制層よりもバンドギャップエネルギが小さいｐ型アクセプタ不純物ドーピング開始層を設けることにより、メモリー効果に起因したドーピング遅れのない急峻なアクセプタ不純物プロファイルを実現できる。これにより、高い信頼性を有した低しきい値電流、低動作電圧の化合物半導体受発光素子を、再現性、均一性良く作製することが提供できる。
【０１８３】
このような本発明による窒化物半導体素子は、主に光ディスク関連分野の光源として有用であり、また、レ−ザプリンタ、バーコードリーダ等にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１８４】
【図１】（ａ）は、ＧａＮ半導体レーザの従来例を示す断面図であり、（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図２】（ａ）は、ＧａＮ半導体レーザの他の従来例を示す断面図であり、（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図３】（ａ）は、ＧａＮ半導体レーザの更に他の従来例を示す断面図であり、（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図４】（ａ）は、本発明の実施形態１における窒化物半導体レーザの断面構造図であり、（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図５】（ａ）は、図３（ａ）および（ｂ）に示す半導体レーザにおけるＳＩＭＳプロファイルを示すグラフであり、（ｂ）は、実施形態１の半導体レーザにおけるＳＩＭＳプロファイルを示すグラフである。
【図６】ｐ−ＡｌＧａＮ−アクセプタ不純物ドーピング開始層のＡｌ組成に対するｐ−ＡｌＧａＮ電流オーバーフロー抑制層のＭｇ濃度を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の実施形態３における半導体レーザを示す断面図であり、図７（ｂ）は、比較例の伝導帯側バンド構造の模式図であり、図７（ｃ）は、本実施形態における伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図８】（ａ）は、本発明の実施形態４における半導体レーザを示す断面図であり、（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図９】（ａ）は、本発明の実施形態５における半導体レーザを示す断面図であり、（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の実施形態６における半導体レーザを示す断面図であり、（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の実施形態７における半導体レーザを示す断面図であり、（ｂ）は、その伝導帯側バンド構造の模式図である。
【図１２】本発明の実施形態８における半導体レーザを示す断面図である。
【図１３】実施形態８の半導体レーザにおける活性層近傍の伝導体バンド構造を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施形態９における半導体レーザを示す断面図である。
【図１５】実施形態９の半導体レーザにおける活性層近傍の伝導体バンド構造を示す模式図である。
【図１６】実施形態９の半導体レーザにおける活性層近傍の他の伝導体バンド構造を示す模式図である。
【国際調査報告】
2005034301.tif 000019
2005034301.tif 000020
2005034301.tif 000021
2005034301.tif 000022