(57)【要約】【課題】信頼性が改善された量子井戸構造半導体発光装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１導電型の窒化物半導体からなる第１クラッド層と、窒化物半導体からなる第１の障壁層と、窒化物半導体からなる第２障壁層と、前記第１の障壁層と前記第２の障壁層との間に設けられた窒化物半導体からなる井戸層と、を含み前記第１クラッド層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられ、第２導電型の窒化物半導体からなる第２クラッド層と、を備え、前記第１及び第２の障壁層と前記井戸層にはインジウムが含まれており前記第１の障壁層と前記第２の障壁層のうちの少なくともいずれか一方は、厚みが３０ナノメータ以上であることを特徴とする半導体発光装置が提供される。【選択図】図１
2007109885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の窒化物半導体からなる第１クラッド層と、
窒化物半導体からなる第１の障壁層と、窒化物半導体からなる第２の障壁層と、前記第１の障壁層と前記第２の障壁層との間に設けられ窒化物半導体からなる井戸層と、を含み前記第１クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられ、第２導電型の窒化物半導体からなる第２クラッド層と、
を備え、
前記第１及び第２の障壁層と前記井戸層には、インジウムが含まれており、
前記第１の障壁層と前記第２の障壁層のうちの少なくともいずれか一方は、厚みが３０ナノメータ以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記第１の障壁層と前記第２の障壁層のうちのいずれか他方は、厚みが３０ナノメータ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記第２クラッド層は、ＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）層、またはＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）層とＧａＮ層とを含む超格子積層からなり、
前記井戸層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦１．０）からなり、
前記第１の障壁層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．０２）からなり、
前記第２の障壁層は、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．０２）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。  
【請求項４】
基板と、
前記基板の上に設けられ、第１導電型のＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）層、またはＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）層とＧａＮ層とを含む超格子積層からなる第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上に設けられたＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜ｚ≦０．０２）からなる第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上に設けられたＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦１．０）からなる井戸層と、前記井戸層の上に設けられたＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．０２）からなる第２の障壁層と、を含む量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上に設けられた第２導電型のＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０＜ｔ≦０．３）層、またはＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０＜ｔ≦０．３）層とＧａＮ層とを含む超格子積層からなる第２クラッド層と、
を備え、
前記第１の障壁層の厚みは、３０ナノメータ以上であり、
前記第２の障壁層の厚みは３０ナノメータ以上であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項５】
基板上に、第１導電型の窒化物半導体からなる第１クラッド層を成長する第１クラッド層成長工程と、
前記第１クラッド層の上に、窒化物半導体からなる第１の障壁層と、窒化物半導体からなる井戸層と、窒化物半導体からなる第２の障壁層とを少なくとも含む量子井戸を有する活性層を成長させる活性層成長工程と、
前記活性層の上に第２導電型の窒化物半導体からなる第２クラッド層を成長する第２クラッド層成長工程と、
を備え、
前記第１の障壁層及び前記第２の障壁層のいずれか一方は、３０ナノメータ以上の厚みで設けられ、
前記活性層成長工程における成長温度は、前記第１クラッド層成長工程と前記第２クラッド層成長工程のうちで、前記第１の障壁層及び前記第２の障壁層のいずれか一方に近接したクラッド層を成長する工程における成長温度よりも低いことを特徴とする窒化物系半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置及びその製造方法に関し、特に量子井戸構造を有する窒化物系の半導体発光装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体発光装置を用いた次世代ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）用青紫色半導体レーザ装置やディスプレイ用白色半導体発光装置などは、その応用分野が急速に拡大している。
【０００３】
このような窒化物系半導体発光装置において、動作電流を低減することにより高発光効率を得るために単一または多重構造の量子井戸（Quantum Well）が用いられる。
【０００４】
例えば、波長４００ナノメータ帯である次世代ＤＶＤ用青紫色半導体レーザ装置においては、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）活性層が用いられる。この場合、活性層はＩｎを含むために、通常は１，０００度未満の温度において、結晶成長がなされる。
【０００５】
これに対して、クラッド層、光ガイド層、コンタクト層などは、通常１，０００度以上の温度で、結晶成長がなされる。従って、より低い温度で結晶成長がなされる活性層形成工程の前後においては、結晶成長が中断される。このような結晶成長中断時後の結晶界面には結晶欠陥を生じやすい。このような結晶欠陥は半導体発光装置の特性上好ましくない。
【０００６】
さらに、ＭＱＷ構造を構成する障壁層は通常は薄いために、界面近傍に生じた結晶欠陥からの転位などが、両外側の障壁層を通って井戸層まで伸びることもありうる。これは、特に通電動作などにより加速される可能性がある。
【０００７】
また、電子のオーバーフローによる電流を低減するために設けられるｐ型オーバーフロー防止層には、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされているので薄い障壁層を通りぬける場合がある。Ｍｇが井戸層まで拡散することを抑制することによりエージング劣化率を低減させる技術開示例があるが、結晶欠陥によるエージング劣化を抑制するには不十分である（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−６３５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、信頼性が改善された量子井戸構造半導体発光装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、
第１導電型の窒化物半導体からなる第１クラッド層と、
窒化物半導体からなる第１の障壁層と、窒化物半導体からなる第２の障壁層と、前記第１の障壁層と前記第２の障壁層との間に設けられ窒化物半導体からなる井戸層と、を含み前記第１クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられ、第２導電型の窒化物半導体からなる第２クラッド層と、
を備え、
前記第１及び第２の障壁層と前記井戸層には、インジウムが含まれており、
前記第１の障壁層と前記第２の障壁層のうちの少なくともいずれか一方は、厚みが３０ナノメータ以上であることを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の一態様によれば、
基板と、
前記基板の上に設けられ、第１導電型のＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）層、またはＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）層とＧａＮ層とを含む超格子積層からなる第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上に設けられたＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜ｚ≦０．０２）からなる第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上に設けられたＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦１．０）からなる井戸層と、前記井戸層の上に設けられたＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．０２）からなる第２の障壁層と、を含む量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上に設けられた第２導電型のＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０＜ｔ≦０．３）層、またはＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０＜ｔ≦０．３）層とＧａＮ層とを含む超格子積層からなる第２クラッド層と、
を備え、
前記第１の障壁層の厚みは、３０ナノメータ以上であり、
前記第２の障壁層の厚みは３０ナノメータ以上であることを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【００１１】
また、本発明のさらに他の一態様によれば、
基板上に、第１導電型の窒化物半導体からなる第１クラッド層を成長する第１クラッド層成長工程と、
前記第１クラッド層の上に、窒化物半導体からなる第１の障壁層と、窒化物半導体からなる井戸層と、窒化物半導体からなる第２の障壁層とを少なくとも含む量子井戸を有する活性層を成長させる活性層成長工程と、
前記活性層の上に第２導電型の窒化物半導体からなる第２クラッド層を成長する第２クラッド層成長工程と、
を備え、
前記第１の障壁層及び前記第２の障壁層のいずれか一方は、３０ナノメータ以上の厚みで設けられ、
前記活性層成長工程における成長温度は、前記第１クラッド層成長工程と前記第２クラッド層成長工程のうちで、前記第１の障壁層及び前記第２の障壁層のいずれか一方に近接したクラッド層を成長する工程における成長温度よりも低いことを特徴とする窒化物系半導体発光装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、信頼性が改善された量子井戸構造半導体発光装置及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ発明の実施の形態につき説明する。図１は、本発明の第１具体例にかかる窒化物系半導体レーザ装置の模式断面図である。本第１具体例においては、基板にはｎ型ＧａＮ基板を用いる。ｎ型ＧａＮ基板２０上に、ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層２２（厚み１．５マイクロメータ）、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２４（厚み０．０７マイクロメータ）、活性層２６が積層されている。
【００１４】
さらに、活性層２６の上には、ｐ＋型Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎオーバーフロー防止層２８（厚み１０ナノメータ）、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３０（厚み０．０３マイクロメータ）、ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層３２（厚み０．６マイクロメータ）、ｐ＋型ＧａＮコンタクト層３４（厚み０．１０マイクロメータ）が積層されている。これら、半導体多層膜は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板２０上に、順次成長することが出来る。なお、ｎ型不純物としてはシリコンが、ｐ型不純物としてはマグネシウムが一般的に用いられる。
【００１５】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。また、導電型を制御するために添加される各種の不純物のいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００１６】
図１に例示される構造は、リッジ導波路型とも呼ばれ屈折率導波構造に属する。すなわち、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３２には、破線部で表される高さＨのリッジ部４２、及び破線部で表される非リッジ部４０が形成されている。なお、第１具体例においては、リッジ部４２の高さＨは０．６マイクロメータ、非リッジ部４０の高さは０．０５マイクロメータとする。リッジ部４２の上部のｐ＋型ＧａＮコンタクト層３４も、同時にパターニングされている。パターニングされたｐ＋型ＧａＮコンタクト層３４側面及びリッジ部４２のリッジ側面４４には、絶縁膜３６が形成されている。絶縁膜３６の材料としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）やシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）などを用いることが出来る。なお、シリコン酸化膜の屈折率は約１．５であり、シリコン窒化膜の屈折率は１．９〜２．１である。
【００１７】
また、ｐ＋型ＧａＮコンタクト層３４は、例えば、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ａｕなどの単層、積層、または合金からなるｐ側電極１５０と接続される。またｎ型ＧａＮ基板２０は、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｌなどの単層、積層、または合金からなるｎ側電極１５２と接続されている。ｐ＋型ＧａＮコンタクト層３４は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３２とｐ側電極１５０との接触抵抗を低減することにより、動作電圧を低減する作用を有する。
【００１８】
リッジ部４２のリッジ側面４４には、絶縁膜３６が設けられているので、リッジ部４２を構成するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３２と、絶縁膜３６との屈折率に差が生じている。
【００１９】
リッジ部４２の屈折率は、絶縁膜３６より高いので、基本水平横モードは、光軸（Ｚ軸に平行）に直交する断面内において、活性層２６に対して水平方向（Ｘ軸）に閉じ込められる。但し、波長に比べて、リッジ部４２の底面における幅Ｗが大きすぎると水平横モードに高次モードを生じる。リッジ部４２の幅Ｗは、１〜３マイクロメータとすることが好ましく、本具体例においては、１．５マイクロメータとした。この結果、高次モードを抑制することが出来る。
【００２０】
また、Ｚ軸に垂直な光取り出し端面には反射率が約５％である低反射膜を、裏面側端面には反射率が９５％以上の高反射膜をそれぞれに形成する。
【００２１】
次に、積層構造の作用につき、より詳細に説明する。  
図２は、本具体例の半導体積層構造のエネルギーバンド図である。各層における伝導帯１４２、価電子帯１４４が擬フェルミレベル１４０を合わせる様に表される。
【００２２】
また、ｐ＋型オーバーフロー防止層２８は、ｎ型ＧａＮ基板２０側から注入された矢印で表す電子Ｑがｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層３２へ漏れることによる動作電流の不必要な増大を抑制できることが図２より理解できる。すなわち、ｐ＋型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層２８のアルミニウム組成比を大きくすると、活性層２６とのバンドギャップ差が大きくなり、ｎ側から注入された電子Ｑが活性層２６からｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層３２へ漏れることを低減できる。アルミニウム組成比としては０．２０以上が好ましい。
【００２３】
さらに、ｐ＋型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層２８のｐ型濃度を高くすることにより（例えば、１×１０２０ｃｍ−３）、活性層２６との伝導帯側へテロ障壁を大きくできるために、電子Ｑの漏れをより低減できる。ｐ＋型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層２８の厚みとしては、結晶性の劣化を防ぐために２０ナノメータ以下とすることが好ましい。
【００２４】
図３は、本具体例における活性層２６のエネルギーバンド図である。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎＷＧａ１−ＷＮからなる活性層２６は、単一または多重量子井戸活性層（Multiple Quantum Well）とすることが出来る。この場合、井戸層５２におけるインジウム組成比ｘが０．０５以上で０．２以下、かつ内部障壁層５４におけるインジウム組成比ｗが０以上で０．０２以下の範囲内で選択することができる。また、井戸層厚み２〜５ナノメータ、井戸数２〜４、内部障壁層厚み３〜１０ナノメータとすることが出来る。本第１具体例においては、Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ／Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ構造とし、井戸層５２厚みＡを３ナノメータ、井戸数を３、内部障壁層５４厚みＢを１０ナノメータとした。
【００２５】
さらに、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２４に隣接した下部障壁層５０は、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．０２）なる組成とし、厚みＬは３０ナノメータ以上とする。また、ｐ＋型オーバーフロー防止層２８に隣接した上部障壁層５６は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．０２）なる組成とし、厚みＵは３０ナノメータ以上とする。以上において、内部障壁層５４におけるインジウム組成比ｗと、下部障壁層５０におけるインジウム組成比ｚと、上部障壁層５６におけるインジウム組成比ｙとは、同一でもよいし異なっても良い。同一とすると結晶成長工程が単純化できるメリットを生じる。
【００２６】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２２及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３２は、それぞれにＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）、または層厚が１〜５ナノメータであるＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）／ＧａＮ超格子を交互に積み重ねた積層とすることも出来る。超格子積層においては、応力歪が緩和されるメリットがある。
【００２７】
次に、本第１具体例における通電加速劣化試験について説明する。図４及び図５は、パルス駆動により、１２０ｍＷ出力に制御（ＡＰＣ：Automatic Power Control）された半導体レーザ装置の動作電流の変化率を表わしたグラフ図である。いずれも、周囲温度Ｔａ＝７５℃とし、パルス幅は５０ナノ秒、パルスｄｕｔｙ比は５０％とした。各半導体レーザ装置は、所定のスクリーニング工程を行った後通電加速劣化試験に供されている。
【００２８】
図４は、第１具体例において上部障壁層厚みＵ及び下部障壁層厚みＬが共に５０ナノメータである場合の動作電流（実測値）の変化を表すグラフ図である。ここでサンプル数を１０個とした。時間経過とともに、一定光出力（１２０ｍＷ，パルス動作）を得るための動作電流は徐々に上昇する。５００時間を経過時の電流増加率ｄＩｏｐ／ｄｔ（ｍＡ／ｈ）は、０から０．０８８の間に分布し、平均は約０．０３４であった。
【００２９】
図５は、第１具体例において上部障壁層厚みＵ及び下部障壁層厚みＬが共に３０ナノメータである場合の動作電流（実測値）の変化を表すグラフ図である。この場合もサンプル数は１０とした。５００時間経過時の電流増加率ｄＩｏｐ／ｄｔ（ｍＡ／ｈ）は、０．００６から０．０６０の間に分布し、平均は約０．０２７であった。
【００３０】
障壁層厚みが３０ナノメータである場合の方が、わずかに５００時間経過時電流増加率が小さいが、５０ナノメータ障壁層厚みの場合のほうが５００時間経過時における電流変化が小であるサンプル数は逆に多い。
【００３１】
図６は、比較例である下部障壁層５０の厚みＬ及び上部障壁層５６の厚みＵがいずれも２０ナノメータの場合の動作電流（実測値）の変化を表すグラフ図である。この場合も、周囲温度Ｔａ＝７５℃、パルス出力１２０ｍＷ，パルス幅５０ナノ秒、パルスｄｕｔｙ比５０％の条件であり、サンプルは所定のスクリーニング工程を経ている。比較例においては、電流増加率が大きく、２８０、３５０、３５５、３６０、４３０、４７０時間において、すでに電流増加率が２０％に到達している。残りのサンプルの電流増加率は、０．０１６から０．１９９の間であり、平均は約０．１００である。比較例における電流増加率は、第１具体例の３倍以上であり、５００時間経過後に、動作電流が飽和して安定となるサンプルは少ない。
【００３２】
次に、平均寿命の相対比較を行う。半導体レーザ装置においては、通電加速劣化試験によりｄＩｏｐ／ｄｔを求め、電流増加率が一定値を越える時間を「寿命」とみなすことにより平均寿命を求めることが出来る。ここでは、５００時間経過時のｄＩｏｐ／ｄｔなる傾きを延長して、動作電流増加率が２０％となる時間を個々の寿命とする。このような個々の推定寿命の平均寿命をＭＴＴＦ（Mean Time To Failure）と呼ぶこととする。
【００３３】
比較例における平均寿命は、５００時間以内において電流増加率が２０％を越えたサンプルの直接的な「寿命」と、５００時間における電流増加率から推定した寿命とから平均寿命を求めた。
【００３４】
第１具体例において、障壁層厚みが５０ナノメータである場合の平均寿命は、Ｔａ＝７５℃において比較例の約４倍であった。また、障壁層厚みが３０ナノメータである場合の平均寿命は、Ｔａ＝７５℃において比較例の約３．３倍であった。
【００３５】
次世代ＤＶＤにおける要求平均寿命は、１２０ｍＷパルス出力、周囲温度Ｔａ＝７５℃において、２０００ｈ以上である。障壁層厚み３０ナノメータ以上とする本具体例によって、この平均寿命が実現できる。
【００３６】
以上は、周囲温度Ｔａ＝７５℃における平均寿命について説明した。一般に、半導体レーザ装置の動作電流上昇速度は、ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）に比例する。ここで、Ｅａは活性化エネルギー（ｅＶ）、ｋはボルツマン定数（８．６１６×１０−５ｅＶ／Ｋ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。窒化物系半導体レーザ装置において、発明者らが実験的に求めた活性化エネルギーＥａとして０．４０ｅＶを用いると、室温２５℃においては、Ｔａ＝７５℃の約９．４倍の平均寿命を得ることが出来る。
【００３７】
次に、本具体例において動作電流増加率を改善できる理由の説明をする。後に詳細に説明するように、ＱＷ活性層にはＩｎを含むＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層が用いられる。Ｉｎを含む窒化物系多層膜のＭＯＣＶＤによる成長温度は、ＩｎＧａＮの蒸気圧が高い（Ｉｎが蒸発しやすい）ため、通常７５０〜９００℃の範囲とする。一方、活性層を挟むＡｌＧａＮ系多層膜の成長温度は通常１、０００〜１，１００℃の範囲とする。このように、降温及び昇温のために成長を中断すると、この結晶中断による界面において結晶欠陥を生じやすい。
【００３８】
そして、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２４と下部障壁層５０との界面、及びｐ＋型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層２８と上部障壁層５６との界面に生じた転位のような結晶欠陥が、井戸層５２まで伸びてくる可能性がある。そして、障壁層が２０ナノメータである比較例または、より薄い障壁層の場合において、転位などの広がりによる劣化はより大きくなる。
【００３９】
また、ｐ＋型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層２８から拡散したＭｇなどが、薄い上部障壁層５６を通り抜け井戸層５２まで拡散することもある。この場合、量子井戸近傍に深い準位が形成され非発光再結合が生じることがある。このような非発光再結合により通電劣化が促進される。
【００４０】
一方、本具体例においては、上部障壁層５６厚みＵ及び下部障壁層５０厚みＬを３０ナノメータ以上としているので、結晶中断により界面に生じた転位などの結晶欠陥が井戸層５２まで、伸びることを抑制できる。同様に、ｐ＋型オーバーフロー防止層２８からのＭｇなど不純物の拡散も抑制できる。以上のように、本具体例においては、転位の拡大の抑制及び非発光再結合の抑制などにより通電中の動作電流増加が低減できている。この結果、平均寿命が次世代ＤＶＤ仕様を満たすことが出来る。
【００４１】
なお、第１具体例においては、上部障壁層５６の厚みＵ及び下部障壁層５０の厚みＬのいずれもが３０ナノメータ以上の場合に関して説明した。しかし本発明はこれに限定されない。例えば、Ｍｇ拡散の影響を抑制できる上部障壁層５６の厚みＵのみを３０ナノメータ以上とする場合においても、動作電流増加を抑制できる効果がある。下部障壁層５０の厚みＬも３０ナノメータ以上とすると、通電による動作電流増加を一層低減できる。
【００４２】
次に、３０ナノメータ以上の障壁層厚みを含む本具体例にかかる窒化物系半導体レーザ装置の結晶成長方法につき説明する。ここでは、ＭＯＣＶＤ法を例として説明する。通常、ＩｎＧａＮ膜は約７５０〜９００℃の範囲の温度において結晶成長されるが、成長速度が遅いためにその厚みを２０ナノメータ以下とされることが普通である。しかし、以下に説明する成長方法によれば３０ナノメータ以上のＩｎＧａＮ膜の結晶成長が、より容易となる。
【００４３】
図７は、窒化ガリウム系多層膜を結晶成長する工程における成長温度を表すグラフ図である。横軸は、各膜の成長工程であり、Ａ〜Ｇまでの工程を表す。また、縦軸は、成長温度（℃）を表す。一般に、ＧａＮやＡｌＧａＮは、１，０００〜１，１００℃の温度範囲で結晶成長することが好ましい。従って、Ａ工程ではｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層２２が、Ｂ工程ではｎ型ＧａＮ光ガイド層が、１，１００℃においてそれぞれに成長される。また、ＩｎＧａＮは、７５０〜９００℃の温度範囲で結晶成長することが望ましい。従ってＣ工程では、８５０℃まで降温された後Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ／Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９ＮなるＱＷ層が成長される。障壁層としての効果を高めるにはＩｎ組成比が小の方が良いが、結晶性を良好にするために０．０１〜０．０２のＩｎ組成比とすることが好ましい。
【００４４】
続くＤ工程ではｐ＋型Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎオーバーフロー防止層２８が、Ｅ工程ではｐ型ＧａＮ光ガイド層３０が、Ｆ工程ではｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層３２が、Ｇ工程ではｐ型ＧａＮコンタクト層３４が、１，０５０℃においてそれぞれに成長される。Ｄ〜Ｇ工程におけるＡｌＧａＮ及びＧａＮ結晶成長は、Ａ，Ｂ工程より５０℃低いことが結晶性を良好に維持する上でより好ましい。
【００４５】
図８は、さらに原料ガス及びドーピングガスを含めた結晶成長工程を表すフローチャートである。まずｎ型ＧａＮ基板２０の表面を溶剤によりクリーニングしたのち、ロードロック機構を介してＭＯＣＶＤ装置反応室内サセプタ上に配置する。
【００４６】
続いて、キャリアガスとアンモニアの雰囲気下で、ｎ型ＧａＮ基板２０を１，１００℃まで加熱し（Ｓ１００）、成長原料であるＴＭＧ（TriMethyl Gallium）及びＴＭＡ（TriMethyl Aluminum），ｎ型不純物原料であるＳｉＨ４を供給することにより、ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層２２（厚み１．５マイクロメータ）を成長する（Ｓ１０２）。なお、ｎ型クラッド層をＡｌＳＧａ１−ＳＮ（０＜ｓ≦０．３）／ＧａＮ超格子積層とする場合には、ＴＭＧとＳｉＨ４供給によるＧａＮ超格子成長とを交互に繰り返す工程を用いることが出来る。さらに、同じ１，１００℃において、成長原料ＴＭＧと，ｎ型不純物原料であるＳｉＨ４を供給することにより、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２４（厚み０．０７マイクロメータ）を成長する（Ｓ１０４）。
【００４７】
ここで、８５０℃まで降温、安定化する（Ｓ１０６）。
続いてＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ／Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎの積層によるＱＷ活性層２６を成長する。この場合、成長原料であるＴＭＧとＴＭＩ（TriMethyl Indium）の混合比を変化させることにより、障壁層Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎと井戸層Ｉｎ０．１３Ｇａ０．９７Ｎとを交互に成長する（Ｓ１０８）。下部障壁層５０厚みＬは３０または５０ナノメータとされ、井戸層５２厚みＡは３ナノメータとし、井戸数は３とする。井戸層間の内部障壁層５４厚みＢは１０ナノメータとする。上部障壁層５６の厚みＵは３０または５０ナノメータとされる。
【００４８】
続いて、温度を１，０５０℃まで上昇させ、安定化する（Ｓ１１０）。成長原料であるＴＭＧとＴＭＡ，ｐ型不純物原料であるＣｐ２Ｍｇを供給することにより、ｐ＋型オーバーフロー防止層２８（厚み１０ナノメータ）を成長する（Ｓ１１２）。
【００４９】
同様に、１，０５０℃において、成長原料ＴＭＧと不純物原料Ｃｐ２Ｍｇとを供給してｐ型光ガイド層３０（厚み０．０３マイクロメータ）を成長する（Ｓ１１４）。
【００５０】
続いて、同温度において、成長原料ＴＭＧおよびＴＭＡ，不純物原料Ｃｐ２Ｍｇを供給することにより、ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層３２（厚み０．６マイクロメータ）を成長する（Ｓ１１６）。なお、ｐ型クラッド層をＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０＜ｔ≦０．３）／ＧａＮ超格子積層とする場合には、ＴＭＧとＳｉＨ４供給による超格子成長工程とを交互に繰り返す工程を用いることが出来る。
【００５１】
最後に、成長原料ＴＭＧと不純物原料Ｃｐ２Ｍｇとを供給することにより、ｐ＋型ＧａＮコンタクト層３４（厚み０．１マイクロメータ）を成長する（Ｓ１１８）。続いてアンモニアを含む雰囲気中で降温を行い、多層膜成長を完了する（Ｓ１２０）。
【００５２】
上記の結晶成長方法によれば、成長時間は約７時間であり、障壁層が３０ナノメータ以上であっても生産性が低下する問題はない。
【００５３】
図９は、本発明の第２具体例にかかる窒化物系半導体レーザ装置を表すエネルギーバンド図である。図１及び図２に例示される第１具体例と同様の構成要素には、同一番号を付して詳細な説明を省略する。本具体例においては、上部障壁層とｐ＋型オーバーフロー防止層２８との間にＧａＮ拡散防止層２７（厚み１０ナノメータ〜０．１マイクロメータ）が設けられている。
【００５４】
一般に、結晶性が良くない場合には不純物がより拡散されやすくなる。ｐ＋型オーバーフロー防止層２８は高濃度であるから、結晶欠陥を界面近傍に含む場合には一層、Ｍｇのような不純物が拡散されやすくなる。本具体例においては、ＧａＮ拡散防止層２７を設けたことによりＭｇの拡散が抑制され、非発光再結合の増加が抑制されて、動作電流増加などの劣化が低減できる。
【００５５】
図１０は、本発明の第３具体例にかかる窒化物系半導体レーザ装置を表すエネルギーバンド図である。この場合も図１及び図２に例示される第１具体例と同様の構成要素には、同一番号を付して詳細な説明を省略する。本具体例においては、ｎ型光ガイド層及びｐ型光ガイド層は、設けられずに下部障壁層５０の厚みＭ及び上部障壁層５６の厚みＮを大とすることにより、光ガイド機能を持たせている。この場合、障壁層の厚みＭ及びＮは，３０〜１００ナノメータとすることが出来る。第１具体例におけるｎ型光ガイド層２４の厚みは７０ナノメータであり、ｐ型光ガイド層３０の厚みは３０ナノメータであるように、通常光ガイド層の厚みは３０〜１００ナノメータの範囲で選択することができるので、本具体例における障壁層厚み範囲としては、３０〜１００ナノメータが好ましい。
【００５６】
図１１は、本発明の第４具体例にかかる窒化物系半導体発光素子（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）の模式断面図である。ｎ型ＧａＮ基板６２の上に、ｎ型ＧａＮ下地層６６（膜厚約２マイクロメータ）、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層６８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７０（膜厚０．５マイクロメータ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層７２（膜厚０．０３マイクロメータ）が、この順序で積層されている。ｐ側電極７４は、活性層６８からの光が透過可能な薄膜金属（導電性光透過金属）であることが好ましい。ｎ側電極６０は、ｎ型ＧａＮ基板６２の裏面に形成されている。
【００５７】
図１２は、本具体例のエネルギーバンド図である。活性層６８としては、Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ井戸層８２（厚み３ｎｍ）の５層と、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ障壁層８４（厚み１０ｎｍ）の４層とを交互に積層し、下部障壁層８０、上部障壁層８６とで構成されたＭＱＷ構造とする。ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層６８に注入された電流により、破線で示される発光領域６４において、発光波長３８０〜５４０ナノメータの放射光が得られる（放射光Ｖ）。
【００５８】
本具体例においても、Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ／Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ  ＭＱＷ活性層６８の結晶成長温度は図７に例示された温度と同様であるので、成長中断がある。従って、界面における結晶欠陥の影響を低減するために、上部障壁層８６の厚みＴを、例えば、３０〜１００ナノメータとする。この結果、動作電流変化の少ない発光波長３８０〜５４０ナノメータの放射光が得られる。さらに、下部障壁層８０の厚みＳも３０〜１００ナノメータとすることにより、一層動作電流の低減が可能となる。なお、障壁層厚みはいずれか一方のみが３０ナノメータ以上であっても、動作電流変化を低減できる。上部障壁層８６及び下部障壁層８０のいずれも３０ナノメータ以上であるほうが、動作電流変化低減効果を大きく出来るのでより好ましい。
【００５９】
図１３は、半導体発光素子１８０を用いた表面実装型（ＳＭＤ：Surface Mounting Device）半導体発光装置の模式断面図である。半導体発光素子１８０が、ＡｕＳｎ半田１８４などを用いて第１リード１８２に接着されている。半導体発光素子１８０の上側電極と第２リード１８６とは、ボンディングワイヤ１９４により接続されている。第１リード１８２及び第２リード１８６とは、熱可塑性樹脂１８８などと一体化されている。封止樹脂１９２には、熱硬化前に蛍光体１９０が混合されている。
【００６０】
半導体発光素子１８０からの放射光が４６０〜４９０ナノメータ波長帯の青色光１９５であるとする。また、蛍光体１９０を珪酸塩黄色蛍光体とすると、青色光１９５を吸収することにより蛍光体１９０が励起されて、波長変換された黄色光１９６を放射する。青色光１９５と黄色光１９６との混合により白色光１９８が得られる。このようにして得られる白色半導体発光装置は、界面における結晶欠陥の影響が低減されており、動作電流変化が少なく、ディスプレイ用バックライト、照明などに適した高信頼性を有する。
【００６１】
ここまで、窒化ガリウム系半導体を具体例として説明した。しかし、本発明はこれに限定されずに化合物半導体に応用できる。また、結晶基板もＧａＮと限定することなく、サファイヤ、炭化珪素（ＳｉＣ）などを用いることが出来る。
【００６２】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらに限定されるものではない。窒化物系半導体発光装置を構成する、半導体多層膜、リッジ導波路、蛍光体、パッケージなど各要素の形状、サイズ、材質、配置関係などに関して、また結晶成長プロセスに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１具体例にかかる窒化物半導体レーザ装置の模式断面図である。
【図２】第１具体例におけるエネルギーバンド図である。
【図３】第１具体例における量子井戸構造からなる活性層を表すエネルギーバンド図である。
【図４】第１具体例において、障壁層厚みが５０ナノメータの場合の通電加速劣化試験を表すグラフ図である。
【図５】第１具体例において、障壁層厚みが３０ナノメータの場合の通電加速劣化試験を表すグラフ図である。
【図６】比較例である障壁層厚みが２０ナノメータの場合の通電加速劣化試験を表すグラフ図である。
【図７】本具体例の結晶成長工程における成長温度を表すグラフ図である。
【図８】本具体例の結晶成長方法のフローチャートである。
【図９】本発明の第２具体例にかかる窒化物系半導体レーザ装置のエネルギーバンド図である。
【図１０】本発明の第３具体例にかかる窒化物系半導体レーザ装置のエネルギーバンド図である。
【図１１】本発明の第４具体例にかかる窒化物系半導体発光素子の模式断面図である。
【図１２】第４具体例のエネルギーバンド図である。
【図１３】図１１に例示された第４具体例である窒化物系半導体発光素子を組み込んだ表面実装型白色ＬＥＤの模式断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
２０ 基板、２２ クラッド層、２４ 光ガイド層、２６ 活性層、３０ 光ガイド層、
３２ クラッド層、５０ 下部障壁層、５２ 井戸層、５６ 上部障壁層、６８ 活性層、
７０ クラッド層、８０ 下部障壁層、８２ 井戸層、８４ 障壁層、８６ 上部障壁層
【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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【図１２】
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【図１３】
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