(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶の窒化物系半導体からなる第１の層と、
単結晶の窒化物系半導体からなる第１クラッド層と、
前記第１の層の格子定数よりも大きい格子定数を有する単結晶窒化物系半導体を含む発光層とがこの順で形成された窒化物系半導体素子であって、
前記第１の層と前記第１クラッド層との間に、前記第１の層のＩｎ組成と前記第１クラッド層のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、かつ、少なくとも一部が非単結晶の窒化物系半導体からなる第２クラッド層が形成されており、
前記第２クラッド層は、前記第１の層の格子定数よりも大きくかつ前記発光層の前記単結晶窒化物系半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有する１または複数の層を含むことを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項２】
前記発光層は、前記単結晶窒化物系半導体からなる層を１または複数含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体素子。
【請求項３】
前記第２クラッド層は、非単結晶の窒化物系半導体からなる非単結晶層と、単結晶の窒化物系半導体からなる単結晶層とを含み、前記非単結晶層と前記単結晶層とが積層されてなることを特徴とする請求項１または２記載の窒化物系半導体素子。
【請求項４】
前記第２クラッド層は、非単結晶の窒化物系半導体からなる島状またはストライプ状の非単結晶層と、単結晶の窒化物系半導体からなる単結晶層とを含み、前記単結晶層間または前記単結晶層内に前記非単結晶層が分散配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項５】
前記発光層は、前記第２クラッド層よりも小さなバンドギャップを有する層を１または複数含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項６】
前記第１の層は、ＧａX Ｉｎ1-X Ｎ（０＜Ｘ≦１）からなり、前記第２クラッド層は、ＧａY Ｉｎ1-Y Ｎ（０≦Ｙ＜１）からなり、前記発光層は、ＧａZ Ｉｎ1-Z Ｎ（０≦Ｚ＜１）からなり、Ｚ≦Ｙ＜Ｘであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項７】
前記第２クラッド層中のＩｎ組成は、前記第１の層側から前記第１クラッド層側へ向かって段階的に増加していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項８】
前記第２クラッド層中のＩｎ組成は、前記第１の層側から前記第１クラッド層側へ向かって連続的に増加していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項９】
単結晶の窒化物系半導体からなる第１の層上に、少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を形成する工程と、
前記第２クラッド層上に単結晶の窒化物系半導体からなる第１クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層上に前記第１の層の格子定数よりも大きい格子定数を有する単結晶の窒化物系半導体を含む発光層を形成する工程とを含み、
前記第２クラッド層は、前記第１の層のＩｎ組成と前記第１クラッド層のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、前記第１の層の格子定数よりも大きくかつ前記発光層の前記単結晶窒化物系半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有する１または複数の層を含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第２クラッド層は、窒化物系半導体が非単結晶状態となる成長温度で成長させることを特徴とする請求項９記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III 族窒化物半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）を用いた発光ダイオード素子、半導体レーザ素子等の半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ等の窒化物系半導体を用いた半導体素子の研究開発が進められている。
【０００３】
図９は従来の窒化物系半導体レーザ素子の例を示す模式的な断面図である。図９に示すように、半導体レーザ素子においては、サファイア基板８１上にバッファ層８２、アンドープＧａＮ層８３、ｎ−ＧａＮコンタクト層８４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５、ｎ−ＧａＮ光ガイド層８６、発光層８７およびｐ−ＧａＮ光ガイド層８８が順に形成されている。ｐ−ＧａＮ光ガイド層８８の所定幅の領域上にリッジ状にｐ−ＧａＮクラッド層８９が形成されており、このリッジ状のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８９の側面に電流狭窄層９１が形成されている。さらに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８９の上面および電流狭窄層９１上にｐ−ＧａＮコンタクト層９０が形成されている。ｐ−ＧａＮコンタクト層９０からｎ−ＧａＮコンタクト層８４までの一部領域が除去されてｎ−ＧａＮコンタクト層８４が露出し、メサ形状が形成されている。露出したｎ−ＧａＮコンタクト層８４の所定領域上にｎ電極９３が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト層９０の所定領域上にｐ電極９２が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体レーザ素子または発光ダイオード素子において、黄色や緑色などの青色より波長の長い長波長の光を発光させるためには、Ｉｎ組成の大きいＧａＩｎＮ発光層を形成する必要がある。
【０００５】
しかしながら、Ｉｎ組成の大きいＧａＩｎＮ発光層をＧａＮ層上に形成すると、ＧａＩｎＮ発光層の格子定数とＧａＮ層の格子定数とが大きく異なるため、良質なＧａＩｎＮ発光層を形成することが困難である。
【０００６】
そこで、ＧａＩｎＮ発光層とＧａＮ層との間にＧａＩｎＮ発光層の格子定数とＧａＮ層の格子定数との中間の格子定数を有する膜厚の大きいＧａＩｎＮ中間層を形成することが考えられる。
【０００７】
しかし、ＧａＮ層の上に膜厚の大きいＧａＩｎＮ中間層を形成するとクラックや転位が発生しやすくなる。このため、ＧａＩｎＮ中間層上に良好な結晶性を有するＧａＩｎＮ発光層を形成することは困難である。
【０００８】
本発明の目的は、単結晶の窒化物系半導体層上にその窒化物系半導体層よりも大きな格子定数を有し、かつ、良好な結晶性を有する能動素子領域が形成された窒化物系半導体素子およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る窒化物系半導体素子は、単結晶の窒化物系半導体からなる第１の層と、第１の層の格子定数よりも大きい格子定数を有する単結晶窒化物系半導体を含む発光層とがこの順で形成された窒化物系半導体素子であって、第１の層と発光層との間に、少なくとも一部が非単結晶の窒化物系半導体からなる第２クラッド層が形成されたものである。
【００１０】
【００１１】
本発明に係る窒化物系半導体素子においては、第２クラッド層の少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる。ここで、非単結晶状態とは非晶質の状態または多結晶の状態から構成されてもよい。特に、多結晶の状態から構成されることが好ましい。
【００１２】
この場合、第１の層と発光層との間に少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を設けることにより第１の層の格子定数と発光層における格子定数との差により発生する歪みが緩和されるので、第２クラッド層においてはクラックおよび転位の発生が防止される。この場合、第２クラッド層の膜厚を大きくしても第２クラッド層にクラックおよび転位が発生しない。
【００１３】
したがって、第２クラッド層上に良好な結晶性を有する発光層を形成することが可能となる。
【００１４】
第２クラッド層は、第１の層の格子定数よりも大きくかつ発光層の単結晶窒化物系半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有してもよい。
【００１５】
なお、第２クラッド層は、異なる格子定数を有する複数の層から構成されてもよく、等しい格子定数を有する複数の層から構成されてもよい。
【００１６】
この場合、第１の層の格子定数と発光層内の層の第２の格子定数との差により発生する歪みが、第２クラッド層により緩和される。それにより、第２クラッド層上に良好な結晶性を有する能動素子領域を形成することが可能となる。
【００１７】
発光層は、単結晶窒化物系半導体からなる層を１または複数含んでもよい。
【００１８】
なお、発光層は、異なる格子定数を有する複数の単結晶窒化物系半導体の層を含んでもよく、等しい格子定数を有する複数の単結晶窒化物系半導体の層を含んでもよい。
【００１９】
また、第２クラッド層は、非単結晶の窒化物系半導体からなる非単結晶層と、単結晶の窒化物系半導体からなる単結晶層とを含み、非単結晶層と単結晶層とが積層された構造を有してもよい。
【００２０】
さらに、第２クラッド層は、非単結晶の窒化物系半導体からなる島状またはストライプ状の非単結晶層と、単結晶の窒化物系半導体からなる単結晶層とを含み、単結晶層間または単結晶層内に非単結晶層が分散配置された構造を有してもよい。
【００２１】
このような非単結晶を含む第２クラッド層においては、第１の層の格子定数と発光層の格子定数との差により発生する歪みが緩和される。したがって、第２クラッド層においては、クラックおよび転位の発生が防止される。その結果、第２クラッド層上に良好な結晶性を有する発光層を形成することが可能となる。
【００２２】
発光層は、第２クラッド層よりも小さなバンドギャップを有する層を１または複数含んでもよい。
【００２３】
第１の層は、ＧａX Ｉｎ1-X Ｎ（０＜Ｘ≦１）からなり、第２クラッド層は、ＧａY Ｉｎ1-Y Ｎ（０≦Ｙ＜１）からなり、能動素子領域は、ＧａZ Ｉｎ1-Z Ｎ（０≦Ｚ＜１）からなり、Ｚ≦Ｙ＜Ｘであってもよい。
【００２４】
この場合、ＧａY Ｉｎ1-Y Ｎからなる第２クラッド層は、ＧａX Ｉｎ1-X Ｎからなる第１の層の格子定数よりも大きく、かつ、ＧａZ Ｉｎ1-Z Ｎからなる発光層の層の格子定数よりも小さな格子定数を有する。
【００２５】
ここで、ＧａX Ｉｎ1-X Ｎからなる第１の層上に形成された第２クラッド層は、少なくとも一部が非単結晶状態のＧａY Ｉｎ1-Y Ｎから構成されている。この場合、第２クラッド層を第１の層と発光層との間に設けることにより、第１の層の格子定数と発光層の格子定数との差により発生する歪みが緩和される。それにより、ＧａX Ｉｎ1-X Ｎからなる第１の層上に形成されたＧａX Ｉｎ1-X Ｎからなる第２クラッド層における、クラックおよび転位の発生を防止することが可能となる。
【００２６】
以上のように、第２クラッド層においてクラックおよび転位の発生が防止されることから、第２クラッド層の膜厚およびＩｎ組成を大きくすることが可能となる。その結果、第２クラッド層上にＩｎ組成の大きい良好な結晶性を有するＧａZ Ｉｎ1-Z Ｎからなる発光層の層を形成することが可能となる。
【００２７】
この場合、クラッド層におけるクラックの発生を防止することが可能となり、発光層において良好な結晶性が実現される。
【００２８】
例えば、少なくとも一部が非単結晶状態のＧａＩｎＮからなるクラッド層を有する窒化物系半導体素子においては、クラッド層の膜厚およびＩｎ組成を大きくするとともにクラッド層におけるクラックの発生を防止することが可能となる。それにより、クラッド層上に良好な結晶性を有するＩｎ組成の大きい発光層を形成することができ、長波長の発光を得ることが可能となる。
【００２９】
第２の発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、単結晶の窒化物系半導体からなる第１の層上に、少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を形成する工程と、第２クラッド層上に単結晶の窒化物系半導体からなる第１クラッド層を形成する工程と、第１クラッド層上に第１の層の格子定数よりも大きい格子定数を有する単結晶の窒化物系半導体を含む発光層を形成する工程とを含み、第２クラッド層は、第１の層のＩｎ組成と第１クラッド層のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、第１の層の格子定数よりも大きくかつ発光層の単結晶窒化物系半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有する１または複数の層を含むものである。
【００３０】
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法においては、第１の層上に少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を形成する。
【００３１】
この場合、第２クラッド層は少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなるため、第１の層と発光層との間に第２クラッド層を設けることにより、第１の層の格子定数と発光層における格子定数との差により発生する歪みが緩和される。それにより、第２クラッド層においてクラックおよび転位の発生が防止される。この場合、第２クラッド層の膜厚を大きくしても第２クラッド層にクラックおよび転位が発生しない。
【００３２】
以上のように、上記の窒化物系半導体素子の製造方法によれば、第２クラッド層におけるクラックおよび転位の発生を防止することが可能となるため、第２クラッド層上に形成された発光層において良好な結晶性が実現できる。
【００３３】
第２クラッド層は、窒化物系半導体が非単結晶状態となる成長温度で成長させてもよい。この場合、第２クラッド層の成長温度を低くすることにより、非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を容易に形成することができる。したがって、この方法によれば、第２クラッド層におけるクラックの発生を容易に防止することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下においては、本発明に係る半導体素子の一例として、半導体レーザ素子について説明する。
【００３５】
図１は本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ素子を示す模式的な斜視図である。
【００３６】
図１に示すように、サファイア（０００１）面基板１上に膜厚１５ｎｍのＡｌＧａＮバッファ層２が形成されている。このバッファ層２上に膜厚０．５μｍのアンドープＧａＮ層３、膜厚４μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層４、膜厚１μｍのｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５、膜厚５０ｎｍのｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６および多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＧａＩｎＮ発光層７が形成されている。
【００３７】
さらに、ＧａＩｎＮ発光層７上に、膜厚４０ｎｍのｐ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層８、膜厚２０ｎｍのＧａＩｎＮ層と膜厚２０ｎｍのＧａＮ層との多層膜からなる膜厚０．３μｍのｐ−第２クラッド層９が形成されている。
【００３８】
また、ｐ−第２クラッド層９上には幅２μｍのストライプ形状の電流通路１１を挟んで膜厚０．２μｍのシリコン窒化物からなる電流狭窄層１２が形成されている。さらに、電流通路１１および電流狭窄層１２の上部にはｐ−キャップ層１０が形成されている。また、ｐ−キャップ層１０からｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５までが幅８μｍのメサ状に形成されており、ｐ−キャップ層１０上にｐ電極１３が形成されている。
【００３９】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の上面はメサエッチングにより露出しており、露出した表面上にｎ電極１４が形成されている。
【００４０】
本実施の形態の半導体レーザ素子１００においては、ｎ−第２クラッド層５が、非単結晶状態のＧａＩｎＮから形成されている。
【００４１】
なお、上記のＧａＩｎＮ発光層７は、膜厚４ｎｍ程度のＧａ0.4Ｉｎ0.6Ｎ障壁層と膜厚４ｎｍ程度のＧａ0.3Ｉｎ0.7Ｎ井戸層とが交互に積層されてなる。この場合、Ｇａ0.4Ｉｎ0.6Ｎ障壁層は５層であり、Ｇａ0.3Ｉｎ0.7Ｎ井戸層は４層である。
【００４２】
図２〜図６は、図１に示す半導体レーザ素子の製造工程を示す模式的な工程断面図である。
【００４３】
図１の半導体レーザ素子１００の作製方法を図２〜図６を用いて説明する。
半導体レーザ素子１００の作製時には、まず、図２に示すように、基板温度を６００℃に保ち、サファイア（０００１）面基板１上にＡｌＧａＮからなるバッファ層２を形成する。次に、基板温度を１１５０℃に保ちアンドープＧａＮからなるアンドープＧａＮ層３およびＳｉドープＧａＮからなるｎ−ＧａＮコンタクト層４を形成する。
【００４４】
さらに、基板温度を６００℃に保ち、ＳｉドープＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎからなるｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５を形成する。その後、基板温度を８８０℃に保ち、ＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなるｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６を形成する。さらに、基板温度を８５０℃に保ち、アンドープＧａ0.4Ｉｎ0.6ＮからなるＧａＩｎＮ障壁層およびアンドープＧａ0.3Ｉｎ0.7ＮからなるＧａＩｎＮ井戸層とを交互に積層し、５層のＧａＩｎＮ障壁層および４層のＧａＩｎＮ井戸層の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＧａＩｎＮ発光層７を形成する。
【００４５】
最後に基板温度を８８０℃に保ち、アンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなるｐ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層８およびアンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5ＮからなるＧａＩｎＮ層とＭｇドープＧａＮからなるＧａＮ層との多層膜からなるｐ−第２クラッド層９を順に成長させる。
【００４６】
続いて、図３に示すように、ｐ−第２クラッド層９の全面に、例えばＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法により、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ3 Ｎ4 等のシリコン窒化物からなる電流狭窄層１２を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびＢＨＦ（緩衝フッ酸）によるウェットエッチングで、幅２μｍ程度のストライプ状の領域のシリコン窒化物を除去し、ｐ−第２クラッド層９を露出させる。それにより、ストライプ状の電流通路１１が形成される。
【００４７】
次に、図４に示すように、例えば７６Ｔｏｒｒの減圧ＭＯＶＰＥ法により、電流狭窄層１２上およびストライプ状の電流通路１１内のｐ−第２クラッド層９上にｐ−ＧａＮからなるｐ−キャップ層１０を形成する。この際、ｐ−第２クラッド層９の露出した部分に選択的にｐ−ＧａＮが成長するように、成長条件を適切に調整する。例えば、基板温度を約１００℃上昇させ、ＮＨ3 の量を約３倍に増加させる。
【００４８】
このような条件下で成長を行うと、ｐ−第２クラッド層９の露出した部分にｐ−ＧａＮが成長し、電流通路１１あたる部分が形成される。一方、電流狭窄層１２上にはｐ−ＧａＮは結晶成長しない。引続き結晶成長を継続すると、ｐ−ＧａＮが電流通路１１上に成長するとともに、電流通路１１上に成長したｐ−ＧａＮの側面から横方向に結晶成長が開始し、電流狭窄層１２上にｐ−ＧａＮからなるｐ−キャップ層１０が形成される。例えば、電流通路１１にあたる部分を中心として幅約８μｍでｐ−キャップ層１０が形成される。
【００４９】
この結果、ｐ−第２クラッド層９とｐ−キャップ層１０とは幅２μｍ程度のストライプ状の電流通路１１で接続され、ｐ−第２クラッド層９とｐ−キャップ層１０との間に、電流通路１１の部分を除いて、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ3 Ｎ4 からなる電流狭窄層１２が形成される。ｐ―キャップ層１０の最終的な膜厚は、約１μｍである。
【００５０】
次に、図５に示すように、メタルマスクおよびＥＢ（電子ビーム）蒸着法を用いて、キャップ層１０を含む領域に、例えば幅１０μｍ程度のストライプ形状で厚さ３〜５μｍのＮｉ膜を蒸着する。このＮｉ膜をマスクとして用い、例えばＣＦ4 をエッチングガスとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ｎ−ＧａＮコンタクト層４が露出するまでｐ−キャップ層１０からｎ−ＧａＮコンタクト層４までをメサ状にエッチングする。その後、マスクとして用いたＮｉ膜を塩酸等を用いて除去する。
【００５１】
さらに、図６に示すように、Ｓｉ3 Ｎ4 等の絶縁膜１５をＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フォトリソグラフィおよびエッチングによりｐ−キャップ層１０からｎ−ＧａＮコンタクト層４までの側面および電極形成領域を除いたｎ−ＧａＮコンタクト層４の上面に形成する。そして、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の露出した表面上に、例えばＡｕ／Ｔｉからなるｎ電極１４を形成し、ｐ−キャップ層１０上にＡｕ／Ｐｄからなるｐ電極１３を形成する。
【００５２】
最後に、例えばへき開により、ストライプ状の電流通路１１に沿った方向に共振器長３００μｍの共振器構造を形成する。それにより、図１の構造を有する半導体レーザ素子１００が形成される。
【００５３】
なお、半導体レーザ素子１００の共振器端面にＳｉ3 Ｎ4 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＯ2 等を積層した誘電体多層膜等の端面高反射膜や低反射膜を形成してもよい。
【００５４】
各層２〜１０の組成、膜厚および成長時の基板温度を表１に示す。
【００５５】
【表１】
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【００５６】
上記の各層２〜１０は大気圧のＭＯＶＰＥ法（有機金属化学的気相成長法）により成長させる。この場合、原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ＮＨ3 、シランガス（ＳｉＨ4 ）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用いる。ここでは、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用いており、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いている。
【００５７】
表１に示すように、本実施の形態においては、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎからなるｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５を６００℃と低い基板温度で成長させる。このように成長時の基板温度を低くすることにより、非単結晶状態のｎ−Ｇａ0.7 Ｉｎ0.3 Ｎが成長する。したがって、形成されたｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５は、全体が非単結晶状態のｎ−Ｇａ0.7 Ｉｎ0.3 Ｎから構成される。
【００５８】
本実施の形態において、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５以外の各層２〜４，６〜１０は、全体が単結晶状態の窒化物系半導体から構成される。
【００５９】
なお、上記においては、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の成長時の基板温度を６００℃としているが、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の成長時の基板温度は６００℃に限定されるものではない。ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の成長時の基板温度は、非単結晶状態のＧａＩｎＮが成長する温度、すなわち５００〜７００℃の範囲内であればよい。
【００６０】
この場合の非単結晶状態とは、多結晶状態またはアモルファス状態のことである。なお、多結晶状態とは、結晶の〈０００１〉方向が揃っていない部分が存在する結晶状態のことである。これに対して、単結晶状態とは、結晶の〈０００１〉方向がほぼ揃っている結晶状態のことである。
【００６１】
上記のように、ｎ−ＧａＮコンタクト層４とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６との間にｎ−ＧａＮコンタクト層４のＩｎ組成とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、かつ、非単結晶状態のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５を設けることにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の格子定数と、ｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６の格子定数またはＧａＩｎＮ発光層７の格子定数との差により発生する歪が緩和される。この場合、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の膜厚を１μｍと大きくしてもクラックが発生しない。それにより、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５上に良好な結晶性を有するＩｎ組成の大きいｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６およびＧａＩｎＮ発光層７を形成することが可能となる。
【００６２】
以上のようなＩｎ組成が大きくかつ良好な結晶性を有するＧａＩｎＮ発光層７を有する半導体レーザ素子１００においては、長波長の発光を得ることが可能となる。
【００６３】
なお、上記のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５は、全体が非単結晶状態のＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎからなる多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層から構成されているが、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層の構造はこれに限定されるものではない。
【００６４】
例えば、Ｉｎ組成が段階的に増加する多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層の多層構造であってもよい。一例としてｎ−ＧａＮコンタクト層側から厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ、厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ0.8Ｉｎ0.2Ｎ、厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ、厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ、厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｎの５層構造であってもよい。
【００６５】
あるいは、ｎ−ＧａＮコンタクト層側からｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層側へ、徐々に（連続的に）多結晶ＧａＩｎＮのＩｎ組成が増加する構造であってもよい。一例として多結晶ＧａＮからＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎへ徐々に（連続的に）Ｉｎ組成が増加する構造であってもよい。
【００６６】
本発明の第２の実施の形態における半導体レーザ素子は、図１のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の代わりに図７に示す構造を有するｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０が形成された点を除いて第１の半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００６７】
図７に示すように、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０は、膜厚５０ｎｍ程度の非単結晶状態のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなる多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａと、膜厚５０ｎｍ程度の単結晶状態のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなる単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂとが交互に積層されてなる。例えばこの場合においては、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａと単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂとが１０周期で積層されている。
【００６８】
このように、本実施の形態のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０は、全体が非単結晶状態のＧａＩｎＮからなる第１の実施の形態のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５とは異なり、一部が非単結晶状態のＧａＩｎＮから構成される。
【００６９】
本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法は、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０の形成方法のみが第１の実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法と異なる。ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０は、以下の方法により形成される。
【００７０】
ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０の形成時には、まず基板温度を６００℃に保ち、膜厚５０ｎｍのＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎを成長させる。このように成長時の基板温度を低くすることにより、多結晶状態のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなる多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層が２０ａが形成される。
【００７１】
次に、基板温度を８８０℃に保ち、膜厚５０ｎｍ程度のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎを成長させる。このように成長時の基板温度を高くすることにより、単結晶状態のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなる単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層が２０ｂが形成される。
【００７２】
以上のような多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａの形成工程および単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂの形成工程を交互にそれぞれ１０回繰り返して行う。それにより、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａと単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂとが１０周期積層されてなる膜厚１μｍのｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０が形成される。
【００７３】
上記のように、ｎ−ＧａＮコンタクト層４とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６との間にｎ−ＧａＮコンタクト層４のＩｎ組成とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、かつ、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａを含むｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０を設けることにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の格子定数と、ｎ―ＧａＩｎＮ第１クラッド層６の格子定数またはＧａＩｎＮ発光層７の格子定数との差により発生する歪が緩和される。この場合、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の膜厚を１μｍと大きくしても、クラックが発生しない。それにより、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５上に良好な結晶性を有するＩｎ組成の大きいｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６およびＧａＩｎＮ発光層７を形成することが可能となる。
【００７４】
以上のようなＩｎ組成が大きくかつ良好な結晶性を有するＧａＩｎＮ発光層７を有する半導体レーザ素子１００においては、長波長の発光を得ることが可能となる。
【００７５】
なお、上記のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０は、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａと単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂとがこの順で積層されているが、積層の順序はこれに限定されるものではない。単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂと多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａとがこの順で積層されたｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層を形成した場合においても、上記と同様の効果が得られる。
【００７６】
本発明の第３の実施の形態における半導体レーザ素子は、図１のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の代わりに、図８に示すｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１が形成された点を除いて第１の実施の形態の半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００７７】
図８に示すように、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１は、ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成された複数のストライプ状の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａとこの多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａの間で露出したｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成された単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂとから構成される。
【００７８】
この場合、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａは、膜厚１μｍ程度の多結晶状態のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなる。また、単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂは、膜厚１μｍ程度の単結晶状態のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなる。
【００７９】
このように、第３の実施の形態においては、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１は、一部が非単結晶状態のＧａＩｎＮから構成される。
【００８０】
このような第３の実施の形態の半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１の形成方法のみが第１の実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法と異なる。ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１は、以下の方法により形成される。
【００８１】
ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１の形成時には、まず基板温度を６００℃に保ち、ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に膜厚１μｍ程度のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎを成長させる。このように成長時の基板温度を低くすることにより、多結晶状態のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなる多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａがｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成される。
【００８２】
次に、メタルマスクおよびＥＢ蒸着法とを用いて上記の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ２１ａの所定領域上に、例えば幅２０μｍ程度のストライプ形状で厚さが３〜５μｍのＷ（タングステン）を蒸着する。このＷをマスクとして用いて、例えばＣＦ4をエッチングガスとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりマスクが形成されていない領域の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ２１ａをエッチングし、ｎ−ＧａＮコンタクト層４を露出させる。このようにして、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の所定領域上に、ストライプ形状を有する複数の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａを形成する。
【００８３】
上記の後、基板温度を１１５０℃に保ち、ストライプ状の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａ間で露出したｎ−ＧａＮコンタクト層４上に、膜厚１μｍ程度のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎを選択的に成長させる。このように成長時の基板温度を高くすることにより、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａ間で露出したｎ−ＧａＮコンタクト層４上に全体が単結晶状態のＳｉドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎからなる単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂが形成される。
【００８４】
以上のようにして、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａと単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂとから構成されるｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１を形成する。ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１の表面がほぼ平坦となった後、マスクとして用いたＷを塩酸等を用いて除去する。
【００８５】
上記のように、ｎ−ＧａＮコンタクト層４とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６との間に、ｎ−ＧａＮコンタクト層４のＩｎ組成とｎ―ＧａＩｎＮ第１クラッド層６のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、かつ、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａを含むｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１を設けることにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の格子定数と、ｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６の格子定数またはＧａＩｎＮ発光層７の格子定数との差により発生する歪が緩和される。この場合、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の膜厚を１μｍと大きくしても、クラックが発生しない。それにより、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５上に良好な結晶性を有するＩｎ組成の大きいｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６およびＧａＩｎＮ発光層７を順に形成することが可能となる。
【００８６】
以上のようなＩｎ組成が大きくかつ良好な結晶性を有するＧａＩｎＮ発光層７の半導体レーザ素子１００においては、長波長の発光を得ることが可能となる。
【００８７】
なお、上記においては、単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂ間にストライプ状の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ２１ａが形成されたｎ―ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１を形成する場合について説明したが、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層の形状は任意の形状でもよく、例えば単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層に島状の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層が形成されてなるｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層を形成してもよい。この場合においても、上記と同様の効果が得られる。
【００８８】
また、基板の材料はサファイアに限定されるものではなく、スピネルなどの絶縁体基板、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰなどのIII −Ｖ族半導体基板、Ｓｉ、ＳｉＣなどを用いてもよい。あるいは、基板の材料は、ＭＢ２（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｎ等の金属元素）等からなるホウ素化合物基板を用いてもよい。
【００８９】
さらに、発光層およびクラッド層の材料はＧａＩｎＮに限定されるものではなく、ＩｎＮ、ＧａＩｎＴｌＮ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＡｓＮ等のＧａＮよりバンドギャップの小さい素子において上記と同様の効果が得られる。加えて、ｐ−コンタクト層は、ｐ−ＧａＮに限定されるものでなくｐ−ＧａＩｎＮを用いてもよい。
【００９０】
本発明は、第１〜第３の実施の形態の半導体レーザ素子以外に、面発光型半導体レーザ素子にも適用可能である。また、本発明は半導体レーザ素子以外の半導体素子、すなわち発光ダイオード素子等にも適用可能である。
【００９１】
なお、第１〜第３の実施の形態の半導体素子においては、基板上に先にｎ型層を形成しているが、基板上にｐ型層を先に形成してもよい。
【００９２】
また、上記の第１〜第３の実施の形態の半導体素子の各層は、上記以外の結晶成長方法でも成長が可能である。例えば、ＨＶＰＥ法（ハライド気相エピタキシャル成長法）や、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ3 、ＳｉＨ4 、Ｃｐ2Ｍｇを原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）によっても成長可能である。また、各層を構成する半導体の結晶構造はウルツ鉱型構造であってもよく、あるいは閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ素子を示す模式的な斜視図である。
【図２】  図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的な工程断面図である。
【図３】  図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的な工程断面図である。
【図４】  図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す模式的な工程断面図である。
【図５】  図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す模式的な工程断面図である。
【図６】  図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す模式的な工程断面図である。
【図７】  本発明の第２の実施の形態における半導体レーザ素子の一部を示す模式的な断面図である。
【図８】  本発明の第３の実施の形態における半導体レーザ素子の一部を示す模式的な断面図である。
【図９】  従来の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  バッファ層
３  アンドープＧａＮ層
４  ｎ−ＧａＮコンタクト層
５  ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層
６  ｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層
７  ＧａＩｎＮ発光層
８  ｐ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層
９  ｐ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層
１０  ｐ−ＧａＮキャップ層
１１  電流通路
１２  電流狭窄層
１３  ｐ電極
１４  ｎ電極
１５  絶縁膜
１００  半導体レーザ素子
【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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