(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを含みｎ型不純物をドープしたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体から成るｐ型クラッド層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体素子において、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、
窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１のキャップ層と、
Ａｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２のキャップ層とを積層し、
前記第１のキャップ層は、前記活性層よりも低濃度のｎ型不純物と前記第２のキャップ層よりも低濃度のｐ型不純物とを含み、
前記第１のキャップ層のｎ型不純物濃度は、活性層に近い側で高く、前記第２のキャップ層に近い側で低くなるように活性層から離れるに従って減少しており、前記第１のキャップ層のｐ型不純物濃度は、前記第２のキャップ層に近い側で高く、前記活性層に近い側で低くなるように第２キャップ層から離れるに従って減少していることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項２】
前記第１のキャップ層は、前記活性層に接して形成され、さらに前記第２のキャップ層は、第１のキャップ層に接して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項３】
前記第１のキャップ層におけるｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記第２のキャップ層におけるｐ型不純物の濃度が８．０×１０１８〜２．０×１０１９ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項４】
前記第１のキャップ層が、ＧａＮ層、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、及びＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）から成る群から選択された１層又はこれらの積層体から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項５】
前記第１のキャップ層がＧａＮ層から成り、膜厚が１５〜１００Åであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項６】
前記第１のキャップ層がＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）から成り、膜厚が１５〜１５０Åであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項７】
前記第１のキャップ層がＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）から成り、膜厚が１５〜５０Åであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項８】
前記第２のキャップ層の膜厚が、１５〜５００Åであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項９】
前記活性層が、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る井戸層と、ｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体から成る障壁層を交互に積層してなり、前記第１のキャップ層が前記障壁層よりも低濃度のｎ型不純物を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項１０】
前記活性層のうち最も第１のキャップ層に近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体からなる層のｎ型不純物濃度は５．０×１０１７〜１．０×１０１９ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
【請求項１１】
Ｉｎを含みｎ型不純物をドープしたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体から成るｐ型クラッド層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法であって、
前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、前記活性層よりも低濃度のｎ型不純物と前記ｐ型クラッド層よりも低濃度のｐ型不純物とを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１のキャップ層と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２のキャップ層とを積層し、
前記第１のキャップ層の膜厚を、前記活性層にドープされたｎ型不純物が前記第１のキャップ層中で示す熱拡散長と前記第２のキャップ層にドープされたｐ型不純物が前記第１のキャップ層中で示す熱拡散長との合計長以下にすることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１のキャップ層におけるｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度を１．０×１０１７ｃｍ−３以下とし、前記第２のキャップ層におけるｐ型不純物の濃度を８．０×１０１８〜２．０×１０１９ｃｍ−３とすることを特徴とする請求項１１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第１のキャップ層をＧａＮ層とし、該膜厚を１５〜１００Åとすることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１のキャップ層をＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）とし、該膜厚を１５〜１５０Åとすることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１のキャップ層をＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）とし、該膜厚を１５〜５０Åとすることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第２のキャップ層の膜厚を１５〜５００Åとすることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記活性層のうち最も第１のキャップ層に近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体からなる層のｎ型不純物濃度を５．０×１０１７〜１．０×１０１９ｃｍ−３とすることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた窒化ガリウム系化合物半導体素子に関し、特にＩｎを含む活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体を用いた窒化ガリウム系化合物半導体素子は、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる。特に、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、光ディスクシステムの光源の他、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。
【０００３】
従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子では、Ｉｎを含むｎ型活性層と、Ａｌを含むｐ型クラッド層を組み合わせたヘテロｐｎ接合を基本構成にもつ場合が多い。また、Ｉｎを含むｎ型活性層は分解し易いため、比較的高温でｐ型クラッド層を成長するときの活性層の分解を防止するために、ｎ型活性層とｐ型クラッド層の間にＡｌＧａＮから成るキャップ層を薄膜に形成する場合が多い。
【０００４】
従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の一例として、窒化物半導体レーザの模式断面図を図３に示す。図３の窒化物半導体レーザは、ＩｎＧａＮから成るＭＱＷ活性層を、ｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層で挟んだダブルへテロ構造を有している。ＥＬＯＧ成長されたＧａＮ基板１０１上に、バッファ層１０２を介して、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１０３、ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層１０４、ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０５、アンドープＧａＮ光ガイド層１０６、ＩｎＧａＮから成る量子井戸活性層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１０８、アンドープＧａＮ光ガイド層１０９、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１１０、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１が順に積層されている。また、１６２はＺｒＯ２からなる保護膜、１６４はＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜、１２０はｐ電極、１２１はｎ電極、１２２と１２３は取り出し電極である。
【０００５】
活性層１０７は、アンドープＩｎｘ１Ｇａ1-ｘ１Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜１）とＳｉドープＩｎｘ２Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造を有している。ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１０８は、活性層１０７とヘテロｐｎ接合を形成しており、電子を活性層１０７中に有効に閉じ込めてレーザの閾値を低下させる。また、ｐ型キャップ層１０８は、活性層１０７へのホールの供給の役割を果たすため、高濃度のＭｇがドープされている。ｐ型キャップ層１０８は、１５〜５００Å程度の薄膜で成長させれば良く、薄膜であればｐ型光ガイド層１０９やｐ型光クラッド層１１０よりも低温で成長させることができる。したがって、ｐ型キャップ層１０８を形成することにより、ｐ型光ガイド層１０９等を活性層の上に直接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む活性層１０７の分解を抑制することができる。
【０００６】
図３に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザにより、室温、５ｍＷの連続発振の条件で１万時間を超える寿命の達成が可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、窒化ガリウム系化合物半導体素子には、その用途を拡大するために、さらなる素子寿命の向上が求められている。特に、窒化ガリウム系化合物半導体レーザについては、素子寿命の向上が極めて重要であり、さらに、高温動作時のしきい特性向上も求められている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本件発明者は、窒化ガリウム系化合物半導体素子において、（１）ｎ型活性層に近接するｐ型キャップ層の不純物濃度が低い方が、素子寿命及び温度特性が良好となること、及び（２）ｎ型活性層とｐ型キャップ層とのｐｎ接合界面で、ｎ型及びｐ型不純物が互いに相殺し合う結果、キャリア生成に寄与しない不純物が存在することに着目し、本件発明をなすに至った。
【０００９】
上記（２）の点について、図２（ａ）を参照しながら詳細に説明する。図２（ａ）は、従来の窒化物半導体素子におけるｐ型キャップ層とｎ型活性層とのｐｎ接合界面の様子を示す模式図である。図に示すように、ｐ型キャップ層にドープされているｐ型不純物１０はホールを放出し、ｎ型活性層にドープされているｎ型不純物１２は電子を放出し、これらのホール及び電子がキャリアとなって素子電流を形成する。ところが、ｎ型活性層の上にｐ型キャップ層を成長させる際、ｐ型キャップ層中のｐ型不純物１０は熱拡散によりｎ型活性層に一部侵入し、逆に、ｎ型活性層中のｎ型不純物１２は熱拡散によりｐ型キャップ層に一部侵入する。このためｐｎ接合界面付近でｐ型不純物１０の一部とｎ型不純物１２の一部とが同じ領域内に混在することになり、ドナーとアクセプターが補償して有効なキャリア生成に寄与しなくなる。
【００１０】
そこで、本件発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子は、Ｉｎを含みｎ型不純物をドープしたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体から成るｐ型クラッド層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体素子において、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１のキャップ層と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２のキャップ層とを積層し、前記第１のキャップ層は、前記活性層よりも低濃度のｎ型不純物と前記第２のキャップ層よりも低濃度のｐ型不純物とを含み、前記第１のキャップ層のｎ型不純物濃度は、活性層に近い側で高く、前記第２のキャップ層に近い側で低くなるように活性層から離れるに従って減少しており、前記第１のキャップ層のｐ型不純物濃度は、前記第２のキャップ層に近い側で高く、前記活性層に近い側で低くなるように第２キャップ層から離れるに従って減少していることを特徴とする。
【００１１】
また好ましくは、前記第１のキャップ層は、前記活性層に接して形成され、さらに前記第２のキャップ層は、第１のキャップ層に接して形成されていることを特徴とする。さらに好ましくは、ｐ型の光ガイド層が前記第２のキャップ層に接して形成されていることを特徴とする。
【００１２】
図２（ｂ）は、本発明に係る窒化物半導体素子におけるｐ型キャップ層とｎ型活性層とのｐｎ接合界面の様子を示す模式図である。図２（ｂ）に示すように、本件発明によれば、ｎ型不純物及びｐ型不純物がいずれも低濃度に含まれている第１のキャップ層をｎ型活性層とｐ型キャップ層（＝第２のキャップ層）の間に設けたため、高濃度の不純物を含むｐ型キャップ層がｎ型活性層に直接接する場合（図２（ａ）の場合）に比べて、ドナーとアクセプタの補償を抑制することができる。したがって、補償が抑制された分だけｐ型キャップ層（＝第２のキャップ層）へのｐ型不純物のドープ量を減少することができ、素子寿命と特性温度を向上することができる。
【００１３】
最終の素子における不純物濃度は特に限定されないが、第１のキャップ層中のｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以下であり、前記第２のキャップ層におけるｐ型不純物の濃度が８．０×１０１８〜２．０×１０１９ｃｍ−３であることが好ましい。尚、本件発明において、第１のキャップ層中のｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度とは、層の厚さ方向における平均値いう。第１のキャップ層中のｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度には、他の層からの熱拡散の影響によって層の厚さ方向に濃度勾配ができている。即ち、第１のキャップ層中のｎ型不純物濃度は、活性層に近い側で高く、活性層から離れるに従って減少し、また逆に、第１のキャップ層中のｐ型不純物濃度は、第２キャップ層に近い側で高く、第２キャップ層から離れるに従って減少する。
【００１４】
また、ドナーとアクセプタの補償を効果的に抑制するために、第１のキャップ層は、ｎ型不純物及びｐ型不純物をドープせずに成長することが好ましい。不純物をドープせずに成長させた場合であっても、第１のキャップ層は、活性層からの熱拡散によりｎ型不純物と第２のキャップ層からの熱拡散によりｐ型不純物とを含むことになる。
【００１５】
不純物濃度が低い第１のキャップ層は高抵抗な層となるため、素子の駆動電圧を抑制する観点からは、第１のキャップ層が薄い方が好ましい。一方、ｐ型不純物とｎ型不純物の相殺を抑制する観点からは、第１のキャップ層が厚い方が好ましい。アクセプタとドナーの補償抑制の効果は、活性層にドープされたｎ型不純物が第１のキャップ層中で示す熱拡散長と第２のキャップ層にドープされたｐ型不純物が第１のキャップ層中で示す熱拡散長との合計長が第１のキャップ層の膜厚にほぼ等しいときに最大となる。この時、第２のキャップ層から熱拡散してきたｐ型不純物とｎ型活性層から熱拡散してきたｎ型不純物が混在する領域は理論上なくなる。ここで、ｎ型及びｐ型不純物が第１のキャップ層中で示す熱拡散長は、その不純物の第１のキャップ層への熱拡散が最も活発に起こる工程で示す値を基準とする。即ち、「ｎ型不純物が第１のキャップ層中で示す熱拡散長」とは、ｎ型不純物が第１のキャップ層の成長温度（絶対温度）において示す熱拡散長を指す。「ｐ型不純物が第１のキャップ層中で示す熱拡散長」とは、ｐ型不純物が第２のキャップ層の成長温度（絶対温度）において示す熱拡散長を指す。尚、少なくとも井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層が、その活性層がノンドープで終了している場合には、そのノンドープ層と第１のキャップ層の合計膜厚が上記熱拡散長の合計に等しいときに不純物の補償抑制効果が最大となる。たとえば、ノンドープ井戸層とｎ型不純物ドープ障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造を有する活性層が、ノンドープ井戸層で終了している場合には、井戸層と第１キャップ層の合計膜厚が上記熱拡散長の合計に等しいときに不純物の補償抑制効果が最大となる。
ここで熱拡散長Ｌとは、ｔ秒後の不純物の拡散長のことをいい、Ｌは（Ｄ・ｔ）の平方根で決まる（Ｌは理論値である）。ここでＤは拡散定数であり、Ｄ＝Ｄ０・ａ２exp（−Ｕ／ｋＴ）で表され、Ｄ０は成長初期の拡散定数、ａはその材料における格子定数、Ｕはその材料におけるポテンシャルエネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度をさす。
【００１６】
第１のキャップ層には、例えば、ＧａＮ層、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、及びＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）を用いることができ、また、これらの２種以上を積層したものを用いることができる。ＧａＮ層は、活性層中のＩｎ解離の抑制に効果的であり、かつ、結晶性が良い層を形成し易い点で好ましい。ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層は、厚膜に形成してもＶｆの上昇がなく、結晶性良く積める点で好ましい。ＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）は、活性層のＩｎの解離の抑制に最も効果的である点で好ましい。
【００１７】
前述の通り、第１のキャップ層の好ましい膜厚は、ｎ型及びｐ型不純物が第１のキャップ層中で示す熱拡散長に依存するため、第１のキャップ層の組成によっても変化する。例えば、第１のキャップ層がＧａＮ層から成る場合には、第１のキャップ層の膜厚は１５〜１００Å（より好ましくは５０〜８０Å）であることが望ましい。第１のキャップ層がＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）から成る場合には、膜厚１５〜１５０Å（より好ましくは８５〜１１５Å）が望ましい。第１のキャップ層がＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）から成る場合には、膜厚１５〜５０Å（より好ましくは２０〜５０Å）が望ましい。
【００１８】
一方、第２のキャップ層の膜厚は、低温で結晶性の良い膜を得るために、１５〜５００Åであることが好ましい。
【００１９】
活性層は、Ｉｎを含みｎ型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体であれば良く、バルク、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれでも良い。中でも、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る井戸層と、ｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体から成る障壁層を交互に積層してなる量子井戸構造の活性層を有することが好ましいが、その場合には、第１のキャップ層が障壁層よりも低濃度のｎ型不純物を含むようにする。
【００２０】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ等が挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｓｎである。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。
【００２１】
尚、本明細書において、アンドープとは、窒化物半導体成長時に、ドーパントとなるｐ型不純物、ｎ型不純物などを添加しない状態で成長させることを指し、例えば有機金属気相成長法において反応容器内に前記ドーパントとなる不純物を供給しない状態で成長させることを指す。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子には、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶である窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いることができ、これらの一部を、Ｂ、Ｐで置換した混晶でもよい。
ここでは、窒化ガリウム系化合物半導体素子の一例として、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを例に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザを示す断面図である。図１の窒化物半導体レーザは、ＩｎａＧａ1-ａＮ（０≦ａ＜１）から成る活性層１０７が、ｎ型ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）層１０３〜１０６（各層毎にｂの値は異なる）と、ｐ型ＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜１）層１０８〜１１１（各層毎にｃの値は異なる）によって挟まれており、いわゆるダブルへテロ構造が形成されている。
【００２４】
活性層１０７は、Ｉｎｘ１Ｇａ1-ｘ１Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜１）とＩｎｘ２Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造（多重量子井戸構造）を有している。井戸層はアンドープで形成されている一方、全ての障壁層にはＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物がドープされている。障壁層にｎ型不純物がドープされていることにより、活性層中の初期電子濃度が大きくなって井戸層への電子注入効率が高くなり、レーザの発光効率が向上する。活性層１０７は、井戸層で終わっても良く、障壁層で終わっても良い。活性層１０７には、蒸気圧の高いＩｎＮが比較的多量に混晶されているため、分解し易く、他の層よりも低温（約９００℃）で成長される。
【００２５】
キャップ層１０８は、アンドープで成長された第１のキャップ層１０８ａと、高濃度のＭｇをドープして成長された第２のキャップ層１０８ｂの２層によって構成されている。
【００２６】
第１のキャップ層１０８ａは、ｎ型活性層１０７の障壁層にドープされたＳｉと第２のキャップ層１０８ｂにドープされたＭｇとの補償を防止する役割を果たしており、例えば、ＧａＮ層、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、ＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）、又はこれら２種以上の積層体をアンドープで成長させたものである。第１のキャップ層１０８ａの膜厚は、約１５Å以上で、活性層１０７にドープされたＳｉが第１のキャップ層１０８ａ中で示す熱拡散長と第２のキャップ層１０８ｂにドープされたＭｇが第１のキャップ層１０８ａ中で示す熱拡散長との合計長以下である。ここで、Ｓｉ及びＭｇが第１のキャップ層１０８ａ中で示す熱拡散長Ｌは前述の式で表すことができる。これにより、ｎ型活性層１０７から熱拡散したＳｉと次に成長する第２のキャップ層１０８ｂから熱拡散するＭｇとの混在が防止される。
【００２７】
第１のキャップ層１０８ａをＧａＮ層、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、ＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）のうち、２種以上の積層体をアンドープで成長させたものとしても良い。その場合、第１のキャップ層全体の好ましい膜厚は、その積層体の構成としてInGaN／GaN、InGaN／AlGaN、InGaN／GaN／AlGaNの組み合わせを採用する場合は１５〜１５０Åであり、GaN／AlGaNの組み合わせを採用する場合は１５〜１００Åである。これにより、第１のキャップ層を単一の層で設けた場合と同様に、不純物の補償抑制効果の大きい窒化物半導体レーザ素子が得られる。尚、２種以上の窒化ガリウム系化合物半導体を積層して第１のキャップ層１０８ａを構成する場合、第１のキャップ層１０８ａに含まれる各層のバンドギャップが活性層側からｐクラッド層側に向かって順次大きくなるようにすることが好ましい。
【００２８】
ｎ型活性層１０７から第１のキャップ層１０８ａに拡散したＳｉは、第１のキャップ層１０８ａ中で、ｎ型活性層１０７との界面から第２のキャップ層１０８ｂとの界面に向かってしだいに濃度が低くなる。逆に、第２のキャップ層１０８ｂから第１のキャップ層１０８ａに拡散したＭｇは、第１のキャップ層中で、第２のキャップ層１０８ｂとの界面からｎ型活性層１０７との界面に向かってしだいに濃度が低くなる。ｎ型活性層１０７及び第２のキャップ層１０８ｂからの熱拡散により第１のキャップ層１０８ａに含まれるＭｇ及びＳｉは、各々１．０×１０１７ｃｍ−３以下である。尚、第１のキャップ層１０８ａを成長させるときに、ＳｉやＭｇ等の不純物を低濃度で（活性層及び第２キャップ層からの熱拡散後の最終的な濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下となるような低濃度で）ドープしながら成長させても良い。第１のキャップ層１０８ａは、ｎ型及びｐ型不純物の両方をほぼ同量だけ含むため、結果的にｉ型となっている。
【００２９】
第１のキャップ層１０８ａは、活性層１０７中のＩｎ解離を抑制するために、活性層１０７とほぼ同じ温度（約９００℃）で成長させることが好ましい。活性層１０７よりも低温で成長させると活性層１０７からＩｎが拡散されてくる恐れがあり、活性層１０７よりも高温で成長させると活性層中のＩｎが解離し易くなる。
【００３０】
一方、第２のキャップ層１０８ｂは、活性層１０７へのホール供給と活性層への電子閉じ込めの役割を担っており、例えば、ＡｌｚＧａ1-ｚＮ層（０＜ｚ＜１、より好ましくは０．１＜ｚ＜０．５）にｐ型不純物としてＭｇが８．０×１０１８〜２．０×１０１９ｃｍ−３の濃度にドープされて成る。第２のキャップ層１０８ｂは、結晶性の良好な薄膜を得るために１０００℃以上の高温で成長させることが好ましい。第２のキャップ層１０８ｂにドープされたＭｇは下地層に向かって熱拡散するが、第１のキャップ層１０８ａがあるためｎ型活性層１０７から拡散してきたＳｉと殆ど混合しない。したがって、第２のキャップ層１０８にドープされたほぼ全てのＭｇが有効なキャリア生成に寄与することになり、ｎ型活性層の上に直接形成された従来のｐ型キャップ層に比べて、より少ないＭｇドープ量で同等のレーザ発振を得ることができる。
【００３１】
また活性層のうち最も第１のキャップ層に近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体からなる層のｎ型不純物濃度は５．０×１０１７〜１．０×１０１９ｃｍ−３であることが好ましい。
【００３２】
以下、図１に示す窒化物半導体レーザについて、構造の詳細について説明する。基板１０１としては、ＧａＮを用いることが好ましいが、窒化物半導体と異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層が結晶性よく成長するため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【００３３】
異種基板を用いる場合には、バッファ層（低温成長層）と窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）からなる下地層を介して素子構造を形成すると、窒化物半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に設ける下地層（成長基板）として、その他に、ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜された層などがある。その他の形態では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜される層でもよい。
【００３４】
基板１０１上には、バッファ層１０２を介して、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層１０３、クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０５、及びｎ型光ガイド層１０６が形成されている。ｎ型クラッド層１０５を除く他の層は、素子によっては省略することもできる。ｎ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。また、各層は、ｎ型不純物をドープしながら成長させてｎ型としても良いし、アンドープで成長させてｎ型としても良い。
【００３５】
ｎ型窒化物半導体層１０３〜１０６の上には、活性層１０７が形成されている。活性層１０７は、前述の通り、Ｉｎｘ１Ｇａ1-ｘ１Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜１）とＩｎｘ２Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造を有している。井戸層は、アンドープで形成されており、全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物が好ましくは１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープして形成されている。
【００３６】
活性層１０７の上には、第１のキャップ層１０８ａ、第２のキャップ層１０８ｂが形成されている。前述の通り、第１のキャップ層１０８ａは、アンドープで形成されているが、下地となっている活性層１０７からの拡散によってＳｉ等のｎ型不純物を含んでおり、次に成長させる第２のキャップ層１０８ｂからの拡散によってＭｇ等のｐ型不純物を含んでいる。したがって、第１のキャップ層１０８ａ中のｎ型不純物濃度は活性層１０７よりも低く、第１のキャップ層１０８ａ中のｐ型不純物濃度は第２のキャップ層１０８ｂよりも低くなり、いずれも１×１０１７ｃｍ−３以下となる。
【００３７】
第２のキャップ層１０８ｂは、ｐ型クラッド層１１０よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導体から成り、好ましくはＡｌｚＧａ1-ｚＮ（０．１＜ｚ＜０．５）なる組成を有する。また、Ｍｇ等のｐ型不純物が８×１０１８〜２×１０１９ｃｍ-３の濃度でドープされている。
【００３８】
第２のキャップ層１０８ｂの上に、ｐ型光ガイド層１０９、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタクト層１１１が形成されている。ｐ型クラッド層１１０を除く他の層は、素子によっては省略することもできる。これらのｐ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。また、各層は、ｐ型不純物をドープしながら成長させてｐ型としても良いし、隣接する他の層からｐ型不純物を拡散させてｐ型としても良い。
【００３９】
これら第１のキャップ層と第２のキャップ層は活性層に対して、活性層から離れるにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように形成する（オフセットをとる）のが好ましい。すなわち第１のキャップ層が活性層（活性層が多重量子井戸構造である場合は井戸層）よりもバンドギャップエネルギーが大きい層で形成され、さらに第２のキャップ層が第１のキャップ層よりもバンドギャップエネルギーが大きい層とする。このような構成とすることで、最も効率よく電子の閉じ込めがなされ、キャリアのオーバーフローを抑えることができる。この好ましい形態としては、活性層の内、第１のキャップ層に隣接する層がＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）で、第１のキャップ層がＧａＮ層で、第２のキャップ層がＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）の形態か、もしくは、活性層の内、第１のキャップ層に隣接する層がＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）で、第１のキャップ層がＧａＮ層とＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）が順に形成された層で、第２のキャップ層がＡｌｚＧａ1-ｚＮ層（ｙ＜ｚ、０＜ｚ＜１）の形態か挙げられ、この２つの形態は特に結晶性が活性層に近い程良く、さらにレーザ素子としての寿命を長くすることができる。
【００４０】
ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層は、とくにレーザ素子、端面発光素子においては、光ガイド層が設けられた構造を有し、この光ガイド層によって、導波路が設けられた構造となる。ｐ側の光ガイド層は、第２のキャップ層とｐ側クラッド層の間に形成され、好ましくは第２のキャップ層に接して形成される。この光ガイド層は活性層内の井戸層よりも大きなバンドギャップエネルギーとし、また活性層と光ガイド層との屈折率差を小さくすることで、良好な導波路が設けられる。超格子構造でも単一膜で形成しても構わない。単一膜で形成することで、超格子とする場合と比べて、電流が流れやすくなり、Ｖｆを下げることができる。その際、単一膜の膜厚は、少なくとも量子効果がない程度の膜厚で、好ましくは障壁層、第１のキャップ層、第２のキャップ層のいずれよりも大きい膜厚で、より好ましくは３００Å以上の膜厚で形成することが好ましい。
【００４１】
ｐ型窒化物半導体層のうち、ｐ型光ガイド層１０９の途中までリッジストライプが形成され、さらに、保護膜１６１、１６２、ｐ型電極１２０、ｎ型電極１２１、ｐパット電極１２２、及びｎパット電極１２３が形成されて半導体レーザが構成されている。
【００４２】
【実施例】
以下、実施例として、図１に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザについて説明する。なお、実施例１〜７のいずれの実施例も、第１のキャップ層はアンドープで成長させているが、最終のレーザ素子として第１キャップ層に存在するｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以下となる。
［実施例１］
（基板１０１）
基板として、異種基板に成長させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを厚膜（１００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０μｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。基板の詳しい形成方法は、以下の通りである。２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マスク開口部（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（ＥＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体層を、さらに厚膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去して、窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時のマスクは、ＳｉＯ2からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）幅５μｍとする。
【００４３】
（バッファ層１０２）
窒化物半導体基板の上に、温度を１０１５℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＡｌＧａＮのｎ型コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。
【００４４】
（ｎ型コンタクト層１０３）
次に得られたバッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０１５℃でＳｉドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００４５】
（クラック防止層１０４）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を９００℃にしてＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００４６】
（ｎ型クラッド層１０５）
次に、温度を１０１５℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【００４７】
（ｎ型光ガイド層１０６）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００４８】
（活性層１０７）
次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を４０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とする。活性層１０７は、総膜厚約５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００４９】
（第１のキャップ層１０８ａ）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを７５Åの膜厚で成長させる。
【００５０】
（第２のキャップ層１０８ｂ）
次に、温度を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させる。
【００５１】
（ｐ型光ガイド層１０９）
次に、温度を１０００℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１０９等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ3となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。
【００５２】
（ｐ型クラッド層１１０）
続いて、１０００℃でアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１０を成長させる。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１１０は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１１０を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低くなる。
【００５３】
（ｐ型コンタクト層１１１）
最後に、１０００℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層１１１はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１１は電極を形成する層であるので、１×１０17／cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０17／cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００５４】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ2よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ2が最適である。
【００５５】
次に上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜１６１の上に所定の形状のマスクをかけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ4ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりストライプ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。この時、リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、ｐ型コンタクト層１１１、およびｐ型クラッド層１０９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングして、形成する。
【００５６】
次に、リッジストライプ形成後、第１の保護膜１６１の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜１６１の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層１０９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【００５７】
第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６００℃で熱処理する。このようにＳｉＯ2以外の材料を第２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することにより、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えることがさらに望ましい。
【００５８】
次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜１６１をリフトオフ法により除去する。このことにより、ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第１の保護膜１６１が除去されて、ｐ型コンタクト層が露出される。以上のようにして、図１に示すように、リッジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成される。
【００５９】
このように、ｐ型コンタクト層１１２の上に設けられた第１の保護膜１６１が、除去された後、図１に示すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるストライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で形成する。
【００６０】
次に、ｎ電極を形成するためにエッチングして露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面（反射面側）にもＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜が設けられる。
【００６１】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（1 1- 0 0）など）でバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍである。
【００６２】
室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約２０００時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上する。
【００６３】
［実施例２］
第１のキャップ層１０８ａを除いて実施例１と同様にして窒化物ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。第１のキャップ層１０８ａを、温度９００℃で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用いてアンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎとして約３５Åの膜厚で成長させる。この窒化ガリウム系化合物半導体レーザも、実施例１と同様の寿命と特性温度を示す。
【００６４】
［実施例３］
第１のキャップ層１０８ａを除いて実施例１と同様にして窒化物ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。第１のキャップ層１０８ａを、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎとして約１００Åの膜厚で成長させる。この窒化ガリウム系化合物半導体レーザも、実施例１と同様の寿命と特性温度を示す。
【００６５】
［実施例４］
活性層１０７の最終層を約４０Å厚の井戸層とし、第１のキャップ層１０８ａの厚さを約６０Åとする他は、実施例３と同様にして窒化物ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。この窒化ガリウム系化合物半導体レーザも、実施例１と同様の寿命と特性温度を示す。
【００６６】
［実施例５］
活性層１０７、第１のキャップ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させるほかは実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
（活性層１０７）
次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、最終層のみＳｉのドープ量を１×１０１８／ｃｍ３とする。活性層１０７は、総膜厚５６０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００６７】
（第１のキャップ層１０８ａ）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
【００６８】
（第２のキャップ層１０８ｂ）
次に、温度を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させる。
これにより得られるレーザ素子は室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約３５００時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上する。
【００６９】
［実施例６］
第１のキャップ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させるほかは実施例５と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
【００７０】
（第１のキャップ層１０８ａ）
９００℃で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
【００７１】
（第２のキャップ層１０８ｂ）
次に、温度を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させる。
これにより得られるレーザ素子は室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約３０００時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上する。
【００７２】
［実施例７］
活性層１０７、第１のキャップ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させるほかは実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
（活性層１０７）
次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、Ｓｉのドープ量を１×１０１８／ｃｍ３のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層（膜厚が１００Å）、アンドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層（膜厚が５０Å）の２層が順に積層されたそうとする。活性層１０７は、総膜厚５７０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００７３】
（第１のキャップ層１０８ａ）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
【００７４】
（第２のキャップ層１０８ｂ）
次に、温度を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させる。
これにより得られるレーザ素子は室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約２８００時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上する。
【００７５】
［変形例１］
次に変形例として活性層１０７、第１のキャップ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させる。ほかの構成は実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
（活性層１０７）
次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、最終層のみアンドープとする。活性層１０７は、総膜厚５６０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００７６】
（第１のキャップ層１０８ａ）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
【００７７】
（第２のキャップ層１０８ｂ）
次に、温度を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させる。
このレーザ素子においては、第１のキャップ層１０８ａに最も近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体からなる層は、アンドープの障壁層とアンドープの井戸層を間に介したＳｉドープの障壁層となり、ｎ型不純物を添加した層とｐ型不純物を添加した層との間のアンドープの層の総膜厚は２４０Åとなる。
これにより得られるレーザ素子は、全ての実施例と比べて寿命は短くなるが、比較例１〜３と比べて寿命は長くなる。
【００７８】
［比較例１］
第１のキャップ層１０８ａを形成せずに、活性層１０７の上に直接第２のキャップ層１０８ｂを形成する他は、実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。室温においてしきい値４．０ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約１０００時間となり、特性温度は、約２００Ｋとなる。
【００７９】
［比較例２］
第１のキャップ層１０８ａを形成せずに、活性層１０７の上に直接第２のキャップ層１０８ｂを以下のようにして形成する他は、実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
（第２のキャップ層１０８ｂ）
【００８０】
次に、温度を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１．０×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させる。
室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約１０００時間となり、特性温度は、約２００Ｋとなる。
【００８１】
［比較例３］
第１のキャップ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させるほかは実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
【００８２】
（第１のキャップ層１０８ａ）
９００℃で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１．０×１０１９／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
【００８３】
（第２のキャップ層１０８ｂ）
次に、温度を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させる。
【００８４】
これにより得られるレーザ素子は、第１キャップ層のｐ型不純物が第２キャップ層と比べて多いことから、寿命が短くなり、６０℃、５ｍＷの連続発振において約８００時間となり、また第２キャップ層のｐ型不純物が第１キャップ層と比べて少ないことから、実施例１と比べてＶｆが高くなる。
【００８５】
【発明の効果】
本件発明によれば、Ｉｎを含む活性層の上に形成するｐ型キャップ層を、不純物濃度が低い（好ましくはノンドープの）第１のキャップ層と、ｐ型不純物をドープした第２のキャップ層との２層により構成することにより、活性層とｐ型キャップ層の界面付近で起こるドナーとアクセプタの補償を抑制できるため、ｐ型キャップ層のｐ型不純物濃度を減少して、長寿命で温度特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の一実施形態を説明する模式断面図である。
【図２】  図２（ａ）及び（ｂ）は、従来（図２（ａ））及び本発明（図２（ｂ））に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の活性層とｐ型キャップ層の界面付近の様子を示す模式図である。
【図３】  図３は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の一例を示す模式断面図である。
【符号の簡単な説明】
１０１  基板（ＧａＮ基板）、
１０２  バッファ層、
１０３  ｎ型コンタクト層、
１０４  クラック防止層、
１０５  ｎ型クラッド層、
１０６  ｎ型光ガイド層、
１０７  活性層、
１０８ａ  第１のキャップ層、
１０８ｂ  第２のキャップ層、
１０９  ｐ型光ガイド層、
１１０  ｐ型クラッド層、
１１１  ｐ型コンタクト層。
【図１】
0004032803.tif 000002
【図２】
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【図３】
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