(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ側の窒化物半導体層と、ｐ側の窒化物半導体層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、
前記活性層の井戸層はアンドープであり、前記障壁層にｎ型不純物がドープされておりかつ、ｐ側の窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わり、最後の障壁層には、隣接したｐ型不純物を含む層からの不純物拡散によるｐ型不純物が含まれ、
前記ｐ側の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にＡｌを含む窒化物半導体若しくはＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層を有し、前記第３の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側に単一膜厚が１００オングストローム以下のＡｌを含む窒化物半導体と、単一膜厚が１００オングストローム以下のＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）からなる窒化物半導体とが積層された超格子からなる第４の窒化物半導体を有し、
前記多重量子井戸構造の全井戸層数が２であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
ｎ側の窒化物半導体層と、ｐ側の窒化物半導体層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、前記多重量子井戸構造は、ｐ側の窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わっており、少なくとも最後の井戸層がアンドープで、最後の障壁層にｎ型不純物がドープされ、さらに最後の障壁層には、隣接したｐ型不純物を含む層からの不純物拡散によるｐ型不純物が含まれ、
前記ｐ側の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にＡｌを含む窒化物半導体若しくはＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層を有し、前記第３の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側に単一膜厚が１００オングストローム以下のＡｌを含む窒化物半導体と、単一膜厚が１００オングストローム以下のＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）からなる窒化物半導体とが積層された超格子からなる第４の窒化物半導体層を有し、
前記多重量子井戸構造の全井戸層数が２であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記最後の障壁層に隣接するｐ型不純物を含む層は、活性層の障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＭｇドープのＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記１００オングストローム以下のＡｌを含む窒化物半導体はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）からなることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体素子はレーザ素子であって、前記ｐ型不純物を含む層よりもバンドギャップエネルギーの小さい層は、導波路領域を形成する層であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記ｐ側の超格子からなる窒化物半導体層のＡｌ含有量が、活性層に接近するにつれて少なくなるようにされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記ｐ側の超格子からなる窒化物半導体層には、その層の導電型を決定する不純物がドープされており、その不純物が活性層に接近するにつれて少なくなるよう調整されていることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記ｎ側の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にＩｎを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層を有し、さらに第１の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にＡｌを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子、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窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして、既にフルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源で実用化されている。これらのＬＥＤ素子は基本的に、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造の活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、２０ｍＡにおいて、発光波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤで５ｍＷ、外部量子効率９．１％、５２０ｎｍの緑色ＬＥＤで３ｍＷ、外部量子効率６．３％と非常に優れた特性を示す。
【０００３】
また、我々は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571,Part2,No.12A,1 December 1997）。基本的な構造としては、サファイア基板上に、部分的に形成されたＳｉＯ２膜を介して選択成長されたＧａＮよりなる窒化物半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層が複数積層されてなる。（詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１万時間以上の連続発振が推定されたのは、出力で２ｍＷである。２ｍＷでは読み取り用光源としては若干もの足りず、書き込み用光源ではこの１０倍以上の出力が必要であり、さらなるレーザ素子の出力向上と長寿命化が望まれている。
【０００５】
レーザ素子の発振閾値が低下すれば、レーザ素子の発熱量が小さくなるので、電流値を多くして出力を上げることができる。さらに、閾値が低下すると言うことは、レーザ素子だけでなくＬＥＤ、ＳＬＤ等、他の窒化物半導体素子にも適用でき、高効率で信頼性の高い素子を提供できる。従って本発明の目的とするところは、主としてレーザ素子の出力の向上と、発振閾値を低下させて素子の長寿命化を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体素子は主として２種類の態様より成り、第１の態様は、ｎ側の窒化物半導体層と、ｐ側の窒化物半導体層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、前記活性層の井戸層はアンドープであり、前記障壁層にｎ型不純物がドープされておりかつ、ｐ側の窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わり、最後の障壁層には、隣接したｐ型不純物を含む層からの不純物拡散によるｐ型不純物が含まれ、前記ｐ側の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にＡｌを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層を有し、さらに第３の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側に単一膜厚が１００オングストローム以下のＡｌを含む窒化物半導体層と、単一膜厚が１００オングストローム以下のＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）からなる窒化物半導体とが積層された超格子からなる第４の窒化物半導体層を有し、前記多重量子井戸構造の全井戸層数が２であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２の態様は、ｎ側の窒化物半導体層と、ｐ側の窒化物半導体層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、前記多重量子井戸構造は、ｐ側の窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わっており、少なくとも最後の井戸層がアンドープで、最後の障壁層にｎ型不純物がドープされ、さらに最後の障壁層には、隣接したｐ型不純物を含む層からの不純物拡散によるｐ型不純物が含まれ、前記ｐ側の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にＡｌを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層を有し、さらに第３の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側に単一膜厚が１００オングストローム以下のＡｌを含む窒化物半導体層と、単一膜厚が１００オングストローム以下のＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）からなる窒化物半導体とが積層された超格子からなる第４の窒化物半導体層を有し、前記多重量子井戸構造の全井戸層数が２であることを特徴とする。本発明においてｎ側の窒化物半導体とは活性層を挟んで、一方の窒化物半導体層に少なくともｎ型窒化物半導体層を含む半導体層側を指し、ｐ側の窒化物半導体とは、活性層を挟んでｎ側の窒化物半導体と反対側にある窒化物半導体を指すものとする。なお、本発明の第１及び第２の態様において、多重量子井戸構造は井戸層から始まる方が閾値が低下しやすい傾向にある。
【０００８】
本発明の第１、及び第２の態様において、アンドープ（undope）とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば、原料に含まれる不純物の混入、反応装置内のコンタミネーションによる不純物の混入、および意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない不純物拡散により、不純物が混入した層も本発明ではアンドープと定義する（実質的なアンドープ）。
【０００９】
本発明の第１、及び第２の態様において、前記ｎ型の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にＩｎを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層を有し、さらに第１の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にＡｌを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする。第１の窒化物半導体層は活性層に接していても、いなくても良いが、接して形成されていることが望ましい。
【００１０】
さらに、前記ｐ側の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にＡｌを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層を有し、さらに第３の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にＡｌを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第４の窒化物半導体層を有することを特徴とする。同様に第３の窒化物半導体層も活性層に接していても、いなくても良いが、接して形成されることが望ましい。
【００１１】
また本発明の第１、及び第２の態様では、ｎ側、又はｐ側の窒化物半導体層の内の少なくとも一方には、Ａｌを含む窒化物半導体を含む超格子からなる第５の窒化物半導体層を有し、その第５の窒化物半導体層のＡｌ含有量が、活性層に接近するにつれて少なくなるようにされていることを特徴とする。これは超格子をＧＲＩＮ構造（gradient index waveguide）とすることを意味する。
【００１２】
前記第５の窒化物半導体層には、その層の導電型を決定する不純物がドープされており、その不純物が活性層に接近するにつれて少なくなるように調整されていることを特徴とする。
【００１３】
前記障壁層にはｐ型不純物が不純物拡散により含まれていることを特徴とする。不純物拡散とは例えば隣接、近接（必ずしも接していなくても良い）したｐ型不純物を含む層の成長中、あるいは成長後、その層から障壁層にｐ型不純物が拡散して混入した状態を指す。一例として不純物拡散によりｐ型不純物が含まれる場合、その層にはｐ型不純物の濃度勾配がついていることが多い。拡散により混入する不純物としてはＭｇ、Ｂｅ、Ｃａのような窒化物半導体にドープされてｐ型となることが確認されている不純物であることが多い。またｎ型不純物よりも少量であることが多い。
【００１４】
また本発明では、多重量子井戸構造の全井戸層数が２であることを特徴とする。井戸数を２とすると最も閾値が低下しやすい。即ちｎ側から、障壁＋井戸＋障壁＋井戸＋障壁、井戸＋障壁＋井戸＋障壁、井戸＋障壁＋井戸（但し、井戸で終わる構成は第１の態様のみに適用）を積層した多重量子井戸構造とすることが最も好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、基本構成としては、ＧａＮ基板２０の上に、ｎ側コンタクト層２１、クラック防止層（省略可能）２２、ｎ側クラッド層２３、ｎ側光ガイド層２４、多重量子井戸構造の活性層２５、ｐ側キャップ層２６、ｐ側ガイド層２７、ｐ側クラッド層２８、ｐ側コンタクト層２９とが順に積層された構造を有し、ｐ側コンタクト層２９からｎ側コンタクト層２１までがエッチングされ、ストライプ状の導波路領域を有する屈折率導波型のレーザ素子を示している。
【００１６】
多重量子井戸構造よりなる活性層２５において、井戸層は少なくともＩｎを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜X＜１）とする。一方、障壁層は通常、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体を選択し、好ましくはＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Y＜１、X＞Y）若しくはＡｌＺＧａ１−ＺＮ（０＜Z＜０．５）とする。但し井戸層、障壁層をＩｎＡｌＮとすることも可能である。井戸層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下に調整する。１００オングストロームよりも厚いと、出力が低下する傾向にある。障壁層の膜厚は特に限定しないが、通常は井戸層と同じか、若しくは井戸層よりも厚く形成し、２００オングストローム以下、好ましくは１５０オングストローム以下、最も好ましくは１００オングストローム以下にする。また障壁層の膜厚を井戸層よりも薄くしてもよい。
【００１７】
本発明の第１の態様では、活性層２５の井戸層をアンドープ（意図的に不純物をドープしない状態）として、障壁層にｎ型不純物のみがドープされる。障壁層にｎ型不純物がドープされると井戸層のキャリア濃度が大きくなるため、閾値が低下する。逆に障壁層に意図してｐ型不純物をドープすると低下しにくい傾向にある。そのため、障壁層にはｎ型不純物のみをドープすることが望ましい。さらにまた、障壁層にｎ型不純物をドープすると井戸層のキャリア濃度が大きくなるため、歪みによるピエゾ効果の量子シュタルク効果による電子と正孔の空間的分離がスクリーニングされて、閾値が低下すると推察される。逆に井戸層に不純物をドープすると結晶性が悪くなって、キャリアの散乱が大きくなり、閾値が高くなる傾向にある。なお本発明の第１の態様では、多重量子井戸構造は、ｐ側の窒化物半導体層に接近した側が障壁層で終わっても井戸層で終わっても良いが、第２の態様のように障壁層で終わることが望ましい。
【００１８】
一方、第２の態様では、活性層２５がｐ側窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わっており、少なくとも最後の井戸層がアンドープで、最後の障壁層にｎ型不純物がドープされている。即ち、井戸＋障壁＋井戸＋障壁、若しくは障壁＋井戸＋障壁＋井戸＋障壁となるようにｎ側の窒化物半導体から積層して行き、最後の井戸層をアンドープとし、そして最後の障壁層にｎ型不純物をドープする。それ以外の井戸層、障壁層には不純物をドープしても、しなくても良く、不純物ドープについては特に問わない。好ましくは第１の態様のように、障壁層にｎ型不純物をドープして、井戸層はアンドープとすることが望ましい。第２の態様においては多重量子井戸構造は井戸層で終わるよりも、障壁層で終わった方が閾値が低下しやすい傾向にあり、さらに最後の井戸層をアンドープ、障壁層にｎ型不純物をドープすると、さらに閾値が低下する。この理由は定かではないが、窒化物半導体の場合、ホールの有効質量が大きく、活性層に注入されたホールはｐ層側に局在しており、ｐ層側の井戸層のみで発光すると考えられる。従ってｎ層側に接近した井戸層は発光にあまり寄与しておらず、ｐ層側に接近した井戸層の方が発光に寄与する率が高い。このためｐ層側に最も接近した井戸層をアンドープとして、障壁層にｎ型不純物をドープすると最も効率が向上すると推察される。
【００１９】
障壁層にドープするｎ型不純物にはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のIV族、若しくはVI族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを用いる。ｎ型不純物のドープ量は５×１０１６／cm３〜５×１０２１／cm３、好ましくは１×１０１７／cm３〜１×１０２０／cm３、さらに好ましくは１×１０１８／cm３〜１×１０１９／cm３の範囲に調整する。５×１０１６／cm３よりも少ないと閾値があまり低下せず、一方、５×１０２１／cm３よりも多いと障壁層の結晶性が悪くなって、寿命が短くなる。
【００２０】
また本発明の第１、及び第２の態様では、活性層２５に接近した側にＩｎを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層を有し、さらに第１の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にＡｌを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第２の窒化物半導体層を有している。図１の場合、ｎ側光ガイド層２４が第１の窒化物半導体層に相当する。この層を設けることにより、例えばレーザ素子では導波路領域を形成する層として作用し、また他の素子においては、活性層を成長させる前のバッファ層として作用し、結晶性の良い活性層を成長させやすくする。
【００２１】
さらに図１の場合、超格子より成るｎ側クラッド層２３が第２の窒化物半導体層に相当する。この層はキャリア閉じ込め、光閉じ込めのためのクラッド層として作用する。超格子とは、互いに組成の異なる窒化物半導体の薄膜を積層した多層膜層のことである。超格子を形成する場合、一方の窒化物半導体はＡｌを含む窒化物半導体、好ましくは三元混晶のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X＜１）とすると結晶性の良いものが得られやすい。もう一方は前記Ａｌを含む窒化物半導体と組成が異なればどのようなものでもよいが、好ましくはその窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体として、ＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Y≦１）を選択する。その中でもＧａＮとすると最も結晶性が良くなる。即ち、超格子層はＡｌＧａＮとＧａＮとで構成すると、結晶性の良いＧａＮがバッファ層のような作用をして、ＡｌＧａＮを結晶性良く成長できる。超格子層の単一膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下にする。このように薄膜を成長させることにより窒化物半導体が弾性臨界膜厚以下となるために、ＡｌＧａＮのような結晶中にクラックの入りやすい結晶でも、クラックが入ることなく膜質良く成長できる。また超格子層にはＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等を形成することもできる。
【００２２】
また本発明の第１、及び第２の態様では、活性層２５に接近した側にＡｌを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層を有し、さらに第３の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にＡｌを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第４の窒化物半導体層を有している。図１の場合、ｐ側キャップ層２６、若しくはｐ側光ガイド層２７が第３の窒化物半導体層に相当し、超格子よりなるｐ側クラッド層２８が第４の窒化物半導体に相当する。ｐ側キャップ層２６は活性層の障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体として、その膜厚を０．１μｍよりも薄くすることにより、出力が向上する傾向にある。またｐ側光ガイド層２７は、ｐ側キャップ層よりもバンドギャップエネルギーを小さくすることにより、例えばレーザ素子では導波路領域を形成する層として作用し、また他の素子においては、ｐ側クラッド層２８を成長させる前のバッファ層として作用し、結晶性の良いクラッド層を成長させやすくする。
【００２３】
さらに図１の場合、超格子より成るｐ側クラッド層２８が第４の窒化物半導体層に相当する。この層の作用、好ましい構成はｎ側クラッド層と全く同じであるので説明は省略する。
【００２４】
さらに、本発明ではｎ側クラッド層２３、ｐ側クラッド層２９を超格子のＧＲＩＮ構造とすることもできる。ＧＲＩＮ構造とすると、活性層の発光はＡｌ組成の少ない領域で導波されて、縦モードが単一モードになりやすくなって閾値が低下する。一般にダブルへテロ構造のクラッド層は、活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きくする必要があるので、窒化物半導体素子のクラッド層には、例えばＡｌＧａＮのような、Ａｌを含有する窒化物半導体が用いられる。さらにＧＲＩＮ構造とすると、Ａｌ混晶比の大きい層は最外層、つまり活性層から最も離れた層だけで良く、活性層に接近するに従って、Ａｌ混晶比が小さくなっているため、最外層にＡｌ混晶比の大きい層を形成しやすくなる。そのため、クラッド層と活性層との屈折率差を大きくできるので、光閉じ込め効果が大きくなって、閾値が低下する。また屈折率が中心（活性層）から外側に向かって徐々に小さくなっているＧＲＩＮ構造では、光が中心に集まりやすくなるため閾値が低下する。なおｎ側クラッド層をＧＲＩＮ構造とする場合には、クラッド層の活性層側が導波路領域を形成するので、ｎ側光ガイド層２４、ｐ側光ガイド層２８は省略しても良い。
【００２５】
さらにまたｎ側クラッド層２３、ｐ側クラッド層２８を超格子のＧＲＩＮ構造とする場合、そのクラッド層に含まれるｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度の少なくとも一方を活性層に接近するに従って、少なくなるように調整することが望ましい。不純物はＡｌを含む第１の窒化物半導体層、もう一方の窒化物半導体層に両方ドープしても良いが、好ましくはいずれか一方にドープすることが望ましい。これは変調ドープと呼ばれるもので、超格子層のいずれか一方の層に不純物をドープすることにより、超格子層全体の結晶性が良くなり、これも信頼性の高い素子を実現するのに効果的である。つまり、不純物をドープしない結晶性の良い層の上に不純物をドープした層を成長させると、不純物をドープした層の結晶性が向上するため、超格子層全体としての結晶性が良くなることによる。ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎを好ましく用いる。ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｂｅ、Ｃａを好ましく用いる。このようにクラッド層を超格子として、その超格子に含まれるドナー、アクセプター濃度を次第に小さくすると、クラッド層による活性層近傍の光吸収が少なくなるので、光損失が低下して閾値が低下する。さらに不純物濃度の少ない窒化物半導体、不純物濃度の大きい窒化物半導体に比較して結晶性がよい。そのため不純物濃度の少ない結晶性の良いｎ、ｐ両クラッド層で活性層を挟んだ構造とすると、結晶欠陥の少ない活性層が成長できるために、素子の寿命も長くなり、信頼性が向上すると共に、素子の耐圧も高くなる。
【００２６】
ＧＲＩＮ構造の場合、不純物濃度としてはｎ型不純物の場合、ｎ側クラッド層の最外層で１×１０１７〜５×１０２０／cm３、好ましくは５×１０１７〜１×１０２０／cm３の範囲に調整する。また活性層近傍、例えば超格子層の低不純部濃度領域０．３μｍ以下では、１×１０１９／cm３以下、さらに好ましくは５×１０１８／cm３以下に調整する。一方、ｐ型不純物の場合、ｐ側クラッド層の最外層で１×１０１７〜５×１０２１／cm３、好ましくは５×１０１７〜１×１０２１／cm３の範囲に調整する。また活性層近傍、例えば超格子層の低不純部濃度領域０．３μｍ以下では、１×１０１９／cm３以下、さらに好ましくは５×１０１８／cm３以下に調整する。最外層の不純物濃度よりもむしろ、低不純物濃度層の方が重要であり、活性層に接近した側の不純物濃度が１×１０１９／cm３よりも多いと、光吸収が多くなり、閾値が低下しにくくなる傾向にある。また、不純物濃度を多くしたことによる結晶性の低下により、寿命が短くなる傾向にある。最も好ましくは不純物を意図的にドープしない状態、即ちアンドープとする。
【００２７】
【実施例】
［実施例１］（第１の態様、第２の態様）
以下、図１を元に本発明を詳説するが、実施例１は第１、第２両方の態様を示している。
【００２８】
（ＧａＮ基板２０）
２インチφのサファイアよりなる異種基板の上に成長させたＧａＮの上に、ストライプ状のＳｉＯ２からなる保護膜を形成し、このストライプ状の保護膜の上にＭＯＶＰＥ法を用いてアンドープＧａＮ層を１０μｍの膜厚で成長させ、その後ＨＶＰＥ法により同じくアンドープＧａＮ層を３００μｍの膜厚で成長させる。成長後、サファイア基板と、保護膜、ＭＯＶＰＥで成長させたＧａＮ層を研磨して除去し、ＴＥＭによる断面観察で表面近傍の結晶欠陥が１×１０５／cm２以下のＧａＮ基板２０を得る。研磨の他、サファイアとＧａＮ基板とを分離する手段として、研磨したサファイ基板裏面側から高出力のエキシマレーザを、スポット１００μｍφ程度の大きさで照射して走査することにより、ＧａＮの界面のＧａＮを変質させて分離する方法があるが、この方法を用いても良い。
【００２９】
（ｎ側コンタクト層２１）
次にＧａＮ基板（研磨側と反対側の面）の上に、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層５を４μｍの膜厚で成長させる。なおｎ側コンタクト層２１〜ｐ側コンタクト層２９までは全てＭＯＶＰＥ法で積層成長している。
【００３０】
（クラック防止層２２）
次に、Ｓｉを５×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるクラック防止層２２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。
【００３１】
（ｎ側クラッド層２３＝超格子層）
続いて、アンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０１８／cm３ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層２３を成長させる。このように超格子は、一方をＡｌを含む窒化物半導体で構成し、もう一方はそれよりもバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体で構成し、いずれか一方の層に不純物をドープするいわゆる変調ドープを行うことが望ましい。
【００３２】
（ｎ側光ガイド層２４）
続いて、アンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２４を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２４にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等のｎ型不純物をドープしても良い。
【００３３】
（活性層２５）
次に、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、Ｓｉを５×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。このように井戸＋障壁＋井戸＋障壁の順に積層し、総膜厚２８０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。なおこの活性層の最後の障壁層には、隣接するｐ側キャップ層から拡散したのか、Ｍｇが１×１０１８／cm３含まれていた。
【００３４】
（ｐ側キャップ層２６）
次に、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層２６を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層は０．１μｍ以下の膜厚で形成することにより素子の出力が向上する傾向にある。膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。このキャップ層も省略可能である。
【００３５】
（ｐ側光ガイド層２７）
次にＭｇを５×１０１６／cm３ドープしたＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２７を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００３６】
（ｐ側クラッド層２８）
続いて、アンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＭｇを１×１０１９／cm３ドープしたＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、それらを交互に積層し、総膜厚０．７μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層２８を成長させる。
【００３７】
（ｐ側コンタクト層２９）
最後に、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２９を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３８】
このようにして成長させたウェーハをＭＯＶＰＥ反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面に、ＣＶＤ装置を用いてＳｉＯ２よりなるストライプ幅１．５μｍのマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いて図１に示すように、ｎ側コンタクト層２１の表面が露出するまでエッチングを行う。そして露出したｎ側コンタクト層２１の表面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極３２を形成する。
【００３９】
ｎ電極形成後、ｐ側コンタクト層２９の表面にＳｉＯ２マスクをつけたまま、ｎ電極の表面に同じくＳｉＯ２マスクを形成し、図１に示すようにエッチングされて露出したストライプ状の窒化物半導体層の側面にＺｒＯ２よりなる絶縁膜３０を形成する。
【００４０】
絶縁膜３０形成後、リフトオフ法によりＳｉＯ２マスクを除去した後、その絶縁膜３０を介してｐ側コンタクト層２９の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極３１を形成する。
【００４１】
電極形成後、ＧａＮ基板をＭ面（１１−００）で劈開して対向する劈開面を共振面としてレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度１．２ｋＡ／cm２で連続発振を示し、２０ｍＷ出力において２０００時間以上の連続発振を示した。
【００４２】
さらに、このレーザ素子の活性層２５において、井戸層の数を変えた際のレーザ素子の閾値電流密度の関係を図２に示す。図２において、井戸層の数１は単一量子井戸を示しており、後は井戸層を障壁層で挟んだ多重量子井戸構造を示している。この図に示すように井戸層の数と、閾値電流密度とは密接な関係にあり、井戸層の数２が最も閾値電流密度が低下することが分かる。
【００４３】
［実施例２］（第２の態様）
実施例１において活性層２５を成長させる際にＳｉを５×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、Ｓｉを１×１０18ドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてＳｉドープ障壁＋Ｓｉドープ井戸＋Ｓｉドープ障壁を積層した後、最後の井戸層をアンドープとし、続いて最後のＳｉドープ障壁層を成長させ、総膜厚３８０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とする。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１に比較して若干、閾値電流密度は上昇したが、同じく２０ｍＷ出力において、２０００時間以上の寿命を示した。
【００４４】
［実施例３］
図３は本発明の実施例３に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に、実施例３について説明する。
【００４５】
（ＧａＮ基板２０’）
２インチφのサファイアよりなる異種基板の上に成長させたＧａＮの上に、ストライプ状のＳｉＯ２からなる保護膜を形成し、このストライプ状の保護膜の上にＭＯＶＰＥ法を用いてアンドープＧａＮ層を１０μｍの膜厚で成長させ、その後ＨＶＰＥ法によりＳｉを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮ層を３００μｍの膜厚で成長させる。成長後、サファイア基板と、保護膜、アンドープＧａＮ層を研磨して除去し、ＳｉをドープしたＧａＮ基板を得る。
【００４６】
（クラック防止層２２）
次に、実施例１と同様にして、Ｓｉを５×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるクラック防止層２２を０．２μｍの膜厚で成長させる。
【００４７】
（ｎ側クラッド層２３’＝超格子ＧＲＩＮ構造）
次に１回目にＳｉを５×１０１８／cm３ドープしたＧａＮ層を２５オングストローム成長させ、続いてアンドープＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして２回目に、Ｓｉ含有ガスの量を若干少なくしてＧａＮ層を２５オングストローム成長させ、続いてＡｌ含有ガスの量を若干少なくして、アンドープで、およそＡｌ０．２９Ｇａ０．７１Ｎ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。Ａｌ０．２９Ｇａ０．７１Ｎの混晶比は正確な値ではない。３回目以降は、ＧａＮ層の先に成長させたＧａＮよりもＳｉガス量をさらに少なくして、ＳｉドープＧａＮ層を成長させて、続いて先に成長させたＡｌＧａＮよりもＡｌ含有量がさらに少ないアンドープＡｌＧａＮ層を成長させる。このようにして、Ｓｉの含有量が活性層に接近するに従って、徐々に少なくなって行くＳｉドープＧａＮ層と、アンドープＡｌＸＧａ１−ＸＮ層とを合わせて１．２μｍ（２４０ペア）成長させた後、Ｓｉ含有ガスを止め、アンドープＧａＮ層を２５オングストローム、先に成長させたＡｌＧａＮよりもさらにＡｌ含有量が少ないアンドープＡｌＧａＮを２５オングストローム成長させる。そしてＡｌＧａＮの組成のみを変化させながら、０．１μｍ（２０ペア）の膜厚で最後がアンドープＧａＮと、アンドープＧａＮとになるように成長させることにより、Ａｌ含有量が次第に少なくなって行くＡｌＧａＮと、Ｓｉ含有量が次第に少なくなって行くＧａＮとからなる超格子構造のｎ側クラッド層２３’を１．３μｍの膜厚で成長させる。なお、ｎ型不純物量はＧａＮの方で調整したが、ＡｌＧａＮ層の方で調整することもできる。またＡｌＧａＮのＡｌ組成比は細分化して次第に少なくなるように調整したが、例えば、３段階ぐらいで大まかにステップ状に小さくすることもでき、本発明の範囲内である。
【００４８】
（活性層２５）
実施例１と同様にして、４０オングストロームのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層と、１００オングストロームのＳｉを５×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層とを、井戸＋障壁＋井戸＋障壁の順に積層した総膜厚２８０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。また活性層２５とｎ側クラッド層２３’との間に実施例１と同様にしてｎ側光ガイド層を形成しても良い。
【００４９】
（ｐ側クラッド層２８’）
次に１回目にアンドープＧａＮ層を２５オングストローム成長させ、続いてＡｌ含有ガスをわずかに流してＡｌを極微量含有したＡｌＧａＮ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして２回目に、同じくアンドープＧａＮを２５オングストローム成長させ、続いてＡｌ含有ガスの量を若干多くしてＡｌＧａＮを２５オングストローム成長させる。３回目以降は、先に成長させたＡｌＧａＮよりもＡｌ含有量が若干多いアンドープＡｌＧａＮ層を成長させる。このようにして、アンドープＧａＮ層２５オングストロームと、Ａｌ含有量が若干ではあるが次第に多くなって行くアンドープＡｌＧａＮ層２５オングストロームとを交互に積層し、５００オングストローム（１０ペア）成長させる。１０ペア成長後、続いて、Ｍｇ含有ガスをわずかに流して、Ｍｇを極微量ドープしたＭｇドープＧａＮ層を２５オングストローム成長させ、続いて先に成長させたアンドープＡｌＧａＮ層よりもＡｌ含有量が多いＡｌＧａＮ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次に、活性層から離れるに従って、Ｍｇの量が徐々に多くなって行くＭｇドープＧａＮ層２５オングストロームと、同じく活性層から離れるに従ってＡｌの量が次第に多くなって行くアンドープＡｌＸＧａ１−ＸＮ層２５オングストロームとを交互に積層して、最後にＭｇを８×１０１９／cm３ドープしたＧａＮ層を成長させ、その次にアンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を成長させ、合計で０．７５μｍ（１５０ペア）成長させる。このようにして、活性層から離れるに従って、Ｍｇ含有量が次第に多くなって行くＧａＮ層と、Ａｌ含有量が次第に多くなって行くＡｌＧａＮ層とからなる超格子構造のｐ側クラッド層１０を０．８μｍの膜厚で成長させる。同様に、ｐ型不純物量はＧａＮの方で調整したが、ＡｌＧａＮ層の方で調整することもできる。またＡｌＧａＮのＡｌ組成比は細分化して次第に大きくなるように調整したが、例えば、３段階ぐらいで大まかにステップ状に大きくすることもでき、本発明の範囲内である。また、活性層２５とｐ側クラッド層２８’との間に、実施例１と同様にして、ｐ側キャップ層２６、ｐ側光ガイド層２７を形成しても良い。
【００５０】
（ｐ側コンタクト層２９）
次に、実施例１と同様にして、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２９を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５１】
このようにして成長させたウェーハをＭＯＶＰＥ反応容器から取り出し、ＣＶＤ装置を用いてＳｉＯ２よりなるストライプ幅１．５μｍのマスクを形成し、ＲＩＥにより、図３に示すように、ＧａＮ基板２０’の表面が露出するまでエッチングを行う。そして、ｐ側コンタクト層２９の表面にＳｉＯ２マスクをつけたまま、ｎ電極の表面に同じくＳｉＯ２マスクを形成し、図１に示すようにエッチングされて露出したストライプ状の窒化物半導体層の側面にＺｒＯ２よりなる絶縁膜３０を形成する。
【００５２】
絶縁膜３０形成後、図３に示すようにＧａＮ基板２０’の裏面にＴｉ／Ａｌより成るｎ電極３２を形成し、ＧａＮ基板をＭ面（１１−００＝六角柱の側面に相当する面）で劈開して対向する劈開面を共振面としてレーザ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。なお図１のレーザ素子も図３と同じくｎ電極をＧａＮ基板裏面側に設ける構造とできることは言うまでもない。
【００５３】
［実施例４］
実施例３において、ｎ側クラッド層２３’成長時に超格子構造のＧａＮ層全てにＳｉを１×１０１８／cm３ドープする。また、ｐ側クラッド層２８’成長時に超格子構造のＧａＮ層全てにＭｇを１×１０１９／cm３ドープする他は同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例３に比較して閾値電流密度は若干上昇したが、同じく２０ｍＷ出力において、２０００時間以上の寿命を示した。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１の態様、第２の態様では活性層の井戸層をアンドープとして、障壁層にのみｎ型不純物をドープするか、少なくともｐ層側の最後の井戸層をアンドープ、障壁層にｎ型不純物をドープすることにより、閾値電流密度が低く、長寿命なレーザ素子を作製することができる。このような多重量子井戸構造を有する活性層はレーザ素子だけでなく、ＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオードのような発光素子、太陽電池、光センサー等の
受光素子にも適用でき、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例に係るレーザ素子構造を示す模式断面図。
【図２】  活性層の井戸層の数と、レーザ素子の閾値電流密度との関係を示す図。
【図３】  本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造をし示す模式断面図。
【符号の説明】
２０、２０’・・・ＧａＮ基板
２１・・・ｎ側コンタクト層
２２・・・クラック防止層
２３、２３’・・・ｎ側クラッド層
２４・・・ｎ側光ガイド層
２５・・・活性層
２６・・・ｐ側キャップ層
２７・・・ｐ側光ガイド層
２８、２８’・・・ｐ側クラッド層
２９・・・ｐ側コンタクト層
３０・・・絶縁膜
３１・・・ｐ電極
３２・・・ｎ電極
【図１】
0004254373.tif 000002
【図２】
0004254373.tif 000003
【図３】
0004254373.tif 000004