(57)【要約】【課題】均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現でき、しかも量産性に優れた半導体発光素子およびその製造方法を提供する提供する。【解決手段】半導体レーザダイオード１０は、［In x Ga 1-xN（０＜x＜１）］からなる活性層１６を有し、緑色域等の長波長の可視域で発光するエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層１６に格子整合するZnO層１３を用い、ZnO層１３をエピタキシャル成長させるのにa面サファイア基板１１Ａを用いる。優れた結晶面のZnO層１３が得られる。ZnO層１３の格子定数は、Inの組成比を発光波長が480nm以上となるように設定した活性層１６の格子定数に近い。このため、活性層１６のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離やピエゾ電界の影響が抑制され、緑色域等の長波長の可視域で、高い発光効率での発光が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板と、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と、サファイア基板と前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層との間のバッファ層と、前記バッファ層上に形成された下部コンタクト層と、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層と、前記活性層又は前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層および下部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された上部コンタクト層とを備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記バッファ層は、前記サファイア基板の面方位のうちc面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載した半導体発光素子。
【請求項３】
前記バッファ層は、前記サファイア基板の面方位のうちa面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載した半導体発光素子。
【請求項４】
前記バッファ層が酸化マグネシウム(MgO)であることを特徴とする請求項１および２に記載した半導体発光素子。
【請求項５】
前記バッファ層が酸化亜鉛(ZnO)であることを特徴とする請求項１および３に記載した半導体発光素子。
【請求項６】
前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層との間にＧａＮまたはＩｎＮからなり、膜厚が1ML以上、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層に対して臨界膜厚以下のGaNからなる擬似格子整合層を備えたことを特徴とする請求項１から６に記載した半導体発光素子。
【請求項７】
前記擬似格子整合層は、膜厚が1ML以上、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層した超格子層からなることを特徴とする請求項１に記載した半導体発光素子。
【請求項８】
前記活性層のインジウム（In）の組成比は、20％以上とされていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
サファイア基板上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層上に酸化亜鉛（ZnO）系エピ層を形成するZnO層形成工程と、前記ZnO層上に下部コンタクト層を形成する下部コンタクト層形成工程と、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層又は活性層の少なくとも一方に格子整合されたクラッド層を形成する下部クラッド層形成工程と、前記クラッド層上に窒化ガリウムインジウム［Inx Ga1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層を形成する活性層形成工程と、前記基板と前記活性層との間に擬似格子整合層を形成する擬似格子整合層形成工程と、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層又は活性層の少なくとも一方に格子整合されたクラッド層を前記活性層上に形成する上部クラッド層形成工程と、前記上部クラッド層上にコンタクト層を形成する上部コンタクト層形成工程とを備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記サファイア基板の面方位はｃ面であり、前記バッファ層は酸化マグネシウム(MgO)であることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記サファイア基板の面方位はａ面であり、前記バッファ層は酸化亜鉛(ZnO)であることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記擬似格子整合層の形成工程は、ＧａＮまたはＩｎＮからなる前記擬似格子整合層を、1ML以上、ZnO層に対して臨界膜厚以下の膜厚に形成することを特徴とする、請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関し、特に青色よりも長波長の可視域の光（発光波長が４８０nm以上の光）を出力することが可能な半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、青色発光（発光波長４８０ｎｍ以下）の半導体発光素子としてInGaN を用いた半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、このInGaN などの窒化物半導体の活性層を用いた半導体発光素子でより長波長の緑色発光（発光波長が４８０nm以上の光）を得るためには、Inの組成比を大きくすることにより、活性層の禁制帯幅を狭くすることが考えられる。
【特許文献１】特開平０６−０６１５２７号公報
【特許文献２】特開平２００１−４４５００号公報
【非特許文献１】Kato et al, Appl. Phys. Lett, Vol. 84, No 22, 31 May 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、InGaN を用いた半導体発光素子でより長波長の緑色発光（発光波長が４８０nm以上の光）を得るためにInの組成比を大きくすると、相分離が生じ、均一なIn組成を有する活性層を得ることが困難となり、発光効率が低下する。
【０００５】
また、結晶構造に起因してピエゾ電界が発生すると、発光再結合確率が低下し、さらに発光効率が低下してしまうという問題点が生じる。また、基板との格子定数が大きく異なるために貫通転位が多量に存在し、発光効率の低下や良好な信頼性が得られないという問題がある。
【０００６】
これらを抑制するために、InGaNの活性層に格子整合する（格子定数の近い）エピ層を使うことが考えられる。そのエピ層を成長するには、基板が必要となるが、その候補として、サファイア基板がある。
【０００７】
c面サファイア基板を用いて直接ZnOエピ層を成長すると、30°回転したドメインが形成されるために、これを抑制するためにMgOバッファ層を挿入することが効果的であることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
また、結晶性の優れたZnO系化合物結晶層が得られ、素子の特性を向上させた半導体発光素子などのZnO系化合物を用いる素子を実現する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。この従来技術では、a面サファイア基板を用いると、サファイア基板のc軸方向と直角方向にZnO系化合物層が成長するため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、c軸長(12.991Å)に沿ってZnO系化合物のa軸長(3.25Å)の4個分の結晶が並び、結晶の整合度が0.07%程度と非常によくなり、優れた結晶面が得られるものと考えられる。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現でき、しかも量産性に優れた半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る半導体発光素子は、サファイア基板と、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と、サファイア基板と前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層との間のバッファ層と、前記バッファ層上に形成された下部コンタクト層と、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層と、前記活性層又は前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層および下部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された上部コンタクト層とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、［In x Ga 1-xN（０＜x＜１）］からなる活性層を有し、緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハを備えている。このエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層に格子整合する酸化亜鉛（ZnO）系エピ層を使っている。酸化亜鉛（ZnO）系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてサファイア基板を用いている。
【００１２】
ZnOの単位格子ｃに対応する格子定数（＝５．１９５５Å）は、窒化ガリウムGaNの単位格子ｃに対応する格子定数（＝５．１８６Å）と窒化インジウムInNの単位格子cに対応する格子定数（＝５．７６Å）との間の値を有しており、In組成２０％程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに非常に近い値を有している。
【００１３】
このため、活性層のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、InGaN 系の活性層のバンドギャップエネルギーは、2.2eV程度となり、緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で、高い発光効率での発光が可能となる。
【００１４】
また、サファイア基板と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層との間に、バッファ層が形成されているので、これによっても貫通転位が抑制され、InGaN 系の活性層の結晶性が良くなり、発光効率が向上する。
【００１５】
従って、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。しかも、サファイア基板は、サイズの大きいものを用意にかつ安価に入手できるので、サファイア基板を用いて量産性に優れた半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記バッファ層は、前記サファイア基板の面方位のうちc面上に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層に格子整合する酸化亜鉛（ZnO）系エピ層を使っている。この酸化亜鉛（ZnO）系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてｃ面(0001) を主面とするサファイア基板を用いている。また、ZnOの単位格子ｃに対応する格子定数（＝５．１９５５Å）はIn組成２０％程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに非常に近い値を有している。このため、活性層のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、緑色域等の長波長の可視域で、高い発光効率での発光が可能となる。
【００１８】
請求項３に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記バッファ層は、前記サファイア基板の面方位のうちa面上に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層に格子整合する酸化亜鉛（ZnO）系エピ層を使っている。この酸化亜鉛（ZnO）系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてa面(11−20)を主面とするサファイア基板を用いている。サファイア基板のa面(11−20)上に、ZnOからなるバッファ層と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層を順に成長させているため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、優れた結晶面のバッファ層と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層が得られる。また、ZnOの単位格子ｃに対応する格子定数（＝５．１９５５Å）はIn組成２０％程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに非常に近い値を有している。このため、活性層のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、緑色域等の長波長の可視域で、高い発光効率での発光が可能となる。
【００２０】
請求項４に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記バッファ層が酸化マグネシウム(MgO)であることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、ｃ面(0001) を主面とするサファイア基板と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層の間に、MgOからなる バッファ層を挿入してあるため、30°回転したドメインが形成されるのが抑制される。つまり、ZnOのａ軸がサファイアのａ軸に対して30°回転して成長されるのが抑制される。これにより、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてｃ面サファイア基板を用いる場合でも、活性層の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。
【００２２】
従って、ｃ面サファイア基板を用いる場合でも、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子で発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記バッファ層が酸化亜鉛(ZnO)であることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、サファイア基板のa面(11−20)上に、酸化亜鉛(ZnO)からなるバッファ層と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層を順に成長させているため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、優れた結晶面のZnOバッファ層と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層が得られる。これにより、活性層の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。
【００２５】
請求項６に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層との間にＧａＮまたはＩｎＮからなり、膜厚が1ML以上、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層に対して臨界膜厚以下のGaNからなる擬似格子整合層を備えたことを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間に擬似格子整合層が形成されているので、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間にある酸化物層/窒化物層間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。また、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間に擬似格子整合層を形成することで、擬似格子整合層が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い（発光強度の強い）半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００２７】
請求項７に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記擬似格子整合層は、膜厚が1ML以上、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層した超格子層からなることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間に超格子層からなる擬似格子整合層が形成されているので、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間にある酸化物層/窒化物層間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。また、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間に超格子層からなる擬似格子整合層を形成することで、擬似格子整合層が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い（発光強度の強い）半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００２９】
請求項８に記載の発明に係る半導体発光素子は、前記活性層のインジウム（In）の組成比は、20％以上とされていることを特徴とする。
【００３０】
請求項９に記載の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、サファイア基板上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層上に酸化亜鉛（ZnO）系エピ層を形成するZnO層形成工程と、前記ZnO層上に下部コンタクト層を形成する下部コンタクト層形成工程と、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層又は活性層の少なくとも一方に格子整合されたクラッド層を形成する下部クラッド層形成工程と、前記クラッド層上に窒化ガリウムインジウム［Inx Ga1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層を形成する活性層形成工程と、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と前記活性層との間に擬似格子整合層を形成する擬似格子整合層形成工程と、前記酸化亜鉛（ZnO）系エピ層又は活性層の少なくとも一方に格子整合されたクラッド層を前記活性層上に形成する上部クラッド層形成工程と、前記上部クラッド層上にコンタクト層を形成する上部コンタクト層形成工程とを備えたことを特徴とする。
【００３１】
この構成によれば、活性層のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、InGaN 系の活性層のバンドギャップエネルギーは、2.2eV程度となり、緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で、高い発光効率での発光が可能となる。また、サファイア基板と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層との間に、バッファ層が形成されているので、これによっても貫通転位が抑制され、InGaN 系の活性層の結晶性が良くなり、発光効率が向上する。
【００３２】
従って、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。しかも、サファイア基板は、サイズの大きいものを用意にかつ安価に入手できるので、サファイア基板を用いて量産性に優れた半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００３３】
さらに、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間に擬似格子整合層が形成されているので、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間にある酸化物層/窒化物層間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。また、擬似格子整合層が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い（発光強度の強い）半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００３４】
請求項１０に記載の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、前記サファイア基板の面方位はｃ面であり、前記バッファ層は酸化マグネシウム(MgO)であることを特徴とする。
【００３５】
この構成によれば、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層をエピタキシャル成長させる基板としてｃ面サファイア基板を用いる場合でも、活性層の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。
【００３６】
請求項１１に記載の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、前記サファイア基板の面方位はａ面であり、前記バッファ層は酸化亜鉛(ZnO)であることを特徴とする。
【００３７】
この構成によれば、サファイア基板のa面(11−20)上に、酸化亜鉛(ZnO)からなるバッファ層と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層を順に成長させているため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、優れた結晶面のZnOバッファ層と酸化亜鉛（ZnO）系エピ層が得られる。これにより、活性層の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。
【００３８】
請求項１２に記載の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、前記擬似格子整合層の形成工程は、ＧａＮまたはＩｎＮからなる前記擬似格子整合層を、1ML以上、ZnO層に対して臨界膜厚以下の膜厚に形成することを特徴とする。
【００３９】
この構成によれば、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層と活性層の間にある酸化物層/窒化物層間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現でき、しかも量産性に優れた半導体発光素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００４２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード１０を、図１乃至図３に基づいて説明する。図１は、第１実施形態に係る半導体レーザダイオード１０の概略構成を示す断面図、図２はサファイア基板の面方位を表すユニットセル図である。図３は酸化亜鉛(ZnO)、窒化ガリウム（GaN）などの物理特性を示す説明図である。
【００４３】
半導体レーザダイオード１０は、図１に示すように、サファイア基板１１Ａと、サファイア基板１１Ａのa面(11−20)（図２参照）上に形成されたZnOからなるバッファ層１２と、バッファ層１２上に形成された酸化亜鉛（ZnO）系エピ層としてのZnO層１３と、を備えている。
【００４４】
また、半導体レーザダイオード１０は、ZnO層１３上に形成された下部コンタクト層１４と、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-xN（０＜x＜１）］からなる活性層１６と、活性層１６又は酸化亜鉛（ZnO）系エピ層としてのZnO層１３の少なくとも一方にそれぞれ格子整合された下部クラッド層１５および上部クラッド層１７と、上部クラッド層１７上に形成された上部コンタクト層１８と、を備えている。
【００４５】
緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハが、下部コンタクト層１４、下部クラッド層１５、活性層１６、上部クラッド層１７および上部コンタクト層１８により構成されている。このエピタキシャルウェハが、ZnO層１３上に形成されている。また、その半導体層の上部がリッジ構造に形成されている。
【００４６】
さらに、半導体レーザダイオード１０は、そのエピタキシャルウェハの一部をエッチングすることで一部が露出した下部コンタクト層１４の露出部上に形成された下部電極２０と、上部コンタクト層１８上に形成された上部電極２１と、パッシベーション膜１９とを備えている。
【００４７】
この半導体レーザダイオード１０では、下部コンタクト層１４および下部クラッド層１５の導電型はｎ型であり、上部クラッド層１７および上部コンタクト層１８の導電型はｐ型である。
【００４８】
バッファ層１２は、サファイア基板１１Ａと格子整合を行うために設けられた層である。このバッファ層１２は、a面(11−20)を主面とするサファイア基板１１Ａ上にZnOを低温成長させて形成されている。
【００４９】
ZnO層１３は、バッファ層１２上に、結晶性を上げるためにZnOを高温成長させて形成されている。
【００５０】
ｎ型の下部コンタクト層１４は、下部コンタクト層１４の露出部上に形成された下部電極２０とオーム性接触を実現するための層である。この下部コンタクト層１４は、酸化亜鉛マグネシウムベリリウムカドミウム［Zn 1-a-b-c Mg a Be b Cd cO（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c≦１）］（酸化物系化合物半導体層：酸化物）又は窒化アルミニウムガリウムインジウム［Al 1-p-q Ga p In q N （0≦p＜1、0≦q＜1、p＋q≦１）］（窒化物系化合物半導体層：窒化物）で構成される。例えば、下部コンタクト層１４は、酸化亜鉛マグネシウム(ZnMgO)、酸化亜鉛（ZnO）等の酸化物、あるいは、窒化ガリウムインジウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlInGaN)、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物で構成される。
【００５１】
ｎ型の下部クラッド層１５は、InGaN系活性層１６の格子定数に等しいか若しくはそれよりも小さい格子定数を有するように格子整合される格子整合系クラッド層であり、コアとして機能するInGaN系の活性層１６よりも屈折率が小さく、活性層１６内に光を安定に閉じ込めておく役割を果たしている。この下部クラッド層１６は、酸化亜鉛マグネシウムベリリウムカドミウム［Zn 1-a-b-c Mg a Be b Cd cO（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c≦１）］（酸化物）又は窒化アルミニウムガリウムインジウム［Al 1-p-q Ga p In q N （0≦p＜1、0≦q＜1、p＋q≦１）］（窒化物）で構成される。例えば、下部クラッド層１５は、酸化亜鉛マグネシウム(ZnMgO)、酸化亜鉛（ZnO）等の酸化物、あるいは、窒化ガリウムインジウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlInGaN)、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物で構成される。なお、この下部クラッド層１５は、InGaN系の活性層１６に格子整合される場合に限らず、活性層１６又はZnO層１３の少なくとも一方に格子整合される層であれば良い。
【００５２】
活性層１６は、InGaNの井戸層とInGaNの障壁層、またはInGaNの井戸層とAlInNの障壁層を積層した量子井戸構造（単一又は多重量子井戸）に形成されたInGaN系活性層である。この活性層１６において、InGaNからなる井戸層のインジウム（In）の組成比は、発光波長が480nm以上（緑色域での発光波長）となるように設定されている。具体的には、インジウム（In）の組成比は２０％以上とされている。
【００５３】
この活性層１６は、下部クラッド層１５および上部クラッド層１７に挟まれたダブルヘテロ接合構造をとっており、外部電極により順方向に電圧がかけられると、下部クラッド層１５から電子が注入され、上部クラッド層１７から正孔が注入される。この結果、活性層１６は、反転分布の状態となり、誘導放射が起こることになる。さらに活性層１６の両端面は反射鏡となって共振器を構成しており、誘導放射を繰り返すうちに光が増幅され、レーザ光として外部に放射される。そして、反射ループが平衡状態に至り、レーザ光が連続発振状態に至ることとなる。なお、活性層１６は、量子井戸構造に限らず、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］から構成される活性層であれば良い。
【００５４】
ｐ型の上部クラッド層１７は、InGaN系の活性層１６の格子定数に等しいか若しくはそれよりも小さい格子定数を有するように格子整合される格子整合系クラッド層であり、コアとして機能するInGaN系の活性層１６よりも屈折率が小さく、活性層１６内に光を安定に閉じ込めておく役割を果たしている。この上部クラッド層１７は、酸化亜鉛マグネシウムベリリウムカドミウム［Zn 1-a-b-c Mg a Be b Cd cO（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c≦１）］（酸化物）又は窒化アルミニウムガリウムインジウム［Al 1-p-q Ga p In q N （0≦p＜1、0≦q＜1、p＋q≦１）］（窒化物）で構成される。例えば、上部クラッド層１７は、酸化亜鉛マグネシウム(ZnMgO)、酸化亜鉛（ZnO）等の酸化物、あるいは、窒化ガリウムインジウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlInGaN)、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物で構成される。なお、上部クラッド層１７は、InGaN系活性層１６に格子整合される場合に限らず、活性層１６又は酸化亜鉛（ZnO）系エピ層としてのZnO層１３の少なくとも一方に格子整合される層であれば良い。
【００５５】
ｐ型の上部コンタクト層１８は、上部電極層２１とオーミック性接触を実現するための層である。パッシベーション膜２１は、保護膜として機能する。
【００５６】
下部電極２０は、例えば、Au/Ti電極で構成されている。
上部電極層２１は、例えば、Ni/AuあるいはPd/Pt/Au電極で構成されている。
【００５７】
次に、上記構成を有する半導体レーザダイオード１０を製造する方法について説明する。（工程１）
まず、a面(11−20)を主面とするサファイア基板（サファイアのウェハ）１１Ａを洗浄する。
【００５８】
この洗浄は、例えば、有機洗浄あるいは化学エッチングにより行う。有機洗浄は、ジクロロベンゼンとアセトンで超音波洗浄し、あるいはアセトンとエタノールで超音波洗浄する。化学エッチングは、H3PO4とH2SO4が1:3の割合の溶液で110℃, 30min、あるいは5% のHF溶液で、あるいはH3PO4とH2SO4が1:3の割合の溶液で160℃, 30min行う。
【００５９】
（工程２）
次に、洗浄したサファイア基板１１Ａのサーマルクリーニング処理を行う。
【００６０】
このサーマルクリーニング処理は、例えば、成長チャンバー内で真空中あるいは原子状水素照射中で、800℃の温度で30min加熱し、有機物などを除去する。あるいは、真空中で650℃の温度で、酸素中で550℃の温度で、あるいは真空中で750℃の温度で10min加熱する。
【００６１】
（工程３）
次に、サファイア基板１１Ａのa面(11−20)上にZnOからなるバッファ層１２を、RFMBE(radio-frequency molecular beam epitaxy)法により低温で成長させる（バッファ層形成工程）。この場合の条件は、例えば、成長温度Tg=400〜500℃、プラズマ電力（RF電力）P=300W、O2流量3sccm（standard cc/min）とする。高純度のZn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板表面に供給する。
【００６２】
なお、バッファ層１２の厚さは、10-200nm程度で、成長温度Tgは、250-650℃程度の低温で成長する。
【００６３】
（工程４）
次に、表面改善と格子緩和のために、高温アニールを行う。
この高温アニールは、例えば、真空中で800-1000℃、3-5min、あるいは真空中で1000℃、2h、あるいはZn照射下で750℃、10min行う。
【００６４】
（工程５）
次に、バッファ層１２上にZnO層１３を、RFMBE法により高温で成長させる（ZnO層形成工程）。この場合の条件は、例えば、成長温度Tg=800℃、プラズマ電力P=300W、O2流量3sccm、250-500nm/h、あるいはTg=650℃、プラズマ電力P=350W、O2流量1sccm、200nm/h、あるいはTg=500℃、プラズマ電力P=300W、O2流量3sccm、400nm/hとする。高純度のZn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板表面に供給する。
【００６５】
（工程６）
次に、酸素供給を停止して徐冷する。例えば、350℃まで、5-10℃/minで降温する。
この後、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層としてのZnO層１３上に、緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で発光する半導体レーザダイオード１０用のエピタキシャルウェハを、以下の工程により、RFMBE法を用いて形成する。
【００６６】
（工程７）
ZnO層１３上に下部コンタクト層１４を形成する（下部コンタクト層形成工程）。
下部コンタクト層１４形成の際の成長温度は、750℃未満とする。
【００６７】
具体的には、下部コンタクト層１４を、RFMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N2）流量１〜５sccmとする。また、下部コンタクト層１４を、Ｖ族原料としてアンモニア(NH3)を用いるGSMBE(gas source molecular beam epitaxy)法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、Tg=400〜750℃、アンモニアガス（NH3）流量を10〜100sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハに供給する。
【００６８】
また、下部コンタクト層１４を、RFMBE法により、ZnMgO、ZnO等の酸化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O2）流量１〜５sccmとする。II族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハに供給する。
【００６９】
なお、下部コンタクト層１４は、シリコン（Si）をドーピングすることにより、ｎ型の導電性を有している。
【００７０】
（工程８）
次に、下部コンタクト層１４上に、活性層１６又はZnO層１３の少なくとも一方に格子整合された下部クラッド層１５を形成する（下部クラッド層形成工程）。
【００７１】
下部クラッド層１５は、InGaNの活性層１６に比較して屈折率が低く設定されている。
【００７２】
下部クラッド層１５形成の際の成長温度は、750℃未満とする。また、下部クラッド層１５として格子整合系材料を堆積させることにより、ZnO層１３の結晶情報（面方位、格子定数など）を活性層１６に伝達し、均一なIn組成を有するInGaNの活性層１６を実現している。
【００７３】
具体的には、下部クラッド層１５を、RFMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N2）流量１〜５sccmとする。また、下部クラッド層１５を、GSMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、Tg=400〜750℃、アンモニアガス（NH3）流量を10〜100sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。
【００７４】
また、下部クラッド層１５を、RFMBE法により、ZnMgO、ZnOなどの酸化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O2）流量１〜５sccmとする。II族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。下部クラッド層１５は、シリコン（Si）をドーピングすることにより、ｎ型の導電性を有している。
【００７５】
（工程９）
次に、下部クラッド層１５上に、窒化ガリウムインジウム［Inx Ga1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層１６を形成する（活性層形成工程）。
【００７６】
この場合において、InGaN系の活性層１６の成長温度は、750℃未満とする。
具体的には、例えば、RFMBE法あるいはGSMBE法により、InGaN井戸層／InGaN障壁層またはInGaN井戸層／AlInN障壁層を堆積する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N2）流量１〜５sccmとする。GSMBE法ではTg=400〜750℃、アンモニアガス（NH3）流量を10〜100sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。
【００７７】
（工程１０）
次に、活性層１６上に、活性層１６又はZnO層１３の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層１７を形成する（上部クラッド層形成工程）。
【００７８】
上部クラッド層１７は、InGaNの活性層１６に比較して屈折率が低く設定されている。
この場合において、上部クラッド層１７形成の際の成長温度は、750℃未満とする。
【００７９】
具体的には、例えば、RFMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N2）流量１〜５sccmとする。また、上部クラッド層１７を、GSMBE法により、AlGaInN、InGaNなどの窒化物を堆積して形成する場合の条件は、Tg=400〜750℃、アンモニアガス（NH3）流量を10〜100sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。
【００８０】
また、上部クラッド層１７を、RFMBE法により、ZnMgO、ZnOなどの酸化物を堆積して形成する場合の条件は、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O2）流量１〜５sccmとする。II族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させてエピタキシャルウェハ表面に供給する。
【００８１】
ｐ型の上部クラッド層１７は、ｐ型ドーパントとしては、マグネシウムMg、ベリリウムBeや、マグネシウムMgとシリコンSiの（コドープ）などを用いる
【００８２】
（工程１１）
次に、上部クラッド層１７上に上部コンタクト層１８を形成する（上部コンタクト層形成工程）。
この場合において、上部コンタクト層１７形成の際の成長温度は、750℃未満とする。
【００８３】
具体的には、例えば、RFMBE法あるいはGSMBE法により、GaN、InGaNなどの窒化物を堆積してｐ型コンタクト層を形成する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜750℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N2）流量１〜５sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。
【００８４】
また、ｐ型ドーパントとしては、マグネシウムMg、ベリリウムBeや、マグネシウムMgとシリコンSiの（コドープ）などを用いる。
【００８５】
また、AlGaInNなどの窒化物とZnMgBeCdOなどの酸化物の堆積は、別々の成長装置を用いることが好ましく、その場合、それぞれの装置は真空配管で接続されており、堆積途中でエピタキシャルウェハが大気に触れることはない。
【００８６】
以上の手順により緑色域等の長波長の可視域レーザダイオード用のエピタキシャルウェハを高歩留まりで製造することが可能となる。
この後、以下の工程をさらに実施する。
【００８７】
（工程１２）
次に、エピタキシャルウェハの一部をエッチングして、下部コンタクト層１４の一部を露出させる。
【００８８】
（工程１３）
次に、リッジ構造を形成する。
リッジ構造は、半導体レーザの構造の一種で、光導波路(レーザ光の通り道)での光の損失を小さくできる実屈折率導波路構造を実現できる。比較的単純な構造ではあるが、レーザ光の発振状態を安定に保つためには加工技術の精密制御が必要となる。
【００８９】
具体的には、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング技術によりリッジ構造を形成することとなる。
【００９０】
（工程１４）
次に、パッシベーション膜１９を形成する。
パッシベーション膜１９は、保護層として機能しており、SiO2、ZrO2をPCVD（Plasma Chemical Vapor Deposition ）法により堆積させて形成する。
【００９１】
（工程１５）
次に、下部コンタクト層１４の露出部上に下部電極２０を形成する（下部電極形成工程）。
具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、パッシベーション膜１９を除去した後、抵抗加熱、EB（電子ビーム）あるいはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング（焼結）処理により、例えば、Au/Ti電極をｐ型上部電極層１９として形成する。この場合に、形成されたｎ型の下部電極２０は、ｎ型の下部コンタクト層１４に対してオーム性接触することとなる。
【００９２】
（工程１６）
次に、ｐ型の上部電極２１を形成する。
具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、パッシベーション膜１９を除去した後、抵抗加熱、EB（電子ビーム）あるいはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング（焼結）処理により、例えば、Ni/AuあるいはPd/Pt/Au電極をｐ型の上部電極２１として形成する。この場合に、形成されたｐ型の上部電極層２１は、ｐ型の上部コンタクト層１８に対してオーム性接触することとなる。
【００９３】
（工程１７）
次に、レーザダイオード端面形成を行う。
具体的には、ドライエッチング技術もしくは劈開によりレーザダイオード端面形成を行う。そして、形成されたレーザダイオード端面にコーティングを行って、緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で発光する半導体レーザダイオード１０の製造を完了する。
【００９４】
具体的にはAR（減反射）コーティング膜およびHR（高反射）コーティング膜をPCVD法により堆積させて形成する。  以上のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
【００９５】
○  図１に示す半導体レーザダイオード１０の主な特徴は、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層を有する素子であって、発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現するために、以下の構成を有する点にある。
【００９６】
・窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-xN（０＜x＜１）］からなる活性層１６を有し、緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で発光する半導体レーザダイオード１０用のエピタキシャルウェハを備えている。
【００９７】
・そのエピタキシャルウェハを形成するのに、活性層１６に格子整合する（格子定数の近い）酸化亜鉛（ZnO）系エピ層としてのZnO層１３を使っている。
【００９８】
・ZnO層１３をエピタキシャル成長させる基板としてa面サファイア基板１１Ａを用いる。つまり、サファイア基板１１Ａのa面(11−20)（図２参照）上にZnO層１３をエピタキシャル成長させている。
【００９９】
このような構成により、a面(11−20)を主面とするサファイア基板１１Ａ上に、ZnOからなるバッファ層１２とZnO層１３を順に成長させているため、サファイアのc軸に沿ってZnOのa軸が並んで成長する。その結果、サファイアのc軸長(13.001Å)に沿ってZnOのa軸長(3.2407Å)の4個分の結晶が並び、結晶の整合度が0.07%程度と非常によくなり、優れた結晶面のバッファ層１２とZnO層１３が得られる。これにより、活性層１６の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。
【０１００】
また、図３に示すように、ZnOの単位格子ｃに対応する格子定数（＝５．１９５５Å）は、窒化ガリウムGaNの単位格子ｃに対応する格子定数（＝５．１８６Å）と窒化インジウムInNの単位格子cに対応する格子定数（＝５．７６Å）との間の値を有しており、In組成２０％程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに非常に近い値を有している。
このように、優れた結晶面を有するZnO層１３の格子定数は、InGaNからなる井戸層のインジウム（In）の組成比を、発光波長が480nm以上（緑色域での発光波長）となるように２０％以上に設定したInGaN系の活性層１６の格子定数に近い。
【０１０１】
このため、活性層１６のInの組成比を大きくした場合に生じる相分離が抑制され、活性層１６の歪が低減されピエゾ電界の影響も抑制されると共に、基板との格子定数が大きく異なるために生じる貫通転位が抑制される。これにより、InGaN 系の活性層１６のバンドギャップエネルギーは、2.2eV程度となり、緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で、高い発光効率での発光が可能となる。
【０１０２】
従って、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層１６を有する素子であって、発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。
【０１０３】
○  サファイア基板１１Ａは、サイズの大きいものを用意にかつ安価に入手できるので、サファイア基板を用いて量産性に優れた半導体レーザダイオード１０を得ることができる。
【０１０４】
○  サファイア基板１１ＡとZnO層１３の間に、ZnOを低温成長させたバッファ層１２が形成されているので、これによっても貫通転位が抑制され、InGaN 系の活性層１６の結晶性が良くなり、発光効率が向上する。
【０１０５】
（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード１０Ａを示している。
【０１０６】
この半導体レーザダイオード１０Ａの主な特徴は、以下の構成を有する点にある。
・上記第１実施形態では、ZnO層１３をエピタキシャル成長させる基板としてa面サファイア基板１１Ａを用いているのに対して、ｃ面サファイア基板１１Ｃを用いている。つまり、サファイア基板１１Ｃのｃ面(0001)（図２参照）上にZnO層１３をエピタキシャル成長させている。
・サファイア基板１１ＣとZnO層１３の間に、MgOからなる バッファ層２２と、ZnOからなるバッファ層１２の２つのバッファ層を形成している。
その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１０７】
次に、半導体レーザダイオード１０Ａを製造する方法について説明する。
（工程１ａ）
まず、ｃ面(0001) を主面とするサファイア基板（サファイアのウェハ）１１ｃを洗浄する。
この洗浄は、上記（工程１）で説明した有機洗浄あるいは化学エッチングにより行う。
【０１０８】
（工程２ａ）
次に、洗浄したサファイア基板１１Ｃのサーマルクリーニング処理を行う。
このサーマルクリーニング処理は、上記（工程２）で説明したサーマルクリーニング処理と同様である。
【０１０９】
（工程３ａ）
次に、サファイア基板１１Ｃのｃ面(0001) 上にMgOからなるバッファ層２２を、RFMBE法により成長させる（バッファ層形成工程）。
【０１１０】
この場合の条件は、例えば、バッファ層２２の膜厚は1-20nm、成長温度Tg=600℃、プラズマ電力（RF電力）P=300W、O2流量3sccm（standard cc/min）とする。高純度のMg金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板表面に供給する。
【０１１１】
（工程３ｂ）
次に、MgOからなるバッファ層２２上に、ZnOからなるバッファ層１２をRFMBE法により低温で成長させる（バッファ層形成工程）。
【０１１２】
この場合の条件は、例えば、成長温度Tg=400〜500℃、プラズマ電力（RF電力）P=300W、O2流量3sccm（standard cc/min）とする。高純度のZn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板表面に供給する。
【０１１３】
なお、バッファ層１２の厚さは、10-200nm程度で、成長温度Tgは、250-650℃程度の低温で成長する。
この後、上記（工程４）〜（工程６）を行う。
【０１１４】
このようにして形成された酸化亜鉛（ZnO）系エピ層としてのZnO層１３上に、緑色域等の長波長の可視域（発光波長が４８０nm以上の光）で発光する半導体レーザダイオード１０Ａ用のエピタキシャルウェハを、上記（工程７）〜（工程１１）を実施して形成する。この後さらに、上記（工程１２）〜（工程１７）を実施して、半導体レーザダイオード１０Ａの製造を完了する。
【０１１５】
以上のように構成された第２実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
【０１１６】
○  ｃ面(0001) を主面とするサファイア基板１１ＣとZnO層１３の間に、MgOからなる バッファ層２２を挿入してあるため、30°回転したドメインが形成されるのが抑制される。つまり、ZnOのａ軸がサファイアのａ軸に対して30°回転して成長されるのが抑制される。これにより、ZnO層１３をエピタキシャル成長させる基板としてｃ面サファイア基板１１Ｃを用いる場合でも、活性層１６の歪が低減され、結晶性の良い活性層が得られる。
【０１１７】
従って、ｃ面サファイア基板を用いる場合でも、均一な組成分布を有する高In組成のInGaNの活性層１６を有する素子で発光波長が４８０nm以上の発光を高い発光効率で実現できる半導体レーザダイオードを得ることができる。
【０１１８】
○  MgOからなるバッファ層２２の膜厚を制御することで、ZnO層１３の極性を制御することができる。例えば、バッファ層２２の膜厚が2nm未満の場合、ZnO層１３は酸素（O）極性で成長し、その膜厚が3nm未満の場合、ZnO層１３は亜鉛（Zn）極性で成長する。
【０１１９】
なお、下部コンタクト層１４の導電型がn型の場合には、ZnO層１３の極性は酸素（O）極性と亜鉛（Zn）極性のいずれであっても良い。一方、下部コンタクト層１４の導電型がｐ型の場合には、ZnO層１３の極性は亜鉛（Zn）極性で成長させる必要がある。
【０１２０】
（第３実施形態）
図５は本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード１０Ｂを示している。
【０１２１】
この半導体レーザダイオード１０Ｂの特徴は、図１に示す上記第１実施形態に係る半導体レーザダイオード１０において、ZnO層１３とInGaN系の活性層１６の間に擬似格子整合層３０を設けている点にある。
【０１２２】
擬似格子整合層３０は、ZnOなどの酸化物層とInGaNなどの窒化物層の間に挿入される。本実施形態では、下部コンタクト層１４がInGaNなどの窒化物で構成されているので、擬似格子整合層３０がZnO層１３と下部コンタクト層１４の間に設けられている。
その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１２３】
擬似格子整合層３０は、膜厚が1ML（分子層）以上、ZnO層１３に対して臨界膜厚以のGaNからなる。ここにいう「臨界膜厚」は、下のZnO層１３に対して、その上にどれだけの膜厚の層を成長できるかを計算して求めたものである。GaNからなる擬似格整合層３０の臨界膜厚は、最大で約20nm程度である。なお、この臨界膜厚は、上にInGaNからなる活性層１６等を形成するので、擬似格子整合層３０の上に形成する層も考慮すると、GaNからなる擬似格子整合層３０の臨界膜厚は50nm程度まで厚くすることが可能である。このように、GaNからなる擬似格子整合層３０の臨界膜厚は、１ML以上、50nm以下の範囲内に設定可能であり、好ましくは、１ML以上、約20nm以下の範囲内に設定される。
【０１２４】
擬似格子整合層３０は、第１実施形態において、上記（工程５）でバッファ層１２上にZnO層１３を形成した後に形成する。このとき、750℃より低い温度、例えば500℃程度の低温でGaと窒素ラジカル(N)をZnO層１３表面に同時に供給することにより、ZnO層１３の酸素（O）極性のc面(0001)上あるいは亜鉛(Zn)極性のc面(0001)上にGaN結晶を4ML成長させて擬似格子整合層３０を形成する。
【０１２５】
GaN結晶の成長温度を低温で行うのは、ZnO層１３とGaNからなる擬似格子整合層３０との界面反応を抑制するためである。ここで、GaNを4ML成長した後にInNを1ML成長したり、InNを1ML成長した後にGaNを4ML成長したり、或いは、GaN層とInN層を交互に積層させた層を成長して、擬似格子整合層１３０を形成しても良い。
【０１２６】
ZnOとGaNとの格子定数差はa軸で1.8%程度、ZnOとInNとの格子定数差はa軸でそれぞれ8.8%程度存在するが、擬似格子整合層３０を構成するGaN層とInN層の合計の膜厚を、GaN層とInN層の平均組成をとったInGaNの臨界膜厚以下にすることにより、ZnOの格子定数を維持させることができる。ここで、擬似格子整合層３０にシリコン（Si）をドーピングすることにより、ｎ型導電性を有する擬似格子整合層３０が形成される。
【０１２７】
また、500℃程度の低温でGaN結晶を成長した後で、700-1000℃程度で30分から2時間の熱処理を施すことにより、低温で堆積されたGaN薄膜からなる擬似格子整合層３０の結晶化が進み、次第にストリークパターンが現れてくる。これにより、GaNからなる擬似格子整合層３０の上部に形成する層の結晶性を向上させることもできる。GaN結晶を成長させる温度があまりに高いとGaがZnOに拡散してGa2ZnO4が形成されてしまうので、最適な温度にする必要がある(擬似格子整合層３０の結晶化)。
【０１２８】
以上のように構成された第３実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
【０１２９】
○  ZnO層１３と下部コンタクト層１４の間に擬似格子整合層３０が形成されているので、ZnO層１３と活性層１６の間にある酸化物層/窒化物層間、つまり、酸化物層であるZnO層１３と窒化物層である下部コンタクト層１４間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層１６の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。
【０１３０】
○  ZnO層１３と活性層１６との間に擬似格子整合層３０を形成することで、擬似格子整合層３０が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い（発光強度の強い）半導体レーザダイオードを得ることができる。
【０１３１】
○  擬似格子整合層３０を、膜厚が1ML以上、ZnO層１３に対して臨界膜厚以下のGaNで構成することにより、下地のZnO層１３の格子定数を維持させたまま、上部にZnO層１３と格子整合したInGaNからなる活性層１６を成長させることにより、良好な結晶を有する活性層が得られる。
【０１３２】
（第４実施形態）
図６は本発明の第４実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード１０Ｂを示している。
【０１３３】
この半導体レーザダイオード１０Ｃの特徴は、図１に示す上記第１実施形態に係る半導体レーザダイオード１０において、ZnO層１３とInGaN系の活性層１６の間に擬似格子整合層３０を設けている点にある。
【０１３４】
本実施形態では、下部コンタクト層１４がZnMgOなどの酸化物で構成され、下部クラッド層１５がInGaNなどの窒化物で構成されているので、擬似格子整合層３１が下部コンタクト層１４と下部クラッド層１５の間に設けられている。
【０１３５】
この擬似格子整合層３１は、図５に示す擬似格子整合層３０と同様の構成である。その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１３６】
以上のように構成された第４実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
【０１３７】
○  下部コンタクト層１４と下部クラッド層１５の間に擬似格子整合層３１が形成されているので、ZnO層１３と活性層１６の間にある酸化物層/窒化物層間、つまり、酸化物層である下部コンタクト層１４と窒化物層である下部クラッド層１５間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層１６の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。
【０１３８】
○  ZnO層１３と活性層１６との間に擬似格子整合層３１を形成することで、擬似格子整合層３１が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い（発光強度の強い）半導体レーザダイオードを得ることができる。
【０１３９】
○  擬似格子整合層３１を、膜厚が1ML以上、ZnO層１３に対して臨界膜厚以下のGaNで構成することにより、下地のZnO層１３の格子定数を維持させたまま、上部にZnO層１３と格子整合したInGaNからなる活性層１６を成長させることにより、良好な結晶を有する活性層が得られる。
【０１４０】
（第５実施形態）
図７は本発明の第５実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード１０Ｄを示している。
【０１４１】
この半導体レーザダイオード１０Ｄの特徴は、図１に示す上記第１実施形態に係る半導体レーザダイオード１０において、ZnO層１３とInGaN系の活性層１６の間に超格子層からなる擬似格子整合層３２を設けている点にある。
【０１４２】
本実施形態では、下部クラッド層１５がZnMgOなどの酸化物で構成されているので、超格子から擬似格子整合層３２が下部クラッド層１５とInGaNからなる活性層１６の間に設けられている。
【０１４３】
この超格子層からなる擬似格子整合層３２は、膜厚が1ML以上、ZnO層１３に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層した層である。その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１４４】
以上のように構成された第５実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
【０１４５】
○  下部クラッド層１５とInGaNからなる活性層１６の間に超格子層からなる擬似格子整合層３２が形成されているので、ZnO層１３と活性層１６の間にある酸化物層/窒化物層間、つまり、酸化物層である下部クラッド層１５と窒化物層である活性層１６間で急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層１６の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。
【０１４６】
○  ZnO層１３と活性層１６との間に超格子層からなる擬似格子整合層３２を形成することで、擬似格子整合層３２が無い場合よりも半値幅が狭くなり、発光特性の良い（発光強度の強い）半導体レーザダイオードを得ることができる。
【０１４７】
○  超格子層からなる擬似格子整合層３２を、膜厚が1ML以上、ZnO層１３に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層して構成することにより、下地のZnO層１３の格子定数を維持させたまま、上部にZnO層１３と格子整合したInGaNからなる活性層１６を成長させることにより、良好な結晶を有する活性層が得られる。
【０１４８】
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・上記各実施形態において、下部クラッド層と活性層の間、および活性層と上部クラッド層の間に、光ガイド層をそれぞれ設けた構成の半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。これにより、半導体レーザダイオードが分離閉じ込めヘテロ構造（Separate Confinement heterostructure:SCH）を有する構成となり、発光効率の高い半導体レーザダイオードが得られる。
【０１４９】
・上記各実施形態では、活性層１６より下側をｎ型、上側をｐ型としているが、活性層１６より下側をｐ型、上側をｎ型とした構成の半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。
【０１５０】
・図５および図６に示す上記第３および第４実施形態において、擬似格子整合層３０，３１は、成長初期にGaNの2元系材料を成長させ、そのGaN層上に、In組成が次第に増やした層（InGaN傾斜組成層）を形成した擬似格子整合層であっても良い。この構成では、擬似格子整合層３０，３１の成長初期にGaNの2元系材料を成長させることにより、急峻な酸化物層と窒化物層の界面が得られる。
【０１５１】
・上記第３および第４実施形態において、擬似格子整合層３０，３１を形成するのに、膜厚が1ML（分子層）以上、ZnO層１３に対して臨界膜厚以のGaN、例えば4MLのGaNに代えて、4ML のInNを成長しても良い。
・上記第５実施形態において、超格子層からなる擬似格子整合層３２を、膜厚が1ML以上、ZnO層１３に対して臨界膜厚以下のGaNとInNを積層した層で構成しても良い。例えば、擬似格子整合層３２を、4MLのGaNと1ML のInNを交互に積層した層、あるいは、1MLのGaNと4ML のInNを交互に積層した層で構成しても良い。このような積層構造の超格子層からなる擬似格子整合層３２の場合、擬似格子整合層３２Ａの臨界膜厚は、GaNとInNの平均組成をとった場合のInGaNに対応する臨界膜厚で定義される。
【０１５２】
そして、このような構成のいずれの場合においても、超格子層からなる擬似格子整合層３２は、その膜厚を、1ML以上、基板に対して臨界膜厚以下にすることにより、下地のZnO層１３の格子定数を維持させたまま、上部にZnO層１３と格子整合したInGaNからなる活性層１６を成長させることにより、良好な結晶を有する活性層１６が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子を得ることができる。
【０１５３】
・上記第３乃至第５実施形態で説明した擬似格子整合層３０，３１，３２を、図４に示す第２実施形態に係る半導体レーザダイオードに設けた構成にも本発明は適用可能である。
・上記第１実施形態では、サファイア基板１１Ａのa面(11−20)（図２参照）上にZnOからなるバッファ層１２と、酸化亜鉛（ZnO）系エピ層としてのZnO層１３とを形成してあるが、a面(11−20)に限らず、c面(0001)に直交するa面(11−20)と等価な面上に、バッファ層１２とZnO層１３とを形成した構成にも本発明は適用可能である。
【０１５４】
・上記各実施形態では、半導体レーザダイオードとして構成した半導体発光素子について説明したが、ｐｎ接合部を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。
【０１５５】
・上記各実施形態では、活性層１６はInGaNで構成されているが、活性層１６をAlGaInNなどの他のIII-V族窒化物系化合物半導体で構成した半導体発光素子にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】第１実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。
【図２】サファイア基板の面方位を表すユニットセル図。
【図３】酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウム、サファイア、および酸化マグネシウムの物理特性を示す説明図。
【図４】第２実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図
【図５】第３実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。
【図６】第４実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。
【図７】第５実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【０１５７】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ、１０Ｄ…半導体発光素子としての半導体レーザダイオード、１２…ZnOバッファ層、１３…ZnO層、１４…下部コンタクト層、１５…下部クラッド層、１６…活性層、１７…上部クラッド層、１８…上部コンタクト層、１９…パッシベーション膜、２０…下部電極、２１…上部電極、３０，３１，３２…擬似格子整合層。
【図１】
2009088230.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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