JP2002270969A

JP2002270969A - 窒化物半導体発光素子およびそれを用いた光学装置

Info

Publication number: JP2002270969A
Application number: JP2001063421A
Authority: JP
Inventors: Teruyoshi Takakura; 輝芳高倉; Yuzo Tsuda; 有三津田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-09-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＮ系井戸層にＡｓ、ＰまたはＳｂを
含有させることによって生じる結晶系分離および相分離
を抑制し、結晶性および発光効率の向上した窒化物半導
体発光素子を提供する。【解決手段】複数の井戸層と１つまたは複数の障壁層
とが組み合わされた発光層１０７を有する窒化物半導体
発光素子が提供され、該素子において、井戸層は、式Ｉ
ｎＡｌＧａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（式中、０≦ｘ≦
０．１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋
ｚ＞０）で表される窒化物からなる。ＩｎＧａＮ系井戸
層に添加されるＡｓ、ＰまたはＳｂの組成比を所定の範
囲内とし、さらにＡｌを添加することにより、結晶系分
離および相分離が抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体発光
素子およびそれを用いた光学装置に関し、特に、多重量
子井戸構造を有する発光効率の高い窒化物半導体発光素
子およびそれを用いた半導体発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】青色に近い光を発する半導体レーザとし
て、ＩｎＧａＮ活性層を有するものが開発されてきた。
この半導体レーザにおいて、Ｉｎの量を増やせば発振波
長を長波長側にシフトさせることができる。しかし、Ｉ
ｎＧａＮ層は、もともと下地層との格子不整合が大きい
うえ、Ｉｎの組成比を高くすれば、層の結晶性が低下
し、Ｉｎ含量が高い非発光の領域とＩｎ含量が低い領域
とができてしまい、発光効率が低下する。

【０００３】特開平１１−２０４８８０号公報は、その
ような問題に対し、Ｉｎ_1-yＧａ_yＮ _zＡｓ_1-zからなる量
子井戸活性層を有する半導体レーザを開示する。同公報
によれば、従来のＩｎＧａＮ活性層にＡｓをわずかに含
ませることにより、いわゆるボーイング効果により発振
波長が長波長化され、また、ＩｎＧａＮ活性層にＡｓを
わずかに含ませることにより、ＧａＮ光導波層に対して
格子不整合量を小さくすることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１１−２０４８８０号公報は、Ａｓの添加量について、
「Ａｓをわずかに含ませる」としか記載しておらず、具
体的にどれくらいの量でＡｓを添加すれば、所望の効果
が得られるかについて何ら開示していない。実際、Ｉｎ
ＧａＮＡｓ結晶からなる量子井戸層を用いて発光素子を
作製する場合、井戸層中のＡｓ含量を高くすれば、Ｎ
（窒素）の含有率の高い六方晶系領域とＮの含有率の低
い立方晶系領域ができやすくなる。（以後、同じ層にこ
のような結晶系の異なる領域が形成される現象を「結晶
系分離」と呼ぶ。）また、結晶系分離を起こした窒化物
半導体結晶中にＩｎが含有されていると、Ｉｎ組成の高
い領域とＩｎ組成の低い領域ができやすくなる。（以
後、同じ層にこのような組成の異なる領域が形成される
現象を「相分離」と呼ぶ。）これらは、結晶性と発光効
率の低下を招いてしまい、多重量子井戸構造の窒化物半
導体発光素子の作製を困難にする。このような結晶系分
離および相分離は、Ａｓだけでなく、ＰまたはＳｂを添
加する場合にも生じる。

【０００５】かくして本発明の目的は、ＩｎＧａＮ系井
戸層にＡｓ、ＰまたはＳｂを含有させることによって生
じる上記問題を解決し、結晶系分離および相分離が抑制
され、結晶性および発光効率の向上した窒化物半導体発
光素子およびそれを用いた光学装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化物半
導体発光素子の多重量子井戸構造にＩｎＧａＮ系窒化物
半導体を使用する場合、Ａｓ、ＰまたはＳｂの組成比を
所定の範囲内とし、さらにＡｌを添加することにより、
結晶系分離および相分離を抑制できることを見出した。

【０００７】かくして本発明により、複数の井戸層と１
つまたは複数の障壁層とが組み合わされた発光層を有す
る窒化物半導体発光素子が提供され、該素子は、井戸層
が、式ＩｎＡｌＧａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（式中、０
≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ
＋ｙ＋ｚ＞０）で表される窒化物からなることを特徴と
する。

【０００８】特に、本発明において、井戸層におけるＡ
ｌの含有量は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ま
しい。また、本発明において、井戸層は、式Ｉｎ_aＡｌ_b
Ｇａ _1-a-bＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（式中、０＜ａ≦
０．５、０＜ｂ≦０．２、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦
０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）で表され
る窒化物からなることが好ましい。本発明において、井
戸層におけるＡｓ、ＰおよびＳｂの総含有量（Ａｓ、Ｐ
またはＳｂのいずれかが含有される場合は、その総含有
量、Ａｓ、ＰおよびＳｂの任意の組み合わせが含有され
る場合は、組み合わせた元素の総含有量）は１０¹⁸／ｃ
ｍ³以上とすることができる。

【０００９】本発明において、障壁層は、ＩＩＩ族元素
として少なくともＧａを含みかつＶ族元素としてＮのみ
を含む、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるものとする
ことができる。または、障壁層は、ＩＩＩ族元素として
少なくともＧａを含み、かつＶ族元素としてＡｓ、Ｐお
よびＳｂよりなる群から選ばれた少なくとも１種の元素
とＮとを含む、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるもの
でもよい。

【００１０】典型的に、本発明において発光層は、それ
に隣接する２つの層の間に存在する。これら２つの層の
少なくともいずれかは、ＡｌおよびＮを含む窒化物から
なることが好ましい。

【００１１】本発明において、発光層を構成している井
戸層の数は、２以上１０以下であることが好ましく、井
戸層の厚みは、０．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であること
が好ましい。また、障壁層の厚みは１ｎｍ以上２０ｎｍ
以下であることが好ましい。

【００１２】本発明の好ましい態様において、井戸層お
よび／または障壁層には、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚ
ｎ、ＣｄおよびＭｇよりなる群から選ばれた少なくとも
１種の元素が添加されている。そのような添加元素の含
有量は、１×１０¹⁶〜１×１０²⁰／ｃｍ³であることが
好ましい。

【００１３】本発明による素子は、ＧａＮ基板上に発光
層が形成されているものとすることができる。

【００１４】また本発明により、上記窒化物半導体発光
素子を用いた光ピックアップ装置等の光学装置が提供さ
れる。

【００１５】なお、本明細書において、「発光層」は、
光を発する機能に直接関与する層であって、井戸層と障
壁層から構成されているものと定義される。ここで、井
戸層のバンドギャップエネルギー＜障壁層のバンドギャ
ップエネルギーの関係が成立しているものとする。典型
的に、本発明において発光層の主となる結晶系は六方晶
系である。

【００１６】

【発明の実施の形態】（井戸層へのＡｌ添加の作用効
果）Ａｓを含むＩｎＧａＮ系結晶は、その成長過程にお
いて、Ｎの含有率の高い六方晶系とＮの含有率の低い立
方晶系（閃亜鉛鉱構造）に分離（結晶系分離）しやす
い。また、Ｖ族元素であるＮおよびＡｓとうまく結合で
きなかったＩｎは、偏析しやすく、金属ドロップレット
化しやすい。そのような偏析が起こると、Ｉｎ組成の高
い領域と低い領域ができる相分離が起こる。このこと
は、発光効率の低下と発光波長の半値幅の増大（色斑）
の原因となる。結晶系分離および相分離の現象は、井戸
層におけるＡｓの含有量が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であ
るとき、特に顕著となる。

【００１７】上述した結晶系分離および相分離は、Ｉｎ
ＧａＮＡｓ井戸層に限らず、ＩｎＧａＮＰ井戸層および
ＩｎＧａＮＳｂ井戸層においても起こるため、ＩｎＧａ
Ｎ結晶中に、Ａｓ、ＰおよびＳｂの少なくともいずれか
のＶ族元素が井戸層に含有されることによって結晶系分
離および相分離が起こるものと考えられる。これには、
ＩＩＩ族原子であるＩｎおよびＧａと、Ｖ族原子である
ＮおよびＡｓ、ＰまたはＳｂとの反応において、Ｇａと
Ａｓ、ＰまたはＳｂとの結合力が他の原子同士の結合力
よりも極めて強いことと、Ｎの揮発性がＡｓ、Ｐまたは
Ｓｂに比べて極めて高いこと（結晶からＮが抜け出して
しまうこと）が起因していると考えられる。したがっ
て、これら結晶系分離と相分離を抑制するためには、Ｎ
を結晶中に効率良く取り込むことと、ＧａとＡｓ、Ｐま
たはＳｂとの結合力を緩和することが肝要である。

【００１８】本発明では、Ａｓ、ＰおよびＳｂの少なく
ともいずれかを含むＩｎＧａＮ系結晶にＡｌを含有させ
ることにより、結晶系分離および相分離を抑制する。特
定的には、井戸層をＩｎＡｌＧａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳ
ｂ_z（０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．
０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）（式１）で表される窒化物の結
晶で構成することにより結晶系分離および相分離を抑制
する。Ａｌは反応性が高く、Ｎを結晶中に効率良く取り
込ませることができるため、式１で表される窒化物の結
晶は、容易に成長させることができる。また、Ａｌを含
む窒化物は高温（たとえば１０００℃）でも安定して存
在する。反応性の高いＩＩＩ族原子であるＡｌは、結晶
からＮが抜けるのを効果的に防止する。さらに、Ｇａと
Ａｓ、ＰまたはＳｂとの結合力をＡｌによって緩和でき
るため、窒化物半導体結晶中に効率良くＩｎを取り込ま
せることができる。このことも、結晶系分離と相分離の
抑制に繋がるものと考えられる。

【００１９】本発明の井戸層は、Ａｓ、ＰおよびＳｂの
何れかの元素を少なくとも含有しているため、電子また
はホールの有効質量を小さくすることができる。式１で
表される窒化物は、典型的に、ＩＩＩ族元素としてＩ
ｎ、ＡｌおよびＧａを含み、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐお
よびＳｂの少なくともいずれかとＮとを含む、ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体であり、そこにおいて、Ｖ族元素の総
原子数に対する、Ａｓ原子数の割合（原子百分率）は１
０％以下であり、Ｐ原子数の割合（原子百分率）は２０
％以下であり、Ｓｂ原子数の割合（原子百分率）は５％
以下である。Ａｓ原子数の割合が１０％を超えると、Ａ
ｌ添加によって結晶系分離および相分離を十分抑制する
ことができなくなる。同様に、Ｐ原子数の割合およびＳ
ｂ原子数の割合がそれぞれ２０％および５％を超える
と、Ａｌ添加によって結晶系分離および相分離を十分抑
制することができなくなる。式１で示される組成の窒化
物を多重量子井戸構造に使用することによって、低消費
電力、高出力および長寿命のレーザ等の発光素子を得る
ことができる。

【００２０】（多重量子井戸構造について）多重量子井
戸構造を形成する上で、井戸層に結晶系分離や相分離が
生じてしまうと井戸層と接する障壁層との界面が荒れて
しまい、その障壁層に接する次の層（例えば、井戸層）
にも影響を及ぼしてしまう。このことにより、結晶性や
発光強度が低下する。これに対し、本発明の井戸層は、
多重量子井戸構造の発光素子の形成を容易にする。本発
明によれば、上述したとおり、井戸層の結晶系分離や相
分離を抑制することができ、したがって、井戸層と障壁
層の界面が荒れず、井戸層を積層したとしても、結晶性
が高いために発光強度の強い発光素子が得られる。

【００２１】発光強度について、図１４を見るとわかる
ように、１層のみの井戸層から構成される単一量子井戸
構造に比べて、複数の井戸層（たとえば２層以上１０層
以下）で構成される多重量子井戸構造の方が発光強度が
強いことがわかる。また、図５に、発光層（多重量子井
戸構造）を構成している井戸層数とレーザ閾値電流密度
との関係を示す。図中の○印はサファイア基板を、●印
はＧａＮ基板を用いたときのレーザ閾値電流密度をそれ
ぞれ表している。井戸層数が１０層以下のとき、閾値電
流密度が１０ｋＡ／ｃｍ²以下になり、室温連続発振が
可能である。発振閾値電流密度を更に低減するために
は、２層以上５層以下が好ましかった。また、サファイ
ア基板よりもＧａＮ基板を用いたほうが、閾値電流密度
が低くなる傾向が見られた。

【００２２】このように、本発明によれば、ＩｎＡｌＧ
ａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦
０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）井戸層を
用いることによって、結晶系分離と相分離の割合の少な
い井戸層を作製することができるため、井戸層と障壁層
の界面が荒れず結晶性が向上し、多重量子井戸構造を容
易に作製することができる。本発明で使用される発光層
は、低消費電力、高出力および長寿命の発光素子をもた
らすことができる。

【００２３】（井戸層の好ましい組成および構成）ま
ず、前述の結晶系分離がどの程度のＡｓ、ＰまたはＳｂ
の添加量によって起こるのか調べた。その結果、ＩｎＧ
ａＮ結晶中にＡｓ、ＰまたはＳｂを１×１０ ¹⁸／ｃｍ³
添加すると結晶系分離が起こり始め（結晶系分離の割合
約２〜３％程度）、原子百分率でＶ族元素全体における
Ａｓ組成比が１０％程度、Ｐ組成比が２０％程度、Ｓｂ
組成比が５％程度になると、結晶系分離は約２３〜２５
％程度になった。また、ＩｎＧａＮ結晶中にＡｓ、Ｐま
たはＳｂが添加され、結晶系分離の割合が３％程度にな
った結晶中にＩｎが５％（ＩＩＩ族元素全体に対するＩ
ｎの原子百分率）程度含有されていると、相分離が起こ
り始め（相分離の割合約１〜２％程度）、その結晶系分
離の割合が増えるにつれて、徐々に相分離の割合が増し
ていった。結晶系分離が約２３〜２５％程度になると相
分離の割合は１３〜１５％程度になる。ここで結晶系分
離の割合および相分離の割合は、結晶の単位体積中、結
晶系分離または相分離を起こしている部分（該当部分）
とそうでない部分（平均組成比で構成されている部分）
とを判別し、該単位体積に対する該当部分の割合として
求められる。

【００２４】図２は、Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ_0.92Ｐ_0.08井
戸層にＡｌを添加することによって生じる、結晶系分離
の割合とその発光素子の発光強度について示している。
図２において、横軸はＡｌの添加量を、左縦軸は結晶系
分離の割合（％）を、右縦軸は発光強度をそれぞれ示し
ている。また、○印はＡｌの添加量と結晶系分離の割合
との関係を、●印はＡｌの添加量と発光強度との関係を
それぞれ示している。図２における発光強度はＡｌが添
加されていないときの発光強度を１として規格化されて
いる。

【００２５】図２を参照すると、結晶系分離の割合
（％）は、Ａｌの添加量が５×１０¹⁸／ｃｍ³の辺りか
ら減少し始め、１×１０¹⁹／ｃｍ³以上になると３％以
下になった。一方、発光強度は、同じく、５×１０¹⁸／
ｃｍ³の辺りから増加し始め、１×１０¹⁹／ｃｍ³以上に
なると約１０倍程度になった。これらの関係から、結晶
系分離と発光強度には相関関係があることがわかった。

【００２６】図２は、Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ_0.92Ｐ_0.08結
晶について述べたが、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_y
Ｓｂ_z（０＜ａ≦０．５、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦
０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）結晶であ
れば、Ａｌを添加することにより図２と同様の特性が得
られた。一方、Ａｌの組成比が２０％を超えると結晶性
が悪くなり、発光効率が低下する傾向が見られる。

【００２７】結晶系分離と相分離との間には以下のよう
な関係が見られる。Ｉｎ_0.01Ｇａ_0. ₉₉Ｎ_0.92Ｐ_0.08井戸
層において、Ａｌの添加量が５×１０¹⁸／ｃｍ³未満で
は、結晶系分離は約７〜９％程度生じていた。このと
き、約４〜５％程度の相分離が生じていた。またＡｌの
添加量を１×１０¹⁹／ｃｍ³程度添加することにより結
晶系分離の割合が約３％程度生じ、相分離の割合は約１
％程度であった。この相分離は、結晶系分離が生じた領
域の結晶結合から取り残されたＩｎが偏析するために生
じる。したがって、結晶系分離と相分離には相関関係が
あるとわかる。そして、結晶系分離が起きるのをできる
限り抑えることにより、結合に取り残されたＩｎの割合
が減り、相分離が生じるのを抑えることができることが
わかる。

【００２８】相分離において、Ｉｎ組成の高い領域は非
発光になりやすく、発光効率の低下や半値幅の増大（色
斑）の原因となる。したがって、井戸層における相分離
の割合はできるだけ少なく（たとえば３％以下）に抑え
ることが望ましい。

【００２９】以上のことを整理すると、発光強度の高い
（発光効率の高い）多重量子井戸構造の井戸層を得るに
は、結晶系分離の割合が３％以下であり、相分離の割合
が３％以下であることが望ましい。このような結晶系分
離の割合および相分離の割合を得るためには、上述した
ように、Ａｌの添加量を１×１０¹⁹／ｃｍ³以上にする
ことがより効果的である。また、ＩＩＩ族原子に対する
Ａｌの含有率が高いと結晶性が低下するため、Ａｌ組成
比（ＩＩＩ族原子の総数に対するＡｌ原子数の百分率）
は２０％以下であることが好ましい。

【００３０】したがって、本発明の好ましい態様におい
て、井戸層は、Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a- _bＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_y
Ｓｂ_z。Ａｌ（式２）で表される窒化物により構成する
ことができ、ドーピングレベルの場合のＡｌ添加量は、
１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であり、Ａｌが組成比レベルで
添加される場合、式中の組成比ｂについて、０＜ｂ≦
０．２である。また、式２中、０＜ａ≦０．５、０≦ｘ
≦０．１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ
＋ｚ＞０である。さらに、井戸層の数は、上述のように
２以上１０以下であることが好ましい。

【００３１】本発明において、井戸層は、従来のＩｎＧ
ａＮＡｓ井戸層に比べて厚くしても、結晶系分離および
相分離が起こりにくいため、その厚みを３００ｎｍ程度
までとすることができる。しかしながら、多重量子井戸
効果を有する発光素子として考えた場合、有効な好まし
い井戸層厚は０．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。井戸
層厚が０．４ｎｍを下回ると、量子井戸効果によるキャ
リアの閉じ込め準位が高くなりすぎて発光効率が低下す
るおそれがある。一方、井戸層厚が２０ｎｍよりも厚く
なると、量子井戸効果が得られにくくなってくる。

【００３２】（本発明における障壁層の構成）Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０＜ａ
≦０．５、０＜ｂ≦０．２、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦
０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０、ただし、Ａｌの添加量は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であ
る）井戸層に対し、最も好ましい障壁層は、Ａｓ、Ｐお
よびＳｂを含まない窒化物半導体からなる障壁層であ
る。なぜならば障壁層自体にＡｓ、ＰおよびＳｂを含有
しなければ結晶系分離を起こすことがないため、多重量
子井戸構造の作製に支障をきたさないからである。

【００３３】Ａｓ、ＰおよびＳｂを含まない窒化物半導
体として、例えば、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、
およびＩｎＡｌＧａＮが挙げられる。これらのうち、障
壁層に最も好ましい材料は、ＩｎＧａＮである。Ｉｎを
含有させることによって障壁層の成長温度を井戸層のそ
れと同程度まで低くすることができ、結晶性を向上させ
ることができるからである。ただし、ＩｎＧａＮのＩｎ
組成比（ＩＩＩ族原子の総数に対するＩｎ原子数の百分
率）は１５％以下であることが好ましい。Ｉｎ組成比が
１５％を超えると結晶性が悪くなり、発光効率が低下し
得るためである。したがって、障壁層のより好ましい組
成は、式Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（式中、０＜ｘ≦０．１５）で
表すことができる。

【００３４】障壁層について、次に好ましい材料はＧａ
Ｎである。ＩｎおよびＡｌを含まないため、それらによ
る結晶性の悪化の心配が無いからである。しかしなが
ら、成長温度を高くしなければ結晶性が悪くなるため、
成長温度をできるだけ高くすることが肝要である。次に
好ましい材料は、ＡｌＧａＮである。これを用いる場
合、高温で成長しなければ結晶性が悪くなるため、Ａｌ
の組成比をできるだけ抑え（ＩＩＩ族元素に対するＡｌ
の組成比が原子百分率で１０％以下）、成長温度をでき
るだけ高く（ただし、９００℃以下）することが望まし
い。

【００３５】ＩｎＡｌＧａＮ障壁層は、Ａｌが含まれて
いるため高い成長温度でも安定して存在する。一般にＡ
ｌを含む窒化物半導体結晶は高温（１０００℃以上）で
成長しなければ結晶性が低下するが、Ｉｎを含有させる
ことにより、成長温度を井戸層と同じ程度まで下げるこ
とができる。しかしながら、Ａｌは反応性が高いことか
ら、Ａｓ、ＰまたはＳｂが含有されていない場合、Ａｌ
とＮが結合しやすく、結合反応に取り残されたＩｎが偏
析して金属ドロップレット化してしまい相分離をもたら
し得る。この相分離の割合が１０％を超えると、障壁層
としての機能に支障を来たし、発光効率の低下を招いて
しまう。従ってＩｎＡｌＧａＮを障壁層に用いるのはあ
まり好ましいとは言えない。しかしながら、ＩｎＡｌＧ
ａＮ結晶を障壁層に用いたい場合、ＩＩＩ族原子に対す
るＩｎおよびＡｌの各組成比をできるだけ少なくするこ
とが望ましい。たとえば、ＩＩＩ族原子の総数に対する
Ａｌ組成比（原子百分率）は５％以下、Ｉｎの組成比
（原子百分率）は５％以下であることが好ましい。すな
わち、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ≦０．０５、０
＜ｙ≦０．０５）を障壁層に用いることが好ましい。こ
の組成比が満たされていれば相分離の割合を１０％以下
に抑えられる。

【００３６】本発明において、Ａｓ、ＰおよびＳｂの少
なくとも何れかを含有する窒化物半導体を障壁層に使用
してもよい。障壁層にあえてＡｓ、ＰまたはＳｂを含有
することに対し、利点は主に２つある。第一に、これら
の元素を含有する障壁層は、井戸層とほぼ同一の温度で
成長させることができるため、発光層の結晶性が良好に
なることである。第二に、Ａｓ、ＰまたはＳｂを含有さ
せることによって、屈折率を大きくすることができ、光
の閉じ込め効率を向上させ、レーザ発振閾値電流密度の
低減や光学特性の向上を図ることができる。Ａｓ、Ｐ、
Ｓｂまたはそれらの組み合わせを含有する障壁層のため
の窒化物半導体には、例えば、ＩｎＡｌＧａＮＡｓ、Ｉ
ｎＡｌＧａＮＰ、ＩｎＡｌＧａＮＳｂ、ＩｎＡｌＧａＮ
ＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＮＡｓＰＳｂ、ＡｌＧａＮＡｓ、
ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＳｂ、ＡｌＧａＮＡｓＰ、Ａ
ｌＧａＮＡｓＰＳｂ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＧａＮＳ
ｂ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＰＳｂ、ＩｎＧａＮＡ
ｓ、ＩｎＧａＮＰ、ＩｎＧａＮＳｂ、ＩｎＧａＮＡｓ
Ｐ、ＩｎＧａＮＡｓＰＳｂが挙げられる。

【００３７】上記のうち障壁層に最も好ましい材料は、
ＩｎＡｌＧａＮＡｓ、ＩｎＡｌＧａＮＰ、ＩｎＡｌＧａ
ＮＳｂ、ＩｎＡｌＧａＮＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＮＡ
ｓＰＳｂである。本発明において、これらは、井戸層と
同じ構成元素を有するため、井戸層と同じ成長温度で形
成することができ、井戸層と同様の効果をもたらし得
る。本発明において、障壁層におけるこれらの各構成元
素の組成比は、井戸層と同様の範囲内とすることができ
る。

【００３８】次に好ましい障壁層の材料は、ＡｌＧａＮ
Ａｓ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＳｂ、ＡｌＧａＮＡｓ
ＰまたはＡｌＧａＮＡｓＰＳｂである。これらは、Ａ
ｓ、ＰまたはＳｂを含有しているため、井戸層の同じ程
度まで成長温度を下げることができる。また、結晶系分
離の割合は、Ａｌを含有しているために約３％程度に抑
えることができる。また、Ｉｎを含んでいないために相
分離も起こらない。障壁層を構成するＡｌＧａＮＡｓ、
ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＳｂ、ＡｌＧａＮＡｓＰまた
はＡｌＧａＮＡｓＰＳｂにおいて、Ａｌ、Ａｓ、Ｐおよ
びＳｂの各組成比は本発明の井戸層と同様とすることが
できる。

【００３９】次に好ましい障壁層の材料は、ＧａＮＡ
ｓ、ＧａＮＰ、ＧａＮＳｂ、ＧａＮＡｓＰまたはＧａＮ
ＡｓＰＳｂである。ＧａＮ結晶は成長温度をできるだけ
高くする必要があるが、Ａｓ、ＰまたはＳｂを含有させ
ることにより井戸層と同じ程度まで成長温度を下げるこ
とができる。しかしながら、Ａｌを含まない窒化物半導
体結晶にＡｓ、ＰまたはＳｂを含有させると、上述した
ような結晶系分離が起こり得る。従って、Ａｓ、Ｐおよ
びＳｂの各組成比をできるだけ小さくすることが望まし
い。Ａｓ、ＰおよびＳｂの各組成比（Ｖ族原子の総数に
対する当該原子の百分率）が、Ａｓの場合５％以下、Ｐ
の場合１０％以下、Ｓｂの場合２％以下であれば、結晶
系分離の割合を約１２〜１４％程度にすることができ
る。障壁層における結晶系分離の割合が１５％以下であ
れば、ＧａＮＡｓ結晶、ＧａＮＰ結晶、ＧａＮＳｂ結
晶、ＧａＮＡｓＰ結晶またはＧａＮＡｓＰＳｂ結晶を障
壁層に用いる場合でも、発光強度に殆ど影響をあたえず
にすむ。障壁層が直接発光に寄与する層ではないため、
結晶系分離の割合が１５％以下であれば、障壁層として
の機能に支障を来さないと考えられる。

【００４０】次に好ましい障壁層材料は、ＩｎＧａＮＡ
ｓ、ＩｎＧａＮＰ、ＩｎＧａＮＳｂ、ＩｎＧａＮＡｓＰ
またはＩｎＧａＮＡｓＰＳｂである。これらは、Ｉｎお
よびＡｓ、ＰまたはＳｂを含有しているため、井戸層と
同じ程度まで成長温度を下げることができる。しかしな
がら、これらはＡｌを含有していないため、結晶系分離
を引き起こし得る。さらに、Ｉｎを含んでいるために相
分離も引き起こし得る。そのため、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐおよ
びＳｂの各組成比をできるだけ小さくすることが望まし
い。ＩＩＩ族原子の総数に対するＩｎ組成比（原子百分
率）が１５％以下、Ｖ族原子の総数に対する組成比（原
子百分率）がＡｓの場合５％以下、Ｐの場合１０％以
下、Ｓｂの場合２％以下であれば、結晶系分離の割合を
約１２〜１４％程度、相分離の割合を約７〜９％程度に
抑えることができる。障壁層における結晶系分離の割合
が１５％以下、相分離の割合が１０％以下であれば、Ｉ
ｎＧａＮＡｓ結晶、ＩｎＧａＮＰ結晶、ＩｎＧａＮＳｂ
結晶、ＩｎＧａＮＡｓＰ結晶あるいはＩｎＧａＮＡｓＰ
Ｓｂ結晶を障壁層に用いても、発光強度に殆ど影響を与
えることがない。障壁層は直接発光に寄与する層ではな
いために、上記各組成比が満たされていれば、障壁層と
しての機能に支障を来さないと考えられる。

【００４１】障壁層の厚みは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下
が好ましい。障壁層が１ｎｍより薄くても、また２０ｎ
ｍより厚くても井戸層と障壁層の間の界面が荒れ始める
ためである。障壁層の数は、井戸層の数に応じて設定す
ることができる。

【００４２】（発光層に隣接する層）典型的に、本発明
による素子において、発光層には２つの窒化物半導体層
が隣接する。それら２つの隣接する層のうち少なくとも
一方はＡｌおよびＮを含む窒化物半導体、たとえばＡｌ
ＧａＮからなることが好ましい。典型的に、本発明によ
る素子は、窒化物半導体結晶からなる基板、または窒化
物半導体結晶膜が他の結晶材料上に成長させられた構造
を有する基板と、該基板上に形成された、窒化物半導体
からなるｎ型層およびｐ型層と、ｎ型層とｐ型層との間
に配置された発光層とを備える。その場合、発光層に隣
接するｎ型層およびｐ型層の少なくとも一方が、Ａｌお
よびＮを含む窒化物半導体、たとえばＡｌＧａＮからな
ることが好ましい。本発明において、そのようなＡｌを
含む層を発光層に隣接させることにより、設計波長から
のシフト量を小さく抑えることができ、あるいは、発光
強度を高めることができる。

【００４３】（発光素子用基板）一般的に、窒化物半導
体の結晶は、ＧａＮ等の窒化物半導体、サファイア、６
Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｓｉ、スピ
ネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）等の基板上に成長させることがで
きる。特に、窒化物半導体、たとえばＩｎ_aＡｌ_bＧａ_c
Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ
＝１）からなる基板を好ましく使用することができる。
窒化物半導体レーザの場合、垂直横モードの単峰化のた
めにはクラッド層よりも屈折率の低い層が該クラッド層
の外側に接している必要があり、ＡｌＧａＮ基板を用い
るのがより好ましい。また、六方晶系のＩｎ_aＡｌ_bＧａ
_cＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋
ｃ＝１）基板において、窒素元素の約１０％以下がＡ
ｓ、ＰおよびＳｂのいずれかの元素で置換されていても
良い。さらに、基板には、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇ
ｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ等がドーピングされていて
も良い。ｎ型窒化物半導体基板を使用する場合、前記ド
ーピング元素のうち、Ｓｉ、ＯまたはＣｌが特に好まし
い。

【００４４】以下の実施例では、上記基板のうち、サフ
ァイア基板および窒化物半導体基板のようなＣ面（｛０
００１｝面）を主表面に露出させる基板を使用してい
る。しかし、基板主表面の面方位は、Ｃ面の他に、Ａ面
（｛１１−２０｝面）、Ｒ面（｛１−１０２｝面）、Ｍ
面（｛１−１００｝面）であってもよい。また、主表面
が上記面方位から２度以内のオフ角度を有する基板は、
表面モフォロジーが良好であり、好ましく使用すること
ができる。

【００４５】（結晶成長法）窒化物半導体の結晶を成長
させる方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイドライド
気相成長法（ＨＶＰＥ）が一般的である。中でも、形成
する窒化物半導体の結晶性や生産性を考慮すると、基板
として、ＧａＮまたはサファイアを使用し、成長方法と
してはＭＯＣＶＤ法を使用するのが最も一般的な方法で
ある。

【００４６】（実施例１）本発明により、図１に示すよ
うな窒化物半導体レーザダイオード素子が得られる。こ
の素子は、Ｃ面（０００１）サファイア基板１００、低
温ＧａＮバッファ層１０１、ｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型
Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０５、発光層１０６、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層１
０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１
０、ｎ電極１１１、ｐ電極１１２、およびＳｉＯ₂誘電
体膜１１３から構成されている。当該素子は、以下のよ
うなプロセスにより製造される。

【００４７】まず、ＭＯＣＶＤ装置に、サファイア基板
１００をセットし、Ｖ族原料のＮＨ₃（アンモニア）と
ＩＩＩ族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を用い
て、５５０℃の成長温度で低温ＧａＮバッファ層１０１
を２５ｎｍ成長させる。次に、１０５０℃の成長温度で
前記原料にＳｉＨ₄（シラン）を加え、ｎ型ＧａＮ層１
０２（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を３μｍの
厚みで形成する。続いて、成長温度を７００℃から８０
０℃程度に下げ、ＩＩＩ族原料であるＴＭＩｎ（トリメ
チルインジウム）の供給を行い、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93
Ｎクラック防止層１０３を４０ｎｍの厚みで成長させ
る。再び、基板温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＡｌ（ト
リメチルアルミニウム）のＩＩＩ族原料を用いて、０．
８μｍ厚のｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４（Ｓ
ｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を成長させ、続いて
ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５（Ｓｉ不純物濃度１×１０
¹⁸／ｃｍ³）を０．１μｍの厚みで成長させる。その
後、基板温度を８００℃に下げ、３周期の、厚さ４ｎｍ
のたとえばＩｎ_0.05Ａｌ_0.02Ｇａ_0.93Ｎ_0.98Ｐ_0.02井戸
層と厚さ６ｎｍのたとえばＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層よ
り構成される発光層（多重量子井戸構造）１０６を、障
壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁
層の順序で成長させる。その際、障壁層と井戸層の両方
にＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³）を添
加する。

【００４８】障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層と
の間に、１秒以上１８０秒以内の成長中断を行っても良
い。このことにより、各層の平坦性が向上し、発光半値
幅が減少する。

【００４９】井戸層の組成比は、目的とする発光素子の
波長に応じて調整することができる。例えば、表１〜表
６にＩｎＡｌＧａＮＡｓ混晶、表７〜表１２にＩｎＡｌ
ＧａＮＰ混晶における発光波長とＩｎ組成比との関係を
示している。表１〜表１２に示す組成比付近で結晶成長
を行えば、おおよその目的とする発光波長を得ることが
できる。ＩｎＡｌＧａＮＳｂ結晶におけるＳｂ組成比
（Ｖ族原子の総数に対するＳｂ原子の百分率）は、約５
％以内になるようにそれぞれの組成比を適正化すること
が好ましい。

【００５０】

【表１】

【００５１】

【表２】

【００５２】

【表３】

【００５３】

【表４】

【００５４】

【表５】

【００５５】

【表６】

【００５６】

【表７】

【００５７】

【表８】

【００５８】

【表９】

【００５９】

【表１０】

【００６０】

【表１１】

【００６１】

【表１２】

【００６２】発光層１０６を形成した後、基板温度を再
び１０５０℃まで昇温して、厚み２０ｎｍのｐ型Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層１０７、厚み０．１μｍのｐ型Ｇａ
Ｎ光ガイド層１０８、厚み０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎクラッド層１０９、および厚み０．１μｍのｐ
型ＧａＮコンタクト層１１０を成長させる。ｐ型用不純
物としてＭｇ（Ｍｇ源としてＥｔＣＰ₂Ｍｇ（ビスエチ
ルシクロペンタジエニルマグネシウム）を使用）を５×
１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加する。

【００６３】ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０のｐ型不純
物濃度は、ｐ型電極１１２の形成位置に近づくにしたが
って高くなるようにした方が好ましい。このことにより
ｐ電極形成によるコンタクト抵抗が低減する。また、ｐ
型不純物であるＭｇの活性化を妨げるｐ型層中の残留水
素を除去するために、ｐ型層の成長中に微量の酸素を混
入させてもよい。

【００６４】この様なｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の
成長後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内を全窒素キャリ
アガスとＮＨ₃に変えて、６０℃／分で温度を降下させ
る。基板温度が８００℃に達した時点で、ＮＨ₃の供給
を停止して、５分間、前記基板温度で待機してから、室
温まで降下させる。基板の保持温度は６５０℃から９０
０℃の間が好ましく、待機時間は、３分以上１０分以下
が好ましい。また、降下温度の到達速度は、３０℃／分
以上が好ましい。

【００６５】このようにして作製される成長膜をラマン
測定によって評価した結果、前記手法により、従来の窒
化物半導体で利用されているｐ型化アニールを行わなく
とも、成長後すでにｐ型化の特性を示していた。また、
ｐ電極形成によるコンタクト抵抗も低減していた。

【００６６】次に、ＭＯＣＶＤ装置から取り出したエピ
タキシャル成長層を有するウエハに対し、以下のような
プロセスを行い、レーザダイオード素子を得る。まず、
反応性イオンエッチング装置を用いてｎ型ＧａＮ層１０
２を部分的に露出させ、Ｔｉ／Ａｌの順序で露出部分に
ｎ電極１１１を形成する。このようなｎ電極材料の他
に、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｌ等を用いてもよい。ｐ電極
部分には、サファイア基板の＜１−１００＞方向に沿っ
てストライプ状にエッチングを行い、次いで必要な場所
にＳｉＯ₂誘電体膜１１３を蒸着する。そして、ｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層１１０が露出する部分に、Ｐｄ／Ａｕ
の順序で蒸着を行い、２μｍ幅のリッジストライプ形状
のｐ電極１１２を形成する。上記ｐ電極材料の他に、Ｎ
ｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕを用いても良い。最後に、
へき開あるいはドライエッチングを用いて、共振器長５
００μｍのファブリ・ペロー共振器を作製する。共振器
長は一般に３００μｍから１０００μｍが好ましい。該
共振器のミラー端面は、サファイア基板のＭ面が端面に
なるように形成する（図３参照）。たとえば、へき開お
よびレーザ素子のチップ分割は、図３に示す破線に沿っ
て基板側からスクライバーで行う。このことにより、端
面の急峻性やスクライブによる削りカスがエピタキシャ
ル成長面に付着しないため歩留まりが良い。上記レーザ
共振器の帰還手法以外に、一般に知られているＤＦＢ
（Distributed Feedback）、ＤＢＲ（Distributed Brag
g Reflector）を用いても構わない。ファブリ・ペロー
共振器のミラー端面を形成後、該ミラー端面に７０％の
反射率を有するＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜を交互に蒸
著し、誘電体多層反射膜を形成する。この誘電体材料以
外に、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃を誘電多層反射膜として用い
ても良い。

【００６７】上記プロセスにおいて、反応性イオンエッ
チングを用いてｎ型ＧａＮ層１０２を露出させるのは、
サファイア基板１００が電気絶縁性であるためである。
従って、ＧａＮ基板またはＳｉＣ基板のような導電性を
有する基板を使用する場合は、ｎ型ＧａＮ層１０２を露
出させる工程は必要なく、直接、基板の裏面にｎ型電極
を形成して良い。

【００６８】次に、上記プロセスにより得られたレーザ
ダイオードチップは、以下のプロセスによりパッケージ
に実装することができる。上記発光層を用いたレーザダ
イオードの特性を活かし、高密度記録用光ディスクに適
した青紫色（４１０ｎｍ波長）高出力（５０ｍＷ）レー
ザとして用いる場合、サファイア基板は熱伝導率が低い
ので、放熱対策に注意を払わなければならない。したが
って、例えば、Ｉｎハンダ材を用いて、Junction down
でパッケージ本体にレーザダイオードチップを接続する
と好ましい。あるいは、直接パッケージ本体やヒートシ
ンク部にレーザダイオードチップを取り付けるのではな
く、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ
等のサブマウントを介して接続しても良い。

【００６９】一方、サファイア基板のかわりに、熱伝導
率の高いＳｉＣ基板、窒化物半導体基板（例えばＧａＮ
基板）、あるいはＧａＮ厚膜基板（たとえば、図４に示
す基板８００から種基板８０１を研削により除去したも
の）の上に、上述の発光層を有する窒化物半導体レーザ
ダイオードを作製する場合、例えば、Ｉｎはんだ材を用
いて、レーザダイオードチップをJunction upでパッケ
ージ本体に接続すると好ましい。あるいは、直接パッケ
ージ本体やヒートシンク部に取り付けるのではなく、Ｓ
ｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ等のサ
ブマウントを介して接続させても良い。

【００７０】以上により、発光層を構成している井戸層
に、Ａｓ、ＰまたはＳｂを含みかつＩｎとＡｌを含む窒
化物半導体を用いたレーザダイオードが作製される。

【００７１】（発光層の不純物の添加について）実施例
１では、井戸層と障壁層の両方に不純物としてＳｉ（原
料：ＳｉＨ₄）を添加したが、片方の層のみに添加して
も良いし、両層ともに添加しなくてもレーザ発振は可能
であった。しかしながら、フォトルミネッセンス（Ｐ
Ｌ）測定によれば、発光層中（障壁層と井戸層の両方）
にＳｉを供給した方が、供給しない場合より、ＰＬ発光
強度が約１．２倍から１．４倍程度強かった。このこと
から、発光ダイオードにおいては、発光層中にＳｉ等の
不純物を添加した方が好ましい。ＩｎＡｌＧａＮ
_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z混晶系によって構成される井戸層
では、Ａｓ、ＰおよびＳｂを全く含有していないＩｎＧ
ａＮ結晶に比べて、Ｉｎによる局在準位が形成されにく
いため、発光強度が井戸層の結晶性に強く依存するもの
と考えられる。したがって、Ｓｉ等の不純物を発光層に
添加することによって発光層の結晶性を向上させること
ができるため、不純物の添加により発光強度を高めるこ
とができる。Ｓｉのかわりに、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚ
ｎ、ＣｄあるいはＭｇを添加しても同様の効果が得られ
る。また、発光層に添加する不純物の量は、約１×１０
¹⁶〜１×１０²⁰／ｃｍ³程度が好ましい。不純物量が１
×１０¹⁶／ｃｍ³より少ないと結晶性が向上されにく
い。一方、不純物が１×１０²⁰／ｃｍ³よりも多くなる
と、不純物を添加したことによる結晶欠陥が増大し、返
って結晶性が低下し得る。一般に、レーザダイオードの
場合、障壁層のみに不純物を添加する変調ドープを行う
と、井戸層内でのキャリア吸収がないために閾値電流密
度の低下につながるが、むしろ本発明の井戸層において
は、不純物を添加した方がレーザの閾値が低かった。サ
ファイア基板上に結晶成長を行う場合、結晶欠陥が多く
（貫通転位密度約１×１０¹⁰／ｃｍ²）、井戸層内での
キャリア吸収を考慮するよりも、不純物を添加して結晶
性を向上させた方がレーザ閾値電流密度に有効であった
と考えられる。

【００７２】（ＡｌＧａＮ遮蔽層について）図１に示す
ＡｌＧａＮ遮蔽層１０７は、発光層とｐ型層との間にお
いて、発光層に接するように設けられる。遮蔽層上に形
成されるｐ型層は、レーザダイオードの場合、たとえば
ｐ型光ガイド層であり、発光ダイオードの場合は、たと
えばｐ型クラッド層あるいはｐ型コンタクト層である。
ＰＬ測定によれば、該遮蔽層が無い場合と有る場合とで
は、遮蔽層が有る場合の方が、設計波長からのシフト量
が小さく、ＰＬ発光強度も強かった。これは、発光層に
接する様にＡｌを含有する遮蔽層を設けたことにより、
発光層中に生じたわずかな結晶系分離と相分離がｐ型層
へ伝播するのが防止されるためだと考えられる。特に、
発光層が井戸層／障壁層／井戸層・・・／障壁層／井戸
層（図６参照）の構造を有する場合、上記遮蔽層の効果
が顕著に見られた。以上のことから、遮蔽層の構成要素
として少なくともＡｌが含有されていることが肝要であ
る。また遮蔽層をｐ層側に設ける場合、遮蔽層の極性は
ｐ型が好ましい。これは、遮蔽層がｐ型でないと、発光
層でキャリアのｐｎ接合位置がずれてしまい、発光効率
が低下するためである。一方、ｎ型ＡｌＧａＮ遮蔽層
を、発光層とｎ型層との間に、発光層に接する様に設け
ても良い。ｎ型遮蔽層に接するｎ型層は、レーザダイオ
ードの場合、たとえばｎ型光ガイド層であり、発光ダイ
オードの場合、ｎ型クラッド層あるいはｎ型コンタクト
層である。ｎ型ＡｌＧａＮ遮蔽層の効果は、ｐ型ＡｌＧ
ａＮ遮蔽層のそれとほぼ同じである。

【００７３】（発光層のバンドギャップ構造について）
図６〜図１０に発光層のバンドギャップ構造の具体例を
それぞれ示す。光ガイド層と障壁層が同一の窒化物半導
体材料で構成される場合、それらのバンドギャップエネ
ルギーおよび屈折率は同じになる。そのようなバンドギ
ャップ構造は図１０に示される。そのような場合、サブ
バンドによる多重量子井戸効果を得にくく、レーザダイ
オードの場合は利得の減少（閾値電流密度の増加）、発
光ダイオードの場合は発光波長の半値幅の増加〈色斑の
原因）を招き、あまり好ましくない。そこで、図６〜図
９に示すように、障壁層のバンドギャップエネルギーを
光ガイド層のそれより小さくすることにより、図１０の
場合と比べてサブバンドによる多重量子井戸効果が得や
すくなり、かつ光ガイド層よりも屈折率が大きくなる。
したがって、光閉じ込め効率が上がり、垂直横モードの
特性（単峰化）が良くなる。特に、障壁層中にＡｓ、
Ｐ、Ｓｂを含有していると屈折率が大きくなる傾向に有
るため、そのようなバンドギャップの構成は好ましい。

【００７４】光ガイド層のバンドギャップエネルギーよ
りも障壁層のそれを小さくする発光層の構成は、図６と
図７に示すように２種類ある。即ち、発光層が、井戸層
で始まり井戸層で終わる構成と、障壁層で始まり障壁層
で終わる構成である。また、上記と同様に、遮蔽層がな
い場合の発光層の構成は、図８および図９に示す通りで
ある。

【００７５】（実施例２）発光層の井戸層と障壁層を構
成する窒化物半導体材料の組み合わせは、下記の表のと
おりである。その他の構成は、実施例１と同様である。

【００７６】

【表１３】

【００７７】表１３中、○印は、好ましい井戸層と障壁
層の窒化物半導体材料の組み合わせを示している。一
方、△印は○印と比べてあまり好ましくない井戸層と障
壁層との組み合わせを示している（その理由について
は、前述の「障壁層について」の項を参照）。また、表
中に記載している井戸層は５元系であるが、ＩｎＡｌＧ
ａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦
０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）による混
晶であっても良い。

【００７８】発光層を構成している井戸層の層数、障壁
層厚、井戸層厚および発光層中の不純物濃度等、発光層
に関する条件は、実施例１と同様である。

【００７９】（実施例３）本実施例の構成を図１１に示
す。実施例１と同様の構成において、サファイア基板の
替わりにｎ型ＧａＮ基板７００（｛０００１｝面）を用
いている。

【００８０】ＧａＮ基板を用いた場合、低温ＧａＮバッ
ファ層１０１を形成せずに、ｎ型ＧａＮ層１０２を直接
ＧａＮ基板上に成長させても良い。しかしながら、結晶
性や表面モフォロジーがあまり好ましくないＧａＮ基板
を使用する場合、それらの改善のために低温ＧａＮバッ
ファ層１０１を挿入した方が好ましい。

【００８１】本実施例では、ｎ型のＧａＮ基板７００を
用いているため、ｎ電極１１１はＧａＮ基板の裏面から
とることができる。また、ＧａＮ基板はへき開端面が非
常に急峻であるため、ミラー損失が低く、へき開による
共振器長３００μｍのファブリ・ペロー共振器を作製し
た。共振器長は一般に３００μｍから１０００μｍが好
ましい。該共振器のミラー端面は、ＧａＮ基板の｛１−
１００｝面が端面になるように形成している。へき開お
よびレーザ素子のチップ分割は、図３に示す破線に沿っ
て基板側からスクライバーで行っている。このことによ
り、端面の急峻性やスクライブによる削りカスがエピタ
キシャル成長表面に付着しないため歩留まりが良い。前
記レーザ共振器の帰還手法以外に、一般に知られている
ＤＦＢ（Distributed Feedback）、ＤＢＲ（Distribute
d Bragg Reflector）を用いても構わない。ファブリ・
ペロー共振器のミラー端面を形成後、該ミラー端面に７
０％の反射率を有するＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜を交
互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成する。前記誘電体
材料以外に、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃を誘電多層反射膜とし
て用いても良い。

【００８２】サファイア基板の替わりにＧａＮ基板を用
いたことにより、エピタキシャル成長層中にクラックを
発生させることなく、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層とｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層厚を厚くすることができる。好ま
しくは、ＡｌＧａＮクラッド層厚は０．８μｍ〜１．０
μｍである。このことにより、垂直横モードの単峰化と
光閉じ込め効率が増し、レーザの光学特性の向上とレー
ザ閾値電流密度の低減が図れる。また、発光層の性能
は、上述したように、井戸層の結晶性（結晶欠陥）に強
く依存するため、ＧａＮ基板を用いると、発光層中の結
晶欠陥密度（例えば貫通転位密度）が低減し、レーザ発
振閾値電流密度は、サファイア基板を使用する実施例１
に比べて、１０％から２０％低減する（図５参照）。

【００８３】本実施例において、発光層を構成している
井戸層の層数、障壁層厚、井戸層厚および発光層中の不
純物濃度等、発光層に関する条件は、実施例１と同様で
あり、発光層の窒化物半導体材料については実施例２と
同様である。ただし、発光層中の不純物濃度について
は、障壁層中のみに不純物を添加する変調ドープ、もし
くは、井戸層に３×１０¹⁸／ｃｍ³以下の不純物濃度を
添加することによって、レーザ閾値電流密度が低減し
た。これは、上述したように、発光層の結晶性がサファ
イア基板を使用する場合に比べて向上したためである。

【００８４】（実施例４）本実施例は、図１に示す実施
例１のサファイア基板１００を図４に示すような構造の
基板８００に置き換えた以外は、実施例１または実施例
２と同様である。図４に示す基板８００は、種基板８０
１、低温バッファ層８０２、ｎ型ＧａＮ膜８０３、誘電
体膜８０４、およびｎ型ＧａＮ厚膜８０５から構成され
ている。このような基板は以下に示すプロセスにより製
造される。

【００８５】まず、ＭＯＣＶＤ法で種基板８０１上に低
温バッファ層８０２を５５０℃で積層する。次に、１０
５０℃の成長温度でＳｉをドーピングしながら、１μｍ
からなるｎ型ＧａＮ膜８０３を作製する。ｎ型ＧａＮ膜
８０３を作製後、ＭＯＣＶＤ装置から、基板を取りだ
し、スパッター法、ＣＶＤ法またはＥＢ蒸着法を用いて
誘電体膜８０４を１００ｎｍ形成し、リソグラフイー技
術で、誘電体膜８０４を周期的なストライプ状パターン
に加工する。ストライプ状パターンの形成においては、
ｎ型ＧａＮ膜８０３に対して＜１−１００＞方向に伸び
るストライプを形成し、この方向に対して垂直方向であ
る＜１１−２０＞方向にストライプ幅５μｍ、ピッチ１
０μｍの周期的ストライプ状パターンを形成した。続い
て、ストライプ形状に加工した誘電体膜８０４の付いた
基板をＨＶＰＥ装置中にセットし、成長温度１１００
℃、Ｓｉ濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³、厚さ３５０μｍのｎ
型ＧａＮ厚膜８０５を積層する。上記製造方法によって
ｎ型ＧａＮ厚膜８０５を形成後、基板をＨＶＰＥ装置か
ら取り出し、実施例１（図１）と同様のレーザダイオー
ドを作製する。ただし、レーザダイオードのリッジスト
ライプ部分が図４に示すライン８１０およびライン８１
１上に位置しないようにして作製する。これは、貫通転
位密度（結晶欠陥）の少ない部分にレーザ素子を作製す
るためである。このようにして作製されたレーザダイオ
ードの特性は実施例３と同様である。

【００８６】また、基板８００から研磨機で種基板８０
１を剥ぎ取り、得られる基板上にレーザダイオードを作
製しても良い。この場合、得られる基板は、低温バッフ
ァ層８０２〜ｎ型ＧａＮ厚膜８０５を含む。また、低温
バッファ層８０２以下の層を全て研磨機で剥ぎ取って、
得られる基板上にレーザダイオードを作製しても良い。
この場合、基板はｎ型ＧａＮ膜８０３〜ｎ型ＧａＮ厚膜
８０５を含む。さらに、誘電体膜８０４以下の層を全て
研磨機で剥ぎ取って、得られる基板上にレーザダイオー
ドを作製しても良い。この場合、基板はｎ型ＧａＮ厚膜
８０５の部分からなる。種基板８０１や上述したような
部分を剥ぎ取る場合、実施例３と同様に基板の裏面から
ｎ電極１１１をとることができる。また、種基板８０１
はレーザダイオードを作製後に剥ぎ取ってもよい。

【００８７】上記基板８００の製造において、種基板８
０１には、Ｃ面サファイア、Ｍ面サファイア、Ａ面サフ
ァイア、Ｒ面サファイア、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、
スピネル、Ｇｅ、Ｓｉ、６Ｈ−ＳｉＣ種基板、４Ｈ−Ｓ
ｉＣ種基板、３Ｃ−ＳｉＣ種基板の何れかを用いること
ができる。低温バッファ層８０２は、４５０℃から６０
０℃の成長温度で形成した低温ＧａＮバッファ層、低温
ＡｌＮバッファ層、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層（０
＜ｘ＜１）、低温Ｉｎ_yＧａ_1-yＮバッファ層（０＜ｙ≦
１）の何れかとすることができる。ｎ型ＧａＮ膜８０３
のかわりに、ｎ型Ａｌ_zＧａ_1-zＮ膜（０＜ｚ＜１）を使
用してもよい。誘電体膜８０４は、ＳｉＯ₂膜、ＳｉＮ_x
膜、ＴｉＯ₂膜、Ａ１₂Ｏ₃膜の何れかとすることができ
る。また、誘電体膜のかわりに、タングステンやモリブ
デン等の金属膜を使用してもよいし、誘電体膜の部分を
空洞にしてもよい。ｎ型ＧａＮ厚膜８０５のかわりに、
ｎ型Ａｌ_wＧａ_1-wＮ厚膜（０＜ｗ≦１）を使用してもよ
く、その厚膜は２０μｍ以上あれば良い。

【００８８】（実施例５）実施例１において光ガイド層
は、ｎ型層、ｐ型層ともにＧａＮ層で構成されている
が、このＧａＮ層の窒素原子をＡｓ、Ｐ、Ｓｂの何れか
の元素で置換しても良い。本実施例では、ＧａＮ
_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０≦ｘ≦０．０７５、０≦ｙ≦
０．１、０≦ｚ≦０．０２５、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）からな
る光ガイド層を使用する。他の構造は実施例１と同様で
ある。

【００８９】従来のＡｌＧａＮクラッド層／ＧａＮ光ガ
イド層では、たとえクラッド層のＡｌ組成を増したとし
ても互いの層の屈折率差が小さく、逆に格子不整合が増
してしまい、クラックの発生や結晶性の低下を招いてし
まう。一方、ＡｌＧａＮクラッド層と上記ＧａＮ
_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z光ガイド層の場合、Ａｓ、Ｐまた
はＳｂの非常に大きなボウイング効果のため、ＡｌＧａ
Ｎクラッド層／ＧａＮ光ガイド層に比べて、僅かな格子
不整合で、エネルギーギャップ差が大きくなると同時
に、屈折率差も大きくなる。このことにより窒化物半導
体レーザダイオードのレーザ光を効率良く閉じ込めるこ
とができ、垂直横モード特性（単峰化）が向上する。

【００９０】このＧａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０≦ｘ
≦０．０７５、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０２５、
ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）光ガイド層の各組成比ｘ、ｙ、ｚは、
そのエネルギーギャップが障壁層のエネルギーギャップ
以上になるように、調整すれば良い。例えば、青紫色レ
ーザ（４１０ｎｍ）のＧａＮ_1-xＡｓ_x光ガイド層の場
合、Ａｓの組成比ｘは０．０１５以下、ＧａＮ_1-yＰ_y光
ガイド層の場合、Ｐの組成比ｙは０．０２５以下、Ｇａ
Ｎ_1-zＳｂ_z光ガイド層の場合、Ｓｂの組成比ｚは０．０
１以下が好ましい。

【００９１】（実施例６）本実施例による窒化物半導体
発光ダイオード素子を図１２および図１３に示す。図１
２は断面図、図１３は上面図である。図１２に示すとお
り、当該素子は、Ｃ面（０００１）サファイア基板９０
０、低温ＧａＮバッファ層９０１（膜厚３０ｎｍ）、ｎ
型ＧａＮ層９０２（膜厚３μｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１
０¹⁸／ｃｍ ³）、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ隔離層兼クラッ
ド層９０３（膜厚２０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸
／ｃｍ³）、発光層９０４、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽
層兼クラッド層９０５（膜厚２０ｎｍ、Ｍｇ不純物濃蜃
６×１０¹⁹／ｃｍ³）、ｐ型ＧａＮコンタクト層９０６
（膜厚２００ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度１×１０²⁰／ｃ
ｍ ³）、透光性ｐ電極９０７、パッド電極９０８、ｎ電
極９０９、および誘電体膜９１０から構成されている。

【００９２】上記発光ダイオードの構成のうち、ｎ型Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層９０３は無くても構
わない。透光性ｐ電極９０７は、ＮｉもしくはＰｄで構
成され、パッド電極９０８はＡｕで、ｎ電極９０９はＴ
ｉ／Ａｌ、Ｈｆ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｌ
で構成されている。本実施例の発光層は、井戸層と障壁
層にそれぞれＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度５×１０¹⁷／ｃ
ｍ³）を添加している。

【００９３】なお、発光層を構成している井戸層および
障壁層の窒化物半導体材料については、実施例２と同様
である。また、サファイア基板９００の替わりに、Ｇａ
Ｎ基板を用いた場合は実施例３と同様の効果が、図４に
示す基板を用いた場合は実施例４と同様の効果が得られ
る。導電性のＧａＮ基板を使用する場合、図１３に示す
ように片面側からｐとｎの両電極を取らずに、ＧａＮ基
板の裏面側からｎ電極を、エピ表面側から透光性ｐ電極
をとることができる。本実施例において、発光層を構成
している障壁層厚、井戸層厚および不純物濃度等、発光
層に関する条件や結晶成長方法については、実施例１と
同様である。

【００９４】発光ダイオードの発光層を構成している井
戸層数と発光強度の関係について図１４に示す。図１４
中の発光ダイオードの発光強度は、従来のＩｎＧａＮ井
戸層を用いたときの発光強度を１として規格化している
（破線）。また、図中の○印はサファイア基板を、●印
はＧａＮ基板を、それぞれ用いたときの発光強度につい
て示している。この図から発光ダイオードにおける好ま
しい井戸層の数は、２層以上１０層以下である。また、
サファイア基板よりもＧａＮ基板を用いることによって
発光強度が向上することがわかる。

【００９５】（実施例７）本実施例により、窒化物半導
体スーパールミネッセントダイオード素子が提供され
る。該素子について、結晶成長方法およびその構成は実
施例１と同様である（図１参照）。一方、発光層を構成
している井戸層および障壁層の窒化物半導体材料につい
ては、実施例２と同様である。また、サファイア基板９
００の替わりにＧａＮ基板を用いた場合は実施例３と同
様の効果が、図４に示す基板を用いた場合は実施例４と
同様の効果が得られる。また、発光層を構成している障
壁層厚、井戸層厚および不純物濃度等、発光層に関する
条件や結晶成長方法は、実施例１と同様である。また、
スーパールミネッセンスダイオードの発光層を構成して
いる井戸層数と発光強度の関係については実施例６と同
様である。

【００９６】（実施例８）本実施例では、発光層を構成
している井戸層と障壁層にＣ不純物を１×１０²⁰／ｃｍ
³添加した以外は、実施例１、実施例３、実施例４、実
施例６または実施例７と同じである。

【００９７】（実施例９）本実施例では、発光層を構成
している井戸層と障壁層にＭｇ不純物を１×１０ ¹⁶／ｃ
ｍ³添加した以外は、実施例１、実施例３、実施例４、
実施例６または実施例７と同じである。

【００９８】（実施例１０）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、５周期のＩｎ_0.05Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.85Ｎ_0.98Ｐ_0.02井戸層（２ｎｍ）／Ａｌ_0.02
Ｇａ_0.98Ｎ障壁層（４ｎｍ）である以外は、実施例１、
実施例３、実施例４、実施例６または実施例７と同じで
ある。

【００９９】（実施例１１）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、１０周期のＩｎ_0.05Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.85Ｎ_0.99Ａｓ_0.01井戸層（０．４ｎｍ）／Ｇ
ａＮ障壁層（１ｎｍ）である以外は、実施例１、実施例
３、実施例４、実施例６または実施例７と同じである。

【０１００】（実施例１２）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、３周期のＩｎ_0.2Ａｌ_0.2
Ｇａ_0.6Ｎ_0.99Ｐ_0.01井戸層（６ｎｍ）／Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎ_0.99Ａｓ_0.01障壁層（６ｎｍ）である以外は、実
施例１、実施例３、実施例４、実施例６または実施例７
と同じである。

【０１０１】（実施例１３）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、４周期のＩｎ_0.2Ａｌ_0.2
Ｇａ_0.6Ｎ_0.99Ａｓ_0.01井戸層（４ｎｍ）／Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎ_0.99Ｐ_0.01障壁層（１０ｎｍ）である以外は、実
施例１、実施例３、実施例４、実施例６または実施例７
と同じである。

【０１０２】（実施例１４）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、２周期のＩｎ_0.05Ａｌ
_0.03Ｇａ_0.92Ｎ_0.98Ｐ_0.02井戸層（１８ｎｍ）／Ｉｎ
_0.02Ｇａ_0.98Ｎ障壁層（２０ｎｍ）である以外は、実施
例１、実施例３、実施例４、実施例６または実施例７と
同じである。

【０１０３】（実施例１５）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、６周期のＩｎ_0.1Ａｌ
_0.05Ｇａ_0.85Ｎ_0.99Ａｓ_0.01井戸層（４ｎｍ）／ＧａＮ
障壁層（３ｎｍ）である以外は、実施例１、実施例３、
実施例４、実施例６または実施例７と同じである。

【０１０４】（実施例１６）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、４周期のＩｎ_0.1Ａｌ
_0.05Ｇａ_0.85Ｎ_0.98Ｐ_0.02井戸層（６ｎｍ）／Ｉｎ_0.03
Ａｌ_0.0lＧａ_0.96Ｎ_0. ₉₉Ｐ_0.01障壁層（３ｎｍ）である
以外は、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６また
は実施例７と同じである。

【０１０５】（実施例１７）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、５周期のＩｎ_0.1Ａ１
_0.01Ｇａ_0.89Ｎ_0.99Ａｓ_0.01井戸層（４ｎｍ）／ＧａＮ
_0.99Ａｓ_0.01障壁層（１０ｎｍ）である以外は、実施例
１、実施例３、実施例４、実施例６または実施例７と同
じである。

【０１０６】（実施例１８）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、６周期のＩｎ_0.02Ａｌ
_0.03Ｇａ_0.95Ｎ_0.98Ａｓ_0.02井戸層（４ｎｍ）／ＧａＮ
障壁層（４ｎｍ）である以外は、実施例１、実施例３、
実施例４、実施例６または実施例７と同じである。

【０１０７】（実施例１９）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、３周期のＩｎ_0.05Ａｌ
_0.01Ｇａ_0.94Ｎ_0.98Ｓｂ_0.02井戸層（５ｎｍ）／ＧａＮ
障壁層（５ｎｍ）である以外は、実施例１、実施例３、
実施例４、実施例６または実施例７と同じである。

【０１０８】（実施例２０）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、４周期のＩｎ_0.2Ａｌ
_0.03Ｇａ_0.77Ｎ_0.97Ｐ_0.03井戸層（４ｎｍ）／Ｉｎ_0.02
Ａｌ_0.03Ｇａ_0.95Ｎ_0. ₉₈Ａｓ_0.02障壁層（８ｎｍ）であ
る以外は、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６ま
たは実施例７と同じである。

【０１０９】（実施例２１）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、３周期のＩｎ_0.2Ａｌ
_0.05Ｇａ_0.75Ｎ_0.98Ａｓ_0.02井戸層（１５ｎｍ）／Ｉｎ
_0.02Ｇａ_0.98Ｎ_0.98Ａｓ_0.02障壁層（１０ｎｍ）である
以外は、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６また
は実施例７と同じである。

【０１１０】（実施例２２）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、３周期のＩｎ_0.1Ａｌ
_0.01Ｇａ_0.89Ｎ_0.94Ｐ_0.06井戸層（５ｎｍ）／Ａｌ_0.03
Ｇａ_0.97Ｎ_0.98Ｓｂ_0. ₀₂障壁層（５ｎｍ）である以外
は、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６または実
施例７と同じである。

【０１１１】（実施例２３）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、２周期のＩｎ_0.1Ａｌ
_0.03Ｇａ_0.87Ｎ_0.96Ａｓ_0.04井戸層（６ｎｍ）／Ｉｎ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ_0.97Ｐ_0. ₀₃障壁層（６ｎｍ）である以外
は、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６または実
施例７と同じである。

【０１１２】（実施例２４）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、４周期のＩｎ_0.35Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.55Ｎ_0.98Ａｓ_0.02井戸層（１０ｎｍ）／Ｉｎ
_0.1Ａｌ_0.1Ｇａ_0.8Ｎ_0. ₉₅Ｐ_0.05障壁層（４ｎｍ）であ
る以外は、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６ま
たは実施例７と同じである。

【０１１３】（実施例２５）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、４周期のＩｎ_0.35Ａｌ
_0.05Ｇａ_0.6Ｎ_0.94Ｐ_0.06井戸層（１０ｎｍ）／ＧａＮ
_0.95Ａｓ_0.05障壁層（１５ｎｍ）である以外は、実施例
１、実施例３、実施例４、実施例６または実施例７と同
じである。

【０１１４】（実施例２６）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、３周期のＩｎ_0.2Ａｌ
_0.02Ｇａ_0.78Ｎ_0.95Ａｓ_0.05井戸層（２０ｎｍ）／Ｇａ
Ｎ_0.9Ｐ_0.1障壁層（２０ｎｍ）である以外は、実施例
１、実施例３、実施例４、実施例６または実施例７と同
じである。

【０１１５】（実施例２７）本実施例では、発光層を構
成している井戸層と障壁層が、２周期のＩｎ_0.1Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.8Ｎ_0.98Ｐ_0.02井戸層（５ｎｍ）／Ａｌ_0.01Ｇａ
_0.99Ｎ_0.95Ａｓ_0.05障壁層（５ｎｍ）であり、発光層と
ｐ型層との間には障壁層を用いず、ｎ型Ａｌ _0.15Ｇａ
_0.85Ｎ遮蔽層をｎ型層と発光層との間に用いたこと以外
は、実施例１、実施例３、実施例４、実施例６または実
施例７と同じである。また、ｎ型Ａｌ_0. ₁₅Ｇａ_0.85Ｎ遮
蔽層を用いたことによって、実施例１、実施例３、実施
例４、実施例６または実施例７とほぼ同じ効果が得られ
た。

【０１１６】（実施例２８）本発明による紫外光から青
紫色（３８０ｎｍ〜４１０ｎｍの発振波長）の窒化物半
導体レーザは、従来の窒化物半導体レーザに比べて、レ
ーザ発振閾値電流密度が低く、レーザ光中の自然放出光
が減少し、雑音にも強い。また、本発明によるレーザ
は、高出力（５０ｍＷ）、高温雰囲気中で安定して動作
するため、高密度記録再生用光ディスクに適したレーザ
である。実施例１〜実施例５の窒化物半導体レーザを使
用した光学装置の一例を図１５に示す。

【０１１７】図１５に示す光学装置は、情報記録装置の
一例としての光ディスク装置である。装置において、レ
ーザ１５０からのレーザ光は、入力情報に応じて光変調
器１５１で変調され、追従鏡１５３で反射され、レンズ
１５４を通してディスク１６０上に記録される。再生時
は、ディスク１６０上のビット配列によって光学的に変
化を受けたレーザ光がスプリッター１５２を通して光検
出器１５５で検出され、再生信号となる。これらの動作
およびディスク用モーター１５７は制御回路１５６によ
り制御されている。レーザ出力は、通常、記録時３０ｍ
Ｗで、再生時５ｍＷ程度である。

【０１１８】また、本発明によるレーザー素子は、上記
光ディスク装置の他に、レーザプリンターやプロジェク
ター等にも有効である。プロジェクターでは、本発明に
よる発光層を用いた光の三原色（青色、緑色、赤色）レ
ーザダイオードを使用することができる。

【０１１９】（実施例２９）実施例６または７の発光ダ
イオードまたはスーパールミネッセントダイオードは、
白色光源、あるいはディスプレイに適用される。この場
合、光の三原色（赤色、緑色、青色）の発光ダイオード
またはスーパールミネッセントダイオードを使用する。

【０１２０】従来の液晶ディスプレーに用いられていた
ハロゲン光源に替わって、この白色光源は、低消費電力
かつ高輝度のバックライトとして利用できる。これは、
携帯ノートパソコン、携帯電話等によるマン・マシーン
インターフェイスの液晶ディスプレイ用バックライトと
して利用でき、小型化で高鮮明な液晶ディスプレイを提
供できる。

【０１２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、ＩｎＡｌ
ＧａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ
≦０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）で表さ
れる窒化物を井戸層に使用し、必要に応じて井戸層の各
構成元素の組成比を適正化し、必要に応じて障壁層の構
成元素およびその組成比を適正化し、さらに遮蔽層を必
要に応じて導入することにより、結晶系分離や相分離が
生じるのを抑制し、優れた結晶性と高い発光効率を有す
る窒化物半導体発光素子を提供することができ、さら
に、そのような素子を用いて高性能の光学装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のレーザ素子の構造を示す概略断面
図である。

【図２】Ａｌの添加濃度と、結晶系分離の割合および
発光強度との関係を示す図である。

【図３】チップの分割およびへき開について説明する
模式図である。

【図４】窒化物半導体厚膜を使用する基板の構造を示
す概略断面図である。

【図５】レーザダイオードの井戸層数と閾値電流密度
との関係を示す図である。

【図６】バンドギャップエネルギー構造の一例を示す
模式図である。

【図７】バンドギャップエネルギー構造のもう一つの
例を示す模式図である。

【図８】バンドギャップエネルギー構造の他の例を示
す模式図である。

【図９】バンドギャップエネルギー構造の他の例を示
す模式図である。

【図１０】バンドギャップエネルギー構造の他の例を
示す模式図である。

【図１１】窒化物半導体基板を用いたレーザ構造の一
例を示す概略断面図である。

【図１２】発光ダイオード構造の一例を示す概略断面
図である。

【図１３】図１２に示す発光ダイオード構造の平面図
である。

【図１４】発光ダイオードの井戸層数と発光強度との
関係を示す図である。

【図１５】情報記録装置の一例としての光ディスク装
置を示す模式図である。

【符号の説明】

１００，９００サファイア基板、１０１，９０１低
温ＧａＮバッファ層、１０２，９０２ｎ型ＧａＮ層、
１０３ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層、１０
４ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０５ｎ型Ｇ
ａＮ光ガイド層、１０６，９０４発光層、１０７ｐ
型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層、１０８ｐ型ＧａＮ光ガイ
ド層、１０９ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１
０，９０６ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１，９０９
ｎ電極、１１２ｐ電極、１１３ＳｉＯ₂誘電体
膜、７００ｎ型ＧａＮ基板、８００基板、８０１
種基板、８０２低温バッファ層、８０３ｎ型ＧａＮ
膜、８０４，９１０誘電体膜、８０５ｎ型ＧａＮ厚
膜、９０３ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド
層、９０５ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド
層、９０７透光性ｐ電極、９０８パッド電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 CA05 CA34 CA40 CA46 CA53 CA54 CA56 CA57 CA65 CA82 CA83 CA88 CA92 FF11 5F045 AA04 AB14 AB17 AC12 AF09 AF13 BB04 BB16 CA11 DA53 DA55 5F073 AA13 AA74 AA83 BA06 BA07 BA09 CA20 CB02 CB05 CB17 CB19 CB22 DA05 DA24 DA32 EA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の井戸層と１つまたは複数の障壁層
とが組み合わされた発光層を有する窒化物半導体発光素
子であって、前記井戸層が、式ＩｎＡｌＧａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z
（式中、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦
０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）で表される窒化物からなる
ことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】前記井戸層におけるＡｌの含有量が１×
１０¹⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とする、請求項１
に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】前記井戸層が、式Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-b
Ｎ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（式中、０＜ａ≦０．５、０＜
ｂ≦０．２、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ
≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）で表される窒化物からな
ることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物
半導体発光素子。
【請求項４】前記障壁層は、ＩＩＩ族元素として少な
くともＧａを含みかつＶ族元素としてＮのみを含む、Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるものであることを特徴
とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半
導体発光素子。
【請求項５】前記障壁層は、ＩＩＩ族元素として少な
くともＧａを含み、かつＶ族元素としてＡｓ、Ｐおよび
Ｓｂよりなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とＮ
とを含む、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるものであ
ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記
載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】前記井戸層におけるＡｓ、ＰおよびＳｂ
の総含有量が１０¹⁸／ｃｍ³以上であることを特徴とす
る、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体
発光素子。
【請求項７】前記発光層は、それに隣接する２つの層
の間に存在し、前記２つの層の少なくともいずれかは、ＡｌおよびＮを
含む窒化物からなることを特徴とする、請求項１〜６の
いずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】前記発光層を構成している前記井戸層の
数が２以上１０以下であることを特徴とする、請求項１
〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】前記井戸層の厚みが０．４ｎｍ以上２０
ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいず
れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】前記障壁層の厚みが１ｎｍ以上２０ｎ
ｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれ
か１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】前記井戸層および／または前記障壁層
に、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、ＣｄおよびＭｇよ
りなる群から選ばれた少なくとも１種の元素が添加され
ていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１
項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】前記元素の添加量が１×１０¹⁶〜１×
１０²⁰／ｃｍ³であることを特徴とする、請求項１１に
記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】ＧａＮ基板を有し、前記ＧａＮ基板上に前記発光層が形成されていることを
特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒
化物半導体発光素子。
【請求項１４】請求項１〜１３のいずれか１項に記載
の窒化物半導体発光素子を用いた光学装置。