JPH11274644A

JPH11274644A - 半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11274644A
Application number: JP7085998A
Authority: JP
Inventors: Masaki Tatsumi; 正毅辰巳; Akihiro Matsumoto; 晃広松本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 1999-10-08
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: JP3429446B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体発光素子の動作電圧を低減し、特性劣
化を防ぐ。【解決手段】光ガイド層１０４、１０６が、活性層１
０５に近い側から不純物希少領域１３２、１４２と不純
物中間濃度領域１３１、１４１と不純物添加領域１３
０、１４０とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
や発光ダイオード素子等の半導体発光素子及びその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体レーザ素子として、発光部
である活性層に量子井戸層を用いた量子井戸型レーザが
知られている。この量子井戸型レーザは、動作電流を低
減することができ、しかも雑音特性を改善することがで
きる等、様々な利点を有する。

【０００３】量子井戸型レーザにおいて、活性層への光
の閉じこめを増大させることができる構造としては、分
離型閉じこめ構造（ＳＣＨ：ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎ
ｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）
がある。

【０００４】ところで、化合物半導体層の禁制帯幅と屈
折率とは一般に反比例の関係にあり、また、Ａｌを含む
化合物半導体層のＡｌ混晶比と禁制帯幅とは一般に比例
関係にある。

【０００５】従って、ＳＣＨ構造の量子井戸型レーザに
おける活性層近傍のバンドダイアグラムは、例えば図１
１に示すようなものになる。

【０００６】この半導体レーザ素子は、複数の量子井戸
層５１０とバリヤ層５１１とからなる多重量子井戸（Ｍ
ＱＷ：ＭｕｌｔｉＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）活性層５０
１の両外側を挟んで量子井戸層５１０よりも禁制帯幅の
大きい第１光ガイド層５０２及び第２光ガイド層５０３
が設けられている。そして、その両外側を挟んで第１光
ガイド層５０２及び第２光ガイド層５０３よりも禁制帯
幅の大きいｎ−第１クラッド層５０４及びｐ−第２クラ
ッド層５０５が設けられている。

【０００７】この半導体レーザ素子において、キャリヤ
の閉じ込めは量子井戸層５１０で行われ、光の閉じ込め
は第１光ガイド層５０２及び第２光ガイド層５０３で行
われる。

【０００８】このようなＳＣＨ構造の半導体レーザ素子
は、例えば特公平４−６７３５４号公報及び特開平６−
２５２５０８号公報等に開示されている。

【０００９】このうち、特公平４−６７３５４号公報の
半導体レーザ素子では光ガイド層の全域に不純物が添加
されており、特開平６−２５２５０８号公報の半導体レ
ーザ素子では光ガイド層の全域に不純物が添加されてい
ない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のＳＣＨ構造にお
いては、光ガイド層の層厚を厚くすることにより光の閉
じ込め効率が向上し、低閾値電流を得ることができる。
よって、電流低減を図るためには光ガイド層の層厚を厚
くすることが望ましい。

【００１１】しかしながら、特開平６−２５２５０８号
公報の半導体レーザ素子のように光ガイド層に不純物が
添加されていない場合には、光ガイド層の層抵抗が大き
くなり、さらに、クラッド層と光ガイド層との間に電位
障壁が生じるので動作電圧が増大するという問題があ
る。

【００１２】これに対して、特公平４−６７３５４号公
報の半導体レーザ素子のように光ガイド層に不純物が添
加されている場合には、通電中に光ガイド層から活性層
へ不純物が拡散して活性層中に非発光再結合中心が形成
されるので内部吸収ロスが生じてしまい、レーザ特性が
劣化するという問題がある。

【００１３】さらに、従来においては、光ガイド層を含
めて活性層に隣接する半導体層への不純物添加がレーザ
特性に及ぼす影響については、詳細な検討が殆どなされ
ていなかった。

【００１４】これらのことは量子井戸型レーザ素子以外
の半導体レーザ素子でも同様であり、さらに、活性層の
上下両側にクラッド層を設けた発光ダイオード素子につ
いても同様のことが言える。

【００１５】本発明はこのような従来技術の課題を解決
すべくなされたものであり、動作電圧を低減できると共
に特性劣化を防ぐことができる半導体発光素子及びその
製造方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、活性層と、該活性層の上下に設けられたクラッド層
とを有する半導体発光素子において、少なくとも一方の
クラッド層が、不純物希少領域と不純物添加領域とを有
し、該不純物希少領域が該活性層に近い側に配されてお
り、そのことにより上記目的が達成される。

【００１７】本発明の半導体発光素子は、活性層と、該
活性層の上下に設けられた光ガイド層とを有する半導体
発光素子において、少なくとも一方の光ガイド層が、不
純物希少領域と不純物添加領域とを有し、該不純物希少
領域が該活性層に近い側に配されており、そのことによ
り上記目的が達成される。

【００１８】本発明の半導体発光素子は、活性層と、該
活性層の上下一方に設けられた光ガイド層とを有する半
導体発光素子において、該光ガイド層が、不純物希少領
域と不純物添加領域とを有し、該不純物希少領域が該活
性層に近い側に配されており、そのことにより上記目的
が達成される。

【００１９】前記不純物希少領域と前記不純物添加領域
との間に不純物中間濃度領域を有していてもよい。

【００２０】前記活性層が量子井戸層からなっていても
よい。

【００２１】前記光ガイド層の前記不純物添加領域にお
ける不純物がｐ型である場合、該不純物のキャリヤ濃度
が４×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であ
るのが好ましい。

【００２２】前記光ガイド層の前記不純物添加領域にお
ける不純物がｎ型である場合、該不純物のキャリヤ濃度
が２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であるの
が好ましい。

【００２３】前記不純物希少領域における不純物濃度は
前記不純物添加領域における不純物濃度の１／５以下と
することができる。

【００２４】前記不純物希少領域の厚みは３ｎｍ以上１
０ｎｍ以下であるのが好ましい。

【００２５】前記不純物希少領域は、少なくともｐ型ク
ラッド層又はｐ型光ガイド層に設けられていてもよい。

【００２６】前記不純物希少領域のうち、ｐ型クラッド
層又はｐ型光ガイド層に設けたものの厚みが、ｎ型クラ
ッド層又はｎ型光ガイド層に設けたものの厚みよりも厚
くされているのが好ましい。

【００２７】前記不純物中間濃度領域の厚みは３ｎｍ以
上１０ｎｍ以下であるのが好ましい。

【００２８】前記活性層が複数の量子井戸層と該複数の
量子井戸層で挟まれたバリヤ層とからなる多重量子井戸
層で構成され、前記不純物希少領域と前記不純物添加領
域とを有する光ガイド層における少なくとも不純物添加
領域の禁制帯幅が、該バリヤ層の禁制帯幅よりも小さ
く、かつ、該量子井戸層の禁制帯幅よりも大きくされて
いてもよい。

【００２９】前記光ガイド層において、前記不純物添加
領域の禁制帯幅が前記不純物希少領域の禁制帯幅よりも
小さくされていてもよい。

【００３０】前記クラッド層又は前記光ガイド層はＡｌ
ＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料又はＩｎＧａＮ
系材料からなっていてもよい。

【００３１】本発明の半導体発光素子の製造方法は本発
明の半導体発光素子を製造する方法であって、不純物添
加層及び不純物無添加層を成長させ、結晶成長中の熱履
歴により該不純物添加層から不純物無添加層へ不純物を
拡散させて前記不純物中間濃度領域を形成し、そのこと
により上記目的が達成される。

【００３２】前記不純物無添加層のうち、ｐ型クラッド
層又はｐ型光ガイド層形成部に設けたものの厚みを、ｎ
型クラッド層又はｎ型光ガイド層形成部に設けたものの
厚みよりも厚くするのが好ましい。

【００３３】以下、本発明の作用について説明する。

【００３４】本発明にあっては、活性層の上下に設けら
れたクラッド層の少なくとも一方が不純物希少領域と不
純物添加領域とを有し、不純物添加領域よりも不純物濃
度が低い不純物希少領域が活性層に近い側に配されてい
るので、通電中に不純物添加領域から活性層に不純物が
拡散するのを不純物希少領域で抑制することができる。

【００３５】他の本発明にあっては、活性層の上下に設
けられた光ガイド層の少なくとも一方が不純物添加領域
を有するので、光ガイド層全体の抵抗を下げることがで
き、さらに、光ガイド層とクラッド層との間の拡散電位
を低減することができるので、動作電圧を低減すること
ができる。さらに、不純物添加領域よりも不純物濃度が
低い不純物希少領域が活性層に近い側に配されているの
で、通電中に不純物添加領域から活性層に不純物が拡散
するのを不純物希少領域で抑制して素子の信頼性を向上
させることができる。

【００３６】他の本発明にあっては、活性層の上下一方
に設けられた光ガイド層が不純物添加領域を有するの
で、光ガイド層全体の抵抗を下げることができ、さら
に、光ガイド層とクラッド層との間の拡散電位を低減す
ることができるので、動作電圧を低減することができ
る。さらに、不純物添加領域よりも不純物濃度が低い不
純物希少領域が活性層に近い側に配されているので、通
電中に不純物添加領域から活性層に不純物が拡散するの
を不純物希少領域で抑制して素子の信頼性を向上させる
ことができる。

【００３７】さらに、上記不純物希少領域と不純物添加
領域との間に、不純物濃度が不純物添加領域よりも低
く、不純物希少領域よりも高い不純物中間濃度領域を設
けることにより、通電中に不純物添加領域から不純物希
少領域に不純物が拡散するのを防ぐことができるので、
素子の信頼性をより一層向上させることができる。

【００３８】特に、活性層が量子井戸層からなる場合、
通電中のわずかな不純物拡散によっても層構造が変化し
て特性劣化が生じ易いが、本発明によれば通電中の活性
層への不純物拡散を抑制することができるので、非常に
有効である。

【００３９】上記光ガイド層の不純物添加領域における
不純物がｐ型である場合、不純物のキャリヤ濃度を４×
１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に設定する
のが好ましい。また、上記光ガイド層の不純物添加領域
における不純物がｎ型である場合、不純物のキャリヤ濃
度を２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に設定
するのが好ましい。この範囲に設定することにより、動
作電圧を有効に低減すると共に、不純物添加領域におけ
るキャリヤの非発光再結合による特性劣化を有効に抑制
することができる。尚、クラッド層の不純物添加領域に
おける不純物濃度については、クラッド層として活性層
へのキャリヤ閉じ込め機能を有する濃度であればよい。

【００４０】上記不純物希少領域における不純物のキャ
リヤ濃度は、不純物添加領域における不純物のキャリア
濃度の１／５以下であれば、通電中の活性層への不純物
拡散を有効に抑制することができる。

【００４１】上記不純物希少領域の厚みは３ｎｍ以上１
０ｎｍ以下であるのが好ましい。３ｎｍ未満では通電中
に不純物が活性層に拡散して特性劣化を引き起こすおそ
れがあり、１０ｎｍを超える場合には電位障壁のために
不純物添加領域から活性層へのキャリヤ注入が阻害され
るので、動作電圧が高くなるおそれがある。尚、不純物
添加領域の厚みについては、クラッド層の場合にはクラ
ッド層として活性層へのキャリヤ閉じ込めに必要な厚み
であればよく、光ガイド層の場合には光閉じ込めに必要
な厚みであればよい。

【００４２】上記不純物希少領域は、ｐ型クラッド層又
はｐ型光ガイド層側だけに設けてもよい。ｐ型不純物は
ｎ型不純物よりも拡散係数が大きく、不純物が活性層に
拡散して特性劣化が生じ易いからである。この場合、ｐ
型の不純物希少領域の厚さ制御を行うだけで良いので、
素子設計が容易である。

【００４３】又は上記不純物希少領域のうち、ｐ型クラ
ッド層又はｐ型光ガイド層に設けたものの厚みを、ｎ型
クラッド層又はｎ型光ガイド層に設けたものの厚みより
も厚くしてもよい。この場合、ｎ型不純物よりも拡散係
数が大きなｐ型不純物に対して、その拡散度合に応じて
不純物希少領域の厚さを制御することができるので、素
子設計に対する制御性を向上させることができる。

【００４４】上記不純物中間濃度領域の厚みは３ｎｍ以
上１０ｎｍ以下であるのが好ましい。この範囲に設定す
れば、通電中に不純物添加領域から不純物希少領域に不
純物が拡散するのを有効に防ぐことができ、不純物添加
領域から活性層へのキャリヤ注入を阻害することもな
い。

【００４５】上記活性層が多重量子井戸層からなる場
合、光ガイド層における少なくとも不純物添加領域の禁
制帯幅を、バリヤ層の禁制帯幅よりも小さく、かつ、量
子井戸層の禁制帯幅よりも大きくしてもよい。一般に、
Ａｌを含む半導体層のＡｌ混晶比と禁制帯幅とは比例関
係にあり、不純物添加領域の禁制帯幅を低減することに
よりＡｌ混晶比を小さくすることができるので、不純物
添加領域から活性層への不純物拡散をさらに低減するこ
とができる。さらに、不純物添加領域から活性層への不
純物拡散が低減されるので不純物希少領域の厚みを薄く
設定することができ、動作電圧低減に対しても有効であ
る。

【００４６】ここで、不純物希少領域や不純物中間濃度
領域を含む光ガイド層の全体について、その禁制帯幅を
バリヤ層の禁制帯幅よりも小さく、かつ、量子井戸層の
禁制帯幅よりも大きくしてもよいが、不純物添加領域の
禁制帯幅を不純物希少領域の禁制帯幅よりも小さくする
と、活性層へのキャリヤ閉じこめを不純物希少領域で行
うことができる。従って、不純物添加領域のＡｌ混晶比
をより一層小さくして、不純物添加領域から活性層への
不純物拡散をさらに低減することができる。さらに、不
純物添加領域から活性層への不純物拡散を低減すること
ができるので、不純物希少領域の厚みを薄く設定するこ
とができ、動作電圧低減に対しても有効である。

【００４７】上記クラッド層又は光ガイド層はＡｌＧａ
Ａｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料又はＩｎＧａＮ系材
料等であってもよい。特に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料では
ＡｌＧａＡｓ系材料に比べて不純物が拡散し易いので有
効である。さらに、ＩｎＧａＮ系材料ではＡｌＧａＩｎ
Ｐ系材料に比べて成長温度が高く、不純物の拡散が生じ
易いので有効である。

【００４８】本発明にあっては、結晶成長中の熱履歴に
より不純物添加層から不純物無添加層へ不純物を拡散さ
せて上記不純物中間濃度領域を形成するので、不純物添
加領域と不純物中間濃度領域と不純物希少領域とを制御
性良く簡潔な製造プロセスで作成可能である。このとき
の熱履歴の温度（結晶成長温度）は、例えば、ＡｌＧａ
Ａｓ系材料では６００℃〜８００℃であり、ＡｌＧａＩ
ｎＰ系材料では５００℃〜７００℃であり、ＩｎＧａＮ
系材料では９００℃〜１１００℃であるが、拡散を制御
するために活性層の成長温度よりも約５０℃〜２００℃
程度低い温度で不純物中間濃度領域を形成してもよい。

【００４９】上記不純物無添加層のうち、ｐ型クラッド
層又はｐ型光ガイド層形成部に設けたものの厚みを、ｎ
型クラッド層又はｎ型光ガイド層形成部に設けたものの
厚みよりも厚くしてもよい。この場合、ｎ型不純物より
も拡散係数が大きなｐ型不純物に対して、その拡散度合
に応じて不純物無添加領域の厚さを制御することで、不
純物希少領域の厚みを制御することができるので、素子
設計に対する制御性を向上させることができる。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００５１】（実施形態１）本実施形態１では、リッジ
型半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明
する。

【００５２】図１は実施形態１の半導体レーザ素子の断
面図である。

【００５３】この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基
板１０１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ−Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１クラッド層１０３、Ａｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓ第１光ガイド層１０４、ノンドープ多重量子井
戸活性層１０５、Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ第２光ガイド層
１０６、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２クラッド層１０
７、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８が積層形
成されている。エッチングストップ層１０８の中央部上
にはリッジストライプのｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３ク
ラッド層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０が設
けられている。このリッジストライプの両側を埋め込む
ようにエッチングストップ層１０８の中央部の両側上ｎ
−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流光閉じ込め層１１１、ｎ−Ｇ
ａＡｓ電流阻止層１１２、ｐ−ＧａＡｓ平坦化層１１３
が設けられている。その上にキャップ層１１０及び平坦
化層１１３の上にわたってｐ−ＧａＡｓコンタクト層１
１４が設けられている。ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１
４の上にはｐ型電極１５０が設けられ、基板１０１の半
導体層成長面と反対側の面にはｎ型電極１５１が設けら
れている。

【００５４】この半導体レーザ素子は、例えば以下のよ
うにして作製することができる。

【００５５】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に第１回
目のＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、ｎ−
ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚０．５μｍ、ドーパン
トＳｉ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｎ−Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１クラッド層１０３（層厚１．５μ
ｍ、ドーパントＳｉ、キャリヤ濃度８×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）、Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ第１光ガイド層１０４、
ノンドープ多重量子井戸活性層１０５、Ａｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓ第２光ガイド層１０６、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａ
ｓ第２クラッド層１０７（層厚０．２５μｍ、ドーパン
トＺｎ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−ＧａＡ
ｓエッチングストップ層１０８（層厚０．００３μｍ、
ドーパントＺｎ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ
−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３クラッド層１０９（層厚１．
０μｍ、ドーパントＺｎ、キャリヤ濃度２×１０¹⁸ｃｍ
^-3）及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０（層厚０．７μ
ｍ、ドーパントＺｎ、キャリヤ濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3）
を成長する。

【００５６】ここで、多重量子井戸活性層１０５は、図
２に示すように、３層のＡｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ量子井戸
層１２０（層厚０．００８μｍ）と２層のＡｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓ量子障壁層（バリヤ層）１２１（層厚０．００
５μｍ）とを多重量子井戸層１２０でバリヤ層１２１を
挟むように成長させた。そして、第１光ガイド層１０４
は、ｎ−第１クラッド層１０３側から不純物添加層（層
厚０．０３μｍ、ドーパントＳｉ、キャリヤ濃度５×１
０¹⁷ｃｍ^-3）と不純物非添加層（層厚０．０２μｍ）と
を成長させた。さらに、第２光ガイド層１０６は、活性
層１０５側から不純物非添加層（層厚０．０２μｍ）と
不純物添加層（層厚０．０３μｍ、ドーパントＺｎ、キ
ャリヤ濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3）とを成長させた。

【００５７】次に、ストライプ状のレジストパターンを
マスクとしてキャップ層１１０を凸状のストライプ（上
面幅２μｍ）に加工する。この凸状ストライプのキャッ
プ層１１０をマスクとしてｐ−第３クラッド層１０９を
リッジストライプ（底面幅２．５μｍ）に加工する。こ
のとき、リッジストライプの両外側ではエッチングスト
ップ層１０８でエッチングが停止するようになってい
る。エッチング終了後、レジストを除去する。

【００５８】続いて、第２回目のＭＯＣＶＤ法によりリ
ッジストライプを埋め込むようにｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａ
ｓ電流光閉じ込め層１１１（層厚０．６μｍ、ドーパン
トＳｉ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｎ−ＧａＡ
ｓ電流阻止層１１２（層厚０．３μｍ、ドーパントＳ
ｉ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−ＧａＡｓ平
坦化層１１３（層厚０．３μｍ、ドーパントＺｎ、キャ
リヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を成長する。

【００５９】その後、キャップ層１１０の直上に成長し
た不要層をエッチングにより除去してキャップ層１１０
を０．３μｍの厚さに調整し、第３回目のＭＯＣＶＤ法
によりキャップ層１１０及び平坦化層１１３の上にわた
ってｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１４（層厚３μｍ、ド
ーパントＺｎ、キャリヤ濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）を成長
する。

【００６０】上記ＭＯＣＶＤ成長中の熱履歴温度（結晶
成長温度）は６００℃〜８００℃であり、これにより第
１光ガイド層１０４及び第２光ガイド層１０６では不純
物添加層から不純物非添加層への不純物拡散が起こり、
活性層の近傍のバンドダイアグラムとキャリヤ濃度の分
布は図２に示すようなものになる。

【００６１】即ち、第１光ガイド層１０４はｎ−第１ク
ラッド層１０３側から不純物添加領域１３０（層厚０．
０３μｍ）と不純物中間濃度領域１３１（層厚０．０１
μｍ）と不純物濃度が不純物添加領域１３０の１／５以
下の濃度である不純物希少領域１３２（層厚０．０１μ
ｍ）とに分かれる。一方、第２光ガイド層１０６はｐ−
第２クラッド層１０７側から不純物添加領域１４０（層
厚０．０３μｍ）と不純物中間濃度領域１４１（層厚
０．０１μｍ）と不純物濃度が不純物添加領域１４０の
１／５以下の濃度である不純物希少領域１４２（層厚
０．０１μｍ）とに分かれる。従って、半導体層の結晶
成長中の熱履歴によって不純物添加領域と不純物中間濃
度領域と不純物希少領域とが制御性良く簡潔なプロセス
で作製される。

【００６２】最後に、成長層及び基板１０１の外面上に
各々ｐ型電極１５０及びｎ型電極１５１を形成する。こ
こで、半導体レーザ素子の共振器長は３７５μｍとし、
光出射側の端面はＡｌ₂Ｏ₃の単層膜コーティングにより
反射率を１０％とし、反対側の端面はＡｌ₂Ｏ₃とＳｉと
の多層膜コーティングにより反射率を７５％とする。

【００６３】このようにして得られる本実施形態１の半
導体レーザ素子について、室温で光出力４ｍＷで動作さ
せたときの素子特性を下記表１に示す。比較のために、
光ガイド層の全域に不純物を添加しなかったこと以外は
実施形態１と同様にして作製した比較例１の半導体レー
ザ素子、及び光ガイド層の全域に不純物を添加したこと
以外は実施形態１と同様にして作製した比較例２の半導
体レーザ素子についても、その素子特性を下記表１に示
す。

【００６４】

【表１】

【００６５】この表１からわかるように、本実施形態１
では動作電圧、動作電流及び素子抵抗を低減することが
できる。これに対して、光ガイド層の全域に不純物を添
加しなかった比較例１の半導体レーザ素子は、本実施形
態１の半導体レーザ素子と同様に動作電流は低減できる
が、光ガイド層の抵抗が大きくなるので素子抵抗が増大
し、さらにクラッド層と光ガイド層との間に電位障壁が
生じるので動作電圧が増大する。また、光ガイド層の全
域に不純物を添加した比較例２の半導体レーザ素子は、
本実施形態１の半導体レーザ素子と同様に動作電圧及び
素子抵抗は低減できるが、通電中の光ガイド層から活性
層への不純物拡散によりレーザ特性が劣化し、動作電流
が増大する。

【００６６】図３に、第１光ガイド層１０４の不純物添
加領域のキャリヤ濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3に固定し、第
２光ガイド層１０６の不純物添加領域のキャリヤ濃度を
変化させたときの動作電圧の変化を示す。また、図４
に、第２光ガイド層１０６の不純物添加領域のキャリヤ
濃度を８×１０¹⁷ｃｍ^-3に固定し、第１光ガイド層１０
４の不純物添加領域のキャリヤ濃度を変化させたときの
動作電圧の変化を示す。

【００６７】この図３及び図４からわかるように、不純
物添加領域のキャリヤ濃度が増大すると共に動作電圧が
低減している。

【００６８】例えば、第１光ガイド層１０４のキャリヤ
濃度は、図４に示すように２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に設定
すると動作電圧を１．９Ｖ以下に低減できるので望まし
い。但し、第１光ガイド層１０４のキャリヤ濃度が大き
すぎるとｎ型不純物特有の非発光中心が生成し、第１光
ガイド層１０４で発光効率が低下してレーザ特性の劣化
を引き起こすので、第１光ガイド層１０４のキャリヤ濃
度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に設定するのが望ましい。

【００６９】一方、第２光ガイド層１０６のキャリヤ濃
度は、図３に示すように４×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に設定す
ると動作電圧を１．９Ｖ以下に低減できるので望まし
い。但し、第２光ガイド層１０６のキャリヤ濃度が大き
すぎると第２光ガイド層１０６における電流拡がりが増
大し、無効電流の増加による閾値電流の増大を引き起こ
すので、第２光ガイド層１０６のキャリヤ濃度は１．２
×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に設定するのが望ましい。

【００７０】ここで、光ガイド層１０４、１０６の不純
物希少領域の層厚があまり厚すぎると、電位障壁のため
に不純物添加領域から多重量子井戸活性層へのキャリヤ
注入が阻害されるので、キャリヤがこの電位障壁をトン
ネリングしてキャリヤ注入がスムーズに行われる程度の
厚さ、例えば１０ｎｍ以下に設定するのが望ましい。但
し、不純物希少領域の層厚が３ｎｍ未満では通電中に不
純物が活性層に拡散して特性劣化を引き起こす。よっ
て、不純物希少領域の層厚を３ｎｍ以上に設定するのが
望ましい。この不純物希少領域における不純物のキャリ
ヤ濃度は、不純物添加領域における不純物のキャリア濃
度の１／５以下であれば、通電中の活性層への不純物拡
散を有効に抑制することができる。

【００７１】さらに、不純物添加領域と不純物希少領域
との間に不純物拡散による不純物中間濃度領域を設ける
ことにより、通電中の不純物添加領域から活性層への不
純物拡散を不純物中間濃度領域及び不純物希少領域の両
方の領域で抑制することができるので、特性劣化の防止
に対してさらに効果がある。しかも、不純物中間濃度領
域では電位障壁が連続的に変化するので電位障壁を緩和
することができ、その結果、活性層へのキャリヤ注入を
スムーズに行うことができるので、動作電圧をさらに低
減することができる。この不純物中間濃度領域の厚みは
３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるのが好ましい。この範囲
に設定すれば、通電中に不純物添加領域から不純物希少
領域に不純物が拡散するのを有効に防ぐことができ、不
純物添加領域から活性層へのキャリヤ注入を阻害するこ
ともない。

【００７２】（実施形態２）本実施形態２では、光ガイ
ド層の禁制帯幅をバリヤ層の禁制帯幅よりも小さく、か
つ、量子井戸層の禁制帯幅よりも大きくした例について
説明する。

【００７３】図５は実施形態２の半導体レーザ素子の断
面図である。

【００７４】この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基
板２０１上にｎ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバッファ層２０２、
ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１クラッド層２
０３、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１光ガイド層
２０４、ノンドープ多重量子井戸活性層２０５、（Ａｌ
_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２光ガイド層２０６及びリ
ッジストライプ２０９部分と平坦部とを有するｐ−（Ａ
ｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２クラッド層２０７が積
層形成されている。ｐ−第２クラッド層２０７のリッジ
ストライプ２０９部分の上にはｐ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐキ
ャップ層２０８が形成されている。このリッジストライ
プ２０９の両側を埋め込むようにｐ−第２クラッド層２
０７の平坦部上にｎ−ＧａＡｓ電流光閉じこめ層２１０
が設けられている。その上にキャップ層２０８及び電流
光閉じこめ層２１０の上にわたってｐ型電極２１２が設
けられ、基板２０１の半導体層成長面と反対側の面には
ｎ型電極２１１が設けられている。

【００７５】この半導体レーザ素子は、例えば以下のよ
うにして作製することができる。

【００７６】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上にＭＯＣ
ＶＤ法により、ｎ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバッファ層２０
２、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１クラッド
層２０３（層厚１．５μｍ）、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5
Ｉｎ_0.5Ｐ第２光ガイド層２０４、ノンドープ多重量子
井戸活性層２０５、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第
２光ガイド層２０６、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ
_0.5Ｐ第２クラッド層２０７（層厚１．５μｍ）及びｐ
−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐキャップ層２０８（層厚０．３μ
ｍ）を成長する。

【００７７】ここで、多重量子井戸活性層２０５は、図
６に示すように、３層のＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ量子井戸層２
２０（層厚０．００８μｍ）と２層の（Ａｌ_0.5Ｇ
ａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリヤ層２２１（層厚０．００５
μｍ）とを多重量子井戸層２２０でバリヤ層２２１を挟
むように成長させた。そして、第１光ガイド層２０４
は、ｎ−第１クラッド層２０３側から不純物添加層（層
厚０．０１５μｍ、ドーパントＳｉ、キャリヤ濃度７×
１０¹⁷ｃｍ^-3）と不純物非添加層（層厚０．０２μｍ）
とを成長させた。さらに、第２光ガイド層２０６は、活
性層２０５側から不純物非添加層（層厚０．０２μｍ）
と不純物添加層（層厚０．０１５μｍ、ドーパントＺ
ｎ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）とを成長させた。

【００７８】上記ＭＯＣＶＤ成長中の熱履歴温度（結晶
成長温度）は５００℃〜７００℃であり、これにより第
１光ガイド層２０４及び第２光ガイド層２０６では不純
物添加層から不純物非添加層への不純物拡散が起こり、
活性層の近傍のバンドダイアグラムは図６に示すような
ものになる。

【００７９】即ち、第１光ガイド層２０４はｎ−第１ク
ラッド層２０３側から不純物添加領域２３０（層厚０．
０１μｍ）と不純物中間濃度領域２３１（層厚０．０１
５μｍ）と不純物希少領域２３２（層厚０．０１μｍ）
とに分かれる。一方、第２光ガイド層２０６はｐ−第２
クラッド層２０７側から不純物添加領域２４０（層厚
０．０１μｍ）と不純物中間濃度領域２４１（層厚０．
０１５μｍ）と不純物濃度が不純物希少領域２４２（層
厚０．０１μｍ）とに分かれる。従って、半導体層の結
晶成長中の熱履歴によって不純物添加領域と不純物中間
濃度領域と不純物希少領域とが制御性良く簡潔なプロセ
スで作製される。

【００８０】次に、ｐ−第２クラッド層２０７及びキャ
ップ層２０８をエッチングし、ｐ−第２クラッド層２０
７の平坦部の残し厚さが０．３μｍとなるようにエッチ
ングを停止させて幅５μｍのリッジストライプ２０９を
形成する。

【００８１】続いて、ＭＯＣＶＤ法によりリッジストラ
イプ２０９の両外側を埋め込むようにｎ−ＧａＡｓ電流
光閉じ込め層２１０（層厚１．２μｍ）を成長する。

【００８２】最後に、成長層及び基板２０１の外面上に
各々ｐ型電極２１２及びｎ型電極２１１を形成する。こ
こで、半導体レーザ素子の共振器長はへき開法により５
００μｍとし、共振器の光出射側の端面は反射率を５０
％とし、反対側の端面は反射率を８５％とする。

【００８３】このようにして得られる本実施形態２の半
導体レーザ素子は、図６に示したように、第１光ガイド
層２０４及び第２光ガイド層２０６の禁制帯幅が量子井
戸層２２０の禁制帯幅より大きく、バリヤ層２２１の禁
制帯幅より小さく設定されている。一般に、Ａｌを含む
半導体層のＡｌ混晶比と禁制帯幅は比例の関係にあるの
で、第１光ガイド層２０４及び第２光ガイド層２０６の
Ａｌ混晶比（ｘ＝０．３）を多重量子井戸活性層２０５
の量子井戸層２２０のＡｌ混晶比（ｘ＝０）より大き
く、バリヤ層２２１のＡｌ混晶比（ｘ＝０．５）より小
さく設定する。これにより、光ガイド層の不純物添加領
域のＡｌ混晶比を比較的小さく設定することができる。
よって、不純物添加領域から活性層への不純物拡散をよ
り一層低減することができ、特性劣化の防止にさらに効
果がある。

【００８４】さらに、不純物添加領域から活性層への不
純物拡散をより一層低減することができるので、不純物
希少領域の層厚を薄くしても、通電中の不純物添加領域
から活性層への不純物拡散を抑制することができる。従
って、不純物希少領域の層厚を薄くして光ガイド層から
活性層への電流注入を円滑にすることができるので、動
作電圧を低減することができる。

【００８５】さらに、化合物半導体層の禁制帯幅と屈折
率とは一般に反比例の関係にあるので、光ガイド層全体
の屈折率が高くなって光の閉じ込めが増加し、閾値電流
の低減を図ることができる。

【００８６】本実施形態２の半導体レーザ素子に対して
ｎ型電極２１１とｐ型電極２１２との間に順方向電圧を
印加した場合、発振波長０．６５μｍ、閾値電流３０ｍ
Ａ、電流−光出力特性のスロープ効率０．６Ｗ／Ａ及び
光出力３ｍＷで動作させたときの素子特性は、動作電流
３５ｍＡ、動作電圧２Ｖである。これに対して、光ガイ
ド層の全域に不純物を添加しなかった場合には動作電圧
が２．３Ｖに増大し、光ガイド層の全域に不純物を添加
した場合には、動作電圧は２Ｖであるが通電中の光ガイ
ド層から活性層への不純物拡散により動作電流が５０ｍ
Ａまで増大する。このように、本実施形態２では動作電
圧を低減すると共に動作電流増大による特性劣化を防止
することができる。

【００８７】（実施形態３）本実施形態３では、光ガイ
ド層の不純物添加領域の禁制帯幅をバリヤ層の禁制帯幅
よりも小さく、かつ、量子井戸層の禁制帯幅よりも大き
くし、不純物希少領域の禁制帯幅を不純物添加領域の禁
制帯幅よりも大きくした例について説明する。

【００８８】この半導体レーザ素子において、半導体レ
ーザ素子の構造は図５に示した実施形態２と同様であ
る。

【００８９】そして、本実施形態３でも実施形態２と同
様に、結晶成長中の熱履歴により第１光ガイド層２０４
及び第２光ガイド層２０６では不純物添加層から不純物
非添加層への不純物拡散が起こり、活性層の近傍のバン
ドダイアグラムは図７に示すようなものになる。

【００９０】即ち、第１光ガイド層２０４はｎ−第１ク
ラッド層２０３側から不純物添加領域２５０（層厚０．
０１μｍ）と不純物中間濃度領域２５１（層厚０．０１
５μｍ）と不純物希少領域２５２（層厚０．０１μｍ）
とに分かれる。一方、第２光ガイド層２０６はｐ−第２
クラッド層２０７側から不純物添加領域２６０（層厚
０．０１μｍ）と不純物中間濃度領域２６１（層厚０．
０１５μｍ）と不純物濃度が不純物希少領域２６２（層
厚０．０１μｍ）とに分かれる。このように半導体層の
結晶成長中の熱履歴によって不純物添加領域と不純物中
間濃度領域と不純物希少領域とが制御性良く簡潔なプロ
セスで作製される。

【００９１】ここで、本実施形態３では、第１光ガイド
層２０４の不純物添加領域２５０及び第２光ガイド層２
０６の不純物添加領域２６０のＡｌ混晶比を０．２又は
０．３とし、多重量子井戸活性層２０５の量子井戸層２
２０のＡｌ混晶比（ｘ＝０）より大きく、バリヤ層２２
１のＡｌ混晶比（ｘ＝０．５）より小さく設定する。つ
まり、図７に示したように第１光ガイド層２０４の不純
物添加領域２５０及び第２光ガイド層２０６の不純物添
加領域２６０の禁制帯幅を量子井戸層２２０の禁制帯幅
より大きく、バリヤ層２２１の禁制帯幅より小さく設定
する。一方、第１光ガイド層２０４の不純物希少領域２
５２及び第２光ガイド層２０６の不純物希少領域２６２
のＡｌ混晶比（ｘ＝０．５）は第１光ガイド層２０４の
不純物添加領域２５０及び第２光ガイド層２０６の不純
物添加領域２６０のＡｌ混晶比（ｘ＝０．２又は０．
３）よりも大きく設定する。つまり、図７に示したよう
に第１光ガイド層２０４の不純物希少領域２５２及び第
２光ガイド層２０６の不純物希少領域２６２の禁制帯幅
を第１光ガイド層２０４の不純物添加領域２５０及び第
２光ガイド層２０６の不純物添加領域２６０の禁制帯幅
より大きく設定する。これにより、活性層へのキャリア
の閉じ込めを不純物希少領域で行って、光ガイド層の不
純物添加領域のＡｌ混晶比を実施形態２よりもさらに小
さく設定することができる。よって、不純物添加領域か
ら活性層への不純物拡散を実施形態２よりもさらに低減
することができ、特性劣化の防止にさらに効果がある。

【００９２】ここで、少なくとも不純物添加領域２５
０、２６０の禁制帯幅が量子井戸層２２０の禁制帯幅よ
り大きく、バリヤ層２２１の禁制帯幅より小さく設定さ
れていればよく、不純物中間濃度領域２５１、２６１の
禁制帯幅については、図７に示すように不純物希少領域
２５２、２６２と同じ禁制帯幅にしてもよく、図８に示
すように不純物添加領域２５０、２６０と同じ禁制帯幅
にしてもよい。或いは、不純物希少領域と不純物添加領
域の中間の禁制帯幅にしてもよい。

【００９３】尚、上記実施形態２及び３で示したＡｌＧ
ａＩｎＰ系材料ではＡｌＧａＡｓ系材料に比べて不純物
が拡散し易い材料であるので、不純物添加領域から活性
層への不純物拡散を低減することができる本発明を適用
することは非常に有効である。

【００９４】（実施形態４）本実施形態４では発光ダイ
オード素子に本発明を適用した例について説明する。

【００９５】図９は実施形態４の半導体レーザ素子の断
面図である。

【００９６】この半導体レーザ素子は、サファイア基板
３０１上にＧａＮバッファ層３０２及びｎ−ＧａＮ第１
クラッド層３０３、ノンドープ単一量子井戸（ＳＱＷ：
ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）活性層３０
５、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ第２クラッド層３０５及びｐ−Ｇ
ａＮコンタクト層３０６が積層形成されている。ｎ−第
１クラッド層３０３、活性層３０４、第２クラッド層３
０５及びコンタクト層３０６はｎ−第１クラッド層３０
３を一部露出させたメサストライプ３１３に形成されて
いる。そして、ｎ−第１クラッド層３０３の露出部上に
はｎ型電極３２０が形成され、コンタクト層３０６上に
はｐ型電極３２１が形成されている。

【００９７】この半導体レーザ素子は、例えば以下のよ
うにして作製することができる。

【００９８】まず、サファイア基板３０１上にＭＯＣＶ
Ｄ法によりＧａＮバッファ層３０２（層厚０．０５μ
ｍ）、ｎ−ＧａＮ第１クラッド層３０３（層厚３μｍ、
ドーパントＳｉ、キャリヤ濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ノ
ンドープ単一量子井戸活性層３０４、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
第２クラッド層３０５及びｐ−ＧａＮコンタクト層３０
６（層厚０．２μｍ、ドーパントＭｇ、キャリヤ濃度５
×１０¹⁷ｃｍ^-3）を成長する。

【００９９】ここで、単一量子井戸活性層３０５は、単
層のＧａ_0.2Ｉｎ_0.8Ｐ量子井戸層（層厚０．００３μ
ｍ）を成長させた。そして、第２クラッド層３０５は、
活性層３０４側から不純物非添加層（層厚０．０３μ
ｍ）と不純物添加層（層厚０．０７μｍ、ドーパントＭ
ｇ、キャリヤ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）とを成長させた。

【０１００】上記ＭＯＣＶＤ成長中の熱履歴温度（結晶
成長温度）は９００℃〜１１００℃であり、これにより
第２クラッド層３０５では不純物添加層から不純物非添
加層への不純物拡散が起こり、活性層３０４側から不純
物希少領域３１０（層厚０．０１μｍ）と不純物中間濃
度領域３１１（層厚０．０４μｍ）と不純物添加領域３
１２（層厚０．０５μｍ）とに分かれる。従って、半導
体層の結晶成長中の熱履歴によって不純物添加領域と不
純物中間濃度領域と不純物希少領域とが制御性良く簡潔
なプロセスで作製される。

【０１０１】その後、表面に円形状のレジストマスクを
形成してドライエッチングによりメサストライプ３１３
を形成し、ｎ−第１クラッド層３０３の露出部上及びコ
ンタクト層３０６上に各々ｎ型電極３２０及びｐ型電極
３２１を形成する。

【０１０２】このようにして得られる本実施形態４の発
光ダイオード素子は、不純物希少領域３１０がｐ型クラ
ッド層側に設けられている。ｐ型不純物の方がｎ型不純
物よりも拡散係数が大きいので、ｐ型クラッド層側の不
純物（Ｍｇ）の活性層への拡散を不純物希少領域で制御
することにより、動作電圧の低減と特性劣化防止とを図
ることができる。さらに、この場合、ｐ型クラッド層側
の不純物希少領域の厚さを制御するだけで特性の最適化
を図ることができるので、設計が容易であるという利点
を有する。

【０１０３】本実施形態４の発光ダイオード素子に対し
てｎ型電極３２０とｐ型電極３２１との間に順方向電圧
を印加した場合、発光波長０．４５μｍ、動作電流５０
ｍＡ、動作電圧４．５Ｖが得られた。しかも、通電中の
第２クラッド層から活性層への不純物拡散を抑制できる
ので、素子特性の劣化を防止することができる。これに
対して、第２クラッド層全域に不純物を添加した場合に
は、動作電圧は４．５Ｖであるが、通電中に特性劣化が
生じる。このように、本実施形態４では動作電圧を増大
することなく特性劣化を防止することができる。

【０１０４】なお、本実施形態に示したＩｎＧａＮ系材
料では、ＡｌＧａＡｓ系材料やＡｌＧａＩｎＰ系材料の
成長温度６００℃〜７００℃に比べて成長温度が１００
０℃±１００℃と高いために不純物拡散の度合いが大き
い。よって、クラッド層から活性層への不純物拡散を低
減することができる本発明を適用することは非常に有効
である。

【０１０５】（実施形態５）本実施形態５では、ｐ型ク
ラッド層及びｎ型クラッド層の活性層に隣接する側に不
純物希少領域を設けた例について説明する。

【０１０６】図１０は実施形態５の半導体レーザ素子の
断面図である。

【０１０７】この半導体レーザ素子は、サファイア基板
４０１上にＧａＮバッファ層４０２及びＧａＮ第１クラ
ッド層４０３、ノンドープ単一量子井戸活性層４０４、
Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ第２クラッド層４０５及びｐ−ＧａＮ
コンタクト層４０６が積層形成されている。ｎ−第１ク
ラッド層４０３、活性層４０４、第２クラッド層４０５
及びコンタクト層４０６は第１クラッド層４０３を一部
露出させたメサストライプ４１３に形成されている。そ
して、第１クラッド層４０３の露出部上にはｎ型電極４
２０が形成され、コンタクト層４０６上にはｐ型電極４
２１が形成されている。

【０１０８】この半導体レーザ素子は、例えば以下のよ
うにして作製することができる。

【０１０９】まず、サファイア基板４０１上にＭＯＣＶ
Ｄ法によりＧａＮバッファ層４０２（層厚０．０５μ
ｍ）、ＧａＮ第１クラッド層４０３、ノンドープ単一量
子井戸活性層４０４、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ第２クラッド層
４０５及びｐ−ＧａＮコンタクト層４０６（層厚０．２
μｍ、ドーパントＭｇ、キャリヤ濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を成長する。

【０１１０】ここで、単一量子井戸活性層４０５は、単
層のＧａ_0.2Ｉｎ_0.8Ｐ量子井戸層（層厚０．００３μ
ｍ）を成長させた。そして、第１クラッド層４０３は、
活性層４０４側から不純物非添加層（層厚０．０３μ
ｍ）と不純物添加層（層厚２．９７μｍ、ドーパントＳ
ｉ、キャリヤ濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3）とを成長させた。
そして、第２クラッド層４０５は、活性層４０４側から
不純物非添加層（層厚０．０５μｍ）と不純物添加層
（層厚０．０５μｍ、ドーパントＭｇ、キャリヤ濃度５
×１０¹⁷ｃｍ^-3）とを成長させた。

【０１１１】上記ＭＯＣＶＤ成長中の熱履歴温度（結晶
成長温度）は９００℃〜１１００℃であり、これにより
第１クラッド層４０３では不純物添加層から不純物非添
加層への不純物拡散が起こり、活性層４０４側から不純
物希少領域４１０（層厚０．０１μｍ）と不純物中間濃
度領域４１１（層厚０．０２μｍ）と不純物添加領域４
１２（層厚２．９７μｍ）とに分かれる。一方、第２ク
ラッド層４０５では不純物添加層から不純物非添加層へ
の不純物拡散が起こり、活性層４０４側から不純物希少
領域４１３（層厚０．０２μｍ）と不純物中間濃度領域
４１４（層厚０．０４μｍ）と不純物添加領域４１５
（層厚０．０４μｍ）とに分かれる。従って、半導体層
の結晶成長中の熱履歴によって不純物添加領域と不純物
中間濃度領域と不純物希少領域とが制御性良く簡潔なプ
ロセスで作製される。

【０１１２】その後、エッチングを行って第１クラッド
層３０３を一部露出させ、その露出部上及びコンタクト
層４０６上に各々ｎ型電極４２０及びｐ型電極４２１を
形成する。

【０１１３】このように、本実施形態５の発光ダイオー
ド素子では、不純物非添加層の層厚をｐ型クラッド層側
でｎ型クラッド層側よりも厚くしており、ｐ型不純物の
方がｎ型不純物よりも拡散係数が大きいので、不純物希
少領域の値を所望の厚みに調整することができる。これ
により、拡散係数に応じて不純物希少領域の厚さを調整
可能であるので、低動作電圧と通電中の特性劣化防止を
実現するための設計の自由度が向上するという利点を有
する。

【０１１４】本実施形態５の発光ダイオード素子に対し
てｎ型電極４２０とｐ型電極４２１との間に順方向電圧
を印加した場合、発光波長０．４５μｍ、動作電流５０
ｍＡ、動作電圧４．５Ｖが得られた。

【０１１５】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、量子井戸活性層の構成（量子井戸数、混
晶比や層厚）や各層の層厚やＡｌ混晶比、ドーパント種
やキャリヤ濃度を上述とは異なるものとした半導体発光
素子についても本発明は適用可能である。

【０１１６】成長法については、ＭＯＣＶＤ法に限られ
ず、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＬＰＥ（液晶エ
ピタキシー）法、ＭＯＭＢＥ法、ＡＬＥ（原子線エピタ
キシー）法等を用いてもよい。また、不純物中間濃度領
域は不純物添加領域から不純物非添加領域への不純物拡
散により形成したが、別に半導体層の成長を行ってもよ
い。また、拡散を制御するために、不純物中間濃度領域
の成長温度を活性層の成長温度に比べて約５０℃〜２０
０℃程度低くしてもよい。

【０１１７】さらに、上述した以外の他の材料系を用い
た場合についても本発明は適用可能である。

【０１１８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明による場合
には、クラッド層又は光ガイド層に設けられた不純物希
少領域により通電中に不純物添加領域から活性層へ不純
物が拡散するのを抑制することができるので、動作電流
の増大を抑制して素子特性の劣化を防ぎ、信頼性の高い
半導体発光素子を得ることができる。それと共に、不純
物添加領域により光ガイド層全体の抵抗を下げることが
でき、さらに、光ガイド層とクラッド層との間の拡散電
位を低減することができるので、動作電圧を低減するこ
とができる。

【０１１９】本発明の請求項４による場合には、上記不
純物希少領域と不純物添加領域との間に設けられた不純
物中間濃度領域により、通電中に不純物添加領域から不
純物希少領域に不純物が拡散するのを防いで、素子の信
頼性をより一層向上させることができる。

【０１２０】特に、本発明の請求項５による場合には、
活性層が量子井戸層からなり、通電中のわずかな不純物
拡散によっても層構造が変化して特性劣化が生じ易いの
で、素子の信頼性を大幅に向上させることが可能であ
る。

【０１２１】本発明の請求項６及び請求項７による場合
には、上記光ガイド層のｐ型及びｎ型の不純物添加領域
における不純物濃度を各々所定の範囲に設定することに
より、動作電圧を有効に低減すると共に、不純物添加領
域におけるキャリヤの非発光再結合による特性劣化を有
効に抑制することができる。

【０１２２】本発明の請求項８による場合には、上記不
純物希少領域における不純物のキャリヤ濃度を不純物添
加領域における不純物のキャリア濃度の１／５以下にす
ることにより、通電中の活性層への不純物拡散を有効に
抑制することができる。

【０１２３】本発明の請求項９による場合には、上記不
純物希少領域の厚みを３ｎｍ以上１０ｎｍ以下にするこ
とにより、特性劣化を有効に抑制すると共に動作電圧を
有効に低減することができる。

【０１２４】本発明の請求項１０による場合には、上記
不純物希少領域を少なくともｐ型クラッド層又はｐ型光
ガイド層側に設けることにより、素子設計を容易にして
製造の歩留りを向上させることができる。

【０１２５】本発明の請求項１１による場合には、上記
不純物希少領域のうち、ｐ型クラッド層又はｐ型光ガイ
ド層に設けたものの厚みを、ｎ型クラッド層又はｎ型光
ガイド層に設けたものの厚みよりも厚くすることによ
り、素子設計に対する制御性を向上させて製造歩留りを
向上させることができる。

【０１２６】本発明の請求項１２による場合には、上記
不純物中間濃度領域の厚みを３ｎｍ以上１０ｎｍ以下に
設定することにより、通電中に不純物添加領域から不純
物希少領域に不純物が拡散するのを有効に防いで素子の
信頼性を向上させることができ、また、不純物添加領域
から活性層へのキャリヤ注入を阻害することもないので
動作電圧を低減することができる。

【０１２７】本発明の請求項１３による場合には、上記
活性層が多重量子井戸層からなる場合、少なくとも上記
不純物添加領域の禁制帯幅を、バリヤ層の禁制帯幅より
も小さく、かつ、量子井戸層の禁制帯幅よりも大きくす
ることにより、Ａｌ混晶比を小さくして不純物添加領域
から活性層への不純物拡散をさらに低減することができ
る。この場合、不純物希少領域の厚みを薄く設定するこ
とができるので、動作電圧についても充分低減すること
ができる。

【０１２８】本発明の請求項１４による場合には、不純
物添加領域の禁制帯幅を不純物希少領域の禁制帯幅より
も小さくすることにより、不純物添加領域のＡｌ混晶比
をより一層小さくすることができるので、素子の信頼性
をさらに向上させることができる。

【０１２９】本発明の請求項１５による場合には、特に
不純物拡散が起こり易いＡｌＧａＩｎＰ系材料又はＩｎ
ＧａＮ系材料においても不純物の拡散を防いで素子の信
頼性を向上させることができる。

【０１３０】本発明の請求項１６による場合には、結晶
成長中の熱履歴により不純物添加層から不純物無添加層
へ不純物を拡散させて不純物中間濃度領域を形成するの
で、不純物添加領域と不純物中間濃度領域と不純物希少
領域とを制御性良く簡潔な製造プロセスで作製すること
ができる。従って、素子の信頼性が高く、動作電圧が低
い半導体発光素子を低コストで提供することが可能とな
る。

【０１３１】本発明の請求項１７による場合には、上記
不純物無添加層のうち、ｐ型クラッド層又はｐ型光ガイ
ド層形成部に設けたものの厚みを、ｎ型クラッド層又は
ｎ型光ガイド層形成部に設けたものの厚みよりも厚くす
ることにより、不純物希少領域の厚みを制御性よく所望
の厚みにすることができる。よって、素子設計に対する
制御性を向上させてさらに歩留りを向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の半導体レーザ素子の構成を示す断
面図である。

【図２】実施形態１の半導体レーザ素子における活性層
近傍のバンドダイヤグラムとキャリヤ濃度の分布を示す
図である。

【図３】実施形態１の半導体レーザ素子における第２光
ガイド層の不純物添加領域のキャリア濃度と動作電圧と
の関係を示すグラフである。

【図４】実施形態１の半導体レーザ素子における第１光
ガイド層の不純物添加領域のキャリア濃度と動作電圧と
の関係を示すグラフである。

【図５】実施形態２の半導体レーザ素子の構成を示す断
面図である。

【図６】実施形態２の半導体レーザ素子における活性層
近傍のバンドダイヤグラムを示す図である。

【図７】実施形態３の半導体レーザ素子における活性層
近傍のバンドダイヤグラムを示す図である。

【図８】実施形態３の他の半導体レーザ素子における活
性層近傍のバンドダイヤグラムを示す図である。

【図９】実施形態４の発光ダイオード素子の構成を示す
断面図である。

【図１０】実施形態５の発光ダイオード素子の構成を示
す断面図である。

【図１１】従来の半導体レーザ素子における活性層近傍
のバンドダイヤグラムを示す図である。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１、４０１基板１０２、２０２、３０２、４０２バッファ層１０３、２０３、３０３、４０３第１クラッド層１０４、２０４第１光ガイド層１０５、２０５、３０４、４０４量子井戸活性層１０６、２０６第２光ガイド層１０７、２０７、３０５、４０５第２クラッド層１０８エッチングストップ層１０９第３クラッド層１１０、２０８キャップ層１１１、２１０電流光閉じ込め層１１２電流阻止層１１３平坦化層１１４、３０６、４０６コンタクト層１５０、２１２、３２１、４２１ｐ型電極１５１、２１１、３２０、４２０ｎ型電極１２０、２２０量子井戸層１２１、２２１バリヤ層１３０、１４０、２３０、２４０、２５０、２６０、３
１２、４１２、４１５不純物添加領域１３１、１４１、２３１、２４１、２５１、２６１、３
１１、４１１、４１４不純物中間濃度領域１３２、１４２、２３２、２４２、２５２、２６２、３
１０、４１０、４１３不純物希少領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層と、該活性層の上下に設けられた
クラッド層とを有する半導体発光素子において、少なくとも一方のクラッド層が、不純物希少領域と不純
物添加領域とを有し、該不純物希少領域が該活性層に近
い側に配されている半導体発光素子。
【請求項２】活性層と、該活性層の上下に設けられた
光ガイド層とを有する半導体発光素子において、少なくとも一方の光ガイド層が、不純物希少領域と不純
物添加領域とを有し、該不純物希少領域が該活性層に近
い側に配されている半導体発光素子。
【請求項３】活性層と、該活性層の上下一方に設けら
れた光ガイド層とを有する半導体発光素子において、該光ガイド層が、不純物希少領域と不純物添加領域とを
有し、該不純物希少領域が該活性層に近い側に配されて
いる半導体発光素子。
【請求項４】前記不純物希少領域と前記不純物添加領
域との間に不純物中間濃度領域を有する請求項１乃至請
求項３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記活性層が量子井戸層からなる請求項
１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記光ガイド層の前記不純物添加領域に
おける不純物がｐ型であり、該不純物のキャリヤ濃度が
４×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１．２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である
請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の半導体発光素
子。
【請求項７】前記光ガイド層の前記不純物添加領域に
おける不純物がｎ型であり、該不純物のキャリヤ濃度が
２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である請求
項２乃至請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】前記不純物希少領域における不純物濃度
が前記不純物添加領域における不純物濃度の１／５以下
である請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体
発光素子。
【請求項９】前記不純物希少領域の厚みが３ｎｍ以上
１０ｎｍ以下である請求項１乃至請求項８のいずれかに
記載の半導体発光素子。
【請求項１０】前記不純物希少領域が、少なくともｐ
型クラッド層又はｐ型光ガイド層に設けられている請求
項１乃至請求項９のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】前記不純物希少領域のうち、ｐ型クラ
ッド層又はｐ型光ガイド層に設けたものの厚みが、ｎ型
クラッド層又はｎ型光ガイド層に設けたものの厚みより
も厚くされている請求項１乃至請求項１０のいずれかに
記載の半導体発光素子。
【請求項１２】前記不純物中間濃度領域の厚みが３ｎ
ｍ以上１０ｎｍ以下である請求項４乃至請求項１１のい
ずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１３】前記活性層が複数の量子井戸層と該複
数の量子井戸層で挟まれたバリヤ層とからなる多重量子
井戸層で構成され、前記不純物希少領域と前記不純物添
加領域とを有する前記光ガイド層における少なくとも不
純物添加領域の禁制帯幅が、該バリヤ層の禁制帯幅より
も小さく、かつ、該量子井戸層の禁制帯幅よりも大きく
されている請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】前記光ガイド層において、前記不純物
添加領域の禁制帯幅が前記不純物希少領域の禁制帯幅よ
りも小さくされている請求項１３に記載の半導体発光素
子。
【請求項１５】前記クラッド層又は前記光ガイド層が
ＡｌＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料又はＩｎＧ
ａＮ系材料からなる請求項１乃至請求項１４のいずれか
に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】請求項４に記載の半導体発光素子を製
造する方法であって、不純物添加層及び不純物無添加層を成長させ、結晶成長
中の熱履歴により該不純物添加層から不純物無添加層へ
不純物を拡散させて前記不純物中間濃度領域を形成する
半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】前記不純物無添加層のうち、ｐ型クラ
ッド層又はｐ型光ガイド層形成部に設けたものの厚み
を、ｎ型クラッド層又はｎ型光ガイド層形成部に設けた
ものの厚みよりも厚くする請求項１６に記載の半導体発
光素子の製造方法。