JPH1146038A

JPH1146038A - 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1146038A
Application number: JP9285405A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sano; 雅彦佐野; Shuji Nakamura; 修二中村
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】窒化物半導体よりなる面発光レーザの新規な
構造とその製造方法を提供することにより、レーザ素子
の低閾値化、単一モード化を実現する。【構成】第１の主面と、第２の主面とを有する基板の
第１の主面側に、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ
型窒化物半導体層とを順に有し、前記基板の第２の主面
側に孔が設けられて、その孔の底部に第１の反射鏡が設
けられており、一方ｐ型窒化物半導体の最表面には第２
の反射鏡が設けられており、第１の反射鏡と第２の反射
鏡とで活性層の発光を共振させて発振させることによ
り、低閾値の面発光レーザが実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_XＡ
ｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレ
ーザ素子とレーザ素子の製造方法に係り、特に面発光レ
ーザ素子とその製法に関する。なお、本明細書において
示す窒化物半導体の一般式は単に窒化物半導体の組成を
示すものであって、例えば異なる窒化物半導体層が同一
の一般式で示されていても、それらの式のX値、Y値が一
致した層を示すものでは決してない。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これ
らの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ｎ型窒化物半
導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構
造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮより
なる活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。
青色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を
増減することで決定されている。

【０００３】また、本出願人は、この材料を用いてパル
ス電流下、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を世界で初
めて発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、
Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子
は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造の活性層を有
するダブルへテロ構造を有し、パルス幅２μｓ、パルス
周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密
度８．７ｋＡ／cm²、４１０ｎｍの発振を示す。さら
に、我々は改良したレーザ素子をAppl.Phys.Lett.69(19
96)1477において発表した。このレーザ素子は、ｐ型窒
化物半導体層の一部にリッジストライプが形成された構
造を有しており、パルス幅１μｓ、パルス周期１ｍｓ、
デューティー比０．１％で、閾値電流１８７ｍＡ、閾値
電流密度３ｋＡ／cm²、４１０ｎｍの発振を示す。そし
て、さらに我々は室温での連続発振にも初めて成功し、
発表した。{例えば、日経エレクトロニクス 1996年12月
2日号技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034、Appl.P
hys.Lett.69(1996)4056 等}、このレーザ素子は２０℃
において、閾値電流密度３．６ｋＡ／cm²、閾値電圧
５．５Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発
振を示す。

【０００４】既に赤外半導体レーザは通信用光源とし
て、赤色半導体レーザはＤＶＤ光源として既に実用化さ
れている。４１０ｎｍ前後の青色レーザ光源ができるこ
とにより、一気に記録容量は４倍となるため、現在数々
の方面から熱心に研究が成されている。その中で、窒化
物半導体レーザ素子は、今まで発表された材料の中で、
最も発振波長が短く、さらに上記のように連続発振が実
現されたことにより、非常に注目されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】半導体レーザはストラ
イプ型の導波路を有し、活性層端面の劈開面を共振面と
されることが多く、現在実用化されている赤外、赤色半
導体レーザは、ほとんどがこの型である。一方、基板に
対して垂直な方向でレーザ光が出射される、いわゆる面
発光レーザも提案されている。面発光レーザは、レーザ
素子の低閾値化、横モード、縦モード等を安定化させる
ためには非常に有用であることが知られているが、窒化
物半導体レーザ素子では全く知られていない。窒化物半
導体よりなる面発光レーザが実現できると、レーザビー
ム径を小さくすることもできるので、ＤＶＤ光源として
は、非常に有利である。また、光通信分野には単一モー
ドのレーザ光が求められている。従って、本発明の目的
とするところは窒化物半導体よりなる面発光レーザの新
規な構造とその製造方法を提供することにより、レーザ
素子の低閾値化、単一モード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レ
ーザ素子は、第１の主面と、第２の主面とを有する基板
の第１の主面側に、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、
ｐ型窒化物半導体層とを順に有し、前記基板の第２の主
面側に孔が設けられて、その孔の底部に第１の反射鏡が
設けられており、一方ｐ型窒化物半導体の最表面には第
２の反射鏡が設けられており、第１の反射鏡と第２の反
射鏡とで活性層の発光を共振させて発振することを特徴
とする。本発明のレーザ素子において、第１の反射鏡と
第２の反射鏡との距離は５μｍ以下、さらに好ましくは
２μｍ以下、最も好ましくは２μｍ以下に設定すること
が望ましい。なお下限については特に限定しないが、１
００オングストローム以上、特に好ましくは活性層の発
光波長以上に調整することが望ましい。

【０００７】また本発明のレーザ素子では、前記基板の
第１の主面側にｎ電極が形成され、前記第２の反射鏡の
形成部を除くｐ型窒化物半導体層の表面にはｐ電極が形
成されており、ｎ電極と、ｐ電極とが同一面側にあっ
て、ｎ電極がｐ電極の周囲を囲んでなることを特徴とす
る。

【０００８】また本発明のレーザ素子の別態様では、前
記基板が導電性の基板であり、その基板の第２の主面側
にｎ電極が形成され、前記第２の反射鏡の形成部を除く
ｐ型窒化物半導体層の表面にはｐ電極が形成され、ｎ電
極が前記第１の反射鏡の周囲を囲んでなることを特徴と
する。

【０００９】本発明のレーザ素子の好ましい態様とし
て、前記ｎ型窒化物半導体層側、若しくは前記ｐ型窒化
物半導体層側の内の少なくとも一方の層側には、互いに
組成が異なる窒化物半導体層が積層されてなる超格子層
をクラッド層として有することを特徴とする。さらに、
超格子層にはｎ型不純物若しくはｐ型不純物が変調ドー
ピングされていることが望ましい。

【００１０】また本発明のレーザ素子の製造方法は、第
１の主面と第２の主面とを有する基板の第１の主面上
に、活性層を含む窒化物半導体層を気相成長させる第１
の工程と、基板の第２の主面側をエッチングして孔を設
け、その孔の底部に活性層の発光を共振させる第１の反
射鏡を形成する第２の工程と、前記孔の底部に対応した
窒化物半導体層の最表面に活性層の発光を共振させる第
２の反射鏡を形成する第３の工程とを備えることを特徴
とする。

【００１１】さらに、前記第１の工程後、最上層の窒化
物半導体層の表面に保護膜を形成して、活性層を含む窒
化物半導体層をエッチングし、エッチングにより露出し
た半導体層表面に、電流阻止層となる窒化物半導体層を
成長させる第４の工程を備えることを特徴とする。

【００１２】さらにまた、第４の工程後、ｐ電極を形成
すべき窒化物半導体層を電流阻止層の上に成長させる第
５の工程を備えることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明のレーザ素子の一構
造を示す模式的な断面図であり、また図２は図１のレー
ザ素子を第２の反射鏡１２側から見た平面図である。こ
のレーザ素子は基本的に、第１と、第２の主面とを有す
る基板１の第１の主面側に、ｎ側コンタクト層２、ｎ側
クラッド層３、活性層４、ｐ側クラッド層５とを有し、
ｎ側クラッド層３、活性層４、ｐ側クラッド層４の周囲
はｎ−ｐ逆接合を有する第１の電流阻止層６と第２の電
流阻止層７とで包囲されており、さらに第２の電流阻止
層７とｐ側クラッド層５の上にはｐ側コンタクト層８が
形成された構造を有する。一方基板１の第２の主面側は
孔が設けられ、その孔の底部には活性層の発光を共振さ
せるための第１の反射鏡１１が設けられている。一方そ
の第１の反射鏡と対面した側にあるｐ側コンタクト層８
の表面には、同じく活性層の発光を共振させるための第
２の反射鏡１２が形成されている。また第２の反射鏡１
２の形成部分を除く、ｐ側コンタクト層８の最表面に
は、ｐ電極９がほぼ全面に形成され、一方エッチングさ
れて露出したｎ側コンタクト層２の表面にはｐ電極９を
囲むようにｎ電極１０が形成されている。

【００１４】本発明のレーザ素子では基板１の第１の主
面側に窒化物半導体が積層されてなり、第２の主面側に
は孔１００が設けられ、その孔１００の底部には活性層
の発光波長を反射する第１の反射鏡１１が形成されてい
る。一方基板１の第２の主面側にある最上層のｐ側コン
タクト層８の最表面には同じく活性層の発光波長を反射
する第２の反射鏡１２が形成されている。このレーザ素
子は活性層の発光を第１と第２の反射鏡とで共振させ
て、いずれか一方、若しくは両方の反射鏡側にレーザ光
が出力がされる。

【００１５】特に本発明では、基板１の第２の主面側に
孔１００を設け、その孔の底部に第１の反射鏡を設けて
いる。この孔１００を設けることにより。活性層の共振
器長が短くなり、低閾値で発振して単一モードのレーザ
光が得られやすくなる。第１と第２の反射鏡との距離は
５μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下、最も好まし
くは２μｍ以下に調整することが望ましい。下限につい
ては特に限定しないが、１００オングストローム以上、
好ましくは活性層の発光波長以上、通常は３８０ｎｍ以
上に調整する。５μｍよりも長いと損失が大きくなって
閾値が上昇して素子寿命が短くなる傾向にある。また、
Ａｌを含む窒化物半導体は単独で厚膜が成長しにくい傾
向にある。そのため、電流阻止層６、７をＡｌを含む窒
化物半導体で成長させると成長中に結晶中にクラックが
入りやすくなる。結晶中に一度クラックが入ってしまう
と、次に成長させるｐ側コンタクト層８がその層の上に
成長できなくなる。従って第１と第２の反射鏡間の距離
を短くするということは、電流阻止層６、７、或いはｎ
側クラッド層３、ｐ側クラッド層５を成長しやすくする
作用もある。

【００１６】第１の反射鏡１１、第２の反射鏡１２の材
料は活性層の発光を反射させるため、例えば誘電体多層
膜、金属薄膜等で形成できる。誘電体多層膜の材料とし
ては、例えばＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂等
の高誘電体材料をλ／４ｎ（λ：活性層自然発光の発光
波長、ｎ：誘電体の屈折率）となるような膜厚で複数層
積層することにより形成できる。反射率としては６０％
以上、さらに好ましくは７０％以上、最も好ましくは８
０％以上の反射率となるように設計することが望まし
い。さらに第１、第２の反射鏡の面積（平面における面
積）は、活性層３の面積よりも大きくすることが望まし
い。活性層３の面積は３０μｍ²以下、さらに好ましく
は２０μｍ²以下、最も好ましくは５μｍ²以下に調整
し、第１、第２の反射鏡の面積は活性層の面積の２倍以
上にすることが望ましい。

【００１７】また、図１、図２に示すように、本発明の
レーザ素子では、基板１の第１の主面側（具体的にはｎ
側コンタクト層３）の表面にｎ電極１０が形成され、第
２の反射鏡１２の形成部を除くｐ型窒化物半導体層（具
体的にはｐ側コンタクト層８）の表面にはｐ電極９が形
成されて、ｎ電極１０と、ｐ電極９とが同一面側にあっ
て、ｎ電極がｐ電極の周囲を囲んでいる。特に面発光の
レーザ素子ではこのように同一面側に電極がある場合、
一方の電極の周囲を他方の電極が囲む構造とすることに
より、均一に電流が流れて、閾値を低下させる上で非常
に効果的である。なお、図２ではｎ電極１０の形状は矩
形を有しているが、ｎ電極形状はｐ電極の周囲を囲んで
いれば、円形、多角形とのような形状でも形成すること
ができる。但し、多角形の形状とした場合、ｐ電極９の
縁部の距離と、ｎ電極１０の縁部との距離とは等しくす
ることが望ましい。

【００１８】一方、図３では、基板にＧａＮのような導
電性基板を用いた場合のレーザ素子の構造を示してい
る。基板に導電性基板を用いた場合は、基板の第２の主
面側にｎ電極を形成することができる。図３に示すよう
に、ｎ電極１０が第１の反射鏡１１の周囲を囲むように
電極を形成して、ｎ電極１０とｐ電極９とが対向したよ
うな構造とすることにより、図２と同じく活性層に均一
に電流を注入できるので、低閾値で発振する。しかも、
ｐ電極９をｐ側コンタクト層８の第２の反射鏡１２形成
部を除くほぼ全面に形成してあるので、ｐ電極側をヒー
トシンクに接する側としてボンディングすると放熱性も
良くなり素子寿命も向上する。なお、基板１に導電性基
板を用いても図１、２に示すような同一面側に電極があ
るレーザ素子を作製することもできる。

【００１９】次に、各層構成について説明する。基板１
には、例えばＣ面、Ａ面、Ｒ面を主面とするサファイ
ア、（１１１）面を主面とするスピネル（ＭｇＡｌ
₂Ｏ₄）のような絶縁性基板の他、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓのような導電性（半導体）基板を
用いることができ、その基板の主面の面方位は特に問う
ものではない。またＧａＮのような半導体基板を用いた
場合には、図３に示す構造のレーザ素子もできる。

【００２０】ｎ側コンタクト層２はｎ電極を形成して電
流を注入する層であり、ｎ型窒化物半導体で構成するこ
とができる。通常は、ｎ型不純物をドープしたＩｎ_XＡ
ｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成し、
その組成は特に問うものではないが、好ましくはｎ型Ｇ
ａＮ、若しくはY値が０．１以下のＡｌ_YＧａ_1-YＮとす
るとｎ電極１０と良好なオーミックが得られやすい。ｎ
型不純物濃度は１×１０¹⁷／cm³〜１×１０²¹／cm³の範
囲、さらに好ましくは、１×１０¹⁸／cm³〜１×１０¹⁹
／cm³に調整することが望ましい。１×１０¹⁷／cm³より
も小さいとｎ電極の材料と好ましいオーミックが得られ
にくくなるので、レーザ素子では閾値電流、電圧の低下
が望めず、１×１０²¹／cm³よりも大きいと、素子自体
のリーク電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるた
め、素子の寿命が短くなる傾向にある。ｎ側コンタクト
層３の膜厚は０．２μｍ以上、４μｍ以下に調整するこ
とが望ましい。０．２μｍよりも薄いと、ｎ電極１０を
形成する際に、ｎ側コンタクト層２の表面を露出させる
ようにエッチングレートを制御するのが難しく、一方、
４μｍ以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾
向にある。また、このｎ側コンタクト層２を、例えばＩ
ｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ（但しＩｎ組成比は異なる。）、
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧ
ａＮ／ＧａＮ等の組み合わせによる超格子構造としても
良い。なお、図３に示すように、基板１にＧａＮのよう
な導電性基板を使用して、基板側にｎ電極を設けた場合
にはコンタクト層としては作用せず、バッファ層として
作用する。

【００２１】ｎ側クラッド層３は、光閉じ込め、キャリ
ア閉じ込め層として作用し、バンドギャップエネルギー
の大きな第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体
層よりもバンドギャップエネルギーの小さな第２の窒化
物半導体層とが積層されて、互いに不純物濃度が異なる
超格子構造のｎ側クラッド層３を有している。さらに第
１の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導
体、好ましくはＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜X≦１）を成長さ
せる方が望ましい。一方、第２の窒化物半導体は第１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
窒化物半導体であればどのようなものでも良いが、好ま
しくはＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y＜１、X＞Y）、Ｉｎ_ZＧａ
_1-ZＮ（０≦Z＜１）のような２元混晶、３元混晶の窒化
物半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得
られやすい。その中でも特に好ましくは第１の窒化物半
導体は実質的にＩｎ、Ｇａを含まないＡｌ_XＧａ_1-XＮ
（０＜X＜１）とし、第２の窒化物半導体は実質的にＡ
ｌを含まないＩｎ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z＜１）とし、中で
も結晶性に優れた超格子を得る目的で、Ａｌ混晶比(Y
値）０．３以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜X≦０．３）
と、ＧａＮの組み合わせが最も好ましい。第１の、第２
の窒化物半導体層の各膜厚は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１０〜４０オングストロームの膜厚に調整す
る。１００オングストロームよりも厚いと、窒化物半導
体層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なク
ラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。膜
厚下限は特に限定せず、１原子層以上であればよいが、
１０オングストローム以上が最も好ましい。

【００２２】キャリア閉じ込め層としてクラッド層を形
成する場合、活性層よりもバンドギャップエネルギーの
大きい窒化物半導体を成長させる必要がある。バンドギ
ャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とは、即ちＡ
ｌ混晶比の高い窒化物半導体である。従来ではＡｌ混晶
比の高い窒化物半導体を厚膜で成長させると、クラック
が入りやすくなるため、結晶成長が非常に難しかった
が、本発明のように歪み超格子層にすると、歪み超格子
層を構成する単一層をＡｌ混晶比の高い層としても、弾
性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラックが
入りにくい。そのため、Ａｌ混晶比の高い層を結晶性良
く成長できることにより、光閉じ込め、キャリア閉じ込
め効果が高くなり、特に面発光レーザ素子に適用すると
閾値電圧、閾値電流を低下させる上で有利である。

【００２３】さらにこのｎ側クラッド層を超格子層とす
る場合、超格子層にｎ型不純物を変調ドープすることが
望ましい。変調ドープとは、超格子層を構成するバンド
ギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層とバ
ンドギャップエネルギーの小さな第２の窒化物半導体層
とのｎ型不純物濃度が異なることで、一方の層のｎ型不
純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状
態（アンドープ）として、もう一方を高濃度にドープす
ると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。こ
れは不純物濃度の低い層を歪み超格子層中に存在させる
ことにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物
濃度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリ
ア濃度が高いままで歪み超格子層が形成できることによ
る。つまり不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物
濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在する
ことにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層
ｎ側クラッド層となるために、閾値電圧、Ｖｆが低下す
ると推察される。

【００２４】バンドギャップエネルギーの大きな窒化物
半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調
ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間
に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響に
より抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ型不純
物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体
層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導
体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した
層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側
が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の
界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元
電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電
子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、
超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。
なおｐ側の変調ドープも同様に二次元正孔ガスの影響に
よると推察される。またｐ層の場合、ＡｌＧａＮはＧａ
Ｎに比較して抵抗率が高い。そこでＡｌＧａＮの方にｐ
型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下する
ために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子
を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察さ
れる。

【００２５】一方、バンドギャップエネルギーの小さな
窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以
下のような作用があると推察される。例えばＡｌＧａＮ
層とＧａＮ層にＭｇを同量でドープした場合、ＡｌＧａ
Ｎ層ではＭｇのアクセプター準位の深さが大きく、活性
化率が小さい。一方、ＧａＮ層のアクセプター準位の深
さはＡｌＧａＮ層に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高
い。例えばＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしてもＧａＮ
では１×１０¹⁸／cm³程度のキャリア濃度であるのに対
し、ＡｌＧａＮでは１×１０¹⁷／cm³程度のキャリア濃
度しか得られない。そこで、本発明ではＡｌＧａＮ／Ｇ
ａＮとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ
層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリ
ア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子と
しているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の
少ないＡｌＧａＮ層を移動するため、実質的にキャリア
はＡｌＧａＮ層の作用は受けず、ＡｌＧａＮ層はバンド
ギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。
従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物
半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、Ｌ
ＥＤ素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。
なおこの説明はｐ型層側に超格子を形成する例について
説明したが、ｎ層側に超格子を形成する場合において
も、同様の効果がある。

【００２６】バンドギャップエネルギーが大きい第１の
窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合、第
１の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、１
×１０¹⁷／cm³〜１×１０²⁰／cm³、さらに好ましくは１
×１０¹⁸／cm³〜５×１０¹⁹／cm³の範囲に調整する。１
×１０¹⁷／cm³よりも少ないと、第２の窒化物半導体層
との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得ら
れにくい傾向にあり、また１×１０²⁰／cm³よりも多い
と、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にあ
る。一方、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は第
１の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは
１／１０以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアン
ドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚
が薄いため、第１の窒化物半導体側から拡散してくるｎ
型不純物があり、その量は１×１０ ¹⁹／cm³以下が望ま
しい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等
の周期律表第IVＢ族、VIＢ族元素を選択し、好ましくは
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不純物とする。この作用は、バン
ドギャップエネルギーが大きい第１の窒化物半導体層に
ｎ型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネル
ギーが小さい第２の窒化物半導体層にｎ型不純物を多く
ドープする場合も同様である。以上、超格子層に不純物
を好ましく変調ドープする場合について述べたが、バン
ドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層とバンド
ギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層との不純物
濃度を等しくすることもできる。

【００２７】活性層４はＩｎを含む窒化物半導体、好ま
しくはＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X≦１）よりなる井戸層
と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒
化物半導体よりなる障壁層とを積層した多重量子井戸構
造とすることが望ましい。井戸層の好ましい膜厚は１０
０オングストローム以下、さらに望ましくは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。障壁層は１５０オングストローム以
下、さらに好ましくは１００オングストローム以下、最
も好ましくは７０オングストローム以下に調整する。

【００２８】ｐ側クラッド層５もｎ側クラッド層３と同
じく、光閉じ込め、キャリア閉じ込め層として作用し、
バンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体
層と、第３の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネ
ルギーの小さな第４の窒化物半導体層とが積層されて、
互いの不純物濃度が異なる超格子構造のｐ側クラッド層
５を有している。このｐ側クラッド層５の超格子層を構
成する第３、第４の窒化物半導体層の膜厚も、ｎ側クラ
ッド層３と同じく、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１０〜４０オングストロームの膜厚に調整する。同様
に、第３の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含む窒化
物半導体、好ましくはＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜X≦１）を
成長させることが望ましく、第４の窒化物半導体は好ま
しくはＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y＜１、X＞Y）、Ｉｎ_ZＧａ
_1-ZＮ（０≦Z≦１）のような２元混晶、３元混晶の窒化
物半導体を成長させることが望ましい。

【００２９】ｐ側クラッド層５を超格子構造とすると、
超格子構造が発光素子に与える作用は、ｎ側クラッド層
３の作用と同じであるが、さらにｎ層側に形成した場合
に加えて次のような作用がある。即ち、ｐ型窒化物半導
体はｎ型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が２桁以上
高い。そのため超格子層をｐ層側に形成することによ
り、Ｖｆの低下が顕著に現れる。詳しく説明すると窒化
物半導体はｐ型結晶が非常に得られにくい半導体である
ことが知られている。ｐ型結晶を得るためｐ型不純物を
ドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を
除去する技術が知られている（特許第２５４０７９１
号）。しかしｐ型が得られたといってもその抵抗率は数
Ω・cm以上もある。そこで、このｐ型層を超格子層とす
ることにより結晶性が良くなり、抵抗率が１桁以上低下
するためＶｆの低下が現れやすい。

【００３０】ｐ側クラッド層５の第３の窒化物半導体層
と第４の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度が異なり、
一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物
濃度を小さくする。ｎ側クラッド層３と同様に、バンド
ギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層の方
のｐ型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネル
ギーの小さな第４のｐ型不純物濃度を小さく、好ましく
はアンドープとすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させる
ことができる。またその逆でも良い。つまりバンドギャ
ップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層のｐ型不
純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小
さな第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を大きくし
ても良い。理由は先に述べたとおりである。

【００３１】第３の窒化物半導体層への好ましいドープ
量としては１×１０¹⁸／cm³〜１×１０²¹／cm³、さらに
好ましくは１×１０¹⁹／cm³〜５×１０²⁰／cm³の範囲に
調整する。１×１０¹⁸／cm³よりも少ないと、同様に第
４の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャ
リア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１
×１０²¹／cm³よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向に
ある。一方、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は
第３の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましく
は１／１０以上少ない方が望ましい。最も好ましくはア
ンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜
厚が薄いため、第３の窒化物半導体側から拡散してくる
ｐ型不純物があり、その量は１×１０²⁰／cm³以下が望
ましい。ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等
の周期律表第IIＡ族、IIＢ族元素を選択し、好ましくは
Ｍｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。この作用は、バンド
ギャップエネルギーが大きい第３の窒化物半導体層にｐ
型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギ
ーが小さい第４の窒化物半導体層にｐ型不純物を多くド
ープする場合も同様である。

【００３２】さらにまた超格子を構成する窒化物半導体
層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ
方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大き
く、両端部近傍の不純物濃度が小さい（好ましくはアン
ドープ）とすることが望ましい。具体的に説明すると、
例えばｎ型不純物としてＳｉをドープしたＡｌＧａＮ
と、アンドープのＧａＮ層とで超格子層を形成した場
合、ＡｌＧａＮはＳｉをドープしているのでドナーとし
て電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いＧ
ａＮの伝導帯に落ちる。ＧａＮ結晶中にはドナー不純物
をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱
を受けない。そのため電子は容易にＧａＮ結晶中を動く
ことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは
前述した二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横
方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくな
る。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧ
ａＮの中心領域にｎ型不純物を高濃度にドープすると効
果はさらに大きくなる。即ちＧａＮ中を移動する電子に
よっては、ＡｌＧａＮ中に含まれるｎ型不純物イオン
（この場合Ｓｉ）の散乱を多少とも受ける。しかしＡｌ
ＧａＮ層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとする
とＳｉの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープ
ＧａＮ層の移動度が向上するのである。作用は若干異な
るが、ｐ層側の第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半
導体層とで超格子を構成した場合も類似した効果があ
り、バンドギャップエネルギーの大きい第３の窒化物半
導体層の中心領域に、ｐ型不純物を多くドープし、両端
部を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望
ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化
物半導体層にｎ型不純物を多くドープした層を、前記不
純物濃度の構成とすることもできる。超格子層は、少な
くともｐ側層にあることが好ましく、ｐ側層に超格子層
があるとより閾値が低下し好ましい。

【００３３】第１の電流阻止層６、第２の電流阻止層７
はｎ−ｐ逆接合を有する窒化物半導体で形成する。つま
り、第１の電流阻止層６をｐ型窒化物半導体層で形成
し、第２の電流阻止層７をｎ型窒化物半導体で形成す
る。第１、第２の電流阻止層の構成としては、活性層の
発光を横方向にも閉じ込める目的で形成するため、少な
くともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌ_YＧａ
_1-YＮ（０＜Y≦１）で形成することが望ましい。特にＡ
ｌ混晶比（Y値）が０．４以上の窒化物半導体を成長さ
せると、高抵抗なｉ型になる性質あるので、この性質を
利用して、Ａｌ混晶比の高いｉ型の窒化物半導体を成長
させてもよい。ｉ型の窒化物半導体を成長させる場合に
は、特に第１の電流阻止層と第２の電流阻止層とで逆ｎ
−ｐ接合を作らなくとも、高抵抗な第１の電流阻止層の
みでもよい。またこの電流阻止層はＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、
ＺｒＯ₂のような絶縁性材料で形成することもできる。

【００３４】ｐ側コンタクト層８はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧ
ａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成すること
ができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮ、若しくは
ＭｇをドープしたY値が０．１以下のＡｌ_YＧａ_1-YＮと
すれば、ｐ電極９と最も好ましいオーミック接触が得ら
れる。ｐ側コンタクト層８の膜厚は５００オングストロ
ーム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以
下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整
することが望ましい。なぜなら、抵抗率が高いｐ型窒化
物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整
することにより、さらに抵抗率が低下するため、閾値で
の電流、電圧が低下する。またアニール時にｐ型層から
除去される水素が多くなって抵抗率が低下しやすい傾向
にある。

【００３５】基板１の第２の主面側に孔１００を形成す
るには、例えば孔の部分を除いて保護膜を第２の主面側
に形成した後、エッチングすることで実現できる。エッ
チング手段としては、大別してウエットエッチング、ド
ライエッチングがあるが、好ましくはドライエッチング
を用いる。ドライエッチングとしては、例えば、反応性
イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッ
チング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング
（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置がある
が、基板の材料に応じて適宜、エッチング装置、エッチ
ングガス等の条件を選択すればよい。

【００３６】

【実施例】図４〜図７は本発明の実施例において得られ
るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。以
下、これらの図面を元に本発明のレーザ素子の製造方法
について、順に説明する。

【００３７】［実施例１］まずスピネル（１１１）面を
主面とする基板１を用意し、この基板１の上にＭＯＶＰ
Ｅ法を用いて５００℃でＧａＮよりなるバッファ層を２
００オングストロームの膜厚で成長させ、次に１０５０
℃でＳｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮ層を
４μｍの膜厚で成長させる。

【００３８】次に同じく１０５０℃でＳｉを１×１０¹⁹
／cm³ドープしたｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0. ₇Ｎよりなる第１の
層を４０オングストローム成長させ、続いてアンドープ
（undope）ＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロ
ームの膜厚で成長させる。これらの操作をそれぞれ２５
回繰り返し、歪み超格子構造よりなるｎ側クラッド層３
を０．２μｍの膜厚で成長させる。

【００３９】次に温度を８００℃にして、アンドープＩ
ｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストローム
の膜厚で成長させ、続いてアンドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.95
Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長
させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層
した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造
（ＭＱＷ）の活性層４を成長させる。活性層４は本実施
例のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物及び
／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井戸
層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にド
ープしてもよい。

【００４０】次に温度を１０５０℃にして、Ｍｇを１×
１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる
第３の層を４０オングストローム成長させ、続いてアン
ドープ（undope）ＧａＮよりなる第４の層を４０オング
ストロームの膜厚で成長させる。これらの操作をそれぞ
れ２５回繰り返し、歪み超格子構造よりなるｐ側クラッ
ド層５を０．２μｍの膜厚で成長させる。

【００４１】ｐ側クラッド層５成長後、ウェーハを反応
容器から取りだし、ＳｉＯ₂よりなる４μｍφの保護膜
２０を所定の位置に複数形成する。保護膜２０形成後の
ウェーハの部分的な断面図が図４である。

【００４２】保護膜２０形成後、ウェーハをＲＩＥ装置
に移送し、保護膜を形成していない部分の窒化物半導体
層をエッチングし、ｎ側コンタクト層２の表面を露出さ
せる。エッチング後のウェーハの構造を示す断面図が図
５である。

【００４３】エッチング後、保護膜を形成したまま、再
度ウェーハをＭＯＶＰＥ反応容器に移送し、１０５０℃
で露出させたｎ側コンタクト層２の表面にＺｎを１×１
０¹⁹／cm³ドープしたＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層よりなる第１
の電流阻止層６を０．２１μｍの膜厚で成長させ、続い
てＳｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ
よりなる第２の電流阻止層を０．２１μｍの膜厚で成長
させる。第１の電流阻止層はｐ型不純物としてＺｎをド
ープししている。ＺｎはＭｇに比べて活性化率が低く、
ｐ型になりにくい性質を有しており、しかもＡｌ混晶比
が高いため、第１の電流阻止層は半絶縁性に近い。成長
後のウェーハの構造を示す図が図６である。

【００４４】電流阻止層６、７成長後、ウェーハを反応
容器から取りだし、保護膜２０を酸で除去した後、再び
反応容器内にて、１０５０℃で第２の電流阻止層７、ｐ
側クラッド層５の表面に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７を２００オ
ングストロームの膜厚で成長させる。成長後のウェーハ
の構造を示す断面図が図７である。

【００４５】以上のようにして窒化物半導体を成長した
ウェーハを反応容器から取りだし、窒化物半導体を成長
していない側の基板１の所定の位置に保護膜を形成し、
保護膜を形成していない部分をエッチングして、図８に
示すように２０μｍφの孔１００を形成する。孔１００
の深さは孔１００の底部と、ｎ側クラッド層３との距離
とが０．５μｍとなるように調整する。

【００４６】孔１００形成後ウェーハをＣＶＤ装置に移
送し、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂との誘電体多層膜からなる第１
の反射鏡１１を、図８に示すように孔１００の底部に形
成する。一方、ｐ側コンタクト層８の表面にも所定の形
状の保護膜を形成して、図８に示すように２０μｍφの
第２の反射鏡１２を形成する。これらの反射鏡は４１０
ｎｍの発光波長に対して８０％以上の反射率を有するよ
うに設計されている。

【００４７】次に、所定の形状のマスクを形成して、ｐ
側コンタクト層８側からエッチングを行い、ｎ側コンタ
クト層２の表面を露出させ、露出したｎ側コンタクト層
２にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極１０を形成し、一方最
上層のｐ側コンタクト層８の表面の第２の反射鏡１２を
除くほぼ全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極９を形成す
る。電極形成後の構造を示す断面図が図１、平面図が図
２である。以上のようにして以上のようにして作製した
面発光レーザ素子は、従来の電極ストライプ型の窒化物
半導体レーザ素子に比較して、約１／３０の電流で４０
８ｎｍの室温連続発振を示し、寿命は１分以上であっ
た。

【００４８】［実施例２］実施例２は図３を元に説明す
る。サファイア基板の上に成長させた６０μｍの厚さを
有する１×１０¹⁹／cm³ＳｉドープＧａＮ基板１’を用
意する。このＧａＮ基板１’の上にＭＯＶＰＥ装置を用
いて、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁸／cm ³ドープした
ＧａＮよりなるバッファ層２’を１μｍの膜厚で成長さ
せる。なおこのバッファ層２’は実施例１において５０
０℃の低温で成長したバッファ層とは区別される。

【００４９】このバッファ層２’の上に先ほどと同様に
して、超格子構造よりなるｎ側クラッド層３、活性層
４、ｐ側クラッド層５、第１の電流阻止層６、第２の電
流阻止層７、ｐ側コンタクト層８を成長させる。

【００５０】ｐ側コンタクト層８成長後、サファイア基
板を研磨により除去し、ＧａＮ基板１’の表面を露出さ
せる。その後実施例１と同様にして、ＧａＮ基板１’の
第２の主面側に２０μｍφの孔１００を設ける。なお孔
１００の底部の距離と、ｎ側クラッド層３との距離は
０．１μｍに調整する。次に、孔１００の底部に誘電体
多層膜よりなる第１の反射鏡を形成し、ｐ側コンタクト
層の表面にも２０μｍφの誘電体多層膜よりなる第２の
反射鏡を形成する。

【００５１】次に研磨により露出したＧａＮ基板１’の
ほぼ全面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極を設け、実施例１
と同様にレーザ発振させたところ、実施例１とほぼ同等
の条件においてレーザ発振を示し、寿命は１０分以上で
あった。

【００５２】［実施例３］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層３成長時に、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープした
ＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロームと、ア
ンドープのＡｌ_0. ₃Ｇａ_0.7Ｎよりなる第１の層を４０オ
ングストローム成長させて、このペアを２５回成長さ
せ、総膜厚０．２μｍ（２０００オングストローム）の
超格子構造よりなるｎ側クラッド層３を成長させ、ま
た、ｐ側クラッド層５成長時に、Ｍｇを１×１０²⁰／cm
³ドープしたＧａＮよりなる第４の層を４０オングスト
ロームと、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる第３
の層を４０オングストローム成長させて、このペアを２
５回成長させ、総膜厚０．２μｍ（２０００オングスト
ローム）の超格子構造よりなるｐ側クラッド層５を成長
させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得たとこ
ろ、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られた。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると窒
化物半導体よりなる面発光レーザ素子が実現できる。面
発光レーザ素子は基板と垂直な面に発光し、ＬＥＤのよ
うに横方向の光の漏れがほとんどない。そのため、一枚
のウェーハに複数の活性領域を作製することにより半導
体ウェーハで面状光源ができる。特に窒化物半導体レー
ザ素子は３８０ｎｍ〜４５０ｎｍの紫、青色発光領域を
主としているため、このレーザ素子の発光面側に、例え
ば青色発光で励起されて、黄色〜オレンジ色に発光する
蛍光物質を配置すると、白色発光が得られる。この白色
発光を蛍光灯に変わる光源として利用すると、省エネル
ギーで効率の高い光源が得られる。このように面発光レ
ーザ素子を実現することは非常に産業上有用である。

【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の構造を
示す模式断面図。

【図２】図１のレーザ素子をｐ電極側から見た平面
図。

【図３】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。

【図４】本発明の方法の一工程において得られる窒化
物半導体ウェーハの構造を示す模式断面図。

【図５】本発明の方法の一工程において得られる窒化
物半導体ウェーハの構造を示す模式断面図。

【図６】本発明の方法の一工程において得られる窒化
物半導体ウェーハの構造を示す模式断面図。

【図７】本発明の方法の一工程において得られる窒化
物半導体ウェーハの構造を示す模式断面図。

【図８】本発明の方法の一工程において得られる窒化
物半導体ウェーハの構造を示す模式断面図。

【符号の説明】

１・・・基板２・・・ｎ側コンタクト層３・・・ｎ側クラッド層４・・・活性層５・・・ｐ側クラッド層６・・・第１の電流阻止層７・・・第２の電流阻止層８・・・ｐ側コンタクト層９・・・ｐ電極１０・・・ｎ電極１１・・・第１の反射鏡１２・・・第２の反射鏡１００・・・孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の主面と、第２の主面とを有する基
板の第１の主面側に、ｎ型窒化物半導体層と、活性層
と、ｐ型窒化物半導体層とを順に有し、前記基板の第２
の主面側に孔が設けられて、その孔の底部に第１の反射
鏡が設けられており、一方ｐ型窒化物半導体の最表面に
は第２の反射鏡が設けられており、第１の反射鏡と第２
の反射鏡とで活性層の発光を共振させて発振する窒化物
半導体レーザ素子。
【請求項２】前記基板の第１の主面側にｎ電極が形成
され、前記第２の反射鏡の形成部を除くｐ型窒化物半導
体層の表面にはｐ電極が形成されており、ｎ電極と、ｐ
電極とが同一面側にあって、ｎ電極がｐ電極の周囲を囲
んでなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導
体レーザ素子。
【請求項３】前記基板が導電性の基板であり、その基
板の第２の主面側にｎ電極が形成され、前記第２の反射
鏡の形成部を除くｐ型窒化物半導体層の表面にはｐ電極
が形成され、ｎ電極が前記第１の反射鏡の周囲を囲んで
なることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レ
ーザ素子。
【請求項４】前記ｎ型窒化物半導体層側、若しくは前
記ｐ型窒化物半導体層側の内の少なくとも一方の層側に
は、互いに組成が異なる窒化物半導体層が積層されてな
る超格子層をクラッド層として有することを特徴とする
請求項１乃至４の内のいずれか１項に記載の窒化物半導
体レーザ素子。
【請求項５】第１の主面と第２の主面とを有する基板
の第１の主面上に、活性層を含む窒化物半導体層を気相
成長させる第１の工程と、基板の第２の主面側をエッチ
ングして孔を設け、その孔の底部に活性層の発光を共振
させる第１の反射鏡を形成する第２の工程と、前記孔の
底部に対応した前記窒化物半導体層の最表面に活性層の
発光を共振させる第２の反射鏡を形成する第３の工程と
を備えることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製
造方法。
【請求項６】前記第１の工程後、最上層の窒化物半導
体層の表面に保護膜を形成して、活性層を含む窒化物半
導体層をエッチングし、エッチングにより露出した半導
体層表面に、電流阻止層となる窒化物半導体層を成長さ
せる第４の工程を備えることを特徴とする請求項５に記
載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項７】第４の工程後、ｐ電極を形成すべき窒化
物半導体層を電流阻止層の上に成長させる第５の工程を
備える請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造
方法。