特開 2023-184298 垂直共振器型発光素子及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023184298

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】垂直共振器型発光素子及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20231221BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20231221BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

H01L21/205

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022098368

(22)【出願日】2022-06-17

(71)【出願人】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】津田 有三

(72)【発明者】

【氏名】大野 裕孝

(72)【発明者】

【氏名】倉本 大

【テーマコード（参考）】

5F045

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F045AA04

5F045AB17

5F045AC08

5F045AC12

5F045AC19

5F045AD15

5F045AD16

5F045AF04

5F045BB16

5F045CA12

5F045DA52

5F045DA59

5F173AC03

5F173AC14

5F173AC35

5F173AC53

5F173AF29

5F173AF38

5F173AF96

5F173AH22

5F173AJ04

5F173AK22

5F173AP05

5F173AP56

(57)【要約】      （修正有）

【課題】長寿命かつ高効率な垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】垂直共振器型発光素子は、ｐ型ドーパントのＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層され、ＳＩＭＳによる層厚方向のＡｌ組成曲線において、ｐ型ＡｌＧａＮ層を、活性層側からｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、２／５の層厚をする第２領域及び１／２の層厚を有する第３領域、に区分し、Ａｌ組成曲線により示されるＡｌ組成の大小関係は、第１領域＜第３領域＜第２領域であり、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度はｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、かつ、Ｍｇ濃度の大小関係は、第１領域＜第２領域＜第３領域であり、第２領域の少なくとも一部の領域におけるＭｇ濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、Ｍｇ濃度曲線は、第２領域においてピークを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に複数回繰り返し積層された半導体多層膜である第１の多層膜反射鏡と、
前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、ｎ型のドーパントを含む窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、ｐ型のドーパントを含む窒化物半導体からなる半導体層であるｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、
前記Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲を前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層をその層厚方向に、前記活性層側から前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚を有する第２領域及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、
前記Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第３領域＜前記第２領域であり、
前記Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であり、かつ、Ｍｇ濃度の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第２領域＜前記第３領域であり、
前記第２領域の少なくとも一部の領域におけるＭｇ濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、
前記Ｍｇ濃度曲線は、前記第２領域においてピークを有することを特徴とする垂直共振器型発光素子。

【請求項2】

基板と、
前記基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に複数回繰り返し積層された半導体多層膜である第１の多層膜反射鏡と、
前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、ｎ型のドーパントを含む窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、ｐ型のドーパントを含む窒化物半導体からなる半導体層であるｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、
前記Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲を前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層をその層厚方向に、前記活性層側から前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚を有する第２領域及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、
前記Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第３領域＜前記第２領域であり、
前記Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であり、かつ、Ｍｇ濃度の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第２領域＜前記第３領域であり、
前記第２領域におけるＭｇ濃度の平均値は３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、
前記第２領域における前記Ｍｇ濃度曲線は、前記第２領域のうち前記第２領域の層厚方向の中心よりも前記第１領域側の部分における傾きの絶対値の平均値よりも前記第３領域側の部分における傾きの絶対値の平均値の方が小さいことを特徴とする垂直共振器型発光素子。

【請求項3】

前記Ｍｇ濃度曲線によって示される前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度は前記層厚の全体に亘って１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項4】

前記Ｍｇ濃度曲線によって示される前記第１領域におけるＭｇ濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項5】

前記Ａｌ組成曲線によって示される、前記第２領域におけるＡｌ組成と前記第３領域におけるＡｌ組成との差は、３％以上１８％以下であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項6】

前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の前記層厚は８ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項7】

垂直共振器型発光素子を製造する方法であって、
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、
基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層を交互に成長させて第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、
ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１の多層膜反射鏡上にｎ型窒化物半導体層を成長させるｎ型窒化物半導体層成長ステップと、
前記ｎ型窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、
ｐ型ドーパントとしてＭｇの材料ガスを供給しつつ前記活性層上に、ｐ型の導電型を有するＡｌＧａＮ層であるｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させるｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップと、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にｐ型窒化物半導体層を成長させるｐ型窒化物半導体層成長ステップと、
前記ｐ型窒化物半導体層上に前記第１の多層膜反射鏡に対向する第２の多層膜反射鏡を形成するステップと、を含み、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップは、
第１の温度から第２の温度まで昇温しつつ、窒素源ガス及びＧａの材料ガスを所定の供給量で供給し、Ａｌの材料ガスを第１の供給量で供給し、前記Ｍｇの材料ガスを第２の供給量で供給して第１のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第１の成長ステップと、
前記第１の成長ステップの後、前記第１の成長ステップにおける前記窒素源ガス、前記Ｇａの材料ガス、前記Ａｌの材料ガス及び前記Ｍｇの材料ガスの供給量を維持しつつ第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第２の成長ステップと、
前記第２の成長ステップの後、前記Ａｌの材料ガスを前記第１の供給量よりも低い第３の供給量で供給し、かつ、前記Ｍｇの材料ガスを前記第２の供給量よりも低い第４の供給量で供給しつつ第３のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第３の成長ステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。

【請求項8】

前記第３の成長ステップの実行後、さらに前記第２の成長ステップ及び前記第３の成長ステップを実行するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の製造方法。

【請求項9】

前記第４の供給量は、前記第２の供給量の１０分の１以下であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。

【請求項10】

垂直共振器型発光素子を製造する方法であって、
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、
基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層を交互に成長させて第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、
ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１の多層膜反射鏡上にｎ型窒化物半導体層を成長させるｎ型窒化物半導体層成長ステップと、
前記ｎ型窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、
ｐ型ドーパントとしてＭｇの材料ガスを供給しつつ前記活性層上に、ｐ型の導電型を有するＡｌＧａＮ層であるｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させるｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップと、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にｐ型窒化物半導体層を成長させるｐ型窒化物半導体層成長ステップと、
前記ｐ型窒化物半導体層上に第１の多層膜反射鏡に対向する第２の多層膜反射鏡を形成するステップと、を含み、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップは、
第１の温度から第２の温度まで昇温しつつ、窒素源ガスを所定の供給量で供給し、前記Ｍｇの材料ガスを第１の供給量で供給する前処理ステップと、
前記前処理ステップの後、前記窒素源ガスの供給を継続しつつ、Ｇａの材料ガスを所定の供給量で供給し、Ａｌの材料ガスを第２の供給量で供給し、前記Ｍｇの材料ガスを第３の供給量で供給して第１のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第１の成長ステップと、
前記第１の成長ステップの後、前記第１の成長ステップにおける前記窒素源ガス、前記Ｇａの材料ガス、前記Ａｌの材料ガス及び前記Ｍｇの材料ガスの供給量を維持しつつ第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第２の成長ステップと、
前記第２の成長ステップの後、前記Ａｌの材料ガスを前記第２の供給量よりも低い第４の供給量で供給し、かつ、前記Ｍｇの材料ガスを前記第３の供給量よりも低い第５の供給量で供給しつつ第３のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第３の成長ステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。

【請求項11】

前記ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップにおいて、雰囲気ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項８又は１０に記載の製造方法。

【請求項12】

前記第３の供給量は、前記第１の供給量以下であることを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。

【請求項13】

前記第５の供給量は、前記第３の供給量の１０分の１以下であることを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体多層膜反射鏡を用いた垂直共振器型発光素子、特に垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；ＶＣＳＥＬ）などの垂直共振器型半導体発光素子に関する。また、当該垂直共振器型発光素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

活性層の上下に分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector；ＤＢＲ）を配置した垂直共振器型発光素子が知られている。また、半導体発光素子において、電子キャリアのオーバーフローを防止するために、活性層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子ブロック層を設けることが知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、ＧａＮ系半導体から構成される、活性層とｐ型半導体のメサ状構造体との間に、電子ブロック層としてＡｌＧａＮ層を有する垂直共振器型発光素子が開示されている。また、特許文献１において、電子ブロック層のＡｌ組成を増大させてバンドギャップエネルギーを増大させることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６９６６８４３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば、上記のような垂直共振器型発光素子において、ｐ型ＡｌＧａＮ層のｐ型ドーパント濃度を高くすると、正孔キャリア濃度が高まりキャリアの注入効率が高くなる効果が得られる。しかし、当該ｐ型ドーパント濃度を高くし過ぎると、ｐ型ドーパントの活性層への拡散や、ｐ型ドーパント濃度が高いことに起因する欠陥が活性層に拡がることによる素子寿命の低下が生じ易くなるという問題があった。

【0006】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高いキャリアの注入効率を確保しつつ素子の寿命の低下を抑制することができ、長寿命かつ高効率な垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明による垂直共振器型発光素子は、基板と、前記基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に複数回繰り返し積層された半導体多層膜である第１の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、ｎ型のドーパントを含む窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、ｐ型のドーパントを含む窒化物半導体からなる半導体層であるｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、前記Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲を前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層をその層厚方向に、前記活性層側から前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚を有する第２領域及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、前記Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第３領域＜前記第２領域であり、前記Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であり、かつ、Ｍｇ濃度の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第２領域＜前記第３領域であり、前記第２領域の少なくとも一部の領域におけるＭｇ濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、前記Ｍｇ濃度曲線は、前記第２領域においてピークを有することを特徴とする。

【0008】

また、本発明による垂直共振器型発光素子は、基板と、前記基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に複数回繰り返し積層された半導体多層膜である第１の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、ｎ型のドーパントを含む窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、ｐ型のドーパントを含む窒化物半導体からなる半導体層であるｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、前記Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲を前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層をその層厚方向に、前記活性層側から前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚を有する第２領域及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、前記Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第３領域＜前記第２領域であり、前記Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、Ｍｇ濃度の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第２領域＜前記第３領域であり、前記第２領域におけるＭｇ濃度の平均値は３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、前記第２領域における前記Ｍｇ濃度曲線は、前記第２領域のうち前記第２領域の層厚方向の中心よりも前記第１領域側の部分における傾きの絶対値の平均値よりも前記第３領域側の部分における傾きの絶対値の平均値の方が大きいことを特徴とする。

【0009】

本発明による垂直共振器型発光素子の製造方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層を交互に成長させて第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１の多層膜反射鏡上にｎ型窒化物半導体層を成長させるｎ型窒化物半導体層成長ステップと、前記ｎ型窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、ｐ型ドーパントとしてＭｇの材料ガスを供給しつつ前記活性層上に、ｐ型の導電型を有するＡｌＧａＮ層であるｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させるｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップと、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にｐ型窒化物半導体層を成長させるｐ型窒化物半導体層成長ステップと、前記ｐ型窒化物半導体層上に前記第１の多層膜反射鏡に対向する第２の多層膜反射鏡を形成するステップと、を含み、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップは、第１の温度から第２の温度まで昇温しつつ、窒素源ガス及びＧａの材料ガスを所定の供給量で供給し、Ａｌの材料ガスを第１の供給量で供給し、前記Ｍｇの材料ガスを第２の供給量で供給して第１のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第１の成長ステップと、前記第１の成長ステップの後、前記第１の成長ステップにおける前記窒素源ガス、前記Ｇａの材料ガス、前記Ａｌの材料ガス及び前記Ｍｇの材料ガスの供給量を維持しつつ第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第２の成長ステップと、前記第２の成長ステップの後、前記Ａｌの材料ガスを前記第１の供給量よりも低い第３の供給量で供給し、かつ、前記Ｍｇの材料ガスを前記第２の供給量よりも低い第４の供給量で供給しつつ第３のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第３の成長ステップと、を含むことを特徴とする。

【0010】

また、本発明による垂直共振器型発光素子の製造方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層を交互に成長させて第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１の多層膜反射鏡上にｎ型窒化物半導体層を成長させるｎ型窒化物半導体層成長ステップと、前記ｎ型窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、ｐ型ドーパントとしてＭｇの材料ガスを供給しつつ前記活性層上に、ｐ型の導電型を有するＡｌＧａＮ層であるｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させるｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップと、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にｐ型窒化物半導体層を成長させるｐ型窒化物半導体層成長ステップと、前記ｐ型窒化物半導体層上に前記半導体多層膜に対向する第２の多層膜反射鏡を形成するステップと、を含み、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップは、第１の温度から第２の温度まで昇温しつつ、窒素源ガスを所定の供給量で供給し、前記Ｍｇの材料ガスを第１の供給量で供給する前処理ステップと、前記前処理ステップの後、前記窒素源ガスの供給を継続しつつ、Ｇａの材料ガスを所定の供給量で供給し、Ａｌの材料ガスを第２の供給量で供給し、前記Ｍｇの材料ガスを第３の供給量で供給して第１のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第１の成長ステップと、前記第１の成長ステップの後、前記第１の成長ステップにおける前記窒素源ガス、前記Ｇａの材料ガス、前記Ａｌの材料ガス及び前記Ｍｇの材料ガスの供給量を維持しつつ第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第２の成長ステップと、前記第２の成長ステップの後、前記Ａｌの材料ガスを前記第２の供給量よりも低い第４の供給量で供給し、かつ、前記Ｍｇの材料ガスを前記第３の供給量よりも低い第５の供給量で供給しつつ第３のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第３の成長ステップと、を含むことを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１に係る面発光レーザの構成を示す斜視図である。

【図2】実施例１に係る面発光レーザの構成を示す上面図である。

【図3】実施例１に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。

【図4】実施例１に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。

【図5】実施例１に係る面発光レーザの製造工程の概要を示すフローチャートである。

【図6】実施例１に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層の成長シーケンスを模式的に示す図である。

【図7】比較例の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。

【図8】比較例の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。

【図9】実施例２に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。

【図10】実施例２の変形例に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。

【図11】実施例２の変形例に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層の成長シーケンスを模式的に示す図である。

【図12】実施例２の他の変形例に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。

【図13】実施例２の他の変形例に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。

【図14】実施例３に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。

【図15】実施例３に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。

【図16】実施例３に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層の成長シーケンスを模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

【実施例0013】

添付図面を参照しつつ、本発明の実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、単に面発光レーザとも称する）１０の構成について説明する。実施例１の面発光レーザ１０は、窒化物系半導体層によって構成されている。

【0014】

図１は、面発光レーザ１０の構成の概要を示す斜視図である。

【0015】

基板１１は、面発光レーザ１０を構成する窒化物半導体層の成長用基板である。基板１１は、例えば、矩形の上面形状を有している。本実施例において、基板１１は、ＧａＮ基板である。基板１１の上面、すなわち窒化物半導体層が成長される面は、Ｃ面又はＣ面から１°以内にオフした面であることが好ましい。なお、基板１１として、ＧａＮ基板の他に、サファイア基板、ＡｌＮ基板等の基板を用いることができる。

【0016】

下地層１３は、基板１１上に形成されている。下地層１３は、アンドープＧａＮ層である。下地層１３は、下地層１３上に成長される窒化物半導体層の結晶性を高めるためのバッファ層として機能する。

【0017】

第１の多層膜反射鏡１５は、下地層１３上に形成されている。第１の多層膜反射鏡１５は、ＡｌＩｎＮの組成を有する低屈折率半導体膜と、ＧａＮ組成を有し低屈折率半導体膜よりも屈折率が高い高屈折率半導体膜とが交互に積層された半導体多層膜反射鏡である。第１の多層膜反射鏡１５は、窒化物半導体材料からなる分布フラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１５は、窒化物半導体多層膜反射鏡である。

【0018】

ｎ型半導体層１７は、第１の多層膜反射鏡１５上に形成されたｎ型ＧａＮ層である。ｎ型半導体層１７には、ｎ型不純物としてＳｉがドープされている。

【0019】

ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａと、下部１７Ａ上に配された円柱状の上部１７Ｂとを有する。言い換えれば、ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａの上面から突出した円柱状の上部１７Ｂを有している。言い換えれば、ｎ型半導体層１７は、上部１７Ｂを含むメサ形状の構造を有する。ｎ型半導体層１７は、下部１７Ａの上面が部分的に露出した露出部１７Ｅを有している。

【0020】

活性層１９は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂ上に形成されている。活性層１９は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造をなす複数の半導体層からなる発光構造層である。具体的には、活性層１９は、ＩｎＧａＮ組成を有する井戸層及びＧａＮ組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する層である。面発光レーザ１０に電流が注入されると、活性層１９において光が発生する。

【0021】

中間層２１は、活性層１９上に形成されたアンドープのＧａＮ層である。中間層２１は、中間層２１上に形成されるｐ型半導体層２３から活性層１９に不純物が拡散することを防止すべく、活性層１９と、中間層２１上に形成されるｐ型半導体層２３との間の距離を離す緩衝層の機能を有する。

【0022】

ｐ型半導体層２３は、上述のように中間層２１上に形成され、ｐ型不純物がドープされた複数の半導体層を含む層である。ｐ型不純物として、Ｍｇがドープされている。

【0023】

ｎ電極２５は、ｎ型半導体層１７の露出部１７Ｅ上に設けられた金属電極である。ｎ電極２５は、ｎ型半導体層１７に電気的に接続されている。例えば、ｎ電極２５は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂを囲むように環状に形成されている。ｎ電極２５の形状はこれに限られず、例えば露出部１７Ｅの全面に層状に形成された電極層であってもよい。

【0024】

絶縁層２７は、ｐ型半導体層２３上に形成されている絶縁体又はｐ型半導体層２３よりも導電性の低い材料からなる層である。絶縁層２７は、例えばＳｉＯ_２等のｐ型半導体層２３を構成する材料よりも低い屈折率を有する物質によって構成されている。絶縁層２７は、ｐ型半導体層２３上に環状に形成されており、中央部分にｐ型半導体層２３を露出する開口部（図示せず）を有している。

【0025】

透光性電極２９は、絶縁層２７上に形成されている。また、透光性電極２９は、絶縁層２７の開口部を介してｐ型半導体層２３上に形成されており、ｐ型半導体層２３に電気的に接続されている。透光性電極２９は、例えば、ＩＴＯ又はＩＺＯ等の活性層１９からの出射光に対して透光性を有する金属酸化物によって形成されている。

【0026】

第２の多層膜反射鏡３１は、絶縁層２７の開口部上の透光性電極２９上に設けられた誘電体多層膜である。第２の多層膜反射鏡３１は、例えば酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）と酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等の、屈折率の異なる２種の誘電体膜が交互に積層されてなる誘電体多層膜ミラーである。

【0027】

ｐ電極３３は、透光性電極２９上に設けられた金属電極である。ｐ電極３３は、透光性電極２９に電気的に接続されている。ｐ電極３３は、第２の多層膜反射鏡３１を囲むように環状に形成されている。

【0028】

図２は、面発光レーザ１０の上面図である。上述したように、面発光レーザ１０は、矩形の上面形状を有する基板１１上に形成され、メサ形状の構造を有するｎ型半導体層１７を有している。

【0029】

ｎ型半導体層１７のメサ形状の部分から露出している露出部１７Ｅ上に、当該メサ形状の部分を囲むように環状のｎ電極２５が形成されている。

【0030】

また、上述したように、面発光レーザ１０は、ｎ型半導体層１７のメサ形状の部分である上部１７Ｂ上に順に形成されて円形の上面形状を有する活性層１９，中間層２１，及びｐ型半導体層、及び環状の絶縁層２７（図２では図示せず）を有している。絶縁層２７は、開口部ＯＰを有している。

【0031】

透光性電極２９は、絶縁層２７の開口部ＯＰを覆うように、絶縁層２７上に形成されている。透光性電極２９上の透光性電極２９の中心ＣＡを含む領域に、第２の多層膜反射鏡３１が設けられている。

【0032】

第２の多層膜反射鏡３１は、上面視において開口部ＯＰを覆うように形成されている。なお、第２の多層膜反射鏡３１は、上面視において開口部ＯＰと重なるように形成されていてもよい。

【0033】

また、透光性電極２９の外周部に環状のｐ電極３３が設けられている。

【0034】

図３は、面発光レーザ１０の図２の３－３線に沿った断面図である。上述したように、ｐ型半導体層２３は、ｐ型不純物を含む複数の半導体層を含んで構成されている。以下、ｐ型半導体層２３の構成について説明する。

【0035】

ｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、中間層２１上に形成されており、ｐ型不純物としてＭｇがドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、電子ブロック層として機能する。

【0036】

ｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、互いにＭｇ濃度の分布とＡｌ組成の分布が異なる３層のｐ型ＡｌＧａＮ層によって構成されている。図３において、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５を構成する３層について、第１の層３７、第２の層３９、第３の層４１として示している。

【0037】

面発光レーザ１０において、電子キャリアと正孔キャリアを効率良く活性層１９に注入して活性層１９に留まらせること、それによって閾値電流密度を低く抑えることが重要である。電子キャリアのオーバーフローが起こると、閾値電流密度が上昇し、電流の利用効率が低下するだけでなく、発光に寄与しないキャリアによって放出される熱の影響等によって素子が劣化するので、素子寿命が低下する。

【0038】

電子ブロック層としてのｐ型ＡｌＧａＮ層３５にＭｇをドープすることによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の正孔キャリア濃度が高まりかつフェルミ準位が下がる。これにより、キャリアオーバーフローを抑制してキャリアの注入効率を高めることができ、面発光レーザ１０の閾値電流密度の上昇を抑制することができる。

【0039】

一方、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇ濃度を高くし過ぎると、Ｍｇが活性層まで拡散することや、Ｍｇに起因する欠陥が活性層まで拡がることによって、素子寿命が低下する場合がある。

【0040】

本願の発明者らは、上記のようなｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制しつつ、キャリアの注入効率を高くするためには、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇの層厚方向における濃度分布を精密に制御することが重要であることを見出した。

【0041】

そこで、本発明においては、最も活性層１９に近い第１の層３７においては、Ｍｇ濃度が高くなり過ぎないように制御し、第１の層３７に隣接する第２の層３９及び最も活性層から遠い第３の層４１においては、キャリアの注入効率を高めるために適したＭｇ濃度及びＭｇ濃度分布となるように、Ｍｇ濃度及びＡｌ組成を制御している。

【0042】

なお、上記したように、活性層１９とｐ型半導体層２３との間に、中間層２１が設けられている。中間層２１は、ｐ型半導体層２３と、活性層１９との間の距離を長くし、ｐ型不純物が活性層１９に拡散することやｐ型不純物に起因する欠陥の影響が及ぶことを抑制する機能を有する。例えば、中間層２１は、３０～１４５ｎｍの層厚で形成されている。なお、例えば、面発光レーザ１０において、中間層２１を設けない構成としてもよい。

【0043】

ｐ型窒化物半導体層４３は、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５上に形成され、ｐ型不純物がドープされた窒化物半導体層である。ｐ型窒化物半導体層４３は、例えば、ｐ型不純物としてＭｇがドープされたＧａＮ層である。

【0044】

ｐ型コンタクト層４５は、ｐ型窒化物半導体層４３上に形成され、ｐ型窒化物半導体層４３よりも高濃度でｐ型不純物がドープされた窒化物半導体層である。ｐ型コンタクト層４５は、例えば、ｐ型不純物としてＭｇがｐ型窒化物半導体層４３よりも高濃度でドープされたＧａＮ層である。

【0045】

このように、ｐ型半導体層２３は、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５、ｐ型窒化物半導体層４３、及びｐ型コンタクト層４５がこの順に積層されて構成されている。

【0046】

絶縁層２７は、ｐ型コンタクト層４５上に形成されている。上述したように、透光性電極２９は、絶縁層２７上に絶縁層２７の開口部ＯＰを覆うように形成されており、透光性電極２９は、開口部ＯＰを介してｐ型コンタクト層４５に接している。

【0047】

ｐ電極３３は、透光性電極２９と電気的に接触している。従って、ｐ電極３３は、透光性電極２９を介してｐ型半導体層２３と電気的に接続されている。

【0048】

面発光レーザ１０において、ｐ型半導体層２３には、絶縁層２７の開口部ＯＰによって露出している部分のみから、電流が注入される。従って、開口部ＯＰは、活性層１９への電流の供給範囲を制限する電流狭窄構造となっている。

【0049】

面発光レーザ１０において、第１の多層膜反射鏡１５と第２の多層膜反射鏡３１とが対向して配置されている。第１の多層膜反射鏡１５は、第２の多層膜反射鏡３１よりもわずかに低い反射率を有する。従って、活性層１９から出射し、第１の多層膜反射鏡１５と第２の多層膜反射鏡３１との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡１５及び基板１１を透過し、外部に取り出される。

【0050】

図４は、実施例１に係る面発光レーザ１０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図４は、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の上層であるｐ型窒化物半導体層４３から、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の下層である中間層２１に向かって（すなわち、表面側から活性層側（基板１１側）に向かって）、深さ方向、すなわち層厚方向のＡｌ組成及びＭｇ濃度のプロファイルを示している。

【0051】

図４において、横軸は、表面側から活性層側に向かっての層厚すなわち深さ（ｎｍ）、主軸はＭｇ濃度、第２軸はＡｌ組成を示している。図４において、Ａｌ組成の深さ方向の変化を示すＡｌ組成曲線を破線で示している。また、図４において、Ｍｇ濃度の深さ方向の変化を示すＭｇ濃度曲線を実線で示している。

【0052】

図４に示すＡｌ組成曲線について、Ａｌ組成の最大ピークの５０％における幅である半値幅の範囲を、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５と規定する。また、本実施例において、Ａｌ組成曲線上において規定したｐ型ＡｌＧａＮ層を層厚方向に３つの領域に区分する。具体的には、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５を、その層厚方向に、活性層側から表面側に向かって、１０分の１（１０％）の層厚を有する領域を第１領域ＡＲ１、５分の２（４０％）の層厚を有する領域を第２領域ＡＲ２、２分の１（５０％）の層厚を有する領域を第３領域ＡＲ３として順に区分して、Ａｌ組成及びＭｇ濃度について説明する。

【0053】

従って、図４に示すグラフにおいて層厚を示す横軸に着目すると、上述した半値幅はｐ型ＡｌＧａＮ層３５の全層厚に相当し、当該横軸上において第１領域ＡＲ１はｐ型ＡｌＧａＮ層３５の１０分の１の層厚部分に相当し、第２領域ＡＲ２は５分の２の層厚部分に相当し、第３領域ＡＲ３は２分の１の層厚部分に相当する。

【0054】

［Ｍｇ濃度曲線］
まず、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度及びＭｇ濃度の層厚方向のプロファイルについて説明する。

【0055】

図４に示すように、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘って１×１０^１９ａｔｏｍｓ/cm^３未満となっている。Ｍｇ濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすることで、Ｍｇの活性層への拡散及びＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりを防止している。これによって、高濃度のＭｇに起因する素子寿命の低下を防止している。

【0056】

ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇのピーク濃度が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上となると、Ｍｇが多く存在することによってキャリアの注入効率が向上する一方で、Ｍｇが活性層に拡散しやすくなり、また、Ｍｇに起因する欠陥が活性層まで拡がりやすくなるため、素子寿命が低下し易くなる。

【0057】

従って、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇ濃度を３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満に、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満に制御することで、このような高濃度のＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。

【0058】

本実施例において、上記のような高濃度のＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制するため、Ｍｇ濃度曲線のｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘って、Ｍｇ濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満に制御している。

【0059】

また、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚方向の領域のうち、活性層１９までの距離が近い領域ほど、Ｍｇが活性層１９に拡散しやすくなり、また、Ｍｇに起因する欠陥が活性層まで拡がりやすくなる。これらのことを考慮すると、最も活性層１９に近い第１領域ＡＲ１のＭｇ濃度が最も低く、活性層１９から最も遠い第３領域ＡＲ３のＭｇが最も高いことが好ましい。

【0060】

図４に示すように、本実施例においては、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度の各領域内の平均値を各領域間で比較すると、第３領域ＡＲ３が最も大きく、第２領域ＡＲ２が次に大きく、第１領域ＡＲ１が最も小さくなっている（第１領域ＡＲ１＜第２領域ＡＲ２＜第３領域ＡＲ３）。このように、最も活性層１９に近い第１領域ＡＲ１のＭｇ濃度を最も低くすることで、Ｍｇの活性層への拡散及びＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりを防止し、高濃度のＭｇに起因する素子寿命の低下を防止している。

【0061】

なお、このような高濃度のＭｇに起因する素子寿命の低下を防止する観点から、第１領域のＭｇ濃度としては、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすることが好ましい。

【0062】

さらに、面発光レーザ１０において、十分なキャリア注入効率を確保するためには、第２領域におけるＭｇ濃度が低すぎないことが必要であり、第２領域ＡＲ２の少なくとも一部の領域で３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが指標の一つとなる。加えて、第２領域ＡＲ２におけるＭｇ濃度のプロファイルも重要であり、Ｍｇ濃度曲線が第２領域ＡＲ２にピークを有している場合に十分なキャリア注入効率を確保できることがわかった。

【0063】

図４に示すように、本実施例においては、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度が第２領域ＡＲ２の一部の領域において３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、Ｍｇ濃度曲線が第２領域においてピークを有している。このようにＭｇ濃度を制御することで、十分なキャリア注入効率を確保し、それによって閾値電流密度の上昇を抑制している。

【0064】

［Ａｌ組成曲線］
図４に示すＡｌ組成曲線は、第２領域ＡＲ２にピークを有している。より詳細には、Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域内の平均値を各領域間で比較すると、第２領域ＡＲ２が最も大きく、第３領域ＡＲ３が次に大きく、第１領域ＡＲ１が最も小さくなっている（第１領域ＡＲ１＜第３領域ＡＲ３＜第２領域ＡＲ２）。

【0065】

Ｍｇ濃度が低い領域でＡｌ組成を大きくすると、閾値電圧が高くなるので、Ｍｇ濃度が低い第１領域ＡＲ１では、Ａｌ組成も低くして、閾値電圧の上昇を抑制している。

【0066】

また、第２領域ＡＲ２のＡｌ組成を最も高くすることで、障壁電位を高め、電子キャリアのオーバーフローを抑制することができる。

【0067】

さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ層全体のＡｌ組成を高くするのではなく、第２領域ＡＲ２のＡｌ組成のみを最も高くすることで、Ａｌ組成の高い層と、隣接するＧａＮ層との間の格子不整合によるクラックの発生も抑制することができる。

【0068】

以上、説明したように、実施例１の面発光レーザ１０は、基板上に積層された第１の多層膜反射鏡と、第１の多層膜反射鏡上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つのＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、ｐ型半導体層上に形成され、第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含んで構成されている。

【0069】

実施例１に係るｐ型ＡｌＧａＮ層は、ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及びｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲をｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、ｐ型ＡｌＧａＮ層を、活性層側からｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚をする第２領域及びｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、以下のように規定される。

【0070】

Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、第１領域＜第３領域＜第２領域であり、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度はｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であり、かつ、Ｍｇ濃度の各領域間の大小関係は、第１領域＜第２領域＜第３領域であり、第２領域の少なくとも一部の領域におけるＭｇ濃度が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、Ｍｇ濃度曲線は、第２領域においてピークを有する。

【0071】

上記のような構成により、ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚方向における適切な領域に適切な量のＭｇが含有されているので、ｐ型ＡｌＧａＮ層における充分な正孔キャリア濃度を確保しつつも、過剰なＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。

【0072】

従って、本実施例の面発光レーザ１０によれば、高いキャリアの注入効率を確保しつつ素子の寿命の低下を抑制することができ、長寿命かつ高効率な垂直共振器型発光素子を提供することができる。

【0073】

図５及び図６を参照しつつ、面発光レーザ１０の製造方法の一例について説明する。図５は、面発光レーザ１０の製造工程の概要を示すフローチャートである。各半導体層の形成は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）によって行った。

【0074】

まず、基板１１上に、下地層１３を形成し、下地層１３上に、第１の多層膜反射鏡１５を形成した（ステップＳ１１）。

【0075】

成長基板である基板１１にはＣ面ＧａＮ基板を用いた。なお、図示しないが、半導体層の成長装置において、基板１１はサセプタ上に配置されている。そして、サセプタの下に熱電対が配置されており、その熱電対の温度を本願明細書における「基板温度」としている。また、本明細書において、「成長温度」とは、基板温度を指す。

【0076】

ステップＳ１１において、まず、基板１１の温度を１２００℃まで上昇させ、水素キャリアガス（雰囲気ガス）内で、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する）、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを供給してアンドープＧａＮからなる下地層１３を１００ｎｍ成長した。なお、ホモエピタキシャル成長の場合、必ずしも下地層１３を積層する必要はなく任意である。

【0077】

続いて第１の多層膜反射鏡１５の形成を行った。下地層１３上にＩｎＡｌＮ／ＧａＮの積層体からなる半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg reflectors：分布ブラッグ反射器）を成長した。

【0078】

まず、下地層１３上にＩｎＡｌＮ層を成長した。基板温度を９５０℃、キャリアガス窒素（Ｎ_２）ガスとし、インジウムの材料ガスであるトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと称する）、アルミニウムの材料ガスであるトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと称する）及びアンモニアガスを供給し、ＩｎＡｌＮ層を成長した。

【0079】

続いて、ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を成長した。基板温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを水素ガスに変更し、ガリウムの材料ガスであるトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する）とアンモニアガスを供給し、ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成した。

【0080】

その後、上記のＩｎＡｌＮ層を成長する工程及びＧａＮ層を成長する工程をさらに４０回繰り返し、ＩｎＡｌＮ層とＧａＮ層とのペアを合計で４１ペア積層した。ＡｌＩｎＮ及びＧａＮは、基板１１の結晶面の（０００１）面上に層状に形成され、各々の層厚が所望の波長に対する光学的層厚の１／４になるように形成した。

【0081】

その後、第１の多層膜反射鏡１５上にｎ型半導体層１７を形成した（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において、基板温度１２００℃、キャリアガスを水素ガスとして、ガリウムの材料ガスとしてのＴＭＧ、窒素源ガスとしてのアンモニアガス及びｎ型ドーパントの材料ガスでありシリコン含有ガスとしてのジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を供給し、第１の多層膜反射鏡１５上に、Ｓｉを３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮ層（高温ｎ－ＧａＮ層）を１５００ｎｍ形成した。

【0082】

ｎ型半導体層１７の形成後、ｎ型半導体層１７上に、活性層１９を積層した（ステップＳ１３）。

【0083】

ステップＳ１３において、ｎ型半導体層１７上に、多重量子井戸層（以下、ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を形成した。障壁層及び井戸層はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎからなる。本実施例では、井戸層として３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ（ｙ＝０）、障壁層として４ｎｍのノンドープＧａＮ（ｘ＝ｙ＝０）、を５回繰り返して積層し、５ペアから成るＭＱＷを形成した。

【0084】

活性層１９の形成後、活性層１９上にｐ型半導体層２３を形成した（ステップＳ１４）。なお、ステップ１４において、活性層１９上に、中間層２１として１３０ｎｍの層厚でＧａＮ層を形成し、中間層２１上にｐ型半導体層２３を形成した。

【0085】

図６は、面発光レーザ１０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５の成長シーケンス（ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップ）を模式的に示す図である。図６において、横軸は時間Ｔを示している。また、図６中の縦軸は基板温度Ｔｓを示している。図６中、基板温度Ｔｓの経時変化とともに、供給ガス種毎に、供給されているか否かを表すＯＮ状態又はＯＦＦ状態が示されている。また、供給ガス種のうち、Ａlの材料ガス（ＴＭＡ）及びＭｇの材料ガス（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ_２Ｍｇ））については、ＯＮ状態のうち、大きい供給量で供給されている場合についてＯＮ（Ｈｉｇｈ）、小さい供給量で供給されている場合についてＯＮ（Ｌｏｗ）と示している。

【0086】

図６に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、３つのステップによって成長した。まず、第１の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ１）では、基板温度をＴＰ１（９５０℃、第１の温度）からＴＰ２（１０００℃、第２の温度）まで３０秒かけて（時間Ｔ＝Ｔ１～Ｔ２）上昇させつつ、キャリアガスを窒素ガス及びアンモニアガスとして、Ａｌの材料ガスであるＴＭＡを９．４ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minute）（第１の供給量、図中、ＯＮ（high））、Ｇａの材料ガスであるＴＭＧを１．６ｓｃｃｍで供給し、さらにＭｇの材料ガス（Ｃｐ_２Ｍｇ）を３７．２ｓｃｃｍ（第２の供給量、図中、ＯＮ（high））で供給して第１のｐ型ＡｌＧａＮ層（図３中、第１の層３７）を成長した。なお、アンモニアガスは、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の窒素源ガスとなる。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、０．８ｎｍである。また、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２５％である。

【0087】

第２の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ２）では、基板温度をＴＰ２に維持し、ＴＭＧ，窒素ガス及びアンモニアガス、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇの供給を、第１の成長ステップにおける供給量を維持して継続して第２のｐ型ＡｌＧａＮ層（図３中、第２の層３９）を成長した（Ｔ＝Ｔ２～Ｔ３）。第２の成長ステップにおいて、ＴＭＡは第１の供給量、Ｃｐ_２Ｍｇは第２の供給量を維持して供給した。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、２．２ｎｍである。また、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、４２％である。

【0088】

第３の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ３）では、基板温度をＴＰ２に維持し、ＴＭＧ，窒素ガス及びアンモニアガスの供給量を維持しつつ、ＴＭＡを第１の供給量よりも小さい４．９ｓｃｃｍ（第３の供給量、図中、ＯＮ（Low））、Ｃｐ_２Ｍｇを第２の供給量よりも小さい２．５ｓｃｃｍ（第４の供給量、図中、ＯＮ（Low））で供給して第３のｐ型ＡｌＧａＮ層（図３中、第３の層４１）を成長した（Ｔ＝Ｔ３～Ｔ４）。第３のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、７ｎｍである。また、第３のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２８％である。

【0089】

以上のようにして、設計値１０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層３５を形成した。上記のｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップにおけるＭｇの材料ガスの供給量は、上述したＳＩＭＳプロファイルに対応していない。具体的には、上記したように、Ｍｇの材料ガスの供給量は、第３の成長ステップにおいては、第１，第２の成長ステップよりも大幅に低下しており、１０分の１以下となっている。これに対して、図４に示したＳＩＭＳ分析結果では、Ｍｇ濃度曲線が示すＭｇ濃度は、第３の領域で最も高くなっている。

【0090】

これは、基板温度が高いほどＣＰ_２Ｍｇの分解効率が高くなりＭｇが成長層内に取り込まれ易いことに加えて、Ｍｇのメモリー効果による影響と考えられる。ＭＯＣＶＤ法では、Ｍｇドーパントの固相熱拡散やチャンバ内等に残存するＭｇ原料が意図せず膜中に混入するメモリー効果と呼ばれる現象が起こることが知られている。例えば第３の成長ステップにおいてＣｐ_２Ｍｇの供給量が多すぎると、第１及び第２の成長ステップにおいて供給されて残存していたＭｇ成分の影響が加わって、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇ濃度が過剰となり、例えば３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超える場合、素子寿命の低下に繋がる。

【0091】

上記の成長シーケンスは、このようなＭｇの特性を考慮して、所望のＳＩＭＳプロファイルが得られるように供給量を調整したものである。具体的には、第３の成長ステップにおけるＣｐ_２Ｍｇの供給量（第４の供給量）を第２の成長ステップにおけるＣｐ_２Ｍｇの供給量（第２の供給量）の１０分の１以下にすることで、メモリー効果によってＭｇ濃度が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を越えないようにしている。また、本実施例において、Ｍｇが層内に取り込まれやすい水素ガスではなく窒素ガスをキャリアガスに採用している。

【0092】

本実施例において、上記のような成長方法の工夫をすることで、図４に示したようなＳＩＭＳプロファイルとなるｐ型ＡｌＧａＮ層３５を形成することができる。それによって、面発光レーザ１０の閾値電流密度の上昇を抑制し、寿命の低下も抑制できる。

【0093】

ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の形成後、ｐ型窒化物半導体層４３としてＭｇを５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮ層を形成した。その後、ｐ型窒化物半導体層４３上に、ｐ型コンタクト層４５としてＭｇを５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上ドープしたｐ型ＧａＮコンタクト層を形成し、ｐ型半導体層２３の形成を終了した。

【0094】

[素子化工程]
ｐ型半導体層の形成後、急速熱処理（以下、ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）装置にて熱処理によるＭｇの活性化を行った。その後、フォトレジストによりメサパターンを形成し、ドライエッチングにて、メサ構造を形成しつつ、このメサ構造の周りにｎ型半導体層１７が部分的に露出した露出部１７Ｅ（図１参照）を形成した。その後、フォトレジストを除去した。

【0095】

スパッタにて絶縁層２７として酸化シリコン（ＳｉＯ_２）をメサ構造及び露出部１７Ｅ上に１５０ｎｍ形成した。フォトレジストにてパターンを形成し、バッファードフッ酸（以下、ＢＨＦ）にてエッチング処理し、メサ構造上の絶縁層２７に光の出射開口部として開口部ＯＰを形成した。その後、フォトレジストを除去した。

【0096】

スパッタにて透光性電極２９として酸化インジウムスズ（以下、ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）を約１７ｎｍ形成した。フォトレジストにてパターンを形成し、混酸にてＩＴＯをエッチング処理し、メサ構造上の絶縁層２７上及び絶縁層２７の開口部ＯＰによって露出したｐ型コンタクト層４５上に透光性電極２９を形成した。その後、フォトレジストを除去し、ＲＴＡにて熱処理を行い、ＩＴＯの透明化と導電性向上を図った。

【0097】

電子ビーム（以下、ＥＢ）蒸着にて、透光性電極２９上に開口部を覆わないｐ側メタル層（ｐ電極３３）を約３００ｎｍ形成した。ｐ側メタル層には白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）の積層体を用いた。次に薬品にてリフトオフした後、フォトレジストを除去した。

【0098】

フォトレジストにてパターンを形成後、ＥＢ蒸着にて、ｎ型半導体層１７の露出部１７Ｅに電気的に接続されたｎ電極２５を約７００ｎｍ形成した。ｎ電極にはＴｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕの積層体を用いた。薬品にてリフトオフし、フォトレジストを除去した。

【0099】

ＥＢ蒸着にて、透光性電極２９上に第２の多層膜反射鏡３１としての誘電体多層膜（誘電体多層膜ミラー、誘電体ＤＢＲ）１０．５ペア（約１３００ｎｍ）を形成した。誘電体ＤＢＲには酸化ニオブ（以下、Ｎｂ_２Ｏ_５、膜厚約４５ｎｍ）とＳｉＯ_２（膜厚約７６ｎｍ）の積層体を用いた。次にフォトレジストにて誘電体ＤＢＲパターンを形成し、ドライエッチング装置にて誘電体ＤＢＲの不要部分（ｐ電極上、ｎ電極上）をエッチング除去した。最後に薬品にてフォトレジストを除去した。

【0100】

フォトレジストにてパターンを形成し、ＥＢ蒸着にて、ｐ電極に電気的に接続された更なるｐ側メタル層（図示せず）を約２２００ｎｍ形成した。ｐ電極（ｐパッド層）にはＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの積層体を用いた。次に薬品にてリフトオフし、フォトレジストを除去した。このようにして、素子化を行った（ステップＳ１５）。

【0101】

以上の工程により、面発光レーザ１０を製造した。

【0102】

図７を参照しつつ、比較例１の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層について説明する。比較例１の面発光レーザは、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５に代えて、Ａｌの材料ガス（ＴＭＡ）の供給量を４．９ｓｃｃｍで一定とし、かつ、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ_２Ｍｇ）供給量を３７．２ｓｃｃｍで一定とし、層厚の設計値１０ｎｍ、Ａｌ組成の設計値３０％で成長したｐ型ＡｌＧａＮ層を有する点において実施例１と異なり、その他の点においては実施例１と同様に構成されている。つまり、比較例１のｐ型ＡｌＧａＮ層は、１つのステップで成長したものであり、３つのステップを含む実施例１の成長方法とは異なる方法で成長したものである。

【0103】

図７は、比較例１の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図４に示したグラフと同様に、図７においても、Ａｌ組成の深さ方向の変化を示すＡｌ組成曲線を破線で示し、Ｍｇ濃度の深さ方向の変化を示すＭｇ濃度曲線を実線で示している。また、図４に示した実施例１の場合と同様に、Ａｌ組成の最大ピークの５０％における幅を、ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の活性層側から表面側に向かって、１０％の層厚を有する第１領域ＡＲ１、４０％の層厚を有する第２領域ＡＲ２、５０％の層厚を有する第３領域ＡＲ３に順に区分している。

【0104】

図７に示すように、Ｍｇ濃度曲線は、第２領域ＡＲ２においてピークを有しており、第２領域ＡＲ２及び第３領域ＡＲ３の大部分において、３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えている。このように、第２領域においてＭｇ濃度が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超える高濃度である場合、キャリアの注入効率は高くなるが、Ｍｇの活性層への拡散やＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりも発生し易くなり、それによって素子寿命が低下する。

【0105】

図８を参照しつつ、比較例２の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層について説明する。比較例２の面発光レーザは、実施例１のｐ型ＡｌＧａＮ層３５及び比較例１のｐ型ＡｌＧａＮ層とは異なる方法で成長したｐ型ＡｌＧａＮ層を有している点において実施例１及び比較例１と異なり、その他の点においては実施例１と同様に構成されている。

【0106】

比較例２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、層厚の全体にわたってＭｇ濃度が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満となるように成長されたものである。比較例２において、Ｍｇの最大濃度がそれぞれ０．９×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、２．６×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である３つのサンプルを作製した。

【0107】

Ｍｇ最大濃度０．９×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のサンプル（以下、サンプル１とも称する）は、Ａｌの材料ガス（ＴＭＡ）の供給量を６．０ｓｃｃｍで一定とし、かつ、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ_２Ｍｇ）供給量を３７．２ｓｃｃｍで一定とし、層厚の設計値１０ｎｍ、Ａｌ組成の設計値３０％で成長した。

【0108】

Ｍｇ最大濃度２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のサンプル（以下、サンプル２とも称する）は、Ａｌの材料ガス（ＴＭＡ）の供給量を６．０ｓｃｃｍで一定とし、かつ、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ_２Ｍｇ）供給量を５ｎｍの成長までは３７．２ｓｃｃｍ、その後５ｎｍの成長時は２．５ｓｃｃｍで供給し、層厚の設計値１０ｎｍ、Ａｌ組成の設計値３０％で成長した。

【0109】

Ｍｇ最大濃度２．６×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のサンプル（以下、サンプル３とも称する）は、Ａｌの材料ガス（ＴＭＡ）の供給量を４．９ｓｃｃｍで一定とし、かつ、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ_２Ｍｇ）供給量を５ｎｍの成長までは３７．２ｓｃｃｍ、その後５ｎｍの成長時は２．５ｓｃｃｍで供給し、層厚の設計値１０ｎｍ、Ａｌ組成の設計値３０％で成長した。

【0110】

図８は、比較例２の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図８においても、Ａｌ組成の深さ方向の変化を示すＡｌ組成曲線を破線で示し、Ｍｇ濃度の深さ方向の変化を示すＭｇ濃度曲線を実線で示している。また、Ａｌ組成曲線及びＭｇ濃度曲線を、２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のサンプル（サンプル２）について、サンプル１よりも太い線で、２．６×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のサンプル（サンプル３）についてはサンプル２よりも太い線で示している。

【0111】

図８中、サンプル３のＭｇ濃度曲線は、Ｍｇの最大濃度が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であり、第１領域ＡＲ１のＭｇ濃度が低く、活性層から最も遠い第３領域ＡＲ３にピークを有している。このように、Ｍｇのピーク濃度が低くかつ活性層から遠い領域にピークが存在することから、Ｍｇの活性層への拡散やＭｇ起因の欠陥の活性層への影響は生じにくい点では好ましい。

【0112】

一方で、サンプル３のＭｇ濃度曲線は、第２領域ＡＲ２において、活性層に向かって単調減少している。このような場合、第２領域ＡＲ２の殆ど全体において、十分な正孔キャリア濃度を得るための指標の１つとなる３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えているにも関わらず、正孔キャリア濃度が不足し、電子キャリアのオーバーフローが抑制できず、キャリア注入効率が下がり、閾値電流密度が上昇することがわかった。

【0113】

サンプル２についても３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であり、サンプル１についてはＭｇ最大濃度がさらに低く１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であるため、Ｍｇの活性層への拡散やＭｇ起因の欠陥の活性層への影響は生じにくい点で好ましい。

【0114】

しかし、サンプル２及びサンプル１では第２領域ＡＲ２におけるＭg濃度はサンプル３の場合よりもさらに低下し、正孔キャリア濃度が不足し、キャリア注入効率が低下する。

【0115】

図７及び図８を参照して説明したように、比較例１ではＭｇのピーク濃度が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、比較例２ではＭｇのピーク濃度が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満のサンプルを作製したが、いずれの場合もＭｇ濃度プロファイルの制御が適切にできなかった。

【0116】

具体的には、比較例１において、Ｍｇのピーク濃度を３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とすると、活性層１９に近い領域にＭｇ濃度が高いピークが現れ、Ｍｇの活性層への拡散、Ｍｇ起因の欠陥による活性層への影響が大きくなる。これによって素子寿命が低下する。

【0117】

また、比較例２において、Ｍｇのピーク濃度を３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすると、Ｍｇ濃度曲線のピークが現れる位置が第３領域ＡＲ３となり、第２領域におけるＭｇ濃度が活性層に向かって単調減少し、正孔キャリアの減少によってキャリア注入効率が低下し、閾値電流密度の上昇につながる。閾値電流密度の上昇も、素子寿命を低下させる。

【0118】

これに対して、実施例１では、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度がｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘って１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であり、当該Ｍｇ濃度曲線が第２領域ＡＲ２において、３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えるピークを有している。このようなＭｇプロファイルを示すｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、ｐ型ＡｌＧａＮ層における充分な正孔キャリア濃度を提供しつつも、過剰なＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。このようなＭｇプロファイルを示すｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、図６に示したような３つのステップを含む方法によって成長することで実現できる。

【0119】

なお、本実施例において、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚は、０．４ｎｍ以上１ｎｍ以下とすることが好ましい。０．４ｎｍ未満ではＭｇの活性層への拡散やＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりを防止する効果が乏しく、１ｎｍを越えると素子電圧の上昇を招くおそれがある。

【0120】

本実施例において、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２５％以下とすることが好ましい。Ａｌ組成が２５％を超えると、素子電圧が上昇するおそれがあるからである。

【0121】

また、本実施例において、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、３３％以上５０％以下とすることが好ましい。Ａｌ組成が３３％未満では電子キャリアのオーバーフローが生じ易くなり、閾値電流密度が上昇し易くなる。Ａｌ組成が５０％を超えると、ｐ型ＡｌＧａＮ層の結晶性の低下、クラックの発生、動作電圧の上昇等の影響が大きくなる。

【0122】

また、本実施例において、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚は、２ｎｍ以上６ｎｍ以下とすることが好ましい。２ｎｍ未満では第２領域のＭｇ濃度を３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とすることが困難であり、６ｎｍを越えると素子電圧が顕著に上昇する場合がある。

【0123】

また、本実施例において、第３のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２０％以上３０％以下とすることが好ましい。第３のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成をこの範囲にすることで、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層とともに電子キャリアのオーバーフローを抑制しつつ、クラックの発生や動作電圧の上昇も抑制することができる。

【0124】

また、本実施例において、第３のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚は、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚よりも大きいことが好ましい。第３のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚を第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚よりも厚くすることで、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５全体の平均Ａｌ組成を下げることができ、クラックの発生を抑制することができる。

【実施例0125】

図９を参照しつつ、実施例２に係る面発光レーザ５０の構成について説明する。面発光レーザ５０は、図１～３を参照して説明した実施例１の面発光レーザ１０と同様に構成されているが、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の構成のみが面発光レーザ１０とは異なる。具体的には、実施例２のｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、ＳＩＭＳ分析によって得られる層厚方向のＡｌ組成及びＭｇ濃度のプロファイルが実施例１の場合とは異なる。

【0126】

図９は、面発光レーザ５０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５について、実施例１と同様のＳＩＭＳ分析を行った結果を示す図である。図９において、実施例１と同様に、Ａｌ組成（％）の半値幅の範囲をｐ型ＡｌＧａＮ層３５と規定し、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚方向において第１領域ＡＲ１～第３領域ＡＲ３に順に区分している。また、図９において、Ａｌ組成曲線を破線で示し、Ｍｇ濃度曲線を実線で示している。

【0127】

図９に示すように、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度がｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘って１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満となっている点においては実施例１と共通している。また、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度の各領域内の平均値を各領域間で比較すると、第３領域ＡＲ３が最も大きく、第２領域ＡＲ２が次に大きく、第１領域ＡＲ１が最も小さくなっている（第１領域ＡＲ１＜第２領域ＡＲ２＜第３領域ＡＲ３）点においても実施例１と共通している。このようにｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘るＭｇ濃度及び各領域のＭｇ濃度を制御することで、Ｍｇの活性層への拡散及びＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりに起因する素子寿命の低下を防止している。

【0128】

図９に示すＭｇ濃度曲線において、第２領域におけるＭｇ濃度の平均値が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。また、図９に示すように、Ｍｇ濃度曲線は、第３領域にピークを有しており、第２領域ＡＲ２と第３領域ＡＲ３との境界付近を中心として、第２領域ＡＲ２の一部領域と第３領域ＡＲ３の一部領域にまで広がる、他の部分よりも平坦な部分（略平坦な部分）を有している。

【0129】

より詳細には、図９において、第２領域におけるＭｇ濃度曲線を、第２領域の層厚方向の中心を境に第１領域側の部分と第３領域側の部分とに分けた場合、第１領域側の部分の傾きよりも第３領域側の部分の傾きの方が緩やかである。

【0130】

図９に示すグラフの例において、当該第１領域側の部分の近似式の傾きの絶対値（以後、傾きは絶対値で表記する）は約２×１０^１８であり、第３領域側の部分の近似式の傾きは約２×１０^１７ある。つまり、第２領域におけるＭｇ濃度曲線は、第２領域の層厚方向の中心よりも第１領域側の部分における傾きの平均値よりも第３領域側の部分における傾きの平均値の方が小さいといえる。

【0131】

Ｍｇ濃度を上記のようなプロファイルに制御した場合にも、第２領域におけるＭｇ濃度が低くなりすぎることを防止し、十分なキャリア注入効率を確保できることがわかった。実施例２の面発光レーザ５０において、第２領域におけるＭｇ濃度の平均値が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、第２領域におけるＭｇ濃度曲線は、第２領域の層厚方向の中心よりも第１領域側の部分における傾きの平均値よりも第３領域側の部分における傾きの平均値の方が小さくなるようにＭｇ濃度を制御することで、十分なキャリア注入効率を確保し、それによって閾値電流密度の上昇を抑制することができる。

【0132】

なお、本実地例において、Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域内の平均値を各領域間で比較すると、第２領域ＡＲ２が最も大きく、第３領域ＡＲ３が次に大きく、第１領域ＡＲ１が最も小さくなっている（第１領域ＡＲ１＜第３領域ＡＲ３＜第２領域ＡＲ２）点については実施例１と共通している。

【0133】

［実施例２の製造方法］
実施例２のｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、図６に示したシーケンスと同様に、３つのステップによって成長した。実施例２では、ステップ１及びステップ２について、Ａｌの材料ガスであるＴＭＡの供給量、層厚の設計値、及びＡｌ組成の設計値が実施例１の場合とは異なり、その他の条件については、実施例２と同様として、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５を成長した。

【0134】

具体的には、ＴＭＡの第１の供給量を６．２ｓｃｃｍとしたこと、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層について設計層厚を０．６ｎｍ、Ａｌ組成の設計値を２３％とし、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層について設計層厚を２．４ｎｍ、Ａｌ組成の設計値を実施例１よりも低い３３％とした点において実施例１と異なる。雰囲気ガスである窒素ガス及びアンモニアガスの供給量、ガリウムの材料ガスであるＴＭＧの供給量は実施例１と同じである。

【0135】

このように、ＴＭＡの供給量によってＡｌの組成比を調節することで、Ｍｇの膜中への取り込まれ方も調整することができる。それによって、成長したｐ型ＡｌＧａＮ層３５のＳＩＭＳ分析を行うと、図９に示したようなプロファイルが得られる。具体的には、第２領域におけるＭｇ濃度の平均値が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、第２領域の層厚方向の中心よりも第１領域側の部分における傾きの平均値よりも第３領域側の部分における傾きの平均値の方が小さいＭｇ濃度曲線が得られる。

【0136】

従って、実施例２のｐ型ＡｌＧａＮ層３５の成長方法を含む面発光レーザ５０の製造方法によれば、ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚方向における適切な領域に適切な量のＭｇが含有されているｐ型ＡｌＧａＮ層を形成することができ、充分な正孔キャリア濃度を確保しつつも、過剰なＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。

【0137】

従って、本実施例の面発光レーザ５０によれば、高いキャリアの注入効率を確保しつつ素子の寿命の低下を抑制することができ、長寿命かつ高効率な垂直共振器型発光素子を提供することができる。

【0138】

［変形例］
図１０～１４を参照しつつ、実施例２の変形例に係る面発光レーザ６０の構成について説明する。面発光レーザ６０は、実施例２の面発光レーザ５０と同様に構成されており、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の成長方法の一部のみが異なる。

【0139】

図１０は、面発光レーザ６０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５のサンプルＡについてのＳＩＭＳ分析によって得られるＡｌ組成曲線（Ａｌ－Ａ）及びＭｇ濃度曲線（Ｍｇ－Ａ）を示す図である。実施例２の場合と同様に、Ａｌ組成曲線（Ａｌ－Ａ）の半値幅の範囲をｐ型ＡｌＧａＮ層３５と規定し、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚方向において第１領域ＡＲ１～第３領域ＡＲ３に順に区分している。図１０中、実施例２のＡｌ組成曲線をＡｌ－ＥＸ２、Ｍｇ濃度曲線をＭｇ－ＥＸ２として示している。

【0140】

図１０に示すように、面発光レーザ６０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５のＭｇ濃度曲線は、実施例２に係るＭｇ濃度曲線と同様の特徴を有している。具体的には、変形例に係るＭｇ濃度曲線Ｍｇ－Ａは、実施例２のＭｇ－ＥＸ２と同様に、第２領域において、第２領域の層厚方向の中心よりも第１領域側の部分における傾きの平均値よりも第３領域側の部分における傾きの平均値の方が小さくなっている。

【0141】

しかし、図１０に示すように、面発光レーザ６０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５のＭｇ濃度曲線は、実施例２のＭｇ濃度曲線と比較して高濃度側にシフトしている。当該高濃度側へのシフトは、第２領域から第３領域にかけての領域、特に、第２領域と第３領域との境界を中心とした第３領域のピークの肩部となっている略平坦な部分を含む領域において顕著である。当該平坦な部分のＭｇ濃度が上昇することで、正孔キャリア濃度が上昇し、キャリア注入効率が向上する点で好ましい。

【0142】

上記のようなＭｇ濃度プロファイルの高濃度側へのシフトは、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の成長開始前に、Ｍｇの材料ガスを供給するステップを追加したことによる。以下、面発光レーザ６０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５の製造方法について説明する。

【0143】

図１１は、面発光レーザ６０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５のサンプルＡについての成長シーケンスを示す図であるｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップを模式的に示す図である。図１１に示すように、本変形例では、前処理ステップとしての昇温ステップの実行後、３つのステップによってｐ型ＡｌＧａＮ層を成長した。

【0144】

昇温ステップでは、基板温度をＴＰ１（９５０℃、第１の温度）からＴＰ２（１０００℃、第２の温度）まで３０秒かけて（時間Ｔ＝Ｔ１～Ｔ２）上昇させつつ、キャリアガスを窒素ガス及びアンモニアガスとして、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ_２Ｍｇ）を３７．２ｓｃｃｍ（第１の供給量、図中、ＯＮ（high））で供給した。昇温ステップにおいては、Ａlの材料ガス（ＴＭＡ）及びＧａの材料ガス（ＴＭＧ）を供給しない。よって、昇温ステップにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ層は成長しない。

【0145】

昇温ステップの後、第１の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ１）では、基板温度をＴＰ２（１０００℃、第２の基板温度）に維持し、キャリアガスは継続して窒素ガス及び窒素源ガスとしてのアンモニアガスとした。第１の成長ステップにおいて、Ａｌの材料ガスであるＴＭＡを６．２ｓｃｃｍで供給し（第２の供給量、図中、ＯＮ（high））、Ｇａの材料ガスであるＴＭＧを１．６ｓｃｃｍで供給した（図中、ＯＮ）。さらにＭｇの材料ガス（Ｃｐ_２Ｍｇ）については、３７．２ｓｃｃｍ（第３の供給量、図中、ＯＮ（high））で供給した。以上の条件で、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層（図３中、第１の層３７）を成長した（Ｔ２～Ｔ３）。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、０．６ｎｍである。また、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２５％である。

【0146】

第１の成長ステップの後、第２の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ２）及び第３の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ３）については、実施例２における第２の成長ステップ及び第３の成長ステップと同様に進行した。

【0147】

第２の成長ステップでは、基板温度をＴＰ２に維持し、ＴＭＧ，窒素ガス及びアンモニアガス、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇを、第１の成長ステップにおける供給量を維持して供給し、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層（図３中、第２の層３９）を成長した（Ｔ＝Ｔ３～Ｔ４）。第２の成長ステップにおいて、ＴＭＡは第２の供給量、Ｃｐ_２Ｍｇは第３の供給量を維持して供給した。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、２．４ｎｍである。また、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、３３％である。

【0148】

第２の成長ステップの後、第３の成長ステップでは、基板温度をＴＰ２に維持し、ＴＭＧ，窒素ガス及びアンモニアガスの供給量を維持しつつ、ＴＭＡを第２の供給量よりも低い４．９ｓｃｃｍ（第４の供給量、図中、ＯＮ（Low））、Ｃｐ_２Ｍｇを第３の供給量よりも低い２．５ｓｃｃｍ（第５の供給量、図中、ＯＮ（Low））で供給して第３のｐ型ＡｌＧａＮ層（図３中、第３の層４１）を成長した（Ｔ＝Ｔ４～Ｔ５）。第３のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、７ｎｍである。また、第３のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２８％である。

【0149】

以上のようにして、変形例に係るｐ型ＡｌＧａＮ層３５を設計値１０ｎｍで形成した。

【0150】

上記の説明においては、昇温ステップにおける処理時間（Ｔ１～Ｔ２）（すなわち、昇温時間）を３０秒とし、Ｍｇ材料ガスの供給量（第１の供給量）を３７．２ｓｃｃｍとした例について説明した。本変形例において、さらに、昇温時間及びＭｇ材料ガスの供給量を調整することにより、第２領域のＭｇ濃度を調整することが可能であることがわかった。

【0151】

図１２は、昇温ステップにおけるＭｇ材料ガスの供給量（第１の供給量）を７５ｓｃｃｍ、昇温時間を１５秒として、その他の条件については図１１において説明した条件で成長したｐ型ＡｌＧａＮ層３５のサンプルＢについてのＡｌ組成曲線及びＭｇ濃度曲線を、実施例２の結果と併せて示す。

【0152】

第２領域と第３領域との境界を中心とした第３領域のピークの肩部となっている略平坦な部分を含む領域で、Ｍｇ濃度曲線が、実施例２と比較して高濃度側へシフトしている。サンプルＢについて実施例２と比較したＭｇ濃度の上昇幅は、図１０に示したサンプルＡの上昇幅と同程度である。

【0153】

図１３は、昇温ステップにおけるＭｇ材料ガスの供給量（第１の供給量）を３７．５ｓｃｃｍ、昇温時間を１５秒として、その他の条件については図１１において説明した方法で成長したｐ型ＡｌＧａＮ層３５のサンプルＣについてのＡｌ組成曲線及びＭｇ濃度曲線を示す。Ｍｇ濃度の上昇幅は、図１０に示したサンプルＡの上昇幅よりも小さいが、サンプルＣは、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘って、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満となっている。サンプルＣの条件によれば、層厚の全体に亘って１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満の範囲で第２領域のＭｇ濃度を高濃度側にシフトさせることができるといえる。

【0154】

以上より、第２領域におけるＭｇ濃度プロファイルが平坦な部分、すなわち第２領域を層厚方向の中心よりも第３領域側の部分のＭｇ濃度は、昇温ステップにおける昇温時間すなわちＭｇ材料ガスの供給時間及びＭｇ材料ガスの供給量に応じて上昇することがわかった。また、当該平坦な部分におけるＭｇ濃度の上昇幅は、Ｍｇ材料ガスの供給時間と供給量との積に概ね相関があることがわかった。

【0155】

上記したように、ｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する際に、Ｍｇのメモリー効果が生じ易く、また、基板温度が高いほどＣｐ_２ＭｇがＭｇに分解されやすい。本変形例では、メモリー効果及び基板温度の影響を考慮して、昇温ステップにおいて、Ｍｇの材料ガスを先行して供給することで、Ｍｇ濃度プロファイルを確実に制御することができる。

【0156】

以上、説明したように、本変形例のｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップによれば、ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度が３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であり、かつ、第２領域におけるＭｇ濃度の平均値が３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、第２領域におけるＭｇ濃度曲線は、第２領域の層厚方向の中心よりも第１領域側の部分における傾きの平均値よりも第３領域側の部分における傾きの平均値の方が小さくなるように確実に制御することができる。