JP2003115642A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

窒化物半導体素子

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JP2003115642A JP2002091256A JP2002091256A JP2003115642A JP 2003115642 A JP2003115642 A JP 2003115642A JP 2002091256 A JP2002091256 A JP 2002091256A JP 2002091256 A JP2002091256 A JP 2002091256A JP 2003115642 A JP2003115642 A JP 2003115642A
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barrier
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３８０ｎｍの短波長域において発光効率に優
れた発光素子を実現する。 【解決手段】 第１導電型層と第２導電型層との間に、
活性層１２を有する窒化物半導体素子で、活性層１２
が、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体からなる井戸層１
と、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層２と、を少
なくとも有する量子井戸構造であることにより、短波長
域で優れた発光効率のレーザ素子が得られる。前記井戸
層１が、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、
０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）であり、前記障壁層２がＡｌ
ｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、
ｕ＋ｖ＜１）であると特に好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード素
子（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）、スーパ
ーフォトルミネセンスダイオード等の発光素子、太陽電
池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パ
ワーデバイス等の電子デバイスに用いられるＩＩＩ−Ｖ
族窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子に関し、特に
発光波長が３８０ｎｍ以下である窒化物半導体発光素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】今日、窒化物半導体を用いた半導体レー
ザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が
可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高ま
りを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導
体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒
化物半導体を用いた半導体レーザ素子、発光素子は、紫
外域から赤色に至るまで、幅広い波長域での発振が可能
と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステム
の光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワーク
などの光源など、多岐にわたるものと期待されている。
また、本出願人は、４０５ｎｍ、室温、５ｍＷの連続発
振の条件で、１万時間を超えるレーザを発表した。
【０００３】また、窒化物半導体を用いたレーザ素子、
発光素子、受光素子などには、Ｉｎを含む窒化物半導体
を用いて活性層とした構造を有しており、活性層におけ
るより優れた活性領域の形成が、素子特性の向上におい
て重要となる。
【０００４】また、窒化物半導体素子、特にレーザ素
子、発光素子においては、３８０ｎｍ以下の波長域での
発光、発振がさらに重要となっている。これは、上述し
た光ディスクシステムにおいては、短波長化により、記
録密度向上が図れ、さらに発光素子においては、蛍光体
の励起光源として重要なものとなり、またそのほかの応
用においても、さらなる短波長化により、多くの用途が
実現される。
【０００５】窒化物半導体のレーザ素子、若しくは発光
素子において、短波長の発光を得るには、活性層若しく
は発光層のＩｎを含む窒化物半導体におけるＩｎ混晶比
を、変化させることで、発光波長を変えることができ、
特にＩｎ混晶比を低くするすると発光波長を短くするこ
とができる。また、端面発光素子、レーザ素子におい
て、活性層が上部、下部クラッド層に挟まれた構造を有
する場合に、両クラッド層の屈折率を小さくし、上部、
下部クラッド層に挟まれた導波路内の屈折率を高くする
ことで、導波路内に効率よく光が閉じこめられ、結果と
してレーザ素子においてはしきい値電流密度の低下に寄
与する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、波長が
短くなるに従って、発光層として従来用いられてきたＩ
ｎＧａＮ、もしくはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸
構造、を用いることが困難となり、ＧａＮのバンドギャ
ップである波長３６５ｎｍ以下では、ＩｎＧａＮを発光
層に用いることが困難となる。また、波長が短くなる
と、すなわち、導波路内のガイド層で光の吸収による損
失が発生し、閾値電流が高くなる。更に、上部クラッド
層、下部クラッド層による光の閉じこめにおいても、Ｇ
ａＮを用いることが光の吸収による損失、及び導波路内
に光を閉じこめるための屈折率差を確保するために、Ａ
ｌ組成比の大きな窒化物半導体を用いる必要があり、結
晶性の問題が大きなものとなる。
【０００７】また、このような窒化物半導体素子の短波
長化への試みとして、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの量子井
戸構造を用いるものがあるが、従来のＩｎＧａＮ系に比
して、十分な出力が得られない傾向にある。
【０００８】また、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物
半導体を素子に用いる場合において、他のＡｌを含まな
い窒化物半導体に比べて、熱膨張係数差、弾性が大きく
異なり、Ａｌを含む窒化物半導体を用いると、クラック
の発生しやすく、クラックの発生は他の結晶性と異な
り、素子破壊となるものであり、クラックの発生を防止
しなければ、窒化物半導体素子として動作しないものと
なる。このため、上述した３８０ｎｍ以下の発光波長の
活性層を用いた発光素子、レーザ素子においては、Ａｌ
を含む窒化物半導体は窒化物半導体においてバンドギャ
ップエネルギーを大きくすることができるため、活性
層、それよりもバンドギャップエネルギーの大きな、キ
ャリア閉込め層、光ガイド層、光閉込め層などに用いら
れる。すなわち、上記短波長域の発光素子において、Ａ
ｌを含む窒化物半導体は、各層に多層された構造となる
が、一方で上述したクラック発生の問題が深刻なものと
なり、このため、短波長化とクラック発生防止とは排他
的な関係となる傾向にあり、窒化物半導体の発光素子に
おいて、さらなる短波長化の深刻な障害となる。さら
に、短波長化において、ＧａＮは３６５ｎｍに光の吸収
端を有し、それよりも１０ｎｍほど波長の長い領域でも
高い吸収係数を有することから、上記３８０ｎｍ以下の
短波長域での発光素子、レーザ素子への使用が困難とな
る。
【０００９】加えて、上述したように発光素子、レーザ
素子における活性層は、その発光効率、内部量子効率が
その結晶性に大きく依存することから、活性層の下に配
置される導電型層の結晶性が素子特性向上に極めて重要
な要因となる。通常、窒化物半導体発光素子は、ｎ型
層、活性層、ｐ型層の順に積層された構造を有している
が、この場合ｎ型層の結晶性を良好なものとする必要が
ある。一方で、上述したように、Ａｌを含む窒化物半導
体が、他のＡｌを含まない窒化物半導体に比べて、大き
く結晶性が悪化する傾向にあり、従来はこのような問題
を回避する目的で、Ａｌを含む窒化物半導体の下地層と
してＩｎを含む窒化物半導体層を用いて、熱膨張係数差
による内部応力の発生を緩和したり、Ａｌを含む窒化物
半導体層に隣接して、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒化
物半導体を設けて結晶性の回復、内部応力の緩和を実現
して、レーザ素子などのＡｌを含む窒化物半導体層を素
子構造に設けた構造で素子を実用的に動作可能なものと
していた。しかし、上記短波長の発光素子、レーザ素子
において、Ａｌを含まない窒化物半導体は、光吸収層と
なり、素子構造に用いることが好ましくなく、そのため
素子構造は、ほとんどがＡｌを含む窒化物半導体層を用
いることとなり、上述した結晶性、クラックの発生によ
り、実用的なしきい値、Ｖｆ、発光効率の発光素子、レ
ーザ素子が得られず、特に光ガイド層、光閉込めのクラ
ッド層などにＡｌ混晶比の大きいＡｌを含む窒化物半導
体を多用したレーザ素子においては、室温において連続
発振可能なレーザ素子が得られなかった。
【００１０】本発明では、窒化物半導体素子、特に、光
の波長が３８０ｎｍ以下のレーザ素子や発光素子におい
て、発光出力を大きくし、なおかつ閾値電流密度を低減
させた活性層を用い、両クラッド層に挟まれた導波路に
おいて、光の吸収を低く抑え、活性層を含む導波路内へ
効率的に光を閉込め、さらに良好な結晶性で、素子構造
を形成することを目的とする。
【００１１】また本発明は、レーザ発振が３８０ｎｍ以
下では特に顕著な閾値の上昇が現れるという問題の原因
を解明し、その解決手段を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記事情に鑑
みなされたものであり、閾値電流密度などの素子特性に
優れ、且つ結晶性の良好で、発光出力に優れ、短波長化
を実現する窒化物半導体素子を得るものである。
【００１３】すなわち本発明の窒化物半導体素子は、下
記の構成により本発明の目的を達成することができる。
【００１４】（１）第１導電型層と第２導電型層との間
に、活性層を有する窒化物半導体素子において、前記活
性層が、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体からなる井戸
層と、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層と、を少
なくとも有する量子井戸構造である窒化物半導体素子。
【００１５】これにより、井戸層は、Ｉｎを含むことに
より発光効率を向上させ、一方でＡｌ組成比を変化させ
ることで、バンドギャップエネルギーを所望の発光波長
が得られ、発光効率、内部量子効率に優れたレーザ素
子、発光素子が得られる。また、障壁層として、少なく
ともＡｌを有することにより、井戸層よりもバンドギャ
ップエネルギーを大きくし、発光波長に合わせた量子井
戸構造の活性層を形成でき、特に波長３８０ｎｍ以下の
短波長領域において、優れた素子特性の活性層を得られ
る。
【００１６】（２）上記構成において、前記井戸層が、
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦
１、ｘ＋ｙ＜１）であり、前記障壁層がＡｌｕＩｎｖＧ
ａ１ −ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜
１）であることが好ましい。
【００１７】井戸層がＩｎＡｌＧａＮの４元混晶で形成
されることにより、構成元素数を最小限として結晶性の
悪化を抑えて、なおかつ高い発光効率の井戸層、活性層
となる。このため、好ましくは０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１
とすることである。また障壁層がＡｌＧａＮ、若しくは
ＩｎＡｌＧａＮで形成されることにより、井戸層と障壁
層との間に所望のバンドギャップエネルギー差を設けて
量子井戸構造を形成でき、また一方で、井戸層の構成元
素と同じか、小さくすることで、活性層内の結晶性を良
好に保つことができる。好ましくは、ｘ＜ｕとすること
で、結晶性に優れた活性層となる。
【００１８】（３）上記構成において、前記井戸層の膜
厚が、障壁層の膜厚よりも小さいことが好ましい。
【００１９】これにより、活性層内において、キャリア
の注入が良好なものとなり、優れた発光効率の量子井戸
構造となる。特に、活性層内で、最もｎ型窒化物半導体
層側に配置されたｎ側障壁層を、井戸層の膜厚、若しく
は他の障壁層の膜厚、特に井戸層に挟まれた障壁層の膜
厚、より大きくすることで、ｐ型のキャリアを活性層内
に効率よく閉じ込めることが可能であり、更に好ましく
は、ｎ側障壁層の膜厚を１０ｎｍ以上とすることで、優
れたホールの閉込め層として機能し、特性の良い活性層
となる。
【００２０】（４）上記構成において、前記井戸層のＩ
ｎ組成比ｙが、０．０２以上０．０５以下の範囲である
ことが好ましい。
【００２１】これにより、ｙが０．０２以上であること
により発光効率、内部量子効率に優れた井戸層、活性層
が形成され、０．０５以下であることにより、ＩｎとＡ
ｌを含む混晶系での結晶性の悪化を抑えた活性層が形成
される。さらに、ｙが０．０２〜０．０５の範囲である
ことにより、低い閾値電流密度に維持できる。
【００２２】（５）上記構成において、前記井戸層のＩ
ｎ組成比ｙが、０．０３以上０．０５以下の範囲である
ことが好ましい。
【００２３】これにより、ｙが０．０３以上であること
により発光効率、内部量子効率に優れた井戸層、活性層
が形成され、０．０５以下であることにより、ＩｎとＡ
ｌを含む混晶系での結晶性の悪化を抑えた活性層が形成
される。
【００２４】（６）上記構成において、前記活性層の発
光波長が、３８０ｎｍ以下であること好ましい。
【００２５】上記の活性層構造は、特に波長３８０ｎｍ
以下の短波長域で優れた特性の素子を得ることができ
る。
【００２６】（７）上記構成において、前記第１導電型
層が第１の光ガイド層を有し、第２導電型層が第２の光
ガイド層を有して、該第１の光ガイド層と第２の光ガイ
ド層とで前記活性層を挟むレーザ素子構造を有し、該第
１の光ガイド層及び第２の光ガイド層のバンドギャップ
エネルギーＥｇが、レーザ光の光子エネルギーＥｐに比
べて、０．０５ｅＶ以上大きいこと（Ｅｇ−Ｅｐ≧０．
０５ｅＶ）が好ましい。
【００２７】これにより、レーザ素子、端面発光素子に
おいて、光の導波に優れた導波路が形成できる。更に好
ましくは、Ｅｇ−Ｅｐ≧０．１とすることで、特に上記
短波長域において、さらに良好な導波路が形成され、素
子特性が向上する。
【００２８】（８）上記構成において、前記第１の光ガ
イド層及び／又は第２の光ガイド層が、ＡｌｘＧａ
１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなることが好ましい。
【００２９】この構成により、短波長域において、光の
損失を抑えた導波路構造とでき、レーザ素子、端面発光
素子の特性が向上する。
【００３０】（９）上記構成において、前記活性層の発
光波長が３８０ｎｍ以下であり、前記第１導電型層及び
／又は第２導電型層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦
１）からなることが好ましい。
【００３１】例えばＡｌＧａＮを有するクラッド層によ
り、キャリア閉込め、光閉込めを良好に実現でき、光ガ
イド層をクラッド層と活性層との間に有する場合には、
クラッド層と光ガイド層との間で、Ａｌ組成比を変化さ
せることにより、両者の間に所望の屈折率差を設けるこ
とで、特性に優れたレーザ素子、端面発光素子が得られ
る。
【００３２】（１０）第１導電型層と第２導電型層との
間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、前記
活性層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなる井戸層と、
該井戸層よりも第１導電型層側にそれよりもバンドギャ
ップエネルギーの大きな窒化物半導体からなる第１の障
壁層と、を少なくとも有する量子井戸構造であると共
に、前記第１導電型層に、前記第１の障壁層よりもバン
ドギャップエネルギーの小さい第１の窒化物半導体層
を、前記第１の障壁層の近くに設けられている窒化物半
導体素子。
【００３３】従来ＡｌＧａＮ系活性層において、それを
はさみ、キャリア注入層となる各導電型の層には、井戸
層よりも大きなバンドギャップエネルギーが通常必要と
されるが、この構成では、活性層内の第１の障壁層より
もバンドギャップエネルギーの小さい第１の窒化物半導
体層を第１導電型層に設けることで、結晶性良く活性層
を形成し、なおかつ、第１の障壁層でもって、第２導電
型層からのキャリアを井戸層内に閉じ込める働きを有す
る新規な素子構造を提供するものとなる。
【００３４】井戸層については、少なくともＧａＮと同
じか、それよりも大きなバンドギャップエネルギーを持
つＡｌを含む窒化物半導体を用い、具体的には上記組成
のものを用いることができる。第１の障壁層について
も、上記組成の窒化物半導体を用いることができる。
【００３５】第１の窒化物半導体層については、好まし
くは井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒
化物半導体を用いることで、活性層及び井戸層への良好
なキャリア注入層として機能し、具体的にはＡｌを含む
窒化物半導体が用いられ、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘ
Ｎ（０≦ｘ＜１）を用いると好ましい結晶性で活性層が
形成できる。
【００３６】（１１）上記構成において、前記第１の障
壁層が、活性層内で、最も第１導電型層側の近くに配置
され、前記第１の窒化物半導体層が活性層に接している
ことを特徴とすることが好ましい。
【００３７】この構成により、第１の障壁層が、第１導
電型層側の近くに、すなわち、活性層内の他の障壁層よ
りも最も第１導電型層の近くに配置させることで、上述
したように、第１の障壁層が第１導電型層側でキャリア
閉込め層として好適に機能し、井戸層における発光効率
を高めることができる。この時、好ましくは、活性層内
で最も外側で、第１導電型層側に配置されることが上記
キャリア閉込めにおいて好ましく機能できる。
【００３８】（１２）上記構成において、前記第１導電
型層がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型であることが
好ましい。
【００３９】この構成により、上記第１の障壁層はホー
ルの閉込めとして機能させることを特徴としていること
で、上記第１の窒化物半導体層では、第１導電型層の電
子（第１導電型のキャリア）注入として機能できる一方
で、ホール（第２導電型のキャリア）の閉込めとして機
能することが困難であるため、第１の障壁層でもって、
ホールの閉込めを実現する活性層構造とできる。
【００４０】（１３）上記構成において、前記第１の障
壁層のＡｌ混晶比ＸＢ１が、井戸層のＡｌ混晶比をＸｗ
とが、ＸＢ１―Ｘｗ≧０．０５の関係を満たすことが好
ましい。
【００４１】すなわち、上記式の関係に、Ａｌ混晶比を
設定することで、第２導電型のキャリア（好ましくはホ
ール）の閉込めとして、第１の障壁層を好適に機能させ
ることができる。更に好ましくは、ＸＢ１―Ｘｗ≧０．
１とすることで、上記キャリア閉込めに十分に機能する
オフセット（電位障壁）を形成することが可能となる。
この時Ａｌ混晶比の差（ＸＢ１―Ｘｗ）、上限は閉込め
効果において限定されるものではないが、結晶性を考慮
すると、０．５以下とすることが好ましく、更に好まし
くは、０．３以下とすることで良好な結晶性で且つ十分
な光閉込めでもって活性層、及び第１導電型層を含めた
素子構造を形成することができる。
【００４２】（１４）上記構成において、前記第１の障
壁層の膜厚が３０Å以上であることが好ましい。
【００４３】この構成により、第１の障壁層をキャリア
閉込めが可能な膜厚とでき、好ましくは５０Å以上とす
ることで、閉込め効率を高めた構造とできる。これは、
第１の障壁層の膜厚が小さいと、図１４（ｂ）に示すよ
うに、キャリアのトンネル現象が発生するためであり、
５０Å以上とすることで、閉込め効率を高めることがで
きる。上限としては、閉込め効果について特に限定され
るものではないが、結晶性を考慮すると、３００Å以下
とすることであり、更に好ましい結晶性とするには、２
００Å以下とすることであり、１５０Å以下とすると結
晶性も良好であり、且つ上記トンネル効果を好適に抑え
た第１の障壁層が形成できる。
【００４４】（１５）上記構成において、光ガイド層で
挟持された活性層により導波路が形成された窒化物半導
体発光素子において、第１導電型層内に設けられた光ガ
イド層が、前記第１の窒化物半導体層を有することが好
ましい。
【００４５】これは、上記第１の窒化物半導体層を光ガ
イド層、若しくはその一部として機能させることによ
り、光の導波に必要な膜厚のガイド層を形成しても、Ａ
ｌ混晶比を抑えた第１の窒化物半導体層が用いられるこ
とで、良好な結晶性でもって、活性層を形成することが
できる。このような導波路有する発光素子としては、レ
ーザ素子、端面発光素子、スーパールミネッセントダイ
オードなどを挙げることができる。
【００４６】（１６）上記構成において、３７５ｎｍ以
下で発振可能であって、ＡｌｘＧａ １−ｘＮ量子井戸層
（但し、ｘ≧０）を挟む障壁層がＡｌｙＩｎｚＧａ
１−ｙ− ｚＮ（但し、ｚ≧０）で、井戸層のバンドギャ
ップＥｗが障壁層のバンドギャップＥｂより０．２ｅＶ
以上、さらに０．３ｅＶ以上大きいのが好ましい。
【００４７】量子井戸層がＧａＮである場合は上記バン
ドギャップ差を考慮してＡｌｙＧａ １−ｙＮ組成、Ａｌ
ｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ組成を決定するのが好まし
い。量子井戸層がＡｌＧａＮである場合も同様に、上記
バンドギャップ差を考慮してＡｌｙＧａ１−ｙＮ組成、
ＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ組成を決定するのが好ま
しい。
【００４８】上記量子井戸層だけで活性層を形成しても
よいが、量子井戸層の両側を上記障壁層で挟んで単一量
子井戸層を形成してもよい。
【００４９】多重量子井戸層を形成する場合は量子井戸
層と障壁層とを組み合わせて活性層を形成するが、最終
層は井戸層で形成しても障壁層で形成してもよい。活性
層に連なる層構造（キャップ層、ガイド層、クラッド
層）との関係により調整することができる。多重量子井
戸の積層数は２又は３程度で十分であるが、活性層の内
部量子効率を阻害しない範囲で、井戸層数をより多くし
たり、又はｐ側に近い領域の井戸層での再結合率が高い
場合が多いので、ｐ側に近い領域はノンドープ層とし、
ｎ側に近い領域の井戸層にシリコン等をドーピングする
ように変形しても良い。
【００５０】（１７）上記構成において、井戸層膜厚は
３００Å以下であることが好ましく、より好ましくは２
００Å以下である。
【００５１】（１８）また上記構成において、障壁層膜
厚は３００Å以下であることが好ましく、より好ましく
は２００Å以下である。
【００５２】（１９）上記構成において、光ガイド層と
クラッド層とを分離して設けるＳＣＨ構造であって、ガ
イド層バンドギャップＥｇが発振時の光子エネルギーＥ
ｐより０．０５ｅＶ大きいのが好ましい。
【００５３】（２０）また上記構成において、光ガイド
層はＡｌａＧａ１−ａＮ単独で形成しても良いが、Ａｌ
ａＧａ１−ａＮ／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（ａ≠ｂ）超格子
層から形成するのが好ましい。
【００５４】（２１）また上記構成において、クラッド
層はＡｌｃＧａ１−ｃＮ単独で形成しても良いが、Ａｌ
ｃＧａ１−ｃＮ／ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（ｃ≠ｄ）超格子
層からなり、クラッド層のバンドギャップＥｃはガイド
層のバンドギャップＥｇより大きいのが好ましい。
【００５５】（２２）上記構成において、量子井戸層の
外側に屈折率を階段状に変化させた光閉じ込め層を形成
するＧＲＩＮ構造である場合は、活性層の上下層にノン
ドープ層を設けるのが好ましい。このＧＲＩＮ構造は上
記ＳＣＨと併用し、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造とすることが
できる。
【００５６】上述した各構成は、単独で又は適宜組み合
わせて使用することができる。
【００５７】こうした構成の実施形態の１つとして、Ｇ
ａＮ基板上に形成されたＡｌｘＧａ １−ｘＮ量子井戸層
（但し、ｘ≧０）を活性層とする３７５ｎｍ以下で発振
可能なことを特徴とするＡｌＧａＮ系半導体発光素子で
あり、別の実施形態としては上記結晶性、クラック発生
の問題を回避した短波長域の発光素子、導波路を有する
レーザ素子にも用いることができる素子構造を得るもの
である。
【００５８】ＧａＮ基板は一般に、サファイア基板又は
炭化珪素基板よりもその上に形成するエピ層の欠陥密度
を減少させることができる。特に、ＧａＮ基板の結晶欠
陥が１０７／ｃｍ２以下、さらに１０４／ｃｍ２以下が
好ましい。この時、結晶欠陥は主に貫通転位によるもの
であり、この低欠陥領域に導波路、若しくは電流注入領
域を形成した発光素子とすることが好ましい。これ以下
で導波路中に欠陥のないレーザ素子を作製することがで
きることになる。
【００５９】ここで、ＧａＮ基板とはＥＬＯ(epitaxici
al lateral overgrowth)法でサファイア基板等の異種基
板上にＧａＮを選択成長により横方向成長させ、形成さ
れたＧａＮ基板（例えば、ＧａＮ層上に形成した複数の
ＳｉＯ２ストライプ領域とその領域間に露出するＧａＮ
領域との選択成長によりＧａＮを横方向成長させて形成
するＧａＮ層からなる）、この基板の上にＨＶＰＥ法
で、又はＭＯＣＶＤ法との組み合わせでＧａＮ層を積層
し、気相成長させたＧａＮ基板、この基板上に上記ＥＬ
Ｏ法でＧａＮを気相成長させたＧａＮ基板、ＮＨ３超臨
界流体中でＧａＮ種結晶上にＧａＮを再結晶させて形成
したＧａＮ基板等のＧａＮがＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ法で
気相成長させることができる基板を意味する。
【００６０】ＧａＮ基板が、上記ＥＬＯ法を利用して形
成したＧａＮ基板であって、該基板上に形成した発光素
子がリッジ型半導体レーザである場合は、上記量子井戸
層から形成される導波路が上記ＳｉＯ２ストライプに平
行に形成されているのが好ましい。結晶欠陥はＳｉＯ２
ストライプに平行に集積して発達し、粗密のストライプ
形状を形成するから、欠陥密度の粗の領域に導波路を形
成することにより導波路中の欠陥をなくすることができ
るからである。
【００６１】
【発明の実施の形態】本発明の窒化物半導体素子に用い
る窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩ
ｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導
体（ＩｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ、０≦α、０≦β、
α＋β≦１）であり、またこれに加えて、ＩＩＩ族元素
としてＢを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａ
ｓで置換した、混晶でもよい。また、Ａｌを含む窒化物
半導体はβ＞０であり、Ｉｎを含む窒化物半導体はα＞
０である。
【００６２】また、窒化物半導体層に用いるｎ型不純物
としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等の
ＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ま
しくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、さらに最も好ましくはＳｉ
を用いる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されな
いが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げ
られ、好ましくはＭｇが用いられる。これにより、各導
電型の窒化物半導体層を形成し、後述する各導電型層を
構成する。
【００６３】[実施形態１Ａ（量子井戸構造）］本発明
の窒化物半導体素子は、少なくとも第１導電型層、第２
導電型層との間に活性層を有する構造であり、以下、本
発明の窒化物半導体素子について、詳説する。
【００６４】（活性層）本発明における活性層として
は、量子井戸構造を有するものであり、少なくともＩｎ
とＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、Ａｌ
を含む窒化物半導体からなる障壁層を有する。また、特
に、活性層における波長が、３８０ｎｍ以下の発光を有
する短波長に好ましく用いられ、具体的には前記井戸層
のバンドギャップエネルギーが波長３８０ｎｍ以下であ
るものである。このとき、活性層に用いられる窒化物半
導体は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ド
ープのいずれでもよいが、好ましくはノンドープ若しく
はアンドープ、又はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を
活性層内に設けることで、レーザ素子、発光素子などの
窒化物半導体素子において、高出力化が図れる。好まし
くは、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ド
ープとすることで、レーザ素子、発光素子が高出力で発
光効率の高い素子となる。ここで、量子井戸構造として
は、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも
良い。好ましくは、多重量子井戸構造とすることで、出
力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能とな
る。活性層の量子井戸構造としては、前記井戸層、障壁
層を少なくとも１層ずつ積層したものを用いることがで
きる。この時、量子井戸構造である場合に、井戸層数と
しては、１以上４以下とすることで、例えばレーザ素
子、発光素子においては、閾値電流を低くすることが可
能となり好ましく、更に好ましくは、井戸層数を２又は
３とした多重量子井戸構造とすることで、高出力のレー
ザ素子、発光素子が得られる傾向にある。
【００６５】（井戸層）本発明における井戸層として
は、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体を用いることが好ま
しく、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を
活性層内に少なくとも１層有することであり、多重量子
井戸構造においては、好ましくは、すべての井戸層がＩ
ｎとＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層とすること
で、短波長化され、高出力、高効率の発光素子、レーザ
素子が得られる。発光スペクトルがほぼ単一ピークの場
合は、この構成が好ましいが、一方で複数のピークを有
する多色発光素子においては、前記ＩｎとＡｌを含む窒
化物半導体からなる井戸層を少なくとも１層有すること
で、短波長域の発光ピークを得ることができ、様々な発
光色の発光素子、もしくは、その短波長域で励起される
蛍光体と組み合わせた発光装置に得ることが可能であ
る。この時、多色発光の素子とする場合に、井戸層の具
体的な組成としては、ＩｎαＧａ１−αＮ（０＜α≦
１）を用いることで、紫外域から可視光域までの良好な
発光・発振を可能とする井戸層となる。この時、Ｉｎ混
晶比により、発光波長を決めることができる。
【００６６】本発明のＩｎとＡｌを含む窒化物半導体か
らなる井戸層は、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困難な
波長域、具体的には、ＧａＮのバッドギャップエネルギ
ーである波長３６５ｎｍ付近、若しくはそれより短い波
長を得るものであり、特に波長３８０ｎｍ以下の発光・
発振が可能なバンドギャップエネルギーを有する井戸層
である。これは、従来のＩｎＧａＮの井戸層では、Ｇａ
Ｎのバンドギャップエネルギーの波長３６５ｎｍ付近で
は、例えば３７０ｎｍでは、Ｉｎ組成比が１％以下程度
に調整する必要があり、このようにＩｎ組成比が極端に
小さくなると、発光効率が低下し、十分な出力の発光素
子、レーザ素子が得られがたく、またＩｎ組成比が１％
以下では、その成長を制御することも困難である。本発
明では、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層
を用いていることで、従来効率的な発光が困難であった
３８０ｎｍの波長域において、Ａｌ組成比ｘを大きくす
ることでバンドギャップエネルギーを大きくし、一方で
Ｉｎを含有することで、良好な内部量子効率、発光効率
の発光素子、レーザ素子に用いることが可能である。
【００６７】ここで、井戸層に用いられるＩｎとＡｌを
含む窒化物半導体の具体的な組成としては、ＡｌｘＩｎ
ｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ
＜１）で表される組成である。これは、窒化物半導体の
成長に用いられているＭＯＣＶＤ等の気相成長法では、
構成元素が多くなると、構成元素間での反応が発生しや
すくなり、このため、叙述したようにＢ、Ｐ、Ａｓ、Ｓ
ｂ等を用いて、５元混晶以上の多元化も可能であるが、
好ましくはＡｌＩｎＧａＮの４元混晶とすることで、こ
の元素同士の反応を防いで、良好な結晶性で成長させる
ことができる。ここで、Ｉｎ組成比ｙは、０．０２以上
とすることで、上述したように０．０２未満である場合
に比べて、良好な発光効率、内部量子効率が実現され、
更にｙ≧０．０３とすることで、更にその効率が向上す
るため、波長３８０ｎｍ以下の井戸層において優れた特
性の発光素子、レーザ素子が得られ好ましい。また、Ｉ
ｎ組成比ｙの上限としては、特に限定されないが、ｙ≦
０．１とすることで、Ｉｎを含有することによる結晶性
の悪化を抑え、更に好ましくは、ｙ≦０．０５とするこ
とで、結晶性を悪化させずに井戸層を形成でき、多重量
子井戸構造のように複数の井戸層を設ける場合に、各井
戸層の結晶性を良好なものとできる。従って、Ｉｎ組成
比ｙは、好ましくは０．０２以上０．１以下の範囲であ
り、より好ましくは０．０３以上０．０５以下の範囲で
あり、また、上記ＩｎＡｌＧａＮの４元混晶において、
適用することが好ましい。ここで、Ａｌ組成比ｘは、特
に限定されず、Ａｌ組成比を変化させることにより、所
望のバンドギャップエネルギー、波長を得ることであ
る。
【００６８】本発明のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）からなる井戸
層において、窒化物半導体のＩｎ組成比ｙは、図９
（ａ），（ｂ）に示すように、０から０．１の範囲にお
いて各特性が大きく変化する。発光効率において、図９
（ａ）に示すように、Ｉｎ組成比ｙが０．０２付近から
大幅に上昇し、０．０５付近からなだらかな下降曲線を
示す。一方で、閾値電流密度Ｊｔｈでは、図９（ｂ）に
示すように、０．０２付近からなだらかな下降曲線を示
し、０．０３〜０．０５の範囲で極小値をとり、０．０
５を超える領域では、急激な上昇曲線を示す。ここで、
図９（ａ）（ｂ）は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ −ｙＮ
（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）の井戸層とＡ
ｌｕＩｎｖＧａ１ −ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦
１、ｕ＋ｖ＜１）の障壁層において、各特性の傾向を定
性的に示すものであり、ｙ軸は任意の単位である。
【００６９】本発明において、好ましくは、ＡｌとＩｎ
を含む窒化物半導体の井戸層でもって、波長３８０ｎｍ
以下となるバンドギャップエネルギーを設けることであ
り、このため、Ａｌ組成比ｘを０．０２以上とする。ま
た、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長３６
５ｎｍ以下の領域では、ｘを０．０５以上とすること
で、短波長で良好な発光、発振が可能となる。
【００７０】また、井戸層の膜厚及び井戸層の数として
は、膜厚及び井戸層の数を任意に決めることが可能であ
る。具体的な膜厚としては、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の
範囲であり、膜厚１ｎｍ未満で井戸層として良好に機能
させることが困難な傾向にあり、３０ｎｍを超える膜厚
では、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体の成長を結晶性良
くすることが困難となり、素子特性が低下する。好まし
くは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲とすることで、Ｖ
ｆ、しきい値電流密度を低減させることができる。ま
た、結晶成長の観点からは、２ｎｍ以上であると、膜厚
に大きなむらがなく比較的均一な膜質の層が得られ、２
０ｎｍ以下とすることで結晶欠陥の発生を低く抑えて結
晶成長が可能となる。更に好ましくは、井戸層の膜厚
を、３．５ｎｍ以上とすることで、高出力のレーザ素
子、発光素子が得られる傾向にあり、これは井戸層の膜
厚を大きくすることで、大電流で駆動させるレーザ素子
のように、多量のキャリア注入に対して、高い発光効
率、内部量子効率でもって発光再結合が成されることに
よると考えられ、特に多重量子井戸構造において効果が
あると考えられる。単一量子井戸構造では、膜厚を５ｎ
ｍ以上とすることで、上記と同様な効果が得られる。活
性層内の井戸層数としては特に限定されず、１以上であ
り、この時、井戸層の数が４以上である場合には、活性
層を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層全体の膜
厚が厚くなって、Ｖｆの上昇を招くこととなるため、井
戸層の膜厚を１０ｎｍ以下の範囲として、活性層の膜厚
を低く抑えることが好ましい。多重量子井戸構造におい
ては、複数の井戸層の内、上記範囲の膜厚にある井戸層
を少なくとも１つ設けることであり、好ましくは、全て
の井戸層を上記範囲内とすることである。また、各井戸
層の膜厚が異なっていても良く、ほぼ同一でも良い。
【００７１】本発明の井戸層には、ｐ型不純物若しくは
ｎ型不純物がドープされていても、アンドープでも良
い。井戸層にドープする不純物としては、好ましくはｎ
型不純物とすることで、発光効率の向上に寄与するもの
となる。しかしながら、井戸層はＩｎとＡｌを含む窒化
物半導体が用いられ、不純物濃度が大きくなると結晶性
が悪化する傾向にあるため、不純物濃度を低く抑えて結
晶性の良好な井戸層とすることが好ましい。具体的に
は、結晶性を最大限に良好なものとするために井戸層を
アンドープで成長させることであり、この時、不純物濃
度は５×１０１６／ｃｍ３以下と実質的に不純物を含ま
ない井戸層とすることである。また、井戸層に、例えば
ｎ型不純物をドープする場合には、ｎ型不純物濃度が１
×１０１８／ｃｍ３以下５×１０１６／ｃｍ３以上の範
囲でドープされていると、結晶性の悪化を低く抑え、な
おかつキャリア濃度を高くすることができ、しきい値電
流密度、Ｖｆを低下させることができる。この時、井戸
層のｎ型不純物濃度としては、障壁層のｎ型不純物濃度
とほぼ同じか、若しくは小さくすることで、井戸層での
発光再結合を促し、発光出力が向上する傾向にあるため
好ましい。この時、井戸層、障壁層をアンドープで成長
させて、活性層の一部を構成しても良い。また、井戸層
が活性層内に複数設けられる多重量子井戸構造において
は、各井戸層の不純物濃度をほぼ同様なものとしても良
く、異なるものとしても良い。
【００７２】特に、大電流で素子を駆動させた場合（高
出力のＬＤ、ハイパワーＬＥＤ、スーパーフォトルミネ
センスダイオードなど）では、井戸層がアンドープで、
実質的にｎ型不純物を含有しないことで、井戸層でのキ
ャリアの再結合が促進され、高い効率での発光再結合が
実現され、逆にｎ型不純物が井戸層にドープすると、井
戸層でのキャリア濃度が高いため、かえって発光再結合
の確率が減少し、一定出力下で駆動電流、駆動電流の上
昇を招く悪循環が発生し、素子の信頼性（素子寿命）が
低下する傾向にある。このため、このような高出力の素
子では、井戸層のｎ型不純物濃度を、少なくとも１×１
０１８／ｃｍ３以下にすることであり、好ましくはアン
ドープ若しくは実質的にｎ型不純物を含有しない濃度と
することで、高出力で安定した駆動が可能な窒化物半導
体素子が得られる。また、井戸層にｎ型不純物をドープ
したレーザ素子では、レーザ光のピーク波長のスペクト
ル幅が広がる傾向にあるため、好ましくなく１×１０18
／ｃｍ3、好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以下とする
ことである。
【００７３】（障壁層）本発明において、障壁層の組成
としては、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を用
いることである。ここで、本発明の活性層において、活
性層内の少なくとも１つの障壁層が、Ａｌを含む窒化物
半導体からなることを必要とするものであり、活性層内
の全ての障壁層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなるも
のであっても良く、Ａｌを含まない窒化物半導体からな
る障壁層を活性層内に設けても良い。障壁層は、井戸層
よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体
とする必要があり、井戸層の発光波長が３８０ｎｍ以下
の領域では、それに対応する障壁層には、Ａｌを含む窒
化物半導体を用いることが好ましい。
【００７４】Ａｌを含む窒化物半導体の障壁層として、
好ましくはＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ −ｖＮ（０＜ｕ≦
１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）で表される窒化物半導体
を用いることである。具体的には、Ａｌを含み窒化物半
導体の障壁層は、上記組成式で表されるＡｌＩｎＧａＮ
の４元混晶、ＡｌＧａＮの３元混晶を用いることができ
る。また、障壁層のＡｌ組成比ｕは、ＡｌとＩｎを含む
窒化物半導体の井戸層のＡｌ組成比ｘよりも大きく、ｕ
＞ｘとして、井戸層と障壁層との間に十分なバンドギャ
ップエネルギー差を設けることで、レーザ素子、発光素
子として良好な発光効率を有する量子井戸構造が形成さ
れる。
【００７５】また、障壁層がＩｎを含有する場合（ｖ＞
０）、Ｉｎ組成比ｖについては、好ましくは０．１以下
とすることで、結晶性の悪化を抑え、更に好ましくは
０．０５以下の範囲を適用することができる。これは、
Ｉｎ組成比ｖが０．１を超える場合には、成長時にＡｌ
とＩｎとの反応が促進し、結晶性が悪化して良好な膜が
形成されないためであり、さらにｖ≦０．０５とするこ
とで、さらに良好な結晶性で障壁層を形成できる。
【００７６】また、上述したように、障壁層のＩｎ組成
比は井戸層に比べて、広い組成比を適用でき、主にＡｌ
組成比によりバンドギャップエネルギー差を設けること
から、ｖ≧ｙとすることも可能であり、このようなＩｎ
組成比とすることで、井戸層、障壁層の臨界膜厚を変化
させることができ、量子井戸構造において比較的自由に
膜厚を設定でき、所望の特性の活性層を設計できる。
【００７７】また、量子井戸構造の活性層において、障
壁層は、井戸層と交互に形成しても良く、１つの井戸層
に対して複数の障壁層を設けても良い。具体的には、井
戸層に挟まれた障壁層を２層以上とすることであり、多
層膜の障壁層と井戸層を交互に積層した構造を設けるこ
ともできる。
【００７８】また、障壁層には、上述した井戸層と同様
に、ｐ型不純物、ｎ型不純物がドープされていても、ノ
ンドープであっても良いが、好ましくはｎ型不純物がド
ープされているかノンドープ若しくはアンドープとされ
ていることである。この時、障壁層中に例えばｎ型不純
物をドープする場合にはその濃度として、少なくとも５
×１０１６／ｃｍ３以上ドープされていることである。
具体的には、例えばＬＥＤである場合には、５×１０
１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下の範囲でｎ
型不純物を有することであり、また、より高出力のＬＥ
Ｄ及び高出力のＬＤでは、５×１０１７／ｃｍ３以上１
×１０２０／ｃｍ３以下の範囲、好ましくは１×１０
１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下の範囲でド
ープされていることが好ましく、このように高濃度で障
壁層にドープする場合には、井戸層がｎ型不純物を実質
的に含まないか、アンドープで成長させることが好まし
い。
【００７９】また、障壁層にｎ型不純物をドープする場
合には、活性層内の全ての障壁層にドープしても良く、
一部をドープ、一部をアンドープとした構成でも良い。
一部の障壁層にｎ型不純物をドープする場合には、活性
層内で、ｎ型層側配置された障壁層にドープすることが
好ましく、具体的には、ｎ型層側から数えてｎ番目の障
壁層Ｂｎ（ｎ＝１，２，３・・・）にドープすること
で、電子が効率的に活性層内に注入され、発光効率、内
部量子効率に優れた素子となる。これは、障壁層に限ら
ず、井戸層についても同様であり、また両方にドープす
る場合には、ｎ型層から数えてｎ番目の障壁層Ｂｎ（ｎ
＝１，２，３・・・）、ｍ番目の井戸層Ｗ ｍ（ｍ＝１，
２，３・・・）にドープすること、すなわち、ｎ型層に
近い側からドープすることで、上記効果が得られる傾向
にある。
【００８０】また、後述の実施例に示すように、Ｍｇド
ープのｐ側電子閉込め層を設ける場合、特に活性層及び
／又は障壁層に接して設ける場合には、Ｍｇが拡散する
ため、活性層内で最もｐ型層側に配置されたｐ側障壁層
にｎ型不純物をドープすると、コドープとなり活性層の
機能が悪化される傾向にある。このため、Ｍｇドープの
ｐ側電子閉込め層を設ける場合、好ましくは、このｐ側
障壁層はｎ型不純物を実質的に含まないことでこれを回
避でき、具体的には５×１０１６／ｃｍ３未満となるよ
うにする。
【００８１】障壁層の膜厚としては、特に限定されない
が、５０ｎｍ以下として量子井戸構造を構成することで
あり、好ましくは井戸層と同様に１ｎｍ以上３０ｎｍ以
下の範囲することであり、これは３０ｎｍ以下とするこ
とで結晶性の悪化を抑えて、１ｎｍ以上とすることで、
障壁層として良好に機能しうる膜厚となるからである。
更に好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることであ
り、これにより、２ｎｍ以上であることで比較的均一な
膜が形成され、より良好に障壁層の機能が備わり、２０
ｎｍ以下とすることで結晶性が良好なものとなる。
【００８２】本発明の量子井戸構造の活性層において、
好ましい実施形態としては、上記４元混晶のＡｌｘＩｎ
ｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ
＜１）からなる井戸層と、４元混晶のＡｌｕＩｎｖＧａ
１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）
若しくは３元混晶のＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０＜ｕ＜１）
からなる障壁層と、を１対以上有するものである。具体
的には、図７の活性層１２として示すように、ＩｎＡｌ
ＧａＮの井戸層１を１層以上、ＩｎＡｌＧａＮ若しくは
ＡｌＧａＮの障壁層２を１層以上有することであり、こ
れにより、Ｉｎを含む窒化物半導体の井戸層により、内
部量子効率、発光効率に優れた井戸層となり、さらにＡ
ｌを含む窒化物半導体により、そのＡｌ組成比を調整す
ることで、図１０に示すように、３８０ｎｍ以下の短波
長域での発光が可能な井戸層とできる。また、その井戸
層１よりも大きなバンドギャップエネルギーの障壁層２
を、ＩｎＡｌＧａＮ若しくはＡｌＧａＮとすることで、
上記短波長域においても、優れた障壁層を提供できる。
【００８３】図１１からわかるように、波長３７０ｎｍ
以上の領域において、井戸層のＩｎ混晶比ｘをＡｌ混晶
比ｙ以上に大きくしても（ｘ≧ｙ）、閾値電流密度が大
きく変化せず、良好な発振特性のレーザ素子が得られ、
すなわちＡｌ混晶比ｙが０＜ｙ≦０．１の範囲におい
て、ｘ≧ｙとすることで、良好な発光素子、レーザ素子
が得られる。一方で、図１０に示すように、井戸層のＡ
ｌ混晶比ｙをＩｎ混晶比ｘ以上に大きくすること（ｙ≧
ｘ）により、発光波長（発振波長）を３８０ｎｍ以下の
範囲と短波長の発光が得られ、すなわち、井戸層のＩｎ
混晶比ｘが０＜ｘ≦０．１の範囲において、Ａｌ混晶比
ｙをｘに比べて大きくすること（ｙ≧ｘ）で、短波長の
発光が得られる。これら井戸層におけるＡｌ混晶比とＩ
ｎ混晶比の関係において、上記４元混晶ＩｎＡｌＧａＮ
の井戸層で、Ｇａの混晶比ｚ（ｚ＝１−ｘ−ｙ）は、Ｉ
ｎ混晶比ｘ、Ａｌ混晶比ｙよりも大きくすること、ｚ＞
ｘ、ｚ＞ｙであることにより、上記の傾向を示す井戸
層、活性層が得られる。好ましくは、０＜ｘ≦０．１，
０＜ｙ≦０．１において、ｚ＞ｘ、ｚ＞ｙとなるよう
に、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮを用いることである。
【００８４】[実施形態１Ｂ（レーザ素子、導波路構
造）］本発明のもう１つの実施形態１Ｂは、窒化物半導
体素子構造として、実施形態１Ａの活性層を、第１導電
型層、第２導電型層とで、挟み込む構造を有するレーザ
素子である。具体的には、図２（ａ）に示すように、基
板上に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層
１３とが積層された構造を有し、さらには、第１導電型
層１１内に第１の光ガイド層２６、第２導電型層１３内
に第２の光ガイド層２９、が少なくとも設けられ、これ
ら第１、第２の光ガイド層２６，２９とで、活性層を挟
み込む構造を有し、第１，２の光ガイド層とその間の活
性層とで導波路を形成する。更に、後述するように、第
１導電型層が下部クラッド層２５、第２導電型層が上部
クラッド層３０をそれぞれ有する場合には、この上部、
下部クラッド層２５，３０とで挟み込まれ、活性層を含
む領域が、導波路となる。上部クラッド層２５、下部ク
ラッド層３０とで、挟まれた導波路内に光ガイド層を設
けると、閾値電流密度を低減させ、高出力のレーザ素子
が得られる。以下に、導波路に光ガイド層を有する素子
構造について、説明する。
【００８５】本発明の実施形態１Ｂにおいて、図２
（ａ）に示すように、導波路として、活性層１２と、第
１導電型層１１内の第１の光ガイド層２９、第２導電型
層内の第２の光ガイド層２６とが、設けられた構造を有
し、特に上述した波長３８０ｎｍ以下の活性層を用いた
導波路が設けられた構造を特徴とする素子である。
【００８６】この導波路は、主に活性層からの光を導波
させるものであり、この導波路構造によりレーザ素子、
端面発光素子において、発光効率、閾値電流密度、その
他の素子特性が様々に変化する。光ガイド層は、このよ
うに、活性層を挟んで形成されるが、第１導電型層、第
２導電型層の少なくとも一方のみに光ガイド層を形成す
ること、すなわち、第１の光ガイド層若しくは第２の光
ガイド層だけでもよいが、好ましくは活性層の両側に、
光ガイド層を設けることで、閾値電流密度が低下し、高
出力のレーザ素子が得られる。
【００８７】本発明の第１の光ガイド層２６、第２の光
ガイド層２９としては、Ａｌを含む窒化物半導体が用い
られ、また、図３（ｂ）〜図６のバンド構造４１として
示すように、少なくとも量子井戸構造の活性層２７内の
井戸層１よりも大きなバンドギャップエネルギーとし、
また活性層２７と光ガイド層２６，２９との屈折率差を
小さくして、導波路構造とする。また、光ガイド層は、
図６に示すように、障壁層よりもバンドギャップエネル
ギーが小さくても良く、図３（ｂ）〜５に示すように、
大きくても良い。光ガイド層の組成として具体的には、
ＩｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ（０≦α、０＜β、α＋
β≦１）が用いられる。好ましくは、Ｉｎを含まない窒
化物半導体とすること、すなわち、Ｉｎ組成比が０の窒
化物半導体とすることで、Ｉｎを含むことによる光の吸
収を防ぎ、光の損失を低く抑えた導波路とできる。さら
に、好ましくはＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用
いることで、紫外域から赤色域までの幅広い波長域に適
用できる導波路となる。特に上記波長３８０ｎｍ以下の
短波長域の光を導波させるには、好ましくはＡｌβＧａ
１−βＮ（０＜β≦１）が用いられる。これは、ＧａＮ
では、上記短波長域の光を吸収し、それが損失となっ
て、閾値電流密度、電流−光出力特性を悪化させるから
である。特に、光ガイド層のＡｌ組成比βは、光ガイド
層のバンドギャップエネルギーＥｇ、活性層の発光の光
子エネルギーＥｐに比べて、０．０５ｅＶ以上大きくな
るように（Ｅｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅＶ）、調整すること
が好ましい。これにより、上記短波長域において、ガイ
ド層による光の損失が抑えられた導波路となるからであ
り、更に好ましくはＥｇ−Ｅｐ≧０．１とすることで、
更に優れた導波路が形成される。
【００８８】ここで、図３（ａ），（ｂ）は、本発明の
窒化物半導体素子において、素子の積層構造４０と、そ
れに対応したバンド構造４１を示すものであり、積層構
造４０は、井戸層１と障壁層２とを有する量子井戸構造
の活性層２７を、第１導電型層１１と第２導電型層１３
とで挟み込む構造を示すものである。図４〜６は、図３
（ｂ）と同様にバンド構造４１を示すものである。
【００８９】また第１の光ガイド層２６、第２の光ガイ
ド層２９は、どちらか一方若しくは両方が、単一膜で形
成されていても良く、多層膜で形成されていても良い。
単一膜の窒化物半導体からなる光ガイド層を形成する場
合には、図３（ａ）に示すように、活性層２７を挟む第
１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９の積層構造
４０が設けられ、そのバンド構造４１は、活性層よりも
バンドギャップエネルギーが大きくなるようにする。具
体的には、上記ＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用
いることであり、上記短波長域においてはＡｌβＧａ
１−βＮ（０＜β≦１）を用い、さらに好ましくは上述
したように第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層のバ
ンドギャップエネルギーＥｇが、光子エネルギーＥｐに
比べて、０．０５ｅＶ以上大きいこと（Ｅｇ−Ｅｐ≧
０．０５ｅＶ、好ましくはＥｇ−Ｅｐ≧０．１）となる
ように、Ａｌ組成比βを調節する。
【００９０】第１の光ガイド層、第２の光ガイド層の膜
厚としては、特に限定されず、具体的には、１０ｎｍ以
上５μｍ以下の範囲であり、好ましくは２０ｎｍ以上１
μｍ以下の範囲であり、更に好ましくは５０ｎｍ以上３
００ｎｍ以下の範囲とする。これにより、１０ｎｍ以上
でガイド層として機能し、２０ｎｍ以上とすることで閾
値電流密度を低下させる導波路が形成される傾向にあ
り、５０ｎｍ以上とすることで更に閾値電流密度を低下
させる傾向にあるためである。また、５μｍ以下ではガ
イド層として機能し、１μｍ以下で光が導波する際の損
失を減少させ、３００ｎｍ以下とすることで光の損失を
更に抑えられる傾向にあるためである。
【００９１】本発明の光ガイド層を多層膜の窒化物半導
体で構成しても良く、その場合も上記と同様に、Ｉｎを
含まない窒化物半導体を用いることが好ましく、さらに
上記ＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用いることが
好ましく、上記短波長域においてはＡｌβＧａ１−βＮ
（０＜β≦１）を用いることが好ましく、この窒化物半
導体を用いて少なくとも互いに組成の異なる窒化物半導
体層を各々の光ガイド層に１層以上用いた多層膜とす
る。具体的には、第１の光ガイド層２６に、第１の層、
第１の層と異なる組成の第２の層、第２の光ガイド層２
９に、第３の層と、第３の層と異なる組成の第４の層、
を用いる。ここで、第１〜４の層は、窒化物半導体から
なる。これにより、各ガイド層内の第１の層と第２の層
との間、第３の層と第４の層との間、において、Ａｌ組
成比を異なるようにして、バンドギャップエネルギー、
屈折率の異なる多層膜構造としても良い。
【００９２】例えば、第１導電型層、活性層、第２導電
型層が積層された構造で、第１の光ガイド層が、第１の
層と第２の層とを有し、第２の光ガイド層が第３の層
と、第４の層とを有し、第２の層と第３の層とを活性層
側に配置して、第１の層と第４の層とを活性層から遠い
位置に配置した構造として、バンドギャップエネルギー
を活性層に近づくに従って段階的に小さくした構造とす
る。
【００９３】具体的には、活性層側の第２の層、第３の
層のＡｌ組成比β２、β２を、活性層から遠い第１の
層、第４の層のＡｌ組成比β１，β４よりも小さくする
こと、β１＞β２、β４＞β３とすることで、段階的な
バンド構造となり、導波路内の活性層にキャリアが効率
的に注入され、また活性層及び活性層付近が屈折率が大
きくなることから、導波路内で活性層付近に光が多く分
布した構造とできる。このように、光ガイド層を多層膜
とするのには、Ａｌ組成比を大きくすると結晶性の悪化
する傾向にあり、単一膜で光ガイド層を形成することが
結晶性の悪化により困難な場合、若しくは特性悪化が発
生する場合に、多層膜で形成して結晶性の悪化を小さく
抑えることができるからである。
【００９４】また、上記、β１＞β２、β４＞β３とは
逆に、β１＜β２、β４＜β３として、活性層に近いガ
イド層（第２の層、第３の層）のバンドギャップエネル
ギーを大きくし、屈折率を小さくし、遠いガイド層（第
１の層、第４の層）を小さくし、屈折率を大きくするこ
とも可能であるが、好ましくは上記キャリア注入、光の
分布が良好となることから、β１＞β２、β４＞β３と
することである。また、多層膜の光ガイド層とする場合
に、上記第１〜４の層に限らず、各光ガイド層を３層以
上で構成しても良く、第１の層（第３の層）と第２の層
（第４の層）と交互に複数積層した、すなわち第１の層
と第２の層とを１対として複数の対を積層してガイド層
を構成しても良い。
【００９５】また、多層膜の光ガイド層とする場合に
は、上記条件式、Ｅｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅＶ、を計算す
る場合には、光ガイド層全体の平均組成により算出す
る。例えば、Ａｌβ１Ｇａ１−β１Ｎ（０＜β１≦１）
からなる膜厚ｄ１の第１の層、Ａｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ
（０＜β２≦１、β１≠β２）からなる膜厚ｄ２の第２
の層、で第１の光ガイド層を構成する場合には、Ａｌの
平均組成βｍが、βｍ＝（ｄ１×β１＋ｄ２×β２）／
（ｄ１＋ｄ２）、で得られる。
【００９６】また、本発明の光ガイド層において、図４
に示すように、活性層に近づくに従ってバンドギャップ
エネルギーが小さくなるように、組成傾斜させたＧＲＩ
Ｎ構造としてもよい。具体的には、Ａｌ組成比βを傾斜
させること、すなわち活性層に近づくに従ってＡｌ組成
比βが小さくなるように組成傾斜させることで、ＧＲＩ
Ｎ構造とできキャリアの注入効率が向上する。この時、
組成傾斜は、図４に示すように連続的に組成を傾斜させ
ても良く、不連続で段階的に組成を傾斜させても良い。
また、超格子多層膜構造のように、例えば、上記第１の
光ガイド層の第１の層／第２の層を交互に積層した複数
対を有する構造においても、Ａｌを組成傾斜させて、活
性層に近づくに従ってバンドギャップエネルギーが小さ
くなるようにしても良く、この場合、少なくともいずれ
か一方の層だけ、例えば第１の層だけを組成傾斜させて
も良く、対を構成する全ての層、例えば第１の層及び第
２の層を組成傾斜させても良い。また、光ガイド層の膜
厚方向において、部分的に組成傾斜が設けられていても
良く、好ましくは膜厚方向における全ての領域で組成傾
斜させる方がキャリアの注入効率が向上する傾向にあ
る。
【００９７】更に、多層膜の光ガイド層において、図５
に示すように、多層膜の超格子構造としても良く、超格
子構造を用いることで、上記Ａｌを含む窒化物半導体に
よる結晶性の悪化を抑制して、良好な結晶性の導波路を
形成することができる。具体的には、第１の光ガイド層
２６において、前記第１の層と、第２の層とを交互に積
層して、少なくとも一方を２層以上、好ましくは各層を
２層以上とすること、若しくは第１の層と第２の層とを
１対として複数対積層した構造とする。この時、各層の
窒化物半導体の組成は上記と同様であるが、好ましく
は、第１の層／第２の層が、Ａｌβ１Ｇａ１−β１Ｎ
（０≦β１≦１）／Ａｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ（０≦β２
≦１、β１≠β２）、上記短波長域においてはＡｌβ１
Ｇａ１−β１Ｎ（０＜β１≦１）／Ａｌβ２Ｇａ
１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１≠β２）を用いること
で、光の損失を抑えて、なおかつ超格子構造により結晶
性の悪化も抑えた導波路が形成される。光ガイド層を超
格子構造とするには、多層膜を構成する各層の膜厚が超
格子となるように設定することであり、組成及び各層の
組み合わせによりその膜厚は異なるが、具体的には、１
０ｎｍ以下とすることであり、好ましくは７．５ｎｍ以
下とすることで結晶性を良好に保つことができ、更に好
ましくは５ｎｍ以下とすることで、より良好な結晶性と
することができる。
【００９８】また、本発明の光ガイド層において、各導
電型の不純物は、少なくともドープされることがキャリ
アの移動・注入が良好となるため好ましく、この時導電
型の不純物は、光ガイド層の一部若しくは部分的にドー
プする形態、全体にドープする形態、のいずれかでも良
い。また、多層膜の光ガイド層においては、例えば前記
第１の層、第２の層を有する第１の光ガイド層におい
て、両方にドープしても良く、又は第１の層と第２の層
とで異なるドープ量とするか、一方にドープして、他方
をアンドープとした変調ドープとしても良い。例えば上
記第１の光ガイド層において第１の層と第２の層とを交
互に積層した、若しくは、複数対設けた構造のような超
格子多層膜構造において好ましくは、一方の層、例えば
第１の層にのみドープした変調ドープとすることで、不
純物ドープによる結晶性の悪化を抑えることができる。
更に好ましくは、Ａｌ組成比の低い層にのみドープする
ことで、結晶性の良好な層にドープすることができ、不
純物ドープによる結晶性の悪化を抑えて、不純物ドープ
による活性化も良好なものとなり好ましい。これは、例
えば、前記第１の層／第２の層が、Ａｌβ１Ｇａ
１−β１Ｎ（０≦β１≦１）／Ａｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ
（０＜β２≦１、β１＜β２）の超格子多層膜構造であ
る第１の光ガイド層において、Ａｌ組成比の小さい第２
の層に不純物ドープして、第１の層をアンドープとする
ことで、Ａｌ組成比の小さい第２の層は第１の層より結
晶性が良く、このためこの結晶性の良い層に不純物ドー
プすることで、良好な活性化が実現され、キャリアの移
動・注入に優れた光ガイド層となる。
【００９９】更に、本発明の光ガイド層の不純物ドープ
について、図６（ａ）〜図６（ｄ）に、ドープ量変化４
２として示すように、第１，２の光ガイド層２６，２９
において、不純物ドープ量を、活性層に近づくに従って
ドープ量を小さくする、若しくは、活性層から遠い領域
に比べて活性層に近い領域のドープ量を小さくすると、
導波路、特に光ガイド層内において、光の損失を更に減
少させて、良好な光の導波を実現でき、閾値電流密度の
低減、駆動電流の低減化を図ることができる。これは、
不純物ドープした領域を光が導波すると、不純物により
光の吸収が発生しするために光の損失が起こるからであ
る。
【０１００】これに加えて、導波路は上述したように、
第１の光ガイド層２６と第２の光ガイド層２９とで活性
層２７を挟む構造を少なくとも有しており、さらにその
ガイド層の外側若しくは導波路を、ガイド層より屈折率
の小さい上部・下部クラッド層２５，３０とで挟む構造
でもって光が導波路内に閉じこめられた構造となり、導
波路内の活性層及び活性層近傍に多くの光が分布するた
め、その活性層近傍の領域において不純物ドープ量を少
なくすることで、光が多く分布する領域での光の損失が
減少することとなり、光の損失の少ない導波路となる。
【０１０１】具体的には、第１の光ガイド層、第２の光
ガイド層において、各層の膜厚の半分で領域を区切り活
性層に近い領域と遠い領域を考えた場合、活性層に近い
領域の導電型不純物濃度を、活性層に遠い領域の不純物
濃度よりも小さくすることである。光ガイド層の不純物
濃度としては、特に限定されないが、具体的には活性層
に近い領域において５×１０１７／ｃｍ３以下とするこ
とである。ここで、上記不純物ドープとは、第１の光ガ
イド層に第１導電型の不純物ドープ、第２の光ガイド層
に第２導電型の不純物ドープ、することを指すものであ
る。
【０１０２】光ガイド層内でドープ量を変化させる形態
としては、具体例として、図６（ｂ）〜図６（ｄ）にド
ープ量変化４２ａ、４２ｂ、４２ｃとして示すように、
各光ガイド層内において、活性層に近づくに従ってなだ
らかに、連続的にドープ量を小さくする形態（４２
ａ）、不連続で段階的にドープ量を小さくする形態（４
２ｂ）、またその段階的なドープ量変化を細かくし、光
ガイド層内で部分的にドープ量変化を設ける形態（４２
ｃ）、のいずれかでも良く、またこれらを組み合わせて
用いても良い。
【０１０３】好ましくは、光ガイド層内において、活性
層側からの距離が、５０ｎｍ以下の領域をアンドープと
することで光の損失低減が可能となり、好ましくは１０
０ｎｍ以下の領域をアンドープとすることで良好な光損
失の低減、閾値電流密度、駆動電流の低減が可能とな
る。この時、光ガイド層の膜厚は、アンドープ領域を５
０ｎｍ以下の領域とする場合には、５０ｎｍ以上の膜厚
とし、１００ｎｍ以下の領域とする場合には、１００ｎ
ｍ以上の膜厚とすることはいうまでもない。この時、上
記アンドープ領域を光ガイド層内に設ける場合、好まし
くは、上述した組成傾斜構造の光ガイド層と組み合わせ
て用いることであり、これは図４に示すように、バンド
ギャップエネルギーが、活性層に近づくに従って小さく
なるバンド構造であることにより、不純部ドープされな
い領域が活性層近傍に設けられても、キャリアの注入効
率の低下を抑えた光ガイド層が形成されるためである。
この時、組成傾斜の光ガイド層は、上述したようにＧＲ
ＩＮ構造が好ましく、また上記多層膜構造で、バンドギ
ャップエネルギーが活性層に近づくに従って小さくなる
構造であっても、アンドープ領域の形成に効果がある。
ここで、各光ガイド層内において、成長時に不純物ドー
プしなくても、すなわちアンドープで光ガイド層を成長
させても、隣接層から不純物が拡散する場合があり、そ
の場合にはアンドープで成長させた上記領域において
も、不純物がドープされたものとなる。
【０１０４】具体的には、ｐ型不純物として好ましく用
いられるＭｇは、このような拡散現象が起こりやすく、
実施例１で示すように、アンドープでｐ側光ガイド層を
形成しても、隣接層の電子閉込め層とクラッド層からの
拡散により、ｐ型不純物がドープされる。このように、
拡散により不純物ドープが成される場合には、上述した
ように活性層に近い領域の不純物濃度を、遠い領域より
も小さくすることである。このようなドープ領域は、少
なくとも一方の光ガイド層に設けることが好ましく、更
に好ましくは両方の光ガイド層に設けることで光の損失
を低減させた導波路となる。
【０１０５】また、上記光ガイド層における層構成、不
純物ドープの形態、組成、膜厚などは、第１の光ガイド
層、第２の光ガイド層とで同様なものとしても良く、異
なるようにしても良い。例えば、第１の光ガイド層を単
一膜とし、第２の光ガイド層を多層膜として、両光ガイ
ド層の層構成を異なるようにした形態などがある。
【０１０６】（クラッド層）上記実施形態１Ａ、実施形
態１Ｂにおいて、第１導電型層、活性層、第２導電型層
とが積層された構造で、第１導電型層が下部クラッド層
を有し、第２導電型層が上部クラッド層を有する窒化物
半導体素子としても良い。具体的には、図２（ａ）に示
すように、基板上に、第１導電型層１１、活性層１２、
第２導電型層１３とが積層された構造を有し、さらに
は、第１導電型層１１内に下部クラッド層２５、第２導
電型層１３内に上部クラッド層３０、が少なくとも設け
られ、これら上部、下部クラッド層２５，３０とで、活
性層を挟み込む構造を有している。上部クラッド層２
５、下部クラッド層３０とで、挟まれた導波路内に、上
述した光ガイド層を設けても良い。以下に、クラッド層
を有する素子構造について、説明する。
【０１０７】上部、下部クラッド層２５，３０の組成
は、図３（ｂ）〜図６（ａ）のバンド構造４１に示すよ
うに、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きく
なるようにするものであり、また上記レーザ素子、端面
発光素子において第１，２の光ガイド層２６，２９を有
する場合には、光ガイド層と同等若しくはそれより大き
くする。これは、上部・下部クラッド層をキャリア閉込
め、光閉込めとして機能させるものであり、光ガイド層
を有する場合には光閉込め層として機能させる。クラッ
ド層に用いられる窒化物半導体としては、Ａｌを含む窒
化物半導体が好ましく用いられ、ＩｎａＡｌｂＧａ
１−ａ−ｂＮ（０≦ａ、０＜ｂ、ａ＋ｂ≦１）で表され
る窒化物半導体が用いられる。好ましくは、Ｉｎ組成比
ａが０の窒化物半導体を用いることで、Ｉｎを含む窒化
物半導体ではクラッド層内で光の吸収による損失が発生
しやすい傾向にあるからである。このため、好ましくは
ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）で表される窒化物半
導体を用いることで、良好な光閉込め、更にガイド層を
設けない場合には、良好なキャリア閉込めが可能とな
る。
【０１０８】レーザ素子、端面発光素子において、導波
路を上部、下部クラッド層で挟む構造において、導波路
とクラッド層との間、具体的には活性層及び／又は光ガ
イド層との間、に十分な屈折率差を設けて、導波路内に
光が閉じこめられて、光が導波する構成とする。このよ
うな屈折率差を設けるには、ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜
ｂ≦１）が好ましく用いられ、光ガイド層のＡｌ組成
（平均組成）比βとの間で、少なくともβ≦ｂの関係を
満たすようにし、好ましくはｂ−β≧０．０５となるよ
うにすることで十分な屈折率差が設けられる。また、ク
ラッド層による光の閉込めは、クラッド層の膜厚にも依
存するため、膜厚も考慮して窒化物半導体の組成を決定
する。
【０１０９】本発明のクラッド層は、上記光ガイド層と
同様に、単一膜で形成しても良く、多層膜で形成しても
良く、また多層膜超格子構造としても良い。単一膜でク
ラッド層を形成する場合には、上記窒化物半導体からな
る単一膜を形成することで、多層膜で形成する場合に比
べて、光、キャリア閉込め構造の設計が容易であり、ま
たクラッド層の成長にかかる時間を短縮できる。一方
で、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体は、結晶
性良く成長させることが困難で、特に単一膜のように、
ある一定以上の膜厚で成長させるとクラックが発生しや
すくなる。
【０１１０】クラッド層を多層膜で形成する場合には、
組成の異なる窒化物半導体を複数積層するものであり、
具体的にはＡｌ組成比の異なる窒化物半導体を複数積層
する。このように多層膜で形成すると、単一膜の場合に
おける結晶性の悪化、クラックの発生を、抑制すること
が可能となる。
【０１１１】具体的には、多層膜として、第１の層と、
それと異なる組成の第２の層とを積層し、屈折率、バン
ドギャップエネルギーの異なる層を複数設ける。例え
ば、Ａｌ組成比ｂ１の第１の層と、Ａｌ組成比ｂ２（ｂ
１≠ｂ２）の第２の層とを積層した構造の多層膜でも良
く、この時Ａｌ組成比をｂ１＜ｂ２（０≦ｂ１、ｂ２≦
１）とした構成とすると、Ａｌ組成比の大きな第１の層
で屈折率、バンドギャップエネルギーを大きくし、Ａｌ
組成比の小さい第２の層で、第１の層を形成することに
よる結晶性の悪化を抑えることができる。また、第１の
層、第２の層を積層し、第２の層と組成の異なる第３の
層を積層するなどして、更に複数の組成の異なる層を積
層しても良い。また、第１の層、第２の層を交互に複数
積層した構造であっても良く、少なくとも第１の層、第
２の層を有する対を、複数対形成した構造としても良
い。このような、多層膜構造では、Ａｌを含む窒化物半
導体の結晶性悪化を抑えて、膜厚を大きくすることがで
きるため、光閉込めにおいて重要となる膜厚を得ること
が可能となる。
【０１１２】多層膜構造のクラッド層において、超格子
構造とすることで、更に結晶性を良好なものとして、ク
ラッド層を形成することができ好ましい。ここで、超格
子構造は、クラッド層の少なくとも一部に設けることで
あり、好ましくは全てにおいて超格子構造を設けること
で、結晶性良くクラッド層を形成できる。この時、著格
子構造としては、光ガイド層の場合と同様に、少なくと
も第１の層と、第２の層とを交互に複数積層したり、少
なくとも第１の層と第２の層とを有する対を、複数対設
けた構造とする。超格子構造を構成する各層の膜厚とし
ては、組成及び各層の組み合わせによりその膜厚は異な
るが、具体的には、１０ｎｍ以下とすることであり、好
ましくは７．５ｎｍ以下とすることで結晶性を良好に保
つことができ、更に好ましくは５ｎｍ以下とすること
で、より良好な結晶性とすることができる。
【０１１３】クラッド層には、少なくとも各導電型の不
純物をドープすることが好ましく、光ガイド層と同様
に、全体にドープしても、部分的にドープしても良い。
また、多層膜の場合にも光ガイド層と同様に、例えば前
記第１の層、第２の層を有する多層膜で、両方にドープ
しても良く、又は第１の層と第２の層とで異なるドープ
量とするか、一方にドープして、他方をアンドープとし
た変調ドープとしても良い。例えば、前記第１の層／第
２の層が、Ａｌｂ１Ｇａ１−ｂ１Ｎ（０≦ｂ１≦１）／
Ａｌｂ２Ｇａ１−ｂ２Ｎ（０＜ｂ２≦ｂ１、ｂ１＜ｂ
２）の超格子多層膜構造である場合に、Ａｌ組成比の小
さい第２の層に不純物ドープして、第１の層をアンドー
プとすることで、光ガイド層と同様に結晶性を良くする
ことができる。
【０１１４】クラッド層の膜厚としては特に限定されな
いが、１０ｎｍ以上２μｍ以下、５０ｎｍ以上１μｍ以
下の範囲で形成する。これは、１０ｎｍ以上とすること
でキャリアの閉込めが可能で、２μｍ以下とすること
で、結晶性の悪化を抑え、更に５０ｎｍ以上とすること
で光閉込めが可能となりレーザ素子、端面発光素子など
に用いることができ、１μｍ以下とすることで、結晶性
良くクラッド層を形成することができる。
【０１１５】ここで、上部クラッド層、下部クラッド層
としては、Ａｌを含む窒化物半導体が好ましく用いら
れ、このことにより、導波路と両クラッド層との間で、
屈折率差を大きくとることができる。このとき、クラッ
ド層の窒化物半導体には、Ｉｎを含まないことが好まし
く、なぜなら、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含ま
ない場合に比べて、結晶性が悪化する傾向にあり、特
に、活性層の上にｐ側クラッド層を有する構造では、そ
のｐ側クラッド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いる
と、結晶性の悪化が大きく、素子特性を大きく悪化させ
るものとなる。このとき、クラッド層に用いる窒化物半
導体として具体的には、ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜ｂ＜１）
が好ましく用いられる。
【０１１６】（キャリア閉込め層＜ｐ側電子閉込め層
＞）本発明において、図３（ｂ）、図４のバンド構造４
１に示すように、活性層２７内部、若しくは活性層近傍
にキャリア閉込め層２８を設けても良い。図に示すよう
に、レーザ素子、端面発光素子のように、光ガイド層２
６，２９、クラッド層２５，３０を有する構造の場合に
は、光ガイド層２６，２９と活性層２７との間、又は、
活性層若しくは光ガイド層の一部として設けると良い。
ここで、このキャリア閉込め層は、キャリアを活性層若
しくは井戸層内に閉じ込めるもので、レーザ素子、高出
力の発光素子などにおいて、素子駆動などによる温度上
昇、電流密度増大によって、キャリアが活性層をオーバ
ーフローすることを防ぐことが可能となり、活性層内に
キャリアが効率的に注入される構造とできる。
【０１１７】具体的には、図４に示すように、第２導電
型層側に配置されたキャリア閉込め層２８ｂにより、第
１導電型層からのキャリアを閉込め、第１導電型層側の
キャリア閉込め層２８ａにより、第２導電型層からのキ
ャリアを閉込める。このキャリアを閉込め層は、少なく
とも一方に設けることが好ましく、実施例１に示すよう
に、第１導電型層をｎ型、第２導電型層をｐ型とした素
子において、少なくともｐ型層側にキャリアを閉込め層
を設けることが好ましい。これは、窒化物半導体におい
て、電子の拡散長がホールの拡散長に比べて長いため、
電子の方が活性層をオーバーフローしやすく、このため
電子を閉じ込めるキャリア閉込め層２８をｐ型層側に設
けることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られ
る。以下ｐ型層側にキャリアを閉込め層を、ｐ側電子閉
込め層として設ける例を説明するが、それは導電型層を
代えることでｎ型層側にも適用できるものである。特
に、ｐ側電子閉込め層を少なくとも設けることが好まし
く、これは、電子がホールに比べて、キャリア拡散長が
長く、活性層をオーバーフローしやすいためである。
【０１１８】このｐ側電子閉込め層としては、Ａｌを含
む窒化物半導体を用いるものであり、具体的にはＡｌｃ
Ｇａ１−ｃＮ（０＜ｃ＜１）を用いる。この時、Ａｌ組
成比ｃとしては、キャリア閉込め層として機能するよう
に、活性層より十分に大きなバンドギャップエネルギー
を有する（オフセットをとる）必要があり、少なくとも
０．１≦ｃ＜１の範囲とすることであり、好ましくは
０．２≦ｓ＜０．５の範囲とすることである。なぜな
ら、ｃが０．１以下であるとレーザ素子において、十分
な電子閉込め層として機能せず、０．２以上であると十
分に電子閉込め（キャリアの閉込め）がなされ、キャリ
アのオーバーフローを抑え、加えて０．５以下であると
クラックの発生を低く抑えて成長させることができ、更
に好ましくはｃを０．３５以下とすることで良好な結晶
性で成長できる。また、上記光ガイド層を有する場合に
は、それよりも大きいバンドギャップエネルギーのキャ
リアを閉込め層とすることが好ましく、上記クラッド層
を有する場合には、クラッド層とほぼ同じかそれよりも
大きなバンドギャップエネルギーのキャリアを閉込め層
とすることである。これはキャリアの閉込めには光の閉
込めとなるクラッド層より高い混晶比の窒化物半導体が
必要となるからである。
【０１１９】このｐ側電子閉込め層は、本発明の窒化物
半導体素子に用いることができ、特にレーザ素子のよう
に、大電流で駆動させ、多量のキャリアを活性層内に注
入する場合において、ｐ側電子閉込め層を有していない
場合に比べて、効果的なキャリアの閉込めを可能とし、
レーザ素子だけでなく、高出力のＬＥＤにも用いること
ができる。
【０１２０】本発明のキャリア閉込め層の膜厚として
は、少なくとも１００ｎｍ以下とすることであり、好ま
しくは４０ｎｍ以下とすることである。これは、Ａｌを
含む窒化物半導体は、他の窒化物半導体（Ａｌを含まな
い）に比べて、バルク抵抗が大きく、更にｐ側電子閉込
め層のＡｌ混晶比は上述したように高く設定されるた
め、１００ｎｍを超えて素子内に設けると、極めて高抵
抗な層となり、順方向電圧Ｖｆの大幅な増加を招くこと
となるためであり、４０ｎｍ以下であるとＶｆの上昇を
低く抑えることが可能で、更に好ましくは２０ｎｍ以下
とすることで更に低く抑えることが可能となる。ここ
で、ｐ側電子閉込め層の膜厚の下限としては、少なくと
も１ｎｍ以上、好ましくは５ｎｍ以上とすることで、電
子閉込めとして良好に機能する。ここで、キャリアを閉
込め層は、単一膜で形成して良く、組成異なる多層膜で
形成しても良い。
【０１２１】また、本発明の窒化物半導体素子におい
て、光ガイド層を設けずに、クラッド層だけを設ける場
合には、活性層とクラッド層との間に上述したようにキ
ャリアを閉込めに十分なバンドオフセットが存在すれ
ば、キャリアを閉込め層を、クラッド層とは別に設ける
必要はないが、光ガイド層を有する構造のように、クラ
ッド層が活性層から離間して配置される場合には、活性
層とクラッド層との間に、好ましくは活性層近傍にキャ
リアを閉込め層を設けること良い。これは、活性層から
離れた位置にキャリアを閉込め層を設けると上記キャリ
アのオーバーフローを抑制する効果がなくなるからであ
る。具体的には、活性層とｐ側電子閉込め層（キャリア
閉込め層）との距離は、１００ｎｍ以下とすることでキ
ャリアの閉込めとして機能し、更に好ましくは５００Å
以下とすることで良好なキャリアの閉込めが可能とな
る。活性層外部にキャリアを閉込め層を配置する場合に
は、最も好ましくは活性層に接して配置することで、最
も効率よくキャリアが活性層内に閉じ込められる。活性
層内部に配置する場合には、障壁層若しくはその一部と
して設けることができ、具体的には、活性層内で各導電
型層に最も近い位置に、すなわち活性層内で最も外側の
層として、配置することで、活性層内部の井戸層内に、
キャリアが効率的に注入される。
【０１２２】例えば、図４において、キャリアを閉込め
層２８を、活性層内で最も外側の障壁層として設け、各
導電型層に最も近い層となる。このように、活性層内に
キャリアを閉込め層を設ける場合には、活性層内部の障
壁層に比べてバンドギャップエネルギーを大きくするも
のであり、活性層内部の障壁層は、最も外側を除く障壁
層であり、井戸層に挟まれた障壁層である。
【０１２３】本発明のｐ側電子閉込め層（キャリア閉込
め層）には、アンドープであっても、ｐ型不純物（各導
電型の不純物）がドープされても良い。好ましくは、各
導電型の不純物がドープされることであり、例えばｐ側
電子閉込め層ではｐ型不純物がドープされることで、こ
れはドープすることでキャリアの移動度が高まりＶｆを
低下できるためである。
【０１２４】さらにレーザ素子、ハイパワーＬＥＤなど
の大電流で駆動させる場合には、キャリアの移動度を高
めるため、高濃度でドープすることが好ましい。具体的
なドープ量としては、少なくとも５×１０１６／ｃｍ３
以上ドープすることで、好ましくは１×１０１８／ｃｍ
３以上ドープすることであり、前記大電流駆動の素子に
あっては、１×１０１８／ｃｍ３以上、好ましくは１×
１０１９／ｃｍ３以上ドープすることである。ｐ型不純
物量の上限は特に限定されないが、１×１０２ １／ｃｍ
３以下とすることである。但し、ｐ型不純物量が多くな
ると、バルク抵抗が大きくなる傾向にあり、結果として
Ｖｆが上昇することになるため、これを回避する場合に
好ましくは、必要なキャリア移動度を確保しうる最低限
のｐ型不純物濃度とすることである。また、アンドープ
でキャリア閉込め層を形成して、隣接層からの不純物拡
散によりドープすることも可能である。
【０１２５】また、ｎ側にｐ型キャリアの閉込め層を設
ける場合には、上記ｐ側電子閉込め層のように、活性層
・障壁層との間に大きなバンドオフセットを設ける必要
はない。これは、素子に電圧を印可すると、電子を閉じ
込めるオフセットが小さくなり、Ａｌ組成比の大きな窒
化物半導体の閉込め層を必要とするが、ホールを閉じ込
めるオフセットは殆ど変化しないため、ｐ側電子閉込め
層ほどＡｌ組成比を高くする必要がない。具体的には、
活性層内で最もｎ側に配置されたｎ側障壁層でもって、
ホールの閉込め層として機能させることができ、特に膜
厚を１０ｎｍ以上とすることで、優れたホール閉込め機
能を有することになる。
【０１２６】すなわち、実施例に示すように、ｎ側障壁
層２ａは、他の障壁層に比べて、膜厚を大きくすること
で、キャリアを閉込めの機能を好適に引き出すことがで
きる。これは、多重量子井戸構造において、他の障壁層
２ｂ、２ｃは、井戸層に挟まれた構造であるため、膜厚
を大きくするとキャリアが効率よく井戸層に注入される
のを妨げる場合が有るためであり、一方ｎ側障壁層２ａ
は、井戸層に挟まれずに形成されるため、キャリア閉込
めの機能を強くすることで、良好な活性層の構造とな
る。このｎ側障壁層は、好ましくは活性層内で最も外側
に配置された層であることにより、キャリア閉込めが有
効に機能し、また膜厚の上限は特に限定されないが、３
０ｎｍ以下とすることであり、多層膜で形成しても良
い。単一量子井戸構造においても同様に、ｎ側障壁層２
ａをキャリア閉込めとして機能させることで、井戸層内
にキャリアを好適に注入できる。
【０１２７】本発明の窒化物半導体のレーザ素子、端面
発光素子では、実施例に示すように、ストライプ状の導
波路として、リッジを設けた後、リッジ側面に埋込層と
なる絶縁膜を形成する。この時、埋込層としては、ここ
で、第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ２以外の材料、
好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる
群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、
ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で
形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化
物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。更に、
埋込層として、半絶縁性、ｉ型の窒化物半導体、リッジ
部とは逆の導電型、実施例においてはｎ型の窒化物半導
体、を用いることができ、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む
窒化物半導体により屈折率差を設けたり、電流阻止層と
して機能させたりすることで横方向の光の閉込めが実現
され、Ｉｎを含む窒化物半導体により光吸収係数差を設
けて、レーザ素子の光学特性が実現される。。また、エ
ッチングなどによりリッジを設けずに、Ｂ、Ａｌなどの
イオンを注入して、非注入領域をストライプ状として、
電流が流れる領域とする構造をとることもできる。
【０１２８】また、リッジ幅としては、１μｍ以上３μ
ｍ以下、好ましくは１．５μｍ以上２μｍ以下とするこ
とで、光ディスクシステムの光源として、優れたスポッ
ト形状、ビーム形状のレーザ光が得られる。
【０１２９】[実施形態２］次に、本発明の他の実施形
態２について説明するが、この実施形態２は、上述した
各実施形態と組み合わせて用いることもできる。
【０１３０】（活性層）本発明における活性層として
は、好ましくは量子井戸構造を有するものであり、Ｇａ
Ｎ若しくはＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を有
し、Ａｌを含む窒化物半導体若しくはＩｎとＡｌを含む
窒化物半導体からなる障壁層を有する。また、特に、活
性層における波長が、３７５ｎｍ以下の発光を有する短
波長に好ましく用いられ、具体的には前記井戸層のバン
ドギャップエネルギーが波長３７５ｎｍ以下であるもの
である。このとき、活性層に用いられる窒化物半導体
は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープ
のいずれでもよいが、好ましくはノンドープ若しくはア
ンドープ、又はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を活性
層内に設けることで、レーザ素子、発光素子などの窒化
物半導体素子において、高出力化が図れる。好ましく
は、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドー
プとすることで、レーザ素子、発光素子が高出力で発光
効率の高い素子となる。ここで、量子井戸構造として
は、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも
良い。好ましくは、多重量子井戸構造とすることで、出
力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能とな
る。活性層の量子井戸構造としては、前記井戸層、障壁
層を少なくとも１層ずつ積層したものを用いることがで
きる。この時、量子井戸構造である場合に、井戸層数と
しては、１以上４以下とすることで、例えばレーザ素
子、発光素子においては、閾値電流を低くすることが可
能となり好ましく、更に好ましくは、井戸層数を２又は
３とした多重量子井戸構造とすることで、高出力のレー
ザ素子、発光素子が得られる傾向にある。
【０１３１】（井戸層）本発明における井戸層として
は、ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体を用いるこ
とが好ましく、該ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体から
なる井戸層を活性層内に少なくとも１層有することであ
り、多重量子井戸構造においては、好ましくは、すべて
の井戸層が上記窒化物半導体からなる井戸層とすること
で、短波長化され、高出力、高効率の発光素子、レーザ
素子が得られる。発光スペクトルがほぼ単一ピークの場
合は、この構成が好ましいが、一方で複数のピークを有
する多色発光素子においては、前記ＧａＮ若しくはＡｌ
を含む窒化物半導体からなる井戸層を少なくとも１層有
することで、短波長域の発光ピークを得ることができ、
様々な発光色の発光素子、もしくは、その短波長域で励
起される蛍光体と組み合わせた発光装置に得ることが可
能である。この時、多色発光の素子とする場合に、井戸
層の具体的な組成としては、ＩｎαＧａ１−αＮ（０＜
α≦１）を用いることで、紫外域から可視光域までの良
好な発光・発振を可能とする井戸層となる。この時、Ｉ
ｎ混晶比により、発光波長を決めることができる。
【０１３２】本発明のＡｌを含む窒化物半導体からなる
井戸層は、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困難な波長
域、具体的には、ＧａＮのバンドギャップエネルギーで
ある波長３６５ｎｍ付近、若しくはそれより短い波長を
得るものであり、特に波長３７５ｍ以下の発光・発振が
可能なバンドギャップエネルギーを有する井戸層であ
る。これは、従来のＩｎＧａＮの井戸層では、ＧａＮの
バンドギャップエネルギーの波長３６５ｎｍ付近では、
例えば３７０ｎｍでは、Ｉｎ組成比が１％以下程度に調
整する必要があり、このようにＩｎ組成比が極端に小さ
くなると、発光効率が低下し、十分な出力の発光素子、
レーザ素子が得られがたく、またＩｎ組成比が１％以下
では、その成長を制御することも困難である。本発明で
は、好ましくはＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体
からなる井戸層を用いていることで、従来効率的な発光
が困難であった３７５ｎｍの波長域において、Ａｌ組成
比ｘを大きくすることでバンドギャップエネルギーを大
きくし、短波長のレーザ素子に用いることが可能であ
る。
【０１３３】ここで、井戸層に用いられるＡｌを含む窒
化物半導体の具体的な組成としては、ＡｌｘＩｎｙＧａ
１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）
で表される組成であり、好ましい組成としては、Ａｌｘ
Ｇａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）であり、上記井戸層がＧａ
Ｎである場合を含めて、本発明での好ましい井戸層の組
成は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒
化物半導体を用いることである。これは、窒化物半導体
の成長に用いられているＭＯＣＶＤ等の気相成長法で
は、構成元素が多くなると、構成元素間での反応が発生
しやすくなり、このため、上述したようにＢ、Ｐ、Ａ
ｓ、Ｓｂ等を用いて、５元混晶以上の多元化も可能であ
るが、好ましくはＡｌＩｎＧａＮの４元混晶とすること
で、この元素同士の反応を防いで、良好な結晶性で成長
させる。さらに、上記組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ
１−ｘ−ｙＮの４元混晶にあっては、成長時にＡｌとＩ
ｎとの反応により結晶性悪化の問題となる傾向があるた
めに、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮとすることでさら
に良好な結晶性での井戸層の形成が可能となり、これら
Ａｌを含む窒化物半導体では、Ａｌ混晶比を大きくする
ことで上記短波長域（λ≦３７５ｎｍ）において発光、
発振が可能な素子とできる。ここで、Ａｌ組成比ｘは、
特に限定されず、Ａｌ組成比を変化させることにより、
所望のバンドギャップエネルギー、波長を得ることであ
る。
【０１３４】本実施形態における量子井戸構造の活性層
は、上記２元、３元混晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ
≦１）からなる井戸層と、４元混晶のＡｌｕＩｎｖＧａ
１− ｕ−ｖＮ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）
若しくは３元混晶のＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０＜ｕ＜１）
からなる障壁層と、を１対以上有することが好ましい。
【０１３５】具体的には、図１２（ａ）（ｂ）および図
１４（ａ）（ｂ）の活性層１２として示すように、Ａｌ
ＧａＮの井戸層１を１層以上、ＩｎＡｌＧａＮ若しくは
ＡｌＧａＮの障壁層２を１層以上有することであり、こ
れにより内部量子効率、発光効率に優れた井戸層とな
り、さらにＡｌを含む窒化物半導体により、そのＡｌ組
成比を調整することで、図１２（ａ）に示すように、３
７５ｎｍ以下の短波長域での発光が可能な井戸層とでき
る。また、その井戸層１よりも大きなバンドギャップエ
ネルギーの障壁層２を、ＩｎＡｌＧａＮ若しくはＡｌＧ
ａＮとすることで、上記短波長域においても、優れた障
壁層を提供できる。
【０１３６】（活性層と隣接層）本実施形態２におい
て、活性層を挟む第１導電型層、第２導電型層の積層構
造で、特に、活性層の近くに配置される層、具体的には
活性層に接して隣接して配置される層と、活性層との関
係について、以下詳しく述べる。
【０１３７】従来提案されているレーザ素子構造は、図
１３（ａ）（ｂ）にそのバンド構造を、図１６に、図２
（ａ）の積層構造におけるＡｌ混晶比の変化を示しすよ
うに、活性層を挟む光ガイド層２６，２９、更にその両
外側を挟むクラッド層２５，３０の順にバンドギャップ
エネルギーが大きくなる構造が採られてきた。例えば、
波長４１０ｎｍのＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ系窒化物半導
体レーザ素子では、図１６において、光ガイド層２６、
２９のＡｌ組成比を０の基点とし、それよりもバンドギ
ャップエネルギーの小さい活性層においては、Ｉｎ混晶
比に置き換えることで、従来のレーザ素子のバンドギャ
ップ構造となる。また、従来の紫外域の短波長における
ＡｌＧａＮ系半導体レーザ素子では、図１６に示すよう
に、活性層の外側の光ガイド層２６，３９、更にその外
側のクラッド層の順に、Ａｌ混晶比を大きくし、それに
より図１３（ａ）（ｂ）に示すように活性層から外側に
向かってバンドギャップエネルギーを大きくした構造が
提案されてきた。また、従来の紫外域発光のＡｌＧａＮ
系窒化物半導体発光素子においては、上記レーザ素子に
おいて、クラッド層、若しくは光ガイド層を除いた構造
が提案されており、具体的には、図１６に示す光ガイド
層２６，２９、クラッド層２５，３０を、キャリア閉込
め層に用いた構造、すなわち、発光層（活性層２７）よ
りもＡｌ組成比を大きくし、バンドギャップエネルギー
の大きな層を形成してきた。しかしながら、このよう
に、Ａｌ混晶比を活性層の外側に向かって、順に大きく
していく構造では、結晶性の悪化、特にクラックの発生
が深刻な問題を生むものとなっていた。
【０１３８】本発明では、図２（ａ）に示すように、活
性層２７を挟む両光ガイド層２６，２９が、活性層内の
障壁層２よりもバンドギャップエネルギーを小さくし、
Ａｌ混晶比を小さくした構造とすることで、上述した従
来の構造におけるクラックの発生を好適に抑制し、室温
において連続発振可能な構造とできる。具体的には、第
１導電型層内に、第１の窒化物半導体層が設けられ、該
第１の窒化物半導体層を活性層内の障壁層よりもバンド
ギャップエネルギーが小さくなるように、すなわち、Ａ
ｌＧａＮ系活性層においては、障壁層のＡｌ混晶比より
小さい第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比を小さくする
ことである。この時、井戸層と第１の窒化物半導体層と
の関係は、活性層の井戸層において、発光再結合させる
ために、井戸層よりも第１の窒化物半導体層のバンドギ
ャップエネルギーを大きくする。また、この関係は、第
２導電型層にも適用でき、具体的には、第２導電型層内
の第２の窒化物半導体層を、活性層中の障壁層よりもバ
ンドギャップエネルギーを小さく、またＡｌ混晶比を小
さくすることである。これら障壁層よりもＡｌ混晶比の
小さい第１の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）
を用いて、活性層の近く、好ましくは隣接して配置する
ことで、良好なキャリア閉込め、及び結晶性の良好な活
性層が実現でき、並びに、これらの層を光ガイド層に用
いることで、短波長域において好適な導波路構造が形成
される。以下このことについて、詳しく説明する。
【０１３９】本実施形態２における窒化物半導体素子
は、図２（ａ）および図１２（ａ）に示すように、第１
導電型層１１、第２導電型層１３との間に活性層１２が
設けられた構造で、具体的な積層構造としては、図に示
すように、第１導電型層１１として、コンタクト層２
３、下部クラッド層２５、下部光ガイド層２６が順に積
層され、その上に活性層２７、活性層の上に、第２導電
型層１３として、キャリア閉込め層２８、上部光ガイド
層２９、上部クラッド層３０、コンタクト層２４が順に
積層された構造を有している。ここで、キャリア閉込め
層、光ガイド層、クラッド層、コンタクト層、の互いに
隣り合う層は、図に示すように接する場合に限定され
ず、各層間に別の層を設けて離間されていても良い。
【０１４０】ここで、図２（ａ）は本発明における導波
路構造を有する素子の積層構造を示す断面図であり、図
１２（ａ）（ｂ）は活性層及びそれを挟んで配置された
活性層の近くの層の積層構造４０と、その積層構造４０
に対応したバイアス状態のバンド構造４１、特に第１導
電型層１１をｎ型層側、第２導電型層１３をｐ型層側と
した場合を示すものである。図１３（ａ）（ｂ）および
図１４（ａ）（ｂ）のバンド構造４１についても図１２
（ｂ）と同様であり、図中の白丸（白抜きの円）はホー
ルを、黒丸（黒で塗りつぶした円）は電子を示し、矢印
は、各キャリアの動きを模式的に示すものであり、実線
は導電帯Ｅｃ、価電子帯Ｅｖを示し、点線は擬フェルミ
準位ＥＦを示している。図１２（ｂ）からわかるよう
に、井戸層１を挟む障壁層２ａ，２ｂよりも、バンドギ
ャップエネルギーの小さい第１の窒化物半導体層２６、
第２の窒化物半導体層２９、が活性層を挟んで配置さ
れ、上部・下部光ガイド層として用いられている。
【０１４１】ここでは、第２導電型層（ｐ型層側）内
に、活性層の近く、好ましくは隣接して、キャリア閉込
め層２８が設けられ、第２の窒化物半導体層２９と活性
層２７との間に設けられている。すなわち、活性層内の
障壁層２ａによりホールが井戸層内に閉じ込められ、電
子は障壁層２ｂ及び／又は活性層２７に隣接するキャリ
ア閉込め層２８により閉じ込められた構造となってい
る。従来の構造である図１３（ａ）（ｂ）では、キャリ
ア閉込めるためのオフセットが第１導電型層中の層２６
と活性層２７、障壁層２ａとの間に設けられ、活性層２
７、障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの大き
な窒化物半導体層若しくは光ガイド層２６が活性層に隣
接して設けられて、キャリア閉込めとして機能するが、
活性層２７、障壁層２ａに隣接する第１の窒化物半導体
層２６では、活性層にキャリア閉込める構造となってお
らず、最も第１導電型層側に配置された第１の障壁層２
ａでもって、井戸層１ａ内に閉じ込められる。
【０１４２】以下、井戸層、障壁層、及び第１の窒化物
半導体層（第２の窒化物半導体層）の関係について説明
する。本発明の窒化物半導体素子は、上述したように第
１導電型層、活性層、第２導電型層とが積層させれた構
造であるが、ここでは、第１導電型層をｎ型の窒化物半
導体を有するｎ型層、第２導電型層をｐ型の窒化物半導
体を有するｐ型層として説明する。上述したように、量
子井戸構造の活性層において、ｎ型層側に最も近くに配
置されたｎ側障壁層を第１の障壁層、一方で、ｐ型層側
に最も近くに配置されたｐ側障壁層を第２の障壁層とし
て説明する。ここで、本発明では、好ましくはｎ側障壁
層の近くで、第１導電型層（ｎ型層）内に設けられた第
１の窒化物半導体層との関係において、第１の障壁層よ
り第１の窒化物半導体層がバンドギャップエネルギーが
大きくすることであるから、少なくとも、第１の障壁層
と井戸層を有する活性層とする。この時、第１の障壁層
は、井戸層よりもｎ型層側に設けられる必要がある。こ
のため、本発明においては、活性層は少なくとも井戸層
と、井戸層よりもｎ型層側に設けられた第１の障壁層を
有する。好ましくは、井戸層よりもｐ型層側に設けられ
た第２の障壁層（ｐ側障壁層）を設けて、少なくとも第
１の障壁層と、第２の障壁層とで井戸層を挟み込む構造
が設けられていることが好ましい。なぜなら、井戸層を
挟んで設けられた第１の障壁層と、第２の障壁層は、そ
れぞれ最もｎ型層の近く、最もｐ型層の近くに設けられ
た障壁層であるため、異なる機能を有するためである。
【０１４３】第１の障壁層は、活性層中で最もｎ型層の
近くに配置された障壁層であり、更に好ましくは、活性
層内で最も外側で、最もｎ型層の近くに設けられること
であり、更に好ましくは、ｎ型層、第１の窒化物半導体
層に接して、設けられることである。これは、井戸層を
介して、ｎ型層に離間して第１の障壁層が設けられる
と、例えば図１３（ｂ）に示す形態では、第１の障壁層
２ａよりもｎ型層側にある井戸層では、キャリアの注入
があり、ｎ型層側へオーバーフローするキャリアが発生
し、一方で第１の障壁層を厚膜としてｎ型層側へのオー
バーフローを抑えると、それよりもｎ型層側にある井戸
層において、キャリアが注入されず、発光再結合などの
井戸層としての機能を損なうものとなるためである。逆
に、第１の障壁層は、第１の障壁層と、ｐ型層とで挟ま
れる活性層内の井戸層へキャリアを閉じ込めるための障
壁として機能し、また、第２の障壁層も同様に第２の障
壁層とｎ型層間の井戸層にキャリアを閉込めとして機能
する一方で、井戸層に挟まれた障壁層、例えば図１４
（ａ）（ｂ）の障壁層２ｃ、２ｄは、各井戸層にキャリ
アを分散して閉じ込める機能を有し、第１の障壁層、第
２の障壁層と井戸層の間の障壁層とでは異なる機能を有
するものとなる。そのため、第１の障壁層の機能を最大
限活用するには、活性層内の最も外側に第１の障壁層、
第２の障壁層を配置することで、活性層内へキャリアを
好適に閉じ込めることが可能となる。
【０１４４】また、第２の障壁層（第２のｐ側障壁層）
については、これを設ける代わりに、後述するキャリア
閉込め層を活性層の外部、好ましくは活性層に接して、
第２導電型層（ｐ型層）中に設けることで、キャリアを
活性層中の井戸層に閉じ込めることもできる。好ましく
は、このキャリア閉込め層２８に加えて、活性層内に、
第２の障壁層を設けることで、窒化物半導体において、
ホールに比べて、電子は拡散しやすい性質にあり、キャ
リア拡散長も大きい傾向にあるが、これを改善して、活
性層内、特に井戸層内に好適にキャリアを閉込め、注入
できる構造となる。ここで、第２の障壁層は、第１の障
壁層と同様に、井戸層よりもｐ型層（第２導電型層）側
に配置され、更に好ましくは最もｐ型層の近くに配置さ
れた障壁層とし、最も好ましくは、活性層において最も
外側で、ｐ型層側に配置させることで、好適なキャリア
注入が可能となる。また、キャリア閉込め層との関係か
ら、キャリア閉込め層と離間して、配置されせることも
できるが、好ましくは、ｐ型層中のキャリア閉込め層２
８に接して第２の障壁層を形成することで、キャリア閉
込め層に対して、補助的に、第２の障壁層によるキャリ
アの閉込め、井戸層への注入を可能とでき好ましい。
【０１４５】また、上述した第１の障壁層、第２の障壁
層のように、活性層内で井戸層よりも、第１導電型層、
第２導電型層の近くに配置され、活性層中の障壁層の中
でも最も外側の障壁層以外の障壁層は、例えば、図１４
（ａ）（ｂ）に示すように、井戸層１ａと井戸層１ｂ、
井戸層１ｂと井戸層１ｃとに挟まれた障壁層２ｃ、２ｄ
を設けることもできる。特に多重量子井戸構造において
は、このような井戸層に挟まれた障壁層を用いること
で、複数存在する井戸層において、キャリアが好適に各
井戸層に分配され、注入・閉込められる。すなわち、上
記第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂと異なる機能を
有するものであり、第１の障壁層、第２の障壁層よりも
膜厚を薄くすることしても、井戸層に挟まれた障壁層の
機能を損なわない量子井戸構造とでき、活性層全体の膜
厚を抑えて、Ｖｆの上昇を抑えることができ好ましい。
また、図１４（ａ）に示すように、第１の障壁層２ａ、
第２の障壁層２ｂよりも、井戸層に挟まれた障壁層２ｃ
とすると、各導電型層から注入されたキャリアに対し、
井戸層間に介在する障壁の大きなこの障壁層２ｃによ
り、隣接する井戸層に直接的に好適に閉じ込めて、注入
させることができ好ましい。また図１４（ｂ）に示すよ
うに、第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂよりも、井
戸層に挟まれた障壁層２ｃ、２ｄとすると、これら内部
に位置する障壁層での閉込め機能を弱めて、外部に位置
する第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂをこれら障壁
層に比較して強めることで、井戸層数が多くなっても、
外部の障壁層が大きな障壁を形成することから、各井戸
層へのキャリアの注入・閉込めを好適に実現しうる構造
とできる。
【０１４６】以上説明したように、外部の障壁層である
第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｃは、内部の井戸層
に挟まれた障壁層と異なる機能を有することから、内部
の障壁層と外部の障壁層との間で、膜厚、バンドギャッ
プエネルギー、組成を異なるものとした構成として、所
望の素子特性の素子を得ることが可能となる。また、内
部障壁層が図１４（ｂ）に示すように、複数有する活性
層では、各内部障壁層間で、異なる組成、バンドギャッ
プエネルギー、膜厚とすることも可能であり、ほぼ同一
の組成、バンドギャップエネルギー、膜厚とすることも
でき、好ましくは、ほぼ同一の組成、バンドギャップエ
ネルギー、膜厚とすることで、内部障壁層でほぼ均等な
機能を付与することができ、各井戸層へのキャリアの注
入が好適になされる。
【０１４７】また、上述したように、各障壁層への不純
物ドープとしては、最もｎ型層側に位置する第１の障壁
層２ｂには、ｎ型不純物をドープすることが上述した理
由により好ましく、最もｐ型層側に配置される第２の障
壁層には、ｎ型不純物をドープするよりも、実質的ｎ型
不純物がドープされていない状態、具体的には、５×１
０１６／ｃｍ３以下の不純物濃度とすることが好まし
い。これは、窒化物半導体に用いられるｐ型不純物は、
拡散性の高い不純物が多く、例えば良く用いられるＭ
ｇ、Ｚｎなどは、積層構造内を広く拡散する傾向にあ
り、障壁層にｐ型不純物がドープされるとそれに隣接す
る井戸層への拡散が起こり、井戸層でのキャリアの発光
再結合を阻害する傾向にあるためである。また、ｐ型層
側に近い第２の障壁層をアンドープとすることで、ｐ型
層からの不純物の拡散をその障壁層内に留める作用が付
与され、井戸層へのさらなる不純物の拡散を防止でき好
ましい。特に、キャリア閉込め層２８をｐ型層中に有
し、第２の障壁層に近接して、好ましくは第２の障壁層
に接して配置される場合には、キャリア閉込め層は比較
的高抵抗な層となる傾向にあるため、高濃度でｐ型不純
物がドープされる傾向にあり、この不純物の拡散が問題
となるが、第２の障壁層をアンドープとすることでこの
拡散による井戸層の機能低下を防ぐことができ好まし
い。また、キャリア閉込め層近傍において、ｐ−ｎ接合
が形成され、図１２（ｂ），図１４（ａ）等に示すよう
に、キャリア閉込め層では、素子構造内において、最も
大きなＡｌ混晶比で形成される傾向にあることから、高
Ａｌ混晶比の窒化物半導体による大きな圧電がかかり、
井戸層に悪影響を及ぼす傾向にあるが、キャリア閉込め
層よりもＡｌ混晶比の小さい第２の障壁層をアンドープ
で形成することで、井戸層への悪影響を抑制できる傾向
にあり、好ましい。
【０１４８】また、第１の障壁層、第２の障壁層との比
較において、第１の障壁層を第２の障壁層よりも大きな
膜厚とする場合には、第２導電型層中にキャリア閉込め
層２８を設けることで、第２の障壁層による活性層内へ
のキャリア閉込め機能を低下させ、すなわち、上記内部
障壁層に近い働きをする障壁層とし、キャリア閉込め層
２８でもって、主に活性層へのキャリア閉込めを実現す
る構造とでき、活性層全体の膜厚が小さくできるため、
Ｖｆ低下に寄与でき、また窒化物半導体においては、ホ
ールの拡散長が、電子の拡散長よりも十分に小さいた
め、ホールの注入口となる第１の障壁層の膜厚が小さい
ことで、井戸層へのキャリア注入が効率よくなされ好ま
しい。一方で、ｐ型不純物がドープされたキャリア閉込
め層２８を有する場合、若しくは、活性層の近く、好ま
しくは活性層に接して配置された第２の窒化物半導体層
２９が、第１の障壁層よりも大きなバンドギャップエネ
ルギーを有する場合には、Ａｌ混晶比の高い層が活性層
に隣接して設けられることとなる。このため、Ａｌ混晶
比の高い層は高抵抗であることから、この層では素子動
作中に大きな発熱を生み、それが井戸層に接近している
と、井戸層への熱による悪影響が発生し、素子特性を低
下させる傾向にある。また、このようなＡｌ混晶比の大
きな層と活性層との界面、若しくはＡｌ混晶比の大きい
層の活性層側界面、若しくはその近傍において、図１２
（ｂ），図１４（ａ）（ｂ）に示すように、ｐ−ｎ接合
が形成され、その近くに活性層の井戸層が設けられてい
ると、井戸層での発光再結合において、バイアスが悪影
響を及ぼす傾向にある。すなわち、第１の障壁層は、井
戸層とＡｌ高混晶層との間をあけて、上記Ａｌ高混晶層
による悪影響が井戸層に及ばないように離間させるスペ
ーサーとして機能させると好ましい。この場合、第１の
障壁層の具体的な膜厚としては、少なくとも２０Å以上
とすることで上記スペーサーの機能を発現でき、好まし
くは、４０Å以上の膜厚で井戸層への影響を抑えた活性
層とでき好ましい。
【０１４９】本発明の第１の光ガイド層２６、第２の光
ガイド層２９としては、Ａｌを含む窒化物半導体が用い
られ、また、図１２（ｂ），図１４（ａ）（ｂ）のバン
ド構造４１として示すように、少なくとも量子井戸構造
の活性層２７内の井戸層１よりも大きなバンドギャップ
エネルギーとし、また活性層２７と光ガイド層２６，２
９との屈折率差を小さくして、導波路構造とする。ま
た、光ガイド層は、図１２（ｂ），図１４（ａ）（ｂ）
に示すように、障壁層よりもバンドギャップエネルギー
が小さくても良く、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、
光ガイド層の一部が障壁層よりも大きくても良い。この
場合、第１の障壁層を除く光ガイド層、若しくはその一
部が障壁層よりもバンドギャップエネルギーを大きくす
るか、若しくは図１４（ａ）（ｂ）に示すように、内部
障壁層、すなわち活性層中の障壁層の一部より光ガイド
層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができ
る。
【０１５０】すなわち、好ましくは、光ガイド層が、第
１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第
１の窒化物半導体層を有すること、さらに好ましくは第
１の窒化物半導体層からなる光ガイド層とすること、若
しくは第１の窒化物半導体層以外の層を有する多層膜の
光ガイド層において、光ガイド層全体を第１の障壁層よ
りもバンドギャップエネルギーより小さくすることで、
上記第１の障壁層のキャリア閉込め層としての機能を好
適に発現でき、更に、Ａｌ混晶比の小さい光ガイド層を
形成することで、例えば、それにより下部光ガイド層が
形成されると、Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性悪
化を抑えて、活性層を形成でき、発光素子、レーザ素子
特性に優れた素子を得ることができる。また、第１の窒
化物半導体層を、第１導電型層中の光ガイド層を設ける
のと同様に、第２導電型層に光ガイド層を設ける場合に
おいて、上述したように、第２の障壁層よりもバンドギ
ャップエネルギーの小さい第２の窒化物半導体層を設け
ることもでき、この時の作用についても第１の窒化物半
導体層と同様である。
【０１５１】更に、第２の窒化物半導体層が上部光ガイ
ド層に設けられる場合において、光ガイド層の組成とし
て具体的には、ＩｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ（０≦
α、０＜β、α＋β≦１）が用いられる。好ましくは、
Ｉｎを含まない窒化物半導体とすること、すなわち、Ｉ
ｎ組成比が０の窒化物半導体とすることで、Ｉｎを含む
ことによる光の吸収を防ぎ、光の損失を低く抑えた導波
路とできる。さらに、好ましくはＡｌβＧａ１−βＮ
（０≦β≦１）を用いることで、紫外域から赤色域まで
の幅広い波長域に適用できる導波路となる。特に上記波
長３８０ｎｍ以下の短波長域の光を導波させるには、好
ましくはＡｌβＧａ１−βＮ（０＜β≦１）が用いられ
る。これは、ＧａＮでは、上記短波長域の光を吸収し、
それが損失となって、閾値電流密度、電流−光出力特性
を悪化させるからである。特に、光ガイド層のＡｌ組成
比βは、光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥｇ、
活性層の発光の光子エネルギーＥｐに比べて、０．０５
ｅＶ以上大きくなるように（Ｅ ｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅ
Ｖ）、調整することが好ましい。これにより、上記短波
長域において、ガイド層による光の損失が抑えられた導
波路となるからであり、更に好ましくはＥｇ−Ｅｐ≧
０．１とすることで、更に優れた導波路が形成される。
【０１５２】第１窒化物半導体層が光ガイド層である場
合、超格子構造でも単一膜で形成しても構わない。単一
膜で形成することで、超格子とする場合と比べて、電流
が流れやすくなり、Ｖｆを下げることができる。その
際、単一膜の膜厚は、少なくとも量子効果がない程度の
膜厚で、好ましくは第１の障壁層（第２の窒化物半導体
層層の場合は、第２の障壁層）よりも大きい膜厚で、よ
り好ましくは３００Å以上の膜厚で形成することが好ま
しい。
【０１５３】一方、光ガイド層を超格子とする場合、超
格子を構成する全ての層にＡｌを含むことが好ましい。
あるいは超格子を構成する少なくとも１つの層がＡｌを
含み、この層のバンドギャップエネルギーが活性層の外
部障壁層より小さく、かつ活性層の内部障壁層より大き
いことが好ましい。これにより活性層内でのキャリア閉
じ込め機能が充分に発揮できる。
【０１５４】第１導電型層と第１の障壁層との界面は、
格子不整合性であることが好ましい。具体的には、第１
の障壁層がＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ＜
１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）から成るとき、第１の窒
化物半導体層はＡｌｘＧａ１− ｘＮ（０≦ｘ＜１）とす
る。第１導電型層を第１の障壁層と格子整合させるべ
く、上記４元混晶の窒化物半導体とすると、Ｉｎを混晶
させることになるが、Ｉｎを入れた４元混晶の窒化物半
導体は例えば３００Å以上の膜厚を形成しにくい。よっ
て、第１導電型層をＩｎを含まない格子不整合性のＡｌ
ＧａＮとすることが好ましい。
【０１５５】［実施形態３］次に、本発明のさらに他の
実施形態３として、より具体的な素子構造を例示する。
【０１５６】（実施形態３−１）活性層（ＡｌＧａＮ障
壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＳＣＨ構造 ｐ−ＧａＮコンタクト層 ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／Ａｌ０．０５Ｇａ
０．９５Ｎ超格子クラッド層（上部クラッド層３０） ｐ−Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎガイド層（上部ガイド
層２９） ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ（キャリア閉込め層２８） 活性層（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ障壁層（第１の障
壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ
０．１５Ｇａ０．８５Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５
Å）） ｎ−Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎガイド層（下部ガイド
層２６） ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／Ａｌ０．０５Ｇａ
０．９５Ｎ超格子クラッド層（下部クラッド層２５） ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層 ｎ−Ａｌ０．０２−０．０３ＧａＮ（Ｓｉドープ：キャ
リア濃度 ２×１０１ ８ ｃｍ−３） 基板（欠陥密度５×１０５／ｃｍ３：ＥＬＯＧ基板上に
ＨＶＰＥ法でＧａＮを結晶成長させた基板）
【０１５７】（実施形態３−２）活性層（ＡｌＩｎＧａ
Ｎ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）ＳＣ
Ｈ構造 実施形態３−１において、活性層を以下に示すものと
し、その他は同様な構造とする。 活性層（Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８２Ｎ障壁
層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１０
０Å）／Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８ ２Ｎ障壁
層（第２の障壁層）（４５Å））
【０１５８】（実施形態３−３）活性層（ＡｌＧａＮ障
壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＳＣＨ構
造（発振波長３６０ｎｍ） 実施形態３−１において、活性層を以下に示すものと
し、その他は同様な構造とする。 活性層（Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層（第１の障
壁層）（１００Å）／Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ井戸
層（１００Å）／Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層
（第２の障壁層）（４５Å））
【０１５９】（実施形態３−４）活性層（ＡｌＩｎＧａ
Ｎ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）
ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ） 実施形態３−１において、活性層を以下に示すものと
し、その他は同様な構造とする。 活性層（Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８２Ｎ障壁
層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１０
０Å）／Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８ ２Ｎ障壁
層（第２の障壁層）（４５Å））
【０１６０】（実施形態３−５）活性層（ＡｌＧａＮ障
壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ構造 ｐ−ＧａＮコンタクト層 実施形態３−１において、光ガイド層を用いずに、クラ
ッド層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とす
る。 ｐ−ＡｌａＧａ１−ａＮ／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ超格子ク
ラッド層（上部クラッド層３０） ｎ−ＡｌｃＧａ１−ｃＮ／ＡｌｄＧａ１−ｄＮ超格子ク
ラッド層（下部クラッド層２５）
【０１６１】（実施形態３−６）活性層（ＡｌＩｎＧａ
Ｎ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）ＧＲ
ＩＮ構造 実施形態３−１において、光ガイド層を用いずに、クラ
ッド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な
構造とする。 ｐ−ＡｌａＧａ１−ａＮ／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ超格子ク
ラッド層（上部クラッド層３０） 活性層（Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８２Ｎ障壁
層（第１の障壁層）（４５Å）／ＧａＮ井戸層（１００
Å）／Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８２Ｎ障壁層
（第２の障壁層）（４５Å）） ｎ−ＡｌｃＧａ１−ｃＮ／ＡｌｄＧａ１−ｄＮ超格子ク
ラッド層（下部クラッド層２５）
【０１６２】（実施形態３−７）活性層（ＡｌＧａＮ障
壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ
構造（発振波長３６０ｎｍ） 実施形態３−１において、光ガイド層を用いずに、クラ
ッド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な
構造とする。 ｐ−ＡｌａＧａ１−ａＮ／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ超格子ク
ラッド層（上部クラッド層３０） 活性層（Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層（第１の障
壁層）（１００Å）／Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ井戸
層（１００Å）／Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層
（第２の障壁層）（４５Å）） ｎ−ＡｌｃＧａ１−ｃＮ／ＡｌｄＧａ１−ｄＮ超格子ク
ラッド層（下部クラッド層２５）
【０１６３】（実施形態３−８）活性層（ＡｌＩｎＧａ
Ｎ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）
ＧＲＩＮ構造（発振波長３６０ｎｍ） 実施形態３−１において、光ガイド層を用いずに、クラ
ッド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な
構造とする。ｐ−ＡｌｅＧａ１−ｅＮ組成傾斜クラッド
層（上部クラッド層３０） 活性層（Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８２Ｎ障壁
層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１０
０Å）／Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８ ２Ｎ障壁
層（第２の障壁層）（４５Å）） ｎ−ＡｌｆＧａ１−ｆＮ組成傾斜クラッド層（下部クラ
ッド層２５）
【０１６４】（実施形態３−９）活性層（ＡｌＧａＮ障
壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ−Ｓ
ＣＨ構造 実施形態３−１において、光ガイド層を以下に示すもの
とし、その他は同様な構造とする。 ｐ−ＡｌｇＧａ１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（上部ガイド
層２９） 活性層（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ障壁層（第１の障
壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ
０．１５Ｇａ０．８５Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５
Å）） ｎ−ＡｌｈＧａｉ―ｈＮ組成傾斜ガイド層（下部ガイド
層２６）
【０１６５】（実施形態３−１０）活性層（ＡｌＩｎＧ
ａＮ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）Ｇ
ＲＩＮ−ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ） 実施形態３−１において、光ガイド層と活性層を以下に
示すものとし、その他は同様な構造とする。 ｐ−ＡｌｇＧａ１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（上部ガイド
層２９） 活性層（Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８２Ｎ障壁
層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１０
０Å）／Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８ ２Ｎ障壁
層（第２の障壁層）（４５Å）） ｎ−ＡｌｈＧａｉ―ｈＮ組成傾斜ガイド層（下部ガイド
層２６）
【０１６６】（実施形態３−１１）活性層（ＡｌＧａＮ
障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＧＲＩ
Ｎ−ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ） 実施形態３−１において、光ガイド層と活性層を以下に
示すものとし、その他は同様な構造とする。 ｐ−ＡｌｇＧａ１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（上部ガイド
層２９） 活性層（Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層（第１の障
壁層）（１００Å）／Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ井戸
層（１００Å）／Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層
（第２の障壁層）（４５Å）） ｎ−ＡｌｈＧａｉ―ｈＮ組成傾斜ガイド層（下部ガイド
層２６）
【０１６７】（実施形態３−１２）活性層（ＡｌＩｎＧ
ａＮ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁
層）ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ） 実施形態３−１において、光ガイド層と活性層を以下に
示すものとし、その他は同様な構造とする。 ｐ−ＡｌｇＧａ１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（上部ガイド
層２９） 活性層（Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８２Ｎ障壁
層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１０
０Å）／Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０３Ｇａ０．８ ２Ｎ障壁
層（第２の障壁層）（４５Å）） ｐ−ＡｌｇＧａ１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（下部ガイド
層２６）
【０１６８】上記実施形態３−１〜１２の特徴について
以下にそれぞれ示す。
【０１６９】実施形態３−１は、活性層を上部、下部ク
ラッド層で挟み、各クラッド層と活性層の間には、上部
光ガイド層と下部光ガイド層が設けられ、クラッド層
は、一方に変調ドープした超格子構造で、各光ガイド層
は、第１の障壁層、第２の障壁層よりもバンドギャップ
エネルギーが小さく、また、Ａｌ混晶比が小さいもので
あり、障壁層はＡｌＧａＮの３元混晶で形成されてい
る。
【０１７０】実施形態３−２は、実施形態３−１と異な
る点は、第１の障壁層、第２の障壁層をＡｌＩｎＧａＮ
の４元混晶で形成しているところにある。
【０１７１】実施形態３−３は、実施形態３−１、３−
２と異なる点は、井戸層をＡｌＧａＮの３元混晶として
いるところである。実施形態３−４は、実施形態３−
１、２、３と異なる点は、井戸層をＡｌＧａＮの３元混
晶とし、障壁層をＡｌＩｎＧａＮの４元混晶としている
ところである。
【０１７２】実施形態３−５は、実施形態３−１，２，
３，４と異なる点は、上部、下部クラッド層を一方の層
にドープされた変調ドープの超格子クラッド層とし、一
方の層のＡｌ組成比ａ，ｃを活性層に近づくにつれて小
さくし、活性層近傍（活性層からの距離が０．１μｍ以
下の領域）のバンドギャップエネルギーＥｃがＥｐより
も０．０５ｅＶ以上となるようにし、一方でこの近傍に
おいて、第１の障壁層、第２の障壁層よりもＡｌ混晶
比、バンドギャップエネルギーを小さくする。この時、
Ａｌ組成比ａ＞ｂ、ｃ＞ｄである。
【０１７３】実施形態３−８は、実施形態３−１〜７と
異なる点は、上部、下部クラッド層としてＡｌＧａＮ層
において、Ａｌ混晶比ｅ，ｆを活性層に近づくにつれて
小さくし、活性層近傍（活性層からの距離が０．１μｍ
以下の領域）のバンドギャップエネルギーＥｃがＥｐよ
りも０．０５ｅＶ以上となるようにし、一方でこの近傍
において、第１の障壁層、第２の障壁層よりもＡｌ混晶
比、バンドギャップエネルギーを小さくする。
【０１７４】実施形態３−９は、実施形態３−１〜８と
異なる点は、ガイド層を組成傾斜構造とし、Ａｌ混晶比
ｇ，ｈを活性層に近づくにつれて小さくし、そのガイド
層の一部が、第１の障壁層、第２の障壁層よりもＡｌ混
晶比、バンドギャップエネルギーが小さくなるようにす
る。
【０１７５】
【実施例】［実施例１］以下、実施例として、図１に示
すようなレーザ素子構造、また図１に示す導波路構造に
ついて、窒化物半導体を用いたレーザ素子について、説
明する。ここでは、第１導電型層としてｎ型の窒化物半
導体を、第２導電型層としてｐ型の窒化物半導体を形成
しているが、本発明はこれに限らず、逆に第１導電型層
をｐ型に、第２導電型層をｎ型とした構造でも良い。
【０１７６】ここで、本実施例では、ＧａＮ基板を用い
ているが、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を
用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ
面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピ
ネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６
Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、
Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、
窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られ
ており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることが
できる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピ
ネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルし
ていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルした
ものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結
晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用
いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層と
なる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨など
の方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として
素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、
異種基板を除去する方法でも良い。ＧａＮ基板の他に、
ＡｌＮ等の窒化物半導体の基板を用いても良い。
【０１７７】異種基板を用いる場合には、バッファ層
（低温成長層）、窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）か
らなる下地層を介して、素子構造を形成すること、窒化
物半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上
に設ける下地層（成長基板）として、その他に、ELOG(E
pitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半
導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。Ｅ
ＬＯＧ層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導
体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難
な保護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化
物半導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に
設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させる
ことで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が
成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成
長して成膜された層などがある。その他の形態では、異
種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、
その開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜さ
れる層でもよい。
【０１７８】（基板１０１）基板として、異種基板に成
長させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮ、を厚膜
（１００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、
８０μｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。
基板の詳しい形成方法は、以下の通りである。２インチ
φ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭ
ＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にし
て、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ
3）を用い、ＧａＮよりなる低温成長バッファ層を２０
０Åの膜厚で成長させ、その後、温度を上げて、アンド
ープのＧａＮを１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層
とする。次に、下地層表面にストライプ状のマスクを複
数形成して、マスク開口部（窓部）から窒化物半導体、
本実施例ではＧａＮを選択成長させて、横方向の成長を
伴った成長（ＥＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体
層（横方向成長層）を形成し、続いて、ＨＶＰＥにより
１００μｍの膜厚のＧａＮを成長させて、異種基板、バ
ッファ層、下地層を除去して、ＧａＮからなる窒化物半
導体基板を得る。
【０１７９】この時、選択成長時のマスクは、ＳｉＯ2
からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）幅５μｍ
とすることで、貫通転位を低減できる。具体的には、マ
スク上部のように横方向に成長した領域では貫通転位が
低減され、マスク開口部ではほぼ膜厚成長により成膜さ
れるため、貫通転位に変化なく、これにより、貫通転位
密度の大きい領域と小さい領域とが分布した層となる。
厚膜の窒化物半導体層の形成には、ＨＶＰＥ法が成長速
度を大きくでき好ましく、ＨＶＰＥで成長させる窒化物
半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮを用いると、良好な結
晶性でもって厚膜成長ができる。ＧａＮ基板をＨＶＰＥ
で形成すると、生成された核から核成長したドメインが
膜厚方向に成長するに伴って各ドメインが結合して成膜
される３次元の成長形態となる傾向にあり、このような
場合には、核成長に伴って貫通転位も伝搬するため、上
記横方向成長層による分布した貫通転位が分散される傾
向にある。
【０１８０】（バッファ層１０２）窒化物半導体基板の
上に、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガ
リウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモ
ニアを用い、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるバッ
ファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、
ＡｌＧａＮのｎ側コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化
物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。
【０１８１】具体的には、横方向成長層若しくはそれを
用いて形成した基板がＧａＮである場合に、それよりも
熱膨張係数の小さい窒化物半導体のＡｌａＧａ１−ａＮ
（０＜ａ≦１）からなるバッファ層１０２を用いること
で、ピットを低減させることができる。好ましくは、窒
化物半導体の横方向成長層であるＧａＮの上に設ける。
更にバッファ層１０２のＡｌ混晶比ａが、０＜ａ＜０．
３であると、結晶性を良好なものとしてバッファ層を形
成することができる。このバッファ層をｎ側コンタクト
層として形成しても良く、バッファ層１０２を形成した
後、前記バッファ層の組成式で表されるｎ側コンタクト
層を形成して、バッファ層１０２とその上のｎ側コンタ
クト層１０４にもバッファ効果を持たせる形態でも良
い。すなわち、このバッファ層１０２は、横方向成長を
用いた窒化物半導体基板、若しくはその上に形成した横
方向成長層と素子構造との間、又は素子構造中の活性層
と横方向成長層（基板）、若しくはその上に形成した横
方向成長層（基板）との間に設けること、さらに好まし
くは素子構造中の基板側、下部クラッド層と横方向成長
層（基板）との間に、少なくとも１層以上設けること
で、ピットを低減し、素子特性を向上させることができ
る。
【０１８２】また、ｎ側コンタクト層をバッファ層とす
る場合には、電極との良好なオーミックコンタクトが得
られるように、ｎ側コンタクト層のＡｌ混晶比ａを０．
１以下とすることが好ましい。この第１の窒化物半導体
層、若しくはその上に形成した横方向成長層の上に設け
るバッファ層は、上述した異種基板上に設けるバッファ
層と同様に３００℃以上９００℃以下の低温で成長させ
ても良く、８００℃以上１２００℃以下の温度で成長さ
せても良く、好ましくは８００℃以上１２００℃以下の
温度で単結晶成長させると、上述したピット低減効果が
得られる傾向にある。このバッファ層は、ｎ型、ｐ型不
純物をドープしても良く、アンドープでも良いが、結晶
性を良好なものとするためにはアンドープで形成するこ
とが好ましい。２層以上のバッファ層を設ける場合に
は、ｎ型、ｐ型不純物濃度、Ａｌ混晶比を変化させて設
けることができる。
【０１８３】次に、窒化物半導体からなる下地層の上
に、素子構造となる各層を積層する。ここで、第１導電
型層として、ｎ側コンタクト層１１０〜ｎ側光ガイド層
を設け、第２導電型層として、ｐ側電子閉込め層１０８
〜ｐ側コンタクト層１１１を設ける。
【０１８４】（ｎ側コンタクト層１０３）次に得られた
バッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不
純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉド
ープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ側コンタクト層
１０３を４μｍの膜厚で成長させる。ｎ側コンタクト
層、若しくはバッファ層などの下地層に、Ａｌを含む窒
化物半導体、具体的にはＡｌ xＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦
１）、を用いることで、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒
化物半導体に比べて、ＥＬＯＧを用いたことによる結晶
性の悪化、特にピットの発生を抑えて、良好な下地層表
面を提供できる傾向にあり、Ａｌを含む窒化物半導体を
用いることが好ましい。
【０１８５】（クラック防止層１０４）次に、ＴＭＧ、
ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、
温度を８００℃にしてＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎより
なるクラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長
させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【０１８６】（ｎ側クラッド層１０５（下部クラッド層
２５））次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴ
ＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ
０．１４Ｇａ０．８６ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で
成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシ
ランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープし
たＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そ
して、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作をそれぞれ１２
０回繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚０．６μｍ
の多層膜（超格子構造）よりなるｎ側クラッド層１０６
を成長させる。
【０１８７】（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド
層２６））次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及び
アンモニアを用い、ＳｉをドープしたＧａＮよりなる膜
厚２５ÅのＡ層、原料ガスにＴＭＡを加えて、Ａｌ
０．０ ６Ｇａ０．９５Ｎからなる膜厚２５ÅのＢ層を、
交互に３０回繰り返して積層し、超格子多層膜からなる
膜厚０．１５μｍのｎ側光ガイド層１０６で成長させ
る。
【０１８８】（活性層１０７）次に、温度を８００℃に
して、図７に示すように、原料ガスにＴＭＩ（トリメチ
ルインジウム）、ＴＭＧ、ＴＭＡを用い、Ｓｉドープの
Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる障壁層、その上に、ア
ンドープのＩｎ０．０３Ａｌ０．０２Ｇａ０． ９５Ｎよ
りなる井戸層を、障壁層２ａ／井戸層１ａ／障壁層２ｂ
／井戸層１ｂ／障壁層２ｃの順に積層する。この時、図
７に示すように、障壁層２ａを２００Å、障壁層２ｂ，
２ｃを４０Åの膜厚で、井戸層１ａ、１ｂを７０Åの膜
厚で形成する。活性層１０７は、総膜厚約４２０Åの多
重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【０１８９】（ｐ側電子閉込め層１０８（キャリア閉込
め層２８））次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、
ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２
Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍ
ｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ
０．７Ｎよりなるｐ側電子閉込層１０８を１０ｎｍの膜
厚で成長させる。この層は、特に設けられていなくても
良いが、設けることで電子閉込めとして機能し、閾値の
低下に寄与するものとなる。
【０１９０】（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド
層２９））次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスに
ＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＭｇドープのＧａＮより
なる膜厚２５ÅのＡ層、原料ガスにＴＭＡを加えて、Ａ
ｌ ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなる膜厚２５ÅのＢ層、
を交互に３０回繰り返し積層して、膜厚０．１５μｍで
超格子多層膜構造のｐ側光ガイド層１０９を成長させ
る。
【０１９１】このｐ側光ガイド層１０９は、ｐ側電子閉
込め層１０８、ｐ側クラッド層１０９等の隣接層からの
Ｍｇの拡散により、Ｍｇがドープされるため、アンドー
プで形成しても、Ｍｇドープ層とできる。
【０１９２】（ｐ側クラッド層１１０（上部クラッド層
３０））続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ０．１４
Ｇａ０．８６ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長さ
せ、続いてＣｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＡｌ
０．１４Ｇａ０．８６ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で
成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作を１００回
繰り返して総膜厚０．５μｍの超格子多層膜よりなるｐ
側クラッド層１１０を成長させる。
【０１９３】（ｐ側コンタクト層１１１）最後に、１０
５０℃で、ｐ側クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１
０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コン
タクト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コ
ンタクト層１１１はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０
≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好まし
くはｐ型不純物をドープしたＧａＮ、若しくはＡｌ組成
比０．３以下のＡｌＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最
も好ましいオーミック接触が得られ、最も好ましくはＧ
ａＮとすれば最良のオーミックコンタクトが可能とな
る。コンタクト層１１１は電極を形成する層であるの
で、１×１０１７／ｃｍ３以上の高キャリア濃度とする
ことが望ましい。１×１０１７／ｃｍ３よりも低いと電
極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にあ
る。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極
材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終
了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７
００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化す
る。
【０１９４】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最
上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ2よりなる保護
膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用
いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、図１に示すよう
に、ｎ電極を形成すべきｎ側コンタクト層１０３の表面
を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチン
グするには保護膜としてＳｉＯ2が最適である。
【０１９５】次に上述したストライプ状の導波路領域と
して、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ
側コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、Ｐ
ＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）よ
りなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成し
た後、第１の保護膜の上に所定の形状のマスクをかけ、
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ4
ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりストライ
プ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。この時、
リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、ｐ側コ
ンタクト層１１１、およびｐ側クラッド層１０９、ｐ側
光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ側光ガイ
ド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチン
グして、形成する。
【０１９６】次に、リッジストライプ形成後、第１の保
護膜１６１の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）
よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜の上と、
エッチングにより露出されたｐ側光ガイド層１０９の上
に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【０１９７】第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６０
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ2以外の材料を第
２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後
に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半
導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することに
より、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ
酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加える
ことがさらに望ましい。
【０１９８】次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保
護膜１６１をリフトオフ法により除去する。このことに
より、ｐ側コンタクト層１１１の上に設けられていた第
１の保護膜１６１が除去されて、ｐ側コンタクト層が露
出される。以上のようにして、図１に示すように、リッ
ジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ側光
ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜（埋込層）１
６２が形成される。
【０１９９】このように、ｐ側コンタクト層１１２の上
に設けられた第１の保護膜１６１が、除去された後、図
１に示すように、その露出したｐ側コンタクト層１１１
の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。
但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、
図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形
成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ
側コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるス
トライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で
形成する。
【０２００】次に、ｎ電極を形成するためにエッチング
して露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設け
るため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりな
る誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ
−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）
よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれ
ぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍ
の幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面
（反射面側）にもＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層
膜が設けられる。以上のようにして、ｎ電極とｐ電極と
を形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒
化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（11- 0 0）など）
でバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレ
ーザ素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍであ
る。
【０２０１】バー状にする際に、エッチング端面に挟ま
れた導波路領域内で劈開して、得られた劈開面を共振器
面としても良く、導波路領域の外で劈開してエッチング
端面を共振器面としても良く、一方をエッチング端面、
他方を劈開面とした１対の共振器面を形成しても良い。
また、上記エッチング端面の共振面には誘電体多層膜か
らなる反射膜が設けられるが、劈開面の共振器面にも、
劈開後に反射膜を設けても良い。この時、反射膜として
は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ
３、ＭｇＯ、ポリイミドからなる群の少なくとも一種用
いることであり、λ／４ｎ（λは波長、ｎは材料の屈折
率）の膜厚で積層した多層膜としても良く、１層だけ用
いても良く、反射膜と同時に共振器端面の露出を防ぐ表
面保護膜としても機能させても良い。表面保護膜として
機能させるには、λ／２ｎの膜厚で形成すると良い。ま
た、素子加工工程で、エッチング端面を形成せずに、す
なわち、ｎ電極形成面（ｎ側コンタクト層）だけを露出
させ、一対の劈開面を共振器面とするレーザ素子として
も良い。
【０２０２】バー状のウエハを更に分割する際にも、窒
化物半導体（単体基板）の劈開面を用いることができ、
バー状に劈開したときの劈開面に垂直な窒化物半導体
（ＧａＮ）を六方晶系で近似したＭ面、Ａ面（｛１０１
０｝）で劈開して、チップを取り出しても良く、また、
バー状に劈開する際に、窒化物半導体のＡ面を用いても
良い。
【０２０３】得られるレーザ素子は、波長３７０ｎｍで
室温にて連続発振する窒化物半導体素子が得られる。ま
た、ｎ側、ｐ側の光ガイド層は、Ａｌの平均組成比が
０．０３のＡｌＧａＮで構成され、第１の光ガイド層及
び第２の光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ
ｇと、レーザ光（活性層の発光波長）の光子エネルギー
Ｅｐとの差、Ｅｇ−Ｅｐが、０．０５ｅＶ以上となる導
波路が形成されている。
【０２０４】［実施例２］実施例１において、活性層を
以下のように形成する他は、実施例１と同様にしてレー
ザ素子を得る。
【０２０５】（活性層１０７）ＳｉドープのＩｎ
０．０１Ａｌ０．１Ｇａ０．８９Ｎよりなる障壁層、そ
の上に、アンドープのＩｎ０．０３Ａｌ０．０２Ｇａ
０．９５Ｎよりなる井戸層を、障壁層２ａ／井戸層１ａ
／障壁層２ｂ／井戸層１ｂ／障壁層２ｃの順に積層す
る。この時、図７に示すように、障壁層２ａを２００
Å、障壁層２ｂ，２ｃを４０Åの膜厚で、井戸層１ａ、
１ｂを７０Åの膜厚で形成する。活性層１０７は、総膜
厚約４２０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【０２０６】得られるレーザ素子は、実施例１と同様
に、波長３７０ｎｍで室温にて連続発振する窒化物半導
体素子が得られる。
【０２０７】［実施例３］実施例１において、活性層、
光ガイド層、クラッド層を以下のように形成する他は、
実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２０８】（ｎ側クラッド層１０５（下部クラッド層
２５））２５Åの膜厚でアンドープのＡｌ０．３Ｇａ
０．７ＮよりなるＡ層と、２５Åの膜厚でＳｉを５×１
０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎより
なるＢ層とを、交互に積層する操作をそれぞれ１２０回
繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚０．６μｍの多
層膜（超格子構造）よりなるｎ側クラッド層１０６を形
成する。
【０２０９】（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド
層２６））ＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる
膜厚２５ÅのＡ層、Ａｌ０．０３Ｇａ０．１Ｎからなる
膜厚２５ÅのＢ層を、交互に３０回繰り返して積層し、
超格子多層膜からなる膜厚０．１５μｍのｎ側光ガイド
層１０６で成長させる。
【０２１０】（活性層１０７）ＳｉドープのＡｌ０．２
Ｇａ０．８Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープの
Ｉｎ０．０３Ａｌ０．０２Ｇａ０．９５Ｎよりなる井戸
層を、障壁層２ａ／井戸層１ａ／障壁層２ｂ／井戸層１
ｂ／障壁層２ｃの順に積層する。この時、図７に示すよ
うに、障壁層２ａを２００Å、障壁層２ｂ，２ｃを４０
Åの膜厚で、井戸層１ａ、１ｂを７０Åの膜厚で形成す
る。活性層１０７は、総膜厚約４２０Åの多重量子井戸
構造（ＭＱＷ）となる。
【０２１１】（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド
層２９））ＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる
膜厚２５ÅのＡ層と、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる
膜厚２５ÅのＢ層と、を交互に３０回繰り返し積層し
て、膜厚０．１５μｍで超格子多層膜構造のｐ側光ガイ
ド層１０９を成長させる。
【０２１２】（ｐ側クラッド層１１０（上部クラッド層
３０））アンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７ＮよりなるＡ
層を２５Åの膜厚で成長させ、ＭｇドープＡｌ０．１Ｇ
ａ０．９ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ａ
層、Ｂ層を交互に積層する操作を１００回繰り返して総
膜厚０．５μｍの超格子多層膜よりなるｐ側クラッド層
１１０を成長させる。
【０２１３】得られるレーザ素子は、実施例１よりも短
い波長領域の、波長３５０ｎｍで室温にて連続発振する
窒化物半導体素子が得られる。また、ｎ側、ｐ側の光ガ
イド層は、Ａｌの平均組成比が０．２のＡｌＧａＮで構
成され、第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層のバン
ドギャップエネルギーＥｇと、レーザ光の光子エネルギ
ーＥｐとの差、Ｅｇ−Ｅｐが、０．０５ｅＶ以上となる
導波路が形成されている。
【０２１４】［実施例４］実施例１において、各光ガイ
ド層を以下のように形成する他は、実施例１と同様にし
てレーザ素子を得る。
【０２１５】（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド
層２６））ＳｉドープのＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ
（実施例１のＡｌ平均組成）を膜厚０．１５μｍでｎ側
光ガイド層１０６を形成し、単一膜で光ガイド層を設け
る。
【０２１６】（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド
層２９））ＭｇドープのＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ
（実施例１のＡｌ平均組成）よりなる膜厚０．１５μｍ
でｐ側光ガイド層１０９を形成し、単一膜で光ガイド層
を設ける。
【０２１７】得られるレーザ素子は、実施例１に比較し
て、Ａｌの平均組成は同じものの、単一膜で光ガイド層
を設けたことにより結晶性が悪化する傾向にあり、ま
た、光ガイド層のドープ領域を大きくしたため、不純物
ドープしたことによる光の損失が多く発生する傾向にあ
り、閾値電流密度が増大する傾向にある。
【０２１８】また、これとは異なる単一膜の光ガイド層
として、実施例１において、ｐ側光ガイド層、ｎ側光ガ
イド層を、それぞれアンドープのＡｌ０．０３５Ｇａ
０．９ ６５Ｎ、７５ｎｍの膜厚で形成し、障壁層２ｃと
井戸層１ｂを設けない単一量子井戸構造の活性層を形成
する。得られるレーザ素子は、実施例１に比較して光ガ
イド層が単一膜であることにより、結晶性が悪化する
が、一方で膜厚を約半分とすることで、結晶性悪化によ
る素子劣化を抑制しうる。また光ガイド層をアンドープ
で形成することにより、導波路内での光の損失を抑制し
た構造となり、加えて活性層が単一量子井戸構造である
ことにより、活性層内の結晶性悪化を抑えることで、実
施例１とほぼ同等のレーザ素子が得られる。ここで、ア
ンドープは、成長時に意図的にドープしないことを指す
ものであり、ｐ側光ガイド層は、上述したように、隣接
層のｐ側電子閉込め層、ｐ側クラッド層からのＭｇ拡散
により僅かにＭｇがドープされたそうとなる。ｎ側光ガ
イド層は、Ｓｉは殆ど拡散せずノンドープ層となるが、
窒化物半導体において、ｎ型キャリアの拡散長はｐ型に
比較して大きく、またノンドープの窒化物半導体はＮ原
子空孔により高抵抗ながら、ｎ型を示すため、アンドー
プのｎ側光ガイド層としても、キャリアを活性層内に注
入できる。
【０２１９】［実施例５］実施例１において、図４に示
すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させて形
成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２２０】（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド
層２６））ＡｌｘＧａ１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形
成し、この時、成長するに従ってＡｌ組成比ｘを、０．
０５から０．０１へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜
させたｎ側光ガイド層１０６を設ける。この時、ｎ側光
ガイド層は、最初の膜厚５０ｎｍの領域はＳｉドープで
形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域（活性層側０．１
μｍの領域）で、アンドープで形成する。
【０２２１】（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド
層２９））ＡｌｘＧａ１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形
成し、この時、成長するに従ってＡｌ組成比ｘを、０．
０１から０．０５へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜
させたｐ側光ガイド層１０９を設ける。ここで、ｐ側光
ガイド層は、最初の膜厚０．１μｍ（活性層側０．１μ
ｍの領域）はアンドープで形成し、残りの膜厚５０ｎｍ
の領域ではＭｇドープで形成する。
【０２２２】得られるレーザ素子は、実施例１に比較し
て、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、図４に示すよう
に、バンドギャップエネルギーが傾斜された光ガイド層
を設けることにより、キャリアの活性層への注入効率が
良好となり、内部量子効率が向上する傾向にある。ま
た、光ガイド層内の活性層に近い側（活性層側）にアン
ドープ領域を設けたため、不純物ドープしたことによる
光の損失が低く抑えられた導波路構造となり、閾値電流
密度が減少する傾向にある。
【０２２３】[実施例６］実施例５において、図４に示
すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させて形
成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２２４】（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド
層２６））ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる膜厚２５ÅのＡ
層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｘ＞ｙ）からなる膜厚２５Å
のＢ層を交互に３０回繰り返し積層して、膜厚０．１５
μｍの超格子多層膜構造でｎ側光ガイド層を形成する。
この時、成長するに従ってＡｌ組成比ｘを、０．０５か
ら０．０３へと変化させ、Ａｌ組成比ｙを０．０１５で
一定とし、組成傾斜させたｎ側光ガイド層１０６を設け
る。このときｎ側光ガイド層は、最初の膜厚５０ｎｍの
領域は、Ａ層、Ｂ層ともＳｉドープで形成し、残りの膜
厚０．１μｍ（活性層側０．１μｍの領域）で、Ａ層の
みをＳｉドープ、Ｂ層をアンドープで形成する変調ドー
プを用いる。
【０２２５】（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド
層２９））ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる膜厚２５ÅのＡ
層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｘ＞ｙ）からなる膜厚２５Å
のＢ層を交互に３０回繰り返し積層して、膜厚０．１５
μｍの超格子多層膜構造でｐ側光ガイド層１０９を形成
する。ここで、ｐ側光ガイド層は、最初の膜厚０．１μ
ｍ（活性層側０．１μｍの領域）は、Ａ層のみをＭｇド
ープ、Ｂ層をアンドープで形成し、残りの膜厚５０ｎｍ
の領域で、Ａ層、Ｂ層ともＭｇドープで形成する。
【０２２６】得られるレーザ素子は、実施例４に比較し
て、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、超格子構造とし
たことにより結晶性が良好になり、素子特性が向上す
る。また一方で、光ガイド層のアンドープ領域を、実施
例４に比べて小さくしたため、光の損失が大きくなり、
閾値電流密度が僅かに増大する傾向にある。
【０２２７】[実施例７］図８に示す面発光型のレーザ
素子について以下説明する。
【０２２８】（基板５０１）実施例１に用いた窒化物半
導体基板１０１と同様の基板５０１を用いる。
【０２２９】窒化物半導体基板５０１の上に、反射膜５
３０として、ＡｌｘＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる
第１の層５３１と、第１の層と異なる組成のＡｌｙＧａ
1-ｙＮ（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）からなる第２の層５３２
を交互にそれぞれ３層ずつ積層する。この時、各層は、
λ／（４ｎ）（但し、λは光の波長、ｎは材料の屈折
率）の式を満たす膜厚で設ける。窒化物半導体の反射膜
は第１、２の層を、Ａｌ ｘＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で
表される組成の異なる窒化物半導体を交互に積層した多
層膜を用いることができ、この時、各層を１層以上、第
１の層／第２の層の対を１対以上形成する。具体的には
第１の層／第２の層をＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＮ
／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ、ＧａＮ／ＡｌＮな
どで形成できる。ＡｌｘＧａ1-xＮ／ＡｌｙＧａ1-ｙＮ
（０＜ｘ、ｘ＜ｙ＜１）であるとＡｌＧａＮ多層膜であ
るため熱膨張係数差を小さくでき結晶性良く形成でき、
ＧａＮ／ＡｌｙＧａ1-ｙＮ（０＜ｙ＜１）であるとＧａ
Ｎ層により結晶性が改善された多層膜とできる。また、
Ａｌ組成比の差（ｙ−ｘ）を大きくすると、第１の層と
第２の層との屈折率差が大きくなり反射率が高くなり、
具体的には、ｙ−ｘ≧０．３とし、好ましくはｙ−ｘ≧
０．５とすることで反射率の高い多層膜反射膜が形成で
きる。また、実施例１と同様に、多層膜層として、Ａｌ
ｙＧａ1-ｙＮ（０＜ｙ≦１）を形成することにより、バ
ッファ層１０２として機能し、ピット低減効果が得られ
る。また、反射膜は、基板と活性層との間、活性層の上
に設けることができ、活性層の上の反射膜は、上記誘電
体多層膜を適応できる。更に、基板と活性層との間に反
射膜を設けた面発光型の発光素子にも適応できる。
【０２３０】続いて、実施例１と同様の条件で、ｎ側コ
ンタクト層５３３、活性層５３４、ｐ側電子閉込め層
（図示せず）、ｐ側コンタクト層５３５を積層して、円
形状の開口部を有するＳｉＯ2からなるブロック層５３
６を設けて、その円形状の開口部からＭｇドープＧａＮ
を成長させて、第２のｐ側コンタクト層５３７を形成す
る。この時、ｐ側コンタクト層５３５、第２のｐ側コン
タクト層５３７は、いずれか一方だけを形成したもので
も良い。その第２のｐ側コンタクト層５３７の上に、Ｓ
ｉＯ2／ＴｉＯ2からなる誘電体多層膜を形成し反射膜５
３８とし、前記ブロック層５３６の開口部の上に円形状
に設ける。そして、ｎ側コンタクト層５３３が露出する
深さまでエッチングして、露出したｎ側コンタクト層５
３３の上にリング状のｎ電極５２１、第２のｐ側コンタ
クト層５３７の上に、反射膜５３８の周りを囲むｐ電極
５２０をそれぞれ形成する。このようにして、得られる
面発光型のレーザ素子は、実施例１と同様に、短波長域
で発振するレーザ素子となる。
【０２３１】[実施例８］実施例１において、クラッド
層、光ガイド層、活性層を次の条件で形成した素子構造
のレーザ素子を形成する。
【０２３２】上部、下部クラッド層として、膜厚２５Å
のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎと膜厚２５ÅのＡｌ０．０５
Ｇａ０．９５Ｎとを交互に１００層ずつ積層した超格子
多層膜構造（５００Å）とし、この時ｐ側、ｎ側のクラ
ッド層においてドーパントとしてそれぞれＭｇ，Ｓｉを
超格子層の一方にドープする。
【０２３３】上部、下部光ガイド層として、アンドープ
のＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎを０．１５μｍで形成す
る。
【０２３４】活性層としてＡｌ０．１５Ｉｎ０．０１Ｇ
ａ０．８４Ｎ（２００Å）の障壁層、膜厚１００Åの井
戸層、Ａｌ０．１５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．８４Ｎ（４５
Å）の障壁層とを積層した量子井戸構造とする。
【０２３５】図１０に示すＡｌ混晶比ｘ（ｘ＝０．０
３、０．０６、０．０８）の依存性については井戸層を
ＡｌｘＩｎ０．０４Ｇａ０．９６−ｘＮとし、図１１の
Ｉｎ混晶比ｙ（ｙ＝０．０２、０．０３、０．０４、
０．０７）の依存性については井戸層をＡｌ０．０３Ｉ
ｎｙＧａ０．９７−ｙＮとし、それぞれパルス発振下で
の閾値電流密度、波長変化を示すものである。
【０２３６】図１１に示すように、閾値電流密度Ｊｔｈ
では、Ｉｎ混晶比ｙが０．０２付近からｙが大きくなる
に従って下降曲線を示し、０．０３〜０．０５の範囲付
近で極小値をとり、０．０５を超える領域では、上昇傾
向を示す。また、Ａｌ混晶比ｘについては、図１０に示
すように、ｘ≦０．１の範囲において、Ａｌ混晶比ｘの
増加により上昇傾向にあり、０＜ｘ≦０．６の範囲で好
ましく閾値電流を下げることができる。
【０２３７】[実施例９］再び、図１に示すリッジ型窒
化物半導体レーザを参照する。
【０２３８】基板１０１上には、バッファ層１０２を介
して、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層１０
３、クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０５、及
びｎ型光ガイド層１０６が形成されている。ｎ型クラッ
ド層１０５を除く他の層は、素子によっては省略するこ
ともできる。ｎ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層
と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップ
を有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成
であることが好ましい。また、各層は、ｎ型不純物をド
ープしながら成長させてｎ型としても良いし、アンドー
プで成長させてｎ型としても良い。
【０２３９】ｎ型窒化物半導体層１０３〜１０６の上に
は、活性層１０７が形成されている。活性層１０７は、
前述の通り、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ２Ｎ井戸層（０≦ｘ１
＜１）とＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ障壁層（０＜ｘ２＜
１、ｘ１＜ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層
されたＭＱＷ構造を有しており、活性層の両端はいずれ
も障壁層となっている。井戸層は、アンドープで形成さ
れており、全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物が
好ましくは１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３の濃度
でドープして形成されている。
【０２４０】最終障壁層は、アンドープで形成されてお
り、次に成長させるｐ型電子閉じ込め層１０８からの拡
散によってＭｇ等のｐ型不純物を１×１０１６〜１×１
０１ ９ｃｍ−３含んでいる場合がある。尚、最終障壁層
を成長させるときに、Ｍｇ等のｐ型不純物を１×１０
１９ｃｍ−３以下の濃度でドープしながら成長させても
良い。また、最終障壁層に、他の障壁層と同様に、Ｓｉ
などのｎ型不純物をドープしても良い。
【０２４１】最終障壁層の上には、ｐ型窒化物半導体層
として、ｐ型電子閉じ込め層１０８、ｐ型光ガイド層１
０９、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタクト層１１１
が形成されている。ｐ型クラッド層１１０を除く他の層
は、素子によっては省略することもできる。ｐ型窒化物
半導体層は、少なくとも活性層と接する部分において活
性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であ
り、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。
また、各層は、ｐ型不純物をドープしながら成長させて
ｐ型としても良いし、隣接する他の層からｐ型不純物を
拡散させてｐ型としても良い。
【０２４２】ｐ型電子閉じ込め層１０８は、ｐ型クラッ
ド層１１０よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導
体から成り、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．１＜
ｘ＜０．５）なる組成を有する。また、Ｍｇ等のｐ型不
純物が高濃度で、好ましくは５×１０１７〜１×１０
１９ｃｍ−３の濃度でドープされている。これにより、
ｐ型電子閉じ込め層１０８は、電子を活性層中に有効に
閉じ込めることができ、レーザの閾値を低下させる。ま
た、ｐ型電子閉じ込め層１０８は、３０〜２００Å程度
の薄膜で成長させれば良く、薄膜であればｐ型光ガイド
層１０９やｐ型光クラッド層１１０よりも低温で成長さ
せることができる。
【０２４３】また、ｐ型電子閉じ込め層１０８は、アン
ドープで成長させた最終障壁層にｐ型不純物を拡散によ
って供給する役割を果たしており、両者は協働して、活
性層１０７を分解から保護すると共に、活性層１０７へ
のホール注入効率を高める役割を果たすようにしてもよ
い。
【０２４４】ｐ型窒化物半導体層のうち、ｐ型光ガイド
層１０９の途中までリッジストライプが形成され、さら
に、保護膜１６１、１６２、ｐ型電極１２０、ｎ型電極
１２１、ｐパット電極１２２、及びｎパット電極１２３
が形成されて半導体レーザが構成されている。
【０２４５】本実施例は、実施例１の構成および製造プ
ロセスとほぼ同様であるが、実施例１の発振波長（３７
０ｎｍ）より短い発振波長（３６６ｎｍ）に設定するた
め、下記のように活性層１０７の量子井戸層の組成をＡ
ｌＧａＮの３元材料に変えている。さらに、ｎ側クラッ
ド層１０５、ｎ側光ガイド層１０６、ｐ側光ガイド層１
０９、ｐ側クラッド層１１０についても下記のように組
成を変えている。
【０２４６】（ｎ側クラッド層１０５：下部クラッド層
２５）次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭ
Ａ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガ
スを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ
０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で
成長させ、続いて、不純物ガスを止め、アンドープのＡ
ｌ０．１Ｇａ０．９ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成
長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返
してＡ層とＢ層の積層し、多層膜（超格子構造）よりな
るｎ型クラッド層１０６を成長させる。この時、アンド
ープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上
０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機
能する屈折率差を設けることができる。
【０２４７】（ｎ側光ガイド層１０６：下部光ガイド層
２６）次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ
及びアンモニアを用い、アンドープのアンドープのＡｌ
０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型光ガイド層１０６
を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物
をドープしてもよい。この層が第１の窒化物半導体層と
なる。
【０２４８】（活性層１０７（２７，１２））次に、同
様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア
を用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５
×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０ ．１５Ｇａ
０．８５Ｎよりなる障壁層（第１の障壁層２ａ）（Ｂ）
を１００Åの膜厚で、ＴＭＡ及びシランガスを止め、ア
ンドープのＧａＮよりなる井戸層（Ｗ）を１００Åの膜
厚で、最後の障壁層（第２の障壁層２ｂ）として、アン
ドープのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを４５Åの膜厚
で、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の順に積層する。活性層１
０７は、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の順に積層を繰り返
し、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることもできる。
【０２４９】（ｐ側光ガイド層１０９：上部光ガイド層
２９）次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭ
Ａ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ
０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｐ側光ガイド層１０９
を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド
層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子
閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１１０等の隣接層から
のＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３
となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇ
をドープしても良い。この層が、第２の窒化物半導体層
となる。
【０２５０】（ｐ側クラッド層１１０：上部クラッド層
３０）続いて、ＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、１
０５０℃でＭｇドープＡｌ０ ．０５Ｇａ０．９５Ｎより
なる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、Ｃｐ２Ｍｇ
を止め、アンドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎよりな
る層を２５Åの膜厚で成長させ、それを１００回繰り返
して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッ
ド層１１０を成長させる。ｐ型クラッド層は少なくとも
一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンド
ギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した
超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多
くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良
くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良
い。ｐ側クラッド層１１０を超格子構造とすることによ
って、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができ
るので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらに
バンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低
下させる上で非常に有効である。さらに、超格子とした
ことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子
にしないものよりも少なく、ショートの発生も低くな
る。
【０２５１】本実施例では、室温においてしきい値電流
５３ｍＡ，電流密度３．５ｋＡ／ｃｍ２、発振波長３６
６ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。
【０２５２】［実施例１０］本実施例では、活性層を以
下の通りとする他は、実施例９と同様にしてレーザ素子
を得る。
【０２５３】（活性層１０７（２７，１２））Ｓｉドー
プＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚２００Åからなる
第１の障壁層２ａ、アンドープＧａＮ、膜厚１００Åか
らなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０ ．１５Ｇａ
０．８５Ｎ、膜厚４５Åからなる第２の障壁層２ｂを順
に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
【０２５４】得られるレーザ素子は、実施例９に比較し
て、第１の障壁層が厚膜化したことにより、井戸層の結
晶性が悪化する傾向にあり、しきい値電流Ｊｔｈが１０
０ｍＡと大きくなる傾向にある。
【０２５５】［実施例１１］本実施例では、活性層を以
下の通りとする他は、実施例９と同様にしてレーザ素子
を得る。
【０２５６】（活性層２７）ＳｉドープＡｌ０．１５Ｇ
ａ０．８５Ｎ、膜厚１００Åからなる第１の障壁層２
ａ、アンドープＧａＮ、膜厚１００Åからなる井戸層１
ｂ、アンドープＡｌ０ ．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚１５
０Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子
井戸構造の活性層とする。
【０２５７】得られるレーザ素子は、実施例９に比較し
て、第２の障壁層が厚膜化したことにより、Ｖｆが上昇
する傾向にあり、閾値電流Ｊｔｈが１００ｍＡと大きく
なる傾向にある。ここでは、第２の障壁層が第１の障壁
層よりも膜厚が大きく、また膜厚が１００Å以上で形成
され、ｐ−ｎ接合付近であるｐ側電子閉込め層の高抵抗
で、発熱量の大きな層が井戸層から第２の障壁層により
離された構造となり、その影響を小さくできる一方で、
第２の障壁層による抵抗値の上昇が影響する構造とな
る。
【０２５８】［実施例１２］本実施例では、活性層を以
下の通りとする他は、実施例９と同様にしてレーザ素子
を得る。
【０２５９】（活性層２７）ＳｉドープＡｌ０．０５Ｇ
ａ０．９５Ｎ、膜厚１００Åからなる第１の障壁層２
ａ、アンドープＧａＮ、膜厚１００Åからなる井戸層１
ｂ、アンドープＡｌ０ ．０５Ｇａ０．９５Ｎ、膜厚１５
０Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子
井戸構造の活性層とする。
【０２６０】得られるレーザ素子は、実施例９に比較し
て、第１の障壁層、第２の障壁層のＡｌ混晶比を小さく
して、バンドギャップエネルギーを小さくし、井戸層と
のバンドギャップエネルギー差も小さくしたことによ
り、井戸層へのキャリア閉込めが悪くなる傾向にあり、
閾値電流Ｊｔｈが２００ｍＡと大きくなる傾向にある。
ここで、井戸層と障壁層（第１の障壁層）とのＡｌ混晶
比差、ＸＢ１―Ｘｗは、０．０５であり、このＡｌ混晶
比差を境として、障壁層と井戸層とのＡｌ混晶比差を大
きくすることで、閾値が低下する傾向が観られる。
【０２６１】［実施例１３］本実施例では、図６（ｂ）
に示すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させ
て形成する他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を得
る。
【０２６２】（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド
層２６））ＡｌｘＧａ１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形
成し、この時、成長するに従って、すなわち活性層に近
づくに従って、Ａｌ組成比ｘを、０．１から０．０２へ
と変化させて、膜厚方向に組成傾斜させたｎ側光ガイド
層１０６を設ける。この時、ｎ側光ガイド層は、最初の
膜厚５０ｎｍの領域はＳｉドープで形成し、残りの膜厚
０．１μｍの領域（活性層側０．１μｍの領域）で、ア
ンドープで形成する。ここでは、活性層近傍の光ガイド
層において、第１の障壁層よりもバンドギャップエネル
ギーの小さい一部の領域が、第１の窒化物半導体層とな
る。
【０２６３】（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド
層２９））ＡｌｘＧａ１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形
成し、この時、成長するに従ってＡｌ組成比ｘを、０．
０２から０．１へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜さ
せ、活性層に近づくに従ってＡｌ混晶比が小さく、バン
ドギャップエネルギーが小さくしたｐ側光ガイド層１０
９を設ける。ここで、ｐ側光ガイド層は、最初の膜厚
０．１μｍ（活性層側０．１μｍの領域）はアンドープ
で形成し、残りの膜厚５０ｎｍの領域ではＭｇドープで
形成する。この時、活性層及びｐ側電子閉込め層近傍の
ｐ側光ガイド層２９において、第２の障壁層よりもＡｌ
混晶比が小さく、バンドギャップエネルギーの小さい一
部の領域が、第２の窒化物半導体層となる。
【０２６４】得られるレーザ素子は、実施例９に比較し
て、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、図６（ｂ）に示
すように、バンドギャップエネルギーが傾斜された光ガ
イド層を設けることにより、キャリアの活性層への注入
効率が良好となり、内部量子効率が向上する傾向にあ
る。また、光ガイド層内の活性層に近い側（活性層側）
にアンドープ領域を設けたため、不純物ドープしたこと
による光の損失が低く抑えられた導波路構造となり、閾
値電流密度が減少する傾向にある。
【０２６５】［実施例１４］本実施例では、図６（ｂ）
に示すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させ
て形成する他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を得
る。
【０２６６】（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド
層２６））ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる膜厚２５ÅのＡ
層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｘ＞ｙ）からなる膜厚２５Å
のＢ層を交互に３０回繰り返し積層して、膜厚０．１５
μｍの超格子多層膜構造でｎ側光ガイド層を形成する。
この時、成長するに従ってＡ層のＡｌ組成比ｘを、０．
０５から０．０３へと変化させ、Ｂ層のＡｌ組成比ｙを
０．０１５で一定とし、組成傾斜させたｎ側光ガイド層
１０６を設ける。このときｎ側光ガイド層は、最初の膜
厚５０ｎｍの領域は、Ａ層、Ｂ層ともＳｉドープで形成
し、残りの膜厚０．１μｍの領域（活性層側０．１μｍ
の領域）で、Ａ層のみをＳｉドープ、Ｂ層をアンドープ
で形成する変調ドープを用いる。ここで、ｎ側光ガイド
層は、活性層中の第１の障壁層よりもバンドギャップエ
ネルギー、及びＡｌ混晶比が小さくなり、第１の窒化物
半導体層となる。
【０２６７】（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド
層２９））ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる膜厚２５ÅのＡ
層、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｘ＞ｙ）からなる膜厚２５Å
のＢ層を交互に３０回繰り返し積層して、膜厚０．１５
μｍの超格子多層膜構造でｐ側光ガイド層１０９を形成
する。この時、成長するに従って、Ａ層のＡｌ組成比ｘ
を、０．０３から０．０５へと変化させ、Ｂ層のＡｌ組
成比ｙを０．０１５で一定とし、組成傾斜させ、すなわ
ち活性層、ｐ側電子閉込め層１０８から離れるに従って
バンドギャップエネルギーを大きくし、Ａｌ平均組成を
大きくしたｐ側光ガイド層１０９を設ける。ここで、ｐ
側光ガイド層は、最初の膜厚０．１μｍ（活性層側０．
１μｍの領域）は、Ａ層のみをＭｇドープ、Ｂ層をアン
ドープで形成し、残りの膜厚５０ｎｍの領域で、Ａ層、
Ｂ層ともＭｇドープで形成する。また、ここでは、Ａ層
とＢ層とで周期的に積層された多層膜において、一方の
層のみを組成傾斜させたが、両方を組成傾斜させること
もできる。
【０２６８】得られるレーザ素子は、実施例１３に比較
して、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、超格子構造と
したことにより結晶性が良好になり、素子特性が向上す
る。また一方で、光ガイド層のアンドープ領域を、実施
例１３に比べて小さくしたため、光の損失が大きくな
り、閾値電流密度が僅かに増大する傾向にある。
【０２６９】［比較例１］図１４（ａ）に示すように、
光ガイド層を活性層の井戸層、障壁層のいずれよりも大
きなバンドギャップエネルギーとし、図１６に示すよう
に、活性層よりも光ガイド層のＡｌ混晶比を大きくし、
更に光ガイド層よりもクラッド層のＡｌ混晶比を大きく
した構造で、レーザ素子を作製する。ここでは、光ガイ
ド層、クラッド層を下記の通りとする他は、実施例９と
同様にして、レーザ素子を得る。
【０２７０】（ｎ側クラッド層［下部クラッド層２
５］）Ｓｉドープしたｎ型のＡｌ０．１７Ｇａ０．８３
Ｎ、膜厚２５ÅのＡ層と、Ｓｉドープしたｎ型のＡｌ
０．２０Ｇａ０．７５Ｎ、膜厚２５ÅのＢ層と、交互に
１００層ずつ繰り返し積層して、超格子多層膜のクラッ
ド層を形成する。
【０２７１】（ｎ側光ガイド層［下部光ガイド層２
６］）アンドープのＡｌ０．１７Ｇａ０．８Ｎを膜厚
０．１５μｍで形成する。
【０２７２】（ｐ側光ガイド層［上部光ガイド層２
９］）アンドープのＡｌ０．１７Ｇａ０．８Ｎを膜厚
０．１５μｍで形成する。
【０２７３】（ｐ側クラッド層［上部クラッド層３
０］）Ｍｇドープしたｎ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ、
膜厚２５ÅのＡ層と、Ｍｇドープしたｎ型のＡｌ
０．２５Ｇａ０．７５Ｎ、膜厚２５ÅのＢ層と、交互に
１００層ずつ繰り返し積層して、超格子多層膜のクラッ
ド層を形成する。
【０２７４】得られるレーザ素子は、その殆どにクラッ
クが発生し、素子動作ができないものである。また、素
子動作が可能なものであっても、結晶性悪化によるリー
ク電流が多く発生し、レーザ発振するものが得られない
ものとなる。
【０２７５】［実施例１５］図１５（ａ）（ｂ）を参照
して、本発明の発光素子２００について説明する。ここ
では、２００ｂに示すように、基板の同一面側に、正負
一対の電極を設ける構造の発光素子を作製する。
【０２７６】サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０１を
ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しなが
ら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリ
ーニングを行う。
【０２７７】バッファ層（図示せず）：続いて、温度を
５１０℃で、基板１上にＧａＮよりなる低温成長のバッ
ファ層を約１００Åの膜厚で成長させる。この低温成長
層を次に成長させる層よりも低温で成長させて、基板と
の格子不整合を緩和させるものであり、基板の種類によ
っては省略できる。
【０２７８】下地層（図示せず）：バッファ層成長後、
温度１０５０℃で、アンドープＧａＮ層を１．５μｍの
膜厚で成長させる。この層は、アンドープ層で成長させ
ることで、その上に形成する素子構造の下地層となり、
成長基板となる。
【０２７９】ｎ型コンタクト層２０２：続いて１０５０
℃で、Ｓｉを４．５×１０１８／cm ３ドープしたＡｌ
０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層（電
流注入層）２０２を２μｍの膜厚で成長させる。ここで
は、ｎ側コンタクト層２０２が第１の窒化物半導体層と
なる。
【０２８０】活性層２０３：アンドープＡｌ０．１５Ｇ
ａ０．８５Ｎよりなる障壁層（第１の障壁層２ａ）を１
００Åの膜厚で成長させ、続いてアンドープＡｌ
０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる井戸層を３０Åの膜厚
で成長させる。続いて、膜厚３０Å、Ａｌ０．１Ｇａ
０．９Ｎからなる内部障壁層（図示せず）を成長させ、
井戸層１を４層（図示せず）と、内部障壁層を３層（図
示せず）と、を交互に積層して、最後に第２の障壁層２
ｂとして、膜厚４０ÅのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを
成長させ、総膜厚３８０Åの多重量子井戸構造よりなる
活性層２０３を成長させる。この活性層では、図１４
（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａ及び第２の障壁
層２ｂよりも、Ａｌ混晶比が小さく、バンドギャップエ
ネルギーが小さい内部障壁層（２ｂなど）を形成した構
造である。
【０２８１】ｐ側クラッド層２０４：アンドープのＡｌ
０．２Ｇａ０．８ＮよりなるＡ層２０４を４０Åの膜厚
で成長させ、続いてＭｇを５×１０１９／cm３ドープし
たＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＢ層２０５を２
５Åの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返
し、Ａ層、Ｂ層の順で交互に５層ずつ積層し、最後にＡ
層を４０Åの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜より
なるｐ側多層膜クラッド層２０４を３６５Åの膜厚で成
長させる。この時、最初のＢ層が第２の障壁層よりもバ
ンドギャップエネルギーが小さく、Ａｌ混晶比の小さい
第２の窒化物半導体層となる。
【０２８２】ｐ側コンタクト層２０５：続いて、Ｍｇを
１×１０２０／cm３ドープしたＧａＮよりなるｐ型コン
タクト層２０５を２００Åの膜厚で成長させる。
【０２８３】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。
【０２８４】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、最上層のｐ側コンタクト層２０５の表面に所
定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッ
チング）装置でｐ側コンタクト層２０５側からエッチン
グを行い、図１５（ａ）に示すようにｎ側コンタクト層
２０２の表面を露出させる。
【０２８５】エッチング後、最上層にあるｐ側コンタク
ト層２０５のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含
む透光性のｐ電極２０６と、そのｐ電極２０６の上にボ
ンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極（図示せず）
を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングによ
り露出させたｎ側コンタクト層２０２の表面にはＷとＡ
ｌを含むｎ電極２０７を形成してＬＥＤ素子とした。
【０２８６】このＬＥＤ素子は波長３５５ｎｍの紫外発
光を示し、特に、上記第１の窒化物半導体層を設けるこ
とで、結晶性良く活性層が形成でき、発光特性に優れる
発光素子が得られる。
【０２８７】
【発明の効果】本発明の窒化物半導体素子は、３８０ｎ
ｍ以下の短波長域において、レーザ発振可能な活性層、
導波路構造を得ることができる。特に、ＩｎＡｌＧａＮ
の井戸層において、Ｉｎ混晶比を、０．０２〜０．０
５、好ましくは０．０３〜０．０５の範囲とし、Ａｌ組
成比を変化させて所望の発光波長の禁制帯幅を形成し
て、短波長域の発光素子、レーザ素子を得ることによ
り、内部量子効率、発光効率に優れた素子となる。
【０２８８】また、本発明の窒化物半導体素子は、低い
閾値電流で３７５ｎｍ以下という短波長の発光素子、レ
ーザ素子を得ることができる。したがって、発光ダイオ
ードは所定の蛍光体と組み合わせて蛍光ランプの代替品
を提供することができる。他方、レーザ素子は優れたＦ
ＷＨＭを示し、優れた解像度が得られる結果、ホトリソ
グラフ素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るレーザ素子構造を
説明する模式断面図である。
【図２】 図２（ａ）は本発明の一実施形態に係る素子
の積層構造を説明する模式断面図であり、図２（ｂ）は
各層のＡｌ組成比を説明する模式図である。
【図３】 図３（ａ）は本発明の一実施形態に係る素子
の積層構造を説明する模式断面図であり、図３（ｂ）は
該積層構造のエネルギーバンドを説明する模式図であ
る。
【図４】 本発明の一実施形態に係るエネルギーバンド
を説明する模式図である。
【図５】 本発明の一実施形態に係るエネルギーバンド
を説明する模式図である。
【図６】 図６（ａ）は本発明の一実施形態に係るエネ
ルギーバンドを説明する模式図であり、図６（ｂ）〜図
６（ｄ）は各導電型の不純物（ドーパント）のドープ量
変化を説明する模式図である。
【図７】 本発明の一実施形態に係る活性層の積層構造
を説明する模式断面図である。
【図８】 本発明の一実施形態に係る素子構造を説明す
る模式断面図である。
【図９】 図９（ａ）は本発明に係る活性層におけるＩ
ｎ組成比と発光効率との関係を説明する模式図であり、
図９（ｂ）はＩｎ組成比と閾値電流密度との関係を説明
する模式図である。
【図１０】 本発明に係る活性層において、パルス発振
下での閾値電流密度と波長に対するＡｌ混晶比の依存性
を説明する模式図である。
【図１１】 本発明に係る活性層において、パルス発振
下での閾値電流密度と波長に対するＩｎ混晶比の依存性
を説明する模式図である。
【図１２】 図１２（ａ）は本発明の一実施形態に係る
素子の積層構造を説明する模式断面図であり、図１２
（ｂ）は該積層構造に対応してバイアス状態のバンド構
造を説明する模式図である。
【図１３】 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、従来
技術におけるレーザ素子のバイアス状態のバンド構造を
説明する模式図である。
【図１４】 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、本発
明の一実施形態に係る素子におけるバイアス状態のバン
ド構造を説明する模式図である。
【図１５】 図１５（ａ）は本発明の一実施形態に係る
発光素子の積層構造を説明する模式断面であり、図１５
（ｂ）は各層のＡｌ組成比を説明する模式図である。
【図１６】 従来技術におけるレーザ素子の積層構造に
対応した各層のＡｌ組成比を説明する模式図である。
【符号の説明】
１・・・井戸層、２・・・障壁層、１１・・・第１導電
型層、１２・・・活性層、１３・・・第２導電型層、２
５・・・下部クラッド、２６・・・第１の光ガイド層、
２８・・・キャリア閉込め層、２９・・・第２の光ガイ
ド層、３０・・・上部クラッド層、１０１・・・基板、
１０２・・・バッファ層、１０３・・・ｎ側コンタクト
層、１０４・・・クラック防止層、１０５・・・ｎ側ク
ラッド層、１０６・・・ｎ側光ガイド層、１０７，２７
・・・活性層、１０８・・・ｐ側電子閉込め層、１０９
・・・ｐ側光ガイド層、１１０・・・ｐ側クラッド層、
１１１・・・ｐ側コンタクト層、１２０・・・ｐ電極、
１２１・・・ｎ電極、１２２・・・ｐパッド電極、１２
３・・・ｎパッド電極、１６２・・・第２の保護膜（埋
込層）、１６４・・・絶縁膜
フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願2001−230684(P2001−230684) (32)優先日 平成13年７月30日(2001．7．30) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） Ｆターム(参考） 5F041 AA11 AA40 CA04 CA05 CA12 CA40 CA46 CA57 CA60 CA65 CA73 CA74 CA77 CB11 CB36 FF11 5F073 AA20 AA45 AA46 AA51 AA55 AA73 AA74 AA76 AA77 AA89 BA06 BA07 BA09 CA02 CA07 CA17 CB05 CB07 CB10 CB14 DA05 DA16 DA25 DA35 EA07 EA23 EA29

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１導電型層と第２導電型層との間に、
    活性層を有する窒化物半導体素子において、 前記活性層が、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体からな
    る井戸層と、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層
    と、を少なくとも有する量子井戸構造である窒化物半導
    体素子。
  2. 【請求項２】 前記井戸層が、ＡｌｘＩｎｙＧａ
    １−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）
    であり、前記障壁層がＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ
    （０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）である請求項
    １記載の窒化物半導体素子。
  3. 【請求項３】 前記井戸層の膜厚が、障壁層の膜厚より
    も小さい請求項１又は２記載の窒化物半導体素子。
  4. 【請求項４】 前記井戸層のＩｎ組成比ｙが、０．０２
    以上０．０５以下の範囲である請求項２又は３記載の窒
    化物半導体素子。
  5. 【請求項５】 前記井戸層のＩｎ組成比ｙが、０．０３
    以上０．０５以下の範囲である請求項２又は３記載の窒
    化物半導体素子。
  6. 【請求項６】 前記活性層の発光波長が、３８０ｎｍ以
    下である請求項２〜５のいずれかに記載の窒化物半導体
    素子。
  7. 【請求項７】 前記第１導電型層が第１の光ガイド層を
    有し、第２導電型層が第２の光ガイド層を有して、該第
    １の光ガイド層と第２の光ガイド層とで前記活性層を挟
    み込むレーザ素子構造を有し、該第１の光ガイド層及び
    第２の光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥｇが、
    レーザ光の光子エネルギーＥｐに比べて、０．０５ｅＶ
    以上大きい（Ｅｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅＶ）請求項１〜６
    のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
  8. 【請求項８】 前記第１の光ガイド層及び／又は第２の
    光ガイド層が、Ａｌ ｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）から
    なる請求項７記載の窒化物半導体素子。
  9. 【請求項９】 前記活性層の発光波長が３８０ｎｍ以下
    であり、前記第１導電型層及び／又は第２導電型層が、
    ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる請求項１〜
    ８のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
  10. 【請求項１０】 第１導電型層と第２導電型層との間
    に、活性層を有する窒化物半導体素子において、 前記活性層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなる井戸層
    と、該井戸層よりも第１導電型層側にそれよりもバンド
    ギャップエネルギーの大きな窒化物半導体からなる第１
    の障壁層と、を少なくとも有する量子井戸構造であると
    共に、 前記第１導電型層が、前記第１の障壁層よりもバンドギ
    ャップエネルギーの小さい第１の窒化物半導体層を有
    し、前記第１の窒化物半導体層が前記第１の障壁層の近
    くに設けられている窒化物半導体素子。
  11. 【請求項１１】 前記第１の障壁層が、活性層内で、最
    も第１導電型層側の近くに配置され、前記第１の窒化物
    半導体層が活性層に接している請求項１０記載の窒化物
    半導体素子
  12. 【請求項１２】 前記第１導電型層がｎ型であり、前記
    第２導電型がｐ型である請求項１０又は１１記載の窒化
    物半導体素子。
  13. 【請求項１３】 前記第１の障壁層のＡｌ混晶比ＸＢ１
    が、井戸層のＡｌ混晶比をＸｗとが、ＸＢ１―Ｘｗ≧
    ０．０５の関係を満たす請求項１０〜１２のいずれかに
    記載の窒化物半導体素子。
  14. 【請求項１４】 前記第１の障壁層の膜厚が３０Å以上
    である請求項１０〜１３のいずれかに記載の窒化物半導
    体素子。
  15. 【請求項１５】 光ガイド層で挟持された活性層により
    導波路が形成された窒化物半導体発光素子において、第
    １導電型層内に設けられた光ガイド層が、前記第１の窒
    化物半導体層を有する請求項１０〜１４のいずれかに記
    載の窒化物半導体素子。
  16. 【請求項１６】 ３７５ｎｍ以下で発振可能であって、
    ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸層（但し、ｘ≧０）を挟む
    障壁層がＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（但し、ｚ≧
    ０）で、井戸層のバンドギャップＥｗが障壁層のバンド
    ギャップＥｂより０．２ｅＶ以上大きい請求項１０〜１
    ５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
  17. 【請求項１７】 井戸層膜厚が３００Å以下である請求
    項１６記載の窒化物半導体素子。
  18. 【請求項１８】 障壁層膜厚が３００Å以下である請求
    項１６記載の窒化物半導体素子。
  19. 【請求項１９】 光ガイド層とクラッド層とを分離して
    設けるＳＣＨ構造であって、ガイド層バンドギャップＥ
    ｇが発振時の光子エネルギーＥｐより０．０５ｅＶ大き
    い請求項１６記載の窒化物半導体素子。
  20. 【請求項２０】 光ガイド層がＡｌａＧａ１−ａＮ／Ａ
    ｌｂＧａ１−ｂＮ（ａ≠ｂ）超格子層からなる請求項１
    ９記載の窒化物半導体素子。
  21. 【請求項２１】 クラッド層がＡｌｃＧａ１−ｃＮ／Ａ
    ｌｄＧａ１−ｄＮ（ｃ≠ｄ）超格子層からなり、クラッ
    ド層のバンドギャップＥｃはガイド層のバンドギャップ
    より大きい請求項１９記載の窒化物半導体素子。
  22. 【請求項２２】 量子井戸層の外側に屈折率を階段状に
    変化させた光閉じ込め層を形成するＧＲＩＮ構造であっ
    て、活性層の上下層にノンドープ層を設ける請求項１６
    記載の窒化物半導体素子。
  23. 【請求項２３】 ３８０ｎｍ以下で発振可能であって、
    第１導電型層、第２導電型層との間に、活性層を有する
    窒化物半導体素子において、 前記活性層が、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体からな
    る井戸層と、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層
    と、を少なくとも有する量子井戸構造である請求項１０
    〜１５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
  24. 【請求項２４】 前記井戸層が、ＡｌｘＩｎｙＧａ
    １−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）
    であり、前記障壁層がＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ− ｖＮ
    （０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）である請求項
    ２３記載の窒化物半導体素子。
  25. 【請求項２５】 前記井戸層の膜厚が、障壁層の膜厚よ
    りも小さい請求項２３又は２４記載の窒化物半導体素
    子。
  26. 【請求項２６】 前記井戸層のＩｎ組成比ｙが、０．０
    ２以上０．０５以下の範囲である請求項２４又は２５記
    載の窒化物半導体素子。
  27. 【請求項２７】 前記井戸層のＩｎ組成比ｙが、０．０
    ３以上０．０５以下の範囲である請求項２４又は２５記
    載の窒化物半導体素子。
  28. 【請求項２８】 前記第１導電型層が第１の光ガイド層
    を有し、第２導電型層が第２の光ガイド層を有して、該
    第１の光ガイド層と第２の光ガイド層とで前記活性層を
    挟み込むレーザ素子構造を有し、該第１の光ガイド層及
    び第２の光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ
    ｇが、レーザ光の光子エネルギーＥｐに比べて、０．０
    ５ｅＶ以上大きい（Ｅｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅＶ）請求項
    ２３〜２７のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
  29. 【請求項２９】 前記第１の光ガイド層及び／又は第２
    の光ガイド層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）か
    らなる請求項２８記載の窒化物半導体素子。
  30. 【請求項３０】 前記活性層の発光波長が３８０ｎｍ以
    下であり、前記第１導電型層及び／又は第２導電型層
    が、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる請求項
    ２３〜２９のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
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