JP3657795B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子に係り、特には、基板上に積層される半導体層構造が窒化物半導体により構成される窒化物半導体発光素子に発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から赤色領域までの波長領域に発光するＬＥＤ、ＬＤ等の半導体発光素子の材料としてＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等の窒化物半導体が有望視されている。現在、これら窒化物半導体材料で構成された青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥＤが実用化され、ディスプレイ、信号等に用いられている。
【０００３】
これらの青色、青緑色発光窒化物半導体ＬＥＤ素子は、ダブルヘテロ構造を有し、基本的には、基板の上に、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層と、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが順次積層された構造を有している。活性層には、Ｓｉ、Ｇｅ等のドナー不純物および／またはＺｎ、Ｍｇ等のアクセプター不純物がドープされている。このＬＥＤ素子の発光波長は、活性層を構成するＩｎＧａＮのＩｎの比率を変えるか、または活性層にドープする不純物の種類を変えることにより、紫外から赤色領域まで変化させることができる。
【０００４】
他方、ＬＤ素子については、従来より種々の構造が提案されている。例えば特開平６−２１５１１号公報には、分離閉じ込め型のＬＤ素子が開示されている。このＬＤ素子は、ＩｎＧａＮよりなる膜厚１００オングストローム以下の活性層をｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層とにより挟持し、さらにｎ型ＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層のそれぞれの上にｐ型ＡｌＧａＮ層およびｎ型ＡｌＧａＮ層を設けた構造を有する。この素子において、ＡｌＧａＮ層が光閉じ込め層として作用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体ＬＥＤ素子については、上に述べたようなダブルへテロ構造が実現されたことにより、発光出力は実用レベルまで向上するに至っている。しかしながら、ＬＥＤ素子であってもさらに高い発光出力を示す素子が望ましいばかりでなく、従来のＬＥＤ素子においては、活性層（発光層）に不純物がドープされているために、発光スペクトルの半値幅が広くなるきらいがある。発光スペクトルの半値幅が広いと、その発光色は白色味を帯びて見えるので、そのようなＬＥＤ素子を用いて例えばフルカラーディスプレイを作製した際には、そのカラーディスプレイの色再現領域が狭くなることとなる。
【０００６】
他方、窒化物半導体ＬＤ素子は、前記特開平６−２１５１１号公報に記載されているように、ノンドープのＩｎＧａＮで形成された活性層を有するダブルへテロ構造により、理論的には、実現可能であるが、実際にはそのＬＤ素子は発振するには至っていない。特にこの公報に記載されているように、活性層を量子井戸構造とすることにより、発光出力が大幅に向上するはずであるが、前述のように、実際はレーザー発振するに至っていない。
【０００７】
従って、本発明は、ＬＥＤ素子に適用した場合には、発光出力が高く、発光スペクトルの半値幅が狭いＬＥＤ素子を実現でき、またＬＤ素子に適用した場合には、現実のレーザー発振を行えるＬＤ素子を実現できる新規な構造の窒化物半導体発光素子を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、活性層をｐ型半導体層とｎ型半導体層で挟持した構造の窒化物半導体発光素子について鋭意研究した結果、活性層をＩｎＧａＮで形成するとともに、これを量子井戸構造（単一量子井戸および多重量子井戸構造の双方を含む）とすることによって当該活性層からの発光をＩｎＧａＮのバンド間発光に基づくものとすることができ、もって半値幅の狭い発光を得ることができること、および特定のｎ型層を当該活性層に接して設けることによって、高い発光出力を示すおよび／または現実のレーザー発振を行える窒化物半導体発光素子が得られることを見い出した。これらの知見に基づいてさらに研究を進め、本発明を完成するに至った。
【０００９】
より具体的には、本発明の発光素子は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなり第１および第２の主面を有する量子井戸構造の活性層を、それよりバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層で挟み、格子定数不整を有するダブルへテロ構造の発光素子であって、前記活性層の第２の主面側に設けられたｐ型クラッド層と、
前記活性層の第１の主面側に設けられたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層と、前記活性層と前記ｎ型コンタクト層の間に、前記活性層の第１の主面に接して設けられ、前記活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きなＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）から成る第１のｎ型クラッド層と、を具え、前記第１のｎ型クラッド層は、該ｎ型クラッド層に接して設けられる窒化物半導体層との界面に格子定数不整を有し、前記活性層と前記ｎ型クラッド層との合計膜厚を、前記格子定数不整による応力を緩和するように３００オングストローム以上、１μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１０】
前記ｎ型コンタクト層が、前記第１のｎ型クラッド層に接して形成されていることが好ましい。
【００１１】
また、前記第１のｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層の間に、第１のｎ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体よりなる第２のｎ型クラッド層が形成されていても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、全図に渡り、しばしば、同様の部分は、同一符号をもって示されている。
【００１３】
図１は、本発明による窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図である。
【００１４】
図１に示す窒化物半導体発光素子１０は、活性層１５、並びに活性層１５を両側で挟んでいる第１のｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層１６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、バッファ層１２およびｎ型コンタクト層１３を介して、基板１１上に設けられている。
【００１５】
活性層１５は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を包含する。インジウムとガリウムを含む窒化物半導体は、Ｉｎm Ａｌn Ｇａ1 − m − n Ｎ（ここで、０＜ｍ＜１、０≦ｎ＜１、ｍ＋ｎ＝１）で示すことができる。最も好ましくは、活性層１５は、式Ｉｎm Ｇａ1 − m Ｎ（ここで、０＜ｍ＜１）で示される窒化物半導体を包含する。インジウムの比率、すなわち各式におけるｍの値を変えることにより、紫外から赤色までの領域の発光光を得るようにバンドギャップを変えることができる。なお、以下の記載において、式Ｉｎm Ｇａ1-m Ｎ（ここで、０＜ｍ＜１）または同等の式をもって表される窒化物半導体を単にＩｎＧａＮと表示することがある。
【００１６】
活性層１５は、量子井戸構造のものである。活性層１５を量子井戸構造にすることにより、ＬＥＤ素子であれ、ＬＤ素子であれ、歪量子井戸効果、エキシトン発光効果等により、高出力の発光素子が実現できる。
【００１７】
本発明において、量子井戸構造とは、活性層を構成する窒化物半導体（ＩｎＧａＮ）の量子準位間発光を生じさせる構造をいい、単一量子井戸構造および多重量子井戸構造の双方を含む概念である。
【００１８】
単一量子井戸構造とは、井戸層が単一組成の窒化物半導体の一層からなる構造を指す。すなわち、単一量子井戸構造の活性層は、単一の井戸層だけで構成され、この活性層（すなわち、例えば、単一組成のＩｎＧａＮからなる）を両側で挟持する２つのクラッド層が障壁層を構成することとなる。
【００１９】
また、多重量子井戸構造とは、井戸層と障壁層とを順次積層した多層膜構造を指す。多重量子井戸構造の最少積層構造は、１つの障壁層とこの障壁層の両側に設けられた（２つの）井戸層とからなる３層構造または１つの井戸層とその両側に設けられた（２つの）障壁層とからなる３層構造であり得る。多重量子井戸構造において、両側の２つ最外層は、それぞれ井戸層または障壁層により構成される。活性層の２つ最外層がそれぞれ井戸層によって構成される多重量子井戸構造の場合には、当該活性層を両側で挟持する２つのクラッド層が障壁層を構成する。この多重量子井戸構造の活性層において、井戸層および障壁層は、両者をインジウムとガリウムを含む窒化物半導体（好ましくはＩｎＧａＮ）で形成することができる（ただし、両者の組成は異なる）が、井戸層をインジウムとガリウムを含む窒化物半導体（好ましくは、ＩｎＧａＮ）で形成し、障壁層を他の窒化物半導体で、例えばＩｎＮやＧａＮで形成することもできる。すなわち、この多重量子井戸構造の活性層も、インジウムとガリウムを含む窒化物半導体を包含する。活性層１５は、単一量子井戸構造の場合では井戸層を１００オングストローム以下の厚さに形成し、多重量子井戸構造の場合では各井戸層を１００オングストローム以下の厚さにかつ各障壁層を１５０オングストローム以下の厚さに形成することが好ましい。いずれの場合でも、井戸層は７０オングストローム以下の厚さを有することがさらに好ましく、５０オングストローム以下の厚さを有することが最も好ましい。活性層中の障壁層は、１００オングストローム以下の厚さに形成することがさらに好ましい。多重量子井戸構造の活性層は、２００オングストローム以上の厚さを有することが特に好ましく、通常、０．５μｍまでの厚さを有し得る。
【００２０】
単一量子井戸構造、多重量子井戸構造いずれの活性層１５においても、活性層はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンドープ（不純物無添加）とすることにより半値幅の狭いバンド間発光、励起子発光、あるいは量子井戸準位発光が得られるので、特に好ましい。
【００２１】
活性層１５にドナー不純物および／またはアクセプター不純物をドープする場合、当該不純物をドープした活性層の結晶性がノンドープの活性層の結晶性と実質的に同じであれば、ドナー不純物をドープした活性層は、ノンドープの活性層よりもバンド間発光強度がさらに強くなり得、他方、アクセプター不純物をドープした活性層は、本来のバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低エネルギー側にシフトした発光ピーク波長を示すが、半値幅は広くなる傾向にある。また、アクセプター不純物とドナー不純物の双方をドープすると、アクセプター不純物のみドープした活性層の発光強度をさらに増大させることができる。特にアクセプター不純物をドープした活性層を得ようとする場合、活性層の導電型はＳｉ等のドナー不純物をもドープしてｎ型とすることが好ましい。
【００２２】
しかしながら、本発明においては、活性層はバンド間発光により強力に発光するのが理想であるので、活性層１５には不純物をドープしないことが最も好ましい。また、ノンドープの活性層を有する発光素子は、不純物をドープした活性層を有する発光素子よりもＶｆ（順方向電圧）を低くすることができる。
【００２３】
活性層１５の第１の主面に接して設けられている第１のｎ型クラッド層１４は、インジウムとガリウムとを含むｎ型の窒化物半導体で形成される。ＩｎとＧａを含む窒化物半導体は、結晶が比較的柔らかいので、いわばバッファ層として作用し、以下にも述べるように、活性層１５およびそれ自体に、あるいはその上に形成され得る他の窒化物半導体層にクラックを生じにくくさせてそれらの結晶性を悪化させず、もって発光素子の発光出力を向上させる。第１のｎ型クラッド層１４は、ｎ型Ｉｎj Ｇａ1-j Ｎ（０＜ｊ＜１）で形成することが望ましい。このＩｎj Ｇａ1-j Ｎにおいて、ｊの値は、０＜ｊ≦０．５の範囲内にあることが好ましい。一般にＩｎＧａＮは、Ｉｎの比率を多くするに従い、結晶性が次第に悪くなる傾向にあり、ｎ型クラッド層として当該発光素子に実用的に発光出力の高い発光を行わせるためには、ｊ値が０．５以下であることが好ましいのである。ｊ値は、さらに好ましくは０＜ｊ≦０．３、最も好ましくは０＜ｊ≦０．２の範囲内にある。
【００２４】
また、第１のｎ型クラッド層１４のキャリア濃度は、１×１０18／ｃｍ3 〜１×１０20／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。ｎ型クラッド層１４中のキャリア濃度が１×１０18／ｃｍ3 よりも少ないと活性層１５への電子注入効率が低下し、発光出力が低下する傾向にあり、他方ｎ型クラッド層１４中のキャリア濃度が１×１０20／ｃｍ3 よりも大きいと第１のｎ型クラッド層の結晶性が悪くなり、発光出力が低下する傾向にあるからである。
【００２５】
第１のｎ型クラッド層１４は、その厚さに特に制限はないが、活性層１５と第１のｎ型クラッド層１４とは、合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましい。ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体層（活性層＋第１のｎ型クラッド層）の総厚が３００オングストロームよりも薄いと、活性層１５および第１のｎ型クラッド層１４に、さらには第１のｎ型クラッド層に接して設けられる別の窒化物半導体層に、格子定数不整、熱膨張率の差等によりそれらの界面に存在し得る歪応力によって、クラックが生じやすくなるからである。上にも述べたように、ＩｎとＧａを含む窒化物半導体は、その結晶が比較的柔らかいので、この応力を緩和させるのに有益であるが、その総厚を３００オングストローム以上の厚さに形成することにより、当該応力をより一層緩和させるようになる。この総厚は、１μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
活性層１５の第２の主面に接して形成されているｐ型クラッド層１６は、ｐ型窒化物半導体で形成される。そのような窒化物半導体は、式Ｉｎs Ａｌt Ｇａ1 − s − t Ｎ（ここで、０≦ｓ、０≦ｔ、ｓ＋ｔ≦１）で示すことができる。
【００２７】
基板１１は、サファイア（Ｃ面、Ｒ面、Ａ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣを含む。）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4 、特にその（１１１）面）、ＧａＮ、窒化物半導体と格子定数の近い酸化物単結晶等で形成することができるが、一般的には、サファイア、スピネル、ＧａＮまたはＳｉＣが使用される。
【００２８】
基板１１上に形成されているバッファ層１２は、基板１１とその上に形成される窒化物半導体層との格子不整合を緩和するために通常形成されるものであり、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等により数百オングストロームの厚さに形成される。なお、基板１１がその上に形成される窒化物半導体と格子定数が近いＳｉＣやＺｎＯのような材料で形成されている場合、また基板１１がその上に形成される窒化物半導体と格子整合している場合には、このバッファ層１２は形成されないこともある。
【００２９】
バッファ層１２上には、第１のｎ型クラッド層１４にも接してｎ型コンタクト層１３が形成されている。このｎ型コンタクト層１３は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等で形成することが好ましい。
【００３０】
基板１１に所定の各半導体層を形成した後、エッチングにより露出されたｎ型コンタクト層の表面上には、負電極１８が形成されている。
【００３１】
ｎ型コンタクト層１３は、ＧａＮで形成すると、負電極１８とのより一層好ましいオーミックコンタクトが達成され、発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）をより一層低下させる。また、ＧａＮはその結晶性が他の三元混晶、四元混晶の窒化物半導体に比べて優れているため、その上に成長させる第１のｎ型クラッド層１４等の窒化物半導体層の結晶性を向上させることができるので、発光素子の発光出力を向上させる。
【００３２】
また、ｎ型コンタクト層１３のキャリア濃度は、負電極１８との好ましいオーミック接触の達成およびその結果としてのＶｆの低下並びに発光出力の低下防止の観点から、５×１０17／ｃｍ3 〜５×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。
【００３３】
負電極１８は、ｎ型コンタクト層１３との好ましいオーミックコンタクトの達成の観点から、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）とを含む金属材料、例えばそれらの積層構造または合金、またはＴｉとアルミニウム（Ａｌ）とを含む金属材料、例えばそれらの積層構造または合金で形成することが最も好ましい。この場合において、負電極１８は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３に直接接して設けられたチタン層とその上に形成されたアルミニウム層との２層構造として形成することが特に好ましい。
【００３４】
ｐ型クラッド層１６上には、ｐ型コンタクト層１７が形成され、その上には、正電極１９が形成されている。ｐ型コンタクト層１７は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等で形成することが好ましい。特にｐ型コンタクト層１７をＧａＮで形成すると、正電極１９とのより一層好ましいオーミックコンタクトが達成され、発光素子のＶｆを低下させることができる。
【００３５】
正電極１９との好ましいオーミック接触の達成およびその結果としてのＶｆの低下並びに発光出力の低下防止の観点から、ｐ型コンタクト層１７のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。
【００３６】
正電極１９は、ｐ型コンタクト層１７との好ましいオーミックコンタクトの達成の観点から、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とを含む金属材料、例えばそれらの積層構造または合金で形成することが最も好ましい。この場合において、正電極１９は、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７に直接接して設けられたニッケル層とその上に形成された金層との２層構造として形成することが特に好ましい。
【００３７】
図２は、本発明による窒化物半導体発光素子の別の態様を示す。図２に示す発光素子２０は、第１のｎ型クラッド層１４とｎ型コンタクト層１３との間に、第２のｎ型クラッド層２１を設けた以外は、図１に示す窒化物半導体素子と同様の構造を有する。
【００３８】
この発光素子２０において、図１に示す発光素子構造に付加して設けられている第２のｎ型クラッド層２１は、アルミニウムとガリウムを含むｎ型窒化物半導体で形成されている。このような第２のｎ型クラッド層２１を設けることによって、第１のｎ型クラッド層１４との間のバンドギャップ差を大きくすることができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００３９】
この第２のｎ型クラッド層２１は、好ましくは、ｎ型Ａｌa Ｇａ１−ａＮ（ここで、０＜ａ＜１）で形成される。この場合において、ａの値は、０＜ａ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、０．６より大きいと、第１のｎ型クラッド層１４の存在にもかかわらず、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ａ値は、０＜ａ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。なお、本明細書において、Ａｌa Ｇａ1 − a Ｎまたは同等の式をもって表される窒化物半導体を単にＡｌＧａＮと表示することがあるまた、第２のｎ型クラッド層２１のキャリア濃度は、５×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、ＡｌＧａＮの抵抗率が高くなるので、発光素子のＶｆが高くなり、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いとＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。第２のｎ型クラッド層２１は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【００４０】
基板１１、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型クラッド層１４、活性層１５、ｐ型クラッド層１６、ｐ型コンタクト層１７、負電極１８および正電極１９は、図１に関して説明した通りのものである。
【００４１】
図３は、窒化物半導体発光素子の参考形態の構造を示す概略断面図である。
【００４２】
図３に示す窒化物半導体発光素子３０は、活性層１５、並びに活性層１５を両側で挟んでいるｎ型クラッド層３４および第１のｐ型クラッド層３６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、図１に示す構造と同様、バッファ層１２およびｎ型コンタクト層１３を介して、基板１１上に設けられている。活性層１５の第２の主面に接して設けられている第１のｐ型クラッド層３６は、インジウムとガリウムとを含むｐ型の窒化物半導体で形成される。ＩｎとＧａを含む窒化物半導体は、結晶が比較的柔らかいので、いわばバッファ層として作用し、以下にも述べるように活性層１５およびそれ自体に、あるいはその上に形成され得る他の窒化物半導体層にクラックを生じにくくさせてそれらの結晶性を悪化させず、もって発光素子の発光出力を向上させる。第１のｐ型クラッド層３６は、ｐ型Ｉｎk Ｇａ1 − k Ｎ（０＜ｋ＜１）で形成することが望ましい。このＩｎk Ｇａ1 − k Ｎにおいて、ｋの値は、０＜ｋ≦０．５の範囲内にあることが好ましい。一般にＩｎＧａＮは、Ｉｎの比率を多くするに従い、結晶性が次第に悪くなる傾向にあり、ｐ型クラッド層として当該発光素子に実用的に発光出力の高い発光を行わせるためには、ｋ値が０．５以下であることが好ましいのである。ｋ値は、さらに好ましくは０＜ｋ≦０．３、最も好ましくは０＜ｋ≦０．２の範囲内にある。
【００４３】
また、第１のｐ型クラッド層３６のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。第１のｐ型クラッド層３６中のキャリア濃度が１×１０17／ｃｍ3 よりも少ないと活性層１５への電子注入効率が低下し、発光出力が低下する傾向にあり、他方ｐ型クラッド層３６中のキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも大きいと第１のｐ型クラッド層の結晶性が悪くなり、発光出力が低下する傾向にあるからである。第１のｐ型クラッド層３６は、図１に示す構造におけるｐ型クラッド層１６に関して述べた方法により好ましく得られる。
【００４４】
第１のｐ型クラッド層３６は、その厚さに特に制限はないが、活性層１５と第１のｐ型クラッド層３６とは、合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましい。ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体層（活性層＋第１のｐ型クラッド層）の総厚が３００オングストロームよりも薄いと、活性層１５および第１のｐ型クラッド層３６に、さらには第１のｐ型クラッド層に接して設けられる別の窒化物半導体層に、格子定数不整、熱膨張率の差等によりそれらの界面に存在し得る歪応力によって、クラックが生じやすくなるからである。上にも述べたように、ＩｎとＧａを含む窒化物半導体は、その結晶が比較的柔らかいので、この応力を緩和させるのに有益であるが、その総厚を３００オングストローム以上の厚さに形成することにより、当該応力をより一層緩和させるようになる。この総厚は、１μｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
活性層１５の第１の主面に接して形成されているｎ型クラッド層３４は、ｎ型窒化物半導体で形成される。そのような窒化物半導体は、式Ｉｎu Ａｌv Ｇａ1-u-v Ｎ（ここで、０≦ｕ、０≦ｖ、ｕ＋ｖ≦１）で示すことができる。
【００４６】
基板１１、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、活性層１５、ｐ型コンタクト層１７、負電極１８および正電極１９は、図１に関して説明した通りのものである。
【００４７】
図４は、窒化物半導体発光素子の別の参考形態を示す。図４に示す発光素子４０は、第１のｐ型クラッド層３６とｐ型コンタクト層１７との間に、第２のｐ型クラッド層４１を設けた以外は、図３に示す窒化物半導体素子と同様の構造を有する。
【００４８】
この発光素子４０において、図３に示す発光素子構造に付加して設けられている第２のｐ型クラッド層４１は、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体で形成されている。このような第２のｐ型クラッド層４１を設けることによって、第１のｐ型クラッド層３６との間のバンドギャップ差を大きくすることができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００４９】
この第２のｐ型クラッド層４１は、好ましくは、ｐ型Ａｌb Ｇａ1 − b Ｎ（ここで、０＜ｂ＜１）で形成される。この場合において、ｂの値は、０＜ｂ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、０．６より大きいと、第１のｐ型クラッド層３６の存在にもかかわらず、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ｂ値は、０＜ｂ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。
【００５０】
また、第２のｐ型クラッド層４１のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が１×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、活性層１５への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いとＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。第２のｐ型クラッド層４１は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【００５１】
基板１１、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、活性層１５、ｐ型コンタクト層１７、負電極１８および正電極１９は、図１に関して説明した通りのものであり、ｎ型クラッド層３４および第１のｐ型クラッド層３６は、図３に関して説明した通りのものである。
【００５２】
図５は、本発明の窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図である。
【００５３】
図５に示す窒化物半導体発光素子５０は、活性層１５、並びに活性層１５をその両側で挟む第１のｎ型クラッド層５４を含むｎ型半導体層５０１および第２のｐ型クラッド層４１を含むｐ型半導体層５０２からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、図１に示す構造と同様、バッファ層１２およびｎ型コンタクト層１３を介して、基板１１上に設けられている。図５では、ｎ型半導体層５０１は、第１のｎ型クラッド層５４により構成されている。
【００５４】
この発光素子５０は、図１に示す発光素子１０におけるｎ型クラッド層構造と図４に示すｐ型クラッド層構造を組み合わせた半導体積層構造を有するものといえるが、この特別の場合においては、第１のｎ型クラッド層５４は、図１に示す第１のｎ型クラッド層１４を構成するインジウムとガリウムを含む窒化物半導体ばかりでなく、ＧａＮによってもこれを形成でき、同様の効果を奏することがわかった。また、この場合には、第１のｐ型クラッド層５６は、図１に示す発光素子１０におけるｐ型クラッド層１６と同様、いずれのｐ型窒化物半導体で形成してもよいこともわかった。このような半導体積層構造によっても、発光素子は同様の優れた特性を示す。
【００５５】
より詳しく説明すると、第１のｎ型クラッド層５４は、アルミニウムを含まないｎ型窒化物半導体により形成される。この第１のｎ型クラッド層５４は、ｎ型Ｉｎw Ｇａ1 − w Ｎ（ここで、０≦ｗ＜１）で形成することが好ましい。すなわち、この第１のｎ型クラッド層５４は、図１に示す発光素子１０における第１のｎ型クラッド層１４に関して説明したｎ型窒化物半導体で形成することもできるし、ｎ型ＧａＮで形成することができる。図１に示す発光素子１０における第１のｎ型クラッド層１４に関して説明した理由と同様の理由から、ｗの値は、０≦ｗ≦０．５の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０＜ｗ≦０．３、最も好ましくは０＜ｗ≦０．２の範囲内にある。第１のｎ型クラッド層５４のキャリア濃度も、同様の理由から、１×１０18／ｃｍ3 〜１×１０20／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。第１のｎ型クラッド層５４も、その厚さに特に制限はないが、同様の理由から、活性層１５と第１のｎ型クラッド層５４とは、合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましく、１μｍ以下の厚さを有し得る。
【００５６】
図５に示す発光素子５０において、活性層の第２の主面に接して形成されている第１のｐ型クラッド層５６は、いずれのｐ型窒化物半導体で形成してもよいが、アルミニウムを含まないｐ型窒化物半導体で形成することが好ましい。より具体的には、第１のｐ型クラッド層５６は、ｐ型Ｉｎx Ｇａ1 − x Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１）で形成することが望ましい。図３の発光素子３０における第１のｐ型クラッド層３６に関して説明した理由と同様の理由から、ｘ値は、０≦ｘ≦０．５の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．３の範囲内、最も好ましくは０≦ｘ≦０．２の範囲内にある。この第１のｐ型クラッド層５６も同様にＧａＮにより形成してもいわばバッファ層として同様に作用する。また、この第１のｐ型クラッド層５６のキャリア濃度も、同様の理由から、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。さらに、第１のクラッド層５６の厚さに特に制限はないが、同様の理由から、活性層１５との合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましく、１μｍ以下の厚さが好ましい。なお、この第１のｐ型クラッド層５６は省略してもよいが、これを形成すれば、第１のｐ型クラッド層がバッファ層として作用するのでクラックが生じにくくなり、その発光素子は、より一層優れた特性を示すことは明らかであろう。
【００５７】
第２のｐ型クラッド層４１は、図４に示す発光素子４０における第２のクラッド層４１について説明した通りのものである。
【００５８】
また、基板１１、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、ｐ型コンタクト層１７、負電極１８および正電極１９は、図１に示す発光素子１０に関して説明した通りのものである。
【００５９】
図６は、本発明の半導体発光素子の別の形態の構造を示す概略断面図である。この発光素子６０は、ｎ型コンタクト層１３と第１のｎ型クラッド層５４との間に、第２のｎ型クラッド層２１が追加形成されている以外は、図５に示す発光素子５０と同様の構造を有する。この第２のｎ型クラッド層２１は、図２に示す発光素子２０における第２のｎ型クラッド層２１について説明した通りのものである。なお、第１のｐ型クラッド層５６は、省略するよりも、これを設けた方が好ましいことも、図５に示す発光素子５０の場合と同様である。以上、本発明による窒化物半導体発光素子について説明したが、これら発光素子の構造は、ＬＥＤ素子にも、ＬＤ素子にも適用できることはいうまでもない。ＬＤの構造は、例えば図７に斜視図として示す構造をとる。図７において、基板１１上の半導体層７１は、上記バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、第１のｎ型クラッド層および形成された場合の第２のｎ型層からなる半導体層である。活性層１５上に形成されている半導体層７２は、上記形成された場合の第１のクラッド層および第２のクラッド層並びにｐ型コンタクト１７層からなる半導体層である。印加された電流は、活性層１５において、正電極１９に対応する領域１５ａに集中して流れる。
【００６０】
なお、ＬＤ素子の場合には、上記発光素子１０ないし６０のいずれかの第１のｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層１３との間、第２のｎ型クラッド層が形成されている場合には、その第２のｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層１３との間に、および／または上記発光素子１０ないし６０のいずれかの第１のｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層１７との間、第２のｐ型クラッド層が形成されている場合には、その第２のｐ型クラッド層とｎ型コンタクト層１３との間に、互いに組成の異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を積層してなる多層膜を光反射膜として形成することもできる。
【００６１】
図６に示す発光素子構造に上記多層光反射膜を適用した例を図８に示す。図８に示す窒化物半導体発光素子８０は、ｎ型コンタクト層１３と第２のｎ型クラッド層２１との間に第１の多層光反射膜（ｎ型）８１を、また第２のｐ型クラッド層４１とｐ型コンタクト層１７との間に第２の多層光反射膜（ｐ型）８２を備える。
【００６２】
第１の多層膜８１および第２の多層膜８２は、いずれも、互いに組成の異なる窒化物半導体、すなわち互いに屈折率の異なる窒化物半導体を、各層を例えばλ／４ｎ（ここで、λは活性層１５からの発光光の波長、ｎは屈折率）で算出される厚さで交互に２層以上積層して形成されるものであり、活性層１５からの発光光をそれら膜により反射できるように設計されている。正電極１９を図７に示すような形状のストライプ電極として例えば幅１０μｍ以下に形成し、レーザ発振を行わせると、活性層１５の発光光を多層膜反射層により活性層１５内に閉じこめることがより一層容易となり得るので、容易にレーザ発振できる。また、ＬＥＤモードにおいても、多層膜反射層により発光光の漏れが抑えられ、外部量子効率が向上する。
【００６３】
多層光反射膜８１および８２には、それぞれ、ドナー不純物およびアクセプター不純物がドープされて所定の導電型となっている。
【００６４】
なお、図８に示す構造においては、第１の多光反射層膜８１は、ｎ型コンタクト層１３と第２のｎ型クラッド層２１との間に形成されているが、その代りに、これをｎ型コンタクト層１３内に形成することもできる。同様に、第２の多層光反射膜８２をｐ型コンタクト層１７内に形成してもよい。多層光反射膜は、コンタクト層内に形成しても、活性層１６からの発光光を同様に閉じ込めることができる。また、第１の多層光反射膜８１および第２の多層光反射膜８２のいずれかを省略してもよい。
【００６５】
また、図８に示すように、サファイアのような絶縁性材料を基板１１としてレーザ素子を作製する場合、レーザ素子の構造はフリップチップ方式となる。すなわち、基板１１の同一面側に、より具体的には、基板１１の窒化物半導体層形成側に正、負両電極１９，１８を形成する構造となる。この場合、図８に示すように、ｎ型層側に形成する第１の多層光反射膜８１は、負電極１８が形成されているｎ型コンタクト層１３の水平面よりもｐ層側すなわち上方に位置して形成することが好ましい。第１の多層光反射膜８１をｎ型コンタクト層１３の水平面よりも基板１１側に形成すると、第２のｎ型クラッド層２１とｎ型コンタクト層１３との屈折率の差が小さいために、活性層１５からの発光光が、活性層１５よりも下側に位置するｎ型コンタクト層１３中に広がってしまい、十分な光閉じこめができない場合があるからである。これは、サファイアのような絶縁性基板を使用した窒化物半導体レーザに特有の現象である。
【００６６】
さて、各多層光反射膜８１，８２を構成する２種類の窒化物半導体は、少なくとも一方がインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体（例えばＩｎq Ｇａ1 − qＮ（ここで、０＜ｑ＜１））またはＧａＮであることが好ましい。なぜなら単一層を積層して多層光反射膜とする場合、その単一層の一方をＩｎＧａＮまたはＧａＮで形成することにより、そのＩｎＧａＮまたはＧａＮ層がバッファ層のような作用をして、もう一方の単一層にクラックが入るのを防止することができるからである。これは、ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層の結晶がＡｌＧａＮに比べて柔らかいことによるものである。これに対し、多層光反射膜を例えば互いにＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮ層により、例えば総膜厚０．５μｍ以上となるように多層形成すると、多層膜中にクラックが入り、素子作製が困難となる。
【００６７】
各多層光反射膜を構成する２種類の窒化物半導体層の最良の組み合わせは、一方を前記のようにＩｎc Ｇａ1 − c ＮまたはＧａＮで形成し、もう一方をアルミニウムおよび／またはガリウムを含む窒化物半導体（例えば、Ａｌc Ｇａ1 − c Ｎ（ここで、０≦ｃ＜１））で形成するものある。Ｉｎq Ｇａ1 − q ＮとＡｌc Ｇａ1 − c Ｎとは屈折率の差が大きいので、これらの材料で多層光反射膜を構成することにより、発光波長に応じて反射率の大きい多層光反射膜の設計が可能となる。また、Ｉｎq Ｇａ1 − q Ｎがバッファ層として作用し得るため、Ａｌc Ｇａ1 − c Ｎ層にクラックが入ることなく１０層以上積層することができる。なお、ＩｎＮ、ＧａＮ、およびＡｌＮの屈折率は、それぞれ、２．９、２．５、および２．１５である。これらの混晶の屈折率はベガードの法則に従うと仮定し、組成に比例するものとして求めることができる。
【００６８】
図９は、本発明の第４の側面による窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図であって、ＬＤ素子としての構造を示す。
【００６９】
図９に示す窒化物半導体発光素子９０は、活性層９５、並びに活性層９５を両側で挟んでいるｎ型窒化物半導体層９４およびｐ型窒化物半導体層９６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、バッファ層９２およびｎ型コンタクト層９３を介して、基板９１上に設けられている。
【００７０】
活性層９５は、図１に示す半導体発光素子１０における活性層１５と同様、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を包含する量子井戸構造（単一量子井戸構造または多重量子井戸構造）のものであり、活性層１５についての上記説明は、この活性層９５にもそのまま適用される。
【００７１】
ｐ型窒化物半導体層９６は、活性層９５の第２の主面に直接接して形成された第１のｐ型クラッド層９６ａおよびこの第１のｐ型クラッド層９６ａ上に形成された第２のｐ型クラッド層９６ｂを含む。
【００７２】
第１のｐ型クラッド層９６ａは、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体で形成されている。第１のｐ型クラッド層９６ａをアルミニウムとガリウムを含む窒化物半導体で形成すると、量子井戸構造故に不十分であり得る活性層９５中の光閉じ込めがより完全なものとなり、このように第１のｐ型クラッド層９５は活性層９５中に光を閉じ込めるための良好な光ガイド層として作用することが見い出された。
【００７３】
第１のｐ型クラッド層９６ａは、ｐ型Ａｌd Ｇａ1 − d Ｎ（ここで、０＜ｄ＜１）で形成することが最も好ましい。ＡｌＧａＮは高キャリア濃度のｐ型のものが得られやすく、しかもＩｎＧａＮを包含する活性層９５に対し、バンドギャップ差および屈折率差を、他の窒化物半導体に比べて、大きくできるからである。その上、ｐ型ＡｌＧａＮは、他の窒化物半導体に比べて、成長時に分解しにくいという性質を有しており、例えば有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ法）によりこれを成長させる際、下側の活性層９５のＩｎＧａＮの分解を抑制し、その結果として結晶性に優れた活性層９５を提供し、もって発光素子の出力を向上させることとなる。
【００７４】
第１のｐ型クラッド層９６ａは、１０オングストローム以上、１．０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。その厚さが１０オングストロームよりも薄いと、第１のｐ型クラッド層を設けた効果が得られず、他方その厚さが１．０μｍよりも厚いと、第１のｐ型クラッド層自体にクラックが入りやすくなるため、素子作成が難しくなる傾向にある。第１のｐ型クラッド層９６ａは、１０オングストローム以上０．５μｍ以下の厚さを有することがさらに好ましい。
【００７５】
第１のｐ型クラッド層９６ａは、ＬＥＤ素子の場合を含めて一般的には上記範囲内の厚さを有することが好ましいが、特にＬＤ素子の場合には、１００オングストローム以上（同様の理由から、１．０μｍ以下）の厚さを有することがさらに好ましい。その厚さが１００オングストロームより薄いと、第１のｐ型クラッド層が光ガイド層として作用しにくくなるのである。この場合において、第１のｐ型クラッド層９６ａは、１００オングストローム以上０．５μｍ以下の厚さを有することが最も好ましい。
【００７６】
第１のｐ型クラッド層９６ａ上に設けられる第２のｐ型クラッド層９６ｂは、第１のｐ型クラッド層９６ａよりもバンドギャップが大きく、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体で形成される。このようなｐ型窒化物半導体により第２のｐ型クラッド層９６ｂを形成することにより、当該第２のクラッド層が光閉じ込め層として効果的に作用し、有効なＬＤ素子等を提供できることがわかった。
【００７７】
第２のｐ型クラッド層９６ｂも、第１のｐ型クラッド層９６ａの場合と同様に、高キャリア濃度のｐ型のものが得られやすいことから、三元混晶のｐ型ＡｌeＧａ1-e Ｎ（ここで、０＜ｅ＜１）で形成することが最も好ましい。加えて、第２のｐ型クラッド層９６ｂは、これをｐ型ＡｌＧａＮで形成すると、第１のｐ型クラッド層とのバンドギャップの差および屈折率の差を大きすることができるので、光閉じ込め層としてより一層効果的に作用するようになる。なお、第２のｐ型クラッド層９６ｂは、第１のｐ型クラッド層９６ａよりもバンドギャップが大きいので、例えば、前者を構成するＡｌe Ｇａ1 − e Ｎにおけるｆの値は、後者を構成するＡｌd Ｇａ1 − d Ｎにおけるｅの値よりも大きい値をとる。この場合でも、できれば、これら式におけるｄ値およびｅ値は、０を超え０．６までであることが望ましく、０を超え０．４までであることがさらに望ましい。
【００７８】
第２のｐ型クラッド層９６ｂは、その厚さに特に制限はないが、５００オングストロームないし１μｍ程度の厚さを有することが好ましい。第２のｐ型クラッド層をこのような厚さに形成することにより、それ自体におけるクラックの発生がより少なく、従って結晶性がより良好で、しかも高キャリア濃度のｐ型ＡｌＧａＮ層が得られるのである。
【００７９】
なお、第１のｐ型クラッド層９６ａおよび第２のｐ型クラッド層９６ｂは、いずれも、１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3 という高キャリア濃度を有するものとして提供することができる。
【００８０】
また、第１のｐ型クラッド層９６ａと第２のｐ型クラッド９６ｂ層との間に、ｐ型ＩｎＧａＮまたはｐ型ＧａＮよりなる層を１０オングストロームから１μｍまでの厚さに形成してもよい。この層は、光ガイド層およびバッファ層として作用する。
【００８１】
活性層９５の第１の主面に接して設けられているｎ型クラッド層９４は、いずれものｎ型窒化物半導体で形成することができる。しかしながら、ｎ型クラッド層９４は、結晶性がより一層優れた層として形成され得ることからＩｎＧａＮで形成することが好ましい。特にＩｎＧａＮまたはＧａＮによりｎ型クラッド層９４を形成することにより、その上により一層良好な活性層９５を設けることができ、発光素子の出力が格段に向上する。
【００８２】
ｎ型クラッド層９４は、ＬＤ素子の場合には、１００オングストローム以上、１μｍ以下の膜厚で形成することが望ましい。
【００８３】
基板９１は、図１に示す発光素子１０における基板１１と同様のものであり、基板１１についての上記説明がこの基板９１についてもそのまま適用できる。
【００８４】
基板９２上に形成されているバッファ層９２も、図１に示す発光素子１０におけるバッファ層１２と同様のものであり、バッファ層１２についての上記説明がこのバッファ層１２についてもそのまま適用できる。特別の場合には、このバッファ層９２を省略することができることも同様である。
【００８５】
バッファ層９２上に設けられているｎ型コンタクト層９３も、図１に示す発光素子１０におけるｎ型コンタクト層１３と同様のものであり、ｎ型コンタクト層１３についての上記説明がこのｎ型コンタクト層９３についてもそのまま適用できる。
【００８６】
第２のｐ型クラッド層９６ｂ上に設けられているｐ型コンタクト層９７も、図１に示す発光素子におけるｐ型コンタクト層１７と同様のものであり、ｐ型コンタクト層１７についての上記説明がこのｐ型コンタクト層９７についてもそのまま適用できる。
【００８７】
ｎ型コンタクト層９３の露出表面に形成されている負電極９８も、図１に示す発光素子における負電極１８と同様のものであり、負電極１８についての上記説明がこの負電極９８についてもそのまま適用できる。
【００８８】
ｐ型コンタクト層９７に接続して設けられている正電極９９も、図１に示す発光素子における正電極１９と同様のものであり、正電極１９についての上記説明がこの正電極９９についてもそのまま適用できる。ただし、図９に示すＬＤ構造において、ｐ型コンタクト層９７上には、透孔１００ａを有し、二酸化ケイ素等の絶縁材料で形成された電流狭窄層１００が設けられており、正電極９９は、この電流狭窄層１００の透孔１００ａを通してｐ型コンタクト層９７と接している。
【００８９】
さて、図９に関し、主としてＬＤ素子について説明したが、ＬＥＤ素子の場合には、電流狭窄層１００を設ける必要はない。また、ＬＥＤ素子の場合には、第２のｐ型クラッド層９６ｂを省略することもできる。さらに、ＬＥＤ素子の場合には、ｎ型クラッド層９４の好ましい厚さは１０オングストローム以上、１．０μｍ以下、さらに好ましくは３０オングストロームないし１．０μｍとなり、あるいはこのｎ型クラッド層９４自体を省略することもできる。ｎ型クラッド層９４を省略した場合、ｎ型コンタクト層９３がクラッド層として作用し得る。ＬＥＤ素子の場合、図９に示す構造において、ｎ型クラッド層９４を省略し、かつ第２のｐ型クラッド層９６ｂを省略し、当然電流狭窄層１００をも省略し、ｎ型コンタクト層をｎ型ＧａＮで形成し、ｐ型コンタクト層９７をｐ型ＧａＮで形成した構造、すなわち、インジウムとガリウムを含む窒化物半導体を包含する量子井戸構造の活性層を有し、その第１の主面上にｎ型ＧａＮ層が形成され、活性層の第２の主面上にアルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体層が形成され、このｐ型窒化物半導体上にｐ型ＧａＮ層が形成された構造を有するものが最も好ましいＬＥＤ素子構造である。
【００９０】
図１０は、本発明の窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図であって、図９と同様、ＬＤ素子としての構造を示す。
【００９１】
図１０に示す窒化物半導体発光素子２００は、活性層９５、並びに活性層９５を両側で挟んでいるｎ型窒化物半導体層２９４およびｐ型窒化物半導体層２９６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、バッファ層９２およびｎ型コンタクト層９３を介して、基板９１上に設けられている。
【００９２】
ｎ型窒化物半導体層２９４は、活性層９５の第１の主面に直接接して形成された第１のｎ型クラッド層２９４ａおよびこの第１のｎ型クラッド層２９４ａ上に形成された第２のｎ型クラッド層９６ｂを含む。
【００９３】
第１のｎ型クラッド層２９４ａは、ｎ型ＧａＮまたはインジウムとガリウムを含むｎ型窒化物半導体で形成されている。第１のｎ型クラッド層２９４ａをＧａＮまたはインジウムとガリウムを含む窒化物半導体で形成すると、量子井戸構造故に不十分であり得る活性層９５中の光閉じ込めがより完全なものとなり、このように第１のｎ型クラッド層２９４ａは、活性層９５中に光を閉じ込めるための良好な光ガイド層として作用する（ＬＤ素子の場合）ばかりでなく、当該第１のｎ型クラッド層がいわばバッファ層として作用してその上に形成される活性層９５にクラックの発生を少なくさせ、発光素子の発光出力を増大させることができることが見い出された。
【００９４】
第１のｎ型クラッド層２９４ｂは、Ｉｎr Ｇａ1 − r Ｎ（ここで、０＜ｒ＜１）で形成することが最も好ましい。この場合において、ｒの値は、上記理由と同様の理由から、好ましくは０．５まで、より好ましくは０．３まで、さらに好ましくは０．２までの値をとる。また、そのキャリア濃度も、上記理由と同様の理由から、１×１０18／ｃｍ3 〜１×１０20／ｃｍ3 であることが好ましい。
【００９５】
第１のｎ型クラッド層２９４ａは、１０オングストローム以上の厚さを有することが好ましい。第１のｎ型クラッド層２９４ａは、１０オングストローム以上の厚さに形成することにより、活性層９５と以後述べる第２のｎ型クラッド層２９４ｂとの間のバッファ層としてより一層効果的に作用する。すなわち、第１のｎ型クラッド層２９４ａを構成するＩｎＧａＮまたはＧａＮは、その結晶が比較的柔らかいので、第２のｎ型クラッド層２９４ｂと活性層２３との間の格子定数不整合と熱膨張係数差によって生じる歪をより一層効果的に吸収することができ、バッファ層としてより一層有効に作用することとなる。その結果、活性層９５が十分に薄いものであっても、この第１のｎ型クラッド層２９４ａの存在により、活性層９５、第２のｎ型クラッド層２９４ｂ、ひいてはｐ型クラッド層２９６にクラックが入りにくくなり、それらの結晶性が良好なものとなるので、発光素子の発光出力をより一層増大させる。
【００９６】
第１のｎ型クラッド層２９４ａは、ＬＥＤ素子の場合には、上記範囲内の厚さを有することが好ましいが、特にＬＤ素子の場合には、１００オングストローム以上厚さを有することが特に好ましい。その厚さが１００オングストローム未満であると、光ガイド層として作用しにくくなるのである。
【００９７】
また、第１のｎ型クラッド層２９４ａは、いずれの場合でも、１．０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。その厚さが１．０μｍよりも厚いと、その結晶の色が黒味を帯びるとともに、多数のピットが結晶中に生成する傾向にあり、そのため、高出力のＬＥＤ、ＬＤ素子を得ることが困難となり得る。
【００９８】
第１のｎ型クラッド層２９４ａに接して設けられている第２のｎ型クラッド層２９４ｂは、バンドギャップが第１のｎ型クラッド層２９４ａよりも大きければいずれの窒化物半導体で形成してもよく、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の二元混晶、三元混晶の窒化物半導体で形成することができる。このようなｎ型窒化物半導体により第２のｎ型クラッド層２９４ｂを形成することにより、当該第２のｎ型クラッド層２９４ｂが光閉じ込め層として効果的に作用し、有効なＬＤ素子等を提供できることがわかった。
【００９９】
第２のｎ型クラッド層２９４ｂは、ｎ型Ａｌf Ｇａ1 − f Ｎ（ここで、０＜ｆ＜１）で形成することが最も好ましい。ｎ型ＡｌＧａＮは、ＩｎＧａＮを包含する活性層９５に対し、バンドギャップ差および屈折率差を、他の窒化物半導体に比べて、大きくできるからである。この場合において、ｆの値は、上記理由と同様の理由から、０．６までの値をとることが好ましく、０．４までの値をとることがさらに好ましい。そのキャリア濃度も、上記理由と同様の理由から、５×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 であることが好ましい。また第２のｎ型クラッド層２９４ｂとｎ型コンタクト層９３との間に、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる層を設けることにより、ＡｌＧａＮよりなる第２のｎ型クラッド層を良好な結晶性をもってクラックの発生を少なくして成長させることができる。
【０１００】
第２のｎ型クラッド層２９４ｂは、その厚さに特に制限はないが、５００オングストローム以上、１．０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。第２のｎ型クラッド層２９４ｂをこの範囲内の厚さに形成することによって、クラックがない結晶性の優れた第２のｎ型クラッド層２９４ｂが得られるのである。
【０１０１】
活性層９５の第２の主面に接して設けられているｐ型半導体層（クラッド層）２９６は、いずれものｐ型窒化物半導体で形成することができる。しかしながら、ｐ型クラッド層２９６は、結晶性がより一層優れた層として形成され得ることから、ｐ型ＡｌＧａＮで形成することが好ましい。ｐ型ＡｌＧａＮは、他の窒化物半導体に比べて、成長時に分解しにくいという性質を有しており、例えば有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ法）によりこれを成長させる際、下側の活性層９５のＩｎＧａＮの分解を抑制し、その結果として結晶性に優れた活性層９５を提供し、もって発光素子の出力を向上させることとなる。この場合において、アルミニウムの比率やキャリア濃度については、図９に示す発光素子９０における第１のｐ型クラッド層９６ａおよび第２のｐ型クラッド層９６ｂについて好ましいとした値をとることが同様に好ましい。
【０１０２】
ｐ型クラッド層２９６は、ＬＤ素子の場合には、１００オングストローム以上、１μｍ以下の膜厚で形成することが望ましい。
【０１０３】
活性層９５、基板９１、基板９１上に形成されているバッファ層９２、バッファ層９２上に設けられているｎ型コンタクト層９３、さらにはｐ型コンタクト層９７、負電極９８、正電極９９および電流狭窄層１００は、図９に示す発光素子に関して説明した通りのものである。
【０１０４】
さて、図１０に関し、主としてＬＤ素子について説明したが、ＬＥＤ素子の場合には、電流狭窄層１００を設ける必要はない。また、ＬＥＤ素子の場合には、第２のｎ型クラッド層２９４ｂを省略することもできる。その場合、ｎ型コンタクト層９３が第２のｎ型クラッド層として作用する。
【０１０５】
図１１は、本発明の窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図であって、図９および図１０と同様、ＬＤ素子としての構造を示す。
【０１０６】
図１１に示す窒化物半導体発光素子３００は、活性層９５、並びに活性層９５を両側で挟んでいるｎ型窒化物半導体層２９４およびｐ型窒化物半導体層９６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、バッファ層９２およびｎ型コンタクト層９３を介して、基板９１上に設けられている。
【０１０７】
図１１に示す発光素子３００は、ｎ型窒化物半導体層については図１０に示す発光素子２００におけるｎ型窒化物半導体層２９４（第１のｎ型クラッド層２９４ａおよび第２のｎ型クラッド層２９４ｂからなる）を、ｐ型窒化物半導体層については図９に示す発光素子９０におけるｐ型窒化物半導体層９６（第１のｐ型クラッド層９６ａおよび第２のｐ型クラッド層９６ｂからなる）を適用したものであり、本発明の最も好ましい実施の形態の一つである。各半導体層その他の構成については、特にＬＥＤ素子の場合に省略し得る窒化物半導体層および特にＬＥＤ素子の場合の窒化物半導体層の厚さについての上記説明を含めて、図９および図１０に関して説明したことがそのまま適用でき、他言を要しない。従って、図１１に示す発光素子において、ｎ型コンタクト層９３をｎ型ＧａＮで、第２のｎ型クラッド層２９４ｂをｎ型ＡｌＧａＮで、第１のｎ型クラッド層２９４ａをｎ型ＩｎＧａＮまたはｎ型ＧａＮで、第１のｐ型クラッド層９６ａをｐ型ＡｌＧａＮで、第２のｐ型クラッド層９６ｂをｐ型ＡｌＧａＮで、ｐ型コンタクト層９７をｐ型ＧａＮでそれぞれ形成し、活性層９５をノンドープとすることが最も好ましい。なお、図１１に示すＬＤ素子構造の場合には、いうまでもなく、第１のｎ型クラッド層２９４ａが光ガイド層、第２のクラッド層２９４ｂが光閉じ込め層、第１のｐ型クラッド層９６ａが光ガイド層、第２のｐ型クラッド層９６ｂが光閉じ込め層として作用することも明らかである。また第１のｐ型クラッド層９６ａと第２のｐ型クラッド層９６ｂとの間に、ｐ型ＩｎＧａＮまたはｐ型ＧａＮよりなる層をバッファ層として形成してもよいし、ｎ型コンタクト層９３と第２のｎ型クラッド層２９４ｂとの間に、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる層をバッファ層として形成してもよい。
【０１０８】
図９に示す発光素子９０の構造から第２のｐ型クラッド層９６ｂを省略しても良い。この場合には、さらに、図９に示す発光素子の構造からｎ型コンタクト層９３を省略してもよい。また、ｐ型コンタクト層９７をも省略してもよい。
【０１０９】
さらにまた、図９に示す発光素子９０における第２のｐ型クラッド層９６ｂに相当する第２のｐ型クラッド層をｐ型ＧａＮまたはインジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体（好ましくは、ＩｎＧａＮ）で形成することができ、これについては、図１に示す発光素子１０におけるｎ型クラッド層１４についての説明が適用できる。さらにまた、図９に示す発光素子９０におけるｎ型クラッド層９４に相当するｎ型クラッド層（第１のｎ型半導体層）に接して、すなわち第１のｎ型クラッド層９４とｎ型コンタクト層９３との間に、ｎ型ＧａＮまたはアルミニウムとガリウムとを含む第２のｎ型窒化物半導体（好ましくは、ＡｌＧａＮ）を設けることも好ましい。この場合については、ｎ型ＧａＮ層を含めて、図２に示す発光素子２０における第２のｎ型クラッド層２１についての説明が適用できる。
【０１１０】
図１２は、本発明による窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図であって、ＬＤ素子として特に好ましい構造の一つを示している。図１２の窒化物半導体発光素子は、以下述べる第１のｐ型クラッド層を除くと、図６に関して説明した形態にほぼ相当するということができる。
【０１１１】
図１２に示す窒化物半導体発光素子４００は、活性層４０５を備え、その第１の主面上には、第１のｎ型クラッド層４１４、第２のｎ型クラッド層４２４およびｎ型コンタクト層４０３を含むｎ型半導体層が設けられている。加えて、活性層４０５の第２の主面には、第１のｐ型クラッド層４１６、第２のｐ型クラッド層４２６、第３のｐ型クラッド層４３６、および最外層としてのｐ型コンタクト層４０７を含むｐ型窒化物半導体層を有する。このような積層構造は、図１２に示す構造では、バッファ層４０２を介して、基板４０１上に設けられている。
【０１１２】
活性層４０５は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を包含するものであり、当該インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体の量子準位間発光を生じさせる構造、言い換えると量子井戸構造を構成する。このような構造については、図１に示す発光素子１０の活性層１５に関して説明したことがすべてそのまま適用される。ＬＤ素子の場合は、活性層４０５は多重量子井戸構造をとることが最も好ましい。
【０１１３】
活性層４０５の第１の主面に接して設けられている第１のｎ型クラッド層４１４は光ガイド層として作用するものであり、インジウムとガリウムを含むｎ型窒化物半導体またはｎ型ＧａＮで形成されている。より具体的には、この第１のｎ型クラッド層５４は、ｎ型Ｉｎy Ｇａ1 − y Ｎ（ここで、０≦ｙ＜１）で形成される。すなわち、この第１のｎ型クラッド層４１４は、図１に示す発光素子１０における第１のｎ型クラッド層１４に関して説明したｎ型ＩｎＧａＮで形成することもできるし、ｎ型ＧａＮで形成することもできる。図１に示す発光素子１０における第１のｎ型クラッド層１４に関して説明した理由と同様の理由から、ｙの値は、０≦ｙ≦０．５の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０＜ｙ≦０．３、最も好ましくは０＜ｙ≦０．２の範囲内にある。第１のｎ型クラッド層４１４のキャリア濃度も、同様の理由から、１×１０18／ｃｍ3 〜１×１０20／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。第１のｎ型クラッド層４１４も、その厚さに特に制限はないが、同様の理由から、活性層１５と第１のｎ型クラッド層４１４とは、合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましく、１μｍ以下の厚さを有し得る。
【０１１４】
第１のｎ型クラッド層上に設けられている第２のｎ型クラッド層４２４は、光閉じ込め層として作用するものであり、第１のｎ型クラッド層４１４よりもバンドギャップが大きく、かつアルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体またはｎ型ＧａＮで形成されている。このような第２のｎ型クラッド層４２４を設けることによって、第１のｎ型クラッド層４１４との間のバンドギャップ差を大きくすることができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【０１１５】
この第２のｎ型クラッド層４２４は、ｎ型Ａｌg Ｇａ1 − g Ｎ（ここで、０＜ｇ＜１）で形成する場合には、ｇの値は、０＜ｇ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、０．６より大きいと、第１のｎ型クラッド層４１４の存在にもかかわらず、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ｇ値は、０＜ｇ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。
【０１１６】
また、第２のｎ型クラッド層４２４のキャリア濃度は、５×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、特にＡｌＧａＮの抵抗率が高くなるので、発光素子のＶｆが高くなり、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いと特にＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。
【０１１７】
第２のｎ型クラッド層４２４は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【０１１８】
ｎ型半導体層の最外層（活性層から最も離れて位置する層）として形成されている（図１２では、第２のｎ型クラッド層４２４に接して形成されている）ｎ型コンタクト層４０３は、ｎ型ＧａＮで形成されている。図１の発光素子１０におけるｎ型コンタクト層１３をｎ型ＧａＮで形成することが好ましいとした理由と同様の理由から、ｎ型コンタクト層４０３は、ｎ型ＧａＮで形成される。その他の例えばキャリア濃度は、図１に示す発光素子１０におけるｎ型コンタクト層１３の場合に好ましいとして記載した濃度であることが同様に好ましい。
【０１１９】
活性層４０５の第２の主面に接して設けられている第１のｐ型クラッド層４１６は、キャップ層として作用するものであり、これまで説明してきた他の形態における第１のｐ型クラッド層と同様に活性層の分解を防止して発光素子の発光出力を向上させるものである。この第１のｐ型クラッド層４１６は、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体で形成されている。このような第１のｐ型クラッド層４１６を設けることによって、より一層優れたＬＤ素子を提供できることがわかった。
【０１２０】
この第１のｐ型クラッド層４１６は、好ましくは、ｐ型Ａｌh Ｇａ1 − h Ｎ（ここで、０＜ｈ＜１）で形成される。この場合において、ｈの値は、０＜ｈ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ｈ値は、０＜ｈ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。
【０１２１】
また、第１のｐ型クラッド層４１６のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が１×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、活性層４０５への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いとＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。
【０１２２】
第１のｐ型クラッド層４１６は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【０１２３】
第１のｐ型クラッド層４１６上に設けられている第２のｐ型クラッド層４２６は、光ガイド層として作用し、インジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体またはｐ型ＧａＮで形成されている。より具体的には、第１のｐ型クラッド層４１６は、ｐ型Ｉｎz Ｇａ1 − z Ｎ（ここで、０≦ｚ＜１）で形成することが望ましい。図３の発光素子３０における第１のｐ型クラッド層３６に関して説明した理由と同様の理由から、ｚ値は、０≦ｚ≦０．５の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０≦ｚ≦０．３の範囲内、最も好ましくは０≦ｚ≦０．２の範囲内にある。この第１のｐ型クラッド層４１６も同様にＧａＮにより形成してもいわばバッファ層として同様に作用する。また、この第１のｐ型クラッド層４１６のキャリア濃度も、同様の理由から、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。さらに、第１のクラッド層４１６の厚さに特に制限はないが、同様の理由から、活性層４０５との合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましく、１μｍ以下の厚さを有し得る。
【０１２４】
第２のｐ型クラッド層４２６上に設けられている第３のｐ型クラッド層４３６は、光閉じ込め層として作用し、第２のｐ型クラッド層４２６よりもバンドギャップが大きく、かつアルミニウムとガリウムを含むｐ型の窒化物半導体で形成されている。このような第３のｐ型クラッド層４３６を設けることによって、第２のｐ型クラッド層４２６との間のバンドギャップ差を大きくすることができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【０１２５】
この第３のｐ型クラッド層４３６は、好ましくは、ｐ型Ａｌi Ｇａ1 − i Ｎ（ここで、０＜ｉ＜１）で形成される。この場合において、ｉの値は、０＜ｉ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、０．６より大きいと、第２のｐ型クラッド層４２６の存在にもかかわらず、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ｂ値は、０＜ｂ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。
【０１２６】
また、第３のｐ型クラッド層４３６のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が１×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、活性層４０５への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いとＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。第３のｐ型クラッド層４３６は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【０１２７】
ｐ型半導体層の最外層（活性層４０５から最も離れて位置する層）として形成されている（図１２では、第３のｐ型クラッド層４３６に接して設けられている）ｐ型コンタクト層４０７は、ｐ型ＧａＮで形成されている。図１の発光素子１０におけるｐ型コンタクト層１７をｐ型ＧａＮで形成することが好ましいとした理由と同様の理由から、ｐ型コンタクト層４０７は、ｐ型ＧａＮで形成される。その他の例えばキャリア濃度は、図１に示す発光素子１０におけるｐ型コンタクト層１７の場合に好ましいとして記載した濃度であることが同様に好ましい。
【０１２８】
基板４０１、バッファ層４０２、負電極４０８および正電極４０９は、それぞれ、図１に示す発光素子１０における基板１１、バッファ層１２、負電極１８および正電極１９について説明した通りのものである。また、透孔４４０ａを有する電流狭窄層４４０についても、図９に示す発光素子９０における電流狭窄層１００について説明した通りのものである。
【０１２９】
図１３は、量子井戸構造の活性層の井戸層の厚さを変えて本発明の種々の窒化物半導体発光素子を作製し、その発光出力（相対値）と井戸層の厚さとの関係を調べた結果をグラフで示したものである。図１３からわかるように、本発明の窒化物半導体発光素子における量子井戸構造の活性層の井戸層の厚さを７０オングストローム以下にすると、発光素子の発光出力が顕著に向上することがわかる。井戸層の厚さが５０オングストローム以下となると、発光素子の発光出力は、さらに向上することもわかる。このような傾向は、本発明のすべての窒化物半導体発光素子について、単一量子井戸構造の活性層においても、多重量子井戸構造の活性層においても、確認されたばかりでなく、広く、活性層を挟持する２つのクラッド層の一方がｐ型窒化物半導体で形成され、他方がｎ型窒化物半導体で形成された場合にも確認された。
【０１３０】
そこで、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を包含する少なくとも１層の井戸層を有する量子井戸構造の活性層を備え、井戸層は、７０オングストローム以下の厚さを有することが好ましい。
【０１３１】
図１４は、多重量子井戸構造の活性層の井戸層の厚さを一定にし、障壁層の厚さを変えて本発明の種々の窒化物半導体発光素子を作製し、その発光出力（相対値）と障壁層の厚さとの関係を調べた結果をグラフとして示したものである。図１４からわかるように、本発明の窒化物半導体発光素子における量子井戸構造の活性層の障壁層の厚さを１５０オングストローム以下にすると、発光素子の発光出力が顕著に向上することがわかる。障壁層の厚さが１００オングストローム以下となると、発光素子の発光出力は、さらに向上することもわかる。このような傾向は、本発明のすべての窒化物半導体発光素子について確認されたばかりでなく、広く、活性層を挟持する２つのクラッド層の一方がｐ型窒化物半導体で形成され、他方がｎ型窒化物半導体で形成された場合にも確認された。
【０１３２】
図１５は、図９に示す構造に類似する構造の発光素子について、第１のｐ型クラッド層９６ａの厚さを変えた場合におけるその厚さと発光出力（相対値）との関係を示すグラフである。図１５は、より具体的には、図９に示す構造において、サファイア基板９１上にＧａＮバッファ層９２を介してｎ型ＧａＮコンタクト層９３を４μｍの厚さに、ｎ型ＩｎＧａＮクラッド層９４を５００オングストロームの厚さに、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ活性層９５を２０オングストロームの厚さに形成し、その上に第１のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９６ａを厚さを変えて形成し、さらにその上に第２のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９６ｂを０．１μｍの厚さに形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層９７を１μｍの厚さに形成し、負電極９８を形成し、電流狭窄層１００を設けることなく正電極９９を形成したＬＥＤ素子についてのものである。
【０１３３】
図１５に示すように、第１のｐ型クラッド層９６ａの厚さが１μｍよりも厚くなると発光出力は急激に低下する傾向にある。そのような厚さになると、第１のｐ型クラッド層９６ａにクラックが入り、素子の結晶性が悪くなることによるものである。図１５から、ＬＥＤ素子の場合には、第１のｐ型クラッド層９６ａの膜さは１０オングストローム（０．００１μｍ）以上、１μｍ以下の厚さが好ましいことがわかる。このような傾向は、第１のｐ型クラッド層をＡｌＧａＮで形成する本発明の他の形態の窒化物半導体発光素子のすべてについて確認された。なお、ＬＤ素子の場合に第１のｐ型クラッド層の好ましい厚さが１００オングストローム以上であるのは、上記の通り、別の理由による。
【０１３４】
図１６は、図１０に示す構造に類似する構造の発光素子について、第１のｎ型クラッド層２９４ａの厚さを変えた場合におけるその厚さと発光出力（相対値）との関係を示すグラフである。図１６は、より具体的には、図１０に示す構造において、サファイア基板９１上にＧａＮバッファ層９２を介してｎ型ＧａＮコンタクト層９３を４μｍの厚さに、第２のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２９４ｂを０．１μｍの厚さに形成し、第１のｎ型ＩｎＧａＮクラッド層２９４ａを厚さを変えて形成し、さらにその上に、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ活性層９５を２０オングストロームの厚さに、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９６を０．１μｍの厚さに形成し、負電極９８を形成し、電流狭窄層１００を設けることなく正電極９９を形成したＬＥＤ素子についてのものである。
【０１３５】
図１６からわかるように、第１のｎ型クラッド層２９４ａの厚さが１μｍよりも厚くなると発光出力は急激に低下する傾向にある。これは第１のｎ型クラッド層２９４ａ自体の結晶性が悪くなり、例えば結晶が黒くなったり、ピットが発生するためである。また第１のｎ型クラッド層２９４ａの厚さが３０オングストロームよりも薄くなっても、発光出力が低下する傾向にある。これはＩｎＧａＮよりなる第１のｎ型クラッド層２９４ａがバッファ層として効果的に作用する好ましい膜厚が３０オングストローム以上であることを示している。このような傾向は、第１のｎ型クラッド層をＩｎＧａＮまたはＧａＮで形成する本発明の他の形態の窒化物半導体発光素子のすべてについて確認された。なお、既に説明したように、第１のｎ型クラッド層２９４ａが１０オングストロームよりも薄くなると、バッファ層として作用せず、その上に形成される活性層９５およびクラッド層２９４ｂ、２９６に多数のクラックが発生するため、素子作製も難しくなり、発光出力は大幅に低下する。
【０１３６】
さて、本発明において、窒化物半導体は、いずれも、ドナー不純物をドープしないで成長させてもｎ型を示すが、最も好ましくは窒化物半導体の結晶成長中にＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓ等のドナー不純物をドープする。ドナー不純物濃度を調整することにより、ｎ型窒化物半導体層のキャリア濃度を調整できる。
【０１３７】
また、本発明において、ｐ型窒化物半導体層は、いずれも、窒化物半導体の結晶成長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のアクセプター不純物を窒化物半導体の結晶成長中にドープすることによって得られる。このようにアクセプター不純物をドープして成長させた窒化物半導体層を４００℃以上の温度でアニーリングを行うことによりより一層好ましいｐ型窒化物半導体層が得られる。アクセプター不純物の濃度を調整することにより、ｐ型窒化物半導体層のキャリア濃度を調整することができる。
【０１３８】
本発明の窒化物半導体発光素子は、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の気相成長法を用いて、基板上に各窒化物半導体層を形成することによって好ましく製造することができる。例えば、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物、有機アルミニウム化合物、アンモニア等の窒化物半導体源を用い、必要に応じて不純物源をも用いて有機ＭＯＶＰＥ法により基板上に各窒化物半導体層を形成し、正電極および負電極を形成して本発明の窒化物半導体発光素子を製造することができる。
【０１３９】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。例えば図９における電流狭窄層１００は、ＬＤ素子とした場合における第１〜第３の側面による本発明の半導体発光素子にも適用できる。また、１つのｎ型もしくはｐ型ＩｎＧａＮ層についてのインジウムの比率およびキャリア濃度に関する説明は、他のｎ型もしくはｐ型ＩｎＧａＮ層についても同様にあてはまり、１つのｎ型もしくはｐ型ＡｌＧａＮ層についてのアルミニウムの比率およびキャリア濃度に関する説明は、他のｎ型もしくはｐ型ＡｌＧａＮ層についても同様にあてはまることが明らかであろう。なお、以上の説明からも明らかなように、主面とは、窒化物半導体層（具体的には、活性層）において他の層が形成される面を意味する。
【０１４０】
【実施例】
以下本発明を実施例に基づいて説明する。以下の実施例では、全ての窒化物半導体層をＭＯＶＰＥ法により成長させている。
【０１４１】
実施例１
まず、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3 とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板のＣ面に５００℃でＧａＮよりなるバッファ層を５００オングストロームの厚さに成長させた。
【０１４２】
次に温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧとＮＨ3 からなる上記原料ガスにシランガスを加え、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに成長させた。このｎ型コンタクト層の電子キャリア濃度は、２×１０19／ｃｍ3 であった。
【０１４３】
続いて、上記原料ガスにさらにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加え、同じく１０５０℃でＳｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層よりなる第２のｎ型クラッド層を０．１μｍの厚さに成長させた。この第２のｎ型クラッド層の電子キャリア濃度は１×１０19／ｃｍ3 であった。
【０１４４】
次に、温度を８００℃に下げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3 およびシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。この第１のｎ型クラッド層の電子キャリア濃度は、５×１０18／ｃｍ3 であった。
【０１４５】
続いて、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよびＮＨ3 を用い、８００℃でノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを３０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１４６】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を０．１μｍの厚さに成長させた。この第２のｐ型クラッド層のホールキャリア濃度は１×１０18／ｃｍ3 であった。
【０１４７】
続いて、原料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、１０５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を０．５μｍの厚さに成長させた。このｐ型コンタクト層のホールキャリア濃度は５×１０19／ｃｍ3 であった。
【０１４８】
しかる後、温度を室温まで下げ、ウエーハを反応容器から取り出し、７００℃でウエーハのアニーリングを行って各ｐ型層をさらに低抵抗化させた。次に、最上層のｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型コンタクト層の表面が露出するまでエッチングした。ｎ型コンタクト層の露出表面にＴｉとＡｌよりなる負電極を形成し、ｐ型コンタクト層の表面にＮｉとＡｕよりなる正電極を形成した。
【０１４９】
電極形成後、ウエーハを３５０μｍ角のチップに分離した後、常法に従い半値角１５度の指向特性を持つＬＥＤ素子とした。このＬＥＤ素子はＩｆ（順方向電流）２０ｍＡにおいて、Ｖｆ（順方向電圧）３．５Ｖ、発光ピーク波長４１５ｎｍの青色発光を示し、発光出力は６ｍＷであった。また、その発光スペクトルの半値幅は２０ｎｍであり、非常に色純度の良い発光を示した。
【０１５０】
参考例２
実施例１と同様にしてサファイア基板の上にＳｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7Ｎ層よりなる第２のｎ型クラッド層まで成長させた後、第２のクラッド層の上に実施例１と同様の条件で、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを４０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１５１】
次に、活性層の上に、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、８００℃で、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。この第１のｐ型層のアニーリング後のホールキャリア濃度は２×１０17／ｃｍ3 であった。
【０１５２】
これ以降の第２のｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層の成長、その他は実施例１と同様にして所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４１０ｎｍ、発光スペクトルの半値幅２０ｎｍであり、発光出力は５ｍＷであった。
【０１５３】
実施例３
実施例１と同様にして、サファイア基板の上に、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層まで成長させた後、その第１のｎ型クラッド層の上に、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを４０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１５４】
続いて、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、８００℃で、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。この第１のｐ型クラッド層のアニール後のホールキャリア濃度は、２×１０17／ｃｍ3 であった。
【０１５５】
次に、実施例１と同様にして、第１のｐ型クラッド層上にＭｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を成長させ、そしてその上にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を成長させた。その後、実施例１と同様にして、所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡでＶｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４１０ｎｍ、発光スペクトルの半値幅２０ｎｍであり、発光出力は６ｍＷであった。
【０１５６】
実施例４
実施例１と同様にして、サファイア基板の上に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層よりなる第２のｎ型クラッド層まで成長させた後、その第２のｎ型クラッド層の上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第１のｎ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。この第１のｎ型クラッド層の電子キャリア濃度は２×１０19／ｃｍ3 であった。
【０１５７】
次に、実施例３と同様に第１のｎ型クラッド層５５の上に、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを４０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１５８】
次に、活性層の上に、実施例１と同様にして、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層とＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を順次成長させた。これ以降は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡでＶｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４１５ｎｍ、発光スペクトルの半値幅２０ｎｍであり、発光出力は５ｍＷであった。
【０１５９】
実施例５
活性層をＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎで形成した以外は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４５５ｎｍ、半値幅２０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は５ｍＷであった。
【０１６０】
実施例６
本実施例は、活性層の形成以外は実施例１と同様に行った。すなわち、本実施例では、活性層を形成するために、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよびＮＨ3を用い、８００℃で、ノンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ薄膜（井戸層）を２０オングストロームの厚さに成長させた。続いて、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ薄膜（障壁層）を２０オングストローム厚さに成長させた。この操作を交互にそれぞれ３回ずつ繰り返し、最後にＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ薄膜（障壁層）を２０オングストロームの厚さに成長させ、総膜厚１４０オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した。こうして得られたＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４２０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は７ｍＷであった。
【０１６１】
実施例７
アクセプター不純物源としてＤＥＺ（ジエチルジンク）、ドナー不純物としてシランガスを用い、活性層としてＳｉとＺｎをドープした単一量子井戸構造のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層を５０オングストロームの厚さに形成した以外は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。このＬＥＤ素子はＩｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４５０ｎｍ、半値幅７０ｎｍの青色発光を示し、発光出力３ｍＷであった。
【０１６２】
実施例８
実施例１の手法に従い、ｎ型コンタクト層の上にＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層、およびＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を成長させた。すなわち、第２のｎ型クラッド層を形成しなかった以外は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４１０ｎｍ、発光出力は５ｍＷであった。
【０１６３】
実施例９
実施例１と同様にして、サファイア基板の上に、ｎ型コンタクト層までの各半導体層を成長させた後、温度を８００℃に下げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 およびシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる薄膜を３８０オングストロームの厚さに成長させた。次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3 およびシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎよりなる薄膜を３９０オングストロームの厚さに成長させた。これらの操作を２０回繰り返し、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層とＳｉドープＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層を交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜（第１の多層反射膜）を形成した。
【０１６４】
次に、ｎ型多層膜上に、実施例３と同様にして、第２のｎ型クラッド層、第１のｎ型クラッド層、活性層、第１のｐ型クラッド層、および第２のｐ型クラッド層を順次成長させた。
【０１６５】
次に、温度を８００℃に設定して、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、第２のｐ型クラッド層上にＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層を３８０オングストロームの厚さに成長させた後、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇガスを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層を３９０オングストロームの厚さに成長させた。これらの操作を繰り返し、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層とＭｇドープｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層とを交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜（第２の多層反射膜）を形成した。
【０１６６】
ついで、ｐ型多層膜上に、実施例１と同様にして、ｐ型コンタクト層を成長させた。
【０１６７】
こうして得られたウエーハについて、実施例１と同様にして窒化物半導体層をエッチングした後、最上層であるｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型コンタクト層上に５０μｍの幅で負電極を、ｐ型コンタクト層上に１０μｍの幅で正電極をそれぞれ形成した。このようにｎ型コンタクト層上にｎ型多層膜を形成すると、負電極を形成する水平面がｎ型多層膜よりも下、すなわち基板側となる。
【０１６８】
次に、窒化物半導体層を形成していない方のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍにし、サファイア基板表面のＭ面（六方晶系において六角柱の側面に相当する面）をスクライブした。スクライブ後、ウエーハを７００μｍ角のチップに分割し、ストライプ型のＬＤ素子を作製した。このＬＤ素子は、ストライプ状の正電極と直交する窒化物半導体層面を光共振面としている。また、このＬＤ素子の表面は、各電極表面を除き表面をＳｉＯ2 よりなる絶縁膜（図示せず）で被覆されている。次に、このチップをヒートシンクに設置し、各電極をワイヤーボンドした後、常温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【０１６９】
実施例１０
まず、原料ガスとしてＴＭＧとＮＨ3 とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板のＣ面に、５００℃で、ＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの厚さに成長させた。
【０１７０】
次に、温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧとＮＨ3 との原料ガスにシランガスを加え、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに成長させた。
【０１７１】
ついで、温度を８００℃に下げ、上記原料ガスにさらにＴＭＩを加え、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層よりなる第１のｎ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。
【０１７２】
続いて、８００℃で、第１のｎ型クラッド層上にノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8Ｎを２０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１７３】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を０．１μｍの厚さに成長させた。
【０１７４】
続いて、１０５０℃で、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を０．５μｍの厚さに成長させた。
【０１７５】
引き続き、１０５０℃でＭｇドープＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１．０μｍの厚さに成長させた。
【０１７６】
反応終了後、温度を室温まで下げ、ウエーハを反応容器から取り出し、７００℃でウエーハのアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化させた。次に、最上層のｐ型コンタクト層からｎ型コンタクト層の表面が露出するまでエッチングした。エッチング後、ｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ2 の層を被着し、これに透孔を設けて電流狭窄層とし、さらにその電流狭窄層上に、ｐ型コンタクト層と透孔を介して接続するＮｉとＡｕよりなる正電極を形成した。また、ｎ型コンタクト層の上記露出表面に、ＴｉとＡｌよりなる負電極を形成した。
【０１７７】
次に、窒化物半導体層を形成していない方のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍとし、サファイア基板のＭ面をスクライブして強制的に劈開し、レーザチップを得た。その劈開面に誘電体多層膜を設けた後、チップをヒートシンクに設置し、常温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４５０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【０１７８】
実施例１１
実施例１０と同様にして、サファイア基板上にＧａＮバッファ層を２００オングストロームの厚さに、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに順次形成した。
【０１７９】
次に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｎ型クラッド層を０．５μｍの厚さに形成した後、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層７１を５００オングストロームの厚さに形成した。
【０１８０】
次にノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを２０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成し、その上にＭｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を０．５μｍの厚さに、ついでＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１μｍの厚さに形成した。
【０１８１】
これ以降は実施例１０と同様にして、得られたＬＤ素子のレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４５０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【０１８２】
実施例１２
実施例１０と同様にして、サファイア基板上にＧａＮバッファ層を２００オングストロームの厚さに、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに順次形成した。
【０１８３】
次に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｎ型クラッド層を０．５μｍの厚さに形成した後、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層を０．１μｍの厚さに形成した。
【０１８４】
ついで、ノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを２０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成し、その上にＭｇドープｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を０．１μｍの厚さに成長させ、さらにＭｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を０．５μｍの厚さに成長させ、最後にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を０．５μｍの厚さに成長させた。
【０１８５】
これ以降は実施例１０と同様にして、得られたＬＤ素子のレーザ発振を試みたところ、実施例１０および１１のＬＤ素子のしきい値電流密度よりも低いしきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４５０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【０１８６】
実施例１３
この実施例は、第１のｎ型クラッド層および活性層の形成を除き、実施例１２と同様に行った。すなわち、第１のｎ型クラッド層として、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎの代わりに、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を０．１μｍの厚さに成長させた。また、活性層を形成するために、ノンドープＩｎ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ井戸層を３０オングストロームの厚さに成長させ、その上にノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ障壁層を５０オングストロームの厚さに成長させるという操作を繰り返し、井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層という５層構成で総膜厚１９０オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を成長させた。
【０１８７】
得られたＬＤ素子について、実施例１０と同様にしてレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度０．９ｋＡ／ｃｍ2 で５００ｎｍのレーザ発振を示した。
【０１８８】
実施例１４
第１のｐ型クラッド層を形成した後、第２のｐ型クラッド層を形成することなくｐ型コンタクト層を形成した以外は実施例１０と同様にして、サファイア基板上にｐ型コンタクト層までの各半導体層を成長させた。得られたウエーハについて、実施例１０と同様に、アニーリングによるｐ型窒化物半導体層の低抵抗化、およびｐ型コンタクト層からｎ型コンタクト層までのエッチングを行った後、ｐ型コンタクト層上に、電流狭窄層を形成することなく、ＮｉとＡｕよりなる正電極を直接形成し、ｎ型コンタクト層の露出表面にＴｉとＡｌよりなる負電極を形成した。こうして、所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は６ｍＷであった。また、発光スペクトルの半値幅は２０ｎｍとシャープなバンド間発光を示した。
【０１８９】
実施例１５
実施例１０と同様にして、サファイア基板上にｐ型コンタクト層までの各半導体層を成長させた。得られたウエーハについて、実施例１０と同様に、アニーリングによるｐ型窒化物半導体層の低抵抗化、およびｐ型コンタクト層からｎ型コンタクト層までのエッチングを行った後、ｐ型コンタクト層上に、電流狭窄層を形成することなく、ＮｉとＡｕよりなる正電極を直接形成し、ｎ型コンタクト層の露出表面にＴｉとＡｌよりなる負電極を形成した。こうして、所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は６ｍＷと高出力であった。発光スペクトルの半値幅は２０ｎｍとシャープなバンド間発光を示した。
【０１９０】
参考例１６
実施例１０と同様にして、サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層を２００オングストロームの厚さに、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに順次形成した。このｎ型コンタクト層は、本実施例のＬＥＤ素子において第１のｎ型クラッド層としても作用する。
【０１９１】
次に、ｎ型コンタクト層の上に、ノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを３０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１９２】
ついで、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を０．０５μｍの厚さに成長させ、その上にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を０．５μｍの厚さに直接成長させた。
【０１９３】
しかる後、実施例１４と同様にして、アニーリングによるｐ型窒化物半導体層の低抵抗化、およびｐ型コンタクト層からｎ型コンタクト層までのエッチングを行った後、ｐ型コンタクト層上にＮｉとＡｕよりなる正電極を直接形成し、ｎ型コンタクト層の露出表面にＴｉとＡｌよりなる負電極を形成した。こうして、所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力も７ｍＷと高出力であった。発光スペクトルの半値幅は、２０ｎｍとシャープなバンド間発光を示した。
【０１９４】
参考例１７
活性層としてＩｎ0.4 Ｇａ0.6 Ｎを５０オングストロームの厚さに成長させた以外は参考例１６と同様の操作によりＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光波長５２０ｎｍの緑色発光を示し、発光出力は４ｍＷであり、発光スペクトルの半値幅は、４０ｎｍであった。
【０１９５】
実施例１８
活性層および第１のｐ型クラッド層の形成以外は実施例３と同じ操作を行ってＬＤ素子を得た。すなわち、本実施例では、活性層を形成するために、第１のｎ型クラッド層上に井戸層としてノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに成長させ、その上に障壁層としてノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを５０オングストロームの厚さに成長させるという操作を１３回繰り返し、最後に井戸層としてノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに成長させ、総厚１０００オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した。また、第１のｐ型クラッド層として、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎを５００オングストロームの厚さに成長させた。こうして得られたウエーハについて実施例９と同様の処理を行って所望のＬＤ素子を得た。このＬＤ素子は、しきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ2 で４１５ｎｍのレーザ発振を示した。
【０１９６】
実施例１９
活性層の形成以外は実施例３と同じ操作を行ってＬＤ素子を得た。すなわち、本実施例では、活性層を形成するために、第１のｎ型クラッド層上に井戸層としてノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに成長させ、その上に障壁層としてノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを５０オングストロームの厚さに成長させるという操作を２６回繰り返し、最後に井戸層としてノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに成長させ、総厚１９７５オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した。こうして得られたウエーハについて実施例９と同様の処理を行って所望のＬＤ素子を得た。このＬＤ素子は、室温、しきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ2 で４１５ｎｍのレーザ発振を示した。
【０１９７】
参考例２０
参考例１６で得た青色ＬＥＤ素子と、参考例１７で得た緑色ＬＥＤ素子と、従来のＧａＡｓ系材料またはＡｌＩｎＧａＰ系の材料よりなる発光出力３ｍＷ、６６０ｎｍの赤色ＬＥＤとのそれぞれ一個づつを１ドットとする２５６×２５６画素のフルカラーＬＥＤディスプレイを作製したところ、その白色の面輝度は１万ｃｄであり、しかも色再現領域はテレビよりも広かった。
【０１９８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、発光出力が高く、発光スペクトルの半値幅が狭い窒化物半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図２】 本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の他の形態の構造を示す概略断面図。
【図３】 本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図４】 本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の他の形態の構造を示す概略断面図。
【図５】 本発明の第３の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図６】 本発明の第３の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図７】 本発明の窒化物半導体レーザ素子の構造の一例を示す斜視図。
【図８】 本発明の窒化物半導体レーザ素子の他の構造を示す概略断面図。
【図９】 本発明の第４の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図１０】 本発明の第５の側面に係る窒化物半導体発効素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図１１】 本発明の第６の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図１２】 本発明の第８の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図１３】 本発明の窒化物半導体発光素子における活性層の井戸層の厚さと発光素子の発光出力との関係を示すグラフ図。
【図１４】 本発明の窒化物半導体発光素子における活性層の障壁層の厚さと発光素子の発光出力との関係を示すグラフ図。
【図１５】 本発明の窒化物半導体発光素子におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の厚さと発光素子の発光出力との関係を示すグラフ図。
【図１６】 本発明の窒化物半導体発光素子におけるｎ型ＩｎＧａＮクラッド層の厚さと発光素子の発光出力との関係を示すグラフ図。
【符合の説明】
１１，９１，４０１…基板
１３，９３，４０３…ｎ型コンタクト層
１４，２１，３４，５４，５０１，９４，２９４，２９４ａ，２９４ｂ，４１４，４１２…ｎ型クラッド層
１５，９５，４０５…活性層
１６，３６，４１，５６，５０２，９６，９６ａ，９６ｂ，２９６，４１６，４２６，４３６…ｐ型クラッド層
１７，９７，４０７…ｐ型コンタクト層
１８，９８，４０８…負電極
１９，９９，４０９…正電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子に係り、特には、基板上に積層される半導体層構造が窒化物半導体により構成される窒化物半導体発光素子に発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から赤色領域までの波長領域に発光するＬＥＤ、ＬＤ等の半導体発光素子の材料としてＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等の窒化物半導体が有望視されている。現在、これら窒化物半導体材料で構成された青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥＤが実用化され、ディスプレイ、信号等に用いられている。
【０００３】
これらの青色、青緑色発光窒化物半導体ＬＥＤ素子は、ダブルヘテロ構造を有し、基本的には、基板の上に、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層と、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが順次積層された構造を有している。活性層には、Ｓｉ、Ｇｅ等のドナー不純物および／またはＺｎ、Ｍｇ等のアクセプター不純物がドープされている。このＬＥＤ素子の発光波長は、活性層を構成するＩｎＧａＮのＩｎの比率を変えるか、または活性層にドープする不純物の種類を変えることにより、紫外から赤色領域まで変化させることができる。
【０００４】
他方、ＬＤ素子については、従来より種々の構造が提案されている。例えば特開平６−２１５１１号公報には、分離閉じ込め型のＬＤ素子が開示されている。このＬＤ素子は、ＩｎＧａＮよりなる膜厚１００オングストローム以下の活性層をｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層とにより挟持し、さらにｎ型ＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層のそれぞれの上にｐ型ＡｌＧａＮ層およびｎ型ＡｌＧａＮ層を設けた構造を有する。この素子において、ＡｌＧａＮ層が光閉じ込め層として作用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体ＬＥＤ素子については、上に述べたようなダブルへテロ構造が実現されたことにより、発光出力は実用レベルまで向上するに至っている。しかしながら、ＬＥＤ素子であってもさらに高い発光出力を示す素子が望ましいばかりでなく、従来のＬＥＤ素子においては、活性層（発光層）に不純物がドープされているために、発光スペクトルの半値幅が広くなるきらいがある。発光スペクトルの半値幅が広いと、その発光色は白色味を帯びて見えるので、そのようなＬＥＤ素子を用いて例えばフルカラーディスプレイを作製した際には、そのカラーディスプレイの色再現領域が狭くなることとなる。
【０００６】
他方、窒化物半導体ＬＤ素子は、前記特開平６−２１５１１号公報に記載されているように、ノンドープのＩｎＧａＮで形成された活性層を有するダブルへテロ構造により、理論的には、実現可能であるが、実際にはそのＬＤ素子は発振するには至っていない。特にこの公報に記載されているように、活性層を量子井戸構造とすることにより、発光出力が大幅に向上するはずであるが、前述のように、実際はレーザー発振するに至っていない。
【０００７】
従って、本発明は、ＬＥＤ素子に適用した場合には、発光出力が高く、発光スペクトルの半値幅が狭いＬＥＤ素子を実現でき、またＬＤ素子に適用した場合には、現実のレーザー発振を行えるＬＤ素子を実現できる新規な構造の窒化物半導体発光素子を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、活性層をｐ型半導体層とｎ型半導体層で挟持した構造の窒化物半導体発光素子について鋭意研究した結果、活性層をＩｎＧａＮで形成するとともに、これを量子井戸構造（単一量子井戸および多重量子井戸構造の双方を含む）とすることによって当該活性層からの発光をＩｎＧａＮのバンド間発光に基づくものとすることができ、もって半値幅の狭い発光を得ることができること、および特定のｎ型層を当該活性層に接して設けることによって、高い発光出力を示すおよび／または現実のレーザー発振を行える窒化物半導体発光素子が得られることを見い出した。これらの知見に基づいてさらに研究を進め、本発明を完成するに至った。
【０００９】
より具体的には、本発明の発光素子は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなり第１および第２の主面を有する量子井戸構造の活性層を、それよりバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層で挟み、格子定数不整を有するダブルへテロ構造の発光素子であって、前記活性層の第２の主面側に設けられたｐ型クラッド層と、
前記活性層の第１の主面側に設けられたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層と、前記活性層と前記ｎ型コンタクト層の間に、前記活性層の第１の主面に接して設けられ、前記活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きなＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）から成る第１のｎ型クラッド層と、を具え、前記第１のｎ型クラッド層は、該ｎ型クラッド層に接して設けられる窒化物半導体層との界面に格子定数不整を有し、前記活性層と前記ｎ型クラッド層との合計膜厚を、前記格子定数不整による応力を緩和するように３００オングストローム以上、１μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１０】
前記ｎ型コンタクト層が、前記第１のｎ型クラッド層に接して形成されていることが好ましい。
【００１１】
また、前記第１のｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層の間に、第１のｎ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体よりなる第２のｎ型クラッド層が形成されていても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、全図に渡り、しばしば、同様の部分は、同一符号をもって示されている。
【００１３】
図１は、本発明による窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図である。
【００１４】
図１に示す窒化物半導体発光素子１０は、活性層１５、並びに活性層１５を両側で挟んでいる第１のｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層１６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、バッファ層１２およびｎ型コンタクト層１３を介して、基板１１上に設けられている。
【００１５】
活性層１５は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を包含する。インジウムとガリウムを含む窒化物半導体は、Ｉｎm Ａｌn Ｇａ1 − m − n Ｎ（ここで、０＜ｍ＜１、０≦ｎ＜１、ｍ＋ｎ＝１）で示すことができる。最も好ましくは、活性層１５は、式Ｉｎm Ｇａ1 − m Ｎ（ここで、０＜ｍ＜１）で示される窒化物半導体を包含する。インジウムの比率、すなわち各式におけるｍの値を変えることにより、紫外から赤色までの領域の発光光を得るようにバンドギャップを変えることができる。なお、以下の記載において、式Ｉｎm Ｇａ1-m Ｎ（ここで、０＜ｍ＜１）または同等の式をもって表される窒化物半導体を単にＩｎＧａＮと表示することがある。
【００１６】
活性層１５は、量子井戸構造のものである。活性層１５を量子井戸構造にすることにより、ＬＥＤ素子であれ、ＬＤ素子であれ、歪量子井戸効果、エキシトン発光効果等により、高出力の発光素子が実現できる。
【００１７】
本発明において、量子井戸構造とは、活性層を構成する窒化物半導体（ＩｎＧａＮ）の量子準位間発光を生じさせる構造をいい、単一量子井戸構造および多重量子井戸構造の双方を含む概念である。
【００１８】
単一量子井戸構造とは、井戸層が単一組成の窒化物半導体の一層からなる構造を指す。すなわち、単一量子井戸構造の活性層は、単一の井戸層だけで構成され、この活性層（すなわち、例えば、単一組成のＩｎＧａＮからなる）を両側で挟持する２つのクラッド層が障壁層を構成することとなる。
【００１９】
また、多重量子井戸構造とは、井戸層と障壁層とを順次積層した多層膜構造を指す。多重量子井戸構造の最少積層構造は、１つの障壁層とこの障壁層の両側に設けられた（２つの）井戸層とからなる３層構造または１つの井戸層とその両側に設けられた（２つの）障壁層とからなる３層構造であり得る。多重量子井戸構造において、両側の２つ最外層は、それぞれ井戸層または障壁層により構成される。活性層の２つ最外層がそれぞれ井戸層によって構成される多重量子井戸構造の場合には、当該活性層を両側で挟持する２つのクラッド層が障壁層を構成する。この多重量子井戸構造の活性層において、井戸層および障壁層は、両者をインジウムとガリウムを含む窒化物半導体（好ましくはＩｎＧａＮ）で形成することができる（ただし、両者の組成は異なる）が、井戸層をインジウムとガリウムを含む窒化物半導体（好ましくは、ＩｎＧａＮ）で形成し、障壁層を他の窒化物半導体で、例えばＩｎＮやＧａＮで形成することもできる。すなわち、この多重量子井戸構造の活性層も、インジウムとガリウムを含む窒化物半導体を包含する。活性層１５は、単一量子井戸構造の場合では井戸層を１００オングストローム以下の厚さに形成し、多重量子井戸構造の場合では各井戸層を１００オングストローム以下の厚さにかつ各障壁層を１５０オングストローム以下の厚さに形成することが好ましい。いずれの場合でも、井戸層は７０オングストローム以下の厚さを有することがさらに好ましく、５０オングストローム以下の厚さを有することが最も好ましい。活性層中の障壁層は、１００オングストローム以下の厚さに形成することがさらに好ましい。多重量子井戸構造の活性層は、２００オングストローム以上の厚さを有することが特に好ましく、通常、０．５μｍまでの厚さを有し得る。
【００２０】
単一量子井戸構造、多重量子井戸構造いずれの活性層１５においても、活性層はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンドープ（不純物無添加）とすることにより半値幅の狭いバンド間発光、励起子発光、あるいは量子井戸準位発光が得られるので、特に好ましい。
【００２１】
活性層１５にドナー不純物および／またはアクセプター不純物をドープする場合、当該不純物をドープした活性層の結晶性がノンドープの活性層の結晶性と実質的に同じであれば、ドナー不純物をドープした活性層は、ノンドープの活性層よりもバンド間発光強度がさらに強くなり得、他方、アクセプター不純物をドープした活性層は、本来のバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低エネルギー側にシフトした発光ピーク波長を示すが、半値幅は広くなる傾向にある。また、アクセプター不純物とドナー不純物の双方をドープすると、アクセプター不純物のみドープした活性層の発光強度をさらに増大させることができる。特にアクセプター不純物をドープした活性層を得ようとする場合、活性層の導電型はＳｉ等のドナー不純物をもドープしてｎ型とすることが好ましい。
【００２２】
しかしながら、本発明においては、活性層はバンド間発光により強力に発光するのが理想であるので、活性層１５には不純物をドープしないことが最も好ましい。また、ノンドープの活性層を有する発光素子は、不純物をドープした活性層を有する発光素子よりもＶｆ（順方向電圧）を低くすることができる。
【００２３】
活性層１５の第１の主面に接して設けられている第１のｎ型クラッド層１４は、インジウムとガリウムとを含むｎ型の窒化物半導体で形成される。ＩｎとＧａを含む窒化物半導体は、結晶が比較的柔らかいので、いわばバッファ層として作用し、以下にも述べるように、活性層１５およびそれ自体に、あるいはその上に形成され得る他の窒化物半導体層にクラックを生じにくくさせてそれらの結晶性を悪化させず、もって発光素子の発光出力を向上させる。第１のｎ型クラッド層１４は、ｎ型Ｉｎj Ｇａ1-j Ｎ（０＜ｊ＜１）で形成することが望ましい。このＩｎj Ｇａ1-j Ｎにおいて、ｊの値は、０＜ｊ≦０．５の範囲内にあることが好ましい。一般にＩｎＧａＮは、Ｉｎの比率を多くするに従い、結晶性が次第に悪くなる傾向にあり、ｎ型クラッド層として当該発光素子に実用的に発光出力の高い発光を行わせるためには、ｊ値が０．５以下であることが好ましいのである。ｊ値は、さらに好ましくは０＜ｊ≦０．３、最も好ましくは０＜ｊ≦０．２の範囲内にある。
【００２４】
また、第１のｎ型クラッド層１４のキャリア濃度は、１×１０18／ｃｍ3 〜１×１０20／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。ｎ型クラッド層１４中のキャリア濃度が１×１０18／ｃｍ3 よりも少ないと活性層１５への電子注入効率が低下し、発光出力が低下する傾向にあり、他方ｎ型クラッド層１４中のキャリア濃度が１×１０20／ｃｍ3 よりも大きいと第１のｎ型クラッド層の結晶性が悪くなり、発光出力が低下する傾向にあるからである。
【００２５】
第１のｎ型クラッド層１４は、その厚さに特に制限はないが、活性層１５と第１のｎ型クラッド層１４とは、合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましい。ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体層（活性層＋第１のｎ型クラッド層）の総厚が３００オングストロームよりも薄いと、活性層１５および第１のｎ型クラッド層１４に、さらには第１のｎ型クラッド層に接して設けられる別の窒化物半導体層に、格子定数不整、熱膨張率の差等によりそれらの界面に存在し得る歪応力によって、クラックが生じやすくなるからである。上にも述べたように、ＩｎとＧａを含む窒化物半導体は、その結晶が比較的柔らかいので、この応力を緩和させるのに有益であるが、その総厚を３００オングストローム以上の厚さに形成することにより、当該応力をより一層緩和させるようになる。この総厚は、１μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
活性層１５の第２の主面に接して形成されているｐ型クラッド層１６は、ｐ型窒化物半導体で形成される。そのような窒化物半導体は、式Ｉｎs Ａｌt Ｇａ1 − s − t Ｎ（ここで、０≦ｓ、０≦ｔ、ｓ＋ｔ≦１）で示すことができる。
【００２７】
基板１１は、サファイア（Ｃ面、Ｒ面、Ａ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣを含む。）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4 、特にその（１１１）面）、ＧａＮ、窒化物半導体と格子定数の近い酸化物単結晶等で形成することができるが、一般的には、サファイア、スピネル、ＧａＮまたはＳｉＣが使用される。
【００２８】
基板１１上に形成されているバッファ層１２は、基板１１とその上に形成される窒化物半導体層との格子不整合を緩和するために通常形成されるものであり、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等により数百オングストロームの厚さに形成される。なお、基板１１がその上に形成される窒化物半導体と格子定数が近いＳｉＣやＺｎＯのような材料で形成されている場合、また基板１１がその上に形成される窒化物半導体と格子整合している場合には、このバッファ層１２は形成されないこともある。
【００２９】
バッファ層１２上には、第１のｎ型クラッド層１４にも接してｎ型コンタクト層１３が形成されている。このｎ型コンタクト層１３は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等で形成することが好ましい。
【００３０】
基板１１に所定の各半導体層を形成した後、エッチングにより露出されたｎ型コンタクト層の表面上には、負電極１８が形成されている。
【００３１】
ｎ型コンタクト層１３は、ＧａＮで形成すると、負電極１８とのより一層好ましいオーミックコンタクトが達成され、発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）をより一層低下させる。また、ＧａＮはその結晶性が他の三元混晶、四元混晶の窒化物半導体に比べて優れているため、その上に成長させる第１のｎ型クラッド層１４等の窒化物半導体層の結晶性を向上させることができるので、発光素子の発光出力を向上させる。
【００３２】
また、ｎ型コンタクト層１３のキャリア濃度は、負電極１８との好ましいオーミック接触の達成およびその結果としてのＶｆの低下並びに発光出力の低下防止の観点から、５×１０17／ｃｍ3 〜５×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。
【００３３】
負電極１８は、ｎ型コンタクト層１３との好ましいオーミックコンタクトの達成の観点から、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）とを含む金属材料、例えばそれらの積層構造または合金、またはＴｉとアルミニウム（Ａｌ）とを含む金属材料、例えばそれらの積層構造または合金で形成することが最も好ましい。この場合において、負電極１８は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３に直接接して設けられたチタン層とその上に形成されたアルミニウム層との２層構造として形成することが特に好ましい。
【００３４】
ｐ型クラッド層１６上には、ｐ型コンタクト層１７が形成され、その上には、正電極１９が形成されている。ｐ型コンタクト層１７は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等で形成することが好ましい。特にｐ型コンタクト層１７をＧａＮで形成すると、正電極１９とのより一層好ましいオーミックコンタクトが達成され、発光素子のＶｆを低下させることができる。
【００３５】
正電極１９との好ましいオーミック接触の達成およびその結果としてのＶｆの低下並びに発光出力の低下防止の観点から、ｐ型コンタクト層１７のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。
【００３６】
正電極１９は、ｐ型コンタクト層１７との好ましいオーミックコンタクトの達成の観点から、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とを含む金属材料、例えばそれらの積層構造または合金で形成することが最も好ましい。この場合において、正電極１９は、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７に直接接して設けられたニッケル層とその上に形成された金層との２層構造として形成することが特に好ましい。
【００３７】
図２は、本発明による窒化物半導体発光素子の別の態様を示す。図２に示す発光素子２０は、第１のｎ型クラッド層１４とｎ型コンタクト層１３との間に、第２のｎ型クラッド層２１を設けた以外は、図１に示す窒化物半導体素子と同様の構造を有する。
【００３８】
この発光素子２０において、図１に示す発光素子構造に付加して設けられている第２のｎ型クラッド層２１は、アルミニウムとガリウムを含むｎ型窒化物半導体で形成されている。このような第２のｎ型クラッド層２１を設けることによって、第１のｎ型クラッド層１４との間のバンドギャップ差を大きくすることができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００３９】
この第２のｎ型クラッド層２１は、好ましくは、ｎ型Ａｌa Ｇａ１−ａＮ（ここで、０＜ａ＜１）で形成される。この場合において、ａの値は、０＜ａ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、０．６より大きいと、第１のｎ型クラッド層１４の存在にもかかわらず、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ａ値は、０＜ａ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。なお、本明細書において、Ａｌa Ｇａ1 − a Ｎまたは同等の式をもって表される窒化物半導体を単にＡｌＧａＮと表示することがあるまた、第２のｎ型クラッド層２１のキャリア濃度は、５×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、ＡｌＧａＮの抵抗率が高くなるので、発光素子のＶｆが高くなり、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いとＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。第２のｎ型クラッド層２１は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【００４０】
基板１１、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型クラッド層１４、活性層１５、ｐ型クラッド層１６、ｐ型コンタクト層１７、負電極１８および正電極１９は、図１に関して説明した通りのものである。
【００４１】
図３は、窒化物半導体発光素子の参考形態の構造を示す概略断面図である。
【００４２】
図３に示す窒化物半導体発光素子３０は、活性層１５、並びに活性層１５を両側で挟んでいるｎ型クラッド層３４および第１のｐ型クラッド層３６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、図１に示す構造と同様、バッファ層１２およびｎ型コンタクト層１３を介して、基板１１上に設けられている。活性層１５の第２の主面に接して設けられている第１のｐ型クラッド層３６は、インジウムとガリウムとを含むｐ型の窒化物半導体で形成される。ＩｎとＧａを含む窒化物半導体は、結晶が比較的柔らかいので、いわばバッファ層として作用し、以下にも述べるように活性層１５およびそれ自体に、あるいはその上に形成され得る他の窒化物半導体層にクラックを生じにくくさせてそれらの結晶性を悪化させず、もって発光素子の発光出力を向上させる。第１のｐ型クラッド層３６は、ｐ型Ｉｎk Ｇａ1 − k Ｎ（０＜ｋ＜１）で形成することが望ましい。このＩｎk Ｇａ1 − k Ｎにおいて、ｋの値は、０＜ｋ≦０．５の範囲内にあることが好ましい。一般にＩｎＧａＮは、Ｉｎの比率を多くするに従い、結晶性が次第に悪くなる傾向にあり、ｐ型クラッド層として当該発光素子に実用的に発光出力の高い発光を行わせるためには、ｋ値が０．５以下であることが好ましいのである。ｋ値は、さらに好ましくは０＜ｋ≦０．３、最も好ましくは０＜ｋ≦０．２の範囲内にある。
【００４３】
また、第１のｐ型クラッド層３６のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。第１のｐ型クラッド層３６中のキャリア濃度が１×１０17／ｃｍ3 よりも少ないと活性層１５への電子注入効率が低下し、発光出力が低下する傾向にあり、他方ｐ型クラッド層３６中のキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも大きいと第１のｐ型クラッド層の結晶性が悪くなり、発光出力が低下する傾向にあるからである。第１のｐ型クラッド層３６は、図１に示す構造におけるｐ型クラッド層１６に関して述べた方法により好ましく得られる。
【００４４】
第１のｐ型クラッド層３６は、その厚さに特に制限はないが、活性層１５と第１のｐ型クラッド層３６とは、合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましい。ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体層（活性層＋第１のｐ型クラッド層）の総厚が３００オングストロームよりも薄いと、活性層１５および第１のｐ型クラッド層３６に、さらには第１のｐ型クラッド層に接して設けられる別の窒化物半導体層に、格子定数不整、熱膨張率の差等によりそれらの界面に存在し得る歪応力によって、クラックが生じやすくなるからである。上にも述べたように、ＩｎとＧａを含む窒化物半導体は、その結晶が比較的柔らかいので、この応力を緩和させるのに有益であるが、その総厚を３００オングストローム以上の厚さに形成することにより、当該応力をより一層緩和させるようになる。この総厚は、１μｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
活性層１５の第１の主面に接して形成されているｎ型クラッド層３４は、ｎ型窒化物半導体で形成される。そのような窒化物半導体は、式Ｉｎu Ａｌv Ｇａ1-u-v Ｎ（ここで、０≦ｕ、０≦ｖ、ｕ＋ｖ≦１）で示すことができる。
【００４６】
基板１１、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、活性層１５、ｐ型コンタクト層１７、負電極１８および正電極１９は、図１に関して説明した通りのものである。
【００４７】
図４は、窒化物半導体発光素子の別の参考形態を示す。図４に示す発光素子４０は、第１のｐ型クラッド層３６とｐ型コンタクト層１７との間に、第２のｐ型クラッド層４１を設けた以外は、図３に示す窒化物半導体素子と同様の構造を有する。
【００４８】
この発光素子４０において、図３に示す発光素子構造に付加して設けられている第２のｐ型クラッド層４１は、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体で形成されている。このような第２のｐ型クラッド層４１を設けることによって、第１のｐ型クラッド層３６との間のバンドギャップ差を大きくすることができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００４９】
この第２のｐ型クラッド層４１は、好ましくは、ｐ型Ａｌb Ｇａ1 − b Ｎ（ここで、０＜ｂ＜１）で形成される。この場合において、ｂの値は、０＜ｂ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、０．６より大きいと、第１のｐ型クラッド層３６の存在にもかかわらず、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ｂ値は、０＜ｂ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。
【００５０】
また、第２のｐ型クラッド層４１のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が１×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、活性層１５への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いとＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。第２のｐ型クラッド層４１は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【００５１】
基板１１、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、活性層１５、ｐ型コンタクト層１７、負電極１８および正電極１９は、図１に関して説明した通りのものであり、ｎ型クラッド層３４および第１のｐ型クラッド層３６は、図３に関して説明した通りのものである。
【００５２】
図５は、本発明の窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図である。
【００５３】
図５に示す窒化物半導体発光素子５０は、活性層１５、並びに活性層１５をその両側で挟む第１のｎ型クラッド層５４を含むｎ型半導体層５０１および第２のｐ型クラッド層４１を含むｐ型半導体層５０２からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、図１に示す構造と同様、バッファ層１２およびｎ型コンタクト層１３を介して、基板１１上に設けられている。図５では、ｎ型半導体層５０１は、第１のｎ型クラッド層５４により構成されている。
【００５４】
この発光素子５０は、図１に示す発光素子１０におけるｎ型クラッド層構造と図４に示すｐ型クラッド層構造を組み合わせた半導体積層構造を有するものといえるが、この特別の場合においては、第１のｎ型クラッド層５４は、図１に示す第１のｎ型クラッド層１４を構成するインジウムとガリウムを含む窒化物半導体ばかりでなく、ＧａＮによってもこれを形成でき、同様の効果を奏することがわかった。また、この場合には、第１のｐ型クラッド層５６は、図１に示す発光素子１０におけるｐ型クラッド層１６と同様、いずれのｐ型窒化物半導体で形成してもよいこともわかった。このような半導体積層構造によっても、発光素子は同様の優れた特性を示す。
【００５５】
より詳しく説明すると、第１のｎ型クラッド層５４は、アルミニウムを含まないｎ型窒化物半導体により形成される。この第１のｎ型クラッド層５４は、ｎ型Ｉｎw Ｇａ1 − w Ｎ（ここで、０≦ｗ＜１）で形成することが好ましい。すなわち、この第１のｎ型クラッド層５４は、図１に示す発光素子１０における第１のｎ型クラッド層１４に関して説明したｎ型窒化物半導体で形成することもできるし、ｎ型ＧａＮで形成することができる。図１に示す発光素子１０における第１のｎ型クラッド層１４に関して説明した理由と同様の理由から、ｗの値は、０≦ｗ≦０．５の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０＜ｗ≦０．３、最も好ましくは０＜ｗ≦０．２の範囲内にある。第１のｎ型クラッド層５４のキャリア濃度も、同様の理由から、１×１０18／ｃｍ3 〜１×１０20／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。第１のｎ型クラッド層５４も、その厚さに特に制限はないが、同様の理由から、活性層１５と第１のｎ型クラッド層５４とは、合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましく、１μｍ以下の厚さを有し得る。
【００５６】
図５に示す発光素子５０において、活性層の第２の主面に接して形成されている第１のｐ型クラッド層５６は、いずれのｐ型窒化物半導体で形成してもよいが、アルミニウムを含まないｐ型窒化物半導体で形成することが好ましい。より具体的には、第１のｐ型クラッド層５６は、ｐ型Ｉｎx Ｇａ1 − x Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１）で形成することが望ましい。図３の発光素子３０における第１のｐ型クラッド層３６に関して説明した理由と同様の理由から、ｘ値は、０≦ｘ≦０．５の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．３の範囲内、最も好ましくは０≦ｘ≦０．２の範囲内にある。この第１のｐ型クラッド層５６も同様にＧａＮにより形成してもいわばバッファ層として同様に作用する。また、この第１のｐ型クラッド層５６のキャリア濃度も、同様の理由から、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。さらに、第１のクラッド層５６の厚さに特に制限はないが、同様の理由から、活性層１５との合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましく、１μｍ以下の厚さが好ましい。なお、この第１のｐ型クラッド層５６は省略してもよいが、これを形成すれば、第１のｐ型クラッド層がバッファ層として作用するのでクラックが生じにくくなり、その発光素子は、より一層優れた特性を示すことは明らかであろう。
【００５７】
第２のｐ型クラッド層４１は、図４に示す発光素子４０における第２のクラッド層４１について説明した通りのものである。
【００５８】
また、基板１１、バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、ｐ型コンタクト層１７、負電極１８および正電極１９は、図１に示す発光素子１０に関して説明した通りのものである。
【００５９】
図６は、本発明の半導体発光素子の別の形態の構造を示す概略断面図である。この発光素子６０は、ｎ型コンタクト層１３と第１のｎ型クラッド層５４との間に、第２のｎ型クラッド層２１が追加形成されている以外は、図５に示す発光素子５０と同様の構造を有する。この第２のｎ型クラッド層２１は、図２に示す発光素子２０における第２のｎ型クラッド層２１について説明した通りのものである。なお、第１のｐ型クラッド層５６は、省略するよりも、これを設けた方が好ましいことも、図５に示す発光素子５０の場合と同様である。以上、本発明による窒化物半導体発光素子について説明したが、これら発光素子の構造は、ＬＥＤ素子にも、ＬＤ素子にも適用できることはいうまでもない。ＬＤの構造は、例えば図７に斜視図として示す構造をとる。図７において、基板１１上の半導体層７１は、上記バッファ層１２、ｎ型コンタクト層１３、第１のｎ型クラッド層および形成された場合の第２のｎ型層からなる半導体層である。活性層１５上に形成されている半導体層７２は、上記形成された場合の第１のクラッド層および第２のクラッド層並びにｐ型コンタクト１７層からなる半導体層である。印加された電流は、活性層１５において、正電極１９に対応する領域１５ａに集中して流れる。
【００６０】
なお、ＬＤ素子の場合には、上記発光素子１０ないし６０のいずれかの第１のｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層１３との間、第２のｎ型クラッド層が形成されている場合には、その第２のｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層１３との間に、および／または上記発光素子１０ないし６０のいずれかの第１のｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層１７との間、第２のｐ型クラッド層が形成されている場合には、その第２のｐ型クラッド層とｎ型コンタクト層１３との間に、互いに組成の異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を積層してなる多層膜を光反射膜として形成することもできる。
【００６１】
図６に示す発光素子構造に上記多層光反射膜を適用した例を図８に示す。図８に示す窒化物半導体発光素子８０は、ｎ型コンタクト層１３と第２のｎ型クラッド層２１との間に第１の多層光反射膜（ｎ型）８１を、また第２のｐ型クラッド層４１とｐ型コンタクト層１７との間に第２の多層光反射膜（ｐ型）８２を備える。
【００６２】
第１の多層膜８１および第２の多層膜８２は、いずれも、互いに組成の異なる窒化物半導体、すなわち互いに屈折率の異なる窒化物半導体を、各層を例えばλ／４ｎ（ここで、λは活性層１５からの発光光の波長、ｎは屈折率）で算出される厚さで交互に２層以上積層して形成されるものであり、活性層１５からの発光光をそれら膜により反射できるように設計されている。正電極１９を図７に示すような形状のストライプ電極として例えば幅１０μｍ以下に形成し、レーザ発振を行わせると、活性層１５の発光光を多層膜反射層により活性層１５内に閉じこめることがより一層容易となり得るので、容易にレーザ発振できる。また、ＬＥＤモードにおいても、多層膜反射層により発光光の漏れが抑えられ、外部量子効率が向上する。
【００６３】
多層光反射膜８１および８２には、それぞれ、ドナー不純物およびアクセプター不純物がドープされて所定の導電型となっている。
【００６４】
なお、図８に示す構造においては、第１の多光反射層膜８１は、ｎ型コンタクト層１３と第２のｎ型クラッド層２１との間に形成されているが、その代りに、これをｎ型コンタクト層１３内に形成することもできる。同様に、第２の多層光反射膜８２をｐ型コンタクト層１７内に形成してもよい。多層光反射膜は、コンタクト層内に形成しても、活性層１６からの発光光を同様に閉じ込めることができる。また、第１の多層光反射膜８１および第２の多層光反射膜８２のいずれかを省略してもよい。
【００６５】
また、図８に示すように、サファイアのような絶縁性材料を基板１１としてレーザ素子を作製する場合、レーザ素子の構造はフリップチップ方式となる。すなわち、基板１１の同一面側に、より具体的には、基板１１の窒化物半導体層形成側に正、負両電極１９，１８を形成する構造となる。この場合、図８に示すように、ｎ型層側に形成する第１の多層光反射膜８１は、負電極１８が形成されているｎ型コンタクト層１３の水平面よりもｐ層側すなわち上方に位置して形成することが好ましい。第１の多層光反射膜８１をｎ型コンタクト層１３の水平面よりも基板１１側に形成すると、第２のｎ型クラッド層２１とｎ型コンタクト層１３との屈折率の差が小さいために、活性層１５からの発光光が、活性層１５よりも下側に位置するｎ型コンタクト層１３中に広がってしまい、十分な光閉じこめができない場合があるからである。これは、サファイアのような絶縁性基板を使用した窒化物半導体レーザに特有の現象である。
【００６６】
さて、各多層光反射膜８１，８２を構成する２種類の窒化物半導体は、少なくとも一方がインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体（例えばＩｎq Ｇａ1 − qＮ（ここで、０＜ｑ＜１））またはＧａＮであることが好ましい。なぜなら単一層を積層して多層光反射膜とする場合、その単一層の一方をＩｎＧａＮまたはＧａＮで形成することにより、そのＩｎＧａＮまたはＧａＮ層がバッファ層のような作用をして、もう一方の単一層にクラックが入るのを防止することができるからである。これは、ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層の結晶がＡｌＧａＮに比べて柔らかいことによるものである。これに対し、多層光反射膜を例えば互いにＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮ層により、例えば総膜厚０．５μｍ以上となるように多層形成すると、多層膜中にクラックが入り、素子作製が困難となる。
【００６７】
各多層光反射膜を構成する２種類の窒化物半導体層の最良の組み合わせは、一方を前記のようにＩｎc Ｇａ1 − c ＮまたはＧａＮで形成し、もう一方をアルミニウムおよび／またはガリウムを含む窒化物半導体（例えば、Ａｌc Ｇａ1 − c Ｎ（ここで、０≦ｃ＜１））で形成するものある。Ｉｎq Ｇａ1 − q ＮとＡｌc Ｇａ1 − c Ｎとは屈折率の差が大きいので、これらの材料で多層光反射膜を構成することにより、発光波長に応じて反射率の大きい多層光反射膜の設計が可能となる。また、Ｉｎq Ｇａ1 − q Ｎがバッファ層として作用し得るため、Ａｌc Ｇａ1 − c Ｎ層にクラックが入ることなく１０層以上積層することができる。なお、ＩｎＮ、ＧａＮ、およびＡｌＮの屈折率は、それぞれ、２．９、２．５、および２．１５である。これらの混晶の屈折率はベガードの法則に従うと仮定し、組成に比例するものとして求めることができる。
【００６８】
図９は、本発明の第４の側面による窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図であって、ＬＤ素子としての構造を示す。
【００６９】
図９に示す窒化物半導体発光素子９０は、活性層９５、並びに活性層９５を両側で挟んでいるｎ型窒化物半導体層９４およびｐ型窒化物半導体層９６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、バッファ層９２およびｎ型コンタクト層９３を介して、基板９１上に設けられている。
【００７０】
活性層９５は、図１に示す半導体発光素子１０における活性層１５と同様、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を包含する量子井戸構造（単一量子井戸構造または多重量子井戸構造）のものであり、活性層１５についての上記説明は、この活性層９５にもそのまま適用される。
【００７１】
ｐ型窒化物半導体層９６は、活性層９５の第２の主面に直接接して形成された第１のｐ型クラッド層９６ａおよびこの第１のｐ型クラッド層９６ａ上に形成された第２のｐ型クラッド層９６ｂを含む。
【００７２】
第１のｐ型クラッド層９６ａは、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体で形成されている。第１のｐ型クラッド層９６ａをアルミニウムとガリウムを含む窒化物半導体で形成すると、量子井戸構造故に不十分であり得る活性層９５中の光閉じ込めがより完全なものとなり、このように第１のｐ型クラッド層９５は活性層９５中に光を閉じ込めるための良好な光ガイド層として作用することが見い出された。
【００７３】
第１のｐ型クラッド層９６ａは、ｐ型Ａｌd Ｇａ1 − d Ｎ（ここで、０＜ｄ＜１）で形成することが最も好ましい。ＡｌＧａＮは高キャリア濃度のｐ型のものが得られやすく、しかもＩｎＧａＮを包含する活性層９５に対し、バンドギャップ差および屈折率差を、他の窒化物半導体に比べて、大きくできるからである。その上、ｐ型ＡｌＧａＮは、他の窒化物半導体に比べて、成長時に分解しにくいという性質を有しており、例えば有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ法）によりこれを成長させる際、下側の活性層９５のＩｎＧａＮの分解を抑制し、その結果として結晶性に優れた活性層９５を提供し、もって発光素子の出力を向上させることとなる。
【００７４】
第１のｐ型クラッド層９６ａは、１０オングストローム以上、１．０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。その厚さが１０オングストロームよりも薄いと、第１のｐ型クラッド層を設けた効果が得られず、他方その厚さが１．０μｍよりも厚いと、第１のｐ型クラッド層自体にクラックが入りやすくなるため、素子作成が難しくなる傾向にある。第１のｐ型クラッド層９６ａは、１０オングストローム以上０．５μｍ以下の厚さを有することがさらに好ましい。
【００７５】
第１のｐ型クラッド層９６ａは、ＬＥＤ素子の場合を含めて一般的には上記範囲内の厚さを有することが好ましいが、特にＬＤ素子の場合には、１００オングストローム以上（同様の理由から、１．０μｍ以下）の厚さを有することがさらに好ましい。その厚さが１００オングストロームより薄いと、第１のｐ型クラッド層が光ガイド層として作用しにくくなるのである。この場合において、第１のｐ型クラッド層９６ａは、１００オングストローム以上０．５μｍ以下の厚さを有することが最も好ましい。
【００７６】
第１のｐ型クラッド層９６ａ上に設けられる第２のｐ型クラッド層９６ｂは、第１のｐ型クラッド層９６ａよりもバンドギャップが大きく、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体で形成される。このようなｐ型窒化物半導体により第２のｐ型クラッド層９６ｂを形成することにより、当該第２のクラッド層が光閉じ込め層として効果的に作用し、有効なＬＤ素子等を提供できることがわかった。
【００７７】
第２のｐ型クラッド層９６ｂも、第１のｐ型クラッド層９６ａの場合と同様に、高キャリア濃度のｐ型のものが得られやすいことから、三元混晶のｐ型ＡｌeＧａ1-e Ｎ（ここで、０＜ｅ＜１）で形成することが最も好ましい。加えて、第２のｐ型クラッド層９６ｂは、これをｐ型ＡｌＧａＮで形成すると、第１のｐ型クラッド層とのバンドギャップの差および屈折率の差を大きすることができるので、光閉じ込め層としてより一層効果的に作用するようになる。なお、第２のｐ型クラッド層９６ｂは、第１のｐ型クラッド層９６ａよりもバンドギャップが大きいので、例えば、前者を構成するＡｌe Ｇａ1 − e Ｎにおけるｆの値は、後者を構成するＡｌd Ｇａ1 − d Ｎにおけるｅの値よりも大きい値をとる。この場合でも、できれば、これら式におけるｄ値およびｅ値は、０を超え０．６までであることが望ましく、０を超え０．４までであることがさらに望ましい。
【００７８】
第２のｐ型クラッド層９６ｂは、その厚さに特に制限はないが、５００オングストロームないし１μｍ程度の厚さを有することが好ましい。第２のｐ型クラッド層をこのような厚さに形成することにより、それ自体におけるクラックの発生がより少なく、従って結晶性がより良好で、しかも高キャリア濃度のｐ型ＡｌＧａＮ層が得られるのである。
【００７９】
なお、第１のｐ型クラッド層９６ａおよび第２のｐ型クラッド層９６ｂは、いずれも、１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3 という高キャリア濃度を有するものとして提供することができる。
【００８０】
また、第１のｐ型クラッド層９６ａと第２のｐ型クラッド９６ｂ層との間に、ｐ型ＩｎＧａＮまたはｐ型ＧａＮよりなる層を１０オングストロームから１μｍまでの厚さに形成してもよい。この層は、光ガイド層およびバッファ層として作用する。
【００８１】
活性層９５の第１の主面に接して設けられているｎ型クラッド層９４は、いずれものｎ型窒化物半導体で形成することができる。しかしながら、ｎ型クラッド層９４は、結晶性がより一層優れた層として形成され得ることからＩｎＧａＮで形成することが好ましい。特にＩｎＧａＮまたはＧａＮによりｎ型クラッド層９４を形成することにより、その上により一層良好な活性層９５を設けることができ、発光素子の出力が格段に向上する。
【００８２】
ｎ型クラッド層９４は、ＬＤ素子の場合には、１００オングストローム以上、１μｍ以下の膜厚で形成することが望ましい。
【００８３】
基板９１は、図１に示す発光素子１０における基板１１と同様のものであり、基板１１についての上記説明がこの基板９１についてもそのまま適用できる。
【００８４】
基板９２上に形成されているバッファ層９２も、図１に示す発光素子１０におけるバッファ層１２と同様のものであり、バッファ層１２についての上記説明がこのバッファ層１２についてもそのまま適用できる。特別の場合には、このバッファ層９２を省略することができることも同様である。
【００８５】
バッファ層９２上に設けられているｎ型コンタクト層９３も、図１に示す発光素子１０におけるｎ型コンタクト層１３と同様のものであり、ｎ型コンタクト層１３についての上記説明がこのｎ型コンタクト層９３についてもそのまま適用できる。
【００８６】
第２のｐ型クラッド層９６ｂ上に設けられているｐ型コンタクト層９７も、図１に示す発光素子におけるｐ型コンタクト層１７と同様のものであり、ｐ型コンタクト層１７についての上記説明がこのｐ型コンタクト層９７についてもそのまま適用できる。
【００８７】
ｎ型コンタクト層９３の露出表面に形成されている負電極９８も、図１に示す発光素子における負電極１８と同様のものであり、負電極１８についての上記説明がこの負電極９８についてもそのまま適用できる。
【００８８】
ｐ型コンタクト層９７に接続して設けられている正電極９９も、図１に示す発光素子における正電極１９と同様のものであり、正電極１９についての上記説明がこの正電極９９についてもそのまま適用できる。ただし、図９に示すＬＤ構造において、ｐ型コンタクト層９７上には、透孔１００ａを有し、二酸化ケイ素等の絶縁材料で形成された電流狭窄層１００が設けられており、正電極９９は、この電流狭窄層１００の透孔１００ａを通してｐ型コンタクト層９７と接している。
【００８９】
さて、図９に関し、主としてＬＤ素子について説明したが、ＬＥＤ素子の場合には、電流狭窄層１００を設ける必要はない。また、ＬＥＤ素子の場合には、第２のｐ型クラッド層９６ｂを省略することもできる。さらに、ＬＥＤ素子の場合には、ｎ型クラッド層９４の好ましい厚さは１０オングストローム以上、１．０μｍ以下、さらに好ましくは３０オングストロームないし１．０μｍとなり、あるいはこのｎ型クラッド層９４自体を省略することもできる。ｎ型クラッド層９４を省略した場合、ｎ型コンタクト層９３がクラッド層として作用し得る。ＬＥＤ素子の場合、図９に示す構造において、ｎ型クラッド層９４を省略し、かつ第２のｐ型クラッド層９６ｂを省略し、当然電流狭窄層１００をも省略し、ｎ型コンタクト層をｎ型ＧａＮで形成し、ｐ型コンタクト層９７をｐ型ＧａＮで形成した構造、すなわち、インジウムとガリウムを含む窒化物半導体を包含する量子井戸構造の活性層を有し、その第１の主面上にｎ型ＧａＮ層が形成され、活性層の第２の主面上にアルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体層が形成され、このｐ型窒化物半導体上にｐ型ＧａＮ層が形成された構造を有するものが最も好ましいＬＥＤ素子構造である。
【００９０】
図１０は、本発明の窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図であって、図９と同様、ＬＤ素子としての構造を示す。
【００９１】
図１０に示す窒化物半導体発光素子２００は、活性層９５、並びに活性層９５を両側で挟んでいるｎ型窒化物半導体層２９４およびｐ型窒化物半導体層２９６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、バッファ層９２およびｎ型コンタクト層９３を介して、基板９１上に設けられている。
【００９２】
ｎ型窒化物半導体層２９４は、活性層９５の第１の主面に直接接して形成された第１のｎ型クラッド層２９４ａおよびこの第１のｎ型クラッド層２９４ａ上に形成された第２のｎ型クラッド層９６ｂを含む。
【００９３】
第１のｎ型クラッド層２９４ａは、ｎ型ＧａＮまたはインジウムとガリウムを含むｎ型窒化物半導体で形成されている。第１のｎ型クラッド層２９４ａをＧａＮまたはインジウムとガリウムを含む窒化物半導体で形成すると、量子井戸構造故に不十分であり得る活性層９５中の光閉じ込めがより完全なものとなり、このように第１のｎ型クラッド層２９４ａは、活性層９５中に光を閉じ込めるための良好な光ガイド層として作用する（ＬＤ素子の場合）ばかりでなく、当該第１のｎ型クラッド層がいわばバッファ層として作用してその上に形成される活性層９５にクラックの発生を少なくさせ、発光素子の発光出力を増大させることができることが見い出された。
【００９４】
第１のｎ型クラッド層２９４ｂは、Ｉｎr Ｇａ1 − r Ｎ（ここで、０＜ｒ＜１）で形成することが最も好ましい。この場合において、ｒの値は、上記理由と同様の理由から、好ましくは０．５まで、より好ましくは０．３まで、さらに好ましくは０．２までの値をとる。また、そのキャリア濃度も、上記理由と同様の理由から、１×１０18／ｃｍ3 〜１×１０20／ｃｍ3 であることが好ましい。
【００９５】
第１のｎ型クラッド層２９４ａは、１０オングストローム以上の厚さを有することが好ましい。第１のｎ型クラッド層２９４ａは、１０オングストローム以上の厚さに形成することにより、活性層９５と以後述べる第２のｎ型クラッド層２９４ｂとの間のバッファ層としてより一層効果的に作用する。すなわち、第１のｎ型クラッド層２９４ａを構成するＩｎＧａＮまたはＧａＮは、その結晶が比較的柔らかいので、第２のｎ型クラッド層２９４ｂと活性層２３との間の格子定数不整合と熱膨張係数差によって生じる歪をより一層効果的に吸収することができ、バッファ層としてより一層有効に作用することとなる。その結果、活性層９５が十分に薄いものであっても、この第１のｎ型クラッド層２９４ａの存在により、活性層９５、第２のｎ型クラッド層２９４ｂ、ひいてはｐ型クラッド層２９６にクラックが入りにくくなり、それらの結晶性が良好なものとなるので、発光素子の発光出力をより一層増大させる。
【００９６】
第１のｎ型クラッド層２９４ａは、ＬＥＤ素子の場合には、上記範囲内の厚さを有することが好ましいが、特にＬＤ素子の場合には、１００オングストローム以上厚さを有することが特に好ましい。その厚さが１００オングストローム未満であると、光ガイド層として作用しにくくなるのである。
【００９７】
また、第１のｎ型クラッド層２９４ａは、いずれの場合でも、１．０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。その厚さが１．０μｍよりも厚いと、その結晶の色が黒味を帯びるとともに、多数のピットが結晶中に生成する傾向にあり、そのため、高出力のＬＥＤ、ＬＤ素子を得ることが困難となり得る。
【００９８】
第１のｎ型クラッド層２９４ａに接して設けられている第２のｎ型クラッド層２９４ｂは、バンドギャップが第１のｎ型クラッド層２９４ａよりも大きければいずれの窒化物半導体で形成してもよく、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の二元混晶、三元混晶の窒化物半導体で形成することができる。このようなｎ型窒化物半導体により第２のｎ型クラッド層２９４ｂを形成することにより、当該第２のｎ型クラッド層２９４ｂが光閉じ込め層として効果的に作用し、有効なＬＤ素子等を提供できることがわかった。
【００９９】
第２のｎ型クラッド層２９４ｂは、ｎ型Ａｌf Ｇａ1 − f Ｎ（ここで、０＜ｆ＜１）で形成することが最も好ましい。ｎ型ＡｌＧａＮは、ＩｎＧａＮを包含する活性層９５に対し、バンドギャップ差および屈折率差を、他の窒化物半導体に比べて、大きくできるからである。この場合において、ｆの値は、上記理由と同様の理由から、０．６までの値をとることが好ましく、０．４までの値をとることがさらに好ましい。そのキャリア濃度も、上記理由と同様の理由から、５×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 であることが好ましい。また第２のｎ型クラッド層２９４ｂとｎ型コンタクト層９３との間に、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる層を設けることにより、ＡｌＧａＮよりなる第２のｎ型クラッド層を良好な結晶性をもってクラックの発生を少なくして成長させることができる。
【０１００】
第２のｎ型クラッド層２９４ｂは、その厚さに特に制限はないが、５００オングストローム以上、１．０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。第２のｎ型クラッド層２９４ｂをこの範囲内の厚さに形成することによって、クラックがない結晶性の優れた第２のｎ型クラッド層２９４ｂが得られるのである。
【０１０１】
活性層９５の第２の主面に接して設けられているｐ型半導体層（クラッド層）２９６は、いずれものｐ型窒化物半導体で形成することができる。しかしながら、ｐ型クラッド層２９６は、結晶性がより一層優れた層として形成され得ることから、ｐ型ＡｌＧａＮで形成することが好ましい。ｐ型ＡｌＧａＮは、他の窒化物半導体に比べて、成長時に分解しにくいという性質を有しており、例えば有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ法）によりこれを成長させる際、下側の活性層９５のＩｎＧａＮの分解を抑制し、その結果として結晶性に優れた活性層９５を提供し、もって発光素子の出力を向上させることとなる。この場合において、アルミニウムの比率やキャリア濃度については、図９に示す発光素子９０における第１のｐ型クラッド層９６ａおよび第２のｐ型クラッド層９６ｂについて好ましいとした値をとることが同様に好ましい。
【０１０２】
ｐ型クラッド層２９６は、ＬＤ素子の場合には、１００オングストローム以上、１μｍ以下の膜厚で形成することが望ましい。
【０１０３】
活性層９５、基板９１、基板９１上に形成されているバッファ層９２、バッファ層９２上に設けられているｎ型コンタクト層９３、さらにはｐ型コンタクト層９７、負電極９８、正電極９９および電流狭窄層１００は、図９に示す発光素子に関して説明した通りのものである。
【０１０４】
さて、図１０に関し、主としてＬＤ素子について説明したが、ＬＥＤ素子の場合には、電流狭窄層１００を設ける必要はない。また、ＬＥＤ素子の場合には、第２のｎ型クラッド層２９４ｂを省略することもできる。その場合、ｎ型コンタクト層９３が第２のｎ型クラッド層として作用する。
【０１０５】
図１１は、本発明の窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図であって、図９および図１０と同様、ＬＤ素子としての構造を示す。
【０１０６】
図１１に示す窒化物半導体発光素子３００は、活性層９５、並びに活性層９５を両側で挟んでいるｎ型窒化物半導体層２９４およびｐ型窒化物半導体層９６からなる半導体積層構造を有する。この半導体積層構造は、バッファ層９２およびｎ型コンタクト層９３を介して、基板９１上に設けられている。
【０１０７】
図１１に示す発光素子３００は、ｎ型窒化物半導体層については図１０に示す発光素子２００におけるｎ型窒化物半導体層２９４（第１のｎ型クラッド層２９４ａおよび第２のｎ型クラッド層２９４ｂからなる）を、ｐ型窒化物半導体層については図９に示す発光素子９０におけるｐ型窒化物半導体層９６（第１のｐ型クラッド層９６ａおよび第２のｐ型クラッド層９６ｂからなる）を適用したものであり、本発明の最も好ましい実施の形態の一つである。各半導体層その他の構成については、特にＬＥＤ素子の場合に省略し得る窒化物半導体層および特にＬＥＤ素子の場合の窒化物半導体層の厚さについての上記説明を含めて、図９および図１０に関して説明したことがそのまま適用でき、他言を要しない。従って、図１１に示す発光素子において、ｎ型コンタクト層９３をｎ型ＧａＮで、第２のｎ型クラッド層２９４ｂをｎ型ＡｌＧａＮで、第１のｎ型クラッド層２９４ａをｎ型ＩｎＧａＮまたはｎ型ＧａＮで、第１のｐ型クラッド層９６ａをｐ型ＡｌＧａＮで、第２のｐ型クラッド層９６ｂをｐ型ＡｌＧａＮで、ｐ型コンタクト層９７をｐ型ＧａＮでそれぞれ形成し、活性層９５をノンドープとすることが最も好ましい。なお、図１１に示すＬＤ素子構造の場合には、いうまでもなく、第１のｎ型クラッド層２９４ａが光ガイド層、第２のクラッド層２９４ｂが光閉じ込め層、第１のｐ型クラッド層９６ａが光ガイド層、第２のｐ型クラッド層９６ｂが光閉じ込め層として作用することも明らかである。また第１のｐ型クラッド層９６ａと第２のｐ型クラッド層９６ｂとの間に、ｐ型ＩｎＧａＮまたはｐ型ＧａＮよりなる層をバッファ層として形成してもよいし、ｎ型コンタクト層９３と第２のｎ型クラッド層２９４ｂとの間に、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる層をバッファ層として形成してもよい。
【０１０８】
図９に示す発光素子９０の構造から第２のｐ型クラッド層９６ｂを省略しても良い。この場合には、さらに、図９に示す発光素子の構造からｎ型コンタクト層９３を省略してもよい。また、ｐ型コンタクト層９７をも省略してもよい。
【０１０９】
さらにまた、図９に示す発光素子９０における第２のｐ型クラッド層９６ｂに相当する第２のｐ型クラッド層をｐ型ＧａＮまたはインジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体（好ましくは、ＩｎＧａＮ）で形成することができ、これについては、図１に示す発光素子１０におけるｎ型クラッド層１４についての説明が適用できる。さらにまた、図９に示す発光素子９０におけるｎ型クラッド層９４に相当するｎ型クラッド層（第１のｎ型半導体層）に接して、すなわち第１のｎ型クラッド層９４とｎ型コンタクト層９３との間に、ｎ型ＧａＮまたはアルミニウムとガリウムとを含む第２のｎ型窒化物半導体（好ましくは、ＡｌＧａＮ）を設けることも好ましい。この場合については、ｎ型ＧａＮ層を含めて、図２に示す発光素子２０における第２のｎ型クラッド層２１についての説明が適用できる。
【０１１０】
図１２は、本発明による窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図であって、ＬＤ素子として特に好ましい構造の一つを示している。図１２の窒化物半導体発光素子は、以下述べる第１のｐ型クラッド層を除くと、図６に関して説明した形態にほぼ相当するということができる。
【０１１１】
図１２に示す窒化物半導体発光素子４００は、活性層４０５を備え、その第１の主面上には、第１のｎ型クラッド層４１４、第２のｎ型クラッド層４２４およびｎ型コンタクト層４０３を含むｎ型半導体層が設けられている。加えて、活性層４０５の第２の主面には、第１のｐ型クラッド層４１６、第２のｐ型クラッド層４２６、第３のｐ型クラッド層４３６、および最外層としてのｐ型コンタクト層４０７を含むｐ型窒化物半導体層を有する。このような積層構造は、図１２に示す構造では、バッファ層４０２を介して、基板４０１上に設けられている。
【０１１２】
活性層４０５は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を包含するものであり、当該インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体の量子準位間発光を生じさせる構造、言い換えると量子井戸構造を構成する。このような構造については、図１に示す発光素子１０の活性層１５に関して説明したことがすべてそのまま適用される。ＬＤ素子の場合は、活性層４０５は多重量子井戸構造をとることが最も好ましい。
【０１１３】
活性層４０５の第１の主面に接して設けられている第１のｎ型クラッド層４１４は光ガイド層として作用するものであり、インジウムとガリウムを含むｎ型窒化物半導体またはｎ型ＧａＮで形成されている。より具体的には、この第１のｎ型クラッド層５４は、ｎ型Ｉｎy Ｇａ1 − y Ｎ（ここで、０≦ｙ＜１）で形成される。すなわち、この第１のｎ型クラッド層４１４は、図１に示す発光素子１０における第１のｎ型クラッド層１４に関して説明したｎ型ＩｎＧａＮで形成することもできるし、ｎ型ＧａＮで形成することもできる。図１に示す発光素子１０における第１のｎ型クラッド層１４に関して説明した理由と同様の理由から、ｙの値は、０≦ｙ≦０．５の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０＜ｙ≦０．３、最も好ましくは０＜ｙ≦０．２の範囲内にある。第１のｎ型クラッド層４１４のキャリア濃度も、同様の理由から、１×１０18／ｃｍ3 〜１×１０20／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。第１のｎ型クラッド層４１４も、その厚さに特に制限はないが、同様の理由から、活性層１５と第１のｎ型クラッド層４１４とは、合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましく、１μｍ以下の厚さを有し得る。
【０１１４】
第１のｎ型クラッド層上に設けられている第２のｎ型クラッド層４２４は、光閉じ込め層として作用するものであり、第１のｎ型クラッド層４１４よりもバンドギャップが大きく、かつアルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体またはｎ型ＧａＮで形成されている。このような第２のｎ型クラッド層４２４を設けることによって、第１のｎ型クラッド層４１４との間のバンドギャップ差を大きくすることができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【０１１５】
この第２のｎ型クラッド層４２４は、ｎ型Ａｌg Ｇａ1 − g Ｎ（ここで、０＜ｇ＜１）で形成する場合には、ｇの値は、０＜ｇ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、０．６より大きいと、第１のｎ型クラッド層４１４の存在にもかかわらず、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ｇ値は、０＜ｇ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。
【０１１６】
また、第２のｎ型クラッド層４２４のキャリア濃度は、５×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、特にＡｌＧａＮの抵抗率が高くなるので、発光素子のＶｆが高くなり、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いと特にＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。
【０１１７】
第２のｎ型クラッド層４２４は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【０１１８】
ｎ型半導体層の最外層（活性層から最も離れて位置する層）として形成されている（図１２では、第２のｎ型クラッド層４２４に接して形成されている）ｎ型コンタクト層４０３は、ｎ型ＧａＮで形成されている。図１の発光素子１０におけるｎ型コンタクト層１３をｎ型ＧａＮで形成することが好ましいとした理由と同様の理由から、ｎ型コンタクト層４０３は、ｎ型ＧａＮで形成される。その他の例えばキャリア濃度は、図１に示す発光素子１０におけるｎ型コンタクト層１３の場合に好ましいとして記載した濃度であることが同様に好ましい。
【０１１９】
活性層４０５の第２の主面に接して設けられている第１のｐ型クラッド層４１６は、キャップ層として作用するものであり、これまで説明してきた他の形態における第１のｐ型クラッド層と同様に活性層の分解を防止して発光素子の発光出力を向上させるものである。この第１のｐ型クラッド層４１６は、アルミニウムとガリウムを含むｐ型窒化物半導体で形成されている。このような第１のｐ型クラッド層４１６を設けることによって、より一層優れたＬＤ素子を提供できることがわかった。
【０１２０】
この第１のｐ型クラッド層４１６は、好ましくは、ｐ型Ａｌh Ｇａ1 − h Ｎ（ここで、０＜ｈ＜１）で形成される。この場合において、ｈの値は、０＜ｈ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ｈ値は、０＜ｈ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。
【０１２１】
また、第１のｐ型クラッド層４１６のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が１×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、活性層４０５への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いとＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。
【０１２２】
第１のｐ型クラッド層４１６は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【０１２３】
第１のｐ型クラッド層４１６上に設けられている第２のｐ型クラッド層４２６は、光ガイド層として作用し、インジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体またはｐ型ＧａＮで形成されている。より具体的には、第１のｐ型クラッド層４１６は、ｐ型Ｉｎz Ｇａ1 − z Ｎ（ここで、０≦ｚ＜１）で形成することが望ましい。図３の発光素子３０における第１のｐ型クラッド層３６に関して説明した理由と同様の理由から、ｚ値は、０≦ｚ≦０．５の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０≦ｚ≦０．３の範囲内、最も好ましくは０≦ｚ≦０．２の範囲内にある。この第１のｐ型クラッド層４１６も同様にＧａＮにより形成してもいわばバッファ層として同様に作用する。また、この第１のｐ型クラッド層４１６のキャリア濃度も、同様の理由から、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。さらに、第１のクラッド層４１６の厚さに特に制限はないが、同様の理由から、活性層４０５との合計で、３００オングストローム以上の厚さを有することが望ましく、１μｍ以下の厚さを有し得る。
【０１２４】
第２のｐ型クラッド層４２６上に設けられている第３のｐ型クラッド層４３６は、光閉じ込め層として作用し、第２のｐ型クラッド層４２６よりもバンドギャップが大きく、かつアルミニウムとガリウムを含むｐ型の窒化物半導体で形成されている。このような第３のｐ型クラッド層４３６を設けることによって、第２のｐ型クラッド層４２６との間のバンドギャップ差を大きくすることができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【０１２５】
この第３のｐ型クラッド層４３６は、好ましくは、ｐ型Ａｌi Ｇａ1 − i Ｎ（ここで、０＜ｉ＜１）で形成される。この場合において、ｉの値は、０＜ｉ≦０．６の範囲内にあることが好ましい。ＡｌＧａＮはその結晶が比較的硬く、０．６より大きいと、第２のｐ型クラッド層４２６の存在にもかかわらず、その層にクラックが比較的発生しやすくなり、発光出力を低下させる傾向にあるからである。ｂ値は、０＜ｂ≦０．４の範囲内にあることが最も好ましい。
【０１２６】
また、第３のｐ型クラッド層４３６のキャリア濃度は、１×１０17／ｃｍ3 〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲内にあることが望ましい。そのキャリア濃度が１×１０17／ｃｍ3 よりも低いと、活性層４０５への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下する傾向にあり、一方、そのキャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3 よりも高いとＡｌＧａＮの結晶性が悪くなり発光効率が低下するからである。第３のｐ型クラッド層４３６は、通常、５０オングストローム〜０．５μｍの厚さをもって形成することができる。
【０１２７】
ｐ型半導体層の最外層（活性層４０５から最も離れて位置する層）として形成されている（図１２では、第３のｐ型クラッド層４３６に接して設けられている）ｐ型コンタクト層４０７は、ｐ型ＧａＮで形成されている。図１の発光素子１０におけるｐ型コンタクト層１７をｐ型ＧａＮで形成することが好ましいとした理由と同様の理由から、ｐ型コンタクト層４０７は、ｐ型ＧａＮで形成される。その他の例えばキャリア濃度は、図１に示す発光素子１０におけるｐ型コンタクト層１７の場合に好ましいとして記載した濃度であることが同様に好ましい。
【０１２８】
基板４０１、バッファ層４０２、負電極４０８および正電極４０９は、それぞれ、図１に示す発光素子１０における基板１１、バッファ層１２、負電極１８および正電極１９について説明した通りのものである。また、透孔４４０ａを有する電流狭窄層４４０についても、図９に示す発光素子９０における電流狭窄層１００について説明した通りのものである。
【０１２９】
図１３は、量子井戸構造の活性層の井戸層の厚さを変えて本発明の種々の窒化物半導体発光素子を作製し、その発光出力（相対値）と井戸層の厚さとの関係を調べた結果をグラフで示したものである。図１３からわかるように、本発明の窒化物半導体発光素子における量子井戸構造の活性層の井戸層の厚さを７０オングストローム以下にすると、発光素子の発光出力が顕著に向上することがわかる。井戸層の厚さが５０オングストローム以下となると、発光素子の発光出力は、さらに向上することもわかる。このような傾向は、本発明のすべての窒化物半導体発光素子について、単一量子井戸構造の活性層においても、多重量子井戸構造の活性層においても、確認されたばかりでなく、広く、活性層を挟持する２つのクラッド層の一方がｐ型窒化物半導体で形成され、他方がｎ型窒化物半導体で形成された場合にも確認された。
【０１３０】
そこで、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を包含する少なくとも１層の井戸層を有する量子井戸構造の活性層を備え、井戸層は、７０オングストローム以下の厚さを有することが好ましい。
【０１３１】
図１４は、多重量子井戸構造の活性層の井戸層の厚さを一定にし、障壁層の厚さを変えて本発明の種々の窒化物半導体発光素子を作製し、その発光出力（相対値）と障壁層の厚さとの関係を調べた結果をグラフとして示したものである。図１４からわかるように、本発明の窒化物半導体発光素子における量子井戸構造の活性層の障壁層の厚さを１５０オングストローム以下にすると、発光素子の発光出力が顕著に向上することがわかる。障壁層の厚さが１００オングストローム以下となると、発光素子の発光出力は、さらに向上することもわかる。このような傾向は、本発明のすべての窒化物半導体発光素子について確認されたばかりでなく、広く、活性層を挟持する２つのクラッド層の一方がｐ型窒化物半導体で形成され、他方がｎ型窒化物半導体で形成された場合にも確認された。
【０１３２】
図１５は、図９に示す構造に類似する構造の発光素子について、第１のｐ型クラッド層９６ａの厚さを変えた場合におけるその厚さと発光出力（相対値）との関係を示すグラフである。図１５は、より具体的には、図９に示す構造において、サファイア基板９１上にＧａＮバッファ層９２を介してｎ型ＧａＮコンタクト層９３を４μｍの厚さに、ｎ型ＩｎＧａＮクラッド層９４を５００オングストロームの厚さに、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ活性層９５を２０オングストロームの厚さに形成し、その上に第１のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９６ａを厚さを変えて形成し、さらにその上に第２のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９６ｂを０．１μｍの厚さに形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層９７を１μｍの厚さに形成し、負電極９８を形成し、電流狭窄層１００を設けることなく正電極９９を形成したＬＥＤ素子についてのものである。
【０１３３】
図１５に示すように、第１のｐ型クラッド層９６ａの厚さが１μｍよりも厚くなると発光出力は急激に低下する傾向にある。そのような厚さになると、第１のｐ型クラッド層９６ａにクラックが入り、素子の結晶性が悪くなることによるものである。図１５から、ＬＥＤ素子の場合には、第１のｐ型クラッド層９６ａの膜さは１０オングストローム（０．００１μｍ）以上、１μｍ以下の厚さが好ましいことがわかる。このような傾向は、第１のｐ型クラッド層をＡｌＧａＮで形成する本発明の他の形態の窒化物半導体発光素子のすべてについて確認された。なお、ＬＤ素子の場合に第１のｐ型クラッド層の好ましい厚さが１００オングストローム以上であるのは、上記の通り、別の理由による。
【０１３４】
図１６は、図１０に示す構造に類似する構造の発光素子について、第１のｎ型クラッド層２９４ａの厚さを変えた場合におけるその厚さと発光出力（相対値）との関係を示すグラフである。図１６は、より具体的には、図１０に示す構造において、サファイア基板９１上にＧａＮバッファ層９２を介してｎ型ＧａＮコンタクト層９３を４μｍの厚さに、第２のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２９４ｂを０．１μｍの厚さに形成し、第１のｎ型ＩｎＧａＮクラッド層２９４ａを厚さを変えて形成し、さらにその上に、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ活性層９５を２０オングストロームの厚さに、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２９６を０．１μｍの厚さに形成し、負電極９８を形成し、電流狭窄層１００を設けることなく正電極９９を形成したＬＥＤ素子についてのものである。
【０１３５】
図１６からわかるように、第１のｎ型クラッド層２９４ａの厚さが１μｍよりも厚くなると発光出力は急激に低下する傾向にある。これは第１のｎ型クラッド層２９４ａ自体の結晶性が悪くなり、例えば結晶が黒くなったり、ピットが発生するためである。また第１のｎ型クラッド層２９４ａの厚さが３０オングストロームよりも薄くなっても、発光出力が低下する傾向にある。これはＩｎＧａＮよりなる第１のｎ型クラッド層２９４ａがバッファ層として効果的に作用する好ましい膜厚が３０オングストローム以上であることを示している。このような傾向は、第１のｎ型クラッド層をＩｎＧａＮまたはＧａＮで形成する本発明の他の形態の窒化物半導体発光素子のすべてについて確認された。なお、既に説明したように、第１のｎ型クラッド層２９４ａが１０オングストロームよりも薄くなると、バッファ層として作用せず、その上に形成される活性層９５およびクラッド層２９４ｂ、２９６に多数のクラックが発生するため、素子作製も難しくなり、発光出力は大幅に低下する。
【０１３６】
さて、本発明において、窒化物半導体は、いずれも、ドナー不純物をドープしないで成長させてもｎ型を示すが、最も好ましくは窒化物半導体の結晶成長中にＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓ等のドナー不純物をドープする。ドナー不純物濃度を調整することにより、ｎ型窒化物半導体層のキャリア濃度を調整できる。
【０１３７】
また、本発明において、ｐ型窒化物半導体層は、いずれも、窒化物半導体の結晶成長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のアクセプター不純物を窒化物半導体の結晶成長中にドープすることによって得られる。このようにアクセプター不純物をドープして成長させた窒化物半導体層を４００℃以上の温度でアニーリングを行うことによりより一層好ましいｐ型窒化物半導体層が得られる。アクセプター不純物の濃度を調整することにより、ｐ型窒化物半導体層のキャリア濃度を調整することができる。
【０１３８】
本発明の窒化物半導体発光素子は、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の気相成長法を用いて、基板上に各窒化物半導体層を形成することによって好ましく製造することができる。例えば、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物、有機アルミニウム化合物、アンモニア等の窒化物半導体源を用い、必要に応じて不純物源をも用いて有機ＭＯＶＰＥ法により基板上に各窒化物半導体層を形成し、正電極および負電極を形成して本発明の窒化物半導体発光素子を製造することができる。
【０１３９】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。例えば図９における電流狭窄層１００は、ＬＤ素子とした場合における第１〜第３の側面による本発明の半導体発光素子にも適用できる。また、１つのｎ型もしくはｐ型ＩｎＧａＮ層についてのインジウムの比率およびキャリア濃度に関する説明は、他のｎ型もしくはｐ型ＩｎＧａＮ層についても同様にあてはまり、１つのｎ型もしくはｐ型ＡｌＧａＮ層についてのアルミニウムの比率およびキャリア濃度に関する説明は、他のｎ型もしくはｐ型ＡｌＧａＮ層についても同様にあてはまることが明らかであろう。なお、以上の説明からも明らかなように、主面とは、窒化物半導体層（具体的には、活性層）において他の層が形成される面を意味する。
【０１４０】
【実施例】
以下本発明を実施例に基づいて説明する。以下の実施例では、全ての窒化物半導体層をＭＯＶＰＥ法により成長させている。
【０１４１】
実施例１
まず、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3 とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板のＣ面に５００℃でＧａＮよりなるバッファ層を５００オングストロームの厚さに成長させた。
【０１４２】
次に温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧとＮＨ3 からなる上記原料ガスにシランガスを加え、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに成長させた。このｎ型コンタクト層の電子キャリア濃度は、２×１０19／ｃｍ3 であった。
【０１４３】
続いて、上記原料ガスにさらにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加え、同じく１０５０℃でＳｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層よりなる第２のｎ型クラッド層を０．１μｍの厚さに成長させた。この第２のｎ型クラッド層の電子キャリア濃度は１×１０19／ｃｍ3 であった。
【０１４４】
次に、温度を８００℃に下げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3 およびシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。この第１のｎ型クラッド層の電子キャリア濃度は、５×１０18／ｃｍ3 であった。
【０１４５】
続いて、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよびＮＨ3 を用い、８００℃でノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを３０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１４６】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を０．１μｍの厚さに成長させた。この第２のｐ型クラッド層のホールキャリア濃度は１×１０18／ｃｍ3 であった。
【０１４７】
続いて、原料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、１０５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を０．５μｍの厚さに成長させた。このｐ型コンタクト層のホールキャリア濃度は５×１０19／ｃｍ3 であった。
【０１４８】
しかる後、温度を室温まで下げ、ウエーハを反応容器から取り出し、７００℃でウエーハのアニーリングを行って各ｐ型層をさらに低抵抗化させた。次に、最上層のｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型コンタクト層の表面が露出するまでエッチングした。ｎ型コンタクト層の露出表面にＴｉとＡｌよりなる負電極を形成し、ｐ型コンタクト層の表面にＮｉとＡｕよりなる正電極を形成した。
【０１４９】
電極形成後、ウエーハを３５０μｍ角のチップに分離した後、常法に従い半値角１５度の指向特性を持つＬＥＤ素子とした。このＬＥＤ素子はＩｆ（順方向電流）２０ｍＡにおいて、Ｖｆ（順方向電圧）３．５Ｖ、発光ピーク波長４１５ｎｍの青色発光を示し、発光出力は６ｍＷであった。また、その発光スペクトルの半値幅は２０ｎｍであり、非常に色純度の良い発光を示した。
【０１５０】
参考例２
実施例１と同様にしてサファイア基板の上にＳｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7Ｎ層よりなる第２のｎ型クラッド層まで成長させた後、第２のクラッド層の上に実施例１と同様の条件で、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを４０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１５１】
次に、活性層の上に、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、８００℃で、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。この第１のｐ型層のアニーリング後のホールキャリア濃度は２×１０17／ｃｍ3 であった。
【０１５２】
これ以降の第２のｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層の成長、その他は実施例１と同様にして所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４１０ｎｍ、発光スペクトルの半値幅２０ｎｍであり、発光出力は５ｍＷであった。
【０１５３】
実施例３
実施例１と同様にして、サファイア基板の上に、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層まで成長させた後、その第１のｎ型クラッド層の上に、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを４０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１５４】
続いて、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、８００℃で、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。この第１のｐ型クラッド層のアニール後のホールキャリア濃度は、２×１０17／ｃｍ3 であった。
【０１５５】
次に、実施例１と同様にして、第１のｐ型クラッド層上にＭｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を成長させ、そしてその上にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を成長させた。その後、実施例１と同様にして、所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡでＶｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４１０ｎｍ、発光スペクトルの半値幅２０ｎｍであり、発光出力は６ｍＷであった。
【０１５６】
実施例４
実施例１と同様にして、サファイア基板の上に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層よりなる第２のｎ型クラッド層まで成長させた後、その第２のｎ型クラッド層の上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第１のｎ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。この第１のｎ型クラッド層の電子キャリア濃度は２×１０19／ｃｍ3 であった。
【０１５７】
次に、実施例３と同様に第１のｎ型クラッド層５５の上に、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを４０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１５８】
次に、活性層の上に、実施例１と同様にして、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層とＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を順次成長させた。これ以降は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡでＶｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４１５ｎｍ、発光スペクトルの半値幅２０ｎｍであり、発光出力は５ｍＷであった。
【０１５９】
実施例５
活性層をＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎで形成した以外は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４５５ｎｍ、半値幅２０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は５ｍＷであった。
【０１６０】
実施例６
本実施例は、活性層の形成以外は実施例１と同様に行った。すなわち、本実施例では、活性層を形成するために、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよびＮＨ3を用い、８００℃で、ノンドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ薄膜（井戸層）を２０オングストロームの厚さに成長させた。続いて、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ薄膜（障壁層）を２０オングストローム厚さに成長させた。この操作を交互にそれぞれ３回ずつ繰り返し、最後にＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ薄膜（障壁層）を２０オングストロームの厚さに成長させ、総膜厚１４０オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した。こうして得られたＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４２０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は７ｍＷであった。
【０１６１】
実施例７
アクセプター不純物源としてＤＥＺ（ジエチルジンク）、ドナー不純物としてシランガスを用い、活性層としてＳｉとＺｎをドープした単一量子井戸構造のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層を５０オングストロームの厚さに形成した以外は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を作製した。このＬＥＤ素子はＩｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４５０ｎｍ、半値幅７０ｎｍの青色発光を示し、発光出力３ｍＷであった。
【０１６２】
実施例８
実施例１の手法に従い、ｎ型コンタクト層の上にＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層、およびＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を成長させた。すなわち、第２のｎ型クラッド層を形成しなかった以外は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光ピーク波長４１０ｎｍ、発光出力は５ｍＷであった。
【０１６３】
実施例９
実施例１と同様にして、サファイア基板の上に、ｎ型コンタクト層までの各半導体層を成長させた後、温度を８００℃に下げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 およびシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる薄膜を３８０オングストロームの厚さに成長させた。次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3 およびシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎよりなる薄膜を３９０オングストロームの厚さに成長させた。これらの操作を２０回繰り返し、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層とＳｉドープＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層を交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜（第１の多層反射膜）を形成した。
【０１６４】
次に、ｎ型多層膜上に、実施例３と同様にして、第２のｎ型クラッド層、第１のｎ型クラッド層、活性層、第１のｐ型クラッド層、および第２のｐ型クラッド層を順次成長させた。
【０１６５】
次に、温度を８００℃に設定して、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、第２のｐ型クラッド層上にＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層を３８０オングストロームの厚さに成長させた後、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇガスを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層を３９０オングストロームの厚さに成長させた。これらの操作を繰り返し、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層とＭｇドープｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層とを交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜（第２の多層反射膜）を形成した。
【０１６６】
ついで、ｐ型多層膜上に、実施例１と同様にして、ｐ型コンタクト層を成長させた。
【０１６７】
こうして得られたウエーハについて、実施例１と同様にして窒化物半導体層をエッチングした後、最上層であるｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型コンタクト層上に５０μｍの幅で負電極を、ｐ型コンタクト層上に１０μｍの幅で正電極をそれぞれ形成した。このようにｎ型コンタクト層上にｎ型多層膜を形成すると、負電極を形成する水平面がｎ型多層膜よりも下、すなわち基板側となる。
【０１６８】
次に、窒化物半導体層を形成していない方のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍにし、サファイア基板表面のＭ面（六方晶系において六角柱の側面に相当する面）をスクライブした。スクライブ後、ウエーハを７００μｍ角のチップに分割し、ストライプ型のＬＤ素子を作製した。このＬＤ素子は、ストライプ状の正電極と直交する窒化物半導体層面を光共振面としている。また、このＬＤ素子の表面は、各電極表面を除き表面をＳｉＯ2 よりなる絶縁膜（図示せず）で被覆されている。次に、このチップをヒートシンクに設置し、各電極をワイヤーボンドした後、常温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【０１６９】
実施例１０
まず、原料ガスとしてＴＭＧとＮＨ3 とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板のＣ面に、５００℃で、ＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの厚さに成長させた。
【０１７０】
次に、温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧとＮＨ3 との原料ガスにシランガスを加え、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに成長させた。
【０１７１】
ついで、温度を８００℃に下げ、上記原料ガスにさらにＴＭＩを加え、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層よりなる第１のｎ型クラッド層を５００オングストロームの厚さに成長させた。
【０１７２】
続いて、８００℃で、第１のｎ型クラッド層上にノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8Ｎを２０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１７３】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3 およびＣｐ2 Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を０．１μｍの厚さに成長させた。
【０１７４】
続いて、１０５０℃で、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を０．５μｍの厚さに成長させた。
【０１７５】
引き続き、１０５０℃でＭｇドープＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１．０μｍの厚さに成長させた。
【０１７６】
反応終了後、温度を室温まで下げ、ウエーハを反応容器から取り出し、７００℃でウエーハのアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化させた。次に、最上層のｐ型コンタクト層からｎ型コンタクト層の表面が露出するまでエッチングした。エッチング後、ｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ2 の層を被着し、これに透孔を設けて電流狭窄層とし、さらにその電流狭窄層上に、ｐ型コンタクト層と透孔を介して接続するＮｉとＡｕよりなる正電極を形成した。また、ｎ型コンタクト層の上記露出表面に、ＴｉとＡｌよりなる負電極を形成した。
【０１７７】
次に、窒化物半導体層を形成していない方のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍとし、サファイア基板のＭ面をスクライブして強制的に劈開し、レーザチップを得た。その劈開面に誘電体多層膜を設けた後、チップをヒートシンクに設置し、常温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４５０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【０１７８】
実施例１１
実施例１０と同様にして、サファイア基板上にＧａＮバッファ層を２００オングストロームの厚さに、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに順次形成した。
【０１７９】
次に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｎ型クラッド層を０．５μｍの厚さに形成した後、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層７１を５００オングストロームの厚さに形成した。
【０１８０】
次にノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを２０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成し、その上にＭｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を０．５μｍの厚さに、ついでＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１μｍの厚さに形成した。
【０１８１】
これ以降は実施例１０と同様にして、得られたＬＤ素子のレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４５０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【０１８２】
実施例１２
実施例１０と同様にして、サファイア基板上にＧａＮバッファ層を２００オングストロームの厚さに、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに順次形成した。
【０１８３】
次に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｎ型クラッド層を０．５μｍの厚さに形成した後、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第１のｎ型クラッド層を０．１μｍの厚さに形成した。
【０１８４】
ついで、ノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを２０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成し、その上にＭｇドープｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を０．１μｍの厚さに成長させ、さらにＭｇドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎよりなる第２のｐ型クラッド層を０．５μｍの厚さに成長させ、最後にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を０．５μｍの厚さに成長させた。
【０１８５】
これ以降は実施例１０と同様にして、得られたＬＤ素子のレーザ発振を試みたところ、実施例１０および１１のＬＤ素子のしきい値電流密度よりも低いしきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４５０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【０１８６】
実施例１３
この実施例は、第１のｎ型クラッド層および活性層の形成を除き、実施例１２と同様に行った。すなわち、第１のｎ型クラッド層として、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎの代わりに、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を０．１μｍの厚さに成長させた。また、活性層を形成するために、ノンドープＩｎ0.4 Ｇａ0.6 Ｎ井戸層を３０オングストロームの厚さに成長させ、その上にノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ障壁層を５０オングストロームの厚さに成長させるという操作を繰り返し、井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層という５層構成で総膜厚１９０オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を成長させた。
【０１８７】
得られたＬＤ素子について、実施例１０と同様にしてレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度０．９ｋＡ／ｃｍ2 で５００ｎｍのレーザ発振を示した。
【０１８８】
実施例１４
第１のｐ型クラッド層を形成した後、第２のｐ型クラッド層を形成することなくｐ型コンタクト層を形成した以外は実施例１０と同様にして、サファイア基板上にｐ型コンタクト層までの各半導体層を成長させた。得られたウエーハについて、実施例１０と同様に、アニーリングによるｐ型窒化物半導体層の低抵抗化、およびｐ型コンタクト層からｎ型コンタクト層までのエッチングを行った後、ｐ型コンタクト層上に、電流狭窄層を形成することなく、ＮｉとＡｕよりなる正電極を直接形成し、ｎ型コンタクト層の露出表面にＴｉとＡｌよりなる負電極を形成した。こうして、所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は６ｍＷであった。また、発光スペクトルの半値幅は２０ｎｍとシャープなバンド間発光を示した。
【０１８９】
実施例１５
実施例１０と同様にして、サファイア基板上にｐ型コンタクト層までの各半導体層を成長させた。得られたウエーハについて、実施例１０と同様に、アニーリングによるｐ型窒化物半導体層の低抵抗化、およびｐ型コンタクト層からｎ型コンタクト層までのエッチングを行った後、ｐ型コンタクト層上に、電流狭窄層を形成することなく、ＮｉとＡｕよりなる正電極を直接形成し、ｎ型コンタクト層の露出表面にＴｉとＡｌよりなる負電極を形成した。こうして、所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は６ｍＷと高出力であった。発光スペクトルの半値幅は２０ｎｍとシャープなバンド間発光を示した。
【０１９０】
参考例１６
実施例１０と同様にして、サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層を２００オングストロームの厚さに、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を４μｍの厚さに順次形成した。このｎ型コンタクト層は、本実施例のＬＥＤ素子において第１のｎ型クラッド層としても作用する。
【０１９１】
次に、ｎ型コンタクト層の上に、ノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを３０オングストロームの厚さに成長させて単一量子井戸構造の活性層を形成した。
【０１９２】
ついで、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｐ型クラッド層を０．０５μｍの厚さに成長させ、その上にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を０．５μｍの厚さに直接成長させた。
【０１９３】
しかる後、実施例１４と同様にして、アニーリングによるｐ型窒化物半導体層の低抵抗化、およびｐ型コンタクト層からｎ型コンタクト層までのエッチングを行った後、ｐ型コンタクト層上にＮｉとＡｕよりなる正電極を直接形成し、ｎ型コンタクト層の露出表面にＴｉとＡｌよりなる負電極を形成した。こうして、所望のＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力も７ｍＷと高出力であった。発光スペクトルの半値幅は、２０ｎｍとシャープなバンド間発光を示した。
【０１９４】
参考例１７
活性層としてＩｎ0.4 Ｇａ0.6 Ｎを５０オングストロームの厚さに成長させた以外は参考例１６と同様の操作によりＬＥＤ素子を得た。このＬＥＤ素子は、このＬＥＤ素子は、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．５Ｖ、発光波長５２０ｎｍの緑色発光を示し、発光出力は４ｍＷであり、発光スペクトルの半値幅は、４０ｎｍであった。
【０１９５】
実施例１８
活性層および第１のｐ型クラッド層の形成以外は実施例３と同じ操作を行ってＬＤ素子を得た。すなわち、本実施例では、活性層を形成するために、第１のｎ型クラッド層上に井戸層としてノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに成長させ、その上に障壁層としてノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを５０オングストロームの厚さに成長させるという操作を１３回繰り返し、最後に井戸層としてノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに成長させ、総厚１０００オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した。また、第１のｐ型クラッド層として、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎを５００オングストロームの厚さに成長させた。こうして得られたウエーハについて実施例９と同様の処理を行って所望のＬＤ素子を得た。このＬＤ素子は、しきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ2 で４１５ｎｍのレーザ発振を示した。
【０１９６】
実施例１９
活性層の形成以外は実施例３と同じ操作を行ってＬＤ素子を得た。すなわち、本実施例では、活性層を形成するために、第１のｎ型クラッド層上に井戸層としてノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに成長させ、その上に障壁層としてノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを５０オングストロームの厚さに成長させるという操作を２６回繰り返し、最後に井戸層としてノンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを２５オングストロームの厚さに成長させ、総厚１９７５オングストロームの多重量子井戸構造の活性層を形成した。こうして得られたウエーハについて実施例９と同様の処理を行って所望のＬＤ素子を得た。このＬＤ素子は、室温、しきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ2 で４１５ｎｍのレーザ発振を示した。
【０１９７】
参考例２０
参考例１６で得た青色ＬＥＤ素子と、参考例１７で得た緑色ＬＥＤ素子と、従来のＧａＡｓ系材料またはＡｌＩｎＧａＰ系の材料よりなる発光出力３ｍＷ、６６０ｎｍの赤色ＬＥＤとのそれぞれ一個づつを１ドットとする２５６×２５６画素のフルカラーＬＥＤディスプレイを作製したところ、その白色の面輝度は１万ｃｄであり、しかも色再現領域はテレビよりも広かった。
【０１９８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、発光出力が高く、発光スペクトルの半値幅が狭い窒化物半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図２】 本発明の第１の側面に係る窒化物半導体発光素子の他の形態の構造を示す概略断面図。
【図３】 本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図４】 本発明の第２の側面に係る窒化物半導体発光素子の他の形態の構造を示す概略断面図。
【図５】 本発明の第３の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図６】 本発明の第３の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図７】 本発明の窒化物半導体レーザ素子の構造の一例を示す斜視図。
【図８】 本発明の窒化物半導体レーザ素子の他の構造を示す概略断面図。
【図９】 本発明の第４の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図１０】 本発明の第５の側面に係る窒化物半導体発効素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図１１】 本発明の第６の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図１２】 本発明の第８の側面に係る窒化物半導体発光素子の一形態の構造を示す概略断面図。
【図１３】 本発明の窒化物半導体発光素子における活性層の井戸層の厚さと発光素子の発光出力との関係を示すグラフ図。
【図１４】 本発明の窒化物半導体発光素子における活性層の障壁層の厚さと発光素子の発光出力との関係を示すグラフ図。
【図１５】 本発明の窒化物半導体発光素子におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の厚さと発光素子の発光出力との関係を示すグラフ図。
【図１６】 本発明の窒化物半導体発光素子におけるｎ型ＩｎＧａＮクラッド層の厚さと発光素子の発光出力との関係を示すグラフ図。
【符合の説明】
１１，９１，４０１…基板
１３，９３，４０３…ｎ型コンタクト層
１４，２１，３４，５４，５０１，９４，２９４，２９４ａ，２９４ｂ，４１４，４１２…ｎ型クラッド層
１５，９５，４０５…活性層
１６，３６，４１，５６，５０２，９６，９６ａ，９６ｂ，２９６，４１６，４２６，４３６…ｐ型クラッド層
１７，９７，４０７…ｐ型コンタクト層
１８，９８，４０８…負電極
１９，９９，４０９…正電極
Claims (3)
- インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなり第１および第２の主面を有する量子井戸構造の活性層を、それよりバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層で挟み、格子定数不整を有するダブルへテロ構造の発光素子であって、
前記活性層の第２の主面側に設けられたｐ型クラッド層と、
前記活性層の第１の主面側に設けられたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層と、
前記活性層と前記ｎ型コンタクト層の間に、前記活性層の第１の主面に接して設けられ、前記活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きなＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）から成る第１のｎ型クラッド層と、を具え、
前記第１のｎ型クラッド層は、該ｎ型クラッド層に接して設けられる窒化物半導体層との界面に格子定数不整を有し、
前記活性層と前記ｎ型クラッド層との合計膜厚を、前記格子定数不整による応力を緩和するように３００オングストローム以上、１μｍ以下としたことを特徴とする発光素子。 - 前記ｎ型コンタクト層が、前記第１のｎ型クラッド層に接して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１のｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層の間に、第１のｎ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体よりなる第２のｎ型クラッド層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
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