JP4075324B2

JP4075324B2 - Nitride semiconductor device

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Publication number: JP4075324B2
Application number: JP2001140760A
Authority: JP
Inventors: 慎一長濱
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: JP2002335052A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
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）等の発光素子、スーパーフォトルミネセンスダイオード、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３７５ｎｍ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、幅広く可視光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】
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ＩｎＧａＮ、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、ＧａＮ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、Ａｌ組成比の大きな窒化物半導体を用いる必要があり、結晶性悪化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】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、などを用いたＡｌＧａＮ系の窒化物半導体素子においては、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることによる結晶性の悪化が大きく、それを抑制しなければ、素子特性の低下が著しいものとなる。このため、このような結晶性の悪化を抑えることが、素子特性向上において必須の課題となる。
【０００９】
特に、発光波長が３７５ｎｍ以下のレーザ素子、発光素子において、両クラッド層に挟まれた導波路内に光を閉じ込めるには、波長換算で、活性層の発光波長より約１０ｎｍ以上短い波長のバンドギャップエネルギーを有するクラッド層を設ける必要がある。そのため、ＧａＮの吸収端以下、及びその近傍の波長域となり、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることとなるが、それによる結晶性の悪化を抑えて、素子特性に優れた発光素子、レーザ素子を得ることが必要となる。
【００１０】
【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、本発明では、窒化物半導体素子、特に、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、などを用いたＡｌＧａＮ系の窒化物半導体素子において、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることによる結晶性の悪化を抑制して、素子特性に優れた窒化物半導体素子を得るものであり、また発光波長３７５ｎｍ以下の発光素子において優れた特性の窒化物半導体を得るものである。
【００１１】
すなわち本発明の窒化物半導体素子は、下記（１）〜（６）の構成により本発明の目的を達成することができる。
【００１２】
（１）ｎ型の下部クラッド層と、ｐ型の上部クラッド層との間に挟まれて、活性層を含む導波路を有する窒化物半導体素子において、前記下部クラッド層に、第１の層としてＡｌ _ｘＩｎ _ｙＧａ _{１−ｘ−ｙ} Ｎ（０＜ｘ＜１、０．０１≦ｙ≦０．３、ｘ＋ｙ＜１）が設けられ、前記上部クラッド層に、第２の層としてＡｌ _ｕＧａ _１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）が設けられていることを特徴とする。
（２）前記（１）であって、前記下部クラッド層と活性層との間、及び前記上部クラッド層と活性層との間に、それぞれ下部光ガイド層、上部光ガイド層を有することを特徴とする。
（３）前記（１）または（２）であって、前記活性層の発光波長λが、λ≦３７５ｎｍであることを特徴とする。
（４）前記（３）であって、前記下部光ガイド層、上部光ガイド層が、Ａｌ _α Ｇａ _１−α Ｎ（０＜α≦１）からなることを特徴とする。
（５）前記（３）または（４）であって、前記活性層が、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を有することを特徴とする。
（６）前記（３）〜（５）のいずれかであって、前記活性層が量子井戸構造を有すると共に、井戸層が、Ａｌ _ｘＩｎ _ｙＧａ _{１−ｘ−ｙ} Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）であり、障壁層がＡｌ _ｕＩｎ _ｖＧａ _{１−ｕ−ｖ} Ｎ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）であることを特徴とする。
【００１３】
【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ＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（Ｉｎ_αＡｌ_βＧａ_{１−α−β}Ｎ、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、Ａｓ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。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明の窒化物半導体素子構造としては、図２に示すように、上部クラッド層１４と下部クラッド層１３とで、活性層２８を挟み込む構造を有する。また、第１導電型層１１と、第２導電型層１２とで活性層２８を挟み込む構造であり、第１導電型の下部クラッド層１３と、第２導電型の上部クラッド層１４との間に活性層２８が設けられた構造を有する。具体的には、基板の上に、第１導電型層１１、活性層２８、第２導電型層１２が積層された構造であり、特に、下部クラッド層１３、活性層２８、上部クラッド層１４が積層された構造を有する。また、第１導電型、第２導電型のクラッド層は、その一部、若しくは全部が、例えばアンドープ、若しくはノンドープの窒化物半導体で構成されていても良く、また各導電型層内に配置されたクラッド層の一部にそれと異なる導電型の不純物がドープされていても良く、すなわち、下部クラッド層、上部クラッド層は少なくとも、活性層両側に配置された第１導電型層側、第２導電型層側に設けられるものである。好ましくは、下部クラッド層、上部クラッド層内の少なくとも一部に、第１導電型、第２導電型の窒化物半導体が設けられると、各導電型層内でキャリアが効率よく活性層内に注入され好ましい。
【００１６】
また、レーザ素子、端面発光素子において、この上部、下部クラッド層１２，１３とで挟み込まれ、このクラッド層で光閉込め層とし、活性層を含む領域が、導波路（導波層）となる。この時、図２に示すように、各クラッド層と活性層との間に、下部光ガイド層２７、上部光ガイド層３０を設けて、すなわち、導波路内に光ガイド層を設けて分離閉込め構造としても良い。以下、本発明の上部クラッド層、下部クラッド層について、詳しく説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態としては、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４の少なくとも一方に、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体を有することである。具体的には、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を有する第１の層が、両クラッド層の一方、若しくは両方に設けられるものである。従来、窒化物半導体素子のクラッド層には、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体が用いられ、特にＡｌＧａＮ／ＧａＮの多層膜が用いられてきた。これは、ＡｌＧａＮを用いると、結晶性の悪化、特にクラックの発生が問題となり、またＡｌ組成比が大きくなるほどこのような傾向が大きくなるため、ＧａＮなどのＡｌＧａＮよりも弾性に富む窒化物半導体を用いることで結晶性を緩和させる緩衝層として機能させることで解決してきた。例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子多層膜構造として、結晶性の悪化を抑えたクラッド層を形成してきた。しかし、発光波長が３７５ｎｍ以下の短波長域において、ＧａＮの吸収端が３６５ｎｍであり、その波長近傍約１０ｎｍである３７５ｎｍ以下の領域で、ＧａＮによる光の吸収が発生するため、素子構造内にＧａＮを用いると素子特性の悪化につながる。
【００１８】
本発明では、上記ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を、クラッド層内に設けることで、上述したようにＡｌを含む窒化物半導体を用いることによる結晶性の悪化を抑えることができ、クラックの発生を防止することができる。これは、上述したように、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ａｌを含む窒化物半導体に比べて、例えばＡｌＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとを比較した場合に、柔らかく弾性に富む材料であり、Ａｌを含む窒化物半導体によるクラックの発生を抑制する緩衝層として、機能する。また、本発明では、Ｉｎに加えてＡｌを含む窒化物半導体がクラッド層内に設けられることにより、光の吸収による損失を抑え、発光効率、光取出し効率、電流−光出力特性におけるスロープ効率などの特性向上を図ることが可能となる。これは、光導波路やクラッド層の材料、光閉込め係数により異なるが、光導波路を有する素子において、通常クラッド層内への光の分布があり、クラッド層内へ光がしみ出した状態で導波するため、クラッド層における光の損失も発光素子、レーザ素子などの特性に大きく影響することにある。また、導波路とクラッド層界面において、光は反射されて導波するが、この時グース・ヘンフェンシフトが発生し、エバネッセント波がクラッド層内に存在して、クラッド層内に光がしみ出すことも影響している。
【００１９】
このように、従来、ＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体では、光の吸収による損失が多く発生する傾向にあるが、本発明のクラッド層においては、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体が設けられているため、ＩｎとＡｌとを同時に含むことで、エネルギーバンドギャップを大きくして光の吸収・損失を抑えることが可能となる。また、一方では、クラッド層において、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体の組成比を適宜調節することで、光の閉込めに寄与する屈折率、クラッド層と導波路との間に所望の屈折率差を設けることが可能である。以上、導波路を有する素子について述べたが、ＬＥＤのような発光素子、導波路を有していない素子においても、素子構造内における光の損失低減は、光取出し効率向上など特性向上に寄与するものとなる。
【００２０】
上記ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体は、その組成は特に限定されないが、具体的には、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）で表される窒化物半導体を好ましく用いることができる。この時、Ｉｎ組成比ｙとしては、特に限定されないが、具体的には、０＜ｙ≦０．５の範囲とすることで、Ｉｎを含むことによる結晶性の悪化を抑え、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．３、更に好ましくは０．０３≦ｙ≦０．３の範囲とすることである。これは、ｙ≧０．０１の範囲であることで、上述したＩｎを含む窒化物半導体による結晶性改善効果、クラック防止効果が得られ、上記ｙ≧０．０３であることでさらにそれら効果を良好なものとでき、またｙ≦０．３であることにより、Ｉｎを含む窒化物半導体を設けることによる結晶性の悪化を抑えて好適に第１の層をクラッド層内に設けることが可能となる。ここで、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体は、Ｉｎ組成比を大きくすると、Ｉｎの偏析傾向が大きくなり、良好な結晶性で成長させることが困難となる傾向に有るものであり、またＩｎとＡｌとの反応により窒化物半導体の成長が阻害される傾向にある。そのため、ｙ≦０．５とすることでそのような結晶性悪化を抑えて、Ｉｎの偏析、Ｉｎの析出を防ぎ、さらにまたｙ≦０．３とすることで良好な結晶性で成長させることが可能となる。
【００２１】
本発明の第１の層の膜厚としては、特に限定されないが、１０Å以上とすることで、上記結晶性改善効果が得られる傾向にあり、０．５μｍ以下とすることで、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体を設けることによる結晶性の悪化を抑えることができる。好ましくは、５０Å以上とすることで、上記結晶性改善効果を好適に得られ、０．２μｍ以下とすることで良好な結晶性で形成することができる。
【００２２】
また、本発明の第１の層は、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体からなる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。すなわち、第１の層が、上記ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体の単一膜で構成されていても良く、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体と、それとは組成の異なるＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体とを少なくとも有する多層膜で構成しても良い。
【００２３】
第１の層を単一膜で形成すると、第１の層を単一膜で形成すると、その成長において多層膜とする場合よりも成長時間を短縮できる。また、多層膜で第１の層を形成すると、組成が異なり、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体で構成されるため、各層において異なるバンドギャップエネルギー、屈折率、ドープ量とすることができ、素子設計の自由度が向上し、用途に適した素子特性を得ることができる。具体的には、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙＧａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、ｘ１＋ｙ１＜１）からなるＡ層と、Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１、ｘ２＋ｙ２＜１）からなるＢ層とを少なくとも有する多層膜構造で、この時ｘ１≠ｘ２、ｙ１≠ｙ２、の内、少なくとも一方の式を満たす構成となる。多層膜で形成される場合には、第１の層におけるＩｎの平均組成を上記範囲とすること、好ましくは各層が上記Ｉｎ組成比の範囲とすることである。また、各層が超格子構造でない場合には、上記Ｉｎ組成比の範囲内の窒化物半導体からなるＡ層、Ｂ層などの各層を用いることが好ましい。
【００２４】
また超格子多層膜で第１の層を設けることもでき、その場合には上記多層膜と異なり、様々な組成及び層構成で第１の層を形成できる。例えばＩｎを含む窒化物半導体とＡｌを含む窒化物半導体とを交互に積層して、擬似的にＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体の層とすることが可能である。好ましくは、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体と、それとは組成の異なる窒化物半導体と、がそれぞれ１層以上、交互に積層された構造とすることで、上記ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体による光の損失抑制効果が得られ易い傾向にある。具体的な組成としては、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙＧａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、ｘ１＋ｙ１＜１）からなるＡ層と、Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１、ｘ２＋ｙ２＜１）からなるＢ層とを少なくとも有する超格子多層膜構造とする。この時ｘ１≠ｘ２、ｙ１≠ｙ２、の内、少なくとも一方の式を満たす構成とし、更に好ましくはｘ１＞ｘ２、ｙ１＞ｙ２、の内、少なくとも一方の式を満たす構成となる。この時、超格子構造として具体的には、前記多層膜におけるＡ層と、Ｂ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Ａ層とＢ層とを１対として周期的に複数対積層した構造とする。このように、超格子多層膜構造で第１の層を形成することで、結晶性良く形成でき、上記単一膜で第１の層を形成する場合に比べて、第１の層の厚膜化を図ることができるため、例えば、厚膜の第１の層でもって光閉込めとして良好に機能させることができる。また、ｘ１＞ｘ２、ｙ１＞ｙ２を満たすことで、Ａ層をクラック防止として機能させ、Ｂ層を、Ｉｎ組成比及び／又はＡｌ組成比が小さいことから、Ａ層の結晶性、及び第１の層の結晶性を良好に保つ効果が得られる。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、１００Å以下とすることであり、好ましくは７５Å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５０Å以下とすることで、より良好な結晶性となり、Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性悪化、クラック発生を抑制する効果が得られやすい傾向にある。また、第１の層を、上記Ａ層、Ｂ層からなる超格子多層膜構造とする場合において、Ｉｎ組成比は、Ａ層の膜厚ｄ_１とし、Ｂ層の膜厚をｄ_２とした時に、平均組成ｕ_ｍ＝（ｄ_１×ｕ１＋ｄ_２×ｕ２）／（ｄ_１＋ｄ_２）で得られ、この平均組成ｕ_ｍを、上述したＩｎ組成比の範囲とすることが好ましい。また、超格子多層膜が、Ａ層、Ｂ層以外の層、例えばＡ層及びＢ層と組成の異なるＣ層、を有する場合にも、同様に膜厚で加重平均とできる。
【００２５】
また、第１の層において、各導電型の不純物をドープしても良く、アンドープで形成しても、ノンドープで設けられていても良い。例えば、実施例に示すように、第１導電型層をｎ型層、第２導電型層をｐ型層とした素子構造において、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４の一部、若しくは全部に、それぞれｎ型不純物、ｐ型不純物がドープされていても良く、部分的にアンドープで形成されていても良い。アンドープで成長させると、ドープする場合に比較して結晶性が良好になるため好ましい。またドープ量を膜厚方向に傾斜させた構成でも良い。更に、上記超格子多層膜構造においては、Ａ層にドープして、Ｂ層をアンドープとした変調ドープとすることも可能であり、変調ドープとすることで全体にドープするよりも結晶性が良くなり、一方で全体をアンドープとするよりも、キャリアの移動度に優れ、クラッド層における抵抗を低くし、素子においてＶｆを低下させることができる。この時、Ａ層とＢ層とで不純物濃度が異なる構成で超格子多層膜としても良い。
【００２６】
以上説明したように、第１の層は、クラッド層の一部として、上部クラッド層、下部クラッド層の少なくとも一方に設けるものであり、活性層若しくは発光層、量子井戸構造においては井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすると、キャリア閉込め、光閉込めとして機能し、また発光波長よりも大きなバンドギャップエネルギーとなり、第１の層による光の損失を回避できる。また、後述する実施例などのように、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体を、キャリア閉込め層、活性層（障壁層）、ガイド層、コンタクト層、若しくは第１の層以外のクラッド層に用いられ、これらＡｌを含む窒化物半導体の層の上部、下部、若しくはそれらの間に、第２の層を設けることで、素子特性に深刻な影響を及ぼす結晶性悪化を緩和させることが可能となる。
【００２７】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態としては、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４の少なくとも一方に、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を有する第１の層と、第１の層よりもＩｎ混晶比の小さいＡｌを含む窒化物半導体を有する第２の層と、が設けられていることを特徴とする。この構成により、クラッド層内で、第１の層と第２の層とで、異なる機能を設けることができる。これは、Ｉｎ組成比の大きな第１の層でもって、上述した結晶性を改善させ、Ｉｎ組成比の小さい第２の層でもって、光閉込め、キャリア閉込めを担うものとできる。
【００２８】
特に、レーザ素子のように、下部クラッド層、上部クラッド層との間に、導波路を有する素子においては、クラッド層への光のしみ出して、クラッド層内で光の損失が発生するが、本実施形態では、Ｉｎ組成比の小さい第２の層を有することで、第１の層に比べて、Ｉｎによる光の損失を低減させることが可能となる。
【００２９】
ここで、第２の層に用いられるＡｌを含む窒化物半導体としては、第１の層に用いられるＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体のＩｎ組成比ｙよりも、Ｉｎ組成比の小さいものである。具体的には、第２の層に用いられるＡｌを含む窒化物半導体のＩｎ組成比ｖであると、第１の層中の窒化物半導体のＩｎ組成比ｙと比較して、ｙ＞ｖであり、またｖは、ｖ≧０である。具体的な組成としては、Ａｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）で表される窒化物半導体を第２の層に用いることであり、好ましくは、Ｉｎ組成比ｖ＝０のＡｌ_ｕＧａ_１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）を用いることである。第２の層にＡｌ_ｕＧａ_１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）を少なくとも有することにより、光の損失を抑えた良好な光の閉込め、キャリア閉込めが実現され、特に導波路を有するレーザ素子などにおいては、光の損失を低くした導波路が形成され、特に上記短波長域において優れた発光効率、電流−光出力特性の発光素子、レーザ素子が得られる。
【００３０】
この第２の層に用いられるＡｌを含む窒化物半導体の膜厚としては、特に限定されないが、１０Å以上とすることで、クラッド層としてキャリア閉込めが可能となり、上限としては２μｍ以下とすることで結晶性の悪化を抑えることができる。好ましくは、１００Å以上１μｍ以下の範囲とすることで、結晶性に優れ、クラッド層として、また光閉込めとして良好に機能する第２の層が得られる。また、第２の層は、Ａｌを含む窒化物半導体の単一膜で構成されていても良く、多層膜で構成されても良く、特に多層膜において超格子多層膜としても良い。
【００３１】
この時、上述したように、第１の層及び第２の層は、下部クラッド層、上部クラッド層の内、少なくとも一方に設けられるものである。具体的には、図２、３に示すように、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４共に、第１の層２５，３２、第２の層２６，３１を有するものであっても良く、図４に示すように、一方にのみ第１の層２５及び第２の層を設けても良く、図４では下部クラッド層１３に第１の層２５、第２の層２６を設け、上部クラッド層１４は第２の層だけで構成されている。
【００３２】
第１の層と第２の層とを有するクラッド層において、図３，４に示すように第１の層が第２の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しても良く、図５に示すように小さくしても良い。
【００３３】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態としては、第２の層が第１の層よりも、活性層の近くに設けられていることを特徴とする。具体的には、図２〜５に示すように、各クラッド層１３、１４において、第２の層が第１の層よりも活性層の近く、すなわち活性層側に設けられ、第１の層と活性層との間に第２の層が設けられる。従って、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４との間に活性層有する素子構造において、第２の層は活性層側、すなわち内側に配置され、第２の層は活性層の外側に配置された構造となる。この場合、例えばこれとは逆に、図６に示すように第１の層を活性層側に配置する場合に比べて、第１の層による光の損失を低く抑え、高出力、良好な発光効率の発光素子、レーザ素子が得られる。これは、第１の層と活性層との間に第２の層が設けられること、すなわち第１の層が活性層から離間して配置されることで、クラッド層に挟まれて導波路が設けられるレーザ素子などにおいて、第１の層に分布する光強度を小さくできることから、それによる光の損失も小さくでき、特性向上を図ることができる。この時、図３に示すように、第１の層を第２の層のバンドギャップエネルギーとほぼ同じか、大きくなるようにすることで、良好なキャリア閉込めが実現される。
【００３４】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態としては、第１の層の屈折率ｎ_１と、第２の層の屈折率ｎ_２と、ｎ_２≦ｎ_１であることを特徴とする。この構成では、図２（ｂ）に示すように、クラッド層１３，１４において、活性層に近い第２の層２６，３１の屈折率が大きく、活性層から遠い第１の層１５，３２の屈折率が小さくなり、クラッド層内において、活性層に近づくに従って屈折率が大きくなる構造とできる。これにより、活性層からの距離が遠くなるに従って屈折率が小さくなるクラッド層であるため、上部、下部クラッド層１４，１３で挟まれた導波路に、効率的に光が閉じ込められ、そのことにより良好な光の導波が実現され、また、クラッド層外部へ漏れる光を少なくする構造とできる。
【００３５】
第１の層は、上述したように、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体を有することから、Alの組成比を調節することで、第２の層とほぼ同じか、若しくはそれよりも屈折率の小さい層とできる。従来、ｎ型の下部クラッド層と基板との間に、ＩｎＧａＮ層が用いられてきたが、この層によりクラッド層から漏れだした光が基板側を導波するものとなり、レーザ素子の光学特性を悪化させてきた。本発明では、第１の層の屈折率を第２の層よりも小さくして、更に第２の層よりも活性層から遠くに第１の層を配置することで、基板側への光の漏れを抑えることができる。
【００３６】
以下、各実施形態における下部クラッド層１３、上部クラッド層１４について詳しく説明する。
【００３７】
本発明において、図２〜６に示すように、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４の少なくとも一方に、第２の層２５，３２を有するものである。下部クラッド層１３、上部クラッド層１４の組成は、図３〜６のバンド構造４１に示すように、活性層（井戸層）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、またレーザ素子、端面発光素子のように導波路として、下部光ガイド層２７，上部光ガイド層３０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。ここで、図３は、本発明の素子構造における積層構造４０、及びそれに対応するバンド構造４１を模式的に示すものであり、図４〜６は、バンド構造４１を示すものである。
【００３８】
クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒化物半導体を用いることも可能であるが、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体が用いられ、具体的にはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ、０＜ｂ、ａ＋ｂ≦１）で表される窒化物半導体が用いることで、良好なキャリア閉込め、光閉込めが実現される。好ましくは、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４に、少なくとも上記第２の層を有することであり、更に好ましくは、Ｉｎ組成比ｖ＝０のＡｌ_ｕＧａ_１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）を有する第２の層を用いることである。これは、上記第２の実施形態で説明したように、第２の層のＩｎ組成比を第１の層のＩｎ組成比より小さくすること、好ましくはＩｎを含まない第２の層とすることで、Ｉｎを含むことによる光損失を抑制できるためである。レーザ素子、端面発光素子等のように導波路を上部、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、Ａｌ_ｕＧａ_１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）が好ましく用いられ、光ガイド層のＡｌ組成（平均組成）比αとの間で、少なくともα≦ｕの関係を満たすようにし、好ましくはｕ−α≧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。また、上部クラッド層と下部クラッド層をほぼ同じ組成、層構成、屈折率、膜厚としても良く、それらが異なるものとすることもでき、更に各クラッド層中の第２の層についても同様である。
【００３９】
本発明のクラッド層は、上記第２の層を少なくとも有することが好ましく、この時、図５に示すように、第１の層２５，３２を介して第２の層２６，２６´，３１，３１´をクラッド層内に複数設けても良い。この時、複数の第２の層を設ける場合には、各第２の層がほぼ同等な組成、層構成、屈折率で形成されても良く、これらが異なるものであっても良い。また、第２の層は、上述したように単一膜で形成しても良く、多層膜で形成しても良く、また超格子多層膜構造としても良い。更に、後述する光ガイド層のように、組成傾斜させた構造の第２の層、若しくはクラッド層内で組成傾斜させた構造とすることもできる。
【００４０】
単一膜で第２の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、特に単一膜では、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。更にまた、上記短波長域において、クラッド層に用いられる第２の層のＡｌ組成比は大きくなるため、単一膜で形成すると、厚膜とすることが困難な傾向にあり、光閉込めにおいて十分な閉込めが困難となる。
【００４１】
第２の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。具体的には、多層膜として、Ａ層と、それと異なる組成のＢ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ｕ１のＡ層と、Ａｌ組成比ｕ２（ｕ１≠ｕ２）のＢ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ｕ１＜ｕ２（０≦ｕ１、ｕ２≦１）とした構成とすると、Ａｌ組成比の大きなＡ層で屈折率を小さく、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Ａ層で、Ｂ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。例えば、Ａ層をＧａＮとして、Ｂ層をＡｌＧａＮとすることで、結晶性悪化を防ぎ、特に後述する超格子多層膜構造において、優れた結晶性で第２の層を形成することができる。また、Ａ層、Ｂ層を積層し、Ｂ層と組成の異なるＣ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、Ａ層、Ｂ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Ａ層、Ｂ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。
【００４２】
多層膜構造の第２の層において、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、第２の層、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、第２の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、結晶性良く第２の層、クラッド層を形成できる。この時、超格子構造として具体的には、前記多層膜におけるＡ層と、Ｂ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Ａ層とＢ層とを１対として複数対積層した構造とする。好ましくは、Ａ層／Ｂ層が、Ａｌ_ｕ１Ｇａ_１−ｕ１Ｎ（０≦ｕ１≦１）／Ａｌ_ｕ２Ｇａ_１−ｕ２Ｎ（０≦ｕ２≦１、ｕ１≠ｕ２）、上記短波長域においてはＡｌ_ｕ１Ｇａ_１−ｕ１Ｎ（０＜ｕ１≦１）／Ａｌ_ｕ２Ｇａ_１−ｕ２Ｎ（０＜ｕ２≦１、ｕ１≠ｕ２）を用いることで、導波路内に良好に光を閉込め、さらに光のしみだしを抑え、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を抑えて厚膜の第２の層、クラッド層を形成できる。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、１００Å以下とすることであり、好ましくは７５Å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５０Å以下とすることで、より良好な結晶性となり、また膜厚を大きくした第２の層、クラッド層とすることができる。
【００４３】
クラッド層、第１の層には、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、全体にドープしても、部分的にドープしても良く、またクラッド層内でドープ量を変化させる構成でも良い。また、多層膜の場合にも、例えば前記Ａ層、Ｂ層を有する多層膜で、両方にドープしても良く、又はＡ層とＢ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Ａ層／Ｂ層が、Ａｌ_ｕ１Ｇａ_１−ｕ１Ｎ（０≦ｕ１≦１）／Ａｌ_ｕ２Ｇａ_１−ｕ２Ｎ（０＜ｕ２≦ｕ１、ｕ１＜ｕ２）の超格子多層膜構造である場合に、Ａｌ組成比の小さいＢ層に不純物ドープして、Ａ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。
【００４４】
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、好ましくは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、導波路を有する素子構造において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。
【００４５】
上記第１の実施形態で説明したように、本発明では下部クラッド層１３、上部クラッド層１４の少なくとも一方に、例えば図４（ａ）に示すように、上記第１の層を有するものである。この第１の層は、各クラッド層において、１層だけ設けても良く、Ｉｎ若しくはＡｌを含まない窒化物半導体などを介在させて、複数設けても良い。また、第１の層が設けられたクラッド層は、第１の層だけで構成されていても良いが、上記第２の実施形態で説明したように、好ましくは第１の層及び第２の層を少なくとも有するクラッド層とする。この時、図４（ｂ）に示すように、第１の層３２と第２の層３１とがほぼ同等なバンドギャップエネルギーを有する構成としても良い。このように、第２の層３１とほぼ同等なバンドギャップエネルギーとすることで、素子構造において、従来用いられてきたクラッド層とほぼ同様に扱うことが可能となる。また、図５に示すように、第１の層が第２の層よりもバンドギャップエネルギーを小さくした構成でも良い。
【００４６】
また、クラッド層内における第１の層の配置としては、図５，６に示すように、第２の層２５，３２よりも活性層２８から遠くに配置した構造であっても良く、図３，４に示すように、第２の層２５，３２よりも活性層の近くに配置した構造であっても良い。これは、上述したように第１の層でもって、ＡｌＧａＮによる結晶性悪化、クラックの発生を抑制することが可能となるが、この時、ＡｌＧａＮ層の上部、若しくは下部のいずれに配置されてもこの効果を得ることができる。すなわち、ＡｌＧａＮ等のＡｌを含む窒化物半導体は、クラッド層若しくは第２の層、又は後述する光ガイド層に用いられ、第１の層がこれらの層近傍に配置させることで、光ガイド層２７，３０を有する場合には、光ガイド層と第２の層との間に第１の層が設けられた構造となり、光ガイド層と第２の層の両方に作用して結晶性を改善させることができる。特に上記短波長域である３７５ｎｍ以下の発光波長において、光ガイド層はＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられるため、上記結晶性改善により優れた素子特性が得られる。また、光ガイド層を設けない素子であっても、活性層中にＡｌを含む窒化物半導体が用いられると、活性層と第２の層との間にある第１の層でもって、上記結晶性改善効果が、近接する活性層及び第２の層の両方に作用し、素子特性が向上する。
【００４７】
加えて、第３の実施形態で説明したように、クラッド層内において、第１の層を活性層から遠くに配置して、第２の層を活性層の近く、すなわち、第１の層と活性層との間に第２の層を配置した構造とすることもできる。この構造では、上述したように、両クラッド層に挟まれた導波路を有する素子構造において、導波路及びそれを挟む各クラッド層内で、光強度分布が活性層を中心としてクラッド層内まで広く分布するため、第１の層を外側に配置することで、光の損失を低減させた構造とできる。また、第３の実施形態で説明したように、第２の層よりも屈折率の小さい第１の層が、第２の層よりも活性層から遠くに配置されることで、図２（ｂ）に示すように、クラッド層１３，１４内において、活性層２８、導波路に近づくに従って、屈折率が大きくなる構造とでき、導波路内への優れた光の閉込めが実現される素子構造となる。
【００４８】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態としては、上部クラッド層、下部クラッド層と活性層との間に、それぞれ上部光ガイド層、下部光ガイド層とを有する。具体的には、図２に示すように、第１導電型層１１内に下部光ガイド層２７、第２導電型層１３内に上部光ガイド層３０、が少なくとも設けられ、これら下部、上部光ガイド層２７，３０とで、活性層２８を挟み込む構造を有し、上部・下部の光ガイド層とその間の活性層とで導波路を形成する。また、これら光ガイド層の外側には、クラッド層が設けられ、すなわち、下部クラッド層１３と活性層２８との間に下部光ガイド層２７が設けられ、上部クラッド層１４と活性層２８との間に上部光ガイド層３０が設けられた構造となる。更に、後述するように、これら光ガイド層内若しくは光ガイド層と活性層との間に、キャリア閉込め層２９を設けることもできる。
【００４９】
本発明の第５の実施形態において、図２（ａ）に示すように、導波路として、活性層２９と、第１導電型層１１内の下部光ガイド層２７、第２導電型層内の上部光ガイド層３０とが、設けられた構造を有し、特に上述した発光波長が３７５ｎｍ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。
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、下部光ガイド層若しくは上部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。
【００５０】
本発明の下部光ガイド層２７、上部光ガイド層３０としては、Ａｌを含む窒化物半導体が用いられ、また、図３〜６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２８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２８と光ガイド層２７，３０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３〜５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、Ｉｎ_βＡｌ_αＧａ_{１−α−β}Ｎ（０≦α、０≦β、α＋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。好ましくは、上記短波長域において、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。また、４３０ｎｍ以上の長波長域では、ＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体を用いることができ、それらの間の波長域では、４３０ｎｍ以下では、ＧａＮ若しくは、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）等の窒化物半導体を用いることができ、組成の異なるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の多層膜、超格子構造とすることができる。さらに、好ましくはＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０≦α≦１）を用いることで、紫外域から赤色域までの波長域において、特に４３０ｎｍ以下においても好ましく適用できる導波路となり、上記第１の層と組み合わせて用いることで良好な結晶性で素子構造を形成できる。特に上記波長３７５ｎｍ以下の短波長域の光を導波させるには、好ましくはＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦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αは、活性層の発光の光子エネルギーＥ_ｐ、光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ_ｇに比べて、０．０５ｅＶ以上大きくなるように（Ｅ_ｇ−Ｅ_ｐ≧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る。Ａｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦１）からなる光ガイド層を用いて、更に上記第２の層をクラッド層に設けることで、Ａｌを含む窒化物半導体を用いたガイド層による結晶性の悪化を抑えた素子構造とできる。
【００５１】
また下部光ガイド層２７、上部光ガイド層３０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に示すように、活性層２８を挟む下部光ガイド層２７、上部光ガイド層３０の積層構造４０が設けられ、そのバンド構造４１は、活性層、若しくは井戸層のような発光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Ａｌ_αＧａ_１−αＮ（０≦α≦１）を用いることであり、上記短波長域においてはＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦１）を用いる。この時、発光波長に応じて、適宜ガイド層のＡｌ組成比を適宜変更する。
【００５２】
下部光ガイド層、上部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１μｍ以下の範囲であり、更に好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ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。また、下部光ガイド層２７と上部光ガイド層３０とは、ほぼ同じ膜厚で形成されていても良く、異なる膜厚で形成されていても良い。また、両ガイド層において、層構成、組成、ドープ量などを異なるものとしても良く、ほぼ同じとしても良い。例えば、下部光ガイド層を単一膜とし、上部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、各光ガイド層で組成が異なるものとする形態などがある。
【００５３】
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、特に短波長域で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Ａｌ_αＧａ_１−αＮ（０≦α≦１）を用いることが好ましく、上記短波長域においてはＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦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、光ガイド層２７，３０に、Ａ層、Ａ層と異なる組成のＢ層、ここで、Ａ層、Ｂ層は、窒化物半導体からなる。これにより、各ガイド層内のＡ層とＢ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。
【００５４】
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、一方の光ガイド層が、Ａ層とＢ層とを有し、Ｂ層を活性層側に配置して、Ａ層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。具体的には、活性層側のＢ層のＡｌ組成比α２を、活性層から遠いＡ層のＡｌ組成比α１よりも小さくすること、α１＞α２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の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。また、上記第２の層がクラッド層に設けられることで、ガイド層にＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体を用いた場合でも、クラックの発生を抑えて、素子構造を形成できる。また、上記、α１＞α２とは逆に、α１＜α２として、活性層に近いガイド層（Ｂ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（Ａ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、多層膜の光ガイド層においてα１＞α２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Ａ層、Ｂ層に限らず、各光ガイド層を３層以上で構成しても良く、Ａ層とＢ層と交互に複数積層した、すなわちＡ層とＢ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。
【００５５】
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ＧＲＩＮ構造としてもよい。具体的には、Ａｌ組成比α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αが小さくなるように組成傾斜させることで、ＧＲＩＮ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、上記下部光ガイド層のＡ層／Ｂ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Ａ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Ａ層及びＢ層を共に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。
【００５６】
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、光ガイド層において、前記Ａ層と、Ｂ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Ａ層とＢ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、Ａ層／Ｂ層が、Ａｌ_α１Ｇａ_１−α１Ｎ（０≦α１≦１）／Ａｌ_α２Ｇａ_１−α２Ｎ（０≦α２≦１、α１≠α２）、上記短波長域においてはＡｌ_α１Ｇａ_１−α１Ｎ（０＜α１≦１）／Ａｌ_α２Ｇａ_１−α２Ｎ（０＜α２≦１、α１≠α２）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、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。ここで、光ガイド層にＡ層、Ｂ層を用いることについて説明したが、Ａ層及びＢ層と組成の異なるＣ層など、更に複数の組成の異なる層で光ガイド層を構成しても良い。
【００５７】
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Ａ層、Ｂ層を有する下部光ガイド層において、両方にドープしても良く、又はＡ層とＢ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。例えば上記下部光ガイド層においてＡ層とＢ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Ａ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Ａ層／Ｂ層が、Ａｌ_α１Ｇａ_１−α１Ｎ（０≦α１≦１）／Ａｌ_α２Ｇａ_１−α２Ｎ（０＜α２≦１、α１＜α２）の超格子多層膜構造である光ガイド層において、Ａｌ組成比の小さいＢ層に不純物ドープして、Ａ層をアンドープとすることで、Ａｌ組成比の小さいＢ層はＡ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。
【００５８】
更に、本発明の光ガイド層の不純物ドープについて、図６に、ドープ量変化４２として示すように、下部、上部光ガイド層２７，３０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。これに加えて、導波路は上述したように、下部光ガイド層２７と上部光ガイド層３０とで活性層２８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。具体的には、下部光ガイド層、上部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５×１０^１７／ｃｍ^３以下とすることである。ここで、上記不純物ドープとは、下部光ガイド層に第１導電型の不純物ドープ、上部光ガイド層に第２導電型の不純物ドープ、することを指すものである。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、さらに好ましくは１００ｎｍ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。
【００５９】
［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態としては、上部クラッド層が、下部クラッド層のＩｎ組成比より小さいことを特徴とする。具体的には、両クラッド層に、上記第１の層が設けられる場合において、第２の層のＩｎ組成比若しくは平均組成を、上部クラッド層が下部クラッド層よりも小さくなるようにすることである。この時、両クラッド層に第１の層が設けられる構造について説明したが、下部クラッド層にのみ第１の層を設けて、Ｉｎ組成比を上部クラッド層よりも大きくすることもできる。これは、活性層にはＩｎを含む窒化物半導体が主に用いられ、その活性層の上に上部クラッド層が設けられることから、Ｉｎの分解を防止するために成長条件を制限され、下部クラッド層に比較して、第１の層を結晶性良く成長させることが困難となる傾向にある。また、後述の実施例に示すように、第１導電型層をｎ型層、第２導電型層をｐ型層とした構造において、上記理由に加えて、第１の層は主にＮ_２雰囲気で形成されるため、さらに結晶性良く成長させることが困難で、その上、ｐ型化はできるが、抵抗率が大きくなる傾向にあり、素子のＶｆが上昇する傾向にあり、上部クラッド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いると素子特性の悪化を招くものとなり易い。このため、好ましくは、上部クラッド層のＩｎ組成比を下部クラッド層よりも小さくすることであり、両クラッド層に第１の層が設けられる場合には上部クラッド層内における、第１の層のＩｎ組成比を下部クラッド層の第１の層よりも小さくし、更に好ましくは、第１の層を下部クラッド層だけに設けることであり、最も好ましくは下部クラッド層に第１の層を設けて、上部クラッド層には、Ｉｎを含む窒化物半導体を設けないことである。
【００６０】
以下、各実施形態における素子構造について、クラッド層、ガイド層以外の層について説明する。
（活性層）
本発明における活性層としては、単一若しくは複数の発光層を有する活性層、量子井戸構造の活性層を用いることができる。これらの活性層、若しくは発光層において、Ｉｎを含む窒化物半導体が好ましく用いられ、具体的には、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。例えば、紫外域から赤色までの発光波長において、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を好ましく用いて、Ｉｎ組成比を変化させることにより、発光波長を変化させることができる。
【００６１】
本発明において、好ましくは、量子井戸構造の活性層を用いることで、高出力の発光素子が得られる。また、上記３７５ｎｍ以下の発光波長域において、好ましい量子井戸構造として、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。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以下とする。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。
【００６２】
以下、量子井戸構造の活性層において、特に３７５ｎｍ以下の短波長域における発光を成す、井戸層、障壁層について説明する。
【００６３】
（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Ｉｎ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、Ｉｎ_αＧａ_１−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。
【００６４】
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３７５ｎｍ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、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、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。
【００６５】
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、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（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、上述したようににＢ、Ｐ、Ａｓ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（ｘ＋ｙ＜１）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３７５ｎｍ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、Ｉｎ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。
【００６６】
本発明のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（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、Ａｌ組成比ｘの変化に対する発振波長、閾値電流密度の関係を図８、９に示す。図８に示すように、閾値電流密度Ｊ_ｔｈでは、０．０２付近から下降曲線を示し、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８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。ここで、図９は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）の井戸層とＡｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（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。ここで、図８，９に示すＩｎ、Ａｌ混晶比に対する閾値電流密度Ｊ_ｔｈ、波長λの依存性は、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について測定したものである。上部、下部クラッド層として、膜厚２５ÅのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎと膜厚２５ÅのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ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し、上部、下部光ガイド層として、アンドープのＡｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎを０．１５μｍで形成し、活性層としてＡｌ_０．１５Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．８４Ｎ（２００Å）の障壁層、膜厚１００Åの井戸層、Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．８４Ｎ（４５Å）の障壁層とを積層した量子井戸構造とし、図８のＡｌ混晶比ｘ（ｘ＝０．０３、０．０６、０．０８）の依存性については井戸層をＡｌ_ｘＩｎ_０．０４Ｇａ_{０．９６−ｘ}Ｎとし、図９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Ａｌ_０．０３Ｉｎ_ｙＧａ_{０．９７−ｙ}Ｎとする。
【００６７】
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３７５ｎｍ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３６５ｎｍ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。
【００６８】
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、Ｖｆ、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、２０ｎｍ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５ｎｍ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。
【００６９】
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５×１０^１６／ｃｍ^３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１×１０^１８／ｃｍ^３以下５×１０^１６／ｃｍ^３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。
【００７０】
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１×１０^１８／ｃｍ^３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、レーザ素子においては、１×１０¹⁸／ｃｍ³以下、好ましくは１×１０^１７／ｃｍ^３以下とすることである。
【００７１】
（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３７５ｎｍ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。Ａｌを含む窒化物半導体の障壁層として、好ましくはＡｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（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。
【００７２】
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、Ａｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）である場合に、Ｉｎ組成比ｖ≦０．３とすることで良好な障壁層となる。これは、井戸層と異なり、発光層ではないため、Ｉｎ組成比が大きくなることにより直接的に発光効率に影響しないためである。また、０．３よりも大きくなると、上記４元混晶において、結晶性の悪化が大きく、隣接する井戸層の結晶性にも影響を及ぼすこととなる。更に好ましくは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。また、井戸層のＩｎ組成比ｙと障壁層のＩｎ組成比ｖについて、ｙ≧ｖとすることで、ＡｌとＩｎとの反応を井戸層、障壁層ともに抑えられるため、良好な結晶性で量子井戸構造が形成される。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。
【００７３】
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。
【００７４】
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５×１０^１６／ｃｍ^３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／ｃｍ^３以上２×１０^１８／ｃｍ^３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ＬＥＤ及び高出力のＬＤでは、５×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下の範囲、好ましくは１×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３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。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型層側に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、たとえば井戸層及び障壁層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Ｂ_ｎ（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。
【００７５】
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、両方の導電型不純物がドープされることとなり、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５×１０^１６／ｃｍ^３未満となるようにする。
【００７６】
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、２０ｎｍ以下とすることで結晶性が良好なものとなる。
【００７７】
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Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）からなる井戸層と、４元混晶のＡｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）若しくは３元混晶のＡｌ_ｕＧａ_１−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２８として示すように、ＩｎＡｌＧａＮ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、３７５ｎｍ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。
【００７８】
（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、４のバンド構造４１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２９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２７，３０、クラッド層１３，１４を有する構造の場合には、光ガイド層２７，３０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。具体的には、図４に示すように、第２導電型層１２側に配置されたキャリア閉込め層２９ｂ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２９ａ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２９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型層側のキャリア閉込め層として、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。
【００７９】
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Ａｌ_ｃＧａ_１−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≦ｃ＜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。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。
【００８０】
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、Ａｌを含まない他の窒化物半導体に比べて、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り、トンネル効果によりｐ側からのキャリアが効率的に活性層内に注入される。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、組成の異なる多層膜で形成しても良い。
【００８１】
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。
【００８２】
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。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５×１０^１６／ｃｍ^３以上ドープすることで、好ましくは１×１０^１８／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、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、好ましくは１×１０^１９／ｃｍ^３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、１×１０^２１／ｃｍ^３以下とすることである。しかし、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。
【００８３】
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。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、３０ｎｍ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２ａ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。
【００８４】
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。
【００８５】
また、リッジ幅としては、１μｍ以上３μｍ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。
【００８６】
【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。
【００８７】
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（６Ｈ、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。また、基板として窒化物半導体基板を用いることができる。
【００８８】
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(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体、横方向成長層を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ＥＬＯＧ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。
【００８９】
（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ＭＯＶＰＥ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（ＮＨ₃）を用い、ＧａＮよりなる低温成長バッファ層を２００Å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。
【００９０】
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、厚膜を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。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。
【００９１】
続いて、このＧａＮ基板の上に、さらに上記と同様の横方向成長層を形成して下地層（図示せず）とする。
【００９２】
（バッファ層１０２）窒化物半導体基板１０１、下地層の上に、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、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。このＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層は、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しピットを低減させることができ、ＡｌＧａＮのｎ側コンタクト層も同様である。
【００９３】
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Ａｌ_ａＧａ_１−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。
【００９４】
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。
【００９５】
このように、ＡｌＧａＮ層をバッファ層、コンタクト層などとして、基板と下部クラッド層との間に設ける場合には、本発明の第１の層を下部クラッド層内に、設けることで、ＡｌＧａＮ層によるピット低減効果、第１の層によるクラック防止効果が得られる。
【００９６】
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１０３〜ｎ側光ガイド１０６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。
【００９７】
（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Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ側コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００９８】
（ｎ側クラッド層［下部クラッド層１３］）
ここでは、ｎ側クラッド層１３として、第１の層１０４と第２の層１０５を形成する。
＜第１の層１０４（２５）＞次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、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Ａｌ_０．１４Ｉｎ_０．０６Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層１０４を０．０５μｍの膜厚で成長させる。
【００９９】
＜第２の層１０５（２６）＞次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ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５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ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）よりなる第２の層１０５を成長させる。
【０１００】
（ｎ側光ガイド層１０６［下部光ガイド層２７］）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ドープのＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ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。
【０１０１】
（活性層１０７）次に、温度を８００℃にして、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Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープのＩｎ_０．０３Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９５Ｎよりなる井戸層を、図３に示すように、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、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。
【０１０２】
（ｐ側電子閉込め層１０８（キャリア閉込め層２９））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Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．３Ｇａ_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。
【０１０３】
（ｐ側光ガイド層１０９（上部光ガイド層３０））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Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
＜ｐ側クラッド層１１０（上部クラッド層１４）＞続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ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_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ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。ここでは、図４（ａ）に示すように、ｐ側クラッド層１４として、第２の層３１のみを形成する。
（ｐ側コンタクト層１１２）最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１１２を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層１１２はｐ型のＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（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ＧａＮ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１１２は電極を形成する層であるので、１×１０^１７／ｃｍ^３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３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、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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、ＰＶＤ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１１２、およびｐ側クラッド層１１０、ｐ側光ガイド層１０９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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６００℃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。
【０１１０】
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１１２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）１６２が形成される。
【０１１１】
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１１２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。
【０１１２】
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、（1 1- 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。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。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（｛１０１０｝）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。
【０１１３】
この時、反射膜としては、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_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。
【０１１４】
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、光ガイド層、クラッド層にＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体を用いているが、ｎ側クラッド層に第１の層が設けられることにより、クラックの発生なく素子構造が形成される。さらに、ｎ側クラッド層において、第１の層は、活性層側に配置された第１の層よりも屈折率が小さくされているため、良好な光閉じ込めが実現され、基板側への光の漏れを少なくし、Ｆ．Ｆ．Ｐ．の良好なレーザ光が得られる。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、上部光ガイド層及び下部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Ｅ_ｐとの差、Ｅ_ｇ−Ｅ_ｐが、０．０５ｅＶ以上となる導波路が形成されている。
【０１１５】
本実施例では、下部クラッド層の下にあるコンタクト層において、Ａｌを含む窒化物半導体であるＡｌＧａＮが用いているが、下部クラッド層内の第１の層により結晶性を改善でき、クラックの発生を抑制できる。また、上部クラッド層とその上のコンタクト層（ｐ側コンタクト層）についても同様に、Ａｌを含む窒化物半導体のコンタクト層を用いた場合に、上部クラッド層として第２の層を設けることで結晶性を改善できる。すなわち、活性層と、Ａｌを含む窒化物半導体のコンタクト層と、の間にある上部、下部クラッド層に、上記第２の層を設けることで、コンタクト層にＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体を用いることによる結晶性悪化を抑止した素子構造とできるものとなる。この時、第１の層と第２の層において、第２の層のＩｎ混晶比を小さくするのと同様に、コンタクト層のＡｌを含む窒化物半導体においても、第１の層のＩｎ混晶比より小さくすることが好ましく、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮとすることが更に好ましい。
【０１１６】
［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。
【０１１７】
（活性層１０７）
ＳｉドープのＩｎ_０．０１Ａｌ_０．１Ｇａ_０．８９Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープのＩｎ_０．０３Ａｌ_０．０２Ｇａ_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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
［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。
【０１２０】
（ｎ側クラッド層（下部クラッド層２５））
ｎ側クラッド層として、第１の層１０４、第２の層１０５を形成する。
＜第２の層１０５＞
Ａｌ_０．３Ｉｎ_０．０６Ｇａ_０．６４Ｎよりなる第１の層１０４を０．０５μｍの膜厚で成長させる。
＜第１の層１０４＞
２５Åの膜厚でアンドープのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７ＮよりなるＡ層と、２５Åの膜厚でＳｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ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。
【０１２１】
（ｎ側光ガイド層１０６（下部光ガイド層２７））ＳｉドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる膜厚２５ÅのＡ層、Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．１Ｎ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。
【０１２２】
（活性層１０７）
ＳｉドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープのＩｎ_０．０３Ａｌ_０．０２Ｇａ_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。
【０１２３】
（ｐ側光ガイド層１０９（上部光ガイド層３０））ＭｇドープＡｌ_０．１Ｇａ_０ _．９Ｎよりなる膜厚２５ÅのＡ層と、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ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。
【０１２４】
（ｐ側クラッド層１１０（上部クラッド層１４））アンドープＡｌ_０．３Ｇａ_０．７ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、ＭｇドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ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。ここでは、実施例１と同様にｐ側クラッド層として第２の層を設ける。
【０１２５】
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、上部光ガイド層及び下部光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ_ｇと、レーザ光の光子エネルギーＥ_ｐとの差、Ｅ_ｐ−Ｅ_ｇが、０．０５ｅＶ以上となる導波路が形成されている。
【０１２６】
［実施例４］
実施例１において、図１，３に示すように、ｐ側クラッド層として、以下の第２の層３１、第１の層３２を設ける。
【０１２７】
（ｐ側クラッド層［上部クラッド層１４］）
＜第２の層１１０＞
アンドープＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で、ＭｇドープＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ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第２の層１１０を成長させる。
＜第１の層１１１＞
Ａｌ_０．１４Ｉｎ_０．０６Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層１１１を０．０５μｍの膜厚で成長させる。
【０１２８】
得られるレーザ素子は、実施例１に比較して、両クラッド層に第１の層が設けられることで、ｐ側層において、クラックの発生を抑えた素子構造とできる一方で、第１の層１１１が高抵抗の層となり、Ｖｆが実施例１に比べて大きくなる。
【０１２９】
［実施例５］
ｎ側クラッド層内の第１の層１０４として以下に示すように、超格子多層膜構造とするほかは実施例１と同様にしてレーザ素子を作製する。
＜第１の層１０４（２５）＞Ａｌ_０．２Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．７７Ｎよりなる膜厚２５ÅのＡ層、Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．０９Ｇａ_０．８３Ｎよりなる膜厚２５ÅのＢ層、をそれぞれ交互に１００回積層して、第１の層１０４を０．５μｍの膜厚で成長させる。このようにして得られる第１の層１０４は、実施例１とほぼ同様なＡｌ平均組成、Ｉｎ平均組成の窒化物半導体となるが、超格子構造とすることにより、実施例１よりも良好な結晶性で形成でき、更に、実施例１に比較して厚膜の第１の層が形成されるため、ｐ側に漏れ出る光を抑制し、光閉込めに優れたレーザ素子となり、基板側から漏れ出た光によりファーフィールドパターンの悪化を防ぐことが可能となる。
【０１３０】
［実施例６］
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。
【０１３１】
（ｎ側光ガイド層１０６（下部光ガイド層２７））Ａｌ_ｘＧａ_１−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の領域はアンドープで形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域（活性層側０．１μｍの領域）で、Ｓｉドープで形成する。
【０１３２】
（ｐ側光ガイド層１０９（上部光ガイド層３０））Ａｌ_ｘＧａ_１−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０．１μｍ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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
［実施例７］
実施例６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。
【０１３５】
（ｎ側光ガイド層１０６（下部光ガイド層２７））Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる膜厚２５ÅのＡ層、Ａｌ_ｙＧａ_１−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０．１５μｍ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。この時、ｎ側光ガイド層は、最初の膜厚０．１μｍの領域は、Ａ層、Ｂ層ともアンドープで形成し、残りの膜厚５０ｎｍの領域（活性層側５０ｎｍ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。
【０１３６】
（ｐ側光ガイド層１０９（上部光ガイド層３０））Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる膜厚２５ÅのＡ層、Ａｌ_ｙＧａ_１−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０．１５μｍ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５０ｎｍ（活性層側５０ｎｍの領域）は、Ａ層、Ｂ層ともアンドープで形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域で、Ａ層のみをＭｇドープ、Ｂ層をアンドープで形成する。
【０１３７】
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６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。
【０１３８】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子は、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体をガイド層、クラッド層、コンタクト層などに用いる場合において、結晶性悪化、クラックの発生を抑制し、レーザ素子、端面発光素子などにおいて、特性向上を図ることができる。また、３７５ｎｍ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、０．０３〜０．０５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。
【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。
【図２】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。
【図３】本発明の一実施形態に係るを素子の積層構造及びエネルギーバンド図を説明する模式図。
【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。
【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。
【図６】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。
【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。
【図８】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。
【図９】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。
【符号の簡単な説明】
１・・・井戸層、２・・・障壁層、１１・・・第１導電型層、１２・・・第２導電型層、１３・・・下部クラッド層、１４・・・上部クラッド層、２１・・・基板、２２・・・バッファ層、２３・・・下地層、２４，３３・・・コンタクト層、２５・・・第１の層、２６・・・第２の層、２７・・・下部光ガイド層、２８・・・活性層、２９・・・キャリア閉込め層、３０・・・上部光ガイド層、３１・・・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・・・ｎ側クラッド層（第１の層）、１０５・・・ｎ側クラッド層（第２の層）、１０６・・・ｎ側光ガイド層、１０７・・・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（第２の層）、１１１・・・ｐ側クラッド層（第１の層）、１１２・・・ｐ側コンタクト層、１２０・・・ｐ電極、１２１・・・ｎ電極、１２２・・・ｐパッド電極、１２３・・・ｎパッド電極、１６２・・・第２の保護膜（埋込層）、１６４・・・絶縁膜[0001]
[Industrial application fields]
The present invention is used for light-emitting elements such as light-emitting diode elements (LEDs) and laser diode elements (LD), light-receiving elements such as superphotoluminescence diodes, solar cells, and photosensors, or electronic devices such as transistors and power devices. More particularly, the present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 375 nm or less.
[0002]
[Prior art]
Nowadays, semiconductor lasers using nitride semiconductors have been increasingly demanded for use in DVDs and other optical disk systems capable of recording and reproducing information with a large capacity and high density. For this reason, research on semiconductor laser elements using nitride semiconductors has been actively conducted. In addition, semiconductor laser elements and light emitting elements using nitride semiconductors are thought to be capable of oscillating in a wide range of visible light, from the ultraviolet region to the red region, and their application range is not limited to the light source of the above optical disk system. It is expected to be a wide variety of light sources such as laser printers and optical networks. In addition, the present applicant has announced a laser exceeding 10,000 hours under conditions of continuous oscillation at 405 nm, room temperature, and 5 mW.
[0003]
In addition, a laser element, a light emitting element, a light receiving element, and the like using a nitride semiconductor have a structure in which an active layer is formed using a nitride semiconductor containing In, and a better active region is formed in the active layer. However, this is important in improving the device characteristics.
[0004]
In nitride semiconductor devices, particularly laser devices and light emitting devices, light emission and oscillation in a wavelength region of 380 nm or less are more important. In the optical disk system described above, the recording density can be improved by shortening the wavelength, and in the light emitting element, it becomes important as an excitation light source of the phosphor. In other applications, the wavelength is further shortened. Many applications are realized.
[0005]
In a nitride semiconductor laser element or light emitting element, in order to obtain short wavelength light emission, the emission wavelength is changed by changing the In mixed crystal ratio in the nitride semiconductor containing In in the active layer or the light emitting layer. In particular, when the In mixed crystal ratio is lowered, the emission wavelength can be shortened. Also, in the edge emitting device and laser device, when the active layer has a structure sandwiched between the upper and lower cladding layers, the refractive index of both cladding layers is reduced, and the waveguide is sandwiched between the upper and lower cladding layers. By increasing the refractive index, the light is efficiently confined in the waveguide, and as a result, the laser element contributes to a decrease in threshold current density.
[0006]
However, as the wavelength becomes shorter, it becomes difficult to use InGaN or InGaN / InGaN quantum well structures that have been conventionally used as the light-emitting layer. It becomes difficult to use. Further, when the wavelength is shortened, that is, loss due to light absorption occurs in the guide layer in the waveguide, and the threshold current increases. Furthermore, even in the confinement of light by the upper clad layer and the lower clad layer, the use of GaN has the Al composition ratio in order to secure a loss due to light absorption and a refractive index difference for confining the light in the waveguide. It is necessary to use a large nitride semiconductor, and the problem of deterioration of crystallinity becomes large.
[0007]
Also, as an attempt to shorten the wavelength of such a nitride semiconductor device, there is one using an AlGaN / AlGaN quantum well structure, but there is a tendency that sufficient output cannot be obtained as compared with the conventional InGaN system. is there.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, in an AlGaN-based nitride semiconductor device using AlGaN, AlInGaN, etc., the deterioration of crystallinity due to the use of a nitride semiconductor containing Al is large. Becomes remarkable. For this reason, suppressing such deterioration of crystallinity is an essential issue in improving device characteristics.
[0009]
In particular, in a laser device or a light emitting device having an emission wavelength of 375 nm or less, in order to confine light in a waveguide sandwiched between both clad layers, a band gap having a wavelength shorter by about 10 nm or more than the emission wavelength of the active layer in terms of wavelength. It is necessary to provide a cladding layer having energy. For this reason, a nitride semiconductor containing Al is used in the wavelength region below and near the absorption edge of GaN, and a light emitting device and a laser device excellent in device characteristics are suppressed by suppressing deterioration of crystallinity caused by the semiconductor. It is necessary to obtain.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above circumstances. In the present invention, a nitride semiconductor element, particularly, an AlGaN-based nitride semiconductor element using AlGaN, AlInGaN, etc., uses a nitride semiconductor containing Al. Accordingly, it is possible to obtain a nitride semiconductor element having excellent device characteristics by suppressing deterioration of crystallinity, and to obtain a nitride semiconductor having excellent characteristics in a light emitting device having an emission wavelength of 375 nm or less.
[0011]
That is, the present inventionNitrideThe semiconductor elements are the following (1) to(6)With the configuration, the object of the present invention can be achieved.
[0012]
(1) n-typeA lower cladding layer;p-typeBetween the upper cladding layerSandwichedThe active layerIncluding waveguideIn the nitride semiconductor device having the lower claddingLayer, no.1 layerAs Al _x In _y Ga _1-xy N (0 <x <1, 0.01 ≦ y ≦ 0.3, x + y <1) is provided, and the upper cladding layer has Al as a second layer. _u Ga _1-u N (0 <u ≦ 1)Is provided.
(2) In (1), a lower light guide layer and an upper light guide layer are provided between the lower clad layer and the active layer and between the upper clad layer and the active layer, respectively. And
(3) In the above (1) or (2), the emission wavelength λ of the active layer is λ ≦ 375 nm.
(4) In the above (3), the lower light guide layer and the upper light guide layer are made of Al. _α Ga _1-α N (0 <α ≦ 1).
(5) The method according to (3) or (4), wherein the active layer includes a nitride semiconductor containing Al and In.
(6) Any of the above (3) to (5), wherein the active layer has a quantum well structure and the well layer is made of Al _x In _y Ga _1-xy N (0 <x <1, 0 <y <1, x + y <1) and the barrier layer is Al _u In _v Ga _1-u-v N (0 <u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v <1).
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The nitride semiconductor used in the nitride semiconductor device of the present invention includes GaN, AlN, InN, or a III-V group nitride semiconductor (In_αAl_βGa_1-α-βN, 0.ltoreq..alpha., 0.ltoreq..beta., .Alpha. +. Beta..ltoreq.1), and in addition to this, B is used as a group III element, or a part of N is substituted with P or As as a group V element. But you can. A nitride semiconductor containing Al has β> 0, and a nitride semiconductor containing In has α> 0.
[0014]
Further, as the n-type impurity used in the nitride semiconductor layer, a group IV or group VI element such as Si, Ge, Sn, S, O, Ti, or Zr can be used, and preferably Si, Ge, or Sn is used. Most preferably, Si is used. The p-type impurity is not particularly limited, and examples thereof include Be, Zn, Mn, Cr, Mg, and Ca, and Mg is preferably used. Thereby, each conductivity type nitride semiconductor layer is formed, and each conductivity type layer mentioned below is constituted.
[0015]
As shown in FIG. 2, the nitride semiconductor device structure of the present invention has a structure in which an active layer 28 is sandwiched between an upper cladding layer 14 and a lower cladding layer 13. In addition, the active layer 28 is sandwiched between the first conductivity type layer 11 and the second conductivity type layer 12, and between the first conductivity type lower cladding layer 13 and the second conductivity type upper cladding layer 14. The active layer 28 is provided in the structure. Specifically, the first conductive type layer 11, the active layer 28, and the second conductive type layer 12 are laminated on the substrate, and in particular, the lower cladding layer 13, the active layer 28, and the upper cladding layer 14. Have a laminated structure. In addition, the first conductivity type and second conductivity type cladding layers may be partly or entirely made of, for example, an undoped or non-doped nitride semiconductor, and are disposed in each conductivity type layer. A part of the cladding layer may be doped with an impurity of a different conductivity type, that is, the lower cladding layer and the upper cladding layer are at least the first conductivity type layer side disposed on both sides of the active layer, the second conductivity layer. It is provided on the mold layer side. Preferably, when a nitride semiconductor of the first conductivity type and the second conductivity type is provided in at least a part of the lower clad layer and the upper clad layer, carriers are efficiently injected into the active layer in each conductivity type layer. And preferred.
[0016]
Further, in the laser element and the edge emitting element, the region sandwiched between the upper and lower cladding layers 12 and 13 is used as a light confinement layer, and the region including the active layer becomes a waveguide (waveguide layer). . At this time, as shown in FIG. 2, the lower light guide layer 27 and the upper light guide layer 30 are provided between each cladding layer and the active layer, that is, the light guide layer is provided in the waveguide to be separated and closed. It is good also as a built-in structure. Hereinafter, the upper clad layer and the lower clad layer of the present invention will be described in detail.
[0017]
[First Embodiment]
In the first embodiment of the present invention, at least one of the lower clad layer 13 and the upper clad layer 14 has a nitride semiconductor containing In and Al. Specifically, the first layer having a nitride semiconductor containing Al and In is provided on one or both of the clad layers. Conventionally, a nitride semiconductor containing Al, such as AlGaN, has been used for a cladding layer of a nitride semiconductor element, and in particular, a multilayer film of AlGaN / GaN has been used. This is because when AlGaN is used, deterioration of crystallinity, particularly cracking, becomes a problem, and this tendency increases as the Al composition ratio increases. Therefore, a nitride semiconductor that is more elastic than AlGaN, such as GaN, is used. It has been solved by using it as a buffer layer that relaxes the crystallinity. For example, as an AlGaN / GaN superlattice multilayer structure, a clad layer with suppressed deterioration of crystallinity has been formed. However, in the short wavelength region where the emission wavelength is 375 nm or less, the absorption edge of GaN is 365 nm, and light absorption by GaN occurs in the region of 375 nm or less which is about 10 nm in the vicinity of the wavelength. Use of lead to deterioration of device characteristics.
[0018]
In the present invention, by providing the nitride semiconductor containing Al and In in the cladding layer, it is possible to suppress the deterioration of crystallinity due to the use of the nitride semiconductor containing Al as described above. Occurrence can be prevented. This is because, as described above, a nitride semiconductor containing In is a softer and more elastic material than a nitride semiconductor containing Al, for example when comparing AlInGaN and AlGaN. It functions as a buffer layer that suppresses the generation of cracks due to semiconductors. Further, in the present invention, a nitride semiconductor containing Al in addition to In is provided in the cladding layer, thereby suppressing loss due to light absorption, light emission efficiency, light extraction efficiency, slope efficiency in current-light output characteristics, etc. It is possible to improve the characteristics. This differs depending on the material of the optical waveguide and the cladding layer and the optical confinement factor. However, in an element having an optical waveguide, there is usually a distribution of light into the cladding layer, and light is introduced into the cladding layer. Therefore, the loss of light in the cladding layer has a great influence on the characteristics of the light emitting element, the laser element, and the like. In addition, light is reflected and guided at the interface between the waveguide and the cladding layer. At this time, a Goose-Henfen shift occurs, and an evanescent wave exists in the cladding layer, so that the light oozes out into the cladding layer. That also has an effect.
[0019]
Thus, conventional nitride semiconductors containing In, such as InGaN, tend to generate a lot of loss due to light absorption, but the cladding layer of the present invention is provided with a nitride semiconductor containing In and Al. Therefore, by including In and Al at the same time, it is possible to increase the energy band gap and suppress light absorption / loss. On the other hand, in the cladding layer, by appropriately adjusting the composition ratio of the nitride semiconductor containing In and Al, the refractive index contributing to light confinement, and the desired refractive index between the cladding layer and the waveguide. It is possible to make a difference. As described above, the element having the waveguide has been described. However, even in a light emitting element such as an LED and an element not having the waveguide, the reduction of the light loss in the element structure contributes to the improvement of characteristics such as the improvement of the light extraction efficiency. It will be a thing.
[0020]
Although the composition of the nitride semiconductor containing In and Al is not particularly limited, specifically, Al_xIn_yGa_1-xyA nitride semiconductor represented by N (0 <x <1, 0 <y <1, x + y <1) can be preferably used. At this time, the In composition ratio y is not particularly limited. Specifically, by setting the range to 0 <y ≦ 0.5, deterioration of crystallinity due to the inclusion of In is suppressed, and preferably, the composition ratio is preferably 0.8. 01 ≦ y ≦ 0.3, and more preferably 0.03 ≦ y ≦ 0.3. This is because in the range of y ≧ 0.01, the crystallinity improving effect and the crack preventing effect are obtained by the above-described nitride semiconductor containing In, and when y ≧ 0.03, these effects are further achieved. It can be good, and by satisfying y ≦ 0.3, it is possible to suppress the deterioration of crystallinity due to the provision of the nitride semiconductor containing In and to suitably provide the first layer in the cladding layer. Become. Here, a nitride semiconductor containing In and Al has a tendency to increase the segregation tendency of In when the In composition ratio is increased, and it becomes difficult to grow with good crystallinity. There is a tendency that the growth of nitride semiconductor is hindered by the reaction of Al with Al. Therefore, it is possible to suppress such crystallinity deterioration by setting y ≦ 0.5, prevent In segregation and In precipitation, and grow with good crystallinity by setting y ≦ 0.3. Is possible.
[0021]
The film thickness of the first layer of the present invention is not particularly limited, but the crystallinity improving effect tends to be obtained by setting it to 10 mm or more. By setting it to 0.5 μm or less, In and Al and Deterioration of crystallinity due to the provision of a nitride semiconductor containing can be suppressed. Preferably, the crystallinity improving effect is suitably obtained when the thickness is 50 mm or more, and can be formed with good crystallinity when the thickness is 0.2 μm or less.
[0022]
In addition, the first layer of the present invention may be formed of a single film made of a nitride semiconductor containing In and Al, or may be formed of a multilayer film. That is, the first layer may be composed of a single film of a nitride semiconductor containing In and Al, a nitride semiconductor containing In and Al, and In and Al having different compositions. You may comprise with the multilayer film which has at least the nitride semiconductor containing.
[0023]
When the first layer is formed with a single film, the growth time can be shortened when the first layer is formed with a single film, compared with the case of forming a multilayer film. In addition, when the first layer is formed of a multilayer film, the composition is different, and since it is composed of a nitride semiconductor containing Al and In, each layer can have different band gap energy, refractive index, and doping amount, The degree of freedom in element design is improved, and element characteristics suitable for the application can be obtained. Specifically, Al_x1In_yGa_1-x1-y1An A layer composed of N (0 <x1 <1, 0 <y1 <1, x1 + y1 <1), and Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2A multilayer film structure having at least a B layer composed of N (0 <x2 <1, 0 <y2 <1, x2 + y2 <1), and at this time, at least one of x1 ≠ x2 and y1 ≠ y2 is satisfied It becomes composition. In the case of a multilayer film, the average composition of In in the first layer is in the above range, preferably each layer is in the above In composition ratio. When each layer does not have a superlattice structure, it is preferable to use each layer such as an A layer and a B layer made of a nitride semiconductor within the range of the In composition ratio.
[0024]
Further, the first layer can be provided as a superlattice multilayer film. In that case, unlike the multilayer film, the first layer can be formed with various compositions and layer configurations. For example, a nitride semiconductor containing In and Al can be alternately stacked to form a nitride semiconductor layer containing In and Al in a pseudo manner. Preferably, a nitride semiconductor containing In and Al is formed by alternately laminating at least one layer of a nitride semiconductor containing In and Al and a nitride semiconductor having a composition different from that of the nitride semiconductor containing In and Al. There is a tendency that the effect of suppressing the loss of light by the semiconductor is easily obtained. As a specific composition, Al_x1In_yGa_1-x1-y1An A layer composed of N (0 <x1 <1, 0 <y1 <1, x1 + y1 <1), and Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2A superlattice multilayer structure having at least a B layer made of N (0 <x2 <1, 0 ≦ y2 <1, x2 + y2 <1). At this time, the configuration satisfies at least one of x1 ≠ x2 and y1 ≠ y2, and more preferably satisfies at least one of x1> x2 and y1> y2. At this time, specifically, as the superlattice structure, the A layer and the B layer in the multilayer film are alternately laminated so that at least one of them is two layers or more, preferably each layer is two or more layers, or A A structure in which a plurality of pairs of layers and B layers are periodically stacked. Thus, by forming the first layer with a superlattice multilayer film structure, it can be formed with good crystallinity, and compared with the case where the first layer is formed with the single film, the first layer is thicker. Therefore, for example, the thick first layer can function well as light confinement. Further, by satisfying x1> x2 and y1> y2, the A layer functions as crack prevention, and since the B layer has a small In composition ratio and / or Al composition ratio, the crystallinity of the A layer and the first The effect of keeping the crystallinity of this layer good can be obtained. The film thickness of each layer constituting the superlattice structure varies depending on the composition and the combination of each layer. Specifically, the film thickness is 100 mm or less, preferably 75 mm or less. It can be kept favorable, and more preferably by setting it to 50 mm or less, the crystallinity becomes better, and the effect of suppressing the deterioration of crystallinity and crack generation due to the nitride semiconductor containing Al tends to be obtained. In the case where the first layer has a superlattice multilayer film structure composed of the A layer and the B layer, the In composition ratio is the film thickness d of the A layer.₁And the thickness of the B layer is d₂The average composition u_m= (D₁× u1 + d₂× u2) / (d₁+ D₂This average composition u_mIs preferably in the range of the In composition ratio described above. Also, when the superlattice multilayer film has a layer other than the A layer and the B layer, for example, a C layer having a composition different from that of the A layer and the B layer, a weighted average can be obtained similarly.
[0025]
Further, the first layer may be doped with impurities of each conductivity type, or may be formed undoped or non-doped. For example, as shown in the embodiment, in the element structure in which the first conductivity type layer is an n-type layer and the second conductivity type layer is a p-type layer, a part or all of the lower clad layer 13 and the upper clad layer 14 are formed. These may be doped with n-type impurities and p-type impurities, respectively, or may be partially undoped. It is preferable to grow undoped because crystallinity is improved as compared with the case of doping. Moreover, the structure which inclined the dope amount to the film thickness direction may be sufficient. Furthermore, in the above superlattice multilayer film structure, it is possible to make modulation dope in which the A layer is doped and the B layer is undoped, and by using the modulation dope, the crystallinity is better than the entire doping. On the other hand, the carrier mobility is superior to the undoped case as a whole, the resistance in the cladding layer can be lowered, and Vf can be lowered in the device. At this time, a superlattice multilayer film may be formed with a different impurity concentration between the A layer and the B layer.
[0026]
As described above, the first layer is provided as at least one of the upper clad layer and the lower clad layer as a part of the clad layer. In the active layer, the light emitting layer, or the quantum well structure, the first layer is more than the well layer. When the band gap energy is increased, it functions as carrier confinement and light confinement, and the band gap energy is larger than the emission wavelength, so that loss of light by the first layer can be avoided. Further, as in the embodiments described later, a nitride semiconductor containing Al such as AlGaN is applied to a carrier confinement layer, an active layer (barrier layer), a guide layer, a contact layer, or a cladding layer other than the first layer. It is possible to alleviate the deterioration of crystallinity that seriously affects device characteristics by providing a second layer above, below, or between these nitride semiconductor layers that are used. Become.
[0027]
[Second Embodiment]
In the second embodiment of the present invention, at least one of the lower clad layer 13 and the upper clad layer 14 has a first layer having a nitride semiconductor containing Al and In, and an In mixture more than the first layer. And a second layer having a nitride semiconductor containing Al with a low crystal ratio. With this configuration, different functions can be provided between the first layer and the second layer in the cladding layer. This is because the first layer having a large In composition ratio improves the above-described crystallinity, and the second layer having a small In composition ratio can bear light confinement and carrier confinement.
[0028]
In particular, in a device having a waveguide between the lower cladding layer and the upper cladding layer, such as a laser device, light oozes out to the cladding layer, and light loss occurs in the cladding layer. In the present embodiment, by having the second layer having a small In composition ratio, it is possible to reduce the loss of light due to In compared to the first layer.
[0029]
Here, the nitride semiconductor containing Al used for the second layer has a smaller In composition ratio than the In composition ratio y of the nitride semiconductor containing Al and In used for the first layer. is there. Specifically, if the In composition ratio v of the nitride semiconductor containing Al used for the second layer is y> v compared to the In composition ratio y of the nitride semiconductor in the first layer, Yes, and v is v ≧ 0. As a specific composition, Al_uIn_vGa_1-u-vA nitride semiconductor represented by N (0 <u <1, 0 ≦ v <1, u + v <1) is used for the second layer, and preferably, an Al composition ratio of v = 0_uGa_1-uN (0 <u ≦ 1) is used. Al in the second layer_uGa_1-uBy having at least N (0 <u ≦ 1), good light confinement and carrier confinement with reduced light loss can be realized. Especially in a laser element having a waveguide, the light loss is reduced. A light emitting device and a laser device having excellent luminous efficiency and current-light output characteristics can be obtained particularly in the short wavelength region.
[0030]
The film thickness of the nitride semiconductor containing Al used for the second layer is not particularly limited, but by setting it to 10 mm or more, it becomes possible to confine carriers as a clad layer, and the upper limit is 2 μm or less. Therefore, deterioration of crystallinity can be suppressed. Preferably, when the thickness is in the range of 100 to 1 μm, a second layer that is excellent in crystallinity and functions well as a cladding layer and light confinement can be obtained. The second layer may be composed of a single nitride semiconductor film including Al, or may be composed of a multilayer film, and may be a superlattice multilayer film, particularly in the multilayer film.
[0031]
At this time, as described above, the first layer and the second layer are provided on at least one of the lower cladding layer and the upper cladding layer. Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, both the lower clad layer 13 and the upper clad layer 14 may have first layers 25 and 32 and second layers 26 and 31, respectively. 4, the first layer 25 and the second layer may be provided only on one side. In FIG. 4, the first layer 25 and the second layer 26 are provided on the lower cladding layer 13, and the upper cladding layer is provided. 14 is composed of only the second layer.
[0032]
In the clad layer having the first layer and the second layer, the first layer may have a band gap energy larger than that of the second layer as shown in FIGS. It may be small as shown.
[0033]
[Third Embodiment]
The third embodiment of the present invention is characterized in that the second layer is provided closer to the active layer than the first layer. Specifically, as shown in FIGS. 2 to 5, in each of the cladding layers 13 and 14, the second layer is provided closer to the active layer than the first layer, that is, on the active layer side, and the first layer A second layer is provided between the active layer and the active layer. Accordingly, in the element structure having the active layer between the lower clad layer 13 and the upper clad layer 14, the second layer is disposed on the active layer side, that is, the inner side, and the second layer is disposed on the outer side of the active layer. It becomes a structure. In this case, for example, conversely, as compared with the case where the first layer is disposed on the active layer side as shown in FIG. An efficient light emitting element and laser element can be obtained. This is because the second layer is provided between the first layer and the active layer, that is, the first layer is arranged away from the active layer, so that the waveguide is sandwiched between the clad layers. In the provided laser element or the like, the light intensity distributed in the first layer can be reduced, so that the loss of light caused thereby can be reduced and the characteristics can be improved. At this time, as shown in FIG. 3, by making the first layer substantially the same as or larger than the band gap energy of the second layer, good carrier confinement is realized.
[0034]
[Fourth Embodiment]
As a fourth embodiment of the present invention, the refractive index n of the first layer₁And the refractive index n of the second layer₂And n₂≦ n₁It is characterized by being. In this configuration, as shown in FIG. 2B, in the cladding layers 13 and 14, the refractive index of the second layers 26 and 31 close to the active layer is large, and the first layers 15 and 32 far from the active layer A structure in which the refractive index decreases and the refractive index increases in the cladding layer as it approaches the active layer can be obtained. Thereby, since the refractive index decreases as the distance from the active layer increases, the light is efficiently confined in the waveguide sandwiched between the upper and lower cladding layers 14 and 13, thereby Good light guiding can be realized, and light leaking outside the cladding layer can be reduced.
[0035]
Since the first layer has a nitride semiconductor containing In and Al as described above, the refractive index of the first layer is approximately the same as that of the second layer by adjusting the composition ratio of Al. Can be with a small layer. Conventionally, an InGaN layer has been used between the n-type lower clad layer and the substrate, but light leaking from the clad layer is guided by this layer to the substrate side, and the optical characteristics of the laser element are improved. It has been getting worse. In the present invention, the refractive index of the first layer is made smaller than that of the second layer, and the first layer is arranged farther from the active layer than the second layer. Leakage can be suppressed.
[0036]
Hereinafter, the lower cladding layer 13 and the upper cladding layer 14 in each embodiment will be described in detail.
[0037]
In the present invention, as shown in FIGS. 2 to 6, at least one of the lower cladding layer 13 and the upper cladding layer 14 has second layers 25 and 32. The composition of the lower cladding layer 13 and the upper cladding layer 14 is such that the band gap energy is larger than that of the active layer (well layer) as shown in the band structure 41 of FIGS. When the lower light guide layer 27 and the upper light guide layer 30 are provided as waveguides as in the end face light emitting device, the light guide layer is made equal to or larger than the light guide layer. In this case, the upper and lower clad layers are made to function as carrier confinement and light confinement, and when they have a light guide layer, they are made to function as light confinement layers. Here, FIG. 3 schematically shows the laminated structure 40 and the band structure 41 corresponding thereto in the element structure of the present invention, and FIGS. 4 to 6 show the band structure 41.
[0038]
As the nitride semiconductor used for the cladding layer, a nitride semiconductor that does not contain Al, such as GaN, can be used, but a nitride semiconductor containing Al is preferably used._aAl_bGa_1-abBy using the nitride semiconductor represented by N (0 ≦ a, 0 <b, a + b ≦ 1), good carrier confinement and light confinement are realized. Preferably, the lower clad layer 13 and the upper clad layer 14 have at least the second layer, and more preferably, Al having an In composition ratio v = 0._uGa_1-uThe second layer having N (0 <u ≦ 1) is used. This is because, as described in the second embodiment, the In composition ratio of the second layer is made smaller than the In composition ratio of the first layer, preferably the second layer does not contain In. This is because light loss due to inclusion of In can be suppressed. In a structure in which the waveguide is sandwiched between the upper and lower cladding layers, such as a laser element and an edge emitting element, it is sufficient between the waveguide and the cladding layer, specifically between the active layer and / or the light guide layer. A structure in which light is guided in such a manner that light is confined in the waveguide by providing a difference in refractive index. In order to provide such a refractive index difference, Al_uGa_1-uN (0 <u ≦ 1) is preferably used, and satisfies the relationship of at least α ≦ u with the Al composition (average composition) ratio α of the light guide layer, and preferably u−α ≧ 0.05. Thus, a sufficient refractive index difference is provided. Further, since the light confinement by the cladding layer depends on the film thickness of the cladding layer, the composition of the nitride semiconductor is determined in consideration of the film thickness. The upper clad layer and the lower clad layer may have substantially the same composition, layer structure, refractive index, and film thickness, and they may be different, and the same applies to the second layer in each clad layer. is there.
[0039]
The clad layer of the present invention preferably has at least the second layer. At this time, as shown in FIG. 5, the second layers 26, 26 ′, 31, A plurality of 31 'may be provided in the cladding layer. At this time, when a plurality of second layers are provided, each second layer may be formed with substantially the same composition, layer configuration, and refractive index, or these may be different. Further, the second layer may be formed of a single film as described above, may be formed of a multilayer film, or may have a superlattice multilayer film structure. Further, as in the light guide layer to be described later, a second composition layer having a composition gradient or a composition composition gradient in the cladding layer may be used.
[0040]
When the second layer is formed with a single film, the light and carrier confinement structure can be easily designed by forming a single film made of the nitride semiconductor as compared with the case of forming with a multilayer film. In addition, the time required for the growth of the cladding layer can be shortened. On the other hand, a nitride semiconductor containing Al, such as AlGaN, is difficult to grow with good crystallinity. In particular, in a single film, cracks are likely to occur when the film is grown with a certain film thickness. Furthermore, since the Al composition ratio of the second layer used for the cladding layer becomes large in the short wavelength region, it tends to be difficult to form a thick film when formed as a single film. Sufficient confinement becomes difficult.
[0041]
When the second layer is formed of a multilayer film, a plurality of nitride semiconductors having different compositions are stacked. Specifically, a plurality of nitride semiconductors having different Al composition ratios are stacked. Thus, when it forms with a multilayer film, it becomes possible to suppress the deterioration of crystallinity and generation | occurrence | production of a crack in the case of a single film. Specifically, as the multilayer film, a layer A and a layer B having a different composition are stacked, and a plurality of layers having different refractive indexes and band gap energies are provided. For example, a multilayer film having a structure in which an A layer having an Al composition ratio u1 and a B layer having an Al composition ratio u2 (u1 ≠ u2) may be stacked. At this time, the Al composition ratio may be u1 <u2 (0 ≦ u1, u2 ≦ In the configuration 1), the A layer having a large Al composition ratio has a small refractive index, the band gap energy is increased, and the deterioration of crystallinity due to the formation of the B layer by the A layer having a small Al composition ratio is suppressed. be able to. For example, when the A layer is made of GaN and the B layer is made of AlGaN, the deterioration of crystallinity can be prevented, and the second layer can be formed with excellent crystallinity, particularly in the superlattice multilayer structure described later. Further, a plurality of layers having different compositions may be further laminated by laminating the A layer and the B layer and the C layer having a composition different from that of the B layer. Further, a structure in which a plurality of A layers and B layers are alternately stacked may be employed, and a structure in which a plurality of pairs each having at least the A layer and the B layer are formed may be employed. In such a multilayer film structure, it is possible to suppress the deterioration of crystallinity of the nitride semiconductor containing Al and increase the film thickness, so that it is possible to obtain a film thickness that is important in light confinement.
[0042]
It is preferable that the second layer of the multilayer structure has a superlattice structure so that the second layer and the clad layer can be formed with better crystallinity. Here, the superlattice structure is provided in at least a part of the second layer, and preferably the second layer and the clad layer can be formed with good crystallinity by providing the superlattice structure in all of them. At this time, specifically, as the superlattice structure, the A layer and the B layer in the multilayer film are alternately laminated so that at least one of them is two layers or more, preferably each layer is two or more layers, or A A structure in which a plurality of pairs of layers and B layers are stacked. Preferably, the A layer / B layer is Al._u1Ga_1-u1N (0 ≦ u1 ≦ 1) / Al_u2Ga_1-u2N (0 ≦ u2 ≦ 1, u1 ≠ u2), Al in the short wavelength region_u1Ga_1-u1N (0 <u1 ≦ 1) / Al_u2Ga_1-u2By using N (0 <u2 ≦ 1, u1 ≠ u2), it is possible to confine light well in the waveguide, further suppress light oozing, reduce light loss, and crystallinity due to the superlattice structure. Thus, the thick second layer and the clad layer can be formed. The film thickness of each layer constituting the superlattice structure varies depending on the composition and the combination of each layer. Specifically, the film thickness is 100 mm or less, preferably 75 mm or less. It can be kept good, and more preferably by setting it to 50 mm or less, it is possible to obtain a better crystallinity and to make the second layer and the clad layer having a larger film thickness.
[0043]
The cladding layer and the first layer are preferably doped with impurities of at least each conductivity type, and may be doped as a whole or partially, and the amount of doping may be changed within the cladding layer. But it ’s okay. Also in the case of a multilayer film, for example, the multilayer film having the A layer and the B layer may be doped in both, or the doped amount may be different between the A layer and the B layer, or may be doped in one side. Alternatively, modulation dope in which the other is undoped may be used. For example, the A layer / B layer is made of Al._u1Ga_1-u1N (0 ≦ u1 ≦ 1) / Al_u2Ga_1-u2In the case of a superlattice multilayer film structure of N (0 <u2 ≦ u1, u1 <u2), by doping impurities into the B layer having a small Al composition ratio and making the A layer undoped, the same as the light guide layer The crystallinity can be improved.
[0044]
The thickness of the clad layer is not particularly limited, but is formed in the range of 10 nm to 2 μm, preferably 50 nm to 1 μm. This is because the carrier can be confined when the thickness is 10 nm or more. When the thickness is 2 μm or less, deterioration of crystallinity is suppressed, and when the thickness is 50 nm or more, optical confinement can be achieved in an element structure having a waveguide. It can be used for a laser element, an edge-emitting element, and the like. When the thickness is 1 μm or less, a clad layer can be formed with good crystallinity.
[0045]
As described in the first embodiment, in the present invention, at least one of the lower cladding layer 13 and the upper cladding layer 14 has the first layer as shown in FIG. 4A, for example. . One first layer may be provided in each cladding layer, or a plurality of the first layers may be provided with a nitride semiconductor containing no In or Al interposed. In addition, the clad layer provided with the first layer may be composed of only the first layer. However, as described in the second embodiment, the first layer and the second layer are preferably used. The clad layer has at least a layer. At this time, as shown in FIG. 4B, the first layer 32 and the second layer 31 may have substantially the same band gap energy. Thus, by setting the band gap energy substantially equal to that of the second layer 31, the element structure can be handled in substantially the same manner as a conventionally used cladding layer. Further, as shown in FIG. 5, the first layer may have a band gap energy smaller than that of the second layer.
[0046]
Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the first layer in the cladding layer may be arranged farther from the active layer 28 than the second layers 25 and 32, as shown in FIGS. 4, the structure may be arranged closer to the active layer than the second layers 25 and 32. As described above, the first layer can suppress the deterioration of crystallinity due to AlGaN and the generation of cracks as described above. At this time, the first layer may be disposed either above or below the AlGaN layer. This effect can be obtained. That is, a nitride semiconductor containing Al, such as AlGaN, is used for a cladding layer or a second layer, or a light guide layer described later, and the light guide layer 27 is arranged by arranging the first layer in the vicinity of these layers. , 30 has a structure in which the first layer is provided between the light guide layer and the second layer, and acts on both the light guide layer and the second layer to improve crystallinity. be able to. In particular, at a light emission wavelength of 375 nm or less, which is the short wavelength region, a nitride semiconductor containing Al such as AlGaN is preferably used for the light guide layer. Therefore, excellent device characteristics can be obtained by improving the crystallinity. Further, even in an element not provided with a light guide layer, when a nitride semiconductor containing Al is used in the active layer, the first layer between the active layer and the second layer has the above crystal. The property improving effect acts on both the adjacent active layer and the second layer, and the device characteristics are improved.
[0047]
In addition, as described in the third embodiment, in the cladding layer, the first layer is arranged far from the active layer, and the second layer is close to the active layer, that is, with the first layer. A structure in which the second layer is disposed between the active layer and the active layer may be employed. In this structure, as described above, in an element structure having a waveguide sandwiched between both cladding layers, the light intensity distribution is wide in the cladding layer centering on the active layer in each waveguide and each cladding layer sandwiching the waveguide. Since it is distributed, the structure in which the loss of light is reduced can be obtained by arranging the first layer on the outside. Further, as described in the third embodiment, the first layer having a refractive index smaller than that of the second layer is arranged farther from the active layer than the second layer, so that FIG. As shown in FIG. 4B, the cladding layers 13 and 14 can have a structure in which the refractive index increases as the active layer 28 and the waveguide are approached, and an element structure that realizes excellent confinement of light in the waveguide. It becomes.
[0048]
[Fifth Embodiment]
As a fifth embodiment of the present invention, an upper light guide layer and a lower light guide layer are provided between the upper clad layer, the lower clad layer and the active layer, respectively. Specifically, as shown in FIG. 2, at least a lower light guide layer 27 is provided in the first conductivity type layer 11 and an upper light guide layer 30 is provided in the second conductivity type layer 13. The guide layers 27 and 30 sandwich the active layer 28, and a waveguide is formed by the upper and lower light guide layers and the active layer therebetween. Further, a cladding layer is provided outside these light guide layers, that is, a lower light guide layer 27 is provided between the lower cladding layer 13 and the active layer 28, and the upper cladding layer 14 and the active layer 28 are separated from each other. The upper light guide layer 30 is provided between them. Furthermore, as will be described later, a carrier confinement layer 29 can be provided in the light guide layer or between the light guide layer and the active layer.
[0049]
In the fifth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2A, the active layer 29, the lower light guide layer 27 in the first conductivity type layer 11, and the second conductivity type layer are used as waveguides. The upper light guide layer 30 is an element having a structure provided, and in particular, a structure provided with a waveguide using an active layer having an emission wavelength of 375 nm or less as described above.
This waveguide mainly guides light from the active layer, and the light emitting efficiency, threshold current density, and other device characteristics are variously changed in the laser device and the end surface light emitting device by this waveguide structure. In this way, the light guide layer is formed with the active layer interposed therebetween, but the light guide layer is formed only in at least one of the first conductivity type layer and the second conductivity type layer, that is, the lower light guide layer or Although only the upper light guide layer may be used, preferably, by providing the light guide layers on both sides of the active layer, the threshold current density is lowered, and a high-power laser element can be obtained.
[0050]
As the lower light guide layer 27 and the upper light guide layer 30 of the present invention, a nitride semiconductor containing Al is used, and as shown as a band structure 41 in FIGS. 3 to 6, at least an active layer 28 having a quantum well structure. A band gap energy larger than that of the inner well layer 1 is set, and a difference in refractive index between the active layer 28 and the light guide layers 27 and 30 is reduced to obtain a waveguide structure. Further, the light guide layer may have a smaller band gap energy than the barrier layer as shown in FIG. 6, or may be larger as shown in FIGS. Specifically, the composition of the light guide layer is In_βAl_αGa_1-α-βBy using N (0 ≦ α, 0 ≦ β, α + β ≦ 1), it can be applied to a wide wavelength range from the ultraviolet region to the red region. Preferably, in the short wavelength region, a nitride semiconductor that does not contain In, that is, a nitride semiconductor that has an In composition ratio of 0 prevents light absorption due to inclusion of In, and loss of light. The waveguide can be made low. Further, in a long wavelength region of 430 nm or more, a nitride semiconductor containing In such as InGaN can be used. In a wavelength region between them, GaN or In can be used at 430 nm or less._xGa_1-xNitride semiconductors such as N (0 <x <1) can be used, and In having different compositions_xGa_1-xA multilayer film of N (0 ≦ x ≦ 1) and a superlattice structure can be formed. Furthermore, preferably Al_αGa_1-αBy using N (0 ≦ α ≦ 1), it becomes a waveguide that can be preferably applied in the wavelength region from the ultraviolet region to the red region, particularly at 430 nm or less, and a good crystal can be obtained by using in combination with the first layer. The element structure can be formed with the property. In order to guide light in the short wavelength region with a wavelength of 375 nm or less, preferably Al_αGa_1-αN (0 <α ≦ 1) is used. This is because GaN absorbs light in the short wavelength region, which becomes a loss and deteriorates the threshold current density and current-light output characteristics. In particular, the Al composition ratio α of the light guide layer is determined by the photon energy E of the light emission of the active layer._p, Band gap energy E of the light guide layer_g(E to be larger than 0.05 eV)_g-E_p≧ 0.05 eV), it is preferable to adjust. This is because, in the short wavelength region, a waveguide in which light loss due to the guide layer is suppressed is obtained. Al_αGa_1-αBy using a light guide layer made of N (0 <α ≦ 1) and further providing the second layer in the cladding layer, deterioration of crystallinity due to the guide layer using a nitride semiconductor containing Al is suppressed. An element structure can be obtained.
[0051]
Either one or both of the lower light guide layer 27 and the upper light guide layer 30 may be formed of a single film, or may be formed of a multilayer film. When forming a light guide layer made of a single nitride semiconductor, as shown in FIG. 3, a laminated structure 40 of a lower light guide layer 27 and an upper light guide layer 30 sandwiching the active layer 28 is provided, The band structure 41 has a larger band gap energy than a light emitting layer such as an active layer or a well layer. Specifically, the Al_αGa_1-αN (0 ≦ α ≦ 1), and in the short wavelength region, Al_αGa_1-αN (0 <α ≦ 1) is used. At this time, the Al composition ratio of the guide layer is appropriately changed according to the emission wavelength.
[0052]
The film thicknesses of the lower light guide layer and the upper light guide layer are not particularly limited, and are specifically in the range of 10 nm to 5 μm, preferably in the range of 20 nm to 1 μm, and more preferably in the range of 50 nm or more. The range is 300 nm or less. As a result, the waveguide functions as a guide layer at 10 nm or more, tends to form a waveguide that lowers the threshold current density by setting it to 20 nm or more, and tends to further reduce the threshold current density by setting it to 50 nm or more. Because. Further, if it is 5 μm or less, it functions as a guide layer, and if it is 1 μm or less, the loss when light is guided decreases, and if it is 300 nm or less, the light loss tends to be further suppressed. Further, the lower light guide layer 27 and the upper light guide layer 30 may be formed with substantially the same film thickness, or may be formed with different film thicknesses. Further, both guide layers may have different layer configurations, compositions, dope amounts, etc., or may be substantially the same. For example, the lower light guide layer is a single film, the upper light guide layer is a multilayer film, and the light guide layers have different layer configurations, and the light guide layers have different compositions. .
[0053]
The light guide layer of the present invention may be composed of a multilayer nitride semiconductor, and in this case as well, it is preferable to use a nitride semiconductor that does not contain In, particularly in the short wavelength region, and the Al_αGa_1-αN (0 ≦ α ≦ 1) is preferably used, and Al is used in the short wavelength region._αGa_1-αN (0 <α ≦ 1) is preferably used, and this nitride semiconductor is used to form a multilayer film in which at least one nitride semiconductor layer having a different composition is used for each light guide layer. Specifically, the light guide layers 27 and 30 are made of a nitride semiconductor, and the A layer and the B layer having a composition different from that of the A layer are formed of a nitride semiconductor. Thereby, it is good also as a multilayer film structure from which band gap energy and a refractive index differ by making Al composition ratio different between A layer and B layer in each guide layer.
[0054]
For example, in a structure in which a first conductivity type layer, an active layer, and a second conductivity type layer are stacked, one light guide layer has an A layer and a B layer, and the B layer is disposed on the active layer side. As a structure in which the A layer is arranged at a position far from the active layer, the band gap energy is gradually reduced as it approaches the active layer. Specifically, by setting the Al composition ratio α2 of the B layer on the active layer side to be smaller than the Al composition ratio α1 of the A layer far from the active layer, and α1> α2, a stepwise band structure is obtained. Since carriers are efficiently injected into the active layer in the waveguide and the refractive index near the active layer and the active layer is increased, a structure in which a large amount of light is distributed near the active layer in the waveguide can be obtained. Thus, in order to make the light guide layer a multilayer film, the crystallinity tends to deteriorate when the Al composition ratio is increased, and it is difficult to form the light guide layer with a single film due to the deterioration of crystallinity. In this case, or when deterioration of characteristics occurs, it is possible to suppress deterioration of crystallinity by forming with a multilayer film. In addition, since the second layer is provided on the cladding layer, even when a nitride semiconductor containing Al such as AlGaN is used for the guide layer, the generation of cracks can be suppressed and the element structure can be formed. In contrast to the above α1> α2, α1 <α2 is satisfied, the band gap energy of the guide layer (B layer) close to the active layer is increased, the refractive index is decreased, and the far guide layer (A layer, fourth layer) is increased. It is also possible to reduce the layer) and increase the refractive index, but preferably the carrier injection and light distribution are improved, so that α1> α2 in the light guide layer of the multilayer film. . In addition, when the light guide layer is a multilayer film, not only the A layer and the B layer, but each light guide layer may be composed of three or more layers, and a plurality of A layers and B layers are alternately stacked. That is, the guide layer may be configured by laminating a plurality of pairs with the A layer and the B layer as a pair.
[0055]
Further, in the light guide layer of the present invention, as shown in FIG. 4, a GRIN structure with a composition gradient may be used so that the band gap energy becomes smaller as it approaches the active layer. Specifically, by inclining the Al composition ratio α, that is, by inclining the composition so that the Al composition ratio α decreases as it approaches the active layer, a GRIN structure can be formed and the carrier injection efficiency is improved. At this time, the composition gradient may be continuously graded as shown in FIG. 4, or the composition may be graded in a discontinuous manner. Also, for example, in a structure having a plurality of pairs in which the lower light guide layers A / B are alternately stacked, such as a superlattice multilayer structure, the composition of Al is graded and the band becomes closer to the active layer. The gap energy may be reduced. In this case, only at least one of the layers, for example, only the A layer may be compositionally inclined, and all the layers constituting the pair, for example, the A layer and the B layer may be combined. The composition may be inclined. Further, a composition gradient may be partially provided in the film thickness direction of the light guide layer. Preferably, the carrier injection efficiency tends to be improved when the composition gradient is performed in all regions in the film thickness direction.
[0056]
Further, the multilayer light guide layer may have a multilayer superlattice structure as shown in FIG. 5, and the use of the superlattice structure suppresses the deterioration of crystallinity due to the nitride semiconductor containing Al. Thus, a favorable crystalline waveguide can be formed. Specifically, in the light guide layer, the A layer and the B layer are alternately laminated, at least one of which is two layers or more, preferably each layer is two or more layers, or the A layer and the B layer. A structure in which a plurality of pairs are stacked as one pair. At this time, the composition of the nitride semiconductor of each layer is the same as above, but preferably, the A layer / B layer is made of Al._α1Ga_1-α1N (0 ≦ α1 ≦ 1) / Al_α2Ga_1-α2N (0 ≦ α2 ≦ 1, α1 ≠ α2), Al in the short wavelength range_α1Ga_1-α1N (0 <α1 ≦ 1) / Al_α2Ga_1-α2By using N (0 <α2 ≦ 1, α1 ≠ α2), a waveguide that suppresses light loss and suppresses deterioration of crystallinity by the superlattice structure is formed. In order to make the light guide layer have a superlattice structure, it is necessary to set the thickness of each layer constituting the multilayer film to be a superlattice, and the thickness varies depending on the composition and combination of the layers. Is 10 nm or less, preferably 7.5 nm or less to maintain good crystallinity, and more preferably 5 nm or less to achieve better crystallinity. . Here, the use of the A layer and the B layer as the light guide layer has been described. However, the light guide layer may be composed of a plurality of layers having different compositions, such as a C layer having a different composition from the A layer and the B layer. .
[0057]
Further, in the light guide layer of the present invention, it is preferable that each conductivity type impurity is doped at least in order to improve carrier movement / injection. At this time, the conductivity type impurity may be a part of the light guide layer or Either a partially doped form or a totally doped form may be used. Further, in the light guide layer of the multilayer film, for example, in the lower light guide layer having the A layer and the B layer, both may be doped, or the A layer and the B layer may have different doping amounts, or It is also possible to use modulation dope in which the other is undoped. For example, in a superlattice multilayer film structure in which the lower light guide layer is formed by alternately laminating A layers and B layers, or in a structure in which a plurality of pairs are provided, preferably only one layer, for example, the A layer is modulated. Doping can suppress deterioration of crystallinity due to impurity doping. More preferably, by doping only a layer with a low Al composition ratio, a layer having good crystallinity can be doped, deterioration of crystallinity due to impurity doping is suppressed, and activation by impurity doping is also good. It is preferable. This is because, for example, the A layer / B layer is made of Al._α1Ga_1-α1N (0 ≦ α1 ≦ 1) / Al_α2Ga_1-α2In the light guide layer having a superlattice multilayer structure of N (0 <α2 ≦ 1, α1 <α2), the B layer having a small Al composition ratio is doped with impurities, and the A layer is undoped, so that the Al composition ratio The B layer having a smaller crystallinity has better crystallinity than the A layer. Therefore, by doping the layer having good crystallinity with impurities, good activation is realized, and the light guide layer is excellent in carrier movement / injection.
[0058]
Further, with respect to the impurity doping of the light guide layer of the present invention, as shown in FIG. 6 as the doping amount change 42, the impurity doping amount in the lower and upper light guide layers 27 and 30 is increased as it approaches the active layer. If the amount of doping in the region close to the active layer is reduced compared with the region far from the active layer, the loss of light is further reduced in the waveguide, particularly in the light guide layer, and good light guiding is achieved. The threshold current density and the drive current can be reduced. This is because when light is guided through the impurity-doped region, light is lost due to light absorption by the impurity. In addition to this, as described above, the waveguide has at least a structure in which the active layer 28 is sandwiched between the lower light guide layer 27 and the upper light guide layer 30, and the outside of the guide layer or the waveguide is Light is confined in the waveguide with a structure sandwiched between the upper and lower cladding layers 25 and 30 having a refractive index smaller than that of the guide layer, and a large amount of light is distributed in the active layer in the waveguide and in the vicinity of the active layer. Therefore, by reducing the impurity doping amount in the region near the active layer, the light loss in the region where a large amount of light is distributed is reduced, resulting in a waveguide with little light loss. Specifically, in the lower light guide layer and the upper light guide layer, when the region near the active layer and the region far from the active layer are separated by dividing the region by half the thickness of each layer, the conductivity type impurity concentration in the region close to the active layer is It is to make it lower than the impurity concentration in the region far from the active layer. The impurity concentration of the light guide layer is not particularly limited, but specifically, 5 × 10 5 in a region close to the active layer.¹⁷/ Cm³It is as follows. Here, the impurity doping means that the lower light guide layer is doped with the first conductivity type impurity and the upper light guide layer is doped with the second conductivity type impurity. Preferably, in the light guide layer, it is possible to reduce the loss of light by making a region having a distance of 50 nm or less from the active layer side undoped, and it is more preferable that the region having a distance of 100 nm or less is undoped. Optical loss can be reduced, threshold current density, and driving current can be reduced.
[0059]
[Sixth Embodiment]
The sixth embodiment of the present invention is characterized in that the upper clad layer is smaller than the In composition ratio of the lower clad layer. Specifically, when the first layer is provided in both cladding layers, the In composition ratio or the average composition of the second layer is set so that the upper cladding layer is smaller than the lower cladding layer. is there. At this time, the structure in which the first layers are provided in both cladding layers has been described. However, the In composition ratio can be made larger than that of the upper cladding layer by providing the first layer only in the lower cladding layer. This is because a nitride semiconductor containing In is mainly used for the active layer, and an upper clad layer is provided on the active layer. Therefore, the growth conditions are limited to prevent decomposition of In, and the lower clad Compared to the layer, it tends to be difficult to grow the first layer with good crystallinity. Further, as shown in the examples described later, in the structure in which the first conductivity type layer is an n-type layer and the second conductivity type layer is a p-type layer, in addition to the above reason, the first layer is mainly N₂Since it is formed in an atmosphere, it is difficult to grow it with better crystallinity. In addition, it can be made p-type, but the resistivity tends to increase and the Vf of the device tends to increase, and the upper cladding layer If a nitride semiconductor containing In is used, the device characteristics are likely to deteriorate. Therefore, preferably, the In composition ratio of the upper clad layer is made smaller than that of the lower clad layer. When the first layers are provided in both clad layers, the first clad layer in the upper clad layer The In composition ratio is made smaller than that of the first layer of the lower clad layer, more preferably, the first layer is provided only in the lower clad layer, and most preferably, the first layer is provided in the lower clad layer. The upper cladding layer is not provided with a nitride semiconductor containing In.
[0060]
Hereinafter, the element structure in each embodiment will be described for layers other than the cladding layer and the guide layer.
(Active layer)
As the active layer in the present invention, an active layer having a single or a plurality of light emitting layers or an active layer having a quantum well structure can be used. In these active layers or light emitting layers, nitride semiconductors containing In are preferably used._xIn_yGa_1-xyA nitride semiconductor represented by N (0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1) is used. For example, in the emission wavelength from ultraviolet to red, In_xGa_1-xBy preferably using N (0 <x ≦ 1) and changing the In composition ratio, the emission wavelength can be changed.
[0061]
In the present invention, preferably, an active layer having a quantum well structure is used to obtain a high-power light-emitting element. In addition, in the emission wavelength region of 375 nm or less, a preferable quantum well structure includes a well layer made of a nitride semiconductor containing at least In and Al, and a barrier layer made of a nitride semiconductor containing Al. Specifically, the band gap energy of the well layer is set to a wavelength of 375 nm or less. At this time, the nitride semiconductor used for the active layer may be any of non-doped, n-type impurity doped, and p-type impurity doped, but preferably non-doped, undoped, or n-type impurity doped nitride semiconductor is provided in the active layer. By providing, nitride semiconductor elements such as laser elements and light emitting elements can achieve high output. Preferably, the well layer is undoped, and the barrier layer is n-type impurity doped, so that the laser element and the light emitting element are elements with high output and high light emission efficiency. Here, the quantum well structure may be either a multiple quantum well structure or a single quantum well structure. Preferably, by using a multiple quantum well structure, it is possible to improve the output and lower the oscillation threshold. As the quantum well structure of the active layer, a structure in which at least one well layer and one barrier layer are stacked can be used. At this time, when the quantum well structure is used, the number of well layers is preferably 1 or more and 4 or less, so that, for example, in a laser element and a light emitting element, the threshold current can be lowered, and more preferably, By adopting a multiple quantum well structure in which the number of well layers is 2 or 3, high-power laser elements and light-emitting elements tend to be obtained.
[0062]
Hereinafter, the well layer and the barrier layer that emit light in the short wavelength region of 375 nm or less in the active layer having the quantum well structure will be described.
[0063]
(Well layer)
As the well layer in the present invention, it is preferable to use a nitride semiconductor containing In and Al, and it has at least one well layer made of a nitride semiconductor containing In and Al in the active layer. In the structure, preferably, all the well layers are well layers made of a nitride semiconductor containing In and Al, so that the wavelength is shortened, and a light-emitting element and a laser element with high output and high efficiency can be obtained. This configuration is preferable when the emission spectrum has a substantially single peak. On the other hand, a multicolor light emitting device having a plurality of peaks has at least one well layer made of a nitride semiconductor containing In and Al. Thus, an emission peak in a short wavelength region can be obtained, and a light emitting device combined with a light emitting element having various emission colors or a phosphor excited in the short wavelength region can be obtained. At this time, in the case of a multicolor light emitting device, the specific composition of the well layer is In_αGa_1-αBy using N (0 <α ≦ 1), a well layer that enables good light emission and oscillation from the ultraviolet region to the visible light region is obtained. At this time, the emission wavelength can be determined by the In mixed crystal ratio.
[0064]
The well layer made of a nitride semiconductor containing In and Al according to the present invention has a wavelength range that is difficult for a conventional InGaN well layer, specifically, a wavelength near 365 nm, which is the bad gap energy of GaN, or a wavelength shorter than that. In particular, it is a well layer having band gap energy capable of emitting and oscillating with a wavelength of 375 nm or less. This is because the In composition ratio of the conventional InGaN well layer needs to be adjusted to about 1% or less in the vicinity of the wavelength band 365 nm of GaN, for example, at 370 nm. If it becomes smaller, the light emission efficiency is lowered, it is difficult to obtain a light emitting element and a laser element with sufficient output, and if the In composition ratio is 1% or less, it is difficult to control the growth. In the present invention, by using a well layer made of a nitride semiconductor containing In and Al, the band gap is increased by increasing the Al composition ratio x in the wavelength region of 375 nm, which has conventionally been difficult to emit light efficiently. By enlarging energy and containing In, on the other hand, it can be used for a light-emitting element or a laser element with good internal quantum efficiency and light emission efficiency.
[0065]
Here, as a specific composition of the nitride semiconductor containing In and Al used for the well layer, Al_xIn_yGa_1-xyN (0 <x <1, 0 <y <1, x + y ≦ 1). This is because, in the vapor phase growth method such as MOCVD used for the growth of nitride semiconductors, when the number of constituent elements increases, a reaction between the constituent elements tends to occur. Therefore, as described above, B, P, As, etc. can be used for multi-elements of a quaternary mixed crystal or more, but preferably by using a quaternary mixed crystal of AlInGaN (x + y <1), the reaction between these elements is prevented and good It can be grown with good crystallinity. Here, by setting the In composition ratio y to 0.02 or more, as compared with the case where the In composition ratio y is less than 0.02 as described above, good light emission efficiency and internal quantum efficiency are realized, and y ≧ 0. Since the efficiency is further improved by setting to 03, a light emitting element and a laser element having excellent characteristics can be obtained in a well layer having a wavelength of 375 nm or less. Further, the upper limit of the In composition ratio y is not particularly limited, but by setting y ≦ 0.1, deterioration of crystallinity due to containing In is suppressed, and more preferably y ≦ 0.05. Thus, the well layer can be formed without deteriorating the crystallinity, and when a plurality of well layers are provided as in the multiple quantum well structure, the crystallinity of each well layer can be improved. Accordingly, the In composition ratio y is preferably in the range of 0.02 or more and 0.1 or less, more preferably in the range of 0.03 or more and 0.05 or less. In the InAlGaN quaternary mixed crystal, It is preferable to apply. Here, the Al composition ratio x is not particularly limited, and a desired band gap energy and wavelength are obtained by changing the Al composition ratio.
[0066]
Al of the present invention_xIn_yGa_1-xyFIG. 5 is a graph showing the relationship between the oscillation wavelength and threshold current density with respect to changes in the In composition ratio y and Al composition ratio x of a nitride semiconductor in a well layer composed of N (0 <x <1, 0 <y <1, x + y <1). 8 and 9. As shown in FIG. 8, the threshold current density J_thShows a downward curve from around 0.02, takes a local minimum in the range of 0.03 to 0.05, and shows an upward trend in a region exceeding 0.05. Further, as shown in FIG. 8, the Al mixed crystal ratio x tends to increase with an increase in the Al mixed crystal ratio x in the range of x ≦ 0.1, and is preferably in the range of 0 <x ≦ 0.6. The threshold current can be lowered. Here, FIG._xIn_yGa_1-xyN well layer (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, x + y <1) and Al_uIn_vGa_1-u-vIn the barrier layer of N (0 <u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v <1), the tendency of each characteristic is qualitatively shown, and the y-axis is an arbitrary unit. Here, the threshold current density J with respect to the In and Al mixed crystal ratio shown in FIGS._thThe dependence of the wavelength λ was measured on the element structure in which the cladding layer, the light guide layer, and the active layer were formed under the following conditions in Example 1. As the upper and lower cladding layers, Al with a thickness of 25 mm_0.1Ga_0.9N and Al with a thickness of 25 mm_0.05Ga_0.95A superlattice multilayer film structure (500 mm) in which 100 layers of N are alternately laminated is formed. At this time, Mg and Si are doped as dopants in one of the clad layers on the p side and the n side, respectively. Undoped Al as light guide layer_0.04Ga_0.96N is formed at 0.15 μm, and Al is used as the active layer._0.15In_0.01Ga_0.84N (200 Å) barrier layer, 100 井戸 well layer, Al_0.15In_0.01Ga_0.84The quantum well structure is formed by laminating N (45 の) barrier layers, and the well layer is made of Al for the dependence of the Al mixed crystal ratio x (x = 0.03, 0.06, 0.08) in FIG._xIn_0.04Ga_0.96-xN, and the dependence of the In mixed crystal ratio y (y = 0.02, 0.03, 0.04, 0.07) in FIG._0.03In_yGa_0.97-yN.
[0067]
In the present invention, it is preferable to provide a band gap energy having a wavelength of 375 nm or less with a well layer of a nitride semiconductor containing Al and In. For this reason, the Al composition ratio x is set to 0.02 or more. Further, in the region where the wavelength of 365 nm or less, which is the band gap energy of GaN, by setting x to 0.05 or more, good light emission and oscillation can be achieved at a short wavelength.
[0068]
Moreover, as the film thickness of the well layer and the number of well layers, the film thickness and the number of well layers can be arbitrarily determined. The specific film thickness is in the range of 1 nm to 30 nm, and tends to be difficult to function well as a well layer with a film thickness of less than 1 nm. It becomes difficult to improve the crystallinity of the growth of the physical semiconductor, and the device characteristics deteriorate. Vf and the threshold current density can be reduced by setting the thickness within the range of preferably 2 nm or more and 20 nm or less. Further, from the viewpoint of crystal growth, when the thickness is 2 nm or more, a layer having a relatively uniform film quality is obtained with no large unevenness in film thickness. It becomes possible. More preferably, by setting the film thickness of the well layer to 3.5 nm or more, there is a tendency to obtain a high-power laser element or light-emitting element. This is because a large current is generated by increasing the film thickness of the well layer. It is thought that this is due to the fact that light recombination is achieved with high emission efficiency and internal quantum efficiency when a large amount of carriers are injected, as in the case of a laser device driven by, particularly in a multiple quantum well structure. It is done. In the single quantum well structure, the same effect as described above can be obtained by setting the film thickness to 5 nm or more. The number of well layers in the active layer is not particularly limited and is 1 or more. At this time, when the number of well layers is 4 or more, if the thickness of each layer constituting the active layer increases, the active layer Since the entire film thickness increases and Vf increases, it is preferable to keep the film thickness of the active layer low by setting the film thickness of the well layer to 10 nm or less. In the multiple quantum well structure, it is to provide at least one well layer having a film thickness in the above range among a plurality of well layers, and preferably to make all the well layers in the above range. Moreover, the film thickness of each well layer may differ and may be substantially the same.
[0069]
The well layer of the present invention may be doped with p-type impurities or n-type impurities, or may be undoped. The impurity doped into the well layer is preferably an n-type impurity, which contributes to the improvement of the light emission efficiency. However, a nitride semiconductor containing In and Al is used for the well layer, and the crystallinity tends to deteriorate as the impurity concentration increases. Therefore, it is preferable to suppress the impurity concentration to a well layer with good crystallinity. . Specifically, in order to maximize the crystallinity, the well layer is grown undoped. At this time, the impurity concentration is 5 × 10 5.¹⁶/ Cm³The well layer is substantially free of impurities. Further, when the well layer is doped with, for example, an n-type impurity, the n-type impurity concentration is 1 × 10 6.¹⁸/ Cm³Below 5 × 10¹⁶/ Cm³When it is doped in the above range, the deterioration of crystallinity can be suppressed, the carrier concentration can be increased, and the threshold current density and Vf can be reduced. At this time, since the n-type impurity concentration of the well layer is approximately the same as or smaller than the n-type impurity concentration of the barrier layer, light emission recombination in the well layer tends to be promoted and light emission output tends to be improved. preferable. At this time, the well layer and the barrier layer may be grown undoped to constitute a part of the active layer. In the multiple quantum well structure in which a plurality of well layers are provided in the active layer, the impurity concentration of each well layer may be substantially the same or different.
[0070]
In particular, when the device is driven with a large current (high output LD, high power LED, super luminescence diode, etc.), the well layer is undoped and substantially free of n-type impurities. The recombination of carriers is promoted, and light emission recombination with high efficiency is realized. Conversely, when the n-type impurity is doped in the well layer, the carrier concentration in the well layer is high, so the probability of light emission recombination decreases. However, a vicious circle that causes an increase in driving current and driving current occurs under a constant output, and the reliability (element life) of the element tends to decrease. Therefore, in such a high-power element, the n-type impurity concentration of the well layer is at least 1 × 10¹⁸/ Cm³A nitride semiconductor device capable of high-power and stable driving can be obtained by setting the concentration to be as follows, and preferably by setting the concentration to be undoped or substantially free of n-type impurities. Further, in a laser element in which an n-type impurity is doped in the well layer, the spectral width of the peak wavelength of the laser light tends to be widened.¹⁸/ Cm^ThreeOr less, preferably 1 × 10¹⁷/ Cm³It is as follows.
[0071]
(Barrier layer)
In the present invention, the composition of the barrier layer is to use a barrier layer made of a nitride semiconductor containing Al. Here, in the active layer of the present invention, at least one barrier layer in the active layer is required to be made of a nitride semiconductor containing Al, and all the barrier layers in the active layer are made of Al. It may be made of a nitride semiconductor containing, or a barrier layer made of a nitride semiconductor not containing Al may be provided in the active layer. The barrier layer needs to be a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the well layer. In the region where the emission wavelength of the well layer is 375 nm or less, a nitride semiconductor containing Al is used for the corresponding barrier layer. It is preferable. As a barrier layer of a nitride semiconductor containing Al, preferably Al_uIn_vGa_1-u-vA nitride semiconductor represented by N (0 <u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v <1) is used. Specifically, AlInGaN quaternary mixed crystal and AlGaN ternary mixed crystal represented by the above composition formula can be used for the barrier layer of the nitride semiconductor containing Al. Further, the Al composition ratio u of the barrier layer is larger than the Al composition ratio x of the well layer of the nitride semiconductor containing Al and In, and when u> x, a sufficient band gap energy is provided between the well layer and the barrier layer. By providing the difference, a quantum well structure having good light emission efficiency as a laser element and a light emitting element is formed.
[0072]
When the barrier layer contains In (v> 0), the In composition ratio v is preferably Al._uIn_vGa_1-u-vIn the case of N (0 <u <1, 0 <v <1, u + v <1), a favorable barrier layer is obtained by setting the In composition ratio v ≦ 0.3. This is because, unlike the well layer, it is not a light emitting layer, and therefore, the In composition ratio does not directly affect the light emission efficiency. On the other hand, if it exceeds 0.3, the quaternary mixed crystal is greatly deteriorated in crystallinity and affects the crystallinity of adjacent well layers. More preferably, by making it 0.1 or less, deterioration of crystallinity can be suppressed, and more preferably, a range of 0.05 or less can be applied. This is because when the In composition ratio v exceeds 0.1, the reaction between Al and In is promoted during growth, the crystallinity deteriorates and a good film is not formed, and v ≦ 0. By setting it to 05, the barrier layer can be formed with better crystallinity. Further, by setting y ≧ v for the In composition ratio y of the well layer and the In composition ratio v of the barrier layer, the reaction between Al and In can be suppressed in both the well layer and the barrier layer. A well structure is formed. In addition, as described above, the In composition ratio of the barrier layer can be wider than that of the well layer, and a band gap energy difference is mainly provided by the Al composition ratio. With such an In composition ratio, the critical film thickness of the well layer and the barrier layer can be changed, the film thickness can be set relatively freely in the quantum well structure, and the active layer having desired characteristics Can design.
[0073]
In the active layer having the quantum well structure, the barrier layer may be formed alternately with the well layer, or a plurality of barrier layers may be provided for one well layer. Specifically, the number of barrier layers sandwiched between well layers is two or more, and a structure in which barrier layers and well layers of a multilayer film are alternately stacked can also be provided.
[0074]
Further, the barrier layer may be doped with p-type impurities and n-type impurities, or may be non-doped, like the well layer described above, but preferably is doped with n-type impurities, or is undoped or undoped. It is said that. At this time, when the barrier layer is doped with, for example, an n-type impurity, the concentration is at least 5 × 10¹⁶/ Cm³That is why it is doped. Specifically, in the case of an LED, for example, 5 × 10¹⁶/ Cm³2 × 10 or more¹⁸/ Cm³It has n-type impurities in the following range, and 5 × 10 5 for higher output LEDs and higher output LDs.¹⁷/ Cm³1 × 10 or more²⁰/ Cm³The following range, preferably 1 × 10¹⁸/ Cm³5 × 10 or more¹⁹/ Cm³It is preferable to be doped in the following range. When the barrier layer is doped at such a high concentration, it is preferable that the well layer does not substantially contain n-type impurities or is grown undoped. Further, when the n-type impurity is doped in the barrier layer, all the barrier layers in the active layer may be doped, or a part may be doped and a part may be undoped. When some of the barrier layers are doped with n-type impurities, it is preferable to dope the barrier layers arranged on the n-type layer side in the active layer, specifically, counting from the n-type layer side Doping the nth barrier layer Bn (n = 1, 2, 3...) allows electrons to be efficiently injected into the active layer, resulting in an element with excellent light emission efficiency and internal quantum efficiency. This applies not only to the barrier layer but also to the well layer. For example, when doping the well layer and the barrier layer, the nth barrier layer B counted from the n-type layer is used._n(N = 1, 2, 3...), M-th well layer W_mDoping (m = 1, 2, 3...), That is, doping from the side close to the n-type layer, tends to provide the above effect.
[0075]
In addition, as shown in the examples described later, when an Mg-doped p-side electron confinement layer is provided, especially when it is provided in contact with the active layer and / or the barrier layer, Mg diffuses, When an n-type impurity is doped in the p-side barrier layer disposed on the most p-type layer side, both conductivity-type impurities are doped, and the function of the active layer tends to deteriorate. Therefore, when an Mg-doped p-side electron confinement layer is provided, this p-side barrier layer is preferably substantially free of n-type impurities, and this can be avoided.¹⁶/ Cm³To be less than.
[0076]
Although it does not specifically limit as a film thickness of a barrier layer, It is forming a quantum well structure as 50 nm or less, Preferably it is the range of 1 nm or more and 30 nm or less similarly to a well layer, and this shall be 30 nm or less. This is because by suppressing the deterioration of crystallinity to 1 nm or more, the film thickness can function well as a barrier layer. More preferably, the thickness is 2 nm or more and 20 nm or less. With this, a relatively uniform film is formed when the thickness is 2 nm or more, and the function of the barrier layer is better, and the crystallinity is reduced when the thickness is 20 nm or less. It will be good.
[0077]
In the active layer of the quantum well structure of the present invention, as a preferred embodiment, the quaternary mixed crystal Al is used._xIn_yGa_1-xyA well layer composed of N (0 <x <1, 0 <y <1, x + y <1) and quaternary mixed crystal Al_uIn_vGa_1-u-vN (0 <u <1, 0 <v <1, u + v <1) or ternary mixed crystal Al_uGa_1-uAnd one or more pairs of barrier layers made of N (0 <u <1). Specifically, as shown as an active layer 28 in FIG. 7, one or more InAlGaN well layers 1 and one or more InAlGaN or AlGaN barrier layers 2 are provided, whereby a nitride containing In is obtained. The semiconductor well layer provides a well layer with excellent internal quantum efficiency and light emission efficiency. Further, by adjusting the Al composition ratio with a nitride semiconductor containing Al, light emission in a short wavelength region of 375 nm or less is possible. Can be a well layer. In addition, by using InAlGaN or AlGaN as the barrier layer 2 having a larger band gap energy than the well layer 1, an excellent barrier layer can be provided even in the short wavelength region.
[0078]
(Carrier confinement layer <p-side electron confinement layer>)
In the present invention, as shown in the band structure 41 of FIGS. 3 and 4, a carrier confinement layer 29 may be provided in the active layer 27 or in the vicinity of the active layer. As shown in the figure, in the case of a structure having light guide layers 27 and 30 and cladding layers 13 and 14 such as a laser element and an edge emitting element, between the light guide layers 27 and 30 and the active layer 27, Alternatively, it may be provided as part of the active layer or the light guide layer. Here, the carrier confinement layer confines carriers in the active layer or the well layer. In a laser element, a high-power light-emitting element, etc., the carrier is activated by an increase in temperature and current density due to element driving. It is possible to prevent the carrier from overflowing, and the carrier can be efficiently injected into the active layer. Specifically, as shown in FIG. 4, carriers from the first conductivity type layer are confined by the carrier confinement layer 29 b arranged on the second conductivity type layer 12 side, so that the carriers on the first conductivity type layer side are confined. Carriers from the second conductivity type layer are confined by the confinement layer 29a. The carrier confining layer is preferably provided on at least one side. As shown in Example 1, in the element in which the first conductivity type layer is n-type and the second conductivity type layer is p-type, at least the p-type layer is used. It is preferred to provide a carrier confinement layer on the side. This is because, in a nitride semiconductor, the diffusion length of electrons is longer than the diffusion length of holes, so that electrons are more likely to overflow the active layer, so that the carrier confinement layer 29 for confining electrons is placed on the p-type layer side. By providing, a high output laser element and light emitting element can be obtained. Hereinafter, an example in which the p-type layer side carrier confinement layer is provided as a p-side electron confinement layer will be described, but this can also be applied to the n-type layer side by replacing the conductive type layer. In particular, it is preferable to provide at least a p-side electron confinement layer, because electrons have a longer carrier diffusion length than holes and easily overflow the active layer.
[0079]
As this p-side electron confinement layer, a nitride semiconductor containing Al is used, specifically, Al._cGa_1-cN (0 <c <1) is used. At this time, the Al composition ratio c needs to have a sufficiently larger band gap energy (take an offset) than the active layer so as to function as a carrier confinement layer, and at least in a range of 0.1 ≦ c <1. Preferably, the range is 0.2 ≦ c <0.5. This is because when c is 0.1 or less, the laser element does not function as a sufficient electron confinement layer, and when it is 0.2 or more, electron confinement (carrier confinement) is sufficiently performed, and carrier overflow occurs. In addition, if it is 0.5 or less, it is possible to grow while suppressing generation of cracks to be low, and it is possible to grow with good crystallinity by setting c to 0.35 or less. In addition, when the optical guide layer is included, it is preferable to use a carrier having a larger band gap energy as the confinement layer. When the cladding layer is included, the carrier is substantially the same as or larger than the cladding layer. The band gap energy carrier is used as a confinement layer. This is because, for confinement of carriers, a nitride semiconductor having a mixed crystal ratio higher than that of the clad layer that confines light is required. This p-side electron confinement layer can be used in the nitride semiconductor device of the present invention. In particular, when driving with a large current and injecting a large amount of carriers into the active layer as in a laser device, the p-side electron confinement layer is used. Compared with the case where the electron confinement layer is not provided, effective carrier confinement is possible, and it can be used not only for a laser element but also for a high-power LED.
[0080]
The thickness of the carrier confinement layer of the present invention is at least 100 nm or less, preferably 40 nm or less. This is because the nitride semiconductor containing Al has a larger bulk resistance than other nitride semiconductors not containing Al, and the Al mixed crystal ratio of the p-side electron confinement layer is set high as described above. Therefore, if it is provided in the element beyond 100 nm, it becomes an extremely high resistance layer, which causes a significant increase in the forward voltage Vf. If it is 40 nm or less, the increase in Vf can be kept low. More preferably, the thickness can be further reduced to 20 nm or less, and carriers from the p side are efficiently injected into the active layer by the tunnel effect. Here, the lower limit of the thickness of the p-side electron confinement layer is at least 1 nm or more, preferably 5 nm or more, so that it functions well as electron confinement. Here, the carrier confinement layer may be formed of a single film or a multilayer film having a different composition.
[0081]
Further, in the nitride semiconductor device of the present invention, when only the clad layer is provided without providing the light guide layer, the band offset sufficient for confining carriers as described above between the active layer and the clad layer. However, it is not necessary to provide a carrier confinement layer separately from the cladding layer. However, when the cladding layer is arranged apart from the active layer as in the structure having the light guide layer, the active layer is not active. A confinement layer for carriers is preferably provided between the layer and the cladding layer, preferably in the vicinity of the active layer. This is because the effect of suppressing the carrier overflow is lost when a carrier confinement layer is provided at a position away from the active layer. Specifically, the distance between the active layer and the p-side electron confinement layer (carrier confinement layer) functions as carrier confinement by setting the distance to 100 nm or less, and more preferably, the distance from the active layer to 500 p or less is good. The carrier can be confined. When the confinement layer is disposed outside the active layer, the carrier is most preferably confined in the active layer by placing it in contact with the active layer. In the case of being arranged inside the active layer, it can be provided as a barrier layer or a part thereof, specifically, in the active layer, at the position closest to each conductivity type layer, that is, the outermost layer in the active layer As a result, carriers are efficiently injected into the well layer inside the active layer.
[0082]
The p-side electron confinement layer (carrier confinement layer) of the present invention may be undoped or may be doped with p-type impurities (impurities of each conductivity type). Preferably, impurities of each conductivity type are doped. For example, p-type impurities are doped in the p-side electron confinement layer, and this can increase carrier mobility and reduce Vf. Because. Further, when driving with a large current such as a laser element or a high power LED, it is preferable to dope at a high concentration in order to increase the mobility of carriers. The specific doping amount is at least 5 × 10¹⁶/ Cm³By doping above, preferably 1 × 10¹⁸/ Cm³In the case of the large current drive element, 1 × 10¹⁸/ Cm³Or more, preferably 1 × 10¹⁹/ Cm³The above is to dope. The upper limit of the p-type impurity amount is not particularly limited, but is 1 × 10²¹/ Cm³It is as follows. However, when the amount of p-type impurities increases, the bulk resistance tends to increase, and as a result, Vf increases. Therefore, in order to avoid this, it is preferable that the minimum carrier mobility can be ensured. P-type impurity concentration. It is also possible to form a carrier confinement layer by undoping and dope by impurity diffusion from an adjacent layer.
[0083]
When a p-type carrier confinement layer is provided on the n side, it is not necessary to provide a large band offset between the active layer and the barrier layer as in the p-side electron confinement layer. This is because, when a voltage is applied to the device, the offset for confining electrons becomes small and a nitride semiconductor confinement layer having a large Al composition ratio is required. It is not necessary to increase the Al composition ratio as much as the buried layer. Specifically, the n-side barrier layer disposed on the most n side in the active layer can function as a hole confinement layer. In particular, when the film thickness is 10 nm or more, excellent hole closure is achieved. It has a function to store. That is, as shown in the embodiment, the n-side barrier layer 2a can suitably bring out the function of confining carriers by increasing the film thickness as compared with other barrier layers. This is because, in the multi-quantum well structure, the other barrier layers 2b and 2c are sandwiched between the well layers, so that increasing the film thickness may prevent carriers from being efficiently injected into the well layer. On the other hand, since the n-side barrier layer 2a is formed without being sandwiched between the well layers, the carrier confinement function is strengthened, so that a favorable active layer structure is obtained. The n-side barrier layer is preferably the outermost layer in the active layer, so that the carrier confinement functions effectively, and the upper limit of the film thickness is not particularly limited, but should be 30 nm or less. It may be formed of a multilayer film. Similarly, in the single quantum well structure, by causing the n-side barrier layer 2a to function as carrier confinement, carriers can be preferably injected into the well layer.
[0084]
In the nitride semiconductor laser device and edge emitting device of the present invention, as shown in the embodiment, after a ridge is provided as a striped waveguide, an insulating film serving as a buried layer is formed on the side surface of the ridge. At this time, as the buried layer, the material of the second protective film is a material other than SiO2, preferably at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta It is desirable to use at least one of oxides containing Si, SiN, BN, SiC, and AlN, and among these, oxides of Zr and Hf, BN, and SiC are particularly preferable. Further, as the buried layer, a semi-insulating, i-type nitride semiconductor, a conductivity type opposite to the ridge portion, and in the embodiment, an n-type nitride semiconductor can be used, which includes Al such as AlGaN. By providing a refractive index difference with a nitride semiconductor or functioning as a current blocking layer, confinement of light in the lateral direction is realized, and by providing a difference in optical absorption coefficient with a nitride semiconductor containing In, Optical properties are realized. . Further, without providing a ridge by etching or the like, ions such as B and Al can be implanted to form a non-implanted region in a stripe shape and a region through which a current flows.
[0085]
Further, by setting the ridge width to 1 μm or more and 3 μm or less, an excellent spot-shaped or beam-shaped laser beam can be obtained as a light source for an optical disc system.
[0086]
【Example】
[Example 1]
Hereinafter, as an example, a laser element using a nitride semiconductor will be described with respect to the laser element structure shown in FIG. 1 and the waveguide structure shown in FIG. Here, an n-type nitride semiconductor is formed as the first conductivity type layer and a p-type nitride semiconductor is formed as the second conductivity type layer. However, the present invention is not limited to this, and conversely the first conductivity type. The layer may be p-type and the second conductivity type layer may be n-type.
[0087]
Here, although the GaN substrate is used in this embodiment, a different substrate different from the nitride semiconductor may be used as the substrate. Examples of the heterogeneous substrate include sapphire and spinel (MgA1) whose main surface is any one of the C-plane, R-plane, and A-plane.₂O_FourIt is possible to grow a nitride semiconductor such as an insulating substrate such as SiC (including 6H, 4H, 3C), ZnS, ZnO, GaAs, Si, and an oxide substrate lattice-matched with a nitride semiconductor. A substrate material different from that of a nitride semiconductor can be used. Preferable heterogeneous substrates include sapphire and spinel. Further, the heterogeneous substrate may be off-angle, and in this case, it is preferable to use a step-off-angle substrate because the growth of the underlying layer made of gallium nitride grows with good crystallinity. Further, when a heterogeneous substrate is used, a nitride semiconductor as a base layer before forming the element structure is grown on the heterogeneous substrate, and then the heterogeneous substrate is removed by a method such as polishing to obtain a single substrate of the nitride semiconductor An element structure may be formed, or a method of removing the heterogeneous substrate after the element structure is formed may be used. In addition to the GaN substrate, a nitride semiconductor substrate such as AlN may be used. A nitride semiconductor substrate can be used as the substrate.
[0088]
When a heterogeneous substrate is used, an element structure is formed through a base layer made of a buffer layer (low temperature growth layer) and a nitride semiconductor (preferably GaN), and the nitride semiconductor grows well. . In addition, if a nitride semiconductor grown in ELOG (Epitaxially Laterally Overgrowth) or a lateral growth layer is used as a base layer (growth substrate) provided on a different substrate, a growth substrate with good crystallinity can be obtained. As a specific example of the ELOG layer, a nitride semiconductor layer is grown on a different substrate, a mask region formed by providing a protective film on the surface of which a nitride semiconductor is difficult to grow, and a nitride semiconductor are grown. A non-mask region to be formed is provided in a stripe shape, and a nitride semiconductor is grown from the non-mask region. There is also a layer formed by growing a nitride semiconductor. In another form, the nitride semiconductor layer grown on the different kind of substrate may be provided with an opening, and the film may be formed by lateral growth from the side of the opening.
[0089]
(Substrate 101) A nitride semiconductor grown on a heterogeneous substrate, GaN in this embodiment as a substrate, is grown as a thick film (100 μm), and then the heterogeneous substrate is removed and a nitride semiconductor made of 80 μm GaN. A substrate is used. A detailed method of forming the substrate is as follows. A heterogeneous substrate made of sapphire with a 2-inch φ and C-plane as the main surface is set in a MOVPE reaction vessel, and the temperature is set to 500 ° C., and trimethylgallium (TMG), ammonia (NH_Three) Is used to grow a low-temperature growth buffer layer made of GaN with a thickness of 200 mm, and then the temperature is raised to grow undoped GaN with a thickness of 1.5 μm as a base layer. Next, a plurality of striped masks are formed on the surface of the underlying layer, and a nitride semiconductor, GaN in this embodiment is selectively grown from the mask opening (window), and growth accompanied by lateral growth (ELOG) ) To form a nitride semiconductor layer (lateral growth layer), and then grow GaN with a thickness of 100 μm by HVPE to remove the heterogeneous substrate, buffer layer, and underlying layer, A nitride semiconductor substrate is obtained.
[0090]
At this time, the mask during selective growth is SiO.₂The threading dislocation can be reduced by setting the mask width to 15 μm and the opening (window) width to 5 μm. Specifically, the threading dislocations are reduced in the laterally grown region such as the upper part of the mask, and the film is formed by almost the film thickness growth in the mask opening. This is a layer in which large regions and small regions are distributed. For the formation of the thick nitride semiconductor layer, the HVPE method is preferable because the growth rate can be increased. When the thick film is formed by HVPE, each of the domains grown from the generated nucleus grows in the film thickness direction. There is a tendency to form a three-dimensional growth form in which domains are bonded to each other. In such a case, threading dislocations propagate along with the nucleus growth. Tend to be dispersed. As a nitride semiconductor grown by HVPE, if GaN or AlN is used, a thick film can be grown with good crystallinity.
[0091]
Subsequently, a lateral growth layer similar to the above is further formed on the GaN substrate to form a base layer (not shown).
[0092]
(Buffer layer 102) On the nitride semiconductor substrate 101 and the base layer, the temperature is set to 1050 ° C., and TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), ammonia is used, and Al is used._0.05Ga_0.95A buffer layer 102 made of N is grown to a thickness of 4 μm. This Al_xGa_1-xThe N (0 <x ≦ 1) layer functions as a buffer layer between the nitride semiconductor substrate made of GaN and can reduce pits, and the same applies to the n-side contact layer of AlGaN.
[0093]
Specifically, when the laterally grown layer or the substrate formed using the laterally grown layer is GaN, Al is a nitride semiconductor having a smaller thermal expansion coefficient than that._aGa_1-aBy using the buffer layer 102 made of N (0 <a ≦ 1), pits can be reduced. Preferably, it is provided on GaN which is a laterally grown layer of a nitride semiconductor. Further, when the Al mixed crystal ratio a of the buffer layer 102 is 0 <a <0.3, the buffer layer can be formed with good crystallinity. This buffer layer may be formed as an n-side contact layer. After the buffer layer 102 is formed, an n-side contact layer represented by the composition formula of the buffer layer is formed, and the buffer layer 102 and n thereon are formed. The side contact layer 104 may also have a buffer effect. That is, the buffer layer 102 is a nitride semiconductor substrate using lateral growth, or between a lateral growth layer formed thereon and an element structure, or an active layer and lateral growth layer (substrate in the element structure). ) Or a laterally grown layer (substrate) formed thereon, more preferably at least 1 between the substrate side in the device structure, the lower cladding layer and the laterally grown layer (substrate). By providing more than one layer, pits can be reduced and device characteristics can be improved.
[0094]
When the n-side contact layer is a buffer layer, the Al mixed crystal ratio a of the n-side contact layer is preferably 0.1 or less so that a good ohmic contact with the electrode can be obtained. The buffer layer provided on the first nitride semiconductor layer or the laterally grown layer formed on the first nitride semiconductor layer is grown at a low temperature of 300 ° C. or more and 900 ° C. or less, similarly to the buffer layer provided on the different substrate described above. Alternatively, the growth may be performed at a temperature of 800 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, and when the single crystal is grown preferably at a temperature of 800 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, the above-described pit reduction effect tends to be obtained. This buffer layer may be doped with n-type and p-type impurities, or may be undoped, but is preferably formed undoped in order to improve the crystallinity. When two or more buffer layers are provided, the n-type and p-type impurity concentrations and the Al mixed crystal ratio can be changed.
[0095]
As described above, when the AlGaN layer is provided between the substrate and the lower cladding layer as a buffer layer, a contact layer, etc., the first layer of the present invention is provided in the lower cladding layer, so that the AlGaN layer is formed. A pit reduction effect and a crack prevention effect by the first layer are obtained.
[0096]
Next, each layer which becomes an element structure is laminated | stacked on the base layer which consists of nitride semiconductors. Here, the n-side contact layer 103 to the n-side light guide 106 are provided as the first conductivity type layer, and the p-side electron confinement layer 108 to the p-side contact layer 111 are provided as the second conductivity type layer.
[0097]
(N-side contact layer 103)
Next, TMG, TMA, ammonia, Si-doped Al at 1050 ° C. using TMG, TMA, ammonia, and impurity gas on the obtained buffer layer 102_0.05Ga_0.95An n-side contact layer 103 made of N is grown to a thickness of 4 μm.
[0098]
(N-side cladding layer [lower cladding layer 13])
Here, the first layer 104 and the second layer 105 are formed as the n-side cladding layer 13.
<First Layer 104 (25)> Next, TMG, TMA, TMI (trimethylindium), and ammonia were used, the temperature was set to 800 ° C., and Al was used._0.14In_0.06Ga_0.8A first layer 104 made of N is grown to a thickness of 0.05 μm.
[0099]
<Second layer 105 (26)> Next, the temperature is set to 1050 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, and undoped Al is used._0.12Ga_0.88A layer of N is grown to a thickness of 25 mm, then TMA is stopped, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10 5¹⁸/ Cm³Doped Al_0.02Ga_0.98A B layer made of N is grown to a thickness of 25 mm. Then, the operation of alternately laminating the A layer and the B layer is repeated 120 times to laminate the A layer and the B layer, and the second layer 105 made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 0.6 μm is formed. Grow.
[0100]
(N-side light guide layer 106 [lower light guide layer 27]) Next, at the same temperature, TMG and ammonia were used as source gases, and Si-doped Al_0.03Ga_0.97The n-side light guide layer 106 is formed with a thickness of 0.15 μm, and the light guide layer is provided as a single film.
[0101]
(Active layer 107) Next, the temperature is set to 800 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and TMA are used as source gases, and Si-doped Al is used._0.1Ga_0.9A barrier layer made of N, on which an undoped In_0.03Al_0.02Ga_0.95As shown in FIG. 3, N well layers are stacked in the order of barrier layer 2a / well layer 1a / barrier layer 2b / well layer 1b / barrier layer 2c. At this time, the barrier layer 2a is formed with a thickness of 200 mm, the barrier layers 2b and 2c are formed with a thickness of 40 mm, and the well layers 1a and 1b are formed with a thickness of 70 mm. The active layer 107 has a multiple quantum well structure (MQW) with a total film thickness of about 420 mm.
[0102]
(P-side electron confinement layer 108 (carrier confinement layer 29)) Next, at the same temperature, TMA, TMG and ammonia are used as source gases, Cp2Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used as impurity gas, Mg 1 × 10¹⁹/ Cm³Doped Al_0.3Ga_0.7A p-side electron confinement layer 108 made of N is grown to a thickness of 10 nm. Although this layer does not need to be provided in particular, it functions as an electron confinement and contributes to lowering the threshold.
[0103]
(P-side light guide layer 109 (upper light guide layer 30)) Next, the temperature was set to 1050 ° C., TMG and ammonia were used as source gases, and Mg-doped Al_0.03Ga_0.97The p-side light guide layer 109 is formed with a thickness of 0.15 μm made of N, and the light guide layer is provided as a single film.
[0104]
The p-side light guide layer 109 is doped with Mg by diffusion of Mg from adjacent layers such as the p-side electron confinement layer 108 and the p-side cladding layer 109. And can.
[0105]
<P-side cladding layer 110 (upper cladding layer 14)> Subsequently, undoped Al at 1050 ° C._0.12Ga_0.88A layer of N is grown to a thickness of 25 mm, followed by Cp₂Using Mg, Mg doped Al_0.02Ga_0.98The B layer made of N is grown to a thickness of 25 mm, and the operation of alternately laminating the A layer and the B layer is repeated 100 times to grow the p-side cladding layer 110 made of a superlattice multilayer film having a total thickness of 0.5 μm. Let Here, as shown in FIG. 4A, only the second layer 31 is formed as the p-side cladding layer 14.
(P-side contact layer 112) Finally, 1 × 10 5 Mg was deposited on the p-side cladding layer 110 at 1050 ° C.²⁰/ Cm³A p-side contact layer 112 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 150 mm. The p-side contact layer 112 is p-type In_xAl_yGa_1-xyN (0.ltoreq.x, 0.ltoreq.y, x + y.ltoreq.1), preferably GaN doped with p-type impurities or AlGaN having an Al composition ratio of 0.3 or less. A preferred ohmic contact is obtained, and the best ohmic contact is possible with GaN being most preferred. Since the contact layer 112 is a layer for forming an electrode, 1 × 10¹⁷/ Cm³It is desirable to have the above high carrier concentration. 1 × 10¹⁷/ Cm³If it is lower than that, it tends to be difficult to obtain a preferable ohmic with the electrode. Furthermore, when the composition of the contact layer is GaN, a preferable ohmic with the electrode material is easily obtained. After the completion of the reaction, the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.
[0106]
After growing the nitride semiconductor as described above and laminating each layer, the wafer is taken out of the reaction vessel, and the surface of the uppermost p-side contact layer is made of SiO.₂A protective film is formed, and SiCl is formed using RIE (reactive ion etching)._FourEtching with a gas exposes the surface of the n-side contact layer 103 where the n-electrode is to be formed, as shown in FIG. In order to etch a nitride semiconductor deeply in this way, a protective film is SiO.₂Is the best.
[0107]
Next, a ridge stripe is formed as the above-described stripe-shaped waveguide region. First, Si oxide (mainly SiO 2) is formed on almost the entire surface of the uppermost p-side contact layer (upper contact layer) by a PVD apparatus.₂) Is formed to a thickness of 0.5 μm, a mask having a predetermined shape is put on the first protective film, and CF is performed by an RIE (reactive ion etching) apparatus._FourA first protective film 161 having a stripe width of 1.6 μm is formed by gas using a photolithography technique. At this time, the height (etching depth) of the ridge stripe is such that the p-side contact layer 112, the p-side cladding layer 110, and a part of the p-side light guide layer 109 are etched to form a film of the p-side light guide layer 109. It is formed by etching to a depth at which the thickness becomes 0.1 μm.
[0108]
Next, after forming the ridge stripe, a Zr oxide (mainly ZrO) is formed on the first protective film 161.₂The second protective film 162 is formed continuously on the first protective film and on the p-side light guide layer 109 exposed by etching with a film thickness of 0.5 μm.
[0109]
After the formation of the second protective film 162, the wafer is heat-treated at 600 ° C. In this way SiO₂When a material other than the above is formed as the second protective film, by performing a heat treatment at 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher and below the decomposition temperature of the nitride semiconductor (1200 ° C.) after the second protective film is formed, Since the second protective film is difficult to dissolve in the dissolving material (hydrofluoric acid) of the first protective film, it is more desirable to add this step.
[0110]
Next, the wafer is immersed in hydrofluoric acid, and the first protective film 161 is removed by a lift-off method. As a result, the first protective film 161 provided on the p-side contact layer 112 is removed, and the p-side contact layer is exposed. As described above, as shown in FIG. 1, the second protective film (embedded layer) 162 is formed on the side surface of the ridge stripe and the plane continuous therewith (the exposed surface of the p-side light guide layer 109). .
[0111]
Thus, after the first protective film 161 provided on the p-side contact layer 112 is removed, the exposed surface of the p-side contact layer 112 is made of Ni / Au as shown in FIG. A p-electrode 120 is formed. However, the p-electrode 120 has a stripe width of 100 μm and is formed over the second protective film 162 as shown in FIG. After the formation of the second protective film 162, a striped n-electrode 121 made of Ti / Al is formed in a direction parallel to the stripe on the surface of the n-side contact layer 103 that has already been exposed.
[0112]
Next, in order to form an n-electrode, the p and n-electrodes are etched and exposed on the exposed surface, and a desired region is masked to provide a take-out electrode.₂And TiO₂After providing the dielectric multilayer film 164 formed, the take-out (pad) electrodes 122 and 123 made of Ni—Ti—Au (1000 to 1000 to 8000) were provided on the p and n electrodes, respectively. At this time, the width of the active layer 107 is 200 μm (width in the direction perpendicular to the resonator direction), and SiO 2 is also formed on the resonator surface (reflection surface side).₂And TiO₂A dielectric multilayer film is provided. After forming the n-electrode and the p-electrode as described above, a bar is formed on the nitride semiconductor M-plane (GaN M-plane, (1 1-0 0), etc.) in a direction perpendicular to the stripe-shaped electrode. Then, a bar-shaped wafer is further divided to obtain a laser element. At this time, the resonator length is 650 μm. When forming the bar shape, the cleavage plane may be cleaved in the waveguide region sandwiched between the etching end faces, and the obtained cleavage plane may be used as a resonator plane. Alternatively, a pair of resonator surfaces may be formed, one of which is an etching end surface and the other is a cleavage surface. Further, a reflective film made of a dielectric multilayer film is provided on the resonance surface of the etching end face. However, a reflection film may be provided on the resonator surface of the cleavage surface after the cleavage. When further dividing the bar-shaped wafer, the cleavage plane of the nitride semiconductor (single substrate) can be used, and the nitride semiconductor (GaN) perpendicular to the cleavage plane when cleaved into a bar shape is hexagonal. The chip may be taken out by cleaving at the M-plane and A-plane ({1010}) approximated by the above, and the A-plane of a nitride semiconductor may be used when cleaving into a bar shape.
[0113]
At this time, as the reflective film, SiO₂TiO₂, ZrO₂, ZnO, Al₂O₃, MgO, and polyimide, and may be a multilayer film laminated with a film thickness of λ / 4n (λ is the wavelength, n is the refractive index of the material), or only one layer may be used. You may make it function also as a surface protective film which prevents exposure of a resonator end surface simultaneously with a reflecting film. In order to function as a surface protective film, it is preferable to form with a film thickness of λ / 2n. In the element processing step, a laser element may be used in which the etching end face is not formed, that is, only the n-electrode formation surface (n-side contact layer) is exposed and the pair of cleaved surfaces are the resonator surfaces.
[0114]
The obtained laser element is a nitride semiconductor element that continuously oscillates at a wavelength of 370 nm at room temperature. Moreover, although the nitride semiconductor containing Al, such as AlGaN, is used for the light guide layer and the clad layer, the element structure is formed without the occurrence of cracks by providing the first layer in the n-side clad layer. Further, in the n-side cladding layer, since the refractive index of the first layer is smaller than that of the first layer disposed on the active layer side, good light confinement is realized, and light to the substrate side can be realized. Reduce leakage and F. P. Can be obtained. The n-side and p-side light guide layers are made of AlGaN having an average Al composition ratio of 0.03, and the band gap energy E of the upper light guide layer and the lower light guide layer._gAnd photon energy E of the laser beam (emission wavelength of the active layer)_pDifference from E_g-E_pHowever, a waveguide having 0.05 eV or more is formed.
[0115]
In this embodiment, AlGaN, which is a nitride semiconductor containing Al, is used in the contact layer under the lower cladding layer, but the first layer in the lower cladding layer can improve crystallinity and generate cracks. Can be suppressed. Similarly, in the case of using a nitride semiconductor contact layer containing Al for the upper cladding layer and the contact layer (p-side contact layer) thereon, a second layer is provided as the upper cladding layer to provide a crystal. Can improve sex. That is, by providing the second layer on the upper and lower cladding layers between the active layer and the contact layer of the nitride semiconductor containing Al, the contact layer includes a nitride semiconductor containing Al such as AlGaN. Thus, an element structure in which deterioration of crystallinity due to use of the element is suppressed can be obtained. At this time, in the first layer and the second layer, the In mixed crystal ratio of the first layer is also reduced in the nitride semiconductor containing Al in the contact layer, as in the case of reducing the In mixed crystal ratio of the second layer. It is preferable to make it smaller than the crystal ratio, and it is more preferable to use AlGaN containing no In.
[0116]
[Example 2]
In Example 1, a laser element is obtained in the same manner as in Example 1 except that the active layer is formed as follows.
[0117]
(Active layer 107)
Si-doped In_0.01Al_0.1Ga_0.89A barrier layer made of N, on which an undoped In_0.03Al_0.02Ga_0.95N well layers are stacked in the order of barrier layer 2a / well layer 1a / barrier layer 2b / well layer 1b / barrier layer 2c. At this time, as shown in FIG. 7, the barrier layer 2a is formed with a thickness of 200 mm, the barrier layers 2b and 2c are formed with a thickness of 40 mm, and the well layers 1a and 1b are formed with a thickness of 70 mm. The active layer 107 has a multiple quantum well structure (MQW) with a total film thickness of about 420 mm.
[0118]
The obtained laser element is a nitride semiconductor element that continuously oscillates at a wavelength of 370 nm at room temperature, as in the first embodiment.
[0119]
[Example 3]
In Example 1, a laser element is obtained in the same manner as in Example 1 except that the active layer, the light guide layer, and the cladding layer are formed as follows.
[0120]
(N-side cladding layer (lower cladding layer 25))
As the n-side cladding layer, the first layer 104 and the second layer 105 are formed.
<Second layer 105>
Al_0.3In_0.06Ga_0.64A first layer 104 made of N is grown to a thickness of 0.05 μm.
<First layer 104>
Undoped Al with a thickness of 25 mm_0.3Ga_0.7A layer made of N and Al doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si with a thickness of 25 mm_0.2Ga_0.8The operation of alternately laminating the B layers made of N is repeated 120 times to laminate the A layers and the B layers, and the n-side cladding layer 106 made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 0.6 μm is formed. Form.
[0121]
(N-side light guide layer 106 (lower light guide layer 27)) Si-doped Al_0.1Ga_0.9A layer of N with a thickness of 25 mm, Al_0.03Ga_0.1B layers having a thickness of 25 mm made of N are alternately laminated 30 times and grown on an n-side light guide layer 106 having a thickness of 0.15 μm made of a superlattice multilayer film.
[0122]
(Active layer 107)
Si-doped Al_0.2Ga_0.8A barrier layer made of N, on which an undoped In_0.03Al_0.02Ga_0.95N well layers are stacked in the order of barrier layer 2a / well layer 1a / barrier layer 2b / well layer 1b / barrier layer 2c. At this time, as shown in FIG. 7, the barrier layer 2a is formed with a thickness of 200 mm, the barrier layers 2b and 2c are formed with a thickness of 40 mm, and the well layers 1a and 1b are formed with a thickness of 70 mm. The active layer 107 has a multiple quantum well structure (MQW) with a total film thickness of about 420 mm.
[0123]
(P-side light guide layer 109 (upper light guide layer 30)) Mg-doped Al_0.1Ga₀ _{. 9}An A layer of 25 mm thick composed of N, and Al_0.1Ga_0.9N-layered B layers made of N and having a thickness of 25 mm are alternately and repeatedly stacked 30 times to grow a p-side light guide layer 109 having a superlattice multilayer structure with a thickness of 0.15 μm.
[0124]
(P-side cladding layer 110 (upper cladding layer 14)) undoped Al_0.3Ga_0.7An A layer made of N is grown to a thickness of 25 mm, and Mg doped Al_0.1Ga_0.9The B layer made of N is grown to a thickness of 25 mm, and the operation of alternately laminating the A layer and the B layer is repeated 100 times to grow the p-side cladding layer 110 made of a superlattice multilayer film having a total thickness of 0.5 μm. Let Here, the second layer is provided as the p-side cladding layer as in the first embodiment.
[0125]
The obtained laser device is a nitride semiconductor device that oscillates continuously at room temperature at a wavelength of 350 nm in a shorter wavelength region than that of the first embodiment. The n-side and p-side light guide layers are made of AlGaN with an Al average composition ratio of 0.2, and the band gap energy E of the upper light guide layer and the lower light guide layer._gAnd the photon energy E of the laser beam_pDifference from E_p-E_gHowever, a waveguide having 0.05 eV or more is formed.
[0126]
[Example 4]
In Example 1, as shown in FIGS. 1 and 3, the following second layer 31 and first layer 32 are provided as p-side cladding layers.
[0127]
(P-side cladding layer [upper cladding layer 14])
<Second layer 110>
Undoped Al_0.12Ga_0.88A layer of N with a thickness of 25 mm, Mg-doped Al_0.02Ga_0.98The second layer 110 made of a superlattice multilayer film having a total thickness of 0.5 μm is grown by repeating the operation of alternately laminating the A layer and the B layer 100 times by growing a B layer made of N with a thickness of 25 mm. Let
<First layer 111>
Al_0.14In_0.06Ga_0.8A first layer 111 made of N is grown to a thickness of 0.05 μm.
[0128]
The obtained laser element has a structure in which cracks are suppressed in the p-side layer by providing the first layers in both clad layers as compared with Example 1, while the first layer 111 becomes a high resistance layer, and Vf becomes larger than that of the first embodiment.
[0129]
[Example 5]
A laser element is fabricated in the same manner as in Example 1 except that a superlattice multilayer film structure is used as the first layer 104 in the n-side cladding layer as described below.
<First layer 104 (25)> Al_0.2In_0.03Ga_0.77A layer of N with a thickness of 25 mm, Al_0.08In_0.09Ga_0.83B layers made of N and having a thickness of 25 mm are alternately stacked 100 times, and the first layer 104 is grown to a thickness of 0.5 μm. The first layer 104 thus obtained is a nitride semiconductor having an Al average composition and an In average composition that are substantially the same as those in Example 1, but it is better than Example 1 by adopting a superlattice structure. Since it can be formed with crystallinity, and the first layer having a thicker film than the first embodiment is formed, the light leaking to the p side is suppressed, and the laser element is excellent in light confinement. It is possible to prevent the far field pattern from being deteriorated by the light leaked from.
[0130]
[Example 6]
In Example 1, as shown in FIG. 4, a laser element is obtained in the same manner as in Example 1 except that the light guide layer is formed with a composition gradient as follows.
[0131]
(N-side light guide layer 106 (lower light guide layer 27)) Al_xGa_1-xN is formed with a film thickness of 0.15 μm, and at this time, the Al composition ratio x is changed from 0.05 to 0.01 as it grows, and the n-side light guide layer 106 is compositionally inclined in the film thickness direction. Is provided. At this time, the n-side light guide layer is formed by undoped the first 50 nm-thickness region and Si-doped in the remaining thickness of 0.1 μm region (active layer side 0.1 μm region).
[0132]
(P-side light guide layer 109 (upper light guide layer 30)) Al_xGa_1-xN is formed with a film thickness of 0.15 μm. At this time, the Al composition ratio x is changed from 0.01 to 0.05 as it grows, and the p-side light guide layer 109 is compositionally inclined in the film thickness direction. Is provided. Here, the p-side light guide layer is formed with an initial thickness of 0.1 μm (region of 0.1 μm on the active layer side) undoped, and the remaining region with a thickness of 50 nm is formed with Mg doping.
[0133]
The obtained laser element has an Al average composition which is substantially the same as that of Example 1, but as shown in FIG. 4, by providing a light guide layer having a band gap energy inclined, an active layer of carriers is formed. As a result, the internal quantum efficiency tends to be improved. In addition, since an undoped region is provided on the side of the light guide layer close to the active layer (active layer side), the waveguide structure has a reduced light loss due to impurity doping, and the threshold current density tends to decrease. is there.
[0134]
[Example 7]
In Example 6, as shown in FIG. 4, a laser element is obtained in the same manner as in Example 1 except that the light guide layer is formed with a composition gradient as follows.
[0135]
(N-side light guide layer 106 (lower light guide layer 27)) Al_xGa_1-xA layer of N with a thickness of 25 mm, Al_yGa_1-yB layers having a thickness of 25 mm made of N (x> y) are alternately and repeatedly stacked 30 times to form an n-side light guide layer with a superlattice multilayer structure having a thickness of 0.15 μm. At this time, the Al composition ratio x is changed from 0.05 to 0.03 as it grows, the Al composition ratio y is kept constant at 0.015, and the n-side light guide layer 106 whose composition is inclined is provided. At this time, the n-side light guide layer is formed by undoped both the A layer and the B layer in the initial region of 0.1 μm in thickness, and the remaining region of 50 nm in thickness (region of 50 nm on the active layer side) Modulation dope in which only the layer is formed by Si doping and the B layer is undoped is used.
[0136]
(P-side light guide layer 109 (upper light guide layer 30)) Al_xGa_1-xA layer of N with a thickness of 25 mm, Al_yGa_1-yB layers having a thickness of 25 mm made of N (x> y) are alternately and repeatedly stacked 30 times to form the p-side light guide layer 109 with a superlattice multilayer structure having a thickness of 0.15 μm. Here, the p-side light guide layer has an initial film thickness of 50 nm (active layer side 50 nm region) formed undoped in both the A layer and the B layer, and only the A layer in the remaining 0.1 μm film thickness region. Is doped with Mg and the B layer is undoped.
[0137]
Although the obtained laser device has an Al average composition substantially the same as that of Example 4, the superlattice structure improves the crystallinity and improves the device characteristics. On the other hand, since the undoped region of the light guide layer is made smaller than in Example 6, the loss of light increases and the threshold current density tends to increase slightly.
[0138]
【The invention's effect】
The nitride semiconductor device of the present invention suppresses deterioration of crystallinity and generation of cracks when a nitride semiconductor containing Al such as AlGaN is used for a guide layer, a cladding layer, a contact layer, etc. For example, the characteristics can be improved. In addition, an active layer and a waveguide structure capable of laser oscillation can be obtained in a short wavelength region of 375 nm or less. In particular, in the InAlGaN well layer, the In mixed crystal ratio is in the range of 0.03 to 0.05, the Al composition ratio is changed to form a forbidden band width of a desired emission wavelength, and light emission in a short wavelength region. By obtaining an element and a laser element, it becomes an element excellent in internal quantum efficiency and light emission efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a laser element structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a stacked structure of elements according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams for explaining a laminated structure of elements and an energy band diagram according to one embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an energy band according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an energy band according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an energy band according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a laminated structure of active layers according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the dependence of the Al mixed crystal ratio on the threshold current density and wavelength under pulse oscillation in the active layer according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the dependence of the In mixed crystal ratio on the threshold current density and the wavelength under pulse oscillation in the active layer according to the present invention.
[Brief description of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Well layer, 2 ... Barrier layer, 11 ... 1st conductivity type layer, 12 ... 2nd conductivity type layer, 13 ... Lower clad layer, 14 ... Upper clad layer, 21 ... substrate, 22 ... buffer layer, 23 ... underlayer, 24, 33 ... contact layer, 25 ... first layer, 26 ... second layer, 27 ... Lower light guide layer, 28 ... active layer, 29 ... carrier confinement layer, 30 ... upper light guide layer, 31 ... upper clad layer, 101 ... substrate, 102 ... buffer Layer, 103 ... n-side contact layer, 104 ... n-side clad layer (first layer), 105 ... n-side clad layer (second layer), 106 ... n-side light guide layer , 107... Active layer, 108... P-side electron confinement layer, 109... P-side light guide layer, 110. (Second layer), 111... P-side cladding layer (first layer), 112... P-side contact layer, 120... P-electrode, 121. Electrode, 123... N pad electrode, 162... Second protective film (buried layer), 164.

Claims

In a nitride semiconductor device having a waveguide including an active layer sandwiched between an n-type lower clad layer and a p-type upper clad layer, the lower clad layer has an Al _x In as a first layer. _y Ga _1-xy N (0 <x <1, 0.01 ≦ y ≦ 0.3, x + y <1) is provided, and Al _u Ga _1-u as the second layer is formed on the upper cladding layer. N (0 <u ≦ 1) is provided. Nitride semiconductor element characterized by the above-mentioned.

2. The nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising a lower light guide layer and an upper light guide layer between the lower cladding layer and the active layer and between the upper cladding layer and the active layer, respectively. .

3. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein an emission wavelength λ of the active layer is λ ≦ 375 nm.

The lower light guide layer and the upper light guide layer are made of Al. _αα Ga _１−α1-α 4. The nitride semiconductor device according to claim 3, comprising N (0 <α ≦ 1).

5. The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the active layer includes a nitride semiconductor containing Al and In.

The active layer has a quantum well structure, and the well layer is made of Al. _ｘx In _ｙy Ga _{１−ｘ−ｙ1-xy} N (0 <x <1, 0 <y <1, x + y <1) and the barrier layer is Al _ｕu In _ｖv Ga _{１−ｕ−ｖ1-u-v} The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein N (0 <u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v <1).