JP4161603B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）、スーパーフォトルミネセンスダイオード等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子に関し、特に発光波長が３８０ｎｍ以下である窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子、発光素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広い波長域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。また、本出願人は、４０５ｎｍ、室温、５ｍＷの連続発振の条件で、１万時間を超えるレーザを発表した。
【０００３】
また、窒化物半導体を用いたレーザ素子、発光素子、受光素子などには、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いて活性層とした構造を有しており、活性層におけるより優れた活性領域の形成が、素子特性の向上において重要となる。
【０００４】
また、窒化物半導体素子、特にレーザ素子、発光素子においては、３８０ｎｍ以下の波長域での発光、発振がさらに重要となっている。これは、上述した光ディスクシステムにおいては、短波長化により、記録密度向上が図れ、さらに発光素子においては、蛍光体の励起光源として重要なものとなり、またそのほかの応用においても、さらなる短波長化により、多くの用途が実現される。
【０００５】
窒化物半導体のレーザ素子、若しくは発光素子において、短波長の発光を得るには、活性層若しくは発光層のＩｎを含む窒化物半導体におけるＩｎ混晶比を、変化させることで、発光波長を変えることができ、特にＩｎ混晶比を低くするすると発光波長を短くすることができる。また、端面発光素子、レーザ素子において、活性層が上部、下部クラッド層に挟まれた構造を有する場合に、両クラッド層の屈折率を小さくし、上部、下部クラッド層に挟まれた導波路内の屈折率を高くすることで、導波路内に効率よく光が閉じこめられ、結果としてレーザ素子においてはしきい値電流密度の低下に寄与する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、波長が短くなるに従って、発光層として従来用いられてきた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、結晶性の問題が大きなものとなる。
【０００７】
また、このような窒化物半導体素子の短波長化への試みとして、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの量子井戸構造を用いるものがあるが、従来のＩｎＧａＮ系に比して、十分な出力が得られない傾向にある。
【０００８】
また、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体を素子に用いる場合において、他のＡｌを含まない窒化物半導体に比べて、熱膨張係数差、弾性が大きく異なり、Ａｌを含む窒化物半導体を用いると、クラックの発生しやすく、クラックの発生は他の結晶性と異なり、素子破壊となるものであり、クラックの発生を防止しなければ、窒化物半導体素子として動作しないものとなる。このため、上述した３８０ｎｍ以下の発光波長の活性層を用いた発光素子、レーザ素子においては、Ａｌを含む窒化物半導体は窒化物半導体においてバンドギャップエネルギーを大きくすることができるため、活性層、それよりもバンドギャップエネルギーの大きな、キャリア閉込め層、光ガイド層、光閉込め層などに用いられる。すなわち、上記短波長域の発光素子において、Ａｌを含む窒化物半導体は、各層に多層された構造となるが、一方で上述したクラック発生の問題が深刻なものとなり、このため、短波長化とクラック発生防止とは排他的な関係となる傾向にあり、窒化物半導体の発光素子において、さらなる短波長化の深刻な障害となる。さらに、短波長化において、ＧａＮは３６５ｎｍに光の吸収端を有し、それよりも１０ｎｍほど波長の長い領域でも高い吸収係数を有することから、上記３８０ｎｍ以下の短波長域での発光素子、レーザ素子への使用が困難となる。
【０００９】
加えて、上述したように発光素子、レーザ素子における活性層は、その発光効率、内部量子効率がその結晶性に大きく依存することから、活性層の下に配置される導電型層の結晶性が素子特性向上に極めて重要な要因となる。通常、窒化物半導体発光素子は、ｎ型層、活性層、ｐ型層の順に積層された構造を有しているが、この場合ｎ型層の結晶性を良好なものとする必要がある。一方で、上述したように、Ａｌを含む窒化物半導体が、他のＡｌを含まない窒化物半導体に比べて、大きく結晶性が悪化する傾向にあり、従来はこのような問題を回避する目的で、Ａｌを含む窒化物半導体の下地層としてＩｎを含む窒化物半導体層を用いて、熱膨張係数差による内部応力の発生を緩和したり、Ａｌを含む窒化物半導体層に隣接して、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒化物半導体を設けて結晶性の回復、内部応力の緩和を実現して、レーザ素子などのＡｌを含む窒化物半導体層を素子構造に設けた構造で素子を実用的に動作可能なものとしていた。しかし、上記短波長の発光素子、レーザ素子において、Ａｌを含まない窒化物半導体は、光吸収層となり、素子構造に用いることが好ましくなく、そのため素子構造は、ほとんどがＡｌを含む窒化物半導体層を用いることとなり、上述した結晶性、クラックの発生により、実用的なしきい値、Ｖｆ、発光効率の発光素子、レーザ素子が得られず、特に光ガイド層、光閉込めのクラッド層などにＡｌ混晶比の大きいＡｌを含む窒化物半導体を多用したレーザ素子においては、室温において連続発振可能なレーザ素子が得られなかった。
【００１０】
本発明では、窒化物半導体素子、特に、光の波長が３８０ｎｍ以下のレーザ素子や発光素子において、発光出力を大きくし、なおかつ閾値電流密度を低減させた活性層を用い、両クラッド層に挟まれた導波路において、光の吸収を低く抑え、活性層を含む導波路内へ効率的に光を閉込め、さらに良好な結晶性で、素子構造を形成することを目的とする。
【００１１】
また本発明は、レーザ発振が３８０ｎｍ以下では特に顕著な閾値の上昇が現れるという問題の原因を解明し、その解決手段を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、閾値電流密度などの素子特性に優れ、且つ結晶性の良好で、発光出力に優れ、短波長化を実現する窒化物半導体素子を得るものである。
【００１３】
すなわち本発明の窒化物半導体素子は、下記の構成により本発明の目的を達成することができる。
【００３２】
（１）ｎ型層とｐ型層との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記活性層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなる井戸層と、最も前記ｐ型層側に設けられ、前記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からなると共に、最も前記ｎ型層側に設けられたｎ側障壁層よりも膜厚が小さい障壁層と、を少なくとも有する量子井戸構造であり、
前記活性層が近接して設けられた光ガイド層で挟持されて導波路が形成され、前記ｐ型層内に設けられた光ガイド層が前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層からなり、
前記活性層と前記ｐ型層内に設けられた光ガイド層の間に不純物がドープされたキャリア閉じ込め層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
【００３３】
従来ＡｌＧａＮ系活性層において、それをはさみ、キャリア注入層となる各導電型の層には、井戸層よりも大きなバンドギャップエネルギーが通常必要とされるが、この構成では、活性層内の第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の窒化物半導体層を第１導電型層に設けることで、結晶性良く活性層を形成し、なおかつ、第１の障壁層でもって、第２導電型層からのキャリアを井戸層内に閉じ込める働きを有する新規な素子構造を提供するものとなる。
【００３４】
井戸層については、少なくともＧａＮと同じか、それよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つＡｌを含む窒化物半導体を用い、具体的には上記組成のものを用いることができる。第１の障壁層についても、上記組成の窒化物半導体を用いることができる。
【００３５】
第１の窒化物半導体層については、好ましくは井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体を用いることで、活性層及び井戸層への良好なキャリア注入層として機能し、具体的にはＡｌを含む窒化物半導体が用いられ、好ましくはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると好ましい結晶性で活性層が形成できる。
【００３７】
この構成により、第１の障壁層が、第１導電型層側の近くに、すなわち、活性層内の他の障壁層よりも最も第１導電型層の近くに配置させることで、上述したように、第１の障壁層が第１導電型層側でキャリア閉込め層として好適に機能し、井戸層における発光効率を高めることができる。この時、好ましくは、活性層内で最も外側で、第１導電型層側に配置されることが上記キャリア閉込めにおいて好ましく機能できる。
【００３９】
この構成により、上記第１の障壁層はホールの閉込めとして機能させることを特徴としていることで、上記第１の窒化物半導体層では、第１導電型層の電子（第１導電型のキャリア）注入として機能できる一方で、ホール（第２導電型のキャリア）の閉込めとして機能することが困難であるため、第１の障壁層でもって、ホールの閉込めを実現する活性層構造とできる。
【００４０】
（２）上記構成において、前記障壁層のＡｌ混晶比Ｘ_Ｂ１が、井戸層のＡｌ混晶比Ｘ_ｗとが、Ｘ_Ｂ１―Ｘ_ｗ≧０．０５の関係を満たすことが好ましい。
【００４１】
すなわち、上記式の関係に、Ａｌ混晶比を設定することで、第２導電型のキャリア（好ましくはホール）の閉込めとして、第１の障壁層を好適に機能させることができる。更に好ましくは、Ｘ_Ｂ１―Ｘ_ｗ≧０．１とすることで、上記キャリア閉込めに十分に機能するオフセット（電位障壁）を形成することが可能となる。この時Ａｌ混晶比の差（Ｘ_Ｂ１―Ｘ_ｗ）、上限は閉込め効果において限定されるものではないが、結晶性を考慮すると、０．５以下とすることが好ましく、更に好ましくは、０．３以下とすることで良好な結晶性で且つ十分な光閉込めでもって活性層、及び第１導電型層を含めた素子構造を形成することができる。
【００４３】
この構成により、第１の障壁層をキャリア閉込めが可能な膜厚とでき、好ましくは５０Å以上とすることで、閉込め効率を高めた構造とできる。これは、第１の障壁層の膜厚が小さいと、図１４（ｂ）に示すように、キャリアのトンネル現象が発生するためであり、５０Å以上とすることで、閉込め効率を高めることができる。上限としては、閉込め効果について特に限定されるものではないが、結晶性を考慮すると、３００Å以下とすることであり、更に好ましい結晶性とするには、２００Å以下とすることであり、１５０Å以下とすると結晶性も良好であり、且つ上記トンネル効果を好適に抑えた第１の障壁層が形成できる。
【００４５】
これは、上記第１の窒化物半導体層を光ガイド層、若しくはその一部として機能させることにより、光の導波に必要な膜厚のガイド層を形成しても、Ａｌ混晶比を抑えた第１の窒化物半導体層が用いられることで、良好な結晶性でもって、活性層を形成することができる。このような導波路有する発光素子としては、レーザ素子、端面発光素子、スーパールミネッセントダイオードなどを挙げることができる。
【００４７】
量子井戸層がＧａＮである場合は上記バンドギャップ差を考慮してＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ組成、Ａｌ_ｙＩｎ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ組成を決定するのが好ましい。量子井戸層がＡｌＧａＮである場合も同様に、上記バンドギャップ差を考慮してＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ組成、Ａｌ_ｙＩｎ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ組成を決定するのが好ましい。
【００４８】
上記量子井戸層だけで活性層を形成してもよいが、量子井戸層の両側を上記障壁層で挟んで単一量子井戸層を形成してもよい。
【００４９】
多重量子井戸層を形成する場合は量子井戸層と障壁層とを組み合わせて活性層を形成するが、最終層は井戸層で形成しても障壁層で形成してもよい。活性層に連なる層構造（キャップ層、ガイド層、クラッド層）との関係により調整することができる。多重量子井戸の積層数は２又は３程度で十分であるが、活性層の内部量子効率を阻害しない範囲で、井戸層数をより多くしたり、又はｐ側に近い領域の井戸層での再結合率が高い場合が多いので、ｐ側に近い領域はノンドープ層とし、ｎ側に近い領域の井戸層にシリコン等をドーピングするように変形しても良い。
【００５５】
（４）上記構成は、窒化物半導体基板上に、前記ｐ型層、前記活性層及び前記ｎ型層が積層されていてもよい。
【００５６】
上述した各構成は、単独で又は適宜組み合わせて使用することができる。
【００５７】
こうした構成の実施形態の１つとして、ＧａＮ基板上に形成されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸層（但し、ｘ≧０）を活性層とする３７５ｎｍ以下で発振可能なことを特徴とするＡｌＧａＮ系半導体発光素子であり、別の実施形態としては上記結晶性、クラック発生の問題を回避した短波長域の発光素子、導波路を有するレーザ素子にも用いることができる素子構造を得るものである。
【００５８】
ＧａＮ基板は一般に、サファイア基板又は炭化珪素基板よりもその上に形成するエピ層の欠陥密度を減少させることができる。特に、ＧａＮ基板の結晶欠陥が１０^７／ｃｍ^２以下、さらに１０^４／ｃｍ^２以下が好ましい。この時、結晶欠陥は主に貫通転位によるものであり、この低欠陥領域に導波路、若しくは電流注入領域を形成した発光素子とすることが好ましい。これ以下で導波路中に欠陥のないレーザ素子を作製することができることになる。
【００５９】
ここで、ＧａＮ基板とはＥＬＯ(epitaxicial lateral overgrowth)法でサファイア基板等の異種基板上にＧａＮを選択成長により横方向成長させ、形成されたＧａＮ基板（例えば、ＧａＮ層上に形成した複数のＳｉＯ_２ストライプ領域とその領域間に露出するＧａＮ領域との選択成長によりＧａＮを横方向成長させて形成するＧａＮ層からなる）、この基板の上にＨＶＰＥ法で、又はＭＯＣＶＤ法との組み合わせでＧａＮ層を積層し、気相成長させたＧａＮ基板、この基板上に上記ＥＬＯ法でＧａＮを気相成長させたＧａＮ基板、ＮＨ３超臨界流体中でＧａＮ種結晶上にＧａＮを再結晶させて形成したＧａＮ基板等のＧａＮがＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ法で気相成長させることができる基板を意味する。
【００６０】
ＧａＮ基板が、上記ＥＬＯ法を利用して形成したＧａＮ基板であって、該基板上に形成した発光素子がリッジ型半導体レーザである場合は、上記量子井戸層から形成される導波路が上記ＳｉＯ_２ストライプに平行に形成されているのが好ましい。結晶欠陥はＳｉＯ_２ストライプに平行に集積して発達し、粗密のストライプ形状を形成するから、欠陥密度の粗の領域に導波路を形成することにより導波路中の欠陥をなくすることができるからである。
【００６１】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体素子に用いる窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくは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。
【００６２】
また、窒化物半導体層に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、さらに最も好ましくはＳｉを用いる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。これにより、各導電型の窒化物半導体層を形成し、後述する各導電型層を構成する。
【００６３】
[実施形態１Ａ（量子井戸構造）］
本発明の窒化物半導体素子は、少なくとも第１導電型層、第２導電型層との間に活性層を有する構造であり、以下、本発明の窒化物半導体素子について、詳説する。
【００６４】
（活性層）
本発明における活性層としては、量子井戸構造を有するものであり、少なくともＩｎとＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有する。また、特に、活性層における波長が、３８０ｎｍ以下の発光を有する短波長に好ましく用いられ、具体的には前記井戸層のバンドギャップエネルギーが波長３８０ｎｍ以下であるものである。このとき、活性層に用いられる窒化物半導体は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでもよいが、好ましくはノンドープ若しくはアンドープ、又はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を活性層内に設けることで、レーザ素子、発光素子などの窒化物半導体素子において、高出力化が図れる。好ましくは、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドープとすることで、レーザ素子、発光素子が高出力で発光効率の高い素子となる。ここで、量子井戸構造としては、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも良い。好ましくは、多重量子井戸構造とすることで、出力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層の量子井戸構造としては、前記井戸層、障壁層を少なくとも１層ずつ積層したものを用いることができる。この時、量子井戸構造である場合に、井戸層数としては、１以上４以下とすることで、例えばレーザ素子、発光素子においては、閾値電流を低くすることが可能となり好ましく、更に好ましくは、井戸層数を２又は３とした多重量子井戸構造とすることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られる傾向にある。
【００６５】
（井戸層）
本発明における井戸層としては、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体を用いることが好ましく、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を活性層内に少なくとも１層有することであり、多重量子井戸構造においては、好ましくは、すべての井戸層が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。
【００６６】
本発明のＩｎとＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層は、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困難な波長域、具体的には、ＧａＮのバッドギャップエネルギーである波長３６５ｎｍ付近、若しくはそれより短い波長を得るものであり、特に波長３８０ｎｍ以下の発光・発振が可能なバンドギャップエネルギーを有する井戸層である。これは、従来のＩｎＧａＮの井戸層では、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３８０ｎｍの波長域において、Ａｌ組成比ｘを大きくすることでバンドギャップエネルギーを大きくし、一方でＩｎを含有することで、良好な内部量子効率、発光効率の発光素子、レーザ素子に用いることが可能である。
【００６７】
ここで、井戸層に用いられるＩｎとＡｌを含む窒化物半導体の具体的な組成としては、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、叙述したようにＢ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等を用いて、５元混晶以上の多元化も可能であるが、好ましくはＡｌＩｎＧａＮの４元混晶とすることで、この元素同士の反応を防いで、良好な結晶性で成長させることができる。ここで、Ｉｎ組成比ｙは、０．０２以上とすることで、上述したように０．０２未満である場合に比べて、良好な発光効率、内部量子効率が実現され、更にｙ≧０．０３とすることで、更にその効率が向上するため、波長３８０ｎｍ以下の井戸層において優れた特性の発光素子、レーザ素子が得られ好ましい。また、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。
【００６８】
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は、図９（ａ），（ｂ）に示すように、０から０．１の範囲において各特性が大きく変化する。発光効率において、図９（ａ）に示すように、Ｉｎ組成比ｙが０．０２付近から大幅に上昇し、０．０５付近からなだらかな下降曲線を示す。一方で、閾値電流密度Ｊ_ｔｈでは、図９（ｂ）に示すように、０．０２付近からなだらかな下降曲線を示し、０．０３〜０．０５の範囲で極小値をとり、０．０５を超える領域では、急激な上昇曲線を示す。ここで、図９（ａ）（ｂ）は、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。
【００６９】
本発明において、好ましくは、ＡｌとＩｎを含む窒化物半導体の井戸層でもって、波長３８０ｎｍ以下となるバンドギャップエネルギーを設けることであり、このため、Ａｌ組成比ｘを０．０２以上とする。また、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長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。
【００７０】
また、井戸層の膜厚及び井戸層の数としては、膜厚及び井戸層の数を任意に決めることが可能である。具体的な膜厚としては、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲であり、膜厚１ｎｍ未満で井戸層として良好に機能させることが困難な傾向にあり、３０ｎｍを超える膜厚では、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体の成長を結晶性良くすることが困難となり、素子特性が低下する。好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲とすることで、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。
【００７１】
本発明の井戸層には、ｐ型不純物若しくはｎ型不純物がドープされていても、アンドープでも良い。井戸層にドープする不純物としては、好ましくはｎ型不純物とすることで、発光効率の向上に寄与するものとなる。しかしながら、井戸層はＩｎとＡｌを含む窒化物半導体が用いられ、不純物濃度が大きくなると結晶性が悪化する傾向にあるため、不純物濃度を低く抑えて結晶性の良好な井戸層とすることが好ましい。具体的には、結晶性を最大限に良好なものとするために井戸層をアンドープで成長させることであり、この時、不純物濃度は５×１０^１６／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。
【００７２】
特に、大電流で素子を駆動させた場合（高出力のＬＤ、ハイパワーＬＥＤ、スーパーフォトルミネセンスダイオードなど）では、井戸層がアンドープで、実質的にｎ型不純物を含有しないことで、井戸層でのキャリアの再結合が促進され、高い効率での発光再結合が実現され、逆にｎ型不純物が井戸層にドープすると、井戸層でのキャリア濃度が高いため、かえって発光再結合の確率が減少し、一定出力下で駆動電流、駆動電流の上昇を招く悪循環が発生し、素子の信頼性（素子寿命）が低下する傾向にある。このため、このような高出力の素子では、井戸層のｎ型不純物濃度を、少なくとも１×１０^１８／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、好ましくなく１×１０¹⁸／ｃｍ³、好ましくは１×１０^１７／ｃｍ^３以下とすることである。
【００７３】
（障壁層）
本発明において、障壁層の組成としては、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を用いることである。ここで、本発明の活性層において、活性層内の少なくとも１つの障壁層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなることを必要とするものであり、活性層内の全ての障壁層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなるものであっても良く、Ａｌを含まない窒化物半導体からなる障壁層を活性層内に設けても良い。障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体とする必要があり、井戸層の発光波長が３８０ｎｍ以下の領域では、それに対応する障壁層には、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることが好ましい。
【００７４】
Ａｌを含む窒化物半導体の障壁層として、好ましくは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。
【００７５】
また、障壁層がＩｎを含有する場合（ｖ＞０）、Ｉｎ組成比ｖについては、好ましくは０．１以下とすることで、結晶性の悪化を抑え、更に好ましくは０．０５以下の範囲を適用することができる。これは、Ｉｎ組成比ｖが０．１を超える場合には、成長時にＡｌとＩｎとの反応が促進し、結晶性が悪化して良好な膜が形成されないためであり、さらにｖ≦０．０５とすることで、さらに良好な結晶性で障壁層を形成できる。
【００７６】
また、上述したように、障壁層のＩｎ組成比は井戸層に比べて、広い組成比を適用でき、主にＡｌ組成比によりバンドギャップエネルギー差を設けることから、ｖ≧ｙとすることも可能であり、このようなＩｎ組成比とすることで、井戸層、障壁層の臨界膜厚を変化させることができ、量子井戸構造において比較的自由に膜厚を設定でき、所望の特性の活性層を設計できる。
【００７７】
また、量子井戸構造の活性層において、障壁層は、井戸層と交互に形成しても良く、１つの井戸層に対して複数の障壁層を設けても良い。具体的には、井戸層に挟まれた障壁層を２層以上とすることであり、多層膜の障壁層と井戸層を交互に積層した構造を設けることもできる。
【００７８】
また、障壁層には、上述した井戸層と同様に、ｐ型不純物、ｎ型不純物がドープされていても、ノンドープであっても良いが、好ましくはｎ型不純物がドープされているかノンドープ若しくはアンドープとされていることである。この時、障壁層中に例えばｎ型不純物をドープする場合にはその濃度として、少なくとも５×１０^１６／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。
【００７９】
また、障壁層にｎ型不純物をドープする場合には、活性層内の全ての障壁層にドープしても良く、一部をドープ、一部をアンドープとした構成でも良い。一部の障壁層にｎ型不純物をドープする場合には、活性層内で、ｎ型層側配置された障壁層にドープすることが好ましく、具体的には、ｎ型層側から数えてｎ番目の障壁層Ｂ_ｎ（ｎ＝１，２，３・・・）にドープすることで、電子が効率的に活性層内に注入され、発光効率、内部量子効率に優れた素子となる。これは、障壁層に限らず、井戸層についても同様であり、また両方にドープする場合には、ｎ型層から数えてｎ番目の障壁層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。
【００８０】
また、後述の実施例に示すように、Ｍｇドープのｐ側電子閉込め層を設ける場合、特に活性層及び／又は障壁層に接して設ける場合には、Ｍｇが拡散するため、活性層内で最もｐ型層側に配置されたｐ側障壁層にｎ型不純物をドープすると、コドープとなり活性層の機能が悪化される傾向にある。このため、Ｍｇドープのｐ側電子閉込め層を設ける場合、好ましくは、このｐ側障壁層はｎ型不純物を実質的に含まないことでこれを回避でき、具体的には５×１０^１６／ｃｍ^３未満となるようにする。
【００８１】
障壁層の膜厚としては、特に限定されないが、５０ｎｍ以下として量子井戸構造を構成することであり、好ましくは井戸層と同様に１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲することであり、これは３０ｎｍ以下とすることで結晶性の悪化を抑えて、１ｎｍ以上とすることで、障壁層として良好に機能しうる膜厚となるからである。更に好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることであり、これにより、２ｎｍ以上であることで比較的均一な膜が形成され、より良好に障壁層の機能が備わり、２０ｎｍ以下とすることで結晶性が良好なものとなる。
【００８２】
本発明の量子井戸構造の活性層において、好ましい実施形態としては、上記４元混晶の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１２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、図１０に示すように、３８０ｎｍ以下の短波長域での発光が可能な井戸層とできる。また、その井戸層１よりも大きなバンドギャップエネルギーの障壁層２を、ＩｎＡｌＧａＮ若しくはＡｌＧａＮとすることで、上記短波長域においても、優れた障壁層を提供できる。
【００８３】
図１１からわかるように、波長３７０ｎｍ以上の領域において、井戸層のＩｎ混晶比ｘをＡｌ混晶比ｙ以上に大きくしても（ｘ≧ｙ）、閾値電流密度が大きく変化せず、良好な発振特性のレーザ素子が得られ、すなわちＡｌ混晶比ｙが０＜ｙ≦０．１の範囲において、ｘ≧ｙとすることで、良好な発光素子、レーザ素子が得られる。一方で、図１０に示すように、井戸層のＡｌ混晶比ｙをＩｎ混晶比ｘ以上に大きくすること（ｙ≧ｘ）により、発光波長（発振波長）を３８０ｎｍ以下の範囲と短波長の発光が得られ、すなわち、井戸層のＩｎ混晶比ｘが０＜ｘ≦０．１の範囲において、Ａｌ混晶比ｙをｘに比べて大きくすること（ｙ≧ｘ）で、短波長の発光が得られる。これら井戸層におけるＡｌ混晶比とＩｎ混晶比の関係において、上記４元混晶ＩｎＡｌＧａＮの井戸層で、Ｇａの混晶比ｚ（ｚ＝１−ｘ−ｙ）は、Ｉｎ混晶比ｘ、Ａｌ混晶比ｙよりも大きくすること、ｚ＞ｘ、ｚ＞ｙであることにより、上記の傾向を示す井戸層、活性層が得られる。好ましくは、０＜ｘ≦０．１，０＜ｙ≦０．１において、ｚ＞ｘ、ｚ＞ｙとなるように、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮを用いることである。
【００８４】
[実施形態１Ｂ（レーザ素子、導波路構造）］
本発明のもう１つの実施形態１Ｂは、窒化物半導体素子構造として、実施形態１Ａの活性層を、第１導電型層、第２導電型層とで、挟み込む構造を有するレーザ素子である。具体的には、図２（ａ）に示すように、基板上に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層１３とが積層された構造を有し、さらには、第１導電型層１１内に第１の光ガイド層２６、第２導電型層１３内に第２の光ガイド層２９、が少なくとも設けられ、これら第１、第２の光ガイド層２６，２９とで、活性層を挟み込む構造を有し、第１，２の光ガイド層とその間の活性層とで導波路を形成する。更に、後述するように、第１導電型層が下部クラッド層２５、第２導電型層が上部クラッド層３０をそれぞれ有する場合には、この上部、下部クラッド層２５，３０とで挟み込まれ、活性層を含む領域が、導波路となる。上部クラッド層２５、下部クラッド層３０とで、挟まれた導波路内に光ガイド層を設けると、閾値電流密度を低減させ、高出力のレーザ素子が得られる。以下に、導波路に光ガイド層を有する素子構造について、説明する。
【００８５】
本発明の実施形態１Ｂにおいて、図２（ａ）に示すように、導波路として、活性層１２と、第１導電型層１１内の第１の光ガイド層２９、第２導電型層内の第２の光ガイド層２６とが、設けられた構造を有し、特に上述した波長３８０ｎｍ以下の活性層を用いた導波路が設けられた構造を特徴とする素子である。
【００８６】
この導波路は、主に活性層からの光を導波させるものであり、この導波路構造によりレーザ素子、端面発光素子において、発光効率、閾値電流密度、その他の素子特性が様々に変化する。光ガイド層は、このように、活性層を挟んで形成されるが、第１導電型層、第２導電型層の少なくとも一方のみに光ガイド層を形成すること、すなわち、第１の光ガイド層若しくは第２の光ガイド層だけでもよいが、好ましくは活性層の両側に、光ガイド層を設けることで、閾値電流密度が低下し、高出力のレーザ素子が得られる。
【００８７】
本発明の第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９としては、Ａｌを含む窒化物半導体が用いられ、また、図３（ｂ）〜図６のバンド構造４１として示すように、少なくとも量子井戸構造の活性層２７内の井戸層１よりも大きなバンドギャップエネルギーとし、また活性層２７と光ガイド層２６，２９との屈折率差を小さくして、導波路構造とする。また、光ガイド層は、図６に示すように、障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さくても良く、図３（ｂ）〜５に示すように、大きくても良い。光ガイド層の組成として具体的には、Ｉｎ_αＡｌ_βＧａ_{１−α−β}Ｎ（０≦α、０＜β、α＋β≦１）が用いられる。好ましくは、Ｉｎを含まない窒化物半導体とすること、すなわち、Ｉｎ組成比が０の窒化物半導体とすることで、Ｉｎを含むことによる光の吸収を防ぎ、光の損失を低く抑えた導波路とできる。さらに、好ましくはＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０≦β≦１）を用いることで、紫外域から赤色域までの幅広い波長域に適用できる導波路となる。特に上記波長３８０ｎｍ以下の短波長域の光を導波させるには、好ましくはＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０＜β≦１）が用いられる。これは、ＧａＮでは、上記短波長域の光を吸収し、それが損失となって、閾値電流密度、電流−光出力特性を悪化させるからである。特に、光ガイド層のＡｌ組成比βは、光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ_ｇ、活性層の発光の光子エネルギーＥ_ｐ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り、更に好ましくはＥ_ｇ−Ｅ_ｐ≧０．１とすることで、更に優れた導波路が形成される。
【００８８】
ここで、図３（ａ），（ｂ）は、本発明の窒化物半導体素子において、素子の積層構造４０と、それに対応したバンド構造４１を示すものであり、積層構造４０は、井戸層１と障壁層２とを有する量子井戸構造の活性層２７を、第１導電型層１１と第２導電型層１３とで挟み込む構造を示すものである。図４〜６は、図３（ｂ）と同様にバンド構造４１を示すものである。
【００８９】
また第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９は、どちらか一方若しくは両方が、単一膜で形成されていても良く、多層膜で形成されていても良い。単一膜の窒化物半導体からなる光ガイド層を形成する場合には、図３（ａ）に示すように、活性層２７を挟む第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９の積層構造４０が設けられ、そのバンド構造４１は、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるようにする。具体的には、上記Ａｌ_βＧａ_１−βＮ（０≦β≦１）を用いることであり、上記短波長域においてはＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０＜β≦１）を用い、さらに好ましくは上述したように第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ_ｇが、光子エネルギーＥ_ｐに比べて、０．０５ｅＶ以上大きいこと（Ｅ_ｇ−Ｅ_ｐ≧０．０５ｅＶ、好ましくはＥ_ｇ−Ｅ_ｐ≧０．１）となるように、Ａｌ組成比βを調節する。
【００９０】
第１の光ガイド層、第２の光ガイド層の膜厚としては、特に限定されず、具体的には、１０ｎｍ以上５μｍ以下の範囲であり、好ましくは２０ｎｍ以上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。
【００９１】
本発明の光ガイド層を多層膜の窒化物半導体で構成しても良く、その場合も上記と同様に、Ｉｎを含まない窒化物半導体を用いることが好ましく、さらに上記Ａｌ_βＧａ_１−βＮ（０≦β≦１）を用いることが好ましく、上記短波長域においてはＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０＜β≦１）を用いることが好ましく、この窒化物半導体を用いて少なくとも互いに組成の異なる窒化物半導体層を各々の光ガイド層に１層以上用いた多層膜とする。具体的には、第１の光ガイド層２６に、第１の層、第１の層と異なる組成の第２の層、第２の光ガイド層２９に、第３の層と、第３の層と異なる組成の第４の層、を用いる。ここで、第１〜４の層は、窒化物半導体からなる。これにより、各ガイド層内の第１の層と第２の層との間、第３の層と第４の層との間、において、Ａｌ組成比を異なるようにして、バンドギャップエネルギー、屈折率の異なる多層膜構造としても良い。
【００９２】
例えば、第１導電型層、活性層、第２導電型層が積層された構造で、第１の光ガイド層が、第１の層と第２の層とを有し、第２の光ガイド層が第３の層と、第４の層とを有し、第２の層と第３の層とを活性層側に配置して、第１の層と第４の層とを活性層から遠い位置に配置した構造として、バンドギャップエネルギーを活性層に近づくに従って段階的に小さくした構造とする。
【００９３】
具体的には、活性層側の第２の層、第３の層のＡｌ組成比β２、β２を、活性層から遠い第１の層、第４の層のＡｌ組成比β１，β４よりも小さくすること、β１＞β２、β４＞β３とすることで、段階的なバンド構造となり、導波路内の活性層にキャリアが効率的に注入され、また活性層及び活性層付近が屈折率が大きくなることから、導波路内で活性層付近に光が多く分布した構造とできる。このように、光ガイド層を多層膜とするのには、Ａｌ組成比を大きくすると結晶性の悪化する傾向にあり、単一膜で光ガイド層を形成することが結晶性の悪化により困難な場合、若しくは特性悪化が発生する場合に、多層膜で形成して結晶性の悪化を小さく抑えることができるからである。
【００９４】
また、上記、β１＞β２、β４＞β３とは逆に、β１＜β２、β４＜β３として、活性層に近いガイド層（第２の層、第３の層）のバンドギャップエネルギーを大きくし、屈折率を小さくし、遠いガイド層（第１の層、第４の層）を小さくし、屈折率を大きくすることも可能であるが、好ましくは上記キャリア注入、光の分布が良好となることから、β１＞β２、β４＞β３とすることである。また、多層膜の光ガイド層とする場合に、上記第１〜４の層に限らず、各光ガイド層を３層以上で構成しても良く、第１の層（第３の層）と第２の層（第４の層）と交互に複数積層した、すなわち第１の層と第２の層とを１対として複数の対を積層してガイド層を構成しても良い。
【００９５】
また、多層膜の光ガイド層とする場合には、上記条件式、Ｅ_ｇ−Ｅ_ｐ≧０．０５ｅＶ、を計算する場合には、光ガイド層全体の平均組成により算出する。例えば、Ａｌ_β１Ｇａ_１−β１Ｎ（０＜β１≦１）からなる膜厚ｄ_１の第１の層、Ａｌ_β２Ｇａ_１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１≠β２）からなる膜厚ｄ_２の第２の層、で第１の光ガイド層を構成する場合には、Ａｌの平均組成β_ｍが、β_ｍ＝（ｄ_１×β１＋ｄ_２×β２）／（ｄ_１＋ｄ_２）、で得られる。
【００９６】
また、本発明の光ガイド層において、図４に示すように、活性層に近づくに従ってバンドギャップエネルギーが小さくなるように、組成傾斜させたＧＲＩＮ構造としてもよい。具体的には、Ａｌ組成比βを傾斜させること、すなわち活性層に近づくに従ってＡｌ組成比βが小さくなるように組成傾斜させることで、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、上記第１の光ガイド層の第１の層／第２の層を交互に積層した複数対を有する構造においても、Ａｌを組成傾斜させて、活性層に近づくに従ってバンドギャップエネルギーが小さくなるようにしても良く、この場合、少なくともいずれか一方の層だけ、例えば第１の層だけを組成傾斜させても良く、対を構成する全ての層、例えば第１の層及び第２の層を組成傾斜させても良い。また、光ガイド層の膜厚方向において、部分的に組成傾斜が設けられていても良く、好ましくは膜厚方向における全ての領域で組成傾斜させる方がキャリアの注入効率が向上する傾向にある。
【００９７】
更に、多層膜の光ガイド層において、図５に示すように、多層膜の超格子構造としても良く、超格子構造を用いることで、上記Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性の悪化を抑制して、良好な結晶性の導波路を形成することができる。具体的には、第１の光ガイド層２６において、前記第１の層と、第２の層とを交互に積層して、少なくとも一方を２層以上、好ましくは各層を２層以上とすること、若しくは第１の層と第２の層とを１対として複数対積層した構造とする。この時、各層の窒化物半導体の組成は上記と同様であるが、好ましくは、第１の層／第２の層が、Ａｌ_β１Ｇａ_１−β１Ｎ（０≦β１≦１）／Ａｌ_β２Ｇａ_１−β２Ｎ（０≦β２≦１、β１≠β２）、上記短波長域においてはＡｌ_β１Ｇａ_１−β１Ｎ（０＜β１≦１）／Ａｌ_β２Ｇａ_１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１≠β２）を用いることで、光の損失を抑えて、なおかつ超格子構造により結晶性の悪化も抑えた導波路が形成される。光ガイド層を超格子構造とするには、多層膜を構成する各層の膜厚が超格子となるように設定することであり、組成及び各層の組み合わせによりその膜厚は異なるが、具体的には、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。
【００９８】
また、本発明の光ガイド層において、各導電型の不純物は、少なくともドープされることがキャリアの移動・注入が良好となるため好ましく、この時導電型の不純物は、光ガイド層の一部若しくは部分的にドープする形態、全体にドープする形態、のいずれかでも良い。また、多層膜の光ガイド層においては、例えば前記第１の層、第２の層を有する第１の光ガイド層において、両方にドープしても良く、又は第１の層と第２の層とで異なるドープ量とするか、一方にドープして、他方をアンドープとした変調ドープとしても良い。例えば上記第１の光ガイド層において第１の層と第２の層とを交互に積層した、若しくは、複数対設けた構造のような超格子多層膜構造において好ましくは、一方の層、例えば第１の層にのみドープした変調ドープとすることで、不純物ドープによる結晶性の悪化を抑えることができる。更に好ましくは、Ａｌ組成比の低い層にのみドープすることで、結晶性の良好な層にドープすることができ、不純物ドープによる結晶性の悪化を抑えて、不純物ドープによる活性化も良好なものとなり好ましい。これは、例えば、前記第１の層／第２の層が、Ａｌ_β１Ｇａ_１−β１Ｎ（０≦β１≦１）／Ａｌ_β２Ｇａ_１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１＜β２）の超格子多層膜構造である第１の光ガイド層において、Ａｌ組成比の小さい第２の層に不純物ドープして、第１の層をアンドープとすることで、Ａｌ組成比の小さい第２の層は第１の層より結晶性が良く、このためこの結晶性の良い層に不純物ドープすることで、良好な活性化が実現され、キャリアの移動・注入に優れた光ガイド層となる。
【００９９】
更に、本発明の光ガイド層の不純物ドープについて、図６（ａ）〜図６（ｄ）に、ドープ量変化４２として示すように、第１，２の光ガイド層２６，２９において、不純物ドープ量を、活性層に近づくに従ってドープ量を小さくする、若しくは、活性層から遠い領域に比べて活性層に近い領域のドープ量を小さくすると、導波路、特に光ガイド層内において、光の損失を更に減少させて、良好な光の導波を実現でき、閾値電流密度の低減、駆動電流の低減化を図ることができる。これは、不純物ドープした領域を光が導波すると、不純物により光の吸収が発生しするために光の損失が起こるからである。
【０１００】
これに加えて、導波路は上述したように、第１の光ガイド層２６と第２の光ガイド層２９とで活性層２７を挟む構造を少なくとも有しており、さらにそのガイド層の外側若しくは導波路を、ガイド層より屈折率の小さい上部・下部クラッド層２５，３０とで挟む構造でもって光が導波路内に閉じこめられた構造となり、導波路内の活性層及び活性層近傍に多くの光が分布するため、その活性層近傍の領域において不純物ドープ量を少なくすることで、光が多く分布する領域での光の損失が減少することとなり、光の損失の少ない導波路となる。
【０１０１】
具体的には、第１の光ガイド層、第２の光ガイド層において、各層の膜厚の半分で領域を区切り活性層に近い領域と遠い領域を考えた場合、活性層に近い領域の導電型不純物濃度を、活性層に遠い領域の不純物濃度よりも小さくすることである。光ガイド層の不純物濃度としては、特に限定されないが、具体的には活性層に近い領域において５×１０^１７／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、第１の光ガイド層に第１導電型の不純物ドープ、第２の光ガイド層に第２導電型の不純物ドープ、することを指すものである。
【０１０２】
光ガイド層内でドープ量を変化させる形態としては、具体例として、図６（ｂ）〜図６（ｄ）にドープ量変化４２ａ、４２ｂ、４２ｃとして示すように、各光ガイド層内において、活性層に近づくに従ってなだらかに、連続的にドープ量を小さくする形態（４２ａ）、不連続で段階的にドープ量を小さくする形態（４２ｂ）、またその段階的なドープ量変化を細かくし、光ガイド層内で部分的にドープ量変化を設ける形態（４２ｃ）、のいずれかでも良く、またこれらを組み合わせて用いても良い。
【０１０３】
好ましくは、光ガイド層内において、活性層側からの距離が、５０ｎｍ以下の領域をアンドープとすることで光の損失低減が可能となり、好ましくは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。この時、光ガイド層の膜厚は、アンドープ領域を５０ｎｍ以下の領域とする場合には、５０ｎｍ以上の膜厚とし、１００ｎｍ以下の領域とする場合には、１００ｎｍ以上の膜厚とすることはいうまでもない。この時、上記アンドープ領域を光ガイド層内に設ける場合、好ましくは、上述した組成傾斜構造の光ガイド層と組み合わせて用いることであり、これは図４に示すように、バンドギャップエネルギーが、活性層に近づくに従って小さくなるバンド構造であることにより、不純部ドープされない領域が活性層近傍に設けられても、キャリアの注入効率の低下を抑えた光ガイド層が形成されるためである。この時、組成傾斜の光ガイド層は、上述したようにＧＲＩＮ構造が好ましく、また上記多層膜構造で、バンドギャップエネルギーが活性層に近づくに従って小さくなる構造であっても、アンドープ領域の形成に効果がある。ここで、各光ガイド層内において、成長時に不純物ドープしなくても、すなわちアンドープで光ガイド層を成長させても、隣接層から不純物が拡散する場合があり、その場合にはアンドープで成長させた上記領域においても、不純物がドープされたものとなる。
【０１０４】
具体的には、ｐ型不純物として好ましく用いられるＭｇは、このような拡散現象が起こりやすく、実施例１で示すように、アンドープでｐ側光ガイド層を形成しても、隣接層の電子閉込め層とクラッド層からの拡散により、ｐ型不純物がドープされる。このように、拡散により不純物ドープが成される場合には、上述したように活性層に近い領域の不純物濃度を、遠い領域よりも小さくすることである。このようなドープ領域は、少なくとも一方の光ガイド層に設けることが好ましく、更に好ましくは両方の光ガイド層に設けることで光の損失を低減させた導波路となる。
【０１０５】
また、上記光ガイド層における層構成、不純物ドープの形態、組成、膜厚などは、第１の光ガイド層、第２の光ガイド層とで同様なものとしても良く、異なるようにしても良い。例えば、第１の光ガイド層を単一膜とし、第２の光ガイド層を多層膜として、両光ガイド層の層構成を異なるようにした形態などがある。
【０１０６】
（クラッド層）
上記実施形態１Ａ、実施形態１Ｂにおいて、第１導電型層、活性層、第２導電型層とが積層された構造で、第１導電型層が下部クラッド層を有し、第２導電型層が上部クラッド層を有する窒化物半導体素子としても良い。具体的には、図２（ａ）に示すように、基板上に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層１３とが積層された構造を有し、さらには、第１導電型層１１内に下部クラッド層２５、第２導電型層１３内に上部クラッド層３０、が少なくとも設けられ、これら上部、下部クラッド層２５，３０とで、活性層を挟み込む構造を有している。上部クラッド層２５、下部クラッド層３０とで、挟まれた導波路内に、上述した光ガイド層を設けても良い。以下に、クラッド層を有する素子構造について、説明する。
【０１０７】
上部、下部クラッド層２５，３０の組成は、図３（ｂ）〜図６（ａ）のバンド構造４１に示すように、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるようにするものであり、また上記レーザ素子、端面発光素子において第１，２の光ガイド層２６，２９を有する場合には、光ガイド層と同等若しくはそれより大きくする。これは、上部・下部クラッド層をキャリア閉込め、光閉込めとして機能させるものであり、光ガイド層を有する場合には光閉込め層として機能させる。クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、Ａｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられ、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られる。好ましくは、Ｉｎ組成比ａが０の窒化物半導体を用いることで、Ｉｎを含む窒化物半導体ではクラッド層内で光の吸収による損失が発生しやすい傾向にあるからである。このため、好ましくはＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）で表される窒化物半導体を用いることで、良好な光閉込め、更にガイド層を設けない場合には、良好なキャリア閉込めが可能となる。
【０１０８】
レーザ素子、端面発光素子において、導波路を上部、下部クラッド層で挟む構造において、導波路とクラッド層との間、具体的には活性層及び／又は光ガイド層との間、に十分な屈折率差を設けて、導波路内に光が閉じこめられて、光が導波する構成とする。このような屈折率差を設けるには、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）が好ましく用いられ、光ガイド層のＡｌ組成（平均組成）比βとの間で、少なくともβ≦ｂの関係を満たすようにし、好ましくはｂ−β≧０．０５となるようにすることで十分な屈折率差が設けられる。また、クラッド層による光の閉込めは、クラッド層の膜厚にも依存するため、膜厚も考慮して窒化物半導体の組成を決定する。
【０１０９】
本発明のクラッド層は、上記光ガイド層と同様に、単一膜で形成しても良く、多層膜で形成しても良く、また多層膜超格子構造としても良い。単一膜でクラッド層を形成する場合には、上記窒化物半導体からなる単一膜を形成することで、多層膜で形成する場合に比べて、光、キャリア閉込め構造の設計が容易であり、またクラッド層の成長にかかる時間を短縮できる。一方で、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体は、結晶性良く成長させることが困難で、特に単一膜のように、ある一定以上の膜厚で成長させるとクラックが発生しやすくなる。
【０１１０】
クラッド層を多層膜で形成する場合には、組成の異なる窒化物半導体を複数積層するものであり、具体的にはＡｌ組成比の異なる窒化物半導体を複数積層する。このように多層膜で形成すると、単一膜の場合における結晶性の悪化、クラックの発生を、抑制することが可能となる。
【０１１１】
具体的には、多層膜として、第１の層と、それと異なる組成の第２の層とを積層し、屈折率、バンドギャップエネルギーの異なる層を複数設ける。例えば、Ａｌ組成比ｂ１の第１の層と、Ａｌ組成比ｂ２（ｂ１≠ｂ２）の第２の層とを積層した構造の多層膜でも良く、この時Ａｌ組成比をｂ１＜ｂ２（０≦ｂ１、ｂ２≦１）とした構成とすると、Ａｌ組成比の大きな第１の層で屈折率、バンドギャップエネルギーを大きくし、Ａｌ組成比の小さい第２の層で、第１の層を形成することによる結晶性の悪化を抑えることができる。また、第１の層、第２の層を積層し、第２の層と組成の異なる第３の層を積層するなどして、更に複数の組成の異なる層を積層しても良い。また、第１の層、第２の層を交互に複数積層した構造であっても良く、少なくとも第１の層、第２の層を有する対を、複数対形成した構造としても良い。このような、多層膜構造では、Ａｌを含む窒化物半導体の結晶性悪化を抑えて、膜厚を大きくすることができるため、光閉込めにおいて重要となる膜厚を得ることが可能となる。
【０１１２】
多層膜構造のクラッド層において、超格子構造とすることで、更に結晶性を良好なものとして、クラッド層を形成することができ好ましい。ここで、超格子構造は、クラッド層の少なくとも一部に設けることであり、好ましくは全てにおいて超格子構造を設けることで、結晶性良くクラッド層を形成できる。この時、著格子構造としては、光ガイド層の場合と同様に、少なくとも第１の層と、第２の層とを交互に複数積層したり、少なくとも第１の層と第２の層とを有する対を、複数対設けた構造とする。超格子構造を構成する各層の膜厚としては、組成及び各層の組み合わせによりその膜厚は異なるが、具体的には、１０ｎｍ以下とすることであり、好ましくは７．５ｎｍ以下とすることで結晶性を良好に保つことができ、更に好ましくは５ｎｍ以下とすることで、より良好な結晶性とすることができる。
【０１１３】
クラッド層には、少なくとも各導電型の不純物をドープすることが好ましく、光ガイド層と同様に、全体にドープしても、部分的にドープしても良い。また、多層膜の場合にも光ガイド層と同様に、例えば前記第１の層、第２の層を有する多層膜で、両方にドープしても良く、又は第１の層と第２の層とで異なるドープ量とするか、一方にドープして、他方をアンドープとした変調ドープとしても良い。例えば、前記第１の層／第２の層が、Ａｌ_ｂ１Ｇａ_１−ｂ１Ｎ（０≦ｂ１≦１）／Ａｌ_ｂ２Ｇａ_１−ｂ２Ｎ（０＜ｂ２≦ｂ１、ｂ１＜ｂ２）の超格子多層膜構造である場合に、Ａｌ組成比の小さい第２の層に不純物ドープして、第１の層をアンドープとすることで、光ガイド層と同様に結晶性を良くすることができる。
【０１１４】
クラッド層の膜厚としては特に限定されないが、１０ｎｍ以上２μｍ以下、５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲で形成する。これは、１０ｎｍ以上とすることでキャリアの閉込めが可能で、２μｍ以下とすることで、結晶性の悪化を抑え、更に５０ｎｍ以上とすることで光閉込めが可能となりレーザ素子、端面発光素子などに用いることができ、１μｍ以下とすることで、結晶性良くクラッド層を形成することができる。
【０１１５】
ここで、上部クラッド層、下部クラッド層としては、Ａｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられ、このことにより、導波路と両クラッド層との間で、屈折率差を大きくとることができる。このとき、クラッド層の窒化物半導体には、Ｉｎを含まないことが好ましく、なぜなら、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まない場合に比べて、結晶性が悪化する傾向にあり、特に、活性層の上にｐ側クラッド層を有する構造では、そのｐ側クラッド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いると、結晶性の悪化が大きく、素子特性を大きく悪化させるものとなる。このとき、クラッド層に用いる窒化物半導体として具体的には、Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）が好ましく用いられる。
【０１１６】
（キャリア閉込め層＜ｐ側電子閉込め層＞）
本発明において、図３（ｂ）、図４のバンド構造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２８を設けても良い。図に示すように、レーザ素子、端面発光素子のように、光ガイド層２６，２９、クラッド層２５，３０を有する構造の場合には、光ガイド層２６，２９と活性層２７との間、又は、活性層若しくは光ガイド層の一部として設けると良い。ここで、このキャリア閉込め層は、キャリアを活性層若しくは井戸層内に閉じ込めるもので、レーザ素子、高出力の発光素子などにおいて、素子駆動などによる温度上昇、電流密度増大によって、キャリアが活性層をオーバーフローすることを防ぐことが可能となり、活性層内にキャリアが効率的に注入される構造とできる。
【０１１７】
具体的には、図４に示すように、第２導電型層側に配置されたキャリア閉込め層２８ｂにより、第１導電型層からのキャリアを閉込め、第１導電型層側のキャリア閉込め層２８ａにより、第２導電型層からのキャリアを閉込める。このキャリアを閉込め層は、少なくとも一方に設けることが好ましく、実施例１に示すように、第１導電型層をｎ型、第２導電型層をｐ型とした素子において、少なくともｐ型層側にキャリアを閉込め層を設けることが好ましい。これは、窒化物半導体において、電子の拡散長がホールの拡散長に比べて長いため、電子の方が活性層をオーバーフローしやすく、このため電子を閉じ込めるキャリア閉込め層２８をｐ型層側に設けることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られる。以下ｐ型層側にキャリアを閉込め層を、ｐ側電子閉込め層として設ける例を説明するが、それは導電型層を代えることでｎ型層側にも適用できるものである。特に、ｐ側電子閉込め層を少なくとも設けることが好ましく、これは、電子がホールに比べて、キャリア拡散長が長く、活性層をオーバーフローしやすいためである。
【０１１８】
このｐ側電子閉込め層としては、Ａｌを含む窒化物半導体を用いるものであり、具体的には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≦ｓ＜０．５の範囲とすることである。なぜなら、ｃが０．１以下であるとレーザ素子において、十分な電子閉込め層として機能せず、０．２以上であると十分に電子閉込め（キャリアの閉込め）がなされ、キャリアのオーバーフローを抑え、加えて０．５以下であるとクラックの発生を低く抑えて成長させることができ、更に好ましくはｃを０．３５以下とすることで良好な結晶性で成長できる。また、上記光ガイド層を有する場合には、それよりも大きいバンドギャップエネルギーのキャリアを閉込め層とすることが好ましく、上記クラッド層を有する場合には、クラッド層とほぼ同じかそれよりも大きなバンドギャップエネルギーのキャリアを閉込め層とすることである。これはキャリアの閉込めには光の閉込めとなるクラッド層より高い混晶比の窒化物半導体が必要となるからである。
【０１１９】
このｐ側電子閉込め層は、本発明の窒化物半導体素子に用いることができ、特にレーザ素子のように、大電流で駆動させ、多量のキャリアを活性層内に注入する場合において、ｐ側電子閉込め層を有していない場合に比べて、効果的なキャリアの閉込めを可能とし、レーザ素子だけでなく、高出力のＬＥＤにも用いることができる。
【０１２０】
本発明のキャリア閉込め層の膜厚としては、少なくとも１００ｎｍ以下とすることであり、好ましくは４０ｎｍ以下とすることである。これは、Ａｌを含む窒化物半導体は、他の窒化物半導体（Ａｌを含まない）に比べて、バルク抵抗が大きく、更にｐ側電子閉込め層のＡｌ混晶比は上述したように高く設定されるため、１００ｎｍを超えて素子内に設けると、極めて高抵抗な層となり、順方向電圧Ｖｆの大幅な増加を招くこととなるためであり、４０ｎｍ以下であるとＶｆの上昇を低く抑えることが可能で、更に好ましくは２０ｎｍ以下とすることで更に低く抑えることが可能となる。ここで、ｐ側電子閉込め層の膜厚の下限としては、少なくとも１ｎｍ以上、好ましくは５ｎｍ以上とすることで、電子閉込めとして良好に機能する。ここで、キャリアを閉込め層は、単一膜で形成して良く、組成異なる多層膜で形成しても良い。
【０１２１】
また、本発明の窒化物半導体素子において、光ガイド層を設けずに、クラッド層だけを設ける場合には、活性層とクラッド層との間に上述したようにキャリアを閉込めに十分なバンドオフセットが存在すれば、キャリアを閉込め層を、クラッド層とは別に設ける必要はないが、光ガイド層を有する構造のように、クラッド層が活性層から離間して配置される場合には、活性層とクラッド層との間に、好ましくは活性層近傍にキャリアを閉込め層を設けること良い。これは、活性層から離れた位置にキャリアを閉込め層を設けると上記キャリアのオーバーフローを抑制する効果がなくなるからである。具体的には、活性層とｐ側電子閉込め層（キャリア閉込め層）との距離は、１００ｎｍ以下とすることでキャリアの閉込めとして機能し、更に好ましくは５００Å以下とすることで良好なキャリアの閉込めが可能となる。活性層外部にキャリアを閉込め層を配置する場合には、最も好ましくは活性層に接して配置することで、最も効率よくキャリアが活性層内に閉じ込められる。活性層内部に配置する場合には、障壁層若しくはその一部として設けることができ、具体的には、活性層内で各導電型層に最も近い位置に、すなわち活性層内で最も外側の層として、配置することで、活性層内部の井戸層内に、キャリアが効率的に注入される。
【０１２２】
例えば、図４において、キャリアを閉込め層２８を、活性層内で最も外側の障壁層として設け、各導電型層に最も近い層となる。このように、活性層内にキャリアを閉込め層を設ける場合には、活性層内部の障壁層に比べてバンドギャップエネルギーを大きくするものであり、活性層内部の障壁層は、最も外側を除く障壁層であり、井戸層に挟まれた障壁層である。
【０１２３】
本発明のｐ側電子閉込め層（キャリア閉込め層）には、アンドープであっても、ｐ型不純物（各導電型の不純物）がドープされても良い。好ましくは、各導電型の不純物がドープされることであり、例えばｐ側電子閉込め層ではｐ型不純物がドープされることで、これはドープすることでキャリアの移動度が高まりＶｆを低下できるためである。
【０１２４】
さらにレーザ素子、ハイパワーＬＥＤなどの大電流で駆動させる場合には、キャリアの移動度を高めるため、高濃度でドープすることが好ましい。具体的なドープ量としては、少なくとも５×１０^１６／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^{２ １}／ｃｍ^３以下とすることである。但し、ｐ型不純物量が多くなると、バルク抵抗が大きくなる傾向にあり、結果としてＶｆが上昇することになるため、これを回避する場合に好ましくは、必要なキャリア移動度を確保しうる最低限のｐ型不純物濃度とすることである。また、アンドープでキャリア閉込め層を形成して、隣接層からの不純物拡散によりドープすることも可能である。
【０１２５】
また、ｎ側にｐ型キャリアの閉込め層を設ける場合には、上記ｐ側電子閉込め層のように、活性層・障壁層との間に大きなバンドオフセットを設ける必要はない。これは、素子に電圧を印可すると、電子を閉じ込めるオフセットが小さくなり、Ａｌ組成比の大きな窒化物半導体の閉込め層を必要とするが、ホールを閉じ込めるオフセットは殆ど変化しないため、ｐ側電子閉込め層ほどＡｌ組成比を高くする必要がない。具体的には、活性層内で最もｎ側に配置されたｎ側障壁層でもって、ホールの閉込め層として機能させることができ、特に膜厚を１０ｎｍ以上とすることで、優れたホール閉込め機能を有することになる。
【０１２６】
すなわち、実施例に示すように、ｎ側障壁層２ａは、他の障壁層に比べて、膜厚を大きくすることで、キャリアを閉込めの機能を好適に引き出すことができる。これは、多重量子井戸構造において、他の障壁層２ｂ、２ｃは、井戸層に挟まれた構造であるため、膜厚を大きくするとキャリアが効率よく井戸層に注入されるのを妨げる場合が有るためであり、一方ｎ側障壁層２ａは、井戸層に挟まれずに形成されるため、キャリア閉込めの機能を強くすることで、良好な活性層の構造となる。このｎ側障壁層は、好ましくは活性層内で最も外側に配置された層であることにより、キャリア閉込めが有効に機能し、また膜厚の上限は特に限定されないが、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。
【０１２７】
本発明の窒化物半導体のレーザ素子、端面発光素子では、実施例に示すように、ストライプ状の導波路として、リッジを設けた後、リッジ側面に埋込層となる絶縁膜を形成する。この時、埋込層としては、ここで、第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ２以外の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。更に、埋込層として、半絶縁性、ｉ型の窒化物半導体、リッジ部とは逆の導電型、実施例においてはｎ型の窒化物半導体、を用いることができ、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体により屈折率差を設けたり、電流阻止層として機能させたりすることで横方向の光の閉込めが実現され、Ｉｎを含む窒化物半導体により光吸収係数差を設けて、レーザ素子の光学特性が実現される。。また、エッチングなどによりリッジを設けずに、Ｂ、Ａｌなどのイオンを注入して、非注入領域をストライプ状として、電流が流れる領域とする構造をとることもできる。
【０１２８】
また、リッジ幅としては、１μｍ以上３μｍ以下、好ましくは１．５μｍ以上２μｍ以下とすることで、光ディスクシステムの光源として、優れたスポット形状、ビーム形状のレーザ光が得られる。
【０１２９】
[実施形態２］
次に、本発明の他の実施形態２について説明するが、この実施形態２は、上述した各実施形態と組み合わせて用いることもできる。
【０１３０】
（活性層）
本発明における活性層としては、好ましくは量子井戸構造を有するものであり、ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、Ａｌを含む窒化物半導体若しくはＩｎとＡｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有する。また、特に、活性層における波長が、３７５ｎｍ以下の発光を有する短波長に好ましく用いられ、具体的には前記井戸層のバンドギャップエネルギーが波長３７５ｎｍ以下であるものである。このとき、活性層に用いられる窒化物半導体は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでもよいが、好ましくはノンドープ若しくはアンドープ、又はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を活性層内に設けることで、レーザ素子、発光素子などの窒化物半導体素子において、高出力化が図れる。好ましくは、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドープとすることで、レーザ素子、発光素子が高出力で発光効率の高い素子となる。ここで、量子井戸構造としては、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも良い。好ましくは、多重量子井戸構造とすることで、出力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層の量子井戸構造としては、前記井戸層、障壁層を少なくとも１層ずつ積層したものを用いることができる。この時、量子井戸構造である場合に、井戸層数としては、１以上４以下とすることで、例えばレーザ素子、発光素子においては、閾値電流を低くすることが可能となり好ましく、更に好ましくは、井戸層数を２又は３とした多重量子井戸構造とすることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られる傾向にある。
【０１３１】
（井戸層）
本発明における井戸層としては、ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体を用いることが好ましく、該ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を活性層内に少なくとも１層有することであり、多重量子井戸構造においては、好ましくは、すべての井戸層が上記窒化物半導体からなる井戸層とすることで、短波長化され、高出力、高効率の発光素子、レーザ素子が得られる。発光スペクトルがほぼ単一ピークの場合は、この構成が好ましいが、一方で複数のピークを有する多色発光素子においては、前記ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を少なくとも１層有することで、短波長域の発光ピークを得ることができ、様々な発光色の発光素子、もしくは、その短波長域で励起される蛍光体と組み合わせた発光装置に得ることが可能である。この時、多色発光の素子とする場合に、井戸層の具体的な組成としては、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。
【０１３２】
本発明のＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層は、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困難な波長域、具体的には、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長３６５ｎｍ付近、若しくはそれより短い波長を得るものであり、特に波長３７５ｍ以下の発光・発振が可能なバンドギャップエネルギーを有する井戸層である。これは、従来のＩｎＧａＮの井戸層では、ＧａＮのバンドギャップエネルギーの波長３６５ｎｍ付近では、例えば３７０ｎｍでは、Ｉｎ組成比が１％以下程度に調整する必要があり、このようにＩｎ組成比が極端に小さくなると、発光効率が低下し、十分な出力の発光素子、レーザ素子が得られがたく、またＩｎ組成比が１％以下では、その成長を制御することも困難である。本発明では、好ましくはＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を用いていることで、従来効率的な発光が困難であった３７５ｎｍの波長域において、Ａｌ組成比ｘを大きくすることでバンドギャップエネルギーを大きくし、短波長のレーザ素子に用いることが可能である。
【０１３３】
ここで、井戸層に用いられるＡｌを含む窒化物半導体の具体的な組成としては、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り、好ましい組成としては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）であり、上記井戸層がＧａＮである場合を含めて、本発明での好ましい井戸層の組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。これは、窒化物半導体の成長に用いられているＭＯＣＶＤ等の気相成長法では、構成元素が多くなると、構成元素間での反応が発生しやすくなり、このため、上述したようにＢ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等を用いて、５元混晶以上の多元化も可能であるが、好ましくはＡｌＩｎＧａＮの４元混晶とすることで、この元素同士の反応を防いで、良好な結晶性で成長させる。さらに、上記組成式Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの４元混晶にあっては、成長時にＡｌとＩｎとの反応により結晶性悪化の問題となる傾向があるために、好ましくはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとすることでさらに良好な結晶性での井戸層の形成が可能となり、これらＡｌを含む窒化物半導体では、Ａｌ混晶比を大きくすることで上記短波長域（λ≦３７５ｎｍ）において発光、発振が可能な素子とできる。ここで、Ａｌ組成比ｘは、特に限定されず、Ａｌ組成比を変化させることにより、所望のバンドギャップエネルギー、波長を得ることである。
【０１３４】
本実施形態における量子井戸構造の活性層は、上記２元、３元混晶のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦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対以上有することが好ましい。
【０１３５】
具体的には、図１２（ａ）（ｂ）および図１４（ａ）（ｂ）の活性層１２として示すように、ＡｌＧａＮの井戸層１を１層以上、ＩｎＡｌＧａＮ若しくはＡｌＧａＮの障壁層２を１層以上有することであり、これにより内部量子効率、発光効率に優れた井戸層となり、さらにＡｌを含む窒化物半導体により、そのＡｌ組成比を調整することで、図１２（ａ）に示すように、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。
【０１３６】
（活性層と隣接層）
本実施形態２において、活性層を挟む第１導電型層、第２導電型層の積層構造で、特に、活性層の近くに配置される層、具体的には活性層に接して隣接して配置される層と、活性層との関係について、以下詳しく述べる。
【０１３７】
従来提案されているレーザ素子構造は、図１３（ａ）（ｂ）にそのバンド構造を、図１６に、図２（ａ）の積層構造におけるＡｌ混晶比の変化を示しすように、活性層を挟む光ガイド層２６，２９、更にその両外側を挟むクラッド層２５，３０の順にバンドギャップエネルギーが大きくなる構造が採られてきた。例えば、波長４１０ｎｍのＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子では、図１６において、光ガイド層２６、２９のＡｌ組成比を０の基点とし、それよりもバンドギャップエネルギーの小さい活性層においては、Ｉｎ混晶比に置き換えることで、従来のレーザ素子のバンドギャップ構造となる。また、従来の紫外域の短波長におけるＡｌＧａＮ系半導体レーザ素子では、図１６に示すように、活性層の外側の光ガイド層２６，３９、更にその外側のクラッド層の順に、Ａｌ混晶比を大きくし、それにより図１３（ａ）（ｂ）に示すように活性層から外側に向かってバンドギャップエネルギーを大きくした構造が提案されてきた。また、従来の紫外域発光のＡｌＧａＮ系窒化物半導体発光素子においては、上記レーザ素子において、クラッド層、若しくは光ガイド層を除いた構造が提案されており、具体的には、図１６に示す光ガイド層２６，２９、クラッド層２５，３０を、キャリア閉込め層に用いた構造、すなわち、発光層（活性層２７）よりもＡｌ組成比を大きくし、バンドギャップエネルギーの大きな層を形成してきた。しかしながら、このように、Ａｌ混晶比を活性層の外側に向かって、順に大きくしていく構造では、結晶性の悪化、特にクラックの発生が深刻な問題を生むものとなっていた。
【０１３８】
本発明では、図２（ａ）に示すように、活性層２７を挟む両光ガイド層２６，２９が、活性層内の障壁層２よりもバンドギャップエネルギーを小さくし、Ａｌ混晶比を小さくした構造とすることで、上述した従来の構造におけるクラックの発生を好適に抑制し、室温において連続発振可能な構造とできる。具体的には、第１導電型層内に、第１の窒化物半導体層が設けられ、該第１の窒化物半導体層を活性層内の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さくなるように、すなわち、ＡｌＧａＮ系活性層においては、障壁層のＡｌ混晶比より小さい第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比を小さくすることである。この時、井戸層と第１の窒化物半導体層との関係は、活性層の井戸層において、発光再結合させるために、井戸層よりも第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーを大きくする。また、この関係は、第２導電型層にも適用でき、具体的には、第２導電型層内の第２の窒化物半導体層を、活性層中の障壁層よりもバンドギャップエネルギーを小さく、またＡｌ混晶比を小さくすることである。これら障壁層よりもＡｌ混晶比の小さい第１の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）を用いて、活性層の近く、好ましくは隣接して配置することで、良好なキャリア閉込め、及び結晶性の良好な活性層が実現でき、並びに、これらの層を光ガイド層に用いることで、短波長域において好適な導波路構造が形成される。以下このことについて、詳しく説明する。
【０１３９】
本実施形態２における窒化物半導体素子は、図２（ａ）および図１２（ａ）に示すように、第１導電型層１１、第２導電型層１３との間に活性層１２が設けられた構造で、具体的な積層構造としては、図に示すように、第１導電型層１１として、コンタクト層２３、下部クラッド層２５、下部光ガイド層２６が順に積層され、その上に活性層２７、活性層の上に、第２導電型層１３として、キャリア閉込め層２８、上部光ガイド層２９、上部クラッド層３０、コンタクト層２４が順に積層された構造を有している。ここで、キャリア閉込め層、光ガイド層、クラッド層、コンタクト層、の互いに隣り合う層は、図に示すように接する場合に限定されず、各層間に別の層を設けて離間されていても良い。
【０１４０】
ここで、図２（ａ）は本発明における導波路構造を有する素子の積層構造を示す断面図であり、図１２（ａ）（ｂ）は活性層及びそれを挟んで配置された活性層の近くの層の積層構造４０と、その積層構造４０に対応したバイアス状態のバンド構造４１、特に第１導電型層１１をｎ型層側、第２導電型層１３をｐ型層側とした場合を示すものである。図１３（ａ）（ｂ）および図１４（ａ）（ｂ）のバンド構造４１についても図１２（ｂ）と同様であり、図中の白丸（白抜きの円）はホールを、黒丸（黒で塗りつぶした円）は電子を示し、矢印は、各キャリアの動きを模式的に示すものであり、実線は導電帯Ｅ_ｃ、価電子帯Ｅ_ｖを示し、点線は擬フェルミ準位Ｅ_Ｆを示している。図１２（ｂ）からわかるように、井戸層１を挟む障壁層２ａ，２ｂよりも、バンドギャップエネルギーの小さい第１の窒化物半導体層２６、第２の窒化物半導体層２９、が活性層を挟んで配置され、上部・下部光ガイド層として用いられている。
【０１４１】
ここでは、第２導電型層（ｐ型層側）内に、活性層の近く、好ましくは隣接して、キャリア閉込め層２８が設けられ、第２の窒化物半導体層２９と活性層２７との間に設けられている。すなわち、活性層内の障壁層２ａによりホールが井戸層内に閉じ込められ、電子は障壁層２ｂ及び／又は活性層２７に隣接するキャリア閉込め層２８により閉じ込められた構造となっている。従来の構造である図１３（ａ）（ｂ）では、キャリア閉込めるためのオフセットが第１導電型層中の層２６と活性層２７、障壁層２ａとの間に設けられ、活性層２７、障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層若しくは光ガイド層２６が活性層に隣接して設けられて、キャリア閉込めとして機能するが、活性層２７、障壁層２ａに隣接する第１の窒化物半導体層２６では、活性層にキャリア閉込める構造となっておらず、最も第１導電型層側に配置された第１の障壁層２ａでもって、井戸層１ａ内に閉じ込められる。
【０１４２】
以下、井戸層、障壁層、及び第１の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）の関係について説明する。本発明の窒化物半導体素子は、上述したように第１導電型層、活性層、第２導電型層とが積層させれた構造であるが、ここでは、第１導電型層をｎ型の窒化物半導体を有するｎ型層、第２導電型層をｐ型の窒化物半導体を有するｐ型層として説明する。上述したように、量子井戸構造の活性層において、ｎ型層側に最も近くに配置されたｎ側障壁層を第１の障壁層、一方で、ｐ型層側に最も近くに配置されたｐ側障壁層を第２の障壁層として説明する。ここで、本発明では、好ましくはｎ側障壁層の近くで、第１導電型層（ｎ型層）内に設けられた第１の窒化物半導体層との関係において、第１の障壁層より第１の窒化物半導体層がバンドギャップエネルギーが大きくすることであるから、少なくとも、第１の障壁層と井戸層を有する活性層とする。この時、第１の障壁層は、井戸層よりもｎ型層側に設けられる必要がある。このため、本発明においては、活性層は少なくとも井戸層と、井戸層よりもｎ型層側に設けられた第１の障壁層を有する。好ましくは、井戸層よりもｐ型層側に設けられた第２の障壁層（ｐ側障壁層）を設けて、少なくとも第１の障壁層と、第２の障壁層とで井戸層を挟み込む構造が設けられていることが好ましい。なぜなら、井戸層を挟んで設けられた第１の障壁層と、第２の障壁層は、それぞれ最もｎ型層の近く、最もｐ型層の近くに設けられた障壁層であるため、異なる機能を有するためである。
【０１４３】
第１の障壁層は、活性層中で最もｎ型層の近くに配置された障壁層であり、更に好ましくは、活性層内で最も外側で、最もｎ型層の近くに設けられることであり、更に好ましくは、ｎ型層、第１の窒化物半導体層に接して、設けられることである。これは、井戸層を介して、ｎ型層に離間して第１の障壁層が設けられると、例えば図１３（ｂ）に示す形態では、第１の障壁層２ａよりもｎ型層側にある井戸層では、キャリアの注入があり、ｎ型層側へオーバーフローするキャリアが発生し、一方で第１の障壁層を厚膜としてｎ型層側へのオーバーフローを抑えると、それよりもｎ型層側にある井戸層において、キャリアが注入されず、発光再結合などの井戸層としての機能を損なうものとなるためである。逆に、第１の障壁層は、第１の障壁層と、ｐ型層とで挟まれる活性層内の井戸層へキャリアを閉じ込めるための障壁として機能し、また、第２の障壁層も同様に第２の障壁層とｎ型層間の井戸層にキャリアを閉込めとして機能する一方で、井戸層に挟まれた障壁層、例えば図１４（ａ）（ｂ）の障壁層２ｃ、２ｄは、各井戸層にキャリアを分散して閉じ込める機能を有し、第１の障壁層、第２の障壁層と井戸層の間の障壁層とでは異なる機能を有するものとなる。そのため、第１の障壁層の機能を最大限活用するには、活性層内の最も外側に第１の障壁層、第２の障壁層を配置することで、活性層内へキャリアを好適に閉じ込めることが可能となる。
【０１４４】
また、第２の障壁層（第２のｐ側障壁層）については、これを設ける代わりに、後述するキャリア閉込め層を活性層の外部、好ましくは活性層に接して、第２導電型層（ｐ型層）中に設けることで、キャリアを活性層中の井戸層に閉じ込めることもできる。好ましくは、このキャリア閉込め層２８に加えて、活性層内に、第２の障壁層を設けることで、窒化物半導体において、ホールに比べて、電子は拡散しやすい性質にあり、キャリア拡散長も大きい傾向にあるが、これを改善して、活性層内、特に井戸層内に好適にキャリアを閉込め、注入できる構造となる。ここで、第２の障壁層は、第１の障壁層と同様に、井戸層よりもｐ型層（第２導電型層）側に配置され、更に好ましくは最もｐ型層の近くに配置された障壁層とし、最も好ましくは、活性層において最も外側で、ｐ型層側に配置させることで、好適なキャリア注入が可能となる。また、キャリア閉込め層との関係から、キャリア閉込め層と離間して、配置されせることもできるが、好ましくは、ｐ型層中のキャリア閉込め層２８に接して第２の障壁層を形成することで、キャリア閉込め層に対して、補助的に、第２の障壁層によるキャリアの閉込め、井戸層への注入を可能とでき好ましい。
【０１４５】
また、上述した第１の障壁層、第２の障壁層のように、活性層内で井戸層よりも、第１導電型層、第２導電型層の近くに配置され、活性層中の障壁層の中でも最も外側の障壁層以外の障壁層は、例えば、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、井戸層１ａと井戸層１ｂ、井戸層１ｂと井戸層１ｃとに挟まれた障壁層２ｃ、２ｄを設けることもできる。特に多重量子井戸構造においては、このような井戸層に挟まれた障壁層を用いることで、複数存在する井戸層において、キャリアが好適に各井戸層に分配され、注入・閉込められる。すなわち、上記第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂと異なる機能を有するものであり、第１の障壁層、第２の障壁層よりも膜厚を薄くすることしても、井戸層に挟まれた障壁層の機能を損なわない量子井戸構造とでき、活性層全体の膜厚を抑えて、Ｖｆの上昇を抑えることができ好ましい。また、図１４（ａ）に示すように、第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂよりも、井戸層に挟まれた障壁層２ｃとすると、各導電型層から注入されたキャリアに対し、井戸層間に介在する障壁の大きなこの障壁層２ｃにより、隣接する井戸層に直接的に好適に閉じ込めて、注入させることができ好ましい。また図１４（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂよりも、井戸層に挟まれた障壁層２ｃ、２ｄとすると、これら内部に位置する障壁層での閉込め機能を弱めて、外部に位置する第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂをこれら障壁層に比較して強めることで、井戸層数が多くなっても、外部の障壁層が大きな障壁を形成することから、各井戸層へのキャリアの注入・閉込めを好適に実現しうる構造とできる。
【０１４６】
以上説明したように、外部の障壁層である第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｃは、内部の井戸層に挟まれた障壁層と異なる機能を有することから、内部の障壁層と外部の障壁層との間で、膜厚、バンドギャップエネルギー、組成を異なるものとした構成として、所望の素子特性の素子を得ることが可能となる。また、内部障壁層が図１４（ｂ）に示すように、複数有する活性層では、各内部障壁層間で、異なる組成、バンドギャップエネルギー、膜厚とすることも可能であり、ほぼ同一の組成、バンドギャップエネルギー、膜厚とすることもでき、好ましくは、ほぼ同一の組成、バンドギャップエネルギー、膜厚とすることで、内部障壁層でほぼ均等な機能を付与することができ、各井戸層へのキャリアの注入が好適になされる。
【０１４７】
また、上述したように、各障壁層への不純物ドープとしては、最もｎ型層側に位置する第１の障壁層２ｂには、ｎ型不純物をドープすることが上述した理由により好ましく、最もｐ型層側に配置される第２の障壁層には、ｎ型不純物をドープするよりも、実質的ｎ型不純物がドープされていない状態、具体的には、５×１０^１６／ｃｍ^３以下の不純物濃度とすることが好ましい。これは、窒化物半導体に用いられるｐ型不純物は、拡散性の高い不純物が多く、例えば良く用いられるＭｇ、Ｚｎなどは、積層構造内を広く拡散する傾向にあり、障壁層にｐ型不純物がドープされるとそれに隣接する井戸層への拡散が起こり、井戸層でのキャリアの発光再結合を阻害する傾向にあるためである。また、ｐ型層側に近い第２の障壁層をアンドープとすることで、ｐ型層からの不純物の拡散をその障壁層内に留める作用が付与され、井戸層へのさらなる不純物の拡散を防止でき好ましい。特に、キャリア閉込め層２８をｐ型層中に有し、第２の障壁層に近接して、好ましくは第２の障壁層に接して配置される場合には、キャリア閉込め層は比較的高抵抗な層となる傾向にあるため、高濃度でｐ型不純物がドープされる傾向にあり、この不純物の拡散が問題となるが、第２の障壁層をアンドープとすることでこの拡散による井戸層の機能低下を防ぐことができ好ましい。また、キャリア閉込め層近傍において、ｐ−ｎ接合が形成され、図１２（ｂ），図１４（ａ）等に示すように、キャリア閉込め層では、素子構造内において、最も大きなＡｌ混晶比で形成される傾向にあることから、高Ａｌ混晶比の窒化物半導体による大きな圧電がかかり、井戸層に悪影響を及ぼす傾向にあるが、キャリア閉込め層よりもＡｌ混晶比の小さい第２の障壁層をアンドープで形成することで、井戸層への悪影響を抑制できる傾向にあり、好ましい。
【０１４８】
また、第１の障壁層、第２の障壁層との比較において、第１の障壁層を第２の障壁層よりも大きな膜厚とする場合には、第２導電型層中にキャリア閉込め層２８を設けることで、第２の障壁層による活性層内へのキャリア閉込め機能を低下させ、すなわち、上記内部障壁層に近い働きをする障壁層とし、キャリア閉込め層２８でもって、主に活性層へのキャリア閉込めを実現する構造とでき、活性層全体の膜厚が小さくできるため、Ｖｆ低下に寄与でき、また窒化物半導体においては、ホールの拡散長が、電子の拡散長よりも十分に小さいため、ホールの注入口となる第１の障壁層の膜厚が小さいことで、井戸層へのキャリア注入が効率よくなされ好ましい。一方で、ｐ型不純物がドープされたキャリア閉込め層２８を有する場合、若しくは、活性層の近く、好ましくは活性層に接して配置された第２の窒化物半導体層２９が、第１の障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合には、Ａｌ混晶比の高い層が活性層に隣接して設けられることとなる。このため、Ａｌ混晶比の高い層は高抵抗であることから、この層では素子動作中に大きな発熱を生み、それが井戸層に接近していると、井戸層への熱による悪影響が発生し、素子特性を低下させる傾向にある。また、このようなＡｌ混晶比の大きな層と活性層との界面、若しくはＡｌ混晶比の大きい層の活性層側界面、若しくはその近傍において、図１２（ｂ），図１４（ａ）（ｂ）に示すように、ｐ−ｎ接合が形成され、その近くに活性層の井戸層が設けられていると、井戸層での発光再結合において、バイアスが悪影響を及ぼす傾向にある。すなわち、第１の障壁層は、井戸層とＡｌ高混晶層との間をあけて、上記Ａｌ高混晶層による悪影響が井戸層に及ばないように離間させるスペーサーとして機能させると好ましい。この場合、第１の障壁層の具体的な膜厚としては、少なくとも２０Å以上とすることで上記スペーサーの機能を発現でき、好ましくは、４０Å以上の膜厚で井戸層への影響を抑えた活性層とでき好ましい。
【０１４９】
本発明の第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９としては、Ａｌを含む窒化物半導体が用いられ、また、図１２（ｂ），図１４（ａ）（ｂ）のバンド構造４１として示すように、少なくとも量子井戸構造の活性層２７内の井戸層１よりも大きなバンドギャップエネルギーとし、また活性層２７と光ガイド層２６，２９との屈折率差を小さくして、導波路構造とする。また、光ガイド層は、図１２（ｂ），図１４（ａ）（ｂ）に示すように、障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さくても良く、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、光ガイド層の一部が障壁層よりも大きくても良い。この場合、第１の障壁層を除く光ガイド層、若しくはその一部が障壁層よりもバンドギャップエネルギーを大きくするか、若しくは図１４（ａ）（ｂ）に示すように、内部障壁層、すなわち活性層中の障壁層の一部より光ガイド層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができる。
【０１５０】
すなわち、好ましくは、光ガイド層が、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の窒化物半導体層を有すること、さらに好ましくは第１の窒化物半導体層からなる光ガイド層とすること、若しくは第１の窒化物半導体層以外の層を有する多層膜の光ガイド層において、光ガイド層全体を第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーより小さくすることで、上記第１の障壁層のキャリア閉込め層としての機能を好適に発現でき、更に、Ａｌ混晶比の小さい光ガイド層を形成することで、例えば、それにより下部光ガイド層が形成されると、Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性悪化を抑えて、活性層を形成でき、発光素子、レーザ素子特性に優れた素子を得ることができる。また、第１の窒化物半導体層を、第１導電型層中の光ガイド層を設けるのと同様に、第２導電型層に光ガイド層を設ける場合において、上述したように、第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の窒化物半導体層を設けることもでき、この時の作用についても第１の窒化物半導体層と同様である。
【０１５１】
更に、第２の窒化物半導体層が上部光ガイド層に設けられる場合において、光ガイド層の組成として具体的には、Ｉｎ_αＡｌ_βＧａ_{１−α−β}Ｎ（０≦α、０＜β、α＋β≦１）が用いられる。好ましくは、Ｉｎを含まない窒化物半導体とすること、すなわち、Ｉｎ組成比が０の窒化物半導体とすることで、Ｉｎを含むことによる光の吸収を防ぎ、光の損失を低く抑えた導波路とできる。さらに、好ましくはＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０≦β≦１）を用いることで、紫外域から赤色域までの幅広い波長域に適用できる導波路となる。特に上記波長３８０ｎｍ以下の短波長域の光を導波させるには、好ましくはＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０＜β≦１）が用いられる。これは、ＧａＮでは、上記短波長域の光を吸収し、それが損失となって、閾値電流密度、電流−光出力特性を悪化させるからである。特に、光ガイド層のＡｌ組成比βは、光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ_ｇ、活性層の発光の光子エネルギーＥ_ｐ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り、更に好ましくはＥ_ｇ−Ｅ_ｐ≧０．１とすることで、更に優れた導波路が形成される。
【０１５２】
第１窒化物半導体層が光ガイド層である場合、超格子構造でも単一膜で形成しても構わない。単一膜で形成することで、超格子とする場合と比べて、電流が流れやすくなり、Ｖｆを下げることができる。その際、単一膜の膜厚は、少なくとも量子効果がない程度の膜厚で、好ましくは第１の障壁層（第２の窒化物半導体層層の場合は、第２の障壁層）よりも大きい膜厚で、より好ましくは３００Å以上の膜厚で形成することが好ましい。
【０１５３】
一方、光ガイド層を超格子とする場合、超格子を構成する全ての層にＡｌを含むことが好ましい。あるいは超格子を構成する少なくとも１つの層がＡｌを含み、この層のバンドギャップエネルギーが活性層の外部障壁層より小さく、かつ活性層の内部障壁層より大きいことが好ましい。これにより活性層内でのキャリア閉じ込め機能が充分に発揮できる。
【０１５４】
第１導電型層と第１の障壁層との界面は、格子不整合性であることが好ましい。具体的には、第１の障壁層がＡｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）から成るとき、第１の窒化物半導体層はＡｌ_ｘＧａ_{１− ｘ}Ｎ（０≦ｘ＜１）とする。第１導電型層を第１の障壁層と格子整合させるべく、上記４元混晶の窒化物半導体とすると、Ｉｎを混晶させることになるが、Ｉｎを入れた４元混晶の窒化物半導体は例えば３００Å以上の膜厚を形成しにくい。よって、第１導電型層をＩｎを含まない格子不整合性のＡｌＧａＮとすることが好ましい。
【０１５５】
［実施形態３］
次に、本発明のさらに他の実施形態３として、より具体的な素子構造を例示する。
【０１５６】
（実施形態３−１）
活性層（ＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＳＣＨ構造
ｐ−ＧａＮコンタクト層
ｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ／Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ超格子クラッド層（上部クラッド層３０）
ｐ−Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎガイド層（上部ガイド層２９）
ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ（キャリア閉込め層２８）
活性層（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
ｎ−Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎガイド層（下部ガイド層２６）
ｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ／Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ超格子クラッド層（下部クラッド層２５）
ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層
ｎ−Ａｌ_０．０２−_０．０３ＧａＮ（Ｓｉドープ：キャリア濃度 ２×１０^１８ ｃｍ^−３）
基板（欠陥密度５×１０^５／ｃｍ^３：ＥＬＯＧ基板上にＨＶＰＥ法でＧａＮを結晶成長させた基板）
【０１５７】
（実施形態３−２）
活性層（ＡｌＩｎＧａＮ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）ＳＣＨ構造
実施形態３−１において、活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
活性層（Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
【０１５８】
（実施形態３−３）
活性層（ＡｌＧａＮ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ）
実施形態３−１において、活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
活性層（Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
【０１５９】
（実施形態３−４）
活性層（ＡｌＩｎＧａＮ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ）
実施形態３−１において、活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
活性層（Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
【０１６０】
（実施形態３−５）
活性層（ＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ構造ｐ−ＧａＮコンタクト層
実施形態３−１において、光ガイド層を用いずに、クラッド層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
ｐ−Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ／Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ超格子クラッド層（上部クラッド層３０）
ｎ−Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ／Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ超格子クラッド層（下部クラッド層２５）
【０１６１】
（実施形態３−６）
活性層（ＡｌＩｎＧａＮ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ構造
実施形態３−１において、光ガイド層を用いずに、クラッド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
ｐ−Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ／Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ超格子クラッド層（上部クラッド層３０）
活性層（Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第１の障壁層）（４５Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
ｎ−Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ／Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ超格子クラッド層（下部クラッド層２５）
【０１６２】
（実施形態３−７）
活性層（ＡｌＧａＮ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ構造（発振波長３６０ｎｍ）
実施形態３−１において、光ガイド層を用いずに、クラッド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
ｐ−Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ／Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ超格子クラッド層（上部クラッド層３０）
活性層（Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
ｎ−Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ／Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ超格子クラッド層（下部クラッド層２５）
【０１６３】
（実施形態３−８）
活性層（ＡｌＩｎＧａＮ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ構造（発振波長３６０ｎｍ）
実施形態３−１において、光ガイド層を用いずに、クラッド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
ｐ−Ａｌ_ｅＧａ_１−ｅＮ組成傾斜クラッド層（上部クラッド層３０）
活性層（Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
ｎ−Ａｌ_ｆＧａ_１−ｆＮ組成傾斜クラッド層（下部クラッド層２５）
【０１６４】
（実施形態３−９）
活性層（ＡｌＧａＮ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造
実施形態３−１において、光ガイド層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
ｐ−Ａｌ_ｇＧａ_１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（上部ガイド層２９）
活性層（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
ｎ−Ａｌ_ｈＧａ_ｉ―ｈＮ組成傾斜ガイド層（下部ガイド層２６）
【０１６５】
（実施形態３−１０）
活性層（ＡｌＩｎＧａＮ障壁層／ＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ）
実施形態３−１において、光ガイド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
ｐ−Ａｌ_ｇＧａ_１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（上部ガイド層２９）
活性層（Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
ｎ−Ａｌ_ｈＧａ_ｉ―ｈＮ組成傾斜ガイド層（下部ガイド層２６）
【０１６６】
（実施形態３−１１）
活性層（ＡｌＧａＮ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ）
実施形態３−１において、光ガイド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
ｐ−Ａｌ_ｇＧａ_１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（上部ガイド層２９）
活性層（Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
ｎ−Ａｌ_ｈＧａ_ｉ―ｈＮ組成傾斜ガイド層（下部ガイド層２６）
【０１６７】
（実施形態３−１２）
活性層（ＡｌＩｎＧａＮ障壁層／ＡｌＧａＮ井戸層／ＡｌＩｎＧａＮ障壁層）ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造（発振波長３６０ｎｍ）
実施形態３−１において、光ガイド層と活性層を以下に示すものとし、その他は同様な構造とする。
ｐ−Ａｌ_ｇＧａ_１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（上部ガイド層２９）
活性層（Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第１の障壁層）（１００Å）／ＧａＮ井戸層（１００Å）／Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層（第２の障壁層）（４５Å））
ｐ−Ａｌ_ｇＧａ_１−ｇＮ組成傾斜ガイド層（下部ガイド層２６）
【０１６８】
上記実施形態３−１〜１２の特徴について以下にそれぞれ示す。
【０１６９】
実施形態３−１は、活性層を上部、下部クラッド層で挟み、各クラッド層と活性層の間には、上部光ガイド層と下部光ガイド層が設けられ、クラッド層は、一方に変調ドープした超格子構造で、各光ガイド層は、第１の障壁層、第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、また、Ａｌ混晶比が小さいものであり、障壁層はＡｌＧａＮの３元混晶で形成されている。
【０１７０】
実施形態３−２は、実施形態３−１と異なる点は、第１の障壁層、第２の障壁層をＡｌＩｎＧａＮの４元混晶で形成しているところにある。
【０１７１】
実施形態３−３は、実施形態３−１、３−２と異なる点は、井戸層をＡｌＧａＮの３元混晶としているところである。実施形態３−４は、実施形態３−１、２、３と異なる点は、井戸層をＡｌＧａＮの３元混晶とし、障壁層をＡｌＩｎＧａＮの４元混晶としているところである。
【０１７２】
実施形態３−５は、実施形態３−１，２，３，４と異なる点は、上部、下部クラッド層を一方の層にドープされた変調ドープの超格子クラッド層とし、一方の層のＡｌ組成比ａ，ｃを活性層に近づくにつれて小さくし、活性層近傍（活性層からの距離が０．１μｍ以下の領域）のバンドギャップエネルギーＥ_ｃがＥ_ｐよりも０．０５ｅＶ以上となるようにし、一方でこの近傍において、第１の障壁層、第２の障壁層よりもＡｌ混晶比、バンドギャップエネルギーを小さくする。この時、Ａｌ組成比ａ＞ｂ、ｃ＞ｄである。
【０１７３】
実施形態３−８は、実施形態３−１〜７と異なる点は、上部、下部クラッド層としてＡｌＧａＮ層において、Ａｌ混晶比ｅ，ｆを活性層に近づくにつれて小さくし、活性層近傍（活性層からの距離が０．１μｍ以下の領域）のバンドギャップエネルギーＥ_ｃがＥ_ｐよりも０．０５ｅＶ以上となるようにし、一方でこの近傍において、第１の障壁層、第２の障壁層よりもＡｌ混晶比、バンドギャップエネルギーを小さくする。
【０１７４】
実施形態３−９は、実施形態３−１〜８と異なる点は、ガイド層を組成傾斜構造とし、Ａｌ混晶比ｇ，ｈを活性層に近づくにつれて小さくし、そのガイド層の一部が、第１の障壁層、第２の障壁層よりもＡｌ混晶比、バンドギャップエネルギーが小さくなるようにする。
【０１７５】
【実施例】
［実施例１］
以下、実施例として、図１に示すようなレーザ素子構造、また図１に示す導波路構造について、窒化物半導体を用いたレーザ素子について、説明する。ここでは、第１導電型層としてｎ型の窒化物半導体を、第２導電型層としてｐ型の窒化物半導体を形成しているが、本発明はこれに限らず、逆に第１導電型層をｐ型に、第２導電型層をｎ型とした構造でも良い。
【０１７６】
ここで、本実施例では、ＧａＮ基板を用いているが、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄のような絶縁性基板、ＳｉＣ（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。
【０１７７】
異種基板を用いる場合には、バッファ層（低温成長層）、窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）からなる下地層を介して、素子構造を形成すること、窒化物半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に設ける下地層（成長基板）として、その他に、ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。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。
【０１７８】
（基板１０１）
基板として、異種基板に成長させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮ、を厚膜（１００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０μｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。基板の詳しい形成方法は、以下の通りである。２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板を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。
【０１７９】
この時、選択成長時のマスクは、ＳｉＯ₂からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）幅５μｍとすることで、貫通転位を低減できる。具体的には、マスク上部のように横方向に成長した領域では貫通転位が低減され、マスク開口部ではほぼ膜厚成長により成膜されるため、貫通転位に変化なく、これにより、貫通転位密度の大きい領域と小さい領域とが分布した層となる。厚膜の窒化物半導体層の形成には、ＨＶＰＥ法が成長速度を大きくでき好ましく、ＨＶＰＥで成長させる窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮを用いると、良好な結晶性でもって厚膜成長ができる。ＧａＮ基板をＨＶＰＥで形成すると、生成された核から核成長したドメインが膜厚方向に成長するに伴って各ドメインが結合して成膜される３次元の成長形態となる傾向にあり、このような場合には、核成長に伴って貫通転位も伝搬するため、上記横方向成長層による分布した貫通転位が分散される傾向にある。
【０１８０】
（バッファ層１０２）
窒化物半導体基板の上に、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、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。この層は、ＡｌＧａＮのｎ側コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。
【０１８１】
具体的には、横方向成長層若しくはそれを用いて形成した基板がＧａＮである場合に、それよりも熱膨張係数の小さい窒化物半導体の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。
【０１８２】
また、ｎ側コンタクト層をバッファ層とする場合には、電極との良好なオーミックコンタクトが得られるように、ｎ側コンタクト層のＡｌ混晶比ａを０．１以下とすることが好ましい。この第１の窒化物半導体層、若しくはその上に形成した横方向成長層の上に設けるバッファ層は、上述した異種基板上に設けるバッファ層と同様に３００℃以上９００℃以下の低温で成長させても良く、８００℃以上１２００℃以下の温度で成長させても良く、好ましくは８００℃以上１２００℃以下の温度で単結晶成長させると、上述したピット低減効果が得られる傾向にある。このバッファ層は、ｎ型、ｐ型不純物をドープしても良く、アンドープでも良いが、結晶性を良好なものとするためにはアンドープで形成することが好ましい。２層以上のバッファ層を設ける場合には、ｎ型、ｐ型不純物濃度、Ａｌ混晶比を変化させて設けることができる。
【０１８３】
次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素子構造となる各層を積層する。ここで、第１導電型層として、ｎ側コンタクト層１１０〜ｎ側光ガイド層を設け、第２導電型層として、ｐ側電子閉込め層１０８〜ｐ側コンタクト層１１１を設ける。
【０１８４】
（ｎ側コンタクト層１０３）
次に得られたバッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープした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。ｎ側コンタクト層、若しくはバッファ層などの下地層に、Ａｌを含む窒化物半導体、具体的にはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）、を用いることで、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒化物半導体に比べて、ＥＬＯＧを用いたことによる結晶性の悪化、特にピットの発生を抑えて、良好な下地層表面を提供できる傾向にあり、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることが好ましい。
【０１８５】
（クラック防止層１０４）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎよりなるクラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【０１８６】
（ｎ側クラッド層１０５（下部クラッド層２５））
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．１４Ｇａ_０．８６ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作をそれぞれ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を成長させる。
【０１８７】
（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド層２６））
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＳｉをドープしたＧａＮよりなる膜厚２５ÅのＡ層、原料ガスにＴＭＡを加えて、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９５Ｎからなる膜厚２５ÅのＢ層を、交互に３０回繰り返して積層し、超格子多層膜からなる膜厚０．１５μｍのｎ側光ガイド層１０６で成長させる。
【０１８８】
（活性層１０７）
次に、温度を８００℃にして、図７に示すように、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、ＴＭＡを用い、Ｓｉドープの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、障壁層２ａ／井戸層１ａ／障壁層２ｂ／井戸層１ｂ／障壁層２ｃの順に積層する。この時、図７に示すように、障壁層２ａを２００Å、障壁層２ｂ，２ｃを４０Åの膜厚で、井戸層１ａ、１ｂを７０Åの膜厚で形成する。活性層１０７は、総膜厚約４２０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【０１８９】
（ｐ側電子閉込め層１０８（キャリア閉込め層２８））
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとして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。
【０１９０】
（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド層２９））
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＭｇドープのＧａＮよりなる膜厚２５ÅのＡ層、原料ガスにＴＭＡを加えて、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎよりなる膜厚２５ÅのＢ層、を交互に３０回繰り返し積層して、膜厚０．１５μｍで超格子多層膜構造のｐ側光ガイド層１０９を成長させる。
【０１９１】
このｐ側光ガイド層１０９は、ｐ側電子閉込め層１０８、ｐ側クラッド層１０９等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇがドープされるため、アンドープで形成しても、Ｍｇドープ層とできる。
【０１９２】
（ｐ側クラッド層１１０（上部クラッド層３０））
続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ_０．１４Ｇａ_０．８６ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＣｐ₂Ｍｇを用いて、ＭｇドープＡｌ_０．１４Ｇａ_０．８６ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作を１００回繰り返して総膜厚０．５μｍの超格子多層膜よりなるｐ側クラッド層１１０を成長させる。
【０１９３】
（ｐ側コンタクト層１１１）
最後に、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１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層１１１はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくは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１１１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。
【０１９４】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ₂よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ₄ガスによりエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ側コンタクト層１０３の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ₂が最適である。
【０１９５】
次に上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ側コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、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１１１、およびｐ側クラッド層１０９、ｐ側光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ側光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングして、形成する。
【０１９６】
次に、リッジストライプ形成後、第１の保護膜１６１の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ₂）よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜の上と、エッチングにより露出されたｐ側光ガイド層１０９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【０１９７】
第２の保護膜１６２形成後、ウエハを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。
【０１９８】
次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜１６１をリフトオフ法により除去する。このことにより、ｐ側コンタクト層１１１の上に設けられていた第１の保護膜１６１が除去されて、ｐ側コンタクト層が露出される。以上のようにして、図１に示すように、リッジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ側光ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜（埋込層）１６２が形成される。
【０１９９】
このように、ｐ側コンタクト層１１２の上に設けられた第１の保護膜１６１が、除去された後、図１に示すように、その露出したｐ側コンタクト層１１１の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ側コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるストライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で形成する。
【０２００】
次に、ｎ電極を形成するためにエッチングして露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面（反射面側）にもＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜が設けられる。以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（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。
【０２０１】
バー状にする際に、エッチング端面に挟まれた導波路領域内で劈開して、得られた劈開面を共振器面としても良く、導波路領域の外で劈開してエッチング端面を共振器面としても良く、一方をエッチング端面、他方を劈開面とした１対の共振器面を形成しても良い。また、上記エッチング端面の共振面には誘電体多層膜からなる反射膜が設けられるが、劈開面の共振器面にも、劈開後に反射膜を設けても良い。この時、反射膜としては、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。
【０２０２】
バー状のウエハを更に分割する際にも、窒化物半導体（単体基板）の劈開面を用いることができ、バー状に劈開したときの劈開面に垂直な窒化物半導体（ＧａＮ）を六方晶系で近似したＭ面、Ａ面（｛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。
【０２０３】
得られるレーザ素子は、波長３７０ｎｍで室温にて連続発振する窒化物半導体素子が得られる。また、ｎ側、ｐ側の光ガイド層は、Ａｌの平均組成比が０．０３のＡｌＧａＮで構成され、第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ_ｇと、レーザ光（活性層の発光波長）の光子エネルギー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。
【０２０４】
［実施例２］
実施例１において、活性層を以下のように形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２０５】
（活性層１０７）
ＳｉドープのＩｎ_０．０１Ａｌ_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。
【０２０６】
得られるレーザ素子は、実施例１と同様に、波長３７０ｎｍで室温にて連続発振する窒化物半導体素子が得られる。
【０２０７】
［実施例３］
実施例１において、活性層、光ガイド層、クラッド層を以下のように形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２０８】
（ｎ側クラッド層１０５（下部クラッド層２５））
２５Åの膜厚でアンドープの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。
【０２０９】
（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド層２６））
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。
【０２１０】
（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。
【０２１１】
（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド層２９））
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。
【０２１２】
（ｐ側クラッド層１１０（上部クラッド層３０））
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。
【０２１３】
得られるレーザ素子は、実施例１よりも短い波長領域の、波長３５０ｎｍで室温にて連続発振する窒化物半導体素子が得られる。また、ｎ側、ｐ側の光ガイド層は、Ａｌの平均組成比が０．２のＡｌＧａＮで構成され、第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ_ｇと、レーザ光の光子エネルギー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。
【０２１４】
［実施例４］
実施例１において、各光ガイド層を以下のように形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２１５】
（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド層２６））
ＳｉドープのＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ（実施例１のＡｌ平均組成）を膜厚０．１５μｍでｎ側光ガイド層１０６を形成し、単一膜で光ガイド層を設ける。
【０２１６】
（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド層２９））
ＭｇドープのＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ（実施例１のＡｌ平均組成）よりなる膜厚０．１５μｍでｐ側光ガイド層１０９を形成し、単一膜で光ガイド層を設ける。
【０２１７】
得られるレーザ素子は、実施例１に比較して、Ａｌの平均組成は同じものの、単一膜で光ガイド層を設けたことにより結晶性が悪化する傾向にあり、また、光ガイド層のドープ領域を大きくしたため、不純物ドープしたことによる光の損失が多く発生する傾向にあり、閾値電流密度が増大する傾向にある。
【０２１８】
また、これとは異なる単一膜の光ガイド層として、実施例１において、ｐ側光ガイド層、ｎ側光ガイド層を、それぞれアンドープのＡｌ_{０．０３５}Ｇａ_{０．９６５}Ｎ、７５ｎｍの膜厚で形成し、障壁層２ｃと井戸層１ｂを設けない単一量子井戸構造の活性層を形成する。得られるレーザ素子は、実施例１に比較して光ガイド層が単一膜であることにより、結晶性が悪化するが、一方で膜厚を約半分とすることで、結晶性悪化による素子劣化を抑制しうる。また光ガイド層をアンドープで形成することにより、導波路内での光の損失を抑制した構造となり、加えて活性層が単一量子井戸構造であることにより、活性層内の結晶性悪化を抑えることで、実施例１とほぼ同等のレーザ素子が得られる。ここで、アンドープは、成長時に意図的にドープしないことを指すものであり、ｐ側光ガイド層は、上述したように、隣接層のｐ側電子閉込め層、ｐ側クラッド層からのＭｇ拡散により僅かにＭｇがドープされたそうとなる。ｎ側光ガイド層は、Ｓｉは殆ど拡散せずノンドープ層となるが、窒化物半導体において、ｎ型キャリアの拡散長はｐ型に比較して大きく、またノンドープの窒化物半導体はＮ原子空孔により高抵抗ながら、ｎ型を示すため、アンドープのｎ側光ガイド層としても、キャリアを活性層内に注入できる。
【０２１９】
［実施例５］
実施例１において、図４に示すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させて形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２２０】
（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド層２６））
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Ｓｉドープで形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域（活性層側０．１μｍの領域）で、アンドープで形成する。
【０２２１】
（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド層２９））
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。
【０２２２】
得られるレーザ素子は、実施例１に比較して、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、図４に示すように、バンドギャップエネルギーが傾斜された光ガイド層を設けることにより、キャリアの活性層への注入効率が良好となり、内部量子効率が向上する傾向にある。また、光ガイド層内の活性層に近い側（活性層側）にアンドープ領域を設けたため、不純物ドープしたことによる光の損失が低く抑えられた導波路構造となり、閾値電流密度が減少する傾向にある。
【０２２３】
[実施例６］
実施例５において、図４に示すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させて形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２２４】
（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド層２６））
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。このときｎ側光ガイド層は、最初の膜厚５０ｎｍの領域は、Ａ層、Ｂ層ともＳｉドープで形成し、残りの膜厚０．１μｍ（活性層側０．１μｍの領域）で、Ａ層のみをＳｉドープ、Ｂ層をアンドープで形成する変調ドープを用いる。
【０２２５】
（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド層２９））
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０．１μｍ（活性層側０．１μｍの領域）は、Ａ層のみをＭｇドープ、Ｂ層をアンドープで形成し、残りの膜厚５０ｎｍの領域で、Ａ層、Ｂ層ともＭｇドープで形成する。
【０２２６】
得られるレーザ素子は、実施例４に比較して、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、超格子構造としたことにより結晶性が良好になり、素子特性が向上する。また一方で、光ガイド層のアンドープ領域を、実施例４に比べて小さくしたため、光の損失が大きくなり、閾値電流密度が僅かに増大する傾向にある。
【０２２７】
[実施例７］
図８に示す面発光型のレーザ素子について以下説明する。
【０２２８】
（基板５０１）
実施例１に用いた窒化物半導体基板１０１と同様の基板５０１を用いる。
【０２２９】
窒化物半導体基板５０１の上に、反射膜５３０として、Ａｌ_ｘＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる第１の層５３１と、第１の層と異なる組成のＡｌ_ｙＧａ_{1- ｙ}Ｎ（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）からなる第２の層５３２を交互にそれぞれ３層ずつ積層する。この時、各層は、λ／（４ｎ）（但し、λは光の波長、ｎは材料の屈折率）の式を満たす膜厚で設ける。窒化物半導体の反射膜は第１、２の層を、Ａｌ_ｘＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表される組成の異なる窒化物半導体を交互に積層した多層膜を用いることができ、この時、各層を１層以上、第１の層／第２の層の対を１対以上形成する。具体的には第１の層／第２の層をＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ、ＧａＮ／ＡｌＮなどで形成できる。Ａｌ_ｘＧａ_1-xＮ／Ａｌ_ｙＧａ_{1- ｙ}Ｎ（０＜ｘ、ｘ＜ｙ＜１）であるとＡｌＧａＮ多層膜であるため熱膨張係数差を小さくでき結晶性良く形成でき、ＧａＮ／Ａｌ_ｙＧａ_{1- ｙ}Ｎ（０＜ｙ＜１）であるとＧａＮ層により結晶性が改善された多層膜とできる。また、Ａｌ組成比の差（ｙ−ｘ）を大きくすると、第１の層と第２の層との屈折率差が大きくなり反射率が高くなり、具体的には、ｙ−ｘ≧０．３とし、好ましくはｙ−ｘ≧０．５とすることで反射率の高い多層膜反射膜が形成できる。また、実施例１と同様に、多層膜層として、Ａｌ_ｙＧａ_{1- ｙ}Ｎ（０＜ｙ≦１）を形成することにより、バッファ層１０２として機能し、ピット低減効果が得られる。また、反射膜は、基板と活性層との間、活性層の上に設けることができ、活性層の上の反射膜は、上記誘電体多層膜を適応できる。更に、基板と活性層との間に反射膜を設けた面発光型の発光素子にも適応できる。
【０２３０】
続いて、実施例１と同様の条件で、ｎ側コンタクト層５３３、活性層５３４、ｐ側電子閉込め層（図示せず）、ｐ側コンタクト層５３５を積層して、円形状の開口部を有するＳｉＯ₂からなるブロック層５３６を設けて、その円形状の開口部からＭｇドープＧａＮを成長させて、第２のｐ側コンタクト層５３７を形成する。この時、ｐ側コンタクト層５３５、第２のｐ側コンタクト層５３７は、いずれか一方だけを形成したものでも良い。その第２のｐ側コンタクト層５３７の上に、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂からなる誘電体多層膜を形成し反射膜５３８とし、前記ブロック層５３６の開口部の上に円形状に設ける。そして、ｎ側コンタクト層５３３が露出する深さまでエッチングして、露出したｎ側コンタクト層５３３の上にリング状のｎ電極５２１、第２のｐ側コンタクト層５３７の上に、反射膜５３８の周りを囲むｐ電極５２０をそれぞれ形成する。このようにして、得られる面発光型のレーザ素子は、実施例１と同様に、短波長域で発振するレーザ素子となる。
【０２３１】
[実施例８］
実施例１において、クラッド層、光ガイド層、活性層を次の条件で形成した素子構造のレーザ素子を形成する。
【０２３２】
上部、下部クラッド層として、膜厚２５Åの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する。
【０２３３】
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で形成する。
【０２３４】
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する。
【０２３５】
図１０に示す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１１のＩｎ混晶比ｙ（ｙ＝０．０２、０．０３、０．０４、０．０７）の依存性については井戸層をＡｌ_０．０３Ｉｎ_ｙＧａ_{０．９７−ｙ}Ｎとし、それぞれパルス発振下での閾値電流密度、波長変化を示すものである。
【０２３６】
図１１に示すように、閾値電流密度Ｊ_ｔｈでは、Ｉｎ混晶比ｙが０．０２付近からｙが大きくなるに従って下降曲線を示し、０．０３〜０．０５の範囲付近で極小値をとり、０．０５を超える領域では、上昇傾向を示す。また、Ａｌ混晶比ｘについては、図１０に示すように、ｘ≦０．１の範囲において、Ａｌ混晶比ｘの増加により上昇傾向にあり、０＜ｘ≦０．６の範囲で好ましく閾値電流を下げることができる。
【０２３７】
[実施例９］
再び、図１に示すリッジ型窒化物半導体レーザを参照する。
【０２３８】
基板１０１上には、バッファ層１０２を介して、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層１０３、クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０５、及びｎ型光ガイド層１０６が形成されている。ｎ型クラッド層１０５を除く他の層は、素子によっては省略することもできる。ｎ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。また、各層は、ｎ型不純物をドープしながら成長させてｎ型としても良いし、アンドープで成長させてｎ型としても良い。
【０２３９】
ｎ型窒化物半導体層１０３〜１０６の上には、活性層１０７が形成されている。活性層１０７は、前述の通り、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ２Ｎ井戸層（０≦ｘ１＜１）とＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ障壁層（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造を有しており、活性層の両端はいずれも障壁層となっている。井戸層は、アンドープで形成されており、全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物が好ましくは１×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドープして形成されている。
【０２４０】
最終障壁層は、アンドープで形成されており、次に成長させるｐ型電子閉じ込め層１０８からの拡散によってＭｇ等のｐ型不純物を１×１０^１６〜１×１０^１９ｃｍ^−３含んでいる場合がある。尚、最終障壁層を成長させるときに、Ｍｇ等のｐ型不純物を１×１０^１９ｃｍ^−３以下の濃度でドープしながら成長させても良い。また、最終障壁層に、他の障壁層と同様に、Ｓｉなどのｎ型不純物をドープしても良い。
【０２４１】
最終障壁層の上には、ｐ型窒化物半導体層として、ｐ型電子閉じ込め層１０８、ｐ型光ガイド層１０９、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタクト層１１１が形成されている。ｐ型クラッド層１１０を除く他の層は、素子によっては省略することもできる。ｐ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。また、各層は、ｐ型不純物をドープしながら成長させてｐ型としても良いし、隣接する他の層からｐ型不純物を拡散させてｐ型としても良い。
【０２４２】
ｐ型電子閉じ込め層１０８は、ｐ型クラッド層１１０よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導体から成り、好ましくはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．１＜ｘ＜０．５）なる組成を有する。また、Ｍｇ等のｐ型不純物が高濃度で、好ましくは５×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドープされている。これにより、ｐ型電子閉じ込め層１０８は、電子を活性層中に有効に閉じ込めることができ、レーザの閾値を低下させる。また、ｐ型電子閉じ込め層１０８は、３０〜２００Å程度の薄膜で成長させれば良く、薄膜であればｐ型光ガイド層１０９やｐ型光クラッド層１１０よりも低温で成長させることができる。
【０２４３】
また、ｐ型電子閉じ込め層１０８は、アンドープで成長させた最終障壁層にｐ型不純物を拡散によって供給する役割を果たしており、両者は協働して、活性層１０７を分解から保護すると共に、活性層１０７へのホール注入効率を高める役割を果たすようにしてもよい。
【０２４４】
ｐ型窒化物半導体層のうち、ｐ型光ガイド層１０９の途中までリッジストライプが形成され、さらに、保護膜１６１、１６２、ｐ型電極１２０、ｎ型電極１２１、ｐパット電極１２２、及びｎパット電極１２３が形成されて半導体レーザが構成されている。
【０２４５】
本実施例は、実施例１の構成および製造プロセスとほぼ同様であるが、実施例１の発振波長（３７０ｎｍ）より短い発振波長（３６６ｎｍ）に設定するため、下記のように活性層１０７の量子井戸層の組成をＡｌＧａＮの３元材料に変えている。さらに、ｎ側クラッド層１０５、ｎ側光ガイド層１０６、ｐ側光ガイド層１０９、ｐ側クラッド層１１０についても下記のように組成を変えている。
【０２４６】
（ｎ側クラッド層１０５：下部クラッド層２５）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、不純物ガスを止め、アンドープのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【０２４７】
（ｎ側光ガイド層１０６：下部光ガイド層２６）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのアンドープのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。この層が第１の窒化物半導体層となる。
【０２４８】
（活性層１０７（２７，１２））
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎよりなる障壁層（第１の障壁層２ａ）（Ｂ）を１００Åの膜厚で、ＴＭＡ及びシランガスを止め、アンドープのＧａＮよりなる井戸層（Ｗ）を１００Åの膜厚で、最後の障壁層（第２の障壁層２ｂ）として、アンドープのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎを４５Åの膜厚で、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の順に積層する。活性層１０７は、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の順に積層を繰り返し、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることもできる。
【０２４９】
（ｐ側光ガイド層１０９：上部光ガイド層２９）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなるｐ側光ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１１０等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０^１６／ｃｍ^３となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。この層が、第２の窒化物半導体層となる。
【０２５０】
（ｐ側クラッド層１１０：上部クラッド層３０）
続いて、ＴＭＡを止め、Ｃｐ_２Ｍｇを用いて、１０５０℃でＭｇドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、Ｃｐ_２Ｍｇを止め、アンドープＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、それを１００回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１０を成長させる。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。ｐ側クラッド層１１０を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なく、ショートの発生も低くなる。
【０２５１】
本実施例では、室温においてしきい値電流５３ｍＡ，電流密度３．５ｋＡ／ｃｍ^２、発振波長３６６ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。
【０２５２】
［実施例１０］
本実施例では、活性層を以下の通りとする他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２５３】
（活性層１０７（２７，１２））
ＳｉドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ、膜厚２００Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＧａＮ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ、膜厚４５Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
【０２５４】
得られるレーザ素子は、実施例９に比較して、第１の障壁層が厚膜化したことにより、井戸層の結晶性が悪化する傾向にあり、しきい値電流Ｊ_ｔｈが１００ｍＡと大きくなる傾向にある。
【０２５５】
［実施例１１］
本実施例では、活性層を以下の通りとする他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２５６】
（活性層２７）
ＳｉドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ、膜厚１００Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＧａＮ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ、膜厚１５０Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
【０２５７】
得られるレーザ素子は、実施例９に比較して、第２の障壁層が厚膜化したことにより、Ｖｆが上昇する傾向にあり、閾値電流Ｊ_ｔｈが１００ｍＡと大きくなる傾向にある。ここでは、第２の障壁層が第１の障壁層よりも膜厚が大きく、また膜厚が１００Å以上で形成され、ｐ−ｎ接合付近であるｐ側電子閉込め層の高抵抗で、発熱量の大きな層が井戸層から第２の障壁層により離された構造となり、その影響を小さくできる一方で、第２の障壁層による抵抗値の上昇が影響する構造となる。
【０２５８】
［実施例１２］
本実施例では、活性層を以下の通りとする他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２５９】
（活性層２７）
ＳｉドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ、膜厚１００Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＧａＮ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ、膜厚１５０Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
【０２６０】
得られるレーザ素子は、実施例９に比較して、第１の障壁層、第２の障壁層のＡｌ混晶比を小さくして、バンドギャップエネルギーを小さくし、井戸層とのバンドギャップエネルギー差も小さくしたことにより、井戸層へのキャリア閉込めが悪くなる傾向にあり、閾値電流Ｊ_ｔｈが２００ｍＡと大きくなる傾向にある。ここで、井戸層と障壁層（第１の障壁層）とのＡｌ混晶比差、Ｘ_Ｂ１―Ｘ_ｗは、０．０５であり、このＡｌ混晶比差を境として、障壁層と井戸層とのＡｌ混晶比差を大きくすることで、閾値が低下する傾向が観られる。
【０２６１】
［実施例１３］
本実施例では、図６（ｂ）に示すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させて形成する他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２６２】
（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド層２６））
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形成し、この時、成長するに従って、すなわち活性層に近づくに従って、Ａｌ組成比ｘを、０．１から０．０２へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜させたｎ側光ガイド層１０６を設ける。この時、ｎ側光ガイド層は、最初の膜厚５０ｎｍの領域はＳｉドープで形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域（活性層側０．１μｍの領域）で、アンドープで形成する。ここでは、活性層近傍の光ガイド層において、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい一部の領域が、第１の窒化物半導体層となる。
【０２６３】
（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド層２９））
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、０．０２から０．１へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜させ、活性層に近づくに従ってＡｌ混晶比が小さく、バンドギャップエネルギーが小さくしたｐ側光ガイド層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。この時、活性層及びｐ側電子閉込め層近傍のｐ側光ガイド層２９において、第２の障壁層よりもＡｌ混晶比が小さく、バンドギャップエネルギーの小さい一部の領域が、第２の窒化物半導体層となる。
【０２６４】
得られるレーザ素子は、実施例９に比較して、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、図６（ｂ）に示すように、バンドギャップエネルギーが傾斜された光ガイド層を設けることにより、キャリアの活性層への注入効率が良好となり、内部量子効率が向上する傾向にある。また、光ガイド層内の活性層に近い側（活性層側）にアンドープ領域を設けたため、不純物ドープしたことによる光の損失が低く抑えられた導波路構造となり、閾値電流密度が減少する傾向にある。
【０２６５】
［実施例１４］
本実施例では、図６（ｂ）に示すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させて形成する他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を得る。
【０２６６】
（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド層２６））
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Ａ層のＡｌ組成比ｘを、０．０５から０．０３へと変化させ、Ｂ層のＡｌ組成比ｙを０．０１５で一定とし、組成傾斜させたｎ側光ガイド層１０６を設ける。このときｎ側光ガイド層は、最初の膜厚５０ｎｍの領域は、Ａ層、Ｂ層ともＳｉドープで形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域（活性層側０．１μｍの領域）で、Ａ層のみをＳｉドープ、Ｂ層をアンドープで形成する変調ドープを用いる。ここで、ｎ側光ガイド層は、活性層中の第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギー、及びＡｌ混晶比が小さくなり、第１の窒化物半導体層となる。
【０２６７】
（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド層２９））
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。この時、成長するに従って、Ａ層のＡｌ組成比ｘを、０．０３から０．０５へと変化させ、Ｂ層のＡｌ組成比ｙを０．０１５で一定とし、組成傾斜させ、すなわち活性層、ｐ側電子閉込め層１０８から離れるに従ってバンドギャップエネルギーを大きくし、Ａｌ平均組成を大きくしたｐ側光ガイド層１０９を設ける。ここで、ｐ側光ガイド層は、最初の膜厚０．１μｍ（活性層側０．１μｍの領域）は、Ａ層のみをＭｇドープ、Ｂ層をアンドープで形成し、残りの膜厚５０ｎｍの領域で、Ａ層、Ｂ層ともＭｇドープで形成する。また、ここでは、Ａ層とＢ層とで周期的に積層された多層膜において、一方の層のみを組成傾斜させたが、両方を組成傾斜させることもできる。
【０２６８】
得られるレーザ素子は、実施例１３に比較して、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、超格子構造としたことにより結晶性が良好になり、素子特性が向上する。また一方で、光ガイド層のアンドープ領域を、実施例１３に比べて小さくしたため、光の損失が大きくなり、閾値電流密度が僅かに増大する傾向にある。
【０２６９】
［比較例１］
図１４（ａ）に示すように、光ガイド層を活性層の井戸層、障壁層のいずれよりも大きなバンドギャップエネルギーとし、図１６に示すように、活性層よりも光ガイド層のＡｌ混晶比を大きくし、更に光ガイド層よりもクラッド層のＡｌ混晶比を大きくした構造で、レーザ素子を作製する。ここでは、光ガイド層、クラッド層を下記の通りとする他は、実施例９と同様にして、レーザ素子を得る。
【０２７０】
（ｎ側クラッド層［下部クラッド層２５］）
Ｓｉドープしたｎ型のＡｌ_０．１７Ｇａ_０．８３Ｎ、膜厚２５ÅのＡ層と、Ｓｉドープしたｎ型のＡｌ_０．２０Ｇａ_０．７５Ｎ、膜厚２５ÅのＢ層と、交互に１００層ずつ繰り返し積層して、超格子多層膜のクラッド層を形成する。
【０２７１】
（ｎ側光ガイド層［下部光ガイド層２６］）
アンドープのＡｌ_０．１７Ｇａ_０．８Ｎを膜厚０．１５μｍで形成する。
【０２７２】
（ｐ側光ガイド層［上部光ガイド層２９］）
アンドープのＡｌ_０．１７Ｇａ_０．８Ｎを膜厚０．１５μｍで形成する。
【０２７３】
（ｐ側クラッド層［上部クラッド層３０］）
Ｍｇドープしたｎ型のＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、膜厚２５ÅのＡ層と、Ｍｇドープしたｎ型のＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ、膜厚２５ÅのＢ層と、交互に１００層ずつ繰り返し積層して、超格子多層膜のクラッド層を形成する。
【０２７４】
得られるレーザ素子は、その殆どにクラックが発生し、素子動作ができないものである。また、素子動作が可能なものであっても、結晶性悪化によるリーク電流が多く発生し、レーザ発振するものが得られないものとなる。
【０２７５】
［実施例１５］
図１５（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の発光素子２００について説明する。ここでは、２００ｂに示すように、基板の同一面側に、正負一対の電極を設ける構造の発光素子を作製する。
【０２７６】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０１をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【０２７７】
バッファ層（図示せず）：続いて、温度を５１０℃で、基板１上にＧａＮよりなる低温成長のバッファ層を約１００Åの膜厚で成長させる。この低温成長層を次に成長させる層よりも低温で成長させて、基板との格子不整合を緩和させるものであり、基板の種類によっては省略できる。
【０２７８】
下地層（図示せず）：バッファ層成長後、温度１０５０℃で、アンドープＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で成長させる。この層は、アンドープ層で成長させることで、その上に形成する素子構造の下地層となり、成長基板となる。
【０２７９】
ｎ型コンタクト層２０２：続いて１０５０℃で、Ｓｉを４．５×１０^１８／cm^３ドープしたＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層（電流注入層）２０２を２μｍの膜厚で成長させる。ここでは、ｎ側コンタクト層２０２が第１の窒化物半導体層となる。
【０２８０】
活性層２０３：アンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎよりなる障壁層（第１の障壁層２ａ）を１００Åの膜厚で成長させ、続いてアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる井戸層を３０Åの膜厚で成長させる。続いて、膜厚３０Å、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる内部障壁層（図示せず）を成長させ、井戸層１を４層（図示せず）と、内部障壁層を３層（図示せず）と、を交互に積層して、最後に第２の障壁層２ｂとして、膜厚４０ÅのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎを成長させ、総膜厚３８０Åの多重量子井戸構造よりなる活性層２０３を成長させる。この活性層では、図１４（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａ及び第２の障壁層２ｂよりも、Ａｌ混晶比が小さく、バンドギャップエネルギーが小さい内部障壁層（２ｂなど）を形成した構造である。
【０２８１】
ｐ側クラッド層２０４：アンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８ＮよりなるＡ層２０４を４０Åの膜厚で成長させ、続いてＭｇを５×１０^１９／cm^３ドープしたＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮよりなるＢ層２０５を２５Åの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、Ａ層、Ｂ層の順で交互に５層ずつ積層し、最後にＡ層を４０Åの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層２０４を３６５Åの膜厚で成長させる。この時、最初のＢ層が第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、Ａｌ混晶比の小さい第２の窒化物半導体層となる。
【０２８２】
ｐ側コンタクト層２０５：続いて、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２０５を２００Åの膜厚で成長させる。
【０２８３】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【０２８４】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層２０５の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層２０５側からエッチングを行い、図１５（ａ）に示すようにｎ側コンタクト層２０２の表面を露出させる。
【０２８５】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層２０５のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極２０６と、そのｐ電極２０６の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極（図示せず）を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ側コンタクト層２０２の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極２０７を形成してＬＥＤ素子とした。
【０２８６】
このＬＥＤ素子は波長３５５ｎｍの紫外発光を示し、特に、上記第１の窒化物半導体層を設けることで、結晶性良く活性層が形成でき、発光特性に優れる発光素子が得られる。
【０２８７】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子は、３８０ｎｍ以下の短波長域において、レーザ発振可能な活性層、導波路構造を得ることができる。特に、ＩｎＡｌＧａＮの井戸層において、Ｉｎ混晶比を、０．０２〜０．０５、好ましくは０．０３〜０．０５の範囲とし、Ａｌ組成比を変化させて所望の発光波長の禁制帯幅を形成して、短波長域の発光素子、レーザ素子を得ることにより、内部量子効率、発光効率に優れた素子となる。
【０２８８】
また、本発明の窒化物半導体素子は、低い閾値電流で３７５ｎｍ以下という短波長の発光素子、レーザ素子を得ることができる。したがって、発光ダイオードは所定の蛍光体と組み合わせて蛍光ランプの代替品を提供することができる。他方、レーザ素子は優れたＦＷＨＭを示し、優れた解像度が得られる結果、ホトリソグラフ素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るレーザ素子構造を説明する模式断面図である。
【図２】 図２（ａ）は本発明の一実施形態に係る素子の積層構造を説明する模式断面図であり、図２（ｂ）は各層のＡｌ組成比を説明する模式図である。
【図３】 図３（ａ）は本発明の一実施形態に係る素子の積層構造を説明する模式断面図であり、図３（ｂ）は該積層構造のエネルギーバンドを説明する模式図である。
【図４】 本発明の一実施形態に係るエネルギーバンドを説明する模式図である。
【図５】 本発明の一実施形態に係るエネルギーバンドを説明する模式図である。
【図６】 図６（ａ）は本発明の一実施形態に係るエネルギーバンドを説明する模式図であり、図６（ｂ）〜図６（ｄ）は各導電型の不純物（ドーパント）のドープ量変化を説明する模式図である。
【図７】 本発明の一実施形態に係る活性層の積層構造を説明する模式断面図である。
【図８】 本発明の一実施形態に係る素子構造を説明する模式断面図である。
【図９】 図９（ａ）は本発明に係る活性層におけるＩｎ組成比と発光効率との関係を説明する模式図であり、図９（ｂ）はＩｎ組成比と閾値電流密度との関係を説明する模式図である。
【図１０】 本発明に係る活性層において、パルス発振下での閾値電流密度と波長に対するＡｌ混晶比の依存性を説明する模式図である。
【図１１】 本発明に係る活性層において、パルス発振下での閾値電流密度と波長に対するＩｎ混晶比の依存性を説明する模式図である。
【図１２】 図１２（ａ）は本発明の一実施形態に係る素子の積層構造を説明する模式断面図であり、図１２（ｂ）は該積層構造に対応してバイアス状態のバンド構造を説明する模式図である。
【図１３】 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、従来技術におけるレーザ素子のバイアス状態のバンド構造を説明する模式図である。
【図１４】 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る素子におけるバイアス状態のバンド構造を説明する模式図である。
【図１５】 図１５（ａ）は本発明の一実施形態に係る発光素子の積層構造を説明する模式断面であり、図１５（ｂ）は各層のＡｌ組成比を説明する模式図である。
【図１６】 従来技術におけるレーザ素子の積層構造に対応した各層のＡｌ組成比を説明する模式図である。
【符号の説明】
１・・・井戸層、２・・・障壁層、１１・・・第１導電型層、１２・・・活性層、１３・・・第２導電型層、２５・・・下部クラッド、２６・・・第１の光ガイド層、２８・・・キャリア閉込め層、２９・・・第２の光ガイド層、３０・・・上部クラッド層、１０１・・・基板、１０２・・・バッファ層、１０３・・・ｎ側コンタクト層、１０４・・・クラック防止層、１０５・・・ｎ側クラッド層、１０６・・・ｎ側光ガイド層、１０７，２７・・・活性層、１０８・・・ｐ側電子閉込め層、１０９・・・ｐ側光ガイド層、１１０・・・ｐ側クラッド層、１１１・・・ｐ側コンタクト層、１２０・・・ｐ電極、１２１・・・ｎ電極、１２２・・・ｐパッド電極、１２３・・・ｎパッド電極、１６２・・・第２の保護膜（埋込層）、１６４・・・絶縁膜

Claims (3)

1. ｎ型層とｐ型層との間に、活性層を有する窒化物半導体素子において、
   前記活性層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなる井戸層と、最も前記ｐ型層側に設けられ、Ａｌを含む窒化物半導体からなりかつ前記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からなると共に、最も前記ｎ型層側に設けられたｎ側障壁層よりも膜厚が小さいｐ側障壁層と、を少なくとも有する量子井戸構造であり、
   前記活性層が近接して設けられた光ガイド層で挟持されて導波路が形成され、前記ｐ型層内に設けられた光ガイド層が前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層からなり、
   前記活性層と前記ｐ型層内に設けられた光ガイド層の間に、活性層より大きなバンドギャップエネルギーを有するＡｌを含む窒化物半導体からなりかつｐ型不純物がドープされたキャリア閉じ込め層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記ｐ側障壁層のＡｌ混晶比Ｘ_Ｂ１ と、井戸層のＡｌ混晶比Ｘ_ｗとが、Ｘ_Ｂ１―Ｘ_ｗ≧０．０５の関係を満たす請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 窒化物半導体基板上に、前記ｐ型層、前記活性層及び前記ｎ型層が積層された請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。

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