JP4360066B2 - 窒化ガリウム系発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる、レーザダイオード素子（ＬＤ）および発光ダイオード素子（ＬＥＤ）等の発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率の異なる２つの層が交互に積層されてなる多層膜反射層は、極めて高い反射率を得ることができるので、様々な用途に使用されている。このような多層膜反射層は一般に、膜厚がλ／４ｎ_ａ（λ：入射光波長、ｎ_ａ：屈折率）である第１の層と、膜厚がλ／４ｎ_ｂ（λ：入射光波長、ｎ_ｂ：屈折率（ｎ_ｂ≠ｎ_ａ））である第２の層からなるペアが複数積層されて形成されており、より高い反射率を得るためには、第１の層と第２の層との屈折率差を大きくする必要がある。
【０００３】
例えば、上記第１の層にＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α＜１）を使用し、第２の層にＧａＮを使用して多層膜反射層を作製する場合、これらの層の屈折率差を大きくするためには、Ａｌ_αＧａ_１−αＮ層におけるＡｌ混晶比αを高くする必要がある。
【０００４】
このような多層膜反射層を使用した発光素子として、本出願人は、例えば特開２００１−７４４４号公報に示すように、紫外〜緑色領域で発振する短波長レーザを開発した。このレーザ素子の模式的な断面図を図１３に示す。図１３のレーザ素子１０は面発光型レーザ素子であり、サファイア基板１の上にバッファ層２を介して、ｎ型窒化物半導体層と、Ｉｎ_ｘＧａ_{1- ｘ}Ｎ（０＜ｘ＜１）からなる活性層６と、ｐ型窒化物半導体層とがこの順で積層されて形成されている。レーザ素子１０において、ｎ型窒化物半導体層は、バッファ層２上に形成された、ｎ型コンタクト層３と、第２のｎ型クラッド層４と、ｎ型の多層膜反射層４４と、第１のｎ型クラッド層５とからなる。一方、活性層６上に形成されたｐ型窒化物半導体層は、第２のｐ型クラッド層７と、第１のｐ型クラッド層８と、ｐ型コンタクト層９とからなる。また、ｎ型コンタクト層３の上には負電極が形成されており、ｐ型コンタクト層９の上には正電極が形成されている。
【０００５】
このようなレーザ素子１０において、多層膜反射層４４は、活性層６よりも基板１側のｎ型窒化物半導体層中に形成されている。多層膜反射層４４は、ミラー（光反射）層として機能し、活性層６からの発光を反射させて、活性層６に閉じ込めることができる。図１３のレーザ素子１０において、多層膜反射層４４は、例えばＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α＜１）とＧａＮとがそれぞれ１０層ずつ交互に積層されてなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ａｌ_αＧａ_１−αＮとＧａＮとからなる多層膜反射層において、これらの層の屈折率差を大きくするためにＡｌ_αＧａ_１−αＮ層におけるＡｌ混晶比αを高くした場合、αを高くするにつれて、Ａｌ_αＧａ_１−αＮ層の結晶性が低下してしまう。結晶性の低下した多層膜反射層がレーザ素子１０中に形成されると、活性層６からの発光が、多層膜反射層４４において散乱してしまい、多層膜反射層４４が反射層としての機能を十分に発揮できず、レーザの発振閾値電流値および閾値電圧値が上昇してしまうという問題があった。
【０００８】
またレーザ素子１０において、多層膜反射層４４の結晶性が低いと、多層膜反射層４４の上に成長させる各窒化物半導体層の結晶性の劣化、モフォロジー異常やクラックの発生を引き起こしてしまうという問題もあった。
【０００９】
一方、Ａｌ_αＧａ_１−αＮ層の結晶性低下を抑制するために、Ａｌ混晶比αを低くすれば、Ａｌ_αＧａ_１−αＮ層とＧａＮ層との屈折率差が小さくなり、多層膜反射層の反射率が低下してしまう。反射率の低い多層膜反射層がレーザ素子１０中に形成されると、活性層６に効果的に光を閉じ込めることができす、レーザの発振が困難になる。
【００１０】
本発明は上述した課題を解決するためのものであり、高い反射率を維持しながら、結晶性の優れた窒化ガリウム系多層膜反射層を提供すること、および、そのような多層膜反射層を用いた窒化ガリウム系発光素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の多層膜反射層は、膜厚が（α_１・λ）／（４ｎ_１）（λ：入射光波長、ｎ_１：屈折率）のＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦０．５）層と、膜厚（α_２・λ）／（４ｎ_２）（ｎ_２：屈折率）のＧａＮ層とが交互に積層されてなり、０＜α_１ ≦０．５、かつ、α_１＋α_２＝２であることを特徴とする。
【００１２】
従来は、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層とＧａＮ層とからなるペアが複数積層された多層膜反射層において、１ペアを構成するＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層の膜厚はλ／４ｎ_１（すなわちα_１＝１）であり、ＧａＮ層の膜厚はλ／４ｎ_２（すなわちα_２＝１）であった。これに対して本発明によると、α_１＋α_２＝２を従来と同様に維持しながら、α_１を１未満にしてＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層の膜厚を従来のλ／４ｎ_１よりも小さくすることにより、高い反射率を維持しながら、結晶性の優れた多層膜反射層を得ることができる。また、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層を従来よりも薄膜化できるので、Ａｌ混晶比ａを比較的高くしても結晶性の劣化を抑制でき、より反射率の高い多層膜反射層を得ることが可能となる。
【００１３】
このような多層膜反射層において、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層のＡｌ混晶比ａは、０．２≦ａ≦０．８であることが好ましい。ａが０．８を上回ると、多層膜反射層の結晶性劣化が顕著となる恐れがあるからである。また、ａが０．２を下回ると、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層とＧａＮ層との間の屈折率差が小さくなり、十分な反射率を有する多層膜反射層を得ることができない恐れがあるからである。また、Ａｌ混晶比ａは、より好ましくは０．３≦ａ≦０．７であり、このような場合、極めて大きな屈折率差および、優れた結晶性を実現することが可能となる。
【００１４】
また、上記多層膜反射層において、α_１はα_１≦０．７５であることが好ましい。α_１が０．７５を超えると、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の膜厚が大きくなり過ぎ、多層膜反射層の結晶性劣化が顕著になる恐れがあるからである。α_１は、より好ましくはα_１≦０．５であり、このような場合、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の膜厚が十分小さく、多層膜反射層の結晶性が極めて優れたものとなる。
【００１５】
上述したような多層膜反射層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなる活性層を有する窒化ガリウム系発光素子に好適に使用される。以下、本発明の窒化ガリウム系発光素子について説明する。本発明の窒化ガリウム系発光素子は、上述の多層膜反射層が、窒化物半導体層を介してＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）から成る活性層の少なくとも片側に積層されている。
【００１６】
また、多層膜反射層を活性層と基板との間に有することが好ましい。また、基板の上に、ｎ型クラッド層と、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなる活性層と、ｐ型クラッド層とをこの順で積層して形成し、基板と活性層との間に、上述した多層膜反射層を有することが好ましい。このような窒化ガリウム系発光素子は、基板と活性層との間に、結晶性が高く、かつ、反射率の高い多層膜反射層を有するので、多層膜反射層の上に積層される各窒化物半導体層の結晶性の劣化が防止され、クラックの発生およびモフォロジー異常が防止され、また、発光素子の閾値電流値および閾値電圧値が低下される。
【００１７】
また、多重膜反射層と活性層との間に存在する窒化物半導体層は超格子層であることが好ましい。電気抵抗の低い超格子層を用いることにより、活性層へのキャリアの注入の効率を高めることができ発光素子の閾値電流値および閾値電圧値をさらに低下させることが可能となる。また、超格子層を多層膜反射層に接して形成しても良く、さらに超格子層を活性層に接して形成しても良い。これにより、キャリアの注入効率をさらに向上させることが可能となる。
【００１８】
また、このような本発明の窒化ガリウム系発光素子は、基板の主面に対して垂直な方向に発光させる面発光型レーザ素子に好適に適用される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、活性層がＩｎ_ｘＧａ_{1- ｘ}Ｎ（０≦ｘ＜１）からなる、本発明に係るＧａＮ系発光素子の一例を示す断面図である。図１（ａ）のＧａＮ系発光素子は、面発光型ＧａＮ系レーザ素子であり、基板１０１の主面に垂直な方向に光を発光させる。この半導体レーザ素子２は、ＧａＮ基板１０１の上において、Ｉｎ_ｘＧａ_{1- ｘ}Ｎ（０≦ｘ＜１）からなる活性層１０７が、ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）層（各層毎にｙの値は異なる）１０３〜１０６と、ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ＜１）層（各層毎にｚの値は異なる）１０８〜１１１とによって挟まれて形成された、いわゆるダブルへテロ構造を有し、活性層１０７と基板１０１との間に多層膜反射層９８を有する。
【００２０】
図１（ａ）の窒化物半導体レーザ素子２は、例えば、バッファ層１０２とｎ型コンタクト層１０３（いずれも後述する）との間に、多層膜反射層９８を有する。多層膜反射層９８は、図１（ｂ）に示すように、膜厚が（α_１・λ）／（４ｎ_１）のＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ（０＜ａ＜１）層と、膜厚が（α_２・λ）／（４ｎ_２）のＧａＮ層とが交互に積層されてなり、０＜α_１＜１、かつ、α_１＋α_２＝２である。なお、λは入射光波長であり、ｎ_１はＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎの屈折率、ｎ_２はＧａＮの屈折率である。
【００２１】
従来の多層膜反射層は、図１３を参照して前述したように、１ペアを構成するＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層の膜厚はλ／４ｎ_１（すなわちα_１＝１）であり、ＧａＮ層の膜厚はλ／４ｎ_２（すなわちα_２＝１）であった。このような従来の多層膜反射層によると、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層の結晶性が低いために、高い反射率と高い結晶性の両方を同時に実現させることが困難であった。本発明者は、α_１＋α_２＝２を従来と同様に維持すれば、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層の膜厚をλ／４ｎ_１よりも小さくし（α_１＜１）、ＧａＮ層の膜厚をλ／４ｎ_２よりも大きく（α_２＞１）しても、優れた反射率を維持することができ、さらに、反射率の波長選択性をむしろ向上できることを見出した。このようにＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層の膜厚をλ／４ｎ_１よりも小さく設定することにより、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層を従来よりも薄膜化できるために、高い反射率を維持しながら結晶性を向上することができる。
【００２２】
図２は、本実施形態の多層膜反射層９８の反射率の波長依存性（理論値）を示すグラフである。多層膜反射層９８は、膜厚λ／８ｎ_１のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層（すなわちα_１＝１／２、λ＝４００ｎｍのときＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎの屈折率ｎ_１＝２．０５）と、３λ／８ｎ_２のＧａＮ層（すなわちα_２＝３／２、λ＝４００ｎｍのときＧａＮの屈折率ｎ_１＝２．５）とが１００層ずつ交互に積層されて形成されている。比較のために、膜厚λ／４ｎ_１のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層と、膜厚λ／４ｎ_２のＧａＮ層とが１００層ずつ交互に積層されて形成された多層膜反射層の反射率の波長依存性（理論値）も合わせて示す。図２から分かるように、本実施形態の多層膜反射層によると、反射率のピーク強度を比較例と同程度に維持しながら、比較例よりも、選択的な波長領域での反射効果を向上できることが分かる。なお、図２に示すデータはいずれも理論値であり、結晶性の劣化等に伴う反射率の低下は考慮されていない。従って、実際には、比較例の多層膜反射層の反射率は、結晶性の低下により、光の吸収、散乱が強くなり、大幅に低下することが予想される。
【００２３】
次に、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の膜厚と、その表面形態との関係を説明する。図３は、ＧａＮ層上にＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層を成膜した場合に、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層の膜厚と、そのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層の表面形態との関係を示す図である。図３に示すように、膜厚がλ／８ｎ_１までは、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層の表面形態は正常であるが、λ／８ｎ_１を超えると、結晶性の劣化により、モフォロジー異常が観測され、λ／４ｎ_１を超えるとクラックの発生が観測される。このような膜厚と表面形態との関係は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層のＡｌ混晶比ａに依存し、混晶比ａが大きいほど、モフォロジー異常またはクラックなどの表面形態の異常が観測される閾値膜厚は、薄い方にシフトする。結晶性の劣化によってモフォロジー異常またはクラックが発生したＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の上に、他の窒化物半導体層を積層させた場合、積層された他の窒化物半導体層にもＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の結晶性劣化が伝搬してしまうという問題がある。従って、結晶性の高い多層膜反射層を作製するには、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の膜厚を、λ／４ｎ_１未満にすることが好ましいことが分かる。また、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の膜厚が薄いと反射率が下がる傾向にあるので、λ／８ｎ_１にすることがより好ましい。
【００２４】
本発明の多層膜反射層９８によると、α_１＋α_２＝２を従来と同様に維持して多層膜反射層の高い反射率を維持しながら、α_１＜１にして、結晶性の低くなり易いＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層を薄膜化できる。従って、結晶性の優れた、反射率の高い多層膜反射層を得ることができる。また、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層を薄膜化できるので、Ａｌ混晶比ａを比較的高くしても、結晶性の劣化を抑制でき、より反射率の高い多層膜反射層を得ることができる。また、結晶性の高い多層膜反射層９８を作製することができるので、多層膜反射層９８の上に積層される各窒化物半導体層の結晶性の劣化を防止し、クラックの発生およびモフォロジー異常を防止することができる。また、このような多層膜反射層を発光素子に使用した場合、閾値電流値および閾値電圧値を低下させることができる。
【００２５】
なお、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層のＡｌ混晶比ａは、０．２≦ａ≦０．８であることが好ましく、より好ましくは０．３≦ａ≦０．７である。ａが０．８を上回ると、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の結晶性の顕著となる恐れがあるからであり、また、ａが０．２を下回ると、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層とＧａＮ層との間の屈折率差が小さくなり、十分な反射率を有する多層膜反射層を得ることができない恐れがある。ａが０．３≦ａ≦０．７である場合には、極めて大きな屈折率差および、優れた結晶性を実現することが可能となる。
【００２６】
また、α_１はα_１≦０．７５、より好ましくはα_１≦０．５である。α_１が０．７５を超えると、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の膜厚が大きくなり過ぎ、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の結晶性劣化が顕著になる恐れがあるからであり、α_１≦０．５の場合、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の膜厚が十分小さく、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層の結晶性が極めて優れたものとなる。
【００２７】
また、多層膜反射層９８の好ましい積層ペア数は、積層ペア数が多すぎると多層膜反射層９８によって吸収される光の量が多大となることなどを考慮して、５０〜２００程度である。積層ペア数が上記範囲内にあれば、多層膜反射層９８の結晶性および反射率を効果的に向上させることができる。また多層膜反射層９８にはＳｉ、Ｇｅなどのｎ型となる不純物を１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３の濃度範囲でドープしてもよい。Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ層およびＧａＮ層のどちらか一方にｎ型不純物をドープしても良く、あるいは、両方にドープしてもよい。多層膜反射層９８にｎ型不純物をドープすることにより、多層膜反射層９８の抵抗値が下がり、これにより、レーザ素子のＶ_ｆを低下させることができる。しかしながら、多層膜反射層９８にｎ型不純物をドープすることで、多層膜反射層９８の結晶性が低下する傾向があり、結晶性の低下した多層膜反射層９８の上に窒化物半導体層を積層した場合、多層膜反射層９８の結晶性の低下が、多層膜反射層９８上の各窒化物半導体層に伝搬して、それらの層の結晶性を低下させてしまう。従って、多層膜反射層９８にｎ型不純物をドープする場合には、多層膜反射層９８の上に積層する窒化物半導体層の積層数が小さくなるように、基板１０１から離れた位置、すなわち、活性層１０７の近くに多層膜反射層９８を設けることが好ましい。これにより、結晶性の高いレーザ素子を作製することができる。
【００２８】
図１（ｂ）に示す多層膜反射層９８は、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４から始まってＧａＮ層９６で終わるように積層されているが、本発明の多層膜反射層９８において、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４とＧａＮ層９６との積層順序は特に限定されず、基板１０１側から、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４、ＧａＮ層９６、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４・・・・Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４、ＧａＮ層９６の順で積層しても、あるいは、基板１０１側から、ＧａＮ層９６、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４、ＧａＮ層９６・・・・ＧａＮ層９６、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４の順で積層しても同様の効果が得られる。ただし、例えば多層膜反射層９８を基板１０１側から、ＧａＮ層９６、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４・・・・ＧａＮ層９６、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４の順で積層し、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４と同様の組成を有するコンタクト層１０３をＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４に接して形成する場合、多層膜９８の最上層（基板１０１から最も離れた層）のＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層９４は、反射（ミラー）層として機能しない。従って、多層膜反射層９８の積層順序は、多層膜反射層９８に接する他の窒化物半導体層の組成を考慮して、多層膜反射層９８の反射層としての効果を最大限発揮できるように適宜選択することが好ましい。
【００２９】
図１（ａ）に示すレーザ素子２において、多層膜反射層９８は、バッファ層１０２とｎ型コンタクト層１０３との間に積層されているが、本発明のレーザ素子の多層膜反射層９８の積層位置はこれに限定されるものでなく、活性層と基板との間に窒化物半導体を介して積層されていれば良い。好ましくは、活性層に接する窒化物半導体層に接して設けることで、閾値電流の小さいレーザ素子が得られる。
【００３０】
さらに、多層膜反射層９８を、活性層１０７の基板１０１と反対方向にあるｐ型窒化物半導体層中にも形成することがより好ましい。理由は以下の通りである。ｐ型窒化物半導体層において、例えばＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１１と空気層との屈折率差は比較的大きい。従って、ｐ型窒化物半導体層において、活性層１０７からの発光をｐ型コンタクト層１１１によって反射させて、活性層１０７に戻して閉じ込めることができる。しかし、上述したように本発明の多層膜反射層９８は極めて高い反射率を有するので、多層膜反射層９８をｐ型窒化物半導体層中にも形成すれば、活性層１０７への光の閉じ込め効果がより向上する。なお、ｐ型窒化物半導体層中における多層膜反射層９８の積層位置は特に限定されないが、多層膜反射層９８にｐ型不純物をドープする場合には、多層膜反射層９８を活性層１０７からできるだけ離れた位置のｐ型窒化物半導体層中に設けることが好ましい。これは、多層膜反射層９８にｐ型不純物をドープすることによって、多層膜反射層９８の結晶性が低下する傾向にあるためである。
【００３１】
また、活性層１０７と多層膜反射層９８との間に介在させる窒化物半導体層は、超格子層とし、さらに、多層膜反射層９８に接して設けることが好ましい。超格子層は、数原子層程度の厚さであり、大体１００Å以下の厚さの層を繰返し積層したものであり、１ペア当り最大２００Å程度の膜厚を有する。一方、本願の多層膜反射層は、前述のように、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層を膜厚λ／８ｎ_１まで薄くすることができ、この時のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層の膜厚は２４３Å、３λ／８ｎ_２のＧａＮ層の膜厚は６００Åとなり、１ペア当りの膜厚が８４３Åとなる。したがって、超格子層の１ペア当りの膜厚が、多層膜反射層の１ペア当りの膜厚よりも小さいので、ミラーとして機能することなく、光学的反射率の低下を抑制することができる。さらに、超格子層により、光の共振方向に対して横方向のキャリアの移動度を高くすることができるので、高屈折領域を設ける面発光型半導体レーザの場合、高屈折領域に効率良くキャリアを注入することができる。さらに、共振方向においても、超格子のトンネル効果により活性層に効率良くキャリアを注入することができる。
なお、超格子層や活性層などの多層膜反射層に挟まれる層の各膜厚は、定在波が存在する条件に調整することができる。また、活性層を定在波の腹に設けることが好ましい。
【００３２】
また、活性層１０７の基板１０１と反対方向にあるｐ型窒化物半導体層側に誘電体多層膜を設けてもよい。例えばｐ型窒化物半導体層の最上層のほぼ全面にＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２からなる層をそれぞれλ／４ｎ（λ：入射光波長）の膜厚で２層以上蒸着により積層し、多層膜とすることで、活性層１０７への光の閉じ込め効果がより向上する。
【００３３】
さらに、注入されたキャリアを特定の部分に集中させる電流狭窄を行うような構造とすることで発光効率が向上するので好ましい。具体的にはｐ型窒化物半導体層中に電流狭窄層を形成することである。電流狭窄層を設けることにより、光の共振方向に対して横方向の屈折率差を大きくし、すなわち、電流狭窄層の屈折率を小さくすることにより、導波領域における光の閉じ込めを大きくすることができる。この電流狭窄層はｐ型窒化物半導体層中に形成するので、ｎ型またはｉ型の窒化物半導体層で構成されることが好ましい。さらに電流狭窄層はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１）で形成することが好ましく、特にＡｌまたはｎ型不純物をイオン注入して形成することによって、効果的な電流狭窄層を得ることができる。さらに、Ｉｎの混晶比ｙを０≦ｙ＜０．１とすることで効率良く光を閉じ込めることができる。また、この電流狭窄層は、活性層から０．４μｍ（発光波長に相当する値）上部よりも活性層に近い位置に電流狭窄層の最下部がくるように形成することによって、電流のリークを防止することができる。
【００３４】
上述の説明では面発光型レーザについて説明したが、本発明はこれに限定されず、多層膜反射膜を使用できる発光素子であれば、他の発光素子にも適用することができる。
【００３５】
以下、図１（ａ）に示すＧａＮ系半導体レーザ２について、より詳細に説明する。基板１０１としては、ＧａＮを用いることが好ましいが、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が結晶性よく成長するため好ましい。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。
【００３６】
異種基板を用いる場合には、バッファ層（低温成長層）１０２、窒化物半導体（好ましくはＧａＮ、不図示）からなる下地層を介して、素子構造を形成すると、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成長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。
【００３７】
バッファ層（低温成長層）１０２の上には、多層膜反射層９８が形成される。多層膜反射層９８は上述したように、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層９４とＧａＮ層９６とが交互に積層されて形成されており、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層９４とＧａＮ層９６とからなる１ペア中に含まれるＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層９４の膜厚は、λ／８ｎ_１であり、ＧａＮ層９６の膜厚は３λ／８ｎ_２である。また、多層膜反射層９８は、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層９４から始まってＧａＮ層９６で終わるように、各層が１００層ずつ交互に積層されて形成されている。
【００３８】
図４は、本実施形態の多層膜反射層９８の反射率の波長依存性（実験値）を示すグラフである。図４から分かるように、多層膜反射層９８は反射率のピーク値が９７％以上であり、極めて高い反射率を有する。
【００３９】
多層膜反射層９８の上には、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型コンタクト層１０３が電子供給層としても機能する場合には、ｎ型コンタクト層１０３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１０７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。
【００４０】
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、例えばＩｎ_ｃＧａ_{1- ｃ}Ｎ井戸層（０＜ｃ＜１）とＩｎ_ｄＧａ_{1- ｄ}Ｎ障壁層（０≦ｄ＜１、ｃ＞ｄ）とが適当な回数だけ交互に繰り返し積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。なお、活性層１０７は、単一組成の、Ｉｎ_ｅＧａ_{1- ｅ}Ｎ（０≦ｅ＜１）からなる単一量子井戸構造（ＳＱＷ）構造を有していても良い。
【００４１】
活性層１０７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型電子閉じ込め層１０８およびｐ型コンタクト層１１１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。
【００４２】
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- ｘ}Ｎ（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。したがって、ｐ型電子閉じ込め層１０８を形成することにより、ｐ型光ガイド層１０９等を活性層の上に直接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む活性層１０７の分解を抑制することができる。
【００４３】
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がさらに形成されて半導体レーザ素子２が構成されている。
【００４４】
【実施例】
以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を用いて説明する。
【００４５】
（実施例１）
図１（ａ）を参照しながら実施例１のレーザ素子を説明する。
（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を、さらに厚膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去して、窒化物半導体基板を得る。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。また、この基板は、次のバッファ層１０２を形成する場合、サファイアを基板とし、サファイア上に直接バッファ層を積層してもよい。
【００４６】
（バッファ層１０２）
窒化物半導体基板の上に、バッファ層成長後、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型コンタクト層と、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。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。なお、この層は省略することが可能である。
【００４７】
（多層膜反射層９８）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎよりなる層を２２２Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、アンドープＧａＮよりなる層を６００Åの膜厚で成長させる。上記アンドープＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎよりなる層と、アンドープＧａＮよりなる層とを交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚８．２２μｍの超格子よりなる多層膜反射層９８を成長させる。
【００４８】
（ｎ型コンタクト層１０３）
次に、多層膜反射層９８を積層後、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型コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００４９】
（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。
【００５０】
（ｎ型クラッド層１０５）
ｎ型クラッド層１０５としては、活性層１０７のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層１０７へのキャリア閉じ込め及び光閉じ込めが可能であれば特に限定されないが、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ＜０．３）が好ましい。ここで、さらに好ましくは、０≦ｂ＜０．１である。ｎ型クラッド層の膜厚は特に限定されないが、好ましくは定在波が存在する膜厚を選択する。また、ｎ型クラッド層のｎ型不純物濃度は特に限定されるものではないが、好ましくは１×１０^１７〜１×１０^２０／ｃｍ^３、より好ましくは１×１０^１８〜１×１０^１９／ｃｍ^３である。ｎ型クラッド層は単一層でも超格子層でも良い。
【００５１】
超格子層とする場合、例えば、以下の方法により形成することができる。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、この操作をそれぞれ複数回繰り返してＡ層とＢ層とを積層し、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。
【００５２】
（ｎ型光ガイド層１０６）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮ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。なお、この層は省略することが可能である。
【００５３】
（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Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を７０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）と井戸層（Ｗ）とを、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の順に積層する。活性層１０７は、総膜厚約４９０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００５４】
（ｐ型電子閉込め層１０８）
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Ｃｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^{１ 9}／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０８を１００Å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。
【００５５】
（ｐ型光ガイド層１０９）
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、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層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１０９等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０^１６／ｃｍ³となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。なお、この層は省略することが可能である。
【００５６】
（ｐ型クラッド層１１０）
ｐ型クラッド層１１０としては、活性層１０７のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層１０７へのキャリアの閉じ込め及び光閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０≦ｃ＜０．３）が好ましい。ここで、より好ましくは、０≦ｃ＜０．１である。ｐ型クラッド層の膜厚は特に限定されないが、好ましくは定在波が存在する膜厚を選択する。ｐ型クラッド層のｐ型不純物濃度は、１×１０^１８〜１×１０^２１／ｃｍ^３、１×１０^１９〜５×１０^２０ｃｍ^３である。ｐ型不純物濃度が上記の範囲にあると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させることができる。ｎ型クラッド層は単一層でも超格子層でも良い。
【００５７】
超格子層とする場合、例えば、以下の方法により形成することができる。
１０５０℃でアンドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ₂Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、それを複数回繰り返して超格子層より成る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。クラッド層１１０は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。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なるので、ショートの発生も低くなる。なお、この層は省略することが可能である。
【００５８】
（ｐ型コンタクト層１１１）
最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層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ＭｇをドープしたＧａＮ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る。コンタクト層１１１は電極を形成する層であるので、１×１０¹⁷／cm³以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０¹⁷／cm³よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００５９】
以上のようにして窒化物半導体を成長させて各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によって、図１（ａ）に示すように、ｎ電極１２１を形成するために、ｎ型コンタクト層１０３の一部分を露出させる。次に最上層のｐ型コンタクト層１１１のほぼ全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成し、露出させたｎ型コンタクト層１０３上にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極１２１を形成する。以上のようにして、ｎ電極１２１およびｐ電極１２０を形成した後、チップ状に分離して、図１（ａ）に示すような構造のレーザ素子２を得る。
【００６０】
（実施例２）
以下、図５を参照して、実施例２のレーザ素子を説明する。基板１０１の上に、多層膜反射層９８、ｎ型コンタクト層１０３、活性層１０７、ｐ型電子閉じ込め層１０８およびｐ型コンタクト層１１１を順に積層する。各層はそれぞれ実施例１と同様にして形成する。
【００６１】
次にｐ型コンタクト層１１１上に円形状の開口部を有するＳｉＯ_２からなるブロック層２０１を設けて、その円形状の開口部からＮｉ／Ａｕ／ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を積層し、半透明からなる第２のｐ電極２０２を形成する。その第２のｐ電極２０２上に、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２からなる誘電体多層膜を形成してｐ側反射膜２０３とし、ブロック層２０１の開口部の上に円形状に設ける。
【００６２】
そして、ｎ型コンタクト層１０３が露出するまでエッチングして、露出したｎ型コンタクト層１０３の上にリング上のｎ電極１２１、第２のｐ電極２０２上に、ｐ側反射膜２０３の周りを囲むｐ電極１２０をそれぞれ形成する。最後にチップ状に分離して、図５に示すような構造のレーザ素子を得る。本実施例のレーザ素子のように、ｐ側窒化物半導体層中に反射層を設けることで、実施例１と比較して、さらに高出力の面発光レーザ素子を得ることができる。
【００６３】
（実施例３）
以下、図６を参照して実施例３のレーザ素子を説明する。基板１０１の上に、多層膜反射層９８、ｎ型コンタクト層１０３、活性層１０７およびｐ型電子閉じ込め層１０８を順に積層する。各層はそれぞれ実施例１と同様にして形成する。次に、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型クラッド層１１０を０．４５μｍの膜厚で成長させ、さらに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１１１を形成させる。
【００６４】
ｐ型コンタクト層１１１成長後、ウエハを反応容器から取り出し、ｐ型コンタクト層の所定の部分をＳｉ酸化物またはレジスト等からなるたとえば１０μｍφの形状のマスクによって覆い、イオン注入装置を用いて、ｐ型クラッド層の上部からｐ型コンタクト層の下部の深さに欠けてイオン注入を行い、マスク部分を開口部とした電流狭窄層２０４を形成する。このイオン注入の深さは注入エネルギーによって制御できる。このときイオン注入に用いられる元素としてはＳｉ、Ｇｅといった窒化物半導体をｎ型化する元素、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーを大きくするＡｌ、窒化物系半導体を高抵抗化するIII族元素であるＢ、窒化物半導体を高抵抗なｐ型とするｐ型不純物であるＢｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、VI族元素であるＳｅ、Ｔｅ等が挙げられる。上記の方法により、活性層から０．３μｍ（発光波長に相当する値）上部に電流狭窄層２０４の最下部がくるように電流狭窄層２０４を形成する。
【００６５】
次にｐ型コンタクト層１１１の表面に円形状の開口部を有するＮｉ／Ａｕ／ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を形成しｐ電極１２０とし、さらにｐ型コンタクト層１１１の開口部にＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２からなる誘電体多層膜を形成しｐ側反射層２０３とする。最後に、チップ状に分離して、図６に示すような構造のレーザ素子を得る。本実施例のレーザ素子のように、ｐ側窒化物半導体層の中に反射層を設け、電流狭窄構造とすることで、実施例２と比較して、さらに高出力の面発光レーザ素子を得ることができる。
【００６６】
（実施例４）
以下、図７を参照して実施例４のレーザ素子を説明する。基板１０１の上に、バッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、多層膜反射層９８（以下、基板側多層膜反射層と呼ぶ。）、単一層のｎ型クラッド層１０５、活性層１０７、単一層のｐ型クラッド層１１０、出射面側多層膜反射層９９、そして円形状の開口部を有するブロック層２０１、ｐ電極１２０を順に積層する。ｎ型クラッド層１０５をアンドープのＧａＮとし、ｐ型クラッド層１１０をＭｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたＧａＮとし、定在波が存在する膜厚を選択して、形成する。ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１１０以外の各層はそれぞれ、実施例１及び２と同様にして形成する。また、出射面側多層膜反射層９９も、基板側多層膜反射層９８と同様にして形成する。最後に、チップ状に分離して、図７に示すような構造のレーザ素子を得る。本実施例のレーザ素子のように、活性層の両側に多層膜反射層を設けることで、共振器長が短くなるので、低閾値電流で発振する。
【００６７】
（実施例５）
以下、図８を参照して実施例５のレーザ素子を説明する。基板１０１の上に、バッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、基板側多層膜反射層９８、単一層のｎ型クラッド層１０５、活性層１０７、単一層のｐ型クラッド層１１０を順に積層する。ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１１０以外の各層はそれぞれ、実施例１及び２と同様にして形成する。ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１１０は、実施例４と同様にして形成する。本実施例は、電流狭窄層をアンドープのＡｌ_０．３５Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．６Ｎで形成し、電流狭窄層を形成後、多層膜反射層９９を形成する。次に、出射面側多層膜反射層９９の上にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１２０を形成する。最後に、チップ状に分離して、図８に示すような構造のレーザ素子を得る。本実施例のレーザ素子のように、活性層の両側に多層膜反射層を設け、出射面側多層膜反射層９９に電流狭窄構造を設けることで、電流が高屈折率領域に集中し、電流注入が効果的に行われ、また、光閉じ込めの効果を大きくでき、これらの結果、低閾値電流で発振する。
【００６８】
（実施例６）
以下、図９を参照して実施例６のレーザ素子を説明する。基板１０１の上に、バッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、基板側多層膜反射層９８、単一層のｎ型クラッド層１０５、活性層１０７、単一層のｐ型クラッド層１１０、出射面側多層膜反射層９９を順に積層する。ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１１０以外の各層はそれぞれ、実施例１と同様にして形成する。ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１１０は、実施例４と同様にして形成する。次に、出射面側多層膜反射層９９の上に、その多層膜反射層の表面の中央部にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１２０を形成する。最後に、チップ状に分離して、図９に示すような構造のレーザ素子を得る。本実施例のレーザ素子のように、多層膜反射層に接して、ｐ電極を部分的に設けることで、ｐ電極の直下に電流が流れ易くなり、導波路領域が形成される。これによって、共振器長が短く、さらに電流狭窄層を設けることなく面発光レーザ素子を得ることができる。
【００６９】
（実施例７）
以下、図１０を参照して実施例７のレーザ素子を説明する。基板１０１の上に、バッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、基板側多層膜反射層９８、単一層のｎ型クラッド層１０５、活性層１０７、単一層のｐ型クラッド層１１０を順に積層する。ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１１０以外の各層はそれぞれ、実施例１と同様にして形成する。ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１１０は、実施例４と同様にして形成する。次に、ｐ型クラッド層１１０の上に出射面側多層膜反射層９９を積層した後、実施例３の方法と同様にして、電流狭窄層２０４を形成する。次に、出射面側多層膜反射層９９の上にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１２０を形成する。最後に、チップ状に分離して、図１０に示すような構造のレーザ素子を得る。本実施例のレーザ素子のように、出射面側多層膜反射層と活性層との間に電流狭窄構造を設けることで、電流が高屈折領域に集中し、電流注入が効果的に行われる。さらに、共振器内での屈折率差が大きくなり、光閉じ込めの効果をさらに大きくできるので、低閾値電流で発振する面発光素子レーザ素子を得ることができる。
【００７０】
（実施例８）
以下、図１１を参照して実施例８のレーザ素子を説明する。基板１０１の上に、バッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、基板側多層膜反射層９８、超格子層のｎ型クラッド層１０５、活性層１０７、単一層のｐ型クラッド層１１０、円形状の開口部を有するブロック層２０１、半透明の第２のｐ電極２０２、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２の誘電体多層膜からなり円形状の開口部を有するｐ側反射膜２０３、そしてｐ側反射膜の回りを囲むｐ電極１２０を順に積層する。各層はそれぞれ実施例１及び３と同様にして形成する。最後に、チップ状に分離して、図１１に示すような構造のレーザ素子を得る。本実施例のレーザ素子のように、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層の少なくとも一方を超格子構造とすることで、キャリアの移動度が大きくなり、キャリアが効果的に活性層に注入されるようになり、閾値電流をさらに小さくすることができる。
【００７１】
（実施例９）
以下、図１２を参照して実施例９のレーザ素子を説明する。基板１０１の上に、バッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、基板側多層膜反射層９８、超格子層のｎ型クラッド層１０５、活性層１０７、超格子層のｐ型クラッド層１１０、出射面側多層膜反射層９９、ｐ型コンタクト層１１１、円形状の開口部を有するブロック層２０１、そしてｐ電極１２０を順に積層する。各層はそれぞれ実施例１及び２と同様にして形成する。次に、基板１０１及びバッファ層１０２をレーザ照射により剥離して除去してｎ型コンタクト層１０３を露出させる。次に露出させたｎ型コンタクト層１０３の上に、円形状の開口部を有するブロック層２０１とｐ電極１２０を順に積層する。最後に、チップ状に分離して、図１２に示すような構造のレーザ素子を得る。本実施例のレーザ素子のように、ｐ電極及びｎ電極を互いに対向した構造にすることができるので、ｐ電極とｎ電極が水平に配置されている場合に比べ電流分布が均一化され、素子の発熱を抑制することができる。さらに、ｎ電極側にもブロック層を設けたので、活性層に対するキャリアの注入効率を高める効果も有する。
【００７２】
【発明の効果】
上述したように、本発明の多層膜反射層によると、膜厚が（α_１・λ）／（４ｎ_１）（λ：入射光波長、ｎ_１：屈折率）のＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）層と、膜厚が（α_２・λ）／（４ｎ_２）（ｎ_２：屈折率）のＧａＮ層とが交互に積層されてなり、０＜α_１＜１、かつ、α_１＋α_２＝２であることを特徴とする。従って、α_１＋α_２＝２を従来と同様に維持しながら、α_１を１未満にしてＡｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層の膜厚を従来のλ／４ｎ_１よりも小さくすることにより、高い反射率を維持しながら、結晶性の優れた多層膜反射層を得ることができる。また、Ａｌ_aＧａ_{１− a}Ｎ層を従来よりも薄膜化できるので、Ａｌ混晶比ａを比較的高くしても結晶性の劣化を抑制でき、より反射率の高い多層膜反射層を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、本発明に係るＧａＮ系発光素子の一例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の発光素子に含まれる多層膜反射層の拡大断面図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る多層膜反射層の反射率の波長依存性（理論値）を示すグラフである。
【図３】 Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層の膜厚と、そのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層の表面形態との関係を示す図である。
【図４】 本実施形態の多層膜反射層９８の反射率の波長依存性（実験値）を示すグラフである。
【図５】 実施例２に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【図６】 実施例３に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【図７】 実施例４に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【図８】 実施例５に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【図９】 実施例６に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【図１０】 実施例７に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【図１１】 実施例８に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【図１２】 実施例９に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【図１３】 従来のレーザ素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
９８ （基板側）多層膜反射層、９９ 出射面側多層膜反射層、１０１ 基板（ＧａＮ基板）、１０２ バッファ層、１０３ ｎ型コンタクト層、１０４ クラック防止層、１０５ ｎ型クラッド層、１０６ ｎ型光ガイド層、１０７ 活性層、１０８ ｐ型電子閉込め層、１０９ ｐ型光ガイド層、１１０ ｐ型クラッド層、１１１ ｐ型コンタクト層、１２０ ｐ電極、１２１ ｎ電極、１２２ ｐパッド電極、１２３ ｎパッド電極、２０１ ブロック層、２０２ 第２のｐ電極、２０３ ｐ側反射膜、２０４ 電流狭窄層。

Claims (7)

1. Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）から成る活性層の少なくとも片側に窒化物半導体層を介して積層した多層膜反射層を、基板上に有する窒化ガリウム系発光素子であって、
   上記多層膜反射層が、膜厚（α_１・λ）／（４ｎ_１）（λ：入射光波長、ｎ_１：屈折率）のＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦０．５）層と、
   膜厚（α_２・λ）／（４ｎ_２）（ｎ_２：屈折率）のＧａＮ層とが交互に積層されてなり、
   ０＜α_１ ≦０．５、かつ、α_１＋α_２＝２であることを特徴とする窒化ガリウム系発光素子。
2. 上記多層膜反射層が活性層と基板の間に形成されている請求項１記載の窒化ガリウム系発光素子。
3. 上記窒化物半導体層がクラッド層を含む請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系発光素子。
4. 上記窒化物半導体層が超格子層である請求項１から３のいずれか一つに記載の窒化ガリウム系発光素子。
5. 上記超格子層が上記多層膜反射層に接して形成されている請求項４記載の窒化ガリウム系発光素子。
6. 上記超格子層が上記活性層に接して形成されている請求項４又は５に記載の窒化ガリウム系発光素子。
7. 前記窒化ガリウム系発光素子が、前記基板の主面に対して垂直な方向に発光させる面発光型レーザ素子である請求項１から６のいずれか一つに記載の窒化ガリウム系発光素子。

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