JP4401610B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光素子、スーパーフォトルミネセンスダイオード、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた窒化物半導体素子に関し、特に光の波長が４４０ｎｍ以上であるＩｎを含む窒化物半導体層を活性層に有する窒化物半導体素子、並びに、光閉込めのクラッド層に挟まれた導波路構造を有する端面発光素子、レーザ素子に関する。
【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は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。また、本出願人は、４０５ｎｍ、室温、５ｍＷの連続発振の条件で、１万時間を超えるレーザを発表した。
【０００３】
また、窒化物半導体を用いた発光素子、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】
窒化物半導体のレーザ素子、若しくは発光素子において、長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混晶比を高くすると発光波長を長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。
【０００５】
従来、このようなクラッド層を有する窒化物半導体素子において、４４０ｎｍ以上の長波長の発光を得る構造として、例えば、レーザ素子において、ガイド層にＩｎＧａＮ、クラッド層にＡｌＧａＮを用いたＳＣＨ構造が提案されている。
【０００６】
しかしながら、長波が長くなるに従ってＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの屈折率差が小さくなり、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、上部クラッド層をｐ側窒化物半導体、下部クラッド層をｎ側窒化物半導体とした場合に、上部ガイド層にｐ側のＩｎＧａＮを用いるが、ｐ側ＩｎＧａＮを形成すると結晶性が他の層に比べて悪く、素子特性に悪影響を及ぼし、更にその上に形成するＡｌＧａＮの上部クラッド層の結晶性も悪化し、これによる、素子特性の低下が問題となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、活性層が上部クラッド層、下部クラッド層に挟まれた構造を有する窒化物半導体素子で、光の波長が４４０ｎｍ以上の長波長域の発光素子において、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が必要である。
【０００８】
【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、且つ結晶性の良好な窒化物半導体素子を得るものである。
【０００９】
すなわち本発明の半導体素子は、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。
（１） 活性層を、ｐ型層とｎ側層とで挟みこむ構造を有し、ｐ型層がｐ側クラッド層を有し、ｎ側層がｎ側クラッド層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
活性層がＩｎを含む窒化物半導体を有し、該活性層内で、最もｎ側層側に配置されたｎ側障壁層（２ａ）と、最もｐ型層側に配置されたｐ側障壁層（２ｃ）と、該ｎ側障壁層（２ａ）と該ｐ側障壁層（２ｃ）との間に少なくとも１つのＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、
前記ｎ側クラッド層と前記活性層との間に、該活性層に接して、該ｎ側クラッド層より屈折率が大きく、Ｉｎ混晶比がｚ＞０である窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、
前記ｐ側クラッド層と前記活性層との間に、Ｉｎ混晶比ｕがｚ＞ｕである第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層に接して、且つ前記活性層に接して若しくは前記活性層にバッファ層を介して接してＡｌを含む窒化物半導体からなるｐ側電子閉込め層を有し、
ｎ側クラッド層と第１の窒化物半導体層との間に、第１の窒化物半導体層よりＩｎ混晶比が小さいＩｎを含む窒化物半導体のｎ側光ガイド層、若しくは第１の窒化物半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ側光ガイド層、を有し、
前記ｐ側障壁層の膜厚が２００Å以上であり、該ｐ側障壁層のＩｎ混晶比が前記第２の窒化物半導体層のＩｎ混晶比より大きく、前記ｎ側障壁層のＩｎ混晶比ｖがｖ＜ｚであることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
（２）第１の窒化物半導体層の膜厚が３００Å以上である上記（１）記載の窒化物半導体レーザ素子。
（３） ｐ側障壁層の膜厚が４００Å以上である上記（１）記載の窒化物半導体レーザ素子。
（４） 前記活性層とｐ側電子閉込め層との距離が１０００Å以下である上記（１）乃至３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（５） 前記バッファ層が、ｐ側電子閉込め層よりも低いＡｌ混晶比であるＡｌを含む窒化物半導体からなること、若しくはＧａＮであることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（６） 前記ｐ側クラッド層、前記ｎ側クラッド層が、それぞれ光閉込めのクラッド層であり、Ａｌを含む窒化物半導体を有するレーザ素子構造であり、発振波長が４４０ｎｍ以上であることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（７） 前記ｐ側クラッド層と、前記ｎ側クラッド層との少なくとも一方は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体を有する第１の層と、第１の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第２の層とが交互に積層された多層膜クラッド層であることを特徴とする上記（６）記載の窒化物半導体レーザ素子。
（８） 前記ｐ型層、前記ｎ側層の少なくとも一方の光ガイド層は、少なくともＩｎを含む窒化物半導体を有する第３の層と、該第３の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第４の層とが交互に積層された多層膜光ガイド層であることを特徴とする上記（７）記載の窒化物半導体レーザ素子。
（９） 前記ｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度が、前記ｎ側障壁層（２ａ）のｎ側不純物濃度より小さいことを特徴とする上記（１）乃至（８）のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（１０） ｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度が、ｐ側不純物濃度より小さいことを特徴とする上記（９）記載の窒化物半導体レーザ素子。
【００１０】
活性層を、ｐ型層とｎ側層とで挟みこむ構造を有し、ｐ型層がｐ側クラッド層を有し、ｎ側層がｎ側クラッド層を有する窒化物半導体素子において、前記活性層がＩｎを含む窒化物半導体を有し、ｎ側クラッド層と活性層との間にＩｎ混晶比がｚ＞０である窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、ｐ側クラッド層と活性層との間にＩｎ混晶比ｕがｚ＞ｕである第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする。この構成により、ｎ側層には、Ｉｎ混晶比ｚ（ｚ＞ｕ）の大きな第１の窒化物半導体層が設けられ、ｐ型層には第１の窒化物半導体層よりもＩｎ混晶比ｕ（ｕ＝０も含む）が小さい第２の窒化物半導体層が設けられた構造となり、後述する導波路構造において、導波路内の活性層を挟む非対称構造が形成される。また、別の発明としては活性層をｐ側クラッド層とｎ側クラッド層とで挟みこむ構造を有する窒化物半導体素子において、前記活性層がＩｎを含む窒化物半導体を有し、ｎ側クラッド層と活性層との間にＩｎを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、ｐ側クラッド層と活性層との間にＩｎ混晶比が０である第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする。この構成により、活性層とｐ側クラッド層との間に、Ｉｎを含まない、若しくはＩｎ混晶比の小さい窒化物半導体（第２の窒化物半導体層）を用いることで、結晶性の悪化を抑制し、活性層とｎ側クラッド層との間には、Ｉｎを含む窒化物半導体（第１の窒化物半導体層）を用いることで、両クラッド層に挟まれる導波路とクラッド層との間に適度な屈折率差を設けることができる。特に活性層内で４４０ｎｍ以上の長波長の発光がある窒化物半導体素子において、閾値電流の低いレーザ素子が得られるなど、素子特性に優れた窒化物半導体素子となる。これは、ｐ側とｎ側のクラッド層に挟まれた導波路において、４４０ｎｍ以上の長波長の光を適度な広がりでもって導波させるには、活性層に用いられるＩｎを含む窒化物半導体のＩｎ混晶比以下のＩｎを含む窒化物半導体、例えば後述する光ガイド層、を導波路内に設けることが好ましいと考えられていたが、ｐ側不純物であるＭｇをドープしたＩｎを含む窒化物半導体は、結晶性が大きく悪化するため、素子特性を悪化させることにある。すなわち、本発明では、ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層で挟まれた導波路内に、組成が異なり、活性層を挟む第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とを有することで、非対称な導波路構造とし、長波長において素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。また、ｎ側、ｐ側クラッド層としては、このような導波路構造を形成するように、光閉込めのクラッド層として設ける他、導波路を有していない素子においては、キャリア閉込め層として機能させた構造とすることもできる。このようなクラッド層としては、活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすること、活性層が量子井戸構造の場合には、井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、好ましくは、障壁層よりもバンドギャップエネルギーを大きくする。本発明において、第１の窒化物半導体層は、ｎ側障壁層２ａとして設けることができ、その場合、図１３に示すように、活性層内に、厚膜のｎ側障壁層が形成された構造となる。また、第２の窒化物半導体層は、ｐ側クラッド層、ｐ側光ガイド層の一部として設けることができ、省略することもできる。
【００１１】
さらに、上記ｎ側層中の第１の窒化物半導体層とｐ型層中の第２の窒化物半導体層との間に活性層が設けられた素子構造において、前記活性層が、活性層内の障壁層の中で、最も前記ｎ側層側に配置されたｎ側障壁層（２ａ）と、最も前記ｐ型層側に配置されたｐ側障壁層（２ｃ）と、ｎ側障壁層（２ａ）とｐ側障壁層（２ｃ）との間に少なくとも１つのＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有すると共に、前記ｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度が、ｎ側障壁層（２ａ）のｎ側不純物濃度より小さい構成とすることが好ましい。これは、後述するように、ｐ側障壁層（２ｃ）がキャリアの注入口となり、ｐ側障壁層（２ｃ）にｎ側不純物が高濃度にドープされていると、ホールの活性層への注入を阻害する傾向にあるため、ｎ側障壁層（２ａ）よりもｎ側不純物濃度を小さくして、ｎ側、ｐ側障壁層の機能を異なるものとでき、キャリアの注入が良好なものとできる。一方で、ｎ側障壁層（２ａ）は、ｐ側障壁層のｎ側不純物濃度より大きくすることで、ｎ側層からのキャリアの注入を促進させる構造とできる。またｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度としては、ｐ型層近く、若しくは接して形成されることから、ｐ側不純物の拡散が発生する場合があり、この場合、ｐ側障壁層（２ｃ）をｎ側不純物ドープして形成すると、ｎ側、ｐ側不純物を有する障壁層となるため、ｐ側障壁層（２ｃ）のキャリア注入機能が低下する傾向にある。そのため、このような場合、好ましくはｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度をｐ側不純物濃度より小さくすると、このような機能低下を回避できる。また、ｐ側障壁層には、いずれにおいても、ｎ側不純物濃度を低濃度にすることが好ましく、具体的には、５×１０１６／ｃｍ３未満とすることで、ｐ側障壁層（２ｃ）の機能向上を図ることができる。
【００１２】
本発明の窒化物半導体素子において、前記ｐ型層が、活性層と第２の窒化物半導体層との間、若しくは活性層とｐ側クラッド層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなるｐ側電子閉じ込め層を有ることが好ましい。また、ｐ側電子閉込め層（キャリア閉込め層）は、この組成に限定されず、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きな組成とすること、好ましくは、活性層中の少なくとも１つの障壁層、更に好ましくは、全ての障壁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ことが好ましい。また、ｐ側電子閉込め層のキャリア閉込め層は、ｎ側にも同様な位置、組成、膜厚で設けることができる。このｐ側電子閉込め層は、ｎ側層からのキャリアを活性層内に閉じ込める層として機能し、ｐ側クラッド層が光閉込め層である場合には、ｐ側クラッド層よりも活性層の近くに配置されたｐ側電子閉込め層により、主にキャリア閉込めとして機能させ、クラッド層において、主に光閉込めとして機能させた構造となり、端面発光素子、レーザ素子に用いることができる。また、ｐ側クラッド層が光閉込めとして機能させる必要がない素子、例えば発光素子においては、ｐ側クラッド層とｐ側キャリア閉込め層とで、キャリア閉込める構造となる。ｐ側電子閉込め層としては、クラッド層と同様に活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、量子井戸構造の活性層においては、井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、好ましくは障壁層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることが好ましい。また、ｐ側クラッド層が光閉込め層である場合においては、実施例に示すようにｐ側クラッド層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることで障壁を大きくでき、効率的な電子閉込めを可能となり好ましく、一方で、Ａｌ混晶比が大きくなると、後述するｐ側電子閉込め層の抵抗値も大きくなる傾向にあることから、このような場合には、Ａｌ混晶比、バンドギャップエネルギーをｐ側クラッド層よりも小さくして、高抵抗層による発熱を抑えて、活性層の機能を高めた構造とできるため好ましい。
【００１３】
また、ｐ側電子閉込め層の位置として好ましくは、活性層に接して、若しくはバッファ層を介して接して設けられていることで、電子閉込め機能を高めた構造とできる。バッファ層については、後述するように、Ａｌを含む窒化物半導体による大きな圧電界と、さらにＡｌを含む窒化物半導体が、活性層、井戸層に用いられるＩｎを含む窒化物半導体近くに設けられることによる内部応力とによる活性層への悪影響を抑え、成長時においては、下地層として好適な結晶性を得られるように形成される。バッファ層の具体的な組成としては、後述するように、ＧａＮ若しくは、Ａｌ混晶比がｐ側電子閉込め層より小さいＡｌを含む窒化物半導体で構成すると良い。また、このようなｐ側電子閉込め層が、活性層、特に井戸層に及ぼす悪影響は、両者の距離を大きくすることで回避できることを示したが、バッファ層も、ｐ側障壁層（２ｃ）と同様に、このようなスペーサーとしての機能を持たせることができる。すなわち、活性層内で最もｐ側電子閉込め層に近くに、前記ｎ側障壁層（２ａ）とｐ側障壁層（２ｃ）との間に設けられた井戸層（１ｂ）を有し、該井戸層（１ｂ）とｐ側電子閉込め層との距離が１００Å以上とする構成により、素子特性に優れたものが得られる。この井戸層（１ｂ）とｐ側電子閉込め層との距離を決定するものは、両者の間に介在する層により決定されるものであり、具体的にはｐ側障壁層、活性層とｐ側電子閉込め層との間に介在するバッファ層であり、これらの層の膜厚を調節することにより、素子特性の向上を図れる。この距離の上限としては、後述するように、４００Å以下とすることである。また、ｐ側障壁層（２ｃ）を、Ｉｎを含む窒化物半導体で構成すると、第１の窒化物半導体層と同様に、導波路、特に活性層近傍の屈折率を高めて、光閉込めのクラッド層との間で屈折率差を高めて、長波長域のレーザ素子、端面発光素子に優れた素子構造を形成することができる。第２の窒化物半導体層と、これらバッファ層、ｐ側障壁層（２ｃ）などのｐ側電子閉込め層と井戸層（１ｂ）との間に介在する層との違いは、素子のバイアス時に、活性層近くに設けられたｐ側電子閉込め層の近傍において、ｐ−ｎ接合が形成されることにより、ｐ−ｎ接合部よりも活性層近くに配置されたバッファ層、ｐ側障壁層（２ｃ）は、ｐ型層側にＩｎを含む窒化物半導体を設けることによる悪影響を回避できる傾向にあるためである。
【００１４】
これら前記ｎ側障壁層（２ａ）、及び／又は、ｐ側障壁層（２ｃ）は、活性層内で最も外側に配置されている構造とすることが、上述したｎ側障壁層（２ａ）、ｐ側障壁層（２ｃ）の機能を高めることができ好ましい。
【００１５】
前記ｐ側クラッド層、ｎ側クラッド層が、Ａｌを含む窒化物半導体を有することを特徴とする。この構成により、両クラッド層に挟まれた導波路と、各クラッド層との間に、大きな屈折率差を設けることが可能となり、光の導波に優れた導波路構造が形成され、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。ここで、Ａｌを含む窒化物半導体として好ましくは、Ｉｎ混晶比が０でＩｎを含まない窒化物半導体を用いることで、結晶性に優れ、より大きな屈折率差を設けることができ、さらにＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される窒化物半導体を用いることがさらに好ましい。
【００１６】
前記活性層がＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造を有し、前記第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比が井戸層のＩｎ混晶比より小さいことを特徴とする。この構成により、量子井戸構造の活性層とすることで、量子井戸構造でない場合に比べて、発光再結合が促進され、閾値電流を低下させ、出力を向上させ、素子特性に優れた窒化物半導体素子が得られる。また、第１の窒化物半導体層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比を、井戸層よりも小さくすることで、井戸層とのバンドギャップエネルギー差を大きくでき、キャリアの注入を良好にでき素子特性の向上につながる。それに加えて、Ｉｎは光の導波において、光を吸収・散乱させる作用があることから、Ｉｎ混晶比の低い窒化物半導体の第１の窒化物半導体層と、Ｉｎを含まない第２の窒化物半導体層を用いることで、光の損失を抑えて、閾値電流、駆動電流を低下させた窒化物半導体素子となる。ここで、活性層が量子井戸構造でない場合にも、活性層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比より、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比を小さくすることで同様な効果が得られる。
【００１７】
前記第１の窒化物半導体層が活性層に接して設けられることを特徴とする。この構成により、図５，６に示すように、ｎ側クラッド層から段階的にバンドギャップエネルギー差が小さくなって活性層につながる構造となり、活性層、井戸層内にキャリアが効率的に注入され、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。また、上述したように、Ｉｎによる光の損失が発生があることから、第１の窒化物半導体層を活性層に接して設けることで、導波路内での光の分布が、活性層に重なったピークを有して、活性層内に多くの光が分布する構造となるものと考えられ、活性層とほぼ同様な層として機能し、導波路内での光の損失を低く抑えることができる。一方で、図８、図１０に示すように、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｚを、前記ｎ側障壁層（２ａ）のＩｎ混晶比ｖと、ほぼ同じか、小さくすること、すなわち、ｚ≦ｖであることによって、Ｉｎ混晶比をｎ側障壁層よりも大きくでき、このことにより導波路の屈折率を大きくした構造とできる。この場合、ｐ型層からのキャリア閉込めは、主にｎ側障壁層（２ｂ）が担うこととなるが、ホールの拡散長が電子よりも小さい窒化物半導体においては、ｐ側電子閉込め層のように大きな障壁を設けなくても、活性層内へのキャリア閉込めが可能とできる。すなわち、ｐ型層からのキャリア閉込めにおいては、バンドギャップエネルギーの大きなｎ側障壁層（２ａ）が担うように、最小にして、簡略化を実現し、た構造とし、一方で、第１の窒化物半導体層が大きなＩｎ混晶比を有することで、活性層、導波路中心部の屈折率を大きくして、光の導波に優れた素子構造の形成が可能となる。
【００１８】
ｐ側クラッド層と活性層との間に前記第２の窒化物半導体層からなるｐ側光ガイド層と、該ｐ側光ガイド層と活性層との間にＡｌを含む窒化物半導体からなるｐ側電子閉込め層を有することを特徴とする。この構成により、導波路内において、活性層とｐ側クラッド層との間を、ｐ側電子閉込め層と第２の窒化物半導体層からなるｐ側光ガイド層を有することで、結晶性の悪化、Ｉｎによる光の損失を抑えて、素子特性が向上する。このとき、ｐ側電子閉込め層を有することで、電子が活性層に効率的に閉じ込められて、素子特性が良好なものとなり、このように作用させるには、Ａｌを含む窒化物半導体をｐ側電子閉込め層に用いることが必用であり、特に光の損失を低く抑えるため好ましくは、Ｉｎを含まない窒化物半導体を用いることであり、さらに好ましくは、ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。
【００１９】
前記活性層と第１の窒化物半導体層との間に、Ｉｎ混晶比が０である窒化物半導体からなるｎ側光ガイド層を有することを特徴とする。この構成により、導波路内において、ｎ側光ガイド層は、Ｉｎを含まないことから光の損失のないガイド層となり、第１の窒化物半導体層は、導波路とクラッド層との間の屈折率差を大きくする層として機能し、素子特性が向上する。
【００２０】
前記第１の窒化物半導体層の膜厚が３００Å以上であることを特徴とする。この構成により、上述した第１の窒化物半導体層を有することによる導波路内の屈折率を大きくする効果が大きくなり、クラッド層との屈折率差を大きくでき、素子特性が向上する。
【００２１】
前記活性層内で最もｎ側層側の層としてｎ側障壁層を有し、該ｎ側障壁層と前記第１の窒化物半導体層との膜厚の和が、３００Å以上であることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の別の形態としては、前記ｐ側クラッド層と、ｎ側クラッド層とが、光閉込めのクラッド層であり、前記ｐ側クラッド層と、ｎ側クラッド層との少なくとも一方は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体を有する第１の層と、第１の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第２の層とが交互に積層された多層膜クラッド層を、光閉込め層とすることである。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。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ｘ１の第１の層と、Ａｌ組成比ｘ２（ｘ１≠ｘ２）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ｘ１＞ｘ２（０≦ｘ２、ｘ１≦１）とした構成とすると、Ａｌ組成比の大きな第１の層で屈折率を小さく、バンドギャップエネルギーを大きくし、Ａｌ組成比の小さい第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５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。
【００２３】
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、超格子構造としては、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。このとき、少なくとも第１、２の層の一方を上記膜厚範囲とし、好ましくは両方の膜厚とも上記膜厚範囲とすることで厚膜でのクラッド層形成が良好な結晶性となる。
【００２４】
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、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）／Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、ｘ１＞ｘ２）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。
【００２５】
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。
【００２６】
さらに、上記光閉込めのクラッド層に加えて、前記ｐ側クラッド層、ｎ側クラッド層の少なくとも一方と、活性層との間に、光ガイド層を有し、該光ガイド層は、少なくともＩｎを含む窒化物半導体を有する第３の層と、第３の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第４の層とが交互に積層された多層膜光ガイド層を設けた構造とすることができる。この多層膜光ガイド層の組成については、上記多層膜クラッド層と同様に、超格子構造の多層膜とすることが好ましい。具体的には、Ｉｎ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、図１０に示すように、ｎ側層側には、活性層近傍に配置された第１の窒化物半導体層と、クラッド層側に配置された多層膜光ガイド層とが設けられる構造とでき、導波路の屈折率を低下できる構造となり、単一膜のＩｎを含む窒化物半導体からなる光ガイド層を設ける場合における結晶性の悪化を、抑制することが可能となる。具体的には、多層膜として、第６の層と、それと異なる組成の第４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、Ｉｎ組成比ｙ１の第３の層と、Ｉｎ組成比ｙ２（ｙ１≠ｙ２）の第４の層とを積層した構造の多層膜でも良く、この時Ｉｎ組成比をｙ１＞ｙ２（０≦ｙ２、ｙ１≦１）とした構成とすると、Ｉｎ組成比の大きな第３の層で屈折率を大きく、バンドギャップエネルギーを大きくし、Ｉｎ組成比の小さい第４の層で、第３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３の層、第４の層を積層し、第４の層と組成の異なる第６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３の層、第４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３の層、第４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、Ｉｎを含む窒化物半導体の結晶性悪化を抑えて、導波路の屈折率を大きくした構造とでき、クラッド層との屈折率差を高めることができる。
【００２７】
多層膜構造の光ガイド層において、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、光ガイ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、光ガイ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、結晶性良く光ガイド層を形成できる。この時、超格子構造としては、クラッド層の場合と同様に、少なくとも第３の層と、第４の層とを交互に複数積層したり、少なくとも第３の層と第４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。このとき、少なくとも第１、２の層の一方を上記膜厚範囲とし、好ましくは両方の膜厚とも上記膜厚範囲とすることで光ガイド層形成が良好な結晶性となる。
【００２８】
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３の層、第４の層を有する多層膜で、両方にドープしても良く、又は第３の層と第４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３の層／第４の層が、Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦１）／Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２≦１、ｙ１＞ｙ２）の超格子多層膜構造である場合に、Ｉｎ組成比の小さい第４の層に不純物ドープして、第３の層をアンドープとすることで、クラッド層と同様に結晶性を良くすることができる。
【００２９】
また、光ガイド層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、１０ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることで、上記第１，２の窒化物半導体層とを組み合わせた構造において、優れた導波路構造が形成される。さらに好ましくは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることで、前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層と光ガイド層とを組み合わせて用いる構成において、好適な光導波路が形成され、効率的に光が閉じ込められて、閾値電流を低減させることができる。
【００３０】
ｎ側層が、光ガイド層を有し、該ｎ側層の光ガイド層と活性層との間に、第１の窒化物半導体層を有することで、良好な導波路構造が形成される。
前記ｐ型層が、光ガイド層を有し、該ｐ型層の光ガイド層が、前記第２の窒化物半導体層を有することで、Ｉｎを含む窒化物半導体にによる結晶性悪化を抑えると共に、導波路の屈折率を高めた構造とできる。
【００３１】
【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窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）がある。その他に前記窒化ガリウム系化合物半導体の一部を、Ｂ、Ｐで置換した、混晶でもよい。また、活性層、井戸層、障壁層などに用いられるＩｎを含む窒化物半導体は、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。また、Ａｌを含む窒化物半導体として、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。
【００３２】
（活性層）
本発明における活性層としては、少なくともＩｎを含む窒化物半導体を有し、特に波長４４０ｎｍ以上の発光をするものである。ここで、Ｉｎを含む窒化物半導体としては、その組成は特に限定されないが、好ましくはＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。このとき、Ｉｎを含む窒化物半導体には、ノンドープ、ｎ側不純物ドープ、ｐ側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側不純物ドープのＩｎを含む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。また、活性層が、量子井戸構造を有する場合には、このＩｎを含む窒化物半導体が少なくとも井戸層に用いられる。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、後述する井戸層、障壁層を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。
【００３３】
また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層(1)／障壁層(2) ／障壁層(3)／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けても良い。例えば、井戸層の上に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる上部障壁層と、その上に上部障壁層よりもエネルギーバンドギャップの小さな下部障壁層を設ける構造などがあげられる。具体的には、井戸層の上に配置されＡｌを含む窒化物半導体からなる上部障壁層を設けることで、井戸層内に、Ｉｎの偏析、Ｉｎ濃度の面内分布を誘発し、量子ドット、量子細線効果が得られる傾向にあるため、これを用いても良い。この時、Ａｌを含む窒化物半導体としては、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることであり、好ましくは３元混晶のＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を用いることで、結晶性、制御性良く成長させることが可能となるため好ましい。また、Ａｌを含む窒化物半導体は、上部障壁層に限らず、井戸層の下に配置された下部障壁層としても良く、前記障壁層(1)と(3)に挟まれた障壁層(2)として設けても良い。好ましくは、井戸層の下部に接して設けられる下部障壁層以外に用いることであり、なぜなら良好な結晶性でもって井戸層が形成される傾向にあり、また上述した量子効果が得られやすい傾向にあるからである。井戸層の下に接する下部障壁層としては、Ａｌを含まない窒化物半導体を用いることが好ましく、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の窒化物半導体を用いることが、井戸層の結晶性の点から好ましく、さらにはＩｎ混晶比ｘが０より大きいＩｎＧａＮとする方が、井戸層に対する下地層の効果が得られ好ましい。
【００３４】
（井戸層）
本発明における井戸層としては、Ｉｎを含む窒化物半導体層を用いることが好ましく、この時具体的な組成としては、ＩｎαＧａ1- αＮ（０＜α≦１）を好ましく用いることができる。このことにより、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。
【００３５】
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、１０Å以上３００Å以下の範囲、好ましくは２０Å以上２００Å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、２０Å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、２００Å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。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１００Å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。
【００３６】
本発明の井戸層には、前記活性層内のＩｎを含む窒化物半導体と同様に、ｎ側不純物がドープされていても、いなくても良い。しかしながら、井戸層はＩｎを含む窒化物半導体が用いられ、ｎ側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、ｎ側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ｎ側不純物濃度は５×１０16／cm3以下と実質的にｎ側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ｎ側不純物をドープする場合には、ｎ側不純物濃度が１×１０18以下５×１０16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側不純物濃度としては、障壁層のｎ側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。
【００３７】
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側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側不純物が井戸層にドープされると、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）が大幅に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側不純物濃度を、少なくとも１×１０18／cm3以下にすることであり、好ましくはアンドープ若しくは実質的にｎ側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側不純物をドープしたレーザ素子では、レーザ光のピーク波長のスペクトル幅が広がる傾向にあるため、好ましくなく１×１０18／cm3、好ましくは１×１０17／cm3以下とすることである。
【００３８】
（障壁層）
本発明において、障壁層の組成としては、特に限定されないが、井戸層との間にバンドギャップエネルギー差が設けられる、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなる、ように、井戸層よりＩｎ混晶比の低いＩｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。具体的な組成としては、ＩｎβＧａ1- βＮ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮ、ＡｌγＧａ1- γＮ（０＜γ≦１）などを用いることができる。ここで、井戸層に接して下地層となる障壁層（下部障壁層）の場合には、Ａｌを含まない窒化物半導体を用いることが好ましい。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層をＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体の上に直接成長させると、結晶性が低下する傾向にあり、井戸層の機能が悪化する傾向にあるためである。
【００３９】
また、障壁層には、ｐ側不純物、ｎ側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側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、障壁層中のｎ側不純物をドープする場合にはその濃度として、少なくとも５×１０16／cm3以上ドープされていることである。具体的には、例えばＬＥＤである場合には、５×１０16／cm3以上２×１０18／cm3以下の範囲でｎ側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、５×１０17／cm3以上１×１０20／cm3以下の範囲、好ましくは１×１０18／cm3以上５×１０19／cm3以下の範囲でドープされていることが好ましく、このように高濃度でドープする場合には、井戸層をｎ側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。
【００４０】
一方で、図３、５〜８に示すように、活性層内で、最も外側で、最もｐ型層１３側に位置する障壁層２ｃは、好ましくはｎ側不純物を実質的に含まないようにすることで、ｐ型層１３からのキャリアの注入が良好となり、素子寿命が向上する傾向にある。これは、最もｐ側の障壁層２ｃは、ｐ型層に接して設けられ、ｐ型層からのキャリアの注入口となり、ｎ側不純物を有する場合には、キャリアの注入を妨げていると考えられ、ｎ側不純物を実質的に含まないことで、ｐ型層１３からのキャリアがより深部の、ｐ型層から遠くの、井戸層にまで、安定して効率的にキャリアが注入されるためと考えられる。これは、特に、大電流で、多量のキャリアを注入するような、大電流駆動で高出力のＬＤ、ＬＥＤなどにおいて、顕著にその素子寿命の向上効果が得られる傾向にある。この時、実質的にｎ側不純物を含まないとは、最もｐ側の障壁層２ｃのｎ側不純物濃度が、５×１０16／cm3未満となるようにすることである。また、この最もｐ側の障壁層２ｃは、好ましくは、活性層内で最も外側に形成されることが好ましいが、前記効果は小さくなるものの最も外側にでない場合、例えば・・・井戸層／障壁層／井戸層／ｐ型層１３の順に積層された構造、であっても、その効果は期待できる。この最もｐ側の障壁層２ｃの位置としては、好ましくは活性層内で最も外側に配置されること、更に好ましくは、後述するｐ側電子閉込め層に接して設けられることで、電子の閉込めと、ｐ型層からのキャリアの注入が更に効率的なものとなる。さらにまた、最もｐ側の障壁層２ｃが、ｐ側不純物を有することで、更に深部の井戸層、ｐ型層１３から遠くに位置する井戸層、に対してもｐ型層１３からのキャリアが効率的に注入され、さらに素子寿命が向上する傾向にあるため、ｎ側不純物を実質的に含まず且つｐ側不純物を含む障壁層とすることが好ましい。この時、ｐ側不純物量としては、５×１０16／cm3以上１×１０20／cm3以下の範囲、好ましくは、５×１０16／cm3以上１×１０18／cm3以下の範囲である。これは、１×１０20／cm3以上とｐ側不純物を多くしても、キャリア濃度は殆ど変化しないため、不純物を含有することによる結晶性の悪化、不純物による光の散乱作用による損失が大きくなり、かえって活性層における発光効率を低下させる。更に、１×１０18／cm3以下であると、上記不純物の増加による発光効率の低下を低く抑え、なおかつ活性層内へのｐ型層からのキャリア濃度を安定して高く保つことが可能となる。加えて、ｐ側不純物の下限としては、僅かながらでもｐ側不純物を有することが好ましく、これは不純物が低濃度である場合には、高濃度である場合に比較して高い確率で、ｐ側不純物がキャリアとして機能するものとなる傾向にあるためである。
【００４１】
障壁層の膜厚としては、特に限定されず５００Å以下、より具体的には井戸層と同様に１０Å以上３００Å以下の範囲が適用できる。
【００４２】
（導波路構造）
本発明の窒化物半導体素子において、素子構造としては、活性層を、ｐ側窒化物半導体層、ｎ側窒化物半導体層内のｎ側クラッド層とｐ側クラッド層とで挟み込む構造を少なくとも有するものとなる。このとき、活性層には、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いることが好ましく、さらに、活性層内で、波長４４０ｎｍ以上の発光が得られるＩｎ混晶比とすることが好ましい。また、クラッド層と活性層との間に、活性層を挟む光ガイド層を設けても良い。ここで、ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層とで挟まれる領域を、導波路と呼ぶ。
【００４３】
ここで、ｎ側クラッド層、ｐ側クラッド層としては、Ａｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられ、このことにより、導波路と両クラッド層との間で、屈折率差を大きくとることができる。このとき、クラッド層の窒化物半導体には、Ｉｎを含まないことが好ましく、なぜなら、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まない場合に比べて、結晶性が悪化する傾向にあり、特に、活性層の上にｐ側クラッド層を有する構造では、そのｐ側クラッド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いると、結晶性の悪化が大きく、素子特性を大きく悪化させるものとなる。このとき、クラッド層に用いる窒化物半導体として具体的には、ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜ｂ＜１）が好ましく用いられる。
【００４４】
本発明において、図２に示す光ガイド層のように、クラッド層と活性層との間の層が、導波路の形成において、重要なものとなる。これは、導波路内に光を閉じ込めるためには、導波路に比べて相対的にクラッド層の屈折率を下げて、屈折率差を大きくするか、導波路内の屈折率を大きくすることであるが、活性層からの光の波長が長くなると、困難な問題が発生する。それは、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの屈折率差では、波長が短い領域、例えば４００ｎｍ付近で、大きな屈折率差を有しているが、波長が長くなるに従って、その屈折率差が小さくなるからである。このため、クラッド層に用いられる窒化物半導体のＡｌ混晶比を大きくして、クラッド層の屈折率を小さくするか、若しくは光ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いて、導波路内の屈折率を小さくして、導波路とクラッド層との屈折率差を大きくすることが必要になる。しかしながら、クラッド層のＡｌ混晶比を大きくすると、結晶性の悪化が大きく、またクラックなどの発生もあり、リーク電流の原因になるなど、素子特性を悪化させるため、クラッド層のように、厚膜で高いＡｌ混晶比の窒化物半導体を素子構造内に設けることが困難である。さらに、活性層を除く導波路内の窒化物半導体層、例えば光ガイド層、に、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いて、導波路の屈折率を大きくする構造では、Ｉｎを含む窒化物半導体による光の吸収が起こり、このため、導波路内で光の損失が発生し、閾値電流の増大など素子特性の悪化が起こる。また、上述したように、ｐ側窒化物半導体として、例えば、図２に示すｐ側光ガイド層に、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いると、ｐ側不純物として好ましく用いられるＭｇを含むことでの結晶性の悪化が大きく、結果として素子特性を悪化させる。
【００４５】
本発明では、両クラッド層に挟まれた導波路として、活性層を挟む第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層を有することで、長波長における導波路、及び結晶性の問題を解決している。すなわち、ｎ側クラッド層と活性層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を設けることで、導波路内の屈折率をクラッド層に比して、相対的に大きくし、一方で、ｐ側クラッド層と活性層との間に、Ｉｎを含まない（Ｉｎ混晶比が０の）窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を設けて、ｐ型層側の結晶性悪化の問題を解決した構造を有するものである。このため、導波路内は、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層とＩｎを含まない第２の窒化物半導体層とで活性層を挟む構造で、組成が非対称な構造を有している。
【００４６】
従来、活性層の発光波長が長波長になる導波路構造としては、上述した長波長域におけるＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとの屈折率差の低下の問題と、Ａｌ高混晶による結晶性の悪化の問題から、導波路内にＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体を光ガイド層に用いた構造、例えばＩｎＧａＮ単一膜、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層膜（超格子層）などが考えられていた。しかしながら、ｐ側光ガイド層をＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子多層膜として結晶性の悪化を低く抑えてもなお素子特性に影響を及ぼさない程度までの結晶性を得ることが困難であり、また、上述したＩｎによる光の損失も素子特性悪化の大きな原因となる。これは、活性層の発光波長が長くなるほど、前記ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとの屈折率差が小さくなり、導波路内の屈折率を大きくするために光ガイド層などに用いる窒化物半導体のＩｎ混晶比を大きくしなければならないが、Ｉｎ混晶比が大きくなれば結晶性、光の損失などによる素子特性の悪化も大きくなることにある。
【００４７】
しかしながら、本発明では、導波路内において、ｎ側クラッド層側にＩｎを含む第１の窒化物半導体層を用いて導波路全体の屈折率をクラッド層に比して大きくし、クラッド層との屈折率差を大きくし、ｐ側クラッド層側に第２の窒化物半導体層を設けることで、Ｉｎを含む窒化物半導体による結晶性の悪化と、光の損失を回避し、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られるものである。以下、各層について、説明する。
【００４８】
（第１の窒化物半導体層）
本発明における第１の窒化物半導体層は、導波路内において、活性層とｎ側クラッド層との間に配置され、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるものである。ここで、第１の窒化物半導体層の組成としては、好ましくは、Ａｌを含まない窒化物半導体とすることであり、これにより、Ａｌを含む窒化物半導体を用いたクラッド層との屈折率差を大きくすること、すなわち、クラッド層とそれに挟まれた導波路において、導波路内を相対的に屈折率を大きくすることが可能となり、またＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）で表される窒化物半導体を形成することで、結晶性も良い第１の窒化物半導体層を得ることができる。また、第１の窒化物半導体層と活性層若しくはｎ側クラッド層との間に、別の層を設けても良く、設けなくても良く、すなわち、第１の窒化物半導体層を活性層若しくはｎ側クラッド層、又は両方に接して設けても良く、どちらか一方若しくは両方に離れて設けても良い。また、第１の窒化物半導体層を、それとは組成の異なる層と交互に積層するなどして、複数積層した多層膜構造を用いても良い。本発明の第１の窒化物半導体層は、活性層とｎ側クラッド層との間にあって、導波路内にあることから、光ガイド層として機能する一方、Ｉｎを含むことで導波路全体の屈折率を大きくして、導波路内への光の閉込めに寄与することから、ｐ型層側の第２の窒化物半導体層に比して、第２の光閉込め層としても機能していると考えられる。
【００４９】
また、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｚは、活性層中のＩｎを含む窒化物半導体のＩｎ混晶比、若しくは量子井戸構造の活性層の場合には井戸層のＩｎ混晶比、をｗとすると、好ましくはｚ≦ｗとすることであり、更に好ましくはｚ＜ｗとすることである。例えば、図５、６などに示すように、活性層１２中の井戸層１の混晶比ｗに比べて、第１の窒化物半導体層３１のＩｎ混晶比ｚを、ｚ≦ｗとなるようにすることで、図に示すように、段階的なバンドギャップエネルギー構造を形成でき、導波路内の活性層へのキャリアの効率的な注入、特にｎ側層１１側からのキャリアの注入に寄与するものとなる。この時、ｚ＜ｗであることで、井戸層内のＩｎを含む窒化物半導体層、若しくは井戸層、と第１の窒化物半導体層との間に、大きなバッドギャップエネルギー差を設けることができ、前記キャリアの注入効率を向上させることができる。更に、第１の窒化物半導体層３１が活性層１２に隣接して設けられ、活性層中で最も外側で、最もｎ側層１１側に配置され、第１の窒化物半導体層３１に隣接する障壁層２ａが設けられる場合には、第１の窒化物半導体層３１のＩｎ混晶比ｚは、この障壁層２ａのＩｎ混晶比ｖに比べて、ｚ≦ｖとなるようにすると更に好ましく、更にｚ＜ｖとなるようにすると好ましい。これは、図５，６に示すように、ｚ≦ｖであると活性層１２とｎ側層１１との接合部付近で、ｎ側層１１から活性層１２に近づくに従って段階的に、バンドギャップエネルギーが小さくなる構造とでき、ｎ側層１１から活性層へのキャリアの注入を効率的にし、図５に示すように更に段階的なバンドギャップ構造とすることができ、更に効果的なものとなるからである。
【００５０】
また、一方で、図１０に示すように、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｚを、障壁層のＩｎ混晶比ｖとほぼ同じか、それよりも大きくすると（ｚ≧ｖ）、好ましくは大きくすること（ｚ＞ｖ）であり、バンドギャップエネルギーが障壁層よりも小さくなるが、Ｉｎ混晶比が大きく、障壁層（ｎ側障壁層）よりも大きな膜厚で形成される第１の窒化物半導体層により、導波路の屈折率が大きくなり、光閉込めのクラッド層との屈折率差を大きくすることができる。この場合、ｎ側層からのキャリアが注入される際に、第１の窒化物半導体層とｎ側障壁層との間に障壁が設けられる構造となるが、バイアス地においては、その障壁が小さくなり、その影響は少なくなる。一方で、ｎ側障壁層２ａが、主にｐ型層からのキャリアの閉込め層となるが、窒化物半導体ではホールの拡散長が小さいため、障壁が小さく、膜厚が薄くなることによる影響は比較的低く抑えられる。また、光ガイド層と第１の窒化物半導体層とのＩｎ混晶比については、図８に示すように、光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーを小さくして、Ｉｎ混晶比を大きくすることが好ましい。これは、第１の窒化物半導体層が屈折率を高めるために設け、導波路構造の中心部に当たる活性層近傍の屈折率を高めることが好ましいことから、Ｉｎ混晶比を光ガイド層よりも大きくした第１の窒化物半導体層を、光ガイド層よりも活性層の近くに設けることで、より優れた導波路構造を形成することができる。ここで、本発明において、クラッド層、光ガイド層が多層膜で構成される場合、特に超格子多層膜で構成される場合において、各層のＩｎ混晶比、Ａｌ混晶比、バンドギャップエネルギーは、平均組成、平均エネルギーで、他の層と比較する者であり、この平均組成、平均エネルギーは、多層膜を構成する第１の層（第３の層）、第２の層（第４の層）の各膜厚で、Ａｌ、Ｉｎ組成、エネルギーを、加重平均した値となる。例えば、光ガイド層が、Ｉｎ混晶比ｙ１、膜厚ｄ３の第３の層、Ｉｎ混晶比ｙ２、膜厚ｄ４の第４の層とが交互に積層された超格子構造にあっては、Ｉｎの平均混晶比ｙｍは、ｙｍ＝［（ｄ３×ｙ１）＋（ｄ４×ｙ２）］／（ｄ３＋ｄ４）で求められる。
【００５１】
また、図５，６，１０に示すように、クラッド層２５，３０と活性層１２との間に、光ガイド層２６，２９が設けられ、さらにｎ側層１１側にあっては、光ガイド層２６と活性層との第１の窒化物半導体層を有する場合、図１０に示すように、光ガイド層のＩｎ混晶比若しくは平均組成よりも、活性層内で外側に配置されたｎ側障壁層２ａのＩｎ組成ｚを大きくすることが好ましい。これは、上述した第１の窒化物半導体層による屈折率増加の機能を好適に引き出すものであり、具体的には、光ガイド層２６よりも活性層側に設けられる第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比を大きくし、活性層近傍の屈折率を高めることで、導波路中央付近に位置する活性層を中心に屈折率の大きな層が設けられることで、良好な光分布を実現できる。一方、ｐ型層側にあっては、ｐ側障壁層がこの役割を担い、すなわち、ｐ側障壁層２ｃのＩｎ組成比を、ｐ型層の光ガイド層２９のＩｎ組成比より大きくすることで、第１の窒化物半導体層と同様な機能が得られる。
【００５２】
ここで、第１の窒化物半導体層の位置における前記各形態について言及すると、活性層及びｎ側クラッド層に接して第１の窒化物半導体層を設ける形態では、Ｉｎを含む窒化物半導体を結晶性良く厚膜で形成することが困難な傾向にあることから、導波路として十分な膜厚で形成すると結晶性の悪化による素子特性の悪化が現れ、逆に結晶性が素子特性を悪化しない程度の膜厚で形成すると、導波路として機能するのに不十分な膜厚となり、クラッド層外への光の漏れによる損失により素子特性の悪化が起こる傾向にある。第１の窒化物半導体層を活性層とｎ側クラッド層との間に、複数積層した多層膜とする場合には、例えば超格子構造として、Ｉｎを含まない窒化物半導体と共に多数積層して、結晶性の悪化を抑えて厚膜を形成することができる。例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜層、若しくは、ｎ側クラッド層から活性層に近づくにつれてＩｎ混晶比が大きくなるように組成傾斜させた構造とすることができる。一方で、導波路の屈折率を単一膜と同等とするには、多層膜の膜厚が厚くなり、その多層膜内において、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層が散在する構造となることから、単一膜よりも厚膜の多層膜でもってＩｎによる光の損失が発生することから、単一膜よりもその損失が大きくなる傾向にある。また、第１の窒化物半導体層の位置としては、具体的にはｎ側クラッド層と活性層との間であり、ｎ側クラッド層と活性層との間に光ガイド層が設けられる場合には、図５，６，１０に示すように光ガイド層と活性層との間、又は図６，７に示すように光ガイド層内部、若しくは光ガイド層内部に第１の窒化物半導体層を設けることができる。本発明において上記様々な形態を適用しうるが、好ましくは活性層に近づけて、更に好ましくは活性層に接して配置することが良い傾向にある。これは、詳しいことは不明であるが、図５，６等に示すように、ｎ側クラッド層から活性層に至る領域で、バンドギャップ構造を段階的なものとし、ｎ側層側１１からのキャリアの注入を促進させることが影響していると考えられる。
【００５３】
第１の窒化物半導体層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、上述したようにＩｎによる光の損失の発生を考慮して、少なくとも１５００Å以下とすることであり、好ましくは３００Å以上とすることで導波路全体の屈折率を上昇させ、ｎ側クラッド層との間に大きな屈折率差を形成することができ、損失が少なく、閾値電流を低減させた優れた導波路が形成される。この時、後述するように、導波路としての機能は、クラッド層と活性層とで挟まれる領域の膜厚の総和に作用されることから、ｎ側クラッド層と活性層とで挟まれる領域の膜厚の総和を考慮して、第１の窒化物半導体層を決定すると良い。また、図５，６などに示すように、第１の窒化物半導体層が最もｎ側層側の障壁層２ａに隣接して配置される場合には、第１の窒化物半導体層は、障壁層として寄与すると考えられることから、この場合の第１の窒化物半導体層の膜厚は、障壁層２ａとの膜厚の総和が３００Å以上となるようにすることで、障壁層、光の閉込めとして良好に寄与するものとなり好ましく、この時の膜厚の上限としては前記の１５００Å以下とすることが好ましい。
【００５４】
第１の窒化物半導体層には、ｎ側不純物がドープされていても、ドープされていなくても良いが、好ましくはｎ側不純物をドープして、良好なｎ側導電性を有することである。この時、第１の窒化物半導体層は、Ｉｎを含む窒化物半導体であるため、上述したようにｐ側不純物ほどではないものの、ｎ側不純物をドープすることによる結晶性の悪化があるため、好ましくはドープ量を１×１０19／ｃｍ3以下の範囲とすることで、Ｉｎを含む窒化物半導体における結晶性の悪化を抑制できる。
【００５５】
（第２の窒化物半導体層）
本発明において、第２の窒化物半導体層としては、Ｉｎ混晶比が０の窒化物半導体を用いることであり、この第２の窒化物半導体層をｐ側クラッド層と活性層との間に設けることで、結晶性に優れ、導波路として機能する層となる。これは、前記第１の窒化物半導体層とこの第２の窒化物半導体層とで活性層を挟む構造を導波路内に設けること、すなわちｎ側層側の第１の窒化物半導体層とｐ型層側の第２の窒化物半導体層とし、両方の層を活性層を介して対向して配置し、組成が異なることにより、導波路内で異なる機能を有する非対称な導波路構造とするものである。第２の窒化物半導体層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比ｕを、ｕ＝０とすることで、結晶性に優れた層を形成でき、結晶性悪化によるＶｆ、閾値電流の上昇を回避できる。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まないものに比べて、結晶性が悪化する傾向にあるからである。また、第２の窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と異なり、ｐ側不純物をドープしてｐ側導電性を持たせる必要があり、不純物ドープによる結晶性の悪化が起こり、更にｐ側不純物として好ましく用いられるＭｇでは大幅な結晶性の悪化が起こり、これは、Ｉｎを含む窒化物半導体において、Ｉｎを含まないものに比べて、その結晶性の悪化は顕著なものである。
【００５６】
また、図２〜４に示すように、通常、ＬＥＤ、ＬＤなどの窒化物半導体素子では、基板上に、ｎ側層１１／活性層１２／ｐ型層１３の順に積層された構造が多く採用されているが、このような場合には、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いた活性層１２の下部に配置されたｎ側層１１と、上部に配置されたｐ型層１３とでは、通常成長条件が異なり、活性層よりも上部に配置されたｐ型層１３では、通常活性層中のＩｎが分解するなどして結晶性を悪化させないような温度条件で成長させる必要があり、ｎ側層１１はそのような制限がない。このことから、低い温度で成長させるｐ型層１３では、良好な結晶成長条件で、成長させることが困難な場合がある。
【００５７】
具体的には、図２に示すように、ｎ側層１１，ｐ型層１３との間に活性層１１が設けられた構造を、基板（図示せず）の上などに有し、本発明の基本的な構成として、ｎ側層１１には、ｎ側クラッド層２６が設けられ、ｐ型層１３には、ｐ側クラッド層３０が設けられた構造がある。更に、各導電型層には、これらクラッド層２６，３０よりも活性層から離れた位置に、ｎ側コンタクト層２５、ｐ側コンタクト層が形成し、電極をその表面に設けても良く、基板の上に、ｎ側層１１、活性層１２、ｐ型層１３が順に積層された構造において、基板のｎ側層に対向する面側に電極を設けて、ｎ側コンタクト層２５を電荷注入層として、ｎ側クラッド層２６よりも高濃度でｎ側不純物ドープをドープした層を設けることもできる。また、これらクラッド層がコンタクト層を兼ねる構成であってもよい。このような基本的な構造において、図３に示すように、第１の窒化物半導体層３１、第２の窒化物半導体層３２を、それぞれｎ側クラッド層２６、ｐ側クラッド層３０と活性層１２との間に、設ける構造となる。また、図３，４に示すように、光ガイド層２６、２９が、活性層とクラッド層との間に設けられる場合には、光ガイド層と活性層との間に、第１、２の窒化物半導体層が設けられても良く、光ガイド層が、第１の窒化物半導体層若しくは、第２の窒化物半導体層を有する構造とすることもできる。このため、光ガイド層が、多層膜構造を有する場合には、第１の窒化物半導体層、若しくは第２の窒化物半導体層を有する多層膜構造とできる。図１３は、バイアス時におけるエネルギーバンド図４１を模式的に示すもので、内部障壁層３，３の異なる形態を説明するものであり、図１３（ａ）は、内部障壁層３が、ｎ側障壁層２ａ、ｐ側障壁層２ｃよりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ｉｎ混晶比が小さい例を示すものであり、図１３（ｂ）は、内部障壁層３が、ｎ側障壁層２ａ、ｐ側障壁層２ｃよりもバンドギャップエネルギーが小さく、Ｉｎ混晶比が大きい例を示すものである。ここで、内部障壁層は、ｎ側障壁層２ａ、ｐ側障壁層２ｂとの間に設けられた障壁層で、井戸層と井戸層とに挟まれた障壁層を内部障壁層とする者であり、図５〜８、１０における障壁層２ｂも内部障壁層３となる。
【００５８】
第２の窒化物半導体層の組成としては、Ｉｎを含まない窒化物半導体をもちいることであり、好ましくはＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）で表される窒化物半導体を用いることである。また、この時、ｐ側クラッド層との屈折率差を設けるため、ｐ側クラッド層のＡｌ混晶比より第２の窒化物半導体のＡｌ混晶比ｔを小さくすることが好ましい。更にまた、クラッド層と導波路との屈折率差を考慮して、ｔ≦０．５として、低いＡｌ混晶比で形成するか、導波路内の屈折率を最大限に大きくするために、ｔ＝０のＧａＮを用いることが最も好ましい。また、第２の窒化物半導体層は、ｐ側不純物を有することが好ましく、ｐ側不純物を含有して、ｐ側導電性を有することで良好な導電性のｐ型層として機能させることができる。この時、ｐ側不純物のドープ量としては特に限定されないが、Ｉｎを含まない窒化物半導体であってもＩｎを含む場合に比べて結晶性の悪化は小さいものの、ドープ量が小さいほど結晶性が良好になる傾向にあるため、好ましくは１×１０18／ｃｍ3以下の範囲とすることで良好な結晶性の第２の窒化物半導体層が得られる。後述する実施例では、第２の窒化物半導体層をアンドープで成長させて、隣接層からの拡散によりｐ側不純物がドープされるが、特にこの方法に限定されず、他の層についても同様であるが、成長後の拡散でも、ドープしながら成長させる方法でも、どちらでも良い。
【００５９】
第２の窒化物半導体層は、単一膜で形成されても良く、多層膜で形成されても良い。多層膜としては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮを複数積層した多層膜でも良く、Ａｌ混晶比を活性層から離れるに従って大きくするような組成傾斜させた層であっても良い。
【００６０】
第２の窒化物半導体層をｐ側光ガイド層に用いる場合には、第２の窒化物半導体層だけでp型光ガイド層を構成しても良く、第２の窒化物半導体層とは組成の異なる層と組み合わせて構成しても良い。この時、好ましくはＩｎを含まない第２の窒化物半導体層だけで構成すると、導波路内のＩｎによる光の損失が回避でき好ましい。この時、ｐ側光ガイド層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、少なくとも２００Å以上の膜厚で形成することで、導波路として良好で、損失の少ない光の導波が実現され、閾値電流の低下につながり、この時膜厚の上限としては４０００Å以下とすることで、閾値電流、Ｖｆの上昇を抑えることができ、好ましくは５００Å以上２０００Å以下とすることで、閾値電流、Ｖｆを低くし、光の導波に適した膜厚の導波路が形成できる。この膜厚については、クラッド層と活性層に挟まれる領域のｎ側層側、すなわちｎ側クラッド層と活性層とで挟まれる領域の膜厚にも適用できる。具体的には、ｎ側クラッド層と活性層との間に、第１の窒化物半導体層を有する場合にはその膜厚、第１の窒化物半導体層とｎ側光ガイド層などの別の層を有する場合にはそれらの層の膜厚の総和について、適用できる。このように、クラッド層と活性層に挟まれた領域の膜厚を、ｐ型層側、ｎ側層側共にほぼ同等な膜厚として膜厚が活性層を介して対称な導波路構造としても良く、両者の膜厚を異ならしめて、膜厚が非対称な導波路構造としても良く、得られる窒化物半導体素子の特性を考慮して適宜選択すればよい。
【００６１】
また、本発明の別の態様によっては、第２の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｕが、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｚより小さくする構成（ｕ＜ｚ）では、ｐ型層側に、Ｉｎを含む窒化物半導体が設けられることによる結晶性低下を抑えて、ｐ型層側にも導波路の屈折率を大きくする層を形成でき、導波路の光分布が、ｎ側層側にシフトすることを抑えた構造とできる。
【００６２】
（ｐ側電子閉込め層［キャリア閉込め層］）
本発明において、ｐ側窒化物半導体層として、特にレーザ素子、端面発光素子において、ｐ側電子閉込め層を設けることが好ましい。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ＡｌγＧａ1- γＮ（０＜γ＜１）を用いる。この時、Ａｌ混晶比γとしては、電子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≦γ＜１の範囲とすることであり、好ましくは０．２≦ａ＜０．５の範囲とすることである。なぜなら、γ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γを０．３５以下とすることで良好な結晶性で成長できる。この時、Ａｌ混晶比は、ｐ側クラッド層よりも大きくすることが好ましく、これはキャリアの閉込めには光の閉込めとなるクラッド層より高い混晶比の窒化物半導体が必要となるからである。このｐ側電子閉込め層は、本発明の窒化物半導体素子に用いることができ、特にレーザ素子のように、大電流で駆動させ、多量のキャリアを活性層内に注入する場合において、ｐ側電子閉込め層を有していない場合に比べて、効果的なキャリアの閉込めを可能とし、レーザ素子だけでなく、高出力のＬＥＤにも用いることができる。また、キャリア閉込め層は、ｐ側だけでなく、ｎ型層内のｎ側にも設けることができる。
【００６３】
本発明のｐ側電子閉込め層の膜厚としては、少なくとも１０００Å以下とすることであり、好ましくは４００Å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、１０００Å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、４００Å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２００Å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１０Å以上、好ましくは５０Å以上とすることで、電子閉込めとして良好に機能する。
【００６４】
また、レーザ素子において、このｐ側電子閉込め層は、図３，４に示すように、電子閉込め層として機能させるため、活性層とクラッド層との間に設けるものであり、更に第２の窒化物半導体層と活性層との間に設けることである。また、窒化物半導体素子が導波路構造を有し、クラッド層と活性層との間に光ガイド層を有する場合において、ｐ側電子閉込め層は、光ガイド層２９と活性層２７との間に設けることで、活性層に近接してｐ側電子閉込め層が設けられた構造とできるため好適なキャリア閉込め構造を実現でき、また別の形態としては、光ガイド層内部にｐ側電子閉込め層を設ける構成とすることもでき、これによりｐ側電子閉込め層と活性層とが離間した構造とでき、ｐ側電子閉込め層が活性層に近接することによる内部応力、圧電界、発熱作用を回避でき好ましい。この時、活性層とｐ側電子閉込め層との距離は、少なくとも１０００Å以下とすることでキャリアの閉込めとして機能し、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。すなわち、ｐ側電子閉込め層は活性層に近いほどキャリアの閉込めが効果的に機能し、その上レーザ素子、発光素子において活性層とｐ側電子閉込め層との間には、殆どの場合、特に他の層を必要とすることがないため、通常は活性層に接してｐ側電子閉込め層を設けうることが最も好ましい。この時、量子井戸構造の活性層内で最もｐ側窒化物半導体層側に位置する層と、ｐ側電子閉込め層と、を接して設けると結晶性が悪化する場合に、それを避けるため結晶成長におけるバッファ層を両者の間に設けることも可能である。例えば、活性層の最もｐ側の層をＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮのｐ側電子閉込め層との間に、ＧａＮからなるバッファ層を設けること、又はｐ側電子閉込め層よりも低いＡｌ混晶比のＡｌを含む窒化物半導体からなるバッファ層、などがある。
【００６５】
ここで、ｐ側電子閉込め層として、具体的には、ｐ側電子閉込め層が活性層に近いほどしきい値電流密度を低下させるが、近くなるほど素子寿命が低下させるものとなる。これは、上述したように、ｐ側電子閉込め層が他の層に比べて極めて高い抵抗を有する層であるため、素子駆動時において発熱量の大きなものとなり、すなわち素子内において高温を呈しているものと考えられ、これが熱に弱い活性層、井戸層に悪影響を及ぼし素子寿命を大きく低下させているものと考えられる。一方で、上述したように、キャリアの閉込めを担うｐ側電子閉込め層は、活性層、特に井戸層に近づくほどキャリアの閉込めが効果的になるため、活性層から離れるとその効果が弱まる。このため、ｐ側電子閉込め層は、キャリア閉込めとして好適に機能するように、活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きく、好ましくは活性層内の少なくとも１つの障壁層よりもバンドギャップエネルギーより大きくし、更に好ましくは活性層内の全ての障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成が選択される。また、導波路構造を有する端面発光素子、レーザ素子においては、ｐ側電子閉込め層を、光ガイド層の一部、好ましくは全部よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることがガイド層によるキャリア閉込めが不十分な場合に、ガイド層よりも活性層の近くに配置されたｐ側電子閉込め層により好適な活性層内へのキャリア閉込めが実現でき好ましく、さらには、光閉込めのクラッド層の一部、若しくは全部よりもバンドギャップエネルギーを大きくすると大きな障壁が、活性層近傍に配置された構造となり好適なキャリア閉込めを実現し、また、ｐ側電子閉込め層の膜厚を小さくしてもその機能を維持することが可能となり好ましい。
【００６６】
従って、素子寿命の低下を抑えるために、図５，６において、活性層内で最もｐ側電子閉込め層に近い井戸層１ｂからｐ側電子閉込め層２８の距離を少なくとも１００Å以上とすることであり、好ましくは１２０Å以上とすることであり、更に好ましくは１４０Å以上とすることである。なぜなら、井戸層とｐ側電子閉込め層との距離が１００Åより短いと、素子寿命が急激に低下する傾向が観られるためであり、１２０Å以上であると素子寿命の大幅な向上が可能であり、１５０Å以上であると更に素子寿命が向上する傾向にあるが、しきい値電流密度は徐々に高くなる傾向が観られ始める。更に、その距離が２００Åより大きくなると、しきい値電流密度の明らかな上昇傾向が観られ、４００Åより大きいとしきい値電流密度の急激な上昇が起こる傾向にあるため、上記距離の上限としては、４００Å以下、好ましくは２００Å以下とすることである。これは、ｐ側電子閉込め層が井戸層から離れることで、キャリア閉込めの効率が低下し、これが主な原因となってしきい値電流密度が上昇し、また発光効率の低下を招くものと考えられる。
【００６７】
本発明のｐ側電子閉込め層には、通常ｐ側不純物がドープされ、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。具体的なドープ量としては、少なくとも５×１０16／cm3以上ドープすることで、好ましくは１×１０18／cm3以上ドープすることであり、前記大電流駆動の素子にあっては、１×１０18／cm3以上、好ましくは１×１０19／cm3以上ドープすることである。ｐ側不純物量の上限は特に限定されないが、１×１０21／cm3以下とすることである。但し、ｐ側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側不純物濃度とすることである。また、ｐ側電子閉込め層を低濃度でドープすること、例えば、ガイド層、クラッド層などのｐ側電子閉込め層近傍の層よりも低濃度でドープすることも可能であり、またノンドープ層とすることもできる。
【００６８】
本発明の窒化物半導体素子では、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側の窒化物半導体、電流狭窄層とするにはＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体、等を用いることができる。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。この時用いられる窒化物半導体としては、ＩｎxＡｌ1-yＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される窒化物半導体を好ましく用いることができる。
【００６９】
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。
【００７０】
ここで、各図について以下に説明する。図２、３は、本発明の一実施形態に係る模式断面図であり、特にレーザ素子構造、発光素子構造において、活性層１２がｎ側層１１とｐ型層１３とで挟み込まれる構造を示すものである。図２は、活性層１２が上部クラッド層３０と下部クラッド層２５で挟まれ、活性層１２と上部クラッド層３０との間に電子閉込め層であるｐ側電子閉込め層２８を有する素子構造を説明するものである。図３，４は、本発明の特徴として、上部、下部クラッド層に挟まれた領域の導波路内に、前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層が設けられ、第１の窒化物半導体層は、ｎ側クラッド層内（図示せず）、ｎ側光ガイド層２６と活性層１２との間（図３，４に示す）、ｎ側光ガイド層２６とｎ側クラッド層２５との間（図示せず）、に設けられ、第２の窒化物半導体層は、ｐ側光ガイド層２９に用いられる。また、図３は、活性層１２の量子井戸構造について図示するもので、障壁層２ａ／井戸層１ａを一対として繰り返し積層され、最後に障壁層２ｃが設けられた構造を有している。図５〜８は、本発明の一実施形態における活性層１２、上部、下部クラッド層２６，３０で挟まれる領域の導波路構造、及び活性層周辺についての積層構造２０と、その積層構造２０の下に、それに対応したエネルギーバンドギャップ２１を示すものである。図１０についても図５〜８と同様に積層構造２０とその積層構造に対応してエネルギーバンド図２１を示し、それらに加えて各層におけるＡｌ組成比４１、Ｉｎ組成比４２の一実施形態を示す模式図が示されている。
【００７１】
本発明の窒化物半導体素子における各層のドープ量について、図１１を用いて以下説明する。本発明の光ガイド層の不純物ドープについて、図１１に、ドープ量変化４３として示すように、第１，２の光ガイド層２２６，２２９において、不純物ドープ量を、活性層に近づくに従ってドープ量を小さくする、若しくは、活性層から遠い領域に比べて活性層に近い領域のドープ量を小さくすると、導波路、特に光ガイド層内において、光の損失を更に減少させて、良好な光の導波を実現でき、閾値電流密度の低減、駆動電流の低減化を図ることができる。これは、不純物ドープした領域を光が導波すると、不純物により光の吸収が発生しするために光の損失が起こるからである。これに加えて、導波路は上述したように、第１の光ガイド層２２６と第２の光ガイド層２２９とで活性層２２７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２２５，２３０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２７及び活性層近傍に多くの光が分布するため、その活性層近傍の領域において不純物ドープ量を少なくすることで、光が多く分布する領域での光の損失が減少することとなり、光の損失の少ない導波路となる。具体的には、第１の光ガイド層２２６、第２の光ガイド層２２９において、各層の膜厚の半分で領域を区切り活性層に近い領域と遠い領域を考えた場合、活性層に近い領域の導電型不純物濃度を、活性層に遠い領域の不純物濃度よりも小さくすることである。光ガイド層の不純物濃度としては、特に限定されないが、具体的には活性層に近い領域において５×１０１７／ｃｍ３以下とすることである。ここで、上記不純物ドープとは、第１の光ガイド層に第１導電型の不純物ドープ、第２の光ガイド層に第２導電型の不純物ドープ、することを指すものである。
【００７２】
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、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（４３ａ）、不連続で段階的にドープ量を小さくする形態（４３ｂ）、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（４３ｃ）、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。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以下の領域を低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）、好ましくは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以下の領域を低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）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、低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）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、上記低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）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１１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、低濃度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、すなわち低濃度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、その場合には低濃度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。具体的には、ｐ側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、４３ａは、拡散によりｐ側電子閉込め層２２８から隣接層へ不純物が拡散する形態を模式的に示すものであり、高濃度ドープのｐ側電子閉込め層２２９に隣接する光ガイド層（２２９ａの領域）、活性層（ｐ側障壁層付近）では、濃度傾斜が発生して、拡散する形態が観測される。また、実施例１で示すように、低濃度ドープで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側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。なお、図中の５１、５２は、各光ガイド層におけるドープ量変化を示している。
【００７３】
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。
本発明では、クラッド層２２５，２３０と、活性層２２７との間に、クラッド層側に配置された高濃度ドープ領域（２２６ａ，２２９ｂ）と、その高濃度ドープ領域よりも低濃度でドープされ、活性層側に配置された低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）とが設けられることで、導波路内における光損失を低減させた構造とできる。更に好ましくは、低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）と活性層との間、すなわち、光ガイド層よりも活性層側に、高濃度ドープ層（２３１，２２８）を設けることが好ましい。ここで、高濃度ドープ層は、活性層近傍に位置するｐ側電子閉込め層２２８、第１の窒化物半導体層２３１の一部、若しくは全部として設けることができ、高濃度ドープ層２３１と２２８のドープ量は、それぞれ、それよりも各クラッド層側に位置する低濃度ドープ領域２２６ｂ，２２９ａよりも、高濃度でドープされることであり、好ましくは、ｐ型層内の高濃度ドープ層２２８のドープ量を、ｐ型層内の高濃度ドープ領域２２９ｂよりも大きくすることで、高濃度ドープ層において、ｐｎ接合部が形成され、ｐ型層側からのキャリアの注入に優れ、不純物ドープ量変化、キャリア濃度変化を設けることができ、好ましい。ここで、図１の２２５〜２３０は、図１０における積層構造２０における各層２５〜３０に対応している。
【００７４】
【実施例】
【００７５】
［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６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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
（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。
【００７９】
（バッファ層１０２） 窒化物半導体基板の上に、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＡｌＧａＮのｎ側コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。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。
【００８０】
（ｎ側コンタクト層１０３）
次に得られたバッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ側コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。ｎ側コンタクト層、若しくはバッファ層などの下地層に、Ａｌを含む窒化物半導体、具体的にはＡｌxＧａ1-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。
【００８１】
（クラック防止層１０４） 次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００８２】
（ｎ側クラッド層１０５） 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Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ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５×１０18／cm3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍ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。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。
【００８３】
（ｎ側光ガイド層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側光ガイド層１０６を０．１μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ側不純物をドープしてもよい。
【００８４】
（第１の窒化物半導体１３１） 次に、図６に示すように、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、ＳｉドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、膜厚５００Åよりなる第１の窒化物半導体層を形成する。
【００８５】
（活性層１０７） 次に、温度を８００℃にして、図６に示すように、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、アンドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープのＩｎ0.32Ｇａ0.68Ｎ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６に示すように、障壁層２ａ、２ｂ、２ｃを１３０Åの膜厚で、井戸層１ａ、１ｂを２５Åの膜厚で形成する。活性層１０７は、総膜厚約４４０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００８６】
（ｐ側電子閉込め層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Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／cm3ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ側電子閉込層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。
【００８７】
（ｐ側光ガイド層１０９：第２の窒化物半導体層） 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側光ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００８８】
このｐ側光ガイド層１０９は、アンドープとして成長させるが、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濃度が５×１０16／cm3となりｐ側を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。
【００８９】
（ｐ側クラッド層１１０） 続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ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９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１１０を成長させる。ｐ側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ＡｌXＧａ1-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。
【００９０】
（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１×１０20／cm3ドープしたｐ側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側のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくは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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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１６２が形成される。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。このようにして得られるレーザ素子は、図６に示す積層構造２０、及びバンドギャップエネルギー図となるものである。
【００９９】
得られるレーザ素子は、しきい値電流密度２．８ｋＡ／ｃｍ2、波長４４８ｎｍの窒化物半導体素子が得られ、参考例１の光ガイド層をＩｎＧａＮとした場合に比べて、長波長域において、低いしきい値電流密度のレーザが得られる。
【０１００】
図９は、実施例１において、井戸層１のＩｎ混晶比を変化させて、波長４２５〜４５０ｎｍのレーザ素子を作製し、閾値電流密度Ｊｔｈを測定して、しきい値電流密度の波長依存性を示すものである。図９から明らかなように、４３０ｎｍ以下の短波長域では、参考例１のようにＩｎを含む窒化物半導体を有する上部、下部光ガイド層で活性層を挟む構造を導波路構造に用いる方が、閾値電流密度が低い傾向にあり、４４０ｎｍ付近（４３５ｎｍ〜４４５ｎｍ）で、参考例１と実施例１の閾値電流密度が逆転し、４４０ｎｍ以上の長波長の領域では、実施例１がなだらかな上昇傾向を示すのに対し、参考例１は、急激な上昇傾向が観られることがわかる。実施例１のように、本発明の特徴である第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層とで活性層を挟み込む構造を、導波路内に設けることで、上述したようなＩｎによる光の損失、ｐ側光ガイド層の結晶性の問題を改善でき、長波長域において優れた素子特性の窒化物半導体素子が得られることがわかる。
【０１０１】
［実施例２］
実施例１において、図５に示すように、障壁層２のＩｎ混晶比より低い混晶比のアンドープＩｎ0.025Ｇａ0.975Ｎからなる第１の窒化物半導体層を５００Åの膜厚で形成する。得られるレーザ素子は、第1の窒化物半導体層３１のＩｎ混晶比が実施例１よりも小さいことから、上部、下部クラッド層に挟まれた導波路、本実施例ではｎ側光ガイド層、ｐ側光ガイド層で挟まれる領域、とクラッド層との屈折率差が、実施例１に比べて小さくなるため、閾値電流が大きくなるものの、長波長域のレーザ素子としてなお優れた特性のものが得られる。
【０１０２】
［実施例３］
実施例２において、図８に示すように、第1の窒化物半導体層３１を、活性層から２００Å離れたところに設ける。このとき、ｎ側クラッド層と活性層とで挟まれた積層構造が、ｎ側クラッド層２５／第１のｎ側光ガイド層２６ａ／第1の窒化物半導体層３１／第２のｎ側光ガイド層２６ｂ／活性層１２の順に積層された構造となり、第１のｎ側光ガイド層２６ａをアンドープＧａＮで８００Åとし、第２のｎ側光ガイド層２６ｂをアンドープＧａＮで２００Åとする。得られるレーザ素子は、実施例２に比べて、第１の窒化物半導体層が活性層から離れていることから、第１の窒化物半導体層による光の閉じ込め、キャリアの注入効果が弱まり、また導波路内での光の分布が実施例１よりもｎ側クラッド層側に多く分布するものとなり、活性層での誘導放出が減少し、また第１の窒化物半導体による光の損失も発生し、実施例２よりも閾値電流が大きくなる傾向にある。
【０１０３】
［実施例４］
実施例１において、図７に示すように、ｎ側光ガイド層としてアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、膜厚０．１５μｍからなる第１の窒化物半導体を用い、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、ＩｎＧａＮからなるｎ側光ガイド層により、導波路とクラッド層との屈折率差が大きくなるが、厚膜のｎ側光ガイド層による光の吸収が大きくなり、また導波路内での光分布も、活性層からｎ側クラッド層に至る領域にブロードに広がって分布しているものと思われ、活性層での誘導放出が減少し、実施例１に比べて、閾値電流が大きくなる。この時、ｎ側光ガイド層（第１の窒化物半導体層）をＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる超格子多層膜で形成しても、単一膜で形成する場合に比べて、膜の結晶性は良くなるものの、光の分布、導波路の屈折率、の問題は、単一膜の場合と同等なもので、得られるレーザ素子も同様な傾向の特性のものとなる。
【０１０４】
［参考例１］
実施例４において、ｐ側光ガイド層を、ｎ側光ガイド層と同じアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎとして、その他は実施例４と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１の導波路構造に比較して、第１の窒化物半導体を設けずに、ｎ側光ガイド層をｐ側光ガイド層と同じ膜厚にして、両方の光ガイド層ともＩｎを含む窒化物半導体を用いた構造となる。このようにして得られるレーザ素子は、ｐ側光ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いていることにより、大きく結晶性が悪化し、さらに、光ガイド層による光の吸収が発生し、実施例１に比べて閾値電流が大きくなる。図９は、参考例１で、井戸層のＩｎ混晶比を変化させて、４２５ｎｍ〜４５０ｎｍの波長のレーザ素子を作製し、しきい値電流密度Ｊｔｈを測定して、閾値電流密度の波長依存性を示すものである。図９から明らかなように、上部、下部光ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いた構造では、４３０ｎｍ付近から波長が長くなるに従って急激な閾値電流密度の上昇傾向を示し、４４０ｎｍ以上の長波長域では、実施例１に比べて、閾値電流密度が大きくなり、そしてそれより波長が長くなるに従って、その差が大きくなることがわかる。
【０１０５】
［実施例５］
実施例１において、ｎ側層、ｐ型層のクラッド層、ガイド層、活性層を以下のように形成し、図１０に示す構造のレーザ素子を作製する。
【０１０６】
（ｎ側クラッド層１０５） ｎ側コンタクト層１０３、クラック防止層１０４（省略可）の上に、ｎ側クラッド層として、アンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる第１の層を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Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第２の層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返して第１の層と第２の層とを交互に積層し、総膜厚１μｍ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。このｎ側クラッド層は、活性層の下に設けられた下部クラッド層となる場合、超格子多層膜で構成しなくても、単一膜、若しくは膜厚１００Å以上の層を有する多層膜でもクラッド層を形成することができる。
【０１０７】
（ｎ側光ガイド層１０６） ＳｉドープのＧａＮよりなる第３の層を膜厚１５Åで成長させ、続いて、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第４の層を膜厚１５Åで成長させる。そして、この操作をそれぞれ６０回繰り返して第３の層と第４の層とを交互に積層し、総膜厚０．１８μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ側光ガイド層１０６を、ｎ側クラッド層の上に、成長させる。
【０１０８】
（第１の窒化物半導体１３１） 次に、ＳｉドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、膜厚５３０Åよりなる第１の窒化物半導体層を、ｎ側光ガイド層の上に形成する。
【０１０９】
（活性層１０７） 図１０に示すように、膜厚１３０ÅのアンドープのＧａＮよりなるｎ側障壁層２ａ、膜厚２５ÅのアンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎよりなる井戸層１ａ、膜厚１００ÅのアンドープＧａＮよりなる障壁層２ｂ、その上に、井戸層１ａと同じ井戸層１ｂ、膜厚５３０ÅのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｐ側障壁層２ｃ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。活性層１０７は、総膜厚約８１０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となり、第１の窒化物半導体層の上に形成される。また、ｎ側障壁層２ａと第１の窒化物半導体層が接する場合には、第１の窒化物半導体層がｎ側障壁層２ａを兼ねることができ、この場合には、ｎ側障壁層２ａを省略でき、活性層に接する第１の窒化物半導体層がｎ側障壁層２ａとしても機能する。
【０１１０】
（ｐ側電子閉込め層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Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ側電子閉込層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。
【０１１１】
（ｐ側光ガイド層１０９） ＭｇドープのＧａＮよりなる第３の層を膜厚１５Åで成長させ、続いて、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第４の層を膜厚５Åで成長させる。そして、この操作をそれぞれ９０回繰り返して第３の層と第４の層とを交互に積層し、総膜厚０．１８μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｐ側光ガイド層１０９を、ｐ側電子閉込め層の上に成長させる。この時、本発明の第２の窒化物半導体層は、第３の層として形成される。
【０１１２】
（ｐ側クラッド層１１０） アンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる第１の層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＭｇをドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第２の層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ９０回繰り返して第１の層と第２の層とを交互に積層し、総膜厚０．４５μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｐ側クラッド層１１０を、ｐ側光ガイド層の上に成長させる。
【０１１３】
このように、ｎ側クラッド層２５、ｎ側光ガイド層２７、第１の窒化物半導体層３１、活性層２７、ｐ側電子閉込め層２８、ｐ側光ガイド層２９、ｐ側クラッド層３０が、図１０に示すように積層された構造となり、その時の各層におけるＩｎ組成、Ａｌ組成は、４１、４２に示すような構造となる。また、この実施例では、光ガイド層において、多層膜ｎ側光ガイド層を構成する第４の層が、ｐ側光ガイド層の第４の層よりも膜厚が厚く形成されており、すなわち、ｎ側光ガイド層のＩｎ混晶比（平均組成）が、ｐ側光ガイド層に比べて大きくした構造となっていることで、ｐ型層側にＩｎを含む窒化物半導体層を設けることの結晶性悪化を低減した構造となっている。また、Ｉｎ混晶比が、ｎ側光ガイド層よりもｐ側光ガイド層を小さくする構成としては、膜厚を小さくするほかに、多層膜を構成する第３，４の層のＩｎ混晶比を小さくすることでも可能である。
このようにして得られるレーザ素子は、しきい値電流密度１．９ｋＡ／ｃｍ2、波長４５３ｎｍ、室温での連続発振が可能で、６０℃、５ｍＷの連続発振における素子寿命１万時間に達する窒化物半導体レーザ素子が得られる。
【０１１４】
［実施例６］
実施例５において、ｎ側クラッド層、ｐ側クラッド層の多層膜を構成する第１の層を、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとし、第２の層を、それぞれＳｉ、ＭｇドープＧａＮとする他は、実施例５と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１１５】
これら実施例１，５，６の素子構造において、井戸層のＩｎ混晶比を変化させて、波長変化させた場合における閾値電流変化を図１２に、実施例１を黒丸●、実施例５を白抜き三角△、実施例６を白抜き四角□で示す。図１２からわかるように、波長４４０ｎｍ以上の長波長域において、実施例５、６が閾値電流が低減したレーザ素子が得られ、また、実施例５と６との比較において、実施例５が優れた特性のレーザ素子が得られることがわかる。
実施例１と、実施例５，６とでは、ｐ側障壁層、ｎ側障壁層の膜厚が大きく異なり、両方の障壁層とも２００Å以上、好ましくは、３００Å以上、更に好ましくは４００Å以上とすることで、閾値電流の低減傾向が観られ、特にｐ側障壁層、若しくはｐ側電子閉込め層と活性層内で最もｐ型層側の井戸層１ｂとの距離を大きくすること、すなわち、２００Å以上、好ましくは３００Å以上、更に好ましくは４００Å以上とすることで良好な長波長域での導波路構造が形成され、図１２に示すような閾値電流特性となると考えられる。また、その他の構成の違いとして、光ガイド層が、Ｉｎを含む窒化物半導体層を有する多層膜構造を有することであり、実施例５，６では、このことによる導波路内の屈折率向上が図られ、素子特性向上につながったと考えられる。
また、実施例５と実施例６とでは、クラッド層のＡｌ混晶比（平均組成）が異なる構造であり、クラッド層のＡｌ混晶比（平均組成）を０．０５以上とすることで、長波長域において、優れた導波路構造が形成されたことにより特性向上が得られたと考えられ、この時クラッド層のＡｌ混晶比（平均組成）の上限としては、結晶性を考慮して、０．５以下とすることであり、多層膜のクラッド層とする場合には、Ａｌを含む窒化物半導体層（第１の層）と、第１の層よりＡｌ混晶比の小さいＡｌを含む窒化物半導体層（第２の層）とが少なくとも交互に積層された多層膜構造とすること、が好ましく、第１の層のＡｌ混晶比ｘ１は、第２の層のＡｌ混晶比ｘ２より大きく、ｘ１＞ｘ２（ｘ２＞０）とすることが長波長域のレーザ素子、端面発光素子において優れた素子特性が得られることがわかる。また、実施例５において、発振波長４６５，４７０における素子寿命は、実施例５と同等な条件において、１万時間、３千時間に達するレーザ素子が得られる。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子は、長波長域において、閾値電流を低く抑えたレーザ素子、および素子特性に優れる端面発光素子が得られる。特に、図９に示すように、ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いた参考例の構造に比べて、本発明のように導波路内の構造を非対称な構造とすることで、４４０ｎｍの長波長域で優れた素子特性の窒化物半導体素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
【図２】本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
【図３】本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
【図４】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図５】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１を説明する模式図。
【図６】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１を説明する模式図。
【図７】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１を説明する模式図。
【図８】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１を説明する模式図。
【図９】本発明の一実施形態と参考例１の実施形態における閾値電流密度の波長依存性を示す図。
【図１０】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１、Ａｌ組成比４１、Ｉｎ組成比４２とを説明する模式図。
【図１１】本発明の一実施形態に係る図１０の積層構造２０に対応する不純物濃度変化（５１，５２）を説明する模式図。
【図１２】本発明の各実施形態（実施例１，５，６）における閾値電流の波長依存性を示す図。
【図１３】本発明の一実施形態に係るバンド構造（バイアス時）を説明する模式図。
【符号の簡単な説明】
１・・・井戸層、 ２（２ｂ）・・・障壁層、 ２ａ・・・ｎ側障壁層、 ２ｃ・・・ｐ側障壁層、 ３・・・内部障壁層 １１・・・ｎ側窒化物半導体層、 １２・・・活性層、 １３・・・ｐ側窒化物半導体層、 ２０・・・積層構造、 １０１・・・基板（ＧａＮ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、１０５，２５，２２５・・・ｎ側クラッド層（下部クラッド層）、 １０６，２６，２２６・・・ｎ側光ガイド層（下部光ガイド層）、 １０７，２７，２２７・・・活性層、 １０８，２８，２２８・・・ｐ側電子閉込め層、 １０９，２９，２２９・・・ｐ側光ガイド層（上部光ガイド層）、 １１０，３０，２３０・・・ｐ側クラッド層（上部クラッド層）、 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、 １３１，３１，２３１・・・第１の窒化物半導体層、 ３２，２３２・・・第２の窒化物半導体層、 １６３・・・第３の保護膜、 １６４・・・絶縁膜
【産業上の利用分野】
本発明は、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光素子、スーパーフォトルミネセンスダイオード、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた窒化物半導体素子に関し、特に光の波長が４４０ｎｍ以上であるＩｎを含む窒化物半導体層を活性層に有する窒化物半導体素子、並びに、光閉込めのクラッド層に挟まれた導波路構造を有する端面発光素子、レーザ素子に関する。
【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は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。また、本出願人は、４０５ｎｍ、室温、５ｍＷの連続発振の条件で、１万時間を超えるレーザを発表した。
【０００３】
また、窒化物半導体を用いた発光素子、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】
窒化物半導体のレーザ素子、若しくは発光素子において、長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混晶比を高くすると発光波長を長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。
【０００５】
従来、このようなクラッド層を有する窒化物半導体素子において、４４０ｎｍ以上の長波長の発光を得る構造として、例えば、レーザ素子において、ガイド層にＩｎＧａＮ、クラッド層にＡｌＧａＮを用いたＳＣＨ構造が提案されている。
【０００６】
しかしながら、長波が長くなるに従ってＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの屈折率差が小さくなり、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、上部クラッド層をｐ側窒化物半導体、下部クラッド層をｎ側窒化物半導体とした場合に、上部ガイド層にｐ側のＩｎＧａＮを用いるが、ｐ側ＩｎＧａＮを形成すると結晶性が他の層に比べて悪く、素子特性に悪影響を及ぼし、更にその上に形成するＡｌＧａＮの上部クラッド層の結晶性も悪化し、これによる、素子特性の低下が問題となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、活性層が上部クラッド層、下部クラッド層に挟まれた構造を有する窒化物半導体素子で、光の波長が４４０ｎｍ以上の長波長域の発光素子において、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が必要である。
【０００８】
【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、且つ結晶性の良好な窒化物半導体素子を得るものである。
【０００９】
すなわち本発明の半導体素子は、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。
（１） 活性層を、ｐ型層とｎ側層とで挟みこむ構造を有し、ｐ型層がｐ側クラッド層を有し、ｎ側層がｎ側クラッド層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
活性層がＩｎを含む窒化物半導体を有し、該活性層内で、最もｎ側層側に配置されたｎ側障壁層（２ａ）と、最もｐ型層側に配置されたｐ側障壁層（２ｃ）と、該ｎ側障壁層（２ａ）と該ｐ側障壁層（２ｃ）との間に少なくとも１つのＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、
前記ｎ側クラッド層と前記活性層との間に、該活性層に接して、該ｎ側クラッド層より屈折率が大きく、Ｉｎ混晶比がｚ＞０である窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、
前記ｐ側クラッド層と前記活性層との間に、Ｉｎ混晶比ｕがｚ＞ｕである第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層に接して、且つ前記活性層に接して若しくは前記活性層にバッファ層を介して接してＡｌを含む窒化物半導体からなるｐ側電子閉込め層を有し、
ｎ側クラッド層と第１の窒化物半導体層との間に、第１の窒化物半導体層よりＩｎ混晶比が小さいＩｎを含む窒化物半導体のｎ側光ガイド層、若しくは第１の窒化物半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ側光ガイド層、を有し、
前記ｐ側障壁層の膜厚が２００Å以上であり、該ｐ側障壁層のＩｎ混晶比が前記第２の窒化物半導体層のＩｎ混晶比より大きく、前記ｎ側障壁層のＩｎ混晶比ｖがｖ＜ｚであることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
（２）第１の窒化物半導体層の膜厚が３００Å以上である上記（１）記載の窒化物半導体レーザ素子。
（３） ｐ側障壁層の膜厚が４００Å以上である上記（１）記載の窒化物半導体レーザ素子。
（４） 前記活性層とｐ側電子閉込め層との距離が１０００Å以下である上記（１）乃至３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（５） 前記バッファ層が、ｐ側電子閉込め層よりも低いＡｌ混晶比であるＡｌを含む窒化物半導体からなること、若しくはＧａＮであることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（６） 前記ｐ側クラッド層、前記ｎ側クラッド層が、それぞれ光閉込めのクラッド層であり、Ａｌを含む窒化物半導体を有するレーザ素子構造であり、発振波長が４４０ｎｍ以上であることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（７） 前記ｐ側クラッド層と、前記ｎ側クラッド層との少なくとも一方は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体を有する第１の層と、第１の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第２の層とが交互に積層された多層膜クラッド層であることを特徴とする上記（６）記載の窒化物半導体レーザ素子。
（８） 前記ｐ型層、前記ｎ側層の少なくとも一方の光ガイド層は、少なくともＩｎを含む窒化物半導体を有する第３の層と、該第３の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第４の層とが交互に積層された多層膜光ガイド層であることを特徴とする上記（７）記載の窒化物半導体レーザ素子。
（９） 前記ｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度が、前記ｎ側障壁層（２ａ）のｎ側不純物濃度より小さいことを特徴とする上記（１）乃至（８）のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（１０） ｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度が、ｐ側不純物濃度より小さいことを特徴とする上記（９）記載の窒化物半導体レーザ素子。
【００１０】
活性層を、ｐ型層とｎ側層とで挟みこむ構造を有し、ｐ型層がｐ側クラッド層を有し、ｎ側層がｎ側クラッド層を有する窒化物半導体素子において、前記活性層がＩｎを含む窒化物半導体を有し、ｎ側クラッド層と活性層との間にＩｎ混晶比がｚ＞０である窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、ｐ側クラッド層と活性層との間にＩｎ混晶比ｕがｚ＞ｕである第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする。この構成により、ｎ側層には、Ｉｎ混晶比ｚ（ｚ＞ｕ）の大きな第１の窒化物半導体層が設けられ、ｐ型層には第１の窒化物半導体層よりもＩｎ混晶比ｕ（ｕ＝０も含む）が小さい第２の窒化物半導体層が設けられた構造となり、後述する導波路構造において、導波路内の活性層を挟む非対称構造が形成される。また、別の発明としては活性層をｐ側クラッド層とｎ側クラッド層とで挟みこむ構造を有する窒化物半導体素子において、前記活性層がＩｎを含む窒化物半導体を有し、ｎ側クラッド層と活性層との間にＩｎを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、ｐ側クラッド層と活性層との間にＩｎ混晶比が０である第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする。この構成により、活性層とｐ側クラッド層との間に、Ｉｎを含まない、若しくはＩｎ混晶比の小さい窒化物半導体（第２の窒化物半導体層）を用いることで、結晶性の悪化を抑制し、活性層とｎ側クラッド層との間には、Ｉｎを含む窒化物半導体（第１の窒化物半導体層）を用いることで、両クラッド層に挟まれる導波路とクラッド層との間に適度な屈折率差を設けることができる。特に活性層内で４４０ｎｍ以上の長波長の発光がある窒化物半導体素子において、閾値電流の低いレーザ素子が得られるなど、素子特性に優れた窒化物半導体素子となる。これは、ｐ側とｎ側のクラッド層に挟まれた導波路において、４４０ｎｍ以上の長波長の光を適度な広がりでもって導波させるには、活性層に用いられるＩｎを含む窒化物半導体のＩｎ混晶比以下のＩｎを含む窒化物半導体、例えば後述する光ガイド層、を導波路内に設けることが好ましいと考えられていたが、ｐ側不純物であるＭｇをドープしたＩｎを含む窒化物半導体は、結晶性が大きく悪化するため、素子特性を悪化させることにある。すなわち、本発明では、ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層で挟まれた導波路内に、組成が異なり、活性層を挟む第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とを有することで、非対称な導波路構造とし、長波長において素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。また、ｎ側、ｐ側クラッド層としては、このような導波路構造を形成するように、光閉込めのクラッド層として設ける他、導波路を有していない素子においては、キャリア閉込め層として機能させた構造とすることもできる。このようなクラッド層としては、活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすること、活性層が量子井戸構造の場合には、井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、好ましくは、障壁層よりもバンドギャップエネルギーを大きくする。本発明において、第１の窒化物半導体層は、ｎ側障壁層２ａとして設けることができ、その場合、図１３に示すように、活性層内に、厚膜のｎ側障壁層が形成された構造となる。また、第２の窒化物半導体層は、ｐ側クラッド層、ｐ側光ガイド層の一部として設けることができ、省略することもできる。
【００１１】
さらに、上記ｎ側層中の第１の窒化物半導体層とｐ型層中の第２の窒化物半導体層との間に活性層が設けられた素子構造において、前記活性層が、活性層内の障壁層の中で、最も前記ｎ側層側に配置されたｎ側障壁層（２ａ）と、最も前記ｐ型層側に配置されたｐ側障壁層（２ｃ）と、ｎ側障壁層（２ａ）とｐ側障壁層（２ｃ）との間に少なくとも１つのＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有すると共に、前記ｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度が、ｎ側障壁層（２ａ）のｎ側不純物濃度より小さい構成とすることが好ましい。これは、後述するように、ｐ側障壁層（２ｃ）がキャリアの注入口となり、ｐ側障壁層（２ｃ）にｎ側不純物が高濃度にドープされていると、ホールの活性層への注入を阻害する傾向にあるため、ｎ側障壁層（２ａ）よりもｎ側不純物濃度を小さくして、ｎ側、ｐ側障壁層の機能を異なるものとでき、キャリアの注入が良好なものとできる。一方で、ｎ側障壁層（２ａ）は、ｐ側障壁層のｎ側不純物濃度より大きくすることで、ｎ側層からのキャリアの注入を促進させる構造とできる。またｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度としては、ｐ型層近く、若しくは接して形成されることから、ｐ側不純物の拡散が発生する場合があり、この場合、ｐ側障壁層（２ｃ）をｎ側不純物ドープして形成すると、ｎ側、ｐ側不純物を有する障壁層となるため、ｐ側障壁層（２ｃ）のキャリア注入機能が低下する傾向にある。そのため、このような場合、好ましくはｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度をｐ側不純物濃度より小さくすると、このような機能低下を回避できる。また、ｐ側障壁層には、いずれにおいても、ｎ側不純物濃度を低濃度にすることが好ましく、具体的には、５×１０１６／ｃｍ３未満とすることで、ｐ側障壁層（２ｃ）の機能向上を図ることができる。
【００１２】
本発明の窒化物半導体素子において、前記ｐ型層が、活性層と第２の窒化物半導体層との間、若しくは活性層とｐ側クラッド層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなるｐ側電子閉じ込め層を有ることが好ましい。また、ｐ側電子閉込め層（キャリア閉込め層）は、この組成に限定されず、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きな組成とすること、好ましくは、活性層中の少なくとも１つの障壁層、更に好ましくは、全ての障壁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ことが好ましい。また、ｐ側電子閉込め層のキャリア閉込め層は、ｎ側にも同様な位置、組成、膜厚で設けることができる。このｐ側電子閉込め層は、ｎ側層からのキャリアを活性層内に閉じ込める層として機能し、ｐ側クラッド層が光閉込め層である場合には、ｐ側クラッド層よりも活性層の近くに配置されたｐ側電子閉込め層により、主にキャリア閉込めとして機能させ、クラッド層において、主に光閉込めとして機能させた構造となり、端面発光素子、レーザ素子に用いることができる。また、ｐ側クラッド層が光閉込めとして機能させる必要がない素子、例えば発光素子においては、ｐ側クラッド層とｐ側キャリア閉込め層とで、キャリア閉込める構造となる。ｐ側電子閉込め層としては、クラッド層と同様に活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、量子井戸構造の活性層においては、井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、好ましくは障壁層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることが好ましい。また、ｐ側クラッド層が光閉込め層である場合においては、実施例に示すようにｐ側クラッド層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることで障壁を大きくでき、効率的な電子閉込めを可能となり好ましく、一方で、Ａｌ混晶比が大きくなると、後述するｐ側電子閉込め層の抵抗値も大きくなる傾向にあることから、このような場合には、Ａｌ混晶比、バンドギャップエネルギーをｐ側クラッド層よりも小さくして、高抵抗層による発熱を抑えて、活性層の機能を高めた構造とできるため好ましい。
【００１３】
また、ｐ側電子閉込め層の位置として好ましくは、活性層に接して、若しくはバッファ層を介して接して設けられていることで、電子閉込め機能を高めた構造とできる。バッファ層については、後述するように、Ａｌを含む窒化物半導体による大きな圧電界と、さらにＡｌを含む窒化物半導体が、活性層、井戸層に用いられるＩｎを含む窒化物半導体近くに設けられることによる内部応力とによる活性層への悪影響を抑え、成長時においては、下地層として好適な結晶性を得られるように形成される。バッファ層の具体的な組成としては、後述するように、ＧａＮ若しくは、Ａｌ混晶比がｐ側電子閉込め層より小さいＡｌを含む窒化物半導体で構成すると良い。また、このようなｐ側電子閉込め層が、活性層、特に井戸層に及ぼす悪影響は、両者の距離を大きくすることで回避できることを示したが、バッファ層も、ｐ側障壁層（２ｃ）と同様に、このようなスペーサーとしての機能を持たせることができる。すなわち、活性層内で最もｐ側電子閉込め層に近くに、前記ｎ側障壁層（２ａ）とｐ側障壁層（２ｃ）との間に設けられた井戸層（１ｂ）を有し、該井戸層（１ｂ）とｐ側電子閉込め層との距離が１００Å以上とする構成により、素子特性に優れたものが得られる。この井戸層（１ｂ）とｐ側電子閉込め層との距離を決定するものは、両者の間に介在する層により決定されるものであり、具体的にはｐ側障壁層、活性層とｐ側電子閉込め層との間に介在するバッファ層であり、これらの層の膜厚を調節することにより、素子特性の向上を図れる。この距離の上限としては、後述するように、４００Å以下とすることである。また、ｐ側障壁層（２ｃ）を、Ｉｎを含む窒化物半導体で構成すると、第１の窒化物半導体層と同様に、導波路、特に活性層近傍の屈折率を高めて、光閉込めのクラッド層との間で屈折率差を高めて、長波長域のレーザ素子、端面発光素子に優れた素子構造を形成することができる。第２の窒化物半導体層と、これらバッファ層、ｐ側障壁層（２ｃ）などのｐ側電子閉込め層と井戸層（１ｂ）との間に介在する層との違いは、素子のバイアス時に、活性層近くに設けられたｐ側電子閉込め層の近傍において、ｐ−ｎ接合が形成されることにより、ｐ−ｎ接合部よりも活性層近くに配置されたバッファ層、ｐ側障壁層（２ｃ）は、ｐ型層側にＩｎを含む窒化物半導体を設けることによる悪影響を回避できる傾向にあるためである。
【００１４】
これら前記ｎ側障壁層（２ａ）、及び／又は、ｐ側障壁層（２ｃ）は、活性層内で最も外側に配置されている構造とすることが、上述したｎ側障壁層（２ａ）、ｐ側障壁層（２ｃ）の機能を高めることができ好ましい。
【００１５】
前記ｐ側クラッド層、ｎ側クラッド層が、Ａｌを含む窒化物半導体を有することを特徴とする。この構成により、両クラッド層に挟まれた導波路と、各クラッド層との間に、大きな屈折率差を設けることが可能となり、光の導波に優れた導波路構造が形成され、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。ここで、Ａｌを含む窒化物半導体として好ましくは、Ｉｎ混晶比が０でＩｎを含まない窒化物半導体を用いることで、結晶性に優れ、より大きな屈折率差を設けることができ、さらにＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される窒化物半導体を用いることがさらに好ましい。
【００１６】
前記活性層がＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造を有し、前記第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比が井戸層のＩｎ混晶比より小さいことを特徴とする。この構成により、量子井戸構造の活性層とすることで、量子井戸構造でない場合に比べて、発光再結合が促進され、閾値電流を低下させ、出力を向上させ、素子特性に優れた窒化物半導体素子が得られる。また、第１の窒化物半導体層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比を、井戸層よりも小さくすることで、井戸層とのバンドギャップエネルギー差を大きくでき、キャリアの注入を良好にでき素子特性の向上につながる。それに加えて、Ｉｎは光の導波において、光を吸収・散乱させる作用があることから、Ｉｎ混晶比の低い窒化物半導体の第１の窒化物半導体層と、Ｉｎを含まない第２の窒化物半導体層を用いることで、光の損失を抑えて、閾値電流、駆動電流を低下させた窒化物半導体素子となる。ここで、活性層が量子井戸構造でない場合にも、活性層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比より、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比を小さくすることで同様な効果が得られる。
【００１７】
前記第１の窒化物半導体層が活性層に接して設けられることを特徴とする。この構成により、図５，６に示すように、ｎ側クラッド層から段階的にバンドギャップエネルギー差が小さくなって活性層につながる構造となり、活性層、井戸層内にキャリアが効率的に注入され、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。また、上述したように、Ｉｎによる光の損失が発生があることから、第１の窒化物半導体層を活性層に接して設けることで、導波路内での光の分布が、活性層に重なったピークを有して、活性層内に多くの光が分布する構造となるものと考えられ、活性層とほぼ同様な層として機能し、導波路内での光の損失を低く抑えることができる。一方で、図８、図１０に示すように、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｚを、前記ｎ側障壁層（２ａ）のＩｎ混晶比ｖと、ほぼ同じか、小さくすること、すなわち、ｚ≦ｖであることによって、Ｉｎ混晶比をｎ側障壁層よりも大きくでき、このことにより導波路の屈折率を大きくした構造とできる。この場合、ｐ型層からのキャリア閉込めは、主にｎ側障壁層（２ｂ）が担うこととなるが、ホールの拡散長が電子よりも小さい窒化物半導体においては、ｐ側電子閉込め層のように大きな障壁を設けなくても、活性層内へのキャリア閉込めが可能とできる。すなわち、ｐ型層からのキャリア閉込めにおいては、バンドギャップエネルギーの大きなｎ側障壁層（２ａ）が担うように、最小にして、簡略化を実現し、た構造とし、一方で、第１の窒化物半導体層が大きなＩｎ混晶比を有することで、活性層、導波路中心部の屈折率を大きくして、光の導波に優れた素子構造の形成が可能となる。
【００１８】
ｐ側クラッド層と活性層との間に前記第２の窒化物半導体層からなるｐ側光ガイド層と、該ｐ側光ガイド層と活性層との間にＡｌを含む窒化物半導体からなるｐ側電子閉込め層を有することを特徴とする。この構成により、導波路内において、活性層とｐ側クラッド層との間を、ｐ側電子閉込め層と第２の窒化物半導体層からなるｐ側光ガイド層を有することで、結晶性の悪化、Ｉｎによる光の損失を抑えて、素子特性が向上する。このとき、ｐ側電子閉込め層を有することで、電子が活性層に効率的に閉じ込められて、素子特性が良好なものとなり、このように作用させるには、Ａｌを含む窒化物半導体をｐ側電子閉込め層に用いることが必用であり、特に光の損失を低く抑えるため好ましくは、Ｉｎを含まない窒化物半導体を用いることであり、さらに好ましくは、ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。
【００１９】
前記活性層と第１の窒化物半導体層との間に、Ｉｎ混晶比が０である窒化物半導体からなるｎ側光ガイド層を有することを特徴とする。この構成により、導波路内において、ｎ側光ガイド層は、Ｉｎを含まないことから光の損失のないガイド層となり、第１の窒化物半導体層は、導波路とクラッド層との間の屈折率差を大きくする層として機能し、素子特性が向上する。
【００２０】
前記第１の窒化物半導体層の膜厚が３００Å以上であることを特徴とする。この構成により、上述した第１の窒化物半導体層を有することによる導波路内の屈折率を大きくする効果が大きくなり、クラッド層との屈折率差を大きくでき、素子特性が向上する。
【００２１】
前記活性層内で最もｎ側層側の層としてｎ側障壁層を有し、該ｎ側障壁層と前記第１の窒化物半導体層との膜厚の和が、３００Å以上であることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の別の形態としては、前記ｐ側クラッド層と、ｎ側クラッド層とが、光閉込めのクラッド層であり、前記ｐ側クラッド層と、ｎ側クラッド層との少なくとも一方は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体を有する第１の層と、第１の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第２の層とが交互に積層された多層膜クラッド層を、光閉込め層とすることである。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。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ｘ１の第１の層と、Ａｌ組成比ｘ２（ｘ１≠ｘ２）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ｘ１＞ｘ２（０≦ｘ２、ｘ１≦１）とした構成とすると、Ａｌ組成比の大きな第１の層で屈折率を小さく、バンドギャップエネルギーを大きくし、Ａｌ組成比の小さい第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５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。
【００２３】
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、超格子構造としては、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。このとき、少なくとも第１、２の層の一方を上記膜厚範囲とし、好ましくは両方の膜厚とも上記膜厚範囲とすることで厚膜でのクラッド層形成が良好な結晶性となる。
【００２４】
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、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）／Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、ｘ１＞ｘ２）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。
【００２５】
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。
【００２６】
さらに、上記光閉込めのクラッド層に加えて、前記ｐ側クラッド層、ｎ側クラッド層の少なくとも一方と、活性層との間に、光ガイド層を有し、該光ガイド層は、少なくともＩｎを含む窒化物半導体を有する第３の層と、第３の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第４の層とが交互に積層された多層膜光ガイド層を設けた構造とすることができる。この多層膜光ガイド層の組成については、上記多層膜クラッド層と同様に、超格子構造の多層膜とすることが好ましい。具体的には、Ｉｎ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、図１０に示すように、ｎ側層側には、活性層近傍に配置された第１の窒化物半導体層と、クラッド層側に配置された多層膜光ガイド層とが設けられる構造とでき、導波路の屈折率を低下できる構造となり、単一膜のＩｎを含む窒化物半導体からなる光ガイド層を設ける場合における結晶性の悪化を、抑制することが可能となる。具体的には、多層膜として、第６の層と、それと異なる組成の第４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、Ｉｎ組成比ｙ１の第３の層と、Ｉｎ組成比ｙ２（ｙ１≠ｙ２）の第４の層とを積層した構造の多層膜でも良く、この時Ｉｎ組成比をｙ１＞ｙ２（０≦ｙ２、ｙ１≦１）とした構成とすると、Ｉｎ組成比の大きな第３の層で屈折率を大きく、バンドギャップエネルギーを大きくし、Ｉｎ組成比の小さい第４の層で、第３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３の層、第４の層を積層し、第４の層と組成の異なる第６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３の層、第４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３の層、第４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、Ｉｎを含む窒化物半導体の結晶性悪化を抑えて、導波路の屈折率を大きくした構造とでき、クラッド層との屈折率差を高めることができる。
【００２７】
多層膜構造の光ガイド層において、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、光ガイ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、光ガイ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、結晶性良く光ガイド層を形成できる。この時、超格子構造としては、クラッド層の場合と同様に、少なくとも第３の層と、第４の層とを交互に複数積層したり、少なくとも第３の層と第４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。このとき、少なくとも第１、２の層の一方を上記膜厚範囲とし、好ましくは両方の膜厚とも上記膜厚範囲とすることで光ガイド層形成が良好な結晶性となる。
【００２８】
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３の層、第４の層を有する多層膜で、両方にドープしても良く、又は第３の層と第４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３の層／第４の層が、Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦１）／Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２≦１、ｙ１＞ｙ２）の超格子多層膜構造である場合に、Ｉｎ組成比の小さい第４の層に不純物ドープして、第３の層をアンドープとすることで、クラッド層と同様に結晶性を良くすることができる。
【００２９】
また、光ガイド層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、１０ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることで、上記第１，２の窒化物半導体層とを組み合わせた構造において、優れた導波路構造が形成される。さらに好ましくは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることで、前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層と光ガイド層とを組み合わせて用いる構成において、好適な光導波路が形成され、効率的に光が閉じ込められて、閾値電流を低減させることができる。
【００３０】
ｎ側層が、光ガイド層を有し、該ｎ側層の光ガイド層と活性層との間に、第１の窒化物半導体層を有することで、良好な導波路構造が形成される。
前記ｐ型層が、光ガイド層を有し、該ｐ型層の光ガイド層が、前記第２の窒化物半導体層を有することで、Ｉｎを含む窒化物半導体にによる結晶性悪化を抑えると共に、導波路の屈折率を高めた構造とできる。
【００３１】
【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窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）がある。その他に前記窒化ガリウム系化合物半導体の一部を、Ｂ、Ｐで置換した、混晶でもよい。また、活性層、井戸層、障壁層などに用いられるＩｎを含む窒化物半導体は、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。また、Ａｌを含む窒化物半導体として、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。
【００３２】
（活性層）
本発明における活性層としては、少なくともＩｎを含む窒化物半導体を有し、特に波長４４０ｎｍ以上の発光をするものである。ここで、Ｉｎを含む窒化物半導体としては、その組成は特に限定されないが、好ましくはＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。このとき、Ｉｎを含む窒化物半導体には、ノンドープ、ｎ側不純物ドープ、ｐ側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側不純物ドープのＩｎを含む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。また、活性層が、量子井戸構造を有する場合には、このＩｎを含む窒化物半導体が少なくとも井戸層に用いられる。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、後述する井戸層、障壁層を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。
【００３３】
また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層(1)／障壁層(2) ／障壁層(3)／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けても良い。例えば、井戸層の上に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる上部障壁層と、その上に上部障壁層よりもエネルギーバンドギャップの小さな下部障壁層を設ける構造などがあげられる。具体的には、井戸層の上に配置されＡｌを含む窒化物半導体からなる上部障壁層を設けることで、井戸層内に、Ｉｎの偏析、Ｉｎ濃度の面内分布を誘発し、量子ドット、量子細線効果が得られる傾向にあるため、これを用いても良い。この時、Ａｌを含む窒化物半導体としては、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることであり、好ましくは３元混晶のＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を用いることで、結晶性、制御性良く成長させることが可能となるため好ましい。また、Ａｌを含む窒化物半導体は、上部障壁層に限らず、井戸層の下に配置された下部障壁層としても良く、前記障壁層(1)と(3)に挟まれた障壁層(2)として設けても良い。好ましくは、井戸層の下部に接して設けられる下部障壁層以外に用いることであり、なぜなら良好な結晶性でもって井戸層が形成される傾向にあり、また上述した量子効果が得られやすい傾向にあるからである。井戸層の下に接する下部障壁層としては、Ａｌを含まない窒化物半導体を用いることが好ましく、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の窒化物半導体を用いることが、井戸層の結晶性の点から好ましく、さらにはＩｎ混晶比ｘが０より大きいＩｎＧａＮとする方が、井戸層に対する下地層の効果が得られ好ましい。
【００３４】
（井戸層）
本発明における井戸層としては、Ｉｎを含む窒化物半導体層を用いることが好ましく、この時具体的な組成としては、ＩｎαＧａ1- αＮ（０＜α≦１）を好ましく用いることができる。このことにより、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。
【００３５】
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、１０Å以上３００Å以下の範囲、好ましくは２０Å以上２００Å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、２０Å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、２００Å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。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１００Å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。
【００３６】
本発明の井戸層には、前記活性層内のＩｎを含む窒化物半導体と同様に、ｎ側不純物がドープされていても、いなくても良い。しかしながら、井戸層はＩｎを含む窒化物半導体が用いられ、ｎ側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、ｎ側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ｎ側不純物濃度は５×１０16／cm3以下と実質的にｎ側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ｎ側不純物をドープする場合には、ｎ側不純物濃度が１×１０18以下５×１０16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側不純物濃度としては、障壁層のｎ側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。
【００３７】
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側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側不純物が井戸層にドープされると、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）が大幅に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側不純物濃度を、少なくとも１×１０18／cm3以下にすることであり、好ましくはアンドープ若しくは実質的にｎ側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側不純物をドープしたレーザ素子では、レーザ光のピーク波長のスペクトル幅が広がる傾向にあるため、好ましくなく１×１０18／cm3、好ましくは１×１０17／cm3以下とすることである。
【００３８】
（障壁層）
本発明において、障壁層の組成としては、特に限定されないが、井戸層との間にバンドギャップエネルギー差が設けられる、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなる、ように、井戸層よりＩｎ混晶比の低いＩｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。具体的な組成としては、ＩｎβＧａ1- βＮ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮ、ＡｌγＧａ1- γＮ（０＜γ≦１）などを用いることができる。ここで、井戸層に接して下地層となる障壁層（下部障壁層）の場合には、Ａｌを含まない窒化物半導体を用いることが好ましい。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層をＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体の上に直接成長させると、結晶性が低下する傾向にあり、井戸層の機能が悪化する傾向にあるためである。
【００３９】
また、障壁層には、ｐ側不純物、ｎ側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側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、障壁層中のｎ側不純物をドープする場合にはその濃度として、少なくとも５×１０16／cm3以上ドープされていることである。具体的には、例えばＬＥＤである場合には、５×１０16／cm3以上２×１０18／cm3以下の範囲でｎ側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、５×１０17／cm3以上１×１０20／cm3以下の範囲、好ましくは１×１０18／cm3以上５×１０19／cm3以下の範囲でドープされていることが好ましく、このように高濃度でドープする場合には、井戸層をｎ側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。
【００４０】
一方で、図３、５〜８に示すように、活性層内で、最も外側で、最もｐ型層１３側に位置する障壁層２ｃは、好ましくはｎ側不純物を実質的に含まないようにすることで、ｐ型層１３からのキャリアの注入が良好となり、素子寿命が向上する傾向にある。これは、最もｐ側の障壁層２ｃは、ｐ型層に接して設けられ、ｐ型層からのキャリアの注入口となり、ｎ側不純物を有する場合には、キャリアの注入を妨げていると考えられ、ｎ側不純物を実質的に含まないことで、ｐ型層１３からのキャリアがより深部の、ｐ型層から遠くの、井戸層にまで、安定して効率的にキャリアが注入されるためと考えられる。これは、特に、大電流で、多量のキャリアを注入するような、大電流駆動で高出力のＬＤ、ＬＥＤなどにおいて、顕著にその素子寿命の向上効果が得られる傾向にある。この時、実質的にｎ側不純物を含まないとは、最もｐ側の障壁層２ｃのｎ側不純物濃度が、５×１０16／cm3未満となるようにすることである。また、この最もｐ側の障壁層２ｃは、好ましくは、活性層内で最も外側に形成されることが好ましいが、前記効果は小さくなるものの最も外側にでない場合、例えば・・・井戸層／障壁層／井戸層／ｐ型層１３の順に積層された構造、であっても、その効果は期待できる。この最もｐ側の障壁層２ｃの位置としては、好ましくは活性層内で最も外側に配置されること、更に好ましくは、後述するｐ側電子閉込め層に接して設けられることで、電子の閉込めと、ｐ型層からのキャリアの注入が更に効率的なものとなる。さらにまた、最もｐ側の障壁層２ｃが、ｐ側不純物を有することで、更に深部の井戸層、ｐ型層１３から遠くに位置する井戸層、に対してもｐ型層１３からのキャリアが効率的に注入され、さらに素子寿命が向上する傾向にあるため、ｎ側不純物を実質的に含まず且つｐ側不純物を含む障壁層とすることが好ましい。この時、ｐ側不純物量としては、５×１０16／cm3以上１×１０20／cm3以下の範囲、好ましくは、５×１０16／cm3以上１×１０18／cm3以下の範囲である。これは、１×１０20／cm3以上とｐ側不純物を多くしても、キャリア濃度は殆ど変化しないため、不純物を含有することによる結晶性の悪化、不純物による光の散乱作用による損失が大きくなり、かえって活性層における発光効率を低下させる。更に、１×１０18／cm3以下であると、上記不純物の増加による発光効率の低下を低く抑え、なおかつ活性層内へのｐ型層からのキャリア濃度を安定して高く保つことが可能となる。加えて、ｐ側不純物の下限としては、僅かながらでもｐ側不純物を有することが好ましく、これは不純物が低濃度である場合には、高濃度である場合に比較して高い確率で、ｐ側不純物がキャリアとして機能するものとなる傾向にあるためである。
【００４１】
障壁層の膜厚としては、特に限定されず５００Å以下、より具体的には井戸層と同様に１０Å以上３００Å以下の範囲が適用できる。
【００４２】
（導波路構造）
本発明の窒化物半導体素子において、素子構造としては、活性層を、ｐ側窒化物半導体層、ｎ側窒化物半導体層内のｎ側クラッド層とｐ側クラッド層とで挟み込む構造を少なくとも有するものとなる。このとき、活性層には、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いることが好ましく、さらに、活性層内で、波長４４０ｎｍ以上の発光が得られるＩｎ混晶比とすることが好ましい。また、クラッド層と活性層との間に、活性層を挟む光ガイド層を設けても良い。ここで、ｐ側クラッド層とｎ側クラッド層とで挟まれる領域を、導波路と呼ぶ。
【００４３】
ここで、ｎ側クラッド層、ｐ側クラッド層としては、Ａｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられ、このことにより、導波路と両クラッド層との間で、屈折率差を大きくとることができる。このとき、クラッド層の窒化物半導体には、Ｉｎを含まないことが好ましく、なぜなら、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まない場合に比べて、結晶性が悪化する傾向にあり、特に、活性層の上にｐ側クラッド層を有する構造では、そのｐ側クラッド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いると、結晶性の悪化が大きく、素子特性を大きく悪化させるものとなる。このとき、クラッド層に用いる窒化物半導体として具体的には、ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜ｂ＜１）が好ましく用いられる。
【００４４】
本発明において、図２に示す光ガイド層のように、クラッド層と活性層との間の層が、導波路の形成において、重要なものとなる。これは、導波路内に光を閉じ込めるためには、導波路に比べて相対的にクラッド層の屈折率を下げて、屈折率差を大きくするか、導波路内の屈折率を大きくすることであるが、活性層からの光の波長が長くなると、困難な問題が発生する。それは、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの屈折率差では、波長が短い領域、例えば４００ｎｍ付近で、大きな屈折率差を有しているが、波長が長くなるに従って、その屈折率差が小さくなるからである。このため、クラッド層に用いられる窒化物半導体のＡｌ混晶比を大きくして、クラッド層の屈折率を小さくするか、若しくは光ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いて、導波路内の屈折率を小さくして、導波路とクラッド層との屈折率差を大きくすることが必要になる。しかしながら、クラッド層のＡｌ混晶比を大きくすると、結晶性の悪化が大きく、またクラックなどの発生もあり、リーク電流の原因になるなど、素子特性を悪化させるため、クラッド層のように、厚膜で高いＡｌ混晶比の窒化物半導体を素子構造内に設けることが困難である。さらに、活性層を除く導波路内の窒化物半導体層、例えば光ガイド層、に、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いて、導波路の屈折率を大きくする構造では、Ｉｎを含む窒化物半導体による光の吸収が起こり、このため、導波路内で光の損失が発生し、閾値電流の増大など素子特性の悪化が起こる。また、上述したように、ｐ側窒化物半導体として、例えば、図２に示すｐ側光ガイド層に、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いると、ｐ側不純物として好ましく用いられるＭｇを含むことでの結晶性の悪化が大きく、結果として素子特性を悪化させる。
【００４５】
本発明では、両クラッド層に挟まれた導波路として、活性層を挟む第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層を有することで、長波長における導波路、及び結晶性の問題を解決している。すなわち、ｎ側クラッド層と活性層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を設けることで、導波路内の屈折率をクラッド層に比して、相対的に大きくし、一方で、ｐ側クラッド層と活性層との間に、Ｉｎを含まない（Ｉｎ混晶比が０の）窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を設けて、ｐ型層側の結晶性悪化の問題を解決した構造を有するものである。このため、導波路内は、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層とＩｎを含まない第２の窒化物半導体層とで活性層を挟む構造で、組成が非対称な構造を有している。
【００４６】
従来、活性層の発光波長が長波長になる導波路構造としては、上述した長波長域におけるＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとの屈折率差の低下の問題と、Ａｌ高混晶による結晶性の悪化の問題から、導波路内にＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体を光ガイド層に用いた構造、例えばＩｎＧａＮ単一膜、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層膜（超格子層）などが考えられていた。しかしながら、ｐ側光ガイド層をＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子多層膜として結晶性の悪化を低く抑えてもなお素子特性に影響を及ぼさない程度までの結晶性を得ることが困難であり、また、上述したＩｎによる光の損失も素子特性悪化の大きな原因となる。これは、活性層の発光波長が長くなるほど、前記ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとの屈折率差が小さくなり、導波路内の屈折率を大きくするために光ガイド層などに用いる窒化物半導体のＩｎ混晶比を大きくしなければならないが、Ｉｎ混晶比が大きくなれば結晶性、光の損失などによる素子特性の悪化も大きくなることにある。
【００４７】
しかしながら、本発明では、導波路内において、ｎ側クラッド層側にＩｎを含む第１の窒化物半導体層を用いて導波路全体の屈折率をクラッド層に比して大きくし、クラッド層との屈折率差を大きくし、ｐ側クラッド層側に第２の窒化物半導体層を設けることで、Ｉｎを含む窒化物半導体による結晶性の悪化と、光の損失を回避し、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られるものである。以下、各層について、説明する。
【００４８】
（第１の窒化物半導体層）
本発明における第１の窒化物半導体層は、導波路内において、活性層とｎ側クラッド層との間に配置され、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるものである。ここで、第１の窒化物半導体層の組成としては、好ましくは、Ａｌを含まない窒化物半導体とすることであり、これにより、Ａｌを含む窒化物半導体を用いたクラッド層との屈折率差を大きくすること、すなわち、クラッド層とそれに挟まれた導波路において、導波路内を相対的に屈折率を大きくすることが可能となり、またＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）で表される窒化物半導体を形成することで、結晶性も良い第１の窒化物半導体層を得ることができる。また、第１の窒化物半導体層と活性層若しくはｎ側クラッド層との間に、別の層を設けても良く、設けなくても良く、すなわち、第１の窒化物半導体層を活性層若しくはｎ側クラッド層、又は両方に接して設けても良く、どちらか一方若しくは両方に離れて設けても良い。また、第１の窒化物半導体層を、それとは組成の異なる層と交互に積層するなどして、複数積層した多層膜構造を用いても良い。本発明の第１の窒化物半導体層は、活性層とｎ側クラッド層との間にあって、導波路内にあることから、光ガイド層として機能する一方、Ｉｎを含むことで導波路全体の屈折率を大きくして、導波路内への光の閉込めに寄与することから、ｐ型層側の第２の窒化物半導体層に比して、第２の光閉込め層としても機能していると考えられる。
【００４９】
また、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｚは、活性層中のＩｎを含む窒化物半導体のＩｎ混晶比、若しくは量子井戸構造の活性層の場合には井戸層のＩｎ混晶比、をｗとすると、好ましくはｚ≦ｗとすることであり、更に好ましくはｚ＜ｗとすることである。例えば、図５、６などに示すように、活性層１２中の井戸層１の混晶比ｗに比べて、第１の窒化物半導体層３１のＩｎ混晶比ｚを、ｚ≦ｗとなるようにすることで、図に示すように、段階的なバンドギャップエネルギー構造を形成でき、導波路内の活性層へのキャリアの効率的な注入、特にｎ側層１１側からのキャリアの注入に寄与するものとなる。この時、ｚ＜ｗであることで、井戸層内のＩｎを含む窒化物半導体層、若しくは井戸層、と第１の窒化物半導体層との間に、大きなバッドギャップエネルギー差を設けることができ、前記キャリアの注入効率を向上させることができる。更に、第１の窒化物半導体層３１が活性層１２に隣接して設けられ、活性層中で最も外側で、最もｎ側層１１側に配置され、第１の窒化物半導体層３１に隣接する障壁層２ａが設けられる場合には、第１の窒化物半導体層３１のＩｎ混晶比ｚは、この障壁層２ａのＩｎ混晶比ｖに比べて、ｚ≦ｖとなるようにすると更に好ましく、更にｚ＜ｖとなるようにすると好ましい。これは、図５，６に示すように、ｚ≦ｖであると活性層１２とｎ側層１１との接合部付近で、ｎ側層１１から活性層１２に近づくに従って段階的に、バンドギャップエネルギーが小さくなる構造とでき、ｎ側層１１から活性層へのキャリアの注入を効率的にし、図５に示すように更に段階的なバンドギャップ構造とすることができ、更に効果的なものとなるからである。
【００５０】
また、一方で、図１０に示すように、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｚを、障壁層のＩｎ混晶比ｖとほぼ同じか、それよりも大きくすると（ｚ≧ｖ）、好ましくは大きくすること（ｚ＞ｖ）であり、バンドギャップエネルギーが障壁層よりも小さくなるが、Ｉｎ混晶比が大きく、障壁層（ｎ側障壁層）よりも大きな膜厚で形成される第１の窒化物半導体層により、導波路の屈折率が大きくなり、光閉込めのクラッド層との屈折率差を大きくすることができる。この場合、ｎ側層からのキャリアが注入される際に、第１の窒化物半導体層とｎ側障壁層との間に障壁が設けられる構造となるが、バイアス地においては、その障壁が小さくなり、その影響は少なくなる。一方で、ｎ側障壁層２ａが、主にｐ型層からのキャリアの閉込め層となるが、窒化物半導体ではホールの拡散長が小さいため、障壁が小さく、膜厚が薄くなることによる影響は比較的低く抑えられる。また、光ガイド層と第１の窒化物半導体層とのＩｎ混晶比については、図８に示すように、光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーを小さくして、Ｉｎ混晶比を大きくすることが好ましい。これは、第１の窒化物半導体層が屈折率を高めるために設け、導波路構造の中心部に当たる活性層近傍の屈折率を高めることが好ましいことから、Ｉｎ混晶比を光ガイド層よりも大きくした第１の窒化物半導体層を、光ガイド層よりも活性層の近くに設けることで、より優れた導波路構造を形成することができる。ここで、本発明において、クラッド層、光ガイド層が多層膜で構成される場合、特に超格子多層膜で構成される場合において、各層のＩｎ混晶比、Ａｌ混晶比、バンドギャップエネルギーは、平均組成、平均エネルギーで、他の層と比較する者であり、この平均組成、平均エネルギーは、多層膜を構成する第１の層（第３の層）、第２の層（第４の層）の各膜厚で、Ａｌ、Ｉｎ組成、エネルギーを、加重平均した値となる。例えば、光ガイド層が、Ｉｎ混晶比ｙ１、膜厚ｄ３の第３の層、Ｉｎ混晶比ｙ２、膜厚ｄ４の第４の層とが交互に積層された超格子構造にあっては、Ｉｎの平均混晶比ｙｍは、ｙｍ＝［（ｄ３×ｙ１）＋（ｄ４×ｙ２）］／（ｄ３＋ｄ４）で求められる。
【００５１】
また、図５，６，１０に示すように、クラッド層２５，３０と活性層１２との間に、光ガイド層２６，２９が設けられ、さらにｎ側層１１側にあっては、光ガイド層２６と活性層との第１の窒化物半導体層を有する場合、図１０に示すように、光ガイド層のＩｎ混晶比若しくは平均組成よりも、活性層内で外側に配置されたｎ側障壁層２ａのＩｎ組成ｚを大きくすることが好ましい。これは、上述した第１の窒化物半導体層による屈折率増加の機能を好適に引き出すものであり、具体的には、光ガイド層２６よりも活性層側に設けられる第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比を大きくし、活性層近傍の屈折率を高めることで、導波路中央付近に位置する活性層を中心に屈折率の大きな層が設けられることで、良好な光分布を実現できる。一方、ｐ型層側にあっては、ｐ側障壁層がこの役割を担い、すなわち、ｐ側障壁層２ｃのＩｎ組成比を、ｐ型層の光ガイド層２９のＩｎ組成比より大きくすることで、第１の窒化物半導体層と同様な機能が得られる。
【００５２】
ここで、第１の窒化物半導体層の位置における前記各形態について言及すると、活性層及びｎ側クラッド層に接して第１の窒化物半導体層を設ける形態では、Ｉｎを含む窒化物半導体を結晶性良く厚膜で形成することが困難な傾向にあることから、導波路として十分な膜厚で形成すると結晶性の悪化による素子特性の悪化が現れ、逆に結晶性が素子特性を悪化しない程度の膜厚で形成すると、導波路として機能するのに不十分な膜厚となり、クラッド層外への光の漏れによる損失により素子特性の悪化が起こる傾向にある。第１の窒化物半導体層を活性層とｎ側クラッド層との間に、複数積層した多層膜とする場合には、例えば超格子構造として、Ｉｎを含まない窒化物半導体と共に多数積層して、結晶性の悪化を抑えて厚膜を形成することができる。例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜層、若しくは、ｎ側クラッド層から活性層に近づくにつれてＩｎ混晶比が大きくなるように組成傾斜させた構造とすることができる。一方で、導波路の屈折率を単一膜と同等とするには、多層膜の膜厚が厚くなり、その多層膜内において、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層が散在する構造となることから、単一膜よりも厚膜の多層膜でもってＩｎによる光の損失が発生することから、単一膜よりもその損失が大きくなる傾向にある。また、第１の窒化物半導体層の位置としては、具体的にはｎ側クラッド層と活性層との間であり、ｎ側クラッド層と活性層との間に光ガイド層が設けられる場合には、図５，６，１０に示すように光ガイド層と活性層との間、又は図６，７に示すように光ガイド層内部、若しくは光ガイド層内部に第１の窒化物半導体層を設けることができる。本発明において上記様々な形態を適用しうるが、好ましくは活性層に近づけて、更に好ましくは活性層に接して配置することが良い傾向にある。これは、詳しいことは不明であるが、図５，６等に示すように、ｎ側クラッド層から活性層に至る領域で、バンドギャップ構造を段階的なものとし、ｎ側層側１１からのキャリアの注入を促進させることが影響していると考えられる。
【００５３】
第１の窒化物半導体層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、上述したようにＩｎによる光の損失の発生を考慮して、少なくとも１５００Å以下とすることであり、好ましくは３００Å以上とすることで導波路全体の屈折率を上昇させ、ｎ側クラッド層との間に大きな屈折率差を形成することができ、損失が少なく、閾値電流を低減させた優れた導波路が形成される。この時、後述するように、導波路としての機能は、クラッド層と活性層とで挟まれる領域の膜厚の総和に作用されることから、ｎ側クラッド層と活性層とで挟まれる領域の膜厚の総和を考慮して、第１の窒化物半導体層を決定すると良い。また、図５，６などに示すように、第１の窒化物半導体層が最もｎ側層側の障壁層２ａに隣接して配置される場合には、第１の窒化物半導体層は、障壁層として寄与すると考えられることから、この場合の第１の窒化物半導体層の膜厚は、障壁層２ａとの膜厚の総和が３００Å以上となるようにすることで、障壁層、光の閉込めとして良好に寄与するものとなり好ましく、この時の膜厚の上限としては前記の１５００Å以下とすることが好ましい。
【００５４】
第１の窒化物半導体層には、ｎ側不純物がドープされていても、ドープされていなくても良いが、好ましくはｎ側不純物をドープして、良好なｎ側導電性を有することである。この時、第１の窒化物半導体層は、Ｉｎを含む窒化物半導体であるため、上述したようにｐ側不純物ほどではないものの、ｎ側不純物をドープすることによる結晶性の悪化があるため、好ましくはドープ量を１×１０19／ｃｍ3以下の範囲とすることで、Ｉｎを含む窒化物半導体における結晶性の悪化を抑制できる。
【００５５】
（第２の窒化物半導体層）
本発明において、第２の窒化物半導体層としては、Ｉｎ混晶比が０の窒化物半導体を用いることであり、この第２の窒化物半導体層をｐ側クラッド層と活性層との間に設けることで、結晶性に優れ、導波路として機能する層となる。これは、前記第１の窒化物半導体層とこの第２の窒化物半導体層とで活性層を挟む構造を導波路内に設けること、すなわちｎ側層側の第１の窒化物半導体層とｐ型層側の第２の窒化物半導体層とし、両方の層を活性層を介して対向して配置し、組成が異なることにより、導波路内で異なる機能を有する非対称な導波路構造とするものである。第２の窒化物半導体層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比ｕを、ｕ＝０とすることで、結晶性に優れた層を形成でき、結晶性悪化によるＶｆ、閾値電流の上昇を回避できる。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まないものに比べて、結晶性が悪化する傾向にあるからである。また、第２の窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と異なり、ｐ側不純物をドープしてｐ側導電性を持たせる必要があり、不純物ドープによる結晶性の悪化が起こり、更にｐ側不純物として好ましく用いられるＭｇでは大幅な結晶性の悪化が起こり、これは、Ｉｎを含む窒化物半導体において、Ｉｎを含まないものに比べて、その結晶性の悪化は顕著なものである。
【００５６】
また、図２〜４に示すように、通常、ＬＥＤ、ＬＤなどの窒化物半導体素子では、基板上に、ｎ側層１１／活性層１２／ｐ型層１３の順に積層された構造が多く採用されているが、このような場合には、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いた活性層１２の下部に配置されたｎ側層１１と、上部に配置されたｐ型層１３とでは、通常成長条件が異なり、活性層よりも上部に配置されたｐ型層１３では、通常活性層中のＩｎが分解するなどして結晶性を悪化させないような温度条件で成長させる必要があり、ｎ側層１１はそのような制限がない。このことから、低い温度で成長させるｐ型層１３では、良好な結晶成長条件で、成長させることが困難な場合がある。
【００５７】
具体的には、図２に示すように、ｎ側層１１，ｐ型層１３との間に活性層１１が設けられた構造を、基板（図示せず）の上などに有し、本発明の基本的な構成として、ｎ側層１１には、ｎ側クラッド層２６が設けられ、ｐ型層１３には、ｐ側クラッド層３０が設けられた構造がある。更に、各導電型層には、これらクラッド層２６，３０よりも活性層から離れた位置に、ｎ側コンタクト層２５、ｐ側コンタクト層が形成し、電極をその表面に設けても良く、基板の上に、ｎ側層１１、活性層１２、ｐ型層１３が順に積層された構造において、基板のｎ側層に対向する面側に電極を設けて、ｎ側コンタクト層２５を電荷注入層として、ｎ側クラッド層２６よりも高濃度でｎ側不純物ドープをドープした層を設けることもできる。また、これらクラッド層がコンタクト層を兼ねる構成であってもよい。このような基本的な構造において、図３に示すように、第１の窒化物半導体層３１、第２の窒化物半導体層３２を、それぞれｎ側クラッド層２６、ｐ側クラッド層３０と活性層１２との間に、設ける構造となる。また、図３，４に示すように、光ガイド層２６、２９が、活性層とクラッド層との間に設けられる場合には、光ガイド層と活性層との間に、第１、２の窒化物半導体層が設けられても良く、光ガイド層が、第１の窒化物半導体層若しくは、第２の窒化物半導体層を有する構造とすることもできる。このため、光ガイド層が、多層膜構造を有する場合には、第１の窒化物半導体層、若しくは第２の窒化物半導体層を有する多層膜構造とできる。図１３は、バイアス時におけるエネルギーバンド図４１を模式的に示すもので、内部障壁層３，３の異なる形態を説明するものであり、図１３（ａ）は、内部障壁層３が、ｎ側障壁層２ａ、ｐ側障壁層２ｃよりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ｉｎ混晶比が小さい例を示すものであり、図１３（ｂ）は、内部障壁層３が、ｎ側障壁層２ａ、ｐ側障壁層２ｃよりもバンドギャップエネルギーが小さく、Ｉｎ混晶比が大きい例を示すものである。ここで、内部障壁層は、ｎ側障壁層２ａ、ｐ側障壁層２ｂとの間に設けられた障壁層で、井戸層と井戸層とに挟まれた障壁層を内部障壁層とする者であり、図５〜８、１０における障壁層２ｂも内部障壁層３となる。
【００５８】
第２の窒化物半導体層の組成としては、Ｉｎを含まない窒化物半導体をもちいることであり、好ましくはＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）で表される窒化物半導体を用いることである。また、この時、ｐ側クラッド層との屈折率差を設けるため、ｐ側クラッド層のＡｌ混晶比より第２の窒化物半導体のＡｌ混晶比ｔを小さくすることが好ましい。更にまた、クラッド層と導波路との屈折率差を考慮して、ｔ≦０．５として、低いＡｌ混晶比で形成するか、導波路内の屈折率を最大限に大きくするために、ｔ＝０のＧａＮを用いることが最も好ましい。また、第２の窒化物半導体層は、ｐ側不純物を有することが好ましく、ｐ側不純物を含有して、ｐ側導電性を有することで良好な導電性のｐ型層として機能させることができる。この時、ｐ側不純物のドープ量としては特に限定されないが、Ｉｎを含まない窒化物半導体であってもＩｎを含む場合に比べて結晶性の悪化は小さいものの、ドープ量が小さいほど結晶性が良好になる傾向にあるため、好ましくは１×１０18／ｃｍ3以下の範囲とすることで良好な結晶性の第２の窒化物半導体層が得られる。後述する実施例では、第２の窒化物半導体層をアンドープで成長させて、隣接層からの拡散によりｐ側不純物がドープされるが、特にこの方法に限定されず、他の層についても同様であるが、成長後の拡散でも、ドープしながら成長させる方法でも、どちらでも良い。
【００５９】
第２の窒化物半導体層は、単一膜で形成されても良く、多層膜で形成されても良い。多層膜としては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮを複数積層した多層膜でも良く、Ａｌ混晶比を活性層から離れるに従って大きくするような組成傾斜させた層であっても良い。
【００６０】
第２の窒化物半導体層をｐ側光ガイド層に用いる場合には、第２の窒化物半導体層だけでp型光ガイド層を構成しても良く、第２の窒化物半導体層とは組成の異なる層と組み合わせて構成しても良い。この時、好ましくはＩｎを含まない第２の窒化物半導体層だけで構成すると、導波路内のＩｎによる光の損失が回避でき好ましい。この時、ｐ側光ガイド層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、少なくとも２００Å以上の膜厚で形成することで、導波路として良好で、損失の少ない光の導波が実現され、閾値電流の低下につながり、この時膜厚の上限としては４０００Å以下とすることで、閾値電流、Ｖｆの上昇を抑えることができ、好ましくは５００Å以上２０００Å以下とすることで、閾値電流、Ｖｆを低くし、光の導波に適した膜厚の導波路が形成できる。この膜厚については、クラッド層と活性層に挟まれる領域のｎ側層側、すなわちｎ側クラッド層と活性層とで挟まれる領域の膜厚にも適用できる。具体的には、ｎ側クラッド層と活性層との間に、第１の窒化物半導体層を有する場合にはその膜厚、第１の窒化物半導体層とｎ側光ガイド層などの別の層を有する場合にはそれらの層の膜厚の総和について、適用できる。このように、クラッド層と活性層に挟まれた領域の膜厚を、ｐ型層側、ｎ側層側共にほぼ同等な膜厚として膜厚が活性層を介して対称な導波路構造としても良く、両者の膜厚を異ならしめて、膜厚が非対称な導波路構造としても良く、得られる窒化物半導体素子の特性を考慮して適宜選択すればよい。
【００６１】
また、本発明の別の態様によっては、第２の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｕが、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比ｚより小さくする構成（ｕ＜ｚ）では、ｐ型層側に、Ｉｎを含む窒化物半導体が設けられることによる結晶性低下を抑えて、ｐ型層側にも導波路の屈折率を大きくする層を形成でき、導波路の光分布が、ｎ側層側にシフトすることを抑えた構造とできる。
【００６２】
（ｐ側電子閉込め層［キャリア閉込め層］）
本発明において、ｐ側窒化物半導体層として、特にレーザ素子、端面発光素子において、ｐ側電子閉込め層を設けることが好ましい。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ＡｌγＧａ1- γＮ（０＜γ＜１）を用いる。この時、Ａｌ混晶比γとしては、電子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≦γ＜１の範囲とすることであり、好ましくは０．２≦ａ＜０．５の範囲とすることである。なぜなら、γ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γを０．３５以下とすることで良好な結晶性で成長できる。この時、Ａｌ混晶比は、ｐ側クラッド層よりも大きくすることが好ましく、これはキャリアの閉込めには光の閉込めとなるクラッド層より高い混晶比の窒化物半導体が必要となるからである。このｐ側電子閉込め層は、本発明の窒化物半導体素子に用いることができ、特にレーザ素子のように、大電流で駆動させ、多量のキャリアを活性層内に注入する場合において、ｐ側電子閉込め層を有していない場合に比べて、効果的なキャリアの閉込めを可能とし、レーザ素子だけでなく、高出力のＬＥＤにも用いることができる。また、キャリア閉込め層は、ｐ側だけでなく、ｎ型層内のｎ側にも設けることができる。
【００６３】
本発明のｐ側電子閉込め層の膜厚としては、少なくとも１０００Å以下とすることであり、好ましくは４００Å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、１０００Å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、４００Å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２００Å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１０Å以上、好ましくは５０Å以上とすることで、電子閉込めとして良好に機能する。
【００６４】
また、レーザ素子において、このｐ側電子閉込め層は、図３，４に示すように、電子閉込め層として機能させるため、活性層とクラッド層との間に設けるものであり、更に第２の窒化物半導体層と活性層との間に設けることである。また、窒化物半導体素子が導波路構造を有し、クラッド層と活性層との間に光ガイド層を有する場合において、ｐ側電子閉込め層は、光ガイド層２９と活性層２７との間に設けることで、活性層に近接してｐ側電子閉込め層が設けられた構造とできるため好適なキャリア閉込め構造を実現でき、また別の形態としては、光ガイド層内部にｐ側電子閉込め層を設ける構成とすることもでき、これによりｐ側電子閉込め層と活性層とが離間した構造とでき、ｐ側電子閉込め層が活性層に近接することによる内部応力、圧電界、発熱作用を回避でき好ましい。この時、活性層とｐ側電子閉込め層との距離は、少なくとも１０００Å以下とすることでキャリアの閉込めとして機能し、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。すなわち、ｐ側電子閉込め層は活性層に近いほどキャリアの閉込めが効果的に機能し、その上レーザ素子、発光素子において活性層とｐ側電子閉込め層との間には、殆どの場合、特に他の層を必要とすることがないため、通常は活性層に接してｐ側電子閉込め層を設けうることが最も好ましい。この時、量子井戸構造の活性層内で最もｐ側窒化物半導体層側に位置する層と、ｐ側電子閉込め層と、を接して設けると結晶性が悪化する場合に、それを避けるため結晶成長におけるバッファ層を両者の間に設けることも可能である。例えば、活性層の最もｐ側の層をＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮのｐ側電子閉込め層との間に、ＧａＮからなるバッファ層を設けること、又はｐ側電子閉込め層よりも低いＡｌ混晶比のＡｌを含む窒化物半導体からなるバッファ層、などがある。
【００６５】
ここで、ｐ側電子閉込め層として、具体的には、ｐ側電子閉込め層が活性層に近いほどしきい値電流密度を低下させるが、近くなるほど素子寿命が低下させるものとなる。これは、上述したように、ｐ側電子閉込め層が他の層に比べて極めて高い抵抗を有する層であるため、素子駆動時において発熱量の大きなものとなり、すなわち素子内において高温を呈しているものと考えられ、これが熱に弱い活性層、井戸層に悪影響を及ぼし素子寿命を大きく低下させているものと考えられる。一方で、上述したように、キャリアの閉込めを担うｐ側電子閉込め層は、活性層、特に井戸層に近づくほどキャリアの閉込めが効果的になるため、活性層から離れるとその効果が弱まる。このため、ｐ側電子閉込め層は、キャリア閉込めとして好適に機能するように、活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きく、好ましくは活性層内の少なくとも１つの障壁層よりもバンドギャップエネルギーより大きくし、更に好ましくは活性層内の全ての障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成が選択される。また、導波路構造を有する端面発光素子、レーザ素子においては、ｐ側電子閉込め層を、光ガイド層の一部、好ましくは全部よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることがガイド層によるキャリア閉込めが不十分な場合に、ガイド層よりも活性層の近くに配置されたｐ側電子閉込め層により好適な活性層内へのキャリア閉込めが実現でき好ましく、さらには、光閉込めのクラッド層の一部、若しくは全部よりもバンドギャップエネルギーを大きくすると大きな障壁が、活性層近傍に配置された構造となり好適なキャリア閉込めを実現し、また、ｐ側電子閉込め層の膜厚を小さくしてもその機能を維持することが可能となり好ましい。
【００６６】
従って、素子寿命の低下を抑えるために、図５，６において、活性層内で最もｐ側電子閉込め層に近い井戸層１ｂからｐ側電子閉込め層２８の距離を少なくとも１００Å以上とすることであり、好ましくは１２０Å以上とすることであり、更に好ましくは１４０Å以上とすることである。なぜなら、井戸層とｐ側電子閉込め層との距離が１００Åより短いと、素子寿命が急激に低下する傾向が観られるためであり、１２０Å以上であると素子寿命の大幅な向上が可能であり、１５０Å以上であると更に素子寿命が向上する傾向にあるが、しきい値電流密度は徐々に高くなる傾向が観られ始める。更に、その距離が２００Åより大きくなると、しきい値電流密度の明らかな上昇傾向が観られ、４００Åより大きいとしきい値電流密度の急激な上昇が起こる傾向にあるため、上記距離の上限としては、４００Å以下、好ましくは２００Å以下とすることである。これは、ｐ側電子閉込め層が井戸層から離れることで、キャリア閉込めの効率が低下し、これが主な原因となってしきい値電流密度が上昇し、また発光効率の低下を招くものと考えられる。
【００６７】
本発明のｐ側電子閉込め層には、通常ｐ側不純物がドープされ、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。具体的なドープ量としては、少なくとも５×１０16／cm3以上ドープすることで、好ましくは１×１０18／cm3以上ドープすることであり、前記大電流駆動の素子にあっては、１×１０18／cm3以上、好ましくは１×１０19／cm3以上ドープすることである。ｐ側不純物量の上限は特に限定されないが、１×１０21／cm3以下とすることである。但し、ｐ側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側不純物濃度とすることである。また、ｐ側電子閉込め層を低濃度でドープすること、例えば、ガイド層、クラッド層などのｐ側電子閉込め層近傍の層よりも低濃度でドープすることも可能であり、またノンドープ層とすることもできる。
【００６８】
本発明の窒化物半導体素子では、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側の窒化物半導体、電流狭窄層とするにはＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体、等を用いることができる。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。この時用いられる窒化物半導体としては、ＩｎxＡｌ1-yＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される窒化物半導体を好ましく用いることができる。
【００６９】
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。
【００７０】
ここで、各図について以下に説明する。図２、３は、本発明の一実施形態に係る模式断面図であり、特にレーザ素子構造、発光素子構造において、活性層１２がｎ側層１１とｐ型層１３とで挟み込まれる構造を示すものである。図２は、活性層１２が上部クラッド層３０と下部クラッド層２５で挟まれ、活性層１２と上部クラッド層３０との間に電子閉込め層であるｐ側電子閉込め層２８を有する素子構造を説明するものである。図３，４は、本発明の特徴として、上部、下部クラッド層に挟まれた領域の導波路内に、前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層が設けられ、第１の窒化物半導体層は、ｎ側クラッド層内（図示せず）、ｎ側光ガイド層２６と活性層１２との間（図３，４に示す）、ｎ側光ガイド層２６とｎ側クラッド層２５との間（図示せず）、に設けられ、第２の窒化物半導体層は、ｐ側光ガイド層２９に用いられる。また、図３は、活性層１２の量子井戸構造について図示するもので、障壁層２ａ／井戸層１ａを一対として繰り返し積層され、最後に障壁層２ｃが設けられた構造を有している。図５〜８は、本発明の一実施形態における活性層１２、上部、下部クラッド層２６，３０で挟まれる領域の導波路構造、及び活性層周辺についての積層構造２０と、その積層構造２０の下に、それに対応したエネルギーバンドギャップ２１を示すものである。図１０についても図５〜８と同様に積層構造２０とその積層構造に対応してエネルギーバンド図２１を示し、それらに加えて各層におけるＡｌ組成比４１、Ｉｎ組成比４２の一実施形態を示す模式図が示されている。
【００７１】
本発明の窒化物半導体素子における各層のドープ量について、図１１を用いて以下説明する。本発明の光ガイド層の不純物ドープについて、図１１に、ドープ量変化４３として示すように、第１，２の光ガイド層２２６，２２９において、不純物ドープ量を、活性層に近づくに従ってドープ量を小さくする、若しくは、活性層から遠い領域に比べて活性層に近い領域のドープ量を小さくすると、導波路、特に光ガイド層内において、光の損失を更に減少させて、良好な光の導波を実現でき、閾値電流密度の低減、駆動電流の低減化を図ることができる。これは、不純物ドープした領域を光が導波すると、不純物により光の吸収が発生しするために光の損失が起こるからである。これに加えて、導波路は上述したように、第１の光ガイド層２２６と第２の光ガイド層２２９とで活性層２２７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２２５，２３０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２７及び活性層近傍に多くの光が分布するため、その活性層近傍の領域において不純物ドープ量を少なくすることで、光が多く分布する領域での光の損失が減少することとなり、光の損失の少ない導波路となる。具体的には、第１の光ガイド層２２６、第２の光ガイド層２２９において、各層の膜厚の半分で領域を区切り活性層に近い領域と遠い領域を考えた場合、活性層に近い領域の導電型不純物濃度を、活性層に遠い領域の不純物濃度よりも小さくすることである。光ガイド層の不純物濃度としては、特に限定されないが、具体的には活性層に近い領域において５×１０１７／ｃｍ３以下とすることである。ここで、上記不純物ドープとは、第１の光ガイド層に第１導電型の不純物ドープ、第２の光ガイド層に第２導電型の不純物ドープ、することを指すものである。
【００７２】
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、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（４３ａ）、不連続で段階的にドープ量を小さくする形態（４３ｂ）、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（４３ｃ）、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。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以下の領域を低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）、好ましくは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以下の領域を低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）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、低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）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、上記低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）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１１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、低濃度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、すなわち低濃度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、その場合には低濃度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。具体的には、ｐ側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、４３ａは、拡散によりｐ側電子閉込め層２２８から隣接層へ不純物が拡散する形態を模式的に示すものであり、高濃度ドープのｐ側電子閉込め層２２９に隣接する光ガイド層（２２９ａの領域）、活性層（ｐ側障壁層付近）では、濃度傾斜が発生して、拡散する形態が観測される。また、実施例１で示すように、低濃度ドープで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側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。なお、図中の５１、５２は、各光ガイド層におけるドープ量変化を示している。
【００７３】
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。
本発明では、クラッド層２２５，２３０と、活性層２２７との間に、クラッド層側に配置された高濃度ドープ領域（２２６ａ，２２９ｂ）と、その高濃度ドープ領域よりも低濃度でドープされ、活性層側に配置された低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）とが設けられることで、導波路内における光損失を低減させた構造とできる。更に好ましくは、低濃度ドープ領域（２２６ｂ，２２９ａ）と活性層との間、すなわち、光ガイド層よりも活性層側に、高濃度ドープ層（２３１，２２８）を設けることが好ましい。ここで、高濃度ドープ層は、活性層近傍に位置するｐ側電子閉込め層２２８、第１の窒化物半導体層２３１の一部、若しくは全部として設けることができ、高濃度ドープ層２３１と２２８のドープ量は、それぞれ、それよりも各クラッド層側に位置する低濃度ドープ領域２２６ｂ，２２９ａよりも、高濃度でドープされることであり、好ましくは、ｐ型層内の高濃度ドープ層２２８のドープ量を、ｐ型層内の高濃度ドープ領域２２９ｂよりも大きくすることで、高濃度ドープ層において、ｐｎ接合部が形成され、ｐ型層側からのキャリアの注入に優れ、不純物ドープ量変化、キャリア濃度変化を設けることができ、好ましい。ここで、図１の２２５〜２３０は、図１０における積層構造２０における各層２５〜３０に対応している。
【００７４】
【実施例】
【００７５】
［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６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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
（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。
【００７９】
（バッファ層１０２） 窒化物半導体基板の上に、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＡｌＧａＮのｎ側コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。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。
【００８０】
（ｎ側コンタクト層１０３）
次に得られたバッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ側コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。ｎ側コンタクト層、若しくはバッファ層などの下地層に、Ａｌを含む窒化物半導体、具体的にはＡｌxＧａ1-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。
【００８１】
（クラック防止層１０４） 次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００８２】
（ｎ側クラッド層１０５） 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Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ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５×１０18／cm3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍ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。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。
【００８３】
（ｎ側光ガイド層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側光ガイド層１０６を０．１μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ側不純物をドープしてもよい。
【００８４】
（第１の窒化物半導体１３１） 次に、図６に示すように、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、ＳｉドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、膜厚５００Åよりなる第１の窒化物半導体層を形成する。
【００８５】
（活性層１０７） 次に、温度を８００℃にして、図６に示すように、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、アンドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープのＩｎ0.32Ｇａ0.68Ｎ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６に示すように、障壁層２ａ、２ｂ、２ｃを１３０Åの膜厚で、井戸層１ａ、１ｂを２５Åの膜厚で形成する。活性層１０７は、総膜厚約４４０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００８６】
（ｐ側電子閉込め層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Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／cm3ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ側電子閉込層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。
【００８７】
（ｐ側光ガイド層１０９：第２の窒化物半導体層） 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側光ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００８８】
このｐ側光ガイド層１０９は、アンドープとして成長させるが、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濃度が５×１０16／cm3となりｐ側を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。
【００８９】
（ｐ側クラッド層１１０） 続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ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９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１１０を成長させる。ｐ側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ＡｌXＧａ1-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。
【００９０】
（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１×１０20／cm3ドープしたｐ側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側のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくは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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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１６２が形成される。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。このようにして得られるレーザ素子は、図６に示す積層構造２０、及びバンドギャップエネルギー図となるものである。
【００９９】
得られるレーザ素子は、しきい値電流密度２．８ｋＡ／ｃｍ2、波長４４８ｎｍの窒化物半導体素子が得られ、参考例１の光ガイド層をＩｎＧａＮとした場合に比べて、長波長域において、低いしきい値電流密度のレーザが得られる。
【０１００】
図９は、実施例１において、井戸層１のＩｎ混晶比を変化させて、波長４２５〜４５０ｎｍのレーザ素子を作製し、閾値電流密度Ｊｔｈを測定して、しきい値電流密度の波長依存性を示すものである。図９から明らかなように、４３０ｎｍ以下の短波長域では、参考例１のようにＩｎを含む窒化物半導体を有する上部、下部光ガイド層で活性層を挟む構造を導波路構造に用いる方が、閾値電流密度が低い傾向にあり、４４０ｎｍ付近（４３５ｎｍ〜４４５ｎｍ）で、参考例１と実施例１の閾値電流密度が逆転し、４４０ｎｍ以上の長波長の領域では、実施例１がなだらかな上昇傾向を示すのに対し、参考例１は、急激な上昇傾向が観られることがわかる。実施例１のように、本発明の特徴である第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層とで活性層を挟み込む構造を、導波路内に設けることで、上述したようなＩｎによる光の損失、ｐ側光ガイド層の結晶性の問題を改善でき、長波長域において優れた素子特性の窒化物半導体素子が得られることがわかる。
【０１０１】
［実施例２］
実施例１において、図５に示すように、障壁層２のＩｎ混晶比より低い混晶比のアンドープＩｎ0.025Ｇａ0.975Ｎからなる第１の窒化物半導体層を５００Åの膜厚で形成する。得られるレーザ素子は、第1の窒化物半導体層３１のＩｎ混晶比が実施例１よりも小さいことから、上部、下部クラッド層に挟まれた導波路、本実施例ではｎ側光ガイド層、ｐ側光ガイド層で挟まれる領域、とクラッド層との屈折率差が、実施例１に比べて小さくなるため、閾値電流が大きくなるものの、長波長域のレーザ素子としてなお優れた特性のものが得られる。
【０１０２】
［実施例３］
実施例２において、図８に示すように、第1の窒化物半導体層３１を、活性層から２００Å離れたところに設ける。このとき、ｎ側クラッド層と活性層とで挟まれた積層構造が、ｎ側クラッド層２５／第１のｎ側光ガイド層２６ａ／第1の窒化物半導体層３１／第２のｎ側光ガイド層２６ｂ／活性層１２の順に積層された構造となり、第１のｎ側光ガイド層２６ａをアンドープＧａＮで８００Åとし、第２のｎ側光ガイド層２６ｂをアンドープＧａＮで２００Åとする。得られるレーザ素子は、実施例２に比べて、第１の窒化物半導体層が活性層から離れていることから、第１の窒化物半導体層による光の閉じ込め、キャリアの注入効果が弱まり、また導波路内での光の分布が実施例１よりもｎ側クラッド層側に多く分布するものとなり、活性層での誘導放出が減少し、また第１の窒化物半導体による光の損失も発生し、実施例２よりも閾値電流が大きくなる傾向にある。
【０１０３】
［実施例４］
実施例１において、図７に示すように、ｎ側光ガイド層としてアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、膜厚０．１５μｍからなる第１の窒化物半導体を用い、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、ＩｎＧａＮからなるｎ側光ガイド層により、導波路とクラッド層との屈折率差が大きくなるが、厚膜のｎ側光ガイド層による光の吸収が大きくなり、また導波路内での光分布も、活性層からｎ側クラッド層に至る領域にブロードに広がって分布しているものと思われ、活性層での誘導放出が減少し、実施例１に比べて、閾値電流が大きくなる。この時、ｎ側光ガイド層（第１の窒化物半導体層）をＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる超格子多層膜で形成しても、単一膜で形成する場合に比べて、膜の結晶性は良くなるものの、光の分布、導波路の屈折率、の問題は、単一膜の場合と同等なもので、得られるレーザ素子も同様な傾向の特性のものとなる。
【０１０４】
［参考例１］
実施例４において、ｐ側光ガイド層を、ｎ側光ガイド層と同じアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎとして、その他は実施例４と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１の導波路構造に比較して、第１の窒化物半導体を設けずに、ｎ側光ガイド層をｐ側光ガイド層と同じ膜厚にして、両方の光ガイド層ともＩｎを含む窒化物半導体を用いた構造となる。このようにして得られるレーザ素子は、ｐ側光ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いていることにより、大きく結晶性が悪化し、さらに、光ガイド層による光の吸収が発生し、実施例１に比べて閾値電流が大きくなる。図９は、参考例１で、井戸層のＩｎ混晶比を変化させて、４２５ｎｍ〜４５０ｎｍの波長のレーザ素子を作製し、しきい値電流密度Ｊｔｈを測定して、閾値電流密度の波長依存性を示すものである。図９から明らかなように、上部、下部光ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いた構造では、４３０ｎｍ付近から波長が長くなるに従って急激な閾値電流密度の上昇傾向を示し、４４０ｎｍ以上の長波長域では、実施例１に比べて、閾値電流密度が大きくなり、そしてそれより波長が長くなるに従って、その差が大きくなることがわかる。
【０１０５】
［実施例５］
実施例１において、ｎ側層、ｐ型層のクラッド層、ガイド層、活性層を以下のように形成し、図１０に示す構造のレーザ素子を作製する。
【０１０６】
（ｎ側クラッド層１０５） ｎ側コンタクト層１０３、クラック防止層１０４（省略可）の上に、ｎ側クラッド層として、アンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる第１の層を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Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第２の層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返して第１の層と第２の層とを交互に積層し、総膜厚１μｍ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。このｎ側クラッド層は、活性層の下に設けられた下部クラッド層となる場合、超格子多層膜で構成しなくても、単一膜、若しくは膜厚１００Å以上の層を有する多層膜でもクラッド層を形成することができる。
【０１０７】
（ｎ側光ガイド層１０６） ＳｉドープのＧａＮよりなる第３の層を膜厚１５Åで成長させ、続いて、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第４の層を膜厚１５Åで成長させる。そして、この操作をそれぞれ６０回繰り返して第３の層と第４の層とを交互に積層し、総膜厚０．１８μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ側光ガイド層１０６を、ｎ側クラッド層の上に、成長させる。
【０１０８】
（第１の窒化物半導体１３１） 次に、ＳｉドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、膜厚５３０Åよりなる第１の窒化物半導体層を、ｎ側光ガイド層の上に形成する。
【０１０９】
（活性層１０７） 図１０に示すように、膜厚１３０ÅのアンドープのＧａＮよりなるｎ側障壁層２ａ、膜厚２５ÅのアンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎよりなる井戸層１ａ、膜厚１００ÅのアンドープＧａＮよりなる障壁層２ｂ、その上に、井戸層１ａと同じ井戸層１ｂ、膜厚５３０ÅのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｐ側障壁層２ｃ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。活性層１０７は、総膜厚約８１０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となり、第１の窒化物半導体層の上に形成される。また、ｎ側障壁層２ａと第１の窒化物半導体層が接する場合には、第１の窒化物半導体層がｎ側障壁層２ａを兼ねることができ、この場合には、ｎ側障壁層２ａを省略でき、活性層に接する第１の窒化物半導体層がｎ側障壁層２ａとしても機能する。
【０１１０】
（ｐ側電子閉込め層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Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ側電子閉込層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。
【０１１１】
（ｐ側光ガイド層１０９） ＭｇドープのＧａＮよりなる第３の層を膜厚１５Åで成長させ、続いて、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第４の層を膜厚５Åで成長させる。そして、この操作をそれぞれ９０回繰り返して第３の層と第４の層とを交互に積層し、総膜厚０．１８μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｐ側光ガイド層１０９を、ｐ側電子閉込め層の上に成長させる。この時、本発明の第２の窒化物半導体層は、第３の層として形成される。
【０１１２】
（ｐ側クラッド層１１０） アンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる第１の層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＭｇをドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第２の層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ９０回繰り返して第１の層と第２の層とを交互に積層し、総膜厚０．４５μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｐ側クラッド層１１０を、ｐ側光ガイド層の上に成長させる。
【０１１３】
このように、ｎ側クラッド層２５、ｎ側光ガイド層２７、第１の窒化物半導体層３１、活性層２７、ｐ側電子閉込め層２８、ｐ側光ガイド層２９、ｐ側クラッド層３０が、図１０に示すように積層された構造となり、その時の各層におけるＩｎ組成、Ａｌ組成は、４１、４２に示すような構造となる。また、この実施例では、光ガイド層において、多層膜ｎ側光ガイド層を構成する第４の層が、ｐ側光ガイド層の第４の層よりも膜厚が厚く形成されており、すなわち、ｎ側光ガイド層のＩｎ混晶比（平均組成）が、ｐ側光ガイド層に比べて大きくした構造となっていることで、ｐ型層側にＩｎを含む窒化物半導体層を設けることの結晶性悪化を低減した構造となっている。また、Ｉｎ混晶比が、ｎ側光ガイド層よりもｐ側光ガイド層を小さくする構成としては、膜厚を小さくするほかに、多層膜を構成する第３，４の層のＩｎ混晶比を小さくすることでも可能である。
このようにして得られるレーザ素子は、しきい値電流密度１．９ｋＡ／ｃｍ2、波長４５３ｎｍ、室温での連続発振が可能で、６０℃、５ｍＷの連続発振における素子寿命１万時間に達する窒化物半導体レーザ素子が得られる。
【０１１４】
［実施例６］
実施例５において、ｎ側クラッド層、ｐ側クラッド層の多層膜を構成する第１の層を、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとし、第２の層を、それぞれＳｉ、ＭｇドープＧａＮとする他は、実施例５と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１１５】
これら実施例１，５，６の素子構造において、井戸層のＩｎ混晶比を変化させて、波長変化させた場合における閾値電流変化を図１２に、実施例１を黒丸●、実施例５を白抜き三角△、実施例６を白抜き四角□で示す。図１２からわかるように、波長４４０ｎｍ以上の長波長域において、実施例５、６が閾値電流が低減したレーザ素子が得られ、また、実施例５と６との比較において、実施例５が優れた特性のレーザ素子が得られることがわかる。
実施例１と、実施例５，６とでは、ｐ側障壁層、ｎ側障壁層の膜厚が大きく異なり、両方の障壁層とも２００Å以上、好ましくは、３００Å以上、更に好ましくは４００Å以上とすることで、閾値電流の低減傾向が観られ、特にｐ側障壁層、若しくはｐ側電子閉込め層と活性層内で最もｐ型層側の井戸層１ｂとの距離を大きくすること、すなわち、２００Å以上、好ましくは３００Å以上、更に好ましくは４００Å以上とすることで良好な長波長域での導波路構造が形成され、図１２に示すような閾値電流特性となると考えられる。また、その他の構成の違いとして、光ガイド層が、Ｉｎを含む窒化物半導体層を有する多層膜構造を有することであり、実施例５，６では、このことによる導波路内の屈折率向上が図られ、素子特性向上につながったと考えられる。
また、実施例５と実施例６とでは、クラッド層のＡｌ混晶比（平均組成）が異なる構造であり、クラッド層のＡｌ混晶比（平均組成）を０．０５以上とすることで、長波長域において、優れた導波路構造が形成されたことにより特性向上が得られたと考えられ、この時クラッド層のＡｌ混晶比（平均組成）の上限としては、結晶性を考慮して、０．５以下とすることであり、多層膜のクラッド層とする場合には、Ａｌを含む窒化物半導体層（第１の層）と、第１の層よりＡｌ混晶比の小さいＡｌを含む窒化物半導体層（第２の層）とが少なくとも交互に積層された多層膜構造とすること、が好ましく、第１の層のＡｌ混晶比ｘ１は、第２の層のＡｌ混晶比ｘ２より大きく、ｘ１＞ｘ２（ｘ２＞０）とすることが長波長域のレーザ素子、端面発光素子において優れた素子特性が得られることがわかる。また、実施例５において、発振波長４６５，４７０における素子寿命は、実施例５と同等な条件において、１万時間、３千時間に達するレーザ素子が得られる。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子は、長波長域において、閾値電流を低く抑えたレーザ素子、および素子特性に優れる端面発光素子が得られる。特に、図９に示すように、ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いた参考例の構造に比べて、本発明のように導波路内の構造を非対称な構造とすることで、４４０ｎｍの長波長域で優れた素子特性の窒化物半導体素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
【図２】本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
【図３】本発明の一実施形態を説明する模式断面図。
【図４】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図５】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１を説明する模式図。
【図６】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１を説明する模式図。
【図７】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１を説明する模式図。
【図８】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１を説明する模式図。
【図９】本発明の一実施形態と参考例１の実施形態における閾値電流密度の波長依存性を示す図。
【図１０】本発明の一実施形態に係る積層構造２０と、その積層構造に対応するバンド構造２１、Ａｌ組成比４１、Ｉｎ組成比４２とを説明する模式図。
【図１１】本発明の一実施形態に係る図１０の積層構造２０に対応する不純物濃度変化（５１，５２）を説明する模式図。
【図１２】本発明の各実施形態（実施例１，５，６）における閾値電流の波長依存性を示す図。
【図１３】本発明の一実施形態に係るバンド構造（バイアス時）を説明する模式図。
【符号の簡単な説明】
１・・・井戸層、 ２（２ｂ）・・・障壁層、 ２ａ・・・ｎ側障壁層、 ２ｃ・・・ｐ側障壁層、 ３・・・内部障壁層 １１・・・ｎ側窒化物半導体層、 １２・・・活性層、 １３・・・ｐ側窒化物半導体層、 ２０・・・積層構造、 １０１・・・基板（ＧａＮ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、１０５，２５，２２５・・・ｎ側クラッド層（下部クラッド層）、 １０６，２６，２２６・・・ｎ側光ガイド層（下部光ガイド層）、 １０７，２７，２２７・・・活性層、 １０８，２８，２２８・・・ｐ側電子閉込め層、 １０９，２９，２２９・・・ｐ側光ガイド層（上部光ガイド層）、 １１０，３０，２３０・・・ｐ側クラッド層（上部クラッド層）、 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、 １３１，３１，２３１・・・第１の窒化物半導体層、 ３２，２３２・・・第２の窒化物半導体層、 １６３・・・第３の保護膜、 １６４・・・絶縁膜
Claims (10)
- 活性層を、ｐ型層とｎ側層とで挟みこむ構造を有し、ｐ型層がｐ側クラッド層を有し、ｎ側層がｎ側クラッド層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記活性層がＩｎを含む窒化物半導体を有し、該活性層内で、最も前記ｎ側層側に配置されたｎ側障壁層（２ａ）と、最も前記ｐ型層側に配置されたｐ側障壁層（２ｃ）と、該ｎ側障壁層（２ａ）と該ｐ側障壁層（２ｃ）との間に少なくとも１つのＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、
前記ｎ側クラッド層と前記活性層との間に、該活性層に接して、該ｎ側クラッド層より屈折率が大きく、Ｉｎ混晶比がｚ＞０である窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、
前記ｐ側クラッド層と前記活性層との間に、Ｉｎ混晶比ｕがｚ＞ｕである第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層に接して、且つ前記活性層に接して若しくは前記活性層にバッファ層を介して接してＡｌを含む窒化物半導体からなるｐ側電子閉込め層を有し、
前記ｎ側クラッド層と前記第１の窒化物半導体層との間に、前記第１の窒化物半導体層よりＩｎ混晶比が小さいＩｎを含む窒化物半導体のｎ側光ガイド層、若しくは前記第１の窒化物半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ側光ガイド層、を有し、
前記ｐ側障壁層の膜厚が２００Å以上であり、該ｐ側障壁層のＩｎ混晶比が前記第２の窒化物半導体層のＩｎ混晶比より大きく、前記ｎ側障壁層のＩｎ混晶比ｖがｖ＜ｚであることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第１の窒化物半導体層の膜厚が３００Å以上である請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｐ側障壁層の膜厚が４００Å以上である請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層と前記ｐ側電子閉込め層との距離が１０００Å以下である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記バッファ層が、前記ｐ側電子閉込め層よりも低いＡｌ混晶比であるＡｌを含む窒化物半導体からなること、若しくはＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｐ側クラッド層、前記ｎ側クラッド層が、それぞれ光閉込めのクラッド層であり、Ａｌを含む窒化物半導体を有するレーザ素子構造であり、発振波長が４４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｐ側クラッド層と、前記ｎ側クラッド層との少なくとも一方は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体を有する第１の層と、第１の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第２の層とが交互に積層された多層膜クラッド層であることを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｐ型層、前記ｎ側層の少なくとも一方の光ガイド層は、少なくともＩｎを含む窒化物半導体を有する第３の層と、該第３の層とはバンドギャップエネルギーの異なる第４の層とが交互に積層された多層膜光ガイド層であることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度が、前記ｎ側障壁層（２ａ）のｎ側不純物濃度より小さいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｐ側障壁層（２ｃ）のｎ側不純物濃度が、ｐ側不純物濃度より小さいことを特徴とする請求項９記載の窒化物半導体レーザ素子。
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