JP5294167B2

JP5294167B2 - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法

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Publication number: JP5294167B2
Application number: JP2008219525A
Authority: JP
Inventors: 重英秩父; 猛儀尾沼; 耕治羽豆; 拓也星; 宗仁加賀谷; 孝之宗田; 大勝池田; 健史藤戸; 秀郎浪田; 哲長尾
Original assignee: Tohoku University NUC; Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: JP2010056282A

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、深紫外線波長のレーザ光等を発生する低閾値電流密度の窒化物半導体発光素子および製造方法に関する。

波長３００ｎｍ以下の短波長光は、照明、殺菌・浄水、医療分野、生化学産業など幅広い分野で必須の光源として用いられている。特に、深紫外線レーザは波長の短いコヒーレント光源であることから、半導体製造工程において、リソグラフィ用の光源として用いられている。通常はエキシマランプ乃至はレーザがリソグラフィ光源として用いられるが、リソグラフィ装置には多数の光学部品が用いられるため、装置全体としては大型化してしまう。

また、ネオジム（Ｎｄ）ドープＹＡＧレーザから発振させた波長１０６４ｎｍの赤外線光を、非線形光学結晶を通して第４高調波（２６６ｎｍ）を発生させ、深紫外線レーザ光を得る手法も知られているが、この場合の変換効率は０．１％以下と低く、低消費電力化は不可能である。

これに対して、深紫外線半導体レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を光源として用いることができれば、装置の小型化を図ることが可能である。また、市販の青色発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）において実現された５０％程度の発光効率を得ることができれば、低消費電力化が可能となる。

現在までのところ、波長３００ｎｍ以下の短波長光が得られる材料としては、主面がｃ面（｛０００１｝面）のサファイア基板上にエピタキシャル成長させた、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のモル分率（ｘ）が０．３以上の窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）混晶が知られており、当該材料を用いた量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）構造を有する発光素子が光源として専ら用いられている。例えば、波長２５０ｎｍに迫るＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）発光ダイオード（ＬＥＤ）が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたＡｌＧａＮ層には、市販の青色ＬＥＤに含まれる貫通転位（密度：１０^８ｃｍ^−２程度）に比べ、２〜３桁程度高い密度の貫通転位が含まれている。加えて、窒化物半導体結晶はｃ軸に沿った反転対称性をもたず、III族原子と窒素原子のサイズが異なることにより生じる「自発分極」と井戸層と障壁層の格子定数の差により生じる「圧電分極」により、ヘテロ界面電荷がｃ面内にシート状に発生する。このため、量子井戸内には１ＭＶ/ｃｍを越える強い内部電場が発生してしまう結果、発光効率は０．１％に満たないという問題がある。

また、同波長領域のＬＤの開発に関しては、光励起による誘導放出に関する報告はあるものの、転位・欠陥密度の低減、ｐ型層の最適化、光の導波方向の選定など多くの課題が残されており、実用化の目処は立っていないのが実情である（例えば、非特許文献２参照）。

特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）とＡｌＮは価電子帯におけるバンドオーダリング（ある対称性をもつバンドのエネルギの並び順）が異なるため、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶からなる発光層（活性層）からの光の偏光方向は、ＡｌＮモル分率ｘの増加に伴って、光の電界成分Ｅがｃ軸に対して垂直な方向から平行な方向へと変化する。このため、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ系のＬＤでは、光を効率良く導波させるために、市販の窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系のＬＤとは異なる構造が必要となる。

これまで、非極性面や半極性面を結晶成長面とするＩｎＧａＮ層とＧａＮ層の積層構造（ＭＱＷ構造）をＬＥＤやＬＤの活性層として利用することにより内部電界を低減させる技術が知られており、市販の青紫色ＬＥＤの外部量子効率（約５０％）に迫る効率（３８．９％）を示すｍ面ＬＥＤが報告されている（例えば、非特許文献３参照）。また、室温で連続発振する波長４００ｎｍの青紫色ｍ面ＬＤも報告されている（例えば、非特許文献４参照）。なお、上述の「非極性面」は、六方晶系の結晶面であって、具体的には、｛１１−２０｝面（｛イチ、イチ、ニバー、ゼロ｝面：ａ面）や｛１−１００｝面（｛イチ、イチバー、ゼロ、ゼロ｝面：ｍ面））である。

従来の紫外線（波長約３００ｎｍ以下）発光ＬＤは、ＧａＮ結晶（六方晶系）のｃ軸（極性面）面上またはｃ軸からやや傾斜させた結晶成長面で構成されている（例えば、特許文献１参照）。このため、歪みにより発生する圧電分極に起因する内部電界効果を十分に低減することはできなかった。また、発光紫外線の偏光特性も電界ベクトルＥとｃ軸が垂直となるものであり、発光効率が低いという問題もあった。

ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成るＬＥＤにおいて、ＭＱＷ構造のＡｌＧａＮ混晶で、Ａｌモル分率を３０％以下乃至６０％以上のものも既に開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、ＭＱＷ構造のＡｌＧａＮ混晶で、Ａｌモル分率を３０％〜６０％の範囲のものは、未だ開示されてはいない。また、特許文献１に開示されているように、ｃ軸またはｃ軸近傍で傾斜させた例は存在するが、ｃ軸から、例えば、４０°〜９０°と大幅に活性層の軸方位を傾斜させた紫外領域の技術は、未だ開示されていない。

加えて、歪みｍ面をもつＩｎＧａＮ層とＧａＮ層のＭＱＷ構造（ＩｎＧａＮ/ＧａＮ−ＭＱＷ）からの発光は、その電界成分Ｅが主にａ軸に平行な偏光方向を示すため、共振器ミラー面をｃ面に沿って形成せざるを得ないこととなるが、ｃ面はｍ面に比較して劈開性が良好ではないため、歩留まり低下の要因ともなっている。
特開２００７−２０１０１９号公報特開２００７−１６５４０５号公報 M. Asif Khan, M. Shatalov, H. P. Maruska, H. M. Wang and E. Kuokstis, "III-Nitride UV Devices", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 44, 7191 (2005). Takayoshi Takano, Yoshinobu Narita, Akihiko Horiuchi, and Hideo Kawanishi, "Room-temperature deep-ultraviolet lasing at 241.5 nm of AlGaN multiple-quantum-well laser", Appl. Phys. Lett. Vol. 84, 3567 (2004). Mathew C. Schmidt, Kwang-Choong Kim, Hitoshi Sato, Natalie Fellows, Hisashi Masui, Shuji Nakamura, Steven P. DenBaars, and James S. Speck, "High Power and High External Efficiency m-Plane InGaN Light Emitting Diodes", Japanese Journal of Applied Physics Vol. 46, L126 (2007). Kuniyoshi Okamoto, Hiroaki Ohta, Shigefusa F. Chichibu, Jun Ichihara, and Hidemi Takasu, "Continuous-Wave Operation of m-Plane InGaN Multiple Quantum Well Laser Diodes", Japanese Journal of Applied Physics Vol. 46, L187 (2007). S. Chichibu, A. Shikanai, T. Azuhata, T. Sota, A. Kuramata, K. Horino, and S. Nakamura, "Effects of biaxial strain on exciton resonance energies of hexagonal GaN heteroepitaxial layers" Appl. Phys. Lett. Vol. 68, 3766 (1996). Amane Shikanai, Takashi Azuhata, Takayuki Sota, Shigefusa Chichibu, Akito Kuramata, Kazuhiko Horino, and Shuji Nakamura, "Biaxial strain dependence of exciton resonance energies in wurtzite GaN", J. Appl. Phys. Vol. 81, 417 (1997). B. T. Liou, S. H. Yen, and Y. K. Kuo, "1219883468343_2", Appl. Phys. A Vol. 81, 1459 (2005). T. Onuma, S. F. Chichibu et al., "Radiative and nonradiative processes in strain-free AlxGa1-xN films studied by time-resolved photoluminescence and positron annihilation techniques", J. Appl. Phys. Vol. 95, 2495 (2004)． K. Domen et al., "Electron Overflow to the AlGaN p-Cladding Layer in InGaN/GaN/AlGaN MQW Laser Diodes", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. Vol. 3, 2 (1999）． J. Y. Chang et al., " Simulation of blue InGaN quantum-well lasers", J. Appl. Phys. Vol. 93, 4992 (2003). S. Nakamura et al., "InGaN/GaN/AlGaN-Based Laser Diodes Grown on GaN Substrates with a Fundamental Transverse Mode" Japanese Journal of Applied Physics Vol. 37, L1020 (1998)． T. Onuma, S. F. Chichibu et al., " Recombination dynamics of localized excitons in Al1-xInxN epitaxial films on GaN templates grown by metalorganic vapor phase epitaxy", J. Appl. Phys. Vol. 94, 2449 (2003).

本発明はこのような従来の窒化物半導体発光素子が抱える問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、例えば深紫外線を発光する素子の大型化や高効率を実現すべく、閾値電流密度の低い窒化物半導体発光素子（ＬＤ）を提供することにある。

より具体的には、本発明は、深紫外線波長の光等を発生する窒化物半導体発光素子の量子井戸構造において、効率的な光導波を実現するとともに、分極による内部電場効果を低減させることにより、発光効率の向上と低閾値電流密度化を実現することを目的とするものである。

このような課題を解決するために、第１の発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板上に、第１の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、前記基板の主面はａ面であり、前記活性層は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層を備えており、前記活性層の結晶成長の主面の法線方向はｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成し、該活性層からの発光は、前記ｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ//ｃ）が支配的となる偏光特性を有していることを特徴とする。

前記結晶成長の主面は非極性面または半極性面であることが好ましく、非極性面は例えばｍ面またはａ面であり、半極性面は例えば{１０−１１}面、{１０−１２}面、或いは{１１−２２}面である。

この窒化物半導体発光素子は、前記結晶成長の主面が非極性面のａ面または半極性面の{１１−２２}面であり、ｍ面を反射面とする共振器を備えている構成とすることができる。この場合、ｍ面は劈開面であることが好ましい。

例えば、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率（ｘ）は２０％以上９０％以下であり、該井戸層のＡｌＮモル分率（ｘ）と前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率（ｙ）との比（ｒ＝ｘ／ｙ）は０．７以上である。

また、例えば、前記第１の導電型の半導体層及び前記第２の導電型の半導体層の少なくとも一方はＡｌＧａＮ混晶の窒化物半導体層であり、前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である。

さらに、前記主面がａ面の基板は、例えば、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、又はＳｉＣ基板である。

第２の発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板上に、第１の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、前記基板の主面はａ面であり、前記活性層は、Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層を備えており、前記活性層の結晶成長の主面の法線方向はｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成し、該活性層からの発光は、前記ｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ//ｃ）が支配的となる偏光特性を有していることを特徴とする。

例えば、前記Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ井戸層のＩｎＮモル分率（ｘ）は５％以下である。

また、例えば、前記第１の導電型の半導体層及び前記第２の導電型の半導体層の少なくとも一方はＡｌＩｎＮ混晶の窒化物半導体層であり、前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である。

第３の発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板上に、第１の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、前記基板の主面はａ面であり、前記活性層は、Ａｌ_ｙ（Ｇａ_βＩｎ_１−β）_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、０≦β≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘ（Ｇａ_αＩｎ_１−α）_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、０≦α≦１）の組成の井戸層を備えており、前記活性層の結晶成長の主面の法線方向はｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成し、該活性層からの発光は、前記ｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ//ｃ）が支配的となる偏光特性を有していることを特徴とする。

例えば、前記第１の導電型の半導体層及び前記第２の導電型の半導体層の少なくとも一方はＡｌＧａＩｎＮ混晶の窒化物半導体層であり、前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である。

また、前記主面がａ面の基板は、例えば、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、又はＳｉＣ基板である。

このような窒化物半導体発光素子を得るために、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、主面がａ面の基板上に第１の導電型を有する第１の半導体層を結晶成長させる工程（工程１）と、該第１の半導体層上に、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層を結晶成長させる工程（工程２−１）、または、Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層を結晶成長させる工程（工程２−２）、或いは、Ａｌ_ｙ（Ｇａ_βＩｎ_１−β）_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、０≦β≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘ（Ｇａ_αＩｎ_１−α）_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、０≦α≦１）の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層を結晶成長させる工程（工程２−３）と、該活性層上に、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層を結晶成長させる工程（工程３）とを備え、前記工程２−１乃至２−３は、前記活性層の結晶成長の主面の法線方向がｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成すように実行される。

本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｍ面を反射面とする共振器を形成する工程をさらに備えるようにしてもよい。

この場合、前記共振器の反射面を前記ｍ面に沿う劈開により得ることが好ましい。

例えば、前記第１及び第２の半導体層は窒化物半導体層であり、前記第１の半導体層にはｎ型不純物としてのＳｉがドーピングされ、及び／又は、前記第２の半導体層にはｐ型不純物としてのＭｇがドーピングされる。

本発明の窒化物半導体発光素子では、主面がａ面の基板を用い、この上に成長させる活性層を、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成等の障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成等の井戸層を備えた量子井戸構造のものとし、当該活性層の結晶成長の主面の法線方向をｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成すようにして、該活性層からの発光が、ｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ//ｃ）が支配的となる偏光特性を有するようにしたので、発光効率の向上と低閾値電流密度化を実現することが可能となる。

また、本発明では成長用基板としてその主面がａ面のものを用いることとしているので、本発明の窒化物半導体発光素子をＬＤとした場合の共振器の反射面として、劈開性が良好なｍ面を用いることが可能となる。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、参照する図面において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、これらの図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、各構成部品の配置などをこれらのものに限定するものでない。本発明の窒化物半導体発光素子およびその製造方法は、本発明の技術的思想から逸脱しない限り、種々の変更を加えることができる。

［第１の実施の形態］
本発明の窒化物半導体発光素子の実施の態様について説明する前に、本発明の技術的思想を理解する上での基礎となる技術的事項について、予め説明しておく。

［ＧａＮ及びＡｌＮのΓ点におけるバンド構造］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に用いられる窒化物結晶であるＧａＮおよびＡｌＮのバンド構造を説明するための図（バンドダイヤグラム）であり、図１（ａ）はＧａＮのΓ点におけるバンドダイヤグラム、図１（ｂ）はＡｌＮのΓ点におけるバンドダイヤグラムである。

III族窒化物半導体は、安定相として六方晶系のウルツ鉱型構造をとる。このため、価電子帯は、スピン−軌道分裂（Δ_ｓｏ）に加え、結晶場分裂（Δ_ｃｒ）を生じる。その結果、無歪ＧａＮの価電子帯は、図１（ａ）に示すように、高エネルギ側から順に、Γ_９ｖ、Γ^ｕ _７ｖ、Γ^ｌ _７ｖの対称性をもつこととなる。

各々のバンドから伝導帯（Γ_７ｃ）への遷移は、順に、Ａ遷移、Ｂ遷移、Ｃ遷移と呼ばれ、Ａ遷移およびＢ遷移は光の電界ベクトルＥと結晶の光学軸であるｃ軸が垂直（Ｅ⊥ｃ）のときに主として許容される遷移であり、Ｃ遷移はＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）のときに主に許容される遷移である。

これに対し、無歪ＡｌＮでは、結晶場分裂Δ_ｃｒが負のため、図１（ｂ）に示すように、バンドオーダリングは高エネルギ側から順に、Γ^ｕ _７ｖ、Γ_９ｖ、Γ^ｌ _７ｖとなる。この場合、Ａ遷移は電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）のときに主として許容される遷移となり、Ｂ遷移およびＣ遷移は電界ベクトルＥとｃ軸が垂直（Ｅ⊥ｃ）のときに主に許容される遷移となる。

これまで、ＧａＮに関しては、そのバンド端近傍の光学的特性に関する報告は数多くされており、例えば、励起子遷移エネルギの歪依存性や、Δ_ｓｏやΔ_ｃｒなどのバンドパラメータの実験値も報告されている（例えば、非特許文献５や非特許文献６を参照）。これに対して、ＡｌＮに関しては、バンド端近傍の光学的特性に関する報告はこれまでなされていない。

そこで、本発明を完成させるにあたり、本発明者らは、ｃ面サファイア基板上に成長したＡｌＮにおける励起子遷移エネルギの歪依存性を実験データとして集め、それらの理論フィッティングからＡｌＮのバンドパラメータを初めて定量化した。そして、これを基にした、ＧａＮとＡｌＮのデータの線形補間によって、ＡｌＧａＮ混晶（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）のバンドパラメータを導き出し、価電子帯のバンドオーダリングのＡｌＮモル分率（ｘ）依存性を求めた。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に用いられるＡｌＧａＮ混晶（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）の特性をシミュレーションにより求めた結果を説明するための図で、図２（ａ）は無歪みＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶の価電子帯頂上のバンドオーダリングのＡｌＮモル分率ｘ依存性を示す図であり、図２（ｂ）は無歪みＧａＮ基板上で面内に伸張歪みを受けたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶のｃ軸方向の歪みε_zz(％)のＡｌＮモル分率ｘ依存性を示す図である。

図２において、Ｅ_１、Ｅ_２、及びＥ_３は、価電子帯頂上から伝導帯への遷移エネルギを表している。ＧａＮの場合、Ｅ_１、Ｅ_２、及びＥ_３はそれぞれ、Ａ遷移、Ｂ遷移、及びＣ遷移のエネルギに相当する。また、δ_ａは、ＡｌＧａＮ混晶の面内格子定数ａの非線形項の係数を表す。

図２（ａ）を参照すると、基準線であるＥ_１(Γ_９)線とＥ_２(Γ_７)−Ｅ_１(Γ_９)線の交点（ｘ＝０．１２５）において、Γ_９ｖとΓ^ｕ _７ｖが入れ替わっている。従って、図２（ａ）により、無歪みのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶では、ＡｌＮモル分率ｘ＝０．１２５を越えると、バンドオーダリングがΓ_９ｖ、Γ^ｕ _７ｖ、Γ^ｌ _７ｖからΓ^ｕ _７ｖ、Γ_９ｖ、Γ^ｌ _７ｖへと入れ替わることが確認できる。

また、図２（ｂ）の図中に示したδ_ａ＝０（Å）のラインはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶の面内格子定数ａに対する非線形効果を考慮しない場合の結果を、δ_ａ＝−０．０４（Å）のラインはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶の面内格子定数ａに対する非線形効果を考慮した場合の結果を、それぞれ示すものである（非特許文献７参照）が、これらのラインは、同図中に示した「バンドオーダリングが入れ替わる境界」のラインと、ｘ＝０．０４５（δ_ａ＝０（Å）のライン）またはｘ＝０．０６６（δ_ａ＝−０．０４（Å）のライン）で交差している。従って、図２（ｂ）を参照すると、ＧａＮ上に成長した面内に伸張歪みを受けたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶では、ｘ＝０．０４５〜０．０６６を越えると、バンドオーダリングがΓ_９ｖ、Γ^ｕ _７ｖ、Γ^ｌ _７ｖからΓ^ｕ _７ｖ、Γ_９ｖ、Γ^ｌ _７ｖへと入れ替わることが確認できる。

これらに対し、Ｅ_２(Γ_７)＝Ｅ_１(Γ_９)のラインは、価電子帯頂上のバンドオーダリングが入れ替わる境界を表すものであり、当該Ｅ_２(Γ_７)＝Ｅ_１(Γ_９)ラインの上部はバンドオーダリングがΓ_９ｖ、Γ^ｕ _７ｖ、Γ^ｌ _７ｖ、下部はバンドオーダリングがΓ^ｕ _７ｖ、Γ_９ｖ、Γ^ｌ _７ｖとなる。つまり、δ_ａ＝０（Å）の場合とδ_ａ＝−０．０４（Å）の場合は、それぞれ、ｘ＝０．０４５とｘ＝０．０６６で、Γ_９ｖとΓ^ｕ _７ｖが入れ替わることとなる。

このような理由により、ＡｌＮモル分率ｘが概ね０．１２５以上であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶（及びその量子井戸）をＬＤの活性層として用いた場合には、電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）の偏光特性を示す発光が得られることとなる。なお、ＡｌＧａＮ混晶が基板に対してコヒーレント成長した場合には、上記偏光特性を効果的に得るためには、ＡｌＮモル分率ｘが０．４（４０％）以上であることが好ましい。上述した計算値よりＡｌＮモル分率ｘが大きいことが好ましい理由は、以下の通りである。

図３は実際のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶におけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルの偏光特性のＡｌＮモル分率ｘ依存性を示す実験データであり、当該実験を行なった条件は以下の通りである。先ず、ＧａＮ基板上へ、アンモニアソース分子線エピタキシー法により、ＧａＮを８１０〜８８０℃で厚さ１μｍ成長させた後、厚さ１２０〜４００ｎｍのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．１２≦ｘ≦１）薄膜を８７０〜９００℃で成長させた。このような試料に対し、加速電圧３．０ｋＶ、励起密度１．５×１０^−２Ａｃｍ^−２、温度１２Ｋでカソードルミネセンス（ＣＬ）測定を行った。なお、ＣＬスペクトルの偏光依存性はグラントムソン偏光子を用いて測定した。

図３（ａ）は、バンド端に近い波長領域の偏光依存ＣＬスペクトルのＡｌＮモル分率ｘ依存性を纏めたものである。なお、各々のスペクトルは各ｘで強度の強い方の偏光スペクトルで規格化されている。得られたスペクトルの積分強度を基に偏光比（ρ＝Ｉ_⊥−Ｉ_///Ｉ_⊥−Ｉ_//）を求めたものを図３（ｂ）に示す。ここで、Ｉ_⊥は電界ベクトルＥとｃ軸が垂直なＣＬスペクトルの積分強度、Ｉ_//は電界ベクトルＥとｃ軸が平行なＣＬスペクトルの積分強度を示している。

この図からわかるように、電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）の偏光特性を示す発光が支配的になるのはＡｌＮモル分率ｘが０．５を超えてからであり、上述したΓ_９ｖとΓ^ｕ _７ｖが入れ替わるｘよりも大きなＡｌＮ組成で、電界ベクトルＥとｃ軸が垂直（Ｅ⊥ｃ）な偏光特性を示す発光強度より、電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）の偏光特性を示す発光強度が強くなっている。この理由は下記のとおり、歪を考慮したＢｉｒ−Ｐｉｋｕｓハミルトニアンを用いて各々の遷移確率を計算した結果から説明できる。

すなわち、Γ_９ｖとΓ^ｕ _７ｖが入れ替わったとしても、ｘが０．５〜０．６より小さい場合、電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）の偏光特性を示す発光の遷移確率が、電界ベクトルＥとｃ軸が垂直（Ｅ⊥ｃ）な偏光特性を示す発光の遷移確率に比べ小さい。このために、Γ_９ｖとΓ^ｕ _７ｖが入れ替わるｘよりも大きなＡｌＮ組成で、電界ベクトルＥとｃ軸が垂直（Ｅ⊥ｃ）な偏光特性を示す発光強度より、電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）の偏光特性を示す発光強度が強くなるのである。

電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）の偏光特性を示す発光が支配的になるのは、Γ_９ｖとΓ^ｕ _７ｖが入れ替わり電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）のときに主として許容される遷移に寄与する状態が正孔に占有されることと、電界ベクトルＥとｃ軸が平行（Ｅ//ｃ）の偏光特性を示す発光の遷移確率が相対的に大きくなることの両方が必要である。

また、実際の窒化物半導体発光素子に用いる量子井戸構造では、３軸に異方性を持つ歪みが入ることや量子閉じこめ効果が現れるため、上記偏光特性を効果的に得るためには、ＡｌＮモル分率ｘが０．２（２０％）以上であることが好ましく、０．３（３０％）以上であることが更に好ましく、０．５（５０％）以上であることが特に好ましい。

また、ＡｌＮモル分率ｘが大きすぎると、井戸と障壁の間のバンド不連続量を十分取ることができずキャリアの閉じこめが不十分となるため、ＡｌＮモル分率ｘは０．９（９０％）以下であることが好ましく、０．８（８０％）以下であることが更に好ましく、特に好ましくは０．７（７０％）以下である。

［非極性面と半極性面］
図４は、窒化物半導体結晶の非極性面および半極性面について説明するための模式図で、図４（ａ）は、III族窒化物半導体の結晶構造を示す模式図、図４（ｂ）は非極性面であるｍ面｛１−１００｝およびａ面｛１１−２０｝を説明するための模式図、図４（ｃ）は半極性面｛１０−１１｝を説明するための模式図、図４（ｄ）は半極性面｛１０−１２｝を説明するための模式図、そして、図４（ｅ）は半極性面｛１１−２２｝を説明するための模式図である。

図４（ｂ）を参照すると、ｍ面に垂直なｍ軸方向＜１０−１０＞は、ｃ軸方向＜０００１＞に対して角度θ＝９０°をなす。また、ａ面｛１１−２０｝とｃ軸は平行であり、ａ面｛１１−２０｝に垂直なａ軸方向＜１１−２０＞は、ｃ軸方向＜０００１＞に対して９０°をなす。

図４（ｃ）を参照すると、半極性面｛１０−１１｝に垂直な＜１０−１１＞方向は、ｃ軸方向＜０００１＞に対して角度θ＝６２°をなす。

図４（ｄ）を参照すると、半極性面｛１０−１２｝に垂直な＜１０−１２＞方向は、ｃ軸方向＜０００１＞に対して角度θ＝４３°をなす。

さらに、図４（ｅ）を参照すると、半極性面｛１０−２２｝に垂直な＜１０−２２＞方向は、ｃ軸方向＜０００１＞に対して角度θ＝５８°をなす。

［基本素子構造］
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子（ＬＤ）の基本構造を説明するための斜視概念図で、ここに示した例では、ａ面ＧａＮ基板１０上に、ＭＱＷ構成のＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ活性層１６が形成されている。

なお、便宜上、主面がａ面の基板１０をＧａＮ基板とし、この基板１０上に設けられる第１の導電型の半導体層（１２，１４）をｎ型不純物（Ｓｉ）がドープされたＡｌＧａＮ層（ＡｌＧａＮクラッド層１２，ＡｌＧａＮ導波層１４）とし、活性層１６の上に設けられる第２の導電型の半導体層（１８，２０）をｐ型不純物（Ｍｇ）がドープされたＡｌＧａＮ層（ＡｌＧａＮクラッド層１２，ＡｌＧａＮ導波層１４）として説明するが、ａ面基板としては、例えば、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ基板なども用いることができ、第１および第２の導電型の半導体層は他の組成の窒化物半導体層であってもよい。さらに、基板側をｐ側、表面側をｎ側とした積層構造としてもよい。これらの点は、他の実施の形態の説明においても同様である。

この窒化物半導体発光素子は、図５（ａ）に図示したように、主面がａ面のＧａＮの基板１０と、この基板１０上に配置されｎ型不純物をドープされたＡｌＧａＮ層（ＡｌＧａＮクラッド層１２，ＡｌＧａＮ導波層１４）と、ＡｌＧａＮ導波層１４上に配置され、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層を積層させて得られた量子井戸構造を有するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置され、ｐ型不純物をドープされたＡｌＧａＮ層（ＡｌＧａＮ導波層１８，ＡｌＧａＮクラッド層２０）とを備えており、ＡｌＧａＮクラッド層２０上にはＡｌＧａＮコンタクト層２２を介してｐ側電極２６が、基板１０の裏面にはｎ側電極２４が形成されている。

この窒化物半導体発光素子を構成する上記各窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）の結晶成長の主面は、図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示したように、その法線方向（図５の例では［１１−２０］方向である）がｃ軸方向（［０００１］方向）と４０°〜９０°の範囲内の角度（図５の例では９０°である）を成す結晶面である。

そして、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層を積層させて得られた量子井戸構造を有するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６から得られる発光（ｈν）は、図５（ｂ）に示したように、その光の電界成分Ｅが主にｃ軸と平行（Ｅ//ｃ）となる偏光特性を示すものである。

つまり、この窒化物半導体発光素子は、基板上に、第１の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、第１の導電型とは逆の第２の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、基板の主面はａ面であり、活性層は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層を備えており、活性層の結晶成長の主面の法線方向はｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成し、該活性層からの発光は、ｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ//ｃ）が支配的となる偏光特性を有している窒化物半導体発光素子である。

なお、図４（ｄ）に示した例では、半極性面｛１０−１２｝に垂直な＜１０−１２＞方向は、結晶学的にはｃ軸方向＜０００１＞に対して角度θ＝４３°を成すこととなるが、実際に結晶成長させる際には、半極性面｛１０−１２｝に対して±約３°程度のオフ角をもつ面を結晶成長の主面とすることにより、所望の結晶成長速度と表面モフォロジが確保される。

このように、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子においては、当該窒化物半導体発光素子を構成する各窒化物半導体層の結晶成長の主面として、その法線方向がｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成す結晶面が選択される。

このような条件を満足する結晶面（結晶成長主面）には、図４（ｂ）乃至図４（ｅ）を用いて説明したように、非極性面や半極性面が含まれる。

この場合、非極性面には、図４（ｂ）に示したように、ｍ面やａ面が含まれる。

また、上述の半極性面には、図４（ｃ）乃至図４（ｅ）に示したように、{１０−１１}面、{１０−１２}面、或いは{１１−２２}面が含まれる。

さらに、図４（ｂ）及び図４（ｅ）を参照すると明らかなように、ａ面（｛１１−２０｝面）及び｛１１−２２｝面は何れもｍ面（｛１−１００｝面）と直交する結晶面であるから、上述した結晶成長主面としてａ面及び{１１−２２}面の何れの結晶面を選択した場合においても、図５に示したようなストライプ構造からなるレーザ共振器の端面を劈開性が良好なｍ面とすることができ、劈開面としてのｍ面をＬＤの共振器の反射面（鏡面）として用いることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子においては、その主面がａ面である基板１０を用いることとし、当該基板１０の上に成長させる各窒化物半導体層の結晶成長主面を、その法線方向がｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成す結晶面としているので、上記条件を満足する何れの面を結晶成長主面として選択した場合においても、レーザ共振器の端面はｍ面となる。

また、量子井戸構造内での井戸層の面内圧縮歪みを低減させる観点からは、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層を積層させて得られる単一乃至多重の量子井戸構造の発光層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層）において、井戸層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）のＡｌモル分率（ｘ）を２０％以上９０％以下とし、井戸層のＡｌモル分率（ｘ）と障壁層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）のＡｌモル分率（ｙ）とのモル分率比（ｒ＝ｘ／ｙ）を０．７以上とすることが好ましく、このような量子井戸構造の設計により、紫外線発光用の窒化物半導体発光素子（ＬＤ）の閾値電流密度を低減させ、発光効率を向上させることが容易化される。

［詳細素子構造］
図５に示した構造の窒化物半導体発光素子おいては、ＡｌＧａＮコンタクト層２２およびＡｌＧａＮクラッド層２０の一部分をストライプ形状に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）などのエッチング技術を用いて除去し、リッジストライプ構造を形成している。すなわち、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０の一部およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層２２には、横モード制御のため、ドライエッチングにより、ａ軸に沿ってリッジ構造が形成される。このようなリッジストライプ構造を有するＡｌＧａＮコンタクト層２２上には、ｐ側電極２６が配置されて、分離閉じ込め型の構造となっている。

ｐ側電極２６は、ｍ軸に沿うストライプ状の領域に形成され、ストライプ方向に沿って共振器が形成されており、端面はｍ面になっている。ＧａＮ等の窒化物半導体結晶のｍ面は良好な劈開性を示すため、本発明の窒化物半導体発光素子をレーザダイオード（ＬＤ）とする場合、端面における反射ロスを低減し、閾値電流密度を低減させることができるという利点がある。

図５に示したＬＤでは、ｎ型導電性を示す自立a面ＧａＮを基板として用いその裏面にｎ側電極を形成しているが、基板による紫外線の光吸収を回避する目的で、自立ａ面ＡｌＮや自立ａ面ＡｌＧａＮ基板を用いてもよい。なお、これらの基板の主面のオフ角（結晶学的な意味でのａ面からのずれ）は、例えば、±１°以内程度とする。

ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層２２は、ｐ側電極２６とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（例えば、３×１０^１９ｃｍ^−３程度のドーピング濃度）することによって、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層２２を形成することができる。

ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６からの光を閉じ込めるための層である。厚さは、例えば、約１μｍ程度とし、ｎ型ドーパントとしてはＳｉ（ドーピング濃度は、例えば、約１×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ型ドーパントとしてはＭｇ（ドーピング濃度は、例えば、約１×１０^１９ｃｍ^−３）をドープすることによって、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０を形成することができる。

なお、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０は、ＡｌＧａＮ導波層（１４，１８）よりも大きなバンドギャップ・エネルギを有する組成のものとすることにより、良好な光閉じ込めを行うことができる。

ｎ型ＡｌＧａＮ導波層１４およびｐ型ＡｌＧａＮ導波層１８は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるための層である。ｎ型ＡｌＧａＮ導波層１４およびｐ型ＡｌＧａＮ導波層１８の厚さは、例えば、約０．１μｍ程度とし、ｎ型ドーパントとしてはＳｉ（ドーピング濃度は、例えば、約１×１０^１８ｃｍ^−３程度）、ｐ型ドーパントとしてはＭｇ（ドーピング濃度は、例えば、約５×１０^１８ｃｍ^−３程度）をドープすることによって、ｎ型ＡｌＧａＮ導波層１４およびｐ型ＡｌＧａＮ導波層１８を形成することができる。

Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層を複数周期積層して構成される。活性層全体の体積を小さくし閾値電流密度の低減を図るため、井戸数は３以下とする。ここで、上記井戸層は通常３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、上記障壁層は通常５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲で適宜設定されるが、高い光閉じこめ効果を得るためには、上記井戸層は５ｎｍ以上が好ましく、７ｎｍ以上であることが更に好ましい。

ｐ側電極２６とｎ側電極２４との間に順方向バイアス電圧を印加することで、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６に順方向電流が注入されて、この活性層１６内にレーザ共振器が形成される。上述したように、レーザ共振器の端面は、劈開で形成されたｍ面とされ、レーザ共振器の長手方向はリッジストライプ形状に沿って形成される。

このように、ｐ側電極２６とｎ側電極２４との間に設けられたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６内に形成されるレーザ共振器が、ゲイン構造を構成している。また、ＡｌＧａＮクラッド層（１２および２０）は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６内へのキャリア閉込効果を奏している。さらに、ＡｌＧａＮ導波層（１４および１８）は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６内への光閉込効果を奏している。

図５中で示したように、上述の構成の本発明の窒化物半導体発光素子から出射されるレーザ光は、電界ベクトル成分Ｅがｃ軸[０００１]に平行なＥ//ｃの偏光特性を有するＴＥモードの偏波特性を示す。通常、劈開共振器ＬＤではＴＥモードの光が導波されるから、本発明の窒化物半導体発光素子においては、効率的な導波性能が得られることとなり、閾値電流密度を低下させることができる。つまり、本発明の窒化物半導体発光素子では、発光効率の向上と、低閾値電流密度での深紫外線波長レーザ光の発生が可能となる。

［参考例］
図６は、参考例としての窒化物半導体発光素子（ＬＤ）の基本構造を説明するための斜視概念図で、ここに示した例でも、ａ面ＧａＮ基板１００上に、ＭＱＷ構成のＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ活性層１６０が形成されている。なお、このＬＤの発光波長は４０５ｎｍの青紫色である。

図６に示した窒化物半導体発光素子は、ｃ面ＧａＮ基板１００と、ｃ面ＧａＮ基板１００上に配置されｎ型不純物をドープされたＡｌＧａＮクラッド層１２０と、ＡｌＧａＮクラッド層１２０上に配置されｎ型不純物をドープされたＡｌＧａＮ導波層１４０と、ＡｌＧａＮ導波層１４０上に配置されＭＱＷ構成のＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ活性層１６０と、ＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ活性層１６０上に配置されｐ型不純物をドープされたＡｌＧａＮ導波層１８０と、ＡｌＧａＮ導波層１８０上に配置されｐ型不純物をドープされたＡｌＧａＮクラッド層２００と、ＡｌＧａＮクラッド層２００に配置されｐ型不純物をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層２２０と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２０上に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２０とオーミック接触するｐ側電極２６０と、ｐ側電極２６０と対向して設けられｃ面ＧａＮ基板１００とオーミック接触するｎ側電極２４０とを備えている。

なお、このＬＤもリッジストライプ構造を有しており、ｐ側電極２６０とｎ側電極２４０との間に順方向バイアス電圧が印加されて順方向電流が導通することで、ＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ活性層１６０に電流が注入されて、ＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ活性層１６０内にレーザ共振器が形成される。

レーザ共振器の端面は、ｍ面で構成され、レーザ共振器の長手方向はリッジストライプ形状に沿ってｍ軸方向に形成される。このように、ｐ側電極２６０とｎ側電極２４０との間のＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ活性層１６０内に形成されるレーザ共振器がゲイン構造を構成している。

図６中で示したように、上述の構成の本発明の窒化物半導体発光素子から出射されるレーザ光は、電界ベクトル成分Ｅがｃ軸[０００１]に平行なＥ//ｃの偏光特性を有する発光はＴＭモードの偏波特性を示す。上述したように、通常、劈開共振器ＬＤではＴＥモードの光が導波されるから、ＴＭモードの偏波特性を示すＬＤの場合には、それが許容されるバンドまでキャリアを満たさないと発振に至らないこととなる。つまり、図６に示した構成の窒化物半導体発光素子では、閾値電流密度の増加は避けられないこととなる。

［共振器反射面と導波モード］
図７は共振器の反射面（鏡面）と導波モードについて説明するための図で、図７（ａ）はｃ面を共振器反射面（２８ａ，２８ｂ）として用いた場合の導波モードを表す図であり、図７（ｂ）はｍ面を共振器反射面（３０ａ，３０ｂ）として用いた場合の導波モードを表す図である。図７（ａ）に示した反射面とした場合は、図７（ａ）中の実線で示されるように、電界ベクトル成分Ｅがｃ軸に垂直なＥ⊥ｃの偏光特性を有する光がＴＥモードの導波特性を示す。これに対して、図７（ｂ）に示した反射面とした場合には、図７（ｂ）中の実線で示されるように、電界ベクトル成分Ｅがｃ軸に平行なＥ//ｃの偏光特性を有する光がＴＥモードの導波特性を示す。

図７(ｂ)に示したように、共振器反射面（３０ａ，３０ｂ）をｍ面で形成すると、Ｅ//ｃの偏光特性をもつ光は導波路に対してＴＥモードの偏波特性を示すため、効率的な光導波が可能となる。なお、共振器反射面をａ面で形成しても、Ｅ//ｃの偏光特性をもつ光は導波路に対してＴＥモードの偏波特性を示すため、効率的な光導波が可能となる。

そこで、本発明の窒化物半導体発光素子では、非極性面（ａ面、ｍ面）または半極性面成長させた量子井戸構造の活性層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６）を発光層として採用している。そして、Ｅ//ｃの偏光特性をもつ光が導波路に対してＴＥモードの偏波特性を示すことから、効率的な光導波を可能とするために、共振器反射面（３０ａ，３０ｂ）をｍ面あるいはａ面で形成することとしている。

また、図５および図７（ｂ）に示したように、本発明の窒化物半導体発光素子では、分極の生じる方向であるｃ軸が量子井戸面内にあることとなるため、量子井戸の上下の界面に固定電荷が発生せず、内部電界効果を低減することができる。

さらに、ＧａＮ系窒化物半導体結晶はｍ面で劈開され易いため、活性層をａ面成長させてそのｍ面を反射面とした共振器を設けることにより、歩留まりを向上させ得ることとなる。

本発明の窒化物半導体発光素子において閾値電流密度の低減化が図られるのは、これらの理由による。

なお、半極性面とは、図４（ｃ）乃至図４（ｅ）に示したように、ｃ面と非極性面（ａ面、ｍ面）の間に位置することとなる傾斜した結晶面であるが、このような半極性面を成長面とする活性層を利用する場合は、Ｅ//ｃの偏光特性をもつ光が優先的にＴＥモードの偏波特性をもつように、ｃ軸が量子井戸面の法線方向に対してｍ軸又はａ軸方向に傾いた面（例えば、約４０°〜９０°の範囲内で傾いた面）を選択する。具体的には、図４（ｃ）乃至図４（ｅ）に示したように、{１０−１１}面、｛１０−１２｝面、｛１１−２２｝面などである。

［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率］
図８は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の活性層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層）のＡｌＮモル分率（ｘ）について説明するための図で、図８（ａ）はレーザ光の発振波長とＡｌＮモル分率との関係を示す図であり、図８（ｂ）はバンドギャップ・エネルギ（Ｅg）のＡｌＮモル分率依存性を示す図である。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶のバンドギャップ・エネルギのＡｌＮモル分率依存性（Ｅg(ｘ)）は、次式で表すことができる（非特許文献８を参照）。Ｅｇ（ｘ）＝６．０４ｘ＋３．４１２（１−ｘ）−０．８２ｘ（１−ｘ）（式１）。波長３００ｎｍで発光させる場合は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率ｘを０．３、波長２８５ｎｍで発光させる場合はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率ｘを０．４、波長２７０ｎｍで発光させる場合はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率ｘを０．５とする。

［Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率］
これに対して、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率ｙは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層への過大な圧縮歪みを回避するべく、以下の手順で設計する。

図９は、無歪みＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層の上に積層したＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層に発生する、ｃ軸方向の歪みε_ｚｚ(％)の、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率（ｙ）依存性を示す。なお、これらの結果は、図２で示した結果を基に導き出したものである。また、図８中において、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率（ｘ）とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率（ｙ）とを結ぶ破線（ｘ＝ｙ＝０．１、０．２、０．３、０．４、および０．５）と交差する直線は、価電子帯頂上のバンドオーダリングが入れ替わる境界を表している（境界ライン）。

図８中において、境界ラインの上部はΓ_９ｖ、Γ^ｕ _７ｖ、Γ^ｌ _７ｖの領域であり、下部はΓ^ｕ _７ｖ、Γ_９ｖ、Γ^ｌ _７ｖの領域となる。例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率がｘ＝０．４のとき、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率がｙ＞０．５５となると、面内に生じる圧縮歪みによって、バンドオーダリングは、Γ^ｕ _７ｖ、Γ_９ｖ、Γ^ｌ _７ｖからΓ_９ｖ、Γ^ｕ _７ｖ、Γ^ｌ _７ｖへと入れ替わることとなる。

このような条件下では、発光の電界成分Ｅはｍ軸に平行な偏光方向となり、本発明の窒化物半導体発光素子において求められるＥ//ｃの偏光特性の発光は得られなくなってしまう。

以上の理由から、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率ｘを０．３、０．４、０．５とする場合は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率ｙは０．３９、０．５５、０．７１以下とする。この場合、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率（ｘ）とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率（ｙ）との比（ｒ＝ｘ／ｙ）はそれぞれ、０．７７以上（ｘ＝０．３の場合）、０．７３以上（ｘ＝０．４の場合）、０．７０以上（ｘ＝０．５の場合）となり、何れの場合もｒ値は０．７以上である。なお、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層のＡｌＮモル分率ｘが上記以外の場合にも、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率比（ｒ＝ｘ／ｙ）は０．７以上が好ましいことを確認済みである。

［電極］
本実施の形態において用いられる電極は、ｎ側電極２４は、例えば、Ｔｉ/Ａｌ合金からなり、ｐ側電極２６は、例えば、Ａｌ金属、Ｐｄ/Ａｕ合金からなる。当然のことであるが、これらの電極はそれぞれ、ｎ型ＧａＮ基板１０およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層２２にオーミック接触される。

［ＭＱＷの井戸数］
図１０は、ＧａＮ/ＩｎＧａＮ青紫ＬＤの一構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、ＭＱＷ活性層への不均一な正孔分布を説明するための図である（非特許文献９を参照）。また、図１１は、ＧａＮ/ＩｎＧａＮ青紫ＬＤの別の構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、ＭＱＷ活性層への不均一な正孔分布を説明する図である（非特許文献１０を参照）。さらに、図１２は、ＧａＮ/ＩｎＧａＮ青紫ＬＤにおける閾値電流密度Ｊ（ｋＡ/ｃｍ^２）とＩｎＧａＮ井戸数の関係を示す図である（非特許文献１１を参照）。

図１０及び図１１に示されているように、ＭＱＷ活性層の各井戸へ注入される正孔密度は不均一であることがわかる。ＭＱＷの周期数を増加すると最上層の量子井戸の結晶性は向上するが、下部の井戸は正孔が十分に注入されないため、自己吸収層として働いてしまう。また、図１２に示されているように、ＭＱＷの周期数が２のときに、閾値電流密度が最も小さくなる。

本発明の窒化物半導体発光素子においても、ＭＱＷの周期数には最適な数が存在する。本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子における活性層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６）のＭＱＷの周期数の最適な数は、３以下である。なお、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６のＭＱＷの周期数を増加しても最上層の量子井戸の結晶性は向上するが、下部の井戸には正孔が十分に注入されない結果となり、むしろ自己吸収層として働いてしまう。このような理由により、ＭＱＷの周期数の最適な数は３以下となる。

［結晶成長用装置：ＭＯＣＶＤ装置］
図１３は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に使用されるＭＯＶＰＥ装置の構造例を説明するための概念図である。このＭＯＶＰＥ装置は、反応槽６０内にサセプタ５６と、サセプタ５６上に配置された基板５２を備え、反応槽６０の外部には、加熱機構５０を備えている。なお、加熱機構５０は、ヒータ、赤外線（ＩＲ）ランプ、高周波誘導などで構成することができる。このような加熱機構５０により過熱されるサセプタ５６の温度は、例えば、約１０５０℃以上である。

また、反応槽６０の外部の入力側には、水素（または窒素またはこれらの両方）をキャリアガスとして供給するためのキャリアガス供給槽４０と、当該キャリアガス供給槽４０に連結されるアルミニウム（Ａｌ）供給槽４２、ガリウム（Ｇａ）供給槽４４、インジウム（Ｉｎ）供給槽４５、マグネシウム（Ｍｇ）供給槽４７、および、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）供給槽４６が設けられるとともに、キャリアガス供給槽４０とは独立して反応槽６０に連結されるアンモニア（ＮＨ₃）ガスボンベ４８とシリコン（Ｓｉ）供給用ガスボンベ４９が設けられている。また、反応槽６０の外部の出力側には、排気口５４が連結される。

なお、図１３の構成例においては、反応槽６０への原料供給ガスラインにおいて、アンモニア、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、およびIII族元素の供給ラインが分離して設けられているが、このような構成に限定されるものではない。

アルミニウム（Ａｌ）供給槽４２から供給されるＡｌ源は、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、或いはトリイソブチルアルミニウム(ＴＩＢＡｌ)などである。

ガリウム（Ｇａ）供給槽４４から供給されるＧａ源は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、或いはトリプロピルガリウム(ＴＰＧ)などである。

インジウム（Ｉｎ）供給槽４５から供給されるＩｎ源は、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）やトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）などである。

マグネシウム（Ｍｇ）供給槽４７から供給されるＭｇ源は、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）やビスエチルシスロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ_２Ｍｇ）などである。

さらに、シリコン（Ｓｉ）供給用ガスボンベから供給されるＳｉ源は、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）やモノメチルシラン（ＣＨ_３ＳｉＨ_３）などであり、原料ガスは、水素ガス乃至窒素ガスで１〜１００，０００ｐｐｍに希釈される。

活性層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層）を結晶成長させる際の基板温度（サセプタ温度）は、例えば、約１０５０℃以上であり、１０５０℃〜１３００℃、望ましくは、約１２６０℃〜１２７０℃である。場合によっては、１４００℃以上であっても良い。

また、活性層の結晶成長時の反応槽６０内圧力は、例えば、約０．０２気圧〜０．３気圧（ａｔｍ）程度であり、望ましくは約０．１気圧程度である。

［結晶成長用装置：ＭＢＥ装置］
図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に使用されるＭＢＥ装置の構造例を説明するための概念図で、このＭＢＥ装置は、反応槽内に基板ヒータ７４，基板ホルダ７２および基板５２を備えている。

反応槽の内壁部は、液体窒素シュラウド７６で形成され、反応槽の外部には、電子ビーム源７０、Ｇａセル６２、Ａｌセル６４、Ｉｎセル６７、Ｓｉセル６５、Ｍｇセル６３、アンモニア（ＮＨ_３）または窒素（Ｎ_２）ガスボンベ４８に連結されたアンモニア（ＮＨ_３）セルまたはＲＦプラズマソース６６、および、成長時の表面形態を観察するためのＲＨＥＥＤスクリーン６８が配置されている。

なお、基板５２に対し、電子ビーム源７０から電子ビーム７０ａが照射され、回折された電子ビーム７０ｂは、ＲＨＥＥＤスクリーン６８に導かれる。また、反応槽の外部の出力側には、排気バルブ７８を介して排気口５４が連結される。

［製造方法］
図５に示した構造の窒化物半導体発光素子を製造するためのプロセスは、主面がａ面の基板１０の上に第１の導電型（ｎ型）を有する第１の半導体層（ＡｌＧａＮクラッド層１２およびＡｌＧａＮ導波層１４）を結晶成長させる工程と、この第１の半導体層上にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層１６を結晶成長させる工程と、該活性層上に前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層（ＡｌＧａＮ導波層１８およびＡｌＧａＮクラッド層２０）を結晶成長させる工程とを備えており、かつ、量子井戸構造を有する活性層１６は、その結晶成長の主面の法線方向がｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成すように実行される。

なお、この結晶成長プロセスが、ＡｌＧａＮクラッド層２０上にｐ型不純物をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層２２を形成する工程と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上にオーミック接触するｐ側電極２６を形成する工程と、ｐ側電極２６と対向してａ面ＧａＮ基板１０上にオーミック接触するｎ側電極２４を形成する工程も備えていることはいうまでもない。また、この窒化物半導体発光素子がＬＤである場合には、ｍ面を反射面とする共振器を形成する工程がさらに実行されることとなる。この場合、共振器の反射面をｍ面に沿う劈開により得ることが好ましい点については、既に説明したとおりである。

［製造方法の具体例：ＭＯＶＰＥ法の場合］
図５および図１３を参照して、ＭＯＶＰＥ法の場合の製造プロセス例を具体的に説明する。

先ず、基板５２をサセプタ５６に保持させる。この状態で、反応槽６０内に、キャリアガスおよび窒素原料ガス（アンモニアガスまたはジメチルヒドラジン）を供給する。キャリアガスには水素もしくは窒素またはこれらの両方を用いる。さらに加熱機構５０により基板５２を昇温させる。ただし、ＳｉＣ基板のような表面の窒化を避ける必要がある基板を用いる場合には、窒素原料ガスを供給せずに昇温する。

基板５２の温度が、例えば約１０５０℃以上に達するまで待機した後、アルミニウム原料、ガリウム原料、窒素原料ガス、及びシリコン原料を反応槽６０内に供給し、基板５２の表面に、ドナーであるシリコンが添加されたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２およびｎ型ＡｌＧａＮ導波層１４を成長させる。

続いて、活性層１６（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層）の成長を行う。この工程では、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層の成長時で、アルミニウム原料とガリウム原料の供給流量比を変化させる。これを例えば３回に渡って繰り返す。なお、この工程は、シリコン原料の供給を停止して実行してもよい。

さらに、マグネシウム原料を反応槽６０内に供給し、マグネシウムが添加されたｐ型ＡｌＧａＮ導波層１８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０、及びｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層２２を成長させる。

これらの結晶成長の後、ＡｌＧａＮコンタクト層２２およびＡｌＧａＮクラッド層２０の一部分を、ＲＩＥや収束イオンビーム（ＦＩＢ: Focused Ion Beam）などのエッチング技術を用いてストライプ形状に加工し、例えば、ｍ軸に沿ったリッジストライプ構造を形成する。

次いで、リッジストライプ構造を有するＡｌＧａＮコンタクト層２２上へ、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、例えば、Ａｕ/Ｎｉ金属、或いはＰｔ/Ａｕ/Ｐｄ金属などを積層させたｐ側電極２６を設け、分離閉じ込め型の構造を形成する。同様に、基板１０の裏面に、例えば、Ｔｉ/Ａｌ金属などを積層させたてｎ側電極２４を形成する。

最後に、上述のストライプ方向に沿って共振器を形成する。この時、端面はｍ面とする。以上のプロセスにより、紫外線発光する窒化物半導体レーザダイオードが得られる。

［製造方法の具体例：ＭＢＥ法の場合］
図５および図１４を参照して、ＭＢＥ法の場合の製造プロセス例を具体的に説明する。

アルミニウム原料、ガリウム原料、インジウム原料、シリコン原料、マグネシウム原料は、クヌーセンセルの坩堝内に配置し、ヒータ加熱によって蒸発させ原子ビームとして供給する。シリコン原料に関しては、電子線や通電加熱により蒸発させ供給してもよい。また、これらの原料の代替として、ＭＯＶＰＥ法に関連して説明した有機金属原料を用いてもよい。

先ず、基板５２を基板ホルダ７２に保持させる。超高真空中での熱伝導性をよくするため、基板５２裏面に熱伝導のよい金属等を蒸着してもよい。この状態で、基板５２へ窒素原料ガス（例えばアンモニアガスや窒素プラズマソース）を供給する。加熱機構（基板ヒータ７４）により基板５２を昇温させる。ただし、ＳｉＣ基板のような表面の窒化を避ける必要がある基板を用いる場合には、窒素原料ガスを供給せずに昇温する。

基板５２の温度が、例えば８００〜１０００℃以上に達するまで待機した後、アルミニウム原料、ガリウム原料、窒素原料ガス、及びシリコン原料を基板５２へ供給し、基板表面に、シリコンが添加されたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２およびｎ型ＡｌＧａＮ導波層１４を成長させる。なお、成長時の表面形態は、ＲＨＥＥＤ像により観察する。

次いで、マグネシウム原料を基板５２へと供給し、マグネシウムが添加されたｐ型ＡｌＧａＮ導波層１８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０、及びｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層２２を成長させる。

なお、ＡｌＧａＮ系ＬＤの効率改善のためには、転位を縦方向に伝播させない横方向成長技術（ＬＯＧ：Lateral Overgrowth）やＡｌＧａＮ成長の初期に界面で転位の発生しにくいＡｌＮ基板等を用いるなどの手法を採用することにより、成長させる結晶中への転位・欠陥導入を抑制することが極めて有効である。従って、上述した本発明のプロセスをこのような手法と組み合わせることが好ましいことは言うまでもない。

本発明の窒化物半導体発光素子によれば、転位・欠陥低減化と並行して進めるべき、効率的な光導波を実現でき、分極による内部電場効果を低減でき、非極性面（ａ面、ｍ面）または半極性面成長を行ったＡｌＧａＮ混晶や、その量子井戸を活性層に用いたＬＤの構造により、低閾値電流密度化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子および製造方法によれば、波長３００ｎｍ以下の紫外光を発光させるために、結晶成長面をｃ軸（極性面）から約４０°〜９０°程度に傾斜させて分極による内部電界効果を低減させることができる。

また、発光層としてＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層（ＭＱＷ構造）を用い、井戸層のＡｌモル分率（ｘ）を、２０％以上９０％以下とし、さらに井戸層のＡｌモル分率（ｘ）と障壁層のＡｌモル分率（ｙ）とのモル分率比（ｒ＝ｘ／ｙ）を０．７以上とすることにより、井戸層の面内圧縮歪みを低減させることができる。

このように、本発明により、紫外線発光用の窒化物半導体発光素子の閾値電流密度の低減と、発光効率の向上が可能となる。

［第２の実施の形態]
図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、ａ面基板１０（ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ基板等の導電性基板）と、ａ面基板１０上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮ層１３と、ＡｌＧａＮ層１３上に配置されたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮ層１７と、ＡｌＧａＮ層１７上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層２２と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上に配置され該ＡｌＧａＮコンタクト層２２とオーミック接触するｐ側電極２６と、ｐ側電極２６と対向してａ面基板１０上に配置されａ面基板１０とオーミック接触するｎ側電極２４とを備えている。

なお、この態様の窒化物半導体発光素子においても、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６は、そのｃ軸が結晶成長の主面の法線方向から４０°〜９０°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、かつ、この活性層から発光する光の電界成分Ｅが主にｃ軸と平行（Ｅ//ｃ）なる偏光特性を示す。

また、本態様の窒化物半導体発光素子においても、上述の結晶成長主面には、非極性面や半極性面が含まれる。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

また、上述の半極性面には、{１０−１１}面、{１０−１２}面、或いは{１１−２２}面が含まれる。

さらに、ａ面（｛１１−２０｝面）及び｛１１−２２｝面は何れもｍ面（｛１−１００｝面）と直交する結晶面であるから、上述した結晶成長主面としてａ面及び{１１−２２}面の何れの結晶面を選択した場合においても、レーザ共振器の端面を劈開性が良好なｍ面とすることができ、劈開面としてのｍ面をＬＤの共振器の反射面として用いることが可能となる。

また、第１の実施の態様において説明したのと同様に、量子井戸構造内での井戸層の面内圧縮歪みを低減させる観点からは、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層を積層させて得られる単一乃至多重の量子井戸構造の発光層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層）において、井戸層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）のＡｌモル分率（ｘ）を２０％以上９０％以下とし、井戸層のＡｌモル分率（ｘ）と障壁層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）のＡｌモル分率（ｙ）とのモル分率比（ｒ＝ｘ／ｙ）を０．７以上とすることが好ましく、このような量子井戸構造の設計により、紫外線発光用の窒化物半導体発光素子（ＬＤ）の閾値電流密度を低減させ、発光効率を向上させることが容易化される。

この態様の窒化物半導体発光素子は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層の結晶成長面を非極性面とし、この活性層１６のストライプ方向の劈開面をｍ面とすることによって、水平横モードの光については利得・偏光導波の利用が可能となる。また、垂直横モードの光については、相対的に厚いＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６を用いる（例えば、ＭＱＷの井戸数を３以下として、全体の厚さを約３０ｎｍ程度とする）ことによって、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６内への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。

このような理由により、本態様の窒化物半導体発光素子では、クラッド層、リッジストライプ構造、および導波層が基本的には不要となり、第１の実施の形態の窒化物半導体発光素子に比較して簡単な構成のものとすることができる。

［第３の実施の形態]
図１６は、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、ａ面基板１０（ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等の絶縁性基板）と、ａ面基板１０上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層１１と、ＡｌＧａＮコンタクト層１１上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮ層１３と、ＡｌＧａＮ層１３上に配置されたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮ層１７と、ＡｌＧａＮ層１７上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層２２と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２とオーミック接触するｐ側電極２６と、ａ面基板１０面に対してｐ側電極２６と同一表面側に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２の表面からエッチングにより露出されたＡｌＧａＮコンタクト層１１上に配置されてＡｌＧａＮコンタクト層１１とオーミック接触するｎ側電極２４とを備えている。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

しかも、ｐ側電極２６およびｎ側電極２４を同一表面側から取り出すことができ、実装も容易となる。

［第４の実施の形態]
図１７は、本発明の第４の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、ａ面基板１０（ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等の導電性基板）と、ａ面基板１０上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１４と、ＡｌＧａＮ導波層１４上に配置されたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１８と、ＡｌＧａＮ導波層１８上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層２２と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上に配置され該ＡｌＧａＮコンタクト層２２とオーミック接触するｐ側電極２６と、ｐ側電極２６と対向してａ面基板１０上配置され該ａ面基板１０とオーミック接触するｎ側電極２４とを備えている。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

この態様の窒化物半導体発光素子は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層の結晶成長面を非極性面とし、この活性層１６のストライプ方向の劈開面をｍ面とすることによって、水平横モードの光については利得・偏光導波の利用が可能となる。また、垂直横モードの光については、ｎ型ＡｌＧａＮ導波層１４およびｐ型ＡｌＧａＮ導波層１８に挟まれ、相対的に厚いＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６を用いる（例えば、ＭＱＷの井戸数を３以下として、全体の厚さを約３０ｎｍ程度とする）ことによって、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６内への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。

このような理由により、本態様の窒化物半導体発光素子では、クラッド層、および、リッジストライプ構造が不要となり、第１の実施の形態の窒化物半導体発光素子に比較して簡単な構成のものとすることができる。

［第５の実施の形態]
図１８は、本発明の第５の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、ａ面基板１０（ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等の絶縁性基板）と、ａ面基板１０上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層１１と、ＡｌＧａＮコンタクト層１１上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１４と、ＡｌＧａＮ導波層１４上に配置されたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１８と、ＡｌＧａＮ導波層１８上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層２２と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２とオーミック接触するｐ側電極２６と、ａ面基板１０面に対してｐ側電極２６と同一表面側に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２の表面からエッチングにより露出されたＡｌＧａＮコンタクト層１１上に配置されてＡｌＧａＮコンタクト層１１とオーミック接触するｎ側電極２４とを備えている。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

［第６の実施の形態]
図１９は、本発明の第６の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、ａ面基板１０（ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等の導電性基板）と、ａ面基板１０上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮクラッド層１２と、ＡｌＧａＮクラッド層１２上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１４と、ＡｌＧａＮ導波層１４上に配置されたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１８と、ＡｌＧａＮ導波層１８上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮクラッド層２０と、ＡｌＧａＮクラッド層２０上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層２２と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上に配置され該ＡｌＧａＮコンタクト層２２とオーミック接触するｐ側電極２６と、ｐ側電極２６と対向してａ面基板１０上配置され該ａ面基板１０とオーミック接触するｎ側電極２４とを備えている。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

このような理由により、本態様の窒化物半導体発光素子では、リッジストライプ構造が不要となり、第１の実施の形態の窒化物半導体発光素子に比較して簡単な構成のものとすることができる。

［第７の実施の形態]
図２０は、本発明の第７の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、ａ面基板１０（ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等の絶縁性基板）と、ａ面基板１０上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層１１と、ＡｌＧａＮコンタクト層１１上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮクラッド層１２と、ＡｌＧａＮクラッド層１２上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１４と、ＡｌＧａＮ導波層１４上に配置されたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１８と、ＡｌＧａＮ導波層１８上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮクラッド層２０と、ＡｌＧａＮクラッド層２０上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層２２と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２とオーミック接触するｐ側電極２６と、ａ面基板１０面に対してｐ側電極２６と同一表面側に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２の表面からエッチングにより露出されたＡｌＧａＮコンタクト層１１上に配置されてＡｌＧａＮコンタクト層１１とオーミック接触するｎ側電極２４とを備えている。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

［第８の実施の形態]
図２１は、本発明の第８の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、ａ面基板１０（ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等の導電性基板）と、ａ面基板１０上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮクラッド層１２と、ＡｌＧａＮクラッド層１２上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１４と、ＡｌＧａＮ導波層１４上に配置されたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１８と、ＡｌＧａＮ導波層１８上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮクラッド層２０と、ＡｌＧａＮクラッド層２０上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたリッジストライプ構造を有するＡｌＧａＮコンタクト層２２と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上に配置され該ＡｌＧａＮコンタクト層２２とオーミック接触するｐ側電極２６と、ｐ側電極２６と対向してａ面基板１０上配置され該ａ面基板１０とオーミック接触するｎ側電極２４とを備えている。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

［第９の実施の形態]
図２２は、本発明の第９の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。この窒化物半導体発光素子は、ａ面基板１０（ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等の絶縁性基板）と、ａ面基板１０上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮコンタクト層１１と、ＡｌＧａＮコンタクト層１１上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮクラッド層１２と、ＡｌＧａＮクラッド層１２上に配置されｎ型不純物（Ｓｉ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１４と、ＡｌＧａＮ導波層１４上に配置されたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層１６と、この活性層１６上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮ導波層１８と、ＡｌＧａＮ導波層１８上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたＡｌＧａＮクラッド層２０と、ＡｌＧａＮクラッド層２０上に配置されｐ型不純物（Ｍｇ）をドープされたリッジストライプ構造を有するＡｌＧａＮコンタクト層２２と、ＡｌＧａＮコンタクト層２２上に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２とオーミック接触するｐ側電極２６と、ａ面基板１０面に対してｐ側電極２６と同一表面側に配置されＡｌＧａＮコンタクト層２２の表面からエッチングにより露出されたＡｌＧａＮコンタクト層１１上に配置されてＡｌＧａＮコンタクト層１１とオーミック接触するｎ側電極２４とを備えている。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

［第１０の実施の形態]
本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層を積層させた量子井戸構造の活性層（Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ活性層）を備えている。なお、ＡｌＩｎＮ混晶の組成を表現するに際しても、ＡｌＧａＮ混晶で用いたものと同様のパラメータ（ｘ、ｙ）を用いることとするが、これは便宜上のものであって、相互の関連はない。

図２３は、本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の活性層（Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ井戸層）のＩｎＮモル分率（ｘ）について説明するための図で、図２３（ａ）はレーザ光の発振波長とＩｎＮモル分率との関係を示す図であり、図２３（ｂ）はバンドギャップ・エネルギ（Ｅg）のＩｎＮモル分率依存性を示す図である。

また、図２４は、上述のＡｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ活性層を備えた本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子におけるバンドギャップ・エネルギとａ軸の格子定数の関係、および発光波長とａ軸の格子定数の関係を示す図である。

本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、第１乃至９の実施の形態のものにおけるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性層を上述のＡｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ活性層とした以外は、同様の構造および製造プロセスとすることができる。なお、活性層の上下に設けられる第１および第２の導電型の半導体層はＡｌＩｎＮ混晶である必要はなく、他の組成の窒化物半導体層であってもよい。また、基板側をｎ型、表面側をｐ側とした積層構造である必要もなく、基板側をｐ側、表面側をｎ側とした積層構造としてもよい。さらに、基板としては、ＧａＮ基板の他、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等を用いることができる。

つまり、本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、基板上に、第１の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、第１の導電型とは逆の第２の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、基板の主面はａ面であり、活性層は、Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層を備えており、活性層の結晶成長の主面の法線方向はｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成し、該活性層からの発光は、ｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ//ｃ）が支配的となる偏光特性を有している。

図２３に示したように、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ混晶のバンドギャップ・エネルギのＩｎＮモル分率依存性（Ｅg(ｘ)）は、次式で表すことができる（非特許文献１２を参照）。Ｅｇ（ｘ）＝０．６５ｘ＋６．０４（１−ｘ）−３．１ｘ（１−ｘ）（式２）。ここで、井戸層の面内圧縮歪みの低減と波長３００ｎｍ以下の波長の紫外光の発光とを同時に満足させるためには、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ井戸層のＩｎＮモル分率ｘを０．０５以下（５％以下）とすることが好ましい。

なお、この態様の窒化物半導体発光素子においても、Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ活性層１６は、そのｃ軸が結晶成長の主面の法線方向から４０°〜９０°の範囲内で傾いた面を結晶成長の主面とし、かつ、この活性層から発光する光の電界成分Ｅが主にｃ軸と平行（Ｅ//ｃ）なる偏光特性を示す。

この場合、非極性面には、ｍ面やａ面が含まれる。

この態様の窒化物半導体発光素子においても、Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ活性層の結晶成長面を非極性面とし、この活性層１６のストライプ方向の劈開面をｍ面とすることによって、水平横モードの光については利得・偏光導波の利用が可能となる。また、垂直横モードの光については、相対的に厚いＡｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ活性層１６を用いる（例えば、ＭＱＷの井戸数を３以下として、全体の厚さを約３０ｎｍ程度とする）ことによって、Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ活性層１６内への光閉じ込め効果による導波の利用が可能となる。

本実施態様の窒化物半導体発光素子においても、活性層の結晶成長面をｃ軸（極性面）から約４０°〜９０°程度に傾斜させることで分極による内部電界効果を低減させ、井戸層のＩｎＮモル分率を５％以下とすることによって井戸層の面内圧縮歪みを低減させることにより、活性層から発光する光の電界ベクトルＥとｃ軸を平行ならしめて効率的な光導波を実現する。これにより、窒化物半導体発光素子（ＬＤ）の閾値電流密度を低減させ、発光効率を向上させることができる。

［その他の実施の形態]
以上、実施の態様により本発明の窒化物半導体発光素子およびその製造方法について説明したが、活性層は、ＡｌＧａＮ混晶やＡｌＩｎＮ混晶のほかに、４元系のＡｌＧａＩｎＮ混晶とすることもできる。活性層を４元系のＡｌＧａＩｎＮ混晶としても、上述したものと同様の構造および製造プロセスとすることができる。

この場合の窒化物半導体発光素子は、基板上に、第１の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、第１の導電型とは逆の第２の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、基板の主面はａ面であり、活性層は、Ａｌ_ｙ（Ｇａ_βＩｎ_１−β）_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、０≦β≦１）の組成の障壁層とＡｌ_ｘ（Ｇａ_αＩｎ_１−α）_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１、０≦α≦１）の組成の井戸層を備えており、活性層の結晶成長の主面の法線方向はｃ軸方向と４０°〜９０°の範囲内の角度を成し、該活性層からの発光は、ｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ//ｃ）が支配的となる偏光特性を有している。なお、ここでも、組成を表現するためのパラメータとして、ＡｌＧａＮ混晶およびＡｌＩｎＮ混晶で用いたものと同様のパラメータ（ｘ、ｙ）を用いているが、これは便宜上のものであって、相互の関連はない。

そして、かかる４元系のＡｌＧａＩｎＮ混晶の活性層を備えた窒化物半導体発光素子においても、活性層の上下に設けられる第１および第２の導電型の半導体層はＡｌＧａＩｎＮ混晶である必要はなく、他の組成の窒化物半導体層であってもよい。また、基板側をｎ型、表面側をｐ側とした積層構造である必要もなく、基板側をｐ側、表面側をｎ側とした積層構造としてもよい。さらに、基板としては、ＧａＮ基板の他、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、或いはＳｉＣ等を用いることができる。

以上、本発明を実施形態により説明したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。例えば、本発明のさらなる応用として、活性層をＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ混晶、ＣｄＺｎＯ混晶、ＺｎＯＳ混晶、ＺｎＯＳｅ混晶とする半導体発光素子を提供することもできると考えられる。

本発明の実施の形態においては、主として半導体レーザダイオードについて説明したが、発光ダイオードにも適用できることは明らかであり、本発明は記載されてはいない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明に係る窒化物半導体発光素子およびその製造方法によれば、窒化物半導体発光素子の低閾値電流密度化を実現することができることから、殺菌・浄水、医療機器、生化学産業、半導体リソグラフィなどの幅広い分野で必須とされる光源が提供される。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に用いられる窒化物結晶であるＧａＮおよびＡｌＮのバンド構造を説明するための図（バンドダイヤグラム）であり、図１（ａ）はＧａＮのΓ点におけるバンドダイヤグラム、図１（ｂ）はＡｌＮのΓ点におけるバンドダイヤグラムである。本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造に用いられるＡｌＧａＮ混晶（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）の特性をシミュレーションにより求めた結果を説明するための図で、図２（ａ）は無歪みＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶の価電子帯頂上のバンドオーダリングのＡｌＮモル分率ｘ依存性を示す図であり、図２（ｂ）は無歪みＧａＮ基板上で面内に伸張歪みを受けたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶のｃ軸方向の歪みε_zz(％)のＡｌＮモル分率ｘ依存性を示す図である。実際のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ混晶におけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルの偏光特性のＡｌＮモル分率ｘ依存性を示す実験データで、図３（ａ）はバンド端に近い波長領域の偏光依存ＣＬスペクトルのＡｌＮモル分率ｘ依存性を纏めたもの、図３（ｂ）は得られたスペクトルの積分強度を基に偏光比（ρ＝Ｉ_⊥−Ｉ_///Ｉ_⊥−Ｉ_//）を求めたものである。窒化物半導体結晶の非極性面および半極性面について説明するための模式図で、図４（ａ）は、III族窒化物半導体の結晶構造を示す模式図、図４（ｂ）は非極性面であるｍ面｛１−１００｝およびａ面｛１１−２０｝を説明するための模式図、図４（ｃ）は半極性面｛１０−１１｝を説明するための模式図、図４（ｄ）は半極性面｛１０−１２｝を説明するための模式図、そして、図４（ｅ）は半極性面｛１１−２２｝を説明するための模式図である。本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子（ＬＤ）の基本構造を説明するための斜視概念図である。参考例としての窒化物半導体発光素子（ＬＤ）の基本構造を説明するための斜視概念図である。共振器の反射面（鏡面）と導波モードについて説明するための図で、図７（ａ）はｃ面を共振器反射面として用いた場合の導波モードを表す図であり、図７（ｂ）はｍ面を共振器反射面として用いた場合の導波モードを表す図である。本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の活性層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層）のＡｌＮモル分率（ｘ）について説明するための図で、図８（ａ）はレーザ光の発振波長とＡｌＮモル分率との関係を示す図であり、図８（ｂ）はバンドギャップ・エネルギ（Ｅg）のＡｌＮモル分率依存性を示す図である。無歪みＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層の上に積層したＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層に発生する、ｃ軸方向の歪みε_ｚｚ(％)の、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ障壁層のＡｌＮモル分率（ｙ）依存性を示す図である。ＧａＮ/ＩｎＧａＮ青紫ＬＤの一構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、ＭＱＷ活性層への不均一な正孔分布を説明するための図である。ＧａＮ/ＩｎＧａＮ青紫ＬＤの別の構造を例とする正孔密度と距離の関係を示す図であって、ＭＱＷ活性層への不均一な正孔分布を説明する図である。ＧａＮ/ＩｎＧａＮ青紫ＬＤにおける閾値電流密度Ｊ（ｋＡ/ｃｍ^２）とＩｎＧａＮ井戸数の関係を示す図である。ＭＯＶＰＥ装置の構造例を説明するための概念図である。ＭＢＥ装置の構造例を説明するための概念図である。本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。本発明の第３の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。本発明の第４の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。本発明の第５の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。本発明の第６の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。本発明の第７の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。本発明の第８の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。本発明の第９の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための断面概略図である。本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の活性層（Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ井戸層）のＩｎＮモル分率（ｘ）について説明するための図で、図２３（ａ）はレーザ光の発振波長とＩｎＮモル分率との関係を示す図であり、図２３（ｂ）はバンドギャップ・エネルギ（Ｅg）のＩｎＮモル分率依存性を示す図である。Ａｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ活性層を備えた本発明の第１０の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子におけるバンドギャップ・エネルギとａ軸の格子定数の関係、および発光波長とａ軸の格子定数の関係を示す図である。

符号の説明

１０，５２基板
１１，２２コンタクト層
１２，２０クラッド層
１３，１７ＡｌＧａＮ層
１４，１８導波層
１６活性層
２４ｎ側電極
２６ｐ側電極
２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂ共振反射面
４０水素キャリアガス槽
４２Ａｌ供給槽
４４Ｇａ供給槽
４５Ｉｎ供給槽
４６ＤＭＨｙ供給槽
４７Ｍｇ供給槽
４８ＮＨ_３またはＮ_２ガスボンベ
４９Ｓｉ供給用ガスボンベ
５０加熱機構
５４排気口
５６サセプタ
６０反応槽
６２Ｇａセル
６３Ｍｇセル
６４Ａｌセル
６５Ｓｉセル
６６ＮＨ_３セルまたはＲＦプラズマソース
６７Ｉｎセル
６８ＲＨＥＥＤスクリーン
７０電子ビーム源
７０ａ，７０ｂ電子ビーム
７２基板ホルダ
７４基板ヒータ
７６液体窒素シュラウド
７８排気バルブ

Claims

ＧａＮ基板上に、第１の導電型の半導体層と、量子井戸構造を有する活性層と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の半導体層とが順次積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記ＧａＮ基板の主面はａ面であり、
前記活性層は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層を備えており、
前記活性層の結晶成長の主面が非極性面のａ面であり、
前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ井戸層のＡｌＮモル分率（ｘ）は５８％以上９０％以下で、該井戸層のＡｌＮモル分率（ｘ）と前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ障壁層のＡｌＮモル分率（ｙ）との比（ｒ＝ｘ／ｙ）は０．７以上であり、
該活性層からの発光は、ｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ//ｃ）が支配的となる偏光特性を有し、
ｍ面を反射面とする共振器を備えていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
前記ｍ面は劈開面である請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第１の導電型の半導体層及び前記第２の導電型の半導体層の少なくとも一方はＡｌＧａＮ混晶の窒化物半導体層である請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項１乃至３の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
活性層からの発光がｃ軸と平行な電界成分Ｅ（Ｅ／／ｃ）が支配的となる偏光特性を有する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
主面がａ面のＧａＮ基板上に第１の導電型を有する第１の半導体層を結晶成長させる工程Ａと、
該第１の半導体層上に、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）の組成の障壁層とＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１、ｘ＜ｙ）の組成の井戸層からなる量子井戸構造を有する活性層を結晶成長させる工程Ｂと、
該活性層上に、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層を結晶成長させる工程Ｃと、
ｍ面を反射面とする共振器を形成する工程Ｊを備え、
前記工程Ｂは、前記活性層の結晶成長の主面が非極性面のａ面となるように実行され、かつ、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ井戸層のＡｌＮモル分率（ｘ）が５８％以上９０％以下で、該井戸層のＡｌＮモル分率（ｘ）と前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ障壁層のＡｌＮモル分率（ｙ）との比（ｒ＝ｘ／ｙ）が０．７以上となるように実行されることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記共振器の反射面を前記ｍ面に沿う劈開により得る請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記第１及び第２の半導体層は窒化物半導体層であり、前記第１の半導体層にはｎ型不純物としてのＳｉがドーピングされ、及び／又は、前記第２の半導体層にはｐ型不純物としてのＭｇがドーピングされる請求項５又は６に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。