WO2012127778A1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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nitride semiconductor
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semiconductor light
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秀紀 春日井
折田　賢児
啓 大野
山中　一彦
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パナソニック株式会社
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    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and low operating voltage.
  • III-V nitride compound semiconductors represented by gallium nitride (GaN), so-called nitride semiconductors, are attracting attention.
  • a nitride semiconductor is represented by a general formula of In x Ga y Al 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, x + y ⁇ 1), and is a group III element indium (In). It is a compound semiconductor composed of at least one of gallium (Ga) and aluminum (Al) and nitrogen (N) which is a group V element.
  • GaN gallium nitride
  • LED Light Emitting Diode
  • a semiconductor laser such as a laser diode (LD) that provides a waveguide on a device and converts carriers injected therein into light by stimulated emission.
  • LD laser diode
  • Light emitting diodes using nitride semiconductors have been actively developed as white light LEDs combined with phosphors as backlight sources for lighting devices and liquid crystal display devices.
  • blue-violet laser diodes that emit laser light having an emission wavelength of 400 to 410 nm are used as light sources for Blu-ray disc recording and playback devices. .
  • nitride semiconductor light-emitting elements whose emission wavelengths have been extended from the blue region to the green region have been developed and produced as display light sources.
  • a nitride semiconductor light emitting device that emits light capable of reducing speckle noise, which is a drawback of laser light, such as a super luminescent diode (SLD) is also developed. It has become like this.
  • a highly efficient light emitting device is realized by generating stimulated emission light in an optical waveguide as described above.
  • the optical confinement factor of the optical waveguide In order to efficiently obtain this stimulated emission light, it is necessary to increase the optical confinement factor of the optical waveguide.
  • As a method for increasing the optical confinement factor for example, in the prior art, there is a method using GaN as the guide layer and Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) as the cladding layer. In this case, by increasing the Al composition in the Al x Ga 1-x N of the cladding layer, the refractive index is significantly smaller than that of the GaN of the guide layer. As a result, the refractive index difference is increased and the optical confinement factor is increased. can do.
  • Patent Document 1 discloses a laser diode that can achieve high optical confinement and at the same time obtain a low operating voltage.
  • the structure of the conventional laser diode disclosed in Patent Document 1 will be described with reference to FIG.
  • a conventional laser diode 2100 has an n-type contact layer 2110, an n-type lower cladding layer 2130, an n-type lower waveguide layer 2140, a multiple quantum well (MQW) on a substrate 2101 made of a sapphire substrate or the like.
  • MQW multiple quantum well
  • an upper clad layer 2180 made of a transparent conductive film is formed on the p-type upper waveguide layer 2170 above the active region 2155 of the MQW region 2150. Furthermore, a pair of insulating layer portions 2185 are formed to face each other with the upper cladding layer 2180 interposed therebetween.
  • a p-side electrode 2190 made of metal is formed on the upper clad layer 2180 and the insulating layer portion 2185.
  • an n-side electrode 2120 made of metal is formed on the first exposed region of n-type contact layer 2110.
  • the inventors of the present application can reduce the operating voltage in the structure of the conventional laser diode 2100, but stimulated emission can be achieved with an injection current within the range of use. It has been found that a desired light output cannot be obtained because of no occurrence of light.
  • ITO Indium Tin Oxide
  • the bulk resistance is sufficiently low and light absorption of emitted light is achieved. This is because it is difficult to produce a highly crystalline transparent conductive film having a small thickness.
  • the p-type upper waveguide layer 2170 and the upper cladding layer made of the transparent conductive film are formed even when the laser diode 2100 having the structure shown in FIG. There is a problem in that internal loss occurs due to light absorption at the interface with 2180, and the effective efficiency decreases.
  • the present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device having high luminous efficiency and low operating voltage.
  • the nitride semiconductor light emitting device is a nitride semiconductor light emitting device having an optical waveguide, and the semiconductor light emitting device includes at least a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer.
  • the second cladding layer includes a transparent conductor layer made of a transparent conductor, and a nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor, which is formed on the active layer side of the transparent conductor layer. It has.
  • the nitride semiconductor layer close to the active layer of the second cladding layer.
  • the transparent conductor layer is composed of a transparent conductive oxide film having low crystallinity, it is compared with a nitride semiconductor light emitting device configured to confine light in a single layer of the transparent conductor layer.
  • an increase in internal loss can be suppressed.
  • the transparent conductor layer in the second cladding layer contributes to vertical light confinement.
  • the nitride semiconductor layer formed on the side close to the active layer can be thinned, the series resistance of the nitride semiconductor layer can be reduced. As a result, it is possible to realize a nitride semiconductor light emitting device that can operate at a low voltage.
  • the nitride semiconductor layer preferably contains at least Al.
  • the nitride semiconductor layer is made of Al x In y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 0.82, 0 ⁇ y ⁇ 0.18). 0 ⁇ 1-xy ⁇ 1).
  • the nitride semiconductor light emitting device includes a guide layer provided between the active layer and the second cladding layer, and a total film of the guide layer and the second cladding layer.
  • the thickness d is preferably 0.1 ⁇ m ⁇ d ⁇ 0.5 ⁇ m.
  • the optical waveguide has a vertical mesa structure formed by digging from the second cladding layer to a part of the first cladding layer. preferable.
  • the material of the transparent conductor is any one of indium oxide to which tin is added, tin oxide to which antimony is added, and zinc oxide. It is preferable that
  • the thickness of the transparent conductor layer is larger than 100 nm.
  • nitride semiconductor light emitting device According to the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and low operating voltage can be realized.
  • FIG. 1A is a top view of a nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light-emitting device according to the first embodiment of the present invention taken along the line A-A ′ of FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a view for explaining the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram comparing calculation parameters and characteristics of six types of nitride semiconductor light emitting devices having different structures.
  • FIG. 4A is a diagram showing a structure for explaining a design example of the second upper cladding layer in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram showing a relationship between the extinction coefficient (K) and the waveguide loss ( ⁇ i) of ITO when the structure of FIG. 4A is used.
  • FIG. 5A is a diagram showing a structure for explaining a design example of an upper guide layer and a first upper cladding layer in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the thickness of the second guide layer and the first upper cladding layer and the waveguide loss in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG.
  • FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the film thicknesses of the second guide layer and the first upper cladding layer and the optical confinement coefficient in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 5A.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the second upper cladding layer and the waveguide loss in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a top view of the nitride semiconductor light-emitting device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention taken along line A-A ′ of FIG. 7A.
  • FIG. 8 is a view for explaining the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram comparing calculated parameters and characteristics of six types of nitride semiconductor light emitting devices having different structures.
  • FIG. 10A is a diagram showing a structure of a nitride semiconductor light emitting device used for explaining a design example of the second upper cladding layer.
  • FIG. 10B is a diagram showing the relationship between the extinction coefficient (K) and waveguide loss ( ⁇ i) of ITO when the structure of FIG. 10A is used.
  • FIG. 11A is a diagram showing a structure of a nitride semiconductor light emitting device used for explaining a design example of an upper guide layer and a first upper clad layer.
  • FIG. 11B is a diagram showing the relationship between the thickness of the second guide layer and the first upper cladding layer and the waveguide loss in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 11A.
  • FIG. 11C is a diagram showing the relationship between the film thicknesses of the second guide layer and the first upper cladding layer and the optical confinement factor in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 11A.
  • FIG. 12A is a top view of a nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention.
  • 12B is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light-emitting device according to the third embodiment of the present invention taken along the line A-A 'of FIG. 12A.
  • FIG. 12A is a top view of a nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention.
  • 12B is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light-emitting device according to
  • FIG. 13A shows current-light output characteristics and current-voltage in a nitride semiconductor light emitting device (structure G) manufactured using the parameters shown in FIG. 9 in the nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention. It is a figure which shows a characteristic.
  • FIG. 13B shows current-light output characteristics and current-voltage in a nitride semiconductor light emitting device (structure J) manufactured using the parameters shown in FIG. 9 in the nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention. It is a figure which shows a characteristic.
  • FIG. 13C shows a current-light output characteristic and a current-voltage in the nitride semiconductor light emitting device (structure K) manufactured using the parameters shown in FIG.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a view for explaining the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the structure of a conventional laser diode.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 is a laser diode using a nitride semiconductor, and has an emission wavelength of 390 nm to 420 nm, preferably a center wavelength of 405 nm.
  • FIG. 1A is a top view of the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device taken along line A-A ′ of FIG. 1A.
  • a nitride semiconductor light emitting device 100 is formed on, for example, an n-type GaN bulk substrate having a (0001) plane, for example, an n-type GaN substrate.
  • Lower cladding layer 102 which is an Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer, for example, lower guide layer 103 (first guide layer) which is an n-type GaN layer, for example, InGaN active
  • the electron barrier layer 106 which is a layer, and the upper cladding layer 107 (second cladding layer) have a layer structure in which the layers are sequentially stacked.
  • the upper clad layer 107 includes a plurality of layers, and in this embodiment, has a two-layer structure of a first upper clad layer 108 and a second upper clad layer 109.
  • the first upper cladding layer 108 is made of a nitride semiconductor, and is a nitride semiconductor cladding layer (nitride semiconductor layer) formed closer to the active layer 104 than the second upper cladding layer 109.
  • the first upper cladding layer 108 is formed of, for example, p-type Al x + y In 1-y Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 0.82, 0 ⁇ y ⁇ 0.18, 0 ⁇ 1-xy ⁇ 1). Can be configured.
  • the second upper clad layer 109 is composed of a transparent conductive film (transparent conductor), and is formed with a transparent conductor clad layer (transparent conductor layer) formed farther from the active layer 104 than the first upper clad layer 108. It is.
  • the second upper cladding layer 109 can be made of, for example, ITO.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 includes a ridge type optical waveguide 120 having a ridge (projection) formed by deeply digging up to a layer below the active layer 104 by etching.
  • the optical waveguide 120 in the present embodiment is an optical waveguide having a vertical mesa structure formed by deepening from the second upper cladding layer 109 to a part of the lower cladding layer 102.
  • An insulating film 130 made of SiO 2 is formed on the upper surface of the lower cladding layer 102 and the side surface of the ridge of the optical waveguide 120.
  • the p-side electrode 140 is formed on the insulating film 130 and the upper surface of the second upper cladding layer 109 (the contact surface 125 of the convex portion of the optical waveguide 120) so as to cover the ridge of the lower cladding layer 102 and the optical waveguide 120. Is formed.
  • a pad electrode 141 is formed so as to cover the p-side electrode 140.
  • an n-side electrode 150 is formed on the back surface of the substrate 101, that is, the surface opposite to the surface on which the lower cladding layer 102 is formed.
  • the first upper clad layer 108 As described above, in the upper clad layer 107, by providing the first upper clad layer 108 made of a nitride semiconductor immediately below the second upper clad layer 109 made of a transparent conductive film, the first upper clad layer 108 and the immediately lower portion thereof are provided. A refractive index difference occurs between the upper guide layer 105 made of p-type GaN. That is, light confinement can be performed by the first upper cladding layer 108 close to the active layer 104. As a result, even if the second upper cladding layer 109 is composed of a transparent conductive oxide film having low crystallinity and has a high extinction coefficient, an increase in internal loss ( ⁇ i) due to light absorption can be suppressed. . As a result, a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency can be realized.
  • the second upper clad layer 109 made of a transparent conductive film also functions as a clad layer for confining light and carriers.
  • the second upper clad layer 109 can perform vertical light confinement.
  • the thickness of the first upper cladding layer 108 made of p-type Al x + y In 1-y Ga 1-x N can be reduced, so that the series resistance of the first upper cladding layer 108 can be reduced. Can do.
  • a nitride semiconductor light emitting device that operates at a low voltage can be realized.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 As described above, according to the nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention, it is possible to realize a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and low operating voltage.
  • FIG. 2 is a view for explaining the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • a film of 1.5 ⁇ m of, for example, Al 0.05 Ga 0.95 N doped with Si is formed on the substrate 101 by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the lower cladding layer 102 is formed by forming a film with a thickness.
  • the lower guide layer 103 made of, for example, Si-doped n-type GaN, for example, multiple In 0.6 Ga 0.94 N well layers / In 0.02 Ga 0.98 N barrier layers (eg, three layers)
  • the formed active layer 104 for example, an upper guide layer 105 (thickness: 100 nm) made of Mg-doped GaN, and an electron barrier layer made of, for example, Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N 106 (film thickness 10 nm) are sequentially formed.
  • a laminated film of a nitride semiconductor layer and a transparent conductor layer is formed as the upper clad layer 107.
  • a p-type Al 0.05 Ga 0.95 N doped with Mg, for example, with a thickness of 150 nm is formed on the electron barrier layer 106 to form a first upper portion that is a nitride semiconductor layer.
  • the clad layer 108 is formed.
  • the second upper clad layer 109 which is a transparent conductor layer, is formed by taking it out of the growth furnace and depositing, for example, ITO with a film thickness of 200 nm using a sputtering apparatus or an electron beam evaporation apparatus.
  • an SiO 2 film having a thickness of 800 nm is formed on the second upper clad layer 109 using a plasma CVD method. Thereafter, the SiO 2 film is selectively removed by photolithography and etching using hydrofluoric acid to form a SiO 2 mask having a width of, for example, 1.5 ⁇ m, which will later become a ridge-type optical waveguide 120. Thereafter, dry etching is performed using Cl 2 gas, and the region up to the lower cladding layer 102 (part or all) is etched in a region not covered with the SiO 2 mask. Thereby, a convex (ridge) pattern having a width of 1.5 ⁇ m as shown in FIG. 2B is formed.
  • an insulating film 130 is formed by forming a 300 nm thick SiO 2 film by plasma CVD so as to cover the entire upper surface of the substrate 101. Thereafter, by removing the SiO 2 mask, a ridge type optical waveguide 120 having an upper clad layer 107 having a two-layer structure can be formed as shown in FIG.
  • palladium (Pd) having a thickness of 45 nm and platinum (Pt) having a thickness of 50 nm are formed so as to cover the optical waveguide 120 by using photolithography and EB vapor deposition.
  • P-side electrode 140 is formed.
  • a film in which titanium (Ti) with a thickness of 50 nm and gold (Au) with a thickness of 1000 nm are stacked is formed by photolithography and EB vapor deposition, and then the thickness of Au is formed by electrolytic plating. Is increased to 10 ⁇ m, and a pad electrode 141 is formed.
  • the substrate 101 is thinned by polishing to a thickness of about 100 ⁇ m, and then an EB vapor deposition apparatus is used to form Ti having a thickness of 5 nm as the n-side electrode 150 on the back surface of the substrate 101. Pt having a thickness of 10 nm and Au having a thickness of 1000 nm are formed. Thereafter, cleavage is performed to separate the chips, and the nitride semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment is manufactured.
  • the upper clad layer 107 As the upper clad layer 107, a first upper clad layer 108 made of a nitride semiconductor formed on the side close to the active layer 104, and a second upper clad layer 109 made of a transparent conductor formed thereon, The reason for the two-layer structure will be described with reference to FIG.
  • FIG. 3 is a diagram comparing calculation parameters and characteristics of nitride semiconductor light emitting devices of six types having different structures (“Structure A” to “Structure F”). In the nitride semiconductor light emitting device having each structure in FIG. 3, the conditions were set so that each layer of each structure corresponds to each layer of the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1B.
  • “Structure A” is a structure using only Al 0.05 Ga 0.95 N as the upper cladding layer 107 and is a standard structure not using a transparent conductor layer.
  • “Structure B” is a structure using only the second upper clad layer 109 made of ITO without the first upper clad layer (nitride semiconductor layer) 108.
  • “Structure C” is a structure using GaN as the material of the first upper cladding layer 108 and using ITO as the material of the second upper cladding layer 109.
  • “Structure D” is a structure in which Al 0.05 Ga 0.95 N is used as the material of the first upper cladding layer 108 and ITO is used as the material of the second upper cladding layer 109.
  • “Structure E” is a structure that does not use a transparent conductor layer as in “Structure A”, but is a structure in which the thickness of the upper cladding layer 107 is thin, and Al 1. This is a structure using 05 Ga 0.95 N and not using the second upper cladding layer 109.
  • “Structure F” is a structure using Al 0.2 In 0.1 Ga 0.7 N as the material of the first upper cladding layer 108 and ITO as the material of the second upper cladding layer 109.
  • the nitride semiconductor light emitting device 100 is the structure D and the structure F.
  • the first upper cladding layer 108 has In ( Indium) is not included.
  • FIG. 3 summarizes the values of the optical confinement coefficient ( ⁇ ) and the waveguide loss ( ⁇ i) that determine the current-light output characteristics for the nitride semiconductor light emitting devices having these six types of structures.
  • the nitride semiconductor light emitting devices in the structures D and F that are the structures according to the present embodiment have a higher optical confinement factor than the nitride semiconductor light emitting device of the structure A that is a standard laser structure. And a waveguide loss of the same level as that of the structure A can be obtained.
  • the current-voltage characteristics are improved without degrading the current-light output characteristics as compared with the nitride semiconductor light emitting devices having the standard structure A. be able to.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating a structure of a nitride semiconductor light emitting device used for explaining a design example of the second upper clad layer 109.
  • FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the extinction coefficient (K) of ITO and the waveguide loss ( ⁇ i) when the structure of FIG. 4A is used, and the extinction coefficient (K) of ITO with respect to the waveguide loss. It is the figure which showed the dependence.
  • the waveguide loss in the nitride semiconductor light emitting device of “structure B” or “structure C” is guided in the nitride semiconductor light emitting device of “structure A”, “structure D”, or “structure F”.
  • the extinction coefficient (K) of the second upper clad layer 109 (ITO) may be reduced to about 10 ⁇ 3 , but it is necessary to increase the crystallinity of ITO. .
  • K the extinction coefficient of the second upper clad layer 109
  • the second upper cladding layer 109 is ITO having low crystallinity, an increase in waveguide loss ( ⁇ i) due to light absorption is suppressed. be able to.
  • the second upper cladding layer 109 made of ITO has a lower refractive index than the first upper cladding layer 108 made of p-type AlGaN, the second upper cladding layer 109 also functions as an optical confinement layer. Thereby, the film thickness of the first upper cladding layer 108 can be reduced, and the series resistance can be lowered. Therefore, a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and low operating voltage can be realized.
  • FIG. 5A is a diagram showing the structure of a nitride semiconductor light emitting device used for explaining a design example of the upper guide layer 105 and the first upper clad layer 108.
  • FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the thickness of the second guide layer and the first upper cladding layer and the waveguide loss in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a diagram showing the relationship between the film thicknesses of the second guide layer and the first upper cladding layer and the optical confinement factor in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 5A.
  • the thickness of the p-type GaN that is the upper guide layer 105 is 100 nm
  • the thickness of the p-type AlGaN that is the first upper cladding layer 108 is 150 nm
  • the thickness of the second upper cladding layer 109 is Was 200 nm.
  • the optical confinement factor ( ⁇ ) and the waveguide loss ( ⁇ i) are the film thickness (T1) of the p-type GaN that is the upper guide layer 105 and the film of the p-type AlGaN that is the first upper cladding layer 108. It is determined from the thickness (T2).
  • the effect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present embodiment described above may be obtained. You may not get enough.
  • the thickness of the upper guide layer 105 made of p-type GaN is T1
  • the thickness of the first upper clad layer 108 made of p-type AlGaN is T2.
  • the optical confinement factor ( ⁇ ) and waveguide loss ( ⁇ i) for thickness change were calculated. The calculation results are shown in FIGS. 5B and 5C.
  • a nitride semiconductor having a higher optical confinement factor and lower waveguide loss than the standard structure A optical confinement factor: 3.4%, waveguide loss: 3.5 cm ⁇ 1 .
  • the film thickness (T2) of the first upper clad layer 108 is preferably 150 nm or more.
  • the thickness (T1) of the upper guide layer 105 is 150 nm
  • the thickness (T2) of the first upper cladding layer 108 is preferably 100 nm or more.
  • the film thickness (T1) of the upper guide layer 105 is less than 100 nm or greater than 150 nm, the waveguide loss ( ⁇ i) increases as compared with the standard structure A, and the optical confinement factor decreases.
  • the threshold current characteristic is increased.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the second upper cladding layer and the waveguide loss in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • the film thickness of the second upper cladding layer 109 is 200 nm.
  • the standard structure A waveguide loss: 3.5 cm.
  • the thickness of at least the second upper cladding layer 109 is at least 100 nm as shown in FIG. Thereby, the light absorption by the electrode on the contact surface of the second upper cladding layer 109 can be sufficiently reduced.
  • the total film thickness d of the upper guide layer 105 and the upper clad layer 107 (the first upper clad layer 108 and the second upper clad layer 109) is 0.1 ⁇ m ⁇ d ⁇ 0.5 ⁇ m. It is preferable that
  • the case where p-type AlGaN is used as the first upper cladding layer 108 has been mainly described.
  • the first upper cladding layer 108 is a nitride semiconductor layer containing at least Al
  • the effects of the present invention can be obtained.
  • the most preferable Al composition of the first upper cladding layer 108 is when the Al composition x is 0 ⁇ x ⁇ 0.1.
  • the Al composition x is higher than 0.1, the series resistance of the first upper cladding layer 108 is increased and the threshold current characteristics are deteriorated, or the difference in lattice constant from GaN is increased and cracks are generated, resulting in yield. This is because it has an adverse effect.
  • the material of the first upper clad layer 108 is not limited to AlGaN, but p-type AlInN or quaternary mixed crystal p having a refractive index lower than that in the case where the Al composition x of AlGaN is 0 ⁇ x ⁇ 0.1. The same effect can be obtained even if a type of AlInGaN is used.
  • the nitride semiconductor light emitting device 200 according to the second embodiment can further increase the allowable upper limit value for the extinction coefficient of ITO compared to the nitride semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment.
  • the optical confinement factor can be increased. Therefore, a more efficient nitride semiconductor light emitting device can be realized.
  • the light emission wavelength of the nitride semiconductor light emitting device according to this embodiment is, for example, 420 nm to 490 nm, and the center wavelength is preferably 450 nm.
  • FIG. 7A is a top view of the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device taken along the line A-A ′ of FIG. 7A.
  • a nitride semiconductor light emitting device 200 is formed on, for example, an n-type GaN bulk substrate on a substrate 201, for example, an n-type.
  • a lower clad layer 202 (first clad layer) which is an Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer, for example, a lower guide layer 203 (first gamma layer) which is an n-type In 0.02 Ga 0.98 N layer.
  • a second guide layer for example, an electron barrier layer 206 which is a thin p-type Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer, and an upper cladding layer 207 (second cladding layer) are sequentially stacked.
  • an upper guide layer 205 for example, a p-type In 0.02 Ga 0.98 N layer
  • a second guide layer for example, an electron barrier layer 206 which is a thin p-type Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer, and an upper cladding layer 207 (second cladding layer) are sequentially stacked.
  • the upper clad layer 207 includes a plurality of layers, and in the present embodiment, has a two-layer structure of a first upper clad layer 208 and a second upper clad layer 209.
  • the first upper cladding layer 208 is made of a nitride semiconductor, and is a nitride semiconductor cladding layer (nitride semiconductor layer) formed closer to the active layer 204 than the second upper cladding layer 209.
  • the first upper cladding layer 208 is formed of, for example, p-type Al x + y In 1-y Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 0.82, 0 ⁇ y ⁇ 0.18, 0 ⁇ 1-xy ⁇ 1). Can be configured.
  • the second upper clad layer 209 is made of a transparent conductive film (transparent conductor), and is formed with a transparent conductor clad layer (transparent conductor layer) formed farther from the active layer 204 than the first upper clad layer 208. It is.
  • the second upper cladding layer 209 can be made of, for example, ITO.
  • the nitride semiconductor light emitting device 200 includes a ridge type optical waveguide 220 having a ridge (projection) formed by deeply digging up to a layer below the active layer 204.
  • the optical waveguide 220 in the present embodiment is a vertical mesa formed by deepening from the first upper cladding layer 208 to a part of the lower cladding layer 202.
  • An insulating film 230 made of SiO 2 is formed on the upper surface of the lower cladding layer 202 and the side surface of the ridge of the optical waveguide 220.
  • a second upper cladding layer 209 is formed on the insulating film 230 and on the upper surface of the first upper cladding layer 208 so as to cover the ridge of the lower cladding layer 202 and the optical waveguide 220.
  • a p-side electrode 240 is formed on the contact surface 225 of the convex portion of the second upper cladding layer so as to cover the second upper cladding layer 209.
  • a pad electrode 241 is formed so as to cover the p-side electrode 240.
  • an n-side electrode 250 is formed on the back surface of the substrate 201.
  • the optical waveguide 220 is bent with a radius of curvature of 3000 ⁇ m or more in the vicinity of the emission end, and the optical waveguide 220 is inclined with respect to the light emission end face.
  • the angle formed between the light emitting end face and the optical waveguide 220 is, for example, 10 degrees.
  • the first upper clad layer 208 made of a nitride semiconductor is provided immediately below the second upper clad layer 209 made of a transparent conductive film.
  • a refractive index difference is generated between the upper cladding layer 208 and the upper guide layer 205 made of p-type InGaN immediately below the upper cladding layer 208. That is, light confinement can be performed by the first upper cladding layer 208 close to the active layer 204.
  • the second upper clad layer 209 is composed of a transparent conductive oxide film having low crystallinity and the extinction coefficient is high, an increase in internal loss ( ⁇ i) due to light absorption can be suppressed. .
  • ⁇ i internal loss due to light absorption
  • the second upper clad layer 209 made of a transparent conductive film also functions as a clad layer for confining light and carriers, and vertical light confinement can be performed by the second upper clad layer 209.
  • the film thickness of the first upper cladding layer 208 made of p-type Al x + y In 1-y Ga 1-x N can be reduced, and the series resistance of the first upper cladding layer 208 can be reduced. Can do.
  • a nitride semiconductor light emitting device that operates at a low voltage can be realized.
  • the nitride semiconductor light emitting device 200 according to the second embodiment of the present invention, it is possible to realize a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and low operating voltage.
  • FIG. 8 is a view for explaining the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
  • Al 0.05 Ga 0.95 N doped with Si is formed to a thickness of 1.5 ⁇ m on the substrate 201 by MOCVD, thereby forming the lower cladding layer 202.
  • a plurality of (for example, three layers) lower guide layers 203 for example, In 0.02 Ga 0.98 N doped with Si, for example, In 0.15 Ga 0.85 N well layers / GaN barrier layers, are formed.
  • Active layer 204 for example, upper guide layer 205 (thickness 100 nm) made of Mg-doped In 0.02 Ga 0.98 N, and Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N, for example.
  • the electron barrier layer 206 (film thickness 10 nm) is sequentially formed.
  • the upper clad layer 207 first, for example, a p-type Al 0.05 Ga 0.95 N doped with Mg is formed to a thickness of 150 nm, thereby forming a nitride semiconductor layer. A certain first upper clad layer 108 is formed.
  • an SiO 2 film having a thickness of 800 nm is formed on the first upper cladding layer 208 by plasma CVD. Thereafter, the SiO 2 film is selectively removed by photolithography and etching using hydrofluoric acid, and a SiO 2 mask having a width of, for example, 1.5 ⁇ m, which will later become a ridge-type optical waveguide 220 is formed. Thereafter, dry etching is performed using Cl 2 gas, and the region up to the lower cladding layer 102 (part or all) is etched in a region not covered with the SiO 2 mask. Thereby, a convex (ridge) pattern having a width of 1.5 ⁇ m as shown in FIG. 8A is formed.
  • an insulating film 230 is formed by forming a 300 nm thick SiO 2 film by plasma CVD so as to cover the entire upper surface of the substrate 101. Thereafter, by removing the SiO 2 mask, a ridge-type optical waveguide 220 can be formed as shown in FIG. 8B.
  • the second upper cladding layer 209 having a predetermined shape can be formed by, for example, depositing ITO with a film thickness of 200 nm and patterning using a sputtering apparatus or an electron beam evaporation apparatus. Thereby, as shown in FIG. 8C, an upper clad layer 207 having a two-layer structure can be formed.
  • Pd palladium
  • Pt platinum
  • P-side electrode 240 is formed.
  • a film in which titanium (Ti) with a thickness of 50 nm and gold (Au) with a thickness of 1000 nm are stacked is formed by photolithography and EB vapor deposition, and then the thickness of Au is formed by electrolytic plating. Is increased to 10 ⁇ m, and a pad electrode 241 is formed.
  • the substrate 201 is thinned by polishing to a thickness of about 100 ⁇ m, and then an EB deposition apparatus is used to form Ti having a thickness of 5 nm as an n-side electrode 250 on the back surface of the substrate 201. Pt having a thickness of 10 nm and Au having a thickness of 1000 nm are formed. Thereafter, cleavage is performed to separate the chips, and the nitride semiconductor light emitting device 200 according to this embodiment is manufactured.
  • the upper clad layer 207 As the upper clad layer 207, a first upper clad layer 208 made of a nitride semiconductor formed on the side close to the active layer 204, and a second upper clad layer 209 made of a transparent conductor formed thereon, The reason for the two-layer structure will be described with reference to FIG.
  • FIG. 9 is a diagram comparing the calculation parameters and the characteristics of nitride semiconductor light emitting devices of six types (“structure G” to “structure L”) having different structures.
  • structure G structure G
  • structure L structure L
  • the conditions were set so that each layer of each structure corresponds to each layer of the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 7B.
  • “Structure G” is a structure using only Al 0.05 Ga 0.95 N as the upper cladding layer 207, and is a standard structure not using a transparent conductor layer.
  • “Structure H” is a structure using only the second upper cladding layer 209 made of ITO without the first upper cladding layer (nitride semiconductor layer) 208.
  • “Structure I” is a structure using GaN as the material of the first upper cladding layer 208 and using ITO as the material of the second upper cladding layer 209.
  • “Structure J” is a structure using Al 0.05 Ga 0.95 N as the material of the first upper cladding layer 208 and ITO as the material of the second upper cladding layer 209.
  • “Structure K” is a structure that does not use a transparent conductor layer like “Structure G”, but the upper cladding layer 207 has a thin film thickness, and the first upper cladding layer 208 has a film thickness as a material. This is a structure using Al 0.05 Ga 0.95 N of 150 nm and not using the second upper cladding layer 209.
  • “Structure L” is a structure in which Al 0.2 In 0.1 Ga 0.7 N is used as the material of the first upper cladding layer 208 and ITO is used as the material of the second upper cladding layer 209.
  • the nitride semiconductor light emitting device 200 has a structure J and a structure L.
  • the first upper cladding layer 208 has In ( Indium) is not included.
  • FIG. 9 summarizes the values of the optical confinement coefficient ( ⁇ ) and the waveguide loss ( ⁇ i) that determine the current-light output characteristics for the nitride semiconductor light emitting devices having these six types of structures.
  • nitride semiconductor light emitting devices in the structures J and L which are the structures according to the present embodiment a higher optical confinement factor than the nitride semiconductor light emitting device in the structure G which is a standard laser structure And a waveguide loss of the same level as that of the structure G can be obtained.
  • the nitride semiconductor light emitting device 200 according to the present embodiment it is possible to obtain current-light output characteristics equivalent to those of the standard structure G nitride semiconductor light emitting device, and to obtain current-voltage characteristics. Can be improved.
  • FIG. 10A is a diagram showing a structure of a nitride semiconductor light emitting device used for explaining a design example of the second upper clad layer 209.
  • FIG. 10B is a diagram showing the relationship between the extinction coefficient (K) of ITO and the waveguide loss ( ⁇ i) when the structure of FIG. 10A is used, and the extinction coefficient (K) of ITO with respect to the waveguide loss. It is the figure which showed the dependence.
  • the waveguide loss in the nitride semiconductor light emitting device of “Structure H” or “Structure I” is guided in the nitride semiconductor light emitting device of “Structure G”, “Structure J” or “Structure L”.
  • the extinction coefficient (K) of the second upper cladding layer 209 (ITO) may be reduced to about 10 ⁇ 3, but this requires that the crystallinity of the ITO be increased. .
  • the first upper clad layer 208 made of AlGaN having a low refractive index contributes to optical confinement, and the second upper clad layer 209. This is because there is almost no oozing of light into the water.
  • the second upper cladding layer 209 is ITO having low crystallinity, an increase in waveguide loss ( ⁇ i) due to light absorption is suppressed. be able to.
  • the second upper cladding layer 209 made of ITO has a lower refractive index than the first upper cladding layer 208 made of p-type AlGaN, the second upper cladding layer 209 also functions as an optical confinement layer. Thereby, the film thickness of the first upper cladding layer 208 can be reduced. Therefore, a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and low operating voltage can be realized.
  • FIG. 11A is a diagram showing a structure of a nitride semiconductor light emitting device used for explaining a design example of the upper guide layer 205 and the first upper clad layer 208.
  • FIG. 11B is a diagram showing the relationship between the thickness of the second guide layer and the first upper cladding layer and the waveguide loss in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 11A.
  • FIG. 11C is a diagram showing the relationship between the film thicknesses of the second guide layer and the first upper cladding layer and the optical confinement factor in the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 11A.
  • the thickness of the p-type InGaN serving as the upper guide layer 205 is set to 100 nm
  • the thickness of the p-type AlGaN serving as the first upper cladding layer 208 is set to 150 nm
  • the thickness of the second upper cladding layer 209 is determined.
  • the optical confinement factor ( ⁇ ) and the waveguide loss ( ⁇ i) are the film thickness (T1) of p-type InGaN that is the upper guide layer 205 and the film thickness of p-type AlGaN that is the first upper cladding layer 208. It is determined from (T2).
  • the effect of the nitride semiconductor light emitting device according to the present embodiment described above may be achieved. You may not get enough.
  • the thickness of the upper guide layer 205 made of p-type InGaN is T1
  • the thickness of the first upper clad layer 208 made of p-type AlGaN is T2.
  • the optical confinement factor ( ⁇ ) and waveguide loss ( ⁇ i) for thickness change were calculated. The results are shown in FIGS. 11B and 11C.
  • a nitride semiconductor having a higher optical confinement factor and a lower waveguide loss than the standard structure G (optical confinement factor: 2.46%, waveguide loss: 3.5 cm ⁇ 1 ).
  • the thickness (T2) of the second upper cladding layer 209 is 50 nm
  • the thickness (T1) of the second guide layer is preferably 200 nm.
  • the film thickness (T1) of the second guide layer is preferably 50 nm or more and 200 nm or less.
  • the thickness (T1) of the second guide layer is preferably 50 nm or more and 150 nm or less.
  • the film thickness (T2) of the second upper cladding layer 209 is 200 nm
  • the film thickness (T1) of the second guide layer is preferably 50 nm or more and 150 nm or less.
  • the film thickness (T1) of the second guide layer is preferably 50 nm or more and 100 nm or less.
  • the waveguide loss ( ⁇ i) increases as compared with the standard structure G. Further, since the optical confinement factor is lowered, the current-light output characteristic is deteriorated.
  • the case where p-type AlGaN is used as the first upper cladding layer 208 has been mainly described.
  • the first upper cladding layer 208 is a nitride semiconductor layer containing at least Al
  • the effects of the present invention can be obtained.
  • the most preferable Al composition of the first upper cladding layer 208 is when the Al composition x is 0 ⁇ x ⁇ 0.1.
  • the Al composition x is higher than 0.1, the series resistance of the first upper clad layer 208 is increased and the threshold current characteristics are deteriorated, or the difference in lattice constant from GaN is increased and cracks are generated. This is because it has an adverse effect.
  • the material of the first upper cladding layer 208 is not limited to AlGaN, but AlInN or a quaternary mixed crystal that is equal to or lower than the refractive index when the Al composition x of AlGaN is 0 ⁇ x ⁇ 0.1. Even if AlInGaN is used, the same effect can be obtained.
  • the film thickness of the second upper cladding layer 209 of the present embodiment is 200 nm, it is preferable that the film thickness be at least 100 nm.
  • the basic structure of the nitride semiconductor light emitting device 300 according to this embodiment is the same as that of the nitride semiconductor light emitting devices 100 and 200 according to the first and second embodiments. Therefore, in the present embodiment, the description will be focused on differences from the first and second embodiments.
  • the nitride semiconductor light emitting device will be described by taking a laser diode using a nitride semiconductor as an example.
  • FIG. 12A is a top view of the nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 12B is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device taken along line A-A ′ of FIG. 12A.
  • a nitride semiconductor light emitting device 300 is formed on, for example, an n-type GaN bulk substrate on a substrate 301, for example, an n-type.
  • a lower cladding layer 302 (first cladding layer) that is an Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer, for example, a lower guide layer 303 (first layer) that is an n-type In 0.02 Ga 0.98 N layer.
  • a second guide layer for example, an electron barrier layer 306 which is a thin film p-type Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer, and an upper cladding layer 307 (second cladding layer) are sequentially stacked. It has a layered structure.
  • the upper clad layer 307 is composed of a plurality of layers, and in this embodiment, has a two-layer structure of a first upper clad layer 308 and a second upper clad layer 309.
  • the first upper cladding layer 308 is made of a nitride semiconductor, and is a nitride semiconductor cladding layer (nitride semiconductor layer) formed closer to the active layer 304 than the second upper cladding layer 309.
  • the first upper cladding layer 308 can be made of, for example, p-type Al x + y In 1-y Ga 1-x N.
  • the second upper clad layer 309 is composed of a transparent conductive film (transparent conductor), and is formed with a transparent conductor clad layer (transparent conductor layer) formed farther from the active layer 304 than the first upper clad layer 308. It is.
  • the second upper cladding layer 309 can be made of, for example, ITO.
  • the nitride semiconductor light emitting device 300 includes a ridge-type optical waveguide 320 having a ridge, in which a part or all of the first upper cladding layer 308 has a vertical mesa structure.
  • the surface of the first upper cladding layer 308 other than the uppermost portion of the optical waveguide 320, that is, the surface of the ridge side surface and the flat portion of the first upper cladding layer 308 is covered with an insulating film 330 made of, for example, SiO 2 .
  • the second upper clad layer 309 is formed so as to be joined to the surface of the uppermost first upper clad layer 308 of the optical waveguide 320. Further, the second upper clad layer 309 is formed so as to extend larger in the lateral direction than the upper surface of the convex portion (ridge) of the optical waveguide 320, and the convex portion of the optical waveguide 320 and a part of the surface of the insulating film 330 are formed. It is formed to cover.
  • a p-side electrode 340 is formed on the second upper cladding layer 309 via a contact surface 325. Further, a pad electrode 341 is formed so as to cover the p-side electrode. Further, an n-side electrode 350 is formed on the back surface of the substrate 301.
  • the first upper cladding layer 308 made of a nitride semiconductor is provided immediately below the second upper cladding layer 309 made of a transparent conductive film.
  • a refractive index difference is generated between the upper cladding layer 308 and the upper guide layer 305 made of p-type InGaN immediately below the upper cladding layer 308. That is, light confinement can be performed by the first upper cladding layer 308 close to the active layer 304.
  • the second upper cladding layer 309 is composed of a transparent conductive oxide film having low crystallinity and has a high extinction coefficient, an increase in internal loss ( ⁇ i) due to light absorption can be suppressed. .
  • ⁇ i internal loss due to light absorption
  • the second upper clad layer 309 made of a transparent conductive film also functions as a clad layer for confining light and carriers, and vertical light confinement can be performed by the second upper clad layer 309.
  • the film thickness of the first upper cladding layer 308 made of p-type Al x + y In 1-y Ga 1-x N can be reduced, and the series resistance of the first upper cladding layer 308 can be reduced.
  • the second upper cladding layer 309 is formed larger in the lateral direction than the convex portion of the optical waveguide 320, and the contact surface 325 with the p-side electrode 340 can be set large. Thereby, the contact resistance in the contact surface 325 can be reduced. As a result, a nitride semiconductor light emitting device that can operate at a lower voltage can be realized.
  • the nitride semiconductor light emitting device 300 As described above, according to the nitride semiconductor light emitting device 300 according to the third embodiment of the present invention, it is possible to realize a nitride semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and a lower operating voltage.
  • FIGS. 13A to 13C show a nitride semiconductor light emitting device (structure G, structure J, structure K) manufactured using the parameters shown in FIG. 9 in the nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention. It is a figure which shows an electric current-light output characteristic and an electric current-voltage characteristic.
  • FIG. 13A shows a nitride semiconductor light emitting device fabricated using only Al 0.05 Ga 0.95 N and using a standard structure G parameter that does not use the second upper cladding layer (ITO). The characteristics are shown.
  • FIG. 13B shows characteristics of a nitride semiconductor light emitting device fabricated using the parameters of the structure J using the first upper cladding layer (nitride semiconductor) and the second upper cladding layer (ITO) as the upper cladding layer. Yes.
  • FIG. 13C shows a nitride semiconductor light emitting device fabricated using Al 0.05 Ga 0.95 N with a thickness of 150 nm as the first upper cladding layer and using parameters of structure K without the second upper cladding layer (ITO). The characteristic of an element is shown.
  • the nitride semiconductor light emitting device corresponding to the structure of this embodiment shown in FIG. 13B has a current-light output compared to the standard nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 13A. It can be seen that although the characteristics are equivalent, the operating voltage can be greatly reduced.
  • the nitride semiconductor light emitting device having a clad layer structure of only Al 0.05 Ga 0.95 N having a film thickness of 150 nm which is not the structure of the present embodiment shown in FIG. 13C, is the standard structure shown in FIG. 13A. It can be seen that, although the operating voltage is reduced with respect to the nitride semiconductor light emitting device, light absorption to the p-side electrode is increased and a desired light output cannot be obtained.
  • the operating voltage can be reduced without deteriorating the current-light output characteristics.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the nitride semiconductor light emitting device 400 according to the present embodiment has the same basic configuration as the nitride semiconductor light emitting device 300 according to the third embodiment. Therefore, in the present embodiment, a description will be given focusing on differences from the third embodiment.
  • a nitride semiconductor light emitting device 400 has, for example, an n-type Al x Ga on a substrate 401 which is an n-type GaN bulk substrate with a (0001) plane, for example.
  • a lower cladding layer 402 which is a 1-xN (0 ⁇ x ⁇ 1) layer, for example, a lower guide layer 403 (first guide layer) which is an n-type GaN layer, for example, an InGaN active layer
  • the electron barrier layer 406 and the upper cladding layer 407 (second cladding layer) have a layered structure in which they are sequentially stacked.
  • the upper clad layer 407 includes a plurality of layers.
  • the upper clad layer 407 is formed between the first upper clad layer 408, the second upper clad layer 409, and the first upper clad layer 408 and the second upper clad layer 409. This is a three-layer structure of the third upper cladding layer 408a.
  • the first upper cladding layer 408 is made of a nitride semiconductor, and is a nitride semiconductor cladding layer (nitride) formed on the side closer to the active layer 404 than the second upper cladding layer 409 and the third upper cladding layer 408a. Semiconductor layer).
  • the first upper cladding layer 408 can be made of, for example, p-type Al x + y In 1-y Ga 1-x N.
  • the second upper clad layer 409 is made of a transparent conductive film (transparent conductor), and is formed of a transparent conductor clad formed farther from the active layer 404 than the first upper clad layer 408 and the third upper clad layer 408a. Layer (transparent conductor layer).
  • the second upper cladding layer 409 can be made of, for example, ITO.
  • the third upper cladding layer 408a is an n-type contact layer made of a nitride semiconductor and formed on the first upper cladding layer 408.
  • the third upper cladding layer 408a is formed as a tunnel electrode, and can be formed of, for example, an n-type InGaN / GaN superlattice layer doped with Si at a high concentration.
  • the nitride semiconductor light emitting device 400 includes a ridge-type optical waveguide 420 having a ridge in which a part of the first upper cladding layer 408 and the third upper cladding layer 408a has a mesa structure.
  • the region of the optical waveguide 420 other than the ridge, that is, the ridge side surface and flat surface of the first upper clad layer 408 and the side surface of the third upper clad layer 408a are covered with an insulating film 430 made of, for example, SiO 2 .
  • the second upper clad layer 409 is formed so as to be bonded to the surface of the uppermost third upper clad layer 408a of the optical waveguide 420. Further, the second upper clad layer 409 is formed so as to extend larger in the lateral direction than the upper surface of the convex portion (ridge) of the optical waveguide 420, and the convex portion of the optical waveguide 420 and a part of the surface of the insulating film 430 are formed. It is formed to cover.
  • a p-side electrode 440 is formed on the contact surface 425 of the second upper cladding layer 409, and a pad electrode 441 is formed on the p-side electrode 440. Further, an n-side electrode 450 is formed on the back surface of the substrate 401.
  • the first upper cladding layer 408 made of a nitride semiconductor is provided below the second upper cladding layer 409 made of a transparent conductive film.
  • An increase in internal loss ( ⁇ i) due to light absorption can be suppressed, and the series resistance of the first upper cladding layer 408 can be reduced.
  • the second upper clad layer 409 is formed to be larger in the lateral direction than the convex portion of the optical waveguide 420, and the contact surface 425 with the p-side electrode 440 can be set larger. Can be reduced.
  • a third upper cladding layer 408 a is formed between the first upper cladding layer 408 and the second upper cladding layer 409. Accordingly, carriers can be moved by the tunnel current between the first upper cladding layer 408 and the second upper cladding layer 409. As a result, the contact resistance between the second upper cladding layer 409 and the first upper cladding layer 408 can be further reduced.
  • the operating voltage of the nitride semiconductor light emitting device can be further reduced.
  • a nitride semiconductor light emitting device capable of achieving the above can be realized.
  • a high-concentration Si-doped InGaN / GaN superlattice layer is used as the third upper cladding layer 408a.
  • the present invention is not limited to this.
  • a single n-type contact layer of GaN or InGaN with a high concentration of Si may be used as the third upper cladding layer 408a.
  • a nitride semiconductor light emitting device 500 is a buried (RISA) semiconductor laser using a nitride semiconductor, for example, a (0001) plane n-type GaN bulk substrate.
  • a lower clad layer 502 (first clad layer) that is an n-type Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer
  • a lower guide layer that is an n-type InGaN layer 503 (first guide layer)
  • an active layer 504 having a quantum well structure that is an InGaN active layer for example, a first upper guide layer 505a (first second guide layer) that is a p-type InGaN layer, for example, p of a thin film
  • Type electron barrier layer 506 which is an Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer
  • a second upper guide layer 505b (second second guide layer) which is a p-type GaN layer
  • the upper clad layer 507 is composed of a plurality of layers.
  • the upper clad layer 507 is formed between the first upper clad layer 508, the second upper clad layer 509, and the first upper clad layer 508 and the second upper clad layer 509. This is a three-layer structure of the third upper cladding layer 508a.
  • the first upper cladding layer 508 is made of a nitride semiconductor, and a nitride semiconductor cladding layer (nitride) formed on the side closer to the active layer 504 than the second upper cladding layer 509 and the third upper cladding layer 508a. Semiconductor layer).
  • the first upper cladding layer 508 is formed on the first upper guide layer 505a and the current blocking layer 530 so as to fill the opening of the current blocking layer 530.
  • the p-type Al x + y In 1-y Ga 1 is formed. -XN .
  • the second upper clad layer 509 is composed of a transparent conductive film (transparent conductor), and is formed of a transparent conductor clad formed farther from the active layer 504 than the first upper clad layer 508 and the third upper clad layer 508a. Layer (transparent conductor layer).
  • the second upper cladding layer 509 can be made of, for example, ITO.
  • the third upper clad layer 508a is made of a nitride semiconductor, and is an n-type contact layer formed on the first upper clad layer 508.
  • the third upper cladding layer 508a is formed as a tunnel electrode, and can be constituted by, for example, an n-type InGaN / GaN superlattice layer doped with Si at a high concentration.
  • the nitride semiconductor light emitting device 500 includes an embedded optical waveguide 520 formed by embedding a first upper cladding layer 508 in an opening of a current blocking layer 530.
  • a p-side electrode 540 is formed on the contact surface 525 of the second upper cladding layer 509, and a pad electrode 541 is formed on the p-side electrode 440. Further, an n-side electrode 550 is formed on the back surface of the substrate 501.
  • FIG. 16 is a view for explaining the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • Al 0.05 Ga 0.95 N doped with Si is formed to a thickness of 1.5 ⁇ m on the substrate 501 by MOCVD, and the lower cladding is formed.
  • Layer 502 is formed.
  • a first upper guide layer 505a made of InGaN doped with Mg for example, an electron barrier layer 506 made of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with Mg, for example, a second upper portion made of GaN doped with Mg
  • a guide layer 505b and a current blocking layer 530 made of, for example, n-type AlGaN are sequentially formed.
  • a SiO 2 mask is formed on the current blocking layer 530 using a sputtering apparatus, and an opening having a width of 1.5 ⁇ m, for example, is formed using photolithography and wet etching. Thereafter, a region to be the optical waveguide 520 is opened using photochemical wet etching, and then the SiO 2 mask is removed with hydrofluoric acid. As a result, as shown in FIG. 16B, it is possible to obtain a configuration in which an opening serving as the optical waveguide 520 is formed in the current blocking layer 530. At this time, the first upper guide layer 505a is exposed in the opening.
  • the first upper cladding layer 508 made of, for example, p-type Al 0.05 Ga 0.95 N is again formed by MOCVD, so as to fill the opening. Formed on the guide layer 505a and the current blocking layer 530, and then on the first upper cladding layer 508, for example, a third upper portion made of an n-type InGaN / GaN superlattice layer doped with Si at a high concentration, for example. A cladding layer 508a is formed.
  • the second upper clad layer 509 is formed by depositing, for example, ITO using an electron beam vapor deposition apparatus or a sputtering apparatus as shown in FIG. Thereby, the upper clad layer 507 having a three-layer structure can be formed.
  • palladium (Pd) having a thickness of 45 nm and platinum (Pt) having a thickness of 50 nm are formed so as to cover the optical waveguide 520 by using photolithography and EB vapor deposition.
  • a p-side electrode 540 is formed.
  • a film in which titanium (Ti) with a thickness of 50 nm and gold (Au) with a thickness of 1000 nm are stacked is formed by photolithography and EB vapor deposition, and then the thickness of Au is formed by electrolytic plating. Is increased to 10 ⁇ m, and a pad electrode 541 is formed.
  • the thickness of the substrate 501 is polished to about 100 ⁇ m, and then thinned, and then using an EB deposition apparatus, Ti having a thickness of 5 nm as an n-side electrode 550 is formed on the back surface of the substrate 501. Pt having a thickness of 10 nm and Au having a thickness of 1000 nm are formed. Thereafter, cleavage is performed to separate the chips, and the nitride semiconductor light emitting device 500 according to this embodiment is manufactured.
  • the nitride semiconductor light emitting device 500 As described above, according to the nitride semiconductor light emitting device 500 according to the fifth embodiment of the present invention, as in the first to fourth embodiments, the nitride is provided below the second upper cladding layer 509 made of the transparent conductive film. Since the first upper cladding layer 508 made of a semiconductor is provided, an increase in internal loss ( ⁇ i) due to light absorption can be suppressed, and the series resistance of the first upper cladding layer 508 can be reduced.
  • the third upper cladding layer 508a is formed between the first upper cladding layer 508 and the second upper cladding layer 509, the second upper cladding layer The contact resistance between the layer 509 and the first upper cladding layer 508 can be further reduced.
  • the buried optical waveguide 520 is configured such that the current blocking layer 530 is made of a nitride semiconductor made of n-type AlGaN having a higher thermal conductivity than an oxide film such as SiO 2 .
  • the current blocking layer 530 is made of a nitride semiconductor made of n-type AlGaN having a higher thermal conductivity than an oxide film such as SiO 2 .
  • Joule heat generated in the light emitting portion near the active layer 104 can be efficiently radiated outside the light emitting portion.
  • the lateral light confinement effect can be enhanced by increasing the Al composition of the current blocking layer 530 made of n-type AlGaN.
  • the film thickness of the cladding layer made of the nitride semiconductor in the present embodiment can be further reduced.
  • the series resistance of the cladding layer can be further reduced, and the current-light output characteristics of the nitride semiconductor light emitting device can be further improved. Therefore, the power-light conversion efficiency can be further improved.
  • an upper cladding layer (third upper cladding layer 508a or first upper cladding layer 508) made of a nitride semiconductor and a cladding layer (second upper cladding layer) made of a transparent conductive film are used. Since the contact area with the cladding layer 509) is large, the contact resistance between the upper cladding layer made of a nitride semiconductor and the cladding layer made of a transparent conductive film can be further reduced.
  • the contact resistance can be further reduced by the tunnel current.
  • nitride semiconductor light-emitting device 500 According to the nitride semiconductor light-emitting device 500 according to the fifth embodiment of the present invention, a nitride semiconductor light-emitting device capable of high luminous efficiency and a low operating voltage can be realized.
  • the present invention is not limited to these embodiments.
  • the semiconductor laser has been described.
  • the present invention can be similarly applied to a superluminescent diode.
  • the present invention can be similarly applied to a structure in which the light emitting end face and the reflection end face are formed by dry etching. .
  • the example of the width of the ridge stripe (stripe width) of the optical waveguide is 1.5 ⁇ m.
  • the present invention is similarly applied to any embodiment as long as the stripe width is 10 ⁇ m or less. be able to.
  • an example of an n-type GaN substrate having the (0001) plane as the main surface of the substrate has been described.
  • the (10-10) plane, (11-20) plane, (10- The same applies to the case where an n-type GaN substrate having the 11) plane, the (11-21) plane or the like as the main surface of the substrate is used.
  • ITO which is indium oxide (InO) to which tin (Sn) is added
  • ITO is used as the material for the transparent conductive film of the second upper cladding layer, but is not limited thereto.
  • ZnO zinc oxide
  • a material such as Ga or Al
  • SnO tin oxide
  • Sb antimony
  • the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention can be widely used as various light sources, and in particular, as a light source in an image display device such as a display or a projector, or industrial laser equipment such as laser processing or laser annealing. It is useful as a light source in a device that requires a relatively high light output.
  • Nitride semiconductor light emitting device 101 201, 301, 401, 501, 2101

Abstract

　光導波路（１２０）を有する窒化物半導体発光素子であって、下部クラッド層（１０２）と、活性層（１０４）と、上部クラッド層（１０７）とを少なくともこの順に含み、上部クラッド層（１０７）は、透明導電体によって構成された第２上部クラッド層（１０９）と、当該第２上部クラッド層（１０９）よりも活性層側に形成され、窒化物半導体によって構成された第１上部クラッド層（１０８）とを有する。

Description

窒化物半導体発光素子
　本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、発光効率が高く、動作電圧が低い窒化物半導体発光素子に関する。
　窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表されるＩＩＩ－Ｖ族窒化物系化合物半導体、いわゆる窒化物半導体が注目を集めている。窒化物半導体は、一般式がＩｎｘＧａｙＡｌ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表され、ＩＩＩ族元素であるインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）及びアルミニウム（Ａｌ）の少なくとも１つと、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とからなる化合物半導体である。これらの窒化物半導体を用いたデバイスにおいて、特に、電気を光に変換する発光素子の開発が盛んに行われている。
　半導体発光素子の種類としては、大きく２種類あり、一つは注入されたキャリア（電子、正孔）を自然放出により光に変換する発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）であり、もう一つは、デバイス上に導波路を設け、その中に注入されたキャリアを誘導放出により光に変換するレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）等の半導体レーザである。
　窒化物半導体を用いた発光ダイオードは、蛍光体と組み合わせた白色ＬＥＤとして、照明装置や液晶表示装置のバックライト光源として盛んに開発されている。一方、窒化物半導体を用いた半導体レーザについては、発光波長が４００～４１０ｎｍのレーザ光を出射する青紫色レーザダイオードが、ブルーレイ（Ｂｌｕ－ｒａｙ）ディスクの記録及び再生装置の光源として用いられている。
　また、近年では、発光波長が青色領域から緑色領域へと長波長化した窒化物半導体発光素子もディスプレイ用光源として開発及び生産されるようになってきた。この用途向けに、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Ｓｕｐｅｒ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　Ｄｉｏｄｅ）のような、レーザ光の欠点であるスペックルノイズを低減させることが可能な光を出射する窒化物半導体発光素子も開発されるようになってきた。
　半導体レーザやＳＬＤのような窒化物半導体発光素子においては、前述のように光導波路中で、誘導放出光を生成することで、高効率の発光素子を実現する。この誘導放出光を効率よく得るためには、光導波路の光閉じ込め係数を高くする必要がある。光閉じ込め係数を高くする方法としては、例えば従来技術では、ガイド層としてＧａＮを用いて、クラッド層としてＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦１）を用いる方法が挙げられる。この場合、クラッド層のＡｌｘＧａ１－ｘＮにおいてＡｌ組成を大きくすることで、ガイド層のＧａＮよりも屈折率を大幅に小さくし、その結果、屈折率差が大きくなり光閉じ込め係数を高くすることができる。
　一方、このようにクラッド層のＡｌ組成を大きくした場合の副作用も上げられる。特に、発光層上方に設けられるｐ型のクラッド層においては、ドーパントに用いられるＭｇアクセプタのイオン化エネルギーが、Ａｌ組成に比例して増大する。このため、ｐ型のクラッド層に高い正孔濃度を実現することが困難となり、結果的にクラッド層における直列抵抗が増加し、窒化物半導体発光素子の動作電圧が増加する課題がある。
　上記課題に対し、高い光閉じ込めを実現すると同時に、低い動作電圧を得ることができるとされるレーザダイオードが特許文献１に開示されている。以下、図１７を用いて、特許文献１に開示された従来のレーザダイオードの構造について説明する。
　図１７に示すように、従来のレーザダイオード２１００は、サファイア基板等からなる基板２１０１上に、ｎ型コンタクト層２１１０、ｎ型下部クラッド層２１３０、ｎ型下部導波路層２１４０、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）領域２１５０、ｐ型閉じ込め層２１６０、及び、ｐ型上部導波路層２１７０が形成される。
　また、ＭＱＷ領域２１５０の活性領域２１５５の上方におけるｐ型上部導波路層２１７０上には、透明導電膜からなる上部クラッド層２１８０が形成される。さらに、一対の絶縁層部分２１８５が、上部クラッド層２１８０を挟んで向かい合うように形成される。
　また、金属からなるｐ側電極２１９０が、上部クラッド層２１８０上及び絶縁層部分２１８５上に形成される。一方、金属からなるｎ側電極２１２０が、ｎ型コンタクト層２１１０の第１の露出領域上に形成される。
特開２００４－２８９１５７号公報
　しかしながら、本願発明者らが上記構成のレーザダイオード２１００を作製して検討した結果、従来のレーザダイオード２１００の構造では、動作電圧を低くすることはできるが、使用範囲内での注入電流では誘導放出を起こさないために所望の光出力が得られないというということが分かった。
　これは、上部クラッド層２１８０の透明導電膜の材料として現在最も特性が安定しているＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ：酸化インジウムスズ）を用いたとしても、バルク抵抗が十分に低くかつ発光光の光吸収が小さい高結晶性の透明導電膜を作製することが難しいからである。
　このように、透明導電膜の結晶性を高くすることが難しいので、図１７に示す構造を有するレーザダイオード２１００を作製しても、ｐ型上部導波路層２１７０と透明導電膜からなる上部クラッド層２１８０との界面において光吸収による内部損失が発生し、発効効率が低下するという問題がある。
　本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、高発光効率で低動作電圧の窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
　本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様は、光導波路を有する窒化物半導体発光素子であって、当該半導体発光素子は、第１クラッド層と、活性層と、第２クラッド層とを少なくともこの順に含み、前記第２クラッド層は、透明導電体によって構成された透明導電体層と、当該透明導電体層よりも前記活性層側に形成され、窒化物半導体によって構成された窒化物半導体層とを有するものである。
　この構成にすることで、第２クラッド層のうちの活性層に近い窒化物半導体層によって光閉じ込めを行うことができる。これにより、透明導電体層が結晶性の低い透明導電性酸化膜によって構成される場合であっても、透明導電体層の単層で光閉じ込めを行うような構成の窒化物半導体発光素子と比較して、内部損失の増大を抑制することができる。その結果、発光効率が高い窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
　また、第２クラッド層のうちの透明導電体層は、縦方向の光閉じ込めに寄与する。これにより、活性層に近い側に形成される窒化物半導体層を薄膜化することができるので、当該窒化物半導体層の直列抵抗を低減させることができる。その結果、低い電圧で動作可能な窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
　さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記窒化物半導体層は、少なくともＡｌを含むことが好ましい。
　さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記窒化物半導体層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０＜ｘ≦０．８２、０≦ｙ≦０．１８、０≦１－ｘ－ｙ＜１）からなることが好ましい。
　さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記活性層と前記第２クラッド層との間に設けられたガイド層を備え、前記ガイド層と前記第２クラッド層との合計膜厚ｄは、０．１μｍ＜ｄ＜０．５μｍであることが好ましい。
　さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記光導波路は、前記第２クラッド層から前記第１クラッド層の一部までを掘り込んで形成された垂直メサ構造であることが好ましい。
　さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記透明導電体の材料は、錫が添加された酸化インジウム、アンチモンが添加された酸化錫、及び酸化亜鉛のうちのいずれか１つであることが好ましい。
　さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記透明導電体層の膜厚は、１００ｎｍより大きいことが好ましい。
　本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、高発光効率で低動作電圧の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の上面図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａ’線における本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 図３は、構造の異なる６種類の窒化物半導体発光素子における計算パラメータとその特性とを比較した図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、第２上部クラッド層の設計例を説明するための構造を示す図である。 図４Ｂは、図４Ａの構造を用いたときにおけるＩＴＯの消衰係数（Ｋ）と導波損失（αｉ）との関係を示す図である。 図５Ａは、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、上部ガイド層及び第１上部クラッド層の設計例を説明するための構造を示す図である。 図５Ｂは、図５Ａに示す窒化物半導体発光素子において第２ガイド層及び第１上部クラッド層の膜厚と導波損失との関係を示す図である。 図５Ｃは、図５Ａに示す窒化物半導体発光素子において第２ガイド層及び第１上部クラッド層の膜厚と光閉じ込め係数との関係を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子における第２上部クラッド層の膜厚と導波損失との関係を示す図である。 図７Ａは、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の上面図である。 図７Ｂは、図７ＡのＡ－Ａ’線における本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 図９は、構造の異なる６種類の窒化物半導体発光素子における計算パラメータとその特性とを比較した図である。 図１０Ａは、第２上部クラッド層の設計例を説明するために用いた窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。 図１０Ｂは、図１０Ａの構造を用いたときにおけるＩＴＯの消衰係数（Ｋ）と導波損失（αｉ）との関係を示す図である。 図１１Ａは、上部ガイド層及び第１上部クラッド層の設計例を説明するために用いた窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。 図１１Ｂは、図１１Ａに示す窒化物半導体発光素子における第２ガイド層及び第１上部クラッド層の膜厚と導波損失との関係を示す図である。 図１１Ｃは、図１１Ａに示す窒化物半導体発光素子における第２ガイド層及び第１上部クラッド層の膜厚と光閉じ込め係数との関係を示す図である。 図１２Ａは、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の上面図である。 図１２Ｂは、図１２ＡのＡ－Ａ’線における本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。 図１３Ａは、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、図９に示すパラメータを用いて作製した窒化物半導体発光素子（構造Ｇ）における電流－光出力特性及び電流－電圧特性を示す図である。 図１３Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、図９に示すパラメータを用いて作製した窒化物半導体発光素子（構造Ｊ）における電流－光出力特性及び電流－電圧特性を示す図である。 図１３Ｃは、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、図９に示すパラメータを用いて作製した窒化物半導体発光素子（構造Ｋ）における電流－光出力特性及び電流－電圧特性を示す図である。 図１４は、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。 図１５は、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。 図１６は、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 図１７は、従来のレーザダイオードの構造を説明するための図である。
　以下、本発明に係る窒化物半導体発光素子の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されず、本発明は請求の範囲の記載に基づいて特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、請求項に記載されていない構成要素は、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。
　（第１の実施形態）
　まず、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００は、窒化物半導体を用いたレーザダイオードであり、発光波長は３９０ｎｍ～４２０ｎｍであって、好ましくは中心波長が４０５ｎｍである。
　図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の上面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａ’線における同窒化物半導体発光素子の断面図である。
　図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００は、例えば（０００１）面のｎ型ＧａＮバルク基板である基板１０１上に、例えばｎ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である下部クラッド層１０２（第１クラッド層）、例えばｎ型のＧａＮ層である下部ガイド層１０３（第１ガイド層）、例えばＩｎＧａＮ活性層である量子井戸構造の活性層１０４、例えばｐ型のＧａＮ層である上部ガイド層１０５（第２ガイド層）、例えば薄膜のｐ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である電子障壁層１０６、及び、上部クラッド層１０７（第２クラッド層）が順次積層された層構造を有する。
　上部クラッド層１０７は、複数層からなり、本実施形態では、第１上部クラッド層１０８と第２上部クラッド層１０９との２層構造である。
　第１上部クラッド層１０８は、窒化物半導体によって構成されており、第２上部クラッド層１０９よりも活性層１０４に近い側に形成された窒化物半導体クラッド層（窒化物半導体層）である。第１上部クラッド層１０８は、例えばｐ型のＡｌｘ＋ｙＩｎ１－ｙＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦０．８２、０≦ｙ≦０．１８、０≦１－ｘ－ｙ＜１）によって構成することができる。
　第２上部クラッド層１０９は、透明導電膜（透明導電体）によって構成されており、第１上部クラッド層１０８よりも活性層１０４から離れて形成された透明導電体クラッド層（透明導電体層）である。第２上部クラッド層１０９は、例えばＩＴＯによって構成することができる。
　本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００は、活性層１０４の下の層までをエッチングによって深く掘り込むことによって形成されたリッジ（凸部）を有するリッジ型の光導波路１２０を備える。本実施形態における光導波路１２０は、第２上部クラッド層１０９から下部クラッド層１０２の一部までを深堀りすることによって形成された垂直メサ構造の光導波路である。
　下部クラッド層１０２の上面と光導波路１２０のリッジの側面とには、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１３０が形成されている。また、下部クラッド層１０２と光導波路１２０のリッジを覆うようにして、絶縁膜１３０上及び第２上部クラッド層１０９の上面（光導波路１２０の凸部のコンタクト面１２５）には、ｐ側電極１４０が形成されている。また、ｐ側電極１４０を覆うようにパッド電極１４１が形成されている。さらに、基板１０１の裏面、すなわち、下部クラッド層１０２が形成されている面とは反対側の面には、ｎ側電極１５０が形成されている。
　このように、上部クラッド層１０７において、透明導電膜からなる第２上部クラッド層１０９の直下に、窒化物半導体からなる第１上部クラッド層１０８を設けることによって、第１上部クラッド層１０８とその直下のｐ型のＧａＮからなる上部ガイド層１０５との間に屈折率差が発生する。すなわち、活性層１０４に近い第１上部クラッド層１０８によって光閉じ込めを行うことができる。これにより、第２上部クラッド層１０９が結晶性の低い透明導電性酸化膜によって構成されて消衰係数が高い場合であっても、光吸収による内部損失（αｉ）の増大を抑制することができる。その結果、高発光効率の窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
　また、透明導電膜からなる第２上部クラッド層１０９は、光やキャリアを閉じ込めるクラッド層としても機能し、第２上部クラッド層１０９によって縦方向の光閉じ込めを行うことができる。これにより、ｐ型のＡｌｘ＋ｙＩｎ１－ｙＧａ１－ｘＮからなる第１上部クラッド層１０８の膜厚を薄膜化することができるので、第１上部クラッド層１０８の直列抵抗を低減することができる。その結果、低電圧動作の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
　このように、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００によれば、高発光効率及び低動作電圧の窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
　次に、本実施の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００の製造方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
　図２の（ａ）に示すように、まず、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により、基板１０１上に、例えばＳｉをドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを１．５μｍの膜厚で成膜し、下部クラッド層１０２を形成する。続いて、例えばＳｉをドープしたｎ型のＧａＮである下部ガイド層１０３、例えばＩｎ０．６Ｇａ０．９４Ｎ井戸層／Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層が複数（例えば３層）成膜された活性層１０４、例えばＭｇをドープしたＧａＮである上部ガイド層１０５（膜厚１００ｎｍ）、及び、例えばＭｇをドープしたｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである電子障壁層１０６（膜厚１０ｎｍ）を順次成膜する。
　その後、上部クラッド層１０７として、窒化物半導体層と透明導電体層との積層膜を成膜する。具体的には、電子障壁層１０６上に、例えばＭｇをドープしたｐ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを１５０ｎｍの膜厚で成膜することにより、窒化物半導体層である第１上部クラッド層１０８を形成する。その後、成長炉から取り出し、スパッタ装置又は電子ビーム蒸着装置などを用いて、例えばＩＴＯを２００ｎｍの膜厚で成膜することにより、透明導電体層である第２上部クラッド層１０９を形成する。
　次に、第２上部クラッド層１０９の上に、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さ８００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成する。その後、フォトリソグラフィー及びフッ酸を用いたエッチングにより、ＳｉＯ２膜を選択的に除去して、後にリッジ型の光導波路１２０となる幅が例えば１．５μｍのＳｉＯ２マスクを形成する。その後、Ｃｌ２ガスを用いてドライエッチングを行い、ＳｉＯ２マスクに覆われていない領域について下部クラッド層１０２（一部あるいは全部）までをエッチングをする。これにより、図２の（ｂ）に示すような幅が１．５μｍの凸型（リッジ）のパターンが形成される。
　次に、基板１０１の上方の全面を覆うように、プラズマＣＶＤ法により、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成して絶縁膜１３０を形成する。その後、ＳｉＯ２マスクを除去することにより、図２の（ｃ）に示すように、２層構造の上部クラッド層１０７を有するリッジ型の光導波路１２０を形成することができる。
　次に、図２の（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー及びＥＢ蒸着法を用いて、光導波路１２０を覆うように、厚さが４５ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが５０ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ側電極１４０を形成する。続いて、フォトリソグラフィー及びＥＢ蒸着法を用いて、厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）と厚さが１０００ｎｍの金（Ａｕ）を積層させた膜を形成した後、電解メッキ法によりＡｕの厚さを１０μｍまで増やし、パッド電極１４１を形成する。
　その後、ダイヤモンドスラリーを用いて、基板１０１の厚さを１００μｍ程度まで研磨することにより薄片化した後、ＥＢ蒸着装置を用いて、基板１０１の裏面にｎ側電極１５０として厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍのＰｔ及び厚さが１０００ｎｍのＡｕを形成する。その後、劈開を行うことによりチップ分離され、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００が製造される。
　ここで、上部クラッド層１０７として、活性層１０４に近い側に形成される窒化物半導体からなる第１上部クラッド層１０８と、その上に形成される透明導電体からなる第２上部クラッド層１０９との２層構造とする理由について、図３を用いて説明する。
　図３は、構造の異なる６種類（「構造Ａ」～「構造Ｆ」）の窒化物半導体発光素子における計算パラメータとその特性とを比較した図である。なお、図３における各構造の窒化物半導体発光素子は、各構造の各層を図１Ｂに示す窒化物半導体発光素子の各層に対応させて条件を設定した。
　「構造Ａ」は、上部クラッド層１０７として、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのみを用いた構造であって、透明導電体層を用いない標準的な構造である。「構造Ｂ」は、第１上部クラッド層（窒化物半導体層）１０８がなく、ＩＴＯからなる第２上部クラッド層１０９のみを用いた構造である。「構造Ｃ」は、第１上部クラッド層１０８の材料としてＧａＮを用い、且つ、第２上部クラッド層１０９の材料としてＩＴＯを用いた構造である。「構造Ｄ」は、第１上部クラッド層１０８の材料としてＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用い、第２上部クラッド層１０９の材料としてＩＴＯを用いた構造である。「構造Ｅ」は、「構造Ａ」と同様に透明導電体層を用いない構造であるが、上部クラッド層１０７の膜厚が薄い構造であり、第１上部クラッド層１０８の材料としてＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用い、かつ第２上部クラッド層１０９を用いない構造である。「構造Ｆ」は、第１上部クラッド層１０８の材料としてＡｌ０．２Ｉｎ０．１Ｇａ０．７Ｎを用い、第２上部クラッド層１０９の材料としてＩＴＯを用いた構造である。
　なお、図３の６種類の構造のうち本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００は、構造Ｄ及び構造Ｆであり、構造Ｄでは、第１上部クラッド層１０８にＩｎ（インジウム）が含まれていない。
　図３において、これらの６種類の構造の窒化物半導体発光素子に対して、電流－光出力特性を決定付ける光閉じ込め係数（Γ）と導波損失（αｉ）の値をまとめている。
　図３に示す結果より、本実施形態に係る構造である構造Ｄ及び構造Ｆにおける窒化物半導体発光素子においては、標準的なレーザ構造である構造Ａの窒化物半導体発光素子よりも高い光閉じ込め係数を得ることができるとともに、当該構造Ａと同等レベルの導波損失を得ることができる。この結果、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００によれば、標準的な構造Ａの窒化物半導体発光素子と比べて、電流－光出力特性を低下させることなく電流－電圧特性を向上させることができる。
　次に、上記の「構造Ａ」～「構造Ｆ」（「構造Ｅ」を除く）に関し、第２上部クラッド層１０９の材料であるＩＴＯと窒化物半導体発光素子の特性との関係について、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、第２上部クラッド層１０９の設計例を説明するために用いた窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。図４Ｂは、図４Ａの構造を用いたときにおけるＩＴＯの消衰係数（Ｋ）と導波損失（αｉ）との関係を示す図であり、導波損失に対するＩＴＯの消衰係数（Ｋ）の依存性を示した図である。
　図４Ｂに示すように、「構造Ｂ」又は「構造Ｃ」の窒化物半導体発光素子における導波損失を「構造Ａ」又は「構造Ｄ」や「構造Ｆ」の窒化物半導体発光素子における導波損失と同等レベルにするには、第２上部クラッド層１０９（ＩＴＯ）の消衰係数（Ｋ）を１０－３程度にまですればよいが、これにはＩＴＯの結晶性を高くする必要がある。しかしながら、現状では、そのようなレベルの結晶性の高いＩＴＯを成膜することは非常に困難である。
　これに対し、「構造Ｄ」又は「構造Ｆ」の窒化物半導体発光素子では、第２上部クラッド層１０９（ＩＴＯ）の消衰係数（Ｋ）の値が１０－２と比較的に大きくても、「構造Ａ」と同等レベルの導波損失（αｉ）とすることができる。すなわち、第２上部クラッド層１０９が結晶性の低いＩＴＯであったとしても、「構造Ａ」の窒化物半導体発光素子と同等レベルの導波損失（αｉ）を実現することができる。これは、「構造Ｄ」又は「構造Ｆ」の窒化物半導体発光素子では、屈折率の低いＡｌＧａＮで構成された第１上部クラッド層１０８が光閉じ込めに寄与しており、第２上部クラッド層１０９への光の染み出しがほとんど無いためである。
　このように、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００によれば、第２上部クラッド層１０９が結晶性の低いＩＴＯであっても、光吸収による導波損失（αｉ）の増大を抑制することができる。また、ＩＴＯからなる第２上部クラッド層１０９は、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第１上部クラッド層１０８よりも屈折率が低いので、第２上部クラッド層１０９は光閉じ込め層としても機能する。これにより、第１上部クラッド層１０８の膜厚を薄膜化することが可能となり、直列抵抗を低くすることが可能となる。従って、高発光効率及び低動作電圧の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
　次に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００における上部ガイド層１０５の好ましい膜厚について、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃを用いて説明する。
　図５Ａは、上部ガイド層１０５及び第１上部クラッド層１０８の設計例を説明するために用いた窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。図５Ｂは、図５Ａに示す窒化物半導体発光素子において、第２ガイド層及び第１上部クラッド層の膜厚と導波損失との関係を示す図である。図５Ｃは、図５Ａに示す窒化物半導体発光素子において、第２ガイド層及び第１上部クラッド層の膜厚と光閉じ込め係数との関係を示す図である。
　上述の構造では、上部ガイド層１０５であるｐ型のＧａＮの膜厚を１００ｎｍとし、第１上部クラッド層１０８であるｐ型のＡｌＧａＮの膜厚を１５０ｎｍとし、第２上部クラッド層１０９の膜厚を２００ｎｍとした。
　ここで、光閉じ込め係数（Γ）や導波損失（αｉ）は、上部ガイド層１０５であるｐ型のＧａＮの膜厚（Ｔ１）と、第１上部クラッド層１０８であるｐ型のＡｌＧａＮの膜厚（Ｔ２）とから決まる。
　このため、上部ガイド層１０５であるｐ型のＧａＮの膜厚及び第１上部クラッド層１０８であるｐ型のｌＧａＮの膜厚次第では、上記の本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の効果が十分に得られないことがある。
　そこで、図５Ａの構造に示すように、ｐ型のＧａＮからなる上部ガイド層１０５の膜厚をＴ１とし、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第１上部クラッド層１０８の膜厚をＴ２として、これらの膜厚の変化に対する光閉じ込め係数（Γ）及び導波損失（αｉ）を計算した。その計算結果を図５Ｂ及び図５Ｃに示す。
　図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、標準的な構造Ａ（光閉じ込め係数：３．４％、導波損失：３．５ｃｍ－１）よりも高い光閉じ込め係数かつ低い導波損失の窒化物半導体発光素子を得るためには、上部ガイド層１０５の膜厚（Ｔ１）が１００ｎｍの場合においては、第１上部クラッド層１０８の膜厚（Ｔ２）は、１５０ｎｍ以上にすることが好ましい。
　同様に、上部ガイド層１０５の膜厚（Ｔ１）が１５０ｎｍの場合には、第１上部クラッド層１０８の膜厚（Ｔ２）は、１００ｎｍ以上にすることが好ましい。
　上部ガイド層１０５の膜厚（Ｔ１）及び第１上部クラッド層１０８の膜厚（Ｔ２）の組み合わせを図５Ｂ及び図５Ｃに示す範囲内とすることによって、ＩＴＯの消衰係数が大きい場合であっても導波損失（αｉ）の増大を抑制することができるとともに、所望の光閉じ込め係数を得ることができる。
　なお、上部ガイド層１０５の膜厚（Ｔ１）を、１００ｎｍ未満又は１５０ｎｍよりも大きくすると、標準的な構造Ａよりも導波損失（αｉ）が増大し、また、光閉じ込め係数の低下が起こるので閾値電流特性が増大する。
　次に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００における第２上部クラッド層１０９の好ましい膜厚について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、第２上部クラッド層の膜厚と導波損失との関係を示す図である。
　上述の構造では、第２上部クラッド層１０９（ＩＴＯ）の膜厚は２００ｎｍとしたが、本実施形態の構造である構造Ｄ又は構造Ｆにおいて、標準的な構造Ａ（導波損失：３．５ｃｍ－１）と同等の導波損失とするためには、図６に示すように、少なくとも第２上部クラッド層１０９の膜厚は１００ｎｍ以上することが好ましい。これにより、第２上部クラッド層１０９のコンタクト面上の電極による光吸収を十分小さくすることができる。
　以上の膜厚の計算結果から、上部ガイド層１０５と上部クラッド層１０７（第１上部クラッド層１０８及び第２上部クラッド層１０９）との合計膜厚ｄは、０．１μｍ＜ｄ＜０．５μｍとすることが好ましい。
　以上、本実施形態では、第１上部クラッド層１０８としてｐ型のＡｌＧａＮを用いた場合を中心に説明した。この場合、第１上部クラッド層１０８は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体層であれば、本発明の効果を得ることができる。第１上部クラッド層１０８の最も好ましいＡｌ組成は、Ａｌ組成ｘが０＜ｘ≦０．１の場合である。Ａｌ組成ｘが０．１より高くなると、第１上部クラッド層１０８の直列抵抗が高くなって閾値電流特性が劣化したり、また、ＧａＮとの格子定数差が大きくなりクラックが発生して歩留まりに悪影響を及ぼしたりするからである。
　また、第１上部クラッド層１０８の材料としては、ＡｌＧａＮに限らず、ＡｌＧａＮのＡｌ組成ｘが０＜ｘ≦０．１の場合の屈折率よりも低くなるｐ型ＡｌＩｎＮ又は４元混晶のｐ型のＡｌＩｎＧａＮを用いても同様の効果を得ることができる。
　（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００について、図面を参照しながら説明する。
　上述の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００では、下部ガイド層１０３及び上部ガイド層１０５の材料としてＧａＮを用いたが、第２の実施形態では、下部ガイド層２０３及び上部ガイド層２０５の材料としてＩｎＧａＮを用いた。これにより、第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００は、第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００に対して、ＩＴＯの消衰係数に対する許容上限値を更に高くすることができるとともに、光閉じ込め係数を増大させることができる。従って、より高効率の窒化物半導体発光素子を実現させることが可能となる。
　なお、第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子としては、窒化物半導体を用いたスーパールミネッセントダイオードを例にとって説明する。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の発光波長は、例えば４２０ｎｍ～４９０ｎｍであり、好ましくは、中心波長が４５０ｎｍである。
　図７Ａは、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の上面図であり、図７Ｂは、図７ＡのＡ－Ａ’線における同窒化物半導体発光素子の断面図である。
　図７Ａ及び図７Ｂに示すように、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００は、例えば（０００１）面のｎ型ＧａＮバルク基板である基板２０１上に、例えばｎ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である下部クラッド層２０２（第１クラッド層）、例えばｎ型のＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である下部ガイド層２０３（第１ガイド層）、例えばＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ＧａＮ活性層である量子井戸構造の活性層２０４、例えばｐ型のＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である上部ガイド層２０５（第２ガイド層）、例えば薄膜のｐ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である電子障壁層２０６、及び、上部クラッド層２０７（第２クラッド層）が順次積層された層構造を有する。
　上部クラッド層２０７は、複数層からなり、本実施形態では、第１上部クラッド層２０８と第２上部クラッド層２０９との２層構造である。
　第１上部クラッド層２０８は、窒化物半導体によって構成されており、第２上部クラッド層２０９よりも活性層２０４に近い側に形成された窒化物半導体クラッド層（窒化物半導体層）である。第１上部クラッド層２０８は、例えばｐ型のＡｌｘ＋ｙＩｎ１－ｙＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦０．８２、０≦ｙ≦０．１８、０≦１－ｘ－ｙ＜１）によって構成することができる。
　第２上部クラッド層２０９は、透明導電膜（透明導電体）によって構成されており、第１上部クラッド層２０８よりも活性層２０４から離れて形成された透明導電体クラッド層（透明導電体層）である。第２上部クラッド層２０９は、例えばＩＴＯによって構成することができる。
　本実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００は、活性層２０４の下の層までを深く掘り込むことによって形成されたリッジ（凸部）を有するリッジ型の光導波路２２０を備える。但し、本実施形態における光導波路２２０は、第１の実施形態における光導波路１２０と異なり、第１上部クラッド層２０８から下部クラッド層２０２の一部までを深堀りすることによって形成された垂直なメサ構造の光導波路である。すなわち、本実施形態では、第２上部クラッド層２０９は、リッジを覆う構成となっている。
　下部クラッド層２０２の上面と光導波路２２０のリッジの側面とには、ＳｉＯ２からなる絶縁膜２３０が形成されている。また、下部クラッド層２０２と光導波路２２０のリッジを覆うようにして、絶縁膜２３０上及び第１上部クラッド層２０８の上面には、第２上部クラッド層２０９が形成されている。また、第２上部クラッド層２０９を覆うように、第２上部クラッド層の凸部のコンタクト面２２５にはｐ側電極２４０が形成されている。また、ｐ側電極２４０を覆うようにパッド電極２４１が形成されている。さらに、基板２０１の裏面上にはｎ側電極２５０が形成されている。
　そして、本実施形態では、図７Ａに示すように、光導波路２２０は出射端近傍にて曲率半径３０００μｍ以上で曲がっており、光導波路２２０は光出射端面に対して傾斜している。本実施形態において、光出射端面と光導波路２２０とのなす角度は、例えば１０度としている。
　このように、本実施形態においても、上部クラッド層２０７において、透明導電膜からなる第２上部クラッド層２０９の直下に窒化物半導体からなる第１上部クラッド層２０８が設けられているので、第１上部クラッド層２０８とその直下のｐ型のＩｎＧａＮからなる上部ガイド層２０５との間に屈折率差が発生する。すなわち、活性層２０４に近い第１上部クラッド層２０８によって光閉じ込めを行うことができる。これにより、第２上部クラッド層２０９が結晶性の低い透明導電性酸化膜によって構成され、消衰係数が高い場合であっても、光吸収による内部損失（αｉ）の増大を抑制することができる。その結果、高発光効率の窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
　また、透明導電膜からなる第２上部クラッド層２０９は、光やキャリアを閉じ込めるクラッド層としても機能し、第２上部クラッド層２０９によって縦方向の光閉じ込めを行うことができる。これにより、ｐ型のＡｌｘ＋ｙＩｎ１－ｙＧａ１－ｘＮからなる第１上部クラッド層２０８の膜厚を薄膜化することができるので、第１上部クラッド層２０８の直列抵抗を低減することができる。その結果、低電圧動作の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
　このように、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００によれば、高発光効率及び低動作電圧の窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
　次に、本実施の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００の製造方法について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
　まず、ＭＯＣＶＤ法により、基板２０１上に、例えばＳｉをドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを１．５μｍの膜厚で成膜し、下部クラッド層２０２を形成する。続いて、例えばＳｉをドープしたＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎである下部ガイド層２０３、例えばＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層／ＧａＮ障壁層が複数（例えば３層）成膜された活性層２０４、例えばＭｇをドープしたＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎである上部ガイド層２０５（膜厚１００ｎｍ）、及び、例えばＭｇをドープしたｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである電子障壁層２０６（膜厚１０ｎｍ）を順次成膜する。
　その後、上部クラッド層２０７を構成する１つの層として、まず、例えばＭｇをドープしたｐ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを１５０ｎｍの膜厚で成膜することにより、窒化物半導体層である第１上部クラッド層１０８を形成する。
　次に、第１上部クラッド層２０８の上に、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さ８００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成する。その後、フォトリソグラフィー及びフッ酸を用いたエッチングにより、ＳｉＯ２膜を選択的に除去して、後にリッジ型の光導波路２２０となる幅が例えば１．５μｍのＳｉＯ２マスクを形成する。その後、Ｃｌ２ガスを用いてドライエッチングを行い、ＳｉＯ２マスクに覆われていない領域について下部クラッド層１０２（一部あるいは全部）までをエッチングをする。これにより、図８の（ａ）に示すような幅が１．５μｍの凸型（リッジ）のパターンが形成される。
　次に、基板１０１の上方の全面を覆うように、プラズマＣＶＤ法により、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成して絶縁膜２３０を形成する。その後、ＳｉＯ２マスクを除去することにより、図８の（ｂ）に示すように、リッジ型の光導波路２２０を形成することができる。
　その後、スパッタ装置又は電子ビーム蒸着装置などを用いて、例えばＩＴＯを２００ｎｍの膜厚で成膜してパターニングすることによって、所定形状の第２上部クラッド層２０９を形成することができる。これにより、図８の（ｃ）に示すように、２層構造の上部クラッド層２０７を形成することができる。
　次に、図８の（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー及びＥＢ蒸着法を用いて、光導波路２２０を覆うように、厚さが４５ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが５０ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ側電極２４０を形成する。続いて、フォトリソグラフィー及びＥＢ蒸着法を用いて、厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）と厚さが１０００ｎｍの金（Ａｕ）を積層させた膜を形成した後、電解メッキ法によりＡｕの厚さを１０μｍまで増やし、パッド電極２４１を形成する。
　その後、ダイヤモンドスラリーを用いて、基板２０１の厚さを１００μｍ程度まで研磨することにより薄片化した後、ＥＢ蒸着装置を用いて、基板２０１の裏面にｎ側電極２５０として厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍのＰｔ及び、厚さが１０００ｎｍのＡｕを形成する。その後、劈開を行うことによりチップ分離され、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００が製造される。
　ここで、上部クラッド層２０７として、活性層２０４に近い側に形成された窒化物半導体からなる第１上部クラッド層２０８と、その上に形成された透明導電体からなる第２上部クラッド層２０９との２層構造とする理由について、図９を用いて説明する。
　図９は、構造の異なる６種類（「構造Ｇ」～「構造Ｌ」）の窒化物半導体発光素子における計算パラメータとその特性とを比較した図である。なお、図９における各構造の窒化物半導体発光素子は、各構造の各層を図７Ｂに示す窒化物半導体発光素子の各層に対応させて条件を設定した。
　図９において、「構造Ｇ」は、上部クラッド層２０７として、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのみを用いた構造であって、透明導電体層を用いない標準的な構造である。「構造Ｈ」は、第１上部クラッド層（窒化物半導体層）２０８がなく、ＩＴＯからなる第２上部クラッド層２０９のみを用いた構造である。「構造Ｉ」は、第１上部クラッド層２０８の材料としてＧａＮを用い、且つ、第２上部クラッド層２０９の材料としてＩＴＯを用いた構造である。「構造Ｊ」は、第１上部クラッド層２０８の材料としてＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用い、第２上部クラッド層２０９の材料としてＩＴＯを用いた構造である。「構造Ｋ」は、「構造Ｇ」と同様に透明導電体層を用いない構造であるが、上部クラッド層２０７の膜厚が薄い構造であり、第１上部クラッド層２０８の材料として膜厚が１５０ｎｍのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用い、かつ第２上部クラッド層２０９を用いない構造である。「構造Ｌ」は、第１上部クラッド層２０８の材料としてＡｌ０．２Ｉｎ０．１Ｇａ０．７Ｎを用い、第２上部クラッド層２０９の材料としてＩＴＯを用いた構造である。
　なお、図９の６種類の構造のうち本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００は、構造Ｊ及び構造Ｌであり、構造Ｊでは、第１上部クラッド層２０８にＩｎ（インジウム）が含まれていない。
　図９において、これらの６種類の構造の窒化物半導体発光素子に対して、電流－光出力特性を決定付ける光閉じ込め係数（Γ）と導波損失（αｉ）の値をまとめている。
　図９に示す結果より、本実施形態に係る構造である構造Ｊ及び構造Ｌにおける窒化物半導体発光素子においては、標準的なレーザ構造である構造Ｇの窒化物半導体発光素子よりも高い光閉じ込め係数を得ることができるとともに、当該構造Ｇと同等レベルの導波損失を得ることができる。この結果、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００によれば、標準的な構造Ｇの窒化物半導体発光素子と同等の電流－光出力特性を得るとことができるとともに、電流－電圧特性を改善することができる。
　次に、上記の「構造Ｇ」～「構造Ｌ」（「構造Ｋ」を除く）に関し、第２上部クラッド層２０９の材料であるＩＴＯと窒化物半導体発光素子の特性との関係について、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａは、第２上部クラッド層２０９の設計例を説明するために用いた窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。図１０Ｂは、図１０Ａの構造を用いたときにおけるＩＴＯの消衰係数（Ｋ）と導波損失（αｉ）との関係を示す図であり、導波損失に対するＩＴＯの消衰係数（Ｋ）の依存性を示した図である。
　図１０Ｂに示すように、「構造Ｈ」又は「構造Ｉ」の窒化物半導体発光素子における導波損失を「構造Ｇ」又は「構造Ｊ」や「構造Ｌ」の窒化物半導体発光素子における導波損失と同等レベルにするには、第２上部クラッド層２０９（ＩＴＯ）の消衰係数（Ｋ）を１０－３程度にまですればよいが、これにはＩＴＯの結晶性を高くする必要がある。しかしながら、現状では、そのようなレベルの結晶性の高いＩＴＯを成膜することは非常に困難である。
　これに対し、「構造Ｊ」又は「構造Ｌ」の窒化物半導体発光素子では、第２上部クラッド層２０９（ＩＴＯ）の消衰係数（Ｋ）の値が１０－２と比較的に大きくても、「構造Ｇ」と同等レベルの導波損失（αｉ）とすることができる。すなわち、第２上部クラッド層２０９が結晶性の低いＩＴＯであったとしても、「構造Ｇ」の窒化物半導体発光素子と同等レベルの導波損失（αｉ）を実現することができる。これは、「構造Ｊ」又は「構造Ｌ」の窒化物半導体発光素子では、屈折率の低いＡｌＧａＮで構成された第１上部クラッド層２０８が光閉じ込めに寄与しており、第２上部クラッド層２０９への光の染み出しがほとんど無いためである。
　このように、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００によれば、第２上部クラッド層２０９が結晶性の低いＩＴＯであっても、光吸収による導波損失（αｉ）の増大を抑制することができる。また、ＩＴＯからなる第２上部クラッド層２０９は、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第１上部クラッド層２０８よりも屈折率が低いので、第２上部クラッド層２０９は光閉じ込め層としても機能する。これにより、第１上部クラッド層２０８の膜厚を薄膜化することが可能となる。従って、高発光効率及び低動作電圧の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
　次に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子２００における上部ガイド層２０５の好ましい膜厚について、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃを用いて説明する。
　図１１Ａは、上部ガイド層２０５及び第１上部クラッド層２０８の設計例を説明するために用いた窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示す窒化物半導体発光素子において、第２ガイド層及び第１上部クラッド層の膜厚と導波損失との関係を示す図である。図１１Ｃは、図１１Ａに示す窒化物半導体発光素子において、第２ガイド層及び第１上部クラッド層の膜厚と光閉じ込め係数との関係を示す図である。
　上述の構造では、上部ガイド層２０５であるｐ型のＩｎＧａＮの膜厚を１００ｎｍとし、第１上部クラッド層２０８であるｐ型のＡｌＧａＮの膜厚を１５０ｎｍとし、第２上部クラッド層２０９の膜厚を２００ｎｍとした。
　ここで、光閉じ込め係数（Γ）や導波損失（αｉ）は、上部ガイド層２０５であるｐ型のＩｎＧａＮの膜厚（Ｔ１）と第１上部クラッド層２０８であるｐ型のＡｌＧａＮの膜厚（Ｔ２）とから決まる。
　このため、上部ガイド層２０５であるｐ型のＩｎＧａＮの膜厚及び第１上部クラッド層２０８であるｐ型のＡｌＧａＮの膜厚次第では、上記の本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の効果が十分に得られないことがある。
　そこで、図１１Ａの構造に示すように、ｐ型のＩｎＧａＮからなる上部ガイド層２０５の膜厚をＴ１とし、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第１上部クラッド層２０８の膜厚をＴ２として、これらの膜厚の変化に対する光閉じ込め係数（Γ）及び導波損失（αｉ）を計算した。その結果を図１１Ｂ及び図１１Ｃに示す。
　図１１Ｂ及び図１１Ｃに示すように、標準的な構造Ｇ（光閉じ込め係数：２．４６％、導波損失：３．５ｃｍ－１）よりも高い光閉じ込め係数かつ低い導波損失の窒化物半導体発光素子を得るためには、第２上部クラッド層２０９の膜厚（Ｔ２）が５０ｎｍの場合、第２ガイド層の膜厚（Ｔ１）は、２００ｎｍにすることが好ましい。また、第２上部クラッド層２０９の膜厚（Ｔ２）が１００ｎｍの場合、第２ガイド層の膜厚（Ｔ１）は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下にすることが好ましい。また、第２上部クラッド層２０９の膜厚（Ｔ２）が１５０ｎｍの場合、第２ガイド層の膜厚（Ｔ１）は、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下にすることが好ましい。また、第２上部クラッド層２０９の膜厚（Ｔ２）が２００ｎｍの場合、第２ガイド層の膜厚（Ｔ１）は、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下にすることが好ましい。また、第２上部クラッド層２０９の膜厚（Ｔ２）が３００ｎｍの場合、第２ガイド層の膜厚（Ｔ１）は、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下にすることが好ましい。
　上部ガイド層２０５の膜厚（Ｔ１）及び第１上部クラッド層２０８の膜厚（Ｔ２）の組み合わせを図１１Ｂ及び図１１Ｃに示す範囲内にすることによって、ＩＴＯの消衰係数が大きい場合であっても導波損失（αｉ）の増大を抑制することができるとともに、所望の光閉じ込め係数を得ることができる。
　なお、上部ガイド層２０５の膜厚（Ｔ１）及び第１上部クラッド層２０８の膜厚（Ｔ２）が上記の範囲外の場合、標準的な構造Ｇよりも導波損失（αｉ）が増大し、また、光閉じ込め係数の低下が起こるので電流－光出力特性が悪くなる。
　以上、本実施形態では、第１上部クラッド層２０８としてｐ型のＡｌＧａＮを用いた場合を中心に説明した。この場合、第１上部クラッド層２０８は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体層であれば、本発明の効果を得ることができる。第１上部クラッド層２０８の最も好ましいＡｌ組成は、Ａｌ組成ｘが０＜ｘ≦０．１の場合である。Ａｌ組成ｘが０．１より高くなると、第１上部クラッド層２０８の直列抵抗が高くなって閾値電流特性が劣化したり、また、ＧａＮとの格子定数差が大きくなりクラックが発生して歩留まりに悪影響を及ぼしたりするからである。
　また、第１上部クラッド層２０８の材料としては、ＡｌＧａＮに限らず、ＡｌＧａＮのＡｌ組成ｘが０＜ｘ≦０．１の場合の屈折率と同等かそれよりも低くなるＡｌＩｎＮ又は４元混晶のＡｌＩｎＧａＮを用いても同様の効果を得ることができる。
　また、本実施形態（構造Ｊ）の第２上部クラッド層２０９の膜厚は２００ｎｍとしたが、少なくとも１００ｎｍより厚くすることが好ましい。第２上部クラッド層２０９を厚膜化することにより、第２上部クラッド層２０９の上に形成する電極による光吸収を小さくすることができる。
　（第３の実施形態）
　次に、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子３００について、図面を参照しながら説明する。
　本実施形態に係る窒化物半導体発光素子３００は、第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００、２００と基本構成は同じである。従って、本実施形態では、第１及び第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
　なお、第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子としては、窒化物半導体を用いたレーザダイオードを例にとって説明する。
　図１２Ａは、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の上面図であり、図１２Ｂは、図１２ＡのＡ－Ａ’線における同窒化物半導体発光素子の断面図である。
　図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子３００は、例えば（０００１）面のｎ型ＧａＮバルク基板である基板３０１上に、例えばｎ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である下部クラッド層３０２（第１クラッド層）、例えばｎ型のＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である下部ガイド層３０３（第１ガイド層）、例えばＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ＧａＮ活性層である量子井戸構造の活性層３０４、例えばｐ型のＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である上部ガイド層３０５（第２ガイド層）、例えば薄膜のｐ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である電子障壁層３０６、及び、上部クラッド層３０７（第２クラッド層）が順次積層された層構造を有する。
　上部クラッド層３０７は、複数層からなり、本実施形態では、第１上部クラッド層３０８と第２上部クラッド層３０９との２層構造である。
　第１上部クラッド層３０８は、窒化物半導体によって構成されており、第２上部クラッド層３０９よりも活性層３０４に近い側に形成された窒化物半導体クラッド層（窒化物半導体層）である。第１上部クラッド層３０８は、例えばｐ型のＡｌｘ＋ｙＩｎ１－ｙＧａ１－ｘＮによって構成することができる。
　第２上部クラッド層３０９は、透明導電膜（透明導電体）によって構成されており、第１上部クラッド層３０８よりも活性層３０４から離れて形成された透明導電体クラッド層（透明導電体層）である。第２上部クラッド層３０９は、例えばＩＴＯによって構成することができる。
　本実施形態に係る窒化物半導体発光素子３００は、第１上部クラッド層３０８の一部又は全てを垂直なメサ構造にした、リッジを有するリッジ型の光導波路３２０を備える。光導波路３２０の最上部以外の第１上部クラッド層３０８の表面、すなわち、第１上部クラッド層３０８のリッジ側面及び平坦部の表面は、例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜３３０によって覆われている。
　また、光導波路３２０の最上部の第１上部クラッド層３０８の表面と接合するように、第２上部クラッド層３０９が形成される。さらに、第２上部クラッド層３０９は、光導波路３２０の凸部（リッジ）上面よりも横方向に大きく広がるように形成されており、光導波路３２０の凸部と絶縁膜３３０の表面の一部を覆うように形成される。
　また、第２上部クラッド層３０９の上部には、コンタクト面３２５を介してｐ側電極３４０が形成される。さらに、ｐ側電極を覆うようにパッド電極３４１が形成されている。さらに、基板３０１の裏面上にはｎ側電極３５０が形成されている。
　このように、本実施形態においても、上部クラッド層３０７において、透明導電膜からなる第２上部クラッド層３０９の直下に窒化物半導体からなる第１上部クラッド層３０８が設けられているので、第１上部クラッド層３０８とその直下のｐ型のＩｎＧａＮからなる上部ガイド層３０５との間に屈折率差が発生する。すなわち、活性層３０４に近い第１上部クラッド層３０８によって光閉じ込めを行うことができる。これにより、第２上部クラッド層３０９が結晶性の低い透明導電性酸化膜によって構成され、消衰係数が高い場合であっても、光吸収による内部損失（αｉ）の増大を抑制することができる。その結果、高発光効率の窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
　また、透明導電膜からなる第２上部クラッド層３０９は、光やキャリアを閉じ込めるクラッド層としても機能し、第２上部クラッド層３０９によって縦方向の光閉じ込めを行うことができる。これにより、ｐ型のＡｌｘ＋ｙＩｎ１－ｙＧａ１－ｘＮからなる第１上部クラッド層３０８の膜厚を薄膜化することができるので、第１上部クラッド層３０８の直列抵抗を低減することができる。しかも、本実施形態では、第２上部クラッド層３０９は、光導波路３２０の凸部よりも横方向に大きく形成されており、ｐ側電極３４０とのコンタクト面３２５を大きく設定することができる。これにより、コンタクト面３２５におけるコンタクト抵抗を低減することができる。その結果、より低い電圧で動作可能な窒化物半導体発光素子を実現することができる。
　以上、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子３００によれば、高発光効率で、より低動作電圧である窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
　次に、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子３００の作用効果について図１３Ａ～図１３Ｃを用いて説明する。図１３Ａ～図１３Ｃは、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、図９に示すパラメータを用いて作製した窒化物半導体発光素子（構造Ｇ、構造Ｊ、構造Ｋ）における電流－光出力特性及び電流－電圧特性を示す図である。
　具体的に、図１３Ａは、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのみを用い、第２上部クラッド層（ＩＴＯ）を用いない標準的な構造Ｇのパラメータを用いて試作した窒化物半導体発光素子の特性を示している。図１３Ｂは、上部クラッド層として第１上部クラッド層（窒化物半導体）と第２上部クラッド層（ＩＴＯ）とを用いた構造Ｊのパラメータを用いて試作した窒化物半導体発光素子の特性を示している。図１３Ｃは、第１上部クラッド層として膜厚１５０ｎｍのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用い、第２上部クラッド層（ＩＴＯ）を用いない構造Ｋのパラメータを用いて試作した窒化物半導体発光素子の特性を示している。
　図１３Ａ～図１３Ｃを比較すると、図１３Ｂに示される本実施形態の構造に相当する窒化物半導体発光素子は、図１３Ａに示される標準的な窒化物半導体発光素子に対して、電流－光出力特性は同等であるが、動作電圧については大幅に低減できていることがわかる。
　一方、図１３Ｃに示される本実施形態の構造ではない、膜厚１５０ｎｍのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎのみのクラッド層構造である窒化物半導体発光素子は、図１３Ａに示される標準的な窒化物半導体発光素子に対して、動作電圧は低減されるものの、ｐ側電極への光吸収が大きくなり所望の光出力が得られないことがわかる。
　以上の結果から、本実施形態に係る構造の窒化物半導体発光素子３００によれば、電流－光出力特性を劣化させることなく、動作電圧を低減することができる。
　（第４の実施形態）
　次に、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光素子４００について、図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の断面図である。
　本実施形態に係る窒化物半導体発光素子４００は、第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子３００と基本構成は同じである。従って、本実施形態では、第３の実施形態と異なる点を中心に説明する。
　図１４に示すように、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光素子４００は、例えば（０００１）面のｎ型ＧａＮバルク基板である基板４０１上に、例えばｎ型のＡｌｘＧａ1-ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である下部クラッド層４０２（第１クラッド層）、例えばｎ型のＧａＮ層である下部ガイド層４０３（第１ガイド層）、例えばＩｎＧａＮ活性層である量子井戸構造の活性層４０４、例えばｐ型のＧａＮ層である上部ガイド層４０５（第２ガイド層）、例えば薄膜のｐ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である電子障壁層４０６、及び、上部クラッド層４０７（第２クラッド層）が順次積層された層構造を有する。
　上部クラッド層４０７は、複数層からなり、本実施形態では、第１上部クラッド層４０８と、第２上部クラッド層４０９と、第１上部クラッド層４０８と第２上部クラッド層４０９との間に形成された第３上部クラッド層４０８ａの３層構造である。
　第１上部クラッド層４０８は、窒化物半導体によって構成されており、第２上部クラッド層４０９及び第３上部クラッド層４０８ａよりも活性層４０４に近い側に形成された窒化物半導体クラッド層（窒化物半導体層）である。第１上部クラッド層４０８は、例えばｐ型のＡｌｘ＋ｙＩｎ１－ｙＧａ１－ｘＮによって構成することができる。
　第２上部クラッド層４０９は、透明導電膜（透明導電体）によって構成されており、第１上部クラッド層４０８及び第３上部クラッド層４０８ａよりも活性層４０４から離れて形成された透明導電体クラッド層（透明導電体層）である。第２上部クラッド層４０９は、例えばＩＴＯによって構成することができる。
　第３上部クラッド層４０８ａは、窒化物半導体によって構成されており、第１上部クラッド層４０８上に形成されたｎ型コンタクト層である。第３上部クラッド層４０８ａは、トンネル電極として形成され、例えば高濃度にＳｉがドープされたｎ型のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層によって構成することができる。
　本実施形態に係る窒化物半導体発光素子４００は、第１上部クラッド層４０８及び第３上部クラッド層４０８ａの一部をメサ構造にした、リッジを有するリッジ型の光導波路４２０を備える。光導波路４２０のリッジ以外の領域、すなわち、第１上部クラッド層４０８のリッジ側面及び平坦部の表面と第３上部クラッド層４０８ａの側面は、例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜４３０によって覆われている。
　また、光導波路４２０の最上部の第３上部クラッド層４０８ａの表面と接合するように、第２上部クラッド層４０９が形成される。さらに、第２上部クラッド層４０９は、光導波路４２０の凸部（リッジ）上面よりも横方向に大きく広がるように形成されており、光導波路４２０の凸部と絶縁膜４３０の表面の一部を覆うように形成される。
　また、第２上部クラッド層４０９のコンタクト面４２５上にはｐ側電極４４０が形成されており、そのｐ側電極４４０の上部にはパッド電極４４１が形成されている。さらに、基板４０１の裏面上にはｎ側電極４５０が形成されている。
　このように、本実施形態においても、第３の実施形態と同様に、透明導電膜からなる第２上部クラッド層４０９の下方に窒化物半導体からなる第１上部クラッド層４０８が設けられているので、光吸収による内部損失（αｉ）の増大を抑制することができるとともに、第１上部クラッド層４０８の直列抵抗を低減することができる。しかも、第２上部クラッド層４０９は、光導波路４２０の凸部よりも横方向に大きく形成されて、ｐ側電極４４０とのコンタクト面４２５を大きく設定することができるので、コンタクト面４２５におけるコンタクト抵抗を低減することができる。
　さらに、本実施形態では、第１上部クラッド層４０８と第２上部クラッド層４０９との間に第３上部クラッド層４０８ａが形成されている。これにより、第１上部クラッド層４０８と第２上部クラッド層４０９との間において、トンネル電流によってキャリアを移動させることができる。この結果、第２上部クラッド層４０９と第１上部クラッド層４０８との間のコンタクト抵抗をさらに低減させることができる。
　以上、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体発光素子４００によれば、窒化物半導体発光素子の動作電圧をより低減させることが可能となるので、高発光効率で、さらに低動作電圧を可能とした窒化物半導体発光素子を実現することができる。
　なお、本実施形態において、第３上部クラッド層４０８ａとして、高濃度ＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を用いたが、これに限らない。第３上部クラッド層４０８ａとしては、例えば高濃度ＳｉドープのＧａＮ又はＩｎＧａＮの単層のｎ型コンタクト層を用いてもかまわない。
　（第５の実施形態）
　次に、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光素子５００について、図１５を用いて説明する。
　図１５に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子５００は、窒化物半導体を用いた埋め込み型（ＲＩＳＡ型）の半導体レーザであって、例えば（０００１）面のｎ型ＧａＮバルク基板である基板５０１上に、例えばｎ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である下部クラッド層５０２（第１クラッド層）、例えばｎ型のＩｎＧａＮ層である下部ガイド層５０３（第１ガイド層）、例えばＩｎＧａＮ活性層である量子井戸構造の活性層５０４、例えばｐ型のＩｎＧａＮ層である第１上部ガイド層５０５ａ（第１の第２ガイド層）、例えば薄膜のｐ型のＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である電子障壁層５０６、例えばｐ型のＧａＮ層である第２上部ガイド層５０５ｂ（第２の第２ガイド層）、第２上部ガイド層５０５ｂ上部に開口部を有する例えばｎ型のＡｌＧａＮである電流ブロック層５３０、及び、開口部を埋めるように電流ブロック層５３０上に形成された上部クラッド層５０７（第２クラッド層）が順次積層された層構造を有する。なお、電流ブロック層５３０は、Ａｌ組成比が高い高Ａｌ組成のＡｌＧａＮによって構成されている。
　上部クラッド層５０７は、複数層からなり、本実施形態では、第１上部クラッド層５０８と、第２上部クラッド層５０９と、第１上部クラッド層５０８と第２上部クラッド層５０９との間に形成された第３上部クラッド層５０８ａの３層構造である。
　第１上部クラッド層５０８は、窒化物半導体によって構成されており、第２上部クラッド層５０９及び第３上部クラッド層５０８ａよりも活性層５０４に近い側に形成された窒化物半導体クラッド層（窒化物半導体層）である。第１上部クラッド層５０８は、電流ブロック層５３０の開口部を埋めるように、第１上部ガイド層５０５ａ及び電流ブロック層５３０上に形成されており、例えばｐ型のＡｌｘ＋ｙＩｎ１－ｙＧａ１－ｘＮによって構成することができる。
　第２上部クラッド層５０９は、透明導電膜（透明導電体）によって構成されており、第１上部クラッド層５０８及び第３上部クラッド層５０８ａよりも活性層５０４から離れて形成された透明導電体クラッド層（透明導電体層）である。第２上部クラッド層５０９は、例えばＩＴＯによって構成することができる。
　第３上部クラッド層５０８ａは、窒化物半導体によって構成されており、第１上部クラッド層５０８上に形成されたｎ型コンタクト層である。第３上部クラッド層５０８ａは、トンネル電極として形成され、例えば高濃度にＳｉがドープされたｎ型のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層によって構成することができる。
　本実施形態に係る窒化物半導体発光素子５００は、電流ブロック層５３０の開口部に第１上部クラッド層５０８が埋め込まれることによって形成された埋め込み型の光導波路５２０を備える。
　また、第２上部クラッド層５０９のコンタクト面５２５にはｐ側電極５４０が形成されており、そのｐ側電極４４０の上部にはパッド電極５４１が形成されている。さらに、基板５０１の裏面上にはｎ側電極５５０が形成されている。
　次に、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光素子５００の製造方法について、図１６を用いて説明する。図１６は、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。
　図１６の（ａ）に示すように、まず、ＭＯＣＶＤ法により、基板５０１上に、例えばＳｉをドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを１．５μｍの膜厚で成膜し、下部クラッド層５０２を形成する。続いて、例えばＳｉをドープしたｎ型のＩｎＧａＮである下部ガイド層５０３、例えばＩｎ０．１５Ｇａ０．９５Ｎ井戸層／ＧａＮ障壁層が複数（例えば３層）成膜された活性層５０４、例えばＭｇをドープしたＩｎＧａＮである第１上部ガイド層５０５ａ、例えばＭｇをドープしたｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである電子障壁層５０６、例えばＭｇをドープしたＧａＮである第２上部ガイド層５０５ｂ、及び、例えばｎ型のＡｌＧａＮである電流ブロック層５３０を順次成膜する。
　その後、スパッタ装置を用いてＳｉＯ２マスクを電流ブロック層５３０上に形成し、フォトリソグラフィー及びウェットエッチングを用いて、例えば幅１．５μｍの開口部を形成する。その後、フォトケミカルウェットエッチングを用いて光導波路５２０となる領域を開口し、その後フッ酸によりＳｉＯ２マスクを除去する。これにより、図１６の（ｂ）に示すように、電流ブロック層５３０に光導波路５２０となる開口部が形成された構成を得ることができる。なお、このとき、開口部内には第１上部ガイド層５０５ａが露出している。
　その後、図１６の（ｃ）に示すように、再度ＭＯＣＶＤ法により、例えばｐ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる第１上部クラッド層５０８を、開口部を埋めるように第１上部ガイド層５０５ａ及び電流ブロック層５３０の上に形成し、続けて、第１上部クラッド層５０８の上に、例えば高濃度にＳｉがドープされたｎ型のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層からなる第３上部クラッド層５０８ａを成膜する。
　その後、成長炉から取り出して、同図に示すように、電子ビーム蒸着装置又はスパッタ装置を用いて、例えばＩＴＯを成膜することにより、第２上部クラッド層５０９を成膜する。これにより、３層構造の上部クラッド層５０７を形成することができる。
　その後、図１６の（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー及びＥＢ蒸着法を用いて、光導波路５２０を覆うように、厚さが４５ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが５０ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ側電極５４０を形成する。続いて、フォトリソグラフィー及びＥＢ蒸着法を用いて、厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）と厚さが１０００ｎｍの金（Ａｕ）を積層させた膜を形成した後、電解メッキ法によりＡｕの厚さを１０μｍまで増やし、パッド電極５４１を形成する。
　その後、ダイヤモンドスラリーを用いて、基板５０１の厚さを１００μｍ程度まで研磨することにより薄片化した後、ＥＢ蒸着装置を用いて、基板５０１の裏面にｎ側電極５５０として厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍのＰｔ及び厚さが１０００ｎｍのＡｕを形成する。その後、劈開を行うことによりチップ分離され、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子５００が製造される。
　以上、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光素子５００によれば、第１～第４の実施形態と同様に、透明導電膜からなる第２上部クラッド層５０９の下方に窒化物半導体からなる第１上部クラッド層５０８が設けられているので、光吸収による内部損失（αｉ）の増大を抑制することができるとともに、第１上部クラッド層５０８の直列抵抗を低減することができる。
　また、本実施形態では、第４の実施形態と同様に、第１上部クラッド層５０８と第２上部クラッド層５０９との間に第３上部クラッド層５０８ａが形成されているので、第２上部クラッド層５０９と第１上部クラッド層５０８との間のコンタクト抵抗をさらに低減させることができる。
　さらに、本実施形態では、埋め込み型の光導波路５２０であって、電流ブロック層５３０がＳｉＯ２などの酸化膜よりも熱伝導率の高いｎ型のＡｌＧａＮなどからなる窒化物半導体で構成される。これにより、活性層１０４付近の発光部で発生するジュール熱を効率良く発光部外に放熱させることができる。また、ｎ型のＡｌＧａＮで構成された電流ブロック層５３０のＡｌ組成を高くすることによって、横方向の光閉じ込め効果を高めることができる。これにより、本実施形態における窒化物半導体で構成されたクラッド層の膜厚をさらに薄膜化することができる。この結果、クラッド層の直列抵抗を一層低減することができるので、窒化物半導体発光素子の電流－光出力特性をさらに向上させることができる。従って、電力－光変換効率を一層向上させることができる。
　さらに、本実施形態では、他の実施形態と比べて、窒化物半導体からなる上部クラッド層（第３上部クラッド層５０８ａ又は第１上部クラッド層５０８）と透明導電膜からなるクラッド層（第２上部クラッド層５０９）との接触面積が大きいので、窒化物半導体からなる上部クラッド層と透明導電膜からなるクラッド層との間のコンタクト抵抗をさらに低減させることができる。
　しかも、本実施形態では、第１上部クラッド層５０８と第２上部クラッド層５０９との間に第３上部クラッド層５０８ａが形成されているので、トンネル電流によってコンタクト抵抗をさらに低減させることができる。
　このように、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体発光素子５００によれば、高発光効率で、さらに低動作電圧を可能とした窒化物半導体発光素子を実現することができる。
　以上、本発明に係る窒化物半導体発光素子について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
　例えば、第１、第３～５の実施形態では半導体レーザについて述べたが、スーパールミネッセントダイオードについても同様に適用することができる。
　また、第１、第３～第５の実施形態では、直線状の光導波路の例を示したが、第２の実施形態のように、曲線部分を含む曲線状の光導波路であっても同様に適用することができる。
　また、上述の実施形態では、劈開を用いて共振器端面を形成する例を示したが、ドライエッチングによって光出射端面及び反射端面を形成するような構造であっても同様に適用することができる。
　また、上述の実施形態においては、光導波路のリッジストライプの幅（ストライプ幅）として１．５μｍの例を示したが、１０μｍ以下のストライプ幅であれば、いずれの実施形態にも同様に適用することができる。
　また、上述の実施形態においては、基板として（０００１）面を基板の主面としたｎ型ＧａＮ基板の例を示したが、（１０－１０）面、（１１－２０）面、（１０－１１）面、（１１－２１）面などを基板の主面としたｎ型ＧａＮ基板を用いた場合でも同様に適用することができる。
　また、上述の実施形態においては、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いた例を示したが、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉなど他の基板を用いた場合でも同様に適用することができる。
　また、上述の実施形態においては、第２上部クラッド層の透明導電膜の材料として、錫（Ｓｎ）が添加された酸化インジウム（ＩｎＯ）であるＩＴＯを用いたが、これに限らない。例えば、第２上部クラッド層の透明導電膜の材料としては、Ｇａ又はＡｌなどの材料をドープしたＺｎＯ（酸化亜鉛）、あるいは、アンチモン（Ｓｂ）が添加された酸化錫（ＳｎＯ）などを用いることができる。これらの透明導電膜は、所望の屈折率に合わせて用いることができる。
　その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を本実施形態に施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
　本発明に係る窒化物半導体発光素子は、様々な光源として広く利用することができ、特に、ディスプレイ若しくはプロジェクターなどの画像表示装置における光源として、又は、レーザ加工若しくはレーザアニールなどの産業用のレーザ機器などの比較的高い光出力が必要な装置における光源として有用である。
　１００、２００、３００、４００、５００　窒化物半導体発光素子
　１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、２１０１　基板
　１０２、２０２、３０２、４０２、５０２　下部クラッド層
　１０３、２０３、３０３、４０３、５０３　下部ガイド層
　１０４、２０４、３０４、４０４、５０４　活性層
　１０５、２０５、３０５、４０５　上部ガイド層
　１０６、２０６、３０６、４０６、５０６　電子障壁層
　１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、２１８０　上部クラッド層
　１０８、２０８、３０８、４０８、５０８　第１上部クラッド層
　１０９、２０９、３０９、４０９、５０９　第２上部クラッド層
　１２０、２２０、３２０、４２０、５２０　光導波路
　１２５、２２５、３２５、４２５、５２５　コンタクト面
　１３０、２３０、３３０、４３０　絶縁膜
　１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、２１９０　ｐ側電極
　１４１、２４１、３４１、４４１、５４１　パッド電極
　１５０、２５０、３５０、４５０、５５０、２１２０　ｎ側電極
　４０８ａ、５０８ａ　第３上部クラッド層
　５０５ａ　第１上部ガイド層
　５０５ｂ　第２上部ガイド層
　５３０　電流ブロック層
　２１００　レーザダイオード
　２１１０　ｎ型コンタクト層
　２１３０　ｎ型下部クラッド層
　２１４０　ｎ型下部導波路層
　２１５０　多重量子井戸領域
　２１５５　活性領域
　２１６０　ｐ型閉じ込め層
　２１７０　ｐ型上部導波路層

Claims (7)

  1. 　光導波路を有する窒化物半導体発光素子であって、
    　当該半導体発光素子は、第１クラッド層と、活性層と、第２クラッド層とを少なくともこの順に含み、
    　前記第２クラッド層は、透明導電体によって構成された透明導電体層と、当該透明導電体層よりも前記活性層側に形成され、窒化物半導体によって構成された窒化物半導体層とを有する
    　窒化物半導体発光素子。
  2. 　前記窒化物半導体層は、少なくともＡｌを含む
    　請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 　前記窒化物半導体層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０＜ｘ≦０．８２、０≦ｙ≦０．１８、０≦１－ｘ－ｙ＜１）からなる
    　請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 　前記活性層と前記第２クラッド層との間に設けられたガイド層を備え、
    　前記ガイド層と前記第２クラッド層との合計膜厚ｄは、
    　０．１μｍ＜ｄ＜０．５μｍである
    　請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 　前記光導波路は、前記第２クラッド層から前記第１クラッド層の一部までを掘り込んで形成された垂直メサ構造である
    　請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 　前記透明導電体の材料は、錫が添加された酸化インジウム、アンチモンが添加された酸化錫、及び酸化亜鉛のうちのいずれか１つである
    　請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 　前記透明導電体層の膜厚は、１００ｎｍより大きい
    　請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
     
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