(57)【要約】【課題】閾値電流と発光効率の双方の特性に優れた半導体発光素子および端面出射型半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】基板上に、ｐ型半導体層、活性層、電流導入層および誘電体膜クラッド層がこの順に積層されている半導体発光素子である。ここで、基板とｐ型半導体層との間に設置されたｎ型半導体層を含むことが好ましい。また、基板またはｎ型半導体層に電気的に接続する第１の電極と、電流導入層に電気的に接続する第２の電極とを含み、第１の電極がアノード電極であり、第２の電極がカソード電極であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｐ型半導体層、活性層、電流導入層および誘電体膜クラッド層がこの順に積層されている、半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板と前記ｐ型半導体層との間に設置されたｎ型半導体層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板または前記ｎ型半導体層に電気的に接続する第１の電極と、
前記電流導入層に電気的に接続する第２の電極とを含み、
前記第１の電極がアノード電極であり、
前記第２の電極がカソード電極であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層を含み、
前記井戸層のＩｎ組成比ｘは、０．１５以上０．３以下であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
基板上に、ｐ型半導体層、活性層および電流導入層がこの順に積層されており、
前記活性層の発光領域上に前記電流導入層が積層されており、
前記活性層の発光領域以外の領域上に前記電流導入層に電気的に接続する電極が設けられている、端面出射型半導体レーザ素子。
【請求項６】
基板上に、ｐ型半導体層、活性層、電流導入層および電極がこの順に積層されており、
前記活性層の発光領域上に前記電流導入層が積層されており、
前記活性層の発光領域以外の領域上に前記電極が設けられている、端面出射型半導体レーザ素子。
【請求項７】
基板上に、ｐ型半導体層、活性層、電流導入層および誘電体膜クラッド層がこの順に積層されており、
前記活性層の発光領域上に前記電流導入層および前記誘電体膜クラッド層がこの順に積層されており、
前記活性層の発光領域以外の領域上に前記電流導入層に電気的に接続する電極が設けられている、端面出射型半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層を含み、
前記井戸層のＩｎ組成比ｘは、０．１５以上０．３以下であることを特徴とする、請求項５から７のいずれかに記載の端面出射型半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子および端面出射型半導体レーザ素子に関し、特に、閾値電流と発光効率の双方の特性に優れた半導体発光素子および端面出射型半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光記憶メディア、照明およびディスプレイなどを用途とする窒化物半導体レーザ素子などの半導体発光素子の開発が進められており、様々な形態の半導体発光素子が検討されている。
【０００３】
たとえば特許文献１には、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）を光閉じ込めのためのｐ型クラッド層として用いた形態の窒化物半導体レーザ素子が記載されている。
【０００４】
図１０に、特許文献１に記載された窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面図を示す。ここで、半導体レーザ素子９０００は、ＧａＮ基板９００１の表面上に、ｎ型ＧａＮ層９００２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層９００３、ｎ型ＧａＮガイド層９００４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層９００５、アンドープＧａＮガイド層９００６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層９００７、ｐ型ＧａＮガイド層９００８、ＳｉＯ2ブロック層９００９、Ｎｉ／ＩＴＯクラッド層電極９０１０およびＴｉ／Ａｕパッド電極９０１１がこの順序で積層された構造を有している。また、半導体レーザ素子９０００のＧａＮ基板９００１の上記窒化物半導体層が形成されていない側の表面にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ電極９０１２が備えられている。
【０００５】
特許文献１に記載された窒化物半導体レーザ素子において、Ｎｉ／ＩＴＯクラッド層電極９０１０は、ｐ型クラッド層および電流注入層としてそれぞれ機能する。
【０００６】
ＩＴＯは、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）に錫（Ｓｎ）をドープしたものである。一般的にＩＴＯの電気伝導は、ドーパントである錫の余剰電子と、酸化インジウムの酸素欠損から生じる余剰電子により行なわれることが知られている。それゆえ、低抵抗率なＩＴＯを得るためにはＩＴＯの酸素欠損量を多くする必要がある。
【０００７】
しかしながら、ＩＴＯの酸素欠損量を多くした場合には、活性層で発生した光の光学的な透明性（光透過性）が減少するため、ＩＴＯにおいては、低抵抗率化と高光透過率化はトレードオフの関係にあることから、その両立は難しい。すなわち、ＩＴＯの光透過率を高めた場合にはＩＴＯが高抵抗率化してしまい、ＩＴＯの酸素欠損量を多くして低抵抗率化した場合にはＩＴＯがメタリック化して光透過率が低下する。
【０００８】
したがって、特許文献１に記載された窒化物半導体レーザ素子のように、光閉じ込めのためのｐ型クラッド層にＩＴＯを用いた場合には、光透過率と抵抗率とをそれぞれ独立に制御することができない。
【０００９】
また、一般的な窒化物半導体レーザ素子においては、ｐ型クラッド層としてＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層が用いられているが、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は光吸収率が高く、光透過率が低いことが知られている（たとえば、特許文献２参照）。
【００１０】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子においても、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を低抵抗率化することを目的としてｐ型ドーパントであるＭｇのドープ量を増加させた場合には、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層における光透過率が低くなる。したがって、ｐ型クラッド層としてＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を用いた場合にも、ＩＴＯの場合と同様に、低抵抗率化と高光透過率化はトレードオフの関係にあるため、その両立は難しい。
【００１１】
さらに、光閉じ込めを強くすることを目的として、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成比を増加して屈折率を低下させた場合にも、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層が高抵抗率化する傾向にある。
【００１２】
このように、ｐ型クラッド層としてＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を用いた場合にも、光透過率と抵抗率とをそれぞれ独立に制御することができない。
【００１３】
また、一般的な窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層およびｐ型窒化物半導体層の順序で積層した構成を有している。
【００１４】
しかしながら、ｐ型の電気伝導と高い結晶性のｐ型窒化物半導体層を得るためには１０００℃以上の高温で作製する必要があるが、活性層を形成した後に、活性層上に１０００℃以上の高温でｐ型窒化物半導体層を形成した場合には、活性層に含まれる窒化物半導体結晶が熱によるダメージで結晶劣化を引き起こしてしまう。
【００１５】
特に、４４０〜５５０ｎｍ程度の比較的長波長のレーザ光を発振させる場合には、活性層に含まれる井戸層のＩｎ組成比を０．１５以上０．３以下と比較的大きくする必要がある。しかしながら、このようにＩｎ組成比を比較的大きくしたときには、活性層の形成後にｐ型窒化物半導体層を形成する際の熱が大きく影響し、熱によるダメージを受けやすくなる。したがって、４４０〜５５０ｎｍ程度の比較的長波長のレーザ光を発振させる場合には、この熱によるダメージが非常に問題であった。
【００１６】
以上のように、従来の半導体発光素子においては、ｐ型クラッド層における低抵抗率化および高光透過率化を実現することができなかっため、閾値電流と発光効率の双方の特性に優れた半導体発光素子を得ることは困難であった。
【特許文献１】特開２００６―４１４９１号公報
【特許文献２】特開２００２−１２４７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、閾値電流と発光効率の双方の特性に優れた半導体発光素子および端面出射型半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、基板上に、ｐ型半導体層、活性層、電流導入層および誘電体膜クラッド層がこの順に積層されている半導体発光素子である。
【００１９】
ここで、本発明の半導体発光素子においては、基板とｐ型半導体層との間に設置されたｎ型半導体層を含むことが好ましい。
【００２０】
また、本発明の半導体発光素子においては、基板またはｎ型半導体層に電気的に接続する第１の電極と、電流導入層に電気的に接続する第２の電極とを含み、第１の電極がアノード電極であり、第２の電極がカソード電極であることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の半導体発光素子においては、活性層がＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層を含み、井戸層のＩｎ組成比ｘは、０．１５以上０．３以下であることが好ましい。
【００２２】
また、本発明は、基板上に、ｐ型半導体層、活性層および電流導入層がこの順に積層されており、活性層の発光領域上に電流導入層が積層されており、活性層の発光領域以外の領域上に電流導入層に電気的に接続する電極が設けられている端面出射型半導体レーザ素子である。
【００２３】
また、本発明は、基板上に、ｐ型半導体層、活性層、電流導入層および電極がこの順に積層されており、活性層の発光領域上に電流導入層が積層されており、活性層の発光領域以外の領域上に電極が設けられている端面出射型半導体レーザ素子である。
【００２４】
さらに、本発明は、基板上に、ｐ型半導体層、活性層、電流導入層および誘電体膜クラッド層がこの順に積層されており、活性層の発光領域上に電流導入層および誘電体膜クラッド層がこの順に積層されており、活性層の発光領域以外の領域上に電流導入層に電気的に接続する電極が設けられている端面出射型半導体レーザ素子である。
【００２５】
ここで、本発明の端面出射型半導体レーザ素子において、活性層はＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層を含み、井戸層のＩｎ組成比ｘは、０．１５以上０．３以下であることが好ましい。
【００２６】
なお、本発明において、井戸層のＩｎ組成比ｘは、以下の式（１）で算出される。
（井戸層のＩｎ組成比ｘ）＝（井戸層を構成するＩｎの原子数）／（井戸層を構成するＡｌの原子数とＧａの原子数とＩｎの原子数との総和）  …（１）
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、閾値電流と発光効率の双方の特性に優れた半導体発光素子および端面出射型半導体レーザ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、結晶面および方向を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。
【００２９】
＜構成の例示＞
図１に、本発明の半導体発光素子としての端面出射型の窒化物半導体レーザ素子の一例の模式的な斜視図を示す。ここで、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００は、ｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板１００１と、ｎ型窒化物半導体基板１００１上に形成されたｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型窒化物半導体クラッド層１００２と、ｎ型窒化物半導体クラッド層１００２上に形成されたｐ型窒化物半導体ガイド層１００３と、ｐ型窒化物半導体ガイド層１００３上に形成されたｐ型窒化物半導体キャリアブロック層１００４と、ｐ型窒化物半導体キャリアブロック層１００４上に形成されたＡｌxＧａ1-xＩｎＮからなる活性層１００５と、活性層１００５上に形成されたｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６と、ｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６上に形成された電流阻止絶縁膜１０１１と、電流阻止絶縁膜１０１１上に形成されたｎ型窒化物半導体ガイド層１００７と、ｎ型窒化物半導体ガイド層１００７の表面の一部上に順次積層されたＡｌＯ0.05Ｎ0.95膜からなる第１の誘電体膜層１００８とＡｌ2Ｏ3膜からなる第２の誘電体膜層１００９との積層体とを含んでいる。なお、この例においては、第１の誘電体膜層１００８と第２の誘電体膜層１００９との積層体から誘電体膜クラッド層が構成されることになる。
【００３０】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００の基板１００１の裏面には第１の電極１０１２が形成されており、ｎ型窒化物半導体ガイド層１００７の第１の誘電体膜層１００８および第２の誘電体膜層１００９が形成されていない表面上に第２の電極１０１０が形成されている。
【００３１】
ここで、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、基板１００１の裏面に設けられた第１の電極１０１２がアノード電極となり、ｎ型窒化物半導体ガイド層１００７の表面の一部に設けられた第２の電極１０１０がカソード電極となる。そして、アノード電極である第１の電極１０１２に正のバイアス電圧を印加し、カソード電極である第２の電極１０１０に負のバイアス電圧を印加することによって、図１中の矢印の方向に沿って電子が流れて電流が流れるため、活性層１００５から図１の紙面に対して垂直方向にレーザ光が発振することになる。
【００３２】
なお、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、電子の流れが電流阻止絶縁膜１０１１によって妨げられるため、レーザ光の発光領域は図１の幅ｔの範囲内となる。この発光領域の幅ｔは１μｍ以上１００μｍ以下の範囲で適宜決定することができる。
【００３３】
また、図１に示すように、上記の発光領域の端から共振器端面に対して垂直方向に伸びる直線と、第１の誘電体膜層１００８と第２の誘電体膜層１００９との積層体からなる誘電体膜クラッド層の端から共振器端面に対して垂直方向に伸びる直線との間の最短距離をｄとする。
【００３４】
上記の発光領域の光分布は、駆動電流の広がり、および上記の成長面に対して水平方向の光の広がりにより、通常、上記の発光領域から片側に２μｍ程度はみ出すため、誘電体膜クラッド層で有効に光を閉じ込める観点からは、上記の距離ｄは２μｍ以上であることが好ましい。
【００３５】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００を誘電体膜クラッド層が形成されている側の上面から俯瞰して見た場合、上記の発光領域は、誘電体膜クラッド層の内部に含まれることが好ましい。なお、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００の共振器端面から当該共振器端面に対して垂直方向に０μｍよりも大きく５０μｍ以下の長さの領域内に誘電体膜クラッド層を形成しない箇所があってもよい。
【００３６】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００の共振器端面には、窒化アルミニウムおよび／または酸窒化アルミニウムからなる端面コート膜を形成することが好ましい。これにより、高出力動作時の窒化物半導体レーザ素子の共振器端面の光学的破壊を抑制することができる。また、窒化物半導体からなる共振器端面上にスパッタ法などで窒化アルミニウムおよび／または酸窒化アルミニウムからなる端面コート膜を形成した場合には、下地となる共振器端面の窒化物半導体にエピタキシャル（下地となる共振器端面の窒化物半導体と結晶軸が揃う）して結晶化する。このように端面コート膜を結晶化し、下地となる共振器端面上にエピタキシャル成長させることによって、下地となる共振器端面と端面コート膜との界面における光吸収をさらに効果的に低減することができる。
【００３７】
また、この端面コート膜上に、たとえば、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム窒化物、シリコン酸窒化物およびアルミニウム酸窒化物等から選択された少なくとも１種からなる膜を反射率調整用に形成することもできる。
【００３８】
図２に、本発明の半導体発光素子としての面発光型の窒化物半導体レーザ素子（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）の一例の模式的な断面図を示す。
【００３９】
ここで、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００は、ｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板２００１と、窒化物半導体基板２００１上に形成されたｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体バッファ層２００２と、ｎ型窒化物半導体バッファ層２００２上に形成されたＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＧａＮ層とを５０ペア積層してなるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）反射膜２００３と、ＤＢＲ反射膜２００３上に形成されたｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層２００４と、ｎ型窒化物半導体コンタクト層２００４上に形成されたｐ型ＧａＮ層２００５と、ｐ型ＧａＮ層２００５上に形成された活性層２００６と、活性層２００６上に形成されたｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｎ型窒化物半導体キャリアブロック層２００７と、ｎ型窒化物半導体キャリアブロック層２００７上に形成されたＳｉＯ2からなる電流阻止絶縁膜２００８と、電流阻止絶縁膜２００８上に形成されたｎ型ＧａＮ層２００９と、ｎ型ＧａＮ層２００９上に形成されたＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＧａＮ層とを５０ペア積層してなるＤＢＲ反射膜２０１０とを含んでいる。なお、この例においては、ＤＢＲ反射膜２０１０から誘電体膜クラッド層が構成されることになる。
【００４０】
また、ｎ型窒化物半導体コンタクト層２００４の表面には第１の電極２０１２が形成されており、ｎ型ＧａＮ層２００９の表面のＤＢＲ反射膜２０１０が形成されていない領域には第２の電極２０１１が形成されている。
【００４１】
ここで、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、ｎ型窒化物半導体コンタクト層２００４の表面に設けられた第１の電極２０１２がアノード電極となり、ｎ型ＧａＮ層２００９の表面においてＤＢＲ反射膜２０１０が形成されていない領域に設けられた第２の電極２０１１がカソード電極となる。
【００４２】
そして、アノード電極である第１の電極２０１２に正のバイアス電圧を印加し、カソード電極である第２の電極２０１１に負のバイアス電圧を印加することによって、図２中の矢印に沿って電子が流れ、活性層２００６において発生したレーザ光は、ＤＢＲ反射膜２００３とＤＢＲ反射膜２０１０との間で反射を繰り返した後に、ＤＢＲ反射膜２０１０側から発振することになる。
【００４３】
図３に、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００を上面から見たときの模式的な平面図を示す。ここで、ＤＢＲ反射膜２０１０側から発振するレーザ光は、直径がｔである円形の発光領域の破線３００１の内側から図３の紙面に対して垂直方向に図３の紙面の裏側から表側に向かって発振することになる。
【００４４】
なお、図２に示すように、窒化物半導体レーザ素子２０００においては、電子の流れが電流阻止絶縁膜２００８によって妨げられるため、レーザ光の発光領域は図２の幅ｔの範囲内となる。この発光領域の幅ｔは１μｍ以上４００μｍ以下の範囲で適宜決定することができる。
【００４５】
また、図２に示すように、上記の発光領域の端から窒化物半導体層の成長方向に対して垂直方向に伸びる直線と、ＤＢＲ反射膜２００３からなる誘電体膜クラッド層の端から窒化物半導体層の成長方向に対して垂直方向に伸びる直線との間の最短距離をｄとする。
【００４６】
上記の発光領域の光分布は、駆動電流の広がり、および上記の成長面に対して水平方向の光広がりにより、通常、上記の発光領域から片側に２μｍ程度はみ出すため、誘電体膜クラッド層で有効に光を閉じ込める観点からは、上記の距離ｄは２μｍ以上であることが好ましい。
【００４７】
従来のクラッド層は、屈折率による光閉じ込め効果と電気伝導と二つの役割を同時に果たしていたが、本発明のように誘電体膜クラッド層をクラッド層とした場合には、誘電体膜クラッド層を電流の通り道から外すことができるようになるため、誘電体膜クラッド層の屈折率のみ考慮すればよくなる。また、これまで絶縁性であるためにクラッド層として用いることができなかったたとえばＳｉＯ2などの絶縁膜を誘電体膜クラッド層として用いることができるようになる。
【００４８】
また、一般の窒化物半導体発光素子のように、活性層上にｐ型窒化物半導体層が設けられている場合には、ｐ型窒化物半導体層においては横方向（成長面に対して平行方向）へのキャリアの移動度がｎ型窒化物半導体層に対して著しく低いため、横方向へ電流が流れにくい。しかしながら、本発明のように、活性層を形成する前にｐ型窒化物半導体層を形成し、活性層の基板側に位置するｐ型窒化物半導体層から正孔が活性層に注入する構成とした場合には、閾値電流と発光効率の双方の特性に優れた窒化物半導体発光素子を作製することができる。
【００４９】
以下、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００および図２に示す窒化物半導体レーザ素子２０００を構成する各構成部位について説明する。
【００５０】
＜基板＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、基板としてｎ型窒化物半導体基板１００１が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、窒化物半導体基板２００１が用いられているが、これらに限定されないことは言うまでもない。
【００５１】
本発明において、基板としては、たとえば、窒化物半導体基板、サファイア基板またはＳｉＣ（炭化ケイ素）基板などの半導体基板を用いることができ、本発明の半導体発光素子を窒化物半導体発光素子とする場合には、基板上に窒化物半導体結晶からなる窒化物半導体層を順次積層していく必要があるため、窒化物半導体層との格子整合性を高める観点から、窒化物半導体基板を用いることが好ましく、特にｎ型窒化物半導体基板を用いることがより好ましい。
【００５２】
また、基板として窒化物半導体基板を用いる場合には、窒化物半導体基板としては、たとえば、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎz1Ｎ（０≦ｘ１≦１；０≦ｙ１≦１；０≦ｚ１≦１；ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる基板を用いることができ、より詳細には、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＮ基板またはＩｎＧａＮ基板などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示し、ｘ１はＡｌ組成比を示し、ｙ１はＧａ組成比を示し、ｚ１はＩｎ組成比を示す。
【００５３】
また、基板として窒化物半導体基板を用いる場合には、窒化物半導体基板を構成する窒化物半導体結晶が六方晶を保つ範囲であれば、窒化物半導体基板に含まれるＮ元素の一部をＡｓ、ＰおよびＳｂからなる群から選択された少なくとも１種の元素に置換してもよい。ここで、「Ｎ元素の一部」とは、窒化物半導体基板に含まれるＮ元素の１０原子％以下のＮ元素のことを意味する。
【００５４】
また、本発明において、基板の厚さは１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上８００μｍ以下であることがより好ましく、２００μｍ以上６００μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００５５】
また、本発明に用いられる基板の主面としては、たとえば、Ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、｛１−１０１｝面および｛１１−２２｝面から選択された少なくとも１つの面を用いることができる。
【００５６】
また、基板の主面に対するオフ角度が０．１°以上２°以下である場合には、基板の主面のモフォロジが良好であるために基板の主面内の層厚分布を小さくすることができる。したがって、たとえば基板の主面がＭ面｛１−１００｝である場合に、Ｍ面のｃ軸方向のオフ角度が０．１°以上２°以下であるときには、基板の主面のモフォロジが良好であるため、基板の主面内の層厚分布を小さくすることができる。
【００５７】
ここで、基板の主面に対するオフ角度が０．１°未満である場合には、基板の主面内の層厚分布が大きくなるおそれがある。また、基板の主面に対するオフ角度が２°よりも大きい場合には、基板の主面の表面のステップ形状が顕著になるため、基板の主面内の層厚分布が大きくなるおそれがある。
【００５８】
＜ｎ型半導体層＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、ｎ型半導体層としてｎ型窒化物半導体クラッド層１００２が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、ｎ型窒化物半導体コンタクト層２００４が用いられているが、これらに限定されないことは言うまでもない。
【００５９】
本発明において、ｎ型半導体層は、基板に直接に接するように、若しくは基板上に他の層を介して形成されているｎ型の半導体結晶からなる１層または２層以上のｎ型半導体層のことを意味する。なお、上記の他の層としては、たとえば、バッファ層、薄いアンドープ層（たとえば０．５μｍ以下）またはＤＢＲ反射膜などが挙げられる。
【００６０】
ｎ型半導体層としては、たとえば、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎz2Ｎ（０≦ｘ２≦１；０≦ｙ２≦１；０≦ｚ２≦１；ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることができ、ｎ型窒化物半導体層をより低屈折率化する観点からは、Ａｌx2Ｇａy2Ｎ（０≦ｘ２≦１；０≦ｙ２≦１；ｘ２＋ｙ２＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることが好ましい。一般に、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎz2Ｎ（０≦ｘ２≦１；０≦ｙ２≦１；０≦ｚ２≦１；ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶はＩｎを含むほど屈折率が高くなり、Ａｌを含むほど屈折率が低くなる傾向にある。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示し、ｘ２はＡｌ組成比を示し、ｙ２はＧａ組成比を示し、ｚ２はＩｎ組成比を示す。また、ｎ型ドーパントとしては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどを用いることができる。
【００６１】
また、ｎ型半導体層は、たとえば６００℃〜８００℃程度の比較的低温で形成することができる傾向にある点、後述するｐ型半導体層と比べて低抵抗の層を形成することができる傾向にある点、およびｐ型半導体層と比べて結晶性の高い半導体結晶を形成しやすい点などに特徴がある。
【００６２】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００のｎ型窒化物半導体クラッド層１００２の厚さは、たとえば０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。また、ｎ型窒化物半導体クラッド層１００２の結晶構造は、たとえば、ＡｌＧａＮとＧａＮとの超格子構造であってもよく、互いに組成の異なるＡｌp1Ｇａ1-p1Ｎ（ただし、０≦ｐ１≦１）とＡｌq1Ｇａ1-q1Ｎ（ただし、０≦ｑ１≦１）との超格子構造であってもよい。
【００６３】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、ｎ型窒化物半導体クラッド層１００２とｐ型窒化物半導体ガイド層１００３との間にｎ型窒化物半導体ガイド層を含み、ｎ型窒化物半導体クラッド層１００２とｎ型窒化物半導体ガイド層とでｎ型半導体層を構成していてもよい。この場合には、ｎ型窒化物半導体ガイド層とｐ型窒化物半導体ガイド層１００３とによってｐｎ接合が形成され、窒化物半導体レーザ素子１０００の駆動時においては、このｐｎ接合においてはトンネル電流により通電する。したがって、ｎ型窒化物半導体ガイド層のｐ型窒化物半導体ガイド層１００３側の界面付近にはｎ型ドーパントであるＳｉが高濃度でドープされてもよい。
【００６４】
なお、ｎ型窒化物半導体ガイド層としては、たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮまたはＧａＮなどを挙げることができる。また、ｎ型窒化物半導体ガイド層の厚さは、たとえば、０．０１μｍ以上１μｍ以下とすることができる。
【００６５】
また、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００のｎ型窒化物半導体コンタクト層２００４の厚さは、たとえば、０．１μｍ以上２μ以下とすることができる。
【００６６】
＜ｐ型半導体層＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、ｐ型半導体層としてｐ型窒化物半導体ガイド層１００３およびｐ型窒化物半導体キャリアブロック層１００４が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、ｐ型ＧａＮ層２００５が用いられているが、これらに限定されないことは言うまでもなく、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、ｐ型窒化物半導体ガイド層１００３またはｐ型窒化物半導体キャリアブロック層１００４のいずれか一方をｐ型半導体層としてもよい。
【００６７】
本発明において、ｐ型半導体層は、基板上において、上記のｎ型半導体層と後述する活性層との間に位置するｐ型の半導体結晶からなるｐ型半導体層のことを意味する。
【００６８】
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００および図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００のように、ｎ型半導体層と活性層との間にｐ型半導体層が設置され、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とでｐｎ接合を構成している。このように、活性層を形成する前にｐ型半導体層を設けることによって、活性層の形成後の昇温を抑えることができ、活性層の熱分解などの熱によるダメージを効果的に防止することができる。
【００６９】
また、活性層を形成する前にｐ型半導体層を形成した場合には、上記のように活性層が熱によるダメージを受けることなく、ｐ型半導体層の形成に最適な温度などの形成条件でｐ型半導体層を形成することができる。
【００７０】
特にｐ型窒化物半導体層などの低抵抗のｐ型半導体層には高品質な結晶性が求められるが、従来の一般的な窒化物半導体レーザ素子、さらには高いＩｎ組成比の活性層を有する長波長の光を発光する窒化物半導体発光素子（窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体発光ダイオード素子を含む）においては、活性層の形成後にｐ型窒化物半導体層を形成する必要があるため、ｐ型窒化物半導体層を高温で形成することができなかった。
【００７１】
しかしながら、本発明においては、たとえば１１００℃以上の高温でｐ型窒化物半導体層を形成することができるため、結晶性の高い非常に低抵抗なｐ型窒化物半導体層を形成することができ、より高いキャリア密度で光吸収率の小さいｐ型窒化物半導体層を形成することができる。これにより、良好に活性層に効率よくホールを注入することができるようになり、窒化物半導体発光素子の信頼性および発光効率を優れたものとすることができる。
【００７２】
また、ｐ型窒化物半導体層のｐ型ドーパントとしてＭｇが用いられる場合には、深いエネルギー準位が形成されることから、ｐ型窒化物半導体層は高抵抗になりやすく、特にＡｌを含むｐ型窒化物半導体層は高抵抗になりやすい。したがって、ｐ型窒化物半導体層が厚くなるほど直列抵抗が大きくなるため駆動電圧が上がり、発光効率が低下する傾向にあることから、ｐ型窒化物半導体層の厚さはなるべく薄い方が好ましい。
【００７３】
たとえば、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００において、ｐ型半導体層としてのｐ型窒化物半導体ガイド層１００３の厚さは０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、ｐ型窒化物半導体キャリアブロック層１００４の厚さは１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７４】
なお、ｐ型半導体層としてｐ型窒化物半導体層を用いる場合には、たとえば、Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎz3Ｎ（０≦ｘ３≦１；０≦ｙ３≦１；０≦ｚ３≦１；ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｐ型ドーパントがドープされた層を用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示し、ｘ３はＡｌ組成比を示し、ｙ３はＧａ組成比を示し、ｚ３はＩｎ組成比を示す。また、ｐ型ドーパントとしては、たとえば、マグネシウムおよび／または亜鉛などを用いることができる。
【００７５】
＜ｐｎ接合＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、活性層１００５を挟むｎ型半導体層およびｐ型半導体層としてそれぞれｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６およびｐ型窒化物半導体キャリアブロック層１００４が設置されているとともに、ｎ型窒化物半導体基板１００１と活性層１００５との間にｎ型窒化物半導体クラッド層１００２とｐ型窒化物半導体ガイド層１００３とからなるｐｎ接合が形成されている。
【００７６】
また、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、活性層２００６を挟むｎ型半導体層およびｐ型半導体層としてそれぞれｎ型窒化物半導体キャリアブロック層２００７およびｐ型ＧａＮ層２００５が設置されているとともに、窒化物半導体基板２００１と活性層２００６との間にｎ型窒化物半導体コンタクト層２００４とｐ型ＧａＮ層２００５とからなるｐｎ接合が形成されている。
【００７７】
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、アノード電極である第１の電極１０１２に正のバイアス電圧を印加し、カソード電極である第２の電極１０１０に負のバイアス電圧を印加することによって、活性層１００５からレーザ光が発振することになるが、このとき、ｎ型窒化物半導体クラッド層１００２とｐ型窒化物半導体ガイド層１００３とによって形成されるｐｎ接合には逆バイアス電圧が印加されてトンネル電流によって電流が流れることになる。
【００７８】
また、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、アノード電極である第１の電極２０１２に正のバイアス電圧を印加し、カソード電極である第２の電極２０１１に負のバイアス電圧を印加することによって、活性層２００６からレーザ光が発振することになるが、このとき、ｎ型窒化物半導体コンタクト層２００４とｐ型ＧａＮ層２００５とによって形成されるｐｎ接合には逆バイアス電圧が印加されてトンネル電流によって電流が流れることになる。
【００７９】
ただし、上記のように、基板と活性層との間に逆バイアス電圧が印加されるようにｐｎ接合が設けられている場合には、ｐｎ接合の界面の空乏層の幅が広がってしまうためにトンネル電流が流れにくくなる。
【００８０】
しかしながら、たとえば図４の模式的断面図に示すように、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、ｎ型窒化物半導体クラッド層１００２のｐｎ接合の界面近傍にｎ型ドーパントを高濃度にドープしたｎ+ドープ層１００２ａを形成するとともに、ｐ型ガイド層１００３のｐｎ接合の界面近傍にｐ型ドーパントを高濃度にドープしたｐ+ドープ層１００３ａを形成し、ｎ+ドープ層１００２ａとｐ+ドープ層１００３ａとからｐｎ接合を形成することによってトンネル電流が流れやすくすることができる。
【００８１】
なお、上記において、ｎ+ドープ層１００２ａにおけるキャリア濃度およびｐ+ドープ層１００３ａにおけるキャリア濃度はそれぞれ５×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。
【００８２】
また、上記において、ｎ+ドープ層１００２ａの厚さおよびｐ+ドープ層１００３ａの厚さはそれぞれ、たとえば、ｐｎ接合界面の数原子程度であってもよく、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度の厚さであってもよい。
【００８３】
＜活性層＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、活性層として活性層１００５が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、活性層として活性層２００６が用いられているが、これらに限定されないことは言うまでもない。本発明において、活性層は、電流の注入により光が発生する層のことを意味する。
【００８４】
活性層としては、たとえば、Ａｌx7Ｇａy7Ｉｎz7Ｎ（０≦ｘ７≦１；０≦ｙ７≦１；０≦ｚ７＜１；ｘ７＋ｙ７＋ｚ７＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる層などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示し、ｘ７はＡｌ組成比を示し、ｙ７はＧａ組成比を示し、ｚ７はＩｎ組成比を示す。
【００８５】
また、活性層としては、たとえば、バリア層と井戸層とを交互に積層した積層体を緩衝層によって両側から挟んだ構造の多重量子井戸構造を有したものを用いることができる。なお、多重量子井戸構造を有する活性層は、たとえば６００℃〜８００℃程度の温度で形成することが好ましい。ここで、活性層が多重量子井戸構造を有する場合の上記バリア層としては、たとえばＩｎx8Ｇａ1-x8Ｎ（０≦ｘ８≦１）の式で表わされるノンドープの窒化物半導体結晶からなる層を用いることができ、上記井戸層としては、たとえばバリア層よりＩｎ組成比の高いＩｎx9Ｇａ1-x9Ｎ（０≦ｘ９≦１）の式で表わされるノンドープの窒化物半導体結晶からなる層を用いることができる。
【００８６】
また、上記の多重量子井戸構造を有する活性層の全体の厚さは、上記のバリア層の厚さと井戸層の厚さとの合計で表わすことができ、０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【００８７】
また、上記のバリア層の厚さは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることがより好ましい。上記のバリア層の厚さが１ｎｍ以上である場合にはバリア層がキャリアをバリアする層としての効果を十分に発現する傾向にある。また、上記のバリア層の厚さが１００ｎｍ以下である場合、特に４０ｎｍ以下である場合には、上記の井戸層間の距離が離れすぎず、井戸層にキャリアを均一に注入することができる傾向にある。
【００８８】
また、上記の井戸層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。上記の井戸層の厚さが０．５ｎｍ以上である場合には井戸層を均一に形成することができる傾向にある。また、上記の井戸層の厚さが１０ｎｍ以下である場合には格子不整合による歪からＩｎの凝集が起こりにくくなって井戸層が好ましい状態となる傾向にある。
【００８９】
また、上記の多重量子井戸構造を有する活性層においては、上記の井戸層の数は２層〜３層程度であることが好ましい。
【００９０】
また、本発明の窒化物半導体発光素子から発光する光の波長は活性層の井戸層を構成する窒化物半導体結晶の混晶比に応じて、たとえば４４０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で適宜調節することができる。たとえば、活性層に含まれる井戸層を構成する窒化物半導体結晶のＩｎ組成比（ｘ９）が０．１５のときには発光する光の波長は４４０ｎｍ程度となり、Ｉｎ組成比（ｘ９）が０．３のときには発光する光の波長は５５０ｎｍ程度となる。なお、活性層の井戸層を構成する窒化物半導体結晶のＩｎ組成比が増加すると線形的に発光する光の波長も長波長化する。
【００９１】
また、本発明においては、上記の活性層とｐ型半導体層との間および／または上記の活性層と電流導入層との間に、緩衝層を設けることが好ましい。特に、Ｉｎ組成比の大きい井戸層（Ｉｎ組成比：０．１５以上０．３以下）を有する活性層を用いる場合に、緩衝層を設けた場合には、井戸層を構成する半導体結晶の結晶性を大きく向上させることができる。これは、井戸層にかかる格子不整合から引き起こされる大きな歪を緩衝層によって軽減することができるためと考えられる。
【００９２】
緩衝層を構成する半導体結晶としては、たとえば、Ａｌx10Ｇａy10Ｉｎz10Ｎ（０≦ｘ１０≦１；０≦ｙ１０≦１；０≦ｚ１０＜１；ｘ１０＋ｙ１０＋ｚ１０＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる層などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示し、ｘ１０はＡｌ組成比を示し、ｙ１０はＧａ組成比を示し、ｚ１０はＩｎ組成比を示す。緩衝層としては、特に、Ｉｎx11Ｇａ1-x11Ｎ（０≦ｘ１１≦０．１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる層を用いることが好ましい。また、緩衝層の厚さは、１ｎｍ以上０．４μｍ以下であることが好ましい。
【００９３】
また、活性層とｐ型半導体層との間に設けられる緩衝層は、ノンドープの半導体結晶またはｐ型ドーパントをドーピングしたｐ型半導体結晶からなる層であることが好ましい。また、活性層と電流導入層との間に設けられる緩衝層は、ノンドープの半導体結晶またはｎ型ドーパントをドーピングしたｎ型半導体結晶からなる層であることが好ましい。ただし、緩衝層を設けなくてもよいことは言うまでもない。
【００９４】
＜電流導入層＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、電流導入層としてｎ型窒化物半導体ガイド層１００７およびｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、電流導入層としてｎ型ＧａＮ層２００９およびｎ型窒化物半導体キャリアブロック層２００７が用いられているが、これらに限定されないことは言うまでもない。
【００９５】
たとえば、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００のｎ型窒化物半導体ガイド層１００７上に第２のｎ型窒化物半導体クラッド層を形成して、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層上に第２の電極１０１０を形成した場合には、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層も電流導入層に含めることができる。
【００９６】
本発明において、電流導入層は、電流導入層と基板との間に活性層が位置するように配置され、活性層に電流を注入するための層である。また、電流導入層は、活性層と接していてもよく、接していなくてもよい。
【００９７】
従来のＡｌＧａＮクラッド層およびＩｎを含む窒化物半導体結晶からなる活性層を用いた窒化物半導体レーザ素子の作製において、活性層を形成した後に１０００℃を超える高温でｐ型窒化物半導体層を形成した場合には、Ｉｎを含む窒化物半導体結晶からなる活性層が熱分解するという問題があった。
【００９８】
しかしながら、本発明においては、Ｉｎを含む窒化物半導体結晶からなる活性層を形成した後にｐ型窒化物半導体層を形成することなく、Ｉｎを含む窒化物半導体結晶からなる活性層の熱分解が起こりにくい６００〜８００℃程度の比較的低温で電流導入層を形成することができることから、Ｉｎを含む窒化物半導体結晶からなる活性層のＩｎ組成比が０．１５以上０．３以下程度の活性層を含んでいても活性層の熱分解を生じにくくすることができる。
【００９９】
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００および図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００のように、電流導入層としてｎ型窒化物半導体層を用いる場合には、たとえば、Ａｌx4Ｇａy4Ｉｎz4Ｎ（０≦ｘ４≦１；０≦ｙ４≦１；０≦ｚ４≦１；ｘ４＋ｙ４＋ｚ４＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示し、ｘ４はＡｌ組成比を示し、ｙ４はＧａ組成比を示し、ｚ４はＩｎ組成比を示す。また、ｎ型ドーパントとしては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどを用いることができる。
【０１００】
また、電流導入層は、たとえばレーザーアブレーション（ＰＬＤ：Pulsed Laser Deposition）法によって形成することもできる。ＰＬＤ法は高エネルギー紫外線レーザ光による原料の昇華を利用した成長手法であり、昇華した材料が作り出す局所的な強い非平衡場により窒素ガスが解離および反応するため、窒化物半導体結晶を低温かつ窒素雰囲気中で成長させることができる。
【０１０１】
なお、ＰＬＤ法においては、たとえば、ＫｒＦエキシマレーザ光をエネルギー密度３Ｊ／ｃｍ2、繰り返し周波数１０Ｈｚ〜１５Ｈｚで原料となるターゲット（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなど）に照射することができる。このＫｒＦエキシマレーザ光の照射によりターゲットは瞬間的に昇華し、プルームと呼ばれる一種のプラズマ状態となって雰囲気を構成するガス分子（窒素ガス、酸素ガス等）との衝突を繰り返した後に、基板上に到達して窒化物半導体結晶を形成する。また、窒素源として窒素ガスを１０-5〜１０-1Ｔｏｒｒの圧力で導入することができる。この方法によれば、室温で高品質な窒化物半導体結晶を形成することができ、熱による活性層へのダメージを著しく低減することができる。
【０１０２】
また、電流導入層は、たとえばパルススパッタ（ＰＳＤ：Pulsed Sputter Deposition）法によっても形成することができる。活性層を形成した後、電流導入層をＰＳＤ法で形成することにより、電流導入層をより一層低温で形成することができるため、活性層への熱ダメージを著しく低減することができる。ＰＳＤ法によって全ての電流導入層を形成してもよいし、一部のみを形成してもよい。
【０１０３】
また、電流導入層の形成方法として、たとえばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いた場合には、７００℃程度の低温で窒化物半導体結晶を形成することができる点で好ましい。
【０１０４】
電流導入層は、活性層が電流導入層形成時の熱によってダメージを受けないように低温で形成することが好ましく、たとえば、ＭＢＥ法、スパッタ法、ＰＬＤ法、ＰＳＤ法、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより形成することが好ましい。
【０１０５】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００の電流導入層として用いられるｎ型窒化物半導体ガイド層１００７の厚さ、および図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００の電流導入層として用いられるｎ型ＧａＮ層２００９の厚さは、たとえば、０．０１μｍ以上１μｍ以下とすることができる。
【０１０６】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００のｎ型窒化物半導体ガイド層１００７上に電流導入層として用いられる第２のｎ型窒化物半導体クラッド層を形成した場合には、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層は、たとえば、活性層１００５で発光した光のうち窒化物半導体成長面に対して垂直方向に広がる光を活性層１００５付近の窒化物半導体内部に閉じ込める役割を果たしている。しかし、本発明においては、窒化物半導体成長面に対して垂直方向に広がる光は、後述する誘電体膜クラッド層で閉じ込めることができるため、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層は形成してもよく、形成されていなくてもよい。
【０１０７】
また、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層は、活性層１００５およびｎ型窒化物半導体ガイド層１００７のそれぞれの屈折率よりも低い屈折率を有していることが好ましい。
【０１０８】
本発明においては、高抵抗で知られるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を用いることなく、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層によって光閉じ込めを行なうことが可能であるため、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を用いた従来の窒化物半導体レーザ素子よりも駆動電圧を低減することができる。ここで、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層としては、たとえば、Ａｌx5Ｇａy5Ｉｎz5Ｎ（０≦ｘ５≦１；０≦ｙ５≦１；０≦ｚ５＜１；ｘ５＋ｙ５＋ｚ５＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層、Ａｌx5Ｇａy5Ｎ（０≦ｘ５≦１；０≦ｙ５≦１；ｘ５＋ｙ５＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層またはＧａＮ結晶にｎ型ドーパントがドープされた層などを用いることができるが、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層をより低屈折率化する観点からは、Ａｌx5Ｇａy5Ｎ（０≦ｘ５≦１；０≦ｙ５≦１；ｘ５＋ｙ５＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることが好ましい。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示し、ｘ５はＡｌ組成比を示し、ｙ５はＧａ組成比を示し、ｚ５はＩｎ組成比を示す。また、ｎ型ドーパントとしては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどを用いることができる。
【０１０９】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００の第２のｎ型窒化物半導体クラッド層の厚さは、０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以上０．８μｍ以下であることがより好ましい。また、第２のｎ型窒化物半導体クラッド層の結晶構造は、たとえば、ＡｌＧａＮとＧａＮとの超格子構造であってもよく、互いに組成の異なるＡｌp2Ｇａ1-p2Ｎ（ただし、０≦ｐ２≦１）とＡｌq2Ｇａ1-q2Ｎ（ただし、０≦ｑ２≦１）との超格子構造であってもよい。
【０１１０】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００の電流導入層として用いられるｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６および図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００の電流導入層として用いられるｎ型窒化物半導体キャリアブロック層２００７はそれぞれ活性層１００５および活性層２００６からのキャリアの流出を抑止する機能を有するだけでなく、活性層１００５および活性層２００６のそれぞれを保護する機能を有することもできる。
【０１１１】
たとえば、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００の作製において、活性層１００５を形成した後に低温でｎ型窒化物半導体ガイド層１００７を形成した場合には、ｎ型窒化物半導体ガイド層１００７の結晶性が粗悪になることがある。そして、ｎ型窒化物半導体ガイド層１００７の結晶性が粗悪になった場合には、活性層１００５（特に、Ｉｎ組成比の大きな井戸層）を十分に保護することができない傾向にある。しかしながら、活性層１００５上にｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６を形成した後にｎ型窒化物半導体ガイド層１００７を形成した場合には、活性層１００５上に直接ｎ型窒化物半導体ガイド層１００７を形成した場合と比べて、活性層１００５の保護をより十分なものとすることができる。
【０１１２】
なお、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００のｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６および図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００のｎ型窒化物半導体キャリアブロック層２００７の厚さはそれぞれ、たとえば１０ｎｍ程度とすることができる。
【０１１３】
また、ｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６およびｎ型窒化物半導体キャリアブロック層２００７のようなｎ型窒化物半導体キャリアブロック層としては、たとえば、Ａｌx6Ｇａy6Ｉｎz6Ｎ（０≦ｘ６≦１；０≦ｙ６≦１；０≦ｚ６＜１；ｘ６＋ｙ６＋ｚ６＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層、またはＡｌx6Ｇａy6Ｎ（０≦ｘ６≦１；０≦ｙ６≦１；ｘ６＋ｙ６＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示し、ｘ６はＡｌ組成比を示し、ｙ６はＧａ組成比を示し、ｚ６はＩｎ組成比を示す。また、ｎ型ドーパントとしては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどを用いることができる。
【０１１４】
また、格子不整合から生じるクラックを緩和することができるという観点および低温で形成することができるという観点からは、ｎ型窒化物半導体キャリアブロック層としては、Ａｌx6Ｇａy6Ｉｎz6Ｎ（０≦ｘ６≦１；０≦ｙ６≦１；０≦ｚ６＜１；ｘ６＋ｙ６＋ｚ６＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることが好ましい。この場合には、Ｉｎ組成比ｚ６は、０よりも大きく０．３よりも小さいことが好ましい。Ｉｎ組成比ｚ６が０．３以上となった場合にはｎ型窒化物半導体キャリアブロック層が層分離を起こしてしまうおそれがあるとともに、窒化物半導体レーザ素子の作製中にｎ型窒化物半導体キャリアブロック層が蒸発してしまうおそれがある。また、Ａｌ組成比ｘ６は０よりも大きいことが好ましく、たとえば０．１８程度とすることができる。
【０１１５】
なお、緑色光や赤色光のような可視光の中では長波長領域のレーザ光を発する窒化物半導体レーザ素子を製造するためには、Ｉｎ組成比が０．１５以上０．３以下程度の高いＩｎ含有量の窒化物半導体結晶からなる活性層が必要とされる。
【０１１６】
しかしながら、Ｉｎ組成比の高い活性層は、熱分解温度がかなり低いため、従来の製造方法のように活性層を形成した後に１０００℃以上の高温状態でｐ型窒化物半導体層を形成すると、活性層が熱によるダメージで結晶劣化を起こすことから、緑色光や赤色光を発する窒化物半導体レーザ素子の製造が困難であった。たとえば、ＩｎＮ結晶の熱分解は６００℃〜７００℃程度で起こるように、Ｉｎ組成比の高い窒化物半導体結晶からなる活性層の熱分解温度は低い。
【０１１７】
しかしながら、本発明においては、活性層を形成した後にｐ型窒化物半導体層を形成することなく、たとえば６００〜９００℃程度の比較的低温で電流導入層を形成することができ、さらには電流導入層の形成後の製造過程においても９００℃を超える温度に昇温する必要がない。したがって、Ｉｎ組成比が０．１５以上の窒化物半導体結晶からなる活性層を用いた場合でも活性層が熱分解することなく窒化物半導体レーザ素子を製造することができ、さらにはＩｎ組成比が０．２以上の窒化物半導体結晶からなる活性層を用いた場合でも活性層が熱分解することなく窒化物半導体レーザ素子を製造することができる。
【０１１８】
＜誘電体膜クラッド層＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、誘電体膜クラッド層として第１の誘電体膜層１００８と第２の誘電体膜層１００９との積層体が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、誘電体膜クラッド層としてＤＢＲ反射膜２０１０が用いられているが、これらに限定されないことは言うまでもない。
【０１１９】
本発明において、誘電体膜クラッド層は、電流導入層上に形成される誘電体膜からなる層である。
【０１２０】
ここで、誘電体膜クラッド層としては、高屈折率を有する材料からなる層を用いることができ、たとえば、Ｓｉ（シリコン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）およびＺｎ（亜鉛）からなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む酸化物、窒化物または酸窒化物などからなる膜を用いることができる。
【０１２１】
なかでも、誘電体膜クラッド層としては、シリコンの酸化物、アルミニウムの酸化物、タンタルの酸化物、チタンの酸化物、ジルコニアの酸化物、ニオブの酸化物、ハフニウムの酸化物、ガリウムの酸化物、アルミニウムの窒化物、シリコンの窒化物、アルミニウムの酸窒化物、シリコンの酸窒化物、アルミニウムシリコンの酸窒化物またはアルミニウムシリコンの酸化物などの光学薄膜として一般的に可視光領域で透明な絶縁膜を用いることが好ましい。誘電体膜クラッド層は電気伝導に寄与しないため、誘電体膜クラッド層としては絶縁膜を用いることができる。
【０１２２】
また、誘電体膜クラッド層は、上記の膜からなる層の単層または２層以上の複数層から形成されていてもよい。誘電体膜クラッド層が上記の膜からなる層の単層または２層以上の複数層のいずれから構成される場合にも、誘電体膜クラッド層の全体の厚さは２０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。誘電体膜クラッド層の全体の厚さが２０ｎｍ以上である場合にはクラッド層としての光閉じ込め効果が得られる傾向にあり、１μｍ以下である場合には誘電体膜クラッド層中に大きな応力が生じずに誘電体膜クラッド層に割れが発生する可能性が少なくなる。
【０１２３】
また、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、誘電体膜クラッド層は２層構造となっているが、ｎ型窒化物半導体ガイド層１００７と接する第１の誘電体膜層１００８にＡｌＯ0.05Ｎ0.95膜を用いている。これは、窒化物半導体層と誘電体膜クラッド層との界面における光吸収を抑制するためである。なお、第１の誘電体膜層１００８としては窒化アルミニウム膜または酸窒化アルミニウム膜を用いることが好ましい。第１の誘電体膜層１００８に窒化アルミニウム膜または酸窒化アルミニウム膜を用いた場合には、窒化物半導体層と誘電体膜クラッド層との界面の非発光センターを効果的に減少させることができる傾向にある。また、第１の誘電体膜層１００８の厚さは、６ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましい。第１の誘電体膜層１００８の厚さが６ｎｍ未満である場合には第１の誘電体膜層１００８を均一に形成しにくい。また、第１の誘電体膜層１００８の厚さが８００ｎｍを超える場合には、第１の誘電体膜層１００８における応力が大きくなって割れる可能性がある。
【０１２４】
また、第１の誘電体膜層１００８上の第２の誘電体膜層１００９は主に光を閉じ込める目的で形成され、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、第２の誘電体膜層１００９としてＡｌ2Ｏ3膜が用いられている。第２の誘電体膜層１００９としては光吸収の少ない膜を用いることがが好ましい。
【０１２５】
また、誘電体膜クラッド層は、たとえば、ＥＢ蒸着法、スパッタ法、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＣＶＤ法またはＰＬＤ法などによって形成することが好ましい。これらの方法を用いることにより、たとえば３００℃以下といった比較的低温で誘電体膜クラッド層を形成することができる傾向にある。これにより、活性層への熱ダメージを回避しつつ、誘電体膜クラッド層を形成することができるというメリットがある。
【０１２６】
特許文献１に示されたようなＩＴＯなどの透明導電膜は活性層から発生した４００ｎｍを超える波長の光を吸収するために光吸収の原因になるが、誘電体膜クラッド層を用いた場合には活性層から発生した４００ｎｍを超える波長の光の吸収がＩＴＯなどの透明導電膜を用いた場合よりも低減されるため、発光効率を向上させることができる傾向にある。
【０１２７】
なお、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＧａＮ層とを５０ペア積層してなるＤＢＲ反射膜２００３と誘電体膜クラッド層としてのＤＢＲ反射膜２０１０とが用いられているが、ＤＢＲ反射膜２００３およびＤＢＲ反射膜２０１０のように屈折率の異なる２つの層が交互に積層されてなる多層膜反射層は９９％以上の高い反射率を得ることができる。ｎ型ＧａＮ層２００９上に形成されたＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＧａＮ層とを５０ペア積層してなるＤＢＲ反射膜２０１０とを含んでいる。このような多層膜反射層は一般に膜厚がλ／４ｎ1（λ：入射光波長、ｎ1：膜の屈折率）である第一の層と、膜厚がλ／４ｎ2（λ：入射光波長、ｎ2：膜の屈折率）（ｎ1≠ｎ2）である第二の層とからなるペアが複数層積層されている。第一の層と第二の層との屈折率差を大きくする（ＡｌsＧａ1-sＮ層のＡｌ組成：ｓを高くする：０≦ｓ≦１）若しくは積層数を増やすことによりより高い反射率を得ることができる。
【０１２８】
また、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との積層構造によるＤＢＲ反射膜を形成したが、ＧａＮ層とＡｌＩｎＮ層との積層構造からＤＢＲ反射膜を形成してもよい。この場合は、ＡｌＩｎＮ層のＩｎ組成比を調整すると、ＧａＮ層と格子整合した状態で積層構造を形成することができるため好ましい。
【０１２９】
また、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、ＡｌＮ層とＧａＮ層との積層構造によるＤＢＲ反射膜を形成した場合には屈折率差を大きくすることができ、少ない積層数で高い反射率を得ることができる観点から好ましい。また、ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との積層構造によるＤＢＲ反射膜などのように、さまざまな膜種や構成でＤＢＲ反射膜を形成することができる。
【０１３０】
＜電流阻止絶縁膜＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、電流阻止絶縁膜として電流阻止絶縁膜１０１１が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、誘電体膜クラッド層として電流阻止絶縁膜２００８が用いられているが、これらに限定されないことは言うまでもない。
【０１３１】
本発明において、電流阻止絶縁膜は、活性層上で電流狭窄を行なうための絶縁膜である。すなわち、電流阻止絶縁膜は、電流阻止絶縁膜の厚さ方向に電流が流れるのを防止する機能を有する膜である。
【０１３２】
電流阻止絶縁膜としては、たとえば、シリコンの酸化物、アルミニウムの酸化物、ジルコニアの酸化物、チタンの酸化物、タンタルの酸化物、シリコンの酸窒化物、アルミニウムの酸窒化物、ジルコニアの酸窒化物、チタンの酸窒化物、タンタルの酸窒化物、シリコンの窒化物、アルミニウムの窒化物、ノンドープＡｌＮ、ノンドープＡｌＧａＮ、ノンドープＩｎＡｌＮ、ｐ型ＡｌＮ、ｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＩｎＡｌＮなどの材料から選択された少なくとも１種の膜を用いることができる。ただし、ｐ型ドーパントとしてＭｇを含むｐ型ＡｌＮ、ｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＩｎＡｌＮを用いる場合には、Ｍｇが光吸収を行なうため、Ｍｇのドープ量が少ない方が好ましく、ノンドープであることがより好ましい。
【０１３３】
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００および図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００のように、活性層上に電流導入層が形成されている場合には、活性層にできるだけ近い箇所に電流阻止絶縁膜を設置して電流狭窄を行なうことが好ましい。
【０１３４】
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、ｎ型窒化物半導体キャリアブロック層１００６上に第２のｎ型窒化物半導体クラッド層をたとえば０．１μｍ程度の厚さに形成し、その後に電流阻止絶縁膜１０１１を形成し、さらに第２のｎ型窒化物半導体クラッド層をたとえば０．２μｍ程度の厚さに形成してもよい。
【０１３５】
また、電流阻止絶縁膜は、従来より公知の方法で形成することができ、たとえばＥＢ蒸着法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法などによって形成することができる。また、電流阻止絶縁膜は、単層構造に限られるものではなく、多層構造であってもよい。
【０１３６】
また、電流阻止絶縁膜の厚さは、６ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、６ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがより好ましい。電流阻止絶縁膜の厚さが６ｎｍ以上である場合には、面内に均一な厚さの電流阻止絶縁膜が形成されて電流阻止絶縁膜による電流阻止機能が十分に発現する傾向にあり、電流阻止絶縁膜の厚さが１０００ｎｍ以下である場合、特に５００ｎｍ以下である場合には、電流阻止絶縁膜の間に開口部が形成されているときに当該開口部を十分に埋めることができる傾向にある。
【０１３７】
＜第１の電極＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、第１の電極１０１２が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、第１の電極２０１２が用いられているが、これに限定されるものではないことは言うまでもない。
【０１３８】
本発明において、第１の電極は、従来より公知の導電性物質を用いることができ、たとえばＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）およびＨｆ（ハフニウム）などの金属を少なくとも１種含む金属層の単層または複数層を用いることができる。また、第１の電極は、アノード電極であることが好ましい。
【０１３９】
＜第２の電極＞
図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００においては、第２の電極１０１０が用いられており、図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、第２の電極２０１１が用いられているが、これに限定されるものではないことは言うまでもない。
【０１４０】
本発明において、第２の電極は、従来より公知の導電性物質を用いることができ、たとえばＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）およびＨｆ（ハフニウム）などの金属を少なくとも１種含む金属層の単層または複数層を用いることができる。また、第２の電極は、カソード電極であることが好ましい。
【０１４１】
従来のリッジストライプ部型の窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、ｐ型窒化物半導体層で形成されていたため、高抵抗になりやすく、駆動電圧が上がるという問題があった。しかしながら、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００および図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００においては、ｎ型窒化物半導体層で電流狭窄が行なわれることから、より低抵抗にすることができ、駆動電圧を下げることができる。
【０１４２】
＜作用＞
本発明においては、電気伝導を電流導入層で行ない、光閉じ込めを誘電体膜クラッド層で行なうことによって、クラッド層における光透過率と抵抗率とをそれぞれ独立に制御することができる。これにより、本発明によれば、閾値電流と発光効率の双方の特性に優れた半導体発光素子を得ることができるため、低消費電力かつ高信頼性の半導体発光素子を得ることができる。
【０１４３】
従来のクラッド層は、特許文献１のようにＩＴＯなどの透明導電膜、若しくは特許文献２のようにＡｌＧａＮ層と選択の幅が非常に小さかった。本発明においては、電気伝導に寄与しない絶縁膜である本誘電体膜クラッド層を用いることができるため、材料選択の幅が広がるとともに、設計の幅も広がる。
【０１４４】
また、本発明においては、誘電体膜クラッド層の層構造および／または材料を変更することによって、光閉じ込め量の変化および／または光吸収量の低減などを行なった場合でも、駆動電圧は電流導入層に基づいて変化させることができるため、駆動電圧に関係なく誘電体膜クラッド層の設計をすることができるというメリットがある。
【０１４５】
また、ｎ型窒化物半導体層は、たとえば６００〜９００℃程度の温度で形成した場合にもｎ型の電気伝導を示す。したがって、たとえば図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０００および図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子２０００のように活性層を形成した後にｐ型窒化物半導体層を形成することなく、たとえば６００〜９００℃程度の比較的低温で電流導入層を形成し、その後たとえば９００℃を超えるような高温に昇温する必要もないため、Ｉｎ組成比が０．１５以上のＩｎを含む窒化物半導体結晶からなる活性層を用いた場合にも活性層が熱分解することなく半導体発光素子を製造することができ、Ｉｎ組成比が０．２以上のＩｎを含む窒化物半導体結晶からなる活性層を用いた場合にも活性層が熱分解することなく半導体発光素子を製造することができる。
【０１４６】
さらに、本発明においては、活性層から発光する光に対して透明な誘電体膜クラッド層をたとえばスパッタ法またはＥＢ蒸着法などの低温で形成することができるため、さらに好ましい。
【実施例】
【０１４７】
＜実施例１＞
図５に、本発明の半導体発光素子の一例である実施例１の端面出射型の窒化物半導体レーザ素子の模式的な斜視図を示す。ここで、図５に示す実施例１の窒化物半導体レーザ素子５０００は、以下のようにして作製した。
【０１４８】
まず、ＭＯＣＶＤ装置内に厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮ基板５００１を設置し、ｎ型ＧａＮ基板５００１上に、厚さ２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層５００２、厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮガイド層５００３、厚さ０．０１μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎキャリアブロック層５００４、厚さ０．１５２μｍのＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層５００５および厚さ１５ｎｍのｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎキャリアブロック層５００６をＭＯＣＶＤ法によりこの順序で形成してウエハを作製した。
【０１４９】
次に、上記のようにして作製したウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出した後にスパッタ装置内に設置して、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2膜５０１１をスパッタ法により形成した。
【０１５０】
次に、フォトリソグラフィプロセスによってＳｉＯ2膜５０１１上にレジストを塗布した後に、レジストを加工して幅２μｍ程度のストライプ状にした。そして、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）による気相エッチングを行なうことによって、ＳｉＯ2膜５０１１をストライプ状に除去した。ここで、ストライプ状にＳｉＯ2膜５０１１を除去した領域の下方に位置するＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層５００５の領域が幅ｔの発光領域となった。
【０１５１】
次に、レジストを除去した後のウエハを再びＭＯＣＶＤ装置内に設置し、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮガイド層５００７を形成して電流導入層を作製した。そして、上記のウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出した後にスパッタ装置内に設置して、室温で、ＡｌＯ0.05Ｎ0.95膜５００８を３０ｎｍの厚さで形成し、その上にＡｌ2Ｏ3膜５００９を０．５μｍの厚さで形成して誘電体膜クラッド層を作製した。
【０１５２】
その後、ｎ型ＧａＮガイド層５００７の表面のうち、ＡｌＯ0.05Ｎ0.95膜５００８およびＡｌ2Ｏ3膜５００９が形成されていない領域に第２の電極５０１０を形成した。また、ｎ型ＧａＮ基板５００１の裏面には第１の電極５０１２を形成した。
【０１５３】
上記のようにして得られたウエハのｎ型ＧａＮ基板５００１を研削し、研磨することによって１００μｍ程度に薄くして、ダイヤモンド針でスクライブし、バー状にへき開した。
【０１５４】
さらに、へき開されて露出した共振器端面にたとえば厚さ３０ｎｍ程度のＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）からなる端面コート膜を形成するとともに、端面コート膜上に反射率調整用に所定の膜を形成した。
【０１５５】
その後、上記の反射率調整用の膜が形成されたウエハを複数に分割することによって、端面出射型の窒化物半導体レーザ素子である実施例１の窒化物半導体レーザ素子を作製した。
【０１５６】
ここで、実施例１の窒化物半導体レーザ素子においては、第２の電極５０１０がカソード電極となり、第１の電極５０１２がアノード電極となる。このため、実施例１の窒化物半導体レーザ素子において電子は図５の矢印の方向に流れることになる。
【０１５７】
このようにして作製した端面出射型の窒化物半導体レーザ素子の発振閾値と発振後の平均の発光効率を求めたところ、実施例１の窒化物半導体レーザ素子２０個の平均の発振閾値（閾値電流）は３３ｍＡであり、平均の発光効率は１．９２Ｗ／Ａであった。ここで、発振閾値（閾値電流）とは半導体発光素子の駆動電流の低さを表す値で、発振閾値（閾値電流）の値が小さいほど駆動電流が小さい半導体発光素子であることを示す。また、発光効率とは、半導体発光素子の電流注入量に対して素子外部に取り出すことができる光子の割合を表す値であって、発光効率の値が大きいほど優れた発光素子であることを示す。
【０１５８】
また、比較のために特許文献１に示された構成の窒化物半導体レーザ素子を特許文献１と同一の方法で２０個作製し、実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様の方法で、平均の発振閾値と平均の発光効率とを求めたところ、特許文献１の窒化物半導体レーザ素子の平均の発振閾値は３５ｍＡであり、平均の発光効率は０．８２Ｗ／Ａであった。
【０１５９】
以上のことから、実施例１の窒化物半導体レーザ素子は、特許文献１の窒化物半導体レーザ素子に比べ、平均の発振閾値と平均の発光効率の特性を大きく向上することができた。これは、実施例１の窒化物半導体レーザ素子においては、特許文献１の窒化物半導体レーザ素子と異なって、ＩＴＯが存在しないためにＩＴＯによる光吸収がないことおよび誘電体膜クラッド層による光吸収がないことにより光吸収が抑制され内部ロス（αｉ）が低減したためと考えられる。
【０１６０】
＜実施例２＞
図６に、本発明の半導体発光素子の一例である実施例２の面発光型の窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面図を示す。ここで、図６に示す実施例２の窒化物半導体レーザ素子６０００は、以下のようにして作製した。
【０１６１】
まず、ＭＯＣＶＤ装置内にｎ型ＧａＮ基板６００１（厚さ４００〜５００ｎｍ程度）を設置し、ｎ型ＧａＮ基板６００１上に、厚さ０．３μｍのｎ型ＧａＮバッファ層６００２ならびにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＧａＮ層とを５０ペア積層してＤＢＲ反射膜６００３をＭＯＣＶＤ法により形成した。ここで、ＤＢＲ反射膜６００３を構成する各層の厚さは１μｍ以上３μｍ以下の範囲とした。
【０１６２】
なお、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＧａＮ層との格子不整合によるクラックの発生を防止するために、ｎ型ＧａＮ基板６００１の一部を気相エッチングなどにより掘り込み、掘り込まれたｎ型ＧａＮ基板６００１上にＤＢＲ反射膜６００３を形成することができる。この場合には、ＤＢＲ反射膜６００３を構成する各層の歪を緩和しクラックを発生させないようにすることができる。また、この場合には、発光領域は、ｎ型ＧａＮ基板６００１の掘り込まれていない領域に形成することができる。
【０１６３】
引き続いて、ＤＢＲ反射膜６００３上に、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層６００４、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮ層６００５、厚さ０．１５２μｍのＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層６００６および厚さ１５ｎｍのｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎキャリアブロック層６００７をＭＯＣＶＤ法により形成した。なお、ＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層６００６から発振されるレーザ光の発振波長は４０５ｎｍであった。
【０１６４】
次に、上記のｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎキャリアブロック層６００７の形成後のウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2膜６００８をスパッタ法により形成した。
【０１６５】
次に、フォトリソグラフィプロセスによってＳｉＯ2膜６００８上にレジストを塗布した後に、レジストを加工して直径２μｍ程度の円形状にした。そして、誘導結合プラズマによる気相エッチングを行なうことによって、ＳｉＯ2膜６００８を円形状に除去した。ここで、円形状にＳｉＯ2膜６００８を除去した領域の下方に位置するＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層６００５の領域が発光領域となった。
【０１６６】
次に、レジストを除去した後のウエハを再びＭＯＣＶＤ装置内に設置し、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮガイド層６００９を形成して電流導入層を作製した。
【０１６７】
そして、電流導入層形成後のウエハをスパッタ装置内に設置し、スパッタ法によって、室温でＡｌＯ0.05Ｎ0.95膜を３０ｎｍの厚さで形成し、その上に酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とをそれぞれ６８ｎｍと５０ｎｍの厚さで８ペア形成して、計１７層の誘電体膜クラッド層６０１０を形成した。誘電体膜クラッド層６０１０の反射率は９９％であった。
【０１６８】
その後、ｎ型ＧａＮガイド層６００９の表面のうち、誘電体膜クラッド層６０１０が形成されていない領域に第２の電極６０１１を形成した。また、ｎ型ＧａＮコンタクト層６００４の露出した表面に第１の電極６０１２を形成した。なお、第１の電極６０１２は、実施例１と同様にｎ型ＧａＮ基板６００１の裏面に形成してもよい。
【０１６９】
ここで、実施例２の窒化物半導体レーザ素子においては、第２の電極６０１１がカソード電極となり、第１の電極６０１２がアノード電極となる。このため、実施例２の窒化物半導体レーザ素子において電子は図６の矢印の方向に流れることになる。
【０１７０】
また、比較のために図７の模式的断面図に示す従来構造の面発光型の窒化物半導体レーザ素子を作製した。ここで、図７に示される従来構造の面発光型の窒化物半導体レーザ素子７０００は、ｎ型ＧａＮコンタクト層６００４上に直接ＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層６００６が形成されている点、ＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層６００６上に厚さ１５ｎｍのＡｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐ型キャリアブロック層７００１が形成されている点、ｐ型キャリアブロック層７００１上に厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ＧａＮ層７００２が形成されている点、ｐ型ＧａＮ層７００２上に厚さ５０ｎｍのＩＴＯ電極７００３が形成されている点およびＩＴＯ電極７００３に第２の電極６０１１が形成されている点以外は実施例２の面発光型の窒化物半導体レーザ素子と同一の構成となっている。
【０１７１】
図７に示される従来構造の面発光型の窒化物半導体レーザ素子７０００において、ＩＴＯ電極７００３が電流導入層として形成されているが、ＩＴＯ電極７００３は完全に透明ではなく、一般的に１０００ｃｍ-1〜２００００ｃｍ-1の光吸収係数を持つため、あまり厚く形成することができない。それゆえ、ＩＴＯ電極７００３においても、成長面に対して水平方向に十分に電流を拡散することができないことから、たとえば、図８（ａ）に示すように、発光領域内の発光パターンは不均一になってしまうという問題があった。
【０１７２】
すなわち、図８（ａ）に示すように、ＩＴＯ電極７００３を用いた従来構造の面発光型の窒化物半導体レーザ素子７０００の発光パターンは、周辺で発光強度（光出力）が大きく、中心部で発光強度が小さい状態となる。これは、ＩＴＯ電極７００３のシート抵抗が高いため、発光パターンの中心付近まで電流が拡散せず、第２の電極６０１１（アノード電極）に近い発光領域の端の領域で強い電流注入が起こってしまうためである。
【０１７３】
一方、実施例２の窒化物半導体レーザ素子においては、電流導入層としてＩＴＯ電極７００３より光吸収が少なく透明なｎ型ＧａＮガイド層６００９を用いているため、ｎ型ＧａＮガイド層６００９を厚く形成しても光吸収をあまり増大させることなく、電流の横方向拡散を向上させることができる。さらに、ｎ型ＧａＮガイド層６００９は非常に電子の移動度が高いため、電流の横方向拡散を向上させることができる。
【０１７４】
すなわち、実施例２の窒化物半導体レーザ素子においては、たとえば図８（ｂ）に示すように、発光領域内で均一な発光パターンを得ることができた。
【０１７５】
さらに、実施例２の窒化物半導体レーザ素子においては、光吸収が少なく、さらに均一発光であるために、ゲインのロスが少なくなり、閾値電流を１５ｍＡから７ｍＡに低減することが可能となった。
【０１７６】
実施例２の窒化物半導体レーザ素子においては、活性層上に電流狭窄構造があり、さらに活性層の発光領域上にｐ型層がないため、電流拡散と電流狭窄とをうまく両立することができる。
【０１７７】
＜実施例３＞
本発明の半導体発光素子の一例である実施例３の端面出射型の半導体レーザ素子は、基板にＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ系半導体レーザ素子であることを特徴とする。
【０１７８】
すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層、厚さ２．０μｍのｎ型Ｉｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.51Ｐクラッド層、厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）ＩｎＰからなるｐ型ガイド層、ＧａＩｎＰからなる井戸層（積層数：４層、厚さ：６ｎｍ）と（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）ＩｎＰからなるバリア層（積層数：３層、厚さ：５ｎｍ）とが交互に積層されてなる活性層、厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）ＩｎＰからなるｎ型ガイド層および厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＡｓ電流導入層が積層され、ｎ型ＧａＡｓ電流導入層上に実施例１の誘電体膜クラッド層が形成されている。
【０１７９】
また、一般的なプロセスを用いて、（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）ＩｎＰからなるｎ型ガイド層までがエッチングにより除去されてリッジストライプ部が形成され、リッジストライプ部を有する端面出射型のＧａＡｓ系赤色半導体レーザ素子とされた。なお、リッジストライプ部の両脇には電流狭窄絶縁膜が形成された。
【０１８０】
ここで、ｐ型のドーパント材料としては、たとえば、Ｍｇ、ＺｎおよびＢｅの少なくとも１種を好適に用いることができる。
【０１８１】
また、本実施例においては端面出射型のＧａＡｓ系の半導体レーザ素子を作製したが、面発光型のＧａＡｓ系の半導体レーザ素子としてもよいことは言うまでもない。
【０１８２】
また、ｎ型ＺｎＯ、ｐ型ＺｎＯを用いた、若しくはＧａＮとＺｎＯを組み合わせることで作製された半導体レーザ素子としてもよい。
【０１８３】
＜実施例４＞
図９に、本発明の半導体発光素子の一例である実施例４の端面出射型の窒化物半導体レーザ素子の模式的な斜視図を示す。ここで、図９に示す構成を有する実施例４の窒化物半導体レーザ素子８０００は、誘電体膜クラッド層を用いず、空気（大気）をクラッドとして用いる、Ａｉｒ−ｃｌａｄ構造をとることを特徴とする。
【０１８４】
実施例４の窒化物半導体レーザ素子８０００においては、導波路損失を小さくすることが可能であると同時に、誘電体膜クラッド層を作製する工程を省くことができるため、製造コストを低減することができることから好ましい。
【０１８５】
ここで、図９に示す実施例４の窒化物半導体レーザ素子８０００は、以下のようにして作製した。
【０１８６】
まず、ＭＯＣＶＤ装置内に厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮ基板８００１を設置し、ｎ型ＧａＮ基板８００１上に、厚さ２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層８００２、厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮガイド層８００３、厚さ０．０１μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎキャリアブロック層８００４、厚さ０．１５２μｍのＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層８００５および厚さ１５ｎｍのｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎキャリアブロック層８００６をＭＯＣＶＤ法によりこの順序で形成してウエハを作製した。
【０１８７】
次に、上記のようにして作製したウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出した後にスパッタ装置内に設置して、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2膜８００８をスパッタ法により形成した。
【０１８８】
次に、フォトリソグラフィプロセスによってＳｉＯ2膜８００８上にレジストを塗布した後に、レジストを加工して幅２μｍ程度のストライプ状にした。そして、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）による気相エッチングを行なうことによって、ＳｉＯ2膜８００８をストライプ状に除去した。ここで、ストライプ状にＳｉＯ2膜８００８を除去した領域の下方に位置するＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層８００５の領域が幅ｔの発光領域となった。
【０１８９】
次に、レジストを除去した後のウエハを再びＭＯＣＶＤ装置内に設置し、厚さ０．４μｍのｎ型ＧａＮガイド層８００７を形成して電流導入層を作製した。
【０１９０】
次に、このウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｎ型ＧａＮガイド層８００７上に第２の電極８００９を発光領域から３０μｍ離して形成した。さらに、ｎ型ＧａＮ基板８００１の裏面に第１の電極８０１０を形成した。
【０１９１】
上記のようにして得られたウエハのｎ型ＧａＮ基板８００１を研削し、研磨することによって１００μｍ程度に薄くして、ダイヤモンド針でスクライブし、バー状にへき開した。
【０１９２】
さらに、へき開されて露出した共振器端面にたとえば厚さ３０ｎｍ程度のＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）からなる端面コート膜を形成するとともに、端面コート膜上に反射率調整用に所定の膜を形成した。
【０１９３】
その後、上記の反射率調整用の膜が形成されたウエハを複数に分割することによって、端面出射型の窒化物半導体レーザ素子である実施例４の窒化物半導体レーザ素子を作製した。
【０１９４】
以上のようにして作製した実施例４の窒化物半導体レーザ素子８０００は、実施例１の窒化物半導体レーザ素子５０００と同様の効果が得られた。
【０１９５】
なお、実施例４の窒化物半導体レーザ素子８０００において、発光領域の第２の電極８００９に近い側の端から成長方向と垂直方向に伸ばした直線と、第２の電極８００９の端から成長方向と垂直方向に伸ばした直線のとの間の最短距離を、発光領域と第２の電極８００９との間の距離ｌとする。発光領域からの光が第２の電極８００９に吸収されないように、距離ｌは２μｍ以上離すことが好ましい。また、なお、距離ｌが３ｍｍより長い場合には駆動電圧の上昇が起こるため、距離ｌは２μｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１９６】
なお、本明細書においては、半導体発光素子として窒化物半導体レーザ素子を主に説明しているが、本発明の半導体発光素子には、窒化物半導体レーザ素子だけではなく窒化物半導体レーザ素子以外の他のＧａＡｓ系等の半導体レーザ素子も含まれ、さらにはレーザ素子のみならず発光ダイオード素子も含まれる。
【０１９７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１９８】
本発明によれば、より低損失な導波路を形成することができ、閾値電流がより小さく、かつ発光効率がより高く、しかも４４０〜５５０ｎｍ程度の長波長の光を発光する端面出射型の窒化物半導体レーザ素子などの半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１９９】
【図１】本発明の半導体発光素子としての端面出射型の窒化物半導体レーザ素子の一例の模式的な斜視図である。
【図２】本発明の半導体発光素子としての面発光型の窒化物半導体レーザ素子の一例の模式的な断面図である。
【図３】図２に示す構成の窒化物半導体レーザ素子を上面から見たときの模式的な平面図である。
【図４】図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子の一部の模式的な拡大断面図である。
【図５】本発明の半導体発光素子の一例である実施例１の端面出射型の窒化物半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。
【図６】本発明の半導体発光素子の一例である実施例２の面発光型の窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図７】従来構造の面発光型の窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図８】（ａ）は図７に示される従来構造の面発光型の窒化物半導体レーザ素子の発光パターンの一例であり、（ｂ）は実施例２の窒化物半導体レーザ素子の発光パターンの一例である。
【図９】本発明の半導体発光素子の一例である実施例４の端面出射型の窒化物半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。
【図１０】従来の特許文献１に記載された窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【０２００】
１０００  窒化物半導体レーザ素子、１００１  窒化物半導体基板、１００２  ｎ型窒化物半導体クラッド層、１００２ａ  ｎ+ドープ層、１００３  ｐ型窒化物半導体ガイド層、１００３ａ  ｐ+ドープ層、１００４  ｐ型窒化物半導体キャリアブロック層、１００５  活性層、１００６  ｎ型窒化物半導体キャリアブロック層、１００７  ｎ型窒化物半導体ガイド層、１００８  第１の誘電体膜層、１００９  第２の誘電体膜層、１０１０  第２の電極、１０１１  電流阻止絶縁膜、１０１２  第１の電極、２０００  窒化物半導体レーザ素子、２００１  窒化物半導体基板、２００２  ｎ型窒化物半導体バッファ層、２００３  ＤＢＲ反射膜、２００４  ｎ型窒化物半導体コンタクト層、２００５  ｐ型ＧａＮ層、２００６  活性層、２００７  ｎ型窒化物半導体キャリアブロック層、２００８  電流阻止絶縁膜、２００９  ｎ型ＧａＮ層、２０１０  ＤＢＲ反射膜、２０１１  第２の電極、２０１２  第１の電極、３００１  破線、５００１  ｎ型ＧａＮ基板、５００２  ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、５００３  ｐ型ＧａＮガイド層、５００４  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎキャリアブロック層、５００５  ＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層、５００６  ｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎキャリアブロック層、５００７  ｎ型ＧａＮガイド層、５００８  ＡｌＯ0.05Ｎ0.95膜、５００９  Ａｌ2Ｏ3膜、５０１０  第２の電極、５０１１  ＳｉＯ2膜、５０１２  第１の電極、６０００  窒化物半導体レーザ素子、６００１  ｎ型ＧａＮ基板、６００２  ｎ型ＧａＮバッファ層、６００３  ＤＢＲ反射膜、６００４  ｎ型ＧａＮコンタクト層、６００５  ｐ型ＧａＮ層、６００６  ＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層、６００７  ｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎキャリアブロック層、６００８  ＳｉＯ2膜、６００９  ｎ型ＧａＮガイド層、６０１０  誘電体膜クラッド層、６０１１  第２の電極、６０１２  第１の電極、７０００  窒化物半導体レーザ素子、７００１  ｐ型キャリアブロック層、７００２  ｐ型ＧａＮ層、７００３  ＩＴＯ電極、８０００  窒化物半導体レーザ素子、８００１  ｎ型ＧａＮ基板、８００２  ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、８００３  ｐ型ＧａＮガイド層、８００４  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎキャリアブロック層、８００５  ＡｌxＧａ1-xＩｎＮ活性層、８００６  ｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎキャリアブロック層、８００７  ｎ型ＧａＮガイド層、８００８  ＳｉＯ2膜、８００９  第２の電極、８０１０  第１の電極、９０００  半導体レーザ素子、９００１  ＧａＮ基板、９００２  ｎ型ＧａＮ層、９００３  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、９００４  ｎ型ＧａＮガイド層、９００５  ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層、９００６  アンドープＧａＮガイド層、９００７  ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、９００８  ｐ型ＧａＮガイド層、９００９  ＳｉＯ2ブロック層、９０１０  Ｎｉ／ＩＴＯクラッド層電極、９０１１  Ｔｉ／Ａｕパッド電極、９０１２  Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ電極。
【図１】
2010087172.tif 000003
【図２】
2010087172.tif 000004
【図３】
2010087172.tif 000005
【図４】
2010087172.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2010087172.tif 000009
【図８】
2010087172.tif 000010
【図９】
2010087172.tif 000011
【図１０】
2010087172.tif 000012