(57)【要約】【課題】III-Ｖ族窒化物系化合物半導体を用いた半導体発光素子において、ｎ型半導体層に対するオーミックコンタクト抵抗を低減して低電圧動作を実現できるようにする。【解決手段】窒化物半導体発光素子は、第１のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなるＭＱＷ活性層１０４と、該ＭＱＷ活性層１０４における互いに対向する対抗面のうちの一の面上に形成され、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する混晶層であるｎ型コンタクト層１０３と、該ｎ型コンタクト層１０３と接するように形成されたオーミック電極であるｎ側電極１０６とを有している。ＭＱＷ活性層１０４の他の面上には、透明電極１０７とその一部に形成されたｐ側電極１０８が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなる活性層と、
前記活性層における互いに対向する対抗面のうちの一の面上に形成され、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する混晶層と、
前記混晶層と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
基板と、該基板の上に形成され、第２のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなる下地層とをさらに備え、
前記混晶層は、前記下地層と格子整合していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記混晶層は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）における組成ｘに対する組成ｙの比（ｙ／ｘ）の値が３．５以上且つ３．７以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記オーミック電極は、コンタクト抵抗が１×１０-6Ωｃｍ2 以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記混晶層と接するように形成され、ＡｌzＧａ1-zＮ（但し、ｚは、０＜ｚ≦１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する第１クラッド層をさらに備え、
前記混晶層は、該混晶層と前記第１クラッド層との界面における伝導帯の下端が連続となるように、Ａｌ、Ｇａ又はＩｎの組成が傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記混晶層と接するように形成され、ＡｌzＧａ1-zＮ（但し、ｚは、０＜ｚ≦１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する第１クラッド層をさらに備え、
前記第１クラッド層は、該第１クラッド層と前記混晶層との界面における伝導帯の下端が連続となるように、Ａｌの組成が傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層の他の面上に形成され、第３のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなり、ｐ型の導電性を有する第２クラッド層と、
前記第２クラッド層と接するように形成され、前記活性層から出射される発光光の波長における反射率が７０％よりも大きい金属電極とをさらに備え、
前記発光光は、前記混晶層を通して取り出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記金属電極は、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）又はロジウム（Ｒｈ）を主成分に含むことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記金属電極と接するように形成され、厚さが１０μｍ以上の金属膜をさらに備えていることを特徴とする請求項７又は８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記金属膜は、金（Ａｕ）を主成分に含むことを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記活性層の他の面上に形成され、第３のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなり、ｐ型の導電性を有する第２クラッド層をさらに備え、
前記第２クラッド層は導波路となるストライプ構造を有し、前記ストライプ構造により前記活性層においてレーザ発振を生じることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
ＧａＮよりなり、ｎ型の導電性を有する基板と、
前記基板の一の面上に形成され、活性層を含むｐｎ接合構造体と、
前記基板の他の面上に接するように形成され、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する混晶層と、
前記混晶層と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する基板と、
前記基板上に形成され、活性層を含むｐｎ接合構造体と、
前記基板と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
基板上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する混晶層をエピタキシャル成長により形成する工程（ａ）と、
前記混晶層の上に該混晶層と接するように、活性層、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含むｐｎ接合構造体をエピタキシャル成長により形成する工程（ｂ）と、
前記混晶層と接するようにオーミック電極を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ａ）は、前記混晶層を形成するよりも前に、前記基板上に第１のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなる下地層を形成する工程を含み、
前記混晶層は前記下地層と格子整合するようにエピタキシャル成長することを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記混晶層及びｐｎ接合構造体を前記基板から分離する工程（ｄ）と、
前記ｐｎ接合構造体における前記ｐ型半導体層の上に前記活性層から出射される発光光の発光波長における反射率が７０％よりも大きい金属電極を形成する工程（ｅ）と、
前記金属電極と接するように、厚さが１０μｍ以上の金属膜を形成する工程（ｆ）とをさらに備えていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ａ）は、前記混晶層を形成するよりも前に、前記基板上に該基板と接するように第２のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなる半導体層を形成する工程を含み、
前記工程（ｄ）において、前記基板の分離は、前記基板における前記半導体層の反対側の面から前記半導体層に吸収される波長を持つ光を照射し、照射された光によって前記半導体層を分解して行なうことを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記基板は、サファイア、ＭｇＯ又はＬｉＧａuＡｌ1-uＯ2 （但し、ｕは、０≦ｕ≦１である。）よりなり、
前記半導体層は、ＧａＮ、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）又はＺｎＯよりなることを特徴とする請求項１７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記光の光源は、パルス状に発振するレーザ光又は水銀灯の輝線であることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（ｂ）と前記工程（ｄ）との間に、前記ｐｎ接合構造体にIII-Ｖ族窒化物半導体とは異なる材料よりなる保持材を貼り合わせる工程（ｇ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記工程（ｄ）よりも後に、前記保持材を前記ｐｎ接合構造体から分離する工程（ｈ）をさらに備えていることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関し、例えば短波長発光ダイオード素子又は青紫色半導体レーザ素子に適用可能な窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般式がＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１である。）で表わされるIII-Ｖ族窒化物半導体は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）の室温における禁制帯幅が３．４ｅＶと比較的に大きい禁制帯幅を有するため、可視域発光ダイオード素子又は短波長半導体レーザ素子等の発光デバイスに応用することができる。特に、発光ダイオード素子は、既に青色発光ダイオード素子及び緑色発光ダイオード素子が各種表示パネル、大型ディスプレイ装置又は交通信号機等として実用化されている。また、蛍光材料を励起することにより可視光を発光する白色発光ダイオード素子も液晶バックライト用の光源等として商品化されている。一方、窒化物半導体よりなる半導体レーザ素子は、Blue-Ray Discに代表される次世代高密度光ディスクの書き込み光源として既に実用化できる技術レベルにある。このように、III-Ｖ族窒化物半導体よりなる半導体光デバイスにおける高輝度化、高出力化又は高効率化に向けてその研究及び開発が活発に進められている。
【０００３】
これまでの有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition:ＭＯＣＶＤ）法を中心とする結晶成長技術に関する研究及び開発の結果、窒化物半導体よりなる発光デバイスの輝度、出力及び発光効率は大きく向上してきている。具体的には、サファイアよりなる基板上に低温バッファ層を介在させたヘテロエピタキシャル成長技術、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸構造を有する活性層成長技術、及びドーパントの活性化を図るアニールによる低抵抗のｐ型ＧａＮの成長技術等の主要技術の確立が窒化物半導体光デバイスの高性能化に大きく貢献してきている。
【０００４】
さらには、窒化ガリウム（ＧａＮ）よりなる基板も市販されるに至り、ＧａＮ基板に成長するエピタキシャル層の結晶性はさらに向上すると予想されている。今後の高性能化に向けては、オーミック電極におけるコンタクト抵抗の低減及び寄生抵抗の低減等も重要になってきている。
【０００５】
以下、従来のサファイア基板を用いた窒化物半導体発光素子について説明する。
【０００６】
図９は従来例に係るIII-Ｖ族窒化物半導体を用いた発光ダイオード素子の断面構成を示している（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００７】
図９を参照しながら、従来例に係る発光ダイオード素子の構成を製造方法と共に説明する。図９に示すように、まず、例えばＭＯＣＶＤ法により、サファイアよりなる基板８０１の上に、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層８０２、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層８０３、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸活性層８０４及びｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層８０５を順次形成する。
【０００８】
続いて、形成したｐ型クラッド層８０５、多重量子井戸活性層８０４及びｎ型クラッド層８０３に対して、例えば塩素（Ｃｌ2 ）ガスによるドライエッチングを選択的に行なって、ｎ型コンタクト層８０２の一部を露出する。
【０００９】
その後、ｐ型クラッド層８０５の上面に、ニッケル（Ｎｉ）とその上の金（Ａｕ）との積層体よりなる透明電極８０６を形成する。透明電極８０６に透明性を持たせるには、積層体の膜厚を１０ｎｍかそれ以下とする必要がある。また、ｎ型コンタクト層８０２の露出部分上には、チタン（Ｔｉ）とその上のアルミニウム（Ａｌ）との積層体よりなるｎ側電極８０７を形成する。
【００１０】
続いて、透明電極８０６上の一部の領域に、金（Ａｕ）よりなりボンディングパッドとなるｐ側電極８０８を形成する。
【００１１】
このように、ｐ側電極８０８に加えて透明電極８０６を設けることにより、多重量子井戸活性層８０４からの、例えば発光波長が４７０ｎｍの青色光はその大部分が透明電極８０６を透過して素子の外部に取り出すことができる。
【特許文献１】特開平６−３１４８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前記従来の窒化物半導体発光素子及びその製造方法は、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層８０２にオーミック電極であるｎ側電極８０７が形成されている。一般に、ＧａＮはその禁制帯幅が３．４ｅＶと大きいものの、その電子親和力が小さいため、オーミック電極を形成する金属とのポテンシャル障壁が大きくなる。このため、低抵抗のオーミックコンタクトを実現することは困難である。その結果、ｎ型コンタクト層８０２に対するオーミックコンタクト抵抗は１×１０-5Ωｃｍ2 程度に留まっており、他のIII-Ｖ族化合物半導体の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等を用いた化合物半導体デバイスによって実現される１×１０-6Ωｃｍ2 以下のオーミックコンタクト抵抗を実現することが極めて困難である。このため、III-Ｖ族窒化物半導体を用いた発光ダイオード素子の動作電圧を容易には低減することができないという問題がある。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、III-Ｖ族窒化物系化合物半導体を用いた半導体発光素子において、ｎ型半導体層に対するオーミックコンタクト抵抗を低減して低電圧動作を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体発光素子を、オーミック電極が形成されるｎ型コンタクト層に４元混晶であるｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなる混晶層を用いる構成とする。
【００１５】
本願発明者らは、ｎ型窒化物半導体層におけるオーミック電極とのオーミックコンタクト抵抗に関し、種々の実験により検討を重ねた結果、以下のような知見を得ている。すなわち、４元混晶であるＩｎＡｌＧａＮは、電子親和力がＧａＮよりも大きいため、オーミック電極の仕事関数との差を小さくすることができる。これにより、ＩｎＡｌＧａＮはオーミック電極との接触部分におけるポテンシャル障壁が小さくなるので、１×１０-6Ωｃｍ2 以下のコンタクト抵抗を実現できるというものである。
【００１６】
この構成により、ｎ型ＧａＮ層の上にオーミック電極を形成した場合と比べてより小さいオーミックコンタクト抵抗を実現できるため、低動作電圧が可能な発光デバイスを得ることができる。
【００１７】
具体的に、本発明に係る第１の窒化物半導体発光素子は、第１のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなる活性層と、該活性層における互いに対向する対抗面のうちの一の面上に形成され、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する混晶層と、該混晶層と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
第１の窒化物半導体発光素子によると、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮよりなり、ｎ型の導電性を有するコンタクト層である混晶層と、該混晶層と接するように形成されたオーミック電極とを備えているため、前記の知見から、ｎ型のドーピング濃度を高めることなく、ｎ型の混晶層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減することができる。これにより、より直列抵抗が小さく、低動作電圧化が可能な窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【００１９】
第１の窒化物半導体発光素子は、基板と、該基板の上に形成され、第２のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなる下地層とをさらに備え、混晶層は下地層と格子整合していることが好ましい。
【００２０】
このようにすると、下地層と格子整合した混晶層はクラックを発生させることなく厚膜化できるため、例えばｐ側のオーミック電極とｎ側のオーミック電極とが一の面側に形成される場合には、ｎ側のオーミック電極の周辺領域における直列抵抗をより低減できるので、より動作電圧が低くすることが可能となる。
【００２１】
第１の窒化物半導体発光素子において、混晶層は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）における組成ｘに対する組成ｙの比（ｙ／ｘ）の値が３．５以上且つ３．７以下であることが好ましい。
【００２２】
このようにすると、混晶層はその下地層となる窒化物半導体層と格子整合して結晶性が向上する。
【００２３】
第１の窒化物半導体発光素子において、オーミック電極は、コンタクト抵抗が１×１０-6Ωｃｍ2 以下であることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、ｎ側のオーミック電極のコンタクト抵抗が十分に低減される。
【００２５】
第１の窒化物半導体発光素子は、混晶層と接するように形成され、ＡｌzＧａ1-zＮ（但し、ｚは、０＜ｚ≦１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する第１クラッド層をさらに備え、混晶層は、該混晶層と第１クラッド層との界面における伝導帯の下端が連続となるように、Ａｌ、Ｇａ又はＩｎの組成が傾斜していることが好ましい。
【００２６】
このように、ＡｌzＧａ1-zＮよりなり、ｎ型の導電性を有する第１クラッド層を混晶層と接するように形成すると、該第１クラッド層はＡｌを組成に含むことより、一般に、Ａｌを含まない活性層よりも屈折率が小さくなり且つ禁制帯幅が大きくなる。このため、活性層に対して垂直な方向の光閉じ込め機能が向上すると共に電流閉じ込め機能も向上する。さらに、ＩｎＡｌＧａＮよりなる混晶層の組成を傾斜させていることにより、混晶層とＡｌＧａＮよりなる第１クラッド層とのヘテロ電位障壁を低減できるため、高効率発光が可能となると共に直列抵抗が小さい窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【００２７】
また、第１の窒化物半導体発光素子は、混晶層と接するように形成され、ＡｌzＧａ1-zＮ（但し、ｚは、０＜ｚ≦１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する第１クラッド層をさらに備え、第１クラッド層は、該第１クラッド層と混晶層との界面における伝導帯の下端が連続となるように、Ａｌの組成が傾斜していることが好ましい。
【００２８】
このように、第１クラッド層の組成を傾斜することによっても、混晶層と第１クラッド層とのヘテロ電位障壁を低減できるため、高効率発光が可能となると共に直列抵抗が小さい窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【００２９】
また、第１の窒化物半導体発光素子は、活性層の他の面上に形成され、第３のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなり、ｐ型の導電性を有する第２クラッド層と、該第２クラッド層と接するように形成され、活性層から出射される発光光の波長における反射率が７０％よりも大きい金属電極とをさらに備え、発光光は混晶層を通して取り出されることが好ましい。
【００３０】
このようにすると、発光光の取り出し効率を向上した発光ダイオード素子を実現することができる。
【００３１】
この場合に、金属電極は、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）又はロジウム（Ｒｈ）を主成分に含むことが好ましい。これらの金属は発光光の波長における反射率が７０％よりも大きい金属であり好ましい。
【００３２】
また、この場合に、第１の窒化物半導体発光素子は、金属電極と接するように形成され、厚さが１０μｍ以上の金属膜をさらに備えていることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、厚さが１０μｍ以上の金属膜により熱抵抗が小さくなって放熱性に優れるため、大出力動作が可能となる。
【００３４】
この場合の金属膜は、金（Ａｕ）を主成分に含むことが好ましい。
【００３５】
このようにすると、めっき法により、熱抵抗が小さい金属膜を容易に形成することができる。
【００３６】
第１の窒化物半導体発光素子は、活性層の他の面上に形成され、第３のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなり、ｐ型の導電性を有する第２クラッド層をさらに備え、第２クラッド層は導波路となるストライプ構造を有し、ストライプ構造により活性層においてレーザ発振を生じることが好ましい。
【００３７】
このようにすると、より直列抵抗が小さく且つ低電圧動作が可能な半導体レーザ素子を実現することができる。
【００３８】
本発明に係る第２の窒化物半導体発光素子は、ＧａＮよりなり、ｎ型の導電性を有する基板と、基板の一の面上に形成され、活性層を含むｐｎ接合構造体と、基板の他の面上に接するように形成され、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する混晶層と、混晶層と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする。
【００３９】
第２の窒化物半導体発光素子によると、ｎ型の導電性を有するＧａＮ基板の一の面上に形成された活性層を含むｐｎ接合構造体は、その結晶性が優れるため、高効率発光を実現できる。その上、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮよりなりｎ型の導電性を有する混晶層が基板の他の面上に接するように形成されているため、前述した知見により、該混晶層はそれと接するオーミック電極とのコンタクト抵抗を小さくできるので、直列抵抗が小さく且つ低電圧動作が可能な窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【００４０】
本発明に係る第３の窒化物半導体発光素子は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する基板と、基板上に形成され、活性層を含むｐｎ接合構造体と、基板と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする。
【００４１】
第３の窒化物半導体発光素子によると、基板自体にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮよりなる４元混晶を用いているため、該基板と接するように形成されたオーミック電極のコンタクト抵抗を小さくできるので、直列抵抗が小さく且つ低電圧動作が可能な窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【００４２】
本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）よりなり、ｎ型の導電性を有する混晶層をエピタキシャル成長により形成する工程（ａ）と、混晶層の上に該混晶層と接するように、活性層、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含むｐｎ接合構造体をエピタキシャル成長により形成する工程（ｂ）と、混晶層と接するようにオーミック電極を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする。
【００４３】
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法によると、基板上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮよりなり、ｎ型の導電性を有する混晶層をエピタキシャル成長により形成するため、該混晶層と接するようにオーミック電極との間のコンタクト抵抗が、前述した知見により低減されるので、より直列抵抗が少なく且つ動作電圧が低い窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。
【００４４】
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、工程（ａ）は、混晶層を形成するよりも前に、基板上に第１のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなる下地層を形成する工程を含み、混晶層は下地層と格子整合するようにエピタキシャル成長することが好ましい。
【００４５】
このようにすると、下地層と格子整合した混晶層はクラックを発生させることなく厚膜化できるため、例えばｐ側のオーミック電極とｎ側のオーミック電極とを一の面側に形成する構成の場合には、ｎ側のオーミック電極の周辺領域における直列抵抗をより低減できるので、より動作電圧が低くすることが可能となる。
【００４６】
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、混晶層及びｐｎ接合構造体を基板から分離する工程（ｄ）と、ｐｎ接合構造体におけるｐ型半導体層の上に活性層から出射される発光光の発光波長における反射率が７０％よりも大きい金属電極を形成する工程（ｅ）と、金属電極と接するように、厚さが１０μｍ以上の金属膜を形成する工程（ｆ）とをさらに備えていることが好ましい。
【００４７】
このようにすると、ｐ型半導体層と接するように形成された反射率が７０％よりも大きい金属電極及びｎ型層を介して光を取り出す構造とすることにより光の取り出し効率が向上する。また、厚さが１０μｍ以上の金属膜を金属電極と接するように形成することにより放熱性が向上するため、高効率な発光が可能で且つ高出力動作が可能な発光ダイオード素子を実現することができる。
【００４８】
この場合に、工程（ａ）は、混晶層を形成するよりも前に、基板上に該基板と接するように第２のIII-Ｖ族窒化物半導体よりなる半導体層を形成する工程を含み、工程（ｄ）において、基板の分離は、基板における半導体層の反対側の面から半導体層に吸収される波長を持つ光を照射し、照射された光によって半導体層を分解して行なうことが好ましい。
【００４９】
このように、基板における半導体層の反対側の面から半導体層に光を照射して該半導体層を分解することにより、該半導体層中のストレスが緩和される。このストレスの緩和により、ｐｎ接合構造体の内部に生じるクラックの発生が抑制されるため、ｐｎ接合構造体（エピタキシャル成長層）を比較的に大きい面積の基板（ウェハ）であってもクラックを発生させることなく、再現性良く分離することができる。
【００５０】
この場合に、基板は、サファイア、ＭｇＯ又はＬｉＧａuＡｌ1-uＯ2 （但し、ｕは、０≦ｕ≦１である。）よりなり、半導体層は、ＧａＮ、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）又はＺｎＯよりなることが好ましい。
【００５１】
このようにすると、基板の主面上には、結晶性に優れたＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成できる。その上、例えば波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの第３次高調波光を照射して基板を分離する場合には、ＧａＮ、ＩｎxＧａ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１）又はＺｎＯは、波長が３５５ｎｍのレーザ光を吸収して容易に分解されるため、結晶性に優れた窒化物半導体層を基板から容易に分離することができる。
【００５２】
基板を分離する際に光を用いる場合に、光の光源はパルス状に発振するレーザ光又は水銀灯の輝線であることが好ましい。
【００５３】
このように、パルス状に発振するレーザ光を用いた場合には、光の出力パワーを著しく増大させることができるため、基板上に成長した窒化物半導体層の分離が容易になる。また、水銀灯の輝線を用いた場合には、光パワーではレーザ光に劣るものの、スポットサイズをレーザ光よりも大きくできるため、光の照射工程におけるスループットが向上する。
【００５４】
基板を分離する場合に、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、工程（ｂ）と工程（ｄ）との間に、ｐｎ接合構造体にIII-Ｖ族窒化物半導体とは異なる材料よりなる保持材を貼り合わせる工程（ｇ）をさらに備えていることが好ましい。
【００５５】
このようにすると、基板が除去されるｐｎ接合構造体の扱いが容易となる。
【００５６】
この場合に、工程（ｄ）よりも後に、保持材をｐｎ接合構造体から分離する工程（ｈ）を備えていてもよい。すなわち、保持材に導電性を有さない例えば高分子フィルムを用いた場合には、ｐｎ接合構造体から該保持材を分離して除去することが好ましい。
【発明の効果】
【００５７】
本発明に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法によると、ｎ型半導体層におけるオーミックコンタクト抵抗を低減でき、低電圧動作が可能となるため、例えば半導体レーザ素子に適用した場合には、消費電力を低減でき且つ長寿命化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
図１（ａ）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であって、発光ダイオード素子の断面構成を示し、図１（ｂ）は発光素子の活性層及びその下方部分における電子エネルギーのバンドダイヤグラムを示している。
【００６０】
図１（ａ）を用いて、第１の実施形態に係る発光ダイオード素子の構成を製造方法と共に説明する。
【００６１】
まず、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、サファイア（単結晶Ａｌ2Ｏ3）よりなる基板１０１の主面上に、厚さが２μｍのｎ型ＧａＮよりなる下地層１０２、厚さが１００ｎｍの４元混晶であるｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０３、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０４及び厚さが０．１μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ型クラッド層１０５を順次エピタキシャル成長により形成する。ここで、ｎ型コンタクト層１０３は、注入された電子及び発光光をＭＱＷ活性層１０４に閉じ込め易くするｎ型クラッド層としても機能する。また、ＭＱＷ活性層１０４は、井戸層が厚さが３ｎｍのＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎよりなり、障壁層が厚さが１０ｎｍのＧａＮよりなり、３層の井戸層を有している。
【００６２】
有機金属原料のうち、ガリウム（Ｇａ）源は例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）であり、アルミニウム（Ａｌ）源は例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）であり、インジウム（Ｉｎ）源は例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩ）である。また、窒素（Ｎ）源はアンモニア（ＮＨ3 ）である。また、ｎ型ドーパント源には、シリコン（Ｓｉ）を含む例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を用い、ｐ型ドーパント源には、マグネシウム（Ｍｇ）を含む例えばシクロペンタジエニルマグネシウム(Ｃｐ2Ｍｇ）を用いる。
【００６３】
次に、形成したｐ型クラッド層１０５、ＭＱＷ活性層１０４及びｎ型コンタクト層１０３に対して、例えば塩素（Ｃｌ2 ）ガスによるドライエッチングを選択的に行なって、ｎ型コンタクト層１０３の一部を露出する。
【００６４】
次に、スパッタ法又は真空蒸着法等により、露出したｎ型コンタクト層１０３の上面に、基板側からチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）及び金（Ａｕ）よりなり、オーミック特性を持つｎ側電極１０６を選択的に形成する。
【００６５】
次に、ｐ型クラッド層１０５の上面に、基板側から順次成膜され、厚さが１０ｎｍ程度のＮｉ及びＡｕの積層体よりなる透明電極１０７を形成する。その後、透明電極１０７上の一部の領域に、Ａｕよりなりボンディングパッドとなるｐ側電極１０８を形成する。なお、ｎ側電極１０６と、透明電極１０７及びｐ側電極１０８との形成順序は特に問われない。
【００６６】
この構成により、ＭＱＷ活性層１０４において電子と正孔とが再結合して生じた例えば波長が４７０ｎｍの青色発光光は、透明電極１０７を透過して外部に取り出される。
【００６７】
なお、ＭＱＷ活性層１０４は、ＩｎＧａＮよりなる井戸層におけるＩｎ組成を増減させるか又はＩｎＡｌＧａＮの４元混晶とすることにより、例えば３４０ｎｍから５５０ｎｍ程度の発光光を放射させることができる。
【００６８】
第１の実施形態においては、ｎ型コンタクト層１０３にＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶を用いるだけでなく、該ｎ型コンタクト層１０３をＧａＮよりなる下地層１０２と格子整合する組成としている。
【００６９】
ここでは、ｎ型コンタクト層１０３を構成するＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１である。）の格子定数は、直線内挿で与えられると仮定すると、以下の［式１］で表わされる。ここで、ａInN、ａAlN及びａGaNは、それぞれＩｎＮ、ＡｌＮ及びＧａＮの格子定数であり、すなわち、ａInN＝３．５４８Å、ａAlN＝３．１１２Å及びａGaN＝３．１８９Åである。
【００７０】
ａ＝ｘ・ａInN＋ｙ・ａAlN＋（１−ｘ−ｙ）・ａGaN  ………［式１］
従って、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの格子定数がＧａＮの格子定数である３．１８９Åに等しいとすると、Ｉｎ組成のｘとＡｌ組成のｙとの関係は、以下の［式２］で表わされる。
【００７１】
ｙ＝４．６６２ｘ  ………［式２］
図２は本願発明者らが、実際にＧａＮ層上に種々の組成比を持つＩｎＡｌＧａＮよりなる混晶層をエピタキシャル成長に形成し、形成した混晶層ごとに結晶の歪み量を測定した結果を表わしている。成長した混晶層の組成は、電子プローブ微量分析（Electron probe Micro-Aanalysis：ＰＭＡ）法により測定し、また、混晶層中の歪量は、Ｘ線回折パターン及び逆格子マッピングにより、格子定数のずれを評価することにより算出した。図２から分かるように、歪量が０に近くなる混晶層の組成は、［式２］で表わされる組成よりも、むしろ、以下の［式３］で表わされる関係を持つ組成に近いことが明らかとなった。
【００７２】
ｙ＝３．６ｘ  ………［式３］
なお、［式３］で決定されるｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層は、半導体発光素子に限られず、他の電子デバイス、例えば電界効果トランジスタにおけるｎ型コンタクト層としても、その結晶性に拘わらず低いコンタクト抵抗を実現できるため有用である。
【００７３】
図１（ａ）に示すｎ型コンタクト層１０３は、［式３］の条件に近い条件でほぼ格子整合する組成比としてＩｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎにより構成されている。ここで、ｎ型コンタクト層１０３の禁制帯幅は、カソードルミネッセンス法による評価結果等により、３．４６ｅＶであることを確認している。
【００７４】
ＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶の禁制帯幅Ｅg は、以下の［式４］で与えられるとされている。ここで、Ｅg＿InNはＩｎＮの禁制帯幅であり、Ｅg＿AlNはＡｌＮの禁制帯幅であり、Ｅg＿GaNはＧａＮの禁制帯幅である。また、ｃ及びｃ’はいわゆるボーイングパラメータである。
【００７５】
Ｅg ＝ｘ・Ｅg＿InN＋ｙ・Ｅg＿AlN＋（１−ｘ−ｙ）・Ｅg＿GaN
−ｃ・（１−ｘ−ｙ）−ｃ’・ｙ・（１−ｘ−ｙ）  ………［式４］
Ｉｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎの禁制帯幅が３．４６ｅＶであることから、ｃ＝ｃ'＝２．６ｅＶと求められ、Ｉｎ組成及びＡｌ組成を増大しても、４元混晶の禁制帯幅Ｅg はあまり大きくならないことが分かる。
【００７６】
さらに、ｎ型コンタクト層１０３には、Ｓｉがｎ型ドーパントである例えば１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度にドーピングされている。これらの構成により、ｎ型コンタクト層１０３に接して形成されたｎ側電極１０６と該ｎ型コンタクト層１０３とのコンタクト抵抗は１×１０-6Ωｃｍ2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。
【００７７】
これに対し、比較例として、ｎ型コンタクト層１０３と同程度にＳｉがドーピングされたｎ型ＧａＮ層にｎ側電極１０６を形成した場合には、コンタクト抵抗は５×１０-5Ωｃｍ2 程度に留まることから、第１の実施形態のようにＩｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０３の上にオーミック電極であるｎ側電極１０６を形成することによって、大幅にコンタクト抵抗を低減できることが分かる。
【００７８】
本実施形態に係るｎ型コンタクト層１０３は、その禁制帯幅が３．４６ｅＶと窒化ガリウム（ＧａＮ）の３．４ｅＶよりも大きい。それにも拘わらず、オーミックコンタクト抵抗が大幅に低減されていることを考慮すると、ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０３は、電子親和力が大きくなり、ｎ側電極１０６の仕事関数（＝電子親和力）とｎ型コンタクト層１０３の電子親和力との差により生じる電位障壁が小さくなったと考えられる。
【００７９】
図１（ｂ）は以上のことを考慮した電子エネルギーのバンドダイヤグラムである。ここでは、本実施形態に係る発光ダイオード素子のうちＭＱＷ活性層１０４及びその下方でのバンドダイヤグラムを模式的に示している。図１（ｂ）に示すように、ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０３における伝導帯Ｅｃの下端の電子エネルギーが下がり、その結果、オーミックコンタクト抵抗が低減したと考えられる。
【００８０】
以上説明したように、第１の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち発光ダイオード素子において、オーミック電極であるｎ側電極１０６と接するｎ型コンタクト層１０３の組成をＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶とすることにより、ＩｎＡｌＧａＮにおける電子親和力がＧａＮと比べて大きいことから、ＩｎＡｌＧａＮにおける伝導帯の下端の位置がＧａＮよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、発光ダイオード素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。
【００８１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８２】
図３（ａ）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であって、発光ダイオード素子の断面構成を示し、図３（ｂ）は発光素子の活性層及びその下方部分における電子エネルギーのバンドダイヤグラムを示している。
【００８３】
図３（ａ）を用いて、第２の実施形態に係る発光ダイオード素子の構成を製造方法と共に説明する。
【００８４】
まず、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、サファイアよりなる基板２０１の主面上に、厚さが２μｍのｎ型ＧａＮよりなる下地層２０２、厚さが１００ｎｍの４元混晶であるｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２０３、厚さが０．５μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｎ型クラッド層２０４、ＩｎＧａＮよりなるＭＱＷ活性層２０５及び厚さが０．１μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ型クラッド層２０６を順次エピタキシャル成長により形成する。ここで、ＭＱＷ活性層２０５は、井戸層が厚さが３ｎｍのＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎよりなり、障壁層が厚さが１０ｎｍのＧａＮよりなり、３層の井戸層を有している。
【００８５】
次に、形成したｐ型クラッド層２０６、ＭＱＷ活性層２０５、ｎ型クラッド層２０４及びｎ型コンタクト層２０３に対して、例えば塩素（Ｃｌ2 ）ガスによるドライエッチングを選択的に行なって、ｎ型コンタクト層２０３の一部を露出する。
【００８６】
次に、スパッタ法、真空蒸着法又は電子ビーム蒸着法等により、露出したｎ型コンタクト層２０３の上面に、基板側からＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕよりなり、オーミック特性を持つｎ側電極２０７を選択的に形成する。
【００８７】
次に、ｐ型クラッド層２０６の上面に、基板側から順次成膜され、厚さが１０ｎｍ程度のＮｉ及びＡｕの積層体よりなる透明電極２０８を形成する。その後、透明電極２０８上の一部の領域に、Ａｕよりなりボンディングパッドとなるｐ側電極２０９を形成する。なお、ｎ側電極２０７と、透明電極２０８及びｐ側電極２０９との形成順序は特に問われない。
【００８８】
この構成により、ＭＱＷ活性層２０５において電子と正孔とが再結合して生じた例えば波長が４７０ｎｍの青色発光光は、透明電極２０８を透過して外部に取り出される。
【００８９】
第２の実施形態に係るｎ型コンタクト層２０３は、第１の実施形態に係るｎ型コンタクト層１０３と同様に、その組成はＩｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎである。
【００９０】
第２の実施形態においては、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｎ型クラッド層２０４の禁制帯幅が３．５９ｅＶであることから、ｎ型Ｉｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎよりなるｎ型コンタクト層２０３は、ｎ型クラッド層２０４との間の０．１３ｅＶの禁制帯幅を互いの界面で３．５９ｅＶとなるように段階的又は連続的に調整して、ヘテロ障壁（ヘテロ接合による電位障壁）を緩和している。すなわち、ｎ型コンタクト層２０３にはｎ型クラッド層２０４との界面及びその近傍部分に組成傾斜領域を設けている。これにより、ｎ型クラッド層２０４とｎ型コンタクト層２０３との界面には電位障壁がなく、直列抵抗がより低減される。
【００９１】
なお、第２の実施形態においては、ｎ型コンタクト層２０３におけるｎ型クラッド層２０４との界面側に組成傾斜領域を設けたが、これとは逆に、ｎ型クラッド層２０４におけるｎ型コンタクト層２０３との界面側に組成傾斜領域を設けることにより、ｎ型クラッド層２０４とｎ型コンタクト層２０３との界面の電位障壁をなくすようにしてもよい。すなわち、ｎ型クラッド層２０４に組成傾斜領域を設ける場合は、ｎ型クラッド層２０４のｎ型コンタクト層２０３との界面においてその禁制帯幅が３．４６ｅＶとなるように、ｎ型クラッド層２０４の組成をＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎとするとよい。
【００９２】
さらに、ｎ型コンタクト層２０３には、ｎ型ドーパントであるＳｉが例えば１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度にドーピングされている。従って、ｎ型コンタクト層２０３に接して形成されたｎ側電極２０７と該ｎ型コンタクト層２０３とのコンタクト抵抗は１×１０-6Ωｃｍ2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。
【００９３】
図３（ｂ）は第２の実施形態に係る発光ダイオード素子におけるＩｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎよりなるｎ型コンタクト層２０３が持つ大きい電子親和力及び組成傾斜領域とを考慮した電子エネルギーのバンドダイヤグラムである。ここでは、本実施形態に係る発光ダイオード素子のうちＭＱＷ活性層２０５及びその下方でのバンドダイヤグラムを模式的に示している。図３（ｂ）に示すように、ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２０３におけるｎ型ＧａＮ層２０２側における伝導帯Ｅｃの下端の電子エネルギーが下がっている。
【００９４】
以上説明したように、第２の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち発光ダイオード素子において、オーミック電極であるｎ側電極２０７と接するｎ型コンタクト層２０３の組成をＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶とすることにより、ＩｎＡｌＧａＮにおける電子親和力がＧａＮと比べて大きいことから、ＩｎＡｌＧａＮにおける伝導帯の下端の位置がＧａＮよりも低下するため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができ、その結果、発光ダイオード素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。
【００９５】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００９６】
図４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であって、発光ダイオード素子の断面構成を示している。
【００９７】
図４に示すように、第３の実施形態に係る発光ダイオード素子は、下から順次積層された、厚さが０．１μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ型クラッド層３０５、ＩｎＧａＮよりなるＭＱＷ活性層３０６、厚さが０．５μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｎ型クラッド層３０７及び厚さが１００ｎｍの４元混晶であるｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３０８を有している。ここで、ＭＱＷ活性層３０６は、井戸層が厚さが３ｎｍのＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎよりなり、障壁層が厚さが１０ｎｍのＧａＮよりなり、３層の井戸層を有している。また、ここでは、ｐ型クラッド層３０５、ＭＱＷ活性層３０６、ｎ型クラッド層３０７及びｎ型コンタクト層３０８が、ＭＱＷ活性層３０６を含むｐｎ接合構造体３００である。なお、ｐｎ接合構造体３００は後述するように、ｎ型コンタクト層３０８側からエピタキシャル成長により形成される。
【００９８】
ｎ型コンタクト層３０８上の一部の領域には、該ｎ型コンタクト層３０８側から積層されたＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕよりなり、オーミック特性を持つｎ側電極３０９が選択的に形成されている。
【００９９】
ｐ型クラッド層３０５におけるＭＱＷ活性層３０６の反対側の面上には、開口部を有し側端面が露出した厚さが約４００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）よりなる絶縁膜３０４が形成されており、該開口部を埋めるように白金（Ｐｔ）よりなる高反射電極３０３が形成されている。
【０１００】
絶縁膜３０４及び高反射電極３０３におけるｐ型クラッド層３０５の反対側の面上には、Ｔｉ及びＡｕが積層されてなる下地金属膜３０２を下地層として、厚さが約５０μｍのＡｕよりなるめっき層３０１が形成されている。
【０１０１】
この構成により、ＭＱＷ活性層３０６において電子と正孔とが再結合して生じた例えば波長が４７０ｎｍの青色発光光は、高反射電極３０３で反射され、且つｎ型コンタクト層３０８におけるｎ側電極３０９が設けられていない領域を透過して外部に取り出される。
【０１０２】
ｎ型コンタクト層３０８は、第２の実施形態と同様に、Ｉｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎにより構成されると共に、ｎ型コンタクト層３０８とＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｎ型クラッド層３０７との０．１３ｅＶの禁制帯幅を段階的又は連続的に調整してヘテロ障壁を緩和するために、ｎ型コンタクト層３０８におけるｎ型クラッド層３０７との界面及びその近傍部分に組成傾斜領域を設けている。これにより、ｎ型クラッド層３０７とｎ型コンタクト層３０８との間には電位障壁がなく、直列抵抗がより低減された発光ダイオード素子を実現できる。
【０１０３】
なお、第３の実施形態においては、ｎ型コンタクト層３０８におけるｎ型クラッド層３０７との界面側に組成傾斜領域を設けたが、これとは逆に、ｎ型クラッド層３０７におけるｎ型コンタクト層３０８との界面側に組成傾斜領域を設けることにより、ｎ型クラッド層３０７とｎ型コンタクト層３０８との界面の電位障壁をなくすようにしてもよい。すなわち、ｎ型クラッド層３０７に組成傾斜領域を設ける場合は、ｎ型クラッド層３０７のｎ型コンタクト層３０８との界面においてその禁制帯幅が３．４６ｅＶとなるように、ｎ型クラッド層３０７の組成をＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎとするとよい。
【０１０４】
Ｐｔよりなる高反射電極３０３は、可視域及び紫外域で７３％程度の高い反射率を有している。従って、仕事関数が大きく且つｐ型クラッド層３０５に対して比較的に良好なオーミック特性を実現できる限りは、白金（Ｐｔ）に代えて他の金属、例えば反射率が約９７％の銀（Ａｇ）又は反射率が約８４％のロジウム（Ｒｈ）等の金属を用いることができる。
【０１０５】
以上説明したように、第２の実施形態によると、第１の実施形態と同様に、発光ダイオード素子において、オーミック電極であるｎ側電極３０９と接するｎ型コンタクト層３０８の組成をＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶とすることにより、ＩｎＡｌＧａＮにおける電子親和力がＧａＮと比べて大きいことから、ＩｎＡｌＧａＮにおける伝導帯の下端の位置がＧａＮよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、発光ダイオード素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。
【０１０６】
また、ｐ型クラッド層３０５におけるＭＱＷ活性層３０６の反対側の面上には、反射率が７０％以上の高反射電極３０３を設けているため、ＭＱＷ活性層３０６で生じた発光光が高反射電極３０３を反射した後に、ｎ型コンタクト層３０８側に透過して取り出される。このため、光の取り出し効率が大幅に改善される。
【０１０７】
さらに、高反射電極３０３におけるｐ型クラッド層３０５の反対側の面上には金属下地膜３０２を介在させたＡｕよりなるめっき層３０１を設けているため、ＭＱＷ活性層３０６から生じた熱がめっき層３０１を介して拡散される。その結果、放熱性が向上するので、高出力動作が可能となる。また、サファイア等の絶縁性基板を含まない構成であるため、静電耐圧が向上する。
【０１０８】
以下、前記のように構成された発光ダイオード素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【０１０９】
図５（ａ）〜図５（ｆ）は本発明の第３の実施形態に係る発光ダイオード素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０１１０】
まず、図５（ａ）に示すように、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、サファイアよりなる基板４０１の主面上に、ｎ型ＧａＮよりなる下地層４０２、４元混晶であるｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３０８、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｎ型クラッド層３０７、ＩｎＧａＮよりなるＭＱＷ活性層３０６及びｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ型クラッド層３０５を順次エピタキシャル成長により形成する。
【０１１１】
続いて、例えば化学的気相堆積（ＣＶＤ）法により、ｐ型クラッド層３０５の上に全面にわたって厚さが４００ｎｍのＳｉＯ2 よりなる絶縁膜３０４を堆積する。その後、リソグラフィ法により、絶縁膜３０４における高反射電極を形成する領域に複数の開口部を持つレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして絶縁膜３０４をエッチングすることにより、該絶縁膜３０４に複数の開口部を形成してｐ型クラッド層３０５を部分的に露出する。ここで、各開口部がそれぞれ１つの電極形成領域に相当する。続いて、例えば電子ビーム蒸着法により、レジストパターン及び各開口部から露出したｐ型クラッド層３０５の上にＰｔ膜を堆積する。その後、レジストパターン及びその上のＰｔ膜を除去するいわゆるリフトオフ法により、絶縁膜３０４の各開口部からそれぞれ露出するｐ型クラッド層３０５の上にＰｔよりなる高反射電極３０３を形成する。
【０１１２】
なお、ここで、ｐ型クラッド層３０５の高反射電極３０３とのコンタクト抵抗をさらに低減できるようように、例えばＭｇが１×１０21ｃｍ-3程度に添加されたｐ+ 型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層をｐ型クラッド層３０５の上に形成してもよい。
【０１１３】
次に、図５（ｂ）に示すように、電子ビーム蒸着法により、高反射電極３０３及び絶縁膜３０４の上に、Ｔｉ及びＡｕの積層膜であり厚さが２００ｎｍ程度の下地金属膜３０２を形成する。その後、めっき法により、厚さが５０μｍ程度のＡｕよりなるめっき層３０１を形成する。ここで、めっき層３０１の厚さは１０μｍ以上であればよい。
【０１１４】
次に、図５（ｃ）に示すように、めっき層３０１における下地金属膜３０２の反対側の面上に、厚さが約１００μｍの高分子フィルムよりなる保持材４０３を貼り合わせる。ここで、保持材４０３となる高分子フィルムは、例えばポリエステルよりなり、加熱により発泡し接着力が低下又は消失する接着層を介してめっき層３０１と接着する。続いて、基板４０１における下地層４０２の反対側の面から、波長が３５５ｎｍのＮｄ（ネオジム）：ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザの第３高調波光を基板面内でスキャンしながら照射する。照射されたレーザ光はその波長からサファイアよりなる基板４０１では吸収されず、ｎ型ＧａＮよりなる下地層４０２でのみ吸収される。このため、下地層４０２におけるレーザ光の照射部分にのみ局所的な発熱が生じ、生じた発熱により下地層４０２の基板４０１との界面付近が熱分解する。すなわち、ＧａＮが窒素（Ｎ2 ）ガスと金属ガリウム（Ｇａ）とに熱分解される。続いて、塩酸（ＨＣｌ）等の酸性溶液により、金属Ｇａを除去することにより、基板４０１はｐｎ接合構造体３００と容易に分離する。これにより、めっき層３０１上に発光ダイオードとなるｐｎ接合構造体３００が形成され、ｎ型コンタクト層３０８が上面に露出したデバイス構造を得る。
【０１１５】
なお、下地層４０２に照射する光源には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波光に代えて、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ又は波長が３６５ｎｍの水銀灯の輝線を用いることができる。
【０１１６】
また、基板４０１をｐｎ接合構造体３００から分離する方法として、光を照射する方法に代えて、基板４０１を研磨して除去する方法を用いてもよい。
【０１１７】
次に、図５（ｄ）に示すように、例えば電子ビーム蒸着法及びリフトオフ法により、基板４０１の分離によって露出したｎ型コンタクト層３０８の上に、オーミック電極であるｎ側電極３０９を形成する。
【０１１８】
次に、図５（ｅ）に示すように、複数のデバイスを含むエピタキシャル成長層であるｐｎ接合構造体３００を個々に３５０μｍ角のチップに分割する。具体的には、例えば塩素（Ｃｌ2 ）ガスを用いて、ｐｎ接合構造体３００に対して高反射電極３０３をそれぞれ内側に含むように絶縁膜３０４を分割可能な領域で選択的にエッチングする。続いて、下地金属膜３０２及びめっき層３０１は、例えば王水（濃塩酸と濃硝酸とを約３：１で混合した酸性水溶液）等によって選択的に除去する。これにより、複数の発光ダイオード素子（チップ）が保持材４０３上に貼り合わされた状態で配列する。この保持材４０３を例えば２００℃に加熱すると、前述した通り、高分子フィルムよりなる保持材４０３に塗布された接着層が加熱により発泡して接着力がほぼ消失するため、個々の発光ダイオード素子を保持材４０３から容易に剥がすことができる。これにより、図５（ｆ）に示す１つの発光ダイオード素子を得る。
【０１１９】
なお、基板４０１上に形成したｎ型ＧａＮよりなる下地層４０２は、ＧａＮに限られない。すなわち、照射したレーザ光を吸収する部分が下地層４０２中に存在する限りは、例えば、ＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮ等のいかなる組成のIII-Ｖ族窒化物化合物半導体でもよく、又はII−VI族酸化物である酸化亜鉛（ＺｎＯ）でもよい。
【０１２０】
また、上記のレーザ光を吸収しない基板４０１には、サファイア以外にも、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又はＬｉＧａuＡｌ1-uＯ2 （但し、ｕは、０≦ｕ≦１である。）を用いることができる。
【０１２１】
また、保持材４０３は高分子フィルムに限られない。例えばシリコン（Ｓｉ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）又は銅タングステン（ＣｕＷ）等のIII-Ｖ族窒化物半導体と異なるいわゆる異種基板を、光を照射する前又は後にめっき層３０１に貼り合わせてもよい。この場合の保持材４０３である異種基板は、導電性を持たせれば、図５（ｅ）に示す工程において、各発光ダイオードチップから必ずしも剥がす必要はない。
【０１２２】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１２３】
図６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であって、半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【０１２４】
図６に示すように、例えば、サファイアよりなる基板５０１の上には、厚さが２μｍのｎ型又はアンドープのＧａＮよりなる下部下地層５０２Ａが形成され、該下部下地層５０２Ａの上には、開口幅が約５μｍで且つ開口間隔が約１０μｍのストライプ状の開口パターンを有し、厚さが１００ｎｍのＳｉＯ2 よりなるマスク層５０３が形成されている。マスク層５０３の上には、該マスク層５０３に開口パターンから露出する下部下地層５０２Ａから選択成長（横方向成長）により成長した、厚さが２μｍのｎ型又はアンドープのＧａＮよりなる上部下地層５０２Ｂが形成されている。この選択的横方向成長により、上部下地層５０２Ｂにおけるマスク層５０３の上側部分では、下部下地層５０２Ａの１０19ｃｍ-2台の転位密度が１０6 ｃｍ-2台にまで低減される。
【０１２５】
上部下地層５０２Ｂの上には、厚さが１００ｎｍの４元混晶であって上部に組成傾斜領域を有するｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層５０４、厚さが１．２μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｎ型クラッド層５０５、ＩｎＧａＮよりなるＭＱＷ活性層５０６、厚さが０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｐ型クラッド層５０７及び厚さが２００ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層５０８が順次エピタキシャル成長により形成されている。ここで、導電型がｎ型の各窒化物半導体層にはＳｉがドーパントとして導入され、導電型がｐ型の各窒化物半導体層にはＭｇがドーパントとして導入されている。また、ＭＱＷ活性層５０６は、井戸層が厚さが３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなり、障壁層が厚さが７ｎｍのＧａＮよりなり、３層の井戸層を有している。さらに、ＭＱＷ活性層５０６からは、発振波長が４０５ｎｍの青紫色発光光が生じるように、結晶成長条件が最適化されている。
【０１２６】
エピタキシャル成長層はｎ型コンタクト層５０４の一部を露出するように選択的に除去されており、露出されたｎ型コンタクト層５０４の上には、基板５０１側から順次積層されたＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕよりなり、オーミック特性を持つｎ側電極５０９が形成されている。
【０１２７】
ｐ型コンタクト層５０８及びｐ型クラッド層５０７の上部は、例えば幅が２μｍ程度のストライプ状（リッジ状）に形成されている。ここで、ストライプ状部分は、マスク層５０３における開口パターンの上方であって、転位密度が小さい領域に形成される。
【０１２８】
ストライプ状に形成されたｐ型コンタクト層５０８の上には、基板５０１側から順次積層されたＮｉ、Ｐｔ及びＡｕよりなり、オーミック特性を持つｐ側電極５１１が形成されている。
【０１２９】
エピタキシャル成長層の露出面上には、ｎ側電極５０９及びｐ側電極５１１を除いて、厚さが２００ｎｍのＳｉＯ2 よりなる保護絶縁膜５１０が形成されている。また、ｎ側電極５０９の上及びｐ側電極５１１の上には、基板５０１側から順次積層されたＴｉ及びＡｕよりなるパッド電極５１２がそれぞれ形成されている。ここで、ｐ側電極５１１上のパッド電極５１２は、ストライプ状部分を覆うように形成される。
【０１３０】
ストライプ状部分は、保護絶縁膜５１０とｐ型クラッド層５０７との屈折率差によってＭＱＷ活性層５０６からの発光光が閉じ込められ、青紫色レーザ光の導波路として機能する。ストライプ状に形成された導波路は、該導波路の長手方向（レーザ光の共振方向）に対して垂直な方向に、例えば共振器長が７００μｍとなるように且つ劈開面が互いに対向するように形成されている。両劈開面のうちの一方の端面に高反射率を得られるように誘電体膜がコーティングされて、青紫色半導体レーザ構造が形成される。
【０１３１】
以上の構成により、高出力動作時の空間的ホールバーニングによる電流−光出力特性におけるキンク現象の発生を抑制でき、安定した単一横モードを有する高出力レーザ素子を実現できる。
【０１３２】
第４の実施形態の特徴として、第１〜第３の各実施形態と同様に、ｎ型コンタクト層５０４におけるオーミック電極であるｎ側電極５０９との接触部分の組成はＩｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎである。さらに、ｎ型コンタクト層５０４とＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｎ型クラッド層５０５との０．０７ｅＶの禁制帯幅を段階的又は連続的に調整してヘテロ障壁を緩和するために、ｎ型コンタクト層５０４におけるｎ型クラッド層５０５との界面及びその近傍部分に組成傾斜領域を設けている。これにより、ｎ型クラッド層５０５とｎ型コンタクト層５０４との間には電位障壁がなく、直列抵抗がより低減された半導体レーザ素子を実現できる。
【０１３３】
なお、第４の実施形態においては、ｎ型コンタクト層５０４におけるｎ型クラッド層５０５との界面側に組成傾斜領域を設けたが、これとは逆に、ｎ型クラッド層５０５におけるｎ型コンタクト層５０４との界面側に組成傾斜領域を設けることにより、ｎ型クラッド層５０５とｎ型コンタクト層５０４との界面の電位障壁をなくすようにしてもよい。すなわち、ｎ型クラッド層５０５に組成傾斜領域を設ける場合は、ｎ型クラッド層５０５のｎ型コンタクト層５０４との界面においてその禁制帯幅が３．４６ｅＶとなるように、ｎ型クラッド層５０５の組成をＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎとするとよい。
【０１３４】
さらに、ｎ型コンタクト層５０４には、ｎ型ドーパントであるＳｉが例えば１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度にドーピングされている。従って、ｎ型コンタクト層５０４に接して形成されたｎ側電極５０９と該ｎ型コンタクト層５０４とのコンタクト抵抗は１×１０-6Ωｃｍ2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。
【０１３５】
以上説明したように、第４の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち半導体レーザ素子において、オーミック電極であるｎ側電極５０９と接するｎ型コンタクト層５０４の組成をＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶とすることにより、ＩｎＡｌＧａＮにおける電子親和力がＧａＮと比べて大きいことから、ＩｎＡｌＧａＮにおける伝導帯の下端の位置がＧａＮよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、半導体レーザ素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。従って、消費電力を低減でき且つ長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現することができる。
【０１３６】
なお、第４の実施形態においては、サファイアよりなる基板５０１上に、選択的横方向成長法により形成した転位密度が低い領域上に、ストライプ状の導波路を形成するレーザ素子について説明したが、ｎ型コンタクト層５０４を含めその上方に成長するエピタキシャル成長層における転位密度のオーダが例えば１０6 ｃｍ-2台を実現できる限りは、下部下地層５０２Ａ、マスク層５０３及び上部下地層５０２Ｂを設けずに、基板５０１として窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いることができる。また、基板５０１にサファイアを用いる場合であっても、例えば１μｍ程度と比較的に厚い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）よりなる単層の下地層を設けることにより、エピタキシャル成長層に生じる転位密度を低減してもよい。
【０１３７】
また、第４の実施形態に係る青紫色半導体レーザ素子は、ＭＱＷ活性層５０６とｎ型クラッド層５０５との間及びＭＱＷ活性層５０６とｐ型クラッド層５０７との間に、例えばｎ型ＧａＮ及びｐ型ＧａＮよりなり、発光光の閉じ込め効率を向上する光ガイド層をそれぞれ形成してもよい。
【０１３８】
さらに、ＭＱＷ活性層５０６の上に、例えばｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる、いわゆる電子障壁層を設け、ＭＱＷ活性層５０６からの電子のｐ型半導体層側へのオーバーフローを抑制する構成としてもよい。
【０１３９】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１４０】
図７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であって、半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【０１４１】
図７を用いて、第５の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を製造方法と共に説明する。
【０１４２】
まず、図７に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型基板６０１の主面上に、厚さが１．２μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｎ型クラッド層６０２、ＩｎＧａＮよりなるＭＱＷ活性層６０３、厚さが０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｐ型クラッド層６０４及び厚さが２００ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層６０５を順次エピタキシャル成長により形成する。ここで、ＭＱＷ活性層６０３は、井戸層が厚さが３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなり、障壁層が厚さが７ｎｍのＧａＮよりなり、３層の井戸層を有している。さらに、ＭＱＷ活性層６０３からは、発振波長が４０５ｎｍの青紫色発光光が生じるように、結晶成長条件が最適化されている。
【０１４３】
次に、ｎ型基板６０１におけるｎ型クラッド層６０２の反対側の面を研磨して、ｎ型基板６０１を１５０μｍかそれ以下に薄膜化する（裏面研磨）。その後、研磨したｎ型基板６０１の裏面、すなわちｎ型クラッド層６０２の反対側の面上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さが１００ｎｍの４元混晶であるｎ型Ｉｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎよりなるｎ型コンタクト層６０６を形成する。
【０１４４】
次に、第４の実施形態と同様に、ｐ型コンタクト層６０５及びｐ型クラッド層６０４の上部に、例えば幅が２μｍ程度のストライプ状（リッジ状）部分をエッチングにより選択的に形成する。続いて、ＣＶＤ法により、ｐ型クラッド層６０４上におけるストライプ状部分の両側方に厚さが２００ｎｍのＳｉＯ2 よりなる保護絶縁膜６０７を選択的に形成する。
【０１４５】
次に、電子ビーム蒸着法等により、ｐ型コンタクト層６０５の上に基板側からＮｉ、Ｐｔ及びＡｕよりなるオーミック特性を持つｐ側電極６０８を形成し、続いて、ｐ側電極６０８の上に、Ｔｉ及びＡｕよりなるパッド電極６１０を形成する。
【０１４６】
次に、ｎ型コンタクト層６０６におけるｎ型基板６０１の反対側の面上に、基板側からＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕよりなり、オーミック特性を持つｎ側電極６０９を形成する。なお、ｐ側電極６０８とｎ側電極６０９との形成順序は特に問われない。
【０１４７】
第５の実施形態においても、ｎ型コンタクト層６０６に接して形成されたｎ側電極６０９と該ｎ型コンタクト層６０６とのコンタクト抵抗は１×１０-6Ωｃｍ2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。
【０１４８】
次に、ストライプ状の導波路の長手方向に対して垂直な方向に互いに対向する劈開面を形成することにより導波路を共振器とする。その後、劈開面のうちの反射端面を誘電体によりコーティングして該反射端面の反射率を大きくして半導体レーザ構造を得る。
【０１４９】
以上の構成により、導波路には、保護絶縁膜６０７とｐ型クラッド層６０４との屈折率差によってＭＱＷ活性層６０３からの発光光が閉じ込められる結果、電流−光出力特性におけるキンク現象の発生を抑制でき、安定した単一横モードを有する高出力レーザ素子を実現できる。
【０１５０】
第５の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち半導体レーザ素子において、第４の実施形態と同様に、オーミック電極であるｎ側電極６０９と接するｎ型コンタクト層６０６の組成をＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶とすることにより、ＩｎＡｌＧａＮにおける電子親和力がＧａＮと比べて大きいことから、ＩｎＡｌＧａＮにおける伝導帯の下端の位置がＧａＮよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、半導体レーザ素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。従って、消費電力を低減でき且つ長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現することができる。
【０１５１】
さらに、第５の実施形態においては、ｎ型基板６０１にｎ型ＧａＮを用いているため、例えば絶縁性のサファイアを用いる場合と異なり、ｎ側電極６０９を形成する際にエピタキシャル成長層の一部をエッチングする必要がなくなる。また、ＧａＮはサファイアと異なり、エピタキシャル成長層と同一の窒化物半導体であるため、へき開が容易に行なえるので、共振器の端面の平坦性及び反射率が向上する。その結果、より低いしきい値電流で動作する半導体レーザ素子を実現することができる。例えば、ｎ型基板６０１にＧａＮを用いた場合には、エピタキシャル成長層における転位密度のオーダが１０6 ｃｍ-2台かそれ以下にまで小さくできるため、より長寿命化が可能となる。
【０１５２】
また、第５の実施形態に係る青紫色半導体レーザ素子は、ＭＱＷ活性層６０３とｎ型クラッド層６０２との間及びＭＱＷ活性層６０３とｐ型クラッド層６０４との間に、例えばｎ型ＧａＮ及びｐ型ＧａＮよりなり、発光光の閉じ込め効率を向上する光ガイド層をそれぞれ形成してもよい。
【０１５３】
さらに、ＭＱＷ活性層６０３の上に、例えばｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる、いわゆる電子障壁層を設け、ＭＱＷ活性層６０３からの電子のｐ型半導体層側へのオーバーフローを抑制する構成としてもよい。
【０１５４】
（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１５５】
図８は本発明の第６の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であって、半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【０１５６】
第６の実施形態の第５の実施形態との相違点は、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型基板６０１自体に４元混晶であるｎ型ＩｎＡｌＧａＮを用いると共に、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなる基板とｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層との間に、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなる組成傾斜層が設けられている点である。
【０１５７】
図８を用いて、第６の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を製造方法と共に説明する。
【０１５８】
まず、図８に示すｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなるｎ型基板７０１を作製する。
【０１５９】
例えば、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy:ＨＶＰＥ）法により、サファイア基板（図示せず）の上に、厚さが約２００ｎｍのＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）と、第１〜第５の実施形態と同様に、窒化ガリウム（ＧａＮ）と格子整合する厚さが３００μｍ程度のｎ型Ｉｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎ層とを形成する。具体的には、Ｉｎ、Ａｌ及びＧａをそれぞれボート内に投入し、続いて、各ボート上に塩化水素（ＨＣｌ）ガスを供給することにより、塩化インジウム（ＩｎＣｌ）、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）及び塩化ガリウム（ＧａＣｌ）の各III 族ソースガスを製造する。製造された各III 族ソースガスと窒素源を含むアンモニア（ＮＨ3 ）ガスとを用いて、例えば基板温度を１０００℃程度としてエピタキシャル成長を行なう。III 族ソースガスの流量を増大させることにより、例えば成長速度が５０μｍ／ｈ以上となる高速な成長が可能である。ここで、バッファ層の成長時には、III 族ソースガスのうちＧａＣｌのみを用いる。また、ｎ型のドーパントであるシリコン（Ｓｉ）のドーピングにはシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを用いる。
【０１６０】
続いて、サファイア基板におけるｎ型基板７０１の反対側の面から、波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波光を照射する。このレーザ光の照射により、バッファ層におけるサファイア基板との界面及びその近傍領域において、バッファ層を構成するＧａＮが熱分解されるため、ｎ型Ｉｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎ層をサファイア基板から分離してｎ型Ｉｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎよりなるｎ型基板７０１を得ることができる。
【０１６１】
次に、ｎ型基板７０１上のバッファ層の分解物を除去した後、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｎ型基板７０１の上に、厚さが１００ｎｍのｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなる組成傾斜層７０２、厚さが１．２μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｎ型クラッド層７０３、ＩｎＧａＮよりなるＭＱＷ活性層７０４、厚さが０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｐ型クラッド層７０５及び厚さが２００ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層７０６をエピタキシャル成長により順次形成する。ここで、ＭＱＷ活性層７０４は、井戸層が厚さが３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなり、障壁層が厚さが７ｎｍのＧａＮよりなり、３層の井戸層を有している。さらに、ＭＱＷ活性層７０４からは、発振波長が４０５ｎｍの青紫色発光光が生じるように、結晶成長条件が最適化されている。
【０１６２】
次に、第４又は第５の実施形態と同様に、ｐ型コンタクト層７０６及びｐ型クラッド層７０５の上部に、例えば幅が２μｍ程度のストライプ状（リッジ状）部分をエッチングにより選択的に形成する。続いて、ＣＶＤ法により、ｐ型クラッド層７０５上におけるストライプ状部分の両側方に厚さが２００ｎｍのＳｉＯ2 よりなる保護絶縁膜７０７を選択的に形成する。
【０１６３】
次に、電子ビーム蒸着法等により、ｐ型コンタクト層７０６の上にｎ型基板７０１側からＮｉ、Ｐｔ及びＡｕよりなるオーミック特性を持つｐ側電極７０８を形成し、続いて、ｐ側電極７０８の上に、Ｔｉ及びＡｕよりなるパッド電極７１０を形成する。
【０１６４】
次に、型ｎ基板７０１における組成傾斜層７０２の反対側の面に対して厚さが１５０μｍ程度になるまで薄膜化（裏面研磨）する。その後、薄膜化されたｎ型基板７０１の裏面上に、基板側からＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕよりなり、オーミック特性を持つｎ側電極７０９を形成する。これにより、ｎ側電極７０９はｎ型基板７０１とのコンタクト抵抗として１×１０-6Ωｃｍ2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。
【０１６５】
次に、ストライプ状の導波路の長手方向に対して垂直な方向に互いに対向する劈開面を形成することにより導波路を共振器とする。その後、劈開面のうちの一方の端面を誘電体によりコーティングし、該端面の反射率を大きくして半導体レーザ構造を得る。
【０１６６】
以上の構成により、導波路には、保護絶縁膜７０７とｐ型クラッド層７０５との屈折率差によってＭＱＷ活性層７０４からの発光光が閉じ込められる結果、電流−光出力特性におけるキンク現象の発生を抑制でき、安定した単一横モードを有する高出力レーザ素子を実現できる。
【０１６７】
また、ｎ型クラッド層７０３を構成するＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎの禁制帯幅が３．５３ｅＶであることから、ｎ型基板７０１を構成するｎ型Ｉｎ0.09Ａｌ0.33Ｇａ0.58Ｎとの間の０．０７ｅＶの禁制帯幅を段階的又は連続的に調整してヘテロ障壁を緩和するために、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮよりなる組成傾斜層７０２を設けている。これにより、ｎ型クラッド層７０３とｎ型基板７０１との間には電位障壁がなく、直列抵抗がより低減される。
【０１６８】
なお、第６の実施形態においては、ｎ型基板７０１とｎ型クラッド層７０３と間に組成傾斜層７０２を設けたが、該組成傾斜層７０２に代えて、ｎ型クラッド層７０３におけるｎ型基板７０１との界面側に組成傾斜領域を設けることにより、ｎ型クラッド層７０３とｎ型基板７０１との界面の電位障壁をなくすようにしてもよい。すなわち、ｎ型クラッド層７０３に組成傾斜領域を設ける場合は、ｎ型クラッド層７０３のｎ型基板７０１との界面においてその禁制帯幅が３．４６ｅＶとなるように、ｎ型クラッド層７０３の組成をＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎとするとよい。
【０１６９】
以上説明したように、第６の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち半導体レーザ素子において、オーミック電極であるｎ側電極７０９と接するｎ型基板７０１の組成をＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶とすることにより、ＩｎＡｌＧａＮにおける電子親和力がＧａＮと比べて大きいことから、ＩｎＡｌＧａＮにおける伝導帯の下端の位置がＧａＮよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、半導体レーザ素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。従って、消費電力を低減でき且つ長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現することができる。
【０１７０】
さらに、第６の実施形態においては、ｎ型基板７０１にｎ型ＩｎＡｌＧａＮを用いているため、例えば絶縁性のサファイアを用いる場合と異なり、ｎ側電極７０９を形成する際にエピタキシャル成長層の一部をエッチングする必要がなくなる。また、ＩｎＡｌＧａＮはサファイアと異なり、エピタキシャル成長層と同一の窒化物半導体であるため、へき開が容易に行なえるので、共振器の端面の平坦性及び反射率が向上する。その結果、より低いしきい値電流で動作する半導体レーザ素子を実現することができる。
【０１７１】
なお、第６の実施形態に係る青紫色半導体レーザ素子は、ＭＱＷ活性層７０４とｎ型クラッド層７０３との間及びＭＱＷ活性層７０４とｐ型クラッド層７０５との間に、例えばｎ型ＧａＮ及びｐ型ＧａＮよりなり、発光光の閉じ込め効率を向上する光ガイド層をそれぞれ形成してもよい。
【０１７２】
さらに、ＭＱＷ活性層７０４の上に、例えばｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる、いわゆる電子障壁層を設け、ＭＱＷ活性層７０４からの電子のｐ型半導体層側へのオーバーフローを抑制する構成としてもよい。
【０１７３】
なお、第１〜第６の各実施形態において、エピタキシャル成長用の基板として用いたサファイア、ＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮの主面の面方位は、発光素子が形成できる限りはいかなる面方位でも良い。例えば、代表的な面方位である（０００１）面や、該（０００１）面からオフアングルを設けた面方位であってもよい。さらに、基板は半導体レーザ素子に適用する場合は、ストライプ状の導波路の長手方向に対して垂直な方向に劈開できる限りいかなる面方位であってもよい。
【０１７４】
また、基板材料として、サファイア又はＧａＮ等のIII-Ｖ族窒化物以外に、ＭｇＯ、ＬｉＧａＯ2 又はＬｉＧａuＡｌ1-uＯ2 （但し、ｕは、０≦ｕ≦１である。）を用いることができる。これらの基板材料は、いずれも結晶性に優れたＧａＮ等の窒化物半導体を形成することができる。その上、例えば波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの第３次高調波光を照射して、基板をエピタキシャル成長層から分離する場合には、ＧａＮ、ＩｎxＧａ1-xＮ(但し、ｘは、０＜ｘ≦１）又はＺｎＯは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３次高調波光を吸収して容易に分解されるため、結晶性に優れた窒化物半導体よりなるエピタキシャル成長層を容易に基板から分離することができる。
【０１７５】
また、窒化物半導体のエピタキシャル成長法は、ＭＯＣＶＤ法に限られず、例えば、分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法又はＨＶＰＥ法を、各エピタキシャル成長層の厚さ又は組成によって適宜用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１７６】
本発明に係る窒化物半導体発光素子又はその製造方法は、低電圧動作が可能となり、可視域及び紫外域の発光ダイオード素子又は高密度光ディスク用の半導体レーザ素子等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード素子を示す構成断面図である。（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード素子の要部のバンドダイヤグラム図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＩｎＡｌＧａＮよりなる４元混晶層（コンタクト層）におけるＩｎの組成ｘに対するＡｌの組成ｙの比の値と結晶歪量との関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード素子を示す構成断面図である。（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオード素子の要部のバンドダイヤグラム図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る発光ダイオード素子を示す構成断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は本発明の第３の実施形態に係る発光ダイオード素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図９】従来の発光ダイオード素子を示す構成断面図である。
【符号の説明】
【０１７８】
１０１  基板
１０２  下地層
１０３  ｎ型コンタクト層
１０４  多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
１０５  ｐ型クラッド層
１０６  ｎ側電極（オーミック電極）
１０７  透明電極
１０８  ｐ側電極
２０１  基板
２０２  下地層
２０３  ｎ型コンタクト層
２０４  ｎ型クラッド層
２０５  多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２０６  ｐ型クラッド層
２０７  ｎ側電極（オーミック電極）
２０８  透明電極
２０９  ｐ側電極
３００  ｐｎ接合構造体
３０１  めっき層
３０２  下地金属膜
３０３  高反射電極
３０４  絶縁膜
３０５  ｐ型クラッド層
３０６  多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
３０７  ｎ型クラッド層
３０８  ｎ型コンタクト層
３０９  ｎ側電極（オーミック電極）
４０１  基板
４０２  下地層
４０３  保持材
５０１  基板
５０２Ａ  下部下地層
５０２Ｂ  上部下地層
５０３  マスク層
５０４  ｎ型コンタクト層
５０５  ｎ型クラッド層
５０６  多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
５０７  ｐ型クラッド層
５０８  ｐ型コンタクト層
５０９  ｎ側電極（オーミック電極）
５１０  保護絶縁膜
５１１  ｐ側電極（オーミック電極）
５１２  パッド電極
６０１  ｎ型基板
６０２  ｎ型クラッド層
６０３  多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
６０４  ｐ型クラッド層
６０５  ｐ型コンタクト層
６０６  ｎ型コンタクト層
６０７  保護絶縁膜
６０８  ｐ側電極（オーミック電極）
６０９  ｎ側電極（オーミック電極）
６１０  パッド電極
７０１  ｎ型基板
７０２  傾斜組成層
７０３  ｎ型クラッド層
７０４  多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
７０５  ｐ型クラッド層
７０６  ｐ型コンタクト層
７０７  保護絶縁膜
７０８  ｐ側電極（オーミック電極）
７０９  ｎ側電極（オーミック電極）
７１０  パッド電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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