(57)【要約】【課題】ＥＬ発光パターンおよび表面モフォロジー（平坦性）を改善することにより、発光効率および歩留まりを向上させることが可能な窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】この窒化物半導体レーザ素子１００（窒化物半導体素子）は、成長主面１０ａを有するＧａＮ基板１０と、このＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に形成された窒化物半導体各層１１〜１８とを備えている。成長主面１０ａは、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなり、窒化物半導体各層１１〜１８は、Ｉｎを含む活性層１４と、ＧａＮ基板１０と活性層１４との間に形成されたＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層１１、下部ガイド層１３）とを有している。そして、上記ＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍ以下となるように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長主面を有する窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の成長主面上に形成された窒化物半導体層とを備え、
前記成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなり、
前記窒化物半導体層は、Ｉｎを含む活性層と、前記窒化物半導体基板と前記活性層との間に形成されたＧａＮ層とを有し、
前記ＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍ以下であることを特徴とする、窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ａ軸方向のオフ角度の絶対値が、０．１度より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記活性層は、１層の井戸層を含む量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記活性層は、２層の井戸層を含む量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記活性層は、量子井戸構造に構成されているとともに、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有しており、
前記井戸層のＩｎ組成比が、０．１５以上０．４５以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有することを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記障壁層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記窒化物半導体基板の成長主面は、ａ軸方向に加えて、ｃ軸方向にもオフ角度を有しており、
前記ａ軸方向のオフ角度が、前記ｃ軸方向のオフ角度より大きいことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記窒化物半導体基板は、ＧａＮからなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
成長主面を有する窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の成長主面上に形成された窒化物半導体層とを備え、
前記成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなり、
前記窒化物半導体層は、活性層を含み、
前記活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有することを特徴とする、窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記窒化物半導体層は、前記成長主面と接するように形成された、Ａｌを含む半導体層をさらに含むことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記Ａｌを含む半導体層は、ＡｌＧａＮ層であることを特徴とする、請求項１２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面からなる成長主面を含む窒化物半導体基板を準備する工程と、
前記窒化物半導体基板の成長主面上に、エピタキシャル成長法を用いて、Ｉｎを含む活性層を有する窒化物半導体層を形成する工程とを備え、
前記窒化物半導体層を形成する工程は、前記窒化物半導体基板と前記活性層との間にＧａＮ層を形成する工程を含み、
前記ＧａＮ層を形成する工程は、トータル層厚が０．７μｍ以下となるように、前記ＧａＮ層を形成する工程を有することを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子を備えることを特徴とする、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、半導体装置に関し、特に、窒化物半導体基板を備えた窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、この窒化物半導体素子を搭載した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に及ぶ波長領域における発光が可能な半導体レーザ素子や、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、プロジェクターやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。
【０００３】
また、近年、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、その発光波長を長波長化することにより、緑色領域で発光する半導体発光素子（緑色半導体レーザ）を実現しようとする試みが各研究機関で精力的に行われている。
【０００４】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、一般的に、基板として、六方晶系のＧａＮ基板（窒化物半導体基板）が用いられており、そのｃ面（（０００１）面）が成長主面とされている。そして、このｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層が積層されることによって窒化物半導体発光素子が形成されている。また、窒化物半導体基板を用いて窒化物半導体発光素子を形成する場合には、一般的に、Ｉｎを含む活性層が用いられ、そのＩｎ組成比を増加させることにより、発光波長の長波長化が図られる。
【０００５】
しかしながら、ＧａＮ基板のｃ面は、ｃ軸方向に極性を有する極性面であるため、ｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層を積層した場合、活性層内に自発分極が生じるという不都合がある。また、ｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層を積層した場合、Ｉｎ組成比の増加に伴い、活性層の格子歪みが増大し、活性層に、ピエゾ分極による強い内部電場が誘起されるという不都合もある。そして、この内部電場により、電子と正孔との波動関数の重なりが減少し、再結合して発光する割合が低下する。このため、緑色領域の発光を実現するために、Ｉｎ組成比を増加させた場合には、発光波長の長波長化に伴い、発光効率が著しく低下するという問題が生じていた。
【０００６】
そこで、近年では、自発分極およびピエゾ分極の影響を回避するために、一般的なｃ面ではなく、無極性面であるｍ面（｛１−１００｝面）上に窒化物半導体層を積層した窒化物半導体発光素子が提案されている。このような窒化物半導体発光素子は、たとえば、特許文献１に開示されている。
【０００７】
上記特許文献１に開示された窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）は、無極性面であるｍ面を成長主面とするＧａＮ基板を備えており、その成長主面（ｍ面）上に活性層を含む窒化物半導体各層が積層されている。このｍ面は、ｃ面と直交する結晶面であるため、ｍ面上に、活性層を含む窒化物半導体各層を積層することによって、分極軸となるｃ軸が活性層の面内に含まれる。このため、自発分極やピエゾ分極の影響が回避され、発光効率の低下が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−９１４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いることによって、自発分極やピエゾ分極に起因する発光効率の低下が抑制された窒化物半導体発光素子が得られる。
【００１０】
しかしながら、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子について、その発光効率（電流注入による発光：ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ））を測定したところ、活性層のＩｎ組成比の増加に伴い、発光効率が急激に低下してしまう現象が確認された。そこで、本願発明者らが、その原因を解明すべく、鋭意研究を重ねた結果、発光効率の低下の原因が、ＥＬ発光パターン（電流注入によって発光させたときの面内光分布）の輝点状化にあることを突き止めた。すなわち、活性層のＩｎ組成比の増加に伴い、窒化物半導体発光素子のＥＬ発光パターンが、輝点状発光することを見出した。
【００１１】
具体的には、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を作製し、電流注入を行うことによって窒化物半導体発光素子を発光させたところ、図３３に示すような、輝点状のＥＬ発光パターンが観察された。このような現象は、従来、どのような場合に起こるのか全く知られていない。そこで、原因を詳細に調べたところ、活性層のＩｎ組成比が高くなるにしたがい、ＥＬ発光パターンが輝点状に変化していくことが分かった。また、この輝点状のＥＬ発光パターンは、活性層のＩｎ組成比が増加すればするほど顕著になり、特に、緑色領域の近傍（活性層（井戸層）のＩｎ組成比が０．１５以上）から輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる傾向が認められた。また、面内で電流注入密度の違いなどによるものと考えられる波長ムラも観察された。そして、さらにＩｎ組成比を増加させると、発光する輝点の数（発光面積）が減少していく。このように、輝点状のＥＬ発光パターンとＩｎ組成比との間に強い相関性が認められ、ＥＬ発光パターンが輝点状化する現象が、活性層のＩｎ組成比を増加させたときに発光効率が低下する原因であることを見出した。
【００１２】
また、上記した輝点状のＥＬ発光パターンは、無極性面、特にｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子で顕著に現れる現象である。
【００１３】
このように、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子では、ｃ面を用いた窒化物半導体発光素子とは異なり、自発分極やピエゾ分極に起因する発光効率の低下は抑制されるものの、ＥＬ発光パターンの輝点状化に起因して、発光効率が低下するという問題があることを見出した。このようなＥＬ発光パターンの輝点状化は、ｍ面を用いた窒化物半導体発光素子において、発光波長の長波長化を図る際の妨げとなるため、非常に問題となる。特に、半導体レーザ素子においては、発光効率の低下はゲインの低下を引き起こすため、問題が大きい。
【００１４】
さらに、窒化物半導体基板のｍ面上に窒化物半導体層を成長させる場合、ｃ面上に窒化物半導体層を成長させる場合に比べて、窒化物半導体層の成長が不安定になり易い。このため、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子（窒化物半導体素子）では、窒化物半導体層の表面モフォロジーが悪化し易いという問題点もある。
【００１５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、ＥＬ発光パターンを改善することにより、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を提供することである。
【００１６】
この発明のもう１つの目的は、良好な表面モフォロジーを有する窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を提供することである。
【００１７】
この発明のさらにもう１つの目的は、素子特性、信頼性および歩留まりを向上させることが可能な窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願発明者らが、上記の問題に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、ｍ面に対してオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することが可能であることを見出した。
【００１９】
すなわち、この発明の第１の局面による窒化物半導体素子は、成長主面を有する窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の成長主面上に形成された窒化物半導体層とを備えている。上記成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなり、上記窒化物半導体層は、Ｉｎを含む活性層と、窒化物半導体基板と活性層との間に形成されたＧａＮ層とを有している。そして、ＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍ以下となるように構成されている。なお、本発明の「トータル層厚」とは、ＧａＮ層が１層の場合は、そのＧａＮ層の層厚を意味し、ＧａＮ層が複数層の場合には、複数のＧａＮ層の層厚を累積した（合計した）層厚を意味する。
【００２０】
この第１の局面による窒化物半導体素子では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができる。すなわち、このように構成することによって、窒化物半導体素子のＥＬ発光パターンを改善（輝点状発光や面内の波長ムラを抑制）することができる。これにより、窒化物半導体素子の発光効率を向上させることができる。また、発光効率を向上させることによって、輝度の高い窒化物半導体素子を得ることができる。なお、上記のような輝点状発光の抑制効果が得られる理由として、一つには、窒化物半導体基板の成長主面がｍ面に対してａ軸方向のオフ角度を持つことで、成長主面上に窒化物半導体層を成長させる際に、原子のマイグレーションの方向が変化するためであると考えられる。
【００２１】
また、第１の局面では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子を形成した際に、ゲインを高めることができる。また、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体素子を得ることができる。
【００２２】
さらに、第１の局面では、窒化物半導体基板と活性層との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下にすることによって、良好な表面モフォロジーを得ることができる。これにより、ＧａＮ層における層厚の面内分布を均一化することができるとともに、このＧａＮ層上に積層される半導体層においても、層厚の面内分布を均一化することができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性のバラツキを低減することができるので、製造歩留まりを向上させることができる。これにより、規格の範囲内の特性を有する素子を容易に得ることができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性および信頼性をさらに向上させることもできる。
【００２３】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、ａ軸方向のオフ角度の絶対値が、０．１度より大きい。このように構成すれば、ＥＬ発光パターンの輝点状化および面内の波長ムラを容易に抑制することができる。
【００２４】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、活性層は、１層の井戸層を含む量子井戸構造を有している。このように構成すれば、輝点状発光の抑制効果を得ることができ、かつ、駆動電圧を容易に低減することができる。このため、これによっても、素子特性および信頼性を向上させることができる。また、このように構成することによって、井戸層を３層以上含むように活性層を構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。これにより、輝度の高い窒化物半導体素子を容易に得ることができる。なお、この場合、窒化物半導体基板と井戸層との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とするのが好ましい。
【００２５】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、活性層は、２層の井戸層を含む量子井戸構造に構成されていてもよい。このように構成した場合でも、輝点状発光の抑制効果を得ることができ、かつ、駆動電圧を容易に低減することができる。また、このように構成することによって、井戸層を３層以上含むように活性層を構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。なお、この場合、最も基板側の井戸層と窒化物半導体基板との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とするのが好ましい。
【００２６】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、活性層は、量子井戸構造に構成されているとともに、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有しており、井戸層のＩｎ組成比が、０．１５以上０．４５以下であるのが好ましい。第１の局面による窒化物半導体素子では、このように、輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる条件である井戸層のＩｎ組成比が０．１５以上の場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができるので、輝点状発光の抑制効果を顕著に得ることができる。また、井戸層のＩｎ組成比を０．４５以下にすることによって、井戸層のＩｎ組成比が０．４５より大きくなることに起因して、格子不整合などの歪みにより活性層に転位が多数入るという不都合が生じるのを抑制することもできる。
【００２７】
なお、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いて発光素子を形成する場合、通常、活性層は、井戸層と障壁層とを含む多層膜から構成される。この場合、光閉じ込めを有効に行うことや、活性層に発生する歪みを緩和することなどを目的として、ＩｎaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）の井戸層と、ＩｎbＧａ1-bＮ（０≦ｂ＜１：ａ＞ｂ）の障壁層とを用いるのが一般的である。しかしながら、本願発明者らの検討により、障壁層にＩｎＧａＮ層を用いると、ダークラインの発生が顕著になることが分かった。また、障壁層に含まれるＩｎ組成比ｂが大きくなるにしたがい、ダークラインの発生が顕著となることも分かった。さらに、障壁層にＧａＮ層を用いた場合においても、井戸層のＩｎ組成比ａが大きくなると、成長条件や構造の違いなどで、ダークラインが発生することが分かった。そこで、本願発明者らが鋭意検討した結果、障壁層にＡｌを含む窒化物半導体層を用いることで、ほぼ完全にダークラインの発生を抑制することが可能となることを見出した。なお、障壁層を構成する窒化物半導体層としては、最も好ましいのが、ＡｌＧａＮ層およびＡｌＩｎＧａＮ層であり、次に好ましいのがＡｌＩｎＮである。また、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層など）であれば、いずれであっても、上記効果は得られる。また、活性層の障壁層に、Ａｌを含む窒化物半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層など）を用いる場合、活性層の井戸層はＩｎＧａＮから構成されているのが好ましい。
【００２８】
上記活性層を備えた構成において、好ましくは、活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有する。このように構成すれば、障壁層の平坦性を向上させることができるので、平坦性の高い障壁層上に井戸層を形成することによって、井戸層におけるＩｎ組成の面内分布が不均一になるのを抑制することができる。また、活性層（井戸層）の結晶性を向上させることもできる。これにより、発光効率をより向上させることができる。
【００２９】
この場合、上記障壁層は、ＡｌＧａＮから構成されているのが好ましい。なお、上記障壁層は、ＡｌＧａＮ以外に、ＡｌＩｎＧａＮおよびＡｌＩｎＮなどから構成することもできる。ここで、障壁層をＡｌＩｎＧａＮから構成した場合、障壁層をＡｌＧａＮから構成した場合に比べて、障壁層上に形成された井戸層に取り込まれるＩｎ量が増加することが分かった。このため、障壁層をＡｌＩｎＧａＮから構成することによって、成長条件の範囲を広くとることできるので好ましい。また、ＡｌＧａＮにＩｎを添加したＡｌＩｎＧａＮは、より低温で成長させた場合でも、良好な結晶性を有する膜を形成し易い。そのため、６００℃〜８００℃程度の比較的低い成長温度で形成される場合が多い障壁層を、ＡｌＩｎＧａＮから構成することにより、上記のような比較的低温で障壁層を形成した場合でも、結晶性の良好な障壁層を得ることができるので好ましい。また、障壁層をＡｌＩｎＧａＮとすることで、井戸層に対して障壁層が与える歪を低減することができるため、好ましい。井戸層にかかる歪が小さい方が、発光素子が駆動中に劣化する速度が遅くなるためより好ましい。
【００３０】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、窒化物半導体基板の成長主面は、ａ軸方向に加えて、ｃ軸方向にもオフ角度を有していてもよい。この場合、ａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きくなるように構成されているのが好ましい。このように構成すれば、ＥＬ発光パターンの輝点状化（面内の波長ムラ、ダークラインの発生）をより効果的に抑制することができる。
【００３１】
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、窒化物半導体基板は、ＧａＮから構成されているのが好ましい。このように構成すれば、容易に、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制しながら、表面モフォロジーを良好にすることができる。
【００３２】
この発明の第２の局面による窒化物半導体素子は、成長主面を有する窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の成長主面上に形成された窒化物半導体層とを備えている。上記成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなり、上記窒化物半導体層は、活性層を含んでいる。そして、窒化物半導体層に含まれる活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有している。
【００３３】
この第２の局面による窒化物半導体素子では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることによって、上記第１の局面による窒化物半導体素子と同様、ＥＬ発光パターンの輝点状化（面内の波長ムラ、ダークラインの発生）を抑制することができる。
【００３４】
また、第２の局面では、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体から構成することによって、障壁層の平坦性を向上させることができるので、発光効率および信頼性を向上させることができる。
【００３５】
上記第２の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、窒化物半導体層は、成長主面と接するように形成された、Ａｌを含む半導体層をさらに含む。このように構成すれば、Ａｌを含む半導体層の平坦性を向上させることができるので、このような平坦性の高い半導体層上に上記活性層を形成することによって、発光効率をより向上させることができる。
【００３６】
この場合において、Ａｌを含む半導体層は、ＡｌＧａＮ層またはＡｌＩｎＧａＮ層から構成されているのが好ましい。なお、ＡｌＧａＮにＩｎを添加したＡｌＩｎＧａＮは、より低温で成長させた場合でも、良好な結晶性を有する膜を形成し易い。そのため、６００℃〜８００℃程度の比較的低い成長温度で形成される場合が多い障壁層を、ＡｌＩｎＧａＮから構成することにより、上記のような比較的低温で障壁層を形成した場合でも、結晶性の良好な障壁層を得ることができるので好ましい。
【００３７】
この発明の第３の局面による窒化物半導体素子の製造方法は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面からなる成長主面を含む窒化物半導体基板を準備する工程と、窒化物半導体基板の成長主面上に、エピタキシャル成長法を用いて、Ｉｎを含む活性層を有する窒化物半導体層を形成する工程とを備えている。そして、窒化物半導体層を形成する工程は、窒化物半導体基板と活性層との間にＧａＮ層を形成する工程を含んでおり、ＧａＮ層を形成する工程は、トータル層厚が０．７μｍ以下となるように、ＧａＮ層を形成する工程を有している。なお、上記ＧａＮ層の導電型は、ｎ型でもよいし、ｐ型でもよい。また、上記ＧａＮ層は、アンドープであってもよい。
【００３８】
この第３の局面による窒化物半導体素子の製造方法では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化が抑制された窒化物半導体素子を得ることができる。すなわち、このように構成することによって、ＥＬ発光パターンが改善された窒化物半導体素子を得ることができる。これにより、発光効率が向上された輝度の高い窒化物半導体素子を得ることができる。
【００３９】
また、第３の局面では、窒化物半導体基板と活性層との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とすることによって、良好な表面モフォロジーを得ることができる。これにより、ＧａＮ層における層厚の面内分布を均一化することができるので、平坦性の高いＧａＮ層を形成することができる。したがって、このＧａＮ層上に積層される半導体各層においても、層厚の面内分布を均一化することができるので、半導体各層の平坦性を向上させることができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性のバラツキを低減することができるので、規格の範囲内の特性を有する素子を増加させることができる。これにより、製造歩留まりを向上させることができる。なお、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性および信頼性をさらに向上させることもできる。なお、活性層に井戸層が含まれている場合には、窒化物半導体基板と井戸層との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とするのが好ましい。また、井戸層が複数形成されている場合には、最も基板側の井戸層と窒化物半導体基板との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とすることができる。
【００４０】
さらに、第３の局面では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、窒化物半導体素子の駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子を形成した際に、ゲインを高めることができる。また、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるとともに、平坦性の高い窒化物半導体各層を形成することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まりよく得ることができる。
【００４１】
上記第３の局面による窒化物半導体素子の製造方法において、窒化物半導体基板の成長主面上に、上記ＧａＮ層を含むｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を順次積層する行程を備えているのが好ましい。この場合、ｐ型半導体層は、７００℃以上であって、１１００℃より低い成長温度で形成するのが好ましい。このように、ｐ型半導体層を１０００℃以上の高温で形成した場合でも、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体から構成することにより、活性層（井戸層）の黒色化の発生を抑制することができる。このため、ｐ型半導体層を１０００℃以上の高温で形成することができるので、ｐ型半導体層を高温で形成することによって、駆動電圧の低減効果を効果的に得ることができる。また、ｐ型半導体層を、７００℃以上の成長温度で形成することによって、７００℃より低い成長温度で形成されることに起因して、ｐ型半導体層が高抵抗化するという不都合が生じるのを抑制することができる。このため、これによっても、素子特性および信頼性を向上させることができる。なお、ｍ面に対してオフ角度が設けられた成長主面を有する窒化物半導体基板を用いることによって、９００℃より低い成長温度でｐ型半導体層を形成した場合でも、ｐ型伝導を得ることができる。
【００４２】
また、この場合、ｎ型半導体層は、９００℃以上であって、１３００℃より低い成長温度で形成するのが好ましい。このように、トータル層厚が０．７μｍ以下のＧａＮ層を含むｎ型半導体層を、９００℃以上の高温で形成することにより、ｎ型半導体層の層表面を平坦化することができる。このため、平坦化されたｎ型半導体層上に活性層およびｐ型半導体層を形成することにより、活性層およびｐ型半導体層における結晶性の低下を抑制することができる。これにより、高品質な結晶を形成することができる。また、ｎ型半導体層を、１３００℃より低い成長温度で形成することによって、１３００℃以上の成長温度で形成されることに起因して、昇温時に窒化物半導体基板の表面が再蒸発し、表面荒れが引き起こされるという不都合が生じるのを抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体素子を容易に歩留まりよく得ることができる。
【００４３】
さらに、この場合、活性層は、６００℃以上８００℃以下の成長温度で形成するのが好ましい。このように、活性層を、８００℃以下の成長温度で形成することによって、８００℃より高い成長温度（たとえば、８３０℃以上）で活性層が形成されることに起因して、熱ダメージによって活性層が黒色化されるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、活性層を６００℃以上の成長温度で形成することによって、６００℃より低い成長温度で形成されることに起因して、原子の拡散長が短くなり結晶性が悪化するという不都合が生じるのを抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体素子をより容易に歩留まりよく得ることができる。
【００４４】
この発明の第４の局面による半導体装置は、上記第１または第２の局面による窒化物体素子を備えた半導体装置である。
【発明の効果】
【００４５】
以上のように、本発明によれば、ＥＬ発光パターンを改善することにより、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を容易に得ることができる。
【００４６】
また、本発明によれば、良好な表面モフォロジーを有する窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を容易に得ることができる。
【００４７】
さらに、本発明によれば、素子特性、信頼性および歩留まりを向上させることが可能な窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図（ユニットセルを表した図）である。
【図２】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の構造を示した断面図（図６のＡ−Ａ線に沿った断面に対応する図）である。
【図３】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の全体斜視図である。
【図４】基板のオフ角度を説明するための模式図である。
【図５】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造を示した断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の平面図（窒化物半導体レーザ素子を上側から見た図）である。
【図７】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図（基板の製造方法を説明するための図）である。
【図８】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図（基板の製造方法を説明するための図）である。
【図９】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図（基板の製造方法を説明するための図）である。
【図１０】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図（基板の製造方法を説明するための図）である。
【図１１】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図（基板の製造方法を説明するための図）である。
【図１２】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１７】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１８】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１９】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図２０】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置の斜視図である。
【図２１】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の効果を確認するために作製した発光ダイオード素子の斜視図である。
【図２２】本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の効果を確認するために作製した発光ダイオード素子のＥＬ発光パターンを観察した顕微鏡写真（確認用素子において観察されたＥＬ発光パターンの顕微鏡写真）である。
【図２３】一実施形態における活性層の他の構造の例を説明するための断面図（ＳＱＷ構造の活性層の一例を示した断面図）である。
【図２４】ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。
【図２５】ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＧａＮ層を０．１μｍ程度の厚みで形成した後、ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を０．９μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。
【図２６】ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＡｌＧａＮ層を０．２μｍ程度の厚みで形成した後、ＡｌＧａＮ層上にＧａＮ層を０．９μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。
【図２７】ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上に、Ａｌ組成比が５％のＡｌＧａＮ層を２μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。
【図２８】ｍ面に対してｃ軸方向に＋０．５度のオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＡｌＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。
【図２９】ｍ面に対してｃ軸方向に＋０．５度のオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。
【図３０】ＥＬ発光パターン中に観察されたダークラインの顕微鏡写真である。
【図３１】ＰＬ発光パターン中に観察されたダークラインの顕微鏡写真である。
【図３２】障壁層をＡｌＧａＮから構成した発光ダイオード素子のＰＬ発光パターンの顕微鏡写真である。
【図３３】輝点状のＥＬ発光パターンを示す顕微鏡写真（比較用素子において観察されたＥＬ発光パターンの顕微鏡写真）である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本願発明者らが種々検討を行うことによって得た知見について説明する。
【００５０】
上述したように、本願発明者らは、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することが可能であることを見出した。
【００５１】
一方、本願発明者らが、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いて、その成長主面上に、ＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したところ、面内の層厚分布が非常に悪化することが分かった。このときの層厚分布は、ａ軸方向にオフ角度を有さないｍ面ＧａＮ基板上にＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成した場合の層厚分布と比べても、非常に悪いものであった。このように、基板と同じ組成のＧａＮ層を、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などのエピタキシャル成長法を用いて、基板上に形成した場合に、面内で大きな層厚分布を引き起こすという現象は、非常に特異な現象であると考えられる。
【００５２】
図２４は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。なお、図２４は、成長主面上に、ＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示している。図２４に示すように、半導体層の層表面には、ａ軸方向と平行方向に、非常に強い波状の凹凸が見られる。また、図２４の窒化物半導体層には、２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の層厚の分布があり、このような層厚分布の均一性が損なわれた半導体層では、素子を形成することは非常に困難となる。
【００５３】
これまで、一般的には、基板と同じ組成の半導体層を、基板表面（成長主面）に接するように形成することで、層表面の平坦性および半導体層の結晶性を向上させ、その上に素子を形成することが行われている。たとえば、基板がＧａＮ基板であれば、まず、ＧａＮ層が基板上に形成される。これにより、基板の組成と、基板表面（成長主面）に形成される半導体層（ＧａＮ層）の組成とが同じになるために、格子定数差や熱膨張係数差などがなく、歪みの発生が抑制される。そして、このようにすることによって、平坦性が高く、結晶性の良い半導体層を形成できることが知られている。実際に、ｃ面を成長主面とする窒化物半導体基板（たとえば、ｃ面ＧａＮ基板）を用いて、その成長主面上に結晶成長を行う場合には、通常、上記のようなことが行われている。そして、この場合（ｃ面ＧａＮ基板上にＧａＮ層を形成する場合）には、非常に綺麗な表面モフォロジーが得られる。これが通常の現象であると考えられる。
【００５４】
しかしながら、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板に関しては、上述のように、上記構成を適用することによって、表面モフォロジーが悪化することが今回初めて分かった。
【００５５】
そこで、本願発明者らが鋭意検討を行った結果、表面モフォロジーの悪化には、ＧａＮ層の層厚が関与していることを見出した。すなわち、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板では、１μｍ程度の厚みを有するＧａＮの厚膜を成膜することで、著しく表面モフォロジーが悪化し、図２４に示すような特異な表面モフォロジーになってしまうことが、本検討の結果、分かった。
【００５６】
また、本願発明者らは、成長主面上に形成されたＧａＮ層のトータル層厚が大きくなればなるほど、表面モフォロジーが悪化することも見出した。なお、上記トータル層厚とは、ＧａＮ層が１層の場合は、そのＧａＮ層の層厚を意味し、ＧａＮ層が複数層の場合には、複数のＧａＮ層の層厚を累積した（合計した）層厚を意味する。そのため、活性層を形成するまでに層厚の大きいＧａＮ層を形成すると、表面モフォロジーが悪化し、その悪化した層の表面上に活性層を形成すると、活性層が悪化した表面モフォロジーの影響を受けて、面内において、Ｉｎ組成の多い領域とＩｎ組成の少ない領域とに分かれてしまう。これにより、組成の面内分布が発生することが分かった。また、活性層の組成の面内分布だけでなく、活性層の結晶性も劣化するためか、発光強度も低下することが分かった。
【００５７】
そして、上記知見をもとに、本願発明者らがさらに検討を重ねた結果、基板と活性層との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とすることで、表面モフォロジーを劇的に改善することが可能であることを見出した。また、基板と活性層との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚は、０．５μｍ以下であればより好ましく、０．３μｍ以下であればさらに好ましいことも見出した。
【００５８】
また、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いて窒化物半導体素子を形成する場合には、活性層を形成するまでに、出来るだけＧａＮ層を形成しないことが好ましいことも明らかとなった。
【００５９】
このように、ＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とする上記条件を満足するように、窒化物半導体層を形成することで、表面モフォロジーが改善され、層表面を平坦化することが可能となる。そして、その平坦化した層の表面上に、活性層（Ｉｎを含む窒化物半導体層である井戸層）を形成することによって、Ｉｎ組成の面内分布を抑制し、発光効率を改善することが可能となる。
【００６０】
なお、発光効率を改善するという観点からは、基板とＩｎを含む窒化物半導体層である井戸層との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とするのが好ましい。たとえば、活性層の障壁層がＧａＮ層の場合、井戸層よりも基板側に位置する障壁層を含めて、ＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とするのが好ましい。また、井戸層が複数層形成されている場合には、最も基板側の井戸層と窒化物半導体基板との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とすることもできるし、他の井戸層と窒化物半導体基板との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とすることもできる。
【００６１】
図２５は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＧａＮ層を０．１μｍ程度の厚みで形成した後、ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を０．９μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。なお、図２５は、成長主面上にＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示している。また、ＡｌＧａＮ層の組成は、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎである。さらに、図２５では、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との合計厚みを１μｍ程度とすることで、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との合計厚みが、図２４のＧａＮ層の層厚と同じになるように構成している。すなわち、図２５では、層厚１μｍ程度のＧａＮ層を形成する代わりに、層厚０．１μｍ程度のＧａＮ層と層厚０．９μｍ程度のＡｌＧａＮ層とを形成している。
【００６２】
図２５に示すように、層厚０．１μｍ程度のＧａＮ層を形成した場合の表面モフォロジーは非常に良好であり、図２４に示した層厚１μｍ程度のＧａＮ層を形成した場合に比べて、層表面の平坦性が著しく向上していることが分かる。このように、ＧａＮ層の層厚が厚くなるにともない、表面モフォロジーが悪化してくる。これに対し、ＧａＮ層の層厚を薄くすることで、表面モフォロジーの悪化が抑制される。また、ＧａＮの厚膜を形成することにより、表面モフォロジーが悪化してしまうと、その後、ＡｌＧａＮ層を形成した場合でも、一度崩れた表面モフォロジーはあまり改善されず、積層される半導体層の層厚が増加するにしたがい、表面モフォロジーが悪化することも分かった。
【００６３】
また、今回の検討により、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いる場合には、成長主面と接する半導体層を、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）またはＡｌaＩｎbＧａcＮ（ａ+ｂ+ｃ＝１）から構成するのが好ましいことも分かった。
【００６４】
ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）の場合には、表面モフォロジーをより良好に保つための条件として、０＜ｙ≦０．１がより好ましく、窒化物半導体基板の成長主面と接する層の層厚としては、０．７μｍ以下がより好ましい。成長主面と接する半導体をＩｎＧａＮとした場合には、成長温度が７００℃〜９００℃程度の低温で成膜する。ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いる場合には、成膜前の基板温度の昇温で、１１００℃程度を超えるような温度にあげた場合、炉内の雰囲気（ガス流量、圧力などの条件）により、成長前に基板表面からＮ（窒素）やＧａ（ガリウム）が蒸発して、基板の表面あれを起こすことがある。この表面あれは、９００℃以下の基板温度では、起こらないことが分かった。このためＩｎＧａＮは低温（７００℃〜９００℃程度）で成膜することができるため、基板表面の表面あれを効果的に抑制することができるので好ましい。
【００６５】
また、ＡｌaＩｎbＧａcＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０＜ａ≦１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ＜１）の場合も、Ｉｎが含まれる場合は、低温成膜が可能となるため、ＩｎＧａＮの場合と同様の効果が得られる。また、この場合においても、基板の成長主面と接する層の層厚としては、０．７μｍ以下であるのがより好ましく、Ａｌ組成比ａが０＜ａ≦０．１で、かつ、Ｉｎ組成比ｂが０＜ｂ≦０．１であれば表面モフォロジーの観点でより好ましい。つまり、ＡｌとＩｎを含む窒化物半導体層を成長主面に接する半導体層として用いた場合、低温の成長において、平坦性の高い膜を形成しやすいという観点でより好ましい。
【００６６】
なお、この場合においても、上述のように、基板と活性層（井戸層）との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とするのが好ましい。
【００６７】
図２６は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＡｌＧａＮ層を０．２μｍ程度の厚みで形成した後、ＡｌＧａＮ層上にＧａＮ層を０．９μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。なお、図２６は、成長主面上にＡｌＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示している。また、ＡｌＧａＮ層の組成は、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎである。
【００６８】
成長主面と接する半導体層をＡｌＧａＮ層とすることにより、ＡｌＧａＮ層では、良好な表面モフォロジーが得られる。しかしながら、ＡｌＧａＮ層上に０．７μｍを超える０．９μｍ程度の層厚のＧａＮ層を形成することにより、図２６に示すように、表面モフォロジーが悪化する。すなわち、基板とＧａＮ層との間に、ＡｌＧａＮ層（Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層）を０．２μｍ程度の厚みで形成しても、ＧａＮ層の厚みが大きければ、表面モフォロジーが悪化することが分かった。
【００６９】
また、複数のＧａＮ層の間に、ＡｌＧａＮ層などを形成した場合（たとえば、ＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層の４層構造）でも、ＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍより大きくなると表面モフォロジーが悪化することも分かった。たとえば、基板の成長主面上に、ＧａＮ層を１μｍ程度の層厚で形成し、その後、ＡｌＧａＮ層（たとえば、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層）を１μｍ程度の層厚で形成した場合でも、ＧａＮ層を形成することによって悪化した表面モフォロジーは回復せず、図２４と同様の表面モフォロジーとなった。
【００７０】
結果として、基板上に（基板と活性層（井戸層）との間に）形成されたＧａＮ層のトータル層厚により、表面モフォロジーが決定されるため、活性層（Ｉｎを含む窒化物半導体層である井戸層）を形成するまでに、ＧａＮ層のトータル層厚が大きくなり過ぎるのを抑制する必要があることが本検討により分かった。
【００７１】
なお、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いる場合には、基板上に積層される層構造（発光素子の層構造）の中にできるだけＧａＮ層を含まないように構成するのが好ましいが、光閉じ込めなどを行うために、光ガイド層としてＧａＮ層を用いることも可能である。また、非常に薄いＧaＮ層をＡｌＧａＮや、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮとの超格子状（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・・・・、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ・・・・、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ・・・・など）に形成することで、表面モフォロジーの悪化を抑制しながら、ＧａＮのトータル層厚を厚くすることができる。そして、上記超格子構造を、光ガイド層、光クラッド層として用いることができる。上記構造を用いることで、薄膜のＧａＮ層を用いて、比較的良好な層を形成することができる。この場合の超格子構造に用いられる薄膜のＧａＮ層の層厚は、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下が特に好ましい。ただし、この場合でも、基板と活性層（井戸層）との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚は、０．７μｍ以下に抑えることが必要である。
【００７２】
また、特性の優れた発光素子または電子デバイスを得るためには、上述したように、基板上に積層される層構造にＧａＮ層を含まず、これらの層構造を、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮなどのＧａＮとは異なる組成の半導体層で構成するのが好ましい。
【００７３】
さらに、今回の検討により、ＡｌまたはＩｎを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層など）では、ＧａＮ層と異なり、１μｍを超える層厚で形成した場合でも、表面モフォロジーの悪化が抑制されることが分かった。このため、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いて、ＬＤ構造を作製する場合、光クラッド層として、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層などの、Ａｌを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。もしくはＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。また、光ガイド層として、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層などのＩｎを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。
【００７４】
無極性面の窒化物半導体基板を用いた場合、活性層の障壁層にＡｌを含む窒化物半導体層、もしくはＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層を用いる場合は、活性層の歪を緩和する、ダークラインの発生を抑制するなどの目的から、光クラッド層として、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層などの、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。また、光ガイド層として、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層などのＩｎを含む窒化物半導体層、もしくはＡｌとＩｎを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。もちろん、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた場合においても上記と同様のことが言える。
【００７５】
図２７は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上に、Ａｌ組成比が５％のＡｌＧａＮ層を２μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。なお、図２７は、成長主面上にＡｌＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示している。図２７に示すように、Ａｌを含む窒化物半導体層を厚膜で形成した場合の表面モフォロジーは非常に良好であることが分かる。これより、ＡｌまたはＩｎを含む窒化物半導体層を厚膜で形成した場合でも、表面モフォロジーの悪化が抑制されることが分かった。
【００７６】
参考のために、ｍ面に対してｃ軸方向に＋０．５度のオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＡｌＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真を図２８に示す。また、ｍ面に対してｃ軸方向に＋０．５度のオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真を図２９に示す。図２８は、成長主面上にＡｌＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示しており、図２９は、成長主面上にＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示している。
【００７７】
図２８および図２９に示すように、いずれも、表面モフォロジーは悪く、両者で大きな変化は見られない。通常は、このように、ＧａＮ層を形成した場合（ＧａＮ層始まりの場合）と、ＡｌＧａＮ層を形成した場合（ＡｌＧａＮ層始まりの場合）とで、その表面モフォロジーに大きな差はない。このため、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板は、上記のような特異な現象を示すことが分かった。
【００７８】
以上より、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板上に、ＧａＮ層を形成する場合には、基板表面（成長主面）から活性層（Ｉｎを含む窒化物半導体層である井戸層）までの間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍ以下であるのが好ましく、０．５μｍ以下であればより好ましい。また、ＧａＮ層のトータル層厚が０．３μｍ以下であれば、さらに好ましい。ＧａＮ層のトータル層厚が０．５μｍ以下であれば、表面モフォロジーの大きな悪化は起こらないため、その後、ＡｌＧａＮ層を形成するなどして、基板上に複数のＧａＮ層を形成することは可能である。ただし、基板表面（成長主面）から活性層（井戸層）の間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍ以下という条件を満たす必要がある。
【００７９】
また、本願発明者らは、上記検討によって、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮなど）から構成することにより、発光効率を向上させることが可能となることも見出した。
【００８０】
また、本願発明者らは、上記検討において、活性層のＩｎ組成比の増加に伴い、窒化物半導体発光素子のＥＬ発光パターン中に、図３０に示すようなダークラインが発生する場合があることを突き止めた。
【００８１】
このダークラインは、ＥＬ発光パターン中だけでなく、図３１に示すように、ＰＬ発光（光励起にて、発光させたときの面内光分布）パターンでも観測される。このようなダークラインの発生は、素子の発光効率を低下させるため好ましくない。この活性層のＩｎ組成を増加させた際に発生するダークラインは、ｍ面のｃ軸方向に平行方向に発生する。ダークラインは基板などのＧａＮと活性層のＩｎＧａＮ層との格子定数や、熱膨張係数の違いから発生するミスフィット転位などの欠陥であると考えられる。これまで一般的に用いられてきたｃ面（０００１）などでは、Ｉｎの増加に伴いこのようなダークラインの発生は起こらなかった。このため、このようなダークラインの発生は、無極性面、特にｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子特有の現象であると考えられる。
【００８２】
このように、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子では、ｃ面を用いた窒化物半導体発光素子とは異なり、自発分極やピエゾ分極に起因する発光効率の低下は抑制されるものの、ダークラインの発生に起因して、発光効率の経時劣化を引き起こすという問題があることも見出した。このようなダークラインの発生は、ｍ面を用いた窒化物半導体発光素子において、発光波長の長波長化を図る際の妨げとなるため、非常に問題となる。特に、半導体レーザ素子においては、発光効率の低下はゲインの低下を引き起こすため、問題が大きい。
【００８３】
輝点状発光は、ＥＬ発光パターンにおいて観測することができるが、ＰＬ発光パターンでは顕著に観測することが出来ない。このため、輝点状発光は、電流注入の不均一から引き起こされる現象が主な原因であると考えられる。特に、電流注入量が小さい、たとえば電流を徐々に増加させていき、発光しはじめから、ｐ側電極の直径が２２０μｍ程度の場合、５０ｍＡ程度の電流注入密度の範囲で非常に顕著に見られる。大電流領域においても、発光効率が抑制されるため好ましくない。
【００８４】
これに対してダークラインは、ＰＬ発光パターンでも、ＥＬ発光パターンでも顕著に観察される。このことから、輝点状発光と、ダークラインの発生は別原因であり、異なるメカニズムから発生していることが分かった。
【００８５】
そこで、上記知見をもとに、本願発明者らが鋭意検討した結果、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮなど）から構成することにより、ダークラインの発生を抑制することも可能となることを見出した。すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体から障壁層を形成することによって、図３２に示すように、ほぼ完全にダークラインの発生を抑制できることが分かった。
【００８６】
なお、上記した図３０は、ＥＬ発光パターン中に観察されたダークラインの顕微鏡写真であり、図３０のＥＬ発光パターンは、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板（ｍ面ジャスト基板）を用いて作製した発光ダイオード素子のＥＬ発光パターンを示している。この発光ダイオード素子は、井戸層がＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから構成されており、障壁層がＩｎ0.02Ｇａ0.98から構成されている。
【００８７】
また、上記した図３１は、ＰＬ発光パターン中に観察されたダークラインの顕微鏡写真であり、図３１のＰＬ発光パターンは、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板（ｍ面ジャスト基板）を用いて作製した発光ダイオード素子のＰＬ発光パターンを示している。この発光ダイオード素子は、井戸層がＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから構成されており、障壁層がＩｎ0.02Ｇａ0.98から構成されている。
【００８８】
さらに、上記した図３２は、障壁層をＡｌＧａＮから構成した発光ダイオード素子のＰＬ発光パターンの顕微鏡写真である。この発光ダイオード素子は、井戸層がＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎから構成されており、障壁層がＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎから構成されている。また、窒化物半導体基板として、ｍ面ａ軸オフ基板（ａ軸方向のオフ角度：１．７度、ｃ軸方向のオフ角度：＋０．１度）を用いている。
【００８９】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、窒化物半導体素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用した場合について説明する。また、以下の実施形態において、「窒化物半導体」とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる半導体を意味する。
【００９０】
図１は、窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図である。図２は、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図３は、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の全体斜視図である。図４〜図６は、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための図である。まず、図１〜図６を参照して、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の構造について説明する。
【００９１】
一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００を構成する窒化物半導体は、図１に示すように、六方晶系の結晶構造を有している。この結晶構造において、六角柱とみなせる六方晶のｃ軸［０００１］を法線とする面（六角柱の上面）をｃ面（０００１）と呼び、六角柱の側壁面の各々をｍ面｛１−１００｝と呼ぶ。窒化物半導体では、ｃ軸方向に対称面が存在しないため、分極方向がｃ軸方向に沿っている。このため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示す。すなわち、＋ｃ面（（０００１）面）と−ｃ面（（０００−１）面）とは等価な面ではなく、化学的な性質も異なる。一方、ｍ面は、ｃ面に対して直角な結晶面であるため、ｍ面の法線は、分極方向に対して直交している。このため、ｍ面は、極性のない無極性面である。なお、上述のように、六角柱の側壁面の各々がｍ面となるため、ｍ面は、６種類の面方位（（１−１００）、（１０−１０）、（０１−１０）、（−１１００）、（−１０１０）、（０−１１０））で示されるが、これらの面方位は、結晶幾何学的に等価な面方位であるため、これらを総称して｛１−１００｝と示す。
【００９２】
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図２および図３に示すように、窒化物半導体基板としてのＧａＮ基板１０を備えている。このＧａＮ基板１０の成長主面１０ａは、ｍ面に対してオフ角度を有する面からなる。具体的には、窒化物半導体レーザ素子１００のＧａＮ基板１０は、ｍ面に対して、ａ軸方向（［１１−２０］方向）にオフ角度を有している。なお、上記ＧａＮ基板１０は、ａ軸方向のオフ角度に加えて、ｃ軸方向（［０００１］方向）にもオフ角度を有していてもよい。
【００９３】
ここで、図４を参照して、ＧａＮ基板１０のオフ角度についてより詳細に説明する。まず、ｍ面に対して、ａ軸［１１−２０］方向およびｃ軸［０００１］方向の２つの結晶軸方向を定義する。これらａ軸およびｃ軸は、互いに垂直な関係となっているとともに、ｍ軸に対しても互いに垂直な関係となっている。また、ＧａＮ基板１０の結晶軸ベクトルが基板表面（成長主面１０ａ）の法線ベクトルと一致する場合（全ての方向に対してオフ角度が０になった場合）に、ａ軸方向、ｃ軸方向、ｍ軸方向と平行となる方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とする。次に、Ｙ方向の法線を持つ第１面、および、Ｘ方向の法線を持つ第２面を考える。そして、結晶軸ベクトルを第１面および第２面に投影したときに現れる結晶軸ベクトルを、それぞれ、第１投影ベクトルおよび第２投影ベクトルとする。このときの第１投影ベクトルと法線ベクトルとのなす角θａがａ軸方向のオフ角度であり、第２投影ベクトルと法線ベクトルとのなす角θｃがｃ軸方向のオフ角度である。なお、ａ軸方向のオフ角度は、＋方向と−方向とで、結晶的にみて同じ表面状態になるため、＋方向と−方向とで同じ特性を有する。このため、絶対値で記載することができる。一方、ｃ軸方向は、＋方向と−方向とで、Ｇａ極性面が強くなる場合と、Ｎ極性面が強くなる場合とがあり、方向により特性が異なるため、＋方向と−方向とを区別して記載する。
【００９４】
このように、本実施形態によるＧａＮ基板１０は、その成長主面１０ａが、ｍ面｛１−１００｝に対してａ軸方向に傾斜した面となっている。
【００９５】
また、上記ＧａＮ基板１０は、ｍ面に対するａ軸方向のオフ角度の絶対値が、それぞれ、０．１度より大きい角度に調整されている。ただし、ａ軸方向のオフ角度が大きくなるに従い、活性層（井戸層などのＩｎＧａＮ層）に取り込まれるＩｎの量が減少する傾向があるため、原料効率などの点から、ａ軸方向のオフ角度の絶対値は、１０度以下であるのが好ましい。なお、ａ軸方向のオフ角度が１０度以上の角度であっても、成膜は可能である。また、ｃ軸方向にもオフ角度を有している場合には、ｃ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きい角度に調整されているのが好ましい。ｃ軸方向のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度より小さい角度に調整されているのが好ましい。
【００９６】
また、上記の場合において、ａ軸方向のオフ角度は、１度より大きく、かつ、１０度以下の角度に調整されているのが好ましい。ａ軸方向のオフ角度が、このような範囲となるように調整されていれば、駆動電圧の低減効果が大きくなることに加えて、表面モフォロジーの改善効果も得られるためより好ましい。
【００９７】
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、上記したＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、複数の窒化物半導体層が積層されることによって形成されている。
【００９８】
具体的には、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図２および図３に示すように、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、約０．１μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ層１１が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１１上には、約２．２μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる下部クラッド層１２が形成されている。下部クラッド層１２上には、約０．１μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層１３が形成されている。下部ガイド層１３上には、活性層１４が形成されている。なお、上記ＧａＮ基板１０は、ｎ型に構成されている。
【００９９】
上記活性層１４は、図５に示すように、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎからなる２つの井戸層１４ａと、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎからなる３つの障壁層１４ｂとが交互に積層された量子井戸（ＤＱＷ；Ｄｏｕｂｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造を有している。具体的には、活性層１４は、下部ガイド層１３側から、第１障壁層１４１ｂ、第１井戸層１４１ａ、第２障壁層１４２ｂ、第２井戸層１４２ａおよび第３障壁層１４３ｂが順次積層されることによって形成されている。なお、２つの井戸層１４ａ（第１井戸層１４１ａ、第２井戸層１４２ａ）は、それぞれ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みに形成されている。また、第１障壁層１４１ｂは、約３０ｎｍの厚みに形成されており、第２障壁層１４２ｂは、約１６ｎｍの厚みに形成されており、第３障壁層１４３ｂは、約６０ｎｍの厚みに形成されている。すなわち、３つの障壁層１４ｂは、それぞれ、異なる厚みに形成されている。なお、ｎ型ＧａＮ層１１、下部クラッド層１２、下部ガイド層１３および活性層１４は、それぞれ、本発明の「窒化物半導体層」の一例である。
【０１００】
また、上記障壁層は、ＡｌＧａＮ以外にＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよい。ＡｌとＩｎを含む障壁層の場合は、低温において平坦性の高い膜を形成しやすいという利点がある。また、井戸層の数が２層以上の場合、井戸層の間に挟まれた障壁層（本実施形態では第２障壁層）にＧａＮ層を用いなければ、障壁層をＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮや、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮなどの２層構造、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ、および、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮなどの多層構造としてもよい。また井戸層が１層の場合には、井戸層に接する上部の層（基板と反対側、第二障壁層）がＡｌＩｎＧａＮ層であると好ましい。このように障壁層を形成することで、ダークラインの発生を効果的に抑制することが可能となる。
【０１０１】
ここで、本実施形態では、上記のように、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａと活性層１４（井戸層１４ａ）との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚が、０．７μｍ以下となるように構成されている。具体的には、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａと活性層１４（井戸層１４ａ）との間には、上記のように、２層のＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層１１、下部ガイド層１３）が形成されている。そして、そのトータル層厚は約０．２μｍ（＝約０．１μｍ＋約０．１μｍ）となっている。なお、上記ＧａＮ層のトータル層厚は、０．５μｍ以下に構成されていればより好ましく、０．３μｍ以下に構成されていればさらに好ましい。また、本実施形態では、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａと接する半導体層は、ＧａＮ層となっている。
【０１０２】
また、本実施形態では、活性層１４を構成する井戸層１４ａ（活性層１４）のＩｎ組成比ｘ１は、０．１５以上０．４５以下（たとえば、０．２〜０．２５）に構成されている。また、活性層１４の障壁層１４ｂは、ＡｌＧａＮ（Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ）から構成されており、そのＡｌ組成比ｘ２が、たとえば、０＜ｘ２≦０．０８とされている。このように、ＡｌＧａＮ（Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ）からなる障壁層１４ｂのＡｌ組成比ｘ２を０．０８以下にすることで、光閉じ込めを効率よく行うことが可能となる。また、上記障壁層１４ｂをＡｌＧａＮから構成することにより、発光効率を向上させることが可能となる。
【０１０３】
なお、上記障壁層１４ｂをＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮなどから構成した場合に発光効率が向上する理由としては、以下のように考えられる。すなわち、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板では、上述したように、その成長主面上にＧａＮ層を、１μｍを超える層厚で形成すると表面モフォロジーが悪化する傾向が見られる一方、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層など）を形成すると、表面モフォロジーが良化する。このため、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層など）から構成することによって、障壁層の平坦性が向上し、高い平坦性を有する障壁層上に井戸層を形成することで、井戸層の結晶性が向上するためであると考えられる。また、このように障壁層を形成することで、ダークラインの発生を効果的に抑制することが可能となる。また、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層など）から構成する場合、上記のように、井戸層はＩｎＧａＮから構成されているのが好ましい。
【０１０４】
また、上記活性層１４上には、図２および図３に示すように、４０ｎｍ以下（たとえば、約１２ｎｍ）の厚みを有するｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるキャリアブロック層１５が形成されている。このキャリアブロック層１５は、そのＡｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下（たとえば、約０．１５）となるように構成されている。また、キャリアブロック層１５上には、凸部と、凸部以外の平坦部とを有するｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる上部ガイド層１６が形成されている。この上部ガイド層１６は、クラッド層よりもＡｌ組成比が小さくなるように構成されている。また、上部ガイド層１６の凸部上には、約０．５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる上部クラッド層１７が形成されている。上部クラッド層１７上には、約０．１μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるコンタクト層１８が形成されている。そして、コンタクト層１８と上部クラッド層１７と上部ガイド層１６の凸部とによって、約１μｍ〜約１０μｍ（たとえば約１．５μｍ）の幅を有するストライプ状（細長状）のリッジ部１９が構成されている。このリッジ部１９は、図６に示すように、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に延びるように形成されている。なお、ｐ型半導体層（キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８）には、ｐ型不純物としてＭｇがドープされている。また、キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８は、それぞれ、本発明の「窒化物半導体層」の一例である。
【０１０５】
また、コンタクト層を、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）から構成することで、表面モフォロジーが良化し、層厚の面内分布が改善するため好ましい。
【０１０６】
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００では、図２および図３に示すように、リッジ部１９の両脇に、電流狭窄を行うための絶縁層２０が形成されている。具体的には、上部ガイド層１６上、上部クラッド層１７の側面上およびコンタクト層１８の側面上に、約０．１μｍ〜約０．３μｍ（たとえば約０．１５μｍ）の厚みを有するＳｉＯ2からなる絶縁層２０が形成されている。
【０１０７】
絶縁層２０およびコンタクト層１８の上面上には、コンタクト層１８の一部を覆うように、ｐ側電極２１が形成されている。このｐ側電極２１は、コンタクト層１８を覆っている部分において、コンタクト層１８と直接接触している。また、ｐ側電極２１は、絶縁層２０（コンタクト層１８）側から約１５ｎｍの厚みを有するＰｄ層（図示せず）、約１５ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなる。
【０１０８】
また、ＧａＮ基板１０の裏面上には、ＧａＮ基板１０の裏面側から順に、約５ｎｍの厚みを有するＨｆ層（図示せず）および約１５０ｎｍの厚みを有するＡｌ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるｎ側電極２２が形成されている。また、ｎ側電極２２上には、ｎ側電極２２側から順に、約３６ｎｍの厚みを有するＭｏ層（図示せず）、約１８ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるメタライズ層２３が形成されている。
【０１０９】
一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図３および図６に示すように、レーザ光が出射される光出射面３０ａと、光出射面３０ａと対向する光反射面３０ｂとを含む一対の共振器面３０を有している。また、光出射面３０ａには、たとえば、反射率５％〜８０％の出射側コーティング膜（図示せず）が形成されている。一方、光反射面３０ｂには、たとえば、反射率９５％の反射側コーティング膜（図示せず）が形成されている。なお、出射側コーティング膜の反射率は、発振出力により所望の値に調整されている。また、出射側コーティング膜は、たとえば、半導体の出射端面から順に、アルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x(０≦ｘ≦１)：膜厚３０ｎｍ／Ａｌ2Ｏ3（膜厚：２１５ｎｍ）で構成されており、反射側コーティング膜は、たとえば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの多層膜から構成されている。上記以外の材料として、たとえば、ＳｉＮ、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＭｇＦ2などの誘電体膜を用いてもよい。また、光出射面側の膜構成として、ＡｌＯxＮ1-x(０≦ｘ≦１)：膜厚１２ｎｍ／シリコンの窒化膜であるＳｉＮ（膜厚：１００ｎｍ）を用いても良い。
【０１１０】
上記のように、ｍ面の窒化物半導体基板の劈開端面（本実施形態ではｃ面）、もしくは気相エッチング、液相エッチングによりエッチングされたエッチング端面に、アルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）を形成することで、半導体、出射側コーティング膜の界面での非発光再結合の割合を大幅に低減でき、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ）レベルを格段に向上させることができる。さらにアルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）は、窒化物半導体と同じ六方晶の結晶であると、より好ましい。さらには、窒化物半導体と結晶軸が揃った状態で結晶化していると、非発光再結合の割合がさらに低減し、ＣＯＤレベルがさらに向上するため、より好ましい。また、光出射面側の反射率を大きくするために、上記コーティング膜の上にシリコンの酸化膜、アルミニウムの酸化膜、チタニウムの酸化膜、タンタルの酸化膜、ジルコニウムの酸化膜、シリコン窒化膜、などを積層した積層膜を形成してもよい。
【０１１１】
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図６に示すように、共振器面３０と直交する方向（Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向））に、約３００μｍ〜約１８００μｍ（たとえば、約６００μｍ）の長さＬ（チップ長Ｌ（共振器長Ｌ））を有するとともに、共振器面３０に沿った方向（Ｘ方向（略ａ軸［１１−２０］方向））に、約１５０μｍ〜約６００μｍ（たとえば、約４００μｍ）の幅Ｗ（チップ幅Ｗ）を有している。
【０１１２】
本実施形態では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａとすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化、面内の波長ムラを抑制することができる。すなわち、このように構成することによって、ＥＬ発光パターンを改善することができる。これにより、窒化物半導体レーザ素子の発光効率を向上させることができる。また、発光効率を向上させることによって、輝度の高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。なお、上記のような輝点状発光の抑制効果が得られる理由として、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａがｍ面に対してａ軸方向のオフ角度を持つことで、成長主面１０ａ上に活性層１４（井戸層１４ａ）を成長させる際に、Ｉｎ原子のマイグレーションの方向が変化し、Ｉｎ組成比の高い（Ｉｎ供給量が多い）条件でもＩｎの凝集が抑制されたためであると考えられる。また、活性層１４上に形成されるｐ型半導体層の成長モードも変化するため、ｐ型不純物であるＭｇの活性化率も向上し、ｐ型半導体層が低抵抗化することも理由の一つと考えられる。なお、ｐ型半導体層が低抵抗化することにより、電流を均一に注入し易くなるので、これによりＥＬ発光パターンが均一化する。
【０１１３】
また、本実施形態では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子の形成において、ゲインを高めることができる。
【０１１４】
また、本実施形態では、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１１５】
さらに、本実施形態では、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０上に、その成長主面１０ａから活性層１４（井戸層１４ａ）までの間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下（０．２μｍ）となるように構成することによって、表面モフォロジーを大きく改善し、良好な表面モフォロジーを得ることができる。これにより、ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層１１、下部ガイド層１３）における層厚の面内分布を均一化することができるとともに、これらＧａＮ層上に形成される半導体層においても、層厚の面内分布を均一化することができる。すなわち、ＧａＮ基板１０上に形成される窒化物半導体各層における層厚の面内分布を均一化することができる。また、表面モフォロジーを改善にすることによって、素子特性（たとえば、Ｉ−Ｌ特性、Ｉ−Ｖ特性、ファーフィールドパターン、波長など）のバラツキを低減することができるので、製造歩留まりを向上させることができる。これにより、規格の範囲内の特性を有する素子を容易に得ることができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性および信頼性をさらに向上させることもできる。
【０１１６】
また、本実施形態では、ａ軸方向のオフ角度の絶対値を０．１度より大きくすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を容易に抑制することができる。
【０１１７】
なお、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａが、ｍ面に対してｃ軸方向にもオフ角度を有する場合には、ａ軸方向のオフ角度をｃ軸方向のオフ角度より大きくすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。すなわち、このように構成することによって、ｃ軸方向のオフ角度が大きくなり過ぎることに起因して、輝点状発光の抑制効果が低減されるという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、容易に、発光効率を向上させることができる。
【０１１８】
また、本実施形態では、活性層１４の障壁層１４ｂをＡｌＧａＮから構成することによって、障壁層１４ｂの平坦性を向上させることができるので、平坦性の高い障壁層１４ｂ上に井戸層１４ａを形成することによって、井戸層１４ａの結晶性を向上させることができるとともに、井戸層におけるＩｎの層分離などを抑制することができる。これにより、発光効率をより向上させることができる。
【０１１９】
また、本実施形態では、窒化物半導体レーザ素子１００の活性層１４を、ＤＱＷ構造に構成することによって、駆動電圧を容易に低減することができる。このため、これによっても、素子特性および信頼性を向上させることができる。なお、活性層１４をＤＱＷ構造に構成した場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状発光を抑制することができる。また、ｍ面に対してオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いた場合において、ＧａＮ基板１０上に形成される活性層１４をＤＱＷ構造に構成することにより、活性層１４を多重量子井戸（ＭＱＷ；Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造に構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。これにより、輝度の高い窒化物半導体レーザ素子を容易に得ることができる。
【０１２０】
また、本実施形態では、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるキャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙを０．０８以上０．３５以下に構成することによって、キャリア（電子）に対して十分に高いエネルギー障壁を形成することができるので、活性層１４に注入されたキャリアがｐ型半導体層へ流入するのをより効果的に防ぐことができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。また、キャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙを０．３５以下とすることによって、Ａｌ組成比ｙが大きくなり過ぎることに起因するキャリアブロック層１５の高抵抗化を抑制することができる。なお、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が大きな領域（ｘ１≧０．１５）では、活性層１４上に形成されるキャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙが０．０８以上になると、キャリアブロック層１５を良好に成長させることが非常に難しくなる。それは、井戸層１４ａのＩｎ濃度が増大するにしたがい、活性層１４の表面の平坦性が悪化し、Ａｌ組成比ｙの高い層を結晶性よく成膜するのが困難になるためである。しかしながら、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いれば、活性層１４（井戸層１４ａ）のＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上０．４５以下の場合でも、その活性層１４上に、Ａｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下であるキャリアブロック層１５を結晶性よく形成することができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制して、ＥＬ発光パターンを均一化することができる。
【０１２１】
また、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いることによって、輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる条件である井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上の場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。このため、活性層１４の井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１を０．１５以上とすることによって、輝点状発光の抑制効果を顕著に得ることができる。また、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１を０．４５以下とすることによって、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．４５より大きくなることに起因して、格子不整合などの歪みにより活性層１４に転位が多数入るという不都合が生じるのを抑制することができる。
【０１２２】
また、本実施形態では、井戸層１４ａの下側（ＧａＮ基板１０側）に形成される障壁層１４ｂを、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ）から構成するとともに、そのＡｌ組成比ｘ２を０＜ｘ２≦０．０８とすることで、障壁層１４ｂの平坦性向上やダークラインの発生抑制などの効果を得ることができる。これにより、井戸層１４ａの発光効率を向上させることができるので、素子特性および信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１２３】
なお、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを２００ｎｍ以上とすれば、キャリアブロック層１５から活性層１４までキャリアが拡散していくときに電流が広がるため、輝点状発光が若干抑制される。その一方、ｍ面に対してオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いれば、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、２００ｎｍ以上としなくても、輝点状発光を効果的に抑制することができる。たとえば、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、１２０ｎｍよりも短くした場合でも、輝点状発光を効果的に抑制することができる。キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈは、短い方がキャリアの井戸層１４ａへの注入効率が向上するため好ましい。このため、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、１２０ｎｍより短くすることにより、キャリアの井戸層１４ａへの注入効率を向上させることができる。
【０１２４】
また、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の障壁層（たとえば本実施形態では第３障壁層）はＡｌとＩｎを含む窒化物半導体層であればより好ましい。キャリアブロック層は、障壁層より大きなＡｌ組成比で形成されるため、キャリアブロック層からの応力が井戸層にかかる。このため、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の障壁層を、Ｉｎを含むように構成することで、応力を緩和することができるため好ましい。また、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の障壁層は、ＡｌＩｎＧａＮを一部に含むことが好ましい。さらに、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の障壁層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮの２層構造、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮなどの多層構造としてもよい。なお、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の障壁層は、上記応力緩和の観点から、ＩｎＧａＮであってもよい。このように障壁層を形成することで、ダークラインの発生を効果的に抑制することができる。
【０１２５】
なお、障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層から構成することによって得られるダークライン発生抑制効果と、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を設けた面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いることで得られる輝点状発光抑制効果とは、まったく異なる効果である。すなわち、障壁層にＡｌを含む窒化物半導体層を用いる場合、ｍ面などの無極性面であれば効果がある。一方、ＩｎＧａＮからなる障壁層を用いた場合でも、オフ角度をａ軸方向に設けることで、発光パターンの輝点状発光の抑制が可能となる。しかしながら、ａ軸方向にオフ角度を有する窒化物半導体基板上にＡｌを含む窒化物半導体層を成膜すると結晶性などが向上するという効果が得られるため、ａ軸方向にオフ角度を有する窒化物半導体基板を用い、障壁層にＡｌを含む窒化物半導体層を用いた場合、障壁層の結晶性が向上する。このように、両方を組み合わせれば、相乗効果が得られるため、より好ましい。もちろん、ａ軸方向にオフ角度を有する窒化物半導体基板を用い、障壁層にＡｌを含む窒化物半導体層を用いれば、ダークラインの発生を抑制することができることに加えて、輝点状発光の抑制も可能となる。
【０１２６】
図７〜図１９は、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。次に、図２、図３および図５〜図１９を参照して、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。
【０１２７】
まず、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を準備する。このＧａＮ基板１０は、たとえば、ｃ面（０００１）を主面とするＧａＮバルク結晶から切り出した基板を種基板とし、この種基板上にＧａＮ結晶を成長させることによって作製される。具体的には、図７に示すように、下地基板３００上にＳｉＯ2からなる保護膜（図示せず）を部分的に形成した後、ＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル成長法を用いて、下地基板３００上に保護膜の上からＧａＮバルク結晶を成長させる。これにより、保護膜が形成されていない部分から成長が開始し、保護膜上部でＧａＮ結晶の横方向の成長が生じる。そして、横方向に成長したＧａＮ結晶同士が保護膜上で接合して成長を続け、下地基板３００上にＧａＮ結晶層４００ａが形成される。このＧａＮ結晶層４００ａは、下地基板３００を除去した後にも自立して取り扱いが可能なように、十分に厚く形成する。次に、形成されたＧａＮ結晶層４００ａから、たとえば、エッチングなどによって、下地基板３００を除去する。これにより、図８に示すように、ｃ面（０００１）を主面とするＧａＮバルク結晶４００が得られる。なお、下地基板３００としては、たとえば、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などを用いることが可能である。また、ＧａＮバルク結晶４００の厚みＳは、たとえば、約３ｍｍとすることができる。
【０１２８】
次に、得られたＧａＮバルク結晶４００の両主面である（０００１）面および（０００−１）面を、研削および研磨加工することにより、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとする。この平均粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１に規定する算術平均粗さＲａであり、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定することができる。
【０１２９】
次に、ＧａＮバルク結晶４００を、［１−１００］方向と垂直な複数の面でスライスすることにより、ｍ面｛１−１００｝を主面とする複数のＧａＮ結晶基板４１０を厚みＴ（たとえば、１ｍｍ）（幅Ｓ：３ｍｍ）で切り出す。そして、切り出したＧａＮ結晶基板４１０の研削および研磨加工が施されていない４面を研削および研磨加工することにより、これら４面の平均粗さＲａを５ｎｍとする。その後、図９および図１０に示すように、複数のＧａＮ結晶基板４１０において、その主面が互いに平行となるようにするとともに、それらＧａＮ結晶基板４１０の［０００１］方向が同一となるようして、互いに隣接させて配置する。
【０１３０】
続いて、図１１に示すように、互いに隣接させて配置した複数のＧａＮ結晶基板４１０を種基板として、これらＧａＮ結晶基板４１０のｍ面｛１−１００｝上に、ＨＶＰＥ法などのエピタキシャル成長法を用いて、ＧａＮ結晶を成長させる。これにより、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板１が得られる。次に、得られたＧａＮ基板１の主面を化学的機械的研磨処理によって研磨することにより、ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度を独立して制御し、ｍ面に対するａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度を所望のオフ角度とする。このオフ角度は、Ｘ線回折法により測定することができる。これにより、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向の各方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板１０が得られる。
【０１３１】
なお、上記ＧａＮ基板１０の作製において、オフ角度が大きい基板を作製する場合には、ＧａＮバルク結晶４００から複数のＧａＮ結晶基板４１０を切り出す際に、ＧａＮ結晶基板４１０の主面がｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有するように、［１−１００］方向に対して所定の切り出し角度で切り出してもよい。このようにすれば、ＧａＮ結晶基板４１０の主面がｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有する面となるため、その主面上に形成されるＧａＮ基板１（１０）の主面（成長主面）もｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有する面となる。
【０１３２】
また、ＧａＮバルク結晶４００（図８参照）から切り出したＧａＮ結晶基板４１０の主面を化学的機械的研磨処理によって研磨することにより、このＧａＮ結晶基板４１０を、ＧａＮ基板１０として用いることもできる。この場合、ＧａＮ結晶基板４１０の幅Ｓは、３ｍｍ以上とすることもできる。
【０１３３】
ここで、本実施形態では、上記ＧａＮ基板１０におけるａ軸方向のオフ角度を、０．１度より大きい角度となるように調整する。なお、ｃ軸方向にもオフ角度を設ける場合には、ｃ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きい角度に調整するのが好ましい。また、ｃ軸方向のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度より小さい角度に調整するのが好ましい。
【０１３４】
続いて、図１２に示すように、得られたＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を成長させる。このとき、ＧａＮ基板１０と活性層１４（井戸層１４ａ）との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍ以下となるように窒化物半導体各層を成長させる。
【０１３５】
具体的には、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、約０．１μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ層１１、約２．２μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる下部クラッド層１２、約０．１μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層１３、および活性層１４を順次成長させる。なお、活性層１４を成長させる際には、図５に示したように、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎからなる２つの井戸層１４ａと、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎからなる３つの障壁層１４ｂとを交互に成長させる。具体的には、下部ガイド層１３上に、下層から上層に向かって、約３０ｎｍの厚みを有する第１障壁層１４１ｂ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みを有する第１井戸層１４１ａ、約１６ｎｍの厚みを有する第２障壁層１４２ｂ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みを有する第２井戸層１４２ａおよび約６０ｎｍの厚みを有する第３障壁層１４３ｂを順次成長させる。これにより、下部ガイド層１３上に、２つの井戸層１４ａと３つの障壁層１４ｂとからなるＤＱＷ構造を有する活性層１４が形成される。このとき、井戸層１４ａは、そのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上０．４５以下（たとえば、０．２〜０．２５）となるように構成する。一方、障壁層１４ｂは、そのＡｌ組成比ｘ２が、たとえば、０＜ｘ２≦０．０８となるように構成する。
【０１３６】
次に、図１２に示すように、活性層１４上に、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるキャリアブロック層１５、約０．０５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる上部ガイド層１６、約０．５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる上部クラッド層１７および約０．１μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるコンタクト層１８を順次成長させる。この際、キャリアブロック層１５は、その厚みが４０ｎｍ以下（たとえば、約１２ｎｍ）となるように形成するのが好ましい。また、キャリアブロック層１５は、そのＡｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下（たとえば、約０．１５）となるように構成する。なお、ｎ型半導体層（ｎ型ＧａＮ層１１、下部クラッド層１２および下部ガイド層１３）には、ｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープし、ｐ型半導体層（キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８）には、ｐ型不純物として、Ｍｇをドープする。
【０１３７】
また、本実施形態では、ｎ型半導体層は、９００℃以上であって、１３００℃より低い成長温度（たとえば、１０７５℃）で形成する。また、活性層１４の井戸層１４ａは、６００℃以上８００℃以下の成長温度（たとえば、７００℃）で形成する。井戸層１４ａに接する障壁層１４ｂは、井戸層１４ａと同じ成長温度（たとえば、７００℃）で形成する。さらに、ｐ型半導体層は、７００℃以上であって、９００℃より低い成長温度（たとえば、８８０℃）で形成する。なお、ｎ型半導体層の成長温度は、９００℃以上１３００未満が好ましく、１０００℃以上１３００未満であればより好ましい。また、活性層１４の井戸層１４ａの成長温度は、６００℃以上８３０℃以下が好ましく、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上の場合には、６００℃以上７７０℃以下が好ましい。６３０℃以上７４０℃以下であればより好ましい。また、活性層１４の障壁層１４ｂの成長温度は、井戸層１４ａと同じ温度か、井戸層１４ａより高い温度が好ましい。さらに、ｐ型半導体層の成長温度は、７００℃以上９００℃未満が好ましく、７００℃以上８８０℃以下であればより好ましい。もちろん、９００℃以上の温度でｐ型半導体層を形成してもｐ型伝導が得られるため、ｐ型半導体層を９００℃以上の温度で形成してもよい。
【０１３８】
なお、これらの窒化物半導体の成長原料としては、たとえば、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ：ＴＭＧａ）を、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ：ＴＭＡｌ）を、Ｉｎの原料としてトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ：ＴＭＩｎ）を、Ｎの原料としてＮＨ3を用いることができる。また、キャリアガスとしては、たとえば、Ｈ2を用いることができる。ドーパントについては、ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）としては、たとえば、モノシラン（ＳｉＨ4）を用いることができ、ｐ型ドーパント（ｐ型不純物）としては、たとえば、シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）を用いることができる。
【０１３９】
次に、図１３に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、コンタクト層１８上に、約１μｍ〜約１０μｍ（たとえば約１．５μｍ）の幅を有するとともに、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に平行に延びるストライプ状（細長状）のレジスト４５０を形成する。そして、図１４に示すように、ＳｉＣｌ4、Ｃｌ2などの塩素系ガスや、ＡｒガスなどによるＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を用いて、レジスト４５０をマスクとして上部ガイド層１６の途中の深さまでエッチングを行う。これにより、上部ガイド層１６の凸部と上部クラッド層１７とコンタクト層１８とによって構成されるとともに、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に互いに平行に延びるストライプ状（細長状）のリッジ部１９（図３および図６参照）が形成される。
【０１４０】
続いて、図１５に示すように、リッジ部１９上にレジスト４５０を残した状態で、スパッタ法などにより、約０．１μｍ〜約０．３μｍ（たとえば約０．１５μｍ）の厚みを有するＳｉＯ2からなる絶縁層２０を形成し、リッジ部１９を埋め込む。そして、リフトオフによりレジスト４５０を除去することによって、リッジ部１９の上部のコンタクト層１８を露出させる。これにより、リッジ部１９の両脇に、図１６に示すような絶縁層２０が形成される。
【０１４１】
次に、図１７に示すように、真空蒸着法などを用いて、基板側（絶縁層２０側）から、約１５μｍの厚みを有するＰｄ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、絶縁層２０（コンタクト層１８）上に、多層構造からなるｐ側電極２１を形成する。
【０１４２】
次に、基板を分割し易くするために、ＧａＮ基板１０の裏面を研削または研磨することにより、ＧａＮ基板１０を１００μｍ程度の厚みまで薄くする。その後、図２に示したように、ＧａＮ基板１０の裏面上に、真空蒸着法などを用いて、ＧａＮ基板１０の裏面側から約５ｎｍの厚みを有するＨｆ層（図示せず）および約１５０ｎｍの厚みを有するＡｌ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるｎ側電極２２を形成する。そして、ｎ側電極２２上に、ｎ側電極２２側から約３６ｎｍの厚みを有するＭｏ層（図示せず）、約１８ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるメタライズ層２３を形成する。なお、ｎ側電極２２の形成前に、ｎ側の電気特性の調整などの目的でドライエッチングやウェットエッチングを行ってもよい。
【０１４３】
続いて、図１８に示すように、スクライブ／ブレーク法やレーザスクライブなどの手法を用いて、基板をバー状に分割する。これにより、その端面を共振器面３０とするバー状の素子が得られる。次に、蒸着法やスパッタ法などの手法を用いて、バー状の素子の端面（共振器面３０）にコーティングを施す。具体的には、光出射面となる片側の端面に、たとえば、アルミニウムの酸窒化膜などからなる出射側コーティング膜（図示せず）を形成する。また、光反射面となるその反対側の端面に、たとえば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの多層膜からなる反射側コーティング膜（図示せず）を形成する。
【０１４４】
最後に、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に沿った分割予定線Ｐに沿ってバー状の素子を分割することにより、図１９に示すように、個々の窒化物半導体レーザ素子に個片化する。このようにして、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００が製造される。
【０１４５】
このようにして製造された一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図２０に示すように、サブマウント１１０を介してステム１２０上にマウントされ、ワイヤ１３０によってリードピンと電気的に接続される。そして、キャップ１３５がステム１２０上に溶接されることにより、キャンパッケージ型の半導体レーザ装置（半導体装置）１５０に組み立てられる。
【０１４６】
本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法では、上記のように、ＧａＮ基板１０と活性層１４（井戸層１４ａ）との間に形成されるＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層１１、下部ガイド層１３）を、そのトータル層厚が０．７μｍ以下（０．２μｍ）となるように形成することによって、良好な表面モフォロジーを得ることができる。これにより、窒化物半導体各層における層厚の面内分布を均一化することができるので、窒化物半導体各層の平坦性を向上させることができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性のバラツキを低減することができるので、規格の範囲内の特性を有する素子を増加させることができる。これにより、製造歩留まりを向上させることができる。なお、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性および信頼性をさらに向上させることもできる。
【０１４７】
また、本実施形態では、ｎ型半導体層を、９００℃以上の高温で形成することによって、ｎ型半導体層の層表面を平坦化することができる。このため、平坦化されたｎ型半導体層上に活性層１４およびｐ型半導体層を形成することにより、活性層１４およびｐ型半導体層における結晶性の低下を抑制することができる。そのため、これによっても、高品質な結晶を形成することができる。また、ｎ型半導体層を、１３００℃より低い成長温度で形成することによって、１３００℃以上の成長温度で形成されることに起因して、昇温時にＧａＮ基板１０の表面が再蒸発し、表面荒れが引き起こされるという不都合が生じるのを抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子１００を容易に製造することができる。
【０１４８】
また、本実施形態では、活性層１４の井戸層１４ａを、６００℃以上の成長温度で形成することによって、６００℃より低い成長温度で形成することに起因して、原子の拡散長が短くなり結晶性が悪化するという不都合が生じるのを抑制することもできる。また、活性層１４の井戸層１４ａを、８００℃以下の成長温度で形成することによって、８００℃より高い成長温度（たとえば、８３０℃以上）で活性層１４の井戸層１４ａが形成されることに起因して、熱ダメージによって活性層１４が黒色化されるという不都合が生じるのを抑制することができる。なお、井戸層１４ａに接する障壁層１４ｂの成長温度は、井戸層１４ａと同じ温度か、井戸層１４ａより高い温度が好ましい。
【０１４９】
また、本実施形態では、ｐ型半導体層を、７００℃以上の成長温度で形成することによって、ｐ型半導体層の成長温度が低すぎることに起因して、ｐ型半導体層が高抵抗化されるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、ｐ型半導体層を、１１００℃より低い成長温度で形成することによって、活性層１４の熱ダメージを低減することができる。なお、障壁層をＡｌＧａＮや、ＡｌＩｎＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体層から構成することによって、ｐ型半導体層を形成する際に発生する熱ダメージに対して活性層が強くなる。すなわち、ｐ型半導体層を１０００℃以上の成長温度で形成した場合でも、熱ダメージによる活性層の黒色化を抑制することができる。
【０１５０】
次に、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、まず、確認用素子として、図２１に示すような発光ダイオード素子２００を作製し、ＥＬ発光パターンの観察を行った。なお、ＥＬ発光パターンの観察に発光ダイオード素子を用いたのは、窒化物半導体レーザ素子では、リッジ部の形成によって電流注入される領域が狭められているため、ＥＬ発光パターンの観察が困難になるからである。
【０１５１】
この確認用素子（発光ダイオード素子２００）は、上記実施形態と同様のＧａＮ基板１０上に、同様の窒化物半導体層を形成することによって作製した。窒化物半導体層の形成は、上記実施形態と同様の方法を用いて行った。具体的には、図２１に示すように、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いて、その成長主面１０ａ上に、ｎ型ＧａＮ層１１、下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、活性層１４、キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８を順次形成した。次に、コンタクト層１８上に、ｐ側電極２２１を形成した。このｐ側電極２２１は、ＥＬ発光パターンを確認するために透明電極とした。また、ＧａＮ基板１０の裏面上には、ｎ側電極２２およびメタライズ層２３を形成した。確認用素子におけるＧａＮ基板１０のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角が１．７度、ｃ軸方向のオフ角度が＋０．１度であった。また、確認用素子における井戸層のＩｎ組成比は、０．２５であり、障壁層のＡｌ組成比は、２％であった。このようにして作製した確認用素子（発光ダイオード素子２００）に電流注入を行うことによって、確認用素子（発光ダイオード素子２００）を発光させ、面内光分布を観察した。図２２に、確認用素子において観察されたＥＬ発光パターンの顕微鏡写真を示す。
【０１５２】
また、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板（ほぼｍ面ジャスト基板：ａ軸方向のオフ角度が０度、ｃ軸方向のオフ角度が＋０．０５度）を用いた発光ダイオード素子を比較用素子として作製した。この比較用素子は、上記確認用素子と同一方法で作製した。Ｉｎガス流量は、確認用素子と同一としたが、比較用素子における井戸層のＩｎ組成比は、０．２であった。また、比較用素子の障壁層はＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎとした。そして、確認用素子と同様に、面内光分布の観察を行った。比較用素子は、ＧａＮ基板にｍ面ジャスト基板を用いている点、井戸層のＩｎ組成比が０．２である点および障壁層をＩｎＧａＮから構成した点を除き、確認用素子（発光ダイオード素子２００）と同様の構成とした。なお、図３３に示したＥＬ発光パターンが、比較用素子において観察されたＥＬ発光パターン（顕微鏡写真）である。
【０１５３】
図３３に示したように、比較用素子では、ＥＬ発光パターンが輝点状化しているのに対し、図２２に示すように、確認用素子では、井戸層のＩｎ組成比が高いにもかかわらず、ＥＬ発光パターンの輝点状化が抑制され、均一発光のＥＬ発光パターンとなっているのがわかる。これより、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化が抑制されることが確認された。さらに、障壁層をＩｎＧａＮから構成した比較用素子では、上記した図３１と同様、ＰＬ発光パターンにダークラインが発生していたのに対し、障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ）から構成した確認用素子では、上記した図３２と同様、ダークラインの発生は見られなかった。
【０１５４】
また、確認用素子および比較用素子の発光効率を測定したところ、確認用素子の発光効率は、比較用素子の発光効率に対して２．２倍に増加していることが確認された。なお、確認用素子の発光波長は、５３０ｎｍであり、比較用素子の発光波長は、４９０ｎｍであった。このことより、オフ角度を制御した確認用素子では、ｍ面ジャスト基板を用いた比較用素子に比べて、Ｉｎの取り込みに関しても効率がよいことが確認された。以上より、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を設けることにより、緑色の波長領域において、輝点状発光の抑制効果が得られ、発光効率が増加することが確認された。
【０１５５】
さらに、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層から構成することにより、５３０ｎｍと非常に長波長の発光波長領域においても、均一で発光強度の高い素子が得られることが確認された。また、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層から構成することにより得られる効果である、長波長領域での発光強度の増加は、ｍ面、もしくはａ面などの成長主面を持つ無極性基板を用いた場合に好ましく得られることが確認された。この場合、Ａｌを含む窒化物半導体層を平坦性よく、結晶性よく成膜することができる、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する基板を用いることにより、ＥＬ発光パターンの均一性まで非常に良好になるため、より好ましいことが分かった。
【０１５６】
続いて、ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度が異なる複数のＧａＮ基板を用いて、図２１に示した発光ダイオード素子２００と同様の素子を複数作製し、ＥＬ発光パターンの観察等の実験を行った。
【０１５７】
その結果、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を設けることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化の抑制効果が得られることが明らかとなった。また、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以下の範囲では、輝点状発光の抑制効果が小さく、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以上になると、ＥＬ発光パターンの輝点状化の抑制効果が顕著に現れることが判明した。これより、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、ＧａＮ基板の成長主面とすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制可能であることが確認された。また、ａ軸方向のオフ角度をｃ軸方向のオフ角度より大きくすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化がより効果的に抑制されることが確認された。
【実施例１】
【０１５８】
実施例１による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が１．７度、ｃ軸方向のオフ角度が＋０．１度であるＧａＮ基板を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。また、井戸層のＩｎ組成比は、０．２５とし、障壁層のＡｌ組成比は、２％とした。この実施例１のその他の構成は、上記実施形態と同様である。なお、オフ角度を有さないＧａＮ基板（ｍ面ジャスト基板）を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様に作製した窒化物半導体レーザ素子を比較例とした。比較例による窒化物半導体レーザ素子のその他の構成は、実施例１と同様である。
【０１５９】
実施例１および比較例について、閾値電流を測定したところ、比較例による窒化物半導体レーザ素子では閾値電流の値が１２０ｍＡ程度であったのに対し、実施例１による窒化物半導体レーザ素子では閾値電流の値が５５ｍＡであり、実施例１による窒化物半導体レーザ素子では、比較例に比べて、閾値電流が非常に小さくなることが確認された。これは、輝点状発光が抑制されて、面内で均一に発光することでゲインが大きくなったためとも考えられる。さらに、駆動電圧に関しても、実施例１による窒化物半導体レーザ素子では、比較例に比べて、５０ｍＡ電流注入時の駆動電圧が、０．４Ｖ程度小さくなることが確認された。このような結果が得られた理由として、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、ＧａＮ基板の成長主面とすることによって、ｐ型半導体層におけるＭｇの取り込まれが変化し、活性化率が向上したためとも考えられる。また、実施例１による窒化物半導体レーザ素子の発光波長は、５０５ｎｍであった。このように、５００ｎｍ以上の長波長の発振においても、比較的低い閾値電流密度で発振できたのは、ａ軸方向にオフ角度を有する窒化物半導体基板と活性層（井戸層）との間に、トータル層厚が０．７μｍ以下となるようにＧａＮ層を形成することで、表面モフォロジーが改善し、膜の平坦性が改善されたためであると考えられる。さらに、障壁層にＡｌを含む窒化物半導体層を用いることで、ダークラインの発生の抑制などの効果があったものと考えられる。
【実施例２】
【０１６０】
実施例２による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が４度、ｃ軸方向のオフ角度が＋１度であるＧａＮ基板を用いて、障壁層がＡｌsＩｎtＧａuＮ（ｓ＋ｔ＋ｕ＝１）からなる窒化物半導体レーザ素子を作製した。この実施例２では、障壁層を、ＡｌsＩｎtＧａuＮ（ｓ＝０．０１，ｔ＝０．０３，ｕ＝０．９６）から構成した。すなわち、実施例２では、障壁層をＡｌＩｎＧａＮから構成した。実施例２の障壁層以外の構成は、上記実施形態（実施例１）と同様である。また、実施例２においても、上記実施例１と同様の効果が得られた。なお、障壁層をＡｌsＩｎtＧａuＮ（ｓ＋ｔ＋ｕ＝１）から構成する場合は、上記実施形態のようにＩｎ組成よりＡｌ組成が小さいほうが好ましい。長波長領域の発光波長を実現するために、活性層を９００℃以下、通常７００℃〜８００℃程度の低温で成膜しなければならないため、Ｉｎを入れることで、低温成長において結晶性が向上するのではと考えている。また、障壁層を、Ｉｎを含むＡｌＩｎＧａＮ層にすることで、屈折率をＡｌＧａＮ層に比べ大きくすることができるので、光閉じ込めを効率的に行うことができる。
【実施例３】
【０１６１】
実施例３による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が６度、ｃ軸方向のオフ角度が−１．１度であるＧａＮ基板を用いて、障壁層がＡｌsＩｎtＧａuＮ（ｓ＋ｔ＋ｕ＝１）からなる窒化物半導体レーザ素子を作製した。この実施例３では、第１障壁層をＡｌsＩｎtＧａuＮ（ｓ＝０．０１，ｔ＝０，ｕ＝０．９９）から構成し、第２障壁層および第３障壁層を、ＡｌsＩｎtＧａuＮ（ｓ＝０．０２，ｔ＝０．０１，ｕ＝０．９７）から構成した。すなわち、実施例３では、第１障壁層をＡｌＧａＮから構成し、第２および第３障壁層をそれぞれＡｌＩｎＧａＮから構成した。実施例３の障壁層以外の構成は、上記実施形態（実施例１）と同様である。また、実施例３においても、上記実施例１と同様の効果が得られた。なお、実施例３のように、第１障壁層と第２および第３障壁層との組成が異なっていてもよいし、全ての障壁層のＡｌ組成が異なっていてもよい。
【実施例４】
【０１６２】
実施例４による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が６度、ｃ軸方向のオフ角度が＋２度であるＧａＮ基板を用いて、実施例１とほぼ同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。すなわち、実施例４では、障壁層をＡｌＧａＮから構成した。ただし、実施例１では、３つの障壁層（第１障壁層、第２障壁層および第３障壁層）のＡｌ組成比を同じに構成しているのに対し、この実施例４では、異なるＡｌ組成比とした。具体的には、第１障壁層のＡｌ組成比を２％、第２および第３障壁層のＡｌ組成比を０．０８％とした。この実施例４においても、上記実施例１と同様の効果が得られた。なお、実施例４のように、第１障壁層のＡｌ組成比が、他の障壁層のＡｌ組成比より高い場合においても、同様の効果が得られた。
【実施例５】
【０１６３】
実施例５による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が８度、ｃ軸方向のオフ角度が＋４度であるＧａＮ基板を用いて、実施例１とほぼ同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。ただし、実施例５では、基板の成長主面と接する半導体層は、ｎ型ＧａＮ層ではなく、下部クラッド層となっている。すなわち、実施例５では、ｎ型ＧａＮ層が形成されておらず、基板の成長主面上に、約２．２μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる下部クラッド層から窒化物半導体層が積層されている。なお、この場合も同様の効果が得られた。
【実施例６】
【０１６４】
実施例６による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が３度、ｃ軸方向のオフ角度が＋１度であるＧａＮ基板を用いて、実施例１とほぼ同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。ただし、基板の成長主面と接する半導体層は、ｎ型ＧａＮ層に代えて、約０．１μｍの厚みを有するＩｎ0.02Ｇａ0.98ＮからなるＩｎＧａＮ層となっている。すなわち、実施例６では、ＩｎＧａＮ層始まりで、窒化物半導体各層が形成されている。この場合も同様の効果が得られた。
【実施例７】
【０１６５】
実施例７による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が４度、ｃ軸方向のオフ角度が＋１度であるＧａＮ基板を用いて、実施例１とほぼ同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。ただし、実施例７では、基板の成長主面と接する半導体層は、ｎ型ＧａＮ層ではなく、約０．１μｍの厚みを有するｎ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎとなっている。すなわち、実施例７では、ｎ型ＧａＮ層が形成されておらず、基板の成長主面上に、約０．１μｍの厚みを有するｎ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなる窒化物半導体層が積層されている。その上に、約１．５μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.10Ｇａ0.94Ｎ（層厚：４ｎｍ）／ＧａＮ（層厚：２ｎｍ）の１周期の構造を持つ超格子構造からなる下部クラッド層が形成されている。なお、この場合も同様の効果が得られた。
【実施例８】
【０１６６】
この実施例８では、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が３度、ｃ軸方向のオフ角度が＋０．５度であるＧａＮ基板を用いて、ＬＥＤを作製した。この実施例８では、基板の成長主面上に、n型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ層を約１μｍの層厚で成膜した後、Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ（層厚：約１５ｎｍ）／Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ（層厚：約３ｎｍ）の４ＱＷ活性層を成膜した。次に、４ＱＷ活性層上に、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層を約２０ｎｍの層厚で成膜した。そして、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層上に、約０．２μｍの層厚でｐ型ＧａＮコンタクト層を成膜した。その後、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に、酸化物系透明導電膜であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）をＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）蒸着機により約５０ｎｍの層厚で成膜することにより、ＩＴＯからなるｐ側電極を形成した。このように構成された実施例８においても、ダークラインの発生抑制効果、発光効率の改善効果および輝点状発光の抑制効果が得られた。
【０１６７】
なお、上記酸化物系透明導電膜として、酸化インジウム系のＩＴＯ透明導電膜以外に、酸化亜鉛が主原料のＺｎＯ系透明導電膜、酸化スズ系のＳｎＯ2系透明導電膜などを用いてもよい。これらの透明導電膜を用いることで、光取り出し効率を格段に向上させることができる。また、ｍ面に対してa軸方向にオフ角度を有する基板を用いることで、表面モフォロジーの改善したｐ型層上に形成することができるので、低いコンタクト抵抗を得ることが出来、また、輝点状発光が抑制されて均一発光、均一注入できることで、発光効率の向上が可能となり、上記基板上に形成した窒化物半導体層のコンタクト電極に用いることは、非常にメリットが大きく好ましい。電極アニール温度が低温で可能な、ＩＴＯ電極は、活性層に熱ダメージを与えにくいという観点で特に好ましい。実施例８では、アニール処理を４００度で行っている。
【実施例９】
【０１６８】
この実施例９では、実施例８と同様の基板を用いて、実施例８とほぼ同じ構造のＬＥＤを作製した。ただし、実施例９では、ＡｌsＩｎtＧａuＮ（ｓ＝０．０１，ｔ＝０．０３，ｕ＝０．９６）障壁層を用いている。この場合も上記と同様の効果が得られた。また、障壁層がＡｌを含み、更にＩｎを含むことで、低温での成長が可能となるため、好ましい。
【０１６９】
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。
【０１７０】
たとえば、上記実施形態では、窒化物半導体素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、実施例８および９で示したように、窒化物半導体発光ダイオード素子に本発明を適用することもできる。また、窒化物半導体レーザ素子や窒化物半導体発光ダイオード素子などの窒化物半導体発光素子以外の半導体素子に本発明を適用してもよい。たとえば、パワートランジスタやＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの電子デバイスに本発明を適用してもよい。
【０１７１】
また、上記実施形態では、ａ軸方向のオフ角度を０．１度より大きい角度に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ａ軸方向のオフ角度は０．１度以下の角度であってもよい。ただし、輝点状発光の抑制効果や表面モフォロジーなどを考慮すると、ａ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きい角度であることが好ましい。
【０１７２】
また、上記実施形態では、活性層の量子井戸構造を、ＤＱＷ構造に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＤＱＷ構造以外の量子井戸構造に活性層を構成してもよい。たとえば、活性層の量子井戸構造を、ＳＱＷ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造に構成してもよい。具体的には、たとえば、図２３に示すように、下部ガイド層１３上に、ＩｎＧａＮからなる１つの井戸層５４ａと、Ａｌ0.005Ｇａ0.995Ｎからなる２つの障壁層５４ｂとが交互に積層されたＳＱＷ構造を有する活性層５４を形成することができる。なお、井戸層５４ａの厚みは、約３ｎｍ〜約４ｎｍ、障壁層５４ｂの厚みは、約７０ｎｍに構成することができる。また、上記実施形態の構成において、活性層をＳＱＷ構造に構成することにより、活性層をＤＱＷ構造に構成した場合に比べて、駆動電圧を低減することが可能となる。具体的には、ＳＱＷ構造の活性層では、ＤＱＷ構造の活性層に比べて、５０ｍＡ電流注入時の駆動電圧が０．１Ｖ〜０．２５Ｖ程度低減する。これは、ＤＱＷ構造の場合、二つの井戸層に挟まれた障壁層のキャリアが空乏化するために、障壁層で大きな電界がかかってしまうために引き起こされているのではないかと考えられる。また、上記活性層は、ＳＱＷ構造以外に、ＭＱＷ構造に構成してもよい。活性層をＳＱＷ構造またはＭＱＷ構造にした場合でも、輝点状発光の抑制効果を得ることができる。なお、井戸層が３層以上の多重量子井戸構造の場合には、光閉じ込めを有効に行うことができるため、ゲインを高めることができる。
【０１７３】
また、上記実施形態では、窒化物半導体基板としてＧａＮ基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ基板以外の窒化物半導体基板を用いてもよい。たとえば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、および、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる窒化物半導体基板を用いてもよい。また、基板上に結晶成長される窒化物半導体各層については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。また、導電型を一部の半導体層について変更してもよい。すなわち、窒化物半導体レーザ素子としての基本特性が得られる限り自由に変更可能である。
【０１７４】
また、上記実施形態では、井戸層のＩｎ組成比を、０．２〜０．２５に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、井戸層のＩｎ組成比は、０．１５以上０．４５以下の範囲内で適宜変更することができる。また、井戸層のＩｎ組成比は、０．１５より小さい値にしてもよい。また、井戸層には、５％以内であればＡｌが含まれていてもよい。また、キャリアブロック層には、７％以内程度であればＩｎが含まれていても良い。Ｉｎを含むことで、低温にて結晶性の良い膜を形成しやすくなるため好ましく、さらに、Ａｌを含む、または、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体半導体層で形成された障壁層を含んで構成される活性層への歪を軽減することができるため、好ましい。
【０１７５】
また、上記実施形態において、障壁層のＡｌ組成比ｘ２は、０＜ｘ２≦０．０８の範囲内で適宜変更することができる。なお、障壁層をＡｌＧａＮから構成することによって、井戸層のＩｎ組成比を増加したときに活性層に発生する、ｃ軸方向に対して平行方向に入る転位（ＥＬ発光パターンを見るとダークラインのように見える）を抑制することができる。
【０１７６】
また、上記実施形態では、活性層の障壁層をＡｌＧａＮから構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＡｌＧａＮ以外の、たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層などから障壁層を構成することもできる。そして、このように構成することによっても、発光効率および信頼性を向上させることができる。
【０１７７】
また、上記実施形態では、キャリアブロック層と井戸層との間の距離を第３障壁層の厚みと同じにしたが、キャリアブロック層と井戸層（最もキャリアブロック層側の井戸層）との間に組成の異なる複数の窒化物半導体層を形成してもよい。また、キャリアブロック層と井戸層（最もキャリアブロック層側の井戸層）の間の一部にＭｇなどのｐ型不純物をドーピングし、ｐ型化することも好ましい。なお、上記実施形態では、ノンドープとしている。
【０１７８】
また、上記実施形態では、基板と活性層との間に、ｎ型ＧａＮ層および下部ガイド層の２つのＧａＮ層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、トータル層厚が０．７μｍ以下であれば、上記以外のＧａＮ層が形成されていてもよい。また、基板と活性層との間に、ＧａＮ層が形成されない構成にしてもよい。この場合、基板上に積層される層構造にＧａＮ層を含まず、これらの層構造を、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮなどのＧａＮとは異なる組成の半導体層で構成するのが好ましい。
【０１７９】
また、上記実施形態では、ＧａＮ基板の成長主面と接する半導体層をＧａＮ層とした例を示したが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ基板の成長主面と接する半導体層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＩｎＧａＮ層、または、ＩｎＮ層などであってもよい。
【０１８０】
なお、窒化物半導体基板と接して形成される半導体層は、ｎ型の導電型であってもよいし、ｐ型の導電型であってもよい。また、アンドープであってもよい。
【０１８１】
また、上記実施形態では、３層の障壁層の全てをＡｌＧａＮ層とした例を示したが、本発明はこれに限らず、３層の障壁層の一部の層を、ＡｌＧａＮ層としてもよい。複数の障壁層のうち、井戸層と接する少なくとも１層がＡｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層など）から構成されていれば、発光効率向上の効果は得られる。なお、活性層の井戸層の層数が異なると障壁層の層数も異なるが、この場合でも、少なくとも１層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層から構成することで、上記効果が得られる。上記実施形態を例にすると、たとえば、井戸層を形成する前の下地の平坦性を向上させるためには、井戸層を形成する前の下地層である第１障壁層と第２障壁層とをＡｌを含む窒化物半導体層とするのが好ましい。また、ＡｌＧａＮ層は、ＩｎＧａＮ層の蒸発防止層としての役割も果たすため、蒸発防止の観点から、井戸層上に形成される第２障壁層と第３障壁層とをＡｌを含む窒化物半導体層とすることもできる。さらに、第２障壁層を、第１井戸層と接する側と、第２井戸層と接する側との２層構造として、第２障壁層の第１井戸層と接する側を下部第２障壁層、第２障壁層の第２井戸層と接する側と上部第２障壁層としてもよい。下地の平坦性を向上させるためには、上部第２障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層とするのが好ましい。一方、蒸発防止の観点から、下部第２障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層とするのが好ましい。また、全ての障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層としてもよい。
【０１８２】
また、上記実施形態では、複数の障壁層を異なる厚みに形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、複数の障壁層を同じ厚みに形成してもよい。
【０１８３】
また、上記実施形態では、ＧａＮ基板上に、基板と活性層との間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚を０．７μｍ以下とした状態で、活性層の障壁層をＡｌＧａＮから構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記ＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍより大きい場合であっても、障壁層をＡｌＧａＮから構成することで、発光効率向上の効果を得ることができる。
【０１８４】
また、上記実施形態では、キャリアブロック層を４０ｎｍ以下の厚みに形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、キャリアブロック層の厚みは４０ｎｍより大きくてもよい。また、キャリアブロック層に、３％程度のＩｎが含まれていても、本発明の効果は得られる。また、キャリアブロック層のＡｌ組成比は、駆動電圧低減の目的から、上部クラッド層のＡｌ組成比より高いことが好ましい。
【０１８５】
また、上記実施形態では、ｎ型半導体層のｎ型不純物としてＳｉを用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型不純物として、Ｓｉ以外に、たとえば、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇまたはＢｅを用いてもよい。なお、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、ＯおよびＣｌが特に好ましい。
【０１８６】
また、上記実施形態では、絶縁層をＳｉＯ2から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＯ2以外の絶縁性材料から構成してもよい。たとえば、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3やＺｒＯ2などから絶縁層を構成してもよい。
【０１８７】
また、上記実施形態において、結晶軸方向（［１−１００］方向、［１１−２０］方向および［０００１］方向）は、結晶学的に等価な方向であればよい。
【０１８８】
また、上記実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＭＯＣＶＤ法以外のエピタキシャル成長法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。ＭＯＣＶＤ法以外の方法としては、たとえば、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、および、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）などが考えられる。
【符号の説明】
【０１８９】
１０                          ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）
１０ａ                        成長主面
１１                          ｎ型ＧａＮ層（窒化物半導体層）
１２                          下部クラッド層（窒化物半導体層）
１３                          下部ガイド層（窒化物半導体層）
１４                          活性層（窒化物半導体層）
１４ａ                        井戸層
１４ｂ                        障壁層
１５                          キャリアブロック層（窒化物半導体層）
１６                          上部ガイド層（窒化物半導体層）
１７                          上部クラッド層（窒化物半導体層）
１８                          コンタクト層（窒化物半導体層）
１９                          リッジ部
２０                          絶縁層
２１                          ｐ側電極
２２                          ｎ側電極
２３                          メタライズ層
３０                          共振器面
３０ａ                        光出射面
３０ｂ                        光反射面
１００                        窒化物半導体レーザ素子（窒化物半導体素子）
１１０                        サブマウント
１２０                        ステム
１３０                        ワイヤ
１３５                        キャップ
１５０                        半導体レーザ装置（半導体装置）
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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