(57)【要約】【課題】発光層への光の閉じ込めを向上すると共にクラックの発生を低減する構造を有しIII族窒化物半導体基板を用いる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子１１では、発光層１５は、III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａ上に設けられおり、またIII族元素として少なくともインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。ＡｌＧａＮクラッド層１７は、III族窒化物半導体基板１３と発光層１５との間に設けられている。ＡｌＧａＮクラッド層１７は、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）層１９および第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ１＜Ｘ２）層２１とを含む。第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１は、III族窒化物半導体基板１３と発光層１５との間に位置している。第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９は、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１とIII族窒化物半導体基板１３との間に位置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体基板と、
III族元素として少なくともインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなり、前記III族窒化物半導体基板の主面上に設けられた発光層と、
前記III族窒化物半導体基板と前記発光層との間に設けられたＡｌＧａＮクラッド層と
を含み、
前記ＡｌＧａＮクラッド層は、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）層と第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ１＜Ｘ２）層とを含み、
前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は、前記III族窒化物半導体基板と前記発光層との間に位置しており、
前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層は、前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層と前記III族窒化物半導体基板との間に位置する、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層のＡｌ組成が４％未満（Ｘ１＜０．０４）であり、
前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の膜厚が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層のＡｌ組成が４％以上（０．０４≦Ｘ２）であり、
前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層の膜厚が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層が前記III族窒化物半導体基板の主面を覆うようにエピタキシャル成長されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記III族窒化物半導体基板と前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層との間に設けられた第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層（Ｘ１＜Ｘ３≦１）を更に備え、
前記第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層は前記III族窒化物半導体基板の主面上にエピタキシャル成長されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の膜厚は、前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの膜厚より厚い、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
III族窒化物半導体基板と、
III族元素として少なくともインジウムを含むIII族窒化物からなり、前記III族窒化物半導体基板上に設けられた発光層と、
前記III族窒化物半導体基板と前記発光層との間に設けられたＡｌＧａＮクラッド層と
を含み、
前記ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が、前記III族窒化物半導体基板から前記発光層に向く方向に単調に変化しており、
前記ＡｌＧａＮクラッド層は、第１の面と該第１の面に対向する第２の面とを有しており、
前記III族窒化物半導体基板、前記第１の面、前記第２の面および前記発光層は、順に配列されており、
前記ＡｌＧａＮクラッド層の前記第１の面における第１のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮクラッド層の前記第２の面における第２のＡｌ組成より小さい、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１のＡｌ組成は４％未満である、ことを特徴とする請求項７に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第２のＡｌ組成は４％以上である、ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ＡｌＧａＮクラッド層が前記III族窒化物半導体基板の主面に接している、ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ＡｌＧａＮクラッド層と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０≦Ｘ４＜１）を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記III族窒化物半導体基板がＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１または７に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記III族窒化物半導体基板が、第１の欠陥密度より大きい欠陥密度を有する複数の第１の領域と、前記第１の欠陥密度より小さい欠陥密度を有する第２の領域とを含み、
前記主面は、前記第１および第２の領域がそれぞれ現れた第１および第２のエリアを有し、
前記第１の領域の間には前記第２の領域が設けられている、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第２の領域の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下である、ことを特徴とする請求項１３に記載された窒化物半導体発光素子。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、窒化物系半導体レーザ素子が記載されており、ＧａＮ基板と、ＧａＮ基板上に設けられたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上に設けられたＩｎＧａＮ活性層を含む。窒化物系半導体レーザ素子のリッジストライプは、ＧａＮ基板の高密度欠陥領域間の領域上に位置している。
【０００３】
特許文献２には、半導体レーザ素子が記載されており、ＧａＮ基板上にバッファ層を介してｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッドが記載されている。
【０００４】
特許文献３には、窒化物系半導体レーザが記載されている。窒化物系半導体レーザは、異種基板を用いて成長されたＧａＮ上に、シリコンドープＡｌＧａＮおよびＧａＮを交互に成長した後に、多重量子井戸構造を形成している。
【０００５】
特許文献４には、窒化物半導体素子が記載されており、この窒化物半導体素子は、ＧａＮ基板上にエピタキシャル成長されたｎ型ＡｌＧａＮ層を含む。
【特許文献１】特開２００３−２２９６３８号公報
【特許文献２】特開２００２−１９０６３５号公報
【特許文献３】特開平１１−１９１６５８号公報
【特許文献４】特開２００５−３９２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
窒化物系半導体発光素子は、サファイア基板を用いて作製されるものから、ＧａＮウエハといったIII族窒化物半導体基板を用いて作製されるようになってきた。しかしながら、III族窒化物半導体基板の屈折率はサファイア基板の屈折率に比べて大きいので、発光層からの光が基板に漏れやすい。これは、発光素子の特性、例えばレーザ特性を低下させる原因となる。これを避けるためには、発光層と基板との間の半導体領域の屈折率を低くして、発光層に光を導くことが求められる。このために、発光層と基板との間に設けられるＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を高くする必要がある。ところが、高いＡｌ組成のＡｌＧａＮにはクラックが発生し易いので、ＡｌＧａＮクラッド層を厚く成長できない。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものである。本発明は、発光層への光の閉じ込めを向上すると共にクラックの発生を低減する構造を有しIII族窒化物半導体基板を用いる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によれば、窒化物半導体発光素子は、（ａ）III族窒化物半導体基板と、（ｂ）III族元素として少なくともインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなり、前記III族窒化物半導体基板の主面上に設けられた発光層と、（ｃ）前記III族窒化物半導体基板と前記発光層との間に設けられたＡｌＧａＮクラッド層とを備える。前記ＡｌＧａＮクラッド層は、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）層と第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ１＜Ｘ２）層とを含み、前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は、前記III族窒化物半導体基板と前記発光層との間に位置しており、前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層は、前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層と前記III族窒化物半導体基板との間に位置する。
【０００９】
この窒化物半導体発光素子によれば、サファイア基板に比べて高い屈折率を有するIII族窒化物半導体基板を用いるけれども、第２のＡｌＧａＮ層とIII族窒化物半導体基板との間にＡｌ組成の比較的低い第１のＡｌＧａＮ層を設けるので、良好な光閉じ込め構造が提供される。また、III族窒化物半導体基板上にＡｌ組成の比較的低い第１のＡｌＧａＮ層を設けると共に、その上に比較的Ａｌ組成の高い第２のＡｌＧａＮ層を設けることにより、良好な結晶品質の発光層を提供できる。これに加えて、単一組成のＡｌＧａＮクラッド層に加えて応力を低減できる。さらに、サファイア基板ではなくIII族窒化物半導体基板を用いるので、この基板とその上に形成される半導体層との格子不整およびこれらの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、これによっても発光特性が向上する。
【００１０】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層のＡｌ組成が４％未満（Ｘ１＜０．０４）であり、前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の膜厚が５μｍ以下であることができる。
【００１１】
この窒化物半導体発光素子によれば、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層のＡｌ組成が４％未満であるので、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の屈折率を小さくできる。また、Ａｌ組成が４％未満であるに加えてその膜厚が５μｍ以下であるので、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックを生じさせるような応力が生じにくい。好適な実施例では、前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の膜厚が１μｍ以上であることができる。
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層のＡｌ組成が４％以上（０．０４≦Ｘ２）であり、前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層の膜厚が１μｍ以下であることができる。
【００１３】
この窒化物半導体発光素子によれば、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層のＡｌ組成が４％以上であるので、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層のホール障壁および光閉じ込めを高くできる。また、Ａｌ組成が４％以上であるけれどもその膜厚が１μｍ以下であるので、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックを生じさせる程度の応力が生じにくい。好適な実施例では、前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層の膜厚が２００ｎｍ以上であることができる。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層が前記III族窒化物半導体基板の主面を覆うようにエピタキシャル成長されていることが好ましい。
【００１５】
この窒化物半導体発光素子によれば、窒化ガリウム基板といったIII族窒化物半導体基板の主面上にＡｌＧａＮ層を成長することによって、III族窒化物半導体基板主面の全体にわたってＡｌＧａＮ結晶が正常に成長し、引き続く窒化ガリウム系半導体の結晶成長のために好適な下地を提供できる。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、前記III族窒化物半導体基板と前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層との間に設けられた第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層（Ｘ１＜Ｘ３≦１）を更に備えることができる。前記第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層は前記III族窒化物半導体基板の主面上にエピタキシャル成長されている。
【００１７】
この窒化物半導体発光素子によれば、Ａｌ組成が比較的高い第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層をIII族窒化物半導体基板の主面上に成長すると、基板主面の全域にわたってＡｌＧａＮ結晶が正常に成長して、引き続く窒化ガリウム系半導体の結晶成長のために好適な下地を提供できる。このため、エピタキシャル層の表面および界面の平坦性が向上する。この結果、窒化物半導体発光素子の素子特性を向上させることができる。また、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層は、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層によって発光層から隔置されるので、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層がＡｌＧａＮクラッド層による閉じ込め性に与える影響は小さい。好適な実施例では、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層の膜厚は第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の膜厚および前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの膜厚より薄い。
【００１８】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の膜厚は、前記第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの膜厚より厚いことが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、発光層に近くＡｌ組成の相対的に大きな第２のＡｌＧａＮ層がクラッド層による閉じ込め性を提供する。第１のＡｌＧａＮ層は、Ａｌ組成の相対的に大きな第２のＡｌＧａＮ層の膜厚を薄くすることに寄与すると共に、第１のＡｌＧａＮ層もクラッド層による閉じ込め性に寄与する。基板に近くＡｌ組成の相対的に小さな第１のＡｌＧａＮ層は、結晶成長のための良好な下地を提供する。
【００１９】
本発明の別の側面に係る窒化物半導体発光素子は、（ａ）III族窒化物半導体基板と、（ｂ）III族元素として少なくともインジウムを含むIII族窒化物からなり、前記III族窒化物半導体基板上に設けられた発光層と、（ｃ）前記III族窒化物半導体基板と前記発光層との間に設けられたＡｌＧａＮクラッド層とを含み、前記ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が、前記III族窒化物半導体基板から前記発光層に向く方向に単調に変化しており、前記ＡｌＧａＮクラッド層は、第１の面と該第１の面に対向する第２の面とを有しており、前記III族窒化物半導体基板、前記第１の面、前記第２の面および前記発光層は、順に配列されており、前記ＡｌＧａＮクラッド層の前記第１の面における第１のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮクラッド層の前記第２の面における第２のＡｌ組成より小さい。
【００２０】
この窒化物半導体発光素子によれば、サファイア基板に比べて高い屈折率を有するIII族窒化物半導体基板を用いるけれども、第１の面における第１のＡｌ組成は第２の面における第２のＡｌ組成より小さいＡｌＧａＮクラッド層を設けるので、良好な結晶品質の発光層を提供できる。また、III族窒化物半導体基板上にＡｌ組成の比較的低いＡｌＧａＮを設けると共に、その上に比較的Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮを設けることにより、良好な光閉じ込め構造が提供される。これに加えて、単一組成のＡｌＧａＮクラッド層に加えて応力を低減できる。さらに、サファイア基板ではなくIII族窒化物半導体基板を用いるので、この基板とその上に形成される半導体層との格子不整およびこれらの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、これによっても発光特性が向上する。
【００２１】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第１のＡｌ組成は４％未満であることができる。
【００２２】
この窒化物半導体発光素子によれば、第１のＡｌ組成は４％未満であるので、基板に近いＡｌＧａＮの屈折率を小さくでき、またＡｌＧａＮクラッド層にクラックを生じさせる程度の応力が生じにくい。ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が、第２のＡｌ組成に向けて単調に変化するので、ＡｌＧａＮクラッド層における閉じ込め性を確保できる。
【００２３】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第２のＡｌ組成は４％以上であることができる。
【００２４】
この窒化物半導体発光素子によれば、第２のＡｌ組成が４％以上であるので、ＡｌＧａＮクラッド層のホール障壁および光閉じ込めを高くでき、またＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が、第１のＡｌ組成に向けて単調に変化するので、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックを生じさせる程度の応力が生じにくい。
【００２５】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記ＡｌＧａＮクラッド層が前記III族窒化物半導体基板の主面に接していることができる。
【００２６】
この窒化物半導体発光素子によれば、窒化ガリウム基板といったIII族窒化物半導体基板の主面上にＡｌＧａＮ層を成長することによって、III族窒化物半導体基板主面の全体にわたってＡｌＧａＮ結晶が正常に成長し、引き続く窒化ガリウム系半導体の結晶成長のために好適な下地を提供できる。
【００２７】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、前記ＡｌＧａＮクラッド層と前記発光層との間に設けられたＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０≦Ｘ４＜１）を更に備えることができる。この窒化物半導体発光素子によれば、ＡｌＧａＮクラッド層と発光層との間にＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層を設けることによって、ＡｌＧａＮクラッド層と発光層との間の格子不整による発光層の結晶品質の悪化を避けることができる。
【００２８】
本発明に係る窒化物半導体発光素子の一例では、前記III族窒化物半導体基板がＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）からなる。この窒化物半導体発光素子によれば、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＮ基板を用いることができる。
【００２９】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記III族窒化物半導体基板が、第１の欠陥密度より大きい欠陥密度を有する複数の第１の領域と、前記第１の欠陥密度より小さい欠陥密度を有する第２の領域とを含み、前記主面は、前記第１および第２の領域がそれぞれ現れた第１および第２のエリアを有し、前記第１の領域の間には前記第２の領域が設けられている。
【００３０】
この窒化物半導体発光素子によれば、発光素子の主要部を第２の領域に位置させることによって、半導体レーザといった発光素子の特性の向上および信頼性の向上を図ることができる。
【００３１】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第２の領域の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であることができる。
【００３２】
この窒化物半導体発光素子によれば、第２の領域の転位密度が１×１０７ｃｍ−２未満であるIII族窒化物半導体基板を用いると、半導体レーザといった発光素子の特性および信頼性の向上を特に図ることができる。
【００３３】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、本発明によれば、発光層への光の閉じ込めを向上すると共にクラックの発生を低減する構造を有しIII族窒化物半導体基板を用いる窒化物半導体発光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物半導体発光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３６】
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す図面である。この図面は、窒化物半導体発光素子を部分的に破断して示している。窒化物半導体発光素子１１は、III族窒化物半導体基板１３と、発光層１５と、ＡｌＧａＮクラッド層１７とを備える。III族窒化物半導体基板１３は主面１３ａおよび裏面１３ｂを有する。発光層１５は、III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａ上に設けられおり、またIII族元素として少なくともインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。ＡｌＧａＮクラッド層１７は、III族窒化物半導体基板１３と発光層１５との間に設けられている。図１に示された窒化物半導体発光素子１１では、ＡｌＧａＮクラッド層１７のＡｌ組成が、III族窒化物半導体基板１３から発光層１５に向く方向に単調に変化している。ＡｌＧａＮクラッド層１７は、第１の面１７ａと該第１の面１７ａに対向する第２の面１７ｂとを有する。III族窒化物半導体基板１３、第１の面１７ａ、第２の面１７ｂおよび発光層１５は、順に配列されている。ＡｌＧａＮクラッド層１７の第１の面１７ａにおける第１のＡｌ組成Ｎ１Ａｌは、ＡｌＧａＮクラッド層１７の第２の面１７ｂにおける第２のＡｌ組成Ｎ２Ａｌより小さい。
【００３７】
窒化物半導体発光素子１１はIII族窒化物半導体基板１３を用いており、このIII族窒化物半導体基板１３の屈折率は、サファイア基板の屈折率に比べて高い。このため、屈折率による光の閉じ込めの観点からは、III族窒化物半導体基板上に、閉じ込め性に寄与する窒化物半導体が必要となる。このために、構成元素にＡｌを含むＡｌＧａＮ半導体が使用できるが、大きなＡｌ組成のＡｌＧａＮは応力によるクラックが生じる可能性がある。窒化物半導体発光素子１１によればＡｌＧａＮクラッド層１７を設けるので、良好な光閉じ込め構造が提供される。また、Ａｌ組成が単調に変化しているＡｌＧａＮクラッド層１７をIII族窒化物半導体基板１３上に設けることにより、良好な結晶品質の発光層を提供できることに加えて、単一組成のＡｌＧａＮクラッド層に加えて応力を低減できる。
【００３８】
図２は、図１に示された本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子１１の一例（第１の実施の形態）の構造を示す図面である。窒化物半導体発光素子１１ａでは、ＡｌＧａＮクラッド層１７は、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）層１９および第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ１＜Ｘ２）層２１とを含む。第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１は、III族窒化物半導体基板１３と発光層１５との間に位置している。第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９は、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１とIII族窒化物半導体基板１３との間に位置する。III族窒化物半導体基板１３が、例えばｎ導電型といった導電性を有する場合、この導電性に合わせた導電性をＡｌＧａＮクラッド層１７も有するように、ドーパントがＡｌＧａＮクラッド層１７に添加される。III族窒化物半導体基板１３がｎ導電性を有するとき、ＡｌＧａＮクラッド層１７もｎ導電性を有する。
【００３９】
窒化物半導体発光素子１１ａは、サファイア基板の屈折率に比べて高いIII族窒化物半導体基板１３を用いるので、屈折率による光の閉じ込めの観点からは、閉じ込め性に寄与する窒化物半導体がIII族窒化物半導体基板上に必要となる。このためにＡｌＧａＮ半導体が使用できるが、大きなＡｌ組成のＡｌＧａＮを単独で用いると、応力によるクラックが生じる可能性がある。窒化物半導体発光素子１１ａによれば、第２のＡｌＧａＮ層２１に加えて、Ａｌ組成の比較的低い第１のＡｌＧａＮ層１９を第２のＡｌＧａＮ層２１とIII族窒化物半導体基板１３との間に設けるので、良好な結晶品質の発光層を提供できる。また、III族窒化物半導体基板１３上にＡｌ組成の比較的低い第１のＡｌＧａＮ層１９を設けると共に、その上に比較的Ａｌ組成の高い第２のＡｌＧａＮ層２１を設けることにより、良好な光閉じ込め構造が提供されることに加えて、単一組成のＡｌＧａＮクラッド層に加えて応力を低減できる。さらに、サファイア基板ではなくIII族窒化物半導体基板１３を用いるので、この基板１３とその上に形成される半導体層１５、１７との格子不整およびこれらの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、これによっても発光特性が向上する。
【００４０】
一実施例では、発光層１５は、限定されるものではないが、量子井戸構造を有することができる。量子井戸構造は、図２に示されるように、井戸層１５ａと障壁層１５ｂを含む。障壁層１５ｂは井戸層１５ａの間に設けられる。井戸層１５ａは、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の、III族元素として少なくともインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。また、障壁層１５ｂ、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の、III族元素として少なくともインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。必要な場合は、発光層１５とＡｌＧａＮ層１７との間に設けられた中間層２２を含む。中間層２２のバンドギャップは、第２のＡｌＧａＮ層２１のバンドギャップよりも小さく、また井戸層１５ａのバンドギャップ以上である。中間層２２の厚さは非常に薄く、例えば数ナノメートルであり、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。中間層２２は、例えばＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなる。
【００４１】
窒化物半導体発光素子１１ａは、発光層１５上に設けられた電子ブロック層２３を含む。電子ブロック層２３は、発光層１５内の半導体層における最も大きなバンドギャップよりも大きなIII族窒化物からなり、また発光層１５からの電子の漏れだしを低減するために設けられる。電子ブロック層２３は、例えばＡｌＧａＮからなる。窒化物半導体発光素子１１ａは、電子ブロック層２３上に設けられＧａＮ系半導体からなるクラッド層２５を含む。クラッド層２５の導電型は、ＡｌＧａＮクラッド層１７の導電型とは逆である。電子ブロック層２３のバンドギャップはクラッド層２５のバンドギャップより大きいが、電子ブロック層２３の厚みはクラッド層２５の厚みより小さい。これにより、光の閉じ込め性、電子に対する障壁、および応力低減を満たす。必要な場合には、発光層１５と電子ブロック層２３との間に、ＧａＮ系半導体からなる光ガイド層２７が設けられる。光ガイド層２７のバンドギャップは、クラッド層２５のバンドギャップより小さく、また発光層１５内の半導体層における最も大きなバンドギャップよりも大きい。光ガイド層２７の厚みは、例えば半導体レーザにおけるモードといったデバイス特性に関連して決定される。
【００４２】
窒化物半導体発光素子１１ａは、クラッド層２５上に設けられＧａＮ系半導体からなるコンタクト層２９を含む。コンタクト層２９の導電型は、クラッド層２５の導電型とは同じである。窒化物半導体発光素子１１ａは、コンタクト層２９上に設けられた第１の電極３１を含み、第１の電極３１は、コンタクト層２９上に設けられた絶縁膜３３の開口を介してコンタクト層２９にオーミック接触を成す。窒化物半導体発光素子１１ａは、基板１３の裏面１３ｂに設けられた第２の電極３５を含み、第２の電極３５は、基板１３にオーミック接触を成す。
【００４３】
窒化物半導体発光素子１１ａは、例えば半導体レーザ、発光ダイオード、量子ドットレーザ、量子カスケードレーザといったものである。このような窒化物半導体発光素子１１ａでは、III族窒化物半導体基板１３は、例えばＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）からなることが好ましい。III族窒化物半導体基板１３として、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＮ基板を用いることができる。
【００４４】
図２に示されるIII族窒化物半導体基板１３の一例では、III族窒化物半導体基板１３は、一又は複数の第１の領域１３ｃおよび第２の領域１３ｄを含む。第１の領域１３ｃは、第１の欠陥密度Ｄ１より大きい欠陥密度Ｄ１３ｃを有しており、第２の領域１３ｄは、第１の欠陥密度Ｄ１より小さい欠陥密度Ｄ１３ｄを有する。第２の領域１３ｄは、窒化物半導体発光素子１１ａの動作のための主要部のために設けられる。第２の領域１３ｄは第１の領域１３ｃに隣接しており、この例では、第２の領域１３ｄは第１の領域１３ｃの間に位置している。この基板を用いた窒化物半導体発光素子によれば、発光素子の主要部を第２の領域１３ｄに位置させることによって、半導体レーザといった発光素子の特性の向上および信頼性の向上を図ることができる。例えばＧａＮ基板では、第１の欠陥密度Ｄ１は例えば５×１０８ｃｍ−２程度であり、また第２の領域１３ｄの転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であることができる。この窒化物半導体発光素子によれば、半導体レーザといった発光素子の特性および信頼性の向上を特に図ることができる。主面１３ａは、第１および第２の領域１３ｃ、１３ｄがそれぞれ現れた第１および第２のエリア１３ｅ、１３ｆを含む。主面１３ａ上に形成される窒化ガリウム系半導体積層は基板の転位を引き継ぐので、窒化ガリウム系半導体積層の主面にも同様に低転位エリアおよび高転位エリアが現れる。高転位エリアは絶縁膜３３で覆われており、電極３１との接触がない。また、裏面１３ｂは、第１および第２の領域１３ｃ、１３ｄがそれぞれ現れた第３および第４のエリア１３ｇ、１３ｈを含む。電極３５は、高い転位密度の第３のエリア１３ｇ上には設けられないので、高い転位密度の領域との接触がない。
【００４５】
窒化物半導体発光素子１１ａでは、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９の膜厚は、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１の膜厚より厚いことが好ましい。発光層１５に近くＡｌ組成の相対的に大きな第２のＡｌＧａＮ層２１が、クラッド層としての閉じ込めを提供する。第１のＡｌＧａＮ層１９は、Ａｌ組成の相対的に大きな第２のＡｌＧａＮ層２１の膜厚を薄くすることに寄与すると共に、第１のＡｌＧａＮ層１９も、クラッド層としての閉じ込めに寄与する。基板１３に近くＡｌ組成の相対的に小さな第１のＡｌＧａＮ層１９は、結晶成長のための良好な下地を提供する。
【００４６】
窒化物半導体発光素子１１ａでは、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ１９層がIII族窒化物半導体基板１３の主面１３ａを覆うようにエピタキシャル成長されていることが好ましい。窒化ガリウム基板といったIII族窒化物半導体基板１３の主面１３ａ上にＡｌＧａＮ層を成長することによって、III族窒化物半導体基板主面１３ａの全体にわたってＡｌＧａＮ結晶が正常に成長し、引き続く窒化ガリウム系半導体の結晶成長のために好適な下地を提供できる。
【００４７】
窒化物半導体発光素子１１ａでは、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９のＡｌ組成が４％未満（Ｘ１＜０．０４）であることが好ましい。第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９のＡｌ組成が４％未満であるので、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９の屈折率を小さくできる。また、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の膜厚が５μｍ以下であることができる。Ａｌ組成が４％未満であるに加えてその膜厚が５μｍ以下であるので、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックを生じさせる程度の応力が生じにくい。好適な実施例では、前記第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の膜厚が１μｍ以上であることができる。膜厚が１μｍ以上であると、結晶成長のための好適な下地を提供できる。
【００４８】
また、窒化物半導体発光素子１１ａでは、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１のＡｌ組成が４％以上（０．０４≦Ｘ２）であることが好ましい。第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１のＡｌ組成が４％以上であるので、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１のホール障壁を高くできる。第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１の膜厚が１μｍ以下であることができる。Ａｌ組成が４％以上であるに加えてその膜厚が１μｍ以下であるので、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックを生じさせる程度の応力が生じにくい。好適な実施例では、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１の膜厚が２００ｎｍ以上であることができる。膜厚が２００ｎｍ以上であると、好適な光閉じ込めを提供できる。例えば、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１のＡｌ組成が５％（０．０５＜Ｘ２）より大きいことが好ましい。
【００４９】
窒化物半導体発光素子１１ａの一例である半導体レーザでは、
III族窒化物半導体基板１３：ｎ型ＧａＮ基板
ＡｌＧａＮクラッド層１７：
第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９：ｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、厚さ２μｍ
第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１：ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ、厚さ６００ｎｍ
中間層２２：ｎ型ＧａＮ、厚さ３ｎｍ
発光層１５（井戸層１５ａ／障壁層１５ｂ）：アンドープＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ
ガイド層２７：アンドープＧａＮ、厚さ１００ｎｍ
電子ブロック層２３：ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ、厚さ２０ｎｍ
クラッド層２５：ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ、厚さ４００ｎｍ
コンタクト層２９：ＧａＮ、厚さ５０ｎｍ
である。
【００５０】
（実験例１）
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により半導体レーザを作製した。この半導体レーザは、青紫色の波長範囲（３９０ｎｍ〜４２０ｎｍ）のレーザ光を発生する。
半導体成長のための原料として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、モノシラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。ｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備する。このｎ型ＧａＮ基板は、貫通転位密度１×１０６ｃｍ−２未満の低欠陥領域と、欠陥集中領域とを有する。低欠陥領域および欠陥集中領域は、例えばストライプ状を成しており、交互に配列されている。このｎ型ＧａＮ基板をサセプタ上に配置する。結晶成長炉の炉圧力を３０ｋＰａにコントロールしながらアンモニアと水素を炉内に供給して、摂氏１０５０度の基板温度でｎ型ＧａＮ基板に１０分間のクリーニングを行った。その後、結晶成長すること無く基板温度を摂氏１１００度に上昇させる。トリメチルガリウム（例えば９９μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（例えば８．２μｍｏｌ／分）、アンモニア、モノシランを成長炉に供給して、膜厚２０００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層（例えばＡｌ組成３％）を成長した。キャリアガスとして主に水素を用いた。ｎ型ＡｌＧａＮ層は、基板の表面を覆っており、良好なモフォロジを有しているので、引き続く結晶成長のために良好な下地を提供する。
【００５１】
引き続き、摂氏１１００度の成長温度を維持したまま、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（例えば３７μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（例えば３．０μｍｏｌ／分）、アンモニア、モノシランを成長炉に供給して、膜厚０．６μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成７％）を成長した。キャリアガスとして主に水素を用いた。
【００５２】
摂氏１１００度の成長温度を維持したまま、トリメチルガリウムおよびアンモニアを成長炉に供給して、膜厚３ｎｍのノンドープＧａＮ中間層を成長した。キャリアガスとして主に水素を用いた。
【００５３】
次に、結晶成長を中断して基板温度を摂氏８８０度に低下させる。そして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを導入し、厚さ１５ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ障壁層（Ｉｎ組成１％）を成長した。キャリアガスとして主に窒素を用いた。また、基板温度を摂氏８００度に低下させる。トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを成長炉に供給して膜厚３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成８％）で成長した。キャリアガスとして主に窒素を用いた。この２工程を繰り返すことによって、３周期の量子井戸発光層を形成した。
【００５４】
次に、成長を中断して基板温度を摂氏１０５０度に上昇させた。トリメチルガリウム、アンモニアを導入し、膜厚１００ｎｍのノンドープＧａＮガイド層を成長した後、キャリアガスを主に水素としてトリメチルガリウム（例えば１７μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（例えば２．８μｍｏｌ／分）、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（例えばＡｌ組成１８％）を成長する。キャリアガスとして、主に水素を用いた。トリメチルガリウム（例えば２４μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（例えば２．０μｍｏｌ／分）、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、膜厚４００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（例えばＡｌ組成７％）を成長した。キャリアガスとして、主に水素を用いた。続いて、トリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に供給して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。キャリアガスとして主に水素を用いた。窒化ガリウム系半導体積層を含むエピタキシャル基板生産物が完成した。
【００５５】
この青紫色半導体レーザ構造のｐ型ＧａＮコンタクト層上に例えばシリコン酸化膜といった絶縁膜を形成した後、エッチングによって幅１０μｍの窓を開ける。この窓および絶縁膜上に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極を形成した。その後、研削等によりＧａＮ基板の厚みを減らし後に、基板の裏面にｎ電極を形成した。半導体レーザがアレイ状に配列されたレーザ基板が完成した。
【００５６】
このレーザ基板を長さ８００μｍのレーザバーにヘキ開し端面ミラーを形成した。こうして作製した青紫色レーザ素子は、例えば図１に示す積層構造を有する。この青紫色レーザ素子に室温でパルス電流印加を行うと、レーザ発振が観測され、スロープ効率は０．５Ｗ／Ａ、しきい値電流密度は３ｋＡ／ｃｍ２であった。
【００５７】
図３は、図１に示された本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子１１の別の例（第２の実施の形態）の構造を示す図面である。窒化物半導体発光素子１１ｂは、III族窒化物半導体基板１３と、発光層１５と、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）層１９と、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ１＜Ｘ２）層２１と、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層（Ｘ１＜Ｘ３≦１）３７とを備える。第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎクラッド層３７は、III族窒化物半導体基板１３と第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層２１との間に設けられている。第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７は、III族窒化物半導体基板１３の主面１３ａ上にエピタキシャル成長されるので、主面１３ａの全体を覆う。窒化ガリウム基板といったIII族窒化物半導体基板１３の主面１３ａ上にＡｌＧａＮ層を成長することによって、III族窒化物半導体基板主面１３ａの全体にわたってＡｌＧａＮ結晶が正常に成長し、引き続く窒化ガリウム系半導体の結晶成長のために好適な下地を提供できる。また、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層のＡｌ組成は、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９のＡｌ組成より大きいので、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層の表面のモフォロジはより良好になる。これ故に、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９および第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ１＜Ｘ２）層２１の結晶性が良好になり、さらには第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ１＜Ｘ２）層２１上に設けられる発光層１５の結晶性も良好になる。
【００５８】
第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７は、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９よりも基板に近く、また第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７のバンドギャップは第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９のバンドギャップより大きいけれども、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９によって第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７が発光層１５から隔置される。第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７のアルミニウム組成が第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９のアルミニウム組成よりも大きいので、閉じ込め性が向上する。第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７は、基板１３と発光層１５との間に位置するので、第１〜第３のＡｌＧａ１Ｎ層全体として発光層１５に光を閉じ込めるように作用する。好適な実施例では、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７の膜厚は第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層１９の膜厚より薄い。また、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７の膜厚は第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ２１の膜厚より薄い。このため、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７のＡｌ組成を大きくしても、応力の素子への影響を小さくできる。
【００５９】
窒化物半導体発光素子１１ｂの一例である半導体レーザでは、窒化物半導体発光素子１１に加えて第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層３７：Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ、厚さ５０ｎｍ
である。
【００６０】
（実験例２）
実験例１と同様にＧａＮ基板のサーマルクリーニングを行った後、摂氏１１００度の基板温度で、トリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（４．３μｍｏｌ／分）、アンモニア、モノシランを成長炉に供給して、膜厚５０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成１２％）をＧａＮ基板の主面上に成長した。キャリアガスとして主に水素を用いた。
【００６１】
この後、実験例１と同様に第１のＡｌＧａＮ層、第２のＡｌＧａＮ層、ノンドープＧａＮ中間層、量子井戸発光層、ノンドープＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を形成した。図３に示される窒化ガリウム系半導体積層を含むエピタキシャル基板生産物が完成した。このエピタキシャル基板生産物を炉内から取り出して、光学顕微鏡で表面観察を行ったところ、実験例１のエピタキシャル基板生産物の表面よりも良好な表面平坦性が得られていた。
【００６２】
図４は、図１に示された本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の別の例（第３の実施の形態）の構造を示す図面である。窒化物半導体発光素子１１ｃは、III族窒化物半導体基板１３と、発光層１５と、第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１＜１）層１９、第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ１＜Ｘ２）層２１と、第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層（Ｘ１＜Ｘ３≦１）３７とを備える。窒化物半導体発光素子１１ｃは、発光層１５と中間層２２との間に設けられたＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０≦Ｘ４＜１）層３９を更に備えることができる。このＩｎＧａＮ層３７は、III族元素として少なくともインジウムを含む窒化ガリウム系半導体、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる発光層１５の結晶性を向上させるために役立つ。例えば、ＩｎＧａＮ層３９のＩｎ組成は、ＩｎＧａＮ井戸層１５ａのＩｎ組成よりも小さく、またＩｎＧａＮ層３９のＩｎ組成は、ＩｎＧａＮ障壁層１５ｂのＩｎ組成よりも大きい。例えば、ＡｌＧａＮクラッド層１７と発光層１５との間にＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層３９を設けることによって、ＡｌＧａＮクラッド層１７と発光層１５との間の格子不整による発光層１５の結晶品質の悪化を避けることができる。
【００６３】
（実験例３）
実験例１において、ノンドープＧａＮ中間層を成長した後に成長を中断して、基板温度を摂氏８００度に変更する。摂氏８００度の基板温度において、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを導入し、厚さ５０ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ緩衝層（Ｉｎ組成４％）を成長した。キャリアガスとして主に窒素を用いた。この後、実験例１と同様に引き続く半導体積層（量子井戸発光層、ノンドープＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層）を形成した。図４に示される窒化ガリウム系半導体積層を含むエピタキシャル基板生産物が完成した。このエピタキシャル基板生産物を炉内から取り出して、光学顕微鏡で表面観察を行ったところ、実験例２のエピタキシャル基板生産物の表面よりも良好な表面平坦性が得られていた。
【００６４】
この青紫色半導体レーザ構造のｐ型ＧａＮコンタクト層上に例えばシリコン酸化膜といった絶縁膜を形成した後、エッチングによって幅１０μｍの窓を開ける。この窓および絶縁膜上に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極を形成した。その後、研削等によりＧａＮ基板の厚みを減らし後に、基板の裏面にｎ電極を形成した。半導体レーザがアレイ状に配列されたレーザ基板が完成した。
【００６５】
このレーザ基板を長さ８００μｍのレーザバーにヘキ開し端面ミラーを形成した。こうして作製した青紫色レーザ素子は、例えば図１に示す積層構造を有する。この青紫色レーザ素子に室温でパルス電流印加を行うと、レーザ発振が観測され、スロープ効率は０．８Ｗ／Ａ、しきい値電流密度は２．５ｋＡ／ｃｍ２であった。
【００６６】
図５（ａ）は、図１に示された本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の別の例（第４の実施の形態）の構造を示す図面である。窒化物半導体発光素子１１ｄは、窒化物半導体発光素子１１〜１１ｃにおけるＡｌＧａＮクラッド層１７に替えて、ＡｌＧａＮクラッド層４１とを備える。ＡｌＧａＮクラッド層４１は、III族窒化物半導体基板１３と発光層１５との間に設けられている。ＡｌＧａＮクラッド層４１のＡｌ組成が、III族窒化物半導体基板１３から発光層１５に向く方向に単調に変化している。ＡｌＧａＮクラッド層４１は、第１の面４１ａと該第１の面４１ａに対向する第２の面４１ｂとを有する。III族窒化物半導体基板１３、第１の面４１ａ、第２の面４１ｂおよび発光層１５は、順に配列されている。ＡｌＧａＮクラッド層４１の第１の面４１ａにおける第１のＡｌ組成Ｎ１Ａｌは、ＡｌＧａＮクラッド層４１の第２の面４１ｂにおける第２のＡｌ組成Ｎ２Ａｌより小さい。
【００６７】
この窒化物半導体発光素子１１ｄによれば、サファイア基板に比べて高い屈折率を有するIII族窒化物半導体基板１３を用いるけれども、ＡｌＧａＮクラッド層４１を設けて、このＡｌＧａＮクラッド層４１は第１の面４１ａにおける第１のＡｌ組成Ｎ１Ａｌは第２の面４１ｂにおける第２のＡｌ組成Ｎ２Ａｌより小さいので、良好な結晶品質の発光層を提供できる。また、III族窒化物半導体基板１３上にＡｌ組成の比較的低いＡｌＧａＮを設けると共に、その上に比較的Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮを設けることにより、良好な光閉じ込め構造が提供される。これに加えて、単一組成のＡｌＧａＮクラッド層に加えて応力を低減できる。さらに、サファイア基板ではなくIII族窒化物半導体基板１３を用いるので、この基板１３とその上に形成される半導体層１５等との格子不整およびこれらの間の熱膨張係数差を小さくでき、これによっても発光特性が向上する。好適な実施例では、ＡｌＧａＮクラッド層４１は基板１３の主面１３ａを覆っている。
【００６８】
ＡｌＧａＮクラッド層４１のＡｌ組成の変化は、例えば図５（ｂ）に示されるように、III族窒化物半導体基板１３から発光層１５に向く方向に単調に変化することができる。図５（ｂ）を参照すると、例えばＡｌ組成が一方向に連続的に減少している。或いは、ＡｌＧａＮクラッド層４１のＡｌ組成の変化は、例えば図５（ｃ）に示されるように、III族窒化物半導体基板１３から発光層１５に向く方向に単調に変化することができる。図５（ｃ）を参照すると、例えばＡｌ組成が一方向に段階的に変化している。図５（ｂ）および図５（ｃ）に示されるＡｌ組成の変化は、例示であり、これら特定のＡｌのプロファイルに本発明は限定されない。
【００６９】
窒化物半導体発光素子１１ｄでは、第１のＡｌ組成Ｎ１Ａｌは４％未満であることができる。第１のＡｌ組成Ｎ１Ａｌが４％未満であるので、基板１３に近いＡｌＧａＮの屈折率を小さくでき、またＡｌＧａＮクラッド層４１にクラックを生じさせる程度の応力が生じにくい。ＡｌＧａＮクラッド層４１のＡｌ組成が、第２のＡｌ組成に向けて単調に変化するので、ＡｌＧａＮクラッド層４１における光閉じ込め性を確保できる。
【００７０】
窒化物半導体発光素子１１ｄでは、第２のＡｌ組成Ｎ２Ａｌは４％以上であることができる。第２のＡｌ組成Ｎ１Ａｌが４％以上であるので、ＡｌＧａＮクラッド層４１のホール障壁を高くでき、またＡｌＧａＮクラッド層４１のＡｌ組成が、第１のＡｌ組成Ｎ２Ａｌに向けて単調に変化するので、ＡｌＧａＮクラッド層４１にクラックを生じさせる程度の応力が生じにくい。
【００７１】
窒化物半導体発光素子１１ｄでは、ＡｌＧａＮクラッド層４１がIII族窒化物半導体基板１３の主面１３に接していることができる。窒化ガリウム基板といったIII族窒化物半導体基板１３の主面１３ａ上にＡｌＧａＮ層４１をエピタキシャルに成長することによって、III族窒化物半導体基板主面１３ａの全体にわたってＡｌＧａＮ結晶が正常に成長し、引き続く窒化ガリウム系半導体の結晶成長のために好適な下地を提供できる。
【００７２】
（実験例４）
ＭＯＶＰＥ法により青紫色レーザ素子を作製した。結晶成長のための原料には、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、モノシラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。ｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備する。このｎ型ＧａＮ基板は、貫通転位密度１×１０６ｃｍ−２未満の低欠陥領域と、欠陥集中領域とを有する。低欠陥領域および欠陥集中領域は、例えばストライプ状を成しており、交互に配列されている。このｎ型ＧａＮ基板をサセプタ上に配置する。結晶成長炉の炉圧力を３０ｋＰａにコントロールしながらアンモニアと水素を炉内に供給して、摂氏１０５０度の基板温度でｎ型ＧａＮ基板に１０分間のクリーニングを行った。
【００７３】
その後、結晶成長すること無く基板温度を摂氏１１００度に上昇させる。トリメチルガリウム（例えば９９μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（例えば８．２μｍｏｌ／分）、アンモニア、モノシランを導入してｎ型ＡｌＧａＮ層の成長を開始した。キャリアガスとして主に水素を用いた。ＡｌＧａＮ層の成長開始時におけるこのｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は３％である。成長温度を摂氏１１００度に維持しながら、７０分間でトリメチルガリウムの供給量を３７μｍｏｌ／分まで下降させると共に、７０分間でトリメチルアルミニウムの供給量を３．０μｍｏｌ／分まで下降させた。この７０分間で、０．６μｍのＡｌＧａＮ層が成長された。このＡｌＧａＮ層成長終了時のＡｌ組成は７％である。
【００７４】
次に、摂氏１１００度の成長温度を維持しながら、トリメチルガリウム、アンモニアを導入し、膜厚３ｎｍのノンドープＧａＮ中間層を成長する。キャリアガスとして、主に水素を用いた。次いで、結晶成長を行うことなく（成長を中断して）、基板温度を摂氏８００度に低下させる。この温度で、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを成長炉に供給して、厚さ５０ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ緩衝層（Ｉｎ組成４％）を成長した。キャリアガスとして主に窒素を用いた。
【００７５】
その後、成長を中断して基板温度を摂氏８８０度に上昇させる。この温度で、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを成長炉に供給して、厚さ１５ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ障壁層（Ｉｎ組成１％）を成長する。キャリアガスとして主に窒素を供給する。成長を中断して、基板温度を摂氏８００度に変更する。トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを導入し膜厚３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成８％）で成長した。キャリアガスとして主に窒素を用いる。この工程を繰り返すことによって３周期の量子井戸発光層を形成した。
【００７６】
次に再度成長を中断して基板温度を摂氏１０５０度に変更する。この後、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に提供して、膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（Ａｌ組成１８％）を成長する。キャリアガスとして主に水素を供給した。この後、トリメチルガリウム、アンモニアを成長炉に提供して、膜厚１００ｎｍのノンドープＧａＮガイド層を成長した。キャリアガスとして主に水素を供給した。次いで、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に提供して、膜厚４００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成７％）を成長した。キャリアガスとして主に水素を供給した。この後、トリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを成長炉に提供して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。キャリアガスとして主に水素を用いた。図５に示される窒化ガリウム系半導体積層を含むエピタキシャル基板生産物が完成した。このエピタキシャル基板生産物を炉内から取り出して、光学顕微鏡で表面観察を行ったところ、良好な表面平坦性が得られていた。
【００７７】
この青紫色半導体レーザ構造のｐ型ＧａＮコンタクト層上に例えばシリコン酸化膜といった絶縁膜を形成した後、エッチングによって幅１０μｍの窓を開ける。この窓および絶縁膜上に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極を形成した。その後、研削等によりＧａＮ基板の厚みを減らし後に、基板の裏面にｎ電極を形成した。半導体レーザがアレイ状に配列されたレーザ基板が完成した。
【００７８】
このレーザ基板を長さ８００μｍのレーザバーにヘキ開し端面ミラーを形成した。こうして作製した青紫色レーザ素子は、例えば図１に示す積層構造を有する。この青紫色レーザ素子に室温でパルス電流印加を行うと、レーザ発振が観測され、スロープ効率は１．０Ｗ／Ａ、しきい値電流密度は２．５ｋＡ／ｃｍ２であった。
【００７９】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態は、具体的なＡｌＧａＮクラッド層のＡｌプロファイルを説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。また、本実施の形態では、半導体レーザについて例示的に説明しているけれども、この他の発光素子にも本発明を適用できる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す図面である。
【図２】図２は、図１に示された本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の例示構造を示す図面である。
【図３】図３は、図１に示された本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の例示構造を示す図面である。
【図４】図４は、図１に示された本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の例示構造を示す図面である。
【図５】図５は、図１に示された本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を説明する図面である。
【符号の説明】
【００８１】
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ…窒化物半導体発光素子、１３…III族窒化物半導体基板、１５…発光層、１５ａ…井戸層、１５ｂ…障壁層、１７…ＡｌＧａＮクラッド層、１９…第１のＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、２１…第２のＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層、２２…中間層、２３…電子ブロック層、２５…クラッド層、２７…ガイド層、２９…コンタクト層、３７…第３のＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層、３９…ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層、４１…ＡｌＧａＮクラッド層
【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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