(57)【要約】【課題】活性層の結晶性を向上させることにより活性層の発光強度を向上させることが可能な窒化物系半導体発光素子を提供する。【解決手段】この窒化物系半導体発光素子は、ｎ型クラッド層２と、ＭＱＷ活性層１２と、ｎ型クラッド層２とＭＱＷ活性層１２との間に形成され、ｎ型クラッド層２よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｎ型クラッド層２とＭＱＷ活性層１２との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層１１と、ｐ型クラッド層４とＭＱＷ活性層１２との間に形成され、ｐ型クラッド層４よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層４とＭＱＷ活性層１２との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層１３とを備えている。【選択図】図２
2004111514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１窒化物系半導体層と、
窒化物系半導体からなる活性層と、
前記第１窒化物系半導体層と前記活性層との間に形成され、前記第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、前記第１窒化物系半導体層と前記活性層との中間の格子定数を有するキャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層とを備えた、窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１窒化物系半導体層は、前記第２窒化物系半導体層の前記活性層とは反対側に位置するクラッド層を含む、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２窒化物系半導体層の格子定数は、前記第１窒化物系半導体層の格子定数よりも大きく、かつ、前記活性層の格子定数よりも小さい、請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１窒化物系半導体層は、複数の窒化物系半導体層を含み、
前記活性層は、複数の窒化物系半導体層を含み、
前記第２窒化物系半導体層の格子定数は、少なくとも前記第１窒化物系半導体層を構成する窒化物系半導体層のうちの最も格子定数の小さい窒化物系半導体層の格子定数よりも大きく、かつ、少なくとも前記活性層を構成する窒化物系半導体層のうちの最も格子定数の大きい窒化物系半導体層の格子定数よりも小さい、請求項３に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１窒化物系半導体層は、複数の窒化物系半導体層を含み、
前記活性層は、複数の窒化物系半導体層を含み、
前記第２窒化物系半導体層のバンドギャップは、少なくとも前記第１窒化物系半導体層を構成する窒化物系半導体層のうちの最もバンドギャップの小さい窒化物系半導体層のバンドギャップよりも大きく、かつ、少なくとも前記活性層を構成する窒化物系半導体層のうちの最もバンドギャップの小さい窒化物系半導体層のバンドギャップよりも大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２窒化物系半導体層は、（ＡｌＸＢ１−Ｘ）ＹＧａ１−Ｙ−ＺＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、０＜Ｙ＋Ｚ≦１）からなり、
前記活性層は、ＡｌＵＢＶＧａ１−Ｕ−Ｖ−ＷＩｎＷＮ（０≦Ｕ＜１、０≦Ｖ＜１、０＜Ｗ≦１、０＜Ｕ＋Ｖ＋Ｗ≦１）からなり、
前記第１窒化物系半導体層は、（ＡｌＲＢ１−Ｒ）ＳＧａ１−Ｓ−ＴＩｎＴＮ（０≦Ｒ≦１、０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ＜１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
前記第２窒化物系半導体層は、（ＡｌＸＢ１−Ｘ）ＹＧａ１−Ｙ−ＺＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、０＜Ｙ＋Ｚ≦１）からなり、
前記活性層は、Ｇａ１−ＷＩｎＷＮ（０＜Ｗ≦１）からなり、
前記第１窒化物系半導体層は、（ＡｌＲＢ１−Ｒ）ＳＧａ１−Ｓ−ＴＩｎＴＮ（０≦Ｒ≦１、０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ＜１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
前記第２窒化物系半導体層と前記活性層とは接触している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項９】
前記活性層は、量子井戸層を含み、
前記量子井戸層と前記第２窒化物系半導体層とは接触している、請求項８に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項１０】
第１窒化物系半導体層を成長させる工程と、
窒化物系半導体からなる活性層を成長させる工程と、
前記第１窒化物系半導体層と前記活性層との間に、前記第１窒化物系半導体層の成長温度よりも低い温度で、前記第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、前記第１窒化物系半導体層と前記活性層との中間の格子定数を有するキャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を成長させる工程とを備えた、窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
第１窒化物系半導体層を成長させる工程と、
前記第１窒化物系半導体層の上に、前記第１窒化物系半導体層の成長温度よりも低い温度で、キャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を成長させる工程と、
前記第２窒化物系半導体層上に、窒化物系半導体からなる活性層を成長させる工程とを備えた、窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関し、より特定的には、キャリアのオーバフローを防止するための窒化物系半導体層を含む窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物系半導体発光素子の開発が盛んに行われている。一般的に、半導体発光素子の重要な特性として、しきい値電流などがある。このしきい値電流が増加するのを抑制するためには、活性層からキャリアが漏れる（オーバフローする）のを抑制する必要がある。このため、従来では、活性層からクラッド層または光ガイド層へのキャリア（電子や正孔）のオーバフローを防止するために、オーバフロー防止層が設けられている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層と、ｎ型ＧａＮ導波層（光ガイド層）と、ｐ型ＧａＮ導波層（光ガイド層）とを備え、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層とｎ型導波層およびｐ型導波層との間に、それぞれ、ｎ型ＧａＡｌＮオーバフロー防止層およびｐ型ＧａＡｌＮオーバフロー防止層が設けられた構造が開示されている。この場合、ｎ型ＧａＡｌＮオーバフロー防止層およびｐ型ＧａＡｌＮオーバフロー防止層は、それぞれ、ｎ型ＧａＮ導波層（光ガイド層）およびｐ型ＧａＮ導波層（光ガイド層）よりもバンドギャップが大きいので、ＭＱＷ活性層からｎ型ＧａＮ導波層（光ガイド層）およびｐ型ＧａＮ導波層（光ガイド層）へのキャリア（電子や正孔）のオーバフローを防止することが可能となる。これにより、しきい値電流が増加するのを抑制することが可能となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２９４５２９号公報
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の例では、ＧａＡｌＮオーバフロー防止層は、ＧａＮ導波層（光ガイド層）よりもバンドギャップが大きい一方、ＧａＮ光ガイド層およびＧａＩｎＮからなるＭＱＷ活性層よりも格子定数が小さい。すなわち、ＧａＡｌＮオーバフロー防止層は、ＧａＩｎＮからなるＭＱＷ活性層よりも格子定数の小さいＧａＮ導波層（光ガイド層）よりもさらに格子定数が小さい。このため、ＧａＡｌＮオーバフロー防止層とＧａＩｎＮからなるＭＱＷ活性層との間の格子定数の差が大きくなるという不都合があった。このように活性層とオーバフロー防止層との格子定数差が大きくなると、活性層に歪みが印加されるので、活性層の結晶性が劣化する。その結果、活性層の発光強度が低下するという問題点があった。
【０００５】
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、活性層の結晶性を向上させることにより活性層の発光強度を向上させることが可能な窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【０００６】
この発明のもう１つの目的は、上記の窒化物系半導体発光素子において活性層とオーバフローを防止するための窒化物系半導体層との格子定数差を小さくすることである。
【０００７】
この発明のさらにもう１つの目的は、活性層の結晶性を向上させることにより活性層の発光強度を向上させることが可能な窒化物系半導体発光素子を容易に製造し得る窒化物系半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【０００８】
この発明の他の目的は、上記の窒化物系半導体発光素子の製造方法において、活性層の結晶性をより向上させることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の局面による窒化物系半導体発光素子は、第１窒化物系半導体層と、窒化物系半導体からなる活性層と、第１窒化物系半導体層と活性層との間に形成され、第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、第１窒化物系半導体層と活性層との中間の格子定数を有するキャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層とを備えている。
【００１０】
この第１の局面による窒化物系半導体発光素子では、上記のように、第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、第１窒化物系半導体層と活性層との中間の格子定数を有するキャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を設けることによって、第２窒化物系半導体層が第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有することによりキャリアのオーバフローを有効に防止することができるとともに、第２窒化物系半導体層が第１窒化物系半導体層と活性層との中間の格子定数を有することにより第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子不整合を小さくすることができるので、活性層に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、活性層の結晶性を向上させることができるので、活性層の発光強度を向上させることができる。
【００１１】
上記第１の局面による窒化物系半導体発光素子において、第１窒化物系半導体層は、第２窒化物系半導体層の活性層とは反対側に位置するクラッド層を含んでいてもよい。なお、本発明のクラッド層は、第２窒化物系半導体層の活性層とは反対側に位置する、光を活性層あるいは光ガイド層に閉じ込める機能を有するクラッド層のみならず、第２窒化物系半導体層の活性層とは反対側に位置する、キャリアを活性層に閉じ込める機能を有する光ガイド層なども含む。
【００１２】
上記の場合、好ましくは、第２窒化物系半導体層の格子定数は、第１窒化物系半導体層の格子定数よりも大きく、かつ、活性層の格子定数よりも小さい。このように構成すれば、容易に、第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子定数差を小さくすることができるので、第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子不整合を小さくすることができる。
【００１３】
この場合、第１窒化物系半導体層は、複数の窒化物系半導体層を含み、活性層は、複数の窒化物系半導体層を含み、第２窒化物系半導体層の格子定数は、少なくとも第１窒化物系半導体層を構成する窒化物系半導体層のうちの最も格子定数の小さい窒化物系半導体層の格子定数よりも大きく、かつ、少なくとも活性層を構成する窒化物系半導体層のうちの最も格子定数の大きい窒化物系半導体層の格子定数よりも小さくなるようにしてもよい。このように構成すれば、第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子定数差を小さくすることができるので、第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子不整合を小さくすることができる。
【００１４】
上記の場合、好ましくは、第１窒化物系半導体層は、複数の窒化物系半導体層を含み、活性層は、複数の窒化物系半導体層を含み、第２窒化物系半導体層のバンドギャップは、少なくとも第１窒化物系半導体層を構成する窒化物系半導体層のうちの最もバンドギャップの小さい窒化物系半導体層のバンドギャップよりも大きく、かつ、少なくとも活性層を構成する窒化物系半導体層のうちの最もバンドギャップの小さい窒化物系半導体層のバンドギャップよりも大きい。このように構成すれば、キャリアのオーバフローを防止することができる。
【００１５】
上記の場合、第２窒化物系半導体層は、（ＡｌＸＢ１−Ｘ）ＹＧａ１−Ｙ−ＺＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、０＜Ｙ＋Ｚ≦１）からなり、活性層は、ＡｌＵＢＶＧａ１−Ｕ−Ｖ−ＷＩｎＷＮ（０≦Ｕ＜１、０≦Ｖ＜１、０＜Ｗ≦１、０＜Ｕ＋Ｖ＋Ｗ≦１）からなり、第１窒化物系半導体層は、（ＡｌＲＢ１−Ｒ）ＳＧａ１−Ｓ−ＴＩｎＴＮ（０≦Ｒ≦１、０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ＜１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなっていてもよい。また、第２窒化物系半導体層は、（ＡｌＸＢ１−Ｘ）ＹＧａ１−Ｙ−ＺＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、０＜Ｙ＋Ｚ≦１）からなり、活性層は、Ｇａ１−ＷＩｎＷＮ（０＜Ｗ≦１）からなり、第１窒化物系半導体層は、（ＡｌＲＢ１−Ｒ）ＳＧａ１−Ｓ−ＴＩｎＴＮ（０≦Ｒ≦１、０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ＜１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなっていてもよい。これらのように構成すれば、容易に、第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、第１窒化物系半導体層と活性層との中間の格子定数を有するキャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を得ることができる。
【００１６】
上記の場合、好ましくは、第２窒化物系半導体層と活性層とは接触している。このように第１窒化物系半導体層と活性層との中間の格子定数を有する第２窒化物系半導体層を活性層に接触するように設けることによって、第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子不整合を小さくすることによる活性層に加わる歪みを低減する効果を大きくすることができる。これにより、活性層の結晶性をより向上させることができるので、活性層の発光強度をより向上させることができる。この場合、好ましくは、活性層は、量子井戸層を含み、量子井戸層と第２窒化物系半導体層とは接触している。このように構成すれば、第２窒化物系半導体層と量子井戸層との間の格子不整合を小さくすることによる量子井戸層に加わる歪みの低減効果を大きくすることができる。これにより、量子井戸層に加わる歪みをより小さくすることができるので、量子井戸層の結晶性をより向上させることができる。その結果、量子井戸層を含む活性層の発光強度をより向上させることができる。
【００１７】
この発明の第２の局面による窒化物系半導体発光素子の製造方法は、第１窒化物系半導体層を成長させる工程と、窒化物系半導体からなる活性層を成長させる工程と、第１窒化物系半導体層と活性層との間に、第１窒化物系半導体層の成長温度よりも低い温度で、第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、第１窒化物系半導体層と活性層との中間の格子定数を有するキャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を成長させる工程とを備えている。
【００１８】
この第２の局面による窒化物系半導体発光素子の製造方法では、上記のように、第１窒化物系半導体層と活性層との間に、第１窒化物系半導体層の成長温度よりも低い温度で、キャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を成長させることによって、第２窒化物系半導体層の成長温度と活性層の成長温度との差が小さくなるので、第２窒化物系半導体層の成長工程と活性層の成長工程との間で成長温度を制御するために成長を中断する時間を短くすることができる。これにより、成長を中断している期間に雰囲気ガス中の不純物が第２窒化物系半導体層と活性層との界面に混入するのを防止することができるので、活性層の結晶性を向上させることができる。その結果、活性層の発光強度を向上させることができる。また、第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、第１窒化物系半導体層と活性層との中間の格子定数を有するキャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を設けることによって、第２窒化物系半導体層が第１窒化物系半導体層よりも大きいバンドギャップを有することによりキャリアのオーバフローを有効に防止することができるとともに、第２窒化物系半導体層が第１窒化物系半導体層と活性層との中間の格子定数を有することにより第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、第２窒化物系半導体層と活性層との間の格子不整合を小さくすることができるので、活性層に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、活性層の結晶性をより向上させることができるので、活性層の発光強度をより向上させることができる。
【００１９】
この発明の第３の局面による窒化物系半導体発光素子の製造方法は、第１窒化物系半導体層を成長させる工程と、第１窒化物系半導体層の上に、第１窒化物系半導体層の成長温度よりも低い温度で、キャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を成長させる工程と、第２窒化物系半導体層上に、窒化物系半導体からなる活性層を成長させる工程とを備えている。
【００２０】
この第３の局面による窒化物系半導体発光素子の製造方法では、上記のように、第１窒化物系半導体層上に、第１窒化物系半導体層の成長温度よりも低い温度で、キャリアのオーバフローを防止するための第２窒化物系半導体層を成長させることによって、第２窒化物系半導体層の成長温度と、その第２窒化物系半導体層上に成長される活性層の成長温度との差が小さくなるので、第２窒化物系半導体層の成長工程と活性層の成長工程との間で成長温度を制御するために成長を中断する時間を短くすることができる。これにより、成長を中断している期間に雰囲気ガス中の不純物が第２窒化物系半導体層と活性層との界面に混入するのを防止することができるので、活性層の結晶性をより向上させることができる。その結果、活性層の発光強度をより向上させることができる。
【００２１】
なお、上記の活性層および第１窒化物系半導体層が複数ある場合に、オーバフローを防止するための第２の窒化物系半導体層の格子定数は、第１窒化物系半導体層を構成する全ての窒化物系半導体層の格子定数よりも大きく、かつ、活性層を構成する全ての窒化物系半導体層の格子定数よりも小さくなるのが好ましい。また、オーバフローを防止するための第２の窒化物系半導体層のバンドギャップは、第１の窒化物系半導体層を構成する全ての窒化物系半導体層のバンドギャップよりも大きく、かつ、活性層を構成する全ての窒化物系半導体層のバンドギャップよりも大きいのが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤチップ）を示した断面図である。また、図２は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の発光層部分の詳細を示した拡大断面図である。
【００２４】
図１および図２を参照して、まず、第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造について説明する。この第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子は、（１−１００）Ｍ面から［０００１］方向へ０．５度オフした表面を有する。ｎ型のＧａＮ基板１上に、約５μｍの厚みを有するとともに、約１×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および７×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＧｅがドープされたＧａＮからなるｎ型クラッド層２が形成されている。なお、ｎ型クラッド層２は、本発明の「第１窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。
【００２５】
また、ｎ型クラッド層２の上面上のほぼ全面と接触するように、発光層３が形成されている。発光層３は、図２に示すように、オーバフロー防止層１１と、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１２と、オーバフロー防止層（キャップ層）１３とから構成されている。なお、オーバフロー防止層１１および１３は、本発明の「第２窒化物系半導体層」の一例である。
【００２６】
ｎ型クラッド層２上に形成されるオーバフロー防止層１１は、ＭＱＷ活性層１２からｎ型クラッド層２への正孔のオーバフローを防止するために設けられている。このオーバフロー防止層１１は、約１０ｎｍの厚みを有するとともに、約１×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約６×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＧｅがドープされたＡｌ０．１Ｇａ０．８Ｉｎ０．１Ｎからなる。また、オーバフロー防止層１１上に形成されるＭＱＷ活性層１２は、約５ｎｍの厚みを有する５つのアンドープＧａ０．６５Ｉｎ０．３５Ｎからなる井戸層１２ａと、約５ｎｍの厚みを有する４つのアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなる障壁層１２ｂとが交互に積層された構造を有する。また、ＭＱＷ活性層１２の井戸層１２ａは、オーバフロー防止層１１と接触するように形成されている。
【００２７】
ここで、第１実施形態では、ＧｅがドープされたＡｌ０．１Ｇａ０．８Ｉｎ０．１Ｎからなるオーバフロー防止層１１は、ＧａＮからなるｎ型クラッド層２よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｎ型クラッド層２と、Ｇａ０．６５Ｉｎ０．３５ＮまたはＧａ０．８５Ｉｎ０．１５ＮからなるＭＱＷ活性層１２との中間の格子定数を有する。
【００２８】
また、ＭＱＷ活性層１２上に形成されるオーバフロー防止層１３は、約１０ｎｍの厚みを有する約５×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＡｌ０．２Ｇａ０．７Ｉｎ０．１Ｎからなる。このオーバフロー防止層１３は、ＭＱＷ活性層１２から後述するｐ型クラッド層４への電子のオーバフローを防止する機能に加えて、ＭＱＷ活性層１２のＩｎが脱離するのを防止することによりＭＱＷ活性層５の結晶の劣化を防止するキャップ層としての機能も有する。また、オーバフロー防止層１３は、ＭＱＷ活性層１２の井戸層１２ａに接触するように形成されている。オーバフロー防止層１３上には、図１に示すように、約０．１５μｍの厚みを有するとともに、約５×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約２×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層４が形成されている。なお、ｐ型クラッド層４は、本発明の「第１窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。
【００２９】
ここで、第１実施形態では、Ａｌ０．２Ｇａ０．７Ｉｎ０．１Ｎからなるオーバフロー防止層１３は、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層４よりも大きなバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層４と、Ｇａ０．６５Ｉｎ０．３５ＮまたはＧａ０．８５Ｉｎ０．１５ＮからなるＭＱＷ活性層１２との中間の格子定数を有する。
【００３０】
ｐ型クラッド層４上には、約０．３μｍの厚みを有するとともに、約５×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型中間コンタクト層５が形成されている。ｐ型中間コンタクト層５上には、約０．３μｍの厚みを有するとともに、約５×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約８×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなるｐ型コンタクト層６が形成されている。なお、ＧａＮからなるｐ型中間コンタクト層５は、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層４のバンドギャップと、Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなるｐ型コンタクト層６のバンドギャップとの中間のバンドギャップを有する。
【００３１】
また、ｐ型コンタクト層６の上面上には、ｐ型コンタクト層６側から、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ膜と、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とから構成されるｐ側電極７が形成されている。ｐ側電極７の上面上には、ｐ側電極７側から、約３０ｎｍの厚みを有するＴｉ膜と、約５００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とから構成されるｐ側パッド電極８が形成されている。
【００３２】
また、ｎ型のＧａＮ基板１の裏面上の一部には、ＧａＮ基板１の裏面に近い側から、約５００ｎｍの厚みを有するＡｌ膜と、約２ｎｍの厚みを有するＳｉ膜と、約１０ｎｍの厚みを有するＮｉ膜と、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕとから構成されるｎ側電極９が形成されている。
【００３３】
第１実施形態では、上記のように、ＧａＮからなるｎ型クラッド層２よりも大きなバンドギャップを有するとともに、ｎ型クラッド層２とＧａ０．６５Ｉｎ０．３５ＮまたはＧａ０．８５Ｉｎ０．１５ＮからなるＭＱＷ活性層１２との中間の格子定数を有するＡｌ０．１Ｇａ０．８Ｉｎ０．１Ｎからなるオーバフロー防止層１１を設けることによって、オーバフロー防止層１１がｎ型クラッド層２よりも大きいバンドギャップを有することにより正孔のオーバフローを有効に防止することができるとともに、オーバフロー防止層１１がｎ型クラッド層２とＭＱＷ活性層１２との中間の格子定数を有することによりオーバフロー防止層１１とＭＱＷ活性層１２との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、オーバフロー防止層１１とＭＱＷ活性層１２との間の格子不整合を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層１２に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、ＭＱＷ活性層１２の結晶性を向上させることができるので、ＭＱＷ活性層１２の発光強度を向上させることができる。
【００３４】
また、第１実施形態では、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層４よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層４とＧａ０．６５Ｉｎ０．３５ＮまたはＧａ０．８５Ｉｎ０．１５ＮからなるＭＱＷ活性層１２との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層１３を設けることによって、オーバフロー防止層１３がｐ型クラッド層４よりも大きいバンドギャップを有することによりＭＱＷ活性層１２からｐ型クラッド層４への電子のオーバフローを有効に防止することができるとともに、オーバフロー防止層１３がｐ型クラッド層４とＭＱＷ活性層１２との中間の格子定数を有することによりオーバフロー防止層１３とＭＱＷ活性層１２との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、オーバフロー防止層１３とＭＱＷ活性層１２との間の格子不整合を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層１２に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、ＭＱＷ活性層１２の結晶性をより向上させることができるので、ＭＱＷ活性層１２の発光強度をより向上させることができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、オーバフロー防止層１１および１３を、ＭＱＷ活性層１２の両側に接触するように設けることによって、ＭＱＷ活性層１２とｎ型オーバフロー防止層１１および１３との間の格子不整合を小さくすることによるＭＱＷ活性層１２に加わる歪みを低減する効果を大きくすることができる。これにより、ＭＱＷ活性層１２の結晶性をさらに向上させることができるので、ＭＱＷ活性層１２の発光強度をさらに向上させることができる。
【００３６】
図３は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１〜図３を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスについて説明する。
【００３７】
まず、図３に示すように、ＭＯＶＰＥ法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ；有機金属気相成長法）を用いて、ｎ型のＧａＮ基板１の（１−１００）Ｍ面から［０００１］方向へ０．５度オフした表面上に、ｎ型クラッド層２、発光層３、ｐ型クラッド層４、ｐ型中間コンタクト層５およびｐ型コンタクト層６を順次成長させる。なお、このＧａＮ基板１は、ＬｉＧａＯ２基板上にＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ；ハライド気相成長法）でＧａＮを成長した後、ＬｉＧａＯ２基板を除去することにより作製される。
【００３８】
具体的には、ｎ型のＧａＮ基板１を、たとえば、約１１５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約５０％）と、ＮＨ３およびトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）からなる原料ガスと、ＧｅＨ４からなるドーパントガスとを用いて、約３μｍ／ｈの成長速度で、ＧａＮ基板１上に、単結晶のＧｅがドープされたＧａＮからなるｎ型クラッド層２を成長させる。
【００３９】
次に、基板温度を約９５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約５％）と、ＮＨ３、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）からなる原料ガスと、ＧｅＨ４からなるドーパントガスとを用いて、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で、ｎ型クラッド層２上に、単結晶のＧｅがドープされたＡｌ０．１Ｇａ０．８Ｉｎ０．１Ｎからなるオーバフロー防止層１１（図２参照）を成長させる。
【００４０】
ここで、オーバフロー防止層１１を成長する温度（約９５０℃）は、ｎ型クラッド層２を成長する温度（約１１５０℃）よりも低い。これにより、オーバフロー防止層１１の成長温度（約９５０℃）と後述するＭＱＷ活性層１２の成長温度（約８５０℃）との差が少なくなるため、オーバフロー防止層１１の成長温度からＭＱＷ活性層１２の成長温度へ設定温度を変更する際のオーバフロー防止層１１とＭＱＷ活性層１２との間の成長中断の時間を短くすることができる。このため、成長を中断している期間に、雰囲気ガス中の不純物（たとえば炭素）がオーバフロー防止層１１の表面に混入するのを防止することができるので、ＭＱＷ活性層１２の結晶性をより向上させることができる。その結果、ＭＱＷ活性層１２の発光強度をより向上させることができる。
【００４１】
次に、基板温度を約８５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、ＭＱＷ活性層１２を形成する。具体的には、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約５％）と、ＮＨ３、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスとを用いて、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で、オーバフロー防止層１１上に、約５ｎｍの厚みを有する５つの単結晶のアンドープＧａ０．６５Ｉｎ０．３５Ｎからなる井戸層１２ａと、約５ｎｍの厚みを有する４つの単結晶のアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなる障壁層１２ｂとを交互に成長させることにより、ＭＱＷ活性層１２を形成する。
【００４２】
続いて、基板温度を約９５０℃のオーバフロー防止層１３の成長温度に設定する。ここで、オーバフロー防止層１３を成長する温度（約９５０℃）は、後述するｐ型クラッド層４を成長する温度（約１１５０℃）よりも低い。これにより、オーバフロー防止層１３の成長温度（約９５０℃）とＭＱＷ活性層１２の成長温度（約８５０℃）との差を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層１２の成長温度（約８５０℃）からオーバフロー防止層１３の成長温度（９５０℃）へ設定温度を変更する際に、ＭＱＷ活性層１２とオーバフロー防止層１３との間の成長中断の時間を短くすることができる。これにより、成長を中断している期間に雰囲気ガス中の不純物がＭＱＷ活性層１２の表面に混入するのを防止することができるので、ＭＱＷ活性層１２の結晶性をより向上させることができる。その結果、ＭＱＷ活性層１２の発光強度をより向上させることができる。
【００４３】
上記のように、基板温度を約９５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約５％）と、ＮＨ３、ＴＭＡｌ、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスと、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）からなるドーパントガスを用いて、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で、ＭＱＷ活性層１２上に、単結晶のＡｌ０．２Ｇａ０．７Ｉｎ０．１Ｎからなるオーバフロー防止層１３を成長させる。
【００４４】
この後、基板温度を約１１５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、Ｃｐ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、約３ｎｍ／ｈの成長速度で、オーバフロー防止層１３上に、単結晶のＭｇドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層４を形成する。そのｐ型クラッド層４上に、原料ガスをＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスに変えた後、約３μｍ／ｈの成長速度で、単結晶のＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型中間コンタクト層５を成長させる。
【００４５】
次に、基板温度を約８５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約５％）と、ＮＨ３、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスと、Ｃｐ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、約３ｎｍ／ｈの成長速度で、ｐ型中間コンタクト層５上に、ＭｇがドープされたＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなるｐ型コンタクト層６を形成する。
【００４６】
ここで、第１実施形態では、ｐ型コンタクト層６の形成時に、成長温度を約１１５０℃から約８５０℃に降温する際に、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層４上に、Ａｌ組成を含まないＧａＮからなるｐ型中間コンタクト層５が形成されているので、ｐ型クラッド層４の上層がＡｌを含んでいる場合に発生するｐ型クラッド層４の表面が変質するという不都合を防止することができる。これにより、ｐ型コンタクト層６からｐ型クラッド層４へ流れる電流に対する抵抗をより低減することができる。また、ｐ型クラッド層４の変質に起因する面内の抵抗のばらつきを低減することができるので、発光むらを低減することができる。これにより、均一な発光を得ることができる。
【００４７】
また、第１実施形態による製造プロセスでは、上記のように、ｐ型クラッド層４からｐ型コンタクト層６を結晶成長させる際に、キャリアガスの水素組成を約１％〜約５％と低くしている。これにより、Ｍｇドーパントを活性化させることができるので、高キャリア濃度のｐ型窒化物系半導体からなる各層（４〜６）を得ることができる。
【００４８】
図３に示したｐ型コンタクト層６を形成した後、真空蒸着法などを用いて、図１に示すように、ｐ型コンタクト層６の上面上に、ｐ型コンタクト層６側から、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ膜と約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｐ側電極７を形成する。そのｐ側電極７上に、ｐ側電極７側から、約３０ｎｍの厚みを有するＴｉ膜および約５００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜からなるｐ側パッド電極８を形成する。また、ｎ型のＧａＮ基板１の裏面に、ＧａＮ基板１の裏面側から、約５００ｎｍの厚みを有するＡｌ膜、約２ｎｍの厚みを有するＳｉ膜、約１０ｎｍの厚みを有するＮｉ膜、および、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜からなるｎ側電極９を形成する。
【００４９】
その後、約６００℃の温度で熱処理することによって、ｐ側電極７およびｎ側電極９を、それぞれ、ｐ型コンタクト層６およびｎ型のＧａＮ基板１にオーミック接触させる。
【００５０】
最後に、スクライブ、ダイシングおよびブレーキングなどの方法を用いて、たとえば、一辺の長さが約１００μｍから約４００μｍのほぼ正方形のチップ形状になるように素子分離を行う。このようにして、図１に示されるような第１実施形態の窒化物系半導体発光ダイオード素子が形成される。
【００５１】
さらに、上記のように形成された第１実施形態の窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤチップ）のｐ型コンタクト層６側をフレーム（図示せず）に、ＡｕとＳｎからなる半田を用いて固定した後、それらを覆うように、樹脂を２００℃前後の温度で硬化させることによって、第１実施形態のＬＥＤチップを含むＬＥＤランプを作製してもよい。
【００５２】
上記第１実施形態では、ＧａＮ基板１の（１−１００）Ｍ面から［０００１］方向へ０．５度オフした表面上に、ｎ型クラッド層２、発光層３、ｐ型クラッド層４、ｐ型中間コンタクト層５およびｐ型コンタクト層６を順次成長させることによって、（１−１００）面にほぼ近い表面を有する各層２〜６を形成することができる。これにより、ＭＱＷ活性層１２にピエゾ電場が発生しないので、ＭＱＷ活性層１２を構成する井戸層１２ａのバンドが傾いて正孔と電子との再結合確率が低下するのを抑制することができる。その結果、発光効率を向上させることができる。
【００５３】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。また、図５は、図４に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層部分の詳細を示した拡大断面図である。図４および図５を参照して、この第２実施形態では、窒化物系半導体発光ダイオード素子に本発明を適用した第１実施形態と異なり、窒化物系半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。
【００５４】
この第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図４に示すように、サファイア（０００１）Ｃ面基板２１上に、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するＳｉＮからなる逆メサ形状（逆台形形状）のマスク層２２が、約７μｍの周期でストライプ状（細長状）に形成されている。このマスク層２２は、隣接するマスク層２２間の最短距離が、マスク層２２の露出したサファイア基板２１の幅より小さくなるように形成されている。
【００５５】
そのマスク層２２間に露出したサファイア基板２１上には、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層２３が形成されている。そして、低温バッファ層２３およびマスク層２２上には、マスク層２２を埋め込むように、約２μｍの厚みを有する低転位のアンドープＧａＮ層２４が形成されている。
【００５６】
そして、アンドープＧａＮ層２４上には、約１μｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｎ型コンタクト層２５が形成されている。このｎ型コンタクト層２５は、凸部を有するように形成されている。そして、そのｎ型コンタクト層２５の凸部上には、約１μｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｎ型クラッド層２６が形成されている。なお、ｎ型クラッド層２６は、本発明の「第１窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。
【００５７】
ｎ型クラッド層２６上には、発光層２７が形成されている。この発光層２７は、図５に示すように、オーバフロー防止層４１と、光ガイド層４５と、ＭＱＷ活性層４２と、光ガイド層４４と、オーバフロー防止層（キャップ層）４３とを含んでいる。なお、オーバフロー防止層４１および４３は、本発明の「第２窒化物系半導体層」の一例である。
【００５８】
ｎ型クラッド層２６上に形成されるオーバフロー防止層４１は、約２０ｎｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＡｌ０．２５Ｇａ０．６６Ｉｎ０．０９Ｎからなる。このオーバフロー防止層４１は、ＭＱＷ活性層４２からｎ型クラッド層２６へ正孔がオーバフローするのを防止するために設けられている。また、オーバフロー防止層４１上に形成される光ガイド層４５は、約１００ｎｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＧａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる。
【００５９】
また、光ガイド層４５上に形成されるＭＱＷ活性層４２は、約１５ｎｍの厚みを有する４つのアンドープのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなる障壁層４２ａと、約４ｎｍの厚みを有する３つのアンドープのＧａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎからなる井戸層４２ｂとから構成されている。
【００６０】
ＭＱＷ活性層４２上に形成される光ガイド層４４は、約１００ｎｍの厚みを有するとともに、約３×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約２×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＧａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる。
【００６１】
また、光ガイド層４４上に形成されるオーバフロー防止層（キャップ層）４３は、約２０ｎｍの厚みを有するとともに、アンドープのＡｌ０．１５Ｇａ０．８Ｉｎ０．０５Ｎからなる。また、オーバフロー防止層（キャップ層）４３は、ＭＱＷ活性層４２からの電子のオーバフローを防止する機能に加えて、光ガイド層４４のＩｎが脱離するのを防止するキャップ層としての機能を有する。
【００６２】
発光層２７を構成するオーバフロー防止層（キャップ層）４３上には、図４に示すように、約２８０ｎｍの厚みを有するとともに、約４×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｐ型クラッド層２８が形成されている。なお、　ｐ型クラッド層２８は、本発明の「第１窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。ｐ型クラッド層２８上には、約５ｎｍの厚みを有するとともに、約４×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｐ型コンタクト層２９が形成されている。
【００６３】
ここで、第２実施形態では、Ａｌ０．２５Ｇａ０．６６Ｉｎ０．０９Ｎからなるオーバフロー防止層４１は、Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｎ型クラッド層２６よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｎ型クラッド層２６と、Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５ＮまたはＧａ０．９０Ｉｎ０．１０ＮからなるＭＱＷ活性層４２との中間の格子定数を有する。また、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８Ｉｎ０．０５Ｎからなるオーバフロー防止層（キャップ層）４３は、Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｐ型クラッド層２８よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層２８と、Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５ＮまたはＧａ０．９０Ｉｎ０．１０ＮからなるＭＱＷ活性層４２との中間の格子定数を有する。
【００６４】
また、ｐ型コンタクト層２９の上面上には、ｐ型コンタクト層２９側から、約１ｎｍの厚みを有するＰｔ膜、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ膜および約３μｍの厚みを有するＡｕ膜からなるｐ側電極３１が形成されている。またｐ型コンタクト層２９からｎ型コンタクト層２６までの一部領域が除去されることによって、ｎ型コンタクト層２６の一部が露出されている。そのｎ型コンタクト層２６の露出された表面上には、ｎ型コンタクト層２６側から、約６ｎｍの厚みを有するＡｌ膜と、約２ｎｍの厚みを有するＳｉ膜と、約１０ｎｍの厚みを有するＮｉ膜と、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｎ側電極３０が形成されている。
【００６５】
第２実施形態では、上記のように、ＭＱＷ活性層４２とｎ型コンタクト層２５との間に、Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｎ型クラッド層２６よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｎ型クラッド層２６とＧａ０．９５Ｉｎ０．０５ＮまたはＧａ０．９０Ｉｎ０．１０ＮからなるＭＱＷ活性層４２との中間の格子定数を有するＡｌ０．２５Ｇａ０．６６Ｉｎ０．０９Ｎからなるオーバフロー防止層４１を設けることによって、オーバフロー防止層４１がｎ型クラッド層２６よりも大きいバンドギャップを有することにより正孔のオーバフローを有効に防止することができるとともに、オーバフロー防止層４１がｎ型クラッド層２６とＭＱＷ活性層４２との中間の格子定数を有することによりオーバフロー防止層４１とＭＱＷ活性層４２との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、オーバフロー防止層４１とＭＱＷ活性層４２との間の格子不整合を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層４２に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、ＭＱＷ活性層４２の結晶性を向上させることができるので、ＭＱＷ活性層４２の発光強度を向上させることができる。
【００６６】
また、第２実施形態では、ｐ型クラッド層２８とＭＱＷ活性層４２との間に、Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｐ型クラッド層２８よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層２８とＧａ０．９５Ｉｎ０．０５ＮまたはＧａ０．９０Ｉｎ０．１０ＮからなるＭＱＷ活性層４２との中間の格子定数を有するＡｌ０．１５Ｇａ０．８Ｉｎ０．０５Ｎからなるオーバフロー防止層（キャップ層）４３を設けることによって、オーバフロー防止層４３がｐ型クラッド層２８よりも大きいバンドギャップを有することにより電子のオーバフローを有効に防止することができるとともに、オーバフロー防止層４３がｐ型クラッド層２８とＭＱＷ活性層４２との中間の格子定数を有することによりオーバフロー防止層４３とＭＱＷ活性層４２との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、オーバフロー防止層４３とＭＱＷ活性層４２との間の格子不整合を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層４２に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、ＭＱＷ活性層４２の結晶性をより向上させることができるので、ＭＱＷ活性層４２の発光強度をより向上させることができる。
【００６７】
図６および図７は、図４に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図４〜図７を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００６８】
まず、図６に示すように、サファイア（０００１）Ｃ面基板２１の上面上の全面にＳｉＮ膜（図示せず）を形成した後、そのＳｉＮ膜の所定領域上にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、ＳｉＮ膜をウェットエッチングすることによって、ストライプ状のマスク層２２を形成する。このマスク層２２は、マスク層２２の斜めに形成された側面とサファイア（０００１）Ｃ面基板２１との間にオーバーハング部を有するように、逆メサ形状（逆台形形状）に形成されている。また、マスク層２２間の開口部は、たとえば、サファイア（０００１）Ｃ面基板２１の［１１−２０］方向またはサファイア（０００１）Ｃ面基板２１の［１−１００］方向に形成するのが好ましい。
【００６９】
この後、マスク層２２間に露出したサファイア（０００１）Ｃ面基板２１上に、約５００℃〜約７００℃の成長温度で、ＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層２３を成長させる。そして、ＭＯＶＰＥ法またはＨＶＰＥ法などを用いて、マスク層２２を選択成長マスクとして、低温バッファ層２３上に、約９５０℃〜約１２００℃の成長温度で、アンドープＧａＮ層２４を選択横方向成長させる。この場合、露出された低温バッファ層２３の上面上において、アンドープＧａＮ層２４は、まず、上方向に成長する。これにより、低温バッファ層２３の上面上の中央部付近に、断面が三角形状のファセット構造のアンドープＧａＮ層（図示せず）が成長される。さらに、アンドープＧａＮ層からなるファセットの成長が進むと、各ファセットは横方向に成長して合体するとともに、マスク層２２上にも成長される。それにより、上面が平坦な連続膜からなるアンドープＧａＮ層２４が形成される。その結果、より多くの転位が横方向に曲げられるので、より薄い厚みで、転位密度が約７×１０７ｃｍ−２に低減されたアンドープＧａＮ層２４を形成することができる。
【００７０】
次に、図７に示すように、アンドープＧａＮ層上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、上記した組成、厚み、ドーピング量およびキャリア濃度を有するｎ型コンタクト層２５、ｎ型クラッド層２６、発光層２７、ｐ型クラッド層２８およびｐ型コンタクト層２９を順次成長させる。なお、ｎ型コンタクト層２５と、ｎ型クラッド層２６と、オーバフロー防止層４１および４３と、ｐ型クラッド層２８およびｐ型コンタクト層２９との成長温度は、約１１５０℃である。また、光ガイド層４５と、ＭＱＷ活性層４２と、光ガイド層４４との成長温度は、約８５０℃である。
【００７１】
この後、ｐ型コンタクト層２９からｎ型コンタクト層２５の一部領域をＲＩＥ法などを用いてエッチングすることにより、図４に示したように、ｎ型コンタクト層２５の表面の一部を露出させる。また、ｐ型コンタクト層２９およびｐ型クラッド層２８の一部をエッチングすることにより、リッジ部を形成する。そして、ｐ型コンタクト層２９の上面上に、上記の組成および厚みを有するｐ側電極３１を形成するとともに、エッチングにより露出されたｎ型コンタクト層２５の表面上に、上記の組成および厚みを有するｎ側電極３０を形成する。
【００７２】
第２実施形態の製造プロセスでは、上記のように、逆メサ形状のマスク層２２を設けることによって、低転位のアンドープＧａＮ層２４をより薄い厚みで形成することができる。
【００７３】
（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。図９は、図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層部分の詳細を示した拡大断面図である。図８および図９を参照して、この第３実施形態では、上記第２実施形態と異なり、導電性のｎ型ＧａＮ基板を用いた窒化物系半導体レーザ素子について説明する。
【００７４】
この第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図８に示すように、（０００１）Ｇａ面を表面とする酸素ドープのｎ型のＧａＮ基板５１上に、約１μｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約４×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＧｅがドープされたＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｎ型層５２が形成されている。ｎ型層５２上には、約１μｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約３×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＧｅがドープされたＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層５３が形成されている。なお、ｎ型クラッド層５３は、本発明の「第１窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。
【００７５】
ｎ型クラッド層５３上には、発光層５４が形成されている。発光層５４は、図９に示すように、オーバフロー防止層７１と、ＭＱＷ活性層７２と、光ガイド層７４と、オーバフロー防止層（キャップ層）７３とを含んでいる。なお、オーバフロー防止層７１および７３は、本発明の「第２窒化物系半導体層」の一例である。
【００７６】
オーバフロー防止層７１は、ＭＱＷ活性層７２からｎ型クラッド層５３への正孔のオーバフローを防止するために設けられている。このオーバフロー防止層７１は、ｎ型コンタクト層５３上に形成され、約２０ｎｍの厚みを有するとともに、アンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．６６Ｉｎ０．０９Ｎからなる。また、オーバフロー防止層７１上に形成されるＭＱＷ活性層７２は、約３．５ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなる３つの井戸層７２ａと、約２０ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなる３つの障壁層７２ｂとから構成される。
【００７７】
ＭＱＷ活性層７２上に形成される光ガイド層７４は、約１００ｎｍの厚みを有するとともに、アンドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる。また、光ガイド層７４上に形成されるオーバフロー防止層（キャップ層）７３は、約２０ｎｍの厚みを有するとともに、アンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．６６Ｉｎ０．０９Ｎからなる。このオーバフロー防止層７３は、ＭＱＷ活性層７２からの電子のオーバフローを防止する機能に加えて、光ガイド層７４のＩｎが脱離するのを防止するキャップ層としての機能も有する。
【００７８】
また、オーバフロー防止層（キャップ層）７３上には、図８に示すように、約２８０ｎｍの厚みを有するとともに、約４×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層５５が形成されている。なお、ｐ型クラッド層５５は、本発明の「第１窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。ｐ型クラッド層５５上には、約３ｎｍの厚みを有するアンドープのＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるコンタクト層５６が形成されている。
【００７９】
また、ｐ型クラッド層５５およびコンタクト層５６の電流通路となる領域以外の領域に、イオン注入層５７が形成されている。また、コンタクト層５６上の所定領域には、約１００ｎｍの厚みを有するＴｉＯ２膜からなる絶縁膜５８が開口部５８ａを有するように形成されている。絶縁膜５８の開口部５８ａを介してコンタクト層５６に接触するとともに絶縁膜５８の上面上に沿って延びるように、コンタクト層５６側から、約１ｎｍの厚みを有するＰｔ膜と、約５ｎｍの厚みを有するＰｄ膜とからなるｐ側電極５９が形成されている。ｐ側電極５９上には、ｐ側電極５９側から、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ膜と、約３μｍの厚みを有するＡｕとからなるｐ側パッド電極６０が形成されている。また、ＧａＮ基板５１の裏面上には、ＧａＮ基板５１側から、約６ｎｍの厚みを有するＡｌ膜と、約２ｎｍの厚みを有するＳｉ膜と、約１０ｎｍの厚みを有するＮｉ膜と、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｎ側電極６１が形成されている。
【００８０】
ここで、第３実施形態では、Ａｌ０．２５Ｇａ０．６６Ｉｎ０．０９Ｎからなるオーバフロー防止層７１は、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層５３よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｎ型クラッド層５３と、Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５ＮまたはＧａ０．９５Ｉｎ０．０５ＮからなるＭＱＷ活性層７２との中間の格子定数を有する。また、Ａｌ０．２５Ｇａ０．６６Ｉｎ０．０９Ｎからなるオーバフロー防止層７３は、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層５５よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層５５と、Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５ＮまたはＧａ０．９５Ｉｎ０．０５ＮからなるＭＱＷ活性層７２との中間の格子定数を有する。
【００８１】
第３実施形態では、上記のように、ｎ型クラッド層５３とＭＱＷ活性層７２との間に、ｎ型クラッド層５３よりもバンドギャップが大きいとともに、ｎ型クラッド層５３とＭＱＷ活性層７２との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層７１を設けることによって、オーバフロー防止層７１がｎ型クラッド層５３よりも大きいバンドギャップを有することによりＭＱＷ活性層７２からの正孔のオーバフローを有効に防止することができるとともに、オーバフロー防止層７１がｎ型クラッド層５３とＭＱＷ活性層７２との中間の格子定数を有することによりオーバフロー防止層７１とＭＱＷ活性層７２との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、オーバフロー防止層７１とＭＱＷ活性層７２との間の格子不整合を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層７２に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、ＭＱＷ活性層７２の結晶性を向上させることができるので、ＭＱＷ活性層７２の発光強度を向上させることができる。
【００８２】
また、第３実施形態では、上記のように、ｐ型クラッド層５５とＭＱＷ活性層７２との間に、ｐ型クラッド層５５よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層５５とＭＱＷ活性層７２との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層７３を設けることによって、オーバフロー防止層７３がｐ型クラッド層５５よりも大きいバンドギャップを有することによりＭＱＷ活性層７２からの電子のオーバフローを有効に防止することができるとともに、オーバフロー防止層７３がｐ型クラッド層５５とＭＱＷ活性層７２との中間の格子定数を有することによりオーバフロー防止層７３とＭＱＷ活性層７２との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、オーバフロー防止層７３とＭＱＷ活性層７２との間の格子不整合を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層７２に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、ＭＱＷ活性層７２の結晶性をより向上させることができるので、ＭＱＷ活性層７２の発光強度をより向上させることができる。
【００８３】
図１０〜図１５は、図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図８〜図１５を参照して、第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００８４】
まず、図１０に示すように、（０００１）Ｇａ面を表面とするｎ型ＧａＮ基板５１上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、上記した組成、厚み、ドーピング量およびキャリア濃度を有するｎ型層５２、ｎ型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５およびコンタクト層５６を順次成長させる。なお、ｎ型層５２、ｎ型クラッド層５３、ｐ型クラッド層５５およびコンタクト層５６の成長は、約１１５０℃で行う。また、オーバフロー防止層７１、ＭＱＷ活性層７２、光ガイド層７４およびオーバフロー防止層７３の成長は、約８５０℃で行う。
【００８５】
ここで、第３実施形態による製造プロセスでは、オーバフロー防止層７１の成長温度（約８５０℃）を、ｎ型クラッド層５３の成長温度（約１１５０℃）よりも低くするとともに、ＭＱＷ活性層７２の成長温度（約８５０℃）と同じにすることによって、オーバフロー防止層７１の成長温度とＭＱＷ活性層７２の成長温度との差がなくなる。これにより、オーバフロー防止層７１とＭＱＷ活性層７２との成長工程を、成長を中断することなく連続的に行うことができる。このため、成長の中断に起因して雰囲気ガス中の不純物がオーバフロー防止層７１とＭＱＷ活性層７２との界面に混入するのを防止することができるので、ＭＱＷ活性層７２の結晶性をより向上させることができる。その結果、ＭＱＷ活性層７２の発光強度をより向上させることができる。
【００８６】
図１０に示した形状を形成した後、図１１に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、基板温度を約２００℃に保持した状態で、約１μｍの厚みを有するＳｉＯ２膜（図示せず）を全面に形成した後、そのＳｉＯ２膜をフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術とを用いてパターンニングする。これにより、図１１に示されるような形状を有するＳｉＯ２膜７５が形成される。その後、プラズマＣＶＤ法を用いて、基板温度を約２００℃に保持した状態で、約５０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜７６を全面を覆うように形成する。
【００８７】
次に、図１２に示すように、ＳｉＯ２膜７５と、ＳｉＯ２膜７６のＳｉＯ２膜７５の側面に形成された部分とをマスクにして、コンタクト層５６およびｐ型クラッド層５５に、炭素（Ｃ）をイオン注入することによって、イオン注入層５７を形成する。このイオン注入層５７は、約１０１９〜１０２０ｃｍ−３の不純物濃度と、約３００ｎｍ〜約３５０ｎｍの注入深さとを有するように形成する。
【００８８】
この後、ＣＦ４ガスによるドライエッチングを用いて、ＳｉＯ２膜７６を除去するとともに、ＳｉＯ２膜７５の側面を等方的にドライエッチングする。これにより、図１３に示されるような、幅の小さいＳｉＯ２膜７５ａが形成される。その後、電子ビーム蒸着法を用いて、基板温度を約１００℃に保持した状態で、約５０ｎｍの厚みを有するＴｉＯ２膜からなる絶縁膜５８を全面を覆うように形成する。そして、ＳｉＯ２膜７５ａをウェットエッチングすることによって、図１４に示すように、絶縁膜５８に開口部５８ａを形成する。
【００８９】
次に、図１５に示すように、開口部５８ａを介してコンタクト層５６の上面に接触するとともに、絶縁膜５８の上面上に沿って延びるように、コンタクト層５６側から、約１ｎｍの厚みを有するＰｔ膜と、約５ｎｍの厚みを有するＰｄ膜とからなるｐ側電極５９を形成する。
【００９０】
この後、第３実施形態による製造プロセスでは、窒素中で約３６０℃でアニール処理を行うことによって、ｐ型クラッド層５５をｐ型化する。その後、リフトオフ用のレジストパターン（図示せず）を形成した後、真空蒸着法を用いて、基板温度を約１００℃に保持した状態で、下から上に向かって、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ膜（図示せず）と約３μｍの厚みを有するＡｕ膜（図示せず）とを形成する。その後、レジストを除去することによって、Ｐｄ膜およびＡｕ膜からなるｐ側パッド電極６０が形成される。
【００９１】
最後に、図８に示したように、ＧａＮ基板５１の裏面を、約１４０μｍの厚みになるまで研磨する。そして、基板温度を約２００℃に保持した状態で、ＧａＮ基板５１の裏面をＣｌ２系のガスでドライエッチングする。また、基板温度を約１００℃に保持した状態で、ＧａＮ基板５１の裏面に、ＧａＮ基板５１側から、約６ｎｍの厚みを有するＡｌ膜と、約２ｎｍの厚みを有するＳｉ膜と、約１０ｎｍの厚みを有するＮｉ膜と、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｎ側電極６１を形成する。
【００９２】
このようにして、第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００９３】
（第４実施形態）
図１６は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。図１７は、図１６に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層部分の拡大断面図である。図１６および図１７を参照して、この第４実施形態では、サファイア（１−１０２）Ｒ面基板上に窒化物系半導体層を成長させる場合について説明する。
【００９４】
すなわち、この第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１６に示すように、サファイア（１−１０２）Ｒ面基板８１上に、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層８３が形成されている。低温バッファ層８３上には、約２μｍの厚みを有するアンドープＧａＮ層８４が形成されている。
【００９５】
そして、アンドープＧａＮ層８４上には、約１μｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｎ型コンタクト層８５が形成されている。このｎ型コンタクト層８５は、凸部を有するように形成されている。そのｎ型コンタクト層８５の凸部の上面のほぼ全面と接触するように、超格子構造を有するｎ型クラッド層８６が形成されている。この超格子構造のｎ型クラッド層８６は、約１０ｎｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる層と、約１０ｎｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる層とが５０周期積層されている。なお、ｎ型クラッド層８６は、本発明の「第１窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。
【００９６】
この超格子構造のｎ型クラッド層８６上には、発光層８７が形成されている。発光層８７は、図１７に示すように、オーバフロー防止層１０１と、光ガイド層１０５と、ＭＱＷ活性層１０２と、オーバフロー防止層（キャップ層）１０３と、光ガイド層１０４とから構成されている。なお、オーバフロー防止層１０１および１０３は、本発明の「第２窒化物系半導体層」の一例である。
【００９７】
ｎ型クラッド層８６上に形成されるオーバフロー防止層１０１は、約２０ｎｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＡｌ０．２５Ｇａ０．６５Ｉｎ０．１Ｎからなる。
【００９８】
また、オーバフロー防止層１０１上に形成される光ガイド層１０５は、約１００ｎｍの厚みを有するとともに、約５×１０１８ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＳｉがドープされたＧａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる。また、光ガイド層１０５上に形成されるＭＱＷ活性層１０２は、約１５ｍの厚みを有するとともに、アンドープのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなる４つの障壁層１０２ａと、約４ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎからなる３つの井戸層１０２ｂとから構成されている。ＭＱＷ活性層１０２上に形成されるオーバフロー防止層（キャップ層）１０３は、約２０ｎｍの厚みを有するとともに、アンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．５８Ｉｎ０．１７Ｎからなる。このオーバフロー防止層１０３は、ＭＱＷ活性層１０２からの電子のオーバフローを防止する機能に加えて、ＭＱＷ活性層１０２のＩｎが脱離するのを防止するキャップ層としての機能も有する。
【００９９】
また、オーバフロー防止層１０３上に形成される光ガイド層１０４は、約１００ｎｍの厚みを有するとともに、約３×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約２×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる。この光ガイド層１０４は、キャリアを活性層に閉じ込める機能を有しており、この光ガイド層１０４は、本発明の「クラッド層」および「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【０１００】
光ガイド層１０４上には、図１６に示すように、約２８０ｎｍの厚みを有するとともに、約４×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｐ型クラッド層８８が形成されている。ｐ型クラッド層８８は、凸部を有するように形成されている。なお、このｐ型クラッド層８８は、本発明の「第１窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。
【０１０１】
ここで、この第４実施形態では、ｎ型クラッド層８６とＭＱＷ活性層１０２との間に形成されるＡｌ０．２５Ｇａ０．６５Ｉｎ０．１Ｎからなるオーバフロー防止層１０１は、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＮとＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとの超格子構造からなるｎ型クラッド層８６を構成するすべての層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｎ型クラッド層８６を構成するすべての層と、Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５ＮまたはＧａ０．９０Ｉｎ０．１０ＮからなるＭＱＷ活性層１０２との中間の格子定数を有する。また、ｐ型クラッド層８８とＭＱＷ活性層１０２との間に形成されるＡｌ０．２５Ｇａ０．４２Ｉｎ０．１７Ｎからなるオーバフロー防止層（キャップ層）１０３は、Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｐ型クラッド層８８およびＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる光ガイド層１０４よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層８８および光ガイド層１０４と、Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５ＮまたはＧａ０．９０Ｉｎ０．１０ＮからなるＭＱＷ活性層１０２との中間の格子定数を有する。
【０１０２】
また、ｐ型クラッド層８８の凸部上には、約５ｎｍの厚みを有するとともに、約４×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＧａＮからなるｐ型コンタクト層８９が形成されている。ｐ型コンタクト層８９上には、ｐ型コンタクト層８９側から、約１ｎｍの厚みを有するＰｔ膜、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ膜および約３μｍの厚みを有するＡｕ膜からなるｐ側電極９１が形成されている。
【０１０３】
また、ｐ型コンタクト層８９からｎ型コンタクト層８５までの一部領域が除去されることによって、ｎ型コンタクト層８５の一部領域が露出されている、そのｎ型コンタクト層８５の露出された表面上には、ｎ型コンタクト層８５側から、約６ｎｍの厚みを有するＡｌ膜、約２ｎｍの厚みを有するＳｉ膜、約１０ｎｍの厚みを有するＺｎ膜および約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜からなるｎ側電極９０が形成されている。
【０１０４】
ここで、第４実施形態では、サファイア（１−１０２）Ｒ面基板８１上に形成される窒化物系半導体からなる各層８３〜８９、１０１〜１０５の表面は、（１１−２０）面となる。また、サファイアの［−１１０１］方向がＧａＮの［０００１］方向と平行になり、サファイアの［１１−２０］方向がＧａＮの［−１１００］方向と平行になるように、窒化物系半導体からなる各層８３〜８９および１０１〜１０５が結晶成長されている。
【０１０５】
第４実施形態では、上記のように、窒化物系半導体からなる各層８３〜８９および１０１〜１０５を、（１１−２０）面を有するように積層することによって、ＭＱＷ活性層１０２にピエゾ電場が発生しないので、井戸層１０２ｂのエネルギバンドに傾きが発生するのを抑制することができる。これにより、電子と正孔との再結合確率が低下するのを抑制することができるので、ＭＱＷ活性層１０２の発光効率を向上させることができる。
【０１０６】
また、第４実施形態では、上記のように、複数の層からなる超格子構造のｎ型クラッド層８６とＭＱＷ活性層１０２との間に、ｎ型クラッド層８６を構成するすべての層よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｎ型クラッド層８６を構成するすべての層とＭＱＷ活性層１０２との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層１０１を設けることによって、オーバフロー防止層１０１がｎ型クラッド層８６よりも大きいバンドギャップを有することによりＭＱＷ活性層１０２からの正孔のオーバフローを有効に防止することができるとともに、オーバフロー防止層１０１がｎ型クラッド層８６とＭＱＷ活性層１０２との中間の格子定数を有することによりオーバフロー防止層１０１とＭＱＷ活性層１０２との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、オーバフロー防止層１０１とＭＱＷ活性層１０２との間の格子不整合を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層１０２に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、ＭＱＷ活性層１０２の結晶性を向上させることができるので、ＭＱＷ活性層１０２の発光強度を向上させることができる。
【０１０７】
また、この第４実施形態では、上記のように、ｐ型クラッド層８８および光ガイド層１０４と、ＭＱＷ活性層１０２との間に、ｐ型クラッド層８８および光ガイド層１０４よりも大きいバンドギャップを有するとともに、ｐ型クラッド層８８および光ガイド層１０４と、ＭＱＷ活性層１０２との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層（キャップ層）１０３を設けることによって、オーバフロー防止層１０３がｐ型クラッド層８８および光ガイド層１０４よりも大きいバンドギャップを有することによりＭＱＷ活性層１０２からの電子のオーバフローを防止することができるとともに、オーバフロー防止層１０３がｐ型クラッド層８８および光ガイド層１０４とＭＱＷ活性層１０２との中間の格子定数を有することによりオーバフロー防止層１０３とＭＱＷ活性層１０２との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、オーバフロー防止層１０３とＭＱＷ活性層１０２との間の格子不整合を小さくすることができるので、ＭＱＷ活性層１０２に加わる歪みを小さくすることができる。その結果、ＭＱＷ活性層１０２の結晶性をより向上させることができるので、ＭＱＷ活性層１０２の発光強度をより向上させることができる。
【０１０８】
図１８は、図１６に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１６〜図１８を参照して、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【０１０９】
まず、図１８に示すように、サファイア（１−１０２）Ｒ面基板８１上に、約５００℃〜約８００℃の成長温度で、ＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層８３を約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みで成長させる。そして、ＭＯＶＰＥ法またはＨＶＰＥ法などを用いて、低温バッファ層８３上に、約９５０℃〜約１２００℃の成長温度で、アンドープＧａＮ層８４を約２μｍの厚みで成長させる。この後、アンドープＧａＮ層８４上に、上記した組成、厚み、ドーピング量およびキャリア濃度を有する窒化物系半導体からなる各層８５〜８９および１０１〜１０５を成長させる。この場合、ｎ型コンタクト層８５と、ｎ型クラッド層８６と、光ガイド層１０４と、ｐ型クラッド層８８と、ｐ型コンタクト層８９との成長温度は、約１１５０℃であり、オーバフロー防止層１０１と、光ガイド層１０５と、ＭＱＷ活性層１０２と、オーバフロー防止層１０３との成長温度は、約８５０℃である。
【０１１０】
ここで、第４実施形態による製造プロセスでは、オーバフロー防止層１０１の成長温度（約８５０℃）を、ｎ型クラッド層８６の成長温度（約１１５０℃）よりも低くするとともに、ＭＱＷ活性層１０２の成長温度（約８５０℃）と同じにすることによって、オーバフロー防止層１０１の成長温度とＭＱＷ活性層１０２の成長温度との差がなくなる。これにより、オーバフロー防止層１０１とＭＱＷ活性層１０２との成長工程を、成長を中断することなく連続的に行うことができる。このため、成長の中断に起因して雰囲気ガス中の不純物がオーバフロー防止層１０１とＭＱＷ活性層１０２との界面に混入するのを防止することができるので、ＭＱＷ活性層１０２の結晶性をより向上させることができる。その結果、ＭＱＷ活性層１０２の発光強度をより向上させることができる。
【０１１１】
図１８に示した形状を形成した後、ｐ型コンタクト層８９およびｐ型クラッド層８８の一部をエッチングすることによって、図１６に示すようなリッジ部を形成する。また、ｐ型コンタクト層８９からｎ型コンタクト層８５までの一部領域をＲＩＥ法によるエッチングにより除去することによって、ｎ型コンタクト層８５の一部領域を露出させる。ｐ型コンタクト層８９の上面上に、ｐ型コンタクト層８９側から、約１ｎｍの厚みを有するＰｔ膜と、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ膜と、約３μｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｐ側電極９１を形成する。また、ｎ型コンタクト層８５の露出された表面上には、ｎ型コンタクト層８５側から、約６ｎｍの厚みを有するＡｌ膜と、約２ｎｍの厚みを有するＳｉ膜と、約１０ｎｍの厚みを有するＺｎ膜と、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｎ側電極９０を形成する。
【０１１２】
最後に、へき開やドライエッチングなどを用いて、窒化物系半導体の（０００１）面または（１−１００）面からなる共振器面を形成する。このようにして、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【０１１３】
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。
【０１１４】
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、ＭＱＷ活性層を挟むようにＭＱＷ活性層の両側にオーバフロー防止層を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ＭＱＷ活性層のｐ側またはｎ側のみにオーバフロー防止層を形成してもよい。この場合にも、同様の効果を得ることができる。
【０１１５】
また、上記第１〜第４実施形態において、オーバフロー防止層とＭＱＷ活性層との間、または、オーバフロー防止層と光ガイド層との間に、中間層を設けるようにしてもよい。この中間層としては、オーバフロー防止層とＭＱＷ活性層との中間のバンドギャップを有し、オーバフロー防止層とＭＱＷ活性層との中間の格子定数を有する層を用いるのが好ましい。また、中間層として、オーバフロー防止層と光ガイド層との中間のバンドギャップを有し、かつ、オーバフロー防止層と光ガイド層との中間の格子定数を有する層を形成してもよい。
【０１１６】
また、上記第１〜第４実施形態では、ＡｌＧａＩｎＮからなるオーバフロー防止層と、ＧａＩｎＮからなるＭＱＷ活性層と、ＡｌＧａＮからなるクラッド層とを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、オーバフロー防止層を、（ＡｌＸＢ１−Ｘ）ＹＧａ１−Ｙ−ＺＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、０＜Ｙ＋Ｚ≦１）によって形成するとともに、ＭＱＷ活性層を、ＡｌＵＢＶＧａ１−Ｕ−Ｖ−ＷＩｎＷＮ（０≦Ｕ＜１、０≦Ｖ＜１、０＜Ｗ≦１、０＜Ｕ＋Ｖ＋Ｗ≦１）によって形成し、かつ、クラッド層を（ＡｌＲＢ１−Ｒ）ＳＧａ１−Ｓ−ＴＩｎＴＮ（０≦Ｒ≦１、０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ＜１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）によって形成するようにしてもよい。また、オーバフロー防止層を、（ＡｌＸＢ１−Ｘ）ＹＧａ１−Ｙ−ＺＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、０＜Ｙ＋Ｚ≦１）によって形成するとともに、ＭＱＷ活性層を、Ｇａ１−ＷＩｎＷＮ（０＜Ｗ≦１）によって形成し、かつ、クラッド層を（ＡｌＲＢ１−Ｒ）ＳＧａ１−Ｓ−ＴＩｎＴＮ（０≦Ｒ≦１、０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ＜１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）によって形成するようにしてもよい。
【０１１７】
また、上記第４実施形態では、超格子構造のｎ型クラッド層８６を構成するすべての層よりも大きいバンドギャップを有するオーバフロー防止層１０１と、ｐ型クラッド層８８およびクラッド層としての機能を有する光ガイド層１０４よりも大きいバンドギャップを有するオーバフロー防止層（キャップ層）１０３とを設けた例を示したが、本発明はこれに限らず、オーバフロー防止層は、少なくとも複数の層からなるクラッド層の最もバンドギャップの小さい層よりもバンドギャップが大きく、かつ、少なくともＭＱＷ活性層を構成する層のうちの最もバンドギャップの小さい層よりもバンドギャップが大きければよい。たとえば、オーバフロー防止層１０３のバンドギャップは、ｐ型クラッド層８８のバンドギャップと光ガイド層１０４のバンドギャップとの中間にあってもよい。
【０１１８】
また、上記第４実施形態では、超格子構造のｎ型クラッド層８６を構成するすべての層とＭＱＷ活性層７２を構成するすべての層との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層１０１と、ｐ型クラッド層８８およびクラッド層としての機能を有する光ガイド層１０４とＭＱＷ活性層１０２を構成するすべての層との中間の格子定数を有するオーバフロー防止層１０３とを設けたが、本発明はこれに限らず、オーバフロー防止層は、少なくとも複数の層からなるクラッド層の最も格子定数の小さい層よりも格子定数が大きく、かつ、少なくともＭＱＷ活性層を構成する層のうちの最も格子定数の大きい層よりも格子定数が小さければよい。たとえば、オーバフロー防止層１０３の格子定数は、ｐ型クラッド層８８の格子定数と光ガイド層１０４の格子定数との中間にあってもよい。
【０１１９】
また、上記第１〜第４実施形態では、ＭＱＷ活性層を挟む両側のオーバフロー防止層のバンドギャップをクラッド層のバンドギャップより大きくするとともに、両側のオーバフロー防止層の格子定数をクラッド層とＭＱＷ活性層との間の格子定数になるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＭＱＷ活性層の一方側に設けられるオーバフロー防止層を、クラッド層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するとともに、クラッド層とＭＱＷ活性層との間の格子定数を有するように形成し、ＭＱＷ活性層の他方側に設けられるオーバフロー防止層を、クラッド層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するとともに、ＭＱＷ活性層の格子定数より小さいクラッド層の格子定数よりさらに小さい格子定数を有するように形成してもよい。この場合にも、同様の効果を得ることができる。
【０１２０】
また、上記第１〜第４実施形態では、基板として、サファイア基板またはＧａＮ基板を用いたが、本発明はこれに限らず、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、水晶基板、ＺｒＢ２基板などの基板を用いてもよい。
【０１２１】
また、上記第１〜第４実施形態では、Ｐｄ膜およびＡｕ膜からなるｐ側電極を、Ｐｄ膜とｐ型コンタクト層とが接触するように形成したが、本発明はこれに限らず、Ｐｄ膜の代わりに、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）およびイリジウム（Ｉｒ）のうち、少なくとも１種を含む金属またはこれらの金属からなる合金を用いてもよい。この場合、特に、Ｎｉ、Ｐｄまたは白金からなる金属膜をｐ型コンタクト層またはコンタクト層と接触するようにｐ側電極を形成すれば、より好ましいオーミック接触を得ることができる。
【０１２２】
また、上記第１〜第４実施形態では、Ｐｄ膜およびＡｕ膜からなるｐ側電極を、Ｐｄ膜とｐ型コンタクト層またはコンタクト層とが接触するように形成したが、本発明はこれに限らず、Ｐｄ膜の代わりに、水素吸蔵合金を用いてもよい。水素吸蔵合金としては、Ｍｇ、ＭｇｘＮｉ（ｘ≠２）、ＭｇＣａ、ＭｇｘＣｕ（ｘ≠２）、Ｌ２Ｍｇｘ（ｘ≠１７）、ＣａＮｉｘ（ｘ≠５）、Ｌｎｉｘ（ｘ≠５）、ＬＣｏｘ（ｘ≠５）、ＬＮｉ１−ｘＭＮｘ（ｘ≠０．５）、ＬＮｉ１−ｘＡｌｘ（ｘ≠０．５）、ＴｉＦｅ、ＴｉＦｅ１−ｘＭｎｘ（ｘ≠０．１５）、ＴｉＣｏ、ＴｉＣｏ１−ｘＭｎｘ（ｘ≠０．５）、ＴｉＣｏｘＮｉｘ（ｘ≠０．２５）、ＴｉＭｎｘ（ｘ≠１．５）、Ｔｉ１−ｘＺｒｘＭｎ２−ｙＭｏｙ（ｘ≠０．２、ｙ≠０．２）、Ｔｉ１−ｘＺｒｘＭｎ２−ｙ−ｚＶｙＣｒｚ（ｘ≠０．１、ｙ≠０．２、ｚ≠０．４）、Ｔｉ１−ｘＺｒｘＣｒ１−ｙＭｎｙ（ｘ≠０．２、ｙ≠１．２）、ＴｉＣｒｘ（ｘ≠１．８）、ＴｉｘＣｒＭｎ（ｘ≠１．２）、Ｔｉ１−ｘＡｌｘ（ｘ≠１．２５）などが好ましい。
【０１２３】
ここで、「Ｌ」は、希土類元素の混合物であるミッシュメタルまたはランタノイド元素である。また、水素吸蔵合金を形成した後、Ａｕ膜を形成する前に、約３００℃〜約５００℃の温度条件下でアニールするのが好ましい。これにより、ｐ型コンタクト層またはコンタクト層から水素を脱離する効果が大きくなるので、コンタクト層の正孔の濃度を高くすることができる。したがって、さらに好ましいオーミック接触を得ることができる。
【０１２４】
また、上記第１〜第４実施形態において、窒化物系半導体の結晶構造は、ウルツ鉱型構造であってもよいし、閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
【０１２５】
また、上記第１〜第４実施形態では、窒化物系半導体各層の結晶成長を、ＭＯＶＰＥ法などを用いて行ったが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ法、または、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ３、ＳｉＨ４、ＧｅＨ４およびＣｐ２Ｍｇなどを原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ法などを用いて結晶成長を行ってもよい。
【０１２６】
また、上記第１実施形態では、ｐ型クラッド層からｐ型コンタクト層を結晶成長する際に、キャリアガスの水素組成を約１％〜約５％と低くすることにより、Ｍｇドーパントを活性化させて、高キャリア濃度のｐ型半導体各層を形成したが、本発明はこれに限らず、ｐ型半導体各層をＮ２雰囲気中で、約６００℃〜約８００℃の温度範囲で熱処理することにより高キャリア濃度のｐ型半導体各層を形成してもよい。
【０１２７】
また、上記第１〜第４実施形態では、ＡｌＧａＮまたはＧａＩｎＮからなるｐ型コンタクト層またはコンタクト層を用いたが、本発明はこれに限らず、たとえば、ＧａＮや、ＧａＴｌＮおよびＧａＩｎＴｌなどのＴｌを含む窒化物系半導体や、ＧａＡｓＮ、ＧａＩｎＡｓＮ、ＧａＮＰおよびＧａＩｎＮＰなどのＡｓやＰを含む窒化物系半導体を用いて、ｐ型コンタクト層またはコンタクト層を形成してもよい。
【０１２８】
また、上記第１〜第４実施形態では、窒化物系半導体の各層を、窒化物系半導体の（０００１）面、（１−１００）Ｍ面から［０００１］方向へ０．５度オフした面、または、（１１−２０）面になるように積層したが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の他の方向の面になるように、窒化物系半導体の各層を積層してもよい。たとえば、窒化物系半導体の（１−１００）面などの（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面になるように、窒化物系半導体の各層を積層してもよい。この場合、ＭＱＷ活性層にピエゾ電場が発生しないので、井戸層のバンドギャップの傾きに起因する正孔と電子との再結合効率の低下を抑制することができる。その結果、ＭＱＷ活性層の発光効率を向上させることができる。
【０１２９】
なお、上記第１実施形態では、ｎ型のＧａＮ基板として、（１−１００）Ｍ面から［０００１］方向へ０．５度オフした面を表面とする基板を用いたが、本発明はこれに限らず、オフの方向は、［１１−２０］方向、［０００−１］方向であってもよく、オフの角度は１０度以下であってもよい。また、オフしていない基板を用いてもよい。
【０１３０】
また、上記第１〜第４実施形態では、活性層として多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、量子効果を有しない厚膜の単層または単一量子井戸構造であっても同様の効果を得ることができる。
【０１３１】
また、上記第１〜第４実施形態では、活性層としてＧａＩｎＮからなるＭＱＷ構造を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、ＡｌＧａＮとＧａＩｎＮからなる量子井戸構造、ＧａＮとＧａＩｎＮからなる量子井戸構造、ＡｌＧａＮとＧａＮからなる量子井戸構造、ＡｌＧａＮとＡｌＧａＩｎＮからなる量子井戸構造、等であってもよい。ただし、活性層としてＧａＩｎＮからなるＭＱＷ構造を用い、ＡｌＢＧａＮからなるクラッド層を用いる場合において、活性層とクラッド層の格子定数の差が大きくなるので、本発明の効果は大きくなる。
【０１３２】
また、上記第２〜第４実施形態では、ストライプ型の導波路構造を有する窒化物系半導体レーザについて説明したが、本発明はこれに限らず、面発光レーザについても同様に適用可能である。
【０１３３】
また、上記第１実施形態において、ｐ側電極またはｎ側電極を透光性電極とするようにしてもよい。透光性電極にする場合には、第１実施形態と同一材料で厚みを薄くするかまたはメッシュ状（網目状）の電極構造を用いればよい。
【０１３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、活性層の結晶性を向上させることにより活性層の発光強度を向上させることが可能な窒化物系半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ素子）を示した断面図である。
【図２】
図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の発光層部分の詳細を示した拡大断面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤ素子）を示した断面図である。
【図５】図４に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層部分の詳細を示した拡大断面図である。
【図６】図４に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】図４に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤ素子）を示した断面図である。
【図９】図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層部分の詳細を示した拡大断面図である。
【図１０】図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１１】図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１２】図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】図８に示した第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤ素子）を示した断面図である。
【図１７】図１６に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層部分の詳細を示した拡大断面図である。
【図１８】図１６に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【符号の説明】
１１、１３、４１、４３、７１、７３、１０１、１０３　オーバフロー防止層（第２窒化物系半導体層）
１２、４２、７２、１０２　ＭＱＷ活性層（活性層）
２、２６、５３、８６　ｎ型クラッド層（第１窒化物系半導体層、クラッド層）
４、２８、５５、８８　ｐ型クラッド層（第１窒化物系半導体層、クラッド層）
１０４　光ガイド層（第１窒化物系半導体層、クラッド層）
【図１】
2004111514.tif 000003
【図２】
2004111514.tif 000004
【図３】
2004111514.tif 000005
【図４】
2004111514.tif 000006
【図５】
2004111514.tif 000007
【図６】
2004111514.tif 000008
【図７】
2004111514.tif 000009
【図８】
2004111514.tif 000010
【図９】
2004111514.tif 000011
【図１０】
2004111514.tif 000012
【図１１】
2004111514.tif 000013
【図１２】
2004111514.tif 000014
【図１３】
2004111514.tif 000015
【図１４】
2004111514.tif 000016
【図１５】
2004111514.tif 000017
【図１６】
2004111514.tif 000018
【図１７】
2004111514.tif 000019
【図１８】
2004111514.tif 000020