(57)【要約】【課題】使用環境での温度変動の影響を受けにくく、かつ、高出力動作が可能な半導体発光素子を安価に提供することを目的とする。【解決手段】Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１０５の上に、Ｓｉがドープされたｎ形のＧａＮからなる膜厚０．６μｍの導波路層１０６、ＩｎＮからなる膜厚５０ｎｍの活性層１０７、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層１０８、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．５５μｍの導波路層１０９、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１１０を備える。【選択図】　　　　図１
2004022970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１クラッド層と、
この第１クラッド層上に形成されたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）からなる活性層を含む発光構造と、
この発光構造上に形成された第２クラッド層と
を少なくとも備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子において、
前記活性層を挟むように形成された第１及び第２の半導体層を備え、
この第１及び第２の半導体層は、Ｉｎ１−Ｘ’−Ｙ’ＧａＸ’ＡｌＹ’Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）及びＩｎ１−Ｘ”−Ｙ”ＧａＸ”ＡｌＹ”Ｎ（０≦Ｘ”，Ｙ”≦１，０≦Ｘ”＋Ｙ”≦１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
基板上に形成された第１クラッド層と、
この第１クラッド層上に形成されたＩｎＮからなる活性層を含む発光構造と、
この発光構造上に形成された第２クラッド層と
を少なくとも備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３記載の半導体発光素子において、
前記活性層を挟むように形成された第１及び第２の半導体層を備え、
この第１及び第２の半導体層は、Ｉｎ１−Ｘ’−Ｙ’ＧａＸ’ＡｌＹ’Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）及びＩｎ１−Ｘ”−Ｙ”ＧａＸ”ＡｌＹ”Ｎ（０≦Ｘ”，Ｙ”≦１，０≦Ｘ”＋Ｙ”≦１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項３または４記載の半導体発光素子において、
発光波長が可視光域であることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、伝送媒体にガラスファイバを用いた波長１．３〜１．５μｍ帯の光通信の光源や可視域の光源などに用いる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、石英系ガラスファイバを伝送媒体とする光通信における波長域は、古くは０．８μｍ帯が用いられる場合もあったが、現在では、１．３〜１．５μｍ帯が主流である。これら光通信用光源には、波長の安定性が要求される。波長域１．３〜１．５μｍ帯の光通信用光源としては、Ｉｎ，Ｇａ，Ａ１，Ａｓ，及びＰなどの元素からなる結晶で構成された半導体レーザが用いられている。特に、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０＜Ｘ≦１，０≦Ｙ＜１）（以下、ＩｎＧａＡｓＰと記す）は、半導体レーザによく用いられている材料である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いて半導体レーザの必須構造であるヘテロ構造を構成すると、バンド構造における伝導帯でのバンド不連続が小さいため、素子の使用温度の影響を受けやすい。このため、現状では、上記材料を用いた半導体レーザは、実用上重要な特性の一つである特性温度が低いという問題があった。この特性温度は、閾値電流との関係がつぎの式で示される。Ｉｔｈ＝Ｉ０ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）。ここで、なお、Ｉｔｈは、温度Ｔにおける閾値電流であり、Ｉ０は絶対零度での閾値電流である。
【０００４】
従来からあるＩｎＧａＡｓＰ系レーザでは、Ｔ０の値は４０〜６０Ｋである。Ｔ０がこのように小さい理由は、材料にあり、ＩｎＧａＡｓＰが、大きなオージェ効果を有するためである。大きなオージェ効果を有すると、使用環境の温度が高いほど、上記材料で構成された活性層において発生した電子は、結晶格子にエネルギーを与え、また近隣の電子を励起し、非発光再結合する。価電子帯でも同様な効果が起きる。
【０００５】
特に、閃亜鉛鉱型結晶構造のＩｎＧａＡｓＰ系材料では、価電子帯のΓ点におけるヘビーホールとライトホールとの間のエネルギーギャップ、すなわちスピンスプリット・オフエネルギー△ｓｐがないため、オージェ効果が大きい。この結果、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた半導体レーザは、温度特性が良くない。このため、ＩｎＧａＡｓＰ系から成る半導体レーザを使用する場合、使用環境の温度が高くなると、閾値電流も高くなる。従って、上記半導体レーザ（素子）の温度は、環境温度の高温化に加え、高くなる動作電流による発熱でより高くなり、素子温度の高温化に伴って、素子の発光波長が長くなる。
【０００６】
光通信では、通信に用いている光の波長変化は、光ファイバ中での光伝送速度の波長分散のために、通信特性の劣化につながる。このような状態では、例えば、長距離通信の場合に、送信側での時系列の２個の光パルスが、受信側では区別がつかなくなることになる。また、大容量のデータを伝送する場合には、光パルスの間隔が狭いため、短距離伝送であっても、送信側で発した時系列の２個のパルスが受信側で区別がつかなくなる。また、波長多重通信（いわゆるＷＤＭ）の場合、用いる波長の間隔が１〜１０ｎｍ程度と狭いため、光源の波長が変動すると、混信の原因となる。
【０００７】
これらのように、光通信においては、通信光の波長変化は、大きな問題となり、波長の安定性が極めて重要である。このため、実際の光通信では、ペルチェ素子などに光源となる半導体レーザを搭載し、温度制御をしている。これにより、動作温度の安定化を実現し、波長の安定性を確保している。従って、現状では、通信システムの信頼性確保のため、ペルチェ素子などの温度制御手段の信頼性も重要な項目となっている。また、ペルチェ素子の搭載コスト，ペルチェ素子制御用回路のコスト，及びペルチェ素子用電力供給が、通信システムのコスト上昇を招いている。加えて、ペルチェ素子の存在により、部品点数が増加し、通信システム全体としての信頼性の低下を招いている。
【０００８】
また、前述した材料系を用いた従来の光通信用光源では、高い出力が得られていないと言う問題もあった。光通信システムでは、光源の高出力も望まれている。当然のことながら、光源の光出力が高ければ、伝送距離は伸びる。また、大容量通信の場合には、信号の光パルス幅が狭いので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の良い通信のために、光パルスのエネルギーを大きくする必要がある。パルス幅の狭い光パルスのエネルギーを大きくするためには、光出力の大きな光源が必要である。このため、大電力の注入が可能な光源（半導体発光素子）が必要とされている。
【０００９】
ところが、従来からあるＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いると、図１１に示すように、半導体レーザを構成するダブルヘテロ構造における伝導帯でのバンド不連続△Ｅｃが小さいため、大電流注入下ではキャリア・オーバーフローが容易に起きる。キャリア・オーバーフローは、キャリアが、発光層で発光再結合することなく、発光層を通過してしまう現象であり、図１１では、キャリアである電子が、ｎ形キャリア閉じ込め層から発光層を通過してｐ形キャリア閉じ込め層へ通り抜けてしまう現象を示している。
【００１０】
このように、従来のＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた半導体レーザでは、大きな電流を注入しても光出力は高まらず、発熱を生じるだけであった。これを改善するため、発光層に隣接するｐ形キャリア閉じ込め層にＡｌが添加された化合物半導体を用いる試みがある。これにより、伝導帯でのバンド不連続が多少大きくなり、半導体レーザの特性が改善されている。しかし、この技術による半導体レーザの光出力は、１．５５μｍ帯で１００ｍＷ台に留まっている。
【００１１】
上述した２つの問題に加え、従来のＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた半導体発光素子では、１．５５μｍ帯の光ファイバ増幅器において、最も励起効率の良い波長である１．４８μｍで発光する素子を実現することが非常に困難であることが問題としてある。この理由は、１．５５μｍ帯の波長域で発光する結晶の組成が、ＩｎＧａＡｓＰ系においては熱力学的非混和領域にあるためである。非混和和領域にある結晶を無理に得るためには、熱力学的に非平衡な条件で成長する必要がある。熱平衡ではない条件で非混和領域にある結晶を得ることができたとしても、熱平衡条件で成長した結晶に比較して結晶性が悪い。実際に素子が作製されているが、結晶性が良くないため、光出力は小さく、発光効率も低く、素子寿命も短い。
【００１２】
つぎに可視光領域の発光素子における従来技術の問題点について述べる。まず第１の問題は、波長６７０ｎｍより短い青色，緑色，黄色などの発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）の特性が低いことである。従来、青色のＬＥＤと緑色のＬＥＤについては、ＩｎＧａＮを井戸層とする量子井戸構造で作製されて既に市販されている。ところが、これらに用いられているＩｎＧａＮは、例えばＩｎＧａＮからなる井戸層の中で相分離を生じ、組成比の異なる微小な複数の領域（ドット）が存在していることが確認されている。このドットは、各々大きさが異なっているため、結果として得られる発光のスペクトル幅が広くなっている。
【００１３】
従来の可視光領域の発光素子における第２の問題は、品質の良い黄色のＬＥＤが得られていないことにある。黄色ＬＥＤについても、ＩｎＧａＮを用いて作製する試みがある。例えば、黄色のＬＥＤは、アメリカを中心として、既に交通信号機の黄色に一部使われており、これらの素子を構成する材料は、ＩｎＧａＡｌＰである。しかし、ＩｎＧａＮを用いた黄色ＬＥＤでは、得られる発光が青や緑より一桁以上弱い。これは、黄色領域では、ＩｎＧａＮの相分離が激しく起こり、結晶性が不良になるためである。
【００１４】
黄色の波長域では、光通信用光源の項で述べたように、組成の異なるＩｎＧａＡｌＰからなるヘテロ構造中の伝導帯のバンド不連続が小さい。このため、注入した電流の光への変換効率が低くなるという問題がある。また、発光の面から見ると、無効な電流が発熱を引き起こすため、この熱による素子劣化の問題も生じている。
【００１５】
加えて、可視光領域の発光素子における従来技術の問題として、実用的な半導体レーザが実現されていないという問題がある。青から橙色の波長域では、ＬＥＤを作製できても、レーザ構造が作製できていない。従来からある半導体材料では、低閾値電流で発振する素子構造を構成できないためである。作製されているのは、６３０ｎｍ台より長い波長域である。
【００１６】
６００ｎｍの波長域のレーザは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いて作製されている。しかし、発光層とクラッド層（キャリア閉じ込め層）間での伝導帯のバンド不連続△Ｅｃが小さいため、ｐ形クラッド層にＭｕｌｔ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｂａｒｒｉｅｒ（通称、ＭＱＢ）と呼ばれる多重量子井戸からなる電子波干渉による電子の反射器を用いて電子のオーバーフローを防止している。しかし、ＭＱＢを用いると、伝導帯に多数のバンド不連続が存在するため、素子の駆動電圧が高くなると言う問題があった。
【００１７】
また、活性層の多重量子井戸の層数は通常１〜３層であるのに対し、多重量子井戸の層数がＭＱＢでは数十層程度必要であり、また、各層の厚さの誤差が１０分の１ｎｍオーダーでなげればならない。このように、上述した従来の素子では、発光素子の活性層となる多重量子井戸に比較して、ＭＱＢの作製が困難であることも問題となっている。
【００１８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、使用環境での温度変動の影響を受けにくく、かつ、高出力動作が可能な半導体発光素子を安価に提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に形成された第１クラッド層と、この第１クラッド層上に形成されたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）からなる活性層を含む発光構造と、この発光構造上に形成された第２クラッド層とを少なくとも備えたものである。
この半導体発光素子は、活性層がオージェ効果の小さい材料から構成されている。
【００２０】
上記半導体発光素子において、活性層を挟む第１及び第２の半導体層を、Ｉｎ１−Ｘ’−Ｙ’ＧａＸ’ＡｌＹ’Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）及びＩｎ１−Ｘ”−Ｙ”ＧａＸ”ＡｌＹ”Ｎ（０≦Ｘ”，Ｙ”≦１，０≦Ｘ”＋Ｙ”≦１）から構成するようにしてもよい。
【００２１】
本発明の他の形態に係る半導体発光素子は、基板上に形成された第１クラッド層と、この第１クラッド層上に形成されたＩｎＮからなる活性層を含む発光構造と、この発光構造上に形成された第２クラッド層とを少なくとも備えたものである。
この半導体発光素子は、活性層がオージェ効果の小さい材料から構成されている。
【００２２】
上記半導体発光素子において、活性層を挟む第１及び第２の半導体層を、Ｉｎ１−Ｘ’−Ｙ’ＧａＸ’ＡｌＹ’Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）及びＩｎ１−Ｘ”−Ｙ”ＧａＸ”ＡｌＹ”Ｎ（０≦Ｘ”，Ｙ”≦１，０≦Ｘ”＋Ｙ”≦１）から構成するようにしてもよい。また、上記半導体発光素子は、発光波長が０．６２μｍより長いものであり、また、発光波長が可視光域のものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。ここでは、発振波長０．４μｍ以上の半導体レーザを例にとり、導波光が共振器内で往復する方向、すなわち、共振器の軸に垂直な断面を示す。
【００２４】
この半導体レーザは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板１０１の表面に、窒化深さ１．２ｎｍの窒化層１０２を介してＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層１０３、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層１０４、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１０５を備えている。なお、単結晶基板１０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００２５】
また、クラッド層１０５上には、Ｓｉがドープされたｎ形のＧａＮからなる膜厚０．６μｍの導波路層１０６、ＩｎＮからなる膜厚５０ｎｍの活性層１０７、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層１０８、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．５５μｍの導波路層１０９、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１１０、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層１１１が形成されている。
【００２６】
また、コンタクト層１１１上には、電流注入領域を制限するための幅２μｍ程度の溝を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１１２が形成されている。なお、上記溝は、本半導体レーザの共振器における光の往復方向に平行に形成されている。電流制限絶縁層１１２上には、上記溝を介してコンタクト層１１１に接触するｐ形金属電極１１３が形成されている。ｐ形金属電極１１３は、図示しないが、コンタクト層１１１に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００２７】
なお、電極層１０４は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極１１４を備えている。ｎ形金属電極１１４は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。また、図１に示す半導体レーザの共振器長は、約５００μｍである。
【００２８】
以上に説明した図１の半導体レーザを、ジャンクション・アップでヒートシンク上に載置し、室温で直流電流で測定した光出力−電流特性（ＣＷ特性）、及び、電圧−電流特性の結果を図２に示す。図１の半導体レーザは、室温で閾値電流８２ｍＡでＣＷ発振した。この発振波長は、１．６０μｍであった。このときの動作電圧は２．８Ｖであった。また、ビルトイン電圧Ｖｂは、１．６Ｖ程度である。
【００２９】
従来のように、活性層を含む発光構造にＩｎ１−ＸＧａＸＮ（０＜Ｘ＜０．４）を用いた場合、ビルトイン電圧Ｖｂは４Ｖ弱である。これに比較し、図１に示す半導体レーザのビルトイン電圧が低いのは、活性層１０７にバンドギャップの小さいＩｎＮを用いているためである。なお、図１の半導体レーザでは、活性層１０７にＩｎＮを用いる例を示したが、活性層にＩｎＮよりバンドギャップの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を用いてもよく、この場合、例えば波長０．４μｍと、発振波長のより短波長化が可能である。
【００３０】
ここで、ＩｎＧａＡｌＮについて説明する。
従来、ＩｎＧａＡｌＮ材料を、光通信波長域である波長１．３μｍ〜１．５８μｍの半導体発光素子（半導体レーザ）に適用しようとする考えはなかった。これは、この材料系の中で最もバンドギャップ（Ｅｇ）の小さい材料はＩｎＮであり、このＥｇが１．９〜２．１ｅＶとされていたためである。このＥｇが測定された時代には、反応性スパッタなどの方法によりＩｎＮを形成しようとしていたため、多結晶ＩｎＮしか形成できず、上述したバンドギャップの測定結果は、多結晶ＩｎＮが測定対象となっていた（文献１：Ｋ．Ｏｓａｍｕｒａ，Ｋ．Ｎａｋａｊｉｍａ　ａｎｄ　Ｙ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｃｏｍｍ．，１１（１９７２）６１７、文献２：Ｎ．Ｐｕｙｃｈｅｖｒｉｅｒ　ａｎｄ　Ｍ．Ｍｅｎｏｒｅｔ，Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ，３６（１９７６）１４１、文献３：Ｔ．Ｌ．Ｔａｎｓｌｅｙ　ａｎｄ　Ｃ．Ｐ．Ｆｏ１ｅｙ，Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，５９（１９８６）．）。
【００３１】
ＩｎＧａＡｌＮを構成する化合物ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮの中で、ＩｎＮの固相上における窒素の平衡蒸気圧は、他より５桁高い（文献４：Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔ．Ｓａｓａｋｉ　ａｎｄ　Ａ．Ｋａｔｓｕｉ，”Ｗｉｄｅ−Ｇａｐ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＧａＡｓ　ａｎｄ　Ｒｅｌａｔｅｄ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，（Ｋａｒｕｉｚａｗａ，Ｊａｐａｎ，１９８９）；ｉｎ　Ｉｎｓｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．，１０６．ｐｐ．１４１−１４６）。このような特性のＩｎＮは、膜の形成を行う容器内の圧力を高くすることができない反応性スパッタなどの方法では、良質な結晶を形成することがほぼ不可能である。また、上述した時代においては、ガラス基板上にＩｎＮの膜を形成しようとしていたため、単結晶成長のための格子の情報が得られず、単結晶を成長させることができない状態であった。
【００３２】
以上のことに対し、発明者らは、１９８８年に、単結晶サファイア基板上に、窒素圧を加えられる有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥと記す）を用いて、ＩｎＮの単結晶成長を試み、単結晶成長に世界で初めて成功した。１９８９年にこの結果を学会発表した（文献５：松岡隆志，佐々木徹，佐藤弘次，勝井明憲，”ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＮ薄膜成長”，第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．２７０（１ｐ−ＺＮ−１０）（１９８９））。
【００３３】
しかし、この時の単結晶成長は結晶性が不十分であり、ＩｎＮの光学特性を得るには至らなかった。この後、発明者は種々の技術改良により、２００１年に世界で初めて光学特性を測定できる良質のＩｎＮの単結晶成長に成功した（松岡隆志，中尾正史，岡本浩，播磨弘，栗本英治，萩原恵美，”ＩｎＮのバンドギャップ・エネルギ”，第４９回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．３９２（２９ｐ−ＺＭ−１）（２００２）、応用物理学会の原稿締切は、２００２年１月８日。学会の開催は、３月２７日〜３０日、発表日は３月２９日）。
【００３４】
上記良質なＩｎＮの単結晶成長のための第１の技術改良点は、サファイアからなる基板上にサファイアとＩｎＮとの中間の格子定数を持つＧａＮを形成しておき、このＧａＮ層上にＩｎＮを成長した点である。この場合、ＧａＮ層には結晶性の高さが要求される。このため、以下に示す点について、ＧａＮの成長条件の最適化を図った。
【００３５】
１．サファイア基板表面の成長炉内でのクリーニング
２．サファイア表面のアンモニアによる窒化
３．サファイアとＧａＮとの間の格子不整を緩和するためのバッファ層としての低温成長ＧａＮの成長
４．上記バッファ層の単結晶化を図るための高温アニール
５．高温での高品質ＧａＮ成長
【００３６】
また、技術改良の第２は、上記のようにして最適化を図られた条件で成長されたＧａＮ上で、ＩｎＮの成長条件の検討を行ったことである。検討した項目は、成長温度，成長速度，Ｖ族原料とＩｎ原料との比，及び成長炉中のガス流速等である。これらの各項目の検討結果として、ようやく、光学特性が測定可能なＩｎＮの成長に初めて至った。現在では、ＧａＮ層を介することなく、サファイア基板上に直接ＩｎＮの層を形成することが可能となっている。
【００３７】
ここで、形成したＩｎＮ膜の特性を図３と図４に示す。図３は、形成した膜における、吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。図３に示すように、形成したＩｎＮ膜では、光学吸収からの明確な吸収端の検出が得られている。この関係がほぼ直線的であることから、ＩｎＮは直線遷移型であり、Ｅｇは０．８ｅＶと推定できる。
【００３８】
また、図４は、上記条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示すものであり、波長１．５９μｍ（０．８ｅＶ）近傍で発光していることが判る。これら図３，４に示されている吸収及びフォトルミネッセンスの結果は、ともに上記条件で形成したＩｎＮ膜のＥｇが、０．８ｅＶであることを示している。これらの結果から、ＩｎＮのＥｇは、０．８ｅＶ近傍にあると推定できる。
【００３９】
以上述べた種々の技術改良と長年の努力により、初めて、単結晶ＩｎＮのＥｇが、旧来の測定結果の約半分である０．８ｅＶであることが判明した。図５は、ＩｎＧａＡｌＮのＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。図５において、破線は旧来のデータであり、実線は発明者が求めたデータ（Ｅｇ＝０．８ｅＶ）を反映した結果である。
【００４０】
以上に示したことから明らかなように、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を用いてダブルヘテロ構造や量子井戸構造を構成することにより、高出力・高Ｔ０の半導体発光素子を作製することができる。また、従来の材料では、結晶成長の難しい波長１．４８μｍ発光の素子についても、熱平衡条件下で容易に材料を成長できるため、特性の良い素子を作製できる。また、黄色をはじめとして、青や緑の波長域のレーザやＬＥＤなどの発光素子についても、特性の良い素子を作製できる。
【００４１】
ＩｎＧａＡｓＰに比べてＩｎＧａＡｌＮは、価電子帯のΓ点のスピンスプリット・オフエネルギ△ｓｐが大きい。このため、ＩｎＧａＡｌＮでは、オージェ効果か小さくなり発光素子の温度特性が改善される。また、ＩｎＧａＡｌＮを用いてヘテロ構造を構成した場合、伝導帯でのバンド不連続△Ｅｃが大きくなる。このため、キャリアのオーバーフローを低減できる。これらの結果として、ＩｎＧａＡｌＮを用いた発光素子では、発熱が抑止され温度特性が改善する。
【００４２】
また、量子井戸構造の井戸層（活性層）に純粋なＩｎＮを用い、バリア層にＩｎＮ以外の種々の組成のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を用いて両層の組成の膜厚を制御することにより、ＩｎＧａＡｓＰ系では良質の結晶を得るのが難しい波長１．４８μｍで発光する半導体発光素子を作製できる。もちろん、活性層に純粋のＩｎＮを用いず、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１、かつ、０＜Ｘ＋Ｙ＜１）を用いるようにしても、１．４８μｍで発光する半導体発光素子を作製できる。
【００４３】
図６に、ＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を実験と計算から求めた結果を示す（文献６：Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｐｈａｓｅ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｗｕｒｔｚｉｔｅ　Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ”，ＭＲＳ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．　Ｒｅｓ．３，５４（１９９８））。図６では、６００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を一点鎖線で示し、８００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を実線で示し、１０００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を破線で示し、各線の内側の領域が非混和領域である。
【００４４】
図６に示すように、熱平衡条件下では、成長できない組成領域がある。しかし、非混和領域の外側の混和領域に示す組成とすれば、量子井戸構造の組成と膜厚を制御して、熱平衡の条件下で図１に半導体発光素子を形成できる。また、可視域の発光素子についても同様に、活性層を含む発光層の構造を形成する結晶層を熱平衡の条件下で成長でき、かつ伝導帯でのバンド不連続を大きくとれるため、特性のよい発光素子を作製できる。
【００４５】
従って、本実施の形態によれば、例えば、ファイバ増幅器用の励起光源として１．４８μｍ近傍で高出力・高信頼で動作する発光素子を提供することが可能となる。また、従来の素子に比べて飛躍的に発光効率が良く、素子寿命が長い可視域のＬＥＤや半導体レーザを提供でき、安価で信頼性が高く、高性能な光通信システムを提供できるようになる。
【００４６】
つぎに、図１に示した半導体発光素子の製造方法を説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料は、アンモニアを用い、キャリアガスには、Ｉｎを含む層の成長時には窒素ガスを用い、Ｉｎを含まない層の成長時には水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【００４７】
はじめに、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる結晶基板１０１の表面をアンモニア雰囲気で窒化し、窒化層１０２を形成した。この後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させたバッファ層１０３を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。
【００４８】
引き続き、単結晶基板１０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層１０３の単結晶化を行う。つぎに、単結晶基板の温度を１０２０℃とし、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮ及びＳｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ並びにＳｉが添加されたＧａＮを順次成長させ、電極層１０４，クラッド層１０５，導波路層１０６を形成する。これら気相成長におけるアルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。また、Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ）ガスを用いる。なお、以降に説明する各層の成長工程におけるＳｉの添加にも、同じ原料を用いる。
【００４９】
次いで、導波路層１０６上にＩｎＮを成長させて活性層１０７を形成する。このＩｎＮ成長においては、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、基板温度を５００℃とした。また、インジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いた。成長に当たっては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした。
【００５０】
ＩｎＮにおける成長条件と結晶性の関係の例として、窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比Ｖ／Ｉｎを変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを図７に示す。図７は、ω−２θスキャンスペクトルを示している。図７（ａ），（ｂ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを１６００００以下及びＶ／ＩＩＩを３２００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムからの信号が見られる。これに対し、図７（ｃ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムのピークは消失しており、金属インジウムが含まれていないことが判る。
【００５１】
また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とした。これは、水素の場合には、アンモニアの分解が抑圧され、実効的なＶ／ＩＩＩ比が低下し、ＩｎＮの成長を阻害するためである（文献５：松岡隆志，佐々木徹，佐藤弘次，勝井明憲，”ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＮ薄膜成長”，第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．２７０（１ｐ−ＺＮ−１０）（１９８９））。
【００５２】
次いで、活性層１０７に対するエッチングやこの層の結晶性の劣化を抑制するために、窒素キャリアガスを用いてＩｎＮと同じ成長温度である５００℃でＧａＮを成長し、成長カバー層１０８を形成する。成長カバー層１０８を形成した後、基板温度を１０２０℃に上昇させて成長カバー層１０８の高品質化を図り、低き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮ及びＭｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ並びにマンガンが添加されたｐ形ＧａＮを順次成長させ、導波路層１０９，クラッド層１１０，コンタクト層１１１を形成する。
【００５３】
Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ２Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、一般に用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【００５４】
導波路層１０９，クラッド層１１０，コンタクト層１１１を形成した後、これらの層の添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。
上述した各結晶層を形成した後、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層１１１上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１１２を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、溝を形成する。
【００５５】
電流制限絶縁層１１２に溝を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、溝内を含む電流制限絶縁層１１２上に、膜厚５０ｎｍのパラジウム，膜厚３０ｎｍの白金，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ形金属電極１１３となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層上にノボラック系のポジ型フォトレジストのパタンを形成し、このパタンをマスクとして下層をエッチングし、電極層１０４に露出領域を形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。
【００５６】
上記露出領域を形成するエッチングを行い、フォトレジストのパタンを除去し、結晶基板１０１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層１０４の露出領域に膜厚５０ｎｍのチタン，膜厚３０ｎｍの白金，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングし、ｎ型金属電極１１４を形成する。
【００５７】
以上説明したことにより、ｎ形金属電極１１４までを形成した後、単結晶基板の裏面を研磨し、単結晶基板１０１のを５０μｍの厚さまで薄くし、また、裏面を鏡面に仕上げる。裏面を鏡面にまで仕上げないと、結晶基板１０１を研磨台から剥離しようとするときに、結晶基板１０１が変形しまた割れることがあるため、裏面は鏡面に仕上げる。この後、これらを洗浄し、所定の箇所を劈開させることで、図１に示す半導体発光素子が得られる。
【００５８】
＜実施の形態２＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図８は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。ここでは、ＬＥＤ（発光ダイオード）を例にして説明する。図８に示すＬＥＤは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなり、表面及び裏面の両面が鏡面に研磨された単結晶基板２０１の表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層２０２、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層２０３、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層２０４を備えている。なお、単結晶基板２０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００５９】
また、クラッド層２０４上には、ＩｎＮからなる膜厚５０ｎｍの活性層２０５、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層２０６、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層２０７、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層２０８が形成されている。また、コンタクト層２０８上には、電流注入領域を制限するための直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層２０９が形成されている。
【００６０】
また、電流制限絶縁層２０９上には、上記開口窓を介してコンタクト層２０８に接触するｐ形金属電極２１０が形成されている。ｐ形金属電極２１０は、コンタクト層２０８に直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。なお、電極層２０３は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極２１１を備えている。ｎ形金属電極２１４は、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのアルミニウム層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００６１】
つぎに、図８に示した半導体発光素子の製造方法を説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料は、アンモニアを用い、キャリアガスには水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【００６２】
はじめに、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる結晶基板２０１の表面をアンモニア雰囲気で窒化した後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させたバッファ層２０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。引き続き、単結晶基板２０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層２０２の単結晶化を行う。
【０００６３】
つぎに、単結晶基板の温度を１０２０℃とし、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮ及びＳｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを順次成長させ、電極層２０３，クラッド層２０４を形成する。これら気相成長におけるアルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。また、Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ）ガスを用いる。
【００６４】
次いで、クラッド層２０４上にＩｎＮを成長させて活性層２０５を形成する。このＩｎＮ成長においては、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、基板温度を５００℃とした。また、この気相成長におけるインジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いた。成長に当たっては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とした。これは、前述したように、水素の場合には、アンモニアの分解が抑圧されるためである。
【００６５】
次いで、活性層２０５に対するエッチングやこの層の結晶性の劣化を抑制するために、窒素キャリアガスを用いてＩｎＮと同じ成長温度である５００℃でＧａＮを成長し、成長カバー層２０５を形成する。成長カバー層２０６を形成した後、基板温度を１０２０℃に上昇させて成長カバー層２０６の高品質化を図り、低き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ及びマンガンが添加されたｐ形ＧａＮを順次成長させ、クラッド層２０７，コンタクト層２０８を形成する。
【００６６】
Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ２Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、一般に用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【００６７】
クラッド層２０７，コンタクト層２０８を形成した後、これらの層の添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。上述した各結晶層を形成した後、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層２０８上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層２０９を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、開口窓を形成する。
【００６８】
電流制限絶縁層２０９に開口窓を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口窓内を含む電流制限絶縁層２０９上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ形金属電極２１０となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層上にノボラック系のポジ型フォトレジストのパタンを形成し、このパタンをマスクとして下層をエッチングし、電極層２０３に露出領域を形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。
【００６９】
上記露出領域を形成するエッチングを行い、フォトレジストのパタンを除去し、結晶基板２０１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層２０３の露出領域に膜厚５０ｎｍのアルミニウム，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングし、ｎ型金属電極２１１を形成する。
以上説明したことにより、ｎ形金属電極２１１までを形成した後、これらを洗浄し、ダイヤモンド・スクライバを用いて単結晶基板２０１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。
【００７０】
図８に示す半導体発光素子では、活性層をＩｎＮから構成した。活性層の組成や、活性層の膜厚を制御することで、ＩｎＮのバンドギャップ波長１．６μｍ近傍から青色に至るまで、所望の発光色を得ることが可能となる。ＩｎＮを活性層に用いることは、活性層にＩｎＧａＮを用いる場合より、再現性や基板内の面内均一性が飛躍的に向上する。これは、以下に示すように、ＩｎＮとＩｎＧａＮとでは、気相成長における気相の組成と固相の組成とが極めて異なることが理由である。
【００７１】
組成制御の結果を図９に示す。図９に示すように、ＩｎＧａＮを成長させる場合、成長温度（基板温度）５００℃では、気相と固相の組成比は線形関係にある。なお、ＩｎＧａＮの組成は、図６に示す非混和領域の外側の領域で選択する。しかし、成長温度８００℃では、インジウム（ＴＭＩ）の組成比を高くすると、気相と固相の組成比は非線形になる。これらに示されているように、有機金属気相成長法において、成長温度を高温にするほど、成長しているＩｎＧａＮ膜中にインジウムの取り込まれる量が減少する。これらは、ＩｎＮの窒素の蒸気圧が、ＧａＮより５桁ほど高いことに起因する。
【００７２】
以上説明したように、活性層にＩｎＮを用いる場合、ＩｎＧａＮを用いる場合に比較して、組成の制御が不要となり、成長工程の再現性と結晶性の均一性を確保できるようになり、また、相分離が原理的に起きず、均一な組成の層を得ることができる。
なお、ＩｎＮよりバンドギャップの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を活性層に用いることにより、より短波長の光を得ることが可能である。
【００７３】
また、発光部を多重量子井戸構造としてもよい。例えば、Ｉｎ０．９５Ｇａ０．０５Ｎからなる井戸層とこれを挟むＳｉがドープされたＩｎ０．０５Ｇａ０．１Ａｌ０．８５Ｎからなるバリア層とを３組積層した多重量子井戸構造から発光部を構成するようにしてもよい。
【００７４】
つぎに、本発明の構造を、発光部を多重量子井戸構造とした半導体レーザに適用した場合について説明する。図１０は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。図１０に示す半導体レーザは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板３０１の表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層３０２、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層３０３、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層３０４を備えている。なお、単結晶基板３０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００７５】
また、クラッド層３０４上には、Ｉｎ０．９５Ｇａ０．０５Ｎからなる井戸層とこれを挟むＳｉがドープされたＩｎ０．０５Ｇａ０．１Ａｌ０．８５Ｎからなるバリア層とを３組積層した多重量子井戸構造３０５が形成されている。多重量子井戸構造３０５上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層３０６、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層３０７が形成されている。また、コンタクト層３０７上には、電流注入領域を制限するための直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層３０８が形成されている。
【００７６】
また、電流制限絶縁層３０８上には、上記開口窓を介してコンタクト層３０７に接触するｐ形金属電極３０９が形成されている。ｐ形金属電極３０９は、コンタクト層３０７に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。また、電極層３０３は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極３１０を備えている。ｎ形金属電極３１０は、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００７７】
図１０の半導体発光素子では、活性層及びクラッド層の組成や、量子井戸構造の井戸層厚を変えることにより、波長０．６２μｍからＩｎＮのバンドギャップ波長に至る発光を得ることができる。従来の概念では、この波長域の発光素子をＩｎＧａＡｌＮで作製することができなかったが、前述したようにＩｎＮのバンドギャップ・エネルギーが０．８ｅＶ近傍にあるという発明者の発見により、初めて成し遂げられた。構造を形成している各層の組成を制御することにより、ガラスファイバを用いた光通信用ファイバ増幅器の励起光源としての高効率の波長１．４８μｍのレーザや、波長１．５５μｍ帯のＴ０の大きい半導体レーザを構成できる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、オージェ効果の小さい材料であるＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）もしくはＩｎＮから活性層などの各層を構成するようにした。この結果、発光素子の温度特性が改善されるようになり、また、各層を熱平衡条件の下で容易に形成できるようになる。この結果、本発明によれば、使用環境での温度変動の影響を受けにくく、かつ、高出力動作が可能な半導体発光素子を安価に提供することができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。
【図２】図１の半導体レーザを、ジャンクション・アップでヒートシンク上に載置し、室温で直流電流で測定した光出力−電流特性（ＣＷ特性）、及び、電圧−電流特性の結果を示す特性図である。
【図３】Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。
【図４】Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示す特性図である。
【図５】Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）のＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。
【図６】実験と計算とから求めたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の非混和領域を示す相関図である。
【図７】窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比Ｖ／Ｉｎを変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを示す特性図である。
【図８】実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。
【図９】気相成長時の各温度における気相と固相の原料組成比の比較を示す特性図である。
【図１０】実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。
【図１１】キャリア・オーバーフローを説明するための模式的なバンド図である。
【符号の説明】
１０１…単結晶基板、１０２…窒化層、１０３…バッファ層、１０４…電極層、１０５…クラッド層、１０６…導波路層、１０７…活性層、１０８…成長カバー層、１０９…導波路層、１１０…クラッド層、１１１…コンタクト層、１１２…電流制限絶縁層、１１３…ｐ形金属電極、１１４…ｎ形金属電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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