(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体発光素子であって、
ｎ型クラッド層及び第１内側半導体層を含む第１のIII族窒化物半導体領域と、
前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層の上に設けられた活性層と、
ｐ型クラッド層及び第２内側半導体層を含み前記活性層の上に設けられた第２のIII族窒化物半導体領域と、
前記第２のIII族窒化物半導体領域の上に設けられた電極と、
を備え、
前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、ある積層軸に沿って順に配列され、
前記第１内側半導体層は前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、
前記第２内側半導体層は前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記第１内側半導体層、前記活性層及び前記第２内側半導体層はコア領域を構成し、
前記ｎ型クラッド層、前記コア領域及び前記ｐ型クラッド層は光導波路構造を構成し、
前記活性層と前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層とは第１ヘテロ接合を構成し、
前記ｎ型クラッド層はIII族窒化物半導体からなり、
前記第１ヘテロ接合は、前記ｎ型クラッド層の前記III族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜しており、
前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなり圧縮歪みを内包する井戸層を含み、前記井戸層のピエゾ分極の向きは前記ｐ型クラッド層から前記ｎ型クラッド層への方向に向き、前記井戸層はＩｎＧａＮ層を含み、
前記活性層の前記井戸層と前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記第２内側半導体層とは第２ヘテロ接合を構成し、
前記第２のIII族窒化物半導体領域は半導体リッジを有し、
前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、
前記第２内側半導体層は、前記活性層の前記井戸層に前記第２ヘテロ接合を成す第１部分と、前記第３ヘテロ接合から前記半導体リッジの底までの第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを含み、
前記第１部分、前記第３部分及び前記第２部分は、前記積層軸に沿って順に配列され、
前記第２内側半導体層は、第１光ガイド層及び第２光ガイド層を含み、
前記第１光ガイド層の材料は前記第２光ガイド層の材料と異なり、
前記第２内側半導体層の前記第１部分は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内にあり、
前記第２内側半導体層の前記第３部分は、ヘテロ接合を含まず、
前記半導体リッジの前記底と前記第２ヘテロ接合との距離は１５０ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２内側半導体層の前記第２部分は、前記第１光ガイド層と前記第２光ガイド層とからなる接合を含む、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内側半導体層の前記第２部分及び前記第３部分は、前記第１光ガイド層及び前記第２光ガイド層を含み、
前記第２光ガイド層のバンドギャップは前記第１光ガイド層のバンドギャップより大きく、
前記第２内側半導体層の前記第２部分及び前記第３部分は、前記第２内側半導体層の材料の組成が前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に単調に変化する組成傾斜領域を更に含み、
前記第１光ガイド層は実質的に一定の組成を有し、
前記第２光ガイド層は実質的に一定の組成を有する、請求項１又は請求項２に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型クラッド層のバンドギャップは、前記第３ヘテロ接合において前記第２内側半導体層の前記第２部分のバンドギャップより大きく、
前記傾斜角は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にある、請求項１〜請求項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】
前記第２内側半導体層の前記第３部分は、前記第２内側半導体層の材料の組成が前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に単調に変化する傾斜組成領域を含む、請求項１〜請求項４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２内側半導体層の前記第１部分は電子ブロック層を含む、請求項１〜請求項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】
前記第１部分は、前記電子ブロック層と前記活性層との間に設けられた光ガイド層と、該光ガイド層と前記電子ブロック層との第４のヘテロ接合を含み、
前記第４のヘテロ接合は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された１０ｎｍ以上の距離で離れる、請求項６に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する基板を更に備え、
前記半極性主面と前記基準面との成す角度は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にあり、
前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、前記半極性主面上に設けられる、請求項１〜請求項７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９】
前記基板はＧａＮからなる、請求項８に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１内側半導体層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記第１内側半導体層は、前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第１光ガイド領域を含み、
前記第２内側半導体層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記第２内側半導体層は、前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第２光ガイド領域を含む、請求項１〜請求項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】
前記第２内側半導体層は第２光ガイド領域を含み、
前記第２光ガイド領域は、アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ＜１）と、ＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ＜１）とを含み、
前記アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は前記活性層と前記ＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との間に設けられ、
前記アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層及び前記ＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層の合計膜厚は、前記第２ヘテロ接合と前記半導体リッジの前記底との間の距離より大きく、
前記アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層と前記ＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との接合は、前記第２ヘテロ接合と前記半導体リッジの前記底との間にある、請求項１〜請求項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】
前記第２内側半導体層は第２光ガイド領域を含み、
前記第２光ガイド領域は、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）と、
ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）と、ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−
Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜Ｘ１＜１）とを含み、
前記アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、及び前記ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は、前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に順に配置されており、
前記ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層と接合を成し、
前記アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層及び前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の合計の厚さは、前記第２ヘテロ接合と前記半導体リッジの前記底との距離より大きい、請求項１〜請求項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１３】
前記第２内側半導体層は第２光ガイド領域を含み、
前記第２光ガイド領域は、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）と、
ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）と、Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層と、ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜Ｘ１＜１）とを含み、
前記アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層、及び前記ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は、前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に順に配置されており、
前記Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層におけるＩｎ組成Ｘは、前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層と前記Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との界面において組成Ｘ１であり、前記Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層と前記ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層との界面において組成Ｘ２であり、前記組成Ｘ１から前記組成Ｘ２まで単調に変化し、
前記Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は、前記第２ヘテロ接合と前記半導体リッジの前記底との間に位置する、請求項１〜請求項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１４】
前記傾斜角は６３度以上８０度以下の範囲にある、請求項１〜請求項１３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１５】
前記活性層は、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内に発振ピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられる、請求項１〜請求項１４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１６】
前記活性層では、前記井戸層は前記第２内側半導体層に接合を成す、請求項１〜請求項１５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１７】
窒化物半導体発光素子であって、
ｎ型クラッド層及び第１内側半導体層を含む第１のIII族窒化物半導体領域と、
前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層の上に設けられた活性層と、
ｐ型クラッド層及び第２内側半導体層を含み前記活性層の上に設けられた第２のIII族窒化物半導体領域と、
前記第２のIII族窒化物半導体領域の上に設けられた電極と、
を備え、
前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、ある積層軸に沿って順に配列され、
前記第１内側半導体層は前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、
前記第２内側半導体層は前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記第２内側半導体層は、第１光ガイド層及び第２光ガイド層を含み、
前記第１光ガイド層の材料は前記第２光ガイド層の材料と異なり、
前記活性層と前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層とは第１ヘテロ接合を構成し、
前記ｎ型クラッド層はIII族窒化物半導体からなり、
前記第１ヘテロ接合は、前記ｎ型クラッド層の前記III族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜しており、
前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなり圧縮歪みを内包する井戸層を含み、前記井戸層のピエゾ分極の向きは前記ｐ型クラッド層から前記ｎ型クラッド層への方向に向き、
前記活性層と前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記第２内側半導体層とは第２ヘテロ接合を構成し、
前記第２のIII族窒化物半導体領域は半導体リッジを有し、
前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、
前記第２内側半導体層は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内であり前記活性層に前記第２ヘテロ接合を成す第１部分と、前記第３ヘテロ接合から前記半導体リッジの底までの第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを含み、
前記第１部分、前記第３部分及び前記第２部分は、前記積層軸に沿って順に配列され、
前記第２内側半導体層の前記第３部分はヘテロ接合を含まず、
前記半導体リッジの前記底と前記第２ヘテロ接合との距離は１５０ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
窒化物半導体発光素子であって、
ｎ型クラッド層及び第１内側半導体層を含む第１のIII族窒化物半導体領域と、
前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層の上に設けられた活性層と、
ｐ型クラッド層及び第２内側半導体層を含み前記活性層の上に設けられた第２のIII族窒化物半導体領域と、
前記第２のIII族窒化物半導体領域の上に設けられた電極と、
を備え、
前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、ある積層軸に沿って順に配列され、
前記第１内側半導体層は前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、
前記第２内側半導体層は前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記活性層と前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層とは第１ヘテロ接合を構成し、
前記ｎ型クラッド層はIII族窒化物半導体からなり、
前記第１ヘテロ接合は、前記ｎ型クラッド層の前記III族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜しており、
前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなり圧縮歪みを内包する井戸層を含み、前記井戸層のピエゾ分極の向きは前記ｐ型クラッド層から前記ｎ型クラッド層への方向に向き、
前記活性層と前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記第２内側半導体層とは第２ヘテロ接合を構成し、
前記第２のIII族窒化物半導体領域は半導体リッジを有し、
前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、
前記第２内側半導体層は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内であり前記活性層に前記第２ヘテロ接合を成す第１部分と、前記第３ヘテロ接合から前記半導体リッジの底までの第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを含み、
前記第１部分、前記第３部分及び前記第２部分は、前記積層軸に沿って順に配列され、
前記第２内側半導体層の前記第３部分はヘテロ接合を含まず、
前記第２内側半導体層は、第１光ガイド層及び第２光ガイド層を含み、
前記第１光ガイド層のバンドギャップは第２光ガイド層のバンドギャップより大きく、
前記第１光ガイド層は前記ｐ型クラッド層と前記第２光ガイド層との間に設けられ、
前記第１光ガイド層は前記第２光ガイド層に前記第２部分においてヘテロ接合を成し、
前記半導体リッジの前記底と前記第２ヘテロ接合との距離は１５０ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
窒化物半導体発光素子であって、
ｎ型クラッド層及び第１内側半導体層を含む第１のIII族窒化物半導体領域と、
前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層の上に設けられた活性層と、
ｐ型クラッド層及び第２内側半導体層を含み前記活性層の上に設けられた第２のIII族窒化物半導体領域と、
前記第２のIII族窒化物半導体領域の上に設けられた電極と、
を備え、
前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、ある積層軸に沿って順に配列され、
前記第１内側半導体層は前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、
前記第２内側半導体層は前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記活性層と前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層とは第１ヘテロ接合を構成し、
前記ｎ型クラッド層はIII族窒化物半導体からなり、
前記第１ヘテロ接合は、前記ｎ型クラッド層の前記III族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜しており、
前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなり圧縮歪みを内包する井戸層を含み、前記井戸層のピエゾ分極の向きは前記ｐ型クラッド層から前記ｎ型クラッド層への方向に向き、
前記活性層と前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記第２内側半導体層とは第２ヘテロ接合を構成し、
前記第２のIII族窒化物半導体領域は半導体リッジを有し、
前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、
前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、
前記第２内側半導体層は、前記第２ヘテロ接合から積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内にあり前記活性層に前記第２ヘテロ接合を成す第１部分と、前記第３ヘテロ接合から前記半導体リッジの底までの第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを含み、
前記第１部分、前記第３部分及び前記第２部分は、前記積層軸に沿って順に配列され、
前記第２内側半導体層の前記第３部分はヘテロ接合を含まず、
前記第２内側半導体層の前記第３部分は、前記第２内側半導体層の材料の組成が前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に単調に変化する領域を含み、
前記半導体リッジの前記底と前記第２ヘテロ接合との距離は１５０ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
半極性主面を有するＧａＮ基板を更に備え、
前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、前記半極性主面上に設けられる、請求項１７〜請求項１９のいずれか一項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、窒化ガリウム系半導体レーザ素子に係る。この窒化ガリウム系半導体レーザ素子においては、窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造活性層は２層の量子井戸層を含み、各量子井戸層の厚さが１０ｎｍ以下である。これによって、すべての量子井戸層に電子と正孔とを均一に分布させることができる。再結合によって電子・正孔が消滅した量子井戸層内への電子と正孔の注入が効果的に行われるので、量子井戸層内に存在する電子と正孔の密度が効果的に変調される。その結果、その光出力も変調されることが可能となり、光ディスク用としての使用においてデータの読み出し時にエラーを発生しない窒化ガリウム系半導体レーザ素子を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７７６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は窒化ガリウム系半導体レーザ素子を開示している。窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、サファイア基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板又はＧａＡｓ基板を用いて作製され、窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製では、基板上に成長された極性ｃ面上にレーザのための半導体層を成長する。エピ成長の最後に０．７μｍ厚のｐ型クラッド層及び０．２μｍ厚のコンタクト層を成長する。この後に、ｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層をエッチングして、リッジ構造を形成している。リッジ形成に際して、光ガイド層がエッチングされていない。このリッジ構造では、エッチングされたｐ型クラッド層の残膜は、０．０５μｍから０．５μｍの範囲にある。
【０００５】
半極性面上に活性層が設けられた窒化物半導体レーザでは、半極性面上の井戸層のピエゾ分極が負、つまりｃ面上の井戸層のピエゾ分極と逆向きであるとき、発明者らの知見によれば、半導体レーザの特性に違いが生じる。リッジ構造を有する窒化物半導体レーザを半極性面上に作製するとき、発明者らの実験は、半極性面を用いる窒化物半導体レーザのしきい値電流がｃ面を用いる窒化物半導体レーザに比べて大きくなることを示す。これは、井戸層のピエゾ分極がｐ型クラッド層からｎ型クラッド層への方向に向くような半極性面上に作製される半導体リッジでは、半導体リッジから来るキャリアの横広がりが、ｃ面上に設けられた半導体リッジに比べて大きいことを示唆している。
【０００６】
発明者らの知見によれば、ｃ面の窒化物半導体レーザに係る技術を半極性面の窒化物半導体レーザに適用できないことが多く、逆向きピエゾ分極に係る技術は一例である。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、半導体リッジから来るキャリアの横広がりを低減可能な構造を有す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】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、（ａ）ｎ型クラッド層及び第１内側半導体層を含む第１のIII族窒化物半導体領域と、（ｂ）前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層の上に設けられた活性層と、（ｃ）ｐ型クラッド層及び第２内側半導体層を含み前記活性層の上に設けられた第２のIII族窒化物半導体領域と、（ｄ）前記第２のIII族窒化物半導体領域の上に設けられた電極とを備える。前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、ある積層軸に沿って順に配列され、前記第１内側半導体層は前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、前記第２内側半導体層は前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記第１内側半導体層、前記活性層及び前記第２内側半導体層はコア領域を構成し、前記ｎ型クラッド層、前記コア領域及び前記ｐ型クラッド層は光導波路構造を構成し、前記活性層と前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層とは第１ヘテロ接合を構成し、前記ｎ型クラッド層はIII族窒化物半導体からなり、前記第１ヘテロ接合は、前記ｎ型クラッド層の前記III族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜しており、前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなり圧縮歪みを内包する井戸層を含み、前記井戸層のピエゾ分極の向きは前記ｐ型クラッド層から前記ｎ型クラッド層への方向に向き、前記井戸層はＩｎＧａＮ層を含み、前記活性層の前記井戸層と前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記第２内側半導体層とは第２ヘテロ接合を構成し、前記第２のIII族窒化物半導体領域は半導体リッジを有し、前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、前記第２内側半導体層は、前記活性層の前記井戸層に前記第２ヘテロ接合を成す第１部分と、前記第３ヘテロ接合から前記半導体リッジの底までの第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを含み、前記第１部分、前記第３部分及び前記第２部分は、前記積層軸に沿って順に配列され、前記半導体リッジの前記底と前記第２ヘテロ接合との距離は２００ｎｍ以下である。
【０００９】
この窒化物半導体発光素子によれば、活性層は、第１のIII族窒化物半導体領域の第１内側半導体層とヘテロ接合（第１ヘテロ接合）を成し、このヘテロ接合はｎ型クラッド層のIII族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜する。これ故に、活性層は、いわゆる半極性面上に設けられる。この活性層が圧縮歪みを内包する井戸層を含むとき、該井戸層のピエゾ分極の向きがｐ型クラッド層からｎ型クラッド層への方向に向くような半極性面上に作製される半導体リッジでは、半導体リッジから来るキャリアの横広がりが、ｃ面上に設けられた半導体リッジからのキャリアの横広がりに比べて大きい。半導体リッジの底と第２ヘテロ接合との距離は２００ｎｍ以下であるとき、半導体リッジから来るキャリアの横広がりの増加が低減されて、光導波路構造における光分布とキャリア分布とのミスマッチに起因する導波ロスを低減できる。このため、しきい値電流の増加が低減される。
なお、半導体リッジの底と第２ヘテロ接合との距離は３０ｎｍ以上が好ましい。半導体リッジの底と第２ヘテロ接合との距離が３０ｎｍより短くなると、リッジ加工のダメージが活性層に及んで、発光効率が低下する可能性がある。
【００１０】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、（ａ）ｎ型クラッド層及び第１内側半導体層を含む第１のIII族窒化物半導体領域と、（ｂ）前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層の上に設けられた活性層と、（ｃ）ｐ型クラッド層及び第２内側半導体層を含み前記活性層の上に設けられた第２のIII族窒化物半導体領域と、（ｄ）前記第２のIII族窒化物半導体領域の上に設けられた電極とを備える。前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、ある積層軸に沿って順に配列され、前記第１内側半導体層は前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、前記第２内側半導体層は前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記活性層と前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層とは第１ヘテロ接合を構成し、前記ｎ型クラッド層はIII族窒化物半導体からなり、前記第１ヘテロ接合は、前記ｎ型クラッド層の前記III族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜しており、前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなり圧縮歪みを内包する井戸層を含み、前記井戸層のピエゾ分極の向きは前記ｐ型クラッド層から前記ｎ型クラッド層への方向に向き、前記活性層と前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記第２内側半導体層とは第２ヘテロ接合を構成し、前記第２のIII族窒化物半導体領域は半導体リッジを有し、前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、前記第２内側半導体層は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内であり前記活性層に前記第２ヘテロ接合を成す第１部分と、前記第３ヘテロ接合から前記半導体リッジの底までの第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを含み、前記第１部分、前記第３部分及び前記第２部分は、前記積層軸に沿って順に配列され、前記第２内側半導体層の前記第３部分はヘテロ接合を含まない。
【００１１】
この窒化物半導体発光素子によれば、活性層は、第１のIII族窒化物半導体領域の第１内側半導体層とヘテロ接合（第１ヘテロ接合）を成し、このヘテロ接合はｎ型クラッド層のIII族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜する。これ故に、活性層は、いわゆる半極性面上に設けられる。この活性層が圧縮歪みを内包する井戸層を含むとき、該井戸層のピエゾ分極の向きがｐ型クラッド層からｎ型クラッド層への方向に向くような半極性面上に作製される半導体リッジでは、半導体リッジから来るキャリアの横広がりが、ｃ面上に設けられた半導体リッジからのキャリアの横広がりに比べて大きい。
【００１２】
この活性層が第２内側半導体層にヘテロ接合（第２ヘテロ接合）を形成する構造に関する発明者検討によれば、第２のIII族窒化物半導体領域の半導体リッジは、第２内側半導体層とｐ型クラッド層との間のヘテロ接合（第３ヘテロ接合）を含む一方で、第２内側半導体層の第３部分、換言すれば、第２ヘテロ接合から積層軸の方向に８０ｎｍを超え半導体リッジの底まで半導体部分は、ヘテロ接合を含まない。この半導体部分がヘテロ接合を含まないとき、ホールバンドにおけるディップによるキャリア横広がりが抑制され、光分布とキャリア分布のミスマッチが低減されるので、しきい値電流の増加が低減される。
【００１３】
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、（ａ）ｎ型クラッド層及び第１内側半導体層を含む第１のIII族窒化物半導体領域と、（ｂ）前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層の上に設けられた活性層と、（ｃ）ｐ型クラッド層及び第２内側半導体層を含み前記活性層の上に設けられた第２のIII族窒化物半導体領域と、（ｄ）前記第２のIII族窒化物半導体領域の上に設けられた電極とを備える。前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、ある積層軸に沿って順に配列され、前記第１内側半導体層は前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、前記第２内側半導体層は前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記活性層と前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層とは第１ヘテロ接合を構成し、前記ｎ型クラッド層はIII族窒化物半導体からなり、前記第１ヘテロ接合は、前記ｎ型クラッド層の前記III族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜しており、前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなり圧縮歪みを内包する井戸層を含み、前記井戸層のピエゾ分極の向きは前記ｐ型クラッド層から前記ｎ型クラッド層への方向に向き、前記活性層と前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記第２内側半導体層とは第２ヘテロ接合を構成し、前記第２のIII族窒化物半導体領域は半導体リッジを有し、前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、前記第２内側半導体層は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内であり前記活性層に前記第２ヘテロ接合を成す第１部分と、前記第３ヘテロ接合から前記半導体リッジの底までの第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを含み、前記第１部分、前記第３部分及び前記第２部分は、前記積層軸に沿って順に配列され、前記第２内側半導体層の前記第３部分はヘテロ接合を含まず、前記第２内側半導体層は、第１光ガイド層及び第２光ガイド層を含み、前記第１光ガイド層のバンドギャップは第２光ガイド層のバンドギャップより大きく、前記第１光ガイド層は前記ｐ型クラッド層と前記第２光ガイド層との間に設けられ、前記第１光ガイド層は前記第２光ガイド層に前記半導体リッジ内においてヘテロ接合を成す。
【００１４】
この窒化物半導体発光素子によれば、活性層は、第１のIII族窒化物半導体領域の第１内側半導体層とヘテロ接合（第１ヘテロ接合）を成し、このヘテロ接合はｎ型クラッド層のIII族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜する。これ故に、活性層は、いわゆる半極性面上に設けられる。この活性層が圧縮歪みを内包する井戸層を含むとき、該井戸層のピエゾ分極の向きがｐ型クラッド層からｎ型クラッド層への方向に向くような半極性面上に作製される半導体リッジでは、半導体リッジから来るキャリアの横広がりが、ｃ面上に設けられた半導体リッジからのキャリアの横広がりに比べて大きい。
【００１５】
この活性層が第２内側半導体層にヘテロ接合（第２ヘテロ接合）を形成する構造に関する発明者検討によれば、第２のIII族窒化物半導体領域の半導体リッジは、第２内側半導体層とｐ型クラッド層との間のヘテロ接合（第３ヘテロ接合）を含む一方で、第２内側半導体層の第３部分、つまり、第２ヘテロ接合から積層軸の方向に８０ｎｍを超え半導体リッジの底までの半導体部分は、ヘテロ接合を含まない。
【００１６】
また、第１光ガイド層と第２光ガイド層との屈折率差により光閉じ込め性能を向上できる。第１光ガイド層と第２光ガイド層はヘテロ接合を構成し、このヘテロ接合が半導体リッジ内に位置するので、このヘテロ接合に起因するホールバンドにおけるディップにより、半導体リッジから流れ出たキャリアの横広がりが生じることはなく、しきい値電流の増加が低減される。
【００１７】
さらにまた、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、（ａ）ｎ型クラッド層及び第１内側半導体層を含む第１のIII族窒化物半導体領域と、（ｂ）前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層の上に設けられた活性層と、（ｃ）ｐ型クラッド層及び第２内側半導体層を含み前記活性層の上に設けられた第２のIII族窒化物半導体領域と、（ｄ）前記第２のIII族窒化物半導体領域の上に設けられた電極とを備える。前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は、ある積層軸に沿って順に配列され、前記第１内側半導体層は前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、前記第２内側半導体層は前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記活性層と前記第１のIII族窒化物半導体領域の前記第１内側半導体層とは第１ヘテロ接合を構成し、前記ｎ型クラッド層はIII族窒化物半導体からなり、前記第１ヘテロ接合は、前記ｎ型クラッド層の前記III族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜しており、前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなり圧縮歪みを内包する井戸層を含み、前記井戸層のピエゾ分極の向きは前記ｐ型クラッド層から前記ｎ型クラッド層への方向に向き、前記活性層と前記第２のIII族窒化物半導体領域の前記第２内側半導体層とは第２ヘテロ接合を構成し、前記第２のIII族窒化物半導体領域は半導体リッジを有し、前記半導体リッジは、前記第２内側半導体層と前記ｐ型クラッド層との間の第３ヘテロ接合を含み、前記第２内側半導体層は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内にあり前記活性層に前記第２ヘテロ接合を成す第１部分と、前記第３ヘテロ接合から前記半導体リッジの底までの第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分とを含み、前記第１部分、前記第３部分及び前記第２部分は、前記積層軸に沿って順に配列され、前記第２内側半導体層の前記第３部分は、前記第２内側半導体層の材料の組成が前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に単調に変化する領域を含む。
【００１８】
この窒化物半導体発光素子によれば、活性層は、第１のIII族窒化物半導体領域の第１内側半導体層とヘテロ接合（第１ヘテロ接合）を成し、このヘテロ接合はｎ型クラッド層のIII族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面に対して、ゼロより大きい傾斜角で傾斜する。これ故に、活性層は、いわゆる半極性面上に設けられる。この活性層が圧縮歪みを内包する井戸層を含むとき、該井戸層のピエゾ分極の向きがｐ型クラッド層からｎ型クラッド層への方向に向くような半極性面上に作製される半導体リッジでは、半導体リッジから来るキャリアの横広がりが、ｃ面上に設けられた半導体リッジからのキャリアの横広がりに比べて大きい。
【００１９】
この活性層が第２内側半導体層にヘテロ接合（第２ヘテロ接合）を形成する構造に関する発明者検討によれば、第２のIII族窒化物半導体領域の半導体リッジは、第２内側半導体層とｐ型クラッド層との間のヘテロ接合（第３ヘテロ接合）を含む一方で、第２内側半導体層の第３部分、つまり、第２ヘテロ接合から積層軸の方向に規定された８０ｎｍを超え半導体リッジの底までの半導体部分は、組成傾斜を含むけれどもヘテロ接合を含まない。この半導体部分がヘテロ接合を含まないとき、ホールバンドにおけるディップによるキャリア横広がりが生じないので、しきい値電流の増加が低減される。
【００２０】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップは、前記第３ヘテロ接合において前記第２内側半導体層の前記第２部分のバンドギャップより大きく、前記傾斜角は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にあることができる。
【００２１】
この窒化物半導体発光素子によれば、上記の傾斜角の範囲では、ｐ型クラッド層のバンドギャップは第３ヘテロ接合において第２内側半導体層のバンドギャップより大きいので、上記の傾斜角の範囲では、第２内側半導体層のホールバンドにおいて第３ヘテロ接合の近傍にディップが形成される。ホールバンドにおけるディップは正孔の横広がりを引き起こす。しかしながら、第３ヘテロ接合は半導体リッジ内に位置するので、第３ヘテロ接合内においてはキャリアの横広がりは、半導体リッジ幅に限定される。
【００２２】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第２内側半導体層の前記第１部分は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内にあり、前記第２内側半導体層の前記第３部分は、ヘテロ接合を含まない。
【００２３】
この窒化物半導体発光素子によれば、III族窒化物半導体（小さいバンドギャップ）とIII族窒化物半導体（大きなハンドギャップ）とが、ヘテロ接合を成すように配列されるとき、発明者らの検討によれば、このヘテロ接合において、第２内側半導体層のホールバンドにディップが形成され、ホールバンドにおけるディップは正孔の横広がりを引き起こす。しかしながら、第２内側半導体層の第３部分がヘテロ接合を含まないので、ホールバンドにおけるディップによるキャリア横広がりの発生を避けることができる。
【００２４】
また、発明者らの検討によれば、第２ヘテロ接合から積層軸の方向に規定された８０ｎｍ以内の部分では、ホールバンドにおけるディップを生成するようなヘテロ接合によるキャリア広がりの影響は小さい。
【００２５】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第２内側半導体層は、第１光ガイド層及び第２光ガイド層を含み、前記第１光ガイド層の材料は前記第２光ガイド層の材料と異なり、前記第２内側半導体層の前記第２部分は、前記第１光ガイド層と前記第２光ガイド層とからなる接合を含むことができる。
【００２６】
この窒化物半導体発光素子によれば、第１光ガイド層は第２光ガイド層と互いに異なる材料からなるので、第２内側半導体層内に屈折率分布を生成でき、光閉じ込めを良好にできる。一方、第２内側半導体層の第２部分が第１光ガイド層と第２光ガイド層とからなるヘテロ接合を含む。このヘテロ接合により、ホールバンドにディップが形成される。しかしながら、このヘテロ接合は半導体リッジに含まれるので、ホールバンドにおけるディップによるキャリア横広がりの発生を避けることができる。
【００２７】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第２内側半導体層の前記第３部分は、前記第２内側半導体層の材料の組成が前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に単調に変化する傾斜組成領域を含むことができる。
【００２８】
この窒化物半導体発光素子によれば、傾斜組成領域は、第２内側半導体層内に屈折率分布を提供でき、またホールバンドにディップを生成しない。
【００２９】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第２内側半導体層の前記第２部分及び前記第３部分は、第１光ガイド層及び第２光ガイド層を含み、前記第２光ガイド層のバンドギャップは前記第１光ガイド層のバンドギャップより大きく、前記第２内側半導体層の前記第２部分及び前記第３部分は、前記第２内側半導体層の材料の組成が前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に単調に変化する組成傾斜領域を更に含み、前記第１光ガイド層は実質的に一定の組成を有し、前記第２光ガイド層は実質的に一定の組成を有することができる。
【００３０】
この窒化物半導体発光素子によれば、傾斜組成領域は、第１光ガイド層と第２光ガイド層とを繋いで第２内側半導体層内に屈折率分布を生成できる。一方で、傾斜組成領域のおかげで、第１光ガイド層と第２光ガイド層とはヘテロ接合を形成しない。これ故に、第２内側半導体層は、互いに異なる屈折率の第１光ガイド層及び第２光ガイド層を含むけれども、第２内側半導体層におけるホールバンドにディップを生成しない。
【００３１】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第２内側半導体層の前記第１部分は電子ブロック層を含むことができる。
【００３２】
この窒化物半導体発光素子によれば、第２内側半導体層の第１領域が電子ブロック層を含むので、第１領域はヘテロ接合を含む。このヘテロ接合は、第１領域のホールバンドにディップを生成する。しかしながら、第２内側半導体層の第１領域は、活性層に接合を成す程度に活性層に近いので、電子ブロック層に係るヘテロ接合によるキャリア広がりの影響は小さい。
【００３３】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第１部分は、前記電子ブロック層と前記活性層との間に設けられた光ガイド層と、該光ガイド層と前記電子ブロック層との第４のヘテロ接合を含み、前記第４のヘテロ接合は、前記第２ヘテロ接合から前記積層軸の方向に規定された１０ｎｍ以上の距離で離れることができる。
【００３４】
この窒化物半導体発光素子によれば、第４のヘテロ接合に係る半導体層にはドーパントが添加される可能性がある。上記１０ｎｍ以上の距離は、ドーパント拡散の影響を活性層に及ぼさないことを可能にする。
【００３５】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子は、III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する基板を更に備えることができる。前記半極性主面と前記基準面との成す角度は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にあり、前記第１のIII族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第２のIII族窒化物半導体領域は前記半極性主面上に設けられる。
【００３６】
この窒化物半導体発光素子によれば、上記の基板上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層がヘテロ接合を成すとき、そのヘテロ接合では、ホールバンドにディップが形成される。
【００３７】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記基板はＧａＮからなることができる。この窒化物半導体発光素子によれば、ＧａＮ基板上にコヒーレントにエピタキシャル成長されるＩｎＧａＮ層には、圧縮歪みが内包される。
【００３８】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第１内側半導体層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、前記第１内側半導体層は、前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第１光ガイド領域を含み、前記第２内側半導体層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、前記第２内側半導体層は、前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第２光ガイド領域を含むことができる。
【００３９】
この窒化物半導体発光素子によれば、緑色レーザといった長波長発光のレーザでは、屈折率の波長分散に起因して光ガイド層とクラッド層の屈折率差が大きくできない。光閉じ込め性を大きくするために、厚い光ガイド層を利用することが有効である。しかしながら、光ガイド層のトータル膜厚が５００ｎｍを超えると、第２内側半導体層については、活性層からアノード電極までの半導体領域における素子直列抵抗が無視できい程度に大きくなり、これは駆動電圧の上昇を招く。また、第１内側半導体層については、光ガイド層のトータル膜厚が５００ｎｍを超えると、光ガイド層の歪み増大や結晶性の悪化を招くことがある。
【００４０】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第２内側半導体層は前記第２光ガイド領域を含み、前記第２光ガイド領域は、アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ＜１）と、ＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ＜１）とを含み、前記アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は前記活性層と前記ＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との間に設けられ、前記アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層及び前記ＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層の合計膜厚は、前記第２ヘテロ接合と前記半導体リッジの底との間の距離より大きく、前記アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層と前記ＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との接合は、前記第２ヘテロ接合と前記半導体リッジの底との間にあることができる。
【００４１】
この窒化物半導体発光素子によれば、アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層とＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は同じＩｎ組成を有するので、これらの層はヘテロ界面を構成せず、ホールバンドにおけるディップによるキャリア横広がりを避けることができる。活性層に近いＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は吸収ロス低減のために、アンドープであることが好ましい。また、アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層が活性層とＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との間に設けられるので、光ガイド層から活性層へＭｇ拡散を防止できる。
【００４２】
本発明に係る上記の窒化物半導体発光素子では、前記第２内側半導体層は前記第２光ガイド領域を含み、前記第２光ガイド領域は、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）と、ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）と、ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜Ｘ１＜１）とを含み、前記アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、及び前記ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は、前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に順に配置されており、前記ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層と接合を成し、前記アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層及び前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の合計の厚さは、前記第２ヘテロ接合と前記半導体リッジの底との距離より大きいことができる。
【００４３】
この窒化物半導体発光素子によれば、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層及びＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層の合計の厚さが第２ヘテロ接合と半導体リッジの底との距離より大きいので、ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層とＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層との接合は半導体リッジ内に位置する。よって、この接合はホールバンドのディップを形成するけれども、キャリアの横方向広がりを避けることができる。高Ｉｎ組成の半導体層と低Ｉｎ組成（ゼロを含む）の半導体から光ガイド領域を構成できるので、光ガイド領域の光閉じ込め機能を大きく損なうことなく、結晶品質を良好にでき、また光ガイド領域上に成長されるクラッド及びコンタクト層の結晶品質を劣化させることがない。
【００４４】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第２内側半導体層は前記第２光ガイド領域を含み、前記第２光ガイド領域は、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）と、ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）と、Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層と、ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜Ｘ１＜１）とを含み、前記アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層、及び前記ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は、前記ｎ型クラッド層から前記ｐ型クラッド層への方向に順に配置されており、前記Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層におけるＩｎ組成Ｘは、前記ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層と前記Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＧａＮ層との界面において組成Ｘ１であり、前記Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＧａＮ層と前記ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層との界面において組成Ｘ２であり、前記組成Ｘ１から前記組成Ｘ２まで単調に変化し、前記Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は、前記第２ヘテロ接合と前記半導体リッジの底との間に位置することができる。
【００４５】
この窒化物半導体発光素子によれば、Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層におけるＩｎ組成Ｘが、組成Ｘ１から組成Ｘ２まで単調に変化する。このＭｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層が第２ヘテロ接合と半導体リッジの底との間に位置する。よって、ホールバンドにおけるディップによるキャリア横広がりを避けながら、良好な光ガイド機能を提供できる。
【００４６】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記傾斜角は６３度以上８０度以下の範囲にあることができる。
【００４７】
この窒化物半導体発光素子によれば、上記の傾斜角の半極性面は、均質なＩｎ取り込み及び高Ｉｎ組成の窒化ガリウム系半導体の成長を可能にする。この特徴は、傾斜がｍ軸方向のときにより顕著である。また、基板の半極性主面と基準面との成す角度が６３度以上８０度以下の範囲にあることができる。
【００４８】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記活性層は、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内に発振ピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられることができる。
【００４９】
この窒化物半導体発光素子によれば、半極性面を利用して、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内に発振ピーク波長を有する発光スペクトルを生成する活性層が作製される。この窒化物半導体発光素子に該活性層を適用するに際して、ヘテロ接合に起因するキャリアの広がりを避けることができる。
【００５０】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記活性層では、前記井戸層は前記第２内側半導体層に接合を成すことができる。
【発明の効果】
【００５１】
以上説明したように、本発明によれば、半導体リッジから来るキャリアの横広がりを低減可能な構造を有する窒化物半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子に係る構造を示す図面である。
【図２】図２は、実施例１に係るリッジ型窒化物半導体レーザの構造を模式的に示す図面である。
【図３】図３は、｛２０−２１｝面及びｃ面上の半導体レーザにパルス通電を行って測定したしきい値電流Ｉｔｈ及び距離Ｄとの関係を示す図面である。
【図４】図４は、｛２０−２１｝面及びｃ面のバンドダイアグラムを示す図面である。
【図５】図５は、実施例２に係るリッジ型窒化物半導体レーザの構造を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、リッジ型窒化物半導体レーザに適用可能な構造を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、半導体リッジの形状の例示を示す図面である。
【図８】図８は、ピエゾ分極とバンドダイアグラムとの関係を示す図面である。
【図９】図９は、ピエゾ分極とバンドダイアグラムとの関係を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
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、及び窒化物半導体発光素子を作製する方法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。
【００５４】
図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子に係る構造を示す図面である。図１には、ＸＹＺ座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが記載されている。結晶座標系ＣＲはｃ軸、ａ軸及びｍ軸を有する。
【００５５】
窒化物半導体発光素子１１は、第１のIII族窒化物半導体領域１３、活性層１５、第２のIII族窒化物半導体領域１７及び電極１９を含む。第１のIII族窒化物半導体領域１３は、第１内側半導体層２１及びｎ型クラッド層２３を含む。活性層１５は、第１内側半導体層２１上に設けられる。第１内側半導体層２１はｎ型クラッド層２３上に設けられる。第２のIII族窒化物半導体領域１７は、第２内側半導体層２５及びｐ型クラッド層２７を含み、ｐ型クラッド層２７は第２内側半導体層２５上に設けられる。第２のIII族窒化物半導体領域１７は、活性層１５上に設けられる。第１内側半導体層２１は活性層１５とｎ型クラッド層２３との間に設けられる。第２内側半導体層２５は活性層１５とｐ型クラッド層２７との間に設けられる。電極１９は、第２のIII族窒化物半導体領域１７上に設けられる。第１のIII族窒化物半導体領域１３、活性層１５及び第２のIII族窒化物半導体領域１７は、積層軸Ａｘ（座標系ＳのＺ軸の方法）に沿って順に配列される。
【００５６】
第１内側半導体層２１、活性層１５及び第２内側半導体層２３はコア領域３１を構成し、コア領域３１はｎ型クラッド層２３とｐ型クラッド層２７との間に設けられる。ｎ型クラッド層２３、コア領域３１及びｐ型クラッド層２７は光導波路構造を構成する。
【００５７】
活性層１５と第１内側半導体層２１とは第１ヘテロ接合ＨＪ１を構成する。ｎ型クラッド層２３はIII族窒化物半導体からなり、第１ヘテロ接合ＨＪ１は、ｎ型クラッド層２３のIII族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面Ｓｃに対して、ゼロより大きい傾斜角Ａｎｇｌｅで傾斜する。図１では、ｎ型クラッド層２３における基準面は、結晶座標系ＣＲのｃ軸の方向を示す軸（ベクトルＶＣで示される軸）に直交する。活性層１５は、少なくとも１つの井戸層３３ａを含み、この井戸層３３ａは例えば窒化ガリウム系半導体からなる。井戸層３３ａは圧縮歪みを内包する。井戸層３３ａのピエゾ分極はｐ型クラッド層２７からｎ型クラッド層２３への方向に向く成分を有する。半極性面上におけるこのピエゾ分極の向きはｃ面上のピエゾ分極の向きと逆である。井戸層３３ａは例えばＩｎＧａＮ層を含むことができる。
【００５８】
活性層１５は、必要な場合には、複数の井戸層３３ａ及び少なくとも１つの障壁層３３ｂを含むことができる。隣り合う井戸層３３ａの間には障壁層３３ｂが設けられる。活性層１５の最外層は、井戸層からなることができる。活性層１５の井戸層３３ａと第２内側半導体層２５とは第２ヘテロ接合ＨＪ２を構成する。
【００５９】
第２のIII族窒化物半導体領域１７は半導体リッジ３５を有する。本実施例では、半導体リッジ３５は、ｎ型クラッド層２３のIII族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される面にそって延在する。窒化物半導体発光素子１１は端面３７ａ及び３７ｂを含み、一実施例では、端面３７ａ及び３７ｂは光共振器を構成することができる。この半導体リッジ３５は、第２内側半導体層２５とｐ型クラッド層２７との第３ヘテロ接合ＨＪ３を含む。第３ヘテロ接合ＨＪ３は、半導体リッジ３５の側面３５ｂで終端する。半導体リッジ３５は上端ＴＯＰ及び底ＢＯＴＴＯＭを有する。半導体リッジ３５の上面３５ａは電極１９に接合Ｊ０を成す。半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭと第２ヘテロ接合ＨＪ２との距離Ｄは２００ｎｍ以下である。
【００６０】
第２内側半導体層２５は、第１部分２５ａ、第２部分２５ｂ及び第３部分２５ｃを含む。第１部分２５ａ、第３部分２５ｃ及び第２部分２５ｂは積層軸Ａｘに沿って順に配列される。第１部分２５ａは、活性層１５の井戸層３３ａに第２ヘテロ接合ＨＪ２を成す。第２部分２５ｂは、第３ヘテロ接合ＨＪ３から半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭまでの領域である。第３部分２５ｃは第１部分２５ａと第２部分２５ｂとの間に位置する。
【００６１】
半導体リッジ３５は、第２内側半導体層２５の一部と、ｐ型クラッド層２７と、ｐ型コンタクト層２９とを含む。第２内側半導体層２５は光ガイド層として働き、この光ガイド層上にｐ型クラッド層２７が設けられ、このｐ型クラッド層２７上にｐ型コンタクト層２９が設けられる。
【００６２】
この窒化物半導体発光素子１１によれば、活性層１５は、第１のIII族窒化物半導体領域１３の第１内側半導体層２１とヘテロ接合（第１ヘテロ接合ＨＪ１）を成す。このヘテロ接合ＨＪ１はｎ型クラッド層２３のIII族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面Ｓｃに対して、ゼロより大きい傾斜角Ａｎｇｌｅで傾斜し、これ故に、活性層１５はいわゆる半極性面上に設けられる。この活性層１５が、圧縮歪みの井戸層３３ａを含むとき、該井戸層３３ａのピエゾ分極の向きがｐ型クラッド層からｎ型クラッド層への方向に向くような半極性面上に作製される半導体リッジ３５では、半導体リッジ３５から来るキャリアの横広がりが、ｃ面上に設けられた半導体リッジからのキャリアの横広がりに比べて大きい。半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭと第２ヘテロ接合ＨＪ２との距離は２００ｎｍ以下であるとき、半導体リッジ３５から来るキャリアの横広がりの増加が低減されて、光導波路構造における光分布とキャリア分布とのミスマッチに起因する導波ロスを低減できる。このため、しきい値電流の増加が低減される。
【００６３】
（実施例１）
ｃ面に作製されるリッジ型窒化物半導体レーザでは、ｐ型窒化物半導体領域が高い抵抗であることもあって半導体リッジ構造の幅に電流の狭窄が所望の程度に達成されている。これは、ｃ面に作製されるリッジ型窒化物半導体レーザでは、キャリア分布と光分布とマッチングの程度が受け入れ可能な程度にあることを意味する。
【００６４】
一方、一部の半極性面上に作製されるリッジ型窒化物半導体レーザでは、電流狭窄の不足が、ｃ面上では所望の電流狭窄を達成しているリッジ深さにおいて生じている。電流狭窄の不足は、しきい値電流の増加として現れる。このリッジ型窒化物半導体レーザでは、キャリア分布と導波光分布とのミスマッチに起因する導波ロスにより、レーザ特性が悪化する。発明者らの検討によれば、ピエゾ分極の向きがｃ面上に対して反対になる半極性面上では、ｐ型窒化物半導体領域において電流の横広がりがｃ面上のｐ型窒化物半導体領域に比べて、しきい値電流増加を引き起こしている。
【００６５】
半極性ＧａＮ基板を準備する。この半極性ＧａＮ基板の主面は｛２０−２１｝面を有する。｛２０−２１｝面では、基板のＧａＮのｃ軸はこのＧａＮのｍ軸の方向に７５度の角度で傾斜している。ＧａＮ基板のサーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングは、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を含む雰囲気中で行われ、熱処理温度は、摂氏１０５０度である。この前処理の後に、まず、第１のIII族窒化物半導体領域を成長する。ＧａＮ基板の半極性主面上に、ｎ型ＧａＮ層を成長する。成長温度は摂氏１０５０度である。基板温度を摂氏８４０度に下げた後に、このｎ型ＧａＮ層上にｎ型クラッド層を成長する。本実施例では、ｎ型クラッド層として、厚さ２μｍのｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層を成長する。このｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層のＩｎ組成は０．０３であり、Ａｌ組成は０．１４である。摂氏８４０度の基板温度において、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層上に、ｎ型ＧａＮ光ガイド層を成長すると共に、ｎ型ＩｎＧａＮ光ガイド層を成長する。このＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は０．０３である。これらの光ガイド層からなるｎ側の内側半導体層を形成した後に、この内側半導体層上に活性層を成長する。この実施例では、活性層として、摂氏７９０度の基板温度においてＩｎＧａＮ層を成長する。このＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は０．３０であり、ＩｎＧａＮ層の厚さは３ｎｍである。活性層上に、第２のIII族窒化物半導体領域を成長する。例えば、基板温度を摂氏８４０度に上昇した後に、活性層上にアンドープＩｎＧａＮ光ガイド層を成長すると共に、ｐ型ＧａＮ光ガイド層を成長する。このＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は０．０３である。これらの光ガイド層からなるｐ側の内側半導体層を形成した後に、この内側半導体層上に厚さ４００ｎｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層を成長する。このｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層のＩｎ組成は０．０２であり、Ａｌ組成は０．０７である。基板温度を摂氏１０００度に上昇した後に、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層上に、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長する。これらの工程によりエピタキシャル基板を作製できる。
【００６６】
このエピタキシャル基板にフォトリソグラフィ、ドライエッチング及び真空蒸着を適用して、幅２μｍの半導体リッジ及び長さ６００μｍの光共振器のリッジ型窒化ガリウム系半導体レーザを作製する。
【００６７】
この作製において、第２のIII族窒化物半導体領域をエッチングして半導体リッジを形成する。半導体リッジの加工は、ドライエッチングにより行われる。ドライエッチングによるエッチング量を変化させて、異なる半導体リッジの高さを有する複数の半導体レーザを作製する。半導体リッジの加工において、活性層と光ガイド層との界面から半導体リッジの底までの距離を値「Ｄ」として参照する。
【００６８】
ドライエッチングによる加工により、半導体リッジの上面及び側面が形成される。半導体リッジを形成した後に、絶縁膜、例えばシリコン酸化膜（具体的にはＳｉＯ２）を形成する。この絶縁膜は、半導体リッジの側面及び光ガイド層の表面（エッチングにより形成された表面）を覆うと共に半導体リッジの上面（半極性を示すコンタクト面）に開口を有する。半導体リッジの上に電極を形成する。半導体リッジ上面にはアノード電極（例えばＮｉ／Ａｕ）を蒸着により形成する。このオーミック電極を覆うようにパッド電極（例えばＴｉ／Ａｕ）を形成する。ＧａＮ基板の裏面は研磨して、基板膜厚８０μｍの研磨基板を形成する。このＧａＮ基板の研磨面上の全面にカソード電極（例えばＴｉ／Ａｌ）とパッド電極（例えばＴｉ／Ａｕ）を形成する。これらの工程により、基板生産物が作製される。
【００６９】
電極を形成した後に、基板生産物の割断を行って光共振器のための端面（へき開面と異なる端面）を形成する。これらの端面上に誘電体多層膜を成膜する。誘電体多層膜はＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる。これらの工程により、ｍ軸方向に７５度の角度で傾斜させた半極性ＧａＮ基板｛２０−２１｝面上に半導体レーザが作製される。この半導体レーザは５２０ｎｍ波長帯で発光できる。
【００７０】
比較例として、上記のエピタキシャル基板の構造をc面ＧａＮ基板上に作製する。c面ＧａＮ基板を用いるエピタキシャル基板では、井戸層はＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成０．０７）を含み、この半導体レーザは４１０ｎｍ帯において発振可能である。この半導体レーザには端面コートはしていない。
【００７１】
図２は、実施例１に係るリッジ型窒化物半導体レーザの構造を模式的に示す図面である。図２の（ａ）部は実施例１に係るリッジ型窒化物半導体レーザのためのエピタキシャル基板の構造を模式的に示す図面である。図２の（ｂ）部は実施例１に係るリッジ型窒化物半導体レーザにおけるリッジ構造を模式的に示す図面である。図３は、｛２０−２１｝面及びｃ面上の半導体レーザにパルス通電を行って測定したしきい値電流Ｉｔｈ及び距離Ｄとの関係を示す図面である。｛２０−２１｝面上の半導体レーザ１１ａでは、距離Ｄが１５０ｎｍを超えたあたりからしきい値電流Ｉｔｈが急激に増加する。一方、ｃ面上の半導体レーザでは、しきい値電流Ｉｔｈは、距離Ｄが２００ｎｍあたりから増加する。
【００７２】
活性層が圧縮歪みを内包する井戸層を含むとき、上記の｛２０−２１｝面上の半導体レーザでは、その井戸層のピエゾ分極の向きがｐ型クラッド層からｎ型クラッド層への方向に向く。このような活性層の半極性面上に半導体リッジが作製される。発明者らの考察によれば、この構造では、図３に示されるように、半導体リッジから来るキャリアの横広がりが、ｃ面上に設けられた半導体リッジからのキャリアの横広がりに比べて大きい。｛２０−２１｝面上の半導体レーザでは、半導体リッジの底と第２ヘテロ接合との距離Ｄが２００ｎｍ以下であるとき、半導体リッジから来るキャリアの横広がりの程度が許容可能であり、光導波路構造における光分布とキャリア分布とのミスマッチに起因する導波ロスを許容できると考えられる。このため、しきい値電流の増加が抑制されている。
【００７３】
発明者らの更なる考察によれば、上記の距離Ｄ１５０ｎｍは、ｐ側内側半導体層のアンドープＩｎＧａＮ光ガイド層とｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層との合計膜厚にほぼ等しい。ｐ側内側半導体層のアンドープＩｎＧａＮ光ガイド層とｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層とはヘテロ接合を形成する。｛２０−２１｝面上の半導体レーザでは、図４の（ａ）部に示されるように、ホールバンドにおいてこのヘテロ接合に二次元ホールガスが生成される。二次元ホールガスＨＧを生成するヘテロ接合が、半導体リッジから外れて位置するとき、この二次元ホールガスＨＧは、ｐ側の半導体領域においてキャリアの横広がりを引き起こしている可能性がある。一方、c面上の半導体レーザでは、図４の（ｂ）部に示されるように、ホールバンドにおいてこのヘテロ接合に二次元ホールガスが生成されない。
【００７４】
図４に示されるように、｛２０−２１｝面上の井戸層ＷＳにおけるバンドの傾きがｃ面上の井戸層ＷＣにおけるバンドの傾きと逆向きであるので、｛２０−２１｝面上の井戸層ＷＳにおけるピエゾ分極の向きは、ｃ面上の井戸層ＷＣにおけるピエゾ分極の向きと逆である。c面上の半導体レーザでは、｛２０−２１｝面上の半導体レーザのような二次元ホールガスの生成のような現象が生じない。
【００７５】
図４に示されるように、破線ＲＧは半導体リッジの底ＢＯＴＴＯＭの位置を示す。ヘテロ接合ＨＪが半導体リッジ内に含まれないとき、半導体リッジから流れ出たキャリアは、二次元ホールガスの働きにより横方向にも流れる。
【００７６】
（実施例２）
図５は、実施例２に係るリッジ型窒化物半導体レーザの構造を模式的に示す図面である。実施例２に係るリッジ型窒化物半導体レーザ１１ｂでは、実施例1における半極性面のレーザ構造のｐ側内側半導体層において、ｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層とｐ型ＧａＮ光ガイド層との間に、厚さ２０ｎｍの組成傾斜層を設ける。組成傾斜層では、Ｉｎ組成はｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層の界面におけるＩｎ組成値からｐ型ＧａＮ光ガイド層の界面におけるＩｎ組成値（Ｉｎ組成ゼロ）に連続的に増加する。半導体リッジ形成のエッチングにおいて、距離Ｄは１７０ｎｍである。
【００７７】
この半導体レーザのしきい値電流Ｉｔｈは７０ｍＡ程度であり、図３を参照して比較すると、１７０ｎｍの距離Ｄを有する半導体レーザのしきい値に比べて、６０から７０％程度に低い。このしきい値電流の低下は、光ガイド領域におけるヘテロ接合が組成傾斜層に置き換えられて、二次元ホールガスによるキャリア広がりが抑制されていることを示すと考えられる。
【００７８】
上記の実施例１及び実施例２の結果を検討した結果、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子１１は、以下の形態を有することが好ましい。
【００７９】
再び図１を参照しながら、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子１１を説明する。傾斜角Ａｎｇｌｅが５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にあることができる。ｐ型クラッド層２７のバンドギャップが第３ヘテロ接合ＨＪ３において第２内側半導体層２５の第２部分２５ｂのバンドギャップより大きい。これ故に、第２内側半導体層２５のホールバンドにおいて第３ヘテロ接合ＨＪ３の近傍にディップが形成される。ホールバンドにおけるディップは正孔の横広がりを引き起こす。しかしながら、第３ヘテロ接合ＨＪ３は半導体リッジ３５内に位置するので、第３ヘテロ接合ＨＪ３内においてはキャリアの横広がりは、半導体リッジ３５の幅に限定される。
【００８０】
窒化物半導体発光素子１１は、基板３９を更に備えることができる。基板３９は、III族窒化物半導体からなる半極性主面３９ａを有する。半極性主面３９ａは、III族窒化物半導体のｃ軸の方向の延在する軸（ベクトルＶＣで示される軸Ｃｘ）に直交する基準面Ｓｃに対して傾斜する、半極性主面３９ａと基準面Ｓｃとの成す角度（実質的に角度Ａｎｇｌｅに等しい角度）は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にあることができる。第１のIII族窒化物半導体領域１３、活性層１５及び第２のIII族窒化物半導体領域１７は、半極性主面３９ａ上に設けられる。上記の基板３９上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層がヘテロ接合を成すとき、そのヘテロ接合は、ホールバンドにディップが形成される。基板３９はＧａＮからなることができる。ＧａＮ基板上にコヒーレントにエピタキシャル成長されるＩｎＧａＮ層には、圧縮歪みが内包される。
【００８１】
また、傾斜角Ａｎｇｌｅは６３度以上８０度以下の範囲にあることができる。上記の傾斜角Ａｎｇｌｅの半極性面３９ａは、均質なＩｎ取り込み及び高Ｉｎ組成の窒化ガリウム系半導体の成長を可能にする。また、基板３９の半極性主面３９ａと基準面Ｓｃとの成す角度が６３度以上８０度以下の範囲にあることができる。
【００８２】
活性層１５は、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられることができる。５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内にピーク波長を有する発光スペクトルを生成する活性層１５は、半極性面を利用して作製される。この窒化物半導体発光素子１１に該活性層１５を適用するに際して、ヘテロ接合に起因するキャリアの広がりを避けることができる。活性層１５では、井戸層３３ａは第２内側半導体層２７に接合を成すことができる。
【００８３】
図１を参照すると、第２内側半導体２５として構造Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４が示されている。
・構造Ａ１〜Ａ４。
この窒化物半導体発光素子１１において、III族窒化物半導体（小さいバンドギャップ）とIII族窒化物半導体（大きなハンドギャップ）とが、ヘテロ接合を成すように配列されるとき、発明者らの検討によれば、このヘテロ接合において、第２内側半導体層２５のホールバンドにディップが形成される。このヘテロ接合が半導体リッジ３５に含まれないとき、ホールバンドにおけるディップは正孔の横広がりを引き起こす。しかしながら、図１に示される構造Ａ１〜Ａ４のように、第３部分２５ｃがヘテロ接合を含まないので、ホールバンドにおけるディップによるキャリア横広がりの発生を避けることができる。
【００８４】
・構造Ａ１、Ａ２。
発明者らの検討によれば、第２ヘテロ接合ＨＪ２から積層軸Ａｘの方向に規定された８０ｎｍ以内の部分では、ホールバンドにおけるディップを生成するようなヘテロ接合によるキャリア広がりの影響は小さい。図１に示される構造Ａ１、Ａ２では、第２内側半導体層２５の第１部分２５ａは、薄い半導体層４０の厚さにより提供され、電子ブロック層４１を含むことができる。電子ブロック層４１が、第２内側半導体層２５において第２ヘテロ接合ＨＪ２から８０ｎｍ以内の第１部分２５ａに含まれるとき、第１部分２５ａはヘテロ接合ＨＪ４を含む。このヘテロ接合ＨＪ４は、第１部分２５ａのホールバンドにディップを生成する。しかしながら、第１部分２５ａは、活性層１５に接合を成す程度に活性層１５に近いので、電子ブロック層４１に係るヘテロ接合ＨＪ４によるキャリア広がりの影響は小さい。
【００８５】
また、第１部分２５ａの第４ヘテロ接合ＨＪ４は、第２ヘテロ接合ＨＪ２から積層軸Ａｘの方向に規定された１０ｎｍ以上の距離で離れることが好ましい。第４ヘテロ接合ＨＪ４に係る半導体層（例えば電子ブロック層４１）にはドーパントが添加される可能性がある。上記１０ｎｍ以上の距離は、ドーパント拡散の影響を活性層１５に及ぼさないことを可能にする。上記１０ｎｍ以上の距離を提供するために、活性層１５と電子ブロック層４１との間に薄い半導体層が設けられ、この薄い半導体層は、光ガイド層又は障壁層の材料と同じ材料からなっていてもよい。薄い半導体層は、電子ブロック層４１のバンドギャップと井戸層のバンドギャップとの間にバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体、例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮからなることができる。
【００８６】
・構造Ａ３、Ａ４。
一方、実施例１及び実施例２のように、窒化物半導体発光素子１１では、第２内側半導体層２５の第１部分２５ａは第２ヘテロ接合ＨＪ２から積層軸Ａｘの方向に規定された８０ｎｍ以内にあり、第３部分２５ｃはヘテロ接合を含まない。
【００８７】
・構造Ａ２、Ａ４。
第２内側半導体層２５は、第１光ガイド層４３及び第２光ガイド層４５を含むことができる。第１光ガイド層４３の材料は第２光ガイド層３５の材料と異なる。これ故に、第２光ガイド層４５のバンドギャップは第１光ガイド層４３のバンドギャップより大きい。第２部分２５ｂは第１光ガイド層４３と第２光ガイド層４５とからなる接合ＨＪ５を含む。第１光ガイド層４３は第２光ガイド層４５と互いに異なる材料からなるので、第２内側半導体層内２５に屈折率分布を生成できる。一方、第２内側半導体層２５の第２部分２５ｂが第１光ガイド層４３と第２光ガイド層４５とからなるヘテロ接合ＨＪ５を含む。このヘテロ接合ＨＪ５により、ホールバンドにディップが形成される。しかしながら、このヘテロ接合ＨＪ５は半導体リッジ３５に含まれるので、ホールバンドにおけるディップによるキャリア横広がりの発生を避けることができる。
【００８８】
・構造Ａ１、Ａ３。
窒化物半導体発光素子１１では、第２内側半導体層２５の第２部分２５ｂ及び第３部分２５ｃは、第１光ガイド層４３及び第２光ガイド層４５を含み、第２光ガイド層４５のバンドギャップは第１光ガイド層４３のバンドギャップより大きく、第２内側半導体層２５の第２部分２５ｂ及び第３部分２５ｃは、第２内側半導体層２５の材料の組成がｎ型クラッド層２３からｐ型クラッド層２７への方向に単調に変化する組成傾斜領域４７を更に含むことができる。第１光ガイド層４３は実質的に一定の組成を有し、第２光ガイド層４５は実質的に一定の組成を有し、組成傾斜領域４７ではＩｎ組成が減少している。
【００８９】
傾斜組成領域４７は、第１光ガイド層４３と第２光ガイド層４５とを繋いで第２内側半導体層内に屈折率分布を生成できる一方で、傾斜組成領域４７のおかげで、第１光ガイド層４３と第２光ガイド層４５とはヘテロ接合を形成しない。これ故に、第２内側半導体層２５は、互いに異なる屈折率の第１光ガイド層４３及び第２光ガイド層４５を含むけれども、第２内側半導体層２５におけるホールバンドにディップを生成しない。
【００９０】
なお、窒化物半導体発光素子１１では、第２内側半導体層２５の第３部分２５ｃが傾斜組成領域４７を含むけれども、組成傾斜は、第２内側半導体層２５の一部又は全部に設けられることができる。傾斜組成は、第２内側半導体層２５内に屈折率分布を生成できる。また、ホールバンドにディップを生成しない。
【００９１】
好適な実施例では、第２内側半導体層２５の厚さＤＧ２は２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。第２内側半導体層２５はｐ型クラッド層２７と活性層１５との間に設けられた第２光ガイド領域を含むことができる。また、第１内側半導体層２１の厚さＤＧ１は２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。第１内側半導体層２１は、ｎ型クラッド層２３と活性層１５との間に設けられた第１光ガイド領域を含む。
【００９２】
緑色レーザといった長波長発光のレーザでは、屈折率の波長分散に起因して光ガイド層とクラッド層の屈折率差を大きくできない。屈折率差を大きくできないことを補うために、上記のような厚い光ガイド層を利用することが有効である。しかしながら、光ガイド層のトータル膜厚が５００ｎｍを超えると、第２内側半導体層２５については、活性層１５からアノード電極までの半導体領域における素子直列抵抗が無視できい程度に大きくなる。これは駆動電圧の上昇を招く。また、第１内側半導体層２１については、光ガイド層のトータル膜厚が５００ｎｍを超えると、光ガイド層の歪み増大や結晶性の悪化を招くことがある。
【００９３】
好適な実施例では、第２内側半導体層２５では、図６の（ａ）部に含まれるように、第２光ガイド領域は、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）５３ａと、ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）５３ｂと、ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜Ｘ１＜１）５３ｃを含むことができる。アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５３ａ、ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５３ｂ、及びＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層５３ｃは、ｎ型クラッド層２３からｐ型クラッド層２７への方向に順に配置されている。ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層５３ｃはＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５３ｂと接合（図１におけるヘテロ接合ＨＪ５）を成す。アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５３ａ及びＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５３ｂの合計の厚さは第２ヘテロ接合ＨＪ２と半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭとの距離より大きい。
【００９４】
この窒化物半導体発光素子１１によれば、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５３ａ及びＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５３ｂの合計の厚さが第２ヘテロ接合ＨＪ２と半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭとの距離より大きいので、ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層５３ｃとＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５３ｂとの接合（図１に示されたヘテロ接合ＨＪ５）は半導体リッジ３５内に位置する。高Ｉｎ組成の半導体層と低Ｉｎ組成（ゼロを含む）の半導体から光ガイド領域を構成できるので、光ガイド領域の光閉じ込め機能を大きく損なうことなく、結晶品質を良好にでき、また光ガイド領域（５３ａ〜５３ｃ）上に成長されるクラッド層２７及びコンタクト層２９の結晶品質を劣化させることがない。
【００９５】
好適な実施例では、第２内側半導体層２５では、図６の（ｂ）部に含まれるように、第２光ガイド領域は、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）５５ａと、ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０＜Ｘ１＜１）５５ｂと、Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層５５ｃと、ＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜Ｘ１＜１）５５ｄを含むことができる。アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５５ａ、ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５５ｂ、Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層５５ｃ、及びＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層５５ｄは、ｎ型クラッド層２３からｐ型クラッド層２７への方向に順に配置されている。Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層におけるＩｎ組成Ｘは、ＭｇドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層５５ｂとＭｇドープ組成傾斜ＩｎＧａＮ層５５ｃとの界面において組成Ｘ１である。Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＧａＮ層５５ｃとＭｇドープＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層５５ｄとの界面において組成Ｘ２である。組成Ｘ１から組成Ｘ２まで単調に変化する。Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層５５ｃは、半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭと第２ヘテロ接合ＨＪ２との間に位置する。
【００９６】
この窒化物半導体発光素子１１によれば、Ｍｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層５５ｃにおけるＩｎ組成Ｘが、組成Ｘ１から組成Ｘ２まで単調に変化する。このＭｇドープ組成傾斜ＩｎＸＧａ１−ＸＮ層５５ｃが第２ヘテロ接合ＨＪ２と半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭとの間に位置する。なお、第２内側半導体層２５におけるＩｎ組成は、ｎ型クラッド層２３からｐ型クラッド層２７への方向に単調に変化することができる。
【００９７】
好適な実施例では、第２内側半導体層２５では、図６の（ｂ）部に示される構造において組成傾斜層を含むことなく、第２光ガイド領域はアンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ＜１）及びＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ＜１）を含むことができる。アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は活性層１５とＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との間に設けられる。アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層及びＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層の合計膜厚は、第２ヘテロ接合ＨＪ２と半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭとの間の距離より大きい。アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層とＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との接合は、第２ヘテロ接合ＨＪ２と半導体リッジ３５の底ＢＯＴＴＯＭとの間にあることができる。この窒化物半導体発光素子１１によれば、アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層とＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は同じＩｎ組成なので、これらの層はヘテロ界面を構成しない。活性層１５に近いＩｎＸＧａ１−ＸＮ層は吸収ロス低減のために、アンドープであることが好ましい。また、アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層が活性層１５とＭｇドープＩｎＸＧａ１−ＸＮ層との間に設けられるので、光ガイド層から活性層１５へＭｇ拡散を防止できる。
【００９８】
図７は、半導体リッジの形状の例示を示す図面である。図７に示されるように、半導体リッジは、図１に示される形状だけでなく、図７の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部に示される形状を有することができる。図７の（ａ）部〜（ｃ）部に示される形状では、２層の光ガイド層４３、４５によって形成されるヘテロ接合ＨＪ５が半導体リッジの側面において終端している。図７の（ａ）部における半導体リッジ３５はトレンチにより規定される。図７の（ｂ）部における半導体リッジ３５は、ヘテロ接合ＨＪ５の延在を遮る小さい一対の溝により規定される。図７の（ｃ）部における半導体リッジ３５は、ヘテロ接合ＨＪ５の延在を遮るテーパ形状の一対の溝により規定される。これらのリッジ形状は、ドライエッチングにより形成可能である。
【００９９】
図８は、ピエゾ分極とバンドダイアグラムとの関係を示す図面である。図８において、符号Ｆ１は伝導帯側の擬フェルミ準位を示し、符号Ｆ２は価電子帯側の擬フェルミ準位を示す。ＩｎＧａＮ活性層は｛２０−２１｝面ＧａＮ上に形成される。この面上に設けられた窒化ガリウム半導体層がその面内方向に圧縮応力を受けるとき、その窒化ガリウム半導体層に負のピエゾ分極ＶＰＷが発生する。図６において、ＩｎＧａＮ活性層は、例えば面内方向に圧縮応力を受ける。この活性層上に、ＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成より小さいＩｎ組成のＩｎＧａＮ光ガイド層が形成される。ＩｎＧａＮ活性層上では、ＩｎＧａＮガイド層の歪みが緩和されて、ＩｎＧａＮガイド層は弱い圧縮を内包する。このＩｎＧａＮ光ガイド層を４つの領域ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３、ＧＲ４に分ける。領域ＧＲ１はＩｎＧａＮ活性層にヘテロ接合を成す。このヘテロ界面において、ＩｎＧａＮ活性層に生成された負の分極ＶＰＷに応じて、領域ＧＲ１には小さく正の分極が生成されて、ＩｎＧａＮ領域ＧＲ１は正の分極ＶＰＧ１を示す。領域ＧＲ３、ＧＲ４はＩｎＧａＮ光ガイド層の圧縮歪みに起因して負方向に分極が生成されて、領域ＧＲ３、ＧＲ４は、それぞれ負の分極ＶＰＧ３、ＶＰＧ４を有する。領域ＧＲ４はＧａＮ光ガイド層にヘテロ接合を成す。このヘテロ界面において、ＧａＮ光ガイド層には、ＩｎＧａＮ光ガイド層における分極と反対向きに分極ＶＰＧ０が発生する。このように、領域ＧＲ３、ＧＲ４には負の分極が生成され、ＧａＮ光ガイド層には正の分極が生成される。小さいバンドギャップのＩｎＧａＮ光ガイド層の領域ＧＲ４は負の分極ＶＰＧ４を有するので、このヘテロ界面においてホールバンドにはディップＤＩＰが生成される。領域ＧＲ２は、正の分極ＶＰＧ１を示す領域ＧＲ１と負の分極ＶＰＧ３を示す領域ＧＲ３との間に位置し、分極の遷移領域である。
【０１００】
図９は、ピエゾ分極とバンドダイアグラムとの関係を示す図面である。図９において、符号Ｆ１は伝導帯側の擬フェルミ準位を示し、符号Ｆ２は価電子帯側の擬フェルミ準位を示す。図９におけるエピ構造では、ＡｌＧａＮ又はＧａＮからなる電子ブロック層が光ガイド層内に設けられる。
【０１０１】
この構造では、ＩｎＧａＮ活性層は、面内方向の圧縮歪みを含み、電子ブロック層は面内方向の引っ張り歪みを含む。ＩｎＧａＮ活性層と電子ブロック層との間のＩｎＧａＮ光ガイド層を３つの領域ＧＲ５、ＧＲ６、ＧＲ７に分けるとき、領域ＧＲ５は、正の分極ＶＰＧ５を有し、領域ＧＲ７は、負の分極ＶＰＧ７を有し、領域ＧＲ６では、領域ＧＲ５と領域ＧＲ７との間において分極が遷移する。
【０１０２】
また、ＧａＮ光ガイド層と電子ブロック層との間のＩｎＧａＮ光ガイド層を３つの領域ＧＲ８、ＧＲ９、ＧＲ１０に分けるとき、領域ＧＲ８は、電子ブロック層からの応力を受けて少し大きい負の分極ＶＰＧ８を有する。領域ＧＲ１０はＧａＮ光ガイド層に接合を成し、小さい負の分極ＶＰＧ１０を有する。領域ＧＲ９では、領域ＧＲ８と領域ＧＲ１０との間において分極が遷移する。
【０１０３】
この構造では、二次元ホールガスは、ヘテロ接合Ｊ２、Ｊ３で生成される。ヘテロ接合Ｊ２は、半導体リッジ内に設けられるので、キャリアの横広がりに寄与しない。ヘテロ接合Ｊ３は、半導体リッジ外に設けられる。しかしながら、ヘテロ接合Ｊ３に係る電子ブロック層が活性層から８０ｎｍ程度の以内に位置するので、このヘテロ接合Ｊ３は、キャリアの横広がりにほとんど寄与しない。ヘテロ接合Ｊ３は、活性層から１０ｎｍ以上の距離で離すことが好ましい。これにより、電子ブロック層にｐ型ドーパントが添加されているとき、このｐ型ドーパントの拡散の影響をＩｎＧａＮ井戸層が受けることがない。
【０１０４】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本実施の形態によれば、半導体リッジから来るキャリアの横広がりを低減可能な構造を有する窒化物半導体発光素子を提供できる。
【符号の説明】
【０１０６】
１１…窒化物半導体発光素子、１３…第１のIII族窒化物半導体領域、１５…活性層、１７…第２のIII族窒化物半導体領域、１９…電極、２１…第１内側半導体層、２３…ｎ型クラッド層、２５…第２内側半導体層、２７…ｐ型クラッド層、２９…ｐ型コンタクト層、Ａｘ…積層軸、３１…コア領域、ＨＪ１、ＨＪ２、ＨＪ３、ＨＪ４、ＨＪ５…ヘテロ接合、３３ａ…井戸層、３３ｂ…障壁層、３５…半導体リッジ、ＢＯＴＴＯＭ…半導体リッジの底、３７ａ、３７ｂ…端面、３９…基板、３９ａ…半極性主面、Ａｎｇｌｅ…傾斜角、Ｓｃ…基準面。
【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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