(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層が、ｎ導電側の窒化物半導体層とｐ導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子であって、
前記ｎ導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは接した位置に、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）とＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）、又はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）とＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１）の２元混晶若しくは３元混晶の窒化物半導体からなる第１と第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側超格子層を有し、
前記第１の窒化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第２の窒化物半導体層より小さいｎ型不純物濃度を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第１の窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）からなり、前記第２の窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１，Ｘ＞Ｙ）からなる請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第１の窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１）からなり、前記第２の窒化物半導体層はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X＜１）からなる請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第２の窒化物半導体層がＧａＮである請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体素子は、前記活性層がｐ側クラッド層とｎ側クラッド層の間に位置する発光素子であって、
前記ｎ側クラッド層が、前記ｎ側超格子層である請求項１乃至４のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体発光素子は、前記ｎ側クラッド層と活性層との間、又は前記ｐ側クラッド層と活性層との間の少なくとも一方に光ガイド層が設けられたレーザ素子である請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記光ガイド層が超格子層である請求項６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記光ガイド層が、ＩｎＧａＮとＧａＮとの超格子層である請求項７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記ｎ導電側の窒化物半導体層が、ｎ側コンタクト層を有し、前記ｎ側超格子は、前記活性層と前記ｎ側コンタクト層との間に設けられる請求項１乃至８のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）、あるいはスーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに使用される窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた素子に関する。なお、本明細書において使用する一般式ＩｎＸＧａ１−ＸＮ、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ等は単に窒化物半導体層の組成式を示すものであって、異なる層が例えば同一の組成式で示されていても、それらの層のX値、Y値が一致していることを示すものではない。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これらの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ＩｎＧａＮよりなる井戸層を有する単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）、若しくは多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）の活性層が、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に挟まれたダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比を増減することで決定されている。
【０００３】
また、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流下、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を世界で初めて発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子は、ＩｎＧａＮよりなる井戸層を用いた多重量子井戸構造の活性層を有するダブルへテロ構造を有し、パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm２、４１０ｎｍの発振を示す。さらに、我々は改良したレーザ素子をAppl.Phys.Lett.69(1996)1477において発表した。このレーザ素子は、ｐ型窒化物半導体層の一部にリッジストライプが形成された構造を有しており、パルス幅１μｓ、パルス周期１ｍｓ、デューティー比０．１％で、閾値電流１８７ｍＡ、閾値電流密度３ｋＡ／cm２、４１０ｎｍの発振を示す。そして、さらに我々は室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。{例えば、日経エレクトロニクス 1996年12月2日号 技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056 等}、このレーザ素子は２０℃において、閾値電流密度３．６ｋＡ／cm２、閾値電圧５．５Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発振を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体よりなる青色、緑色ＬＥＤは順方向電流（Ｉｆ）２０ｍＡで、順方向電圧（Ｖｆ）が３．４Ｖ〜３．６Ｖあり、ＧａＡｌＡｓ系の半導体よりなる赤色ＬＥＤに比べて２Ｖ以上高いため、さらなるＶｆの低下が望まれている。また、ＬＤでは閾値での電流、電圧が未だ高く、室温で長時間連続発振させるためには、この閾値電流、電圧が下がるような、さらに効率の高い素子を実現する必要がある。
【０００５】
レーザ素子の閾値電圧を低下させることができれば、その技術をＬＥＤ素子に適用すると、ＬＥＤ素子のＶｆの低下が予想できる。従って本発明の目的とするところは、主として窒化物半導体よりなるＬＤ素子の閾値での電流、電圧を低下させることにより長時間の連続発振を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、窒化物半導体素子において、活性層以外のいずれか１つ以上の半導体層を歪み超格子構造とすることにより、該半導体層の結晶性をよくでき、該半導体層の電気抵抗を低くできることを見いだして完成させたものである。
すなわち、本発明の第１の窒化物半導体素子は、活性層が、ｎ導電側（以下、ｎ側という。）の窒化物半導体層とｐ導電側（以下、ｐ側という。）の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子であって、
前記ｎ導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにｎ型不純物濃度が異なる第１と第２の窒化物半導体層とが積層されてなるｎ側歪み超格子層を有することを特徴とする。
これによって、超格子層で構成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さくできるので、ｎ導電側の窒化物半導体層の全体としての抵抗を小さくできる。
【０００７】
また本発明の第２の窒化物半導体素子は、活性層が、ｎ導電側の窒化物半導体層とｐ導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子であって、
前記ｐ導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにｐ型不純物濃度が異なる第３と第４の窒化物半導体層とが積層されてなるｐ側歪み超格子層を有することを特徴とする。
これによって、超格子層で構成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さくできるので、ｐ導電側の窒化物半導体層の全体としての抵抗を小さくできる。
ここで、ｐ導電側とは活性層と正電極（ｐ電極）との間にある窒化物半導体層を指し、ｎ導電側とは、活性層を挟んでｐ導電側と反対側にある窒化物半導体層を指すものとする。
なお、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との積層順序、及び第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層との積層順序は問わないことは言うまでもない。
【０００８】
さらに本発明の第３の窒化物半導体素子は、活性層が、ｎ導電側の窒化物半導体層とｐ導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子であって、
前記ｎ導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにｎ型不純物濃度が異なる第１と第２の窒化物半導体層とが積層されてなるｎ側歪み超格子層を有し、
前記ｐ導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにｐ型不純物濃度が異なる第３と第４の窒化物半導体層とが積層されてなるｐ側歪み超格子層を有することを特徴とする。
これによって、超格子層で構成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さくできるので、ｎ導電側及びｐ導電側の窒化物半導体層の全体としての抵抗を小さくできる。
【０００９】
本発明の第１又は第３の窒化物半導体素子では、ｎ側歪み超格子層は、例えば発光素子、受光素子のような光電変換素子であれば、基板に接して形成されたバッファ層、ｎ電極が形成されるｎ側コンタクト層、キャリア閉じ込めとしてのｎ側クラッド層、及び活性層の発光を導波するｎ側光ガイド層の内の少なくとも１種の層として形成される。第２又は第３の窒化物半導体素子では、ｐ側歪み超格子層は、ｐ電極が形成されるｐ側コンタクト層、キャリア閉じ込めとしてのｐ側クラッド層、及び活性層の発光を導波するｐ側光ガイド層の内の少なくとも１種の層として形成される。
【００１０】
本発明の第１及び第３の窒化物半導体素子では、超格子層においてバンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層の不純物濃度をバンドギャップエネルギーの小さい第２の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して、大きくしてもよいし、小さくしてもよい。
前記第１の窒化物半導体層の不純物濃度を第２の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、キャリアをバンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層で発生させて、バンドギャップエネルギーの小さい第２の窒化物半導体層に注入でき、注入されたキャリアを不純物濃度が小さく移動度の大きい第２の窒化物半導体層で移動させることができるので、超格子層の電気抵抗を小さくできる。
ここで、本明細書において、ｎ側歪み超格子層とｐ側歪み超格子層とを総括して呼ぶときは、上述のように単に超格子層と呼ぶ。
【００１１】
また、前記第１の窒化物半導体層の不純物濃度を第２の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、第１の窒化物半導体素子では、超格子層の第１の窒化物半導体層において、第２の窒化物半導体層に近接する部分（以下、近接部分という。）のｎ型又はｐ型不純物濃度を、第２の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さくすることが好ましい。これによって、第２の窒化物半導体層中を移動するキャリアが、前記近接部分の不純物によって散乱されるのを防止でき、第２の窒化物半導体層の移動度をさらに高くでき、超格子層の電気抵抗をさらに低くできる。
【００１２】
具体的には、第１、第３の窒化物半導体素子において、バンドギャップエネルギーの大きい第１の窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合、第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１７／cm３〜１×１０２０／cm３の範囲にあり、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が、第１の窒化物半導体層より小さくかつ１×１０１９／cm３以下に設定することが好ましい。なおバンドギャップエネルギーが小さい第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は、１×１０１８／cm３以下であることがより好ましく、１×１０１７／cm３以下であることがより好ましい。すなわち、第２の窒化物半導体層の移動度を高くする観点からは、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は小さければ小さいほどよく、第２の窒化物半導体層をアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）層、即ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
【００１３】
また、前記第１の窒化物半導体層の不純物濃度を第２の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さくした場合、前記第２の窒化物半導体層において、前記第１の窒化物半導体層に近接する部分のｎ型不純物濃度を前記第１の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さくすることが好ましい。
さらに、前記第１の窒化物半導体層の不純物濃度を第２の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さくした場合、前記第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１９／cm３以下であり、前記第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１７／cm３〜１×１０２０／cm３の範囲であることが好ましい。
尚、前記第１の窒化物半導体層は、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以下、最も好ましくはアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）、すなわち、不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
【００１４】
また、第１及び第３の窒化物半導体素子では、超格子層において、結晶性のよい超格子層を形成するために、前記第１の窒化物半導体層を比較的エネルギーバンドギャップが大きくかつ結晶性のよい層を成長させることができるＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１）で形成し、前記第２の窒化物半導体層を比較的エネルギーバンドギャップが小さく結晶性のよい層を成長させることができるＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X＜１）で形成することが好ましい。
【００１５】
また、第１及び第３の窒化物半導体素子では、超格子層において、前記第２の窒化物半導体層がＧａＮからなることがさらに好ましい。これによって、前記第１の窒化物半導体層（ＡｌＹＧａ１−ＹＮ）と、前記第２の窒化物半導体層（ＧａＮ）とを同じ雰囲気中で成長させることができるので、超格子層の製造上極めて有利である。
【００１６】
また、第１及び第３の窒化物半導体素子では、超格子層において、前記第１の窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）で形成し、前記第２の窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１，Ｘ＞Ｙ）で形成することもできる。
【００１７】
さらに、前記第１の窒化物半導体層又は前記第２の窒化物半導体層には、ｎ型不純物がドープされていないことがさらに好ましい。
【００１８】
本発明の第２及び第３の窒化物半導体素子では、超格子層においてバンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層の不純物濃度をバンドギャップエネルギーの小さい第４の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して、大きくしてもよいし、小さくしてもよい。
前記第３の窒化物半導体層の不純物濃度を第４の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、キャリアをバンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層で発生させて、バンドギャップエネルギーの小さい第４の窒化物半導体層に注入でき、注入されたキャリアを不純物濃度が小さく移動度の大きい第４の窒化物半導体層で移動させることができるので、超格子層の電気抵抗を小さくできる。
【００１９】
また、第２及び第３の窒化物半導体素子では、前記第３の窒化物半導体層の不純物濃度を第４の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、超格子層の第１の窒化物半導体層において、第４の窒化物半導体層に近接する部分（以下、近接部分という。）のｐ型不純物濃度を、第４の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さくすることが好ましい。これによって、第４の窒化物半導体層中を移動するキャリアが、前記近接部分の不純物によって散乱されるのを防止でき、第４の窒化物半導体層の移動度をさらに高くでき、超格子層の電気抵抗をさらに低くできる。
【００２０】
また、第２、第３の窒化物半導体素子において、前記第３の窒化物半導体層の不純物濃度を第４の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、バンドギャップエネルギーが大きい第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０１８／cm３〜１×１０２１／cm３の範囲にあり、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が、第３の窒化物半導体層の不純物濃度より小さくかつ１×１０２０／cm３以下に設定することがより好ましい。なおバンドギャップエネルギーが小さい第４の窒化物半導体層は１×１０１９／cm３以下であることがより好ましく、１×１０１８／cm３以下であることがさらに好ましい。すなわち、第４の窒化物半導体層の移動度を高くする観点からは、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は小さければ小さいほどよく、第４の窒化物半導体層をアンドープ層、即ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
【００２１】
また、第２及び第３の窒化物半導体素子において、前記第３の窒化物半導体層の不純物濃度を第４の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さくした場合、前記第４の窒化物半導体層において、前記第３の窒化物半導体層に近接する部分のｐ型不純物濃度を前記第３の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さくすることが好ましい。
【００２２】
また、第２及び第３の窒化物半導体素子において、前記第３の窒化物半導体層の不純物濃度を第４の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さくした場合、前記第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０２０／cm３以下であり、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０１８／cm３〜１×１０２１／cm３の範囲であることが好ましい。
尚、前記第３の窒化物半導体層は、１×１０１９／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下、最も好ましくはアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）、すなわち、不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
【００２３】
また、第２及び第３の窒化物半導体素子において、結晶性のよい超格子層を形成するために、前記第３の窒化物半導体層を比較的エネルギーバンドギャップが大きくかつ結晶性のよい層を成長させることができるＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１）で形成し、前記第４の窒化物半導体層をＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X＜１）で形成することが好ましい。前記第４の窒化物半導体層は、ＧａＮからなることがさらに好ましい。これによって、前記第３の窒化物半導体層（ＡｌＹＧａ１−ＹＮ）と、前記第４の窒化物半導体層（ＧａＮ）とを同じ雰囲気中で成長させることができるので、超格子層の製造上極めて有利である。
【００２４】
また、第２及び第３の窒化物半導体素子において、前記第３の窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）で形成し、前記第４の窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１，Ｘ＞Ｙ）で形成してもよい。
【００２５】
また、第２及び第３の窒化物半導体素子において、前記第３の窒化物半導体層又は前記第４の窒化物半導体層には、ｐ型不純物がドープされていないことが好ましい。
【００２６】
第３の窒化物半導体素子では、前記ｎ側歪み超格子層において、前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが前記第２の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きく、かつ前記第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が前記第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度より高く、しかも、
前記ｐ側歪み超格子層において、前記第３の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが前記第４の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きく、かつ前記第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が前記第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度より高く設定することができる。
この場合、前記第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１７／cm３〜１×１０２０／cm３の範囲であって、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１９／cm３以下でありかつ、
前記第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０１８／cm３〜１×１０２１／cm３の範囲であって、前記第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０２０／cm３以下であることが好ましい。
【００２７】
また、第３の窒化物半導体素子では、前記ｎ側歪み超格子層において、前記第１の窒化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第２の窒化物半導体層より大きいｎ型不純物濃度とを有するように設定しかつ、  前記ｐ側歪み超格子層において、前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第４の窒化物半導体層より小さいｐ型不純物濃度とを有するように設定することができる。
この場合、前記第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１７／cm３〜１×１０２０／cm３の範囲であって、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１９／cm３以下でありかつ、
前記第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０２０／cm３以下であり、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０１８／cm３〜１×１０２１／cm３の範囲であることが好ましい。
【００２８】
また、第３の窒化物半導体素子では、前記ｎ側歪み超格子層において、前記第１の窒化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第２の窒化物半導体層より小さいｎ型不純物濃度とを有しかつ、前記ｐ側歪み超格子層において、前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第４の窒化物半導体層より大きいｐ型不純物濃度とを有するように設定することができる。
この場合、前記第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１９／cm３以下であって、前記第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１７／cm３〜１×１０２０／cm３の範囲でありかつ、前記第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０１８／cm３〜１×１０２１／cm３の範囲であって、前記第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０２０／cm３以下であることが好ましい。
【００２９】
さらに、第３の窒化物半導体素子では、前記ｎ側歪み超格子層において、前記第１の窒化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第２の窒化物半導体層より小さいｎ型不純物濃度とを有しかつ、
前記ｐ側歪み超格子層において、前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第４の窒化物半導体層より小さいｐ型不純物濃度とを有するように設定することができる。
この場合、前記第１の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１９／cm３以下であって、前記第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が１×１０１７／cm３〜１×１０２０／cm３の範囲でありかつ、前記第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０２０／cm３以下であり、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０１８／cm３〜１×１０２１／cm３の範囲であることが好ましい。
【００３０】
第３の窒化物半導体素子では、前記ｎ側歪み超格子層において、前記第１の窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１）で形成し、前記第２の窒化物半導体層はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X＜１）で形成しかつ、
前記ｐ側歪み超格子層において、前記第３の窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１）で形成し、前記第４の窒化物半導体層はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X＜１）で形成することができる。
さらに、前記第２と第４の窒化物半導体素子がそれぞれ、ＧａＮからなることが好ましい。
【００３１】
第３の窒化物半導体素子では、前記ｎ側歪み超格子層において、前記第１の窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）で形成し、前記第２の窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１，Ｘ＞Ｙ）で形成し、
前記ｐ側歪み超格子層において、前記第３の窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）で形成し、前記第４の窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y＜１，Ｘ＞Ｙ）で形成することができる。
【００３２】
さらに、第３の窒化物半導体素子では、前記第１の窒化物半導体層又は前記第２の窒化物半導体層は、ｎ型不純物がドープされていないアンドープ層であることが好ましく、前記第３の窒化物半導体層又は前記第４の窒化物半導体層は、ｐ型不純物がドープされていないアンドープ層であることが好ましい。
【００３３】
また、第１第２第３の窒化物半導体素子では、前記活性層がＩｎＧａＮ層を含むことが好ましく、前記ＩｎＧａＮ層が量子井戸層であることがさらに好ましい。尚、前記活性層は、単一量子井戸構造であってもよいし、多重量子井戸構造であってもよい。
【００３４】
また、本発明に係る１つの態様の窒化物半導体素子は、前記活性層がｐ側クラッド層とｎ側クラッド層の間に位置するレーザ発振素子であって、
前記ｐ側クラッド層と前記ｎ側クラッド層のうちの少なくとも一方が、前記ｎ側歪み超格子層又は前記ｐ側歪み超格子層である。これによって、しきい値電流の低いレーザ発振素子を構成できる。
【００３５】
また、前記レーザ発振素子では、前記ｐ側クラッド層と活性層との間、又は前記ｐ側クラッド層と活性層との間の少なくとも一方に、Ｉｎを含む窒化物半導体又はＧａＮからなり、不純物濃度が１×１０１９／cm３以下である光ガイド層が形成されることが好ましい。この光ガイド層は、前記活性層で発生する光の吸収率が低いので、活性層の発光を消衰させることが少なく、低利得で発振可能なレーザ素子を実現できる。本発明では、光の吸収率を低くするために、前記光ガイド層の不純物濃度は１×１０１８／cm３以下であることがより好ましく、１×１０１７／cm３以下であることがさらに好ましく、アンドープであることが最も好ましい。尚、前記光ガイド層を超格子構造にしてもよい。
【００３６】
さらに、前記光ガイド層と活性層との間に、活性層の井戸層及び前記光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導体よりなるキャップ層が形成されることが好ましく、そのキャップ層の不純物濃度は１×１０１８／cm３以上に設定することが好ましい。このように、バンドギャップエネルギーの大きな前記キャップ層を形成することにより、リーク電流を少なくすることができる。この光ガイド層及びキャップ層はｐ導電側窒化物半導体層側に形成されているとより効果的である。
【００３７】
また本発明においては、第１〜第３の窒化物半導体素子は、窒化物半導体とは異なる材料よりなる異種基板上に窒化物半導体層を成長させ、該成長された窒化物半導体層上に、該窒化物半導体層の表面を部分的に露出させるように保護膜を形成した後、露出された窒化物半導体層から前記保護膜を覆うように成長された窒化物半導体からなる窒化物半導体基板の上に形成することが好ましい。これによって、第１〜第３の窒化物半導体素子の各層を結晶性よく形成できるので、優れた特性を有する窒化物半導体素子を形成することができる。
本願発明では、この異種基板、及び保護膜は、窒化物半導体素子が形成された（又はされるべき）窒化物半導体層を基板として残して、素子成長前または素子成長後に除去してもよい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る一実施形態の窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図である。この実施形態の窒化物半導体素子は、活性層端面を共振面とする電極ストライプ型のレーザ素子（従って、以下単に実施形態のレーザ素子という。）であって、図１は、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の断面を模式的に示している。以下、図１を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００３９】
まず、図１において、各符号は以下のものを示す。
１０は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板、例えばサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ等の材料よりなる基板の上に成長された、例えば膜厚１０μｍ以上のＧａＮ基板を示す。なお、異種基板は、図１に示すように、ＧａＮ基板１０を形成した後除去してもよいし、後述する実施例に示すように除去しないで用いてもよい（図４）。
１１は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるバッファ層、兼ｎ側コンタクト層を示す。
１２は、活性層から離れた位置にあり、例えば膜厚４０オングストロームのＳｉドープｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（第１の窒化物半導体層）と膜厚４０オングストロームのアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）ＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）とが交互に１００層積層されてなる超格子構造のｎ側クラッド層を示す。
１３は、ｎ側クラッド層１２と、活性層１４との間にあり、ｎ側クラッド層１２のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する、例えばアンドープＧａＮよりなるｎ側ガイド層を示す。
１４は、膜厚３０オングストロームのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層３層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚３０オングストロームのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層２層とが交互に合計５層積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を示す。
１５は、活性層１４の井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、ｐ側光ガイド層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きい、例えばＭｇドープｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層を示す。このｐ側キャップ層１５のバンドギャップエネルギーは好ましくは、超格子構造のｐ側クラッド層１７のバンドギャップエネルギーの小さい方の窒化物半導体層（第４の窒化物半導体層）よりも大きくする。
１６は、ｐ側クラッド層１７と、活性層１４との間にあり、ｐ側クラッド層１７のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する、例えばアンドープＧａＮよりなるｐ側ガイド層を示す。
１７は、活性層から離れた位置にあり、例えば膜厚４０オングストロームのＭｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎと膜厚４０オングストロームのアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）ＧａＮ層とが交互に１００層積層されてなる超格子構造のｐ側クラッド層を示す。
１８は、ｐ側クラッド層１７のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する、例えばＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を示す。
【００４０】
このように本発明の実施形態のレーザ素子は、ＧａＮ基板１０の上に上述の各窒化物半導体層１１〜１８が積層された構造を有しており、ｐ側クラッド層１７から上の窒化物半導体層はストライプリッジが形成され、リッジ最表面にあるｐ側コンタクト層１８のほぼ全面にｐ電極２１が形成されている。一方、窒化物半導体層上部からエッチングされて露出されたｎ側バッファ層１１の表面にはｎ電極２３が形成されている。本実施の形態では、ｎ電極２３はｎ側バッファ層１１の表面に形成されているが、基板としてがＧａＮ基板１０を用いているので、ｎ電極を形成する部分をＧａＮ基板１０までエッチングしてＧａＮ基板１０の表面を露出させ、その露出させたＧａＮ基板１０の表面にｎ電極を形成して同一面側にｐ電極とｎ電極とを設ける構造とすることもできる。またｎ電極２３とｐ電極２１との間に露出している窒化物半導体表面には、例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜２５が設けられ、その絶縁膜２５の窓部を介してそれぞれボンディング用としてｐパッド電極２２とｎパッド電極２４が設けられている。なお先にも述べたように、本明細書において、活性層とｐ電極との間にある窒化物半導体層は、窒化物半導体層の導電型に関わらず、総称してｐ側窒化物半導体層といい、その活性層とＧａＮ基板１０との間にある窒化物半導体層を総称してｎ側窒化物半導体層という。
【００４１】
本発明の実施形態のレーザ素子では、図１に示す活性層１４の下部にあるｎ側窒化物半導体層中において、活性層１４と離れた位置に、バンドギャップエネルギーの大きな第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さな第２の窒化物半導体層とが積層されて、互いに不純物濃度が異なる超格子構造のｎ側クラッド層１２を有している。超格子層を構成する第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは１０〜４０オングストロームの膜厚に調整する。１００オングストロームよりも厚いと、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。本発明では、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定されず、１原子層以上であればよいが、前記のように１０オングストローム以上が最も好ましい。さらに第１の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X≦１）を成長させる方が望ましい。一方、第２の窒化物半導体は第１の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体であればどのようなものでも良いが、好ましくはＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Y＜１、X＞Y）、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Z＜１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得られやすい。その中でも特に好ましくは第１の窒化物半導体はＩｎ、Ｇａを含まないＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X＜１）とし、第２の窒化物半導体はＡｌを含まないＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Z＜１）とし、中でも結晶性に優れた超格子を得る目的で、Ａｌ混晶比(Y値）０．３以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X≦０．３）と、ＧａＮの組み合わせが最も好ましい。
【００４２】
また、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X＜１）を用いて第１の窒化物半導体を形成し、ＧａＮを用いて第２の窒化物半導体を形成した場合、以下のような製造上優れた利点を有する。すなわち、有機金属気体層成長法（ＭＯＣＶＤ）によるＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X＜１）層及びＧａＮ層の形成においては、いずれの層も同じＨ２雰囲気中で成長させることができる。従って、雰囲気を変えることなくＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X＜１）層とＧａＮ層とを交互に成長させることにより超格子層を形成することができる。このことは、数１０から数１００層を積層して形成する必要がある超格子層を製造する上で極めて大きな利点である。
【００４３】
光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層としてクラッド層を形成する場合、活性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を成長させる必要がある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とは、即ちＡｌ混晶比の高い窒化物半導体である。従来ではＡｌ混晶比の高い窒化物半導体を厚膜で成長させると、クラックが入りやすくなるため、結晶成長が非常に難しかった。しかしながら本発明のように超格子層にすると、超格子層を構成する第１の窒化物半導体層としてのＡｌＧａＮ層をＡｌ混晶比の多少高い層としても、弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラックが入りにくい。そのため、本発明では、Ａｌ混晶比の高い層を結晶性良く成長できるので、光閉じ込め、キャリア閉じ込め効果の高いクラッド層を形成することができ、レーザ素子では閾値電圧、ＬＥＤ素子ではＶｆ（順方向電圧）を低下させることができる。
【００４４】
さらに、本発明に係る実施の形態のレーザ素子では、このｎ側クラッド層１２の第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのｎ型不純物濃度が互いに異なるように設定する。これはいわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層のｎ型不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態（アンドープ）として、もう一方の層に高濃度にドープすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。これは不純物濃度の低い層を超格子層中に存在させることにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いままで超格子層が形成できることによる。つまり、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層がクラッド層となるために、閾値電圧、Ｖｆが低下すると推察される。
【００４５】
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なおｐ側の変調ドープも同様に二次元正孔ガスの影響によると推察される。またｐ層の場合、ＡｌＧａＮはＧａＮに比較して抵抗率が高い。そこでＡｌＧａＮの方にｐ型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察される。
【００４６】
一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作用があると推察される。例えばＡｌＧａＮ層とＧａＮ層にＭｇを同量でドープした場合、ＡｌＧａＮ層ではＭｇのアクセプター準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、ＧａＮ層のアクセプター準位の深さはＡｌＧａＮ層に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高い。例えばＭｇを１×１０２０／cm３ドープしてもＧａＮでは１×１０１８／cm３程度のキャリア濃度であるのに対し、ＡｌＧａＮでは１×１０１７／cm３程度のキャリア濃度しか得られない。そこで、本発明ではＡｌＧａＮ／ＧａＮとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないＡｌＧａＮ層を移動するため、実質的にキャリアはＡｌＧａＮ層の作用は受けず、ＡｌＧａＮ層はバンドギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、ＬＥＤ素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はｐ型層側に超格子を形成する例について説明したが、ｎ層側に超格子を形成する場合においても、同様の効果がある。
【００４７】
バンドギャップエネルギーが大きい第１の窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合、第１の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、１×１０１７／cm３〜１×１０２０／cm３、さらに好ましくは１×１０１８／cm３〜５×１０１９／cm３の範囲に調整する。１×１０１７／cm３よりも少ないと、第２の窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１×１０２０／cm３よりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。一方、第２の窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は第１の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、第１の窒化物半導体側から拡散してくるｎ型不純物があり、その量は１×１０１９／cm３以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、VIＢ族元素を選択し、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい第１の窒化物半導体層にｎ型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい第２の窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合も同様である。
【００４８】
また、本発明の実施の形態のレーザ素子では、図１に示す活性層１４の上部にあるｐ側窒化物半導体層中において、活性層１４と離れた位置に、バンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さな第４の窒化物半導体層とが積層されてなり、互いの不純物濃度が異なる超格子構造のｐ側クラッド層１７を有している。このｐ側クラッド層１７の超格子層を構成する第３、第４の窒化物半導体層の膜厚も、ｎ側クラッド層１２と同じく、１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは１０〜４０オングストロームの膜厚に調整する。同様に、第３の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X≦１）を成長させることが望ましく、第４の窒化物半導体は好ましくはＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Y＜１、X＞Y）、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Z≦１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。
【００４９】
ｐ側クラッド層１７を超格子構造とすると、超格子構造がレーザ素子に与える作用は、ｎ側クラッド層１２の作用と同じであるが、さらにｎ層側に形成した場合に加えて次のような作用がある。即ち、ｐ型窒化物半導体はｎ型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が２桁以上高い。そのため超格子層をｐ層側に形成することにより、閾値電圧を低くする効果が顕著に現れる。詳しく説明すると窒化物半導体はｐ型結晶が非常に得られにくい半導体であることが知られている。ｐ型結晶を得るためｐ型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を除去する技術が知られている（特許第２５４０７９１号）。しかしｐ型が得られたといってもその抵抗率は数Ω・cm以上もある。そこで、このｐ型層を超格子層とすることにより結晶性が良くなり、抵抗率が１桁以上低下するため閾値電圧を低くすることができる。
【００５０】
ｐ側クラッド層１７の第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度が異なり、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃度を小さくする。ｎ側クラッド層１２と同様に、バンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層の方のｐ型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギーの小さな第４のｐ型不純物濃度を小さく、好ましくはアンドープとすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。
またその逆の構成も可能である。つまりバンドギャップエネルギーの大きな第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さな第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を大きくしても良い。理由は先に述べたとおりである。
【００５１】
第３の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては１×１０１８／cm３〜１×１０２１／cm３、さらに好ましくは１×１０１９／cm３〜５×１０２０／cm３の範囲に調整する。１×１０１８／cm３よりも少ないと、同様に第４の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１×１０２１／cm３よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向にある。一方、第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は第３の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望ましい。最も移動度の高い層を得るためには、アンドープとすることが最も好ましい。現実には、膜厚が薄いため、第３の窒化物半導体側から拡散してくるｐ型不純物があると考えられるが、本願発明において良好な結果を得るためには、その量は１×１０２０／cm３以下が望ましい。
尚、ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第IIＡ族、IIＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい第３の窒化物半導体層にｐ型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい第４の窒化物半導体層にｐ型不純物を多くドープする場合も同様である。
【００５２】
さらにまた超格子を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、それぞれ厚さ方向に対し、半導体層中央部（第２の窒化物半導体層又は第４の窒化物半導体層から離れた位置）の不純物濃度が大きく、両端部近傍（第２の窒化物半導体層又は第４の窒化物半導体層に近接する部分）の不純物濃度が小さく（好ましくはアンドープ）なるようにすることが望ましい。具体的に説明すると、例えばｎ型不純物としてＳｉをドープしたＡｌＧａＮと、アンドープのＧａＮ層とで超格子層を形成した場合、ＡｌＧａＮはＳｉをドープしているのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いＧａＮの伝導帯に落ちる。ＧａＮ結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にＧａＮ結晶中を動くことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは前述した二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＮにおいて、ＧａＮ層から比較的離れた中央領域にｎ型不純物を高濃度にドープすると効果はさらに大きくできる。即ちＧａＮ中を移動する電子のうち、ＡｌＧａＮ層に近い部分を通過する電子は、ＡｌＧａＮ層中のＧａＮ層に近接する部分にあるｎ型不純物イオン（この場合Ｓｉ）の散乱を多少なりとも受ける。しかし、上述のようにＡｌＧａＮ層において、ＧａＮ層に近接する部分をアンドープとすると、ＡｌＧａＮ層に近い部分を通過する電子がＳｉの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープＧａＮ層の移動度が向上するのである。作用は若干異なるが、ｐ層側の第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とで超格子を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャップエネルギーの大きい第３の窒化物半導体層の中央部領域に、ｐ型不純物を多くドープし、第４の窒化物半導体層に近接する部分を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープした層を、前記不純物濃度の構成とすることもできるが、バンドギャップエネルギーの小さな方に不純物を多くドープした超格子では、その効果は少ない傾向にある。
【００５３】
以上、ｎ側クラッド層１２、ｐ側クラッド層１７を超格子層とすることについて説明したが、本発明では超格子層は、この他、コンタクト層としてのｎ側バッファ層１１、ｎ側光ガイド層１３、ｐ側キャップ層１５、ｐ側光ガイド層１６、ｐ側コンタクト層１８等を超格子構造とすることができる。つまり活性層から離れた層、活性層に接した層、どの層でも超格子層とすることができる。特にｎ電極が形成されるｎ側バッファ層１１を超格子とすると、前記ＨＥＭＴに類似した効果が現れやすい。
【００５４】
さらに、本発明の実施形態のレーザ素子においては、図１に示すように、超格子層からなるｎ側クラッド層１２と活性層１４との間に、不純物（この場合ｎ型不純物）濃度が１×１０１９／cm３以下に調整されたｎ側光ガイド層１３が形成されている。このｎ側光ガイド層１３は、アンドープとしても、ｎ型不純物が他の層から拡散して入ってくる可能性があるが、本発明においては、１×１０１９／cm３以下のドープ量であれば、光ガイド層として動作し本願発明の効果を損なうことはない。しかしながら、本発明において、ｎ側光ガイド層１３の不純物濃度は１×１０１８／cm３以下であることが好ましく、１×１０１７／cm３以下であることがさらに好ましく、アンドープであることが最も好ましい。また、このｎ側光ガイド層はＩｎを含む窒化物半導体、またはＧａＮで構成することが望ましい。
【００５５】
また実施形態のレーザ素子においては、超格子層からなるｐ側クラッド層１７と活性層１４との間に、不純物（この場合ｐ型不純物）濃度が１×１０１９／cm３以下に調整されたｐ側光ガイド層１６が形成されている。本発明において、ｐ側ガイド層１６の不純物濃度は、１×１０１９／cm３以下であればよいが、好ましい不純物濃度は１×１０１８／cm３以下であり、最も好ましくはアンドープとする。窒化物半導体の場合、アンドープとすると、通常ｎ型の導電性を示すが、本発明は、このｐ側ガイド層１６の導電型はｎ又はｐのいずれでもよく、本明細書においては、導電型にかかわらずｐ側光ガイド層と呼ぶ。また、実際には、ｐ型不純物が他の層から拡散してこのｐ側光ガイド層１６に入ってくる可能性もある。尚、このｐ側光ガイド層もＩｎを含む窒化物半導体、またはＧａＮで構成することが望ましい。
【００５６】
なぜ、活性層とクラッド層との間にアンドープの窒化物半導体を存在させることが好ましいのかは次の通りである。即ち、窒化物半導体の場合、活性層の発光は通常３６０〜５２０ｎｍ、特に３８０〜４５０ｎｍを目的として設計される。アンドープの窒化物半導体はｎ型不純物、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体に比較して、前記波長を有する光の吸収率が低い。従って、アンドープの窒化物半導体を、発光する活性層と、光閉じ込め層としてのクラッド層との間に挟むことにより、活性層の発光を消衰させることが少ないので、低利得で発振するレーザ素子が実現でき、閾値電圧を低くすることができる。尚、この効果は、光ガイド層の不純物濃度が、１×１０１９／cm３以下であれば確認できる。
【００５７】
従って、本発明の好ましい組み合わせとしては、活性層と離れた位置に不純物が変調ドープされた超格子構造を有するクラッド層を有し、そのクラッド層と活性層との間に、不純物濃度が低い、好ましくはアンドープのガイド層を有する発光素子である。
【００５８】
さらに好ましい態様として、本発明の発光素子では、ｐ側ガイド層１６と活性層１４との間に、活性層の井戸層、及びｐ側ガイド層１６界面のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１５が形成されており、そのｐ側キャップ層の不純物濃度が１×１０１８／cm３以上に調整されている。このｐ型キャップ層１５の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層１５中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。このようにバンドギャップエネルギーが大きな層を活性層に接して、０．１μｍ以下の薄膜で形成することにより、発光素子のリーク電流が少なくなる傾向にある。これによって、ｎ層側から注入された電子が、キャップ層のエネルギーバリアの障壁により、活性層内に溜まり、電子と正孔との再結合の確率が高くなるために素子自体の出力を向上させることができる。また、不純物濃度は１×１０１８／cm３以上に調整する必要がある。このキャップ層は比較的Ａｌ混晶比の高い層であり、Ａｌ混晶比の高い層は高抵抗になりやすい。このため不純物をドープすることによりキャリア濃度を高くして抵抗率を下げてやらないと、この層が高抵抗なｉ層のようになり、ｐ−ｉ−ｎ構造となって電流電圧特性が悪くなる傾向にあるからである。なお、このｐ側にあるキャップ層は、ｎ側に形成してもよい。ｎ側に形成する場合は、ｎ型不純物をドープしてもしなくても良い。
【００５９】
以上のように構成された実施形態のレーザ素子は、ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層１７を超格子構造で構成しているので、ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層１７の電気抵抗を低くでき、閾値電圧を低くできしかも長時間のレーザ発振が可能である。
また、本実施形態のレーザ素子では、ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層１７を超格子構造で構成する以外にも、上述したように種々の手段を講じて、さらなる閾値電圧の低減を可能としている。
【００６０】
以上の実施形態では、ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層１７を超格子構造としたが、本発明はこれに限らず、ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層１７のうちのどちらか一方を超格子構造としてもよい。以上のようにしても閾値電圧を従来例に比較して低くできる。
【００６１】
また、実施形態では、ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層１７を超格子構造としたが、本発明はこれに限らず、ｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層１７以外のｐ側及びｎ側の窒化物半導体層のいずれか１つ以上が超格子構造であればよい。以上のように構成しても、閾値電圧を従来例に比較して低くできる。
【００６２】
以上の実施形態では、レーザ素子においてｎ側クラッド層１２及びｐ側クラッド層１７を超格子構造としたが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード（ＬＥＤ）等、他の窒化物半導体素子に適用できることはいうまでもない。以上のように構成することにより、発光ダイオードでは、Ｖｆ（順方向電圧）を下げることができる。
【００６３】
【実施例】
以下、図１、図２を元に本発明の実施例を詳説する。図２は図１のレーザ素子の形状を示す斜視図である。
【００６４】
［実施例１］
サファイア（Ｃ面）よりなる基板の上にＧａＮよりなるバッファ層を介してＧａＮよりなる単結晶を５０μｍの膜厚で成長させたＧａＮ基板１０を用意する。このＧａＮ基板１０を反応容器内にセットし、温度を１０５０℃まで上げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＧａＮ基板１０上にＳｉを１×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側バッファ層１１を４μｍの膜厚で成長させる。このバッファ層は、図１のような構造の発光素子を作製した場合にはｎ電極を形成するためのコンタクト層としても作用する。さらに、このｎ側バッファ層は高温で成長させるバッファ層であり、例えばサファイア、ＳｉＣ、スピネルのように窒化物半導体体と異なる材料よりなる基板の上に、９００℃以下の低温において、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、０．５μｍ以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別される。
【００６５】
（ｎ側クラッド層１２＝超格子層）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第１の層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてシランガス、ＴＭＡを止め、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成し、それぞれ１００層ずつ交互に積層し、総膜厚０．８μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１２を成長させる。
【００６６】
（ｎ側光ガイド層１３）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１３を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。またこの層をアンドープの超格子層とすることもできる。超格子層とする場合にはバンドギャップエネルギーは活性層より大きく、ｎ側クラッド層のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりも小さくする。
【００６７】
（活性層１４）
次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いて活性層１４を成長させる。活性層１４は温度を８００℃に保持して、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。
【００６８】
（ｐ側キャップ層１５）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側光ガイド層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層１７を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層１５は前に述べたように、０．１μｍ以下の巻く厚保で形成し、膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００６９】
（ｐ側光ガイド層１６）
続いてＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１５よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１６を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ型光ガイド層１３と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。なお、このｐ側光ガイド層をアンドープの窒化物半導体、不純物をドープした窒化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。超格子層とする場合にはバンドギャップエネルギーは活性層の井戸層より大きく、ｐ側クラッド層のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりも小さくする。
【００７０】
（ｐ側クラッド層１７）
続いて、１０５０℃でＭｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第３の層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、アンドープＧａＮよりなる第４の層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．８μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１７を形成する。
【００７１】
（ｐ側コンタクト層１８）
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１７の上に、Ｍｇを２×１０２０／cm３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１８を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層１８はｐ型のＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオーミック接触が得られる。またｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮを含む超格子構造のｐ側クラッド層１７に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層として、その膜厚を５００オングストローム以下と薄くしているために、実質的にｐ側コンタクト層１８のキャリア濃度が高くなりｐ電極と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧が低下する。
【００７２】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中７００℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させる。
【００７３】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図１に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層１８と、ｐ側クラッド層１７とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。このように、活性層よりも上部にある層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性層の発光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が低下する。特に超格子層よりなるｐ側クラッド層１７以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。
【００７４】
次にリッジ表面にマスクを形成し、ＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側バッファ層１１の表面を露出させる。露出させたこのｎ側バッファ層１１はｎ電極２３を形成するためのコンタクト層としても作用する。なお図１ではｎ側バッファ層１１をコンタクト層としているが、ＧａＮ基板１０までエッチングを行い、露出したＧａＮ基板１０をコンタクト層とすることもできる。
【００７５】
次にｐ側コンタクト層１８のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１をストライプ状に形成する。ｐ側コンタクト層と好ましいオーミックが得られるｐ電極２１の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ等を挙げることができる。
【００７６】
一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２３を先ほど露出させたｎ側バッファ層１１の表面にストライプ状に形成する。ｎ側バッファ層１１、またはＧａＮ基板１０と好ましいオーミックが得られるｎ電極２３の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましい。
【００７７】
次に、図１に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ２よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介してｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２、及びｎパッド電極２４を形成する。このｐパッド電極２２は実質的なｐ電極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにする作用がある。一方、ｎパッド電極２４はｎ電極２３の剥がれを防止する作用がある。
【００７８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを７０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とし、Ａｕ／Ｓｎで全面をメタライズする。
【００７９】
その後、Ａｕ／Ｓｎ側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度２．０ｋＡ／cm２、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００８０】
［実施例２］
図３は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、図１と同じくレーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の図を示している。以下この図を元に実施例２について説明する。尚、図３において、図１及び図２と同様のものには同様の符号を付して示す。
【００８１】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板の上にＧａＮよりなるバッファ層を介してＳｉを５×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなる単結晶を１５０μｍの膜厚で成長させたＧａＮ基板１０を用意する。このＧａＮ基板１０の上に実施例１と同様にして、ｎ側バッファ層１１を成長させる。
【００８２】
（クラック防止層１９）
ｎ側バッファ層１１成長後、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるクラック防止層１９を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層１９はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。
【００８３】
クラック防止層１９成長後、実施例１と同様にして、変調ドープされた超格子よりなるｎ側クラッド層１２と、アンドープｎ側光ガイド層１３を成長させる。
【００８４】
（ｎ側キャップ層２０）
続いてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、シランガスを用い、ｎ側光ガイド層１３よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｓｉを５×１０１８／cm３ドープしたｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｎ側キャップ層２０を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８５】
後は実施例１と同様にして活性層１４、ｐ側キャップ層１５、アンドープｐ側光ガイド層１６、変調ドープされた超格子よりなるｐ側クラッド層１７、ｐ側コンタクト層１８を成長させる。
【００８６】
窒化物半導体層成長後、同様にしてアニーリングを行い、ｐ型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させ、アニーリング後、図３に示すように最上層のｐ側コンタクト層１８と、ｐ側クラッド層１７とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
【００８７】
リッジ形成後、ｐ側コンタクト層１８のリッジ最表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極２１をストライプ状に形成し、ｐ電極２１以外の最表面の窒化物半導体層のにＳｉＯ２よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介してｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２を形成する。
【００８８】
以上のようにして、ｐ電極を形成したウェーハを研磨装置に移送し、サファイア基板を研磨により除去し、ＧａＮ基板１０の表面を露出させる。露出したＧａＮ基板表面のほぼ全面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２３を形成する。
【００８９】
電極形成後ＧａＮ基板のＭ面（窒化物半導体を六方晶系で近似した場合に六角柱の側面に相当する面）で劈開し、その劈開面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザ素子とする。このレーザ素子も同様に室温において連続発振を示し、実施例１とほぼ同等の特性を示した。
【００９０】
［実施例３］
実施例１において、ｎ側バッファ層１１成長後、実施例２と同様にしてクラック防止層１９を成長させる。次にそのクラック防止層の上に、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層単一層のみよりなるｎ側クラッド層１２を０．４μｍの膜厚で成長させる。後は実施例１と同様にして、レーザ素子を作製したところ、同じく室温でレーザ発振を示したが、寿命は実施例１のレーザ素子よりも若干短くなった。
【００９１】
［実施例４］
実施例１において、ｐ側クラッド層１７成長時に、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層単一層を０．４μｍの膜厚で成長させる他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を作製したところ、同じく室温でレーザ発振を示したが、寿命は実施例１のレーザ素子よりも若干短くなった。
【００９２】
［実施例５］
実施例１において、ｎ側クラッド層１２を超格子構造とせずに、Ｓｉを１×１０１８／cm３ドープしたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層０．４μｍとする。また、ｐ側クラッド層も同様に超格子構造とせず、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層０．４μｍとする。代わりに、ｎ側光ガイド層１３をアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層３０オングストロームと、Ｓｉを１×１０１７／cm３ドープしたＧａＮ層３０オングストロームとを積層した総膜厚０．１２μｍの超格子構造とし、ｐ側光ガイド層１６をアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層３０オングストロームと、Ｍｇを１×１０１７／cm３ドープしたＧａＮ層３０オングストロームとを積層した総膜厚０．１２μｍの超格子構造とする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく室温でレーザ発振を示したが、寿命は実施例１のレーザ素子よりも若干短くなった。
【００９３】
［実施例６］
実施例１において、ｎ側バッファ層１１を形成する際、アンドープＧａＮ層を３０オングストロームと、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を３０オングストロームとを積層した総膜厚１．２μｍの超格子層とする。後は実施例１と同様にして、ｎ側クラッド層１２から上の層を成長させ、レーザ素子とする。但しｎ電極を形成する際、エッチングにより露出させる面は、前述の１．２μｍの超格子層の中間とし、その超格子層にｎ電極を形成する。このレーザ素子も同様に室温において連続発振し、閾値は実施例１のものに比較して若干低下し、寿命は１０００時間以上であった。
【００９４】
［実施例７］
図４は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、他の図面と同一符号は同一層を示している。以下、この図を基に実施例７について説明する。
【００９５】
実施例１と同じく、２インチφ、（０００１）Ｃ面を主面とするサファイア基板３０の上に５００℃にて、ＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を２００オングストロームの膜厚で成長させた後、温度を１０５０℃にしてアンドープＧａＮ層３１を５μｍ膜厚で成長させる。尚、この成長させる膜厚は、５μｍに限定されるものではなく、バッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、１０μｍ以下の膜厚に調整することが望ましい。基板はサファイアの他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＡｓ等窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いることができる。
【００９６】
次にこのアンドープＧａＮ層３１成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、このＧａＮ層３１の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅２０μｍ、ストライプ間隔（窓部）５μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜３２を０．１μｍの膜厚で形成する。図４はストライプの長軸方向に垂直な方向で切断した際の部分的なウェーハの構造を示す模式断面図である。保護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、アンドープＧａＮ層３１の露出部分、即ち保護膜が形成されていない部分（窓部）よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少ないＧａＮ基板１０を成長させやすい。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯＸ）、窒化ケイ素（ＳｉＸＮＹ）、酸化チタン（ＴｉＯＸ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯＸ）等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。
【００９７】
保護膜３２形成後、ウェーハを再度反応容器内にセットし、１０５０℃で、アンドープＧａＮよりなるＧａＮ基板１０となるＧａＮ層を１０μｍの膜厚に成長させる。成長させるＧａＮ層の好ましい成長膜厚は、先に形成した保護膜３２の膜厚、大きさによっても異なるが、保護膜３２の表面を覆うように保護膜上部において横方向（厚さ方向に垂直な方向）にも成長するように十分の厚さに成長させる。このように窒化物半導体が成長しにくい性質を有する保護膜３２の表面上に、横方向にＧａＮ層を成長させる手法でＧａＮ基板１０を成長させると、最初は保護膜３２の上にはＧａＮ層が成長せず、窓部のアンドープＧａＮ層３１の上にＧａＮ層が選択成長される。続いてＧａＮ層の成長を続けると、ＧａＮ層が横方向に成長して、保護膜３２の上に覆いかぶさって行き、隣接した窓から成長したＧａＮ層同士でつながって、保護膜３２の上にＧａＮ層が成長したかのような状態となる。つまり、ＧａＮ層３１上に保護膜３２を介してＧａＮ層を横方向に成長させる。ここで、重要なことは、サファイヤ基板３０の上に成長されているＧａＮ層３１の結晶欠陥と、保護膜３２の上に成長されているＧａＮ基板１０との結晶欠陥の数である。すなわち、異種基板と窒化物半導体との格子定数のミスマッチにより、異種基板の上に成長される窒化物半導体には非常に多くの結晶欠陥が発生し、この結晶欠陥は順次上層に形成される窒化物半導体成長中を、表面まで伝わる。一方、本実施例７のように、保護膜３２上に横方向に成長されたＧａＮ基板１０は、異種基板上に直接成長したものではなく、隣接する窓から成長させたＧａＮ層が、保護膜３２上に横方向に成長することにより成長中につながったものであるため、結晶欠陥の数は異種基板から直接成長したものに比べて非常に少なくなる。従って、異種基板上に成長された窒化物半導体層の上に、部分的に形成された保護膜を形成して、その保護膜上に横方向に成長されてなるＧａＮ層を基板とすることにより、実施例１のＧａＮ基板に比較して、はるかに結晶欠陥の少ないＧａＮ基板が得られる。実際、アンドープＧａＮ層３１の結晶欠陥は１０１０／cm２以上あるが、この実施例７の方法によるＧａＮ基板１０の結晶欠陥は１０６／cm２以下に減少させることができる。
【００９８】
以上のようにしてＧａＮ基板１０を形成した後、該ＧａＮ基板上に実施例１と同様にしてＳｉを１×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側バッファ層、件コンタクト層１１を５μｍの膜厚で成長させた後、実施例２と同様にして、Ｓｉを５×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるクラック防止層１９を５００オングストロームの膜厚で成長させる。尚、クラック防止層１９は省略することもできる。
【００９９】
（中央部が高不純物濃度の超格子構造のｎ側クラッド層１２）
次に、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させることにより、バンドギャップエネルギーの小さい第２の窒化物半導体層を形成する。次に同温度にて、ＴＭＡを追加しアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５オングストローム成長させ、続いてシランガスを追加しＳｉを１×１０１９／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２０オングストロームの膜厚で成長させた後、Ｓｉを止めてアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層をさらに５オングストロームの膜厚で成長させることにより、バンドギャップエネルギーの大きい厚さ３０μｍの第１の窒化物半導体層を形成する。以後同様にして、第２の窒化物半導体層と第１の窒化物半導体層とを交互に繰り返し形成する。尚、実施例７では、第２の窒化物半導体層と第１の窒化物半導体層とがそれぞれ１２０層になるように積層し、０．６μｍ厚の、超格子構造よりなるｎ側クラッド層１２を形成する。
【０１００】
次に、実施例１と同様にして、ｎ側光ガイド層１３、活性層１４、ｐ側キャップ層１５、ｐ側光ガイド層１６を順に成長させる。
【０１０１】
（中央部が高不純物濃度の超格子構造のｐ側クラッド層１７）
次に、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させることにより、バンドギャップエネルギーの小さい第４の窒化物半導体層を形成する。次に同温度にて、ＴＭＡを追加しアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５オングストローム成長させ、続いてＣｐ２Ｍｇを追加しＭｇを１×１０２０／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２０オングストロームの膜厚で成長させた後、Ｃｐ２Ｍｇを止めてアンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層をさらに５オングストロームの膜厚で成長させることにより、バンドギャップエネルギーの大きい厚さ３０μｍの第３の窒化物半導体層を形成する。以後同様にして、第４の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とを交互に繰り返し形成する。尚、実施例７では、第４の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とがそれぞれ１２０層になるように積層し、０．６μｍ厚の、超格子構造よりなるｎ側クラッド層１７を形成する。
【０１０２】
そして最後に、実施例１と同様にしてｐ側コンタクト層１８を成長させた後、ウェーハを反応容器から取り出し、アニーリングを行った後、エッチングを行いｐ側クラッド層１７以上の層をストライプ状のリッジ形状とする。
【０１０３】
次に図４に示すようにリッジに対して、左右対称にエッチングを行い、ｎ電極２３を形成すべきｎ側バッファ層表面を露出させ、ｎ電極２３を形成し、一方ｐ側コンタクト層１８のリッジ最表面にもｐ電極２１をストライプ状に形成する。後は実施例１と同様にして、レーザ素子を作製したところ、実施例１のものに比較して閾値で、電流密度、電圧でおよそ１０％低下し、波長４０５ｎｍの連続発振寿命は、２０００時間以上の寿命を示した。これはＧａＮ基板１０に結晶欠陥の少ないものを使用したことによる、窒化物半導体の結晶性の向上によるものが多大である。なお図４において、ＧａＮ基板１０を例えば８０μｍ以上の膜厚で成長させた場合には、異種基板３０〜保護膜３２は除去することも可能である。
【０１０４】
［実施例８］
実施例７において、ｎ側クラッド層１２を成長させる際、中央部を高不純物濃度とせず、通常のアンドープＧａＮ層を２０オングストロームと、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２０オングストロームとを積層し、総膜厚０．６μｍの超格子構造とする。
【０１０５】
一方、ｐ側クラッド層１７を成長させる際も、中央部を高不純物濃度とせずに、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２０オングストロームとを積層し、総膜厚０．６μｍの超格子構造とする他は実施例７と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例７のものに比較して、若干閾値は低下したが、寿命はほぼ同じ２０００時間以上を示した。
【０１０６】
［実施例９］
実施例７において、ｎ側クラッド層１２を成長させる際、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームと、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２５オングストロームとを交互に積層し、総膜厚０．６μｍの超格子構造とする。一方、ｐ側クラッド層１７を成長させる際も、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームと、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２５オングストロームとを交互に積層し、総膜厚０．６μｍの超格子構造とする他は実施例７と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例７のものとほぼ同等の特性、寿命を有するレーザ素子が得られた。
【０１０７】
［実施例１０］
実施例７において、ｎ側クラッド層１２を成長させる際、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームと、Ｓｉを１×１０１７／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２５オングストロームとを交互に積層し、総膜厚０．６μｍの超格子構造とする。一方、ｐ側クラッド層１７を成長させる際も、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームと、Ｍｇを１×１０１８／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２５オングストロームとを交互に積層し、総膜厚０．６μｍの超格子構造とする他は実施例７と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例７のものとほぼ同等の特性、寿命を有するレーザ素子が得られた。
【０１０８】
［実施例１１］
実施例７において、ｎ側クラッド層を超格子構造とせずに、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を０．６μｍの膜厚で成長させる。一方、ｐ側クラッド層１７を成長させる際は、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームと、１×１０１８／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２５オングストロームとを交互に積層し、総膜厚０．６μｍの超格子構造とする他は実施例７と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例７に比較して閾値は若干上昇したが同じく１０００時間以上の寿命を示した。
【０１０９】
［実施例１２］
実施例７において、ｎ側クラッド層、及びｐ側クラッド層の超格子における不純物濃度を通常の変調ドープ（中央部が高濃度ではなく、層内ほぼ均一）とし、ｎ側バッファ層１１を成長させる際に、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層５０オングストロームと、アンドープＧａＮ層５０オングストロームとを交互に成長させ、総膜厚２μｍの超格子層とする他は実施例７と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例７のものに比較して、閾値が若干低下し、寿命は３０００時間以上を示した。
【０１１０】
［実施例１３］
実施例７において、ｎ側クラッド層１２をアンドープＧａＮ層２０オングストロームと、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層２０オングストロームとを積層した総膜厚０．６μｍの超格子構造とする。次のｎ側光ガイド層１３をＳｉを１×１０１９／cm３ドープしたＧａＮ層２５オングストロームと、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層２５オングストロームとを交互に成長させ、総膜厚０．１μｍの超格子構造とする。
【０１１１】
一方、ｐ側光ガイド層も、Ｍｇを１×１０１９／cm３ドープしたＧａＮ層２５オングストロームと、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層２５オングストロームとを交互に成長させ、総膜厚０．１μｍの超格子構造とする。次に、ｐ側クラッド層１７をアンドープＧａＮ層２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を２０オングストロームとを交互に積層した、総膜厚０．６μｍの超格子構造とする他は、同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例７のものに比較して、若干閾値は低下し、寿命は３０００時間以上を示した。
【０１１２】
［実施例１４］
実施例１４は、実施例７と同様、ＧａＮ基板１０を用いて構成したレーザ素子である。
すなわち、実施例１４のレーザ素子は、実施例７と同様に構成されたＧａＮ基板１０上に以下の各半導体層が形成されて構成される。
まず、そのＧａＮ基板１０の上にＳｉを１×１０１８／ｃｍ３以上ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層（ｎ側の第２の窒化物半導体層）を２μｍの膜厚で成長させる。なお、この層をアンドープのＧａＮと、ＳｉをドープしたＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦０．４）からなる超格子層としても良い。
【０１１３】
次に、ｎ側コンタクト層を成長させた後、温度を８００℃にして、窒素雰囲気中、ＴＭＧ，ＴＭＩ，アンモニア、シランガスで、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるクラック防止層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、後に成長させるＡｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。
【０１１４】
続いて、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる層を４０オングストロームと、アンドープのＧａＮ層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、これらの層を交互に、それぞれ１００層ずつ積層した、総膜厚０．８μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層を成長させる。
【０１１５】
続いて、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ側光ガイド層を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層には活性層の光を導波する光ガイド層として作用し、アンドープの他、ｎ型不純物をドープしても良い。またこの層をＧａＮとＡｌＧａＮからなる超格子層とすることもできる。
【０１１６】
次に、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなる活性層を４００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１１７】
次に、後で形成するｐ側光ガイド層よりもバンドキャップエネルギーが大きいＭｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｐ側キャップ層を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１１８】
次に、バンドキャップエネルギーがｐ側キャップ層よりも小さい、Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなるｐ側光ガイド層を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用する。なお、このｐ側光ガイド層をアンドープの窒化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。超格子層とする場合にはバンドキャップエネルギーの大きな方の層（障壁層）のバンドキャップエネルギーは活性層より大きく、ｐ側クラッド層よりも小さくする。
【０１１９】
続いてＭｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を４０オングストロームと、アンドープＧａＮを４０オングストロームとを交互に積層成長した総膜厚０．８μｍの超格子層構造よりなるｐ側クラッド層を成長させる。
【０１２０】
最後に、ｐ側クラッド層の上に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。特にレーザ素子の場合、ＡｌＧａＮを含む超格子構造のｐ側クラッド層に接して、バンドキャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層として、その膜厚を５００オングストローム以下と薄くしているために、実質的にｐ側コンタクト層のキャリア濃度が高くなりｐ電極と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧が低下する傾向にある。
【０１２１】
以上にようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを所定の温度でアニーリングを行いｐ型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させた後、ウェーハを反応容器から取り出し、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層と、ｐ側クラッド層とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。このように、活性層よりも上部にある層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性層の発光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が低下し、特に超格子層よりなるｐ側クラッド層以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。
【０１２２】
次にリッジ表面にマスクを形成し、ＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側コンタクト層の表面を露出させ、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極をストライプ状に形成する。一方ｐ側コンタクト層のリッジ最表面にはＮｉとＡｕよりなるｐ電極をストライプ状に形成する。ｐ型ＧａＮ層と好ましいオーミックが得られる電極材料としては、例えばＮｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ／Ａｕ，Ｐｔ／Ａｕ，Ｐｄ／Ａｕ等を挙げることができる。ｎ型ＧａＮと好ましいオーミックが得られる電極材料としてはＡｌ、Ｔｉ，Ｗ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｉｎ等の金属若しくは合金等を挙げることができる。
【０１２３】
次に、ｐ電極と、ｎ電極との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ２よりなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜を介してｐ電極と電気的に接続したｐパッド電極を形成する。このｐパッド電極は実質的なｐ電極の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにしている。
【０１２４】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを７０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とし、Ａｕ／Ｓｎで全面をメタライズする。
【０１２５】
その後、Ａｕ／Ｓｎ側をスクライプして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する、共振器面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとする。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長３６８ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【０１２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では不純物が変調ドープされた超格子層よりなるクラッド層を有しているために、閾値電圧が低下して、長時間連続発振できるレーザ素子を実現することができる。またこのレーザ素子は特性温度の高い良好なレーザ素子が実現できる。特性温度とは、温度変化による閾値電流密度で
exp（Ｔ／Ｔ０）に比例する｛Ｔ：動作温度（Ｋ）、Ｔ０：特性温度（Ｋ）｝。Ｔ０が大きいほどＬＤは、高温でも閾値電流密度が低く安定に動作することを示している。例えば本発明の実施例１のレーザ素子では、Ｔ０が１５０Ｋ以上ある。この値はＬＤの温度特性が非常に優れていることを示している。このため本発明のレーザ素子を書き込み光源、読みとり光源として用いることにより、従来にはない容量が達成でき、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る一実施形成のレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】  図１のレーザ素子の斜視図。
【図３】  本発明に係る実施例２のレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】  本発明に係る実施例７のレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１０・・・ＧａＮ基板、
１１・・・ｎ側バッファ層、
１２・・・超格子構造のｎ側クラッド層、
１３・・・ｎ側ガイド層、
１４・・・活性層、
１５・・・ｐ側キャップ層、
１６・・・ｐ側ガイド層、
１７・・・超格子構造のｐ側クラッド層、
１８・・・ｐ側コンタクト層、
１９・・・クラック防止層、
２０・・・ｎ側キャップ層、
２１・・・ｐ電極、
２２・・・ｐパッド電極、
２３・・・ｎ電極、
２４・・・ｎパッド電極、
２５・・・絶縁膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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