(57)【要約】【課題】  半導体素子、特に窒化物半導体を用いた発光素子、レーザ素子において、３８０ｎｍの短波長域における発光効率に優れた活性層、及び素子構造を実現する。【解決手段】  井戸層１と障壁層２とを有する量子井戸構造の活性層１２が、第１導電型層１１、第２導電型層１２とで挟まれた構造を有する半導体素子において、前記活性層内において、少なくとも１つの井戸層１ａを挟んで、前記第１導電型層１１側に第１の障壁層２ａと、前記第２導電型層１２側に第２の障壁層２ｂと、が設けられると共に、第２の障壁層２ｂが、第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーが小さく、障壁層が非対称なことを特徴とする。更に好ましくは、第２導電型層１２内には、第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの大きなキャリア閉じ込め層２８が設けられることで、活性層を挟む各導電型層に、活性層の非対称構造とは反対のバンド構造が設けられる。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の活性層が、第１導電型層、第２導電型層とで挟まれた構造を有する半導体素子において、
前記活性層内において、少なくとも１つの井戸層を挟んで、前記第１導電型層側に第１の障壁層と、前記第２導電型層側に第２の障壁層と、が設けられると共に、
第２の障壁層が、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さいことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記第１導電型層がｎ型窒化物半導体を有するｎ型層であり、前記第２導電型層がｐ型窒化物半導体を有するｐ型層であり、前記活性層が窒化物半導体からなる井戸層と障壁層を有すると共に、第１導電型層、活性層、第２導電型層の順に積層されていることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記活性層内の障壁層として、前記第１の障壁層が、第１導電型層の最も近くに配置され、前記第２の障壁層が、第２導電型層の最も近くに配置された障壁層であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第２の障壁層が、活性層内で最も外側に配置された層であることを特徴とする請求項１乃至３記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１導電型層が、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層を有することを特徴とする請求項１乃至４記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記第２導電型層が、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きなキャリア閉込め層を有することを特徴とする請求項１乃至５記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第２導電型層が、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体層を有し、前記キャリア閉込め層を介して活性層から離間されて設けられていることを特徴とする請求項６記載の半導体素子。
【請求項８】
前記キャリア閉込め層に、ｐ型不純物がドープされていることを特徴とする請求項６又は７記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第１の半導体層及び／又はキャリア閉込め層が、活性層に接して形成されていることを特徴とする請求項６乃至８記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記第１の障壁層と、第２の障壁層とのバンドギャップエネルギー差が、０．０２ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１乃至９記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記活性層が、井戸層を複数有する多重量子井戸構造であり、前記第１の障壁層と第２の障壁層との間に、第１の障壁層、第２の障壁層と井戸層を介して配置された内部障壁層を有し、該内部障壁層が、第２の障壁層とバンドギャップエネルギーが異なることを特徴とする請求項１乃至１０記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記内部障壁層が、第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする請求項１１記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記第１の障壁層が、前記内部障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする請求項１１又は１２記載の窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記活性層が、窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有し、第１導電型層が窒化物半導体を有し、第２導電型層が窒化物半導体を有する半導体素子において、
前記井戸層が、ＧａＮ若しくは、ＧａＮよりもバンドギャップエネルギーの大きなＡｌを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至１３記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記井戸層の組成が、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）のいずれかであることを特徴とする請求項１４記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記障壁層の組成が、ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）であることを特徴とする請求項１４又は１５記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記活性層が、窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有し、第１導電型層が窒化物半導体を有し、第２導電型層が窒化物半導体を有する半導体素子において、
前記井戸層の組成が、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）であり、前記障壁層の組成が、ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）であることを特徴とする請求項１乃至１３記載の半導体素子。
【請求項１８】
前記第１の障壁層のＡｌ混晶比ｕと、前記井戸層のＡｌ混晶比ｘとの差が０．１以上、ｕ−ｘ≧０．１であることを特徴とする請求項１４乃至１７記載の半導体素子。
【請求項１９】
前記第１の半導体層、第２の半導体層の少なくとも一方が、Ａｌを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１４乃至１８記載の半導体素子。
【請求項２０】
前記第１の障壁層の膜厚が、前記第２の障壁層の膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項６乃至１９記載の半導体素子。
【請求項２１】
前記第１の障壁層の膜厚が３０Å以上１５０Å以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃至２０記載の窒化物半導体素子。
【請求項２２】
前記第２の障壁層の膜厚が５０Å以上３００Å以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃至２１記載の窒化物半導体素子。
【請求項２３】
前記第１導電型層、第２導電型層内に、前記第１の半導体層、第２の半導体層を介し、活性層から離間して、クラッド層がそれぞれ設けられていると共に、
第１導電型層内のクラッド層が第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、第２導電型層内のクラッド層が第２の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする請求項６乃至２２記載の半導体素子。
【請求項２４】
前記第１導電型層、第２導電型層にそれぞれ設けられた光閉込めのクラッド層に挟持された活性層により導波路が形成された発光素子において、
第１導電型層内に設けられた光ガイド層が、前記第１の半導体層を有することを特徴とする請求項５乃至２２記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２５】
前記第２導電型層内に設けられた光ガイド層が、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体層を有することを特徴とする請求項２４記載の半導体発光素子。
【請求項２６】
前記第１の半導体層、第２の半導体層の少なくとも一方が、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、該Ａｌを含む窒化物半導体のＡｌ混晶比が、前記窒化物半導体からなる第１の障壁層のＡｌ混晶比よりも小さいことを特徴とする請求項２４又は２５記載の窒化物半導体素子。
【請求項２７】
前記第１の障壁層が、前記クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする請求項２３乃至２６記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子、発光素子に係り、特に窒化物半導体からなる量子井戸層を活性層とする窒化物半導体を用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子としては水銀ランプの代替品として白色ＬＥＤの提供、ホトリソグラフの高精度化等の要求により、より短波長、およそ３７５ｎｍ以下の発光波長のＬＥＤ、発振波長のＬＤの提供が望まれている。
【０００３】
他方、ＧａＮ系発光素子としては、ＩｎＧａＮを活性層とするものの発光効率の良さから、多くのＩｎＧａＮを活性層とする発光素子が現在汎用されており、このＩｎＧａＮを活性層とする発光素子では上記短波長の発光を実現するためには、Ｉｎの組成比を少なくする必要がある。しかしながら、Ｉｎの組成比の減少に伴って、効率良くＩｎＧａＮが発光しなくなり、閾値電流が増加し、その結果、レーザ発振が３８０ｎｍ以下では特に顕著な閾値の上昇が現れるという問題が発現することとなった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はレーザ発振が３８０ｎｍ以下では特に顕著な閾値の上昇が現れるという問題の原因を解明し、その解決手段を提供することを目的とする。
【０００５】
また、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体を素子に用いる場合において、他のＡｌを含まない窒化物半導体に比べて、熱膨張係数差、弾性が大きく異なり、Ａｌを含む窒化物半導体を用いると、クラックの発生しやすく、クラックの発生は他の結晶性と異なり、素子破壊となるものであり、クラックの発生を防止しなければ、窒化物半導体素子として動作しないものとなる。このため、上述した３８０ｎｍ以下の発光波長の活性層を用いた発光素子、レーザ素子においては、Ａｌを含む窒化物半導体は窒化物半導体においてバンドギャップエネルギーを大きくすることができるため、活性層、それよりもバンドギャップエネルギーの大きな、キャリア閉込め層、光ガイド層、光閉込め層などに用いられる。すなわち、上記短波長域の発光素子において、Ａｌを含む窒化物半導体は、各層に多層された構造となるが、一方で上述したクラック発生の問題が深刻なものとなり、このため、短波長化とクラック発生防止とは排他的な関係となる傾向にあり、窒化物半導体の発光素子において、さらなる短波長化の深刻な障害となる。さらに、短波長化において、ＧａＮは３６５ｎｍに光の吸収端を有し、それよりも１０ｎｍほど波長の長い領域でも高い吸収係数を有することから、上記３８０ｎｍ以下の短波長域での発光素子、レーザ素子への使用が困難となる。
【０００６】
加えて、上述したように発光素子、レーザ素子における活性層は、その発光効率、内部量子効率がその結晶性に大きく依存することから、活性層の下に配置される導電型層の結晶性が素子特性向上に極めて重要な要因となる。通常、窒化物半導体発光素子は、ｎ型層、活性層、ｐ型層の順に積層された構造を有しているが、この場合ｎ型層の結晶性を良好なものとする必要がある。一方で、上述したように、Ａｌを含む窒化物半導体が、他のＡｌを含まない窒化物半導体に比べて、大きく結晶性が悪化する傾向にあり、従来はこのような問題を回避する目的で、Ａｌを含む窒化物半導体の下地層としてＩｎを含む窒化物半導体層を用いて、熱膨張係数差による内部応力の発生を緩和したり、Ａｌを含む窒化物半導体層に隣接して、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒化物半導体を設けて結晶性の回復、内部応力の緩和を実現して、レーザ素子などのＡｌを含む窒化物半導体層を素子構造に設けた構造で素子を実用的に動作可能なものとしていた。しかし、上記短波長の発光素子、レーザ素子において、Ａｌを含まない窒化物半導体は、光吸収層となり、素子構造に用いることが好ましくなく、そのため素子構造は、ほとんどがＡｌを含む窒化物半導体層を用いることとなり、上述した結晶性、クラックの発生により、実用的なしきい値、Ｖｆ、発光効率の発光素子、レーザ素子が得られず、特に光ガイド層、光閉込めのクラッド層などにＡｌ混晶比の大きいＡｌを含む窒化物半導体を多用したレーザ素子においては、室温において連続発振可能なレーザ素子が得られなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、バンド構造、組成に非対称性を有する素子構造により上記課題を解決できることを見いだし、短波長の半導体発光素子などのＡｌを含む窒化物半導体を用いた素子において、上記結晶性、クラック発生の問題を回避して、短波長域の発光素子、導波路を有するレーザ素子にも用いることができる素子構造を得るものである。特に、窒化物半導体のように、ホールと電子のキャリア特性が大きく異なる系において、活性層への優れたキャリア注入効率を実現して、好適に活性層にキャリアを閉じ込めて、発光効率に優れるバンド構造、組成が非対称な素子構造を用いるものであり、また短波長の窒化物半導体発光素子において、結晶性、素子特性に優れた導波路構造を提供するものである。
【０００８】
井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の活性層が、第１導電型層、第２導電型層とで挟まれた構造を有する半導体素子に係るものであり、レーザ素子、端面発光素子とする場合には、図２（ａ）に示すように下部光ガイド層２６、上部光ガイド層２９との間に活性層２７が設けられた導波路を有するものであり、その場合光閉込めのクラッド層２５，３０が、光ガイド層よりも活性層から離れて形成され、上部クラッド層３０と活性層２７の間に上部光ガイド層２９、下部クラッド層２５と活性層２７との間に光ガイド層が設けられた構造となる。他方、本発明が発光素子の場合には、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第１導電型層として、キャリア注入、キャリア閉込め層となる層２０２が設けられ、第２導電型層として、キャリア注入層２０５、キャリア閉込め層２０４が、それぞれ設けられ、第１導電型層が第２導電型層のように、キャリア閉込め層とキャリア閉込め層とがことなる層で構成されていても良く、第２導電型層が、キャリア注入とキャリア閉込めを兼ねる層とした構造でも良い。
【０００９】
前記活性層２７が前記障壁層２として、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、少なくとも１つの井戸層１を挟むように、第１の障壁層、第２の障壁層が設けられ、前記第１導電型層側に第１の障壁層と、前記第２導電型層側に第２の障壁層と、が設けられると共に、第２の障壁層が、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さいことを特徴とする。具体的には、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すものであり、活性層内で、井戸層で離間され、第１導電型層側、第２導電型層側に配置された第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂとの間に少なくとも１つの井戸層１が設けられ、第２の障壁層２ｂのバンドギャップエネルギーを、第１の障壁層２ａのバンドギャップエネルギー（図中の点線５３）より小さくすることで、図中の従来のキャリアの経路５２よりも第２導電型層側からのキャリア注入を促進できる本願の経路５１を形成し、すなわち、電位障壁を小さくして、キャリアの活性層及び井戸層への注入効率を高めた構造とするものである。特に、窒化物半導体において、ｎ型層側を第１導電型層、ｐ型層側を第２導電型層、とした構造において、ホールの拡散長が電子に比べて小さく、ｐ型キャリアの活性化率も小さい窒化ガリウム系半導体材料では、ホールの井戸層への注入が効率的にでき、発光効率、閾値電流密度の低減が可能となり好ましい。また、短波長域の窒化物半導体を用いた発光素子、レーザ素子にあっては、図２（ｂ）に示すように、従来の第１の障壁層２ａとほぼ同じＡｌ混晶比（点線部５０）よりも、Ａｌ混晶比の小さい層として第２の障壁層２ｂが活性層内に設けられることで、結晶性低下を防止し、一方で、第１の障壁層よりもＡｌ混晶比の小さい第２の障壁層が設けられることで、両者に挟まれた井戸層において、下界面と上界面に異なる応力が加わり、Ａｌを含む窒化物半導体による圧電界を小さくし、バンドギャップのひずみを低減できると考えられ、井戸層における発光効率を向上できる傾向にある。
【００１０】
第１導電型層が、ｎ型層であり、前記第２導電型層が、ｐ型層であると共に、第１導電型層、活性層、第２導電型層の順に積層されていることで、実施例に示すように、良好な発光素子が得られ、また、第１導電型層がｎ型の窒化物半導体層を有し、第２導電型層がｐ型の窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子においては、上述したように、各キャリア特性を活かして、ｐ型層となる第２導電型層から活性層へのキャリアの注入を好適なものとできる。また、Ａｌを含む窒化物半導体を多用する短波長系の発光素子において、活性層上方に位置する第２の障壁層のＡｌ混晶比を、下方の第１の障壁層より小さくでき、活性層の上に形成されるｐ側層の結晶性を良好なものとできる。
【００１１】
上記第１の障壁層、第２の障壁層の活性層内での配置において、前記活性層内の障壁層として、前記第１の障壁層が、第１導電型層の最も近くに配置され、前記第２の障壁層が、第２導電型層の最も近くに配置された障壁層であることにより、上述した第２の障壁層による第２導電型層からのキャリア注入効率向上、第１の障壁層によるそのキャリアの閉込め効果を高めた構造とでき、第１の障壁層、第２の障壁の各機能を高めることができる。
【００１２】
また、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第２の障壁層２ｂが活性層１２内において最も外側に配置された層であることで、図４（ｂ）に示すように、第２の障壁層２ｂより外側に井戸層などがある場合に比べて、上記キャリアの注入口としてのキャリア注入を促進する作用が好適に発現され好ましい。更に好ましくは、活性層内で最も外側の層として、第１の障壁層があることで、その効果が最大限に発揮できる量子井戸構造の活性層となる。すなわち、活性層内で、最外殻に位置する第１の障壁層、第２の障壁層との間に設けられた井戸層内に、効率的にキャリア注入閉込めを実現できる。
【００１３】
前記第１導電型層に、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層を有することを特徴とする。従来、短波長の発光素子であるＡｌＧａＮ系活性層において、それを挟み、キャリア注入層となる各導電型の層には、井戸層よりも大きなバンドギャップエネルギーが通常必要とされるが、この構成では、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、活性層１２内の第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層２６を第１導電型層１１に設けることで、結晶性良く活性層を形成し、なおかつ、第１の障壁層２ａでもって、第２導電型層１１からのキャリアを井戸層内に閉じ込める働きを有する新規な素子構造を提供するものとなる。この構造において、特に効果的であるのは、上述した短波長系の発光素子において、活性層を挟む層のＡｌ混晶比を小さくできることである。この時、井戸層については、少なくともＧａＮと同じか、それよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つＡｌを含む窒化物半導体を用い、図２（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａのＡｌ混晶比より小さいＡｌ混晶比で第１の半導体層２６を形成し、具体的には上記組成のものを用いることができる。第１の障壁層についても、上記組成の窒化物半導体を用いることができる。第１の半導体層については、好ましくは井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体を用いることで、活性層及び井戸層への良好なキャリア注入層として機能し、具体的にはＡｌを含む窒化物半導体が用いられ、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると好ましい結晶性で活性層が形成できる。
【００１４】
上記構成に加えて、更に好ましくは、第２導電型層内に、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きなキャリア閉込め層を設けることで、第１導電型層からのキャリアを好適に活性層内へ閉じ込める構造の素子とできる。これは、上述したように、活性層内の第２導電型層側に配置された第２の障壁層２ｂが、第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーが小さく、第１導電型層からのキャリアが井戸層を越えるものに対して、閉込めとなる障壁としての機能が小さいためであり、このため第２の障壁層２ｂでキャリアのオーバーフローを防止するために、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、活性層１２外部に、キャリア閉込め層２９を第２導電型層１３内に設けることでこの問題を解決できる構造となる。この時、更に好ましい構成として、前記第１導電型層がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型であることを特徴とする。すなわち、この構成により、窒化物半導体のようにキャリア特性が異なる系において、上記第１の障壁層はホールの閉込めとして活性層内で機能させることを特徴としていることで、井戸層に近い位置でのキャリア閉込めを実現し、上記第１の半導体層では、第１導電型層の電子（第１導電型のキャリア）注入として機能させ、キャリア拡散長の大きなものを、第２の障壁層と、活性層外部に配置されたキャリア閉込め層によって、第２の障壁層からキャリア閉込め層の間に、第１導電型層のキャリアを閉じ込める構造とできる。逆に、第２の障壁層を、第１導電型層からのキャリアを十分に閉じ込められる障壁とすることでは、本発明のバンドギャップエネルギーの小さい第２の障壁層によるキャリア注入効果を低減されるものとなり、窒化物半導体のように、ホールと電子の拡散長、キャリア濃度が大きく異なる系において、活性層の機能を低下させるものとなる。このため、活性層外部に、キャリア閉込め層を設けて、活性層内でバンドギャップエネルギーが異なる第１の障壁層、第２の障壁層とで構成された非対称な活性層と組み合わせて用いると、上述した本願発明の効果を好適に発現でき好ましい。
【００１５】
上記キャリア閉込め層に、ｐ型不純物がドープして、第２導電型層とすることで、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すようにバイアス時に、キャリア閉込め層がｎ型層となる第１導電型層からのキャリアに対して大きな障壁として活性層に隣接して形成されることとなり、活性層内にキャリアのオーバーフローを防ぐ構造とできる。逆に、ｐ型不純物ドープのキャリア閉込め層を活性層内に設けると、活性層内部において、ｐｎ接合部が形成され、活性層の機能を低下させるものとなる。すなわち、活性層に隣接したキャリア閉込め層付近で、ｐ−ｎ接合部を形成することで、第１導電型層からのキャリアを好適に活性層内に閉込める障壁としての機能を最大限に発現させ、一方で、第１の障壁層により第２導電型層からのキャリアを閉じ込める非対称な素子構造とすることにより、窒化物半導体において好適な素子構造が形成される。
【００１６】
上記キャリア閉込め層は、好ましくは、活性層に接して設けられると、第１導電型層からのキャリアを活性層に接近して閉じ込めることができ、また第１の半導体層が活性層に接することにより効率的なキャリアの注入が実現でき、好適な活性層へのキャリア注入が可能となる。
【００１７】
更に、前記第１の障壁層と、第２の障壁層とのバンドギャップエネルギー差が、０．０２ｅＶ以上となるように各障壁層を設けることが好ましい。これは、第１導電型層からのキャリアには、上述したキャリア閉込め層、若しくはクラッド層などのように、活性層外部でのキャリア閉込め機能を大きくした構造とし、第２導電型層からのキャリアについては、第１の障壁層２ａでもって、井戸層へのキャリア閉込めを実現するというキャリア閉込め構造の非対称性を強めて、上述した効果を良好なものとでき好ましい。すなわち、第１の障壁層による第２導電型層からのキャリア閉込め機能、小さい障壁の第２の障壁層を越えて井戸層へ第２導電型層からのキャリア注入を高める効果を、更に好ましいものとできるためである。
【００１８】
上記構成に加えて、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体層を有し、前記キャリア閉込め層を介して活性層から離間されて設けられている構造とすることである。この第２の半導体層は、第１の半導体層に対応するものであり、特に第１導電型層がｎ型層で、第２導電型層がｐ型層である場合に、第１導電型層からのキャリアを閉じ込めるキャリア閉込め層を介して、設けられることで活性層内への良好な閉込めを実現して、且つ上述したように、バンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層と同様な効果を有することができる。
【００１９】
また、上記活性層の量子井戸構造の形態として、前記活性層が、井戸層を複数有する多重量子井戸構造である場合には、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、前記第１の障壁層２ａと第２の障壁層２ｂとの間に、第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂのそれぞれと井戸層１を介して配置された内部障壁層を設けて、その内部障壁層２ｃ，２ｄが、第２の障壁層２ｂとバンドギャップエネルギーが異なる構造とすることが好ましい。内部障壁層２ｃ，２ｄは、図５（ａ）及び図５（ｂ）の２ｃ，２ｄとして示すように、前記第１の障壁層２ａと第２の障壁層２ｂとの間に設けられ、更に第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂとは井戸層１ａ，１ｂを介して設けられるものであり、この内部障壁層を第２の障壁層２ｂと異なるバンドギャップエネルギーとすることで、図中の矢印に示すように、各井戸層へのキャリアの分配としての機能を高めると共に、外側に配置された第１、２の障壁層と異なる機能を有するものとできる。これにより、上述したような第１、２の障壁層の機能も高めることができる。この時、好ましくは、図５（ｂ）に示すように、内部障壁層が、第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きいものとすることで、第２導電型層からのキャリアが、第１導電型層側に近づくにつれて、内部障壁層、第１の障壁層が経ることとなり、段階的に大きな障壁が形成され、すなわち、第２導電型層から遠ざかるに従って、段階的にキャリア閉込めが大きくなる構造とでき、その障壁層に近接する各井戸層に好適にキャリアを分配する構造とできる。第１の障壁層近くの井戸層へ、キャリアを注入する効率を高めて、その結果、各井戸層に多くのキャリアを注入できる構造となる。
【００２０】
そのため好ましくは、第１の障壁層が、前記内部障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さいものとすることで、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、上述した第２の障壁層の障壁を小さくしたことによる第２導電型層からのキャリア注入を高める機能と、内部障壁層による各井戸層へのキャリア注入する機能の両者を高めることができる。更に、バンドギャップエネルギーにおいて、第１の障壁層よりも内部障壁層を小さくし、内部障壁層よりも第２の障壁層を小さくすることで、図５（ｂ）に示すように、第２導電型層からのキャリア注入に対し、第２導電型層から遠くなるに従って、バンドギャップエネルギーが大きくなるように各障壁層が設けられた構造となり、上述したように、各障壁層の機能を高めて、それぞれで異なる機能を持たせて機能分離した活性層とできる。
【００２１】
内部障壁層の膜厚としては、活性層内において内部障壁層よりも外側に配置された第１の障壁層、第２の障壁層に比べて、ほぼ同等とすることも、異なる膜厚とすることもできるが、好ましくは、第１の障壁層、第２の障壁層の少なくとも一方より膜厚を小さくする。これは、上述したように井戸層の間に形成される内部障壁層は、外部に形成される第１，２の障壁層と異なる機能を有していることに起因し、内部障壁層を厚くすると、障壁機能が強くなり、各井戸層へのキャリア注入が均等になることを阻害する傾向にあると考えられ、膜厚を外部の障壁層よりも小さくして、各井戸層へのキャリア注入・分配効率を高め、活性層全体の再結合効率が高められると考えられる。また、井戸層と障壁層との間に係る応力を考慮すると、井戸層間に配置される内部障壁層が厚くなると、両者でＡｌ混晶比が異なることによる井戸層への内部応力の悪影響が強くなり、井戸層の機能低下の原因となると考えられ、またＡｌ含有の窒化物半導体による強い圧電により、井戸層に悪影響を及ぼすと考えられるからである。更に、内部障壁層を厚膜とすると、活性層全体の膜厚が大きくなり、Ａｌを含む窒化物半導体を用いる活性層では、そのことによる結晶性悪化も、素子特性悪化に深刻な影響を及ぼすこととなる。
【００２２】
この時、内部障壁層が複数、例えば図５（ｂ）において、ある内部障壁層２ｃと井戸層１ｂを介して配置された別の障壁層２ｄが設けられる形態、である場合には、少なくとも１つの内部障壁層が、外部の第１、２の障壁層の少なくとも一方よりも膜厚を小さくすることであり、好ましくは全ての内部障壁層が、第１，２の障壁層の少なくとも一方より膜厚を小さくすると上記内部障壁層の機能を高め、外部の障壁層と機能分離傾向が強くなり好ましい。また、最近接の井戸層間に組成の異なる障壁層が複数設けられる形態においては、その複数の障壁層の内、少なくとも１つの障壁層が、外部の障壁層の少なくとも一方よりも膜厚が小さくすることであり、好ましくは井戸層間の障壁層の総膜厚、すなわち最近接の井戸層間の距離、が、外部の障壁層の少なくとも一方よりも膜厚が小さくすることで、最近接の井戸層間に配置された複数の障壁層全体としての機能を向上させることができる。
【００２３】
内部障壁層の不純物濃度としては、外部に配置された第１の障壁層、第２の障壁層と同様に、各導電型のドーパントとなるｎ，ｐ型不純物の一方、両方が添加されていても、実質的にドーパントを含まないアンドープで形成しても良い。好ましくは、第１導電型層がｎ型層、第２導電型層がｐ型層である場合に、内部障壁層には、第１の障壁層と同様に、ｎ型不純物がドープされることが好ましい。これは、窒化物半導体のように、電子とホールとの拡散長、キャリア濃度、移動度が大きく異なる材料系においては、特に有効であると考えられ、活性層内において、ｐ型層（第２導電型層）の近くまで、ｎ型キャリアが存在することで、ｐ型層近傍まで、活性層の奥深くまで効率的なｎ型層からのキャリア注入が可能となるためと考えられる。また、第２導電型層には活性層近傍に、キャリア閉込め層が形成され、この層近くで、ｐｎ接合が形成されるため、電子がｐｎ接合付近まで効率的に注入される形態とでき、活性層での結合効率を高めることができる。このとき、井戸層間が複数設けられ、内部障壁層が複数設けられる形態においては、少なくとも１つの内部障壁層にｎ型不純物がドープされることが好ましく、更に好ましくは後述するように、ｎ型層側に配置された内部障壁層から順にｎ型不純物がドープされ、複数の内部障壁層にドープされることであり、全ての内部障壁層にｎ型不純物をドープすることが最も好ましい。
【００２４】
井戸層の不純物濃度としては、後述するように、ｎ型不純物が低濃度でドープされること、具体的には、第１導電型層がｎ型層である場合に、第１の障壁層よりも、ｎ型不純物濃度を小さくすることが好ましい。また、第１導電型層がｎ型層である場合に、第１の障壁層と第２の障壁層のｎ型不純物濃度としては、後述するように、第２の障壁層のｎ型不純物濃度を、第１の障壁層よりも小さくすることで、ｎ型層（第１導電型層）からのキャリア注入が効率的となり、また第２の障壁層においてｐ型層（第２導電型層）からのキャリア注入を阻害せず、効率的な注入が可能となる傾向にあり好ましい。
【００２５】
また、各導電型層に、光ガイド層を有し、図８（ｂ）〜図８（ｄ）に示すように、各導電型のドーパントとなる不純物濃度が層内で異なる場合に、第１の障壁層のドーパント量、具体的には第１導電型層がｎ型層である場合に、ｎ型不純物濃度を、第１導電型層内の光ガイド層における低濃度不純物領域よりも、高濃度にドープされることが、第１の障壁層による活性層へのキャリア注入効率を高める効果、低濃度不純物領域による光損失低減の効果、を向上させることができ好ましい。また、ｐ型層側、すなわち、第２導電型層においては、光ガイド層よりも高濃度にｐ型層がドープされるキャリア閉込め層からの拡散により、第２の障壁層にｐ型不純物がドープされる場合には、光ガイド層の低濃度不純物領域よりも大きくなる傾向にある。これは、低濃度不純物領域の膜厚よりもキャリア閉込め層が小さくなるため、平均の不純物濃度で比較すると第２の障壁層の濃度が大きくなることにあり、また、活性層内に配置され、膜厚の小さい第２の障壁層においては、光の損失への影響が小さく、ｐ型層からのキャリア注入へ寄与する効果が得られ好ましい。
【００２６】
以上の素子構造において、前記活性層が、窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有し、第１導電型層が窒化物半導体を有し、第２導電型層が窒化物半導体を有する窒化物半導体を用いた半導体素子において、上述したように、井戸層がＧａＮよりもバンドギャップエネルギーの大きなＡｌを含む窒化物半導体となるような短波長系の発光素子において極めて有用な素子構造となる。すなわち、活性層外部で挟む第１導電型層内の第１の半導体層、第２導電型層内の第２の半導体層が、従来よりもバンドギャップエネルギーの小さいものとして形成されるため、各層に用いられるＡｌ混晶比を低く抑えた構造とでき、結晶性悪化、内部応力を抑えた素子構造とできる。この時、窒化物半導体からなる井戸層の具体的な組成としては、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）で表される組成の窒化物半導体のいずれかを用いることが好ましい。これは、２元混晶のＧａＮである場合には、成長時に構成元素が少ないため元素同士の反応がなく成長でき結晶性を良好なものとでき、３元混晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）とすればＧａＮよりも短波長の発光波長が得られ、更に構成元素が少ないことから元素同士の反応を抑えて結晶性良く成長でき、４元混晶のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）であれば、Ｉｎを含むことにより、発光効率を高めた井戸層とでき好ましい。この時、障壁層の組成として、具体的には、ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）で表される窒化物半導体を用いることができる。障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいため、上記組成の井戸層にあっては、井戸層のＡｌ混晶比ｘよりも、障壁層のＡｌ混晶比ｕが大きくなるように（ｘ＜ｕ）、窒化物半導体を用いることとなる。この時、好ましくは、前記第１の障壁層のＡｌ混晶比ｕと、前記井戸層のＡｌ混晶比ｘとの差が０．１以上、ｕ−ｘ≧０．１とする。これは、上記短波長系の窒化物半導体素子において、上述した第１の障壁層によるキャリア閉込め機能を好適に発現させるために、０．１以上のＡｌ混晶比の差でもって、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることで、好適な障壁が形成される。また、Ａｌ混晶比の差（ｕ−ｘ）の上限としては、０．５以下とすることで、Ａｌ混晶比が高い障壁層を設けることによる結晶性の悪化を抑え、０．３以下とすることで、結晶性の悪化を抑えて良好な井戸層の形成が可能となる。また、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の障壁層、第２の障壁層において、第１の障壁層のＡｌ混晶比ｕ１と第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕ２との差、ｕ１−ｕ２、としては、０．０２以上（ｕ１−ｕ２≧０．０２）、好ましくは、０．０５以上（ｕ１−ｕ２≧０．０５）とすることである。第１の障壁層と第２の障壁層とのＡｌ混晶比の差が、０．０２以上であると、上述した第１の障壁層によるキャリア閉込め機能を発現でき、好ましくは０．０５以上とすることで、それを好適なものとできる。すなわち、第１の障壁層のＡｌ混晶比を大きくして、バンドギャップエネルギーを大きくするほど、好適なキャリア閉込めを実現でき、また第２の障壁層のＡｌ混晶比を小さくして、バンドギャップエネルギーを小さくするほど、キャリア注入効率が増し、素子特性を向上させることができる。
【００２７】
また、上記窒化物半導体を用いた素子において、第１の半導体層、第２の半導体層の少なくとも一方が、Ａｌを含む窒化物半導体からなる材料を用いることが好ましい。これにより、上記組成の井戸層、障壁層を用いる場合に、これらを有する活性層を挟む層内に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の半導体層、第２の半導体層を設けることで、上述した短波長系の窒化物半導体素子において、活性層を挟む各導電型層内のＡｌ混晶比を低減した結晶性に優れる素子構造の形成が可能となる。
【００２８】
また、上述した前記第１の障壁層の膜厚を、前記第２の障壁層の膜厚よりも小さくすることで、上述した第１の障壁層によるキャリア閉込め、第２の障壁層によるキャリア注入を好適なものとでき、なおかつ、井戸層の結晶性を良好なものにできる。これは、第１導電型層、活性層、第２導電型層の順に積層された素子において、第１の障壁層の膜厚を大きくすると、その上に形成される井戸層の結晶性を悪化させるためであり、また、第２の障壁層の膜厚を第１の障壁層よりも大きくすることで、近接して設けられる上記キャリア閉込め層による活性層への悪影響を小さくすることができる。具体的には、上述した短波長系の窒化物半導体において、バンドギャップエネルギーが大きなキャリア閉込め層にはＡｌ混晶比の大きな窒化物半導体が用いられるが、素子駆動時において、高抵抗な層となり、発熱により近接する活性層に悪影響を及ぼすこととなり、また、ｐ型不純物がドープされたキャリア閉込め層の場合には、ｐ−ｎ接合部が活性層近傍に形成され、それによる活性層への悪影響を防ぐことによるものである。これは、第２の障壁層が、井戸層とキャリア閉込め層との間に設けられ、上記悪影響を回避するスペーサーとしての機能を有することによるものであり、それにより、第１の障壁層よりも大きな膜厚の第２の障壁層を形成することで、活性層の機能を高めた素子構造とできる。一方、第１の障壁層は、膜厚が大きくなりすぎると、第１導電型層側からのキャリアの注入を阻害することとなるため、本発明における第１の障壁層の機能を高めるために、バンドギャップエネルギーを大きくし、膜厚を薄くすることが好ましく、また上記Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の障壁層の場合には、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第２の障壁層に比較して、Ａｌ混晶比を高く、膜厚を小さくして、結晶性悪化を抑えて、良好な井戸層の形成を実現できる。
【００２９】
更に好ましい構成としては、第１の障壁層の膜厚が３０Å以上１５０Å以下の範囲とし、第２の障壁層の膜厚が５０Å以上３００Å以下の範囲とすることである。この構成により、第１の障壁層をキャリア閉込めが可能な膜厚とでき、好ましくは５０Å以上とすることで、閉込め効率を高めた構造とできる。これは、第１の障壁層の膜厚が小さいと、図５（ｂ）に示すように、キャリアのトンネル現象が発生するためであり、３０Å以上とすることでトンネルを防ぎ、さらに５０Å以上とすることで、トンネルを効果的に防いで閉込め効率を高めることができる。第１の障壁層の膜厚を１５０Å以下とすることで、上述したＡｌを含む窒化物半導体による結晶性悪化を防いで良好な井戸層の形成を可能とし、更に、第１導電型層側からのキャリア注入を阻害しない障壁とできる。また、第２の障壁層の膜厚については、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第２導電型層２８，２９がｐ型層である場合に、ｐ−ｎ接合が第２の障壁層２ｂ近傍に設けられるため、この第２導電型層と井戸層が近づきすぎると、井戸層がその影響を受けて、効率的なキャリア再結合の機能を損なう傾向にあるためである。さらに、第２導電型層内において、上述したキャリア閉込め層２８は、活性層近傍に配置され、且つこのキャリア閉込め層は、大きなバンドギャップエネルギーを有するために、組成としては他の層に比べてＡｌを高混晶で有する層となり、そのことにより他の層に比べて抵抗が大きくなり、素子動作時における発熱量が大きく、第２の障壁層２ｂは、このような熱による井戸層への悪影響を防止するスペーサとしての役目を果たすこととなる。このため、好ましくは５０Å以上の膜厚とすることであり、更に好ましくは８０Å以上とすることにより上記問題を好適に防いで素子特性を良好なものとできる。また、膜厚の上限としては、３００Å以下とすることでキャリア閉込め層の下地となる際に良好な結晶性で保持し、また第２の障壁層の膜厚が３００Åより大きと、第１導電型層側からのキャリアが井戸層から離れたキャリア閉込め層により閉じ込められてキャリアの閉込め効率が低下する傾向にあり、更に好ましい結晶性とするには、２００Å以下とすることであり、１５０Å以下とすると結晶性に優れ、好適な位置にキャリア閉込め層が配置され好ましい。
【００３０】
また、上述した素子において、前記第１導電型層、第２導電型層内に、前記第１の半導体層、第２の半導体層を介し、活性層から離間して、クラッド層がそれぞれ設けられている素子構造では、第１導電型層内のクラッド層が第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、第２導電型層内のクラッド層が第２の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きくすると好ましい。これは、上述したように、各障壁層でのキャリア閉込めとは別に活性層の外に設けることで、段階的なバンド構造として、キャリアの注入を良好なものとできる。また、ＬＤのような端面発光素子において、光閉込めのクラッド層を設ける場合には、第１、２の窒化物半導体層を光ガイド層などとでき、なおかつ、従来のように、活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーとしないため、比較的格子整合性に優れ、結晶性を良好なものとして、素子構造を形成できる。具体的には、上記課題であるＡｌ混晶による結晶性悪化を抑えた素子構造の形成が可能となる。この時、具体的な構成としては、第１の半導体層、第２の半導体層が、それぞれＡｌを含む窒化物半導体からなり、第１の半導体層、第２の半導体層のＡｌ混晶比が、前記第１の障壁層よりも小さいものとし、上述した短波長系の発光素子においても、優れた結晶性の素子とできる。また、その他の素子構造としては、図６（ａ）に、発光素子２００として示すように、基板２０１の上に、第１の半導体層２０２を含む第１導電型層１１、第１の障壁層２ａ、井戸層１ａ、第２の障壁層２ｂを有する活性層２０３（１２）、第２の半導体層２０５とキャリア閉込め層２０４を含む第２導電型層１３とが積層された構造とできる。ここで図６（ａ）は、導電性基板２０１上に上記素子構造が設けられ、電極２０７が基板の裏面に設けられて、基板を挟んで各導電型層の一対の電極が対向配置された構造であり、図６（ｂ）は、基板の同一面側に各導電型層の一対の電極が配置された構造である。
【００３１】
更に好ましい構成としては、前記第１導電型層、第２導電型層にそれぞれ設けられた光ガイド層で挟持された活性層により導波路が形成された窒化物半導体発光素子において、第１導電型層内に設けられた光ガイド層が、前記第１の半導体層を有する構造とすることである。すなわち、従来と異なり活性層（第１の障壁層）より小さいバンドギャップエネルギーの第１、２の半導体層を、各光ガイド層に用いることができ、窒化ガリウム系材料において、格子定数差、熱膨張係数差を小さくした素子構造の形成が可能となる発光素子が得られる。この時、好ましくは、各ガイド層が、第１，２の半導体層と同様に、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーを小さくすることで、Ａｌ混晶比を低くした素子構造とでき、結晶性を良好なものとした発光素子となる。すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の障壁層よりもＡｌ混晶比の低い第１の半導体層、第２の半導体層を、各光ガイド層に用いることで、図２（ｂ）に示すように、活性層を挟む下部光ガイド層２６、上部光ガイド層２９のＡｌ混晶比を小さくした構造とでき、活性層及び素子全体のＡｌ混晶比を低く抑えて、結晶性に優れる素子とでき、信頼性に優れる素子が得られる。
【００３２】
このような光ガイド層で挟持された活性層において、更に上記クラッド層を光閉込め層として設ける構造とした導波路を有する発光素子とすると、更に優れた特性の素子を得ることが可能となる。具体的な構成としては、活性層を狭持する光ガイド層を挟んで、前記第１導電型層、第２導電型層に光閉込めのクラッド層がそれぞれ設けられると共に、該第１導電型層内のクラッド層が、第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、該第１導電型層内のクラッド層が、第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいものとすることである。これにより、光ガイド層と光閉込めのクラッド層とを有する分離閉込め型の発光素子において、窒化ガリウム系半導体材料においてバンドギャップエネルギーを大きくし、屈折率を小さくするアルミニウムの混晶比を、素子全体で小さくした発光素子とすることができる。これにより、結晶性、素子信頼性、さらにはその積層において安定した製造が可能となり、素子特性ばらつきを小さくして、歩留まりを向上させることが可能となる。すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体からなる下部クラッド層２５のＡｌ混晶比を下部光ガイド層２６（第１の半導体層）よりも大きくし、またＡｌを含む窒化物半導体からなる上部クラッド層３０のＡｌ混晶比を上部光ガイド層２９（第２の半導体層）よりも大きくすることで、各ガイド層よりも屈折率の小さい光閉込めのクラッド層とできる。この時、更に好ましくは、図２（ｂ）に示すように、光閉込めの各クラッド層のＡｌ混晶比を第１の障壁層２ａよりも小さくすることで、Ａｌ混晶比を低く抑えて、光閉込めに必要となる厚膜でのクラッド層形成に有利となる素子構造とでき好ましい。
【００３３】
上記構成に加えて、第１の障壁層が、前記クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きいものとすることで、結晶性に優れる素子構造の形成が可能となる。
【００３４】
以上により、このような導波路有する発光素子としては、レーザ素子、端面発光素子、スーパールミネッセントダイオードなどに用いることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の窒化物半導体素子は、低い閾値電流で３７５ｎｍ以下という短波長の発光素子、レーザ素子を得ることができる。したがって、発光ダイオードは紫外域で励起する蛍光体と組み合わせて蛍光ランプの代替品を提供することができる。他方、レーザ素子は優れたＦＷＨＭを示し、優れた解像度が得られる結果、ホトリソグラフの光源、光造形の光源として有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の半藤素子について、主に窒化物半導体の半導体素子を用いて、本発明の実施形態を説明するが、本願はこれに限定されずに、従来知られた様々な材料の半導体、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰなど、に適用できるものである。
【００３７】
本発明の窒化物半導体の素子に用いる窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ、０≦α、０≦β、α＋β≦１）であり、またこれに加えて、ＩＩＩ族元素としてＢを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換した、混晶でもよい。また、Ａｌを含む窒化物半導体はβ＞０であり、Ｉｎを含む窒化物半導体はα＞０である。本発明の実施形態において、特に、本発明において、短波長系であるワイドバンドギャップの窒化物半導体素子は、活性層中に、ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、第１導電型層、第２導電型層に、それぞれ少なくとも１つのＡｌを含む窒化物半導体からなる層が設けられる素子である。
【００３８】
また、窒化物半導体層に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、さらに最も好ましくはＳｉを用いる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。これら、アクセプター、ドナーを添加することにより、各導電型の窒化物半導体層を形成し、後述する各導電型層を構成する。また、本発明における第１導電型層、第２導電型層には、部分的にアンドープの層、半絶縁性の層が積層されていても良く、レーザ素子における逆導電型の埋込層（電流阻止層）のように、各導電型層内に部分的に寄生な素子部分を形成していても良い。
【００３９】
以下、本発明における各層について、窒化物半導体を用いて説明する。
【００４０】
本発明における活性層としては、好ましくは量子井戸構造を有するものであり、ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、Ａｌを含む窒化物半導体若しくはＩｎとＡｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有する。また、特に、活性層における波長が、３７５ｎｍ以下の発光を有する短波長に好ましく用いられ、具体的には前記井戸層のバンドギャップエネルギーが波長３７５ｎｍ以下であるものである。このとき、活性層に用いられる窒化物半導体は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでもよいが、好ましくはノンドープ若しくはアンドープ、又はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を活性層内に設けることで、レーザ素子、発光素子などの窒化物半導体素子において、高出力化が図れる。好ましくは、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドープとすることで、レーザ素子、発光素子が高出力で発光効率の高い素子となる。ここで、量子井戸構造としては、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも良い。好ましくは、多重量子井戸構造とすることで、出力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層の量子井戸構造としては、前記井戸層を少なくとも１層、障壁層をその井戸層を挟むように両側に少なくとも１層ずつ積層したものを用いることができる。この時、量子井戸構造である場合に、井戸層数としては、１以上４以下とすることで、例えばレーザ素子、発光素子においては、閾値電流を低くすることが可能となり好ましく、更に好ましくは、井戸層数を２又は３とした多重量子井戸構造とすることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られる傾向にある。
【００４１】
本発明における井戸層としては、ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体を用いることが好ましく、該ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を活性層内に少なくとも１層有することであり、多重量子井戸構造においては、好ましくは、すべての井戸層が上記窒化物半導体からなる井戸層とすることで、短波長化され、高出力、高効率の発光素子、レーザ素子が得られる。発光スペクトルがほぼ単一ピークの場合は、この構成が好ましいが、一方で複数のピークを有する多色発光素子においては、前記ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を少なくとも１層有することで、短波長域の発光ピークを得ることができ、様々な発光色の発光素子、もしくは、その短波長域で励起される蛍光体と組み合わせた発光装置に得ることが可能である。この時、多色発光の素子とする場合に、井戸層の具体的な組成としては、ＩｎαＧａ１−αＮ（０＜α≦１）を用いることで、紫外域から可視光域までの良好な発光・発振を可能とする井戸層となる。この時、Ｉｎ混晶比により、発光波長を決めることができる。また、波長が３７５ｎｍ以上となる井戸層を用いた発光素子では、Ｉｎを含む窒化物半導体の井戸層を用いることができ、具体的な組成としては、上記ＩｎαＧａ１−αＮ（０＜α≦１）が好ましい。
【００４２】
本発明の短波長系のＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層は、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困難な波長域、具体的には、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長３６５ｎｍ付近、若しくはそれより短い波長を得るものであり、特に波長３７５ｍ以下の発光・発振が可能なバンドギャップエネルギーを有する井戸層である。これは、従来のＩｎＧａＮ３元混晶の井戸層では、ＧａＮのバンドギャップエネルギーの波長３６５ｎｍ付近では、例えば３７０ｎｍでは、Ｉｎ組成比が１％以下程度に調整する必要があり、このようにＩｎ組成比が極端に小さくなると、発光効率が低下し、十分な出力の発光素子、レーザ素子が得られがたく、またＩｎ組成比が１％以下では、その成長を制御することも困難である。本発明では、好ましくはＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を用いていることで、従来効率的な発光が困難であった３７５ｎｍの波長域において、Ａｌ組成比ｘを大きくすることでバンドギャップエネルギーを大きくし、短波長のレーザ素子に用いることが可能である。
【００４３】
ここで、短波長発光の井戸層に用いられるＡｌを含む窒化物半導体の具体的な組成としては、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）で表される組成であり、好ましい組成としては、３元混晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、４元混晶のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）を用いることであり、短波長となる２元混晶のＧａＮからなる井戸層を用いることもできる。
【００４４】
以下、Ａｌを含む窒化物半導体の井戸層について詳しく述べると、ＡｌとＩｎを含む窒化物半導体においては、Ｉｎを有することにより、井戸層における発光効率を高める作用が働き、また、Ｉｎを有することにより、Ａｌを含む窒化物半導体による強い応力を緩和させ、ピエゾ電界に変化を付けることができる。一方で、Ｉｎ混晶比ｙがほぼ０となるＡｌを含む窒化物半導体を井戸層に用いると、これは、窒化物半導体の成長に用いられているＭＯＣＶＤ等の気相成長法では、構成元素が多くなることによる構成元素間での反応抑え、特に、ＡｌとＩｎとの反応により結晶性悪化の問題を抑えることで、結晶性に優れた井戸層を形成することができる。ここで、ＡｌとＩｎを含む窒化物半導体、例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）、Ａｌを含みＩｎを含まない窒化物半導体、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、におけるＡｌ組成比ｘは、特に限定されず、Ａｌ組成比を変化させることにより、所望のバンドギャップエネルギー、波長を得ることである。また、これらに、上述したようにＢ、Ｐ、Ａｓ等を用いて、５元混晶以上の多元化も可能であるが、好ましくはＡｌＩｎＧａＮの４元混晶、ＡｌＧａＮの３元混晶とすることで、この元素同士の反応を防いで、結晶性の良好な井戸層の形成が可能となる。
【００４５】
ここで、ＡｌとＩｎを含む窒化物半導体、例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）におけるＩｎ混晶比ｙとしては、好ましくは０．０２以上０．１以下の範囲であり、より好ましくは０．０３以上０．０５以下の範囲であり、０．０２以上とすることで、閾値電流低減、発光効率の向上が図れ、０．０３以上とすることで更にそれら効果を発現でき、一方、０．１より大きくなると、上述したように、構成元素同士の反応による結晶性悪化が現れ始め、０．０５以下とすることで、結晶性を良好なものとして、発光効率向上、閾値電流低減を可能とする。
【００４６】
また、３６５ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の領域においては、Ｉｎを含む井戸層を用いることもできる。このとき、窒化物半導体からなる井戸層の具体的な組成としては、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）とすれば、所望の発光波長が得られる。このとき、障壁層の組成として、具体的には、ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）で表される窒化物半導体を用いることができるが、発光波長が３８０ｎｍから短くなるにつれて障壁層のＡｌ混晶比ｕが大きくなるように用いる。その際、従来の第１の障壁層とほぼ同じＡｌ混晶比よりも、Ａｌ混晶比の小さい層として第２の障壁層が活性層内に設けられることで、結晶性低下を防止し、一方で、第１の障壁層よりもＡｌ混晶比の小さい第２の障壁層が設けられることで、両者に挟まれたＩｎを含む井戸層において、下界面と上界面に異なる応力が加わり、Ａｌを含む窒化物半導体による圧電界を小さくし、バンドギャップのひずみを低減できると考えられ、井戸層における発光効率を向上できる傾向にある。内部障壁層を設ける場合であっても、第１の障壁層よりもＡｌ混晶比の小さい第２の障壁層とすることで、上記効果はあり、そのときの好ましい内部障壁層は、第１の障壁層よりもＡｌ混晶比の小さい層とすればよく、さらに第２の障壁層よりもＡｌ混晶比の大きい層とすれば、結晶性の低下を防止でき好ましく、また第２の障壁層のＡｌ混晶比と同じとすれば、全ての障壁層において、井戸層との十分なオフセットが得られやすくなり好ましい。
【００４７】
また、井戸層の膜厚及び井戸層の数としては、膜厚及び井戸層の数を任意に、例えば膜厚１原子層以上、井戸層数１層以上、決めることが可能である。具体的な膜厚としては、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲であり、膜厚１ｎｍ未満で井戸層として良好に機能させることが困難な傾向にあり、３０ｎｍを超える膜厚では、Ａｌを含む窒化物半導体の成長を結晶性良くすることが困難となり、素子特性が低下する。好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲とすることで、Ｖｆ、しきい値電流密度を低減させることができる。また、結晶成長の観点からは、２ｎｍ以上であると、膜厚に大きなむらがなく比較的均一な膜質の層が得られ、２０ｎｍ以下とすることで結晶欠陥の発生を低く抑えて結晶成長が可能となる。更に好ましくは、井戸層の膜厚を、３．５ｎｍ以上とすることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られる傾向にあり、これは井戸層の膜厚を大きくすることで、大電流で駆動させるレーザ素子のように、多量のキャリア注入に対して、高い発光効率、内部量子効率でもって発光再結合が成されることによると考えられ、特に多重量子井戸構造において効果があると考えられる。単一量子井戸構造では、膜厚を５ｎｍ以上とすることで、上記と同様な効果が得られる。活性層内の井戸層数としては特に限定されず、１以上であり、この時、井戸層の数が４以上である場合には、活性層を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層全体の膜厚が厚くなって、Ｖｆの上昇を招くこととなるため、井戸層の膜厚を１０ｎｍ以下の範囲として、活性層の膜厚を低く抑えることが好ましい。多重量子井戸構造においては、複数の井戸層の内、上記範囲の膜厚にある井戸層を少なくとも１つ設けることであり、好ましくは、全ての井戸層を上記範囲内とすることである。また、各井戸層の膜厚が異なっていても良く、ほぼ同一でも良い。
【００４８】
本発明の井戸層には、ｐ型不純物若しくはｎ型不純物がドープされていても、アンドープでも良い。井戸層にドープする不純物としては、好ましくはｎ型不純物とすることで、発光効率の向上に寄与するものとなる。しかしながら、井戸層はＩｎとＡｌを含む窒化物半導体が用いられ、不純物濃度が大きくなると結晶性が悪化する傾向にあるため、不純物濃度を低く抑えて結晶性の良好な井戸層とすることが好ましい。具体的には、結晶性を最大限に良好なものとするために井戸層をアンドープで成長させることであり、この時、不純物濃度は５×１０１６／ｃｍ３以下と実質的に不純物を含まない井戸層とすることである。また、井戸層に、例えばｎ型不純物をドープする場合には、ｎ型不純物濃度が１×１０１８／ｃｍ３以下５×１０１６／ｃｍ３以上の範囲でドープされていると、結晶性の悪化を低く抑え、なおかつキャリア濃度を高くすることができ、しきい値電流密度、Ｖｆを低下させることができる。この時、井戸層のｎ型不純物濃度としては、障壁層のｎ型不純物濃度とほぼ同じか、若しくは小さくすることで、井戸層での発光再結合を促し、発光出力が向上する傾向にあるため好ましい。この時、井戸層、障壁層をアンドープで成長させて、活性層の一部を構成しても良い。また、井戸層が活性層内に複数設けられる多重量子井戸構造においては、各井戸層の不純物濃度をほぼ同様なものとしても良く、異なるものとしても良い。
【００４９】
特に、大電流で素子を駆動させた場合（高出力のＬＤ、ハイパワーＬＥＤ、スーパーフォトルミネセンスダイオードなど）では、井戸層がアンドープで、実質的にｎ型不純物を含有しないことで、井戸層でのキャリアの再結合が促進され、高い効率での発光再結合が実現され、逆にｎ型不純物が井戸層にドープすると、井戸層でのキャリア濃度が高いため、かえって発光再結合の確率が減少し、一定出力下で駆動電流、駆動電流の上昇を招く悪循環が発生し、素子の信頼性（素子寿命）が低下する傾向にある。このため、このような高出力の素子では、井戸層のｎ型不純物濃度を、少なくとも１×１０１８／ｃｍ３以下にすることであり、好ましくはアンドープ若しくは実質的にｎ型不純物を含有しない濃度とすることで、高出力で安定した駆動が可能な窒化物半導体素子が得られる。また、井戸層にｎ型不純物をドープしたレーザ素子では、レーザ光のピーク波長のスペクトル幅が広がる傾向にあるため、好ましくないため、この場合不純物濃度を１×１０18／ｃｍ3、好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以下とすることである。
【００５０】
本発明において、障壁層の組成としては、短波長系において、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を用いることである。ここで、本発明の活性層において、活性層内の少なくとも１つの障壁層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなることを必要とするものであり、活性層内の全ての障壁層が、Ａｌを含む窒化物半導体からなるものであっても良く、Ａｌを含まない窒化物半導体からなる障壁層を活性層内に設けても良い。障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体とする必要があり、井戸層の発光波長が３７５ｎｍ以下の領域では、それに対応する障壁層には、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることが好ましい。Ａｌを含む窒化物半導体の障壁層として、好ましくはＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）で表される窒化物半導体を用いることである。具体的には、Ａｌを含み窒化物半導体の障壁層は、上記組成式で表されるＩｎ混晶比ｖが０より大きい、ＡｌＩｎＧａＮの４元混晶、ＡｌＧａＮの３元混晶を用いることができる。また、障壁層のＡｌ組成比ｕは、Ａｌを含む窒化物半導体の井戸層のＡｌ組成比ｘよりも大きく、ｕ＞ｘとして、井戸層と障壁層との間に十分なバンドギャップエネルギー差を設けることで、レーザ素子、発光素子として良好な発光効率を有する量子井戸構造が形成される。また、障壁層がＩｎを含有する場合（ｖ＞０）、Ｉｎ組成比ｖについては、好ましくは０．１以下とすることで、上述したように結晶性の悪化を抑え、更に好ましくは０．０５以下の範囲を適用することができる。これは、Ｉｎ組成比ｖが０．１を超える場合には、成長時にＡｌとＩｎとの反応が促進し、結晶性が悪化して良好な膜が形成されない傾向にあるためであり、さらにｖ≦０．０５とすることで、さらに良好な結晶性で障壁層を形成できる。また、上述したように、障壁層のＩｎ組成比は発光再結合がなされる井戸層に比べて、広い組成比を適用でき、主にＡｌ組成比によりバンドギャップエネルギー差を設けることから、ｖ≧ｙとすることも可能であり、このようなＩｎ組成比とすることで、井戸層、障壁層の臨界膜厚を変化させることができ、量子井戸構造において比較的自由に膜厚を設定でき、所望の特性の活性層を設計できる。
【００５１】
以上説明したように、本発明の障壁層は、短波長系においては、上記井戸層と同様にＡｌとＩｎを含む窒化物半導体、具体的にはＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０＜ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）の４元混晶、Ｉｎ混晶比ｖがほぼ０のＡｌを含む窒化物半導体、具体的にはＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）を用いることができる。また、より長波長の領域では、上述したように、ＧａＮ若しくは、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いることができ、具体的には、ＩｎｖＧａ１−ｖＮ（０≦ｖ≦１）を用いることで、紫外域から赤色域までの可視光域に広く適用できる。
【００５２】
また、量子井戸構造の活性層において、障壁層は、井戸層と交互に形成しても良く、１つの井戸層に対して複数の障壁層を設けても良い。具体的には、上述したように、井戸層に挟まれた障壁層を２層以上とし、少なくとも上記第１の障壁層、第２の障壁層を有する構造とすることであり、多層膜の障壁層と井戸層を交互に積層した構造を設けることもできる。
【００５３】
また、障壁層には、上述した井戸層と同様に、ｐ型不純物、ｎ型不純物がドープされていても、ノンドープであっても良いが、好ましくはｎ型不純物がドープされているかノンドープ若しくはアンドープとされていることである。この時、障壁層中に例えばｎ型不純物をドープする場合にはその濃度として、少なくとも５×１０１６／ｃｍ３以上ドープされていることである。具体的には、例えばＬＥＤである場合には、５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下の範囲でｎ型不純物を有することであり、また、より高出力のＬＥＤ及び高出力のＬＤでは、５×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下の範囲、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下の範囲でドープされていることが好ましく、このように高濃度で障壁層にドープする場合には、井戸層がｎ型不純物を実質的に含まないか、アンドープで成長させることが好ましい。また、障壁層にｎ型不純物をドープする場合には、活性層内の全ての障壁層にドープしても良く、一部をドープ、一部をアンドープとした構成でも良い。一部の障壁層にｎ型不純物をドープする場合には、活性層内で、ｎ型層側配置された障壁層にドープすることが好ましく、具体的には、ｎ型層側から数えてｎ番目の障壁層Ｂｎ（ｎ＝１，２，３・・・）にドープすることで、電子が効率的に活性層内に注入され、発光効率、内部量子効率に優れた素子となる。これは、障壁層に限らず、井戸層についても同様であり、また両方にドープする場合には、ｎ型層から数えてｎ番目の障壁層Ｂｎ（ｎ＝１，２，３・・・）、ｍ番目の井戸層Ｗｍ（ｍ＝１，２，３・・・）にドープすること、すなわち、ｎ型層に近い側からドープすることで、上記効果が得られる傾向にある。
【００５４】
また、後述の実施例に示すように、Ｍｇドープのｐ側電子閉込め層を設ける場合、特に活性層及び／又は障壁層に接して設ける場合には、Ｍｇが拡散するため、活性層内で最もｐ型層側に配置されたｐ側障壁層にｎ型不純物をドープすると、コドープとなり活性層の機能が悪化される傾向にある。このため、Ｍｇドープのｐ側電子閉込め層を設ける場合、好ましくは、このｐ側障壁層はｎ型不純物を実質的に含まないことでこれを回避でき、具体的には５×１０１６／ｃｍ３未満となるようにする。
【００５５】
障壁層の膜厚としては、特に限定されないが、５０ｎｍ以下として量子井戸構造を構成することであり、好ましくは井戸層と同様に１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲することであり、これは３０ｎｍ以下とすることで結晶性の悪化を抑えて、１ｎｍ以上とすることで、障壁層として良好に機能しうる膜厚となるからである。更に好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることであり、これにより、２ｎｍ以上であることで比較的均一な膜が形成され、より良好に障壁層の機能が備わり、２０ｎｍ以下とすることで結晶性が良好なものとなる。
【００５６】
本発明の量子井戸構造の活性層において、短波長系の発光素子における好ましい実施形態としては、上記２元、３元混晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）、４元混晶のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）からなる井戸層と、４元混晶のＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）若しくは３元混晶のＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０＜ｕ＜１）からなる障壁層と、を１対以上有するものである。具体的には、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）の活性層１２として示すように、ＡｌＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮの井戸層１を１層以上、ＩｎＡｌＧａＮ若しくはＡｌＧａＮの障壁層２を２層以上有することであり、これにより内部量子効率、発光効率に優れた井戸層となり、さらにＡｌを含む窒化物半導体により、そのＡｌ組成比を調整することで、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、３７５ｎｍ以下の短波長域での発光が可能な井戸層とできる。また、その井戸層１よりも大きなバンドギャップエネルギーの障壁層２を、ＩｎＡｌＧａＮ若しくはＡｌＧａＮとすることで、上記短波長域においても、優れた障壁層を提供できる。
【００５７】
（活性層とそれを挟む第１導電型層、第２導電型層）
本発明の実施形態において、活性層１２を挟む第１導電型層１１、第２導電型層１３の積層構造で、特に、活性層の近くに配置される層、具体的には活性層に接して隣接して配置される層と、活性層との関係について、以下詳しく述べる。
【００５８】
従来提案・採用されているレーザ素子構造は、図４（ａ）及び図４（ｂ）にそのバンド構造を、図７に、図２（ａ）の積層構造におけるＡｌ混晶比の変化を示すように、活性層を挟む光ガイド層２６，２９、更にその両外側を挟むクラッド層２５，３０の順にバンドギャップエネルギーが大きくなる構造が採られてきた。例えば、波長４１０ｎｍのＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子では、図７において、光ガイド層２６、２９のＡｌ組成比を０の基点とし、それよりもバンドギャップエネルギーの小さい活性層においては、Ｉｎ混晶比に置き換えることで、従来のレーザ素子のバンドギャップ構造となる。また、従来の紫外域の短波長におけるＡｌＧａＮ系半導体レーザ素子では、図７に示すように、活性層の外側の光ガイド層２６，３９、更にその外側のクラッド層の順に、Ａｌ混晶比を大きくし、それにより図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように活性層から外側に向かってバンドギャップエネルギーを大きくした構造が提案されてきた。また、従来の紫外域発光のＡｌＧａＮ系窒化物半導体発光素子においては、上記レーザ素子において、クラッド層、若しくは光ガイド層を除いた構造が提案されており、具体的には、図７に示す光ガイド層２６，２９、クラッド層２５，３０を、キャリア閉込め層に用いた構造、すなわち、発光層（活性層２７）よりもＡｌ組成比を大きくし、バンドギャップエネルギーの大きな層を形成してきた。しかしながら、このように、Ａｌ混晶比を活性層の外側に向かって、順に大きくしていく構造では、結晶性の悪化、特にクラックの発生が深刻な問題を生むものとなっていた。
【００５９】
本発明では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、活性層２７を挟む両光ガイド層２６，２９が、活性層内の障壁層２よりもバンドギャップエネルギーを小さくし、Ａｌ混晶比を小さくした構造とすることで、上述した従来の構造におけるクラックの発生を好適に抑制し、室温において連続発振可能な構造とできる。具体的には、第１導電型層内に、第１の半導体層２６が設けられ、該第１の半導体層２６を活性層内の障壁層２、特に第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーが小さくなるように、すなわち、短波長域の活性層においては、障壁層のＡｌ混晶比より小さい第１の半導体層のＡｌ混晶比を小さくすることである。この時、井戸層と第１の半導体層との関係は、活性層の井戸層において、発光再結合させるために、井戸層よりも第１の半導体層のバンドギャップエネルギーを大きくする。また、この関係は、第２導電型層にも適用でき、具体的には、第２導電型層内の第２の半導体層２９を、活性層中の障壁層よりもバンドギャップエネルギーを小さく、またＡｌ混晶比を小さくすることである。これら障壁層よりもＡｌ混晶比の小さい第１の半導体層（第２の半導体層）を用いて、活性層の近く、好ましくは隣接して配置することで、良好なキャリア閉込め、及び結晶性の良好な活性層が実現でき、並びに、これらの層を光ガイド層に用いることで、短波長域において好適な導波路構造が形成される。以下このことについて、詳しく説明する。
【００６０】
本発明の一実施形態における窒化物半導体素子は、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、第１導電型層１１、第２導電型層１３との間に活性層１２が設けられた構造で、具体的な積層構造としては、図２（ａ）に示すように、第１導電型層１１として、コンタクト層２３、下部クラッド層２５、下部光ガイド層２６が順に積層され、その上に活性層２７、活性層の上に、第２導電型層１３として、キャリア閉込め層２８、上部光ガイド層２９、上部クラッド層３０、コンタクト層２４が順に積層された構造を有している。ここで、キャリア閉込め層、光ガイド層、クラッド層、コンタクト層、の互いに隣り合う層は、図２（ａ）に示すように接する場合に限定されず、各層間に別の層を設けて離間されていても良い。ここで、図２（ａ）は本発明における導波路構造を有する素子の積層構造を示す断面図であり、図３（ａ）は活性層及びそれを挟んで配置された活性層の近くの層の積層構造４０を示し、図３（ｂ）はその積層構造４０に対応したバイアス状態のバンド構造４１、特に第１導電型層１１をｎ型層側、第２導電型層１３をｐ型層側とした場合を示すものである。図４（ａ），図４（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）のバンド構造４１についても図３（ｂ）と同様であり、各図中の白丸（白抜きの円）はホールを、黒丸（黒で塗りつぶした円）は電子のキャリアを示し、矢印は、各キャリアの動きを模式的に示すものであり、反対向きに曲げられた矢印はバンドオフセットにより各キャリアが閉じ込められる様子を示し、実線は導電帯Ｅｃ、価電子帯Ｅｖを示し、点線はフェルミ準位ＥＦを示している。図３（ａ）からわかるように、井戸層１を挟む障壁層２ａ，２ｂよりも、バンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層２６、第２の半導体層２９、が活性層を挟んで配置され、上部・下部光ガイド層として用いられている。ここでは、第２導電型層（ｐ型層側）内に、活性層の近く、好ましくは隣接して、キャリア閉込め層２８が設けられ、第２の半導体層２９と活性層２７との間に設けられている。すなわち、活性層内の障壁層２ａによりホールが井戸層内に閉じ込められ、電子は障壁層２ｂ及び／又は活性層２７に隣接するキャリア閉込め層２８により閉じ込められた構造となっている。従来のバンド構造である図４（ａ）及び図４（ｂ）では、キャリア閉込めるためのオフセットが第１導電型層中の層２６と活性層２７、障壁層２ａとの間に設けられ、活性層２７、障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層若しくは光ガイド層２６が活性層に隣接して設けられて、キャリア閉込めとして機能するが、活性層２７、障壁層２ａに隣接する第１の半導体層２６では、活性層にキャリア閉込める構造となっておらず、最も第１導電型層側に配置された第１の障壁層２ａでもって、井戸層１ａ内に閉じ込められる。
【００６１】
以下、井戸層、障壁層、及び第１の半導体層（第２の半導体層）の関係について説明する。本発明の窒化物半導体素子は、上述したように第１導電型層、活性層、第２導電型層とが積層させれた構造であるが、ここでは、第１導電型層をｎ型の窒化物半導体を有するｎ型層、第２導電型層をｐ型の窒化物半導体を有するｐ型層として説明する。上述したように、量子井戸構造の活性層において、ｎ型層側に最も近くに配置されたｎ側障壁層を第１の障壁層、一方で、ｐ型層側に最も近くに配置されたｐ側障壁層を第２の障壁層として説明する。ここで、本発明では、好ましくはｎ側障壁層の近くで、第１導電型層（ｎ型層）内に設けられた第１の半導体層との関係において、第１の障壁層より第１の半導体層がバンドギャップエネルギーが大きくすることが好ましい。本発明の活性層には、少なくとも、第１の障壁層と、それよりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の障壁層と、それら障壁層の間に少なくとも１つの井戸層を有する。この時、第１の障壁層は、井戸層よりも第１導電型層（ｎ型層）側に、第２の障壁層は井戸層よりも第２導電型層（ｐ型層）側に設けられる必要がある。このため、活性層内では、少なくとも１つの井戸層よりもｐ型層側に設けられた第２の障壁層（ｐ側障壁層）を設けて、少なくとも第１の障壁層と、第２の障壁層とで井戸層を挟み込む構造が設けられていることが好ましい。なぜなら、井戸層を挟んで設けられた第１の障壁層と、第２の障壁層は、それぞれ最もｎ型層の近く、最もｐ型層の近くに設けられた障壁層であるため、異なる機能を有するためである。
【００６２】
第１の障壁層は、活性層中で最もｎ型層の近くに配置された障壁層であり、更に好ましくは、活性層内で最も外側で、最もｎ型層側に設けられることであり、更に好ましくは、ｎ型層、第１の半導体層に接して、設けられることである。これは、井戸層を介して、ｎ型層に離間して第１の障壁層が設けられると、例えば図４（ｂ）に示す形態では、第１の障壁層２ａよりもｎ型層側にある井戸層では、キャリアの注入があり、ｎ型層側へオーバーフローするキャリアが発生し、一方で第１の障壁層を厚膜としてｎ型層側へのオーバーフローを抑えると、それよりもｎ型層側にある井戸層において、キャリアが注入されず、発光再結合などの井戸層としての機能を損なうものとなるためである。逆に、第１の障壁層は、第１の障壁層と、ｐ型層とで挟まれる活性層内の井戸層へキャリアを閉じ込めるための障壁として機能し、また、第２の障壁層も同様に第２の障壁層とｎ型層間の井戸層にキャリアを閉込めとして機能する一方で、井戸層に挟まれた障壁層、例えば図５（ａ）及び図５（ｂ）の障壁層２ｃ、２ｄは、各井戸層にキャリアを分散して閉じ込める機能を有し、第１の障壁層、第２の障壁層と井戸層の間の障壁層とでは異なる機能を有するものとなる。そのため、第１の障壁層の機能を最大限活用するには、活性層内の最も外側に第１の障壁層、第２の障壁層を配置することで、活性層内へキャリアを好適に閉じ込めることが可能となる。
【００６３】
また、第２の障壁層については、上述したようにこの第２の障壁層に加えて、後述するキャリア閉込め層を活性層の外部、好ましくは活性層に接して、第２導電型層（ｐ型層）中に設けることで、キャリアを活性層中の非対称な障壁層の構造に対応して設けられ、各井戸層に閉じ込めること構造とできる。このように、第２の障壁層に加えて、キャリア閉込め層を活性層外部に配置することで、窒化物半導体において、ホールに比べて、電子は拡散しやすい性質にあり、キャリア拡散長も大きい傾向にあるが、これを改善して、活性層内、特に井戸層内に好適にキャリアを閉込め、注入できる構造となる。ここで、第２の障壁層は、第１の障壁層と同様に、井戸層よりもｐ型層（第２導電型層）側に配置され、更に好ましくは最もｐ型層の近くに配置された障壁層とし、最も好ましくは、活性層において最も外側で、ｐ型層側に配置させることで、好適なキャリア注入が可能となる。また、キャリア閉込め層との関係から、キャリア閉込め層と離間して、配置されせることもできるが、好ましくは、ｐ型層中のキャリア閉込め層２８に接して第２の障壁層を形成することで、第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギーの大きいキャリア閉込め層に対して、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の障壁層によるキャリアの井戸層への注入を促進でき好ましい。
【００６４】
また、上述した第１の障壁層、第２の障壁層のように、活性層内で井戸層よりも、第１導電型層、第２導電型層の近くに配置され、活性層中の障壁層の中でも最も外側の障壁層以外の障壁層は、例えば、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、井戸層１ａと井戸層１ｂ、井戸層１ｂと井戸層１ｃとに挟まれた内部障壁層２ｃ、２ｄを設けることもできる。特に多重量子井戸構造においては、このような井戸層に挟まれた内部障壁層を用いることで、複数存在する井戸層において、キャリアが好適に各井戸層に分配され、注入・閉込められる。すなわち、上記第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂと異なる機能を有するものであり、第１の障壁層、第２の障壁層よりも膜厚を薄くしても、井戸層に挟まれた障壁層の機能を損なわない量子井戸構造とでき、活性層全体の膜厚を抑えて、Ｖｆの上昇を抑えることができ好ましい。また、図５（ａ）に示すように、第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂよりも、バンドギャップエネルギーの大きな内部障壁層２ｃとすると、各導電型層から注入されたキャリアに対し、井戸層間に介在する障壁の大きなこれら内部障壁層２ｃ、２ｄにより、活性層に隣接する各導電型層からキャリア注入する際に、大きな内部障壁層を越えることとなり、特に、第２導電型層側から低い障壁の第２の障壁層を越えて井戸層にキャリア注入される際に、内部障壁層を越えて、第１導電型層側にある井戸層へのキャリア注入効率が低下する傾向にある。また図５（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂよりも、井戸層に挟まれた障壁層２ｃ、２ｄとすると、これら内部に位置する障壁層での閉込め機能を弱めて、外部に位置する第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂをこれら障壁層に比較して強めることで、井戸層数が多くなっても、外部の障壁層が大きな障壁を形成することから、各井戸層へのキャリアの注入・閉込めを好適に実現しうる構造とできる。すなわち、上述したように、内部障壁層のバンドギャップエネルギーを、図５（ｂ）に示すように、第１の半導体層よりも小さくすることで、第２導電型層側からのキャリア注入において、最も遠くの第１の障壁層が最も大きなバンドギャップエネルギーとでき、各井戸層への注入を良好なものとできる。また、この時好ましくは、内部障壁層のバンドギャップエネルギーを第２の障壁層よりも大きくすることで、図５（ｂ）に示すように、第１導電型層側から第２導電型層側に近づくに従って、段階的にバンドギャップエネルギーが大きくなる障壁層の構成とでき、各井戸層への好ましいキャリア注入が可能となる。
【００６５】
以上説明したように、外部の障壁層である第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｃは、内部の井戸層に挟まれた障壁層と異なる機能を有することから、内部の障壁層と外部の障壁層との間で、膜厚、バンドギャップエネルギー、組成を異なるものとした構成として、所望の素子特性の素子を得ることが可能となる。また、図５（ｂ）に示すように、内部障壁層を複数有する活性層では、各内部障壁層間で、異なる組成、バンドギャップエネルギー、膜厚とすることも可能であり、ほぼ同一の組成、バンドギャップエネルギー、膜厚とすることもでき、好ましくは、ほぼ同一の組成、バンドギャップエネルギー、膜厚とすることで、内部障壁層でほぼ均等な機能を付与することができ、各井戸層へのキャリアの注入が好適になされる。
【００６６】
また、上述したように、各障壁層への不純物ドープとしては、最もｎ型層側に位置する第１の障壁層２ｂには、ｎ型不純物をドープすることが上述した理由により好ましく、最もｐ型層側に配置される第２の障壁層には、ｎ型不純物をドープするよりも、実質的ｎ型不純物がドープされていない状態、具体的には、５×１０１６／ｃｍ３以下の不純物濃度とすることが好ましい。これは、窒化物半導体に用いられるｐ型不純物は、拡散性の高い不純物が多く、例えば良く用いられるＭｇ、Ｚｎなどは、積層構造内を広く拡散する傾向にあり、障壁層にｐ型不純物がドープされるとそれに隣接する井戸層への拡散が起こり、井戸層でのキャリアの発光再結合を阻害する傾向にあるためである。また、ｐ型層側に近い第２の障壁層をアンドープとすることで、ｐ型層からの不純物の拡散をその障壁層内に留める作用が付与され、井戸層へのさらなる不純物の拡散を防止でき好ましい。特に、キャリア閉込め層２８をｐ型層中に有し、第２の障壁層に近接して、好ましくは第２の障壁層に接して配置される場合には、キャリア閉込め層は比較的高抵抗な層となる傾向にあるため、高濃度でｐ型不純物がドープされる傾向にあり、この不純物の拡散が問題となるが、第２の障壁層をアンドープとすることでこの拡散による井戸層の機能低下を防ぐことができ好ましい。また、キャリア閉込め層近傍において、ｐ−ｎ接合が形成され、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）等に示すように、キャリア閉込め層では、素子構造内において、最も大きなＡｌ混晶比で形成される傾向にあることから、高Ａｌ混晶比の窒化物半導体による大きな圧電がかかり、井戸層に悪影響を及ぼす傾向にあるが、キャリア閉込め層よりもＡｌ混晶比の小さい第２の障壁層をアンドープで形成することで、井戸層への悪影響を抑制できる傾向にあり、好ましい。
【００６７】
また、第１の障壁層、第２の障壁層との比較において、第１の障壁層を第２の障壁層よりも大きな膜厚とする場合には、第２導電型層中にキャリア閉込め層２８を設けることで、第２の障壁層による活性層内へのキャリア閉込め機能を低下させ、すなわち、上記内部障壁層に近い働きをする障壁層とし、キャリア閉込め層２８でもって、主に活性層へのキャリア閉込めを実現する構造とでき、活性層全体の膜厚が小さくできるため、Ｖｆ低下に寄与でき、また窒化物半導体においては、ホールの拡散長が、電子の拡散長よりも十分に小さいため、ホールの注入口となる第１の障壁層の膜厚が小さいことで、井戸層へのキャリア注入が効率よくなされ好ましい。一方で、ｐ型不純物がドープされたキャリア閉込め層２８を有する場合、若しくは、活性層の近く、好ましくは活性層に接して配置された第２の半導体層２９が、第１の障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する場合には、Ａｌ混晶比の高い層が活性層に隣接して設けられることとなる。このため、Ａｌ混晶比の高い層は高抵抗であることから、この層では素子動作中に大きな発熱を生み、それが井戸層に接近していると、井戸層への熱による悪影響が発生し、素子特性を低下させる傾向にある。また、このようなＡｌ混晶比の大きな層と活性層との界面、若しくはＡｌ混晶比の大きい層の活性層側界面、若しくはその近傍において、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ｐ−ｎ接合が形成され、その近くに活性層の井戸層が設けられていると、井戸層での発光再結合において、バイアスが悪影響を及ぼす傾向にある。すなわち、第１の障壁層は、井戸層とＡｌ高混晶層との間をあけて、上記Ａｌ高混晶層による悪影響が井戸層に及ばないように離間させるスペーサーとして機能させると好ましい。この場合、第１の障壁層の具体的な膜厚としては、少なくとも２０Å以上とすることで上記スペーサーの機能を発現でき、好ましくは、４０Å以上の膜厚で井戸層への影響を抑えた活性層とでき好ましい。
【００６８】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
【００６９】
本発明における素子構造としては、量子井戸構造の活性層を、第１導電型層と第２導電型層とで、挟む構造を有するもので、活性層、第１導電型層、第２導電型層の各層には、窒化物半導体からなる層が用いられている。具体的には、図２（ａ）に示すように、基板２１の上に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層１３が積層された構造を有する素子であり、活性層は、少なくとも障壁層と井戸層を有する量子井戸構造で構成される。ここで、第１導電型層と第２導電型層との間に設けられた量子井戸構造の活性層１２には、図３（ａ）の積層構造４０に示すように、少なくとも前記第１導電型層１１側に配置された第１の障壁層２ａと、前記第２導電型層１３側に配置された第２の障壁層２ｂと、これら第１の障壁層２ａと第２の障壁層２ｂとに挟まれた少なくとも１つの井戸層１を少なくとも有するものである。特に、これら第１の障壁層２ａと第２の障壁層２ｂとは、それぞれ最も第１導電型層側、第２導電型層側に配置された障壁層であることが好ましく、更に、これら障壁層は、活性層内で最も外側に配置された層であることが好ましい。これは、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、内部に配置された内部障壁層２ｃ、２ｄと、上記第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂとは、異なる働きを有することにある。
【００７０】
本発明では、これら障壁層を有する活性層において、第１の障壁層２ａのバンドギャップエネルギーより、第２の障壁層２ｂのバンドギャップエネルギーが小さいことを特徴としている。具体的には、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）などに示すように、第１の障壁層２ａより第２の障壁層２ｂがバンドギャップエネルギーが小さいことで、第２導電型層１３側からのキャリア注入において、図中の矢印で示すように、従来の経路５２よりも本発明の経路５１の方が障壁が小さく、効率的な井戸層１ａへのキャリア注入を実現できる。更に、第２導電型層１３側のキャリアは、図中の矢印で示すように、バンドギャップエネルギーの大きく、第１導電型層１１側の第１の障壁層２ａにより、井戸層１ａ内に閉じ込められる。この時、特に好ましくは、第１導電型層１１がｎ型層であり、第２導電型層１３がｐ型層であると、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、伝導体側に比して価電子帯側に大きな障壁が形成されることで、窒化物半導体のように、ホールの拡散長が電子に比べて小さい系において、障壁層のような薄膜で、小さい障壁によっても、好適なホールの注入、閉込めが実現される。加えて、ｎ型層側１１、ｐ型層側１３の素子構造において、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、窒化物半導体素子では、ｐｎ接合部が活性層とｐ型層１３との界面近傍に形成される傾向にあり、第２の障壁層２ｂのバンドギャップエネルギーが大きいと、ホールの注入に対する障壁が大きくなる傾向にあるためである。
【００７１】
一方で、ｎ型層側１１、ｐ型層側１３との間に活性層が設けられた素子構造において、電子の閉込めを考慮するとき、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ｐ型層１３内の活性層近傍に、電子閉込めのキャリア閉込め層２８を配置することで、上述したｐｎ接合部が、キャリア閉込め層２８近傍に形成され、電子を閉じ込めるの好適な障壁が形成されるため、上記障壁層に加えて用いることが好ましい。この時更に好ましくは、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、活性層に接して、キャリア閉込め層２８が第２導電型層１３内に設けられることで、井戸層近くに大きな障壁が形成されて閉込め効果を高めることができ好ましく、更に好ましくは、図３（ａ）に示すように、活性層２７内で第２導電型層１３側で最も外側の層として配置された第２の障壁層２ｂに接して、キャリア閉込め層２８が形成されることで、障壁の小さい第２の障壁層２ｂで閉込めが困難な第１導電型層１１側からのキャリアを好適に閉じ込める構造が実現できる。
【００７２】
本発明の一実施形態としては、上記第１の実施形態に組み合わせて適用されるものであり、具体的には、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層２６を、第１導電型層側１１に設けることであり、更に、第２導電型層側１３にも同様に、第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体層２９を配置することである。この時、第２導電型層１３において、第２の半導体層２９を設ける場合に、上述したキャリア閉込め層２８を介して、活性層から離間して第２の半導体層２９を設けること、すなわち、第２の半導体層２９と活性層１２との間に、キャリア閉込め層２８を設けることが好ましい。
【００７３】
このように、活性層１２、特にその活性層１２内で最も大きなバンドギャップエネルギーとなる第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層を、活性層１２を挟む第１導電型層側１１、第２導電型層側１３に設けることで、短波長域の発光素子において、素子特性を向上させることが可能となる。これは、上述したように、従来の短波長域の窒化物半導体発光素子において、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きい層、すなわち、Ａｌ混晶比の高い層を設ける必要があり、熱膨張係数差などの影響で結晶性が悪化するものとなる。本発明では、従来の素子とは異なり、活性層を挟む第１導電型層側１１、第２導電型層側１３に、活性層よりもバンドギャップエネルギーの小さい層を設けることで、結晶性悪化を抑えて、良好な結晶性の活性層、素子形成を可能とする。また、実施例に示すように、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層１３の順に積層された素子においては、活性層１２の下に配置される第１導電型層１１のＡｌ混晶比を小さい抑えることで、良好な結晶性でもって活性層の形成が可能となり、活性層を挟む第１導電型層１１、第２導電型層１３にそれぞれ、活性層、特に第１の障壁層２ａよりもＡｌ混晶比の小さい層を設けることで、Ａｌを含む窒化物半導体により活性層に係る強い応力を緩和させて、素子駆動に優れた活性層の形成が可能となる。
【００７４】
以下、本発明の素子に用いられる各層について、特に短波長系における実施形態を元に詳細に説明する。
【００７５】
（レーザ素子、導波路構造）
本発明の一実施形態は、窒化物半導体素子構造として、活性層を、第１導電型層、第２導電型層とで、挟み込む構造を有するレーザ素子、端面発光素子とする。具体的には、図２（ａ）に示すように、基板上に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層１３とが積層された構造を有し、さらには、第１導電型層１１内に第１の光ガイド層２６、第２導電型層１３内に第２の光ガイド層２９、が少なくとも設けられ、これら第１、第２の光ガイド層２６，２９とで、活性層を挟み込む構造を有し、第１，２の光ガイド層とその間の活性層とで導波路を形成する。更に、後述するように、第１導電型層が下部クラッド層２５、第２導電型層が上部クラッド層３０をそれぞれ有する場合には、この上部、下部クラッド層２５，３０とで挟み込まれ、活性層を含む領域が、導波路となる。上部クラッド層２５、下部クラッド層３０とで、挟まれた導波路内に光ガイド層を設けると、閾値電流密度を低減させ、高出力のレーザ素子が得られる。以下に、導波路に光ガイド層を有する素子構造について、特に、井戸層のバンドギャップエネルギーがＧａＮとほぼ同じか、それよりも大きいワイドバンドギャップの短波長系について説明する。
【００７６】
本発明の第１の実施形態において、図２（ａ）に示すように、導波路として、活性層１２と、第１導電型層１１内の第１の光ガイド層２９、第２導電型層内の第２の光ガイド層２６とが、設けられた構造を有し、特に上述した波長３８０ｎｍ以下の活性層を用いた導波路が設けられた構造を特徴とする素子である。
【００７７】
この導波路は、主に活性層からの光を導波させるものであり、この導波路構造によりレーザ素子、端面発光素子において、発光効率、閾値電流密度、その他の素子特性が様々に変化する。光ガイド層は、このように、活性層を挟んで形成されるが、第１導電型層、第２導電型層の少なくとも一方のみに光ガイド層を形成すること、すなわち、第１の光ガイド層若しくは第２の光ガイド層だけでもよいが、好ましくは活性層の両側に、光ガイド層を設けることで、閾値電流密度が低下し、高出力のレーザ素子が得られる。
【００７８】
本発明の第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９としては、Ａｌを含む窒化物半導体が用いられ、また、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）のバンド構造４１として示すように、少なくとも量子井戸構造の活性層２７内の井戸層１よりも大きなバンドギャップエネルギーとし、また活性層２７と光ガイド層２６，２９との屈折率差を小さくして、導波路構造とする。また、光ガイド層は、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、光ガイド層２６、２９の全部が、障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さくても良く、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、障壁層よりも大きな層が光ガイド層の一部として設けられていても良い。この場合、第１の障壁層を除く光ガイド層、若しくはその一部が障壁層よりもバンドギャップエネルギーを大きくするか、若しくは図５（ｂ）に示すように、内部障壁層、第２の障壁層、すなわち活性層中の障壁層の一部より光ガイド層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができる。すなわち、好ましくは、光ガイド層が、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層を有すること、さらに好ましくは第１の半導体層からなる光ガイド層、若しくは第１の半導体層以外の層を有する多層膜の光ガイド層において、光ガイド層全体を第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーより小さくすることで、上記第１の障壁層のキャリア閉込め層としての機能を好適に発現できる。更に、Ａｌ混晶比の小さい光ガイド層を形成することで、例えば、それにより下部光ガイド層が形成されると、Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性悪化を抑えて、活性層を形成でき、発光素子、レーザ素子特性に優れた素子を得ることができる。この時、更に好ましくは、光ガイド層の一部、好ましくは全部のバンドギャップエネルギーを、内部障壁層よりも小さくすること、更に好ましくは、第１の障壁層よりも小さくすることで、さらに優れた素子とできる。すなわち、上記短波長系にあっては、Ａｌを含む窒化物半導体から成る光ガイド層の一部、好ましくは全部のＡｌ混晶比を内部障壁層より小さくし、更に好ましくは第２の障壁層よりも小さくすることである。また、第１の半導体層を、第１導電型層中の光ガイド層を設けるのと同様に、第２導電型層に光ガイド層を設ける場合において、上述したように、第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体層を設けることもでき、この時の作用についても第１の半導体層と同様である。更に、第２の半導体層が上部光ガイド層に設けられる場合において、光ガイド層の組成として具体的には、ＩｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ（０≦α、０＜β、α＋β≦１）が用いられる。好ましくは、Ｉｎを含まない窒化物半導体とすること、すなわち、Ｉｎ組成比が０の窒化物半導体とすることで、Ｉｎを含むことによる光の吸収を防ぎ、光の損失を低く抑えた導波路とできる。さらに、好ましくはＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用いることで、紫外域から赤色域までの幅広い波長域に適用できる導波路となる。特に上記波長３８０ｎｍ以下の短波長域の光を導波させるには、好ましくはＡｌβＧａ１−βＮ（０＜β≦１）が用いられる。これは、ＧａＮでは、上記短波長域の光を吸収し、そ��が損失となって、閾値電流密度、電流−光出力特性を悪化させるからである。特に、光ガイド層のＡｌ組成比βは、光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥｇ、活性層の発光の光子エネルギーＥｐに比べて、０．０５ｅＶ以上大きくなるように（Ｅｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅＶ）、調整することが好ましい。これにより、上記短波長域において、ガイド層による光の損失が抑えられた導波路となるからであり、更に好ましくはＥｇ−Ｅｐ≧０．１とすることで、更に優れた導波路が形成される。すなわち、この条件を満たし、なおかつ、上述した第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーを小さくした光ガイド層とすることで素子特性に優れた導波路が形成される。
【００７９】
また第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９は、どちらか一方若しくは両方が、単一膜で形成されていても良く、多層膜で形成されていても良い。単一膜の窒化物半導体からなる光ガイド層を形成する場合には、図３（ａ）に示すように、活性層２７を挟む第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９の積層構造４０が設けられ、そのバンド構造４１は、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるようにする。具体的には、上記ＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用いることであり、上記短波長域においてはＡｌβＧａ１−βＮ（０＜β≦１）を用い、さらに好ましくは上述したように第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥｇが、光子エネルギーＥｐに比べて、０．０５ｅＶ以上大きいこと（Ｅｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅＶ、好ましくはＥｇ−Ｅｐ≧０．１）となるように、Ａｌ組成比βを調節する。
【００８０】
第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９の膜厚としては、特に限定されず、具体的には、１０ｎｍ以上５μｍ以下の範囲であり、好ましくは２０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲であり、更に好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲とする。これにより、１０ｎｍ以上でガイド層として機能し、２０ｎｍ以上とすることで閾値電流密度を低下させる導波路が形成される傾向にあり、５０ｎｍ以上とすることで更に閾値電流密度を低下させる傾向にあるためである。また、５μｍ以下ではガイド層として機能し、１μｍ以下で光が導波する際の損失を減少させ、３００ｎｍ以下とすることで光の損失を更に抑えられる傾向にあるためである。
【００８１】
本発明の光ガイド層を多層膜の窒化物半導体で構成しても良く、その場合も上記と同様に、Ｉｎを含まない窒化物半導体を用いることが好ましく、さらに上記ＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用いることが好ましく、上記短波長域においてはＡｌβＧａ１−βＮ（０＜β≦１）を用いることが好ましく、この窒化物半導体を用いて少なくとも互いに組成の異なる窒化物半導体層を各々の光ガイド層に１層以上用いた多層膜とする。具体的には、第１の光ガイド層２６に、第１の層、第１の層と異なる組成の第２の層、第２の光ガイド層２９に、第３の層と、第３の層と異なる組成の第４の層、を用いる。ここで、第１〜４の層は、窒化物半導体からなる。これにより、各ガイド層内の第１の層と第２の層との間、第３の層と第４の層との間、において、Ａｌ組成比を異なるようにして、バンドギャップエネルギー、屈折率の異なる多層膜構造としても良い。
【００８２】
例えば、第１導電型層、活性層、第２導電型層が積層された構造で、第１の光ガイド層が、第１の層と第２の層とを有し、第２の光ガイド層が第３の層と、第４の層とを有し、第２の層と第３の層とを活性層側に配置して、第１の層と第４の層とを活性層から遠い位置に配置した構造として、バンドギャップエネルギーを活性層に近づくに従って段階的に小さくした構造とする。具体的には、活性層側の第２の層、第３の層のＡｌ組成比β２、β３を、活性層から遠い第１の層、第４の層のＡｌ組成比β１，β４よりも小さくすること、β１＞β２、β４＞β３とすることで、段階的なバンド構造となり、導波路内の活性層にキャリアが効率的に注入され、また活性層及び活性層付近が屈折率が大きくなることから、導波路内で活性層付近に光が多く分布した構造とできる。このように、光ガイド層を多層膜とするのには、Ａｌ組成比を大きくすると結晶性の悪化する傾向にあり、単一膜で光ガイド層を形成することが結晶性の悪化により困難な場合、若しくは特性悪化が発生する場合に、多層膜で形成して結晶性の悪化を小さく抑えることができるからである。また、上記、β１＞β２、β４＞β３とは逆に、β１＜β２、β４＜β３として、活性層に近いガイド層（第２の層、第３の層）のバンドギャップエネルギーを大きくし、屈折率を小さくし、遠いガイド層（第１の層、第４の層）を小さくし、屈折率を大きくすることも可能であるが、好ましくは上記キャリア注入、光の分布が良好となることから、β１＞β２、β４＞β３とすることである。また、多層膜の光ガイド層とする場合に、上記第１〜４の層に限らず、各光ガイド層を３層以上で構成しても良く、第１の層（第３の層）と第２の層（第４の層）と交互に複数積層した、すなわち第１の層と第２の層とを１対として複数の対を積層してガイド層を構成しても良い。また、多層膜の光ガイド層とする場合には、上記条件式、Ｅｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅＶ、を計算する場合には、光ガイド層全体の平均組成により算出する。例えば、Ａｌβ１Ｇａ１−β１Ｎ（０＜β１≦１）からなる膜厚ｄ１の第１の層、Ａｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１≠β２）からなる膜厚ｄ２の第２の層、で第１の光ガイド層を構成する場合には、Ａｌの平均組成βｍは、各構成層の膜厚で加重平均した次式、βｍ＝（ｄ１×β１＋ｄ２×β２）／（ｄ１＋ｄ２）、で得られる。
【００８３】
また、本発明の光ガイド層において、活性層に近づくに従ってバンドギャップエネルギーが小さくなるように、組成傾斜させたＧＲＩＮ構造としてもよい。具体的には、Ａｌ組成比βを傾斜させること、すなわち活性層に近づくに従ってＡｌ組成比βが小さくなるように組成傾斜させることで、ＧＲＩＮ構造とできキャリアの注入効率が向上する。この時、組成傾斜は、図８（ａ）に示すように連続的に組成を傾斜させても良く、不連続で段階的に組成を傾斜させても良い。また、超格子多層膜構造のように、例えば、上記第１の光ガイド層の第１の層／第２の層を交互に積層した複数対を有する構造においても、Ａｌを組成傾斜させて、活性層に近づくに従ってバンドギャップエネルギーが小さくなるようにしても良く、この場合、少なくともいずれか一方の層だけ、例えば第１の層だけを組成傾斜させても良く、対を構成する全ての層、例えば第１の層及び第２の層を組成傾斜させても良い。また、光ガイド層の膜厚方向において、部分的に組成傾斜が設けられていても良く、好ましくは膜厚方向における全ての領域で組成傾斜させる方がキャリアの注入効率が向上する傾向にある。
【００８４】
更に、多層膜の光ガイド層において、多層膜の超格子構造としても良く、超格子構造を用いることで、上記Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性の悪化を抑制して、良好な結晶性の導波路を形成することができる。具体的には、第１の光ガイド層２６において、前記第１の層と、第２の層とを交互に積層して、少なくとも一方を２層以上、好ましくは各層を２層以上とすること、若しくは第１の層と第２の層とを１対として複数対積層した構造とする。この時、各層の窒化物半導体の組成は上記と同様であるが、好ましくは、第１の層／第２の層が、Ａｌβ１Ｇａ１−β１Ｎ（０≦β１≦１）／Ａｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ（０≦β２≦１、β１≠β２）、上記短波長域においてはＡｌβ１Ｇａ１−β１Ｎ（０＜β１≦１）／Ａｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１≠β２）を用いることで、光の損失を抑えて、なおかつ超格子構造により結晶性の悪化も抑えた導波路が形成される。光ガイド層を超格子構造とするには、多層膜を構成する各層の膜厚が超格子となるように設定することであり、組成及び各層の組み合わせによりその膜厚は異なるが、具体的には、１０ｎｍ以下とすることであり、好ましくは７．５ｎｍ以下とすることで結晶性を良好に保つことができ、更に好ましくは５ｎｍ以下とすることで、より良好な結晶性とすることができる。
【００８５】
また、本発明の光ガイド層において、各導電型の不純物は、少なくとも層の一部にドープされることがキャリアの移動・注入が良好となるため好ましく、この時導電型の不純物は、光ガイド層の一部若しくは部分的にドープする形態、全体にドープする形態、のいずれかでも良い。また、多層膜の光ガイド層においては、例えば前記第１の層、第２の層を有する第１の光ガイド層において、両方にドープしても良く、又は第１の層と第２の層とで異なるドープ量とするか、一方にドープして、他方をアンドープとした変調ドープとしても良い。例えば上記第１の光ガイド層において第１の層と第２の層とを交互に積層した、若しくは、複数対設けた構造のような超格子多層膜構造において好ましくは、一方の層、例えば第１の層にのみドープした変調ドープとすることで、不純物ドープによる結晶性の悪化を抑えることができる。更に好ましくは、Ａｌ組成比の低い層にのみドープすることで、結晶性の良好な層にドープすることができ、不純物ドープによる結晶性の悪化を抑えて、不純物ドープによる活性化も良好なものとなり好ましい。これは、例えば、前記第１の層／第２の層が、Ａｌβ１Ｇａ１−β１Ｎ（０≦β１≦１）／Ａｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１＜β２）の超格子多層膜構造である第１の光ガイド層において、Ａｌ組成比の小さい第２の層に不純物ドープして、第１の層をアンドープとすることで、Ａｌ組成比の小さい第２の層は第１の層より結晶性が良く、このためこの結晶性の良い層に不純物ドープすることで、良好な活性化が実現され、キャリアの移動・注入に優れた光ガイド層となる。
【００８６】
更に、本発明の光ガイド層の不純物ドープについて、図８（ｂ）〜図８（ｄ）に、ドープ量変化４２として示すように、第１，２の光ガイド層２６，２９において、不純物ドープ量を、活性層に近づくに従ってドープ量を小さくする、若しくは、活性層から遠い領域に比べて活性層に近い領域のドープ量を小さくすると、導波路、特に光ガイド層内において、光の損失を更に減少させて、良好な光の導波を実現でき、閾値電流密度の低減、駆動電流の低減化を図ることができる。これは、不純物ドープした領域を光が導波すると、不純物により光の吸収が発生しするために光の損失が起こるからである。これに加えて、導波路は上述したように、第１の光ガイド層２６と第２の光ガイド層２９とで活性層２７を挟む構造を少なくとも有しており、さらにそのガイド層の外側若しくは導波路を、ガイド層より屈折率の小さい上部・下部クラッド層２５，３０とで挟む構造でもって光が導波路内に閉じこめられた構造となり、導波路内の活性層２７及び活性層近傍に多くの光が分布するため、その活性層近傍の領域において不純物ドープ量を少なくすることで、すなわち活性層側に低濃度不純物領域を設け、その外側（活性層から離れた領域）に高濃度不純物領域を設けることで、光が多く分布する領域での光の損失が減少することとなり、光の損失の少ない導波路となる。具体的には、第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９において、各層の膜厚の半分で領域を区切り活性層に近い領域と遠い領域を考えた場合、活性層に近い領域の導電型不純物濃度を、活性層に遠い領域の不純物濃度よりも小さくすることであり、活性層に近い領域が低濃度不純物領域、活性層に遠い領域が高濃度不純物領域となる。光ガイド層の不純物濃度としては、特に限定されないが、具体的には活性層に近い領域において５×１０１７／ｃｍ３以下とすることである。ここで、上記不純物ドープとは、第１の光ガイド層に第１導電型の不純物ドープ、第２の光ガイド層に第２導電型の不純物ドープ、することを指すものである。
【００８７】
光ガイド層内でドープ量を変化させる形態としては、具体例として、各光ガイド層内において、活性層に近づくに従ってなだらかに、連続的にドープ量を小さくする形態（４２ａ）、不連続で段階的にドープ量を小さくする形態（４２ｂ）、またその段階的なドープ量変化を細かくし、光ガイド層内で部分的にドープ量変化を設ける形態（４２ｃ）、のいずれかでも良く、またこれらを組み合わせて用いても良い。好ましくは、光ガイド層内において、活性層側からの距離が、５０ｎｍ以下の領域をアンドープ（低濃度不純物領域）とすることで光の損失低減が可能となり、好ましくは１００ｎｍ以下の領域をアンドープ（低濃度不純物領域）とすることで良好な光損失の低減、閾値電流密度、駆動電流の低減が可能となる。この時、光ガイド層の膜厚は、アンドープ領域（低濃度不純物領域）を５０ｎｍ以下の領域とする場合には、５０ｎｍ以上の膜厚とし、１００ｎｍ以下の領域とする場合には、１００ｎｍ以上の膜厚とすることはいうまでもない。この時、上記アンドープ領域を光ガイド層内に設ける場合、好ましくは、上述した組成傾斜構造の光ガイド層と組み合わせて用いることであり、これは図８（ａ）に示すように、バンドギャップエネルギーが、活性層に近づくに従って小さくなるバンド構造であることにより、不純部ドープされない領域が活性層近傍に設けられても、キャリアの注入効率の低下を抑えた光ガイド層が形成されるためである。この時、組成傾斜の光ガイド層は、上述したようにＧＲＩＮ構造が好ましく、また上記多層膜構造で、バンドギャップエネルギーが活性層に近づくに従って小さくなる構造であっても、アンドープ領域の形成に効果がある。ここで、各光ガイド層内において、成長時に不純物ドープしなくても、すなわちアンドープで光ガイド層を成長させても、隣接層から不純物が拡散する場合があり、その場合にはアンドープで成長させた上記領域においても、不純物がドープされたものとなる。具体的には、ｐ型不純物として好ましく用いられるＭｇは、このような拡散現象が起こりやすく、実施例１で示すように、アンドープでｐ側光ガイド層を形成しても、隣接層の電子閉込め層とクラッド層からの拡散により、ｐ型不純物がドープされる。このように、拡散により不純物ドープが成される場合には、上述したように活性層に近い領域の不純物濃度を、遠い領域よりも小さくすることである。このようなドープ領域は、少なくとも一方の光ガイド層に設けることが好ましく、更に好ましくは両方の光ガイド層に設けることで光の損失を低減させた導波路となる。なお、図８（ｂ）〜図８（ｄ）中の６１、６２は、各光ガイド層におけるドープ量変化を示している。
【００８８】
また、上記光ガイド層における層構成、不純物ドープの形態、組成、膜厚などは、第１の光ガイド層、第２の光ガイド層とで同様なものとしても良く、異なるようにしても良い。例えば、第１の光ガイド層を単一膜とし、第２の光ガイド層を多層膜として、両光ガイド層の層構成を異なるようにした形態などがある。
【００８９】
（クラッド層）
本発明の一実施形態において、第１導電型層、活性層、第２導電型層とが積層された構造で、第１導電型層が下部クラッド層を有し、第２導電型層が上部クラッド層を有する窒化物半導体素子としても良い。具体的には、図２（ａ）に示すように、基板上に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層１３とが積層された構造を有し、さらには、第１導電型層１１内に下部クラッド層２５、第２導電型層１３内に上部クラッド層３０、が少なくとも設けられ、これら上部、下部クラッド層２５，３０とで、活性層を挟み込む構造を有している。上部クラッド層２５、下部クラッド層３０とで、光閉込めされ、それらに挟まれた導波路内に、上述した光ガイド層を設けても良い。以下に、クラッド層を有する素子構造について、説明する。
【００９０】
上部、下部クラッド層２５，３０の組成は、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）のバンド構造４１に示すように、活性層（井戸層）よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるようにするものであり、また上記レーザ素子、端面発光素子において第１，２の光ガイド層２６，２９を有する場合には、光ガイド層と同等若しくはそれより大きくして、屈折率を光ガイド層より小さくする。これは、上部・下部クラッド層をキャリア閉込め、光閉込めとして機能させるものであり、光ガイド層を有する場合には光閉込め層として機能させる。クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、Ａｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられ、ＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ、０＜ｂ、ａ＋ｂ≦１）で表される窒化物半導体が用いられる。好ましくは、Ｉｎ組成比ａが０の窒化物半導体を用いることで、Ｉｎを含む窒化物半導体ではクラッド層内で光の吸収による損失が発生しやすい傾向にあるからである。このため、好ましくはＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）で表される窒化物半導体を用いることで、良好な光閉込め、更にガイド層を設けない場合には、良好なキャリア閉込めが可能となる。レーザ素子、端面発光素子において、導波路を上部、下部クラッド層で挟む構造において、導波路とクラッド層との間、具体的には活性層及び／又は光ガイド層との間、に十分な屈折率差を設けて、導波路内に光が閉じこめられて、光が導波する構成とする。このような屈折率差を設けるには、ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）が好ましく用いられ、光ガイド層のＡｌ組成（平均組成）比βとの間で、少なくともβ≦ｂの関係を満たすようにし、好ましくはｂ−β≧０．０５となるようにすることで十分な屈折率差が設けられる。また、クラッド層による光の閉込めは、クラッド層の膜厚にも依存するため、膜厚も考慮して窒化物半導体の組成を決定する。本発明の実施例では、図２（ｂ）に示すように、各クラッド層のＡｌ混晶比（平均組成）を第１の障壁層よりも小さくしていることで、光閉込めに必要な屈折率差を光ガイド層との間で設け、なおかつ、厚膜でクラッド層を形成することができる。すなわち、上述したＡｌ混晶比が、活性層、特に第１の障壁層よりも低い光ガイド層に対して、所望の屈折率差が設けられたクラッド層を形成することで、クラッド層のＡｌ混晶比を小さくすることが可能となる。更に、実施例では、第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい光ガイド層が形成されているため、クラッド層のＡｌ混晶比を最大限低く抑えた構造とされ、素子特性に優れた短波長系の窒化物半導体素子が得られる。
【００９１】
本発明のクラッド層は、上記光ガイド層と同様に、単一膜で形成しても良く、多層膜で形成しても良く、また多層膜超格子構造としても良い。単一膜でクラッド層を形成する場合には、上記窒化物半導体からなる単一膜を形成することで、多層膜で形成する場合に比べて、光、キャリア閉込め構造の設計が容易であり、またクラッド層の成長にかかる時間を短縮できる。一方で、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体は、結晶性良く成長させることが困難で、特に単一膜のように、ある一定以上の膜厚で成長させるとクラックが発生しやすくなる。
【００９２】
クラッド層を多層膜で形成する場合には、組成の異なる窒化物半導体を複数積層するものであり、具体的にはＡｌ組成比の異なる窒化物半導体を複数積層する。このように多層膜で形成すると、単一膜の場合における結晶性の悪化、クラックの発生を、抑制することが可能となる。具体的には、多層膜として、第１の層と、それと異なる組成の第２の層とを積層し、屈折率、バンドギャップエネルギーの異なる層を複数設ける。例えば、Ａｌ組成比ｂ１の第１の層と、Ａｌ組成比ｂ２（ｂ１≠ｂ２）の第２の層とを積層した構造の多層膜でも良く、この時Ａｌ組成比をｂ１＜ｂ２（０≦ｂ１、ｂ２≦１）とした構成とすると、Ａｌ組成比の大きな第１の層で屈折率、バンドギャップエネルギーを大きくし、Ａｌ組成比の小さい第２の層で、第１の層を形成することによる結晶性の悪化を抑えることができる。また、第１の層、第２の層を積層し、第２の層と組成の異なる第３の層を積層するなどして、更に複数の組成の異なる層を積層しても良い。また、第１の層、第２の層を交互に複数積層した構造であっても良く、少なくとも第１の層、第２の層を有する対を、複数対形成した構造としても良い。このような、多層膜構造では、Ａｌを含む窒化物半導体の結晶性悪化を抑えて、膜厚を大きくすることができるため、光閉込めにおいて重要となる膜厚を得ることが可能となる。
【００９３】
多層膜構造のクラッド層において、超格子構造とすることで、更に結晶性を良好なものとして、クラッド層を形成することができ好ましい。ここで、超格子構造は、クラッド層の少なくとも一部に設けることであり、好ましくは全てにおいて超格子構造を設けることで、結晶性良くクラッド層を形成できる。この時、著格子構造としては、光ガイド層の場合と同様に、少なくとも第１の層と、第２の層とを交互に複数積層したり、少なくとも第１の層と第２の層とを有する対を、複数対設けた構造とする。超格子構造を構成する各層の膜厚としては、組成及び各層の組み合わせによりその膜厚は異なるが、具体的には、１０ｎｍ以下とすることであり、好ましくは７．５ｎｍ以下とすることで結晶性を良好に保つことができ、更に好ましくは５ｎｍ以下とすることで、より良好な結晶性とすることができる。
【００９４】
クラッド層には、少なくとも各導電型の不純物をドープすることが好ましく、光ガイド層と同様に、全体にドープしても、部分的にドープしても良い。また、多層膜の場合にも光ガイド層と同様に、例えば前記第１の層、第２の層を有する多層膜で、両方にドープしても良く、又は第１の層と第２の層とで異なるドープ量とするか、一方にドープして、他方をアンドープとした変調ドープとしても良い。例えば、前記第１の層／第２の層が、Ａｌｂ１Ｇａ１−ｂ１Ｎ（０≦ｂ１≦１）／Ａｌｂ２Ｇａ１−ｂ２Ｎ（０＜ｂ２≦ｂ１、ｂ１＜ｂ２）の超格子多層膜構造である場合に、Ａｌ組成比の小さい第２の層に不純物ドープして、第１の層をアンドープとすることで、光ガイド層と同様に結晶性を良くすることができる。
【００９５】
クラッド層の膜厚としては特に限定されないが、１０ｎｍ以上２μｍ以下、５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲で形成する。これは、１０ｎｍ以上とすることでキャリアの閉込めが可能で、２μｍ以下とすることで、結晶性の悪化を抑え、更に５０ｎｍ以上とすることで光閉込めが可能となりレーザ素子、端面発光素子などに用いることができ、１μｍ以下とすることで、結晶性良くクラッド層を形成することができる。
【００９６】
ここで、上部クラッド層、下部クラッド層としては、上記短波長系においてＡｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられ、このことにより、導波路と両クラッド層との間で、屈折率差を大きくとることができる。このとき、クラッド層の窒化物半導体には、Ｉｎを含まないことが好ましく、なぜなら、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まない場合に比べて、結晶性が悪化する傾向にあり、特に、活性層の上にｐ側クラッド層を有する構造では、そのｐ側クラッド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いると、結晶性の悪化が大きく、素子特性を大きく悪化させるものとなる。このとき、クラッド層に用いる窒化物半導体として具体的には、ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜ｂ＜１）が好ましく用いられる。
【００９７】
（キャリア閉込め層＜ｐ側電子閉込め層＞）
本発明において、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）のバンド構造４１に示すように、活性層２７内部、若しくは活性層近傍にキャリア閉込め層２８を設けることが、上記活性層内における第１、２の障壁層非対称構造との組合せにおいて好ましい。図２（ａ），図３（ａ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、レーザ素子、端面発光素子のように、光ガイド層２６，２９、クラッド層２５，３０を有する構造の場合には、光ガイド層２６，２９と活性層２７との間、又は、活性層若しくは光ガイド層の一部として設けると良い。ここで、このキャリア閉込め層は、キャリアを活性層若しくは井戸層内に閉じ込めるもので、レーザ素子、高出力の発光素子などにおいて、素子駆動などによる温度上昇、電流密度増大によって、キャリアが活性層をオーバーフローすることを防ぐことが可能となり、活性層内にキャリアが効率的に注入される構造とできる。具体的には、図３（ａ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第２導電型層側に配置されたキャリア閉込め層２８ｂにより、第１導電型層からのキャリアを閉込め、第１導電型層側のキャリア閉込め層２８ａにより、第２導電型層からのキャリアを閉込める。このキャリアを閉込め層は、少なくとも一方に設けることが好ましく、実施例１に示すように、第１導電型層をｎ型、第２導電型層をｐ型とした素子において、少なくともｐ型層側にキャリアを閉込め層を設けることが好ましい。これは、窒化物半導体において、電子の拡散長がホールの拡散長に比べて長いため、電子の方が活性層をオーバーフローしやすく、このため電子を閉じ込めるキャリア閉込め層２８をｐ型層側に設けることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られる。特にバンドギャップエネルギーが小さい第二の障壁層と組み合わせて用いた素子について、以下ｐ型層側にキャリアを閉込め層を、ｐ側電子閉込め層として設ける例を説明するが、それは導電型層を代えることでｎ型層側にも適用できるものである。特に、ｐ側電子閉込め層を少なくとも設けることが好ましく、これは、電子がホールに比べて、キャリア拡散長が長く、活性層をオーバーフローしやすいためである。
【００９８】
このｐ側電子閉込め層としては、Ａｌを含む窒化物半導体を用いるものであり、具体的にはＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０＜ｃ＜１）を用いる。この時、Ａｌ組成比ｃとしては、キャリア閉込め層として機能するように、活性層より十分に大きなバンドギャップエネルギーを有する（オフセットをとる）必要があり、少なくとも０．１≦ｃ＜１の範囲とすることであり、好ましくは０．２≦ｓ＜０．５の範囲とすることである。なぜなら、ｃが０．１以下であるとレーザ素子において、十分な電子閉込め層として機能せず、０．２以上であると十分に電子閉込め（キャリアの閉込め）がなされ、キャリアのオーバーフローを抑え、加えて０．５以下であるとクラックの発生を低く抑えて成長させることができ、更に好ましくはｃを０．３５以下とすることで良好な結晶性で成長できる。また、上記光ガイド層を有する場合には、それよりも大きいバンドギャップエネルギーのキャリアを閉込め層とすることが好ましく、上記クラッド層を有する場合には、クラッド層とほぼ同じかそれよりも大きなバンドギャップエネルギーのキャリアを閉込め層とすることである。これはキャリアの閉込めには光の閉込めとなるクラッド層より高い混晶比の窒化物半導体が必要となるからである。このｐ側電子閉込め層は、本発明の窒化物半導体素子に用いることができ、特にレーザ素子のように、大電流で駆動させ、多量のキャリアを活性層内に注入する場合において、ｐ側電子閉込め層を有していない場合に比べて、効果的なキャリアの閉込めを可能とし、レーザ素子だけでなく、高出力のＬＥＤにも用いることができる。また、この時、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きいキャリア閉込め層とすることで、上記活性層非対称構造において、優れた素子特性を得ることができる。
【００９９】
本発明のキャリア閉込め層の膜厚としては、少なくとも１００ｎｍ以下とすることであり、好ましくは４０ｎｍ以下とすることである。これは、Ａｌを含む窒化物半導体は、他の窒化物半導体（Ａｌを含まない）に比べて、バルク抵抗が大きく、更にｐ側電子閉込め層のＡｌ混晶比は上述したように高く設定されるため、１００ｎｍを超えて素子内に設けると、極めて高抵抗な層となり、順方向電圧Ｖｆの大幅な増加を招くこととなるためであり、４０ｎｍ以下であるとＶｆの上昇を低く抑えることが可能で、更に好ましくは２０ｎｍ以下とすることで更に低く抑えることが可能となる。ここで、ｐ側電子閉込め層の膜厚の下限としては、少なくとも１ｎｍ以上、好ましくは５ｎｍ以上とすることで、電子閉込めとして良好に機能する。ここで、キャリアを閉込め層は、単一膜で形成して良く、組成異なる多層膜で形成しても良い。
【０１００】
また、本発明の窒化物半導体素子において、光ガイド層を設けずに、クラッド層だけを設ける場合には、活性層とクラッド層との間に上述したようにキャリアを閉込めに十分なバンドオフセットが存在すれば、キャリアを閉込め層を、クラッド層とは別に設ける必要は内が、光ガイド層を有する構造のように、クラッド層が活性層から離間して配置される場合には、活性層とクラッド層との間に、好ましくは活性層近傍にキャリアを閉込め層を設けること良い。これは、活性層から離れた位置にキャリアを閉込め層を設けると上記キャリアのオーバーフローを抑制する効果がなくなるからである。具体的には、活性層とｐ側電子閉込め層（キャリア閉込め層）との距離は、１００ｎｍ以下とすることでキャリアの閉込めとして機能し、更に好ましくは５００Å以下とすることで良好なキャリアの閉込めが可能となる。活性層外部にキャリアを閉込め層を配置する場合には、最も好ましくは活性層に接して配置することで、最も効率よくキャリアが活性層内に閉じ込められる。このように、活性層内にキャリアを閉込め層を設ける場合には、活性層内部の障壁層、特に第１の障壁層に比べてバンドギャップエネルギーを大きくするものであり、好ましくは、活性層内の全ての障壁層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることで、上記活性層非対称構造に適合した活性層外部のキャリア閉込め層とできる。
【０１０１】
本発明のｐ側電子閉込め層（キャリア閉込め層）には、アンドープであっても、ｐ型不純物（各導電型の不純物）がドープされても良い。好ましくは、各導電型に設定する不純物がドープされることであり、例えばｐ側電子閉込め層ではｐ型不純物がドープされることで、これはドープすることでキャリアの移動度が高まりＶｆを低下できるためである。さらにレーザ素子、ハイパワーＬＥＤなどの大電流で駆動させる場合には、キャリアの移動度を高めるため、高濃度でドープすることが好ましい。具体的なドープ量としては、少なくとも５×１０１６／ｃｍ３以上ドープすることで、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上ドープすることであり、前記大電流駆動の素子にあっては、１×１０１８／ｃｍ３以上、好ましくは１×１０１９／ｃｍ３以上ドープすることである。ｐ型不純物量の上限は特に限定されないが、１×１０２１／ｃｍ３以下とすることである。但し、ｐ型不純物量が多くなると、バルク抵抗が大きくなる傾向にあり、結果としてＶｆが上昇することになるため、これを回避する場合に好ましくは、必要なキャリア移動度を確保しうる最低限のｐ型不純物濃度とすることである。また、アンドープでキャリア閉込め層を形成して、隣接層からの不純物拡散によりドープすることも可能である。
【０１０２】
本発明では、活性層外部、特にｐ型層側に配置され、ｐ型不純物がドープされたｐ側キャリア閉込め層を用いることで、印加時に、図３（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、活性層近傍に配置されたキャリア閉込め層付近で、ｐ−ｎ接合部が形成され、ｐ型層側からのキャリア注入を阻害するオフセットが設けられずに、なおかつ、オフセットの小さい第２の障壁層により、井戸層への効率的なキャリア注入を実現する。
【実施例】
【０１０３】
［実施例１］
以下、実施例として、図１に示すようなレーザ素子構造の窒化物半導体を用いたレーザ素子について、説明する。
【０１０４】
（基板１０１）
基板として、異種基板に成長させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを厚膜（１００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０μｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。基板の詳しい形成方法は、以下の通りである。２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マスク開口部（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（ＥＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体層を、さらに厚膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去して、窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時のマスクストライプは、ＳｉＯ２からなり、マスク厚０．１μｍ、マスク間隔２０μｍ、開口部（窓部）幅８μｍで、ＧａＮ（１‐１００）方向とする。
【０１０５】
（バッファ層１０２）
上記ＧａＮ基板の上に、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＡｌＧａＮのｎ型コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素子構造となる各層を積層する。
【０１０６】
（ｎ側コンタクト層１０３）
次に得られたバッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０３を５μｍの膜厚で成長させる。
【０１０７】
（クラック防止層１０４）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、温度を８００℃にしてＳｉドープしたＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるクラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【０１０８】
（ｎ側クラッド層１０５：下部クラッド層２５）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、不純物ガスを止め、アンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、多層膜（超格子構造）よりなる膜厚０．５μｍのｎ型クラッド層１０６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。この時、ｎ側クラッド層のＡｌの平均混晶比は０．７５であり、図２（ｂ）に示すように、ｎ側クラッド層２５のＡｌ混晶比は、第１の障壁層２ａよりも小さく、第２の障壁層２ｂよりも大きく、光ガイド層２６よりも大きく、バンドギャップエネルギーの比較においても同様に、ｎ側クラッド層２５のバンドギャップエネルギーは、第１の障壁層２ａよりも小さく、第２の障壁層２ｂよりも大きく、光ガイド層２６よりも大きな構成となる。また、ｎ型不純物濃度の比較において、ｎ側クラッド層２５，第１の障壁層２ａが、光ガイド層よりも大きくな構成となる。
【０１０９】
（ｎ側光ガイド層１０６：下部光ガイド層２６）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのアンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。本発明ではこの層が第１の半導体層となる。また、本実施例のｎ側光ガイド層、活性層、キャリア閉込め層、ｐ側光ガイド層は、図３（ａ）において、それぞれ、下部光ガイド層（第１の半導体層）２６、活性層２７、キャリア閉込め層２８、上部光ガイド層（第２の半導体層）２９に対応している。
【０１１０】
（活性層１０７（２７，１２））
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる障壁層（第１の障壁層２ａ）を１００Åの膜厚で、ＴＭＡ及びシランガスを止め、アンドープのＧａＮよりなる井戸層１ａ（Ｗ）を１００Åの膜厚で、最後の障壁層（第２の障壁層２ｂ）として、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを１５０Åの膜厚で、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の順に積層して、単一量子井戸構造の活性層とする。活性層１０７は、障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の積層体を繰り返し形成して、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることもできる。この時、井戸層１ａは、第１の障壁層２ａよりもｎ型不純物濃度が小さく、第２の障壁層２ｂは第１の障壁層２ａよりもｎ型不純物濃度が小さく、バンドギャップエネルギー、Ａｌ混晶比も小さく、膜厚が大きな構成となる。
【０１１１】
（ｐ側電子閉込め層１０８：キャリア閉込め層２８）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０８を１００Åの膜厚で成長させる。この層は、特に設けられていなくても良いが、設けることで電子閉込めとして機能し、閾値の低下に寄与するものとなる。
【０１１２】
（ｐ側光ガイド層１０９：上部光ガイド層２９）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｐ側光ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１１０等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。この層が、第２の半導体層となる。
【０１１３】
（ｐ側クラッド層１１０：上部クラッド層３０）
続いて、ＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、１０５０℃でＭｇドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、Ｃｐ２Ｍｇを止め、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、それを１００回繰り返して総膜厚０．５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１０を成長させる。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。ｐ側クラッド層１１０を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なく、ショートの発生も低くなる。この時、ｎ側クラッド層と同様に、Ａｌの平均混晶比は０．７５であり、図２（ｂ）に示すように、ｐ側クラッド層３０のＡｌ混晶比は、第１の障壁層２ａよりも小さく、第２の障壁層２ｂよりも大きく、光ガイド層２９よりも大きく、バンドギャップエネルギーの比較においても同様に、ｐ側クラッド層３０のバンドギャップエネルギーは、第１の障壁層２ａよりも小さく、第２の障壁層２ｂよりも大きく、光ガイド層２９よりも大きな構成となる。また、ｐ型不純物濃度の比較において、キャリア閉込め層２８が、ｐ側クラッド層３０よりも大きく，ｐ側クラッド層３０が、光ガイド層２９よりも大きく、第２の障壁層２ｂ、光ガイド層２９にはキャリア閉込め層２８からの不純物拡散により低濃度でドープされた、若しくはアンドープの構成となる。
【０１１４】
（ｐ側コンタクト層１１１）
最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層１１１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１２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１１は電極を形成する層であるので、１×１０１７／ｃｍ３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０１７／ｃｍ３よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。このように、各層が積層された素子構造は、図２（ａ）に示す積層体となり、また図２（ｂ）に示すようなＡｌ混晶比を有する素子構造となる。具体的には、第１の障壁層２ａよりもＡｌ混晶比の小さく、井戸層１ａよりもＡｌ混晶比の大きい、Ａｌ平均組成を有するｎ側クラッド層２６、ｐ側クラッド層が、活性層、光ガイド層２６、２９を挟んで設けられ、またｎ側光ガイド層２６、ｐ側光ガイド層２９のＡｌ混晶比も、第１の障壁層２ａよりもＡｌ混晶比より小さく、井戸層１ａよりもＡｌ混晶比より大きい窒化物半導体で形成されている。さらにまた、クラッド層２５，３０のＡｌ混晶比は光ガイド層２６、２９よりも大きく、光ガイド層２６、２９のＡｌ混晶比は、第２の障壁層２ｂよりも小さい窒化物半導体で形成されている。
【０１１５】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ２が最適である。
【０１１６】
次に上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ２）よりなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜１６１の上に所定の形状のマスクをかけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ４ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりストライプ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。この時、リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、ｐ型コンタクト層１１１、およびｐ型クラッド層１０９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングして、形成する。
【０１１７】
次に、リッジストライプ形成後、第１の保護膜１６１の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜１６１の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層１０９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【０１１８】
第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６００℃で熱処理する。このようにＳｉＯ２以外の材料を第２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することにより、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えることがさらに望ましい。
【０１１９】
次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜１６１をリフトオフ法により除去する。このことにより、ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第１の保護膜１６１が除去されて、ｐ型コンタクト層が露出される。以上のようにして、図１に示すように、リッジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成される。
【０１２０】
このように、ｐ型コンタクト層１１２の上に設けられた第１の保護膜１６１が、除去された後、図１に示すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるストライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で形成する。
【０１２１】
次に、ｎ電極を形成するためにエッチングして露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ２とＺｒＯ２よりなる誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面（反射面側）にもＳｉＯ２とＺｒＯ２よりなる誘電体多層膜が設けられる。
【０１２２】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（１  １−  ０  ０）など）でバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得る。この時、共振器長は、６００μｍである。
【０１２３】
室温においてしきい値電流Ｉｔｈが６１ｍＡ，電流密度Ｊｔｈが３．８ｋＡ／ｃｍ２、発振波長３６９ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られ、室温での連続発振条件下における素子の推定寿命は約４０００時間のレーザ素子が得られる。
【０１２４】
［実施例２］
実施例１において、活性層を以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１２５】
（活性層１０７（２７，１２））
ＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚１５０Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＧａＮ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌｕＧａ１−ｕＮ、膜厚ｄ（Å）からなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
【０１２６】
第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕを０．０５（実施例１と同じＡｌ混晶比）、０．１、０．１５（比較例）である場合において、第２の障壁層の膜厚変化に対する閾値電流、第２の障壁層の膜厚変化に対する素子寿命、をそれぞれ図９，１０に示す。図９に示す第２の障壁層の膜厚変化に対する閾値電流変化は、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕ＝０．０５の時をグラフａ、ｕ＝０．１の時の変化をグラフｂ、ｕ＝０．１５（比較例）の時の変化をグラフｃとして示す。また図１０に示す第２の障壁層の膜厚変化に対する素子寿命変化は、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕ＝０．０５の時をグラフｄ、ｕ＝０．１の時の変化をグラフｅ、ｕ＝０．１５（比較例）の時の変化をグラフｆとして示す。この時、膜厚ｄは、ｄ＝５０Å、１００Å、１５０Åで変化させて、各特性を評価する。
【０１２７】
図９に観られるように、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕを０．０５（実施例１と同じ）とした場合に、実施例１と同じ膜厚１５０Åの他に、膜厚を５０Å、１００Åと変化させても閾値電流Ｉｔｈにほとんど変化がみられないレーザ素子となる。一方、図１０に示すように、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕを０．０５（実施例１と同じ）とした場合に、実施例１と同じ膜厚１５０Åの他に、膜厚を変化させると、図からわかるように、素子寿命が大きく変化し、第１の障壁層とほぼ同じ膜厚１００Åの場合に、約半分の素子寿命となり、第１の障壁層より膜厚の小さい膜厚５０Åの場合に、更に半分の素子寿命となる傾向が観られる。従って、実施例１に示すように第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕが、第１の障壁層よりも小さい場合において、第２の障壁層の膜厚に対して、閾値電流はほとんど変化しない傾向にあるが、素子寿命は第１の障壁層とほぼ同じ膜厚若しくはそれよりも小さい場合に比べて、第１の障壁層よりも第２の障壁層の膜厚を大きくした場合に、急激に素子寿命が向上する傾向が観られる。
【０１２８】
次に、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕが０．１の場合において、ｕ＝０．０５の場合とは異なり、膜厚ｄが大きくなるにつれて、図９のグラフｂとして示すように、閾値電流Ｉｔｈが上昇する傾向が観られ、一方、素子寿命については、図１０のグラフｅとして示すように、膜厚ｄが大きくなるにつれて、素子寿命の減少傾向が観られる。これは、ｕ＝０．０５の場合と異なり、Ａｌ混晶比が大きくなったことで、オフセットが大きくなり、特に、第２の半導体層とのオフセットが大きくなったことで、第２導電型層からのキャリア注入効率が低下したためと考えられる。すなわち、第２の半導体層（ｐ側光ガイド層）よりも大きなＡｌ混晶比の窒化物半導体で形成され、第２の障壁層２ｂが第２の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなることで、図３（ｂ）に示すように、ｕ＝０．０５の第２の障壁層と第２の半導体層とほぼ同じＡｌ混晶比、バンドギャップエネルギーである場合に比べて、より大きなオフセットが形成されて、閾値電流の上昇傾向を生みだしていると考えられる。また、井戸層がＧａＮであるので、Ａｌを含む窒化物半導体から成る第２の障壁層が形成されると、熱膨張係数差により、強い応力が掛かり、Ａｌ混晶比ｕが、０．１と大きくなることで、結晶性悪化による閾値の上昇、素子寿命の低下への影響も大きいと考えられる。特に、膜厚が大きくなることで、閾値電流が上昇していることから、結晶性の悪化による影響が大きくなっているものと考えられる。また、上述したように、第２の障壁層には、キャリア閉込め層から井戸層を離すためのスペーサーとしての機能があることを説明したが、ｕ＝０．１では、第２の障壁層による結晶性悪化によりスペーサーとしての機能も悪化したものと考えられ、また、第２の障壁層のＡｌ混晶比が大きくなったことで、ｐｎ接合部にあるキャリア閉込め層ほどに影響がないと考えられるものの層が高抵抗化したことによる影響も出ていると考えられる。
【０１２９】
次に、比較例として、第２の障壁層のＡｌ混晶比が、第１の障壁層とほぼ同じ、０．１５である場合には、図９のグラフｃとして閾値電流変化を示すが、膜厚が大きくなることで、急激に閾値電流が上昇する傾向が観られ、これは、結晶性悪化と、オフセットが大きくなったことが相乗的に作用して、ｕ＝０．１である場合と比較して、急激な上昇傾向となって現れたものと考えられる。また、図１０のグラフｆとして素子寿命変化を示すように、ｕ＝０．１である場合に比べて、更に減少する傾向が観られ、結晶性悪化とバンドオフセットの変化による相乗作用によるものと考えられる。
【０１３０】
［実施例３］
実施例１において、活性層を以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１３１】
（活性層１０７（２７，１２））
ＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚２００Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＡｌ０．０４Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９４Ｎ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚１５０Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
【０１３２】
得られるレーザ素子は、実施例１に比較して、井戸層に４元混晶ＡｌＩｎＧａＮを用いたが、発振波長はほぼ同じ３７０ｎｍで室温にて連続発振し、ＡｌとＩｎの成長時の反応により、結晶性が悪化していると考えられるもののＩｎを含むことにより発光効率が向上していると考えられ、閾値電流は５０ｍＡと実施例１よりも低いレーザ素子が得られる傾向にある。素子寿命については、実施例１とほぼ同等のものが得られる傾向にある。
【０１３３】
［実施例４］
実施例１において、活性層を以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１３４】
（活性層１０７（２７，１２））
ＳｉドープＡｌ０．１５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚２００Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＡｌ０．０４Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９４Ｎ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．０５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚１５０Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
【０１３５】
得られるレーザ素子は、実施例１、３に比べて、閾値電流が僅かながら大きくなる傾向にあり、また素子寿命も僅かながら小さくなる傾向が観られる。これは、障壁層と井戸層の全てに４元混晶のＡｌＩｎＧａＮを用いたことにより、上述したＩｎとＡｌの反応による結晶性悪化の影響が実施例３よりも大きくなることによるものと考えられる。しかし一方で、実施例１〜３と異なり、４元混晶のＡｌＩｎＧａＮを用いたことにより、障壁層をＡｌＧａＮとした実施例１〜３と異なり、ウエハ面内における各素子チップの特性のばらつきが小さくなる傾向が観られ、製造における歩留まりが向上する傾向が得られる。これは、ＡｌＧａＮを用いる場合よりも４元混晶のＡｌＩｎＧａＮを井戸層、障壁層に用いる方が、面内に均一な膜形成が実現されているものと考えられる。
【０１３６】
［実施例５］
実施例１において、活性層を以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１３７】
（活性層１０７（２７，１２））
ＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚２００Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、膜厚１５０Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
【０１３８】
得られるレーザ素子は、井戸層のバンドギャップエネルギーが大きくなったことにより、実施例１〜３に比較して、発振波長が短くなるが、閾値電流が上昇する傾向にあり、また素子寿命も低くなる傾向がある。これは、井戸層のＡｌ混晶比を大きくしたことにより、第２の障壁層とのバンドオフセットが小さくなり、第１導電型層からのキャリアが井戸層内に閉じ込められる効率が低下したためと考えられる。また、実施例３と比較して、ウエハ面内における素子チップの特性にばらつきが大きく、４元混晶のＡｌＩｎＧａＮを井戸層に用いる場合に比べて、ウエハ面内の膜形成にばらつきが発生しているためと考えられる。従って、井戸層、第１の障壁層、第２の障壁層のいずれかに、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体を用いることで、歩留まりに優れる半導体素子が得られ、更に好ましくは、上記層の内、少なくとも井戸層がＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体からなる層とすることで、発光効率を高めて、歩留まりの向上が図れる。
【０１３９】
［実施例６］
実施例１において、ｎ側光ガイド層、ｐ側光ガイド層の組成をＡｌｘＧａ１−ｘＮとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１４０】
ｘ＝０．１５として、第２の障壁層とほぼ同じＡｌ混晶比、ほぼ同じバンドギャップエネルギーとすることで、第２導電型層（第２の半導体層）からのキャリア注入における第２の障壁層とのバンドオフセットが小さくなるものの、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ｐｎ接合部をまたがって注入されることからオフセットが小さくなることによる注入効率への寄与は小さい傾向にある。一方で、光ガイド層のように素子内で厚膜の層のＡｌ混晶比を大きくすることで、上記実施例２のように障壁層、井戸層を膜厚の小さい層の場合と異なり、結晶性悪化が大きく、素子特性、閾値電流の上昇、素子寿命の低下が観られる。光ガイド層のＡｌ混晶比ｘを大きくすると更にその傾向が大きくなり、更にＡｌ混晶比ｘを、第１の障壁層のＡｌ混晶比より大きくするとその傾向が強くなり素子特性が大きく低下する傾向にある。本発明では、実施例１〜３に示すように、第１の半導体層、第２の半導体層のバンドギャップエネルギーを小さくし、特に短波長系の窒化物半導体においては、バンドギャップエネルギーを小さくしてＡｌ混晶比を小さくすることが素子特性の向上につながる傾向が観られる。
【０１４１】
［実施例７］
実施例１において、活性層内の各層を以下のようにする他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。
【０１４２】
第１の障壁層をアンドープで形成してその他は実施例１と同じ活性層とした場合、閾値電流が１１３ｍＡと大きくなる傾向が観られ、第１の障壁層にはｎ型不純物がドープされていることが閾値電流の低いレーザ素子が得られる傾向にある。
【０１４３】
井戸層をＳｉドープで形成してその他は実施例１と同じ活性層とした場合、ウエハ当たりのレーザ発振を示さない素子の数が多くなり、レーザ素子においては、井戸層をアンドープする方が好ましい傾向にある。
【０１４４】
図５（ａ）に示すように、多重量子井戸の活性層として、ＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、１００Åの第１の障壁層２ａ、アンドープＧａＮ、５０Åの井戸層１ａ、ＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ、１００Åの内部障壁層２ｃ、アンドープＧａＮ、５０Åの井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、１５０Åの第２の障壁層２ｂを積層してレーザ素子を得ると、実施例１よりも閾値電流が上昇する傾向にあるが良好なレーザ素子が得られる。これは、内部障壁層が設けられたことで、ＡｌＧａＮ障壁層による内部応力、強い圧電界により井戸層の機能が低下する傾向にあるためであると考えられる。また、図５（ａ）に示すように、第１の障壁層２ａよりも内部障壁層２ｃＡｌ混晶比を大きくすると、その傾向が顕著となり、Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性悪化の影響も加わって、素子特性が大きく悪化する傾向にある。一方で、内部障壁層２ｃを、図５（ｂ）に示すように、第２の障壁層２ｂよりもＡｌ混晶比を小さくして、バンドギャップエネルギーを小さくすると、上述したように、内部障壁層と井戸層とのオフセットが小さくなり、各井戸層への分配機能が低下し、一方で、Ａｌを含む窒化物半導体層を設けることによる上述した悪影響が加わるため、内部障壁層のバンドギャップエネルギーが第２の障壁層より大きく、第１の障壁層より小さい場合に比べて、素子特性が悪化する傾向にある。
【０１４５】
［実施例８］
実施例１において、図８（ａ）に示すように、光ガイド層を以下のように組成傾斜させて形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１４６】
（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド層２６））
ＡｌｘＧａ１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形成し、この時、成長するに従って、すなわち活性層に近づくに従って、Ａｌ組成比ｘを、０．１から０．０２へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜させたｎ側光ガイド層１０６を設ける。この時、ｎ側光ガイド層は、最初の膜厚０．１μｍの領域（高濃度不純物領域）はＳｉドープで形成し、残りの膜厚０．０５μｍの領域（活性層側５０ｎｍの領域、低濃度不純物領域）でアンドープで形成する。ここでは、活性層近傍の光ガイド層において、第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい一部の領域が、第１の半導体層となる。
【０１４７】
（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド層２９））
ＡｌｘＧａ１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形成し、この時、成長するに従ってＡｌ組成比ｘを、０．０２から０．１へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜させ、活性層に近づくに従ってＡｌ混晶比が小さく、バンドギャップエネルギーが小さくしたｐ側光ガイド層１０９を設ける。ここで、ｐ側光ガイド層は、最初の膜厚０．０５μｍ（活性層側０．０５μｍの領域、（低濃度不純物領域））はアンドープで形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域ではＭｇドープで形成する。この時、活性層及びｐ側電子閉込め層近傍のｐ側光ガイド層２９において、第２の障壁層よりもＡｌ混晶比が小さく、バンドギャップエネルギーの小さい一部の領域が、第２の半導体層となる。
【０１４８】
得られるレーザ素子は、実施例１に比較して、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、図８（ａ）に示すように、バンドギャップエネルギーが傾斜された光ガイド層を設けることにより、キャリアの活性層への注入効率が良好となり、内部量子効率が向上する傾向にある。また、光ガイド層内の活性層に近い側（活性層側）にアンドープ領域（低濃度不純物領域）を設けたため、不純物ドープしたことによる光の損失が低く抑えられた導波路構造となり、閾値電流密度が減少する傾向にある。
【０１４９】
［実施例９］
実施例１において、活性層を以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
（活性層１０７（２７，１２））
ＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚７５Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ、膜厚４５Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。
室温において発振波長３７１ｎｍ、しきい値電流Ｉｔｈが３０ｍＡの連続発振のレーザ素子が得られる。
【０１５０】
［実施例１０］
実施例１において、活性層を以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
多重量子井戸の活性層として、ＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、７５Åの第１の障壁層２ａ、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、５０Åの井戸層１ａ、ＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ、５０Åの内部障壁層２ｃ、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、５０Åの井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ、５０Åの第２の障壁層２ｂを積層してレーザ素子を得る。
室温において発振波長３７１ｎｍ、しきい値電流Ｉｔｈが３０ｍＡの連続発振のレーザ素子が得られる。
【０１５１】
［実施例１１］
図６（ｂ）を元に本発明の発光素子２００について説明する。ここでは、２００ｂに示すように、基板の同一面側に、正負一対の電極を設ける構造の発光素子を作製する。
【０１５２】
サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０１をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
バッファ層（図示せず）：続いて、温度を５１０℃で、基板１上にＧａＮよりなる低温成長のバッファ層を約１００Åの膜厚で成長させる。この低温成長層を次に成長させる層よりも低温で成長させて、基板との格子不整合を緩和させるものであり、基板の種類によっては省略できる。
下地層（図示せず）：バッファ層成長後、温度１０５０℃で、アンドープＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で成長させる。この層は、アンドープ層で成長させることで、その上に形成する素子構造の下地層となり、成長基板となる。
ｎ型コンタクト層２０２：続いて１０５０℃で、Ｓｉを４．５×１０１８／cm３ドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層（電流注入層）２０２を２μｍの膜厚で成長させる。ここでは、ｎ側コンタクト層２０２が第１の半導体層となる。
活性層２０３：アンドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる障壁層（第１の障壁層２ａ）を１００Åの膜厚で成長させ、続いてアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる井戸層を３０Åの膜厚で成長させる。続いて、膜厚３０Å、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる内部障壁層（図示せず）を成長させ、井戸層１を４層（図示せず）と、内部障壁層を３層（図示せず）と、を交互に積層して、最後に第２の障壁層２ｂとして、膜厚４０ÅのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを成長させ、総膜厚３８０Åの多重量子井戸構造よりなる活性層２０３を成長させる。この活性層では、図５（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａよりも、Ａｌ混晶比が小さく、バンドギャップエネルギーが小さく、第２の障壁層２ｂよりもＡｌ混晶比が大きく、バンドギャップエネルギーが大きい、内部障壁層（２ｂなど）を形成した構造である。
ｐ側クラッド層２０４：アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８ＮよりなるＡ層２０４を４０Åの膜厚で成長させ、続いてＭｇを５×１０１９／cm３ドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＢ層２０５を２５Åの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、Ａ層、Ｂ層の順で交互に５層ずつ積層し、最後にＡ層を４０Åの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層２０４を３６５Åの膜厚で成長させる。この時、最初のＢ層が第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、Ａｌ混晶比の小さい第２の半導体層となる。
ｐ側コンタクト層２０５：続いて、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２０５を２００Åの膜厚で成長させる。
【０１５３】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【０１５４】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層２０５の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層２０５側からエッチングを行い、図６（ｂ）に示すようにｎ側コンタクト層２０２の表面を露出させる。
【０１５５】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層２０５のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極２０６と、そのｐ電極２０６の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極（図示せず）を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ側コンタクト層２０２の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極２０７を形成してＬＥＤ素子とした。
【０１５６】
このＬＥＤ素子は波長３６０ｎｍの紫外発光を示し、特に、上記第２の障壁層を設けることで、結晶性良く活性層が形成でき、発光特性に優れる発光素子が得られる。
【０１５７】
［比較例１］
上記実施例２で示したように、実施例１において、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕを、第１の障壁層と同じ０．１５として、図９，１０に、それぞれグラフｃとグラフｆとして示すように、膜厚変化に対する閾値電流変化と、素子寿命変化を測定した。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ素子構造を説明する模式断面図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の一実施形態に係る積層構造を説明する模式断面図であり、図２（ｂ）は各層のＡｌ組成比の関係を説明する図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の一実施形態に係る積層構造を説明する模式断面図であり、図３（ｂ）は該積層構造に対応してバイアス状態のバンド構造を説明する模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、従来技術におけるレーザ素子のバイアス状態のバンド構造を説明する模式図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る素子におけるバイアス状態のバンド構造を説明する模式図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は本発明の一実施形態に係る発光素子の積層構造を説明する模式断面図であり、図６（ｃ）は各層のＡｌ組成比の関係を説明する図である。
【図７】従来技術におけるレーザ素子の積層構造に対応した各層のＡｌ組成比の関係を説明する図である。
【図８】図８（ａ）は本発明の一実施形態に係る素子におけるバンド構造４１を示す模式図であり、図８（ｂ）〜図８（ｄ）は各層における各導電型の不純物濃度の各種例を示す模式図である。
【図９】本発明の一実施形態であるレーザ素子において、第２の障壁層のＡｌ混晶比と膜厚の変化に対する閾値電流Ｉｔｈの変化を示す模式図である。
【図１０】本発明の一実施形態であるレーザ素子において、第２の障壁層のＡｌ混晶比と膜厚の変化に対する素子寿命の変化を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１５９】
１・・・井戸層、２・・・障壁層、２ａ・・・第１の障壁層、２ｂ・・・第２の障壁層、２ｃ，２ｄ・・・内部障壁層、１１・・・第１導電型層、１２・・・活性層、１３・・・第２導電型層、２５・・・下部クラッド、２６・・・下部光ガイド層（第１の光ガイド層）、２８・・・ｐ側キャリア閉込め層、２９・・・上部光ガイド層（第２の光ガイド層）、３０・・・上部クラッド層、４０・・・積層構造、４１・・・バンド構造、５０…従来の第２の障壁層におけるＡｌ混晶比、５１・・・本願の第２の障壁層のバンド構造におけるキャリアの注入経路、５２・・・従来の第２の障壁層のバンド構造におけるキャリアの注入経路、５３・・・従来の第２の障壁層のバンド構造、１０１・・・基板、１０２・・・バッファ層、１０３・・・ｎ側コンタクト層、１０４・・・クラック防止層、１０５・・・ｎ側クラッド層、１０６・・・ｎ側光ガイド層、１０７，２７・・・活性層、１０８・・・ｐ側電子閉込め層、１０９・・・ｐ側光ガイド層、１１０・・・ｐ側クラッド層、１１１・・・ｐ側コンタクト層、１２０・・・ｐ電極、１２１・・・ｎ電極、１２２・・・ｐパッド電極、１２３・・・ｎパッド電極、１６２・・・第２の保護膜（埋込層）、１６４・・・絶縁膜、２００・・・発光素子、２０１・・・基板、２０２・・・ｎ側キャリア供給層、２０３・・・活性層、２０４・・・ｐ側キャリア閉込め層、２０５・・・ｐ側キャリア供給層、２０６・・・ｐ電極、２０７・・・ｎ電極
【図１】
2007243219.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月13日(2007.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の活性層が、第１導電型層、第２導電型層とで挟まれた構造を有する窒化物半導体の半導体素子において、
前記活性層内において、少なくとも１つの井戸層を挟んで、前記第１導電型層側に第１導電型の不純物濃度が５×１０１６／ｃｍ３以上の第１の障壁層と、前記第２導電型層側に前記第１の障壁層より第１導電型の不純物濃度が小さい第２の障壁層と、が設けられると共に、
前記第２の障壁層が、前記第１の障壁層よりも、バンドギャップエネルギーが小さく、膜厚が大きく、活性層内で最も外側に配置された層であり、
前記第２導電型層が、前記活性層から１００ｎｍ以下の距離に、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きいキャリア閉込め層を有していることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記第１導電型層がｎ型窒化物半導体を有するｎ型層であり、前記第２導電型層がｐ型窒化物半導体を有するｐ型層であり、
前記活性層内の障壁層として、前記第１の障壁層が、第１導電型層の最も近くに配置され、前記第２の障壁層が、第２導電型層の最も近くに配置された障壁層であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記キャリア閉込め層に、ｐ型不純物がドープされていることを特徴とする請求項２記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第１導電型層が、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第２導電型層が、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体層を有し、前記キャリア閉込め層を介して活性層から離間されて設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第１の半導体層及びキャリア閉込め層が、活性層に接して形成されていることを特徴とする請求項５記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第１の障壁層と、第２の障壁層とのバンドギャップエネルギー差が、０．０２ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記活性層が、井戸層を複数有する多重量子井戸構造であり、前記第１の障壁層と第２の障壁層との間に、第１の障壁層、第２の障壁層と井戸層を介して配置された内部障壁層を有し、該内部障壁層が、第２の障壁層とバンドギャップエネルギーが異なることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記内部障壁層が、第２の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、前記第１の障壁層が、前記内部障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする請求項１１又は１２記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記井戸層の組成が、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）のいずれかであり、前記障壁層の組成が、ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）であることを特徴とする請求項９記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記第１の障壁層のＡｌ混晶比ｕと、前記井戸層のＡｌ混晶比ｘとの差が０．１以上、ｕ−ｘ≧０．１であることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記活性層が、窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有し、第１導電型層が窒化物半導体を有し、第２導電型層が窒化物半導体を有する半導体素子において、
前記井戸層の組成が、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）であり、前記障壁層の組成が、ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記第１の障壁層の膜厚が３０Å以上１５０Å以下の範囲であり、前記第２の障壁層の膜厚が５０Å以上３００Å以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記第１導電型層、第２導電型層内に、前記第１の半導体層、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体層を介し、活性層から離間して、クラッド層がそれぞれ設けられていると共に、
第１導電型層内のクラッド層が第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、第２導電型層内のクラッド層が第２の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする請求項４記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記第１の半導体層、第２の半導体層の少なくとも一方が、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、該Ａｌを含む窒化物半導体のＡｌ混晶比が、前記窒化物半導体からなる第１の障壁層のＡｌ混晶比よりも小さいことを特徴とする請求項１４記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記第１の障壁層が、前記クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする請求項１４又は１５記載の半導体素子。