(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板上に、活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで挟み込む構造を有する窒化物半導体素子において、
該活性層は、井戸層の全積層数が２以下である、障壁層と井戸層とからなる量子井戸構造であり、
ｎ型クラッド層と活性層との間、およびｐ型クラッド層と活性層との間の両方にはＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）からなる第２の窒化物半導体層を有し、
さらに前記活性層と第２の窒化物半導体層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、該第１の窒化物半導体層は、ＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を含む多層膜構造であり、
前記活性層とｐ側の第１の窒化物半導体層の間には、ＡｌγＧａ1-γＮ（０＜γ＜１）からなる電子閉じ込め層を有し、
前記活性層は２層以上の障壁層を有し、最もｐ型層側に位置する障壁層は、活性層内で最もｐ側に形成され、ｎ型不純物を実質的に含まず、ｐ型不純物を含み、他の障壁層はアンドープ若しくはｎ型不純物を含むことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層が、Ａｌを含む窒化物半導体を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０．０５＜a＜１）とＧａＮの超格子からなることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記活性層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造を有し、前記第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比が井戸層のＩｎ混晶比より小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記井戸層の膜厚が３００オングストローム以下であることを特徴とする請求項１４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記第２の窒化物半導体層は、光ガイド層として機能することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記窒化物半導体基板の表面において、少なくとも前記活性層の発光部下の基板表面の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記窒化物半導体素子は、４３０ｎｍ以上の光を発振する窒化物半導体レーザである請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記第１の窒化物半導体層の膜厚は、３００Å以上１５００Å以下である請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記第２の窒化物半導体層の膜厚は、５００Å以上２０００Å以下である請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、又は太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる窒化物半導体レーザ素子に関し、特に閾値電流密度が低く、寿命特性が向上する発振波長４３０ｎｍ以上の窒化物半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。また、本出願人は、４０５ｎｍ、室温、５ｍＷの連続発振の条件で、１万時間を超えるレーザを発表した。
【０００３】
また、窒化物半導体を用いた発光素子、受光素子などには、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いて活性層とした構造を有しており、活性層におけるより優れた活性領域の形成が、素子特性の向上において重要となる。
【０００４】
窒化物半導体のレーザ素子、若しくは発光素子において、長波長の発光を得るには、活性層若しくは発光層のＩｎを含む窒化物半導体におけるＩｎ混晶比を、変化させることで、発光波長を変えることができ、特にＩｎ混晶比を高くすると発光波長を長くすることができる。また、端面発光素子、レーザ素子において、活性層が上部、下部クラッド層に挟まれた構造を有する場合に、両クラッド層の屈折率を小さくし、上部、下部クラッド層に挟まれた導波路内の屈折率を高くすることで、導波路内に効率よく光が閉じこめられ、結果としてレーザ素子においては閾値電流密度の低下に寄与する。
【０００５】
従来、このようなクラッド層を有する窒化物半導体素子において、４３０ｎｍ以上の長波長の発光を得る構造として、例えば、レーザ素子において、ガイド層にＩｎＧａＮ、クラッド層にＡｌＧａＮを用いたＳＣＨ構造が提案されている。
【０００６】
しかしながら、波長が長くなるに従ってＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの屈折率差が小さくなり、すなわち、導波路内のガイド層で光の閉じ込め係数の低下による損失が発生し、閾値電流が高くなる。
【０００７】
また、発光層のＩｎ混晶比が高くなるに従って、結晶性の大幅な悪化がみられ、閾値電流が高くなり、寿命特性も悪くなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、活性層が上部クラッド層、下部クラッド層に挟まれた構造を有する窒化物半導体素子で、光の波長が４３０ｎｍ以上のものにおいて、両クラッド層に挟まれた導波路において、光の閉じ込め係数の低下を抑え、活性層を含む導波路内へ効率的に光を閉込めることが必要であり、さらには結晶性の改善が必要である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、閾値電流密度などの素子特性に優れ、且つ結晶性の良好な窒化物半導体素子を得るものである。
すなわち本発明の半導体素子は、下記（１）〜（９）の構成により本発明の目的を達成することができる。
【００１０】
（１）    窒化物半導体基板上に、活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで挟み込む構造を有する窒化物半導体素子において、該活性層は、井戸層の全積層数が２以下である、障壁層と井戸層とからなる量子井戸構造であり、ｎ型クラッド層と活性層との間、およびｐ型クラッド層と活性層との間の両方にはＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）からなる第２の窒化物半導体層を有し、さらに前記活性層と第２の窒化物半導体層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、該第１の窒化物半導体層は、ＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を含む多層膜構造であり、前記活性層とｐ側の第１の窒化物半導体層の間には、ＡｌγＧａ1-γＮ（０＜γ＜１）からなる電子閉じ込め層を有し、前記活性層は２層以上の障壁層を有し、最もｐ型層側に位置する障壁層は、活性層内で最もｐ側に形成され、ｎ型不純物を実質的に含まず、ｐ型不純物を含み、他の障壁層はアンドープ若しくはｎ型不純物を含むことを特徴とする。
【００１１】
この構成により、両クラッド層に挟まれる導波路とクラッド層との間に適度な屈折率差を設けることができる。特に活性層内で４３０ｎｍ以上の長波長の発光がある窒化物半導体素子において、閾値電流の低いレーザ素子が得られるなど、素子特性に優れた窒化物半導体素子となる。
【００１２】
（２）  窒化物半導体基板上に、活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで挟み込む構造を有する窒化物半導体素子において、該活性層が、井戸層の全積層数が２以下である、障壁層と井戸層とからなる量子井戸構造であり、ｎ型クラッド層と活性層との間、またはｐ型クラッド層と活性層との間のどちらか一方にはＩｎを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、他方にはＩｎ混晶比が０である第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする。
【００１３】
この構成により、結晶性の大幅な悪化を防ぎつつ、導波路とクラッド層との間に適度な屈折率差を設けることができる。特に活性層内で４３０ｎｍ以上の長波長の発光がある窒化物半導体素子において、閾値電流の低いレーザ素子が得られるなど、素子特性に優れた窒化物半導体素子となる。
【００１４】
（３）  窒化物半導体基板上に、活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで挟み込む構造を有する窒化物半導体素子において、該活性層が、井戸層の全積層数が２以下である、障壁層と井戸層とからなる量子井戸構造であり、ｐ型クラッド層と活性層との間にはＩｎを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有し、ｎ型クラッド層と活性層との間にはＩｎ混晶比が０である第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする。
【００１５】
この構成により、結晶性の大幅な悪化、特に活性層における結晶性の大幅な悪化を防ぎつつ、導波路とクラッド層との間に適度な屈折率差を設けることができる。特に活性層内で４３０ｎｍ以上の長波長の発光がある窒化物半導体素子において、閾値電流の低いレーザ素子が得られるなど、素子特性に優れた窒化物半導体素子となる。
【００１６】
（４）  前記ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層が、Ａｌを含む窒化物半導体を有することを特徴とする。
この構成により、両クラッド層に挟まれた導波路と、各クラッド層との間に、大きな屈折率差を設けることが可能となり、光の導波に優れた導波路構造が形成され、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。ここで、Ａｌを含む窒化物半導体として好ましくは、Ｉｎ混晶比が０でＩｎを含まない窒化物半導体を用いることで、結晶性に優れ、より大きな屈折率差を設けることができ、さらにＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される窒化物半導体を用いることがさらに好ましい。
【００１７】
（５）  前記ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０．０５＜a＜１）とＧａＮの超格子からなることを特徴とする。この構造により、両クラッド層に挟まれた導波路と、各クラッド層との間に、大きな屈折率差を設けることが可能となり、光の導波に優れた導波路構造が形成され、その上に形成する窒化物半導体層の結晶性を悪化させることなく形成できるので、閾値電流密度の低減および寿命特性の向上の点で好ましい。
【００１８】
（６）  前記活性層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造を有し、前記第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比が井戸層のＩｎ混晶比より小さいことを特徴とする。
【００１９】
この構成により、量子井戸構造の活性層とすることで、量子井戸構造でない場合に比べて、発光再結合が促進され、閾値電流を低下させ、出力を向上させ、素子特性に優れた窒化物半導体素子が得られる。また、第１の窒化物半導体層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比を、井戸層よりも小さくすることで、井戸層とのバンドギャップエネルギー差を大きくでき、キャリアの注入を良好にでき素子特性の向上につながる。それに加えて、Ｉｎは光の導波において、光を吸収・散乱させる作用があることから、Ｉｎ混晶比の低い窒化物半導体の第１の窒化物半導体層と、Ｉｎを含まない第２の窒化物半導体層を用いることで、光の損失を抑えて、閾値電流、駆動電流を低下させた窒化物半導体素子となる。ここで、活性層が量子井戸構造でない場合にも、活性層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比より、第１の窒化物半導体層のＩｎ混晶比を小さくすることで同様な効果が得られる。
【００２０】
（７）  前記井戸層の膜厚が３００オングストローム以下であることを特徴とする。この構成により結晶性を損なわない活性層が形成でき、閾値電流密度を低く抑えることができる。
【００２１】
（８）  前記第２の窒化物半導体層は、光ガイド層として機能することを特徴とする。この構成により、導波路内において、ガイド層は、Ｉｎを含まないことから光の損失のないガイド層となり、第１の窒化物半導体層は、導波路とクラッド層との間の屈折率差を大きくする層として機能し、素子特性が向上する。
【００２２】
（９）  前記窒化物半導体基板の表面において、少なくとも前記活性層の発光部下の基板表面の転位密度は１×１０７ｃｍ−２以下であることを特徴とする。この構成により転位の少ない素子構造を形成することができ、特にＩｎ組成比の大きな井戸層の結晶性を良好にすることができるので、閾値電流密度の低減および寿命特性の向上の点で好ましい。
さらに、本発明の窒化物半導体発光素子は、
前記窒化物半導体素子は、４３０ｎｍ以上の光を発振する窒化物半導体レーザであることが好ましい。
前記第１の窒化物半導体層の膜厚は、３００Å以上１５００Å以下であることが好ましい。
前記第２の窒化物半導体層の膜厚は、５００Å以上２０００Å以下であることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の窒化物半導体素子について更に詳細に説明する。
本発明の窒化物半導体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窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）がある。その他に前記窒化ガリウム系化合物半導体の一部を、Ｂ、Ｐで置換した、混晶でもよい。また、活性層、井戸層、障壁層などに用いられるＩｎを含む窒化物半導体は、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。また、Ａｌを含む窒化物半導体として、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。
【００２４】
（活性層）
本発明における活性層としては、少なくともＩｎを含む窒化物半導体を有し、特に波長４３０ｎｍ以上の発光をするものである。ここで、Ｉｎを含む窒化物半導体としては、その組成は特に限定されないが、好ましくはＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される窒化物半導体を用いることである。このとき、Ｉｎを含む窒化物半導体には、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Ｉｎを含む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。また、活性層が、量子井戸構造を有する場合には、このＩｎを含む窒化物半導体が少なくとも井戸層に用いられる。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、後述する井戸層、障壁層を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、最も好ましくは、井戸層数を２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。
【００２５】
図５は本発明の窒化物半導体レーザ素子（実施例４）において、井戸層の層数のみを変化して閾値電流を調べたものである。結晶性の観点から、また理由はわからないが他の観点から、これから組み合わさって、活性層に高混晶のＩｎＧａＮを有する４３０ｎｍ以上の窒化物半導体レーザ素子の井戸層の層数は２とすることが好ましい。
【００２６】
また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層(1)／障壁層(2) ／障壁層(3)／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けても良い。例えば、井戸層の上に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる上部障壁層と、その上に上部障壁層よりもエネルギーバンドギャップの小さな下部障壁層を設ける構造などがあげられる。具体的には、井戸層の上に配置されＡｌを含む窒化物半導体からなる上部障壁層を設けることで、井戸層内に、Ｉｎの偏析、Ｉｎ濃度の面内分布を誘発し、量子ドット、量子細線効果が得られる傾向にあるため、これを用いても良い。この時、Ａｌを含む窒化物半導体としては、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、０＜ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることであり、好ましくは３元混晶のＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を用いることで、結晶性、制御性良く成長させることが可能となるため好ましい。また、Ａｌを含む窒化物半導体は、上部障壁層に限らず、井戸層の下に配置された下部障壁層としても良く、前記障壁層(1)と(3)に挟まれた障壁層(2)として設けても良い。好ましくは、井戸層の下部に接して設けられる下部障壁層以外に用いることであり、なぜなら良好な結晶性でもって井戸層が形成される傾向にあり、また上述した量子効果が得られやすい傾向にあるからである。井戸層の下に接する下部障壁層としては、Ａｌを含まない窒化物半導体を用いることが好ましく、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の窒化物半導体を用いることが、井戸層の結晶性の点から好ましく、さらにはＩｎ混晶比ｘが０より大きいＩｎＧａＮとする方が、井戸層に対する下地層の効果が得られ好ましい。
【００２７】
（井戸層）
本発明における井戸層としては、Ｉｎを含む窒化物半導体層を用いることが好ましく、この時具体的な組成としては、ＩｎαＧａ1-αＮ（０＜α≦１）を好ましく用いることができる。このことにより、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。
【００２８】
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決めることが可能である。具体的な膜厚としては、１０Å以上３００Å以下の範囲とすることで、Ｖｆ、閾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、１０Å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好ましく、３００Å以下にすることで、結晶欠陥の発生を低く抑えて結晶成長が可能となる。井戸層の膜厚が３００Å以上になると、４３０ｎｍ以上のＩｎを含む井戸層の結晶性は悪くなってしまい、閾値電流密度が高くなってしまう。活性層内の井戸層数としては、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、さらに好ましくは井戸層の膜厚を１００Å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。特に井戸層数を２とすることにより、閾値電流密度の低下、寿命特性の向上もみられ最も好ましい。
【００２９】
本発明の井戸層には、前記活性層内のＩｎを含む窒化物半導体と同様に、ｎ型不純物がドープされていても、いなくても良い。しかしながら、井戸層はＩｎを含む窒化物半導体が用いられ、ｎ型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、ｎ型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ｎ型不純物濃度は５×１０16／cm3以下と実質的にｎ型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、閾値電流密度、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。
【００３０】
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されると、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の上昇を招く悪循環が発生し、素子の信頼性（素子寿命）が大幅に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、好ましくなく１×１０18／cm3、好ましくは１×１０17／cm3以下とすることである。
【００３１】
（障壁層）
本発明において、障壁層の組成としては、特に限定されないが、井戸層との間にバンドギャップエネルギー差が設けられる、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、井戸層よりＩｎ混晶比の低いＩｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。具体的な組成としては、ＩｎβＧａ1-βＮ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮ、ＡｌγＧａ1-γＮ（０＜γ≦１）などを用いることができる。ここで、井戸層に接して下地層となる障壁層（下部障壁層）の場合には、Ａｌを含まない窒化物半導体を用いることが好ましい。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層をＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体の上に直接成長させると、結晶性が低下する傾向にあり、井戸層の機能が悪化する傾向にあるためである。
【００３２】
また、障壁層には、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、障壁層中の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ドープする場合には、井戸層を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。
【００３３】
一方で、図３、６〜８に示すように、活性層内で、最も外側で、最もｐ型層１３側に位置する障壁層２ｃは、好ましくはｎ型不純物を実質的に含まないようにすることで、ｐ型層１３からのキャリアの注入が良好となり、素子寿命が向上する傾向にある。これは、最もｐ側の障壁層２ｃは、ｐ型層に接して設けられ、ｐ型層からのキャリアの注入口となり、ｎ型不純物を有する場合には、キャリアの注入を妨げていると考えられ、ｎ型不純物を実質的に含まないことで、ｐ型層１３からのキャリアがより深部の、ｐ型層から遠くの、井戸層にまで、安定して効率的にキャリアが注入されるためと考えられる。これは、特に、大電流で、多量のキャリアを注入するような、大電流駆動で高出力のＬＤ、ＬＥＤなどにおいて、顕著にその素子寿命の向上効果が得られる傾向にある。この時、実質的にｎ型不純物を含まないとは、最もｐ側の障壁層２ｃのｎ型不純物濃度が、５×１０16／cm3未満となるようにすることである。また、この最もｐ側の障壁層２ｃは、好ましくは、活性層内で最も外側に形成されることが好ましいが、前記効果は小さくなるものの最も外側にでない場合、例えば・・・井戸層／障壁層／井戸層／ｐ型層１３の順に積層された構造、であっても、その効果は期待できる。この最もｐ側の障壁層２ｃの位置としては、好ましくは活性層内で最も外側に配置されること、更に好ましくは、後述するｐ側電子閉込め層に接して設けられることで、電子の閉込めと、ｐ型層からのキャリアの注入が更に効率的なものとなる。さらにまた、最もｐ側の障壁層２ｃが、ｐ型不純物を有することで、更に深部の井戸層、ｐ型層１３から遠くに位置する井戸層、に対してもｐ型層１３からのキャリアが効率的に注入され、さらに素子寿命が向上する傾向にあるため、ｎ型不純物を実質的に含まず且つｐ型不純物を含む障壁層とすることが好ましい。この時、ｐ型不純物量としては、５×１０16／cm3以上１×１０20／cm3以下の範囲、好ましくは、５×１０16／cm3以上１×１０18／cm3以下の範囲である。これは、１×１０20／cm3以上とｐ型不純物を多くしても、キャリア濃度は殆ど変化しないため、不純物を含有することによる結晶性の悪化、不純物による光の散乱作用による損失が大きくなり、かえって活性層における発光効率を低下させる。更に、１×１０18／cm3以下であると、上記不純物の増加による発光効率の低下を低く抑え、なおかつ活性層内へのｐ型層からのキャリア濃度を安定して高く保つことが可能となる。加えて、ｐ型不純物の下限としては、僅かながらでもｐ型不純物を有することが好ましく、これは不純物が低濃度である場合には、高濃度である場合に比較して高い確率で、ｐ型不純物がキャリアとして機能するものとなる傾向にあるためである。
【００３４】
障壁層の膜厚としては、特に限定されず５００Å以下、より具体的には井戸層と同様に１０Å以上３００Å以下の範囲が適用できる。
【００３５】
（導波路構造）
本発明の窒化物半導体素子において、素子構造としては、活性層を、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層内のｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟み込む構造を少なくとも有するものとなる。このとき、活性層には、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いることが好ましく、さらに、活性層内で、波長４３０ｎｍ以上の発光が得られるＩｎ混晶比とすることが好ましい。また、クラッド層と活性層との間に、活性層を挟む光ガイド層を設けても良い。ここで、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで挟まれる領域を、導波路と呼ぶ。
【００３６】
ここで、ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層としては、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。さらにｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層としては、ＡｌaＧａ1-aＮ（０．０５＜a＜１）とＧａＮの超格子とすることで、両クラッド層に挟まれた導波路と、各クラッド層との間に、大きな屈折率差を設けることが可能となり、光の導波に優れた導波路構造が形成され、その上に形成する窒化物半導体層の結晶性を悪化させることなく形成できるので、閾値電流密度の低減および寿命特性の向上の点で好ましい。
【００３７】
本発明において、図２に示す光ガイド層のように、クラッド層と活性層との間の層が、導波路の形成において、重要なものとなる。これは、導波路内に光を閉じ込めるためには、導波路に比べて相対的にクラッド層の屈折率を下げて、屈折率差を大きくするか、導波路内の屈折率を大きくすることであるが、活性層からの光の波長が長くなると、困難な問題が発生する。それは、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの屈折率差では、波長が短い領域、例えば４００ｎｍ付近で、大きな屈折率差を有しているが、波長が長くなるに従って、その屈折率差が小さくなるからである。このため、クラッド層に用いられる窒化物半導体のＡｌ混晶比を大きくして、クラッド層の屈折率を小さくするか、若しくは光ガイド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いて、導波路内の屈折率を小さくして、導波路とクラッド層との屈折率差を大きくすることが必要になる。しかしながら、クラッド層のＡｌ混晶比を大きくすると、結晶性の悪化が大きく、またクラックなどの発生もあり、リーク電流の原因になるなど、素子特性を悪化させるため、クラッド層のように、厚膜で高いＡｌ混晶比の窒化物半導体を素子構造内に設けることが困難である。さらに、活性層を除く導波路内の窒化物半導体層、例えば光ガイド層に、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いて、導波路の屈折率を大きくする構造では、Ｉｎを含む窒化物半導体による光の閉じ込め係数の低下が起こり、このため、導波路内で光の損失が発生し、閾値電流の増大など素子特性の悪化が起こる。
【００３８】
従来、活性層の発光波長が長波長になる導波路構造としては、上述した長波長域におけるＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとの屈折率差の低下の問題からと、Ａｌ高混晶による結晶性の悪化の問題から、導波路内にＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化半導体を光ガイド層に用いた構造、例えばＩｎＧａＮ単一膜、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層膜（超格子層）などが考えられていた。しかしながら、ｐ型光ガイド層をＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子多層膜として結晶性の悪化を低く抑えてもなお素子特性に影響を及ぼさない程度までの結晶性を得ることが困難であり、また、上述したＩｎによる光の損失も素子特性悪化の大きな原因となる。これは、活性層の発光波長が長くなるほど、前記ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとの屈折率差が小さくなり、導波路内の屈折率を大きくするために光ガイド層などに用いる窒化物半導体のＩｎ混晶比を大きくしなければならないが、Ｉｎ混晶比が大きくなれば結晶性、光の損失などによる素子特性の悪化も大きくなることにある。
【００３９】
しかしながら、本発明では、導波路内において、ｐ型クラッド層またはｎ型クラッド層の両方に設けるか、またはどちらか一方の側にＩｎを含む第１の窒化物半導体層を用いて導波路全体の屈折率をクラッド層に比して大きくし、クラッド層との屈折率差を大きくし素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られるものである。また、どちらか一方に第１の窒化物半導体層を設けた場合、他方の側に第２の窒化物半導体層を設けることで、Ｉｎを含む窒化物半導体による結晶性の悪化と、光の損失を回避し、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られるものである。以下、各層について、説明する。
【００４０】
（第１の窒化物半導体層）
本発明における第１の窒化物半導体層は、導波路内において、活性層とｐ型および／またはｎ型クラッド層との間に配置され、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるものである。ここで、第１の窒化物半導体層の組成としては、好ましくは、Ａｌを含まない窒化物半導体とすることであり、これにより、Ａｌを含む窒化物半導体を用いたクラッド層との屈折率差を大きくすること、すなわち、クラッド層とそれに挟まれた導波路において、導波路内を相対的に屈折率を大きくすることが可能となり、またＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）で表される窒化物半導体を形成することで、結晶性も良い第１の窒化物半導体層を得ることができる。また、第１の窒化物半導体層と活性層若しくはクラッド層との間に、別の層を設けても良く、設けなくても良く、すなわち、第１の窒化物半導体層を活性層若しくはクラッド層、又は両方に接して設けても良く、どちらか一方若しくは両方に離れて設けても良い。また、第１の窒化物半導体層を、それとは組成の異なる層と交互に積層するなどして、複数積層した多層膜構造を用いても良い。
【００４１】
第１の窒化物半導体層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、上述したようにＩｎによる閉じ込め係数の低下や光の損失の発生を考慮して、少なくとも１５００Å以下とすることであり、好ましくは３００Å以上とすることで導波路全体の屈折率を上昇させ、クラッド層との間に大きな屈折率差を形成することができ、損失が少なく、閾値電流を低減させた優れた導波路が形成される。
【００４２】
第１の窒化物半導体層には、ｐ型層側に形成した場合、ｐ型不純物がドープされていても、ドープされていなくても良いが、好ましくはｐ型不純物をドープして、良好なｐ型導電性を有することである。この時、第１の窒化物半導体層は、Ｉｎを含む窒化物半導体であるため、不純物をドープすることによる結晶性の悪化があるため、好ましくはドープ量を１×１０18／ｃｍ3以下の範囲とすることで、Ｉｎを含む窒化物半導体における結晶性の悪化を抑制できる。またｎ型層側に形成した場合、ｎ型不純物がドープされていても、ドープされていなくても良いが、好ましくはｎ型不純物をドープして、良好なｎ型導電性を有することである。
【００４３】
（第２の窒化物半導体層）
本発明において、第２の窒化物半導体層としては、Ｉｎ混晶比が０の窒化物半導体を用いることであり、この第２の窒化物半導体層をｎ型クラッド層と活性層との間に設けることで、活性層における結晶性に優れ、導波路として機能する層となる。第２の窒化物半導体層に用いられる窒化物半導体のＩｎ混晶比ｕを、ｕ＝０とすることで、結晶性（特に活性層の結晶性）に優れた層を形成でき、結晶性悪化によるＶｆ、閾値電流の上昇を回避できる。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まないものに比べて、結晶性が悪化する傾向にありからである。例えば、前記第１の窒化物半導体層とこの第２の窒化物半導体層とで活性層を挟む構造を導波路内に設けること、すなわちｐ型層側の第１の窒化物半導体層とｎ型層側の第２の窒化物半導体層とし、両方の層を活性層を介して対向して配置し、組成が異なることにより、導波路内で異なる機能を有する非対称な導波路構造としてもよい。
【００４４】
第２の窒化物半導体層の組成としては、Ｉｎを含まない窒化物半導体をもちいることであり、好ましくはＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）で表される窒化物半導体を用いることである。また、この時、クラッド層との屈折率差を設けるため、クラッド層のＡｌ混晶比より第２の窒化物半導体のＡｌ混晶比ｔを小さくすることが好ましい。更にまた、クラッド層と導波路との屈折率差を考慮して、ｔ≦０．５として、低いＡｌ混晶比で形成するか、導波路内の屈折率を最大限に大きくするために、ｔ＝０のＧａＮを用いることが最も好ましい。
【００４５】
第２の窒化物半導体層は、単一膜で形成されても良く、多層膜で形成されても良い。多層膜としては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮを複数積層した多層膜でも良く、Ａｌ混晶比を活性層から離れるに従って大きくするような組成傾斜させた層であっても良い。
【００４６】
また、第２の窒化物半導体層を光ガイド層として、例えばｎ型光ガイド層として用いるとき、ｎ型光ガイド層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、少なくとも２００Å以上の膜厚で形成することで、導波路として良好で、損失の少ない光の導波が実現され、閾値電流の低下につながり、この時膜厚の上限としては４０００Å以下とすることで、閾値電流、Ｖｆの上昇を抑えることができ、好ましくは５００Å以上２０００Å以下とすることで、閾値電流、Ｖｆを低くし、光の導波に適した膜厚の導波路が形成できる。この膜厚については、クラッド層と活性層に挟まれる領域のｐ型層側、すなわちｐ型クラッド層と活性層とで挟まれる領域の膜厚にも適用できる。具体的には、ｐ型クラッド層と活性層との間に、第１の窒化物半導体層を有する場合にはその膜厚、第１の窒化物半導体層とｐ型光ガイド層などの別の層を有する場合にはそれらの層の膜厚の総和について、適用できる。このように、クラッド層と活性層に挟まれた領域の膜厚を、ｐ型層側、ｎ型層側共にほぼ同等な膜厚として膜厚が活性層を介して対称な導波路構造としても良く、両者の膜厚を異ならしめて、膜厚が非対称な導波路構造としても良く、得られる窒化物半導体素子の特性を考慮して適宜選択すればよい。
【００４７】
（ｐ側電子閉込め層）
本発明において、ｐ型窒化物半導体層として、特にレーザ素子、端面発光素子において、ｐ側電子閉込め層を設けることが好ましい。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ＡｌγＧａ1-γＮ（０＜γ＜１）を用いる。この時、Ａｌ混晶比γとしては、電子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≦γ＜１の範囲とすることであり、好ましくは０．２≦ａ＜０．５の範囲とすることである。なぜなら、γ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γを０．３５以下とすることで良好な結晶性で成長できる。この時、Ａｌ混晶比は、ｐ型クラッド層よりも大きくすることが好ましく、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。
【００４８】
本発明のｐ側電子閉込め層の膜厚としては、少なくとも１０００Å以下とすることであり、好ましくは４００Å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、１０００Å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、４００Å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２００Å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１０Å以上、好ましくは５０Å以上とすることで、電子閉込めとして良好に機能する。
【００４９】
また、レーザ素子において、このｐ側電子閉込め層は、電子閉込め層として機能させるため、活性層とクラッド層との間に設けるものであり、更に第１の窒化物半導体層と活性層との間に設けることであり、更に活性層に接して設けることである。この時、活性層とｐ側電子閉込め層との距離は、少なくとも１０００Å以下とすることでキャリアの閉込めとして機能し、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。すなわち、ｐ側電子閉込め層は活性層に近いほどキャリアの閉込めが効果的に機能し、その上レーザ素子、発光素子において活性層とｐ側電子閉込め層との間には、殆どの場合、特に他の層を必要とすることがないため、通常は活性層に接してｐ側電子閉込め層を設けうることが最も好ましい。
【００５０】
ここで、ｐ側電子閉込め層として、具体的には、ｐ側電子閉込め層が活性層に近いほど閾値電流密度を低下させれるが、近くなるほど素子寿命が低下させるものとなる。これは、上述したように、ｐ側電子閉込め層が他の層に比べて極めて高い抵抗を有する層であるため、素子駆動時において発熱量の大きなものとなり、すなわち素子内において高温を呈しているものと考えられ、これが熱に弱い活性層、井戸層に悪影響を及ぼし素子寿命を大きく低下させているものと考えられる。一方で、上述したように、キャリアの閉込めを担うｐ側電子閉込め層は、活性層、特に井戸層に近づくほどキャリアの閉込めが効果的になるため、活性層から離れるとその効果が弱まる。
【００５１】
従って、素子寿命の低下を抑えるために、図５、６において、活性層内で最もｐ側電子閉込め層に近い井戸層１ｂからｐ側電子閉込め層２８の距離を少なくとも１００Å以上とすることであり、好ましくは１２０Å以上とすることであり、更に好ましくは１４０Å以上とすることである。なぜなら、井戸層とｐ側電子閉込め層との距離が１００Åより短いと、素子寿命が急激に低下する傾向が観られるためであり、１２０Å以上であると素子寿命の大幅な向上が可能であり、１５０Å以上であると更に素子寿命が向上する傾向にあるが、閾値電流密度は徐々に高くなる傾向が観られ始める。更に、その距離が２００Åより大きくなると、閾値電流密度の明らかな上昇傾向が観られ、４００Åより大きいと閾値電流密度の急激な上昇が起こる傾向にあるため、上記距離の上限としては、４００Å以下、好ましくは２００Å以下とすることである。これは、ｐ側電子閉込め層が井戸層から離れることで、キャリア閉込めの効率が低下し、これが主な原因となって閾値電流密度が上昇し、また発光効率の低下を招くものと考えられる。
【００５２】
本発明のｐ側電子閉込め層には、通常ｐ型不純物がドープされ、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。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。
【００５３】
本発明の窒化物半導体素子では、実施例に示すように、ストライプ状の導波路として、リッジを設けた後、リッジ側面に埋込層となる絶縁膜を形成する。この時、埋込層としては、ここで、第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ２以外の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。更に、埋込層として、半絶縁性、ｉ型の窒化物半導体、リッジ部とは逆の導電型、実施例においてはｎ型の窒化物半導体、電流狭窄層とするにはＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体、等を用いることができる。また、エッチングなどによりリッジを設けずに、Ｂ、Ａｌなどのイオンを注入して、非注入領域をストライプ状として、電流が流れる領域とする構造をとることもできる。この時用いられる窒化物半導体としては、ＩｎxＡｌ1-yＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される窒化物半導体を好ましく用いることができる。
【００５４】
また、リッジ幅としては、１μｍ以上３μｍ以下、好ましくは１．５μｍ以上２μｍ以下とすることで、光ディスクシステムの光源として、優れたスポット形状、ビーム形状のレーザ光が得られる。
【００５５】
（窒化物半導体基板）
本発明では、波長４３０ｎｍ以上での比較的長波長領域での窒化物半導体であることから、活性層内におけるＩｎ混晶比は大きくなる。また、導波路の屈折率を大きくするために第１の窒化物半導体を設けており、Ｉｎを含む層が多くなってしまい、前述の通りＩｎ混晶比が大きくなることによる結晶性の悪化は避けられない。そこで、基板表面の転位密度が１×１０７ｃｍ−２以下の窒化物半導体基板上に素子構造を形成する窒化物半導体層を形成することが好ましい。
転位密度が小さい、すなわち結晶性の良い窒化物半導体基板を得るためには、一般に知られているＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）や、ＭＯＶＰＥを用いたＥＬＯＧ成長を用いる。ＨＶＰＥを用いることによって、窒化物半導体基板表面の転位密度はおおよそ７×１０６ｃｍ−２以下まで小さくすることが可能で、またＥＬＯＧ成長によると、おおよそ２×１０６ｃｍ−２以下まで転位密度を小さくすることが可能である。このＥＬＯＧ成長とは、下地の窒化物半導体上に保護膜を部分的に形成し、その後保護膜の形成面上に窒化物半導体層を選択成長させてなるもので、転位の進行を防止するのに好ましい成長方法である。保護膜としては具体的には酸化ケイ素（ＳｉＯＸ）、窒化ケイ素（ＳｉＸＮＹ）、窒化チタン（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。この保護膜の形成には、例えば蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成膜技術が用いられ、部分的（選択的）な形成にはフォトリソグラフィー技術を用いることができる。保護膜の形状としては、例えばドット、ストライプ、碁盤目状の形状で形成できるが、好ましい形態としてはストライプで形成する。また保護膜のストライプは、保護膜の露出部分（窓部）の幅は１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、最も好ましくは３μｍ以下に、保護膜の幅は１０μｍ以上に調整する。更に結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を得るためには、窓部の幅（ＷＷ）と保護膜の幅（ストライプ幅：ＷＳ）の比ＷＷ／ＷＳを、０．１〜０．５とすることが望ましく、好ましくは０．２〜０．３とする。またこのストライプは、下地の窒化物半導体のＭ軸方向、＜１−１００＞、＜１０−１０＞及び＜０１−１０＞のいずれかのＭ軸方向より０．１°〜０．７°ずれた方向に、さらに好ましくは０．１°〜０．４°ずれた方向に形成すると、窒化物半導体の横方向の成長を促進でき、転位の伝搬を抑制すると共に、表面モフォロジーを良好にするのに好ましい。またＥＬＯＧ成長と同様の効果の方法として、サファイア基板上に一旦ＧａＮを成長させ、このＧａＮにエッチングなどにより凹凸を形成し、更にこの上からＧａＮを成長させる。この方法を用いてもエピタキシャル成長層が形成され、保護膜を形成してＥＬＯＧ成長させた場合とほぼ同様の効果が得られる。このＥＬＯＧ成長によって、窒化物半導体基板を形成した場合、窓部から成長を始めた窒化物半導体が保護膜上に横方向成長していき、転位の進行が抑制されるので、保護膜上における窒化物半導体基板表面の転位密度は必ずしも小さいというものではない。よって、窒化物半導体基板上に形成する素子構造において、特に活性層の発光部は、窒化物半導体基板の窓部（凹部）上に形成するのが好ましい。
【００５６】
ここで、各図について以下に説明する。図２、３は、本発明の一実施形態に係る模式断面図であり、特にレーザ素子構造、発光素子構造において、活性層１２がｎ型層１１とｐ型層１３とで挟み込まれる構造を示すものである。図２は、活性層１２が上部クラッド層３０と下部クラッド層２５で挟まれ、活性層１２と上部クラッド層３０との間に電子閉込め層であるｐ側電子閉込め層２８を有する素子構造を説明するものである。図３，４は、本発明の特徴として、上部、下部クラッド層に挟まれた領域の導波路内に、前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層が設けられ、第１の窒化物半導体層は、ｎ型光ガイド層２６と活性層１２との間、およびｐ型光ガイド層２９と活性層１２との間に設けられ、第２の窒化物半導体層は、ｎ型光ガイド層２６、およびｐ型光ガイド層２９に用いられる。また、図３は、活性層１２の量子井戸構造について図示するもので、障壁層２ａ／井戸層１ａを一対として繰り返し積層され、最後に障壁層２ｃが設けられた構造を有している。図６〜８は、本発明の一実施形態における活性層１２、上部、下部クラッド層で挟まれる領域の導波路構造、及び活性層周辺についての積層構造２０と、その積層構造２０の下に、それに対応したエネルギーバンドギャップ２１を示すものである。
【００５７】
【実施例】
［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、また図６に示す導波路構造について、窒化物半導体を用いたレーザ素子について、説明する。
【００５８】
ここで、本実施例では、ＧａＮ基板を用いているが、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【００５９】
異種基板を用いる場合には、バッファ層（低温成長層）、窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）からなる下地層を介して、素子構造を形成すること、窒化物半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に設ける下地層（成長基板）として、その他に、ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜された層などがある。その他の形態では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜される層でもよい。
【００６０】
（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は、ＳｉＯ2からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）幅５μｍとする。
【００６１】
（バッファ層１０２）  窒化物半導体基板の上に、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。
【００６２】
（ｎ型コンタクト層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４μｍの膜厚で成長させる。ｎ型コンタクト層、若しくはバッファ層などの下地層に、Ａｌを含む窒化物半導体、具体的にはＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）、を用いることで、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒化物半導体に比べて、ＥＬＯＧを用いたことによる結晶性の悪化、特にピットの発生を抑えて、良好な下地層表面を提供できる傾向にあり、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることが好ましい。
【００６３】
（クラック防止層１０４）  次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にして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。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００６４】
（ｎ型クラッド層１０５）  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Ａ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、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ＧａＮ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２００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなる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。
【００６５】
（ｎ型光ガイド層１０６：ｎ側第２の窒化物半導体層３２ｂ）  次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１μｍ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。
【００６６】
（ｎ側第１の窒化物半導体３１ｂ）  次に、図６に示すように、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、ＳｉドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、膜厚５００Åよりなる第１の窒化物半導体層を形成する。
【００６７】
（活性層１０７）  次に、同様の温度で、図６に示すように、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、アンドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープのＩｎ0.32Ｇａ0.68Ｎよりなる井戸層を、障壁層２ａ／井戸層１ａ／障壁層２ｂ／井戸層１ｂ／障壁層２ｃの順に積層する。この時、図６に示すように、障壁層２ａ、２ｂ、２ｃを１３０Åの膜厚で、井戸層１ａ、１ｂを２５Åの膜厚で形成する。活性層１０７は、総膜厚約４４０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００６８】
（ｐ側電子閉込め層１０８）  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。
【００６９】
（ｐ側第１の窒化物半導体３１ａ）  次に、図６に示すように、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用い、ＭｇドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、膜厚５００Åよりなる第１の窒化物半導体層を形成する。
【００７０】
（ｐ型光ガイド層１０９：ｐ側第２の窒化物半導体層３２ａ）  次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００７１】
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、第１の窒化物半導体３１ａ、ｐ型クラッド層１０９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。
【００７２】
（ｐ型クラッド層１１０）  続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍ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。クラッド層１１０は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌXＧａ1-XＮ（０＜X≦１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。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なるので、ショートの発生も低くなる。
【００７３】
（ｐ型コンタクト層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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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ＴｉＯ２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ＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜が設けられる。
【００８１】
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、６５０μｍである。このようにして得られるレーザ素子は、図６に示す積層構造２０、及びバンドギャップエネルギー図となるものである。
【００８２】
得られるレーザ素子は、閾値電流密度２．８ｋＡ／ｃｍ2、波長４４８ｎｍの窒化物半導体素子が得られ、比較例１の光ガイド層をＩｎＧａＮとした場合に比べて、長波長域において、低い閾値電流密度のレーザが得られる。
【００８３】
［実施例２］
実施例１において、ｎ側第１の窒化物半導体３１ｂを除いた他は同様に形成する。  得られるレーザ素子は、比較例１の光ガイド層をＩｎＧａＮとした場合に比べて、長波長域において、低い閾値電流密度のレーザが得られる。また、実施例１と比べて活性層における結晶性が良好となることから、長寿命の窒化物半導体素子が得られる。
【００８４】
［実施例３］
実施例２において、障壁層２のＩｎ混晶比より低い混晶比のアンドープＩｎ0.025Ｇａ0.975Ｎからなるｐ側第１の窒化物半導体層３１ａを５００Åの膜厚で形成する。得られるレーザ素子は、ｐ側第１の窒化物半導体層３１のＩｎ混晶比が実施例１よりも小さいことから、上部、下部クラッド層に挟まれた導波路、本実施例ではｎ型光ガイド層、ｐ型光ガイド層で挟まれる領域、とクラッド層との屈折率差が、実施例１に比べて小さくなるため、閾値電流が大きくなるものの、長波長レーザ素子としてなお優れた特性のものが得られる。
【００８５】
［実施例４］
実施例１において、ｐ側第１の窒化物半導体３１ａを除いた他は同様に形成する。得られるレーザ素子は、比較例１の光ガイド層をＩｎＧａＮとした場合に比べて、長波長域において、低い閾値電流密度のレーザが得られる。また、実施例１と比べて長寿命の窒化物半導体素子が得られる。
【００８６】
図８は、実施例４において、井戸層１のＩｎ混晶比を変化させて、波長４２５〜４５０ｎｍのレーザ素子を作製し、閾値電流密度Ｊｔｈを測定して、閾値電流密度の波長依存性を示すものである。図８から明らかなように、４３０ｎｍ以下の短波長域では、比較例１のようにＩｎＧａＮ単層の上部、下部光ガイド層で活性層を挟む構造を導波路構造に用いる方が、閾値電流密度が低い傾向にあり、４４０ｎｍ付近（４３５ｎｍ〜４４５ｎｍ）で、比較例１と実施例４の閾値電流密度が逆転し、４４０ｎｍ以上の長波長の領域では、実施例４がなだらかな上昇傾向を示すのに対し、比較例１は、急激な上昇傾向が観られることがわかる。実施例４のように、本発明の特徴である第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層とで活性層を挟み込む構造を、導波路内に設けることで、上述したようなＩｎによる光の損失、ｐ型光ガイド層の結晶性の問題を改善でき、長波長域において優れた素子特性の窒化物半導体素子が得られることがわかる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子によれば、長波長域、特に４３０ｎｍ以上において、閾値電流を低く抑えたレーザ素子、および素子特性に優れる端面発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す模式断面図。
【図２】本発明の一実施形態を示す模式断面図。
【図３】本発明の一実施形態を示す模式断面図。
【図４】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図５】本発明の一実施形態における閾値電流密度の井戸層の層数依存性を示す図。
【図６】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図７】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図８】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図９】本発明の一実施形態と従来の実施形態における閾値電流密度の波長依存性を示す図。
【符号の説明】
１・・・井戸層
２・・・障壁層
１１・・・ｎ型窒化物半導体層
１２・・・活性層
１３・・・ｐ型窒化物半導体層
２０・・・積層構造
１０１・・・基板（ＧａＮ基板）
１０２・・・バッファ層
１０３・・・ｎ型コンタクト層
１０４・・・クラック防止層
１０５、２５・・・ｎ型クラッド層、下部クラッド層
１０６、２６・・・ｎ型光ガイド層、下部光ガイド層
１０７、２７・・・活性層
１０８、２８・・・ｐ側電子閉込め層
１０９、２９・・・ｐ型光ガイド層、上部光ガイド層
１１０、３０・・・ｐ型クラッド層、上部クラッド層
１１１・・・ｐ型コンタクト層
１２０・・・ｐ電極
１２１・・・ｎ電極
１２２・・・ｐパッド電極
１２３・・・ｎパッド電極
１３１、３１ａ、３１ｂ・・・第１の窒化物半導体層
３２ａ、３２ｂ・・・第２の窒化物半導体層
１６３・・・第３の保護膜
１６４・・・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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【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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