(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１×１０7／ｃｍ2以下の貫通転位密度を有する窒化物半導体基板上に、または種基板上で２０μｍ以上の厚さを有するｎ型ＡｌwＧａ1-wＮ（０＜ｗ≦１）もしくはｎ型ＧａＮの厚膜上に、
複数の量子井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された発光層と、
前記発光層上に接してｐ型ＡｌＧａＮ層が設けられており、
前記量子井戸層はＩｎyＧａ1-yＮ1-xＰx（０．０１≦ｙ≦０．５、０．００１≦ｘ≦０．１１６）からなりかつ０．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有し、
前記障壁層は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で前記井戸層より大きな厚さを有しかつＩＩＩ族元素中のＩｎ原子比率が８％以下のＩｎＧａＮまたはＧａＮからなり、
前記ｐ型のＡｌＧａＮ層は複数の井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された前記発光層の最上層の障壁層上に接していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層と前記障壁層の少なくとも一方は、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＭｇから選択された少なくとも１種のドーパントが添加されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ドーパントの添加量は１×１０16〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかの項に記載された前記窒化物半導体発光素子を含むことを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光効率の高い窒化物半導体発光素子とこれを利用した光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、窒化物半導体は、発光素子やハイパワー半導体デバイスとして利用または研究されている。窒化物半導体発光素子の場合、その発光層（多重量子井戸構造の発光層ではその井戸層）としては一般にＩｎＧａＮが用いられ、そのＩｎ含有率を変えることによって青色から橙色までの広い色範囲内の発光素子を作製することができる。近年では、その窒化物半導体発光素子の特性を利用して、青色や緑色の発光ダイオードや、青紫色の半導体レーザなどが開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む発光層を気相成長させる場合、その下地となるＧａＮ層に対する格子不整合が大きいことと、ＩｎＧａＮ層は化学的熱平衡状態が不安定であることから、結晶性の良好な発光層を得ることが困難である。特に、井戸層のＩｎ含有率が高くなれば、その成長温度に依存してＩｎＧａＮ結晶がＩｎ成分の高い領域と低い領域とに相分離されやすく、このような相分離が発光素子における色斑の要因となっている。また、Ｉｎ成分の高い領域は非発光領域になりやすく、このことに起因して、発光素子における発光効率の低下が生じやすい。
【０００４】
そこで、本発明では、窒化物半導体からなる量子井戸構造を有する発光層を含む窒化物半導体発光素子において、その発光層の結晶性を改善するとともに相分離を抑制することによって、その発光効率を向上させることを主目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、窒化物半導体発光素子は、１×１０7／ｃｍ2以下の貫通転位密度を有する窒化物半導体基板上に、または種基板上で２０μｍ以上の厚さを有するｎ型ＡｌwＧａ1-wＮ（０＜ｗ≦１）もしくはｎ型ＧａＮの厚膜上に、複数の量子井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された発光層と、前記発光層上に接してｐ型ＡｌＧａＮ層が設けられており、それらの量子井戸層はＩｎyＧａ1-yＮ1-xＰx（０．０１≦ｙ≦０．５、０．００１≦ｘ≦０．１１６）からなりかつ０．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有し、障壁層は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で前記井戸層より大きな厚さを有しかつＩＩＩ族元素中のＩｎ原子比率が８％以下のＩｎＧａＮまたはＧａＮからなり、上記ｐ型のＡｌＧａＮ層は複数の井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された前記発光層の最上層の障壁層上に接していることを特徴としている。
【０００６】
このように、光を発する作用を生じる発光層は量子井戸層と障壁層とを含んでおり、量子井戸層は障壁層に比べて小さなエネルギバンドギャップを有している。
【００１２】
井戸層と障壁層の少なくとも一方は、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＭｇから選択された少なくとも１種のドーパントが添加されていることが好ましい。そのようなドーパントの添加量は、１×１０16〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内にあることが好ましい。
【００１３】
以上のような窒化物半導体発光素子は、光情報読出装置、光情報書込装置、光ピックアップ装置、レーザプリンタ装置、プロジェクタ装置、表示装置、白色光源装置などの種々の光学装置において好ましく用いられ得るものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態のより具体的な例として、種々の実施例が以下において説明される。
【００１５】
一般に、窒化物半導体結晶層を成長させる際には、ＧａＮ、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｓｉ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）などが基板材料として用いられる。ＧａＮ基板と同様に、窒化物半導体からなる他の基板をも用いることもでき、たとえばＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）基板を用いることもできる。窒化物半導体レーザの場合では、垂直横モードの単峰化のためにはクラッド層よりも屈折率の低い層がそのクラッド層の外側に接している必要があり、ＡｌＧａＮ基板を用いることが好ましい。さらに、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ａｓ、またはＢｅが基板にドーピングされてもよい。ｎ型窒化物半導体基板のためには、これらのドーピング剤のうちでＳｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。
【００１６】
以下の実施例においては上述のような基板のうちで主にサファイア基板と窒化物半導体のＣ面｛０００１｝基板について説明されるが、その基板の主面となる面方位としては、Ｃ面のほかに、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、またはＭ面｛１−１００｝を用いてもよい。また、それらの面方位から２度以内のオフ角度を有する基板であれば、その上に成長させられる半導体結晶層の表面モフォロジが良好になる。
【００１７】
結晶層を成長させる方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが一般的に利用される。これらの中でも、作製される窒化物半導体層の結晶性や生産性を考慮すれば、基板としてはＧａＮまたはサファイアを使用し、結晶成長方法としてはＭＯＣＶＤ法を利用するのが最も一般的である。
【００１８】
（実施例１）
以下において、本発明の実施例１による窒化物半導体レーザダイオード素子が説明される。
【００１９】
図１の模式的な断面図に示された実施例１による窒化物半導体レーザダイオード素子は、Ｃ面（０００１）サファイア基板１００、ＧａＮバッファ層１０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層１０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9クラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ型電極１１１、ｐ型電極１１２、およびＳｉＯ2誘電体膜１１３を含んでいる。
【００２０】
図１のレーザダイオード素子を作製する場合、まずＭＯＣＶＤ装置内へサファイア基板１００をセットし、Ｖ族元素のＮ用原料としてのＮＨ3（アンモニア）とＩＩＩ族元素のＧａ用原料としてのＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を利用して、比較的低い５５０℃の基板温度の下でＧａＮバッファ層１０１を２５ｎｍの厚さに成長させる。次に、上記のＮ用とＧａ用の原料に加えてＳｉＨ4（シラン）をも利用して、１０５０℃の温度の下でｎ型ＧａＮコンタクト層１０２（Ｓｉ不純物濃度：１×１０18／ｃｍ3）を３μｍの厚さに成長させる。続いて、基板温度を７００℃ないし８００℃程度に下げ、ＩＩＩ族元素のＩｎ用原料としてＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を利用して、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３を４０ｎｍの厚さに成長させる。再び基板温度を１０５０℃に上げて、ＩＩＩ族元素のＡｌ用原料としてＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を利用して厚さ０．８μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４（Ｓｉ不純物濃度：１×１０18／ｃｍ3）を成長させ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５（Ｓｉ不純物濃度：１×１０18／ｃｍ3）を０．１μｍの厚さに成長させる。
【００２１】
その後、基板温度が８００℃に下げられ、厚さ６ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層の複数と厚さ４ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ0.98Ｐ0.02井戸層の複数とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層１０６を形成する。この実施例では、発光層１０６は障壁層で開始して障壁層で終了する多重量子井戸構造を有し、３層の量子井戸層を含んでいる。これらの障壁層と井戸層の成長の際には、それらの両方が１×１０18／ｃｍ3のＳｉ不純物濃度を有するように、ＳｉＨ4が添加された。なお、障壁層と井戸層の成長の間または井戸層と障壁層の成長の間に、１秒以上で１８０秒以下の成長中断期間を挿入してもよい。こうすることによって、障壁層と井戸層の平坦性が向上し、発光半値幅を小さくすることができる。
【００２２】
一般に、井戸層中におけるＰの含有量は、目的とする発光素子の発光波長に応じて調節することができる。すなわち、井戸層としてＩｎＧａＮＰ系の半導体を用いる場合に、目的とする発光波長を得るためには、Ｉｎの含有割合ｙに応じて、表１に示された数値をＰの含有割合ｘの値として採用すればよい。
【００２３】
【表１】
0004346218.tif 000002
【００２４】
発光層１０６を形成した後には、基板を再び１０５０℃まで昇温して、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層１０７、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９、および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０を順次成長させる。なお、ｐ型不純物としては、ＥｔＣＰ2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）を利用して５×１０19〜２×１０20／ｃｍ3の濃度でＭｇが添加され得る。
【００２５】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０におけるｐ型不純物濃度は、ｐ型電極１１２との接合面に近づくに従って高められることが好ましい。そうすれば、ｐ型電極との間のコンタクト抵抗がより低減され得る。また、ｐ型層内におけるｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げる残留水素を除去するために、ｐ型層の成長中に微量の酸素を混入させてもよい。
【００２６】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の成長後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内の全ガスを窒素キャリアガスとＮＨ3に代えて、６０℃／分の冷却速度で温度を降下させる。基板温度が８００℃に低下した時点でＮＨ3の供給を停止し、その８００℃の基板温度を５分間維持してから室温まで冷却させる。なお、このような一時的な基板の保持温度は６５０℃から９００℃の範囲内であることが好ましく、保持時間は３分から１０分の範囲内であることが好ましい。また、その保持温度から室温までの冷却速度は、３０℃／分以上であることが好ましい。
【００２７】
こうして形成された成長膜の表面をラマン測定によって評価したところ、従来の窒化物半導体膜で利用されているｐ型化アニールを行なわなくても、成長直後において既にｐ型の特性を示していた。また、ｐ型電極１１２を形成したときに、そのコンタクト抵抗も低減していた。なお、従来と同様にｐ型化アニールをも施せば、成長膜中のＭｇの活性化率がさらに向上することはいうまでもない。
【００２８】
次に、ＭＯＣＶＤ装置から取出したエピタキシャルウェハをレーザダイオード素子に加工するプロセスについて説明する。
【００２９】
まず、反応性イオンエッチング装置を用いてｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の一部を露出させ、この露出部分上にＨｆ／Ａｕの順の積層からなるｎ型電極１１１を形成する。このｎ型電極１１１の材料としては、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｌなどの積層を用いることもできる。Ｈｆは、ｎ型電極のコンタクト抵抗を下げるのに有効である。ｐ型電極部分では、サファイア基板１００の＜１−１００＞方向に沿ってストライプ状にエッチングを行ない、ＳｉＯ2誘電体膜１１３を蒸着し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０を露出させ、Ｐｄ／Ａｕの順序の積層を蒸着し、こうして幅２μｍのリッジストライプ状のｐ型電極１１２を形成する。このｐ型電極の材料としては、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｐｔ／ＡｕまたはＰｄ／Ｍｏ／Ａｕなどの積層を用いることもできる。
【００３０】
最後に、劈開またはドライエッチングを利用して、共振器長が５００μｍのファブリ・ペロー共振器を作製する。この共振器長は、一般に３００μｍから１０００μｍの範囲内にあることが好ましい。共振器のミラー端面は、サファイア基板のＭ面と一致するように形成される（図２参照）。劈開とレーザ素子のチップ分割は、図２中の破線２Ａと２Ｂに沿って基板側からスクライバを用いて行なわれる。こうすることによって、レーザ端面の平面性が得られるとともにスクライブによる削り滓がエピタキシャル層の表面に付着しないので、発光素子の歩留りが良好になる。
【００３１】
なお、レーザ共振器の帰還法としては、ファブリ・ペロー型に限られず、一般に知られているＤＦＢ（分布帰還）型、ＤＢＲ（分布ブラグ反射）型なども用い得ることはいうまでもない。
【００３２】
ファブリ・ペロー共振器のミラー端面を形成した後には、そのミラー端面にＳｉＯ2とＴｉＯ2の誘電体膜を交互に蒸着し、７０％の反射率を有する誘電体多層反射膜を形成する。この誘電体多層反射膜としては、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3などの多層膜を用いることもできる。
【００３３】
なお、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の一部を反応性イオンエッチングを用いて露出させたのは、絶縁性のサファイア基板１００が使用されているからである。したがって、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、またはＳｉＣ基板のような導電性を有する基板を使用する場合には、ｎ型ＧａＮ層１０２の一部を露出させる必要はなく、その導電性基板の裏面上にｎ型電極を形成してもよい。
【００３４】
次に、上述のようなレーザダイオードチップをパッケージに実装する方法について述べる。まず、上述のような発光層を含むレーザダイオードがその特性を生かして高密度記録用光ディスクに適した青紫色（波長４１０ｎｍ）の高出力（５０ｍＷ）レーザとして用いられる場合、サファイア基板は熱伝導率が低いので、放熱対策に注意を払わなければならない。たとえば、Ｉｎ半田材を用いて半導体接合を下側にしてチップをパッケージ本体に接続することが好ましい。また、パッケージ本体やヒートシンク部に直接にチップを取付けるのではなくて、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅなどの良好な熱伝導性を有するサブマウントを介して接合させてもよい。
【００３５】
他方、熱伝導率の高いＳｉＣ基板、窒化物半導体基板（たとえばＧａＮ基板）、またはＧａＮ厚膜基板（たとえば図８に示す基板８００の種基板８０１を研削除去したもの）上に前述の発光層を含む窒化物半導体レーザダイオードを作製した場合には、たとえばＩｎ半田材を用いて半導体接合を上側にしてパッケージ本体に接続することが好ましい。この場合にも、パッケージ本体やヒートシンク部に直接チップの基板を取付けるのではなくてＳｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅなどのサブマウントを介して接続してもよい。
【００３６】
以上のようにして、発光層を構成している井戸層にＰを含む窒化物半導体を用いたレーザダイオードを作製することができる。
【００３７】
次に、上述の実施例のレーザダイオードに含まれる発光層１０６に関連してさらに詳細に説明する。
【００３８】
前述ように、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む発光層を気相成長させる場合、その下地となるＧａＮ層に対する格子不整合が大きいことと、ＩｎＧａＮ層は化学的熱平衡状態が不安定であることから、目的とするＩｎ含有率を有する井戸層を作製することが困難である。特に、Ｉｎ含有率が高い場合（井戸層に含まれるＩＩＩ族元素のＧａとＩｎのうちでＩｎの原子比率が約１５％以上の場合）、ＩｎＧａＮ混晶の組成制御が容易でない。すなわち、その混晶の組成比率は結晶成長温度に強く依存し、ＩｎＧａＮ結晶中でＩｎ成分の高い領域と低い領域とに相分離を生じやすい。このような相分離が生じることは、発光波長の半値幅が広くなることを意味し、色斑の原因となる。また、Ｉｎ成分の高い領域は非発光領域になりやすく、発光素子における発光効率の低下や歩留まりの低下の原因となる。
【００３９】
ＩｎＧａＮ結晶の相分離は、Ｉｎ自体の偏析（凝集）効果と、Ｖ族元素のＮがその非常に高い揮発性のために結晶中に取込まれにくいことに起因している。
【００４０】
Ｖ族元素のＮが結晶中に取込まれにくいということは、ＮとＩｎの結合が形成されにくいことを意味する。Ｎと結合できなかったＩｎは、Ｉｎ同士が凝縮し合って（偏析）、Ｉｎ成分の高い領域を形成してしまう。これが相分離である。同様に、ＧａとＮについても、Ｎと結合できなかったＧａが存在するが、ＧａはＩｎと異なりエピ表面をしばらく拡散した後に再蒸発する。したがって、Ｇａ同士の偏析効果はＩｎのそれと比べて極めて小さい。
【００４１】
本発明では、井戸層としてのＩｎＧａＮＰを用いることによって、Ｎに比べて揮発性の低いＶ族元素のＰを容易にＩｎと結合させることができる。なぜならば、ＰはＮに比べてＩｎとの結合力が強く、しかもＮに比べて揮発性が低いために結晶中から抜け出にくいからである。このように、ＩｎとＰとの結合が形成されることによって、Ｉｎ同士が凝縮し合って偏析することを防止する。また、本発明のＩｎＧａＮＰ井戸層は、従来のＩｎＧａＮに比べて、目的発光波長を得るために必要とされるＩｎ含有率を低くすることができる。なぜならば、Ｉｎと同様にＰがエネルギバンドギャップを調節するように作用し得るからである。もちろん、井戸層中におけるＩｎの低い含有率は、Ｉｎ自体の偏析効果を低減するように作用する。さらに、ＩｎＧａＮＰ井戸層においては、Ｐの含有率変化によるエネルギバンドギャップのボウイング効果が非常に大きく、ＩｎＧａＮ結晶に比べて下地のＧａＮ層とのわずかな格子不整合で目的発光波長を得ることができる。このことは、そのような井戸層を含む発光層中の結晶欠陥を減少させ、高い結晶性を有する発光層の実現を可能にする。
【００４２】
本発明による井戸層においてＮの置換元素としてＰを選択した理由は、Ｎに比べて揮発性の低いＶ族元素（たとえば、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなど）のうちで、Ｐが最もＮの原子半径に近いからである。このことによって、窒化物半導体結晶中のＶ族原子の格子位置にＰが容易に組込まれ、その結晶性を損なうことがない。もちろん、井戸層はキャリアが発光再結合を起こす層であるので、障壁層に比べても特に高い結晶性が望まれる。このような結晶性の観点からも、井戸層中においてＮの置換元素としてＰを含有させることは特に好ましい。
【００４３】
また、ＩｎＧａＮＰ井戸層においては従来のＩｎＧａＮ井戸層に比べて電子とホールの有効質量が小さくなるので、ＩｎＧａＮＰ井戸層を含むレーザ素子においては従来に比べてレーザ発振しきい値電流密度を低くすることができる。このことによって、低消費電力かつ高出力で長寿命のレーザ素子を実現することができる。さらに、従来のＩｎＧａＮ井戸層を含む琥珀色発光ダイオードはその井戸層中のＩｎ含有率が高くて信頼性と発光強度の観点から商品化レベルに達していなかったが、本発明によるＩｎＧａＮＰ井戸層は、前述のように従来に比べてＩｎ含有率が低くかつ格子整合性が良好であるので、長波長の色の発光ダイオードにも適している。
【００４４】
次に、発光層に含まれる井戸層と障壁層の好ましい構成およびそれらの成長条件について述べる。
【００４５】
まず、本発明によるＩｎＧａＮＰ井戸層は、６００℃以上９００℃以下のもとで成長させるのが好ましい。また、ＩｎＧａＮ1-xＰx井戸層中のＰの平均含有率ｘは０＜ｘ＜０．５の範囲内にあることが好ましく、０＜ｘ≦０．２の範囲内にあることがさらに好ましい。なぜならば、これらの条件から外れれば、Ｐを含有させることによる井戸層の相分離を抑制する効果よりも、Ｐが含まれたことによる結晶性の悪化が顕著になり始めるからである。
【００４６】
すなわち、井戸層の成長温度が９００℃より高くなれば、井戸層中において揮発性が高いＮの抜けが顕著になり、局所的にＰの含有率ｘが０．５以上になってしまう。Ｐの含有率ｘが高くて０．５≦ｘ≦１の領域はｘが小さい場合の六方晶系ではなくて立方晶系（閃亜鉛鉱構造）に属するので、同じ井戸層中に異なる結晶系が混在してその井戸層の結晶性が悪化することになる。このようなことから、井戸層が９００℃以下の温度のもとで成長させられる場合であっても、それに含まれるＰの平均含有率ｘは０．５未満であることが望まれる。なお、以後において、異なる結晶系（六方晶系と立方晶系）が混在する状態を結晶系分離と呼ぶことにする。一方、井戸層の成長温度が６００℃より低くなれば、井戸層の結晶性が低下するため好ましくない。
【００４７】
ＩｎＧａＮＰ井戸層の厚さについては、上記の成長条件の範囲内であれば従来のＩｎＧａＮ層に比べて厚く成長させても結晶欠陥が生じにくく、Ｉｎの含有率にも依存するが３００ｎｍ程度の厚さまで成長させることが可能である。しかしながら、量子井戸効果を利用する発光素子の観点からは、ＩｎＧａＮＰ井戸層の厚さは２０ｎｍ以下であることが好ましい。他方、井戸層は、０．４ｎｍ未満の厚さになれば発光作用を生じなくなるので、それ以上の厚さを有することが必要である。
【００４８】
上述の好ましいＩｎＧａＮ1-xＰx（０＜ｘ≦０．２）井戸層に対して最も好ましい障壁層は、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれをも含まない窒化物半導体障壁層である。これは、以下のような理由による。
【００４９】
上述のように、適正な条件のもとでＩｎＧａＮ1-xＰx（０＜ｘ≦０．２）井戸層を堆積すれば、その結晶成長の際に結晶系分離が生じることを防止し得る。しかしながら、発光素子を作製するためには発光層の堆積後にｐ型層を堆積しなければならず、このｐ型層の成長温度は少なくとも１０００℃以上の高温にしなければならない。したがって、井戸層中のＰの含有量にもよるが、井戸層がその成長中に結晶系分離を起こしていなくても、ｐ型層の高温成長の際に結晶系分離を生じることがある。この結晶系分離が井戸層と障壁層との界面で生じた場合、その井戸層に接する障壁層へその結晶系分離の影響が伝播する。この影響が強い場合にはその伝播が発光層全体に広がり、多重量子井戸構造の形成が困難になる。ところが、障壁層自体がＡｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれをも含有していない場合には、結晶系分離を生じた井戸層にその障壁層が接していても、障壁層全体が異なる結晶系（立方晶系）に相転移することはなく、六方晶系を維持することができる。したがって、そのような障壁層は結晶系分離の影響が他の層に伝播することを防止するように作用し、多重量子井戸構造を支障なく作製することが可能になる。
【００５０】
Ａｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれをも含まない窒化物半導体障壁層としては、たとえば、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＡｌＧａＮなどを用いることができる。障壁層がＡｌＧａＮを含む場合、ＡｌはＶ族元素との結合力が強いので、高い成長温度のもとでもその障壁層が安定であって結晶系分離の伝播を防止することができる。ただし、ＡｌＧａＮは、高温で成長しなければ結晶性が良くないため、井戸層の適正成長温度との関連から９００℃で成長することが好ましい。他方、ＧａＮ障壁層は、Ｉｎを含まないので、もともと相分離および結晶系分離とは無縁であるため好ましい。ただし、ＧａＮは高温で成長しなければ結晶性が良くないため、井戸層の適正成長温度との関連から９００℃で成長することが好ましい。
【００５１】
ＩｎＧａＮ障壁層については、Ｉｎを含有することによってその成長温度を井戸層と同程度（６００℃〜９００℃）まで低くすることができる。したがって、発光層の結晶成長中に井戸層が結晶系分離を生じる高温にされることがなく、障壁層の結晶性も良好になる。なお、このＩｎＧａＮ障壁層におけるＩＩＩ族元素のうちでＩｎの原子比率は１５％未満であることが望まれる。さらに好ましくは、８％以下である。このようなＩｎの含有率であれば、上述のようなＩｎＧａＮ層中の相分離（Ｉｎ成分の高い領域と低い領域に分離すること）が生じない。
【００５２】
ＩｎＡｌＧａＮ障壁層は、Ａｌを含有しているため上記ＡｌＧａＮと同様の特性を有する。しかも、Ｉｎも含有されているため、井戸層と同程度（６００℃〜９００℃）の成長温度で作製できる。したがって、井戸層が結晶成長中に、結晶系分離を生じることなく、かつ障壁層の結晶性も良好であるため好ましい。
【００５３】
他方、窒化物半導体障壁層がＡｓ、Ｐ、またはＳｂの少なくともいずれかを含有する場合には、その障壁層に含まれるＶ族元素のうちでＡｓは原子比率で７％以下、Ｐは１０％以下、そしてＳｂは２％以下であることを要する。なぜならば、上述のように、障壁層がＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含有する場合には結晶系分離の影響を他の層へ伝播させる可能性があり、このような伝播を防止するためにはＡｓ、Ｐ、およびＳｂの含有率を制限しなければならないからである。
【００５４】
このような制限のもとにおいて、障壁層にあえてＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含有させることが好ましい点は、第１に、これらの元素を含有する障壁層はＩｎＧａＮＰ井戸層とほぼ同一の温度で結晶成長させることができるので、発光層全体の結晶性が良好になることである。第２に、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを含有する障壁層は屈折率が大きくなる傾向を有するので、光閉じ込め効率が向上して、レーザ発振しきい値電流密度の低減や光学特性の向上を図り得ることである。
【００５５】
このような障壁層として、たとえばＩｎＧａＮＸ（ＸはＡｓ、Ｐ、およびＳｂから選択された１以上のもの、以下同じ）、ＧａＮＸ、ＡｌＧａＮＸ、ＩｎＡｌＧａＮＸなどが用いられ得る。なお、ＩｎＧａＮＸ障壁層においては、基本的には本発明によるＩｎＧａＮＰ井戸層と同様の効果が得られる。他方、ＡｌＧａＮはその結晶性をよくするためには一般に成長温度を高くしなければならないが、ＡｌＧａＮＸはＡｓ、Ｐ、またはＳｂのいずれかの元素を含んでいるので、その結晶成長温度をＩｎＧａＮＰ井戸層の場合と同様に低くすることができる。
【００５６】
障壁層の厚さについては、それがＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含むか否かに関わらず、１〜２０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。障壁層の厚さが１ｎｍよりも薄いと、井戸層に結晶系分離が生じた場合にその影響を遮蔽することが非常に困難であるため好ましくない。一方、障壁層の厚さが２０ｎｍよりも厚くなると、多重量子井戸構造のエネルギサブバンドを構成するのが困難になるため好ましくない。
【００５７】
また、井戸層と障壁層との層厚の関係については、障壁層の厚さが井戸層の厚さと同じかまたは薄くすることによって多重量子井戸構造のエネルギサブバンドを構成しやすくなるため好ましい。一方、障壁層の厚さが井戸層の厚さと同じかまたは厚くなると井戸層の結晶系分離の影響を遮蔽する効果が大きくなるため好ましい。
【００５８】
発光層の不純物の添加に関しては、本実施例では井戸層と障壁層の両方に不純物としてＳｉＨ4（Ｓｉ）を添加したが、片方の層のみに添加してもよいし、両層ともに添加されなくてもレーザ発振は可能である。しかし、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定によれば、井戸層と障壁層との両方にＳｉＨ4を添加した場合に、添加しない場合に比べてＰＬ発光強度が約１．２倍から１．４倍程度強くなった。このことから、発光ダイオードにおいては、発光層中にＳｉＨ4などの不純物を添加する方が好ましい。
【００５９】
この理由としては、本発明によるＩｎＧａＮＰ井戸層はＰを含むことによって従来のＩｎＧａＮ層中の相分離（Ｉｎ偏析など）による非発光部（Ｉｎ成分の高い領域）の発生を抑制できる代わりに、全くＰを含まないＩｎＧａＮ井戸層に比べて、適度に形成されるべきＩｎの局在準位（量子ドット）が形成されにくくなることが考えられる。このような局在準位はキャリアをトラップする働きを有するので、井戸層中に結晶欠陥が多く存在していても、効率的な発光再結合に寄与することができる。したがって、そのような局在準位が形成されにくいＩｎＧａＮＰ井戸層の発光強度を高めるためには、その結晶性をよくすることが必要である。したがって、Ｓｉなどの不純物を添加することは、ＩｎＧａＮＰ井戸層の結晶成長のための核を形成し、その核を元にして結晶性の良好な井戸層の成長が可能になるので好ましい。本実施例ではＳｉ（ＳｉＨ4）を１×１０18／ｃｍ3の濃度で添加したが、Ｓｉ以外にＯ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇなどを添加しても同様の効果が得られる。また、これらの添加原子の濃度は約１×１０16〜１×１０20／ｃｍ3程度が好ましい。添加濃度が１×１０16／ｃｍ3よりも低いと、前記核形成が十分に行なわれないために結晶性が低下して好ましくない。一方、添加濃度が１×１０20／ｃｍ3よりも高いと、不純物自体を添加したことによる結晶欠陥が増大し始め、結晶性が低下して好ましくない。
【００６０】
一般に、レーザダイオードの場合には、障壁層のみに不純物を添加する変調ドープを行なえば、井戸層内でのキャリア吸収がないためにしきい値電流密度が低下するが、むしろ本発明の井戸層においては不純物を添加した方がレーザのしきい値が低かった。これは、本実施例においては窒化物半導体基板と異なるサファイア基板から出発して結晶成長を進めているので、結晶欠陥が多く（貫通転位密度が約１×１０10／ｃｍ2）、井戸層内での不純物によるキャリア吸収を考慮するよりも不純物を添加して結晶性を向上させた方がレーザしきい値電流密度の低減に有効であったと考えられる。
【００６１】
図３において、発光層（多重量子井戸構造）に含まれる井戸層の数とレーザしきい値電流密度との関係が示されている。すなわち、このグラフの横軸は井戸層の数を表わし、縦軸はしきい値電流密度（ｋＡ／ｃｍ2）を表わしている。また、○印はサファイア基板を用いた場合のレーザしきい値電流密度を表わし、●印はＧａＮ基板を用いた場合を表わしている。図３からわかるように、井戸層数が１０層以下のときにしきい値電流密度が１０ｋＡ／ｃｍ2以下になり、室温連続発振が可能となる。また、発振しきい値電流密度をさらに低減するためには、井戸層数が２層以上で６層以下であることが好ましい。さらに、サファイア基板よりもＧａＮ基板を用いた場合にしきい値電流密度が低くなることがわかる。
【００６２】
ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）を用いた本発明の発光層を有するレーザ素子の方がサファイア基板を用いたそれと比べてしきい値電流密度が低くなったのは、結晶欠陥（特に貫通転位）が減少したことによると考えられる。
【００６３】
発明者らの実験によれば、ＩｎＧａＮＰ井戸層中に添加したＰは、窒化物半導体膜の貫通転位近傍に偏析しやすいことがわかった。このようなＰの偏析は井戸層の結晶性を低下させ、ひいては結晶系分離に発展してしまう。また、結晶系分離が生じてしまうと、多層積層構造を有する多重量子井戸構造の作製も困難になってしまう。したがって、本発明の発光層を有する発光素子の発光効率をさらに向上させるためには、前述の不純物添加の他に、貫通転位密度の低い（貫通転位密度１×１０7／ｃｍ2以下）窒化物半導体基板（たとえばＧａＮ基板）を用いることは特に好ましい。
【００６４】
発光層１０６上には、ｐ型ＡｌＧａＮ遮蔽層１０７とｐ型層１０８がこの順に積層するように設けられている。このｐ型層１０８は、レーザダイオードの場合にはｐ型光ガイド層に対応するが、発光ダイオードの場合にはｐ型クラッド層またはｐ型コンタクト層に対応する。
【００６５】
ＰＬ測定によれば、遮蔽層１０７がない場合とある場合との比較では、遮蔽層がある場合の方が設計発光波長からのシフト量が小さくてＰＬ発光強度も強かった。上述のレーザダイオードの発光層に関連して述べたように、発光層１０６に比べてその上のｐ型層１０８の成長温度は高いので発光層の結晶系分離を促すように作用することがある。しかし、発光層とその上のｐ型層との間に接する界面にＡｌを含有する遮蔽層１０７を設けることによって、発光層の結晶系分離を抑制しかつＰを含有する井戸層１０６からの影響（結晶系分離など）がｐ型層１０８へ伝播することをも防止し得ると考えられる。ＡｌはＶ族元素に対して強い結合力を有していて高い結晶成長温度でもその結合が安定であるので、たとえ発光層からＶ族原子の抜けが生じたとしてもそれが遮断層内部に拡散していくことを防止し得る。特に、多重量子井戸構造を有する発光層１０６が井戸層で開始して井戸層で終了する図４（ｂ）の構造を有する場合に、遮蔽層１０７の効果が顕著に認められた。
【００６６】
以上のことから、遮蔽層１０７は、少なくともＡｌを含有していることが重要である。また、遮蔽層の極性はｐ型であることが好ましい。なぜならば、遮蔽層がｐ型でなければ発光層近傍のｐｎ接合の位置が変化して発光効率が低下するからである。
【００６７】
上述の場合と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮ遮蔽層を発光層１０６とｎ型層１０５との間に接するように設けてもよい。このｎ型層１０５は、レーザダイオードの場合にはｎ型光ガイド層に相当するが、発光ダイオードの場合にはｎ型クラッド層またはｎ型コンタクト層に相当する。そのようなｎ型ＡｌＧａＮ遮蔽層の効果は、ｐ型ＡｌＧａＮ遮蔽層１０７とほぼ同様である。
【００６８】
次に、発光層のバンドギャップ構造に関しては、図６におけるバンドギャップ構造では、光ガイド層と障壁層が同一の窒化物半導体材料であるので、それらのエネルギバンドギャップと屈折率も同じである。したがって、この場合にはサブバンドによる多重量子井戸効果を得にくく、レーザダイオードの場合には利得の減少（しきい値電流密度の増加）を、発光ダイオードの場合には波長の半値幅の増加（色斑の原因）を招きやすい。
【００６９】
そこで、本実施例においては、図４（ａ）に示されているように、光ガイド層に比べて障壁層のエネルギバンドギャップが小さくされる。これによって、図６に示されたバンドギャップ構造と比べてサブバンドによる多重量子井戸効果が得やすくなり、かつ光ガイド層よりも障壁層の屈折率が大きくなって光閉じ込め効果が向上し、垂直横モードの特性（単峰化）が改善される。特に、障壁層がＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含有している場合に、その屈折率が大きくなる傾向が顕著であって好ましい。
【００７０】
上述のように光ガイド層に比べて障壁層のエネルギバンドギャップを小さくする発光層の構成は、図４（ａ）と（ｂ）に示されているように２種類が可能である。すなわち、多重量子井戸構造を有する発光層が障壁層で始まって障壁層で終わる構成と井戸層で始まって井戸層で終わる構成のいずれであってもよい。また、遮蔽層を用いない場合の発光層のバンドギャップ構造は、図５（ａ）と（ｂ）に示された状態になる。
【００７１】
（実施例２）
実施例２では、実施例１で述べられた多重量子井戸構造を有する発光層中の障壁層の窒化物半導体材料が種々に変えられた。これらの障壁層の窒化物半導体材料が表２に示されている。
【００７２】
このような実施例２による発光素子におけるその他の条件は実施例１の場合と同様にされたが、実施例１と同様な効果が得られた。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
（実施例３）
図７に示された実施例３においては、実施例１で用いられたサファイア基板１００の代わりに主面としてＣ面（｛０００１｝面）を有するｎ型ＧａＮ基板７００が用いられた。ＧａＮ基板を用いる場合、ＧａＮバッファ層１０１を省略してｎ型ＧａＮ層１０２を直接ＧａＮ基板上に成長させてもよい。しかし、現在商業的に入手可能なＧａＮ基板はその結晶性や表面モホロジーが十分に良好ではないので、これらの改善のためにＧａＮバッファ層１０１を挿入する方が好ましい。
【００７５】
この実施例３ではｎ型ＧａＮ基板７００を用いているので、ｎ型電極１１１はＧａＮ基板７００の裏面に形成することができる。また、ＧａＮ基板は劈開端面が非常に平滑であるので、共振器長が３００μｍのファブリ・ペロー共振器を低いミラー損失で作製することができる。なお、実施例１の場合と同様に、共振器長は、一般に３００μｍから１０００μｍの範囲内にあることが好ましい。共振器のミラー端面は、ＧａＮ基板７００の｛１−１００｝面に対応するように形成される。また、レーザ素子の劈開とチップ分割は、前述の図２の場合と同様に基板側からスクライバによって行なわれる。さらに、レーザ共振器の帰還手法として、前述のＤＦＢやＴＢＲを用いることももちろん可能であり、さらにミラー端面に実施例１の場合と同様の誘電多層反射膜が形成されてもよいことも言うまでもない。
【００７６】
サファイア基板の代わりにＧａＮ基板を用いることによって、エピタキシャルウェハ中にクラックを生じることなく、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０９の厚さを大きくすることができる。好ましくは、これらのＡｌＧａＮクラッド層の厚さは、０．８〜１．０μｍの範囲内に設定される。これによって、垂直横モードの単峰化と光閉じ込め効率が改善され、レーザ素子の光学特性の向上とレーザしきい値電流密度の低減を図ることができる。
【００７７】
ところで、前述のように本発明による発光層に含まれる井戸層の特性はその井戸層の結晶性（結晶欠陥）に強く依存するので、本実施例におけるようにＧａＮ基板を用いて該井戸層を含む窒化物半導体レーザダイオード素子を作製すれば、その発光層中の結晶欠陥密度（たとえば貫通転位密度）が低減され、サファイア基板が用いられた実施例１に比べてレーザ発振しきい値電流密度が低減する（図３参照）。
【００７８】
なお、本実施例における発光層に関するその他の条件については、実施例１の場合と同様である。ただし、発光層中の不純物濃度に関しては、障壁層中のみに不純物を添加する変調ドープ、または井戸層に３×１０18／ｃｍ3以下の濃度の不純物を添加することによって、レーザしきい値電流密度が実施例１に比べて低減した。これは、前述のように発光層の結晶性がサファイア基板を用いた場合に比べて向上したためであると考えられる。
【００７９】
（実施例４）
実施例４は、実施例１のサファイア基板１００を図８に示された基板８００に置き換えたことを除いて、実施例１または実施例３と同様である。図８の基板８００は、順次積層された種基板８０１、バッファ層８０２、ｎ型ＧａＮ膜８０３、誘電体膜８０４、およびｎ型ＧａＮ厚膜８０５を含んでいる。
【００８０】
このような基板８００の作製においては、まず、種基板８０１上にＭＯＣＶＤ法によって５５０℃の比較的低温でバッファ層８０２を積層する。その上に、１０５０℃の温度においてＳｉをドーピングしながら厚さ１μｍのｎ型ＧａＮ膜８０３が形成される。
【００８１】
ｎ型ＧａＮ膜８０３の形成されたウェハをＭＯＣＶＤ装置から取出し、スパッタ法、ＣＶＤ法、またはＥＢ蒸着法を利用して誘電体膜８０４を厚さ１００ｎｍに形成し、リソグラフィ技術を用いてその誘電体膜８０４が周期的なストライプ状パターンに加工される。これらのストライプはｎ型ＧａＮ膜８０３の＜１−１００＞方向に沿っており、この方向に直交する方向の＜１１−２０＞方向に１０μｍの周期的ピッチと５μｍのストライプ幅とを有している。
【００８２】
次に、ストライプ状に加工された誘電体膜８０４が形成されたウェハがＨＶＰＥ装置内にセットされ、１×１０18／ｃｍ3のＳｉ濃度と３５０μｍの厚さを有するｎ型ＧａＮ厚膜８０５が１１００℃の成長温度において堆積される。
【００８３】
ｎ型ＧａＮ厚膜８０５が形成されたウェハはＨＶＰＥ装置から取出され、その上に実施例１（図１参照）と同様のレーザダイオードが作製された。ただし、この実施例４においては、レーザダイオードのリッジストライプ部分１Ａが図８のライン８１０と８１１の直上に位置しないように作製された。これは、貫通転位密度（すなわち結晶欠陥密度）の少ない部分にレーザ素子を作製するためである。このようにして作製された実施例４のレーザダイオードの特性は、基本的に実施例３の場合と同様であった。
【００８４】
なお、基板８００は、研磨機で種基板８０１を除去した後にレーザダイオード用基板として用いられてもよい。また、基板８００はバッファ層８０２以下のすべての層を研磨機で除去した後にレーザダイオード基板として用いられてもよい。さらに、基板８００は、誘電体膜８０４以下のすべての層を研磨機で除去した後にレーザダイオード用基板として用いられもよい。種基板８０１が除去される場合、実施例３の場合と同様に、その基板の裏面上にｎ型電極１１１を形成することができる。なお、種基板８０１は、レーザダイオードが作製された後に除去することも可能である。
【００８５】
上記の基板８００の作製において、種基板８０１としては、Ｃ面サファイア、Ｍ面サファイア、Ａ面サファイア、Ｒ面サファイア、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、スピネル、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣなどのいずれが用いられてもよい。バッファ層８０２としては、４５０℃から６００℃の比較的低温で成長させられたＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層、またはＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）層のいずれが用いられてもよい。ｎ型ＧａＮ膜８０３の代わりとして、ｎ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）膜が用いられ得る。誘電体膜８０４としては、ＳｉＯ2膜、ＳｉＮx膜、ＴｉＯ2膜、またはＡｌ2Ｏ3膜のいずれが用いられてもよい。ｎ型ＧａＮ厚膜８０５の代わりとして、ｎ型ＡｌwＧａ1-wＮ（０＜ｗ≦１）厚膜であってもよく、その膜厚は２０μｍ以上であればよい。
【００８６】
（実施例５）
実施例５においては、実施例１の光ガイド層の材料が種々変えられた。実施例１ではｎ型光ガイド層１０５とｐ型光ガイド層１０８の両方がＧａＮで形成されていたが、それらのＧａＮ層の窒素原子の一部がＡｓ、Ｐ、またはＳｂのいずれかの元素で置換されてもよい。すなわち、ＧａＮ1-x-y-zＡｓxＰyＳｂz（０≦ｘ≦０．０７、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０２、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）の光ガイド層を用いることができる。
【００８７】
従来のＡｌＧａＮクラッド層／ＧａＮ光ガイド層では、たとえクラッド層中のＡｌ含有量を増大させたとしても、これらの互いの層の屈折率差が小さく、逆に格子不整合が増加してクラックの発生や結晶性の低下を招く。他方、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮＡｓＰＳｂ光ガイド層との組合せの場合、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂによるバンドギャップにおける非常に大きなボウイング効果のために、従来に比べてわずかな格子不整合でエネルギギャップ差が大きくなるとともに屈折率差も大きくなる。このことによって、窒化物半導体レーザダイオード素子においてレーザ光を効率よく閉じ込めることができ、垂直横モード特性（単峰化）が向上する。
【００８８】
ＧａＮ1-x-y-zＡｓxＰyＳｂz（０≦ｘ≦０．０７、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０２、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）光ガイド層における組成比率に関しては、その光ガイド層が発光層中の障壁層に比べてエネルギバンドギャップが大きくなるようにｘ、ｙ、およびｚの組成比を調整すればよい。たとえば、青紫色レーザ（波長４１０ｎｍ）素子中のＧａＮ1-xＡｓx光ガイド層の場合にはＡｓの組成比率ｘが０．０２以下、ＧａＮ1-yＰy光ガイド層の場合にはＰの組成比率ｙが０．０３以下、そしてＧａＮ1-zＳｂz光ガイド層の場合にはＳｂの組成比率ｚが０．０１以下に調整される。なお、この実施例５における発光層に関する他の条件は、実施例１の場合と同様である。
【００８９】
（実施例６）
実施例６は、窒化物半導体発光ダイオード素子に関するものである。図９において、この実施例６の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な縦断面図（ａ）と上面図（ｂ）が示されている。
【００９０】
図９（ａ）の発光ダイオード素子は、Ｃ面（０００１）サファイア基板９００、ＧａＮバッファ層９０１（膜厚３０ｎｍ）、ｎ型ＧａＮ層コンタクト９０２（膜厚３μｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層９０３（膜厚２０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）、発光層９０４、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層９０５（膜厚２０ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度６×１０19／ｃｍ3）、ｐ型ＧａＮコンタクト層９０６（膜厚２００ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度１×１０20／ｃｍ3）、透光性電極９０７、ｐ型電極９０８、ｎ型電極９０９、および誘電体膜９１０を含んでいる。
【００９１】
ただし、このような発光ダイオード素子において、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層９０３は省略されてもよい。また、透光性電極９０７はＮｉまたはＰｄで形成され、ｐ型電極９０８はＡｕで形成され、そしてｎ型電極９０９はＨｆ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｌの積層体で形成され得る。
【００９２】
この実施例の発光層においては、井戸層と障壁層のそれぞれにＳｉＨ4（Ｓｉ不純物濃度５×１０17／ｃｍ3）が添加されている。なお、これらの井戸層と障壁層の窒化物半導体材料については、実施例１と２の場合と同様である。また、サファイア基板９００の代わりにＧａＮ基板を用いた場合は実施例３と同様の効果が得られ、図８に示す基板を用いた場合には実施例４と同様の効果が得られる。さらに、ＧａＮ基板は導電性基板であるので、図９（ｂ）のように発光素子の片面側にｐ型電極９０８とｎ型電極９０９の両方を形成してもよいし、ＧａＮ基板の裏面上にｎ型電極を形成してエピタキシャル最外表面上にｐ型電極を形成してもよい。
【００９３】
なお、この実施例６における発光層９０４に含まれる井戸層と障壁層に関するその他の条件は、実施例１の場合と同様である。
【００９４】
図１０においては、発光ダイオード素子の発光層に含まれる井戸層数と発光強度の関係が示されている。すなわち、このグラフにおいて横軸は井戸層数を表わし、縦軸は発光強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔｓ：規格化された任意単位）を表わしている。すなわち、図１０において、発光ダイオードの発光強度は、従来のＩｎＧａＮ井戸層を用いた場合を基準（破線）にして規格化されて示されている。また、グラフ中の○印はサファイア基板を用いた場合の発光強度を示し、●印はＧａＮ基板を用いた場合の発光強度を示している。このグラフから、発光ダイオードに含まれる井戸層の好ましい数は２層以上で１０層以下であることがわかる。また、サファイア基板よりもＧａＮ基板を用いた場合に発光強度が向上することがわかる。実施例４で説明した基板８００を用いても、図１０のＧａＮ基板を用いたときの結果とほぼ同様であった。ＧａＮ基板（または基板８００）を用いると発光強度が向上する理由については実施例１と同じである。
【００９５】
（実施例７）
実施例７は、窒化物半導体スーパールミネッセントダイオード素子に関するものである。この発光素子における構成や結晶成長方法は実施例１の場合と同様である。なお、サファイア基板の代わりにＧａＮ基板を用いた場合には実施例３と同様の効果が得られ、図８に示された基板を用いた場合には実施例４と同様の効果が得られる。また、発光層に含まれる井戸層数と発光強度との関係については、実施例６の場合と同様である。
【００９６】
（実施例８）
実施例８においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層中の井戸層と障壁層に不純物Ｓｉの代わりに１×１０20／ｃｍ3のＣが添加された。このように、井戸層と障壁層において不純物Ｓｉの代わりにＣを用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００９７】
（実施例９）
実施例９においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層中の井戸層と障壁層に不純物としてＳｉの代わりに１×１０16／ｃｍ3のＭｇが添加された。このように、井戸層と障壁層において不純物としてＳｉの代わりにＭｇを用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００９８】
（実施例１０）
実施例１０においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が３周期のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ0.99Ｐ0.01井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ８ｎｍ）に変更されたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【００９９】
（実施例１１）
実施例１１においては、実施例１、３、４、６、および７の発光層に含まれる井戸層と障壁層は５周期のＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ0.98Ｐ0.02井戸層（厚さ２ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（厚さ４ｎｍ）に変更されたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１００】
（実施例１２）
実施例１２においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が３周期のＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ0.98Ｐ0.02井戸層（厚さ４ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（７ｎｍ）に変更されたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０１】
（実施例１３）
実施例１３においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が１０周期のＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ0.94Ｐ0.06井戸層（厚さ０．４ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（１ｎｍ、Ａｌ濃度５×１０18／ｃｍ3）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０２】
（実施例１４）
実施例１４においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が３周期のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ0.98Ｐ0.02井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｉｎ0.06Ｇａ0.93Ｎ障壁層（厚さ８ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０３】
（実施例１５）
実施例１５においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が２周期のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ0.96Ｐ0.04井戸層（厚さ６ｎｍ）／ＧａＮ0.96Ｐ0.04障壁層（厚さ６ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０４】
（実施例１６）
実施例１６においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が４周期のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ0.98Ｐ0.02井戸層（厚さ３ｎｍ）／ＧａＮ0.99Ａｓ0.01障壁層（厚さ６ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０５】
（実施例１７）
実施例１７においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が６周期のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ0.96Ｐ0.04井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ0.98Ａｓ0.02障壁層（厚さ１０ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０６】
（実施例１８）
実施例１８においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が４周期のＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ0.94Ｐ0.06井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ0.99Ａｓ0.01障壁層（厚さ１０ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０７】
（実施例１９）
実施例１９においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が３周期のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ0.99Ｐ0.01井戸層（厚さ１８ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ0.98Ｐ0.02障壁層（厚さ２０ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０８】
（実施例２０）
実施例２０においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が３周期のＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ0.94Ｐ0.06井戸層（厚さ５ｎｍ）／Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ0.94Ｐ0.06障壁層（厚さ５ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１０９】
（実施例２１）
実施例２１においては、実施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれる井戸層と障壁層が２周期のＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｎ0.96Ｐ0.04井戸層（厚さ６ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（厚さ６ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られた。
【０１１０】
（実施例２２）
実施例２２においては、実施例１から５による窒化物半導体レーザを利用した光学装置が作製された。本発明によるたとえば青紫色（４００〜４１０ｎｍの発光波長）窒化物半導体レーザを利用した光学装置では、従来の窒化物半導体レーザに比べてレーザ発振しきい値電流密度が低くて、レーザ光中の自然放出光が減少してノイズ光も低減する。また、そのようなレーザ素子は高出力（５０ｍＷ）でかつ高温雰囲気中で安定して動作し得るので、高密度記録再生用光ディスクの記録再生用光学装置に適している。
【０１１１】
図１１において、本発明によるレーザ素子１を含む光学装置の一例として、光ピックアップ装置２を含む光ディスク情報記録再生装置が模式的なブロック図で示されている。この光学情報記録再生装置において、レーザ光３は入力情報に応じて光変調器４で変調され、走査ミラー５およびレンズ６を介してディスク７上に記録される。ディスク７は、モータ８によって回転させられる。再生時にはディスク７上のピット配列によって光学的に変調された反射レーザ光がビームスプリッタ９を通して検出器１０で検出され、これによって再生信号が得られる。これらの各要素の動作は、制御回路１１によって制御される。レーザ素子１の出力については、通常は記録時に３０ｍＷであり、再生時には５ｍＷ程度である。
【０１１２】
本発明によるレーザ素子は上述のような光ディスク記録再生装置に利用され得るのみならず、レーザプリンタ、バーコーリーダ、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザダイオードによるプロジェクタなどに利用し得る。
【０１１３】
（実施例２３）
実施例２３においては、実施例６と７による窒化物半導体発光ダイオードが光学装置に利用された。一例として、本発明による発光層を用いた光の三原色（赤色、緑色、青色）による発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードを用いて白色光源を作製することができ、またそれらの三原色を用いたディスプレイを作製することもできた。さらに、４００ｎｍ以下の発光波長を有する本発明の発光ダイオードもしくはスーパールミネッセントダイオードを作製し、蛍光塗料を塗布して白色光源装置としてもよい。特に、窒化物半導体を利用した赤色発光ダイオードは、ＩｎＧａＮ井戸層を用いて作製することが困難であったが、ＩｎＧａＮＰ井戸層を用いることによってそれが容易となる。
【０１１４】
従来の液晶ディスプレイに用いられていたハロゲン光源に代わってこのような本発明による発光素子を利用した白色光源を用いることによって、低消費電力でかつ高輝度のバックライトを得ることができる。すなわち、本発明の発光素子を利用した白色光源は、携帯ノートパソコン、携帯電話などによるマン・マシンインターフェイスの液晶ディスプレイ用バックライトとして利用でき、小型化されかつ高鮮明な液晶ディスプレイを提供することが可能になる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の量子井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層を含む窒化物半導体発光素子において、その量子井戸層をＩｎＧａＮで形成することにより、その発光素子の発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例による窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】  実施例によるレーザ素子のチップ分割を説明するための模式的な上面図である。
【図３】  レーザ素子の井戸層数としきい値電流密度との関係を示すグラフである。
【図４】  実施例による発光素子中のエネルギバンドギャップ構造を模式的に示す図である。
【図５】  実施例による発光素子中のエネルギバンドギャップ構造の他の例を模式的に示す図である。
【図６】  従来の発光素子中のエネルギバンドギャップ構造を模式的に示す図である。
【図７】  実施例として窒化物半導体基板を用いたレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図８】  本発明による発光素子において利用され得る窒化物半導体厚膜基板を示す模式的な断面図である。
【図９】  （ａ）は本発明による発光ダイオード素子の一例を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）のダイオード素子に対応する模式的な上面図である。
【図１０】  本発明による発光ダイオード素子の井戸層数と発光強度との関係を示すグラフである。
【図１１】  本発明による発光素子が用いられた光学装置の一例としての光ディスク記録再生装置を示す模式的なブロック図である。
【符号の説明】
１００，９００  サファイア基板、１０１，９０１  ＧａＮバッファ層、１０２，９０２  ｎ型ＧａＮ層、１０３  ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層、１０４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１０５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０６，９０４  発光層、１０７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層、１０８  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１０９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１０，９０６  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１，９０９  ｎ型電極、１１２  ｐ型電極、１１３  ＳｉＯ2誘電体膜、７００  ｎ型ＧａＮ基板、８００  基板、８０１  種基板、８０２  バッファ層、８０３  ｎ型ＧａＮ膜、８０４，９１０  誘電体膜、８０５  ｎ型ＧａＮ厚膜、９０３  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層、９０５  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層、９０７  透光性電極、９０８  ｐ型電極、１Ａ  リッジストライプ部、２Ａ  劈開面、２Ｂ  チップ分割面、１  レーザ素子、２  光ピックアップ、３  レーザ光、４  光変調器、５  走査ミラー、６  レンズ、７  ディスク、８  モータ、９  ビームスプリッタ、１０  光検出器、１１  制御回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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