JP2002335052A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３７５ｎｍの短波長域において、発光効率に
優れた素子構造のレーザ素子をえる。 【解決手段】 第１導電型の下部クラッド層１３と、第
２導電型の上部クラッド層１４との間に、活性層を有す
る窒化物半導体素子において、前記下部クラッド層、上
部クラッド層の少なくとも一方に、ＡｌとＩｎとを含む
窒化物半導体を有する第１の層２５、３２が設けられて
いることを特徴とする窒化物半導体素子。この構成によ
り、各クラッド層、光ガイド層にＡｌＧａＮを用いた素
子構造において、結晶性悪化、特にクラックの発生層を
抑制できる。また、クラッド層内の第１の層２６、３１
よりも屈折率の小さい第１の層とすることで光の閉込め
に優れた素子とできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオード素子
（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光素
子、スーパーフォトルミネセンスダイオード、太陽電
池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パ
ワーデバイス等の電子デバイスに用いられるＩＩＩ−Ｖ
族窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子に関し、特に
発光波長が３７５ｎｍ以下である窒化物半導体発光素子
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、発光素子は、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レーザ素子、
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】また、窒化物半導体素子、特にレーザ素
子、発光素子においては、３８０ｎｍ以下の波長域での
発光、発振がさらに重要となっている。これは、上述し
た光ディスクシステムにおいては、短波長化により、記
録密度向上が図れ、さらに発光素子においては、蛍光体
の励起光源として重要なものとなり、またそのほかの応
用においても、さらなる短波長化により、多くの用途が
実現される。

【０００５】窒化物半導体のレーザ素子、若しくは発光
素子において、短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混晶比を低くするすると発光波長を短くするこ
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しきい値電流密度の低下に寄
与する。

【０００６】しかしながら、波長が短くなるに従って、
発光層として従来用いられてきたＩｎＧａＮ、もしくは
ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸構造、を用いること
が困難となり、ＧａＮのバンドギャップである波長３６
５ｎｍ以下では、ＩｎＧａＮを発光層に用いることが困
難となる。また、波長が短くなると、すなわち、導波路
内のガイド層で光の吸収による損失が発生し、閾値電流
が高くなる。更に、上部クラッド層、下部クラッド層に
よる光の閉じこめにおいても、ＧａＮを用いることが光
の吸収による損失、及び導波路内に光を閉じこめるため
の屈折率差を確保するために、Ａｌ組成比の大きな窒化
物半導体を用いる必要があり、結晶性悪化の問題が大き
なものとなる。

【０００７】また、このような窒化物半導体素子の短波
長化への試みとして、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの量子井
戸構造を用いるものがあるが、従来のＩｎＧａＮ系に比
して、十分な出力が得られない傾向にある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、ＡｌＧａ
Ｎ、ＡｌＩｎＧａＮ、などを用いたＡｌＧａＮ系の窒化
物半導体素子においては、Ａｌを含む窒化物半導体を用
いることによる結晶性の悪化が大きく、それを抑制しな
ければ、素子特性の低下が著しいものとなる。このた
め、このような結晶性の悪化を抑えることが、素子特性
向上において必須の課題となる。

【０００９】特に、発光波長が３７５ｎｍ以下のレーザ
素子、発光素子において、両クラッド層に挟まれた導波
路内に光を閉じ込めるには、波長換算で、活性層の発光
波長より約１０ｎｍ以上短い波長のバンドギャップエネ
ルギーを有するクラッド層を設ける必要がある。そのた
め、ＧａＮの吸収端以下、及びその近傍の波長域とな
り、Ａｌを含む窒化物半導体を用いることとなるが、そ
れによる結晶性の悪化を抑えて、素子特性に優れた発光
素子、レーザ素子を得ることが必要となる。

【００１０】

【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、本発明では、窒化物半導体素
子、特に、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、などを用いた
ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体素子において、Ａｌを含む
窒化物半導体を用いることによる結晶性の悪化を抑制し
て、素子特性に優れた窒化物半導体素子を得るものであ
り、また発光波長３７５ｎｍ以下の発光素子において優
れた特性の窒化物半導体を得るものである。

【００１１】すなわち本発明の半導体素子は、下記
（１）〜（１３）の構成により本発明の目的を達成する
ことができる。

【００１２】（１） 第１導電型の下部クラッド層と、
第２導電型の上部クラッド層との間に、活性層を有する
窒化物半導体素子において、 前記下部クラッド層、上
部クラッド層の少なくとも一方に、ＡｌとＩｎとを含む
窒化物半導体を有する第１の層が設けられていることを
特徴とする。 （２） 前記活性層の発光波長λが、λ≦３７５ｎｍで
あることを特徴とする。 （３） 前記下部クラッド層、上部クラッド層の少なく
とも一方に、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を有する
第１の層と、第１の層よりもＩｎ混晶比の小さいＡｌを
含む窒化物半導体を有する第２の層と、が設けられてい
ることを特徴とする。 （４） 前記第１の層がＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ
（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）を有し、前記
第２の層がＡｌ_ｕＧａ_１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）を有する
ことを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体素子。 （５） 前記第１の層のＩｎ組成比ｙが、０．０１≦ｙ
≦０．３であることを特徴とする請求項３又は４記載の
窒化物半導体素子。 （６） 前記第２の層が第１の層よりも、活性層の近く
に設けられていることを特徴とする。 （７） 前記第１の層の屈折率ｎ_１と、第２の層の屈折
率ｎ_２とが、ｎ_２≦ｎ_１であることを特徴とする。 （８） 前記第１の層が、組成の異なる超格子多層膜層
で形成されていることを特徴とする。 （９） 前記下部クラッド層と活性層との間、及び前記
上部クラッド層と活性層との間に、それぞれ下部光ガイ
ド層、上部光ガイド層を有することを特徴とする。 （１０） 前記下部光ガイド層、上部光ガイド層が、Ａ
ｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦１）からなることを特徴と
する。 （１１） 前記上部クラッド層が、下部クラッド層のＩ
ｎ組成比より小さいことを特徴とする。 （１２） 前記活性層が、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半
導体を有することを特徴とする。 （１３） 前記活性層が量子井戸構造を有すると共に、
井戸層が、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜
１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）であり、障壁層がＡｌ_ｕ
Ｉｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ
＋ｖ＜１）であることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】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Ｉ
ｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導
体（Ｉｎ_αＡｌ_βＧａ_{１−α−β}Ｎ、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、Ａ
ｓ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。

【００１４】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。

【００１５】本発明の窒化物半導体素子構造としては、
図２に示すように、上部クラッド層１４と下部クラッド
層１３とで、活性層２８を挟み込む構造を有する。ま
た、第１導電型層１１と、第２導電型層１２とで活性層
２８を挟み込む構造であり、第１導電型の下部クラッド
層１３と、第２導電型の上部クラッド層１４との間に活
性層２８が設けられた構造を有する。具体的には、基板
の上に、第１導電型層１１、活性層２８、第２導電型層
１２が積層された構造であり、特に、下部クラッド層１
３、活性層２８、上部クラッド層１４が積層された構造
を有する。また、第１導電型、第２導電型のクラッド層
は、その一部、若しくは全部が、例えばアンドープ、若
しくはノンドープの窒化物半導体で構成されていても良
く、また各導電型層内に配置されたクラッド層の一部に
それと異なる導電型の不純物がドープされていても良
く、すなわち、下部クラッド層、上部クラッド層は少な
くとも、活性層両側に配置された第１導電型層側、第２
導電型層側に設けられるものである。好ましくは、下部
クラッド層、上部クラッド層内の少なくとも一部に、第
１導電型、第２導電型の窒化物半導体が設けられると、
各導電型層内でキャリアが効率よく活性層内に注入され
好ましい。

【００１６】また、レーザ素子、端面発光素子におい
て、この上部、下部クラッド層１２，１３とで挟み込ま
れ、このクラッド層で光閉込め層とし、活性層を含む領
域が、導波路（導波層）となる。この時、図２に示すよ
うに、各クラッド層と活性層との間に、下部光ガイド層
２７、上部光ガイド層３０を設けて、すなわち、導波路
内に光ガイド層を設けて分離閉込め構造としても良い。
以下、本発明の上部クラッド層、下部クラッド層につい
て、詳しく説明する。

【００１７】［第１の実施形態］本発明の第１の実施形
態としては、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４
の少なくとも一方に、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体
を有することである。具体的には、ＡｌとＩｎとを含む
窒化物半導体を有する第１の層が、両クラッド層の一
方、若しくは両方に設けられるものである。従来、窒化
物半導体素子のクラッド層には、ＡｌＧａＮなどのＡｌ
を含む窒化物半導体が用いられ、特にＡｌＧａＮ／Ｇａ
Ｎの多層膜が用いられてきた。これは、ＡｌＧａＮを用
いると、結晶性の悪化、特にクラックの発生が問題とな
り、またＡｌ組成比が大きくなるほどこのような傾向が
大きくなるため、ＧａＮなどのＡｌＧａＮよりも弾性に
富む窒化物半導体を用いることで結晶性を緩和させる緩
衝層として機能させることで解決してきた。例えば、Ａ
ｌＧａＮ／ＧａＮ超格子多層膜構造として、結晶性の悪
化を抑えたクラッド層を形成してきた。しかし、発光波
長が３７５ｎｍ以下の短波長域において、ＧａＮの吸収
端が３６５ｎｍであり、その波長近傍約１０ｎｍである
３７５ｎｍ以下の領域で、ＧａＮによる光の吸収が発生
するため、素子構造内にＧａＮを用いると素子特性の悪
化につながる。

【００１８】本発明では、上記ＡｌとＩｎとを含む窒化
物半導体を、クラッド層内に設けることで、上述したよ
うにＡｌを含む窒化物半導体を用いることによる結晶性
の悪化を抑えることができ、クラックの発生を防止する
ことができる。これは、上述したように、Ｉｎを含む窒
化物半導体は、Ａｌを含む窒化物半導体に比べて、例え
ばＡｌＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとを比較した場合に、柔
らかく弾性に富む材料であり、Ａｌを含む窒化物半導体
によるクラックの発生を抑制する緩衝層として、機能す
る。また、本発明では、Ｉｎに加えてＡｌを含む窒化物
半導体がクラッド層内に設けられることにより、光の吸
収による損失を抑え、発光効率、光取出し効率、電流−
光出力特性におけるスロープ効率などの特性向上を図る
ことが可能となる。これは、光導波路やクラッド層の材
料、光閉込め係数により異なるが、光導波路を有する素
子において、通常クラッド層内への光の分布があり、ク
ラッド層内へ光がしみ出した状態で導波するため、クラ
ッド層における光の損失も発光素子、レーザ素子などの
特性に大きく影響することにある。また、導波路とクラ
ッド層界面において、光は反射されて導波するが、この
時グース・ヘンフェンシフトが発生し、エバネッセント
波がクラッド層内に存在して、クラッド層内に光がしみ
出すことも影響している。

【００１９】このように、従来、ＩｎＧａＮなどのＩｎ
を含む窒化物半導体では、光の吸収による損失が多く発
生する傾向にあるが、本発明のクラッド層においては、
ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体が設けられているため、
ＩｎとＡｌとを同時に含むことで、エネルギーバンドギ
ャップを大きくして光の吸収・損失を抑えることが可能
となる。また、一方では、クラッド層において、Ｉｎと
Ａｌを含む窒化物半導体の組成比を適宜調節すること
で、光の閉込めに寄与する屈折率、クラッド層と導波路
との間に所望の屈折率差を設けることが可能である。以
上、導波路を有する素子について述べたが、ＬＥＤのよ
うな発光素子、導波路を有していない素子においても、
素子構造内における光の損失低減は、光取出し効率向上
など特性向上に寄与するものとなる。

【００２０】上記ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体は、
その組成は特に限定されないが、具体的には、Ａｌ_ｘＩ
ｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（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。この時、Ｉｎ組成比ｙとしては、特に限定さ
れないが、具体的には、０＜ｙ≦０．５の範囲とするこ
とで、Ｉｎを含むことによる結晶性の悪化を抑え、好ま
しくは０．０１≦ｙ≦０．３、更に好ましくは０．０３
≦ｙ≦０．３の範囲とすることである。これは、ｙ≧
０．０１の範囲であることで、上述したＩｎを含む窒化
物半導体による結晶性改善効果、クラック防止効果が得
られ、上記ｙ≧０．０３であることでさらにそれら効果
を良好なものとでき、またｙ≦０．３であることによ
り、Ｉｎを含む窒化物半導体を設けることによる結晶性
の悪化を抑えて好適に第１の層をクラッド層内に設ける
ことが可能となる。ここで、ＩｎとＡｌとを含む窒化物
半導体は、Ｉｎ組成比を大きくすると、Ｉｎの偏析傾向
が大きくなり、良好な結晶性で成長させることが困難と
なる傾向に有るものであり、またＩｎとＡｌとの反応に
より窒化物半導体の成長が阻害される傾向にある。その
ため、ｙ≦０．５とすることでそのような結晶性悪化を
抑えて、Ｉｎの偏析、Ｉｎの析出を防ぎ、さらにまたｙ
≦０．３とすることで良好な結晶性で成長させることが
可能となる。

【００２１】本発明の第１の層の膜厚としては、特に限
定されないが、１０Å以上とすることで、上記結晶性改
善効果が得られる傾向にあり、０．５μｍ以下とするこ
とで、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体を設けることに
よる結晶性の悪化を抑えることができる。好ましくは、
５０Å以上とすることで、上記結晶性改善効果を好適に
得られ、０．２μｍ以下とすることで良好な結晶性で形
成することができる。

【００２２】また、本発明の第１の層は、ＩｎとＡｌと
を含む窒化物半導体からなる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。すなわち、第１
の層が、上記ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体の単一膜
で構成されていても良く、ＩｎとＡｌとを含む窒化物半
導体と、それとは組成の異なるＩｎとＡｌとを含む窒化
物半導体とを少なくとも有する多層膜で構成しても良
い。

【００２３】第１の層を単一膜で形成すると、第１の層
を単一膜で形成すると、その成長において多層膜とする
場合よりも成長時間を短縮できる。また、多層膜で第１
の層を形成すると、組成が異なり、ＡｌとＩｎとを含む
窒化物半導体で構成されるため、各層において異なるバ
ンドギャップエネルギー、屈折率、ドープ量とすること
ができ、素子設計の自由度が向上し、用途に適した素子
特性を得ることができる。具体的には、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ
Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、
ｘ１＋ｙ１＜１）からなるＡ層と、Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇ
ａ_{１−ｘ２−ｙ ２}Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１、ｘ
２＋ｙ２＜１）からなるＢ層とを少なくとも有する多層
膜構造で、この時ｘ１≠ｘ２、ｙ１≠ｙ２、の内、少な
くとも一方の式を満たす構成となる。多層膜で形成され
る場合には、第１の層におけるＩｎの平均組成を上記範
囲とすること、好ましくは各層が上記Ｉｎ組成比の範囲
とすることである。また、各層が超格子構造でない場合
には、上記Ｉｎ組成比の範囲内の窒化物半導体からなる
Ａ層、Ｂ層などの各層を用いることが好ましい。

【００２４】また超格子多層膜で第１の層を設けること
もでき、その場合には上記多層膜と異なり、様々な組成
及び層構成で第１の層を形成できる。例えばＩｎを含む
窒化物半導体とＡｌを含む窒化物半導体とを交互に積層
して、擬似的にＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体の層と
することが可能である。好ましくは、ＩｎとＡｌとを含
む窒化物半導体と、それとは組成の異なる窒化物半導体
と、がそれぞれ１層以上、交互に積層された構造とする
ことで、上記ＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体による光
の損失抑制効果が得られ易い傾向にある。具体的な組成
としては、Ａｌ _ｘ１Ｉｎ_ｙＧａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜
ｘ１＜１、０＜ｙ１＜１、ｘ１＋ｙ１＜１）からなるＡ
層と、Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ
２＜１、０≦ｙ２＜１、ｘ２＋ｙ２＜１）からなるＢ層
とを少なくとも有する超格子多層膜構造とする。この時
ｘ１≠ｘ２、ｙ１≠ｙ２、の内、少なくとも一方の式を
満たす構成とし、更に好ましくはｘ１＞ｘ２、ｙ１＞ｙ
２、の内、少なくとも一方の式を満たす構成となる。こ
の時、超格子構造として具体的には、前記多層膜におけ
るＡ層と、Ｂ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Ａ層とＢ層とを１対として周期的に複数対積層した
構造とする。このように、超格子多層膜構造で第１の層
を形成することで、結晶性良く形成でき、上記単一膜で
第１の層を形成する場合に比べて、第１の層の厚膜化を
図ることができるため、例えば、厚膜の第１の層でもっ
て光閉込めとして良好に機能させることができる。ま
た、ｘ１＞ｘ２、ｙ１＞ｙ２を満たすことで、Ａ層をク
ラック防止として機能させ、Ｂ層を、Ｉｎ組成比及び／
又はＡｌ組成比が小さいことから、Ａ層の結晶性、及び
第１の層の結晶性を良好に保つ効果が得られる。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、１０
０Å以下とすることであり、好ましくは７５Å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５０Å以下とすることで、より良好な結晶性となり、
Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性悪化、クラック発
生を抑制する効果が得られやすい傾向にある。また、第
１の層を、上記Ａ層、Ｂ層からなる超格子多層膜構造と
する場合において、Ｉｎ組成比は、Ａ層の膜厚ｄ_１と
し、Ｂ層の膜厚をｄ_２とした時に、平均組成ｕ_ｍ＝（ｄ
_１×ｕ１＋ｄ_２×ｕ２）／（ｄ_１＋ｄ_２）で得られ、こ
の平均組成ｕ_ｍを、上述したＩｎ組成比の範囲とするこ
とが好ましい。また、超格子多層膜が、Ａ層、Ｂ層以外
の層、例えばＡ層及びＢ層と組成の異なるＣ層、を有す
る場合にも、同様に膜厚で加重平均とできる。

【００２５】また、第１の層において、各導電型の不純
物をドープしても良く、アンドープで形成しても、ノン
ドープで設けられていても良い。例えば、実施例に示す
ように、第１導電型層をｎ型層、第２導電型層をｐ型層
とした素子構造において、下部クラッド層１３、上部ク
ラッド層１４の一部、若しくは全部に、それぞれｎ型不
純物、ｐ型不純物がドープされていても良く、部分的に
アンドープで形成されていても良い。アンドープで成長
させると、ドープする場合に比較して結晶性が良好にな
るため好ましい。またドープ量を膜厚方向に傾斜させた
構成でも良い。更に、上記超格子多層膜構造において
は、Ａ層にドープして、Ｂ層をアンドープとした変調ド
ープとすることも可能であり、変調ドープとすることで
全体にドープするよりも結晶性が良くなり、一方で全体
をアンドープとするよりも、キャリアの移動度に優れ、
クラッド層における抵抗を低くし、素子においてＶｆを
低下させることができる。この時、Ａ層とＢ層とで不純
物濃度が異なる構成で超格子多層膜としても良い。

【００２６】以上説明したように、第１の層は、クラッ
ド層の一部として、上部クラッド層、下部クラッド層の
少なくとも一方に設けるものであり、活性層若しくは発
光層、量子井戸構造においては井戸層よりもバンドギャ
ップエネルギーを大きくすると、キャリア閉込め、光閉
込めとして機能し、また発光波長よりも大きなバンドギ
ャップエネルギーとなり、第１の層による光の損失を回
避できる。また、後述する実施例などのように、ＡｌＧ
ａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体を、キャリア閉込め
層、活性層（障壁層）、ガイド層、コンタクト層、若し
くは第１の層以外のクラッド層に用いられ、これらＡｌ
を含む窒化物半導体の層の上部、下部、若しくはそれら
の間に、第２の層を設けることで、素子特性に深刻な影
響を及ぼす結晶性悪化を緩和させることが可能となる。

【００２７】［第２の実施形態］本発明の第２の実施形
態としては、下部クラッド層１３、上部クラッド層１４
の少なくとも一方に、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体
を有する第１の層と、第１の層よりもＩｎ混晶比の小さ
いＡｌを含む窒化物半導体を有する第２の層と、が設け
られていることを特徴とする。この構成により、クラッ
ド層内で、第１の層と第２の層とで、異なる機能を設け
ることができる。これは、Ｉｎ組成比の大きな第１の層
でもって、上述した結晶性を改善させ、Ｉｎ組成比の小
さい第２の層でもって、光閉込め、キャリア閉込めを担
うものとできる。

【００２８】特に、レーザ素子のように、下部クラッド
層、上部クラッド層との間に、導波路を有する素子にお
いては、クラッド層への光のしみ出して、クラッド層内
で光の損失が発生するが、本実施形態では、Ｉｎ組成比
の小さい第２の層を有することで、第１の層に比べて、
Ｉｎによる光の損失を低減させることが可能となる。

【００２９】ここで、第２の層に用いられるＡｌを含む
窒化物半導体としては、第１の層に用いられるＡｌとＩ
ｎとを含む窒化物半導体のＩｎ組成比ｙよりも、Ｉｎ組
成比の小さいものである。具体的には、第２の層に用い
られるＡｌを含む窒化物半導体のＩｎ組成比ｖである
と、第１の層中の窒化物半導体のＩｎ組成比ｙと比較し
て、ｙ＞ｖであり、またｖは、ｖ≧０である。具体的な
組成としては、Ａｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ
＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）で表される窒化物半導
体を第２の層に用いることであり、好ましくは、Ｉｎ組
成比ｖ＝０のＡｌ _ｕＧａ_１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）を用い
ることである。第２の層にＡｌ_ｕＧａ_{１− ｕ}Ｎ（０＜ｕ
≦１）を少なくとも有することにより、光の損失を抑え
た良好な光の閉込め、キャリア閉込めが実現され、特に
導波路を有するレーザ素子などにおいては、光の損失を
低くした導波路が形成され、特に上記短波長域において
優れた発光効率、電流−光出力特性の発光素子、レーザ
素子が得られる。

【００３０】この第２の層に用いられるＡｌを含む窒化
物半導体の膜厚としては、特に限定されないが、１０Å
以上とすることで、クラッド層としてキャリア閉込めが
可能となり、上限としては２μｍ以下とすることで結晶
性の悪化を抑えることができる。好ましくは、１００Å
以上１μｍ以下の範囲とすることで、結晶性に優れ、ク
ラッド層として、また光閉込めとして良好に機能する第
２の層が得られる。また、第２の層は、Ａｌを含む窒化
物半導体の単一膜で構成されていても良く、多層膜で構
成されても良く、特に多層膜において超格子多層膜とし
ても良い。

【００３１】この時、上述したように、第１の層及び第
２の層は、下部クラッド層、上部クラッド層の内、少な
くとも一方に設けられるものである。具体的には、図
２、３に示すように、下部クラッド層１３、上部クラッ
ド層１４共に、第１の層２５，３２、第２の層２６，３
１を有するものであっても良く、図４に示すように、一
方にのみ第１の層２５及び第２の層を設けても良く、図
４では下部クラッド層１３に第１の層２５、第２の層２
６を設け、上部クラッド層１４は第２の層だけで構成さ
れている。

【００３２】第１の層と第２の層とを有するクラッド層
において、図３，４に示すように第１の層が第２の層よ
りもバンドギャップエネルギーが大きくなるようにして
も良く、図５に示すように小さくしても良い。

【００３３】［第３の実施形態］本発明の第３の実施形
態としては、第２の層が第１の層よりも、活性層の近く
に設けられていることを特徴とする。具体的には、図２
〜５に示すように、各クラッド層１３、１４において、
第２の層が第１の層よりも活性層の近く、すなわち活性
層側に設けられ、第１の層と活性層との間に第２の層が
設けられる。従って、下部クラッド層１３、上部クラッ
ド層１４との間に活性層有する素子構造において、第２
の層は活性層側、すなわち内側に配置され、第２の層は
活性層の外側に配置された構造となる。この場合、例え
ばこれとは逆に、図６に示すように第１の層を活性層側
に配置する場合に比べて、第１の層による光の損失を低
く抑え、高出力、良好な発光効率の発光素子、レーザ素
子が得られる。これは、第１の層と活性層との間に第２
の層が設けられること、すなわち第１の層が活性層から
離間して配置されることで、クラッド層に挟まれて導波
路が設けられるレーザ素子などにおいて、第１の層に分
布する光強度を小さくできることから、それによる光の
損失も小さくでき、特性向上を図ることができる。この
時、図３に示すように、第１の層を第２の層のバンドギ
ャップエネルギーとほぼ同じか、大きくなるようにする
ことで、良好なキャリア閉込めが実現される。

【００３４】［第４の実施形態］本発明の第４の実施形
態としては、第１の層の屈折率ｎ_１と、第２の層の屈折
率ｎ_２と、ｎ_２≦ｎ_１であることを特徴とする。この構
成では、図２（ｂ）に示すように、クラッド層１３，１
４において、活性層に近い第２の層２６，３１の屈折率
が大きく、活性層から遠い第１の層１５，３２の屈折率
が小さくなり、クラッド層内において、活性層に近づく
に従って屈折率が大きくなる構造とできる。これによ
り、活性層からの距離が遠くなるに従って屈折率が小さ
くなるクラッド層であるため、上部、下部クラッド層１
４，１３で挟まれた導波路に、効率的に光が閉じ込めら
れ、そのことにより良好な光の導波が実現され、また、
クラッド層外部へ漏れる光を少なくする構造とできる。

【００３５】第１の層は、上述したように、ＩｎとＡｌ
を含む窒化物半導体を有することから、Alの組成比を調
節することで、第２の層とほぼ同じか、若しくはそれよ
りも屈折率の小さい層とできる。従来、ｎ型の下部クラ
ッド層と基板との間に、ＩｎＧａＮ層が用いられてきた
が、この層によりクラッド層から漏れだした光が基板側
を導波するものとなり、レーザ素子の光学特性を悪化さ
せてきた。本発明では、第１の層の屈折率を第２の層よ
りも小さくして、更に第２の層よりも活性層から遠くに
第１の層を配置することで、基板側への光の漏れを抑え
ることができる。

【００３６】以下、各実施形態における下部クラッド層
１３、上部クラッド層１４について詳しく説明する。

【００３７】本発明において、図２〜６に示すように、
下部クラッド層１３、上部クラッド層１４の少なくとも
一方に、第２の層２５，３２を有するものである。下部
クラッド層１３、上部クラッド層１４の組成は、図３〜
６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、またレーザ素子、端面発光素子のように導
波路として、下部光ガイド層２７，上部光ガイド層３０
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。こ
こで、図３は、本発明の素子構造における積層構造４
０、及びそれに対応するバンド構造４１を模式的に示す
ものであり、図４〜６は、バンド構造４１を示すもので
ある。

【００３８】クラッド層に用いられる窒化物半導体とし
ては、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒化物半導体を用い
ることも可能であるが、好ましくはＡｌを含む窒化物半
導体が用いられ、具体的にはＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ
_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ、０＜ｂ、ａ＋ｂ≦１）で表され
る窒化物半導体が用いることで、良好なキャリア閉込
め、光閉込めが実現される。好ましくは、下部クラッド
層１３、上部クラッド層１４に、少なくとも上記第２の
層を有することであり、更に好ましくは、Ｉｎ組成比ｖ
＝０のＡｌ_ｕＧａ_１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）を有する第２
の層を用いることである。これは、上記第２の実施形態
で説明したように、第２の層のＩｎ組成比を第１の層の
Ｉｎ組成比より小さくすること、好ましくはＩｎを含ま
ない第２の層とすることで、Ｉｎを含むことによる光損
失を抑制できるためである。レーザ素子、端面発光素子
等のように導波路を上部、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、Ａｌ_ｕＧａ
_１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）が好ましく用いられ、光ガイド
層のＡｌ組成（平均組成）比αとの間で、少なくともα
≦ｕの関係を満たすようにし、好ましくはｕ−α≧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。また、上部クラッド層と下部クラッ
ド層をほぼ同じ組成、層構成、屈折率、膜厚としても良
く、それらが異なるものとすることもでき、更に各クラ
ッド層中の第２の層についても同様である。

【００３９】本発明のクラッド層は、上記第２の層を少
なくとも有することが好ましく、この時、図５に示すよ
うに、第１の層２５，３２を介して第２の層２６，２６
´，３１，３１´をクラッド層内に複数設けても良い。
この時、複数の第２の層を設ける場合には、各第２の層
がほぼ同等な組成、層構成、屈折率で形成されても良
く、これらが異なるものであっても良い。また、第２の
層は、上述したように単一膜で形成しても良く、多層膜
で形成しても良く、また超格子多層膜構造としても良
い。更に、後述する光ガイド層のように、組成傾斜させ
た構造の第２の層、若しくはクラッド層内で組成傾斜さ
せた構造とすることもできる。

【００４０】単一膜で第２の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
に単一膜では、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。更にまた、上記短波長域にお
いて、クラッド層に用いられる第２の層のＡｌ組成比は
大きくなるため、単一膜で形成すると、厚膜とすること
が困難な傾向にあり、光閉込めにおいて十分な閉込めが
困難となる。

【００４１】第２の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、Ａ層と、それ
と異なる組成のＢ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ｕ１のＡ層と、Ａｌ組成比ｕ２（ｕ１≠ｕ２）のＢ
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ｕ１＜ｕ２（０≦ｕ１、ｕ２≦１）とした構成とす
ると、Ａｌ組成比の大きなＡ層で屈折率を小さく、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
Ａ層で、Ｂ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。例えば、Ａ層をＧａＮとして、Ｂ層を
ＡｌＧａＮとすることで、結晶性悪化を防ぎ、特に後述
する超格子多層膜構造において、優れた結晶性で第２の
層を形成することができる。また、Ａ層、Ｂ層を積層
し、Ｂ層と組成の異なるＣ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、Ａ層、
Ｂ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Ａ層、Ｂ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。

【００４２】多層膜構造の第２の層において、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、第２
の層、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、第２の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、結晶性良く第２の層、クラッド層を形成でき
る。この時、超格子構造として具体的には、前記多層膜
におけるＡ層と、Ｂ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Ａ層とＢ層とを１対として複数対積層した
構造とする。好ましくは、Ａ層／Ｂ層が、Ａｌ_ｕ１Ｇａ
_１−ｕ１Ｎ（０≦ｕ１≦１）／Ａｌ_ｕ２Ｇａ_１−ｕ２Ｎ
（０≦ｕ２≦１、ｕ１≠ｕ２）、上記短波長域において
はＡｌ_ｕ１Ｇａ_１−ｕ１Ｎ（０＜ｕ１≦１）／Ａｌ_ｕ２
Ｇａ_１−ｕ２Ｎ（０＜ｕ２≦１、ｕ１≠ｕ２）を用いる
ことで、導波路内に良好に光を閉込め、さらに光のしみ
だしを抑え、光の損失を抑えて、なおかつ超格子構造に
より結晶性の悪化を抑えて厚膜の第２の層、クラッド層
を形成できる。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、１００Å以下とすることであり、好ま
しくは７５Å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５０Å以下とすることで、より
良好な結晶性となり、また膜厚を大きくした第２の層、
クラッド層とすることができる。

【００４３】クラッド層、第１の層には、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、全体にド
ープしても、部分的にドープしても良く、またクラッド
層内でドープ量を変化させる構成でも良い。また、多層
膜の場合にも、例えば前記Ａ層、Ｂ層を有する多層膜
で、両方にドープしても良く、又はＡ層とＢ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Ａ層
／Ｂ層が、Ａｌ_ｕ１Ｇａ_１−ｕ１Ｎ（０≦ｕ１≦１）／
Ａｌ_ｕ２Ｇａ_１−ｕ２Ｎ（０＜ｕ２≦ｕ１、ｕ１＜ｕ
２）の超格子多層膜構造である場合に、Ａｌ組成比の小
さいＢ層に不純物ドープして、Ａ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。

【００４４】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、好ましくは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、導波路を有する素子構造において光閉込め
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。

【００４５】上記第１の実施形態で説明したように、本
発明では下部クラッド層１３、上部クラッド層１４の少
なくとも一方に、例えば図４（ａ）に示すように、上記
第１の層を有するものである。この第１の層は、各クラ
ッド層において、１層だけ設けても良く、Ｉｎ若しくは
Ａｌを含まない窒化物半導体などを介在させて、複数設
けても良い。また、第１の層が設けられたクラッド層
は、第１の層だけで構成されていても良いが、上記第２
の実施形態で説明したように、好ましくは第１の層及び
第２の層を少なくとも有するクラッド層とする。この
時、図４（ｂ）に示すように、第１の層３２と第２の層
３１とがほぼ同等なバンドギャップエネルギーを有する
構成としても良い。このように、第２の層３１とほぼ同
等なバンドギャップエネルギーとすることで、素子構造
において、従来用いられてきたクラッド層とほぼ同様に
扱うことが可能となる。また、図５に示すように、第１
の層が第２の層よりもバンドギャップエネルギーを小さ
くした構成でも良い。

【００４６】また、クラッド層内における第１の層の配
置としては、図５，６に示すように、第２の層２５，３
２よりも活性層２８から遠くに配置した構造であっても
良く、図３，４に示すように、第２の層２５，３２より
も活性層の近くに配置した構造であっても良い。これ
は、上述したように第１の層でもって、ＡｌＧａＮによ
る結晶性悪化、クラックの発生を抑制することが可能と
なるが、この時、ＡｌＧａＮ層の上部、若しくは下部の
いずれに配置されてもこの効果を得ることができる。す
なわち、ＡｌＧａＮ等のＡｌを含む窒化物半導体は、ク
ラッド層若しくは第２の層、又は後述する光ガイド層に
用いられ、第１の層がこれらの層近傍に配置させること
で、光ガイド層２７，３０を有する場合には、光ガイド
層と第２の層との間に第１の層が設けられた構造とな
り、光ガイド層と第２の層の両方に作用して結晶性を改
善させることができる。特に上記短波長域である３７５
ｎｍ以下の発光波長において、光ガイド層はＡｌＧａＮ
などのＡｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられるた
め、上記結晶性改善により優れた素子特性が得られる。
また、光ガイド層を設けない素子であっても、活性層中
にＡｌを含む窒化物半導体が用いられると、活性層と第
２の層との間にある第１の層でもって、上記結晶性改善
効果が、近接する活性層及び第２の層の両方に作用し、
素子特性が向上する。

【００４７】加えて、第３の実施形態で説明したよう
に、クラッド層内において、第１の層を活性層から遠く
に配置して、第２の層を活性層の近く、すなわち、第１
の層と活性層との間に第２の層を配置した構造とするこ
ともできる。この構造では、上述したように、両クラッ
ド層に挟まれた導波路を有する素子構造において、導波
路及びそれを挟む各クラッド層内で、光強度分布が活性
層を中心としてクラッド層内まで広く分布するため、第
１の層を外側に配置することで、光の損失を低減させた
構造とできる。また、第３の実施形態で説明したよう
に、第２の層よりも屈折率の小さい第１の層が、第２の
層よりも活性層から遠くに配置されることで、図２
（ｂ）に示すように、クラッド層１３，１４内におい
て、活性層２８、導波路に近づくに従って、屈折率が大
きくなる構造とでき、導波路内への優れた光の閉込めが
実現される素子構造となる。

【００４８】［第５の実施形態］本発明の第５の実施形
態としては、上部クラッド層、下部クラッド層と活性層
との間に、それぞれ上部光ガイド層、下部光ガイド層と
を有する。具体的には、図２に示すように、第１導電型
層１１内に下部光ガイド層２７、第２導電型層１３内に
上部光ガイド層３０、が少なくとも設けられ、これら下
部、上部光ガイド層２７，３０とで、活性層２８を挟み
込む構造を有し、上部・下部の光ガイド層とその間の活
性層とで導波路を形成する。また、これら光ガイド層の
外側には、クラッド層が設けられ、すなわち、下部クラ
ッド層１３と活性層２８との間に下部光ガイド層２７が
設けられ、上部クラッド層１４と活性層２８との間に上
部光ガイド層３０が設けられた構造となる。更に、後述
するように、これら光ガイド層内若しくは光ガイド層と
活性層との間に、キャリア閉込め層２９を設けることも
できる。

【００４９】本発明の第５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２９と、第
１導電型層１１内の下部光ガイド層２７、第２導電型層
内の上部光ガイド層３０とが、設けられた構造を有し、
特に上述した発光波長が３７５ｎｍ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。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、下部光ガイド層若しくは上部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。

【００５０】本発明の下部光ガイド層２７、上部光ガイ
ド層３０としては、Ａｌを含む窒化物半導体が用いら
れ、また、図３〜６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２８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２８と光ガイド層２７，３０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６に示
すように、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３〜５に示すように、大きくても良
い。光ガイド層の組成として具体的には、Ｉｎ_βＡｌ_α
Ｇａ_{１−α−β}Ｎ（０≦α、０≦β、α＋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。好ましくは、上記短波長域において、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。また、４３０ｎｍ以上の長波長域では、ＩｎＧａ
ＮなどのＩｎを含む窒化物半導体を用いることができ、
それらの間の波長域では、４３０ｎｍ以下では、ＧａＮ
若しくは、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）等の窒化
物半導体を用いることができ、組成の異なるＩｎ_ｘＧａ
_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の多層膜、超格子構造とするこ
とができる。さらに、好ましくはＡｌ_αＧａ_１−αＮ
（０≦α≦１）を用いることで、紫外域から赤色域まで
の波長域において、特に４３０ｎｍ以下においても好ま
しく適用できる導波路となり、上記第１の層と組み合わ
せて用いることで良好な結晶性で素子構造を形成でき
る。特に上記波長３７５ｎｍ以下の短波長域の光を導波
させるには、好ましくはＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦
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、それが損失となって、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αは、活性層の発光の光子エネルギー
Ｅ_ｐ、光ガイド層のバンドギャップエネルギーＥ_ｇに比
べて、０．０５ｅＶ以上大きくなるように（Ｅ_ｇ−Ｅ _ｐ
≧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る。Ａｌ_αＧａ_１−α
Ｎ（０＜α≦１）からなる光ガイド層を用いて、更に上
記第２の層をクラッド層に設けることで、Ａｌを含む窒
化物半導体を用いたガイド層による結晶性の悪化を抑え
た素子構造とできる。

【００５１】また下部光ガイド層２７、上部光ガイド層
３０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に示すように、活性層２８を挟む下部光ガイド
層２７、上部光ガイド層３０の積層構造４０が設けら
れ、そのバンド構造４１は、活性層、若しくは井戸層の
ような発光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Ａｌ_αＧａ_{１ −α}Ｎ
（０≦α≦１）を用いることであり、上記短波長域にお
いてはＡｌ_αＧａ _１−αＮ（０＜α≦１）を用いる。こ
の時、発光波長に応じて、適宜ガイド層のＡｌ組成比を
適宜変更する。

【００５２】下部光ガイド層、上部光ガイド層の膜厚と
しては、特に限定されず、具体的には、１０ｎｍ以上５
μｍ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３００
ｎｍ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、５
０ｎｍ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。また、下部光ガイド層
２７と上部光ガイド層３０とは、ほぼ同じ膜厚で形成さ
れていても良く、異なる膜厚で形成されていても良い。
また、両ガイド層において、層構成、組成、ドープ量な
どを異なるものとしても良く、ほぼ同じとしても良い。
例えば、下部光ガイド層を単一膜とし、上部光ガイド層
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、各光ガイド層で組成が異なるものとする形態
などがある。

【００５３】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、特に短
波長域で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Ａｌ_αＧａ_１−αＮ（０≦α≦１）
を用いることが好ましく、上記短波長域においてはＡｌ
_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦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、光ガイド層２７，３０
に、Ａ層、Ａ層と異なる組成のＢ層、ここで、Ａ層、Ｂ
層は、窒化物半導体からなる。これにより、各ガイド層
内のＡ層とＢ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。

【００５４】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、一方の光ガイド層が、Ａ層と
Ｂ層とを有し、Ｂ層を活性層側に配置して、Ａ層を活性
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Ｂ層のＡｌ組成
比α２を、活性層から遠いＡ層のＡｌ組成比α１よりも
小さくすること、α１＞α２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の屈折率が大き
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、上記第２の層がク
ラッド層に設けられることで、ガイド層にＡｌＧａＮな
どのＡｌを含む窒化物半導体を用いた場合でも、クラッ
クの発生を抑えて、素子構造を形成できる。また、上
記、α１＞α２とは逆に、α１＜α２として、活性層に
近いガイド層（Ｂ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（Ａ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、多層膜の光ガイド層においてα１＞α２
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Ａ層、Ｂ層に限らず、各光ガイド層を３層以
上で構成しても良く、Ａ層とＢ層と交互に複数積層し
た、すなわちＡ層とＢ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。

【００５５】また、本発明の光ガイド層において、図４
に示すように、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ＧＲＩ
Ｎ構造としてもよい。具体的には、Ａｌ組成比α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αが小さくなるように組成傾斜させることで、ＧＲＩ
Ｎ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４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、上記下部光
ガイド層のＡ層／Ｂ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Ａ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Ａ層及びＢ層を共に組成傾斜さ
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。

【００５６】更に、多層膜の光ガイド層において、図５
に示すように、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、光ガイド層におい
て、前記Ａ層と、Ｂ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Ａ層とＢ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、Ａ層／Ｂ層が、Ａｌ_α１
Ｇａ_１−α１Ｎ（０≦α１≦１）／Ａｌ_α２Ｇａ
_１−α２Ｎ（０≦α２≦１、α１≠α２）、上記短波長
域においてはＡｌ_α１Ｇａ_１−α１Ｎ（０＜α１≦１）
／Ａｌ_α２Ｇａ_{１ −α２}Ｎ（０＜α２≦１、α１≠α
２）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。ここで、光ガイ
ド層にＡ層、Ｂ層を用いることについて説明したが、Ａ
層及びＢ層と組成の異なるＣ層など、更に複数の組成の
異なる層で光ガイド層を構成しても良い。

【００５７】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
Ａ層、Ｂ層を有する下部光ガイド層において、両方にド
ープしても良く、又はＡ層とＢ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。例えば上記下部光ガイド層にお
いてＡ層とＢ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Ａ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Ａ層／Ｂ層が、Ａｌ_{α １}Ｇ
ａ_１−α１Ｎ（０≦α１≦１）／Ａｌ_α２Ｇａ_１−α２
Ｎ（０＜α２≦１、α１＜α２）の超格子多層膜構造で
ある光ガイド層において、Ａｌ組成比の小さいＢ層に不
純物ドープして、Ａ層をアンドープとすることで、Ａｌ
組成比の小さいＢ層はＡ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。

【００５８】更に、本発明の光ガイド層の不純物ドープ
について、図６に、ドープ量変化４２として示すよう
に、下部、上部光ガイド層２７，３０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、下部光ガイド層２７と上
部光ガイド層３０とで活性層２８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、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、下部光ガイド
層、上部光ガイド層において、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５×１０^１７／ｃｍ^３以
下とすることである。ここで、上記不純物ドープとは、
下部光ガイド層に第１導電型の不純物ドープ、上部光ガ
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。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とす
ることで光の損失低減が可能となり、さらに好ましくは
１００ｎｍ以下の領域をアンドープ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。

【００５９】［第６の実施形態］本発明の第６の実施形
態としては、上部クラッド層が、下部クラッド層のＩｎ
組成比より小さいことを特徴とする。具体的には、両ク
ラッド層に、上記第１の層が設けられる場合において、
第２の層のＩｎ組成比若しくは平均組成を、上部クラッ
ド層が下部クラッド層よりも小さくなるようにすること
である。この時、両クラッド層に第１の層が設けられる
構造について説明したが、下部クラッド層にのみ第１の
層を設けて、Ｉｎ組成比を上部クラッド層よりも大きく
することもできる。これは、活性層にはＩｎを含む窒化
物半導体が主に用いられ、その活性層の上に上部クラッ
ド層が設けられることから、Ｉｎの分解を防止するため
に成長条件を制限され、下部クラッド層に比較して、第
１の層を結晶性良く成長させることが困難となる傾向に
ある。また、後述の実施例に示すように、第１導電型層
をｎ型層、第２導電型層をｐ型層とした構造において、
上記理由に加えて、第１の層は主にＮ_２雰囲気で形成さ
れるため、さらに結晶性良く成長させることが困難で、
その上、ｐ型化はできるが、抵抗率が大きくなる傾向に
あり、素子のＶｆが上昇する傾向にあり、上部クラッド
層にＩｎを含む窒化物半導体を用いると素子特性の悪化
を招くものとなり易い。このため、好ましくは、上部ク
ラッド層のＩｎ組成比を下部クラッド層よりも小さくす
ることであり、両クラッド層に第１の層が設けられる場
合には上部クラッド層内における、第１の層のＩｎ組成
比を下部クラッド層の第１の層よりも小さくし、更に好
ましくは、第１の層を下部クラッド層だけに設けること
であり、最も好ましくは下部クラッド層に第１の層を設
けて、上部クラッド層には、Ｉｎを含む窒化物半導体を
設けないことである。

【００６０】以下、各実施形態における素子構造につい
て、クラッド層、ガイド層以外の層について説明する。 （活性層）本発明における活性層としては、単一若しく
は複数の発光層を有する活性層、量子井戸構造の活性層
を用いることができる。これらの活性層、若しくは発光
層において、Ｉｎを含む窒化物半導体が好ましく用いら
れ、具体的には、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦
ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化
物半導体を用いることである。例えば、紫外域から赤色
までの発光波長において、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ
≦１）を好ましく用いて、Ｉｎ組成比を変化させること
により、発光波長を変化させることができる。

【００６１】本発明において、好ましくは、量子井戸構
造の活性層を用いることで、高出力の発光素子が得られ
る。また、上記３７５ｎｍ以下の発光波長域において、
好ましい量子井戸構造として、少なくともＩｎと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
化物半導体からなる障壁層を有する。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
とする。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、障壁
層を少なくとも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。

【００６２】以下、量子井戸構造の活性層において、特
に３７５ｎｍ以下の短波長域における発光を成す、井戸
層、障壁層について説明する。

【００６３】（井戸層）本発明における井戸層として
は、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体を用いることが好ま
しく、Ｉｎと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Ｉ
ｎとＡｌを含む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Ｉｎと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、Ｉｎ_αＧａ_１−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。

【００６４】本発明のＩｎと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のバッ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３７５ｎｍ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ＩｎＧａＮの井戸層では、Ｇａ
Ｎ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、Ｉｎと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、一方で
Ｉｎを含有することで、良好な内部量子効率、発光効率
の発光素子、レーザ素子に用いることが可能である。

【００６５】ここで、井戸層に用いられるＩｎとＡｌを
含む窒化物半導体の具体的な組成としては、Ａｌ_ｘＩｎ
_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ
≦１）で表される組成である。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と、構成元素間での反応が発生しや
すくなり、このため、上述したようにに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（ｘ＋ｙ＜１）とする
ことで、この元素同士の反応を防いで、良好な結晶性で
成長させることができる。ここで、Ｉｎ組成比ｙは、
０．０２以上とすることで、上述したように０．０２未
満である場合に比べて、良好な発光効率、内部量子効率
が実現され、更にｙ≧０．０３とすることで、更にその
効率が向上するため、波長３７５ｎｍ以下の井戸層にお
いて優れた特性の発光素子、レーザ素子が得られ好まし
い。また、Ｉｎ組成比ｙの上限としては、特に限定され
ないが、ｙ≦０．１とすることで、Ｉｎを含有すること
による結晶性の悪化を抑え、更に好ましくは、ｙ≦０．
０５とすることで、結晶性を悪化させずに井戸層を形成
でき、多重量子井戸構造のように複数の井戸層を設ける
場合に、各井戸層の結晶性を良好なものとできる。従っ
て、Ｉｎ組成比ｙ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、また、上記ＩｎＡｌＧａＮの４元混
晶において、適用することが好ましい。ここで、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。

【００６６】本発明のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ
（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）からなる井戸
層において、窒化物半導体のＩｎ組成比ｙ、Ａｌ組成比
ｘの変化に対する発振波長、閾値電流密度の関係を図
８、９に示す。図８に示すように、閾値電流密度Ｊ_ｔｈ
では、０．０２付近から下降曲線を示し、０．０３〜
０．０５の範囲付近で極小値をとり、０．０５を超える
領域では、上昇傾向を示す。また、Ａｌ混晶比ｘについ
ては、図８に示すように、ｘ≦０．１の範囲において、
Ａｌ混晶比ｘの増加により上昇傾向にあり、０＜ｘ≦
０．６の範囲で好ましく閾値電流を下げることができ
る。ここで、図９は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ
（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）の井戸層とＡ
ｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ −ｖ}Ｎ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦
１、ｕ＋ｖ＜１）の障壁層において、各特性の傾向を定
性的に示すものであり、ｙ軸は任意の単位である。ここ
で、図８，９に示すＩｎ、Ａｌ混晶比に対する閾値電流
密度Ｊ_ｔｈ、波長λの依存性は、実施例１においてクラ
ッド層、光ガイド層、活性層を次の条件で形成した素子
構造について測定したものである。上部、下部クラッド
層として、膜厚２５ÅのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎと膜厚
２５ÅのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎとを交互に１００
層ずつ積層した超格子多層膜構造（５００Å）とし、こ
の時ｐ側、ｎ側のクラッド層においてドーパントとして
それぞれＭｇ，Ｓｉを超格子層の一方にドープし、上
部、下部光ガイド層として、アンドープのＡｌ_０．０４
Ｇａ_０．９６Ｎを０．１５μｍで形成し、活性層として
Ａｌ_０．１５Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．８４Ｎ（２００Å）
の障壁層、膜厚１００Åの井戸層、Ａｌ_０．１５Ｉｎ
_０．０１Ｇａ_{０．８ ４}Ｎ（４５Å）の障壁層とを積層し
た量子井戸構造とし、図８のＡｌ混晶比ｘ（ｘ＝０．０
３、０．０６、０．０８）の依存性については井戸層を
Ａｌ_ｘＩｎ_{０ ．０４}Ｇａ_{０．９６−ｘ}Ｎとし、図９のＩ
ｎ混晶比ｙ（ｙ＝０．０２、０．０３、０．０４、０．
０７）の依存性については井戸層をＡｌ_０．０３Ｉｎ_ｙ
Ｇａ_{０ ．９７−ｙ}Ｎとする。

【００６７】本発明において、好ましくは、ＡｌとＩｎ
を含む窒化物半導体の井戸層でもって、波長３７５ｎｍ
以下となるバンドギャップエネルギーを設けることであ
り、このため、Ａｌ組成比ｘを０．０２以上とする。ま
た、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長３６
５ｎｍ以下の領域では、ｘを０．０５以上とすること
で、短波長で良好な発光、発振が可能となる。

【００６８】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、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、Ｉｎと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、Ｖ
ｆ、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、２
０ｎｍ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５ｎ
ｍ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。

【００６９】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５×１０^１６／ｃｍ^３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
×１０^１８／ｃｍ^３以下５×１０^１６／ｃｍ^３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。

【００７０】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１×１０
^１８／ｃｍ^３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、レーザ素子においては、１
×１０¹⁸／ｃｍ³以下、好ましくは１×１０^１７／ｃｍ
^３以下とすることである。

【００７１】（障壁層）本発明において、障壁層の組成
としては、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Ａｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ
_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（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とＩｎ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。

【００７２】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、Ａｌ_ｕＩ
ｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋
ｖ＜１）である場合に、Ｉｎ組成比ｖ≦０．３とするこ
とで良好な障壁層となる。これは、井戸層と異なり、発
光層ではないため、Ｉｎ組成比が大きくなることにより
直接的に発光効率に影響しないためである。また、０．
３よりも大きくなると、上記４元混晶において、結晶性
の悪化が大きく、隣接する井戸層の結晶性にも影響を及
ぼすこととなる。更に好ましくは０．１以下とすること
で、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
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、井戸層のＩ
ｎ組成比ｙと障壁層のＩｎ組成比ｖについて、ｙ≧ｖと
することで、ＡｌとＩｎとの反応を井戸層、障壁層とも
に抑えられるため、良好な結晶性で量子井戸構造が形成
される。また、上述したように、障壁層のＩｎ組成比は
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。

【００７３】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、井
戸層に挟まれた障壁層を２層以上とすることであり、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。

【００７４】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
×１０^１６／ｃｍ^３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、５×１０
^１６／ｃｍ^３以上２×１０^１８／ｃｍ^３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ＬＥ
Ｄ及び高出力のＬＤでは、５×１０^１７／ｃｍ^３以上１
×１０^２０／ｃｍ^３以下の範囲、好ましくは１×１０
^１８／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３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型層側に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Ｂ
ｎ（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、たとえば井戸層及び障壁層に
ドープする場合には、ｎ型層から数えてｎ番目の障壁層
Ｂ_ｎ（ｎ＝１，２，３・・・）、ｍ番目の井戸層Ｗ
_ｍ（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。

【００７５】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、両方の導電型不純物がド
ープされることとなり、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
×１０^１６／ｃｍ^３未満となるようにする。

【００７６】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、２０
ｎｍ以下とすることで結晶性が良好なものとなる。

【００７７】本発明の量子井戸構造の活性層において、
好ましい実施形態としては、上記４元混晶のＡｌ_ｘＩｎ
_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ
＜１）からなる井戸層と、４元混晶のＡｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ
_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）
若しくは３元混晶のＡｌ_ｕＧａ_１−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７の活性層２８として示すように、ＩｎＡｌ
ＧａＮの井戸層１を１層以上、ＩｎＡｌＧａＮ若しくは
ＡｌＧａＮの障壁層２を１層以上有することであり、こ
れにより、Ｉｎを含む窒化物半導体の井戸層により、内
部量子効率、発光効率に優れた井戸層となり、さらにＡ
ｌ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、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。

【００７８】（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、４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２９を設けても良い。図に示すように、レー
ザ素子、端面発光素子のように、光ガイド層２７，３
０、クラッド層１３，１４を有する構造の場合には、光
ガイド層２７，３０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４に示すように、第２導電型層１２側に配置されたキ
ャリア閉込め層２９ｂ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２９
ａ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２９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。以下ｐ型層側のキャ
リア閉込め層として、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。

【００７９】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Ａｌ_ｃ
Ｇａ_１−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≦ｃ＜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。

【００８０】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、Ａｌを含まない他の窒化物半導体
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、１
００ｎｍ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り、トンネル効果
によりｐ側からのキャリアが効率的に活性層内に注入さ
れる。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、組成の
異なる多層膜で形成しても良い。

【００８１】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
必要はないが、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。活性
層内部に配置する場合には、障壁層若しくはその一部と
して設けることができ、具体的には、活性層内で各導電
型層に最も近い位置に、すなわち活性層内で最も外側の
層として、配置することで、活性層内部の井戸層内に、
キャリアが効率的に注入される。

【００８２】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
導電型の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５×１０
^１６／ｃｍ^３以上ドープすることで、好ましくは１×１
０^１８／ｃｍ^３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、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、好
ましくは１×１０^１９／ｃｍ^３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、１×１
０^２１／ｃｍ^３以下とすることである。しかし、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。

【００８３】また、ｎ側にｐ型キャリアの閉込め層を設
ける場合には、上記ｐ側電子閉込め層のように、活性層
・障壁層との間に大きなバンドオフセットを設ける必要
はない。これは、素子に電圧を印可すると、電子を閉じ
込めるオフセットが小さくなり、Ａｌ組成比の大きな窒
化物半導体の閉込め層を必要とするが、ホールを閉じ込
めるオフセットは殆ど変化しないため、ｐ側電子閉込め
層ほどＡｌ組成比を高くする必要がない。具体的には、
活性層内で最もｎ側に配置されたｎ側障壁層でもって、
ホールの閉込め層として機能させることができ、特に膜
厚を１０ｎｍ以上とすることで、優れたホール閉込め機
能を有することになる。すなわち、実施例に示すよう
に、ｎ側障壁層２ａは、他の障壁層に比べて、膜厚を大
きくすることで、キャリアを閉込めの機能を好適に引き
出すことができる。これは、多重量子井戸構造におい
て、他の障壁層２ｂ、２ｃは、井戸層に挟まれた構造で
あるため、膜厚を大きくするとキャリアが効率よく井戸
層に注入されるのを妨げる場合が有るためであり、一方
ｎ側障壁層２ａは、井戸層に挟まれずに形成されるた
め、キャリア閉込めの機能を強くすることで、良好な活
性層の構造となる。このｎ側障壁層は、好ましくは活性
層内で最も外側に配置された層であることにより、キャ
リア閉込めが有効に機能し、また膜厚の上限は特に限定
されないが、３０ｎｍ以下とすることであり、多層膜で
形成しても良い。単一量子井戸構造においても同様に、
ｎ側障壁層２ａをキャリア閉込めとして機能させること
で、井戸層内にキャリアを好適に注入できる。

【００８４】本発明の窒化物半導体のレーザ素子、端面
発光素子では、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、を用いることができ、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む
窒化物半導体により屈折率差を設けたり、電流阻止層と
して機能させたりすることで横方向の光の閉込めが実現
され、Ｉｎを含む窒化物半導体により光吸収係数差を設
けて、レーザ素子の光学特性が実現される。。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。

【００８５】また、リッジ幅としては、１μｍ以上３μ
ｍ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。

【００８６】

【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１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。ここでは、第１導電型層としてｎ型の窒化物半
導体を、第２導電型層としてｐ型の窒化物半導体を形成
しているが、本発明はこれに限らず、逆に第１導電型層
をｐ型に、第２導電型層をｎ型とした構造でも良い。

【００８７】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（６
Ｈ、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。ＧａＮ基板の他に、
ＡｌＮ等の窒化物半導体の基板を用いても良い。また、
基板として窒化物半導体基板を用いることができる。

【００８８】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(E
pitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半
導体、横方向成長層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。

【００８９】（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Ｍ
ＯＶＰＥ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（ＮＨ
₃）を用い、ＧａＮよりなる低温成長バッファ層を２０
０Å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（横方向成長層）を形成し、続いて、ＨＶＰＥにより
１００μｍの膜厚のＧａＮを成長させて、異種基板、バ
ッファ層、下地層を除去して、ＧａＮからなる窒化物半
導体基板を得る。

【００９０】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
とすることで、貫通転位を低減できる。具体的には、マ
スク上部のように横方向に成長した領域では貫通転位が
低減され、マスク開口部ではほぼ膜厚成長により成膜さ
れるため、貫通転位に変化なく、これにより、貫通転位
密度の大きい領域と小さい領域とが分布した層となる。
厚膜の窒化物半導体層の形成には、ＨＶＰＥ法が成長速
度を大きくでき好ましく、厚膜をＨＶＰＥで形成する
と、生成された核から核成長したドメインが膜厚方向に
成長するに伴って各ドメインが結合して成膜される３次
元の成長形態となる傾向にあり、このような場合には、
核成長に伴って貫通転位も伝搬するため、上記横方向成
長層による分布した貫通転位が分散される傾向にある。
ＨＶＰＥで成長させる窒化物半導体としては、ＧａＮ、
ＡｌＮを用いると、良好な結晶性でもって厚膜成長がで
きる。

【００９１】続いて、このＧａＮ基板の上に、さらに上
記と同様の横方向成長層を形成して下地層（図示せず）
とする。

【００９２】（バッファ層１０２） 窒化物半導体基板
１０１、下地層の上に、温度を１０５０℃にして、ＴＭ
Ｇ（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、Ａｌ_０．０５Ｇａ
_０．９５Ｎよりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で
成長させる。このＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層
は、ＧａＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッフ
ァ層として機能しピットを低減させることができ、Ａｌ
ＧａＮのｎ側コンタクト層も同様である。

【００９３】具体的には、横方向成長層若しくはそれを
用いて形成した基板がＧａＮである場合に、それよりも
熱膨張係数の小さい窒化物半導体のＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ
（０＜ａ≦１）からなるバッファ層１０２を用いること
で、ピットを低減させることができる。好ましくは、窒
化物半導体の横方向成長層であるＧａＮの上に設ける。
更にバッファ層１０２のＡｌ混晶比ａが、０＜ａ＜０．
３であると、結晶性を良好なものとしてバッファ層を形
成することができる。このバッファ層をｎ側コンタクト
層として形成しても良く、バッファ層１０２を形成した
後、前記バッファ層の組成式で表されるｎ側コンタクト
層を形成して、バッファ層１０２とその上のｎ側コンタ
クト層１０４にもバッファ効果を持たせる形態でも良
い。すなわち、このバッファ層１０２は、横方向成長を
用いた窒化物半導体基板、若しくはその上に形成した横
方向成長層と素子構造との間、又は素子構造中の活性層
と横方向成長層（基板）、若しくはその上に形成した横
方向成長層（基板）との間に設けること、さらに好まし
くは素子構造中の基板側、下部クラッド層と横方向成長
層（基板）との間に、少なくとも１層以上設けること
で、ピットを低減し、素子特性を向上させることができ
る。

【００９４】また、ｎ側コンタクト層をバッファ層とす
る場合には、電極との良好なオーミックコンタクトが得
られるように、ｎ側コンタクト層のＡｌ混晶比ａを０．
１以下とすることが好ましい。この第１の窒化物半導体
層、若しくはその上に形成した横方向成長層の上に設け
るバッファ層は、上述した異種基板上に設けるバッファ
層と同様に３００℃以上９００℃以下の低温で成長させ
ても良く、８００℃以上１２００℃以下の温度で成長さ
せても良く、好ましくは８００℃以上１２００℃以下の
温度で単結晶成長させると、上述したピット低減効果が
得られる傾向にある。このバッファ層は、ｎ型、ｐ型不
純物をドープしても良く、アンドープでも良いが、結晶
性を良好なものとするためにはアンドープで形成するこ
とが好ましい。２層以上のバッファ層を設ける場合に
は、ｎ型、ｐ型不純物濃度、Ａｌ混晶比を変化させて設
けることができる。

【００９５】このように、ＡｌＧａＮ層をバッファ層、
コンタクト層などとして、基板と下部クラッド層との間
に設ける場合には、本発明の第１の層を下部クラッド層
内に、設けることで、ＡｌＧａＮ層によるピット低減効
果、第１の層によるクラック防止効果が得られる。

【００９６】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。ここで、第１導電
型層として、ｎ側コンタクト層１０３〜ｎ側光ガイド１
０６を設け、第２導電型層として、ｐ側電子閉込め層１
０８〜ｐ側コンタクト層１１１を設ける。

【００９７】（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Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ側コンタクト層
１０３を４μｍの膜厚で成長させる。

【００９８】（ｎ側クラッド層［下部クラッド層１
３］）ここでは、ｎ側クラッド層１３として、第１の層
１０４と第２の層１０５を形成する。 ＜第１の層１０４（２５）＞ 次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、
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Ａｌ_０．１４Ｉｎ_０．０６Ｇａ
_０．８Ｎよりなる第１の層１０４を０．０５μｍの膜厚
で成長させる。

【００９９】＜第２の層１０５（２６）＞ 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Ａｌ_０．１２Ｇａ
_０．８８Ｎ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５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＡｌ
_０．０２Ｇａ _０．９８ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で
成長させる。そして、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作
をそれぞれ１２０回繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総
膜厚０．６μｍの多層膜（超格子構造）よりなる第２の
層１０５を成長させる。

【０１００】（ｎ側光ガイド層１０６［下部光ガイド層
２７］） 次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及び
アンモニアを用い、ＳｉドープのＡｌ_０．０３Ｇａ
_０．９７Ｎを膜厚０．１５μｍでｎ側光ガイド層１０６
を形成し、単一膜で光ガイド層を設ける。

【０１０１】（活性層１０７） 次に、温度を８００℃
にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、
ＴＭＧ、ＴＭＡを用い、ＳｉドープのＡｌ_０．１Ｇａ
_０．９Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープのＩｎ
_０．０３Ａｌ_０．０２Ｇａ_{０．９ ５}Ｎよりなる井戸層
を、図３に示すように、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、障壁層２ａを２００Å、障壁層２ｂ，２ｃを４０Å
の膜厚で、井戸層１ａ、１ｂを７０Åの膜厚で形成す
る。活性層１０７は、総膜厚約４２０Åの多重量子井戸
構造（ＭＱＷ）となる。

【０１０２】（ｐ側電子閉込め層１０８（キャリア閉込
め層２９）） 次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭ
Ａ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣ
ｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用
い、Ｍｇを１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．３
Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側電子閉込層１０８を１０ｎｍ
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。

【０１０３】（ｐ側光ガイド層１０９（上部光ガイド層
３０）） 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、ＭｇドープのＡｌ
_０．０３Ｇａ _０．９７Ｎよりなる膜厚０．１５μｍでｐ
側光ガイド層１０９を形成し、単一膜で光ガイド層を設
ける。

【０１０４】このｐ側光ガイド層１０９は、ｐ側電子閉
込め層１０８、ｐ側クラッド層１０９等の隣接層からの
Ｍｇの拡散により、Ｍｇがドープされるため、アンドー
プで形成しても、Ｍｇドープ層とできる。

【０１０５】＜ｐ側クラッド層１１０（上部クラッド層
１４）＞ 続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ
_０．１２Ｇａ_０．８８ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で
成長させ、続いてＣｐ₂Ｍｇを用いて、ＭｇドープＡｌ
_０．０２Ｇａ_０．９８ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で
成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作を１００回
繰り返して総膜厚０．５μｍの超格子多層膜よりなるｐ
側クラッド層１１０を成長させる。ここでは、図４
（ａ）に示すように、ｐ側クラッド層１４として、第２
の層３１のみを形成する。 （ｐ側コンタクト層１１２） 最後に、１０５０℃で、
ｐ側クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０^２０／ｃ
ｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１
１２を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層
１１２はｐ型のＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦
ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で構成することができ、好ま
しくはｐ型不純物をドープしたＧａＮ、若しくはＡｌ組
成比０．３以下のＡｌＧａＮ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、最も好ましくは
ＧａＮとすれば最良のオーミックコンタクトが可能とな
る。コンタクト層１１２は電極を形成する層であるの
で、１×１０^１７／ｃｍ^３以上の高キャリア濃度とする
ことが望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３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、７
００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化す
る。

【０１０６】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側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側コンタクト層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。

【０１０７】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
側コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、Ｐ
ＶＤ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側コ
ンタクト層１１２、およびｐ側クラッド層１１０、ｐ側
光ガイド層１０９の一部をエッチングして、ｐ側光ガイ
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。

【０１０８】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側光ガイド層１０９の上
に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。

【０１０９】第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６０
０℃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。

【０１１０】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側コンタクト層１１２の上に設けられていた第
１の保護膜１６１が除去されて、ｐ側コンタクト層が露
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側光
ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜（埋込層）１
６２が形成される。

【０１１１】このように、ｐ側コンタクト層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側コンタクト層１１２
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
側コンタクト層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。

【０１１２】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。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、（11- 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。バー状にする際に、エッチング端面に挟まれた導波
路領域内で劈開して、得られた劈開面を共振器面として
も良く、導波路領域の外で劈開してエッチング端面を共
振器面としても良く、一方をエッチング端面、他方を劈
開面とした１対の共振器面を形成しても良い。また、上
記エッチング端面の共振面には誘電体多層膜からなる反
射膜が設けられるが、劈開面の共振器面にも、劈開後に
反射膜を設けても良い。バー状のウエハを更に分割する
際にも、窒化物半導体（単体基板）の劈開面を用いるこ
とができ、バー状に劈開したときの劈開面に垂直な窒化
物半導体（ＧａＮ）を六方晶系で近似したＭ面、Ａ面
（｛１０１０｝）で劈開して、チップを取り出しても良
く、また、バー状に劈開する際に、窒化物半導体のＡ面
を用いても良い。

【０１１３】この時、反射膜としては、ＳｉＯ_２、Ｔｉ
Ｏ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ _３、ＭｇＯ、ポリイ
ミドからなる群の少なくとも一種用いることであり、λ
／４ｎ（λは波長、ｎは材料の屈折率）の膜厚で積層し
た多層膜としても良く、１層だけ用いても良く、反射膜
と同時に共振器端面の露出を防ぐ表面保護膜としても機
能させても良い。表面保護膜として機能させるには、λ
／２ｎの膜厚で形成すると良い。また、素子加工工程
で、エッチング端面を形成せずに、すなわち、ｎ電極形
成面（ｎ側コンタクト層）だけを露出させ、一対の劈開
面を共振器面とするレーザ素子としても良い。

【０１１４】得られるレーザ素子は、波長３７０ｎｍで
室温にて連続発振する窒化物半導体素子が得られる。ま
た、光ガイド層、クラッド層にＡｌＧａＮなどのＡｌを
含む窒化物半導体を用いているが、ｎ側クラッド層に第
１の層が設けられることにより、クラックの発生なく素
子構造が形成される。さらに、ｎ側クラッド層におい
て、第１の層は、活性層側に配置された第１の層よりも
屈折率が小さくされているため、良好な光閉じ込めが実
現され、基板側への光の漏れを少なくし、Ｆ．Ｆ．Ｐ．
の良好なレーザ光が得られる。また、ｎ側、ｐ側の光ガ
イド層は、Ａｌの平均組成比が０．０３のＡｌＧａＮで
構成され、上部光ガイド層及び下部光ガイド層のバンド
ギャップエネルギーＥ_ｇと、レーザ光（活性層の発光波
長）の光子エネルギーＥ_ｐとの差、Ｅ_ｇ−Ｅ_ｐが、０．
０５ｅＶ以上となる導波路が形成されている。

【０１１５】本実施例では、下部クラッド層の下にある
コンタクト層において、Ａｌを含む窒化物半導体である
ＡｌＧａＮが用いているが、下部クラッド層内の第１の
層により結晶性を改善でき、クラックの発生を抑制でき
る。また、上部クラッド層とその上のコンタクト層（ｐ
側コンタクト層）についても同様に、Ａｌを含む窒化物
半導体のコンタクト層を用いた場合に、上部クラッド層
として第２の層を設けることで結晶性を改善できる。す
なわち、活性層と、Ａｌを含む窒化物半導体のコンタク
ト層と、の間にある上部、下部クラッド層に、上記第２
の層を設けることで、コンタクト層にＡｌＧａＮなどの
Ａｌを含む窒化物半導体を用いることによる結晶性悪化
を抑止した素子構造とできるものとなる。この時、第１
の層と第２の層において、第２の層のＩｎ混晶比を小さ
くするのと同様に、コンタクト層のＡｌを含む窒化物半
導体においても、第１の層のＩｎ混晶比より小さくする
ことが好ましく、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮとすること
が更に好ましい。

【０１１６】［実施例２］実施例１において、活性層を
以下のように形成する他は、実施例１と同様にしてレー
ザ素子を得る。

【０１１７】（活性層１０７）ＳｉドープのＩｎ
_０．０１Ａｌ_０．１Ｇａ_０．８９Ｎよりなる障壁層、そ
の上に、アンドープのＩｎ_０．０３Ａｌ_０．０２Ｇａ
_０．９５Ｎ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７に示すように、障壁層２ａを２００
Å、障壁層２ｂ，２ｃを４０Åの膜厚で、井戸層１ａ、
１ｂを７０Åの膜厚で形成する。活性層１０７は、総膜
厚約４２０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。

【０１１８】得られるレーザ素子は、実施例１と同様
に、波長３７０ｎｍで室温にて連続発振する窒化物半導
体素子が得られる。

【０１１９】［実施例３］実施例１において、活性層、
光ガイド層、クラッド層を以下のように形成する他は、
実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。

【０１２０】（ｎ側クラッド層（下部クラッド層２
５））ｎ側クラッド層として、第１の層１０４、第２の
層１０５を形成する。 ＜第２の層１０５＞Ａｌ_０．３Ｉｎ_０．０６Ｇａ
_０．６４Ｎよりなる第１の層１０４を０．０５μｍの膜
厚で成長させる。 ＜第１の層１０４＞２５Åの膜厚でアンドープのＡｌ
_０．３Ｇａ_０．７ＮよりなるＡ層と、２５Åの膜厚でＳ
ｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ_０．２Ｇａ
_０．８ＮよりなるＢ層とを、交互に積層する操作をそれ
ぞれ１２０回繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚
０．６μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ側クラッ
ド層１０６を形成する。

【０１２１】（ｎ側光ガイド層１０６（下部光ガイド層
２７）） ＳｉドープＡｌ_０．１Ｇａ _０．９Ｎよりなる
膜厚２５ÅのＡ層、Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．１Ｎからなる
膜厚２５ÅのＢ層を、交互に３０回繰り返して積層し、
超格子多層膜からなる膜厚０．１５μｍのｎ側光ガイド
層１０６で成長させる。

【０１２２】（活性層１０７）ＳｉドープのＡｌ_０．２
Ｇａ_０．８Ｎよりなる障壁層、その上に、アンドープの
Ｉｎ_０．０３Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９５Ｎよりなる井戸
層を、障壁層２ａ／井戸層１ａ／障壁層２ｂ／井戸層１
ｂ／障壁層２ｃの順に積層する。この時、図７に示すよ
うに、障壁層２ａを２００Å、障壁層２ｂ，２ｃを４０
Åの膜厚で、井戸層１ａ、１ｂを７０Åの膜厚で形成す
る。活性層１０７は、総膜厚約４２０Åの多重量子井戸
構造（ＭＱＷ）となる。

【０１２３】（ｐ側光ガイド層１０９（上部光ガイド層
３０））ＭｇドープＡｌ_０．１Ｇａ_{０ ．９}Ｎよりなる膜
厚２５ÅのＡ層と、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる膜
厚２５ÅのＢ層と、を交互に３０回繰り返し積層して、
膜厚０．１５μｍで超格子多層膜構造のｐ側光ガイド層
１０９を成長させる。

【０１２４】（ｐ側クラッド層１１０（上部クラッド層
１４））アンドープＡｌ_０．３Ｇａ_{０ ．７}ＮよりなるＡ
層を２５Åの膜厚で成長させ、ＭｇドープＡｌ_０．１Ｇ
ａ_{０． ９}ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ａ
層、Ｂ層を交互に積層する操作を１００回繰り返して総
膜厚０．５μｍの超格子多層膜よりなるｐ側クラッド層
１１０を成長させる。ここでは、実施例１と同様にｐ側
クラッド層として第２の層を設ける。

【０１２５】得られるレーザ素子は、実施例１よりも短
い波長領域の、波長３５０ｎｍで室温にて連続発振する
窒化物半導体素子が得られる。また、ｎ側、ｐ側の光ガ
イド層は、Ａｌの平均組成比が０．２のＡｌＧａＮで構
成され、上部光ガイド層及び下部光ガイド層のバンドギ
ャップエネルギーＥ_ｇと、レーザ光の光子エネルギーＥ
_ｐとの差、Ｅ_ｐ−Ｅ_ｇが、０．０５ｅＶ以上となる導波
路が形成されている。

【０１２６】［実施例４］実施例１において、図１，３
に示すように、ｐ側クラッド層として、以下の第２の層
３１、第１の層３２を設ける。

【０１２７】（ｐ側クラッド層［上部クラッド層１
４］） ＜第２の層１１０＞アンドープＡｌ_０．１２Ｇａ
_０．８８ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で、Ｍｇドープ
Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８ＮよりなるＢ層を２５Åの膜
厚で成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作を１０
０回繰り返して総膜厚０．５μｍの超格子多層膜よりな
る第２の層１１０を成長させる。 ＜第１の層１１１＞Ａｌ_０．１４Ｉｎ_０．０６Ｇａ
_０．８Ｎよりなる第１の層１１１を０．０５μｍの膜厚
で成長させる。

【０１２８】得られるレーザ素子は、実施例１に比較し
て、両クラッド層に第１の層が設けられることで、ｐ側
層において、クラックの発生を抑えた素子構造とできる
一方で、第１の層１１１が高抵抗の層となり、Ｖｆが実
施例１に比べて大きくなる。

【０１２９】［実施例５］ｎ側クラッド層内の第１の層
１０４として以下に示すように、超格子多層膜構造とす
るほかは実施例１と同様にしてレーザ素子を作製する。 ＜第１の層１０４（２５）＞ Ａｌ_０．２Ｉｎ_０．０３
Ｇａ_０．７７Ｎよりなる膜厚２５ÅのＡ層、Ａｌ
_０．０８Ｉｎ_０．０９Ｇａ_０．８３Ｎよりなる膜厚２５
ÅのＢ層、をそれぞれ交互に１００回積層して、第１の
層１０４を０．５μｍの膜厚で成長させる。このように
して得られる第１の層１０４は、実施例１とほぼ同様な
Ａｌ平均組成、Ｉｎ平均組成の窒化物半導体となるが、
超格子構造とすることにより、実施例１よりも良好な結
晶性で形成でき、更に、実施例１に比較して厚膜の第１
の層が形成されるため、ｐ側に漏れ出る光を抑制し、光
閉込めに優れたレーザ素子となり、基板側から漏れ出た
光によりファーフィールドパターンの悪化を防ぐことが
可能となる。

【０１３０】［実施例６］実施例１において、図４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。

【０１３１】（ｎ側光ガイド層１０６（下部光ガイド層
２７）） Ａｌ_ｘＧａ_１−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．
０５から０．０１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５０ｎｍの領域はアンドープで
形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域（活性層側０．１
μｍの領域）で、Ｓｉドープで形成する。

【０１３２】（ｐ側光ガイド層１０９（上部光ガイド層
３０））Ａｌ_ｘＧａ_１−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、０．０
１から０．０５へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜さ
せた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０．１μｍ（活性層側０．１μｍ
の領域）はアンドープで形成し、残りの膜厚５０ｎｍの
領域ではＭｇドープで形成する。

【０１３３】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４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。

【０１３４】［実施例７］実施例６において、図４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。

【０１３５】（ｎ側光ガイド層１０６（下部光ガイド層
２７）） Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる膜厚２５ÅのＡ
層、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｘ＞ｙ）からなる膜厚２５Å
のＢ層を交互に３０回繰り返し積層して、膜厚０．１５
μｍの超格子多層膜構造でｎ側光ガイド層を形成する。
この時、成長するに従ってＡｌ組成比ｘを、０．０５か
ら０．０３へと変化させ、Ａｌ組成比ｙを０．０１５で
一定とし、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
の領域は、Ａ層、Ｂ層ともアンドープで形成し、残りの
膜厚５０ｎｍの領域（活性層側５０ｎｍの領域）で、Ａ
層のみをＳｉドープ、Ｂ層をアンドープで形成する変調
ドープを用いる。

【０１３６】（ｐ側光ガイド層１０９（上部光ガイド層
３０））Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる膜厚２５ÅのＡ
層、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｘ＞ｙ）からなる膜厚２５Å
のＢ層を交互に３０回繰り返し積層して、膜厚０．１５
μｍの超格子多層膜構造でｐ側光ガイド層１０９を形成
する。ここで、ｐ側光ガイド層は、最初の膜厚５０ｎｍ
（活性層側５０ｎｍの領域）は、Ａ層、Ｂ層ともアンド
ープで形成し、残りの膜厚０．１μｍの領域で、Ａ層の
みをＭｇドープ、Ｂ層をアンドープで形成する。

【０１３７】得られるレーザ素子は、実施例４に比較し
て、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、超格子構造とし
たことにより結晶性が良好になり、素子特性が向上す
る。また一方で、光ガイド層のアンドープ領域を、実施
例６に比べて小さくしたため、光の損失が大きくなり、
閾値電流密度が僅かに増大する傾向にある。

【０１３８】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体素子は、ＡｌＧａ
ＮなどのＡｌを含む窒化物半導体をガイド層、クラッド
層、コンタクト層などに用いる場合において、結晶性悪
化、クラックの発生を抑制し、レーザ素子、端面発光素
子などにおいて、特性向上を図ることができる。また、
３７５ｎｍ以下の短波長域において、レーザ発振可能な
活性層、導波路構造を得ることができる。特に、ＩｎＡ
ｌＧａＮの井戸層において、Ｉｎ混晶比を、０．０３〜
０．０５の範囲とし、Ａｌ組成比を変化させて所望の発
光波長の禁制帯幅を形成して、短波長域の発光素子、レ
ーザ素子を得ることにより、内部量子効率、発光効率に
優れた素子となる。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】本発明の一実施形態に係る素子の積層構造を説
明する模式断面図。

【図３】本発明の一実施形態に係るを素子の積層構造及
びエネルギーバンド図を説明する模式図。

【図４】本発明の一実施形態に係るエネルギーバンドを
説明する模式図。

【図５】本発明の一実施形態に係るエネルギーバンドを
説明する模式図。

【図６】本発明の一実施形態に係るエネルギーバンドを
説明する模式図。

【図７】本発明の一実施形態に係る活性層の積層構造を
説明する模式断面図。

【図８】本発明に係る活性層において、パルス発振下で
の閾値電流密度と波長に対するＡｌ混晶比の依存性を説
明する模式図。

【図９】本発明に係る活性層において、パルス発振下で
の閾値電流密度と波長に対するＩｎ混晶比の依存性を説
明する模式図。

【符号の簡単な説明】

１・・・井戸層、２・・・障壁層、１１・・・第１導電
型層、１２・・・第２導電型層、１３・・・下部クラッ
ド層、１４・・・上部クラッド層、２１・・・基板、２
２・・・バッファ層、２３・・・下地層、２４，３３・
・・コンタクト層、２５・・・第１の層、２６・・・第
２の層、２７・・・下部光ガイド層、２８・・・活性
層、２９・・・キャリア閉込め層、３０・・・上部光ガ
イド層、３１・・・上部クラッド層、１０１・・・基
板、１０２・・・バッファ層、１０３・・・ｎ側コンタ
クト層、１０４・・・ｎ側クラッド層（第１の層）、１
０５・・・ｎ側クラッド層（第２の層）、１０６・・・
ｎ側光ガイド層、１０７・・・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（第２の層）、１１１・・・ｐ側
クラッド層（第１の層）、１１２・・・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、１６
２・・・第２の保護膜（埋込層）、１６４・・・絶縁膜

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型の下部クラッド層と、第２導
   電型の上部クラッド層との間に、活性層を有する窒化物
   半導体素子において、 前記下部クラッド層、上部クラッド層の少なくとも一方
   に、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を有する第１の層
   が設けられていることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 【請求項２】 前記活性層の発光波長λが、λ≦３７５
   ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導
   体素子。
3. 【請求項３】 前記下部クラッド層、上部クラッド層の
   少なくとも一方に、ＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を
   有する第１の層と、第１の層よりもＩｎ混晶比の小さい
   Ａｌを含む窒化物半導体を有する第２の層と、が設けら
   れていることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物
   半導体素子。
4. 【請求項４】 前記第１の層がＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ
   _{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）
   を有し、前記第２の層がＡｌ_ｕＧａ_１−ｕＮ（０＜ｕ≦
   １）を有することを特徴とする請求項３記載の窒化物半
   導体素子。
5. 【請求項５】 前記第１の層のＩｎ組成比ｙが、０．０
   １≦ｙ≦０．３であることを特徴とする請求項３又は４
   記載の窒化物半導体素子。
6. 【請求項６】 前記第２の層が第１の層よりも、活性層
   の近くに設けられていることを特徴とする請求項３乃至
   ５記載の窒化物半導体素子。
7. 【請求項７】 前記第１の層の屈折率ｎ_１と、第２の層
   の屈折率ｎ_２とが、ｎ_２≦ｎ_１であることを特徴とする
   請求項６記載の窒化物半導体素子。
8. 【請求項８】 前記第１の層が、組成の異なる超格子多
   層膜層で形成されていることを特徴とする請求項１乃至
   ７記載の窒化物半導体素子。
9. 【請求項９】 前記下部クラッド層と活性層との間、及
   び前記上部クラッド層と活性層との間に、それぞれ下部
   光ガイド層、上部光ガイド層を有することを特徴とする
   請求項１乃至８記載の窒化物半導体素子。
10. 【請求項１０】 前記下部光ガイド層、上部光ガイド層
    が、Ａｌ_αＧａ_{１− α}Ｎ（０＜α≦１）からなることを
    特徴とする請求項９記載の窒化物半導体素子。
11. 【請求項１１】 前記上部クラッド層が、下部クラッド
    層のＩｎ組成比より小さい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。
12. 【請求項１２】 前記活性層が、ＡｌとＩｎとを含む窒
    化物半導体を有することを特徴とする請求項１乃至１１
    記載の窒化物半導体素子。
13. 【請求項１３】 前記活性層が量子井戸構造を有すると
    共に、井戸層が、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜
    ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）であり、障壁層がＡ
    ｌ_ｕＩｎ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦
    １、ｕ＋ｖ＜１）であることを特徴とする請求項１２記
    載の窒化物半導体素子。