JP2002344015A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大電流領域において高い外部量子効率を有
し、且つ面発光することが可能な窒化物半導体素子を提
供することである。 【解決手段】 少なくとも、発光層が該発光層より屈折
率の小さいｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層とにより
挟みこまれた構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体
層からなる窒化物半導体発光素子であって、前記発光層
の端面は、前記半導体層の積層面に対して４５度より大
きく９０度より小さい角度で傾斜していることを特徴と
する窒化物半導体発光素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、太陽電池、
光センサー等の発光素子、あるいはトランジスタ、パワ
ーデバイス等の電子デバイスに使用される窒化物半導体
（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦
１）よりなる発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、窒化物半導体は、高輝度純緑色発
光ＬＥＤ、青色ＬＥＤとして、既にフルカラーＬＥＤデ
ィスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の
各種光源で実用化されている。たとえば、特開平９−１
５３６４２号公報には、サファイア基板上に、ＧａＮか
らなるバッファ層、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層、アンド
ープのＩｎＧａＮからなる発光層、Ｍｇドープのｐ型Ａ
ｌＧａＮ層、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層からなる発光ダ
イオードが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、蛍光灯
に代わる照明用光源が求められている現在において、上
記のような発光ダイオードは十分な出力量を有しておら
ず、更なる改良が求められている。

【０００４】そこで本発明は、高出力で且つ面発光する
ことが可能な窒化物半導体発光素子を提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明に係る
窒化物半導体発光素子は、少なくとも発光層が該発光層
より屈折率の小さいｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層
とにより挟みこまれた構造を有する窒化ガリウム系化合
物半導体層からなる窒化物半導体発光素子であって、前
記発光層の端面は、前記半導体層の積層面に対して４５
度より大きく９０度より小さい角度で傾斜していること
を特徴とする。これにより、大電流領域になるほど外部
量子効率が良好で且つ面状に発光することが可能な窒化
物半導体発光素子が得られる。

【０００６】また、前記ｐ型クラッド層上にｐ型コンタ
クト層を有し、該ｐ型コンタクト層上のほぼ全面に、膜
厚が５０００Å以上であるｐ側オーミック電極を有する
ことを特徴とする。これにより、大電流を投下しても良
好な信頼性を維持することができ、前記ｐ側オーミック
電極と反対側方向から高出力でもって一面均一に発光す
ることが可能な窒化物半導体発光素子が得られる。特
に、前記ｐ側オーミック電極は前記ｐ型コンタクト上面
の８０％以上に渡って形成されていることが好ましい。

【０００７】また、前記ｐ側オーミック電極は、酸化メ
タル層を有する多層膜層であることを特徴とする。これ
により、前記ｐ側オーミック電極と前記ｐ型コンタクト
層のオーミック性が向上され、大電流領域において更に
高出力に発光することが可能な窒化物半導体発光素子が
得られる。

【０００８】また、前記発光層の端面に接して反射膜を
有することが好ましく、これにより、端面から発光され
る光を、効率よく発光面方向及び発光領域方向へと導く
ことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者は、種々の実験の結果、
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、発光層
の端面である共振器端面の角度を調整することにより、
大電流領域において外部量子効率を向上させることが可
能であることを見いだし、本発明を成すに至った。

【００１０】窒化物半導体を用いた発光ダイオード素子
は、面発光型発光素子であるが、自然放出のみにより発
光するものであって、発光遷移確率が増すことはなく、
注入電流量と発光出力量は熱的に飽和するまで線形的な
関係にあり、ある一定の電流量に達すると発光出力は飽
和状態となる。このため、大電流領域下において、発光
効率は熱の影響により低下することはあっても増加する
ことはなく、上記発光ダイオード素子から照明用光源と
して用いるのに十分な光出力量を得ることは困難であっ
た。

【００１１】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、本出願人により、４０５ｎｍ、室
温、５ｍＷの連続発振の条件で、１万時間を超えるレー
ザが発表されている。特に、発光層が上部、下部クラッ
ド層に挟まれた構造を有する場合、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。このような半導体レーザ
は、自然放出により発光した光を入射光として利用し、
光を増幅し誘導放出することができる。このため、大電
流領域において高出力を得ることができる。

【００１２】しかしながら、上記構成のレーザ素子は、
集光したスポットサイズの小さい光を端面から発光し、
一方方向への光出射特性が強すぎるため、照明用光源と
しては不適切であった。

【００１３】そこで本発明は、上記のレーザ素子構造を
利用し、発光層端面からの出射光を、誘導放出のための
入射光と発光面側への外部取り出し光とに分散させ、大
電流領域にて高い外部量子効率を有する窒化物半導体発
光素子を提供する。

【００１４】以下、図面を参照して本発明に係る実施の
形態について更に詳細に説明する。本実施の形態の窒化
物半導体発光素子は、図１に示すように、例えば、サフ
ァイア透光性基板の一方のほぼ全面に、少なくとも発光
層が該発光層より屈折率の小さいｐ型クラッド層及びｎ
型クラッド層とにより挟みこまれた導波路構造を有する
窒化ガリウム系化合物半導体層が積層されている。この
ような半導体層の中心部を残し、周囲部においてｐ型層
側からエッチング等によりｎ型コンタクト層が露出され
ている。ここで本発明では、前記エッチング等により露
出される半導体層端面は、半導体層の積層面に対して６
０度以上９０度未満傾斜している。また、前記半導体層
の中心部には、最上面に積層されているｐ型コンタクト
層上のほぼ全面に膜厚５０００Å以上のｐ側オーミック
電極が形成されている。一方、露出された前記ｎ型コン
タクト層上には、前記ｐ側オーミック電極を囲む如くｎ
側オーミック電極が形成されている。以下、本実施の形
態の各構成について詳述する。

【００１５】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（Ｉ
ｎ_xＡｌ_yＧａ_1-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、発光
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、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-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、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-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。 （発光層）本発明における窒化物半導体素子において、
発光層の露出されている端面は、半導体層の積層面に対
して傾斜しており、この傾斜角度は、４５度より大きく
９０度より小さい角度であり、より好ましくは６０度以
上９０度未満である。これにより、前記発光層内で自然
放出された光が前記端面により全反射され、誘導放出の
為の入射光と、発光面となる基板側への出射光とに分散
される。このように、誘導放出と自然放出を兼ね備えた
発光状態を実現することにより、大電流領域になるほど
高い外部量子効率を有することが可能な窒化物半導体発
光素子が得られる。また、前記端面を上記の如く傾斜さ
せることにより、前記出射光は、前記積層面に対して鋭
角を成した方向に出射される。これにより、広い放射角
度が得られ、均一に面発光することが可能となる。

【００１６】一方、前記傾斜角度が４５度以下の場合、
外部への出射光は積層面に対して９０度以上を成した方
向に反射される。これにより、出射光は発光面の外周部
に集中し、中心部が暗くなり均一な発光が得られない。
また、前記傾斜角度が９０度の場合、良好に誘導放出さ
れるものの、端面からスポットの小さい光が発光される
こととなり、積層方向から面状に光を取り出すことは困
難である。また、前記傾角度が鈍角の場合、出射光は電
極形成面側に出射される。本発明では、大電流の投下を
目的としており、これを可能とするために用いられる電
極は光の透過率が低く、光を反射すると考えられる。こ
の場合、発光層の端面で全反射された光を、電極面にて
反射させた後、前記電極面と反対側から取り出すことも
可能であるが、層内にて光が吸収され高い出力は得られ
ない。また、前記電極形成面側から光を取り出そうとす
ると、ｐ側電極を薄い膜厚で形成し透光性とする必要が
ある。しかしながら、薄い膜厚を有する電極は、電気抵
抗が大きいため電極部に熱が発生し、さらに電極自体の
熱の吸収率が高い。このため、大電流の投下において素
子の信頼性を維持することが非常に難しい。本発明の窒
化物半導体発光素子は、露出された発光層の端面を積層
面に対して４５度より大きく９０度より小さい角度に傾
斜させることにより、電極形成面と反対側の面から、大
電流領域においても信頼性高く、高出力でもって均一に
面発光することができるものである。更に、前記発光層
端面に、Ｓｉ_Ｏ、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｎ
ｂ_２Ｏ _５（又はＮｂＯ、ＮｂＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_３）等から
なる反射膜を設けると、効率良く完全に光を反射させる
ことができ好ましい。

【００１７】また発光層は、少なくともＩｎを含む窒化
物半導体を有するものである。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Ｉｎ_xＧａ_1-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発光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、発光層が、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を図ることが可能となる。発光
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、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。

【００１８】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、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-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Ａｌ_zＧａ_1-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、Ｉｎ_xＧａ_{1 -x}Ｎ（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Ｉｎ
ＧａＮ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。 （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、Ｉｎ_αＧａ_1-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。

【００１９】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、好ましくは２０Å以上２００Å以下の範囲とする
ことで、Ｖｆ、しきい値電流密度を低減させることがで
きる。また、結晶成長の観点からは、２０Å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、２００Å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。発光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、発光層を構成する各層の膜
厚が厚くなると、発光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１００Å
以下の範囲として、発光層の膜厚を低く抑えることが好
ましい。

【００２０】本発明の井戸層には、前記発光層内の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Ｉ
ｎ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、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、発光層の一部を構成しても良い。

【００２１】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、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１×１
０¹⁸／cm³、好ましくは１×１０¹⁷／cm³以下とすること
である。 （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、Ｉｎ_βＧａ_1-βＮ（０≦β＜１，α＞
β）、ＧａＮ、Ａｌ_γＧａ_1-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Ａ
ｌ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。

【００２２】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／cm ³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／c
m³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。

【００２３】一方で、発光層内で、最も外側で、最もｐ
型層側に位置する障壁層は、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
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、ＬＥ
Ｄ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側の障壁層のｎ型不純物濃度が、５×１
０¹⁶／cm³未満となるようにすることである。また、こ
の最もｐ側の障壁層は、好ましくは、発光層内で最も外
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側の障壁層の
位置としては、好ましくは発光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側の障壁層が、ｐ型不純物を有すること
で、更に深部の井戸層、ｐ型層から遠くに位置する井戸
層、に対してもｐ型層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、かえって発光層に
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、なおかつ発光層内への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。

【００２４】障壁層の膜厚としては、特に限定されず５
００Å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。 （導波路構造）本発明の窒化物半導体素子は、少なくと
も、発光層が該発光層より屈折率の小さいｐ型窒化物半
導体層内のｐ型クラッド層及びｎ型窒化物半導体層内の
ｎ型クラッド層とにより挟み込まれた構造を有する窒化
ガリウム系化合物半導体層からなる。このとき、発光層
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、発光層内で、波長４００ｎｍ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
ッド層と発光層との間に、発光層を挟む光ガイド層を設
けても良い。ここで、本明細書において、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び、
上記構造を導波路構造と呼ぶ。 （クラッド層）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り、特に、発光層
の上にｐ型クラッド層を有する構造では、そのｐ型クラ
ッド層にＩｎを含む窒化物半導体を用いると、結晶性の
悪化が大きく、素子特性を大きく悪化させるものとな
る。このとき、クラッド層に用いる窒化物半導体として
具体的には、Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）が好ましく
用いられる。 （光ガイド層）また、クラッド層と発光層との間には光
ガイド層が設けられている。前記光ガイド層は、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、発光層から
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Ｉ
ｎ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、発光層を除く導波路内
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吸収が起こ
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。

【００２５】そこで、両クラッド層に挟まれた導波路
は、ｎ型クラッド層と発光層との間に、Ｉｎを含む窒化
物半導体からなる第１の光ガイド層を設けて導波路内の
屈折率をクラッド層に比して相対的に大きくし、一方
で、ｐ型クラッド層と発光層との間に、Ｉｎを含まない
（Ｉｎ混晶比が０の）窒化物半導体からなる第２の光ガ
イド層を設けることで、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。以下、各層について、説
明する。 （第１の光ガイド層）本発明における第１の光ガイド層
は、導波路内において、発光層と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の光ガイド層の組成としては、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Ｉｎ_zＧ
ａ_1-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の光ガイド層を得ること
ができる。また、第１の光ガイド層と発光層若しくはｎ
型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の光ガイド層を発光層若し
くはｎ型クラッド層、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の光ガイド層を、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。本発明の第１の光ガイド層は、発光層とｎ型
クラッド層との間にあって、導波路内にあることから、
光ガイド層として機能する一方、Ｉｎを含むことで導波
路全体の屈折率を大きくして、導波路内への光の閉込め
に寄与することから、ｐ型層側の第２の光ガイド層に比
して、第２の光閉込め層としても機能していると考えら
れる。

【００２６】また、第１の光ガイド層のＩｎ混晶比ｚ
は、発光層中のＩｎを含む窒化物半導体のＩｎ混晶比、
若しくは量子井戸構造の発光層の場合には井戸層のＩｎ
混晶比、をｗとすると、好ましくはｚ≦ｗとすることで
あり、更に好ましくはｚ＜ｗとすることである。ｚ＜ｗ
であることで、井戸層内のＩｎを含む窒化物半導体層、
若しくは井戸層、と第１の光ガイド層との間に、大きな
バッドギャップエネルギー差を設けることができ、前記
キャリアの注入効率を向上させることができる。更に、
第１の光ガイド層が発光層に隣接して設けられ、発光層
中で最も外側で、最もｎ型層側に配置され、第１の光ガ
イド層に隣接する障壁層が設けられる場合には、第１の
光ガイド層のＩｎ混晶比ｚは、この障壁層のＩｎ混晶比
ｖに比べて、ｚ≦ｖとなるようにすると更に好ましく、
更にｚ＜ｖとなるようにすると好ましい。ｚ≦ｖである
と、発光層１２とｎ型層１１との接合部付近でｎ型層か
ら発光層に近づくに従って段階的に、バンドギャップエ
ネルギーが小さくなる構造とできる。ｎ型層から発光層
へキャリアが効率よく注入され、更に段階的なバンドギ
ャップ構造とすることができる。

【００２７】ここで、第１の光ガイド層の位置における
前記各形態について言及すると、発光層及びｎ型クラッ
ド層に接して第１の光ガイド層を設ける形態では、Ｉｎ
を含む窒化物半導体を結晶性良く厚膜で形成することが
困難な傾向にあることから、導波路として十分な膜厚で
形成すると結晶性の悪化による素子特性の悪化が現れ、
逆に結晶性が素子特性を悪化しない程度の膜厚で形成す
ると、導波路として機能するのに不十分な膜厚となり、
クラッド層外への光の漏れによる損失により素子特性の
悪化が起こる傾向にある。第１の光ガイド層を発光層と
ｎ型クラッド層との間に、複数積層した多層膜とする場
合には、例えば超格子構造として、Ｉｎを含まない窒化
物半導体と共に多数積層して、結晶性の悪化を抑えて厚
膜を形成することができる。例えば、ＩｎＧａＮ／Ｇａ
Ｎの多層膜層、若しくは、ｎ型クラッド層から発光層に
近づくにつれてＩｎ混晶比が大きくなるように組成傾斜
させた構造とすることができる。一方で、導波路の屈折
率を単一膜と同等とするには、多層膜の膜厚が厚くな
り、その多層膜内において、Ｉｎを含む第１の光ガイド
層が散在する構造となることから、単一膜よりも厚膜の
多層膜でもってＩｎによる光の損失が発生することか
ら、単一膜よりもその損失が大きくなる傾向にある。ま
た、第１の光ガイド層の位置としては、本発明において
上記様々な形態を適用しうるが、好ましくは発光層に近
づけて、更に好ましくは発光層に接して配置することが
良い傾向にある。これは、詳しいことは不明であるが、
図５，６等に示すように、ｎ型クラッド層から発光層に
至る領域で、バンドギャップ構造を段階的なものとし、
ｎ型層側１１からのキャリアの注入を促進させることが
影響していると考えられる。

【００２８】第１の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、上述したようにＩｎによる光
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、ｎ型クラッド層との間
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。
この時、後述するように、導波路としての機能は、クラ
ッド層と発光層とで挟まれる領域の膜厚の総和に作用さ
れることから、ｎ型クラッド層と発光層とで挟まれる領
域の膜厚の総和を考慮して、第１の光ガイド層を決定す
ると良い。また、図５，６などに示すように、第１の光
ガイド層が最もｎ型層側の障壁層２ａに隣接して配置さ
れる場合には、第１の光ガイド層は、障壁層として寄与
すると考えられることから、この場合の第１の光ガイド
層の膜厚は、障壁層２ａとの膜厚の総和が３００Å以上
となるようにすることで、障壁層、光の閉込めとして良
好に寄与するものとなり好ましく、この時の膜厚の上限
としては前記の１５００Å以下とすることが好ましい。

【００２９】第１の光ガイド層には、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。この時、第１の光ガイド層は、Ｉｎを
含む窒化物半導体であるため、上述したようにｐ型不純
物ほどではないものの、ｎ型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
×１０¹⁹／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。 （第２の光ガイド層）本発明における第１の光ガイド層
は、導波路内において、ｐ型クラッド層と発光層との間
に配置され、Ｉｎ混晶比が０の窒化物半導体からなるも
のが好ましい。これにより結晶性に優れ、導波路として
機能する層となる。これは、前記第１の光ガイド層とこ
の第２の光ガイド層とで発光層を挟む構造を導波路内に
設けること、すなわちｎ型層側の第１の光ガイド層とｐ
型層側の第２の光ガイド層とを発光層を介して対向さ
せ、これらを異なる組成にて構成することにより、導波
路内を異なる機能を有する非対称な導波路構造とするも
のである。第２の光ガイド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。また、第２の光ガイド層は、第１の光
ガイド層と異なり、ｐ型不純物をドープしてｐ型導電性
を持たせる必要があり、不純物ドープによる結晶性の悪
化が起こり、更にｐ型不純物として好ましく用いられる
Ｍｇでは大幅な結晶性の悪化が起こり、これは、Ｉｎを
含む窒化物半導体において、Ｉｎを含まないものに比べ
て、その結晶性の悪化は顕著なものである。

【００３０】また、通常、ＬＥＤ、ＬＤなどの窒化物半
導体素子では、ｎ型層／発光層／ｐ型層の順に積層され
た構造が多く採用されているが、このような場合には、
Ｉｎを含む窒化物半導体を用いた発光層の下部に配置さ
れたｎ型層と、上部に配置されたｐ型層とでは、通常成
長条件が異なり、発光層よりも上部に配置されたｐ型層
では、通常発光層中のＩｎが分解するなどして結晶性を
悪化させないような温度条件で成長させる必要があり、
ｎ型層はそのような制限がない。このことから、低い温
度で成長させるｐ型層では、良好な結晶成長条件で、成
長させることが困難な場合がある。

【００３１】第２の光ガイド層の組成としては、Ｉｎを
含まない窒化物半導体を用いると好ましく、より好まし
くはＡｌ_tＧａ_1-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、ｐ型クラッド
層との屈折率差を設けるため、ｐ型クラッド層の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。また、第２の光ガイド層は、ｐ型不純物を有するこ
とが好ましく、ｐ型不純物を含有して、ｐ型導電性を有
することで良好な導電性のｐ型層として機能させること
ができる。この時、ｐ型不純物のドープ量としては特に
限定されないが、Ｉｎを含まない窒化物半導体であって
もＩｎを含む場合に比べて結晶性の悪化は小さいもの
の、ドープ量が小さいほど結晶性が良好になる傾向にあ
るため、好ましくは１×１０¹⁸／ｃｍ³以下の範囲とす
ることで良好な結晶性の第２の光ガイド層が得られる。
後述する実施例では、第２の光ガイド層をアンドープで
成長させて、隣接層からの拡散によりｐ型不純物がドー
プされるが、特にこの方法に限定されず、他の層につい
ても同様であるが、成長後の拡散でも、ドープしながら
成長させる方法でも、どちらでも良い。

【００３２】第２の光ガイド層は、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、Ａ
ｌ混晶比を発光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。

【００３３】第２の光ガイド層は、組成の異なる窒化物
半導体層を組み合わせて構成しても良いが、Ｉｎを含ま
ない窒化物半導体層だけで構成すると、導波路内のＩｎ
による光の損失が回避でき好ましい。この時、第２の光
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２００
０Å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、クラッド層と発光層に挟まれる領域のｎ型層
側、すなわちｎ型クラッド層と発光層とで挟まれる領域
の膜厚にも適用できる。このように、クラッド層と発光
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発光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。 （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Ａｌ_γＧａ_{1- γ}Ｎ（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、発光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、Ａ
ｌ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、多量のキャリアを発光層内に注
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。

【００３４】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。

【００３５】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、発光
層とクラッド層との間に設けるものであり、更に第２の
光ガイド層と発光層との間に設けることである。この
時、発光層と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
層は発光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、発光素子において発光層と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、通常は発光層に接してｐ側電
子閉込め層を設けうることが最も好ましい。この時、量
子井戸構造の発光層内で最もｐ型窒化物半導体層側に位
置する層と、ｐ側電子閉込め層と、を接して設けると結
晶性が悪化する場合に、それを避けるため結晶成長にお
けるバッファ層を両者の間に設けることも可能である。
例えば、発光層の最もｐ側の層をＩｎＧａＮ、ＡｌＧａ
Ｎのｐ側電子閉込め層との間に、ＧａＮからなるバッフ
ァ層を設けること、又はｐ側電子閉込め層よりも低いＡ
ｌ混晶比のＡｌを含む窒化物半導体からなるバッファ
層、などがある。

【００３６】ここで、ｐ側電子閉込め層として、具体的
には、ｐ側電子閉込め層が発光層に近いほどしきい値電
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、これが熱に弱い発光層、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、発光層、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、発光層から離れると
その効果が弱まる。

【００３７】従って、発光層内で最もｐ側電子閉込め層
に近い井戸層ｐ側電子閉込め層の距離を少なくとも１０
０Å以上、好ましくは１２０Å以上、更に好ましくは１
４０Å以上とすると、素子寿命の低下を抑えることがで
き好ましい。井戸層とｐ側電子閉込め層との距離が１０
０Å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、しきい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２００
Åより大きくなると、しきい値電流密度の明らかな上昇
傾向が観られ、４００Åより大きいとしきい値電流密度
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
主な原因となってしきい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。

【００３８】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５×１０ ¹⁶／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。 （ｐ側オーミック電極）本発明の窒化物半導体素子にお
いて、ｐ側オーミック電極は、ｐ型層の最上面であるｐ
型コンタクト層上のほぼ全面に膜厚５０００Å以上にて
形成されている。前記ほぼ全面とは、ｐ型コンタクト層
の８０％以上の面積を示しており、これにより、電流を
均一に半導体層に供給することができる。また、ｐ側オ
ーミック電極の膜厚は、５０００Å〜２００００Åが好
ましく、より好ましくは５０００Å〜１００００Åであ
る。このように厚膜にてｐ側オーミック電極を形成する
と、大電流を投下しても高い信頼性を維持することがで
きる。また、本発明では、発光面を電極形成面と反対側
の面とするので、前記ｐ側オーミック電極を厚膜にて形
成することで前記電極形成面からの光の漏れを抑制する
ことができ好ましい。

【００３９】また、前記ｐ側オーミック電極は、酸化メ
タル層を有する多層膜層とすることが好ましく、これに
より厚膜に形成しても良好なオーミック性を得ることが
できる。例えば、ニッケルよりなる第１の金属薄膜、金
よりなる第２の金属薄膜、続いてニッケルより第１イオ
ン化ポテンシャル又は／及び電気陰性度が大きい金属、
例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＲｈ等の酸化薄膜
が順に積層されてなるｐ側オーミック電極を、前記ｐ型
コンタクト層のほぼ全面に形成した後、アニール処理を
行うと、厚膜に形成したにも関わらず、良好なオーミッ
ク接触が得られ、大電流領域にて外部量子効率が良好な
窒化物半導体発光素子が得られる。更に、前記ｐ側オー
ミック電極において、ボンディング性を向上させるた
め、電極の最上層にパッド電極としてＡｕ層を設けた後
にアニール処理を行うことでも同様の効果が得られる。
また、前記Ａｕ層の表面酸化を防止するため、ＳｉＯ_２
膜を形成した後にアニールを行うと、実装性及び信頼性
が向上されより好ましい。

【００４０】

【実施例】［実施例１］以下、実施例１の窒化物半導体
レーザ素子について詳述する。 （基板）ここで、本実施例では、基板として窒化物半導
体と異なるサファイア基板を用いているが、ＧａＮ基板
を用いても良い。具体的には、異種基板に成長させた窒
化物半導体であるＧａＮを厚膜で成長させた後、異種基
板を除去すると、ＧａＮからなる窒化物半導体基板が得
られる。

【００４１】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、４
Ｈ、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。

【００４２】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
導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。EL
OG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
の開口部端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。 （バッファ層）前記サファイア基板上に、温度を１０５
０℃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、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。 （ｎ型コンタクト層）次に得られたバッファ層上にＴＭ
Ｇ、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_0.95
Ｎよりなるｎ型コンタクト層を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Ａｌ_xＧａ
_1-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。 （クラック防止層） 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Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラック防止層（図示
していない）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。 （ｎ型クラッド層）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_0.05Ｇａ_0.95Ｎ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５×１０ ^１８／ｃｍ^３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。 （第１の光ガイド層）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層を
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。 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を用
い、ＳｉドープのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を膜厚５００Å
の膜厚で成長させ第１の光ガイド層とする。 （発光層）次に、温度を８００℃にして原料ガスにＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、アンドー
プのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層、その上に、ア
ンドープのＩｎ_0.32Ｇａ_0.68Ｎ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。発光層１０７は、総膜
厚約４４０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。 （ｐ側電子閉込め層）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Ｃｐ_２Ｍｇ（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型電子閉込層を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。 （第２の光ガイド層）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からなる第２の光ガイド層を０．１５μｍの膜厚
で成長させる。前記第２の光ガイド層は、アンドープと
して成長させるが、ｐ側電子閉込め層、ｐ型クラッド層
等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１
０^１６／ｃｍ^３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。 （ｐ型クラッド層）続いて、１０５０℃でアンドープＡ
ｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ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Ａｌ_XＧａ_1-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。 （ｐ型コンタクト層）最後に、１０５０℃で、ｐ型クラ
ッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０²⁰／cm ³ドープし
たｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１を１５０
Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層１１１はｐ型
のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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Ｇ
ａＮ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。

【００４３】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中心部にＳｉＯ₂よりな
る円形の保護膜を形成して、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、ｎ
電極を形成すべきｎ型コンタクト層の表面を露出させ
る。これにより得られた発光層の端面は、半導体積層面
に対して８０度傾斜している。

【００４４】次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、保護膜を
リフトオフ法により除去する。これにより、ｐ型コンタ
クト層の上に設けられていた保護膜が除去されて、円形
状のｐ型コンタクト層が露出される。

【００４５】前記円形状のｐ型コンタクト層の表面に、
Ｎｉ／Ａｕ／ＲｈＯ_２よりなる総膜厚５０００Åのｐ側
オーミック電極を形成したのちにアニール処理を行う。
また、既に露出させたｎ型コンタクト層の表面にはＴｉ
／Ａｌよりなるｎ側オーミック電極を前記ｐ側オーミッ
ク電極を囲むように形成する。これにより、ｐ側オーミ
ック電極とｎ側オーミック電極との距離をいずれの箇所
においても一定とすることができ、発光層に大電流を均
一に投下することができる。

【００４６】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、ボンディング面を設
けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ₂よりなる絶縁
膜を形成する。

【００４７】以上のようにして得られるレーザ素子をフ
リップチップ実装して照明用光光源とすると、波長４１
０ｎｍであり、且つ、電流投下値２００ｍＡにおいて基
板側から約１００ｍＷの出力値を有する光が均一に発光
される。

【００４８】（実施例２）ｐ側コンタクト層に続いてＡ
ｕ層を形成した後にアニール処理を行う以外は、実施例
１と同様にして窒化物半導体を形成し、フリップチップ
実装して照明用光光源とすると、実施例１と同様の効果
が得られ、更に実施例１よりも信頼性の高い発光装置が
得られる。 （実施例３）Ａｕ層に続いて、Ｎｉ層を介してＳｉＯ_２
膜を形成した後にアニール処理を行う以外は実施例２と
同様にして窒化物半導体を形成し、前記ＳｉＯ_２膜の少
なくとも一部をＢＨＦのウェットエッチングにて除去し
た後フリップチップ実装して照明用光光源とすると、実
施例２と同様の効果が得られ、更に実施例２よりも信頼
性の高い発光装置が得られる。 （実施例４）実施例１において、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、ボンディ
ング面を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ₂／
ＴｉＯ_２よりなる絶縁膜兼反射膜を形成する以外は実施
例１と同様にして窒化物半導体を形成し、フリップチッ
プ実装して照明用光光源とすると、電流投下値２００ｍ
Ａにおいて、実施例１より２０％高い出力値を有する光
が均一に発光される。 （実施例５）実施例２において、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ_２よ
りなる絶縁膜兼反射膜を形成後、Ａｌよりなる反射膜を
形成する以外は実施例２と同様にして窒化物半導体を形
成し、フリップチップ実装して照明用光光源とすると、
電流投下値１５０ｍＡにおいて、実施例１より５０％高
い出力値を有する光が均一に発光される。

【００４９】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体素子は、大電流領
域において、外部量子効率が高く且つ素子特性に優れた
照明光源用面発光型発光素子が得られる。特に、発光層
の端面である共振面が、半導体層積層面に対して４５度
より大きく９０度より小さい角度に傾斜していることに
より、誘導放出を持続させつつ正面方向へ光を一面均一
に取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態を説明する模式断面図。

【図２】 本発明の他の一実施形態を説明する模式断面
図。

【符号の簡単な説明】

１・・・基板 ２・・・バッファ層 ３・・・ｎ型コンタクト層 ４・・・ｎ側クラッド層 ５・・・第１の光ガイド層 ６・・・発光層 ７・・・ｐ側電子閉込め層 ８・・・第２の光ガイド層、 ９・・・ｐ型クラッド層 １０・・・ｐ型コンタクト層 １１・・・ｐ側オーミック電極 １２・・・ｎ側オーミック電極 １３・・・絶縁膜 １４・・・反射膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも、発光層が該発光層より屈折
   率の小さいｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層とにより
   挟みこまれた構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体
   層からなる窒化物半導体発光素子であって、 前記発光層の端面は、前記半導体層の積層面に対して４
   ５度より大きく９０度より小さい角度で傾斜しているこ
   とを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記ｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト
   層を有し、該ｐ型コンタクト層上のほぼ全面に、膜厚が
   ５０００Å以上のｐ側オーミック電極を有することを特
   徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記ｐ側オーミック電極は、酸化メタル
   層を有する多層膜層で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。
4. 【請求項４】 前記発光層の端面に接して反射膜を有す
   ることを特徴とする請求項１乃至３に記載の窒化物半導
   体発光素子。