JP2003273473A - 半導体素子 - Google Patents

半導体素子

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JP2003273473A JP2002320916A JP2002320916A JP2003273473A JP 2003273473 A JP2003273473 A JP 2003273473A JP 2002320916 A JP2002320916 A JP 2002320916A JP 2002320916 A JP2002320916 A JP 2002320916A JP 2003273473 A JP2003273473 A JP 2003273473A
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barrier layer
barrier
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nitride semiconductor
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Tomoya Yanagimoto
友弥 柳本
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子、特に窒化物半導体を用いた発光
素子、レーザ素子において、３８０ｎｍの短波長域にお
ける発光効率に優れた活性層、及び素子構造を実現す
る。 【解決手段】 井戸層１と障壁層２とを有する量子井戸
構造の活性層１２が、第１導電型層１１、第２導電型層
１２とで挟まれた構造を有する半導体素子において、前
記活性層内において、少なくとも１つの井戸層１ａを挟
んで、前記第１導電型層１１側に第１の障壁層２ａと、
前記第２導電型層１２側に第２の障壁層２ｂと、が設け
られると共に、第２の障壁層２ｂが、第１の障壁層２ａ
よりもバンドギャップエネルギーが小さく、障壁層が非
対称なことを特徴とする。更に好ましくは、第２導電型
層１２内には、第１の障壁層２ａよりもバンドギャップ
エネルギーの大きなキャリア閉じ込め層２８が設けられ
ることで、活性層を挟む各導電型層に、活性層の非対称
構造とは反対のバンド構造が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子、発光素
子に係り、特に窒化物半導体からなる量子井戸層を活性
層とする窒化物半導体を用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】発光素子としては水銀ランプの代替品と
して白色ＬＥＤの提供、ホトリソグラフの高精度化等の
要求により、より短波長、およそ３７５ｎｍ以下の発光
波長のＬＥＤ、発振波長のＬＤの提供が望まれている。
【０００３】他方、ＧａＮ系発光素子としては、ＩｎＧ
ａＮを活性層とするものの発光効率の良さから、多くの
ＩｎＧａＮを活性層とする発光素子が現在汎用されてお
り、このＩｎＧａＮを活性層とする発光素子では上記短
波長の発光を実現するためには、Ｉｎの組成比を少なく
する必要がある。しかしながら、Ｉｎの組成比の減少に
伴って、効率良くＩｎＧａＮが発光しなくなり、閾値電
流が増加し、その結果、レーザ発振が３８０ｎｍ以下で
は特に顕著な閾値の上昇が現れるという問題が発現する
こととなった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はレーザ発振が
３８０ｎｍ以下では特に顕著な閾値の上昇が現れるとい
う問題の原因を解明し、その解決手段を提供することを
目的とする。
【０００５】また、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物
半導体を素子に用いる場合において、他のＡｌを含まな
い窒化物半導体に比べて、熱膨張係数差、弾性が大きく
異なり、Ａｌを含む窒化物半導体を用いると、クラック
の発生しやすく、クラックの発生は他の結晶性と異な
り、素子破壊となるものであり、クラックの発生を防止
しなければ、窒化物半導体素子として動作しないものと
なる。このため、上述した３８０ｎｍ以下の発光波長の
活性層を用いた発光素子、レーザ素子においては、Ａｌ
を含む窒化物半導体は窒化物半導体においてバンドギャ
ップエネルギーを大きくすることができるため、活性
層、それよりもバンドギャップエネルギーの大きな、キ
ャリア閉込め層、光ガイド層、光閉込め層などに用いら
れる。すなわち、上記短波長域の発光素子において、Ａ
ｌを含む窒化物半導体は、各層に多層された構造となる
が、一方で上述したクラック発生の問題が深刻なものと
なり、このため、短波長化とクラック発生防止とは排他
的な関係となる傾向にあり、窒化物半導体の発光素子に
おいて、さらなる短波長化の深刻な障害となる。さら
に、短波長化において、ＧａＮは３６５ｎｍに光の吸収
端を有し、それよりも１０ｎｍほど波長の長い領域でも
高い吸収係数を有することから、上記３８０ｎｍ以下の
短波長域での発光素子、レーザ素子への使用が困難とな
る。
【０００６】加えて、上述したように発光素子、レーザ
素子における活性層は、その発光効率、内部量子効率が
その結晶性に大きく依存することから、活性層の下に配
置される導電型層の結晶性が素子特性向上に極めて重要
な要因となる。通常、窒化物半導体発光素子は、ｎ型
層、活性層、ｐ型層の順に積層された構造を有している
が、この場合ｎ型層の結晶性を良好なものとする必要が
ある。一方で、上述したように、Ａｌを含む窒化物半導
体が、他のＡｌを含まない窒化物半導体に比べて、大き
く結晶性が悪化する傾向にあり、従来はこのような問題
を回避する目的で、Ａｌを含む窒化物半導体の下地層と
してＩｎを含む窒化物半導体層を用いて、熱膨張係数差
による内部応力の発生を緩和したり、Ａｌを含む窒化物
半導体層に隣接して、ＧａＮなどのＡｌを含まない窒化
物半導体を設けて結晶性の回復、内部応力の緩和を実現
して、レーザ素子などのＡｌを含む窒化物半導体層を素
子構造に設けた構造で素子を実用的に動作可能なものと
していた。しかし、上記短波長の発光素子、レーザ素子
において、Ａｌを含まない窒化物半導体は、光吸収層と
なり、素子構造に用いることが好ましくなく、そのため
素子構造は、ほとんどがＡｌを含む窒化物半導体層を用
いることとなり、上述した結晶性、クラックの発生によ
り、実用的なしきい値、Ｖｆ、発光効率の発光素子、レ
ーザ素子が得られず、特に光ガイド層、光閉込めのクラ
ッド層などにＡｌ混晶比の大きいＡｌを含む窒化物半導
体を多用したレーザ素子においては、室温において連続
発振可能なレーザ素子が得られなかった。
【０００７】
【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、バンド構造、組成に非対称性を有
する素子構造により上記課題を解決できることを見いだ
し、短波長の半導体発光素子などのＡｌを含む窒化物半
導体を用いた素子において、上記結晶性、クラック発生
の問題を回避して、短波長域の発光素子、導波路を有す
るレーザ素子にも用いることができる素子構造を得るも
のである。特に、窒化物半導体のように、ホールと電子
のキャリア特性が大きく異なる系において、活性層への
優れたキャリア注入効率を実現して、好適に活性層にキ
ャリアを閉じ込めて、発光効率に優れるバンド構造、組
成が非対称な素子構造を用いるものであり、また短波長
の窒化物半導体発光素子において、結晶性、素子特性に
優れた導波路構造を提供するものである。
【０００８】井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の
活性層が、第１導電型層、第２導電型層とで挟まれた構
造を有する半導体素子に係るものであり、レーザ素子、
端面発光素子とする場合には、図２（ａ）に示すように
下部光ガイド層２６、上部光ガイド層２９との間に活性
層２７が設けられた導波路を有するものであり、その場
合光閉込めのクラッド層２５，３０が、光ガイド層より
も活性層から離れて形成され、上部クラッド層３０と活
性層２７の間に上部光ガイド層２９、下部クラッド層２
５と活性層２７との間に光ガイド層が設けられた構造と
なる。他方、本発明が発光素子の場合には、図６（ａ）
及び図６（ｂ）に示すように、第１導電型層として、キ
ャリア注入、キャリア閉込め層となる層２０２が設けら
れ、第２導電型層として、キャリア注入層２０５、キャ
リア閉込め層２０４が、それぞれ設けられ、第１導電型
層が第２導電型層のように、キャリア閉込め層とキャリ
ア閉込め層とがことなる層で構成されていても良く、第
２導電型層が、キャリア注入とキャリア閉込めを兼ねる
層とした構造でも良い。
【０００９】前記活性層２７が前記障壁層２として、図
３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示
すように、少なくとも１つの井戸層１を挟むように、第
１の障壁層、第２の障壁層が設けられ、前記第１導電型
層側に第１の障壁層と、前記第２導電型層側に第２の障
壁層と、が設けられると共に、第２の障壁層が、第１の
障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さいことを
特徴とする。具体的には、図３（ａ），図３（ｂ），図
５（ａ）及び図５（ｂ）に示すものであり、活性層内
で、井戸層で離間され、第１導電型層側、第２導電型層
側に配置された第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂと
の間に少なくとも１つの井戸層１が設けられ、第２の障
壁層２ｂのバンドギャップエネルギーを、第１の障壁層
２ａのバンドギャップエネルギー（図中の点線５３）よ
り小さくすることで、図中の従来のキャリアの経路５２
よりも第２導電型層側からのキャリア注入を促進できる
本願の経路５１を形成し、すなわち、電位障壁を小さく
して、キャリアの活性層及び井戸層への注入効率を高め
た構造とするものである。特に、窒化物半導体におい
て、ｎ型層側を第１導電型層、ｐ型層側を第２導電型
層、とした構造において、ホールの拡散長が電子に比べ
て小さく、ｐ型キャリアの活性化率も小さい窒化ガリウ
ム系半導体材料では、ホールの井戸層への注入が効率的
にでき、発光効率、閾値電流密度の低減が可能となり好
ましい。また、短波長域の窒化物半導体を用いた発光素
子、レーザ素子にあっては、図２（ｂ）に示すように、
従来の第１の障壁層２ａとほぼ同じＡｌ混晶比（点線部
５０）よりも、Ａｌ混晶比の小さい層として第２の障壁
層２ｂが活性層内に設けられることで、結晶性低下を防
止し、一方で、第１の障壁層よりもＡｌ混晶比の小さい
第２の障壁層が設けられることで、両者に挟まれた井戸
層において、下界面と上界面に異なる応力が加わり、Ａ
ｌを含む窒化物半導体による圧電界を小さくし、バンド
ギャップのひずみを低減できると考えられ、井戸層にお
ける発光効率を向上できる傾向にある。
【００１０】第１導電型層が、ｎ型層であり、前記第２
導電型層が、ｐ型層であると共に、第１導電型層、活性
層、第２導電型層の順に積層されていることで、実施例
に示すように、良好な発光素子が得られ、また、第１導
電型層がｎ型の窒化物半導体層を有し、第２導電型層が
ｐ型の窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子におい
ては、上述したように、各キャリア特性を活かして、ｐ
型層となる第２導電型層から活性層へのキャリアの注入
を好適なものとできる。また、Ａｌを含む窒化物半導体
を多用する短波長系の発光素子において、活性層上方に
位置する第２の障壁層のＡｌ混晶比を、下方の第１の障
壁層より小さくでき、活性層の上に形成されるｐ側層の
結晶性を良好なものとできる。
【００１１】上記第１の障壁層、第２の障壁層の活性層
内での配置において、前記活性層内の障壁層として、前
記第１の障壁層が、第１導電型層の最も近くに配置さ
れ、前記第２の障壁層が、第２導電型層の最も近くに配
置された障壁層であることにより、上述した第２の障壁
層による第２導電型層からのキャリア注入効率向上、第
１の障壁層によるそのキャリアの閉込め効果を高めた構
造とでき、第１の障壁層、第２の障壁の各機能を高める
ことができる。
【００１２】また、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すよ
うに、第２の障壁層２ｂが活性層１２内において最も外
側に配置された層であることで、図４（ｂ）に示すよう
に、第２の障壁層２ｂより外側に井戸層などがある場合
に比べて、上記キャリアの注入口としてのキャリア注入
を促進する作用が好適に発現され好ましい。更に好まし
くは、活性層内で最も外側の層として、第１の障壁層が
あることで、その効果が最大限に発揮できる量子井戸構
造の活性層となる。すなわち、活性層内で、最外殻に位
置する第１の障壁層、第２の障壁層との間に設けられた
井戸層内に、効率的にキャリア注入閉込めを実現でき
る。
【００１３】前記第１導電型層に、前記第１の障壁層よ
りもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層
を有することを特徴とする。従来、短波長の発光素子で
あるＡｌＧａＮ系活性層において、それを挟み、キャリ
ア注入層となる各導電型の層には、井戸層よりも大きな
バンドギャップエネルギーが通常必要とされるが、この
構成では、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図
５（ｂ）に示すように、活性層１２内の第１の障壁層２
ａよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導
体層２６を第１導電型層１１に設けることで、結晶性良
く活性層を形成し、なおかつ、第１の障壁層２ａでもっ
て、第２導電型層１１からのキャリアを井戸層内に閉じ
込める働きを有する新規な素子構造を提供するものとな
る。この構造において、特に効果的であるのは、上述し
た短波長系の発光素子において、活性層を挟む層のＡｌ
混晶比を小さくできることである。この時、井戸層につ
いては、少なくともＧａＮと同じか、それよりも大きな
バンドギャップエネルギーを持つＡｌを含む窒化物半導
体を用い、図２（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａ
のＡｌ混晶比より小さいＡｌ混晶比で第１の半導体層２
６を形成し、具体的には上記組成のものを用いることが
できる。第１の障壁層についても、上記組成の窒化物半
導体を用いることができる。第１の半導体層について
は、好ましくは井戸層よりもバンドギャップエネルギー
の大きな窒化物半導体を用いることで、活性層及び井戸
層への良好なキャリア注入層として機能し、具体的には
Ａｌを含む窒化物半導体が用いられ、好ましくはＡｌｘ
Ｇａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると好ましい結晶性
で活性層が形成できる。
【００１４】上記構成に加えて、更に好ましくは、第２
導電型層内に、第１の障壁層よりもバンドギャップエネ
ルギーの大きなキャリア閉込め層を設けることで、第１
導電型層からのキャリアを好適に活性層内へ閉じ込める
構造の素子とできる。これは、上述したように、活性層
内の第２導電型層側に配置された第２の障壁層２ｂが、
第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーが小
さく、第１導電型層からのキャリアが井戸層を越えるも
のに対して、閉込めとなる障壁としての機能が小さいた
めであり、このため第２の障壁層２ｂでキャリアのオー
バーフローを防止するために、図３（ａ），図３
（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、活性
層１２外部に、キャリア閉込め層２９を第２導電型層１
３内に設けることでこの問題を解決できる構造となる。
この時、更に好ましい構成として、前記第１導電型層が
ｎ型であり、前記第２導電型がｐ型であることを特徴と
する。すなわち、この構成により、窒化物半導体のよう
にキャリア特性が異なる系において、上記第１の障壁層
はホールの閉込めとして活性層内で機能させることを特
徴としていることで、井戸層に近い位置でのキャリア閉
込めを実現し、上記第１の半導体層では、第１導電型層
の電子（第１導電型のキャリア）注入として機能させ、
キャリア拡散長の大きなものを、第２の障壁層と、活性
層外部に配置されたキャリア閉込め層によって、第２の
障壁層からキャリア閉込め層の間に、第１導電型層のキ
ャリアを閉じ込める構造とできる。逆に、第２の障壁層
を、第１導電型層からのキャリアを十分に閉じ込められ
る障壁とすることでは、本発明のバンドギャップエネル
ギーの小さい第２の障壁層によるキャリア注入効果を低
減されるものとなり、窒化物半導体のように、ホールと
電子の拡散長、キャリア濃度が大きく異なる系におい
て、活性層の機能を低下させるものとなる。このため、
活性層外部に、キャリア閉込め層を設けて、活性層内で
バンドギャップエネルギーが異なる第１の障壁層、第２
の障壁層とで構成された非対称な活性層と組み合わせて
用いると、上述した本願発明の効果を好適に発現でき好
ましい。
【００１５】上記キャリア閉込め層に、ｐ型不純物がド
ープして、第２導電型層とすることで、図３（ａ），図
３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すようにバイ
アス時に、キャリア閉込め層がｎ型層となる第１導電型
層からのキャリアに対して大きな障壁として活性層に隣
接して形成されることとなり、活性層内にキャリアのオ
ーバーフローを防ぐ構造とできる。逆に、ｐ型不純物ド
ープのキャリア閉込め層を活性層内に設けると、活性層
内部において、ｐｎ接合部が形成され、活性層の機能を
低下させるものとなる。すなわち、活性層に隣接したキ
ャリア閉込め層付近で、ｐ−ｎ接合部を形成すること
で、第１導電型層からのキャリアを好適に活性層内に閉
込める障壁としての機能を最大限に発現させ、一方で、
第１の障壁層により第２導電型層からのキャリアを閉じ
込める非対称な素子構造とすることにより、窒化物半導
体において好適な素子構造が形成される。
【００１６】上記キャリア閉込め層は、好ましくは、活
性層に接して設けられると、第１導電型層からのキャリ
アを活性層に接近して閉じ込めることができ、また第１
の半導体層が活性層に接することにより効率的なキャリ
アの注入が実現でき、好適な活性層へのキャリア注入が
可能となる。
【００１７】更に、前記第１の障壁層と、第２の障壁層
とのバンドギャップエネルギー差が、０．０２ｅＶ以上
となるように各障壁層を設けることが好ましい。これ
は、第１導電型層からのキャリアには、上述したキャリ
ア閉込め層、若しくはクラッド層などのように、活性層
外部でのキャリア閉込め機能を大きくした構造とし、第
２導電型層からのキャリアについては、第１の障壁層２
ａでもって、井戸層へのキャリア閉込めを実現するとい
うキャリア閉込め構造の非対称性を強めて、上述した効
果を良好なものとでき好ましい。すなわち、第１の障壁
層による第２導電型層からのキャリア閉込め機能、小さ
い障壁の第２の障壁層を越えて井戸層へ第２導電型層か
らのキャリア注入を高める効果を、更に好ましいものと
できるためである。
【００１８】上記構成に加えて、前記第１の障壁層より
もバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体層を
有し、前記キャリア閉込め層を介して活性層から離間さ
れて設けられている構造とすることである。この第２の
半導体層は、第１の半導体層に対応するものであり、特
に第１導電型層がｎ型層で、第２導電型層がｐ型層であ
る場合に、第１導電型層からのキャリアを閉じ込めるキ
ャリア閉込め層を介して、設けられることで活性層内へ
の良好な閉込めを実現して、且つ上述したように、バン
ドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層と同様な
効果を有することができる。
【００１９】また、上記活性層の量子井戸構造の形態と
して、前記活性層が、井戸層を複数有する多重量子井戸
構造である場合には、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す
ように、前記第１の障壁層２ａと第２の障壁層２ｂとの
間に、第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂのそれぞれ
と井戸層１を介して配置された内部障壁層を設けて、そ
の内部障壁層２ｃ，２ｄが、第２の障壁層２ｂとバンド
ギャップエネルギーが異なる構造とすることが好まし
い。内部障壁層２ｃ，２ｄは、図５（ａ）及び図５
（ｂ）の２ｃ，２ｄとして示すように、前記第１の障壁
層２ａと第２の障壁層２ｂとの間に設けられ、更に第１
の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂとは井戸層１ａ，１ｂ
を介して設けられるものであり、この内部障壁層を第２
の障壁層２ｂと異なるバンドギャップエネルギーとする
ことで、図中の矢印に示すように、各井戸層へのキャリ
アの分配としての機能を高めると共に、外側に配置され
た第１、２の障壁層と異なる機能を有するものとでき
る。これにより、上述したような第１、２の障壁層の機
能も高めることができる。この時、好ましくは、図５
（ｂ）に示すように、内部障壁層が、第２の障壁層より
もバンドギャップエネルギーが大きいものとすること
で、第２導電型層からのキャリアが、第１導電型層側に
近づくにつれて、内部障壁層、第１の障壁層が経ること
となり、段階的に大きな障壁が形成され、すなわち、第
２導電型層から遠ざかるに従って、段階的にキャリア閉
込めが大きくなる構造とでき、その障壁層に近接する各
井戸層に好適にキャリアを分配する構造とできる。第１
の障壁層近くの井戸層へ、キャリアを注入する効率を高
めて、その結果、各井戸層に多くのキャリアを注入でき
る構造となる。
【００２０】そのため好ましくは、第１の障壁層が、前
記内部障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さい
ものとすることで、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すよ
うに、上述した第２の障壁層の障壁を小さくしたことに
よる第２導電型層からのキャリア注入を高める機能と、
内部障壁層による各井戸層へのキャリア注入する機能の
両者を高めることができる。更に、バンドギャップエネ
ルギーにおいて、第１の障壁層よりも内部障壁層を小さ
くし、内部障壁層よりも第２の障壁層を小さくすること
で、図５（ｂ）に示すように、第２導電型層からのキャ
リア注入に対し、第２導電型層から遠くなるに従って、
バンドギャップエネルギーが大きくなるように各障壁層
が設けられた構造となり、上述したように、各障壁層の
機能を高めて、それぞれで異なる機能を持たせて機能分
離した活性層とできる。
【００２１】内部障壁層の膜厚としては、活性層内にお
いて内部障壁層よりも外側に配置された第１の障壁層、
第２の障壁層に比べて、ほぼ同等とすることも、異なる
膜厚とすることもできるが、好ましくは、第１の障壁
層、第２の障壁層の少なくとも一方より膜厚を小さくす
る。これは、上述したように井戸層の間に形成される内
部障壁層は、外部に形成される第１，２の障壁層と異な
る機能を有していることに起因し、内部障壁層を厚くす
ると、障壁機能が強くなり、各井戸層へのキャリア注入
が均等になることを阻害する傾向にあると考えられ、膜
厚を外部の障壁層よりも小さくして、各井戸層へのキャ
リア注入・分配効率を高め、活性層全体の再結合効率が
高められると考えられる。また、井戸層と障壁層との間
に係る応力を考慮すると、井戸層間に配置される内部障
壁層が厚くなると、両者でＡｌ混晶比が異なることによ
る井戸層への内部応力の悪影響が強くなり、井戸層の機
能低下の原因となると考えられ、またＡｌ含有の窒化物
半導体による強い圧電により、井戸層に悪影響を及ぼす
と考えられるからである。更に、内部障壁層を厚膜とす
ると、活性層全体の膜厚が大きくなり、Ａｌを含む窒化
物半導体を用いる活性層では、そのことによる結晶性悪
化も、素子特性悪化に深刻な影響を及ぼすこととなる。
【００２２】この時、内部障壁層が複数、例えば図５
（ｂ）において、ある内部障壁層２ｃと井戸層１ｂを介
して配置された別の障壁層２ｄが設けられる形態、であ
る場合には、少なくとも１つの内部障壁層が、外部の第
１、２の障壁層の少なくとも一方よりも膜厚を小さくす
ることであり、好ましくは全ての内部障壁層が、第１，
２の障壁層の少なくとも一方より膜厚を小さくすると上
記内部障壁層の機能を高め、外部の障壁層と機能分離傾
向が強くなり好ましい。また、最近接の井戸層間に組成
の異なる障壁層が複数設けられる形態においては、その
複数の障壁層の内、少なくとも１つの障壁層が、外部の
障壁層の少なくとも一方よりも膜厚が小さくすることで
あり、好ましくは井戸層間の障壁層の総膜厚、すなわち
最近接の井戸層間の距離、が、外部の障壁層の少なくと
も一方よりも膜厚が小さくすることで、最近接の井戸層
間に配置された複数の障壁層全体としての機能を向上さ
せることができる。
【００２３】内部障壁層の不純物濃度としては、外部に
配置された第１の障壁層、第２の障壁層と同様に、各導
電型のドーパントとなるｎ，ｐ型不純物の一方、両方が
添加されていても、実質的にドーパントを含まないアン
ドープで形成しても良い。好ましくは、第１導電型層が
ｎ型層、第２導電型層がｐ型層である場合に、内部障壁
層には、第１の障壁層と同様に、ｎ型不純物がドープさ
れることが好ましい。これは、窒化物半導体のように、
電子とホールとの拡散長、キャリア濃度、移動度が大き
く異なる材料系においては、特に有効であると考えら
れ、活性層内において、ｐ型層（第２導電型層）の近く
まで、ｎ型キャリアが存在することで、ｐ型層近傍ま
で、活性層の奥深くまで効率的なｎ型層からのキャリア
注入が可能となるためと考えられる。また、第２導電型
層には活性層近傍に、キャリア閉込め層が形成され、こ
の層近くで、ｐｎ接合が形成されるため、電子がｐｎ接
合付近まで効率的に注入される形態とでき、活性層での
結合効率を高めることができる。このとき、井戸層間が
複数設けられ、内部障壁層が複数設けられる形態におい
ては、少なくとも１つの内部障壁層にｎ型不純物がドー
プされることが好ましく、更に好ましくは後述するよう
に、ｎ型層側に配置された内部障壁層から順にｎ型不純
物がドープされ、複数の内部障壁層にドープされること
であり、全ての内部障壁層にｎ型不純物をドープするこ
とが最も好ましい。
【００２４】井戸層の不純物濃度としては、後述するよ
うに、ｎ型不純物が低濃度でドープされること、具体的
には、第１導電型層がｎ型層である場合に、第１の障壁
層よりも、ｎ型不純物濃度を小さくすることが好まし
い。また、第１導電型層がｎ型層である場合に、第１の
障壁層と第２の障壁層のｎ型不純物濃度としては、後述
するように、第２の障壁層のｎ型不純物濃度を、第１の
障壁層よりも小さくすることで、ｎ型層（第１導電型
層）からのキャリア注入が効率的となり、また第２の障
壁層においてｐ型層（第２導電型層）からのキャリア注
入を阻害せず、効率的な注入が可能となる傾向にあり好
ましい。
【００２５】また、各導電型層に、光ガイド層を有し、
図８（ｂ）〜図８（ｄ）に示すように、各導電型のドー
パントとなる不純物濃度が層内で異なる場合に、第１の
障壁層のドーパント量、具体的には第１導電型層がｎ型
層である場合に、ｎ型不純物濃度を、第１導電型層内の
光ガイド層における低濃度不純物領域よりも、高濃度に
ドープされることが、第１の障壁層による活性層へのキ
ャリア注入効率を高める効果、低濃度不純物領域による
光損失低減の効果、を向上させることができ好ましい。
また、ｐ型層側、すなわち、第２導電型層においては、
光ガイド層よりも高濃度にｐ型層がドープされるキャリ
ア閉込め層からの拡散により、第２の障壁層にｐ型不純
物がドープされる場合には、光ガイド層の低濃度不純物
領域よりも大きくなる傾向にある。これは、低濃度不純
物領域の膜厚よりもキャリア閉込め層が小さくなるた
め、平均の不純物濃度で比較すると第２の障壁層の濃度
が大きくなることにあり、また、活性層内に配置され、
膜厚の小さい第２の障壁層においては、光の損失への影
響が小さく、ｐ型層からのキャリア注入へ寄与する効果
が得られ好ましい。
【００２６】以上の素子構造において、前記活性層が、
窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有し、第１導
電型層が窒化物半導体を有し、第２導電型層が窒化物半
導体を有する窒化物半導体を用いた半導体素子におい
て、上述したように、井戸層がＧａＮよりもバンドギャ
ップエネルギーの大きなＡｌを含む窒化物半導体となる
ような短波長系の発光素子において極めて有用な素子構
造となる。すなわち、活性層外部で挟む第１導電型層内
の第１の半導体層、第２導電型層内の第２の半導体層
が、従来よりもバンドギャップエネルギーの小さいもの
として形成されるため、各層に用いられるＡｌ混晶比を
低く抑えた構造とでき、結晶性悪化、内部応力を抑えた
素子構造とできる。この時、窒化物半導体からなる井戸
層の具体的な組成としては、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘ
Ｎ（０＜ｘ≦１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ １−ｘ−ｙＮ（０
＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）で表される組成の
窒化物半導体のいずれかを用いることが好ましい。これ
は、２元混晶のＧａＮである場合には、成長時に構成元
素が少ないため元素同士の反応がなく成長でき結晶性を
良好なものとでき、３元混晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０
＜ｘ≦１）とすればＧａＮよりも短波長の発光波長が得
られ、更に構成元素が少ないことから元素同士の反応を
抑えて結晶性良く成長でき、４元混晶のＡｌｘＩｎｙＧ
ａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜
１）であれば、Ｉｎを含むことにより、発光効率を高め
た井戸層とでき好ましい。この時、障壁層の組成とし
て、具体的には、ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜
ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）で表される窒化物半
導体を用いることができる。障壁層は井戸層よりもバン
ドギャップエネルギーが大きいため、上記組成の井戸層
にあっては、井戸層のＡｌ混晶比ｘよりも、障壁層のＡ
ｌ混晶比ｕが大きくなるように（ｘ＜ｕ）、窒化物半導
体を用いることとなる。この時、好ましくは、前記第１
の障壁層のＡｌ混晶比ｕと、前記井戸層のＡｌ混晶比ｘ
との差が０．１以上、ｕ−ｘ≧０．１とする。これは、
上記短波長系の窒化物半導体素子において、上述した第
１の障壁層によるキャリア閉込め機能を好適に発現させ
るために、０．１以上のＡｌ混晶比の差でもって、Ａｌ
を含む窒化物半導体を用いることで、好適な障壁が形成
される。また、Ａｌ混晶比の差（ｕ−ｘ）の上限として
は、０．５以下とすることで、Ａｌ混晶比が高い障壁層
を設けることによる結晶性の悪化を抑え、０．３以下と
することで、結晶性の悪化を抑えて良好な井戸層の形成
が可能となる。また、Ａｌを含む窒化物半導体からなる
第１の障壁層、第２の障壁層において、第１の障壁層の
Ａｌ混晶比ｕ１と第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕ２との
差、ｕ１−ｕ２、としては、０．０２以上（ｕ１−ｕ２
≧０．０２）、好ましくは、０．０５以上（ｕ１−ｕ２
≧０．０５）とすることである。第１の障壁層と第２の
障壁層とのＡｌ混晶比の差が、０．０２以上であると、
上述した第１の障壁層によるキャリア閉込め機能を発現
でき、好ましくは０．０５以上とすることで、それを好
適なものとできる。すなわち、第１の障壁層のＡｌ混晶
比を大きくして、バンドギャップエネルギーを大きくす
るほど、好適なキャリア閉込めを実現でき、また第２の
障壁層のＡｌ混晶比を小さくして、バンドギャップエネ
ルギーを小さくするほど、キャリア注入効率が増し、素
子特性を向上させることができる。
【００２７】また、上記窒化物半導体を用いた素子にお
いて、第１の半導体層、第２の半導体層の少なくとも一
方が、Ａｌを含む窒化物半導体からなる材料を用いるこ
とが好ましい。これにより、上記組成の井戸層、障壁層
を用いる場合に、これらを有する活性層を挟む層内に、
Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の半導体層、第２
の半導体層を設けることで、上述した短波長系の窒化物
半導体素子において、活性層を挟む各導電型層内のＡｌ
混晶比を低減した結晶性に優れる素子構造の形成が可能
となる。
【００２８】また、上述した前記第１の障壁層の膜厚
を、前記第２の障壁層の膜厚よりも小さくすることで、
上述した第１の障壁層によるキャリア閉込め、第２の障
壁層によるキャリア注入を好適なものとでき、なおか
つ、井戸層の結晶性を良好なものにできる。これは、第
１導電型層、活性層、第２導電型層の順に積層された素
子において、第１の障壁層の膜厚を大きくすると、その
上に形成される井戸層の結晶性を悪化させるためであ
り、また、第２の障壁層の膜厚を第１の障壁層よりも大
きくすることで、近接して設けられる上記キャリア閉込
め層による活性層への悪影響を小さくすることができ
る。具体的には、上述した短波長系の窒化物半導体にお
いて、バンドギャップエネルギーが大きなキャリア閉込
め層にはＡｌ混晶比の大きな窒化物半導体が用いられる
が、素子駆動時において、高抵抗な層となり、発熱によ
り近接する活性層に悪影響を及ぼすこととなり、また、
ｐ型不純物がドープされたキャリア閉込め層の場合に
は、ｐ−ｎ接合部が活性層近傍に形成され、それによる
活性層への悪影響を防ぐことによるものである。これ
は、第２の障壁層が、井戸層とキャリア閉込め層との間
に設けられ、上記悪影響を回避するスペーサーとしての
機能を有することによるものであり、それにより、第１
の障壁層よりも大きな膜厚の第２の障壁層を形成するこ
とで、活性層の機能を高めた素子構造とできる。一方、
第１の障壁層は、膜厚が大きくなりすぎると、第１導電
型層側からのキャリアの注入を阻害することとなるた
め、本発明における第１の障壁層の機能を高めるため
に、バンドギャップエネルギーを大きくし、膜厚を薄く
することが好ましく、また上記Ａｌを含む窒化物半導体
からなる第１の障壁層の場合には、Ａｌを含む窒化物半
導体からなる第２の障壁層に比較して、Ａｌ混晶比を高
く、膜厚を小さくして、結晶性悪化を抑えて、良好な井
戸層の形成を実現できる。
【００２９】更に好ましい構成としては、第１の障壁層
の膜厚が３０Å以上１５０Å以下の範囲とし、第２の障
壁層の膜厚が５０Å以上３００Å以下の範囲とすること
である。この構成により、第１の障壁層をキャリア閉込
めが可能な膜厚とでき、好ましくは５０Å以上とするこ
とで、閉込め効率を高めた構造とできる。これは、第１
の障壁層の膜厚が小さいと、図５（ｂ）に示すように、
キャリアのトンネル現象が発生するためであり、３０Å
以上とすることでトンネルを防ぎ、さらに５０Å以上と
することで、トンネルを効果的に防いで閉込め効率を高
めることができる。第１の障壁層の膜厚を１５０Å以下
とすることで、上述したＡｌを含む窒化物半導体による
結晶性悪化を防いで良好な井戸層の形成を可能とし、更
に、第１導電型層側からのキャリア注入を阻害しない障
壁とできる。また、第２の障壁層の膜厚については、図
５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第２導電型層２
８，２９がｐ型層である場合に、ｐ−ｎ接合が第２の障
壁層２ｂ近傍に設けられるため、この第２導電型層と井
戸層が近づきすぎると、井戸層がその影響を受けて、効
率的なキャリア再結合の機能を損なう傾向にあるためで
ある。さらに、第２導電型層内において、上述したキャ
リア閉込め層２８は、活性層近傍に配置され、且つこの
キャリア閉込め層は、大きなバンドギャップエネルギー
を有するために、組成としては他の層に比べてＡｌを高
混晶で有する層となり、そのことにより他の層に比べて
抵抗が大きくなり、素子動作時における発熱量が大き
く、第２の障壁層２ｂは、このような熱による井戸層へ
の悪影響を防止するスペーサとしての役目を果たすこと
となる。このため、好ましくは５０Å以上の膜厚とする
ことであり、更に好ましくは８０Å以上とすることによ
り上記問題を好適に防いで素子特性を良好なものとでき
る。また、膜厚の上限としては、３００Å以下とするこ
とでキャリア閉込め層の下地となる際に良好な結晶性で
保持し、また第２の障壁層の膜厚が３００Åより大き
と、第１導電型層側からのキャリアが井戸層から離れた
キャリア閉込め層により閉じ込められてキャリアの閉込
め効率が低下する傾向にあり、更に好ましい結晶性とす
るには、２００Å以下とすることであり、１５０Å以下
とすると結晶性に優れ、好適な位置にキャリア閉込め層
が配置され好ましい。
【００３０】また、上述した素子において、前記第１導
電型層、第２導電型層内に、前記第１の半導体層、第２
の半導体層を介し、活性層から離間して、クラッド層が
それぞれ設けられている素子構造では、第１導電型層内
のクラッド層が第１の半導体層よりもバンドギャップエ
ネルギーが大きく、第２導電型層内のクラッド層が第２
の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きくす
ると好ましい。これは、上述したように、各障壁層での
キャリア閉込めとは別に活性層の外に設けることで、段
階的なバンド構造として、キャリアの注入を良好なもの
とできる。また、ＬＤのような端面発光素子において、
光閉込めのクラッド層を設ける場合には、第１、２の窒
化物半導体層を光ガイド層などとでき、なおかつ、従来
のように、活性層よりも大きなバンドギャップエネルギ
ーとしないため、比較的格子整合性に優れ、結晶性を良
好なものとして、素子構造を形成できる。具体的には、
上記課題であるＡｌ混晶による結晶性悪化を抑えた素子
構造の形成が可能となる。この時、具体的な構成として
は、第１の半導体層、第２の半導体層が、それぞれＡｌ
を含む窒化物半導体からなり、第１の半導体層、第２の
半導体層のＡｌ混晶比が、前記第１の障壁層よりも小さ
いものとし、上述した短波長系の発光素子においても、
優れた結晶性の素子とできる。また、その他の素子構造
としては、図６（ａ）に、発光素子２００として示すよ
うに、基板２０１の上に、第１の半導体層２０２を含む
第１導電型層１１、第１の障壁層２ａ、井戸層１ａ、第
２の障壁層２ｂを有する活性層２０３（１２）、第２の
半導体層２０５とキャリア閉込め層２０４を含む第２導
電型層１３とが積層された構造とできる。ここで図６
（ａ）は、導電性基板２０１上に上記素子構造が設けら
れ、電極２０７が基板の裏面に設けられて、基板を挟ん
で各導電型層の一対の電極が対向配置された構造であ
り、図６（ｂ）は、基板の同一面側に各導電型層の一対
の電極が配置された構造である。
【００３１】更に好ましい構成としては、前記第１導電
型層、第２導電型層にそれぞれ設けられた光ガイド層で
挟持された活性層により導波路が形成された窒化物半導
体発光素子において、第１導電型層内に設けられた光ガ
イド層が、前記第１の半導体層を有する構造とすること
である。すなわち、従来と異なり活性層（第１の障壁
層）より小さいバンドギャップエネルギーの第１、２の
半導体層を、各光ガイド層に用いることができ、窒化ガ
リウム系材料において、格子定数差、熱膨張係数差を小
さくした素子構造の形成が可能となる発光素子が得られ
る。この時、好ましくは、各ガイド層が、第１，２の半
導体層と同様に、第１の障壁層よりもバンドギャップエ
ネルギーを小さくすることで、Ａｌ混晶比を低くした素
子構造とでき、結晶性を良好なものとした発光素子とな
る。すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の
障壁層よりもＡｌ混晶比の低い第１の半導体層、第２の
半導体層を、各光ガイド層に用いることで、図２（ｂ）
に示すように、活性層を挟む下部光ガイド層２６、上部
光ガイド層２９のＡｌ混晶比を小さくした構造とでき、
活性層及び素子全体のＡｌ混晶比を低く抑えて、結晶性
に優れる素子とでき、信頼性に優れる素子が得られる。
【００３２】このような光ガイド層で挟持された活性層
において、更に上記クラッド層を光閉込め層として設け
る構造とした導波路を有する発光素子とすると、更に優
れた特性の素子を得ることが可能となる。具体的な構成
としては、活性層を狭持する光ガイド層を挟んで、前記
第１導電型層、第２導電型層に光閉込めのクラッド層が
それぞれ設けられると共に、該第１導電型層内のクラッ
ド層が、第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギ
ーが大きく、該第１導電型層内のクラッド層が、第１の
半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいもの
とすることである。これにより、光ガイド層と光閉込め
のクラッド層とを有する分離閉込め型の発光素子におい
て、窒化ガリウム系半導体材料においてバンドギャップ
エネルギーを大きくし、屈折率を小さくするアルミニウ
ムの混晶比を、素子全体で小さくした発光素子とするこ
とができる。これにより、結晶性、素子信頼性、さらに
はその積層において安定した製造が可能となり、素子特
性ばらつきを小さくして、歩留まりを向上させることが
可能となる。すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体からな
る下部クラッド層２５のＡｌ混晶比を下部光ガイド層２
６（第１の半導体層）よりも大きくし、またＡｌを含む
窒化物半導体からなる上部クラッド層３０のＡｌ混晶比
を上部光ガイド層２９（第２の半導体層）よりも大きく
することで、各ガイド層よりも屈折率の小さい光閉込め
のクラッド層とできる。この時、更に好ましくは、図２
（ｂ）に示すように、光閉込めの各クラッド層のＡｌ混
晶比を第１の障壁層２ａよりも小さくすることで、Ａｌ
混晶比を低く抑えて、光閉込めに必要となる厚膜でのク
ラッド層形成に有利となる素子構造とでき好ましい。
【００３３】上記構成に加えて、第１の障壁層が、前記
クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きいも
のとすることで、結晶性に優れる素子構造の形成が可能
となる。
【００３４】以上により、このような導波路有する発光
素子としては、レーザ素子、端面発光素子、スーパール
ミネッセントダイオードなどに用いることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の半藤素子につい
て、主に窒化物半導体の半導体素子を用いて、本発明の
実施形態を説明するが、本願はこれに限定されずに、従
来知られた様々な材料の半導体、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧ
ａＰなど、に適用できるものである。
【００３６】本発明の窒化物半導体の素子に用いる窒化
物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、
又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（Ｉ
ｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ、０≦α、０≦β、α＋β
≦１）であり、またこれに加えて、ＩＩＩ族元素として
Ｂを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置
換した、混晶でもよい。また、Ａｌを含む窒化物半導体
はβ＞０であり、Ｉｎを含む窒化物半導体はα＞０であ
る。本発明の実施形態において、特に、本発明におい
て、短波長系であるワイドバンドギャップの窒化物半導
体素子は、活性層中に、ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化
物半導体からなる井戸層を有し、第１導電型層、第２導
電型層に、それぞれ少なくとも１つのＡｌを含む窒化物
半導体からなる層が設けられる素子である。
【００３７】また、窒化物半導体層に用いるｎ型不純物
としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等の
ＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ま
しくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、さらに最も好ましくはＳｉ
を用いる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されな
いが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げ
られ、好ましくはＭｇが用いられる。これら、アクセプ
ター、ドナーを添加することにより、各導電型の窒化物
半導体層を形成し、後述する各導電型層を構成する。ま
た、本発明における第１導電型層、第２導電型層には、
部分的にアンドープの層、半絶縁性の層が積層されてい
ても良く、レーザ素子における逆導電型の埋込層（電流
阻止層）のように、各導電型層内に部分的に寄生な素子
部分を形成していても良い。
【００３８】以下、本発明における各層について、窒化
物半導体を用いて説明する。
【００３９】本発明における活性層としては、好ましく
は量子井戸構造を有するものであり、ＧａＮ若しくはＡ
ｌを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、Ａｌを含
む窒化物半導体若しくはＩｎとＡｌを含む窒化物半導体
からなる障壁層を有する。また、特に、活性層における
波長が、３７５ｎｍ以下の発光を有する短波長に好まし
く用いられ、具体的には前記井戸層のバンドギャップエ
ネルギーが波長３７５ｎｍ以下であるものである。この
とき、活性層に用いられる窒化物半導体は、ノンドー
プ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでも
よいが、好ましくはノンドープ若しくはアンドープ、又
はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を活性層内に設ける
ことで、レーザ素子、発光素子などの窒化物半導体素子
において、高出力化が図れる。好ましくは、井戸層をア
ンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドープとすること
で、レーザ素子、発光素子が高出力で発光効率の高い素
子となる。ここで、量子井戸構造としては、多重量子井
戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも良い。好ましく
は、多重量子井戸構造とすることで、出力の向上、発振
閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層の量子
井戸構造としては、前記井戸層を少なくとも１層、障壁
層をその井戸層を挟むように両側に少なくとも１層ずつ
積層したものを用いることができる。この時、量子井戸
構造である場合に、井戸層数としては、１以上４以下と
することで、例えばレーザ素子、発光素子においては、
閾値電流を低くすることが可能となり好ましく、更に好
ましくは、井戸層数を２又は３とした多重量子井戸構造
とすることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られ
る傾向にある。
【００４０】本発明における井戸層としては、ＧａＮ若
しくはＡｌを含む窒化物半導体を用いることが好まし
く、該ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体からなる井戸層
を活性層内に少なくとも１層有することであり、多重量
子井戸構造においては、好ましくは、すべての井戸層が
上記窒化物半導体からなる井戸層とすることで、短波長
化され、高出力、高効率の発光素子、レーザ素子が得ら
れる。発光スペクトルがほぼ単一ピークの場合は、この
構成が好ましいが、一方で複数のピークを有する多色発
光素子においては、前記ＧａＮ若しくはＡｌを含む窒化
物半導体からなる井戸層を少なくとも１層有すること
で、短波長域の発光ピークを得ることができ、様々な発
光色の発光素子、もしくは、その短波長域で励起される
蛍光体と組み合わせた発光装置に得ることが可能であ
る。この時、多色発光の素子とする場合に、井戸層の具
体的な組成としては、ＩｎαＧａ１−αＮ（０＜α≦
１）を用いることで、紫外域から可視光域までの良好な
発光・発振を可能とする井戸層となる。この時、Ｉｎ混
晶比により、発光波長を決めることができる。また、波
長が３７５ｎｍ以上となる井戸層を用いた発光素子で
は、Ｉｎを含む窒化物半導体の井戸層を用いることがで
き、具体的な組成としては、上記ＩｎαＧａ１−αＮ
（０＜α≦１）が好ましい。
【００４１】本発明の短波長系のＡｌを含む窒化物半導
体からなる井戸層は、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困
難な波長域、具体的には、ＧａＮのバンドギャップエネ
ルギーである波長３６５ｎｍ付近、若しくはそれより短
い波長を得るものであり、特に波長３７５ｍ以下の発光
・発振が可能なバンドギャップエネルギーを有する井戸
層である。これは、従来のＩｎＧａＮ３元混晶の井戸層
では、ＧａＮのバンドギャップエネルギーの波長３６５
ｎｍ付近では、例えば３７０ｎｍでは、Ｉｎ組成比が１
％以下程度に調整する必要があり、このようにＩｎ組成
比が極端に小さくなると、発光効率が低下し、十分な出
力の発光素子、レーザ素子が得られがたく、またＩｎ組
成比が１％以下では、その成長を制御することも困難で
ある。本発明では、好ましくはＧａＮ若しくはＡｌを含
む窒化物半導体からなる井戸層を用いていることで、従
来効率的な発光が困難であった３７５ｎｍの波長域にお
いて、Ａｌ組成比ｘを大きくすることでバンドギャップ
エネルギーを大きくし、短波長のレーザ素子に用いるこ
とが可能である。
【００４２】ここで、短波長発光の井戸層に用いられる
Ａｌを含む窒化物半導体の具体的な組成としては、Ａｌ
ｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、
ｘ＋ｙ＜１）で表される組成であり、好ましい組成とし
ては、３元混晶のＡｌｘＧａ １−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、
４元混晶のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦
１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）を用いることであり、短
波長となる２元混晶のＧａＮからなる井戸層を用いるこ
ともできる。
【００４３】以下、Ａｌを含む窒化物半導体の井戸層に
ついて詳しく述べると、ＡｌとＩｎを含む窒化物半導体
においては、Ｉｎを有することにより、井戸層における
発光効率を高める作用が働き、また、Ｉｎを有すること
により、Ａｌを含む窒化物半導体による強い応力を緩和
させ、ピエゾ電界に変化を付けることができる。一方
で、Ｉｎ混晶比ｙがほぼ０となるＡｌを含む窒化物半導
体を井戸層に用いると、これは、窒化物半導体の成長に
用いられているＭＯＣＶＤ等の気相成長法では、構成元
素が多くなることによる構成元素間での反応抑え、特
に、ＡｌとＩｎとの反応により結晶性悪化の問題を抑え
ることで、結晶性に優れた井戸層を形成することができ
る。ここで、ＡｌとＩｎを含む窒化物半導体、例えばＡ
ｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦
１、ｘ＋ｙ＜１）、Ａｌを含みＩｎを含まない窒化物半
導体、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、にお
けるＡｌ組成比ｘは、特に限定されず、Ａｌ組成比を変
化させることにより、所望のバンドギャップエネルギ
ー、波長を得ることである。また、これらに、上述した
ようにＢ、Ｐ、Ａｓ等を用いて、５元混晶以上の多元化
も可能であるが、好ましくはＡｌＩｎＧａＮの４元混
晶、ＡｌＧａＮの３元混晶とすることで、この元素同士
の反応を防いで、結晶性の良好な井戸層の形成が可能と
なる。
【００４４】ここで、ＡｌとＩｎを含む窒化物半導体、
例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０
＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）におけるＩｎ混晶比ｙとして
は、好ましくは０．０２以上０．１以下の範囲であり、
より好ましくは０．０３以上０．０５以下の範囲であ
り、０．０２以上とすることで、閾値電流低減、発光効
率の向上が図れ、０．０３以上とすることで更にそれら
効果を発現でき、一方、０．１より大きくなると、上述
したように、構成元素同士の反応による結晶性悪化が現
れ始め、０．０５以下とすることで、結晶性を良好なも
のとして、発光効率向上、閾値電流低減を可能とする。
【００４５】また、３６５ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の領
域においては、Ｉｎを含む井戸層を用いることもでき
る。このとき、窒化物半導体からなる井戸層の具体的な
組成としては、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）とす
れば、所望の発光波長が得られる。このとき、障壁層の
組成として、具体的には、ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−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ができるが、発光波長が３８
０ｎｍから短くなるにつれて障壁層のＡｌ混晶比ｕが大
きくなるように用いる。その際、従来の第１の障壁層と
ほぼ同じＡｌ混晶比よりも、Ａｌ混晶比の小さい層とし
て第２の障壁層が活性層内に設けられることで、結晶性
低下を防止し、一方で、第１の障壁層よりもＡｌ混晶比
の小さい第２の障壁層が設けられることで、両者に挟ま
れたＩｎを含む井戸層において、下界面と上界面に異な
る応力が加わり、Ａｌを含む窒化物半導体による圧電界
を小さくし、バンドギャップのひずみを低減できると考
えられ、井戸層における発光効率を向上できる傾向にあ
る。内部障壁層を設ける場合であっても、第１の障壁層
よりもＡｌ混晶比の小さい第２の障壁層とすることで、
上記効果はあり、そのときの好ましい内部障壁層は、第
１の障壁層よりもＡｌ混晶比の小さい層とすればよく、
さらに第２の障壁層よりもＡｌ混晶比の大きい層とすれ
ば、結晶性の低下を防止でき好ましく、また第２の障壁
層のＡｌ混晶比と同じとすれば、全ての障壁層におい
て、井戸層との十分なオフセットが得られやすくなり好
ましい。
【００４６】また、井戸層の膜厚及び井戸層の数として
は、膜厚及び井戸層の数を任意に、例えば膜厚１原子層
以上、井戸層数１層以上、決めることが可能である。具
体的な膜厚としては、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲で
あり、膜厚１ｎｍ未満で井戸層として良好に機能させる
ことが困難な傾向にあり、３０ｎｍを超える膜厚では、
Ａｌを含む窒化物半導体の成長を結晶性良くすることが
困難となり、素子特性が低下する。好ましくは２ｎｍ以
上２０ｎｍ以下の範囲とすることで、Ｖｆ、しきい値電
流密度を低減させることができる。また、結晶成長の観
点からは、２ｎｍ以上であると、膜厚に大きなむらがな
く比較的均一な膜質の層が得られ、２０ｎｍ以下とする
ことで結晶欠陥の発生を低く抑えて結晶成長が可能とな
る。更に好ましくは、井戸層の膜厚を、３．５ｎｍ以上
とすることで、高出力のレーザ素子、発光素子が得られ
る傾向にあり、これは井戸層の膜厚を大きくすること
で、大電流で駆動させるレーザ素子のように、多量のキ
ャリア注入に対して、高い発光効率、内部量子効率でも
って発光再結合が成されることによると考えられ、特に
多重量子井戸構造において効果があると考えられる。単
一量子井戸構造では、膜厚を５ｎｍ以上とすることで、
上記と同様な効果が得られる。活性層内の井戸層数とし
ては特に限定されず、１以上であり、この時、井戸層の
数が４以上である場合には、活性層を構成する各層の膜
厚が厚くなると、活性層全体の膜厚が厚くなって、Ｖｆ
の上昇を招くこととなるため、井戸層の膜厚を１０ｎｍ
以下の範囲として、活性層の膜厚を低く抑えることが好
ましい。多重量子井戸構造においては、複数の井戸層の
内、上記範囲の膜厚にある井戸層を少なくとも１つ設け
ることであり、好ましくは、全ての井戸層を上記範囲内
とすることである。また、各井戸層の膜厚が異なってい
ても良く、ほぼ同一でも良い。
【００４７】本発明の井戸層には、ｐ型不純物若しくは
ｎ型不純物がドープされていても、アンドープでも良
い。井戸層にドープする不純物としては、好ましくはｎ
型不純物とすることで、発光効率の向上に寄与するもの
となる。しかしながら、井戸層はＩｎとＡｌを含む窒化
物半導体が用いられ、不純物濃度が大きくなると結晶性
が悪化する傾向にあるため、不純物濃度を低く抑えて結
晶性の良好な井戸層とすることが好ましい。具体的に
は、結晶性を最大限に良好なものとするために井戸層を
アンドープで成長させることであり、この時、不純物濃
度は５×１０１６／ｃｍ３以下と実質的に不純物を含ま
ない井戸層とすることである。また、井戸層に、例えば
ｎ型不純物をドープする場合には、ｎ型不純物濃度が１
×１０１８／ｃｍ３以下５×１０１６／ｃｍ３以上の範
囲でドープされていると、結晶性の悪化を低く抑え、な
おかつキャリア濃度を高くすることができ、しきい値電
流密度、Ｖｆを低下させることができる。この時、井戸
層のｎ型不純物濃度としては、障壁層のｎ型不純物濃度
とほぼ同じか、若しくは小さくすることで、井戸層での
発光再結合を促し、発光出力が向上する傾向にあるため
好ましい。この時、井戸層、障壁層をアンドープで成長
させて、活性層の一部を構成しても良い。また、井戸層
が活性層内に複数設けられる多重量子井戸構造において
は、各井戸層の不純物濃度をほぼ同様なものとしても良
く、異なるものとしても良い。
【００４８】特に、大電流で素子を駆動させた場合（高
出力のＬＤ、ハイパワーＬＥＤ、スーパーフォトルミネ
センスダイオードなど）では、井戸層がアンドープで、
実質的にｎ型不純物を含有しないことで、井戸層でのキ
ャリアの再結合が促進され、高い効率での発光再結合が
実現され、逆にｎ型不純物が井戸層にドープすると、井
戸層でのキャリア濃度が高いため、かえって発光再結合
の確率が減少し、一定出力下で駆動電流、駆動電流の上
昇を招く悪循環が発生し、素子の信頼性（素子寿命）が
低下する傾向にある。このため、このような高出力の素
子では、井戸層のｎ型不純物濃度を、少なくとも１×１
０１８／ｃｍ３以下にすることであり、好ましくはアン
ドープ若しくは実質的にｎ型不純物を含有しない濃度と
することで、高出力で安定した駆動が可能な窒化物半導
体素子が得られる。また、井戸層にｎ型不純物をドープ
したレーザ素子では、レーザ光のピーク波長のスペクト
ル幅が広がる傾向にあるため、好ましくないため、この
場合不純物濃度を１×１０ 18／ｃｍ3、好ましくは１×
１０１７／ｃｍ３以下とすることである。
【００４９】本発明において、障壁層の組成としては、
短波長系において、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障
壁層を用いることである。ここで、本発明の活性層にお
いて、活性層内の少なくとも１つの障壁層が、Ａｌを含
む窒化物半導体からなることを必要とするものであり、
活性層内の全ての障壁層が、Ａｌを含む窒化物半導体か
らなるものであっても良く、Ａｌを含まない窒化物半導
体からなる障壁層を活性層内に設けても良い。障壁層
は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒
化物半導体とする必要があり、井戸層の発光波長が３７
５ｎｍ以下の領域では、それに対応する障壁層には、Ａ
ｌ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ＡｌｕＩ
ｎｖＧａ１ −ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋
ｖ＜１）で表される窒化物半導体を用いることである。
具体的には、Ａｌを含み窒化物半導体の障壁層は、上記
組成式で表されるＩｎ混晶比ｖが０より大きい、ＡｌＩ
ｎＧａＮの４元混晶、ＡｌＧａＮの３元混晶を用いるこ
とができる。また、障壁層のＡｌ組成比ｕは、Ａｌを含
む窒化物半導体の井戸層のＡｌ組成比ｘよりも大きく、
ｕ＞ｘとして、井戸層と障壁層との間に十分なバンドギ
ャップエネルギー差を設けることで、レーザ素子、発光
素子として良好な発光効率を有する量子井戸構造が形成
される。また、障壁層がＩｎを含有する場合（ｖ＞
０）、Ｉｎ組成比ｖについては、好ましくは０．１以下
とすることで、上述したように結晶性の悪化を抑え、更
に好ましくは０．０５以下の範囲を適用することができ
る。これは、Ｉｎ組成比ｖが０．１を超える場合には、
成長時にＡｌとＩｎとの反応が促進し、結晶性が悪化し
て良好な膜が形成されない傾向にあるためであり、さら
にｖ≦０．０５とすることで、さらに良好な結晶性で障
壁層を形成できる。また、上述したように、障壁層のＩ
ｎ組成比は発光再結合がなされる井戸層に比べて、広い
組成比を適用でき、主にＡｌ組成比によりバンドギャッ
プエネルギー差を設けることから、ｖ≧ｙとすることも
可能であり、このようなＩｎ組成比とすることで、井戸
層、障壁層の臨界膜厚を変化させることができ、量子井
戸構造において比較的自由に膜厚を設定でき、所望の特
性の活性層を設計できる。
【００５０】以上説明したように、本発明の障壁層は、
短波長系においては、上記井戸層と同様にＡｌとＩｎを
含む窒化物半導体、具体的にはＡｌｕＩｎｖＧａ
１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０＜ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）
の４元混晶、Ｉｎ混晶比ｖがほぼ０のＡｌを含む窒化物
半導体、具体的にはＡｌｕＧａ１−ｕＮ（０＜ｕ≦１）
を用いることができる。また、より長波長の領域では、
上述したように、ＧａＮ若しくは、Ｉｎを含む窒化物半
導体を用いることができ、具体的には、ＩｎｖＧａ１
−ｖＮ（０≦ｖ≦１）を用いることで、紫外域から赤色
域までの可視光域に広く適用できる。
【００５１】また、量子井戸構造の活性層において、障
壁層は、井戸層と交互に形成しても良く、１つの井戸層
に対して複数の障壁層を設けても良い。具体的には、上
述したように、井戸層に挟まれた障壁層を２層以上と
し、少なくとも上記第１の障壁層、第２の障壁層を有す
る構造とすることであり、多層膜の障壁層と井戸層を交
互に積層した構造を設けることもできる。
【００５２】また、障壁層には、上述した井戸層と同様
に、ｐ型不純物、ｎ型不純物がドープされていても、ノ
ンドープであっても良いが、好ましくはｎ型不純物がド
ープされているかノンドープ若しくはアンドープとされ
ていることである。この時、障壁層中に例えばｎ型不純
物をドープする場合にはその濃度として、少なくとも５
×１０１６／ｃｍ３以上ドープされていることである。
具体的には、例えばＬＥＤである場合には、５×１０
１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下の範囲でｎ
型不純物を有することであり、また、より高出力のＬＥ
Ｄ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１×１０
１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下の範囲でド
ープされていることが好ましく、このように高濃度で障
壁層にドープする場合には、井戸層がｎ型不純物を実質
的に含まないか、アンドープで成長させることが好まし
い。また、障壁層にｎ型不純物をドープする場合には、
活性層内の全ての障壁層にドープしても良く、一部をド
ープ、一部をアンドープとした構成でも良い。一部の障
壁層にｎ型不純物をドープする場合には、活性層内で、
ｎ型層側配置された障壁層にドープすることが好まし
く、具体的には、ｎ型層側から数えてｎ番目の障壁層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、また両方にドープする場合に
は、ｎ型層から数えてｎ番目の障壁層Ｂｎ（ｎ＝１，
２，３・・・）、ｍ番目の井戸層Ｗｍ（ｍ＝１，２，３
・・・）にドープすること、すなわち、ｎ型層に近い側
からドープすることで、上記効果が得られる傾向にあ
る。
【００５３】また、後述の実施例に示すように、Ｍｇド
ープのｐ側電子閉込め層を設ける場合、特に活性層及び
／又は障壁層に接して設ける場合には、Ｍｇが拡散する
ため、活性層内で最もｐ型層側に配置されたｐ側障壁層
にｎ型不純物をドープすると、コドープとなり活性層の
機能が悪化される傾向にある。このため、Ｍｇドープの
ｐ側電子閉込め層を設ける場合、好ましくは、このｐ側
障壁層はｎ型不純物を実質的に含まないことでこれを回
避でき、具体的には５×１０１６／ｃｍ３未満となるよ
うにする。
【００５４】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。
【００５５】本発明の量子井戸構造の活性層において、
短波長系の発光素子における好ましい実施形態として
は、上記２元、３元混晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ
＜１）、４元混晶のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０
＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）からなる井戸層
と、４元混晶のＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ
＜１、０＜ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）若しくは３元混晶のＡ
ｌｕＧａ１−ｕＮ（０＜ｕ＜１）からなる障壁層と、を
１対以上有するものである。具体的には、図３（ａ），
図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）の活性層１２と
して示すように、ＡｌＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮの
井戸層１を１層以上、ＩｎＡｌＧａＮ若しくはＡｌＧａ
Ｎの障壁層２を２層以上有することであり、これにより
内部量子効率、発光効率に優れた井戸層となり、さらに
Ａｌを含む窒化物半導体により、そのＡｌ組成比を調整
することで、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、
３７５ｎｍ以下の短波長域での発光が可能な井戸層とで
きる。また、その井戸層１よりも大きなバンドギャップ
エネルギーの障壁層２を、ＩｎＡｌＧａＮ若しくはＡｌ
ＧａＮ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。
【００５６】（活性層とそれを挟む第１導電型層、第２
導電型層）本発明の実施形態において、活性層１２を挟
む第１導電型層１１、第２導電型層１３の積層構造で、
特に、活性層の近くに配置される層、具体的には活性層
に接して隣接して配置される層と、活性層との関係につ
いて、以下詳しく述べる。
【００５７】従来提案・採用されているレーザ素子構造
は、図４（ａ）及び図４（ｂ）にそのバンド構造を、図
７に、図２（ａ）の積層構造におけるＡｌ混晶比の変化
を示すように、活性層を挟む光ガイド層２６，２９、更
にその両外側を挟むクラッド層２５，３０の順にバンド
ギャップエネルギーが大きくなる構造が採られてきた。
例えば、波長４１０ｎｍのＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ系窒
化物半導体レーザ素子では、図７において、光ガイド層
２６、２９のＡｌ組成比を０の基点とし、それよりもバ
ンドギャップエネルギーの小さい活性層においては、Ｉ
ｎ混晶比に置き換えることで、従来のレーザ素子のバン
ドギャップ構造となる。また、従来の紫外域の短波長に
おけるＡｌＧａＮ系半導体レーザ素子では、図７に示す
ように、活性層の外側の光ガイド層２６，３９、更にそ
の外側のクラッド層の順に、Ａｌ混晶比を大きくし、そ
れにより図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように活性層
から外側に向かってバンドギャップエネルギーを大きく
した構造が提案されてきた。また、従来の紫外域発光の
ＡｌＧａＮ系窒化物半導体発光素子においては、上記レ
ーザ素子において、クラッド層、若しくは光ガイド層を
除いた構造が提案されており、具体的には、図７に示す
光ガイド層２６，２９、クラッド層２５，３０を、キャ
リア閉込め層に用いた構造、すなわち、発光層（活性層
２７）よりもＡｌ組成比を大きくし、バンドギャップエ
ネルギーの大きな層を形成してきた。しかしながら、こ
のように、Ａｌ混晶比を活性層の外側に向かって、順に
大きくしていく構造では、結晶性の悪化、特にクラック
の発生が深刻な問題を生むものとなっていた。
【００５８】本発明では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に
示すように、活性層２７を挟む両光ガイド層２６，２９
が、活性層内の障壁層２よりもバンドギャップエネルギ
ーを小さくし、Ａｌ混晶比を小さくした構造とすること
で、上述した従来の構造におけるクラックの発生を好適
に抑制し、室温において連続発振可能な構造とできる。
具体的には、第１導電型層内に、第１の半導体層２６が
設けられ、該第１の半導体層２６を活性層内の障壁層
２、特に第１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネル
ギーが小さくなるように、すなわち、短波長域の活性層
においては、障壁層のＡｌ混晶比より小さい第１の半導
体層のＡｌ混晶比を小さくすることである。この時、井
戸層と第１の半導体層との関係は、活性層の井戸層にお
いて、発光再結合させるために、井戸層よりも第１の半
導体層のバンドギャップエネルギーを大きくする。ま
た、この関係は、第２導電型層にも適用でき、具体的に
は、第２導電型層内の第２の半導体層２９を、活性層中
の障壁層よりもバンドギャップエネルギーを小さく、ま
たＡｌ混晶比を小さくすることである。これら障壁層よ
りもＡｌ混晶比の小さい第１の半導体層（第２の半導体
層）を用いて、活性層の近く、好ましくは隣接して配置
することで、良好なキャリア閉込め、及び結晶性の良好
な活性層が実現でき、並びに、これらの層を光ガイド層
に用いることで、短波長域において好適な導波路構造が
形成される。以下このことについて、詳しく説明する。
【００５９】本発明の一実施形態における窒化物半導体
素子は、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、第１
導電型層１１、第２導電型層１３との間に活性層１２が
設けられた構造で、具体的な積層構造としては、図２
（ａ）に示すように、第１導電型層１１として、コンタ
クト層２３、下部クラッド層２５、下部光ガイド層２６
が順に積層され、その上に活性層２７、活性層の上に、
第２導電型層１３として、キャリア閉込め層２８、上部
光ガイド層２９、上部クラッド層３０、コンタクト層２
４が順に積層された構造を有している。ここで、キャリ
ア閉込め層、光ガイド層、クラッド層、コンタクト層、
の互いに隣り合う層は、図２（ａ）に示すように接する
場合に限定されず、各層間に別の層を設けて離間されて
いても良い。ここで、図２（ａ）は本発明における導波
路構造を有する素子の積層構造を示す断面図であり、図
３（ａ）は活性層及びそれを挟んで配置された活性層の
近くの層の積層構造４０を示し、図３（ｂ）はその積層
構造４０に対応したバイアス状態のバンド構造４１、特
に第１導電型層１１をｎ型層側、第２導電型層１３をｐ
型層側とした場合を示すものである。図４（ａ），図４
（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）のバンド構造４１に
ついても図３（ｂ）と同様であり、各図中の白丸（白抜
きの円）はホールを、黒丸（黒で塗りつぶした円）は電
子のキャリアを示し、矢印は、各キャリアの動きを模式
的に示すものであり、反対向きに曲げられた矢印はバン
ドオフセットにより各キャリアが閉じ込められる様子を
示し、実線は導電帯Ｅｃ、価電子帯Ｅｖを示し、点線は
フェルミ準位ＥＦを示している。図３（ａ）からわかる
ように、井戸層１を挟む障壁層２ａ，２ｂよりも、バン
ドギャップエネルギーの小さい第１の半導体層２６、第
２の半導体層２９、が活性層を挟んで配置され、上部・
下部光ガイド層として用いられている。ここでは、第２
導電型層（ｐ型層側）内に、活性層の近く、好ましくは
隣接して、キャリア閉込め層２８が設けられ、第２の半
導体層２９と活性層２７との間に設けられている。すな
わち、活性層内の障壁層２ａによりホールが井戸層内に
閉じ込められ、電子は障壁層２ｂ及び／又は活性層２７
に隣接するキャリア閉込め層２８により閉じ込められた
構造となっている。従来のバンド構造である図４（ａ）
及び図４（ｂ）では、キャリア閉込めるためのオフセッ
トが第１導電型層中の層２６と活性層２７、障壁層２ａ
との間に設けられ、活性層２７、障壁層２ａよりもバン
ドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層若しくは
光ガイド層２６が活性層に隣接して設けられて、キャリ
ア閉込めとして機能するが、活性層２７、障壁層２ａに
隣接する第１の半導体層２６では、活性層にキャリア閉
込める構造となっておらず、最も第１導電型層側に配置
された第１の障壁層２ａでもって、井戸層１ａ内に閉じ
込められる。
【００６０】以下、井戸層、障壁層、及び第１の半導体
層（第２の半導体層）の関係について説明する。本発明
の窒化物半導体素子は、上述したように第１導電型層、
活性層、第２導電型層とが積層させれた構造であるが、
ここでは、第１導電型層をｎ型の窒化物半導体を有する
ｎ型層、第２導電型層をｐ型の窒化物半導体を有するｐ
型層として説明する。上述したように、量子井戸構造の
活性層において、ｎ型層側に最も近くに配置されたｎ側
障壁層を第１の障壁層、一方で、ｐ型層側に最も近くに
配置されたｐ側障壁層を第２の障壁層として説明する。
ここで、本発明では、好ましくはｎ側障壁層の近くで、
第１導電型層（ｎ型層）内に設けられた第１の半導体層
との関係において、第１の障壁層より第１の半導体層が
バンドギャップエネルギーが大きくすることが好まし
い。本発明の活性層には、少なくとも、第１の障壁層
と、それよりもバンドギャップエネルギーの小さい第２
の障壁層と、それら障壁層の間に少なくとも１つの井戸
層を有する。この時、第１の障壁層は、井戸層よりも第
１導電型層（ｎ型層）側に、第２の障壁層は井戸層より
も第２導電型層（ｐ型層）側に設けられる必要がある。
このため、活性層内では、少なくとも１つの井戸層より
もｐ型層側に設けられた第２の障壁層（ｐ側障壁層）を
設けて、少なくとも第１の障壁層と、第２の障壁層とで
井戸層を挟み込む構造が設けられていることが好まし
い。なぜなら、井戸層を挟んで設けられた第１の障壁層
と、第２の障壁層は、それぞれ最もｎ型層の近く、最も
ｐ型層の近くに設けられた障壁層であるため、異なる機
能を有するためである。
【００６１】第１の障壁層は、活性層中で最もｎ型層の
近くに配置された障壁層であり、更に好ましくは、活性
層内で最も外側で、最もｎ型層側に設けられることであ
り、更に好ましくは、ｎ型層、第１の半導体層に接し
て、設けられることである。これは、井戸層を介して、
ｎ型層に離間して第１の障壁層が設けられると、例えば
図４（ｂ）に示す形態では、第１の障壁層２ａよりもｎ
型層側にある井戸層では、キャリアの注入があり、ｎ型
層側へオーバーフローするキャリアが発生し、一方で第
１の障壁層を厚膜としてｎ型層側へのオーバーフローを
抑えると、それよりもｎ型層側にある井戸層において、
キャリアが注入されず、発光再結合などの井戸層として
の機能を損なうものとなるためである。逆に、第１の障
壁層は、第１の障壁層と、ｐ型層とで挟まれる活性層内
の井戸層へキャリアを閉じ込めるための障壁として機能
し、また、第２の障壁層も同様に第２の障壁層とｎ型層
間の井戸層にキャリアを閉込めとして機能する一方で、
井戸層に挟まれた障壁層、例えば図５（ａ）及び図５
（ｂ）の障壁層２ｃ、２ｄは、各井戸層にキャリアを分
散して閉じ込める機能を有し、第１の障壁層、第２の障
壁層と井戸層の間の障壁層とでは異なる機能を有するも
のとなる。そのため、第１の障壁層の機能を最大限活用
するには、活性層内の最も外側に第１の障壁層、第２の
障壁層を配置することで、活性層内へキャリアを好適に
閉じ込めることが可能となる。
【００６２】また、第２の障壁層については、上述した
ようにこの第２の障壁層に加えて、後述するキャリア閉
込め層を活性層の外部、好ましくは活性層に接して、第
２導電型層（ｐ型層）中に設けることで、キャリアを活
性層中の非対称な障壁層の構造に対応して設けられ、各
井戸層に閉じ込めること構造とできる。このように、第
２の障壁層に加えて、キャリア閉込め層を活性層外部に
配置することで、窒化物半導体において、ホールに比べ
て、電子は拡散しやすい性質にあり、キャリア拡散長も
大きい傾向にあるが、これを改善して、活性層内、特に
井戸層内に好適にキャリアを閉込め、注入できる構造と
なる。ここで、第２の障壁層は、第１の障壁層と同様
に、井戸層よりもｐ型層（第２導電型層）側に配置さ
れ、更に好ましくは最もｐ型層の近くに配置された障壁
層とし、最も好ましくは、活性層において最も外側で、
ｐ型層側に配置させることで、好適なキャリア注入が可
能となる。また、キャリア閉込め層との関係から、キャ
リア閉込め層と離間して、配置されせることもできる
が、好ましくは、ｐ型層中のキャリア閉込め層２８に接
して第２の障壁層を形成することで、第１の半導体層よ
りもバンドギャップエネルギーの大きいキャリア閉込め
層に対して、第１の障壁層よりもバンドギャップエネル
ギーの小さい第２の障壁層によるキャリアの井戸層への
注入を促進でき好ましい。
【００６３】また、上述した第１の障壁層、第２の障壁
層のように、活性層内で井戸層よりも、第１導電型層、
第２導電型層の近くに配置され、活性層中の障壁層の中
でも最も外側の障壁層以外の障壁層は、例えば、図５
（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、井戸層１ａと井戸
層１ｂ、井戸層１ｂと井戸層１ｃとに挟まれた内部障壁
層２ｃ、２ｄを設けることもできる。特に多重量子井戸
構造においては、このような井戸層に挟まれた内部障壁
層を用いることで、複数存在する井戸層において、キャ
リアが好適に各井戸層に分配され、注入・閉込められ
る。すなわち、上記第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２
ｂと異なる機能を有するものであり、第１の障壁層、第
２の障壁層よりも膜厚を薄くしても、井戸層に挟まれた
障壁層の機能を損なわない量子井戸構造とでき、活性層
全体の膜厚を抑えて、Ｖｆの上昇を抑えることができ好
ましい。また、図５（ａ）に示すように、第１の障壁層
２ａ、第２の障壁層２ｂよりも、バンドギャップエネル
ギーの大きな内部障壁層２ｃとすると、各導電型層から
注入されたキャリアに対し、井戸層間に介在する障壁の
大きなこれら内部障壁層２ｃ、２ｄにより、活性層に隣
接する各導電型層からキャリア注入する際に、大きな内
部障壁層を越えることとなり、特に、第２導電型層側か
ら低い障壁の第２の障壁層を越えて井戸層にキャリア注
入される際に、内部障壁層を越えて、第１導電型層側に
ある井戸層へのキャリア注入効率が低下する傾向にあ
る。また図５（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａ、
第２の障壁層２ｂよりも、井戸層に挟まれた障壁層２
ｃ、２ｄとすると、これら内部に位置する障壁層での閉
込め機能を弱めて、外部に位置する第１の障壁層２ａ、
第２の障壁層２ｂをこれら障壁層に比較して強めること
で、井戸層数が多くなっても、外部の障壁層が大きな障
壁を形成することから、各井戸層へのキャリアの注入・
閉込めを好適に実現しうる構造とできる。すなわち、上
述したように、内部障壁層のバンドギャップエネルギー
を、図５（ｂ）に示すように、第１の半導体層よりも小
さくすることで、第２導電型層側からのキャリア注入に
おいて、最も遠くの第１の障壁層が最も大きなバンドギ
ャップエネルギーとでき、各井戸層への注入を良好なも
のとできる。また、この時好ましくは、内部障壁層のバ
ンドギャップエネルギーを第２の障壁層よりも大きくす
ることで、図５（ｂ）に示すように、第１導電型層側か
ら第２導電型層側に近づくに従って、段階的にバンドギ
ャップエネルギーが大きくなる障壁層の構成とでき、各
井戸層への好ましいキャリア注入が可能となる。
【００６４】以上説明したように、外部の障壁層である
第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｃは、内部の井戸層
に挟まれた障壁層と異なる機能を有することから、内部
の障壁層と外部の障壁層との間で、膜厚、バンドギャッ
プエネルギー、組成を異なるものとした構成として、所
望の素子特性の素子を得ることが可能となる。また、図
５（ｂ）に示すように、内部障壁層を複数有する活性層
では、各内部障壁層間で、異なる組成、バンドギャップ
エネルギー、膜厚とすることも可能であり、ほぼ同一の
組成、バンドギャップエネルギー、膜厚とすることもで
き、好ましくは、ほぼ同一の組成、バンドギャップエネ
ルギー、膜厚とすることで、内部障壁層でほぼ均等な機
能を付与することができ、各井戸層へのキャリアの注入
が好適になされる。
【００６５】また、上述したように、各障壁層への不純
物ドープとしては、最もｎ型層側に位置する第１の障壁
層２ｂには、ｎ型不純物をドープすることが上述した理
由により好ましく、最もｐ型層側に配置される第２の障
壁層には、ｎ型不純物をドープするよりも、実質的ｎ型
不純物がドープされていない状態、具体的には、５×１
０１６／ｃｍ３以下の不純物濃度とすることが好まし
い。これは、窒化物半導体に用いられるｐ型不純物は、
拡散性の高い不純物が多く、例えば良く用いられるＭ
ｇ、Ｚｎなどは、積層構造内を広く拡散する傾向にあ
り、障壁層にｐ型不純物がドープされるとそれに隣接す
る井戸層への拡散が起こり、井戸層でのキャリアの発光
再結合を阻害する傾向にあるためである。また、ｐ型層
側に近い第２の障壁層をアンドープとすることで、ｐ型
層からの不純物の拡散をその障壁層内に留める作用が付
与され、井戸層へのさらなる不純物の拡散を防止でき好
ましい。特に、キャリア閉込め層２８をｐ型層中に有
し、第２の障壁層に近接して、好ましくは第２の障壁層
に接して配置される場合には、キャリア閉込め層は比較
的高抵抗な層となる傾向にあるため、高濃度でｐ型不純
物がドープされる傾向にあり、この不純物の拡散が問題
となるが、第２の障壁層をアンドープとすることでこの
拡散による井戸層の機能低下を防ぐことができ好まし
い。また、キャリア閉込め層近傍において、ｐ−ｎ接合
が形成され、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び
図５（ｂ）等に示すように、キャリア閉込め層では、素
子構造内において、最も大きなＡｌ混晶比で形成される
傾向にあることから、高Ａｌ混晶比の窒化物半導体によ
る大きな圧電がかかり、井戸層に悪影響を及ぼす傾向に
あるが、キャリア閉込め層よりもＡｌ混晶比の小さい第
２の障壁層をアンドープで形成することで、井戸層への
悪影響を抑制できる傾向にあり、好ましい。
【００６６】また、第１の障壁層、第２の障壁層との比
較において、第１の障壁層を第２の障壁層よりも大きな
膜厚とする場合には、第２導電型層中にキャリア閉込め
層２８を設けることで、第２の障壁層による活性層内へ
のキャリア閉込め機能を低下させ、すなわち、上記内部
障壁層に近い働きをする障壁層とし、キャリア閉込め層
２８でもって、主に活性層へのキャリア閉込めを実現す
る構造とでき、活性層全体の膜厚が小さくできるため、
Ｖｆ低下に寄与でき、また窒化物半導体においては、ホ
ールの拡散長が、電子の拡散長よりも十分に小さいた
め、ホールの注入口となる第１の障壁層の膜厚が小さい
ことで、井戸層へのキャリア注入が効率よくなされ好ま
しい。一方で、ｐ型不純物がドープされたキャリア閉込
め層２８を有する場合、若しくは、活性層の近く、好ま
しくは活性層に接して配置された第２の半導体層２９
が、第１の障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギ
ーを有する場合には、Ａｌ混晶比の高い層が活性層に隣
接して設けられることとなる。このため、Ａｌ混晶比の
高い層は高抵抗であることから、この層では素子動作中
に大きな発熱を生み、それが井戸層に接近していると、
井戸層への熱による悪影響が発生し、素子特性を低下さ
せる傾向にある。また、このようなＡｌ混晶比の大きな
層と活性層との界面、若しくはＡｌ混晶比の大きい層の
活性層側界面、若しくはその近傍において、図３
（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す
ように、ｐ−ｎ接合が形成され、その近くに活性層の井
戸層が設けられていると、井戸層での発光再結合におい
て、バイアスが悪影響を及ぼす傾向にある。すなわち、
第１の障壁層は、井戸層とＡｌ高混晶層との間をあけ
て、上記Ａｌ高混晶層による悪影響が井戸層に及ばない
ように離間させるスペーサーとして機能させると好まし
い。この場合、第１の障壁層の具体的な膜厚としては、
少なくとも２０Å以上とすることで上記スペーサーの機
能を発現でき、好ましくは、４０Å以上の膜厚で井戸層
への影響を抑えた活性層とでき好ましい。
【００６７】以下、本発明の一実施形態について説明す
る。
【００６８】本発明における素子構造としては、量子井
戸構造の活性層を、第１導電型層と第２導電型層とで、
挟む構造を有するもので、活性層、第１導電型層、第２
導電型層の各層には、窒化物半導体からなる層が用いら
れている。具体的には、図２（ａ）に示すように、基板
２１の上に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電
型層１３が積層された構造を有する素子であり、活性層
は、少なくとも障壁層と井戸層を有する量子井戸構造で
構成される。ここで、第１導電型層と第２導電型層との
間に設けられた量子井戸構造の活性層１２には、図３
（ａ）の積層構造４０に示すように、少なくとも前記第
１導電型層１１側に配置された第１の障壁層２ａと、前
記第２導電型層１３側に配置された第２の障壁層２ｂ
と、これら第１の障壁層２ａと第２の障壁層２ｂとに挟
まれた少なくとも１つの井戸層１を少なくとも有するも
のである。特に、これら第１の障壁層２ａと第２の障壁
層２ｂとは、それぞれ最も第１導電型層側、第２導電型
層側に配置された障壁層であることが好ましく、更に、
これら障壁層は、活性層内で最も外側に配置された層で
あることが好ましい。これは、図５（ａ）及び図５
（ｂ）に示すように、内部に配置された内部障壁層２
ｃ、２ｄと、上記第１の障壁層２ａ、第２の障壁層２ｂ
とは、異なる働きを有することにある。
【００６９】本発明では、これら障壁層を有する活性層
において、第１の障壁層２ａのバンドギャップエネルギ
ーより、第２の障壁層２ｂのバンドギャップエネルギー
が小さいことを特徴としている。具体的には、図３
（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）などに
示すように、第１の障壁層２ａより第２の障壁層２ｂが
バンドギャップエネルギーが小さいことで、第２導電型
層１３側からのキャリア注入において、図中の矢印で示
すように、従来の経路５２よりも本発明の経路５１の方
が障壁が小さく、効率的な井戸層１ａへのキャリア注入
を実現できる。更に、第２導電型層１３側のキャリア
は、図中の矢印で示すように、バンドギャップエネルギ
ーの大きく、第１導電型層１１側の第１の障壁層２ａに
より、井戸層１ａ内に閉じ込められる。この時、特に好
ましくは、第１導電型層１１がｎ型層であり、第２導電
型層１３がｐ型層であると、図３（ａ），図３（ｂ），
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、伝導体側に比
して価電子帯側に大きな障壁が形成されることで、窒化
物半導体のように、ホールの拡散長が電子に比べて小さ
い系において、障壁層のような薄膜で、小さい障壁によ
っても、好適なホールの注入、閉込めが実現される。加
えて、ｎ型層側１１、ｐ型層側１３の素子構造におい
て、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５
（ｂ）に示すように、窒化物半導体素子では、ｐｎ接合
部が活性層とｐ型層１３との界面近傍に形成される傾向
にあり、第２の障壁層２ｂのバンドギャップエネルギー
が大きいと、ホールの注入に対する障壁が大きくなる傾
向にあるためである。
【００７０】一方で、ｎ型層側１１、ｐ型層側１３との
間に活性層が設けられた素子構造において、電子の閉込
めを考慮するとき、図３（ａ），図３（ｂ），図５
（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ｐ型層１３内の活
性層近傍に、電子閉込めのキャリア閉込め層２８を配置
することで、上述したｐｎ接合部が、キャリア閉込め層
２８近傍に形成され、電子を閉じ込めるの好適な障壁が
形成されるため、上記障壁層に加えて用いることが好ま
しい。この時更に好ましくは、図３（ａ），図３
（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、活性
層に接して、キャリア閉込め層２８が第２導電型層１３
内に設けられることで、井戸層近くに大きな障壁が形成
されて閉込め効果を高めることができ好ましく、更に好
ましくは、図３（ａ）に示すように、活性層２７内で第
２導電型層１３側で最も外側の層として配置された第２
の障壁層２ｂに接して、キャリア閉込め層２８が形成さ
れることで、障壁の小さい第２の障壁層２ｂで閉込めが
困難な第１導電型層１１側からのキャリアを好適に閉じ
込める構造が実現できる。
【００７１】本発明の一実施形態としては、上記第１の
実施形態に組み合わせて適用されるものであり、具体的
には、図３（ａ），図３（ｂ），図５（ａ）及び図５
（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａよりもバンドギ
ャップエネルギーの小さい第１の半導体層２６を、第１
導電型層側１１に設けることであり、更に、第２導電型
層側１３にも同様に、第１の障壁層２ａよりもバンドギ
ャップエネルギーの小さい第２の半導体層２９を配置す
ることである。この時、第２導電型層１３において、第
２の半導体層２９を設ける場合に、上述したキャリア閉
込め層２８を介して、活性層から離間して第２の半導体
層２９を設けること、すなわち、第２の半導体層２９と
活性層１２との間に、キャリア閉込め層２８を設けるこ
とが好ましい。
【００７２】このように、活性層１２、特にその活性層
１２内で最も大きなバンドギャップエネルギーとなる第
１の障壁層２ａよりもバンドギャップエネルギーの小さ
い窒化物半導体層を、活性層１２を挟む第１導電型層側
１１、第２導電型層側１３に設けることで、短波長域の
発光素子において、素子特性を向上させることが可能と
なる。これは、上述したように、従来の短波長域の窒化
物半導体発光素子において、図４（ａ）及び図４（ｂ）
に示すように、活性層よりもバンドギャップエネルギー
の大きい層、すなわち、Ａｌ混晶比の高い層を設ける必
要があり、熱膨張係数差などの影響で結晶性が悪化する
ものとなる。本発明では、従来の素子とは異なり、活性
層を挟む第１導電型層側１１、第２導電型層側１３に、
活性層よりもバンドギャップエネルギーの小さい層を設
けることで、結晶性悪化を抑えて、良好な結晶性の活性
層、素子形成を可能とする。また、実施例に示すよう
に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層１３
の順に積層された素子においては、活性層１２の下に配
置される第１導電型層１１のＡｌ混晶比を小さい抑える
ことで、良好な結晶性でもって活性層の形成が可能とな
り、活性層を挟む第１導電型層１１、第２導電型層１３
にそれぞれ、活性層、特に第１の障壁層２ａよりもＡｌ
混晶比の小さい層を設けることで、Ａｌを含む窒化物半
導体により活性層に係る強い応力を緩和させて、素子駆
動に優れた活性層の形成が可能となる。
【００７３】以下、本発明の素子に用いられる各層につ
いて、特に短波長系における実施形態を元に詳細に説明
する。
【００７４】（レーザ素子、導波路構造）本発明の一実
施形態は、窒化物半導体素子構造として、活性層を、第
１導電型層、第２導電型層とで、挟み込む構造を有する
レーザ素子、端面発光素子とする。具体的には、図２
（ａ）に示すように、基板上に、第１導電型層１１、活
性層１２、第２導電型層１３とが積層された構造を有
し、さらには、第１導電型層１１内に第１の光ガイド層
２６、第２導電型層１３内に第２の光ガイド層２９、が
少なくとも設けられ、これら第１、第２の光ガイド層２
６，２９とで、活性層を挟み込む構造を有し、第１，２
の光ガイド層とその間の活性層とで導波路を形成する。
更に、後述するように、第１導電型層が下部クラッド層
２５、第２導電型層が上部クラッド層３０をそれぞれ有
する場合には、この上部、下部クラッド層２５，３０と
で挟み込まれ、活性層を含む領域が、導波路となる。上
部クラッド層２５、下部クラッド層３０とで、挟まれた
導波路内に光ガイド層を設けると、閾値電流密度を低減
させ、高出力のレーザ素子が得られる。以下に、導波路
に光ガイド層を有する素子構造について、特に、井戸層
のバンドギャップエネルギーがＧａＮとほぼ同じか、そ
れよりも大きいワイドバンドギャップの短波長系につい
て説明する。
【００７５】本発明の第１の実施形態において、図２
（ａ）に示すように、導波路として、活性層１２と、第
１導電型層１１内の第１の光ガイド層２９、第２導電型
層内の第２の光ガイド層２６とが、設けられた構造を有
し、特に上述した波長３８０ｎｍ以下の活性層を用いた
導波路が設けられた構造を特徴とする素子である。
【００７６】この導波路は、主に活性層からの光を導波
させるものであり、この導波路構造によりレーザ素子、
端面発光素子において、発光効率、閾値電流密度、その
他の素子特性が様々に変化する。光ガイド層は、このよ
うに、活性層を挟んで形成されるが、第１導電型層、第
２導電型層の少なくとも一方のみに光ガイド層を形成す
ること、すなわち、第１の光ガイド層若しくは第２の光
ガイド層だけでもよいが、好ましくは活性層の両側に、
光ガイド層を設けることで、閾値電流密度が低下し、高
出力のレーザ素子が得られる。
【００７７】本発明の第１の光ガイド層２６、第２の光
ガイド層２９としては、Ａｌを含む窒化物半導体が用い
られ、また、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）の
バンド構造４１として示すように、少なくとも量子井戸
構造の活性層２７内の井戸層１よりも大きなバンドギャ
ップエネルギーとし、また活性層２７と光ガイド層２
６，２９との屈折率差を小さくして、導波路構造とす
る。また、光ガイド層は、図３（ｂ），図５（ａ）及び
図５（ｂ）に示すように、光ガイド層２６、２９の全部
が、障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さくて
も良く、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、障壁
層よりも大きな層が光ガイド層の一部として設けられて
いても良い。この場合、第１の障壁層を除く光ガイド
層、若しくはその一部が障壁層よりもバンドギャップエ
ネルギーを大きくするか、若しくは図５（ｂ）に示すよ
うに、内部障壁層、第２の障壁層、すなわち活性層中の
障壁層の一部より光ガイド層のバンドギャップエネルギ
ーを大きくすることができる。すなわち、好ましくは、
光ガイド層が、第１の障壁層よりもバンドギャップエネ
ルギーの小さい第１の半導体層を有すること、さらに好
ましくは第１の半導体層からなる光ガイド層、若しくは
第１の半導体層以外の層を有する多層膜の光ガイド層に
おいて、光ガイド層全体を第１の障壁層よりもバンドギ
ャップエネルギーより小さくすることで、上記第１の障
壁層のキャリア閉込め層としての機能を好適に発現でき
る。更に、Ａｌ混晶比の小さい光ガイド層を形成するこ
とで、例えば、それにより下部光ガイド層が形成される
と、Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性悪化を抑え
て、活性層を形成でき、発光素子、レーザ素子特性に優
れた素子を得ることができる。この時、更に好ましく
は、光ガイド層の一部、好ましくは全部のバンドギャッ
プエネルギーを、内部障壁層よりも小さくすること、更
に好ましくは、第１の障壁層よりも小さくすることで、
さらに優れた素子とできる。すなわち、上記短波長系に
あっては、Ａｌを含む窒化物半導体から成る光ガイド層
の一部、好ましくは全部のＡｌ混晶比を内部障壁層より
小さくし、更に好ましくは第２の障壁層よりも小さくす
ることである。また、第１の半導体層を、第１導電型層
中の光ガイド層を設けるのと同様に、第２導電型層に光
ガイド層を設ける場合において、上述したように、第２
の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２
の半導体層を設けることもでき、この時の作用について
も第１の半導体層と同様である。更に、第２の半導体層
が上部光ガイド層に設けられる場合において、光ガイド
層の組成として具体的には、ＩｎαＡｌβＧａ
１−α−βＮ（０≦α、０＜β、α＋β≦１）が用いら
れる。好ましくは、Ｉｎを含まない窒化物半導体とする
こと、すなわち、Ｉｎ組成比が０の窒化物半導体とする
ことで、Ｉｎを含むことによる光の吸収を防ぎ、光の損
失を低く抑えた導波路とできる。さらに、好ましくはＡ
ｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用いることで、紫外
域から赤色域までの幅広い波長域に適用できる導波路と
なる。特に上記波長３８０ｎｍ以下の短波長域の光を導
波させるには、好ましくはＡｌβＧａ１−βＮ（０＜β
≦１）が用いられる。これは、ＧａＮでは、上記短波長
域の光を吸収し、それが損失となって、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βは、光ガイド層のバンドギャップ
エネルギーＥｇ、活性層の発光の光子エネルギーＥｐに
比べて、０．０５ｅＶ以上大きくなるように（Ｅｇ−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り、更に好ましくは
Ｅｇ−Ｅｐ≧０．１とすることで、更に優れた導波路が
形成される。すなわち、この条件を満たし、なおかつ、
上述した第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギー
を小さくした光ガイド層とすることで素子特性に優れた
導波路が形成される。
【００７８】また第１の光ガイド層２６、第２の光ガイ
ド層２９は、どちらか一方若しくは両方が、単一膜で形
成されていても良く、多層膜で形成されていても良い。
単一膜の窒化物半導体からなる光ガイド層を形成する場
合には、図３（ａ）に示すように、活性層２７を挟む第
１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層２９の積層構造
４０が設けられ、そのバンド構造４１は、活性層よりも
バンドギャップエネルギーが大きくなるようにする。具
体的には、上記ＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用
いることであり、上記短波長域においてはＡｌβＧａ
１−βＮ（０＜β≦１）を用い、さらに好ましくは上述
したように第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層のバ
ンドギャップエネルギーＥｇが、光子エネルギーＥｐに
比べて、０．０５ｅＶ以上大きいこと（Ｅｇ−Ｅｐ≧
０．０５ｅＶ、好ましくはＥｇ−Ｅｐ≧０．１）となる
ように、Ａｌ組成比βを調節する。
【００７９】第１の光ガイド層２６、第２の光ガイド層
２９の膜厚としては、特に限定されず、具体的には、１
０ｎｍ以上５μｍ以下の範囲であり、好ましくは２０ｎ
ｍ以上１μｍ以下の範囲であり、更に好ましくは５０ｎ
ｍ以上３００ｎｍ以下の範囲とする。これにより、１０
ｎｍ以上でガイド層として機能し、２０ｎｍ以上とする
ことで閾値電流密度を低下させる導波路が形成される傾
向にあり、５０ｎｍ以上とすることで更に閾値電流密度
を低下させる傾向にあるためである。また、５μｍ以下
ではガイド層として機能し、１μｍ以下で光が導波する
際の損失を減少させ、３００ｎｍ以下とすることで光の
損失を更に抑えられる傾向にあるためである。
【００８０】本発明の光ガイド層を多層膜の窒化物半導
体で構成しても良く、その場合も上記と同様に、Ｉｎを
含まない窒化物半導体を用いることが好ましく、さらに
上記ＡｌβＧａ１−βＮ（０≦β≦１）を用いることが
好ましく、上記短波長域においてはＡｌβＧａ１−βＮ
（０＜β≦１）を用いることが好ましく、この窒化物半
導体を用いて少なくとも互いに組成の異なる窒化物半導
体層を各々の光ガイド層に１層以上用いた多層膜とす
る。具体的には、第１の光ガイド層２６に、第１の層、
第１の層と異なる組成の第２の層、第２の光ガイド層２
９に、第３の層と、第３の層と異なる組成の第４の層、
を用いる。ここで、第１〜４の層は、窒化物半導体から
なる。これにより、各ガイド層内の第１の層と第２の層
との間、第３の層と第４の層との間、において、Ａｌ組
成比を異なるようにして、バンドギャップエネルギー、
屈折率の異なる多層膜構造としても良い。
【００８１】例えば、第１導電型層、活性層、第２導電
型層が積層された構造で、第１の光ガイド層が、第１の
層と第２の層とを有し、第２の光ガイド層が第３の層
と、第４の層とを有し、第２の層と第３の層とを活性層
側に配置して、第１の層と第４の層とを活性層から遠い
位置に配置した構造として、バンドギャップエネルギー
を活性層に近づくに従って段階的に小さくした構造とす
る。具体的には、活性層側の第２の層、第３の層のＡｌ
組成比β２、β３を、活性層から遠い第１の層、第４の
層のＡｌ組成比β１，β４よりも小さくすること、β１
＞β２、β４＞β３とすることで、段階的なバンド構造
となり、導波路内の活性層にキャリアが効率的に注入さ
れ、また活性層及び活性層付近が屈折率が大きくなるこ
とから、導波路内で活性層付近に光が多く分布した構造
とできる。このように、光ガイド層を多層膜とするのに
は、Ａｌ組成比を大きくすると結晶性の悪化する傾向に
あり、単一膜で光ガイド層を形成することが結晶性の悪
化により困難な場合、若しくは特性悪化が発生する場合
に、多層膜で形成して結晶性の悪化を小さく抑えること
ができるからである。また、上記、β１＞β２、β４＞
β３とは逆に、β１＜β２、β４＜β３として、活性層
に近いガイド層（第２の層、第３の層）のバンドギャッ
プエネルギーを大きくし、屈折率を小さくし、遠いガイ
ド層（第１の層、第４の層）を小さくし、屈折率を大き
くすることも可能であるが、好ましくは上記キャリア注
入、光の分布が良好となることから、β１＞β２、β４
＞β３とすることである。また、多層膜の光ガイド層と
する場合に、上記第１〜４の層に限らず、各光ガイド層
を３層以上で構成しても良く、第１の層（第３の層）と
第２の層（第４の層）と交互に複数積層した、すなわち
第１の層と第２の層とを１対として複数の対を積層して
ガイド層を構成しても良い。また、多層膜の光ガイド層
とする場合には、上記条件式、Ｅｇ−Ｅｐ≧０．０５ｅ
Ｖ、を計算する場合には、光ガイド層全体の平均組成に
より算出する。例えば、Ａｌβ１Ｇａ１−β １Ｎ（０＜
β１≦１）からなる膜厚ｄ１の第１の層、Ａｌβ２Ｇａ
１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１≠β２）からなる膜厚
ｄ２の第２の層、で第１の光ガイド層を構成する場合に
は、Ａｌの平均組成βｍは、各構成層の膜厚で加重平均
した次式、βｍ＝（ｄ１×β１＋ｄ２×β２）／（ｄ１
＋ｄ２）、で得られる。
【００８２】また、本発明の光ガイド層において、活性
層に近づくに従ってバンドギャップエネルギーが小さく
なるように、組成傾斜させたＧＲＩＮ構造としてもよ
い。具体的には、Ａｌ組成比βを傾斜させること、すな
わち活性層に近づくに従ってＡｌ組成比βが小さくなる
ように組成傾斜させることで、ＧＲＩＮ構造とできキャ
リアの注入効率が向上する。この時、組成傾斜は、図８
（ａ）に示すように連続的に組成を傾斜させても良く、
不連続で段階的に組成を傾斜させても良い。また、超格
子多層膜構造のように、例えば、上記第１の光ガイド層
の第１の層／第２の層を交互に積層した複数対を有する
構造においても、Ａｌを組成傾斜させて、活性層に近づ
くに従ってバンドギャップエネルギーが小さくなるよう
にしても良く、この場合、少なくともいずれか一方の層
だけ、例えば第１の層だけを組成傾斜させても良く、対
を構成する全ての層、例えば第１の層及び第２の層を組
成傾斜させても良い。また、光ガイド層の膜厚方向にお
いて、部分的に組成傾斜が設けられていても良く、好ま
しくは膜厚方向における全ての領域で組成傾斜させる方
がキャリアの注入効率が向上する傾向にある。
【００８３】更に、多層膜の光ガイド層において、多層
膜の超格子構造としても良く、超格子構造を用いること
で、上記Ａｌを含む窒化物半導体による結晶性の悪化を
抑制して、良好な結晶性の導波路を形成することができ
る。具体的には、第１の光ガイド層２６において、前記
第１の層と、第２の層とを交互に積層して、少なくとも
一方を２層以上、好ましくは各層を２層以上とするこ
と、若しくは第１の層と第２の層とを１対として複数対
積層した構造とする。この時、各層の窒化物半導体の組
成は上記と同様であるが、好ましくは、第１の層／第２
の層が、Ａｌβ１Ｇａ１−β１Ｎ（０≦β１≦１）／Ａ
ｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ（０≦β２≦１、β１≠β２）、
上記短波長域においてはＡｌβ１Ｇａ１−β１Ｎ（０＜
β１≦１）／Ａｌβ２Ｇａ１−β２Ｎ（０＜β２≦１、
β１≠β２）を用いることで、光の損失を抑えて、なお
かつ超格子構造により結晶性の悪化も抑えた導波路が形
成される。光ガイド層を超格子構造とするには、多層膜
を構成する各層の膜厚が超格子となるように設定するこ
とであり、組成及び各層の組み合わせによりその膜厚は
異なるが、具体的には、１０ｎｍ以下とすることであ
り、好ましくは７．５ｎｍ以下とすることで結晶性を良
好に保つことができ、更に好ましくは５ｎｍ以下とする
ことで、より良好な結晶性とすることができる。
【００８４】また、本発明の光ガイド層において、各導
電型の不純物は、少なくとも層の一部にドープされるこ
とがキャリアの移動・注入が良好となるため好ましく、
この時導電型の不純物は、光ガイド層の一部若しくは部
分的にドープする形態、全体にドープする形態、のいず
れかでも良い。また、多層膜の光ガイド層においては、
例えば前記第１の層、第２の層を有する第１の光ガイド
層において、両方にドープしても良く、又は第１の層と
第２の層とで異なるドープ量とするか、一方にドープし
て、他方をアンドープとした変調ドープとしても良い。
例えば上記第１の光ガイド層において第１の層と第２の
層とを交互に積層した、若しくは、複数対設けた構造の
ような超格子多層膜構造において好ましくは、一方の
層、例えば第１の層にのみドープした変調ドープとする
ことで、不純物ドープによる結晶性の悪化を抑えること
ができる。更に好ましくは、Ａｌ組成比の低い層にのみ
ドープすることで、結晶性の良好な層にドープすること
ができ、不純物ドープによる結晶性の悪化を抑えて、不
純物ドープによる活性化も良好なものとなり好ましい。
これは、例えば、前記第１の層／第２の層が、Ａｌβ１
Ｇａ１−β１Ｎ（０≦β１≦１）／Ａｌβ２Ｇａ
１−β２Ｎ（０＜β２≦１、β１＜β２）の超格子多層
膜構造である第１の光ガイド層において、Ａｌ組成比の
小さい第２の層に不純物ドープして、第１の層をアンド
ープとすることで、Ａｌ組成比の小さい第２の層は第１
の層より結晶性が良く、このためこの結晶性の良い層に
不純物ドープすることで、良好な活性化が実現され、キ
ャリアの移動・注入に優れた光ガイド層となる。
【００８５】更に、本発明の光ガイド層の不純物ドープ
について、図８（ｂ）〜図８（ｄ）に、ドープ量変化４
２として示すように、第１，２の光ガイド層２６，２９
において、不純物ドープ量を、活性層に近づくに従って
ドープ量を小さくする、若しくは、活性層から遠い領域
に比べて活性層に近い領域のドープ量を小さくすると、
導波路、特に光ガイド層内において、光の損失を更に減
少させて、良好な光の導波を実現でき、閾値電流密度の
低減、駆動電流の低減化を図ることができる。これは、
不純物ドープした領域を光が導波すると、不純物により
光の吸収が発生しするために光の損失が起こるからであ
る。これに加えて、導波路は上述したように、第１の光
ガイド層２６と第２の光ガイド層２９とで活性層２７を
挟む構造を少なくとも有しており、さらにそのガイド層
の外側若しくは導波路を、ガイド層より屈折率の小さい
上部・下部クラッド層２５，３０とで挟む構造でもって
光が導波路内に閉じこめられた構造となり、導波路内の
活性層２７及び活性層近傍に多くの光が分布するため、
その活性層近傍の領域において不純物ドープ量を少なく
することで、すなわち活性層側に低濃度不純物領域を設
け、その外側（活性層から離れた領域）に高濃度不純物
領域を設けることで、光が多く分布する領域での光の損
失が減少することとなり、光の損失の少ない導波路とな
る。具体的には、第１の光ガイド層２６、第２の光ガイ
ド層２９において、各層の膜厚の半分で領域を区切り活
性層に近い領域と遠い領域を考えた場合、活性層に近い
領域の導電型不純物濃度を、活性層に遠い領域の不純物
濃度よりも小さくすることであり、活性層に近い領域が
低濃度不純物領域、活性層に遠い領域が高濃度不純物領
域となる。光ガイド層の不純物濃度としては、特に限定
されないが、具体的には活性層に近い領域において５×
１０１７／ｃｍ３以下とすることである。ここで、上記
不純物ドープとは、第１の光ガイド層に第１導電型の不
純物ドープ、第２の光ガイド層に第２導電型の不純物ド
ープ、することを指すものである。
【００８６】光ガイド層内でドープ量を変化させる形態
としては、具体例として、各光ガイド層内において、活
性層に近づくに従ってなだらかに、連続的にドープ量を
小さくする形態（４２ａ）、不連続で段階的にドープ量
を小さくする形態（４２ｂ）、またその段階的なドープ
量変化を細かくし、光ガイド層内で部分的にドープ量変
化を設ける形態（４２ｃ）、のいずれかでも良く、また
これらを組み合わせて用いても良い。好ましくは、光ガ
イド層内において、活性層側からの距離が、５０ｎｍ以
下の領域をアンドープ（低濃度不純物領域）とすること
で光の損失低減が可能となり、好ましくは１００ｎｍ以
下の領域をアンドープ（低濃度不純物領域）とすること
で良好な光損失の低減、閾値電流密度、駆動電流の低減
が可能となる。この時、光ガイド層の膜厚は、アンドー
プ領域（低濃度不純物領域）を５０ｎｍ以下の領域とす
る場合には、５０ｎｍ以上の膜厚とし、１００ｎｍ以下
の領域とする場合には、１００ｎｍ以上の膜厚とするこ
とはいうまでもない。この時、上記アンドープ領域を光
ガイド層内に設ける場合、好ましくは、上述した組成傾
斜構造の光ガイド層と組み合わせて用いることであり、
これは図８（ａ）に示すように、バンドギャップエネル
ギーが、活性層に近づくに従って小さくなるバンド構造
であることにより、不純部ドープされない領域が活性層
近傍に設けられても、キャリアの注入効率の低下を抑え
た光ガイド層が形成されるためである。この時、組成傾
斜の光ガイド層は、上述したようにＧＲＩＮ構造が好ま
しく、また上記多層膜構造で、バンドギャップエネルギ
ーが活性層に近づくに従って小さくなる構造であって
も、アンドープ領域の形成に効果がある。ここで、各光
ガイド層内において、成長時に不純物ドープしなくて
も、すなわちアンドープで光ガイド層を成長させても、
隣接層から不純物が拡散する場合があり、その場合には
アンドープで成長させた上記領域においても、不純物が
ドープされたものとなる。具体的には、ｐ型不純物とし
て好ましく用いられるＭｇは、このような拡散現象が起
こりやすく、実施例１で示すように、アンドープでｐ側
光ガイド層を形成しても、隣接層の電子閉込め層とクラ
ッド層からの拡散により、ｐ型不純物がドープされる。
このように、拡散により不純物ドープが成される場合に
は、上述したように活性層に近い領域の不純物濃度を、
遠い領域よりも小さくすることである。このようなドー
プ領域は、少なくとも一方の光ガイド層に設けることが
好ましく、更に好ましくは両方の光ガイド層に設けるこ
とで光の損失を低減させた導波路となる。なお、図８
（ｂ）〜図８（ｄ）中の６１、６２は、各光ガイド層に
おけるドープ量変化を示している。
【００８７】また、上記光ガイド層における層構成、不
純物ドープの形態、組成、膜厚などは、第１の光ガイド
層、第２の光ガイド層とで同様なものとしても良く、異
なるようにしても良い。例えば、第１の光ガイド層を単
一膜とし、第２の光ガイド層を多層膜として、両光ガイ
ド層の層構成を異なるようにした形態などがある。
【００８８】（クラッド層）本発明の一実施形態におい
て、第１導電型層、活性層、第２導電型層とが積層され
た構造で、第１導電型層が下部クラッド層を有し、第２
導電型層が上部クラッド層を有する窒化物半導体素子と
しても良い。具体的には、図２（ａ）に示すように、基
板上に、第１導電型層１１、活性層１２、第２導電型層
１３とが積層された構造を有し、さらには、第１導電型
層１１内に下部クラッド層２５、第２導電型層１３内に
上部クラッド層３０、が少なくとも設けられ、これら上
部、下部クラッド層２５，３０とで、活性層を挟み込む
構造を有している。上部クラッド層２５、下部クラッド
層３０とで、光閉込めされ、それらに挟まれた導波路内
に、上述した光ガイド層を設けても良い。以下に、クラ
ッド層を有する素子構造について、説明する。
【００８９】上部、下部クラッド層２５，３０の組成
は、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５（ｂ）のバンド構
造４１に示すように、活性層（井戸層）よりもバンドギ
ャップエネルギーが大きくなるようにするものであり、
また上記レーザ素子、端面発光素子において第１，２の
光ガイド層２６，２９を有する場合には、光ガイド層と
同等若しくはそれより大きくして、屈折率を光ガイド層
より小さくする。これは、上部・下部クラッド層をキャ
リア閉込め、光閉込めとして機能させるものであり、光
ガイド層を有する場合には光閉込め層として機能させ
る。クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、Ａ
ｌを含む窒化物半導体が好ましく用いられ、ＩｎａＡｌ
ｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ、０＜ｂ、ａ＋ｂ≦１）で
表される窒化物半導体が用いられる。好ましくは、Ｉｎ
組成比ａが０の窒化物半導体を用いることで、Ｉｎを含
む窒化物半導体ではクラッド層内で光の吸収による損失
が発生しやすい傾向にあるからである。このため、好ま
しくはＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）で表される窒
化物半導体を用いることで、良好な光閉込め、更にガイ
ド層を設けない場合には、良好なキャリア閉込めが可能
となる。レーザ素子、端面発光素子において、導波路を
上部、下部クラッド層で挟む構造において、導波路とク
ラッド層との間、具体的には活性層及び／又は光ガイド
層との間、に十分な屈折率差を設けて、導波路内に光が
閉じこめられて、光が導波する構成とする。このような
屈折率差を設けるには、ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０＜ｂ≦
１）が好ましく用いられ、光ガイド層のＡｌ組成（平均
組成）比βとの間で、少なくともβ≦ｂの関係を満たす
ようにし、好ましくはｂ−β≧０．０５となるようにす
ることで十分な屈折率差が設けられる。また、クラッド
層による光の閉込めは、クラッド層の膜厚にも依存する
ため、膜厚も考慮して窒化物半導体の組成を決定する。
本発明の実施例では、図２（ｂ）に示すように、各クラ
ッド層のＡｌ混晶比（平均組成）を第１の障壁層よりも
小さくしていることで、光閉込めに必要な屈折率差を光
ガイド層との間で設け、なおかつ、厚膜でクラッド層を
形成することができる。すなわち、上述したＡｌ混晶比
が、活性層、特に第１の障壁層よりも低い光ガイド層に
対して、所望の屈折率差が設けられたクラッド層を形成
することで、クラッド層のＡｌ混晶比を小さくすること
が可能となる。更に、実施例では、第２の障壁層よりも
バンドギャップエネルギーの小さい光ガイド層が形成さ
れているため、クラッド層のＡｌ混晶比を最大限低く抑
えた構造とされ、素子特性に優れた短波長系の窒化物半
導体素子が得られる。
【００９０】本発明のクラッド層は、上記光ガイド層と
同様に、単一膜で形成しても良く、多層膜で形成しても
良く、また多層膜超格子構造としても良い。単一膜でク
ラッド層を形成する場合には、上記窒化物半導体からな
る単一膜を形成することで、多層膜で形成する場合に比
べて、光、キャリア閉込め構造の設計が容易であり、ま
たクラッド層の成長にかかる時間を短縮できる。一方
で、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体は、結晶
性良く成長させることが困難で、特に単一膜のように、
ある一定以上の膜厚で成長させるとクラックが発生しや
すくなる。
【００９１】クラッド層を多層膜で形成する場合には、
組成の異なる窒化物半導体を複数積層するものであり、
具体的にはＡｌ組成比の異なる窒化物半導体を複数積層
する。このように多層膜で形成すると、単一膜の場合に
おける結晶性の悪化、クラックの発生を、抑制すること
が可能となる。具体的には、多層膜として、第１の層
と、それと異なる組成の第２の層とを積層し、屈折率、
バンドギャップエネルギーの異なる層を複数設ける。例
えば、Ａｌ組成比ｂ１の第１の層と、Ａｌ組成比ｂ２
（ｂ１≠ｂ２）の第２の層とを積層した構造の多層膜で
も良く、この時Ａｌ組成比をｂ１＜ｂ２（０≦ｂ１、ｂ
２≦１）とした構成とすると、Ａｌ組成比の大きな第１
の層で屈折率、バンドギャップエネルギーを大きくし、
Ａｌ組成比の小さい第２の層で、第１の層を形成するこ
とによる結晶性の悪化を抑えることができる。また、第
１の層、第２の層を積層し、第２の層と組成の異なる第
３の層を積層するなどして、更に複数の組成の異なる層
を積層しても良い。また、第１の層、第２の層を交互に
複数積層した構造であっても良く、少なくとも第１の
層、第２の層を有する対を、複数対形成した構造として
も良い。このような、多層膜構造では、Ａｌを含む窒化
物半導体の結晶性悪化を抑えて、膜厚を大きくすること
ができるため、光閉込めにおいて重要となる膜厚を得る
ことが可能となる。
【００９２】多層膜構造のクラッド層において、超格子
構造とすることで、更に結晶性を良好なものとして、ク
ラッド層を形成することができ好ましい。ここで、超格
子構造は、クラッド層の少なくとも一部に設けることで
あり、好ましくは全てにおいて超格子構造を設けること
で、結晶性良くクラッド層を形成できる。この時、著格
子構造としては、光ガイド層の場合と同様に、少なくと
も第１の層と、第２の層とを交互に複数積層したり、少
なくとも第１の層と第２の層とを有する対を、複数対設
けた構造とする。超格子構造を構成する各層の膜厚とし
ては、組成及び各層の組み合わせによりその膜厚は異な
るが、具体的には、１０ｎｍ以下とすることであり、好
ましくは７．５ｎｍ以下とすることで結晶性を良好に保
つことができ、更に好ましくは５ｎｍ以下とすること
で、より良好な結晶性とすることができる。
【００９３】クラッド層には、少なくとも各導電型の不
純物をドープすることが好ましく、光ガイド層と同様
に、全体にドープしても、部分的にドープしても良い。
また、多層膜の場合にも光ガイド層と同様に、例えば前
記第１の層、第２の層を有する多層膜で、両方にドープ
しても良く、又は第１の層と第２の層とで異なるドープ
量とするか、一方にドープして、他方をアンドープとし
た変調ドープとしても良い。例えば、前記第１の層／第
２の層が、Ａｌｂ１Ｇａ１−ｂ１Ｎ（０≦ｂ１≦１）／
Ａｌｂ２Ｇａ１−ｂ２Ｎ（０＜ｂ２≦ｂ１、ｂ１＜ｂ
２）の超格子多層膜構造である場合に、Ａｌ組成比の小
さい第２の層に不純物ドープして、第１の層をアンドー
プとすることで、光ガイド層と同様に結晶性を良くする
ことができる。
【００９４】クラッド層の膜厚としては特に限定されな
いが、１０ｎｍ以上２μｍ以下、５０ｎｍ以上１μｍ以
下の範囲で形成する。これは、１０ｎｍ以上とすること
でキャリアの閉込めが可能で、２μｍ以下とすること
で、結晶性の悪化を抑え、更に５０ｎｍ以上とすること
で光閉込めが可能となりレーザ素子、端面発光素子など
に用いることができ、１μｍ以下とすることで、結晶性
良くクラッド層を形成することができる。
【００９５】ここで、上部クラッド層、下部クラッド層
としては、上記短波長系においてＡｌを含む窒化物半導
体が好ましく用いられ、このことにより、導波路と両ク
ラッド層との間で、屈折率差を大きくとることができ
る。このとき、クラッド層の窒化物半導体には、Ｉｎを
含まないことが好ましく、なぜなら、Ｉｎを含む窒化物
半導体は、Ｉｎを含まない場合に比べて、結晶性が悪化
する傾向にあり、特に、活性層の上にｐ側クラッド層を
有する構造では、そのｐ側クラッド層にＩｎを含む窒化
物半導体を用いると、結晶性の悪化が大きく、素子特性
を大きく悪化させるものとなる。このとき、クラッド層
に用いる窒化物半導体として具体的には、ＡｌbＧａ1-b
Ｎ（０＜ｂ＜１）が好ましく用いられる。
【００９６】（キャリア閉込め層＜ｐ側電子閉込め層
＞）本発明において、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５
（ｂ）のバンド構造４１に示すように、活性層２７内
部、若しくは活性層近傍にキャリア閉込め層２８を設け
ることが、上記活性層内における第１、２の障壁層非対
称構造との組合せにおいて好ましい。図２（ａ），図３
（ａ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、レー
ザ素子、端面発光素子のように、光ガイド層２６，２
９、クラッド層２５，３０を有する構造の場合には、光
ガイド層２６，２９と活性層２７との間、又は、活性層
若しくは光ガイド層の一部として設けると良い。ここ
で、このキャリア閉込め層は、キャリアを活性層若しく
は井戸層内に閉じ込めるもので、レーザ素子、高出力の
発光素子などにおいて、素子駆動などによる温度上昇、
電流密度増大によって、キャリアが活性層をオーバーフ
ローすることを防ぐことが可能となり、活性層内にキャ
リアが効率的に注入される構造とできる。具体的には、
図３（ａ），図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、
第２導電型層側に配置されたキャリア閉込め層２８ｂに
より、第１導電型層からのキャリアを閉込め、第１導電
型層側のキャリア閉込め層２８ａにより、第２導電型層
からのキャリアを閉込める。このキャリアを閉込め層
は、少なくとも一方に設けることが好ましく、実施例１
に示すように、第１導電型層をｎ型、第２導電型層をｐ
型とした素子において、少なくともｐ型層側にキャリア
を閉込め層を設けることが好ましい。これは、窒化物半
導体において、電子の拡散長がホールの拡散長に比べて
長いため、電子の方が活性層をオーバーフローしやす
く、このため電子を閉じ込めるキャリア閉込め層２８を
ｐ型層側に設けることで、高出力のレーザ素子、発光素
子が得られる。特にバンドギャップエネルギーが小さい
第二の障壁層と組み合わせて用いた素子について、以下
ｐ型層側にキャリアを閉込め層を、ｐ側電子閉込め層と
して設ける例を説明するが、それは導電型層を代えるこ
とでｎ型層側にも適用できるものである。特に、ｐ側電
子閉込め層を少なくとも設けることが好ましく、これ
は、電子がホールに比べて、キャリア拡散長が長く、活
性層をオーバーフローしやすいためである。
【００９７】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Ａｌｃ
Ｇａ１−ｃＮ（０＜ｃ＜１）を用いる。この時、Ａｌ組
成比ｃとしては、キャリア閉込め層として機能するよう
に、活性層より十分に大きなバンドギャップエネルギー
を有する（オフセットをとる）必要があり、少なくとも
０．１≦ｃ＜１の範囲とすることであり、好ましくは
０．２≦ｓ＜０．５の範囲とすることである。なぜな
ら、ｃが０．１以下であるとレーザ素子において、十分
な電子閉込め層として機能せず、０．２以上であると十
分に電子閉込め（キャリアの閉込め）がなされ、キャリ
アのオーバーフローを抑え、加えて０．５以下であると
クラックの発生を低く抑えて成長させることができ、更
に好ましくはｃを０．３５以下とすることで良好な結晶
性で成長できる。また、上記光ガイド層を有する場合に
は、それよりも大きいバンドギャップエネルギーのキャ
リアを閉込め層とすることが好ましく、上記クラッド層
を有する場合には、クラッド層とほぼ同じかそれよりも
大きなバンドギャップエネルギーのキャリアを閉込め層
とすることである。これはキャリアの閉込めには光の閉
込めとなるクラッド層より高い混晶比の窒化物半導体が
必要となるからである。このｐ側電子閉込め層は、本発
明の窒化物半導体素子に用いることができ、特にレーザ
素子のように、大電流で駆動させ、多量のキャリアを活
性層内に注入する場合において、ｐ側電子閉込め層を有
していない場合に比べて、効果的なキャリアの閉込めを
可能とし、レーザ素子だけでなく、高出力のＬＥＤにも
用いることができる。また、この時、第１の障壁層より
もバンドギャップエネルギーの大きいキャリア閉込め層
とすることで、上記活性層非対称構造において、優れた
素子特性を得ることができる。
【００９８】本発明のキャリア閉込め層の膜厚として
は、少なくとも１００ｎｍ以下とすることであり、好ま
しくは４０ｎｍ以下とすることである。これは、Ａｌを
含む窒化物半導体は、他の窒化物半導体（Ａｌを含まな
い）に比べて、バルク抵抗が大きく、更にｐ側電子閉込
め層のＡｌ混晶比は上述したように高く設定されるた
め、１００ｎｍを超えて素子内に設けると、極めて高抵
抗な層となり、順方向電圧Ｖｆの大幅な増加を招くこと
となるためであり、４０ｎｍ以下であるとＶｆの上昇を
低く抑えることが可能で、更に好ましくは２０ｎｍ以下
とすることで更に低く抑えることが可能となる。ここ
で、ｐ側電子閉込め層の膜厚の下限としては、少なくと
も１ｎｍ以上、好ましくは５ｎｍ以上とすることで、電
子閉込めとして良好に機能する。ここで、キャリアを閉
込め層は、単一膜で形成して良く、組成異なる多層膜で
形成しても良い。
【００９９】また、本発明の窒化物半導体素子におい
て、光ガイド層を設けずに、クラッド層だけを設ける場
合には、活性層とクラッド層との間に上述したようにキ
ャリアを閉込めに十分なバンドオフセットが存在すれ
ば、キャリアを閉込め層を、クラッド層とは別に設ける
必要は内が、光ガイド層を有する構造のように、クラッ
ド層が活性層から離間して配置される場合には、活性層
とクラッド層との間に、好ましくは活性層近傍にキャリ
アを閉込め層を設けること良い。これは、活性層から離
れた位置にキャリアを閉込め層を設けると上記キャリア
のオーバーフローを抑制する効果がなくなるからであ
る。具体的には、活性層とｐ側電子閉込め層（キャリア
閉込め層）との距離は、１００ｎｍ以下とすることでキ
ャリアの閉込めとして機能し、更に好ましくは５００Å
以下とすることで良好なキャリアの閉込めが可能とな
る。活性層外部にキャリアを閉込め層を配置する場合に
は、最も好ましくは活性層に接して配置することで、最
も効率よくキャリアが活性層内に閉じ込められる。この
ように、活性層内にキャリアを閉込め層を設ける場合に
は、活性層内部の障壁層、特に第１の障壁層に比べてバ
ンドギャップエネルギーを大きくするものであり、好ま
しくは、活性層内の全ての障壁層よりもバンドギャップ
エネルギーを大きくすることで、上記活性層非対称構造
に適合した活性層外部のキャリア閉込め層とできる。
【０１００】本発明のｐ側電子閉込め層（キャリア閉込
め層）には、アンドープであっても、ｐ型不純物（各導
電型の不純物）がドープされても良い。好ましくは、各
導電型に設定する不純物がドープされることであり、例
えばｐ側電子閉込め層ではｐ型不純物がドープされるこ
とで、これはドープすることでキャリアの移動度が高ま
りＶｆを低下できるためである。さらにレーザ素子、ハ
イパワーＬＥＤなどの大電流で駆動させる場合には、キ
ャリアの移動度を高めるため、高濃度でドープすること
が好ましい。具体的なドープ量としては、少なくとも５
×１０１６／ｃｍ３以上ドープすることで、好ましくは
１×１０１８／ｃｍ３以上ドープすることであり、前記
大電流駆動の素子にあっては、１×１０１８／ｃｍ３以
上、好ましくは１×１０１９／ｃｍ３以上ドープするこ
とである。ｐ型不純物量の上限は特に限定されないが、
１×１０２１／ｃｍ３以下とすることである。但し、ｐ
型不純物量が多くなると、バルク抵抗が大きくなる傾向
にあり、結果としてＶｆが上昇することになるため、こ
れを回避する場合に好ましくは、必要なキャリア移動度
を確保しうる最低限のｐ型不純物濃度とすることであ
る。また、アンドープでキャリア閉込め層を形成して、
隣接層からの不純物拡散によりドープすることも可能で
ある。
【０１０１】本発明では、活性層外部、特にｐ型層側に
配置され、ｐ型不純物がドープされたｐ側キャリア閉込
め層を用いることで、印加時に、図３（ｂ）及び図５
（ｂ）に示すように、活性層近傍に配置されたキャリア
閉込め層付近で、ｐ−ｎ接合部が形成され、ｐ型層側か
らのキャリア注入を阻害するオフセットが設けられず
に、なおかつ、オフセットの小さい第２の障壁層によ
り、井戸層への効率的なキャリア注入を実現する。
【０１０２】
【実施例】
【０１０３】［実施例１］以下、実施例として、図１に
示すようなレーザ素子構造の窒化物半導体を用いたレー
ザ素子について、説明する。
【０１０４】（基板１０１）基板として、異種基板に成
長させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを厚膜（１
００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０
μｍ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ＭＯＶ
ＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、ト
リメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を
用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成
長させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを
１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、
下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マ
スク開口部（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧ
ａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（Ｅ
ＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体層を、さらに厚
膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去
して、窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時の
マスクストライプは、ＳｉＯ２からなり、マスク厚０．
１μｍ、マスク間隔２０μｍ、開口部（窓部）幅８μｍ
で、ＧａＮ（１‐１００）方向とする。
【０１０５】（バッファ層１０２）上記ＧａＮ基板の上
に、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニ
アを用い、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるバッフ
ァ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、Ａ
ｌＧａＮのｎ型コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物
半導体基板との間で、バッファ層として機能する。次
に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素子構造とな
る各層を積層する。
【０１０６】（ｎ側コンタクト層１０３）次に得られた
バッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不
純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉド
ープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９ ５Ｎよりなるｎ型コン
タクト層１０３を５μｍの膜厚で成長させる。
【０１０７】（クラック防止層１０４）次に、ＴＭＧ、
ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物
ガスとしてシランガスを用い、温度を８００℃にしてＳ
ｉドープしたＩｎ０．０６Ｇａ ０．９４Ｎよりなるクラ
ック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【０１０８】（ｎ側クラッド層１０５：下部クラッド層
２５）次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭ
Ａ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガ
スを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ
０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で
成長させ、続いて、不純物ガスを止め、アンドープのＡ
ｌ０．１Ｇａ０．９ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成
長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返
してＡ層とＢ層の積層し、多層膜（超格子構造）よりな
る膜厚０．５μｍのｎ型クラッド層１０６を成長させ
る。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比として
は、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にク
ラッド層として機能する屈折率差を設けることができ
る。この時、ｎ側クラッド層のＡｌの平均混晶比は０．
７５であり、図２（ｂ）に示すように、ｎ側クラッド層
２５のＡｌ混晶比は、第１の障壁層２ａよりも小さく、
第２の障壁層２ｂよりも大きく、光ガイド層２６よりも
大きく、バンドギャップエネルギーの比較においても同
様に、ｎ側クラッド層２５のバンドギャップエネルギー
は、第１の障壁層２ａよりも小さく、第２の障壁層２ｂ
よりも大きく、光ガイド層２６よりも大きな構成とな
る。また、ｎ型不純物濃度の比較において、ｎ側クラッ
ド層２５，第１の障壁層２ａが、光ガイド層よりも大き
くな構成となる。
【０１０９】（ｎ側光ガイド層１０６：下部光ガイド層
２６）次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ
及びアンモニアを用い、アンドープのアンドープのＡｌ
０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型光ガイド層１０６
を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物
をドープしてもよい。本発明ではこの層が第１の半導体
層となる。また、本実施例のｎ側光ガイド層、活性層、
キャリア閉込め層、ｐ側光ガイド層は、図３（ａ）にお
いて、それぞれ、下部光ガイド層（第１の半導体層）２
６、活性層２７、キャリア閉込め層２８、上部光ガイド
層（第２の半導体層）２９に対応している。
【０１１０】（活性層１０７（２７，１２））次に、同
様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア
を用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５
×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０ ．１５Ｇａ
０．８５Ｎよりなる障壁層（第１の障壁層２ａ）を１０
０Åの膜厚で、ＴＭＡ及びシランガスを止め、アンドー
プのＧａＮよりなる井戸層１ａ（Ｗ）を１００Åの膜厚
で、最後の障壁層（第２の障壁層２ｂ）として、アンド
ープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを１５０Åの膜厚
で、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の順に積層して、単一量子
井戸構造の活性層とする。活性層１０７は、障壁層
（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）の積
層体を繰り返し形成して、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）
とすることもできる。この時、井戸層１ａは、第１の障
壁層２ａよりもｎ型不純物濃度が小さく、第２の障壁層
２ｂは第１の障壁層２ａよりもｎ型不純物濃度が小さ
く、バンドギャップエネルギー、Ａｌ混晶比も小さく、
膜厚が大きな構成となる。
【０１１１】（ｐ側電子閉込め層１０８：キャリア閉込
め層２８）次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、Ｔ
ＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇ
を１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ
０．７Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０８を１００Åの膜
厚で成長させる。この層は、特に設けられていなくても
良いが、設けることで電子閉込めとして機能し、閾値の
低下に寄与するものとなる。
【０１１２】（ｐ側光ガイド層１０９：上部光ガイド層
２９）次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭ
Ａ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ
０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｐ側光ガイド層１０９
を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド
層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子
閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１１０等の隣接層から
のＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３
となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇ
をドープしても良い。この層が、第２の半導体層とな
る。
【０１１３】（ｐ側クラッド層１１０：上部クラッド層
３０）続いて、ＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、１
０５０℃でＭｇドープＡｌ０ ．０５Ｇａ０．９５Ｎより
なる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、Ｃｐ２Ｍｇ
を止め、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる層
を２５Åの膜厚で成長させ、それを１００回繰り返して
総膜厚０．５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１
１０を成長させる。ｐ型クラッド層は少なくとも一方が
Ａｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャッ
プエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子
で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドー
プして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる
傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。ｐ
側クラッド層１１０を超格子構造とすることによって、
クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるの
で、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバン
ドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下さ
せる上で非常に有効である。さらに、超格子としたこと
により、クラッド層自体に発生するピットが超格子にし
ないものよりも少なく、ショートの発生も低くなる。こ
の時、ｎ側クラッド層と同様に、Ａｌの平均混晶比は
０．７５であり、図２（ｂ）に示すように、ｐ側クラッ
ド層３０のＡｌ混晶比は、第１の障壁層２ａよりも小さ
く、第２の障壁層２ｂよりも大きく、光ガイド層２９よ
りも大きく、バンドギャップエネルギーの比較において
も同様に、ｐ側クラッド層３０のバンドギャップエネル
ギーは、第１の障壁層２ａよりも小さく、第２の障壁層
２ｂよりも大きく、光ガイド層２９よりも大きな構成と
なる。また、ｐ型不純物濃度の比較において、キャリア
閉込め層２８が、ｐ側クラッド層３０よりも大きく，ｐ
側クラッド層３０が、光ガイド層２９よりも大きく、第
２の障壁層２ｂ、光ガイド層２９にはキャリア閉込め層
２８からの不純物拡散により低濃度でドープされた、若
しくはアンドープの構成となる。
【０１１４】（ｐ側コンタクト層１１１）最後に、１０
５０℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１
０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コン
タクト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コ
ンタクト層１１１はｐ型のＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−Ｙ
Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成することがで
き、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電
極１２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。コ
ンタクト層１１１は電極を形成する層であるので、１×
１０１７／ｃｍ３以上の高キャリア濃度とすることが望
ましい。１×１０１７／ｃｍ３よりも低いと電極と好ま
しいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さら
にコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好
ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反
応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃で
アニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。この
ように、各層が積層された素子構造は、図２（ａ）に示
す積層体となり、また図２（ｂ）に示すようなＡｌ混晶
比を有する素子構造となる。具体的には、第１の障壁層
２ａよりもＡｌ混晶比の小さく、井戸層１ａよりもＡｌ
混晶比の大きい、Ａｌ平均組成を有するｎ側クラッド層
２６、ｐ側クラッド層が、活性層、光ガイド層２６、２
９を挟んで設けられ、またｎ側光ガイド層２６、ｐ側光
ガイド層２９のＡｌ混晶比も、第１の障壁層２ａよりも
Ａｌ混晶比より小さく、井戸層１ａよりもＡｌ混晶比よ
り大きい窒化物半導体で形成されている。さらにまた、
クラッド層２５，３０のＡｌ混晶比は光ガイド層２６、
２９よりも大きく、光ガイド層２６、２９のＡｌ混晶比
は、第２の障壁層２ｂよりも小さい窒化物半導体で形成
されている。
【０１１５】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最
上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護
膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用
いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、図１に示すよう
に、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面
を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチン
グするには保護膜としてＳｉＯ２が最適である。
【０１１６】次に上述したストライプ状の導波路領域と
して、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ
型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、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１６１の上に所定の形状のマスクを
かけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、
ＣＦ４ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりス
トライプ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。こ
の時、リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、
ｐ型コンタクト層１１１、およびｐ型クラッド層１０
９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ
型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまで
エッチングして、形成する。
【０１１７】次に、リッジストライプ形成後、第１の保
護膜１６１の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）
よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜１６１の
上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層１０
９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【０１１８】第２の保護膜１６２形成後、ウエハを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。
【０１１９】次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保
護膜１６１をリフトオフ法により除去する。このことに
より、ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第
１の保護膜１６１が除去されて、ｐ型コンタクト層が露
出される。以上のようにして、図１に示すように、リッ
ジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光
ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成
される。
【０１２０】このように、ｐ型コンタクト層１１２の上
に設けられた第１の保護膜１６１が、除去された後、図
１に示すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１
の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。
但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、
図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形
成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ
型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるス
トライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で
形成する。
【０１２１】次に、ｎ電極を形成するためにエッチング
して露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設け
るため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ２とＺｒＯ２より
なる誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮ
ｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００
Å）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、２００
μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振
器面（反射面側）にもＳｉＯ２とＺｒＯ２よりなる誘電
体多層膜が設けられる。
【０１２２】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物
半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（１ １− ０ ０）な
ど）でバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割し
てレーザ素子を得る。この時、共振器長は、６００μｍ
である。
【０１２３】室温においてしきい値電流Ｉｔｈが６１ｍ
Ａ，電流密度Ｊｔｈが３．８ｋＡ／ｃｍ２、発振波長３
６９ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られ、室温での連
続発振条件下における素子の推定寿命は約４０００時間
のレーザ素子が得られる。
【０１２４】［実施例２］実施例１において、活性層を
以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素
子を得る。
【０１２５】（活性層１０７（２７，１２））Ｓｉドー
プＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚１５０Åからなる
第１の障壁層２ａ、アンドープＧａＮ、膜厚１００Åか
らなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌｕＧａ１−ｕＮ、膜
厚ｄ（Å）からなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単
一量子井戸構造の活性層とする。
【０１２６】第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕを０．０５
（実施例１と同じＡｌ混晶比）、０．１、０．１５（比
較例）である場合において、第２の障壁層の膜厚変化に
対する閾値電流、第２の障壁層の膜厚変化に対する素子
寿命、をそれぞれ図９，１０に示す。図９に示す第２の
障壁層の膜厚変化に対する閾値電流変化は、第２の障壁
層のＡｌ混晶比ｕ＝０．０５の時をグラフａ、ｕ＝０．
１の時の変化をグラフｂ、ｕ＝０．１５（比較例）の時
の変化をグラフｃとして示す。また図１０に示す第２の
障壁層の膜厚変化に対する素子寿命変化は、第２の障壁
層のＡｌ混晶比ｕ＝０．０５の時をグラフｄ、ｕ＝０．
１の時の変化をグラフｅ、ｕ＝０．１５（比較例）の時
の変化をグラフｆとして示す。この時、膜厚ｄは、ｄ＝
５０Å、１００Å、１５０Åで変化させて、各特性を評
価する。
【０１２７】図９に観られるように、第２の障壁層のＡ
ｌ混晶比ｕを０．０５（実施例１と同じ）とした場合
に、実施例１と同じ膜厚１５０Åの他に、膜厚を５０
Å、１００Åと変化させても閾値電流Ｉｔｈにほとんど
変化がみられないレーザ素子となる。一方、図１０に示
すように、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕを０．０５（実
施例１と同じ）とした場合に、実施例１と同じ膜厚１５
０Åの他に、膜厚を変化させると、図からわかるよう
に、素子寿命が大きく変化し、第１の障壁層とほぼ同じ
膜厚１００Åの場合に、約半分の素子寿命となり、第１
の障壁層より膜厚の小さい膜厚５０Åの場合に、更に半
分の素子寿命となる傾向が観られる。従って、実施例１
に示すように第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕが、第１の障
壁層よりも小さい場合において、第２の障壁層の膜厚に
対して、閾値電流はほとんど変化しない傾向にあるが、
素子寿命は第１の障壁層とほぼ同じ膜厚若しくはそれよ
りも小さい場合に比べて、第１の障壁層よりも第２の障
壁層の膜厚を大きくした場合に、急激に素子寿命が向上
する傾向が観られる。
【０１２８】次に、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕが０．
１の場合において、ｕ＝０．０５の場合とは異なり、膜
厚ｄが大きくなるにつれて、図９のグラフｂとして示す
ように、閾値電流Ｉｔｈが上昇する傾向が観られ、一
方、素子寿命については、図１０のグラフｅとして示す
ように、膜厚ｄが大きくなるにつれて、素子寿命の減少
傾向が観られる。これは、ｕ＝０．０５の場合と異な
り、Ａｌ混晶比が大きくなったことで、オフセットが大
きくなり、特に、第２の半導体層とのオフセットが大き
くなったことで、第２導電型層からのキャリア注入効率
が低下したためと考えられる。すなわち、第２の半導体
層（ｐ側光ガイド層）よりも大きなＡｌ混晶比の窒化物
半導体で形成され、第２の障壁層２ｂが第２の半導体層
よりもバンドギャップエネルギーが大きくなることで、
図３（ｂ）に示すように、ｕ＝０．０５の第２の障壁層
と第２の半導体層とほぼ同じＡｌ混晶比、バンドギャッ
プエネルギーである場合に比べて、より大きなオフセッ
トが形成されて、閾値電流の上昇傾向を生みだしている
と考えられる。また、井戸層がＧａＮであるので、Ａｌ
を含む窒化物半導体から成る第２の障壁層が形成される
と、熱膨張係数差により、強い応力が掛かり、Ａｌ混晶
比ｕが、０．１と大きくなることで、結晶性悪化による
閾値の上昇、素子寿命の低下への影響も大きいと考えら
れる。特に、膜厚が大きくなることで、閾値電流が上昇
していることから、結晶性の悪化による影響が大きくな
っているものと考えられる。また、上述したように、第
２の障壁層には、キャリア閉込め層から井戸層を離すた
めのスペーサーとしての機能があることを説明したが、
ｕ＝０．１では、第２の障壁層による結晶性悪化により
スペーサーとしての機能も悪化したものと考えられ、ま
た、第２の障壁層のＡｌ混晶比が大きくなったことで、
ｐｎ接合部にあるキャリア閉込め層ほどに影響がないと
考えられるものの層が高抵抗化したことによる影響も出
ていると考えられる。
【０１２９】次に、比較例として、第２の障壁層のＡｌ
混晶比が、第１の障壁層とほぼ同じ、０．１５である場
合には、図９のグラフｃとして閾値電流変化を示すが、
膜厚が大きくなることで、急激に閾値電流が上昇する傾
向が観られ、これは、結晶性悪化と、オフセットが大き
くなったことが相乗的に作用して、ｕ＝０．１である場
合と比較して、急激な上昇傾向となって現れたものと考
えられる。また、図１０のグラフｆとして素子寿命変化
を示すように、ｕ＝０．１である場合に比べて、更に減
少する傾向が観られ、結晶性悪化とバンドオフセットの
変化による相乗作用によるものと考えられる。
【０１３０】［実施例３］実施例１において、活性層を
以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素
子を得る。
【０１３１】（活性層１０７（２７，１２））Ｓｉドー
プＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚２００Åからなる
第１の障壁層２ａ、アンドープＡｌ０．０４Ｉｎ
０．０２Ｇａ０．９４Ｎ、膜厚１００Åからなる井戸層
１ｂ、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚１
５０Åからなる第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量
子井戸構造の活性層とする。
【０１３２】得られるレーザ素子は、実施例１に比較し
て、井戸層に４元混晶ＡｌＩｎＧａＮを用いたが、発振
波長はほぼ同じ３７０ｎｍで室温にて連続発振し、Ａｌ
とＩｎの成長時の反応により、結晶性が悪化していると
考えられるもののＩｎを含むことにより発光効率が向上
していると考えられ、閾値電流は５０ｍＡと実施例１よ
りも低いレーザ素子が得られる傾向にある。素子寿命に
ついては、実施例１とほぼ同等のものが得られる傾向に
ある。
【０１３３】［実施例４］実施例１において、活性層を
以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素
子を得る。
【０１３４】（活性層１０７（２７，１２））Ｓｉドー
プＡｌ０．１５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚２０
０Åからなる第１の障壁層２ａ、アンドープＡｌ
０．０４Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９４Ｎ、膜厚１００Åか
らなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．０５Ｉｎ
０．０１Ｇａ０．８ ５Ｎ、膜厚１５０Åからなる第２の
障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の活性層と
する。
【０１３５】得られるレーザ素子は、実施例１、３に比
べて、閾値電流が僅かながら大きくなる傾向にあり、ま
た素子寿命も僅かながら小さくなる傾向が観られる。こ
れは、障壁層と井戸層の全てに４元混晶のＡｌＩｎＧａ
Ｎを用いたことにより、上述したＩｎとＡｌの反応によ
る結晶性悪化の影響が実施例３よりも大きくなることに
よるものと考えられる。しかし一方で、実施例１〜３と
異なり、４元混晶のＡｌＩｎＧａＮを用いたことによ
り、障壁層をＡｌＧａＮとした実施例１〜３と異なり、
ウエハ面内における各素子チップの特性のばらつきが小
さくなる傾向が観られ、製造における歩留まりが向上す
る傾向が得られる。これは、ＡｌＧａＮを用いる場合よ
りも４元混晶のＡｌＩｎＧａＮを井戸層、障壁層に用い
る方が、面内に均一な膜形成が実現されているものと考
えられる。
【０１３６】［実施例５］実施例１において、活性層を
以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素
子を得る。
【０１３７】（活性層１０７（２７，１２））Ｓｉドー
プＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚２００Åからなる
第１の障壁層２ａ、アンドープＡｌ０．０２Ｇａ
０．９８Ｎ、膜厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンド
ープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、膜厚１５０Åからな
る第２の障壁層２ｂを順に積層した単一量子井戸構造の
活性層とする。
【０１３８】得られるレーザ素子は、井戸層のバンドギ
ャップエネルギーが大きくなったことにより、実施例１
〜３に比較して、発振波長が短くなるが、閾値電流が上
昇する傾向にあり、また素子寿命も低くなる傾向があ
る。これは、井戸層のＡｌ混晶比を大きくしたことによ
り、第２の障壁層とのバンドオフセットが小さくなり、
第１導電型層からのキャリアが井戸層内に閉じ込められ
る効率が低下したためと考えられる。また、実施例３と
比較して、ウエハ面内における素子チップの特性にばら
つきが大きく、４元混晶のＡｌＩｎＧａＮを井戸層に用
いる場合に比べて、ウエハ面内の膜形成にばらつきが発
生しているためと考えられる。従って、井戸層、第１の
障壁層、第２の障壁層のいずれかに、ＩｎとＡｌとを含
む窒化物半導体を用いることで、歩留まりに優れる半導
体素子が得られ、更に好ましくは、上記層の内、少なく
とも井戸層がＩｎとＡｌとを含む窒化物半導体からなる
層とすることで、発光効率を高めて、歩留まりの向上が
図れる。
【０１３９】［実施例６］実施例１において、ｎ側光ガ
イド層、ｐ側光ガイド層の組成をＡｌｘＧａ１− ｘＮと
する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【０１４０】ｘ＝０．１５として、第２の障壁層とほぼ
同じＡｌ混晶比、ほぼ同じバンドギャップエネルギーと
することで、第２導電型層（第２の半導体層）からのキ
ャリア注入における第２の障壁層とのバンドオフセット
が小さくなるものの、図３（ｂ），図５（ａ）及び図５
（ｂ）に示すように、ｐｎ接合部をまたがって注入され
ることからオフセットが小さくなることによる注入効率
への寄与は小さい傾向にある。一方で、光ガイド層のよ
うに素子内で厚膜の層のＡｌ混晶比を大きくすること
で、上記実施例２のように障壁層、井戸層を膜厚の小さ
い層の場合と異なり、結晶性悪化が大きく、素子特性、
閾値電流の上昇、素子寿命の低下が観られる。光ガイド
層のＡｌ混晶比ｘを大きくすると更にその傾向が大きく
なり、更にＡｌ混晶比ｘを、第１の障壁層のＡｌ混晶比
より大きくするとその傾向が強くなり素子特性が大きく
低下する傾向にある。本発明では、実施例１〜３に示す
ように、第１の半導体層、第２の半導体層のバンドギャ
ップエネルギーを小さくし、特に短波長系の窒化物半導
体においては、バンドギャップエネルギーを小さくして
Ａｌ混晶比を小さくすることが素子特性の向上につなが
る傾向が観られる。
【０１４１】［実施例７］実施例１において、活性層内
の各層を以下のようにする他は、実施例１と同様にし
て、レーザ素子を得る。
【０１４２】第１の障壁層をアンドープで形成してその
他は実施例１と同じ活性層とした場合、閾値電流が１１
３ｍＡと大きくなる傾向が観られ、第１の障壁層にはｎ
型不純物がドープされていることが閾値電流の低いレー
ザ素子が得られる傾向にある。
【０１４３】井戸層をＳｉドープで形成してその他は実
施例１と同じ活性層とした場合、ウエハ当たりのレーザ
発振を示さない素子の数が多くなり、レーザ素子におい
ては、井戸層をアンドープする方が好ましい傾向にあ
る。
【０１４４】図５（ａ）に示すように、多重量子井戸の
活性層として、ＳｉドープＡｌ０． １５Ｇａ
０．８５Ｎ、１００Åの第１の障壁層２ａ、アンドープ
ＧａＮ、５０Åの井戸層１ａ、ＳｉドープＡｌ０．１Ｇ
ａ０．９Ｎ、１００Åの内部障壁層２ｃ、アンドープＧ
ａＮ、５０Åの井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．０５Ｇ
ａ０．９ ５Ｎ、１５０Åの第２の障壁層２ｂを積層して
レーザ素子を得ると、実施例１よりも閾値電流が上昇す
る傾向にあるが良好なレーザ素子が得られる。これは、
内部障壁層が設けられたことで、ＡｌＧａＮ障壁層によ
る内部応力、強い圧電界により井戸層の機能が低下する
傾向にあるためであると考えられる。また、図５（ａ）
に示すように、第１の障壁層２ａよりも内部障壁層２ｃ
Ａｌ混晶比を大きくすると、その傾向が顕著となり、Ａ
ｌを含む窒化物半導体による結晶性悪化の影響も加わっ
て、素子特性が大きく悪化する傾向にある。一方で、内
部障壁層２ｃを、図５（ｂ）に示すように、第２の障壁
層２ｂよりもＡｌ混晶比を小さくして、バンドギャップ
エネルギーを小さくすると、上述したように、内部障壁
層と井戸層とのオフセットが小さくなり、各井戸層への
分配機能が低下し、一方で、Ａｌを含む窒化物半導体層
を設けることによる上述した悪影響が加わるため、内部
障壁層のバンドギャップエネルギーが第２の障壁層より
大きく、第１の障壁層より小さい場合に比べて、素子特
性が悪化する傾向にある。
【０１４５】［実施例８］実施例１において、図８
（ａ）に示すように、光ガイド層を以下のように組成傾
斜させて形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素
子を得る。
【０１４６】（ｎ側光ガイド層１０６（第１の光ガイド
層２６））ＡｌｘＧａ１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形
成し、この時、成長するに従って、すなわち活性層に近
づくに従って、Ａｌ組成比ｘを、０．１から０．０２へ
と変化させて、膜厚方向に組成傾斜させたｎ側光ガイド
層１０６を設ける。この時、ｎ側光ガイド層は、最初の
膜厚０．１μｍの領域（高濃度不純物領域）はＳｉドー
プで形成し、残りの膜厚０．０５μｍの領域（活性層側
５０ｎｍの領域、低濃度不純物領域）でアンドープで形
成する。ここでは、活性層近傍の光ガイド層において、
第１の障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい
一部の領域が、第１の半導体層となる。
【０１４７】（ｐ側光ガイド層１０９（第２の光ガイド
層２９））ＡｌｘＧａ１−ｘＮを膜厚０．１５μｍで形
成し、この時、成長するに従ってＡｌ組成比ｘを、０．
０２から０．１へと変化させて、膜厚方向に組成傾斜さ
せ、活性層に近づくに従ってＡｌ混晶比が小さく、バン
ドギャップエネルギーが小さくしたｐ側光ガイド層１０
９を設ける。ここで、ｐ側光ガイド層は、最初の膜厚
０．０５μｍ（活性層側０．０５μｍの領域、（低濃度
不純物領域））はアンドープで形成し、残りの膜厚０．
１μｍの領域ではＭｇドープで形成する。この時、活性
層及びｐ側電子閉込め層近傍のｐ側光ガイド層２９にお
いて、第２の障壁層よりもＡｌ混晶比が小さく、バンド
ギャップエネルギーの小さい一部の領域が、第２の半導
体層となる。
【０１４８】得られるレーザ素子は、実施例１に比較し
て、Ａｌの平均組成はほぼ同じものの、図８（ａ）に示
すように、バンドギャップエネルギーが傾斜された光ガ
イド層を設けることにより、キャリアの活性層への注入
効率が良好となり、内部量子効率が向上する傾向にあ
る。また、光ガイド層内の活性層に近い側（活性層側）
にアンドープ領域（低濃度不純物領域）を設けたため、
不純物ドープしたことによる光の損失が低く抑えられた
導波路構造となり、閾値電流密度が減少する傾向にあ
る。
【０１４９】［実施例９］実施例１において、活性層を
以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素
子を得る。 （活性層１０７（２７，１２））ＳｉドープＡｌ
０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、膜厚７５Åからなる第１の障
壁層２ａ、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、膜
厚１００Åからなる井戸層１ｂ、アンドープＡｌ０．１
Ｇａ０．９Ｎ、膜厚４５Åからなる第２の障壁層２ｂを
順に積層した単一量子井戸構造の活性層とする。室温に
おいて発振波長３７１ｎｍ、しきい値電流Ｉｔｈが３０
ｍＡの連続発振のレーザ素子が得られる。
【０１５０】［実施例１０］実施例１において、活性層
を以下の通りとする他は、実施例１と同様にしてレーザ
素子を得る。多重量子井戸の活性層として、Ｓｉドープ
Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、７５Åの第１の障壁層２
ａ、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、５０Åの
井戸層１ａ、ＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ、５０
Åの内部障壁層２ｃ、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ
０．９８Ｎ、５０Åの井戸層１ｂ、アンドープＡｌ
０．１Ｇａ０．９Ｎ、５０Åの第２の障壁層２ｂを積層
してレーザ素子を得る。室温において発振波長３７１ｎ
ｍ、しきい値電流Ｉｔｈが３０ｍＡの連続発振のレーザ
素子が得られる。
【０１５１】［実施例１１］図６（ｂ）を元に本発明の
発光素子２００について説明する。ここでは、２００ｂ
に示すように、基板の同一面側に、正負一対の電極を設
ける構造の発光素子を作製する。
【０１５２】サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０１を
ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しなが
ら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリ
ーニングを行う。バッファ層（図示せず）：続いて、温
度を５１０℃で、基板１上にＧａＮよりなる低温成長の
バッファ層を約１００Åの膜厚で成長させる。この低温
成長層を次に成長させる層よりも低温で成長させて、基
板との格子不整合を緩和させるものであり、基板の種類
によっては省略できる。下地層（図示せず）：バッファ
層成長後、温度１０５０℃で、アンドープＧａＮ層を
１．５μｍの膜厚で成長させる。この層は、アンドープ
層で成長させることで、その上に形成する素子構造の下
地層となり、成長基板となる。ｎ型コンタクト層２０
２：続いて１０５０℃で、Ｓｉを４．５×１０１８／cm
３ドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型
コンタクト層（電流注入層）２０２を２μｍの膜厚で成
長させる。ここでは、ｎ側コンタクト層２０２が第１の
半導体層となる。活性層２０３：アンドープＡｌ
０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる障壁層（第１の障壁層
２ａ）を１００Åの膜厚で成長させ、続いてアンドープ
Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる井戸層を３０Åの
膜厚で成長させる。続いて、膜厚３０Å、Ａｌ０．１Ｇ
ａ０．９Ｎからなる内部障壁層（図示せず）を成長さ
せ、井戸層１を４層（図示せず）と、内部障壁層を３層
（図示せず）と、を交互に積層して、最後に第２の障壁
層２ｂとして、膜厚４０ÅのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを
成長させ、総膜厚３８０Åの多重量子井戸構造よりなる
活性層２０３を成長させる。この活性層では、図５
（ｂ）に示すように、第１の障壁層２ａよりも、Ａｌ混
晶比が小さく、バンドギャップエネルギーが小さく、第
２の障壁層２ｂよりもＡｌ混晶比が大きく、バンドギャ
ップエネルギーが大きい、内部障壁層（２ｂなど）を形
成した構造である。ｐ側クラッド層２０４：アンドープ
のＡｌ０．２Ｇａ０．８ＮよりなるＡ層２０４を４０Å
の膜厚で成長させ、続いてＭｇを５×１０１９／cm３ド
ープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＢ層２０
５を２５Åの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を
繰り返し、Ａ層、Ｂ層の順で交互に５層ずつ積層し、最
後にＡ層を４０Åの膜厚で成長させた超格子構造の多層
膜よりなるｐ側多層膜クラッド層２０４を３６５Åの膜
厚で成長させる。この時、最初のＢ層が第２の障壁層よ
りもバンドギャップエネルギーが小さく、Ａｌ混晶比の
小さい第２の半導体層となる。ｐ側コンタクト層２０
５：続いて、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたＧａ
Ｎよりなるｐ型コンタクト層２０５を２００Åの膜厚で
成長させる。
【０１５３】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。
【０１５４】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、最上層のｐ側コンタクト層２０５の表面に所
定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッ
チング）装置でｐ側コンタクト層２０５側からエッチン
グを行い、図６（ｂ）に示すようにｎ側コンタクト層２
０２の表面を露出させる。
【０１５５】エッチング後、最上層にあるｐ側コンタク
ト層２０５のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含
む透光性のｐ電極２０６と、そのｐ電極２０６の上にボ
ンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極（図示せず）
を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングによ
り露出させたｎ側コンタクト層２０２の表面にはＷとＡ
ｌを含むｎ電極２０７を形成してＬＥＤ素子とした。
【０１５６】このＬＥＤ素子は波長３６０ｎｍの紫外発
光を示し、特に、上記第２の障壁層を設けることで、結
晶性良く活性層が形成でき、発光特性に優れる発光素子
が得られる。
【０１５７】［比較例１］上記実施例２で示したよう
に、実施例１において、第２の障壁層のＡｌ混晶比ｕ
を、第１の障壁層と同じ０．１５として、図９，１０
に、それぞれグラフｃとグラフｆとして示すように、膜
厚変化に対する閾値電流変化と、素子寿命変化を測定し
た。
【０１５８】
【発明の効果】本発明の窒化物半導体素子は、低い閾値
電流で３７５ｎｍ以下という短波長の発光素子、レーザ
素子を得ることができる。したがって、発光ダイオード
は紫外域で励起する蛍光体と組み合わせて蛍光ランプの
代替品を提供することができる。他方、レーザ素子は優
れたＦＷＨＭを示し、優れた解像度が得られる結果、ホ
トリソグラフの光源、光造形の光源として有用である。
【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である。
【図２】 図２（ａ）は本発明の一実施形態に係る積層
構造を説明する模式断面図であり、図２（ｂ）は各層の
Ａｌ組成比の関係を説明する図である。
【図３】 図３（ａ）は本発明の一実施形態に係る積層
構造を説明する模式断面図であり、図３（ｂ）は該積層
構造に対応してバイアス状態のバンド構造を説明する模
式図である。
【図４】 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、従来技術にお
けるレーザ素子のバイアス状態のバンド構造を説明する
模式図である。
【図５】 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の一実
施形態に係る素子におけるバイアス状態のバンド構造を
説明する模式図である。
【図６】 図６（ａ）及び図６（ｂ）は本発明の一実施
形態に係る発光素子の積層構造を説明する模式断面図で
あり、図６（ｃ）は各層のＡｌ組成比の関係を説明する
図である。
【図７】 従来技術におけるレーザ素子の積層構造に対
応した各層のＡｌ組成比の関係を説明する図である。
【図８】 図８（ａ）は本発明の一実施形態に係る素子
におけるバンド構造４１を示す模式図であり、図８
（ｂ）〜図８（ｄ）は各層における各導電型の不純物濃
度の各種例を示す模式図である。
【図９】 本発明の一実施形態であるレーザ素子におい
て、第２の障壁層のＡｌ混晶比と膜厚の変化に対する閾
値電流Ｉｔｈの変化を示す模式図である。
【図１０】 本発明の一実施形態であるレーザ素子にお
いて、第２の障壁層のＡｌ混晶比と膜厚の変化に対する
素子寿命の変化を示す模式図である。
【符号の説明】
１・・・井戸層、２・・・障壁層、２ａ・・・第１の障
壁層、２ｂ・・・第２の障壁層、２ｃ，２ｄ・・・内部
障壁層、１１・・・第１導電型層、１２・・・活性層、
１３・・・第２導電型層、２５・・・下部クラッド、２
６・・・下部光ガイド層（第１の光ガイド層）、２８・
・・ｐ側キャリア閉込め層、２９・・・上部光ガイド層
（第２の光ガイド層）、３０・・・上部クラッド層、４
０・・・積層構造、４１・・・バンド構造、５０…従来
の第２の障壁層におけるＡｌ混晶比、５１・・・本願の
第２の障壁層のバンド構造におけるキャリアの注入経
路、５２・・・従来の第２の障壁層のバンド構造におけ
るキャリアの注入経路、５３・・・従来の第２の障壁層
のバンド構造、１０１・・・基板、１０２・・・バッフ
ァ層、１０３・・・ｎ側コンタクト層、１０４・・・ク
ラック防止層、１０５・・・ｎ側クラッド層、１０６・
・・ｎ側光ガイド層、１０７，２７・・・活性層、１０
８・・・ｐ側電子閉込め層、１０９・・・ｐ側光ガイド
層、１１０・・・ｐ側クラッド層、１１１・・・ｐ側コ
ンタクト層、１２０・・・ｐ電極、１２１・・・ｎ電
極、１２２・・・ｐパッド電極、１２３・・・ｎパッド
電極、１６２・・・第２の保護膜（埋込層）、１６４・
・・絶縁膜、２００・・・発光素子、２０１・・・基
板、２０２・・・ｎ側キャリア供給層、２０３・・・活
性層、２０４・・・ｐ側キャリア閉込め層、２０５・・
・ｐ側キャリア供給層、２０６・・・ｐ電極、２０７・
・・ｎ電極

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造
    の活性層が、第１導電型層、第２導電型層とで挟まれた
    構造を有する半導体素子において、 前記活性層内において、少なくとも１つの井戸層を挟ん
    で、前記第１導電型層側に第１の障壁層と、前記第２導
    電型層側に第２の障壁層と、が設けられると共に、 第２の障壁層が、第１の障壁層よりもバンドギャップエ
    ネルギーが小さいことを特徴とする半導体素子。
  2. 【請求項２】 前記第１導電型層がｎ型窒化物半導体を
    有するｎ型層であり、前記第２導電型層がｐ型窒化物半
    導体を有するｐ型層であり、前記活性層が窒化物半導体
    からなる井戸層と障壁層を有すると共に、第１導電型
    層、活性層、第２導電型層の順に積層されていることを
    特徴とする請求項１記載の半導体素子。
  3. 【請求項３】 前記活性層内の障壁層として、前記第１
    の障壁層が、第１導電型層の最も近くに配置され、前記
    第２の障壁層が、第２導電型層の最も近くに配置された
    障壁層であることを特徴とする請求項１又は２記載の半
    導体素子。
  4. 【請求項４】 前記第２の障壁層が、活性層内で最も外
    側に配置された層であることを特徴とする請求項１乃至
    ３記載の半導体素子。
  5. 【請求項５】 前記第１導電型層が、前記第１の障壁層
    よりもバンドギャップエネルギーの小さい第１の半導体
    層を有することを特徴とする請求項１乃至４記載の窒化
    物半導体素子。
  6. 【請求項６】 前記第２導電型層が、前記第１の障壁層
    よりもバンドギャップエネルギーの大きなキャリア閉込
    め層を有することを特徴とする請求項１乃至５記載の半
    導体素子。
  7. 【請求項７】 前記第２導電型層が、前記第１の障壁層
    よりもバンドギャップエネルギーの小さい第２の半導体
    層を有し、前記キャリア閉込め層を介して活性層から離
    間されて設けられていることを特徴とする請求項６記載
    の半導体素子。
  8. 【請求項８】 前記キャリア閉込め層に、ｐ型不純物が
    ドープされていることを特徴とする請求項６又は７記載
    の半導体素子。
  9. 【請求項９】 前記第１の半導体層及び／又はキャリア
    閉込め層が、活性層に接して形成されていることを特徴
    とする請求項６乃至８記載の半導体素子。
  10. 【請求項１０】 前記第１の障壁層と、第２の障壁層と
    のバンドギャップエネルギー差が、０．０２ｅＶ以上で
    あることを特徴とする請求項１乃至９記載の窒化物半導
    体素子。
  11. 【請求項１１】 前記活性層が、井戸層を複数有する多
    重量子井戸構造であり、前記第１の障壁層と第２の障壁
    層との間に、第１の障壁層、第２の障壁層と井戸層を介
    して配置された内部障壁層を有し、該内部障壁層が、第
    ２の障壁層とバンドギャップエネルギーが異なることを
    特徴とする請求項１乃至１０記載の窒化物半導体素子。
  12. 【請求項１２】 前記内部障壁層が、第２の障壁層より
    もバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする
    請求項１１記載の窒化物半導体素子。
  13. 【請求項１３】 前記第１の障壁層が、前記内部障壁層
    よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴と
    する請求項１１又は１２記載の窒化物半導体素子。
  14. 【請求項１４】 前記活性層が、窒化物半導体からなる
    井戸層と障壁層とを有し、第１導電型層が窒化物半導体
    を有し、第２導電型層が窒化物半導体を有する半導体素
    子において、 前記井戸層が、ＧａＮ若しくは、ＧａＮよりもバンドギ
    ャップエネルギーの大きなＡｌを含む窒化物半導体から
    なることを特徴とする請求項１乃至１３記載の半導体素
    子。
  15. 【請求項１５】 前記井戸層の組成が、ＧａＮ、Ａｌｘ
    Ｇａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ
    １−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１）
    のいずれかであることを特徴とする請求項１４記載の半
    導体素子。
  16. 【請求項１６】 前記障壁層の組成が、ＡｌｕＩｎｖＧ
    ａ１−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜
    １）であることを特徴とする請求項１４又は１５記載の
    半導体素子。
  17. 【請求項１７】 前記活性層が、窒化物半導体からなる
    井戸層と障壁層とを有し、第１導電型層が窒化物半導体
    を有し、第２導電型層が窒化物半導体を有する半導体素
    子において、 前記井戸層の組成が、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜
    １）であり、前記障壁層の組成が、ＡｌｕＩｎｖＧａ
    １−ｕ−ｖＮ（０＜ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）
    であることを特徴とする請求項１乃至１３記載の半導体
    素子。
  18. 【請求項１８】 前記第１の障壁層のＡｌ混晶比ｕと、
    前記井戸層のＡｌ混晶比ｘとの差が０．１以上、ｕ−ｘ
    ≧０．１であることを特徴とする請求項１４乃至１７記
    載の半導体素子。
  19. 【請求項１９】 前記第１の半導体層、第２の半導体層
    の少なくとも一方が、Ａｌを含む窒化物半導体からなる
    ことを特徴とする請求項１４乃至１８記載の半導体素
    子。
  20. 【請求項２０】 前記第１の障壁層の膜厚が、前記第２
    の障壁層の膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項６
    乃至１９記載の半導体素子。
  21. 【請求項２１】 前記第１の障壁層の膜厚が３０Å以上
    １５０Å以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃
    至２０記載の窒化物半導体素子。
  22. 【請求項２２】 前記第２の障壁層の膜厚が５０Å以上
    ３００Å以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃
    至２１記載の窒化物半導体素子。
  23. 【請求項２３】 前記第１導電型層、第２導電型層内
    に、前記第１の半導体層、第２の半導体層を介し、活性
    層から離間して、クラッド層がそれぞれ設けられている
    と共に、 第１導電型層内のクラッド層が第１の半導体層よりもバ
    ンドギャップエネルギーが大きく、第２導電型層内のク
    ラッド層が第２の半導体層よりもバンドギャップエネル
    ギーが大きいことを特徴とする請求項６乃至２２記載の
    半導体素子。
  24. 【請求項２４】 前記第１導電型層、第２導電型層にそ
    れぞれ設けられた光閉込めのクラッド層に挟持された活
    性層により導波路が形成された発光素子において、 第１導電型層内に設けられた光ガイド層が、前記第１の
    半導体層を有することを特徴とする請求項５乃至２２記
    載の窒化物半導体発光素子。
  25. 【請求項２５】 前記第２導電型層内に設けられた光ガ
    イド層が、前記第１の障壁層よりもバンドギャップエネ
    ルギーの小さい第２の半導体層を有することを特徴とす
    る請求項２４記載の半導体発光素子。
  26. 【請求項２６】 前記第１の半導体層、第２の半導体層
    の少なくとも一方が、Ａｌを含む窒化物半導体からな
    り、該Ａｌを含む窒化物半導体のＡｌ混晶比が、前記窒
    化物半導体からなる第１の障壁層のＡｌ混晶比よりも小
    さいことを特徴とする請求項２４又は２５記載の窒化物
    半導体素子。
  27. 【請求項２７】 前記第１の障壁層が、前記クラッド層
    よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴と
    する請求項２３乃至２６記載の窒化物半導体素子。
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