JP2004104157A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】　従来、窒化物半導体素子中の量子井戸構造の活性層として、ｎ型窒化物半導体、ｎ型不純物を含有した窒化物半導体などが用いられてきたが、さらなる活性層の特性向上が必要であった。また、窒化物半導体素子は、素子寿命、静電耐圧の特性のさらなる向上が必要である。
【解決手段】　本発明は、ｐ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１３に挟まれる活性層１２として、ｎ型不純物を有する障壁層２ａと、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層１ａと、ｐ型不純物を有する、若しくはアンドープで成長させた障壁層２ｃとを少なくとも有し、該障壁層２をｐ型層側に最も近い障壁層として配置することで、活性層１２への好適なキャリアの注入が可能となる。
【選択図】　図６

Description

　本発明は、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた窒化物半導体素子に関し、特にＩｎを含む窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子に関する。

　今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。また、本出願人は、４０５ｎｍ、室温、５ｍＷの連続発振の条件で、１万時間を超えるレーザを発表した。

　また、窒化物半導体を用いた発光素子、受光素子などには、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いて活性層とした構造を有しており、活性層におけるより優れた活性領域の形成が、素子特性の向上において重要となる。
　従来、窒化物半導体素子の活性層として、ｎ型不純物などをドープしたｎ型の窒化物半導体が一般的に用いられ、特に量子井戸構造である場合には、ｎ型不純物がドープされた窒化物半導体、ｎ型窒化物半導体が井戸層、障壁層に用いられてきた。

　窒化物半導体を用いた素子として、発光素子では、その用途を多くの分野に広めるためには、さらなる素子特性、特に素子寿命の向上を成し遂げなければならない。

　窒化物半導体を用いたレーザ素子としては、上述した高密度光ディスクシステムの読み取り・書き込み光源などへの利用、若しくはさらなる応用のためには、さらなる素子寿命の向上、出力の向上が必須の課題である。また、その他の窒化物半導体素子においても、さらなる同様に素子寿命・出力の向上が必要であり、窒化物半導体を用いた発光素子でも、発光出力の向上が必要である。

　従来、問題となっている窒化物半導体を用いた素子における脆弱な逆方向耐圧特性は、その製造上の取り扱い、応用製品への実装時の取り扱いにおいて、破壊される危険性が高く、極めて重要な課題の一つである。

　本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、閾値電流密度などの素子特性に優れ、且つ長寿命、高出力の窒化物半導体素子を得るものである。

　すなわち本発明の半導体素子は、下記（１）〜（２１）の構成により本発明の目的を達成することができる。

（１）Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と窒化物半導体からなる障壁層を有する量子井戸構造の活性層を、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とで挟む構造を有する窒化物半導体素子において、前記活性層が前記障壁層として、前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された第１の障壁層と、該第１の障壁層とは異なる第２の障壁層と、を有すると共に、前記第１の障壁層が、実質的にｎ型不純物を含まず、前記第２の障壁層がｎ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、量子井戸構造の活性層において、少なくともｎ型不純物を有する障壁層（第２の障壁層）と、それとは異なる活性層中の最もｐ型窒化物半導体層（以下、ｐ型層という）側に位置する障壁層（第１の障壁層）とを有することで、素子寿命、逆方向耐圧特性が向上する。これは、活性層中の障壁層において、ｐ型層側に配置された障壁層（第１の障壁層）が、ｎ型不純物を実質的に含ないことで、ｎ型不純物を有する障壁層（第２の障壁層）とは、活性層中においてその機能が異なり、このことが特性の向上につながる。これは、第２の障壁層を有することで、ｎ型層から活性層内へ注入されるキャリアを多くし、また活性層の奥深く（ｐ型層側）まで達するキャリアを多くし、キャリアの注入効率が上がり、また第１の障壁層を有することで、ｎ型不純物が含まれない障壁層が、活性層内でｐ型層に最も近い障壁層として配置されることとなり、ｐ型層からのキャリアの注入を多くし、加えて効率良くすることが可能になるものと考えられる。第１の障壁層にｎ型不純物が含まれると、ｐ型層からのキャリアの注入が阻害される傾向にあり、特にｎ型層からのキャリアに比べてｐ型層からのキャリアは、その拡散長が短い傾向にあるため、ｐ型層から活性層へのキャリアの注入口に当たる第１の障壁層がｎ型不純物を有することで、ｐ型層からのキャリアの注入に深刻な悪影響を及ぼすものとなる。図１４に示すように、第１の障壁層のｎ型不純物濃度が大きくなるに従って、素子寿命が急激に低下することがわかる。これに加えて、第１の障壁層は、ｐ型層に近い位置にあるため、ｐ型層からのｐ型不純物の拡散が発生する場合もあり、第１の障壁層にｎ型不純物を添加して形成した場合に、結果として、ｎ型及びｐ型不純物を有する障壁層となり、これもｐ型層からのキャリアの注入を阻害する要因と考えられる。従って、第１の障壁層が活性層に設けられることで、多くのホールを有することができ、それが上記特性の向上に寄与し、また、キャリアのライフタイムも長くなる傾向が観られ、このことに寄与しているのではないかと考えられる。この時、第２の障壁層は、第１の障壁層に隣接していても良いが、好ましくは少なくとも１つ以上の井戸層を介して第１の障壁層とは離間して設けられることである。このことにより、活性層内において、井戸層を挟んで、ｐ側に配置された第１の障壁層と、ｎ側に配置された第２の障壁層が設けられることとなり、より効率的なキャリアの注入が可能となり、例えば光ディスクシステムの光源におけるレーザ素子において損失を減らし、素子特性特に、素子寿命、出力の向上につながる。この時、好ましくは、第２の障壁層が、活性層中の障壁層おいて、ｎ型層に最も近い障壁層とすることで、ｎ型層からのキャリアの注入口となり、キャリアの多量の注入、効率的な注入が可能となり、素子特性が向上する。また、活性層中の障壁層の内、第１の障壁層、第２の障壁層を除く障壁層、については、特に限定されないものの、高出力のレーザ素子・発光素子に用いる場合には、ｎ型不純物ドープ、若しくはノンドープとすることが好ましく、更に好ましくはｎ型不純物をドープすることであり、こうすることで、ｎ型層からのキャリアの注入を多くし、且つ効率よくすることができる。

（２）前記活性層内の少なくとも１つの井戸層が、４０Å以上の膜厚を有することを特徴とする。この構成により、上述した効率的なキャリアの注入が可能となった上に、それに適した厚膜の井戸層を設けることで、高出力の発光素子、レーザ素子の駆動において、安定性を増すことが可能となり、また、注入電流に対する出力において損失を低く抑えることができ、素子寿命において飛躍的な向上が可能となる。これは、高出力での発光・発振には、大量に注入されたキャリアを井戸層内においてロスすることなく効率よく発光再結合されることが求められものであり、上記構成がこれを実現するのに適しているものと考えられる。従来、井戸層の膜厚は、発振・発光の初期段階における特性、例えば発振閾値電流、を重視して、好ましい範囲として約２０Å〜３０Åが最適とされてきたが、これでは大電流での連続的な駆動で、素子劣化が早くなり、素子寿命の向上が妨げられてきたが、本発明では、上記構成によりこれを解決した。ここで、井戸層の膜厚の上限としては、特に限定されないが５００Å以下であり、障壁層及び活性層の膜厚に依存するが、量子井戸構造で複数の層を積層することを考慮すると、３００Å以下とすることが好ましい。さらに、より好適な井戸層の膜厚の範囲としては、５０Å以上２００Å以下の範囲とすることで、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも好ましい活性層の形成が可能であり、特に多重量子井戸構造であると、積層数（井戸層と障壁層のペア数）が多くなることからこの範囲内におさめることが好ましい。また、この好適な範囲に井戸層があることで、大電流・高出力での発光、発振において、高い素子信頼性・長寿命を得ることができ、また、レーザ素子においては、８０ｍＷでの連続発振が可能となり、また５〜８０ｍＷといった広い出力域においても優れた素子寿命を実現することができる。この時、活性層が多重量子井戸構造である場合に、井戸層の膜厚は、少なくとも１つの井戸層に適用することが必要であり、好ましくは全ての井戸層において、上記膜厚を適用することである。こうすることで、各井戸層において、上述したような効果が得られ、発光再結合、光電変換効率がさらに向上する。

（３）前記第１の障壁層が、前記活性層の最も外側に配置されていることを特徴とする。この構成により、第１の障壁層が活性層内で最もｐ型窒化物半導体層に近い側に配置されることで、第１の障壁層がキャリアの注入口となり、ｐ型層から活性層内へのキャリアの注入が効率的になり、また多量のキャリアを注入することができ、しきい値電流密度、素子寿命、出力などの素子特性が向上する。この時、ｐ型窒化物半導体層は、活性層に接して形成されることが好ましく、また、第１の障壁層に接する層として後述する第１のｐ型窒化物半導体層を設けることができる。

（４）前記第１の障壁層が、ｐ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、上述したｐ型層からのキャリアの注入が効率的になり、またキャリアのライフタイムもあがる傾向にあり、結果として逆耐圧特性、素子寿命、出力の向上に寄与するものとなる。これは、上述したように、ｎ型不純物が実質的に含まれないことで、ｐ型層からのキャリア注入が良好となり、更に、第１の障壁層にｐ型不純物を有することで、活性層内へのキャリアの注入を更に促すことが可能となり、効率的に多量のキャリアがｐ型層から活性層内、また活性層の奥深く（ｎ型層側）にまで注入され、発光再結合、光電変換効率、素子寿命の向上、これに加えて逆耐圧特性の向上が実現できる。

（５）前記第１の障壁層の膜厚が、第２の障壁層の膜厚より大きいことを特徴とする。この構成により、素子寿命の向上が実現できる。これは、少なくとも第１の障壁層が他の障壁層（第２の障壁層）よりも小さい膜厚であると、素子寿命の低下が観られ、更に第１の障壁層が最も外側に配置されるとこの傾向は顕著なものとなる。更にまた、活性層の上に、ｐ型窒化物半導体層を有し、第１の障壁層が活性層内で最も外側、すなわち最上部、に配置した場合において、上記素子寿命の低下は、大きなものとなる。これは、図８に示すように、第１の障壁層２ｃが、ｐ型電子閉込め層（第１のｐ型窒化物半導体層）に最も近くに配置された障壁層となり、このｐ型電子閉込め層は後述するように、活性層、特に井戸層に密接に影響を及ぼす層であるため、第１の障壁層は、他の障壁層と異なり、活性層及び井戸層の特性を決定する重要な層となる。

（６）Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と窒化物半導体からなる障壁層を有する量子井戸構造の活性層を、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とで挟む構造を有する窒化物半導体素子において、前記活性層がＬ個（Ｌ≧２）の前記障壁層を有し、前記ｎ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された障壁層を障壁層Ｂ₁、該障壁層Ｂ₁から前記ｐ型窒化物半導体層に向かって数えてｉ番目（ｉ＝１，２，３，・・・Ｌ）の障壁層を障壁層Ｂ_i、とした時に、ｉ＝１からｉ＝ｎ（１＜ｎ＜Ｌ）までの障壁層Ｂ_iがｎ型不純物を有し、ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_Lがｐ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、活性層の各井戸層へのキャリアの注入が効率的なものとなると思われ、例えばＬＥＤ、ＬＤにおいて発光効率が向上し、また発振閾値電流密度、順方向電圧の低下、素子寿命の向上が可能となる。この時、好ましくは、障壁層Ｂ₁（ｉ＝１）、障壁層Ｂ_L（ｉ＝Ｌ）が、活性層の最も外側に配置されることで、より効率的なキャリアの注入が可能となる。ここで、障壁層Ｂ_Lは、活性層内で最もｐ型層側に位置する障壁層で、前記第１の障壁層に当たり、これに加えて、ｎ型層側からｎ番目（１＜ｎ＜Ｌ）までの障壁層の全てに、ｎ型不純物を有することで、ｎ型層からのキャリアの注入が円滑になり、また活性層の奥深く（ｐ型層側）へのキャリアの注入も良好となり、多量のキャリア注入にも対応できるものとなり、発光出力、素子寿命が向上する。加えて、１番目からｎ番目までの障壁層Ｂ_iにｎ型不純物を有することで、素子の駆動初期において、すぐさま井戸層にキャリアが注入されることから、しきい値電流密度の低下にも寄与する。

（７）前記活性層内の少なくとも１つの井戸層が、４０Å以上の膜厚を有することを特徴とする。この構成により、上述したように、大電流、高電流密度での素子駆動において、効率の良い各井戸層へのキャリアの注入・発光再結合が可能となり、大電流・高出力駆動でのＬＥＤ、ＬＤなどの素子において、優れた素子寿命が得られる。これは、上述したように、井戸層が厚膜であることで、多量のキャリアの注入に対応し、良好な発光再結合が実現され、また素子信頼性、すなわち素子寿命にも効果的に作用する。

（８）ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_iが、前記活性層の最も外側に配置されていることを特徴とする。この構成により、上述の第１の障壁層の場合と同様に、障壁層Ｂ_Lが活性層内でｐ型層に最も近い層（通常ｐ型層に接して設けられる）となることで、ｐ型層からのキャリアの注入がより直接的なものとなり、大電流、高出力の厳しい条件での駆動に耐えうる素子信頼性を有する窒化物半導体素子が得られる。

（９）ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_Lが、ｐ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、上述したように、障壁層Ｂ_Lでもって、ｐ型層からの多量のキャリア注入が効率的なものとなり、出力、素子寿命、及び逆耐圧特性に好適に作用する。

（１０）ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_iの膜厚が、ｉ≠Ｌの障壁層Ｂ_iの膜厚より大きいことを特徴とする。この構成は、上述したように、ｐ型窒化物半導体層に最も近くに配置された障壁層Ｂ_Lが厚膜であることから、後述する第１のｐ型窒化物半導体層との距離を大きくすることができること、ｐ型のキャリアが多くなっても、十分に広い空間が確保されるため、素子の連続駆動において、安定して高濃度のキャリアを注入することができ、その結果、素子寿命などの素子信頼性が向上する。

（１１）Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と窒化物半導体からなる障壁層を有する量子井戸構造の活性層を、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とで挟む構造を有する窒化物半導体素子において、前記活性層が、前記活性層内の最も外側の層として、前記ｐ型窒化物半導体層に近い位置に配置された第１のｐ側障壁層と、前記ｎ型窒化物半導体層に近い位置に配置された第２のｎ側障壁層と、を有すると共に、前記第１のｐ側障壁層がｐ型不純物を有し、前記第２のｎ側障壁層がｎ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、ｐ型窒化物半導体層側、ｎ型窒化物半導体層側、にそれぞれ第１のｐ側障壁層、第２のｎ側障壁層が配置された活性層となり、ｐ型層、ｎ型層からのキャリアが活性層の中央部に向けて、効率的に注入されるようになる。これは、第１のｐ側障壁層が前記第１の障壁層及び障壁層Ｂ_Lに当たり、第２のｎ側障壁層が前記障壁層Ｂ_i、場合によって前記第２の障壁層に当たるものであり、それぞれ、上述したような機能、効果が実現できる。

（１２）前記活性層内の少なくとも１つの井戸層が、４０Å以上の膜厚を有することを特徴とする。この構成により、上述したように、高出力の素子において、優れたキャリアの注入・再結合を実現し、素子信頼性、素子寿命の向上が可能となる。

（１３）前記第１のｐ側障壁層が、ｐ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、上述したように、大電流駆動のＬＥＤ、ＬＤにおいて、優れた素子寿命、逆耐圧特性が得られ、高出力の素子が得られる。

（１４）前記第１のｐ側障壁層の膜厚が前記第２のｎ側障壁層の膜厚とほぼ同じであることを特徴とする。この構成により、活性層内の対称性が向上し、結果として、素子のばらつきを抑えて歩留まりが向上し、またしきい値電流密度が低下する傾向が観られる。

（１５）前記活性層が２以上の井戸層を有し、該井戸層と井戸層との間に第３の障壁層を有すると共に、前記第３の障壁層の膜厚が、前記第１のｐ側障壁層及び前記第２のｎ側障壁層の膜厚よりも小さいことを特徴とする。この構成により、第２のｎ側障壁層及び第１のｐ側障壁層と、第３の障壁層と、は異なる働きを持たせることが可能となり、素子特性のばらつきを抑え、しきい値電流密度、Ｖｆを低下させることが可能となる。これは、第２のｎ側障壁層、第１のｐ側障壁層が活性層の最も外側に配置され、ｎ型層、ｐ型層からのキャリアの注入口となり、第３の障壁層よりも膜厚が大きいことから多くのキャリアを保持する広い空間が確保され、逆に、第３の障壁層の膜厚が小さいことから、活性層全体の膜厚を低く抑えることができ、Ｖｆの低下に寄与するものとなる。

（１６）請求項１乃至１５記載の前記活性層を、Ａｌを含む窒化物半導体を有する上部クラッド層と、Ａｌを含む窒化物半導体を有する下部クラッド層とで挟むレーザ素子構造を有する窒化物半導体素子において、前記上部クラッド層、下部クラッド層のＡｌ平均混晶比ｘが、０＜ｘ≦０．０５であることを特徴とする。この構成により、得られるレーザ素子は、５〜１００ｍＷの出力で連続発振可能で、光ディスクシステムの読取り、書込光源に適した素子特性のＬＤとなり、更に長寿命を実現することが可能となる。これは、クラッド層のＡｌ平均混晶比を０．０５以下に抑えることで、高出力時の自励発振を抑えることが可能な光導波路が設けられ、高出力で安定した連続発振が可能となり、光ディスク光源用のＬＤを得ることが可能となる。従来は、クラッド層のＡｌ平均組成を０．０５以上３以下の範囲にある窒化物半導体を用いていたが、これでは光の閉込めが強くなり過ぎることで３０ｍＷ以上の高出力での連続発振において自励発振が発生する。本発明の構成では、クラッド層における屈折率差を小さくした光導波路とし、更に上記範囲にある活性層を用いることで、多量のキャリアを連続的に、安定して注入・発光再結合しうる構造となり、クラッド層の光閉込めの低下による損失を上回って連続発振でき、且つ活性層内での発光効率を高めることができる。

（１４）前記上部クラッド層がｐ型の導電性を、前記下部クラッド層がｎ型の導電性を有し、前記活性層が前記障壁層として、前記上部クラッド層に最も近い位置に配置された第１の障壁層と、該第１の障壁層とは異なる第２の障壁層と、を有すると共に、前記第１の障壁層がｐ型不純物を有し、前記第２の障壁層がｎ型不純物を有することを特徴とする。この構成により、上述したように、ｐ型層からのキャリアの注入に優れ、結果として、素子特性、特に素子寿命が向上する。

（１７）前記ｐ型窒化物半導体層中に、活性層に隣接して第１のｐ型窒化物半導体層を有し、該第１のｐ型窒化物半導体層がＡｌを含む窒化物半導体からなることを特徴とする。この構成により、図４〜７に示すように、第１のｐ型窒化物半導体層２８が、電子閉込め層として機能し、特に大電流駆動、高出力のＬＤ、ＬＥＤにおいて、活性層内に多量のキャリアを閉込めることが可能となる。また、前記第１の障壁層、障壁層Ｂ_L、第１のｐ側障壁層との関係において、図８に示すように、これらの障壁層の膜厚が、第１のｐ型窒化物半導体層と井戸層１ｂとの距離ｄ_Bを決定するため、素子特性に大きく影響を及ぼしあう。

（１８）前記第１のｐ型窒化物半導体層が、前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い障壁層に接して設けられ、前記活性層中の障壁層よりも高い濃度のｐ型不純物をドープして成長していることを特徴とする。この構成により、ｐ型層から最もｐ型層に近い障壁層（前記第１の障壁層、障壁層Ｂ_L、第１のｐ側障壁層）へのキャリアの注入を容易にし、また第１のｐ型窒化物半導体層は、ｐ型不純物を高濃度でドープすることで、この障壁層へｐ型不純物が拡散されてドープされることで、適度なｐ型不純物を添加することができる。このことは、この障壁層成長時に、不純物を添加しないため、結晶性良く成長が可能であり、特にこの障壁層がＩｎを含む窒化物半導体の場合には、不純物添加による結晶性悪化が大きいため、その効果は顕著なものとなる。また、第１のｐ型窒化物半導体層が、後述するように、Ａｌを含む窒化物半導体であって、そのＡｌ混晶比がｐ型クラッド層のＡｌの混晶比よりも高い場合には、活性層内に電子を閉じこめる電子閉込め層として効果的に機能し、大電流駆動、高出力のＬＤ、ＬＥＤなどにおいて、発振閾値、駆動電流を低下させる効果が得られる。

（１９）前記活性層において、井戸層の数が１以上３以下の範囲であることを特徴とする。この構成により、ＬＤにおいては発振閾値を、井戸層の数が４以上である場合に比べて、低くすることが可能となる。また、この時に、上述したように井戸層の膜厚を４０Å以上とすることで、少ない井戸層内でも広い空間が確保され、多量のキャリアが注入されても、効率的な発光再結合が可能となり、このことが素子寿命の向上、発光出力の向上を可能とする。特に、井戸層の膜厚が４０Å以下で、井戸層数を４以上とした場合には、大電流で駆動させて高出力のＬＤ、ＬＥＤを得ようとすると、上記の場合に比して、薄膜の各井戸層に多量のキャリアが注入されることとなり、井戸層は過酷な条件下で駆動させることとなり、素子劣化が早く発生する。また、井戸層数を多くすると、キャリアは均等に分布せず、不均一に分布する傾向にあるため、このような状態で大電流での駆動をさせると、前記素子劣化が深刻な問題となる。この構成では、上述の最もｐ型層側の障壁層がｎ型不純物を含まないこと又はｐ型不純物を有すること、他の障壁層がｎ型不純物を有することで、多量のキャリアを井戸層内へ安定して注入でき、更に井戸層を上述したような膜厚（４０Å以上）とすることで、これらが密接に関係して、連続した駆動において、優れた素子寿命、高い発光出力の実現に好適に作用する。

　本発明の窒化物半導体素子に用いる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。

　ここでアンドープとは、窒化物半導体成長時に、ドーパントとなるｐ型不純物、ｎ型不純物などを添加しない状態で成長させるものであり、例えば有機金属気相成長法において反応容器内に前記ドーパントとなる不純物を供給しない状態で成長させるものである。

　本発明の窒化物半導体素子は、ライフ特性（素子寿命）に優れ、また、従来問題とされてきた窒化物半導体を用いた素子における脆弱な逆方向耐圧特性を大幅に向上したものとなり、高出力の窒化物半導体素子が得られる。また、本発明の窒化物半導体素子で、レーザ素子とした場合においても、同様な特性の向上が得られ、さらには自励発振のない優れたレーザ素子となる。

　本発明の窒化物半導体素子に用いる窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶である窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_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。

（活性層）
　本発明における活性層としては、量子井戸構造を有し、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも良い。好ましくは、多重量子井戸構造とすることで、出力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層の量子井戸構造としては、後述する井戸層、障壁層を積層したものを用いることができる。また、積層構造としては、井戸層を障壁層で挟み込む構造を積層したものであり、すなわち、単一量子井戸構造においては、井戸層を挟むように、ｐ型窒化物半導体層側、ｎ型窒化物半導体層側に、それぞれ障壁層を少なくとも１層有し、多重量子井戸構造においては、複数の井戸層と障壁層が積層された活性層内で、後述する各実施形態を有するものである。

　更に、活性層の構造として好ましくは、最もｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層に近い位置に配置された層（以下、最外層と記す）として障壁層を有するものであり、更に好ましくは両側の最外層が障壁層であることである。

　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)／・・・／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、図１０に示すように、各井戸層４０１の間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる上部障壁層４０３、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４０２を設ける構造であっても良い。

（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。

　また、井戸層の膜厚及び井戸層の数としては、後述する第５の実施形態に示す場合を除いて、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。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１００Å以下の範囲として、活性層の膜厚を低く抑えることが好ましい。

　本発明の井戸層には、ｎ型不純物がドープされていても、いなくても良い。しかしながら、井戸層はＩｎを含む窒化物半導体が用いられ、ｎ型不純物濃度が大きくなると結晶性が悪化する傾向にあるため、ｎ型不純物濃度を低く抑えて結晶性の良好な井戸層とすることが好ましい。具体的には、結晶性を最大限に良好なものとするために井戸層をアンドープで成長させることであり、この時ｎ型不純物濃度は５×１０¹⁶／cm³以下と実質的にｎ型不純物を含まない井戸層とすることである。また、井戸層にｎ型不純物をドープする場合には、ｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸以下５×１０¹⁶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。このように、ｎ型不純物をドープした井戸層は、５ｍＷ出力のＬＤ、ＬＥＤなど、低出力の素子に用いることで、しきい値電流密度の低下、Ｖｆの低下が得られ好ましい。また、井戸層のｎ型不純物濃度を障壁層とほぼ同じ若しくはそれより低くするには、井戸層成長時に障壁層成長時よりも多くのｎ型不純物をドープするか、障壁層にドープして井戸層をアンドープで成長させる変調ドープとしても良い。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。

　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、高い確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（５〜１００ｍＷの出力域のＬＤ、ハイパワーＬＥＤ）では、井戸層のｎ型不純物濃度を、少なくとも１×１０¹⁸／cm³以下にすることであり、好ましくはアンドープ若しくは実質的にｎ型不純物を含有しない濃度とすることで、高出力で安定した駆動が可能な窒化物半導体素子が得られる。また、井戸層にｎ型不純物をドープしたレーザ素子では、レーザ光のピーク波長のスペクトル幅が広がる傾向にあるため、好ましくなく１×１０¹⁸／cm³、好ましくは１×１０¹⁷／cm³以下とすることである。

（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く、具体的には図１０に示すように、Ｉｎ_βＧａ_1-βＮ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮを用いることが好ましい。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層をＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体の上に直接成長させると、結晶性が低下する傾向にあり、井戸層の機能が悪化する傾向にあるためである。

　また、後述する最もｐ型層側の障壁層を除いて、障壁層は、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ことである。この時、障壁層中のｎ型不純物濃度としては、少なくとも５×１０¹⁶／cm³以上ドープされていることで、上限としては１×１０²⁰／cm³である。具体的には、例えばＬＥＤである場合には、５×１０¹⁶／cm³以上２×１０¹⁸／cm³以下の範囲でｎ型不純物を有することであり、また、より高出力のＬＥＤ及び高出力のＬＤでは、５×１０¹⁷／cm³以上１×１０²⁰／cm³以下の範囲、好ましくは１×１０¹⁸／cm³以上５×１０¹⁹／cm³以下の範囲でドープされていることが好ましく、このように高濃度でドープする場合には、井戸層をｎ型不純物を実質的に含まないか、アンドープで成長させることが好ましい。この時、通常のＬＥＤと、高出力のＬＥＤ（ハイパワーＬＥＤ）と高出力のＬＤ（５〜１００ｍＷ出力のＬＤなど）とで、ｎ型不純物量が異なるのは、高出力の素子では、より大電流で駆動させ高い出力を得るために、高いキャリア濃度を必要とするためである。上記好ましい範囲でドープされることで、上述したように、良好な結晶性で、高濃度のキャリアを注入することが可能となる。逆に、高出力でない低出力のＬＤ、ＬＥＤ等の窒化物半導体素子の場合には、活性層中の一部の障壁層にｎ型不純物をドープしたもの、若しくは全ての障壁層を実質的にｎ型不純物を含まないものとしても良い。

　障壁層の膜厚としては、特に限定されず５００Å以下、より具体的には井戸層と同様に１０Å以上３００Å以下の範囲が適用できる。

　また、後述する各実施形態には、ｐ型不純物をドープする障壁層が用いられるが、この時、ｐ型不純物量としては、５×１０¹⁶／cm³以上１×１０²⁰／cm³以下の範囲、好ましくは、５×１０¹⁶／cm³以上１×１０¹⁸／cm³以下の範囲である。これは、１×１０²⁰／cm³以上とｐ型不純物を多くしても、キャリア濃度は殆ど変化しないため、不純物を含有することによる結晶性の悪化、不純物による光の散乱作用による損失が大きくなり、かえって活性層における発光効率を低下させる。更に、１×１０¹⁸／cm³以下であると、上記不純物の増加による発光効率の低下を低く抑え、なおかつ活性層内へのｐ型層からのキャリア濃度を安定して高く保つことが可能となる。加えて、ｐ型不純物の下限としては、僅かながらでもｐ型不純物を有することが好ましく、これは不純物が低濃度である場合には、高濃度である場合に比較して高い確率で、ｐ型不純物がキャリアとして機能するものとなる傾向にあるためである。この時、後述する各実施形態におけるｐ型不純物が含有される障壁層には、ｎ型不純物を実質的に含有しないことが好ましい。なぜなら、ｐ型不純物が含有される障壁層に、ｎ型不純物を含有しないことだけでも、ｐ型層からのキャリアの注入を促進する障壁層として機能し、それに加えてｐ型不純物を有することで更にその作用を強くすることが可能となる。図１４、１５は、最もｐ側の障壁層のｎ型不純物量と素子寿命若しくは逆耐圧特性との関係を示しているが、図から明らかなように、ｎ型不純物が多くなると、素子寿命及び逆耐圧特性が急激に低下し、素子特性を悪化させている。従って、本発明の窒化物半導体素子において、ｐ型層に最も近い障壁層（後述の第１の障壁層、障壁層Ｂ_L、第１のｐ側障壁層）は、ｎ型不純物をアンドープで成長させること若しくはｎ型不純物を実質的に吹くまいことが好ましく、更に好ましくはｐ型不純物を有すること、最も好ましくはｎ型不純物を含まずに、ｐ型不純物を有することである。これは、ｎ型不純物を含まないことでｐ型層からのキャリアの注入が効率的なものとなり、これとは別にｐ型不純物を有することで、キャリアの注入を促し、両者を併せること、すなわち、ｎ型不純物を含まずに、ｐ型不純物を有することで、ｐ型層からのキャリアが多量であっても効率的な注入が可能となる。

（ｎ型不純物ドープ）
　本発明において、活性層には、少なくとも５×１０¹⁶以上ｎ型不純物を含有する井戸層、障壁層を有し、好ましくは、活性層中の少なくとも１層以上の井戸層及び／又は障壁層が、アンドープ若しくは実質的にｎ型不純物を含まないことである。これにより、活性層全体としては、平均としてｎ型不純物が含有され、活性層の一部を構成する井戸層及び又は障壁層にｎ型不純物がドープされることで活性層として効率的なキャリア濃度分布を実現する。

　本発明において、アンドープとは意図的にドープしないことであり、窒化物半導体成長時に、ｎ型若しくはｐ型不純物をドープしないで成長させるものである。この時、不純物濃度は、５×１０¹⁶／cm³未満となる。また、本発明におけるｎ型不純物、若しくはｐ型不純物を実質的に含まないとは、５×１０¹⁶／cm³未満の濃度領域である。

　以上は、下記に説明する各実施形態において、説明されていない活性層及び、障壁層、井戸層についての実施形態を説明したものであり、各実施形態においてその説明を補うものである。

＜第１の実施形態＞
　本発明の窒化物半導体素子において、第１の実施形態としては、図２、３に示すように、ｐ型窒化物半導体層１３とｎ型窒化物半導体層１１とで挟まれた活性層１２内に、ｐ型窒化物半導体層に最も近くに位置する第１の障壁層、それとは異なり、ｎ型不純物を有する第２の障壁層とを有する構造である。この時、第１の障壁層は、ｎ型不純物がアンドープであること、若しくはアンドープで成長させて実質的にｎ型不純物を含まないことである。この時、第１の障壁層は、活性層内の層で最もｐ型窒化物半導体層に近い層（以下、最もｐ側の層という）が、図２に示すように井戸層１ｂである場合と、図３に示すようにその層が第１の障壁層２ｄである場合の両方の場合があるが、どちらでも良い。好ましくは、図３に示すように、活性層内で最もｐ側の層が、第１の障壁層とすることで、ｐ型窒化物半導体層に接して第１の障壁層を活性層内に設けることができ、図３に示すように、ｐ型窒化物半導体層１３と活性層１２内の第１の障壁層２ｄと、連続したｐ型層を活性層内まで形成することができる。このことにより、ｐ型層から活性層へのキャリアの注入を効率的なものとすることができ、素子駆動における損失を減らし、素子特性の向上、特に、逆方向耐圧、素子寿命の向上が可能となる。図３に示す場合は、これとは異なり、ｐ型窒化物半導体層１３と第１の障壁層２ｃとの間に井戸層１ｂが介在しているため、連続したｐ型層の形成とはならない場合もあるが、第１の障壁層２ｃは活性層内の最もｐ側の障壁層であることから、前述の場合（図３の場合）ほどではないものの、同様に作用して、効率的なキャリアの注入が可能となり、前述の場合（図３の場合）に比べてその効果は劣る傾向にあるものの、同種の効果を得ることができる。この時、井戸層は、上述したようにアンドープであることが好ましく、ｎ型不純物を有する場合には、障壁層よりも低濃度であることが好ましい。

　これとは異なり、ｐ型不純物を有する障壁層（以下、ｐ型障壁層という）が、活性層内で、最もｐ側に位置しない障壁層である場合は、例えば図３において障壁層２ｃをｐ型障壁層とすると、かえって素子特性を悪化させる結果となる。これは、ｐ型のキャリア（ホール）の拡散長がｎ型に比べて大幅に短いため、上述した活性層内へのキャリア注入効率の向上はほとんどなく、ｎ型のキャリアの注入を阻害して損失を大きくすることとなる。これは、最もｐ側の障壁層がｐ型不純物を含有せず、最もｐ側に位置しない障壁層がｐ型不純物を含有する場合に最も顕著なものとなる。

　また、第２の障壁層は、第１の障壁層に隣接してｎ型窒化物半導体層側（以下、ｎ側という）に設けられていても良いが、図２、３に示すように、少なくとも１層以上の井戸層を介して設けられていることが好ましい。こうすることで、１層以上の井戸層を挟んで、最もｐ側に設けられ、ｐ型不純物を有する第１の障壁層と、ｎ側に設けられ、ｎ型不純物を有する第２の障壁層と、を配置した構造の活性層とすることで、井戸層を介さず隣接して配置された場合に比べて、この挟まれた１層以上の井戸層内へのキャリア注入をより効率的なものとすることができる。従って、最もｎ側の障壁層、図２，３では障壁層２ａ、が、少なくとも第２の障壁層であること、すなわち、第１の障壁層、第２の障壁層が活性層の最も外側の障壁層で、それぞれｐ側、ｎ側に配置されていることが好ましい。更に、第２の障壁層は、１層だけであっても良く、第１の障壁層を除く全ての障壁層であっても良い。従って、第１の実施形態において、好ましくは最もｐ側の障壁層が第１の障壁層、最もｎ側の障壁層が第２の障壁層であること、更に好ましくは、以上の構成に加えて、最もｐ側の障壁層を除く全ての障壁層が第２の障壁層であることである。これにより、高出力下での素子駆動において、多量のキャリアを効率的に注入することが可能となり、高出力下での素子信頼性の向上が可能となる。この時、最もｐ側の障壁層が第１の障壁層、最もｎ側の障壁層が第２の障壁層であることに加えて、２番目若しくは２番目及びそれ以降にｐ側に配置された障壁層もｐ型障壁層とする構成も可能であるが、例えば図３において第１の障壁層２ｄ、ｐ型障壁層２ｃ、第２の障壁層２ａとする構成、この構成では上述した各キャリアの拡散長の違いにより、効率的なキャリアの注入・再結合などが阻害され、損失が増す傾向にある。

　本発明の第１の実施形態において、第１の障壁層について更に詳述すると、ｐ型不純物を含有すること同様に、第１の障壁層が実質的にｎ型不純物を含有しないことも上記作用を生み出す上で重要な要因となる。これは、ｎ型不純物を含有しないことで、上述のｐ型不純物を有する場合と同様の効果が期待できる。これは、第１の障壁層がｎ型不純物を含まないことから、活性層内におけるｐ型層界面付近若しくは第１の障壁層付近で、ｐ型層から活性層へ、若しくは最もｐ側の井戸層へのキャリアの注入を多く、且つ効率的にすることが可能となり、上述と同様に素子特性が向上する。逆に、第１の障壁層に実質的にｎ型不純物を含まないようにすることが、素子特性の向上につながるものであり、更に好ましくはｎ型不純物を実質的に含まず且つｐ型不純物を含むようにすることで、上述した効果が顕著なものとなる。また、第２の障壁層には、ｐ型不純物をアンドープで成長させること、若しくはｐ型不純物を実質的に含まないようにすることが好ましい。

　本発明の第１の実施形態において、第１の障壁層の膜厚を第２の障壁層の膜厚よりも大きくすることで、素子寿命の向上が可能となる。これは、後述する第１のｐ型窒化物半導体層との関係に加えて、高出力での駆動において、ｐ型のキャリアが多く存在する第１の障壁層として広い空間が設けられることで、高出力でも安定したキャリアの注入・再結合が可能となる。逆に、第２の障壁層が第１の障壁層よりも膜厚が小さいことで、ｎ型層側から活性層内の各井戸層までの距離を相対的に近づけることとなり、各井戸層へのｎ型層側からのキャリアの注入が促進される。この時、第２の障壁層が１層以上、好ましくは第１の障壁層を除く全ての障壁層を第２の障壁層とすることで、ｎ型層から全ての井戸層の距離が相対的に小さくでき、ｎ型層からのキャリアの注入が効率的なものとなる。

＜第２の実施形態＞
　本発明の第２の実施形態としては、前記活性層がＬ個（Ｌ≧２）の前記障壁層を有し、前記ｎ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された障壁層を障壁層Ｂ₁、該障壁層Ｂ₁から前記ｐ型窒化物半導体層に向かって数えてｉ番目（ｉ＝１，２，３，・・・Ｌ）の障壁層を障壁層Ｂ_i、とした時に、ｉ＝１からｉ＝ｎ（１＜ｎ＜Ｌ）までの障壁層Ｂ_iがｎ型不純物を有し、ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_iがｐ型不純物を有することを特徴とする。ここで、障壁層Ｂ_Lが第１の実施形態における第１の障壁層に当たり、最もｐ側の障壁層であり、この障壁層Ｂ_Lによる作用は、第１の実施形態と同様である。従って、第２の実施形態における障壁層Ｂ_Lは、少なくともｐ型不純物を有することであり、更に好ましくはｎ型不純物を実質的に含有しないことで、障壁層Ｂ_Lには優先的にｐ型のキャリアが注入され、効率的なキャリア注入を可能とする。また、ｉ＝１からｉ＝ｎまでの障壁層Ｂ_iには、ｎ型不純物を有することで、ｎ型層側から近い順にｎ個の障壁層にｎ型不純物がドープされることとなりキャリア濃度が高まるため、ｎ型層から活性層内部へキャリアが円滑に注入されることとなり、結果としてキャリアの注入・再結合が促進され、素子特性が向上する。この時、井戸層はアンドープ、ｎ型不純物をドープしても、どちらでも良い。特に、大電流で素子（高出力のＬＤ、ＬＥＤなど）を駆動させた場合では、上述したように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、素子特性、素子信頼性に富む窒化物半導体素子となる。

　ここで、第２の実施形態におけるｎは、少なくとも条件式０＜ｎ＜Ｌを満たすことが必要であり、好ましくはｎ_m＜ｎ＜Ｌ、ｎ_m＝Ｌ／２（但し、ｎ_mは小数点以下を切り捨てた整数）の条件を満たすことである。これは、活性層内の障壁層の総数のほぼ半分以上にｎ型不純物が含有されることで、ｎ型層からのキャリアが活性層の奥深く（ｐ型層側）まで効率的な注入が可能となるからであり、特に活性層中の井戸層の数が３以上、若しくは活性層内部の積層数が７以上、である多重量子井戸構造の場合に有利に働く。具体的には、図２、３において、障壁層２ａ、２ｂを障壁層Ｂ_iとしてｎ型不純物をドープし、障壁層２ｃ（図２）若しくは障壁層２ｄ（図３）を障壁層Ｂ_Lとしてｐ型不純物をドープし、障壁層Ｂ_iとＢ_Lに挟まれる他の障壁層をアンドープとして、活性層を構成する。

　また、第２の実施形態において、障壁層Ｂ_Lの膜厚が障壁層Ｂ_i（ｉ≠Ｌ）の膜厚よりも大きいことで、上述したように、多量のキャリアを安定して井戸層に注入する必要がある高出力の素子において、ｐ型層に最も近く（ｐ型層からのキャリア注入口付近）、ｐ型のキャリアが多く存在する障壁層Ｂ_Lが広い空間を有することで、安定して多量のキャリアをｐ型層から井戸層へ注入することができ、素子信頼性、素子寿命が向上する。

＜第３の実施形態＞
　本発明の第３の実施形態としては、前記活性層内の最も外側の層として、ｐ型窒化物半導体層に近い位置に配置された第１のｐ側障壁層と、前記ｎ型窒化物半導体層に近い位置に配置された第２のｎ側障壁層と、を有すると共に、第１のｐ側障壁層がｐ型不純物を有し、第２のｎ側障壁層がｎ型不純物を有することを特徴とする。この構成は、具体的には、図３に示すように、活性層が最も外側の第１のｐ側障壁層２ａ、第２のｎ側障壁層２ｄに挟まれて、井戸層１、障壁層２ｂ、２ｃが設けられた構造となる。活性層内で最もｐ側の層として、第１のｐ側障壁層が設けられることで、上述したように、ｐ型層からの効率的なキャリアの注入を可能とし、また活性層内で最もｎ側の層として、第２のｎ側障壁層が設けられることで、ｎ型層からのキャリアの注入を良好なものとする。その結果として、活性層内へｐ型層、ｎ型層からの効率的なキャリアの注入・再結合を可能とし、高出力の素子でも、高い素子信頼性、及び素子寿命の向上が可能となる。この時、好ましくは、図３に示すように、第１のｐ側障壁層２ｄ、第２のｎ側障壁層２ａに接して、ｐ型層、ｎ型層が設けられることであり、これにより、直接的に活性層にｐ型層、ｎ型層が接続され、より良好なキャリアの注入が実現される。この時、第１のｐ側障壁層、第２のｎ側障壁層に挟まれた障壁層、例えば図３における障壁層２ｂ、２ｃ、としては、特に限定されるものではないが、上述したように好ましくはｎ型不純物がドープされることであり、これにより、ｎ型層からのキャリアの注入が効率よくなされ、素子信頼性が向上する。

　また、前記第１のｐ側障壁層の膜厚が前記第２のｎ側障壁層の膜厚とほぼ同じであることにより、図５、７に示すように、活性層の最も外側の層がほぼ対称な障壁層が設けられることとなり、素子のばらつきを防ぎ、歩留まりが向上する。これは、詳しいことは明らかではないが、ｐ型層、ｎ型層のキャリアの注入口となる第１のｐ側障壁層、第２のｎ側障壁層が対称となることで、活性層の層構成において対称性が増し、このことにより、しきい値電流の低下、安定した素子寿命を得ることが可能となると考えられる。

　更に、第３の実施形態において、活性層が２以上の井戸層を有し、該井戸層と井戸層との間に第３の障壁層を有すると共に、前記第３の障壁層の膜厚が、前記第１のｐ側障壁層及び前記第２のｎ側障壁層の膜厚よりも小さいことで、更に素子特性の向上が可能となる。これは、活性層の最も外側に配された第２のｎ側障壁層、第１のｐ側障壁層は、それぞれｎ型層、ｐ型層からのキャリアの注入口となり、他の障壁層よりも大きな膜厚であることから、多量のキャリアを保持しうる広い空間が確保され、大電流でも安定した素子の駆動を可能とする。一方、第３の障壁層は、井戸層に挟まれているため、キャリアが各井戸層に注入されるように設けられ、井戸層の間を連絡できれば足りるため、外側の障壁層のように厚膜で設ける必要がない。加えて、活性層内で、外側に厚膜の障壁層、活性層中央部で薄膜の障壁層という構成となり、外側の障壁層でもってｐ型層、ｎ型層からのキャリアの注入し、ｎ型層、ｐ型層からみて反対側に位置し、第３の障壁層よりも厚膜の第１のｐ側障壁層、第２のｎ側障壁層でもって強固な障壁として機能し、各井戸層へのキャリアの注入・発光再結合が促進される。また、第３の障壁層が、外側の障壁層よりも薄く設けられることで、活性層全体の膜厚を低く抑えることが可能となり、Ｖｆ、しきい値電流密度の低下に寄与するものとなる。

　以上、説明してきたように、第１〜３の実施形態において、共通する構成として、以下のようになる。

　第１〜３の実施形態において、活性層内部で最もｐ型層側に配置された障壁層（第１の障壁層、障壁層Ｂ_L、第１のｐ側障壁層）が、実質的にｎ型不純物を含有しないことで、活性層内へのキャリアの注入が促進され、優れた素子寿命、高出力の窒化物半導体素子が得られ、さらにｐ型不純物を含有することで、多量のキャリアであっても効率よく注入・発光再結合され、高出力で、長寿命の窒化物半導体素子が得られる。この時、最もｐ型層側の障壁層がｐ型不純物を有するときには、ｎ型不純物をノンドープとするか、ｎ型不純物をアンドープで成長させて実質的にｎ型不純物を含まない状態とすることが好ましい。これは、最もｐ型層側の障壁層がｐ型不純物を有している場合に、ｎ型不純物を有すると、ｐ型層からのキャリアの注入が阻害される傾向にあり、多量のキャリアを効率的に注入する効果が弱まり、結果として素子寿命、出力特性を低下させることになるからである。

＜第４の実施形態：レーザ素子＞
　本発明の窒化物半導体素子において、レーザ素子の実施形態としては、活性層を、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層内のｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで挟み込む構造を少なくとも有するものとなる。また、実施例で示すように、クラッド層と活性層との間に、活性層を挟む光ガイド層を設けても良い。

　ここで、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用いられ、具体的にはＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）を用いる。

　本発明において、光ガイド層の組成としては、特に限定されるものではなく、窒化物半導体からなり、導波路形成に十分なエネルギーバンドギャップを有していれば良く、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。例えば、波長３７０〜４７０nmではＧａＮを用い、それよりも長波長ではＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜構造を用いることで、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどを用いることである。

（電子閉込め層：第１のｐ型窒化物半導体層）
　本発明において、ｐ型窒化物半導体層として、特にレーザ素子において、第１のｐ型窒化物半導体層を設けることが好ましい。この第１のｐ型窒化物半導体層としては、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_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜１）を用いる。この時、Ａｌ混晶比γとしては、レーザ素子に用いる場合には電子閉込め層として機能するように、活性層より十分に大きなバンドギャップエネルギーを有する（オフセットをとる）必要があり、少なくとも０．１≦γ＜１の範囲とすることであり、好ましくは０．２≦ａ＜０．５の範囲とすることである。なぜなら、γが０．１以下であるとレーザ素子において、十分な電子閉込め層として機能せず、０．２以上であると十分に電子閉込め（キャリアの閉込め）がなされ、キャリアのオーバーフローを抑えて、加えて０．５以下であるとクラックの発生を低く抑えて成長させることができ、更に好ましくはγを０．３５以下とすることで良好な結晶性で成長できる。この時、Ａｌ混晶比は、ｐ型クラッド層よりも大きくすることであり、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。この第１のｐ型窒化物半導体層は、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、第１のｐ型窒化物半導体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。

　本発明の第１のｐ型窒化物半導体層の膜厚としては、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、バルク抵抗が大きいため、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、第１のｐ型窒化物半導体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。

　また、レーザ素子において、この第１のｐ型窒化物半導体は、電子閉込め層として機能させるため、活性層とクラッド層との間に設けるものであり、更にガイド層を有する場合には、ガイド層と活性層との間に設けることである。この時、活性層と第１のｐ型窒化物半導体との距離は、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、第１のｐ型窒化物半導体層は活性層に近いほどキャリアの閉込めが効果的に機能し、その上レーザ素子において活性層と第１のｐ型窒化物半導体層との間には、殆どの場合、特に他の層を必要とすることがないため、通常は活性層に接して第１のｐ型窒化物半導体層を設けうることが最も好ましい。この時、量子井戸構造の活性層内で最もｐ型窒化物半導体層側に位置する層と、第１のｐ型窒化物半導体層と、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、活性層の最もｐ側の層をＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮの第１のｐ型窒化物半導体層との間に、ＧａＮからなるバッファ層を設けること、又は第１のｐ型窒化物半導体層よりも低いＡｌ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。

　ここで、第１のｐ型窒化物半導体層と活性層との位置関係、特に井戸層との距離は、レーザ素子のしきい値電流密度、素子寿命を決定する重要な要素となり、具体的には、第１のｐ型窒化物半導体層が活性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、第１のｐ型窒化物半導体層が他の層に比べて極めて高い抵抗を有する層であるため、素子駆動時において発熱量の大きなものとなり、すなわち素子内において高温を呈しているものと考えられ、これが熱に弱い活性層、井戸層に悪影響を及ぼし素子寿命を大きく低下させているものと考えられる。一方で、上述したように、キャリアの閉込めを担う第１のｐ型窒化物半導体層は、活性層、特に井戸層に近づくほどキャリアの閉込めが効果的になるため、活性層から離れるとその効果が弱まる。

　従って、素子寿命の低下を抑えるために、図８（ａ）に示すように、井戸層１ｂから第１のｐ型窒化物半導体層２８の距離ｄ_Bを少なくとも１００Å以上とすることであり、好ましくは１２０Å以上とすることであり、更に好ましくは１４０Å以上とすることである。なぜなら、井戸層と第１のｐ型窒化物半導体層との距離ｄ_Bが１００Åより短いと、素子寿命が急激に低下する傾向が観られるためであり、１２０Å以上であると素子寿命の大幅な向上が可能であり、１５０Å以上であると更に素子寿命が向上する傾向にあるが、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２００Å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、第１のｐ型窒化物半導体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するもの、また発光効率の低下を招くものと考えられる。

　ここで、距離の基準となる井戸層は、図８において、活性層内で最もｐ型層１３側の障壁層２ｃに隣接して、ｎ型層側に配置された井戸層１ｂである。量子井戸構造の活性層において、活性層に接して第１のｐ型窒化物半導体層が設けられる場合に、図８（ａ）に示すように最もｐ型層側の障壁層２ｃに接して第１のｐ型窒化物半導体層２８が設けられるときと、図８（ｂ）に示すように最もｐ型層１３側の障壁層２ｃと第１のｐ型窒化物半導体層２８との間に井戸層４を有するときがある。最もｐ型層１３側の障壁層２ｃと第１のｐ型窒化物半導体層２８との間に井戸層４を有する場合には、この井戸層４がかえってｐ型層１３に近づきすぎ、ｐ型層から注入されたキャリアの殆どが井戸層４を通り抜け、この井戸層４での発光再結合が起こらず、井戸層として機能しないものとなる。この時、最もｐ型層側の障壁層２ｃがｐ型不純物を有する場合、この障壁層２ｃよりもｎ型層側に位置する井戸層１ａ、１ｂへのキャリアの注入が良好となる一方で、上述したようなこの障壁層２ｃよりもｐ型層側に位置する井戸層４をキャリアが通過して、発光再結合に寄与しない傾向が益々強まり、井戸層としての機能を急激に失うものとなる。このため、図８（ｂ）に示す井戸層４と第１のｐ型窒化物半導体層との間には、上述したような距離による特性の変化がなく、前記井戸層との距離ｄ_Bは、最もｐ型層側の障壁層よりもｐ型層側に位置する前記井戸層１ｃに関係なく、最もｐ型層側の障壁層よりもｎ型層側に位置する井戸層との距離となり、逆にこのような活性層内で最もｐ型層側の層となる井戸層を有していても、上述したような距離ｄ_Bによる特性の変化がみられる。また、このような最もｐ型層側の障壁層よりもｐ型層側に配置された井戸層は、井戸層として十分に機能しないばかりでなく、この井戸層を有していない場合に比べて、素子寿命などの素子特性が悪化する傾向にあるため、好ましくはこのような井戸層を有さずに、活性層内で最もｐ型層側に配置される層を、障壁層とすること、すなわち、図８（ｂ）よりも図８（ｃ）の構成とすることである。

　また、最もｐ型層側の障壁層２ｃと第１のｐ型窒化物半導体層２８とが接して設けられる場合には、上記井戸層と第１のｐ型窒化物半導体層との間に障壁層２ｃ（最もｐ型層側の障壁層）を設けてこの障壁層の膜厚でもって上記距離ｄ_Bを決定することができる。従って、最もｐ型層側の障壁層（上述の第１の障壁層、障壁層Ｂ_L、第１のｐ側障壁層）の膜厚は、窒化物半導体の素子特性を決定する重要な要素となる。加えて、レーザ素子においてしきい値電流密度の上昇は、上述したキャリアの閉込めが主な原因であるから、上述した活性層と第１のｐ型窒化物半導体層との関係がここでも適用される。

　本発明の第１のｐ型窒化物半導体には、通常ｐ型不純物がドープされ、レーザ素子、ハイパワーＬＥＤなどの大電流で駆動させる場合には、キャリアの移動度を高めるため、高濃度でドープする。具体的なドープ量としては、少なくとも５×１０¹⁶／cm³以上ドープすることで、好ましくは１×１０¹⁸／cm³以上ドープすることであり、前記大電流駆動の素子にあっては、１×１０¹⁸／cm³以上、好ましくは１×１０¹⁹／cm³以上ドープすることである。ｐ型不純物量の上限は特に限定されないが、１×１０²¹／cm³以下とすることである。但し、ｐ型不純物量が多くなると、バルク抵抗が大きくなる傾向にあり、結果としてＶｆが上昇することになるため、これを回避する場合に好ましくは、必要なキャリア移動度を確保しうる最低限のｐ型不純物濃度とすることである。

　以上に加えて、本発明のレーザ素子において、第１のｐ型窒化物半導体層に接してｐ型光ガイド層を設ける場合に、ｐ型不純物を第１のｐ型窒化物半導体層からの拡散によりドープすると良好な光ガイド層となる。これは、ガイド層内のｐ型不純物は、光の導波において光散乱物質となるため、導電性を確保しうる範囲内で、できるだけ低濃度で不純物を有することが、結果として素子特性の向上につながり好ましいことによる。しかしながら、ｐ型光ガイド層の成長時にｐ型不純物をドープする方法では、前記光の損失を低く抑えられる低濃度領域で、不純物ドープを制御することが困難な傾向にあることが問題となる。なぜなら、窒化物半導体素子は、一般にｎ型層／活性層／ｐ型層の順に積層された構造を有するが、この構造で成長させると活性層中のＩｎＧａＮなどのため、その後に続く層の成長においてＩｎの分解などを防ぐ必要があり、ｐ型層の成長温度を７００〜９００℃程度の低温で成長させる方法が一般的に用いられるが、低温であるが故に、不純物ドープ量の制御性に乏しくなる。また、ｐ型不純物として、一般的にＭｇが用いられるが、比較的ドープ量の制御が困難であることもあり、成長時に前記低濃度領域で不純物をドープすると素子特性のばらつきを生み出す原因となる。

　従って、第１のｐ型窒化物半導体層は、光ガイド層へのｐ型不純物拡散を考慮に入れて、第１のｐ型窒化物半導体層の成長時に高濃度で不純物をドープすることで、不純物供給層としての役割を負うことが、好ましい。さらには、上述した各実施形態において、第１のｐ型窒化物半導体層に接する障壁層（前記第１の障壁層、障壁層Ｂ_L、第１のｐ側障壁層）に、ｐ型不純物をドープする場合にも同様に、不純物を供給する層として機能させることが可能となる。

　本発明のレーザ素子では、実施例に示すように、リッジを設けた後、リッジ側面に埋込層となる絶縁膜を形成する。この時、埋込層としては、ここで、第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ２以外の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。更に、埋込層として、半絶縁性、ｉ型の窒化物半導体、リッジ部とは逆の導電型、実施例においてはｎ型、の窒化物半導体、電流狭窄層とするにはＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体、等を用いることができる。また、エッチングなどによりリッジを設けずに、Ｂ、Ａｌなどのイオンを注入して、非注入領域をストライプ状として、電流が流れる領域とする構造をとることもできる。この時用いられる窒化物半導体としては、Ｉｎ_xＡｌ_1-yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される窒化物半導体を好ましく用いることができる。

　また、リッジ幅としては、１μｍ以上３μｍ以下、好ましくは１．５μｍ以上２μｍ以下とすることで、光ディスクシステムの光源として、優れたスポット形状、ビーム形状のレーザ光が得られる。

＜第４の実施形態＞
　以上に説明した窒化物半導体素子において、第４の実施形態では、量子井戸構造の活性層を、Ａｌを含む窒化物半導体を有する上部クラッド層と、Ａｌを含む窒化物半導体を有する下部クラッド層とで挟むレーザ素子構造を有する窒化物半導体素子で、前記上部クラッド層、下部クラッド層のＡｌ平均混晶比ｘが、０＜ｘ≦０．０５であることを特徴とする。これは、クラッド層のＡｌ混晶比を０．０５以下として、上部クラッド層、下部クラッド層で挟まれる光導波路の閉込めを緩めて、活性層の障壁層、井戸層の膜厚比を上記範囲として、自励発振を抑えながら、出力特性、素子寿命を向上させることが可能となる。これは、Ａｌ混晶比を下げることで、クラッド層における屈折率差を低下させ、これにより光導波路内の光分布を広げることができ、高出力でも自励発振を防止できるレーザ素子となり、５〜１００ｍＷの出力で連続発振可能で、光ディスクシステムの読取り、書込光源に適した素子特性のレーザ素子が得られる。この時、好ましくは、図３，４，６，７に示すように、前記上部、下部クラッド層と活性層との間に光ガイド層を有することで、クラッド層における屈折率差を小さくして光分布を広げても、ガイド層内に光が多く分布し、光の漏れによる損失を低く抑えることができる。

　また、活性層において、井戸層が４０Å以上の厚膜で、膜厚の比Ｒ_tが１／３以上１以下の範囲にある場合には、上述の第１〜４の実施形態、第５の実施形態においても、素子特性の向上が可能となる。これについても、どのように作用して素子特性が向上するかは不明であるが、従来、井戸層よりも十分に厚い障壁層を設けることで、井戸層での発光再結合の確率を高める構造が用いられてきた。しかし、前記活性層では、井戸層を４０Å以上と厚くして、更に、井戸層に比較して障壁層を薄くする構成とすることで、井戸層が厚いことにより発光再結合の領域が増し、井戸層間に設けられる障壁層が薄くなることで、各井戸層にまんべんなく、キャリアが注入され、発光再結合する確率が高まる。更に高出力の素子では、大電流で駆動されるため、多量のキャリアが井戸層に注入されるが、井戸層が厚いことで、発光再結合する領域を広くでき、障壁層が薄いことで障壁層を飛び越えて各井戸層に、均一に注入される傾向にある。

　この時、井戸層の膜厚が４０Å以上で、井戸層と障壁層の膜厚の比Ｒ_t（Ｒ_t＝［井戸層の膜厚］／［障壁層の膜厚］）が１／３以上１以下の範囲であると、光ディスクシステムの光源として優れた特性のレーザ素子が得られる。これは、井戸層の膜厚を４０Å以上とすることで、図１２に示すように、素子寿命に優れた素子となり、前記範囲にあることで、ＲＩＮ（相対雑音強度）を低く抑えられる傾向にあるからである。更に好ましくは、井戸層の膜厚を５０Å以上とすることで、さらなる素子寿命の向上が可能となる。また、Ｒ_tが１以上の場合には、ＲＩＮは大きくなるものの、素子寿命が長く、出力の大きなレーザ素子が得られるため、光ディスクシステム以外の応用が可能である。以上において、障壁層の膜厚は、４０Å以上とすることで、図１３に示すように、素子寿命に優れたレーザ素子が得られるため、好ましい。

＜第５の実施形態：井戸層の数＞
　以上、説明した第１〜４の実施形態において、活性層中の井戸層の数を１以上３以下とすること、大電流における素子駆動でも、良好な素子特性の窒化物半導体素子が得られる。これは、従来、活性層中の井戸層の数として、４〜６程度のものを用いていたが、井戸層の数が多くすると、キャリアの再結合の確率を高めることができる反面、障壁層の数を含めると必然的に活性層全体の膜厚が大きくなり、Ｖｆが大きくなる傾向にある。さらに、井戸層の数を多くしても、それほどキャリアの再結合の確率が高くならないことが実験した結果、明らかになり、特にＬＤのように大電流、高電流密度で駆動させる素子の場合には、特にその傾向が顕著になる。例えば、ＬＤの場合では、多重量子井戸構造で、井戸層数を変化させると、井戸層の数が減ることで、しきい値電流が下がる傾向にあり、井戸層の数を６から４となる間に急激に減少し、更に４から３の間でなだらかに減少し、そして井戸層の数が２若しくは３のところで極小値をとり、１の場合、すなわち、単一量子井戸構造では２、３の場合より少し高くなるか、２と３の間の値をとるものとなる傾向がある。また、高出力のＬＥＤについても、同様な傾向が観られる。

　ここで、各図について以下に説明する。図２、３は、本発明の一実施形態に係る模式断面図であり、特にレーザ素子構造において、活性層１２がｎ型層１１とｐ型層１３とで挟み込まれる構造を示すものである。図２は、活性層１２が上部クラッド層３０と下部クラッド層２５で挟まれ、活性層１２と上部クラッド層３０との間に電子閉込め層である第１のｐ型窒化物半導体層２８を有し、活性層１２の量子井戸構造は、障壁層２ａ／井戸層１ａを一対として繰り返し積層され、最後に障壁層２ｃが設けられた構造を有している。図３は、図２に比して異なる点は、上部、下部クラッド層３０，２５と活性層１２との間に上部、下部光ガイド層２９，２６を有するものである。図４〜８、１０は、活性層１２若しくは活性層周辺の積層構造２０と、その積層構造２０の下に、それに対応したエネルギーバンドギャップ２１を示すものである。図４、６は活性層の量子井戸構造が膜厚において非対称な構造を有するものであり、それとは逆に図５、７は対称な構造を有するものであり、図４，５は活性層内の井戸層の数が３であり、図６，７は２であり、図５は光ガイド層を含まず、図４，７，８は光ガイド層を有する構造である。図８は、活性層１２とｐ型層１３が積層された構造で、ｐ型層１３内の第１のｐ型窒化物半導体層２８と活性層、最もｐ型層側に配置された障壁層２ｃ、及びその障壁層２ｃよりもｎ型層に近い側に配置された井戸層１ｂとの関係を示すものである。

［実施例１］
　以下、実施例として、図８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。

　ここで、本実施例では、ＧａＮ基板を用いているが、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。

　異種基板を用いる場合には、バッファ層（低温成長層）、窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）からなる下地層を介して、素子構造を形成すること、窒化物半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に設ける下地層（成長基板）として、その他に、ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜された層などがある。その他の形態では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜される層でもよい。

（基板１０１）　基板として、異種基板に成長させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮ、を厚膜（１００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０μｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。基板の詳しい形成方法は、以下の通りである。２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マスク開口部（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（ＥＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体層を、さらに厚膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去して、窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時のマスクは、ＳｉＯ₂からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）幅５μｍとする。

（バッファ層１０２）　窒化物半導体基板の上に、バッファ層成長後、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、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１０３）
　次に得られたバッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。

（クラック防止層１０４）　次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_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。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１０５）　次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープの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５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。

（ｎ型光ガイド層１０６）　次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５μｍ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。

（活性層１０７）　次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ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Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を２５Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）の順に積層する。最後に最上部の障壁層として、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを１４０Åの膜厚で成長させる。活性層１０７は、総膜厚約４７０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。

（ｐ型電子閉込め層１０８：第１のｐ型窒化物半導体層）　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Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ_0.3Ｇａ_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。また、ここでは、ｐ型電子閉込め層１０８からｐ型不純物のＭｇが、それに隣接する最上部の障壁層に拡散して、最上部の障壁層にＭｇが５〜１０×１０¹⁶／ｃｍ³程度ドープされた状態となる。

（ｐ型光ガイド層１０９）　次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。

　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１０９等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。

（ｐ型クラッド層１１０）　続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ_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１１０を成長させる。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１１０は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくは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１１１）　最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層１１１はｐ型の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。

　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。

　次に上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ₂）よりなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜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１０９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングして、形成する。

　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１０９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。

　第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６００℃で熱処理する。このようにＳｉＯ₂以外の材料を第２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することにより、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えることがさらに望ましい。

　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。

　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。

　次に、ｎ電極を形成するためにエッチングして露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面（反射面側）にもＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜が設けられる。

　以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（1 1- 0 0）など）でバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍである。このようにして得られるレーザ素子は、図７に示す積層構造２０、及びバンドギャップエネルギー図、となるものであり、上述した第１、２、４、５の実施形態に相当するものである。

　室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ²、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。得られるレーザ素子の素子寿命は、比較例１に比べて、６０℃、５ｍＷの連続発振において、２〜３倍に相当する２０００〜３０００時間の素子寿命が得られる。また、逆方向耐圧特性においては、比較例１に比べて、逆方向耐圧について検査をしたところ、多くのレーザ素子が破壊されず、更に電圧を上げて１００Ｖで検査においても、破壊されないものが得られ、比較例１に比べておおよそ２倍の逆方向耐圧特性の向上が観られる。

［実施例２］
　実施例１において、活性層中の障壁層の内、活性層とｐ型電子閉込め層との界面に位置する障壁層（最後に積層した障壁層、最もｐ側に位置する障壁層）を、Ｍｇを１×１０¹⁸／ｃｍ³ドープして、形成する他は、同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、前記最後の障壁層により多くのＭｇがドープされたものとなる。また、その特性は、素子寿命、逆耐圧特性において、ほぼ同等なものが得られる。

［実施例３］
　実施例１において、井戸層の膜厚を５５Åとする。その結果得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、素子寿命が大きく向上し、５０℃、３０ｍＷの条件で連続発振させたところ、１０００〜２０００時間の長寿命のレーザ素子が得られる。

　更に、同様に、実施例１における井戸層の膜厚を、６０、８０、９０Åと増やすことで、素子寿命は、膜厚にほぼ比例して増加する傾向にあり、一方で井戸層の膜厚が増加することによる活性層全体の膜厚の増加によるＶｆ、しきい値電流の増加が確認される。しかしながら、いずれの場合にも、比較例１に比べて、非常に優れた素子寿命を有するものである。また、Ｖｆ、しきい値電流については活性層全体の膜厚が関係し、その積層構造に依存するため一概にはいえないが、実施例１のように、井戸層の数が２層と少ない場合、多重量子井戸構造で最小の井戸層数、には、井戸層の膜厚の変化には、それほど大きく依存せず、Ｖｆ、しきい値電流の上昇は、低く抑えられ、実施例１よりも僅かに大きくなる程度でおさまり、ＬＤの連続発振において重大な素子特性の悪化にまで至らない。このため、井戸層の膜厚は、４０Å以上で素子特性の向上が図れ、好ましくは５０Å以上とすることで更に顕著に大幅な長寿命化が可能となる。また、この時、井戸層の膜厚を５０Å以上とすると、出力８０ｍＷでの発振が可能であり、１００ｍＷの出力が得られるものある。

［実施例４］
　実施例１において、最後の障壁層（最上部に位置する障壁層）を１５０Åの膜厚としたところ、素子寿命が実施例１よりも長くなる傾向にある。これは、図９に示すように、最上部障壁層２ｃが厚くなることで、井戸層１ｂとｐ型電子閉込め層２８との距離ｄ_Bが必然的に大きくなり、上述したように、第１のｐ型窒化物半導体層（ｐ型電子閉込め層）は高抵抗であるため、素子駆動時には他の層よりも高い温度になっていると考えられ、この層と井戸層をはなすことで、井戸層を温度上昇による悪影響から守り、良好な発振特性でもってレーザ発振がなされることによるものと思われる。

［実施例５］
　実施例１において、活性層が、障壁層の膜厚７０Åで、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層の順に積層し、最後に膜厚１４０Åの障壁層を積層する。この時、井戸層の膜厚を、２２．５Å、４５Å、９０Å、１３０Åと変化させ、５０℃、３０ｍＷの条件で連続発振させた時の素子寿命を図１２に示す。図から明らかなように、井戸層の膜厚の増加に伴って、素子寿命が増大し、優れた素子寿命のレーザ素子が得られる。この時、井戸層の膜厚４５Å、９０Å、１３０Åでは、実施例３と同様に、３０ｍＷ以上の高出力の発振が可能であり、９０Å、１３０Åの場合には、８０〜１００ｍＷでの出力が可能なレーザ素子が得られる。

［実施例６］
　実施例１において、活性層が、井戸層の膜厚４５Åで、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層の順に積層し、最後に膜厚１４０Åの障壁層を積層する。この時、最後に積層した障壁層以外の障壁層の膜厚を、２２．５Å、４５Å、９０Å、１３５Åと変化させ、５０℃、３０ｍＷの条件で連続発振させた時の素子寿命を図１３に示す。図から明らかなように、障壁層の膜厚が増加すると、５０Å付近から膜厚を増加させても、素子寿命がほぼ一定となり変化しなくなる傾向が観られる。従って、障壁層として、少なくとも４０Å以上とすることで、本発明の窒化物半導体素子で、優れた素子寿命が実現されることがわかる。

［実施例７］
　実施例１において、クラッド層の多層膜におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ混晶比を０．１とする他は、同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、クラッド層のＡｌ平均混晶比が０．０５であり、３０ｍＷで、単一モード、連続発振において、自励発振が観測されるものがある。更に、クラッド層の多層膜中のＡｌＧａＮにおけるＡｌ混晶比を０．１５とすると、この時クラッド層のＡｌの平均混晶比が約０．７８となり、Ａｌの平均混晶比が０．０５である場合に比べて、明らかに高い確率で自励発振することが確認される。このため、クラッド層におけるＡｌの平均混晶比は、０．０５以下、好ましくは０．０２５若しくは０．０３以下とすることで、確実に自励発振のないレーザ素子が得られる。

［実施例８］
　実施例１において、最上部の障壁層（最もｐ型層側に配置された障壁層）を１５０Åの膜厚で成長させる他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて僅かながら素子寿命が上昇する傾向が観られる。逆に、最上部の障壁層を１００Åの膜厚としたレーザ素子では、実施例１に比べて、素子寿命が大幅に低下する。

［実施例９］
　実施例１において、ｐ型電子閉込め層１０８を設けないで、活性層１０７の上に直接ｐ型光ガイド層１０９を設けることを除いて、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、Ｖｆが約１Ｖほど低下するが、しきい値電流が急激に上昇し、レーザ素子の中には、発振が困難なものも観られる。これは、高抵抗な第１のｐ型窒化物半導体層（ｐ型電子閉込め層１０８）を含まないことで、Ｖｆが低下するが、活性層内への電子閉込めが困難となり、しきい値の急激な上昇につながったものと考えられる。

［実施例１０］
　実施例１において、井戸層の数を３層、障壁層の数を４層として、図４に示すように、積層した活性層とする他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、活性層全体の膜厚が大きくなるためＶｆが上昇し、また井戸層数が多いことでしきい値電流も僅かに上昇する傾向が観られる。さらに、障壁層／井戸層と交互に積層し、最後に障壁層を積層して、障壁層５層、井戸層４層の活性層とすると、井戸層が２層、３層である場合に比べて、明らかに閾値電流が上昇し、またＶｆも高くなる。

　ここで、図４において、最初の障壁層（第２のｎ側障壁層）２ａと最後の障壁層（第１のｐ側障壁層）２ｄとを膜厚１４０Åとし、障壁層２ｂ、２ｃの膜厚を１００Åとした場合（図５に示す活性層の構造）には、前記の図５の場合に比べて、素子特性のばらつき、特に素子寿命のチップ間のばらつきが減少し、良好な素子特性のレーザ素子が得られる傾向が観られる。

［比較例１］
　実施例１において、活性層中の障壁層を全て、Ｓｉドープとする他は、同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、６０℃、５ｍＷ出力での連続発振において、１０００時間の素子寿命となる。また、得られるレーザ素子の逆方向耐圧特性について、評価したところ、レーザ素子のほとんどが、逆方向耐圧５０Ｖの条件において、破壊されるものとなる。ここで、活性層中で最後に積層した障壁層のＳｉドープ量を、１×１０¹⁷、１×１０¹⁸、１×１０¹⁹／ｃｍ³と変化させて、素子寿命と逆耐圧特性の変化を調べ、図１４、１５に示す。図中でアンドープとは、実施例１に対応する。図から明らかなように、活性層内で最もｐ型層側に配置された障壁層に、Ｓｉをドープすると、ドープ量が多くなるに従って、素子寿命、逆耐圧特性が低下し、素子特性が悪化することがわかる。

　得られるレーザ素子について、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）などにより分析したところ、活性層中の障壁層の内、ｐ型電子閉込め層との界面に位置する最上部の障壁層（最もｐ型層側に位置する障壁層）に、ＳｉとＭｇが検出される。従って、得られるレーザ素子は、前記最上部の障壁層に、ＳｉとＭｇがドープされた状態を有するものとなり、このことが、実施例１で得られるレーザ素子に比べて、その特性が大きく低下する原因と考えられる。しかしながら、図１４、１５に示すようにＳｉドープ量を変化させた場合に、Ｍｇドープ量は変化しないことから、素子特性の低下は、主にｎ型不純物に起因しているものと考えられる。

［実施例１１］
　実施例１において、活性層１０７に代えて、図１０及ぶ以下に説明する活性層４０７を用いてレーザ素子を得る。

（活性層４０７）
　温度を８８０℃にして、原料ガスにＴＭＩ 、Ｔ ＭＧ 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Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなる第１の障壁層４０１_a を１００Åの膜厚で成長させる。続いて、温度を８２０ ℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる井戸層４０２ａを５０Åの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる第２の障壁層４０３ａを１０Åの膜厚で成長させる。これら第１の障壁層４０１ａ、井戸層４０２ａ、第２の障壁層層４０３ａの３層構造を、図１０に示すようにさらにもう１回繰り返して各層４０１ｂ、４０２ｂ、４０３ｂを積層し、最後に最上部の障壁層４０４として、アンドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを膜厚１４０Åで形成して、総膜厚４６０Åの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層４０７を形成する。この時、最もｐ型層側に位置する最上部の障壁層４０４には、隣接するｐ型電子閉込め層１０８からｐ型不純物のＭｇが拡散して、Ｍｇを有する障壁層となる。得られるレーザ素子は、波長４７０ｎｍの光が得られ、高出力で長寿命のレーザ素子となる。この時、井戸層の上部に設けられる第２の障壁層としては、Ａｌを含む窒化物半導体とすること、好ましくはＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ≦１）で表される窒化物半導体とすることで、井戸層に適度な凹凸が形成され、Ｉｎの偏析、若しくは濃度分布が発生して、このことで量子ドット若しくは量子細線の効果が得られるものと思われ、第２の障壁層を設けない場合に比べて高出力の窒化物半導体素子となる。この時、Ａｌ混晶比ｚは、０．３以上とすることで井戸層の凹凸が良好に発生する傾向にあり、好ましい。この時、第２の障壁層は、特に井戸層に接して設けられていなくても、同様な効果を得ることが可能である。また、井戸層に接して、下部に位置する障壁層は、第１の障壁層のように、Ａｌを含まない障壁層とすることで、結晶性良く井戸層を形成でき好ましい。

［実施例１２］
　図９に示す発光素子を以下のようにして、作製する。

　サファイア（Ｃ面）よりなる基板３０１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３０２）
　続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とを用い、基板３０１上にＧａＮよりなるバッファ層３０２を約１５０Åの膜厚で成長させる。

（下地層３０３）
　バッファ層３０２成長後、ＴＭＧのみを止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる下地層３０３を１．５μｍの膜厚で成長させる。この下地層３０３は、窒化物半導体を成長させる基板として機能する。

（ｎ型コンタクト層３０４）
　続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３０４を２．２５μｍの膜厚で成長させる。

（ｎ側第１多層膜層３０５）
　次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる下層３０５ａを３０００Åの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮからなる中間層３０５ｂを３００Åの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層３０５ｃを５０Åの膜厚で成長させ、３０５ａ／３０５ｂ／３０５ｃの３層からなる総膜厚３３５０Åの第１多層膜層３０５を成長させる。

（ｎ側第２多層膜層３０６）
　次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０Å成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２０Å成長させる。これらの操作を繰り返し、第２の窒化物半導体層＋第１の窒化物半導体層の順で交互に１０層ずつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０Å成長させて形成される超格子構造の多層膜よりなるｎ側第２多層膜層３０６を６４０Åの膜厚で成長させる。

（活性層３０７）
　次に、ＧａＮよりなる障壁層を２５０Åの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０Åの膜厚で成長させる。そして障壁層Ｂ₁／井戸層／障壁層Ｂ₂／井戸層／障壁層Ｂ₃／井戸層／障壁層Ｂ₄／井戸層／障壁層Ｂ₅／井戸層／障壁層Ｂ₆／井戸層／障壁層Ｂ₇の順で障壁層を７層、井戸層を６層、交互に積層して、総膜厚１９３０Åの多重量子井戸構造よりなる活性層３０７を成長させる。この時、障壁層Ｂ₁、Ｂ₂には、Ｓｉを１×１０¹⁷／ｃｍ³ドープして、残りの障壁層Ｂ_i（ｉ＝３，４、・・・、７）はアンドープで形成する。

（ｐ型多層膜クラッド層３０８）
　次に、温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を４０Åの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用いＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎよりなる第４の窒化物半導体層を２５Åの膜厚で成長させる。これらの操作を繰り返し、第３の窒化物半導体層＋第４の窒化物半導体層の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第３の窒化物半導体層を４０Åの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ型多層膜クラッド層３０８を３６５Åの膜厚で成長させる。

（ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０）
　続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層３１０を７００Åの膜厚で成長させる。

　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。

　アニーリング後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層３１０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型コンタクト層側からエッチングを行い、図９に示すようにｎ型コンタクト層４の表面を露出させる。

　エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層３１０のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極３１１と、そのｐ電極１１の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極を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型コンタクト層３０４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極３１２を形成して、発光素子を得る。得られる発光素子は、ｎ型層に最も近い障壁層Ｂ₁と、その次の障壁層Ｂ₂にｎ型不純物がドープされていることで、ｎ型層からのキャリアが、活性層の奥深く（ｐ型層側）まで、効率的に注入され、全ての障壁層をアンドープとした比較例２に比べて、光電変換効率が向上し、Ｖ_f及びリーク電流が減少し、発光出力が向上する。

［実施例１３］
　実施例１２の活性層において、最もｐ側に位置する障壁層Ｂ₇に、ｐ型不純物としてＭｇを１×１０¹⁸／ｃｍ³ドープする他は、実施例１１と同様にして、発光素子を得る。得られる発光素子は、実施例１１に比して、最上部の障壁層Ｂ₇にｐ型不純物を有することで、ｐ型層からのキャリアの注入も効率的になり、光電変換効率が向上し、発光出力も向上する。

［比較例２］
　実施例１１において、活性層中の全ての障壁層、井戸層ともアンドープで成長させる他は、実施例１と同様にして発光素子を得る。得られる発光素子は、実施例１に比べて、発光出力が低く、また素子寿命に劣る傾向にある。

［実施例１４］
　図１１に示す面発光型のレーザ素子について以下説明する。

　（基板５０１）実施例１に用いた窒化物半導体基板１０１と同様の基板５０１を用いる。

　窒化物半導体基板５０１の上に、反射膜５３０として、ＡｌＮからなる第１の層５３１とＧａＮからなる第２の層５３２を交互にそれぞれ３層づつ積層する。この時、各層は、λ／（４ｎ）（但し、λは光の波長、ｎは材料の屈折率）の式を満たす膜厚で設け、ここではｎ＝２（ＡｌＮ）、２．５（ＧａＮ）で、各膜厚を第１の層約５００Å、第２の層約４００Åの膜厚で形成する。この時、窒化物半導体の反射膜は、第１、２の層を、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される窒化物半導体を用いることができ、好ましくは第１の層をＡｌを含む窒化物半導体、第２の層をＡｌを含まない窒化物半導体とすることであり、更に好ましくは第１の層をＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ≦１）で表される窒化物半導体とし、第２の層をＧａＮとすることで、良好な反射膜が得られる。この時、Ａｌ混晶比を大きくすることで、反射率を高くすることができる。

　続いて、実施例２（井戸層５５Å）と同様の条件で、ｎ型コンタクト層５３３、活性層５３４、ｐ型電子閉込め層（図示せず）、ｐ型コンタクト層５３５を積層して、円形状の開口部を有するＳｉＯ₂からなるブロック層５３６を設けて、その円形状の開口部からＭｇドープＧａＮを成長させて、第２のｐ型コンタクト層５３７を形成する。この時、ｐ型コンタクト層５３５、第２のｐ型コンタクト層５３７は、いずれか一方だけを形成したものでも良い。その第２のｐ型コンタクト層５３７の上に、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂からなる誘電体多層膜を形成し反射膜５３８とし、前記ブロック層５３６の開口部の上に円形状に設ける。そして、ｎ型コンタクト層５３３が露出する深さまでエッチングして、露出したｎ型コンタクト層５３３の上にリング状のｎ電極５２１、第２のｐ型コンタクト層５３７の上に、反射膜５３８の周りを囲むｐ電極５２０をそれぞれ形成する。このようにして、得られる面発光型のレーザ素子は、実施例２と同様に、素子寿命に優れ、高出力のレーザ素子が得られる。

本発明の一実施形態を説明する模式断面図。 本発明の一実施形態を説明する模式断面図。 本発明の一実施形態を説明する模式断面図。 本発明の一実施形態を説明する模式図。 本発明の一実施形態を説明する模式図。 本発明の一実施形態を説明する模式図。 本発明の一実施形態を説明する模式図。 本発明の一実施形態を説明する模式図。 本発明の一実施形態を説明する模式断面図。 本発明の一実施形態を説明する模式図。 本発明の一実施形態を説明する模式断面図。 本発明に係る素子寿命と活性層膜厚との関係を示す図。 本発明に係る素子寿命と障壁層膜厚との関係を示す図。 本発明に係る素子寿命とドープ量との関係を示す図。 本発明に係る逆耐圧とドープ量との関係を示す図。

符号の説明

１・・・井戸層
２・・・障壁層
１１・・・ｎ型窒化物半導体層
１２・・・活性層
１３・・・ｐ型窒化物半導体層
２０・・・積層構造
１０１・・・基板（ＧａＮ基板）
１０２・・・バッファ層
１０３・・・ｎ型コンタクト層
１０４・・・クラック防止層
１０５、２５・・・ｎ型クラッド層
１０６、２６・・・ｎ型光ガイド層
１０７、２７・・・活性層
１０８、２８・・・ｐ型電子閉込め層（第１のｐ型窒化物半導体層）
１０９、２９・・・ｐ型光ガイド層
１１０、３０・・・ｐ型クラッド層
１１１・・・ｐ型コンタクト層
１２０・・・ｐ電極
１２１・・・ｎ電極
１２２・・・ｐパッド電極
１２３・・・ｎパッド電極
１６３・・・第３の保護膜
１６４・・・絶縁膜

Claims (21)

1. Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と窒化物半導体からなる障壁層を有する量子井戸構造の活性層を、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とで挟む構造を有する窒化物半導体素子において、
   前記活性層が前記障壁層として、前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された第１の障壁層と、該第１の障壁層とは異なる第２の障壁層と、を有すると共に、
   前記第１の障壁層が、実質的にｎ型不純物を含まず、前記第２の障壁層がｎ型不純物を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記活性層内の少なくとも１つの井戸層が、４０Å以上の膜厚を有することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 前記第１の障壁層が、前記活性層の最も外側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体素子。
4. 前記第１の障壁層が、ｐ型不純物を有することを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体素子。
5. 前記第１の障壁層の膜厚が、第２の障壁層の膜厚より大きいことを特徴とする請求項１乃至３記載の窒化物半導体素子。
6. Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と窒化物半導体からなる障壁層を有する量子井戸構造の活性層を、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とで挟む構造を有する窒化物半導体素子において、
   前記活性層がＬ個（Ｌ≧２）の前記障壁層を有し、
   前記ｎ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された障壁層を障壁層Ｂ_１、該障壁層Ｂ_１から前記ｐ型窒化物半導体層に向かって数えてｉ番目（ｉ＝１，２，３，・・・Ｌ）の障壁層を障壁層Ｂ_ｉ、とした時に、
   ｉ＝１からｉ＝ｎ（１＜ｎ＜Ｌ）までの障壁層Ｂ_ｉがｎ型不純物を有し、ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_Ｌが実質的にｎ型不純物を含まないことを特徴とする窒化物半導体素子。
7. 前記活性層内の少なくとも１つの井戸層が、４０Å以上の膜厚を有することを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体素子。
8. ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_Ｌが、前記活性層の最も外側に配置されていることを特徴とする請求項６又は７記載の窒化物半導体素子。
9. ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_Ｌが、ｐ型不純物を有することを特徴とする請求項６乃至８記載の窒化物半導体素子。
10. ｉ＝Ｌの障壁層Ｂ_Ｌの膜厚が、ｉ≠Ｌの障壁層Ｂ_ｉの膜厚より大きいことを特徴とする請求項６乃至９記載の窒化物半導体素子。
11. Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と窒化物半導体からなる障壁層を有する量子井戸構造の活性層を、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とで挟む構造を有する窒化物半導体素子において、
    前記活性層が、前記活性層内の最も外側の層として、前記ｐ型窒化物半導体層に近い位置に配置された第１のｐ側障壁層と、前記ｎ型窒化物半導体層に近い位置に配置された第２のｎ側障壁層と、を有すると共に、
    前記第１のｐ側障壁層がｎ型不純物を実質的に含まず、前記第２のｎ側障壁層がｎ型不純物を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
12. 前記活性層内の少なくとも１つの井戸層が、４０Å以上の膜厚を有することを特徴とする請求項１１記載の窒化物半導体素子。
13. 前記第１のｐ側障壁層が、ｐ型不純物を有する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. 前記第１のｐ側障壁層の膜厚が前記第２のｎ側障壁層の膜厚とほぼ同じであることを特徴とする請求項１１乃至１３記載の窒化物半導体素子。
15. 前記活性層が２以上の井戸層を有し、該井戸層と井戸層との間に第３の障壁層を有すると共に、
    前記第３の障壁層の膜厚が、前記第１のｐ側障壁層及び前記第２のｎ側障壁層の膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項１１乃至１４に記載の窒化物半導体素子。
16. 請求項１乃至１５記載の前記活性層を、Ａｌを含む窒化物半導体を有する上部クラッド層と、Ａｌを含む窒化物半導体を有する下部クラッド層とで挟むレーザ素子構造を有する窒化物半導体素子において、
    前記上部クラッド層、下部クラッド層のＡｌ平均混晶比ｘが、０＜ｘ≦０．０５であることを特徴とする窒化物半導体素子。
17. 前記ｐ型窒化物半導体層中に、活性層に隣接して第１のｐ型窒化物半導体層を有し、該第１のｐ型窒化物半導体層が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１乃至１６記載の窒化物半導体素子。
18. 前記第１のｐ型窒化物半導体層が、前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い障壁層に接して設けられ、前記活性層中の障壁層よりも高い濃度のｐ型不純物をドープして成長していることを特徴とする請求項１７記載の窒化物半導体素子。
19. 前記活性層において、井戸層の数が１以上３以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃至１８記載の窒化物半導体素子。
20. 量子井戸構造の活性層を、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とで挟む構造を有する窒化物半導体素子において、
    前記活性層が前記障壁層として、前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された第１の障壁層と、該第１の障壁層とは異なる第２の障壁層と、を有すると共に、
    前記第１の障壁層が、実質的にｎ型不純物を含まず、前記第２の障壁層がｎ型不純物を有し、
    前記第２の障壁層が井戸層に挟まれて配置され、前記井戸層と第２の障壁層との膜厚比Ｒｔが、０．５≦Ｒｔ≦３の範囲であることを特徴とする窒化物半導体素子。
21. 前記井戸層の膜厚ｄ_ｗが、４０Å≦ｄ_ｗ≦１００Åの範囲であり、前記第２の障壁層の膜厚ｄ_ｂが、ｄ_ｗ≧４０Åの範囲であることを特徴とする窒化物半導体素子。
    

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