特開 2023-121445 紫外半導体レーザ素子、及び紫外半導体レーザ素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023121445

(43)【公開日】2023-08-31

(54)【発明の名称】紫外半導体レーザ素子、及び紫外半導体レーザ素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/20 20060101AFI20230824BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20230824BHJP

【ＦＩ】

H01S5/20

H01S5/343 610

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022024799

(22)【出願日】2022-02-21

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「紫外レーザの作製および評価」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩谷 素顕

(72)【発明者】

【氏名】岩山 章

(72)【発明者】

【氏名】薮谷 歩武

(72)【発明者】

【氏名】大森 智也

(72)【発明者】

【氏名】近藤 涼輔

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AG20

5F173AH22

5F173AP05

5F173AQ15

5F173AQ16

5F173AQ20

5F173AR25

(57)【要約】

【課題】品質が良好な紫外半導体レーザ素子、及び品質が良好な紫外半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体発光素子１は、二重量子井戸活性層１３Ｂと、二重量子井戸活性層１３Ｂの表面に積層された第２ガイド層１３Ｃと、第２ガイド層１３Ｃの表面に積層され、二重量子井戸活性層１３Ｂ側からの電子の流れを阻止する電子ブロック層１４と、電子ブロック層１４の表面に積層されたクラッド層１５と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

活性層と、
前記活性層の表面に積層されたガイド層と、
前記ガイド層の表面に積層され、前記活性層側からの電子の流れを阻止する電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の表面に積層されたクラッド層と、
を備えている紫外半導体レーザ素子。

【請求項2】

前記クラッド層におけるＡｌＮのモル分率が、前記活性層から積層方向に離れる向きに小さくなるように組成傾斜している請求項１に記載の紫外半導体レーザ素子。

【請求項3】

前記電子ブロック層のＡｌＮのモル分率の最大値は、前記クラッド層のＡｌＮのモル分率の最大値よりも５％以上大きい請求項１又は請求項２に記載の紫外半導体レーザ素子。

【請求項4】

前記電子ブロック層のＡｌＮのモル分率の最大値は、前記ガイド層のＡｌＮのモル分率の最大値よりも５％以上大きい請求項３に記載の紫外半導体レーザ素子。

【請求項5】

積層方向における前記電子ブロック層の厚みは、５ｎｍ以上である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の紫外半導体レーザ素子。

【請求項6】

活性層の表面にガイド層を積層するガイド層積層工程と、
前記活性層側からの電子の流れを阻止する電子ブロック層を前記ガイド層の表面に積層する電子ブロック層積層工程と、
クラッド層を前記電子ブロック層の表面に積層するクラッド層積層工程と、
を備え、
更に、前記ガイド層積層工程と、前記電子ブロック層積層工程と、の間に実行され、反応炉内への原料の供給を中断する第１中断工程と、
前記電子ブロック層積層工程と、前記クラッド層積層工程と、の間に実行され、前記反応炉内への前記原料の供給を中断する第２中断工程と、
を備える紫外半導体レーザ素子の製造方法。

【請求項7】

前記第１中断工程を実行する時間は、２分間から５分間である請求項６に記載の紫外半導体レーザ素子の製造方法。

【請求項8】

前記第２中断工程を実行する時間は、２分間から５分間である請求項６又は請求項７に記載の紫外半導体レーザ素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は紫外半導体レーザ素子、及び紫外半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、紫外光のレーザ発振が可能な窒化物半導体素子が開示されている。このものは、上部ガイド層の表面に組成傾斜層及びｐ型半導体層をこの順に積層して結晶成長しており、上部ガイド層に近いｐ型半導体層の部位に、活性層から表面側に向かう電子をブロックする機能を付与している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１８４４５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ｐ型半導体層における電子をブロックする機能は、上部ガイド層に近いｐ型半導体層の部位におけるＡｌＮのモル分率をより高めることによって向上させ得る。詳しくは、上部ガイド層に近いｐ型半導体層の部位におけるＡｌＮのモル分率をより高めることによって、この部位よりも上方に位置するｐ型半導体層と差別化することが有効であると考えられる。しかし、特許文献１のものは、上部ガイド層に近いｐ型半導体層の部位と、この部位よりも上方に位置するｐ型半導体層とにおけるＡｌＮのモル分率がなだらかに連続している。つまり、特許文献１のものは、ｐ型半導体層における電子をブロックする機能をより高める余地があると考えられる。

【0005】

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、品質が良好な紫外半導体レーザ素子、及び品質が良好な紫外半導体レーザ素子の製造方法を提供することを解決すべき課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１発明の紫外半導体レーザ素子は、
活性層と、
前記活性層の表面に積層されたガイド層と、
前記ガイド層の表面に積層され、前記活性層側からの電子の流れを阻止する電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の表面に積層されたクラッド層と、
を備えている。

【0007】

この構成によれば、電子ブロック層によって、活性層から表面に電子が流れることを良好に阻止することができる。

【0008】

第２発明の紫外半導体レーザ素子の製造方法は、
活性層の表面にガイド層を積層するガイド層積層工程と、
前記活性層側からの電子の流れを阻止する電子ブロック層を前記ガイド層の表面に積層する電子ブロック層積層工程と、
クラッド層を前記電子ブロック層の表面に積層するクラッド層積層工程と、
を備え、
更に、前記ガイド層積層工程と、前記電子ブロック層積層工程と、の間に実行され、反応炉内への原料の供給を中断する第１中断工程と、
前記電子ブロック層積層工程と、前記クラッド層積層工程と、の間に実行され、前記反応炉内への前記原料の供給を中断する第２中断工程と、を備える。

【0009】

この構成によれば、第１中断工程によって、電子ブロック層と、ガイド層と、の境界を明瞭に形成することができ、また、第２中断工程によって、電子ブロック層積層工程と、クラッド層との境界を明瞭に形成できるので、電子ブロック層の機能を良好に発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１の窒化物半導体発光素子の構造を示す模式図である。

【図2】（Ａ）は、実施例１の窒化物半導体発光素子におけるガイド層積層工程からクラッド層積層工程までの工程を示すタイムチャートであり、（Ｂ）は比較例１のサンプルにおけるガイド層積層工程からクラッド層積層工程までの工程を示すタイムチャートである。

【図3】実施例１の窒化物半導体発光素子及び比較例１のサンプルの発光スぺクトルを示すグラフである。

【図4】（Ａ）は実施例１の窒化物半導体発光素子の第２ガイド層からクラッド層までの側断面を示す透過電子顕微鏡画像であり、（Ｂ）は、比較例１のサンプルの第２ガイド層からクラッド層までの側断面を示す透過電子顕微鏡画像である。

【図5】（Ａ）は実施例１の窒化物半導体発光素子の第２ガイド層からクラッド層までのＡｌＮ及びＧａＮのモル分率をエネルギー分散型Ｘ線解析法で解析した結果を示すグラフであり、（Ｂ）は比較例１のサンプルの第２ガイド層からクラッド層までのＡｌＮ及びＧａＮのモル分率をエネルギー分散型Ｘ線解析法で解析した結果を示すグラフである。

【図6】実施例１の窒化物半導体発光素子、及び比較例１のサンプルの積層方向における伝導体下端のエネルギーを、デバイスシミュレータを用いて解析した結果を示すバンドダイアグラムである。

【図7】実施例１の窒化物半導体発光素子、及び比較例１のサンプルの電流密度に対する注入効率の関係を、デバイスシミュレータを用いて解析した解析結果を示すグラフである。

【図8】実施例１の窒化物半導体発光素子、及び比較例１のサンプルの電子ブロック層の厚みに対する注入効率の関係をプロットしたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明における好ましい実施の形態を説明する。

【0012】

第１発明において、クラッド層におけるＡｌＮのモル分率が、活性層から積層方向に離れる向きに小さくなるように組成傾斜し得る。この構成によれば、クラッド層を積層方向に良好に分極させることができ、これによって紫外半導体レーザ素子としての機能を良好に発揮させることができる。

【0013】

第１発明において、前記電子ブロック層のＡｌＮのモル分率の最大値は、前記クラッド層のＡｌＮのモル分率の最大値よりも０．０５以上大きくし得る。この構成によれば、電子ブロック層とクラッド層とのＡｌＮのモル分率の差を明瞭にできるので、電子ブロック層としての機能をより良好に発揮させることができる。

【0014】

第１発明において、前記電子ブロック層のＡｌＮのモル分率の最大値は、前記ガイド層のＡｌＮのモル分率の最大値よりも０．０５以上大きくし得る。この構成によれば、電子ブロック層とガイド層とのＡｌＮのモル分率の差を明瞭にできるので、電子ブロック層としての機能をより良好に発揮させることができる。

【0015】

第１発明において、積層方向における電子ブロック層の厚みは、５ｎｍ以上であり得る。この構成によれば、電子ブロック層としての機能を更により良好に発揮させることができる。

【0016】

第２発明において、第１中断工程を実行する時間は、２分間から５分間であり得る。この構成によれば、電子ブロック層と、ガイド層と、の境界をより明瞭に形成することができる。

【0017】

第２発明において、第２中断工程を実行する時間は、２分間から５分間であり得る。この構成によれば、電子ブロック層と、クラッド層と、の境界をより明瞭に形成することができる。

【0018】

次に、第１発明の紫外半導体レーザ素子、及び第２発明の紫外半導体レーザ素子の製造方法を具体化した実施例１について、図面を参照しつつ説明する。

【0019】

＜実施例１＞
実施例１の窒化物半導体発光素子１は、図１に示すように、サファイア基板１０Ａ、第１ＡｌＮ層１０Ｂ、第２ＡｌＮ層１１、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａ、ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂ、第１ガイド層１３Ａ、二重量子井戸活性層１３Ｂ、ガイド層である第２ガイド層１３Ｃ、電子ブロック層１４、クラッド層１５、ｐ－ＡｌＧａＮ層１６、及びｐ－ＧａＮ層１７を備えている。実施例１の窒化物半導体発光素子１は、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて積層して結晶成長する。窒化物半導体発光素子１は、ＵＶ－Ｂの波長域の紫外線をレーザ発振する紫外半導体レーザ素子である。

【0020】

サファイア基板１０ＡはＣ面（（０００１）面）が表面（表は図１における上側である、以下同じ）である。第１ＡｌＮ層１０Ｂは、サファイア基板１０Ａの表面に、スパッタ法を用いて積層される。第１ＡｌＮ層１０Ｂの厚みは４５０ｎｍである。第１ＡｌＮ層１０Ｂを積層したところで、Ｎ₂（窒素）雰囲気中で１７００℃、３時間アニールを行う。こうして、サファイア基板１０Ａ、及び第１ＡｌＮ層１０Ｂを有するスパッタ法を用いたＡｌＮテンプレート基板１０を作製する。その後、ＭＯＶＰＥ法を用いて層構造を形成する。

【0021】

ＭＯＶＰＥ法を実行することができる反応炉（以下、単に、反応炉ともいう）内にＡｌＮテンプレート基板１０を配置し、ＡｌＮテンプレート基板１０の表面（第１ＡｌＮ層１０Ｂの表面）にＮ（窒素）原料であるＮＨ₃（アンモニア）を流しながら（以下、供給は停止しない）、Ｈ₂（水素）雰囲気中で、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度を１２００℃まで昇温した後、１０分間保持する。

【0022】

次に、第１ＡｌＮ層１０Ｂの表面に第２ＡｌＮ層１１を積層して結晶成長する。第２ＡｌＮ層１１の厚みは１５５０ｎｍである。第２ＡｌＮ層１１は、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度を１２００℃にした状態で、Ａｌ（アルミニウム）原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を反応炉内に供給して形成する。第１ＡｌＮ層１０Ｂと第２ＡｌＮ層１１との厚みの合計は２０００ｎｍである。

【0023】

［凸部形成工程について］
次に、第２ＡｌＮ層１１の表面に積層方向に柱状をなして延びる複数の凸部１１Ａを形成する凸部形成工程を実行する。具体的には、第２ＡｌＮ層１１の表面にスパッタ装置を用いてＳｉＯ₂層を４２０ｎｍ積層させる。そして、ＳｉＯ₂層の表面にレジストを塗布してレジスト膜を形成した後に、ナノインプリント装置を用いて、ピッチ１０００ｎｍ、外径５００ｎｍの微細なパターンをレジスト膜に形成する。この微細なパターンよりも外側の部分は、ＳｉＯ₂層の表面が露出する。そして、ＩＣＰ装置を用いて、露出したＳｉＯ₂層をＣＦ４ガスにて誘導結合プラズマエッチングを実行し、続いて、バッファードフッ酸を用いて、ＳｉＯ₂層の残渣を除去する。そして、Ｃｌ₂ガスを用いて、第２ＡｌＮ層１１の表面側を３００ｎｍの深さになるように誘導結合プラズマエッチングを施した。その後、マスクとして利用したＳｉＯ₂層及びレジスト膜をフッ酸を用いて除去する。
こうして、凸部形成工程を実行する。

【0024】

次に、凸部１１Ａを形成した第２ＡｌＮ層１１の表面にｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａを積層して結晶成長させる。具体的には、凸部１１Ａを形成したＡｌＮテンプレート基板１０を再び反応炉に配置する。そして、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度を１２００℃まで昇温し、所定の温度に達したら、ＡｌＮのモル分率が６８％になるようにＨ₂、Ｇａ（ガリウム）の原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ、ＮＨ₃を反応炉内に供給する。反応炉内の圧力は、７ｋＰａである。ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの厚みは、３μｍである。ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの厚みを３μｍにすることによって、凸部１１Ａが形成された第２ＡｌＮ層１１の表面を埋め込んで平坦化させることができる。ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａには、ＳｉやＭｇ等の不純物を添加していないが、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａに変えて、Ｓｉなどをドーピングしたｎ－ＡｌＧａＮ層としても良い。ここで、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの厚みは、凸部１１Ａの基端からｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの表面までの寸法である。

【0025】

次に、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの表面に、ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂを積層して結晶成長させる。具体的には、Ｈ₂、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ₃の反応炉内への供給を継続しつつ、ＳｉＨ₄を反応炉内に供給する。ｎ－ＡｌＧａＮ層１２ＢにおけるＳｉの添加濃度は６×１０¹⁸ｃｍ^-3になるように原料の供給流量を調整する。ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂの厚みは２μｍである。ｎ－ＡｌＧａＮ層１２ＢのＡｌＮのモル分率は、６２％である。

【0026】

次に、ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂの表面に第１ガイド層１３Ａ、及び二重量子井戸活性層１３Ｂをこの順に積層して結晶成長させる。具体的には、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度を１０５０℃まで降温し、反応炉内の圧力を３０ｋＰａにする。そして、ＴＭＧａからＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に切り替える。そして、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度が所定の温度に達したら、５０ｎｍの厚みの第１ガイド層１３Ａ（ＡｌＮのモル分率は、４５％）、４ｎｍの厚みの井戸層（ＡｌＮのモル分率は、３５％）及び８ｎｍの厚みの障壁層（ＡｌＮのモル分率は、４５％）が２組積層された二重量子井戸活性層１３Ｂを積層させる。

【0027】

二重量子井戸活性層１３Ｂを積層させた後、図２（Ａ）に示すように、ガイド層積層工程、第１中断工程、電子ブロック層積層工程、第２中断工程、及びクラッド層積層工程を実行する。

【0028】

［ガイド層積層工程］
ＡｌＮテンプレート基板１０の温度、及び反応炉内の圧力を、二重量子井戸活性層１３Ｂを積層した条件に保持しつつ、活性層である二重量子井戸活性層１３Ｂの表面に第２ガイド層１３Ｃを積層して結晶成長させるガイド層積層工程を実行する。ガイド層積層工程において、第２ガイド層１３ＣにおけるＡｌＮのモル分率が４５％となるように、反応炉内への原料の供給流量を調整する。ガイド層積層工程を１０分間実行することによって、５５ｎｍの厚みの第２ガイド層１３Ｃ（ＡｌＮのモル分率は、４５％）を積層させる。

【0029】

［第１中断工程］
次に、反応炉内への原料の供給を中断する第１中断工程を実行する。具体的には、ガイド層積層工程を実行して第２ガイド層１３Ｃの結晶成長が完了した後、原料であるＩＩＩ属原料（ＴＥＧａ、ＴＭＡｌ）の反応炉内への供給を停止し、Ｖ族原料であるＮＨ₃を供給する状態を２分間継続して結晶成長を中断する。

【0030】

［電子ブロック層積層工程］
次に、二重量子井戸活性層１３Ｂ側からの電子の流れを阻止する電子ブロック層１４を第２ガイド層１３Ｃの表面に積層して結晶成長させる電子ブロック層積層工程を実行する。具体的には、第１中断工程を実行した後、反応炉内へのＩＩＩ属原料の供給を再開して１．４分間保持する。つまり、第１中断工程は、ガイド層積層工程と、電子ブロック層積層工程と、の間に実行されるのである。電子ブロック層積層工程において、電子ブロック層１４におけるＡｌＮのモル分率が９５％となるように、反応炉内への原料の供給流量を調整する。このときに供給を再開するＩＩＩ属原料は、ＴＭＧａ、及びＴＭＡｌである。こうして、第２ガイド層１３Ｃの表面に、５ｎｍの厚みの電子ブロック層１４（ＡｌＮのモル分率は、９５％）を積層させる。

【0031】

［第２中断工程］
次に、反応炉内への原料の供給を中断する第２中断工程を実行する。具体的には、電子ブロック層積層工程を実行して電子ブロック層１４の結晶成長が完了した後、原料であるＩＩＩ属原料（ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ）の反応炉内への供給を停止し、Ｖ族原料であるＮＨ₃を供給する状態を２分間継続して結晶成長を中断させる。第１中断工程及び第２中断工程において、ＩＩＩ属原料（ＴＥＧａ、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ）の反応炉内への供給を停止し、Ｖ族原料であるＮＨ₃を供給する状態を継続する時間は、短すぎると中断する効果が弱まり、長すぎると結晶の劣化が懸念される。このため、第１中断工程及び第２中断工程において、ＩＩＩ属原料の反応炉内への供給を停止し、Ｖ族原料であるＮＨ₃を供給する状態を継続する時間は、２分間から５分間であることが好ましい。つまり、第１中断工程及び第２中断工程の各々において実行する時間は、２分間から５分間であることが好ましい。

【0032】

［クラッド層積層工程］
次に、電子ブロック層１４の表面にクラッド層１５を積層して結晶成長させるクラッド層積層工程を実行する。具体的には、第２中断工程を実行後、反応炉内へのＩＩＩ属原料の供給を再開する。つまり、第２中断工程は、ブロック層積層工程と、クラッド層積層工程と、の間に実行されるのである。クラッド層積層工程において、クラッド層１５におけるＡｌＮのモル分率が９０％になるように、反応炉内への原料の供給流量を調整する。そして、２２．２分間かけてＡｌＮのモル分率が９０％から６０％に徐々に変化するように、反応炉内への原料の供給流量を調整する。こうして、電子ブロック層１４の表面に３２０ｎｍの厚みのクラッド層１５を積層させる。こうして積層されたクラッド層１５のＡｌＮのモル分率は、二重量子井戸活性層１３Ｂから積層方向に離れる向きに小さくなるように組成傾斜している（図５（Ａ）参照）。

【0033】

次に、クラッド層１５の表面に、ｐ－ＡｌＧａＮ層１６を積層して結晶成長させる。具体的には、クラッド層１５の結晶成長が完了した後、７．１分間かけてＡｌＮのモル分率が６０％から０％に徐々に変化するように、反応炉内への原料の供給流量を調整する。こうして、クラッド層１５の表面に７５ｎｍの厚みのｐ－ＡｌＧａＮ層１６を積層させる。クラッド層１５と、ｐ－ＡｌＧａＮ層１６とは、積層方向における単位厚み当たりのＡｌＮのモル分率の変化の割合が異なっている。クラッド層１５と、ｐ－ＡｌＧａＮ層１６とを一つの結晶層Ｃ（図１参照）として捉えると、結晶層Ｃの積層方向における単位厚み当たりのＡｌＮのモル分率の変化の割合が積層方向に二段階に変化している。

【0034】

次に、ｐ－ＡｌＧａＮ層１６の表面に、図示しないＰ型電極とのコンタクト層であるｐ－ＧａＮ層１７を積層して結晶成長させる。そして、ＴＭＧａ、及びＴＭＡｌの反応炉内への供給を停止して、結晶成長を終了させ、Ｈ₂とＮＨ₃を反応炉内に流しながら室温までＡｌＮテンプレート基板１０の温度を降温する。ＡｌＮテンプレート基板１０の温度が室温になった後、反応炉のパージを十分行い、ＡｌＮテンプレート基板１０を反応炉から取り出す。こうして、ＵＶ－Ｂの波長域の紫外線をレーザ発振することができるＵＶ－Ｂ半導体レーザ構造を有する窒化物半導体発光素子１を、ＭＯＶＰＥ法を用いて作製する。

【0035】

ここで、上記の工程のうち、第１中断工程、及び第２中断工程を実行せずに結晶成長させた比較例１のサンプルを作製した。具体的には、図２（Ｂ）に示すように、ガイド層積層工程を１０分間実行して第２ガイド層１３Ｃを積層した後、ＴＥＧａからＴＭＧａに切り替えるとともに、直ちにＡｌＮのモル分率が９５％になるように反応炉内への原料の供給流量を調整し、電子ブロック層積層工程を１．４分間実行する。

【0036】

そして、電子ブロック層積層工程を実行して電子ブロック層１４を積層した後、直ちにＡｌＮのモル分率が９０％になるように、反応炉内への原料の供給流量を調整し、クラッド層積層工程を２２．２分間実行する。そして、クラッド層１５の表面に、実施例１の窒化物半導体発光素子１と同様にｐ－ＡｌＧａＮ層１６、及びｐ－ＧａＮ層１７をこの順に積層して結晶成長させる。こうして、比較例１のサンプルをＭＯＶＰＥ法を用いて作製した。

【0037】

図３に示すように、実施例１の窒化物半導体発光素子１は、比較例１のサンプルに比べて、発光強度が強くあらわれることが分かった。

【0038】

図４、５に示すように、比較例１のサンプルは、第２ガイド層１３Ｃとクラッド層１５との間において、電子ブロック層１４におけるＡｌが第２ガイド層１３Ｃ側に拡散したプリング層Ｐが形成されており、電子ブロック層１４とクラッド層１５との境界が不明瞭となっている（図４（Ｂ）、図５（Ｂ）参照）。プリング層Ｐは、第２ガイド層１３Ｃの一部である。更に、図５（Ｂ）に示すように、電子ブロック層１４とクラッド層１５との間において、積層方向にＡｌＮのモル分率がなだらかに減少しており、電子ブロック層１４とクラッド層１５との境界の領域において、ＡｌＮのモル分率が急激に変化していない。

【0039】

これに対して、実施例１の窒化物半導体発光素子１は、プリング層Ｐが形成されているものの、電子ブロック層１４とクラッド層１５との境界が明瞭である。

【0040】

クラッド層１５側のＡｌＮのモル分率の最大値は、およそ８７％である。電子ブロック層１４のＡｌＮのモル分率の最大値は、およそ９５％である。したがって、電子ブロック層１４のＡｌＮのモル分率の最大値は、クラッド層１５のＡｌＮのモル分率の最大値よりも８％（すなわち、５％以上）大きい。

【0041】

第２ガイド層１３Ｃ（プリング層Ｐを含む）のＡｌＮのモル分率の最大値は、およそ８５％である。したがって、電子ブロック層１４のＡｌＮのモル分率の最大値は、第２ガイド層１３ＣのＡｌＮのモル分率の最大値よりも１０％（すなわち、５％以上）大きい。

【0042】

比較例１のサンプルにおいて、プリング層Ｐが形成され、且つ電子ブロック層１４とクラッド層１５との境界が不明瞭となっている原因は、クラッド層１５の結晶成長の初期におけるＡｌＮのモル分率が高いことが考えられる。しかし、クラッド層１５の結晶成長の初期においてＡｌＮのモル分率を高くすることは、分極ドーピング構造を作成するために必要である。

【0043】

これに対して、実施例１の窒化物半導体発光素子１のように第１中断工程、及び第２中断工程を実行することによって、クラッド層１５の結晶成長の初期においてＡｌＮのモル分率を高くしても、第２ガイド層１３Ｃと電子ブロック層１４との境界の領域、及び電子ブロック層１４とクラッド層１５との境界の領域において、ＡｌＮのモル分率を急激に変化させることができ、これによって、第２ガイド層１３Ｃ及びクラッド層１５との境界が明瞭な電子ブロック層１４を形成できることがわかった。

【0044】

上記の実験結果に基づいて、デバイスシミュレータＳｉＬＥＮＳｅを用いて解析した解析結果について以下に説明する。図６における横軸は、結晶の積層方向を示し、縦軸は積層方向に対応する伝導帯下端のエネルギーを示す。図６における３１５０ｎｍ付近が電子ブロック層１４に相当する位置である。図６に示すように、実施例１の窒化物半導体発光素子１は、比較例１のサンプルに比べて、電子ブロック層１４におけるエネルギーが急峻に立ち上がっており、伝導体に高いエネルギー障壁が形成されることがわかった。これによって、ｎ層側（図６における左側であり、サファイア基板１０Ａ側）から供給される電子がｐ層側（図６における右側であり、ｐ－ＧａＮ層１７側）に流出することを良好に阻止できることがわかった。

【0045】

図７は、電流密度に対する注入効率の関係をデバイスシミュレータＳｉＬＥＮＳｅを用いて解析した解析結果を示すグラフである。図７に示すように、実施例１の窒化物半導体発光素子１は、比較例１のサンプルに比べて、電流密度に対する注入効率がおよそ１．５倍高まっていることがわかった。この解析結果から、第１中断工程、及び第２中断工程を実行することによって、電流密度に対する注入効率の向上という効果が得られることがわかった。

【0046】

図８は、電子ブロック層１４の厚みに対する注入効率の関係をプロットしたグラフである。図８に示すように、電子ブロック層１４の厚みが５ｎｍ以上の場合、注入効率が、０．０７よりも大きくなることがわかった。すなわち、電子ブロック層１４の厚みが５ｎｍ以上の場合、注入効率が良好であることがわかった。なお、図８には、電子ブロック層１４の厚みが５０ｎｍの場合の注入効率までをプロットしているが、電子ブロック層１４の厚みが５０ｎｍ以上であっても、注入効率が良好であると考えられる。なお、電子ブロック層１４のＡｌＮのモル分率の最大値は、第２ガイド層１３Ｃ（プリング層Ｐも含む）のＡｌＮのモル分率の最大値よりも５％以上必要であり、電子ブロック層１４のＡｌＮのモル分率の最大値は、クラッド層１５のＡｌＮのモル分率の最大値よりも５％以上必要であると考えられる。

【0047】

次に、上記実施例における作用を説明する。

【0048】

紫外半導体レーザ素子は、二重量子井戸活性層１３Ｂと、二重量子井戸活性層１３Ｂの表面に積層された第２ガイド層１３Ｃと、第２ガイド層１３Ｃの表面に積層され、二重量子井戸活性層１３Ｂ側からの電子の流れを阻止する電子ブロック層１４と、電子ブロック層１４の表面に積層されたクラッド層１５と、を備えている。この構成によれば、電子ブロック層１４によって、二重量子井戸活性層１３Ｂから表面に向かう電子の流れを阻止して、二重量子井戸活性層１３Ｂを良好に発光させることができる。

【0049】

紫外半導体レーザ素子において、クラッド層１５におけるＡｌＮのモル分率が、二重量子井戸活性層１３Ｂから積層方向に離れる向きに小さくなるように組成傾斜している。この構成によれば、クラッド層１５を積層方向に良好に分極させることができ、紫外半導体レーザ素子としての機能を良好に発揮させることができる。

【0050】

紫外半導体レーザ素子において、電子ブロック層１４のＡｌＮのモル分率の最大値は、クラッド層１５のＡｌＮのモル分率の最大値よりも５％以上大きい。この構成によれば、電子ブロック層１４とクラッド層１５とのＡｌＮのモル分率の差を明瞭にできるので、電子ブロック層１４としての機能をより良好に発揮させることができる。

【0051】

紫外半導体レーザ素子において、電子ブロック層１４のＡｌＮのモル分率の最大値は、第２ガイド層１３ＣのＡｌＮのモル分率の最大値よりも５％以上大きい。この構成によれば、電子ブロック層１４と第２ガイド層１３ＣとのＡｌＮのモル分率の差を明瞭にできるので、電子ブロック層１４としての機能をより良好に発揮させることができる。

【0052】

紫外半導体レーザ素子において、積層方向における電子ブロック層１４の厚みは、５ｎｍ以上である。この構成によれば、電子ブロック層１４としての機能を更により良好に発揮させることができる。

【0053】

紫外半導体レーザ素子の製造方法は、二重量子井戸活性層１３Ｂの表面に第２ガイド層１３Ｃを積層するガイド層積層工程と、二重量子井戸活性層１３Ｂ側からの電子の流れを阻止する電子ブロック層１４を第２ガイド層１３Ｃの表面に積層する電子ブロック層積層工程と、クラッド層１５を電子ブロック層１４の表面に積層するクラッド層積層工程と、を備え、更に、ガイド層積層工程と、電子ブロック層積層工程と、の間に実行され、反応炉内への原料の供給を中断する第１中断工程と、電子ブロック層積層工程と、クラッド層積層工程と、の間に実行され、反応炉内への原料の供給を中断する第２中断工程と、を備える。この構成によれば、第１中断工程によって、電子ブロック層１４と、第２ガイド層１３Ｃと、の境界を明瞭に形成することができ、また、第２中断工程によって、電子ブロック層１４と、クラッド層１５と、の境界を明瞭に形成することができるので、電子ブロック層１４としての機能を良好に発揮させることができる。

【0054】

紫外半導体レーザ素子の製造方法において、第１中断工程を実行する時間は、２分間から５分間である。この構成によれば、電子ブロック層１４と、第２ガイド層１３Ｃと、の境界をより明瞭に形成することができる。

【0055】

紫外半導体レーザ素子の製造方法において、第２中断工程を実行する時間は、２分間から５分間である。この構成によれば、電子ブロック層１４と、クラッド層１５と、の境界をより明瞭に形成することができる。

【0056】

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１では、ｎ型不純物としてＳｉを添加してｎ－ＡｌＧａＮ層としているが、これに限らず、ｎ型不純物である、Ｇｅ、Ｔｅ等であっても良い。また、ｐ型不純物としてＭｇ、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等を添加して、ｐ－ＡｌＧａＮ層としてもよい。また、初期にｕ－ＡｌＧａＮ層を成長し、その後にｎ－ＡｌＧａＮ層を用いる構造でも良い。
（２）実施例１ではサファイア基板を使用しているが、ＡｌＮ基板等の他の基板にＡｌＮ層を積層して結晶成長しても良い。
（３）実施例１では、スパッタで作製したＡｌＮ層を含めているが、スパッタに変えて、ＭＯＶＰＥ成長のＡｌＮ層のみでも良い。
（４）実施例１では、下地層に凸部を形成しているが、凸部を形成せずフラットな下地構造でも良い。

【符号の説明】

【0057】

１…窒化物半導体発光素子（紫外半導体レーザ素子）
１３Ｂ…二重量子井戸活性層（活性層）
１３Ｃ…第２ガイド層（ガイド層）
１４…電子ブロック層
１５…クラッド層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】