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(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】P2024170979
(43)【公開日】2024-12-11
(54)【発明の名称】窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01S 5/343 20060101AFI20241204BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20241204BHJP
【ＦＩ】
H01S5/343 610
H01L33/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023087783
(22)【出願日】2023-05-29
【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４年度、環境省、革新的な省ＣＯ２実現のための部材や素材の社会実装・普及展開加速化事業委託業務、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】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】上田 章雄
(72)【発明者】
【氏名】狩野 隆司
(72)【発明者】
【氏名】石橋 明彦
(72)【発明者】
【氏名】大野 啓
【テーマコード（参考）】
5F173
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F173AG17
5F173AH22
5F173AJ04
5F173AP05
5F173AQ15
5F173AR62
5F241AA24
5F241CA40
5F241CA60
5F241CA65
(57)【要約】
【課題】電子障壁層の漏れ電流を抑制しつつ、低電圧動作を可能とする窒化物発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物発光素子は、ｎ型半導体層、活性層、Ａｌを含むｐ型の電子障壁層およびｐ型半導体層を備える。電子障壁層の深さ方向の位置（ｎｍ）を縦軸、各位置におけるIII族元素の総量に対するＡｌ元素の割合（％）を縦軸とするＡｌ組成分布は、Ａｌ元素の割合が最大となる最大点（Ｘｍ、Ｐ１）を有する。Ａｌ組成分布は、活性層側からＡｌ元素の割合が第１変化率Ｒ１で増加する第１傾斜領域と、Ａｌ元素の割合が最大点に向かって第２変化率Ｒ２で増加する第２傾斜領域とを有する。開始点と最大点を結ぶ直線のＡｌ元素の割合の変化率をＲｍとしたとき、Ｒ１はＲｍよりも大きい。
【選択図】図３
【解決手段】窒化物発光素子は、ｎ型半導体層、活性層、Ａｌを含むｐ型の電子障壁層およびｐ型半導体層を備える。電子障壁層の深さ方向の位置（ｎｍ）を縦軸、各位置におけるIII族元素の総量に対するＡｌ元素の割合（％）を縦軸とするＡｌ組成分布は、Ａｌ元素の割合が最大となる最大点（Ｘｍ、Ｐ１）を有する。Ａｌ組成分布は、活性層側からＡｌ元素の割合が第１変化率Ｒ１で増加する第１傾斜領域と、Ａｌ元素の割合が最大点に向かって第２変化率Ｒ２で増加する第２傾斜領域とを有する。開始点と最大点を結ぶ直線のＡｌ元素の割合の変化率をＲｍとしたとき、Ｒ１はＲｍよりも大きい。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
窒化物発光素子であって、
ＧａＮ基板上に、ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層、Ａｌを含むｐ型の電子障壁層、ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層をこの順に備え、
前記電子障壁層の深さ方向の位置（ｎｍ）を横軸、前記電子障壁層の各位置における、III族元素の総量に対するＡｌ元素の割合（％）を縦軸とするＡｌ組成分布において、
前記Ａｌ組成分布の前記活性層側の開始点を（Ｘｓ，０）、前記ｐ型半導体層側の終了点を（Ｘｅ，０）としたとき、前記Ａｌ組成分布は、前記Ａｌ元素の割合が最大となる最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を有し（Ｘｓ＜Ｘｍ＜Ｘｅ）、
前記Ａｌ組成分布は、
前記活性層側から前記最大点に向かって、
前記Ａｌ元素の割合が前記開始点（Ｘｓ，０）から第１変化率Ｒ１で増加する第１傾斜領域と、
前記第１傾斜領域と前記最大点との間において、前記Ａｌ元素の割合が前記最大点（Ｘｍ，Ｐ１）に向かって第２変化率Ｒ２で増加する第２傾斜領域と、
を有し、
前記開始点（Ｘｓ，０）と前記最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線のＡｌ元素の割合の変化率をＲｍとした場合、前記第１変化率Ｒ１が前記変化率Ｒｍよりも大きい、
窒化物発光素子。
ＧａＮ基板上に、ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層、Ａｌを含むｐ型の電子障壁層、ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層をこの順に備え、
前記電子障壁層の深さ方向の位置（ｎｍ）を横軸、前記電子障壁層の各位置における、III族元素の総量に対するＡｌ元素の割合（％）を縦軸とするＡｌ組成分布において、
前記Ａｌ組成分布の前記活性層側の開始点を（Ｘｓ，０）、前記ｐ型半導体層側の終了点を（Ｘｅ，０）としたとき、前記Ａｌ組成分布は、前記Ａｌ元素の割合が最大となる最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を有し（Ｘｓ＜Ｘｍ＜Ｘｅ）、
前記Ａｌ組成分布は、
前記活性層側から前記最大点に向かって、
前記Ａｌ元素の割合が前記開始点（Ｘｓ，０）から第１変化率Ｒ１で増加する第１傾斜領域と、
前記第１傾斜領域と前記最大点との間において、前記Ａｌ元素の割合が前記最大点（Ｘｍ，Ｐ１）に向かって第２変化率Ｒ２で増加する第２傾斜領域と、
を有し、
前記開始点（Ｘｓ，０）と前記最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線のＡｌ元素の割合の変化率をＲｍとした場合、前記第１変化率Ｒ１が前記変化率Ｒｍよりも大きい、
窒化物発光素子。
【請求項2】
前記第２変化率Ｒ２は、前記第１変化率Ｒ１よりも小さい、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項3】
前記Ａｌ組成分布において、
前記第２傾斜領域の前記活性層側の開始位置ＸＩ２におけるＡｌ元素の割合をＰ２としたとき、Ｐ２がＰ１よりも１５％以上低い、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
前記第２傾斜領域の前記活性層側の開始位置ＸＩ２におけるＡｌ元素の割合をＰ２としたとき、Ｐ２がＰ１よりも１５％以上低い、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項4】
Ｐ１が３５％以上５５％以下である、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項5】
前記電子障壁層のｐ型キャリア濃度をｐｃｍ－３としたとき、
前記第２変化率Ｒ２は、１．３×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以上８．７×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以下である、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
前記第２変化率Ｒ２は、１．３×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以上８．７×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以下である、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項6】
Ｐ２が１０％以上２５％以下である、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項7】
ＸｓとＸｅとの差で表される前記電子障壁層の厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項8】
前記Ａｌ組成分布は、前記第１傾斜領域と前記第２傾斜領域との間にＡｌ元素の割合がＰ２で一定となる略平坦領域をさらに有する、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項9】
前記電子障壁層のｐ型キャリア濃度ｐが３．０×１０１７ｃｍ－３以上２．０×１０１８ｃｍ－３以下である、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項10】
前記窒化物発光素子は、半導体レーザである、
請求項１に記載の窒化物発光素子。
請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項11】
請求項１に記載の窒化物発光素子の製造方法であって、
ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層を形成する工程と、
ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層を形成する工程と、
Ａｌを含むｐ型の電子障壁層を形成する工程と、
ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層を形成する工程と
をこの順に含み、
前記電子障壁層を形成する工程では、
前記電子障壁層を形成するためのＡｌ原料以外の他の原料を供給する前に、Ａｌ原料を所定以上供給する、
窒化物発光素子の製造方法。
ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層を形成する工程と、
ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層を形成する工程と、
Ａｌを含むｐ型の電子障壁層を形成する工程と、
ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層を形成する工程と
をこの順に含み、
前記電子障壁層を形成する工程では、
前記電子障壁層を形成するためのＡｌ原料以外の他の原料を供給する前に、Ａｌ原料を所定以上供給する、
窒化物発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ＩＩＩ族窒化物結晶は、半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光半導体デバイス、高い絶縁破壊電界を利用した高周波、高出力用途の電子デバイスなどに広く使用されている。その中において、特に青色領域にて動作する高出力半導体レーザは加工機、ディスプレイ、ヘッドライト等への使用が期待されている。これらに使用される高出力半導体レーザは数千時間以上の長期間動作を要望されており、半導体レーザ自体の発熱を抑制することが重要となり、低消費電力駆動を実現する必要がある。
【0003】
窒化物半導体レーザの低消費電力化を実現するためには、低電流動作かつ低電圧動作が求められる。低電流動作を実現するために、特許文献１では、図１０に示すようにＧａＮ基板上にｎクラッド層２０１、活性層２０２、ｐクラッド層２０３の順に積層し、ｐクラッド層２０３よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層２０４を活性層２０２とｐクラッド層の間に配置する構造が開示されている。電子障壁層２０４としては２０～５０％の矩形形状のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ層が使用されている。このような構造を採用することにより、活性層２０２に注入された電子が、熱的に励起されても高いバンドギャップエネルギーを持つ電子障壁層２０４を超えることが困難となるため、活性層２０２からｐクラッド層２０３への漏れ電流を抑制することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００２－２７０９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１にて開示されている矩形形状にて高Ａｌ組成を有するＡｌＧａＮ電子障壁層を作製した場合、活性層に注入された電子による漏れ電流を抑制することは可能となるが、正孔は逆に活性層側に注入されづらくなる。
【0006】
図１１に矩形形状のＡｌＧａＮ電子障壁層の動作電圧印可有無における価電子帯のバンド構造を示す。図１１に示すように、動作電圧時にはＡｌＧａＮ電子障壁層にかかる電位により、価電子帯に電位障壁ΔＥｖが生じていることがわかる。この電位障壁ΔＥｖは、正孔の活性層への流入を阻害し、動作電圧を増加させてしまう。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電子障壁層の漏れ電流を抑制しつつ、ｐ型半導体層側からの正孔の電位障壁を小さくすることで低電圧動作を可能とする窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
［１］窒化物発光素子であって、ＧａＮ基板上に、ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層、Ａｌを含むｐ型の電子障壁層、ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層をこの順に備え、前記電子障壁層の深さ方向の位置（ｎｍ）を横軸、前記電子障壁層の各位置における、III族元素の総量に対するＡｌ元素の割合（％）を縦軸とするＡｌ組成分布において、前記Ａｌ組成分布の前記活性層側の開始点を（Ｘｓ，０）、前記ｐ型半導体層側の終了点を（Ｘｅ，０）としたとき、前記Ａｌ組成分布は、前記Ａｌ元素の割合が最大となる最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を有し（Ｘｓ＜Ｘｍ＜Ｘｅ）、前記Ａｌ組成分布は、前記活性層側から前記最大点に向かって、前記Ａｌ元素の割合が前記開始点（Ｘｓ，０）から第１変化率Ｒ１で増加する第１傾斜領域と、前記第１傾斜領域と前記最大点との間において、前記Ａｌ元素の割合が前記最大点（Ｘｍ，Ｐ１）に向かって第２変化率Ｒ２で増加する第２傾斜領域と、を有し、前記開始点（Ｘｓ，０）と前記最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線のＡｌ元素の割合の変化率をＲｍとした場合、前記第１変化率Ｒ１が前記変化率Ｒｍよりも大きい、窒化物発光素子。
［２］ 前記第２変化率Ｒ２は、前記第１変化率Ｒ１よりも小さい、［１］に記載の窒化物発光素子。
［３］ 前記Ａｌ組成分布において、前記第２傾斜領域の前記活性層側の開始位置ＸＩ２におけるＡｌ元素の割合をＰ２としたとき、Ｐ２がＰ１よりも１５％以上低い、［１］または［２］に記載の窒化物発光素子。
［４］ Ｐ１が３５％以上５５％以下である、［１］～［３］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［５］ 前記電子障壁層のｐ型キャリア濃度をｐｃｍ－３としたとき、第２変化率Ｒ２は、１．３×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以上８．７×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以下である、［１］～［４］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［６］ Ｐ２が１０％以上２５％以下である、［１］～［５］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［７］ ＸｓとＸｅとの差で表される前記電子障壁層の厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、［１］～［６］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［８］ 前記Ａｌ組成分布は、前記第１傾斜領域と前記第２傾斜領域との間にＡｌ元素の割合がＰ２で一定となる略平坦領域をさらに有する、［１］～［７］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［９］ 前記電子障壁層のｐ型キャリア濃度ｐが３．０×１０１７ｃｍ－３以上２．０×１０１８ｃｍ－３以下である、［１］～［８］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［１０］ 前記窒化物発光素子は、半導体レーザである、［１］～［９］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［１１］ ［１］～［１０］のいずれかに記載の窒化物発光素子の製造方法であって、ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層を形成する工程と、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層を形成する工程と、Ａｌを含むｐ型の電子障壁層を形成する工程と、ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層を形成する工程とをこの順に含み、前記電子障壁層を形成する工程では、前記電子障壁層を形成するためのＡｌ原料以外の他の原料を供給する前に、前記Ａｌ原料を所定以上供給する、窒化物発光素子の製造方法。
［２］ 前記第２変化率Ｒ２は、前記第１変化率Ｒ１よりも小さい、［１］に記載の窒化物発光素子。
［３］ 前記Ａｌ組成分布において、前記第２傾斜領域の前記活性層側の開始位置ＸＩ２におけるＡｌ元素の割合をＰ２としたとき、Ｐ２がＰ１よりも１５％以上低い、［１］または［２］に記載の窒化物発光素子。
［４］ Ｐ１が３５％以上５５％以下である、［１］～［３］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［５］ 前記電子障壁層のｐ型キャリア濃度をｐｃｍ－３としたとき、第２変化率Ｒ２は、１．３×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以上８．７×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以下である、［１］～［４］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［６］ Ｐ２が１０％以上２５％以下である、［１］～［５］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［７］ ＸｓとＸｅとの差で表される前記電子障壁層の厚さが５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、［１］～［６］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［８］ 前記Ａｌ組成分布は、前記第１傾斜領域と前記第２傾斜領域との間にＡｌ元素の割合がＰ２で一定となる略平坦領域をさらに有する、［１］～［７］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［９］ 前記電子障壁層のｐ型キャリア濃度ｐが３．０×１０１７ｃｍ－３以上２．０×１０１８ｃｍ－３以下である、［１］～［８］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［１０］ 前記窒化物発光素子は、半導体レーザである、［１］～［９］のいずれかに記載の窒化物発光素子。
［１１］ ［１］～［１０］のいずれかに記載の窒化物発光素子の製造方法であって、ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層を形成する工程と、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層を形成する工程と、Ａｌを含むｐ型の電子障壁層を形成する工程と、ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層を形成する工程とをこの順に含み、前記電子障壁層を形成する工程では、前記電子障壁層を形成するためのＡｌ原料以外の他の原料を供給する前に、前記Ａｌ原料を所定以上供給する、窒化物発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、電子障壁層の漏れ電流を抑制しつつ、ｐ型半導体層側からの正孔の電位障壁を小さくすることで低電圧動作を可能とする窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施の形態１における半導体レーザの模式図
【図2】本発明の実施の形態１におけるｐ型電子障壁層のＭＯＣＶＤ法における積層方向におけるＡｌ組成の理想的な成長シーケンスおよびアトムプローブ解析結果
【図3】本発明の実施の形態１におけるｐ型電子障壁層のＡｌ組成分布の説明図
【図4】本発明の実施の形態１におけるＰ２におけるＡｌ遅れ幅に対する膜厚ばらつき
【図5】本発明の実施の形態１における検量線のグラフ
【図6】本発明の実施の形態２におけるｐ型電子障壁層のＭＯＣＶＤ法における積層方向におけるＡｌ組成の理想的な成長シーケンスおよびアトムプローブ解析結果
【図7】本発明の実施の形態２におけるｐ型電子障壁層のＡｌ組成分布の説明図
【図8】本発明の実施の形態３におけるｐ型電子障壁層の積層方向におけるＡｌ組成のアトムプローブ解析結果
【図9】本発明の実施の形態４におけるｐ型電子障壁層の積層方向におけるＡｌ組成のアトムプローブ解析結果
【図10】矩形形状の電子障壁層の場合の正孔の電位障壁の模式図
【図11】特許文献１の従来例における電子障壁層を含む窒化物発光素子構造の説明図
【図12】電子障壁層の活性層側にＡｌ組成傾斜を持たせた場合の正孔の電位障壁の模式図
【図13】電子障壁層のｐ型キャリア濃度が１．５×１０１８ｃｍ－３の場合に電子障壁層の活性層側のＡｌ組成傾斜の大きさに対する正孔の電位障壁のシミュレーション結果
【図14】従来のＡｌ組成傾斜電子障壁層のＡｌ組成の理想的な成長シーケンス及び積層方向におけるＡｌ組成のアトムプローブ解析結果
【図15】従来例における矩形形状の電子障壁層のＭＯＣＶＤ法における積層方向におけるＡｌ組成の理想的な成長シーケンスおよびアトムプローブ解析結果
【発明を実施するための形態】
【0011】
まず、傾斜ＡｌＧａＮ層の効果と課題について具体的に説明する。
【0012】
（傾斜ＡｌＧａＮ層によるΔＥｖ低減効果）
図１０に示すような矩形形状のＡｌＧａＮ電子障壁層では、デバイス動作下において電位障壁ΔＥｖが大きく、動作電圧の増加が懸念されることについては先述した通りである。これらの電位障壁ΔＥｖを小さくする方法として、ＡｌＧａＮ電子障壁層の活性層側にＡｌ組成傾斜、すなわちバンドギャップを活性層側からスロープ状に変化させる構造とすることが有効である。なお、本明細書において、電子障壁層におけるＡｌ組成とは、電子障壁層に含まれるＩＩＩ族元素の総量（総原子量）に対するＡｌ元素の割合（％）を意味する。
図１０に示すような矩形形状のＡｌＧａＮ電子障壁層では、デバイス動作下において電位障壁ΔＥｖが大きく、動作電圧の増加が懸念されることについては先述した通りである。これらの電位障壁ΔＥｖを小さくする方法として、ＡｌＧａＮ電子障壁層の活性層側にＡｌ組成傾斜、すなわちバンドギャップを活性層側からスロープ状に変化させる構造とすることが有効である。なお、本明細書において、電子障壁層におけるＡｌ組成とは、電子障壁層に含まれるＩＩＩ族元素の総量（総原子量）に対するＡｌ元素の割合（％）を意味する。
【0013】
図１２に、活性層側にＡｌ組成傾斜を持たせたＡｌＧａＮ電子障壁層の動作電圧印可有無における価電子帯のバンド構造を示す。ＡｌＧａＮ電子障壁層にＡｌ組成傾斜領域を設けることで、電位によるバンドの曲がりにより発生する価電子帯の電位障壁ΔＥｖを小さくできることがわかる。
【0014】
図１３に、活性層側のＡｌ組成傾斜領域の大きさを変化させた場合の電位障壁ΔＥｖについてシミュレーションを行った結果を示す。図１３では、電子障壁層のｐ型キャリア濃度は１．５×１０１８ｃｍ－３とした。活性層側のＡｌ組成傾斜の大きさを２～１３％／ｎｍとすることで、矩形形状に比べΔＥｖを低減できる結果が得られている。
【0015】
（傾斜ＡｌＧａＮ層の作製および課題）
図１２および図１３に示すように、ＡｌＧａＮ電子障壁層の活性層側にＡｌ組成傾斜を設けることで、電位障壁ΔＥｖを小さくし、動作電圧の低減が期待できる。そこで、Ａｌ供給量を徐々に変化させることで、Ａｌ組成傾斜を設けたＡｌＧａＮ電子障壁層の作製を試みた。
図１２および図１３に示すように、ＡｌＧａＮ電子障壁層の活性層側にＡｌ組成傾斜を設けることで、電位障壁ΔＥｖを小さくし、動作電圧の低減が期待できる。そこで、Ａｌ供給量を徐々に変化させることで、Ａｌ組成傾斜を設けたＡｌＧａＮ電子障壁層の作製を試みた。
【0016】
図１４に、Ａｌ組成傾斜電子障壁層の、Ａｌ原料の供給シーケンスに応じた理想的なＡｌ組成の成長シーケンスおよび積層方向における実構造のＡｌ組成のアトムプローブ解析結果を示す。
アトムプローブ評価法では、測定試料（成長方向に電子障壁層を含む試料）を先端径１００ｎｍ程度の先鋭な針状試料に加工し、～１０ｋＶ程度の正電圧をかけることで、試料最先端に高電界を生じさせ、電界蒸発現象を発生させる。試料から電界蒸発したイオンを２次元検出器によって評価することでイオン種を同定、個々に検出されたイオンを深さ方向へ連続的に検出、再構築させることで３次元の原子分布を得る手法である。
図１４中の点線は、Ａｌ原料の供給シーケンスに応じた理想的なＡｌ組成の成長シーケンスでありＡｌ原料の供給量に応じてＡｌ組成が理想的に作製された場合の出来栄えの予想線である。また、プロットは、実構造の電子障壁層のアトムプローブ結果である。予想線では、活性層側に５．０％／ｎｍのＡｌ組成傾斜領域が形成される。
アトムプローブ評価法では、測定試料（成長方向に電子障壁層を含む試料）を先端径１００ｎｍ程度の先鋭な針状試料に加工し、～１０ｋＶ程度の正電圧をかけることで、試料最先端に高電界を生じさせ、電界蒸発現象を発生させる。試料から電界蒸発したイオンを２次元検出器によって評価することでイオン種を同定、個々に検出されたイオンを深さ方向へ連続的に検出、再構築させることで３次元の原子分布を得る手法である。
図１４中の点線は、Ａｌ原料の供給シーケンスに応じた理想的なＡｌ組成の成長シーケンスでありＡｌ原料の供給量に応じてＡｌ組成が理想的に作製された場合の出来栄えの予想線である。また、プロットは、実構造の電子障壁層のアトムプローブ結果である。予想線では、活性層側に５．０％／ｎｍのＡｌ組成傾斜領域が形成される。
【0017】
図１４に示すように、実際の出来栄え結果では、ＡｌＧａＮ電子障壁層の活性層側のＡｌ組成傾斜領域において、すなわちＡｌＧａＮ電子障壁層の成長初期において、Ａｌ原料供給を実施しているにもかかわらず、膜中へのＡｌ元素の取り込みが行われていない領域が存在していることが判明した。そのため、Ａｌ組成２６％程度で急激にＡｌ組成の増加が発生し、所望の５．０％／ｎｍのＡｌ組成傾斜領域は２６～３６％のＡｌ組成領域にしか存在しなかった。つまり、Ａｌ組成の立ち上がり位置が、電子障壁層の活性層側の開始位置よりもｐ型半導体層側にずれている（図１４参照）。
【0018】
このようなＡｌ元素の膜中への取り込みの遅れの発生の原因としては、例えば成長初期においてＡｌ原料が気相中で他の原料と中間反応し、中間反応種の分圧がある一定以上の値に到達しないと成長に寄与しない、すなわち中間反応種の分圧が増加するための時間がギャップとして表れている可能性が考えられる。また、電子障壁層は、３５％を超える高Ａｌ組成を有する（後述する最大値Ｐ１が３５％を超える）ＡｌＧａＮ層であるため、基板であるＧａＮと格子定数変化を伴うヘテロ界面となる。そのため、歪差によりＡｌ元素の膜中への取り込みが成長初期に阻害される現象も可能性として考えられる。
【0019】
図１４において、Ａｌ元素の遅れ量は６３％・ｎｍ程度と見積もられる。Ａｌ元素の遅れ量は、Ａｌ組成分布の立ち上がり位置よりも活性層側の領域における理想的なＡｌ組成の成長シーケンスの予の点線と横軸との間の面積に相当する量として表される。また、本発明者らは、種々のＡｌ組成傾斜電子障壁層の検討を行った結果、Ａｌ元素の遅れ量は５７～７６％・ｎｍ程度の変動量を有していることを解明した。このようなＡｌ元素の遅れ、および遅れ量のばらつきは、所望のＡｌ組成を有する窒化物発光素子を作製する上で、安定性に欠ける。Ａｌ元素の遅れ量を考慮した場合、図１４にて得られる急激なＡｌ組成の立ち上がりは、２３．８～２７．５％と変動し、電子障壁層の出来栄えに連動したデバイス動作電圧のばらつきを生じさせる可能性が高い。また、Ａｌ元素の膜中への取り込みの遅れは、成長レート等の成長条件を変化させた場合にも発生することを確認しており、Ａｌ傾斜を有するＡｌＧａＮ電子障壁層の作製には考慮すべき課題である。
【0020】
本発明者らは、Ａｌ元素の取り込み遅れを考慮した製造プロセスを採用することにより、Ａｌ組成傾斜電子障壁層のＡｌ組成分布の適正化を試みた。それにより、動作電圧が低く、ばらつきが少ない窒化物発光素子が得られることを見出した。
【0021】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各実施形態では、窒化物発光素子が窒化物半導体レーザである例で説明する。
【0022】
【0023】
窒化物半導体レーザ１００は、ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮクラッド層１０３、ｎ側ＩｎＧａＮガイド層１０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＤＱＷｓ活性層１０５、ｐ側ＩｎＧａＮガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮを含むｐ型電子障壁層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が順次積層されている。その後、フォトリソグラフィとエッチングによりｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９にリッジ構造を形成する。リッジ側壁にはＳｉＯ２にて電流ブロック領域１１０を設けている。ｐ電極１１１およびｎ電極１１２は、それぞれリッジ上部のｐ型ＧａＮコンタクト層１０９およびＧａＮ基板１０１に形成される。
それにより、ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層（ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２およびｎ型ＧａＮクラッド層１０３）と、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層（ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＤＱＷｓ活性層１０５）と、Ａｌを含むｐ型電子障壁層（ｐ型ＡｌＧａＮを含む電子障壁層１０７）と、ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層（ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９）とを含む窒化物半導体レーザ１００が形成される。
それにより、ｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層（ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２およびｎ型ＧａＮクラッド層１０３）と、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層（ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＤＱＷｓ活性層１０５）と、Ａｌを含むｐ型電子障壁層（ｐ型ＡｌＧａＮを含む電子障壁層１０７）と、ｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層（ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９）とを含む窒化物半導体レーザ１００が形成される。
【0024】
本実施の形態では、図１の構造を形成するために、各窒化物層は、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）を用いてＧａＮ基板１０１上にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。
【0025】
ＩＩＩ族原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｖ族原料としては、アンモニア（ＮＨ３）ガスを用いている。ドーパントとしては、モノシラン(ＳｉＨ４)、及びシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いることでｎ型層、ｐ型層をそれぞれ得ている。キャリアガスとしては、水素または窒素を用いている。
【0026】
エピタキシャル成長を行う前に、ＭＯＣＶＤ炉内に導入されたＧａＮ基板１０１に対し、１１００℃にて、水素及びＮＨ３雰囲気中にて熱クリーニングを行う。熱クリーニングにより基板表面に付着しているカーボン系の汚れ及び基板表面の酸化膜が取り除かれる。 その後、１１３０℃に昇温し、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮクラッド層１０３を順次、それぞれの原料ガスをキャリアガスと共に供給して成長させる。膜厚は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２にて１．５μｍ、Ａｌ組成は２．６％である。また、ｎ型ＧａＮクラッド層１０３の膜厚は２５０ｎｍである。これらの層は、ｎ型伝導とするためにＳｉＨ４を成長中に供給することで、Ｓｉを膜中に１．０×１０１８ｃｍ－３ドーピングしている。
【0027】
次に、成長温度を８４０℃に下げ、Ｉｎ組成が２．６％のｎ側ＩｎＧａＮガイド層１０４を１８０ｎｍ成長させる。その後、同一温度にてＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＤＱＷｓ活性層１０５を成長させる。ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＤＱＷｓ活性層１０５は、２つの２．８ｎｍ、Ｉｎ組成１８％のＩｎＧａＮ層ウェル層を、７ｎｍ、Ｉｎ組成３．４％のＩｎＧａＮバリア層で挟んだ構造（バリア層／ウェル層／バリア層／ウェル層／バリア層）である。
続いて１５０ｎｍ、Ｉｎ組成２．６％のｐ側ＩｎＧａＮガイド層１０６を成長させる。
次に、成長温度を９８５℃に昇温させ、Ａｌ組成傾斜を有するピークＡｌ組成（後述のＡｌ組成最大値Ｐ１）が４０％以上５５％以下のＡｌＧａＮにて構成されるｐ型電子障壁層１０７、１．８５ｎｍ、Ａｌ組成５．２％のＡｌＧａＮ層と１．８５ｎｍのＧａＮ層とを１セットとして周期数を増やして（約１７８．５周期）積層した、６６０ｎｍ厚のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、および６０ｎｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を順次、エピタキシャル成長させる。
ｐ型電子障壁層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９は、ｐ型伝導を得るために、成長中にＣＰ２Ｍｇを供給することで、膜中にＭｇをドーピングする。ｐ型電子障壁層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９中には、それぞれ１．５×１０１９ｃｍ－３、２．０×１０１８ｃｍ－３～１．０×１０１９ｃｍ－３、２．０×１０２０ｃｍ－３のＭｇが含有されている。
ｐ電極１１１はＰｄ、Ｐｔ、Ａｕにより構成されており、ｎ電極１１２はＴｉ、Ｐｔ、Ａｕにより構成されている。
続いて１５０ｎｍ、Ｉｎ組成２．６％のｐ側ＩｎＧａＮガイド層１０６を成長させる。
次に、成長温度を９８５℃に昇温させ、Ａｌ組成傾斜を有するピークＡｌ組成（後述のＡｌ組成最大値Ｐ１）が４０％以上５５％以下のＡｌＧａＮにて構成されるｐ型電子障壁層１０７、１．８５ｎｍ、Ａｌ組成５．２％のＡｌＧａＮ層と１．８５ｎｍのＧａＮ層とを１セットとして周期数を増やして（約１７８．５周期）積層した、６６０ｎｍ厚のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、および６０ｎｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を順次、エピタキシャル成長させる。
ｐ型電子障壁層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９は、ｐ型伝導を得るために、成長中にＣＰ２Ｍｇを供給することで、膜中にＭｇをドーピングする。ｐ型電子障壁層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９中には、それぞれ１．５×１０１９ｃｍ－３、２．０×１０１８ｃｍ－３～１．０×１０１９ｃｍ－３、２．０×１０２０ｃｍ－３のＭｇが含有されている。
ｐ電極１１１はＰｄ、Ｐｔ、Ａｕにより構成されており、ｎ電極１１２はＴｉ、Ｐｔ、Ａｕにより構成されている。
【0028】
このように、上記ｎ型半導体層を形成する工程、上記活性層を形成する工程、上記ｐ型電子障壁層を形成する工程、および上記ｐ型半導体層を形成する工程を経て、窒化物半導体レーザ１００を製造することができる。
【0029】
（ｐ型電子障壁層について）
本実施の形態１におけるｐ型電子障壁層１０７について説明する。
本実施の形態１におけるｐ型電子障壁層１０７について説明する。
【0030】
図２は、本実施の形態１におけるｐ型電子障壁層１０７のＭＯＣＶＤ法における成長シーケンスにおける、理想的なＡｌ組成の膜厚に対する出来栄えの予想線および実構造の積層方向におけるＡｌ組成のアトムプローブによる解析結果を示した図である。横軸は、電子障壁層の深さ方向の位置を示し、縦軸は、電子障壁層の各位置における、ＩＩＩ族元素の総量に対するＡｌ元素の割合を示している。
点線は、成長シーケンスにおける理想的なＡｌ組成の膜厚に対する出来栄えを示している。成長シーケンスでは、先述したＡｌ元素の遅れを考慮し、Ａｌ原料（ＴＭＡ）の供給を他の原料よりも先行して導入している。
図２中にプロットにて示されている実出来栄えを示したアトムプローブ結果では、活性層側からｐ型半導体層側に向かって、Ａｌ組成０～２５％まで２２．７％／ｎｍの急峻なＡｌ組成傾斜が形成され、その後に図１３にて正孔の電子障壁を低減する範囲であるＡｌ組成傾斜７．２％／ｎｍにてピークＡｌ組成４０％まで到達する２つの傾きを持つ構造をしている。本実施の形態１においては、Ａｌ元素の遅れ量および遅れ量のぶれを考慮しており、Ａｌ組成２５～４０％の範囲において再現性良く所望の７．２％／ｎｍのＡｌ組成傾斜を得ることができ、デバイス特性も安定させることができる。つまり、図２では、上述の図１４とは異なり、Ａｌ組成の立ち上がり位置が、電子障壁層の活性層側の開始位置とほぼ一致している。
点線は、成長シーケンスにおける理想的なＡｌ組成の膜厚に対する出来栄えを示している。成長シーケンスでは、先述したＡｌ元素の遅れを考慮し、Ａｌ原料（ＴＭＡ）の供給を他の原料よりも先行して導入している。
図２中にプロットにて示されている実出来栄えを示したアトムプローブ結果では、活性層側からｐ型半導体層側に向かって、Ａｌ組成０～２５％まで２２．７％／ｎｍの急峻なＡｌ組成傾斜が形成され、その後に図１３にて正孔の電子障壁を低減する範囲であるＡｌ組成傾斜７．２％／ｎｍにてピークＡｌ組成４０％まで到達する２つの傾きを持つ構造をしている。本実施の形態１においては、Ａｌ元素の遅れ量および遅れ量のぶれを考慮しており、Ａｌ組成２５～４０％の範囲において再現性良く所望の７．２％／ｎｍのＡｌ組成傾斜を得ることができ、デバイス特性も安定させることができる。つまり、図２では、上述の図１４とは異なり、Ａｌ組成の立ち上がり位置が、電子障壁層の活性層側の開始位置とほぼ一致している。
【0031】
アトムプローブ評価法では、上記の通り、測定試料を先端径１００ｎｍ程度の先鋭な針状試料に加工し、～１０ｋＶ程度の正電圧をかけることで、試料最先端に高電界を生じさせ、電界蒸発現象を発生させる。測定試料は、成長方向にｐ型電子障壁層１０７を含む試料、具体的には、成長方向に図１のｎ電極１１２からｐ電極１１１までを含む針状試料を準備し、当該針状試料の一方の端部（ｎ電極１１２側）と他方の端部（ｐ電極１１１側）の間に上記電圧をかける。電界が最大となる先端部（ｐ電極１１１側）では電界蒸発によりイオンが発生し、当該イオン種を検出器にて検出することにより評価することができる。
【0032】
【0033】
図３に示すように、電子障壁層のＡｌ組成分布の活性層側の開始点を（Ｘｓ，０）、ｐ型半導体層側の終了点を（Ｘｅ，０）としたとき、上記Ａｌ組成分布は、Ａｌ組成が最大となる最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を有する（Ｘｓ＜Ｘｍ＜Ｘｅ）。そして、Ａｌ組成分布は、活性層側から最大点に向かって、Ａｌ組成が開始点（Ｘｓ，０）から第１変化率Ｒ１で増加する第１傾斜領域と、第１傾斜領域と最大点との間において、Ａｌ組成が最大点に向かって第２変化率Ｒ２で増加する第２傾斜領域とを有する。開始点（Ｘｓ，０）と最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線のＡｌ組成の変化率をＲｍとしたとき、Ｒ１はＲｍよりも大きい（図３参照）。Ｒ１がＲｍよりも大きいことにより、Ａｌ組成分布は全体として緩やかな傾斜領域を有するため、動作電圧を低くすることができる。
【0034】
（１）第１変化率Ｒ１および第２変化率Ｒ２
第１変化率Ｒ１は、上記の通り、Ｒｍの大きさにもよるが、１５％／ｎｍ以上３５％／ｎｍ以下であることが好ましく、２０％／ｎｍ以上３５％／ｎｍ以下であることがより好ましい。第１変化率Ｒ１は、Ａｌ元素の取り込み遅れの解消により開始される膜中へのＡｌ取り込みの速度によって調整することができる。
第１変化率Ｒ１は、上記の通り、Ｒｍの大きさにもよるが、１５％／ｎｍ以上３５％／ｎｍ以下であることが好ましく、２０％／ｎｍ以上３５％／ｎｍ以下であることがより好ましい。第１変化率Ｒ１は、Ａｌ元素の取り込み遅れの解消により開始される膜中へのＡｌ取り込みの速度によって調整することができる。
【0035】
第２変化率Ｒ２は、第１変化率Ｒ１と同じであってもよいし、異なってもよい。電位障壁ΔＥｖをより低減する観点では、第２変化率Ｒ２は、第１変化率Ｒ１よりも小さいことが好ましい。例えば、Ｒ２／Ｒ１は、０．０６以上０．８７以下であることが好ましい。
【0036】
また、ｐ型電子障壁層のｐ型キャリア濃度をｐｃｍ－３としたとき、第２変化率Ｒ２は、後述するように１．３×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以上８．７×１０－１８×ｐモル％／ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型電子障壁層のｐ型キャリア濃度ｐは、３．０×１０１７ｃｍ－３以上２．０×１０１８ｃｍ－３以下であることが好ましく、７．０×１０１７ｃｍ－３以上２．０×１０１８ｃｍ－３以下であることがより好ましい。ｐ型電子障壁層のｐ型キャリア濃度ｐは、ドーパント（ＭｇやＢｅ等）の添加量によって調整することができる。
【0037】
すなわち、第２変化率Ｒ２は、ｐ型キャリア濃度ｐにもよるが、例えば２％／ｎｍ以上１３％／ｎｍ以下であることが好ましく、電位障壁ΔＥｖをより低減させる観点では、４．３％／ｎｍ以上１２．３％／ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、本実施の形態１および図１３では、ｐ型電子障壁層のｐ型キャリア濃度を１．５×１０１８ｃｍ－３とした場合である。
【0038】
一般的に、ｐ型キャリア濃度と抵抗率の関係は、ｐ型キャリア濃度をｐ、抵抗率をｒとした場合、式（１）の関係が成り立つ。
【数1】
【0039】
ｐ型電子障壁層にかかる電圧Ｖは、流す電流を一定とした場合、式（２）の関係が成り立つ。
【数2】
【0040】
図１２にて示した価電子帯の電位障壁は、ｐ型電子障壁層にかかる電圧Ｖに依存するので、ｐ型キャリア濃度ｐの場合に有効な第２変化率Ｒ２の大きさは、式（３）または（４）で表すことができ、この関係を満たすように第２変化率Ｒ２を設定すればよい。
【数3】
【数4】
【0041】
ｐ型キャリア濃度ｐは低すぎると高抵抗になってしまうため、動作電圧の増加を招く。よって、ｐ型キャリア濃度ｐは、３．０×１０１７ｃｍ－３以上が好ましい。一方、ｐ型電子障壁層は、活性層の近くに存在しているため、高いｐ型キャリア濃度を得るための過剰な不純物の混入はレーザ構造内の光を吸収してしまい、光学ロスを生じてしまう。そのため、ｐ型キャリア濃度ｐは２．０×１０１８ｃｍ－３以下が好ましい。
【0042】
本実施の形態１においては、ｐ型ドーパントとして１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇを使用している。Ｍｇドーパントを用いた場合、ｐ型キャリア濃度に反映されるドーパントの活性化率はほぼ１０％であり、ｐ型キャリア濃度１．５×１０１８ｃｍ－３を得ている。よって、Ｍｇドーパントを使用した場合、式（４）は、ｐ型電子障壁層中のＭｇ濃度Ｍを用いて、式（５）のように書き換えてもよい。この場合、Ｍは３．０×１０１８ｃｍ－３以上２．０×１０１９ｃｍ－３以下の範囲内にて良好となる。
【数5】
【0043】
（２）Ａｌ組成値Ｐ１およびＰ２
Ａｌ組成値Ｐ１は、上記Ａｌ組成分布におけるＡｌ組成の最大値である。動作電圧を低くする観点では、Ｐ１は高すぎないことが好ましく、３５％以上５５％以下であることが好ましい。これは、ｐ型電子障壁層の本来の目的である活性層に注入された電子がｐクラッド層へ流れることで発生する漏れ電流を抑制する観点では、３５％以上であれば、十分な漏れ電流抑制の効果を得ることができる。一方、ｐ型電子障壁層のＡｌ組成を高くしすぎるとｐ型電子障壁層自体が高抵抗化しやすく、さらに正孔の電位障壁ΔＥｖも大きくなってしまうため、動作電圧を増加させてしまう。そのためＡｌ組成の上限は、５５％以下が良い。同様の観点から、Ｐ１は、４０％以上５５％以下であることがより好ましい。
Ａｌ組成値Ｐ１は、上記Ａｌ組成分布におけるＡｌ組成の最大値である。動作電圧を低くする観点では、Ｐ１は高すぎないことが好ましく、３５％以上５５％以下であることが好ましい。これは、ｐ型電子障壁層の本来の目的である活性層に注入された電子がｐクラッド層へ流れることで発生する漏れ電流を抑制する観点では、３５％以上であれば、十分な漏れ電流抑制の効果を得ることができる。一方、ｐ型電子障壁層のＡｌ組成を高くしすぎるとｐ型電子障壁層自体が高抵抗化しやすく、さらに正孔の電位障壁ΔＥｖも大きくなってしまうため、動作電圧を増加させてしまう。そのためＡｌ組成の上限は、５５％以下が良い。同様の観点から、Ｐ１は、４０％以上５５％以下であることがより好ましい。
【0044】
Ａｌ組成値Ｐ２は、第２傾斜領域の活性層側の開始位置ＸＩ２におけるＡｌの組成値である。第２傾斜領域の活性層側の開始位置ＸＩ２でのＡｌ組成値は、第１傾斜領域の終端位置ＸＩ１でのＡｌ組成値と、通常、同じである（図３参照）。また、第１傾斜領域の終端位置ＸＩ１と第２傾斜領域の開始位置ＸＩ２とは、一致していてもよいし、図３のように異なってもよい。
すなわち、Ａｌ組成分布は、第１傾斜領域と第２傾斜領域との間に、Ａｌ組成値がＰ２で一定となる略平坦領域をさらに有してもよい（図３参照）。ただし、動作電圧を低くする観点では、略平坦領域の深さ方向の長さは短いほど好ましい。
すなわち、Ａｌ組成分布は、第１傾斜領域と第２傾斜領域との間に、Ａｌ組成値がＰ２で一定となる略平坦領域をさらに有してもよい（図３参照）。ただし、動作電圧を低くする観点では、略平坦領域の深さ方向の長さは短いほど好ましい。
【0045】
Ｐ１とＰ２のＡｌ組成差を大きくする観点では、Ｐ２は適度に低いことが好ましく、具体的にはＡｌ組成の最大値Ｐ１よりも１５％以上低いことが好ましく、Ｐ１よりも２０％以上低いことがより好ましい。Ａｌ組成値Ｐ２は、例えば１０％以上２５％以下であることが好ましい。これは、Ｐ１に向かう第２傾斜領域の長さ（Ａｌ組成差）を確保する、すなわちＰ１とＰ２のＡｌ組成差１５％以上とすることで、正孔の電位障壁ΔＥｖを低減させることが可能な組成傾斜領域を広いＡｌ組成差に渡って形成させ、動作電圧低減に作用させるためである。同様の観点から、Ｐ２は１４％以上２５％以下であることがより好ましい。
【0046】
電位障壁ΔＥｖを低減させるためには、上記の通り、Ｐ１とＰ２のＡｌ組成差が大きいことが望ましく、そのためにはＰ２を低くすることが好ましい。一方で、Ｐ２を低くすると、ｐ型電子障壁層を形成する際に発生してしまうＡｌの膜中取り込みの遅れ、および遅れ量のばらつきを生じやすいことがこれまでの検討により判明しており、Ａｌ取り込み遅れ量は５７～７６％・ｎｍの幅を持っている。本実施の形態１では、Ａｌ取り込み遅れを考慮し、後述するように、Ａｌ原料であるＴＭＡ原料の空流し時間を設けている。空流し流量は、到達Ａｌ組成がＰ２になる値を使用しており、空流し流量を小さくしすぎると、Ａｌ取り込み遅れ量のばらつき幅に相当するＸｌ１位置とＸｌ２位置の間の膜厚のばらつきを大きくしてしまう。
【0047】
図４に、本実施の形態１におけるＡｌの遅れ幅に対するＸｌ１位置とＸｌ２位置の膜厚ばらつきの結果について示す。図４に示すように、Ｐ２が低くなるほど、Ａｌ組成値Ｐ２での膜厚のばらつきが大きくなってしまう。Ｐ２での膜厚ばらつきとは、上記Ｘｌ１位置とＸｌ２位置の間の膜厚のばらつきを意味する。上記膜厚ばらつきの大きさは、デバイス間での動作電圧特性に差異を生んでしまうため、出来栄えばらつきの膜厚はなるべく小さくした方が良い。図４より、Ｐ２における膜厚ばらつきを２．０ｎｍ以下にするためには、Ａｌ組成値Ｐ２は１０％以上が望ましい。更に、Ｐ２における膜厚ばらつきを１．５ｎｍ以下にするためには、Ａｌ組成値Ｐ２は１３％以上が望ましい。一方、Ｐ１とＰ２のＡｌ組成差を１５％以上確保するためには、Ａｌ組成値Ｐ２は、２５％以下が望ましい。
【0048】
本実施の形態１では、Ｐ１およびＰ２にて略平坦領域を設けているが、先述したｐ型電子障壁層の膜厚が５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の範囲内であれば設けても問題ない。
【0049】
（３）ｐ型電子障壁層の膜厚
ｐ型電子障壁層の膜厚は、特に制限されないが、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。本実施の形態１では、Ａｌ組成の開始位置Ｘｓ、終了位置Ｘｅは、ｐ型電子障壁層の活性層側の開始位置、終了位置とそれぞれ一致しているため、ｐ型電子障壁層の膜厚は、ＸｓとＸｅとの差として表される。ＡｌＧａＮを含むｐ型電子障壁層は高いバンドギャップエネルギーを持っているため、高抵抗層となりやすい。そのため、ｐ型電子障壁層の膜厚は薄い方が望ましいが、５ｎｍ以下とすると薄すぎて漏れ電流を抑制する効果が弱くなってしまう。そのため、ｐ型電子障壁層の膜厚は、５ｎｍ以上が望ましい。また、ＡｌＧａＮを含む電子障壁層は高抵抗層であるため、逆に厚くしすぎると動作電圧を十分には低減できないおそれがある。そのため、ｐ型電子障壁層の膜厚は２０ｎｍ以下が望ましい。同様の観点から、ｐ型電子障壁層の膜厚は、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることがより好ましく、６ｎｍ以上１２ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
ｐ型電子障壁層の膜厚は、特に制限されないが、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。本実施の形態１では、Ａｌ組成の開始位置Ｘｓ、終了位置Ｘｅは、ｐ型電子障壁層の活性層側の開始位置、終了位置とそれぞれ一致しているため、ｐ型電子障壁層の膜厚は、ＸｓとＸｅとの差として表される。ＡｌＧａＮを含むｐ型電子障壁層は高いバンドギャップエネルギーを持っているため、高抵抗層となりやすい。そのため、ｐ型電子障壁層の膜厚は薄い方が望ましいが、５ｎｍ以下とすると薄すぎて漏れ電流を抑制する効果が弱くなってしまう。そのため、ｐ型電子障壁層の膜厚は、５ｎｍ以上が望ましい。また、ＡｌＧａＮを含む電子障壁層は高抵抗層であるため、逆に厚くしすぎると動作電圧を十分には低減できないおそれがある。そのため、ｐ型電子障壁層の膜厚は２０ｎｍ以下が望ましい。同様の観点から、ｐ型電子障壁層の膜厚は、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることがより好ましく、６ｎｍ以上１２ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【0050】
（ｐ型電子障壁層の製造方法について）
ｐ型電子障壁層は、上記の通り、ｐ型電子障壁層を形成するための各種原料（Ａｌ原料や、それ以外のＩＩＩ族原料、Ｖ族原料など）をキャリアガスと共に供給しながら、エピタキシャル成長させて形成することができる。
従来は、これらの原料は同時に供給するのが一般的であるが、本実施の形態１では、上記した通り、膜中へのＡｌ取り込みの遅れや遅れ量のばらつき幅を考慮して、図２の点線で示すように、ｐ型電子障壁層を形成するための他の原料の供給に先立って、Ａｌ原料（好ましくはＴＭＡ）の供給を開始する。
ｐ型電子障壁層は、上記の通り、ｐ型電子障壁層を形成するための各種原料（Ａｌ原料や、それ以外のＩＩＩ族原料、Ｖ族原料など）をキャリアガスと共に供給しながら、エピタキシャル成長させて形成することができる。
従来は、これらの原料は同時に供給するのが一般的であるが、本実施の形態１では、上記した通り、膜中へのＡｌ取り込みの遅れや遅れ量のばらつき幅を考慮して、図２の点線で示すように、ｐ型電子障壁層を形成するための他の原料の供給に先立って、Ａｌ原料（好ましくはＴＭＡ）の供給を開始する。
【0051】
先行供給するＡｌ原料のトータル量は、Ａｌ取り込みの遅れや遅れ量のばらつきを補償可能な範囲であればよい。先行供給すべきＡｌ原料のトータル量は、図２の横軸のｐ型電子障壁層のＡｌ組成分布の開始位置Ｘｓよりも活性層側の領域において、成長シーケンスの点線と横軸とで囲まれる面積に相当する。そのため、当該面積が、好ましくは８０％・ｎｍ以上、より好ましくは７８％・ｎｍ以上、さらに好ましくは７６％・ｎｍ以上となるような量のＡｌ原料を、他の原料よりも先行して供給する。Ａｌ原料の単位時間当たりの流量（ｓｃｃｍ）は、膜中のＡｌ組成値がＰ２となるような流量であることが好ましい。膜中のＡｌ組成値がＰ２となるような流量は、Ａｌ原料の供給流量（ｓｃｃｍ）と膜中のＡｌ組成（％）との関係を示す検量線を予め取得しておき、当該検量線から求めることができる。
【0052】
図５は、Ａｌ原料の供給流量（ｓｃｃｍ）と膜中のＡｌ組成（％）との関係を示す検量線の一例を示すグラフである。
図５では、例えばＰ２が２５％となるＡｌ原料の供給流量は１ｓｃｃｍとなる。この流量で、Ａｌ元素のトータル量を７６％・ｎｍ以上とするために必要な時間を設定し、設定した流量および時間で、Ａｌ原料を先行して供給すればよい。
図５では、例えばＰ２が２５％となるＡｌ原料の供給流量は１ｓｃｃｍとなる。この流量で、Ａｌ元素のトータル量を７６％・ｎｍ以上とするために必要な時間を設定し、設定した流量および時間で、Ａｌ原料を先行して供給すればよい。
【0053】
すなわち、Ａｌ原料の供給流量と、ｐ型電子障壁層のＡｌ組成の関係を示す検量線を準備する工程と、当該検量線に基づいて、Ａｌ組成値がＰ２となる範囲、例えばＡｌ組成が１０％以上２５％以下となるような流量のＡｌ原料を、他の原料の供給開始よりも先に供給することが好ましい。それにより、成長初期においてＡｌ原料が気相中で他の原料と中間反応して生成する中間反応種の分圧を早期に所定以上にすることができ、Ａｌ組成の成長に寄与させることができる。
【0054】
（図３について）
ここで、本実施の形態１では、ｐ型電子障壁層１０７の厚さは、活性層側からＡｌ組成分布の立ち上がった位置Ｘｓからｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８のＡｌ組成に落ち着いた位置Ｘｅまでの長さに対応する。したがって、本実施の形態におけるｐ型電子障壁層の厚さは９．２ｎｍである。Ａｌ組成の最大値Ｐ１は４０％であり、ＸｓとＸｅの間の位置Ｘｍに存在している。Ａｌ組成は、活性層側からＸｓよりＡｌ組成値Ｐ２（２５％）まで第１変化率Ｒ１（２２．７％／ｎｍ）にて増加する第１傾斜領域が存在している。また、Ａｌ組成の最大値Ｐ１に向かって第１変化率Ｒ１よりも小さな第２変化率Ｒ２（７．２％／ｎｍ）にてＡｌ組成値Ｐ２から第２傾斜領域が存在している。また、第１傾斜領域の終端位置Ｘｌ１から第２傾斜領域の開始位置Ｘｌ２までには、Ａｌ組成値Ｐ２にて１．０ｎｍの略平坦領域を有している。また、更に最大値Ｐ１に到達後にＡｌ組成値Ｐ１にて略平坦領域０．６ｎｍを有し、その後Ｘｅに向かってＡｌ組成が単調に減少している。
ここで、図３に点線で示されているＡｌ組成の開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線のＡｌ組成の変化率Ｒｍは１３．６％／ｎｍであり、Ｒ１＞Ｒｍとなる。
ここで、本実施の形態１では、ｐ型電子障壁層１０７の厚さは、活性層側からＡｌ組成分布の立ち上がった位置Ｘｓからｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８のＡｌ組成に落ち着いた位置Ｘｅまでの長さに対応する。したがって、本実施の形態におけるｐ型電子障壁層の厚さは９．２ｎｍである。Ａｌ組成の最大値Ｐ１は４０％であり、ＸｓとＸｅの間の位置Ｘｍに存在している。Ａｌ組成は、活性層側からＸｓよりＡｌ組成値Ｐ２（２５％）まで第１変化率Ｒ１（２２．７％／ｎｍ）にて増加する第１傾斜領域が存在している。また、Ａｌ組成の最大値Ｐ１に向かって第１変化率Ｒ１よりも小さな第２変化率Ｒ２（７．２％／ｎｍ）にてＡｌ組成値Ｐ２から第２傾斜領域が存在している。また、第１傾斜領域の終端位置Ｘｌ１から第２傾斜領域の開始位置Ｘｌ２までには、Ａｌ組成値Ｐ２にて１．０ｎｍの略平坦領域を有している。また、更に最大値Ｐ１に到達後にＡｌ組成値Ｐ１にて略平坦領域０．６ｎｍを有し、その後Ｘｅに向かってＡｌ組成が単調に減少している。
ここで、図３に点線で示されているＡｌ組成の開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線のＡｌ組成の変化率Ｒｍは１３．６％／ｎｍであり、Ｒ１＞Ｒｍとなる。
【0055】
本実施の形態１では、成長にて発生してしまう膜中へのＡｌ取り込みの遅れ、および遅れ量のばらつき幅を考慮し、かつ低電圧動作に有効であるＡｌ組成傾斜をＰ１とＰ２のＡｌ組成差である１５％以上維持させることを可能とするｐ型電子障壁層の構造となっている。Ｐ２値での略平坦領域は、Ａｌ組成取り込み遅れ、および遅れ量のばらつき幅を考慮して作製しており、小さいほど望ましい。Ａｌ組成２５％の場合、遅れ量のばらつき幅を考慮すると最大でも０．７６ｎｍの略平坦領域膜厚差に抑えることが可能であり、デバイス特性への大きな弊害はない。むしろ、図１４にて示した正孔の電位障壁ΔＥｖ低減に効果のある第２変化率Ｒ２のＡｌ組成幅を１５％以上確保することが、デバイスの低電圧動作には特に有効である。
【0056】
表１は、本実施の形態１におけるｐ型電子障壁層１０７を使用したレーザと、従来例である矩形形状のｐ型電子障壁層を使用したレーザの特性の比較である。図１５は、従来例である矩形形状のｐ型電子障壁層のＡｌ組成分布を示す。
【0057】
本実施の形態１におけるｐ型電子障壁層１０７は、図２に示したＡｌ組成分布を有するｐ型電子障壁層、および、図１５に示したＡｌ組成分布を有する従来例のｐ型電子障壁層は、いずれもピークＡｌ組成４０％、厚さ５ｎｍとしている。
なお、表１において、Ｉｔｈは閾値電流（ｍＡ）、Ｖｆ＠１Ａは順方向電圧（Ｖ）、Ｉｏｐ＠２．１Ｗは、２．１Ｗ出力時の動作電流（Ａ）、Ｖｏｐ＠２．１Ｗは、２．１Ｗ出力時の動作電圧（Ｖ）を示す。
なお、表１において、Ｉｔｈは閾値電流（ｍＡ）、Ｖｆ＠１Ａは順方向電圧（Ｖ）、Ｉｏｐ＠２．１Ｗは、２．１Ｗ出力時の動作電流（Ａ）、Ｖｏｐ＠２．１Ｗは、２．１Ｗ出力時の動作電圧（Ｖ）を示す。
【0058】
【表1】
【0059】
表１より、本実施の形態の窒化物半導体レーザ１００では、１Ａ時の動作電圧が従来例よりも０．０８Ｖ低く、出力２．１Ｗ時の動作電圧が従来例よりも０．１１Ｖ低いことがわかった。
これらのことから、本実施の形態１では、デバイス動作時に正孔の電位障壁を低減できるｐ型電子障壁層を安定して作製でき、動作電圧を低減することができることがわかる。
これらのことから、本実施の形態１では、デバイス動作時に正孔の電位障壁を低減できるｐ型電子障壁層を安定して作製でき、動作電圧を低減することができることがわかる。
【0060】
［実施の形態２］
実施の形態２における構造は、実施の形態１の構成と同様であるが、ｐ型電子障壁層１０７の構造が異なる。図６は、本発明の実施の形態２におけるｐ型電子障壁層１０７のＭＯＣＶＤ法における積層方向におけるＡｌ組成の理想的な成長シーケンスおよび実構造のアトムプローブ解析結果を示す。
点線は、成長シーケンスにおける理想的なＡｌ組成の膜厚に対する出来栄えの予想線を示している。実施の形態１と同様に、Ａｌ元素の遅れを考慮し、ＴＭＡ供給を先行導入している。プロットにて図６中に示されているＡｌ組成出来栄えとしては、活性層側からＡｌ組成１４％まで１７．０％／ｎｍの高いＡｌ組成傾斜にて形成され、その後にΔＥｖを低減させるＡｌ組成傾斜範囲である１１．４％／ｎｍにてピークＡｌ組成４０％まで到達している。本実施の形態２においては、Ａｌ組成範囲２４～４０％の広い領域において再現性良く所望のＡｌ組成傾斜を得ることができ、デバイス特性を安定させることができる。
実施の形態２における構造は、実施の形態１の構成と同様であるが、ｐ型電子障壁層１０７の構造が異なる。図６は、本発明の実施の形態２におけるｐ型電子障壁層１０７のＭＯＣＶＤ法における積層方向におけるＡｌ組成の理想的な成長シーケンスおよび実構造のアトムプローブ解析結果を示す。
点線は、成長シーケンスにおける理想的なＡｌ組成の膜厚に対する出来栄えの予想線を示している。実施の形態１と同様に、Ａｌ元素の遅れを考慮し、ＴＭＡ供給を先行導入している。プロットにて図６中に示されているＡｌ組成出来栄えとしては、活性層側からＡｌ組成１４％まで１７．０％／ｎｍの高いＡｌ組成傾斜にて形成され、その後にΔＥｖを低減させるＡｌ組成傾斜範囲である１１．４％／ｎｍにてピークＡｌ組成４０％まで到達している。本実施の形態２においては、Ａｌ組成範囲２４～４０％の広い領域において再現性良く所望のＡｌ組成傾斜を得ることができ、デバイス特性を安定させることができる。
【0061】
図７は、本実施の形態２におけるｐ型電子障壁層１０７のＡｌ組成分布の説明図である。
活性層側からＡｌ組成分布の立ち上がった位置Ｘｓからｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８のＡｌ組成に落ち着いた位置Ｘｅまでのｐ型電子障壁層１０７の厚さは、８．６ｎｍである。Ａｌ組成の最大値Ｐ１は４０％、Ｘｓからの第１傾斜領域の第１変化率Ｒ１は１７．０％／ｎｍであり、第１傾斜領域の到達Ａｌ組成値Ｐ２は１４％である。その後、Ａｌ組成値Ｐ２での第１傾斜領域の終端位置Ｘｌ１から第２傾斜領域の開始位置Ｘｌ２まで２．３ｎｍの略平坦領域を有し、Ｘｌ２から第２傾斜領域の第２変化率Ｒ２が１１．４％／ｎｍにて、位置Ｘｍに存在するＡｌ組成最大値Ｐ１＝４０％まで増加している。更にＡｌ組成最大値Ｐ１にて略平坦領域０．８ｎｍを有し、Ｘｅに向かってＡｌ組成が単調減少している。Ａｌ組成の開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線の組成傾斜、すなわちＡｌ組成の変化率Ｒｍは７．４％／ｎｍであり、Ｒ１＞ＲｍかつＲ１＞Ｒ２となる。
活性層側からＡｌ組成分布の立ち上がった位置Ｘｓからｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８のＡｌ組成に落ち着いた位置Ｘｅまでのｐ型電子障壁層１０７の厚さは、８．６ｎｍである。Ａｌ組成の最大値Ｐ１は４０％、Ｘｓからの第１傾斜領域の第１変化率Ｒ１は１７．０％／ｎｍであり、第１傾斜領域の到達Ａｌ組成値Ｐ２は１４％である。その後、Ａｌ組成値Ｐ２での第１傾斜領域の終端位置Ｘｌ１から第２傾斜領域の開始位置Ｘｌ２まで２．３ｎｍの略平坦領域を有し、Ｘｌ２から第２傾斜領域の第２変化率Ｒ２が１１．４％／ｎｍにて、位置Ｘｍに存在するＡｌ組成最大値Ｐ１＝４０％まで増加している。更にＡｌ組成最大値Ｐ１にて略平坦領域０．８ｎｍを有し、Ｘｅに向かってＡｌ組成が単調減少している。Ａｌ組成の開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線の組成傾斜、すなわちＡｌ組成の変化率Ｒｍは７．４％／ｎｍであり、Ｒ１＞ＲｍかつＲ１＞Ｒ２となる。
【0062】
本実施の形態２においても、Ｐ２値のＡｌ組成１４％であれば遅れ量のばらつき幅を考慮してもＸｌ１からＸｌ２の略平坦領域の膜厚差を最大でも１．３５ｎｍに抑えることが可能となる。図１４にて示した正孔の電位障壁ΔＥｖ低減に効果のある組成傾斜範囲であるＲ２のＡｌ組成幅を２６％に渡って広く確保できており、デバイスの低電圧動作が期待できる。
【0063】
表２は、本実施の形態２におけるｐ型電子障壁層１０７を使用したレーザと従来例である矩形形状のｐ型電子障壁層を使用したレーザ特性の比較である。
本実施の形態２における窒化物半導体レーザ１００では、１Ａ時の動作電圧が従来例よりも０．２６Ｖ低く、出力２．１Ｗ時の動作電圧が従来例よりも０．２６Ｖ低いことがわかる。
本実施の形態２における窒化物半導体レーザ１００では、１Ａ時の動作電圧が従来例よりも０．２６Ｖ低く、出力２．１Ｗ時の動作電圧が従来例よりも０．２６Ｖ低いことがわかる。
【0064】
【表2】
【0065】
［実施の形態３］
図８は、本発明の実施の形態３におけるｐ型電子障壁層１０７のアトムプローブ解析結果およびＡｌ組成分布の説明図を示す。図中のプロットおよび実線は、アトムプローブ結果を示し、点線は本実施の形態３における開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線を示している。
図８は、本発明の実施の形態３におけるｐ型電子障壁層１０７のアトムプローブ解析結果およびＡｌ組成分布の説明図を示す。図中のプロットおよび実線は、アトムプローブ結果を示し、点線は本実施の形態３における開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線を示している。
【0066】
実施の形態３においては、活性層側からＡｌ組成分布の立ち上がった位置Ｘｓからｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８のＡｌ組成に落ち着いた位置Ｘｅまでの厚さは１０．８ｎｍである。Ａｌ組成の最大値Ｐ１は４５％、Ｘｓからの第１傾斜領域のＡｌ組成の第１変化率Ｒ１は１７．９％／ｎｍであり、Ｒ１の到達Ａｌ組成値Ｐ２は２５％である。その後、Ａｌ組成値Ｐ２にて第１傾斜領域の終端位置Ｘｌ１から第２傾斜領域の開始位置Ｘｌ２まで１．５ｎｍの略平坦領域を有し、Ｘｌ２からＲ２が４．３％／ｎｍにて位置Ｘｍに存在するＡｌ組成最大値Ｐ１値＝４５％まで増加している。更にＡｌ組成値Ｐ１にて略平坦領域１．０ｎｍを有し、Ｘｅに向かってＡｌ組成が単調減少している。Ａｌ組成の開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線の組成傾斜、すなわちＡｌ組成の変化率Ｒｍは６．５％／ｎｍであり、Ｒ１＞ＲｍかつＲ１＞Ｒ２の関係となる。
本実施の形態３においても、第２変化率Ｒ２をＡｌ組成４０～２５％と１５％の広い領域で確保できており、正孔の電位障壁ΔＥｖ低減の効果を発揮することでデバイスの低電圧動作が可能となる。
本実施の形態３においても、第２変化率Ｒ２をＡｌ組成４０～２５％と１５％の広い領域で確保できており、正孔の電位障壁ΔＥｖ低減の効果を発揮することでデバイスの低電圧動作が可能となる。
【0067】
［実施の形態４］
図９は、本発明の実施の形態４におけるｐ型電子障壁層１０７のアトムプローブ解析結果およびＡｌ組成分布の説明図を示す。図８と同様に、図中のプロットおよび実線はアトムプローブ結果を示し、点線は開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線を示している。
図９は、本発明の実施の形態４におけるｐ型電子障壁層１０７のアトムプローブ解析結果およびＡｌ組成分布の説明図を示す。図８と同様に、図中のプロットおよび実線はアトムプローブ結果を示し、点線は開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線を示している。
【0068】
実施の形態４においては、Ａｌ組成分布の立ち上がった位置Ｘｓから位置Ｘｅにて表されるｐ型電子障壁層１０７の厚さは６．４ｎｍである。Ａｌ組成の最大値Ｐ１は５５％、Ｘｓからの第１傾斜領域のＡｌ組成の第１変化率Ｒ１は２１．５％／ｎｍであり、Ｒ１の到達Ａｌ組成値Ｐ２は２８％である。Ａｌ組成値Ｐ２における略平坦領域の厚さは１．１ｎｍであり、Ａｌ組成最大値Ｐ１に向かう第２傾斜領域のＡｌ組成の第２変化率Ｒ２は１２．３％／ｎｍである。本実施の形態４においてはＡｌ組成値Ｐ１での略平坦領域は存在せず、Ｘｅに向かってＡｌ組成が単調減少している。Ａｌ組成の開始点（Ｘｓ，０）とＡｌ組成の最大点（Ｘｍ，Ｐ１）を結ぶ直線の組成傾斜、すなわちＡｌ組成の変化率Ｒｍは１３．１％／ｎｍであり、Ｒ１＞ＲｍかつＲ１＞Ｒ２の関係となる。
本実施の形態４においても、第２変化率Ｒ２をＡｌ組成５５～２８％と２７％の広い領域で確保できており、正孔の電位障壁ΔＥｖ低減によるデバイスの低電圧動作を可能とした。
本実施の形態４においても、第２変化率Ｒ２をＡｌ組成５５～２８％と２７％の広い領域で確保できており、正孔の電位障壁ΔＥｖ低減によるデバイスの低電圧動作を可能とした。
【0069】
［変形例］
なお、上記各実施の形態１～４では、図２に示すようなアトムプローブ解析結果を直線近似して図３に示すようなＡｌ組成分布を求めたが、アトムプローブ解析結果のプロットのばらつきが大きく直線近似が難しい場合は、製造条件が既知であれば以下の方法で直線近似してもよい。例えば、
１）図４に示すグラフにおいて、実際のＡｌ原料の供給量からＰ１、Ｐ２を予想する
２）ｐ型半導体層側のＡｌ組成の傾きを、Ｐ１予想値の１０～９０％の範囲内で直線近似する。
３）Ａｌ組成の傾き直線のＰ１到達点を終点として、Ａｌ原料の供給シーケンスと成長速度から推測される膜厚による理想的なＡｌ出来栄え線（図２の点線）を作成する。
４）必要に応じてＡｌ組成値Ｐ１、Ｐ２のずれを調整する。
５）第１変化率Ｒ１は、最大値Ｐ１の１０～９０％の範囲内で直線近似する。
なお、上記各実施の形態１～４では、図２に示すようなアトムプローブ解析結果を直線近似して図３に示すようなＡｌ組成分布を求めたが、アトムプローブ解析結果のプロットのばらつきが大きく直線近似が難しい場合は、製造条件が既知であれば以下の方法で直線近似してもよい。例えば、
１）図４に示すグラフにおいて、実際のＡｌ原料の供給量からＰ１、Ｐ２を予想する
２）ｐ型半導体層側のＡｌ組成の傾きを、Ｐ１予想値の１０～９０％の範囲内で直線近似する。
３）Ａｌ組成の傾き直線のＰ１到達点を終点として、Ａｌ原料の供給シーケンスと成長速度から推測される膜厚による理想的なＡｌ出来栄え線（図２の点線）を作成する。
４）必要に応じてＡｌ組成値Ｐ１、Ｐ２のずれを調整する。
５）第１変化率Ｒ１は、最大値Ｐ１の１０～９０％の範囲内で直線近似する。
【0070】
また、上記実施の形態１～４では、窒化物半導体レーザ１００として、図１に示される層構成のものを示したが、少なくともｎ型の窒化物系半導体を含むｎ型半導体層、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層、Ａｌを含むｐ型の電子障壁層、およびｐ型の窒化物系半導体を含むｐ型半導体層をこの順に有するものであればよく、これに限定されない。また、各窒化物層の組成や厚みについても具体的に示したが、これに限定されず、本発明の効果を奏する範囲であれば適宜変更することができる。
【0071】
例えば上記実施の形態１～４では、４５０ｎｍの発振波長を得るために、活性層１０５のウェル層に２．８ｎｍ、Ｉｎ組成１８％のＩｎＧａＮ層を用いているが、４２０～４６０ｎｍの発振波長に合わせてＩｎ組成、膜厚を調整しても良い。また、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８の（平均）Ａｌ組成を２．６％としているが、活性層１０５に垂直に光を閉じ込めるために活性層の実効屈折率よりも小さければ、Ａｌ組成２．５～５％の間でＡｌ組成、膜厚を調整しても良い。
【産業上の利用可能性】
【0072】
本発明によれば、電子障壁層の漏れ電流を抑制しつつ、ｐ型半導体層側からの正孔の電位障壁を小さくすることで低電圧動作を可能とする窒化物発光素子および窒化物発光素子の製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【0073】
１００ 窒化物半導体レーザ
１０１ ＧａＮ基板
１０２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３ ｎ型ＧａＮクラッド層
１０４ ｎ側ＩｎＧａＮガイド層
１０５ ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＤＱＷｓ活性層
１０６ ｐ側ＩｎＧａＮガイド層
１０７ 電子障壁層
１０８ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層
１０９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１０ 電流ブロック領域
１１１ ｐ電極
１１２ ｎ電極
２０１ ｎクラッド層
２０２ 活性層
２０３ ｐクラッド層
２０４ 電子障壁層
１０１ ＧａＮ基板
１０２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３ ｎ型ＧａＮクラッド層
１０４ ｎ側ＩｎＧａＮガイド層
１０５ ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＤＱＷｓ活性層
１０６ ｐ側ＩｎＧａＮガイド層
１０７ 電子障壁層
１０８ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層
１０９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１０ 電流ブロック領域
１１１ ｐ電極
１１２ ｎ電極
２０１ ｎクラッド層
２０２ 活性層
２０３ ｐクラッド層
２０４ 電子障壁層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】