CN1790760A - 氮化物半导体元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：所述活性层作为所述阻挡层，具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置上的第一阻挡和与该第一阻挡层不同的第二阻挡层，并且，所述第一阻挡层实质上不包含n型杂质，所述第二阻挡层包含n型杂质，所述第一阻挡层的膜厚比所述第二阻挡层的膜厚大。

Description

氮化物半导体元件
本申请是申请号01812428.3、申请日2001年7月6日、发明名称“氮化物半导体元件”的发明的分案申请。
技术领域
本发明涉及使用发光二极管元件(LED)、激光二极管元件(LD)等发光元件、太阳能电池、光传感器等感光元件或晶体管、功率器件等电子元件所使用的氮化物半导体(InxAlyGa1-x-yN、0≤X、0≤Y、X+Y≤1)的氮化物半导体元件，特别是涉及具有含铟的氮化物半导体层的氮化物半导体元件。
背景技术
现今使用氮化物半导体的半导体激光器对于DVD等利用于可以大容量、高密度信息记录、可以重放的光盘系统的要求正在日益提高。因此，对使用氮化物半导体的半导体激光元件正在积极进行研究。另外，使用氮化物半导体的半导体激光元件被认为从紫外区到红色可以广泛在可以见光区振荡，其应用范围并不限于所述光盘系统的光源，还希望涉及激光打印机、光网路等的光源等多方面。另外，本申请人发表过一种激光器：它在405nm、室温、5mW的连续振荡条件下使用超过一万小时。
另外，使用氮化物半导体的发光元件、感光元件等具有使用包含In的氮化物半导体作为活性层的结构，形成活性层的更优异的活性区域在提高元件特性方面很重要。
以往作为氮化物半导体元件的活性层，一般使用掺入n型杂质等的n型氮化物半导体，特别是量子井结构的情况，将掺入n型杂质的氮化物半导体、n型氮化物半导体用于井层、阻挡层。
作为使用氮化物半导体的元件，在发光元件方面，要将其用途扩大到许多领域，就必须进一步提高元件特性，特别是提高元件寿命。
就使用氮化物半导体的激光元件来说，要利用于所述高密度光盘系统的读取、写入光源等或更进一步的应用，就要解决以下所述问题：即进一步提高元件寿命、提高输出。另外，其他氮化物半导体元件也同样需要提高元件寿命、提高输出，使用氮化物半导体的发光元件也需要提高发光输出。
以往，使用存在着问题的氮化物半导体的元件的脆弱的反向耐压特性，在其制造上的处理和封装于应用制品时的处理中，其被损坏的危险性很高，这也是极为重要的问题的一。
发明内容
鉴于以上所述问题的存在，本发明目的在于：提供一种阈值电流密度等元件特性优异且寿命长、输出高的氮化物半导体元件。
(1)本件发明的发光元件是在具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构的氮化物半导体元件，其特征在于：所述活性层作为所述阻挡层，具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置的第一阻挡层及与该第一阻挡层不同的第二阻挡层，同时所述第一阻挡层实质上不包含n型杂质，所述第二阻挡层具有n型杂质。而且，关于活性层中的阻挡层内除了第一阻挡层及第二阻挡层之外的阻挡层，虽然不被特别限定，但用于高输出的激光元件、发光元件时，最好是n型杂质掺杂或无掺杂。
在习知多重量子井型(以下MQW型)氮化物半导体元件方面，为了提高活性层中的起始电子浓度而提高发光效率，一般在全部阻挡层掺入硅等n型杂质，但在本发明的氮化物半导体元件方面，虽然也有掺入以往同样的n型杂质的阻挡层，但只是最接近p型氮化物半导体层的第一阻挡层实质上不包含n型杂质。通过这种结构，可以提高氮化物半导体元件的元件寿命、反耐压特性。
寿命特性提高的作用原理未必明确，但一个推测是：对使载流子(carrier)的寿命比以往长有帮助。以往在p型层侧配置掺入n型杂质的阻挡层，产生不少来自p型层的p型杂质扩散，因此而设置包含n型杂质和p型杂质的阻挡层，结果成为使载流子寿命降低的原因。根据本发明，因在第一阻挡层不掺入n型杂质而可以防止n型及p型杂质并存于阻挡层。
另外，在活性层中的阻挡层中，配置在p型层侧的阻挡层(第一阻挡层)实质上不包含n型杂质，和具有n型杂质的阻挡层(第二阻挡层)在活性层中其功能不同。即，通过具有第二阻挡层，增多从n型层注入活性层内的载流子，并且增多达到活性层深处(p型层侧)的载流子，可以提高载流子的注入效率，另一方面，通过具有第一阻挡层，就会配置不包含n型杂质的阻挡层作为在活性层内最接近p型层的阻挡层，增多来自p型层的载流子注入，而且可以使效率优异。
如果第一阻挡层包含n型杂质，则往往会阻碍来自p型层的载流子注入。特别是与来自n型层的载流子相比，来自p型层的载流子有其扩散长度短的倾向，所以在从p型层到活性层的载流子注入口的第一阻挡层有n型杂质，则会带给来自p型层的载流子注入严重的不良影响。如图14所示，得知随著第一阻挡层的n型杂质浓度变大，元件寿命急剧降低。
因此，通过第一阻挡层设于活性层，可以有许多空穴，而且显出载流子寿命也变长的倾向，这些被认为不是有助于提高所述特性吗？
第二阻挡层也可以邻接于第一阻挡层，但最好透过至少一个以上的井层，和第一阻挡层离间设置。据此，在活性层内隔著井层可以设置配置在p侧的第一阻挡层和配置在n侧的第二阻挡层，更有效的载流子注入成为可以能，例如在光盘系统的光源的激光元件减少损失，元件特性特别是导致元件寿命、输出的提高。此时，最好第二阻挡层在活性层中的阻挡层是最接近n型层的阻挡层，据此成为来自n型层的载流子注入口，载流子大量的注入、有效的注入成为可以能，元件特性提高。
而且，所谓实质上不包含n型杂质，是指因工序中的污染等超过混入的浓度而不包含n型杂质，例如n型杂质为硅时，指浓度为5×1016cm-3以下。
(2)最好所述第一阻挡层的膜厚比第二阻挡层的膜厚大。通过此结构，可以实现元件寿命提高。如果第一阻挡层为比其他阻挡层(第二阻挡层)小的膜厚，则显出元件寿命降低。特别是如果第一阻挡层配置在最外侧，则此倾向显著。另外，第一阻挡层在活性层内位于最外侧，即最上部时，如果在活性层上有p型氮化物半导体层，则所述元件寿命的降低会更大。例如图8所示，第一阻挡层2c配置在p型电子封闭层(第一p型氮化物半导体层)的最近处时，此p型电子封闭层如以下说明，是密切带给活性层，特别是井层影响的层，所以成为第一阻挡层的膜厚决定活性层及井层特性的重要的层。
即，在关于本发明的氮化物半导体元件方面，如果利用包含In的氮化物半导体形成活性层中的阻挡层，利用包含Al的氮化物半导体(电子封闭层)形成p型氮化物半导体层中邻接于至少活性层的层，则可以将载流子有效封闭于活性层。然而，使包含In的氮化物半导体生长后使包含Al的氮化物半导体生长，因InN的高蒸气压和两者生长条件不同而包含In的氮化物半导体容易引起分解。因此，第一阻挡层最好形成得比其他阻挡层厚。
例如，利用MOCVD法进行生长时，一般InGaN是在氮气气氛下以低温且慢的气体流速条件使其生长，另一方面，AlGaN是在氢气气氛下以高温且快的气体流速条件使其生长。因此，例如使InGaN生长作为第一阻挡层后使AlGaN生长作为p型氮化物半导体层，则切换反应炉内的生长条件时，InGaN因气体蚀刻而引起分解。于是，通过比其他阻挡层厚地形成第一阻挡层，即使第一阻挡层稍微引起分解，也可以维持优异的量子井结构。即，第一阻挡层起作为防止包含In的活性层分解的保护层的作用。
再者，如果最接近配置在p型氮化物半导体层的第一阻挡层为厚膜，则可以增大和p型电子封闭层的距离，所以即使p型载流子变多，也可以确保十分宽的空间，在元件的连续驱动可以稳定注入高浓度的载流子。因此，元件寿命等的元件可以靠性提高。
(3)另外，以配置在最接近n型氮化物半导体层的位置的阻挡层为阻挡层B1，从该阻挡层B1向所述p型氮化物半导体层计算以第i个(i＝1、2、3、…L)阻挡层为阻挡层Bi时，最好从i＝1到i＝n(1＜n＜L)的阻挡层Bi有n型杂质。通过此结构，载流子注入活性层的各井层会更加有效。另外，载流子注入活性层的深处(p型层侧)也优异，也可以适应大量的载流子注入。因此，例如在LED、LD方面发光效率提高，并且振荡阈值电流密度、正向电压降低、元件寿命提高成为可以能。另外，通过在从第1号到第n号的阻挡层Bi有n型杂质，在元件驱动初期可以立刻注入载流子到井层，所以也有助于阈值电流密度降低。
(4)另外，最好是在除了第一阻挡层之外的其他全部阻挡层掺入n型杂质。这样一来，可以更加增多来自n型层的载流子注入，并且效率优异。
(5)最好所述第一阻挡层配置在所述活性层的最外侧。通过第一阻挡层配置在在活性层内最接近p型氮化物半导体的侧，第一阻挡层成为载流子注入口，从p型层到活性层内的载流子注入有效率，并可以注入大量的载流子，阈值电流密度、元件寿命、输出等元件特性提高。另外，可以得到具有能耐大电流、高输出的严格条件的驱动的元件可以靠性的氮化物半导体元件。此时，p型氮化物半导体层最好接触活性层被形成，并且作为接触第一阻挡层的层，可以设置后述第一p型氮化物半导体层。
(6)再者，最好将所述第二阻挡层配置在接近所述活性层内的所述n型氮化物半导体层的最外侧位置。通过此结构，在p型氮化物半导体层侧、n型氮化物半导体侧成为分别配置第一p侧阻挡层、第二n侧阻挡层的活性层，可以向活性层的中央部有效注入来自p型层、n型层的载流子。
(7)在所述(6)的结构中，最好所述第一p侧阻挡层的膜厚和所述第二n侧阻挡层的膜厚大致相同。通过此结构，活性层内的对称性提高，结果抑制元件的偏差而良率提高，并且阈值电流密度降低。
(8)另外，在所述(6)的结构，最好所述活性层具有2个以上的井层，在该井层和井层之间有第三阻挡层，同时所述第三阻挡层的膜厚比所述第一p侧阻挡层及所述第二n侧阻挡层的膜厚小。通过此结构，第二n侧阻挡层及第一p侧阻挡层和第三阻挡层可以使其具有不同的作用，抑制元件特性的偏差，可以使阈值电流密度Vf降低。即，第二n侧阻挡层、第一p侧阻挡层配置在活性层的最外侧，成为来自n型层、p型层的载流子注入口，因比第三阻挡层的膜厚大而可以确保保持许多载流子的宽广空间，反的因第三阻挡层的膜厚小而可以抑制活性层全体膜厚成低的，有助于Vf降低。
(9)最好所述活性层内的至少一个井层有40以上的膜厚。以往井层的膜厚重视振荡、发光初期阶段的特性(例如振荡阈值电流)，作为较佳范围，约20～30被认为最适当，但这一来，在大电流的连续驱动，元件恶化变早，妨碍元件寿命提高。本发明通过所述结构解决此问题。
即，通过本案发明的结构可以有效率的载流子注入的后，通过设置适于其的厚膜的井层，在高输出的发光元件、激光元件的驱动可以增加稳定性，并且在对于注入电流的输出可以抑制损失成低的，在元件寿命可以飞跃的提高。对于在高输出的发光、振荡，虽然要求在井层内不损失所大量注入的载流子而有效被发光再结合，但所述结构就适于实现此。
井层的膜厚的上限取决于阻挡层及活性层膜厚，虽然不被特别限定，但最好是500以下。特别是如果考虑在量子井结构层叠多数层，则最好是300以下。再者，如果是50以上200以下的范围，则多重量子井结构、单一量子井结构的任一结构都可以形成较佳的活性层。特别是如果是多重量子井结构，则层叠数(井层和阻挡层的对数)变多，所以最好控制在50以上200以下的范围内。另外，通过在此适当的范围有井层，在大电流、高输出的发光、振荡可以得到高的元件可以靠性、长寿命，并且在激光元件方面，在80mW的连续振荡成为可以能，而在5～80mW这种宽广的输出区也可以实现优异的元件寿命。此时，活性层为多重量子井结构时，井层的膜厚需要适用于至少一个井层，最好在全部井层适用所述膜厚。这样一来，在各井层可以得到如所述的效果，发光再结合、光电变换效率更加提高。作为井层，使用包含In的氮化物半导体，最好是InGaN，可以有优异的元件寿命。此时，以铟组成比x为0＜x≤0.3的范围，可以形成结晶性佳、厚膜的井层，最好是x≤0.2，可以形成多数结晶性佳、厚膜的井层，可以成为优异MQW结构的活性层。
(10)最好所述第一阻挡层有p型杂质。通过此结构，来自所述p型层的载流子注入有效率，并且载流子寿命也有提高的倾向，结果有助于反耐压特性、元件寿命、输出的提高。此如所述，通过实质上不包含n型杂质，来自p型层的载流子注入成为优异，再通过在第一阻挡层有p型杂质，可以更加促进载流子注入活性层内，有效从p型层注入大量的载流子到活性层内，甚至活性层的深处(n型层侧)，除了发光再结合、光电变换效率、元件寿命提高之外，还可以实现反耐压特性提高。
(11)另外，第一阻挡层的p型杂质浓度虽然不被特别限定，但最好是1×1016cm-3以上1×1019cm-3以下。是因为p型杂质浓度过低则到井层的空穴注入效率降低，过高则第一阻挡层中的载流子移动度降低而激光的Vf值增大。
(12)p型杂质浓度在于这种范围的第一阻挡层成为i型或p型。
(13)p型杂质掺入第一阻挡层是使第一阻挡层以无掺杂生长后通过来自p型氮化物半导体层的扩散进行比第一阻挡层生长时进行较佳。是因为后者的情况，第一阻挡层生长时，p型杂质扩散到在于其下方的n型井层而有元件寿命特性降低的虞，另一方面，前者的情况，不给与井层不良影响，可以在第一阻挡层掺入p型杂质。
(14)如果按n型氮化物半导体层、活性层、p型氮化物半导体层的顺序层叠元件结构，则即使使第一阻挡层以无掺杂生长，p型杂质也会从其次使其生长的p型氮化物半导体层扩散，所以可以形成有p型杂质的阻挡层。
(15)本发明的氮化物半导体元件最好所述p型氮化物半导体层具有由包含平均混晶比x为0＜x≤0.05的包含Al的氮化物半导体构成的上部覆盖层，所述n型氮化物半导体层具有由包含平均混晶比x为0＜x≤0.05的包含Al的氮化物半导体构成的下部覆盖层，具有激光元件结构。通过此结构，所得到的激光元件在5～100mW的输出可以连续振荡，成为适于光盘系统读取、写入光源的元件特性的LD，并可以实现长寿命。通过将覆盖层的Al的平均混晶比抑制在0.05以下，设置可以抑制高输出时的自激振荡的光波导路，在高输出稳定的连续振荡成为可以能，可以得到光盘光源用的LD。以往使用使覆盖层的铝平均成分在于0.05以上0.3以下的范围的氮化物半导体，这样的话光的封闭过强，在30mW以上的高输出的连续振荡产生自激振荡。此自激振荡起因于纵向的光封闭大，在提高光密度的LD结构，电流-光输出特性的曲折(kink)产生于低输出侧，这种曲折的产生作为光盘系统的光源是不利的，起因于曲折的自激振荡不稳定，并有元件偏差。根据本发明的结构，通过形成缩小在覆盖层的折射率差的光波导路，并且使用在于所述范围的活性层，成为可以连续稳定注入、发光再结合大量载流子的结构，超过覆盖层的光封闭降低所造成的损失可以连续振荡，并可以提高在活性层内的发光效率。
最好所述上部覆盖层有p型导电性，所述下部覆盖层有n型导电性，所述活性层作为所述阻挡层，有配置在最接近所述上部覆盖层的位置的第一阻挡层及与该第一阻挡层不同的第二阻挡层，同时所述第一阻挡层有p型杂质，所述第二阻挡层有n型杂质。通过此结构，如所述，来自p型层的载流子注入佳，结果元件特性，特别是元件寿命提高。
(16)最好在所述p型氮化物半导体层中，邻接活性层有第一p型氮化物半导体层，该第一p型氮化物半导体层由包含Al的氮化物半导体构成。通过此结构，如图4～7所示，第一p型氮化物半导体层28起作用作为电子封闭层，特别是在大电流驱动、高输出的LD、LED，可以将大量的载流子封闭于活性层内。另外，在和所述第一阻挡层、阻挡层BL、第一p侧阻挡层的关系方面，如图8所示，这些阻挡层的膜厚决定第一p型氮化物半导体和井层1b的距离dB，所以使元件特性大幅互相受到影响。
另外，第一p型氮化物半导体层以薄膜使其生长即可以，所以比p型覆盖层可以低温使其生长。因此，通过形成p型电子封闭层，比在活性层上直接形成p型覆盖层的情况可以抑制包含In的活性层分解。即，p型电子封闭层和第一阻挡层共同起防止包含In的活性层分解的作用。
(17)最好所述第一p型氮化物半导体层是接触最接近所述p型氮化物半导体层的阻挡层所设，掺入比所述活性层中的阻挡层高的浓度的p型杂质而生长。通过此结构，可以从p型层容易注入载流子到最接近p型层的阻挡层(所述第一阻挡层)。另外，通过在第一p型氮化物半导体层以高浓度掺入p型杂质，可以使p型杂质扩散到阻挡层而添加适度的p型杂质。这样一来，阻挡层生长时不添加杂质也可以，所以可以使阻挡层结晶性优异地生长。特别是此阻挡层为包含In的氮化物半导体时，因添加杂质而结晶性恶化大，所以其效果显著。另外，第一p型氮化物半导体层如后述，是包含Al的氮化物半导体且其铝混晶比比p型覆盖层的铝混晶比高时，有效地起作用作为将电子封闭于活性层内的电子封闭层，在大电流驱动、高输出的LD、LED等方面，可以得到使振荡阈值、驱动电流降低的效果。
(18)在所述活性层，最好井层数为1以上3以下的范围。通过此结构，在LD方面比井层数为4以上的情况，可以降低振荡阈值。另外，此时如所述，通过以井层的膜厚为40以上，在少的井层内也可以确保宽广空间，即使注入大量的载流子，有效的发光再结合也可以能，此可以提高元件寿命、发光输出。特别是在井层的膜厚为40以下、以井层数为4以上时，以大电流使其驱动要得到高输出的LD、LED，比所述情况要注入大量的载流子到薄膜的各井层，井层就会在严酷的条件下使其驱动，早发生元件恶化。另外，如果增多井层数，则载流子不均匀分布，有不均匀分布的倾向，所以在这种状态使大电流的驱动进行，所述元件恶化就成为严重的问题。在此结构，通过所述最靠近p型层一侧的阻挡层不包含n型杂质或有p型杂质、其他阻挡层有n型杂质，可以稳定注入大量的载流子到井层内，再通过以井层为如所述的膜厚(40以上)，这些密切关连，在连续的驱动适当地作用于优异元件寿命、高发光输出的实现。
(19)最好所述第二阻挡层是夹入井层而配置，所述井层和第二阻挡层的膜厚比Rt为0.5≤Rt≤3的范围。通过此结构，特别是使用于光盘系统、光通信系统等，可以得到响应特性优异、RIN低的发光元件、激光元件。即，在量子井结构的活性层，井层、阻挡层及活性层的膜厚成为使RIN、响应特性大幅受到影响的主要原因，但在此结构，通过将井层和阻挡层的膜厚比限定在所述范围，可以得到这些特性优异的发光元件、激光元件。
(20)最好所述井层的膜厚dw为40≤dw≤100的范围，所述第二阻挡层的膜厚db为db≥40的范围。通过此结构，在所述膜厚比Rt，以井层的膜厚为所述范围，如图12所示，是寿命长、输出高的激光元件，同时可以得到适于光盘系统光源的RIN特性、响应特性的激光元件。即，在本发明的发光元件，增大井层的膜厚谋求长寿命化，另一方面，井层的膜厚变大，响应特性、RIN特性就有降低的倾向。在此结构，适当改善此。另外，阻挡层的膜厚40以上，如图13所示，可以得到优异的元件寿命，可以得到成为光盘系统佳的光源的激光元件。
(21)最好在所述p型氮化物半导体层、所述n型氮化物半导体层分别有上部覆盖层、下部覆盖层，上部覆盖层的氮化物半导体的Al的平均混晶比比下部覆盖层大。此在有效折射率型激光元件方面，在制作有效折射率差的上部覆盖层，通过增大铝混晶比而形成折射率小的上部覆盖层，可以缩小横向封闭。即，通过在波导路两侧缩小制作有效折射率差的嵌入层和上部覆盖层的折射率差，可以成为缩小横向封闭的结构。据此，减低横向封闭，缩小光密度，可以成为到高输出区域不产生曲折(kink)的激光元件。
(22)再者，通过所述上部覆盖层的Al的平均混晶比x为0＜x≤0.1的范围，可以得到具有激光特性，特别是可以适合使用于光盘系统的电流-光输出特性等特性的激光元件。此时，激光元件的振荡波长为380nm以上420nm以下的范围，使用所述覆盖层可以得到适当的激光元件。
(23)所述p型氮化物半导体层具有接触所述活性层而成为电子封闭层的第一p型氮化物半导体层，活性层具有离第一p型氮化物半导体层的距离dB成为100以上400以下的范围的井层，通过在该距离dB内有第一阻挡层，可以得到元件寿命长的氮化物半导体元件。此如图8所示，离第一p型氮化物半导体层28的距离dB具有第一阻挡层，即调整成杂质实质上没有n型杂质或有p型杂质的阻挡层，防止起因于为p型载流子封闭层的第一p型氮化物半导体层的元件恶化，提高元件寿命，可以成为可以使配置在距离dB外部的井层的发光再结合促进的元件结构。在此，在距离dB区域有至少所述第一阻挡层，即在距离dB区域，至少一部分如所述，有杂质或调整其量的杂质调整区域。此时，最好距离dB为第一阻挡层，即将膜厚为dB的第一阻挡层接触第一p型氮化物半导体形成，可以将所述效果引出到最大限度，很理想。如此，在以距离dB区域为杂质调整区域，如图8B所示，也可以成为设置多数带隙能量(band gap energy)不同的层的结构。例如在图8B虽然形成带隙能量比阻挡层2c小的区域4，但以区域距离dB为杂质调整区域，可以得到所述效果。与此相反，设置具有比阻挡层2b大的带隙能量的层4也同样。即，在区域距离dB即使设置多数带隙能量不同的层的情况下，以区域距离dB为第一阻挡层，通过调整杂质或杂质量，也可以得到特性优异的元件。再者，距离dB最好是120以上200以下的范围，可以得到适当的活性层、适当的元件结构的氮化物半导体元件。
就用于本发明的氮化物半导体元件的n型杂质来说，可以使用硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、硫(S)、氧(O)、钛(Ti)、锆(Zr)等IV族或VI族元素，最好使用硅、锗、锡，甚至最好使用硅。另外，就p型杂质来说，虽然不被特别限定，但可以举出铍(Be)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、镁(Mg)、钙(Ca)等，而且最好使用镁。
另外，在本发明中，所谓无掺杂，是指氮化物半导体生长时，在不添加成为掺杂物的p型杂质、n型杂质等的状态使其生长，例如在有机金属气相生长法中，在不向反应容器内供给成为所述掺杂物的杂质的状态下使其生长。
附图说明
下面简要说明附图
图1为说明本发明一实施形态的模式剖视图。
图2为说明本发明一实施形态的模式剖视图。
图3为说明本发明一实施形态的模式剖视图。
图4为说明本发明一实施形态的层叠结构的模式剖视图及带构造的模式图。
图5为说明本发明一实施形态的层叠结构的模式剖视图及带结构的模式图。
图6为说明本发明一实施形态的层叠结构的模式剖视图及带结构的模式图。
图7为说明本发明一实施形态的层叠结构的模式剖视图及带结构的模式图。
图8A及8B为说明本发明一实施形态的层叠结构的模式剖视图及带结构的模式图。
图9A及9B为本发明一实施形态的元件的模式剖视图。
图10为说明本发明一实施形态的层叠结构的模式剖视图及带结构的模式图。
图11为说明本发明一实施形态的模式剖视图。
图12为表示本发明的一实施形态的元件寿命和井层的膜厚的关系的图。
图13为表示本发明的一实施形态的元件寿命和阻挡层的膜厚的关系的图。
图14为表示本发明的一实施形态的元件寿命和掺杂量的关系的图。
图15为表示本发明的一实施形态的反耐压和掺杂量的关系的图。
具体实施方式
就用于本发明的氮化物半导体元件的氮化物半导体来说，有GaN、AlN、InN或为这些混晶的氮化镓是化合物半导体(InxAlYGa1-x-yN、0≤x、0≤y、x+y≤1)。另外，再加上作为III族元素使用硼(B)或作为V族元素以磷(P)、砷(As)调换氮的一部分的混晶也可以。
(活性层)
就本发明的活性层来说，具有量子井结构，多重量子井结构、单一量子井结构的任一结构都可以。最好是形成多重量子井结构，可以谋求输出提高、振荡阈值降低等。就活性层的量子井结构来说，可以使用层叠后述井层、阻挡层者。另外，就层叠结构来说，是层叠以阻挡层夹入井层的结构，即，在单一量子井结构，如夹着井层一般在p型氮化物半导体层侧、n型氮化物半导体层侧分别有至少一层阻挡层，在多重量子井结构，在层叠多数井层和阻挡层的活性层内有后述的各实施形态。
再者，作为活性层的结构，较好是作为配置在最接近n型氮化物半导体层、p型氮化物半导体层的位置的层(以下记作最外层)，有阻挡层，最好是两侧的最外层为阻挡层。
另外，在多重量子井结构，夹入井层的阻挡层并不特别限于是一层(井层/阻挡层/井层)，也可以将两层或其以上的层的阻挡层如「井层/阻挡层(1)/阻挡层(2)…/井层」一般设置多数成分、杂质量等不同的阻挡层。例如，图10所示，也可以是以下所述结构：在各井层402之间设置由包含Al的氮化物半导体构成的上部阻挡层403、比上部阻挡层能带隙(energy bandgap)小的下部阻挡层401。
(井层)
就本发明的井层来说，最好使用包含In的氮化物半导体层，此时就具体的成分来说，可以适当地使用InaGa1-aN(0＜a≤1)。据此，成为可以优异发光、振荡的井层。此时，根据铟混晶比可以决定发光波长。另外，InGaN以外也可以使用所述氮化物半导体，例如InAlGaN、InN等，而本发明也可以适用于不包含铟的氮化物半导体，例如AlGaN、GaN等，但使用包含In的氮化物半导体发光效率变高，很理想。
另外，就井层的膜厚及井层数来说，除了后述第5实施形态所示的情况之外，可以任意决定膜厚及井层数。就具体的膜厚来说，10以上300以下的范围，最好是20以上200以下的范围可以使Vf、阈值电流密度减低。另外，从结晶生长的观点，如果是20以上，则膜厚没有大的不均匀，可以得到比较均匀膜质的层，200以下抑制结晶缺陷产生成低的而可以结晶生长。就活性层内的井层数来说，不被特别限定，最好是1以上，此时井层数为4以上时，如果构成活性层的各层膜厚变厚，则活性层全体膜厚变厚，招致Vf上升，所以以井层的膜厚为100以下的范围，抑制活性层膜厚成低的。
在本发明的井层掺不掺入n型杂质都可以。然而，井层使用包含In的氮化物半导体，n型杂质浓度变大，则有结晶性恶化的倾向，所以最好抑制n型杂质浓度成低的而形成结晶性优异的井层。具体地说，为了使结晶性成为最大限度优异，要使井层以无掺杂生长，此时n型杂质浓度为5×1016/cm3以下，则成为实质上不包含n型杂质的井层。另外，在井层掺入n型杂质时，如果n型杂质浓度在1×1018以下5×1016以上的范围被掺入，则可以抑制结晶性恶化成低的并可以提高载流子浓度，可以使阈值电流密度、Vf降低。此时，就井层的n型杂质浓度来说，和阻挡层的n型杂质浓度大致相同或缩小，促进在井层的发光再结合，有发光输出提高的倾向，很理想。如此掺入n型杂质的井层用于5mW输出的LD、LED等低输出的元件，可以得到阈值电流密度降低、Vf降低，很理想。另外，要使井层的n型杂质浓度和阻挡层大致相同或比其低，在井层生长时掺入比阻挡层生长时少的n型杂质或是在阻挡层掺杂而使井层以无掺杂生长的调制掺杂也可以。此时，也可以使井层、阻挡层以无掺杂生长而构成活性层的一部分。
特别是以大电流使元件驱动时(高输出的LD、大功率LED等)，井层无掺杂、实质上不包含n型杂质，促进在井层的载流子再结合，实现高机率的发光再结合，反的在井层掺入n型杂质，由于在井层的载流子浓度高，所以反而发光再结合的机率减少，在一定输出下产生招致驱动电流、驱动电流上升的不良循环，有元件可以靠性(元件寿命)大幅降低的倾向。因此，在这种高输出的元件(5～100mW输出区域的LD、大功率LED)，使井层的n型杂质浓度成为至少1×1018/cm3以下，最好是无掺杂或成为实质上不包含n型杂质的浓度，可以得到可以高输出且稳定驱动的氮化物半导体元件。另外，在井层掺入n型杂质的激光元件有激光光的峰值波长的光谱宽度变宽的倾向，所以不良的是1×1018/cm3，最好是1×1017/cm3以下。另外，在井层掺入杂质也会发生结晶性的恶化，在结晶性恶化的井层内如激光元件，增大密流密度使元件动作，井层及元件的恶化就变大，有使元件寿命受到不良影响的倾向。
(阻挡层)
在本发明中，就阻挡层成分来说，虽然不被特别限定，但可以使用比井层铟混晶比低的包含In的氮化物半导体或包含氮化镓、铝的氮化物半导体等。就具体成分来说，可以使用InβAlγGa1-γN(0≤β≤1，0≤γ≤1)、InβGa1-βN(0≤β＜1，a＞β)、GaN、AlγGa1-γN(0＜γ≤1)等。在此，接触井层而成为底层的阻挡层(下部阻挡层)时，最好使用不包含Al的氮化物半导体，具体地说，如图10所示，最好使用InβGa1-βN(0≤β＜1，a＞β)、GaN。这是因为使由包含In的氮化物半导体构成的井层直接生长于AlGaN等包含Al的氮化物半导体上，就有结晶性降低的倾向，有井层功能恶化的倾向。另外，使阻挡层的带隙能量比井层大，考虑也起作用作为决定井层结晶性的底层，从所述成分中决定适当的井层、阻挡层成分组合即可以。
另外，除了后述最p型层例的阻挡层之外，阻挡层掺入n型杂质、不掺杂都可以，但最好是掺入n型杂质。此时，就阻挡层中的n型杂质浓度来说，掺入至少5×1016/cm3以上，上限为1×1020/cm3。具体地说，例如LED的情况，在5×1016/cm3以上2×1018/cm3以下的范围有n型杂质，而更高输出的LED及高输出的LD在5×1017/cm3以上1×1020/cm3以下的范围，最好是在1×1018/cm3以上5×1019/cm3以下的范围掺杂，如此以高浓度掺杂时，最好使井层实质上不包含n型杂质或以无掺杂生长。此时，在通常的LED、高输出的LED(大功率LED)及高输出的LD(5～100mW输出的LD等)的所以n型杂质量不同，是因为在高输出的元件，为了以更大电流驱动，得到高的输出，需要高的载流子浓度。在所述较佳的范围掺杂，如所述，是优异的结晶性并可以注入高浓度的载流子。反的，不是高输出的低输出的LD、LED等氮化物半导体元件时，在活性层中的一部分阻挡层掺入n型杂质或使全部阻挡层实质上不包含n型杂质也可以。
就阻挡层的膜厚来说，不被特别限定，可以适用500以下，更具体的是和井层同样，10以上300以下的范围。
另外，在后述各实施形态虽然使用掺入p型杂质的阻挡层，但此时就p型杂质量来说，是5×1016/cm3以上1×1020/cm3以下的范围，最好是5×1016/cm3以上1×1018/cm3以下的范围。此因如果超过1×1020/cm3则即使增多p型杂质，载流子浓度也几乎不变化，所以包含杂质所造成的结晶性恶化、因杂质而光的散射作用所造成的损失变大，反而使活性层的发光效率降低。再者，如果低于1×1018/cm3则向下抑制所述杂质增加所造成的发光效率降低，并可以稳定高度保持到活性层内的来自p型层的载流子浓度。另外，就p型杂质的下限来说，最好即使是一点也有p型杂质，这是因为杂质为低浓度时，与为高浓度时比较为高的机率，p型杂质有起作用作为载流子的倾向。此时，最好在后述各实施形态的包含p型杂质的阻挡层实质上不包含n型杂质。因为在包含p型杂质的阻挡层即使只是不包含n型杂质，也起作用作为促进来自p型层的载流子注入的阻挡层，再加上有p型杂质将可以更加强其作用。图14、15表示最p侧阻挡层的n型杂质量和元件寿命或反耐压特性的关系，如从图可以明白，n型杂质变多，元件寿命及反耐压特性就急剧降低，使元件特性恶化。因此，在本发明的氮化物半导体元件，最接近p型层的阻挡层(后述第一阻挡层、阻挡层BL、第一p侧阻挡层)较好是使n型杂质以无掺杂生长或实质上不包含n型杂质，最好是有p型杂质，最好是不包含n型杂质而有p型杂质。此因不包含n型杂质而来自p型层的载流子注入有效率，因另外还有p型杂质而促进载流子注入，合并两者，即不包含n型杂质而有p型杂质，来自p型层的载流子即使大量也可以有效的注入。
(n型杂质掺杂)
在本发明中，在活性层有包含至少5×1016以上n型杂质的井层、阻挡层，最好是活性层中的至少一层以上的井层及/或阻挡层为无掺杂或实质上不包含n型杂质。据此，就活性层全体来说，平均包含n型杂质，在构成活性层一部分的井层及/或阻挡层掺入n型杂质，作为活性层，实现有效的载流子浓度分布。
在本发明中，所谓无掺杂是特意不掺杂，在氮化物半导体生长时不掺入n型或p型杂质而使其生长。此时，杂质浓度成为小于5×1016/cm3。另外，所谓本发明的实质上不包含n型杂质或p型杂质，是小于5×1016/cm3的浓度区域。
以上说明了关于在下述说明的各实施形态未说明的活性层及阻挡层、井层的实施形态，在各实施形态补充其说明。
<第1实施形态>
在本发明的氮化物半导体元件，就第1实施形态来说，是以下所述结构：如图2、3所示，在以p型氮化物半导体层13和n型氮化物半导体层11夹着的活性层12内有最接近位于p型氮化物半导体层的第一阻挡层；和此层不同，有n型杂质的第二阻挡层。此时，第一阻挡层是n型杂质为无掺杂或以无掺杂使其生长而实质上不包含n型杂质。此时，第一阻挡层虽然有两个情况：在活性层内的层接近最p型氮化物半导体层的层(以下称为最p侧的层)如图2所示，为井层1b的情况和如图3所示，该层为第一阻挡层2d的情况，但哪一种都可以。最好如图3所示，在活性层内最p侧的层作为第一阻挡层，可以接触p型氮化物半导体层将第一阻挡层设于活性层内，如图3所示，可以到活性层内形成p型氮化物半导体层13和活性层12内的第一阻挡层2d及连续的p型层。据此，可以有效从p型层注入载流子到活性层，减少元件驱动的损失，可以提高元件特性，特别是可以提高反向耐压、元件寿命。图3所示的情况和此不同，因井层1b介于p型氮化物半导体层13和第一阻挡层2c之间而有时不成为连续p型层的形成，但因第一阻挡层2c为活性层内的最p侧的阻挡层而不如所述的情况(图3的情况)，可以是同样起作用，有效的载流子注入成为可以能，比所述的情况(图3的情况)其效果有差的倾向，但可以得到同种的效果。此时，井层如所述，最好是无掺杂，有n型杂质时，最好是比阻挡层低浓度。
与此不同，有p型杂质的阻挡层(以下称为p型阻挡层)在活性层内为不位于最p侧的阻挡层时，例如在图3以阻挡层2c为p型阻挡层，则反而成为使元件特性恶化的结果。此因p型载流子(空穴)扩散长度比n型大幅地短，所以到所述活性层内的载流子注入效率的提高几乎没有，阻碍n型载流子注入而增大损失。此在最p侧的阻挡层不包含p型杂质，不位于最p侧的阻挡层包含p型杂质时最显著。
另外，第二阻挡层也可以邻接第一阻挡层设于n型氮化物半导体层侧(以下称为n侧)，但最好如图2、3所示，透过至少一层以上的井层设置。这样一来，形成配置夹着一层以上的井层、设于最p侧、有p型杂质的第一阻挡层和设于n侧、有n型杂质的第二阻挡层的结构的活性层，比不透过井层而邻接配置的情况可以使到此所夹的一层以上的井层内的载流子注入更有效率。因此，最好最n侧的阻挡层，在图2、3阻挡层2a是至少第二阻挡层，即第一阻挡层、第二阻挡层是活性层最外侧的阻挡层，分别配置在p侧、n侧。再者，第二阻挡层可以只是一层，也可以是除了第一阻挡层之外的全部阻挡层。因此，在第一实施形态，最好最p侧的阻挡层为第一阻挡层，最n侧的阻挡层是第二阻挡层，最好是除了以上结构之外，再加上除了最p侧的阻挡层之外的全部阻挡层为第二阻挡层。据此，在高输出下的元件驱动，可以有效注入大量的载流子，可以提高高输出下的元件可以靠性。此时，除了最p侧的阻挡层为第一阻挡层、最n侧的阻挡层为第二阻挡层之外，也可以是第二或第二及其以后配置在p侧的阻挡层也形成p型阻挡层的结构，但例如在图3形成第一阻挡层2d、p型阻挡层2c、第二阻挡层2a的结构，此结构因所述各载流子扩散长度不同而阻碍有效的载流子注入、再结合等，有损失增加的倾向。
在本发明的第一实施形态中，如果就第一阻挡层更加详述，则包含p型杂质同样，第一阻挡层实质上不包含n型杂质也在产生所述作用上成为重要因素。此因不包含n型杂质而可以期待和有所述p型杂质的情况同样的效果。此因第一阻挡层不包含n型杂质而在活性层内的p型层界面附近或第一阻挡层附近可以从p型层增多且有效注入载流子到活性层或最p侧的井层，和所述同样，元件特性提高。反的，使第一阻挡层实质上不包含n型杂质可以导致元件特性提高，最好是实质上不包含n型杂质且包含p型杂质，所述效果显著。另外，最好在第二阻挡层使p型杂质以无掺杂生长或实质上不包含p型杂质。
在本发明的第一实施形态中，比第二阻挡层的膜厚增大第一阻挡层的膜厚，可以提高元件寿命。此除了和后述第一p型氮化物半导体层的关系之外，再加上在高输出的驱动，设置宽广空间作为存在许多p型载流子的第一阻挡层，即使高输出也可以注入、再结合稳定的载流子。反的，第二阻挡层比第一阻挡层的膜厚小，就会使从n型层侧到活性层内的各井层的距离相对接近，促进从n型层侧到各井层的载流子注入。此时，第二阻挡层为一层以上，最好是以除了第一阻挡层以外的全部阻挡层为第二阻挡层，从n型层可以相对缩小全部井层的距离，来自n型层的载流子注入有效率。
<第2实施形态>
就本发明的第2实施形态来说，其特征在于：所述活性层具有L个(L≥2)所述阻挡层，以配置在最接近所述n型氮化物半导体层的位置上的阻挡层为阻挡层B1，从该阻挡层B1向所述p型氮化物半导体层计算以第i个(i＝1、2、3、…L)阻挡层为阻挡层Bi时，从i＝1到i＝n(1＜n＜L)的阻挡层Bi有n型杂质，i＝L的阻挡层Bi有p型杂质。在此，阻挡处BL相当于第一实施形态的第一阻挡层，是最p侧的阻挡层，此阻挡层BL的作用和第一实施形态同样。因此，第二实施形态的阻挡层BL有至少p型杂质，最好是实质上不包含n型杂质，优先注入p型载流子到阻挡层BL，可以有效的载流子注入。另外，在从i＝1到i＝n的阻挡层Bi有n型杂质，就会从n型层侧按接近的顺序掺入n型杂质到n个阻挡层，载流子浓度提高，所以从n型层到活性层内部顺利注入载流子，结果促进载流子的注入、再结合，元件特性提高。此时，井层无掺杂、掺入n型杂质哪个都可以。特别是以大电流使元件(高输出的LD、LED等)驱动时，如所述，井层为无掺杂、实质上不包含n型杂质，促进在井层的载流子再结合，成为富有元件特性、元件可以靠性的氮化物半导体元件。
在此，在第二实施形态的n需要满足至少条件式0＜n＜L，最好是满足nm＜n＜L、nm＝L/2(但是，nm为舍去小数点以下的正整数)的条件。这是因为活性层内的阻挡层总数大致一半以上包含n型杂质，来自n型层的载流子可以有效注入到活性层的深处(P型层侧)，特别是活性层中的井层数3以上或活性层内部的层叠数7以上的多重量子井结构时会有利地起作用。具体地说，在图2、3，以阻挡层2a、2b为阻挡层Bi掺入n型杂质，以阻挡层2c(图2)或阻挡层2d(图3)为阻挡层BL掺入p型杂质，以夹入阻挡层Bi和BL的其他阻挡层为无掺杂，构成活性层。
另外，在第二实施形态，阻挡层BL膜厚比阻挡层Bi(i1L)膜厚大，如所述，在需要稳定注入大量的载流子到井层的高输出元件，最接近p型层(来自p型层的载流子注入口附近)、存在许多p型载流子的阻挡层BL有宽广空间，可以稳定将大量的载流子从p型层注入到井层，元件可以靠性、元件寿命提高。
<第3实施形态>
在本实施形态，活性层107具有MQW结构：按阻挡层一井层一阻挡层的顺序以适当次数交互反复进行层叠Inx1Ga1-x1N井层(0＜x1＜1)和Inx2Ga1-x2N阻挡层(0≤x2＜1，x1＞x2)，活性层两端都成为阻挡层。井层以无掺杂形成。另一方面，除了邻接p型电子封闭层108的第一阻挡层之外，在全部阻挡层掺入硅、锡等n型杂质，第一阻挡层以无掺杂生长。另外，镁等p型杂质从邻接的p型氮化物半导体层扩散到第一阻挡层。
通过在除了第一阻挡层之外的阻挡层掺入n型杂质，活性层中的起始电子浓度变大而到井层的电子注入效率高，激光器的发光效率提高。另一方面，第一阻挡层因在于最p型层侧而无助于到井层的电子注入。于是，在第一阻挡层不掺入n型杂质，不如通过利用来自p型层的扩散实质上掺入p型杂质，可以提高到井层的空穴注入效率。另外，通过在第一阻挡层不掺入n型杂质，可以防止不同型的杂质混在阻挡层中而载流子的移动度降低。
现就活性层107的具体例加以说明。活性层107具有MQW结构：仅适当次数交互反复进行层叠Inx1Ga1-x1N井层(0＜x1＜1)和Inx2Ga1-x2N阻挡层(0≤x2＜1，x1＞x2)，活性层两端都成为阻挡层。井层以无掺杂形成，除了第一阻挡层之外的全部阻挡层是硅、锡等n型杂质最好以1×1017～1×1019cm-3的浓度掺入所形成。
第一阻挡层以无掺杂形成，通过来自其次使其生长的p型电子封闭层108的扩散包含1×1016～1×1019cm-3镁等p型杂质。而且，也可以使第一阻挡层生长时，使镁等p型杂质以1×1019cm-3以下的浓度一面掺入一面生长。另外，第一阻挡层为了抑制其次使p型电子封闭层108生长时的气体蚀刻所造成的分解的影响，比其他阻挡层被厚地形成。第一阻挡层的适当厚度按照p型电子封闭层108的生长条件而适当变化，例如使其生长成其他阻挡层的最好是1.1～10倍，最好是1.1～5倍的厚度。据此，第一阻挡层起作为防止包含In的活性层分解的保护膜的作用。
<第4实施形态>
就本发明的第4实施形态来说，其特征在于：作为所述活性层内的最外侧的层，有配置在接近p型氮化物半导体层的位置的第一p侧阻挡层和配置在接近所述n型氮化物半导体层的位置的第二n侧阻挡层，同时第一p侧阻挡层有p型杂质，第二n侧阻挡层有n型杂质。此结构具体地说，如图3所示，成为以下所述结构：活性层夹入最外侧的第一p侧阻挡层2a、第二n侧阻挡层2d，设置井层1、阻挡层2b、2c。在活性层内作为最p侧的层，设置第一p侧阻挡层，如所述，可以注入来自p型层的有效载流子，而在活性层内作为最n侧的层，设置第二n侧阻挡层，使来自n型层的载流子注入成为优异。其结果，可以注入、再结合来自p型层、n型层的有效载流子到活性层内，即使高输出元件也可以提高高的元件可以靠性及元件寿命。此时，最好是如图3所示，接触第一p侧阻挡层2d、第二n侧阻挡层2a设置p型层、n型层，据此直接在活性层连接p型层、n型层，实现更优异的载流子注入。此时，就夹入第一p侧阻挡层、第二n侧阻挡层的阻挡层，例如图3的阻挡层2b、2c来说，虽然不被特别限定，但如所述，最好是掺入n型杂质，据此可以有效进行来自n型层的载流子注入，元件可以靠性提高。
另外，通过所述第一p侧阻挡层的膜厚和所述第二n侧阻挡层的膜厚大致相同，如图5、7所示，可以设置活性层最外侧的层大致对称的阻挡层，防止元件偏差，良率提高。此虽然详情不明，但被认为p型层、n型层的载流子注入口的第一p侧阻挡层、第二n侧阻挡层成为对称，在活性层的层结构对称性增加，据此可以得到阈值电流降低、稳定的元件寿命。
再者，在第4实施形态，活性层有二以上的井层，在该井层和井层之间有第三阻挡层，同时所述第三阻挡层的膜厚比所述第一p侧阻挡层及所述第二n侧阻挡层的膜厚小，更能提高元件特性。此因配置在活性层最外侧的第二n侧阻挡层、第一p侧阻挡层分别成为来自n型层、p型层的载流子注入口，是比其他阻挡层大的膜厚而确保可以保持大量的载流子的宽广空间，即使大电流也可以驱动稳定的元件。另一方面，第三阻挡层夹入井层而设置成注入载流子到各井层，如果可以连络井层之间就够了，所以无需如外侧的阻挡层以厚膜设置。另外，在活性层内成为外侧厚膜的阻挡层、活性层中央部薄膜的阻挡层这种结构，以外侧的阻挡层注入来自p型层、n型层的载流子，从n型层、p型层看位于相反侧，以比第三阻挡层厚膜的第一p侧阻挡层、第二n侧阻挡层起作用作为坚固的障壁，促进到各井层的载流子注入、发光再结合。另外，比外侧的阻挡层薄地设置第三阻挡层，可以向下抑制活性层全体的膜厚，有助于降低Vf、阈值电流密度。
以上，如所说明，在第1～4实施形态，作为共同的结构如下：
在第1～4实施形态，在活性层内部配置在最靠近p型层一侧的阻挡层(第一阻挡层、阻挡层BL、第一p侧阻挡层)实质上不包含n型杂质，促进到活性层内的载流子注入，可以得到优异的元件寿命、高输出的氮化物半导体元件，并且包含p型杂质，即使大量的载流子也有效注入、发光再结合，可以得到高输出、长寿命的氮化物半导体元件。此时，最靠近p型层一侧的阻挡层有p型杂质时，最好是以n型杂质为非掺杂或使n型杂质以无掺杂生长而实质上不包含n型杂质的状态。这是因为最靠近p型层一侧的阻挡层有p型杂质时，如果有n型杂质则有阻碍来自p型层的载流子注入的倾向，有效注入大量的载流子的放果变弱，结果使元件寿命、输出特性降低。
<第5实施形态：激光元件>
在本发明的氮化物半导体元件，就激光元件实施形态来说，至少有以下所述结构：以p型氮化物半导体层、n型氮化物半导体层内的n型覆盖层和p型覆盖层夹入活性层。另外，如在实施例所示，在覆盖层和活性层之间设置夹着活性层的导光层也可以。
图1为表示关于本发明的氮化物半导体激光器一例的剖视图。在GaN基板101上利用n型AlYGa1-yN(0≤y＜1)层103～106(各层y的值不同)和p型AlzGa1-zN(0≤z＜1)层108～111(各层z的值不同)夹着由InxGa1-xN(0≤x＜1)构成的活性层107，形成所谓的双异质(double hetero)结构。
在此，就n型覆盖层、p型覆盖层来说，使用包含Al的氮化物半导体，具体地说，适当使用AlbGa1-bN(0＜b＜1)。
在本发明中，就导光层的成分来说，并不被特别限定，由氮化物半导体构成，对形成波导路有充分能带隙即可以，单一膜、多层膜的任一种膜都可以。例如波长370～470nm使用GaN，比其长波长使用InGaN/GaN的多层膜结构，可以增大波导路的折射率，如此可以使用所述各种氮化物半导体、InGaN、GaN、AlGaN等。另外，波导层、覆盖层也可以形成超晶格多层膜。
以下，将就图1所示的氮化物半导体激光器，对于结构详细加以说明。在基板101上透过缓冲层102形成为n型氮化物半导体层的n型接触层103、防裂层104、n型覆盖层105及n型导光层106。除了n型覆盖层105之外的其他层也可以根据元件省略。n型氮化物半导体层在和至少活性层接触的部分需要有比活性层宽的带隙，因此最好是包含Al的结构。另外，各层可以使n型杂质一面掺入一面生长而作为n型，也可以以无掺杂生长而作为n型。
在n型氮化物半导体层103～106上形成活性层107。活性层107的结构如所述。
在活性层107上作为p型氮化物半导体层，形成p型电子封闭层108、p型导光层109、p型覆盖层110、p型接触层111。除了p型覆盖层110之外的其他层也可以根据元件省略。p型氮化物半导体层在和至少活性层接触的部分需要有比活性层宽的带隙，因此最好是包含Al的结构。另外，各层可以使p型杂质一面掺入一面生长而作为p型，也可以从邻接的其他层使p型杂质扩散而作为p型。
p型电子封闭层108由具有比p型覆盖层110高的铝混晶比的p型氮化物半导体构成，最好有AlxGa1-xN(0.1＜x＜0.5)的结构。以高浓度，最好是以5×1017～1×1019cm3的浓度掺入镁等p型杂质。据此，p型电子封闭层108可以将电子有效封闭于活性层中，使激光器的阈值降低。另外，p型电子封闭层108以30～200程度的薄膜使其生长即可以，如果是薄膜则可以比p型导光层109或p型光覆盖层110以低温使其生长。因此，通过形成p型电子封闭层108，比将p型导光层109等直接形成于活性层上的情况，可以抑制包含In的活性层107分解。
另外，P型电子封闭层108起下述作用：将P型杂质利用扩散供给给以无掺杂使其生长的第一阻挡层，两者合作起保护活性层107防止分解，同时提高到活性层107的空穴注入效率的作用。即，作为MQW活性层的最后层，将无掺杂Inx2Ga1-x2N层(0≤x2＜1)比其他阻挡层厚地形成，通过在其上使由高浓度掺入镁等p型杂质的p型AlxGa1-xN(0.1＜x＜0.5)构成的薄膜以低温生长，保护包含In的活性层107防止分解，同时镁等p型杂质从p型AlxGa1-xN层扩散到无掺杂Inx2Ga1-x2N层而可以提高到活性层的空穴注入效率。
p型氮化物半导体层中，到p型导光层109中途形成脊峰条带(ridgestripe)，再形成保护膜161、162、p型电极120、n型电极121、p小块(pat)电极122及n小块电极123而构成半导体激光器。
(电子封闭层：第一p型氮化物半导体层)
在本发明中，作为p型氮化物半导体层，特别是在激光元件，最好设置第一p型氮化物半导体层。就此第一p型氮化物半导体层来说，使用包含Al的氮化物半导体，具体地说，使用AlaGa1-aN(0＜a＜1)。此时，就铝混晶比γ来说，用于激光元件时，为了起作用作为电子封闭层，需要有比活性层十分大的带隙能量(采取偏离)，是至少0.1≤γ＜1的范围，最好是0.2≤γ＜0.5的范围。因为如果γ为0.1以下，则在激光元件不起作用作为充分的电子封闭层，如果为0.2以上，则充分进行电子封闭(载流子封闭)，抑制载流子溢出，并且如果为0.5以下，则可以向下抑制裂纹产生而使其生长，最好是以γ为0.35以下，可以优异结晶性生长。此时，铝混晶比比p型覆盖层大，这是因为要封闭载流子，需要比成为光封闭的覆盖层高的混晶比的氮化物半导体。此第一p型氮化物半导体层可以用于本发明的氮化物半导体元件，特别是如激光元件，以大电流使其驱动，将大量的载流子注入活性层内时，比没有第一p型氮化物半导体层时，可以封闭有效的载流子，不仅激光元件，而且也可以用于高输出的LED。
就本发明的第一p型氮化物半导体层膜厚来说，至少1000以下，最好是400以下。这是因为包含Al的氮化物半导体比其他氮化物半导体(不包含铝)体电阻(bulk resistance)大，如果超过1000设于元件内，就成为极高电阻层，会招致正向电压Vf大幅增加，如果为400以下，则可以向下抑制Vf上升，最好是200以下，可以更向下抑制。在此，就第一p型氮化物半导体层膜厚的下限来说，至少10以上，最好是50以上，优异地起作用作为电子封闭。
另外，在激光元件，此第一p型氮化物半导体为使其起作用作为电子封闭层而设于活性层和覆盖层之间，再有波导层时，设于波导层和活性层之间。此时，活性层和第一p型氮化物半导体的距离至少1000以下，起作用作为载流子封闭，最好是500以下，优异的载流子封闭成为可以能。即，第一p型氮化物半导体层越接近活性层，载流子封闭越有效起作用，而且在激光元件，在活性层和第一p型氮化物半导体层之间，大部分的情况，特别是不需要其他层，所以通常最好接触活性层可以设置第一p型氮化物半导体层。此时，在量子井结构的活性层内连接设置位于最p型氮化物半导体层侧的层和第一p型氮化物半导体层，结晶性恶化时，为避免此情况也可以将在结晶生长的缓冲层设于两者之间。例如在将活性层最p侧的层和InGaN、AlGaN的第一p型氮化物半导体层之间设置由GaN构成的缓冲层或有由比第一p型氮化物半导体层低的铝混晶比的包含Al的氮化物半导体构成的缓冲层等。
在此，第一p型氮化物半导体层和活性层的位置关系，特别是和井层的距离成为决定激光元件的阈值电流密度、元件寿命的重要因素，具体地说，第一p型氮化物半导体层越接近活性层，越使阈值电流密度降低，但越接近会越使元件寿命降低。此被认为是如所述，第一p型氮化物半导体层是比其他层有极高的电阻的层，所以在元件驱动时发热量大，即在元件内呈现高温，此被认为使不耐热的活性层、井层受到不良影响，使元件寿命大幅降低。在另一方面，如所述，担负载流子封闭的第一p型氮化物半导体层越接近活性层，特别是井层，载流子封闭越有效，所以离开活性层其效果就变弱。
因此，为了抑制元件寿命降低，如图8A所示，离井层1b以第一p型氮化物半导体层28的距离dB为至少100以上，较好是120以上，最好是140以上。因为如果井层和第一p型氮化物半导体层的距离dB比100短，则显出元件寿命急剧降低的倾向，如果为120以上，则元件寿命可以大幅度地提高，如果为150以上，则元件寿命有更加提高的倾向，但阈值电流密度却开始显出逐渐变高的倾向。再者，如果其距离比200大，则显出阈值电流密度明显上升倾向，如果比400大，则有发生阈值电池密度急剧上升的倾向，所以就所述距离的上限来说，400以下，最好是200以下。此被认为第一p型氮化物半导体层离开井层，载流子封闭效率降低，此成为主要原因而阈值电流密度上升或招致发光效率降低。
在此，成为距离基准的井层在图8，是在活性层内邻接最p型层13侧的阻挡层2c、配置在n型层侧的井层1b。在量子井结构的活性层，接触活性层设置第一p型氮化物半导体层的情况，有如图8A所示，接触最靠近p型层一侧的阻挡层2c设置第一p型氮化物半导体层28时和如图8B所示，在最p型层13侧的阻挡层2c及第一p型氮化物半导体层28之间有井层4时。在最p型层13侧的阻挡层2c及第一p型氮化物半导体层28之间有井层4时，此井层4反而过度接近p型层13，由p型层所注入的载流子大部分穿过井层4，不发生在此井层4的发光再结合，不起作用作为井层。此时，最靠近p型层一侧的阻挡层2c有p杂质时，到比此阻挡层2c位于n型层侧的井层1a、1b的载流子注入成为优异，另一方面，载流子通知如所述的比此阻挡层2c位于p型层侧的井层4，无助于发光再结合的倾向越发强烈起来，急剧丧失作为井层的功能。因此，在图8B所示的井层4和第一p型氮化物半导体层之间没有如所述的因距离而特性变化，和所述井层的距离dB不管比最靠近p型层一侧的阻挡层位于p型层侧的所述井层1c，成为和比最靠近p型层一侧的阻挡层位于n型层侧的井层的距离，反的即使在这种活性层内有成为最靠近p型层一侧的层的井层，也显出如所述的因距离dB而特性变化。另外，这种比最靠近p型层一侧的阻挡层配置在p型层侧的井层不仅不充分起作用作为井层，而且比没有此井层的情况，有元件寿命等元件特性恶化的倾向，所以最好没有这种井层，以在活性层内配置在最靠近p型层一侧的层为阻挡层，即比图8B采用图8A的结构。
另外，连接设置最靠近p型层一侧的阻挡层2c和第一p型氮化物半导体层28时，在所述井层和第一p型氮化物半导体层之间设置阻挡层2c(最靠近p型层一侧的阻挡层)而以此阻挡层的膜厚可以决定所述距离dB。因此，最靠近p型层一侧的阻挡层(所述第一阻挡层、阻挡层BL、第一p侧阻挡层)膜厚成为决定氮化物半导体元件特性的重要因素。另外，在激光元件，阈值电流密度上升由于所述载流子封闭为主要原因，所以在此也可以适用所述活性层和第一p型氮化物半导体层的关系。
本发明的第一p型氮化物半导体中通常掺入p型杂质，激光元件、大功率LED等以大电流使其驱动时，为提高载流子移动度而以高浓度掺杂。就具体掺杂量来说，掺入至少5×1016/cm3以上，最好掺入1×1018/cm3以上，在于所述大电流驱动的元件，掺入1×1018/cm3以上，最好1×1019/cm3以上。p型杂质量的上限虽然不被特别限定，但为1××1021/cm3以下。但是，p型杂质量增多，体电阻就有变大的倾向，结果Vf上升，所以避免此时，最好是可以确保必需载流子移动度的最低限度的p型杂质浓度。另外，使用镁等扩散倾向强的p型杂质时，也可以使第一p型氮化物半导体层以无掺杂生长，利用来自其邻接层，例如导光层等的杂质扩散掺杂。再者，使第一p型氮化物半导体层以无掺生长，邻接层或p型杂质扩散区域外p型杂质掺杂层存在，在第一p型氮化物半导体层没有杂质扩散的类的情况，即使非掺杂，如果形成如所述载流子可以适度隧穿的膜厚，则也可以以非掺杂设置。
除了以上之外，再加上在本发明的激光元件，接触第一p型氮化物半导体层设置p型导光层时，利用来自第一p型氮化物半导体层的扩散掺入p型杂质，则成为优异的导光层。此是根据波导层内的p型杂质在光波导成为光散射物质，所以在可以确保导电性的范围内，尽量以低浓度有杂质结果导致元件特性提高，很理想。然而，p型导光层生长时掺入p型杂质的方法，在可以向下抑制所述光损失的低浓度区域控制杂质掺入有困难倾向成为问题。因为氮化物半导体元件一般具有按n型层/活性层/P型层顺序层叠的结构，但按此结构使其生长，因活性层中的InGaN等而在接着其后的层的生长需要防止铟的分解等，一般使用使p型层的生长温度以700～900℃程度的低温生长的方法，低温所以缺乏杂质掺杂量的控制量。另外，作为p型杂质，一般使用镁，但有时掺杂量的控制比较困难，生长时在所述低浓度区域掺入杂质，就成为产生元件特性偏差的原因。
因此，第一p型氮化物半导体层考虑p型杂质扩散到导光层，在第一p型氮化物半导体层生长时以高浓度掺入杂质，担负作为杂质供给层的作用较佳。再者，在所述各实施形态，在接触第一p型氮化物半导体层的阻挡层(所述第一阻挡层、阻挡层BL、第一P侧阻挡层)掺入p型杂质时也同样可以使其起作用作为供给杂质的层。
本发明的激光元件如实施例所示，设置脊峰(ridge)后，在脊峰侧面形成成为嵌入层的绝缘膜。此时，就嵌入层来说，在此作为第二保护膜材料，除了二氧化硅以外的材料，最好以包含由包含钛、钒、锆、铌、铪、钽的群所选择的至少一种元素的氧化物、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氮化铝中的至少一种形成，其中尤以使用锆、铪的氧化物、氮化硼、碳化硅特别理想。再者，作为嵌入层，可以用半绝缘性、i型氮化物半导体、和脊背部相反的导电型、在实施例中n型氮化物半导体、作为电流狭窄层AlGaN等包含Al的氮化物半导体或利用InGaN等包含IN的氮化物半导体以嵌入层为比波导路光吸收大的结构，形成此光损失波导路结构等。另外，也可以采取以下所述结构：利用蚀刻等，不设脊峰，注入硼、铝等离子，以非注入区域为带状，形成电流流动的区域。就此时所用的氮化物半导体来说，可以适当使用以InxAl1-yGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、x+y＝1)表示的氮化物半导体。
另外，本发明的第一p型氮化物半导体层如所述，起作用作为载流子封闭，如实施例所示，在发光元件，不需要光封闭的覆盖层而只设置载流子封闭的覆盖层时，也可以适用第一p型氮化物半导体层作为覆盖层。
再者，此第一p型氮化物半导体层为将电子封闭于活性层内而在和活性层之间采取能带偏离(band off set)，即比活性层增大带隙能量，在两者之间设置电位障壁，但在SCH结构的激光元件，最好是比波导层大的带隙能量。另外，设置由带隙能量不同的二层以上的层构成的覆盖层时，在覆盖层内将第一p型氮化物半导体层配置在活性层侧，最好比其他层增大带隙能量设置。具体地说，可以形成以下所述结构：以带隙能量大的第一p型氮化物半导体层为第一覆盖层，比第一覆盖层离活性层远地配置比其带隙能量小的第二覆盖层，例如在实施例1成为去掉波导层的结构。
如以上说明，以第一p型氮化物半导体层为基础思考所述第一阻挡层(最p侧的阻挡层)，则在如图8所示的带结构，利用担负载流子封闭的第一p型氮化物半导体层决定到活性层的载流子封闭，在本发明可以从接触第一p型氮化物半导体层的位置起作为活性层。即，最p侧的阻挡层有和其他阻挡层不同的功能时，如所述，由于和载流子封闭的第一p型氮化物半导体层有密切的关系，所以从接触第一p型氮化物半导体层的界面起可以看作活性层。如此，从接触第一p型氮化物半导体层的位置起看作是活性层，则例如图8B示的井层4，某些层介于第一阻挡层和第一p型氮化物半导体层之间时，也可以由本发明的第一阻挡层、最p侧的阻挡层取得所述效果。具体地说，除了图8B所示的形态之外，也可以在第一阻挡层和第一p型氮化物半导体层之间透过有这些中间的带隙能量的层。再者，如所述，第一阻挡层、最p侧的阻挡层因和其他阻挡层，例如夹入井层的阻挡层其功能大不相同而也可以形成不同的结构、带隙能量。
另外，就脊峰宽度来说，1μm以上3μm以下，最好是1.5μm以上2μm以下，作为光盘系统的光源，可以得到优异光点形状、射束形状的激光光。另外，本发明的激光元件不限于脊峰结构的折射率波导型，也可以是增益波导型，在脊峰方面，可以是利用再生长嵌入脊峰侧面的BH结构或者利用再生长嵌入脊峰的结构，也可以是设置电流狭窄层的结构，所述活性层对所有激光元件结构都有效。
<第6实施形态>
在以上说明的氮化物半导体元件方面，在第4实施形态，是具有以有包含Al的氮化物半导体的上部覆盖层和有包含Al的氮化物半导体的下部覆盖层夹着量子井结构的活性层的激光元件结构的氮化物半导体元件，其特征在于：所述上部覆盖层、下部覆盖层的Al的平均混晶比x为0＜x≤0.05。此以覆盖层的铝混晶比为0.05以下，缓和以上部覆盖层、下部覆盖层夹着的光波导路的封闭，以活性层的阻挡层、井层的膜厚比为所述范围，可以一面抑制自激振荡，一面使输出特性、元件寿命提高。此以降低铝混晶比使覆盖层的折射率差降低，据此可以扩大光波导路内的光分布，成为即使高输出也可以防止自激振荡的激光元件，在5～100mW的输出可以连续振荡，得到适于光盘系统的读取、写入的元件特性的激光元件。此时，最好如图3、4、6、7所示，在所述上部、下部覆盖层和活性层之间有导光层，缩小覆盖层的折射率差，即使扩大光分布在波导层内光也多分布，可以向下抑制光泄漏损失。
另外，在活性层中，井层为40以上的厚膜，膜厚比Rt在于1/3以上1以下的范围时，在所述第1～4实施形态、第5实施形态也可以提高元件特性。对于此也是如何起作用而元件特性提高不清楚，但以往使用设置比井层十分厚的阻挡层提高在井层的发光再结合的机率的结构。然而，在所述活性层形成超过40加厚井层，并且与井层比较使阻挡层变薄的结构，通过井层厚，发光再结合的区域增加，设于井层间的阻挡层变薄，均匀注入载流子到各井层，发光再结合的机率提高。再者，在高输出的元件，因以大电流驱动而注入大量的载流子到井层，但通过井层厚，可以扩大发光再结合的区域，通过阻挡层薄，有越过阻挡层均匀注入到各井层的倾向。
此时，井层的膜厚超过40，井层和阻挡层的膜厚比Rt(Rt＝[井层的膜厚]/[阻挡层的膜厚])为1/3以上1以下的范围，则作为光盘系统的光源，可以得到优异特性的激光元件。这是因为以井层的膜厚为40以上，如图12所示，成为元件寿命长的元件，在于所述范围，有可以向下抑制RIN(相对杂讯强度)的倾向。最好是以井层的膜厚为50以上，可以再提高元件寿命。另外，Rt为1以上时，虽然RIN变大，但元件寿命长，可以得到输出大的激光元件，所以光盘系统以外的应用可以能。在以上，阻挡层的膜厚超过40，如图13所示，可以得到元件寿命长的激光元件，很理想。
<第7实施形态：井层数>
在以上说明的第1～6实施形态，以活性层中的井层数为1以上3以下，即使大电流的元件驱动也可以得到优异元件特性的氮化物半导体元件。此在以往作为活性层中的井层数，使用4～6程度者，但井层数增多，可以提高载流子再结合机率的反面，包含阻挡层数在内，活性层全体膜厚必然变大，有Vf变大的倾向。再者，即使增多井层数，载流子再结合机率也不太变高实验的结果明确，特别是如LD，以大电流、高电流密度使其驱动的元件的情况，该倾向特别显著。例如LD的情况，在多重量子井结构使井层数变化，通过井层数减少，有阈值电流下降的倾向，将井层数从6急剧减少到成为4之间，再在4到3之间平稳减少，然后井层数在2或3的处取极小值，在1时，即单一量子井结构，比2、3时稍高或有取2和3间的值的倾向。另外，关于高输出的LED也显出同样的倾向。
在此，就各图说明如下。图2、3为本发明一实施形态的模式剖视图，特别是在激光元件结构，表示以n型层11和p型层13夹入活性层12的结构。图2有以下结构：以上部覆盖层30和下部覆盖层25夹着活性层12，在活性层12和上部覆盖层30之间有为电子封闭层的第一p型氮化物半导体层28，活性层12的量子井结构是以阻挡层2a/井层1a为一对而反复进行层叠，最后设置阻挡层2c。图3与图2相比不同的点，是在上部、下部覆盖层30、25和活性层12之间有上部、下部导光层29、26。图4～8、10表示活性层12或活性层周边的层叠结构20和在其层叠结构20下与其对应的能带隙21。图4、6是活性层的量子井结构在膜厚有非对称结构，和其相反，图5、7有对称结构，图4、5是活性层内的井层数为3，图6、7为2，图5为不包含导光层，图4、7、8为有导光层的结构层。图8为层叠活性层12和p型层13的结构，表示p型层13内的第一p型氮化物半导体层28、配置在活性层、最靠近p型层一侧的阻挡层2c及配置在比该阻挡层2c接近n型层的侧的井层1b的关系。
<第8实施形态>
在本发明中，第8实施形态可以得到适于DVD、CD等光盘系统的光源的高速响应特性、RIN的激光元件。具体地说，在量子井结构的活性层有第一阻挡层(最p侧的阻挡层)和第二阻挡层时，以第二阻挡层和井层的膜厚比Rt为0.5≤Rt≤3的范围。此时，第一阻挡层(最p侧的阻挡层)和第二阻挡层与所述实施形态同样。特别是在此膜厚比方面，第二阻挡层在MQW夹入井层的阻挡层，即井层间的距离重要。如所述，由于在最p侧的阻挡层和其他阻挡层有不同的功能，所以影响所述响应特性、RIN的阻挡层是所述最p侧的阻挡层(第一阻挡层)以外的阻挡层重要，特别是在MQW，夹入井层的阻挡层和井层的膜厚比会使所述特性大幅受到影响。如果膜厚比Rt在于所述范围，则成为光盘系统的光源佳的激光元件，如果小于0.5，则阻挡层的膜厚比井层过大，特别有响应特性恶化的倾向，而超过3，则特别使RIN受到不良影响，在高频重叠下有成为杂讯大的光源的倾向。最好是0.8≤Rt≤2，成为所述各特性优异的激光元件。另外，此时井层的膜厚dw分别最好是40≤dw≤100。因为如从图12得知，在所述各实施形态，井层越是厚膜，越可以实现优异的元件寿命，另一方面，如果膜厚超过100，则响应特性、RIN的恶化变大，有不适于光盘系统的光源的倾向。另外，最好是60≤dw≤80。这是因为在为元件寿命另外评价的恶化速度评价方面，井层的膜厚变大，则有恶化速度降低的倾向，但在60以上80以下的区域增大井层的膜厚，显出急剧的降低，在超过80的区域则有平缓降低的倾向。另外，就阻挡层(第二阻挡层)膜厚db来说，由图13的膜厚和元件寿命的关系，40以上可以形成优异元件寿命的激光元件。
该实施形态最好和所述1～7实施形态组合适用。另外，所述第二阻挡层在图6、7所示的形态，是至少活性层中的阻挡层，适用于所述最p侧的阻挡层(第一阻挡层)2c以外的阻挡层的任一阻挡层，最好如所述，适用于夹入井层的阻挡层2b，最好是适用于除了所述最p侧的阻挡层之外的全部阻挡层将导致所述特性提高，很理想。
以下，就本案发明的实施例加以说明。
[实施例1]
以下，作为实施例，就使用如图8所示的激光元件结构的氮化物半导体的激光元件加以说明。
在此，在本实施例使用GaN基板，但作为基板也可以使用和氮化物半导体不同的异种基板。就异种基板来说，例如以C面、R面及A面的任一面为主面的蓝宝石、尖晶石(MgAl2O4的类的)绝缘性基板、SiC(包含6H、4H、3C)、ZnS、ZnO、GaAs、Si及与氮化物半导体晶格匹配的氧化物基板等可以使氮化物半导体生长，是所习知，可以使用和氮化物半导体不同的基板材料。就较佳的异种基板来说，可以举蓝宝石、尖晶石。另外，异种基板也可以倾斜(off-angle)，这种情况使用倾斜成阶梯状者，由氮化镓构成的底层生长使其结晶性佳地生长，很理想。再者，使用异种基板时，可以在异种基板上使成为元件结构形成前的底层的氮化物半导体生长后，利用研磨等方法除去异种基板，作为氮化物半导体的单体基板形成元件结构，或者也可以是元件结构形成后除去异种基板的方法。
使用异种基板时，透过由缓冲层(低温生长层)、氮化物半导体(最好是GaN)构成的底层形成元件结构，氮化物半导体的生长优异。另外，作为设于异种基板上的底层(生长基板)，其他使用ELOG(Epitaxially LaterallyOvergrowth)生长的氮化物半导体，可以得到结晶性优异的生长基板。就ELOG生长层的具体例来说，在异种基板上使氮化物半导体层生长，将在其表面设置氮化物半导体生长困难的保护膜等形成的罩幕区域和使氮化物半导体生长的非罩幕区域设置成带状，通过从其非罩幕区域使氮化物半导体生长，除了向膜厚方向生长之外，还向横向生长，在罩幕区域也氮化物半导体生长而有成膜的层等。其他形态，在使其生长于异种基板上的氮化物半导体层设置开口部，进行从其开口部侧面向横向的生长而成膜的层也可以。
(基板101)作为基板，使生长于异种基板的氮化物半导体，在本实施例为GaN，以厚膜(100μm)生长后，除去异种基板，使用由80μm的GaN构成的氮化物半导体基板。基板的详细形成方法如下。将由2英寸f、以C面为主面的蓝宝石构成的异种基板放置于MOVPE反应容器内，以温度为500℃，使用三甲基镓(TMG)、氨(NH3)，使由GaN构成的缓冲层以200的膜厚生长，其后提高温度，使无掺杂的GaN以1.5μm的膜厚生长而成为底层。其次，在底层表面形成多数带状罩幕，从罩幕开口部(窗部)使氮化物半导体，在本实施例为GaN选择生长，使由伴随横向生长的生长(ELOG)所成膜的氮化物半导体层再以厚膜生长，除去异种基板、缓冲层、底层，得到氮化物半导体基板。此时，选择生长时的罩幕由二氧化硅构成，罩幕宽度15μm，开口部(窗部)宽度5μm。
(缓冲层102)在氮化物半导体基板上，以温度为1050℃，使用TMG(三甲基镓)、TMA(三甲基铝)、氨，使由Al0.05Ga0.95N构成的缓冲层102以4μm的膜厚生长。此层在AlGaN的n型接触层和由GaN构成的氮化物半导体基板之间起作用作为缓冲层。其次，在由氮化物半导体构成的底层上层叠成为元件结构的各层。
具体地说，横向生长层或使用其形成的基板为GaN时，使用由比其热膨胀是数小的氮化物半导体的AlaGa1-aN(0＜a≤1)构成的缓冲层102，可以使坑(pit)减少。最好设于为氮化物半导体的横向生长层的GaN上。再者，缓冲层102的铝混晶比为0＜a＜0.3，则可以使结晶性优异形成缓冲层。可以形成此缓冲层作为n侧接触层，也可以是下述形态：形成缓冲层102后，形成以所述缓冲层组成式表示的n侧接触层，使缓冲层102和其上的n侧接触层104都具有缓冲效果。即，此缓冲层102设于使用横向生长的氮化物半导体基板、形成于其上的横向生长层和元件结构之间、元件结构中的活性层和横向生长层(基板)或和形成于其上的横向生长层(基板)之间，最好是在元件结构中的基板侧、下部覆盖层和横向生长层(基板)之间设置至少一层以上，可以减少坑(pit)，使元件特性提高。此缓冲层在本发明可以在活性层中，特别是所述厚膜的包含In的氮化物半导体形成使结晶性优异，所以最好设置缓冲层。
(n型接触层103)其次在所得到的缓冲层102上使用TMG、TMA、氨、硅烷气体作为杂质气体，使以1050℃掺入硅的由Al0.05Ga0.95N构成的n型接触层103以4μm的膜厚生长。
(防裂层104)其次使用TMG、TMI(三甲基铟)、氨，以温度为800℃，使由In0.06Ga0.94N构成的防裂层104以0.15μm的膜厚生长。而且，此防裂层可以省略。
(n型覆盖层105)其次以温度为1050℃，在原料气体使用TMA、TMG及氨，使由无掺杂的Al0.05Ga0.95N构成的A层以25的膜厚生长，接着停止TMA，使用硅烷气体作为杂质气体，使由掺入5×1018/cm3硅的GaN构成的B层以25的膜厚生长。然后，将此操作分别反复进行200次而A层和B层层叠，使由总膜厚1μm的多层膜(超晶格结构)构成的n型覆盖层106生长。此时，就无掺杂AlGaN的铝混晶比来说，如果是0.05以上0.3以下的范围，则可以设置充分起作用作为覆盖层的折射率差。
(n型导光层106)其次以同样的温度在原料气体使用TMG及氨，使由无掺杂的GaN构成的n型导光层106以0.15μm的膜厚生长。另外，也可以掺入n型杂质。
(活性层107)其次以温度为800℃，在原料气体使用TMI(三甲基铟)、TMG及氨，使用硅烷气体作为杂质气体，将由掺入5×1018/cm3硅的In0.05Ga0.95N构成的阻挡层(B)以140的膜厚，停止硅烷气体，将由无掺杂的In0.1Ga0.9N构成的井层(W)以25的膜厚，按(B)/(W)/(B)/(W)的顺序层叠此阻挡层(B)、井层(W)。最后，作为最上部的阻挡层，在原料气体使用TMI(三甲基铟)、TMG及氨，使无掺杂的In0.05Ga0.95N以140的膜厚生长。活性层107成为总膜厚约470的多重量子井结构(MQW)。
(p型电子封闭层108：第一p型氮化物半导体层)其次以同样的温度在原料气体使用TMA、TMG及氨，使用Cp2Mg(环戊二烯合镁)，使由掺入1×1019/cm3镁的Al0.3Ga0.7N构成的p型电子封闭层108以100的膜厚生长。此层也可以不特别设置，但设置可以起作用作为电子封闭，有助于阈值降低。另外，在此p型杂质的镁从p型电子封闭层108扩散到邻接其的最上部阻挡层，成为掺入5～10×1016/cm3程度镁到最上部阻挡层的状态。
(p型导光层109)其次以温度为1050℃，在原料气体使用TMG及氨，使由无掺杂的GaN构成的p型导光层109以0.15μm的膜厚生长。
该p型导光层109虽然作为无掺杂使其生长，但通过来自p型电子封闭层108、p型覆盖层109等邻接层的镁扩散，镁浓度成为5×1016/cm3，表示p型。另外，此层在生长时特意掺入镁也可以。
(p型覆盖层110)接着以1050℃使由无掺杂Al0.05Ga0.95N构成的层以25的膜厚生长，接着停止TMA，使用Cp2Mg使由掺入镁的GaN构成的层以25的膜厚生长，将其反复进行90次而使由总膜厚0.45μm的超晶格层构成的p型覆盖层110生长。p型覆盖层至少一方包括包含Al的氮化物半导体层，以层叠带隙能量互相不同的氮化物半导体层的超晶格制作时，杂质多掺入任何一方的层，进行所谓的调制掺杂，则有结晶性优异的倾向，但两方相同般地掺杂也可以。覆盖层110希望是包含Al的氮化物半导体层，较好是包含AlxGa1-xN(0＜x＜1)的超晶格结构，最好是层叠GaN和AlGaN的超晶格结构。通过以p侧覆盖层110为超晶格结构，可以提高覆盖层全体的铝混晶比，所以覆盖层本身的折射率变小，并且带隙能量变大，所以在使阈值降低上非常有效。再者，通过形成超晶格，在覆盖层本身产生的坑(pit)比不形成超晶格者少，所以短路的发生也低。
(p型接触层111)最后以1050℃在p型覆盖层110上使由掺入1×1020/cm3镁的p型GaN构成的p型接触层111以150的膜厚生长。P型接触层111可以用p型InxAlYGa1-x-yN(0≤x、0≤y、x+y≤1)构成，较好是如果是掺入镁的GaN，则和p电极120可以得到最好的电阻性接触。由于接触层111是形成电极的层，所以希望是1×1017/cm3以上的高载流子浓度。如果比1×1017/cm3低，则有和电极得到优异电阻性困难的倾向。再者，如果以接触层的组成为GaN，则和电极材料容易得到优异电阻性。反应结束后，在反应容器内将晶片在氮气氛中以700℃进行退火(annealing)，使p型层进一步低电阻化。
如以上使氮化物半导体生长，层叠各层后，由反应容器取出晶片，在最上层的p型接触层表面形成由二氧化硅构成保护膜，使用RIE(反应性离子蚀刻)，利用四氯化硅气体蚀刻，如图1所示，使为了形成n电极的n型接触层103表面露出。如此要深深地蚀刻氮化物半导体，二氧化硅最适合作为保护膜。
其次，形成脊峰条带作为所述带状波导路区域。首先，在最上层的p型接触层(上部接触层)大致全面利用PVD装置以0.5μm的膜厚形成由硅氧化物(主要是二氧化硅)构成的第一保护膜161后，在第一保护膜161上施加预定形状的罩幕，利用RIE(反应性离子蚀刻)装置，使用四氟化碳气体，通过微影技术形成条带宽度1.6μm的第一保护膜161。此时，脊峰条带高度(蚀刻深度)是蚀刻p型接触层111及p型覆盖层109、p型导光层110一部分，蚀刻到p型导光层109膜厚成为0.1μm的深度而形成。
其次，脊峰条带形成后，从第一保护膜161上将由锆氧化物(主要是二氧化锆)构成的第二保护膜162在第一保护膜161上和由蚀刻所露出的p型导光层109上以0.5μm的膜厚连续形成。
第二保护膜162形成后，将晶片以600℃热处理。如此形成二氧化硅以外的材料作为第二保护膜时，在第二保护膜成膜后，通过以300℃以上，最好是400℃以上，氮化物半导体的分解温度以下(1200℃)热处理，第二保护膜对于第一保护膜的溶解材料(氢氟酸)难以溶解，所以更希望增加此工序。
其次，将晶片浸入氢氟酸，利用卸下法(lift-off)除去第一保护膜161。据此，除去设于p型接触层111上的第一保护膜161，露出p型接触层。如以上，如图1所示，在脊峰条带侧面及接着其的平面(p型导光层109露出面)形成第二保护膜162。
如此，除去设于p型接触层112上的第一保护膜161后，如图1所示，在其露出的p型接触层111表面形成由镍/金构成的p电极120。但是，p电极120作为100μm的条带宽度，如图1所示，遍及第二保护膜162上形成。第二保护膜162形成后，在已使其露出的n型接触层103表面将由钛/铝构成的带状n电极121在和条带平行的方向形成。
其次，在为形成n电极而蚀刻露出的面，为在p、n电极设置取出电极而给希望区域掩盖，设置由二氧化硅和二氧化钛构成的绝缘多层膜164后，在p、n电极上分别设置由镍-钛-金(1000-1000-8000)构成的取出(小块)电极122、123。此时，活性层107宽度为200μm的宽度(与谐振器方向垂直方向的宽度)，在谐振器面(反射面侧)也设置由二氧化硅和二氧化钛构成的绝缘多层膜。
如以上形成n电极和p电极后，在与带状电极垂直方向，在氮化物半导体的M面(GaN的M面、(11-00)等)分割成棒状，再分割棒状晶片而得到激光元件。此时，谐振器长为650μm。
如此得到的激光元件成为图7所示的层叠结构20及带隙能量图，相当于所述第1、2、4、5实施形态。成为棒状时，可以在夹入蚀刻端面的波导路区域内劈开，以得到的劈开面为谐振器面，也可以在波导路区域外劈开而以蚀刻端面为谐振器面，也可以形成以一方为蚀刻端面、以他方为劈开面的一对谐振器面。另外，虽然在所述蚀刻端面的谐振面设置由绝缘多层膜构成的反射膜，但也可以在劈开面的谐振器面也劈开后设置反射膜。此时，就反射膜来说，使用由SiO2、TiO2、ZrO2、ZnO、Al2O3、MgO、聚醯亚胺构成的群的至少一种，可以是以λ/4n(λ为波长，n为材料折射率)的膜厚层叠的多层膜，也可以只用一层，也可以也使其起作用作为和反射膜同时防止谐振器端面露出的表面保护膜。要使其起作用作为表面保护膜，也可以以λ/2n的膜厚形成。另外，也可以是下述激光元件：在元件加工工序不形成蚀刻端面，即只使n电极形成面(n侧接触层)露出，以一对劈开面为谐振器面。
再分割棒状晶片时也可以使用氮化物半导体(单体基板)的劈开面，可以在六方晶系在近似的M面、A面({1010})劈开与劈开成棒状时的劈开面垂直的氮化物半导体(GaN)，取出晶片，或者也可以在劈开成棒状时使用氮化物半导体的A面。
在室温下，在阈值2.8kA/cm2、5～30mW的输出可以得到振荡波长405nm的连续振荡的激光元件。所得到的激光元件的元件寿命与比较例1相比，在60℃、5mW的连续振荡可以得到相当于2～3倍的2000～3000小时的元件寿命。另外，在反向耐压特性方面，与比较例1相比，就反向耐压进行检查的结果，许多激光元件不被破坏，再提高电压，在100V即使在检查也得到不被破坏，与比较例1相比，显出大约2倍的反向耐压特性提高。
[实施例2]
在实施例1中，活性层中的阻挡层内，掺入1×1018/cm3镁形成位于活性层和p型电子封闭层的界面的阻挡层(最后层叠的阻挡层、位于最p侧的阻挡层)之外，同样进行而得到激光元件。所得到的激光元件与实施例1相比，利用所述最后阻挡层掺入许多镁。另外，其特性在元件寿命、反耐压特性方面，得到大致同等的特性。
[实施例3]
除了按下述条件形成活性层之外，和实施例1同样制作氮化物半导体元件。
(活性层107)
其次，以温度为800℃，在原料气体使用TMI(三甲基铟)、TMG及氨，使用硅烷气体作为杂质气体，将由掺入5×1018/cm3硅的In0.05Ga0.95N构成的阻挡层(B)以140的膜厚，停止硅烷气体，将由无掺杂的In0.1Ga0.9N构成的井层(W)以40的膜厚，按(B)/(W)/(B)/(W)的顺序层叠此阻挡层(B)、井层(W)。最后，作为最后阻挡层，在原料气体使用TMI(三甲基铟)、TMG及氨，使无掺杂的In0.05Ga0.95N生长。活性层107成为总膜厚约500的多重量子井结构(MQW)。
在室温下，在阈值2.8kA/cm2、5～30mW的输出可以得到振荡波长405nm的连续振荡的激光元件。所得到的激光元件的元件寿命在60℃、5mW的连续振荡成为5000～6000小时。此在室温相当于接近十万小时的元件寿命。另外，就反向耐压来说，得到约45V。
[实施例4]
在实施例3，活性层中的阻挡层内，掺入1×1018/cm3镁形成位于活性层和p型电子封闭层的界面的阻挡层(最后阻挡层)之外，同样进行而得到激光元件。所得到的激光元件与实施例3相比，利用所述最后阻挡层掺入许多镁。另外，其特性在元件寿命、反向耐压特性方面，得到大致同等的特性。
[实施例5]
在实施例1中，以井层的膜厚为55。其结果所得到的激光元件与实施例1相比，元件寿命大幅度地提高，按50℃、30mW的条件使其连续振荡的结果，可以得到1000～2000小时的长寿命的激光元件。
再者，同样地将实施例1的井层的膜厚增加为60、80、90，元件寿命有与膜厚大致成比例增加的倾向，另一方面，可以确认井层的膜厚增加而活性层全体膜厚增加而Vf、阈值电流增加。然而，任一情况与比较例1相比，都有非常优异的元件寿命。另外，关于Vf、阈值电流，活性层全体膜厚有关系，取决于其层叠结构，不能一概而论，但如实施例1，井层数少成2层时，在多重量子井结构不太大幅取决于最小井层数、井层的膜厚变化，Vf、阈值电池上升被向下抑制，在比实施例1稍大的程度平稳下来，在LD的连续振荡不至于重大元件特性恶化。因此，井层的膜厚在40以上可以谋求元件特性提高，较好是50以上，可以更显著大幅长寿命化。另外，此时如果以井层的膜厚为50以上，则可以在输出80mW振荡，可以得到100mW的输出。
[实施例6]
在实施例1中，以最后阻挡层(位于最上部的阻挡层)为150的膜厚的结果，元件寿命有比实施例1长的倾向。此被认为如图9A及9B所示，最上部阻挡层2c变厚，井层1b和p型电子封闭层28的距离dB必然变大，如所述，因第一p型氮化物半导体层(p型电子封闭层)为高电阻而在元件驱动时比其他层成为高的温度，可以能分开此层和井层，保护井层不受温度上升的不良影响，以优异的振荡特性进行激光振荡所致。
[实施例7]
在实施例1中，活性层以阻挡层的膜厚70按阻挡层/井层/阻挡层/井层的顺序层叠，最后层叠膜厚140的阻挡层。此时，使井层的膜厚成22.5、45、90、130变化，将按50℃、30mW的条件使其连续振荡时的元件寿命表示于图12。如从图可以明白，随著井层的膜厚增加，元件寿命增大，可以得到优异元件寿命的激光元件。此时，在井层的膜厚45、90、130，和实施例5同样，30mW以上的高输出振荡可以能，90、130时，可以得到在80～100mW的输出可以能的激光元件。
[实施例8]
在实施例1中，活性层以井层的膜厚45按阻挡层/井层/阻挡层/井层的顺序层叠，最后层叠膜厚140的阻挡层。此时，使最后层叠的阻挡层以外的阻挡层的膜厚成22.5、45、90、135变化，将按50℃、30mW的条件使其连续振荡时的元件寿命表示于图13。如从图可以明白，如果阻挡层的膜厚增加，则即使从50附近使膜厚增加，元件寿命也成为大致一定，显出不变化的倾向。因此，得知作为阻挡层，形成至少40以上，在本发明的氮化物半导体元件可以实现优异的元件寿命。
[实施例9]
在实施例1中，以覆盖层多层膜的AlGaN层的铝混晶比为0.1之外，同样进行而得到激光元件。所得到的激光元件是覆盖层的Al的平均混晶比为0.05，以30mW在单一模式、连续振荡可以观测到自激振荡。再者，如果以覆盖层多层膜中的AlGaN的铝混晶比为0.15，则此时覆盖层的Al的平均混晶比成为约0.78，比Al的平均混晶比为0.05时证实明显以高的机率自激振荡。因此，覆盖层的Al的平均混晶比为0.05以下，最好是0.025或是0.03以下，可以得到确实无自激振荡的激光元件。
[实施例10]
在实施例1中，使最上部阻挡层(配置在最靠近p型层一侧的阻挡层)以150的膜厚使其生长之外，和实施例1同样进行而得到激光元件。所得到的激光元件与实施例1相比，虽然稍微但显出元件寿命上升的倾向。反的，以最上部阻挡层为100的膜厚的激光元件与实施例1相比，元件寿命大幅降低。
[实施例11]
在实施例1中，除了不设置p型电子封闭层108而在活性层107上直接设置p型导光层109之外，和实施例1同样进行而得到激光元件。所得到的激光元件虽然Vf降低约1V左右，但阈值电流却急剧上升，在激光元件中也显出振荡困难。此被认为不包含高电阻的第一p型氮化物半导体层(p型电子封闭层108)，虽然Vf降低，但电子封闭于活性层内成为困难，导致阈值急剧上升。
[实施例12]
在实施例1中，以井层数为3层，以阻挡层数为4层，如图4所示，形成层叠的活性层之外，和实施例1同样进行而得到激光元件。所得到的激光元件与实施例1相比，因活性层全体膜厚变大而Vf上升，并且井层数多，显出阈值电流也稍微上升的倾向。再者，阻挡层/井层交互层叠，最后层叠阻挡层，形成阻挡层5层、井层4层的活性层，比井层为2层、3层时明显阈值电流上升，并且Vf也变高。
在此，在图4，以最初阻挡层(第二n侧阻挡层)2a和最后阻挡层(第一p侧阻挡层)2d为膜厚140，以阻挡层2b、2c膜厚为100时(图5所示的活性层结构)比所述图5的情况，元件特性的偏差，特别是元件寿命的晶片间的偏差减少，显出可以得到优异元件特性的激光元件的倾向。
[比较例1]
在实施例1中，以活性层中的阻挡层全部为掺入硅之外，同样进行而得到激光元件。所得到的激光元件在60℃、5mW输出的连续振荡，成为1000小时的元件寿命。另外，就所得到的激光元件的反向耐压特性评价的结果，激光元件的大部分在反向耐压50V的条件被破坏。在此，使在活性层中最后层叠的阻挡层的硅掺杂量成1×1017、1×1018、1×1019/cm3变化，调查元件寿命和反耐压特性的变化，表示于图14、15。在图中所谓无掺杂，与实施例1对应。如从图可以明白，得知掺入硅到在活性层内配置在最靠近p型层一侧的阻挡层，随著掺杂量变多，元件寿命、反耐压特性降低，元件特性恶化。
对于所得到的激光元件利用SIMS(二次离子质量分析法)等分析的结果，活性层中的阻挡层内，在位于和p型电子封闭层的界面的最上部阻挡层(位于最靠近p型层一侧的阻挡层)检测出硅和镁。因此，所得到的激光元件有在所述最上部阻挡层掺入硅和镁的状态，此情况与在实施例1所得到的激光元件相比，被认为是其特性大幅降低的原因。然而，如图14、15所示，使硅掺杂量变化时，因镁掺杂量不变化而元件特性降低被认为主要是起因于n型杂质。
[实施例13]
在实施例1中，取代活性层107，使用图10及以下说明的活性层407得到激光元件。
(活性层407)
以温度为880℃，在原料气体使用TMI、TMG及氨，使用硅烷气体作为杂质气体，使用掺入5×1018/cm3硅的In0.01Ga0.99N构成的第一阻挡层401a以100的膜厚生长。接着将温度降到820℃，停止硅烷气体，使由无掺杂的In0.3Ga0.7N构成的井层402a以50的膜厚生长。再以同温度使用TMA，使由Al0.3Ga0.7N构成的第二阻挡层403a以10的膜厚生长。如图10所示，再反复进行一次这些第一阻挡层401a、井层402a、第二阻挡层403a的三层结构而层叠各层401b、402b、403b，最后以膜厚140形成无掺杂的In0.01Ga0.99N作为最上部的阻挡层404，形成由总膜厚460的多重量子井(MQW)构成的活性层407。此时，p型杂质的镁从邻接的p型电子封闭层108扩散到位于最靠近p型层一侧的最上部阻挡层404，成为有镁的阻挡层。所得到的激光元件可以得到波长470nm的光，成为高输出、长寿命的激光元件。此时，就设于井层上部的第二阻挡层来说，是包含Al的氮化物半导体，最好是以AlzGa1-zN(0＜z≤1)表示的氮化物半导体，在井层形成适度的凹凸，产生铟偏析或浓度分布，据此可以得到量子点或量子细线的效果，比不设第二阻挡层的情况成为高输出的氮化物半导体元件。此时，铝混晶比z为0.3以上，有优异产生井层凹凸的倾向，很理想。此时，第二阻挡层即使不特别接触井层设置，也可以得到同样的效果。另外，接触井层位于下部的阻挡层如第一阻挡层，是不包含Al的阻挡层，可以结晶性优异地形成井层，很理想。
[实施例14]
如下制作图9A及9B所示的发光元件。
将由蓝宝石(C面)构成的基板301放置于MOVPE的反应容器内，一面使氢流动，一面使基板温度上升到1050℃，进行基板的清洗。
(缓冲层302)
接着，将温度降到510℃，在载气使用氢，在原料气体使用氨、TMG(三甲基镓)及TMA(三甲基铝)，在基板301上使由GaN构成的缓冲层302以约150的膜厚生长。
(底层303)
缓冲层302生长后，只停止TMG，使温度上升到1050℃。达到1050℃，在同原料气体使用TMG、氨气，使由无掺杂GaN构成的底层303以1.5μm的膜厚生长。此底层303起作用作为使氮化物半导体生长的基板。
(n型接触层304)
接着，以1050℃在同原料气体使用TMG、氨气，在杂质气体使用硅烷气体，使由掺入4.5×1018/cm3硅的GaN构成的n型接触层304以2.25μm的膜厚生长。
(n侧第一多层膜层305)
其次，只停止硅烷气体，以1050℃使用TMG、氨气，使由无掺杂GaN构成的下层305a生长，接着以同温度追加硅烷气体，使由掺入4.5×1018/cm3硅的GaN构成的中间层305b以300的膜厚生长，再接着只停止硅烷气体，以同温度使由无掺杂GaN构成的上层305c以50的膜厚生长，使由305a/305b/305c的三层构成的总膜厚3350的第一多层膜层305生长。
(n侧第二多层膜层306)
其次，以同样温度使由无掺杂GaN构成的第二氮化物半导体层生长40，其次以温度为800℃，使用TMG、TMI、氨，使由无掺杂In0.13Ga0.87N构成的第一氮化物半导体层生长20。反复进行这些操作，按第二氮化物半导体层+第一氮化物半导体层的顺序使其交互各层叠十层，最后使由GaN构成的第二氮化物半导体层生长40后使由所形成的超晶格结构的多层膜构成的n侧第二多层膜层306以640的膜厚生长。
(活性层307)
其次，使由GaN构成的阻挡层以250的膜厚生长，接着以温度为800℃，使用TMG、TMI、氨，使由无掺杂In0.3Ga0.7N构成的井层以30的膜厚生长。然后，按阻挡层B1/井层/阻挡层B2/井层/阻挡层B3/井层/阻挡层B4/井层/阻挡层B5/井层/阻挡层B6/井层/阻挡层B7的顺序以阻挡层为7层，以井层为6层，交互层叠，使由总膜厚1930的多重量子井结构构成的活性层307生长。此时，掺入1×1017/cm3硅到阻挡层B1、B2，剩余的阻挡层Bi(i＝3、4、…7)以无掺杂形成。
(p型多层膜覆盖层308)
其次，以温度1050℃使用TMG、TMA、氨、Cp2Mg(环戊二烯合镁)，使由掺入1×1020/cm3镁的p型Al0.2Ga0.8N构成的第三氮化物半导体层以40的膜厚生长，接着以温度为800℃使用TMG、TMI、氨、Cp2Mg，使由掺入1×1020/cm3镁的In0.03Ga0.97N构成的第四氮化物半导体层以25的膜厚生长。反复进行这些操作，按第三氮化物半导体层+第四氮化物半导体层的顺序交互各层叠5层，最后使第三氮化物半导体层以40的膜厚生长的使由超晶格结构的多层膜构成的p型多层膜覆盖层308以365的膜厚生长。
(p型GaN接触层310)
接着，以1050℃使用TMG、氨、Cp2Mg，使由掺入1×1020/cm3镁的p型GaN构成的p型接触层310以700的膜厚生长。
反应结束后，将温度降到室温，再在氮气氛中，将晶片在反应容器内以700℃进行退火，使p型层进一步低电阻化。
退火后，从反应容器取出晶片，在最上层的p型接触层310表面形成预定形状的罩幕，用RIE(反应性离子蚀刻)装置从p型接触层侧进行蚀刻，如图9A及9B所示，使n型接触层4表面露出。
蚀刻后，在最上层的p型接触层310大致全面将包含膜厚200的镍和金的透光性p电极311及其p电极311上由焊接用的金构成的p垫片电极以0.5μm的膜厚形成。另一方面，在利用蚀刻使其露出的n型接触层304表面形成包含钨和铝的n电极312，得到发光元件。所得到的发光元件在最接近n型层的阻挡层B1和其其次的阻挡层B2掺入n型杂质，可以有效注入来自n型层的载流子到活性层的深处(p型层侧)，比以全部阻挡层为无掺杂的比较例2，光电变换效率提高，Vf及漏电流减少，发光输出提高。
[实施例15]
在实施例14的活性层中，在位于最p侧的阻挡层B7掺入1×1018/cm3镁作为p型杂质之外，和实施例14同样进行而得到发光元件。所得到的发光元件与实施例14相比，在最上部的阻挡层B7有p型杂质，来自p型层的载流子注入也有效率，光电变换效率提高，发光输出也提高。
[比较例2]
在实施例14中，活性层中的全部阻挡层、井层都以无掺杂使其生长之外，和实施例14同样进行而得到发光元件。所得到的发光元件与实施例14相比，发光输出低，并有元件寿命差的倾向。
[实施例16]
现就图11所示的面发光型激光元件说明如下。
(基板501)使用和用于实施例1的氮化物半导体基板101同样的基板501。
在氮化物半导体基板501上，作为反射膜530，交互分别各层叠3层由AlN构成的第一层531和由GaN构成的第二层532。此时，各层以满足λ/(4n)(但是λ为光波长、n为材料折射率)式的膜厚设置，在此n＝2(AlN)、2.5(GaN)，以第一层约500、第二层约400的膜厚形成各膜厚。此时，氮化物半导体的反射膜可以使用将第一、二层以InxAlYGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、x+y＝1)表示的氮化物半导体，氮化物半导体的反射膜最好使用交互层叠将第一、二层以AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示的组成不同的氮化物半导体多层膜，此时形成一层以上各层，形成一对以上第一层/第二层的对。具体地说，可以AlGaN/AlGaN、GaN/AlGaN、AlGaN/AlN、GaN/AlN等形成第一层/第二层。如果是AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0＜x、x＜y＜1)，则为AlGaN多层膜，所以可以缩小热膨胀是数差，可以结晶性优异地形成，如果是GaN/AlyGa1-yN(0＜Y＜1)，则可以形成利用GaN层改善结晶性的多层膜。另外，如果增大铝组成比的差(y-x)，则第一层和第二层的折射率差变大，反射率变高，具体地说，y-x≥0.3，最好是y-x≥0.5，可以形成反射率高的多层膜反射膜。另外，和实施例1同样，作为多层膜层，通过形成AlyGa1-yN(0＜y≤1)，作为缓冲层102起作用，可以得到坑(pit)减少效果。
接着，按照和实施例2(井层55)同样的条件层叠n型接触层533、活性层534、p型电子封闭层(未图示)、p型接触层535，设置有圆形开口部的由二氧化硅构成的屏蔽层(block)536，从该圆形开口部使镁掺杂GaN生长，形成第二p型接触层537。此时，p型接触层535、第二p型接触层537也可以只形成任何一方。在该第二p型接触层537上形成由二氧化硅/二氧化钛构成的绝缘多层膜，作为反射膜538，在所述屏蔽层536的开口部上设置成圆形状。然后，蚀刻到n型接触层533露出的深度，在露出的n型接触层533上形成环形n电极521，在第二p型接触层537上形成包围反射膜538周围的p电极520。这样一来，所得的面发光型激光元件和实施例2同样，可以得到元件寿命长、高输出的激光元件。
[实施例17]
在实施例1中，形成下述活性层、p侧覆盖层之外，同样进行而得到激光元件。
(活性层107)将由掺入5×1018/cm3硅的In0.05Ga0.95N构成的阻挡层(B)以70的膜厚，停止硅烷气体，将由无掺杂的In0.1Ga0.9N构成的井层(W)以70的膜厚，按(B)/(W)/(B)/(W)的顺序层叠此阻挡层(B)、井层(W)。最后，作为最上部的阻挡层，在原料气体使用TMI(三甲基铟)，使无掺杂的In0.05Ga0.95N以150的膜厚生长。活性层107形成总膜厚约430的多重量子井结构(MQW)。
(p型覆盖层110)接着，使由无掺杂Al0.05Ga0.95N构成的层以25的膜厚、使由镁掺杂GaN构成的层以25的膜厚生长，将其反复进行90次而使由总膜厚0.45μm的超晶格层构成的p型覆盖层110生长。
这样一来，所得到的激光元件，在活性层中，除了配置在最靠近p型层一侧的阻挡层之外的阻挡层和井层的比Rt为1，但有图12所示的井层的膜厚和元件寿命的关系，成为可以实现高输出、长寿命的激光元件，并且所述阻挡层(夹入n侧阻挡层或井层的阻挡层)膜厚变小，在光盘系统可以得到优异响应特性、RIN的激光元件。另外，通过比n侧覆盖层还增大p侧覆盖层的铝混晶比，与嵌入层162的折射率变小，可以形成横向封闭小的有效折射率型激光元件，可以形成直到高输出区域不产生曲折的激光元件。作为p侧覆盖层，最好是设平均组成为AlxGa1-xN，设Al的平均混晶比x为0＜x≤0.1，据此就可以得到抑制曲折产生的激光元件。
本发明的氮化物半导体元件成为寿命特性优异(元件寿命长)，并且能大幅度地提高使用以往被视为问题的氮化物半导体的元件的脆弱反向耐压特性，可以得到高输出的氮化物半导体元件。另外，在本发明的氮化物半导体元件，即使作为激光元件时也可以得到同样的特性提高，而且成为无自激振荡的优异的激光元件。

Claims (36)

1.一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：
所述活性层作为所述阻挡层，具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置上的第一阻挡和与该第一阻挡层不同的第二阻挡层，并且，
所述第一阻挡层实质上不包含n型杂质，所述第二阻挡层包含n型杂质，所述第一阻挡层的膜厚比所述第二阻挡层的膜厚大。
2.一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：
所述活性层作为所述阻挡层，具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置上的第一阻挡和与该第一阻挡层不同的第二阻挡层，并且，
所述第一阻挡层的n型杂质浓度为1×1017cm-3以下，所述第二阻挡层的n型杂质浓度为5×1017cm-3以上。
3.一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：
所述活性层作为所述阻挡层，具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置上的第一阻挡和与该第一阻挡层不同的、配置在最接近所述n型氮化物半导体层的位置上的第二阻挡层，并且，
所述第一阻挡层的n型杂质浓度为1×1017/cm3以下，所述第二阻挡层的n型杂质浓度为5×1017/cm3以上；
所述第一阻挡层的膜厚比第二阻挡层的膜厚大。
4.一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：
所述活性层作为所述阻挡层，具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置上的第一阻挡和与该第一阻挡层不同的、配置在最接近所述n型氮化物半导体层的位置上的第二阻挡层，并且，
所述第一阻挡层的膜厚比第二阻挡层的膜厚大。
5.一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：
所述活性层具有2个以上的所述井层，作为所述阻挡层，
具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置上的第一阻挡层、与该第一阻挡层不同的第二阻挡层以及在该井层与井层之间即夹在第一阻挡层与第二阻挡层之间的第三阻挡层，并且，
所述第一阻挡层实质上不包含n型杂质，所述第二阻挡层包含n型杂质；
所述第三阻挡层的膜厚比所述第一阻挡层和所述第二阻挡层的膜厚小。
6.一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：
所述活性层具有2个以上的所述井层，作为所述阻挡层，
具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置上的第一阻挡层、与该第一阻挡层不同的第二阻挡层以及在该井层与井层之间即夹在第一阻挡层与第二阻挡层之间的第三阻挡层，并且，
所述第一阻挡层的n型杂质浓度为1×1017/cm3以下，所述第二阻挡层的n型杂质浓度为5×1017/cm3以上；
所述第三阻挡层的膜厚比所述第一阻挡层和所述第二阻挡层的膜厚小。
7.一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：
所述活性层具有2个以上的井层，作为所述阻挡层，
具有配置在最接近所述p型氮化物半导体层的位置上的第一阻挡层、与该第一阻挡层不同的、配置在最接近所述n型氮化物半导体层的位置上的第二阻挡层以及在该井层与井层之间的第三阻挡层，并且，
所述第一阻挡层的膜厚比第二阻挡层的膜厚大；
所述第三阻挡层的膜厚比所述第一阻挡层和所述第二阻挡层的膜厚小。
8.一种氮化物半导体元件，具有以p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层夹着具有由包含In的氮化物半导体构成的井层和由氮化物半导体构成的阻挡层的量子井结构的活性层的结构，其特征在于：
所述活性层具有L个(L≥2)所述阻挡层；
当以配置在最接近所述n型氮化物半导体层的位置上的阻挡层为阻挡层B1，从该阻挡层B1向所述p型氮化物半导体层计数，以第i个(i＝1、2、3、…L)阻挡层作为阻挡层Bi时，
从i＝1到i＝n(1＜n＜L)的阻挡层Bi包含n型杂质，并且，所述阻挡层BL的膜厚比阻挡层B1的膜厚大。
9.如权利要求1～7中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
除了所述第一阻挡层之外的全部阻挡层包含n型杂质。
10.如权利要求1～7中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第一阻挡层配置在所述活性层的最外侧。
11.如权利要求1、2、5、6中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第二阻挡层配置在接近所述活性层内的所述n型氮化物半导体层的最外侧的位置上。
12.如权利要求8所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
除了所述阻挡层BL之外的全部阻挡层包含n型杂质。
13.如权利要求8所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述阻挡层BL配置在所述活性层的最外侧。
14.如权利要求8所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述阻挡层B1配置在接近所述活性层内的所述n型氮化物半导体层的最外侧的位置上。
15.如权利要求5～7中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第一阻挡层的膜厚与所述第二阻挡层的膜厚大致相同。
16.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述活性层内的至少一个井层具有40以上的膜厚。
17.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第一阻挡层具有p型杂质。
18.如权利要求17所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第一阻挡层包含5×1016cm-3以上1×1019cm-3以下的p型杂质。
19.如权利要求17所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第一阻挡层为p型或者i型。
20.如权利要求17所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第一阻挡层不掺入杂质而使其生长，通过来自所述p型氮化物半导体层的扩散而包含p型杂质。
21.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
按照所述n型氮化物半导体层、所述活性层以及所述p型氮化物半导体层的顺序层叠。
22.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述p型氮化物半导体层具有由平均混晶比x为0＜x≤0.05的包含Al的氮化物半导体构成的上部覆盖层，所述n型氮化物半导体层具有由平均混晶比x为0＜x≤0.05的包含Al的氮化物半导体构成的下部覆盖层，具有激光元件结构。
23.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
在所述p型氮化物半导体层中，邻接活性层具有第一p型氮化物半导体层，该第一p型氮化物半导体层由包含Al的氮化物半导体构成。
24.如权利要求23所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第一p型氮化物半导体层是接触最接近所述p型氮化物半导体层的阻挡层而设置的，掺入比所述活性层中的阻挡层更高浓度的p型杂质而生长。
25.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
在所述活性层中，井层数为1以上3以下的范围。
26.如权利要求1～7中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第二阻挡层是夹入井层而配置的，所述井层和第二阻挡层的膜厚比Rt(＝[井层的膜厚]/[阻挡层的膜厚])为0.5≤Rt≤3的范围。
27.如权利要求26所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述井层的膜厚dw为40≤dw≤100的范围，所述第二阻挡层的膜厚db为db≥40的范围。
28.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述p型氮化物半导体层具有由包含Al的氮化物半导体构成的上部覆盖层，所述n型氮化物半导体层具有由氮化物半导体构成的下部覆盖层，该上部覆盖层的Al的平均混晶比比下部覆盖层大。
29.如权利要求28所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述上部覆盖层的Al的平均混晶比x为0＜x≤0.1的范围。
30.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述p型氮化物半导体层具有接触所述活性层而成为电子封闭层的第一p型氮化物半导体层，活性层具有距离第一p型氮化物半导体层的距离dB为100以上400以下的范围的井层，在该距离dB内具有第一阻挡层。
31.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述p型氮化物半导体层具有包括包含Al的氮化物半导体的p型覆盖层、设置在p型覆盖层和活性层之间的、包括包含Al的氮化物半导体的第一p型氮化物半导体层；第一p型氮化物半导体层比p型覆盖层的Al混晶比高。
32.如权利要求1～8中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述p型氮化物半导体层具有由包含Al的氮化物半导体构成的上部覆盖层，所述n型氮化物半导体层具有由氮化物半导体构成的下部覆盖层，在所述上部覆盖层或者下部覆盖层与活性层之间具有设置了光导引层的波导路结构。
33.如权利要求32所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述覆盖层具有配置在活性层一侧的第一覆盖层和比第一覆盖层远离活性层而配置的、比第一覆盖层的带隙能量大的第二覆盖层。
34.如权利要求30～33、35、36、38中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述井层的n型杂质浓度为1×1017/cm3以下。
35.如权利要求5或者6所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述第一阻挡层的膜厚比所述第二阻挡层的膜厚大。
36.如权利要求1～4中任意1项所述的氮化物半导体元件，其特征在于：
所述活性层具有2个以上的井层，在该井层和井层之间具有第三阻挡层，并且，
所述第三阻挡层的膜厚比所述第一阻挡层和所述第二阻挡层的膜厚小。
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