窒化物半導体発光素子および半導体光学装置
【課題】横方向の電流拡がりを向上させることにより、発光領域が大きな窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】この窒化物半導体発光素子は、ｎ側窒化物半導体２０と、ｎ側窒化物半導体２０上に形成され、量子井戸層３２および障壁層３１を含む量子井戸構造を有する活性層３０と、活性層３０上に形成されたｐ側窒化物半導体４０とを備えている。また、活性層３０の量子井戸層３２および障壁層３１は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されている。ｎ側窒化物半導体２０は、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１と、この窒化物半導体層２１に対して活性層３０側に形成されたＡｌ組成傾斜層２２とを含んで構成されている。
【解決手段】この窒化物半導体発光素子は、ｎ側窒化物半導体２０と、ｎ側窒化物半導体２０上に形成され、量子井戸層３２および障壁層３１を含む量子井戸構造を有する活性層３０と、活性層３０上に形成されたｐ側窒化物半導体４０とを備えている。また、活性層３０の量子井戸層３２および障壁層３１は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されている。ｎ側窒化物半導体２０は、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１と、この窒化物半導体層２１に対して活性層３０側に形成されたＡｌ組成傾斜層２２とを含んで構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子、および、窒化物半導体発光素子を搭載した半導体光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に及ぶ波長領域における発光が可能な半導体レーザ素子や、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、プロジェクターやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。
【０００３】
また、近年、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、その発光波長を短波長化することにより、殺菌・浄水、各種医療分野、公害物質の高速分解処理などの非常に幅広い分野での応用が期待される、深紫外領域（波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）で発光する半導体発光素子の研究開発が各研究機関で精力的に行われている。
【０００４】
深紫外領域で発光する窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、代表的な基板として、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板などがある。ＧａＮ基板およびＳｉＣ基板は、導電性や放熱性の観点からメリットがある一方、波長３５０ｎｍ以下の光の吸収が大きいため、外部への光の取出しが大幅に減少してしまうという不都合がある。その一方、サファイア基板は、３５０ｎｍ以下の光に対して、吸収の影響はほとんどなく、光吸収の観点からは非常に魅力的である。しかしながら、サファイア基板は導電性がないため、サファイア基板を用いて形成された発光素子は、基板の一方側にｎ側電極およびｐ側電極が形成された横型構造が一般的な構造となる。
【０００５】
このような横型構造の発光素子では、たとえば、非特許文献１および２において指摘されているように、横方向への電流拡がりが小さいという不都合がある。このため、電子が活性層全体ではなく活性層の一部のみに注入されることになり、発光箇所が限定されてしまうという問題点がある。
【０００６】
このような不都合を解消する手法として、たとえば、電流を拡げる機能を有する窒化物半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層など）の厚みを大きくする手法が考えられる。また、ｎ型ドーピング濃度を高くすることで、抵抗を低減する手法も考えられる。
【０００７】
深紫外領域で発光する窒化物半導体発光素子は、たとえば、青色に代表される可視光領域で発光する窒化物半導体発光素子に比べて、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層など）のＡｌ組成が高く設定される。Ａｌ組成が高い窒化物半導体層では、クラックが発生し易いため、厚膜化が困難になる。また、ｎ型不純物（たとえば、Ｓｉなど）をドーピングすると、クラックが発生してしまう。このため、上記手法では、深紫外領域で発光する窒化物半導体発光素子に対して、電流拡がりを向上させることは非常に困難であるという問題点がある。
【０００８】
また、従来、横方向電流拡がりを改善するために、３次元分極傾斜（３ＤＰＧ）構造を用いた発光デバイスが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００９】
上記特許文献１には、ｎ型半導体層の活性領域とは反対側に、ｎ型半導体層と隣接して配置された３次元分極傾斜構造を含む発光デバイスが提案されている。３次元分極傾斜構造は、ＧａＮからなるシリコン（Ｓｉ）デルタ・ドープ層を挟んだ２つの分極傾斜層を備えている。分極傾斜層は、たとえば、ＧａＮからＩｎＧａＮへＩｎ組成を変化させた後方傾斜層からなる。このように構成された３次元分極傾斜構造を含む発光デバイスは、電流が活性領域の全体にわたって注入されるように、横方向電流拡がりを容易にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−７１２７７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｈ．Ｋｉｍ，Ｓ−Ｊ．Ｐａｒｋ，Ｈ．Ｈｗａｎｇ，ａｎｄ Ｎ−Ｍ．Ｐａｒｋ；"Ｌａｔｅｒａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐａｔｈ，ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ−ｄｉｏｄｅｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｄｅｓｉｇｎｓ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ８１，Ｎｕｍｂｅｒ ７（２００２），１３２６．
【非特許文献２】Ｍ．Ｓｈａｔａｌｏｖ，Ｇ．Ｓｉｍｉｎ，Ｖ．Ａｄｉｖａｒａｈａｎ，Ａ．Ｃｈｉｔｎｉｓ，Ｓ．Ｗｕ，Ｒ．Ｐａｃｈｐｕｌｕｓｕ，Ｖ．Ｍａｎｄａｖｉｌｌｉ，Ｋ．Ｓｍｉｎ，Ｊ．Ｐ．Ｚｈａｎｇ，Ｊ．Ｗ．Ｙａｎｇ，ａｎｄ Ｍ．Ａ．Ｋｈａｎ；"Ｌａｔｅｒａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｒｏｗｄｉｎｇ ｉｎ Ｄｅｅｐ ＵＶ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｄ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｖｅｒ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｓ"，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ４１，（２００２），５０８３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献１で提案された従来構造では、シリコン（Ｓｉ）デルタ・ドープ層を、ＧａＮからＩｎＧａＮへＩｎ組成を変化させた分極傾斜層（後方傾斜層）で挟んだ構造とされているため、界面において、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥が発生する可能性が高くなる。また、クラックの発生が高まるおそれもある。このため、特許文献１の構造では、結晶品質の劣化を招く可能性が高いという問題点がある。
【００１３】
さらに、上記した従来の発光デバイスの構造を、紫外領域（深紫外領域）で発光する窒化物半導体発光素子に適用した場合、ＧａＮからなるシリコン（Ｓｉ）デルタ・ドープ層は紫外光（深紫外光）を吸収するため、素子構造に改善の余地がある。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、横方向の電流拡がりを向上させることにより、発光領域が大きな窒化物半導体発光素子およびその窒化物半導体発光素子を用いた半導体光学装置を提供することである。
【００１５】
この発明のもう１つの目的は、クラックの発生を抑制することが可能であり、かつ、結晶品質を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子およびその窒化物半導体発光素子を用いた半導体光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による窒化物半導体発光素子は、第１導電型を有する第１半導体部と、第１半導体部上に形成され、量子井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有する活性層と、活性層上に形成され、第２導電型を有する第２半導体部とを備えている。上記活性層の量子井戸層および障壁層は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されている。そして、第１半導体部は、無極性面以外の面を主面とする第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層に対して活性層側に形成されるとともに、Ａｌを含む窒化物半導体から構成され、かつ、そのＡｌ組成が傾斜した第１組成傾斜層とを含んでいる。そして、第１組成傾斜層は、活性層に向かって、そのＡｌ組成が増加しないように構成されている。また、第１組成傾斜層の下部のＡｌ組成は、第１組成傾斜層の下部側で隣接する層のＡｌ組成以下とされており、第１組成傾斜層の上部のＡｌ組成は、第１組成傾斜層の上部側で隣接する層のＡｌ組成以上とされている。
【００１７】
この第１の局面による窒化物半導体発光素子では、上記のように、無極性面以外の面を主面とする第１窒化物半導体層に対して活性層側に、Ａｌ組成が傾斜した第１組成傾斜層を形成することによって、この第１組成傾斜層を分極ドーピング層とすることができる。そして、この分極ドーピング層を含む構成とすることによって、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることができる。これにより、電流を活性層の全体にわたって注入することができる。
【００１８】
また、分極ドーピング層では、故意にドーピングを行わなくても導電性を示すため、ドーピングを行うことで危惧されるクラックの誘発を抑制することができる。なお、第１組成傾斜層（分極ドーピング層）に故意にドーピングを行うことも可能であり、この場合、ドーピング量を少なくすることができる。そして、ドーピング量を少なくすることにより、結晶品質を向上させることができる。
【００１９】
また、第１の局面では、上記のように構成することによって、第１組成傾斜層とその隣接層との界面において、格子定数の不連続（急激な格子定数変化）が生じないように構成されるので、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を抑制することができる。これにより、結晶品質を向上させることができるとともに、クラックの発生を抑制することができる。さらに、第１の局面では、素子構造中に、ＧａＮからなるＳｉデルタ・ドープ層などの紫外光（深紫外光）を吸収する層を設けることなく発光素子を形成することができるので、外部への光の取出しが低下するのを抑制することができる。加えて、設計自由度を向上させることもできる。
【００２０】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第１窒化物半導体層は、ウルツ鉱の結晶構造を有し、その主面が−ｃ面からなる。このように構成すれば、クラックの発生を効果的に抑制することができる。これにより、上記主面を＋ｃ面とした場合に比べて、厚膜化を図ることができる。その結果、バッファ効果により結晶品質を向上させることができるとともに、横方向の電流拡がりを容易に増大させることができる。また、第１組成傾斜層を含む層構造とすることにより、第１窒化物半導体層の−ｃ面上に形成される窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。これにより、結晶品質が向上するので、導電性が向上する。その結果、これによっても、横方向の電流拡がりを向上させることができる。
【００２１】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であるのが好ましい。
【００２２】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、そのＡｌ組成が量子井戸層のＡｌ組成より大きい。このように構成すれば、活性層で発せられた光の吸収を抑制することができる。
【００２３】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１組成傾斜層は、活性層に向かって、そのＡｌ組成が減少するように構成されているのが好ましい。この際、第１組成傾斜層の一部に、Ａｌ組成一定の領域が含まれていてもよい。
【００２４】
また、この場合において、好ましくは、第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、第１組成傾斜層における第１窒化物半導体層側のＡｌ組成が、第１窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されており、第１組成傾斜層の活性層側のＡｌ組成が、障壁層のＡｌ組成以上に設定されている。このように構成すれば、界面における格子不整合差を小さくすることができるので、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を効果的に抑制することができる。これにより、結晶品質を効果的に向上させることができる。
【００２５】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第１組成傾斜層のＡｌ組成が、層厚方向に対して直線状に変化している。このように構成すれば、層内にキャリアを均一に発生させることができる。
【００２６】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第１組成傾斜層が、Ａｌ組成の傾斜が異なる２層以上の傾斜層を含む多層構造に構成されている。このように構成すれば、第１組成傾斜層を１層（単層）で形成する場合に比べて、横方向の電流拡がりをより増大させることができる。加えて、窒化物半導体層の平坦性をより向上させることができる。
【００２７】
この場合において、好ましくは、第１組成傾斜層に対して活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されており、第１組成傾斜層のｎ番目（ｎは、０を含まない自然数）の傾斜層における基板側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ｓｕｂとし、活性層側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ａｃｔとした場合、Ａｌ＿１＿ｓｕｂは、第１窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されているとともに、Ａｌ＿ｎ＿ａｃｔは、Ａｌ＿ｎ＋１＿ｓｕｂ以上に設定されており、かつ、活性層に最も近い傾斜層における活性層側のＡｌ組成が、障壁層のＡｌ組成以上に設定されている。このように構成すれば、容易に、界面における格子不整合差を小さくすることができるので、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生をより効果的に抑制することができる。これにより、結晶品質をより効果的に向上させることができる。
【００２８】
さらにこの場合において、好ましくは、第１組成傾斜層は、Ａｌ組成が傾斜している層とＡｌ組成が一定の層とが交互に積層された多層構造に構成されている。このように構成すれば、容易に、窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。
【００２９】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第２半導体部は、障壁層のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有する第２窒化物半導体層と、第２窒化物半導体層と最終障壁層との間に形成され、Ａｌ組成が傾斜した第２組成傾斜層とを含む。このように構成すれば、第２組成傾斜層を分極ドーピング層とすることができる。分極ドーピング層では、ドーパントを添加しなくてもキャリアが生成されるため、素子抵抗を低減することができる。
【００３０】
また、たとえば、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とした場合、第２組成傾斜層には、ｐ型不純物をドーピングせずに、ｐ型のキャリア（ホール）を発生させることができる。ここで、活性層付近にｐ型不純物をドーピングすると、素子抵抗を低減することが可能となる一方、ｐ型窒化物半導体層の成長中にｐ型不純物が活性層に拡散することにより、発光効率が低下する場合がある。しかしながら、上記のように構成すれば、ｐ型不純物をドーピングすることなく、ｐ型のキャリアを発生させることができるので、ｐ型不純物の拡散に起因する発光効率の低下を抑制することができる。また、ｐ型不純物をドーピングする場合でも、そのドーピング量を減らすことができるので、ｐ型不純物の拡散を効果的に抑制することができる。また、ｐ型不純物のドーピング量を減らすことにより、結晶品質を向上させることもできる。その結果、活性層へのダメージを抑制して、発光効率の低下を抑制することができる。
【００３１】
この場合において、好ましくは、第２組成傾斜層における活性層側のＡｌ組成が、障壁層のＡｌ組成以上に設定されており、第２組成傾斜層における第２窒化物半導体層側のＡｌ組成が、第２窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されている。このように構成すれば、第２半導体部においても、界面における格子不整合差を小さくすることができる。これにより、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を効果的に抑制することができる。
【００３２】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１導電型がｐ型であるとともに、第２導電型がｎ型であり、第１窒化物半導体層の主面が、＋ｃ面である構成とすることもできる。
【００３３】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、量子井戸層および障壁層は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されており、活性層の発光波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍであるのが好ましい。
【００３４】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、活性層の発光波長が２６０ｎｍ〜３００ｎｍであればより好ましい。
【００３５】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体から構成されている。この場合、量子井戸層のＡｌ組成ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．９０の範囲にあるのが好ましく、０．３０≦ｘ１≦０．７０の範囲にあればより好ましい。このように構成すれば、分極ドーピング層の効果をより顕著に得ることができる。
【００３６】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＩｎ組成ｙ１が、０．００≦ｙ１≦０．１２である。このように構成すれば、分極ドーピング層の効果をより顕著に得ることができる。なお、量子井戸層は、上記のように、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。
【００３７】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、障壁層が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＡｌ組成ｘ２が、量子井戸層のＡｌ組成より大きくなるように構成されているのが好ましい。この場合、Ａｌ組成ｘ２は、０．２０≦ｘ２≦０．８５の範囲にあるのが好ましい。このように構成すれば、分極ドーピング層の効果をより顕著に得ることができる。
【００３８】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、障壁層が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＩｎ組成ｙ２が、量子井戸層のＩｎ組成よりも小さく、かつ、０．００≦ｙ２≦０．０８である。このように構成すれば、分極ドーピング層の効果をより顕著に得ることができる。なお、障壁層は、上記のように、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。
【００３９】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１組成傾斜層に対して活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、上記基板が、第１窒化物半導体層とは異なる構成とすることができる。
【００４０】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１組成傾斜層に対して活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、第１窒化物半導体層が基板からなる構成とすることもできる。すなわち、無極性面以外の面を主面とする第１窒化物半導体層を、基板が兼ねる構成とすることもできる。
【００４１】
上記基板が第１窒化物半導体層とは異なる構成において、基板には、サファイア基板を用いることができる。
【００４２】
上記基板を備えた構成において、基板に、ＡｌＧａＮ基板を用いることもできる。また、基板に、ＡｌＮ基板を用いることもできる。なお、ＡｌＧａＮ基板やＡｌＮ基板では、光吸収の影響が抑制されるので、基板剥離などをしない構成とすることができる。このため、素子構造の設計自由度を向上させることができる。
【００４３】
また、上記基板を備えた構成において、基板に、ＧａＮ基板を用いることもできる。この場合、光吸収の影響を抑制するために、基板剥離などを行うのが好ましい。
【００４４】
この発明の第２の局面による半導体光学装置は、上記第１の局面による窒化物半導体素子が搭載された半導体光学装置である。
【発明の効果】
【００４５】
以上のように、本発明によれば、横方向の電流拡がりを向上させることにより、発光領域が大きな窒化物半導体発光素子およびその窒化物半導体発光素子を用いた半導体光学装置を容易に得ることができる。
【００４６】
また、本発明によれば、クラックの発生を抑制することが可能であり、かつ、結晶品質を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子およびその窒化物半導体発光素子を用いた半導体光学装置を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図（ユニットセルを表した図）である。
【図２】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の組成傾斜を説明するための図である。
【図５】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を模式的に示した断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態による半導体光学装置を模式的に示した断面図である。
【図７】Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成とキャリア密度との関係を示した図である。
【図８】Ａｌ組成傾斜層の層厚とキャリア密度との関係を示した図である。
【図９】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子のＡｌ組成傾斜層の構成を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子のＡｌ組成傾斜層の構成を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子のＡｌ組成傾斜層の構成を説明するための図である。
【図１３】本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１４】実施例２の窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１５】実施例２の窒化物半導体発光素子における活性層の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１６】実施例３のｎ側分極ドーピング層の層構造を模式的に示した断面図である。
【図１７】本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１８】本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１９】本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図２０】本発明の第７実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図２１】本発明の第８実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図２２】本発明の変形例による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本願発明者らが種々検討を行うことによって得た知見について説明する。
【００４９】
本願発明者らは、窒化物半導体発光素子に分極ドーピング層（組成傾斜層）を有する構造を用いる場合、分極ドーピング層を含む層構造中に、たとえば、基板から活性層に向けて、組成の逆方向への不連続が生じないように構成することで、クラックの抑制効果および結晶品質の向上効果が得られることを見出した。
【００５０】
具体的には、たとえば、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成が減少する、もしくはＡｌ組成が一定の層構造中に、Ａｌ組成が増加する層を導入しない（基板上に形成された窒化物半導体層の格子定数から、格子定数が小さくなる方向に変化している場合に、格子定数が大きくなる層を導入しない）ようにすることによって、格子定数の不連続（急激な格子定数変化）が生じないように構成することができる。このため、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を抑制することができるため、結晶品質を向上させることが可能となる。加えて、クラックの発生を抑制することも可能となる。また、本願発明者らは、このような構成は、紫外領域（深紫外領域）で発光する窒化物半導体発光素子に特に有効であることも見出した。
【００５１】
一方、上記した３次元分極傾斜構造では、たとえば、ＧａＮからＩｎＧａＮへＩｎ組成を変化させた後方傾斜層を積層させているため、ヘテロ界面に、組成の逆方向への不連続箇所（格子定数の逆方向への不連続箇所）が設けられる。このため、３次元分極傾斜構造は、界面に電子分布の不連続を有している。そのため、３次元分極傾斜構造では、この電子分布の不連続を緩和するために、Ｓｉデルタ・ドープ層を設ける必要がある。Ｓｉデルタ・ドープ層には、通常、ＧａＮ層が用いられるが、ＧａＮ層は、深紫外領域の波長の光を吸収するため、光取出し効率が低下するという不都合が生じる。
【００５２】
本願発明者らの知見によれば、上記のように、格子定数の不連続（急激な格子定数変化）が生じないように構成することで、Ｓｉデルタ・ドープ層などの深紫外領域の波長の光を吸収する層を設ける必要がなくなる。このため、外部への光の取出しが低下するのを抑制することが可能となる。
【００５３】
また、基板と活性層との間の層構造を、分極ドーピング層（Ａｌ組成傾斜層）を含む層構造とする場合、Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成の変化は、以下の２通りが考えられる。
【００５４】
一つは、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とする場合である。たとえば、基板から活性層に向けて、量子井戸のＡｌ組成に到達するまで、Ａｌ組成が減少する構成とする場合である。この場合、分極ドーピング層を含む層構造内で、Ａｌ組成が増加する層を含まない構成とするのが好ましい。なお、Ａｌ組成の変化の範囲は、上記以外であってもよい。たとえば、基板から活性層までの間の一部の範囲で、Ａｌ組成が減少する構成とされていてもよい。一例として、基板上に形成されたＡｌＮから量子井戸のＡｌＧａＮまで変化する場合が挙げられる。
【００５５】
もう一つは、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成が増加する構成とする場合である。たとえば、基板から活性層に向けて、量子井戸のＡｌ組成に到達するまで、Ａｌ組成が増加する構成とする場合である。この場合も、分極ドーピング層を含む層構造内で、Ａｌ組成が減少する層を含まない構成とするのが好ましい。なお、Ａｌ組成の変化の範囲は、上記以外であってもよい。たとえば、基板から活性層までの間の一部の範囲で、Ａｌ組成が減少する構成とされていてもよい。一例として、基板上に形成されたＧａＮから量子井戸のＡｌＧａＮまで変化する場合が挙げられる。
【００５６】
前者（Ａｌ組成が減少する構成）で構成した場合、活性層のバンドギャップが一番小さい構造となるため、キャリアが効果的に閉じ込められる。また、活性層で発せられた光が、分極ドーピング層を含む層構造内で吸収されるのが抑制される。このため、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成が減少する構成とすることが好ましいことが分かった。
【００５７】
一方、後者（Ａｌ組成が増加する構成）で構成した場合、活性層のバンドギャップが一番大きい構造となるため、キャリアの閉じ込めの観点から好ましくない。また、活性層で発せられた光が、分極ドーピング層を含む層構造内で吸収されるため、この点においても好ましくないことが分かった。
【００５８】
また、分極ドーピング層を含む層構造を、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とする場合、分極ドーピングの効果を得るために、極性面であるｃ面を用いると、以下の２通りが考えられる。
【００５９】
一つは、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面とする窒化物半導体層上に、この分極ドーピング層を含む層構造を形成する場合である。この場合、ｐ型ドーパントを添加しなくても、ｐ型キャリアであるホールが生成される。なお、この場合、基板と活性層との間の層が、ｐ型の窒化物半導体層からなる構造となる。
【００６０】
分極ドーピング層を含む層構造を有することにより、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることが可能となる。また、故意にドーピングを行わなくても導電性を示すため、ｐ型ドーパントとして、Ｍｇなどのドーピングを行わない構成とすることもできる。また、Ｍｇなどのドーピングを行う場合でも、そのドーピング量を少なくすることが可能である。このため、結晶品質が向上する。
【００６１】
もう一つは、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層上に、この分極ドーピング層を含む層構造を形成する場合である。この場合、ｎ型ドーパントを添加しなくても、ｎ型キャリアである電子が生成される。なお、この場合、基板と活性層との間の層が、ｎ型の窒化物半導体層からなる構造となる。
【００６２】
この場合も、分極ドーピング層を含む層構造を有することにより、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることが可能となる。また、故意にドーピングを行わなくても導電性を示すため、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉなどのドーピングを行わない構成とすることもできる。これにより、Ｓｉなどをドーピングすることで危惧されるクラックの誘発が抑制される。また、Ｓｉなどのドーピングを行う場合でも、そのドーピング量を少なくすることが可能である。このため、結晶品質が向上する。
【００６３】
以上より、窒化物半導体発光素子が、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層およびＡｌ組成が傾斜した層（組成傾斜層）を含んで構成される場合、Ａｌ組成が大きいものから小さいものへと変化する組成傾斜層では、ｎ型のキャリアが発生する。一方、Ａｌ組成が小さいものから大きいものへと変化する組成傾斜層では、ｐ型のキャリアが発生する。また、窒化物半導体発光素子が、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面とする窒化物半導体層およびＡｌ組成が傾斜した層（組成傾斜層）を含んで構成される場合、Ａｌ組成が大きいものから小さいものへと変化する組成傾斜層では、ｐ型のキャリアが発生する。一方、Ａｌ組成が小さいものから大きいものへと変化する組成傾斜層では、ｎ型のキャリアが発生する。
【００６４】
また、本願発明者らが、さらに鋭意検討した結果、深紫外領域（たとえば、波長２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）で発光する発光素子を形成する場合、基板（たとえば、サファイア基板）上に、ウルツ鉱の結晶構造を有し、−ｃ面（窒素極性）を主面とするＡｌを有する窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮなど）を形成した場合、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面とする窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＮ）を形成する場合に比べて、クラック抑制効果が効果的に得られるという特有の効果があることが分かった。これは、結晶成長中のウエハの反り量が低減したことによるものと考えられる。そのため、基板上に、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層を形成することで、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）に比べて厚膜化が可能となる利点もあることが分かった。厚膜化の効果としては、バッファ効果による結晶品質の向上や、層厚を厚くすることで、電流を横方向に拡げる効果が挙げられる。
【００６５】
このように、基板（たとえば、サファイア基板）上に、−ｃ面（窒素極性）を主面とするＡｌを有する窒化物半導体層を形成し、その上に、分極ドーピング層を含む層構造を形成することにより、その効果がより顕著に現れるという知見も得た。これは、基板上に積層された下地の結晶品質の向上により、分極ドーピング層を含む層構造の品質が向上した効果に加えて、分極ドーピング層を含む層構造をより厚くできる効果によるものと推測される。
【００６６】
さらに、分極ドーピング層を含む層構造を有することにより、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体層の平坦性を向上させることができることも分かった。これにより、結晶品質が向上するため、導電性が向上し、結果として、横方向の電流を拡げることが可能となる。
【００６７】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体ダイオード素子に本発明を適用した例について説明する。また、以下の実施形態において、「窒化物半導体」とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる半導体を意味する。
【００６８】
（第１実施形態）
図１は、窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図である。図２は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。図３は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。図４〜図６は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を説明するための図である。なお、図６は、第１実施形態による窒化物半導体発光素子を搭載した半導体光学装置を示している。まず、図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。
【００６９】
窒化物半導体は、図１に示すように、六方晶系（ウルツ鉱）の結晶構造を有している。この結晶構造において、六角柱とみなせる六方晶のｃ軸［０００１］を法線とする面（六角柱の上面）をｃ面（０００１）と呼ぶ。窒化物半導体では、ｃ軸方向に対称面が存在しないため、分極方向がｃ軸方向に沿っている。このため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示す。すなわち、＋ｃ面（（０００１）面）と−ｃ面（（０００−１）面）とは等価な面ではなく、化学的な性質も異なる。
【００７０】
第１実施形態による窒化物半導体発光素子（ＥＬ）は、深紫外領域の光を発光する深紫外発光ダイオード素子であり、図２に示すように、基板１０（たとえば、サファイア基板）上に、Ａｌを含む窒化物半導体層を１層以上有するｎ側窒化物半導体２０、活性層３０、および、Ａｌを含む窒化物半導体層を１層以上有するｐ側窒化物半導体４０が順に形成された構造を有している。なお、ｎ側窒化物半導体２０は、本発明の「第１半導体部」の一例であり、ｐ側窒化物半導体４０は、本発明の「第２半導体部」の一例である。
【００７１】
ｎ側窒化物半導体２０は、図３に示すように、Ａｌを含む窒化物半導体層２１（たとえば、ＡｌＮ層）を含んで構成されている。この窒化物半導体層２１は、その主面２１ａが−ｃ面（窒素極性）となるように形成されている。また、窒化物半導体層２１は、基板１０上に、この基板１０と接するように形成されている。ただし、基板１０と窒化物半導体層２１との間に、他の層が形成された構成になっていてもよい。たとえば、基板１０と窒化物半導体層２１との間に、ＡｌＩｎＧａＮ層や、ＡｌＩｎＧａＮの組成の異なる２種以上の層から構成される超格子構造を有する構成などになっていてもよい。
【００７２】
また、ｎ側窒化物半導体２０は、Ａｌを含む窒化物半導体からなるとともにそのＡｌ組成が傾斜したＡｌ組成傾斜層２２をさらに有している。このＡｌ組成傾斜層２２は、窒化物半導体層２１と活性層３０との間に形成されている。具体的には、たとえば、Ａｌ組成傾斜層２２は、窒化物半導体層２１の−ｃ面上に、窒化物半導体層２１と接するように形成されている。なお、窒化物半導体層２１は、本発明の「第１窒化物半導体層」の一例であり、Ａｌ組成傾斜層２２は、本発明の「第１組成傾斜層」の一例である。
【００７３】
ここで、基板１０と活性層３０との間に窒化物半導体層２１を形成した場合、窒化物半導体層２１から活性層３０に向けてＡｌ組成を減らすバンド構造とすることにより、基板１０と活性層３０との間にｎ型層として機能する層を有する構成とすることできる。このため、第１実施形態では、窒化物半導体層２１上に形成されるＡｌ組成傾斜層２２を、そのＡｌ組成が、活性層３０に向けて減少するように構成されている。そのため、Ａｌ組成傾斜層２２は、分極ドーピングされた分極ドーピング層２２として機能し、Ｓｉなどのｎ型ドーパントを添加しなくても、ｎ型キャリアである電子が生成されて、ｎ型の導電性を示す。この場合、量子井戸のバンドギャップが一番小さい構造となる。これにより、キャリアが効果的に閉じ込められる。また、活性層３０で発せられた光が、分極ドーピング層２２を含む層構造内で吸収されるのを抑制することが可能となる。
【００７４】
なお、Ａｌ組成傾斜層２２における基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａｃｔとした場合、以下の（１）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿ｓｕｂ＞Ａｌ＿ａｃｔ ・・・（１）
【００７５】
また、Ａｌ組成傾斜層２２の基板１０側のＡｌ組成（Ａｌ＿ｓｕｂ）は、Ａｌ組成傾斜層２２の基板１０側（下部側）で隣接する層のＡｌ組成以下に構成されており、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成（Ａｌ＿ａｃｔ）は、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側（上部側）で隣接する層のＡｌ組成以上に構成されている。
【００７６】
また、Ａｌ組成傾斜層２２におけるＡｌ組成が、Ａｌ＿ｓｕｂからＡｌ＿ａｃｔに変化する時に、Ａｌ組成は一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。さらに、窒化物半導体層２１と活性層３０との間に、Ａｌ組成傾斜層２２以外のＡｌを含む窒化物半導体層が形成されている場合、その窒化物半導体層のＡｌ組成は、その窒化物半導体層に隣接する層のうち、窒化物半導体層２１側のＡｌ組成よりも小さく、また、その窒化物半導体に隣接する層のうち、活性層側のＡｌ組成よりも大きい構成とするとよい。また、Ａｌ組成傾斜層２２以外に組成傾斜層が存在する場合は、Ａｌ組成傾斜層２２と同様の構成にするとよい。さらに、Ａｌを含む窒化物半導体層のＡｌ組成が傾斜する構成とする場合、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、図４の実線Ａで示すように、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。このように、Ａｌ組成を直線状に傾斜させれば、層内に均一にキャリアを発生させることが可能となる。なお、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記した直線状以外であってもよい。たとえば、図４の一点鎖線Ｂで示すように、下に凸の放物線状であってもよい。この場合、Ａｌ組成傾斜層２２とその下に形成された隣接層との界面で発生するキャリアが多くなる。このため、このような構成を、たとえば、界面の高濃度ドーピングに利用することも可能である。また、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記以外に、図４の破線Ｃで示すように、上に凸の放物線状であってもよい。
【００７７】
また、図３に示したＡｌ組成傾斜層２２は、ＡｌＧａＮから構成されているのが好ましい。また、Ａｌ組成傾斜層２２は、ＡｌＧａＮ以外に、たとえば、ＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよい。
【００７８】
ここで、Ａｌ組成傾斜層２２においては、その最下面のＡｌ組成と最上面のＡｌ組成との差（Ａｌ組成差）により、発生するキャリア濃度が決まる。具体的には、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚が薄い場合、高いキャリア濃度が薄い領域に発生する。その一方、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚が厚い場合、低いキャリア濃度が厚い領域に発生する。そのため、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚を厚く設定した場合、キャリア濃度が低くなるため、必要に応じて故意にｎ型不純物をドーピングすることで、キャリア濃度を制御することもできる。Ａｌ組成傾斜層２２の具体的な層厚は、たとえば、１．０μｍ程度であるのが好ましく、２．０μｍ程度であればより好ましい。
【００７９】
また、Ａｌ組成傾斜層２２では、分極ドーピングによりキャリアが発生するため、不純物をドーピングしなくても導電性を示す。このため、故意にｎ型不純物をドーピングする場合でも、ｎ型不純物のドーピング量を減らすことができる。そのため、不純物をドーピングする場合のドーピング量は、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚にもよるが、不純物ドーピングを行った通常の層（組成傾斜層ではない層）の不純物ドーピング量に対して、たとえば、３分の２以下程度に設定されるとよい。不純物ドーピング量を減らすことにより、クラックの抑制効果が顕著に得られる。また、Ａｌ組成傾斜層２２の不純物ドーピング量は、不純物ドーピングを行った通常の層（組成傾斜層ではない層）の不純物ドーピング量に対して、２分の１以下程度に設定されているとより好ましい。この場合、上記クラック抑制効果に加えて、平坦性の向上効果も顕著に得られる。
【００８０】
また、Ａｌ組成傾斜層２２は、活性層３０と接するように形成されている。ただし、Ａｌ組成傾斜層２２と活性層３０との間に、他の層が形成された構成になっていてもよい。
【００８１】
活性層３０は、図５に示すように、障壁層３１と量子井戸層３２とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる。ただし、多重量子井戸構造以外の構造（たとえば、単一量子井戸構造）であってもよい。また、障壁層３１および量子井戸層３２は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されている。
【００８２】
具体的には、量子井戸層３２は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体層から構成されている。また、障壁層３１は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体層から構成されており、そのＡｌ組成ｘ２は、量子井戸層３２のＡｌ組成ｘ１よりも大きい。
【００８３】
量子井戸層３２のＡｌ組成ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．９０の範囲にあるのが好ましく、０．３０≦ｘ１≦０．７０の範囲にあればより好ましい。量子井戸層３２のＡｌ組成ｘ１をこのような範囲とすれば、分極ドーピング層２２の効果がより顕著に得られる。また、量子井戸層３２のＩｎ組成ｙ１は、０．００≦ｙ１≦０．１２の範囲にあるのが好ましい。すなわち、活性層３０の量子井戸層３２は、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。
【００８４】
障壁層３１のＡｌ組成ｘ２は、０．２０≦ｘ２≦０．９５の範囲にあるのが好ましい。また、障壁層３１のＡｌ組成ｘ２は、０．３０≦ｘ２≦０．８５の範囲にあればより好ましい。障壁層３１のＡｌ組成ｘ２をこのような範囲とすれば、分極ドーピング層２２の効果がより顕著に得られる。また、障壁層３１のＩｎ組成ｙ２は、量子井戸層３２のＩｎ組成ｙ１よりも小さく、かつ、０．００≦ｙ２≦０．０８の範囲にあるのが好ましい。すなわち、障壁層３１は、量子井戸層３２と同様、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。
【００８５】
また、量子井戸層３２の層厚は、１．０ｎｍ〜８．０ｎｍ程度が好ましく、１．２ｎｍ〜４．０ｎｍ程度であればより好ましい。このように構成することで、発光効率が向上する。また、障壁層３１の層厚は、量子井戸層３２の層厚よりも大きく、かつ、２０ｎｍよりも小さくなるように設定されているのが好ましい。障壁層３１の層厚を２０ｎｍより小さくすることで、キャリアの注入が均一化されるので好ましい。
【００８６】
また、上記活性層３０が複数の量子井戸層３２と障壁層３１とから構成される場合、量子井戸層３２の層厚および組成は、全て同じに構成されていてもよいし、全て異なる構成にされていてもよい。また、いくつかの量子井戸層３２が同じになるように構成されていてもよい。同様に、障壁層３１の層厚および組成は、全て同じに構成されていてもよいし、全て異なる構成にされていてもよい。また、いくつかの障壁層３１が同じになるように構成されていてもよい。なお、上記量子井戸層３２は、意図せずに層厚や組成が揺らぐ領域ができた場合をも含む。また、量子井戸層３２においては、複数の層において、層厚および組成が同じになるように構成されているのが好ましい。このように構成することで、発光効率が向上する。
【００８７】
また、図３に示すように、活性層３０上に形成されたｐ側窒化物半導体４０は、キャリアブロック層４１、Ａｌを含む窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３を含んで構成されている。具体的には、活性層３０上には、Ａｌを含む窒化物半導体からなるキャリアブロック層４１が形成されている。このキャリアブロック層４１は、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有している。キャリアブロック層４１上には、Ａｌを含む窒化物半導体層４２が形成されている。窒化物半導体層４２上には、窒化物半導体からなるコンタクト層４３が形成されている。また、ｐ側窒化物半導体４０を構成する各層４１〜４３には、それぞれ、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）がドーピングされている。また、コンタクト層４３は、Ａｌを含む窒化物半導体層４２（たとえば、ｐ型ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成よりもＡｌ組成が小さくなるように設定されるとよい。このように構成すれば、コンタクト抵抗を低減することができる。この場合、窒化物半導体層４２との界面に、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）を高ドープするとよい。このように構成することで、発光素子の抵抗を低減できるため好ましい。なお、キャリアブロック層４１は、本発明の「第２窒化物半導体層」の一例である。
【００８８】
また、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、量子井戸層３２（図５参照）より高いＡｌ組成に設定されているのが好ましい。このように構成することで、活性層３０からの光を吸収する悪影響が低減される。さらに、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、障壁層３１と同じＡｌ組成に設定されているとより好ましい。Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、障壁層３１のＡｌ組成以上であるのが好ましい。このように構成することで、Ａｌ組成傾斜層２２と障壁層３１とが隣接した構成にする場合、界面の格子定数差が小さくなるため好ましい。
【００８９】
また、Ａｌ組成傾斜層２２の基板１０側のＡｌ組成は、窒化物半導体層２１のＡｌ組成以下に設定されているのが好ましい。
【００９０】
また、第１実施形態では、図２に示したように、窒化物半導体発光素子（ＥＬ）が、いわゆる横型構造の発光ダイオード素子に構成されている。このため、基板１０上に形成された層構造の一部が、たとえば、ドライエッチングなどによって、ｎ側窒化物半導体２０の途中の深さまで掘り込まれている。そして、掘り込まれた部分の底面に、ｎ側電極５０が形成されている。このｎ側電極５０は、たとえば、Ａｌ電極、または、基板１０側からＡｇ層、Ｃｕ層が順次積層された多層構造のＡｇ／Ｃｕ電極からなる。一方、ｐ側窒化物半導体４０（コンタクト層４３）上には、ｐ側電極６０が形成されている。このｐ側電極６０は、たとえば、ｐ側窒化物半導体４０側からＮｉ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順に積層された多層構造のＮｉ／Ａｕ電極からなる。これにより、第１実施形態では、基板１０の上面側に、ｐ側電極６０とｎ側電極５０とが形成された状態となっている。なお、電極に用いられる金属は、一例にすぎず、上記の例に限定されない。
【００９１】
このように、第１実施形態による窒化物半導体発光素子では、量子井戸層３２を、Ａｌを含む窒化物半導体から構成することによって、紫外光（深紫外光）を発光する発光ダイオード素子に構成されている。なお、活性層３０（量子井戸層３２）から放出される光の波長は、２００ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外領域であるのが好ましく、２５０ｎｍ〜３４０ｎｍであればより好ましい。
【００９２】
活性層３０から放出される光の波長が２４０ｎｍ以上では量子井戸層３２や障壁層３１などのヘテロ界面のエネルギー差がある程度大きく、キャリアの閉じ込めが十分に可能となる。また、光の波長が３４０ｎｍ以下では、発光素子を構成する窒化物半導体のＡｌ組成が比較的高く、−ｃ面（窒素極性）を用いる効果や、組成傾斜層を用いる効果が得られるため好ましい。
【００９３】
また、光の波長が２６０ｎｍ〜３２０ｎｍであればさらに好ましい。活性層３０から放出される光の波長が２６０ｎｍ以上では、基板１０上に形成したバッファ層（たとえば、ＡｌＮ）と、障壁層３１やｎ型窒化物半導体層とのＡｌ組成差を十分にとることができる。このため、Ａｌ組成傾斜層２２のＡｌ組成差（最下面と最上面とのＡｌ組成の差）が大きくなるので、分極ドーピングがより効果的となる。また、光の波長が３２０ｎｍ以下では、バッファ層（たとえば、ＡｌＮ）と、障壁層やｎ型窒化物半導体層とのＡｌ組成差が大きくなりすぎず、クラックが抑制されるため好ましい。
【００９４】
なお、発光波長が２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となるように設計された活性層３０を有する場合、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上に形成された分極ドーピング層２２がより効果的に機能するため好ましい。
【００９５】
また、上記のように構成された窒化物半導体発光素子（ＥＬ）は、図６に示すように、キャンタイプのパッケージ１０００ａに搭載されて、半導体光学装置１０００に構成される。
【００９６】
第１実施形態では、上記のように、基板１０と活性層３０との間に、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１を形成するとともに、その窒化物半導体層２１の−ｃ面（主面２１ａ）上（窒化物半導体層２１に対して活性層３０側）に、Ａｌ組成傾斜層２２を形成することによって、このＡｌ組成傾斜層２２を分極ドーピング層とすることができる。そして、この分極ドーピング層２２を含む層構造とすることによって、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることができる。これにより、電流を活性層３０の全体にわたって注入することができる。
【００９７】
また、第１実施形態では、Ａｌ組成傾斜層２２を、活性層３０に向かってそのＡｌ組成が減少するように構成することによって、ｎ型ドーパントを添加しなくても、ｎ型キャリアである電子が生成されるため、Ａｌ組成傾斜層２２をｎ型の導電型に構成することができる。このため、たとえば、Ｓｉなどの不純物をドーピングすることで危惧されるクラックの誘発を抑制することができる。また、Ａｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）に故意にドーピングを行う場合でも、そのドーピング量を少なくすることができる。このため、ドーピング量を少なくすることによって、結晶品質を向上させることができる。加えて、ドーピング量を少なくすることによって、不純物原料の使用量が減るため、原料効率を高めることができる。これにより、生産コスト、製品コストを低減することもできる。
【００９８】
また、窒化物半導体層２１の主面２１ａを−ｃ面（窒素極性）とすることによって、Ａｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）に故意にドーピングを行う場合においても、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）とする場合に比べて、クラック抑制効果を向上させることができる。このため、Ａｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）の厚膜化を図ることができるので、電流を容易に横方向に拡げることができる。
【００９９】
また、第１実施形態では、基板１０から活性層３０に向けて、Ａｌ組成が減少する層構造中に、Ａｌ組成が増加する層を導入しない（基板上に形成された窒化物半導体層の格子定数から、格子定数が小さくなる方向に変化している場合に、格子定数が大きくなる層を導入しない）ようにすることによって、格子定数の不連続（急激な格子定数変化）が生じないように構成することができる。これにより、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を抑制することができるので、結晶品質を向上させることができるとともに、クラックの発生を抑制することができる。
【０１００】
さらに、第１実施形態では、素子構造中に、ＧａＮからなるＳｉデルタ・ドープ層などの紫外光（深紫外光）を吸収する層を設けることなく発光素子を形成することができるので、外部への光の取出しが低下するのを抑制することができる。加えて、設計自由度を向上させることもできる。
【０１０１】
また、基板１０上に、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１を形成した場合や、さらにその上に、異なるＡｌ組成のＡｌを有する窒化物半導体層を形成した場合、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面とする窒化物半導体層上にこれらの層を形成した場合と比べて、クラックをより抑制することができるという特有の効果を得ることができる。これは、結晶成長中のウエハの反り量が低減したことによるものと考えられる。したがって、基板１０上に、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１を形成することによって、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）に比べて、厚膜化を図ることが可能となる。その結果、バッファ効果により結晶品質を向上させることができるとともに、横方向の電流拡がりを容易に増大させることができる。
【０１０２】
また、第１実施形態では、窒化物半導体層２１を、そのＡｌ組成が量子井戸層３２のＡｌ組成より大きくなるように構成することによって、活性層３０で発せられた光の吸収を抑制することができる。
【０１０３】
また、第１実施形態では、Ａｌ組成傾斜層２２における基板１０（窒化物半導体層２１）側のＡｌ組成を、窒化物半導体層２１のＡｌ組成以下に設定するとともに、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成を、障壁層３１のＡｌ組成以上に設定することによって、界面における格子不整合差を小さくすることができる。このため、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を効果的に抑制することができるので、結晶品質を効果的に向上させることができる。
【０１０４】
また、第１実施形態では、Ａｌ組成傾斜層２２のＡｌ組成を、層厚方向に対して直線状に変化（傾斜）するように構成することによって、層内にキャリアを均一に発生させることができる。
【０１０５】
また、第１実施形態では、窒化物半導体層２１の−ｃ面（窒素極性）上に形成される層構造を、Ａｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）を含む構造とすることによって、窒化物半導体層２１の−ｃ面（窒素極性）上に形成される窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。この際、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚を、２．０μｍ程度とすれば、平坦性の向上効果を大きく得ることができる。これにより、結晶品質が向上するので、導電性が向上する。その結果、これによっても、横方向の電流拡がりを向上させることができる。
【０１０６】
−ｃ面を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上では、Ａｌ組成傾斜層２２とｎ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）との層厚の大小関係は、どちらが大きくてもよい。これは、−ｃ面（窒素極性）を窒化物半導体層２１の主面２１ａとすることで、クラックの抑制が可能になるためである。より好ましい構成は、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚を、ｎ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）の層厚以上に設定する構成である。このように構成した場合、ｎ型不純物をドーピングした層を減らすことができるため、より結晶品質が向上する。また、平坦性も向上するため好ましい。
【０１０７】
また、第１実施形態では、キャリアブロック層４１と窒化物半導体層４２との界面に、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）を高濃度でドーピングする構成とすることもできる。そして、このように構成することで、ヘテロ界面に発生するスパイクの影響を低減することができるので、電圧低減効果を得ることができる。また、同様に、窒化物半導体層４２とコンタクト層４３との界面に、ｐ型不純物を高濃度でドーピングする構成とすることもできる。このように構成することで、上記と同様、ヘテロ界面に発生するスパイクの影響を低減することができる。このため、電圧低減効果を得ることができる。
【０１０８】
なお、上記窒化物半導体発光素子は、たとえば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や、分子ビーム成長法（ＭＢＥ法）などの結晶成長法などを用いて作製することができる。
【０１０９】
また、窒化物半導体層２１は、たとえば、以下の方法（工程）を用いることにより、その主面２１ａを−ｃ面（窒素極性）とすることができる。具体的な方法の一例として、基板１０にサファイア基板を用い、窒化物半導体層２１をＡｌＮ層とした場合について説明する。
【０１１０】
まず、サファイア基板を結晶成長装置（たとえば、ＭＯＣＶＤ装置）に導入し、基板温度を１０５０℃程度に保持した状態で、Ｈ2雰囲気中で基板表面のクリーニングを行う。次に、基板温度を１１００℃程度にして、窒化処理を行う。具体的には、基板温度が１１００℃程度の状態で、Ｎ原料であるＮＨ3のみを５００ｃｃ／ｍｉｎ程度で６０秒程度供給する。この窒化処理後、ＮＨ3に加えて、Ａｌの原料（たとえば、ＴＭＡ）を、５μｍｏｌ／ｍｉｎ程度で供給する。これにより、−ｃ面（窒素極性）を主面とするＡｌＮ層が形成される。なお、上記方法を用いることにより、窒素極性とＩＩＩ族極性とが混在した窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＮ層）を形成することもできる。また、ＡｌＮ層以外の窒化物半導体層とする場合には、適宜、原料ガスを供給すればよい。
【０１１１】
また、Ａｌ組成傾斜層２２は、たとえば、以下の方法（工程）を用いて形成することができる。具体的な方法の一例として、Ａｌ組成傾斜層２２をＡｌＧａＮ層とした場合について説明する。
【０１１２】
ＡｌＧａＮ層の成長時に、Ａｌの原料（たとえば、ＴＭＡ）、Ｇａの原料（たとえば、ＴＭＧ）およびＮＨ3をある値で供給していた場合、Ｇａの原料およびＮＨ3の供給量が一定の元、Ａｌの原料の供給量を変化させる。これにより、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を変化させることができる。また、上記以外に、Ａｌの原料およびＮＨ3の供給量が一定の元、Ｇａの原料の供給量を変化させることでも、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を変化させることができる。さらに、Ｇａの原料およびＡｌの原料の供給量が一定の元、ＮＨ3の供給量を変化させることでも、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を変化させることができる。
【実施例１】
【０１１３】
この実施例１では、−ｃ面（窒素極性）の主面を有する窒化物半導体層として、ＡｌＮ層を形成し、このＡｌＮ層の−ｃ面上に、約０．２μｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層からなるＡｌ組成傾斜層を形成することにより、窒化物半導体発光素子を形成した。
【０１１４】
図７は、Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成とキャリア密度との関係を示した図である。この図７では、主面が窒素極性を示すＡｌＮ層上に、０．２μｍの厚みを有するＡｌxＧａ1-xＮ層（Ａｌ組成傾斜層）を形成した場合の分極ドーピングにより発生するキャリア濃度について計算した結果を示している。また、図７において、横軸は、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成ｘ（％）を示しており、縦軸は、キャリア密度（ｃｍ-3）を示している。なお、Ａｌ組成ｘは、ＡｌxＧａ1-xＮ層（Ａｌ組成傾斜層）の最上面のＡｌ組成を示している。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層（Ａｌ組成傾斜層）の最下面のＡｌ組成は、ＡｌＮ層と同じ、１００％として計算している。
【０１１５】
図７より、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成ｘが１００％の場合、組成傾斜が生じないため、キャリアが発生しないが、Ａｌ組成ｘが１００％より小さくなると組成傾斜が生じるため、キャリアが発生する。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成ｘが小さくなるにしたがい、最下面のＡｌ組成と最上面のＡｌ組成とのＡｌ組成差が大きくなるため、キャリア密度が大きくなることがわかる。
【０１１６】
図８は、Ａｌ組成傾斜層の層厚とキャリア密度との関係を示した図である。この図８では、主面が窒素極性を示すＡｌＮ層上に、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）を形成した場合の分極ドーピングにより発生するキャリア濃度について計算した結果を示している。また、図８において、横軸は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）の層厚（μｍ）を示しており、縦軸は、キャリア密度（ｃｍ-3）を示している。なお、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）のＡｌ組成は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）の最上面のＡｌ組成を示している。また、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）の最下面のＡｌ組成は、ＡｌＮ層と同じ、１００％として計算している。
【０１１７】
図８より、Ａｌ組成傾斜層の層厚が薄いほど、発生するキャリア濃度が大きくなる。したがって、Ａｌ組成差と層厚とを調整することで、分極ドーピングにより発生するキャリア濃度を制御することができる。
【０１１８】
また、主面が−ｃ面（窒素極性）のＡｌＮ層上に、Ａｌ組成が減少したＡｌ組成傾斜層を形成した場合、ｎ型のキャリアが発生する。一方、主面が＋ｃ面（Ａｌ極性）のＡｌＮ層上に、Ａｌ組成が減少したＡｌ組成傾斜層を形成した場合、ｐ型のキャリアが発生する。このため、極性面と組成傾斜のさせ方とによって、発生させるキャリアを制御することができる。
【０１１９】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。図１０〜図１２は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子のＡｌ組成傾斜層の構成を説明するための図である。次に、図５および図９〜図１２を参照して、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、各図において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１２０】
この第２実施形態では、図９および図１０に示すように、上記第１実施形態の構成において、Ａｌ組成傾斜層１２２（２２）が、複数の層を含む多層構造に構成されている。具体的には、上記Ａｌ組成傾斜層１２２は、Ａｌ組成の傾斜が異なる２層以上の分極ドーピング層（傾斜層）２２ａを含んで構成されている。この分極ドーピング層２２ａは、Ａｌ組成が傾斜した窒化物半導体から構成されている。
【０１２１】
また、第２実施形態では、第１実施形態と同様、基板１０と活性層３０との間に、Ａｌを含む窒化物半導体層２１（たとえば、ＡｌＮ層）が形成されている。この窒化物半導体層２１の主面２１ａは、−ｃ面（窒素極性）とされている。また、窒化物半導体層２１と活性層３０との間には、上記Ａｌ組成傾斜層１２２が形成されている。このＡｌ組成傾斜層１２２は、窒化物半導体層２１に対して活性層３０側に形成されている。さらに、活性層３０上には、キャリアブロック層４１、Ａｌを含む窒化物半導体層４２、窒化物半導体からなるコンタクト層４３が順に形成されている。なお、キャリアブロック層４１、窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３には、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）がドーピングされている。
【０１２２】
Ａｌ組成傾斜層１２２は、図１０に示すように、Ａｌ組成が傾斜した分極ドーピング層２２ａと通常の層（組成傾斜層ではない層：通常層２２ｂ）とが交互に積層された多層構造からなる。また、Ａｌ組成傾斜層１２２は、そのＡｌ組成が、活性層３０に向けて減少するように構成されている。なお、通常層２２ｂは、組成一定を目的として形成された層であるが、意図せずに組成が不均一になった層も通常層２２ｂに含まれる。
【０１２３】
ここで、Ａｌ組成傾斜層１２２の構成についてより詳細に説明する。なお、説明を簡単にするために、図１１および図１２を参照して、Ａｌ組成傾斜層１２２が、第１分極ドーピング層２２１ａ、第１通常層２２１ｂ、第２分極ドーピング層２２２ａから構成される場合を例にして説明する。
【０１２４】
図１１および図１２に示すように、Ａｌ組成傾斜層１２２は、第１分極ドーピング層２２１ａと第２分極ドーピング層２２２ａとで、第１通常層２２１ｂが挟まれた構成を有している。第１分極ドーピング層２２１ａは、基板側に形成されており、第２分極ドーピング層２２２ａは、活性層側に形成されている。
【０１２５】
また、第１分極ドーピング層２２１ａにおける基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａ１＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａ１＿ａｃｔとした場合、以下の（２）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿ａ１＿ｓｕｂ＞Ａｌ＿ａ１＿ａｃｔ ・・・（２）
【０１２６】
なお、第１分極ドーピング層２２１ａは、図１２に示すように、Ａｌ組成がＡｌ＿ａ１＿ｓｕｂからＡｌ＿ａ１＿ａｃｔに変化する時に、Ａｌ組成は一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。さらに、そのＡｌ組成の変化（傾斜）は、図１２の実線ａ１のように、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、分極ドーピングにより、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることができるため好ましい。また、Ａｌ組成を直線状に傾斜させれば、層内に均一にキャリアを発生させることが可能となる。なお、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記した直線状以外の他の傾斜方法（たとえば、放物線状の傾斜など）であってもよい。
【０１２７】
第１通常層２２１ｂのＡｌ組成が一定の場合、そのＡｌ組成をＡｌ＿ｂ１とすると、Ａｌ＿ｂ１は、以下の（３）式を満たすように構成される。
Ａｌ＿ｂ１≦Ａｌ＿ａ１＿ａｃｔ ・・・（３）
【０１２８】
Ａｌ＿ｂ１＝Ａｌ＿ａ１＿ａｃｔの場合（図１２の実線ｂ１参照）、界面での格子定数差が生じないため、転位などの結晶欠陥の発生やクラックの発生が抑制される。また、Ａｌ＿ｂ１＜Ａｌ＿ａ１＿ａｃｔの関係（図１２の破線ｂ２参照）を維持することで、界面において、ｐ型キャリアの発生が抑制される。
【０１２９】
また、第２分極ドーピング層２２２ａにおける基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａ２＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａ２＿ａｃｔとした場合、以下の（４）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿ａ２＿ｓｕｂ＞Ａｌ＿ａ２＿ａｃｔ ・・・（４）
【０１３０】
また、第１通常層２２１ｂのＡｌ組成との関係においては、以下の（５）式を満たすように構成される。
Ａｌ＿ａ２＿ａｃｔ≦Ａｌ＿ｂ１ ・・・（５）
【０１３１】
Ａｌ＿ａ２＿ａｃｔ＝Ａｌ＿ｂ１の場合（図１２の実線ａ２参照（第１通常層２２１ｂが破線ｂ２の状態の場合は、破線ａ３参照））、界面での格子定数差が生じないため、転位などの結晶欠陥の発生やクラックの発生が抑制される。また、Ａｌ＿ａ２＿ａｃｔ＜Ａｌ＿ｂ１の関係（第１通常層２２１ｂが図１２の実線ｂ１の状態の場合は、破線ａ３またはａ４参照、第１通常層２２１ｂが破線ｂ２の状態の場合は、破線ａ４参照）を維持することで、界面において、ｐ型キャリアの発生が抑制される。
【０１３２】
また、第２分極ドーピング層２２２ａにおけるＡｌ組成が、Ａｌ＿ａ２＿ｓｕｂからＡｌ＿ａ２＿ａｃｔに変化する時に、Ａｌ組成は一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。また、そのＡｌ組成の変化（傾斜）は、第１分極ドーピング層２２１ａと同様、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、層内に均一にキャリアを発生させることが可能となる。ただし、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記した直線状以外の他の傾斜方法（たとえば、放物線状の傾斜など）であってもよい。
【０１３３】
なお、以上の説明では、分極ドーピング層２２ａと通常層２２ｂとが交互に積層された多層構造からなる３層構造を例示したが、Ａｌ組成傾斜層１２２の層数は、３層に限定されるものではなく、たとえば、１０層、２０層と層数を増やした構成とすることも可能である。
【０１３４】
この場合、Ａｌ組成傾斜層１２２のｎ番目（ｎは、０を含まない自然数）の分極ドーピング層２２ａにおける基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ａｃｔとすると、Ａｌ＿１＿ｓｕｂは、窒化物半導体層２１のＡｌ組成以下に設定されているとともに、Ａｌ＿ｎ＿ａｃｔは、Ａｌ＿ｎ＋１＿ｓｕｂ以上に設定されており、かつ、活性層３０に最も近い分極ドーピング層２２ａにおける活性層３０側のＡｌ組成が、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成以上に設定されているのが好ましい。すなわち、多層構造とした場合でも、基板１０から活性層３０に向けて、Ａｌ組成が一定か、もしくは減少するように構成されているのが好ましい。
【０１３５】
また、Ａｌ組成傾斜層１２２は、ＡｌＧａＮから構成されているのが好ましい。また、Ａｌ組成傾斜層１２２は、ＡｌＧａＮ以外に、たとえば、ＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよい。
【０１３６】
組成傾斜した分極ドーピング層２２ａに不純物をドーピングする場合、上述したように、そのドーピング量は、不純物ドーピングを行った通常の層（組成傾斜層ではない層）の不純物ドーピング量に対して、たとえば、３分の２以下程度に設定されるとよい。不純物ドーピング量を減らすことにより、クラックの抑制効果が顕著に得られる。また、Ａｌ組成傾斜層１２２の不純物ドーピング量は、不純物ドーピングを行った通常の層（組成傾斜層ではない層）の不純物ドーピング量に対して、２分の１以下程度に設定されているとより好ましい。この場合、上記クラック抑制効果に加えて、平坦性の向上効果も顕著に得られる。
【０１３７】
また、Ａｌ組成傾斜層１２２を構成する各層は、量子井戸層より高いＡｌ組成に設定されているのが好ましい。このように構成することで、活性層３０からの光を吸収する悪影響が低減される。さらに、Ａｌ組成傾斜層１２２を構成する層のうち、最も活性層３０（障壁層）に近い層のＡｌ組成は、障壁層と同じＡｌ組成に設定されているとより好ましい。このように構成することで、Ａｌ組成傾斜層１２２と障壁層とが隣接した構成にする場合、界面の格子定数差が小さくなるため好ましい。
【０１３８】
第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１３９】
第２実施形態では、上記のように、Ａｌ組成傾斜層１２２を、Ａｌ組成の傾斜が異なる２層以上の分極ドーピング層２２ａを含む多層構造に構成することによって、Ａｌ組成傾斜層１２２を１層（単層）で形成する場合に比べて、横方向の電流拡がりをより増大させることができる。
【０１４０】
また、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上においては、分極ドーピング層２２ａを多層で形成することにより、窒化物半導体層の平坦性をより向上させることができる。
【０１４１】
また、第２実施形態では、Ａｌ組成傾斜層１２２を、Ａｌ組成が傾斜している分極ドーピング層２２ａとＡｌ組成が一定の通常層２２ｂとが交互に積層された多層構造に構成することによって、容易に、窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。
【０１４２】
また、通常層２２ｂに不純物がドーピングされている場合、不純物ドーピングされた通常層２２ｂ間に、ドーピング量が少ない、もしくは、故意に不純物ドーピングを行わない層（分極ドーピング層２２ａ）を形成することで、不純物量を減らすことができる。これにより、結晶品質を向上させることができる。
【０１４３】
また、第２実施形態では、Ａｌ組成傾斜層１２２のｎ番目（ｎは、０を含まない自然数）の分極ドーピング層２２ａにおける基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ａｃｔとした場合、Ａｌ＿１＿ｓｕｂが、窒化物半導体層２１のＡｌ組成以下に設定されているとともに、Ａｌ＿ｎ＿ａｃｔは、Ａｌ＿ｎ＋１＿ｓｕｂ以上に設定されており、かつ、活性層３０に最も近い分極ドーピング層２２ａにおける活性層３０側のＡｌ組成が、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成以上に設定された構成とすることにより、容易に、界面における格子不整合差を小さくすることができる。これにより、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生をより効果的に抑制することができるので、結晶品質をより効果的に向上させることができる。
【０１４４】
たとえば、途中でＡｌ組成が大きくなった場合、格子不整合差が大きい界面が生じるため好ましくない。また、途中でＡｌ組成が大きくなった場合、分極ドーピングにより発生するキャリアは、ｎ型ではなくｐ型に寄与することになる。このため、ｎ型窒化物半導体に適用する場合、好ましくない。
【０１４５】
なお、Ａｌ組成傾斜層１２２の層厚は、たとえば、２．０μｍ程度とすることができる。また、Ａｌ組成傾斜層１２２の層厚は、３．０μｍから５．０μｍの間に設定されていると好ましい。３．０μｍより大きく設定することにより、電流拡がりの効果が大きくなる。一方、５．０μｍより小さく設定することにより、平坦性が良好になる。
【０１４６】
−ｃ面を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上では、Ａｌ組成傾斜層１２２とｎ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）との層厚の大小関係は、どちらが大きくてもよい。これは、−ｃ面（窒素極性）を窒化物半導体層２１の主面２１ａとすることで、クラックの抑制が可能になるためである。より好ましい構成は、Ａｌ組成傾斜層１２２の層厚を、ｎ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）の層厚以上に設定する構成である。このように構成した場合、ｎ型不純物をドーピングした層を減らすことができるため、より結晶品質が向上する。また、平坦性も向上するため好ましい。
【０１４７】
分極ドーピング層２２ａが多段に形成された場合、各々の分極ドーピング層２２ａのＡｌ組成傾斜方法は、同じでもよいし、それぞれ、異なっていてもよい。また、各々の分極ドーピング層２２ａの層厚も、全て同じでもよいし、異なっていてもよい。
【０１４８】
第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１４９】
（第２実施形態の変形例）
上記第２実施形態では、通常層２２ｂを、Ａｌ組成一定の層としたが、分極ドーピング層２２ａのように、Ａｌ組成が変化していてもよい。この場合、Ａｌ組成は、基板１０から活性層３０に向けて、一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。また、Ａｌ組成の変化の仕方は、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。この直線状の傾斜の傾きは、分極ドーピング層２２ａと異なっていてもよい。傾斜の傾きが分極ドーピング層２２ａと同じ場合は、上記第１実施形態と同様の構成となる。
【０１５０】
（第３実施形態）
図１３は、本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図５および図１３を参照して、本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図１３において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１５１】
この第３実施形態では、図１３に示すように、上記第１または第２実施形態の構成において、ｐ側窒化物半導体４０にもＡｌ組成傾斜層が形成された構成となっている。具体的には、第３実施形態では、活性層３０（最も基板１０から離れた障壁層）とキャリアブロック層４１との間に、Ａｌ組成が傾斜している窒化物半導体からなるＡｌ組成傾斜層４４が形成されている。なお、Ａｌ組成傾斜層４４は、本発明の「第２組成傾斜層」の一例である。
【０１５２】
活性層３０とキャリアブロック層４１との間に形成されたＡｌ組成傾斜層４４は、活性層３０からキャリアブロック層４１に向けて、Ａｌ組成が増加するように構成されている。たとえば、Ａｌ組成傾斜層４４における活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿４４＿ａｃｔとし、キャリアブロック層４１側のＡｌ組成をＡｌ＿４４＿ｃｂとした場合、以下の（６）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿４４＿ａｃｔ＜Ａｌ＿４４＿ｃｂ ・・・（６）
【０１５３】
また、Ａｌ組成傾斜層４４のＡｌ組成がＡｌ＿４４＿ａｃｔからＡｌ＿４４＿ｃｂに変化する時に、Ａｌ組成は一様に増加し、減少することがないように構成されているのが好ましい。そのＡｌ組成の変化（傾斜）は、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、層内に均一にキャリアを発生させることが可能となる。ただし、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記した直線状以外の他の傾斜方法（たとえば、放物線状の傾斜など）であってもよい。
【０１５４】
ここで、上記Ａｌ組成傾斜層４４は−ｃ面上に形成されているので、故意に不純物（たとえば、Ｍｇ）をドーピングしなくても、分極ドーピングによりキャリア（ホール）が発生する。このため、Ａｌ組成傾斜層４４は、故意に不純物をドーピングしなくても、ｐ型の導電性を示す。ただし、Ａｌ組成傾斜層４４に故意に不純物をドーピングすることにより、ドーピング量の調整などを行うことも可能である。
【０１５５】
また、Ａｌ組成傾斜層４４におけるキャリアブロック層４１側のＡｌ組成（Ａｌ＿４４＿ｃｂ）は、キャリアブロック層４１のＡｌ組成と同じに設定されているのが好ましい。このように構成することで、キャリアブロック層４１との界面での格子不整合差がなくなるため、好ましい。また、Ａｌ組成傾斜層４４における活性層３０側のＡｌ組成（Ａｌ＿４４＿ａｃｔ）は、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成と同じに設定されているのが好ましい。このように構成することで、活性層３０との界面での格子不整合差がなくなるため、好ましい。
【０１５６】
なお、活性層３０とキャリアブロック層４１との間に、Ａｌ組成傾斜層４４を有する構成の場合、Ａｌ組成傾斜層４４が量子井戸層と接する構成とすることにより、Ａｌ組成傾斜層４４が、最もキャリアブロック層４１に近い障壁層３１（図５参照）の機能を兼ね備えた構成とすることも可能である。
【０１５７】
また、Ａｌ組成傾斜層４４の層厚は、たとえば、１００ｎｍ以下にするとよい。このように構成することで、キャリアブロック層４１の効果を大きくすることができる。また、Ａｌ組成傾斜層４４の層厚が、５０ｎｍ以下であればより好ましく、２０ｎｍ以下であればさらに好ましい。Ａｌ組成傾斜層４４の層厚を２０ｎｍ以下とすることで、分極ドーピングにより十分にキャリアを発生させることができる。また、Ａｌ組成傾斜層４４の層厚は、たとえば、５ｎｍ以上にするとよい。このように構成することで、Ａｌ組成を緩やかに変化させることが可能となり、結晶品質が向上する。
【０１５８】
なお、第３実施形態では、ｐ側窒化物半導体４０のＡｌ組成傾斜層４４を単層で示したが、これに限らず、Ａｌ組成傾斜層４４は、複数の層を含む多層構造に形成されていてもよい。この場合も、活性層３０からキャリアブロック層４１に向けて、Ａｌ組成が増加するように構成される。
【０１５９】
また、第３実施形態では、ｎ側窒化物半導体２０にもＡｌ組成傾斜層２２（１２２）を設けた例を示したが、ｎ側窒化物半導体２０に、Ａｌ組成傾斜層２２（１２２）を設けない構成とすることも可能である。ただし、ｎ側窒化物半導体２０にＡｌ組成傾斜層２２（１２２）を設けることで、横方向に電流を拡げる効果や、平坦性の向上効果、クラック抑制効果などが得られるため、ｎ側窒化物半導体２０にＡｌ組成傾斜層２２（１２２）を設けた構成が好ましい。
【０１６０】
また、上記第３実施形態の構成において、基板１０と窒化物半導体層２１との間に、超格子構造を形成する構成とすることも可能である。たとえば、基板１０上に、窒素極性を有するＡｌＮバッファ層を形成したのち、さらに、ＡｌＮとＡｌＧａＮ、もしくは、ＡｌＧａＮとＡｌＧａＮとからなる超格子を形成し、その上に、Ａｌを含む窒化物半導体層２１を形成することも可能である。このように、基板１０と窒化物半導体層２１との間に、超格子を挿入することで、その上に形成される層の結晶欠陥を低減（抑制）することができる。さらに、上記以外に、たとえば、Ａｌ組成傾斜層２２（１２２）と活性層３０との間に、ＡｌＮとＡｌＧａＮ、もしくは、ＡｌＧａＮとＡｌＧａＮとからなる超格子構造を挿入することも可能である。
【０１６１】
第３実施形態のその他の構成は、上記第１および第２実施形態と同様である。
【０１６２】
第３実施形態では、上記のように、活性層３０とキャリアブロック層４１との間に、Ａｌ組成が傾斜したＡｌ組成傾斜層４４を形成することによって、このＡｌ組成傾斜層４４を分極ドーピング層とすることができる。分極ドーピング層では、ドーパントを添加しなくてもキャリアが生成されるため、素子抵抗を低減することができる。
【０１６３】
また、第３実施形態では、ｐ型不純物をドーピングせずに、Ａｌ組成傾斜層４４にｐ型のキャリア（ホール）を発生させることができる。ここで、活性層付近にｐ型不純物をドーピングすると、素子抵抗を低減することが可能となる一方、ｐ型窒化物半導体層の成長中にｐ型不純物が活性層に拡散することにより、発光効率が低下する場合がある。また、ｐ型不純物の拡散は、結晶品質が悪いもので、より顕著となる。
【０１６４】
これに対し、上記のように構成された第３実施形態では、ｐ型不純物をドーピングすることなく、ｐ型のキャリアを発生させることができるので、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）の拡散に起因する発光効率の低下を抑制することができる。また、ｐ型不純物をドーピングする場合でも、そのドーピング量を減らすことができるので、ｐ型不純物の拡散を効果的に抑制することができる。また、ｐ型不純物のドーピング量を減らすことにより、結晶品質を向上させることもできる。その結果、活性層へのダメージを抑制して、発光効率の低下を抑制することができる。
【０１６５】
また、Ａｌ組成傾斜層４４に不純物（たとえば、Ｍｇ）をドーピングする場合、そのドーピング量は、ｐ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）のドーピング量の、たとえば、３分の２以下程度に設定されるとよい。このように構成すれば、不純物ドーピング量を減らすことができるので、結晶品質を向上させることができる。また、活性層３０への不純物の拡散を抑制することができるので、不純物拡散による活性層３０のダメージを抑制することもできる。また、Ａｌ組成傾斜層４４の不純物ドーピング量は、ｐ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）のドーピング量の、たとえば、２分の１以下程度に設定されているとより好ましい。この場合、上記効果に加えて、平坦性を向上させる効果を顕著に得ることができる。不純物をドーピングしない構成とすれば、さらに好ましい。
【０１６６】
また、第３実施形態では、Ａｌ組成傾斜層４４におけるキャリアブロック層４１側のＡｌ組成（Ａｌ＿４４＿ｃｂ）を、キャリアブロック層４１のＡｌ組成以下に設定するとともに、Ａｌ組成傾斜層４４における活性層３０側のＡｌ組成（Ａｌ＿４４＿ａｃｔ）を、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成以上に設定することによって、界面における格子不整合差を小さくすることができるので、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を効果的に抑制することができる。
【０１６７】
第３実施形態のその他の効果は、上記第１および第２実施形態と同様である。
【実施例２】
【０１６８】
実施例２の窒化物半導体発光素子として、上記第３実施形態で示した窒化物半導体発光素子と同様の発光素子を作製した。図１４および図１５は、実施例２の窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。なお、各図において、対応する構成要素には同一の符号を付している。
【０１６９】
この実施例２では、図１４に示すように、基板１０にサファイア基板を用いた。また、サファイア基板１０上には、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとするＡｌＮ層２２を形成した。ＡｌＮ層２２上には、Ａｌ組成が傾斜しているｎ側分極ドーピング層２２を形成した。この分極ドーピング層２２は、約２．０μｍの層厚とし、ＡｌＮからＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎへ、Ａｌ組成を直線的に変化させた。また、分極ドーピング層２２には、通常の層（組成傾斜層でない層（後述する比較例））のＳｉドーピング量の３分の２程度のＳｉドーピングを行った。分極ドーピング層２２上には、活性層３０を形成し、この活性層３０上に、Ａｌ組成が４５％から７０％まで変化させたＡｌＧａＮからなるｐ側分極ドーピング層４４を約１５ｎｍの層厚で形成した。ｐ側分極ドーピング層４４上には、Ａｌ組成７０％のＡｌＧａＮからなるキャリアブロック層４１を約１０ｎｍの層厚で形成した。また、キャリアブロック層４１上には、Ａｌ組成４５％のＡｌＧａＮ層４２を約１５ｎｍの層厚で形成した。さらに、このＡｌＧａＮ層４２上には、ＧａＮからなるコンタクト層４３を約１００ｎｍの層厚で形成した。
【０１７０】
キャリアブロック層４１、ＡｌＧａＮ層４２およびコンタクト層４３には、ｐ型不純物としてＭｇをドーピングした。一方、活性層３０上に形成したｐ側分極ドーピング層４４は、Ｍｇドーピングを施さない構成とした。
【０１７１】
活性層３０は、図１５に示すように、Ａｌ組成３５％のＡｌＧａＮからなる量子井戸層３２とＡｌ組成４５％のＡｌＧａＮからなる障壁層３１とを交互に積層した３重量子井戸の多重量子井戸構造とした。なお、量子井戸層３２の層厚は、約３ｎｍとし、障壁層３１の層厚は、約７．５ｎｍとした。
【０１７２】
また、ｎ側分極ドーピング層２２およびｐ側分極ドーピング層４４を、それぞれ、Ａｌ組成一定の層に代えた窒化物半導体発光素子を作製し、この窒化物半導体発光素子を比較例として用いた。なお、比較例による素子では、ｎ側分極ドーピング層２２に対応する層の層厚は、０．８μｍ程度としている。これは、実施例２と同様の層厚（約２．０μｍ）とした場合、クラックが発生するためである。また、比較例において、ｎ側分極ドーピング層２２に対応する層は、Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ｎ層とし、ｐ側分極ドーピング層４４に対応する層は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層とした。
【０１７３】
そして、これらの素子を用いて、動作電圧および電流注入による発光強度の比較を行った。その結果、比較例では、電圧値が２０ｍＡにおいて８．７Ｖであったのに対し、分極ドーピング層を有する実施例２では、電圧値を６．８Ｖまで低減することができた。また、実施例２の発光強度は、比較例に比べて、２．５倍程度増加した。
【実施例３】
【０１７４】
実施例３の窒化物半導体発光素子として、ｎ側分極ドーピング層２２（図１４参照）が多層構造から形成されている点を除いて上記実施例２と同様の構成を有する素子を作製した。図１６は、実施例３のｎ側分極ドーピング層の層構造を模式的に示した断面図である。
【０１７５】
図１６に示すように、実施例３では、ＡｌＮ層２１上に、多層構造を有するｎ側分極ドーピング層１２２（２２）を形成した。具体的には、ＡｌＮ層２１上に、まず、ＡｌＮからＡｌ0.80Ｇａ0.20Ｎへ、Ａｌ組成を直線的に変化させた組成傾斜層２２ａ（２２１ａ）を約０．５μｍの層厚で形成した。次に、組成傾斜層２２ａ（２２１ａ）上に、Ａｌ0.80Ｇａ0.20Ｎからなる組成一定層２２ｂ（２２１ｂ）を約０．６μｍの層厚で形成した。次に、組成一定層２２ｂ（２２１ｂ）上に、Ａｌ0.80Ｇａ0.20ＮからＡｌ0.60Ｇａ0.40Ｎへ、Ａｌ組成を直線的に変化させた組成傾斜層２２ａ（２２２ａ）を約０．５μｍの層厚で形成した。続いて、組成傾斜層２２ａ（２２２ａ）上に、Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ｎからなる組成一定層２２ｂ（２２２ｂ）を約０．６μｍの層厚で形成した。次に、組成一定層２２ｂ（２２２ｂ）上に、Ａｌ0.60Ｇａ0.40ＮからＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎへ、Ａｌ組成を直線的に変化させた組成傾斜層２２ａ（２２３ａ）を約０．５μｍの層厚で形成した。その後、組成傾斜層２２ａ（２２３ａ）上に、Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ｎからなる組成一定層２２ｂ（２２３ｂ）を約０．６μｍの層厚で形成した。
【０１７６】
組成傾斜層２２ａ（２２１ａ〜２２３ａ）には、比較例の通常Ｓｉドーピング量に対して３分の２程度のＳｉドーピングを行った。また、組成一定層２２ｂ（２２１ｂ〜２２３ｂ）には、比較例の通常Ｓｉドーピング量と同程度のＳｉドーピングを行った。
【０１７７】
そして、実施例３の素子を用いて、実施例２と同様、動作電圧および電流注入による発光強度の測定を行い、比較例との比較を行った。その結果、比較例では、電圧値が２０ｍＡにおいて８．７Ｖであったのに対し、分極ドーピング層を有する実施例３では、電圧値を６．３Ｖまで低減することができた。また、実施例３の発光強度は、比較例に比べて、４．５倍程度増加した。
【０１７８】
（第４実施形態）
図１７は、本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図３および図１７を参照して、本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図１７において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１７９】
この第４実施形態では、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）上で分極ドーピングを利用するために、上記第１実施形態の構成において、各導電型が逆の導電型に構成されている。すなわち、第４実施形態では、図１７に示すように、基板１０（たとえば、サファイア基板）と活性層３０との間に、ｐ型窒化物半導体層が形成されており、活性層３０上に、ｎ型窒化物半導体層が形成されている。
【０１８０】
また、第４実施形態では、基板１０と活性層３０との間に、Ａｌを含む窒化物半導体層２１が形成されている。この窒化物半導体層２１の主面２１ａは、上記第１実施形態とは異なり、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）となっている。また、窒化物半導体層２１と活性層３０との間には、Ａｌ組成が傾斜したＡｌ組成傾斜層２２が形成されている。このＡｌ組成傾斜層２２は、活性層３０に向けてＡｌ組成が減少するように構成されている。このため、このＡｌ組成傾斜層２２が＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）上に形成されることで、Ｍｇなどのｐ型ドーパントを添加しなくても、ｐ型キャリアであるホールが生成される。これにより、Ａｌ組成傾斜層２２がｐ型の導電性を示す。この場合、量子井戸のバンドギャップが一番小さい構造となるため、キャリアが効果的に閉じ込められる。
【０１８１】
なお、Ａｌ組成傾斜層２２は、上記のように、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）をドーピングしなくても導電性を示す。このため、Ａｌ組成傾斜層２２にｐ型不純物をドーピングしない構成とするのが好ましいが、ｐ型不純物をドーピングする構成とすることもできる。Ａｌ組成傾斜層２２にｐ型不純物をドーピングする場合、そのドーピング量は、ｐ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）のドーピング量の、たとえば、３分の２以下程度に設定されていると好ましく、２分の１程度以下に設定されているとより好ましい。
【０１８２】
また、第４実施形態では、第１実施形態とは導電型が逆になっているため、基板１０と活性層３０との間にはｐ側窒化物半導体２０ａが形成されることになる。このｐ側窒化物半導体２０ａは、導電型を除き、第１実施形態のｎ側窒化物半導体２０（図３参照）と対応する（同様の）層構造となっている。一方、活性層３０上には、第１実施形態のｐ側窒化物半導体４０（図３参照）と対応した（同様の）層構造を有するｎ側窒化物半導体４０ａが形成されている。ｎ側窒化物半導体４０ａは、上記第１実施形態と同様、キャリアブロック層４１、Ａｌを含む窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３を含んで構成されている。ただし、これらの層は、ｎ型不純物がドーピングされることにより、ｎ型の導電型を示すように構成されている。なお、ｐ側窒化物半導体２０ａは、本発明の「第１半導体部」の一例であり、ｎ側窒化物半導体４０ａは、本発明の「第２半導体部」の一例である。
【０１８３】
キャリアブロック層４１と窒化物半導体層４２との界面には、ｎ型不純物が高濃度ドーピングされているのが好ましい。このように構成することで、ヘテロ界面に発生するスパイクの影響を低減でき、電圧低減効果が得られる。また、同様に、窒化物半導体層４２とコンタクト層４３との界面には、ｎ型不純物が高濃度ドーピングされているのが好ましい。
【０１８４】
Ａｌ組成傾斜層２２の層厚は、たとえば、１．０μｍ程度とすることができる。より好ましくは、２．０μｍ程度である。Ａｌ組成傾斜層２２の層厚を２．０μｍ程度とすれば、電流拡がりの効果がより大きくなるためより好ましい。
【０１８５】
また、＋ｃ面を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上では、Ａｌ組成傾斜層２２は、ｐ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）の層厚より大きい層厚で形成されると好ましい。このように構成した場合、ｐ型不純物をドーピングした層を減らすことができるため、より結晶品質が向上する。また、平坦性も向上するため好ましい。
【０１８６】
また、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、量子井戸層より高いＡｌ組成に設定されているのが好ましい。このように構成することで、活性層３０からの光を吸収する悪影響が低減される。さらに、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、障壁層と同じＡｌ組成に設定されているとより好ましい。このように構成することで、界面の格子定数差が小さくなるため好ましい。
【０１８７】
さらに、Ａｌ組成傾斜層２２を、基板１０から活性層３０に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とし、そのＡｌ組成を活性層３０のＡｌ組成よりも大きい値に設定することで、光吸収の影響を抑制した構成にすることができる。また、格子定数差を徐々に変化させることで、格子定数差の大きな界面を減らすことができるため、結晶品質を向上させることができる。
【０１８８】
なお、第４実施形態では、上記第１実施形態とは導電型が逆になっているため、ｎ側電極およびｐ側電極もその形成領域が入れ替わった構成となっている。すなわち、第４実施形態では、第１実施形態におけるｎ側電極が形成されている領域にｐ側電極が形成されており、第１実施形態におけるｐ側電極が形成されている領域にｎ側電極が形成されている。
【０１８９】
第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態の構成において導電型を逆にした構成と同様である。また、第４実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１９０】
（第５実施形態）
図１８は、本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図１０および図１８を参照して、本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図１８において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１９１】
この第５実施形態では、図１８に示すように、上記第４実施形態の構成において、Ａｌ組成傾斜層１２２（２２）が、複数の層を含む多層構造に構成されている。このＡｌ組成傾斜層１２２は、第２実施形態で示したＡｌ組成傾斜層１２２（図１０参照）と同様の多層構造に構成されている。ただし、第５実施形態では、窒化物半導体層２１の主面２１ａが＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）とされているため、Ａｌ組成傾斜層１２２の導電型はｐ型となっている。なお、第５実施形態による窒化物半導体発光素子は、上記第２実施形態の構成において、各導電型が逆の導電型の構成と同様の構成でもある。
【０１９２】
第５実施形態のその他の構成は、上記第４実施形態と同様である。また、第５実施形態の効果は、上記第１、第２および第４実施形態と同様である。
【０１９３】
（第６実施形態）
図１９は、本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図１３および図１９を参照して、本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図１９において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１９４】
この第６実施形態では、図１９に示すように、上記第４または第５実施形態の構成において、ｎ側窒化物半導体４０ａにもＡｌ組成傾斜層が形成された構成となっている。具体的には、第６実施形態では、活性層３０（最も基板１０から離れた障壁層）とキャリアブロック層４１との間に、Ａｌ組成が傾斜している窒化物半導体からなるＡｌ組成傾斜層４４が形成されている。このＡｌ組成傾斜層４４は、上記第３実施形態で示したＡｌ組成傾斜層４４（図１３参照）と同様の構成を有している。ただし、第６実施形態では、窒化物半導体層２１の主面２１ａが＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）とされているため、Ａｌ組成傾斜層４４の導電型はｎ型となっている。なお、第６実施形態による窒化物半導体発光素子は、上記第３実施形態の構成において、各導電型が逆の導電型の構成と同様の構成でもある。
【０１９５】
第６実施形態のその他の構成は、上記第４および第５実施形態と同様である。また、第６実施形態の効果は、上記第１〜第５実施形態と同様である。
【０１９６】
（第７実施形態）
図２０は、本発明の第７実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図２０を参照して、本発明の第７実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図２０において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１９７】
この第７実施形態では、図２０に示すように、上記第１実施形態の構成において、Ａｌ組成傾斜層２２と活性層３０との間にＡｌを含む窒化物半導体層２５がさらに形成された構成となっている。
【０１９８】
ここで、第７実施形態では、上記窒化物半導体層２５は、その主面２５ａが＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）となるように形成されている。すなわち、この第７実施形態では、基板１０と活性層３０との間において、−ｃ面（窒素極性）から＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）に極性が反転した構成となっている。
【０１９９】
第７実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０２００】
第７実施形態では、上記のように、基板１０と活性層３０との間で極性を反転させることによって、活性層３０を、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）上に形成することができる。これにより、活性層３０の平坦性をより向上させることができる。
【０２０１】
第７実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０２０２】
なお、極性を反転させる層（窒化物半導体層２５）は、たとえば、以下の方法（工程）を用いて形成することができる。具体的な方法の一例として、基板１０にサファイア基板を用い、窒化物半導体層２５をＡｌＮ層とした場合について説明する。また、以下の説明では、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層の形成工程については省略している。
【０２０３】
まず、サファイア基板を結晶成長装置（たとえば、ＭＯＣＶＤ装置）に導入し、基板温度を１０５０℃程度に保持した状態で、Ｈ2雰囲気中で基板表面のクリーニングを行う。次に、基板温度を１１００℃程度にして、窒化処理を行う。具体的には、基板温度が１１００℃程度の状態で、Ｎ原料であるＮＨ3を４００ｃｃ／ｍｉｎ程度、Ａｌの原料（たとえば、ＴＭＡ）を５μｍｏｌ／ｍｉｎ程度で供給することにより、窒素極性とＩＩＩ族極性とが混在したＡｌＮを形成する。その後、基板温度を１２００℃程度（先の工程での温度＋１００℃程度）にし、ＮＨ3およびＡｌの原料を同一条件にて供給する。これにより、その主面がＩＩＩ族極性に転換される。これは、窒素極性がＩＩＩ族極性に比べて低温で熱分解するため、成長温度を高温にすることでＩＩＩ族極性が残り、これを核として成長が進むためである。
【０２０４】
なお、上記第７実施形態では、極性を反転させる層を、基板１０と活性層３０との間に設けたが、このような層を、活性層３０とコンタクト層４３との間に設けてもよい。この場合、たとえば、キャリアブロック層４１の形成後、Ａｌを含む窒化物半導体層４２の形成前に、極性反転を行うための窒化物半導体層を形成するのが好ましい。
【０２０５】
（第８実施形態）
図２１は、本発明の第８実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図２１を参照して、本発明の第８実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図２１において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０２０６】
この第８実施形態では、図２１に示すように、上記第７実施形態の構成において、窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３の少なくとも一方が、Ａｌ組成が傾斜した組成傾斜層（分極ドーピング層）からなる。
【０２０７】
窒化物半導体層４２のＡｌ組成が傾斜している場合、キャリアブロック層４１からコンタクト層４３に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とされる。窒化物半導体層４２は、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面２５ａとする窒化物半導体層２５上に形成されているため、このように構成することで、故意に不純物をドーピングしなくても、窒化物半導体層４２はｐ型の導電性を示す。
【０２０８】
この場合、たとえば、窒化物半導体層４２のキャリアブロック層４１側のＡｌ組成をＡｌ＿４２＿ｃｂとし、コンタクト層４３側のＡｌ組成をＡｌ＿４２＿ｃｏとすると、
以下の（７）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿４２＿ｃｏ＜Ａｌ＿４２＿ｃｂ ・・・（７）
【０２０９】
また、窒化物半導体層４２におけるＡｌ組成が、Ａｌ＿４２＿ｃｂからＡｌ＿４２＿ｃｏに変化する時に、Ａｌ組成は一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。そのＡｌ組成の変化の仕方は、成長層厚に比例した、直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、層内に均一にキャリアを発生させることができる。その他、放物線状の傾斜など、他の傾斜方法でＡｌ組成を傾斜させてもよい。
【０２１０】
また、コンタクト層４３側のＡｌ組成（Ａｌ＿４２＿ｃｏ）は、コンタクト層４３のＡｌ組成が一様の場合、コンタクト層４３のＡｌ組成と同じであるのが好ましい。このように構成することで、界面での格子不整合差がなくなるため好ましい。
【０２１１】
キャリアブロック層４１上に形成される窒化物半導体層４２の層厚は、たとえば、５００ｎｍ以下に設定されているのが好ましい。より好ましくは、２００ｎｍ以下である。さらに好ましくは、１００ｎｍ以下である。窒化物半導体層４２の層厚を１００ｎｍ以下とすることで、分極ドーピングにより十分にキャリアを発生させることが可能となる。また、上記窒化物半導体層４２の層厚は、たとえば、５ｎｍ以上に設定されているのが好ましい。このように構成することで、Ａｌ組成を緩やかに変化させることが可能となり、結晶品質が向上する。
【０２１２】
また、キャリアブロック層４１と窒化物半導体層４２との界面には、ハイドープを施してもよい。このように構成することで、界面でのｎ型キャリアの影響が抑制される。また、界面にハイドープを施す場合、Ａｌの組成傾斜プロファイルを、下に凸の放物線状に減少させた構成とすることで、分極ドーピングにより発生するキャリアを、窒化物半導体層４２とその下の層との界面に近づくほど高くすることができる。
【０２１３】
また、上記窒化物半導体層４２と同様に、コンタクト層４３も、Ａｌ組成が傾斜した組成傾斜層（分極ドーピング層）とすることができる。この場合、活性層３０から上方（基板１０と反対方向）に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とされる。このように構成することで、コンタクト層４３に故意に不純物をドーピングしなくても、コンタクト層４３はｐ型の導電性を示す。また、コンタクト層４３を、Ａｌ組成が傾斜した組成傾斜層（分極ドーピング層）とした場合、そのＡｌ組成の変化の仕方は、成長層厚に比例した、直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、層内に均一にキャリアを発生させることができる。その他、放物線状の傾斜など、他の傾斜方法でＡｌ組成を傾斜させてもよい。
【０２１４】
コンタクト層４３の層厚は、たとえば、５００ｎｍ以下に設定されているのが好ましい。より好ましくは、２００ｎｍ以下である。コンタクト層４３の層厚を２００ｎｍ以下とすることで、分極ドーピングにより十分にキャリアを発生させることが可能となる。また、上記コンタクト層４３の層厚は、たとえば、１０ｎｍ以上に設定されているのが好ましい。このように構成することで、Ａｌ組成を緩やかに変化させることが可能となり、結晶品質が向上する。
【０２１５】
また、コンタクト層４３における窒化物半導体層４２との界面のＡｌ組成は、窒化物半導体層４２のコンタクト層４３側のＡｌ組成（Ａｌ＿４２＿ｃｏ）以上に設定されているのが好ましい。このように構成することで、界面でのｎ型キャリアの発生を抑制することができる。また、窒化物半導体層４２との界面のＡｌ組成は、窒化物半導体層４２のコンタクト層４３側のＡｌ組成（Ａｌ＿４２＿ｃｏ）と同じに設定されているのが好ましい。このように構成することで、界面でのｎ型キャリアの発生が抑制されることに加えて、界面での格子定数差をなくすことができる。
【０２１６】
第８実施形態のその他の構成は、上記第７実施形態と同様である。
【０２１７】
第８実施形態では、上記のように、窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３の少なくとも一方を、Ａｌ組成が傾斜した組成傾斜層（分極ドーピング層）とすることによって、ｐ型不純物をドーピングせずに、ｐ型のキャリアを発生させることができる。また、このように構成することによって、ドーピング量の調整などを行うためにｐ型不純物をドーピングする場合でも、少ない不純物量で導電性を得ることができるので、不純物量を減らすことにより結晶品質を向上させることができる。また、不純物の原料使用量も減らすことができるため、生産コストの観点からも好ましい。
【０２１８】
第８実施形態のその他の効果は、上記第７実施形態と同様である。
【０２１９】
なお、第８実施形態では、ｐ側窒化物半導体の分極ドーピング層（窒化物半導体層４２、コンタクト４３）を単層で示したが、これに限らず、分極ドーピング層（窒化物半導体層４２、コンタクト４３）は、複数の層を含む多層構造に形成されていてもよい。この場合も、活性層３０からキャリアブロック層４１に向けて、Ａｌ組成が減少するように構成される。また、途中で、Ａｌ組成が増加することがないように構成されているのが好ましい。
【０２２０】
また、第８実施形態では、ｎ側窒化物半導体にもＡｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）を設けた例を示したが、ｎ側窒化物半導体に、Ａｌ組成傾斜層２２を設けない構成とすることもできる。ただし、ｎ側窒化物半導体にＡｌ組成傾斜層２２を設けることで、横方向に電流を拡げる効果や、平坦性の向上効果、クラック抑制効果などが得られるため、ｎ側窒化物半導体にＡｌ組成傾斜層２２を設けた構成が好ましい。
【０２２１】
また、上記第８実施形態では、極性を反転させる層を、基板１０と活性層３０との間に設けたが、このような層を、活性層３０とコンタクト層４３との間に設けてもよい。この場合、たとえば、キャリアブロック層４１の形成後、Ａｌを含む窒化物半導体層４２の形成前に、極性反転を行うための窒化物半導体層を形成するのが好ましい。このように構成することで、ｐ型不純物をドーピングすることなく、組成傾斜層（分極ドーピング層）に構成した層（窒化物半導体層４２、コンタクト層４３）にｐ型のキャリアを容易に発生させることができる。
【０２２２】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【０２２３】
たとえば、上記第１〜第８実施形態では、基板にサファイア基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、基板に、サファイア基板以外の基板を用いることもできる。サファイア基板以外の基板としては、たとえば、窒化物半導体基板、炭化珪素基板、シリコン基板などが挙げられる。また、基板にＧａＮ基板などの紫外光（深紫外光）を吸収する基板を用いた場合は、基板剥離などを行うのが好ましい。このように構成することで、光吸収の影響をなくすことができる。また、ＡｌＮ基板やＡｌＧａＮ基板などでは、光吸収の影響が抑制されるため、基板剥離を行わない構成とすることもできる。このため、ＡｌＮ基板やＡｌＧａＮ基板などの光吸収が抑制される基板を用いる場合は、素子構造の設計自由度が向上するため好ましい。なお、窒化物半導体発光素子に用いる基板は、上記基板に限定されるものではない。たとえば、基板上に、六方晶系の結晶構造を有する窒化物半導体層を積層可能な基板であれば、窒化物半導体発光素子の基板として適用可能である。
【０２２４】
また、上記第１〜第８実施形態では、窒化物半導体発光素子を横型構造に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、図２２に示すような縦型構造に構成することも可能である。たとえば、導電性を有する基板を用いた場合は、窒化物半導体発光素子を縦型構造とすることができる。もちろん、横型構造とすることもできる。また、導電性を有しない基板を用いた場合は、上記実施形態で示したように、窒化物半導体発光素子を横型構造に構成することができる。
【０２２５】
また、上記第１〜第８実施形態では、−ｃ面または＋ｃ面の主面を有する窒化物半導体層の一例としてＡｌＮ層を示したが、本発明はこれに限らず、上記窒化物半導体層は、ＡｌＮ層以外の層であってもよい。たとえば、上記窒化物半導体層として、ＡｌＧａＮ層などを用いてもよい。
【０２２６】
また、上記第１〜第８実施形態では、−ｃ面または＋ｃ面の主面を有する窒化物半導体層上に、この窒化物半導体層と接するようにＡｌ組成傾斜層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記窒化物半導体層とＡｌ組成傾斜層との間に他の層が介在されていてもよい。
【０２２７】
また、上記第１〜第８実施形態では、窒化物半導体層の主面を、−ｃ面（窒素極性）または＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）とした例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物半導体層の主面は、たとえば、窒素極性とＩＩＩ族極性とが混在した状態であってもよい。このように構成した場合でも、クラック抑制の効果を得ることができる。ただし、このような混在状態に比べて、窒素極性のみの方が、分極ドーピングの効果を大きくすることができる。また、窒化物半導体層の主面は、−ｃ面および＋ｃ面以外の結晶面であってもよい。すなわち、窒化物半導体層の主面は、無極性面以外の面であればよい。
【０２２８】
また、上記第１〜第８実施形態では、基板上に、−ｃ面または＋ｃ面の主面を有する窒化物半導体層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、基板上に、上記窒化物半導体層を形成しない構成とすることもできる。たとえば、上記窒化物半導体層の機能を基板が兼ねる構成とすることにより、窒化物半導体層をなくす構成とすることができる。この場合、たとえば、Ａｌ組成傾斜層を、直接、基板上に形成することも可能である。また、この場合、基板の成長主面は、たとえば、−ｃ面または＋ｃ面などの極性面とされているのが好ましいが、上記以外の面（無極性面以外の面）とすることもできる。なお、基板の成長主面は、極性の関係から、−ｃ面が好ましい。
【０２２９】
また、上記実施形態において、基板および基板上に形成される窒化物半導体層のオフ角度（主面のオフ角度）は特に限定されない。平坦性が向上するなどの特別なオフ角度があれば、その角度にすることも可能である。
【０２３０】
また、上記第１〜第８実施形態では、窒化物半導体素子の一例である発光ダイオード素子に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード素子以外の窒化物半導体発光素子に本発明を適用することもできる。たとえば、窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用することもできる。
【０２３１】
また、上記実施形態において、基板上に形成される素子構造（窒化物半導体各層）については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。
【０２３２】
また、上記第１〜第８実施形態では、発光ダイオード素子の一例として、紫外波長領域（深紫外波長領域）で発光する発光ダイオード素子について説明したが、本発明はこれに限らず、紫外（深紫外）以外の波長領域で発光する発光素子とすることもできる。
【０２３３】
また、上記第１実施形態では、キャンタイプのパッケージに窒化物半導体発光素子を搭載した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記実施形態で示したパッケージ以外のパッケージに窒化物半導体発光素子を搭載することもできる。また、第２〜第８実施形態で示した窒化物半導体発光素子においても、第１実施形態と同様、パッケージに搭載することで、半導体光学装置に構成することができる。
【０２３４】
なお、上記で開示された技術（構成）を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２３５】
１０ 基板
２０ ｎ側窒化物半導体（第１半導体部）
２０ａ ｐ側窒化物半導体（第１半導体部）
２１ａ 主面
２１ 窒化物半導体層（第１窒化物半導体層）
２２ Ａｌ組成傾斜層（第１組成傾斜層）
２５ 窒化物半導体層
２５ａ 主面
３０ 活性層
３１ 障壁層
３２ 量子井戸層
４０ ｐ側窒化物半導体（第２半導体部）
４０ａ ｎ側窒化物半導体（第２半導体部）
４１ キャリアブロック層（第２窒化物半導体層）
４２ 窒化物半導体層
４３ コンタクト層
４４ Ａｌ組成傾斜層（第２組成傾斜層）
５０ ｎ側電極
６０ ｐ側電極
１０００ａ パッケージ
１０００ 半導体光学装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子、および、窒化物半導体発光素子を搭載した半導体光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に及ぶ波長領域における発光が可能な半導体レーザ素子や、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、プロジェクターやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。
【０００３】
また、近年、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、その発光波長を短波長化することにより、殺菌・浄水、各種医療分野、公害物質の高速分解処理などの非常に幅広い分野での応用が期待される、深紫外領域（波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）で発光する半導体発光素子の研究開発が各研究機関で精力的に行われている。
【０００４】
深紫外領域で発光する窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、代表的な基板として、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板などがある。ＧａＮ基板およびＳｉＣ基板は、導電性や放熱性の観点からメリットがある一方、波長３５０ｎｍ以下の光の吸収が大きいため、外部への光の取出しが大幅に減少してしまうという不都合がある。その一方、サファイア基板は、３５０ｎｍ以下の光に対して、吸収の影響はほとんどなく、光吸収の観点からは非常に魅力的である。しかしながら、サファイア基板は導電性がないため、サファイア基板を用いて形成された発光素子は、基板の一方側にｎ側電極およびｐ側電極が形成された横型構造が一般的な構造となる。
【０００５】
このような横型構造の発光素子では、たとえば、非特許文献１および２において指摘されているように、横方向への電流拡がりが小さいという不都合がある。このため、電子が活性層全体ではなく活性層の一部のみに注入されることになり、発光箇所が限定されてしまうという問題点がある。
【０００６】
このような不都合を解消する手法として、たとえば、電流を拡げる機能を有する窒化物半導体層（たとえば、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層など）の厚みを大きくする手法が考えられる。また、ｎ型ドーピング濃度を高くすることで、抵抗を低減する手法も考えられる。
【０００７】
深紫外領域で発光する窒化物半導体発光素子は、たとえば、青色に代表される可視光領域で発光する窒化物半導体発光素子に比べて、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層など）のＡｌ組成が高く設定される。Ａｌ組成が高い窒化物半導体層では、クラックが発生し易いため、厚膜化が困難になる。また、ｎ型不純物（たとえば、Ｓｉなど）をドーピングすると、クラックが発生してしまう。このため、上記手法では、深紫外領域で発光する窒化物半導体発光素子に対して、電流拡がりを向上させることは非常に困難であるという問題点がある。
【０００８】
また、従来、横方向電流拡がりを改善するために、３次元分極傾斜（３ＤＰＧ）構造を用いた発光デバイスが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００９】
上記特許文献１には、ｎ型半導体層の活性領域とは反対側に、ｎ型半導体層と隣接して配置された３次元分極傾斜構造を含む発光デバイスが提案されている。３次元分極傾斜構造は、ＧａＮからなるシリコン（Ｓｉ）デルタ・ドープ層を挟んだ２つの分極傾斜層を備えている。分極傾斜層は、たとえば、ＧａＮからＩｎＧａＮへＩｎ組成を変化させた後方傾斜層からなる。このように構成された３次元分極傾斜構造を含む発光デバイスは、電流が活性領域の全体にわたって注入されるように、横方向電流拡がりを容易にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−７１２７７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｈ．Ｋｉｍ，Ｓ−Ｊ．Ｐａｒｋ，Ｈ．Ｈｗａｎｇ，ａｎｄ Ｎ−Ｍ．Ｐａｒｋ；"Ｌａｔｅｒａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐａｔｈ，ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ−ｄｉｏｄｅｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｄｅｓｉｇｎｓ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ８１，Ｎｕｍｂｅｒ ７（２００２），１３２６．
【非特許文献２】Ｍ．Ｓｈａｔａｌｏｖ，Ｇ．Ｓｉｍｉｎ，Ｖ．Ａｄｉｖａｒａｈａｎ，Ａ．Ｃｈｉｔｎｉｓ，Ｓ．Ｗｕ，Ｒ．Ｐａｃｈｐｕｌｕｓｕ，Ｖ．Ｍａｎｄａｖｉｌｌｉ，Ｋ．Ｓｍｉｎ，Ｊ．Ｐ．Ｚｈａｎｇ，Ｊ．Ｗ．Ｙａｎｇ，ａｎｄ Ｍ．Ａ．Ｋｈａｎ；"Ｌａｔｅｒａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｒｏｗｄｉｎｇ ｉｎ Ｄｅｅｐ ＵＶ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｄ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｖｅｒ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｓ"，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ４１，（２００２），５０８３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献１で提案された従来構造では、シリコン（Ｓｉ）デルタ・ドープ層を、ＧａＮからＩｎＧａＮへＩｎ組成を変化させた分極傾斜層（後方傾斜層）で挟んだ構造とされているため、界面において、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥が発生する可能性が高くなる。また、クラックの発生が高まるおそれもある。このため、特許文献１の構造では、結晶品質の劣化を招く可能性が高いという問題点がある。
【００１３】
さらに、上記した従来の発光デバイスの構造を、紫外領域（深紫外領域）で発光する窒化物半導体発光素子に適用した場合、ＧａＮからなるシリコン（Ｓｉ）デルタ・ドープ層は紫外光（深紫外光）を吸収するため、素子構造に改善の余地がある。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、横方向の電流拡がりを向上させることにより、発光領域が大きな窒化物半導体発光素子およびその窒化物半導体発光素子を用いた半導体光学装置を提供することである。
【００１５】
この発明のもう１つの目的は、クラックの発生を抑制することが可能であり、かつ、結晶品質を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子およびその窒化物半導体発光素子を用いた半導体光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による窒化物半導体発光素子は、第１導電型を有する第１半導体部と、第１半導体部上に形成され、量子井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有する活性層と、活性層上に形成され、第２導電型を有する第２半導体部とを備えている。上記活性層の量子井戸層および障壁層は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されている。そして、第１半導体部は、無極性面以外の面を主面とする第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層に対して活性層側に形成されるとともに、Ａｌを含む窒化物半導体から構成され、かつ、そのＡｌ組成が傾斜した第１組成傾斜層とを含んでいる。そして、第１組成傾斜層は、活性層に向かって、そのＡｌ組成が増加しないように構成されている。また、第１組成傾斜層の下部のＡｌ組成は、第１組成傾斜層の下部側で隣接する層のＡｌ組成以下とされており、第１組成傾斜層の上部のＡｌ組成は、第１組成傾斜層の上部側で隣接する層のＡｌ組成以上とされている。
【００１７】
この第１の局面による窒化物半導体発光素子では、上記のように、無極性面以外の面を主面とする第１窒化物半導体層に対して活性層側に、Ａｌ組成が傾斜した第１組成傾斜層を形成することによって、この第１組成傾斜層を分極ドーピング層とすることができる。そして、この分極ドーピング層を含む構成とすることによって、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることができる。これにより、電流を活性層の全体にわたって注入することができる。
【００１８】
また、分極ドーピング層では、故意にドーピングを行わなくても導電性を示すため、ドーピングを行うことで危惧されるクラックの誘発を抑制することができる。なお、第１組成傾斜層（分極ドーピング層）に故意にドーピングを行うことも可能であり、この場合、ドーピング量を少なくすることができる。そして、ドーピング量を少なくすることにより、結晶品質を向上させることができる。
【００１９】
また、第１の局面では、上記のように構成することによって、第１組成傾斜層とその隣接層との界面において、格子定数の不連続（急激な格子定数変化）が生じないように構成されるので、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を抑制することができる。これにより、結晶品質を向上させることができるとともに、クラックの発生を抑制することができる。さらに、第１の局面では、素子構造中に、ＧａＮからなるＳｉデルタ・ドープ層などの紫外光（深紫外光）を吸収する層を設けることなく発光素子を形成することができるので、外部への光の取出しが低下するのを抑制することができる。加えて、設計自由度を向上させることもできる。
【００２０】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第１窒化物半導体層は、ウルツ鉱の結晶構造を有し、その主面が−ｃ面からなる。このように構成すれば、クラックの発生を効果的に抑制することができる。これにより、上記主面を＋ｃ面とした場合に比べて、厚膜化を図ることができる。その結果、バッファ効果により結晶品質を向上させることができるとともに、横方向の電流拡がりを容易に増大させることができる。また、第１組成傾斜層を含む層構造とすることにより、第１窒化物半導体層の−ｃ面上に形成される窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。これにより、結晶品質が向上するので、導電性が向上する。その結果、これによっても、横方向の電流拡がりを向上させることができる。
【００２１】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であるのが好ましい。
【００２２】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、そのＡｌ組成が量子井戸層のＡｌ組成より大きい。このように構成すれば、活性層で発せられた光の吸収を抑制することができる。
【００２３】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１組成傾斜層は、活性層に向かって、そのＡｌ組成が減少するように構成されているのが好ましい。この際、第１組成傾斜層の一部に、Ａｌ組成一定の領域が含まれていてもよい。
【００２４】
また、この場合において、好ましくは、第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、第１組成傾斜層における第１窒化物半導体層側のＡｌ組成が、第１窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されており、第１組成傾斜層の活性層側のＡｌ組成が、障壁層のＡｌ組成以上に設定されている。このように構成すれば、界面における格子不整合差を小さくすることができるので、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を効果的に抑制することができる。これにより、結晶品質を効果的に向上させることができる。
【００２５】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第１組成傾斜層のＡｌ組成が、層厚方向に対して直線状に変化している。このように構成すれば、層内にキャリアを均一に発生させることができる。
【００２６】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第１組成傾斜層が、Ａｌ組成の傾斜が異なる２層以上の傾斜層を含む多層構造に構成されている。このように構成すれば、第１組成傾斜層を１層（単層）で形成する場合に比べて、横方向の電流拡がりをより増大させることができる。加えて、窒化物半導体層の平坦性をより向上させることができる。
【００２７】
この場合において、好ましくは、第１組成傾斜層に対して活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されており、第１組成傾斜層のｎ番目（ｎは、０を含まない自然数）の傾斜層における基板側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ｓｕｂとし、活性層側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ａｃｔとした場合、Ａｌ＿１＿ｓｕｂは、第１窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されているとともに、Ａｌ＿ｎ＿ａｃｔは、Ａｌ＿ｎ＋１＿ｓｕｂ以上に設定されており、かつ、活性層に最も近い傾斜層における活性層側のＡｌ組成が、障壁層のＡｌ組成以上に設定されている。このように構成すれば、容易に、界面における格子不整合差を小さくすることができるので、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生をより効果的に抑制することができる。これにより、結晶品質をより効果的に向上させることができる。
【００２８】
さらにこの場合において、好ましくは、第１組成傾斜層は、Ａｌ組成が傾斜している層とＡｌ組成が一定の層とが交互に積層された多層構造に構成されている。このように構成すれば、容易に、窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。
【００２９】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、第２半導体部は、障壁層のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有する第２窒化物半導体層と、第２窒化物半導体層と最終障壁層との間に形成され、Ａｌ組成が傾斜した第２組成傾斜層とを含む。このように構成すれば、第２組成傾斜層を分極ドーピング層とすることができる。分極ドーピング層では、ドーパントを添加しなくてもキャリアが生成されるため、素子抵抗を低減することができる。
【００３０】
また、たとえば、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とした場合、第２組成傾斜層には、ｐ型不純物をドーピングせずに、ｐ型のキャリア（ホール）を発生させることができる。ここで、活性層付近にｐ型不純物をドーピングすると、素子抵抗を低減することが可能となる一方、ｐ型窒化物半導体層の成長中にｐ型不純物が活性層に拡散することにより、発光効率が低下する場合がある。しかしながら、上記のように構成すれば、ｐ型不純物をドーピングすることなく、ｐ型のキャリアを発生させることができるので、ｐ型不純物の拡散に起因する発光効率の低下を抑制することができる。また、ｐ型不純物をドーピングする場合でも、そのドーピング量を減らすことができるので、ｐ型不純物の拡散を効果的に抑制することができる。また、ｐ型不純物のドーピング量を減らすことにより、結晶品質を向上させることもできる。その結果、活性層へのダメージを抑制して、発光効率の低下を抑制することができる。
【００３１】
この場合において、好ましくは、第２組成傾斜層における活性層側のＡｌ組成が、障壁層のＡｌ組成以上に設定されており、第２組成傾斜層における第２窒化物半導体層側のＡｌ組成が、第２窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されている。このように構成すれば、第２半導体部においても、界面における格子不整合差を小さくすることができる。これにより、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を効果的に抑制することができる。
【００３２】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１導電型がｐ型であるとともに、第２導電型がｎ型であり、第１窒化物半導体層の主面が、＋ｃ面である構成とすることもできる。
【００３３】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、量子井戸層および障壁層は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されており、活性層の発光波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍであるのが好ましい。
【００３４】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、活性層の発光波長が２６０ｎｍ〜３００ｎｍであればより好ましい。
【００３５】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体から構成されている。この場合、量子井戸層のＡｌ組成ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．９０の範囲にあるのが好ましく、０．３０≦ｘ１≦０．７０の範囲にあればより好ましい。このように構成すれば、分極ドーピング層の効果をより顕著に得ることができる。
【００３６】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＩｎ組成ｙ１が、０．００≦ｙ１≦０．１２である。このように構成すれば、分極ドーピング層の効果をより顕著に得ることができる。なお、量子井戸層は、上記のように、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。
【００３７】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、障壁層が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＡｌ組成ｘ２が、量子井戸層のＡｌ組成より大きくなるように構成されているのが好ましい。この場合、Ａｌ組成ｘ２は、０．２０≦ｘ２≦０．８５の範囲にあるのが好ましい。このように構成すれば、分極ドーピング層の効果をより顕著に得ることができる。
【００３８】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、障壁層が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＩｎ組成ｙ２が、量子井戸層のＩｎ組成よりも小さく、かつ、０．００≦ｙ２≦０．０８である。このように構成すれば、分極ドーピング層の効果をより顕著に得ることができる。なお、障壁層は、上記のように、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。
【００３９】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１組成傾斜層に対して活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、上記基板が、第１窒化物半導体層とは異なる構成とすることができる。
【００４０】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、第１組成傾斜層に対して活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、第１窒化物半導体層が基板からなる構成とすることもできる。すなわち、無極性面以外の面を主面とする第１窒化物半導体層を、基板が兼ねる構成とすることもできる。
【００４１】
上記基板が第１窒化物半導体層とは異なる構成において、基板には、サファイア基板を用いることができる。
【００４２】
上記基板を備えた構成において、基板に、ＡｌＧａＮ基板を用いることもできる。また、基板に、ＡｌＮ基板を用いることもできる。なお、ＡｌＧａＮ基板やＡｌＮ基板では、光吸収の影響が抑制されるので、基板剥離などをしない構成とすることができる。このため、素子構造の設計自由度を向上させることができる。
【００４３】
また、上記基板を備えた構成において、基板に、ＧａＮ基板を用いることもできる。この場合、光吸収の影響を抑制するために、基板剥離などを行うのが好ましい。
【００４４】
この発明の第２の局面による半導体光学装置は、上記第１の局面による窒化物半導体素子が搭載された半導体光学装置である。
【発明の効果】
【００４５】
以上のように、本発明によれば、横方向の電流拡がりを向上させることにより、発光領域が大きな窒化物半導体発光素子およびその窒化物半導体発光素子を用いた半導体光学装置を容易に得ることができる。
【００４６】
また、本発明によれば、クラックの発生を抑制することが可能であり、かつ、結晶品質を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子およびその窒化物半導体発光素子を用いた半導体光学装置を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図（ユニットセルを表した図）である。
【図２】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の組成傾斜を説明するための図である。
【図５】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を模式的に示した断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態による半導体光学装置を模式的に示した断面図である。
【図７】Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成とキャリア密度との関係を示した図である。
【図８】Ａｌ組成傾斜層の層厚とキャリア密度との関係を示した図である。
【図９】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子のＡｌ組成傾斜層の構成を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子のＡｌ組成傾斜層の構成を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子のＡｌ組成傾斜層の構成を説明するための図である。
【図１３】本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１４】実施例２の窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１５】実施例２の窒化物半導体発光素子における活性層の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１６】実施例３のｎ側分極ドーピング層の層構造を模式的に示した断面図である。
【図１７】本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１８】本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図１９】本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図２０】本発明の第７実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図２１】本発明の第８実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。
【図２２】本発明の変形例による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本願発明者らが種々検討を行うことによって得た知見について説明する。
【００４９】
本願発明者らは、窒化物半導体発光素子に分極ドーピング層（組成傾斜層）を有する構造を用いる場合、分極ドーピング層を含む層構造中に、たとえば、基板から活性層に向けて、組成の逆方向への不連続が生じないように構成することで、クラックの抑制効果および結晶品質の向上効果が得られることを見出した。
【００５０】
具体的には、たとえば、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成が減少する、もしくはＡｌ組成が一定の層構造中に、Ａｌ組成が増加する層を導入しない（基板上に形成された窒化物半導体層の格子定数から、格子定数が小さくなる方向に変化している場合に、格子定数が大きくなる層を導入しない）ようにすることによって、格子定数の不連続（急激な格子定数変化）が生じないように構成することができる。このため、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を抑制することができるため、結晶品質を向上させることが可能となる。加えて、クラックの発生を抑制することも可能となる。また、本願発明者らは、このような構成は、紫外領域（深紫外領域）で発光する窒化物半導体発光素子に特に有効であることも見出した。
【００５１】
一方、上記した３次元分極傾斜構造では、たとえば、ＧａＮからＩｎＧａＮへＩｎ組成を変化させた後方傾斜層を積層させているため、ヘテロ界面に、組成の逆方向への不連続箇所（格子定数の逆方向への不連続箇所）が設けられる。このため、３次元分極傾斜構造は、界面に電子分布の不連続を有している。そのため、３次元分極傾斜構造では、この電子分布の不連続を緩和するために、Ｓｉデルタ・ドープ層を設ける必要がある。Ｓｉデルタ・ドープ層には、通常、ＧａＮ層が用いられるが、ＧａＮ層は、深紫外領域の波長の光を吸収するため、光取出し効率が低下するという不都合が生じる。
【００５２】
本願発明者らの知見によれば、上記のように、格子定数の不連続（急激な格子定数変化）が生じないように構成することで、Ｓｉデルタ・ドープ層などの深紫外領域の波長の光を吸収する層を設ける必要がなくなる。このため、外部への光の取出しが低下するのを抑制することが可能となる。
【００５３】
また、基板と活性層との間の層構造を、分極ドーピング層（Ａｌ組成傾斜層）を含む層構造とする場合、Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成の変化は、以下の２通りが考えられる。
【００５４】
一つは、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とする場合である。たとえば、基板から活性層に向けて、量子井戸のＡｌ組成に到達するまで、Ａｌ組成が減少する構成とする場合である。この場合、分極ドーピング層を含む層構造内で、Ａｌ組成が増加する層を含まない構成とするのが好ましい。なお、Ａｌ組成の変化の範囲は、上記以外であってもよい。たとえば、基板から活性層までの間の一部の範囲で、Ａｌ組成が減少する構成とされていてもよい。一例として、基板上に形成されたＡｌＮから量子井戸のＡｌＧａＮまで変化する場合が挙げられる。
【００５５】
もう一つは、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成が増加する構成とする場合である。たとえば、基板から活性層に向けて、量子井戸のＡｌ組成に到達するまで、Ａｌ組成が増加する構成とする場合である。この場合も、分極ドーピング層を含む層構造内で、Ａｌ組成が減少する層を含まない構成とするのが好ましい。なお、Ａｌ組成の変化の範囲は、上記以外であってもよい。たとえば、基板から活性層までの間の一部の範囲で、Ａｌ組成が減少する構成とされていてもよい。一例として、基板上に形成されたＧａＮから量子井戸のＡｌＧａＮまで変化する場合が挙げられる。
【００５６】
前者（Ａｌ組成が減少する構成）で構成した場合、活性層のバンドギャップが一番小さい構造となるため、キャリアが効果的に閉じ込められる。また、活性層で発せられた光が、分極ドーピング層を含む層構造内で吸収されるのが抑制される。このため、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成が減少する構成とすることが好ましいことが分かった。
【００５７】
一方、後者（Ａｌ組成が増加する構成）で構成した場合、活性層のバンドギャップが一番大きい構造となるため、キャリアの閉じ込めの観点から好ましくない。また、活性層で発せられた光が、分極ドーピング層を含む層構造内で吸収されるため、この点においても好ましくないことが分かった。
【００５８】
また、分極ドーピング層を含む層構造を、基板から活性層に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とする場合、分極ドーピングの効果を得るために、極性面であるｃ面を用いると、以下の２通りが考えられる。
【００５９】
一つは、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面とする窒化物半導体層上に、この分極ドーピング層を含む層構造を形成する場合である。この場合、ｐ型ドーパントを添加しなくても、ｐ型キャリアであるホールが生成される。なお、この場合、基板と活性層との間の層が、ｐ型の窒化物半導体層からなる構造となる。
【００６０】
分極ドーピング層を含む層構造を有することにより、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることが可能となる。また、故意にドーピングを行わなくても導電性を示すため、ｐ型ドーパントとして、Ｍｇなどのドーピングを行わない構成とすることもできる。また、Ｍｇなどのドーピングを行う場合でも、そのドーピング量を少なくすることが可能である。このため、結晶品質が向上する。
【００６１】
もう一つは、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層上に、この分極ドーピング層を含む層構造を形成する場合である。この場合、ｎ型ドーパントを添加しなくても、ｎ型キャリアである電子が生成される。なお、この場合、基板と活性層との間の層が、ｎ型の窒化物半導体層からなる構造となる。
【００６２】
この場合も、分極ドーピング層を含む層構造を有することにより、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることが可能となる。また、故意にドーピングを行わなくても導電性を示すため、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉなどのドーピングを行わない構成とすることもできる。これにより、Ｓｉなどをドーピングすることで危惧されるクラックの誘発が抑制される。また、Ｓｉなどのドーピングを行う場合でも、そのドーピング量を少なくすることが可能である。このため、結晶品質が向上する。
【００６３】
以上より、窒化物半導体発光素子が、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層およびＡｌ組成が傾斜した層（組成傾斜層）を含んで構成される場合、Ａｌ組成が大きいものから小さいものへと変化する組成傾斜層では、ｎ型のキャリアが発生する。一方、Ａｌ組成が小さいものから大きいものへと変化する組成傾斜層では、ｐ型のキャリアが発生する。また、窒化物半導体発光素子が、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面とする窒化物半導体層およびＡｌ組成が傾斜した層（組成傾斜層）を含んで構成される場合、Ａｌ組成が大きいものから小さいものへと変化する組成傾斜層では、ｐ型のキャリアが発生する。一方、Ａｌ組成が小さいものから大きいものへと変化する組成傾斜層では、ｎ型のキャリアが発生する。
【００６４】
また、本願発明者らが、さらに鋭意検討した結果、深紫外領域（たとえば、波長２００ｎｍ〜３５０ｎｍ）で発光する発光素子を形成する場合、基板（たとえば、サファイア基板）上に、ウルツ鉱の結晶構造を有し、−ｃ面（窒素極性）を主面とするＡｌを有する窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮなど）を形成した場合、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面とする窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＮ）を形成する場合に比べて、クラック抑制効果が効果的に得られるという特有の効果があることが分かった。これは、結晶成長中のウエハの反り量が低減したことによるものと考えられる。そのため、基板上に、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層を形成することで、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）に比べて厚膜化が可能となる利点もあることが分かった。厚膜化の効果としては、バッファ効果による結晶品質の向上や、層厚を厚くすることで、電流を横方向に拡げる効果が挙げられる。
【００６５】
このように、基板（たとえば、サファイア基板）上に、−ｃ面（窒素極性）を主面とするＡｌを有する窒化物半導体層を形成し、その上に、分極ドーピング層を含む層構造を形成することにより、その効果がより顕著に現れるという知見も得た。これは、基板上に積層された下地の結晶品質の向上により、分極ドーピング層を含む層構造の品質が向上した効果に加えて、分極ドーピング層を含む層構造をより厚くできる効果によるものと推測される。
【００６６】
さらに、分極ドーピング層を含む層構造を有することにより、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体層の平坦性を向上させることができることも分かった。これにより、結晶品質が向上するため、導電性が向上し、結果として、横方向の電流を拡げることが可能となる。
【００６７】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体ダイオード素子に本発明を適用した例について説明する。また、以下の実施形態において、「窒化物半導体」とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる半導体を意味する。
【００６８】
（第１実施形態）
図１は、窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図である。図２は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。図３は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。図４〜図６は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子を説明するための図である。なお、図６は、第１実施形態による窒化物半導体発光素子を搭載した半導体光学装置を示している。まず、図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。
【００６９】
窒化物半導体は、図１に示すように、六方晶系（ウルツ鉱）の結晶構造を有している。この結晶構造において、六角柱とみなせる六方晶のｃ軸［０００１］を法線とする面（六角柱の上面）をｃ面（０００１）と呼ぶ。窒化物半導体では、ｃ軸方向に対称面が存在しないため、分極方向がｃ軸方向に沿っている。このため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示す。すなわち、＋ｃ面（（０００１）面）と−ｃ面（（０００−１）面）とは等価な面ではなく、化学的な性質も異なる。
【００７０】
第１実施形態による窒化物半導体発光素子（ＥＬ）は、深紫外領域の光を発光する深紫外発光ダイオード素子であり、図２に示すように、基板１０（たとえば、サファイア基板）上に、Ａｌを含む窒化物半導体層を１層以上有するｎ側窒化物半導体２０、活性層３０、および、Ａｌを含む窒化物半導体層を１層以上有するｐ側窒化物半導体４０が順に形成された構造を有している。なお、ｎ側窒化物半導体２０は、本発明の「第１半導体部」の一例であり、ｐ側窒化物半導体４０は、本発明の「第２半導体部」の一例である。
【００７１】
ｎ側窒化物半導体２０は、図３に示すように、Ａｌを含む窒化物半導体層２１（たとえば、ＡｌＮ層）を含んで構成されている。この窒化物半導体層２１は、その主面２１ａが−ｃ面（窒素極性）となるように形成されている。また、窒化物半導体層２１は、基板１０上に、この基板１０と接するように形成されている。ただし、基板１０と窒化物半導体層２１との間に、他の層が形成された構成になっていてもよい。たとえば、基板１０と窒化物半導体層２１との間に、ＡｌＩｎＧａＮ層や、ＡｌＩｎＧａＮの組成の異なる２種以上の層から構成される超格子構造を有する構成などになっていてもよい。
【００７２】
また、ｎ側窒化物半導体２０は、Ａｌを含む窒化物半導体からなるとともにそのＡｌ組成が傾斜したＡｌ組成傾斜層２２をさらに有している。このＡｌ組成傾斜層２２は、窒化物半導体層２１と活性層３０との間に形成されている。具体的には、たとえば、Ａｌ組成傾斜層２２は、窒化物半導体層２１の−ｃ面上に、窒化物半導体層２１と接するように形成されている。なお、窒化物半導体層２１は、本発明の「第１窒化物半導体層」の一例であり、Ａｌ組成傾斜層２２は、本発明の「第１組成傾斜層」の一例である。
【００７３】
ここで、基板１０と活性層３０との間に窒化物半導体層２１を形成した場合、窒化物半導体層２１から活性層３０に向けてＡｌ組成を減らすバンド構造とすることにより、基板１０と活性層３０との間にｎ型層として機能する層を有する構成とすることできる。このため、第１実施形態では、窒化物半導体層２１上に形成されるＡｌ組成傾斜層２２を、そのＡｌ組成が、活性層３０に向けて減少するように構成されている。そのため、Ａｌ組成傾斜層２２は、分極ドーピングされた分極ドーピング層２２として機能し、Ｓｉなどのｎ型ドーパントを添加しなくても、ｎ型キャリアである電子が生成されて、ｎ型の導電性を示す。この場合、量子井戸のバンドギャップが一番小さい構造となる。これにより、キャリアが効果的に閉じ込められる。また、活性層３０で発せられた光が、分極ドーピング層２２を含む層構造内で吸収されるのを抑制することが可能となる。
【００７４】
なお、Ａｌ組成傾斜層２２における基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａｃｔとした場合、以下の（１）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿ｓｕｂ＞Ａｌ＿ａｃｔ ・・・（１）
【００７５】
また、Ａｌ組成傾斜層２２の基板１０側のＡｌ組成（Ａｌ＿ｓｕｂ）は、Ａｌ組成傾斜層２２の基板１０側（下部側）で隣接する層のＡｌ組成以下に構成されており、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成（Ａｌ＿ａｃｔ）は、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側（上部側）で隣接する層のＡｌ組成以上に構成されている。
【００７６】
また、Ａｌ組成傾斜層２２におけるＡｌ組成が、Ａｌ＿ｓｕｂからＡｌ＿ａｃｔに変化する時に、Ａｌ組成は一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。さらに、窒化物半導体層２１と活性層３０との間に、Ａｌ組成傾斜層２２以外のＡｌを含む窒化物半導体層が形成されている場合、その窒化物半導体層のＡｌ組成は、その窒化物半導体層に隣接する層のうち、窒化物半導体層２１側のＡｌ組成よりも小さく、また、その窒化物半導体に隣接する層のうち、活性層側のＡｌ組成よりも大きい構成とするとよい。また、Ａｌ組成傾斜層２２以外に組成傾斜層が存在する場合は、Ａｌ組成傾斜層２２と同様の構成にするとよい。さらに、Ａｌを含む窒化物半導体層のＡｌ組成が傾斜する構成とする場合、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、図４の実線Ａで示すように、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。このように、Ａｌ組成を直線状に傾斜させれば、層内に均一にキャリアを発生させることが可能となる。なお、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記した直線状以外であってもよい。たとえば、図４の一点鎖線Ｂで示すように、下に凸の放物線状であってもよい。この場合、Ａｌ組成傾斜層２２とその下に形成された隣接層との界面で発生するキャリアが多くなる。このため、このような構成を、たとえば、界面の高濃度ドーピングに利用することも可能である。また、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記以外に、図４の破線Ｃで示すように、上に凸の放物線状であってもよい。
【００７７】
また、図３に示したＡｌ組成傾斜層２２は、ＡｌＧａＮから構成されているのが好ましい。また、Ａｌ組成傾斜層２２は、ＡｌＧａＮ以外に、たとえば、ＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよい。
【００７８】
ここで、Ａｌ組成傾斜層２２においては、その最下面のＡｌ組成と最上面のＡｌ組成との差（Ａｌ組成差）により、発生するキャリア濃度が決まる。具体的には、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚が薄い場合、高いキャリア濃度が薄い領域に発生する。その一方、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚が厚い場合、低いキャリア濃度が厚い領域に発生する。そのため、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚を厚く設定した場合、キャリア濃度が低くなるため、必要に応じて故意にｎ型不純物をドーピングすることで、キャリア濃度を制御することもできる。Ａｌ組成傾斜層２２の具体的な層厚は、たとえば、１．０μｍ程度であるのが好ましく、２．０μｍ程度であればより好ましい。
【００７９】
また、Ａｌ組成傾斜層２２では、分極ドーピングによりキャリアが発生するため、不純物をドーピングしなくても導電性を示す。このため、故意にｎ型不純物をドーピングする場合でも、ｎ型不純物のドーピング量を減らすことができる。そのため、不純物をドーピングする場合のドーピング量は、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚にもよるが、不純物ドーピングを行った通常の層（組成傾斜層ではない層）の不純物ドーピング量に対して、たとえば、３分の２以下程度に設定されるとよい。不純物ドーピング量を減らすことにより、クラックの抑制効果が顕著に得られる。また、Ａｌ組成傾斜層２２の不純物ドーピング量は、不純物ドーピングを行った通常の層（組成傾斜層ではない層）の不純物ドーピング量に対して、２分の１以下程度に設定されているとより好ましい。この場合、上記クラック抑制効果に加えて、平坦性の向上効果も顕著に得られる。
【００８０】
また、Ａｌ組成傾斜層２２は、活性層３０と接するように形成されている。ただし、Ａｌ組成傾斜層２２と活性層３０との間に、他の層が形成された構成になっていてもよい。
【００８１】
活性層３０は、図５に示すように、障壁層３１と量子井戸層３２とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる。ただし、多重量子井戸構造以外の構造（たとえば、単一量子井戸構造）であってもよい。また、障壁層３１および量子井戸層３２は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されている。
【００８２】
具体的には、量子井戸層３２は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体層から構成されている。また、障壁層３１は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体層から構成されており、そのＡｌ組成ｘ２は、量子井戸層３２のＡｌ組成ｘ１よりも大きい。
【００８３】
量子井戸層３２のＡｌ組成ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．９０の範囲にあるのが好ましく、０．３０≦ｘ１≦０．７０の範囲にあればより好ましい。量子井戸層３２のＡｌ組成ｘ１をこのような範囲とすれば、分極ドーピング層２２の効果がより顕著に得られる。また、量子井戸層３２のＩｎ組成ｙ１は、０．００≦ｙ１≦０．１２の範囲にあるのが好ましい。すなわち、活性層３０の量子井戸層３２は、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。
【００８４】
障壁層３１のＡｌ組成ｘ２は、０．２０≦ｘ２≦０．９５の範囲にあるのが好ましい。また、障壁層３１のＡｌ組成ｘ２は、０．３０≦ｘ２≦０．８５の範囲にあればより好ましい。障壁層３１のＡｌ組成ｘ２をこのような範囲とすれば、分極ドーピング層２２の効果がより顕著に得られる。また、障壁層３１のＩｎ組成ｙ２は、量子井戸層３２のＩｎ組成ｙ１よりも小さく、かつ、０．００≦ｙ２≦０．０８の範囲にあるのが好ましい。すなわち、障壁層３１は、量子井戸層３２と同様、Ｉｎを含むように構成されていてもよく、Ｉｎを含まないように構成されていてもよい。
【００８５】
また、量子井戸層３２の層厚は、１．０ｎｍ〜８．０ｎｍ程度が好ましく、１．２ｎｍ〜４．０ｎｍ程度であればより好ましい。このように構成することで、発光効率が向上する。また、障壁層３１の層厚は、量子井戸層３２の層厚よりも大きく、かつ、２０ｎｍよりも小さくなるように設定されているのが好ましい。障壁層３１の層厚を２０ｎｍより小さくすることで、キャリアの注入が均一化されるので好ましい。
【００８６】
また、上記活性層３０が複数の量子井戸層３２と障壁層３１とから構成される場合、量子井戸層３２の層厚および組成は、全て同じに構成されていてもよいし、全て異なる構成にされていてもよい。また、いくつかの量子井戸層３２が同じになるように構成されていてもよい。同様に、障壁層３１の層厚および組成は、全て同じに構成されていてもよいし、全て異なる構成にされていてもよい。また、いくつかの障壁層３１が同じになるように構成されていてもよい。なお、上記量子井戸層３２は、意図せずに層厚や組成が揺らぐ領域ができた場合をも含む。また、量子井戸層３２においては、複数の層において、層厚および組成が同じになるように構成されているのが好ましい。このように構成することで、発光効率が向上する。
【００８７】
また、図３に示すように、活性層３０上に形成されたｐ側窒化物半導体４０は、キャリアブロック層４１、Ａｌを含む窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３を含んで構成されている。具体的には、活性層３０上には、Ａｌを含む窒化物半導体からなるキャリアブロック層４１が形成されている。このキャリアブロック層４１は、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有している。キャリアブロック層４１上には、Ａｌを含む窒化物半導体層４２が形成されている。窒化物半導体層４２上には、窒化物半導体からなるコンタクト層４３が形成されている。また、ｐ側窒化物半導体４０を構成する各層４１〜４３には、それぞれ、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）がドーピングされている。また、コンタクト層４３は、Ａｌを含む窒化物半導体層４２（たとえば、ｐ型ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成よりもＡｌ組成が小さくなるように設定されるとよい。このように構成すれば、コンタクト抵抗を低減することができる。この場合、窒化物半導体層４２との界面に、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）を高ドープするとよい。このように構成することで、発光素子の抵抗を低減できるため好ましい。なお、キャリアブロック層４１は、本発明の「第２窒化物半導体層」の一例である。
【００８８】
また、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、量子井戸層３２（図５参照）より高いＡｌ組成に設定されているのが好ましい。このように構成することで、活性層３０からの光を吸収する悪影響が低減される。さらに、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、障壁層３１と同じＡｌ組成に設定されているとより好ましい。Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、障壁層３１のＡｌ組成以上であるのが好ましい。このように構成することで、Ａｌ組成傾斜層２２と障壁層３１とが隣接した構成にする場合、界面の格子定数差が小さくなるため好ましい。
【００８９】
また、Ａｌ組成傾斜層２２の基板１０側のＡｌ組成は、窒化物半導体層２１のＡｌ組成以下に設定されているのが好ましい。
【００９０】
また、第１実施形態では、図２に示したように、窒化物半導体発光素子（ＥＬ）が、いわゆる横型構造の発光ダイオード素子に構成されている。このため、基板１０上に形成された層構造の一部が、たとえば、ドライエッチングなどによって、ｎ側窒化物半導体２０の途中の深さまで掘り込まれている。そして、掘り込まれた部分の底面に、ｎ側電極５０が形成されている。このｎ側電極５０は、たとえば、Ａｌ電極、または、基板１０側からＡｇ層、Ｃｕ層が順次積層された多層構造のＡｇ／Ｃｕ電極からなる。一方、ｐ側窒化物半導体４０（コンタクト層４３）上には、ｐ側電極６０が形成されている。このｐ側電極６０は、たとえば、ｐ側窒化物半導体４０側からＮｉ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順に積層された多層構造のＮｉ／Ａｕ電極からなる。これにより、第１実施形態では、基板１０の上面側に、ｐ側電極６０とｎ側電極５０とが形成された状態となっている。なお、電極に用いられる金属は、一例にすぎず、上記の例に限定されない。
【００９１】
このように、第１実施形態による窒化物半導体発光素子では、量子井戸層３２を、Ａｌを含む窒化物半導体から構成することによって、紫外光（深紫外光）を発光する発光ダイオード素子に構成されている。なお、活性層３０（量子井戸層３２）から放出される光の波長は、２００ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外領域であるのが好ましく、２５０ｎｍ〜３４０ｎｍであればより好ましい。
【００９２】
活性層３０から放出される光の波長が２４０ｎｍ以上では量子井戸層３２や障壁層３１などのヘテロ界面のエネルギー差がある程度大きく、キャリアの閉じ込めが十分に可能となる。また、光の波長が３４０ｎｍ以下では、発光素子を構成する窒化物半導体のＡｌ組成が比較的高く、−ｃ面（窒素極性）を用いる効果や、組成傾斜層を用いる効果が得られるため好ましい。
【００９３】
また、光の波長が２６０ｎｍ〜３２０ｎｍであればさらに好ましい。活性層３０から放出される光の波長が２６０ｎｍ以上では、基板１０上に形成したバッファ層（たとえば、ＡｌＮ）と、障壁層３１やｎ型窒化物半導体層とのＡｌ組成差を十分にとることができる。このため、Ａｌ組成傾斜層２２のＡｌ組成差（最下面と最上面とのＡｌ組成の差）が大きくなるので、分極ドーピングがより効果的となる。また、光の波長が３２０ｎｍ以下では、バッファ層（たとえば、ＡｌＮ）と、障壁層やｎ型窒化物半導体層とのＡｌ組成差が大きくなりすぎず、クラックが抑制されるため好ましい。
【００９４】
なお、発光波長が２６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となるように設計された活性層３０を有する場合、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上に形成された分極ドーピング層２２がより効果的に機能するため好ましい。
【００９５】
また、上記のように構成された窒化物半導体発光素子（ＥＬ）は、図６に示すように、キャンタイプのパッケージ１０００ａに搭載されて、半導体光学装置１０００に構成される。
【００９６】
第１実施形態では、上記のように、基板１０と活性層３０との間に、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１を形成するとともに、その窒化物半導体層２１の−ｃ面（主面２１ａ）上（窒化物半導体層２１に対して活性層３０側）に、Ａｌ組成傾斜層２２を形成することによって、このＡｌ組成傾斜層２２を分極ドーピング層とすることができる。そして、この分極ドーピング層２２を含む層構造とすることによって、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることができる。これにより、電流を活性層３０の全体にわたって注入することができる。
【００９７】
また、第１実施形態では、Ａｌ組成傾斜層２２を、活性層３０に向かってそのＡｌ組成が減少するように構成することによって、ｎ型ドーパントを添加しなくても、ｎ型キャリアである電子が生成されるため、Ａｌ組成傾斜層２２をｎ型の導電型に構成することができる。このため、たとえば、Ｓｉなどの不純物をドーピングすることで危惧されるクラックの誘発を抑制することができる。また、Ａｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）に故意にドーピングを行う場合でも、そのドーピング量を少なくすることができる。このため、ドーピング量を少なくすることによって、結晶品質を向上させることができる。加えて、ドーピング量を少なくすることによって、不純物原料の使用量が減るため、原料効率を高めることができる。これにより、生産コスト、製品コストを低減することもできる。
【００９８】
また、窒化物半導体層２１の主面２１ａを−ｃ面（窒素極性）とすることによって、Ａｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）に故意にドーピングを行う場合においても、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）とする場合に比べて、クラック抑制効果を向上させることができる。このため、Ａｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）の厚膜化を図ることができるので、電流を容易に横方向に拡げることができる。
【００９９】
また、第１実施形態では、基板１０から活性層３０に向けて、Ａｌ組成が減少する層構造中に、Ａｌ組成が増加する層を導入しない（基板上に形成された窒化物半導体層の格子定数から、格子定数が小さくなる方向に変化している場合に、格子定数が大きくなる層を導入しない）ようにすることによって、格子定数の不連続（急激な格子定数変化）が生じないように構成することができる。これにより、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を抑制することができるので、結晶品質を向上させることができるとともに、クラックの発生を抑制することができる。
【０１００】
さらに、第１実施形態では、素子構造中に、ＧａＮからなるＳｉデルタ・ドープ層などの紫外光（深紫外光）を吸収する層を設けることなく発光素子を形成することができるので、外部への光の取出しが低下するのを抑制することができる。加えて、設計自由度を向上させることもできる。
【０１０１】
また、基板１０上に、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１を形成した場合や、さらにその上に、異なるＡｌ組成のＡｌを有する窒化物半導体層を形成した場合、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面とする窒化物半導体層上にこれらの層を形成した場合と比べて、クラックをより抑制することができるという特有の効果を得ることができる。これは、結晶成長中のウエハの反り量が低減したことによるものと考えられる。したがって、基板１０上に、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１を形成することによって、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）に比べて、厚膜化を図ることが可能となる。その結果、バッファ効果により結晶品質を向上させることができるとともに、横方向の電流拡がりを容易に増大させることができる。
【０１０２】
また、第１実施形態では、窒化物半導体層２１を、そのＡｌ組成が量子井戸層３２のＡｌ組成より大きくなるように構成することによって、活性層３０で発せられた光の吸収を抑制することができる。
【０１０３】
また、第１実施形態では、Ａｌ組成傾斜層２２における基板１０（窒化物半導体層２１）側のＡｌ組成を、窒化物半導体層２１のＡｌ組成以下に設定するとともに、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成を、障壁層３１のＡｌ組成以上に設定することによって、界面における格子不整合差を小さくすることができる。このため、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を効果的に抑制することができるので、結晶品質を効果的に向上させることができる。
【０１０４】
また、第１実施形態では、Ａｌ組成傾斜層２２のＡｌ組成を、層厚方向に対して直線状に変化（傾斜）するように構成することによって、層内にキャリアを均一に発生させることができる。
【０１０５】
また、第１実施形態では、窒化物半導体層２１の−ｃ面（窒素極性）上に形成される層構造を、Ａｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）を含む構造とすることによって、窒化物半導体層２１の−ｃ面（窒素極性）上に形成される窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。この際、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚を、２．０μｍ程度とすれば、平坦性の向上効果を大きく得ることができる。これにより、結晶品質が向上するので、導電性が向上する。その結果、これによっても、横方向の電流拡がりを向上させることができる。
【０１０６】
−ｃ面を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上では、Ａｌ組成傾斜層２２とｎ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）との層厚の大小関係は、どちらが大きくてもよい。これは、−ｃ面（窒素極性）を窒化物半導体層２１の主面２１ａとすることで、クラックの抑制が可能になるためである。より好ましい構成は、Ａｌ組成傾斜層２２の層厚を、ｎ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）の層厚以上に設定する構成である。このように構成した場合、ｎ型不純物をドーピングした層を減らすことができるため、より結晶品質が向上する。また、平坦性も向上するため好ましい。
【０１０７】
また、第１実施形態では、キャリアブロック層４１と窒化物半導体層４２との界面に、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）を高濃度でドーピングする構成とすることもできる。そして、このように構成することで、ヘテロ界面に発生するスパイクの影響を低減することができるので、電圧低減効果を得ることができる。また、同様に、窒化物半導体層４２とコンタクト層４３との界面に、ｐ型不純物を高濃度でドーピングする構成とすることもできる。このように構成することで、上記と同様、ヘテロ界面に発生するスパイクの影響を低減することができる。このため、電圧低減効果を得ることができる。
【０１０８】
なお、上記窒化物半導体発光素子は、たとえば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や、分子ビーム成長法（ＭＢＥ法）などの結晶成長法などを用いて作製することができる。
【０１０９】
また、窒化物半導体層２１は、たとえば、以下の方法（工程）を用いることにより、その主面２１ａを−ｃ面（窒素極性）とすることができる。具体的な方法の一例として、基板１０にサファイア基板を用い、窒化物半導体層２１をＡｌＮ層とした場合について説明する。
【０１１０】
まず、サファイア基板を結晶成長装置（たとえば、ＭＯＣＶＤ装置）に導入し、基板温度を１０５０℃程度に保持した状態で、Ｈ2雰囲気中で基板表面のクリーニングを行う。次に、基板温度を１１００℃程度にして、窒化処理を行う。具体的には、基板温度が１１００℃程度の状態で、Ｎ原料であるＮＨ3のみを５００ｃｃ／ｍｉｎ程度で６０秒程度供給する。この窒化処理後、ＮＨ3に加えて、Ａｌの原料（たとえば、ＴＭＡ）を、５μｍｏｌ／ｍｉｎ程度で供給する。これにより、−ｃ面（窒素極性）を主面とするＡｌＮ層が形成される。なお、上記方法を用いることにより、窒素極性とＩＩＩ族極性とが混在した窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＮ層）を形成することもできる。また、ＡｌＮ層以外の窒化物半導体層とする場合には、適宜、原料ガスを供給すればよい。
【０１１１】
また、Ａｌ組成傾斜層２２は、たとえば、以下の方法（工程）を用いて形成することができる。具体的な方法の一例として、Ａｌ組成傾斜層２２をＡｌＧａＮ層とした場合について説明する。
【０１１２】
ＡｌＧａＮ層の成長時に、Ａｌの原料（たとえば、ＴＭＡ）、Ｇａの原料（たとえば、ＴＭＧ）およびＮＨ3をある値で供給していた場合、Ｇａの原料およびＮＨ3の供給量が一定の元、Ａｌの原料の供給量を変化させる。これにより、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を変化させることができる。また、上記以外に、Ａｌの原料およびＮＨ3の供給量が一定の元、Ｇａの原料の供給量を変化させることでも、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を変化させることができる。さらに、Ｇａの原料およびＡｌの原料の供給量が一定の元、ＮＨ3の供給量を変化させることでも、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を変化させることができる。
【実施例１】
【０１１３】
この実施例１では、−ｃ面（窒素極性）の主面を有する窒化物半導体層として、ＡｌＮ層を形成し、このＡｌＮ層の−ｃ面上に、約０．２μｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層からなるＡｌ組成傾斜層を形成することにより、窒化物半導体発光素子を形成した。
【０１１４】
図７は、Ａｌ組成傾斜層のＡｌ組成とキャリア密度との関係を示した図である。この図７では、主面が窒素極性を示すＡｌＮ層上に、０．２μｍの厚みを有するＡｌxＧａ1-xＮ層（Ａｌ組成傾斜層）を形成した場合の分極ドーピングにより発生するキャリア濃度について計算した結果を示している。また、図７において、横軸は、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成ｘ（％）を示しており、縦軸は、キャリア密度（ｃｍ-3）を示している。なお、Ａｌ組成ｘは、ＡｌxＧａ1-xＮ層（Ａｌ組成傾斜層）の最上面のＡｌ組成を示している。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層（Ａｌ組成傾斜層）の最下面のＡｌ組成は、ＡｌＮ層と同じ、１００％として計算している。
【０１１５】
図７より、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成ｘが１００％の場合、組成傾斜が生じないため、キャリアが発生しないが、Ａｌ組成ｘが１００％より小さくなると組成傾斜が生じるため、キャリアが発生する。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成ｘが小さくなるにしたがい、最下面のＡｌ組成と最上面のＡｌ組成とのＡｌ組成差が大きくなるため、キャリア密度が大きくなることがわかる。
【０１１６】
図８は、Ａｌ組成傾斜層の層厚とキャリア密度との関係を示した図である。この図８では、主面が窒素極性を示すＡｌＮ層上に、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）を形成した場合の分極ドーピングにより発生するキャリア濃度について計算した結果を示している。また、図８において、横軸は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）の層厚（μｍ）を示しており、縦軸は、キャリア密度（ｃｍ-3）を示している。なお、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）のＡｌ組成は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）の最上面のＡｌ組成を示している。また、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層（Ａｌ組成傾斜層）の最下面のＡｌ組成は、ＡｌＮ層と同じ、１００％として計算している。
【０１１７】
図８より、Ａｌ組成傾斜層の層厚が薄いほど、発生するキャリア濃度が大きくなる。したがって、Ａｌ組成差と層厚とを調整することで、分極ドーピングにより発生するキャリア濃度を制御することができる。
【０１１８】
また、主面が−ｃ面（窒素極性）のＡｌＮ層上に、Ａｌ組成が減少したＡｌ組成傾斜層を形成した場合、ｎ型のキャリアが発生する。一方、主面が＋ｃ面（Ａｌ極性）のＡｌＮ層上に、Ａｌ組成が減少したＡｌ組成傾斜層を形成した場合、ｐ型のキャリアが発生する。このため、極性面と組成傾斜のさせ方とによって、発生させるキャリアを制御することができる。
【０１１９】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。図１０〜図１２は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子のＡｌ組成傾斜層の構成を説明するための図である。次に、図５および図９〜図１２を参照して、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、各図において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１２０】
この第２実施形態では、図９および図１０に示すように、上記第１実施形態の構成において、Ａｌ組成傾斜層１２２（２２）が、複数の層を含む多層構造に構成されている。具体的には、上記Ａｌ組成傾斜層１２２は、Ａｌ組成の傾斜が異なる２層以上の分極ドーピング層（傾斜層）２２ａを含んで構成されている。この分極ドーピング層２２ａは、Ａｌ組成が傾斜した窒化物半導体から構成されている。
【０１２１】
また、第２実施形態では、第１実施形態と同様、基板１０と活性層３０との間に、Ａｌを含む窒化物半導体層２１（たとえば、ＡｌＮ層）が形成されている。この窒化物半導体層２１の主面２１ａは、−ｃ面（窒素極性）とされている。また、窒化物半導体層２１と活性層３０との間には、上記Ａｌ組成傾斜層１２２が形成されている。このＡｌ組成傾斜層１２２は、窒化物半導体層２１に対して活性層３０側に形成されている。さらに、活性層３０上には、キャリアブロック層４１、Ａｌを含む窒化物半導体層４２、窒化物半導体からなるコンタクト層４３が順に形成されている。なお、キャリアブロック層４１、窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３には、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）がドーピングされている。
【０１２２】
Ａｌ組成傾斜層１２２は、図１０に示すように、Ａｌ組成が傾斜した分極ドーピング層２２ａと通常の層（組成傾斜層ではない層：通常層２２ｂ）とが交互に積層された多層構造からなる。また、Ａｌ組成傾斜層１２２は、そのＡｌ組成が、活性層３０に向けて減少するように構成されている。なお、通常層２２ｂは、組成一定を目的として形成された層であるが、意図せずに組成が不均一になった層も通常層２２ｂに含まれる。
【０１２３】
ここで、Ａｌ組成傾斜層１２２の構成についてより詳細に説明する。なお、説明を簡単にするために、図１１および図１２を参照して、Ａｌ組成傾斜層１２２が、第１分極ドーピング層２２１ａ、第１通常層２２１ｂ、第２分極ドーピング層２２２ａから構成される場合を例にして説明する。
【０１２４】
図１１および図１２に示すように、Ａｌ組成傾斜層１２２は、第１分極ドーピング層２２１ａと第２分極ドーピング層２２２ａとで、第１通常層２２１ｂが挟まれた構成を有している。第１分極ドーピング層２２１ａは、基板側に形成されており、第２分極ドーピング層２２２ａは、活性層側に形成されている。
【０１２５】
また、第１分極ドーピング層２２１ａにおける基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａ１＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａ１＿ａｃｔとした場合、以下の（２）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿ａ１＿ｓｕｂ＞Ａｌ＿ａ１＿ａｃｔ ・・・（２）
【０１２６】
なお、第１分極ドーピング層２２１ａは、図１２に示すように、Ａｌ組成がＡｌ＿ａ１＿ｓｕｂからＡｌ＿ａ１＿ａｃｔに変化する時に、Ａｌ組成は一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。さらに、そのＡｌ組成の変化（傾斜）は、図１２の実線ａ１のように、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、分極ドーピングにより、横方向の電流拡がりを大幅に増大させることができるため好ましい。また、Ａｌ組成を直線状に傾斜させれば、層内に均一にキャリアを発生させることが可能となる。なお、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記した直線状以外の他の傾斜方法（たとえば、放物線状の傾斜など）であってもよい。
【０１２７】
第１通常層２２１ｂのＡｌ組成が一定の場合、そのＡｌ組成をＡｌ＿ｂ１とすると、Ａｌ＿ｂ１は、以下の（３）式を満たすように構成される。
Ａｌ＿ｂ１≦Ａｌ＿ａ１＿ａｃｔ ・・・（３）
【０１２８】
Ａｌ＿ｂ１＝Ａｌ＿ａ１＿ａｃｔの場合（図１２の実線ｂ１参照）、界面での格子定数差が生じないため、転位などの結晶欠陥の発生やクラックの発生が抑制される。また、Ａｌ＿ｂ１＜Ａｌ＿ａ１＿ａｃｔの関係（図１２の破線ｂ２参照）を維持することで、界面において、ｐ型キャリアの発生が抑制される。
【０１２９】
また、第２分極ドーピング層２２２ａにおける基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａ２＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ａ２＿ａｃｔとした場合、以下の（４）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿ａ２＿ｓｕｂ＞Ａｌ＿ａ２＿ａｃｔ ・・・（４）
【０１３０】
また、第１通常層２２１ｂのＡｌ組成との関係においては、以下の（５）式を満たすように構成される。
Ａｌ＿ａ２＿ａｃｔ≦Ａｌ＿ｂ１ ・・・（５）
【０１３１】
Ａｌ＿ａ２＿ａｃｔ＝Ａｌ＿ｂ１の場合（図１２の実線ａ２参照（第１通常層２２１ｂが破線ｂ２の状態の場合は、破線ａ３参照））、界面での格子定数差が生じないため、転位などの結晶欠陥の発生やクラックの発生が抑制される。また、Ａｌ＿ａ２＿ａｃｔ＜Ａｌ＿ｂ１の関係（第１通常層２２１ｂが図１２の実線ｂ１の状態の場合は、破線ａ３またはａ４参照、第１通常層２２１ｂが破線ｂ２の状態の場合は、破線ａ４参照）を維持することで、界面において、ｐ型キャリアの発生が抑制される。
【０１３２】
また、第２分極ドーピング層２２２ａにおけるＡｌ組成が、Ａｌ＿ａ２＿ｓｕｂからＡｌ＿ａ２＿ａｃｔに変化する時に、Ａｌ組成は一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。また、そのＡｌ組成の変化（傾斜）は、第１分極ドーピング層２２１ａと同様、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、層内に均一にキャリアを発生させることが可能となる。ただし、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記した直線状以外の他の傾斜方法（たとえば、放物線状の傾斜など）であってもよい。
【０１３３】
なお、以上の説明では、分極ドーピング層２２ａと通常層２２ｂとが交互に積層された多層構造からなる３層構造を例示したが、Ａｌ組成傾斜層１２２の層数は、３層に限定されるものではなく、たとえば、１０層、２０層と層数を増やした構成とすることも可能である。
【０１３４】
この場合、Ａｌ組成傾斜層１２２のｎ番目（ｎは、０を含まない自然数）の分極ドーピング層２２ａにおける基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ａｃｔとすると、Ａｌ＿１＿ｓｕｂは、窒化物半導体層２１のＡｌ組成以下に設定されているとともに、Ａｌ＿ｎ＿ａｃｔは、Ａｌ＿ｎ＋１＿ｓｕｂ以上に設定されており、かつ、活性層３０に最も近い分極ドーピング層２２ａにおける活性層３０側のＡｌ組成が、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成以上に設定されているのが好ましい。すなわち、多層構造とした場合でも、基板１０から活性層３０に向けて、Ａｌ組成が一定か、もしくは減少するように構成されているのが好ましい。
【０１３５】
また、Ａｌ組成傾斜層１２２は、ＡｌＧａＮから構成されているのが好ましい。また、Ａｌ組成傾斜層１２２は、ＡｌＧａＮ以外に、たとえば、ＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよい。
【０１３６】
組成傾斜した分極ドーピング層２２ａに不純物をドーピングする場合、上述したように、そのドーピング量は、不純物ドーピングを行った通常の層（組成傾斜層ではない層）の不純物ドーピング量に対して、たとえば、３分の２以下程度に設定されるとよい。不純物ドーピング量を減らすことにより、クラックの抑制効果が顕著に得られる。また、Ａｌ組成傾斜層１２２の不純物ドーピング量は、不純物ドーピングを行った通常の層（組成傾斜層ではない層）の不純物ドーピング量に対して、２分の１以下程度に設定されているとより好ましい。この場合、上記クラック抑制効果に加えて、平坦性の向上効果も顕著に得られる。
【０１３７】
また、Ａｌ組成傾斜層１２２を構成する各層は、量子井戸層より高いＡｌ組成に設定されているのが好ましい。このように構成することで、活性層３０からの光を吸収する悪影響が低減される。さらに、Ａｌ組成傾斜層１２２を構成する層のうち、最も活性層３０（障壁層）に近い層のＡｌ組成は、障壁層と同じＡｌ組成に設定されているとより好ましい。このように構成することで、Ａｌ組成傾斜層１２２と障壁層とが隣接した構成にする場合、界面の格子定数差が小さくなるため好ましい。
【０１３８】
第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１３９】
第２実施形態では、上記のように、Ａｌ組成傾斜層１２２を、Ａｌ組成の傾斜が異なる２層以上の分極ドーピング層２２ａを含む多層構造に構成することによって、Ａｌ組成傾斜層１２２を１層（単層）で形成する場合に比べて、横方向の電流拡がりをより増大させることができる。
【０１４０】
また、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上においては、分極ドーピング層２２ａを多層で形成することにより、窒化物半導体層の平坦性をより向上させることができる。
【０１４１】
また、第２実施形態では、Ａｌ組成傾斜層１２２を、Ａｌ組成が傾斜している分極ドーピング層２２ａとＡｌ組成が一定の通常層２２ｂとが交互に積層された多層構造に構成することによって、容易に、窒化物半導体層の平坦性を向上させることができる。
【０１４２】
また、通常層２２ｂに不純物がドーピングされている場合、不純物ドーピングされた通常層２２ｂ間に、ドーピング量が少ない、もしくは、故意に不純物ドーピングを行わない層（分極ドーピング層２２ａ）を形成することで、不純物量を減らすことができる。これにより、結晶品質を向上させることができる。
【０１４３】
また、第２実施形態では、Ａｌ組成傾斜層１２２のｎ番目（ｎは、０を含まない自然数）の分極ドーピング層２２ａにおける基板１０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ｓｕｂとし、活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ａｃｔとした場合、Ａｌ＿１＿ｓｕｂが、窒化物半導体層２１のＡｌ組成以下に設定されているとともに、Ａｌ＿ｎ＿ａｃｔは、Ａｌ＿ｎ＋１＿ｓｕｂ以上に設定されており、かつ、活性層３０に最も近い分極ドーピング層２２ａにおける活性層３０側のＡｌ組成が、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成以上に設定された構成とすることにより、容易に、界面における格子不整合差を小さくすることができる。これにより、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生をより効果的に抑制することができるので、結晶品質をより効果的に向上させることができる。
【０１４４】
たとえば、途中でＡｌ組成が大きくなった場合、格子不整合差が大きい界面が生じるため好ましくない。また、途中でＡｌ組成が大きくなった場合、分極ドーピングにより発生するキャリアは、ｎ型ではなくｐ型に寄与することになる。このため、ｎ型窒化物半導体に適用する場合、好ましくない。
【０１４５】
なお、Ａｌ組成傾斜層１２２の層厚は、たとえば、２．０μｍ程度とすることができる。また、Ａｌ組成傾斜層１２２の層厚は、３．０μｍから５．０μｍの間に設定されていると好ましい。３．０μｍより大きく設定することにより、電流拡がりの効果が大きくなる。一方、５．０μｍより小さく設定することにより、平坦性が良好になる。
【０１４６】
−ｃ面を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上では、Ａｌ組成傾斜層１２２とｎ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）との層厚の大小関係は、どちらが大きくてもよい。これは、−ｃ面（窒素極性）を窒化物半導体層２１の主面２１ａとすることで、クラックの抑制が可能になるためである。より好ましい構成は、Ａｌ組成傾斜層１２２の層厚を、ｎ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）の層厚以上に設定する構成である。このように構成した場合、ｎ型不純物をドーピングした層を減らすことができるため、より結晶品質が向上する。また、平坦性も向上するため好ましい。
【０１４７】
分極ドーピング層２２ａが多段に形成された場合、各々の分極ドーピング層２２ａのＡｌ組成傾斜方法は、同じでもよいし、それぞれ、異なっていてもよい。また、各々の分極ドーピング層２２ａの層厚も、全て同じでもよいし、異なっていてもよい。
【０１４８】
第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１４９】
（第２実施形態の変形例）
上記第２実施形態では、通常層２２ｂを、Ａｌ組成一定の層としたが、分極ドーピング層２２ａのように、Ａｌ組成が変化していてもよい。この場合、Ａｌ組成は、基板１０から活性層３０に向けて、一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。また、Ａｌ組成の変化の仕方は、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。この直線状の傾斜の傾きは、分極ドーピング層２２ａと異なっていてもよい。傾斜の傾きが分極ドーピング層２２ａと同じ場合は、上記第１実施形態と同様の構成となる。
【０１５０】
（第３実施形態）
図１３は、本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図５および図１３を参照して、本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図１３において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１５１】
この第３実施形態では、図１３に示すように、上記第１または第２実施形態の構成において、ｐ側窒化物半導体４０にもＡｌ組成傾斜層が形成された構成となっている。具体的には、第３実施形態では、活性層３０（最も基板１０から離れた障壁層）とキャリアブロック層４１との間に、Ａｌ組成が傾斜している窒化物半導体からなるＡｌ組成傾斜層４４が形成されている。なお、Ａｌ組成傾斜層４４は、本発明の「第２組成傾斜層」の一例である。
【０１５２】
活性層３０とキャリアブロック層４１との間に形成されたＡｌ組成傾斜層４４は、活性層３０からキャリアブロック層４１に向けて、Ａｌ組成が増加するように構成されている。たとえば、Ａｌ組成傾斜層４４における活性層３０側のＡｌ組成をＡｌ＿４４＿ａｃｔとし、キャリアブロック層４１側のＡｌ組成をＡｌ＿４４＿ｃｂとした場合、以下の（６）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿４４＿ａｃｔ＜Ａｌ＿４４＿ｃｂ ・・・（６）
【０１５３】
また、Ａｌ組成傾斜層４４のＡｌ組成がＡｌ＿４４＿ａｃｔからＡｌ＿４４＿ｃｂに変化する時に、Ａｌ組成は一様に増加し、減少することがないように構成されているのが好ましい。そのＡｌ組成の変化（傾斜）は、成長層厚に比例した直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、層内に均一にキャリアを発生させることが可能となる。ただし、Ａｌ組成の変化（傾斜）は、上記した直線状以外の他の傾斜方法（たとえば、放物線状の傾斜など）であってもよい。
【０１５４】
ここで、上記Ａｌ組成傾斜層４４は−ｃ面上に形成されているので、故意に不純物（たとえば、Ｍｇ）をドーピングしなくても、分極ドーピングによりキャリア（ホール）が発生する。このため、Ａｌ組成傾斜層４４は、故意に不純物をドーピングしなくても、ｐ型の導電性を示す。ただし、Ａｌ組成傾斜層４４に故意に不純物をドーピングすることにより、ドーピング量の調整などを行うことも可能である。
【０１５５】
また、Ａｌ組成傾斜層４４におけるキャリアブロック層４１側のＡｌ組成（Ａｌ＿４４＿ｃｂ）は、キャリアブロック層４１のＡｌ組成と同じに設定されているのが好ましい。このように構成することで、キャリアブロック層４１との界面での格子不整合差がなくなるため、好ましい。また、Ａｌ組成傾斜層４４における活性層３０側のＡｌ組成（Ａｌ＿４４＿ａｃｔ）は、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成と同じに設定されているのが好ましい。このように構成することで、活性層３０との界面での格子不整合差がなくなるため、好ましい。
【０１５６】
なお、活性層３０とキャリアブロック層４１との間に、Ａｌ組成傾斜層４４を有する構成の場合、Ａｌ組成傾斜層４４が量子井戸層と接する構成とすることにより、Ａｌ組成傾斜層４４が、最もキャリアブロック層４１に近い障壁層３１（図５参照）の機能を兼ね備えた構成とすることも可能である。
【０１５７】
また、Ａｌ組成傾斜層４４の層厚は、たとえば、１００ｎｍ以下にするとよい。このように構成することで、キャリアブロック層４１の効果を大きくすることができる。また、Ａｌ組成傾斜層４４の層厚が、５０ｎｍ以下であればより好ましく、２０ｎｍ以下であればさらに好ましい。Ａｌ組成傾斜層４４の層厚を２０ｎｍ以下とすることで、分極ドーピングにより十分にキャリアを発生させることができる。また、Ａｌ組成傾斜層４４の層厚は、たとえば、５ｎｍ以上にするとよい。このように構成することで、Ａｌ組成を緩やかに変化させることが可能となり、結晶品質が向上する。
【０１５８】
なお、第３実施形態では、ｐ側窒化物半導体４０のＡｌ組成傾斜層４４を単層で示したが、これに限らず、Ａｌ組成傾斜層４４は、複数の層を含む多層構造に形成されていてもよい。この場合も、活性層３０からキャリアブロック層４１に向けて、Ａｌ組成が増加するように構成される。
【０１５９】
また、第３実施形態では、ｎ側窒化物半導体２０にもＡｌ組成傾斜層２２（１２２）を設けた例を示したが、ｎ側窒化物半導体２０に、Ａｌ組成傾斜層２２（１２２）を設けない構成とすることも可能である。ただし、ｎ側窒化物半導体２０にＡｌ組成傾斜層２２（１２２）を設けることで、横方向に電流を拡げる効果や、平坦性の向上効果、クラック抑制効果などが得られるため、ｎ側窒化物半導体２０にＡｌ組成傾斜層２２（１２２）を設けた構成が好ましい。
【０１６０】
また、上記第３実施形態の構成において、基板１０と窒化物半導体層２１との間に、超格子構造を形成する構成とすることも可能である。たとえば、基板１０上に、窒素極性を有するＡｌＮバッファ層を形成したのち、さらに、ＡｌＮとＡｌＧａＮ、もしくは、ＡｌＧａＮとＡｌＧａＮとからなる超格子を形成し、その上に、Ａｌを含む窒化物半導体層２１を形成することも可能である。このように、基板１０と窒化物半導体層２１との間に、超格子を挿入することで、その上に形成される層の結晶欠陥を低減（抑制）することができる。さらに、上記以外に、たとえば、Ａｌ組成傾斜層２２（１２２）と活性層３０との間に、ＡｌＮとＡｌＧａＮ、もしくは、ＡｌＧａＮとＡｌＧａＮとからなる超格子構造を挿入することも可能である。
【０１６１】
第３実施形態のその他の構成は、上記第１および第２実施形態と同様である。
【０１６２】
第３実施形態では、上記のように、活性層３０とキャリアブロック層４１との間に、Ａｌ組成が傾斜したＡｌ組成傾斜層４４を形成することによって、このＡｌ組成傾斜層４４を分極ドーピング層とすることができる。分極ドーピング層では、ドーパントを添加しなくてもキャリアが生成されるため、素子抵抗を低減することができる。
【０１６３】
また、第３実施形態では、ｐ型不純物をドーピングせずに、Ａｌ組成傾斜層４４にｐ型のキャリア（ホール）を発生させることができる。ここで、活性層付近にｐ型不純物をドーピングすると、素子抵抗を低減することが可能となる一方、ｐ型窒化物半導体層の成長中にｐ型不純物が活性層に拡散することにより、発光効率が低下する場合がある。また、ｐ型不純物の拡散は、結晶品質が悪いもので、より顕著となる。
【０１６４】
これに対し、上記のように構成された第３実施形態では、ｐ型不純物をドーピングすることなく、ｐ型のキャリアを発生させることができるので、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）の拡散に起因する発光効率の低下を抑制することができる。また、ｐ型不純物をドーピングする場合でも、そのドーピング量を減らすことができるので、ｐ型不純物の拡散を効果的に抑制することができる。また、ｐ型不純物のドーピング量を減らすことにより、結晶品質を向上させることもできる。その結果、活性層へのダメージを抑制して、発光効率の低下を抑制することができる。
【０１６５】
また、Ａｌ組成傾斜層４４に不純物（たとえば、Ｍｇ）をドーピングする場合、そのドーピング量は、ｐ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）のドーピング量の、たとえば、３分の２以下程度に設定されるとよい。このように構成すれば、不純物ドーピング量を減らすことができるので、結晶品質を向上させることができる。また、活性層３０への不純物の拡散を抑制することができるので、不純物拡散による活性層３０のダメージを抑制することもできる。また、Ａｌ組成傾斜層４４の不純物ドーピング量は、ｐ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）のドーピング量の、たとえば、２分の１以下程度に設定されているとより好ましい。この場合、上記効果に加えて、平坦性を向上させる効果を顕著に得ることができる。不純物をドーピングしない構成とすれば、さらに好ましい。
【０１６６】
また、第３実施形態では、Ａｌ組成傾斜層４４におけるキャリアブロック層４１側のＡｌ組成（Ａｌ＿４４＿ｃｂ）を、キャリアブロック層４１のＡｌ組成以下に設定するとともに、Ａｌ組成傾斜層４４における活性層３０側のＡｌ組成（Ａｌ＿４４＿ａｃｔ）を、障壁層３１（図５参照）のＡｌ組成以上に設定することによって、界面における格子不整合差を小さくすることができるので、格子不整合から生じる転位などの結晶欠陥の発生を効果的に抑制することができる。
【０１６７】
第３実施形態のその他の効果は、上記第１および第２実施形態と同様である。
【実施例２】
【０１６８】
実施例２の窒化物半導体発光素子として、上記第３実施形態で示した窒化物半導体発光素子と同様の発光素子を作製した。図１４および図１５は、実施例２の窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。なお、各図において、対応する構成要素には同一の符号を付している。
【０１６９】
この実施例２では、図１４に示すように、基板１０にサファイア基板を用いた。また、サファイア基板１０上には、−ｃ面（窒素極性）を主面２１ａとするＡｌＮ層２２を形成した。ＡｌＮ層２２上には、Ａｌ組成が傾斜しているｎ側分極ドーピング層２２を形成した。この分極ドーピング層２２は、約２．０μｍの層厚とし、ＡｌＮからＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎへ、Ａｌ組成を直線的に変化させた。また、分極ドーピング層２２には、通常の層（組成傾斜層でない層（後述する比較例））のＳｉドーピング量の３分の２程度のＳｉドーピングを行った。分極ドーピング層２２上には、活性層３０を形成し、この活性層３０上に、Ａｌ組成が４５％から７０％まで変化させたＡｌＧａＮからなるｐ側分極ドーピング層４４を約１５ｎｍの層厚で形成した。ｐ側分極ドーピング層４４上には、Ａｌ組成７０％のＡｌＧａＮからなるキャリアブロック層４１を約１０ｎｍの層厚で形成した。また、キャリアブロック層４１上には、Ａｌ組成４５％のＡｌＧａＮ層４２を約１５ｎｍの層厚で形成した。さらに、このＡｌＧａＮ層４２上には、ＧａＮからなるコンタクト層４３を約１００ｎｍの層厚で形成した。
【０１７０】
キャリアブロック層４１、ＡｌＧａＮ層４２およびコンタクト層４３には、ｐ型不純物としてＭｇをドーピングした。一方、活性層３０上に形成したｐ側分極ドーピング層４４は、Ｍｇドーピングを施さない構成とした。
【０１７１】
活性層３０は、図１５に示すように、Ａｌ組成３５％のＡｌＧａＮからなる量子井戸層３２とＡｌ組成４５％のＡｌＧａＮからなる障壁層３１とを交互に積層した３重量子井戸の多重量子井戸構造とした。なお、量子井戸層３２の層厚は、約３ｎｍとし、障壁層３１の層厚は、約７．５ｎｍとした。
【０１７２】
また、ｎ側分極ドーピング層２２およびｐ側分極ドーピング層４４を、それぞれ、Ａｌ組成一定の層に代えた窒化物半導体発光素子を作製し、この窒化物半導体発光素子を比較例として用いた。なお、比較例による素子では、ｎ側分極ドーピング層２２に対応する層の層厚は、０．８μｍ程度としている。これは、実施例２と同様の層厚（約２．０μｍ）とした場合、クラックが発生するためである。また、比較例において、ｎ側分極ドーピング層２２に対応する層は、Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ｎ層とし、ｐ側分極ドーピング層４４に対応する層は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層とした。
【０１７３】
そして、これらの素子を用いて、動作電圧および電流注入による発光強度の比較を行った。その結果、比較例では、電圧値が２０ｍＡにおいて８．７Ｖであったのに対し、分極ドーピング層を有する実施例２では、電圧値を６．８Ｖまで低減することができた。また、実施例２の発光強度は、比較例に比べて、２．５倍程度増加した。
【実施例３】
【０１７４】
実施例３の窒化物半導体発光素子として、ｎ側分極ドーピング層２２（図１４参照）が多層構造から形成されている点を除いて上記実施例２と同様の構成を有する素子を作製した。図１６は、実施例３のｎ側分極ドーピング層の層構造を模式的に示した断面図である。
【０１７５】
図１６に示すように、実施例３では、ＡｌＮ層２１上に、多層構造を有するｎ側分極ドーピング層１２２（２２）を形成した。具体的には、ＡｌＮ層２１上に、まず、ＡｌＮからＡｌ0.80Ｇａ0.20Ｎへ、Ａｌ組成を直線的に変化させた組成傾斜層２２ａ（２２１ａ）を約０．５μｍの層厚で形成した。次に、組成傾斜層２２ａ（２２１ａ）上に、Ａｌ0.80Ｇａ0.20Ｎからなる組成一定層２２ｂ（２２１ｂ）を約０．６μｍの層厚で形成した。次に、組成一定層２２ｂ（２２１ｂ）上に、Ａｌ0.80Ｇａ0.20ＮからＡｌ0.60Ｇａ0.40Ｎへ、Ａｌ組成を直線的に変化させた組成傾斜層２２ａ（２２２ａ）を約０．５μｍの層厚で形成した。続いて、組成傾斜層２２ａ（２２２ａ）上に、Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ｎからなる組成一定層２２ｂ（２２２ｂ）を約０．６μｍの層厚で形成した。次に、組成一定層２２ｂ（２２２ｂ）上に、Ａｌ0.60Ｇａ0.40ＮからＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎへ、Ａｌ組成を直線的に変化させた組成傾斜層２２ａ（２２３ａ）を約０．５μｍの層厚で形成した。その後、組成傾斜層２２ａ（２２３ａ）上に、Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ｎからなる組成一定層２２ｂ（２２３ｂ）を約０．６μｍの層厚で形成した。
【０１７６】
組成傾斜層２２ａ（２２１ａ〜２２３ａ）には、比較例の通常Ｓｉドーピング量に対して３分の２程度のＳｉドーピングを行った。また、組成一定層２２ｂ（２２１ｂ〜２２３ｂ）には、比較例の通常Ｓｉドーピング量と同程度のＳｉドーピングを行った。
【０１７７】
そして、実施例３の素子を用いて、実施例２と同様、動作電圧および電流注入による発光強度の測定を行い、比較例との比較を行った。その結果、比較例では、電圧値が２０ｍＡにおいて８．７Ｖであったのに対し、分極ドーピング層を有する実施例３では、電圧値を６．３Ｖまで低減することができた。また、実施例３の発光強度は、比較例に比べて、４．５倍程度増加した。
【０１７８】
（第４実施形態）
図１７は、本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図３および図１７を参照して、本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図１７において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１７９】
この第４実施形態では、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）上で分極ドーピングを利用するために、上記第１実施形態の構成において、各導電型が逆の導電型に構成されている。すなわち、第４実施形態では、図１７に示すように、基板１０（たとえば、サファイア基板）と活性層３０との間に、ｐ型窒化物半導体層が形成されており、活性層３０上に、ｎ型窒化物半導体層が形成されている。
【０１８０】
また、第４実施形態では、基板１０と活性層３０との間に、Ａｌを含む窒化物半導体層２１が形成されている。この窒化物半導体層２１の主面２１ａは、上記第１実施形態とは異なり、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）となっている。また、窒化物半導体層２１と活性層３０との間には、Ａｌ組成が傾斜したＡｌ組成傾斜層２２が形成されている。このＡｌ組成傾斜層２２は、活性層３０に向けてＡｌ組成が減少するように構成されている。このため、このＡｌ組成傾斜層２２が＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）上に形成されることで、Ｍｇなどのｐ型ドーパントを添加しなくても、ｐ型キャリアであるホールが生成される。これにより、Ａｌ組成傾斜層２２がｐ型の導電性を示す。この場合、量子井戸のバンドギャップが一番小さい構造となるため、キャリアが効果的に閉じ込められる。
【０１８１】
なお、Ａｌ組成傾斜層２２は、上記のように、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）をドーピングしなくても導電性を示す。このため、Ａｌ組成傾斜層２２にｐ型不純物をドーピングしない構成とするのが好ましいが、ｐ型不純物をドーピングする構成とすることもできる。Ａｌ組成傾斜層２２にｐ型不純物をドーピングする場合、そのドーピング量は、ｐ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）のドーピング量の、たとえば、３分の２以下程度に設定されていると好ましく、２分の１程度以下に設定されているとより好ましい。
【０１８２】
また、第４実施形態では、第１実施形態とは導電型が逆になっているため、基板１０と活性層３０との間にはｐ側窒化物半導体２０ａが形成されることになる。このｐ側窒化物半導体２０ａは、導電型を除き、第１実施形態のｎ側窒化物半導体２０（図３参照）と対応する（同様の）層構造となっている。一方、活性層３０上には、第１実施形態のｐ側窒化物半導体４０（図３参照）と対応した（同様の）層構造を有するｎ側窒化物半導体４０ａが形成されている。ｎ側窒化物半導体４０ａは、上記第１実施形態と同様、キャリアブロック層４１、Ａｌを含む窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３を含んで構成されている。ただし、これらの層は、ｎ型不純物がドーピングされることにより、ｎ型の導電型を示すように構成されている。なお、ｐ側窒化物半導体２０ａは、本発明の「第１半導体部」の一例であり、ｎ側窒化物半導体４０ａは、本発明の「第２半導体部」の一例である。
【０１８３】
キャリアブロック層４１と窒化物半導体層４２との界面には、ｎ型不純物が高濃度ドーピングされているのが好ましい。このように構成することで、ヘテロ界面に発生するスパイクの影響を低減でき、電圧低減効果が得られる。また、同様に、窒化物半導体層４２とコンタクト層４３との界面には、ｎ型不純物が高濃度ドーピングされているのが好ましい。
【０１８４】
Ａｌ組成傾斜層２２の層厚は、たとえば、１．０μｍ程度とすることができる。より好ましくは、２．０μｍ程度である。Ａｌ組成傾斜層２２の層厚を２．０μｍ程度とすれば、電流拡がりの効果がより大きくなるためより好ましい。
【０１８５】
また、＋ｃ面を主面２１ａとする窒化物半導体層２１上では、Ａｌ組成傾斜層２２は、ｐ型不純物をドーピングした通常の層（組成傾斜層ではない層）の層厚より大きい層厚で形成されると好ましい。このように構成した場合、ｐ型不純物をドーピングした層を減らすことができるため、より結晶品質が向上する。また、平坦性も向上するため好ましい。
【０１８６】
また、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、量子井戸層より高いＡｌ組成に設定されているのが好ましい。このように構成することで、活性層３０からの光を吸収する悪影響が低減される。さらに、Ａｌ組成傾斜層２２の活性層３０側のＡｌ組成は、障壁層と同じＡｌ組成に設定されているとより好ましい。このように構成することで、界面の格子定数差が小さくなるため好ましい。
【０１８７】
さらに、Ａｌ組成傾斜層２２を、基板１０から活性層３０に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とし、そのＡｌ組成を活性層３０のＡｌ組成よりも大きい値に設定することで、光吸収の影響を抑制した構成にすることができる。また、格子定数差を徐々に変化させることで、格子定数差の大きな界面を減らすことができるため、結晶品質を向上させることができる。
【０１８８】
なお、第４実施形態では、上記第１実施形態とは導電型が逆になっているため、ｎ側電極およびｐ側電極もその形成領域が入れ替わった構成となっている。すなわち、第４実施形態では、第１実施形態におけるｎ側電極が形成されている領域にｐ側電極が形成されており、第１実施形態におけるｐ側電極が形成されている領域にｎ側電極が形成されている。
【０１８９】
第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態の構成において導電型を逆にした構成と同様である。また、第４実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１９０】
（第５実施形態）
図１８は、本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図１０および図１８を参照して、本発明の第５実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図１８において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１９１】
この第５実施形態では、図１８に示すように、上記第４実施形態の構成において、Ａｌ組成傾斜層１２２（２２）が、複数の層を含む多層構造に構成されている。このＡｌ組成傾斜層１２２は、第２実施形態で示したＡｌ組成傾斜層１２２（図１０参照）と同様の多層構造に構成されている。ただし、第５実施形態では、窒化物半導体層２１の主面２１ａが＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）とされているため、Ａｌ組成傾斜層１２２の導電型はｐ型となっている。なお、第５実施形態による窒化物半導体発光素子は、上記第２実施形態の構成において、各導電型が逆の導電型の構成と同様の構成でもある。
【０１９２】
第５実施形態のその他の構成は、上記第４実施形態と同様である。また、第５実施形態の効果は、上記第１、第２および第４実施形態と同様である。
【０１９３】
（第６実施形態）
図１９は、本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図１３および図１９を参照して、本発明の第６実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図１９において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１９４】
この第６実施形態では、図１９に示すように、上記第４または第５実施形態の構成において、ｎ側窒化物半導体４０ａにもＡｌ組成傾斜層が形成された構成となっている。具体的には、第６実施形態では、活性層３０（最も基板１０から離れた障壁層）とキャリアブロック層４１との間に、Ａｌ組成が傾斜している窒化物半導体からなるＡｌ組成傾斜層４４が形成されている。このＡｌ組成傾斜層４４は、上記第３実施形態で示したＡｌ組成傾斜層４４（図１３参照）と同様の構成を有している。ただし、第６実施形態では、窒化物半導体層２１の主面２１ａが＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）とされているため、Ａｌ組成傾斜層４４の導電型はｎ型となっている。なお、第６実施形態による窒化物半導体発光素子は、上記第３実施形態の構成において、各導電型が逆の導電型の構成と同様の構成でもある。
【０１９５】
第６実施形態のその他の構成は、上記第４および第５実施形態と同様である。また、第６実施形態の効果は、上記第１〜第５実施形態と同様である。
【０１９６】
（第７実施形態）
図２０は、本発明の第７実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図２０を参照して、本発明の第７実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図２０において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１９７】
この第７実施形態では、図２０に示すように、上記第１実施形態の構成において、Ａｌ組成傾斜層２２と活性層３０との間にＡｌを含む窒化物半導体層２５がさらに形成された構成となっている。
【０１９８】
ここで、第７実施形態では、上記窒化物半導体層２５は、その主面２５ａが＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）となるように形成されている。すなわち、この第７実施形態では、基板１０と活性層３０との間において、−ｃ面（窒素極性）から＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）に極性が反転した構成となっている。
【０１９９】
第７実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０２００】
第７実施形態では、上記のように、基板１０と活性層３０との間で極性を反転させることによって、活性層３０を、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）上に形成することができる。これにより、活性層３０の平坦性をより向上させることができる。
【０２０１】
第７実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０２０２】
なお、極性を反転させる層（窒化物半導体層２５）は、たとえば、以下の方法（工程）を用いて形成することができる。具体的な方法の一例として、基板１０にサファイア基板を用い、窒化物半導体層２５をＡｌＮ層とした場合について説明する。また、以下の説明では、−ｃ面（窒素極性）を主面とする窒化物半導体層の形成工程については省略している。
【０２０３】
まず、サファイア基板を結晶成長装置（たとえば、ＭＯＣＶＤ装置）に導入し、基板温度を１０５０℃程度に保持した状態で、Ｈ2雰囲気中で基板表面のクリーニングを行う。次に、基板温度を１１００℃程度にして、窒化処理を行う。具体的には、基板温度が１１００℃程度の状態で、Ｎ原料であるＮＨ3を４００ｃｃ／ｍｉｎ程度、Ａｌの原料（たとえば、ＴＭＡ）を５μｍｏｌ／ｍｉｎ程度で供給することにより、窒素極性とＩＩＩ族極性とが混在したＡｌＮを形成する。その後、基板温度を１２００℃程度（先の工程での温度＋１００℃程度）にし、ＮＨ3およびＡｌの原料を同一条件にて供給する。これにより、その主面がＩＩＩ族極性に転換される。これは、窒素極性がＩＩＩ族極性に比べて低温で熱分解するため、成長温度を高温にすることでＩＩＩ族極性が残り、これを核として成長が進むためである。
【０２０４】
なお、上記第７実施形態では、極性を反転させる層を、基板１０と活性層３０との間に設けたが、このような層を、活性層３０とコンタクト層４３との間に設けてもよい。この場合、たとえば、キャリアブロック層４１の形成後、Ａｌを含む窒化物半導体層４２の形成前に、極性反転を行うための窒化物半導体層を形成するのが好ましい。
【０２０５】
（第８実施形態）
図２１は、本発明の第８実施形態による窒化物半導体発光素子の素子構造（層構造）を模式的に示した断面図である。次に、図２１を参照して、本発明の第８実施形態による窒化物半導体発光素子について説明する。なお、図２１において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０２０６】
この第８実施形態では、図２１に示すように、上記第７実施形態の構成において、窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３の少なくとも一方が、Ａｌ組成が傾斜した組成傾斜層（分極ドーピング層）からなる。
【０２０７】
窒化物半導体層４２のＡｌ組成が傾斜している場合、キャリアブロック層４１からコンタクト層４３に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とされる。窒化物半導体層４２は、＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）を主面２５ａとする窒化物半導体層２５上に形成されているため、このように構成することで、故意に不純物をドーピングしなくても、窒化物半導体層４２はｐ型の導電性を示す。
【０２０８】
この場合、たとえば、窒化物半導体層４２のキャリアブロック層４１側のＡｌ組成をＡｌ＿４２＿ｃｂとし、コンタクト層４３側のＡｌ組成をＡｌ＿４２＿ｃｏとすると、
以下の（７）式の関係が成り立つ。
Ａｌ＿４２＿ｃｏ＜Ａｌ＿４２＿ｃｂ ・・・（７）
【０２０９】
また、窒化物半導体層４２におけるＡｌ組成が、Ａｌ＿４２＿ｃｂからＡｌ＿４２＿ｃｏに変化する時に、Ａｌ組成は一様に減少し、増加することがないように構成されているのが好ましい。そのＡｌ組成の変化の仕方は、成長層厚に比例した、直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、層内に均一にキャリアを発生させることができる。その他、放物線状の傾斜など、他の傾斜方法でＡｌ組成を傾斜させてもよい。
【０２１０】
また、コンタクト層４３側のＡｌ組成（Ａｌ＿４２＿ｃｏ）は、コンタクト層４３のＡｌ組成が一様の場合、コンタクト層４３のＡｌ組成と同じであるのが好ましい。このように構成することで、界面での格子不整合差がなくなるため好ましい。
【０２１１】
キャリアブロック層４１上に形成される窒化物半導体層４２の層厚は、たとえば、５００ｎｍ以下に設定されているのが好ましい。より好ましくは、２００ｎｍ以下である。さらに好ましくは、１００ｎｍ以下である。窒化物半導体層４２の層厚を１００ｎｍ以下とすることで、分極ドーピングにより十分にキャリアを発生させることが可能となる。また、上記窒化物半導体層４２の層厚は、たとえば、５ｎｍ以上に設定されているのが好ましい。このように構成することで、Ａｌ組成を緩やかに変化させることが可能となり、結晶品質が向上する。
【０２１２】
また、キャリアブロック層４１と窒化物半導体層４２との界面には、ハイドープを施してもよい。このように構成することで、界面でのｎ型キャリアの影響が抑制される。また、界面にハイドープを施す場合、Ａｌの組成傾斜プロファイルを、下に凸の放物線状に減少させた構成とすることで、分極ドーピングにより発生するキャリアを、窒化物半導体層４２とその下の層との界面に近づくほど高くすることができる。
【０２１３】
また、上記窒化物半導体層４２と同様に、コンタクト層４３も、Ａｌ組成が傾斜した組成傾斜層（分極ドーピング層）とすることができる。この場合、活性層３０から上方（基板１０と反対方向）に向けて、Ａｌ組成が減少する構成とされる。このように構成することで、コンタクト層４３に故意に不純物をドーピングしなくても、コンタクト層４３はｐ型の導電性を示す。また、コンタクト層４３を、Ａｌ組成が傾斜した組成傾斜層（分極ドーピング層）とした場合、そのＡｌ組成の変化の仕方は、成長層厚に比例した、直線状の傾斜が好ましい。このように構成することで、層内に均一にキャリアを発生させることができる。その他、放物線状の傾斜など、他の傾斜方法でＡｌ組成を傾斜させてもよい。
【０２１４】
コンタクト層４３の層厚は、たとえば、５００ｎｍ以下に設定されているのが好ましい。より好ましくは、２００ｎｍ以下である。コンタクト層４３の層厚を２００ｎｍ以下とすることで、分極ドーピングにより十分にキャリアを発生させることが可能となる。また、上記コンタクト層４３の層厚は、たとえば、１０ｎｍ以上に設定されているのが好ましい。このように構成することで、Ａｌ組成を緩やかに変化させることが可能となり、結晶品質が向上する。
【０２１５】
また、コンタクト層４３における窒化物半導体層４２との界面のＡｌ組成は、窒化物半導体層４２のコンタクト層４３側のＡｌ組成（Ａｌ＿４２＿ｃｏ）以上に設定されているのが好ましい。このように構成することで、界面でのｎ型キャリアの発生を抑制することができる。また、窒化物半導体層４２との界面のＡｌ組成は、窒化物半導体層４２のコンタクト層４３側のＡｌ組成（Ａｌ＿４２＿ｃｏ）と同じに設定されているのが好ましい。このように構成することで、界面でのｎ型キャリアの発生が抑制されることに加えて、界面での格子定数差をなくすことができる。
【０２１６】
第８実施形態のその他の構成は、上記第７実施形態と同様である。
【０２１７】
第８実施形態では、上記のように、窒化物半導体層４２およびコンタクト層４３の少なくとも一方を、Ａｌ組成が傾斜した組成傾斜層（分極ドーピング層）とすることによって、ｐ型不純物をドーピングせずに、ｐ型のキャリアを発生させることができる。また、このように構成することによって、ドーピング量の調整などを行うためにｐ型不純物をドーピングする場合でも、少ない不純物量で導電性を得ることができるので、不純物量を減らすことにより結晶品質を向上させることができる。また、不純物の原料使用量も減らすことができるため、生産コストの観点からも好ましい。
【０２１８】
第８実施形態のその他の効果は、上記第７実施形態と同様である。
【０２１９】
なお、第８実施形態では、ｐ側窒化物半導体の分極ドーピング層（窒化物半導体層４２、コンタクト４３）を単層で示したが、これに限らず、分極ドーピング層（窒化物半導体層４２、コンタクト４３）は、複数の層を含む多層構造に形成されていてもよい。この場合も、活性層３０からキャリアブロック層４１に向けて、Ａｌ組成が減少するように構成される。また、途中で、Ａｌ組成が増加することがないように構成されているのが好ましい。
【０２２０】
また、第８実施形態では、ｎ側窒化物半導体にもＡｌ組成傾斜層２２（分極ドーピング層）を設けた例を示したが、ｎ側窒化物半導体に、Ａｌ組成傾斜層２２を設けない構成とすることもできる。ただし、ｎ側窒化物半導体にＡｌ組成傾斜層２２を設けることで、横方向に電流を拡げる効果や、平坦性の向上効果、クラック抑制効果などが得られるため、ｎ側窒化物半導体にＡｌ組成傾斜層２２を設けた構成が好ましい。
【０２２１】
また、上記第８実施形態では、極性を反転させる層を、基板１０と活性層３０との間に設けたが、このような層を、活性層３０とコンタクト層４３との間に設けてもよい。この場合、たとえば、キャリアブロック層４１の形成後、Ａｌを含む窒化物半導体層４２の形成前に、極性反転を行うための窒化物半導体層を形成するのが好ましい。このように構成することで、ｐ型不純物をドーピングすることなく、組成傾斜層（分極ドーピング層）に構成した層（窒化物半導体層４２、コンタクト層４３）にｐ型のキャリアを容易に発生させることができる。
【０２２２】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【０２２３】
たとえば、上記第１〜第８実施形態では、基板にサファイア基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、基板に、サファイア基板以外の基板を用いることもできる。サファイア基板以外の基板としては、たとえば、窒化物半導体基板、炭化珪素基板、シリコン基板などが挙げられる。また、基板にＧａＮ基板などの紫外光（深紫外光）を吸収する基板を用いた場合は、基板剥離などを行うのが好ましい。このように構成することで、光吸収の影響をなくすことができる。また、ＡｌＮ基板やＡｌＧａＮ基板などでは、光吸収の影響が抑制されるため、基板剥離を行わない構成とすることもできる。このため、ＡｌＮ基板やＡｌＧａＮ基板などの光吸収が抑制される基板を用いる場合は、素子構造の設計自由度が向上するため好ましい。なお、窒化物半導体発光素子に用いる基板は、上記基板に限定されるものではない。たとえば、基板上に、六方晶系の結晶構造を有する窒化物半導体層を積層可能な基板であれば、窒化物半導体発光素子の基板として適用可能である。
【０２２４】
また、上記第１〜第８実施形態では、窒化物半導体発光素子を横型構造に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、図２２に示すような縦型構造に構成することも可能である。たとえば、導電性を有する基板を用いた場合は、窒化物半導体発光素子を縦型構造とすることができる。もちろん、横型構造とすることもできる。また、導電性を有しない基板を用いた場合は、上記実施形態で示したように、窒化物半導体発光素子を横型構造に構成することができる。
【０２２５】
また、上記第１〜第８実施形態では、−ｃ面または＋ｃ面の主面を有する窒化物半導体層の一例としてＡｌＮ層を示したが、本発明はこれに限らず、上記窒化物半導体層は、ＡｌＮ層以外の層であってもよい。たとえば、上記窒化物半導体層として、ＡｌＧａＮ層などを用いてもよい。
【０２２６】
また、上記第１〜第８実施形態では、−ｃ面または＋ｃ面の主面を有する窒化物半導体層上に、この窒化物半導体層と接するようにＡｌ組成傾斜層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記窒化物半導体層とＡｌ組成傾斜層との間に他の層が介在されていてもよい。
【０２２７】
また、上記第１〜第８実施形態では、窒化物半導体層の主面を、−ｃ面（窒素極性）または＋ｃ面（ＩＩＩ族極性）とした例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物半導体層の主面は、たとえば、窒素極性とＩＩＩ族極性とが混在した状態であってもよい。このように構成した場合でも、クラック抑制の効果を得ることができる。ただし、このような混在状態に比べて、窒素極性のみの方が、分極ドーピングの効果を大きくすることができる。また、窒化物半導体層の主面は、−ｃ面および＋ｃ面以外の結晶面であってもよい。すなわち、窒化物半導体層の主面は、無極性面以外の面であればよい。
【０２２８】
また、上記第１〜第８実施形態では、基板上に、−ｃ面または＋ｃ面の主面を有する窒化物半導体層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、基板上に、上記窒化物半導体層を形成しない構成とすることもできる。たとえば、上記窒化物半導体層の機能を基板が兼ねる構成とすることにより、窒化物半導体層をなくす構成とすることができる。この場合、たとえば、Ａｌ組成傾斜層を、直接、基板上に形成することも可能である。また、この場合、基板の成長主面は、たとえば、−ｃ面または＋ｃ面などの極性面とされているのが好ましいが、上記以外の面（無極性面以外の面）とすることもできる。なお、基板の成長主面は、極性の関係から、−ｃ面が好ましい。
【０２２９】
また、上記実施形態において、基板および基板上に形成される窒化物半導体層のオフ角度（主面のオフ角度）は特に限定されない。平坦性が向上するなどの特別なオフ角度があれば、その角度にすることも可能である。
【０２３０】
また、上記第１〜第８実施形態では、窒化物半導体素子の一例である発光ダイオード素子に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード素子以外の窒化物半導体発光素子に本発明を適用することもできる。たとえば、窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用することもできる。
【０２３１】
また、上記実施形態において、基板上に形成される素子構造（窒化物半導体各層）については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。
【０２３２】
また、上記第１〜第８実施形態では、発光ダイオード素子の一例として、紫外波長領域（深紫外波長領域）で発光する発光ダイオード素子について説明したが、本発明はこれに限らず、紫外（深紫外）以外の波長領域で発光する発光素子とすることもできる。
【０２３３】
また、上記第１実施形態では、キャンタイプのパッケージに窒化物半導体発光素子を搭載した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記実施形態で示したパッケージ以外のパッケージに窒化物半導体発光素子を搭載することもできる。また、第２〜第８実施形態で示した窒化物半導体発光素子においても、第１実施形態と同様、パッケージに搭載することで、半導体光学装置に構成することができる。
【０２３４】
なお、上記で開示された技術（構成）を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２３５】
１０ 基板
２０ ｎ側窒化物半導体（第１半導体部）
２０ａ ｐ側窒化物半導体（第１半導体部）
２１ａ 主面
２１ 窒化物半導体層（第１窒化物半導体層）
２２ Ａｌ組成傾斜層（第１組成傾斜層）
２５ 窒化物半導体層
２５ａ 主面
３０ 活性層
３１ 障壁層
３２ 量子井戸層
４０ ｐ側窒化物半導体（第２半導体部）
４０ａ ｎ側窒化物半導体（第２半導体部）
４１ キャリアブロック層（第２窒化物半導体層）
４２ 窒化物半導体層
４３ コンタクト層
４４ Ａｌ組成傾斜層（第２組成傾斜層）
５０ ｎ側電極
６０ ｐ側電極
１０００ａ パッケージ
１０００ 半導体光学装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型を有する第１半導体部と、
前記第１半導体部上に形成され、量子井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、第２導電型を有する第２半導体部とを備え、
前記活性層の前記量子井戸層および前記障壁層は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されており、
前記第１半導体部は、無極性面以外の面を主面とする第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層に対して前記活性層側に形成されるとともに、Ａｌを含む窒化物半導体から構成され、かつ、そのＡｌ組成が傾斜した第１組成傾斜層とを含み、
前記第１組成傾斜層は、前記活性層に向かって、そのＡｌ組成が増加しないように構成されており、かつ、前記第１組成傾斜層の下部のＡｌ組成が、前記第１組成傾斜層の下部側で隣接する層のＡｌ組成以下であるとともに、前記第１組成傾斜層の上部のＡｌ組成が、前記第１組成傾斜層の上部側で隣接する層のＡｌ組成以上であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１窒化物半導体層は、ウルツ鉱の結晶構造を有し、その主面が−ｃ面からなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、そのＡｌ組成が前記量子井戸層のＡｌ組成より大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１組成傾斜層は、前記活性層に向かって、そのＡｌ組成が減少するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、
前記第１組成傾斜層における前記第１窒化物半導体層側のＡｌ組成が、前記第１窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されており、
前記第１組成傾斜層の前記活性層側のＡｌ組成が、前記障壁層のＡｌ組成以上に設定されていることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１組成傾斜層のＡｌ組成が、層厚方向に対して直線状に変化することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１組成傾斜層が、Ａｌ組成の傾斜が異なる２層以上の傾斜層を含む多層構造に構成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１組成傾斜層に対して前記活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、
前記第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されており、
前記第１組成傾斜層のｎ番目（ｎは、０を含まない自然数）の傾斜層における前記基板側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ｓｕｂとし、前記活性層側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ａｃｔとした場合、
Ａｌ＿１＿ｓｕｂは、前記第１窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されているとともに、Ａｌ＿ｎ＿ａｃｔは、Ａｌ＿ｎ＋１＿ｓｕｂ以上に設定されており、かつ、前記活性層に最も近い傾斜層における前記活性層側のＡｌ組成が、前記障壁層のＡｌ組成以上に設定されていること特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１組成傾斜層は、Ａｌ組成が傾斜している層とＡｌ組成が一定の層とが交互に積層された多層構造に構成されていることを特徴とする、請求項８または９に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第２半導体部は、前記障壁層のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有する第２窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層と最終障壁層との間に形成され、Ａｌ組成が傾斜した第２組成傾斜層とを含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第２組成傾斜層における前記活性層側のＡｌ組成が、前記障壁層のＡｌ組成以上に設定されており、
前記第２組成傾斜層における前記第２窒化物半導体層側のＡｌ組成が、前記第２窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されていることを特徴とする、請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第１導電型がｐ型であるとともに、前記第２導電型がｎ型であり、
前記第１窒化物半導体層の主面が、＋ｃ面であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記活性層の発光波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記活性層の発光波長が２６０ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＡｌ組成ｘ１が、０．３０≦ｘ１≦０．７０であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＩｎ組成ｙ１が、０．００≦ｙ１≦０．１２であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
前記障壁層が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＡｌ組成ｘ２が、前記量子井戸層のＡｌ組成より大きく、かつ、０．２０≦ｘ２≦０．８５であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
前記障壁層が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＩｎ組成ｙ２が、前記量子井戸層のＩｎ組成よりも小さく、かつ、０．００≦ｙ２≦０．０８であることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
前記第１組成傾斜層に対して前記活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、
前記基板は、前記第１窒化物半導体層とは異なることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２１】
前記第１組成傾斜層に対して前記活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、
前記第１窒化物半導体層は、前記基板からなることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２２】
前記基板がサファイア基板であること特徴とする、請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２３】
前記基板がＡｌＧａＮ基板であること特徴とする、請求項２０または２１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２４】
前記基板がＡｌＮ基板であること特徴とする、請求項２０または２１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２５】
前記基板がＧａＮ基板であること特徴とする、請求項２０または２１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２６】
請求項１〜２５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子を備えることを特徴とする、半導体光学装置。
【請求項１】
第１導電型を有する第１半導体部と、
前記第１半導体部上に形成され、量子井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、第２導電型を有する第２半導体部とを備え、
前記活性層の前記量子井戸層および前記障壁層は、それぞれ、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されており、
前記第１半導体部は、無極性面以外の面を主面とする第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層に対して前記活性層側に形成されるとともに、Ａｌを含む窒化物半導体から構成され、かつ、そのＡｌ組成が傾斜した第１組成傾斜層とを含み、
前記第１組成傾斜層は、前記活性層に向かって、そのＡｌ組成が増加しないように構成されており、かつ、前記第１組成傾斜層の下部のＡｌ組成が、前記第１組成傾斜層の下部側で隣接する層のＡｌ組成以下であるとともに、前記第１組成傾斜層の上部のＡｌ組成が、前記第１組成傾斜層の上部側で隣接する層のＡｌ組成以上であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１窒化物半導体層は、ウルツ鉱の結晶構造を有し、その主面が−ｃ面からなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、そのＡｌ組成が前記量子井戸層のＡｌ組成より大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１組成傾斜層は、前記活性層に向かって、そのＡｌ組成が減少するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなり、
前記第１組成傾斜層における前記第１窒化物半導体層側のＡｌ組成が、前記第１窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されており、
前記第１組成傾斜層の前記活性層側のＡｌ組成が、前記障壁層のＡｌ組成以上に設定されていることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１組成傾斜層のＡｌ組成が、層厚方向に対して直線状に変化することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１組成傾斜層が、Ａｌ組成の傾斜が異なる２層以上の傾斜層を含む多層構造に構成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１組成傾斜層に対して前記活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、
前記第１窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体から構成されており、
前記第１組成傾斜層のｎ番目（ｎは、０を含まない自然数）の傾斜層における前記基板側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ｓｕｂとし、前記活性層側のＡｌ組成をＡｌ＿ｎ＿ａｃｔとした場合、
Ａｌ＿１＿ｓｕｂは、前記第１窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されているとともに、Ａｌ＿ｎ＿ａｃｔは、Ａｌ＿ｎ＋１＿ｓｕｂ以上に設定されており、かつ、前記活性層に最も近い傾斜層における前記活性層側のＡｌ組成が、前記障壁層のＡｌ組成以上に設定されていること特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１組成傾斜層は、Ａｌ組成が傾斜している層とＡｌ組成が一定の層とが交互に積層された多層構造に構成されていることを特徴とする、請求項８または９に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第２半導体部は、前記障壁層のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有する第２窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層と最終障壁層との間に形成され、Ａｌ組成が傾斜した第２組成傾斜層とを含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第２組成傾斜層における前記活性層側のＡｌ組成が、前記障壁層のＡｌ組成以上に設定されており、
前記第２組成傾斜層における前記第２窒化物半導体層側のＡｌ組成が、前記第２窒化物半導体層のＡｌ組成以下に設定されていることを特徴とする、請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第１導電型がｐ型であるとともに、前記第２導電型がｎ型であり、
前記第１窒化物半導体層の主面が、＋ｃ面であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記活性層の発光波長が２００ｎｍ〜３５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記活性層の発光波長が２６０ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＡｌ組成ｘ１が、０．３０≦ｘ１≦０．７０であることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記量子井戸層が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１＜１、０≦ｙ１＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＩｎ組成ｙ１が、０．００≦ｙ１≦０．１２であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
前記障壁層が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＡｌ組成ｘ２が、前記量子井戸層のＡｌ組成より大きく、かつ、０．２０≦ｘ２≦０．８５であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
前記障壁層が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２＜１、０≦ｙ２＜１）の組成式で表される半導体から構成されており、そのＩｎ組成ｙ２が、前記量子井戸層のＩｎ組成よりも小さく、かつ、０．００≦ｙ２≦０．０８であることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
前記第１組成傾斜層に対して前記活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、
前記基板は、前記第１窒化物半導体層とは異なることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２１】
前記第１組成傾斜層に対して前記活性層とは反対側に配される基板をさらに備え、
前記第１窒化物半導体層は、前記基板からなることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２２】
前記基板がサファイア基板であること特徴とする、請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２３】
前記基板がＡｌＧａＮ基板であること特徴とする、請求項２０または２１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２４】
前記基板がＡｌＮ基板であること特徴とする、請求項２０または２１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２５】
前記基板がＧａＮ基板であること特徴とする、請求項２０または２１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２６】
請求項１〜２５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子を備えることを特徴とする、半導体光学装置。
【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】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【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】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１２−１４６８４７（Ｐ２０１２−１４６８４７Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４７１４（Ｐ２０１１−４７１４）
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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