(57)【要約】【課題】良好に発光することができる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子１は、Ｉｎを含有するＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａを有する導電性を付与した第１多層膜反射鏡１２と、第１多層膜反射鏡１２に積層され、４波長の厚みの共振器１３とを備えている。これにより、窒化物半導体発光素子１は、Ｉｎを用いることによって、第１多層膜反射鏡１２に導電性を付与することができ、Ｉｎを用いることによって熱抵抗値が大きくなった第１多層膜反射鏡１２から熱を放出するために、共振器１３の厚みを４波長にすることによって、共振器１３の厚みをより大きくし、素子の電気抵抗が大きくなりすぎない範囲で、内部で発生した熱を共振器１３の側面から放出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを含有するＩｎ含有層を有する導電性を付与した窒化物半導体多層膜反射鏡と、
前記窒化物半導体多層膜反射鏡に積層され、２波長以上、１８波長以下の厚みの共振器と、
を備えてい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Ｉｎ含有層はＡｌＩｎＮ層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。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
実用化されたＧａＡｓ系の赤外面発光レーザは、導電性を付与した多層膜反射鏡を利用することによって、縦方向（すなわち、層の厚み方向）に電流を注入することが可能となっている。そのメリットとして共振器の厚みを１波長相当分にまで薄くすることによって、光出力が大きく向上した。基本的に、光出力の向上には、閾値電流の低減、素子抵抗の低減、熱抵抗の低減等を実現する必要がある。ＧａＡｓ系面発光レーザでは、導電性多層膜反射鏡を利用した一波長分の短共振器にすることで、熱抵抗は若干上昇するものの、しきい値電流低減と素子抵抗低減の二つを享受することで出力向上を成し遂げ、実用化に結びついた。
ＧａＡｓ系面発光レーザにおいて長い共振器長を利用するのは、シングルモードを実現するなど、光出力を犠牲にしても別の付加価値を求める場合などに限定されていた（非特許文献１参照。）。
これに対して、これまで、ＧａＮ系の面発光レーザでは、非特許文献２にあるように、窒化物半導体を用いた多層膜反射鏡としては絶縁性を付与した（すなわち、導電性を付与していない）ものしか存在せず、横方向（すなわち、層が広がる方向）に電流を注入することになるため、素子抵抗低減に向けて層の厚みが厚い共振器を利用せざるを得なかった。ゆえに、長共振器化により、閾値が増大することを受け入れる一方、素子抵抗、及び熱抵抗の低減の二つを享受する、ＧａＡｓ系面発光レーザとは全く異なる設計指針が採用された。
導電性の多層膜反射鏡を用いた例として、特許文献１には、導電性を付与した窒化物半導体を用いていない多層膜反射鏡を採用した面発光型半導体レーザが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H.J.Unold，S.W.Z.Mahmoud，R.Jager，M.Kicherer，M.C.Riedl，K.J.Ebeling"Improving single-mode VCSEL performance by introducing a long monolithic cavity"IEEE Photonics Technology Letters、（米国）、２０００年、Volume:１２、Issue:８、Page(s):９３９−９４１
【非特許文献２】Masaru Kuramoto，Seiichiro Kobayashi，Takanobu Akagi，Komei Tazawa，Kazufumi Tanaka，Tatsuma Saito，Tetsuya Takeuchi"High-output-power and high-temperature operation of blue GaN-based vertical-cavity surface-emitting laser"、Applied Physics Express、（米国）、２０１８年、Vol．１１、Number１１、P.１１２１０２
【非特許文献３】Kazuki Ikeyama，Yugo Kozuka，Kenjo Matsui，Shotaro Yoshida，Takanobu Akagi，Yasuto Akatsuka，Norikatsu Koide，Tetsuya Takeuchi，Satoshi Kamiyama，Motoaki Iwaya"Room-temperature continuous-wave operation of GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers with n-type conducting AlInN/GaN distributed Bragg reflectors"、Applied Physics Express、（米国）、２０１６年、Vol．９、Number１０、P.１０２１０１
【特許文献１】特開２０１２−４９２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
絶縁性の窒化物半導体を用いた多層膜反射鏡を付与したＧａＮ系面発光レーザは、大きな改善が見られたものの、その性能はＧａＡｓ系面発光レーザの性能と比較すると、さらなる改善が期待できる状況であり、高性能ＧａＡｓ系面発光レーザで採用されている短共振器構造の実現が望まれていた。
また、特許文献１の面発光型半導体レーザも、導電性を付与した多層膜反射鏡に窒化物半導体を用いていない。このため、特許文献１は、共振器を積層して結晶成長する前に、窒化物半導体を用いない多層膜反射鏡を積層し、一部除去して結晶成長することになるため、作製する手順が複雑になり、作製に手間がかかる懸念があった。
こうした状況の下、本発明の発明者は、窒化物半導体を用いた多層膜反射鏡への導電性の付与を世界に先駆けて実現し、１．５波長の共振器を備えた窒化物半導体発光素子を実現した（非特許文献３参照。）。すなわち、高性能ＧａＡｓ系面発光レーザの設計指針に沿った構造である。しかし、この窒化物半導体発光素子は、絶縁性を付与した（すなわち、導電性を付与していない）窒化物半導体を用いた多層膜反射鏡を採用した窒化物半導体発光素子に比べて素子特性が良好でなかった。
【０００５】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ＧａＮ系の面発光レーザにおいて、導電性を付与した窒化物半導体を用いた多層膜反射鏡を採用し、良好に発光することができる窒化物半導体発光素子を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の窒化物半導体発光素子は、
Ｉｎを含有するＩｎ含有層を有する導電性を付与した窒化物半導体多層膜反射鏡と、
前記窒化物半導体多層膜反射鏡に積層され、２波長以上、１８波長以下の厚みの共振器と、
を備えていることを特徴とする。
【０００７】
この窒化物半導体発光素子は、Ｉｎを用いることによって、窒化物半導体多層膜反射鏡に導電性を付与することができ、Ｉｎを用いることによって熱抵抗値が大きくなった窒化物半導体多層膜反射鏡から熱を放出するために、共振器の厚みを２波長以上、１８波長以下にして、共振器の厚みをより大きくし、素子の電気抵抗が大きくなりすぎない範囲で、内部で発生した熱を共振器の側面から放出することができる。
【０００８】
したがって、本発明の窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子の構造を示す模式図である。
【図２】実施例１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子の第１多層膜反射鏡において、Ｓｉの添加濃度の変化を拡大して示す模式図である。
【図３】実施例１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子の電流に対する光出力の変化を示すグラフである。
【図４】実施例１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子のそれぞれの共振器の厚みに対する素子の熱抵抗の大きさと、共振器の厚みに対する素子の熱抵抗の大きさの変化を示す理論値とを示すグラフである。
【図５】注入効率が１．０、及び０．５のそれぞれの場合で共振器の厚みに対する、閾値電流、最大電流、及び最大光出力の大きさの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
【００１１】
本発明の窒化物半導体発光素子のＩｎ含有層はＡｌＩｎＮ層であってもよい。この場合、この窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体多層膜反射鏡にＡｌＩｎＮ層を用いることによって、例えば、ＧａＮ等と積層する場合、良好に光を反射することができる窒化物半導体多層膜反射鏡を作成することができる。
【００１２】
次に、本発明の窒化物半導体発光素子を具体化した実施例１、及び比較例１について、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
＜実施例１、比較例１＞
実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子２は、図１に示すように、第１多層膜反射鏡１２、共振器１３、及び第２多層膜反射鏡１８を備えている。
共振器１３は第２ｎ−ＧａＮ層１３Ａ、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１３Ｂ、電子ブロック層１３Ｃ、ｐ−ＧａＮ層１３Ｄ、ｐ＋−ＧａＮコンタクト層１３Ｅ、ＩＴＯ層１３Ｆ、Ｎｂ2Ｏ5層１３Ｇを有している。
実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子２は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて積層して結晶成長する。
【００１４】
実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子２は、Ｃ面（（０００１）面）が表面であるＧａＮ基板１０の表面側（表は図１における上側である、以下同じ。）に１μｍの厚みの第１ｎ−ＧａＮ層１１を積層して結晶成長する。詳しくは、先ず、ＭＯＣＶＤ法を実行することができるＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にＧａＮ基板１０をセットする。そして、反応炉内に１μｍの厚みの第１ｎ−ＧａＮ層１１を積層して結晶成長させる。第１ｎ−ＧａＮ層１１に添加されるＳｉの濃度は６×１０18ｃｍ-3である。
【００１５】
次に、第１ｎ−ＧａＮ層１１の表面にＳｉをドープした４０ペアのＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ／ＧａＮを有した第１多層膜反射鏡１２を積層して結晶成長する。Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａの厚みは４５ｎｍであり、ＧａＮ層１２Ｂの厚みは４０ｎｍである（図２参照。）。第１多層膜反射鏡１２の反射波長のピークは４０５ｎｍである。Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２ＡはＩｎを含有するＩｎ含有層である。第１多層膜反射鏡１２は導電性を付与した窒化物半導体多層膜反射鏡である。
【００１６】
第１多層膜反射鏡１２のＳｉの濃度は、図２に示すように、層の厚み方向で変化（変調ドーピング）している。具体的には、Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａの表面にＧａＮ層１２Ｂが積層しているＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２ＡとＧａＮ層１２Ｂとの界面の近傍におけるＳｉの濃度が、この界面から離れた側のＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２ＡとＧａＮ層１２ＢとのＳｉの濃度より大きくされている。
【００１７】
Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａの表面にＧａＮ層１２Ｂが積層している界面から離れた側のＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａの３５ｎｍの区間１２ＣのＳｉの濃度は１．５×１０19ｃｍ-3であり、Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａの表面にＧａＮ層１２Ｂが積層している界面側のＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａの１０ｎｍの区間１２ＤのＳｉの濃度は６×１０19ｃｍ-3である。
【００１８】
Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａの表面にＧａＮ層１２Ｂが積層している界面側のＧａＮ層１２Ｂの５ｎｍの区間１２ＥのＳｉの濃度は６×１０19ｃｍ-3であり、Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａの表面にＧａＮ層１２Ｂが積層している界面から離れた側のＧａＮ層１２Ｂの３５ｎｍの区間１２ＦのＳｉの濃度は１×１０18ｃｍ-3である。
【００１９】
次に、共振器１３を積層して結晶成長する。
先ず、図１に示すように、実施例１の窒化物半導体発光素子１の第１多層膜反射鏡１２の表面に、３．７５波長の共振器１３の厚みになるように、４５０ｎｍの第２ｎ−ＧａＮ層１３Ａを積層して結晶成長する。比較例１の窒化物半導体発光素子２は、第１多層膜反射鏡１２の表面に、１．２５波長の共振器１３の厚みになるように、５０ｎｍの第２ｎ−ＧａＮ層１３Ａを積層して結晶成長する。
次に、第２ｎ−ＧａＮ層１３Ａの表面には、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの５ペアからなるＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１３Ｂを積層して結晶成長する。ＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１３Ｂは、ＧａＩｎＮ層の厚みが３ｎｍであり、ＧａＮ層の厚みが６ｎｍである（図示せず。）。
次に、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１３Ｂの表面に、２０ｎｍの厚みのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎの電子ブロック層１３Ｃを積層して結晶成長する。電子ブロック層１３ＣにはＭｇが添加される。
次に、電子ブロック層１３Ｃの表面に、６０ｎｍの厚みのｐ−ＧａＮ層１３Ｄを積層して結晶成長する。ｐ−ＧａＮ層１３ＤにはＭｇが添加される。
次に、ｐ−ＧａＮ層１３Ｄの表面に、１０ｎｍの厚みのｐ＋−ＧａＮコンタクト層１３Ｅを積層して結晶成長する。ｐ＋−ＧａＮコンタクト層１３Ｅには、電子ブロック層１３Ｃやｐ−ＧａＮ層１３Ｄよりも高濃度にＭｇを添加する。
【００２０】
次に、完成したウエハを用いて電流の注入が可能な素子の形成を行う。先ず、直径４０μｍの円形形状のメサ構造Ｍを形成する。詳しくは、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いてメサ構造Ｍを形成する。このとき、メサ構造Ｍはｐ＋−ＧａＮコンタクト層１３Ｅの表面を円形形状のフォトレジストで覆い、円形形状のフォトレジストの周囲に対して、導電性を付与した第１多層膜反射鏡１２の表面が露出する深さ（およそ２００ｎｍ）のエッチングを行う。
【００２１】
次に、メサ構造Ｍの表面（ｐ＋−ＧａＮコンタクト層１３Ｅの表面）の中心部に直径８μｍのレジストを形成し、１０ｎｍのＳｉＯ2膜１５を蒸着した後、リフトオフする。これにより、メサ構造Ｍの表面の中心部に直径８μｍの開口１５Ａが形成され、メサ構造Ｍの側面を覆う１０ｎｍ厚のＳｉＯ2膜１５を形成する。
【００２２】
次に、ＳｉＯ2膜１５の表面と、ＳｉＯ2膜１５の開口１５Ａが形成されたメサ構造Ｍの表面とに、フォトレジストでパターニング、成膜、リフトオフを繰り返すことによって、ｐコンタクト電極となる２０ｎｍのＩＴＯ層１３Ｆ、及び３２ｎｍのＮｂ2Ｏ5層１３Ｇを積層する。これらのプロセスにより、実施例１の窒化物半導体発光素子１において４波長の共振器１３の厚みが完成する。そして、比較例１の窒化物半導体発光素子２において１．５波長の共振器１３の厚みが完成する。
【００２３】
ＳｉＯ2膜１５に形成された直径８μｍの開口１５Ａは、実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子２の発光部である。
次に、Ｎｂ2Ｏ5層１３Ｇの表面に、反射率が９９．９％以上の高反射率となる誘電体の８ペアのＮｂ2Ｏ5／ＳｉＯ2の第２多層膜反射鏡１８を積層して結晶成長する。次に、ｐパッド電極１９、及びｎコンタクト電極２０を形成する。ｐパッド電極１９はＩＴＯ層１３Ｆの表面の外周縁部に形成する。ｎコンタクト電極２０はＧａＮ基板１０の裏面を覆うように形成する。このように、導電性を付与した窒化物半導体多層膜反射鏡（第１多層膜反射鏡１２）を使用することで、プロセスの簡略化、素子抵抗の低減、注入キャリアの面内における均一化を享受することができる。ｐパッド電極１９、及びｎコンタクト電極２０はＣｒ／Ｎｉ／Ａｕ（１０／２０／３７０ｎｍ）で構成される。こうして実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子２を形成する。
【００２４】
実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子２のそれぞれの電流に対する光出力の変化を図３に示す。
図３に示すように、比較例１の窒化物半導体発光素子２の閾値電流はおよそ２．６ｍＡであり低い。しかし、光出力は最大およそ０．０３ｍＷと極めて低い。短共振器化により閾値の低減が実現し、さらにＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１３Ｂ周辺の低抵抗化も実現していると考えられるにも関わらず、光出力が極めて低い理由として、熱抵抗の予想以上の増大が考えられる。この場合、共振器１３の厚みは１．５波長より大きい２波長以上にする必要があると考えられる。
【００２５】
これに対して、実施例１の窒化物半導体発光素子１の閾値電流はおよそ７ｍＡであり、比較例１の窒化物半導体発光素子２より高い。しかし、光出力は最大およそ０．４６ｍＷであり、窒化物半導体発光素子２の光出力に比べて大きく向上している。
実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子２のそれぞれの共振器１３の厚みに対する素子の熱抵抗の大きさと、共振器１３の厚みに対する素子の熱抵抗の大きさの変化を示す理論値とを図４に示す。
図４に示すように、共振器１３の厚みに対する素子の熱抵抗の大きさの変化を示す理論値は共振器１３の厚みが薄くなるにしたがって素子の熱抵抗が急激に大きくなることがわかった。つまり、実施例１の窒化物半導体発光素子１は、比較例１の窒化物半導体発光素子２に比べて第２ｎ−ＧａＮ層１３Ａの厚みが厚いため、閾値の増大、さらにはＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１３Ｂ周辺の抵抗の増大を招いたとしても、素子の熱抵抗が大幅に低減したことにより、比較例１の窒化物半導体発光素子２に比べて光出力が大きく向上したと考えられる。
【００２６】
次に、実施例１、及び比較例１の窒化物半導体発光素子１、２と同様の構成を有するＧａＮ系面発光レーザにおいて、閾値電流、最大光出力の共振器の厚みに対する定量的な依存性を計算により求めた。
先ず、各共振器の厚みにおける、閾値電流、及び外部微分量子効率を算出する。次に、各共振器の厚みにおける、飽和光出力での素子温度に到達する最大電流を算出する。次に、上記結果から、各共振器の厚みにおける飽和光出力（最大光出力）を算出する。
【００２７】
上記の計算に用いたパラメータを以下に示す。発光径：８μｍ、活性層の厚み：３ｎｍ×５、導電性を付与した第１多層膜反射鏡の反射率：９９．５％、誘電体の第２多層膜反射鏡の反射率：９９．９９％、注入効率（活性層に注入した電子、正孔の量に対する発光する量）：０．５及び１．０、飽和光出力における素子温度：１５０℃、利得係数：２４００ｃｍ-1、透明キャリア密度：８×１０18ｃｍ-3、光吸収（Ｍｇ）：１００ｃｍ-1（＠１×１０19ｃｍ-3）、光吸収（Ｓｉ）：６ｃｍ-1（＠１×１０19ｃｍ-3）、Ａ（非発光再結合係数）：２．３×１０7／ｓ、Ｂ（発光再結合係数）：1×１０-11ｃｍ3／s、Ｃ（オージェ再結合係数）：１×１０-30ｃｍ6／ｓである。
こうして算出した結果を、図５に示す。
図５に示すように、注入効率が１．０の場合、最大光出力は、共振器の厚みを厚くするにしたがって、最初大きくなり、共振器の厚みがおよそ１８波長で最も大きい値になり、その後、低下することがわかった。一方で、閾値電流は、共振器の厚みを厚くするにしたがって単調に増加する。
注入効率が０．５の場合、最大光出力は、共振器の厚みを厚くするにしたがって、最初大きくなり、共振器の厚みがおよそ１６波長で最も大きい値になり、その後、低下することがわかった。一方で、閾値電流は、共振器の厚みを厚くするにしたがって単調に増加する。
注入効率が１．０、及び０．５の場合、最大電流は互いに同じ値を示し、共振器の厚みを厚くするにしたがって単調に増加する。
上記検討結果が示すように、ＧａＮ系面発光レーザでは、もはやＧａＡｓ系面発光レーザでのこれまでの技術常識、すなわち、短共振器化によって、熱抵抗の増大を許容しつつ、閾値電流及び素子抵抗の低減を享受する手法がもはや通用せず、逆に、閾値電流及び素子抵抗の増大を許容しても、熱抵抗の低減を享受することが光出力の向上には肝要であることが初めて見出された。
応用する条件によって、低い閾値電流が望まれる場合や高い最大光出力が望まれる場合があり得る。図５に示す計算の結果から、共振器１３の厚みは２波長以上、１８波長以下の範囲で各応用の条件に適した厚みを選択するのが良い。
【００２８】
このように、窒化物半導体発光素子１は、Ｉｎを用いることによって、第１多層膜反射鏡１２に導電性を付与することができ、Ｉｎを用いることによって熱抵抗値が大きくなった第１多層膜反射鏡１２から熱を放出するために、共振器１３の厚みを２波長以上、１８波長以下にして、共振器１３の厚みをより大きくし、素子の電気抵抗が大きくなりすぎない範囲で、内部で発生した熱を共振器１３の側面から放出することができる。
【００２９】
したがって、本発明の窒化物半導体発光素子１は良好に発光することができる。
【００３０】
窒化物半導体発光素子１のＩｎ含有層はＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａである。このため、窒化物半導体発光素子１は、第１多層膜反射鏡１２にＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層１２Ａを用いることによって、ＧａＮ層１２Ｂと積層すると、良好に光を反射することができる第１多層膜反射鏡１２を作製することができる。
【００３１】
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１では、ｐ型不純物としてＭｇを用いているが、これに限らず、ｐ型不純物である、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等であっても良い。
（２）実施例１では、ｎ型不純物としてＳｉを用いているが、これに限らず、ｎ型不純物である、Ｇｅ、Ｔｅ等であっても良い。
（３）実施例１では、ＧａＮ基板を用いているが、これに限らず、サファイア基板やＡｌＮ基板等の他の基板を用いても良い。
【００３２】
１２…第１多層膜反射鏡（窒化物半導体多層膜反射鏡）
１２Ａ…Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層（Ｉｎ含有層）
１３…共振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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