(57)【要約】【課題】  環境負荷の小さい基板を使用しつつ、希土類元素の導入量を増やすことなく高輝度化を可能にする窒化物半導体発光素子を提供するとともに、その製造方法をも提供する。【解決手段】  希土類元素とＭｇとが添加された窒化物半導体を発光層３に備える窒化物半導体発光素子において、発光層による発光波長に対して透明な基板１と、基板に形成された発光層よりも上面側に積層される第１の誘電体多層ミラー５と、基板の裏面に積層された第２の誘電体多層ミラー６とを備える。製造方法は、基板の表面に、ｎ型層、発光層およびｐ型層を順次結晶成長させ、ｐ型層の上面に第１の誘電体多層ミラーを、基板の裏面に第２の誘電体多層ミラーを成膜する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素とＭｇとが添加された窒化物半導体を発光層に備える窒化物半導体発光素子において、
前記発光層による発光波長に対して透明な基板と、該基板に形成された前記発光層よりも上面側に積層される第１の誘電体多層ミラーと、前記基板の裏面に積層された第２の誘電体多層ミラーとを備え、前記第１および第２の誘電体多層ミラーによって長共振器長構造を形成してなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記希土類元素は、Ｅｕ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｎｄ、Ｄｙ、ＥｒおよびＳｍから選択される少なくとも一種類の希土類元素である請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１および第２の誘電体多層ミラーは、分布反射型ミラーである請求項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および第２の誘電体多層ミラーは、蒸着法またはスパッタリング法により成膜されている請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
希土類元素とＭｇとが添加された窒化物半導体を発光層に備える窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
構成される前記発光層による発光波長に対して透明な基板の表面に、ｎ型層、希土類元素が添加された発光層、およびｐ型層を順次結晶成長させて発光素子を形成し、前記ｐ型層の上面に第１の誘電体多層ミラーを成膜し、前記基板の裏面に第２の誘電体多層ミラーを成膜することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記希土類元素は、Ｅｕ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｎｄ、Ｄｙ、ＥｒおよびＳｍから選択される少なくとも一種類の希土類元素である請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１および第２の誘電体多層ミラーは、蒸着法またはスパッタリング法により成膜する請求項５または６に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、長共振器長構造を形成してなる窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
希土類元素を添加した窒化物半導体による発光層を備えた窒化物半導体発光素子は周知であり、希土類元素が添加された窒化物半導体は、希土類元素の４ｆ軌道に入っている電子（以下、４ｆ内殻電子と記載する場合がある）のエネルギ遷移によって発光するものである。希土類元素の４ｆ内殻電子は、エネルギ的には最外殻であるが、幾何学的には最外殻ではなく、４ｆ内殻電子は、外殻電子によって遮蔽されており、外部環境の影響を受けにくくなっている。そこで、４ｆ内殻電子のエネルギ緩和による発光は、環境温度による発光波長の変化が少なく、非常に鋭い発光スペクトルである。希土類元素と窒化物半導体を組み合わせることにより、希土類元素の特徴的な発光特性をもつ半導体材料となり得るものである。
【０００３】
ところが、希土類元素が添加された窒化物半導体は依然として外部量子効率が低く、発光効率も低い。従って、希土類元素が添加された窒化物半導体発光素子を実用化するためには、希土類元素が添加された窒化物半導体における４ｆ内殻電子のエネルギ遷移による発光効率の改善が必要とされていた。
そこで、本願の発明者らは、希土類元素が添加された窒化物半導体における４ｆ内殻電子のエネルギ遷移による発光効率を向上させるために、希土類元素とともにＭｇを添加する窒化物半導体を提案している（特許文献１参照）。
【０００４】
他方、共振器構造を有する半導体発光素子も開発されている（特許文献２参照）が、基板上に半導体発光素子を形成する過程において、量子井戸活性層（発光層）の両側に積層された短共振器長構造を有るものであり、当該量子井戸活性層（発光層）のピーク波長と、共振器による共振波長が一致するように、共振器長が調整されているものであった。また、この半導体発光素子は、前記希土類元素とＭｇとが添加された窒化物半導体を発光層に備える構造のものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１９９５０２号公報
【特許文献２】特開２００１−６８７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前掲の特許文献１に記載の技術は、上述のように、４ｆ内殻電子が外殻電子によって遮蔽されているため、エネルギ遷移による発光は、発光線幅が狭く、発光波長の外部環境（環境温度）依存性が極めて小さいという利点を有する。また、ＧａＮなどに代表されるワイドギャップの半導体に希土類元素を添加した場合には、温度による発光強度の変化も小さく、優れた発光特性を示すものであった。
【０００７】
しかしながら、前記希土類元素を添加した窒化物半導体において、当該半導体の希土類元素の導入量は、数％程度が上限であり、また、発光遷移寿命が数百μｓから数ｍｓと長く、発光素子の光出力強度は、外部量子効率を１００％と仮定したとしても数Ｗ／ｃｍ２程度が上限となるものであった。このため、希土類元素を導入した発光素子により実現される発光強度についても数十μＷとなり、直接遷移型（ＩｎＧａＰなどを使用したもの）の半導体を備える発光素子と比較して大きく劣る結果となっていた。
【０００８】
そして、添加する希土類元素の量を増加させることにより高輝度化を想定することもかのうであるが、この場合には、次のような問題点を有していた。すなわち、第１に、希土類元素は、原子半径が大きいため、ＩＩＩ族窒化物中への希土類元素の添加は、固溶状態となり得る限度に制限されるという問題があった。また、第２に、高濃度に希土類元素を添加すると、母材の結晶性の劣化や、濃度消光現象により発光強度が低下してしまうおそれがあった。さらに、第３に、希土類元素を添加した発光層を厚くすると、発光に不可欠な電子と正孔の閉じ込め量が低くなり、発光強度が低下するおそれがあった。
【０００９】
他方、前掲の引用文献２に記載の技術は、ＩｎＧａＰを使用する直接遷移型の半導体を備える発光素子である。ＩｎＧａＰは赤色域（波長６５０ｎｍ）の発光を得るために使用されるものであるが、この種の技術においては、高品質のＩｎＧａＰを得るために、ＧａＡｓ基板が用いられている。しかしながら、ＧａＡｓ基板の製造には、ＡｓＨ３（アルシン）などの有毒な原料ガスが用いられるため、環境負荷が大きいものとなっていた。また、赤外域の発光を得るために使用される基板についてもＡｓを含むものが使用されていた。
【００１０】
そこで、本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、環境負荷の小さい基板を使用しつつ、希土類元素の導入量を増やすことなく高輝度化を可能にする窒化物半導体発光素子を提供するとともに、その製造方法をも提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、本発明者らは、上記の目標と達成すべく鋭意研究した結果、次の発明を完成するに至ったものである。
【００１２】
窒化物半導体発光素子に係る第１の発明は、希土類元素とＭｇとが添加された窒化物半導体を発光層に備える窒化物半導体発光素子において、前記発光層による発光波長に対して透明な基板と、該基板に形成された前記発光層よりも上面側に積層される第１の誘電体多層ミラーと、前記基板の裏面に積層された第２の誘電体多層ミラーとを備え、前記第１および第２の誘電体多層ミラーによって長共振器長構造を形成してなることを特徴とするものである。
【００１３】
窒化物半導体発光素子に係る第２の発明は、前記第１の発明において、前記希土類元素が、Ｅｕ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｎｄ、Ｄｙ、ＥｒおよびＳｍから少なくとも一種類を選択したものである。
【００１４】
窒化物半導体発光素子に係る第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記第１および第２の誘電体多層ミラーを分布反射型ミラーとするものである。
【００１５】
窒化物半導体発光素子に係る第４の発明は、前記第１ないし第３のいずれかの発明において、前記第１および第２の誘電体多層ミラーが、蒸着法またはスパッタリング法により成膜されているものである。
【００１６】
窒化物半導体発光素子の製造方法に係る第１の発明は、希土類元素とＭｇとが添加された窒化物半導体を発光層に備える窒化物半導体発光素子の製造方法であって、構成される前記発光層による発光波長に対して透明な基板の表面に、ｎ型層、希土類元素が添加された発光層、およびｐ型層を順次結晶成長させて発光素子を形成し、前記ｐ型層の上面に第１の誘電体多層ミラーを成膜し、前記基板の裏面に第２の誘電体多層ミラーを成膜することを特徴とするものである。
【００１７】
窒化物半導体発光素子の製造方法に係る第２の発明は、前記第１の発明において、前記希土類元素が、Ｅｕ、Ｔｍ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｎｄ、Ｄｙ、ＥｒおよびＳｍから少なくとも一種類を選択したものである。
【００１８】
窒化物半導体発光素子の製造方法に係る第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記第１および第２の誘電体多層ミラーが、蒸着法またはスパッタリング法により成膜されるものである。
【発明の効果】
【００１９】
窒化物半導体発光素子に係る本発明によれば、ＧａＡｓ基板などのＡｓを含む基板を使用することなく、サファイアやＳｉなどの環境負荷の小さい基板を使用することができる。また、長共振器長構造となるため、発光線幅内に複数のモードを出現させることが可能となり、動作温度が変化した場合であっても容易に位相整合条件を維持することができる。そして、縦モードの波長間隔を希土類元素からの内殻遷移による発光線幅よりも十分狭く設定することにより、ワンチップ構造により作動温度の変化による共振条件の変化を解消させることができる。さらに、共振条件が達成されることにより誘導放出現象を発現させることとなり、希土類元素の導入量を増やすことなく高輝度化を可能にすることができる。
【００２０】
また、窒化物半導体発光素子の製造方法に係る本発明によれば、誘電体多層ミラーは、窒化物半導体を結晶成長させた後に成膜することから、結晶成長層の膜厚を大きくすることを避けることとなり、膜厚の大きい場合に生じ得るクラックの発生を抑制することができる。また、誘電体多層ミラーは結晶成長法によることなく形成されることから、製造コストを安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】窒化物半導体発光素子に係る本発明の実施形態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、窒化物半導体発光素子に係る発明の実施形態を示すものである。本実施形態における窒化物半導体発光素子は、サファイア基板などの透明な基板１の上面に、ｎ型（ｎ−ＡｌＧａＮ）層２を積層し、その上面に活性層（発光層）３を積層し、さらに、その上面にｐ型（ｐ−ＡｌＧａＮ）層４を積層して発光素子を形成している。これらの各層２，３，４は、有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法などの結晶成長法により、基板１の上面に結晶成長させて構成している。
【００２３】
ここで、活性層（発光層）３は、希土類元素が添加された窒化物半導体であり、Ｍｇとともに希土類元素が添加されたＧａＮを結晶成長させたものである。希土類元素としては、Ｅｕ（ユーロピウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｐｒ（プラセヂウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｄｙ（ディスプロシウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｓｍ（サマリウム）の中から、所望の発光波長に応じて選択される。例えば、Ｅｕの場合は発光波長が６２０ｎｍ（赤色）であり、Ｔｍの場合の波長は４８０ｎｍ（青色）となり、Ｔｂの場合は５５０ｎｍ（緑色）の発光波長を得ることができる。
【００２４】
Ｍｇとともに希土類元素を添加したＧａＮを結晶させるためには、例えば、ＮＨ３を窒素源として用いた分子線エピタキシー法によることができ、Ｇａ源、Ｍｇ源、および希土類元素源として、それぞれ固体の金属Ｇａ、固体の金属Ｍｇおよび固体の希土類元素を用いることができる。成長条件としては、例えば、希土類元素をＥｕとする場合、基板１の温度が８７５°Ｃであり、Ｇａ分子線圧力が１．１×１０−６Ｔｏｒｒであり、Ｅｕ分子線圧力が４．９×１０−８Ｔｏｒｒであり、ＮＨ３流量が２．５ＳＣＣＭであり、Ｍｇ分子線セルの温度が２３５°Ｃである。Ｍｇの添加量は、Ｍｇ分子線セルのシャッター部に微細な間隙が形成された状態で、Ｍｇ分子線セルの温度によって制御している。また、Ｍｇの濃度は、例えば、６×１０１８ｃｍ−３であり、希土類元素（Ｅｕ）の濃度は、例えば、１．２×１０２１ｃｍ−３である。
【００２５】
このように、希土類元素をＭｇとともに添加することにより、発光強度の大幅な向上と発光ピークの単一化を実現している。また、この場合には、希土類元素の濃度が低くても発光強度は低下しないことから、結晶品質を損ねない低濃度の希土類添加層を活性層（発光層）３として用いることができる。なお、希土類元素を低濃度とする関係上、その膜厚を数百ｎｍ以上となるように厚く形成している。
【００２６】
本実施形態は、上記のようにして作製した窒化物半導体発光素子に長共振器長構造を形成している。すなわち、前記ｐ型層４の上面に第１の誘電体多層ミラー５を積層し、さらに基板１の下面に第２の誘電体多層ミラー６を積層している。誘電体多層ミラー５，６としては、例えば、ＭｇＦ２などの屈折率の低い材料と、ＺｒＯ２やＴａ２Ｏ５などの屈折率の高い材料を交互に積層したものであり、通常４ペア〜１８ペアに積層されるものである。これらの積層には、蒸着法またはスパッタリング法が使用される。
【００２７】
このようにｐ型層４の上面に形成された第１の誘電体多層ミラー５と、基板１の下面に形成された第２の誘電体多層ミラー６とによって、長共振器長構造としている。例えば、基板１の肉厚は２００μｍ〜３００μｍであり、ｎ型層２およびｐ型層４の膜厚は４μｍであり、活性層３の膜厚は数百ｎｍ以上であることから、半導体中に積層される構造に比較すれば、長共振器長構造となっている。
【００２８】
上記のように、長共振器長構造とすることにより、発光線幅内に複数のモードが存在し、動作温度変化に対しても容易に位相整合条件を維持することができる。また、希土類元素を添加していることから、希土類元素固有の温度依存性の小さな発光条件を可能にし、発光波長の温度依存性を小さくした光源を得ることができるものである。
【００２９】
なお、ｎ型層２にはｎ側電極７が積層され、ｐ型層４にはｐ側電極８が積層されている。これらの電極７，８は、例えばＡｇを蒸着し、所定の条件下で合金化処理を行うことにより形成されるものである。なお、ｎ型層２に積層されるｎ側電極７については、十分な高さに形成するため、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕを順次蒸着し、所定条件下で合金化処理を行う方法とすることができる。
【００３０】
上記実施形態によれば、希土類元素を添加した発光層を有する窒化物半導体発光素子について長共振器長構造を実現することから、誘導放出現象を引き起こさせて発光寿命を短くすることができる。これにより光強度を大きく向上させることができるのである。また、誘電体多層ミラー５，６は、ｐ型層４の上面および基板１の下面に蒸着法またはスパッタリング法により積層されることから、極めて安価に作製することができる。そして、両誘電体多層ミラーによって共振器が構成されることから、外部共振器構造を使用することなく、ワンチップで共振条件を達成させることができることとなる。
【００３１】
本発明の実施形態は上記のとおりであるが、本発明が上記の形態に限定されるものではない。従って、種々の形態とすることが可能である。例えば、誘電体多層ミラーは、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を使用することができる。この場合、屈折率の異なる層を１／４波長の長さで交互に積層することとなる。ＤＢＲを使用した場合、特定の波長（ブラッグ波長）の光に対する強い反射効率を有することから、単一波長の発振が可能となる。また、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Ｓｕｐｅｒ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ）として利用する場合には、基板側および発光層側の両ＤＢＲの表面を光散乱構造とする。ＤＢＲの表面に光散乱構造を設けることにより、低コヒーレンス性を有する光を高強度に発光させることができることとなる。
【００３２】
また、前記実施形態において、基板１としてサファイア基板を例示したが、これは、発光波長に対して透明な性質を有するものであれば、その種類を限定するものではない。すなわち、特定波長について発光させる場合、当該波長の光を透過できるものであればよく、全ての波長を透過できるものに限定されるものではない。
【００３３】
さらに、電極として、透明導電膜（例えば、ＩＴＯ、ＡＺＯまたはＩＧＺＯなど）を使用することにより、電気導電性を有しない誘電体多層ミラーを作製しつつ電気的な接触を可能にすることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  基板
２  ｎ型層
３  発光層
４  ｐ型層
５，６  誘電体多層ミラー
７  ｎ側電極
８  ｐ側電極
【図１】
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