(57)【要約】【課題】発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】本開示の一実施形態の窒化物半導体発光素子は、基板と、基板上に設けられると共に、活性層を含む半導体層と、半導体層を間に、対向配置された第１光反射層および第２光反射層とを備えたものであり、第１光反射層および第２光反射層の少なくとも一方は、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含むと共に、互いに異なる屈折率を有する第１の半導体層と、第２の半導体層とが交互に積層された多層構造を有し、多層構造では、第１の半導体層のｃ軸に対して、第２の半導体層のｍ軸が配向している。【選択図】図１
2018049862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられると共に、活性層を含む半導体層と、
前記半導体層を間に、対向配置された第１光反射層および第２光反射層とを備え、
前記第１光反射層および前記第２光反射層の少なくとも一方は、
ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含むと共に、互いに異なる屈折率を有する第１の半導体層と、第２の半導体層とが交互に積層された多層構造を有し、
前記多層構造では、前記第１の半導体層のｃ軸に対して、前記第２の半導体層のｍ軸が配向している
窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層は、波長λの光を発し、
前記第１光反射層および前記第２光反射層は、前記波長λの光に反射率のピークを有する、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記波長λの光に対する前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の光学的厚さは、それぞれλ／４の奇数倍である、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１の半導体層のａ軸長（格子定数ａ1）と、前記第２の半導体層のｃ軸長（格子定数ｃ1）は、以下の条件式（１）を満たす、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
（数１）√３・ａ1＝ｃ1    ・・・・・・（１）
【請求項５】
前記条件式（１）における前記第１の半導体層と、前記第２の半導体層との格子不整合度は、−３．２％以上＋３．２％以下である、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記基板、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されている、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＩｎＮおよびＢＡｌＮである、請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１の半導体層はＧａＮを含んで構成され、前記第２の半導体層はＡｌＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮを含んで構成されている、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１の半導体層が前記基板の面に対して平行な面としてｃ面を有する場合には、前記第２の半導体層は、Ａｌ1-xＩｎxＮ（０．４７≦ｘ≦０．９２）を含んで構成されている、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の半導体層はＡｌＮを含んで構成され、前記第２の半導体層はＡｌＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮを含んで構成されている、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第１の半導体層が前記基板の面に対して平行な面としてｃ面を有する場合には、前記第２の半導体層は、Ａｌ1-yＩｎyＮ（０．３１≦ｙ≦０．７４）を含んで構成されている、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第１の半導体層はＢＡｌＮを含んで構成され、前記第２の半導体層はＧａＮまたはＡｌＮを含んで構成されている、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第２の半導体層がＧａＮを含んで構成されると共に、前記基板の面に対して平行な面としてｍ面を有する場合には、前記第１の半導体層は、Ｂ1-zＡｌzＮ（０．７２≦ｚ≦０．９６）を含んで構成されている、請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第２の半導体層がＡｌＮを含んで構成されると共に、前記基板の面に対して平行な面としてｍ面を有する場合には、前記第１の半導体層は、Ｂ1-zＡｌzＮ（０．４２≦ｚ≦０．７４）を含んで構成されている、請求項１２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】
本開示は、例えば、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；ＶＣＳＥＬ）には、一般に、活性層を含む半導体層の上下に光反射層（Distributed Bragg Reflector；ＤＢＲ）が設けられている。ＤＢＲは、屈折率の異なる２種類の材料を複数回積層することによって構成されており、その材料としては、デバイスの形成の観点から半導体が用いられている（例えば、特許文献１参照）。垂直共振器面発光レーザでは、この２つのＤＢＲの間で光を共振させることによりレーザ発振が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、垂直共振器面発光レーザでは、発光効率の向上が求められている。
【０００５】
発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一実施形態の窒化物半導体発光素子は、基板と、基板上に設けられると共に、活性層を含む半導体層と、半導体層を間に、対向配置された第１光反射層および第２光反射層とを備えたものであり、第１光反射層および第２光反射層の少なくとも一方は、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含むと共に、互いに異なる屈折率を有する第１の半導体層と、第２の半導体層とが交互に積層された多層構造を有し、多層構造では、第１の半導体層のｃ軸に対して、第２の半導体層のｍ軸が配向している。
【０００７】
本開示の一実施形態の窒化物半導体発光素子では、第１光反射層および第２光反射層のうちの少なくとも一方を、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含むと共に、互いに異なる屈折率を有する第１の半導体層と、第２の半導体層とが交互に積層された多層構造とした。また、この多層構造では、第１の半導体層のｃ軸に対して、第２の半導体層のｍ軸が配向しているようにした。これにより、第１の半導体層と第２の半導体層との間の格子歪が低減され、光反射層を構成する第１の半導体層および第２の半導体層の結晶品質が向上する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一実施形態の窒化物半導体発光素子によれば、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含む第１の半導体層と、第２の半導体層とが交互に積層された多層構造を有する光反射層において、第１の半導体層のｃ軸に対して、第２の半導体層のｍ軸が配向しているようにしたので、半導体層間の格子歪が低減され、第１の半導体層および第２の半導体層の結晶品質が向上する。よって、光反射層の反射率が向上し、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子（半導体レーザ素子）の構成の一例を表す断面図である。
【図２】図１に示した半導体レーザの要部（ＤＢＲ）の構成を説明するための拡大模式図である。
【図３】ウルツ鉱型の結晶構造における軸方向を説明するための模式図である。
【図４】図３に示した結晶構造における極性面（ｃ面）および無極性面（ｍ面，ａ面）を表す模式図である。
【図５】図２に示したＤＢＲを構成する第１層のＸＹ面内における結晶構造を表した模式図である。
【図６】図２に示したＤＢＲを構成する第２層のＸＹ面内における結晶構造を表した模式図である。
【図７】図２に示したＤＢＲを構成する第１層および第２層のＸＺ面内における結晶構造を表した模式図である。
【図８】実施例に係る第１ＤＢＲおよび第２ＤＢＲの多層構造の一具体例を表す模式図である。
【図９】実施例に係る第１ＤＢＲおよび第２ＤＢＲの多層構造の他の具体例を表す模式図である。
【図１０】実施例に係る第１ＤＢＲおよび第２ＤＢＲの多層構造の他の具体例を表す模式図である。
【図１１】本開示の一実施の形態に係る窒化物発光素子（半導体レーザ素子）の構成の他の例を表す断面図である。
【図１２】本開示の変形例１に係る窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ素子）の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示における一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比等についても、それらに限定されるものではない。なお、説明する順序は、下記の通りである。
１．実施の形態（第１層および第２層が交互に積層されたＤＢＲにおいて、第１層のｃ軸に対して、第２層のｍ軸が配向している例）
１−１．半導体レーザの構成
１−２．作用・効果
２．変形例（発光ダイオード素子の例）
【００１２】
＜１．実施の形態＞
（１−１．半導体レーザの構成）
図１は、本開示の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子（半導体レーザ素子１）の断面構成を表したものである。この半導体レーザ素子１は、例えば、高密度光ディスク装置、レーザビームプリンタおよびフルカラーディスプレイ等の光源として好適に用いられるものである。半導体レーザ素子１は、基板１１と、この基板１１の面Ｓ１に接する第１ＤＢＲ４１（第１反射層）とを有する。半導体レーザ素子１は、さらに、第１ＤＢＲ４１上に、活性層２２を含む半導体層２０および第２ＤＢＲ４２（第２反射層）が設けられており、この第２ＤＢＲ４２上に、絶縁膜２４、透明電極３２および第２電極３３がこの順に積層された構成を有する。第１ＤＢＲ４１と第２ＤＢＲ４２とは、半導体層２０を挟んで対向配置されており、これによって、共振器として機能する。半導体層２０は、半導体層２１（第３半導体層）、活性層２２、半導体層２３（第４半導体層）が基板１１側からこの順に積層された構成を有する。半導体レーザ素子１は、基板１１の面Ｓ２（面Ｓ１と対向する面）に接する第１電極３１を有する。
【００１３】
本実施の形態の半導体レーザ素子１では、第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２が、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含むと共に、互いに異なる屈折率を有する層（第１ＤＢＲ４１では、第１層４１ａ（例えば、第１の半導体層）および第２層４１ｂ（例えば、第２の半導体層）、第２ＤＢＲ４２では、第１層４２ａおよび第２層４２ｂ）が交互に積層された構成を有する。具体的には、第１ＤＢＲ４１では、図２に示したように、複数の第１層４１ａ（４１ａ１〜４１ａｍ）および第２層４１ｂ（４１ｂ１〜４１ｂｍ）がこの順に、交互に積層され、多層構造を形成している。第２ＤＢＲ４２も同様の構成を有する。なお、ｍは、例えば２０以上の整数である。また、例えば２０．５のように整数以外であってもよく、例えば、第１ＤＢＲ４１の多層構造が、第１層４１ａを最下層に、第１層４１ａと第２層４１ｂとが交互に積層された多層構造の最上層が、最下層と同じ第１層４１ａとなっていてもよい。本実施の形態では、詳細は後述するが、第１層４１ａ（または第１層４２ａ）および第２層４１ｂ（または第２層４２ｂ）は、結晶成長により形成されたものであり、一方の層のｍ軸が、他方の層のｃ軸に対して、配向するように形成されている。
【００１４】
基板１１は、半導体層２０の製造に用いられる素子形成基板である。基板１１は、例えば、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体、例えばＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されている。ここで、「ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体」とは、短周期型周期率表における３Ｂ族元素群のうちの少なくとも１種と、短周期型周期率表における５Ｂ族元素のうちの少なくともＮとを含むものを指している。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としては、例えば、ＧａとＮとを含んだ窒化ガリウム系化合物が挙げられる。窒化ガリウム系化合物には、例えば、ＧａＮ，ＡｌＧａＮおよびＧａＩｎＮ等が含まれる。また、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としては、例えば、ＡｌＮ，ＡｌＩｎＮ，ＢＡｌＮが挙げられる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体には、必要に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓｅ等のＩＶ族またはＶＩ族元素のｎ型不純物、または、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ等のＩＩ族またはＩＶ族元素のｐ型不純物がドープされていてもよい。基板１１は、この他、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、アルミナ基板、ＺｎＳ基板、ＺｎＯ基板、ＬｉＭｇＯ基板、ＬｉＧａＯ2基板、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板、ＩｎＰ基板といった各種の基板を用いることができる。更に、金属製基板や合金製基板を用いてもよい。基板１１の積層方向の厚み（以下、単に厚みという）、例えば、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。
【００１５】
半導体層２０は、半導体層２１、活性層２２および半導体層２３が基板１１側から順に積層された構成を有する。半導体層２１および半導体層２３は、互いに異なる導電型を有し、例えば、半導体層２１はｎ型の化合物半導体から形成され、半導体層２３はｐ型の化合物半導体から形成されている。半導体層２１、活性層２２および半導体層２３は、例えば、それぞれ、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されている。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としては、上述のものと同様のものが挙げられる。更に、これらの化合物半導体には、必要に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓｅ等のＩＶ族またはＶＩ族元素のｎ型不純物、または、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ等のＩＩ族またはＩＶ族元素のｐ型不純物がドープされていてもよい。活性層２２は、電子と正孔との再結合によって、例えば、波長λの光を発するものである。活性層２２は、量子井戸構造を有することが望ましい。具体的には、単一量子井戸構造（ＱＷ構造）を有していてもよいし、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していてもよい。量子井戸構造を有する活性層２２は、井戸層及び障壁層が、少なくとも１層、積層された構造を有するが、（井戸層を構成する化合物半導体，障壁層を構成する化合物半導体）の組合せとしては、例えば、（ＩｎaＧａ(1-a)Ｎ，ＧａＮ）、（ＩｎaＧａ(1-a)Ｎ，ＩｎbＧａ(1-b)Ｎ）［但し、ａ＞ｂ］、（ＩｎaＧａ(1-a)Ｎ，ＡｌＧａＮ）、（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）、（ＡｌｂＧａ1-bＮ／ＡｌａＧａ1-aＮ）［但し、ａ＞ｂ］が挙げられる。
【００１６】
なお、半導体層２１および半導体層２３は、それぞれ単一構造の層であってもよいし、多層構造の層であってもよい。また、超格子構造の層であってもよい。更に、組成傾斜層、濃度傾斜層を備えた層とすることもできる。
【００１７】
半導体層２０と第２電極３３との間には、電流狭窄構造が形成されている。電流狭窄構造は、例えば、第２ＤＢＲ４２上に設けられた絶縁膜２４によって構成される。絶縁膜２４は、第２ＤＢＲ４２が露出する開口２４Ａを有し、この開口２４Ａが半導体層２０（半導体層２３）における電流注入領域Ｒとなる。このとき、半導体層２０（半導体層２３）における電流注入領域Ｒが、活性層２２から発せられた光を射出する射出窓２４Ｗと対応している。絶縁膜２４は、例えば、ＳｉＯx，ＳｉＮxあるいはＡｌＯxによって形成されている。
【００１８】
なお、電流狭窄構造は、必ずしも絶縁膜２４によって形成されている必要はない。例えば、半導体層２３を反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法等によりエッチングしてメサ構造を形成してもよいし、あるいは、積層された半導体層２３の一部の層を横方向から部分的に酸化して電流注入領域を形成してもよい。更に、半導体層２３に不純物をイオン注入して導電性が低下した領域を形成してもよいし、更にまた、これらを、適宜、組み合わせてもよい。但し、半導体層２３上には、透明電極３２が設けられており、この透明電極３２は、電流が流れる半導体層２３の一部と電気的に接続されている。
【００１９】
第１電極３１は、半導体層２０が形成された基板１１の面Ｓ１とは反対側の面Ｓ２に設けられている。第１電極３１は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｔｉ（チタン）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種類の金属（合金を含む）を含む単層膜または積層膜であることが好ましい。具体的には、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｐｄ／Ｐｔ、Ａｇ／Ｐｄ等の積層膜が挙げられる。なお、多層膜構造における「／」の前の層ほど、より活性層２２側に位置する。
【００２０】
透明電極３２は、半導体層２０の上方、具体的には、第２ＤＢＲ４２上に設けられている。透明電極３２は、第２ＤＢＲ４２のうち、上記の射出窓２４Ｗに接して設けられている。透明電極３２は、光透過性を有するいわゆる透明導電性材料によって形成されている。具体的な透明導電性材料としては、例えば、インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ，Indium Tin Oxide，ＳｎドープのＩｎ2Ｏ3、結晶性ＩＴＯおよびアモルファスＩＴＯを含む）、インジウム−亜鉛酸化物（ＩＺＯ，Indium Zinc Oxide）、ＩＦＯ（ＦドープのＩｎ2Ｏ3）、酸化錫（ＳｎＯ2）、ＡＴＯ（ＳｂドープのＳｎＯ2）、ＦＴＯ（ＦドープのＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、ＡｌドープのＺｎＯやＢドープのＺｎＯを含む）が挙げられる。この他、ガリウム酸化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、ニッケル酸化物等を母層とする透明導電膜を用いてもよい。但し、透明電極３２を構成する材料は、後述する第２ＤＢＲ４２と透明電極３２との配置状態によるが、透明導電性材料に限定されるものではなく、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）等の金属を用いることもできる。透明電極３２は、これらの材料の少なくとも１種類から構成すればよい。
【００２１】
第２電極３３は、透明電極３２上に設けられたものであり、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するためのものである。第２電極３３は、例えば、Ｔｉ（チタン）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）のうちの少なくとも１種類の金属を含む単層膜または積層膜であることが好ましい。具体的には、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｃｒ／Ａｕ等の積層膜が挙げられる。
【００２２】
第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２は、活性層２２が、波長λの光を発振する場合、この波長λの光に反射率のピークを有する回折格子である。第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２は、上記のように、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含んで構成されると共に、互いに異なる屈折率を有する層が交互に積層された多層構造を有する。第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２の多層構造については、第１ＤＢＲ４１を例に説明する。図２は、図１に示した半導体レーザ素子１の第１ＤＢＲ４１およびその周辺の断面構成を拡大して表したものである。第１ＤＢＲ４１は、互いに異なる屈折率を有する第１層４１ａおよび第２層４１ｂが交互に複数回、具体的には、第１層４１ａ１／第２層４１ｂ１・・・第１層４１ａｍ／第２層４１ｂｍの順に周期的に積層された構成を有する。この多層構造では、例えば、第１層４１ａのｃ軸に対して、第２層４１ｂのｍ軸が配向している。
【００２３】
図３は、ウルツ鉱型の結晶構造（六方晶構造）Ｓｃにおける各軸を表したものである。図４は、ウルツ鉱型の結晶構造Ｓｃにおける各面を表したものである。ウルツ鉱型の結晶構造Ｓｃでは、図３に示したように、各軸が配置されると共に、図４に示したように、ｃ面が極性面となり、ｍ面およびａ面が無極性面となっている。
【００２４】
本実施の形態の第１ＤＢＲ４１では、第１層４１ａは、各層の積層方向（Ｚ軸方向）に第１層４１ａの結晶構造Ｓｃにおけるｃ軸を有し、第２層４１ｂは、同じくＺ軸方向に第２層４１ｂの結晶構造Ｓｃにおけるｍ軸を有し、互いに略平行な方向に沿って配置されている。換言すると、第１層４１ａの結晶構造Ｓｃにおけるｃ面と、第２層４１ｂの結晶構造Ｓｃにおけるｍ面とが互いに略平行な方向に沿って配置されている。このように、第２層４１ｂは、第１層４１ａのｃ面を結晶成長面として、ｍ軸に沿った結晶成長（ｍ軸配向）により形成されている。即ち、第２層４１ｂのｍ軸は、第１層４１ａのｃ軸に対して配向しており、第１ＤＢＲ４１は、ｃ面第１層４１ａ上に、ｍ面第２層４１ｂが形成された構成を有する。なお、図２では、第１層４１ａ１／第２層４１ｂ１・・・第１層４１ａｍ／第２層４１ｂｍの各層に、面内に対して法線方向の軸方向を矢印で模式的に示している。多層構造を有する第１ＤＢＲ４１では、ｃ軸配向した第１層４１ａ（４１ａ１〜４１ａｍ）と、ｍ軸配向した第２層４１ｂ（４１ｂ１〜４１ｂｍ）とが交互に積層されている。
【００２５】
図５は、例えば第１層４１ａのｃ軸に直交する面内（図１のＸＹ平面内）における結晶構造Ｓｃ１を表したものである。図６は、第２層４１ｂのｍ軸に直交する面内（図１のＸＹ平面内）における結晶構造Ｓｃ２を表したものである。図７は、第１層４１ａおよび第２層４１ｂの積層面内（図１のＸＺ方向）における結晶構造Ｓｃ１，Ｓｃ２を表したものである。上記のように、ｃ面第１層４１ａ上に、第２層４１ｂがｍ軸に沿って配向する場合、図５に示した第１層４１ａの結晶構造Ｓｃ１と、図６に示した第２層４１ｂの結晶構造Ｓｃ２とが互いに対向する。これらの結晶構造Ｓｃ１，Ｓｃ２間で格子整合することが望ましい。
【００２６】
具体的には、第２層４１ｂにおいて、図５に示した領域Ｄａと、図６に示した領域Ｄｃとのサイズが一致するように構成されていることが好ましい。第１層４１ａの結晶構造Ｓｃ１における領域Ｄａは、第１層４１ａのａ軸に沿った長さ（ａ軸長；格子定数）をａ1とすると、短辺をａ１、長辺を√３ａ1（√３・ａ1）とする矩形状の領域に相当する。ここで、第１層４１ａをｃ面ＧａＮ層として形成する場合、第１層４１ａの格子定数ａ1は、例えば０．３１９ｎｍである。第２層４１ｂの結晶構造Ｓｃ２における領域Ｄｃは、第２層４１ｂのｃ軸に沿った長さ（ｃ軸長；格子定数）をｃ1とすると、短辺をａ1、長辺をｃ１とする矩形状の領域に相当する。これらの領域Ｄａ，Ｄｃのサイズを一致させるために、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
（数１）√３・ａ１＝ｃ１      ・・・・・・（１）
【００２７】
また、上記条件式（１）における左辺（√３・ａ1）と右辺（ｃ1）との間の格子不整合度は０％であることが理想的であるが、実際には、例えば−３．２％以上＋３．２％以下の範囲において許容される。換言すると、領域Ｄａ，Ｄｃの間のサイズの差が、−３．２％以上＋３．２％以下の範囲であれば、条件式（１）を満たす場合とほぼ同程度の効果を得ることができる。格子不整合度がこの範囲内にあれば、例えば、第１層４１ａのｃ軸に対して、ｍ軸が配向した第２層４１ｂが形成される。
【００２８】
図８，図９は、第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２の多層構造の一具体例を表したものである。第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２の第１層４１ａ，４２ａおよび第２層４１ｂ，４２ｂを構成するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、活性層２２が発する光の波長（発振波長）λによって適宜選択される。例えば、活性層２２の発振波長λが４４１ｎｍよりも長い波長である場合には、図８に示した半導体レーザ素子１Ａのように、ｃ面ＧａＮを含む基板１１を用い、第１ＤＢＲ４１の第１層４１ａおよび第２ＤＢＲ４２の第１層４２ａはｃ面ＧａＮを含んで構成され、第１ＤＢＲ４１の第２層４１ｂおよび第２ＤＢＲ４２の第２層４２ｂはｍ面ＡｌＩｎＮ（Ａｌ1-xＩｎxＮ）を含んで構成される。このような構成において、上記格子不整合度の許容範囲内で条件式（１）を満たす第２層４１ｂ，４２ｂのＩｎ組成比ｘは、０．４７以上０．９２以下である。第２層４１ｂ，４２ｂに、このようなＩｎ組成比を有するＡｌＩｎＮを用いことにより、図７に示した結晶構造Ｓｃ１，Ｓｃ２のように、第１層４１ａ（ｃ面ＧａＮ基板）上に、ｍ軸配向の第２層４１ｂを形成することができる。なお、第２層４１ｂおよび第２層４２ｂは、ｍ面ＡｌＧａＩｎＮで構成するようにしてもよい。
【００２９】
例えば、活性層２２の発振波長λが２９８ｎｍよりも長い波長である場合には、図９に示した半導体レーザ素子１Ｂのように、ｃ面ＡｌＮを含む基板１１を用い、第１ＤＢＲ４１の第１層４１ａおよび第２ＤＢＲ４２の第１層４２ａはｃ面ＡｌＮを含んで構成され、第１ＤＢＲ４１の第２層４１ｂおよび第２ＤＢＲ４２の第２層４２ｂはｍ面ＡｌＩｎＮ（Ａｌ1-yＩｎyＮ）を含んで構成される。このような構成において、上記格子不整合度の許容範囲内で条件式（１）を満たす第２層４１ｂ，４２ｂのＩｎ組成比ｙは、０．３１以上０．７４以下である。なお、第２層４１ｂおよび第２層４２ｂは、ｍ面ＡｌＧａＩｎＮで構成するようにしてもよい。
【００３０】
また、上記２つの半導体レーザ素子１０Ａ，１０Ｂでは、ｃ面基板１１を用いた例を示したが、これに限らず、ｍ面基板１１を用いてもよい。図１０は、ｍ面ＧａＮ基板を用いた半導体レーザ素子１０Ｃの第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２の多層構造の一具体例を表したものである。この半導体レーザ素子１０Ｃでは、第１ＤＢＲ４１の第１層４１ａおよび第２ＤＢＲ４２の第１層４２ａはｍ面ＧａＮを含んで構成され、第１ＤＢＲ４１の第２層４１ｂおよび第２ＤＢＲ４２の第２層４２ｂはｃ面ＢＡｌＮ（Ｂ1-zＡｌzＮ）を含んで構成される。このような構成において、上記格子不整合度の許容範囲内で条件式（１）を満たす第２層４１ｂ，４２ｂのＡｌ組成比ｚは、０．７２以上０．９６以下である。なお、第１層４１ａおよび第１層４２ａは、ｍ面ＡｌＮで構成するようにしてもよい。その場合には、上記格子不整合度の許容範囲内で条件式（１）を満たす第２層４１ｂ，４２ｂのＡｌ組成比ｚは、０．４２以上０．７４以下であることが好ましい。
【００３１】
第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２を構成する第１層４１ａ，４２ａおよび第２層４１ｂ，４２ｂの光学的厚さは、発振波長λと、各層（第１層４１ａ，４２ａおよび第２層４１ｂ，４２ｂ）の反射率によって各々決定される。具体的には、例えば、λ／４の奇数倍とすることが好ましい。
【００３２】
第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２を構成する第１層４１ａ，４２ａおよび第２層４１ｂ，４２ｂの積層数（周期数）は、所望の反射率と、第１層４１ａ，４２ａおよび第２層４１ｂ，４２ｂの光学的厚さと、第１層４１ａ，４２ａと第２層４１ｂ，４２ｂとの屈折率差とによって決定される。例えば、２０周期以上積層することが好ましい。
【００３３】
第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２は、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）、ＭＥＥ（Migration-Enhanced Epitaxy）、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）またはスパッタ等により形成することができる。
【００３４】
なお、第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２は、少なくとも一方が上記構成をとればよく、他方は、誘電体材料を用いた多層膜として構成するようにしてもよい。誘電体材料としては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ等の酸化物、窒化物あるいはフッ化物等が挙げられる。具体的には、例えば、ＳｉＯx、ＴｉＯx、ＮｂＯx、ＺｒＯx、ＴａＯx、ＺｎＯx、ＡｌＯx、ＨｆＯx、ＳｉＮx、ＡｌＮx等が挙げられる。これら誘電体材料の組み合わせとしては、ＳｉＮxやＴａＯx等の高屈折率材料と、ＳｉＯx等の低屈折率材料とを交互に積層することが好ましい。これにより、高い光反射率を得ることができる。なお、第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２の一方を誘電体多層膜として形成する場合には、第１ＤＢＲ４１を上記ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含む半導体多層膜として形成し、第２ＤＢＲ４２を誘電体多層膜として形成することが好ましい。このとき、半導体レーザ素子１は、図１１に示したように、透明電極３２の上に第２ＤＢＲ４２を形成し、パターニングすることが好ましい。また、第１ＤＢＲ４１を上記のように格子整合した半導体多層膜として形成することで、この第１ＤＢＲ４１上に形成される活性層２２の結晶歪を抑えることが可能となる。
【００３５】
半導体レーザ素子１は、上記のように、基板１１の面Ｓ１に、第１ＤＢＲ４１、半導体層２１、活性層２２、半導体層２３、第２ＤＢＲ４２および透明電極３２がこの順に積層され、基板１１の面Ｓ１に対向する他の面Ｓ２には第１電極３１が形成された構成を有する。第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２のいずれか一方（ここでは、第２ＤＢＲ４２側）には、活性層２２への電流注入効率を高め、閾地電流を下げるために電流注入領域を狭める電流狭窄構造（絶縁膜２４の開口２４Ａ）が設けられている。半導体レーザ素子１では、第１電極３１および透明電極３２から注入された電流が電流狭窄構造により狭窄されたのち、活性層２２に注入される。これにより、電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２によって反射され、所定の波長でレーザ発振が生じ、第１ＤＢＲ４１または第２ＤＢＲ４２を介して外部にレーザ光として射出される。
【００３６】
（１−３．作用・効果）
前述したように、垂直共振器面発光レーザにおいて設けられている光反射層（ＤＢＲ）は、デバイスの形成の観点から半導体が用いられている。ＤＢＲに用いられる半導体としては、例えば、窒化ガリウムをはじめとするウルツ鉱型構造を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体が用いられている。半導体で構成されているＤＢＲは、一般に、各層が互いに同じ方向の結晶軸を有するように形成されている。このようなＤＢＲをエピタキシャル成長で形成する場合には、基板と、エピタキシャル成長する半導体との格子定数の違いによって歪が生じ、半導体層の平坦性の低下やクラックの発生につながる。
【００３７】
例えばＧａＮ層上に、ＡｌＧａＮ層を形成するとＡｌＧａＮ層に引張り歪が発生し、ＩｎＧａＮ層を形成するＩｎＧａＮ層に圧縮歪が生じる。一般的なＤＢＲでは、この両者の歪を利用し、例えば、ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを積層することで、格子歪を補償している。
【００３８】
これに対して、本実施の形態の半導体レーザ素子１では、第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２を、ウルツ鉱型構造を有すると共に、互いに異なる屈折率を有する窒化物半導体を含む第１層４１ａと第２層４１ｂおよび第１層４２ａと第２層４２ｂが、それぞれ交互に積層された多層構造とし、この第１層４１ａ（または第１層４２ａ）のｃ軸に対して、第２層４１ｂ（または第２層４２ｂ）のｍ軸が配向するようにした。これにより、第１層４１ａと第２層４１ｂとの間、第１層４２ａと第２層４２ｂとの間の格子不整度を小さくすることが可能となる。即ち、第１層４１ａ，４２ａおよび第２層４１ｂ，４２ｂの層内に蓄積される歪を低減することが可能となる。よって、第１層４１ａ，４２ａおよび第２層４１ｂ，４２ｂにおいて発生する転移密度を低減することが可能となり、より良質な結晶品質を有するＤＢＲを形成することが可能となる。
【００３９】
以上のように本実施の形態では、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を用いて形成された第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２を構成する第１層４１ａ，４２ａと、第２層４１ｂ，第２層４２ｂとを、それぞれ、第１層４１ａ（または第１層４２ａ）のｃ軸に対して、第２層４１ｂ（または第２層４２ｂ）のｍ軸が配向するようにした。これにより、第１層４１ａ，４２ａおよび第２層４１ｂ，４２ｂの層内に蓄積される歪を低減することが可能となり、より良質な結晶品質を有するＤＢＲが得られ、第１ＤＢＲ４１および第２ＤＢＲ４２の反射率が向上する。よって、半導体レーザ素子１の発光効率を向上させることが可能となる。
【００４０】
＜２．変形例＞
図１２は、本開示の変形例に係る面発光型の窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子２）の断面構成の一例を表したものである。上記実施の形態では、本開示の窒化物半導体発光素子の一例として、半導体レーザ素子を例に挙げたが、本変形例のように、ＬＥＤ素子２においても上記と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
ＬＥＤ素子２は、基板１１と、基板１１の面Ｓ１に接するＤＢＲ６１とを有する。ＬＥＤ素子２は、さらに、半導体層２０を有し、この半導体層２０は、上記実施の形態と同様に、基板１１の側から順に、半導体層２１、活性層２２、半導体層２３が基板１１側からこの順に積層された構成を有する。半導体層２０上には、透明電極５１および上部電極５２が設けられている。また、半導体層２１上には、下部電極５３が電気的に接続されている。
【００４２】
透明電極５１は、例えば、半導体層２３上に設けられており、光透過性を有するいわゆる透明導電性材料によって形成されている。具体的な透明導電性材料としては、例えば、インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ，Indium Tin Oxide，ＳｎドープのＩｎ2Ｏ3、結晶性ＩＴＯおよびアモルファスＩＴＯを含む）、インジウム−亜鉛酸化物（ＩＺＯ，Indium Zinc Oxide）、ＩＦＯ（ＦドープのＩｎ2Ｏ3）、酸化錫（ＳｎＯ2）、ＡＴＯ（ＳｂドープのＳｎＯ2）、ＦＴＯ（ＦドープのＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、ＡｌドープのＺｎＯやＢドープのＺｎＯを含む）が挙げられる。この他、ガリウム酸化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、ニッケル酸化物等を母層とする透明導電膜を用いてもよい。
【００４３】
上部電極５２は、透明電極５１上の一部に設けられている。上部電極５２は、例えば、Ｔｉ（チタン）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）のうちの少なくとも１種類の金属を含む単層膜または積層膜であることが好ましい。積層膜としては、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｃｒ／Ａｕ等が挙げられる。
【００４４】
下部電極５３は、半導体層２１上に設けられている。下部電極５３は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｔｉ（チタン）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種類の金属（合金を含む）を含む単層膜または積層膜であることが好ましい。積層膜としては、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｐｄ／Ｐｔ、Ａｇ／Ｐｄ等が挙げられる。
【００４５】
ＤＢＲ６１は、上記実施の形態と同様に、ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含むと共に、互いに異なる屈折率を有する層（第１層６１ａおよび第２層６１ｂ）が交互に積層された構成を有する。具体的には、ＤＢＲ６１では、複数の第１層６１ａ１／第２層６１ｂ１・・・第１層６１ａｍ／第２層６１ｂｍがこの順に積層された多層構造を形成している。この多層構造では、例えば、第１層６１ａのｃ軸に対して、第２層６１ｂのｍ軸が配向している。
【００４６】
以上、一実施の形態および変形例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００４７】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であってこれに限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
【００４８】
なお、本開示は以下の様な構成をとることも可能である。
（１）
基板と、
前記基板上に設けられると共に、活性層を含む半導体層と、
前記半導体層を間に、対向配置された第１光反射層および第２光反射層とを備え、
前記第１光反射層および前記第２光反射層の少なくとも一方は、
ウルツ鉱型構造を有する窒化物半導体を含むと共に、互いに異なる屈折率を有する第１の半導体層と、第２の半導体層とが交互に積層された多層構造を有し、
前記多層構造では、前記第１の半導体層のｃ軸に対して、前記第２の半導体層のｍ軸が配向している
窒化物半導体発光素子。
（２）
前記活性層は、波長λの光を発し、
前記第１光反射層および前記第２光反射層は、前記波長λの光に反射率のピークを有する、前記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。
（３）
前記波長λの光に対する前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の光学的厚さは、それぞれλ／４の奇数倍である、前記（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（４）
前記第１の半導体層のａ軸長（格子定数ａ1）と、前記第２の半導体層のｃ軸長（格子定数ｃ1）は、以下の条件式（１）を満たす、前記（１）乃至（３）のうちのいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（数１）√３・ａ1＝ｃ1    ・・・・・・（１）
（５）
前記条件式（１）における前記第１の半導体層と、前記第２の半導体層との格子不整合度は、−３．２％以上＋３．２％以下である、前記（４）に記載の窒化物半導体発光素子。
（６）
前記基板、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されている、前記（１）乃至（５）のうちのいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（７）
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＩｎＮおよびＢＡｌＮである、前記（６）に記載の窒化物半導体発光素子。
（８）
前記第１の半導体層はＧａＮを含んで構成され、前記第２の半導体層はＡｌＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮを含んで構成されている、前記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（９）
前記第１の半導体層が前記基板の面に対して平行な面としてｃ面を有する場合には、前記第２の半導体層は、Ａｌ1-xＩｎxＮ（０．４７≦ｘ≦０．９２）を含んで構成されている、前記（８）に記載の窒化物半導体発光素子。
（１０）
前記第１の半導体層はＡｌＮを含んで構成され、前記第２の半導体層はＡｌＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮを含んで構成されている、前記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１１）
前記第１の半導体層が前記基板の面に対して平行な面としてｃ面を有する場合には、前記第２の半導体層は、Ａｌ1-yＩｎyＮ（０．３１≦ｙ≦０．７４）を含んで構成されている、前記（１０）に記載の窒化物半導体発光素子。
（１２）
前記第１の半導体層はＢＡｌＮを含んで構成され、前記第２の半導体層はＧａＮまたはＡｌＮを含んで構成されている、前記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１３）
前記第２の半導体層がＧａＮを含んで構成されると共に、前記基板の面に対して平行な面としてｍ面を有する場合には、前記第１の半導体層は、Ｂ1-zＡｌzＮ（０．７２≦ｚ≦０．９６）を含んで構成されている、前記（１２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（１４）
前記第２の半導体層がＡｌＮを含んで構成されると共に、前記基板の面に対して平行な面としてｍ面を有する場合には、前記第１の半導体層は、Ｂ1-zＡｌzＮ（０．４２≦ｚ≦０．７４）を含んで構成されている、前記（１２）に記載の窒化物半導体発光素子。
【符号の説明】
【００４９】
１…半導体レーザ素子、２…ＬＥＤ素子、１１…基板、２０，２１，２３…半導体層、２２…活性層、２４…絶縁膜、３１…第１電極、３２…透明電極、３３…第２電極、４１…第１ＤＢＲ、４２…第２ＤＢＲ、５１…透明電極、５２…上部電極、５３…下部電極、６１…ＤＢＲ。
【図１】
2018049862.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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