(57)【要約】【課題】ナノワイヤ外周に形成された活性層に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】成長基板（１０１）と、成長基板（１０１）上に形成された柱状半導体層（１０３）と、柱状半導体層（１０３）を覆う埋込半導体層（１０４）とを備え、柱状半導体層（１０３）は、中心にｎ型ナノワイヤ層（１０３１）が形成され、ｎ型ナノワイヤ層（１０３１）の外周に活性層（１０３２）が形成され、活性層（１０３２）の外周にｐ型半導体層（１０３３）が形成されており、ｐ型半導体層（１０３３）の外周側面と埋込半導体層（１０４）との間にトンネル接合層（１０３４，１０３５）が形成されている半導体発光素子（１００）。【選択図】図１
2019012744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長基板と、前記成長基板上に形成された柱状半導体層と、前記柱状半導体層を覆う埋込半導体層とを備える半導体発光素子であって、
前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層の外周に活性層が形成され、前記活性層の外周にｐ型半導体層が形成されており、
前記ｐ型半導体層の外周側面と前記埋込半導体層との間にトンネル接合層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記トンネル接合層は、ｐ型不純物が高濃度ドープされたｐ＋層と、ｎ型不純物が高濃度ドープされたｎ＋層を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、
前記柱状半導体層の上部において、前記ｐ型半導体層と前記埋込半導体層が接触していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一つに記載の半導体発光素子であって、
複数の前記柱状半導体層が、前記成長基板上において三角格子状または正方格子状に周期的に配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一つに記載の半導体発光素子であって、
前記柱状半導体層は、直径８００ｎｍ以下の円に内接する六角形を底面とし、高さが５００ｎｍ以上の六角柱状であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一つに記載の半導体発光素子であって、
前記成長基板の成長面に対して平行方向に共振器構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体発光素子であって、
前記ｎ型ナノワイヤ層は、高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されており、前記高屈折率層および前記低屈折率層の膜厚はともに発振波長以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１から５の何れか一つに記載の半導体発光素子であって、
前記成長基板の成長面に対して垂直方向に共振器構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
成長基板上に開口部を有するマスク層を形成するマスク工程と、
選択成長を用いて前記開口部にｎ型ナノワイヤ層、活性層、ｐ型半導体層、トンネル接合層を順に成長させて柱状半導体層を形成する成長工程と、
前記柱状半導体層を覆うように前記成長基板上に埋込半導体層を成長させる埋込工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の成長方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体発光素子の成長方法であって、
前記成長工程の後に、前記トンネル接合層の上面をエッチングにより除去する除去工程をさらに有することを特徴とする半導体発光素子の成長方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体発光素子の成長方法であって、
前記除去工程の後に、原子状水素の存在しない雰囲気において熱処理を実施し、前記ｐ型半導体層および前記トンネル接合層を活性化する活性化工程をさらに有することを特徴とする半導体発光素子の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物系半導体の結晶成長方法が急速に進展し、この材料を用いた高輝度の青色、緑色発光素子が実用化された。従来から存在した赤色発光素子とこれらの青色発光素子、緑色発光素子を組み合わせることで光の３原色全てが揃い、フルカラーのディスプレイ装置も実現可能となった。即ち、光の３原色全てを混合させると白色の光を得ることもできるようになり、照明用デバイスへの応用も可能である。図１０は従来から提案されている半導体発光素子を用いた光源の構造を示す模式図であり、図１０（ａ）は発光ダイオードを光源として用いた照明装置を示し、図１０（ｂ）は半導体レーザを光源として用いた照明装置を示し、図１０（ｃ）は垂直共振器型半導体レーザの構造を示している。
【０００３】
図１０（ａ）に示した照明装置では、リードフレーム１上に発光ダイオード２（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を搭載し、ワイヤ３でリードフレーム１と発光ダイオード２とを接続し、樹脂に蛍光体を含有させた波長変換層４で発光ダイオード２を封止し、全体を透明樹脂５で封止している。このような照明装置では、発光ダイオード２として青色光を発光する窒化物系ＬＥＤチップを用い、波長変換層４に青色光により励起されて黄色光を発光するＹＡＧ系等の蛍光体材料を用いることで、青色光と黄色光の混色により白色を得ることができる。
【０００４】
図１０（ａ）に示したようなＬＥＤを光源として用いた照明装置では、単一の発光ダイオードチップを用いるため、比較的低コストで作製可能であるうえに高い発光効率を実現できる。既に提案されている商品レベルでも、既存の蛍光灯の約２倍に相当する１６０ｌｍ／Ｗ程度の発光効率を実現している。
【０００５】
図１０（ｂ）に示した照明装置では、半導体レーザ６からの光をレンズ７で波長変換部材８に集光し、波長変換部材８からの光を反射鏡９で前方に反射する。このような照明装置では、半導体レーザ６として青色光を出射する青色レーザを用い、波長変換部材８に青色光により励起されて黄色光を発光するＹＡＧ系等の蛍光体材料を用いることで、青色光と黄色光の混色により白色を得ている。
【０００６】
図１０（ｂ）に示したような半導体レーザを光源として用いた照明装置では、波長変換部材８によって生成される黄色光は自然放出光なので平行ビームとはならない。すなわち疑似的な平行ビームとして前方に照射されるが、一般的なＬＥＤ光源と比較すれば集光性は良好であり、遠方に高い密度の光を照射することが可能となっている。
【０００７】
図１０（ｃ）に示した垂直共振器型半導体レーザでは、半導体基板１０の裏面にカソード電極１１が形成され、半導体基板１０上に半導体ＤＢＲミラー１２（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）、発光層１３、電流注入層１４、誘電体ＤＢＲミラー１５を備えている。半導体基板１０としてＧａＮ基板を用いた場合には、半導体ＤＢＲミラー１２としては例えばｎ−Ａｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ／ＧａＮの積層構造を用い、発光層１３にはｎ−ＧａＮ層、多重量子井戸活性層、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子ブロック層を用いることができる。また、電流注入層１４には、ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層、ｐ−ＧａＮコンタクト層、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）電流拡散層、カソード電極を備え、誘電体ＤＢＲミラー１５としてはＮｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２の積層構造を用いることができる。
【０００８】
図１０（ｃ）に示した垂直共振器型半導体レーザでは、半導体ＤＢＲミラー１２と誘電体ＤＢＲミラー１５によって発光層１３が挟まれた垂直方向の共振器が構成され、半導体基板１０に垂直な方向にレーザ光が放出される。
【０００９】
しかしながら、図１０（ａ）に示した白色ＬＥＤを用いた照明装置では、高効率と言えるのは低電流密度領域に限定され、図１０（ｂ）に示した、半導体レーザを用いた照明装置では、高電流密度ほど高効率となるもののＬＥＤと比較するとエネルギー変換効率は低い。
【００１０】
図１１は、青色ＬＥＤの動作電流に対する外部量子効率を示すグラフである。電流の増加とともに外部量子効率は急激に減少するドループ現象が生じる。ドループ現象のメカニズムについては諸説あるが、注入キャリア密度が高いときに効率が低下することは共通する要因となっており、注入キャリア密度を低減することが効率低下を防止するには有効であると考えられている。
【００１１】
一方、半導体レーザにおいては、発振が始まる電流である閾値電流を境に外部量子効率が上昇するが、閾値電流までは外部量子効率はゼロに近く、閾値電流を超えてもその損失を含むためにＬＥＤよりも低い効率となっている。ただしレーザ発振が得られる電流密度領域では、ＬＥＤが著しく低効率のためレーザの方が効率に優れている。ただし、端面発光型半導体レーザにおいてはＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる端面ミラーの光学損傷によって、最大の光出力が制限されるため、大出力化に限界がある。ＣＯＤを避けるにはストライプ幅の拡大が有効であるが、それと引き換えに横モードの不安定さや高次モードの発振によるレーザビームが複数に分かれるなどの問題を生じることがあり、ストライプ幅の拡大にも限界がある。
【００１２】
また、図１０（ｃ）に示した垂直共振器型面発光レーザにおいてはＣＯＤの課題はないものの光出力が小さく、発光面積を拡大すると光出力を向上させることができるが横モードが不安定となり、望ましい配光特性が得られなくなるなどの課題がある。
【００１３】
照明用途の光源に用いる半導体発光素子では、高電流密度領域において高いエネルギー変換効率と高い光出力を実現できることが望ましく、放出される光の配光特性が安定していることが望ましい。これらの課題を解決するために特許文献１では、半導体基板上にｎ型ナノワイヤコアと中間活性層とｐ型シェルを成長し、シェル上にＩＴＯ等の透明導電膜を形成した半導体発光素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特表２０１６−５１８７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし特許文献１では、電流注入のためにシェル上にＩＴＯ膜を形成する必要があり、中間活性層での発光の一部がＩＴＯ膜によって吸収されて外部量子効率が低下するという問題が生じる。特に、端面発光型レーザや垂直共振器型半導体レーザでは、共振器内を光が往復する構造であるため、ＩＴＯでの光吸収はレーザ発振に悪影響を及ぼしてしまうという問題があった。
【００１６】
ＩＴＯ膜の代わりにｐ型半導体層によるコンタクト層を形成すると、柱状のナノワイヤを埋め込むように形成されたｐ型半導体層の底部まで電流が拡散せず、中間活性層に側面から電流を注入することが困難になり電流密度が低下するという問題が生じる。
【００１７】
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、ナノワイヤ外周に形成された活性層に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成された柱状半導体層と、前記柱状半導体層を覆う埋込半導体層とを備える半導体発光素子であって、前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層の外周に活性層が形成され、前記活性層の外周にｐ型半導体層が形成されており、前記ｐ型半導体層の外周側面と前記埋込半導体層との間にトンネル接合層が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
このような本発明の半導体発光素子では、埋込半導体層とｐ型半導体層の間にトンネル接合層が形成されているため、柱状半導体の側面全体から活性層に電流注入することができ、活性層に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００２０】
また本発明の一態様では、前記トンネル接合層は、ｐ型不純物が高濃度ドープされたｐ＋層と、ｎ型不純物が高濃度ドープされたｎ＋層を備えるとしてもよい。
【００２１】
また本発明の一態様では、前記柱状半導体層の上部において、前記ｐ型半導体層と前記埋込半導体層が接触しているとしてもよい。
【００２２】
また本発明の一態様では、複数の前記柱状半導体層が、前記成長基板上において三角格子状または正方格子状に周期的に配置されているとしてもよい。
【００２３】
また本発明の一態様では、前記柱状半導体層は、直径８００ｎｍ以下の円に内接する六角形を底面とし、高さが５００ｎｍ以上の六角柱状であるとしてもよい。
【００２４】
また本発明の一態様では、前記成長基板の成長面に対して平行方向に共振器構造を有するとしてもよい。
【００２５】
また本発明の一態様では、前記ｎ型ナノワイヤ層は、高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されており、前記高屈折率層および前記低屈折率層の膜厚はともに発振波長以下であるとしてもよい。
【００２６】
また本発明の一態様では、前記成長基板の成長面に対して垂直方向に共振器構造を有するとしてもよい。
【００２７】
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子の製造方法は、成長基板上に開口部を有するマスク層を形成するマスク工程と、選択成長を用いて前記開口部にｎ型ナノワイヤ層、活性層、ｐ型半導体層、トンネル接合層を順に成長させて柱状半導体層を形成する成長工程と、前記柱状半導体層を覆うように前記成長基板上に埋込半導体層を成長させる埋込工程とを有することを特徴とする。
【００２８】
このような本発明の半導体発光素子の製造方法では、埋込半導体層とｐ型半導体層の間にトンネル接合層を形成できるので、柱状半導体の側面全体から活性層に電流注入することができ、活性層に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００２９】
また本発明の一態様では、前記成長工程の後に、前記トンネル接合層の上面をエッチングにより除去する除去工程をさらに有するとしてもよい。
【００３０】
また本発明の一態様では、前記除去工程の後に、原子状水素の存在しない雰囲気において熱処理を実施し、前記ｐ型半導体層および前記トンネル接合層を活性化する活性化工程をさらに有するとしてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明では、ナノワイヤ外周に形成された活性層に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係る半導体発光素子１００を示す模式斜視図である。
【図２】柱状半導体層１０３部分の構造を示す部分拡大断面図である。
【図３】半導体発光素子１００の製造方法を示す模式図であり、図３（ａ）は基板成長工程、図３（ｂ）はマスク工程、図３（ｃ）は成長工程、図３（ｄ）は除去工程、図３（ｅ）は埋込工程を示している。
【図４】第２実施形態に係る半導体発光素子２００の構造を示す模式斜視図である。
【図５】柱状半導体層２０３部分の構造と共振器内の縦モードの関係を示す模式断面図である。
【図６】半導体発光素子２００から照射されるレーザ光の近視野像を示すグラフである。
【図７】第２実施形態の変形例における柱状半導体層２０３部分の構造を示す部分拡大断面図である。
【図８】第３実施形態に係る半導体発光素子３００を示す模式断面図である。
【図９】半導体発光素子３００における柱状半導体層３０３の二次元的配置を示す模式図であり、図９（ａ）は三角格子配列を示し、図９（ｂ）は正方格子配列を示している。
【図１０】従来から提案されている半導体発光素子を用いた光源の構造を示す模式図であり、図１０（ａ）は発光ダイオードを光源として用いた照明装置を示し、図１０（ｂ）は半導体レーザを光源として用いた照明装置を示し、図１０（ｃ）は垂直共振器型半導体レーザの構造を示している。
【図１１】青色ＬＥＤの動作電流に対する外部量子効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子１００を示す模式斜視図である。半導体発光素子１００は、成長基板１０１と、マスク１０２と、柱状半導体層１０３と、埋込半導体層１０４と、カソード電極１０５と、アノード電極１０６を備えている。
【００３４】
成長基板１０１は、半導体材料を結晶成長可能な材料で構成された略平板状の部材であり、主面側にマスク１０２が形成されている。成長基板１０１は単一の材料で構成されていてもよく、単結晶基板上に複数の半導体層を成長させたものを用いてもよい。
【００３５】
マスク１０２は、成長基板１０１の主面側に形成された誘電体材料からなる層である。マスク１０２を構成する材料としては、マスク１０２からは半導体の結晶成長が困難なものを選択し、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどが好適である。マスク１０２には後述する開口部が複数形成されており、開口部から部分的に露出した成長基板１０１の主面から半導体層が成長可能とされている。
【００３６】
柱状半導体層１０３は、マスク１０２に設けられた開口部に結晶成長された半導体層であり、成長基板１０１の主面に対して鉛直に略柱状の半導体層が立設して形成されている。このような柱状半導体層１０３は、構成する半導体材料に応じて適切な成長条件を設定し、特定の結晶面方位が成長する選択成長を実施することで得られる。図１に示した例では、マスク１０２に複数の開口部を二次元的に周期的に形成しているため、柱状半導体層１０３も成長基板１０１上に二次元的に周期的に形成されている。ここでは柱状半導体層１０３を二次元的に周期的に配置した例を示したが、柱状半導体層１０３が１つであってよく、非周期的に複数の柱状半導体層１０３を形成するとしてよい。
【００３７】
埋込半導体層１０４は、柱状半導体層１０３の上面および側面を覆って、マスク１０２に至るまで覆うように形成された半導体層である。カソード電極１０５は、成長基板１０１が露出された領域に形成された電極である。アノード電極１０６は、埋込半導体層１０４上の一部に形成された電極である。また、図１では図示を省略したが、必要に応じて半導体発光素子１００の表面をパッシベーション膜で覆うなど公知の構造を適用してもよい。
【００３８】
図２は、柱状半導体層１０３部分の構造を示す部分拡大断面図である。成長基板１０１は、単結晶基板１０１１と、バッファ層１０１２と、下地層１０１３と、ｎ型半導体層１０１４からなっている。また、マスク１０２に設けられた開口部１０２ａからｎ型ナノワイヤ層１０３１と、活性層１０３２と、ｐ型半導体層１０３３と、ｐ＋層１０３４と、ｎ＋層１０３５とが順に成長されている。柱状半導体層１０３の上面ではｐ＋層１０３４とｎ＋層１０３５が除去されてｐ型半導体層１０３３の上部が露出し、ｐ型半導体層１０３３上面とｎ＋層１０３５の側面には図１に示したように埋込半導体層１０４が接触している。
【００３９】
単結晶基板１０１１は、バッファ層１０１２を介して半導体単結晶層を成長させるための材料から構成される単結晶の基板である。半導体発光素子１００を窒化物系半導体で構成する場合にはｃ面サファイア基板が好ましいが、Ｓｉ等の他の異種基板であってもよい。バッファ層１０１２は、単結晶基板１０１１と下地層１０１３の間に形成されて両者の格子不整合を緩和するための層である。単結晶基板１０１１としてｃ面サファイア基板を用いる場合には材料としてＡｌＮを用いることが好ましいが、ＧａＮやＡｌＧａＮなどを用いるとしてもよい。
【００４０】
下地層１０１３は、バッファ層１０１２上に形成された単結晶の半導体層であり、ノンドープのＧａＮを数μｍの厚さで形成することが好ましい。ｎ型半導体層１０１４は、下地層１０１３上に形成されたｎ型不純物をドープされた半導体層であり、例えばＳｉドープしたｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎが挙げられる。ｎ型半導体層１０１４は成長基板１０１の最上層を構成しており、図１に示したように一部が露出してカソード電極１０５が形成されている。
【００４１】
ｎ型ナノワイヤ層１０３１は、マスク１０２の開口部１０２ａから露出したｎ型半導体層１０１４上に選択成長された柱状の半導体層であり、例えばｎ型不純物がドープされたＧａＮから構成されている。ｎ型ナノワイヤ層１０３１としてＧａＮを用いると、ｎ型半導体層１０１４のｃ面上に選択されたｎ型ナノワイヤ層１０３１は、６つのｍ面がファセットとして形成された略六角柱の形状となる。図２では開口部１０２ａが形成された領域にのみｎ型ナノワイヤ層１０３１が成長しているように見えるが、実際には横方向成長によりマスク１０２上にも結晶成長が進むため、開口部１０２ａの周囲に拡大した六角柱が形成される。例えば、開口部１０２ａを直径１５０ｎｍ程度の円として形成した場合には、直径２４０ｎｍ程度の円に内接する六角形を底面とする高さ１〜２ｍｍ程度の六角柱状のｎ型ナノワイヤ層１０３１を形成することができる。
【００４２】
活性層１０３２は、ｎ型ナノワイヤ層１０３１の外周に成長された半導体層であり、例えば厚さ５ｎｍのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ量子井戸層と厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層を５周期重ねた多重量子井戸活性層が挙げられる。ここでは多重量子井戸活性層を上げたが、単一量子井戸構造であってもよく、バルク活性層であってもよい。活性層１０３２がｎ型ナノワイヤ層１０３１の側面及び上面に形成されているため、活性層１０３２の面積を確保することができる。
【００４３】
ｐ型半導体層１０３３は、活性層１０３２の外周に成長された半導体層であり、例えばｐ型不純物がドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎから構成されている。ｐ型半導体層１０３３が活性層１０３２の側面および上面に形成されているため、ｎ型ナノワイヤ層１０３１と活性層１０３２とｐ型半導体層１０３３でダブルヘテロ構造が構成され、良好にキャリアを活性層１０３２に閉じ込めて発光再結合の確率を向上させることができる。
【００４４】
ｐ＋層１０３４は、ｐ型半導体層１０３３の側面外周に形成されたｐ型不純物が高濃度にドープされた半導体層であり、例えば厚さ５ｎｍでＭｇ濃度が２×１０２０ｃｍ−３のＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎを用いることができる。ｎ＋層１０３５は、ｐ＋層１０３４の側面外周に形成されたｎ型不純物が高濃度にドープされた半導体層であり、例えば厚さ１０ｎｍでＳｉ濃度が２×１０２０ｃｍ−３のＧａＮを用いることができる。ｐ＋層１０３４とｎ＋層１０３５によりトンネル接合が形成されるため、ｐ＋層１０３４とｎ＋層１０３５の二層は本発明におけるトンネル接合層を構成している。
【００４５】
ｐ型半導体層１０３３の上面およびｎ＋層１０３５の外周には、図１に示したように埋込半導体層１０４が形成されている。これにより、柱状半導体層１０３の上部において、ｐ型半導体層１０３３と埋込半導体層１０４が接触している。また、ｎ＋層１０３５の外周に埋込半導体層１０４が形成されているため、トンネル接合層と埋込半導体層１０４とは柱状半導体層１０３の側面全周において接触している。
【００４６】
半導体発光素子１００の発光波長を長波長化する場合には、活性層１０３２のＩｎＮモル分率を高める必要がある。例えばｎ型ナノワイヤ層１０３１の外接円直径が３００ｎｍのとき、赤色の活性層組成Ｇａ０．６Ｉｎ０．４Ｎを用いる必要があるが、ＩｎＮモル分率上昇とともに圧縮応力が高まり、ミスフィット転位が発生する場合がある。これを避けるために、Ｇａ０．６Ｉｎ０．４Ｎ井戸層の膜厚を小さくするか、ｎ型ナノワイヤ層１０３１を構成する材料をＧａＩｎＮ変更することも可能である。
【００４７】
同様に、半導体発光素子１００の波長を短波長化する場合には、ｎ型ナノワイヤ層１０３１を構成する材料をＡｌＧａＮに変更することや、活性層１０３２の井戸層およびバリア層を各々組成の異なるＡｌＧａＮに変更することも可能である。
【００４８】
図３は、半導体発光素子１００の製造方法を示す模式図である。まず図３（ａ）に示す基板成長工程では、単結晶基板１０１１上に有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、ＡｌＮからなるバッファ層１０１２、ＧａＮからなる下地層１０１３およびＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型半導体層１０１４を成長させ、成長基板１０１を得る。バッファ層１０１２の成長条件としては、例えば成長温度が１１００℃、Ｖ／III比が１００、水素をキャリアガスとして圧力１０ｈＰａである。下地層１０１３およびｎ型半導体層１０１４の成長条件としては、例えば成長温度が１０５０℃、Ｖ／III比が１０００、水素をキャリアガスとして圧力５００ｈＰａである。
【００４９】
次に図３（ｂ）に示すマスク工程では、ｎ型半導体層１０１４上にスパッタ法でＳｉＯ２からなるマスク１０２を膜厚３０ｎｍ程度堆積させ、ナノインプリンティングリソグラフィーのような微細パターン形成方法を用いて、直径１５０ｎｍ程度の開口部１０２ａを形成する。
【００５０】
次に図３（ｃ）に示す成長工程では、ＭＯＣＶＤ法による選択成長により、開口部１０２ａから露出したｎ型半導体層１０１４上にＧａＮからなるｎ型ナノワイヤ層１０３１、厚さ５ｎｍのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ量子井戸層と厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層を５周期重ねた活性層１０３２、ｐ型不純物をドープしたＧａＮからなるｐ型半導体層１０３３、厚さ５ｎｍでＭｇ濃度が２×１０２０ｃｍ−３のＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎからなるｐ＋層１０３４、厚さ１０ｎｍでＳｉ濃度が２×１０２０ｃｍ−３からなるｎ＋層１０３５を順次成長させる。
【００５１】
ｎ型ナノワイヤ層１０３１の成長条件としては、例えば成長温度が１０５０℃、Ｖ／III比が１０、水素をキャリアガスとして圧力１００ｈＰａである。活性層１０３２の成長条件としては、例えば成長温度が８００℃、Ｖ／III比が３０００、窒素をキャリアガスとして圧力１０００ｈＰａである。ｐ型半導体層１０３３の成長条件としては、例えば成長温度が９５０℃、Ｖ／III比が１０００、水素をキャリアガスとして圧力３００ｈＰａである。ｐ＋層１０３４およびｎ＋層１０３５の成長条件としては、例えば成長温度が８００℃、Ｖ／III比が３０００、窒素をキャリアガスとして圧力５００ｈＰａである。
【００５２】
次に図３（ｄ）に示す除去工程では、ドライエッチングによりｐ＋層１０３４およびｎ＋層１０３５の上面を除去し、ｐ型半導体層１０３３の上面を露出させる。さらにｐ型半導体層１０３３が露出した状態で大気雰囲気中において６００℃でアニールし、ｐ型半導体層１０３３とｐ＋層１０３４に取り込まれた水素を離脱させてｐ型半導体層１０３３とｐ＋層１０３４を活性化させる活性化工程を実施する。ここでは大気雰囲気中でのアニールを示したが、ｐ型半導体層１０３３とｐ＋層１０３４を活性化できる原子状水素の存在しない雰囲気であればよい。
【００５３】
次に図３（ｅ）に示す埋込工程では、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ型ＧａＮからなる埋込半導体層１０４を成長させ、ｎ＋層１０３５の外周およびｐ型半導体層１０３３の上面を埋込半導体層１０４で埋める。埋込半導体層１０４の成長条件としては、例えば成長温度が９００℃、Ｖ／III比が１５００、水素がキャリアガスとして圧力５００ｈＰａである。なお、埋込工程では再び水素の混入によるｐ型半導体層１０３３の不活性化が生じる可能性があるが、ｐ型半導体層１０３３の上面に埋込半導体層１０４が数十ｎｍ成長することで水素の混入が停止するので実質的に問題は生じない。図１の半導体発光素子１００では埋込半導体層１０４の表面を平坦にした例を示しているが、図３（ｅ）の埋込工程で生じた柱状半導体層１０３上部の凹凸を残すことで、表面を粗面化して高い光取り出し効率を得ることも可能である。
【００５４】
最後に、カソード電極１０５を形成する領域をドライエッチングで除去してｎ型半導体層１０１４を部分的に露出させ、ｎ型半導体層１０１４の表面にカソード電極１０５を形成し、埋込半導体層１０４上にアノード電極１０６を形成する。また、必要に応じて電極形成後のアニールやパッシベーション膜の形成、素子分割を実施して半導体発光素子１００を得る。
【００５５】
半導体発光素子１００のカソード電極１０５とアノード電極１０６の間に電圧を印加すると、埋込半導体層１０４、ｎ＋層１０３５、ｐ＋層１０３４、ｐ型半導体層１０３３、活性層１０３２、ｎ型ナノワイヤ層１０３１、ｎ型半導体層１０１４の順に電流が流れ、活性層１０３２で発光再結合により光が生じる。活性層１０３２からの発光は、半導体発光素子１００の外部に取り出される。
【００５６】
本実施形態の半導体発光素子１００では、ｎ型ナノワイヤ層１０３１における六角形の底面が接する外接円の直径が４００ｎｍ以下では、バッファ層１０１２と下地層１０１３の界面からｎ型半導体層１０１４を貫通して転位がｎ型ナノワイヤ層１０３１まで伝搬することがなくなり、基本的に無転位となる。したがって柱状半導体層１０３は、直径８００ｎｍ以下の円に内接する六角形を底面とすることが好ましい。また、柱状半導体層１０３の高さを５００ｎｍ以上とすることで、活性層１０３２の面積を確保して発光面積と電流密度を向上させることができる。
【００５７】
半導体発光素子１００では、活性層１０３２がｎ型ナノワイヤ層１０３１の側面に形成され、さらにその外周にトンネル接合層であるｐ＋層１０３４とｎ＋層１０３５が形成され、埋込半導体層１０４で埋め込まれている。したがって、アノード電極１０６から注入された電流は、埋込半導体層１０４からトンネル接合層であるｎ＋層１０３５、ｐ＋層１０３４を経由してトンネル電流としてｐ型半導体層１０３３の側壁から活性層１０３２に注入される。また、柱状半導体層１０３の上部においては、ｎ型の埋込半導体層１０４と接触しているｐ型半導体層１０３３の上面に対しては逆バイアスとなり電流注入が生じない。トンネル接合層を介したトンネル電流による電流注入は抵抗が小さく、良好に電流注入を行うことができる。また、ｎ型の半導体層である埋込半導体層１０４はｐ型の半導体層よりも電流が拡散しやすいため、良好に柱状半導体層１０３の側面で底面近傍まで電流を拡散させて、トンネル接合層全体から電流注入を行うことができる。
【００５８】
これにより、アノード電極１０６から注入された電流は、柱状半導体層１０３の上面ではなく側面全体から良好にｐ型半導体層１０３３に注入され、ｎ型ナノワイヤ層１０３１の外周に形成された活性層１０３２に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００５９】
また、ｎ型ナノワイヤ層１０３１の側面は選択成長により形成されたｍ面となっているため、その外周に形成された活性層１０３２とｐ型半導体層１０３３も互いにｍ面で接触している。ｍ面は無極性面であり分極が生じないため活性層１０３２での発光効率も高く、しかも六角柱の側面全てがｍ面であることから半導体発光素子１００の発光効率を向上させることができる。さらに、柱状半導体層１０３の高さを５００ｎｍ以上にまで大きくすると、活性層１０３２の体積を従来の半導体発光素子よりも３〜１０倍程度まで増加させることができ、注入キャリア密度を低減して効率ドループを大幅に低減できる。
【００６０】
さらに、埋込半導体層１０４は活性層１０３２よりもバンドギャップの大きい材料で構成されているため、ＩＴＯ等で柱状半導体層１０３に対して電流注入を行う場合と比較して、埋込半導体層１０４での光吸収を著しく低下させることができる。これにより、活性層１０３２で生じた光の半導体発光素子１００内部での吸収を抑制し、半導体発光素子１００外部に光を取り出す外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００６１】
上述したように本実施形態では、ｎ型ナノワイヤ層１０３１の外周に形成された活性層１０３２に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【００６２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図４は本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子２００の構造を示す模式斜視図である。半導体発光素子２００は、成長基板２０１と、マスク２０２と、柱状半導体層２０３と、埋込半導体層２０４と、ｎ型コンタクト層２０５と、カソード電極２０６と、アノード電極２０７を備えている。成長基板２０１は、単結晶基板２０１１と、下地層２０１３と、ｎ型半導体層２０１４からなっている。半導体発光素子２００の製造方法は、第１実施形態で図３に示したものと同様であるため説明を省略する。本実施形態の半導体発光素子２００は、端面発光型の半導体レーザ素子である。
【００６３】
単結晶基板２０１１は、半導体単結晶層を成長させるための材料から構成され、ｎ型導電性を有する単結晶の基板である。半導体発光素子２００を窒化物系半導体で構成する場合にはｎ型のＧａＮ基板やＡｌＧａＮ基板を用いる。下地層２０１３は、単結晶基板２０１１上に形成された単結晶の半導体層であり、ｎ型ＧａＮを数μｍの厚さで形成することが好ましい。ｎ型半導体層２０１４は、下地層２０１３上に形成されたｎ型不純物をドープされた半導体層であり、例えばＳｉドープしたｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎが挙げられる。単結晶基板２０１１の裏面側には略全面にカソード電極２０６が形成されている。
【００６４】
マスク２０２は、成長基板２０１の主面側に形成された誘電体材料からなる層であり、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどが好適である。マスク２０２には開口部が複数形成されており、開口部から部分的に露出した成長基板２０１の主面から半導体層が成長可能とされている。柱状半導体層２０３は、マスク２０２に設けられた開口部に結晶成長された半導体層であり、成長基板２０１の主面に対して鉛直に略柱状の半導体層が立設して形成されている。
【００６５】
埋込半導体層２０４は、柱状半導体層２０３の上面および側面を覆って、マスク２０２に至るまで覆うように形成された半導体層である。ｎ型コンタクト層２０５は、埋込半導体層２０４上に形成されたｎ型半導体層であり、例えばＳｉドープしたｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎが挙げられる。カソード電極２０６は、成長基板２０１の裏面に形成された電極である。アノード電極２０７は、ｎ型コンタクト層２０５上に形成された電極である。また、図４では図示を省略したが、必要に応じて半導体発光素子２００の表面をパッシベーション膜で覆うなど公知の構造を適用してもよい。
【００６６】
図４に示したように、本実施形態の半導体発光素子２００は、成長基板２０１上の一方に長手方向のストライプ状に柱状半導体層２０３および埋込半導体層２０４が形成されている。このようなストライプ構造は、マスク２０２の開口部を形成する領域をストライプ状に限定して、選択成長により柱状半導体層２０３、埋込半導体層２０４、ｎ型コンタクト層２０５を成長させることで得られる。
【００６７】
また半導体発光素子２００は、埋込半導体層２０４のストライプ構造において、長手方向の両端面には対向する一対のミラーが形成されて共振器構造が構成され、端面発光型半導体レーザとなっている。ここで共振器端面を構成するミラーとしては、埋込半導体層２０４の劈開面で構成されたファブリペローや、誘電体多層膜で構成されたＤＢＲ（Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）等が挙げられる。また、外部共振器やＤＦＢ（Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ）等の各種共振器構造を用いるとしてもよい。半導体発光素子２００の発光出力に応じて、埋込半導体層２０４で構成されるストライプ領域の幅は２μｍから５０μｍの範囲で選択し、共振器長は１００μｍから２ｍｍの範囲で選択する。なお、ここではレーザ発振する半導体レーザについて説明するが、端面発光型のスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Ｓｕｐｅｒ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ）であってもよい。
【００６８】
半導体発光素子２００のカソード電極２０６とアノード電極２０７の間に電圧を印加すると、埋込半導体層２０４、ｎ＋層２０３５、ｐ＋層２０３４、ｐ型半導体層２０３３、活性層２０３２、ｎ型ナノワイヤ層２０３１、ｎ型半導体層２０１４の順に電流が流れ、活性層２０３２で発光再結合により光が生じる。活性層２０３２からの発光は、埋込半導体層２０４の内部を伝搬して共振器端面の間で往復し、レーザ発振して一部が半導体発光素子２００の外部に取り出される。このとき、外部の空気よりも埋込半導体層２０４を構成する材料の屈折率が高いため、埋込半導体層２０４のストライプ構造が光導波路として機能し、横方向の光閉じ込めを良好にすることができる。ここでは、埋込半導体層２０４のストライプ構造の両側を空気層とした例を示したが、必要に応じて低屈折率で絶縁体の材料で埋め込む構造等を採用してもよい。
【００６９】
図５は、柱状半導体層２０３部分の構造と共振器内の縦モードの関係を示す模式断面図である。第１実施形態と同様に、マスク２０２に設けられた開口部からｎ型ナノワイヤ層２０３１と、活性層２０３２と、ｐ型半導体層２０３３と、ｐ＋層２０３４と、ｎ＋層２０３５とが順に成長されている。柱状半導体層２０３の上面ではｐ＋層２０３４とｎ＋層２０３５が除去されてｐ型半導体層２０３３の上部が露出し、ｐ型半導体層２０３３上面とｎ＋層２０３５の側面に埋込半導体層２０４が接触している。埋込半導体層２０４およびｎ型コンタクト層２０５は図示を省略する。
【００７０】
半導体発光素子２００でも、アノード電極２０７から注入された電流は、埋込半導体層２０４からトンネル接合層であるｎ＋層２０３５、ｐ＋層２０３４を経由してトンネル電流としてｐ型半導体層２０３３の側壁から活性層２０３２に注入される。また、柱状半導体層２０３の上部においては、ｎ型の埋込半導体層２０４と接触しているｐ型半導体層２０３３の上面に対しては逆バイアスとなり電流注入が生じない。これにより、アノード電極２０７から注入された電流は、柱状半導体層２０３の上面ではなく側面全体から良好にｐ型半導体層２０３３に注入され、ｎ型ナノワイヤ層２０３１の外周に形成された活性層２０３２に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００７１】
埋込半導体層２０４は活性層２０３２よりもバンドギャップの大きい材料で構成されているため、ＩＴＯ等で柱状半導体層２０３に対して電流注入を行う場合と比較して、埋込半導体層２０４での光吸収を著しく低下させることができる。本実施形態の半導体発光素子２００は、埋込半導体層２０４を光導波路としたストライプ構造と共振器構造を有しているため、埋込半導体層２０４での光吸収低減の効果はＬＥＤの場合よりもさらに重要となる。これにより、活性層２０３２で生じた光の半導体発光素子２００内部での吸収を抑制し、半導体発光素子２００外部に光を取り出す外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００７２】
本実施形態の半導体発光素子２００では、隣接する柱状半導体層２０３の間隔と柱状半導体層２０３の各層の幅を調整し、活性層２０３２が縦モードの腹部に一致するように配置することが好ましい。このような活性層２０３２の配置をすることで、縦モードの光閉じ込め係数を大きくすることができ、レーザ発振のための閾値電流を低下させることが可能となる。
【００７３】
例えば、図５に示すように柱状半導体層２０３の間隔を波長の２．５倍に相当するように設定すると、縦モードの光閉じ込め係数は３２％程度になる。また、水平横モードと垂直横モードの光閉じ込め係数は、各々５０％と８５％であり、総合した光閉じ込め係数は１３．６％となる。この値は一般的な平面の活性層を有する単一横モード半導体レーザの２〜３％と比較して非常に大きく、極めて低い閾値電流で発振可能であることを示している。半導体発光素子２００の共振器長を５００μｍ、共振ミラーの反射率を前端面で５０％、後端面で８０％とし、内部損失を５ｃｍ−１と仮定すると、一般的な半導体レーザの３分の１程度の閾値電流にて動作可能となる。
【００７４】
図６は、本実施形態の半導体発光素子２００から照射されるレーザ光の近視野像を示すグラフである。グラフ中の横軸は、埋込半導体層２０４からなるストライプ構造の幅方向の位置を示し、縦軸は規格化した光強度を示している。半導体発光素子２００では、図６に示したようにマルチピークの近視野像を示す。しかし本実施形態の半導体発光素子２００では、共振器方向に複数の柱状半導体層２０３が等間隔で配置されるとともに、共振器の横方向にも複数の柱状半導体層２０３が等間隔で配置されている。これにより、横方向に近接した柱状半導体層２０３に含まれる活性層２０３２間において水平横モードで位相結合が生じ、遠視野像は単一ビームとなる。
【００７５】
通常の単一ストライプの半導体レーザでは、マルチピークの近視野像を有する横モードのレーザ光は、マルチピークの遠視野像となりレーザビームが複数に分離することが知られているが、本実施形態の半導体発光素子２００では単一ビームの遠視野像を簡便に得ることが可能である。
【００７６】
このような半導体発光素子２００では、近視野像がマルチピークであることにより端面でのＣＯＤを抑制しつつ、遠視野像を単一ビームとすることができる。また、柱状半導体層２０３および埋込半導体層２０４を形成する領域の幅や高さを拡大し、柱状半導体層２０３を増加させて活性層２０３２の全体積を確保することで横モードの安定を維持した状態で大出力を得ることが可能となる。
【００７７】
上述したように本実施形態でも、ｎ型ナノワイヤ層２０３１の外周に形成された活性層２０３２に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。また、低閾値電流、高出力、高効率の端面発光型半導体レーザが実現できる。
【００７８】
（第２実施形態の変形例）
次に、本発明の第２実施形態の変形例について図７を用いて説明する。第２実施形態と重複する内容は説明を省略する。図７は、第２実施形態の変形例における柱状半導体層２０３部分の構造を示す部分拡大断面図である。本変形例の半導体発光素子２００では、ｎ型ナノワイヤ層２０３１を高屈折率層２０３１ａと低屈折率層２０３１ｂを交互に積層した多層構造で構成した点が第２実施形態と異なっている。高屈折率層２０３１ａは、例えばｎ型不純物をドープした膜厚５００ｎｍのＧａＮである。低屈折率層２０３１ｂは、例えばｎ型不純物をドープした膜厚２００ｎｍのＡｌ０．０５Ｇ０．９５Ｎである。
【００７９】
本変形例では、柱状半導体層１０３の高さ方向においても屈折率分布を生じさせることができ、高屈折率層２０３１ａの高さ位置に発光強度のピークが複数現れるマルチピークの近視野像を得ることができる。また、高屈折率層２０３１ａと低屈折率層２０３１ｂの厚さが発振波長を超えないようにし、高屈折率層２０３１ａ同士の間隔を近接させることで、垂直横モードにおいても位相結合が生じ、遠視野像が単一ビームとなる。このような高屈折率層２０３１ａと低屈折率層２０３１ｂの多層構造でｎ型ナノワイヤ層２０３１を構成することで、光導波路の高さに相当する埋込半導体層２０４の厚みが１．５μｍを超える場合でも、垂直横モードの近視野像はマルチピークで遠視野像は単一ビームのレーザ光を発振することが可能である。
【００８０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図８は、本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子３００を示す模式断面図である。半導体発光素子３００は、成長基板３０１と、マスク３０２と、柱状半導体層３０３と、埋込半導体層３０４と、カソード電極３０５と、アノード電極３０６と、半導体ＤＢＲミラー層３０７と、誘電体ＤＢＲミラー層３０８を備えている。半導体発光素子３００の製造方法は、第１実施形態で図３に示したものと同様であるため説明を省略する。本実施形態の半導体発光素子３００は、垂直共振器型の半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ＬＡＳＥＲ）である。
【００８１】
成長基板３０１は、半導体単結晶層を成長させるための材料から構成され、ｎ型導電性を有する単結晶の基板である。半導体発光素子３００を窒化物系半導体で構成する場合にはｎ型のＧａＮ基板を用いる。半導体ＤＢＲミラー層３０７は、ｎ型導電性を有し屈折率が異なる半導体層を４分の１波長ずつ積層した構造のＤＢＲであり、例えばｎ型の不純物をドープしたＡｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎと、ｎ型の不純物をドープしたＧａＮを複数周期積層したものが挙げられる。例えば各々波長の１／４厚さのＡｌ０．８２Ｉｎ０．１８ＮとＧａＮを２０周期積層することで、９９％の反射率の半導体ＤＢＲミラー層３０７が得られる。
【００８２】
マスク３０２は、半導体ＤＢＲミラー層３０７上に形成された誘電体材料からなる層であり、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘなどが好適である。マスク３０２には開口部が複数形成されており、開口部から部分的に露出した半導体ＤＢＲミラー層３０７から半導体層が成長可能とされている。柱状半導体層３０３は、マスク３０２に設けられた開口部に結晶成長された半導体層であり、成長基板３０１の主面に対して鉛直に略柱状の半導体層が立設して形成されている。
【００８３】
埋込半導体層３０４は、柱状半導体層３０３の上面および側面を覆って、マスク３０２に至るまで覆うように形成された半導体層である。カソード電極３０５は、成長基板３０１の裏面に形成された電極であり、例えばＴｉ／ＡｌＴｉ／Ａｕの積層構造が挙げられる。アノード電極３０６は、埋込半導体層３０４上に形成された電極であり、例えばＴｉ／ＡｌＴｉ／Ａｕの積層構造が挙げられる。また、図８では図示を省略したが、必要に応じて半導体発光素子３００の表面をパッシベーション膜で覆うなど公知の構造を適用してもよい。誘電体ＤＢＲミラー層３０８は、屈折率が異なる誘電体材料を４分の１波長づつ積層した構造のＤＢＲであり、例えばＮｂ２Ｏ５とＳｉＯ２を交互に周期的に積層したものが挙げられる。柱状半導体層３０３の構造は第１実施形態および第２実施形態と同様なので説明を省略する。
【００８４】
上述したように半導体発光素子３００は、柱状半導体層３０３が形成された領域の上下を半導体ＤＢＲミラー層３０７と誘電体ＤＢＲミラー層３０８で挟んだ共振器構造が構成され、垂直共振器型半導体レーザとなっている。 
【００８５】
半導体発光素子３００のカソード電極３０５とアノード電極３０６の間に電圧を印加すると、埋込半導体層３０４、柱状半導体層３０３、半導体ＤＢＲミラー層３０７、成長基板３０１の順に電流が流れ、活性層で発光再結合により光が生じる。活性層からの発光は、埋込半導体層３０４の内部を垂直方向に伝搬して半導体ＤＢＲミラー層３０７と誘電体ＤＢＲミラー層３０８の間で往復し、レーザ発振して一部が誘電体ＤＢＲミラー層３０８から上方に取り出される。このとき、半導体ＤＢＲミラー層３０７と誘電体ＤＢＲミラー層３０８を構成する各層の膜厚を適切に設定することで、発振波長を適切に選択することができる。
【００８６】
本実施形態の半導体発光素子３００でも、アノード電極３０６から注入された電流は、埋込半導体層３０４からトンネル接合層を経由してトンネル電流として活性層に注入される。また、柱状半導体層３０３の上部においては、ｎ型の埋込半導体層３０４との接触は逆バイアスとなり電流注入が生じない。これにより、アノード電極３０６から注入された電流は、柱状半導体層３０３の上面ではなく側面全体から良好に活性層に対して注入され、高電流密度を実現するとともに外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００８７】
図９は、本実施形態の半導体発光素子３００における柱状半導体層３０３の二次元的配置を示す模式図であり、図９（ａ）は三角格子配列を示し、図９（ｂ）は正方格子配列を示している。柱状半導体層３０３を図９（ａ）（ｂ）示したように二次元的に周期的に配置することで、成長基板３０１に水平な方向、すなわち出射光の横モードに関する光閉じ込め係数を向上させることができる。柱状半導体層３０３の二次元的配置を適切に設定することで、フォトニック結晶を構成して基板面内方向での光閉じ込めをするとしてもよい。
【００８８】
例えば図９（ａ）の三角格子状に柱状半導体層３０３を配置した場合には、横モードの光閉じ込め係数を３０％程度とすることができる。また、活性層を含む柱状半導体層３０３の高さが５μｍの場合、垂直方向の光閉じ込め係数は８０％にもなり、一般的なＶＣＳＥＬに比べて１桁以上大きくすることが可能である。この結果、総合した光閉じ込め係数は２４％程度となり、従来のＶＣＳＥＬと比較して数倍から一桁高い光閉じ込め係数を得ることができ、大幅に閾値電流を低下させることが可能となる。
【００８９】
また、従来の薄膜活性層を有するＶＣＳＥＬでは、半導体ＤＢＲミラー層の反射率が９９．５％以上でないとレーザ発振が困難であった。しかし、本実施形態の半導体発光素子３００では、柱状半導体層３０３の高さを５μｍ程度まで高くして、活性層の体積を増加させて利得を向上させることができるため、半導体ＤＢＲミラー層３０７の反射率が９９％程度でもレーザ発振を得られる。これにより、本実施形態の半導体発光素子３００は、従来のＶＣＳＥＬと比較して約２倍の出力密度を実現可能である。
【００９０】
半導体発光素子３００の出射光横モードに関しては、柱状半導体層３０３の間隔を１μｍ以下に近接させた２次元配置とすることで、柱状半導体層３０３に含まれる活性層が近接するため、二次元面内で位相結合が生じ、周期的なマルチピークを持つ近視野像と単一ビームの遠視野像を得ることができる。このため、柱状半導体層３０３を形成する領域の面積を大きくして柱状半導体層３０３の個数を増加させても、安定した配光特性を維持することができ、大出力動作も可能となる。
【００９１】
上述したように本実施形態でも、柱状半導体層３０３の外周からトンネル接合層を介して活性層に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。また、低閾値電流、高出力、高効率の垂直共振器型の半導体レーザが実現できる。
【００９２】
第１実施形態から第３実施形態では、半導体発光素子１００，２００，３００を窒化物系半導体で構成する例を示したが、選択成長により柱状半導体層を形成することが可能であれば材料は限定されず、例えばＧａＡｓ系、ＩｎＰ系などのＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体や、ＺｎＯ系、ＺｎＳｅ系などのＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体などであってもよい。
【００９３】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段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】
【００９４】
１００，２００，３００…半導体発光素子
１０１，２０１，３０１…成長基板
１０１１，２０１１…単結晶基板
１０１２…バッファ層
１０１３，２０１３…下地層
１０１４，２０１４…ｎ型半導体層
１０２，２０２，３０２…マスク
１０２ａ…開口部
１０３，２０３，３０３…柱状半導体層
１０３１，２０３１…ｎ型ナノワイヤ層
１０３２，２０３２…活性層
１０３３，２０３３…ｐ型半導体層
１０３４，２０３４…ｐ＋層
１０３５，２０３５…ｎ＋層
１０４，２０４，３０４…埋込半導体層
１０５，２０６，３０５…カソード電極
１０６，２０７，３０６…アノード電極
２０３１ａ…高屈折率層
２０３１ｂ…低屈折率層
２０５…ｎ型コンタクト層
３０７…半導体ＤＢＲミラー層
３０８…誘電体ＤＢＲミラー層
【図１】
2019012744.tif 000003
【図２】
2019012744.tif 000004
【図３】
2019012744.tif 000005
【図４】
2019012744.tif 000006
【図５】
2019012744.tif 000007
【図６】
2019012744.tif 000008
【図７】
2019012744.tif 000009
【図８】
2019012744.tif 000010
【図９】
2019012744.tif 000011
【図１０】
2019012744.tif 000012
【図１１】
2019012744.tif 000013