(57)【要約】【課題】  本発明は、結晶品質が良好な層により構成された半導体ＤＢＲを提供することを目的とする。【解決手段】  本明細書が開示する半導体ＤＢＲは、第１の半導体層と、第１の半導体層よりも分解温度が低い第２の半導体層と、第１の半導体層および第２の半導体層よりも分解温度が低い第３の半導体層とを有し、波長λに反射率のピークを備える半導体ＤＢＲであって、複数の第１の半導体層、および複数の第１の半導体層のそれぞれの間に配置された第２の半導体層から構成される第１の多層構造と、複数の前記第３の半導体層、および複数の第３の半導体層のそれぞれの間に配置された第２の半導体層から構成された第２の多層構造と、第１の多層構造と第２の多層構造との間に配置された位相調整層とを有し、位相調整層のうち第２の多層構造と接する部分が第３の半導体層の分解温度よりも分解温度が高い材料で構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりも分解温度が低い第２の半導体層と、前記第１の半導体層および第２の半導体層よりも分解温度が低い第３の半導体層とを有し、波長λに反射率のピークを備える半導体ＤＢＲであって、
複数の前記第１の半導体層、および前記複数の第１の半導体層のそれぞれの間に配置された前記第２の半導体層から構成される第１の多層構造と、
複数の前記第３の半導体層、および前記複数の第３の半導体層のそれぞれの間に配置された前記第２の半導体層から構成された第２の多層構造と、
前記第１の多層構造と前記第２の多層構造との間に配置された位相調整層とを有し、
前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、および前記第３の半導体層のそれぞれの光学的厚さはｎλ／４（ｎは１以上の奇数）であり、
前記位相調整層の光学的厚さはｍλ／２（ｍは１以上の自然数）であり、
前記位相調整層のうち前記第２の多層構造と接する部分が、前記第３の半導体層の分解温度よりも分解温度が高い材料で構成されているであることを特徴とする半導体ＤＢＲ。
【請求項２】
前記第２の半導体層の屈折率は前記第１の半導体層の屈折率よりも高く、
前記第３の半導体層の屈折率は前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項３】
前記第３の半導体層の分解温度よりも高い分解温度を有する材料は、前記第２の半導体層を構成する材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項４】
前記位相調整層は光学的厚さがｍλ／２の前記第２の半導体層であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項５】
前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、および前記第３の半導体層はそれぞれＧａＮ系の材料から構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項６】
前記第１の半導体層がＡｌＧａＮから構成され、前記第２の半導体層がＧａＮから構成され、前記第３の半導体層がＩｎＧａＮから構成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項７】
前記第１の多層構造、前記位相調整層、前記第２の多層構造、および前記位相調整層の順にそれぞれ複数配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項８】
前記第２の多層構造、前記位相調整層、前記第１の多層構造、および前記位相調整層の順にそれぞれ複数配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項９】
累積応力が−１０００ＧＰａ・ｎｍ以上、８００ＧＰａ・ｎｍ以下であること特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項１０】
累積応力が−６００ＧＰａ・ｎｍ以上、４００ＧＰａ・ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲ。
【請求項１１】
キャリアが注入されることにより発光する活性層と、
前記活性層を挟んで配置された２つの反射鏡とを有する半導体発光素子であって、
前記２つの反射鏡の少なくとも１つが請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体発光素子と、
半導体発光素子から出射された光により励起される固体レーザ媒体とを有する固体レーザ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の固体レーザと、
前記固体レーザからの光を被検体に照射することにより発生した光音響波を検出して時系列の電気信号を出力する探触子と、
前記時系列の電気信号に基づき、前記被検体内部の情報を取得する光音響装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子からの光により露光される感光ドラムとを有する画像形成装置。
【請求項１５】
第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりも分解温度が低い第２の半導体層と、前記第１の半導体層および第２の半導体層よりも分解温度が低い第３の半導体層とを有し、波長λに反射率のピークを備える半導体ＤＢＲの製造方法であって、
前記第２の半導体層の分解温度以下かつ前記第３の半導体層の分解温度より高い温度で、複数の前記第１の半導体層、および複数の前記第１の半導体層のそれぞれの間に前記第２の半導体層が配置された第１の多層構造を形成する工程と、
前記第３の半導体層の分解温度以下の温度で、複数の前記第３の半導体層、および複数の前記第３の半導体層のそれぞれの間に前記第２の半導体層が配置された第２の多層構造を形成する工程と
前記第１の多層構造を形成する工程と前記第２の多層構造を形成する工程との間に、前記第２の半導体層の分解温度以下の温度で位相調整層を形成する工程とを有し、
前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、および前記第３の半導体層のそれぞれの光学的厚さはｎλ／４（ｎは１以上の奇数）であり、
前記位相調整層の光学的厚さはｍλ／２（ｍは１以上の自然数）であり、
前記位相調整層のうち前記第２の多層構造と接する部分が、前記第３の半導体層の分解温度よりも分解温度が高い材料で構成されていることを特徴とする半導体ＤＢＲの製造方法。
【請求項１６】
前記第３の半導体層の分解温度よりも高い分解温度を有する材料が、前記第２の半導体層を構成する材料であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体ＤＢＲの製造方法。
【請求項１７】
前記第１の多層構造を形成する工程において、前記第２の半導体層の分解温度以下かつ前記第３の半導体層の分解温度より高い一定の温度で前記第１の多層構造を形成することを特徴とする請求項１５または１６に記載の半導体ＤＢＲの製造方法。
【請求項１８】
前記第２の多層構造を形成する工程において、前記第３の半導体層の分解温度以下の一定の温度で前記第２の多層構造を形成することを特徴とする請求項１５から１７のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲの製造方法。
【請求項１９】
前記位相調整層を形成する工程において、前記第２の多層構造を形成するときの温度で前記位相調整層の一部を形成した後に、前記第１の多層構造を形成するときの温度で前記位相調整層の残りを形成することを特徴とする請求項１５から１８のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲの製造方法。
【請求項２０】
前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、および前記第３の半導体層はそれぞれＧａＮ系の材料から構成されていることを特徴とする請求項１５から１９のいずれか１項に記載の半導体ＤＢＲの製造方法。
【請求項２１】
前記第１の半導体層がＡｌＧａＮから構成され、前記第２の半導体層がＧａＮから構成され、前記第３の半導体層がＩｎＧａＮから構成されることを特徴とする請求項２０に記載の半導体ＤＢＲの製造方法。
【請求項２２】
前記第１の多層構造を形成するときの温度は９００℃より大きく、１２００℃以下であり、
前記第２の多層構造を形成するときの温度は８００℃以上、９００℃以下であることを特徴とする請求項２０または２１に記載の半導体ＤＢＲの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ＤＢＲ、半導体発光素子、固体レーザ、光音響装置、画像形成装置、および半導体ＤＢＲの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）は、基板上に２つの反射鏡で活性層を挟み、垂直方向に共振器を形成したレーザである。反射鏡には、屈折率の異なる２種類の材料を１／４波長に相当する光学的層厚で複数回積層したブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）が用いられる。材料としては誘電体や半導体があるが、デバイスの形成の観点から半導体で構成されることが多い。
【０００３】
ところで、ＶＣＳＥＬは構造上活性層が非常に薄く、利得が得られにくい。そのため、共振器を構成する反射鏡の反射率を９９％以上に高める必要がある。そこで、反射鏡としてのＤＢＲの反射率を高めるためには、屈折率の異なる材料のペア数を増やすことや屈折率差を大きくする必要がある。
【０００４】
半導体で構成されたＤＢＲをエピタキシャル成長で形成する場合、基板とエピタキシャル成長する半導体との格子定数差を小さくすることが望ましい。格子状数の差が大きい場合、格子歪によってエピタキシャル膜に面内応力が発生し、半導体層の平坦性の低下やクラックの発生につながる。
【０００５】
例えば、ＧａＮ基板上では、ＡｌＧａＮ層には引張応力が発生し、ＩｎＧａＮ層には圧縮応力が発生する。そこで特許文献１では、８００℃の温度条件下で、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を成長させて半導体ＤＢＲを形成している。このように特許文献１では、ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を交互に積層し格子歪を補償することで、クラックの発生を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３４９３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１が開示する半導体ＤＢＲを構成する層においては、さらなる結晶品質の向上が望まれている。
そこで本発明は、結晶品質が良好な層により構成された半導体ＤＢＲ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】
【０００８】
本明細書が開示する半導体ＤＢＲは、第１の半導体層と、第１の半導体層よりも分解温度が低い第２の半導体層と、第１の半導体層および第２の半導体層よりも分解温度が低い第３の半導体層とを有し、波長λに反射率のピークを備える半導体ＤＢＲであって、複数の第１の半導体層および複数の第１の半導体層のそれぞれの間に配置された第２の半導体層から構成される第１の多層構造と、複数の前記第３の半導体層および複数の第３の半導体層のそれぞれの間に配置された第２の半導体層から構成された第２の多層構造と、第１の多層構造と第２の多層構造との間に配置された位相調整層とを有し、第１の半導体層、第２の半導体層、および第３の半導体層のそれぞれの光学的厚さはｎλ／４（ｎは１以上の自然数）であり、位相調整層の光学的厚さはｍλ／２（ｍは１以上の自然数）であり、位相調整層のうち第２の多層構造と接する部分が、第３の半導体層の分解温度よりも分解温度が高い材料で構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、結晶品質の良好な層により構成された半導体ＤＢＲを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る半導体ＤＢＲの構造を示す図である。
【図２】実施形態に係る半導体ＤＢＲの詳細な構造を示す図である。
【図３】面内応力および層厚の組み合わせと、クラックとの関係を示す図である。
【図４】実施例１に係る窒化物半導体ＤＢＲを示す図である。
【図５】実施例１に係る窒化物半導体ＤＢＲの累積応力を示す図である。
【図６】実施例１に係る窒化物半導体ＤＢＲの反射特性を示す図である。
【図７】実施例２に係るＲＣ−ＬＥＤの構造を示す図である。
【図８】実施例２に係るＲＣ−ＬＥＤの累積応力を示す図である。
【図９】実施例３に係るＶＣＳＥＬの構造を示す図である。
【図１０】実施例３に係るＶＣＳＥＬの累積応力を示す図である。
【図１１】実施例４に係る固体レーザの模式図である。
【図１２】実施例５に係る光音響装置の模式図である。
【図１３】実施例６に係る画像形成装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
前述したように特許文献１では、８００℃の温度下で、ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に成長させている。ところが、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとでは最適な成長温度が異なる。具体的にＡｌＧａＮは約１０００〜１３００℃、ＩｎＧａＮは約６００〜９００℃で成長させることが好ましい。したがって、結晶性が良く、ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層のヘテロ界面が急峻なＤＢＲ、すなわち反射率の高いＤＢＲを得るためには、成長温度を変えてそれぞれの層を成長することが好ましい。
【００１２】
しかしながら、成長温度の切り替えに伴って結晶品質の低下が生じうる。例えば、ＩｎＧａＮ層を成長させた後にＡｌＧａＮ層の成長温度まで昇温をするとＩｎＧａＮ層の表面が高熱にさらされてしまい、ＩｎＧａＮ層が分解し平坦な膜が成長することが困難である。また、温度の昇降を行う度にＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の熱膨張係数差に起因する面内応力が各層内に発生し、結晶欠陥が発生しやすくなる。特に、ＤＢＲの反射率を高めるためにＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを数十周期積層する場合、数十回昇温と降温を繰り返すことになり、数十回分の熱履歴が蓄積されていく。以上のような要因が半導体ＤＢＲの結晶品質の低下を招き、結果として半導体ＤＢＲの反射率が低下してしまう。
【００１３】
また、このように結晶品質が低下した半導体ＤＢＲを用いてＶＣＳＥＬなどの発光素子を構成した場合、発光素子の発光特性が低下する。
【００１４】
そこで本発明は、ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とから構成される半導体ＤＢＲのように、低屈折率層と高屈折率層の成長温度が異なる材料系の半導体ＤＢＲにおいて、層の熱分解が抑制された半導体ＤＢＲを提供することを目的とする。また、本発明は成長温度の切り替えによる熱履歴が低減された半導体ＤＢＲを提供することを目的とする。このような半導体ＤＢＲは結晶品質が良好であるため、高反射率を有する反射鏡として機能する。
【００１５】
以下、本実施形態に係る半導体ＤＢＲについて、図面を用いて説明する。本実施形態においては、ＧａＮ系の材料を用いた半導体ＤＢＲの例で説明するが、本実施形態に採用することのできる材料はこれに限らない。ＧａＮ系の材料以外に、ＩｎＰ系やＧａＡｓ系などの半導体材料を採用してもよい。
【００１６】
（構造について）
図１は、基板１０１の上に形成された本実施形態に係る半導体ＤＢＲ１１０を示す。本実施形態に係る半導体ＤＢＲは、第１の多層構造としてのＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３、位相調整層１０５、第２の多層構造としてのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４、位相調整層１０５の順に繰り返し積層されている。本実施形態に係る半導体ＤＢＲ１１０は反射率のピークとなる波長λがほぼ４００ｎｍとなるように設計されている。なお、本実施形態に係る半導体ＤＢＲは任意のピーク波長λに合わせて設計されることができる。
【００１７】
なお、半導体ＤＢＲ１１０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４、位相調整層１０５、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３、位相調整層１０５の順に繰り返し積層されてもよい。
【００１８】
本実施形態では、基板１０１の上にＧａＮ系の材料を成長させるため、基板１０１の材料はＧａＮの格子定数に近い材料である必要がある。例えば、基板１０１には、ＧａＮ基板や、サファイア、Ｓｉ、ＧａＡｓ、およびＳｉＣなどのＧａＮを成長できる異種基板上にＧａＮ層を形成したＧａＮテンプレート基板などを採用することができる。ただし、基板１０１の材料はその上に成長させる材料によって適宜選択される。
【００１９】
図２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４、および位相調整層１０５の詳細な構成を示す。
【００２０】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３は、第１の半導体層としての光学的厚さがλ／４のＡｌＧａＮ層１０２ａと、第２の半導体層としての光学的厚さλ／４のＧａＮ層１０２ｂとから構成されている。また、複数のＡｌＧａＮ層１０２ａのそれぞれの間にＧａＮ層１０２ｂが配置されている。本実施形態において、光学的厚さとは層厚に屈折率を掛けたものである。
【００２１】
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４は、ＧａＮ層１０２ｂと、第３の半導体層としての光学的厚さがλ／４のＩｎＧａＮ層１０２ｃとから構成されている。また、複数のＩｎＧａＮ層１０２ｃのそれぞれの間にＧａＮ層１０２ｂが配置されている。なお、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３およびＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を構成する各層の光学的厚さはｎλ／４（ｎは１以上の奇数）であればよい。ただし、ｎは１または３であることが好ましい。
【００２２】
位相調整層１０５は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３とＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４との間に配置された光学的厚さがλ／２の層である。位相調整層１０５は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３とＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４との間における定在波の位相を揃えるための層である。本実施形態においては、位相調整層１０５はＧａＮからなる単層である。また、位相調整層１０５は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３のＡｌＧａＮ層１０２ａと、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４のＩｎＧａＮ層１０２ｃと接している。なお、位相調整層１０５の光学的厚さはｍλ／２（ｍは１以上の自然数）であればよい。ただし、ｍは１または２であることが好ましい。
【００２３】
（屈折率について）
典型的にＡｌＧａＮ層１０２ａ、ＧａＮ層１０２ｂ、およびＩｎＧａＮ層１０２ｃの屈折率の関係は、“ＩｎＧａＮ層１０２ｃ＞ＧａＮ層１０２ｂ＞ＡｌＧａＮ層１０２ａ”となる。
【００２４】
すなわち、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３においては、ＡｌＧａＮ層１０２ａが低屈折率層として機能し、ＧａＮ層１０２ｂが高屈折率層として機能する。一方、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４においては、ＧａＮ層が低屈折率層として機能し、ＩｎＧａＮ層が高屈折率層として機能する。
【００２５】
また、位相調整層１０５のうちＡｌＧａＮ層１０２ａとの界面から光学的厚さがλ／４の部分は、ＡｌＧａＮ層１０２ａに対して高屈折率層として機能する。一方、位相調整層１０５のうちＩｎＧａＮ層１０２ｃとの界面から光学的厚さがλ／４の部分は、ＩｎＧａＮ層１０２ｃに対して低屈折率層として機能する。
【００２６】
以上のような屈折率の関係となっているため、本実施形態に係る半導体ＤＢＲ１１０はＤＢＲとして機能する。
【００２７】
なお、位相調整層１０５のうち、界面からの光学的厚さがλ／４の領域の平均的な屈折率が上記の関係となっている限り、本実施形態に係る半導体ＤＢＲ１１０はＤＢＲとして機能する。
【００２８】
（分解温度について）
半導体はバンドギャップが大きいほど分解温度が高くなる傾向にある。例えば、窒化物半導体における分解温度の関係は“ＡｌＮ＞ＡｌＧａＮ＞ＧａＮ＞ＩｎＧａＮ＞ＩｎＮ”となる。
【００２９】
すなわち、本実施形態において、ＧａＮ層１０２ｂの分解温度はＡｌＧａＮ層１０２ａの分解温度より低い。また、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度はＡｌＧａＮ層１０２ａおよびＧａＮ層１０２ｂの分解温度より低い。ここで、それぞれの層の分解温度の関係をまとめると、“ＡｌＧａＮ層１０２ａ＞ＧａＮ層１０２ｂ＞ＩｎＧａＮ層１０２ｃ”となっている。
【００３０】
また、一般的に各材料にはそれぞれ最適な成長温度が存在する。例えばＭＯＣＶＤ法の場合、ＡｌＧａＮ層１０２ａはＡｌ組成よって異なるが典型的に１０００℃以上、１３００℃以下で成長させることが好ましく、ＡｌＧａＮの分解温度である１３００℃を超えると分解しやすくなる。
【００３１】
ＧａＮ層１０２ｂは８００℃以上、１２００℃以下で成長させることが好ましく、ＧａＮの分解温度である１２００℃を超えると分解しやすくなる。
【００３２】
ＩｎＧａＮ層１０２ｃもＩｎ組成によって異なるが６００以上、９００℃以下で成長させることが好ましく、ＩｎＧａＮの分解温度である９００℃を超えると分解しやすくなる。
【００３３】
最適な成長温度付近では、半導体分子の分解と供給の両方が生じ、分子の分解は弱く供給が多いため結晶が成長できる。また、この温度では、原子が盛んにマイグレーションしているので結晶の品質や平坦性が良い。また、最適な成長温度の上限付近が最も成長しやすい温度である。そのため、最適な成長温度の上限に近い温度で各層を成長させることが好ましい。
【００３４】
しかしながら、成長温度が最適な成長温度より高くなると、分解が激しくなり供給を上回るため結晶性の良い膜の形成が難しくなる。すなわち、本実施形態において分解温度とは、最適な成長温度の上限を指す。より厳密には、最適な成長温度よりも高く、半導体原子または半導体分子の分解が供給を上回り始める温度を分解温度としてもよい。
【００３５】
一方、最適な成長温度より低い温度で半導体を成長すると、分解は少なくなるが原子のマイグレーションが弱くなり、結晶の平坦性も低くなる。
【００３６】
次に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３およびＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４の製造方法について説明する。
【００３７】
本実施形態においては、ＧａＮ層１０２ｂの分解温度以下の一定の温度でＡｌＧａＮ層１０２ａおよびＧａＮ層１０２ｂをエピタキシャル成長させることにより、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３を形成する。なお、このときの成長温度はＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度より高い温度であってもよい。このとき、温度がＧａＮ層１０２ｂの分解温度以下であるため、ＡｌＧａＮ層１０２ａもＧａＮ層１０２ｂも分解を抑えて成長させることができる。また、一定の温度で多層構造を形成することにより、各層を形成するときの温度の昇降回数を減らすことができる。
【００３８】
本実施形態では、エピタキシャル成長の基板となる層をヒータで温めることにより層の温度を昇温する。一方、降温については自然放熱により行う。また、温度は基板の周辺に設置した熱電対で測定される。なお、エピタキシャル成長の基板となる層の温度を制御できる限り、その方法はいかなるものでもよい。
【００３９】
例えば、ＧａＮの成長温度である８００〜１２００℃の温度下で、Ｇａ原料を供給し続けＡｌ原料のバルブをＯＮ／ＯＦＦすることでＡｌＧａＮ／ＧａＮのＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３を形成する。このとき、ＡｌＧａＮが最も成長しやすい温度である１３００℃付近でＧａＮを成長しようとするとＧａＮが分解しやすいため、ＧａＮの成長温度８００〜１２００℃に合わせてＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３を形成する。なお、ＡｌＧａＮとＧａＮの最適な成長温度が重複している１０００〜１２００℃でＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３を形成することがより好ましい。
【００４０】
一方、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下の一定の温度でＧａＮ層１０２ｂおよびＩｎＧａＮ層１０２ｃをエピタキシャル成長させることにより、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を形成する。このとき、温度がＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下であるため、ＧａＮ層１０２ｂもＩｎＧａＮ層１０２ｃも分解を抑えて成長させることができる。また、一定の温度で多層構造を形成することができるため、各層を形成するときの温度の昇降回数を減らすことができる。
【００４１】
例えば、ＩｎＧａＮの最適な成長温度である６００〜９００℃の温度下で、Ｇａ原料を供給しつつＩｎ原料のバルブをＯＮ／ＯＦＦすることでＩｎＧａＮ／ＧａＮのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を形成する。なお、ＩｎＧａＮとＧａＮの最適な成長温度が重複している８００〜９００℃でＩｎＧａＮ／ＧａＮのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を形成することがより好ましい。
【００４２】
次に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を形成した後に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３を形成する方法について説明する。
【００４３】
まず、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下の温度（例えば９００℃）で、ＧａＮ層１０２ｂとＩｎＧａＮ層１０２ｃを交互に積層し、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を形成する。このときＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下の温度、かつＧａＮの分解温度（１２００℃）に近い温度でＧａＮ層１０２ｂを成長させることにより、ＧａＮ層１０２ｂの結晶品質は高くなる。
【００４４】
続いて、ＧａＮ層１０２ｂの分解温度に近い温度（例えば１１５０℃）でＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３を形成したい。ところが、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４の最表面はＩｎＧａＮ層１０２ｃであるため、この状態で１１５０℃に昇温すると、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度（９００℃）を超えてしまいＩｎＧａＮ層１０２ｃが分解してしまう。そのため、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４の上に分解を保護する保護層を形成する必要がある。ただし、保護層の材料は、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下の温度でも結晶品質を高く形成でき、かつＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３の成長温度よりも高い分解温度を有する材料である必要がある。
【００４５】
そこで、本実施形態では、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下の温度（例えば９００℃）でＧａＮからなる位相調整層１０５を保護層として形成する。本実施形態では、前述したようにＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３とＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４との間における定在波の位相を調整するために、光学的厚さがλ／２の位相調整層１０５を形成する。
【００４６】
なお、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下で位相調整層１０５の一部を成長させ、その後温度を変えて残りの部分を成長させてもよい。このとき、位相調整層１０５の一部を成長させた後に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３の成長温度まで昇温させて位相調整層１０５の残りを成長させてもよい。また、位相調整層１０５が多層構造の場合、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下の温度で位相調整層１０５の一部の層を形成した後に、残りの多層構造の材料に合わせて成長温度を適宜変更することができる。
【００４７】
以上説明したように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４と接する位相調整層１０５の部分がＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度よりも高い材料で構成される限り、位相調整層１０５はＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解を低減する保護層として機能する。
【００４８】
このようにＩｎＧａＮ層が高温にさらされないようにＩｎＧａＮ層１０２ｃよりも分解温度が高い材料で保護することにより結晶品質が良好なＩｎＧａＮ層１０２ｃを形成することができる。
【００４９】
なお、前述した屈折率の関係および分解温度の関係を満たす限り、位相調整層１０５はいかなる構成であってもよい。例えば、位相調整層１０５はＧａＮ層で任意の層を挟むことにより形成された多層構造であってもよい。
【００５０】
次に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３を形成後に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を成長するときの製造方法について説明する。
【００５１】
まず、ＧａＮ層１０２ｂの分解温度以下の温度、かつＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度より高い温度（例えば１１５０℃）でＡｌＧａＮ層１０２ａとＧａＮ層１０２ｂを交互に積層し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３を形成する。
【００５２】
続いて、１１５０℃を維持したまま、光学的厚さがλ／２のＧａＮからなる位相調整層１０５を形成する。
【００５３】
続いて、ＩｎＧａＮ層１０２ｃの分解温度以下の温度（例えば９００℃）まで降温した後に、９００℃でＩｎＧａＮ層１０２ｃとＧａＮ層１０２ｂを交互に積層し、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を形成する。
【００５４】
本実施形態では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３およびＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４をそれぞれ異なる一定の温度で形成することにより、温度の昇降回数を少なく多層構造を形成することができる。これにより、本実施形態に係る半導体ＤＢＲ１１０に蓄積される熱履歴を低減することができ、結晶成長の良好な半導体ＤＢＲを提供することができる。
【００５５】
本実施形態ではＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮの分解温度が“ＡｌＧａＮ＞ＧａＮ＞ＩｎＧａＮ”となっていることに着目した。加えて、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの最適な成長温度に重複する領域が存在し、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの成長温度に重複する領域が存在することに着目した。そして本発明者は、これらの知見に基づき、本実施形態に係る半導体ＤＢＲ１１０の材料としてＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮを採用した。ただし、上記の分解温度および最適な成長温度の関係を満たす材料であれば、本実施形態に係る半導体ＤＢＲの材料として採用することができる。
【００５６】
（面内応力、臨界層厚、およびクラックの関係について）
次に、半導体ＤＢＲにおける面内応力、臨界層厚、およびクラックの関係について説明する。
【００５７】
ＧａＮ基板上に、エピタキシャル成長したＡｌＧａＮ層は引張性の歪によって引張応力が発生する。一方で、ＩｎＧａＮ層は圧縮性の歪によって圧縮応力が発生する。そこで、エピタキシャル成長した層に発生する面内応力やその層の厚さを適切に設計しなければ、その層にクラックやピットが発生し反射率が低下する。クラックやピットは、面内応力と層厚の積がある値を超えたときに発生する。また、多層構造の場合、各層の面内応力と層厚の積を累積した値がある値を超えたときにクラックやピットが発生する。このクラックやピッチが発生するときの層厚を臨界層厚と呼ぶ。
【００５８】
本実施形態に係る半導体ＤＢＲ１１０は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０３およびＩｎＧａＮ／ＧａＮからなるＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造１０４を交互に複数積層することにより、格子歪を補償している。
【００５９】
基板のｃ面にエピタキシャル成長した半導体層の歪とその面内に発生する応力は以下の式で表すことができる。
【００６０】
【数１】
2015005541.tif 000003
【００６１】
【数２】
2015005541.tif 000004
【００６２】
【数３】
2015005541.tif 000005
【００６３】
式（１）において、εは格子歪、ａｓは結晶が歪んでいる時の格子定数、ａ０は無歪のときの格子定数である。式（２）において、σは面内応力、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ３３は弾性スティフネス定数である。σの値が正の時は結晶中に引張応力が発生し、負の時は圧縮応力が発生する。式（３）は、ｘ層積層された多層構造の場合の面内応力と層厚の積の合計である累積応力Ａを表す。ｘは総積層数、σｉはｉ番目の半導体層中の面内応力、ｈｉはｉ番目の半導体層の層厚である。
【００６４】
ＧａＮ基板上に臨界層厚を超えないようにエピタキシャル成長したＡｌＧａＮやＩｎＧａＮはａ軸格子定数がＧａＮとほぼ一致している。したがって、本実施形態の場合、ａｓにはＧａＮのａ軸格子定数を代入し、ａ０にエピタキシャル成長層に歪がない場合の格子定数を代入して累積応力Ａを求める。このとき、弾性スティフネス定数はＧａＮとＡｌＮの値を用いてベガード則で求める。
【００６５】
本実施形態において式（２）の計算に使用した弾性スティフネス定数の値を表１に示す。
【００６６】
【表１】
2015005541.tif 000006
【００６７】
図３は、数ｍｍ角四方のＧａＮ基板上や、２インチサファイア基板上にＧａＮを成長したＧａＮテンプレート基板上に成長したＡｌＧａＮ層の層厚およびＡｌ組成の組み合わせと、クラックの有無との関係を示したものである。クラックの有無については、成長させたＡｌＧａＮ層の表面を顕微鏡で観察することにより評価した。なお、表１から理解されるようにＡｌ組成が多くなるほど面内応力は大きくなる。
【００６８】
図３において、“丸”はＡｌＧａＮ層にクラックが無かったものを示す。また、“三角”はＡｌＧａＮ層に数個のクラックが存在したものを示す。また、“バツ”はＡｌＧａＮ層にクラックが数え切れないほど高密度に発生していたものを示す。なお、“バツ”に該当するＡｌＧａＮ層においては、Ｘ線測定による逆格子空間マッピングや反りモニターで高密度のクラックの発生による格子歪みの緩和を確認することができた。一方、“三角”に該当するＡｌＧａＮ層においては、Ｘ線測定による逆格子空間マッピングや反りモニターで格子歪みの緩和を確認することはできなかった。
【００６９】
図３において実線と点線は臨界層厚を計算したものである。実線はＡｌＧａＮ面内に発生する引張応力（ＧＰａ）と層厚（ｎｍ）の積が８００ＧＰａ・ｎｍを表したものであり、点線は４００ＧＰａ・ｎｍを表したものである。
【００７０】
図３に示す実験結果から引張応力と層厚の積が８００ＧＰａ・ｎｍを超えると、引張応力によってＡｌＧａＮに高密度のクラックが発生していたことが理解される。また、４００〜８００ＧＰａ・ｎｍではクラックがわずかに発生していたことが理解される。したがって、本実施例に係る半導体ＤＢＲにおいては、式（３）で求められる累積応力が８００ＧＰａ・ｎｍ以下であることが好ましい。さらに、累積応力が４００ＧＰａ・ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００７１】
次に、ＧａＮ基板上に成長したＩｎ組成が５％のＩｎＧａＮ層の表面を顕微鏡で観察し、面内応力によって発生するピットについて調べた。その結果、累積応力が−１０００ＧＰａ・ｎｍより負に大きくなるとピットが高密度に発生していることが確認できた。また、−１０００ＧＰａ・ｎｍ以上、−６００ＧＰａ・ｎｍ以下ではピットが無いものや僅かには発生しているものが確認できた。−６００より大きく、０ＧＰａ・ｎｍ以下ではピットは０になった。したがって、本実施例に係る半導体ＤＢＲにおいては、式（３）で求められる累積応力が−１０００ＧＰａ・ｎｍ以上であることが好ましい。さらに累積応力が−６００ＧＰａ・ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００７２】
なお、半導体ＤＢＲ１１０を構成する各層の層厚は、半導体ＤＢＲ１１０がＤＢＲとして機能し、かつ累積応力が−１０００ＧＰａ・ｎｍ以上、８００ＧＰａ・ｎｍ以下の範囲とするために、前述した光学的厚さとなる層厚の±３０％までは増減させてもよい。また、本実施形態における半導体ＤＢＲを構成する層の層厚については、設計値から製造誤差程度ずれた場合も本発明の権利範囲内とする。
【実施例１】
【００７３】
以下、作製した実施例に係る窒化物半導体ＤＢＲについて説明する。
【００７４】
図４は、ＧａＮ基板４０１の上に作製された窒化物半導体ＤＢＲ４１０の断面模式図を示す。本実施例では、第２の多層構造としてのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０４、位相調整層としてのＧａＮ層４０５、第１の多層構造としてのＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３の順に積層して窒化物半導体ＤＢＲ４１０を作製した。本実施例に係る窒化物半導体ＤＢＲ４１０は反射率のピークに対応する波長が４００ｎｍとなるように設計した。
【００７５】
表２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０４、および位相調整層４０５の各層の屈折率、光学的厚さがλ／４となる層厚、層厚の設計値、積層数、面内応力を示す。
【００７６】
【表２】
2015005541.tif 000007
【００７７】
本実施例においては、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を５％とし、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を３０％と設計した。また、ＡｌＧａＮ層の層厚を光学的厚さがλ／４となる層厚より１０％程度薄くすることにより、ＡｌＧａＮ層による引張応力を小さくするように設計した。
【００７８】
次に、本実施形態に係る窒化物半導体ＤＢＲ４１０の製造方法を説明する。
【００７９】
まず、ＭＯＣＶＤ装置にＧａＮ基板４０１をセットした。
【００８０】
続いて、９００℃まで加熱し、エピタキシャル成長によりＩｎＧａＮ層４０２ｃとＧａＮ層４０２ｂとを交互に積層し、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０４を形成した。このＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０４は、５層のＩｎＧａＮ層４０２と４層のＧａＮ層４０２ｂとから構成されている。このとき、原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いて、９００℃でＴＭＩｎの原料バルブをＯＮ／ＯＦＦすることによりＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０４を形成した。
【００８１】
続いて、基板温度を９００℃に維持したままエピタキシャル成長により、位相調整層としてのＧａＮ層４０５をＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０４の上に形成した。このとき、原料としてはＴＭＧａのみを用いてＧａＮ層４０５を形成した。
【００８２】
続いて、１１５０℃まで昇温し、エピタキシャル成長によりＡｌＧａＮ層４０２ａとＧａＮ層４０２ｂとを交互に積層し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３を形成した。このＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３は、３層のＡｌＧａＮ層４０２ａと２層のＧａＮ層とから構成されている。このとき、原料にはＴＭＧａとトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いて、１１５０℃でＴＭＡｌの原料バルブをＯＮ／ＯＦＦしてＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３を形成した。
【００８３】
続いて、基板温度を１１５０℃に維持したまま位相調整層としてのＧａＮ層４０５を、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３の上に形成した。
【００８４】
続いて、以上の工程と同様に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０４およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３を、ＧａＮ層４０５を介して交互に繰り返し形成する。本実施例では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０４およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３をそれぞれ４層積層した。
【００８５】
続いて、定在波の位相を考慮し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造４０３の上に４０ｎｍのＧａＮ層１０６を形成した。本実施形態においてはＧａＮ層１０６まで含めてＤＢＲとして機能する。
【００８６】
以上の工程により窒化物半導体ＤＢＲ４１０を作製した。この窒化物半導体ＤＢＲ４１０の表面を観察したところ、ピットもクラックも無かった。
【００８７】
図５は、式（３）で計算によって求めた各層を成長しているときの累積応力を示したものである。本実施例では、窒化物半導体ＤＢＲ４１０の累積応力が−１０００ＧＰａ・ｎｍ〜０ＧＰａ・ｎｍの範囲に収まるように設計されている。
【００８８】
図６は窒化物半導体ＤＢＲ４１０の反射特性を示す。窒化物半導体ＤＢＲ４１０は、波長３９９ｎｍに反射率のピークを有し、その反射率は８９％であった。
【実施例２】
【００８９】
以下、本実施例では窒化物半導体ＤＢＲを用いた半導体発光素子としてのＲＣ−ＬＥＤ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｌｉｇｈｔ  ＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）の設計例を説明する。
【００９０】
図７は、本実施例において設計されたＲＣ−ＬＥＤの断面模式図である。本実施形態に係るＲＣ−ＬＥＤは、ＧａＮ基板５０１、下部ＤＢＲ５１１、活性層５０６ａ、上部ＤＢＲ５１２の順に積層されている。下部ＤＢＲ５１１および上部ＤＢＲ５１２の２つの反射鏡で活性層５０６ａを挟んで共振器を構成している。また、下部ＤＢＲ５１１および上部ＤＢＲ５１２については、反射率のピークに対応する波長λが４００ｎｍとなるように設計した。
【００９１】
活性層５０６ａはＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸で構成されており、キャリアが注入されることにより発光する。
【００９２】
下部ＤＢＲ５１１および上部ＤＢＲ５１２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０４、および位相調整層５０５から構成されている。
【００９３】
表３は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０４、および位相調整層５０５を構成している各層の屈折率、光学的厚さがλ／４となる層厚、層厚の設計値、積層数、面内応力を示す。
【００９４】
【表３】
2015005541.tif 000008
【００９５】
本実施例においては、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を５％とし、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を２０％と設計した。
【００９６】
次に、本実施例に係るＲＣ−ＬＥＤの製造方法の例を説明する。
【００９７】
まず、ＭＯＣＶＤ装置にＧａＮ基板５０１をセットする。
【００９８】
続いて、ＧａＮ基板５０１の上に下部ＤＢＲ５１１を形成する。そのために実施例１と同様に、位相調整層としてのＧａＮ層５０５を介して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０４およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０３をそれぞれ５層交互に積層する。下部ＤＢＲ５１１は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０４、ＧａＮ層５０５、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０３の順に繰り返し積層する。なお、下部ＤＢＲ５１１を構成する各半導体にはＳｉをドーピングする。以上の工程により、ｎ型伝導の下部ＤＢＲ５１１を形成することができる。
【００９９】
続いて、下部ＤＢＲ５１１上にスペーサ層としてのＧａＮ層５０６ｂを１１５０℃で形成する。続いて、ＧａＮ層５０６ｂの上にＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸からなる活性層５０６ａを８５０℃の温度で積層する。また、活性層５０６ａの最表面はＧａＮ層となるように積層されている。続いて、活性層５０６ａの上にスペーサ層としてのＧａＮ層５０６ｃを１１５０℃で形成する。なお、活性層５０６ａおよび２層のスペーサ層の光学的厚さの合計はλ（４００ｎｍ）となるように設計した。また、活性層５０６ａの位置は、定在波の共振ピークの位置に合わせて設計した。なお、活性層５０６ａおよび２層のスペーサ層の光学的厚さの合計はλの整数倍であればよい。
【０１００】
続いて、ＧａＮ層５０６ｃの上に上部ＤＢＲ５１２を形成する。そのために、下部ＤＢＲ５１１と積層順を逆にして、位相調整層としてのＧａＮ層５０５を介して、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０３およびＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０４をそれぞれ５層交互に積層する。すなわち、上部ＤＢＲ５１２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０３、ＧａＮ層５０５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造５０４の順に繰り返し積層されている。なお、上部ＤＢＲ５１２を構成する各半導体層にはＭｇをドーピングする。以上の工程により、反射率が９５％のｐ型伝導の上部ＤＢＲ５１２を形成することができる。
【０１０１】
続いて、上部ＤＢＲ５１２の上にコンタクト層としてｐ型ＧａＮ層５０７を形成する。ｐ型ＧａＮ層５０７の層厚は１０ｎｍと設計した。
【０１０２】
続いて、通電のためのコンタクト電極としてＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極５０８をｐ型ＧａＮ層５０７の上に形成する。また、通電のためのコンタクト電極としてＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極５０９をＧａＮ基板５０１と接するように形成する。
【０１０３】
以上のように、実施例に係る半導体発光素子としてのＲＣ−ＬＥＤを形成することができる。本実施例に係る下部ＤＢＲ５１１および上部ＤＢＲ５１２は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＧａＮから構成されているため電気伝導度が高い。そのため、ｐ型電極５０８およびｎ型電極５０９から効率よく活性層５０６ａへキャリアを注入することができる。
【０１０４】
図８は、式（３）により計算された本実施例に係るＲＣ―ＬＥＤの積層時の累積応力を示したものである。図８から理解されるように、本実施例に係るＲＣ−ＬＥＤの累積応力は、−５００ＧＰａ・ｎｍ以上、３５０ＧＰａ・ｎｍ以下の範囲に収まるように設計されている。
【実施例３】
【０１０５】
本実施例では、窒化物半導体ＤＢＲを用いた半導体発光素子としてのＶＣＳＥＬの設計例について説明する。
【０１０６】
図９は本実施例において設計されたＶＣＳＥＬの断面模式図である。本実施例では、活性層６０６ａを挟むように下部ＤＢＲ６１１および上部ＤＢＲ６１２を配置して共振器を構成している。なお、下部ＤＢＲ６１１および上部ＤＢＲ６１２については、４００ｎｍの光に対する反射率が９９％以上となるように設計した。
【０１０７】
活性層６０６ａはＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸で構成されており、キャリアが注入されることにより発光する。
【０１０８】
下部ＤＢＲ６１１および上部ＤＢＲ６１２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０４、および位相調整層６０５から構成されている。
【０１０９】
表４は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０４、および位相調整層６０５を構成する各層の屈折率、光学的厚さがλ／４となる層厚、層厚の設計値、積層数、面内応力を示す。
【０１１０】
【表４】
2015005541.tif 000009
【０１１１】
本実施例においては、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を５％とし、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を３５％と設計した。
【０１１２】
次に、本実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法の例について説明する。
【０１１３】
まず、ＭＯＣＶＤ装置にＧａＮ基板６０１をセットする。
【０１１４】
続いて、ＧａＮ基板６０１の上に下部ＤＢＲ６１１を形成する。そのために実施例１と同様に、位相調整層としてのＧａＮ層６０５を介して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０４およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０３をそれぞれ９層交互に積層する。下部ＤＢＲ６１１は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０４、ＧａＮ層６０５、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０３の順に繰り返し積層する。なお、下部ＤＢＲ６１１を構成する各半導体にはＳｉをドーピングする。以上の工程により、反射率９９．５％以上のｎ型伝導の下部ＤＢＲ６１１を形成することができる。
【０１１５】
続いて、下部ＤＢＲ６１１上にスペーサ層としてのＧａＮ層６０６ｂを１１５０℃で形成する。続いて、ＧａＮ層６０６ｂの上にＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸からなる活性層６０６ａを８５０℃の温度で積層する。また、活性層６０６ａの最表面はＧａＮ層となるように積層されている。続いて、活性層６０６ａの上にスペーサ層としてのＧａＮ層６０６ｃを１１５０℃で形成する。なお、活性層６０６ａおよび２層のスペーサ層の光学的厚さの合計は４００ｎｍとなるように設計した。また、活性層６０６ａの位置は、定在波の共振ピークの位置に合わせて設計した。なお、活性層６０６ａおよび２層のスペーサ層の光学的厚さの合計は４００ｎｍの整数倍であればよい。
【０１１６】
続いて、ＧａＮ層６０６ｃの上に１０ｎｍのＡｌＮ層６１０を形成する。次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングを用いてＡｌＮ層６１０に直径１０μｍの開口部を形成する。この開口部を有するＡｌＮ層６１０は電流狭窄層として機能する。なお、本実施例において開口部の直径に対してＡｌＮ層６１０の層厚は桁違いに薄いため、ＡｌＮ層６１０の上に形成される層に与える影響は小さい。
【０１１７】
続いて、ＧａＮ層６０６ｂの上に上部ＤＢＲ６１２を形成する。そのために、下部ＤＢＲ６１１と積層順を逆にして、位相調整層としてのＧａＮ層６０５を介して、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０３およびＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０４をそれぞれ８層交互に積層する。すなわち、上部ＤＢＲ６１２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０３、ＧａＮ層６０５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造６０４の順に繰り返し積層されている。なお、上部ＤＢＲ６１２を構成する各半導体層にはＭｇをドーピングする。以上の工程により、反射率９９．３％のｐ型伝導の上部ＤＢＲ６１２を形成することができる。
【０１１８】
続いて、上部ＤＢＲ６１２上にコンタクト層としてｐ型ＧａＮ層６０７を形成する。ｐ型ＧａＮ層６０７の層厚は１０ｎｍと設計した。
【０１１９】
続いて、通電のためのコンタクト電極として、開口部を有するＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極６０８をｐ型ＧａＮ層６０７の上に形成する。また、通電のためのコンタクト電極として、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ型電極６０９をＧａＮ基板６０１と接するように形成する。
【０１２０】
以上の工程で、実施例に係るＶＣＳＥＬを形成することができる。
【０１２１】
本実施例に係る下部ＤＢＲ６１１および上部ＤＢＲ６１２は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＧａＮから構成されているため電気伝導度が高い。そのため、ｐ型電極６０８およびｎ型電極６０９から効率よく活性層５０６ａへキャリアを注入することができる。
【０１２２】
図１０は式（３）で計算される本実施例に係るＶＣＳＥＬの積層時の累積応力を示したものである。図１０によれば、本実施例に係るＶＣＳＥＬの累積応力が−６００ＧＰａ・ｎｍから３５０ＧＰａ・ｎｍの範囲に収まっていることが理解される。
【実施例４】
【０１２３】
次に、図１１を用いて、実施例３で説明したＶＣＳＥＬがアレイ状に配列して構成された面発光レーザアレイを励起光源として備えた固体レーザの構成例について説明する。図１１は本実施例に係る固体レーザの模式図である。
【０１２４】
本実施例に係る固体レーザ１１００は、面発光レーザアレイ１１１０、固体レーザ媒体１１３０、２つの反射鏡１１５０ａおよび１１５０ｂを有する。
【０１２５】
面発光レーザアレイ１１１０は、波長λの励起光１１２０を固体レーザ媒体１１３０に照射する。固体レーザ媒体１１３０は、励起光１１２０を吸収し、レーザ遷移に伴い光１１４０を発する。固体レーザ媒体１１３０から発生した光１１４０が２つの反射鏡１１５０ａおよび１１５０ｂで反射を繰り返すことにより、固体レーザは発振状態となる。そして、発振状態の固体レーザ１１００から反射鏡１１５０ｂを透過した固体レーザ光１１６０が出射される。
【０１２６】
ここで、固体レーザ媒体１１３０の吸収スペクトルに合わせて、面発光レーザアレイ１１１０から出射される励起光１１２０の波長λを決定することが好ましい。すなわち、固体レーザ媒体１１３０の吸収スペクトルに合わせて、面発光レーザアレイ１１１０に用いられる半導体ＤＢＲの反射率のピーク波長を設計することが好ましい。さらに、固体レーザ媒体１１３０の吸収スペクトルのピーク付近の波長が反射率のピークとなるように半導体ＤＢＲを設計することがより好ましい。例えば、固体レーザ媒体１１３０としてアレキサンドライト結晶を用いる場合、半導体ＤＢＲの反射率のピーク波長λをアレキサンドライト結晶の吸収スペクトルのピーク付近の４００ｎｍとすることで効率よく固体レーザを発振させることができる。
【０１２７】
なお、本実施例に係る固体レーザにはいかなる固体レーザ媒体を採用してもよい。
【実施例５】
【０１２８】
次に、図１２を用いて、実施例４で説明した固体レーザ１１００を用いた光音響装置について説明する。
【０１２９】
本実施例に係る光音響装置は、固体レーザ１１００、光学系１２００、保持部材１３００、探触子１４００、信号処理部１５００、表示部１６００を有する。
【０１３０】
まず、固体レーザ１１００から発生した光は、光学系１２００を介してパルス光１２１０として被検体１０００に照射される。そして、光音響効果により被検体１０００内で光音響波１０２０が発生する。続いて、探触子１４００が被検体１０００内を伝搬した光音響波１０２０を検出して時系列の電気信号を取得する。続いて、信号処理部１５００が時系列の電気信号に基づいて被検体内部の情報を取得し、表示部１６００に被検体内部の情報を表示させる。
【０１３１】
なお、本実施例において、固体レーザ１１００が発することのできる光の波長は、被検体１０００の内部まで光が伝搬する波長を使うことが望ましい。具体的には、被検体１０００が生体の場合、好適な波長は、５００ｎｍ以上、１２００ｎｍ以下である。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域を使用することも可能である。
【０１３２】
本実施例に係る被検体情報としては、光音響波の初期音圧、光エネルギー吸収密度、吸収係数、および被検体を構成する物質の濃度などがある。ここで、物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度などである。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和である。また、本実施形態において被検体情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報であってもよい。すなわち、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報を被検体情報としてもよい。
【実施例６】
【０１３３】
次に、図１３を用いて、実施例３で説明したＶＣＳＥＬがアレイ状に配列して構成された面発光レーザアレイを光源として備えた画像形成装置の構成例について説明する。
【０１３４】
図１２（ａ）は本実施例に係る画像形成装置の平面図であり、図１２（ｂ）は同装置の側面図である。
【０１３５】
図１２において、２０００は感光ドラム（感光体）、２００２は帯電器、２００４は現像器、２００６は転写帯電器、２００８は定着器、２０１０は回転多面鏡、２０１２はモータである。
【０１３６】
また、２０１４は面発光レーザアレイ、２０１６は反射鏡、２０１８はコリメータレンズ及び２０２０はｆ−θレンズである。
【０１３７】
本実施例においては、図１２（ｂ）に示されるモータ２０１２によって、回転多面鏡２０１０が回転駆動するように構成されている。
【０１３８】
面発光レーザアレイ２０１４は、記録用光源となるものであり、レーザドライバ（図示せず）により画像信号に応じて点灯または消灯するように構成されている。
【０１３９】
こうして光変調されたレーザ光は、面発光レーザアレイ２０１４からコリメータレンズ２０１８を介し回転多面鏡２０１０に向けて照射される。
【０１４０】
回転多面鏡２０１０は矢印方向に回転していて、面発光レーザアレイ２０１４から出力されたレーザ光は、回転多面鏡２０１０の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。
【０１４１】
この反射光は、ｆ−θレンズ２０２０により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡２０１６を経て感光ドラム２０００に照射され、感光ドラム２０００上で主走査方向に走査される。このとき、回転多面鏡２０１０の１面を介したビーム光の反射により、感光ドラム２０００の主走査方向に面発光レーザアレイ２０１４に対応した複数のライン分の画像が形成される。
【０１４２】
感光ドラム２０００は、予め帯電器２００２により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。
【０１４３】
また、感光ドラム２０００は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は現像器２００４により現像され、現像された可視像は転写帯電器２００６により、転写紙に転写される。
【０１４４】
可視像が転写された転写紙は、定着器２００８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
【０１４５】
なお、以上の実施例４、５、６においては、面発光レーザアレイを適用した装置の一例について説明したが、面発光レーザアレイを適用できる装置はこれらの装置に限定されるものではない。
【０１４６】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明は上記特定の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で実施形態の修正をすることができる。
【符号の説明】
【０１４７】
１０１  基板
１０２ａ  ＡｌＧａＮ層
１０２ｂ  ＧａＮ層
１０２ｃ  ＩｎＧａＮ層
１０３  ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造
１０４  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造
１０５  位相調整層
【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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【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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【図１３】
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