(57)【要約】  本開示の半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された、窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層の上に形成された、窒化物半導体よりなる活性層と、活性層の上に形成された、窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とを有する。ｎ型クラッド層は、少なくとも組成の異なる第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層が交互に積層された多層膜からなり、かつｎ型クラッド層の平均の格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きい。
2015001692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された、窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に形成された、窒化物半導体よりなる活性層と、
前記活性層の上に形成された、窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とを有し、
前記ｎ型クラッド層は、少なくとも組成の異なる第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層が交互に積層された多層膜からなり、かつ前記ｎ型クラッド層の平均の格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１のｎ型窒化物半導体層の格子定数が前記ＧａＮの格子定数よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１のｎ型窒化物半導体層がＡｌＩｎＮからなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１のｎ型窒化物半導体層のＩｎ組成が０．１７以上であることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１のｎ型窒化物半導体層の層厚が２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２のｎ型窒化物半導体層のＳｉ濃度が１０１９ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第２の窒化物半導体層がＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型クラッド層の膜厚が５００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成がＩＩＩ族の組成比で７％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ型クラッド層が、少なくともＡｌＩｎＮからなる層を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ｎ型クラッド層が層内で異なる格子定数の領域を持ち、前記ｎ型クラッド層下部の格子定数が前記ｎ型クラッド層上部の格子定数よりも大きいことを特徴とする請求項１〜１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記ｎ型クラッド層が層内で異なる格子定数の領域を持ち、前記ｎ型クラッド層下部から前記ｎ型クラッド層上部に向かって連続的に格子定数が小さくなっていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化物半導体素子に関し、特に青紫〜赤色の可視域の発光を伴う半導体レーザおよびスーパールミネッセントダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、図１４を参照して、特許文献１に記載された従来の半導体発光素子の構造について説明する。従来の半導体発光素子は半導体基板１上にＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型ＩｎＧａＮ層４、ｎ型ＡｌＧａＮ層５、ｎ型ＧａＮ層６、活性層７、ｐ型ＡｌＧａＮ層８、ｐ型ＧａＮ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０、ｐ型ＧａＮ層１１が順に積層されている。そして、ｎ型ＧａＮ層３には負電極が、ｐ型ＧａＮ層１１には正電極がそれぞれ電気的に接続されている。従来の半導体発光素子の構造では、ｎ型ＧａＮ層３とクラッド層であるｎ型ＡｌＧａＮ層５の間に、ＧａＮよりも格子定数の大きいｎ型ＩｎＧａＮ層４が挿入されている。【０００３】
次に、図１５を参照して、非特許文献１に記載された従来の半導体発光素子の構造について説明する。非特許文献１に記載された半導体発光素子は、サファイア基板２１上にバッファ層２２、ＡｌＩｎＮ層２３、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４、ｎ型ＧａＮ層２５、活性層２６、ｐ型ＧａＮ層２７、ｐ型ＡｌＧａＮ層２８、ｐ型ＧａＮ層２９が順に積層されている。そして、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４にはｎ電極３１が、ｐ型ＧａＮ層２７にはｐ電極３０が電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１７５３９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】フェルチン他、２００９  ＳＡ／ＣＬＥＯ／ＩＱＥＣ  ２００９  ＣＴｕＹ５（Ｅ．  Ｆｅｌｔｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ  ２００９  ＣＴｕＹ５）
【発明の概要】
【０００６】
しかしながら、先行文献に記載された構造を用いて半導体発光素子を高効率化する場合、以下のような課題を有する。
【０００７】
まず特許文献１に記載された半導体発光素子の場合、歪発生を抑制するために設けられたｎ型ＩｎＧａＮ層４は歪キャンセル量と結晶性とのトレードオフ関係を有する。つまり、ｎ型ＩｎＧａＮ層４のＩｎ組成が低い場合、歪のキャンセル量が小さくなり、高Ａｌ組成のクラッド層を積層するとピエゾ電界が大きくり、クラックが発生する可能性がある。一方、ｎ型ＩｎＧａＮ層４のＩｎ組成が高くなると、ＩｎＮとＧａＮの非混和性のため、ＩｎとＧａの分離が生じ、結晶性が悪くなる。結果として、特許文献１に記載された半導体発光素子ではその効率を十分高くすることができないという課題がある。
【０００８】
次に非特許文献１に記載された半導体発光素子の場合、ＧａＮと格子整合するＡｌＩｎＮはバンドギャップが５．２ｅＶと大きく、電流を流すために大きな障壁が発生する。そのため、ＡｌＩｎＮ層２３の積層方向に電流を流すには大きなバイアス電圧が必要となり、縦方向に電流を流せないか、流したとしても半導体発光素子の効率が低下する。また、ＡｌＩｎＮ層２３に電流を流さず、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４に横方向に電流を流そうとしても、光閉じ込めの観点からはｎ型ＡｌＧａＮ層２４は厚くすることができない。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４の抵抗が高くなり、窒化物半導体レーザの効率が低下してしまう。また、ＧａＮと格子整合するＡｌＩｎＮの例えば波長が５３０ｎｍの光に対する屈折率は２．２程度と低い。ＡｌＩｎＮをｎ型クラッド層として用いる場合、光分布の対称性を維持するためにはｐ型クラッド層のＡｌ組成をさらに高める必要がある。その結果、非特許文献１に記載された半導体発光素子には、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４で発生する歪を抑制することができても、ｐ型ＡｌＧａＮ層２８で発生する歪によってクラックが生じてしまうという課題がある。
【０００９】
本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることで、高効率な縦伝導半導体発光素子を実現するものである。
【００１０】
上記の課題解決のために、本開示に係る半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された、窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層の上に形成された、窒化物半導体よりなる活性層と、活性層の上に形成された、窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とを有する。ｎ型クラッド層は、少なくとも組成の異なる第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層とを備え、かつｎ型クラッド層の平均の格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きい。
【００１１】
本開示に係る半導体発光素子によれば、ｎ型クラッド層の平均格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きいため、ｐ型クラッド層の積層時に発生する歪を緩和することができる。それにより光を活性層に閉じ込めながらクラック・転位や電子と正孔の分離を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは比較例の半導体発光素子に加わる応力を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは本開示の実施形態１に係る半導体発光素子に加わる応力を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは比較例の半導体発光素子の屈折率分布と光強度分布を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは比較例の半導体発光素子の屈折率分布と光強度分布を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の屈折率分布と光強度分布を示す図である。
【図４】図４は本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の電圧−電流密度の特性を示す図である。
【図５】図５は本開示の実施形態１に係る半導体発光素子のＡｌＩｎＮ層厚と導電率との関係を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは本開示の実施形態１に係る半導体発光素子に係る表面モフォロジを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは本開示の実施形態１に係る半導体発光素子に係る表面モフォロジを示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは本開示の実施形態１に係る半導体発光素子に係る表面モフォロジを示す図である。
【図８】図８は本開示の実施形態１に係る半導体発光素子に係る基板とｎ型クラッド層との積層のＴＥＭ像を示した図である。
【図９】図９は本開示の実施形態１に係る半導体発光素子に係る電流―電圧特性を示す図である。
【図１０】図１０は本開示の実施形態２に係る半導体発光素子の断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは本開示の実施形態２に係る半導体発光素子にかかる応力を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは本開示の実施形態２に係る半導体発光素子にかかる応力を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは本開示の実施形態２に係る半導体発光素子にかかる応力を示す図である。
【図１２】図１２は本開示の実施形態２に係る半導体発光素子における屈折率分布と光強度分布を示す図である。
【図１３】図１３は本開示の実施形態３における半導体発光素子の断面図である。
【図１４】図１４は従来の半導体発光素子の断面図である。
【図１５】図１５は従来の半導体発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本開示の実施形態に係る半導体発光素子およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施形態１）
（構造）
まず、本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の構造について、図１を用いて説明する。図１は本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の断面図である。半導体発光素子１１０は、基板１１１と、ｎ型クラッド層１１２と、活性層１１４と、ｐ型クラッド層１１６と、を備える。ｎ型クラッド層１１２は、基板１１１の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。活性層１１４は、ｎ型クラッド層１１２の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。ｐ型クラッド層１１６は、活性層１１４の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。ｎ型クラッド層１１２は、少なくとも組成の異なる第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａと第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂが交互に積層された多層膜からなる。ｎ型クラッド層１１２の平均の格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きい。
【００１５】
このような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層１１４に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
【００１６】
以下、必須ではない任意の構成を含めたより具体的な説明を行う。基板１１１は、例えばｎ型ＧａＮ基板である。基板１１１の上方にはｎ型クラッド層１１２が設けられる。ｎ型クラッド層１１２の上方には、例えばｎ型ＧａＮであるｎ型ガイド層１１３が設けられる。ｎ型ガイド層１１３の上方には、活性層１１４が設けられる。活性層１１４は、例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ量子障壁層が交互に３層積層されて構成されている。活性層１１４の上方には、ｐ型ガイド層１１５が設けられる。ｐ型ガイド層１１５は、例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる。ｐ型ガイド層１１５の上方には、ｐ型クラッド層１１６が設けられる。ｐ型クラッド層１１６は、例えばｐ型ＡｌＧａＮからなる。ｐ型クラッド層１１６の上方には、ｐ型コンタクト層１１７が設けられる。ｐ型コンタクト層１１７は、例えばｐ型ＧａＮからなる。
【００１７】
ｎ型クラッド層１１２は、例えばＡｌＩｎＮである第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａと、例えばｎ型ＧａＮである第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂを含む多層膜で構成される。ＡｌＩｎＮのＩｎ組成は１７％よりも高く、ＧａＮの格子定数よりも大きい。そのため、ｎ型クラッド層１１２の平均の格子定数はＧａＮの格子定数よりも大きい。第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａの膜厚は２ｎｍ以下であることが望ましい。また、ｐ型クラッド層１１６のＡｌ組成は５％以上が好ましく、７％以上であるときに顕著に効果が現れる。さらに、第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａと第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂに用いる材料の組み合わせは、平均格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きいという条件を満たせば、上述の組み合わせに限らない。例えば、第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａのＡｌＩｎＮのＩｎ組成が１７％より低くても、第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂをＩｎＧａＮとすることにより、平均格子定数をＧａＮの格子定数よりも大きくすることができる。あるいは、第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａのＡｌＩｎＮのＩｎ組成を１７％よりも高め、かつ第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂをＩｎＧａＮとすることにより、平均格子定数をよりＧａＮの格子定数よりも大きくすることができるため、効果が顕著になる。また、第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａのＡｌＩｎＮのＩｎ組成を１７％よりも高め、第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂをＡｌＧａＮとすることも可能である。この場合は、結晶成長が容易になる。
【００１８】
このような半導体発光素子１１０の表面に形成される光導波路は、ｐ型クラッド層１１６の一部まで掘りこんだリッジ構造が形成されている。さらに、リッジ構造を覆うように電流ブロック層１２１が形成されている。さらに、電流ブロック層１２１にはｐ型コンタクト層１１７が露出するような開口が設けられ、ｐ型コンタクト層１１７に接するように、ｐ電極１２２が形成されている。ｐ電極１２２は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ等の少なくとも一つ以上の金属の単層または多層膜からなる。また、基板１１１の裏面にはｎ電極１２３が形成されている。ｎ電極１２３は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ等の少なくとも一つ以上の金属の単層または多層膜からなる。半導体発光素子１１０は、ｐ電極１２２とｎ電極１２３の間に電流が注入されることで、レーザ動作またはスーパールミネッセントダイオード動作する。
【００１９】
上記の構成において、活性層１１４は、例えば波長４５０ｎｍもしくは波長５２０ｎｍを中心とする青色もしくは緑色発光を示すように調整されている。なお本実施形態においては、基板１１１が導電性を有するｎ型ＧａＮである例を説明したが、基板１１１の材料はこれに限定されない。基板１１１には、例えばｎ型ＳｉＣやｎ型Ｓｉなどの異種基板を用いることができる。さらには、基板１１１には、サファイア基板等の絶縁基板を用いることも可能である。この場合、光導波路外部の、ｎ型クラッド層１１２が露出された表面に、ｐ電極１２２と電気的に絶縁されたｎ電極が形成されることで半導体発光素子に電力を供給することができる。
【００２０】
なお本実施形態においては、活性層１１４は、例えば波長４５０ｎｍもしくは波長５２０ｎｍを中心とする光を発光する例を示したがこの限りではない。例えば、活性層１１４は、活性層１１４のインジウムの組成を変化させることで波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍの間の特定の波長を中心に発光することができる。
【００２１】
（動作および効果）
続いて、本実施形態の半導体発光素子の効果について図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図４、図５を用いて説明する。
【００２２】
まず、図２Ａ、図２Ｂを用いて、クラッド層に加えられる歪について説明する。図２Ａ、図Ｂは、ｐ型クラッド層９３６、ｎ型クラッド層９３２に加えられている歪の大きさと方向を示している。矢印の大きさは歪の大きさを表す。図２Ａに示した比較例の半導体発光素子では、ｎ型クラッド層９３２はＧａＮと格子整合したＡｌＩｎＮからなり、ｐ型クラッド層９３６はＡｌＧａＮからなる。このとき、ＡｌＩｎＮの屈折率が低いため、光分布の対称性を維持するにはＡｌＧａＮのＡｌ組成を高める必要がある。ＡｌＧａＮは低屈折率化のためｐクラッド層９３６として用いられる。その場合、ｎ型クラッド層９３２に加えられる歪は格子整合しているためほぼ０になるが、ｐ型クラッド層９３６に加えられる歪が大きくなってしまう。そのため、ｐ型クラッド層９３６の積層時にクラックや転位が発生する。さらに、ｎ型クラッド層９３２はＡｌＩｎＮ単層であるため、積層方向に電流を流すには大きなバイアス電圧が必要で、効率のよい縦伝導半導体発光素子を作製することができない。
【００２３】
一方、図２Ｂに示す本開示の構造の場合、ｎ型クラッド層１１２の平均格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きい。そのため、同様にｐ型クラッド層１１６のＡｌ組成を高めたとしても、そこに加えられる歪は一部がｎ型クラッド層１１２のために打ち消される。その結果、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを積層した場合でも、クラックや転位の発生を抑制することができる。さらに、ｎ型クラッド層１１２は、格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きいＡｌＩｎＮからなる第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａとＧａＮからなる第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂの薄膜を交互に積層させた超格子であるため、この超格子構造によっても歪の発生が軽減される。
【００２４】
次に、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃを用いて、半導体発光素子の中の光分布について説明する。レーザやスーパールミネッセントダイオードのような誘導放出光を用いるデバイスでは、ｐ、ｎ型クラッド層とガイド層の屈折率差により活性層近傍に光を閉じ込めることが高効率化のために重要である。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃのそれぞれにおいて、左側の図は半導体発光素子の断面を示し、右側の図は半導体発光素子の層構造に対応した屈折率の分布および光強度分布を表す。
【００２５】
図３Ａは比較例の半導体発光素子（非特許文献１）における積層方向の屈折率分布と光強度分布を示したものである。この比較例の半導体発光素子の場合、ｎ型クラッド層９１２はＧａＮと格子整合したＡｌＩｎＮを用いており、通常用いられるＡｌＧａＮと比較して屈折率が低い。そのため、屈折率差はｎ型側の方が大きく、光分布はｐ型側へと偏った分布となってしまう。このとき、光の分布が一部ｐ型クラッド層９１６に設けられているリッジ構造やｐ型コンタクト層にかかってしまうと、そこで光の吸収が生じ、効率の低下が発生してしまう。偏った光分布を改善するために、ｐ型クラッド層９１６を低屈折率化、すなわちＡｌ組成を高めると、先述したようにクラックや転位が発生してしまう。
【００２６】
図３Ｂは比較例の半導体発光素子（特許文献１）における積層方向の屈折率分布と光強度分布を示したものである。この比較例の半導体発光素子の場合、上部ｎ型クラッド層９４２ｂ、ｐ型クラッド層９４６にはＡｌＧａＮが積層されているが、下部ｎ型クラッド層９４２ａとしてＩｎＧａＮが挿入されている。このＩｎＧａＮによって歪の一部がキャンセルされるが、一般的にＩｎＧａＮのＩｎ組成が高くなると、結晶性の低下が発生する。そのため、ＩｎＧａＮのＩｎ組成を高めることは難しく、キャンセルされる歪の量はそれほど大きくない。その結果、上部ｎ型クラッド層９４２ｂやｐ型クラッド層９４６に用いられるＡｌＧａＮのＡｌ組成を高めることが困難となる。このため、クラッド層とガイド層との屈折率差をそれほど大きくできず、全体的に広がった光分布となってしまい、半導体発光素子の効率が低下する。
【００２７】
図３Ｃは本開示の半導体発光素子にかかる積層方向の屈折率分布と光強度分布を示した図である。本開示の半導体発光素子の場合、ＧａＮよりも格子定数の大きいｎ型クラッド層１１２により歪がキャンセルされるため、ｐ型クラッド層１１６のＡｌ組成を高めることが可能となる。そのため、ｐ側、ｎ側ともに対称性高く大きな屈折率差を得ることができ、効果的に光を活性層近傍へ閉じ込めることができる。これにより、高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
【００２８】
なお、ここで、本開示のｎ型クラッド層１１２を構成する第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａと第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂに用いる材料の組み合わせは、これら２つの平均格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きければよい。例えば、第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａにＧａＮよりも格子定数の大きなＡｌＧａＩｎＮを用いた場合、第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂにはＧａＮを用いることも可能である。また例えば、第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａにＧａＮよりも格子定数の小さなＡｌＩｎＮを用いた場合は、第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂにＧａＮよりも格子定数の大きなＩｎＧａＮを用いることも可能である。また例えば、第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａにＧａＮよりも格子定数の小さなＡｌＧａＩｎＮを用い、第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂにＧａＮよりも格子定数の大きなＡｌＧａＮを用いることも可能である。
【００２９】
図４、図５は本発明者等が実際に作製したｎ型クラッド層１１２の電気特性を表す図である。まず、本発明者等は、ｎ型クラッド層１１２の電気特性のみを評価するために、導電性材料からなる基板１１１の上にｎ型クラッド層１１２を成長させた。このとき、第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａはＩｎ組成が１８％のＡｌＩｎＮ、第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂはＳｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープしたＧａＮである。この縦方向の電気特性を測定したものが図４になるが、ＡｌＩｎＮ層の膜厚が３．５ｎｍ（破線）から１．５ｎｍ（実線）へと薄くなることにより、直接トンネリングの確率が上がり、電気特性が向上したことがわかる。さらに、本発明者等はＡｌＩｎＮ層の膜厚のみが異なるサンプルを３種類用意し、その縦方向の導電率を評価した。その結果が図５である。図５に示す結果から、薄膜化により直接トンネリング確率が増大し、導電率が向上していることが確認できた。さらに、ＡｌＩｎＮ層の膜厚が２ｎｍ以下であれば一般的にｎ型クラッド層として用いられるＡｌＧａＮよりも導電率が高いことが確認できた。
【００３０】
このようにして、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
【００３１】
（製造方法）
続いて本開示の半導体発光素子の製造方法を、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図８、図９を用いて説明する。
【００３２】
（ａ）まず、ＭＯＣＶＤを用いて、ｎ型伝導性を有するＧａＮからなる基板１１１上に、ＡｌＩｎＮからなる第１のｎ型窒化物半導体層１１２ａとＧａＮからなる第２のｎ型窒化物半導体層１１２ｂとを交互に積層してｎ型クラッド層１１２を形成する。
【００３３】
続いて、ｎ型ガイド層１１３、活性層１１４、ｐ型ガイド層１１５、ｐ型クラッド層１１６、ｐ型コンタクト層１１７を形成する（図６Ａ）。
【００３４】
（ｂ）次に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによりｐ型コンタクト層１１７上に、ＳｉＯ２マスク（図示せず）を形成する。その後、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、ＳｉＯ２マスクにストライプ状のパターンを作製し、ｐ型コンタクト層１１７を露出させる。
【００３５】
次に、例えば塩素（Ｃｌ２）ガスによるドライエッチングを施し、ｐ型コンタクト層１１７を貫通し、ｐ型クラッド層１１６の一部までをエッチングする。
【００３６】
次に、フッ酸（ＨＦ）などのウェットエッチングにより、ＳｉＯ２マスクを除去する（図６Ｂ）。
【００３７】
（ｃ）次に、プラズマＣＶＤ法などにより、例えばＳｉＯ２からなる電流ブロック層１２１をｐ型クラッド層１１６およびｐ型コンタクト層１１７上に形成する。続いてフォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、ｐ型コンタクト層１１７が露出するように、電流ブロック層１２１をエッチングする。
【００３８】
次に、フォトリソグラフィ法と真空蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層１１７と電気的に接するように、ｐ電極１２２を形成する。
【００３９】
次に、フォトリソグラフィ法と真空蒸着法を用いて、基板１１１の裏面にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の多層膜からなるｎ電極１２３を形成する。
【００４０】
最後に、図示しない、ブレードを用いたダイシング、またはへき開によりチップ分離を行うことで、半導体発光素子を形成する（図６Ｃ）。
【００４１】
ここで、工程（ａ）においてＡｌＩｎＮの結晶成長速度（成長レート）と表面モフォロジについて述べる。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに示すように、ＡｌＩｎＮの表面モフォロジの成長レートを低下させることで表面モフォロジが平坦化し、より結晶性が高いｎ型クラッド層１１２を形成できる。成長レートの低いｎ型クラッド層１１２においては、図８に示すように断面ＴＥＭ像で明瞭なコントラストが得られる。
【００４２】
なお、実際に本発明者等が作製したデバイス特性を評価した結果を図９に示す。図９の実線は、ｎ型クラッド層１１２としてＩｎＡｌＮ超格子バッファ層を用いた結果を示す。図９の破線は、ｎ型クラッド層１１２としてＡｌＧａＮを用いた結果を示す。この図９に示す結果より、ｎ型クラッド層１１２として、ＩｎＡｌＮ超格子バッファ層を用いた方が、ｎ型クラッド層１１２としてＡｌＧａＮを用いるよりも半導体発光素子が低抵抗となることがわかる。
【００４３】
以上のような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
【００４４】
（実施形態２）
（構造）
まず、本開示の実施形態２に係る半導体発光素子の構造について、図１０を用いて説明する。図１０は本開示の実施形態２に係る半導体発光素子の断面図である。半導体発光素子２１０は、基板２１１と、ｎ型クラッド層２１２と、活性層２１４と、ｐ型クラッド層２１６と、を備える。ｎ型クラッド層２１２は、基板２１１の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。活性層２１４は、ｎ型クラッド層２１２の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。ｐ型クラッド層２１６は、活性層２１４の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。ｎ型クラッド層２１２は、少なくとも組成の異なる第１のｎ型窒化物半導体層である下部ｎ型クラッド層２１２ａと第２のｎ型窒化物半導体層である上部ｎ型クラッド層２１２ｂが積層された多層膜からなる。ｎ型クラッド層１１２の平均の格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きい。
【００４５】
このような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層２１４に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
【００４６】
以下、必須ではない任意の構成を含めたより具体的な説明を行う。基板２１１は、例えばｎ型ＧａＮ基板からなる。基板２１１の上方には、下部ｎ型クラッド層２１２ａと上部ｎ型クラッド層２１２ｂからなるｎ型クラッド層２１２が設けられる。ｎ型ガイド層２１３は、ｎ型クラッド層２１２の上方に設けられる。ｎ型ガイド層２１３は、例えばｎ型ＧａＮからなる。活性層２１４は、ｎ型ガイド層２１３の上方に設けられる。活性層２１４は、例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ量子障壁層が交互に３層積層されて構成されている。ｐ型ガイド層２１５は、活性層２１４の上方に設けられる。ｐ型ガイド層２１５は、例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる。ｐ型クラッド層２１６は、ｐ型ガイド層２１５の上方に設けられる。ｐ型クラッド層２１６は、例えばｐ型ＡｌＧａＮからなる。ｐ型コンタクト層２１７は、ｐ型クラッド層２１６の上方に設けられる。ｐ型コンタクト層２１７は、例えばｐ型ＧａＮからなる。
【００４７】
ここで、下部ｎ型クラッド層２１２ａは例えばＡｌＩｎＮである第１の下部ｎ型窒化物半導体層２１２ａ１と、例えばｎ型ＧａＮである第２の下部ｎ型窒化物半導体層２１２ａ２を含む多層膜で構成される。また、上部ｎ型クラッド層２１２ｂは例えばＡｌＩｎＮである第１の上部ｎ型窒化物半導体層２１２ｂ１と、例えばｎ型ＧａＮである第２の上部ｎ型窒化物半導体層２１２ｂ２を含む多層膜で構成される。このとき、第１の下部ｎ型窒化物半導体層２１２ａ１におけるＡｌＩｎＮのＩｎ組成は１７％よりも高く、ＧａＮの格子定数よりも大きい。また、ｎ型クラッド層２１２の平均の格子定数はＧａＮの格子定数よりも大きい。第１の下部ｎ型窒化物半導体層２１２ａ１および第１の上部ｎ型窒化物半導体層２１２ｂ１の膜厚はそれぞれ２ｎｍ以下であることが望ましい。また、ｐ型クラッド層のＡｌ組成は５％以上が好ましく、７％以上であるときに顕著に効果が現れる。
【００４８】
また、上部ｎ型クラッド層２１２ｂの平均格子定数はＧａＮの格子定数より小さくてもよい。さらに、本実施形態では上部ｎ型クラッド層２１２ｂと下部ｎ型クラッド層２１２ａの２層に分けて記載しているが、ｎ型クラッド層２１２内での平均格子定数が、基板２１１側から表面側に向かって連続的に変化してもよい。その場合は、基板２１１側の平均格子定数が表面側の平均格子定数よりも大きいことが望ましい。
【００４９】
このような半導体発光素子２１０の表面に形成される光導波路は、ｐ型クラッド層２１６の一部まで掘りこんだリッジ構造が形成されている。さらに、リッジ構造を覆うように電流ブロック層２２１が形成されている。さらに、電流ブロック層２２１にはｐ型コンタクト層２１７が露出するような開口が設けられ、ｐ電極２２２がｐ型コンタクト層２１７に接するように形成されている。ｐ電極２２２は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ等の少なくとも一つ以上の金属の単層／多層膜からなる。また、基板２１１の裏面には例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ等の少なくとも一つ以上の金属の単層／多層膜からなるｎ電極２２３が形成されている。半導体発光素子２１０は、ｐ電極２２２とｎ電極２２３の間に電流が注入されることで、レーザ動作またはスーパールミネッセントダイオード動作をする。
【００５０】
上記の構成において、活性層２１４は、例えば波長４５０ｎｍもしくは波長５２０ｎｍを中心とする青色もしくは緑色発光を示すように調整されている。なお本実施の形態においては、基板２１１が導電性を有するｎ型ＧａＮである例を示したが、基板２１１を構成する材料はこれに限定されない。基板２１１を構成する材料には、例えばｎ型ＳｉＣやｎ型Ｓｉなどの異種基板を用いることができる。さらには、基板２１１を構成する材料にはサファイア基板等の絶縁基板を用いることができる。この場合、光導波路外部の、ｎ型クラッド層２１２が露出した表面に、ｐ電極２２２と電気的に絶縁されたｎ電極２２３を形成することで半導体発光素子に電力を供給することができる。
【００５１】
なお本実施形態においては、活性層２１４が、例えば波長４５０ｎｍもしくは波長５２０ｎｍを中心とする光を発光する例を示したがこの限りではない。例えば活性層２１４のインジウムの組成を変化させることで、活性層２１４は波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍの間の特定の波長を中心に発光することができる。
【００５２】
（動作および効果）
続いて、本実施形態の半導体発光素子の効果について図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、図１２を用いて説明する。
【００５３】
まず、図１１Ａ，図１１Ｂ、図１１Ｃを用いて、ｐ型クラッド層２１６、ｎ型クラッド層２１２に加えられる歪について説明する。図１１Ａ，図１１Ｂ、図１１Ｃは、ｐ型クラッド層２１６、ｎ型クラッド層２１２に加えられている歪の大きさと方向を示している。矢印の大きさは歪の大きさを表す。ここで、半導体発光素子２１０において、過剰な歪エネルギーは、表面から基板方向に、引っ張り歪を受けている層において蓄積される。そして、その蓄積されたエネルギーが一定以上になると、転位やクラックの起点となる。したがって、転位やクラックを抑制するためには、過剰歪エネルギーが最大となる基板２１１とｎ型クラッド層２１２との界面に加わる歪を低減することが重要である。したがって、本開示の構成のように下部ｎ型クラッド層２１２ａの格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きい場合、歪の発生を抑制しつつ上部ｎ型クラッド層２１２ｂやｐ型クラッド層２１６を形成することができる（図１１Ａ、図１１Ｂ）。また、ｎ型クラッド層２１２内での平均格子定数が、基板２１１側から表面側に向かって連続的に変化する場合、多層膜の界面に生じる歪の発生が抑制される（図１１Ｃ）。さらに、ｎ型クラッド層２１２は、薄膜を交互に積層させた超格子であるため、この超格子構造によっても歪を軽減できる。
【００５４】
次に、本実施形態に係る半導体発光素子の光分布について図１２に示す。本開示においては上部ｎ型クラッド層２１２ｂの屈折率を低くできるため、効果的に光を活性層２１４近傍に閉じ込めることができる。
【００５５】
このようにして、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
【００５６】
（実施形態３）
（構造）
まず、本開示の実施形態３に係る半導体発光素子の構造について、図１３を用いて説明する。図１３は本開示の実施形態３に係る半導体発光素子の断面図である。半導体発光素子３１０は、基板３１１と、ｎ型クラッド層３１２と、活性層３１４と、ｐ型クラッド層３１６と、を備える。ｎ型クラッド層３１２は、基板３１１の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。活性層３１４は、ｎ型クラッド層３１２の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。ｐ型クラッド層３１６は、活性層３１４の上方に形成され、窒化物半導体で構成される。ｎ型クラッド層３１２は、少なくとも組成の異なる第１のｎ型窒化物半導体層３１２ａと第２のｎ型窒化物半導体層３１２ｂが積層された多層膜からなる。ｎ型クラッド層３１２の平均の格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きい。
【００５７】
このような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層３１４に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
【００５８】
以下、必須ではない任意の構成を含めたより具体的な説明を行う。基板３１１は、ｎ型ＧａＮ基板からなる。ｎ型クラッド層３１２は、基板３１１の上方に設けられる。ｎ型ガイド層３１３は、ｎ型クラッド層３１２の上方に設けられる。ｎ型ガイド層３１３は、例えばｎ型ＧａＮからなる。活性層３１４は、ｎ型ガイド層３１３の上方に設けられる。活性層３１４は、例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ量子障壁層が交互に３層積層されて構成されている。ｐ型ガイド層３１５は、活性層３１４の上方に設けられる。ｐ型ガイド層３１５は、例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる。ｐ型クラッド層３１６は、ｐ型ガイド層３１５の上方に設けられる。ｐ型コンタクト層３１７は、ｐ型クラッド層３１６の上方に設けられる。ｐ型コンタクト層３１７は、例えばｐ型ＧａＮからなる。
【００５９】
ｎ型クラッド層３１２は例えばＡｌＩｎＮである第１のｎ型窒化物半導体層３１２ａと、例えばｎ型ＧａＮである第２のｎ型窒化物半導体層３１２ｂを含む多層膜で構成される。また、ｐ型クラッド層３１６は例えばＡｌＩｎＮである第１のｐ型窒化物半導体層３１６ａと、例えばｐ型ＧａＮである第２のｐ型窒化物半導体層３１６ｂを含む多層膜で構成される。このとき、下部ＡｌＩｎＮのＩｎ組成は１７％よりも高く、ＧａＮの格子定数よりも大きい。従って、ｎ型クラッド層３１２の平均の格子定数はＧａＮの格子定数よりも大きい。このとき、第１のｎ型窒化物半導体層３１２ａおよび第１のｐ型窒化物半導体層３１６ａの膜厚はそれぞれ２ｎｍ以下であることが望ましい。また、第１のｐ型窒化物半導体層３１６ａは、キャリアであるホールが電子よりも有効質量が大きいため、第１のｐ型窒化物半導体層３１６ａの膜厚は第１のｎ型窒化物半導体層３１２ａの膜厚よりも小さいことが望ましい。そのため、第１のｐ型窒化物半導体層３１６ａの膜厚が０．５ｎｍ以下であると、より高効率な縦伝導半導体発光素子が実現できる。
【００６０】
このような半導体発光素子３１０の表面に形成される光導波路は、ｐ型クラッド層３１６の一部まで掘りこんだリッジ構造が形成されている。さらに、電流ブロック層３２１がリッジ構造を覆うように形成されている。このとき、リッジ構造はテーパー構造であることが望ましい。さらに、電流ブロック層３２１にはｐ型コンタクト層３１７が露出するような開口が設けられ、ｐ電極３２２がｐ型コンタクト層３１７に接するように形成されている。ｐ電極３２２は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ等の少なくとも一つ以上の金属の単層または多層膜からなるまた、基板３１１の裏面には例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ等の少なくとも一つ以上の金属の単層または多層膜からなるｎ電極３２３が形成されている。半導体発光素子３１０は、ｐ電極３２２とｎ電極３２３の間に電流が注入されることで、レーザ動作またはスーパールミネッセントダイオード動作する構造となっている。
【００６１】
上記の構成において、活性層３１４は、例えば波長４５０ｎｍもしくは波長５２０ｎｍを中心とする青色もしくは緑色発光を示すように調整されている。なお本実施形態においては、基板３１１が導電性を有するｎ型ＧａＮであるとして説明したが、基板３１１を構成する材料はこれに限定されない。基板３１１を構成する材料には、例えばｎ型ＳｉＣやｎ型Ｓｉなどの異種基板を用いることができる。さらには、基板３１１を構成する材料には、サファイア基板等の絶縁基板を用いることも可能である。この場合、光導波路外部の、ｎ型クラッド層３１２が露出した表面に、ｐ電極３２２と電気的に絶縁されたｎ電極３２３を形成することで半導体発光素子に電力を供給することができる。
【００６２】
なお本実施形態においては、活性層３１４が、例えば波長４５０ｎｍもしくは波長５２０ｎｍを中心とする光を発光する例を示したが、活性層３１４の発光波長は、これに限定されない。例えば活性層３１４のインジウムの組成を変化させることで、活性層３１４は波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍの間の特定の波長を中心に発光することができる。
【００６３】
（動作および効果）
続いて、本実施形態の半導体発光素子の効果について説明する。
【００６４】
本実施形態の半導体発光素子では、ｎ型クラッド層３１２の平均格子定数がＧａＮの格子定数よりも大きい。また、ｐ型クラッド層３１６の平均格子定数は、第１のｐ型窒化物半導体層３１６ａおよび第２のｐ型窒化物半導体層３１６ｂに用いる材料の組み合わせにより、平均屈折率によらず、ＧａＮの格子定数に近い値とすることができる。そのため、半導体発光素子３１０全体に蓄積される歪のエネルギーを低減できるため、転位やクラックを抑制することができる。
【００６５】
さらに、ｐ型クラッド層３１６の構成をｎ型クラッド層３１２と似た構造とすることにより、ｐ側、ｎ側の屈折率の対称性が高くなり、光分布を改善することができる。
【００６６】
このような構成により、歪によるクラック・転位や電子と正孔の分離を発生させることなく、対称性高く活性層に光を閉じ込めることのできる、低抵抗で高効率な縦伝導半導体発光素子を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本開示は、例えばプロジェクタ用の可視光光源に適用でき非常に有用である。
【符号の説明】
【００６８】
１１０，２１０，３１０    半導体発光素子
１１１，２１１，３１１    基板
１１２，２１２，３１２    ｎ型クラッド層
１１２ａ，３１２ａ    第１のｎ型窒化物半導体層
１１２ｂ，３１２ｂ    第２のｎ型窒化物半導体層
１１３，２１３，３１３    ｎ型ガイド層
１１４，２１４，３１４    活性層
１１５，２１５，３１５    ｐ型ガイド層
１１６，２１６，３１６    ｐ型クラッド層
１１７，２１７，３１７    ｐ型コンタクト層
１２１，２２１，３２１    電流ブロック層
１２２，２２２，３２２    ｐ電極
１２３，２２３，３２３    ｎ電極
２１２ａ    下部ｎ型クラッド層
２１２ａ１    第１の下部ｎ型窒化物半導体層
２１２ａ２    第２の下部ｎ型窒化物半導体層
２１２ｂ    上部ｎ型クラッド層
２１２ｂ１    第１の上部ｎ型窒化物半導体層
２１２ｂ２    第２の上部ｎ型窒化物半導体層
３１６ａ    第１のｐ型窒化物半導体層
３１６ｂ    第２のｐ型窒化物半導体層
【図１】
2015001692.tif 000003
【図２Ａ】
2015001692.tif 000004
【図２Ｂ】
2015001692.tif 000005
【図３Ａ】
2015001692.tif 000006
【図３Ｂ】
2015001692.tif 000007
【図３Ｃ】
2015001692.tif 000008
【図４】
2015001692.tif 000009
【図５】
2015001692.tif 000010
【図６Ａ】
2015001692.tif 000011
【図６Ｂ】
2015001692.tif 000012
【図６Ｃ】
2015001692.tif 000013
【図７Ａ】
2015001692.tif 000014
【図７Ｂ】
2015001692.tif 000015
【図７Ｃ】
2015001692.tif 000016
【図８】
2015001692.tif 000017
【図９】
2015001692.tif 000018
【図１０】
2015001692.tif 000019
【図１１Ａ】
2015001692.tif 000020
【図１１Ｂ】
2015001692.tif 000021
【図１１Ｃ】
2015001692.tif 000022
【図１２】
2015001692.tif 000023
【図１３】
2015001692.tif 000024
【図１４】
2015001692.tif 000025
【図１５】
2015001692.tif 000026
【国際調査報告】
2015001692.tif 000027
2015001692.tif 000028
2015001692.tif 000029
2015001692.tif 000030