(57)【要約】【課題】超格子構造の半導体層において垂直方向の電気抵抗率は水平方向の電気抵抗率より大きいことが知られており、正孔は移動しやすい水平方向へ拡散することになる。従って、超格子構造のクラッド層の一部をリッジ構造とする半導体発光素子では、前記リッジ構造を通過した正孔は水平方向へ拡散するため、活性層への電流密度が低下して半導体発光素子のしきい値電流が大きくなるという課題があった。そこで、本願発明は正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することを目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、前記超格子構造のクラッド層の前記活性層側にバルク構造の半導体層を隣接して、垂直方向において前記超格子構造のクラッド層又は前記超格子構造のクラッド層から前記バルク構造の半導体層の一部までをリッジ構造とすることとした。【選択図】図１
2007110049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子と正孔とが再結合して光を発生させる活性層と、
前記活性層に対して極性がｐ型の側に積層され、組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の第二半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
積層方向において前記第二半導体層又は前記第二半導体層から前記第一半導体層の一部までがリッジ構造であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層と前記第一半導体層との間にあって、前記活性層のｐ型の側に隣接して積層され、活性層からの電子が前記第一半導体層へ拡散することを防止する電子バリア層と、
前記電子バリア層と前記第一半導体層との間にあって、前記電子バリア層の前記第一半導体層側及び前記第一半導体層の前記電子バリア層側に隣接して積層され、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、
をさらに備え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３】
前記第一半導体層のＡｌの含有率は、前記第一半導体層の前記活性層側から前記第二半導体層側へ向けて、前記第一半導体層の前記活性層側に隣接する半導体層のＡｌの含有率以上の値から前記第二半導体層のうち組成式ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のＡｌの含有率以下の値へ単調増加することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第一半導体層のＡｌの平均含有率と前記第二半導体層のＡｌの平均含有率とは略等しいことを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項５】
前記第二半導体層の積層方向の厚さは前記第一半導体層の積層方向の厚さより大きいことを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体層を積層して形成される半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子はキャリアの再結合により光を発生させる活性層と呼ばれる半導体層及び活性層を両側から挟み活性層にキャリアを供給するクラッド層と呼ばれる半導体層から構成されるダブルヘテロ接合構造を基本構造としている。
【０００３】
活性層のバンドギャップにより発光する光の波長が定まるため、活性層は所望の波長の光が得られる材料や構成が選択される。クラッド層は活性層にキャリアを供給しやすくするために活性層よりバンドギャップが広くなるように設計され、キャリアの極性をコントロールする不純物が添加されている。
【０００４】
さらに、半導体レーザの場合、前記活性層で発生した光を反射して誘導放出を促進させる光閉じ込め機能を有する半導体層が前記クラッド層と前記活性層との間に配置される。前記クラッド層及び前記光閉じ込め機能を有する半導体層を備えた半導体発光素子の構造は分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）と呼ばれることもある。
【０００５】
組成式ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ（０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、０≦ｍ＋ｎ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物（以下、「組成式ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ（０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、０≦ｍ＋ｎ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物」と略記する。）は組成を変化させることでバンドギャップを調整することができ、所望の波長の光を発光することができるため、半導体発光素子はＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物を積層したＳＣＨ構造のものが多い。
【０００６】
近年、半導体発光素子の電気抵抗を低減させ、駆動電圧を低くするため、前記クラッド層を組成式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜との超格子構造とすることが効果的であることが報告されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、半導体発光素子が発光するためには、活性層に対して数ｋＡ／ｃｍ２程度の電流密度が要求されることもある。前記電流密度を得るために、半導体発光素子は活性層の陽電極側をリッジ構造として電流狭搾することが多い。
【０００８】
なお、半導体発光素子における半導体層の積層方向を垂直方向、半導体層の積層方向に対して垂直な方向を水平方向として説明する。
【特許文献１】特開２００３−０８６８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、前記超格子構造の半導体層において垂直方向の電気抵抗率は水平方向の電気抵抗率より大きいことが知られており、正孔は移動しやすい水平方向へ拡散することになる。従って、超格子構造の一部をリッジ構造とする半導体発光素子では、前記リッジ構造で電流を狭搾しても、前記リッジ構造を通過した正孔は水平方向へ拡散してしまい、前記活性層への電流密度が低下して半導体発光素子のしきい値電流が大きくなるという課題があった。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子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】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、前記超格子構造のクラッド層の前記活性層側にバルク構造の半導体層を隣接して、垂直方向において前記超格子構造のクラッド層又は前記超格子構造のクラッド層から前記バルク構造の半導体層の一部までをリッジ構造とすることとした。
【００１２】
具体的には、本発明は、電子と正孔とが再結合して光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に積層され、組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、積層方向において前記第二半導体層又は前記第二半導体層から前記第一半導体層の一部までがリッジ構造であることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１３】
バルク構造の半導体層の垂直方向と水平方向との電気抵抗率との差は、超格子構造の半導体層の垂直方向と水平方向との電気抵抗率との差より小さい。前記半導体発光素子の前記第二半導体層に隣接する前記第一半導体層はバルク構造であり、前記リッジ構造を通過した正孔は前記第一半導体層においても垂直方向に容易に移動できるため、水平方向に拡散せずに活性層へ到達し、活性層への電流密度が増加する。
【００１４】
従って、本発明はリッジ構造通過後の正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【００１５】
本発明に係る半導体発光素子は、前記活性層と前記第一半導体層との間にあって、前記活性層のｐ型の側に隣接して積層され、活性層からの電子が前記第一半導体層へ拡散することを防止する電子バリア層と、前記電子バリア層と前記第一半導体層との間にあって、前記電子バリア層の前記第一半導体層側及び前記第一半導体層の前記電子バリア層側に隣接して積層され、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、をさらに備える。
【００１６】
前記第三半導体層は前記活性層で発生した光を導波させ、活性層における誘導放出を促す。前記電子バリア層は前記活性層の発光による熱エネルギーを得た電子がｐ型側の半導体層へ移動し、ｐ型側半導体層で正孔と再結合して発光効率を低下させることを防止する。
【００１７】
従って、本発明は正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流が小さく、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【００１８】
本発明に係る半導体発光素子において、前記第一半導体層のＡｌの含有率は、前記第一半導体層の前記活性層側から前記第二半導体層側へ向けて、前記第一半導体層の前記活性層側に隣接する半導体層のＡｌの含有率以上の値から前記第二半導体層のうち組成式ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のＡｌの含有率以下の値へ単調増加することが好ましい。
【００１９】
前記第一半導体層のＡｌの含有率を前記活性層側から前記第二半導体層側へ前記範囲の値で単調増加させることで、前記第一半導体層の前記活性層側に隣接する前記第三半導体層等の半導体層の結晶格子と前記第一半導体層の前記活性層側の結晶格子とは近似するため、前記第三半導体層等の半導体層と前記第一半導体層との界面で生ずる結晶欠陥を低減することができる。さらに、前記界面において格子定数差に起因したピエゾ電界の発生も抑制することができる。
【００２０】
同様に、前記第二半導体層と前記第一半導体層との界面においても結晶欠陥を低減でき、ピエゾ電界の発生も抑制することができる。
【００２１】
従って、本発明は、結晶欠陥の低減及びピエゾ電界の抑制は電気抵抗を低減できるため、駆動電圧を低減でき、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【００２２】
本発明に係る半導体発光素子は、前記第一半導体層のＡｌの平均含有率と前記第二半導体層のＡｌの平均含有率とは略等しいことが好ましい。
【００２３】
前記第一半導体層のＡｌの平均含有率と前記第二半導体層のＡｌの平均含有率とを同等の値とすることで、前記第一半導体層の平均のバンドギャップと前記第二半導体層の平均のバンドギャップとが同程度となるため、正孔は前記第二半導体層から前記第一半導体層へ容易に移動することができる。
【００２４】
従って、電気抵抗を低減できるため、本発明は駆動電圧を低減でき、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【００２５】
本発明に係る半導体発光素子は、前記第二半導体層の積層方向の厚さは前記第一半導体層の積層方向の厚さより大きいことが好ましい。
【００２６】
超格子構造の前記第二半導体層の積層方向の厚さ（以下、「半導体層の積層方向の厚さ」を「半導体層の膜厚」と略記する。）を前記第一半導体層の膜厚より厚くすることで、前記半導体発光素子の電気抵抗を低減することができる。
【００２７】
従って、本発明は駆動電圧を低減でき、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本願発明により、正孔が水平方向へ拡散することを防止して、しきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本願発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本願発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
本実施形態は、電子と正孔とが再結合して光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がｐ型の側に積層され、組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、積層方向に組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、積層方向において前記第二半導体層又は前記第二半導体層から前記第一半導体層の一部までがリッジ構造であることを特徴とする半導体発光素子である。
【００３１】
本発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子１０１の断面の概念図を図１に示す。半導体発光素子１０１は電極１１、基板１２、ｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７、活性層１４、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７、ｐ型コンタクト層１８、電極１９及び絶縁膜２０を備える。
【００３２】
半導体発光素子１０１は基板１２上に各半導体層を積層しており、活性層１４に対して電極１９の側の半導体層、すなわちｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８をｐ型としている。
【００３３】
一方、活性層１４に対して基板１２の側の半導体層、すなわちｎ型第四半導体層２７、及びｎ型下地層１３をｎ型としている。半導体発光素子１０１は陽電極及び陰電極が基板に対して同一の方向にある表面電極型の半導体発光素子である。
【００３４】
電極１１及び電極１９は半導体発光素子１０１に電圧を印加するために配置される。電極と半導体とが接触したときに整流性を生ずれば半導体発光素子としての効率を損なうため、電極１１及び電極１９は半導体とオーム接触できる素材であることが望ましい。さらに、外部の電源等の装置との配線との接触抵抗が小さい素材であることが望ましい。そのため、半導体と接触する素材と配線と接続する素材との間にバッファとなる素材を挟む構造であることが好ましい。例えば、ｎ型半導体と接触する電極１１の素材としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＡｕやＡｌ／Ａｕが例示される。ｐ型半導体と接触する電極１９の素材としては、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ及びＰｄ／Ｐｔ／Ａｕが例示される。
【００３５】
基板１２は半導体薄膜で構成される半導体発光素子１０１を物理的に支えるために配置される。半導体発光素子１０１の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物を積層させる場合はサファイヤが例示される。
【００３６】
活性層１４は電子及び正孔の再結合により光を発光する層である。活性層１４に採用される素材のバンドギャップにより発光する光の波長が定まる。活性層１４に採用される素材は発光効率の高い直接遷移型の半導体であることが好ましい。例えば、ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物を使用することで、組成変更により幅広いバンドギャップを作り出すことができ、所望の波長の半導体発光素子を製造することができる。
【００３７】
また、活性層１４はバンドギャップが互いに異なる少なくとも二種類の半導体薄膜を交互に配置させることで、バンドギャップの広い方の半導体薄膜を障壁層とし、バンドギャップの狭い方の半導体薄膜を井戸層とした多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることもできる。活性層１４を前記ＭＱＷとすることで特定のエネルギー状態に電子が集中し、小電流でも効率よく発光することが実現できる。ＭＱＷとした場合、前記井戸層のバンドギャップで発光する光の波長が定まる。
【００３８】
ＭＱＷは、障壁層として前記組成式においてｍ＝０、ｎ＝ｄ（０．９５≦ｄ≦１、好ましくは０．９７≦ｄ≦１）のＩＩＩ族窒化物系化合物と量子井戸として前記組成式においてｍ＝０、ｎ＝ｅ（ｅ＜ｄ且つ０．８０≦ｅ≦０．９５、好ましくはｅ＜ｄ且つ０．８５≦ｅ≦０．９）のＩＩＩ族窒化物系化合物との組み合わせが例示される。また、ＭＱＷの障壁層として５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、ＭＱＷの井戸層として１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚が例示される。ＭＱＷを構成する前記障壁層と前記井戸層との組は２組以上３組以下であることが例示される。
【００３９】
ｎ型第四半導体層２７はＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の半導体層である。ｎ型第四半導体層２７は前記組成式においてｍ＝ａ（０．０１≦ａ≦０．１５、好ましくは０．０５≦ａ≦０．１）、ｍ＋ｎ＝１の関係のＩＩＩ族窒化物系化合物が例示される。ｎ型第四半導体層２７の膜厚は３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、好ましくは４００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下が例示される。
【００４０】
また、ｎ型第四半導体層２７はキャリア密度を高めるためｎ型不純物、例えばＳｉ又はＯが添加される。不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下、好ましくは３×１０１８ｃｍ−３が例示される。
【００４１】
ｐ型第二半導体層１７は、積層方向に組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜と組成式がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜とを交互に配置する超格子構造を有する。ｐ型第二半導体層１７の膜厚は電気抵抗及び正孔供給の観点から１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、好ましくは、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下が例示される。また、ｐ型第二半導体層１７のＡｌの平均含有率は４％以上１０％以下、好ましくは６％以上８％以下が例示される。
【００４２】
ｐ型第二半導体層１７はキャリア密度を高めるためｐ型不純物、例えばＭｇが添加される。ｐ型第二半導体層１７の平均のｐ型不純物濃度は５×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下、好ましくは３×１０１９ｃｍ−３が例示される。
【００４３】
ｐ型第一半導体層１５は、組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の半導体層である。ｐ型第一半導体層１５はｐ型第二半導体層１７より電気抵抗が高いため、ｐ型第一半導体層１５の膜厚はｐ型第二半導体層１７の膜厚より小さいことが好ましい。例えば、ｐ型第一半導体層１５の膜厚はｐ型第二半導体層１７の膜厚の１／４の値であることが例示される。電気抵抗を下げるためにはｐ型第一半導体層１５の膜厚は５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
また、ｐ型第一半導体層１５のＡｌの平均含有率は４％以上１０％以下、好ましくは６％以上８％以下が例示される。なお、ｐ型第一半導体層１５のＡｌの平均含有率はｐ型第二半導体層１７のＡｌの平均含有率と略等しいことが望ましい。
【００４５】
ｐ型コンタクト層１８は電極１９とオーム接触するための半導体層である。例えば、膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＧａＮ化合物が例示できる。ｐ型コンタクト層１８がＧａＮ化合物の場合、添加する不純物としてＭｇが例示される。
【００４６】
ｎ型下地層１３はｎ型下地層１３上に積層する半導体の結晶性を向上させることができる。例えば、膜厚１μｍ以上５μｍ以下のＳｉを不純物としてｎ型としたＧａＮ化合物が例示できる。不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下であることが例示される。
【００４７】
絶縁膜２０は電極と各半導体層とを電気的に分離する。例えば、ＺｒＯ２もしくはＳｉＯ２が例示できる。
【００４８】
半導体発光素子１０１は以下に説明するように形成する。
【００４９】
（半導体層積層工程）
基板１２上にｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７、活性層１４、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８を順に積層する。
【００５０】
半導体発光素子１０１の各半導体層は有機金属気相成長法（以下、「有機金属気相成長法」を「ＭＯＣＶＤ法」と略記する。）を利用して積層される。ＭＯＣＶＤ法は原料ガスを反応炉（チャンバ）に導き入れ、チャンバ内に固定され、摂氏６００度から摂氏１１００度に維持された基板上で原料ガスを熱分解して反応させ薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。原料ガスの流量及び濃度、反応温度及び時間、希釈ガスの種類等の製造パラメータを制御することで組成や膜厚の異なる半導体層を容易に積層して製造することができる。
【００５１】
ｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７、活性層１４、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８がＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の場合、ＭＯＣＶＤ法はＩＩＩ族元素としてＧａ（ＣＨ３）３（トリメチルガリウム、以下「ＴＭＧ」と略記する。）、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３（トリエチルインジウム、以下「ＴＭＩ」と略記する。）及びＡｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム、以下「ＴＭＡ」と略記する。）をキャリアガスである水素又は窒素でバブリングさせた蒸気を原料ガスとして使用し、窒化物とするためにアンモニアガスを使用する。原料ガスは水素又は窒素のキャリアガスにてチャンバに導入する。
【００５２】
また、不純物はｐ型ドーパントとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）又はｎ型ドーパントとしてＳｉＨ４（シラン）も同様に蒸気としてチャンバに導き入れることができる。
【００５３】
ＭＯＣＶＤ法はＣＰ２Ｍｇ又はＳｉＨ４、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びアンモニアを所定の混合比で混合した混合ガスの流量ならびに基板温度の製造パラメータで所望の組成のＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物を成長させることができ、反応時間で膜厚を制御することができる。従って、ＭＯＣＶＤ法で、基板１２上にｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７、活性層１４、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８を連続して積層することができる。
【００５４】
（リッジ構造エッチング工程）
次にリッジ構造の半導体層を以下のように形成する。まず、ｐ型コンタクト層１８の上面にエッチングマスク層を積層する。前記エッチングマスク層はスパッタリングで形成するＳｉＯ２層や回転塗布後に加熱固化若しくは紫外線硬化して形成するＳｉＯ２層が例示できる。前記エッチングマスク層形成後、前記エッチングマスク層の上面にリソグラフィ技術でリッジ構造を形成する部分にレジストパターンを形成する。前記レジストパターン形成後、形成したレジストパターンをマスクとして、前記エッチングマスク層をエッチングする。その後、エッチングされなかった前記エッチングマスク層上のレジストパターンを剥離することでエッチングマスクパターンが形成される。
【００５５】
次いで、上記エッチングマスクパターンをマスクとしてｐ型コンタクト層１８、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型第一半導体層１５の一部をエッチングする。エッチングとしてＣｌ系プラズマを利用したドライエッチングが例示できる。本工程で、図１のようにｐ型コンタクト層１８、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型第一半導体層１５の一部がリッジ構造となる。なお、ｐ型第一半導体層１５はエッチングせず、ｐ型コンタクト層１８及びｐ型第二半導体層１７をリッジ構造としてもよい。
【００５６】
（絶縁膜形成工程）
前記エッチングマスクパターン、前記リッジ構造エッチング工程で露出したｐ型第一半導体層１５、前記リッジ構造の側面を覆うように絶縁膜２０を形成する。絶縁膜２０を形成する手段としてはスパッタリングが例示できる。
【００５７】
（エッチングマスクパターン除去工程）
前記絶縁膜形成工程後、ｐ型コンタクト層１８上の前記エッチングマスクパターンを除去する。前記エッチングマスクパターンを除去する手段として、１−水素２−フッ化アンモニウム溶液であるバッファドフッ酸に所定の時間浸してウェットエッチングすることが例示できる。前記エッチングマスクパターンを除去することで、前記エッチングマスクパターン上に積層している絶縁膜２０もリフトオフされ、ｐ型コンタクト層１８が露出する。
【００５８】
（電極１９形成工程）
前記エッチングマスクパターン除去工程後、露出したｐ型コンタクト層１８及びリフトオフされなかった絶縁膜２０の全面を覆うように電極１９を形成する。電極１９の形成手段としてスパッタリングや真空蒸着が例示できる。
【００５９】
（電極１１形成工程）
電極１９形成工程後、電極１１を形成する箇所の陰電極部Ｍを形成するために再度リソグラフィ技術を用いて陽電極部Ｐの上層を覆うレジストパターンを作り、ドライエッチングで陰電極部Ｍの電極１９、絶縁膜２０及びｐ型半導体層１５からｎ型下地層１３の一部までの半導体層を除去する。前記ドライエッチングで露出したｎ型下地層１３の上面に電極１１を形成する。電極１１の形成手段としてスパッタリングや真空蒸着が例示できる。
【００６０】
前記半導体層積層工程から前記電極１１形成工程までを経て半導体発光素子１０１が得られる。
【００６１】
図２に半導体発光素子１０１の活性層１４からｐ型コンタクト層１８までの各半導体層におけるＡｌの含有率２０１の推移の一例を示す。図２において縦軸はＡｌの含有率を示している。図２において横軸の１４ａは活性層１４の領域、１５ａはｐ型第一半導体層１５の領域、１７ａはｐ型第二半導体層１７の領域、１８ａはｐ型コンタクト層１８の領域、１７ｃはｐ型第二半導体層１７のうちＡｌｙＧａ１−ｙＮ化合物の層の領域及び１７ｂはｐ型第二半導体層１７のうちＧａＮ化合物の領域を示している。図２の例ではｐ型第一半導体層１５のＡｌの含有率は６％であり、ｐ型第二半導体層１７のうちＡｌｙＧａ１−ｙＮ化合物のＡｌの含有率は１０％である。また、ｐ型コンタクト層１８のＡｌの含有率は０％である。
【００６２】
ｐ型第一半導体層１５のＡｌの平均含有率とｐ型第二半導体層１７のＡｌの平均含有率とは略等しいことが例示される。略等しいとは、例えば、ｐ型第一半導体層１５のＡｌの含有率が６％の場合、ｐ型第二半導体層の平均のＡｌの含有率は５％以上７％以下の範囲にあることを意味する。
【００６３】
半導体発光素子１０１のバンドダイヤグラムの概念図を図３に示す。図３において、図２で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。図３において１１ａは電極１１の領域、１３ａはｎ型下地層１３の領域、２７ａはｎ型第四半導体層２７の領域及び１９ａは電極１９の領域を示している。３０１は価電子帯のトップ準位、３０２は伝導帯の底部準位である。半導体発光素子１０１の活性層１４はＭＱＷ構造である。活性層１４の領域１４ａにおいて１４ｂは井戸層の領域、１４ｃは障壁層の領域を示している。なお、図３において電極１１からｎ型下地層１３まで及びｐ型コンタクト層１８から電極１９までのバンドギャップの一部を省略して表示している。
【００６４】
電極１９を陽極として、電極１１を陰極として電圧を印加することで電極１１から電子が、電極１９から正孔が半導体発光素子１０１に注入される。注入された電子はｎ型下地層１３及びｎ型第四半導体層２７を順に移動して活性層１４に、注入された正孔はｐ型コンタクト層１８、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型第一半導体層１５を順に移動して活性層１４に注入される。
【００６５】
ｐ型第二半導体層１７は超格子構造であるが、リッジ構造であるため正孔は拡散することはない。さらに、ｐ型第一半導体層１５はバルク構造であるため、正孔は水平方向に拡散し難く、リッジ構造の下の活性層１４に集中することになる。
【００６６】
活性層１４は活性層１４の各井戸層に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することにより量子井戸の価電子帯のトップ準位３０１と伝導帯の底部準位３０２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【００６７】
従って、本発明は超格子構造を採用しつつ、リッジ構造通過後の正孔が水平方向へ拡散することを防止して、活性層への電流密度を高め、低抵抗且つしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【００６８】
（実施の形態２）
本実施形態に係る半導体発光素子は、前記活性層と前記第一半導体層との間にあって、前記活性層のｐ型の側に隣接して積層され、活性層からの電子が前記第一半導体層へ拡散することを防止する電子バリア層と、前記電子バリア層と前記第一半導体層との間にあって、前記電子バリア層の前記第一半導体層側及び前記第一半導体層の前記電子バリア層側に隣接して積層され、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、をさらに備える。
【００６９】
本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子１０２の断面の概念図を図４に示す。図４において、図１で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子１０２と図１の半導体発光素子１０１との違いは、半導体発光素子１０２には半導体発光素子１０１のｐ型第一半導体層１５と活性層１４との間にｐ型第三半導体層２３及び電子バリア層２４ならびに活性層１４とｎ型第四半導体層２７との間にｎ側第五半導体層２５を有することである。
【００７０】
半導体発光素子において、発光に伴う発熱による熱エネルギーを受けた電子が量子井戸の障壁を越えてｐ型側の半導体層へ移動して、発光に携わらない無効キャリアとなって半導体発光素子の発光効率を低下させるキャリアオーバーフローという現象が生ずる。電子バリア層２４はキャリアオーバーフローを防止するＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物である。電子バリア層２４はバンドギャップが広く、伝導帯の底部準位が高いため、前記熱エネルギーを得た電子であっても電子バリア層２４を通過してｐ型側の半導体層へ移動することができない。
【００７１】
例えば、電子バリア層２４として組成式がＡｌ１−ｓＧａｓＮ（０≦ｓ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物が例示される。電子バリア２４のＡｌの含有率は１０％以上３０％以下、好ましくは１５％以上２５％以下が例示される。
【００７２】
また、電子バリア層２４の膜厚は１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上２５ｎｍ以下が例示される。
【００７３】
ｐ側第三半導体層２３は、ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の半導体層である。活性層１４に不純物が拡散しないようにｐ側第三半導体層２３には不純物はｐ型第二半導体層１７及びｐ型第一半導体層１５に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、ｐ側第三半導体層２３のバンドギャップは活性層１４のバンドギャップより広く設計される。活性層１４が前記ＭＱＷである場合、ｐ側第三半導体層２３のバンドギャップは前記ＭＱＷを構成する障壁層のバンドギャップより広く、ｐ型第一半導体層１５のバンドギャップより狭い。
【００７４】
具体的には、ｐ側第三半導体層２３の組成を前記組成式においてｍ＝０及びｎ＝１とする、すなわちＧａＮ化合物とすることが例示される。前記組成式においてｍ＝０及び０．９５≦ｎ≦１とする、すなわちＧａＩｎＮ化合物としてもよい。
【００７５】
また、ｐ側第三半導体層２３の膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下が例示される。
【００７６】
ｎ側第五半導体層２５はＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の半導体層である。活性層１４に不純物が拡散しないようにｎ側第五半導体層２５の不純物はｎ型第四半導体層２７に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、ｎ側第五半導体層２５のバンドギャップはｐ側第三半導体層２３で説明した範囲に設計される。
【００７７】
また、ｎ側第五半導体層２５の組成及び膜厚の範囲はｐ側第三半導体層２３の組成及び膜厚の範囲と同様である。
【００７８】
半導体発光素子１０２は基板１２上にｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７、ｎ側第五半導体層２５、活性層１４、電子バリア層２４、ｐ側第三半導体層２３、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８を順に積層する。
【００７９】
半導体発光素子１０２は図１の半導体発光素子１０１で説明したように製造することができる。
【００８０】
図５に半導体発光素子１０２の活性層１４からｐ型コンタクト層１８までの各半導体層におけるＡｌの含有率２０１の推移の一例を示す。図５において縦軸及び横軸は図２と同じものを示し、図２で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域である。図５において、２３ａはｐ側第三半導体層２３の領域及び２４ａは電子バリア層２４の領域を示している。図５の例ではｐ側第三半導体層２３のＡｌの含有率は０％、電子バリア層２４のＡｌの含有率は２０％である。
【００８１】
半導体発光素子１０２のバンドダイヤグラムの概念図を図６に示す。図６において、図２、図３及び図５で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。
【００８２】
電極１９を陽極として、電極１１を陰極として電圧を印加することで電極１１から電子が、電極１９から正孔が半導体発光素子１０２に注入される。注入された電子はｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７及びｎ側第五半導体層２５を順に移動して活性層１４に、注入された正孔はｐ型コンタクト層１８、ｐ型第二半導体層１７、ｐ型第一半導体層１５、ｐ側第三半導体層２３及び電子バリア層２４を順に移動して活性層１４に注入される。
【００８３】
半導体発光素子１０２もｐ型第一半導体層１５が存在するため、図１から３で説明した半導体発光素子１０１と同様に、正孔はリッジ構造の下の活性層１４に集中することになる。
【００８４】
半導体発光素子１０２は図１から３で説明した半導体発光素子１０１と同様に活性層１４の各量子井戸のバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【００８５】
さらに、半導体発光素子１０２のｐ側第三半導体層２３、ｎ側第五半導体層２５は活性層１４で生じた光を導波させ、活性層１４において誘導放出を促すため、半導体発光素子１０２は全体として半導体レーザとして機能する。また、半導体発光素子１０２は電子バリア層２４を備えるため、電子のキャリアオーバーフローを防止できるため発光効率を高くすることができる。
【００８６】
従って、本発明は超格子構造を採用しつつ、リッジ構造通過後の正孔が水平方向へ拡散することを防止して、活性層への電流密度を高め、低抵抗且つしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【００８７】
（実施の形態３）
本実施形態に係る半導体発光素子において、前記第一半導体層のＡｌの含有率は、前記第一半導体層の前記活性層側から前記第二半導体層側へ向けて、前記第一半導体層の前記活性層側に隣接する半導体層のＡｌの含有率以上の値から前記第二半導体層のうち組成式ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜のＡｌの含有率以下の値へ単調増加することが好ましい。
【００８８】
図７に本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子１０３の断面の概念図を示す。図７において、図１及び図４で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子１０３と図４の半導体発光素子１０２との違いは、半導体発光素子１０３は図４の半導体発光素子１０２のｐ型第一半導体層１５を備えず、ｐ型第一半導体層７５を備えていることである。
【００８９】
ｐ型第一半導体層７５は、図１のｐ型第一半導体層１５と同様のＩＩＩ族窒化物系化合物であるが、Ａｌの含有率がｐ側第三半導体層２３側からｐ型第二半導体層１７側に向けて、ｐ側第三半導体層２３のＡｌの含有率以上の値からｐ型第二半導体層１７におけるＡｌｙＧａ１−ｙＮ化合物のＡｌの含有率以下の値へ単調増加している。
【００９０】
図８に半導体発光素子１０３の活性層１４からｐ型コンタクト層１８までのＡｌの含有率の推移の一例を示す。図８において図２及び図５で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。７５ａはｐ型第一半導体層７５の領域を示す。図８において、ｐ型第一半導体層７５のＡｌの含有率はｐ側第三半導体層２３側からｐ型第二半導体層１７側に向けて、２％から８％へ単調増加している。
【００９１】
半導体発光素子１０３のバンドダイヤグラムの概念図を図９に示す。図９において、図２、図３、図５、図６及び図８で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。図９の半導体発光素子１０３のバンドダイヤグラムと図６の半導体発光素子１０２のバンドダイヤグラムとの違いは、図９には図６の領域１５ａの代替として領域７５ａがあることである。ｐ型第一半導体層７５のＡｌの含有率が変化しているため、領域７５ａにおいてバンドギャップもＡｌの含有率に応じて変化している。
【００９２】
半導体発光素子１０３は図４から図６で説明した半導体発光素子１０２と同様にキャリアが活性層１４に移動して光を発光する。半導体発光素子１０３は図４から図６で説明した半導体発光素子１０２と同様に全体として半導体レーザとして機能する。
【００９３】
従って、本発明は超格子構造を採用しつつ、リッジ構造通過後の正孔が水平方向へ拡散することを防止して、活性層への電流密度を高め、低抵抗且つしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【００９４】
さらに、半導体発光素子１０３はｐ型第一半導体層７５を備えたことで、ｐ型第一半導体層７５とｐ型第二半導体層１７との界面及びｐ側第三半導体層２３とｐ型第二半導体層１７との界面で生ずる結晶欠陥及びピエゾ電界の発生を低減でき、駆動電圧を下げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の半導体発光素子の構成は受光素子として利用することができる。また、トランジスタやダイオード等の電子デバイス、ＨＥＭＴに代表されるような化合物高周波用電子デバイスにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子１０１の構成概念図である。
【図２】半導体発光素子１０１の各半導体層におけるＡｌの含有率の推移の一例を示した図である。
【図３】半導体発光素子１０１のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図４】本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子１０２の構成概念図である。
【図５】半導体発光素子１０２の各半導体層におけるＡｌの含有率の推移の一例を示した図である。
【図６】半導体発光素子１０２のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図７】本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子１０３の構成概念図である。
【図８】半導体発光素子１０３の各半導体層におけるＡｌの含有率の推移の一例を示した図である。
【図９】半導体発光素子１０３のバンドダイヤグラムの概念図である。
【符号の説明】
【００９７】
１０１、１０２、１０３  半導体発光素子
１１、１９  電極
１２  基板 
１３  ｎ型下地層
１４  活性層
１５、７５  ｐ型第一半導体層
１７  ｐ型第二半導体層
１８  ｐ型コンタクト層
２０  絶縁膜
２３  ｐ側第三半導体層
２４  電子バリア層
２５  ｎ側第五半導体層
２７  ｎ型第四半導体層
１１ａ  電極１１の領域
１３ａ  ｎ型下地層１３の領域
１４ａ  活性層１４の領域
１４ｂ  活性層１４の井戸層の領域
１４ｃ  活性層１４の障壁層の領域
１５ａ  ｐ型第一半導体層１５の領域
１７ａ  ｐ型第二半導体層１７の領域
１７ｂ  ｐ型第二半導体層１７のうちＧａＮ化合物の層の領域
１７ｃ  ｐ型第二半導体層１７のうちＡｌｙＧａ１−ｙＮ化合物の層の領域
１８ａ  ｐ型コンタクト層１８の領域
１９ａ  電極１９の領域
２３ａ  ｐ側第三半導体層２３の領域
２４ａ  電子バリア層の領域
２５ａ  ｎ側第五半導体層の領域
２７ａ  ｎ型第四半導体層の領域
７５ａ  ｐ型第一半導体層７５の領域
２０１  Ａｌの含有率推移
３０１  価電子帯のトップ準位
３０２  伝導帯の底部準位
Ｍ  陰電極部
Ｐ  陽電極部
【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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