(57)【要約】【課題】光出力制御性を備えた半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子は、基板と、前記基板に対し半導体材料が複数層に積層された積層体と、第１のｎ型半導体層、発光する活性層、および第１のｐ型半導体層が前記積層体の一部として互いに積層された発光部と、第２のｎ型半導体層、光を吸収する光吸収層、および第２のｐ型半導体層が前記積層体の一部として前記基板と前記発光部との間で互いに積層された受光部と、  前記積層体の一部として前記発光部と前記受光部との間に積層され、該発光部と該受光部とを電気的に分離した分離層と、を備える。【選択図】      図１
2017112195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に対し半導体材料が複数層に積層された積層体と、
第１のｎ型半導体層、発光する活性層、および第１のｐ型半導体層が前記積層体の一部として互いに積層された発光部と、
第２のｎ型半導体層、光を吸収する光吸収層、および第２のｐ型半導体層が前記積層体の一部として前記基板と前記発光部との間で互いに積層された受光部と、
前記積層体の一部として前記発光部と前記受光部との間に積層され、該発光部と該受光部とを電気的に分離した分離層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記分離層は炭素が１×１０１７ｃｍ−３以上添加されたＧａＮからなる層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３】
前記積層体は、互いに同系の半導体材料が複数層に積層されたものであ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２のｐ型半導体層の半導体材料は、Ｉｎを含んだ窒化物半導体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２のｐ型半導体層の半導体材料はＧａＮであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２のｐ型半導体層は、前記光吸収層に隣り合ったＩｎＧａＮ層と、該ＩｎＧａＮ層に重なり該ＩｎＧａＮ層よりも厚いＧａＮ層とを含んだ複数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項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第２のｐ型半導体層の半導体材料はＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記基板が導電性の基板であり、
前記基板の、前記積層体とは逆側に、該基板を介して前記受光部と電気的に接続するための電極が備えられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記積層体の半導体材料が窒化物半導体であり、
前記基板が、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＡｌＮの群から選択された１つ以上の材料からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記半導体発光素子がレーザであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記半導体発光素子が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第２のｐ型半導体層と前記第２のｎ型半導体層とのうち、前記光吸収層よりも前記発光部側に位置する層は、該光吸収層に隣り合った隣接層と、該隣接層に重なり、前記活性層に対する該隣接層の屈折率差よりも大きな屈折率差を該活性層に対して示す重畳層とを含んだ複数層であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
基板と、前記基板に対し半導体材料が複数層に積層された積層体と、第１のｎ型半導体層、発光する活性層、および第１のｐ型半導体層が前記積層体の一部として互いに積層された発光部と、第２のｎ型半導体層、光を吸収する光吸収層、および第２のｐ型半導体層が前記積層体の一部として前記基板と前記発光部との間で互いに積層された受光部と、前記積層体の一部として前記発光部と前記受光部との間に積層され、該発光部と該受光部とを電気的に分離した分離層と、を備えた半導体発光素子について、
前記発光部に電圧を印加して発光させる発光過程と、
前記発光部によって発光された光の一部を前記受光部で受光して受光量に応じた受光信号を得る受光過程と、
前記発光部に印加する電圧を前記受光信号に基づいて調整することで該発光部による発光量を安定化させる調整過程と、
を経ることを特徴とする発光制御方法。
【請求項１４】
基板に対し半導体材料を複数層に積層して積層体を形成する積層工程であって、該積層体の一部として、第１のｎ型半導体層、発光する活性層、および第１のｐ型半導体層を有した発光部を積層し、該積層体の別の一部として、第２のｎ型半導体層、光を吸収する光吸収層、および第２のｐ型半導体層を有する受光部を、前記基板と前記発光部との間に積層し、該積層体の更に別の一部として、前記発光部と前記受光部とを電気的に分離する分離層を該発光部と該受光部との間に積層する積層工程と、
前記積層体を階段状に削るエッチング工程であって、前記受光部における第２のｎ型半導体層又は前記第２のｐ型半導体層のうち一以上を露出させる第１のエッチング工程と、前記第１のｎ型半導体層又は前記第１のｐ型半導体層の何れかを露出させる第２のエッチング工程とを備え、
前記エッチング工程によって露出した各層に電極を形成する電極形成工程と、
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１のエッチング工程が、前記積層体の第１領域を削る工程であり、
前記第２のエッチング工程が、前記積層体の第２の領域を削る工程であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記エッチング工程が、前記第１領域と前記第２領域とを除く更に別の第３領域については、前記第１のｎ型半導体層および前記第１のｐ型半導体層のうち前記活性層よりも前記基板から離れた側に位置する層を所定の高さ分だけ削ってリッジ部を形成する工程であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、発光制御方法、および半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外〜緑色までの発光波長をカバーする半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）や半導体発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を構成する半導体材料として、ＧａＮに代表される窒化物半導体材料が用いられている。半導体レーザや半導体発光ダイオードは半導体発光素子と総称される。
この半導体発光素子における出力をモニタする技術として、例えば半導体レーザであれば、半導体レーザを搭載した発光装置内部にＳｉフォトダイオード（Ｓｉ−ＰＤ）などの受光素子を内蔵したものが知られている（例えば特許文献１参照）。Ｓｉ−ＰＤ等の受光素子は、前方からレーザ光を出射する半導体レーザ素子の後方から漏れるレーザ光をモニタしており、例えば、レーザ光の出力制御に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０３３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、Ｓｉ−ＰＤ等の受光素子は、実装の都合で半導体発光素子からある程度距離を置いた場所で受光しているため受光量が不足して出力制御が困難になる虞がある。特に半導体レーザの場合は、光出力の低い後方端面部からの出射光をモニタしているため、受光量の不足となりやすい。
また、半導体発光素子とは別に受光素子を設けることで部品コストが上昇するとともに発光装置の小型化が困難になる問題もあり、受光量不足を補うために受光素子の受光面積を増やすとこの問題が深刻化する。
そこで、本発明は、光出力制御性を備えた半導体発光素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体発光素子の一態様は、基板と、前記基板に対し、半導体材料が複数層に積層された積層体と、第１のｎ型半導体層、発光する活性層、および第１のｐ型半導体層が前記積層体の一部として互いに積層された発光部と、第２のｎ型半導体層、光を吸収する光吸収層、および第２のｐ型半導体層が前記積層体の一部として前記基板と前記発光部との間で互いに積層された受光部と、前記積層体の一部として前記発光部と前記受光部との間に積層され、該発光部と該受光部とを電気的に分離した分離層と、を備える。
【０００６】
上記構成の半導体発光素子の構造をわかりやすく説明すると、基板側を下と考えて、受光部を下側、発光部を上側に配置した上下に２つのｐｉｎ接合デバイスが重なった構造となっている。そして、受光部と発光部の間に半導体からなる分離層を設けて上下双方のデバイスを電気的に分離している。
受光部の動作について説明すると、発光部において発光した光の中で、下方向に放射される光を発光部の下側に設けられた受光部の吸収層で吸収する。そして、受光部では、受光部を構成するｐｉｎダイオードに対して、あらかじめ逆方向に固定電圧が印加されていて、発光部から放射された光を吸収して光電変換することで、受光部で発光部からの放射光の光強度に応じた電流が生じる。
【０００７】
また、上記半導体発光素子では、発光部の接合面積に対して、受光部の接合面積は、発光部と同等以上の面積を実現できるため、極めて高感度の受光特性を備える。
さらに、前記特許文献１に示された従来技術のように、発光素子に対して別途Ｓｉ−ＰＤを設ける場合は、発光部分からＳｉ−ＰＤまでの距離がおよそ数ミリ程度離れる上、精密な位置調整が必要になる。これに対して、本発明に係る半導体発光素子の構成によれば、発光部から受光部までの距離は長くても数ミクロン程度と短い上、発光部と一体化しているため、受光素子の位置調整の必要がない。
【０００８】
さらに、発光部における発光波長に応じて受光部の吸収層の半導体材料や膜厚等を選択することができるため、受光感度も容易に調整できる。受光感度を上げるためには、受光部の吸収層の半導体材料としては、発光部との半導体材料と同系の半導体材料を採用するのが望ましい。
これにより、発光部において発光した光をモニタした信号は、従来技術を用いた場合よりも強い信号となるため、発光部における光出力を細かく精密に制御でき、高い光出力制御性を有する。
【０００９】
また、上記発光部における外部への光出力に対して、受光部で発生した信号値をあらかじめ細かくモニタしてデータ化しておき、半導体発光素子の発光動作時において受光部側の電流変化をモニタすれば、上述した発光部における精密な光出力制御が可能になる。また、発光部で異常・故障が発生した際に、受光部の信号は発光部の異常箇所あるいは故障箇所の原因の特定・解明に有用なデータの一つにもなりうるというメリットもある。例えば、レーザが外部に出力されていないが内部ではレーザ発振時と同等の十分な発光が生じているなどといった情報が得られる。
上記半導体発光素子において、前記分離層は、炭素が１×１０１７ｃｍ−３以上添加されたＧａＮからなる層であってもよい。半導体材料に炭素が単に不純物として混じる場合は１×１０１６ｃｍ−３以下となるのに対し、分離層として機能させるために炭素を添加する場合は１×１０１７ｃｍ−３以上が望まれる。
【００１０】
また、上記半導体発光素子において、前記第２のｐ型半導体層の半導体材料は、Ｉｎを含んだ窒化物半導体であってもよく、ＧａＮであってもよく、ＡｌＧａＮであってもよい。半導体材料がＩｎを含んだ窒化物半導体である場合には、結晶成長直後において、すでにｐ型の導電型を示す。
また、上記半導体発光素子において、前記第２のｐ型半導体層は、前記光吸収層に隣り合ったＩｎＧａＮ層と、該ＩｎＧａＮ層に重なり該ＩｎＧａＮ層よりも厚いＧａＮ層とを含んだ複数層であってもよい。受光部の全面でｐｉｎ接合を実現するためには光吸収層にＩｎＧａＮ層が隣り合った構造が好ましいが、ＩｎＧａＮ層は厚膜化が難しく、上層をエッチングで除去する際に層が損傷する虞がある。そこで、ＩｎＧａＮ層よりも厚いＧａＮ層を設けることでエッチングの終了位置に余裕を持たせることができる。
【００１１】
また、上記半導体発光素子において、前記基板が導電性の基板であり、前記基板の、前記積層体とは逆側に、該基板を介して前記受光部と電気的に接続するための電極が備えられていることが好ましい。この好ましい構成の半導体発光素子によれば、受光部の電極の一方が基板の裏面に形成されるため、実装時に発光素子上面に設けるワイヤ配線の数を減らすことができる。
また、上記半導体発光素子において、前記積層体の半導体材料が窒化物半導体であり、前記基板が、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＡｌＮの群から選択された１つ以上の材料からなるものであってもよい。
また、上記半導体発光素子は、レーザであってもよく、発光ダイオードであってもよい。
【００１２】
さらに、上記半導体発光素子は、前記第２のｐ型半導体層と前記第２のｎ型半導体層とのうち、前記光吸収層よりも前記発光部側に位置する層は、該光吸収層に隣り合った隣接層と、該隣接層に重なり、前記活性層に対する該隣接層の屈折率差よりも大きな屈折率差を該活性層に対して示す重畳層とを含んだ複数層であることが好適である。
このような好適な構成の半導体発光素子によれば、発光部から発せられた光が重畳層によって反射されるので例えば発光ダイオードに用いられる場合には発光特性が高くなるメリットがある。
【００１３】
さらに、上記課題を解決するために、本発明に係る発光制御方法の一態様は、基板と、前記基板に対し、互いに同系の半導体材料が複数層に積層された積層体と、第１のｎ型半導体層、発光する活性層、および第１のｐ型半導体層が前記積層体の一部として互いに積層された発光部と、第２のｎ型半導体層、光を吸収する光吸収層、および第２のｐ型半導体層が前記積層体の一部として前記基板と前記発光部との間で互いに積層された受光部と、前記積層体の一部として前記発光部と前記受光部との間に積層され、該発光部と該受光部とを電気的に分離した分離層と、を備えた半導体発光素子について、前記発光部に電圧を印加して発光させる発光過程と、前記発光部によって発光された光の一部を前記受光部で受光して受光量に応じた受光信号を得る受光過程と、前記発光部に印加する電圧を前記受光信号に基づいて調整することで該発光部による発光量を安定化させる調整過程と、を経る。
このような発光制御方法によれば、高い光出力制御性が実現される。
【００１４】
さらに、上記課題を解決するために、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一態様は、基板に対し、互いに同系の半導体材料を複数層に積層して積層体を形成する積層工程であって、該積層体の一部として、第１のｎ型半導体層、発光する活性層、および第１のｐ型半導体層を有した発光部を積層し、該積層体の別の一部として、第２のｎ型半導体層、光を吸収する光吸収層、および第２のｐ型半導体層を有する受光部を、前記基板と前記発光部との間に積層し、該積層体の更に別の一部として、前記発光部と前記受光部とを電気的に分離する分離層を該発光部と該受光部との間に積層する積層工程と、前記積層体を階段状に削るエッチング工程であって、前記受光部における第２のｎ型半導体層又は前記第２のｐ型半導体層のうち一以上を露出させる第１のエッチング工程と、前記第１のｎ型半導体層又は前記第１のｐ型半導体層の何れかを露出させる第２のエッチング工程とを備え、前記エッチング工程によって露出した各層に電極を形成する電極形成工程と、を有する。
このような半導体発光素子の製造方法によれば、本発明に係る半導体発光素子を容易に製造することができる。
【００１５】
上記半導体発光素子の製造方法は、前記第１のエッチング工程が、前記積層体の第１領域を削る工程であり、前記第２のエッチング工程が、前記積層体の第２の領域を削る工程であってもよい。この場合、前記エッチング工程が、前記第１領域と前記第２領域とを除く更に別の第３領域については、前記第１のｎ型半導体層および前記第１のｐ型半導体層のうち前記活性層よりも前記基板から離れた側に位置する層を所定の高さ分だけ削ってリッジ部を形成する工程であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体発光素子、発光制御方法、および半導体発光素子の製造方法によれば、光出力制御性を備えた半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体発光素子の第１実施形態である半導体レーザを示す断面構成図である。
【図２】図１に示す半導体レーザの電源接続状態を示す図である。
【図３】半導体レーザの作製プロセスの積層工程を示す図である。
【図４】半導体レーザの作製プロセスのエッチング工程を示す図である。
【図５】半導体レーザの作製プロセスの別のエッチング工程を示す図である。
【図６】半導体レーザの作製プロセスの上面電極等形成工程を示す図である。
【図７】半導体レーザの作製プロセスの下面電極形成工程を示す図である。
【図８】本発明の半導体発光素子の第２実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以上説明した本発明の半導体発光素子の具体的な実施形態について、以下図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、半導体発光素子の第１実施形態である半導体レーザを示す断面構成図である。
第１実施形態の半導体レーザ１００は、ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＧａＮ層２と、光吸収層３と、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４と、ＭｇドープＧａＮ層５と、例えばＣ（炭素）がドープされたＧａＮ高抵抗層６がこの順で積層されている。更に、ＧａＮ高抵抗層６上には、ｎ型コンタクト層としてのｎ型ＧａＮ層７と、ｎ型クラッド層としてのｎ型ＡｌＧａＮ層８と、発光する活性層９がこの順で積層されている。更にまた、活性層９上には、ｐ型クラッド層としてのＭｇが添加されたｐ型ＡｌＧａＮ層１０と、ｐ型コンタクト層としてのＭｇが添加されたｐ型ＧａＮ層１１がこの順で積層されている。この結果、ＧａＮ基板１上には、ｎ型ＧａＮ層２からｐ型ＧａＮ層１１に至る半導体積層構造が形成されており、この半導体積層構造が、本発明にいう積層体の一例に相当する。
【００１９】
この半導体積層構造のうち、ｎ型ＧａＮ層２と、光吸収層３と、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４と、ＭｇドープＧａＮ層５によって受光部が構成され、ｎ型コンタクト層のｎ型ＧａＮ層７からｐ型コンタクト層のｐ型ＧａＮ層１１までによって発光部が構成されている。そして、ＧａＮ高抵抗層６は、受光部と発光部を電気的に分離する層である。このような受光部および発光部が本発明にいう受光部および発光部それぞれの一例に相当し、ＧａＮ高抵抗層６が本発明にいう分離層の一例に相当する。
なお、図１では図示を簡略化するために活性層９が単一の層で示されているが、実際には、例えばＩｎＧａＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮ等を用いた周知の多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）構造、または単一量子井戸（ＳＱＷ：Single-Quantum-Well）構造からなる。これらの構造では、発光波長によって用いる半導体材料や組成比等が異なる。
【００２０】
発光部のｐ型領域を構成するｐ型ＧａＮ層１１とｐ型ＡｌＧａＮ層１０の一部には、周知の窒化物半導体ドライエッチングによって電流狭窄のための所望の形状からなるストライプ状のリッジ部が形成されている。そのリッジ部の最頂部に露出したｐ型ＧａＮ層１１表面以外のｐ型ＧａＮ層１１側面、ならびにｐ型ＡｌＧａＮ層１０の側面及び表面には、ＳｉＯ２からなる保護膜１２が形成されている。
発光部のｐ型ＧａＮ層１１とオーミック接続するｐ電極１６は、上記リッジ部の最頂部に存在するｐ型ＧａＮ層１１に接しているのに加えて、保護膜１２上の所望の領域まで横方向に延長されて、保護膜１２の一部を覆うように形成されている。
【００２１】
発光部のｎ電極１５は、ストライプ状のリッジ部から離れた所望の領域において、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０、活性層９、及びｎ型ＡｌＧａＮ層８をエッチングすることで露出したｎ型ＧａＮ層７に接して形成され、そのｎ型ＧａＮ層７に対してオーミック接続している。
発光部のｎ型ＧａＮ層７表面の所望の領域をエッチングすることで、受光部のｐ型層であるＭｇドープＧａＮ層５の表面が露出されていて、そのように露出されたＭｇドープＧａＮ層５表面には、受光部のｐ電極１４が形成されている。
受光部のｎ電極１３は、ＧａＮ基板１の裏面側に形成されて、ＧａＮ基板裏面に対してオーミック接続している。
図２は、図１に示す半導体レーザ１００の電源接続状態を示す図である。
半導体レーザ１００の発光部には、発光部のｎ電極１５とｐ電極１６とを介して発光部用の電源が接続される。
また、半導体レーザ１００の受光部には、受光部のｎ電極１３とｐ電極１４とを介して受光部用の電源が接続される。受光部には更に電流モニタも接続されていて、受光量を表した受光信号として電流信号がモニタされる。
【００２２】
以上、本発明の半導体発光素子の第１実施形態である半導体レーザ１００の構造について説明したが、ここで、上記半導体レーザ１００の作製プロセスについて、図面を参照しながら簡単に説明する。
図３〜図７は、半導体レーザ１００の作製プロセスを示す図である。以下、図面を参照しながら順を追って説明する。
半導体レーザ１００の作製プロセスでは、最初に積層工程が実行される。図３には半導体レーザ１００の積層工程が示されている。この積層工程では、ＧａＮ基板１上に、保護部と発光部を構成するｎ型ＧａＮ層２からｐ型ＧａＮ層１１に至る全ての窒化物半導体層をエピ成長させる。この積層工程が、本発明にいう積層工程の一例に相当する。
【００２３】
次に作製プロセスのエッチング工程が実行される。図４にはエッチング工程が示されている。このエッチング工程では、周知の絶縁膜形成技術とホトリソグラフィ技術、及び塩素系ガスを用いたドライエッチング技術を用いて、各エピ層（具体的にはＧａＮ高抵抗層６から発光部のｐ型ＧａＮ層１１に至る各層）が所望の平面形状になるように、断面形状としては階段状に加工する。
このような階段状の加工についてより詳しく説明すると、（１）まず、図４（Ａ）に示すように、ＭｇドープＧａＮ層５の上面までエッチングされる第１の領域Ｒ１についてＧａＮ高抵抗層６とｎ型ＧａＮ層７の合計の厚みに相当する深さだけエッチングされる。
（２）次に、図４（Ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層７の上面までエッチングされる第２の領域Ｒ２と第１の領域Ｒ１の双方について、ｎ型ＡｌＧａＮ層８からｐ型ＡｌＧａＮ層１０までの図４（Ｃ）に示す厚みに相当する深さだけさらにエッチングされる。このとき、最初にエッチングされた第１の領域Ｒ１については、２回分のエッチングが施されてより深くなる。
（３）さらに、図４（Ｃ）に示すように、リッジ部を除く第３の領域Ｒ３と第１および第２の領域Ｒ１、Ｒ２について、リッジ部の高さ分だけさらにエッチングされる。この結果、第１の領域Ｒ１については３回分、第２の領域Ｒ２については２回分、第３の領域Ｒ３については１回分のエッチングが施されることとなり、各領域が所望の深さまで階段状に加工される。
このエッチング工程が、本発明にいうエッチング工程の一例に相当する。
【００２４】
尚、エッチング工程は上記に限定されず、以下のような別のエッチング工程が採用されてもよい。
図５は別のエッチング工程を示す図である。
（１）まず、図５（Ａ）に示すように、ＭｇドープＧａＮ層５の上面までエッチングされる第１の領域Ｒ１を除く領域にレジスト膜を形成した状態で、ＭｇドープＧａＮ層５の上面が露出するまで第１の領域Ｒ１をエッチングする工程を実行する。
（２）次に、図５（Ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層７の上面までエッチングされる第２の領域Ｒ２を除く領域と、第１の領域Ｒ１とにそれぞれレジスト膜を形成した状態で、ｎ型ＧａＮ層７の上面が露出するまで第２の領域Ｒ２をエッチングする工程を実行する。
（３）さらに、図５（Ｃ）に示すように、リッジ部となるべき領域と、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２にそれぞれレジスト膜を形成した状態でリッジ部の高さ分だけ第３の領域Ｒ３をエッチングする工程を実行する。
【００２５】
このようなエッチング工程の次に作製プロセスのアニール工程（図示は省略）が実行される。このアニール工程では、受光部を構成するＭｇドープＩｎＧａＮ層４と、ＭｇドープＧａＮ層５と、発光部を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層１０と、ｐ型ＧａＮ層１１とのそれぞれにおけるキャリアを活性化させるため活性化アニール処理を施す。この活性化アニール処理としては、例えば空気中で６００℃に加熱しながら、例えば１０分〜３０分程度の時間加熱保持する。これにより、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４、ＭｇドープＧａＮ層５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０、およびｐ型ＧａＮ層１１それぞれのキャリア密度が向上する。
【００２６】
次に作製プロセスの上面電極等形成工程が実行される。図６には、上面電極等形成工程が示されている。この上面電極等形成工程では、ＧａＮ基板１の上面側に保護膜や電極などを形成する。具体的には、リッジ部の最頂部に露出したｐ型ＧａＮ層１１を残して、それ以外のｐ型ＡｌＧａＮ層１０の側面及び表面に、ＳｉＯ２からなる保護膜１２を形成する。また、周知のホトリソグラフィ技術と、電子ビーム蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、ｐ電極１４、ｎ電極１５、ｐ電極１６をそれぞれ形成する。この上面電極等形成工程が、本発明にいう電極形成工程の一例に相当する。
【００２７】
次に作製プロセスの下面電極形成工程が実行される。図７には、下面電極形成工程が示されている。この下面電極形成工程では、ＧａＮ基板１の下面側にｎ電極１３を形成する。
このような作製プロセスにより半導体レーザ１００が完成する。
ところで、上述したアニール工程における活性化アニール処理でＭｇドープＧａＮ層５のキャリアが活性化される領域は、ドライエッチングによってＭｇドープＧａＮ層５の表面が露出した領域とその周辺近傍に限定される。これは以下説明する原因による。
活性化アニール処理は、Ｍｇを添加した所謂ｐ型層に含まれるＨ（水素）を適度に脱離することが目的であり、このＨ脱離によってｐ型キャリアが活性化して、キャリア密度が向上する。このようなＨ脱離は、発光部のｐ型ＡｌＧａＮ層１０やｐ型ＧａＮ層１１のように、Ｍｇを添加した窒化物半導体層上にＳｉ添加の窒化物半導体層が存在しない状況で作用してキャリアの活性化が十分に図れるものである。
【００２８】
しかし、受光部のｐ型ＧａＮ層５は、ドライエッチングによって露出した面以外の領域には、上層にＳｉ添加のｎ型ＧａＮ層７やｎ型ＡｌＧａＮ層８が存在するため、当該領域のＨが十分に脱離されない。
このため、上記上層にＳｉ添加層が存在する領域のｐ型ＧａＮ層５の導電型は、明確なｐ型ではなく、著しく高抵抗な特性を示す。
しかしながら、図１に示す第１実施形態の構成によれば、ｐ型ＧａＮ層５の下層側にはＭｇドープＩｎＧａＮ層４が存在している。
Ｍｇを添加したＩｎＧａＮ層は、Ｍｇを添加したＧａＮ層とは異なり、Ｉｎが含有されていることにより、活性化アニール処理をしなくても、最初からｐ型の導電型を示す特性を有する。このことから、たとえｐ型ＧａＮ層５にキャリアが活性化されない高抵抗な領域があったとしても、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４の存在によって、受光部において明確なｐｉｎ接合が全面で確立される。
【００２９】
但し、ＩｎＧａＮ層は厚膜で形成することが困難なため、ＭｇドープＧａＮ層５の存在が必要となる。
ＧａＮ層はＩｎＧａＮ層と異なって厚膜成長が容易であり、ＭｇドープＧａＮ層５もエッチングによって開口された領域は、活性化アニール処理によって、少なくとも深さ方向の全層、及び露出した側面部のＭｇドープＧａＮ層のｐ型キャリアが活性化する。
この時、ＭｇドープＩｎＧａＮ層しかなくて、例えば、ＭｇドープＩｎＧａＮ層の膜厚が１００ｎｍ程度の薄膜であった場合は、エッチングしすぎたことによって開口部のＭｇドープＩｎＧａＮ層が無くなってしまう危険性がある。
したがって、厚膜成長が可能なＭｇドープＧａＮ層５は、受光部のｐ型層を露出させるエッチング工程において、エッチング制御性に裕度を持たせる役割を担うとともに、ｐ電極１４からＭｇドープＩｎＧａＮ層４に至るまでの電流経路の役割も担っている。このようなＭｇドープＧａＮ層５の膜厚は少なくとも３００ｎｍ以上が必要で、好ましくは５００ｎｍ以上である。
【００３０】
また、受光部のｎ型層を構成するｎ型ＧａＮ層２のＳｉ濃度は、高くても５×１０１７ｃｍ−３以下にすることが好ましく、より好ましくは１×１０１７ｃｍ−３以下である。
ｎ型ＧａＮ層２のＳｉ濃度を下げることで、受光部のｐｉｎダイオードにおける逆方向リーク電流を低減できるため、発光部からの光を吸収した時に生じるモニタ電流（暗電流）との差を大きくすることができ、光出力制御の精度がさらに増す効果がある。
以上説明した第１実施形態では、ｐ型不純物として一般的なＭｇを選択しているが、本発明にいう第１のｐ型半導体層や第２のｐ型半導体層に添加されるｐ型不純物は特にこれに限定されるものではなく、ｐ型の導電型を示す不純物ならば何を用いてもよい。
また、ＭｇドープＧａＮ層３のＭｇ濃度は、１．０×１０１８cm−３ 以上５．０×１０１９cm−３以下であることが望ましい。この濃度範囲に設定することで、活性化アニール後のｐ型領域は、キャリア濃度が高く、保護部のｐ型層として十分に機能する程度にまで低抵抗化される。
【００３１】
さらに、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４のＭｇ濃度は１．０×１０１８cm−３ 以上５．０×１０１９cm−３以下であることが望ましい。Ｍｇ濃度をこの範囲に設定することで、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４は活性化アニールしない場合でもｐ型半導体層としての機能を十分に発揮できる。
上記説明では、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４のＩｎ組成については特に明記しなかったが、Ｉｎ組成として１％以上、高くても１０％以下であれば、上記の効果は十分に得ることができる。より好ましくは２％以上、８％以下である。
【００３２】
また、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４の膜厚は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることが望ましい。Ｉｎ組成にもよるが、１０ｎｍよりも薄い場合には、トンネル電流等が発生して、受光部において良好なｐｉｎ接合が得られなくなる可能性がある。また１００ｎｍよりも厚い場合には、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４自身の結晶性の劣化や、上層に成長する発光部の結晶性が低下する可能性がある。
第１実施形態の半導体レーザ１００において、ＭｇドープＩｎＧａＮ層４のより具体的な例をあげるならば、Ｍｇ濃度が例えば１×１０１９ｃｍ−３、膜厚が例えば７０ｎｍの例えばｐ型Ｉｎ０．０７ＧａＮ層が好適である。
【００３３】
また、受光部におけるＭｇドープＩｎＧａＮ層４以外のＭｇドープ層として、上記説明ではＧａＮを適用した例を示したが、この他、ＡｌＧａＮを用いてもよい。Ａｌ組成が６％程度までならば、上述したＭｇ濃度範囲に設定することで、キャリア活性化アニール後において十分にｐ型特性を示す。
また、発光部のｐ型ＧａＮ層１１のＭｇ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上３×１０２０ｃｍ−３以下であることが望ましく、Ｍｇ濃度の異なる２層構造としても良い。特に、最表面側のＭｇ濃度を高くすることで、ｐ電極とのオーミック接続が良好になる効果がある。
また、発光部側のｎ型ＡｌＧａＮ層８、およびｐ型ＡｌＧａＮ層１０のＡｌ組成は特に限定されるものではなく、発光部における発光波長に応じて、クラッド層として機能するＡｌ組成を選択すればよい。
【００３４】
また、上記第１実施形態では保護膜としてＳｉＯ２を適用しているが、これに限定されるものではなく、ＳｉＮやＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３等、絶縁性を有し、かつ通常の半導体素子製造工程において成膜できる絶縁膜材料であるならば、何を選択してもよい。
また、上記活性化アニール処理の条件は、上述した雰囲気、温度、及び時間に限定されるものではなく、用いるアニール装置等の状況により、アニール条件を適切に選択可能である。
また、上記第１実施形態では高抵抗層６として、Ｃ（炭素）をドープしたＧａＮ層を適用した例について述べたが、窒化物半導体を高抵抗化させる不純物としては、この他Ｆｅ（鉄）、Ｚｎ（亜鉛）等を用いてもよい。
【００３５】
また、高抵抗層６は、下側の受光部と上側の発光部を電気的に分離することを目的としているため、膜厚は厚膜であればあるほど好ましい。しかしながら、あまり厚すぎると、基板表面側のエピ層において、部分的に段差が大きくなりすぎて、素子作製工程において不具合が発生しやすくなる。したがって、高抵抗層６の膜厚としては、薄くても５００ｎｍ以上、厚くて３μｍ以下に設定することが好ましい。
また、上記第１実施形態において、受光部の光吸収層３の材料については特に明記しなかったが、これは発光部において発光する光の波長に応じて選択すればよい。例えばＧａＮ層や、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦０．２）、ＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦０．１）層等を適用できる。
【００３６】
また、第１実施形態の半導体レーザ１００の構造では、受光部で直接レーザ光をモニタしているわけではない。しかし、レーザ発振後のレーザ出力値と受光部での電流モニタ値との相関をあらかじめ調べておいて、その相関に基づいて電流モニタ値からレーザ出力値を求めることなどによってレーザの出力制御は十分に可能である。このため、従来構造のようにレーザ光を直接モニタする構成としなくてもよい。
以上説明したように、第１実施形態の構成によれば、レーザ出力の制御性に優れた半導体レーザ１００を実現できる。
【００３７】
＜第２実施形態＞
図８は、本発明の半導体発光素子の第２実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す断面構成図である。
図８に示す発光ダイオード２００は、サファイヤ基板２０上に、ｎ型ＧａＮ層２１と、光吸収層２２と、ＭｇドープＩｎＧａＮ層２３と、ＭｇドープＡｌＧａＮ層２４と、Ｃ（炭素）ドープＧａＮ高抵抗層２５がこの順で積層されている。さらにＣドープＧａＮ高抵抗層２５上には、ｎ型コンタクト層としてのｎ型ＧａＮ層２６と、アンドープのＩｎＧａＮ系多重量子井戸層からなる活性層（発光層）２７と、Ｍｇが添加されたコンタクト層としてのｐ型ＧａＮ層２８がこの順で積層されている。この結果、サファイヤ基板２０上には、ｎ型ＧａＮ層２１からｐ型ＧａＮ層２８に至る半導体積層構造が形成されている。この半導体積層構造も本発明にいう積層体の一例に相当する。
【００３８】
この半導体積層構造のうち、ｎ型ＧａＮ層２１からＭｇドープＡｌＧａＮ層２４までによって受光部が構成されていて、ｎ型コンタクト層のｎ型ＧａＮ層２６からｐ型コンタクト層のｐ型ＧａＮ層２８までによって発光部が構成されている。また、Ｃ（炭素）ドープＧａＮ高抵抗層２５は受光部と発光部を電気的に分離する層である。このような受光部と発光部も、本発明にいう受光部および発光部それぞれの一例に相当する。また、Ｃ（炭素）ドープＧａＮ高抵抗層２５は本発明にいう分離層の一例に相当する。
発光ダイオードの発光面を除いた領域について、ｐ型ＧａＮ層２８から活性層（発光層）２７までエッチングされてｎ型ＧａＮ層２６が露出している。そのように露出したｎ型ＧａＮ層２６上の所望の領域には、ｎ電極２９が設けられて、ｎ型ＧａＮ層２６に対してオーミック接続している。
ｐ型ＧａＮ層２８上の所望の領域には、透明電極３０が設けられており、透明電極３０上の一部にはｐ電極３１が設けられている。なお、上記透明電極３０としては、周知のＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜が適用できる。
【００３９】
前記エッチングによって露出したｎ型ＧａＮ層２６においてｎ電極２９が設けられた領域を除く所望の領域がさらにエッチングされて、受光部のｐ型層を構成するＭｇドープＡｌＧａＮ層２４の表面が露出している。このように露出したＭｇドープＡｌＧａＮ層２４表面の所望の領域には、受光部側のｐ電極３２が形成されている。
受光部のｎ電極３３は、ＭｇドープＡｌＧａＮ層２４表面においてｐ電極３２が設けられた領域を除く所望の領域が、さらに深さ方向にエッチングされて露出したｎ型ＧａＮ層２１表面上の所望の領域に形成されており、ｎ型ＧａＮ層２１２１に対してオーミック接続している。
この第２実施形態における電源接続および作製プロセスは、第１実施形態における電源接続および作製プロセスに準じるので説明は割愛する。
【００４０】
図８に示す発光ダイオード２００では、活性層２７で発光した光を主に表面側に放出する構造であり、活性層２７で発光した光を極力反射させるために、受光部のｐ電極３２が接する層は、ＭｇドープＧａＮ層でなく、ＭｇドープＡｌＧａＮ層を適用している。
これにより、ＧａＮを用いた場合よりも活性層２７との屈折率差が少なからず大きくなる効果があるため、活性層２７から放射された下方向の光は、ＭｇドープＡｌＧａＮ層２４によって上方向に反射されやすくなり、発光部における発光特性が向上する効果がある。
【００４１】
一方で、ＭｇドープＡｌＧａＮ層２４面で反射しきれずに透過してきた光は、受光部の光吸収層に吸収されることで受光部において暗電流が発生し、発光部における発光特性のモニタ、及び光制御に利用される。
発光ダイオードは、一般に半導体レーザに比べてチップ面積が大きいため、受光部の光吸収層の面積も大きくなり、その分だけ受光感度も向上する。したがって、上記のように光吸収層上に反射層としての機能をも併せ持つＭｇドープＡｌＧａＮ層２４が設けられた場合でも、受光部におけるモニタ電流は、発光部の発光出力を制御する上で十分な値が得られる効果がある。
更には受光部をＳｉ系の半導体材料で構成することもできる。受光部を発光部とは異なる系の半導体材料で構成した場合には光吸収の帯域が発光の帯域と大きくずれることが予想されるが、受光部が発光部に近接して設けられるため、受光信号としては充分な強さが得られる。また、光吸収層３の膜厚についても、必要とされる機能や受光特性に応じた膜厚を採用可能である。
【００４２】
以上説明した各実施形態では、基板にＧａＮ基板やサファイヤ基板、Ｓｉ基板を用いた例について述べたが、この他、ＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板、ＺｎＯ基板等、窒化物半導体をエピタキシャル成長できる他の基板材料を用いても良いことは言うまでもない。
また、上記の各実施形態では、高抵抗層上に発光部が直接積層された構造が例示されているが、本発明の半導体発光素子は、高抵抗層上に例えば保護部が積層され、その上に発光部が積層されたものであってもよい。
また、上記の各実施形態では、窒化物半導体材料を用いた半導体発光素子に本発明を適用した例について述べたが、このほかＧａＡｓ系の半導体発光素子に対して本発明を同様に適用しても上記説明した効果が同様に得られ、高い光出力制御性を備えた半導体発光素子を提供できる。
【符号の説明】
【００４３】
１００…半導体レーザ、１…ＧａＮ基板、２…ｎ型ＧａＮ層、３…光吸収層、４…ＭｇドープＩｎＧａＮ層、５…ＭｇドープＧａＮ層、６…Ｃ（炭素）ドープＧａＮ高抵抗層、７…ｎ型ＧａＮ層、８…ｎ型ＡｌＧａＮ層、９…活性層、１０…ｐ型ＡｌＧａＮ層、１１…ｐ型ＧａＮ層、１２…保護膜、１３…受光部のｎ電極、１４…受光部のｐ電極、１５…発光部のｎ電極、１６…発光部のｐ電極、２００…発光ダイオード、２０…サファイヤ基板、２１…ｎ型ＧａＮ層、２２…光吸収層、２３…ｐ型ＩｎＧａＮ層、２４…ＭｇドープＡｌＧａＮ層、２５…Ｃ（炭素）ドープＧａＮ高抵抗層、２６…ｎ型ＧａＮ層、２７…活性層（発光層）、２８…ｐ型ＧａＮ層、２９…発光部のｎ電極、３０…透明電極、３１…発光部のｐ電極、３２…受光部のｐ電極、３３…受光部のｎ電極
【図１】
2017112195.tif 000003
【図２】
2017112195.tif 000004
【図３】
2017112195.tif 000005
【図４】
2017112195.tif 000006
【図５】
2017112195.tif 000007
【図６】
2017112195.tif 000008
【図７】
2017112195.tif 000009
【図８】
2017112195.tif 000010