JP2014027092A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発光効率を示す高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ量子井戸活性層を得るとともに、緑色よりも長波長領域において高効率で発光する半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の半導体発光素子は、Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）テンプレートと、井戸層としてＡｌ_(X2)Ｉｎ_(Y2)Ｇａ_(1-X2−Y2)Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）を含む量子井戸活性層と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図９

Description

本発明は、窒化物からなる半導体発光素子に関する。

従来、窒化物半導体によって、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層を用いた紫外−青緑色発光素子が実現されている。ＩｎＧａＮのバンドギャップは、Ｉｎ組成を変化させることによって、紫外域（３．４ｅＶ）から近赤外域（０．７ｅＶ）へと変化させることができる。そして、現在のところ、たとえば、Ａ．Ａｖｒａｍｅｓｃｕ，Ｔ．Ｌｅｒｍｅｒ，Ｊ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｃ．Ｅｉｃｈｌｅｒ，Ｇ．Ｂｒｕｅｄｅｒｉ，Ｍ．Ｓａｂａｔｈｉｌ，Ｓ．Ｌｕｔｇｅｎ ａｎｄ Ｕ．Ｓｔｒａｕｓｓ， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐ ３ ０６１００３ （２０１０）（非特許文献１）に開示されているように、窒化物半導体レーザの最長波長は、５３１ｎｍ（青緑色）である。また、特開２００９−２４６００５号公報（特許文献１）には、このような長波長の領域における半導体レーザダイオードの発光特性を、ＺｎＯ単結晶基板を用いて改善する方法が開示されている。

特開２００９−２４６００５号公報

Ａ．Ａｖｒａｍｅｓｃｕ，Ｔ．Ｌｅｒｍｅｒ，Ｊ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｃ．Ｅｉｃｈｌｅｒ，Ｇ．Ｂｒｕｅｄｅｒｉ，Ｍ．Ｓａｂａｔｈｉｌ，Ｓ．Ｌｕｔｇｅｎ ａｎｄ Ｕ．Ｓｔｒａｕｓｓ， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐ ３ ０６１００３ （２０１０）

近年、省エネルギー化や環境負荷低減の観点、さらには、高精細表示ディスプレイや高密度光記録用の光源の実現のため、青緑色よりも長波長の領域において、高効率で発光する半導体レーザダイオードおよび半導体発光ダイオードの開発が強く望まれている。

ところで、非特許文献１に開示された半導体レーザダイオードでは、Ｃ面ＧａＮ基板上に形成したＩｎ組成が３０％程度のＩｎＧａＮ量子井戸活性層により、青緑色（５３１ｎｍ）レーザダイオードを実現している。

しかし、より長波長の発光素子を実現するためには、バンドギャップをさらに小さくする、すなわち、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層のＩｎ組成を、さらに増加させることを要するが、Ｉｎ組成が増加するとＧａＮ基板とＩｎＧａＮ量子井戸活性層との格子不整合に起因する量子井戸活性層内における歪みによって、バンドギャップはむしろ大きくなる場合があり、さらなる長波長化はできていない。

また、Ｉｎ組成が約３０％以上となると、Ｉｎ組成の増加にともなって、ＧａＮ基板とＩｎＧａＮ量子井戸活性層との格子不整合に起因するピエゾ電界によって、発光効率が減少するため、青緑色よりも長波長である半導体レーザダイオードの実現は困難であった。

また、そもそも、Ｉｎ組成が高くなると、ＩｎＧａＮの結晶を安定的に成長させることができず、十分な結晶品質のＩｎＧａＮを得ることは困難であった。

一方、発光ダイオードに関しては、アンバー色（５７０ｎｍ）までが実現されているものの、緑色領域よりも長波長領域では、急激に発光効率が減少する傾向にあり、高効率な発光ダイオードは未だ実現できていない。

ここで、特許文献１に開示された半導体レーザダイオードでは、ＺｎＯ単結晶基板に格子整合したＩｎＧａＮテンプレートを用いており、青色よりも長波長の領域（Ｉｎ組成＞１０％）におけるＩｎＧａＮ量子井戸活性層内の歪みを低減している。

しかしながら、特許文献１の技術をもってしても、Ｉｎ組成が約３０％以上の領域において、基板とＩｎＧａＮ量子井戸活性層との格子不整合に起因するピエゾ電界による発光効率の減少を抑制することはできず、緑色（５５０ｎｍ）よりも長波長の発光素子の実現は困難である。

また、一般的な量産プロセスにおけるＩｎＧａＮの結晶成長温度は、７００℃以上であるが、特許文献１で用いられるＺｎＯ単結晶基板は、Ｚｎの蒸気圧が高いため、７００℃以上に加熱されると分解されてしまい、平坦な表面を得ることができない。したがって、量産性を考慮すると、特許文献１は十分な解決手段を提供するものではない。

本発明は、このような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、高い発光効率を示す高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ量子井戸活性層を得るとともに、緑色よりも長波長領域におけるレーザ発振を可能にした半導体レーザダイオードおよび緑色よりも長波長領域において発光する半導体発光ダイオード、すなわち、緑色よりも長波長領域において高効率で発光する半導体発光素子を提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、Ｉｎ組成２５％以上のＩｎＧａＮに相当する状態を保持したＩｎＧａＮを発光素子の活性層として用いることによって、緑色よりも長波長の発光領域において、ＩｎＧａＮ活性層内部に発生する歪みやピエゾ電界を低減するとともに、発光効率が飛躍的に改善され、長波長領域（緑色〜赤色）においても、レーザ発振が可能な半導体発光素子である。

すなわち、本発明の半導体発光素子は、Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）テンプレートと、井戸層としてＡｌ_(X2)Ｉｎ_(Y2)Ｇａ_(1-X2−Y2)Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）を含む量子井戸活性層と、を備えることを特徴とする。

上記の構成を備えることにより、緑色よりも長波長の領域において、量子井戸活性層中の歪みおよびピエゾ電界が低減されるため、高品質な結晶を得ることができるとともに、高い輻射再結合確率や利得を有する量子井戸構造が形成可能になる。

また、該テンプレートと該量子井戸活性層との間に、該テンプレートに格子整合するＡｌ_(X1)Ｉｎ_(Y1)Ｇａ_(1-X1-Y1)Ｎ（０≦Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１）下部クラッド層と、該量子井戸活性層の上に、該テンプレートに格子整合するＡｌ_(X3)Ｉｎ_(Y3)Ｇａ_(1-X3-Y3)Ｎ（０≦Ｘ３≦１、０≦Ｙ３≦１）上部クラッド層と、をさらに備えていることが好ましい。

上記の構成を備えることにより、発生したキャリアを効率良く量子井戸活性層に閉じ込めることができるため、発光効率の高い発光素子が実現可能である。

また、該テンプレートは、（１１１）スピネル基板またはＩｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）単結晶基板を下地としており、かつ該基板に格子整合するＩｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）層を含むことが好ましい。

上記の構成を備えることにより、たとえば、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法などの一般的な手法によって、エピタキシャルウエハの形成が可能になり、量産性の観点から好ましい。

該Ｘ０は、０．３０≦Ｘ０≦０．３２の関係を満たすことが好ましい。
上記の関係を満たすことにより、Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎテンプレートが、（１１１）スピネル単結晶基板に格子整合するため、高品質なＩｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎテンプレートが実現可能になる。

また、該Ｘ０および該Ｙ２は、０．０５≦Ｙ２−Ｘ０の関係を満たすことが好ましい。
上記の関係を満たすことにより、歪みによる価電子帯のバンドミキシングを弱めることができるとともに、利得や自然放出確率のＴＥ偏光成分を増加させることが可能であるため、高性能な半導体レーザダイオードや半導体発光ダイオードが実現可能になる。

また、該Ｘ０および該Ｙ２は、Ｙ２−Ｘ０≦０．１０の関係を満たすことも好ましい。
上記の関係を満たすことにより、量子井戸活性層内のピエゾ電界が、キャリアによってスクリーニングされるため、高性能な半導体レーザダイオードが実現可能になる。

また、該テンプレートと該下部クラッド層との間に、該テンプレートに格子整合するＡｌ_(X4)Ｉｎ_(Y4)Ｇａ_(1-X4-Y4)Ｎ（０≦Ｘ４≦１、０≦Ｙ４≦１）下部コンタクト層と、該下部クラッド層と該量子井戸活性層との間に、Ａｌ_(X5)Ｉｎ_(Y5)Ｇａ_(1-X5-Y5)Ｎ（０≦Ｘ５≦１、０≦Ｙ５≦１）下部ガイド層と、該量子井戸活性層と、該上部クラッド層との間に、Ａｌ_(X6)Ｉｎ_(Y6)Ｇａ_(1-X6-Y6)Ｎ（０≦Ｘ６≦１、０≦Ｙ６≦１）上部電流ブロック層と、Ａｌ_(X7)Ｉｎ_(Y7)Ｇａ_(1-X7-Y7)Ｎ（０≦Ｘ７≦１、０≦Ｙ７≦１）上部ガイド層と、を備えるとともに、該上部クラッド層の上に、Ａｌ_(X8)Ｉｎ_(Y8)Ｇａ_(1-X8-Y8）Ｎ（０≦Ｘ８≦１、０≦Ｙ８≦１）上部コンタクト層と、をさらに備えていることが好ましい。

上記の構成を備えることにより、効率良く光とキャリアを量子井戸活性層付近に閉じ込めることが可能になり、さらに、電極とのオーミック接触をとりやすくなるため、高性能な半導体レーザダイオードが実現可能になる。

本発明の半導体発光素子は、緑色よりも長波長の発光領域において、ＩｎＧａＮ活性層内部に発生する歪みおよびピエゾ電界の発生を、効率的に抑制することができるとともに、極めて高い発光効率を示す。また、極めて大きな利得が得られるため、長波長領域（すなわち、緑色〜赤色領域）においてレーザ発振が可能である。

利得と自然放出確率の理論計算手順を示すフローチャートの一例である。 利得スペクトルの理論計算結果を示す図である。 利得スペクトルの理論計算結果を示す図である。 利得ピークのキャリア密度依存性を示す図である。 自然放出確率の理論計算結果を示す図である。 自然放出確率の理論計算結果を示す図である。 自然放出確率のキャリア密度依存性を示す図である。 ＩｎＧａＮ半導体素子におけるＩｎ組成とバンドギャップの関係を示す図である。 本発明の半導体レーザダイオードの概略概念図である。 本発明の発光ダイオードの概略概念図である。 半導体発光素子の量子井戸活性層の一例を示す概略概念図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、さらに詳細に説明する。
＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施の形態１である半導体レーザダイオード１について説明する。

＜素子構成＞
図９を用いて、半導体レーザダイオード１の構成を説明する。該半導体レーザダイオード１は、（１１１）スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）基板１０と、該スピネル単結晶基板１０上に形成された、該スピネル単結晶基板１０と格子整合したＩｎ組成を有するＩｎＧａＮテンプレート１１と、該テンプレート１１上に形成され、該テンプレート１１に格子整合するＡｌＩｎＧａＮ下部コンタクト層１２と、該下部コンタクト層１２上に形成されるＡｌＩｎＧａＮ下部クラッド層１３と、該下部クラッド層１３上に形成されるＡｌＩｎＧａＮ下部ガイド層１４と、該下部ガイド層１４上に形成されるＡｌＩｎＧａＮ量子井戸活性層１５と、該量子井戸活性層１５上に形成されるＡｌＩｎＧａＮ電流ブロック層１６と、該電流ブロック層１６上に形成されたＡｌＩｎＧａＮ上部ガイド層１７と、該上部ガイド層１７上に形成されたＡｌＩｎＧａＮ上部クラッド層１８と、該上部クラッド層１８上に形成されたＡｌＩｎＧａＮ上部コンタクト層１９と、を備えている。

＜テンプレート＞
テンプレート１１は、その上に形成される各層のためのベース基板であり、（１１１）スピネル単結晶基板１０上に形成される。ここで、Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎを含むテンプレート１１の膜厚は０．５μｍ以上７μｍ以下が好ましく、より好ましくは２μｍ以上６μｍ以下であり、最も好ましくは３μｍ以上５μｍ以下である。また、Ｉｎ組成としては、（１１１）スピネル単結晶基板１０に格子整合するように、０．２５≦Ｘ０≦０．３５であることが好ましく、より好ましくは０．２７≦Ｘ０≦０．３３であり、最も好ましくは０．３０≦Ｘ０≦０．３２である。Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎ（すなわち、Ｘ０＝０．３１）は、格子整合の観点から特に好ましい。

＜下部コンタクト層＞
下部コンタクト層１２は、ｎ電極２０とのオーミック接触を実現するために設けられる。ここで、内在する歪みは小さいほうが好ましいため、テンプレート１１に格子整合するように組成調整されたＡｌ_(X4)Ｉｎ_(Y4)Ｇａ_(1-X4-Y4)Ｎであることが好ましく、組成Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎおよび膜厚５０ｎｍが最も好ましい。

＜下部クラッド層＞
下部クラッド層１３は、キャリアと量子井戸活性層１５から発生する光を効率よく閉じ込めるために設けられる。ここで、内在する歪みは小さい方が好ましいため、テンプレート１１に極力格子整合するように組成調整されたＡｌ_(X5)Ｉｎ_(Y5)Ｇａ_(1-X5-Y5)Ｎ（０≦Ｘ５≦１、０≦Ｙ５≦１）であることが好ましく、組成Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎおよび膜厚１μｍが最も好ましい。

＜下部ガイド層＞
下部ガイド層１４は、下部クラッド層１３と協働して光を閉じ込めるために設けられる。ここで、下部ガイド層１４の方が下部クラッド層１３よりも高い屈折率を有するように形成されることによって、光を下部ガイド層１４側に閉じ込める。下部クラッド層１３よりも高い屈折率を得るために、下部クラッド層１３よりも高いＩｎ組成の薄膜であることが好ましく、組成Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ、膜厚約２００ｎｍが好ましい。

＜量子井戸活性層＞
量子井戸活性層１５は電子とホールの輻射再結合により光を発生する層であり、ＩｎＧａＮ井戸層１５１の両側にＩｎＧａＮバリア層１５２が設けられた構成を備えている。Ｉｎ組成、歪みおよび膜厚により発光波長は変化するため、所望の発光波長に応じて適切な値を選択する必要がある。

本実施の形態１においては、表１に示したＩｎ組成を用いる。また、バリア層１５２幅を６ｎｍ、井戸層１５１幅３ｎｍとしている。この井戸層１５１を一層のみ含む場合を単一量子井戸構造（ＳＱＷ）とも記し、バリア層１５２、井戸層１５１、バリア層１５２、井戸層１５１、のように順次積層され、複数の井戸層１５１を有する構造を多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とも記す。ここでは、図１１に示すように、合計３層の井戸層１５１を含む多重量子井戸構造を用いている。

＜電流ブロック層＞
電流ブロック層１６は量子井戸活性層１５から溢れた電子をブロックするために設けられる。電子をブロックするため、バリア層１５２よりも高いバンドギャップ、つまり低いＩｎ組成のＩｎＧａＮが好ましい。電流ブロック層１６のＩｎ組成は、表１に示したバリア層１５２のＩｎ組成よりも約０．０５小さな組成が好ましく、厚さは１０ｎｍが好ましい。

＜上部ガイド層および上部クラッド層＞
上部ガイド層１７および上部クラッド層１８は、それぞれ下部ガイド層１４、下部クラッド層１３と同様の役割を担っており、光を閉じ込めるために用いられる。それぞれのＩｎ組成および膜厚は下部ガイド層１４、下部クラッド層１３と同じであることが好ましい。

＜上部コンタクト層＞
上部コンタクト層１９は電極とのオーミック接合を取るために設けられる。組成および膜厚は下部コンタクト層１２と同じであることが好ましい。

＜ドーパント＞
また、ここで、下部コンタクト層１２、下部クラッド層１３および下部ガイド層１４はｎ型にドーピングされており、電流ブロック層１６、上部ガイド層１７、上部クラッド層１８はそれぞれｐ型にドーピングされている。ｎ型のドーパントはシリコン（Ｓｉ）、ｐ型のドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）であることが好ましい。

＜外部構成＞
上記テンプレートおよび各層は、図９に示すように積層され、コンタクト層の上にｐ電極２１、一部露出した下部コンタクト層１２の上にｎ電極２０が形成される。また、電極以外の側面を覆うようにＳｉＯ₂などの絶縁膜２２が形成される。

＜レーザ発振動作＞
このような半導体レーザダイオード１において、ｎ電極２０とｐ電極２１の間に電圧を印加すると、量子井戸活性層１５に向かってｐ電極２１からホールが、ｎ電極２０から電子が注入され、量子井戸活性層（ａｃｔｉｖｅ）で利得を生じ、表１に示す波長付近でレーザ発振を起こす。

上記構成（特に下部コンタクト層１２、下部クラッド層１３、下部ガイド層１４、量子井戸活性層１５、電流ブロック層１６、上部ガイド層１７、上部クラッド層１８、上部コンタクト層１９の組成および膜厚）はあくまでも一例であり、各層が臨界膜厚（転位や欠陥の発生する限界の膜厚）を越えない限り、所望の波長やパワーに応じて、適宜調整しても良い。

＜半導体レーザダイオードの製造＞
次に、実施の形態１における半導体レーザダイオード１の製造方法について説明する。半導体レーザダイオード１のエピタキシャルウエハは、分子線エピタキシー法（以下、ＭＢＥとも記す）および有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥとも記す）を用いて成長させることが可能である。以下、それぞれの場合について、図９を用いて説明する。

＜結晶成長ＭＢＥ＞
ＭＢＥを用いた半導体レーザダイオード１のエピタキシャルウエハの成長方法について説明する。まず、（１１１）スピネル単結晶基板１０の表面処理を行なう。この表面処理としては、以下に説明する表面平坦化処理、表面清浄化処理を行なうことができる。表面平坦化処理では、（１１１）スピネル単結晶基板１０の表面を機械化学研磨処理（以下、ＣＭＰ処理とも記す）し、酸素雰囲気中約１０００度の温度で熱処理を行なうことで、表面にステップ構造を形成することができる。

次いで、（１１１）スピネル単結晶基板１０を成長チャンバ内に導入し、表面清浄化処理を行なう。表面清浄化処理では、成長チャンバ内において、大気圧下または減圧下でサーマルクリーニング処理を行なう。具体的には７００〜７５０℃の温度で（１１１）スピネル単結晶基板１０を３０〜６０分間加熱して、有機物などを除去することができる。

次いで、（１１１）スピネル単結晶基板１０表面への窒化物半導体層の成長過程に入る。Ｖ族原料を窒素ラジカルとして供給できるＲＦラジカルセルを有する窒素ＲＦラジカルソースＭＢＥ法により、窒化物半導体層を成長させることができる。

次いで、成長温度を７５０℃より低い温度、たとえば４００〜６００℃に設定して、所望のセル温度に設定した原料であるＡｌ、Ｉｎ、ＧａおよびＮを用いて、各層の形成に最適な成長温度および原料ガスの構成比を調整しながら、（１１１）スピネル単結晶基板１０上に原料ガスを供給することにより、テンプレート１１、下部コンタクト層１２、下部クラッド層１３、下部ガイド層１４、３周期のＩｎＧａＮ量子井戸活性層１５、電流ブロック層１６、上部ガイド層１７、上部クラッド層１８、上部コンタクト層１９を順次形成する。

ここで、下部コンタクト層１２、下部クラッド層１３、下部ガイド層１４成長の際には、シリコン（Ｓｉ）をドーピングすることにより、各層をｎ型導電性にすることができる。

また、電流ブロック層１６、上部ガイド層１７、上部クラッド層１８、上部コンタクト層１９の成長の際には、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングすることにより、各層をｐ型導電性にすることができる。なお、ｐ型ドーパントとしては、マグネシウム（Ｍｇ）に代えて、ベリリウム（Ｂｅ）や、マグネシウム（Ｍｇ）とシリコン（Ｓｉ）のコドープなどを好適に用いることができる（ｐ型コドーピング）。

また、上記工程において、窒素プラズマ条件としては、たとえば、プラズマ電力３００〜５００Ｗ、窒素ガス（Ｎ₂）流量１．０〜５．０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎ）を採用することができる。

また、エピタキシャル成長した後に、成長チャンバー内もしくは真空中から取り出して、高温で熱処理を行なうことにより、Ｍｇを活性化させるとともに、Ｍｇをドーピングした層をｐ型導電性にすることができる。

以上のプロセスにより、半導体レーザダイオード１のエピタキシャルウエハが形成される。

＜結晶成長ＭＯＶＰＥ＞
以下、ＭＯＶＰＥを用いた半導体レーザダイオード１のエピタキシャルウエハの成長方法について説明する。まず、（１１１）スピネル単結晶基板１０の表面処理を行なう。この表面処理として、以下に説明する表面平坦化処理、表面清浄化処理を行なう。表面平坦化処理では、（１１１）スピネル単結晶基板１０の表面をＣＭＰ処理し、酸素雰囲気中約１０００度の温度で熱処理を行なうことで、表面にステップ構造を形成することができる。

次いで、（１１１）スピネル単結晶基板１０を成長チャンバ内に導入し、表面清浄化処理を行なう。表面清浄化処理では、成長チャンバ内において、大気圧下または減圧下でサーマルクリーニング処理を行なう。具体的には、水素雰囲気中で、１０００〜１１００度の温度で（１１１）スピネル単結晶基板１０を３０〜６０分間加熱し、有機物などを除去することができる。

次いで、成長温度を、たとえば、６００〜８００℃に設定して、原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用いて、各層の形成に最適な成長温度、原料ガスの構成比を調整しながら、テンプレート１１、下部コンタクト層１２、下部クラッド層１３、下部ガイド層１４、３周期のＩｎＧａＮ量子井戸活性層１５、電流ブロック層１６、上部ガイド層１７、上部クラッド層１８、上部コンタクト層１９を順次形成することができる。

下部コンタクト層１２、下部クラッド層１３および下部ガイド層１４の成長の際には、シランガス（ＳｉＨ₄）を上記原料ガスに加えて供給することにより、各層をｎ型導電性にすることができる。

また、電流ブロック層１６、上部ガイド層１７、上部クラッド層１８および上部コンタクト層１９の成長の際には、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を上記原料ガスに加えて供給することにより、各層をｐ型導電性にすることができる。

エピタキシャル成長した後に、成長チャンバー内で、窒素雰囲気中、熱処理を行なうことにより、Ｍｇを活性化させるとともに、Ｍｇをドーピングした層をｐ型導電性にすることができる。

以上のプロセスにより、半導体レーザダイオード１のエピタキシャルウエハが形成される。

＜後工程＞
上記のようにして形成されたエピタキシャルウエハを反応容器から取り出し、図９に示すように、上部コンタクト層１９より選択エッチングを行ない、下部コンタクト層１２の表面を露出させ、露出した下部コンタクト層１２と、上部コンタクト層１９の表面にそれぞれストライプ状のｎ電極２０、ｐ電極２１を形成する。

次いで、ウエハの（１１１）スピネル単結晶基板１０側を、研磨機を用いて、８０μｍまで研磨した後、ウエハをスクライバーのテーブルに設置して、スクライブラインを入れる。スクライブライン形成後、ウエハをローラで押し割り、ストライプ状の電極に直交する分割面を有するバーを得る。

次いで、上記バーの分割面に、ＣＶＤ装置を用いて、誘電体多層膜からなる反射鏡２３（図示せず）を形成して共振面を形成した。さらに、電極に平行な位置でバーの基板側をスクライブした後、バーを割り、共振器長１ｍｍ、幅５００μｍの半導体レーザダイオード１を形成する。

＜発光効率の理論的評価＞
＜利得の計算結果＞
ＩｎＧａＮ活性層の歪み量が、レーザ特性に与える影響を確認することを目的として、光学利得および自然放出確率の理論計算を、以下のようにして行なった。

図１に理論計算の概略を示す。各ステップにおける計算は、たとえば、「Ｓ． Ｌ． Ｃｈｕａｎｇ ａｎｄ Ｃ． Ｓ． Ｃｈａｎｇ， Ｓｅｍｉｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ １２， ２５２ （１９９７）」（以下、「Ｃｈｕａｎｇら」とも記す）や、「Ｊ．Ｐｉｐｒｅｋ ｅｔ ａｌ． Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ： Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， Ｗｉｌｌｅｙ （２００７）」などに記載された内容に基づき行なうことができる。

計算においては、量子井戸活性層としてＩｎＧａＮ量子井戸構造を仮定し、ＩｎＧａＮ井戸層の両側に井戸層よりも大きなＩｎ組成を持ったＩｎＧａＮバリア層が設けられたモデルを利用した。図１の手順に従って、量子井戸内のキャリア密度を変化させ、各キャリア密度における利得と自然放出確率の計算を行なった。

なお、電子のハミルトニアンには、１バンド有効質量ハミルトニアンを用い、ホールのハミルトニアンには、６バンドｋ・ｐハミルトニアンを用いた。計算において、歪みおよびピエゾ電界を考慮して、キャリアによるピエゾ電界のスクリーニングも、自己無頓着に計算に取り入れた。

計算に用いたＩｎＧａＮ量子井戸構造のバリア層と井戸層のＩｎ組成を表１および２に示す。テンプレート材料は（１１１）スピネル単結晶基板に格子整合するＣ面Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレートと、従来から用いられているＣ面ＧａＮテンプレートである。すべての構成において、バリア層の幅は６ｎｍ、井戸層の幅は３ｎｍとした。

半導体レーザは、発光ダイオードに比較して、高いキャリア密度の条件下において、動作を行なうため、利得と自然放出確率のピーク位置が異なり、同一波長であっても利得と自然放出確率との間でＩｎ組成が異なる場合がある。

＜利得＞
表１に、利得の計算を行なった試料の内容を示す。Ｃ面Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸の試料名を、利得の計算を行なった波長ごとに、それぞれＡ−１ａ〜Ａ−４ａとした。また、Ｃ面ＧａＮテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸の試料名を、同様に、それぞれＡ−１ｂ〜Ａ−４ｂとした。表１中、井戸層およびバリア層の列の数値は、量子井戸構造内における各層のＩｎ組成を示している。そして、発光波長５３０ｎｍ、５５０ｎｍ、５７５ｎｍ、６００ｎｍの量子井戸について、それぞれ利得の計算を行なった。

利得は、半導体レーザの動作範囲であるキャリア密度６．３×１０¹¹ｃｍ^-2から１．０７×１０¹³ｃｍ^-2の範囲で計算を行なった。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）に、ＴＥ偏光利得スペクトルの計算結果を示す。ここで、ＴＥ偏光とは、量子井戸面内方向の偏光成分である。一方、量子井戸成長方向の偏光成分はＴＭ偏光とよばれる。本発明の半導体レーザダイオードは、ＴＥ偏光で動作することを想定しているため、これ以降、特に偏光に関する説明のない場合はＴＥ偏光を示すものとする。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）はそれぞれ、（ａ）Ａ−１ａ（実線）とＡ−１ｂ（破線）、（ｂ）Ａ−２ａ（実線）とＡ−２ｂ（破線）、（ｃ）Ａ−３ａ（実線）とＡ−３ｂ（破線）、（ｄ）Ａ−４ａ（実線）とＡ−４ｂ（破線）の計算結果である。図２および図３より明らかなように、各量子井戸は、設計波長付近で、ピークを有している。

また、図４に、利得のピーク値をプロットしたものを示す。図４より明らかなように、すべての波長において、Ｃ面Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸（すなわち、Ａ−１ａ〜Ａ−４ａ）は、Ｃ面ＧａＮテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸（すなわち、Ａ−１ｂ〜Ａ−４ｂ）に比較して、２倍から５倍程度高い利得を有している。

ここで、レーザ発振可能性について説明する。共振器の損失を利得が上回るとレーザ発振が生じる。典型的なＩｎＧａＮ量子井戸レーザでは、共振器の内部損失とミラー損失の合計が２５ｃｍ^-1程度であり、光閉じ込め係数（共振器に閉じ込められた光のうち、利得を発生する量子井戸活性層と重なる割合）は、０．０２程度であると考えられる。すなわち、［利得の最大値］×０．０２−２５＞０がレーザ発振条件である。すなわち、利得の最大値が１２５０ｃｍ^-1となれば、レーザ発振可能である。

Ａ−１ａ〜Ａ−４ａについては、キャリア密度８×１０¹²ｃｍ^-2以上９×１０¹²ｃｍ^-2以下の範囲において、それぞれ１２５０ｃｍ^-1を超えているため、レーザ発振することが可能である。

＜自然放出確率＞
表２に、自然放出確率の計算を行なった試料の内容を示す。Ｃ面Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸の試料名を、自然放出確率の計算を行なった波長ごとに、それぞれＢ−１ａ〜Ｂ−３ａとした。また、Ｃ面ＧａＮテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸の試料名を、同様に、それぞれＢ−１ｂ〜Ｂ−３ｂとした。表２中、井戸層およびバリア層の列の数値は、量子井戸構造内における各層のＩｎ組成を示している。そして、５５０ｎｍ、５７５ｎｍ、６００ｎｍの量子井戸について、それぞれ自然放出確率の計算を行なった。

自然放出確率は、発光ダイオードの動作範囲であるキャリア密度６．３×１０¹¹ｃｍ^-2から３．２×１０¹²ｃｍ^-2の範囲で計算を行なった。

図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ｃ）に、キャリア密度を、６×１０¹¹ｃｍ^-2から３×１０¹²ｃｍ^-2へ、と変化させたときの自然放出スペクトルの計算結果を示す。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、（ａ）Ａ−１ａ（実線）とＡ−１ｂ（破線）、（ｂ）Ａ−２ａ（実線）とＡ−２ｂ（破線）、（ｃ）Ａ−３ａ（実線）とＡ−３ｂ（破線）の結果である。図５および図６より明らかなように、各量子井戸は、設計波長付近でピークを有している。

また、図７にトータル自然放出確率をプロットしたものを示す。図７より明らかなように、すべての波長において、Ｃ面Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸（すなわち、Ｂ−１ａ〜Ｂ−３ａ）は、Ｃ面ＧａＮテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸（すなわち、Ｂ−１ｂ〜Ｂ−３ｂ）に比較して、４倍から５倍程度高い自然放出確率を有している。すなわち、４倍から５倍高い発光効率を有している。

＜Ｉｎ組成の影響＞
ここで、Ｃ面Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｍテンプレート上に形成された各ＩｎＧａＮ量子井戸の間の計算結果の違いについて説明する。図４に示すとおり、一定のキャリア密度の条件下においては、最大利得は、それぞれ、Ａ−３ａが最大値を示している。以下、この原因について、図８を用いて説明する。

基板上にエピタキシャル成長させたＩｎ_(X)Ｇａ_(1-X)Ｎ（０＜Ｘ＜１）内には、基板との格子不整合が存在する場合、成長面内方向に二軸性の応力が生じる。この二軸性の応力によって、結晶内の原子位置が変化するため、エネルギー構造が変化する。

歪みに対するバンドギャップの変化量の具体的な導出方法は、たとえば、上記した「Ｃｈｕａｎｇら」などに示されている。該方法を用いて、（１１１）スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）基板上に格子整合するＩｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレート上に形成されるＩｎ_(x)Ｇａ_(1-X)Ｎ（０＜Ｘ＜１）薄膜のバンドギャップを計算した結果を、図８に示す。

なお、バンドギャップの計算においては、伝導帯バンド１つ（Ｅｃ）と、価電子帯バンド３つ（Ｅｈｈ、Ｅｌｈ、Ｅｃｈ）を考慮した。３つの価電子帯バンドは、ヘビーホールバンド（Ｅｈｈ）、ライトホールバンド（Ｅｌｈ）、結晶場分裂バンド（Ｅｃｈ）とよばれ、それぞれ異なる性質を示す。図８に示すバンドギャップは、上記Ｅｃと、上記各Ｅｈｈ、Ｅｌｈ、Ｅｃｈとの差によって、定義されている。以下、これらのバンドギャップを、［Ｅｃ−Ｅｌｈ］、［Ｅｃ−Ｅｈｈ］、［Ｅｃ−Ｅｃｈ］とも記す。

ここで、伝導帯とヘビーホール間、ならびに伝導帯とライトホール間の遷移は、ＴＥ偏光の光を発し、伝導帯と結晶場分裂バンド間の遷移は、ＴＭ偏光の光を発する。

図８に示すように、Ｘ＜０．８の領域では、Ｉｎ組成の増加と共にバンドギャップは減少する。そして、Ｘ＝０．２８付近の点を境界として、最小のバンドギャップが［Ｅｃ−Ｅｌｈ］から［Ｅｃ−Ｅｈｈ］へとスイッチしている。

これは、ＡｌＩｎＧａＮは直接遷移半導体であるため、光学遷移はバンドの近くのエネルギーで最も強く生じるからであり、すなわち、最小バンドギャップを構成する伝導帯と価電子帯間の遷移がメインの光学遷移機構となるからである。

しかしながら、Ｘ＝０．３１付近のＩｎＧａＮテンプレートと井戸層とのＩｎ組成の差が比較的小さい領域では、３種類のバンドのエネルギーが近いため、それぞれのバンドが強く混ざり合った状態になっている（この状態を、バンドミキシングともいう）。そのため、［Ｅｃ−Ｅｌｈ］、［Ｅｃ−Ｅｈｈ］、［Ｅｃ−Ｅｃｈ］の各バンド間の遷移が混ざり合い、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の混ざった光が発せられる。

ここで、キャリアの数は一定であるため、ＴＭ偏光を発生する［Ｅｃ−Ｅｃｈ］の光学遷移が生じると、それに応じて、ＴＥ偏光を発生する光学遷移である［Ｅｃ−Ｅｌｈ］および［Ｅｃ−Ｅｈｈ］が減少する。さらにＩｎ組成の差が増加すると、ＴＭ偏光の割合が減少していくため、ＴＥ偏光の利得は大きくなっていく。計算の結果、Ｘ≧０．３６以上、すなわち、Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)ＮテンプレートとＡｌ_(X2)Ｉｎ_(Y2)Ｇａ_(1-X2−Y2)Ｎ井戸層とのＩｎ組成の差(Ｙ２−Ｘ０)が０．０５以上の場合、ほぼＴＭ偏光成分は無視できる程度に小さくなることが判明した。したがって、０．０５≦Ｙ２−Ｘ０の関係を満たすことが好適である。

一方で、Ｘ＞０．３１の領域では、Ｉｎ組成の増加にともない歪みが大きくなるため、ピエゾ電界が大きくなる。上記の通り、ピエゾ電界は、電子とホールを空間的に分離してしまうため、輻射再結合確率は低下し、利得は小さくなる。しかしながら、ピエゾ電界が小さな領域では、キャリア自身の作り出す電界によって、ピエゾ電界が打ち消される。これにより、ピエゾ電界による電子とホールの空間的分離が緩和されるため、輻射再結合確率の低下が生じない。

しかし、これよりさらにＩｎ組成が増加した領域では、スクリーニングの影響によって、キャリア自信が、ピエゾ電界を打ち消すのに十分な電界を作り出すことができず、上記のような、電子とホールの空間的分離の緩和が起こらない。

したがって、Ｘ＞０．３１の領域では、Ｘの増加にともなうＴＥ偏光利得を増加させる要因（結晶場分裂バンドの影響）と減少させる要因（ピエゾ電界）とが存在し、両要因にスクリーニングの影響が加わることにより、Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)ＮテンプレートとＡｌ_(X2)Ｉｎ_(Y2)Ｇａ_(1-X2−Y2)Ｎ井戸層のＩｎ組成の差(Ｙ２−Ｘ０)が、０．１０のとき（試料Ａ−３ａ）、最も大きな利得となる。

Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)ＮテンプレートとＡｌ_(X2)Ｉｎ_(Y2)Ｇａ_(1-X2−Y2)Ｎ井戸層のＩｎ組成の差(Ｙ２−Ｘ０)が、０．１０より大きくなると、ピエゾ電界の影響が顕著になる。そのため、試料Ａ−４ａでは、利得および自然放出確率が減少する。したがって、Ｙ２−Ｘ０≦０．１０の関係を満たすことが好適である。

発光ダイオードは、半導体レーザダイオードと比較して、動作状態におけるキャリア密度が低いため、上記スクリーニングの効果が小さい。したがって、ピエゾ電界の影響が相対的に大きく、図７に示すように、自然放出確率は、試料Ｂ−１ａの組成で最大値となり、Ｉｎ組成の増加とともに減少する。

以上、利得や自然放出確率が同じテンプレート同士の比較で変化する要因を挙げたが、３種類の価電子帯のエネルギー差やピエゾ電界を生じさせる一番大きな原因は、歪みである。歪みが、各価電子帯エネルギーに与える影響はそれぞれ異なり、歪みによるエネルギー値の変化量が、各価電子帯の間で、同じ値とはならないため、上記した特性差が生じる。

なお、ここでは、ＩｎＧａＮ量子井戸を例に挙げて説明を行なったが、Ａｌ_(X)Ｉｎ_(Y)Ｇａ_(1-X-Y)Ｎであっても、同様の傾向を示す。

以上に説明したとおり、実施の形態１である半導体レーザダイオード１の構成、すなわち、Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）テンプレートと、井戸層としてＡｌ_(X2)Ｉｎ_(Y2)Ｇａ_(1-X2−Y2)Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）量子井戸活性層と、を備えることを以って、緑色よりも長波長の領域において、利得および自然放出確率を同時に改善し、レーザ発振可能な半導体レーザダイオードが実現できることが確かめられた。

さらに、該Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）テンプレートが、Ｃ面Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレートである場合には、特に優れた性能を示すことが明らかとなった。

また、上記のように、Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸が、ＧａＮテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸に比較して、極めて高い特性を示すのは、井戸層と格子整合するテンプレートとのＩｎ組成の差が、小さな範囲に収まっているためである。

ピエゾ電界の大きさは、井戸層とテンプレートとのＩｎ組成の差によって定まり、該Ｉｎ組成の差の増加とともに、ピエゾ電界は増大するため、比較対象が非特許文献１で用いられているＣ面ＧａＮテンプレートや、特許文献１で用いられているＩｎ組成が０．１〜０．２の格子整合ＩｎＧａＮテンプレートであれば、少なくともＩｎ組成が０．３１より大きな場合、つまり、緑色より長波長の発光素子において格段に性能の優れた発光素子が実現可能である。すなわち、表１に示した構造のみに発光特性の改善効果が限定されるわけではない。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２である発光ダイオード２について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１と同様の役割を担う構成については同じ番号を使用し、説明は省略する。

＜素子構成＞
図１０を用いて、発光ダイオード２の構成を説明する。該発光ダイオード２は、（１１１）スピネル単結晶基板１０と、該スピネル単結晶基板１０上に形成されたスピネル単結晶基板１０と格子整合したＩｎ組成を有するＩｎＧａＮテンプレート１１と、該ＩｎＧａＮテンプレート１１上に形成され、該ＩｎＧａＮテンプレート１１に格子整合するＡｌＩｎＧａＮを含む下部コンタクト層１２と、該下部コンタクト層１２上に形成されるＡｌＩｎＧａＮを含む下部クラッド層１３と、該下部クラッド層１３上に形成されるＡｌＩｎＧａＮ量子井戸活性層１５と、該量子井戸活性層１５上に形成されるＡｌＩｎＧａＮを含む上部クラッド層１８と、該上部クラッド層１８上に形成されるＡｌＩｎＧａＮを含む上部コンタクト層１９と、を備えている。

実施の形態２（発光ダイオード２）における各層の役割および組成については実施の形態１（半導体レーザダイオード１）と同様である。また、実施の形態２のエピタキシャルウエハの製造方法についても実施の形態１と同様である。ただし、実施の形態１の半導体レーザダイオード１に含まれているが、発光ダイオード２には含まれていない層（たとえば、下部ガイド層１４）については、実施の形態１の製造方法において、その形成が省略されていることを示す。

＜後工程＞
発光ダイオード２のエピタキシャルウエハは、図１０に示すように選択エッチングを行ない、下部コンタクト層１２の表面を露出させ、露出した下部コンタクト層１２と、上部コンタクト層１９の表面に、それぞれｎ電極２０、ｐ電極２１を形成する。次いで、ウェハの（１１１）スピネル単結晶基板１０側をダイサーやスライサーを用いて３５０μｍ×３５０μｍのチップに切断し、発光ダイオード２を形成する。

実施の形態２の発光ダイオードは、実施の形態１の半導体レーザダイオードと同様に、Ｃ面Ｉｎ_0.31Ｇａ_0.69Ｎテンプレート上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸を用いることを、以って、緑色よりも長波長の領域において、利得および自然放出確率を同時に改善した高効率発光ダイオードが形成可能である。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 半導体レーザダイオード、２ 発光ダイオード、１０ スピネル単結晶基板、１１ テンプレート、１２ 下部コンタクト層、１３ 下部クラッド層、１４ 下部ガイド層、１５ 量子井戸活性層、１６ 電流ブロック層、１７ 上部ガイド層、１８ 上部クラッド層、１９ 上部コンタクト層、２０ ｎ電極、２１ ｐ電極、２２ 絶縁膜、２３ 反射鏡、 １５１ 井戸層、１５２ バリア層。

Claims (7)

1. Ｉｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）テンプレートと、
   井戸層としてＡｌ_(X2)Ｉｎ_(Y2)Ｇａ_(1-X2−Y2)Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１）を含む量子井戸活性層と、を備える、半導体発光素子。
2. 前記テンプレートと前記量子井戸活性層との間に、前記テンプレートに格子整合するＡｌ_(x1)Ｉｎ_(y1)Ｇａ_(1-x1-y1)Ｎ（０≦Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１）下部クラッド層と、
   前記量子井戸活性層の上に、前記テンプレートに格子整合するＡｌ_(X3)Ｉｎ_(Y3)Ｇａ_(1-X3-Y3)Ｎ（０≦Ｘ３≦１、０≦Ｙ３≦１）上部クラッド層と、をさらに備える、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記テンプレートは、（１１１）スピネル基板またはＩｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）単結晶基板を下地としており、かつ前記基板に格子整合するＩｎ_(X0)Ｇａ_(1-X0)Ｎ（０．２５≦Ｘ０≦０．３５）層を含む、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記Ｘ０は、０．３０≦Ｘ０≦０．３２の関係を満たす、請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記Ｘ０および前記Ｙ２は、０．０５≦Ｙ２−Ｘ０の関係を満たす、請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. 前記Ｘ０および前記Ｙ２は、Ｙ２−Ｘ０≦０．１０の関係を満たす、請求項１から５のいずれかに記載の半導体発光素子。
7. 前記テンプレートと前記下部クラッド層との間に、前記テンプレートに格子整合するＡｌ_(X4)Ｉｎ_(Y4)Ｇａ_(1-X4-Y4)Ｎ（０≦Ｘ４≦１、０≦Ｙ４≦１）下部コンタクト層と、
   前記下部クラッド層と前記量子井戸活性層との間に、Ａｌ_(X5)Ｉｎ_(Y5)Ｇａ_(1-X5-Y5)Ｎ（０≦Ｘ５≦１、０≦Ｙ５≦１）下部ガイド層と、
   前記量子井戸活性層と、前記上部クラッド層との間に、Ａｌ_(X6)Ｉｎ_(Y6)Ｇａ_(1-X6-Y6)Ｎ（０≦Ｘ６≦１、０≦Ｙ６≦１）上部電流ブロック層と、Ａｌ_(X7)Ｉｎ_(Y7)Ｇａ_(1-X7-Y7)Ｎ（０≦Ｘ７≦１、０≦Ｙ７≦１）上部ガイド層と、を備え、
   前記上部クラッド層の上に、Ａｌ_(X8)Ｉｎ_(Y8)Ｇａ_(1-X8-Y8）Ｎ（０≦Ｘ８≦１、０≦Ｙ８≦１）上部コンタクト層と、を備える、請求項１に記載の半導体発光素子。

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