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JP2016111131A - 周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子 - Google Patents

周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子 Download PDF

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Abstract

【課題】良好に発光することができる周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】本発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層４１、ｐ型半導体層４２、及び２波長共振器２９を備えた周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、ｎ型半導体層４１とｐ型半導体層４２との間に共２波長振器２９内に存在する光強度のピーク位置に配置された複数の第１活性層１０及び第２活性層１２と、第１活性層１０及び第２活性層１２の間に配置された中間層１１とを備えており、ｐ型半導体層４２側に配置された第２活性層１２の発光強度がｎ型半導体層４１側に配置された第１活性層１０の発光強度より大きいことを特徴とする。【選択図】図７

Description

本発明は周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子に関するものである。
特許文献１及び非特許文献１は従来の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子を開示している。この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、第１活性層と第２活性層とを備え、さらに、第１活性層と第２活性層との間に設けられた中間層を備えている。また、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、中間層へのｐ型不純物であるＭｇ（マグネシウム）を添加する量を調節し、ｎ型半導体層側に配置された活性層である第１活性層及びｐ型半導体層側に配置された活性層である第２活性層のそれぞれにキャリア（電子及びホール（正孔））をバランスよく供給している。このように、特許文献１及び非特許文献１の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、１つの活性層を設ける場合に比べて、活性層の厚みを実質的に増やすことができるため、窒化物半導体発光素子の性能を向上させることができる。
特開２０１４−４５０１５号公報
Ｋｅｎｊｏ Ｍａｔｓｕｉ、他７名、"Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｇａｉｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｏｗａｒｄｓ Ｂｌｕｅ ＶＣＳＥＬｓ"、［Ｏｎｌｉｎｅ］、２０１４年１２月２日、ＭＲＳ、Ｆａｌｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ＆ Ｅｘｈｉｂｉｔ［平成２６年１１月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｒｓ．ｏｒｇ／ｆａｌｌ−２０１４−ｐｒｏｇｒａｍ−ｔ／＃ｔａｂ３＞
しかし、特許文献１及び非特許文献１の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、中間層へｐ型不純物であるＭｇを添加することによって、活性層の結晶品質が低下し、周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子の性能が低下するおそれがある。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、良好に発光することができる周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子を提供することを解決すべき課題としている。
第１発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、
ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及び共振器を備えた周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に前記共振器内に存在する光強度のピーク位置に配置された複数の活性層と、各前記活性層の間に配置された中間層とを備えており、
前記ｐ型半導体層側に配置された前記活性層の発光強度が前記ｎ型半導体層側に配置された前記活性層の発光強度より大きいことを特徴とする。
また。第２発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、
ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及び共振器を備えた周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に前記共振器内に存在する光強度のピーク位置に配置された複数の活性層と、各前記活性層の間に配置された中間層とを備えており、
前記ｐ型半導体層側に配置された前記活性層への正孔及び電子の注入量が、前記ｎ型半導体層側に配置された前記活性層への正孔及び電子の注入量より多いことを特徴とする。
第１発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、ｐ型半導体層側に配置された活性層である第２活性層の発光強度がｎ型半導体層側に配置された活性層である第１活性層の発光強度より大きい。つまり、第２発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子であるように、ｐ型半導体層側に配置された活性層への正孔及び電子の注入量が、ｎ型半導体層側に配置された活性層への正孔及び電子の注入量より多い。このようにすると、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、中間層へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度を低く抑えることができる。このため、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、ｐ型半導体側に配置された活性層の結晶品質の低下を抑えることかできるため、周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子の発光強度の低下を抑えることができる。
したがって、本発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。
実施例１及び比較例１〜４の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子の層の構造を示す模式図である。 実施例１及び比較例４の電流注入による発光スペクトルを示す図であって、（Ａ）は、実施例１の発光スペクトルを示し、（Ｂ）は、比較例４の発光スペクトルを示している。 実施例１及び比較例１〜４の発光強度比の測定結果を、中間層へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度に従ってプロットした図である。 実施例１及び比較例１、２の電流・発光強度を示す図である。 実施例１の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子の表面からの深さ方向に対するＩｎ及びＭｇの濃度分布の値を示す図である。 ｐ型半導体層側に配置された活性層にＭｇが添加された場合、及びｐ型半導体層側に配置された活性層にＭｇが添加されていない場合においての、電流密度に対する発光強度比を示す図である。 実施例２の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子の層の構造を示す模式図である。
第１発明又は第２発明における好ましい実施の形態を説明する。
第１発明又は第２発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子において、前記中間層に添加するｐ型不純物であるＭｇの濃度は、５×１０18ｃｍ-3以下であり得る。この場合、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、電流密度に対する発光強度の低下を抑えることができる。
第１発明又は第２発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子において、前記ｐ型半導体層側に配置された前記活性層に添加するｐ型不純物であるＭｇの濃度は前記中間層に添加する前記Ｍｇの濃度の０．２倍〜２倍であり得る。この場合、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、正孔をｎ型半導体層側に配置された活性層に良好に供給することができ、ｎ型半導体層側に配置された活性層の発光強度を高めることができる。
第１発明又は第２発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、２つの前記活性層を備えており、
これら活性層の発光波長が同じであり得る。この場合、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、前記活性層による利得で良好に発振させることができる。
次に、第１発明又は第２発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子を具体化した実施例１及び２について、図面を参照しつつ説明する。
＜実施例１＞
周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、第１活性層（ｎ型半導体層側に配置された活性層）及び第２活性層（ｐ型半導体層側に配置された活性層）のそれぞれに均一にキャリア（電子及びホール（正孔））を注入することが必要である。詳しくは、第１活性層及び第２活性層のそれぞれに均一にキャリアを注入するために、第１活性層と第２活性層との間に設けられた中間層に適量のｐ型不純物を添加し、第１活性層へのホールの注入を促進させる必要がある。ホールは電子に比べ移動度が低く有効質量が大きい。また、第１活性層は、ホールの供給源であるｐ型半導体層から見ると、第２活性層及び中間層を介して設けられる。つまり、第１活性層は、ホールの供給源であるｐ型半導体層から見ると、第２活性層より遠い位置に設けられる。このため、第１活性層は第２活性層に比べてホールの注入する量が少なくなる。
そこで、第１活性層及び第２活性層におけるキャリアの注入について検証し、第１活性層及び第２活性層のそれぞれに均一にキャリアを注入することができる最適な条件を得るために、意図的に第１活性層及び第２活性層の発光波長を変え、第１活性層及び第２活性層のそれぞれの発光強度、すなわち、第１活性層及び第２活性層におけるキャリアの注入について検証する実験を実施した。
この実験を実施するため、実施例１、及び比較例１〜４の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子を用意した。実施例１の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、図１に示すように、第１活性層３０、第２活性層３２、及び中間層３１を備えている。
第１活性層３０は、層の厚みが２ｎｍであるＧａＩｎＮ量子井戸層３３、及び層の厚みが１０ｎｍのＧａＮ障壁層３４を有している。第１活性層３０はＧａＩｎＮ量子井戸層３３と、ＧａＮ障壁層３４とを１ペアとして、この１ペアを２．５ペア積層して３重量子井戸構造を形成している。すなわち、３個の井戸層と２個の障壁層にて構成される。
第２活性層３２は、層の厚みが２ｎｍであるＧａＩｎＮ量子井戸層３３、及び層の厚みが１０ｎｍのＧａＮ障壁層３４を有している。第２活性層３２はＧａＩｎＮ量子井戸層３３と、ＧａＮ障壁層３４とを１ペアとして、この１ペアを２．５ペア積層して３重量子井戸構造を形成している。つまり、第１活性層３０と、第２活性層３２は層の構造が同じである。
中間層は、第１活性層３０と、第２活性層３２との間に形成している。中間層の層の厚みは５０ｎｍである。これにより、実施例１の窒化物半導体発光素子は、第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれの層の厚み方向の中心を、共振器内にレーザ動作した際に形成される定在波の腹の位置に一致させることができる。このため、実施例１の窒化物半導体発光素子は周期利得構造の効果を得ることができる。また、中間層３１は、層の厚み方向の中央を中心とする２０ｎｍの厚みの区間３５にｐ型不純物であるＭｇを添加している。
ところで、第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれの発光強度、すなわち、第１活性層３０及び第２活性層３２におけるキャリアの注入について検証する実験は、第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれの発光強度を評価することが目的である。このため、後述する実施例２のようなレーザ動作する窒化物半導体発光素子では、表面及び裏面（表は図１における上側。裏は図１における下側、以下同じ。）のそれぞれに反射鏡（図示せず）を設けて共振器構造を構成するが、実施例１を含むこの実験においては反射鏡による共振器構造を構成する必要がない。
このため、実施例１の窒化物半導体発光素子は、電流注入を実現するため、第１活性層３０の裏面にｎ−ＧａＮ層３６を積層し、第２活性層３２の表面にｐ−ＡｌＧａＮ層３７を積層し、及びｐ−ＡｌＧａＮ層３７の表面にｐ−ＧａＮ層３８を積層している。
ｎ−ＧａＮ層３６は層の厚みが２μｍである。ｎ−ＧａＮ層３６はｎ型半導体層５１に相当する。つまり、第１活性層３０はｎ型半導体層５１側に配置している。
ｐ−ＡｌＧａＮ層３７は層の厚みが２０ｎｍである。ｐ−ＧａＮ層３８は層の厚みが１００ｎｍである。ｐ−ＡｌＧａＮ層３７及びｐ−ＧａＮ層３８はｐ型半導体層５２に相当する。つまり、第２活性層３２はｐ型半導体層５２側に配置している。
また、比較例１〜４の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、層の構造が実施例１の窒化物半導体発光素子の層の構造と同じである。
実施例１及び比較例１〜４の窒化物半導体発光素子は、表１に示すように、第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれの発光波長を、一方を４１０ｎｍにし、他方を４５０ｎｍに設定している。さらに、実施例１及び比較例１〜４の窒化物半導体発光素子は、中間層３１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度を変えている。
Figure 2016111131
ここで注意すべきは、第１活性層３０と第２活性層３２との互いの発光波長が異なるため、第１活性層３０と第２活性層３２との間にバンドギャップの差、すなわちポテンシャルの差が生じることにより、第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれに注入されるキャリアの量に影響を与える点である。
そこで、実施例１及び比較例１、２の窒化物半導体発光素子の第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれの発光波長を４５０ｎｍ及び４１０ｎｍとするのに対して、比較例３、４の窒化物半導体発光素子の第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれの発光波長を４１０ｎｍ及び４５０ｎｍと入れ替えて配置している。
ここで、実施例１及び比較例１〜４はＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて作製した。また、実施例１及び比較例１〜４の窒化物半導体発光素子は、面発光レーザを駆動する場合と同等の電流密度（〜ｋＡ／ｃｍ2）になるように、素子面積の小さい素子をフォトリソグラフィを用いて作製した。こうして、実施例１及び比較例１〜４の窒化物半導体発光素子の発光スペクトルと電流・発光強度特性を評価した。
図２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ実施例１及び比較例４の電流注入による発光スペクトルを示している。実施例１の窒化物半導体発光素子は、図２（Ａ）に示すように、第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれからほぼ同等の発光強度が観測された。このことから、第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれに良好にキャリアが注入されていることがわかる。また、比較例４の窒化物半導体発光素子は、図２（Ｂ）に示すように、第１活性層３０からの発光強度が第２活性層３２からの発光強度よりも大幅に小さい。このことから、第１活性層３０へのキャリアの注入が少ないことがわかる。
ここで、第１活性層及３０び第２活性層３２からの発光強度比を以下のように定義する。
発光強度比＝第１活性層３０からの発光強度（ｎ型半導体層５１側）／（第１活性層３０からの発光強度（ｎ型半導体層５１側）＋第２活性層３２からの発光強度（ｐ型半導体層５２側））
この定義は、発光強度比が０の場合、窒化物半導体発光素子からの発光が全て第２活性層３２（ｐ型半導体層５２側）からの発光であることを表している。また、発光強度比が０．５の場合、窒化物半導体発光素子からの発光が第１活性層３０（ｎ型半導体層５１側）及び第２活性層３２（ｐ型半導体層５２側）のそれぞれ均等に発光していることを表している。また、発光強度比が１の場合、窒化物半導体発光素子からの発光が全て第１活性層３０（ｎ型半導体層５１側）からの発光であることを表している。
図３は、この定義に従って、実施例１及び比較例１〜４の窒化物半導体発光素子の発光強度比の測定結果を、中間層３１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度に従ってプロットしたものである。第１活性層３０及び第２活性層３２の発光強度が等しい場合、発光強度比が０．５になる。これは、原理的に第１活性層３０及び第２活性層３２へのキャリアの注入が均一になされていることを示している。
第１活性層３０と第２活性層３２との互いの発光波長が異なることにより、第１活性層３０と第２活性層３２との間にバンドギャップの差、すなわちポテンシャルの差が生じる。これにより、第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれに注入されるキャリアの量に影響を与える点を踏まえ、実施例１及び比較例１、２に対する比較例３、４の発光強度比の測定結果から総合的に判断すると、第１活性層３０及び第２活性層３２の発光波長が同じである周期利得構造を有する窒化物半導体素子の発光強度比は、実施例１及び比較例１、２のプロットを結んだ線と、比較例３、４のプロットを結んだ線のほぼ中央を通ると考えた（図３に示す点線。）。つまり、第１活性層３０及び第２活性層３２の発光波長が同じである周期利得構造を有する窒化物半導体素子の発光強度比は、実施例１及び比較例１、２と、比較例３、４との発光強度比の測定結果の平均値を採ると考えた。こうして、第１活性層３０及び第２活性層３２の発光波長が同じである周期利得構造を有する窒化物半導体発光素子の第１活性層３０及び第２活性層３２へ均一にキャリアを注入することができる中間層３１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度は約５×１０18ｃｍ-3であることがわかった。
図４は、実施例１及び比較例１、２の窒化物半導体発光素子の電流・発光強度を示している。比較例１の窒化物半導体発光素子が示す特性（黒実線）は第２活性層３２からのみの発光であった。これは、活性層を一つのみ備えている従来の窒化物半導体発光素子と遜色ない発光強度であった（図示せず。）。また、実施例１及び比較例１、２の窒化物半導体発光素子は、図３に示すように、中間層３１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度が高くなるにつれて発光強度比が０より大きくなる。しかし、図４に示すように、比較例２の窒化物半導体発光素子が示す特性（長点線）は、比較例１の窒化物半導体発光素子が示す特性（黒実線）に比べ、中間層３１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度を８×１０18ｃｍ-3と高くした場合、発光強度が大幅に低下することがわかった。これは、ｐ型不純物であるＭｇを中間層３１のみに添加する筈がＭｇのメモリー効果によってＭｇが第２活性層３２へも取り込まれていることが原因であると考えられる（図５参照。）。つまり、中間層３１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度を高くすると、Ｍｇのメモリー効果によって第２活性層３２へも多くのＭｇが添加される。これにより、第２活性層３２の結晶品質が低下し、第２活性層３２の発光強度が低下したと考えられる。
ところで、図６に示すように、第２活性層３２へのｐ型不純物であるＭｇの取り込みが無く、中間層３１のみにｐ型不純物であるＭｇが５×１０18ｃｍ-3の濃度で添加されている場合、発光強度比がほぼ０になる、つまり、ｎ型半導体層５１側に配置された活性層である第１活性層３０の発光強度がほぼ０になることが計算によりわかった。詳しくは、第２活性層３２へのｐ型不純物であるＭｇの取り込みが無い場合、周期利得構造の効果が得られないことがわかった。また、図５に示すように、第２活性層３２へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度は１×１０18ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3であり、中間層３１へのＭｇの添加濃度は５．５×１０18ｃｍ-3である。これらのことから、第２活性層３２へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度は、中間層３１へのＭｇの添加濃度の０．２倍〜２倍程度必要であることがわかった。
この実験を実施したことによって得られた知見を整理する。一般に周期利得構造では第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれからの発光強度が均一（発光強度比が０．５）になることが望ましいと考えられている。しかし、図４に示すように、中間層３１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度が５．５×１０18ｃｍ-3より著しく高くなると第２活性層３２の結晶品質が低下し、周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子の発光強度そのものが低下する。
これにより、周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、中間層３１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度を５×１０18ｃｍ-3以下とする。これは、第１活性層３０及び第２活性層３２の発光波長が同じである周期利得構造にした場合の第１活性層３０及び第２活性層３２へ均一にキャリアを注入することができる濃度である。また、これは、一般に期待される発光強度である第１活性層３０及び第２活性層３２のそれぞれに均一にキャリアを注入する周期利得構造にしたものではない。さらに、この窒化物半導体発光素子は、第２活性層３２からの発光強度が第１活性層３０からの発光強度より大きい。言い換えれば、第２活性層３２へのキャリアの注入量が第１活性層３０へのキャリアの注入量より多い周期利得構造を採用している。これによって、この窒化物半導体発光素子は、第１活性層３０及び第２活性層３２の発光強度が低下することを抑えつつ、周期利得構造の効果を得られることがわかった。
次に、実施例１及び比較例１〜４の窒化物半導体発光素子を用いて実施した実験から得られた知見を基にして具体化した実施例２について、図面を参照しつつ説明する。
＜実施例２＞
実施例２の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、図７に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１６、窒化物半導体多層膜反射鏡層２１、第１活性層１０、中間層１１及び第２活性層１２を有する周期利得構造、及び誘電体多層膜反射鏡層４０を備えている。ｎ型ＧａＮ基板１６は、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）により作製したｎ型ＧａＮ自立基板を用いる。また、ｎ型ＧａＮ基板１６の表面への各窒化物半導体層の形成はＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いる。
先ず、Ｇａ極面を表面（表は図７における上側、以下同じ。）にしてｎ型ＧａＮ基板１６をＭＯＣＶＤ装置の反応炉の中にセットする。そして、反応炉の中にＨ2（水素）及びＮＨ3（アンモニア）を供給しながら温度を上げ、ｎ型ＧａＮ基板１６の表面に対してサーマルクリーニングを施す。
次に、反応炉の中の温度を調節し、ｎ型ＧａＮ基板１６の温度を１０５０度にし、キャリアガスであるＨ2、原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＮＨ3、及びｎ型不純物原料ガスであるＳｉＨ4（シラン）を反応炉の中に供給する。こうして、ｎ型ＧａＮ基板１６の表面に約５００ｎｍの厚みでｎ型ＧａＮ下地層２０を形成する。このｎ型ＧａＮ下地層２０へのｎ型不純物であるＳｉ（ケイ素）の添加濃度は２×１０18ｃｍ-3とする。
次に、ｎ型ＧａＮ下地層２０の表面に、反射中心波長が約４１０ｎｍで、この反射中心波長に対する反射率が９９％以上の窒化物半導体多層膜反射鏡層２１を以下の方法で形成する。
先ず、反応炉の中の温度を調節し、ｎ型ＧａＮ基板１６の温度を８００度にし、キャリアガスであるＮ2（窒素）、原料であるＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、及びｎ型不純物原料ガスであるＳｉＨ4を反応炉の中に供給する。こうして、ｎ型ＧａＮ下地層２０の表面に約５０ｎｍの厚みでｎ型ＡｌＩｎＮ層２１Ａを形成する。このｎ型ＡｌＩｎＮ層２１Ａは、後述するｎ型ＧａＮ層２１Ｂに格子整合しやすくするために、Ｉｎの組成値を約０．１７とする。また、ｎ型ＡｌＩｎＮ層２１Ａへのｎ型不純物であるＳｉの添加濃度は１×１０19ｃｍ-3とする。そして、反応炉の中の温度を調節し、ｎ型ＧａＮ基板１６の温度を１０００度にし、キャリアガスであるＮ2、原料であるＴＭＧａ、ＮＨ3、及びＳｉＨ4を反応炉の中に供給する。こうして、ｎ型ＡｌＩｎＮ層２１Ａの上に約４０ｎｍの厚みでｎ型ＧａＮ層２１Ｂを形成する。このｎ型ＧａＮ層２１Ｂへのｎ型不純物であるＳｉの添加濃度は７×１０18ｃｍ-3とする。そして、このｎ型ＡｌＩｎＮ層２１Ａと、ｎ型ＧａＮ層２１Ｂとを交互に積層させる。ｎ型ＧａＮ下地層２０の表面に、ｎ型ＡｌＩｎＮ層２１Ａと、ｎ型ＧａＮ層２１Ｂとを１ペアとして、４０．５ペア積層させ、窒化物半導体多層膜反射鏡層２１を形成する。ｎ型ＧａＮ基板１６、ｎ型ＧａＮ下地層２０、及び窒化物半導体多層膜反射鏡層２１はｎ型半導体層４１に相当する。
実施例２の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体多層膜反射鏡層２１を構成するＡｌＩｎＮ層２１Ａ及びＧａＮ層２１Ｂをｎ型層にすることで共振器構造の縦方向に電流注入可能な構造を採用したが、ＡｌＩｎＮ層２１Ａ及びＧａＮ層２１Ｂをｎ型不純物及びｐ型不純物を添加しないアンドープ層とし、電流を共振器構造の横方向より注入するイントラキャビティ構造を用いても良い。
次に、第１活性層１０及び第２活性層１２の発光波長が共に同じである４１０ｎｍとする２波長共振器２９を窒化物半導体多層膜反射鏡層２１の表面に以下の方法で形成する。
先ず、窒化物半導体多層膜反射鏡層２１の表面に約７０ｎｍの厚みでｎ型ＧａＮ層１９を形成する。このｎ型ＧａＮ層１９は、ｎ型不純物であるＳｉを２×１０18ｃｍ-3の濃度で添加している。
次に、反応炉の中の温度を調節し、ｎ型ＧａＮ基板１６の温度を７８０度にし、キャリアガスであるＮ2、原料であるＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、及びＮＨ3を反応炉の中に供給する。こうして、３ｎｍの厚みのＧａＩｎＮ量子井戸層１３を形成した後、ＴＭＩｎの供給のみを停止し６ｎｍの厚みでＧａＮバリア層１４を形成する。こうして形成されたＧａＩｎＮ量子井戸層１３及びＧａＮバリア層１４を１ペアとして、この１ペアを４．５ペア積層し第１活性層１０（ＧａＩｎＮ５重量子井戸活性層）を形成する。そして、この第１活性層１０の表面に約５０ｎｍの厚みで中間層であるＧａＮ中間層１１を形成する。このとき、このＧａＮ中間層１１の厚み方向の中央を中心とする２０ｎｍの区間１５に添加するｐ型不純物であるＭｇの濃度を５×１０18ｃｍ-3以下である、２．５×１０18ｃｍ-3とする。ｐ型不純物であるＭｇの添加はｐ型不純物原料ガスであるＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。そして、ＧａＮ中間層１１の表面に第１活性層１０と同じ層構造である第２活性層１２（ＧａＩｎＮ５重量子井戸活性層）を形成する。
このように、実施例２の窒化物半導体発光素子は、ＧａＮ中間層１１を５０ｎｍの厚みとすることによって、第１活性層１０及び第２活性層１２の層の厚み方向の中心を、共振器内にレーザ動作によって存在する光強度のピークの位置に配置することができる。また、この窒化物半導体発光素子は、ＧａＮ中間層１１の厚み方向の中央を中心とする２０ｎｍの区間に添加するｐ型不純物であるＭｇの濃度を５×１０18ｃｍ-3以下である、２．５×１０18ｃｍ-3とする。こうすることで、この窒化物半導体発光素子は、第２活性層１２へのキャリアの注入量を第１活性層１０へのキャリアの注入量より多くすることができる。
次に、反応炉の中の温度を調節し、ｎ型ＧａＮ基板１６の温度を１０００度にし、キャリアガスをＮ2からＨ2に切り換えて、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＣＰ２Ｍｇ、及びＮＨ3を反応炉の中に供給する。こうして、２０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮ層１７及び約１００ｎｍの厚みのｐ型ＧａＮ層１８を順に形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７及びｐ型ＧａＮ層１８はｐ型不純物であるＭｇを２×１０19ｃｍ-3の濃度で添加している。
次に、ｐ型ＧａＮ層１８の表面に、１０ｎｍの厚みでｐ型ＧａＮコンタクト層２２を形成させる。ｐ型ＧａＮコンタクト層２２は、ｐ型不純物であるＭｇを２×１０20ｃｍ-3の濃度で添加している。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７、ｐ型ＧａＮ層１８、及びｐ型ＧａＮコンタクト層２２はｐ型半導体層４２に相当する。こうして、層の厚さの合計が３４０ｎｍの２波長共振器２９を窒化物半導体多層膜反射鏡層２１の表面に形成する。
次に、実施例２の窒化物半導体発光素子に電流注入を行うためのｐ側電極及びｎ側電極を以下の方法で形成する。
先ず、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２の表面に、２０ｎｍの厚みでＳｉＯ2膜２３を形成する。そして、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いてＳｉＯ2膜２３の中央部に直径１０ｕｍの開口部２４を設け、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２を露出させる。そして、この開口部２４の底面に露出するｐ型ＧａＮコンタクト層２２の表面に、電流狭窄を兼ねるｐ側コンタクト電極として、２０ｎｍの厚みでＩＴＯ（酸化インジウムスズ）透明電極２５を形成する。そして、ＩＴＯ透明電極２５の外周部に接触する図示しない外周部、及びワイヤーボンディングのためのパッド部を有する図示しないＴｉ（チタン）／Ａｕ（金）電極を形成する。こうして、ｐ側電極を形成する。そして、フォトリソグラフィを用いて、窒化物半導体多層膜反射鏡層２１、及び２波長共振器２９に対して部分的にドライエッチングを施すことによって素子の分離を行う。次に、ＩＴＯ透明電極２５の表面に、４１０ｎｍを反射中心波長とする、ＳｉＯ2層及びＺｒＯ2層を１ペアとして、この１ペアを８ペア積層して誘電体多層膜反射鏡層４０を形成する。こうして共振器構造が完成する。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１６の裏面（裏は図７における下側。）にＴｉ（チタン）／Ａｌ（アルミ）／Ｔｉ（チタン）／Ａｕ（金）電極２７を積層して形成する。こうして、電流注入が可能な実施例２の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子が完成する。この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、周期利得構造を有するため、一つの活性層のみを有する窒化物半導体発光素子に比べて閾値電流値を減少させることができ、さらに、微分量子効率を増大させることができるため、周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子の特性を向上させることができる。
このような構造を有する周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、ｐ型半導体層４２側に配置された活性層である第２活性層１２の発光強度がｎ型半導体層４１側に配置された活性層である第１活性層１０の発光強度より大きい。つまり、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子を形成するには、中間層１１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度を低くすることができる。こうすることで、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、第２活性層１２の結晶品質の低下を抑えることかできるため、発光強度の低下を抑えることができる。
したがって、本発明の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。
また、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層４１、ｐ型半導体層４２、及び共振器（２波長共振器２９）を備えている。また、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層４１とｐ型半導体層４２との間に共振器（２波長共振器２９）内に存在する光強度のピーク位置に配置された複数の活性層（第１活性層１０及び第２活性層１２）と、各活性層（第１活性層１０及び第２活性層１２）との間に配置された中間層１１とを備えている。さらに、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、ｐ型半導体層４２側に配置された活性層（第２活性層１２）への正孔及び電子の注入量が、ｎ型半導体層４１側に配置された活性層（第１活性層１０）への正孔及び電子の注入量より多い。このため、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、中間層１１へのｐ型不純物であるＭｇの添加濃度を低く抑えることができる。このため、ｐ型半導体層４２側に配置された活性層（第２活性層１２）の結晶品質の低下を抑えることができる。
また、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、中間層１１に添加するｐ型不純物であるＭｇの濃度は、５×１０18ｃｍ-3以下である。このため、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、電流密度に対する発光強度の低下を抑えることができる。
また、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、２つの活性層（第１活性層１０及び第２活性層１２）を備えており、これら活性層（第１活性層１０及び第２活性層１２）の発光波長が同じである。このため、この周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子は、複数の活性層（第１活性層１０及び第２活性層１２）による利得で良好に発振させることができる。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１、２に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１、２は、ｐ型不純物としてＭｇを用いているが、ｐ型不純物である、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等であってもよい。
（２）実施例１、２は、ｎ型不純物としてＳｉを用いているが、ｎ型不純物である、Ｇｅ等であってもよい。
（３）実施例１、２は、Ｇａ極面の表面に結晶を成長させているが、Ｎ極面または半極性面を表面として結晶を成長させてもよい。
（４）実施例２は、第１活性層及び第２活性層をそれぞれ１層の量子井戸層、及び１層のバリア層を１ペアとして、４．５ペア積層して形成しているが、４．５ペアより少なくてしてもよく、多くしてもよい。
（５）実施例２は、第１活性層及び第２活性層の発光波長を、４１０ｎｍとしているが、４１０ｎｍより長くしてもよく、短くしてもよい。
（６）実施例１、２は、中間層の厚みを約５０ｎｍとしているが、発光波長に併せて５０ｎｍより大きくしてもよく、小さくしてもよい。
１０，３０…第１活性層（活性層）
１１，３１…ＧａＮ中間層（中間層）
１２，３２…第２活性層（活性層）
２９…２波長共振器（共振器）
４１，５１…ｎ型半導体層
４２，５２…ｐ型半導体層

Claims (5)

  1. ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及び共振器を備えた周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、
    前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に前記共振器内に存在する光強度のピーク位置に配置された複数の活性層と、各前記活性層の間に配置された中間層とを備えており、
    前記ｐ型半導体層側に配置された前記活性層の発光強度が前記ｎ型半導体層側に配置された前記活性層の発光強度より大きいことを特徴とする周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子。
  2. ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及び共振器を備えた周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、
    前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に前記共振器内に存在する光強度のピーク位置に配置された複数の活性層と、各前記活性層の間に配置された中間層とを備えており、
    前記ｐ型半導体層側に配置された前記活性層への正孔及び電子の注入量が、前記ｎ型半導体層側に配置された前記活性層への正孔及び電子の注入量より多いことを特徴とする周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子。
  3. 前記中間層に添加するｐ型不純物であるＭｇの濃度は、５×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子。
  4. 前記ｐ型半導体層側に配置された前記活性層に添加するｐ型不純物であるＭｇの濃度は前記中間層に添加する前記Ｍｇの濃度の０．２倍〜２倍であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子。
  5. ２つの前記活性層を備えており、
    これら活性層の発光波長が同じであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の周期利得活性層を有する窒化物半導体発光素子。
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