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JP6152848B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表されるＩＩＩ族窒化物で構成される半導体発光素子に関する。
小型、安価、高出力などの優れた特徴をもつことから、半導体レーザが、通信、光ディスクなどのＩＴ技術のほか、医療、一部照明など、幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に、レーザディスプレイや液晶バックライトなどの表示装置の光源用途に、ＧＡＮ系半導体レーザを用いた波長４５０ｎｍ〜５４０ｎｍの半導体光源（半導体発光素子）の開発が進められている。
これらの表示装置に用いられる半導体発光素子では、明瞭な画像を得るために、半導体発光素子の高光出力化が重要となる。また、表示装置の放熱機構を簡素化し低コスト化するためや、半導体発光素子自身の信頼性を向上するために、低消費電力化が求められている。
半導体レーザなどの半導体発光素子においては、しきい値を低減すると、同一の注入電流値において得られる光出力を増すことができ、高出力化及び低電流化が可能となる。これにより、半導体発光素子において、低消費電力化が可能となる。
半導体レーザのしきい値を低減するためには、垂直光閉じ込め係数（Γｖ）と呼ばれるパラメータを大きくすれば良いことが知られている。また、一般的に製造されているｎ型ＧａＮ基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体レーザにおいては、光ガイド層にＩｎＧａＮまたはＧａＮ、クラッド層にはそれらよりも屈折率が低いＡｌＧａＮが用いられることが多い。
垂直光閉じ込め係数Γｖを高める目的でクラッド層を低屈折率化するために、例えば、屈折率が非常に小さいＡｌＩｎＮをｎ型クラッド層に利用することが開示されている（非特許文献１）。また、ＡｌＩｎＮ層中に周期的にｎ−ＧａＮ層を設け、積層方向に電気伝導させる試みもなされている（非特許文献２）。
E. Feltin, A. Castiglia, G. Cosendey, J.-F.Carlin, R. Butte, and N. Grandjean Proc. of CLEO/IQEC978-1-55752-869-8/09 CTuY5, 2009. R. Charash, H. Kim-Chauveau, J-M. Lamy, M. Akther, P. P. Maaskant, E. Frayssinet,P. de Mierry, A. D. Drager,J-Y. Duboz, A. Hangleiter,and B. Corbett, APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 201112, 2011.
非特許文献１に開示されている半導体発光素子では、ｎ型クラッド層の低屈折率化のためにＡｌＩｎＮを用いていた。ところが、ＡｌＩｎＮでは、積層方向にＡｌＩｎＮを通過して電子注入を行うことが困難という課題がある。
この課題を解決するために、非特許文献１では、光ガイド層とＡｌＩｎＮクラッド層の中間に薄いｎ型ＡｌＧａＮ層を挿入し、電子注入を行う構造としている。しかし、電子が横方向にＡｌＧａＮ層を通過するために抵抗が高く低電圧素子を実現することは困難であった。
一方、非特許文献２のようなＡｌＩｎＮ層中に周期的にｎ−ＧａＮ層を設け、積層方向に電気伝導させる試みにおいても、未だ実用水準の電気特性は得られていない。
また、ＩＩＩ族窒化物面発光レーザにおいては、ＧａＮとＡｌＧａＮを用いたＤＢＲが検討されている。しかしながら、ＧａＮとＡｌＧａＮには大きな格子定数差が存在するために、Ａｌ組成を大きくして屈折率差を高め、ＤＢＲの反射率を大きくすることが困難であるという課題がある。そこで、ＡｌＩｎＮをＤＢＲの低屈折率層に用いることも検討されている。しかし、積層方向にＡｌＩｎＮ層を通過して電子注入を行うことが困難であるという課題から、ＡｌＩｎＮをＤＢＲ層に用いた面発光レーザの報告は未だなされていない。
上記課題に鑑み、本開示は、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供する。
前記の課題を解決するために、本開示における半導体発光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを備え、ｎ型層は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含み、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ−３以上含むＡｌＩｎＮで構成され、半導体超格子の積層方向に電流が注入されることを特徴とする。
本開示によれば、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
図１Ａは、実施の形態１にかかる半導体発光素子の上面図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ｂ線に沿って紙面に垂直な方向に切って見た断面図である。 図２は、比較例１にかかる半導体発光素子の構成を示す図である。 図３は、比較例２にかかる半導体発光素子の構成を示す図である。 図４は、比較例３にかかる半導体発光素子の構成を示す図である。 図５は、比較例１における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図６Ａは、比較例２における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図６Ｂは、比較例２における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図７Ａは、比較例３における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図７Ｂは、比較例３における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図８は、実施の形態１におけるＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子の一部における伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図９Ａは、実施の形態１にかかる超格子構造の効果を検証するための試料１を説明する図である。 図９Ｂは、実施の形態１にかかる超格子構造の効果を検証するための試料２を説明する図である。 図９Ｃは、実施の形態１にかかる超格子構造の効果を検証するための試料３を説明する図である。 図１０は、図９Ａ〜図９Ｃの構造の電極Ａ−Ｂ間の電流電圧特性を説明する図である。 図１１は、実施の形態１の半導体レーザと比較例２の半導体レーザの電流光出力特性を説明する図である。 図１２は、実施の形態１にかかる超格子構造において、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）層の膜厚を変えたときの超格子構造の抵抗率を説明する図である。 図１３は、実施の形態１にかかる超格子構造において、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）層中の酸素濃度を変えたときの超格子構造の抵抗率を説明する図である。 図１４は、実施の形態２の半導体発光素子の構成を説明する図である。 図１５は、実施の形態３の半導体発光素子の構成を説明する図である。
（本発明の基礎となった知見）
はじめに、本発明の基礎となった知見について、図面を参照しながら説明する。
半導体レーザなどの半導体発光素子においては、電流注入によって光出力が緩やかにしか増大しない領域（電流値が小さい領域）と、電流注入によって光出力が大きく増大する領域（電流値が大きい領域）が存在し、両者の境界の電流値をしきい値と呼ぶ。しきい値を低減すると、電流を注入しても光出力が緩やかにしか増大しない領域を減らすことが可能となり、結果的に、同一の注入電流値において得られる光出力を増すことができる。すなわち、しきい値を低減することにより高出力化が可能となる。また、しきい値を低減すれば、ある光出力を得るために必要な電流値を低減することが可能となり、低消費電力化でき、結果として、低コスト化や長寿命化させることも可能となる。
一方、半導体レーザのしきい値を低減するためには、垂直光閉じ込め係数（Γｖ）と呼ばれるパラメータを大きくすれば良いことが知られている。これは、モード利得と呼ばれる半導体レーザが光を増幅する性能が、発光層（活性層と呼ばれる）中をレーザ光が進行する際の増幅度合いを示す材料利得（ｇ）と垂直光閉じ込め係数（Γｖ）との積、すなわちΓｖ・ｇで表されるためである。
半導体レーザは、モード利得とレーザ共振器の損失（α）が等しくなったとき発振する。垂直光閉じ込め係数Γｖが大きいとしきい値の低減が可能となるのは、電流注入に伴ってｇが単調に増大するものの、他のパラメータは一定値のため、垂直光閉じ込め係数Γｖが大きいほどΓｖ・ｇ（ｉ）＝αとなる電流値ｉが小さいためである。
ここで、垂直光閉じ込め係数Γｖとは、半導体レーザの積層構造において、積層面に垂直な方向への伝播光の光分布のうち、半導体レーザの発光層（活性層と呼ばれる）が占める割合のことを言い、通常数％程度の値となることが多い。一般的な半導体レーザを構成する積層構造は、活性層の上下にｐ型／ｎ型光ガイド層が挟持され、さらに光ガイド層の上下をｐ型／ｎ型クラッド層が挟持している。このとき、光ガイド層および活性層がレーザ光を伝播させる領域となり、その屈折率をクラッド層よりも高くする必要がある。
これは、光が高屈折率材料へ集中していくため、高屈折率層を低屈折率層で取り囲むことで高屈折率層に光を閉じ込めるためである。このような積層構造において、垂直光閉じ込め係数Γｖを大きくするためには、通常光ガイド層の中央付近に配される活性層における光強度を強める必要がある。このためには、クラッド層の屈折率を低くすることで、光ガイド層とクラッド層の屈折率差を大きくすることが特に有効である。
また、低しきい値動作可能で出射ビーム形状制御が容易という特徴を有する可視光波長域で動作するＩＩＩ族窒化物垂直共振器型面発光半導体レーザ（以下、面発光レーザ）が注目されている。
面発光レーザでは、積層面方向に９９％に近い高い反射率を有する２枚の反射鏡を配し、その間に発光層（活性層）を挟持している。反射鏡としては、屈折率が異なる２種類の材料を交互に積層する分布型ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）が用いられる。
ここで、ＤＢＲの材料としては、縦方向（積層面に垂直方向）への電流注入が可能となることから、電気伝導性を有する材料を用いることが好ましい。既に実用化されている、ＧａＡｓを基板に用いる赤外波長の面発光レーザでは、ＤＢＲの材料としてｎ型またはｐ型に不純物ドープしたＧａＡｓとＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓとの組み合わせを用いることが多い。これは、ＡｌＡｓとＧａＡｓとがほぼ同一の格子定数を持ちながら大きな屈折率差を有すると同時に、不純物ドーピングを行うことで電気伝導させることができるという優れた特徴を有するためである。
現在、一般的に製造されているｎ型ＧａＮ基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体レーザにおいては、光ガイド層にＩｎＧａＮまたはＧａＮ、クラッド層にはそれらよりも屈折率が低いＡｌＧａＮが用いられることが多い。なお、ｐ型クラッド層については、電気抵抗が比較的高いｐ−ＡｌＧａＮの抵抗を低減する目的で、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮ超格子の超格子周期構造を利用することが一般的に行われている。
上記の構造において、垂直光閉じ込め係数Γｖを高める目的でクラッド層を低屈折率化するためには、クラッド層を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成を増加させることが比較的容易に実現できる。しかしながら、Ａｌ組成比を増加させるとｎ型ＧａＮ基板との格子定数差が増加し、積層構造にクラックと呼ばれる割れが入りやすくなるという欠点があり、実質的なＡｌ組成としておよそ１０％を超えるＡｌＧａＮでクラッド層を実現することは困難である。
上記は、ＡｌＧａＮを用いたｐ型、ｎ型クラッド層に共通する課題であるが、近年高品質なｎ型ＧａＮバルク基板が商用に供されるようになったために、ｎ型クラッド層においてより顕著となっている。これは、ｎ型ＧａＮ基板上にＩＩＩ族窒化物半導体レーザを形成する場合、ｎ型クラッド層、光ガイド層（活性層を含む）、ｐ型クラッド層をこの順番で形成することになるが、ｎ型基板の屈折率がｎ型クラッド層よりも高いために、ｎ型クラッド層の膜厚が不十分な場合、レーザ光が光ガイド層からｎ型クラッド層を超えてｎ型ＧａＮ基板に放射して光損失を生じる恐れがあるために、ｎ型クラッド層の膜厚をｐ型クラッド層と比して厚くする必要があるためである。
そこで、ＧａＮと格子定数が同じであるにも関わらず、屈折率が非常に小さいＡｌＩｎＮをｎ型クラッド層に利用することが提唱されている（非特許文献１）。また、ＡｌＩｎＮ層中に周期的にｎ−ＧａＮ層を設け、積層方向に電気伝導させる試みもなされている（非特許文献２）。
上述したように、非特許文献１では、ｎ型クラッド層の低屈折率化のためにＡｌＩｎＮを用いていた。ところが、ＡｌＩｎＮはおよそ５ｅＶという非常に大きなバンドギャップを有し、その電子構造（バンド）において、伝導帯側にＧａＮに対して１ｅＶ程度のバンドオフセットを持つために、積層方向にＡｌＩｎＮを通過して電子注入を行うことが困難という課題がある。この課題を解決するために、非特許文献１では、光ガイド層とＡｌＩｎＮクラッド層の中間に薄いｎ型ＡｌＧａＮ層を挿入し、同層を横方向（積層面方向）に横切って電子注入を行う構造としている。しかし、横方向にＡｌＧａＮ層を通過するために、抵抗が高く商用に供することが可能な水準の低電圧素子を実現することは困難であった。一方、非特許文献２のようなＡｌＩｎＮ層中に周期的にｎ−ＧａＮ層を設け、積層方向に電気伝導させる試みにおいても、未だ実用水準の電気特性は得られていない。
また、ＩＩＩ族窒化物面発光レーザにおいては、ＧａＮとＡｌＧａＮを用いたＤＢＲが検討されている。しかしながら、先に述べたＧａＡｓとＡｌＡｓの組み合わせの場合と異なって、ＧａＮとＡｌＧａＮには大きな格子定数差が存在するために、Ａｌ組成を大きくして屈折率差を高め、ＤＢＲの反射率を大きくすることが困難であるという課題がある。そこで、ＡｌＩｎＮをＤＢＲの低屈折率層に用いることも検討されているが、先に述べた、積層方向にＡｌＩｎＮ層を通過して電子注入を行うことが困難であるという課題から、ＡｌＩｎＮをＤＢＲ層に用いた面発光レーザの報告は未だなされていない。
以下、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる半導体発光素子について説明する。
前記の課題を解決するために、本開示は、ｎ型クラッド層を、不純物である酸素（Ｏ）をドーピングしたＡｌＩｎＮ層と、他のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とを数ｎｍ程度の短周期で繰り返し積層した超格子層とする。なお、本開示において、Ｏがドーピングされた半導体層をＡｌＩｎＮ（Ｏ）のように表現する。
本発明者らは、種々の検討を行った結果、非特許文献２において十分な低抵抗特性が得られない原因は、超格子周期の最適化が行われていないほか、超格子構造における量子化エネルギーのためにショットキーバリアが形成され、前記ショットキーバリアを乗り越えるための電気的なバイアスを印加しなければ電気伝導が行われず、このことによって抵抗値が増加していることを突き止めた。
そこで、本発明者らは、ＡｌＩｎＮ膜中に不純物としてＯをドーピングすると、他のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体（例えばｎ型ＧａＮ）のドナー準位とほぼ同一のエネルギーに不純物準位を形成し、同準位をホッピング的に伝導することでショットキーバリアを解消して従来のＡｌＧａＮ系材料同等の低抵抗特性を実現可能であることを見出した。
さらに、上記のＯドーピングしたＡｌＩｎＮをｎクラッド層に有するＩＩＩ族窒化物半導体レーザを試作し、電気抵抗が従来のＡｌＧａＮ系に比べて同等でありながら、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流が低下することを実験的に確認することで、半導体発光素子の発光効率を向上させることができることを確認した。
以上のことより、本開示における半導体発光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを備え、ｎ型層は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含み、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ−３以上含むＡｌＩｎＮで構成され、半導体超格子の積層方向に電流が注入されることを特徴とする。
これにより、電気抵抗が従来のＡｌＧａＮ系に比べて同等でありながら、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
また、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂは、ｎ型ＧａＮまたはｎ型ＩｎＧａＮで構成されるとしてもよい。
これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂのドナー準位とＡｌＩｎＮにドーピングされたＯの準位が近接することにより、電気抵抗を効果的に低減することができる。
また、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂは、酸素（Ｏ）または珪素（Ｓｉ）を含むこととしてもよい。
これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂに効果的にドナー準位を形成することが可能となり、電気抵抗を低減することができる。
また、基板上にｎ型層、活性層、およびｐ型層がこの順に積層されていてもよい。
また、基板上にｐ型層、活性層、およびｎ型層がこの順に積層されていてもよい。
また、基板はＧａＮ基板またはＧａＮテンプレート基板であることとしてもよい。
上記の構成により、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＢで構成される超格子を積層方向に縦断して電流注入を行うことが可能となる。
また、半導体超格子の周期が１０ｎｍよりも短いこととしてもよい。
これにより、半導体超格子の抵抗を低減することができる。
また、半導体超格子の周期が５ｎｍよりも短いこととしてもよい。
これにより、半導体超格子の抵抗をさらに低減することができる。
また、ｎ型層に第一屈折率窒化物半導体膜と半導体超格子とが交互に積層されたｎ型分布ブラッグ反射鏡を含み、ｎ型分布ブラッグ反射鏡は、第一屈折率窒化物半導体膜の屈折率をｎ１、第一屈折率窒化物半導体膜の膜厚をｄ１、半導体超格子の屈折率をｎ２、半導体超格子の前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとが繰り返し積層された合計膜厚をｄ２、活性層の発光波長をλとすると、ｎ１＞ｎ２且つｎ１×ｄ１＝ｎ２×ｄ２＝１／４×λの関係を満たすこととしてもよい。
これにより、高い電気導電性と光学反射率を有するｎ型分布ブラッグ反射鏡を形成することが可能となる。
以下、具体的に実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面において同一部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例を示すものであって、本発明は、例えば構成部材の配置等が下記のものに特定されるものではない。本発明は、請求の範囲において様々な変更を加えることができる。
（実施の形態１）
以下、実施の形態１にかかる半導体発光素子１００について説明する。本実施の形態においては、半導体発光素子１００の実施の形態として、六方晶ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いる緑色（波長５２０ｎｍ）半導体レーザを用いて説明する。以下、図を参照しながら説明する。
図１Ａは、本実施の形態にかかる半導体発光素子１００の図であり、上面方向から見た図である。図１Ｂは、光導波路２０を含んで、図１ＡのＡ−Ｂに沿って紙面に垂直な方向に切って見た断面図である。
まず、半導体発光素子１００の構成について説明する。
図１Ａ及び図１Ｂに示す、本開示における半導体発光素子１００は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層３と、活性層４と、ｐ型層５とを備えている。ｎ型層３は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含む。ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ−３以上含むＡｌＩｎＮで構成されている。半導体超格子の積層方向に電流が注入される。
このような構成とすることにより、ｎ型層３において、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの伝導帯に注入された電子は、ＡｌＩｎＮによるポテンシャル障壁を、膜中に含まれる酸素原子に起因したドナー準位を介してホッピング的に伝導することにより通過することができる。このことにより、障壁に起因する抵抗を飛躍的に低減することができる。また、ここで、ＡｌＩｎＮは、従来ｎ型層として用いられてきたＡｌＧａＮに比べても低い屈折率を有するために、ｎ型層３を、電子注入層としてだけでなく、強力な光閉じ込め層として機能させることができる。
その結果として、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
以下、必須ではない任意の構成も含めたより具体的な実施例を記載する。
半導体発光素子１００は、例えば主面が（０００１）面のｎ型六方晶ＧａＮ基板である半導体基板１上に、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とをこの順番に有する半導体積層体が積層される。具体的には、ｎ型層としては、例えばＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子クラッド層である半導体超格子層２と、例えばｎ−ＧａＮであるｎ型光ガイド層３とが積層される。活性層としては、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸である活性層４が積層される。ｐ型層としては、例えばｐ−ＧａＮであるｐ型光ガイド層５と、例えばｐ−Ａｌ０．２０ＧａＮである電子障壁層６と、例えばｐ−Ａｌ０．１５ＧａＮ／ＧａＮ超格子であるｐ型クラッド層７と、例えばｐ−ＧａＮであるｐ型コンタクト層８とが積層される。
半導体発光素子１００の光導波路２０は、例えばＳｉＯ２である絶縁膜９により両側を絶縁される。半導体積層体の上下には、当該半導体積層体を挟むように２つの電極、すなわちｐ電極１０およびｎ電極１５が形成される。このような構造により、半導体積層体中の半導体超格子層２には、縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される。言い換えると、２つの電極ｐ電極１０とｎ電極１５との間には、半導体超格子層２を縦方向（積層方向）に通る電流パスが形成される。
光導波路の最上面には、例えばＰｄ／Ｐｔで構成されるｐ電極１０と、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成される配線電極１１と、例えばＴｉ／Ａｕで構成されるパッド電極１２とが、所定のパターンにより形成される。半導体基板１の反対側の面には、例えばＣｕ／Ａｕであるｎ電極１５が形成される。
半導体発光素子１００の光導波路２０の前後、すなわち、図１Ａに示す半導体発光素子１００の紙面に向かって上下の端面には、それぞれ、光導波路２０内の光を反射するための、例えば誘電体多層膜で構成されたフロントコート膜１３と、例えば誘電体多層膜で構成されたリアコート膜１４とが形成される。
なお、本実施の形態では、半導体基板上にｎ型層、活性層、ｐ型層の順に積層したが、ｎ型、ｐ型を入れ換えても構わない。すなわち、半導体基板上にｐ型層、活性層、ｎ型層の順に積層してもよい。
続いて、半導体発光素子１００の詳細な構成について製造方法と合わせて説明する。
まず、主面が（０００１）面のｎ型六方晶ＧａＮである半導体基板１上に、例えば有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いて半導体超格子層２からｐ型コンタクト層８までを連続的に成膜する。
まず、半導体超格子層２は、膜厚がそれぞれ２．５ｎｍのｎ型ＧａＮ、ＡｌＩｎ０．１７７Ｎの繰り返しで構成される超格子層を計７０周期（合計膜厚は３５０ｎｍ）積層することで形成する。
ここで、成膜のためのガス原料としては、例えばＩＩＩ族原料にトリメチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ｎ型不純物にシラン、Ｖ族原料にアンモニアなどを用いればよい。ｎ−ＧａＮ層のＳｉ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３程度にすると良い。ＡｌＩｎＮ層には、酸素を１×１０１８ｃｍ−３程度以上ドーピングすることが好ましい。また、ｎ型ＧａＮ層が酸素を含んでいても良い。ＡｌＩｎＮ層に酸素をドーピングする方法としては、原料ガスに微量の酸素を加える方法がある。
そのほか、簡単には、ＴＭＡのような有機Ａｌ原料を用いる場合には、ＡｌＩｎＮを成膜する際の成長温度を、通常窒化物半導体の成長に広く用いられる温度域（概ね８００〜１２００℃）に比べて低い温度、例えば７００〜８５０℃程度、より好ましくは７００〜８００℃程度にすれば、有機Ａｌ原料から不純物として酸素を混入させることもできる。
次に、ｎ型光ガイド層３を構成するｎ−ＧａＮ（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）を１００ｎｍ成長する。さらに、活性層４を構成するＩｎ０．０２ＧａＮバリア層とＩｎ０．２３ＧａＮ量子井戸層３周期で構成される量子井戸活性層を成長する。このとき、ＩｎＧａＮバリア層の膜厚は７．５ｎｍ、井戸層の膜厚は３ｎｍとすればよい。次に、ｐ型光ガイド層５を構成するｐ−ＧａＮを１００ｎｍ積層する。ｐ−ＧａＮ層は、例えばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いてＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３となるようにすると良い。さらに、電子障壁層６を構成するｐ−Ａｌ０．２０ＧａＮ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ−３）を１０ｎｍ積層する。次に、ｐ型クラッド層７を構成する膜厚がそれぞれ１．５ｎｍのｐ−Ａｌ０．１５ＧａＮ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ−３）とｐ−ＧａＮ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ−３）層を１５０周期、計４５０ｎｍ積層する。最後に、ｐ型コンタクト層８を構成するｐ−ＧａＮ（Ｍｇ濃度３×１０２０ｃｍ−３）を１０ｎｍ積層する。
なお、上記のような半導体積層構造体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子ビーム成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法又は化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法等の、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ構造が成長可能な成長方法を用いてもよい。
続いて、成長したウェハをリッジストライプ型レーザに加工する。
まず、例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層８の上に、膜厚が０．３μｍのＳｉＯ２で構成されるＳｉＯ２絶縁膜（図示なし）を成膜する。さらに、フォトリソグラフィ法及びフッ化水素酸を用いるエッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を幅８μｍのストライプ状に残して他の領域をエッチングする。このとき、六方晶窒化物半導体の自然劈開面（ｍ面）を利用してレーザの端面を形成することを考慮して、ストライプの向きは六方晶ＧａＮのｍ軸方向に平行とする。
次に、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）エッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を用いて積層構造体の上部を０．３５μｍの深さにエッチングして、ｐ型コンタクト層８及びｐ型クラッド層７の上部から、光導波路２０を構成するリッジストライプ部を形成する。その後、フッ化水素酸を用いて第２のマスク膜を除去し、再度、熱ＣＶＤ法により、露出したｐ型クラッド層７上にリッジストライプ部を含む全面にわたって、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ２で構成される絶縁膜９を再度形成する。
次に、リソグラフィ法により、絶縁膜９におけるリッジストライプ部（光導波路２０）の上面に、該リッジストライプ部に沿って幅が７．５μｍの開口部を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。続いて、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ３）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとしてＳｉＯ２絶縁膜をエッチングすることにより、リッジストライプ部の上面からｐ型コンタクト層を露出する。
次に、例えば電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：ＥＢ）蒸着法により、少なくともリッジストライプ部の上面から露出したｐ型コンタクト層８の上に、例えば厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とで構成されるｐ電極１０を構成する金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを除去するリフトオフ法により、リッジストライプ上部以外の領域の金属積層膜を除去して、ｐ電極１０を形成する。
次に、図１Ｂに示すように、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、絶縁膜１２の上にリッジストライプ部の上部のｐ電極１０を覆うように、例えばリッジストライプ部に平行な方向の平面寸法が７５０μｍで、且つリッジストライプ部に垂直な方向の平面寸法が１５０μｍの例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成される配線電極１１を選択的に形成する。ここで、配線電極１１は、それぞれ厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の金属積層膜により形成する。
なお、一般に、複数のレーザ装置はウェハの主面上に行列状に形成される。従って、ウェハ状態にある基板から個々のレーザチップに分割する際に、配線電極１１を切断すると、該配線電極１１に密着したｐ電極１０がｐ型コンタクト層８から剥がれるおそれがある。そこで、図１Ａに示すように、配線電極１１は互いに隣接するチップ同士で繋がっていないことが望ましい。
続いて、電解めっき法により、配線電極１１の上部に、例えば厚み１０μｍのＡｕ層を形成し、パッド電極１２を形成する。このようにすると、ワイヤボンディングによるレーザチップの実装が可能となると共に、活性層４における発熱を効果的に放熱させることができるため、半導体発光素子１００の信頼性を向上することができる。
次に、Ａｕパッド電極まで形成されたウェハ状態の半導体発光素子１００の裏面を、ダイヤモンドスラリにより研磨して、半導体基板１の厚さが１００μｍ程度になるまで薄膜化する。その後、例えばＥＢ蒸着法により、半導体基板１の裏面（光導波路２０が形成された面と反対の面）に、例えば厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍの白金及び厚さが１０００ｎｍのＡｕで構成される金属積層膜を形成することでｎ電極１５を形成する。
次に、ウェハ状態の半導体発光素子１００を、ｍ軸方向の長さが例えば８００μｍとなるようにｍ面に沿って劈開（１次劈開）する。続いて、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法を用いて、レーザ光が出射する劈開面に対してフロントコート膜１３を、反対の劈開面に対してリアコート膜１４を形成する。ここで、フロントコート膜１３の材料としては、例えばＳｉＯ２単層膜などの誘電体膜を用いる。また、リアコート膜１４の材料としては、例えばＺｒＯ２／ＳｉＯ２積層膜などの誘電体膜を用いる。なお、半導体発光素子１００のフロント側（光出射側）の反射率を例えば１５％、リア側（光出射側と反対側）を例えば９０％とすることで、高効率な半導体発光素子１００を構成することができる。
次に、１次劈開された半導体発光素子１００を、例えばａ軸方向の長さが２００μｍピッチで形成されている光導波路２０の間を、ａ面に沿って劈開（２次劈開）することでレーザチップが完成される。
続いて、本実施の形態の半導体発光素子１００の効果を検証するため、図２〜図４に示す比較例１から３にかかる半導体発光素子１０１、１０２、１０３について説明する。
図２は、比較例１にかかる半導体発光素子１０１の構成を示す概略図である。図２に示すように、半導体発光素子１０１は、図１Ａ及び図１Ｂに示した半導体発光素子１００における半導体超格子層２をＡｌＩｎＮ単層膜である第一クラッド層１６に置き換えたものである。
図３は、比較例２にかかる半導体発光素子に１０２の構成を示す概略図である。図３に示すように、半導体発光素子１０２は、図１Ａ及び図１Ｂに示した半導体発光素子１００における半導体超格子層２をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子である第一クラッド層１７に置き換えたものである。
図４は、比較例３にかかる半導体発光素子１０３の構成を示す概略図である。図４に示すように、半導体発光素子１０３は、図１Ａ及び図１Ｂに示した半導体発光素子１００における半導体超格子層２をＡｌＩｎＮ（Ｏがドーピングされない）／ｎ−ＧａＮ超格子である第一クラッド層１８に置き換えたものである。
ここでまず、本実施の形態にかかる半導体発光素子１００の効果を説明するために、理論および実験結果の両面から検証を行った結果を説明する。まず、上記図１Ａ〜図４のレーザ構造において、ｎ型クラッド層近辺の半導体バンド構造を、電子伝導に関係する伝導帯側バンドエネルギー（Ｅｃ）に着目し、シュレディンガー方程式とポアソン方程式をセルフコンシステントに解くことによって計算した。
ここで、計算に必要な物理パラメータ、すなわちＡｌＧａＮのＧａＮに対する格子歪みに起因する分極、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＮの自発分極の大きさ、バンドオフセット、電子の有効質量などは、文献J. Kuzmik, IEEE Electron Device Lett. 22, 510 (2001)及びM. Gonschorek, J.-F. Carlin,E. Feltin, M. A. Py, and N. Grandjean, Appl. Phys.Lett. 89, 062106 (2006)に記載された値を用いた。計算結果を図５〜７に示す。
図５に、図２に示す半導体発光素子１０１の第一クラッド層１６（ＡｌＩｎＮ単層膜）付近の計算結果を示す。第一クラッド層１６付近では、ＡｌＩｎＮが大きな自発分極に起因する強い電界を有することから、Ｅｃのポテンシャルエネルギーはｎ型ＧａＮである半導体基板１側から積層構造上面側へと大きく曲がっていくことが分かる。
例えば、３５０ｎｍ積層した場合、半導体基板１からのバンド曲がり量は最大で４ｅＶを超える。このことは、半導体発光素子１０１において半導体基板１から、第一クラッド層１６であるＡｌＩｎＮのポテンシャルを超えて活性層４に電流注入するためには、ｎ型クラッド層だけで４Ｖ以上の電圧降下が生じることとなり、消費電力の著しい増大に繋がってしまう。
ここで、発明者らは、このＡｌＩｎＮにＳｉをドーピングしてｎ型化することで抵抗を低減する手法についても検討したが、ＳｉがＡｌＩｎＮのバンド中に形成するドナー準位が伝導帯（Ｅｃ）端から−１．５ｅＶ程度と深いため、電子伝導には殆ど寄与せず、効果がないことを見出した。
続いて、図６Ａ及び図６Ｂに図３に示す半導体発光素子１０２の第一クラッド層１７（ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子）付近の計算結果を示す。ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮ超格子では、ＡｌＧａＮの有する分極とワイドバンドギャップという特徴から、ｎ−ＧａＮに対して０．４５ｅＶ程度のバンド曲がりが存在する。しかしながら、非特許文献２に記載されているように、ｎ−ＧａＮに局在する電子がＡｌＧａＮバリアを透過して複数のｎ−ＧａＮで結合するために、電子は殆どポテンシャルバリアの影響を受けない（電流電圧特性において、ショットキーバリアが存在せずオーミック抵抗だけが存在する）。
そこで、比較例１と２を組み合わせ、ＡｌＩｎＮとｎ−ＧａＮの超格子を形成し、比較例２と同様にｎ−ＧａＮ間の電子を量子結合させてＡｌＩｎＮ層による電圧上昇を回避する手法を考えることもできる。このような構造を比較例３とする。
図７Ａは、上述のＡｌＩｎＮとｎ−ＧａＮ超格子を組み合わせた場合の計算結果である（構造は図４の半導体発光素子１０３に示す）。ｎ−ＧａＮによってＡｌＩｎＮのバンド曲がりは超格子中では１ｅＶにまで低下するほか、ｎ−ＧａＮが量子井戸となり、隣接したＡｌＩｎＮを透過して隣のｎ−ＧａＮ層と量子結合するために、実際に電子が受けるポテンシャルバリアはさらに小さくなることが期待できる。
ところが、この場合にも大きな課題を見出した。図７Ｂは、図７Ａの一部の拡大図である。図７Ｂには、ｎ−ＧａＮ量子井戸における量子化エネルギーの計算結果を、基底準位をＥ１、２番目の準位をＥ２として示している。
Ｅ１＝０．４５ｅＶであるために、電子は実際にはｎ−ＧａＮのバンド端ではなく、Ｅ１のエネルギーを持って局在することとなる。すなわち、ＡｌＩｎＮ／ｎ−ＧａＮ超格子に電流（電子）注入するためには、少なくとも０．４５Ｖの電圧の印加、すなわち超格子での電圧降下が起こってしまうこととなる。
次に、図８に、図７Ａ及び図７Ｂの構造において、ＡｌＩｎＮに酸素（Ｏ）をドーピングした本実施の形態のバンド構造図を示す。材料の構成は図７Ａ及び図７ＢのＡｌＩｎＮ／ｎ−ＧａＮ超格子と同様であるから、計算結果も基本的に同一である。そのため、図７Ａに相当する図は省略する。
図８に示した結果から、本発明者らは、本実施の形態の構成によりＡｌＩｎＮにＯをドーピングすると、ＯがＡｌＩｎＮの伝導帯側バンド端から約１ｅＶのポテンシャルにドナー準位を形成することを見出した。このように深いポテンシャルに存在する準位はＡｌＩｎＮ自体の電気伝導に殆ど影響しない（電子濃度は増加しない）が、本発明者らは、この準位がｎ−ＧａＮの伝導帯ポテンシャルエネルギーとほぼ同一であるために、Ｏの準位を介してｎ−ＧａＮに局在する電子がホッピング的に伝導可能（ホッピング効果）ではないかと考えた。この場合、ホッピング準位（図中Ｅｈｏｐと記載）は、ｎ−ＧａＮバンド端からわずか０．０５ｅＶであり、ほぼ同一のエネルギー準位であることから、実質的にオーム性抵抗となることが期待できる。
さらに、上述の効果を検証するために、発明者らは、図９Ａ〜図９Ｃに示す３種類の試料１〜３をＭＯＣＶＤ法とフォトリソグラフィ、ＩＣＰエッチング、電極形成により準備して、図中電極Ａ−Ｂ間の電圧電流特性を評価した。
試料１〜３では、共にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成される電極Ａと電極Ｂとの間に、ｎ−ＧａＮ基板、ｎ−ＧａＮコンタクト層、および上述した本実施の形態や比較例の半導体超格子に相当するｎ型クラッド層が形成されている。電極Ａの大きさは７５０×２００μｍであり、電極Ｂはｎ−ＧａＮ基板の裏面全面に形成されている。ｎ−ＧａＮコンタクト層は、Ｓｉ濃度が３×１０１８ｃｍ−３で、膜厚１０ｎｍとしている。
図１Ａ及び図１Ｂのようなレーザ構造としなかったのは、ｐｎジャンクションによる電圧降下など、ｎ型クラッド層以外の層による影響を除外するためである。図９Ａの試料１は、本実施の形態における半導体超格子層２に相当するＡｌＩｎＮ（Ｏドープ）／ｎ−ＧａＮ超格子（バンド構造は図８）、図９Ｂの試料２は、ＡｌＩｎＮ（Ｏドープなし）／ｎ−ＧａＮ超格子（バンド構造は図７Ａ）、図９Ｃの試料３は、ＡｌＩｎＮ単層膜（バンド構造は図５）がそれぞれ電極間に挿入されている。
図１０に、試料１から試料３の各試料の電圧電流特性を示す。試料３に用いたＡｌＩｎＮ単層膜では約５Ｖ程度、試料２に用いたＡｌＩｎＮ（Ｏドープなし）／ｎ−ＧａＮ超格子では約０．４５Ｖのショットキーバリアが存在する。これに対し、試料１のＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子では、ショットキーバリアが存在せずオーミックな特性になっていることがわかる。このことから、本実施の形態のような半導体超格子層を利用した半導体発光素子１００では、動作電圧を悪化させないで、発振しきい値を低減して消費電力を低下することが可能となる。
なお、上記のホッピング効果は、ＡｌＩｎＮ層のバンドギャップ（Ｅｇ）がＧａＮ層のＥｇよりも大きいときにのみ生じるものである。すなわち、ＡｌＩｎＮ層とＧａＮ層のＥｇにＥｇ（ＡｌＩｎＮ）＞Ｅｇ（ＧａＮ）の関係があるときにのみ上記したような効果が生じることになる。
なお、本実施の形態においては、半導体超格子層２をＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子としたが、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子としてもよい。この場合も、ＡｌＩｎＮ層とＩｎＧａＮ層のＥｇにＥｇ（ＡｌＩｎＮ）＞Ｅｇ（ＩｎＧａＮ）の関係があることが必要である。すなわち、半導体超格子層２において、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）と組み合わせる半導体材料には、ＡｌＩｎＮよりもバンドギャップＥｇが小さいことが求められる。
図１１に、図１Ａ及び図１Ｂの構造を有する実施の形態１の半導体発光素子（半導体レーザ）１００と、図３の構造を有する比較例２の半導体発光素子（半導体レーザ）１０２の電流光出力特性（実験値）とを示す。同時に測定した電流電圧特性は、両者ほぼ同一であるため省略する。
ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子層をｎ型クラッド層（半導体超格子層２）に導入することにより垂直光閉じ込め係数Γｖが向上し、しきい値電流が減少している。また、ＡｌＩｎＮの導入による電圧上昇も観察されなかった。上記のことから、本実施の形態にかかる半導体発光素子１００を用いることで、発光効率のよい半導体発光素子を実現することが出来る。
ここで、上記のＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子層の好ましい構成について図１２および図１３を用いて述べる。図１２は、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子層のＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚を変化させたときの超格子構造（試料１）の抵抗率の変化を測定した図である。図１３は、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子層のＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素（Ｏ）濃度を変化させたときの超格子構造（試料１）の抵抗率の変化を測定した図である。
図１２の結果から、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚が５ｎｍを超えると、抵抗率が急激に大きくなることがわかる。よって、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。
また、図１３の結果から、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素濃度が１×１０１８ｃｍ−３を下回ると、抵抗率が急激に高くなることがわかる。よって、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。
なお、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子層の周期、すなわちＡｌＩｎＮ（Ｏ）、ｎ−ＧａＮそれぞれ１層の膜厚を合計した値は、１０ｎｍよりも薄いことが好ましく、５ｎｍよりも薄いことがより好ましい。
なお、本実施の形態においては、ｎ型クラッド層としてＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子を用いたが、ｎ型クラッド層として、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子と、ｎ−ＡｌＧａＮ層とを組み合わせても構わない。
なお、本実施の形態においては、積層構造体の成長用基板、すなわち半導体基板１に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等）を用いたが、ＧａＮ系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。また、サファイア基板などのＧａＮとは異なる基板上にＧａＮ結晶を成長させたテンプレート基板を用いることも出来る。
なお、本実施の形態の半導体発光素子として、発光波長が緑色領域の半導体レーザを用いた説明を行ったが、フロント側の反射率を低減させることで発光スペクトル幅を広げ、スペックルノイズを低減させた発光波長が緑色領域のスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。さらに、活性層のＩｎ組成を１６％程度に低下させることで、波長を４４５ｎｍの青色波長とした青色半導体レーザまたはスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。
（実施の形態２）
以下、実施の形態２にかかる半導体発光素子２００について説明する。本実施の形態の半導体発光素子２００について、六方晶ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた発光波長が波長５２０ｎｍ付近の緑色面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を例に、図を参照しながら説明する。
図１４は、本実施の形態にかかる半導体発光素子２００の断面図である。以下、図面を用いて半導体発光素子２００の構造および製造方法を説明する。
主面が（０００１）面のｎ型六方晶ＧａＮである半導体基板２０１上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、第一の多層膜２０２を積層する。第一の多層膜２０２は、例えばｎ−ＧａＮ層である第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａと、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮの超格子構造である第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂとが交互に積層された構成である。
ここで、第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａ（ｎ−ＧａＮ層）の膜厚は、発振波長λに１／４を乗じて上記半導体発光素子２００の発振波長における屈折率で除した値とする。例えば、発振波長を５２０ｎｍ、ｎ−ＧａＮ層５２０ｎｍにおける屈折率が２．４である場合、第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａ（ｎ−ＧａＮ層）の膜厚は、５２０×（１／４）／２．４＝５４．２ｎｍである。
第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂは、それぞれ膜厚２．５ｎｍのＡｌＩｎ０．１７７Ｎ（Ｏ濃度１×１０１８ｃｍ−３）およびｎ−ＧａＮを１周期として、これを複数回繰り返し積層した超格子構造である。超格子構造の合計膜厚は、第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａの場合と同様に、発振波長に１／４を乗じて上記超格子構造の発振波長における屈折率で除した値とする。例えば、超格子構造の屈折率が２．３である場合、第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂの膜厚は、５２０×（１／４）／２．３＝５６．５ｎｍである。
このように、厚みが５４．２ｎｍである第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａと厚みが５６．５ｎｍである第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂとを１周期として、例えば３０周期形成することで第一の多層膜２０２を形成する。
第一の多層膜２０２は、ｎ型分布ブラッグ反射鏡となり、第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａの屈折率をｎ１、膜厚をｄ１、第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂを構成する半導体超格子の屈折率をｎ２、第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂの合計膜厚をｄ２とすると、ｎ１＞ｎ２且つｎ１×ｄ１＝ｎ２×ｄ２＝１／４×λの関係を満たす。
ここで、原料としては、例えばＩＩＩ族原料にトリメチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ｎ型不純物にシラン、Ｖ族原料にアンモニアなどを用いればよい。ここで、実施の形態１と同様に、ＡｌＩｎＮ層には酸素を１×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングすることが好ましい。
ＡｌＩｎＮ層に酸素をドーピングする方法としては、原料ガスに微量の酸素を加える方法がある。そのほか、簡単には、ＴＭＡのような有機Ａｌ原料を用いる場合には、ＡｌＩｎＮを成膜する際の成長温度を、通常窒化物半導体の成長に広く用いられる温度域（概ね８００〜１２００℃）に比べて低い温度、例えば７００〜８５０℃程度、より好ましくは７００〜８００℃程度にすれば、有機Ａｌ原料から不純物として酸素を混入させることもできる。
次に、第一の窒化物半導体膜２０３であるＧａＮを５３ｎｍ成長させる。さらに、Ｉｎ０．０２ＧａＮバリア層とＩｎ０．２３ＧａＮ量子井戸層３周期で構成される活性層２０４を成長させる。このとき、ＩｎＧａＮバリア層の膜厚は７．５ｎｍ、井戸層の膜厚は３ｎｍとすればよい。
次に、第二の窒化物半導体膜２０５であるＧａＮを４０ｎｍ積層させる。さらに、電子障壁層２０６であるｐ−Ａｌ０．２０ＧａＮ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ−３）を１０ｎｍ積層する。次に、ｐ型コンタクト層２０８であるｐ−ＧａＮ（Ｍｇ濃度３×１０２０ｃｍ−３）を、例えば１０ｎｍ積層する。
上記積層構造体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子ビーム成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法又は化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法等の成長方法を用いてもよい。
次に、成長した窒化物半導体層にパターニング等を行い、電流を注入できるようにする。
まず、例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層の上に、レーザ出射部のみ開口した膜厚が例えば０．３μｍのＳｉＯ２で構成される絶縁膜２０９を成膜しパターニングする。
続いて、その表面に、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｈｉｎ Ｏｘｉｄｅ）である透明電極２１０（膜厚１４４ｎｍ）を形成し、周辺部のみ取り除くパターニングを行う。
続いて、透明電極２１０のレーザ出射部上に例えばＴｉＯ２、ＳｉＯ２の多層膜である第二の多層膜２１３を形成し、レーザ出射部以外の部分はパターニングにより取り除く。
続いて、透明電極２１０のレーザ出射部以外の周辺に例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕであるｐ電極２１２をパターニングする。
続いて、ウェハ状の半導体発光素子２００の半導体基板２０１を所定の厚み、例えば１００μｍまで研磨により薄膜化する。
次に、ＳｉＯ２絶縁膜を用いたパターニングと、アルカリ溶液（例えばＫＯＨ）を用いたウェットエッチングにより、ウェハ上面の第二の多層膜（誘電体絶縁膜）２１３の反対側に対応するウェハ裏面側の領域に円形の光出射穴を設ける。その後、研磨面に、光出射領域を避けて例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕであるｎ電極２１５を形成する。
続いて、上記の半導体発光素子２００の動作について説明する。上記の半導体発光素子２００は、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮの超格子構造を含むｎ型層と、活性層と、ｐ型層とで構成される半導体積層体を、２つの電極（ｐ電極２１２およびｎ電極２１５）で上下から挟んだ構成である。このような構成により、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮの超格子構造に縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される。言い換えると、２つの電極の間には、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮの超格子構造を縦方向（積層方向）に通る電流パスが形成される。
ｐ電極２１２およびｎ電極２１５より注入された電流は、透明電極２１０を伝達し絶縁膜２０９によりレーザ出射部付近に集中され、活性層２０４に注入される。活性層２０４に注入された電子および正孔は、中心波長５２０ｎｍの光に変換される。変換された光は、反射膜として機能する、第一の多層膜２０２と第二の多層膜２１３により誘導放出光として増幅され、第一の多層膜２０２側からレーザ光として出射される。
以上の構成により、本実施の形態に示す半導体超格子層を用いることで、発光波長が波長５２０ｎｍ付近の緑色面発光型半導体レーザを容易に構成および製造することができる。
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。また、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。なお、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子層の周期、すなわちＡｌＩｎＮ（Ｏ）、ｎ−ＧａＮそれぞれ１層の膜厚を合計した値は、１０ｎｍよりも薄いことが好ましく、５ｎｍよりも薄いことがより好ましい。
また、本実施の形態においても、半導体基板２０１に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等）を用いたが、ＧａＮ系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。また、サファイア基板などのＧａＮとは異なる基板上にＧａＮ結晶を成長させたテンプレート基板を用いることも出来る。
（実施の形態３）
以下、実施の形態３にかかる半導体発光素子３００について説明する。本実施の形態においては、半導体発光素子３００の例として、六方晶ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いる緑色（波長５２０ｎｍ）半導体レーザを用いて説明する。
図１５は、本実施の形態にかかる半導体発光素子３００の断面図である。実施の形態１と共通する構成要素については実施の形態１と同一の符号を付することにより説明を省略し、実施の形態１との変化点についてのみ説明する。
実施の形態１にかかる半導体発光素子１００では、半導体基板１の裏面にｎ電極１５が形成されていた。本実施の形態に係る半導体発光素子３００では、基板と半導体超格子層２との間に、半導体積層体のｎ型層の一部として、例えばｎ型ＧａＮで構成されるｎ型クラッド層３０１が設けられている。また、ｎ型クラッド層３０１における半導体超格子層２が形成されている面と同じ側の面上に、ｎ電極１５が形成されている。
このような構造でも、２つの電極（ｐ電極１０およびｎ電極１５）から半導体超格子層２に、縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される。言い換えると、２つの電極の間には、半導体超格子層２を縦方向（積層方向）に通る電流パスが形成される。このような構造は、特に基板に半導体ではなく絶縁基板を用いた場合、半導体超格子層２に縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される構造を容易に実現することができるため有効である。
以上の構成により、絶縁基板を用いた場合、半導体超格子層２に縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される構造を容易に実現することができる。
なお、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。また、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。なお、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ−ＧａＮ超格子層の周期、すなわちＡｌＩｎＮ（Ｏ）、ｎ−ＧａＮそれぞれ１層の膜厚を合計した値は、１０ｎｍよりも薄いことが好ましく、５ｎｍよりも薄いことがより好ましい。
また、本実施の形態においても、半導体基板１に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等）を用いたが、ＧａＮ系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。また、サファイア基板などのＧａＮとは異なる基板上にＧａＮ結晶を成長させたテンプレート基板を用いることも出来る。
なお、本実施の形態の半導体発光素子として発光波長が緑色領域である半導体レーザを用いた説明を行ったが、フロント側の反射率を低減させることで発光スペクトル幅を広げ、スペックルノイズを低減させた発光波長が緑色領域のスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。さらに、活性層のＩｎ組成を１６％程度に低下させることで、波長を４４５ｎｍの青色波長とした青色半導体レーザまたはスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。
本開示に係る半導体発光素子は、レーザディスプレイ又は液晶バックライト、さらには手術用のレーザメスや溶接用途等に用いることができ、ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体発光素子等に有用である。
１ 基板
２ 半導体超格子層
３ ｎ型光ガイド層
４ 活性層
５ ｐ型光ガイド層
６ 電子障壁層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ型コンタクト層
９ 絶縁膜
１０ ｐ電極
１１ 配線電極
１２ パッド電極
１３ フロントコート膜
１４ リアコート膜
１５ ｎ電極
１００ 半導体発光素子

Claims (9)

  1. ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを備え、
    前記ｎ型層は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含み、
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは、膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ−３以上含むＡｌＩｎＮで構成され、
    前記半導体超格子の積層方向に電流が注入される半導体発光素子であって、
    前記半導体超格子において、前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとの繰り返しの周期は、１０ｎｍよりも短い
    半導体発光素子。
  2. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂは、ｎ型ＧａＮまたはｎ型ＩｎＧａＮで構成される
    半導体発光素子。
  3. 請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂは、酸素（Ｏ）または珪素（Ｓｉ）を含む
    半導体発光素子。
  4. 請求項１から３の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
    基板上に前記ｎ型層、活性層およびｐ型層が、この順に積層されている
    半導体発光素子。
  5. 請求項１から３の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
    基板上に前記ｐ型層、活性層およびｎ型層が、この順に積層されている
    半導体発光素子。
  6. 請求項４または５に記載の半導体発光素子であって、
    前記基板は、ＧａＮ基板またはＧａＮテンプレート基板である
    半導体発光素子。
  7. 請求項１から６の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
    前記半導体超格子において、前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとの繰り返しの周期は、５ｎｍよりも短い
    半導体発光素子。
  8. 請求項１から７の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
    前記ｎ型層に第一屈折率窒化物半導体膜と前記半導体超格子とが交互に積層されたｎ型分布ブラッグ反射鏡を含み、
    前記ｎ型分布ブラッグ反射鏡は、
    前記第一屈折率窒化物半導体膜の屈折率をｎ１、前記第一屈折率窒化物半導体膜の膜厚をｄ１、前記半導体超格子の屈折率をｎ２、前記半導体超格子の前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとが繰り返し積層された合計膜厚をｄ２、前記活性層の発光波長をλとすると、
    ｎ１＞ｎ２
    ｎ１×ｄ１＝ｎ２×ｄ２＝１／４×λ
    の関係を満たす
    半導体発光素子。
  9. ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを備え、
    前記ｎ型層は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含み、
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、
    前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは、膜中に酸素（Ｏ）を１×１０ １８ ｃｍ −３ 以上含むＡｌＩｎＮで構成され、
    前記半導体超格子の積層方向に電流が注入される半導体発光素子であって、
    前記ｎ型層に第一屈折率窒化物半導体膜と前記半導体超格子とが交互に積層されたｎ型分布ブラッグ反射鏡を含み、
    前記ｎ型分布ブラッグ反射鏡は、
    前記第一屈折率窒化物半導体膜の屈折率をｎ１、前記第一屈折率窒化物半導体膜の膜厚をｄ１、前記半導体超格子の屈折率をｎ２、前記半導体超格子の前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとが繰り返し積層された合計膜厚をｄ２、前記活性層の発光波長をλとすると、
    ｎ１＞ｎ２
    ｎ１×ｄ１＝ｎ２×ｄ２＝１／４×λ
    の関係を満たす
    半導体発光素子。
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