JP2008211164A - 窒化物半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体発光装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】結晶成長用基板による発光光の吸収を低減して窒化物半導体発光装置における光取り出し効率の向上を図る。
【解決手段】窒化物半導体発光装置は、シリコンからなる基板１０１の上に形成され、互いに組成が異なる第１の誘電体膜１０２及び第２の誘電体膜１０３が交互に積層されてなる誘電体積層膜１０４と、該誘電体積層膜１０４の上に形成された単結晶シリコンからなる半導体薄膜１０５と、該半導体薄膜１０５の上に形成され、窒化物半導体からなるｐｎ接合ダイオード構造１２０とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば可視光又は白色光を発光する発光ダイオード装置に適用可能な窒化物半導体発光装置及びその製造方法に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される、いわゆる窒化物系化合物半導体（一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（但し、ｘ，ｙは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）と表記する。）により、青色等の可視光から紫外光に至る広い波長範囲の発光素子が実現されている。窒化物半導体を用いた発光ダイオード装置は、半導体照明等の幅広い応用が考えられており、今後も大きな市場の拡大が期待されている。
窒化物系半導体の結晶成長は、一般にバルクのＧａＮ結晶を得ることが困難であるため、窒化物系半導体とは組成が異なる異種基板を用いて結晶成長する、いわゆるヘテロエピタキシャル成長技術が用いられている。これまで、結晶成長用の異種基板として、熱的化学的に安定な単結晶サファイア（α−Ａ2Ｏ3）基板を用いることにより、高輝度な発光ダイオード装置が実現されている。サファイア基板は、例えば径が約１５．２ｃｍ（＝６インチ）以上であって、結晶成長に用いられるＣ面（面方位が（０００１）面）を主面とする基板のこれ以上の大口径化が困難な状況であり、さらなる低コスト化には限界があると考えられている。
窒化物系半導体からなる発光ダイオード装置をさらに低コストで作製する技術として、大面積で安価且つ高品質な基板が入手可能なシリコン（Ｓｉ）からなる異種基板の使用が報告されている。これまで、シリコンと窒化物系半導体とでは、互いの格子定数及び熱膨張係数が大きく異なるため、Ｓｉからなる基板上に良好な窒化物半導体結晶を得ることが困難であった。しかしながら、異種基板と窒化物半導体結晶との間に設けるバッファ層の成長技術の改善等により、窒化物半導体結晶の結晶性は大幅に改善されており、発光ダイオード装置の輝度も大幅に向上している（例えば、非特許文献１を参照。）。また、径が約１０．２ｃｍ（＝４インチ）のＳｉ基板を用いた窒化物半導体のエピタキシャル成長についても報告がなされており（例えば、非特許文献２を参照。）、大口径のＳｉ基板上に発光ダイオード装置を作製することにより、製造コストの大幅な低下が期待されている。
T. Egawa et al., IEEE Electron Device Lett., Vol.26 (2005), p.169. H. Ishikawa et al., physica status solidi (c), Vol.0, (2003), p.2177. 特開２００１−２９１８９６号広報 特開２００３−０１７７４２号広報 特開２００３−１４２７３０号広報 特開平０９−２６６３５５号広報
しかしながら、前記従来の窒化物半導体の成長用基板としてＳｉ基板を用い、該Ｓｉ基板上に発光ダイオード装置を形成した場合は、シリコン（Ｓｉ）のバンドギャップが１．１ｅＶと小さく、例えば青色光（波長が４７０ｎｍ、光のエネルギーは２．６４ｅＶに相当する）は、Ｓｉ基板によって吸収されるため、発光ダイオード装置の光出力が低下するという問題がある。
本発明は、前記従来の問題に鑑み、結晶成長用基板による発光光の吸収を低減して窒化物半導体発光装置における光取り出し効率の向上を図ることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体発光装置を、結晶成長用基板と活性層を含むｐｎ接合ダイオード構造との間に発光光を反射する誘電体積層膜を設けると共に、誘電体積層膜とｐｎ接合ダイオード構造との間には窒化物半導体が成長可能な単結晶薄膜を設ける構成とする。
具体的に、本発明に係る窒化物半導体発光装置は、基板の上に形成され、組成が異なる複数の誘電体膜が積層されてなる誘電体積層膜と、誘電体積層膜の上に形成された単結晶からなる半導体薄膜と、半導体薄膜の上に形成され、窒化物半導体からなるｐｎ接合ダイオード構造とを備えていることを特徴とする。
本発明の窒化物半導体発光装置によると、ｐｎ接合ダイオード構造において生成した光は、誘電体積層膜により基板の上方に反射されるため、光取り出し効率が向上する。従って、より高輝度な窒化物半導体発光装置を実現することができる。その上、窒化物半導体は誘電体積層膜の上に形成された単結晶からなる半導体薄膜を介在させた状態でエピタキシャル成長が可能である。
本発明の窒化物半導体発光装置において、半導体薄膜は、シリコン、炭化シリコン又は窒化ガリウムからなることが好ましい。
このようにすると、ｐｎ接合ダイオード構造を構成する窒化物半導体は、結晶性が高く且つ高温で安定なシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体薄膜の上にエピタキシャル成長する。このため、窒化物半導体の結晶性も向上して、内部量子効率が高い窒化物半導体発光装置を実現することが可能となる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、誘電体積層膜の一部は互いに組成が異なる第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜が交互に積層されてなり、第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることが好ましい。
このようにすると、誘電体積層膜が分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ:Distributed Bragg Reflector）を構成するため、誘電体積層膜はより高い反射率を有するようになる。このため、ｐｎ接合ダイオード構造により生成される光の基板による吸収が低減されるので、光取り出し効率が向上した高輝度な窒化物半導体発光装置を実現できる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、誘電体積層膜はその一部にガラス状膜を含み、ガラス状膜が液状化する温度は、酸化シリコンが液状化する温度もより低いことが好ましい。
このようにすると、ガラス状膜の液状化が生じる温度が酸化シリコン（ＳｉＯ２）の液状化を生ずる温度よりも低いことから、基板と窒化物半導体との間でエピタキシャル成長の後に生じるストレスを緩和することが可能となる。これにより、窒化物半導体の膜厚を該窒化物半導体にクラックを生じさせることなく増大させることができるため、窒化物半導体の結晶性を向上できるので、より高輝度な窒化物半導体発光装置を実現できる。
この場合に、ガラス状膜は、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）及びＢＰＳＧ（Boro Phospho Silicate Glass)のうちの少なくとも一方を含むことが好ましい。
本発明の窒化物半導体発光装置において、誘電体積層膜には、該誘電体積層膜を貫通して基板と電気的に接続される金属からなる導電性部材が設けられていることが好ましい。
このようにすると、電流注入時（動作時）にｐｎ接合ダイオード構造において発生した熱が金属からなる導電性部材を介して基板にまで伝導して放熱される。これにより、ｐｎ接合ダイオード構造における温度の上昇が抑えられて、温度の上昇による内部量子効率が低下しにくくなるので、より高出力な窒化物半導体発光装置を実現することができる。
本発明の窒化物半導体発光装置は、ｐｎ接合ダイオード構造における誘電体積層膜と反対側の面上に形成され、誘電体積層膜と対向する第１の反射膜をさらに備えていることが好ましい。
このようにすると、ｐｎ接合ダイオード構造を介して対向した誘電体積層膜と第１の反射膜とによって共振器が形成されるため、より高出力な発光装置である面発光レーザ装置を実現することができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、誘電体積層膜の側面には、ｐｎ接合ダイオード構造と基板とを電気的に接続する電極配線が設けられていることが好ましい。
このようにすると、基板に導電性基板を用いる場合には、ｐｎ接合ダイオード構造における基板に近い側の電極の面積を小さくすることができるため、窒化物半導体発光装置のチップサイズを小さくすることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置において、第１の反射膜は、互いに組成が異なる第３の誘電体膜及び第４の誘電体膜が交互に積層されてなり、第３の誘電体膜及び第４の誘電体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることが好ましい。
このようにすると、第１の反射膜は、誘電体からなるＤＢＲミラーを構成し、より高い反射率を有するようになるため、より発振閾値が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現できる。
また、本発明の窒化物半導体発光装置において、第１の反射膜の一部は、発光波長に対して透明である導電膜からなり、導電膜の一部は窒化物半導体に接するように形成されていることが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光装置において、第１の反射膜は、互いに組成が異なる第１の窒化物半導体膜及び第２の窒化物半導体膜が交互に積層されてなり、第１の窒化物半導体膜及び第２の窒化物半導体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることが好ましい。
このようにすると、第１の反射膜は、窒化物半導体からなるＤＢＲミラーを構成し、より高い反射率を有するようになるため、より発振閾値が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現できる。また、窒化物半導体の膜厚を大きくできることにより、発光領域の結晶性が向上して内部量子効率が向上する。
この場合に、第１の窒化物半導体膜はＧａＮからなり、第２の窒化物半導体膜は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１である。）からなることが好ましい。
このようにすると、第１の反射膜は、発光領域を含むｐｎ接合ダイオード構造との間での格子定数の差を低減できるため、発光領域の結晶性が向上して内部量子効率が高くなるので、より発振閾値が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現できる。
本発明の窒化物半導体発光装置は、窒化物半導体からなる第１の反射膜を備えている場合に、該第１の反射膜の上に形成された第２の反射膜をさらに備え、第２の反射膜は、互いに組成が異なる第３の誘電体膜及び第４の誘電体膜が交互に積層されてなり、第３の誘電体膜及び第４の誘電体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることが好ましい。
このようにすると、窒化物半導体からなる第１の反射膜及び誘電体からなる第２の反射膜は、ＤＢＲミラーを構成してより高い反射率を有するため、より発振閾値が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現することができる。また、窒化物半導体の膜厚を大きくすることができるため、シート抵抗を低減することができるので、より直列抵抗が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現できる。
本発明の窒化物半導体発光装置は、ｐｎ接合ダイオード構造における第１の反射膜の下方に設けられ、基板面に垂直な方向に開口する開口部を有する電流狭窄層をさらに備えていることが好ましい。
このようにすると、電流狭窄層により、注入された電流の流れる経路が光出射領域に規制されるため、より発振閾値が低い面発光レーザ装置を実現することができる。
この場合に、電流狭窄層はＧａＮにより覆われていることが好ましい。
このようにすると、電流狭窄層の上方には結晶欠陥が少ない高品質な窒化物半導体層が成長して、キャリア濃度を高くすることができるため、より発振閾値及び直列抵抗が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現できる。
本発明の窒化物半導体発光装置は、誘電体積層膜とｐｎ接合ダイオード構造との間に形成された第３の反射膜をさらに備え、第３の反射膜は、互いに組成が異なる第３の窒化物半導体膜及び第４の窒化物半導体膜が交互に積層されてなり、第３の窒化物半導体膜及び第４の窒化物半導体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることが好ましい。
このようにすると、窒化物半導体からなる第３の反射膜は、ＤＢＲミラーを構成してより高い反射率を有するため、より発振閾値が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現できる。
また、本発明の窒化物半導体発光装置において、半導体薄膜は発光波長に対して透明であることが好ましい。
このようにすると、半導体薄膜による光吸収を低減できるため、ｐｎ接合ダイオード構造に生成した光をより多く閉じ込めることができるので、より発振閾値が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現できる。
この場合に、半導体薄膜は炭化シリコン（ＳｉＣ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との混晶からなることが好ましい。
このようにすると、ＳｉＣとＡｌＮとの混晶はバンドギャップが３ｅＶを超えることから、青色光をも吸収しない波長領域において、より発振閾値が低い窒化物半導体からなる面発光レーザ装置を実現できる。
本発明の窒化物半導体発光装置は、第１の反射膜を備えている場合に、ｐｎ接合ダイオード構造はその一部が共振器を形成しており、共振器にはｐ側電極又はｎ側電極が接触するように形成されていることが好ましい。
このようにすると、ｐｎ接合ダイオード構造に含まれる発光領域と電極との距離を小さくでき、電流が流れる経路を短くすることができるため、より直列抵抗が低い窒化物半導体面発光レーザ装置を実現できる。また、発光領域で発生する熱を電極を介して効率良く放熱することができるため、信頼性を向上することができる。
本発明に係る窒化物半導体発光装置の製造方法は、基板の上に、互いに組成が異なる複数の誘電体膜を交互に積層して誘電体積層膜を形成する工程（ａ）と、誘電体積層膜に単結晶からなる半導体薄膜を貼り合わせる工程（ｂ）と、半導体薄膜の上に窒化物半導体からなるｐｎ接合ダイオード構造を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする。
本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法によると、基板の上に形成された誘電体積層膜の上に半導体薄膜を介在させた状態で窒化物半導体を形成する。このとき、半導体薄膜の膜厚を光が透過する程度にまで薄くすることにより、半導体薄膜による光の吸収を低減できる。その上、窒化物半導体からなるｐｎ接合ダイオード構造が発する光は誘電体積層膜により反射されるため、光取り出し効率が向上するので、より高輝度な窒化物半導体発光装置を実現することができる。
本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法において、各誘電体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることが好ましい。
このようにすると、誘電体積層膜はＤＢＲミラーを構成し、より高い反射率を有するようになるため、より発振閾値が低い窒化物半導体発光装置を実現できる。
本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法において、工程（ｂ）は、水素イオンが主面の全面で且つ所定の深さに注入された水素注入領域を有する半導体基板を用意する第１工程と、誘電体積層膜に半導体基板の主面を貼り合わせる第２工程と、誘電体積層膜に貼り合わされた半導体基板を加熱して、半導体基板を水素注入領域で剥離する第３工程とを含むことが好ましい。
このようにすると、誘電体積層膜に所定の膜厚を持つ半導体薄膜を確実に貼り合わせることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法において、半導体薄膜はシリコン（Ｓｉ）からなることが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法において、半導体基板はシリコン（Ｓｉ）からなり、第１工程は、半導体基板を炭化水素ガスにさらすことにより、半導体基板における半導体薄膜形成領域を炭化シリコン（ＳｉＣ）に変質させる工程を含むことが好ましい。
このようにすると、ＳｉＣは格子定数がＧａＮの格子定数と比較的近く、従って、主面の面方位が（１１１）面の薄膜上に、結晶性がより良好な窒化物半導体からなるｐｎ接合構造を得ることができる。
本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法において、工程（ａ）は、誘電体積層膜の下部又は上部に、ガラス状膜を形成する工程を含み、工程（ｃ）において、窒化物半導体をガラス状膜が液状化する温度よりも高い温度で結晶成長することが好ましい。
このようにすると、基板と窒化物半導体との間でエピタキシャル成長の後に生じるストレスを緩和することができる。このため、窒化物半導体の膜厚を該窒化物半導体にクラックを生じさせることなく増大させることができるので、窒化物半導体の結晶性を改善でき、その結果、より高輝度な窒化物半導体発光装置を得ることができる。
この場合に、ガラス状膜は、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）及びＢＰＳＧ（Boro Phospho Silicate Glass)のうちの少なくとも一方を含むことが好ましい。
本発明に係る窒化物半導体発光装置及びその製造方法によると、結晶成長用基板による発光光の吸収を低減して窒化物半導体発光装置における光取り出し効率が向上する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置であって、発光ダイオード装置の断面構成を示している。図１に示すように、例えば主面の面方位が（１１１）面のシリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１の上には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる第１の誘電体膜１０２と酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる第２の誘電体膜１０３とが交互に且つ少なくとも１対積層されてなる多層ＤＢＲミラー１０４と、主面（上面）の面方位が（１１１）面のＳｉ単結晶からなる半導体薄膜１０５とが順次形成されている。
半導体薄膜１０５の上には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる初期層１０６と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる中間層１０７と、ＡｌＮとＧａＮとの積層膜からなる周期構造体１０８と、ｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層１０９と、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）とＧａＮとの積層膜からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１１０と、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１１１とが、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により順次エピタキシャル成長して形成されている。従って、第１の実施形態においては、基板１０１、多層ＤＢＲミラー１０４及び半導体薄膜１０５が、実質的な結晶成長用基板となる。
第１の実施形態においては、ｎ型クラッド層１０９、ＭＱＷ活性層１１０及びｐ型クラッド層１１１がｐｎ接合ダイオード構造１２０を構成している。なお、ここでは、ｎ型クラッド層１０９とｐ型クラッド層１１１との間にアンドープのＭＱＷ活性層１１０を挟む構成であるが、広義のｐｎ接合と呼ぶ。
ｐ型クラッド層１１１の上には、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）からなる透明電極１１２が形成されている。
ｎ型クラッド層１０９は、その一部がエッチング等により露出されており、露出部分には、例えばチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）からなるオーミック特性を有するｎ側電極１１３が形成されている。また、透明電極１１２の上には、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側パッド電極１１４が選択的に形成されている。
ＳｉＯ２からなる第１の誘電体膜１０２及びＴｉＯ２からなる第２の誘電体膜１０３の各膜厚は、それぞれ発光波長λに対してλ／（４ｎ）（但し、ｎは、ＳｉＯ２又はＴｉＯ２の屈折率である。）となるように成膜されており、発光波長に対して高い反射率を得られるように設計されている。具体的には、４７０ｎｍの発光波長に対して、第１の誘電体膜１０２の膜厚は８１ｎｍであり、第２の誘電体膜１０３の膜厚は４５ｎｍである。多層ＤＢＲミラー１０４の最表面は第１の誘電体膜１０２で終端しており、該第１の誘電体膜１０２と接するように、主面が（１１１）面であり且つ例えば膜厚が２５ｎｍのシリコンからなる半導体薄膜１０５が形成されている。
半導体薄膜１０５とｐｎ接合ダイオード構造１２０との間に形成された、ＡｌＧａＮからなる中間層１０７及びＡｌＮ／ＧａＮの積層膜からなる周期構造体１０８は、ｐｎ接合ダイオード構造１２０を半導体薄膜１０５の上にエピタキシャル成長する際のストレスを緩和するために設けられている。中間層１０７は、例えば厚さが２０ｎｍのＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎからなり、周期構造体１０８は厚さが２０ｎｍのＧａＮと厚さが５ｎｍのＡｌＮとが２０ペア分積層されて形成されている。
このように、第１の実施形態に係る発光ダイオード装置は、発光波長に対して高い反射率を有するＳｉＯ２／ＴｉＯ２の積層膜からなる多層ＤＢＲミラー１０４を、窒化物半導体からなるｐｎ接合ダイオード構造１２０とＳｉからなる基板１０１との間に設けているため、従来のＳｉ基板を用いた窒化物半導体発光装置で問題となる、Ｓｉ基板による発光光の吸収が抑制されると共に、多層ＤＢＲミラー１０４からなる高反射ミラーにより光出力を向上できるという特徴を有する。
図２は本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード装置における半導体薄膜１０５の膜厚とｐｎ接合ダイオード構造１２０から入射する、波長が４７０ｎｍの発光光に対する反射率（垂直反射率）との関係を示している。ここでは、反射率が極大値となる、半導体薄膜１０５の膜厚が光学波長のｍ／４（但し、ｍは奇数）の場合の反射率のみを示す。図２から分かるように、従来の構成である多層ＤＢＲミラー１０４を設けずにＳｉ基板上に直接に窒化物半導体層を形成した場合は、Ｓｉ基板の反射率は１０％程度に過ぎない。これに対し、本発明の発光ダイオード装置においては、多層ＤＢＲミラー１０４の上に形成される半導体薄膜１０５の膜厚を小さくする程、１００％に近い反射率を確保できる。一方、Ｓｉからなる半導体薄膜１０５の膜厚が大きくなると、半導体薄膜での光吸収が顕著になるため、反射率は従来のＳｉ基板の場合と同様の反射率に近づく。従って、半導体薄膜１０５の膜厚は、従来の構成と比べて、多層ＤＢＲミラー１０４により反射率が向上する１μｍ以下が望ましく、さらには６００ｎｍ以下とすることが望ましい。なお、半導体薄膜１０５は、ｐｎ接合ダイオード構造１２０を含む窒化物半導体のエピタキシャル成長が可能となるだけの厚さが必要である。すなわち、半導体薄膜１０５の表面は平滑であることが望ましく、従って、半導体薄膜１０５の表面が均一且つ平坦となるよう、半導体薄膜１０５の膜厚は１０ｎｍ以上であることが好ましい。
図３は本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード装置における多層ＤＢＲミラー１０４を構成するＳｉＯ２／ＴｉＯ２の積層ペア数を変化させた場合のｐｎ接合ダイオード構造１２０から入射する発光光の波長と反射率（垂直反射率）との関係を示している。図３から分かるように、少なくとも１ペアの多層ＤＢＲミラー１０４を設けることにより反射率が向上し、さらには積層ペア数を３ペア以上とすることにより、特に４７０ｎｍの波長を中心として±５０ｎｍの波長領域において９０％以上の高い反射率特性を確保できる。
これにより、発光波長分布を持つ発光ダイオード装置においても光出力を向上することができる。
図４は本発明の第１の実施形態に係る発光ダイオード装置におけるｐｎ接合ダイオード構造１２０から入射する、波長が４７０ｎｍの発光光の入射角度と反射率との関係を示している。図４から分かるように、ｐｎ接合ダイオード構造１２０で発生した光は全方位に放射されるが、第１の実施形態に係る発光ダイオード装置においては、全ての入射角度において従来のＳｉ基板のみの構成と比べて高い反射率を確保できる。この結果から、立体角の効果を考慮した半導体薄膜１０５、多層ＤＢＲミラー１０４及び基板１０１を含めた反射率は、従来のＳｉ基板のみを用いる構成と比べて４倍以上となる。
以下、前記のように構成された発光ダイオード装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図５（ａ）及び（ｂ）〜図７（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体からなる発光ダイオード装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
まず、図５（ａ）に示すように、主面の面方位が（１１１）面であるＳｉからなる基板１０１の主面上に、例えば高周波スパッタ法により、低屈折率層となるＳｉＯ２からなる第１の誘電体膜１０２と、高屈折率層となるＴｉＯ２からなる第２の誘電体膜１０３とを例えば５ペア分積層して、多層ＤＢＲミラー１０４を形成する。ここで、低屈折率層として、ＳｉＯ２に代えて例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）を用い、高屈折率層として、ＴｉＯ２に代えて例えば酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）又は窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）を用いた構成としてもよい。多層ＤＢＲミラー１０４は、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差が大きい組み合わせとすることにより、少ない積層ペア数で高い反射率を得ることが可能となる。従って、多層ＤＢＲミラー１０４の積層ペア数は３ペアであってもよい。
次に、図５（ｂ）に示すように、形成した多層ＤＢＲミラー１０４の上面に、主面の面方位が（１１１）面の単結晶ＳｉからなるＳｉ薄膜形成用基板１０５Ａを接着する。この接着には、例えば、親水化処理した表面同士を直接に接触させて加熱することにより接着する、いわゆる直接接合法を用いることができる。なお、Ｓｉ薄膜形成用基板１０５Ａには、あらかじめ主面の全面にわたって、イオン注入により例えば２５ｎｍの深さにまで水素イオンが注入されてなる水素イオン注入領域１０５ａが形成されている。
次に、図６（ａ）に示すように、多層ＤＢＲミラー１０４を介して基板１０１と貼り合せた後、熱処理により水素イオン注入領域１０５ａのみを選択的に分離する、いわゆるスマートカット法により、多層ＤＢＲミラー１０４の上に、Ｓｉ薄膜形成用基板１０５Ａの水素イオン注入領域１０５ａからなる半導体薄膜１０５を残存させる。このスマートカット法により、主面の面方位が（１１１）面のＳｉからなる半導体薄膜１０５を、ｐｎ接合ダイオード構造から発せられる発光光を十分に透過する程度に薄くすることができる。このため、発光光の吸収を十分に抑制できるので、発光ダイオード装置の高出力化が可能となる。
ここで、半導体薄膜１０５は、例えばプロパン（Ｃ３Ｈ８）等の炭化水素ガスにより炭化して、単結晶のシリコン（Ｓｉ）を単結晶の炭化シリコン（ＳｉＣ）に変質させてもよい。このようにすると、炭化シリコン（ＳｉＣ）は格子定数がＧａＮの格子定数と比較的に近いため、半導体薄膜１０５の上に結晶性がより良好な窒化物半導体層を形成することが可能となる。その上、炭化シリコン（ＳｉＣ）は例えば青色光を吸収しないため、より高出力化を実現できる。また、半導体薄膜１０５は、Ｓｉ及びＳｉＣに代えて、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いてもよい。このような構成とすることにより、多層ＤＢＲミラー１０４の上に、さらに良好な結晶性を有する窒化物半導体を形成することが可能となる。
次に、図６（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、半導体薄膜１０５の上に、ＡｌＮからなる初期層１０６、ＡｌＧａＮからなる中間層１０７、ＡｌＮ／ＧａＮの積層膜からなる周期構造体１０８、ｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層１０９、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの積層膜からなるＭＱＷ活性層１１０及びｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１１１を順次成長させる。ここで、ｎ型クラッド層１０９には、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスを添加することにより、ｎ型不純物であるＳｉをドープする。また、ｐ型クラッド層１１１には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ：bis-cyclopentadienyl Mg）を添加することにより、ｐ型不純物であるＭｇをドープする。また、ＭＱＷ活性層１１０は、電流注入により４７０ｎｍの発光光が生じるように組成が構成されている。
次に、図７（ａ）に示すように、成長したｐ型クラッド層１１１の上に、スパッタ法により、厚さが１００ｎｍのＩＴＯからなる透明電極１１２を形成する。形成された透明電極１１２は、ＭＱＷ活性層１１０で発生する波長が４７０ｎｍ程度の発光光に対して９０％以上の透過率を有しており、透明電極１１２に生じる光吸収を十分に抑制している。なお、ＩＴＯからなる透明電極１１２に代えて、ｐ型クラッド層１１１の上にニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）からなるｐ側電極を直接に形成してもよい。続いて、例えば塩素（Ｃｌ２）ガスをエッチングガスとする誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively coupled plasma）等を用いたドライエッチング法により、透明電極１１２、ｐ型クラッド層１１１、ＭＱＷ活性層１１０及びｎ型クラッド層１０９に対して該ｎ型クラッド層１０９の一部を残すようにエッチングしてｎ型クラッド層１０９を露出する。
次に、図７（ｂ）に示すように、電子ビーム蒸着法により、露出したｎ型クラッド層１０９の上に厚さが３００ｎｍのＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１１３を形成する。続いて、電子ビーム蒸着法により、透明電極１１２の上にｎ側電極１１３と同様に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側パッド電極１１４を形成する。なお、ｎ側電極１１３とｐ側パッド電極１１４との形成順序は特に問われない。また、ｎ側電極１１３とｐ側パッド電極１１４とは１つの工程で形成することも可能である。
以上のように、第１の実施形態によると、発光波長に対して高い反射率を持つ多層ＤＢＲミラー１０４による高い反射率を利用して、光出力が大きい窒化物半導体発光装置、すなわち窒化物半導体からなる発光ダイオード装置を形成することができる。
また、結晶成長用基板として、サファイア又は炭化シリコンと比べて安価且つ大口径のＳｉからなる基板１０１及びＳｉ薄膜形成用基板１０５Ａを用いるため、低コストで高出力な窒化物半導体発光装置を実現することができる。
（第１の実施形態の第１変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の第１変形例について図面を参照しながら説明する。
図８は本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る発光ダイオード装置の断面構成を示している。図８において、図１に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図８に示すように、第１変形例に係る発光ダイオード装置は、基板１０１と多層ＤＢＲミラー１０４との間に、膜厚が例えば５００ｎｍのリン添加シリコンガラス（ＰＳＧ：Phospho Silicate Glass）膜１２１が形成されている。
ところで、シリコン（Ｓｉ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とは、両者の熱膨張係数が大きく異なり、ＧａＮの熱膨張係数と比べてＳｉの熱膨張係数の方が小さい。このため、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長を行った後、温度降下する際にＧａＮに対してＳｉからの引っ張り応力が加わってクラックが発生する。このため、成長可能なＧａＮ等の窒化物半導体の膜厚には上限がある。
そこで、本変形例においては、基板１０１と多層ＤＢＲミラー１０４との間にＰＳＧ膜１２１を設けることにより、エピタキシャル成長後の温度変化により窒化物半導体に発生するストレスを緩和することが可能となる。その結果、窒化物半導体の膜厚をクラックを生じさせることなく増大させることが可能となるので、窒化物半導体発光装置における窒化物半導体の結晶性を改善して高輝度化を実現できる。
具体的には、ＰＳＧ膜１２１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）と比べて液状化が始まる温度である軟化点が低く、従って、ＰＳＧ膜１２１の軟化点をＧａＮのエピタキシャル成長温度以下に設定することができる。これにより、窒化物半導体層をエピタキシャル成長する際に、ＰＳＧ膜１２１を液状化（軟化）させた状態で成長できるため、成長後の温度変化により窒化物半導体に発生するストレスを緩和することができる。
なお、ＰＳＧ膜１２１は、多層ＤＢＲミラー１０４と半導体薄膜１０５との間に設けてもよい。しかしながら、ｐｎ接合ダイオード構造１２０を含む窒化物半導体に、よりクラックを発生しにくくするには、半導体薄膜１０５に接するように形成することが好ましい。
多層ＤＢＲミラー１０４は、第１の実施形態と同様に、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の各層が光学波長の４分の１に相当する膜厚に設定され、例えば５ペア又は３ペア分で９０%以上の反射率を有するように構成されている。
第１変形例においては、軟化点を低減できる限りは、ＰＳＧ膜１２１に代えて、ホウ素及びリン添加シリコンガラス（ＢＰＳＧ：Boro Phospho Silicate Glass）膜を用いてもよい。また、ＰＳＧとＢＰＳＧとを同時に用いてもよい。ＢＰＳＧ膜の軟化点は８００℃程度であり、ＰＳＧ膜の軟化点の１０００℃程度と比べてさらに低い。従って、窒化物半導体をエピタキシャル成長した後に、該窒化物半導体に生ずるストレスはＰＳＧ膜を用いたときと比べてさらに低減される。このため、窒化物半導体をクラックを生じることなく、より厚く成長できるので、結晶性に優れた高輝度の窒化物半導体発光装置を実現することができる。
（第１の実施形態の第２変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の第２変形例について図面を参照しながら説明する。
図９は本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る発光ダイオード装置の断面構成を示している。図９において、図１に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図９に示すように、第２変形例に係る発光ダイオード装置は、ｎ側電極１１３と基板１０１とを電気的に接続する金（Ａｕ）からなる導電性部材１２２が、ｎ型クラッド層１０９、周期構造体１０８、中間層１０７、初期相１０６、半導体薄膜１０５及び多層ＤＢＲミラー１０４を貫通して基板１０１の上部に達する貫通孔１０１ａに形成されている。なお、貫通孔１０１ａは、窒化物半導体及び基板１０１に対しては、例えば塩素を主成分とするエッチングガスを用いたドライエッチングにより、また、多層ＤＢＲミラー１０４に対しては、例えばフルオロカーボンを主成分とするエッチングガスを用いたドライエッチングにより形成できる。また、導電性部材１２２は、形成された貫通孔１０１ａに金めっき法により金を埋め込むことにより形成できる。
本変形例においては、発光ダイオード装置の動作時に、ｐｎ接合ダイオード構造１２０を含む窒化物半導体から発生した熱が導電性部材１２２を介して基板１０１に伝導して放熱される。これにより、動作時の窒化物半導体における温度の上昇が抑さえられて、温度上昇による内部量子効率の悪化が抑制されるため、より高輝度な窒化物半導体発光装置を実現できる。
なお、基板１０１に導電性を持たせ、さらに基板１０１における多層ＤＢＲミラー１０４の反対側の面上にもｎ側電極（裏面電極）を設ければ、ｎ型クラッド層１０９に設けたｎ側電極１１３に対するワイヤリングが不要となる。従って、窒化物半導体発光装置としての実装面積を小さくすることができる。
また、第１変形例と同様に、基板１０１と多層ＤＢＲミラー１０４との間に、ＰＳＧ膜又はＢＰＳＧ膜を設けてもよい。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光装置である面発光レーザ装置であって、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面構成を示している。
図１０（ｂ）に示すように、例えば主面の面方位が（１１１）面のＳｉからなる基板２０１の上には、ＳｉＯ２からなる第１の誘電体膜２０２とＴｉＯ２からなる第２の誘電体膜２０３とが交互に且つ少なくとも１対積層されてなる多層ＤＢＲミラー２０４と、ＰＳＧ膜２０５と、主面の面方位が（１１１）面である炭化シリコン（ＳｉＣ）の単結晶からなる半導体薄膜２０６とが順次形成されている。
半導体薄膜１０６の上には、ｎ型ＧａＮからなる第１の窒化物半導体膜２０７とｎ型ＡｌＮからなる第２の窒化物半導体膜２０８とが交互に且つ少なくとも１対積層された積層膜（半導体ＤＢＲミラー）からなる下部反射膜２０９と、ｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層２１０と、ＩｎＧａＮとＧａＮとの積層膜からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２１１と、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子オーバーフロー抑制層２１２と、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２１３とが、例えばＭＯＣＶＤ法により順次エピタキシャル成長して形成されている。従って、第２の実施形態においては、基板２０１、多層ＤＢＲミラー２０４、ＰＳＧ膜２０５及び半導体薄膜２０６が、実質的な結晶成長用基板となる。
また、第２の実施形態においては、ｎ型クラッド層２１０、ＭＱＷ活性層２１１、電子オーバーフロー抑制層２１２及びｐ型クラッド層２１３がｐｎ接合ダイオード構造２３０を構成している。なお、ここでは、ｎ型クラッド層２１０とｐ型クラッド層２１３との間にアンドープのＭＱＷ活性層２１１を挟む構成であるが、広義のｐｎ接合と呼ぶ。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、ｎ型クラッド層２１０の上部からｐ型クラッド層２１３まではメサ状にエッチングされており、エッチングにより露出したｎ型クラッド層２１０におけるメサ状部分の周辺領域には、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極２１４が形成されている。
ｐ型クラッド層２１３の上に開口部２１５ａを有するＳｉＯ２からなる電流狭窄層２１５が、メサ状部分の上面及び側面を覆うように形成されている。
電流狭窄層２１５の上には、開口部２１５ａを通してｐ型クラッド層２１３と接触するＩＴＯからなるｐ側透明電極２１６が形成され、ｐ側透明電極２１６上における電流狭窄層２１５の開口部２１５ａを除く周辺領域には、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるｐ側パッド電極２１７が形成されている。
また、ｐ側透明電極２１６の上には、ｐ側パッド電極２１７と周縁部で接触する、ＳｉＯ２からなる第３の誘電体膜２１８とＴｉＯ２からなる第４の誘電体膜２１９とが交互に且つ少なくとも１対積層された積層膜（誘電体ＤＢＲミラー）からなる上部反射膜２２０が形成されている。
このように、第２の実施形態に係る窒化物半導体発光装置は、ｐｎ接合ダイオード構造２３０が、多層ＤＢＲミラー２０４及び半導体ＤＢＲミラーからなる下部反射膜２０９と、誘電体ＤＢＲミラーからなる上部反射膜２２０とに挟まれた窒化物半導体からなる面発光レーザ装置である。なお、図１０（ａ）及び（ｂ）に示した符号２３１は、レーザ光の出射領域を示している。
多層ＤＢＲミラー２０４を構成するＳｉＯ２からなる第１の誘電体膜２０２及びＴｉＯ２からなる第２の誘電体膜２０３の膜厚は、それぞれ発光波長λに対してλ／（４ｎ）（但し、ｎは、ＳｉＯ２又はＴｉＯ２の屈折率である。）となるように成膜されており、発光波長に対して高い反射率を得られるように設計されている。具体的には、４７０ｎｍの発光波長に対して、第１の誘電体膜１０２の膜厚は８１ｎｍであり、第２の誘電体膜１０３の膜厚は４５ｎｍである。この構成は、誘電体ＤＢＲミラーである上部反射膜２２０を構成するＳｉＯ２からなる第３の誘電体膜２１８及びＴｉＯ２からなる第４の誘電体膜２１９においても同様である。
また、半導体ＤＢＲミラーである下部反射膜２０９を構成するｎ型ＧａＮからなる第１の窒化物半導体膜２０７及びｎ型ＡｌＮからなる第２の窒化物半導体膜２０８の膜厚は、それぞれ発光波長λに対してλ／（４ｎ）（但し、ｎは、ＧａＮ又はＡｌＮの屈折率である。）となるように成膜されており、発光波長に対して高い反射率を得られるように設計されている。具体的には、４７０ｎｍの発光波長に対して、第１の窒化物半導体膜２０７の膜厚は４７．８ｎｍであり、第２の窒化物半導体膜２０８の膜厚は５８ｎｍである。
ｐｎ接合ダイオード構造２３０を構成するｎ型クラッド層２１０、ＭＱＷ活性層２１１、電子オーバーフロー抑制層２１２及びｐ型クラッド層２１３を合わせた膜厚は、発光波長λに対してｍ１・λ（但し、ｍ１は自然数である。）であり、共振器を形成するように設計されている。また、ｎ型クラッド層２１０からＭＱＷ活性層２１１の中心部までの膜厚がｍ２・λ／２（但し、ｍ２は自然数である。）となるように形成されており、発光波長に対して高い利得を得られるよう設計されている。具体的には、ｎ型クラッド層２１０の厚さは８１．１ｎｍであり、ＭＱＷ活性層２１１の厚さは２９ｎｍであり、電子オーバーフロー抑制層２１２の厚さは１０ｎｍであり、ｐ型クラッド層２１３の厚さは７１．１ｎｍである。
このような構成により、第２の実施形態に係る面発光レーザ装置は、出射領域２３１の直下にのみ電流が流れるように規制することができる。
なお、ｐ型クラッド層２１３に該ｐ型クラッド層２１３を選択的に覆う電流狭窄層２１５を設ける代わるに、ｐ型クラッド層２１３の光出射領域２３１と対応する部分のみを選択的にｐ型半導体として、ｐ型クラッド層２１３の上の全面にｐ側透明電極２１６を形成してもよい。
以上説明したように、第２の実施形態に係る窒化物半導体からなる面発光レーザ装置は、多層ＤＢＲミラー２０４、ＰＳＧ膜２０５半導体薄膜２０６、半導体ＤＢＲミラーからなる下部反射膜２０９により、発光波長に対して高い反射率を実現しており、従来のＳｉ基板を用いた窒化物半導体発光装置で問題でとなる、Ｓｉ基板での発光光の光吸収を抑制することができる。さらに、下部反射膜２０９とｐｎ接合ダイオード構造２３０の上に形成された誘電体ＤＢＲミラーからなる上部反射膜２２０との間に高い光閉じ込め効果を得られることから、レーザ発振を実現できることが特徴である。
一般に、面発光レーザ装置は、レーザ発振を実現するために、互いに対向し且つ高い反射率を有する１対の反射膜が必要となる。具体的には、第２の実施形態に係る窒化物半導体からなる面発光レーザ装置の場合は、多層ＤＢＲミラー２０４を含む下部反射膜２０９が９９．８％程度で、光出射面となる上部反射膜２２０が９９％程度の反射率を有することが望ましい。
図１１は本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ装置におけるｐｎ接合ダイオード構造２３０から入射する、波長が４７０ｎｍの発光光に対するｎ型ＧａＮ／ｎ型ＡｌＮからなる下部反射膜２０９及びＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる多層ＤＢＲミラー２０４の各周期数と垂直反射率との関係を示している。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）との屈折率はそれぞれ２．０３と２．４６とであり、両者の屈折率差は小さいため、多層ＤＢＲミラー２０４を設けない場合（０周期）には、９９．８％程度の反射率を得ようとすると、図示はしていないが、ｎ型ＧａＮ／ｎ型ＡｌＮからなる下部反射膜２０９を２０周期程度も積層する必要がある。但し、窒化物半導体はその膜厚が大きくなり過ぎると、結晶成長用基板との格子定数の差及び熱膨張係数の差によって発生する応力によって、窒化物半導体にクラックが発生してしまう。
そこで、第２の実施形態においては、図１１から分かるように、ｎ型ＧａＮ／ｎ型ＡｌＮからなる下部反射膜２０９の下方に形成するＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる多層ＤＢＲミラー２０４の周期数を３周期以上とすることにより、下部反射膜２０９は１０周期以下の周期数で９９．８％以上の反射率を確実に実現することができる。さらには、多層ＤＢＲミラー２０４の周期数は、下部反射膜２０９の周期数に拘わらず、９９．８％以上の反射率を得られるように、６周期以上に設定することが望ましい。
また、第２の実施形態に係る面発光レーザ装置は、多層ＤＢＲミラー２０４と下部反射膜２０９と間に、ＰＳＧ膜２０５とＳｉＣからなる半導体薄膜２０６とが形成されている。ここでは、ＰＳＧ膜２０５の膜厚ｄＰＳＧ及び半導体薄膜２０６の膜厚ｄＳｉＣは、
（ｄＰＳＧ×ｎＰＳＧ／λ）＋（ｄＳｉＣ×ｎＳｉＣ／λ）＝ｍ３／４（但し、ｎＰＳＧ ，ｎＳｉＣは、ＰＳＧ膜及びＳｉＣ膜の各屈折率を表し、λは発光波長を表し、ｍ３は奇数を表す。）であることが望ましい。
これにより、ＰＳＧ膜２０５及び半導体薄膜２０６を含め下部反射膜２０９及び多層ＤＢＲミラー２０４からなる下部反射部の反射率をより高くすることができる。また、Ｓｉ薄膜形成用基板を炭化して得られるＳｉＣの結晶構造は立方晶（３Ｃ−ＳｉＣ)であり、そのバンドギャップは２．２ｅＶであって、青色領域の発光波長（具体的には発光波長が４７０ｎｍであればその光のエネルギーは２．６４ｅＶ）と比べて小さい。このため、ＳｉＣからなる半導体薄膜２０６による光の吸収を低減するには、該半導体薄膜２０６の膜厚は小さい方が望ましい。これに対し、半導体薄膜２０６に入射する光を低減するには、下部反射膜２０９の反射率が高いほうが望ましい。
図１２は本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ装置におけるｐｎ接合ダイオード構造２３０から入射する、波長が４７０ｎｍの発光光に対するｎ型ＧａＮ／ｎ型ＡｌＮからなる下部反射膜２０９の周期数及び半導体薄膜２０６の膜厚と垂直反射率との関係を示している。ここでは、多層ＤＢＲミラー２０４の周期数は１０周期とし、ＰＳＧ膜２０６の膜厚は１００ｎｍとしている。図１２から分かるように、下部反射膜２０９を設けない場合（０周期）には、ＳｉＣからなる半導体薄膜２０６の膜厚が大きくなるにつれて反射率が低下している。これに対し、下部反射膜２０９の周期数を増やすことにより、半導体薄膜２０６はいずれの膜厚においても９９．８％以上の反射率を得ることができる。従って、半導体薄膜２０６の膜厚に拘わらず高い反射率を得られるように、下部反射膜２０９は５周期以上に設定することが望ましい。
また、下部反射膜２０９が少ない周期数でも高い反射率を得られるように、半導体薄膜２０６の膜厚は３５０ｎｍ以下に設定することが望ましい。
なお、半導体薄膜２０６は、単結晶ＳｉＣに代えて、ＳｉＣとＡｌＮとの混晶を用いてもよい。ＳｉＣＡｌＮのバンドギャップは３．２ｅＶであり、この値は青色領域の発光波長に相当する光のエネルギーと比べて大きいため、青色光を吸収しない。従って、半導体薄膜２０６に、ＳｉＣとＡｌＮとの混晶を用いることにより、高い反射率を有する下部反射部を形成することができる。
図1３は本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ装置におけるｐｎ接合ダイオード構造２３０から入射する、波長が４７０ｎｍの発光光に対するＩＴＯからなるｐ側透明電極２１６の膜厚及びＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる上部反射膜２２０の周期数と垂直反射率との関係を示している。図１３から分かるように、ｐ側透明電極２１６の膜厚が５７．７ｎｍの場合は、上部反射膜２２０の周期数を２０周期としても、ｐ側透明電極２１６による光吸収によって９９％程度の反射率は得られない。そこで、ｐ側透明電極２１６の膜厚を３０ｎｍ以下とし、且つ、上部反射膜２２０の周期数を７周期以上に設定することにより、９９％程度の反射率を有する低損失な上部反射部を形成することができる。ここで、上部反射部とは、上部反射膜２２０にｐ側透明電極２１６を加えた構成をいう。
以上の構成により、高い反射率を有する上部反射部及び下部反射部を実現でき、より高い光閉じ込め効果を得られるので、レーザ発振を確実に行わせることができる。
（第２の実施形態の第１変形例）
以下、本発明の第２の実施形態の第１変形例について図面を参照しながら説明する。
図１４は本発明の第２の実施形態の第１変形例に係る面発光レーザ装置の断面構成を示している。図１４において、図１０（ｂ）に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図１４に示すように、第２変形例に係る面発光レーザ装置は、基板２０１Ａに導電性を有するシリコン（Ｓｉ）を用いている。さらに、ｎ型クラッド層２１０の露出部に形成するｎ側電極をｎ側電極配線２１４Ａとして基板２０１Ａの上面の露出部にまで延長することにより、ｎ型クラッド層２１０と基板２０１Ａとを電気的に接続している。ここでは、ｎ型クラッド層２１０の側面から、その下側に位置する下部反射膜２０９、半導体薄膜２０６、ＰＳＧ膜２０５及び多層ＤＢＲミラー２０４に対しても基板２０１Ａの露出部と対応する側面を選択的に除去している。
また、基板２０１Ａにおける多層ＤＢＲミラー２０４と反対側の面上には、例えば良好なオーミック特性を示すアルミニウム（Ａｌ）からなる裏面電極２３２が形成されている。
このような構成とすることにより、第２変形例に係る面発光レーザ装置は、裏面電極２３２から導電性を有する基板２０１Ａ及びｎ側電極配線２１４Ａを介してｎ型クラッド層２１０に電子を供給することができる。従って、ｎ側電極配線２１４Ａを配線ワイヤ等と接続しなくてもすむため、ｎ側電極の面積を小さくすることができる。すなわち、本変形例においては、面発光レーザ装置のチップサイズを小さくすることができるため、低コストな面発光レーザを実現できる。
その上、第１変形例に係る面発光レーザ装置は、動作時に発生する熱をｎ側電極配線２１４Ａを介して基板２０１Ａに放熱することができるため、信頼性が高い窒化物半導体からなる面発光レーザ装置を得ることができる。
（第２の実施形態の第２変形例）
以下、本発明の第２の実施形態の第２変形例について図面を参照しながら説明する。
図１５は本発明の第２の実施形態の第２変形例に係る面発光レーザ装置の断面構成を示している。図１５において、図１０（ｂ）に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図１５に示すように、第２変形例に係る面発光レーザ装置は、第２の実施形態に係る面発光レーザ装置におけるｐ型クラッド層２１３の側面と上面の一部とを選択的に覆うＳｉＯ２からなる電流狭窄層２１５に代えて、ｐ型クラッド層２１３の上に開口部２３３ａを有し且つ例えば厚さが１００ｎｍのＳｉＯ２からなる電流狭窄層２３３を選択的に設けている。
さらに、第２変形例においては、ｐ型クラッド層２１３の上に、電流狭窄層２３３をＭＯＣＶＤ法による成長マスクとし、ｐ型ＧａＮからなる第３の窒化物半導体膜２３４とｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなる第４の窒化物半導体膜２３５とが交互に且つ少なくとも１対積層された積層膜（半導体ＤＢＲミラー）からなる第２の上部反射膜２３６を設けている。
ここで、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる上部反射膜（以下、第２変形例においては第１の上部反射膜と呼ぶ。）２２０は、ｐ側透明電極２１６を設けることなく、且つ第２の上部反射膜２３６の上における電流狭窄層２３３の開口部２３３ａの上方部分に形成されている。また、第２の上部反射膜２３６の上であって第１の上部反射膜２２０の周囲には、パラジウム（Ｐｄ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなるｐ側電極２１７Ａが形成されている。
第２の上部反射膜２３６、電流狭窄層２３３を含むｐ型クラッド層２１３、ＭＱＷ活性層２１２及び電子オーバーフロー抑制層２１１の各側面上並びにｎ型クラッド層２１０のエッチングされた側面上には、ＳｉＯ２からなる保護膜２１５Ａが形成されている。
なお、電流狭窄層２３３は、ｐ型クラッド層２１３又はｎ型クラッド層２１０の内部に形成してもよい。これにより、ｐｎ接合ダイオード構造２３０に注入される電流は出射領域２３１の直下のみを流れ、発光領域が制限されるため、高い光閉じ込め効果により発振閾値電流の電流値を低減することができる。
また、基板２０１上に、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる多層ＤＢＲミラー２０４を形成すると応力が発生するためクラックが発生しやすくなる。そこで、第２の実施形態においては、窒化物半導体と基板２０１との間にＰＳＧ膜２０５を形成している。これにより、該ＰＳＧ膜２０５の軟化点が窒化物半導体の結晶成長温度よりも低くなるため、窒化物半導体からなり第２の上部反射膜２３６及び下部反射膜２０９を含むｐｎ接合ダイオード構造２３０と、基板２０１との熱膨張係数差による応力を緩和することができる。その結果、窒化物半導体に生じるクラックを抑制することができる。
すなわち、本発明に係る窒化物半導体発光装置は、従来と比べて窒化物半導体にクラックが発生する臨界膜厚を大きくすることができ、本変形例においては、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の上部反射膜２３６をクラックを発生することなく形成することができる。ここで、ｐ型ＧａＮからなる第３の窒化物半導体膜２３４とｐ型ＡｌＧａＮからなる第４の窒化物半導体膜２３５との膜厚はそれぞれ発光波長λに対してλ／４ｎ（但し、ｎは、ＧａＮ又はＡｌＧａＮの屈折率を表す。）となるように形成されており、すなわち、発光波長に対して高い反射率を得られるように設計されている。具体的には、４７０ｎｍの発光波長に対して、ｐ型ＧａＮの厚さは４７．８ｎｍであり、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの厚さは５２．６ｎｍである。
図１６は本発明の第２の実施形態の第２変形例に係る面発光レーザ素子におけるｐｎ接合ダイオード構造２３０から入射する、波長が４７０ｎｍの発光光に対するＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる第１の上部反射膜２２０の周期数及びｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の上部反射膜２３６の周期数と垂直反射率との関係を示している。図１６から分かるように、第２の上部反射膜２３６の周期数を増加すると反射率は増大するものの、ＧａＮとＡｌＧａＮとの屈折率差が小さいため、反射率の変化も小さい。
そこで、第１の上部反射膜２２０及び第２の上部反射膜２３６からなる上部反射部における反射率を９９％程度とするには、第２の上部反射膜２３６の周期数に拘わらず、第１の上部反射膜２２０の周期数を５周期以上に設定する必要がある。
その上、本変形例に係る上部反射部は、ＩＴＯからなるｐ側透明電極等の光損失が生じる材料を用いないため、レーザ発振の閾値電流の電流値を低下することができる。
さらに、本変形例においては、電流狭窄層２３３が第２の上部反射膜２３６の上面ではなく、窒化物半導体の内部に形成されているため、第２の上部反射膜２３６とｐ側電極２１７Ａとの接触面積を大きくすることができる。これにより、窒化物半導体の直列抵抗が小さくなって動作電圧が低下し且つ発熱量も減少するため、信頼性が高い窒化物半導体からなる面発光レーザ装置を得ることができる。
本発明に係る窒化物半導体発光装置及びその製造方法は、結晶成長用基板による発光光の吸収を低減して窒化物半導体発光装置における光取り出し効率が向上し、例えば各種表示用又は照明用の高輝度窒化物半導体発光装置等に有用である。
本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置を示す構成断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置における半導体薄膜及び多層ＤＢＲミラーを含む基板の垂直反射率と半導体薄膜の膜厚と関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置における多層ＤＢＲミラー構成するＳｉＯ２／ＴｉＯ２の積層ペア数を変化させた場合の発光光の波長と垂直反射率との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置における波長が４７０ｎｍの発光光の入射角度と反射率との関係を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。 本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る窒化物半導体発光装置を示す構成断面図である。 本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る窒化物半導体発光装置を示す構成断面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光装置を示す平面図である。（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における構成断面図である 本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光装置における波長が４７０ｎｍの発光光に対する下部反射膜及び多層ＤＢＲミラーの各周期数と垂直反射率との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光装置における波長が４７０ｎｍの発光光に対する下部反射膜の周期数及び半導体薄膜の膜厚と垂直反射率との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光装置における波長が４７０ｎｍの発光光に対するｐ側透明電極の膜厚及び上部反射膜２２０の周期数と垂直反射率との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の第１変形例に係る窒化物半導体発光装置を示す構成断面図である。 本発明の第２の実施形態の第２変形例に係る窒化物半導体発光装置を示す構成断面図である。 本発明の第２の実施形態の第２変形例に係る窒化物半導体発光装置における波長が４７０ｎｍの発光光に対する第１の上部反射膜の周期数及び第２の上部反射膜の周期数と垂直反射率との関係を示すグラフである。
符号の説明
１０１ 基板
１０１ａ 貫通孔
１０２ 第１の誘電体膜
１０３ 第２の誘電体膜
１０４ 多層ＤＢＲミラー（誘電体積層膜）
１０５ 半導体薄膜
１０５Ａ Ｓｉ薄膜形成用基板
１０５ａ 水素イオン注入領域
１０６ 初期層
１０７ 中間層
１０８ 周期構造体
１０９ ｎ型クラッド層
１１０ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
１１１ ｐ型クラッド層
１１２ 透明電極
１１３ ｎ側電極
１１４ ｐ側パッド電極
１２０ ｐｎ接合ダイオード構造
１２１ リン添加シリコンガラス（ＰＳＧ）膜
１２２ 導電性部材
２０１ 基板
２０１Ａ 基板
２０２ 第１の誘電体膜
２０３ 第２の誘電体膜
２０４ 多層ＤＢＲミラー（誘電体積層膜）
２０５ ＰＳＧ膜
２０６ 半導体薄膜
２０７ 第１の窒化物半導体膜
２０８ 第２の窒化物半導体膜
２０９ 下部反射膜（第３の反射膜）
２１０ ｎ型クラッド層
２１１ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２１２ 電子オーバーフロー抑制層
２１３ ｐ型クラッド層
２１４ ｎ側電極
２１４Ａ ｎ側電極配線
２１５ 電流狭窄層
２１５ａ 開口部
２１５Ａ 保護膜
２１６ ｐ側透明電極
２１７ ｐ側パッド電極
２１７Ａ ｐ側電極
２１８ 第３の誘電体膜
２１９ 第４の誘電体膜
２２０ （第１の）上部反射膜（第１の反射膜／第２の反射膜）
２３０ ｐｎ接合ダイオード構造
２３１ 出射領域
２３２ 裏面電極
２３３ 電流狭窄層
２３３ａ 開口部
２３４ 第３の窒化物半導体膜
２３５ 第４の窒化物半導体膜
２３６ 第２の上部反射膜（第１の反射膜）

Claims (26)

  1. 基板の上に形成され、組成が異なる複数の誘電体膜が積層されてなる誘電体積層膜と、
    前記誘電体積層膜の上に形成された単結晶からなる半導体薄膜と、
    前記半導体薄膜の上に形成され、窒化物半導体からなるｐｎ接合ダイオード構造とを備えていることを特徴とする窒化物半導体発光装置。
  2. 前記半導体薄膜は、シリコン、炭化シリコン又は窒化ガリウムからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
  3. 前記誘電体積層膜の一部は、互いに組成が異なる第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜が交互に積層されてなり、
    前記第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光装置。
  4. 前記誘電体積層膜はその一部にガラス状膜を含み、前記ガラス状膜が液状化する温度は、酸化シリコンが液状化する温度もより低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
  5. 前記ガラス状膜は、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）及びＢＰＳＧ（Boro Phospho Silicate Glass)のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光装置。
  6. 前記誘電体積層膜には、該誘電体積層膜を貫通して前記基板と電気的に接続される金属からなる導電性部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
  7. 前記ｐｎ接合ダイオード構造における前記誘電体積層膜と反対側の面上に形成され、前記誘電体積層膜と対向する第１の反射膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
  8. 前記誘電体積層膜の側面には、前記ｐｎ接合ダイオード構造と前記基板とを電気的に接続する電極配線が設けられていることを特徴とする請求項１又は７に記載の窒化物半導体発光素子。
  9. 前記第１の反射膜は、互いに組成が異なる第３の誘電体膜及び第４の誘電体膜が交互に積層されてなり、
    前記第３の誘電体膜及び第４の誘電体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体発光装置。
  10. 前記第１の反射膜の一部は、発光波長に対して透明である導電膜からなり、前記導電膜の一部は前記窒化物半導体に接するように形成されていることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光装置。
  11. 前記第１の反射膜は、互いに組成が異なる第１の窒化物半導体膜及び第２の窒化物半導体膜が交互に積層されてなり、
    前記第１の窒化物半導体膜及び第２の窒化物半導体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体発光装置。
  12. 前記第１の窒化物半導体膜はＧａＮからなり、
    前記第２の窒化物半導体膜は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（但し、ｘ，ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１である。）からなることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光装置。
  13. 前記第１の反射膜の上に形成された第２の反射膜をさらに備え、
    前記第２の反射膜は、互いに組成が異なる第３の誘電体膜及び第４の誘電体膜が交互に積層されてなり、
    前記第３の誘電体膜及び第４の誘電体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光装置。
  14. 前記ｐｎ接合ダイオード構造における前記第１の反射膜の下方に設けられ、基板面に垂直な方向に開口する開口部を有する電流狭窄層をさらに備えていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
  15. 前記電流狭窄層は、ＧａＮにより覆われていることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光装置。
  16. 前記誘電体積層膜と前記ｐｎ接合ダイオード構造との間に形成された第３の反射膜をさらに備え、
    前記第３の反射膜は、互いに組成が異なる第３の窒化物半導体膜及び第４の窒化物半導体膜が交互に積層されてなり、
    前記第３の窒化物半導体膜及び第４の窒化物半導体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることを特徴とする請求項７〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
  17. 前記半導体薄膜は、発光波長に対して透明であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体発光装置。
  18. 前記半導体薄膜は、炭化シリコンと窒化アルミニウムとの混晶からなることを特徴とする請求項１７に記載の窒化物半導体発光装置。
  19. 前記ｐｎ接合ダイオード構造は、その一部が共振器を形成しており、
    前記共振器には、ｐ側電極又はｎ側電極が接触するように形成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の窒化物半導体発光装置。
  20. 基板の上に、互いに組成が異なる複数の誘電体膜を交互に積層して誘電体積層膜を形成する工程（ａ）と、前記誘電体積層膜に単結晶からなる半導体薄膜を貼り合わせる工程（ｂ）と、
    前記半導体薄膜の上に窒化物半導体からなるｐｎ接合ダイオード構造を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする窒化物半導体発光装置の製造方法。
  21. 前記各誘電体膜の膜厚は、それぞれ発光波長に相当する光学波長の４分の１であることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
  22. 前記工程（ｂ）は、
    水素イオンが主面の全面で且つ所定の深さに注入された水素注入領域を有する半導体基板を用意する第１工程と、
    前記誘電体積層膜に前記半導体基板の主面を貼り合わせる第２工程と、
    前記誘電体積層膜に貼り合わされた前記半導体基板を加熱して、前記半導体基板を前記水素注入領域で剥離する第３工程とを含むことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
  23. 前記半導体薄膜は、シリコンからなることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
  24. 前記半導体基板はシリコンからなり、
    前記第１工程は、前記半導体基板を炭化水素ガスにさらすことにより、前記半導体基板における前記半導体薄膜形成領域を炭化シリコンに変質させる工程を含むことを特徴とする請求項２２に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
  25. 前記工程（ａ）は、前記誘電体積層膜の下部又は上部に、ガラス状膜を形成する工程を含み、
    前記工程（ｃ）において、前記窒化物半導体を前記ガラス状膜が液状化する温度よりも高い温度で結晶成長することを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  26. 前記ガラス状膜は、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）及びＢＰＳＧ（Boro Phospho Silicate Glass)のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項２５に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
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