JP2009246005A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶品質の良好な高In組成のInGaN活性層が得られ、長波長域（緑色）でのレーザ発振を可能にした半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザダイオード１０はInGaNと格子整合するZnO単結晶基板１２と、ZnO単結晶基板１２上に形成されたInGaNからなりZnO単結晶基板１２と格子整合する格子整合系下部クラッド層１４と、下部クラッド層１４上に形成されたInGaNからなる活性層１５と、活性層１５上に形成されたInGaNからなり、活性層１５と格子整合する格子整合系上部クラッド層１６と、上部クラッド層１６上に形成されたｐ型コンタクト層１７と、を備える。InGaNからなる活性層１５を、4nm以上臨界膜厚以下の膜厚に厚膜化した。活性層１５は、複数対の井戸層と障壁層を有する多重量子井戸構造からなり、各井戸層の膜厚は4nm以上20nm以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体層、特にInGaNからなる活性層を備えた半導体発光素子に関する。

従来、発光波長が青色発光（発光波長４８０ｎｍ以下）より長波長の可視光（例えば緑色）の発光（発光波長が480nm以上の発光）を実現するために、InGaNからなる活性層を有する半導体レーザダイオードとして、例えば、非特許文献１、非特許文献２および特許文献１等に開示された技術がある。

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、ＧａＮ基板のｍ面を使って成長させるので、ピエゾ電界を抑制でき、InGaN活性層（InGaN井戸層）を厚くできる。活性層を厚くすると、レーザダイオードにおける縦方向の光閉じ込め係数を大きくすることができる。

非特許文献２に開示された半導体レーザダイオードでは、サファイア基板上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびInGaN活性層が形成され、ｐ側には超格子クラッド層（ＡｌＧａＮ）、電子ブロック層が形成されている。InGaN活性層は、３．５ｎｍの厚さの井戸層と障壁層の３ペアからなる多重量子井戸構造である。

特許文献１に開示された半導体レーザダイオードは、基板にＺｎＯを使い、ＺｎＯに格子整合するInGaNクラッド層と、５個の厚さ２．５ｎｍのInGaN井戸層を含む多重量子井戸構造の活性層とを備えている。
Daniel F. Feezell, et al., "AlGaN-Cladding-Free Nonpolar InGaN/GaN Laser Diode", Japanese Journal of Phisics, Vol 46, No.13, 2007, pp. L284-L286 Tsuyoshi Tojyo, et al., "High-Power AlGaN Laser Diodes with High Kink Level and Low Relative Intensity Noise", Japanese Journal of Phisics, Vol 41, 2002, pp. L1829-1833 特開２００６−１７３６２１号公報

ところで、上記非特許文献１や非特許文献２に開示されたような従来技術では、次のような問題があった。

・結晶品質の良好な高In組成のInGaN活性層ができない。
・InNとGaNとの格子整合差が11%と大きく、高In組成のInGaN層では相分離が生じるため、485nm以上の発光波長を有する半導体レーザダイオード（LD）の製造が困難。
・C面基板とInGaN活性層の格子定数差により生じる歪みで発生したピエゾ電界発生のために、井戸層の膜厚を3nm以上にできなかった。
・基板との大きな格子定数差のために貫通転位密度が<10⁵cm^-2以下を実現できなかった。
特に、上記非特許文献１の従来技術では、次のような問題があった。
・大面積なm面GaN基板は実現されていない。
・結晶成長が困難である。

また、上記特許文献１に開示されたような従来技術では、次のような問題があった。
・InGaN活性層とInGaNクラッド層との屈折率差が小さく、縦方向の光の閉じ込めが弱いために、レーザ発振が困難であった。
・InGaNクラッド層とInGaN活性層との禁制帯幅が小さいため、キャリアが活性層から漏れてレーザ発振が困難であった。また、レーザ発振しても発光効率が悪く、温度特性も悪かった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、結晶品質の良好な高In組成のInGaN活性層が得られ、長波長域（緑色）でのレーザ発振を可能にした半導体発光素子を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板と、前記基板上に形成された窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなり、前記基板と格子整合する格子整合系下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層と、前記活性層上に形成された前記基板と格子整合する格子整合系上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を備え、前記活性層は、4nm以上臨界膜厚以下の膜厚を有することを特徴とする。

この構成によれば、InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板上に、この基板と格子整合するInGaN層を下部クラッド層として用いることで、高In組成のInGaN活性層の歪みが低減され、相分離及びピエゾ電界抑制、貫通転位の低減化を実現できる。

InGaN層からなる下部クラッド層とInGaN活性層との屈折率差が小さいが、活性層の厚膜化（もしくは厚い井戸層を有する多重量子井戸構造）を厚膜化することにより、活性層への光の閉じ込めが強くなり、高In組成のInGaN活性層により、長波長域での緑色LD発振が実現できる。

また、活性層を4nm以上臨界膜厚以下の膜厚にすることで、活性層への光の閉じ込めが強くなり、高In組成のInGaN活性層により、長波長域での緑色LD発振が実現できる。このように活性層の膜厚を4nm以上臨界膜厚以下の膜厚に厚くできるのは、InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板と格子整合するInGaN層をクラッド層として用いているためである。

請求項２に記載の発明は、前記InGaN格子整合系基板がZnO単結晶基板、InGaN単結晶基板およびサファイア基板のいずれかを下地としてInGaN層を形成した基板、またはβ-Ga₂O₃（酸化ガリウム）単結晶基板であることを特徴とする。

この構成によれば、InGaNと格子整合するZnO単結晶基板、InGaN単結晶基板およびサファイア基板のいずれかを下地としてInGaN層を形成した基板上、またはβ-Ga₂O₃（酸化ガリウム）単結晶基板上に、この基板と格子整合するInGaN層をクラッド層として用いることで、高In組成のInGaN活性層の歪みが低減され、相分離及びピエゾ電界抑制、貫通転位の低減化を実現できる。また、InGaN層からなる下部クラッド層とInGaN活性層との屈折率差が小さいが、活性層の厚膜化する（もしくは厚い井戸層を有する多重量子井戸構造にする）ことにより、活性層への光の閉じ込めが強くなり、高In組成のInGaN活性層により、長波長域での緑色LD発振が実現できる。

請求項３に記載の発明は、前記活性層のインジウム（In）の組成比は、発光波長が480nm以上、650nm以下となるように設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、青色より長波長の可視光（例えば緑色）の発光が可能な半導体レーザダイオードを実現できる。

請求項４に記載の発明は、前記下部クラッド層のインジウム（In）の組成は、前記ZnO単結晶基板に格子整合する10%から20%程度であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記活性層がバルク構造からなり、その膜厚は4nm以上50nm以下であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記活性層が単一量子井戸構造からなり、該単一量子井戸構造の井戸層の膜厚は4nm以上50nm以下であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、前記活性層が多重量子井戸構造からなり、該多重量子井戸構造の井戸層の膜厚は4nm以上20nm以下であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、前記下部クラッド層と前記活性層との間、および該活性層と前記上部クラッド層との間に、光閉じ込め層がそれぞれ設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、光閉じ込め層により、コアとして機能する中央の活性層内に光を安定に、効率よく閉じ込めることができる。これにより、InGaN活性層とInGaNクラッド層との屈折率差が小さくても、縦方向の光の閉じ込めが強くなり、長波長域での緑色LD発振が実現できる。

請求項９に記載の発明は、前記光閉じ込め層は傾斜屈折率型分離閉じ込めヘテロ構造からなることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層のうち、少なくともｐ型導電性を有するクラッド層と前記活性層との間にキャリア閉じ込め層が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、キャリア閉じ込め層により、キャリアが活性層から漏れるのを抑制することができる。これにより、InGaNクラッド層とInGaN活性層との禁制帯幅が小さくても、長波長域での発光効率の良い緑色LD発振が実現できる。

請求項１１に記載の発明は、前記ZnO単結晶基板の面方位はc面であることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、前記ZnO単結晶基板の面方位はm面(1_100)及びa面(11_20)であることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、前記ZnO単結晶基板の面方位は半極性面(10_1_1)、(11_22)であることを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、前記ZnO単結晶基板と前記下部クラッド層との間に、膜厚が1ML以上、ZnO単結晶基板に対して臨界膜厚以下の窒化物半導体層からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする。

この態様によれば、ZnO単結晶基板と下部クラッド層との間に、膜厚が1ML以上、ZnO単結晶基板に対して臨界膜厚以下の窒化物半導体層からなる擬似格子整合層が形成されているので、ZnO単結晶基板とInGaN活性層の間に急峻な窒化物/酸化物界面が得られ、InGaNからなる活性層の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子を得ることができる。

本発明によれば、結晶品質の良好な高In組成のInGaN活性層が得られ、長波長域（緑色）でのレーザ発振を可能にした半導体発光素子を実現できる。

また、InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板と格子整合するInGaN層をクラッド層として用いているため、活性層の膜厚を4nm以上臨界膜厚以下の膜厚に厚くできる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子としての半導体レーザダイオード１０を、図１乃至図５に基づいて説明する。図１は、一実施形態に係る半導体レーザダイオード１０の概略構成を示す断面図である。

この半導体レーザダイオード１０は、図１に示すように、InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板としてのZnO単結晶基板１２と、このZnO単結晶基板１２上に形成された窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなり、ZnO単結晶基板１２と格子整合する格子整合系下部クラッド層１４と、下部クラッド層１４上に形成された窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層１５と、活性層１５上に形成されたInGaNからなり、活性層１５と格子整合する格子整合系上部クラッド層１６と、上部クラッド層１６上に形成されたｐ型コンタクト層１７と、を備える。

この半導体レーザダイオード１０の特徴は、InGaNからなる活性層１５を厚膜化した点にある。具体的には、InGaNからなる活性層１５は、4nm以上臨界膜厚以下の膜厚を有する。本実施形態では、活性層１５は、一例として、複数対の井戸層と障壁層を有する多重量子井戸構造からなり、各井戸層の膜厚は4nm以上20nm以下である。

ここにいう「臨界膜厚」は、下のZnO単結晶基板１２の上にInGaNからなる活性層１５を成長させる際に、この活性層１５にクラックが入らない最大の膜厚であり、ZnOの格子定数を保てる最大の膜厚である。緑色域での発光波長を有するIn組成のInGaNからなる活性層１５の臨界膜厚は、最大で約20nm程度である。

なお、活性層１５の臨界膜厚は、ZnO単結晶基板１２上に形成した下部クラッド層上にもう一層、例えばInGaN層を形成することにより、InN活性層の歪が補償され、InGaN活性層を更に厚くすることができる。この場合、InGaN活性層１５の臨界膜厚は約50nm程度まで厚くすることが可能である。

また、活性層１５のインジウム（In）の組成比は、発光波長が480nm以上となるように設定されている。具体的には、この活性層１５は、緑色域での発光波長を有するIn組成（Inの組成比が20％以上）のInGaN層で構成されている。本例では、そのInGaN層におけるInの組成比が30％程度になっている。下部クラッド層１４のインジウム（In）の組成は、ZnO単結晶基板１２に格子整合する20%程度である。

この半導体レーザダイオード１０では、下部クラッド層１４と活性層１５との間に光閉じ込め層２０が、活性層１５と上部クラッド層１６との間に光閉じ込め層２１がそれぞれ設けられている。各光閉じ込め層２０，２１は、例えば、傾斜屈折率型分離閉じ込めヘテロ構造（GRINSCH ：GRaded-INdex Separate Confinement Heterostructure）からなる。

また、半導体レーザダイオード１０では、光閉じ込め層２０と活性層１５との間にｎ型キャリア閉じ込め層２２が、活性層１５と光閉じ込め層２１との間にキャリア閉じ込め層２３がそれぞれ設けられている。

さらに、この半導体レーザダイオード１０では、ZnO単結晶基板１２と下部クラッド層１４との間に、膜厚が1ML以上、ZnO単結晶基板１２に対して臨界膜厚以下の窒化物半導体層（GaN層或いはInN層）からなるｎ型擬似格子整合層（バッファ層）１３が形成されている。そして、ZnO単結晶基板１２の裏面には、ｎ型下部電極層１１が形成されている。

ここにいう「臨界膜厚」も、下のZnO単結晶基板１２に対して、その上にどれだけの膜厚の層を成長できるかを示している(図５参照)。図５から、例えばGaNからなる擬似格子整合層１３の臨界膜厚は、最大で約20nm程度である。なお、この臨界膜厚は、上にInGaNからなる活性層１５等を形成するので、擬似格子整合層の上に形成する層も考慮すると、GaNからなる擬似格子整合層１３の臨界膜厚は50nm程度まで厚くすることが可能である。このように、GaNからなる擬似格子整合層１３の臨界膜厚は、１ML以上、50nm以下の範囲内に設定可能であり、好ましくは、１ML以上、約20nm以下の範囲内に設定される。

このように半導体レーザダイオード１０では、ZnO単結晶基板１２上に形成される緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハが、ｎ型擬似格子整合層１３、下部クラッド層１４、光閉じ込め層２０、キャリア閉じ込め層２２、活性層１５、キャリア閉じ込め層２３、光閉じ込め層２１、上部クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７により構成されている。また、本実施形態では、そのエピタキシャルウェハが、酸素（O）極性のc面(000_1)ZnO単結晶基板１２上に形成されている。

このエピタキシャルウェハでは、擬似格子整合層１３、下部クラッド層１４、光閉じ込め層２０及びキャリア閉じ込め層２２は、それぞれシリコン（Si）をドーピングすることにより、ｎ型導電性を有している。また、キャリア閉じ込め層２３、光閉じ込め層２１、上部クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７は、それぞれマグネシウム（Mg）をドーピングすることにより、ｐ型導電性を有している。
このような構成を有する半導体レーザダイオード１０のバンド構造を図２に示す。

図３は、窒化アルミニウムガリウムインジウムから構成される半導体のそれぞれの混晶比に対するバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）と格子定数の関係を説明する図である。図２３に示すように、ZnO単結晶基板１２の単位格子aに対応する格子定数（＝３．２４０７オングストローム）は、窒化ガリウムGaNの単位格子aに対応する格子定数（＝３．１８９オングストローム）と窒化インジウムInNの単位格子caに対応する格子定数（＝３．５４８オングストローム）との間の値を有しており、In組成２０％程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子aに非常に近い値を有している。

図４は、窒化アルミニウムガリウムインジウムから構成される半導体のそれぞれの混晶比に対する屈折率と格子定数の関係を説明する図である。

擬似格子整合層１３は、ZnO単結晶基板１２と格子整合を行うために設けられた層であり、その屈折率は、図４に斜線で示す範囲の最も屈折率が低い側、すなわち、InGaN活性層１５の格子定数に等しいか若しくはそれより比較的小さい格子定数を有するように設定され、窒化アルミニウムガリウムインジウム［Al _1-y-z Ga_y In _z N（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）］、窒化ガリウムインジウム［Inx Ga1-x N（０＜x＜１）］あるいは窒化アルミニウムインジウム（AlInN）により形成される。

格子整合系のInGaN下部クラッド層１４は、図４に斜線で示す範囲、すなわち、InGaNからなる活性層１５の格子定数に等しいか若しくはそれよりも小さい格子定数を有するように格子整合されるので、コアとして機能するInGaNからなる活性層１５よりも屈折率が小さく、活性層１５内に光を安定に閉じ込めておく役割を果たしている。

次に、上記構成を有する半導体レーザダイオード１０を製造する方法について説明する。

なお、本実施形態では、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用の上記エピタキシャルウェハを、以下の工程により、窒素RFラジカルソースMBE法を用いて酸素（O）極性のc面(000_1)ZnO単結晶基板１２上に形成する。

（工程１）まず、ZnO単結晶基板１２を用意し、ZnO単結晶基板１２に対する表面処理を行う。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、及び表面改質処理を行う。

（工程１ａ）表面平坦化処理では、まず、ZnO単結晶基板１２のCMP(機械化学研磨)処理を行い、この後、酸素（O）極性のc面(000_1)ZnO単結晶基板１２に対して大気中で熱処理を行い、ステップ・テラス構造を形成する。この際には、酸化ジルコニアや酸化亜鉛などの無機材質平板で挟んだ状態で行うのが好ましい。熱処理条件は、温度1000-1300℃で1-5時間が好ましい。この表面平坦化処理後、酸素（O）極性のc面(000_1)ZnO単結晶基板１２の裏面に高融点金属であるモリブデン(Mo)等をスパッタ、EB法等により蒸着した後、成長チャンバーに導入する。

（工程１ｂ）表面清浄化処理では、成長チャンバー内で、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う。具体的には、真空中、700〜750℃の温度でZnO単結晶基板１２を30〜60分加熱し、有機物などを除去する。

あるいは、サーマルクリーニング処理条件として1000℃で30分間の高温熱処理を施すことにより、ZnO単結晶基板１２の洗浄と、ZnO単結晶基板１２の表面再構成により、RHEED測定によりストリークパターンが観測される。酸素雰囲気中又は酸素プラズマ照射中で行うのが好ましい。

次にZnO単結晶基板１２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法により成長させる。

（工程２）次に、750℃より低い温度、例えば400〜600℃程度の低温でGaと窒素ラジカル(N)を基板表面に同時に供給することにより、酸素（O）極性のc面(000_1)ZnO単結晶基板１２上にGaN結晶を4ML成長させて擬似格子整合層１３を形成する。

GaN結晶の成長温度を低温で行うのは、ZnO単結晶基板１２とGaNからなる擬似格子整合層１３との界面反応を抑制するためである。ここで、GaNを4ML成長した後にInNを1ML成長したり、InNを1ML成長した後にGaNを4ML成長したり、或いは、GaN層とInN層を交互に積層させた層を成長して、擬似格子整合層１３を形成しても良い。

ZnOとGaNとの格子定数差はa軸で1.6%程度、ZnOとInNとの格子定数差はa軸でそれぞれ9.5%程度存在するが、擬似格子整合層１３を構成するGaN層とInN層の合計の膜厚を、該GaN層とInN層の平均組成をとったInGaNの臨界膜厚以下にすることにより、ZnOの格子定数を維持させることができる。ここで、擬似格子整合層１３にシリコン（Si）をドーピングすることにより、ｎ型導電性を有する擬似格子整合層１３が形成される。

（工程３）次に、成長温度を750℃より低い温度、例えば400〜600℃に設定して、所望のセル温度に設定した原料であるIn、Ga及びAlをNと一緒にZnO単結晶基板１２上に供給させることにより、活性層１５又はZnO単結晶基板１２の少なくとも一方に格子整合するInGaNを成長して下部クラッド層１４を形成する。このInGaN結晶は、ｃ面ZnO単結晶基板１２上に成長されるので、a軸の格子定数を合わせれば良い。この際に、シリコン（Si）をドーピングすることにより、下部クラッド層１４をｎ型導電性にすることができる。このように、本実施形態では、下部クラッド層１４は、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］である。

（工程４）次に、成長温度を750℃より低い温度、例えば400〜600℃のまま、In及びGaに加えてNを供給することによりInGaN結晶を成長させて、下部クラッド層１４上に光閉じ込め層２０を形成する。この際に、光閉じ込め層２０のIn組成は下部クラッド層１４と活性層１５のIn組成の間にすることにより良好なInGaN結晶を成長することができる。また、この際にInGaNからなる光閉じ込め層２０にシリコン（Si）を供給することにより、光閉じ込め層２０をn型導電性にすることができる。

（工程５）次に、光閉じ込め層２０上に、例えばAlを含む窒化物半導体からなるキャリア閉じ込め層２２を形成する。

（工程６）次に、成長温度を750℃より低い温度、例えば400〜600℃のまま、最適なIn/Ga比、V/III比になるようにセル温度の設定を変更して（もしくは、複数のセルを有していれば、あらかじめ設定しておいたInとGaセルに切り替えて）、Nと一緒に基板へ供給することにより、緑色域での発光波長を有するIn組成（30％程度）のInGaNからなる活性層１５を形成する。

（工程７）次に、活性層１５上に、例えばAlを含む窒化物半導体からなるキャリア閉じ込め層２３を形成する。

（工程８）次に、750℃より低い成長温度、例えば400〜600℃のまま、再び活性層１５と上部クラッド層１６のIn組成の間のIn組成のInGaNからなる光閉じ込め層２１をキャリア閉じ込め層２３上に形成する。この際に、最適なIn/Ga比、V/III比になるようにセル温度の設定を変更して（もしくは、複数のセルを有していれば、あらかじめ設定しておいたInとGaセルに切り替えて）、Nと一緒に基板へ供給してInGaNからなる光閉じ込め層２１を形成する。この際、InGaNにマグネシウム（Mg）をドープすることにより光閉じ込め層２１をｐ型導電性にすることができる。

（工程９）次に、750℃より低い成長温度、例えば400〜600℃のまま、所望のセル温度に設定した原料であるIn、Ga及びAlをNと一緒に基板上に供給させることにより、活性層１５又はZnO単結晶基板１２の少なくとも一方（或いはZnO単結晶基板１２及びInGaNからなる光閉じ込め層２１）に格子整合するInGaNを成長して、上部クラッド層１６を形成する。この際に、マグネシウム（Mg）をドーピングすることにより、上部クラッド層１６をｐ型導電性にすることができる。

（工程１０）最後に、最適なセル温度に設定したGa、In原料と一緒にNを基板上に供給することによりコンタクト層１７を形成する。この際にMgを同時に供給することにより、ｐ型導電性にすることができる。

なお、上記工程において、ｐ型ドーパントとして、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、例えば、プラズマ電力300〜500W、窒素ガス(N₂)流量1.0〜5.0sccm(standard cc/min)である。

また、エピ成長した後に、成長チャンバー内もしくは真空中から取り出した後、高温で熱処理を施すことにより、Mgを活性化させることにより、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（Mgの活性化熱処理）。

以上の工程１〜工程８により、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード１０用のエピタキシャルウェハが製造される。

次に、このようにして製造されたエピタキシャルウェハを用いて、半導体レーザダイオード１０のレーザダイオード構造を作製する手順を説明する。

（工程１１）次に、リッジ構造を形成する。
リッジ構造は、半導体レーザダイオードの構造の一種で、光導波路での光の損失を小さくできる実屈折率導波路構造を実現できる。比較的単純な構造ではあるが、レーザ光の発振状態を安定に保つためには加工技術の精密制御が必要となる。具体的には、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング技術によりリッジ構造を形成する。

（工程１２）次に、パッシベーション膜１８を形成する。

パッシベーション膜１８は、保護層として機能しており、SiO₂、ZrO₂をPCVD（Plasma Chemical Vapor Deposition ）法により堆積させて形成する。

（工程１３）次に、上部電極層１９を形成する。

ここで、コンタクト層１７がp型導電性を有する場合を考える。具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、パッシベーション膜１８を除去した後、抵抗加熱、EB（電子ビーム）或いはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング（焼結）処理により、例えば、Ni/Au或いはPd/Pt/Au電極をｐ型の上部電極層１９として形成する。この場合に、形成されたｐ型の上部電極層１９は、ｐ型のコンタクト層１７に対してオーム性接触することになる。

（工程１４）次に、上述した緑色域等の長波長の可視域レーザダイオード用のエピタキシャルウェハの裏面側に下部電極層１１を形成する。ここで、ZnO単結晶基板１２はn型導電性を有する場合を考える。

具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、抵抗加熱、EB（電子ビーム）或いはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング（焼結）処理により、例えば、Ti/Al或いはTi/Pt/Au電極をn型下部電極層１１として形成する。この場合、形成されたn型の下部電極層１１は、ZnO単結晶基板１２に対してオーム性接触することとなる。

なお、下部電極層１１を形成する前に、ZnO単結晶基板１２をCMP(機械化学研磨)処理により薄くしておくのが好ましい。

（工程１５）次に、半導体レーザダイオードの共振器端面を形成する。その共振器端面をへき開で形成する。ここで、へき開面はm面とする。

（工程１６）次に、形成された共振器端面の光出射側端面および光反射側端面に低反射膜および高反射膜をそれぞれ形成する。

これにより、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード１０の製造が完了する。

以上のように構成された一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○InGaNと格子整合するZnO単結晶基板１２に、この基板と格子整合するInGaN層を下部クラッド層１４として用いることで、高In組成のInGaN活性層１５の歪みが低減され、相分離及びピエゾ電界抑制、貫通転位の低減化を実現できる。

○InGaN層からなる下部クラッド層１４とInGaN活性層１５との屈折率差が小さいが、活性層１５の厚膜化することにより、活性層１５への光の閉じ込めが強くなり、高In組成のInGaN活性層１５により、長波長域での緑色LD発振が実現できる。

○活性層１５の膜厚を4nm以上臨界膜厚以下の膜厚に厚くできるのは、InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板であるZnO単結晶基板１２と格子整合するInGaN層をクラッド層１４として用いているためである。

○活性層１５のインジウム（In）の組成比は、発光波長が480nm以上となるように設定されているので、青色より長波長の可視光（例えば緑色）の発光が可能な半導体レーザダイオードを実現できる。

○下部クラッド層１４と活性層１５との間に光閉じ込め層２０が、活性層１５と上部クラッド層１６との間に光閉じ込め層２１がそれぞれ設けられているので、光閉じ込め層２０，２１により、コアとして機能する中央の活性層１５内に光を安定に、効率よく閉じ込めることができる。

○下部クラッド層１４と活性層１５との間に光閉じ込め層２０が、活性層１５と上部クラッド層１６との間に光閉じ込め層２１がそれぞれ設けられているので、光閉じ込め層２０，２１により、コアとして機能する中央の活性層１５内に光を安定に、効率よく閉じ込めることができる。これにより、InGaN活性層１５とInGaNクラッド層１４，６１との屈折率差がそれぞれ小さくても、縦方向の光の閉じ込めが強くなり、長波長域での緑色LD発振が実現できる。

○InGaN下部クラッド層１４とInGaN活性層１５との間にキャリア閉じ込め層２２が、InGaN活性層１５とInGaN上部クラッド層１６との間にキャリア閉じ込め層２３がそれぞれ設けられているので、キャリア閉じ込め層２２，２３により、キャリアが活性層１５から漏れるのを抑制することができる。これにより、InGaNクラッド層１４，１６とInGaN活性層１５との禁制帯幅がそれぞれ小さくても、長波長域での発光効率の良い緑色LD発振が実現できる。

○ZnO単結晶基板１２と活性層１５との間に擬似格子整合層１３が形成されているので、ZnO単結晶基板１２と活性層１５の間の窒化物/酸化物急峻な界面が得られ、InGaNからなる活性層１５の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての半導体レーザダイオードを得ることができる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・上記一実施形態では、InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板として、ZnO単結晶基板１２を用いたが、InGaN格子整合系基板として、InGaN単結晶基板、或いはサファイア基板を下地としてInGaN層を形成した基板、或いはβ-Ga₂O₃（酸化ガリウム）単結晶基板を用いても良い。

・上記一実施形態において、擬似格子整合層１３、下部クラッド層１４、光閉じ込め層２０及びキャリア閉じ込め層２２に、マグネシウム（Mg）をそれぞれドーピングしてｐ型導電性を持たせ、キャリア閉じ込め層２３、光閉じ込め層２１、上部クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７に、シリコン（Si）をそれぞれドーピングしてｎ型導電性を持たせるようにしても良い。このような構成を有するエピタキシャルウェハによっても、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオードを実現することができる。

・上記一実施形態では、InGaN活性層１５を多重量子井戸構造で構成したが、InGaN活性層１５をバルク構造で構成し、その膜厚を4nm以上50nm以下にした半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。或いは、InGaN活性層１５を単一量子井戸構造で構成し、その膜厚を4nm以上50nm以下にした半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。

・上記一実施形態では、ZnO単結晶基板の面方位をc面としているが、本発明はこれに限定されない。ZnO単結晶基板の面方位を、m面(1_100)、a面(11_20)にした構成の半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。また、ZnO単結晶基板の面方位を、半極性面(10_1_1)或いは(11_22) にした構成の半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。

・上記一実施形態では、半導体レーザダイオード用の上記エピタキシャルウェハを、RFMBE法を用いて酸素（O）極性のc面(000_1)ZnO単結晶基板１２上に形成しているが、そのエピタキシャルウェハを亜鉛（Zn）極性のc面(000_1)ZnO単結晶基板１２上に形成した半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。

・上記一実施形態では、エピタキシャルウェハを、酸素（O）極性のc面(000_1)ZnO単結晶基板１２上に形成しているが、ZnO単結晶基板１２の面方位を、c面(000_1)から微傾斜(オフ角がa軸方向に1°以下)した面或いは微傾斜(オフ角がm軸方向に1°以下)した面にしても良い。

・上記一実施形態において、擬似格子整合層１３は、ZnO単結晶基板１２上での成長初期にGaNの2元系材料を成長させ、そのGaN層上に、In組成が次第に増やした層（InGaN傾斜組成層）を形成した擬似格子整合層であっても良い。この構成では、擬似格子整合層１３の成長初期にGaNの2元系材料を成長させることにより、急峻なZnOと窒化物半導体（InGaNからなる活性層）の界面が得られる。

・上記一実施形態では、半導体レーザダイオードとして構成した半導体発光素子について説明したが、ｐｎ接合部を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。

一実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。 一実施形態に係る半導体レーザダイオードのバンド構造をエネルギーバンド図。 窒化アルミニウムガリウムインジウムから構成される半導体のそれぞれの混晶比に対するバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）と格子定数の関係を説明する図。 窒化アルミニウムガリウムインジウムから構成される半導体のそれぞれの混晶比に対する屈折率と格子定数の関係を説明する図。 臨界膜厚を説明するためのグラフ。

符号の説明

１０：半導体発光素子としての半導体レーザダイオード
１１：下部電極層
１２：ZnO単結晶基板
１３：擬似格子整合層
１４：InGaN下部クラッド層
１５：InGaN活性層
１６：InGaN上部クラッド層
１７：コンタクト層
１８：パッシベーション膜
１９：上部電極層
２０，２１：光閉じ込め層
２２，２３：キャリア閉じ込め層

Claims (14)

1. InGaNと格子整合するInGaN格子整合系基板と、
   前記基板上に形成された窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなり、前記基板と格子整合する格子整合系下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に形成された窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層と、
   前記活性層上に形成された前記基板と格子整合する格子整合系上部クラッド層と、
   前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を備え、
   前記活性層は、4nm以上臨界膜厚以下の膜厚を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記InGaN格子整合系基板がZnO単結晶基板、InGaN単結晶基板およびサファイア基板のいずれかを下地としてInGaN層を形成した基板、またはβ-Ga₂O₃（酸化ガリウム）単結晶基板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。
3. 前記活性層のインジウム（In）の組成比は、発光波長が480nm以上、650nm以下となるように設定されてい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。
4. 前記下部クラッド層のインジウム（In）の組成は、前記ZnO単結晶基板に格子整合する10%から20%程度であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
5. 前記活性層がバルク構造からなり、その膜厚は4nm以上50nm以下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。
6. 前記活性層が単一量子井戸構造からなり、該単一量子井戸構造の井戸層の膜厚は4nm以上50nm以下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。
7. 前記活性層が多重量子井戸構造からなり、該多重量子井戸構造の井戸層の膜厚は4nm以上20nm以下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。
8. 前記下部クラッド層と前記活性層との間、および該活性層と前記上部クラッド層との間に、光閉じ込め層がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の半導体発光素子。
9. 前記光閉じ込め層は傾斜屈折率型分離閉じ込めヘテロ構造からなることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記下部クラッド層と前記上部クラッド層のうち、少なくともｐ型導電性を有するクラッド層と前記活性層との間にキャリア閉じ込め層が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
11. 前記ZnO単結晶基板の面方位はc面であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
12. 前記ZnO単結晶基板の面方位はm面(1_100)及びa面(11_20)であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
13. 前記ZnO単結晶基板の面方位は半極性面(10_1_1)、(11_22)であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
14. 前記ZnO単結晶基板と前記下部クラッド層との間に、膜厚が1ML以上、ZnO単結晶基板に対して臨界膜厚以下の窒化物半導体層からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。

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