JP2010263163A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】非極性面上に形成される発光素子において光閉じ込め性を向上できると共に転位による光学ロスを低減できる窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】コア半導体領域15、第1クラッド領域17及び第2クラッド領域19はGaNの支持基体13の非極性の主面13a上に搭載される。コア半導体領域15は活性層21及びキャリアブロック層23を含む。第1クラッド領域17はn型AlGaNクラッド層25及びn型InAlGaNクラッド層26を含む。n型InAlGaNクラッド層26はn型AlGaNクラッド層25と活性層21との間に設けられる。界面27bにおけるミスフィット転位密度は界面27aにおけるミスフィット転位密度より大きい。AlGaNクラッド層25はGaN支持基体13に対して格子緩和し、InAlGaNクラッド層26はAlGaNクラッド層25に対して格子緩和している。
【選択図】図2

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
特許文献1には、紫外発光素子が記載されている。紫外発光素子は、波長360nm以下の紫外域の短波長域において室温で高効率で発光する。この紫外発光素子は、SiC基板上において、交互の接合を成すIn0.37Al0.02Ga0.61N層及びIn0.16Al0.06Ga0.78N層を含む量子井戸構造を有する。この量子井戸構造はAl0.40Ga0.60N層上に直接に形成される。
特開2001−237455号公報
特許文献1では、InAlGaN層はバッファ層の役割を果たしており、また障壁層と同じ組成を有する。このInAlGaNバッファ層は、障壁層の延長として厚く成長される。また、量子井戸構造における井戸層の間に形成されたInAlGaN障壁層と同じ組成を有しており、この点でも、InAlGaN層はクラッド層と異なる。
発明者らの知見によれば、半極性窒化ガリウム(GaN)基板上では、すべり面(例えばc面すべり面)が活性であるので、大きな歪みを有する隣接する半導体層は格子緩和により内包する歪みを解放する。このため、半極性窒化ガリウム基板上では、c面GaN基板に比べて高Al組成のAlGaNを成長できる。このAlGaNには、クラックではなくミスフィット転位が導入されて、ひずみを解放する。高Al組成のAlGaNをクラッド層に利用するとき、p型及びn型クラッド層に挟まれたコア半導体領域は、クラッド層に対して格子緩和する可能性がある。高Al組成のためクラッド層の格子定数とコア半導体領域の格子定数との差は大きいとき、クラッド層とコア半導体領域との界面にミスフィット転位が導入される。
クラッド層は光閉じ込めのために設けられ、クラッド層内では光の振幅は小さくなる。クラッド層の格子定数とコア半導体領域の格子定数との差に起因するミスフィット転位は上記界面に形成されるとき、ミスフィット転位は光散乱による光学ロスを引き起こす。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、非極性面上に形成される発光素子において光閉じ込め性を向上できると共に転位による光学ロスを低減できる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る窒化物半導体発光素子は、(a)六方晶系窒化ガリウム半導体からなる支持基体と、(b)第1導電型窒化ガリウム系半導体からなる第1クラッド領域と、(c)第2導電型窒化ガリウム系半導体からなる第2クラッド領域と、(d)活性層及びキャリアブロック層を含むコア半導体領域とを備える。前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸は前記支持基体の前記主面の法線軸と異なる方向に向くと共に前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸及び前記支持基体の前記法線軸によって規定される平面は所定の方向に延在しており、前記コア半導体領域は、前記第1クラッド領域と前記第2クラッド領域との間に設けられ、前記コア半導体領域、前記第1クラッド領域及び前記第2クラッド領域は前記支持基体の前記主面上に搭載されており、前記第1クラッド領域は、AlGaNクラッド層及びInAlGaNクラッド層を含み、前記InAlGaNクラッド層は前記AlGaNクラッド層と前記活性層との間に設けられ、前記InAlGaNクラッド層は前記コア半導体領域に接合を成す。
この窒化物半導体発光素子によれば、AlGaNクラッド層とコア半導体領域との間にはInAlGaNクラッド層が設けられるので、AlGaN層の光閉じ込め性を向上するためにAl組成を大きくすること及び/又はAlGaN層の膜厚を厚くすることが可能になる。また、四元系のInAlGaNをクラッド層に適用するので、AlGaNクラッド層及びInAlGaNクラッド層からなるクラッド領域は、コア半導体領域との良好な接合とクラッドに必要な屈折率とを提供できる格子定数との両方を提供できる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域は前記AlGaNクラッド層と前記InAlGaNクラッド層との界面を含み、前記InAlGaNクラッド層と前記AlGaNクラッド層との界面におけるミスフィット転位密度は前記コア半導体領域と前記第1クラッド領域との界面におけるミスフィット転位密度より大きい。
この窒化物半導体発光素子では、InAlGaNクラッド層とAlGaNクラッド層との界面におけるミスフィット転位密度がコア半導体領域と第1クラッド領域との界面におけるミスフィット転位密度より大きい。これは、ミスフィット転位密度の導入によりInAlGaNクラッド層が格子緩和するほどAlGaN層のAl組成を大きくすること及び/又はInAlGaN層の膜厚を厚くすることによって、第1クラッド層全体としての光閉じ込め性を向上できる。また、この構造では、コア半導体領域と第1クラッド領域との界面が、大きなミスフィット転位密度の界面からInAlGaN層によって隔てられる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層と前記AlGaNクラッド層との界面のミスフィット転位密度は1×10cm−1以上であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、この転位密度の転位が上記界面に導入されるとき、界面に係る一方の半導体層に格子緩和が生じる。格子緩和する程のAl組成及び膜厚のAlGaNクラッド層は光閉じ込め性を向上できる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記コア半導体領域と前記第1クラッド領域との界面のミスフィット転位密度は1×10cm−1未満であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、ミスフィット転位による光散乱に起因した光学ロスを低減することができる。比較的薄い半導体層の積層からなるコア半導体領域は、コヒーレントに成長された半導体層からなる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域において、前記AlGaNクラッド層のAl組成は0.05以上であることが好ましい。記AlGaNクラッド層のAl組成は0.2以下であることが好ましい。
Al組成が0.05以上であるとき、AlGaNクラッド層をInAlGaNクラッド層に対して緩和させることができる。大きすぎるAl組成は、AlGaNクラッド層の結晶品質の悪化やc軸オフ方向に対する垂直方向へのAlGaNクラッド層の緩和が生じる可能性が高まる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層の厚さは前記AlGaNクラッド層の厚さより薄いことが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、AlGaNクラッド層による光閉じ込め性を利用できる。厚いInAlGaNを成長することによるスループットの低下を避けることができる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層のバンドギャップは前記AlGaNクラッド層のバンドギャップ以下であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、格子緩和したAlGaNクラッド層は、四元InAlGaNクラッド層では実用的に採用できない大きなバンドギャップを提供できる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層の膜厚は0.05μm以上であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、薄すぎるInAlGaNクラッド層は、InAlGaNクラッド層とAlGaNクラッド層との界面をコア半導体領域から離すことができず、このとき、この界面において光学ロスが生じる。また、前記InAlGaNクラッド層の膜厚は0.3μm以下であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、厚すぎるInAlGaNは、AlGaNクラッド層による光閉じ込め性への寄与が小さくなる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層のバンドギャップは前記AlGaNクラッド層のバンドギャップ以上であることが好ましい。
この窒化物半導体発光素子によれば、InAlGaNを厚く成長して、InAlGaNクラッド層とAlGaNクラッド層との界面をコア半導体領域から離しても、クラッド領域全体として所望の光閉じ込め性を得ることができる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層の膜厚は0.05μm以上であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、薄いInAlGaN層は、InAlGaNクラッド層とAlGaNクラッド層との界面をコア半導体領域から離すことができず、このとき、この界面において光学ロスが生じる。また、本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記InAlGaNクラッド層の膜厚は1.0μm以下であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、膜厚上限の1.0μmは、成長速度を大きくできないInAlGaNでも実用的である。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記コア半導体領域は第1光ガイド層を含み、前記第1光ガイド層は前記第1クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層と接合を成し、前記第1クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層におけるInAlGaN固有の格子定数は前記コア半導体領域の前記第1光ガイド層の窒化ガリウム系半導体に固有の格子定数以下であり、前記第1クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層の格子定数は前記第1クラッド領域の前記AlGaNクラッド層の格子定数より大きいことが好ましい。
この窒化物半導体発光素子によれば、InAlGaNクラッド層の格子定数がAlGaNクラッド層の格子定数より大きく、第1光ガイド層に固有の格子定数以下である。AlGaNクラッド層とInAlGaNクラッド層との界面に転位が導入されるとき、第1光ガイド層とInAlGaNクラッド層との接合において転位による光学的ロスの生成を避けることができる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記InAlGaNクラッド層はc軸の前記主面への投影方向に関して前記第1光ガイド層に格子整合することが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、第1光ガイド層はInAlGaNクラッド層上にコヒーレントに成長される。また、コア半導体領域はInAlGaNクラッド層上にコヒーレントに成長される。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域はn型導電性を有し、前記第1クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記支持基体との界面におけるミスフィット転位密度は前記コア半導体領域と前記第1クラッド領域との界面におけるミスフィット転位密度より大きいことが好ましい。
この窒化物半導体発光素子によれば、n側半導体領域における光閉じ込め性を向上できる。また、第1クラッド領域のAlGaNクラッド層が支持基体上において格子緩和している。これ故に、AlGaNクラッド層のAl組成を大きくすること及び/又はAlGaNクラッド層の膜厚を厚くすることによって、第1クラッド領域の光閉じ込め性を向上できる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記支持基体との界面におけるミスフィット転位密度は1×10cm−1以上であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、この転位密度に相当するAlGaNクラッドは光閉じ込めを良好にできる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域はp型導電性を有し、当該窒化物半導体発光素子は、前記第1クラッド領域上に設けられたp型コンタクト層を更に備え、前記コア半導体領域は第2光ガイド層及び電子ブロック層を含み、前記第2光ガイド層は前記電子ブロック層と前記第1クラッド領域との間に設けられ、前記電子ブロック層は前記第2光ガイド層と前記活性層との間に設けられることができる。
この窒化物半導体発光素子によれば、p側半導体領域における光閉じ込め性を向上できる。格子緩和したAlGaNクラッド層上にp型コンタクト層が設けられ、AlGaNクラッド層の格子緩和はp型コンタクト層に影響しない。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第1クラッド領域はn型導電性を有し、前記第2クラッド領域はp型導電性を有し、前記第2クラッド領域は、AlGaNクラッド層及びInAlGaNクラッド層を含み、前記第2クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層は前記第2クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記活性層との間に設けられ、前記第2クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層は前記コア半導体領域に接合を成し、前記第2クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層の格子定数は前記第2クラッド領域の前記AlGaNクラッド層の格子定数より大きいことが好ましい。
この窒化物半導体発光素子によれば、p側半導体領域及びn側半導体領域における光閉じ込め性を向上できる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第2クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記InAlGaNクラッド層との界面におけるミスフィット転位密度は前記コア半導体領域と前記第2クラッド領域との界面におけるミスフィット転位密度より大きいことが好ましい。
この窒化物半導体発光素子によれば、p側半導体領域及びn側半導体領域にそれぞれ含まれるp型AlGaN層及びn型InAlGaN層が格子緩和している。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第2クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記InAlGaNクラッド層との界面におけるミスフィット転位密度は1×10cm−1以上であることができる。
この窒化物半導体発光素子によれば、この転位密度の転位が上記界面に導入されるとき、界面に係る一方の半導体層に格子緩和が生じる。この格子緩和は、AlGaNクラッド層による光閉じ込めを良好にできる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸と前記支持基体の前記法線軸との成す角度は10度以上であることが好ましい。また、上記角度は170度以下であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、非極性(半極性及び無極性)におけるすべり面の生成を利用して、良好な光閉じ込め性を得ることができる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記角度は10度以上80度以下又は100度以上170度以下であることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、半極性におけるすべり面の生成を利用して、良好な光閉じ込め性を得ることができる。
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記角度は63度以上80度以下又は100度以上117度以下であることが好ましい。
この窒化物半導体発光素子によれば、この角度範囲では、すべり面の導入による転位の生成が容易であり、デバイス設計自由度が高い。また、この角度範囲における半極性面では、In取り込みに優れる傾向がある。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、非極性面上に形成される発光素子において光閉じ込め性を向上できると共に転位による光学ロスを低減できる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
図1は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を概略的に示す図面である。 図2は、図1に示された窒化物半導体発光素子のエピタキシャル基板E1を構成する半導体層とその格子定数との関係を示す図面である。 図3は、クラッド領域における伝導帯のエネルギレベルを示す図面である。 図4は、クラッド領域における伝導帯のエネルギレベルを示す図面である。 図5は、窒化物レーザダイオードを作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図6は、窒化物レーザダイオードを作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図7は、実施例及び比較例における窒化物レーザダイオードの構造を示す図面である。 図8は、実施例及び比較例における窒化物レーザダイオードの構造を示す図面である。 図9は、逆格子マッピングを測定するためのエピタキシャル基板を示す図面である。 図10は、エピタキシャル基板における(20−24)の逆格子マッピング像を示す図面である。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物半導体発光素子及びエピタキシャル基板に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図1は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を概略的に示す図面である。図2は、図1に示された窒化物半導体発光素子のエピタキシャル基板E1を構成する半導体層とその格子定数との関係を示す図面である。
窒化物半導体発光素子11は、支持基体13と、コア半導体領域15と、第1クラッド領域17と、第2クラッド領域19とを備える。図1を参照すると、直交座標系S、c軸ベクトルVC及び法線ベクトルNVが示されている。支持基体13は、六方晶系窒化ガリウム(GaN)半導体からなる。この六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸(ベクトルVCで示される)Cxは支持基体13の主面13aの法線軸Nxに対して所定の方向(例えばX軸方向)に傾斜している。好ましくは、所定の方向は六方晶系窒化ガリウム半導体のa軸又はm軸等である。主面13aは、非極性(半極性、無極性)を有することができ、またX軸及びY軸によって規定される平面に平行である。六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸Cxは、支持基体13の主面13aの法線軸Nxと異なる方向に向く。支持基体13の法線軸Nx及びc軸Cxによって規定される平面は所定の方向に延在する。第1クラッド領域17は、第1導電型(例えばn型)の窒化ガリウム系半導体からなる。第2クラッド領域19は、第2導電型(例えばp型)の窒化ガリウム系半導体からなる。コア半導体領域15は、活性層21及びキャリアブロック層23を含む。コア半導体領域15は、第1クラッド領域17と第2クラッド領域19との間に設けられる。コア半導体領域15、第1クラッド領域17及び第2クラッド領域19は支持基体13の主面13a上に搭載される。
図1では、第1クラッド領域17及び第2クラッド領域19の両方が、2層からなるクラッドの構造を有するけれども、第1クラッド領域17及び第2クラッド領域19のいずれか一方が上記のクラッド構造を有することができる。
一実施例では、第1クラッド領域17は、n型AlGaNクラッド層25及びn型InAlGaNクラッド層26を含む。n型InAlGaNクラッド層26はn型AlGaNクラッド層25と活性層21との間に設けられる。n型InAlGaNクラッド層26はコア半導体領域15に接合27aを成す。
この窒化物半導体発光素子11によれば、AlGaNクラッド層25とコア半導体領域15との間にInAlGaNクラッド層26が設けられるので、AlGaN層25の光閉じ込め性を向上するためにAl組成を大きくすること及び/又はAlGaN層25の膜厚を厚くすることが可能になる。また、四元系のInAlGaNをクラッド層に適用するので、AlGaNクラッド層25及びInAlGaNクラッド層26からなるクラッド領域17は、クラッドに必要な屈折率とコア半導体領域15と良好な接合27aを成す格子定数との両方を提供できる。
第1クラッド領域17はAlGaNクラッド層25とInAlGaNクラッド層26との界面27bを含む。InAlGaNクラッド層26とAlGaNクラッド層25との界面27bにおけるミスフィット転位密度はコア半導体領域15と第1クラッド領域17との界面27aにおけるミスフィット転位密度より大きい。これは、ミスフィット転位密度の導入によりInAlGaNクラッド層26が格子緩和するほど、AlGaN層25のAl組成を大きくすること及び/又は膜厚を厚くすることによって、第1クラッド領域17全体としての光閉じ込め性を向上できる。また、この構造では、コア半導体領域15と第1クラッド領域17との界面27aが、大きなミスフィット転位密度の界面27bからInAlGaN層によって隔てられる。
また、第1クラッド領域17において、AlGaNクラッド層25のAl組成は0.05以上であることが好ましい。Al組成が0.05以上であるとき、実用的な厚さのAlGaNクラッド層25をGaN支持基体上において緩和させることができる。このとき、InAlGaNクラッド層26をAlGaNクラッド層25上において緩和させることができる。また、AlGaNクラッド層25のAl組成は0.2以下であることが好ましい。大きすぎるAl組成は、c軸オフ方向に対して垂直方向へのAlGaNクラッド層25の緩和やAlGaNクラッド層25の結晶品質の悪化が生じる可能性が高まる。
一実施例では、第2クラッド領域19は、p型AlGaNクラッド層35及びp型InAlGaNクラッド層36を含む。p型InAlGaNクラッド層36はp型AlGaNクラッド層35と活性層21との間に設けられる。p型InAlGaNクラッド層35はコア半導体領域15に接合27cを成す。
この窒化物半導体発光素子11によれば、AlGaNクラッド層35とコア半導体領域15との間にはInAlGaNクラッド層36が設けられるので、AlGaN層35の光閉じ込め性を向上するためにAl組成を大きくすること及び/又はAlGaN層35の膜厚を厚くすることが可能になる。また、四元系のInAlGaNをクラッド層36に適用するので、AlGaNクラッド層35及びInAlGaNクラッド層36からなる第2クラッド領域19は、クラッドに必要な屈折率とコア半導体領域15と、良好な接合27cを成す格子定数との両方を提供できる。
第2クラッド領域19はAlGaNクラッド層35とInAlGaNクラッド層36との界面27dを含む。InAlGaNクラッド層36とAlGaNクラッド層35との界面27dにおけるミスフィット転位密度はコア半導体領域15と第2クラッド領域19との界面27cにおけるミスフィット転位密度より大きい。これは、ミスフィット転位密度の導入によりAlGaNクラッド層35が格子緩和するほど、AlGaN層35のAl組成を大きくすること及び/又は膜厚を厚くすることによって、第2クラッド領域19全体としての光閉じ込め性を向上できる。また、この構造では、コア半導体領域15と第2クラッド領域19との界面27cが、大きなミスフィット転位密度の界面27dからInAlGaN層によって隔てられる。
また、第2クラッド領域19において、AlGaNクラッド層35のAl組成は0.05以上であることが好ましい。Al組成が0.05以上であるとき、AlGaNクラッド層35をGaN支持基体上において緩和させることができる。このとき、InAlGaNクラッド層36上においてAlGaNクラッド層35を緩和させることができる。また、AlGaNクラッド層35のAl組成は0.2以下であることが好ましい。大きすぎるAl組成は、c軸オフ方向に対する垂直方向へのAlGaNクラッド層35の緩和やAlGaNクラッド層35の結晶品質の悪化が生じる可能性が高まる。
第1クラッド領域17において、InAlGaNクラッド層26とAlGaNクラッド層25との界面27bのミスフィット転位密度は1×10cm−1以上であることが好ましい。この転位密度の転位が界面27bに導入されるとき、界面27bに係る一方の半導体層に格子緩和が生じる。格子緩和により、光閉じ込めに良好なAlGaNクラッド層25が提供できる。
また、コア半導体領域15と第1クラッド領域17との界面27aのミスフィット転位密度は1×10cm−1未満であることが好ましい。これにより、ミスフィット転位による光散乱に起因した光学ロスを低減することができる。比較的薄い半導体積層からなるコア半導体領域15は、コヒーレントに成長された半導体層21、23、29、31、33、37からなる。
さらに、第2クラッド領域19において、InAlGaNクラッド層36とAlGaNクラッド層35との界面27dのミスフィット転位密度は1×10cm−1以上であることが好ましい。この転位密度の転位が界面27dに導入されるとき、界面27dに係る一方の半導体層に格子緩和が生じる。格子緩和により、光閉じ込めに良好なAlGaNクラッド層35が提供できる。
より詳細に、図2を参照しながらc軸方向の格子定数の関係を説明する。この関係は、同様にa軸およびm軸方向の格子定数にも適用可能である。n型AlGaNクラッド層25のAlGaNにおけるc軸方向と該c軸方向の格子定数d25の大きさとは格子ベクトルLVC25によって表される。格子ベクトルLVC25は法線軸Nxの方向の縦成分V25と該縦成分に直交する横成分V25とからなる。n型InAlGaNクラッド層26のInAlGaNにおけるc軸方向と該c軸方向の格子定数d26の大きさとは格子ベクトルLVC26によって表される。格子ベクトルLVC26は法線軸Nxの方向の縦成分V26と該縦成分に直交する横成分V26とからなる。横成分V25は横成分V26より小さい。
窒化ガリウム系半導体層31の窒化ガリウム系半導体におけるc軸方向と該c軸方向の格子定数d31の大きさとは格子ベクトルLVC31によって表される。格子ベクトルLVC31は法線軸Nxの方向の縦成分V31と該縦成分に直交する横成分V31とからなる。横成分V25は横成分V31より小さい。
p型AlGaNクラッド層35のAlGaNにおけるc軸方向と該c軸方向の格子定数d35の大きさとは格子ベクトルLVC35によって表される。格子ベクトルLVC35は法線軸Nxの方向の縦成分V35と該縦成分に直交する横成分V35とからなる。p型InAlGaNクラッド層36のInAlGaNにおけるc軸方向と該c軸方向の格子定数d36の大きさとは格子ベクトルLVC36によって表される。格子ベクトルLVC36は法線軸Nxの方向の縦成分V36と該縦成分に直交する横成分V36とからなる。横成分V35は横成分V36より小さい。
窒化ガリウム系半導体層33の窒化ガリウム系半導体におけるc軸方向と該c軸方向の格子定数d33の大きさとは格子ベクトルLVC33によって表される。格子ベクトルLVC33は法線軸Nxの方向の縦成分V33と該縦成分に直交する横成分V33とからなる。横成分V35は横成分V33より小さい。
支持基体13の窒化ガリウム系半導体におけるc軸方向と該c軸方向の格子定数d13の大きさとは格子ベクトルLVC13によって表される。格子ベクトルLVC13は法線軸Nxの方向の縦成分V13と該縦成分に直交する横成分V13とからなる。横成分V25は横成分V13より小さい。
第1クラッド領域17のAlGaNクラッド層25と支持基体13との界面27eにおけるミスフィット転位密度はコア半導体領域15と第1クラッド領域17との界面27aにおけるミスフィット転位密度より大きいことが好ましい。AlGaNクラッド層25の屈折率を小さくでき、コア半導体領域15における光閉じ込め性を向上できる。また、第1クラッド領域17のAlGaNクラッド層25が支持基体13上において格子緩和している。これ故に、AlGaNクラッド層25のAl組成を大きくすること及び/又はAlGaNクラッド層25の膜厚を厚くすることによって、第1クラッド領域17による光閉じ込め性を向上できる。
第1クラッド領域17のAlGaNクラッド層26と支持基体13との界面27eにおけるミスフィット転位密度は1×10cm−1以上であることが好ましい。この転位密度に相当するAlGaNは良好な光閉じ込めを提供できる。
窒化物系発光素子11では、n型クラッド領域17のAlGaNクラッド層25は、支持基体13の非極性の主面13a上において格子緩和している。AlGaNクラッド層25の厚さD25は、該AlGaNクラッド層25のAl組成における臨界膜厚を越えていることが好ましい。格子定数の横成分V13はn型AlGaNクラッド層25の格子定数の横成分V25より大きい。
また、n型クラッド領域17のInAlGaNクラッド層25は、AlGaNクラッド層25の非極性面上において格子緩和している。InAlGaNクラッド層26の厚さD26は、該InAlGaNクラッド層26のAl組成及びIn組成における臨界膜厚を越えていることが好ましい。格子定数の横成分V25はn型InAlGaNクラッド層26の格子定数の横成分V26より小さい。InAlGaNクラッド層26上に、窒化ガリウム系半導体層31、活性層21、窒化ガリウム系半導体層37、電子ブロック層23、窒化ガリウム系半導体層33及びInAlGaNクラッド層36がコヒーレントに成長される。これ故に、図2に示されるように、窒化ガリウム系半導体層31、活性層21、窒化ガリウム系半導体層37、電子ブロック層23、窒化ガリウム系半導体層33及びInAlGaNクラッド層36の格子定数の横成分は互いに等しい。
大きな転位密度の界面27b、27eが、コア半導体領域15とクラッド領域17との界面27aから離れているので、転位による散乱に基づく光学的ロスが小さい。
また、窒化物系発光素子11では、p型クラッド領域19のAlGaNクラッド層35は、InAlGaNクラッド層36の非極性主面上において格子緩和している。AlGaNクラッド層35の厚さD35は、該AlGaNクラッド層35のAl組成における臨界膜厚を越えていることが好ましい。格子定数の横成分V35はInAlGaNクラッド層36の格子定数の横成分V36より小さい。
また、p型クラッド領域19のInAlGaNクラッド層36は、コア半導体領域15の非極性面上において格子緩和していない。InAlGaNクラッド層36の厚さD36は、該InAlGaNクラッド層36のAl組成及びIn組成における臨界膜厚以下であることが好ましい。InAlGaNクラッド層36、InAlGaNクラッド層26上にコヒーレントに成長されたコア半導体領域15の非極性面上にコヒーレントに成長される。格子定数の横成分V36は窒化ガリウム系半導体層33の格子定数の横成分V33に格子整合している。
大きな転位密度の界面27dが、コア半導体領域15とクラッド領域19との界面27cから離れているので、転位による散乱に基づく光学的ロスが小さい。
図1及び図2に示されるように、活性層21は量子井戸構造29を有する。量子井戸構造29は、交互に配列された障壁層29a及び井戸層29bを含む。障壁層29aは例えばInGaN、GaN等からなり、井戸層29bは例えばInGaN等からなる。井戸層29bは、井戸層29bの格子定数と窒化ガリウム系半導体層31の格子定数との差に応じた歪みを内包し、障壁層29aは、障壁層29aの格子定数と窒化ガリウム系半導体層31の格子定数との差に応じた歪みを内包する。
第1の窒化ガリウム系半導体層31は光ガイド層として働くことができる。第2の窒化ガリウム系半導体層33は光ガイド層として働くことができる。第3の窒化ガリウム系半導体層37は光ガイド層として働くことができる。第1の窒化ガリウム系半導体層31の屈折率は第1クラッド領域17の屈折率よりも大きい。第2及び第3の窒化ガリウム系半導体層33、37の屈折率は電子ブロック層23の屈折率よりも大きく、p型クラッド層19の屈折率よりも大きい。第1の窒化ガリウム系半導体層31は第1及び第2の半導体層31a、31bを含み、第1の半導体層31aのバンドギャップは第2の半導体層31bのバンドギャップより大きい。第3の窒化ガリウム系半導体層37は第1及び第2の半導体層37a、37bを含み、第1の半導体層37aのバンドギャップは第2の半導体層37bのバンドギャップより小さい。
図1に示されるように、窒化物半導体発光素子11は、p型クラッド層19上に設けられたp型コンタクト層39を含むことができる。p型コンタクト層39は、GaN、AlGaN等から成ることができる。p側電極41aは、絶縁膜43の開口を介してp型コンタクト層39に接触を成す。
窒化物半導体発光素子11は、支持基体13の裏面13bに接触を成すn側電極41bを含むことができる。支持基体13の六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸(VC)と法線軸Nxとの成す角度ALPHAは、10度以上であることが好ましい。また、上記角度は170度以下であることが好ましい。この範囲では、非極性(半極性及び無極性)におけるすべり面の生成を利用して、良好な光閉じ込め性を得ることができる。また、角度ALPHAは10度以上80度以下又は100度以上170度以下であることが好ましい。この角度範囲によれば、半極性におけるすべり面の生成を利用して、良好な光閉じ込め性を得ることができる。さらに、角度ALPHAは63度以上80度以下又は100度以上117度以下であることが好ましい。この角度範囲によれば、すべり面の導入による転位の生成が容易であり、デバイス設計自由度が高い。また、この角度範囲における半極性面では、In取り込みに優れる傾向がある。
図2に示されるように、コア半導体領域15の窒化ガリウム系半導体層31は第1クラッド領域17のInAlGaNクラッド層26と接合27aを成す。InAlGaNクラッド層26の格子定数d26は、InAlGaNクラッド層26が完全に格子緩和しているときは、InAlGaNクラッド層26におけるInAlGaN固有の格子定数に等しい。また、AlGaNクラッド層25の格子定数d25は、AlGaNクラッド層25が完全に格子緩和しているときは、AlGaNクラッド層25におけるAlGaN固有の格子定数に等しい。格子定数d26は、窒化ガリウム系半導体層31が歪んでいないとき(窒化ガリウム系半導体層31の窒化ガリウム系半導体に固有)の格子定数d310以下である。また、格子定数d26は、格子定数d25より大きいことが好ましい。
格子定数の関係(d310≧d26>d25)が満たされるとき、格子定数d26と格子定数d25との差を大きくするとき、AlGaNクラッド層25とInAlGaNクラッド層26との界面に転位が導入される。このとき、格子定数d26と格子定数d310との差を小さくでき、第1光ガイド層とInAlGaNクラッド層26との接合27aにおいて転位による光学的なロスの生成を避けることができる。窒化ガリウム系半導体層31はInAlGaNクラッド層26上にコヒーレントに成長される。また、コア半導体領域15はInAlGaNクラッド層26上にコヒーレントに成長される。例えば、InAlGaNクラッド層26はc軸の主面13aへの投影方向に関して窒化ガリウム系半導体層31に格子整合することが良い。格子定数の関係(d330≧d36>d35)が満たされるとき、上記と同様な技術的寄与が得られる。
図3は、クラッド領域における伝導帯のエネルギレベルを示す図面である。窒化物半導体発光素子11は、以下の構造1及び構造2の少なくともいずれか一方を有することができる。構造1及び構造2について、図3に示された伝導帯エネルギレベルを有する発光素子を参照しながら説明する。
構造1を説明する。図3を参照すると、第1クラッド領域17において、AlGaNクラッド層25aのバンドギャップE25aはInAlGaNクラッド層26aのバンドギャップE26a以上であることが好ましい。この半導体発光素子では、格子緩和したAlGaNクラッド層25aは、四元InAlGaNクラッド層26aでは実現し難いような大きなバンドギャップE25aを提供できる。
また、第1クラッド領域17において、InAlGaNクラッド層26aの厚さD26aはAlGaNクラッド層25aの厚さD25aより薄いことが好ましい。これにより、AlGaNクラッド層による光閉じ込め性を利用できる。また、厚いInAlGaNを成長することによるスループットの低下を避けることができる。
例えば、第1クラッド領域17において、InAlGaNクラッド層26aの膜厚D26aは0.05μm以上であることが好ましい。薄すぎるInAlGaNクラッド層は、InAlGaNクラッド層とAlGaNクラッド層との界面(図3では界面27bに対応する)をコア半導体領域15から離すことができず、このとき、この界面において光学ロスが生じる。また、InAlGaNクラッド層26aの膜厚D26aは0.3μm以下であることが好ましい。厚すぎるInAlGaNは、AlGaNクラッド層による光閉じ込め性への寄与を低下させる。
構造2を説明する。図3を参照すると、第2クラッド領域19において、AlGaNクラッド層35aのバンドギャップE35aはInAlGaNクラッド層36aのバンドギャップE36a以上であることが好ましい。この発光素子では、格子緩和したAlGaNクラッド層35aは、四元InAlGaNクラッド層36aでは実現し難いような大きなバンドギャップE35aを提供できる。
また、第2クラッド領域19において、InAlGaNクラッド層36aの厚さD36aはAlGaNクラッド層35aの厚さD35aより薄いことが好ましい。これにより、AlGaNクラッド層35aによる光閉じ込め性を利用できる。また、厚いInAlGaNを成長することによるスループットの低下を避けることができる。
例えば、第2クラッド領域19においてInAlGaNクラッド層36aの膜厚D36aは0.05μm以上であることが好ましい。薄すぎるInAlGaNクラッド層は、InAlGaNクラッド層とAlGaNクラッド層との界面(図3では界面27dに対応する)をコア半導体領域15から離すことができず、このとき、この界面において光学ロスが生じる。また、InAlGaNクラッド層36aの膜厚D36aは0.3μm以下であることが好ましい。厚すぎるInAlGaNは、AlGaNクラッド層による光閉じ込め性への寄与を低下させる。
図4は、クラッド領域における伝導帯のエネルギレベルを示す図面である。窒化物半導体発光素子11は、以下の構造3及び構造4の少なくともいずれか一方を有することができる。構造3及び構造4について、図4に示された伝導帯エネルギレベルを有する発光素子を参照しながら説明する。
構造3を説明する。図4を参照すると、第1クラッド領域17において、InAlGaNクラッド層26bのバンドギャップE26bはAlGaNクラッド層25bのバンドギャップE25b以上であることが好ましい。この発光素子では、InAlGaNを厚く成長して、クラッド領域17全体として所望の光閉じ込め性を得ることができる。また、第1クラッド領域17において、InAlGaNクラッド層26bの厚さD26bはAlGaNクラッド層25bの厚さD25bより厚いことが好ましい。InAlGaNクラッド層26bとAlGaNクラッド層25bとの界面27bをコア半導体領域15から離すことができる。
例えば、第1クラッド領域17において、InAlGaNクラッド層26bの膜厚D26bは0.05μm以上であることが好ましい。薄いInAlGaN層は、InAlGaNクラッド層とAlGaNクラッド層との界面をコア半導体領域から離すことができず、このとき、この界面(図4では界面27bに対応する)において散乱による光学ロスが生じる。また、InAlGaNクラッド層26bの膜厚D26bは1.0μm以下であることが好ましい。膜厚上限1.0μmは、成長速度を大きくできないInAlGaNでも実用的である。
構造4を説明する。図4を参照すると、第2クラッド領域19において、InAlGaNクラッド層36bのバンドギャップE36bはAlGaNクラッド層35bのバンドギャップE25b以上であることが好ましい。この発光素子では、InAlGaNを厚く成長して、クラッド領域19全体として所望の光閉じ込め性を得ることができる。また、第2クラッド領域19において、InAlGaNクラッド層36bの厚さD36bはAlGaNクラッド層35bの厚さD35bより厚いことが好ましい。InAlGaNクラッド層36bとAlGaNクラッド層35bとの界面27dをコア半導体領域15から離すことができる。
例えば、第2クラッド領域19において、InAlGaNクラッド層36bの膜厚D36bは0.05μm以上であることが好ましい。薄いInAlGaN層は、InAlGaNクラッド層とAlGaNクラッド層との界面をコア半導体領域から離すことができず、このとき、この界面(図4では界面27dに対応する)において散乱による光学ロスが生じる。また、InAlGaNクラッド層36bの膜厚D36bは1.0μm以下であることが好ましい。膜厚上限1.0μmは、成長速度を大きくできないInAlGaNでも実用的である。
図3及び図4に示された構造1〜構造4において、構造1と構造4とを組み合わせた発光素子を得ることができる。或いは、構造2と構造3とを組み合わせた発光素子を得ることができる。これらの発光素子において、構造の組み合わせに応じた技術的寄与が得られる。
(実施例1)
図5及び図6を参照しながら、窒化物レーザダイオードを作製する方法を説明する。この窒化物レーザダイオードは図7(a)に示されるLD構造を有する。工程S101では、半極性面を有するGaN基板51を準備した。このGaN基板51の主面51aは、m軸方向に75度で傾斜している。引き続く説明では、この半極性GaN基板の(20−21)面上に、450nm帯で発光するレーザダイオード(LD)構造を作製した。図5(a)を参照すると、主面51aの法線軸Nx及びc軸Cxと共に、法線ベクトルNV及びc軸ベクトルVCが示されている。引き続き有機金属気相成長法を用いて、GaN基板51上に複数の窒化ガリウム系半導体層を成長して、エピタキシャル基板を作製する。原料にはトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニア(NH)を用いた。ドーパントガスとして、シラン(SiH)及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CPMg)を用いた。
工程S102では、成長炉10にGaN基板51を配置する。GaN基板51のサーマルクリーニングを成長炉10を用いて行う。摂氏1050度の温度で、NHとHを含むガスを成長炉10に流しながら、10分間の熱処理を行う。サーマルクリーニング後の成長工程では、図5(b)に示されるように、原料ガスを成長炉10に供給して、摂氏1100度において、GaN基板51の主面51a上にn型Al0.06Ga0.94Nクラッド層(厚さ1.9μm)53aを成長する。半極性面においては格子緩和の有無は、成長するAlGaN半導体の組成、膜厚及び格子定数差によって制御でき、本実施例でAlGaN半導体は緩和している。
次いで、図6(a)に示されるように、工程S103では、成長温度を摂氏840度に変更した後に、クラッド層53a上にn型In0.02Al0.09Ga0.89Nクラッド層(厚さ100nm)55を成長する。この成長の後に、コア半導体領域を成長する。成長温度を摂氏1100度に変更した後に、n型GaN光ガイド層(厚さ100nm)57aをクラッド層53a、55上に成長する。次いで、摂氏840度の温度で、アンドープIn0.02Ga0.98N光ガイド層(厚さ50nm)57bを成長する。光ガイド層57b上に、量子井戸構造の活性層59を成長する。活性層59は交互に配置された井戸層及び障壁層を含み、井戸層の数は3である。InGaN井戸層の成長温度は摂氏790度であり、その厚さは3nmである。GaN障壁層の成長温度は摂氏840度であり、その厚さは15nmである。最後の障壁層の成長が終了した後に、引き続き同じ温度で、アンドープIn0.02Ga0.98N光ガイド層(厚さ50nm)61aを成長する。次いで、摂氏1000度の温度で、光ガイド層61a上に、p型GaN光ガイド層(厚さ50nm)61bを成長する。同じ温度で、光ガイド層61b上にp型Al0.12Ga0.88N電子ブロック層(厚さ20nm)63を成長する。同じ温度で、電子ブロック層63上にp型GaN光ガイド層(厚さ100nm)61cを成長する。次いで、成長温度を摂氏840度に変更した後に、p型In0.02Al0.09Ga0.89Nクラッド層(厚さ100nm)65を成長する。これらの工程によって半導体積層53bが形成される。
図6(b)に示されるように、工程S104では、成長炉10において、摂氏1000度の温度で、クラッド層65上に、p型Al0.06Ga0.94Nクラッド層(厚さ400nm)67及びp型GaNコンタクト層(厚さ50nm)69を成長する。この工程において、p型半導体積層53cが形成される。これによって、エピタキシャル基板E2が作製された。
Al0.06Ga0.94Nのバンドギャップエネルギは3.57eVであり、In0.02Al0.09Ga0.89Nのバンドギャップエネルギは3.54eVである。In0.02Al0.09Ga0.89Nの格子定数はほぼGaNに格子整合する。
ミスフィット転位に見積もりを透過型電子顕微鏡像を用いて行った。図7(a)に示されるLD構造では、AlGaNクラッド層53aとInAlGaNクラッド層55との接合界面49aのミスフィット転位密度は、8×10cm−1であった。また、AlGaNクラッド層67とInAlGaNクラッド層65との接合界面49bのミスフィット転位密度は、8×10cm−1であった。GaN光ガイド層57aとInAlGaNクラッド層55との接合界面49cにはミスフィット転位が認められなかった。また、GaN光ガイド層61cとInAlGaNクラッド層65との接合界面49dにはミスフィット転位が認められなかった。
比較例として、図7(b)に示されるように、厚さ2μmのAl0.06Ga0.94N単層からなるn側クラッド層と厚さ400nmのAl0.06Ga0.94Nからなるp側クラッド層とを有するLD構造を作製した。このLD構造では、n側クラッド層は、摂氏1100度で成長されたAl0.06Ga0.94Nからなる。この上に、上記のコア半導体領域と同じ成長条件で、n型GaN光ガイド層(厚さ100nm)67a、アンドープIn0.02Ga0.98N光ガイド層(厚さ50nm)67b、量子井戸構造の活性層69、アンドープIn0.02Ga0.98N光ガイド層(厚さ50nm)71a、p型GaN光ガイド層(厚さ50nm)71b、p型Al0.12Ga0.88N電子ブロック層(厚さ20nm)73、及びp型GaN光ガイド層(厚さ100nm)71cを成長した。この後に、InAlGaNクラッドを形成することなく、p側クラッド層77及びp型GaNコンタクト層(厚さ50nm)79を成長する。これによって、エピタキシャル基板ECが作製された。
エピタキシャル基板ECではミスフィット転位の生成される接合がエピタキシャル基板E2と異なっていた。エピタキシャル基板ECでは、n側クラッド層63aとn型GaN光ガイド層67aとの界面49e及びp側クラッド層77とp型GaN光ガイド層71cとの界面49fに多数のミスフィット転位が観察された。界面49eおけるミスフィット転位密度は8×10cm−1であり、界面49fおけるミスフィット転位密度は4×10cm−1であった。
電極工程では、エピタキシャル基板E2及びECにおいて、シリコン酸化膜のストライプ窓(幅10μm)に、Ni/Auから成るp側電極70aを形成すると共に、Ti/Auから成るパッド電極を形成する。GaN基板51の裏面には、Ti/Alから成るn側電極70bを形成すると共に、Ti/Auから成るパッド電極を形成する。これらの電極は、蒸着により形成される。これらの工程により、エピタキシャル基板E2及びECから、基板生産物P2、PCが作製される。基板生産物P2、PCを800μm間隔でへき開して、それぞれゲインガイド型レーザダイオードLD2、LC1を作製する。へき開面には、SiO/TiOからなる誘電体多層膜を形成する。
レーザダイオードLD2、LC1のしきい値電流はそれぞれ750mA、900mAであった。レーザダイオードLD2、LC1において自然放出光の強度を比較すると、両者でほぼ同等であった。レーザダイオードLD2では、転位界面を導波領域から離したことに起因して導波ロスが低減されたので、実施例のレーザダイオードLD2が、比較例のレーザダイオードLC1に比べて、低いしきい値を示したと考えられる。
(実施例2)
実施例2の窒化物レーザダイオードLD3は図8(a)に示されるLD構造を有する。レーザダイオードLD3は、レーザダイオードLD2と比べて、n側クラッド及びp側クラッドの構造の点で異なる。レーザダイオードLD3は、n型Al0.04Ga0.96Nクラッド層(厚さ1.6μm)81aとn型In0.02Al0.09Ga0.89Nクラッド層(厚さ400nm)81bからなるn側クラッド層とを有する。レーザダイオードLD3は、p型In0.02Al0.09Ga0.89Nクラッド層(厚さ400nm)83からなるp側クラッド層を有する。詳細には、n型AlGaNクラッド層のAl組成が0.06から0.04に低くされており、n型AlGaNクラッド層の膜厚が1.9μmから1.6μmに薄くなっている。n型InAlGaNクラッド層の膜厚が100nmから400nmに厚くなっている。Al0.04Ga0.96Nのバンドギャップエネルギは3.52eVであり、In0.02Al0.09Ga0.89Nのバンドギャップエネルギは3.54eVである。
比較例の窒化物レーザダイオードLC2は図8(b)に示されるLD構造を有する。レーザダイオードLC2は、レーザダイオードLD3と比べて、n側クラッドの構造の点で異なる。レーザダイオードLC2は、単一のn型In0.02Al0.09Ga0.89Nクラッド層(厚さ2μm)85からなるn側クラッド層を有する。
レーザダイオードLD3において、AlGaN層81aとAlGaN層81bとの界面にミスフィット転位が観測された。ミスフィット転位密度は2×10cm−1であった。一方、レーザダイオードLC2のクラッド層はInAlGaNからなるので、クラッド層に係る接合にはミスフィット転位は観測されなかった。
レーザダイオードLD3及びレーザダイオードLC2のしきい値は、ほぼ800mA程度であった。レーザダイオードLD3にはミスフィット転位が導入されているけれども、レーザダイオードLD3のしきい値は、ミスフィット転位を含まないレーザダイオードLC2のしきい値とほぼ同等である。これ故に、レーザダイオードLD3におけるクラッド領域内のミスフィット転位は、レーザストライプにおける光の導波に大きな影響を与えていない。
レーザダイオードLD3においてエピタキシャル基板のためのエピタキシャル成長が2.5時間程度である一方で、レーザダイオードLC2においてエピタキシャル基板のためのエピタキシャル成長が3.7時間程度であった。これは、InAlGaNの成長に多くの時間を要することに起因する。これに対して、レーザダイオードLD3では、AlGaN及びInAlGaNの多層クラッドを採用する。これ故に、レーザダイオードLD3では、2層クラッドの採用でレーザ特性を損なうことなく、スループットを向上できる。
(実施例3)
この実施例では、図9に示されるレーザ構造LD4を作製する。75度オフ角の主面を有するGaN基板51を準備する。このGaN基板51上に以下の窒化ガリウム系半導体膜を成長した:n型GaNバッファ層91;n型Al0.08Ga0.92Nクラッド層(厚さ1.2μm)92、n型GaN光ガイド層(厚さ300nm)93、InGaN/GaN活性層(井戸層3nm、障壁層15nm)94、アンドープGaN光ガイド層(厚さ50nm)95、p型Al0.11Ga0.89N電子ブロック層(厚さ10nm)96、p型GaN光ガイド層(厚さ250nm)97、p型Al0.08Ga0.92Nクラッド層(厚さ400nm)98及びp型GaNコンタクト層(厚さ50nm)99。これらの成長によって、エピタキシャル基板E4が作製された。図9における半導体層の横幅は、当該半導体層の格子定数の大きさの関係を示す。
図10は、エピタキシャル基板における(20−24)の逆格子マッピングを示す図面である。X線の入射方向は、c軸の傾斜方向に平行な方向である。GaN基板の回折スポットSSUBに対してAlGaNクラッド層の回折スポットSCLADがずれており、n型AlGaNクラッド層は格子緩和している。また、p型AlGaNクラッド層の回折スポットは、n型AlGaNクラッド層の回折スポットにほぼ重なっている。p型AlGaNクラッド層は格子緩和している。また、GaN光ガイド層の回折スポットSGUIDEがGaN基板の回折スポットSSUBに対してずれている。GaN光ガイド層は格子緩和している。GaN光ガイド層の回折スポットSGUIDEが、AlGaNクラッドの回折スポットSCLADに対してGaN基板の回折スポットSSUBの方向にずれており、GaN光ガイド層及び発光層からなるコア半導体領域がAlGaNクラッド層上において緩和して、コア半導体領域の格子定数がAlGaNクラッドの制約から逃れている。図10に示された逆格子マッピングは、レーザ構造LD4が3カ所の格子緩和を含むという点で、実施の形態に係るエピタキシャル構造を実証している。つまり、複数の回折スポットがy軸に平行な直線上に並んでいないので、これら3つの半導体は、格子整合の状態にない。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、x本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
11…窒化物半導体発光素子、13…支持基体、13a…支持基体の主面、13b…支持基体の裏面、15…コア半導体領域、17…第1クラッド領域、19…第2クラッド領域、S…直交座標系、VC…c軸ベクトル、NV…法線ベクトル、Nx…法線軸、Cx…c軸、21…活性層、23…キャリアブロック層、25…n型AlGaNクラッド層、26…n型InAlGaNクラッド層、27a〜27f…接合、35…p型AlGaNクラッド層、36…p型InAlGaNクラッド層、31、33、37…窒化ガリウム系半導体層、39…p型コンタクト層、41a…p側電極、41b…n側電極、43…絶縁膜

Claims (20)

  1. 窒化物半導体発光素子であって、
    六方晶系窒化ガリウム半導体からなる支持基体と、
    第1導電型窒化ガリウム系半導体からなる第1クラッド領域と、
    第2導電型窒化ガリウム系半導体からなる第2クラッド領域と、
    活性層及びキャリアブロック層を含むコア半導体領域と
    を備え、
    前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸は前記支持基体の前記主面の法線軸と異なる方向に向くと共に前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸及び前記支持基体の前記法線軸によって規定される平面は所定の方向に延在しており、
    前記コア半導体領域は、前記第1クラッド領域と前記第2クラッド領域との間に設けられ、
    前記コア半導体領域、前記第1クラッド領域及び前記第2クラッド領域は前記支持基体の前記主面上に搭載されており、
    前記第1クラッド領域は、AlGaNクラッド層及びInAlGaNクラッド層を含み、
    前記第1クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層は前記第1クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記活性層との間に設けられ、
    前記第1クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層は前記コア半導体領域に接合を成す、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層と前記AlGaNクラッド層との界面におけるミスフィット転位密度は前記コア半導体領域と前記第1クラッド領域との界面におけるミスフィット転位密度より大きい、ことを特徴とする請求項1に記載された窒化物半導体発光素子。
  3. 前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層と前記AlGaNクラッド層との界面のミスフィット転位密度は1×10cm−1以上である、ことを特徴とする請求項2に記載された窒化物半導体発光素子。
  4. 前記コア半導体領域と前記第1クラッド領域との界面のミスフィット転位密度は1×10cm−1未満である、ことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載された窒化物半導体発光素子。
  5. 前記第1クラッド領域において、前記AlGaNクラッド層のAl組成は0.05以上であり、0.2以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  6. 前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層の厚さは前記AlGaNクラッド層の厚さより薄い、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  7. 前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層のバンドギャップは前記AlGaNクラッド層のバンドギャップ以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  8. 前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層の膜厚は0.05μm以上であり、0.3μm以下であることを特徴とする請求項7に記載された窒化物半導体発光素子。
  9. 前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層のバンドギャップは前記AlGaNクラッド層のバンドギャップ以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  10. 前記第1クラッド領域において、前記InAlGaNクラッド層の膜厚は0.05μm以上であり、1.0μm以下である、ことを特徴とする請求項9に記載された窒化物半導体発光素子。
  11. 前記コア半導体領域は第1光ガイド層を含み、
    前記第1光ガイド層は前記第1クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層と接合を成し、
    前記第1クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層におけるInAlGaN固有の格子定数は前記コア半導体領域の前記第1光ガイド層の窒化ガリウム系半導体に固有の格子定数以下であり、
    前記第1クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層の格子定数は前記第1クラッド領域の前記AlGaNクラッド層の格子定数より大きい、ことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  12. 前記InAlGaNクラッド層はc軸の前記主面への投影方向に関して前記第1光ガイド層に格子整合する、ことを特徴とする請求項11に記載された窒化物半導体発光素子。
  13. 前記第1クラッド領域はn型導電性を有し、
    前記第1クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記支持基体との界面におけるミスフィット転位密度は前記コア半導体領域と前記第1クラッド領域との界面におけるミスフィット転位密度より大きい、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  14. 前記第1クラッド領域はp型導電性を有し、
    当該窒化物半導体発光素子は、前記第1クラッド領域上に設けられたp型コンタクト層を更に備え、
    前記コア半導体領域は第2光ガイド層及び電子ブロック層を含み、
    前記第2光ガイド層は前記電子ブロック層と前記第1クラッド領域との間に設けられ、
    前記電子ブロック層は前記第2光ガイド層と前記活性層との間に設けられる、ことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  15. 前記第1クラッド領域はn型導電性を有し、
    前記第2クラッド領域はp型導電性を有し、
    前記第2クラッド領域は、AlGaNクラッド層及びInAlGaNクラッド層を含み、
    前記第2クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層は前記第2クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記活性層との間に設けられ、
    前記第2クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層は前記コア半導体領域に接合を成し、
    前記第2クラッド領域の前記InAlGaNクラッド層の格子定数は前記第2クラッド領域の前記AlGaNクラッド層の格子定数より大きい、ことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  16. 前記第2クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記InAlGaNクラッド層との界面におけるミスフィット転位密度は前記コア半導体領域と前記第2クラッド領域との界面におけるミスフィット転位密度より大きい、ことを特徴とする請求項15に記載された窒化物半導体発光素子。
  17. 前記第2クラッド領域の前記AlGaNクラッド層と前記InAlGaNクラッド層との界面におけるミスフィット転位密度は1×10cm−1以上である、ことを特徴とする請求項15又は請求項16に記載された窒化物半導体発光素子。
  18. 前記六方晶系窒化ガリウム半導体のc軸と前記支持基体の前記法線軸との成す角度は10度以上であり、170度以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項17のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  19. 前記角度は10度以上80度以下又は100度以上170度以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項18のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
  20. 前記角度は63度以上80度以下又は100度以上117度以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項19のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
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