JP2013062354A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】第２ミラー層の電気抵抗の低減と反射率の向上とを両立する。
【解決手段】半導体発光素子は、ｎ型の下部ＤＢＲ層と、電流の供給によって光を発する共振部と、ｐ型の上部ＤＢＲ層とが半導体基板上に順に積層された半導体発光素子であって、上部ＤＢＲ層には、第１屈折率を有する第１半導体層１４１と、第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する第２半導体層１４２とが、中間層１４３を介在して積層方向に交互に配置され、中間層１４３および第１半導体層１４１はＡｌを含み、中間層１４３のＡｌ組成比は、第２半導体層１４２側の面から第１半導体層１４１側の面に向かって増加し、第１半導体層１４１のＡｌ組成比は、一方の中間層１４３Ｂ側の面および中間層１４３Ａ側の面から厚み方向の中心に向かって増加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

半導体レーザ素子や発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信システムをはじめとする様々な分野において広く利用されている。このような半導体発光素子の一例として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）がある。この面発光レーザは、活性層を挟むように半導体ミラー層が設けられることにより、半導体基板に対して垂直方向に共振器が構成された発光素子であって、半導体ミラー層として半導体分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）が用いられたものがある（例えば、下記特許文献１および２参照）。

特開２００２−３５９４３３号公報 特許第４６０８０４０号公報

上述したような面発光レーザ素子は、高出力化が求められているが、動作電力が高いため発熱が大きくなることが高出力化の障害となっている。また、一般にｎ型ＤＢＲ（以下、「第１ミラー層」という。）の電気抵抗値よりもｐ型ＤＢＲ（以下、「第２ミラー層」という。）の電気抵抗値が高いことが知られている。そこで、上記特許文献１に記載の面発光レーザ素子では、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層との間に、厚さ方向に応じてＡｌ組成量を変化させたヘテロスパイク緩衝層を有する第２ミラー層を備えることにより、第２ミラー層の電気抵抗値を低減し、動作電圧の低減を可能としている。また、上記特許文献２に記載の面発光レーザ素子では、Ａｌ含有量が少ない低Ａｌ層とＡｌ含有量が多い高Ａｌ層との間に中間のＡｌ含有量のインターフェイス層を有する第２ミラー層を備えることにより、第２ミラー層の電気抵抗値を低減し、動作電圧の低減を可能としている。

しかしながら、上記特許文献１および２に記載された面発光レーザ素子では、第２ミラー層において、Ａｌ含有量が多い上側層およびＡｌ含有量が少ない下側層のＡｌ組成比を一定として、上側層および下側層の間に設けられた中間層のＡｌ組成比を変化させることで動作電圧の低減を図っている。このように、上側層のＡｌ組成比と下側層のＡｌ組成比との中間のＡｌ組成比を有する中間層が第２ミラー層に設けられると、第２ミラー層の反射率が低下する。このため、従来の面発光レーザ素子と同等の反射率を有する第２ミラー層を得るためには、層数を多くする必要があり、素子全体としての電気抵抗の抑制効果が不十分となる可能性がある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、第２ミラー層の電気抵抗の低減と反射率の向上とを両立できる構造を有する半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る半導体発光素子は、第１導電型を有する第１ミラー層と、電流の供給によって光を発する発光層と、第２導電型を有する第２ミラー層とが半導体基板上に順に積層された半導体発光素子であって、第２ミラー層には、第１屈折率を有する第１半導体層と、第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する第２半導体層とが、中間層を介在して積層方向に交互に配置され、中間層および第１半導体層はＡｌを含み、中間層のＡｌ組成比は、第２半導体層側の面から第１半導体層側の面に向かって増加し、第１半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面および他方の中間層側の面から厚み方向の中心に向かって増加することを特徴とする。

この半導体発光素子においては、第２ミラー層には、第１屈折率の第１半導体層と、第１屈折率よりも大きい第２屈折率の第２半導体層とが中間層を介在して交互に配置されている。そして、中間層のＡｌ組成比は、第２半導体層側の面から第１半導体層側の面に向かって増加し、第１半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面および他方の中間層側の面から厚み方向の中心に向かって増加する。このため、第１半導体層のＡｌ組成比を一定とした場合と比較して、中間層と第１半導体層との境界において、積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の不連続な変化が緩和される。この積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の不連続な変化は、ポテンシャルの突起の原因となり、電気抵抗の主要因となる。したがって、この半導体発光素子では、第１半導体層のＡｌ組成比を一定とした場合と比較して、第２ミラー層の電気抵抗を抑制できる。また、第１半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面および他方の中間層側の面から厚み方向の中心に向かって増加するため、第１半導体層のＡｌ組成比を一定とした場合と比較して、第１半導体層の平均屈折率が減少し、反射率が増加する。このため、従来の面発光レーザ素子と同等の反射率を有する第２ミラー層を得るために必要な層数を減らすことができる。以上のように、この半導体発光素子では、第２ミラー層の電気抵抗を抑制しつつ、層数を減らすことができるので、面発光レーザの動作電圧を低減することが可能となる。

また、中間層のＡｌ組成比は、第２半導体層側の面から第１半導体層側の面に向かって第１変化率で一様に増加することが好ましい。この場合、中間層において積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率が一定であるため、中間層における電気抵抗を抑えることができる。

また、第１半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面から中心に向かって第２変化率で増加するとともに、他方の中間層側の面から中心に向かって第３変化率で増加し、第１変化率と第２変化率との差および第１変化率と第３変化率との差はいずれも、第１変化率よりも小さいことが好ましい。この場合、第１半導体層のＡｌ組成比を一定（変化率が０）とした場合と比較して、中間層と第１半導体層との境界において、積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量が小さくなる。このため、中間層と第１半導体層との境界において、積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の不連続な変化が緩和される。その結果、第１半導体層のＡｌ組成比を一定とした場合と比較して、第２ミラー層の電気抵抗を低減できる。また、第１半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面から中心に向かって第２変化率で増加するとともに、他方の中間層側の面から中心に向かって第３変化率で増加するため、第１半導体層のＡｌ組成比を一定とした場合と比較して、第１半導体層の平均屈折率が減少し、反射率が増加する。

また、第２変化率と第３変化率との和は、第１変化率よりも小さいことが好ましい。第１半導体層のＡｌ組成比は、第１半導体層の一方の中間層側の面および他方の中間層側の面から中心に向かって増加するため、第１半導体層内においても積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率が変化する。第１半導体層では、積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、一方の中間層側から他方の中間層側に向かって見た場合、第２変化率での増加から第３変化率での減少に変化する。したがって、この変化率の変化量は、第２変化率と第３変化率との和である。そして、第２変化率と第３変化率との和が第１変化率よりも小さいことから、第１半導体層のＡｌ組成比を一定（変化率が０）とした場合における中間層と第１半導体層との境界における積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量と比較して、第１半導体層での積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量が小さくなる。

また、第１半導体層のＡｌ組成比は、厚み方向に沿って変化率の変化点を複数有し、変化点の各々において、変化前の変化率と変化後の変化率との差が第１変化率よりも小さいことが好ましい。この場合、第１半導体層のＡｌ組成比の積層方向に沿った変化率は、複数箇所において変化する。そして、各変化点において変化前の変化率と変化後の変化率との差が第１変化率よりも小さいことから、第１半導体層のＡｌ組成比を一定（変化率が０）とした場合における中間層と第１半導体層との境界でのＡｌ組成比の積層方向に沿った変化率の変化量と比較して、第１半導体層でのＡｌ組成比の積層方向に沿った変化率の変化量が小さくなる。

また、第２半導体層はＡｌを含み、第２半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面および他方の中間層側の面から第２半導体層の厚み方向の中心に向かって減少することが好ましい。この場合、第２半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面および他方の中間層側の面から第２半導体層の厚み方向の中心に向かって減少する。このため、第２半導体層のＡｌ組成比を一定とした場合と比較して、中間層と第２半導体層との境界において、積層方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の不連続な変化が緩和される。したがって、この半導体発光素子では、第２半導体層のＡｌ組成比を一定とした場合と比較して、第２ミラー層の電気抵抗を低減できる。

本発明によれば、第２ミラー層の電気抵抗の低減と反射率の向上とを両立できる。

本実施形態に係る半導体発光素子の積層方向に沿った概略断面図である。 図１の上部ＤＢＲ層に含まれる半導体層の層厚とＡｌ組成比との関係の一例を示す図である。 比較例の上部ＤＢＲ層に含まれる半導体層の層厚とＡｌ組成比との関係を示す図である。 第１半導体層の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比と電流密度および最大反射率との関係を示す図である。 図１の上部ＤＢＲ層に含まれる半導体層の層厚とＡｌ組成比との関係の他の例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る半導体発光素子の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の積層方向に沿った概略断面図である。なお、図１においては、各部を明確に示すためハッチングを省略している。図１に示されるように、半導体発光素子１は、半導体基板１１、下部ＤＢＲ層１２、共振部１３、上部ＤＢＲ層１４、および、コンタクト層１５を含む半導体積層１０と、電流狭窄部１６と、アノード電極１７と、反射防止膜層１８と、カソード電極１９と、を含んで構成されている。半導体発光素子１は、半導体基板１１の主面１１ａと略垂直な方向ＮＶ（所定の方向）（以下、単に「垂直方向ＮＶ」という。）に沿った垂直共振器内で光を共振させることにより、垂直方向ＮＶに沿って光を出射させる垂直共振器型面発光レーザ素子である。

半導体基板１１は、主面１１ａと、主面１１ａと反対側の裏面１１ｂとを有し、例えば、導電型がｎ型のＧａＡｓからなる。下部ＤＢＲ層１２は、半導体基板１１の主面１１ａ上に設けられ、導電型がｎ型（第１導電型）の第１ミラー層である。具体的には、下部ＤＢＲ層１２は、組成が異なる化合物半導体層を垂直方向ＮＶに沿って交互に積層して構成された半導体多層ミラー層であり、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層（低Ａｌ組成比層および高Ａｌ組成比層）が交互に積層された半導体多層構造を有する。低Ａｌ組成比層のＡｌ組成比は、例えば０〜０．１の範囲であり、０．０７程度が好ましい。また、高Ａｌ組成比層のＡｌ組成比は、例えば０．９〜１．０の範囲であり、０．９４程度が好ましい。また、低Ａｌ組成比層および高Ａｌ組成比層は、レーザ発振波長の１／４波長分の厚さを有する。

共振部１３は、下部ＤＢＲ層１２上に設けられ、電流が供給されることによって所定の発光スペクトルの光を発する発光層である。この共振部１３は、例えばＩｎＧａＡｓ活性層、ＡｌＧａＡｓ障壁層およびＡｌＧａＡｓ位相調整層からなり、レーザ発振波長の１波長分の厚さを有する。上部ＤＢＲ層１４は、共振部１３上に設けられ、導電型がｐ型（第２導電型）の第２ミラー層である。この上部ＤＢＲ層１４は、下部ＤＢＲ層１２と同様に、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が垂直方向ＮＶに沿って周期的に積層された半導体多層構造を有する。上部ＤＢＲ層１４の詳細については後述する。

コンタクト層１５は、上部ＤＢＲ層１４上に設けられ、例えば、導電型がｐ型のＧａＡｓからなる。電流狭窄部１６は、上部ＤＢＲ層１４の周縁部に設けられ、共振部１３に供給される電流を狭窄する部分である。この電流狭窄部１６は、電流注入領域を限定するために設けられ、垂直方向ＮＶを軸として軸周りに沿って上部ＤＢＲ層１４の周縁部に設けられる。また、電流狭窄部１６は、上部ＤＢＲ層１４にプロトンが注入されることによって形成され、電気的絶縁性を有する。

アノード電極１７は、コンタクト層１５上に設けられ、コンタクト層１５に電気的に接続されたｐ側電極である。このアノード電極１７は、例えば、Ｃｒ／Ａｕからなる。反射防止膜層１８は、半導体基板１１の下面１１ｂのレーザ出射口に対応する領域上に設けられる。この反射防止膜層１８は、例えば、ＳｉＮからなり、レーザ発振波長の１／４波長分の厚さを有する。このため、反射防止膜層１８は、半導体基板１１からの反射戻り光を低減させ、レーザ発振動作を安定化させる。カソード電極１９は、半導体基板１１の下面１１ｂに設けられ、半導体基板１１に電気的に接続されたｎ側電極である。このカソード電極１９は、例えば、Ａｕ／ＡｕＧｅ／Ａｕからなり、レーザ出射口に対応する領域に開口を有し、反射防止膜層１８を囲むように設けられている。

このように構成された半導体発光素子１では、共振部１３の一方の側に設けられた下部ＤＢＲ層１２と、共振部１３の他方の側に設けられた上部ＤＢＲ層１４とによって、半導体発光素子１における垂直共振器が構成される。この垂直共振器により、共振部１３から発せられた光が垂直方向ＮＶに沿って共振される。そして、共振された光が垂直方向ＮＶに沿って半導体基板１１側の素子下面から外部（一方の側）へ出射される。なお、図示されていないが、共振部１３と下部ＤＢＲ層１２との間には、導電型がｎ型のクラッド層およびノンドープ層が設けられている。また、共振部１３と上部ＤＢＲ層１４との間には、導電型がｐ型のクラッド層が設けられている。これらの各層は、個々の発光素子の構造において、必要に応じて設けられる。

次に、上部ＤＢＲ層１４の構造について詳細に説明する。図１に示されるように、上部ＤＢＲ層１４は、複数の第１半導体層１４１の各々と、複数の第２半導体層１４２の各々とを、中間層１４３（１４３Ａ，１４３Ｂ）を介在して垂直方向ＮＶに沿って交互に含んで構成されている。すなわち、上部ＤＢＲ層１４は、第１半導体層１４１、中間層１４３Ａ、第２半導体層１４２、中間層１４３Ｂの順に垂直方向ＮＶに沿って配置された単位積層１４０を複数単位有している。したがって、共振部１３上に第１半導体層１４１が設けられ、第２半導体層１４２上にコンタクト層１５が設けられる。また、上部ＤＢＲ層１４は、Ａｌ組成比が層厚方向（厚み方向）に沿って連続的に変化するように構成されている。なお、上部ＤＢＲ層１４の層厚方向（以下、単に「層厚方向」という。）は、上部ＤＢＲ層１４に含まれる各半導体層の層厚方向と同方向であり、垂直方向ＮＶとも同方向である。

第１半導体層１４１は、第１屈折率を有する半導体層であって、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる。また、第１半導体層１４１は、層厚方向に直交する主面１４１ａ（他方の中間層側の面）と主面１４１ａの反対側の裏面１４１ｂ（一方の中間層側の面）とを有する。第２半導体層１４２は、第１屈折率よりも大きい屈折率の第２屈折率を有する半導体層であって、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる。また、第２半導体層１４２は、層厚方向に直交する主面１４２ａ（他方の中間層側の面）と主面１４２ａの反対側の裏面１４２ｂ（一方の中間層側の面）とを有する。第１半導体層１４１と、第２半導体層１４２とは、平均Ａｌ組成比が異なり、第１半導体層１４１の平均Ａｌ組成比の方が高い。第１半導体層１４１の平均Ａｌ組成比は、例えば９０％以上であり、第２半導体層１４２の平均Ａｌ組成比は、例えば１０％以下である。また、第１半導体層１４１は、その層厚方向に沿ってＡｌ組成比が連続的に変化するように構成される。具体的に説明すると、第１半導体層１４１は、例えば層厚方向の中心においてＡｌ組成比が最大となり、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂのそれぞれから中心に向かってＡｌ組成比が増加するように構成されている。一方、第２半導体層１４２は、層厚方向に沿ってＡｌ組成比が略一定に構成される。

中間層１４３は、第１半導体層１４１と第２半導体層１４２との間に設けられた半導体層であって、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる。中間層１４３は、中間層１４３Ａおよび中間層１４３Ｂを含む。中間層１４３Ａは、第１半導体層１４１の主面１４１ａと第２半導体層１４２の裏面１４２ｂとの間に設けられる。中間層１４３Ｂは、第２半導体層１４２の主面１４２ａと第１半導体層１４１の裏面１４１ｂとの間に設けられる。この中間層１４３は、第１半導体層１４１のＡｌ組成比と第２半導体層１４２のＡｌ組成比との間のＡｌ組成比を有し、層厚方向に沿ってＡｌ組成比が連続的に変化する。具体的には、中間層１４３は、層厚方向に沿ったＡｌ組成比が、第１半導体層１４１の層厚方向に沿った中間層１４３側の面におけるＡｌ組成比から第２半導体層１４２の層厚方向に沿った中間層１４３側の面におけるＡｌ組成比まで連続的に変化するように構成される。

また、中間層１４３では、層厚方向に沿ったＡｌ組成比が一定の割合（第１変化率）で一様に増加するように構成されてもよい。また、第１半導体層１４１では、層厚方向に沿ったＡｌ組成比が裏面１４１ｂから層厚方向の中心まで第２変化率で増加し、主面１４１ａから層厚方向の中心まで第３変化率で増加するように構成されてもよい。言い換えると、層厚方向の共振部１３側からコンタクト層１５側に向かう方向において、中間層１４３Ｂでは、Ａｌ組成比が第１変化率で増加し、第１半導体層１４１では、Ａｌ組成比が裏面１４１ｂから層厚方向の中心まで第２変化率で増加して、層厚方向の中心から主面１４１ａまで第３変化率で減少し、中間層１４３Ａでは、Ａｌ組成比が第１変化率で減少するように構成されてもよい。

この場合、中間層１４３Ｂと第１半導体層１４１との間では、Ａｌ組成比の変化率が第１変化率の増加から第２変化率の増加に変化する。また、第１半導体層１４１と中間層１４３Ａとの間では、Ａｌ組成比の変化率が第３変化率の減少から第１変化率の減少に変化する。さらに、第１半導体層１４１の層厚方向の中心において、Ａｌ組成比の変化率が第２変化率の増加から第３変化率の減少に変化する。これら層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の不連続な変化は、ポテンシャルの突起の原因となり電気抵抗の主要因となる。したがって、これらの不連続な変化の変化量ができる限り小さくなるように上部ＤＢＲ層１４に含まれる各層の層厚、Ａｌ組成比、およびＡｌ組成比の変化率が調整される。

図２は、上部ＤＢＲ層１４に含まれる半導体層の層厚とＡｌ組成比との関係の一例を示す図である。この例では、第１半導体層１４１の層厚は５０．５ｎｍ、第２半導体層１４２の層厚は４０．６ｎｍ、中間層１４３（１４３Ａ，１４３Ｂ）の層厚は３０ｎｍである。また、第１半導体層１４１の組成比は、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂにおいて９０％であり、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂのそれぞれから層厚方向の中心に向かってそれぞれ第２変化率、第３変化率（０．２０〜０．３６％／ｎｍ）で増加し、中心で９５〜９９％となる。一方、第２半導体層１４２のＡｌ組成比は、層厚方向に沿って一定（１０％）である。中間層１４３のＡｌ組成比は、第１半導体層１４１側の面で９０％、第２半導体層１４２側の面で１０％であり、第２半導体層１４２側の面から第１半導体層１４１側の面に向かって第１変化率（２．６７％／ｎｍ）で増加する。

次に、半導体発光素子１の製造方法の一例について説明する。まず、半導体基板１１の主面１１ａに、例えば有機金属気相成長法により下部ＤＢＲ層１２、共振部１３、上部ＤＢＲ層１４、コンタクト層１５の順に垂直方向ＮＶに沿ってエピタキシャル成長する。具体的には、半導体基板１１の主面１１ａに、ｎ型の低Ａｌ組成比層（例えばＡｌＧａＡｓ層）とｎ型の高Ａｌ組成比層（例えばＡｌＧａＡｓ層）とを交互に繰り返し積層し、下部ＤＢＲ層１２を形成する。このとき、低Ａｌ組成比層の厚さおよび高Ａｌ組成比層の厚さがレーザ発振波長の１／４波長分の光学長となるように低Ａｌ組成比層および高Ａｌ組成比層を成長する。この低Ａｌ組成比層および高Ａｌ組成比層は、所望の反射率を得るのに必要な層数まで繰り返し積層される。

そして、下部ＤＢＲ層１２（高Ａｌ組成比層）上にＩｎＧａＡｓ活性層、ＡｌＧａＡｓ障壁層およびＡｌＧａＡｓ位相調整層からなる共振部１３を形成する。続いて、共振部１３上に、第１半導体層１４１と、第２半導体層１４２とを交互に繰り返し積層し、上部ＤＢＲ層１４を形成する。このとき、第１半導体層１４１と第２半導体層１４２との間に中間層１４３を形成する。すなわち、第１半導体層１４１、中間層１４３Ａ、第２半導体層１４２、中間層１４３Ｂの順に積層された単位積層１４０を、所望の反射率を得るのに必要な単位数分繰り返し積層する。なお、反射スペクトルが発振波長に合うように、第１半導体層１４１、第２半導体層１４２、中間層１４３Ａおよび中間層１４３Ｂの各層の層厚を調整する。

そして、上部ＤＢＲ層１４（第２半導体層１４２）上にコンタクト層１５を形成する。このコンタクト層１５は、素子形成時にオーミック接触が得られるように十分にドーピング濃度を高くして形成される。以上のようにして、半導体積層１０を形成する。

次に、半導体積層１０の表面にフォトリソグラフィによって、上部ＤＢＲ層１４の周縁部に、垂直方向ＮＶを軸として軸周りに開口を有するレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンが形成された半導体積層１０に対して、イオン注入装置によってプロトン（陽子）を照射する。これによって、半導体積層１０のレジストに覆われている領域では、レジストによってプロトンが吸収される。一方、半導体積層１０のレジストに覆われていない領域、すなわち、レジストの開口が形成された領域にはプロトンが注入され、電流狭窄部１６が形成される。

続いて、コンタクト層１５上に例えばＣｒ／Ａｕを蒸着し、アノード電極１７を形成する。そして、半導体発光素子１の電気抵抗および光吸収損失を低減するために、半導体基板１１の下面１１ｂを研磨して、半導体基板１１を薄膜化する。また、下面１１ｂは、出射表面における散乱損失を抑制するため、鏡面仕上げにされる。その後、薄膜化した半導体基板１１の下面１１ｂ上に、反射防止膜層１８を積層する。続いて、フォトリソグラフィによって、レーザ出射口に対応する領域を覆うレジストを反射防止膜層１８上に形成する。

そして、反射防止膜層１８上に形成されたレジストをマスクとして、例えば反応性イオンエッチングによって反射防止膜層１８のうちレーザ出射口に対応する領域以外を除去する。さらに、反射防止膜層１８上に形成されたレジストを用いて、例えばリフトオフ法によって半導体基板１１の下面１１ｂ上にＡｕ／ＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着し、カソード電極１９を形成する。その後、接触抵抗を低減させるために、窒素雰囲気中でのアニールによって半導体および金属界面を合金化させる。以上のようにして、半導体発光素子１を作製する。

次に、図２〜図４を参照して、半導体発光素子１の作用効果を説明する。図３は、比較例の上部ＤＢＲ層に含まれる半導体層の層厚とＡｌ組成比との関係を示す図である。図４は、第１半導体層１４１の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比と電流密度および最大反射率との関係の計算結果を示す図である。

図３に示されるように、比較例では、上部ＤＢＲ層は、第１半導体層２４１、中間層２４３Ａ、第２半導体層２４２、中間層２４３Ｂの順に積層された単位積層２４０を複数単位有している。この第１半導体層２４１の層厚は５０．５ｎｍ、第２半導体層２４２の層厚は４０．６ｎｍ、中間層２４３Ａおよび中間層２４３Ｂの層厚は３０ｎｍである。また、第１半導体層２４１のＡｌ組成比は９０％であって、層厚方向に沿って一定である。また、第２半導体層２４２のＡｌ組成比は１０％であって、層厚方向に沿って一定である。さらに、中間層２４３ＡのＡｌ組成比は、層厚方向に沿って９０％から１０％まで一定の割合（２．６７％／ｎｍ）で減少し、中間層２４３ＢのＡｌ組成比は、層厚方向に沿って１０％から９０％まで一定の割合（２．６７％／ｎｍ）で増加している。

この比較例では、中間層２４３Ｂと第１半導体層２４１との間で、層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、２．６７％／ｎｍでの増加から０．００％／ｎｍに変化する。また、第１半導体層２４１と中間層２４３Ａとの間で、層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、０．００％／ｎｍから２．６７％／ｎｍでの減少に変化する。したがって、第１半導体層２４１と中間層２４３との境界において、層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量は、２．６７％／ｎｍである。この層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の不連続な変化は、ポテンシャルの突起の原因となり電気抵抗の主要因となる。

一方、図２に示される半導体発光素子１の一例では、中間層１４３Ｂと第１半導体層１４１との間で、層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、２．６７％／ｎｍ（第１変化率）での増加から０．２０〜０．３６％／ｎｍ（第２変化率）での増加に変化する。また、第１半導体層１４１と中間層１４３Ａとの間で、層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、０．２０〜０．３６％／ｎｍ（第３変化率）での減少から２．６７％／ｎｍ（第１変化率）での減少に変化する。したがって、第１半導体層１４１と中間層１４３との境界における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量は、第１変化率と第２変化率との差、又は、第１変化率と第３変化率との差によって算出され、２．３１〜２．４７％／ｎｍである。この値は、比較例の第１半導体層２４１と中間層２４３との境界における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量よりも小さい。

なお、この例では、中間層１４３の層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、比較例の中間層２４３の層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率と同じである。このため、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂのそれぞれから中心に向かってＡｌ組成比が増加するように第１半導体層１４１が構成された場合、第１半導体層１４１と中間層１４３との境界における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量は、比較例の第１半導体層２４１と中間層２４３との境界における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量よりも小さくなる。

また、第１半導体層１４１内の層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、０．２０〜０．３６％／ｎｍ（第２変化率）での増加から０．２０〜０．３６％／ｎｍ（第３変化率）での減少に変化する。したがって、第１半導体層１４１における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量は、第２変化率と第３変化率との和によって算出され、０．４０〜０．７２％／ｎｍである。この値は、比較例の第１半導体層２４１と中間層２４３との境界における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量よりも小さい。

このように、第１半導体層１４１は、層厚方向に沿ったＡｌ組成比が主面１４１ａおよび裏面１４１ｂのそれぞれから層厚方向の中心に向かって増加するように構成されていることにより、比較例に比べて、第１半導体層１４１と中間層１４３との境界における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量が小さくなる。このため、半導体発光素子１では、比較例よりも第１半導体層１４１の１層当たりの電気抵抗が低減される。

図２に示された半導体発光素子１の第１半導体層１４１の一例では、Ａｌ組成比は層厚方向の中心に向かって９０％から増加している。このため、第１半導体層１４１は、Ａｌ組成比が９０％で一定である第１半導体層２４１と比較して、平均Ａｌ組成比が高いため平均屈折率が小さくなる。したがって、第１半導体層１４１は、第１半導体層２４１と比較して、反射率が向上する。その結果、所望の反射率を得るために必要な上部ＤＢＲ層１４の層数を減らすことができる。

そして、第１半導体層１４１の１層当たりの電気抵抗の低減および上部ＤＢＲ層１４の層数の低減によって、半導体発光素子１の動作電圧を下げることが可能となる。また、半導体発光素子１の動作電圧が下がることによって、半導体発光素子１の発熱量を抑えることができる。このため、上部ＤＢＲ層１４における熱抵抗が小さくなり、放熱性が向上し、最大出力および電気光変換効率を向上することが可能となる。

図４に示されるように、第１半導体層１４１の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比が９０％である場合、すなわち、比較例と同等の構成である場合、単位積層１４０当たり０．０４Ｖの電圧を印加したときの電流密度は、１．１３×１０^８Ａ／ｍ^２であった。また、第１半導体層１４１の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比が９５％である場合、単位積層１４０当たり０．０４Ｖの電圧を印加したときの電流密度は、１．１９×１０^８Ａ／ｍ^２であった。また、第１半導体層１４１の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比が９９％である場合、単位積層１４０当たり０．０４Ｖの電圧を印加したときの電流密度は、１．２５×１０^８Ａ／ｍ^２であった。以上のことから、第１半導体層１４１の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比が高いほど、単位積層１４０当たり０．０４Ｖの電圧を印加したときの電流密度は高くなることが分かる。すなわち、第１半導体層１４１の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比が高いほど、単位積層１４０当たりの電気抵抗が低くなる。

また、単位積層１４０を１０単位分をＧａＡｓと真空とで挟んだときの最大反射率は、第１半導体層１４１の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比を９０％、９５％、９９％とした場合、それぞれ９１．６％、９２．２％、９２．６％であった。以上のことから、第１半導体層１４１の層厚方向の中心におけるＡｌ組成比が高いほど、単位積層１４０の最大反射率は高くなることが分かる。

以上のように、図４に示される計算結果からも、第１半導体層１４１の層厚方向の中心のＡｌ組成比が大きいほど、単位積層１４０の電気抵抗が低減し、最大反射率が増加することが分かる。

なお、半導体発光素子の動作電圧の低減に対しては、様々なアプローチがあるが、アレイ化することを前提とした場合、できるだけ簡単な構造で、かつ再現性が得られる方法が望まれる。これに対し、半導体発光素子１は、プロセスによる作り込みではなく結晶構造による改良であるため、半導体発光素子１をアレイ化した場合でも、歩留まりの低下および工数の増大を抑制できる。

図５は、上部ＤＢＲ層１４の他の例を示す図である。この例では、第１半導体層１４１の層厚は４０．２ｎｍ、第２半導体層１４２の層厚は４９．０ｎｍ、中間層１４３Ａおよび中間層１４３Ｂの層厚は３０ｎｍである。また、第１半導体層１４１のＡｌ組成比は、層厚方向の中心で９９％、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂで８０％であり、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂのそれぞれから中心に向けて層厚方向に沿って一定の割合で増加している。また、第２半導体層１４２のＡｌ組成比は０％であり、中間層１４３ＡのＡｌ組成比は層厚方向に沿って８０％から０％まで一定の割合で減少し、中間層１４３ＢのＡｌ組成比は層厚方向に沿って０％から８０％まで一定の割合で増加している。

なお、中間層１４３Ａの層厚および中間層１４３Ｂの層厚は、２０ｎｍ以下であると抵抗値が上がり、大きすぎると反射率が下がることから、３０ｎｍとしている。また、第１半導体層１４１のＡｌ組成比は９０％、第２半導体層１４２のＡｌ組成比が１０％であり中間層１４３を有しない９７５ｎｍ用ＤＢＲの反射スペクトルと極力近くなるように、第１半導体層１４１の層厚、第２半導体層１４２の層厚および各層のＡｌ組成比が調整されている。

この例の上部ＤＢＲ層１４では、０．０４Ｖ印加時の電流密度が１．５１×１０^８Ａ／ｍ^２、最大反射率が９３．３％という結果が得られた。

なお、本発明に係る半導体発光素子は本実施形態に記載したものに限定されない。例えば、第１半導体層１４１のＡｌ組成比は、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂのそれぞれから層厚方向の中心に向かって増加しているが、層厚方向の中心においてＡｌ組成比を最大にする必要はない。この場合、第１半導体層１４１と中間層１４３との境界における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量は、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂのいずれかにおいて大きくなる。そして、上部ＤＢＲ層１４全体としての電気抵抗値は、層厚方向の中心においてＡｌ組成比が最大となる場合よりも大きくなる傾向がある。

また、第１半導体層１４１の層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、層厚方向の中心の１箇所においてのみ変更されているが、複数の変化点を有してもよい。この場合、各変化点における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量（すなわち、変化前の変化率と変化後の変化率との差分）が、第１半導体層１４１のＡｌ組成比を一定とした場合の第１半導体層１４１と中間層１４３との境界におけるＡｌ組成比の変化率の変化量（すなわち、中間層１４３におけるＡｌ組成比の変化率）よりも小さくする必要がある。これにより、第１半導体層１４１の層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量がさらに低減される。このため、ポテンシャルの突起をさらに抑えることができ、上部ＤＢＲ層１４の電気抵抗をさらに低減できる。

また、第１半導体層１４１の層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率は、主面１４１ａおよび裏面１４１ｂのそれぞれから中心に向けて一定である必要はなく、連続的に変化させてもよい。また、第１半導体層１４１と中間層１４３との境界において、Ａｌ組成比の変化率は、連続的に変化させてもよい。この場合、第１半導体層１４１の層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量が、さらに低減される。このため、ポテンシャルの突起をさらに抑えることができ、上部ＤＢＲ層１４の電気抵抗をさらに低減できる。

また、第２半導体層１４２と中間層１４３との境界における層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の不連続な変化は、ポテンシャルの窪みの原因となり、電気抵抗の要因となり得る。したがって、第２半導体層１４２のＡｌ組成比は、層厚方向に沿って第２半導体層１４２の主面１４２ａおよび裏面１４２ｂのそれぞれから層厚方向の中心に向かって減少するようにしてもよい。この場合、第２半導体層１４２の層厚方向に沿ったＡｌ組成比が一定の場合と比較して、第２半導体層１４２と中間層１４３との境界において層厚方向に沿ったＡｌ組成比の変化率の変化量が小さくなる。このため、第２半導体層１４２のＡｌ組成比が一定の場合と比較して、上部ＤＢＲ層１４の電気抵抗を低減できる。

１…半導体発光素子、１１…半導体基板、１２…下部ＤＢＲ層（第１ミラー層）、１３…共振部（発光層）、１４…上部ＤＢＲ層（第２ミラー層）、１４１…第１半導体層、１４１ａ…主面（他方の中間層側の面）、１４１ｂ…裏面（一方の中間層側の面）、１４２…第２半導体層、１４２ａ…主面（他方の中間層側の面）、１４２ｂ…裏面（一方の中間層側の面）、１４３，１４３Ａ，１４３Ｂ…中間層、ＮＶ…垂直方向（積層方向）。

Claims (6)

1. 第１導電型を有する第１ミラー層と、電流の供給によって光を発する発光層と、第２導電型を有する第２ミラー層とが半導体基板上に順に積層された半導体発光素子であって、
   前記第２ミラー層には、第１屈折率を有する第１半導体層と、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する第２半導体層とが、中間層を介在して積層方向に交互に配置され、
   前記中間層および前記第１半導体層はＡｌを含み、
   前記中間層のＡｌ組成比は、前記第２半導体層側の面から前記第１半導体層側の面に向かって増加し、
   前記第１半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面および他方の中間層側の面から厚み方向の中心に向かって増加することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記中間層のＡｌ組成比は、前記第２半導体層側の面から前記第１半導体層側の面に向かって第１変化率で一様に増加す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. 前記第１半導体層のＡｌ組成比は、前記一方の中間層側の面から前記中心に向かって第２変化率で増加するとともに、前記他方の中間層側の面から前記中心に向かって第３変化率で増加し、
   前記第１変化率と前記第２変化率との差および前記第１変化率と前記第３変化率との差はいずれも、前記第１変化率よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第２変化率と前記第３変化率との和は、前記第１変化率よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１半導体層のＡｌ組成比は、前記厚み方向に沿って変化率の変化点を複数有し、
   前記変化点の各々において、変化前の変化率と変化後の変化率との差が前記第１変化率よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
6. 前記第２半導体層はＡｌを含み、
   前記第２半導体層のＡｌ組成比は、一方の中間層側の面および他方の中間層側の面から前記第２半導体層の厚み方向の中心に向かって減少する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の半導体発光素子。

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