JP2017168560A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半極性面上に成長された高反射率な反射鏡を有し、高発光効率かつ省電力な半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】半導体基板の半極性面上にInAlN層L1及びGaN層H1がこの順で複数回積層して成長された分布ブラッグ反射鏡と、分布ブラッグ反射鏡上に形成され、活性層を含む半導体構造層と、を有し、InAlN層は、GaN層との界面に複数の突起P1を有し、InAlN層は、複数の突起の各々の頂部に形成され、他の領域よりもIn組成の低い低In領域L1Bを有する。
【選択図】図2

Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:vertical cavity surface emitting laser)などの半導体発光素子及びその製造方法に関する。
垂直共振器型面発光レーザ(以下、単に面発光レーザと称する)は、基板面に対して垂直に光を共振させ、当該基板面に垂直な方向に光を出射させる構造を有する半導体レーザである。例えば、特許文献1には、ブラッグ反射鏡で活性層が挟まれ、活性層が[0001]軸から5°〜10°以上傾斜した軸の方向に成長された半導体レーザ装置が開示されている。
特開平07-297476号公報
例えば、面発光レーザは、発光層を挟んで互いに対向する反射鏡を有し、この互いに対向する反射鏡によって共振器が構成されている。面発光レーザにおいては、反射鏡は、例えば、屈折率が異なる2つの薄膜を交互に複数回積層することで形成することができる。面発光レーザの発振閾値(動作電圧)を下げるためには、反射鏡での光の反射率が高いこと、及び反射鏡での光の吸収率が低いことが好ましい。
また、面発光レーザに限らず、半導体発光素子を作製する場合、素子からの放出光の取り出し効率を向上させるために、発光層の光取り出し面とは反対側の面に光反射層を形成する場合がある。この光反射層についても、高い反射率を有していることが好ましい。
一方、六方晶系半導体材料を用いて発光素子を作製する場合、成長用基板の半極性面を結晶成長面とし、当該半極性面上に半導体構造層を成長することが知られている。半極性面に成長された半導体構造層を用いると、例えば極性面であるc面((0001)面)上に成長された半導体構造層を用いる場合に比べて発光層内における内部電界の発生が抑制され、発光効率を向上させることができるからである。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、半極性面上に成長された高反射率な反射鏡を有し、高発光効率かつ省電力な半導体発光素子を提供することを目的としている。また、半極性面上に高反射率な反射鏡を容易に形成することが可能な半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。
本発明による半導体発光素子は、半導体基板の半極性面上にInAlN層及びGaN層がこの順で複数回積層して成長された分布ブラッグ反射鏡と、分布ブラッグ反射鏡上に形成され、活性層を含む半導体構造層と、を有し、InAlN層は、GaN層との界面に複数の突起を有し、InAlN層は、複数の突起の各々の頂部に形成され、他の領域よりもIn組成の低い低In領域を有することを特徴としている。
また、本発明による半導体発光素子の製造方法は、半導体基板の半極性面上に、複数の突起を有する表面を有するInAlN層を第1の温度で成長する第1の工程と、第1の温度よりも低い第2の温度でInAlN層の表面にNH3を供給し、複数の突起の各々の頂部にInAlN層内の他の領域よりも低いIn組成の低In領域を形成する第2の工程と、InAlN層の表面上にGaN層を成長する第3の工程と、をこの順で複数回繰り返し、InAlN層及びGaN層からなる分布ブラッグ反射鏡を形成する工程と、分布ブラッグ反射鏡上に、活性層を含む半導体構造層を成長する工程と、を含むことを特徴としている。
(a)は、実施例1に係る半導体発光素子の断面図であり、(b)は、実施例1に係る半導体発光素子の上面図である。 (a)は実施例1に係る半導体発光素子における第1の反射鏡の拡大断面図であり、(b)は当該第1の反射鏡の断面の観察画像である。 実施例1に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を示すフロー図である。 (a)〜(c)は実施例1に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を示す断面図である。 (a)〜(c)は実施例1に係る半導体発光素子の製造方法における第1の反射鏡の形成工程の詳細を示す断面図である。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
図1(a)は、実施例1に係る半導体発光素子10の断面図である。本実施例においては、半導体発光素子10は、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)である。半導体レーザ10は、活性層14Bを含む半導体構造層14を介して互いに対向して配置された第1及び第2の反射鏡13及び15を有する。
半導体発光素子10は、基板11上に第1の反射鏡13、半導体構造層14及び第2の反射鏡15が積層された構造を有している。具体的には、基板11上にバッファ層12が形成され、バッファ層12上に第1の反射鏡13が形成されている。また、第1の反射鏡13上には半導体構造層14が、半導体構造層14上には第2の反射鏡15が形成されている。
基板11は、半極性面11Sを結晶成長面として有する。すなわち、本実施例においては、基板11は、半極性面11Sの主面を有する半極性基板である。半導体構造層12は、基板11の半極性面11S上に形成されている。本実施例においては、基板11は、[20−2−1]面を結晶成長面として有するn型GaN基板である。また、本実施例においては、バッファ層12は、ノンドープのGaN層である。
第1の反射鏡13は、複数の低屈折率層L1及び高屈折率層H1がそれぞれ交互に積層された構造を有する。本実施例においては、第1の反射鏡13は、半導体基板11の半極性面11S上にInAlN層L1及びGaN層H1がこの順で複数回積層して成長された分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:DBR)である。すなわち、第1の反射鏡13は半導体材料からなる分布ブラッグ反射鏡である。なお、本実施例においては低屈折率層L1及び高屈折率層H1は不純物がドープされていないノンドープ半導体層である。
半導体構造層14は、窒化物系半導体からなり、例えばAlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成を有する。例えば、n型半導体層14Aは、GaNの組成を有し、n型不純物としてSiを含む。活性層14Bは、InGaNの組成を有する井戸層(図示せず)及びGaNの組成を有する障壁層(図示せず)が交互に積層された量子井戸構造を有する。また、p型半導体層14Cは、GaNの組成を有し、p型不純物としてMgを含む。なお、半導体構造層14は、活性層14Bとp型半導体層14Cとの間に電子ブロック層(図示せず)を有していてもよく、p型半導体層14Cの表面にコンタクト層(図示せず)を有していてもよい。
半導体発光素子10は、n型半導体層14A及びp型半導体層14C上にそれぞれ形成されたn電極(第1の電極)16及びp電極(第2の電極)17を有する。本実施例においては、p型半導体層14Cの表面からn型半導体層14Aに至る凹部が設けられ、n電極16は当該n型半導体層14Aの凹部の底面に形成されている。また、p型半導体層14Cの表面に開口部を有する絶縁膜18が設けられ、p電極17は当該開口部内及び絶縁膜18上に形成されている。p電極17は、例えばITOやIZOなど、活性層14Bからの放出光に対して透光性を有する材料からなる。なお、p電極17上にはパッド電極19が形成されている。
第2の反射鏡15は、p電極17上に形成されている。第2の反射鏡15は、p型半導体層14C上において第1の反射鏡13に対向して配置されている。本実施例においては、第2の反射鏡15は、SiO2からなる低屈折率層(低屈折率誘電体層)L2と、Nb25やZrO2などからなる高屈折率層(高屈折率誘電体層)H2が交互に複数回積層された構造を有している。本実施例においては、第2の反射鏡15は誘電体材料からなる分布ブラッグ反射鏡である。
次に、図1(a)を参照し、半導体発光素子10の発光動作の概略について説明する。まず、半導体発光素子10においては、互いに対向する第1及び第2の反射鏡13及び15が共振器を構成する。半導体構造層14(活性層14B)から放出された光は、第1及び第2の反射鏡13及び15間において反射を繰り返し、共振状態に至る(レーザ発振を行う)。また、当該共振光は、その一部が第2の反射鏡15を透過し、外部に取出される。このようにして、半導体発光素子10は、基板11に垂直な方向に光を出射する。
図1(b)は、半導体発光素子10の模式的な上面図である。なお、図1(a)は、図1(b)のV−V線に沿った断面図である。図1(b)に示すように、本実施例においては、半導体発光素子10は、基板11に垂直な方向から見たときに矩形の形状を有している。また、第2の反射鏡15は基板11の中央部分に配置されている。また、パッド電極19は第2の反射鏡15を取り囲むように環状に形成されている。また、n電極16は、絶縁膜18を介してパッド電極19の外側に形成されている。
図2(a)は、第2の反射鏡13の一部を拡大して示す部分拡大断面図である。図2(a)は、図1(a)の破線で囲まれた部分A1を拡大して示す断面図である。なお、以下においては、低屈折率層L1がInAlN層であり、高屈折率層H1がGaN層である場合について説明する。図2(a)に示すように、InAlN層L1は、GaN層H1との界面に、複数の突起P1を有する凹凸構造面S1を有する。すなわち、InAlN層L1の表面は複数の凹凸を有し、GaN層H1は当該凹凸を埋め込んで形成されている。
また、InAlN層L1は、突起P1の各々の頂部に形成され、他の領域よりもIn組成の低い低In領域L1Bを有する。すなわち、InAlN層L1は、通常のIn組成を有する高In領域L1Aと、突起P1の各々の頂部に設けられた低In領域L1Bとを有する。低In領域L1Bは、高In領域L1Aよりも小さいIn組成を有し、高In領域L1Aよりも大きなAl組成を有する。InAlN層L1(高In領域L1A)は、GaN層H1と格子整合する組成を有する。低In領域L1Bは、InAlN層L1の他の領域(高In領域L1A)よりも10%以上低いIn組成を有することが好ましい。例えば、本実施例においては、高In領域L1AはIn0.24Al0.76Nの組成を有し、低In領域L1BはIn0.07Al0.93Nの組成を有する。
図2(b)は、第1の反射鏡13の断面の走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)による観察画像である。図2(b)に示すように、InAlN層L1のGaN層H1との界面(本実施例においては半導体構造層14側の界面)には複数の凹凸が形成され、当該凹凸の頂部にInAlN層L1内においてIn組成の小さい領域(すなわち低In領域L1B)が形成されていることがわかる。
再度図2(a)を参照して、InAlN層L1について説明する。低In領域L1Bは、突起P1の頂部の各々に所定の平均サイズSZ及び平均高さ(深さ)DPで設けられている。また、低In領域L1Bの各々は、互いに所定の平均間隔DTで配置されている。なお、本明細書においては、平均サイズSZ及び平均間隔DTとは、低In領域L1Bの各々における半極性面11Sに平行な方向の平均長さ及び配置間隔をいう。また、平均高さDPとは、低In領域L1Bの各々における半極性面11Sに垂直な方向の平均長さをいう。
本実施例においては、低In領域L1Bの各々は、5〜10nmの平均サイズSZ及び2〜4nmの平均高さDPを有する。また、低In領域L1Bの各々は、3〜8nmの平均間隔DTで配置されている。突起P1の各々及び低In領域L1Bの各々は、活性層14Bからの放出光(例えば450nm)の波長に対して十分に小さい。すなわち、低In領域L1Bの各々は、活性層14Bからの放出光に対して不感の(光学的には寄与しない)平均サイズSZ及び平均高さDPを有し、また突起P1による放出光の吸収や散乱はない。
なお、突起P1及び低In領域L1Bについては、例えば、SEMによる観察画像の分析、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)による観察画像の分析及びInAlN層L1のエネルギー分散型X線分析(Energy dispersive X-ray spectrometry)を行うことによって、その存在及び組成などを確認することができる。
図3は、半導体発光素子10の製造方法の各工程を示すフロー図である。また、図4(a)〜(c)及び図5(a)〜(c)は、半導体発光素子10の製造中における半導体ウェハを示す断面図である。図3と、図4(a)〜(c)及び図5(a)〜(c)とを用いて、半導体発光素子10の製造方法について説明する。なお、図4(a)〜(c)においては、複数の半導体発光素子10を製造する半導体ウェハのうち、1つの素子領域のみを示している。また、本実施例においては、有機金属気相成長法(MOCVD法:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いて半導体発光素子10を作製した。
[バッファ層12の形成工程]
まず、半極性面11Sを主面として有する半導体基板11を準備する(工程S11)。本実施例においては、半極性面11Sとして、(20−2−1)面を主面に有するGaN基板11を準備した。
次に、図4(a)に示すように、基板11の半極性面11S上にバッファ層12を形成する(工程S12)。本実施例においては、バッファ層12として、不純物がドープされていないGaN層を成長した。本実施例においては、バッファ層12の成長時の基板温度は1223℃とし、供給ガスとしてNH3及びTMG(トリメチルガリウム)を用いた。以下、基板温度及び成長温度という場合、成長装置内において調節される基板11の表面温度を指す。
続いて、図4(b)に示すように、InAlN層(低屈折率層)L1及びGaN層(高屈折率層)H1をそれぞれ交互に複数回積層して第1の反射鏡(分布ブラッグ反射鏡)13を形成する(工程S13)。本実施例においては、バッファ層12上に、それぞれ30層のInAlN層L1及びGaN層H1を交互に成長して第1の反射鏡13を形成した。
ここで、図5(a)〜(c)を用いて、第1の反射鏡13の形成工程について説明する。第1の反射鏡13の形成工程S13においては、半極性面11S上に第1の温度T1でInAlN層L1を成長する工程(第1の工程S13A)、第1の温度T1から第2の温度T2に基板11の温度を下げてInAlN層L1の表面にNH3を供給する工程(第2の工程S13B)、及びGaN層H1を成長する工程(第3の工程S13C)を複数回繰り返すことで、第1の反射鏡13となる半導体DBRを形成する。
より具体的には、まず、半極性面11S上に形成されたバッファ層12の表面に、InAlN層L1を成長する(工程S13A)。本実施例においては、InAlN層L1の成長温度は911℃とし、供給ガスとしてNH3、TMI(トリメチルインジウム)及びTMA(トリメチルアルミニウム)を用いた。
図5(a)は、工程S13A後の半導体ウェハにおけるInAlN層L1の表面近傍の模式的な断面図である。図5(a)に示すように、InAlN層L1の成長後においては、InAlN層L1の表面S1には多数の微細な突起P1が形成される。すなわち、微細な突起P1を有する凹凸構造の表面S1を有するInAlN層L1が形成される。この多数の突起P1は、表面S1内に約5nm程度の間隔で形成される。また、突起P1の平均高さは約3nmである。
次に、InAlN層L1の成長後に、半導体ウェハにNH3を供給しながら成長温度(基板温度)を下げる(工程S13B)。すなわち、工程S13Aにおいては第1の温度T1でInAlN層L1を成長し、工程S13Bにおいては第1の温度T1よりも低い第2の温度T2に降温する間にInAlN層L1の表面S1にNH3を供給する。
本実施例においては、工程S13Aにおいて供給していた供給ガスのTMI及びTMAの供給を停止した後、成長温度を911℃から900℃に下げた。より具体的には、供給ガスをNH3のみとし、約2分間かけて基板温度を911℃から900℃に降温した。また、その後、NH3を供給し続け、5分間基板温度を900℃に保持した。
図5(b)は、工程S13B後におけるInAlN層L1の模式的な断面図である。図5(b)に示すように、工程S13Bを行うと、突起P1の頂部におけるInAlN層L1のInが所定量だけ脱離し、低In領域L1Bが形成される。また、低In領域L1Bの周辺には、相対的に高いIn組成の高In領域L1Aが露出されている。従って、InAlN層L1の表面には高In領域(通常層)L1Aと低In領域L1Bとが形成される。
次に、InAlN層L1上にGaN層H1を形成する(工程S13C)。本実施例においては、GaN層H1の成長温度をInAlN層L1の成長温度T1よりも低い温度とし、供給ガスとしてNH3、TEG(トリエチルガリウム)を用いた。本実施例においては成長温度を900℃とした(工程S13Bにおける基板温度T2を保持した)。これによって、図5(c)に示すように、InAlN層L1上の表面S1上にGaN層H1を形成する。これ以降、工程S13A〜S13Cを複数回繰り返すことで、InAlN/GaNからなる多層膜の第1の反射鏡13を形成する。
ここで、工程S13Bで形成される低In領域L1Bについて説明する。低In領域L1Bは、InAlN層L1の表面S1のうち、突起P1の頂部のみに形成される。また、突起P1の頂部に低In領域L1Bを形成しておくことで、次工程S13Cで形成するGaN層H1を正常にエピタキシャル成長させることができる。
具体的には、まず、半極性面上においてInAlN層は不安定な結晶状態で成長されるため、その表面S1には様々な結晶面を有する部分、すなわち突起P1が形成される。従って、突起P1の部分、特にその頂部はGaN層H1のエピタキシャル成長を阻害する多結晶面となる。なお、ここでの多結晶面とは複数の異なる結晶面が密集して表出している領域をいう。この突起P1上(多結晶面上)にGaN層H1を成長させようとすると、当該様々な結晶面から様々な方向にGaNが成長しようとし、エピタキシャル成長が行われない。すなわち、工程S13Aの直後にGaN層H1を形成させようとしても、GaN層H1を形成することができない。
一方、本実施例においては、InAlN層L1の表面S1にNH3処理を行うことで、突起P1の頂部に低In領域L1Bを形成する。この低In領域L1Bを突起P1の頂部に形成することで、突起P1からのGaNの成長が阻害され、突起P1以外の表面S1上の領域、すなわち低In領域L1Bの周辺の高In領域L1Aの露出面からGaN層のエピタキシャル成長が開始される。また、高In領域L1Aの露出面から結晶成長が開始されたGaNは、平面方向にも結晶成長が進み、突起P1(低In領域L1B)の上方で結合し合う。従って、InAlN層L1上にGaNがエピタキシャル成長され、InAlN層L1と格子整合するGaN層H1が形成される。
次に、図4(c)に示すように、第1の反射鏡13上に半導体構造層14を形成する(工程S14)。本実施例においては、第1の反射鏡13(高屈折率層H1)上に、n型半導体層14A、活性層14B及びp型半導体層14Cを成長した。また、本実施例においては、n型半導体層14Aとしてn−GaN層を形成した。また、活性層14Bとして、それぞれ3つのInGaN井戸層及びGaN障壁層を積層して量子井戸活性層を形成した。また、p型半導体層14Cとして、p−AlGaN層(電子ブロック層)、p−GaN層及びp+GaN層(コンタクト層)を形成した。
続いて、p型半導体層14C上にp電極17を形成する(工程S15)。本実施例においては、まず、コンタクト層上に絶縁層18を形成した。本実施例においては、絶縁層18として、開口部を有するSiO2層を半導体構造層14上に形成した。次に、p電極17として、絶縁層18上及びその開口部内にITO層を形成した。
次に、p電極17上に、第2の反射鏡15を形成する(工程S167)。本実施例においては、第2の反射鏡15として、SiO2からなる低屈折率層L2及びNb25からなる高屈折率層H2を交互に複数回積層した。
続いて、n型半導体層14A上にn電極16を、p電極17上にパッド電極19を、それぞれ形成する(工程S17)。本実施例においては、半導体構造層14を部分的に除去し、露出したn型半導体層14Aの上面上にTi層、Al層、Ti層及びAu層を積層することによって、n電極16を形成した。次に、p電極17の上面の一部が露出するまで第2の反射鏡15を部分的に除去し、露出したp電極17の上面上にTi層及びAu層を積層することで、パッド電極19を形成した。
続いて、基板11を含む半導体ウェハを素子毎に個片化し、個片化された素子を封止する(工程S18)。本実施例においては、半導体ウェハをダイシングによって切断し、切断された素子に配線及び封止を施した。このようにして、半導体発光素子10が作製される。
本実施例においては、基板11の半極性面11S上に、第1の温度T1でInAlN層L1を成長する工程(第1の工程S13A)、第1の温度T1から第2の温度T2に基板11の温度を下げてInAlN層L1の表面S1にNH3を供給する工程(第2の工程S13B)、及びInAlN層L1上にGaN層H1を成長する工程(第3の工程S13C)を複数回繰り返し、半極性面11S上に第1の反射鏡13を形成する。
このように形成された第1の反射鏡13は、低屈折率層L1及び高屈折率層H1の層厚を活性層14Bからの放出光に応じて設定することで、高い反射率を有する分布ブラッグ反射鏡として機能する。また、半導体構造層14が半極性面11S上に形成されていることで、内部電界の発生が抑制され、高い発光効率で発光動作を行う。従って、半導体発光素子10は、低閾値な面発光レーザとなる。
また、第1の反射鏡13は、上記したように、複雑な工程を必要とせず、容易に形成することができる。例えば、低屈折率層L1及び高屈折率層H1の他に新たな層を形成する必要がない。従って、高反射率な反射鏡を容易に形成することが可能な半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
なお、InAlN層L1の表面S1に形成される突起P1及び低In領域L1Bは、活性層14Cからの放出光に対し不感のサイズ(十分に小さなサイズ、例えば10nm以下のサイズ)であり、反射率に作用しない。また、本願の発明者らは、440〜450nmの波長の光に対し、第1の反射鏡13が90%以上の反射率を有することを確認している。すなわち、本願の発明者らによって、半極性面上に高い屈折率差のInAlN層L1及びGaN層H1が良好に積層された高反射率の半導体DBRが実現された。
なお、上記したように、InAlNは半極性面上において不安定な状態でエピタキシャル成長される。従って、InAlN層L1を成長した後、その成長ガスの供給を停止した時点でInの脱離が開始される。また、このInの脱離は、成長温度を上げると急激に進行し、InAlNの結晶状態が悪化する。従って、工程S13Bにおいては、まず、InAlN層L1を温度T1で成長した後、その成長温度T1を温度T2に下げ、NH3の供給を行う必要がある。
さらに、工程S13Bにおいては、工程S13Aから、10℃〜20℃の範囲内で成長温度を下げることが好ましい。すなわち、第2の温度T2は、第1の温度T1よりも10℃〜20℃の範囲内で低いことが好ましい。まず、成長温度を10℃以上降温しなければ、表面S1のInが脱離しすぎてしまい、表面S1全体の結晶状態が悪化する。
また、成長温度を20℃よりも大きく降温すると、結晶品質の良いGaN層H1を成長させることが困難となる。また、工程S13Cの後には再度工程S13Aを行うことになるが、その際の温度、すなわち第1の温度T1との差が大きくなりすぎる(温度の上げ幅が大きすぎる)と、InAlN層L1内の全体でInが大幅に脱離しやすくなる。
また、工程S13C、すなわちGaN層H1を形成時においては、上記したように、低In領域L1Bを形成する際の第2の温度T2を保持していることが好ましい。低In領域L1Bの形成時の基板11の温度を保持した状態でGaN層H1を成長することで、工程13Bで形成されたInAlN層L1の結晶状態が保たれつつ良好なGaN層H1が成長されるからである。
例えば、一般に、GaNの好ましい成長温度は、InAlNの成長温度よりも高い。しかし、本実施例においては、低In領域L1Bの形成後に基板温度を変化させると、InAlN層L1の表面S1の結晶状態、すなわちGaN層H1の成長に適したInAlN層L1の表面状態が失われ、GaN層H1が良好に成長されないからである。なお、このような条件でGaNをエピタキシャル成長させることを考慮すると、工程S13CでGaN層H1を成長する際の供給ガスとしては、TEGを用いることが好ましい。
従って、工程S13Aの終了後には10℃〜20℃の範囲内で基板11の温度を下げて工程S13Bを行うこと、工程S13Cは工程S13Bの基板11の温度を保持した状態で行うことが好ましい。また、工程S13Cの終了後に工程S13Aを行う場合には、10℃〜20℃の範囲内で基板11の温度を上げることが好ましい。
また、GaN層H1を良好に成長することを考慮すると、InAlN層L1としては、層内における低In領域の他の領域(高In領域L1A)はGaN層H1に格子整合する組成を有し、低In領域L1Bは当該他の領域よりも10%以上低いIn組成を有することが好ましい。本実施例においては、InAlN層L1として、大部分はIn0.24Al0.76Nの組成を有する層を形成し、その凹凸面の頂部にIn0.07Al0.93Nの組成を有する低In領域L1Bを形成した。すなわち、本実施例においては、低In領域L1Bは、InAlN層L1の他の領域よりも17%低いIn組成を有する。10%以上のIn組成差を形成することで、低In領域L1BからのGaNの成長が確実に阻害され、低In領域L1B間の高In領域L1Aの部分(GaNに格子整合する部分)からGaN層H1が良好に成長されるからである。
なお、本願の発明者らは、工程13Bを省略して第1の反射鏡13を形成することを試みた。しかし、上記したように、突起P1の頂部の多結晶面上においてGaNのエピタキシャル成長が阻害され、InAlN層上にGaN層(すなわち層状のGaN)を形成することができなかった。また、このような反射鏡は反射率も低いものであった。
また、本実施例においては、基板11の(20−2−1)面上に第1の反射鏡13及び半導体構造層14が形成される場合について説明した。しかし、第1の反射鏡13及び半導体構造層14は、半極性面上に形成されていればよい。例えば、第1の反射鏡13は、(20−21)面、(11−22)面、(10−1−1)面、(30−31)面又は(30−3−1)面上に形成されていてもよい。すなわち、基板11の半極性面11Sは、(20−2−1)面、(20−21)面、(11−22)面、(10−1−1)面、(30−31)面又は(30−3−1)面であればよい。
また、上記した低In領域L1Bの形状、サイズ及び配置間隔は一例に過ぎない。また、第1の反射鏡13の成長に用いた成長温度や供給ガスは一例に過ぎない。また、半導体発光素子10の各製造工程は一例に過ぎない。また、半導体発光素子10の各電極構成は一例に過ぎない。
また、本実施例においては、半導体発光素子10は半導体基板11及びバッファ層12を含む。しかし、半導体発光素子10は、半導体基板11及びバッファ層12を有していなくてもよい。例えば、半導体発光素子10は、半導体基板11の半極性面11S上に直接第1の反射鏡13が成長された(バッファ層12を有さない)構造を有していてもよい。また、半導体発光素子10は、例えば、第1の反射鏡13及び半導体構造層14を成長した後、半導体基板11を除去した(半導体基板11を有さない)構造を有していればよい。半導体発光素子10は、半導体基板11の半極性面11S上に第1の反射鏡13が成長された構造を有していればよい。
また、本実施例においては、半導体発光素子10が面発光レーザである場合について説明した。すなわち、活性層14Cが第1及び第2の反射鏡13及び15に挟まれるように配置されている場合について説明した。しかし、半導体発光素子10は第2の反射鏡15を有している必要はない。すなわち、半導体発光素子10は、第1の反射鏡13を有する半導体発光素子であればよい。例えば、半導体発光素子10は、発光ダイオードであってもよい。半導体発光素子10が第1の反射鏡13を有していることで、例えば、高い反射率の分布ブラッグ反射鏡を用いた高い光取り出し効率かつ省電力の発光ダイオードを提供することができる。
本実施例においては、半導体基板11の半極性面11S上にInAlN層L1及びGaN層H1を成長して分布ブラッグ反射鏡13を形成する場合において、GaN層H1の成長前に基板温度を下げてInAlN層L1にNH3による表面処理を行う。従って、半極性面11Sに高反射率の分布ブラッグ反射鏡13を容易に形成することができる。また、このように形成されたInAlN層L1は複数の微細な突起P1を有し、突起P1の各々の頂部に低In領域L1Bを有する。従って、良好にエピタキシャル成長された高品質な分布ブラッグ反射鏡13を有する省電力かつ高発光効率な半導体発光素子10を提供することができる。
10 半導体発光素子(面発光レーザ)
11 基板
11S 半極性面
13 第1の反射鏡(分布ブラッグ反射鏡)
L1 低屈折率層(InAlN層)
H1 高屈折率層(GaN層)
14 半導体構造層
14C 活性層

Claims (9)

  1. 半導体基板の半極性面上にInAlN層及びGaN層がこの順で複数回積層して成長された分布ブラッグ反射鏡と、
    前記分布ブラッグ反射鏡上に形成され、活性層を含む半導体構造層と、を有し、
    前記InAlN層は、前記GaN層との界面に複数の突起を有し、
    前記InAlN層は、前記複数の突起の各々の頂部に形成され、他の領域よりもIn組成の低い低In領域を有することを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記他の領域は前記GaN層と格子整合する組成を有し、
    前記低In領域は前記他の領域よりも10%以上低いIn組成を有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. 前記突起の各々における前記低In領域は、前記活性層からの放出光に対して不感の平均サイズ及び平均高さを有す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. 前記突起の各々における前記低In領域は、5〜10nmの平均サイズ及び2〜4nmの平均高さを有し、
    前記突起の各々における前記低In領域は、3〜8nmの平均間隔で配置されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子。
  5. 前記半極性面は、(20−2−1)面、(20−21)面、(11−22)面、(10−1−1)面、(30−31)面又は(30−3−1)面であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
  6. 半導体基板の半極性面上に、複数の突起を有する表面を有するInAlN層を第1の温度で成長する第1の工程と、前記第1の温度よりも低い第2の温度で前記InAlN層の前記表面にNH3を供給し、前記複数の突起の各々の頂部に前記InAlN層内の他の領域よりも低いIn組成の低In領域を形成する第2の工程と、前記InAlN層の前記表面上にGaN層を成長する第3の工程と、をこの順で複数回繰り返し、前記InAlN層及び前記GaN層からなる分布ブラッグ反射鏡を形成する工程と、
    前記分布ブラッグ反射鏡上に、活性層を含む半導体構造層を成長する工程と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記第2の温度は、前記第1の温度よりも10℃〜20℃の範囲内で低いことを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記第2の温度を保持して前記第3の工程を行うことを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体発光素子の製造方法。
  9. 前記第3の工程において、TEGを供給ガスとして前記GaN層を成長することを特徴とする請求項8に記載の半導体発光素子の製造方法。
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