JP3763737B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体材料を用いた半導体レーザ素子に係わり、特に、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮなど窒素を含む化合物半導体からなる半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、家庭電化製品，ＯＡ機器，通信機器，工業計測器などさまざまな分野で半導体レーザが用いられている。中でも多くの分野で用いられることになるであろうと予想される高密度光ディスク記録等への応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が注力されている。現在は赤色半導体レーザが用いられており、それまでの赤外半導体レーザに比べ記録密度が向上した。
【０００３】
更なる高密度化のためにＺｎＳｅ系の半導体レーザが開発されているが次世代の光ディスク記録等への応用には欠陥の低減が困難で、動作電圧が高いなど材料的な問題が数多く存在する。波長が短いものでも４６０ｎｍ程度とシステムから要求される４２０ｎｍ台での発振は物性からいって困難である。
【０００４】
一方、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザは、３５０ｎｍ以下までの短波長が可能で、４００ｎｍでの発振動作が報告されている。かかる窒化物系半導体レーザは信頼性に関しても優れている。ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の場合であるが、１万時間以上の信頼性が確認されている。このように窒化物系半導体は次世代の光ディスク記録用光源として必要な条件を満たす優れた特性を持つ材料である。
【０００５】
かかる窒化物系半導体レーザは応用範囲が広くこれから多くの分野で使用されるものであると考えられるが、へき開性に乏しいサファイア上に作成されることが一般的であり、共振器を形成するミラーをへき開で作成することが難しい。即ち、サファイア基板がへき開を妨げミラーの平坦性及び平行性を悪化させていたため、へき開によりミラーを歩留まり良く作成することができなかった。へき開以外で共振器ミラーを作成する方法としてエッチングによる方法があるが、平滑なミラーを作成することは難しい。また、近年、レーザを多数個並べてアレー化する利用用途が増えてきているが、へき開による作製では歩留まりが悪く生産コストが高い。
【０００６】
また、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザを面発光型レーザとして作製する手法もある。図６は、従来の面発光型窒化物系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。１０１はサファイア基板、１０１ａはＧａＮバッファ層、１０２はｎ側多重積層型反射層、１０３はｎ側コンタクト層、１０４は活性層、１０５はｐ側コンタクト層、１０６はｐ側多重積層型反射層、１０７はｎ側電極、１０８はｐ側電極、１０９は高抵抗層である。この手法においては、ＧａＮを含む窒化物系半導体から多層反射層を作成する場合には、平坦性が悪く反射率が高いミラーを作成できなかった。また、反射率を高くすべく各層の屈折率差を大きくするためにＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層等を用いる必要が生じる。Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気伝導性が悪く、面発光型レーザの動作電圧が高くなるという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザはへき開性に乏しいサファイア上に作成されることが一般的であるが、共振器を形成するミラーをへき開で作成することが難しい。へき開以外で共振器ミラーを作成する方法としてエッチングによる方法があるが、平滑なミラーを作成することは難しい。また、近年、レーザを多数個並べてアレー化する利用用途が増えてきているが、へき開による作製では歩留まりが悪く生産コストが高い。
【０００８】
さらにまた、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザを面発光型レーザとして作製する場合には、ＧａＮを含む窒化物系半導体から多層反射層を作成しても、平坦性が悪く反射率が高いミラーを作成できなかった。反射率を高くすべく各層の屈折率差を大きくするためにＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層等を用いる場合、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気伝導性が悪く、面発光型レーザの動作電圧が高くなるという問題点があった。
【０００９】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的は反射率が高く動作電圧が低い窒化物系の半導体レーザを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（構成）
前述した課題を解決するために本発明は、基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる発光層と、この発光層の上下のうち少なくとも一方の側に形成され、低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる反射層と、前記発光層に対して電流を供給する電極とを備え、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００１１】
かかる本発明において、以下の構成を備えることが望ましい。
【００１２】
（１）前記発光層から発せられる光の波長をλ、前記低屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さをｄi（ｉは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｎi（ｉは自然数）、前記高屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さをｅj（ｊは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｍj（ｊは自然数）とした場合、Σｄi×ｎi＝λ／４及びΣｅj×ｍj＝λ／４を満足すること。
【００１３】
（２）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層には、同じ組成のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が前記低屈折率層と高屈折率層に共通して用いられ、前記低屈折率層と高屈折率層のそれぞれにおける前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の厚みの割合が異なること。
【００１４】
（３）前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体は（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＮであること。
【００１５】
（４）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層はすべて（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＮ（０＜ｘ＜１）からなること。
【００１６】
（５）前記低屈折率層及び高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さは１０ｎｍ以下であること。
【００１７】
（６）前記低屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さは３ｎｍ以上５ｎｍ以下であること。
【００１８】
（７）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層に含まれる一導電型不純物の濃度は、当該層よりバンドギャップが小さい層に含まれる前記一導電型不純物の濃度よりも高いこと。この場合、前記反射層の側面に前記電極が設けられ、前記反射層の面内方向に沿って電流が流れること。
【００１９】
（８）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層と当該層に隣接して形成され当該層よりバンドギャップが小さい層との界面に含まれる一導電型不純物の濃度は、前記界面以外の前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高いこと。
【００２０】
（９）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層との界面部分の一導電型不純物の濃度は、前記界面以外の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高いこと。
【００２１】
（１０）（８）及び（９）の場合において、前記反射層の上下の位置に一対の前記電極が設けられ、前記反射層の積層方向に電流が流れること。
【００２２】
（１１）前記反射層の一部の構造の秩序が乱雑になっており、当該乱雑部分に対して前記電極が近接して設けられ、かつ前記乱雑部分は前記発光層の上下の位置を避けて形成されていること。ここで、前記乱雑部分とは結晶構造が前記反射層の積層構造の部分に比べて不規則になっている状態のものを指す。例えば、シンター工程等により電極の材料がその下層の積層構造中に拡散し、当該積層構造中の不純物も電極側へ相互拡散する場合や、積層構造にイオン注入等が行われることにより当該積層構造中の原子配列が乱れる場合の構造を指す。
【００２３】
（作用）
本発明によれば、基板上の発光層の上下のうち少なくとも一方の側に反射層が形成され、この反射層は低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されて構成されており、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなるので、これらの組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を波長に比べて十分短い周期で積層して前記反射層を形成することにより、高反射率と低動作電圧をともに達成した反射層を提供することが可能である。
【００２４】
特に、前記発光層から発せられる光の波長をλ、前記低屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さをｄi（ｉは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｎi（ｉは自然数）、前記高屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さをｅj（ｊは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｍj（ｊは自然数）とした場合、Σｄi×ｎi＝λ／４及びΣｅj×ｍj＝λ／４を満足することにより反射率が顕著に高いミラーを備えた半導体レーザ装置を作製することができる。
【００２５】
また、前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層に含まれる一導電型不純物の濃度を、当該層よりバンドギャップが小さい層に含まれる前記一導電型不純物の濃度よりも高くすることにより、前記反射層の抵抗率、特に前記反射層の面内方向に沿った抵抗率をさらに低減させることができ、前記反射層の側面に前記電極が設けられる場合、前記反射層の面内方向に沿って電流を有効に流すことが可能である。
【００２６】
また、前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層と当該層に隣接して形成され当該層よりバンドギャップが小さい層との界面に含まれる一導電型不純物の濃度を、前記界面以外の前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高くすることにより、前記反射層の抵抗率、特に前記反射層の積層方向に沿った抵抗率をさらに低減させることができ、前記反射層の上下の位置に一対の前記電極が設けられる場合、前記反射層の積層方向に沿って電流を有効に流すことが可能である。さらにまた、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層との界面部分の一導電型不純物の濃度を、前記界面以外の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高くすることによっても、前記反射層の抵抗率、特に前記反射層の積層方向に沿った抵抗率を同様に低減させることができる。
【００２７】
また、前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層には、同じ組成のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を前記低屈折率層と高屈折率層に共通して用い、前記低屈折率層と高屈折率層のそれぞれにおける前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の厚みの割合を異ならせた構成とすることにより、前記反射層の積層構造を少ない種類（組成の種類）のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を用いて構成することができ、より簡便な方法で半導体発光素子を作製することが可能となる。
【００２８】
前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さを１０ｎｍ以下とした場合に、高反射率及び低動作電圧の反射層を得ることができ、特にこの効果は３ｎｍ以上５ｎｍ以下の場合に著しい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いつつ詳細に説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態では面発光型レーザをサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法により作製する例を示す。
【００３１】
図１において、１１はサファイア基板、１２はＧａＮバッファ層、１３はｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層（厚み４６ｎｍのAlGaN層と厚み４２ｎｍのGaN層とを交互に積層，全積層数３０ペア，Ｓｉドープ，Ｓｉドープ濃度５×１０18ｃｍ-3）、１４はＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層（Ｓｉドープ，Ｓｉドープ濃度３×１０19ｃｍ-3，厚み０．１μｍ）、１５は多重量子井戸型（ＭＱＷ）Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層（アンドープ，厚み３０ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と厚み８０ｎｍのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層とを交互に積層，全積層数３０ペア）１６は第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層（Ｍｇドープ，Ｍｇドープ濃度５×１０18ｃｍ-3，厚み０．１μｍ）、１７はｎ型ＧａＮ電流狭窄層（Ｓｉドープ，Ｓｉドープ濃度３〜５×１０18ｃｍ-3，厚み０．１μｍ）、１８は第２のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層（Ｍｇドープ，Ｍｇドープ濃度５×１０18ｃｍ-3，厚み０．２μｍ、１９は発振波長に比べ短周期のｐ型AlGaN多重積層型反射層（Al組成４０％，厚み４０ｎｍのAlGaN層（低屈折率層、屈折率２．２８、ここでいう屈折率は低屈折率層の平均の屈折率を指す。）とAl組成約１７％，厚み４８ｎｍのAlGaN層（高屈折率層、屈折率２．４８、ここでいう屈折率は高屈折率層の平均の屈折率を指す。）とを交互に積層，全積層数４０ペア，Ｍｇドープ，Ｍｇドープ濃度３×１０19ｃｍ-3）、２０はｎ側電極、２１はｐ側電極、２２はＳｉＯ2絶縁保護膜である。
【００３２】
本発明のポイントであるｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の構成は以下の通りとなっている。即ち、多重積層型反射層１９は上記した低屈折率層と高屈折率層とが交互に４０ペア積層された構造となっている。このうち低屈折率層として、AlGaNのAl組成が１０％と５０％の組み合わせのものが用いられ、それぞれの厚さが２ｎｍと６ｎｍとなるように５層の繰り返しで積層構造が構成されている。このようにAl組成が１０％と５０％の膜が交互に積層されることにより、Ａｌ組成４０％相当の低屈折率層が形成されている。また一方、高屈折率層として、AlGaNの同じ組成のものが用いられ、それぞれの厚さが１０ｎｍと２ｎｍとなるように４層の繰り返しで積層構造が構成されている。このようにAl組成が１０％と５０％の膜が交互に積層されることにより、Ａｌ組成約１７％相当の高屈折率層が形成されている。
【００３３】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、ｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の低屈折率層を構成するAl組成が１０％のAlGaN（厚み２ｎｍ、屈折率２．４３とAl組成が５０％のAlGaN（厚み６ｎｍ、屈折率２．２４）と多重量子井戸型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層１５から発せられる光の波長λ＝４００ｎｍとの間には、かかる低屈折率層を構成する組成の異なるAlGaNのそれぞれの厚さをｄi（ｉは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｎi（ｉは自然数）とした場合に、Σｄi×ｎi＝λ／４を満足することが望ましい。さらに、ｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の高屈折率層を構成するAl組成が１０％のAlGaN（厚み１０ｎｍ、屈折率２．４３）とAl組成が５０％のAlGaN（厚み２ｎｍ、屈折率２．２４）と活性層１５から発せられる光の波長λ＝４００ｎｍとの間には、かかる高屈折率層を構成する組成の異なるAlGaNのそれぞれの厚さをｅj（ｊは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｍj（ｊは自然数）とした場合に、Σｅj×ｍj＝λ／４を満足することが望ましい。したがって、以上の関係式を満たすことにより反射率が高いミラーを備えた半導体レーザ装置を作製することができる。
【００３４】
次に、上記した青色半導体レーザ装置の製造方法について説明する。上記積層構造を形成するためにＭＯＣＶＤ法による結晶成長を行っている。まず、サファイア基板１１に対して有機溶剤と酸で前処理を行った後に、処理済の基板１１をMOCVD装置の成長室の中に導入した。この成長室内において基板温度が１３００℃になるまで基板１１を水素雰囲気中で昇温し、表面の酸化膜を除去した。次に、基板温度を成長温度である１０３０℃に下げてこの状態で原料ガス供給を行い、GaN層１２の成長を開始した。原料ガスとしてはアンモニア（ＮＨ3）とトリメチルガリウム（TMG）を用い、ガス流量はそれぞれ１０リットル/minと１００ｃｃ/minとし、成長室内の圧力は１気圧とした。
【００３５】
次に、通常のMOCVD成長法を用いてそれぞれ原料ガスの切り替えを行いｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層１３の積層構造を形成した。即ち、Ｇａの原料ガスとしてTMG（AlGaN成長時ガス流量１０ｃｃ/min、GaN成長時ガス流量１００ｃｃ/min）を、Ａｌの原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（TMA）（ガス流量３００ｃｃ/min）を、窒素の原料ガスとしてＮＨ3（ガス流量１０リットル/min）を、Ｓｉの原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ4）（ガス流量（１００）ｃｃ/min）を用い、基板温度を１１００℃、成長室内の圧力は１気圧とした。
【００３６】
次に、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１４、多重量子井戸型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層１５、第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１６、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層１７を順次成長した。この時、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、窒素の原料ガスとしては上記した原料ガスを用い、さらにＩｎの原料ガスとしてトリメチルインジウム（TMI）を、Ｍｇの原料ガスとしてシクロペンタジマグネシウム（Cp2Mg）を用いた。
【００３７】
以上の結晶成長時には、それぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。さらに使用する原料ガスが共通であるため切り替えが少なく、ガス切り替え時間が要らず効率的であり、ガス切り替えに伴う蒸発などがない。以上の効果は、特にｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層１３の成長時に著しい。
【００３８】
以上の結晶成長後に、MOCVD装置の成長室より基板を取り出してこの基板に対して加工工程を行った。即ち、活性層１５上で電流を狭窄できるように、電流を流すための直径１０μｍの穴をパターニングとドライエッチングを用いて開ける。この穴は活性層１５直上の位相整合層１６まで達する。この後、再びMOCVD装置に基板を搬入し成長を行った。成長は第２のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１８から行った。
【００３９】
位相整合層１８の成長後、通常のMOCVD成長法を用いてそれぞれ原料ガスの切り替えを行いｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の成長を行った。Ｇａの原料ガスとしてTMGを、Ａｌの原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（TMA）を、窒素の原料ガスとしてＮＨ3（ガス流量１０リットル/min）を、Ｍｇの原料ガスとしてシクロペンタジマグネシウム（Cp2Mg）（ガス流量１００ｃｃ/min）を用い、基板温度を１１００℃、成長室内の圧力は１気圧とした。
【００４０】
ここで、AlGaNのAl組成が１０％の層を形成するときのTMGのガス流量を１００ｃｃ/min、TMAのガス流量を１００ｃｃ/minとした。また、AlGaNのAl組成が５０％の層を形成するときのTMGのガス流量を５０ｃｃ/min、TMAのガス流量を２５０ｃｃ/minとした。
【００４１】
このｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の成長工程においては、上述したようにAl組成が１０％と５０％の膜をそれぞれ２ｎｍと６ｎｍとなるように５層の繰り返しで積層することにより低屈折率層を形成し、それぞれ１０ｎｍと２ｎｍとなるように４層の繰り返しで積層することにより高屈折率層を形成した。このように低屈折率層と高屈折率層とを交互に４０ペア積層して多重積層型反射層１９を形成した。
【００４２】
以上の結晶成長時においても、それぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。さらに使用する原料ガスが共通であるため切り替えが少なく、ガス切り替え時間が要らず効率的であり、ガス切り替えに伴う蒸発などがない。
【００４３】
次に、MOCVD装置の成長室より基板を取り出してこの基板に対して加工工程を行った。即ち、ｐ型AlGaN多重積層型反射層１９、第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１８、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層１７、第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１６、多重量子井戸型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層１５、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１４を順次エッチングして、ｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層１３の途中までエッチングを行った。
【００４４】
次に、リーク電流を防止すること及び共振器側面からの光の漏れを防止することを目的として、ＳｉＯ2絶縁保護膜（光閉じ込め層）２２をＣＶＤにより全面に形成した。このＳｉＯ2絶縁保護膜２２に多重積層型反射層１３に通ずる開口部を形成した。この開口部内にｎ側電極２０を蒸着により形成した。
【００４５】
さらに、ＳｉＯ2絶縁保護膜２２の一部を選択的にエッチングしてｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の一部を露出した後、この多重積層型反射層１９の周辺部を当該反射層１９の途中まで選択的にエッチングした。エッチングされた多重積層型反射層１９の周辺部の表面にはｐ側電極２１を形成した。
【００４６】
この後、ｎ側電極２０及びｐ側電極２１にそれぞれ接するｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層１３及びｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の超格子部分を乱雑化するためにアニールを６００℃で行った。これにより多重積層型反射層１３及び多重積層型反射層１９はコンタクト層として機能するようになる。
【００４７】
なお、図１ではｐ側電極２１はｐ型AlGaN多重積層型反射層１９のエッチング露出底面にのみ形成されているが、多重積層型反射層１９全体を覆う構造でもよい。このとき、多重積層型反射層１９に対して横方向から電流が注入されることとなるのでコンタクト抵抗が下がる。
【００４８】
この素子を動作させたところ、しきい値電流５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は４００ｎｍ、動作電圧は３．１Ｖであった。遠視野像は単一モードで発振していることを示す単峰なものであった。本発明のような発振波長に比べ短周期の多層積層型反射層を用いていないλ／４の多層膜を用いたこれまでの面発光レーザでは、動作電圧は５V以上であり、発熱による発振停止や素子劣化が生じていた。本発明による面発光レーザは温度上昇が少なく素子劣化もなかった。また、本発明による面発光レーザの信頼性については、温度を７０℃にしての加速試験において１０万時間相当の信頼性試験を行っても劣化は見られなかった。
【００４９】
次に、多重積層型反射層の不純物ドーピングプロファイルの最適条件について説明する。例えば、ｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の不純物ドーピングプロファイルにはいくつかの最適条件がある。
【００５０】
１つの手法として低屈折率層へ選択的に不純物をドーピングする方法がある。これは、発振波長に比べ短周期の多層積層型反射層の中でバンドギャップの大きな低屈折率層に対して不純物ドーピングの量を多くすることにより水平方向の抵抗を極端に小さくする方法である。電子が通る高屈折率層において不純物が少なく移動度が高いことを利用している。このように選択的に不純物をドーピングすることにより、水平方向に電流パスが長く薄い部分を持つ素子構造、例えばｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の厚さが１００ｎｍ以下の場合には抵抗を下げるのに有効となる。
【００５１】
もう１つの手法として高屈折率層と低屈折率層との界面へ局部的なドーピングを行う方法がある。バンドギャップの小さい高屈折率層の両端、即ちバンドギャップが小さい高屈折率層のうちバンドギャップが大きい低屈折率層との界面部分に対して局部的に不純物ドーピングを行って不純物濃度を大きくすることにより、水平、垂直方向ともに抵抗を小さくする方法である。この方法では歪み電界によりホールがキャリヤとして吐き出され易くなるためにキャリヤ濃度を向上させることが可能である。この場合、ドーピングされた不純物による散乱により移動度は下がるが、高屈折率層と低屈折率層との界面付近では不純物ドーピングによってバンドオフセットのエネルギー障壁が薄くなることにより、当該界面を越えて流れるキャリヤはスムーズに流れる。ただし、この場合は高屈折率層における不純物散乱等のために横方向の抵抗率は前者の手法に比べて大きい。
【００５２】
図４は低屈折率層の不純物ドーピング濃度と抵抗率との関係を示す特性図である。この図に示されるようにドーピング濃度が高くなるにつれて抵抗率は下がり、低屈折率層全体に高濃度ドーピングを行う場合及び高屈折率層と低屈折率層との界面に高濃度ドーピングを行う場合ともに水平方向の抵抗率が垂直方向の抵抗率よりも小さくなった。また、水平方向の抵抗率は、低屈折率層に高濃度ドーピングを行う場合の方が界面に高濃度ドーピングを行う場合よりも小さくなった。一方、垂直方向の抵抗率は、界面に高濃度ドーピングを行う場合の方が低屈折率層に高濃度ドーピングを行う場合よりも小さくなった。
【００５３】
したがって、水平方向に電流を流して電流を取り出す構造の発光素子では、低屈折率層全体に高濃度ドーピングを行うことが望ましく、特にドーピング濃度が９×１０18ｃｍ-3以上の場合に抵抗率が１Ω・ｃｍ以下となって抵抗の低下及び動作電圧の低減の効果が著しい。また、垂直方向に電流を流して電流を取り出す構造の発光素子では、高屈折率層と低屈折率層との界面付近に高濃度ドーピングを行うことが望ましく、特にドーピング濃度が１×１０19ｃｍ-3以上の場合に抵抗率が１Ω・ｃｍ以下となって抵抗の低下及び動作電圧の低減の効果が著しい。なお、実際には電極下では電極シンター工程において電極材料が層中に拡散し、この時に層中の不純物も相互拡散する可能性があるため、垂直方向に電圧が低くなるドーピングプロファイルに不純物のプロファイルを変えることが可能である。
【００５４】
本実施形態では多層積層型反射層部分の各層の厚さをいろいろと変えて反射率と導電性の双方が両立できるように最適化することができる。
図５は低屈折率層の厚さと抵抗率との関係を示す特性図である。この図に示されるように抵抗率は低屈折率層の厚さにより変化するが、それぞれの組成において最適値はあるものの、概ね２ｎｍから５ｎｍ厚さが好ましい。この範囲の上限より厚くなりすぎると、格子ひずみが緩和してしまい内部電場が発生しない。このような状態になるとキャリヤが吐き出されず抵抗は高い。一方、当該範囲の下限よりも薄くなりすぎると、歪が小さく歪み電界が十分に生じないためにホール吐き出しによるキャリヤ濃度の向上効果が不十分となるという問題がある。特に３ｎｍから５ｎｍが好ましい。
【００５５】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態に係わる面発光青色半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態では面発光型レーザをＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy，分子線エピタキシャル成長）法により作製する例を示す。
【００５６】
図２において、３１はGaN基板、３２は発振波長に比べ短周期のｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層（Al組成１７％，厚み４８ｎｍのAlGaN層（高屈折率層、屈折率２．４８、ここでいう屈折率は高屈折率層の平均の屈折率を指す。）とAl組成４０％，厚み４０ｎｍのAlGaN層（低屈折率層、屈折率２．２８、ここでいう屈折率は低屈折率層の平均の屈折率を指す。）とを交互に積層，全積層数４０ペア，Ｓｉドープ，Ｓｉドープ濃度３〜５×１０19ｃｍ-3）、３３はＩｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層（アンドープ，厚み０．１μｍ）、３４はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層（アンドープ，厚み２０ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と厚み６０ｎｍのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層とを交互に積層，全積層数１５ペア）、３５はＩｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層（アンドープ，厚み０．１μｍ）、３６は発振波長に比べ短周期のｐ型AlGaN多重積層型反射層（Al組成４０％，厚み４０ｎｍのAlGaN層（低屈折率層、屈折率２．２８、ここでいう屈折率は低屈折率層の平均の屈折率を指す。）とAl組成約１７％，厚み４８ｎｍのAlGaN層（高屈折率層、屈折率２．４８、ここでいう屈折率は高屈折率層の平均の屈折率を指す。）とを交互に積層，全積層数４０ペア，Ｍｇドープ，Ｍｇドープ濃度２×１０19ｃｍ-3）、３７は酸素イオン打ち込みによる高抵抗層（酸素濃度１×１０20ｃｍ-3）、３８はＳｉＯ2／ＺｒＯ多層反射膜、３９はｐ側電極、４０はｎ側電極である。
【００５７】
本発明のポイントであるｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２及びｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の構成は以下の通りとなっている。即ち、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２は上記した低屈折率層と高屈折率層とが交互に４０ペア積層された構造となっている。このうち低屈折率層として、AlGaNのAl組成が１０％と５０％の組み合わせのものが用いられ、それぞれの厚さが２ｎｍと６ｎｍとなるように５層の繰り返しで積層構造が構成されている。このようにAl組成が１０％と５０％の膜が交互に積層されることにより、Ａｌ組成４０％相当の低屈折率層が形成されている。また一方、高屈折率層として、AlGaNの同じ組成のものが用いられ、それぞれの厚さが１０ｎｍと２ｎｍとなるように４層の繰り返しで積層構造が構成されている。このようにAl組成が１０％と５０％の膜が交互に積層されることにより、Ａｌ組成１７％相当の高屈折率層が形成されている。なお、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の構成はｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の構成と同様である。
【００５８】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の低屈折率層を構成するAl組成が１０％のAlGaN（厚み２ｎｍ、屈折率２．４３）とAl組成が５０％のAlGaN（厚み６ｎｍ、屈折率２．２４）とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層３４から発せられる光の波長λ＝４００ｎｍとの間には、かかる低屈折率層を構成する組成の異なるAlGaNのそれぞれの厚さをｄi（ｉは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｎi（ｉは自然数）とした場合に、Σｄi×ｎi＝λ／４を満足することが望ましい。さらに、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の高屈折率層を構成するAl組成が１０％のAlGaN（厚み１０ｎｍ、屈折率２．４３）とAl組成が５０％のAlGaN（厚み２ｎｍ、屈折率２．２４）と活性層３４から発せられる光の波長λ＝４００ｎｍとの間には、かかる高屈折率層を構成する組成の異なるAlGaNのそれぞれの厚さをｅj（ｊは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｍj（ｊは自然数）とした場合に、Σｅj×ｍj＝λ／４を満足することが望ましい。なお、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６も同様に関係式を満たしている。したがって、以上の関係式を満たすことにより反射率が高いミラーを備えた半導体レーザ装置を作製することができる。
【００５９】
次に、上記した青色半導体レーザ装置の製造方法について説明する。上記積層構造を形成するためにＭＢＥ法による結晶成長を行っている。窒素ガスをRF（高周波）によりラジカルとしたものを窒素ソースとして用いた。また、ＧａソースはＧａ単体、ＡｌソースはＡｌ単体、ＩｎソースはＩｎ単体、ＳｉソースはＳｉ単体、ＭｇソースはＭｇ単体を用いた。
【００６０】
まず、窒素ソース，Ｓｉソースのシャッターを開け、Ｇａソース，Ａｌソースのシャッターの開閉を行って、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２を形成した。ここで、AlGaNのAl組成が１０％の層を形成するときのＧａの蒸気圧は１．５×１０-5Ｐａ、Ａｌの蒸気圧は２×１０-6Ｐａとした。また、AlGaNのAl組成が５０％の層を形成するときのＧａの蒸気圧は８×１０-6Ｐａ、Ａｌの蒸気圧は８×１０-6Ｐａとした。窒素の分圧は５×１０-3Ｐａ、Ｓｉの蒸気圧は２×１０-7Ｐａ、基板温度は１１００℃、成長室内の圧力は１気圧とした。
【００６１】
この多重積層型反射層３２の成長工程においては、上述したようにAl組成が１０％と５０％の膜をそれぞれ２ｎｍと６ｎｍとなるように５層の繰り返しで積層することにより低屈折率層を形成し、それぞれ１０ｎｍと２ｎｍとなるように４層の繰り返しで積層することにより高屈折率層を形成した。このように低屈折率層と高屈折率層とを交互に４０ペア積層して多重積層型反射層３２を形成した。
【００６２】
以上の結晶成長時においても、第１の実施形態と同様にそれぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。さらに使用するソースが共通であるため切り替えが少なく、ソース切り替え時間が要らず効率的であり、ソース切り替えに伴う蒸発などがない。
【００６３】
次に、Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層３３、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層３４、Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層３５を順次成長した。かかる結晶成長時においても、それぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。ソース切り替えも効率的であり、ソース切り替えに伴う蒸発などもない。
【００６４】
次に、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の形成を形成した。この多重積層型反射層３６の形成条件はｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の形成条件と同様である。Ｍｇの蒸気圧は２×１０-7Ｐａであった。
【００６５】
その後、誘電体積層膜３８をスパッタリングにより蒸着した。用いた材料は高屈折率材料としてＺｒＯ2、低屈折率材料としてＳｉＯ2である。スパッタリングによっても酸素の抜けによりストイキオメトリが保たれないことがあるので、蒸着装置内に適宜酸素を導入しストイキオメトリが保たれるように注意して蒸着を行った。ここで、厚さは発振波長がストップバンド内に十分入るようにして設計されている。高屈折率材料膜と低屈折率材料膜を１０ペア積層した場合のストップバンド幅は１００ｎｍである。
【００６６】
この後、MOCVD装置の成長室より基板を取り出してこの基板に対して加工工程を行った。即ち、誘電体積層膜３８、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６、Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層３５、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層３４、Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層３３を順次エッチングして、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の途中までエッチングを行った。さらに、誘電体積層膜３８を発光部分に対応する部分が残るようにエッチング加工して誘電体ミラー層３８を形成した。
【００６７】
次に、エッチングしたｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の露出表面にｎ側電極４０を、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の露出表面にｐ側電極３９をそれぞれ蒸着により形成した。さらに、ｎ側電極４０及びｐ側電極３９にそれぞれ接するｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２及びｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の超格子部分を乱雑化するためにアニールを６００℃で行った。これにより多重積層型反射層３２及び３６はコンタクト層としても機能するようになる。
【００６８】
なお、ｐ側電極３９直下の活性層３４付近に酸素をイオン注入することによりイオン注入部分に高抵抗層３７（酸素濃度１×１０20ｃｍ-3）を形成し、電流が誘電体ミラー層３８の直下にのみ流れるようにする。また、ｎ側電極４０及びｐ側電極３９が形成されていない部分を保護し側面からの光の染み出しを防ぐためにＳｉＯ２膜を当該電極以外の部分に形成した。
【００６９】
本実施形態による素子は、誘電体積層膜３８の存在により第１の実施形態のものに比較してｐ側の反射率が高いので、発振閾値が低く、しきい値電流１ｍＡで発振した。動作電圧は３．４Ｖであり、片側に誘電体を用いた素子としては電圧も低かった。
【００７０】
図３は本実施形態の変形例を示す断面図である。図２と同一部分には同一符号を付して示す。図３に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２をその積層方向に対して斜め方向にエッチングし、エッチングによる露出表面にｎ側電極４１を形成した。一方、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６についてもその積層方向に対して斜め方向にエッチングし、エッチングによる露出表面にｐ側電極４２を形成した。このようにｎ側電極４１及びｐ側電極４２がそれぞれ多重積層型反射層３２及び３６に対して積層方向に対して斜めに接しているので、これらの電極からの電流注入がスムーズに行われて接触抵抗を下げることが可能となる。
【００７１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはない。例えば、積層構造を形成するために使用する基板として上記実施形態ではサファイアやＧａＮを用いたが、他の基板でもよく具体的にはＳｉＣ，ＡｌＧａＮ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｕなどがあげられる。また、多重積層型反射層は活性層に対して片側でもよく、その場合はレーザ発振はしないが高効率で高輝度なＬＥＤを得ることが可能である。
【００７２】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、反射率が高く動作電圧が低い窒化物系の半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図。
【図２】 本発明の第２の実施形態に係わる面発光青色半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図。
【図３】 本発明の第２の実施形態に係わる面発光青色半導体レーザ装置の変形例の構成を示す断面図。
【図４】 低屈折率層のドーピング濃度と抵抗率との関係を示す特性図。
【図５】 低屈折率層の厚さと抵抗率との関係を示す特性図。
【図６】 従来の面発光型半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２…ＧａＮバッファ層
１３…ｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層
１４…Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
１５…多重量子井戸型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層
１６…第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
１７…ｎ型ＧａＮ電流狭窄層
１８…第２のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
１９…ｐ型AlGaN多重積層型反射層
２０…ｎ側電極
２１…ｐ側電極
２２…ＳｉＯ2絶縁保護膜
３１…GaN基板
３２…ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層
３３…Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層
３４…Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層
３５…Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層
３６…ｐ型AlGaN多重積層型反射層
３７…高抵抗層
３８…ＳｉＯ2／ＺｒＯ多層反射膜
３９、４２…ｐ側電極
４０、４１…ｎ側電極
１０１…サファイア基板
１０１ａ…ＧａＮバッファ層
１０２…ｎ側多重積層型反射層
１０３…ｎ側コンタクト層
１０４…活性層
１０５…ｐ側コンタクト層
１０６…ｐ側多重積層型反射層
１０７…ｎ側電極
１０８…ｐ側電極
１０９…高抵抗層
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体材料を用いた半導体レーザ素子に係わり、特に、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮなど窒素を含む化合物半導体からなる半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、家庭電化製品，ＯＡ機器，通信機器，工業計測器などさまざまな分野で半導体レーザが用いられている。中でも多くの分野で用いられることになるであろうと予想される高密度光ディスク記録等への応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が注力されている。現在は赤色半導体レーザが用いられており、それまでの赤外半導体レーザに比べ記録密度が向上した。
【０００３】
更なる高密度化のためにＺｎＳｅ系の半導体レーザが開発されているが次世代の光ディスク記録等への応用には欠陥の低減が困難で、動作電圧が高いなど材料的な問題が数多く存在する。波長が短いものでも４６０ｎｍ程度とシステムから要求される４２０ｎｍ台での発振は物性からいって困難である。
【０００４】
一方、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザは、３５０ｎｍ以下までの短波長が可能で、４００ｎｍでの発振動作が報告されている。かかる窒化物系半導体レーザは信頼性に関しても優れている。ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の場合であるが、１万時間以上の信頼性が確認されている。このように窒化物系半導体は次世代の光ディスク記録用光源として必要な条件を満たす優れた特性を持つ材料である。
【０００５】
かかる窒化物系半導体レーザは応用範囲が広くこれから多くの分野で使用されるものであると考えられるが、へき開性に乏しいサファイア上に作成されることが一般的であり、共振器を形成するミラーをへき開で作成することが難しい。即ち、サファイア基板がへき開を妨げミラーの平坦性及び平行性を悪化させていたため、へき開によりミラーを歩留まり良く作成することができなかった。へき開以外で共振器ミラーを作成する方法としてエッチングによる方法があるが、平滑なミラーを作成することは難しい。また、近年、レーザを多数個並べてアレー化する利用用途が増えてきているが、へき開による作製では歩留まりが悪く生産コストが高い。
【０００６】
また、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザを面発光型レーザとして作製する手法もある。図６は、従来の面発光型窒化物系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。１０１はサファイア基板、１０１ａはＧａＮバッファ層、１０２はｎ側多重積層型反射層、１０３はｎ側コンタクト層、１０４は活性層、１０５はｐ側コンタクト層、１０６はｐ側多重積層型反射層、１０７はｎ側電極、１０８はｐ側電極、１０９は高抵抗層である。この手法においては、ＧａＮを含む窒化物系半導体から多層反射層を作成する場合には、平坦性が悪く反射率が高いミラーを作成できなかった。また、反射率を高くすべく各層の屈折率差を大きくするためにＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層等を用いる必要が生じる。Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気伝導性が悪く、面発光型レーザの動作電圧が高くなるという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザはへき開性に乏しいサファイア上に作成されることが一般的であるが、共振器を形成するミラーをへき開で作成することが難しい。へき開以外で共振器ミラーを作成する方法としてエッチングによる方法があるが、平滑なミラーを作成することは難しい。また、近年、レーザを多数個並べてアレー化する利用用途が増えてきているが、へき開による作製では歩留まりが悪く生産コストが高い。
【０００８】
さらにまた、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザを面発光型レーザとして作製する場合には、ＧａＮを含む窒化物系半導体から多層反射層を作成しても、平坦性が悪く反射率が高いミラーを作成できなかった。反射率を高くすべく各層の屈折率差を大きくするためにＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層等を用いる場合、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気伝導性が悪く、面発光型レーザの動作電圧が高くなるという問題点があった。
【０００９】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的は反射率が高く動作電圧が低い窒化物系の半導体レーザを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（構成）
前述した課題を解決するために本発明は、基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる発光層と、この発光層の上下のうち少なくとも一方の側に形成され、低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる反射層と、前記発光層に対して電流を供給する電極とを備え、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００１１】
かかる本発明において、以下の構成を備えることが望ましい。
【００１２】
（１）前記発光層から発せられる光の波長をλ、前記低屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さをｄi（ｉは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｎi（ｉは自然数）、前記高屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さをｅj（ｊは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｍj（ｊは自然数）とした場合、Σｄi×ｎi＝λ／４及びΣｅj×ｍj＝λ／４を満足すること。
【００１３】
（２）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層には、同じ組成のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が前記低屈折率層と高屈折率層に共通して用いられ、前記低屈折率層と高屈折率層のそれぞれにおける前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の厚みの割合が異なること。
【００１４】
（３）前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体は（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＮであること。
【００１５】
（４）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層はすべて（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＮ（０＜ｘ＜１）からなること。
【００１６】
（５）前記低屈折率層及び高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さは１０ｎｍ以下であること。
【００１７】
（６）前記低屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さは３ｎｍ以上５ｎｍ以下であること。
【００１８】
（７）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層に含まれる一導電型不純物の濃度は、当該層よりバンドギャップが小さい層に含まれる前記一導電型不純物の濃度よりも高いこと。この場合、前記反射層の側面に前記電極が設けられ、前記反射層の面内方向に沿って電流が流れること。
【００１９】
（８）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層と当該層に隣接して形成され当該層よりバンドギャップが小さい層との界面に含まれる一導電型不純物の濃度は、前記界面以外の前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高いこと。
【００２０】
（９）前記反射層の低屈折率層と高屈折率層との界面部分の一導電型不純物の濃度は、前記界面以外の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高いこと。
【００２１】
（１０）（８）及び（９）の場合において、前記反射層の上下の位置に一対の前記電極が設けられ、前記反射層の積層方向に電流が流れること。
【００２２】
（１１）前記反射層の一部の構造の秩序が乱雑になっており、当該乱雑部分に対して前記電極が近接して設けられ、かつ前記乱雑部分は前記発光層の上下の位置を避けて形成されていること。ここで、前記乱雑部分とは結晶構造が前記反射層の積層構造の部分に比べて不規則になっている状態のものを指す。例えば、シンター工程等により電極の材料がその下層の積層構造中に拡散し、当該積層構造中の不純物も電極側へ相互拡散する場合や、積層構造にイオン注入等が行われることにより当該積層構造中の原子配列が乱れる場合の構造を指す。
【００２３】
（作用）
本発明によれば、基板上の発光層の上下のうち少なくとも一方の側に反射層が形成され、この反射層は低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されて構成されており、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなるので、これらの組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を波長に比べて十分短い周期で積層して前記反射層を形成することにより、高反射率と低動作電圧をともに達成した反射層を提供することが可能である。
【００２４】
特に、前記発光層から発せられる光の波長をλ、前記低屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さをｄi（ｉは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｎi（ｉは自然数）、前記高屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さをｅj（ｊは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｍj（ｊは自然数）とした場合、Σｄi×ｎi＝λ／４及びΣｅj×ｍj＝λ／４を満足することにより反射率が顕著に高いミラーを備えた半導体レーザ装置を作製することができる。
【００２５】
また、前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層に含まれる一導電型不純物の濃度を、当該層よりバンドギャップが小さい層に含まれる前記一導電型不純物の濃度よりも高くすることにより、前記反射層の抵抗率、特に前記反射層の面内方向に沿った抵抗率をさらに低減させることができ、前記反射層の側面に前記電極が設けられる場合、前記反射層の面内方向に沿って電流を有効に流すことが可能である。
【００２６】
また、前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層と当該層に隣接して形成され当該層よりバンドギャップが小さい層との界面に含まれる一導電型不純物の濃度を、前記界面以外の前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高くすることにより、前記反射層の抵抗率、特に前記反射層の積層方向に沿った抵抗率をさらに低減させることができ、前記反射層の上下の位置に一対の前記電極が設けられる場合、前記反射層の積層方向に沿って電流を有効に流すことが可能である。さらにまた、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層との界面部分の一導電型不純物の濃度を、前記界面以外の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高くすることによっても、前記反射層の抵抗率、特に前記反射層の積層方向に沿った抵抗率を同様に低減させることができる。
【００２７】
また、前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層には、同じ組成のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を前記低屈折率層と高屈折率層に共通して用い、前記低屈折率層と高屈折率層のそれぞれにおける前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の厚みの割合を異ならせた構成とすることにより、前記反射層の積層構造を少ない種類（組成の種類）のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を用いて構成することができ、より簡便な方法で半導体発光素子を作製することが可能となる。
【００２８】
前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さを１０ｎｍ以下とした場合に、高反射率及び低動作電圧の反射層を得ることができ、特にこの効果は３ｎｍ以上５ｎｍ以下の場合に著しい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いつつ詳細に説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態では面発光型レーザをサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法により作製する例を示す。
【００３１】
図１において、１１はサファイア基板、１２はＧａＮバッファ層、１３はｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層（厚み４６ｎｍのAlGaN層と厚み４２ｎｍのGaN層とを交互に積層，全積層数３０ペア，Ｓｉドープ，Ｓｉドープ濃度５×１０18ｃｍ-3）、１４はＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層（Ｓｉドープ，Ｓｉドープ濃度３×１０19ｃｍ-3，厚み０．１μｍ）、１５は多重量子井戸型（ＭＱＷ）Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層（アンドープ，厚み３０ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と厚み８０ｎｍのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層とを交互に積層，全積層数３０ペア）１６は第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層（Ｍｇドープ，Ｍｇドープ濃度５×１０18ｃｍ-3，厚み０．１μｍ）、１７はｎ型ＧａＮ電流狭窄層（Ｓｉドープ，Ｓｉドープ濃度３〜５×１０18ｃｍ-3，厚み０．１μｍ）、１８は第２のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層（Ｍｇドープ，Ｍｇドープ濃度５×１０18ｃｍ-3，厚み０．２μｍ、１９は発振波長に比べ短周期のｐ型AlGaN多重積層型反射層（Al組成４０％，厚み４０ｎｍのAlGaN層（低屈折率層、屈折率２．２８、ここでいう屈折率は低屈折率層の平均の屈折率を指す。）とAl組成約１７％，厚み４８ｎｍのAlGaN層（高屈折率層、屈折率２．４８、ここでいう屈折率は高屈折率層の平均の屈折率を指す。）とを交互に積層，全積層数４０ペア，Ｍｇドープ，Ｍｇドープ濃度３×１０19ｃｍ-3）、２０はｎ側電極、２１はｐ側電極、２２はＳｉＯ2絶縁保護膜である。
【００３２】
本発明のポイントであるｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の構成は以下の通りとなっている。即ち、多重積層型反射層１９は上記した低屈折率層と高屈折率層とが交互に４０ペア積層された構造となっている。このうち低屈折率層として、AlGaNのAl組成が１０％と５０％の組み合わせのものが用いられ、それぞれの厚さが２ｎｍと６ｎｍとなるように５層の繰り返しで積層構造が構成されている。このようにAl組成が１０％と５０％の膜が交互に積層されることにより、Ａｌ組成４０％相当の低屈折率層が形成されている。また一方、高屈折率層として、AlGaNの同じ組成のものが用いられ、それぞれの厚さが１０ｎｍと２ｎｍとなるように４層の繰り返しで積層構造が構成されている。このようにAl組成が１０％と５０％の膜が交互に積層されることにより、Ａｌ組成約１７％相当の高屈折率層が形成されている。
【００３３】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、ｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の低屈折率層を構成するAl組成が１０％のAlGaN（厚み２ｎｍ、屈折率２．４３とAl組成が５０％のAlGaN（厚み６ｎｍ、屈折率２．２４）と多重量子井戸型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層１５から発せられる光の波長λ＝４００ｎｍとの間には、かかる低屈折率層を構成する組成の異なるAlGaNのそれぞれの厚さをｄi（ｉは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｎi（ｉは自然数）とした場合に、Σｄi×ｎi＝λ／４を満足することが望ましい。さらに、ｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の高屈折率層を構成するAl組成が１０％のAlGaN（厚み１０ｎｍ、屈折率２．４３）とAl組成が５０％のAlGaN（厚み２ｎｍ、屈折率２．２４）と活性層１５から発せられる光の波長λ＝４００ｎｍとの間には、かかる高屈折率層を構成する組成の異なるAlGaNのそれぞれの厚さをｅj（ｊは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｍj（ｊは自然数）とした場合に、Σｅj×ｍj＝λ／４を満足することが望ましい。したがって、以上の関係式を満たすことにより反射率が高いミラーを備えた半導体レーザ装置を作製することができる。
【００３４】
次に、上記した青色半導体レーザ装置の製造方法について説明する。上記積層構造を形成するためにＭＯＣＶＤ法による結晶成長を行っている。まず、サファイア基板１１に対して有機溶剤と酸で前処理を行った後に、処理済の基板１１をMOCVD装置の成長室の中に導入した。この成長室内において基板温度が１３００℃になるまで基板１１を水素雰囲気中で昇温し、表面の酸化膜を除去した。次に、基板温度を成長温度である１０３０℃に下げてこの状態で原料ガス供給を行い、GaN層１２の成長を開始した。原料ガスとしてはアンモニア（ＮＨ3）とトリメチルガリウム（TMG）を用い、ガス流量はそれぞれ１０リットル/minと１００ｃｃ/minとし、成長室内の圧力は１気圧とした。
【００３５】
次に、通常のMOCVD成長法を用いてそれぞれ原料ガスの切り替えを行いｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層１３の積層構造を形成した。即ち、Ｇａの原料ガスとしてTMG（AlGaN成長時ガス流量１０ｃｃ/min、GaN成長時ガス流量１００ｃｃ/min）を、Ａｌの原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（TMA）（ガス流量３００ｃｃ/min）を、窒素の原料ガスとしてＮＨ3（ガス流量１０リットル/min）を、Ｓｉの原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ4）（ガス流量（１００）ｃｃ/min）を用い、基板温度を１１００℃、成長室内の圧力は１気圧とした。
【００３６】
次に、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１４、多重量子井戸型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層１５、第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１６、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層１７を順次成長した。この時、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、窒素の原料ガスとしては上記した原料ガスを用い、さらにＩｎの原料ガスとしてトリメチルインジウム（TMI）を、Ｍｇの原料ガスとしてシクロペンタジマグネシウム（Cp2Mg）を用いた。
【００３７】
以上の結晶成長時には、それぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。さらに使用する原料ガスが共通であるため切り替えが少なく、ガス切り替え時間が要らず効率的であり、ガス切り替えに伴う蒸発などがない。以上の効果は、特にｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層１３の成長時に著しい。
【００３８】
以上の結晶成長後に、MOCVD装置の成長室より基板を取り出してこの基板に対して加工工程を行った。即ち、活性層１５上で電流を狭窄できるように、電流を流すための直径１０μｍの穴をパターニングとドライエッチングを用いて開ける。この穴は活性層１５直上の位相整合層１６まで達する。この後、再びMOCVD装置に基板を搬入し成長を行った。成長は第２のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１８から行った。
【００３９】
位相整合層１８の成長後、通常のMOCVD成長法を用いてそれぞれ原料ガスの切り替えを行いｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の成長を行った。Ｇａの原料ガスとしてTMGを、Ａｌの原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（TMA）を、窒素の原料ガスとしてＮＨ3（ガス流量１０リットル/min）を、Ｍｇの原料ガスとしてシクロペンタジマグネシウム（Cp2Mg）（ガス流量１００ｃｃ/min）を用い、基板温度を１１００℃、成長室内の圧力は１気圧とした。
【００４０】
ここで、AlGaNのAl組成が１０％の層を形成するときのTMGのガス流量を１００ｃｃ/min、TMAのガス流量を１００ｃｃ/minとした。また、AlGaNのAl組成が５０％の層を形成するときのTMGのガス流量を５０ｃｃ/min、TMAのガス流量を２５０ｃｃ/minとした。
【００４１】
このｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の成長工程においては、上述したようにAl組成が１０％と５０％の膜をそれぞれ２ｎｍと６ｎｍとなるように５層の繰り返しで積層することにより低屈折率層を形成し、それぞれ１０ｎｍと２ｎｍとなるように４層の繰り返しで積層することにより高屈折率層を形成した。このように低屈折率層と高屈折率層とを交互に４０ペア積層して多重積層型反射層１９を形成した。
【００４２】
以上の結晶成長時においても、それぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。さらに使用する原料ガスが共通であるため切り替えが少なく、ガス切り替え時間が要らず効率的であり、ガス切り替えに伴う蒸発などがない。
【００４３】
次に、MOCVD装置の成長室より基板を取り出してこの基板に対して加工工程を行った。即ち、ｐ型AlGaN多重積層型反射層１９、第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１８、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層１７、第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１６、多重量子井戸型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層１５、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層１４を順次エッチングして、ｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層１３の途中までエッチングを行った。
【００４４】
次に、リーク電流を防止すること及び共振器側面からの光の漏れを防止することを目的として、ＳｉＯ2絶縁保護膜（光閉じ込め層）２２をＣＶＤにより全面に形成した。このＳｉＯ2絶縁保護膜２２に多重積層型反射層１３に通ずる開口部を形成した。この開口部内にｎ側電極２０を蒸着により形成した。
【００４５】
さらに、ＳｉＯ2絶縁保護膜２２の一部を選択的にエッチングしてｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の一部を露出した後、この多重積層型反射層１９の周辺部を当該反射層１９の途中まで選択的にエッチングした。エッチングされた多重積層型反射層１９の周辺部の表面にはｐ側電極２１を形成した。
【００４６】
この後、ｎ側電極２０及びｐ側電極２１にそれぞれ接するｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層１３及びｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の超格子部分を乱雑化するためにアニールを６００℃で行った。これにより多重積層型反射層１３及び多重積層型反射層１９はコンタクト層として機能するようになる。
【００４７】
なお、図１ではｐ側電極２１はｐ型AlGaN多重積層型反射層１９のエッチング露出底面にのみ形成されているが、多重積層型反射層１９全体を覆う構造でもよい。このとき、多重積層型反射層１９に対して横方向から電流が注入されることとなるのでコンタクト抵抗が下がる。
【００４８】
この素子を動作させたところ、しきい値電流５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は４００ｎｍ、動作電圧は３．１Ｖであった。遠視野像は単一モードで発振していることを示す単峰なものであった。本発明のような発振波長に比べ短周期の多層積層型反射層を用いていないλ／４の多層膜を用いたこれまでの面発光レーザでは、動作電圧は５V以上であり、発熱による発振停止や素子劣化が生じていた。本発明による面発光レーザは温度上昇が少なく素子劣化もなかった。また、本発明による面発光レーザの信頼性については、温度を７０℃にしての加速試験において１０万時間相当の信頼性試験を行っても劣化は見られなかった。
【００４９】
次に、多重積層型反射層の不純物ドーピングプロファイルの最適条件について説明する。例えば、ｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の不純物ドーピングプロファイルにはいくつかの最適条件がある。
【００５０】
１つの手法として低屈折率層へ選択的に不純物をドーピングする方法がある。これは、発振波長に比べ短周期の多層積層型反射層の中でバンドギャップの大きな低屈折率層に対して不純物ドーピングの量を多くすることにより水平方向の抵抗を極端に小さくする方法である。電子が通る高屈折率層において不純物が少なく移動度が高いことを利用している。このように選択的に不純物をドーピングすることにより、水平方向に電流パスが長く薄い部分を持つ素子構造、例えばｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の厚さが１００ｎｍ以下の場合には抵抗を下げるのに有効となる。
【００５１】
もう１つの手法として高屈折率層と低屈折率層との界面へ局部的なドーピングを行う方法がある。バンドギャップの小さい高屈折率層の両端、即ちバンドギャップが小さい高屈折率層のうちバンドギャップが大きい低屈折率層との界面部分に対して局部的に不純物ドーピングを行って不純物濃度を大きくすることにより、水平、垂直方向ともに抵抗を小さくする方法である。この方法では歪み電界によりホールがキャリヤとして吐き出され易くなるためにキャリヤ濃度を向上させることが可能である。この場合、ドーピングされた不純物による散乱により移動度は下がるが、高屈折率層と低屈折率層との界面付近では不純物ドーピングによってバンドオフセットのエネルギー障壁が薄くなることにより、当該界面を越えて流れるキャリヤはスムーズに流れる。ただし、この場合は高屈折率層における不純物散乱等のために横方向の抵抗率は前者の手法に比べて大きい。
【００５２】
図４は低屈折率層の不純物ドーピング濃度と抵抗率との関係を示す特性図である。この図に示されるようにドーピング濃度が高くなるにつれて抵抗率は下がり、低屈折率層全体に高濃度ドーピングを行う場合及び高屈折率層と低屈折率層との界面に高濃度ドーピングを行う場合ともに水平方向の抵抗率が垂直方向の抵抗率よりも小さくなった。また、水平方向の抵抗率は、低屈折率層に高濃度ドーピングを行う場合の方が界面に高濃度ドーピングを行う場合よりも小さくなった。一方、垂直方向の抵抗率は、界面に高濃度ドーピングを行う場合の方が低屈折率層に高濃度ドーピングを行う場合よりも小さくなった。
【００５３】
したがって、水平方向に電流を流して電流を取り出す構造の発光素子では、低屈折率層全体に高濃度ドーピングを行うことが望ましく、特にドーピング濃度が９×１０18ｃｍ-3以上の場合に抵抗率が１Ω・ｃｍ以下となって抵抗の低下及び動作電圧の低減の効果が著しい。また、垂直方向に電流を流して電流を取り出す構造の発光素子では、高屈折率層と低屈折率層との界面付近に高濃度ドーピングを行うことが望ましく、特にドーピング濃度が１×１０19ｃｍ-3以上の場合に抵抗率が１Ω・ｃｍ以下となって抵抗の低下及び動作電圧の低減の効果が著しい。なお、実際には電極下では電極シンター工程において電極材料が層中に拡散し、この時に層中の不純物も相互拡散する可能性があるため、垂直方向に電圧が低くなるドーピングプロファイルに不純物のプロファイルを変えることが可能である。
【００５４】
本実施形態では多層積層型反射層部分の各層の厚さをいろいろと変えて反射率と導電性の双方が両立できるように最適化することができる。
図５は低屈折率層の厚さと抵抗率との関係を示す特性図である。この図に示されるように抵抗率は低屈折率層の厚さにより変化するが、それぞれの組成において最適値はあるものの、概ね２ｎｍから５ｎｍ厚さが好ましい。この範囲の上限より厚くなりすぎると、格子ひずみが緩和してしまい内部電場が発生しない。このような状態になるとキャリヤが吐き出されず抵抗は高い。一方、当該範囲の下限よりも薄くなりすぎると、歪が小さく歪み電界が十分に生じないためにホール吐き出しによるキャリヤ濃度の向上効果が不十分となるという問題がある。特に３ｎｍから５ｎｍが好ましい。
【００５５】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態に係わる面発光青色半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態では面発光型レーザをＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy，分子線エピタキシャル成長）法により作製する例を示す。
【００５６】
図２において、３１はGaN基板、３２は発振波長に比べ短周期のｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層（Al組成１７％，厚み４８ｎｍのAlGaN層（高屈折率層、屈折率２．４８、ここでいう屈折率は高屈折率層の平均の屈折率を指す。）とAl組成４０％，厚み４０ｎｍのAlGaN層（低屈折率層、屈折率２．２８、ここでいう屈折率は低屈折率層の平均の屈折率を指す。）とを交互に積層，全積層数４０ペア，Ｓｉドープ，Ｓｉドープ濃度３〜５×１０19ｃｍ-3）、３３はＩｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層（アンドープ，厚み０．１μｍ）、３４はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層（アンドープ，厚み２０ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と厚み６０ｎｍのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層とを交互に積層，全積層数１５ペア）、３５はＩｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層（アンドープ，厚み０．１μｍ）、３６は発振波長に比べ短周期のｐ型AlGaN多重積層型反射層（Al組成４０％，厚み４０ｎｍのAlGaN層（低屈折率層、屈折率２．２８、ここでいう屈折率は低屈折率層の平均の屈折率を指す。）とAl組成約１７％，厚み４８ｎｍのAlGaN層（高屈折率層、屈折率２．４８、ここでいう屈折率は高屈折率層の平均の屈折率を指す。）とを交互に積層，全積層数４０ペア，Ｍｇドープ，Ｍｇドープ濃度２×１０19ｃｍ-3）、３７は酸素イオン打ち込みによる高抵抗層（酸素濃度１×１０20ｃｍ-3）、３８はＳｉＯ2／ＺｒＯ多層反射膜、３９はｐ側電極、４０はｎ側電極である。
【００５７】
本発明のポイントであるｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２及びｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の構成は以下の通りとなっている。即ち、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２は上記した低屈折率層と高屈折率層とが交互に４０ペア積層された構造となっている。このうち低屈折率層として、AlGaNのAl組成が１０％と５０％の組み合わせのものが用いられ、それぞれの厚さが２ｎｍと６ｎｍとなるように５層の繰り返しで積層構造が構成されている。このようにAl組成が１０％と５０％の膜が交互に積層されることにより、Ａｌ組成４０％相当の低屈折率層が形成されている。また一方、高屈折率層として、AlGaNの同じ組成のものが用いられ、それぞれの厚さが１０ｎｍと２ｎｍとなるように４層の繰り返しで積層構造が構成されている。このようにAl組成が１０％と５０％の膜が交互に積層されることにより、Ａｌ組成１７％相当の高屈折率層が形成されている。なお、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の構成はｐ型AlGaN多重積層型反射層１９の構成と同様である。
【００５８】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の低屈折率層を構成するAl組成が１０％のAlGaN（厚み２ｎｍ、屈折率２．４３）とAl組成が５０％のAlGaN（厚み６ｎｍ、屈折率２．２４）とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層３４から発せられる光の波長λ＝４００ｎｍとの間には、かかる低屈折率層を構成する組成の異なるAlGaNのそれぞれの厚さをｄi（ｉは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｎi（ｉは自然数）とした場合に、Σｄi×ｎi＝λ／４を満足することが望ましい。さらに、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の高屈折率層を構成するAl組成が１０％のAlGaN（厚み１０ｎｍ、屈折率２．４３）とAl組成が５０％のAlGaN（厚み２ｎｍ、屈折率２．２４）と活性層３４から発せられる光の波長λ＝４００ｎｍとの間には、かかる高屈折率層を構成する組成の異なるAlGaNのそれぞれの厚さをｅj（ｊは自然数）、当該半導体層に対応する屈折率をｍj（ｊは自然数）とした場合に、Σｅj×ｍj＝λ／４を満足することが望ましい。なお、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６も同様に関係式を満たしている。したがって、以上の関係式を満たすことにより反射率が高いミラーを備えた半導体レーザ装置を作製することができる。
【００５９】
次に、上記した青色半導体レーザ装置の製造方法について説明する。上記積層構造を形成するためにＭＢＥ法による結晶成長を行っている。窒素ガスをRF（高周波）によりラジカルとしたものを窒素ソースとして用いた。また、ＧａソースはＧａ単体、ＡｌソースはＡｌ単体、ＩｎソースはＩｎ単体、ＳｉソースはＳｉ単体、ＭｇソースはＭｇ単体を用いた。
【００６０】
まず、窒素ソース，Ｓｉソースのシャッターを開け、Ｇａソース，Ａｌソースのシャッターの開閉を行って、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２を形成した。ここで、AlGaNのAl組成が１０％の層を形成するときのＧａの蒸気圧は１．５×１０-5Ｐａ、Ａｌの蒸気圧は２×１０-6Ｐａとした。また、AlGaNのAl組成が５０％の層を形成するときのＧａの蒸気圧は８×１０-6Ｐａ、Ａｌの蒸気圧は８×１０-6Ｐａとした。窒素の分圧は５×１０-3Ｐａ、Ｓｉの蒸気圧は２×１０-7Ｐａ、基板温度は１１００℃、成長室内の圧力は１気圧とした。
【００６１】
この多重積層型反射層３２の成長工程においては、上述したようにAl組成が１０％と５０％の膜をそれぞれ２ｎｍと６ｎｍとなるように５層の繰り返しで積層することにより低屈折率層を形成し、それぞれ１０ｎｍと２ｎｍとなるように４層の繰り返しで積層することにより高屈折率層を形成した。このように低屈折率層と高屈折率層とを交互に４０ペア積層して多重積層型反射層３２を形成した。
【００６２】
以上の結晶成長時においても、第１の実施形態と同様にそれぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。さらに使用するソースが共通であるため切り替えが少なく、ソース切り替え時間が要らず効率的であり、ソース切り替えに伴う蒸発などがない。
【００６３】
次に、Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層３３、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層３４、Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層３５を順次成長した。かかる結晶成長時においても、それぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。ソース切り替えも効率的であり、ソース切り替えに伴う蒸発などもない。
【００６４】
次に、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の形成を形成した。この多重積層型反射層３６の形成条件はｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の形成条件と同様である。Ｍｇの蒸気圧は２×１０-7Ｐａであった。
【００６５】
その後、誘電体積層膜３８をスパッタリングにより蒸着した。用いた材料は高屈折率材料としてＺｒＯ2、低屈折率材料としてＳｉＯ2である。スパッタリングによっても酸素の抜けによりストイキオメトリが保たれないことがあるので、蒸着装置内に適宜酸素を導入しストイキオメトリが保たれるように注意して蒸着を行った。ここで、厚さは発振波長がストップバンド内に十分入るようにして設計されている。高屈折率材料膜と低屈折率材料膜を１０ペア積層した場合のストップバンド幅は１００ｎｍである。
【００６６】
この後、MOCVD装置の成長室より基板を取り出してこの基板に対して加工工程を行った。即ち、誘電体積層膜３８、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６、Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層３５、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層３４、Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層３３を順次エッチングして、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の途中までエッチングを行った。さらに、誘電体積層膜３８を発光部分に対応する部分が残るようにエッチング加工して誘電体ミラー層３８を形成した。
【００６７】
次に、エッチングしたｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２の露出表面にｎ側電極４０を、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の露出表面にｐ側電極３９をそれぞれ蒸着により形成した。さらに、ｎ側電極４０及びｐ側電極３９にそれぞれ接するｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２及びｐ型AlGaN多重積層型反射層３６の超格子部分を乱雑化するためにアニールを６００℃で行った。これにより多重積層型反射層３２及び３６はコンタクト層としても機能するようになる。
【００６８】
なお、ｐ側電極３９直下の活性層３４付近に酸素をイオン注入することによりイオン注入部分に高抵抗層３７（酸素濃度１×１０20ｃｍ-3）を形成し、電流が誘電体ミラー層３８の直下にのみ流れるようにする。また、ｎ側電極４０及びｐ側電極３９が形成されていない部分を保護し側面からの光の染み出しを防ぐためにＳｉＯ２膜を当該電極以外の部分に形成した。
【００６９】
本実施形態による素子は、誘電体積層膜３８の存在により第１の実施形態のものに比較してｐ側の反射率が高いので、発振閾値が低く、しきい値電流１ｍＡで発振した。動作電圧は３．４Ｖであり、片側に誘電体を用いた素子としては電圧も低かった。
【００７０】
図３は本実施形態の変形例を示す断面図である。図２と同一部分には同一符号を付して示す。図３に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層３２をその積層方向に対して斜め方向にエッチングし、エッチングによる露出表面にｎ側電極４１を形成した。一方、ｐ型AlGaN多重積層型反射層３６についてもその積層方向に対して斜め方向にエッチングし、エッチングによる露出表面にｐ側電極４２を形成した。このようにｎ側電極４１及びｐ側電極４２がそれぞれ多重積層型反射層３２及び３６に対して積層方向に対して斜めに接しているので、これらの電極からの電流注入がスムーズに行われて接触抵抗を下げることが可能となる。
【００７１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはない。例えば、積層構造を形成するために使用する基板として上記実施形態ではサファイアやＧａＮを用いたが、他の基板でもよく具体的にはＳｉＣ，ＡｌＧａＮ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｕなどがあげられる。また、多重積層型反射層は活性層に対して片側でもよく、その場合はレーザ発振はしないが高効率で高輝度なＬＥＤを得ることが可能である。
【００７２】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、反射率が高く動作電圧が低い窒化物系の半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図。
【図２】 本発明の第２の実施形態に係わる面発光青色半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図。
【図３】 本発明の第２の実施形態に係わる面発光青色半導体レーザ装置の変形例の構成を示す断面図。
【図４】 低屈折率層のドーピング濃度と抵抗率との関係を示す特性図。
【図５】 低屈折率層の厚さと抵抗率との関係を示す特性図。
【図６】 従来の面発光型半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２…ＧａＮバッファ層
１３…ｎ型AlGaN/GaN多重積層型反射層
１４…Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
１５…多重量子井戸型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層
１６…第１のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
１７…ｎ型ＧａＮ電流狭窄層
１８…第２のｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
１９…ｐ型AlGaN多重積層型反射層
２０…ｎ側電極
２１…ｐ側電極
２２…ＳｉＯ2絶縁保護膜
３１…GaN基板
３２…ｎ型ＡｌＧａＮ多重積層型反射層
３３…Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層
３４…Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ活性層
３５…Ｉｎ0.02Ａｌ0.02Ｇａ0.96Ｎ位相整合層
３６…ｐ型AlGaN多重積層型反射層
３７…高抵抗層
３８…ＳｉＯ2／ＺｒＯ多層反射膜
３９、４２…ｐ側電極
４０、４１…ｎ側電極
１０１…サファイア基板
１０１ａ…ＧａＮバッファ層
１０２…ｎ側多重積層型反射層
１０３…ｎ側コンタクト層
１０４…活性層
１０５…ｐ側コンタクト層
１０６…ｐ側多重積層型反射層
１０７…ｎ側電極
１０８…ｐ側電極
１０９…高抵抗層
Claims (10)
- 基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる発光層と、この発光層の上下のうち少なくとも一方の側に形成され、低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる反射層と、前記発光層に対して電流を供給する電極とを備え、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなり、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層と当該層に隣接して形成され当該層よりバンドギャップが小さい層との界面に含まれる一導電型不純物の濃度は、前記界面以外の前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
- 基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる発光層と、この発光層の上下のうち少なくとも一方の側に形成され、低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる反射層と、前記発光層に対して電流を供給する電極とを備え、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなり、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層との界面部分の一導電型不純物の濃度は、前記界面以外の部分の前記一導電型不純物の濃度よりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
- 前記反射層の上下の位置に一対の前記電極が設けられ、前記反射層の積層方向に電流が流れることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
- 基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる発光層と、この発光層の上下のうち少なくとも一方の側に形成され、低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる反射層と、前記発光層に対して電流を供給する電極とを備え、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなり、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のうち、少なくともバンドギャップが最大となる層に含まれる一導電型不純物の濃度は、当該層よりバンドギャップが小さい層に含まれる前記一導電型不純物の濃度よりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
- 前記反射層の側面に前記電極が設けられ、前記反射層の面内方向に沿って電流が流れることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
- 前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれには、同じ組成のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が前記低屈折率層と高屈折率層に共通して用いられ、前記低屈折率層と高屈折率層のそれぞれにおける前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の厚みの割合が異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる発光層と、この発光層の上下のうち少なくとも一方の側に形成され、低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる反射層と、前記発光層に対して電流を供給する電極とを備え、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなり、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれには、同じ組成のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が前記低屈折率層と高屈折率層に共通して用いられ、前記低屈折率層と高屈折率層のそれぞれにおける前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の厚みの割合が異なることを特徴とする半導体発光素子。
- 前記低屈折率層及び高屈折率層のそれぞれを構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さは１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記低屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体 層のそれぞれの厚さは３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
- 基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる発光層と、この発光層の上下のうち少なくとも一方の側に形成され、低屈折率層と高屈折率層とが交互に繰り返して積層されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体からなる反射層と、前記発光層に対して電流を供給する電極とを備え、前記反射層の低屈折率層と高屈折率層のそれぞれは、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層が交互に繰り返して積層されてなり、前記高屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さは１０ｎｍ以下であり、前記低屈折率層を構成する前記組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層のそれぞれの厚さは３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
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