JP4924185B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

非特許文献１では、紫外線レーザダイオードが、エピタキシャル・ラテラル・オーバグローンＧａＮ基板上にＭＯＣＶＤ法で成長された。活性層は、四元ＩｎＡｌＧａＮ層であり、発振波長は３６５ｎｍであった。紫外線レーザダイオード構造は、５μｍ厚のｎ型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ（Ｓｉ添加）、０．１５μｍ厚のｎ型Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ（Ｓｉ添加）、Ａｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ／Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ変調ドープ歪み超格子クラッド層、アンドープＡｌＧａＮ光ガイド層、１０ｎｍの単一量子井戸層、５ｎｍアンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎバリア層、０．１５μｍ厚のｐ型Ａｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ｎ層、Ａｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ／Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ変調ドープ歪み超格子クラッド層、１５ｎｍｐ型ＧａＮ層を含む。特許文献１には、ｍ面窒化ガリウム基板が記載されている。また、特許文献２には、ａ面窒化ガリウム基板が記載されている。
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp. L 1318-L 1320 Part 2, No. 11A, 1 November 2003 特開２００６−３１５９４７号公報 特開２００５−３２０２３７号公報

短波長の光、例えば紫外光を発生する窒化ガリウム系半導体発光素子は、半導体発光素子の主要な層がＡｌＧａＮエピタキシャル膜からなる層構造を必要とする。しかし、ｃ面ＧａＮ基板上に成長されたＡｌＧａＮエピタキシャル膜の層構造物では、個々のＡｌＧａＮ膜のアルミニウム組成やＡｌＧａＮエピタキシャル膜の総厚に応じて、窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャル層構造にクラックが発生する。このクラックは、ＡｌＧａＮの格子定数とＧａＮの格子定数との差およびこれらの熱膨張係数の差に起因する。このため、窒化ガリウム系半導体発光素子のために使用可能なＡｌＧａＮエピタキシャル膜のアルミニウム組成および層厚は非常に限られていた。これ故に、所望の光学特性を有する窒化ガリウム系半導体発光素子の作製を困難なものにしていた。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、ＡｌＧａＮを含むエピタキシャル層構造にクラックが発生し難い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、窒化物半導体発光素子は、（ａ）主面と複数の側面とを有しておりＧａＮ半導体からなる支持体と、（ｂ）前記支持体の前記主面上に設けられた第１導電型ＡｌＧａＮ領域と、（ｃ）前記支持体の前記主面上に設けられた第２導電型ＧａＮ系半導体領域と、（ｄ）３６０ｎｍ以下のピーク発光波長の光を発生するように前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域と前記第２導電型ＧａＮ系半導体領域との間に設けられＧａＮ系半導体から成る活性層とを備える。前記支持体のＧａＮ半導体のｃ軸は、前記支持体の前記複数の側面のうちの第１の側面から第２の側面に伸びており、前記第１の側面は前記第２の側面に対向しており、前記ＡｌＧａＮ領域のアルミニウム組成は０．０５以上であり、前記ＡｌＧａＮ領域の厚さは５００ｎｍ以上である。前記ＡｌＧａＮ領域は、すべり面で緩和している。

ｃ面（或いは、ある僅かなオフ角でｃ面から傾斜した面）上へのＡｌＧａＮの堆積では、成長されたＡｌＧａＮに適当なすべり面がないので、ＡｌＧａＮにすべり面を形成して内包される応力を緩和することができない。このため、上記の面上に堆積されたＡｌＧａＮにクラックを生成して、このＡｌＧａＮ内の歪みを緩和することになる。

一方、本発明による窒化物半導体発光素子では、支持体のＧａＮ半導体のｃ軸が支持体の第１の側面から第２の側面に伸びるので、支持体の主面にはｃ面が現れない。この主面上に直接に或いは間接に０．０５以上のアルミニウム組成および５００ｎｍ以上のＡｌＧａＮを堆積するとき、このＡｌＧａＮは、ｃ面とは大きく異なる面方位を有する結晶表面上に成長される。したがって、この面方位の面上に成長されるＡｌＧａＮは、主にｃ面をすべり面として歪みを緩和し、クラックの発生を抑制できる。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域は、第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１＜Ｘ＜１）層を含み、前記第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さは２μｍ以上であることが好ましい。

０．１以上のアルミニウム組成および２μｍ以上のＡｌＧａＮを有する窒化物半導体発光素子は、大きな歪みを内包するけれども、クラックを生成して歪みを緩和することはない。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記支持体の前記主面と前記ＧａＮ半導体のｍ面との成す角度は−５度以上であり、前記支持体の前記主面と前記ＧａＮ半導体のｍ面との成す角度は＋５度以下であることができる。

或いは、本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記支持体の前記主面と前記ＧａＮ半導体のａ面との成す角度は−５度以上であり、前記支持体の前記主面と前記ＧａＮ半導体のａ面との成す角度は＋５度以下であることができる。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記活性層は井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有しており、前記障壁層はＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）からなることができる。この窒化物半導体発光素子によれば、前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域のアルミニウム組成と膜厚の制約が小さいため、活性層に加わる応力を小さくできる。また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、前記井戸層はＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０＜Ｚ＜Ｙ＜１）からなることができる。この窒化物半導体発光素子によれば、ＡｌＧａＮ活性層を用いて短波長の光を発生することができる。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記活性層と前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域との間および前記活性層と前記第２導電型ＧａＮ系半導体領域との間の少なくともいずれか一方に設けられたＡｌ_ＷＧａ_１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１）光ガイド層を更に備えることができる。この窒化物半導体発光素子の構造は、窒化物半導体レーザに好適である。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第２導電型ＧａＮ系半導体領域はＡｌ_ＵＧａ_１−ＵＮ（０＜Ｕ＜１）からなることが好ましい。この窒化物半導体発光素子によれば、第２導電型ＧａＮ系半導体領域は電子ブロックのために役立つ。また、窒化物半導体発光素子が面発光素子であるとき、第２導電型ＧａＮ系半導体領域が光の出射を遮らない。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第２導電型ＧａＮ系半導体領域上に設けられたＡｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ（０＜Ｖ＜Ｕ＜１）層と、前記Ａｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層に接合する第１の電極とを更に備えることができる。この窒化物半導体発光素子が面発光素子であるとき、第２導電型ＧａＮ系半導体領域が光の出射を遮らない。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記活性層は、３６０ｎｍ以下のピーク発光波長の光を発生するように設けられている。この窒化物半導体発光素子によれば、上記の波長範囲の光を発生するときに好適な構造である。

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、ＡｌＧａＮを含むエピタキシャル層構造にクラックが発生し難い窒化物半導体発光素子を提供できる。

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。

（第１の実施の形態）
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。窒化物半導体発光素子１１ａとしては、例えば面発光半導体素子であり、具体例としては発光ダイオード（ＬＥＤ）等がある。窒化物半導体発光素子１１ａは、ＧａＮ半導体からなる支持体１３と、第１導電型ＡｌＧａＮ領域１５と、第２導電型ＧａＮ系半導体層１７と、活性層１９とを備える。支持体１３は、主面１３ａ、裏面１３ｂ、および複数の側面１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆとを有する。側面１３ｃは側面１３ｄの反対側にあり、側面１３ｅは側面１３ｆの反対側にある。支持体１３のＧａＮ半導体のｃ軸は、側面１３ｄから側面１３ｃへの方向に伸びている。第１導電型ＡｌＧａＮ領域１５および第２導電型ＧａＮ系半導体層１７は、支持体１３の主面１３ａ上に設けられている。ＡｌＧａＮ領域１５のアルミニウム組成は０．０５以上であり、またＡｌＧａＮ領域１５の厚さＤ１は５００ｎｍ以上である。活性層１９は、第１導電型ＡｌＧａＮ領域１５と第２導電型ＧａＮ系半導体層１７との間に設けられている。活性層１９はＧａＮ系半導体から成る。

ｃ面（或いは、ある僅かなオフ角でｃ面から傾斜した面）上へ堆積されたＡｌＧａＮを用いる発光素子では、この面への成長に起因して、成長されるＡｌＧａＮに適当なすべり面がないので、ＡｌＧａＮにすべり面（結晶のずれが生じる面）を形成して内包される応力を緩和することができない。このため、この面上に堆積されたＡｌＧａＮでは、成長されたＡｌＧａＮにクラックを生成して歪みを緩和することになる。一方、窒化物半導体発光素子１１ａでは、支持体１３のＧａＮ半導体のｃ軸は支持体１３の側面１３ｃ、１３ｄの一方から側面１３ｃ、１３ｄの他方に伸びるので、支持体１３の主面１３ａにはｃ面が現れない。この主面１３ａ上に直接に或いは間接に、０．０５以上のアルミニウム組成および５００ｎｍ以上のＡｌＧａＮを堆積するので、このＡｌＧａＮは、ｃ面とは大きく異なる面方位を有する結晶表面上に成長され、このＡｌＧａＮ結晶のｃ面は、基板主面と大きな角度で交差する平面に沿って延びている。したがって、この面方位の結晶面上に成長されるＡｌＧａＮは、主にｃ面をすべり面として歪みを緩和し、クラックの発生を抑制できる。

支持体１３は、例えばｎ型ＧａＮ基板２１からなることができ、このＧａＮ基板２１は主面１３ａを提供する。必要な場合には、支持体１３は、ＧａＮ基板２１上に成長されたｎ型ＧａＮ層２３を更に含むことができ、このＧａＮ層２３は主面１３ａを提供する。支持体１３がｎ型ＧａＮ基板２１を含むとき、第１導電型ＡｌＧａＮ領域１５はｎ型ＡｌＧａＮ層からなることができ、第２導電型ＧａＮ系半導体層１７はｐ型ＡｌＧａＮ層からなることができる。

図１を参照すると、座標系Ｓ_Ｍが示されている。支持体１３のＧａＮ半導体の結晶軸が座標系Ｓ_Ｍに従うとき、主面１３ａはＧａＮ半導体の実質的なｍ面である。支持体１３の主面１３ａとこのＧａＮ半導体のｍ面Ｍとの成す角度は、ｃ軸に向けて±５度以下であることが好ましい。或いは、支持体１３の主面１３ａとこのＧａＮ半導体のｍ面Ｍとの成す角度は、ａ軸に向けて±５度以下であることが好ましい。支持体１３の主面１３ａがＧａＮ半導体のｍ面（またはｍ面から僅かなオフ角度で傾斜した面）であれば、内部電界が小さいという利点がある。また、ｃ面と比較的近い成長条件で良好な結晶が得られるという利点もある。

図１を参照すると、座標系Ｓ_Ａが示されている。支持体１３のＧａＮ半導体の結晶軸が座標系Ｓ_Ａに従うとき、主面１３ａはＧａＮ半導体の実質的なａ面である。支持体１３の主面１３ａとこのＧａＮ半導体のａ面Ａとの成す角度は、ｃ軸に向けて±５度以下であることが好ましい。或いは、支持体１３の主面１３ａとこのＧａＮ半導体のａ面Ａとの成す角度は、ｍ軸に向けて±５度以下であることが好ましい。支持体１３の主面１３ａがＧａＮ半導体のａ面（またはｍ面から僅かなオフ角度で傾斜した面）であれば、内部電界が小さい、へき開が容易なｍ面を端面に用いることができるという利点がある。

座標系Ｓ_Ｍ、Ｓ_Ａにおいて、軸ａ１、ａ２、ａ３は、互いに１２０度を成しており、ｃ軸は軸ａ１、ａ２、ａ３に垂直である。これらの座標系は六方晶系の窒化ガリウム系半導体結晶を示すために好適である。

窒化物半導体発光素子１１ａでは、ＡｌＧａＮ領域１５は、第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１＜Ｘ＜１）層を含み、この第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さは２μｍ以上であることが好ましい。０．１以上のアルミニウム組成および２μｍ以上でありＧａＮ上に成長されたＡｌＧａＮを有する窒化物半導体発光素子では、ＡｌＧａＮの格子定数とＧａＮの格子定数との間にはより大きな差があるけれども、すべり面生成のおかげで、歪み緩和のためにクラックが生成されることはない。窒化物半導体発光素子１１ａでは、０．１以上のアルミニウム組成および２μｍ以上のＡｌＧａＮを用いることにより、ＡｌＧａＮ系の発光素子に対して好適な下地を提供することができるという利点がある。また、０．１より大きい０．１８以上のアルミニウム組成のＡｌＧａＮを有する窒化物半導体発光素子は、３６０ｎｍ以下の短波長な光を発する活性層に対して好適な下地を提供することができるという利点がある。さらに、ＡｌＧａＮ領域１５の第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層のアルミニウム組成は、実用的な値として０．６以下であることが好ましい。ＡｌＧａＮ領域１５の第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚みは、実用的な値として６μｍ以下であることが好ましい。

ＡｌＧａＮ半導体を主要な構成材料に用いる窒化物半導体発光素子１１ａによれば、紫外の波長範囲の光を発生するときに好適な構造である。活性層１９は、３６０ｎｍ以下のピーク発光波長の光を発生するように設けられており、また２８０ｎｍ以上のピーク発光波長の光を発生する。活性層１９は、さらに好ましくは、短波長領域の３５０ｎｍ以下のピーク発光波長の光を発生するように設けられる。

窒化物半導体発光素子１１ａでは、活性層１９は、量子井戸構造２５を有しており、量子井戸構造２５は、交互に配列された井戸層２５ａおよび障壁層２５ｂを含む。障壁層２５ｂはＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）からなることができる。活性層１９の障壁層２５ｂがＡｌＧａＮ領域１５上に成長されるので、活性層１９に加わる応力が小さい。また、井戸層２５ａはＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０＜Ｚ＜Ｙ＜１）からなることができる。井戸層２５ａが、ＡｌＧａＮ領域１５上に設けられたＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ障壁層２５ｂ上に成長される。また、井戸層２５ａおよび障壁層２５ｂが共にＡｌＧａＮからなるとき、ＡｌＧａＮ活性層１９を用いて紫外線領域の光を発生することができる。

この窒化物半導体発光素子では、ＧａＮ半導体の支持体１３上には、III族構成元素としてアルミニウムを含むＡｌＧａＮ活性層１９およびＡｌＧａＮ領域１５が成長されるので、ＡｌＧａＮ活性層１９の格子定数およびＡｌＧａＮ領域１５の格子定数との差を小さくできる。

窒化物半導体発光素子１１ａでは、第２導電型ＧａＮ系半導体層１７はＡｌ_ＵＧａ_１−ＵＮ（０＜Ｕ＜１）からなることが好ましい。窒化物半導体発光素子１１ａが面発光素子であるとき、Ａｌ_ＵＧａ_１−ＵＮからなる第２導電型ＧａＮ系半導体層１７は、活性層１９から出射される光を遮らない。また、第２導電型ＧａＮ系半導体層１７は電子ブロックとして使用できる。電子ブロック層のＡｌＧａＮのアルミニウム組成は、窒化物半導体発光素子１１ａにおけるＡｌＧａＮ領域において最も大きい。

窒化物半導体発光素子１１ａでは、第２導電型ＧａＮ系半導体層１７上に設けられたＡｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ（０＜Ｖ＜Ｕ＜１）層２７を含む。Ａｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層２７は、例えばコンタクト層であり、第１の電極２９が、Ａｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層２７に接合する。コンタクト層はＡｌＧａＮ半導体積層（１５，１７、１９、２７）の最上層である。Ａｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層２７が活性層１９からの光の出射を遮らないので、光Ｌがコンタクト層の表面（窒化物半導体発光素子１１ａの上面）を介してから出射される。支持体１３の裏面１３ｂには第２の電極３１が接合する。これらの接合はオーミック特性を示し、第１の電極２９は例えばアノードであり、第２の電極３１は例えばカソードである。

（実施例１）
図２を参照しながら、本実施の形態における実施例を説明する。ｍ面、ａ面主面を有するＧａＮ基板上にＬＥＤ構造を作製した。工程Ｓ１０１において、ｃ面、ｍ面、ａ面主面を有する３種類のＧａＮ基板を準備した。これらのＧａＮ基板を有機金属気相成長炉に配置した。工程Ｓ１０３において、これらのＧａＮ基板の前処理を行った。この前処理として、アンモニア及び水素（ＮＨ_３＋Ｈ_２）中で、摂氏１０５０度および１０分間のサーマルクリーニングを行った。前処理の後に、工程Ｓ１０５において、摂氏１１５０度で、２μｍのｎ型ＧａＮ膜（シリコン（Ｓｉ）添加）を成長した。工程Ｓ１０７において、摂氏１１５０度で、５００ｎｍのｎ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ膜（Ｓｉ）添加）を成長する。工程Ｓ１０９において、活性層を成長した。活性層は、３ｎｍのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ井戸層および１５ｎｍのＡｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層を含み、これらが交互に５周期分積層されて成る多重量子井戸構造を有する。井戸層および障壁層はアンドープであることが好ましい。工程Ｓ１１１において、摂氏１１００度に温度を下げた後に、２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．２７Ｇａ_０．７３Ｎ膜（マグネシウム（Ｍｇ）添加）を成長した。工程Ｓ１１３において、１５０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ膜（Ｍｇ）添加）を成長した。これらの工程によりＡｌＧａＮエピタキシャル積層が形成された。ｍ面主面およびａ面主面上に形成されたＡｌＧａＮエピタキシャル積層のＡｌＧａＮ結晶のｃ面は、基板主面と大きな角度で交差する平面に沿って延びている。工程Ｓ１１５において、基板の裏面にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極を形成し、ｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎコンタクト層上に、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極を形成した。これらに工程により、ｃ面、ｍ面、ａ面主面を有するＧａＮ基板をそれぞれ用いたＬＥＤ構造ＬＥＤ_Ｃ、ＬＥＤ_Ｍ、ＬＥＤ_Ａが得られた。これらのＬＥＤ構造ＬＥＤ_Ｃ、ＬＥＤ_Ｍ、ＬＥＤ_Ａに電圧を加えた。ＬＥＤ構造ＬＥＤ_Ｃ、ＬＥＤ_Ｍ、ＬＥＤ_Ａの発光波長は、いずれも３５０ｎｍ付近であった。ＬＥＤ構造ＬＥＤ_Ｃは、クラックのため全面で発光しなかった。一方、ＬＥＤ構造ＬＥＤ_Ｍ、ＬＥＤ_Ａでは、全面で均一な発光が得られた。

（第２の実施の形態）
図３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。窒化物半導体発光素子１１ｂとしては、例えば端面発光半導体素子であり、具体例としては半導体レーザ（ＬＤ）等がある。窒化物半導体発光素子１１ｂは、ＧａＮ半導体からなる支持体１３と、第１導電型ＡｌＧａＮ領域１５と、第２導電型ＧａＮ系半導体領域１７と、活性層１９とを備える。支持体１３のＧａＮ半導体のｃ軸は、側面１３ｃから側面１３ｄに伸びている。第１導電型ＡｌＧａＮ領域１５および第２導電型ＧａＮ系半導体層１７は、支持体１３の主面１３ａ上に設けられている。ＡｌＧａＮ領域１３のアルミニウム組成は０．０５以上であり、またＡｌＧａＮ領域１５の厚さＤ１は５００ｎｍ以上である。

窒化物半導体発光素子１１ｂでは、ＡｌＧａＮ領域１５は、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１＜Ｘ＜１）層を含むことが好ましく、またこの第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さは２μｍ以上であることが好ましい。０．１以上のアルミニウム組成および２μｍ以上のＡｌＧａＮを有する窒化物半導体発光素子は、このＡｌＧａＮの格子定数とＧａＮの格子定数との大きな差は大きいけれども、すべり面生成のおかげでクラックを生成して歪みを緩和することはない。窒化物半導体発光素子１１ｂでは、０．１以上のアルミニウム組成および２μｍ以上のＡｌＧａＮは、厚いＡｌＧａＮクラッド層を必要とするレーザ構造に対しても好適な下地を提供できるという利点がある。また、ＡｌＧａＮ領域１５の第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層のアルミニウム組成は、実用的な値として０．６以下であることが好ましい。ＡｌＧａＮ領域１５の第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚みは実用的な値として６μｍ以下であることが好ましい。

半導体レーザにおいては、ＡｌＧａＮクラッド層３３のアルミニウム組成は０．１以上であることが好ましく、０．３以下であることが好ましい。ＡｌＧａＮクラッド層３３の厚みＤ３３は５００ｎｍ以上であることが好ましく、また２．５μｍ以下であることが好ましい。また、ＡｌＧａＮクラッド層３５のアルミニウム組成は０．１５以上であることが好ましく、０．６以下であることが好ましい。ＡｌＧａＮクラッド層３５の厚みＤ３５は３００ｎｍ以上であることが好ましく、また８００ｎｍ以下であることが好ましい。さらに、ＡｌＧａＮクラッド層３９のアルミニウム組成は０．１以上であることが好ましく、０．６以下であることが好ましい。ＡｌＧａＮクラッド層３９の厚みＤ３９は３００ｎｍ以上であることが好ましく、また８００ｎｍ以下であることが好ましい。

窒化物半導体発光素子１１ｂでは、第１導電型ＡｌＧａＮ領域１５は、例えばｎ型ＡｌＧａＮからなる第１および第２のＡｌＧａＮクラッド層３３、３５を含む。第１のＡｌＧａＮクラッド層３３のアルミニウム組成は第２のＡｌＧａＮクラッド層３５のアルミニウム組成よりも小さく、ＡｌＧａＮクラッド層３３の厚みＤ３３はＡｌＧａＮクラッド層３５の厚みＤ３５よりも大きい。ＡｌＧａＮクラッド層３５は、ＡｌＧａＮクラッド層３５のバンドギャップが活性層１９の最大バンドギャップよりも大きいアルミニウム組成を有する。ａ面またはｍ面主面を有する支持体１３上には、比較的大きなアルミニウム組成のＡｌＧａＮ領域１５が設けられるので、光の閉じ込めに好適である。

また、第２導電型ＧａＮ系半導体領域１７は、ＡｌＧａＮ電子ブロック層３７およびＡｌＧａＮクラッド層３９を含む。ＡｌＧａＮ電子ブロック層３７は、ＡｌＧａＮクラッド層３５のバンドギャップが活性層１９の最大バンドギャップよりも大きいアルミニウム組成を有する。ＡｌＧａＮクラッド層３９のアルミニウム組成はＡｌＧａＮ電子ブロック層３７のアルミニウム組成よりも小さく、ＡｌＧａＮクラッド層３７の厚みＤ３７はＡｌＧａＮ電子ブロック層３９の厚みＤ３９よりも大きい。ａ面またはｍ面主面を有する支持体１３を用いることによって、比較的大きなアルミニウム組成のＡｌＧａＮ層３９が活性層１９上に設けられるので、光の閉じ込めに好適である。

支持体１３の主面１３ａに、直接に或いは間接に、大きなアルミニウム組成の厚いＡｌＧａＮ１５、３９が堆積される。この主面１３ａには、ｃ面が現れることなくａ面またはｍ面（或いは、これらの面から僅かにオフした結晶面）が現れる。このＡｌＧａＮは、ｃ面とは大きく異なる面方位を有する結晶表面上に成長される。したがって、この面方位の結晶面上に成長されるＡｌＧａＮはすべり面を形成可能になる。一方、ｃ面（或いは、ある僅かなオフ角でｃ面から傾斜した面）上へのＡｌＧａＮの堆積では、この面への成長に起因して、成長されるＡｌＧａＮに適当なすべり面がないので、内包される応力を緩和できない。このため、成長されたＡｌＧａＮにはクラックが発生する。

図３を参照すると、図１と同様に、座標系Ｓ_Ｍ、座標系Ｓ_Ａが示されている。支持体１３のＧａＮ半導体の結晶軸が座標系Ｓ_Ｍに従うとき、主面１３ａはＧａＮ半導体の実質的なｍ面である。また、支持体１３のＧａＮ半導体の結晶軸が座標系Ｓ_Ａに従うとき、主面１３ａはＧａＮ半導体の実質的なａ面である。これらの面方位によれば、既に説明された技術的な利点が提供される。

ＡｌＧａＮ半導体を主要な構成材料に用いる窒化物半導体発光素子１１ｂによれば、紫外の波長範囲の光を発生する半導体レーザに好適な構造である。活性層１９は、３６０ｎｍ以下の発光波長の光を発生するように設けられており、また２８０ｎｍ以上の発光波長の光を発生する。活性層１９は、量子井戸構造２５を有しており、量子井戸構造２５は、交互に配列された井戸層２５ａおよび障壁層２５ｂを含む。

窒化物半導体発光素子１１ｂは、活性層１９と第１導電型ＡｌＧａＮ領域１５との間に設けられたＡｌ_Ｗ１Ｇａ_１−Ｗ１Ｎ（０＜Ｗ１＜１）光ガイド層４１を含むことができる。また、窒化物半導体発光素子１１ｂは、活性層１９と第２導電型ＧａＮ系半導体領域１７との間に設けられたＡｌ_Ｗ２Ｇａ_１−Ｗ２Ｎ（０＜Ｗ２＜１）光ガイド層４３を含むことができる。この構造は、光の閉じ込めとキャリアの閉じ込めを別個に行うために好適である。また、半導体レーザにおいて、光ガイド層４１、４３が共にＡｌＧａＮからなるとき、ガイド層での光の吸収損失を低減することができる。

窒化物半導体発光素子１１ｂでは、第２導電型ＧａＮ系半導体層１７上に設けられたＡｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ（０≦Ｖ＜Ｕ＜１、Ｕ：電子ブロック層のＡｌ組成）層４５を含む。Ａｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層４５は、例えばコンタクト層であり、第１の電極４７が、絶縁膜４９の開口を介してＡｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層４５に接合する。コンタクト層はＡｌＧａＮ半導体積層（１５、１７、１９）上に設けられている。活性層１９からの光Ｌは、窒化物半導体発光素子１１ｂの端面から出射されるので、活性層１９からの光の出射がＡｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層４５を介して出射されない。このため、コンタクト層の材料は、良好なコンタクト抵抗を得るために、ｐ型ＧａＮ、Ａｌ組成の小さいｐ型ＡｌＧａＮ等が好適である。支持体１３の裏面３１ｂには第２の電極３１が接合する。これらの接合はオーミック特性を示し、第１の電極４７は例えばアノードであり、第２の電極３１は例えばカソードである。

（実施例２）
図４を参照しながら、本実施の形態における実施例を説明する。ｍ面、ａ面主面を有するＧａＮ基板上にＬＤ構造を作製した。工程Ｓ２０１において、ｃ面、ｍ面、ａ面主面を有する３種類のＧａＮ基板を準備した。これらのＧａＮ基板を有機金属気相成長炉に配置した。工程Ｓ２０３において、これらのＧａＮ基板の前処理を行った。この前処理として、アンモニア及び水素（ＮＨ_３＋Ｈ_２）中で、摂氏１０５０度および１０分間のサーマルクリーニングを行った。前処理の後に、工程Ｓ２０５において、摂氏１１５０度で、２μｍのｎ型Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎクラッド膜（Ｓｉ添加）を成長した。次いで、工程Ｓ２０７において、摂氏１１５０度で、３００ｎｍのｎ型Ａｌ_０．２４Ｇａ_０．７６Ｎクラッド膜（Ｓｉ添加）を成長した。工程Ｓ２０９において、摂氏１１５０度で、１００ｎｍのｎ型Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ光ガイド膜（Ｓｉ添加）を成長した。工程Ｓ２１１において、活性層を成長した。活性層は、３ｎｍのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ井戸層および１５ｎｍのＡｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ障壁層を含み、これらが交互に３周期分積層されて成る多重量子井戸構造を有する。井戸層および障壁層はアンドープであることが好ましい。工程Ｓ２１３において、摂氏１１００度に温度を下げた後に、１００ｎｍのｐ型Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ光ガイド膜（Ｍｇ添加）を成長した。工程Ｓ２１５において、摂氏１１００度で、２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．２７Ｇａ_０．７３Ｎ電子ブロック膜（Ｍｇ添加）を成長した。工程Ｓ２１７において、摂氏１１００度で、３００ｎｍのｐ型Ａｌ_０．２４Ｇａ_０．７６Ｎクラッド膜（Ｍｇ添加）を成長した。これらの工程によりＡｌＧａＮエピタキシャル積層が形成され、ＡｌＧａＮエピタキシャル積層のＡｌＧａＮ結晶のｃ面は、基板主面と大きな角度で交差する平面に沿って延びている。工程Ｓ２１９において、５０ｎｍのｐ型ＧａＮ膜（Ｍｇ添加）を成長した。これらに工程により、ｃ面、ｍ面、ａ面主面を有するＧａＮ基板を用いたＬＤ構造が得られた。工程Ｓ２２１において、シリコン酸化膜といった絶縁膜を形成した後に、ストライプ状の開口（窓）をエッチングにより形成する。基板の裏面にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極を形成すると共に、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極を形成し、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極を蒸着した。工程Ｓ２２３において、ｃ面基板ではｍ面でへき開を行うと共に、ｍ面基板およびａ面基板の場合はｃ面でへき開を行うことによって共振器ミラーをそれぞれ形成して、ゲインガイド型半導体レーザＬＤ_Ｃ、ＬＤ_Ｍ、ＬＤ_Ａを作製した。半導体レーザＬＤ_Ｃ、ＬＤ_Ｍ、ＬＤ_Ａの発振波長は、いずれも３５０ｎｍ付近であった。

これらの半導体レーザＬＤ_Ｃ、ＬＤ_Ｍ、ＬＤ_Ａに電圧を加えた。ｃ面基板を用いた半導体レーザＬＤ_Ｃは、クラックが発生したので、ほとんど発光しなかった。一方、ｍ面およびａ面基板を用いた半導体レーザＬＤ_Ｍ、ＬＤ_Ａは、全面で均一な発光が得られた。発光した半導体レーザＬＤ_Ｃでも閾値電流が大きくばらついた。これはクラックのため、電流密度の面内不均一や内部ロスの発生に起因していると考えられる。一方、半導体レーザＬＤ_Ｍ、ＬＤ_Ａでは、特性のばらつきが小さい。

４０５ｎｍよりも短い波長帯の、ブルーレーザ等の発光素子では、Ａｌ組成がより高いＡｌＧａＮ結晶を用いる必要がある。このため、クラックに関する問題の解決が望まれる。つまり、厚いＡｌＧａＮ膜を成長すると、クラックが発生しデバイス特性を悪化させる。しかしながら、本実施の形態において説明したように、ｍ面（１０−１０）ＧａＮ基板およびａ面（１１−２０）ＧａＮ基板を用いる窒化物半導体発光素子では、該ＧａＮ基板上に堆積されたＡｌＧａＮでは、ｃ軸方向に生成される僅かな量の結晶欠陥により、格子定数差に起因する応力が緩和される。このため、ＡｌＧａＮ積層体にクラックが発生しにくい。

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。また、本実施の形態では、Ａｌ組成が一定の半導体層について例示的に説明しているけれども、Ａｌ組成が階段状および傾斜状になっている半導体層を用いることもできる。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。

図１は、第１の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、この実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の作製のために主要な工程を示す図面である。 図３は、第２の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４は、この実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の作製のために主要な工程を示す図面である。

符号の説明

１１ａ、１１ｂ…窒化物半導体発光素子、１３…支持体、１３ａ…支持体の主面、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ…支持体の側面、１５…第１導電型ＡｌＧａＮ領域、１７…第２導電型ＧａＮ系半導体層、１９…活性層、２１…ＧａＮ基板、２３…ｎ型ＧａＮ層、Ｓ_Ｍ、Ｓ_Ａ…座標系、２５…量子井戸構造、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７…Ａｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層、２９…第１の電極、３１…第２の電極、３３…ＡｌＧａＮクラッド層、３５…ＡｌＧａＮクラッド層、３９…ＡｌＧａＮクラッド層、４１…Ａｌ_Ｗ１Ｇａ_１−Ｗ１Ｎ光ガイド層、４３…Ａｌ_Ｗ２Ｇａ_１−Ｗ２Ｎ光ガイド層、４５…Ａｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層、４７…第１の電極

Claims (9)

1. 主面と複数の側面とを有しておりＧａＮ半導体からなる支持体と、
   前記支持体の前記主面上に設けられた第１導電型ＡｌＧａＮ領域と、
   前記支持体の前記主面上に設けられた第２導電型ＧａＮ系半導体領域と、
   ３６０ｎｍ以下のピーク発光波長の光を発生するように前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域と前記第２導電型ＧａＮ系半導体領域との間に設けられＧａＮ系半導体から成る活性層と
   を備え、
   前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域は前記支持体と前記活性層との間に設けられ、
   前記支持体のＧａＮ半導体のｃ軸は、前記支持体の前記複数の側面のうちの第１の側面から第２の側面に伸びており、
   前記第１の側面は前記第２の側面に対向しており、
   前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域のアルミニウム組成は０．０５以上であり、
   前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域の厚さは５００ｎｍ以上であり、
   前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域はすべり面で緩和しており、
   前記活性層は、井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有しており、
   前記障壁層はＡｌ _Ｙ Ｇａ _１−Ｙ Ｎ（０＜Ｙ＜１）からなり、
   前記井戸層はＡｌ _Ｚ Ｇａ _１−Ｚ Ｎ（０＜Ｚ＜Ｙ＜１）からなる、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域は、第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．１＜Ｘ＜１）層を含み、
   前記第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層のＡｌ組成は０．１以上０．６以下であり、
   前記第１導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さは２μｍ以上である、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導電型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層のＡｌ組成は０．１８以上である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物半導体発光素子。
4. 前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域は、第１のＡｌＧａＮクラッド層及び第２のＡｌＧａＮクラッド層を含み、
   前記第１のＡｌＧａＮクラッド層の厚さは５００ｎｍ以上２．５μｍ以下であると共に、前記第１のＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成は０．１以上０．３以下であり、
   前記第２のＡｌＧａＮクラッド層の厚さは３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であると共に、前記第２のＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成は０．１５以上０．６以下であり、
   前記第１のＡｌＧａＮクラッド層の前記Ａｌ組成は前記第２のＡｌＧａＮクラッド層の前記Ａｌ組成より小さく、
   前記第１のＡｌＧａＮクラッド層の前記厚さは前記第２のＡｌＧａＮクラッド層の前記厚さより大きい、
   前記第２のＡｌＧａＮクラッド層は前記第１のＡｌＧａＮクラッ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に記載された窒化物半導体発光素子。
5. 前記活性層と前記第１導電型ＡｌＧａＮ領域との間および前記活性層と前記第２導電型ＧａＮ系半導体領域との間の少なくともいずれか一方に設けられたＡｌ_ＷＧａ_１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１）光ガイド層を更に備える、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。
6. 前記第２導電型ＧａＮ系半導体領域はＡｌ_ＵＧａ_１−ＵＮ（０＜Ｕ＜１）からなる、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された窒化物半導体発光素子。
7. 前記第２導電型ＧａＮ系半導体領域上に設けられたＡｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ（０＜Ｖ＜Ｕ＜１）層と、
   前記Ａｌ_ＶＧａ_１−ＶＮ層に接合する第１の電極と
   を更に備える、ことを特徴とする請求項６に記載された窒化物半導体発光素子。
8. 前記支持体の前記主面と前記ＧａＮ半導体のｍ面との成す角度は−５度以上であり、
   前記支持体の前記主面と前記ＧａＮ半導体のｍ面との成す角度は＋５度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
9. 前記支持体の前記主面と前記ＧａＮ半導体のａ面との成す角度は−５度以上であり、
   前記支持体の前記主面と前記ＧａＮ半導体のａ面との成す角度は＋５度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７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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