JP6371980B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本開示は、有極性面上ＩｎＧａＮ量子井戸発光層からの発光を高効率化することにより、高輝度ＧａＮ系発光素子を実現する半導体技術に属する。
特許文献１では、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を井戸層内で変調することによって電子分布のピークを井戸層中央に近づけることを通じて発光効率を向上させることを試みている。
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、Ｉｎ組成変調によって、正孔分布はむしろ井戸層中央から遠ざかる方向へと移動し、電子と正孔の存在確率の積分値を十分に大きくすることが困難であるという課題があった。
なお、以下において、適宜ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）をＡｌＧａＮ、ＡｌｙＩｎ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）をＡｌＩｎＮ、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）をＩｎＧａＮと、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）をＩｎＡｌＧａＮと記載する。
上記課題を解決するために、本開示は、ＩｎＧａＮ層のＩＩＩ族極性側に高Ｉｎ組成を有するＩｎＡｌＮ層を接して形成する。
具体的には、本開示の半導体発光素子は、ウルツ鉱構造結晶からなる窒化物半導体の有極性面上に形成されたＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層のＩＩＩ族極性面に接して形成されたＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層とを有する。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とＩｎｙＡｌ１−ｙＮ層との界面において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）とＩｎｙＡｌ１−ｙＮ層の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ）とが、以下の関係式を満たす。
この構成により、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ層のＩＩＩ族極性面に接して形成されているので、上記界面における伝導帯側のＩｎＡｌＮ／ＩｎＧａＮ界面のバンドオフセットは大きくなる。また、価電子帯側のオフセットは、ＩｎＡｌＮ側がＩｎＧａＮ側よりも低エネルギー側、すなわち、オフセットが負になり、ＩｎＡｌＮ／ＩｎＧａＮ界面とは反対側のＩｎＧａＮ／ＧａＮ界面の側に局在していた正孔分布が、ＩｎＡｌＮ／ＩｎＧａＮ界面側での存在確率が大きくなるように変化する。また、電子分布はＩｎＡｌＮ／ＩｎＧａＮ界面側に局在しているから、ＩｎＡｌＮを挿入することによって、電子と正孔の波動関数の重なりが大きくなり、電子と正孔の存在確率の積分値を大きくすることができる。
本開示によれば、量子井戸発光層における電子と正孔の重なりを増加させることにより、発光効率を増大させることを通じて、高輝度、高効率な半導体発光素子を実現することができる。
以下、具体的に本開示の好ましい形態について説明する。
（実施形態１）
以下、本開示にかかる半導体発光素子１００について説明する。図１に示すごとく、本開示に係る半導体発光素子１００は、ウルツ鉱構造結晶からなる窒化物半導体である半導体基板１の有極性面上に設けられた活性層４を有している。活性層４は、図５に示すごとく、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦１）４２のＩＩＩ族極性面に接して形成されたＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とを有する。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２とＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３との界面において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）とＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ）とが、以下の関係式を満たす。
以下、本開示にかかる半導体発光素子１００について説明する。図１に示すごとく、本開示に係る半導体発光素子１００は、ウルツ鉱構造結晶からなる窒化物半導体である半導体基板１の有極性面上に設けられた活性層４を有している。活性層４は、図５に示すごとく、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦１）４２のＩＩＩ族極性面に接して形成されたＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とを有する。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２とＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３との界面において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）とＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ）とが、以下の関係式を満たす。
この構成により、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２のＩＩＩ族極性面に接して形成されているので、上記界面における伝導帯側のＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面のバンドオフセットは大きくなる。また、価電子帯側のオフセットは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３側がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２側よりも低エネルギー側、すなわち、オフセットが負になる。そのため、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面とは反対側のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２とＧａＮからなるバリア層４１との界面の側に局在していた正孔分布が、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面側での存在確率が大きくなるように変化する。また、電子分布はＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面側に局在しているから、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３を設けることによって、電子と正孔の波動関数の重なりが大きくなり、電子と正孔の存在確率の積分値を大きくすることができる。
以下、任意の構成を含めたより具体的な構成について説明する。
本実施形態においては、半導体発光素子１００の実施例として、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いる緑色（波長５２０ｎｍ）半導体レーザを用いて説明する。以下、図を参照しながら説明する。
図１は、本開示にかかる半導体発光素子１００の断面図である。図２は、本開示にかかる半導体発光素子１００を上面方向から見た図である。図１は、光導波路２０を含んで、図２の１−１線における断面図である。
まず、半導体発光素子１００の簡単な構成について説明する。
図１において半導体発光素子１００は、例えば（０００１）面（すなわちｃ面）であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である半導体基板１上に順に、例えばｎ−Ａｌ０．０７５Ｇａ０．９２５Ｎよりなるｎ型クラッド層２、例えばｎ−ＧａＮであるｎ型光ガイド層３、詳細な層構造を後述する活性層４、例えばｐ−ＧａＮであるｐ型光ガイド層５、例えばｐ−Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎである電子障壁層６、例えば、ｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／ＧａＮ超格子であるｐ型クラッド層７、例えばｐ−ＧａＮであるｐ型コンタクト層８が積層される。半導体発光素子１００の光導波路は、例えばＳｉＯ２である絶縁膜９より両側を絶縁され、光導波路の最上面は、例えばパラジウム（Ｐｄ）／白金（Ｐｔ）であるｐ電極１０、例えばチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）である配線電極１１、例えばＴｉ／Ａｕであるパッド電極１２が所定のパターンにより形成される。半導体発光素子１００の光導波路２０の前後は、光導波路２０内の光を反射するための、例えばＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３を組み合わせた誘電体多層膜で構成されたリアコート膜１４と、光を放射するための、例えばＡｌＮとＡｌ２Ｏ３を組み合わせた誘電体多層膜で構成されたフロントコート膜１３が形成される。半導体基板１の反対側の面は例えばＮｉ／Ａｕであるｎ電極１５が形成される。
なお、半導体基板１の主面はＧａ面である。そのため、ｎ型クラッド層２、ｎ型光ガイド層３、活性層４、ｐ型光ガイド層５、電子障壁層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型コンタクト層８の上面（すなわち半導体基板１より離れた側の面）はＩＩＩ族極性面となり、下面（半導体基板１に近い側の面）はＶ族極性面となる。
次に、本開示の要部である活性層４の詳細な構造について説明する。
まず、本開示との対比のために、従来技術で用いられている活性層４について、図３および図４Ａ、図４Ｂを参照しながら説明する。以下、この従来技術で用いられている活性層４に係る技術については、比較例と称する。
図３は、比較例に係る活性層４を示す断面図である。図３において、活性層４は、バリア層４１にＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２が挟持された構成をしている。本実施の形態において、バリア層４１は膜厚１０ｎｍのＧａＮからなるバリア層４１、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２は膜厚３ｎｍのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ井戸層により形成されている。なお、図３中上向きがウルツ鉱結晶の＜０００１＞方向である。
比較例のバンド構造について、図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。図４Ａに比較例における活性層４のバンド構造、すなわち価電子帯（実線）と伝導帯（破線）のエネルギーを計算した結果を、また、図４Ｂに、正孔（実線）と電子（点線）の基底準位の波動関数（存在確率）を計算した結果を示す。計算は、発明者らが実測したＩｎＧａＮおよびＧａＮのバンドギャップエネルギーを考慮したうえで、シュレディンガー方程式とポアソン方程式を、正孔および電子分布をパラメータとして自己無撞着に解くことで行った。計算にあたっては、各材料の自発分極およびＩｎＧａＮ層をＧａＮ層に積層することによる格子歪みに起因するピエゾ分極を考慮した。
さて、図４Ａ、図４Ｂを見ると、図４Ａ中のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２において、価電子帯および伝導帯エネルギーが、横軸、すなわち場所に応じて変化していることがわかる。これが、先述した、分極電界によるＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２のエネルギーバンドの曲がりである。図４Ｂにおいて、電子の波動関数４４および正孔の波動関数４５を見ると、電子はＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２とその上側に設けられたＧａＮからなるバリア層４１の界面側に、また正孔はＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２とその下側に設けられたＧａＮからなるバリア層４１の界面側に空間的に局在していることがわかる。活性層４の発光効率は、電子と正孔の波動関数の空間的な重なりが大きいとき、電子正孔対の再結合が活発となるために高くなることから、空間的に、上下のバリア層４１との界面に別れて局在していることが効率の点から問題である。なお、このときの電子と正孔の重なり度合いを示す波動関数の重なり積分値＜φｅ｜φｈ＞の値は０．５２である。
つぎに、本開示の実施形態１における活性層４について、図５〜図７を参照しながら説明する。
図５は、本開示の実施形態１に係る活性層４を示す断面図である。図５では、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２の上側に、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３が形成され、そのうえにＧａＮからなるバリア層４１が形成されているという特徴がある。本実施の形態においては、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３は膜厚１ｎｍのＩｎ０．３５Ａｌ０．６５Ｎ層により形成されている。
ここで、新たに形成したＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３の特徴について詳しく説明する。図６に、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のバンド構造の、Ｉｎ組成依存性を示す。なお、図６には、ＧａＮおよび緑色発光するＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２としてのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎの価電子帯および伝導帯のエネルギーについても書き入れてある。ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のバンドギャップは、Ｉｎ組成に応じてＡｌＮの６．２ｅＶからＩｎＮの０．７ｅＶまで順次変化していく。つぎに、図７に、ＧａＮ／ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ構造をウルツ鉱（０００１）面上に形成したときに、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＧａＮからなるバリア層４１の界面に生じる分極電荷の計算結果を示す。図７において点線が自発分極電荷、破線はピエゾ分極電荷の成分を、また、実線は両分極電荷の和（全分極電荷）を示す。なお、図７において例えばＥ＋１４というのは１０の１４乗すなわち１０１４を表す。結晶の歪みによって生じるピエゾ分極電荷は、Ｉｎ組成約１８％を境に正から負へと入れ替わっている。これは、ＧａＮからなるバリア層４１に対するＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３の歪みが、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３が＜０００１＞方向に伸張される引張り歪みから、圧縮される圧縮歪みへと変化するためである。自発分極は常に正電荷を生じるために、両分極電荷の和は、Ｉｎ組成が約０．４のときに０となる。
次に、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のバンド構造および分極電荷を考慮して計算した、ＧａＮ／ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ構造のバンド構造を、Ｉｎ組成０．３および０．５の場合を例に、図８に示す。Ｉｎ組成０．３のとき、伝導帯のエネルギーはバリア層４１であるＧａＮよりも高く、電子閉じ込めが得られないため、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３は発光層には適さない。Ｉｎ組成を０．５とすると、伝導帯のエネルギーはＧａＮよりも小さくなることからある程度の電子閉じ込めが実現され、また、そのバンドギャップは緑色発光に相当する約２．３ｅＶとなるが、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３であるＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎを利用して緑色発光させる場合に比べて、伝導帯側にＧａＮからなるバリア層４１と形成するエネルギーギャップが小さく、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｎを発光層に利用する利点がないために、これまでＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３を井戸層とする利点はないと考えられてきた。
しかしながら、発明者は、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３を好適な条件において組み合わせることで、ＩｎＧａＮ井戸、ＧａＮからなるバリア構造における、電子と正孔が空間的に分離して存在するために、発光効率が低下するという課題を解決可能であるということを見出した。図９Ａ、図９Ｂに、本開示の実施形態１における活性層４のバンド構造を示す。図９Ａに本開示の実施形態１における活性層４のバンド構造、すなわち価電子帯（実線）と伝導帯（破線）のエネルギーを計算した結果を、また、図９Ｂに、本開示の実施形態１における正孔（実線）と電子（点線）の基底準位の波動関数（存在確率）を計算した結果を示す。活性層４においては、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３としてのＩｎ０．３５Ａｌ０．６５Ｎ層をＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２のＩＩＩ族極性面に接して形成している。このことによって、上記界面における伝導帯側のＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面のバンドオフセットは大きくなり、また、価電子帯側のオフセットは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３側がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２側よりも低エネルギー側、すなわち、オフセットが負になっている。このような分布とすることで、図９Ｂに計算したように、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面とは反対側のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２とＧａＮからなるバリア層４１との界面の側に局在していた正孔分布が、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面側での存在確率が大きくなるように変化する。一方の電子分布はＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面側に局在しているから、ＩｎＡｌＮを挿入することによって、電子の波動関数４４と正孔の波動関数４５との重なりが大きくなり、重なり積分値を０．６２にまで増大することができる。
このため、従来の半導体発光素子と比べ、発光効率を向上させることができ、高輝度、高効率な半導体発光素子を実現することができる。
続いて、半導体発光素子１００の詳細な構成について製造方法と合わせて説明する。
まず、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮよりなる半導体基板１上に、例えば有機金属気層成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いてｎ型クラッド層２からｐ型コンタクト層８までを連続的に成膜する。まずｎ−Ａｌ０．０７５Ｇａ０．９２５Ｎよりなるｎ型クラッド層２を１０００ｎｍ成膜する。ここで、成膜のためのガス原料としては、たとえばＩＩＩ族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ｎ型不純物にシラン、Ｖ族原料にアンモニアなどを用いればよい。ｎ−ＡｌＧａＮ層のＳｉ濃度は１×１０１８ｃｍ−３程度にすると良い。
次に、ｎ型光ガイド層３を構成するｎ−ＧａＮ（Ｓｉ濃度が５×１０１７ｃｍ−３）を１００ｎｍ成長する。さらに、活性層４を構成するＧａＮからなるバリア層４１とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２としてのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ量子井戸層、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３としてのＩｎ０．３５Ａｌ０．６５Ｎ層との３周期からなる３重量子井戸活性層を成長する。このとき、ＧａＮからなるバリア層４１の膜厚はたとえば１０ｎｍ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２の膜厚は２ｎｍ、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３の膜厚は１ｎｍとすればよい。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２およびＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いればよい。次に、ｐ型光ガイド層５を構成するｐ−ＧａＮを１００ｎｍ積層する。ｐ−ＧａＮ層は、たとえばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）用いてＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３となるようにすると良い。さらに、電子障壁層６を構成するｐ−Ａｌ０．２０ＧａＮ（Ｍｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３）を１０ｎｍ積層する。次に、ｐ型クラッド層７を構成する膜厚がそれぞれ１．５ｎｍのｐ−Ａｌ０．１５ＧａＮ（Ｍｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３）とｐ−ＧａＮ（Ｍｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３）層を１５０周期、計４５０ｎｍ積層する。最後に、ｐ型コンタクト層８を構成するｐ−ＧａＮ（Ｍｇ濃度が３×１０２０ｃｍ−３）を１０ｎｍ積層する。
なお、上記のような半導体積層構造体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子ビーム成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法又は化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法等を用いてもよい。
次に、成長したウェハをリッジストライプ型レーザに加工する。
まず、例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層８の上に、膜厚が０．３μｍのＳｉＯ２からなるＳｉＯ２絶縁膜（図示なし）を成膜する。さらに、フォトリソグラフィ法及びフッ化水素酸を用いるエッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を幅８μｍのストライプ状に残して他の領域をエッチングする。このとき、六方晶窒化物半導体の自然劈開面（ｍ面）を利用してレーザの端面を形成することを考慮して、ストライプの向きは六方晶ＧａＮのｍ軸方向に平行とする。
次に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を用いて積層構造体の上部を０．３５μｍの深さにエッチングして、ｐ型コンタクト層８及びｐ型クラッド層７の上部から、光導波路２０を構成するリッジストライプ部を形成する。その後、フッ化水素酸を用いて第２のマスク膜を除去し、再度、熱ＣＶＤ法により、露出したｐ型クラッド層７上にリッジストライプ部を含む全面にわたって、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁膜９を再度形成する。
次に、リソグラフィ法により、絶縁膜９におけるリッジストライプ部（光導波路２０）の上面に、該リッジストライプ部に沿って幅が７．５μｍの開口部を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。続いて、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ３）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとしてＳｉＯ２絶縁膜をエッチングすることにより、リッジストライプ部の上面からｐ型コンタクト層を露出する。
次に、例えば電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：ＥＢ）蒸着法により、少なくともリッジストライプ部の上面から露出したｐ型コンタクト層８の上に、例えば厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ電極１０を構成する金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを除去するリフトオフ法により、リッジストライプ上部以外の領域の金属積層膜を除去して、ｐ電極１０を形成する。
次に、図１に示すように、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、絶縁膜９の上にリッジストライプ部の上部のｐ電極１０を覆うように、例えばリッジストライプ部に平行な方向の平面寸法が７５０μｍで、且つリッジストライプ部に垂直な方向の平面寸法が１５０μｍの例えばＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ等からなる配線電極１１を選択的に形成する。本実施形態においては、配線電極１１は、厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）、厚さが２００ｎｍの白金（Ｐｔ）、及び厚さが１００ｎｍの金（Ａｕ）の金属積層膜により形成する。なお、一般に、複数のレーザ装置はウェハの主面上に行列状に形成される。従って、ウェハ状態にある基板から個々のレーザチップに分割する際に、配線電極１１を切断すると、配線電極１１に密着したｐ電極１０がｐ型コンタクト層８から剥がれるおそれがある。そこで、図１右側に示すように、配線電極１１は互いに隣接するチップ同士でつながっていないことが望ましい。続いて、電解めっき法により、配線電極１１の上部に、例えば厚み１０μｍのＡｕ層を形成し、パッド電極１２を形成する。このようにすると、ワイヤボンディングによるレーザチップの実装が可能となると共に、活性層４における発熱を効果的に放熱させることができるため、半導体発光素子１００の信頼性を向上することができる。
次に、パッド電極１２まで形成されたウェハ状態の半導体発光素子１００の裏面を、ダイヤモンドスラリにより研磨して、半導体基板１の厚さが１００μｍ程度になるまで薄膜化する。その後、例えばＥＢ蒸着法により、半導体基板１の裏面（光導波路２０が形成された面と反対の面）に、例えば厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍの白金及び厚さが１０００ｎｍのＡｕからなる金属積層膜を形成することでｎ電極１５を形成する。
次に、ウェハ状態の半導体発光素子１００を、ｍ軸方向の長さが例えば１０００μｍとなるようにｍ面に沿って劈開（１次劈開）する。続いて、たとえば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法を用いて、レーザ光が出射する劈開面に対してフロントコート膜１３を、反対の劈開面に対してリアコート膜１４を形成する。ここでフロントコート膜１３の材料としては、たとえばＳｉＯ２単層膜などの誘電体膜を用いる。また、リアコート膜１４の材料としては、例えばＺｒＯ２膜とＳｉＯ２膜とからなる積層膜などの誘電体膜を用いる。なお、半導体発光素子１００のフロント側（光出射側）の反射率を例えば１５％、リア側（光出射側と反対側）を例えば９０％とすることで、高効率な半導体発光素子１００を構成することができる。
続いて、１次劈開された半導体発光素子１００を、例えばａ軸方向の長さが２００μｍピッチで形成されている光導波路２０の間を、ａ面に沿って劈開（２次劈開）することでレーザチップが完成される。
（実施形態２）
つぎに、本開示の実施形態２にかかる半導体発光素子について、緑色発光する半導体レーザ装置を例に説明する。
つぎに、本開示の実施形態２にかかる半導体発光素子について、緑色発光する半導体レーザ装置を例に説明する。
本実施形態を実施形態１と比較すると、活性層４の構成が異なる。活性層４の構成を除いた他の部分の作成方法は割愛する。
図１０に本実施形態における活性層の構造図を、図１１Ａ、図１１Ｂに、本実施形態におけるバンド構造図を示す。図１１Ａ、図１１Ｂには、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２とＧａＮからなるバリア層４１の界面における、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２側の価電子帯のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）と、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２の界面における、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３側の価電子帯のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ）、および、その両者の差ΔＥｖｓを記入した。本実施形態と、実施形態１との差異は、本実施形態では、ΔＥｖｓ≦７０ｍｅＶという関係が満たされている点にある。発明者は、ΔＥｖｓ≦７０ｍｅＶという関係を満たしているときに、図９Ａ、図９Ｂに示すＩｎＧａＮ／ＩｎＡｌＮ活性層構造の発光効率が飛躍的に増加することを見出した。以下に、その原理について説明する。
図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄ、図１２Ｅ、図１２Ｆ、図１２Ｇ、図１２Ｈ、図１２Ｉ、図１２Ｊに、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成を様々に変えて計算した、ＩｎＡｌＮ（１ｎｍ）とＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（２ｎｍ）とからなる量子井戸のバンド構造を示す。ＩｎＡｌＮ（１ｎｍ）とＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（２ｎｍ）とは、ＧａＮからなるバリア層４１で挟持されている。
図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、図１３Ｄ、図１３Ｅ、図１３Ｆ、図１３Ｇ、図１３Ｈ、図１３Ｉ、図１３Ｊに、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成を様々に変えて計算した、ＩｎＡｌＮ（１ｎｍ）とＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（２ｎｍ）とからなる量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す。ＩｎＡｌＮ（１ｎｍ）とＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（２ｎｍ）はＧａＮからなるバリア層４１で挟持されている。図１２Ａは、ＩｎＡｌＮのＩｎ組成が０．３０の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｂは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３１の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｃは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３２の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｄは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３３の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｅは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３４の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｆは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３５の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｇは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３６の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｈは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３７の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｉは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３８の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１２Ｊは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３９の量子井戸のバンド構造を示す図である。図１３Ａは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３０の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｂは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３１の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｃは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３２の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｄは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３３の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｅは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３４の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｆは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３５の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｇは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３６の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｈは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３７の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｉは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３８の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。図１３Ｊは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３９の量子井戸の電子／正孔の波動関数を示す図である。
また、図１４には、図１２Ａ〜図１２Ｊ、及び図１３Ａ〜図１３Ｊに示した各バンド構造における、電子と正孔の波動関数の重なり積分値を計算した結果を示す。図１４を見ると、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が０．３５〜０．３８のとき、重なり積分値が顕著に増加していることが分かる。つぎに、図１２Ａ〜図１２Ｊ、及び図１３Ａ〜図１３Ｊを用いてその原因を説明する。図１２Ａ〜図１２Ｊ、及び図１３Ａ〜図１３Ｊでは、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成を３０〜３９％に変化させている。Ｉｎ組成が３０％のとき、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面の価電子帯を見ると、二つの材料の間のバンド不連続量は１０ｍｅＶ程度と非常に小さくなっている。このとき、点線で示した電子の波動関数はＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面近傍に局在する一方、正孔の波動関数はＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２とＧａＮからなるバリア層４１との界面に局在するために、両者の重なり積分値は小さい。ここで、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３のＩｎ組成が大きくなってくると、ＩｎＡｌＮの価電子帯のポテンシャルエネルギーが高エネルギー側へと移動し、バンドオフセットが増加することにより、正孔分布がＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面側へと移動していく。一方、電子分布はＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２との界面に局在しているため、電子と正孔の波動関数の空間的な重なり度合いが大きくなり、重なり積分値が増加していく。正孔分布は価電子帯ポテンシャルエネルギーが最大となる点、すなわち図１０で示すＥｖ（ＩｎＡｌＮ／ＩｎＧａＮ）およびＥｖ（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）のエネルギーにより変化し、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層４２がＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３との界面に作る三角状のポテンシャル障壁を挟んで両者の差が小さくなるとき、すなわちΔＥｖｓが小さいとき正孔分布が双峰性の形状となる。電子分布は三角状のポテンシャル障壁近傍にピークを持つため、このとき重なり積分値が大きな値となり、注入した電子／正孔対が効率よく再結合して発光素子の効率を高めることができる。発明者の検討によれば、図１４において、Ｉｎ組成０．３５〜０．３８のとき特に重なり積分値が大きくなるのがΔＥｖｓ≦７０ｍｅＶのときである。
最後に、重なり積分値最大となる場合について考える。図１５、図１６に、ＩｎＡｌＮ層のＩｎ組成を３７．５％としたときのバンド構造図と電子および正孔分布を示す。図１５に本開示の実施形態２における活性層４のバンド構造、すなわち価電子帯（実線）と伝導帯（破線）のエネルギーを計算した結果を、また、図１６に、本開示の実施形態２における正孔（実線）と電子（点線）の基底準位の波動関数（存在確率）を計算した結果を示す。
図１５、１６では、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層４３の価電子帯エネルギーが位置に依存せず一定値となっている。これは、図７において、ＩｎＡｌＮが内包する自発分極と、歪みに起因するピエゾ分極の和が０になる場合に相当し、正孔分布が三角状ポテンシャルを挟んで対称に近くなり、左右対称に近い単峰性形状を有する電子分布との空間的重なりが大きくなることから遷移確率が増大して発光効率が向上させることができる。
なお、上記第１および第２の実施形態において、基板としてＧａＮの（０００１）面を用いる例について記載したが、（０００１）面から〜１０°程度オフしたオフ基板を用いても良い。また、ＧａＮの極性を有するほかの面、たとえばＡ面やＲ面を基板として用いても良い。さらに、サファイア基板やＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などの上にＧａＮやＡｌＮ、ＡｌＧａＮをテンプレートとして成長し、そのうえに成長する場合も、下地テンプレート層が極性を有していれば、本開示の技術を利用することによって発光効率を増加させることができる。
また、上記第１および第２の実施形態についてＩｎＧａＮ層およびＡｌＩｎＮ層の組成は上記値に限られない。なお、量子井戸発光層については、ＩｎＧａＮの代わりにＧａＮを用いることも可能である。
本開示に係る半導体発光素子は、レーザディスプレイ又は液晶バックライト、さらには手術用のレーザメスや溶接用途等に用いることができ、ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体発光素子等に有用である。
１ 半導体基板
２ ｎ型クラッド層
３ ｎ型光ガイド層
４ 活性層
５ ｐ型光ガイド層
６ 電子障壁層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ型コンタクト層
９ 絶縁膜
１０ ｐ電極
１１ 配線電極
１２ パッド電極
１３ フロントコート膜
１４ リアコート膜
１５ ｎ電極
４１ バリア層
４２ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層
４３ ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層
１００ 半導体発光素子
２ ｎ型クラッド層
３ ｎ型光ガイド層
４ 活性層
５ ｐ型光ガイド層
６ 電子障壁層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ型コンタクト層
９ 絶縁膜
１０ ｐ電極
１１ 配線電極
１２ パッド電極
１３ フロントコート膜
１４ リアコート膜
１５ ｎ電極
４１ バリア層
４２ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層
４３ ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層
１００ 半導体発光素子
Claims (1)
- ウルツ鉱構造結晶からなる窒化物半導体の有極性面上に形成されたＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層と、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層のＩＩＩ族極性面に接して形成されたＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）層とを有し、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と前記ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ層との界面において、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）と前記ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ層の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ）とが、（数１）の関係を満たし、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と前記バリア層との界面における、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ側の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／バリア）と、
前記ｌｎｙＡｌ１−ｙＮ層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の界面における、ｌｎｙＡｌ１−ｙＮ側の価電子帯端のポテンシャルエネルギーＥｖ（ｌｎｙＡｌ１−ｙＮ）とが、（数２）及び（数４）の関係を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
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-
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