JP6785221B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本開示は、半導体発光素子に関する。

特許文献１には、従来の半導体発光素子の構造が開示されている。従来の半導体発光素子はシリコン単結晶から成る低抵抗性基板上に、低屈折率領域と高屈折率領域とが交互に積層された多層膜からなるＤＢＲ反射層、ｎ型半導体領域、活性層及びｐ型半導体領域が順に積層される。さらに、その上にｎ型ＧａＮからなる電流制限層及び光透過性導電膜が積層され、ｎ型ＧａＮからなる電流制限層上に第１の電極が形成される。一方、シリコン単結晶からなる低抵抗性基板の裏面には、第２の電極が設けられている。このとき、上記ＤＢＲ反射層を構成する低屈折率領域及び高屈折率領域において、ドーパント濃度が低屈折率領域よりも高屈折率領域の方が高く、結晶性が低屈折率領域よりも高屈折率領域の方が低い。

特開２００３−１４２７３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構造を用いて、半導体発光素子の低抵抗及び高結晶性を両立した低屈折率層を実現しようとする場合、以下のような課題を有する。

まず、特許文献１に記載されているように、ＧａＮに対して格子不整合を有するＡｌＧａＮ系材料を、低屈折率領域に用いた場合、厚膜化に伴って歪が蓄積され、転位やクラックが発生してしまう。

一方、ＧａＮに対して格子整合するＡｌＩｎＧａＮ系材料を、低屈折率領域に用いた場合、厚膜化に伴う歪の問題は解消される。しかしながら、十分に低抵抗なＤＢＲ反射層を実現するためには、比較的低抵抗化しやすい高屈折率領域に高濃度のドーパントを供給する必要がある。その結果、高屈折率領域の結晶性が低下するため、高屈折率領域の上に形成される低屈折率領域の結晶性も低下し、ＤＢＲ反射層全体の結晶性が低下してしまう。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、歪による転位やクラックを発生させることなく、低屈折率、低抵抗及び高結晶性を兼ね備えるクラッド層を有する半導体発光素子を提供する。

上記の課題解決のために、本開示の一態様に係る半導体発光素子は、基板と、基板の上方に配置された第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上方に配置された第１導電型の第１のガイド層と、第１のガイド層の上方に配置された活性層と、活性層の上方に配置された第２のガイド層と、第２のガイド層の上方に配置された、第１導電型とは異なる第２導電型の第２のクラッド層とを備え、第１のクラッド層と第１のガイド層との間に配置され、第１導電型のドーパント濃度が、第１のクラッド層の平均のドーパント濃度よりも高い、第１の高濃度ドープ層を有する。

本開示によれば、歪による転位やクラックを発生させることなく、低屈折率、低抵抗及び高結晶性を兼ね備えるクラッド層を有する半導体発光素子を提供できる。

図１Ａは、実施形態１に係る半導体発光素子の平面図である。 図１Ｂは、実施形態１に係る半導体発光素子の断面図である。 図１Ｃは、実施形態１に係る半導体発光素子の斜視図である。 図２Ａは、実施形態１に係る半導体発光素子のバンド構造を表す図である。 図２Ｂは、実施形態１に係る半導体発光素子の比較例のバンド構造を表す図である。 図３は、実施形態１に係る半導体発光素子及び比較例の表面モフォロジを示す図である。 図４は、実施形態１に係る半導体発光素子の各製造工程を示す断面図である。 図５は、実施形態２に係る半導体発光素子の断面図である。 図６は、実施形態３に係る半導体発光素子の断面図である。

以下、各実施形態について図面を参照して説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。図面は、模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。実質的に同じ部分を表す場合であっても、図面により寸法や比率が異なって表される場合もある。実質的に同じ構成要素には、同一の記号を付して詳細な説明は適宜省略することがある。以下の実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

本開示の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本開示に含まれる。また、本開示の主旨を逸脱しない範囲において、複数の実施形態の少なくとも一部を組み合わせることも可能である。

また、本明細書において、「上方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。

（実施形態１）
［１−１．構造］
まず、本開示の実施形態１に係る半導体発光素子の構造について、図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃを用いて説明する。

図１Ａは、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の平面図である。

図１Ｂは、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の断面図である。図１Ｂは、図１Ａに示されるＩＢ−ＩＢ線における断面を示す。

図１Ｃは、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の斜視図である。

図１Ｂ及び図１Ｃに示されるように、半導体発光素子１１０は、基板１１１、ｎ型クラッド層１１２、高濃度ドープ層１２５、ｎ側ガイド層１１３、活性層１１４、ｐ側ガイド層１１５、ｐ型クラッド層１１６及びｐ型コンタクト層１１７を備える。また、半導体発光素子１１０は、電流ブロック層１２１、ｐ電極１２２及びｎ電極１２３をさらに備える。

半導体発光素子１１０は、基板１１１上に、ｎ型クラッド層１１２、高濃度ドープ層１２５、ｎ側ガイド層１１３、活性層１１４、ｐ側ガイド層１１５、ｐ型クラッド層１１６、ｐ型コンタクト層１１７が順に積層された構造を有する。

基板１１１は、例えば、ｎ型ＧａＮ基板である。基板１１１として、ｎ型ＳｉＣ基板、ｎ型ＧａＡｓ基板、ｎ型Ｓｉ基板などの異種基板、又は、サファイア基板などの絶縁基板を用いることも可能である。基板１１１の膜厚は、約６０〜１００μｍが好ましい。このような構成にすることで、劈開工程での歩留まりを向上することができる。

ｎ側ガイド層１１３は、ｎ型クラッド層１１２の上方（図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃに示されるｚ軸の正方向）に配置され、導電型がｎ型である第１のガイド層である。ｎ側ガイド層１１３は、例えば、アンドープ又はｎ型ドーパントを含むｎ型のＧａＮで構成されている。ｎ側ガイド層１１３の膜厚は、約１００〜３００ｎｍが好ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と活性層１１４付近への光の閉じ込めとを両立することができる。

活性層１１４は、ｎ側ガイド層１１３の上方に配置された発光層である。活性層１１４は、例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ量子障壁層とが交互に３層積層された構造を有する。活性層１１４は、アンドープであっても良い。また、量子井戸層及び量子障壁層の少なくとも一方がｎ型ドーパントを含んでいても良い。活性層１１４は、例えば、約４００〜６５０ｎｍまでの任意の波長の光を発するように調整されている。活性層１１４の膜厚は、約３０〜１００ｎｍが好ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と活性層１１４付近への光の閉じ込めとを両立することができる。ＩｎＧａＮ量子井戸層の膜厚は、約２．５〜７．５ｎｍが好ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と井戸層での効果的な発光再結合とを両立できる。ＧａＮ量子障壁層の膜厚は、約３．０〜１５．０ｎｍが好ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と活性層１１４付近への光の閉じ込めとを両立することができる。

ｐ側ガイド層１１５は、活性層１１４の上方に配置され、導電型がｐ型である第２のガイド層である。ｐ側ガイド層１１５は、例えば、ｐ型ドーパントを含むＧａＮ又はアンドープのｎ型ＧａＮで構成されている。ｐ側ガイド層１１５の膜厚は、約５０〜２００ｎｍが好ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と活性層付近への光の閉じ込めとを両立することができる。

ｐ型クラッド層１１６は、ｐ側ガイド層１１５の上方に配置され、導電型がｐ型である第２のクラッド層である。ｐ型クラッド層１１６は、例えば、ｐ型ドーパントを含むＡｌＧａＮで構成されている。

ｐ型コンタクト層１１７は、ｐ型クラッド層１１６の上方に配置され、ｐ電極と接触する層である。ｐ型コンタクト層１１７は、例えば、ｐ型ドーパントを含むＧａＮで構成されている。

なお、ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｇｅなどを用いることができ、ｐ型ドーパントとしては、例えばＭｇなどを用いることができる。以下、特に断りの無い限り、ｎ型又はｐ型という場合は、前述したドーパントのいずれかが含まれているものとする。

ｎ型クラッド層１１２は、基板１１１の上方に配置され、導電型がｎ型である第１のクラッド層である。ｎ型クラッド層１１２は、第１のｎ型半導体層１１２ａと、第２のｎ型半導体層１１２ｂとを含む多層膜で構成される。第１のｎ型半導体層１１２ａの屈折率は、第２のｎ型半導体層１１２ｂの屈折率とは異なる。

第１のｎ型半導体層１１２ａは、導電型がｎ型である第１の半導体層であり、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含んでいれば良く、例えば、ＡｌＩｎＮで構成されてもよい。第２のｎ型半導体層１１２ｂは、導電型がｎ型である第２の半導体層であり、第１のｎ型半導体層１１２ａよりも屈折率の高いＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）を含んでいれば良く、例えば、ＧａＮで構成されてもよい。

ｎ型クラッド層１１２の膜厚は、約５００〜１０００ｎｍが好ましい。第１のｎ型半導体層１１２ａの膜厚は、約０．５〜２ｎｍであることが望ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と良好なトンネリング電流とを両立することができる。第２のｎ型半導体層１１２ｂの膜厚は、約１．０〜３．０ｎｍが好ましい。

高濃度ドープ層１２５は、ｎ型クラッド層１１２とｎ側ガイド層１１３との間に配置され、ｎ型ドーパントの濃度がｎ型クラッド層１１２の平均のドーパント濃度よりも高い層である。高濃度ドープ層１２５にドープされるｎ型ドーパントは、例えば、Ｓｉである。

高濃度ドープ層１２５は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含んでいれば良く、例えば、ＧａＮである。なお、ｎ型クラッド層１１２又はｎ側ガイド層１１３と、高濃度ドープ層１２５とが同じ組成の場合は、ｎ型クラッド層１１２の一部と見なすこともできるし、ｎ側ガイド層１１３の一部と見なすこともできる。

高濃度ドープ層１２５のドーパントの濃度は、１ｘ１０^２０ｃｍ^−３以上、１×１０^２２ｃｍ^−３以下であることが望ましい。高濃度ドープ層１２５の膜厚は、０．５ｎｍ以上、１．５ｎｍ以下が望ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と良好なトンネリング電流とを両立することができる。

ｎ型クラッド層１１２内では、ｎ側ガイド層１１３側から基板１１１側に向かってドーパント濃度が低くなる構造となっている。第１のｎ型半導体層１１２ａは、アンドープであり、第２のｎ型半導体層１１２ｂは、ｎ型ドーパントでドープされていることが望ましい。

半導体発光素子１１０の表面には、図１Ａ及び図１Ｃに示されるように、ｙ軸方向に延びる光導波路が形成されている。当該光導波路は、ｐ型クラッド層１１６の一部まで掘りこんだリッジ構造を有する。当該リッジ構造を覆うように、電流ブロック層１２１が配置されている。

電流ブロック層１２１は、例えばＳｉＯ_２で構成される絶縁層である。電流ブロック層１２１には、ｐ型コンタクト層１１７を露出させる開口が設けられている。当該開口において、ｐ型コンタクト層１１７に接するように、ｐ電極１２２が形成されている。

ｐ電極１２２は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕなどの一つ以上の金属の単層又は多層膜からなる電極である。

基板１１１の裏面には、ｎ電極１２３が形成されている。

ｎ電極１２３は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕなどの一つ以上の金属の単層又は多層膜からなる電極である。

半導体発光素子１１０は、ｐ電極１２２とｎ電極１２３との間に電流を注入することによって、レーザ動作又はスーパールミネッセントダイオード動作する構造を有する。

基板１１１として絶縁基板を用いる場合は、光導波路外部の、ｎ型クラッド層１１２が露出した表面に、ｐ電極１２２と電気的に絶縁されたｎ電極を形成することによって、半導体発光素子に電力を供給することができる。

［１−２．動作及び効果］
続いて、本実施形態の半導体発光素子１１０の動作及び効果について図２Ａ、図２Ｂ及び図３を用いて説明する。

以下、基板１１１からｎ側ガイド層１１３までの層を総称して、ｎ型半導体層と呼ぶ。

まず、図２Ａ及び図２Ｂを用いて、本実施形態のバンド構造について説明する。

図２Ａは、本実施形態に係る半導体発光素子のバンド構造を表す図である。図２Ａの上部には、ｎ型半導体層の層構造の概要が示される。図２Ａの下部には、ｎ型半導体層の位置に対する伝導帯のエネルギーレベルを示すグラフが示されている。なお、図２Ａ及び図２Ｂに示されるグラフにおいて、「Ｅ」は、１０のべき乗を表す。例えば、「１Ｅ１８」は、１０の１８乗、すなわち、１０^１８を表す。

図２Ａに示されるグラフにおける曲線１５０は、高濃度ドープ層１２５のｎ型ドーパント濃度が５ｘ１０^１９ｃｍ^−３である場合のエネルギーレベルを示している。曲線１５２は、高濃度ドープ層１２５のｎ型ドーパント濃度が７ｘ１０^１９ｃｍ^−３である場合のエネルギーレベルを示している。曲線１５４は、高濃度ドープ層１２５のｎ型ドーパント濃度が１ｘ１０^２０ｃｍ^−３である場合のエネルギーレベルを示している。いずれの場合も、ｎ型半導体層の高濃度ドープ層１２５以外の層のｎ型ドーパント濃度は、１ｘ１０^１８ｃｍ^−３である。

図２Ｂは、本実施形態に係る半導体発光素子の比較例のバンド構造を表す図である。図２Ｂは、比較例のｎ型半導体層の位置に対する伝導帯のエネルギーレベルを示すグラフが示されている。比較例のｎ型半導体層の層構造は、高濃度ドープ層１２５が無い点において、本実施形態に係るｎ型半導体層と相違し、その他の点において一致する。

図２Ｂに示されるグラフにおける曲線１６０は、ｎ型半導体層全体のｎ型ドーパント濃度が１ｘ１０^１９ｃｍ^−３である場合のエネルギーレベルを示している。曲線１６２は、ｎ型半導体層全体のｎ型ドーパント濃度が５ｘ１０^１９ｃｍ^−３である場合のエネルギーレベルを示している。曲線１６４は、ｎ型半導体層全体のｎ型ドーパント濃度が１ｘ１０^２０ｃｍ^−３である場合のエネルギーレベルを示している。

ＡｌＩｎＮのようなバンドギャップの大きなｎ型半導体材料が含まれるｎ型半導体層において、当該バンドギャップを通過して拡散しようとする電子は、大きなエネルギー障壁により拡散を阻害される。この影響を低減するために、ｎ型クラッド層１１２は、ＡｌＩｎＮからなる第１のｎ型半導体層１１２ａと、ＧａＮからなる第２のｎ型半導体層１１２ｂとが交互に積層された多層膜となっている。

この構成によって、電子はバンドギャップの相対的に小さい第２のｎ型半導体層１１２ｂをトンネリングにより伝導することができる。従って、電子を効果的にトンネリングさせるためには、第２のｎ型半導体層１１２ｂを高濃度にドープすることが必要となる。

しかし、曲線１５４及び１６４で示されるエネルギーレベルから分かるように、良好な電流電圧特性が得られるドープ濃度は、約１ｘ１０^２０ｃｍ^−３と非常に高い。このため、図２Ｂのようにｎ型クラッド層１１２全体に均一にドープしてしまうと、ｎ型クラッド層１１２の結晶性が悪くなってしまう。

ここで、ｎ型クラッド層１１２全体のバンド構造に着目すると、最も大きな幅を持つエネルギー障壁は、ｎ型クラッド層１１２とｎ側ガイド層１１３との界面であることが分かる。

これは、ｎ型クラッド層１１２内の分極を補償するために、ｎ型クラッド層１１２とｎ側ガイド層１１３との界面に電荷が集中するためである。この大きな幅のエネルギー障壁によって、界面近傍でトンネリングの確率が低下してしまうため、良好な電流電圧特性を得られなくなってしまう。

そこで、本開示に係る半導体発光素子１１０では、ｎ型クラッド層１１２とｎ側ガイド層１１３との間に、局所的にｎ型ドーパントがドープされた高濃度ドープ層１２５を備えている。

そのため、イオン化したドーパントの電荷によって、ｎ型クラッド層１１２の電気伝導を阻害するｎ型クラッド層１１２とｎ側ガイド層１１３との界面近傍のエネルギー障壁を効果的に低減することができる。そのため、ｎ型クラッド層１１２の平均ドーパント濃度を低下させても電気特性を維持することができ、ｎ型クラッド層１１２の結晶品質を高いまま保つことが可能となる。その結果、歪による転位やクラックを発生させることなく、低屈折率、低抵抗及び高結晶性を兼ね備えるｎ型クラッド層１１２を有する半導体発光素子１１０を実現できる。

ここで、半導体発光素子１１０の電流電圧特性及び結晶性について図３を用いて説明する。

図３は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０及び比較例に係る半導体発光素子の表面モフォロジを示す図である。図３には、（１）ドープなしの場合、（２）ｎ型クラッド層１１２全体に均一にドープ（５ｘ１０^１９ｃｍ^−３）した場合、及び、（３）ｎ型クラッド層１１２とｎ側ガイド層１１３との界面のみを高濃度ドープ（界面１．５ｎｍは１ｘ１０^２０ｃｍ^−３，その他の領域は５ｘ１０^１８ｃｍ^−３）した場合の、各試料の表面モフォロジが示されている。なお、図３は、ｎ側ガイド層１１３まで結晶成長した状態で、表面モフォロジを観察した図である。また、図３の上段には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による画像が示され、下段には、ＡＦＭの微分像が示されている。

各試料において、第１のｎ型半導体層１１２ａは、Ｉｎ組成が１７％のＡｌＩｎＮで構成され、膜厚が１．５ｎｍである。第２のｎ型半導体層１１２ｂは、ＧａＮで構成され、膜厚が１．５ｎｍである。この２種類の材料が６７周期積層されており、総膜厚は２０１ｎｍである。

図３より、（２）の均一にドープした試料は、他の２つの試料と比較してピットが多い表面モフォロジを有することがわかる。一方、（１）のドープなしの試料、及び、（２）のｎ型クラッド層１１２とｎ側ガイド層１１３との界面に高濃度ドープ層１２５を備える試料では表面モフォロジは同程度である。つまり、ｎ側ガイド層１１３との界面に高濃度ドープ層１２５を備える試料では、ドープによるピットの増加は見られない。言い換えると、高濃度ドープ層１２５を備える試料では高結晶性が保たれている。

電流電圧特性に関しては、均一ドープした試料と、ｎ型クラッド層１１２とｎ側ガイド層１１３との界面のみを高濃度ドープした試料ともに良好なものが得られた。

以上のことから、本開示の技術により、結晶性と電流電圧特性とを両立できることが確認できた。

［１−３．製造方法］
続いて、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の製造方法を、図４を用いて説明する。

図４は、実施形態１に係る半導体発光素子１１０の各製造工程を示す断面図である。

まず、図４の（ａ）に示されるように、ｎ型伝導性を有するＧａＮからなる基板１１１上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、ｎ型クラッド層１１２を形成する。本実施の形態では、基板１１１上に、ＡｌＩｎＮからなる第１のｎ型半導体層１１２ａとＧａＮからなる第２のｎ型半導体層１１２ｂを交互に積層してｎ型クラッド層１１２を形成する。

続いて、図４の（ａ）に示されるように、ｎ型クラッド層１１２上に高濃度ドープ層１２５、ｎ側ガイド層１１３、活性層１１４、ｐ側ガイド層１１５、ｐ型クラッド膜１１６Ｍ及びｐ型コンタクト膜１１７Ｍを順に形成する。なお、高濃度ドープ層１２５は、結晶の原料と同時に高濃度なドーパント（例えばＳｉＨ４）を供給することにより形成することができる。また、高濃度ドープ層１２５形成直後に結晶の原料供給を中断すると、パイルアップ現象により高濃度ドープ層１２５のドーパント濃度を高めることができる。

次に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによりｐ型コンタクト膜１１７Ｍ上に、ＳｉＯ_２マスク（図示せず）を形成する。その後、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法とを用いて、ＳｉＯ_２マスクにストライプ状のパターンを作製し、ｐ型コンタクト膜１１７Ｍを露出させる。続いて、例えばＣｌ_２ガスによるドライエッチングを施し、ｐ型コンタクト膜１１７Ｍの露出部を除去し、ｐ型クラッド膜１１６Ｍの一部をエッチングする。その後、ＨＦなどのウェットエッチングにより、ＳｉＯ_２マスクを除去することにより、図４の（ｂ）に示されるような、ｐ型コンタクト層１１７及びｐ型クラッド層１１６を形成する。

次に、プラズマＣＶＤ法などによって、例えばＳｉＯ_２からなる電流ブロック層１２１を、ｐ型クラッド層１１６及びｐ型コンタクト層１１７上に形成する。続いてフォトリソグラフィ法とドライエッチング法とを用いて、ｐ型コンタクト層１１７が露出するように、電流ブロック層１２１をエッチングする。次に、フォトリソグラフィ法と真空蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層１１７と電気的に接するように、ｐ電極１２２を形成する。次に、フォトリソグラフィ法と真空蒸着法を用いて、基板１１１の裏面にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕなどの多層膜からなるｎ電極１２３を形成する（図４の（ｃ））。

最後に、ブレードを用いたダイシング、又は劈開により半導体発光素子のチップ分離を行う（図示せず）。

以上により、本実施形態１に係る半導体発光素子１１０を実現できる。

（実施形態２）
［２−１．構造］
次に、実施形態２に係る半導体発光素子の構造について、図５を用いて、実施形態１との違いを中心に説明する。

図５は、実施形態２に係る半導体発光素子２１０の断面図である。

本実施形態と実施形態１との主な差異は、ｐ型クラッド層２１６の構成、及び、高濃度ドープ層２２５を備える点である。

図５に示されるように、本実施形態に係る半導体発光素子２１０のｐ型クラッド層２１６は、第１のｐ型半導体層２１６ａと、第２のｐ型半導体層２１６ｂとを含む多層膜で構成される。第１のｐ型半導体層２１６ａは、導電型がｐ型である第３の半導体層であり、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含んでいれば良い。第２のｐ型半導体層２１６ｂは、導電型がｐ型である第４の半導体層であり、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）を含んでいれば良い。

ｐ型クラッド層２１６の膜厚は、約２００〜１０００ｎｍが好ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と活性層１１４付近への光の閉じ込めとを両立することができる。第１のｐ型半導体層２１６ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上、２ｎｍ以下であることが望ましい。第２のｐ型半導体層２１６ｂの膜厚は、約１．０〜３．０ｎｍが好ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と良好なトンネリング電流とを両立することができる。

高濃度ドープ層２２５は、ｐ型クラッド層２１６とｐ側ガイド層１１５との間に配置され、ｐ型ドーパントの濃度がｐ型クラッド層２１６の平均のドーパント濃度よりも高い層である。高濃度ドープ層２２５にドープされるｐ型ドーパントは、例えば、Ｍｇである。

高濃度ドープ層２２５は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含んでいれば良く、例えば、ＧａＮである。なお、ｐ型クラッド層２１６やｐ側ガイド層１１５と、高濃度ドープ層２２５とが同じ組成の場合は、ｐ型クラッド層２１６の一部と見なすことも出来るし、ｐ側ガイド層１１５の一部と見なすこともできる。

高濃度ドープ層２２５のドーパントの濃度は、１ｘ１０^２０ｃｍ^−３以上、１０×１０^２２ｃｍ^−３以下となることが望ましい。高濃度ドープ層２２５の膜厚は０．５ｎｍ以上、１．５ｎｍ以下が望ましい。このような構成にすることで、良好な結晶性と良好なトンネリング電流とを両立することができる。

ｐ型クラッド層２１６は、ｐ側ガイド層１１５側からｐ型コンタクト層１１７側に向かってドーパント濃度が低くなる構造を有する。

［２−２．動作及び効果］
続いて、本実施形態の半導体発光素子２１０の効果について説明する。

実施形態２では、ｐ型クラッド層２１６が、例えばＡｌＩｎＮからなる第１のｐ型半導体層２１６ａと、例えばＧａＮからなる第２のｐ型半導体層２１６ｂとが交互に積層された構造を有する。さらに、ｐ側ガイド層１１５とｐ型クラッド層２１６との界面には、Ｍｇが高濃度にドープされている。

半導体発光素子２１０がこのような構造を有することによって、実施形態１の場合と同様に、ｐ型クラッド層２１６内の分極を補償するために発生したｐ側ガイド層１１５とｐ型クラッド層２１６との界面の大きなエネルギー障壁を、イオン化したアクセプタの電荷によって低減できる。また、ｐ型クラッド層２１６の平均としてはドープ濃度を低減できるため、結晶性と電流電圧特性を両立することができる。

以上により、低屈折率、低抵抗及び高結晶性を兼ね備えるクラッド層を有する半導体発光素子を実現できる。

（実施形態３）
［３−１．構造］
続いて、実施形態３に係る半導体発光素子の構造について、図６を用いて、実施形態２との違いを中心に説明する。

図６は、実施形態３に係る半導体発光素子の断面図である。

ｐ型クラッド層３１６は、第１のｐ型半導体層３１６ａと、第２のｐ型半導体層３１６ｂとを含む多層膜で構成される。第１のｐ型半導体層３１６ａは、導電型がｐ型である第３の半導体層であり、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含んでいれば良い。第２のｐ型半導体層３１６ｂは、導電型がｐ型である第４の半導体層であり、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）を含んでいれば良い。

半導体発光素子３１０には、ｐ型コンタクト層３１７の上に、ｐ型コンタクト層３１７の一部を露出させる開口部が形成された電流ブロック層３２１が設けられている。当該開口部と電流ブロック層３２１との上には、例えばＩＴＯからなる第１のｐ電極３２２ａが配置されている。第１のｐ電極３２２ａと電気的に接続された第２のｐ電極３２２ｂが、平面視において、電流ブロック層３２１の開口部と重ならないように配置されている。第２のｐ電極３２２ｂは、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕなどの少なくとも一つ以上の金属の単層又は多層膜から構成されている。

ｎ型クラッド層１１２とｐ型クラッド層３１６とは、屈折率の異なる多層膜の膜厚や周期を調整することによって、活性層３１４で発生する光の波長における反射率が高くなるように設計することができる。この場合、半導体発光素子３１０の積層方向に共振器が形成されるため、第２のｐ電極３２２ｂとｎ電極３２３との間に電流を注入することによって、半導体発光素子３１０は、積層方向にレーザ光を発する垂直共振器面発光レーザとして動作する構造となっている。

以上のような構成を有する本実施形態においても、低屈折率、低抵抗及び高結晶性を兼ね備えるクラッド層を有する半導体発光素子を実現できる。

（変形例など）
以上、本開示に係る半導体発光素子について、各実施形態に基づいて説明したが、本開示は上記各実施形態に限定されない。

例えば、上記実施形態では、基板１１１側の導電型をｎ型としたが、基板１１１側の導電型をｐ型としてもよい。つまり、本開示に係る半導体発光素子は、基板と、基板の上方に配置された第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上方に配置された第１導電型の第１のガイド層と、第１のガイド層の上方に配置された活性層と、活性層の上方に配置された第２のガイド層と、第２のガイド層の上方に配置された、第１導電型とは異なる第２導電型の第２のクラッド層とを備える。そして、本開示に係る半導体発光素子は、第１のクラッド層と第１のガイド層との間に配置され、第１導電型のドーパント濃度が、第１のクラッド層の平均のドーパント濃度よりも高い、第１の高濃度ドープ層を有する。

また、上記実施形態においては、窒化物半導体を用いる半導体発光素子を示したが、本開示の技術は、他の材料を用いる半導体発光素子にも適用できる。例えば、本開示の技術はガリウム砒素系の赤外領域の半導体発光素子にも適用することができる。

本開示に係る半導体発光素子は、そのクラッド層が低抵抗かつ高結晶性であることから、高効率及び信頼性が要求される光学ドライブの光ピックアップ、照明用光源などに適用することができる。

１１０、２１０、３１０ 半導体発光素子
１１１ 基板
１１２ ｎ型クラッド層（第１のクラッド層）
１１２ａ 第１のｎ型半導体層（第１の半導体層）
１１２ｂ 第２のｎ型半導体層（第２の半導体層）
１１３ ｎ側ガイド層（第１のガイド層）
１１４、３１４ 活性層
１１５ ｐ側ガイド層（第２のガイド層）
１１６、２１６、３１６ ｐ型クラッド層（第２のクラッド層）
１１６Ｍ ｐ型クラッド膜
１１７、３１７ ｐ型コンタクト層
１１７Ｍ ｐ型コンタクト膜
１２１、３２１ 電流ブロック層
１２２ ｐ電極
１２３、３２３ ｎ電極
１２５、２２５ 高濃度ドープ層
２１６ａ、３１６ａ 第１のｐ型半導体層（第３の半導体層）
２１６ｂ、３１６ｂ 第２のｐ型半導体層（第４の半導体層）
３２２ａ 第１のｐ電極
３２２ｂ 第２のｐ電極

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の上方に配置された第１導電型の第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層の上方に配置された前記第１導電型の第１のガイド層と、
   前記第１のガイド層の上方に配置された活性層と、
   前記活性層の上方に配置された第２のガイド層と、
   前記第２のガイド層の上方に配置された、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２のクラッド層とを備え、
   前記第１のクラッド層と前記第１のガイド層との間に配置され、前記第１導電型のドーパント濃度が、前記第１のクラッド層の平均のドーパント濃度よりも高い、第１の高濃度ドープ層を有し、
   前記第１の高濃度ドープ層のドーパント濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３以上、１×１０^２２ｃｍ^−３以下であり、
   前記第１の高濃度ドープ層の厚さは、０．５ｎｍ以上、１．５ｎｍ以下であり、
   前記第１のクラッド層は、第１の半導体層と、第２の半導体層とを含む多層膜からなり、前記第１の半導体層の屈折率は、前記第２の半導体層の屈折率と異なる
   半導体発光素子。
2. 前記第１の半導体層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含む
   請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第２の半導体層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）を含む
   請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第２の半導体層は、前記第１導電型のドーパントがドープされている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１の半導体層は、アンドープである
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記第１のクラッド層のドーパント濃度が、前記第１のガイド層側から、前記基板側に向かうにつれて、低くなっている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記第２のクラッド層と前記第２のガイド層との間に配置され、前記第２導電型のドーパント濃度が、前記第２のクラッド層の平均のドーパント濃度よりも高い、第２の高濃度ドープ層をさらに備える
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記第２のクラッド層は、第３の半導体層と、第４の半導体層とを含む多層膜からなり、前記第３の半導体層の屈折率は、前記第４の半導体層の屈折率と異なる
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 前記第１のクラッド層、前記第１のガイド層、前記活性層、前記第２のガイド層、及び、前記第２のクラッド層は、いずれも窒化物半導体から構成される
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
10. 前記第１導電型は、ｎ型である
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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