JPWO2020017207A1 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
本開示の一実施形態の半導体発光素子は、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に設けられ、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、窒化物半導体基板の主面と（１−１００）面とが交差する交線に沿った転位を有する第１層およびＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなると共に、窒化物半導体基板の主面と（０００１）面とが交差する交線に沿った転位を有する第２層が積層された下地層と、下地層上に設けられた活性層を含むデバイス層とを備える。
Description
本開示は、例えば窒化物半導体材料を用いた半導体発光素子に関する。
近年、光源用途として窒化物半導体を用いた青色帯域〜緑色帯域の光を発する半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）および発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）の開発が活発に行われている。その中でも、半極性や非極性の窒化物半導体は、ピエゾ電界の影響を小さくでき、長波長帯域の光を発する半導体発光素子を構成する上で効果的である。
ＧａＩｎＮからなる活性層を有する半導体発光素子の発光波長を長波長化するためには、インジウム（Ｉｎ）の組成を高くする必要がある。一般的な方法を用いて高Ｉｎ組成の活性層をＧａＮ基板上に結晶成長させる場合、高Ｉｎ組成の活性層はＧａＮ基板と格子整合しながら成長するため格子不整合度が高くなり、結晶欠陥や転位が導入されて結晶性が悪化する。
これに対して、例えば特許文献１では、ＧａＮ基板と光学素子構造との間に、ヘテロ界面周辺のミスフィット転位を空間的に制限することにより格子緩和された格子定数を有する層を設けた光学素子が開示されている。
ところで、窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、発光特性の向上が求められている。
発光特性を向上させることが可能な半導体発光素子を提供することが望ましい。
本開示の一実施形態の半導体発光素子は、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に設けられ、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、窒化物半導体基板の主面と（１−１００）面とが交差する交線に沿った転位を有する第１層およびＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなると共に、窒化物半導体基板の主面と（０００１）面とが交差する交線に沿った転位を有する第２層が積層された下地層と、下地層上に設けられた活性層を含むデバイス層とを備えたものである。
本開示の一実施形態の半導体発光素子では、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする窒化物半導体基板上に、層内の転位方向が互いに異なる下地層を２層設けるようにした。この２層の下地層は、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなる第１層と、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第２層であり、それぞれの転位方向は、窒化物半導体基板の主面と（１−１００）面と、および（０００１）面とが交差する交線に沿った２方向である。これにより、十分に格子緩和された下地層が形成され、窒化物半導体基板の上方に形成される活性層の結晶性を改善する。
本開示の一実施形態の半導体発光素子によれば、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする窒化物半導体基板上に、上記のように、層内に互いに異なる転位方向を有するＡｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなる第１層と、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第２層とが積層された下地層を形成するようにしたので、下地層の格子緩和が促進され、窒化物半導体基板の上方に形成される活性層の結晶品質が向上する。よって、優れた発光特性を有する半導体発光素子を提供することが可能となる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。
以下、本開示における実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比等についても、それらに限定されるものではない。なお、説明する順序は、下記の通りである。
１．実施の形態
（基板上に下地層として層内の転位方向が互いに異なる２層を設けた例）
１−１．半導体レーザの構成
１−２．半導体レーザの製造方法
１−３．作用・効果
２．変形例
（基板と第１下地層との間、第１下地層と第２下地層との間、第２下地層とデバイス層との間に、それぞれ中間層を設けた例）
１．実施の形態
（基板上に下地層として層内の転位方向が互いに異なる２層を設けた例）
１−１．半導体レーザの構成
１−２．半導体レーザの製造方法
１−３．作用・効果
２．変形例
（基板と第１下地層との間、第１下地層と第２下地層との間、第２下地層とデバイス層との間に、それぞれ中間層を設けた例）
＜１．実施の形態＞
図１は、本開示の一実施の形態に係る半導体発光素子（半導体発光素子１）の断面構成を模式的に表したものである。この半導体発光素子１は、例えば可視領域、特に４８０ｎｍ以上の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等である。本実施の形態の半導体発光素子１は、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする基板１１（窒化物半導体基板）上に、層内の転位方向が互いに異なる第１下地層１２（第１層）および第２下地層１３がこの順に積層されたものであり、第２下地層１３（第２層）上には、さらに活性層（例えば、活性層２３）を有するデバイス層２０（デバイス）が設けられている。なお、図１は、半導体発光素子１の断面構成を模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。
図１は、本開示の一実施の形態に係る半導体発光素子（半導体発光素子１）の断面構成を模式的に表したものである。この半導体発光素子１は、例えば可視領域、特に４８０ｎｍ以上の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等である。本実施の形態の半導体発光素子１は、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする基板１１（窒化物半導体基板）上に、層内の転位方向が互いに異なる第１下地層１２（第１層）および第２下地層１３がこの順に積層されたものであり、第２下地層１３（第２層）上には、さらに活性層（例えば、活性層２３）を有するデバイス層２０（デバイス）が設けられている。なお、図１は、半導体発光素子１の断面構成を模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。
（１−１．半導体レーザの構成）
図２は、半導体発光素子１の一具体例としての半導体レーザ１Ａの断面構成の一例を模式的に表したものである。半導体レーザ１Ａは、例えば４８０ｎｍ以上のピーク波長を有するレーザ光を発振する窒化物系の半導体レーザであり、例えばレーザディスプレイやポインタ等の光源として用いられるものである。半導体レーザ１Ａでは、上記基板１１、第１下地層１２および第２下地層１３からなるテンプレート基板１０上に、デバイス層２０として、ｎ型クラッド層２１、ｎ型ガイド層２２、活性層２３、ｐ型ガイド層２４、リッジ部２５Ｘを有するｐ型クラッド層２５、コンタクト層２６およびｐ型クラッド層２５の上面からリッジ部２５Ｘの側面およびコンタクト層２６の側面に設けられた電流狭窄層２７が順に積層された構成を有する。基板１１の裏面（上記デバイス層２０の形成面とは反対側の面）およびコンタクト層２６上には、それぞれ、下部電極３１および上部電極３２が設けられている。
図２は、半導体発光素子１の一具体例としての半導体レーザ１Ａの断面構成の一例を模式的に表したものである。半導体レーザ１Ａは、例えば４８０ｎｍ以上のピーク波長を有するレーザ光を発振する窒化物系の半導体レーザであり、例えばレーザディスプレイやポインタ等の光源として用いられるものである。半導体レーザ１Ａでは、上記基板１１、第１下地層１２および第２下地層１３からなるテンプレート基板１０上に、デバイス層２０として、ｎ型クラッド層２１、ｎ型ガイド層２２、活性層２３、ｐ型ガイド層２４、リッジ部２５Ｘを有するｐ型クラッド層２５、コンタクト層２６およびｐ型クラッド層２５の上面からリッジ部２５Ｘの側面およびコンタクト層２６の側面に設けられた電流狭窄層２７が順に積層された構成を有する。基板１１の裏面（上記デバイス層２０の形成面とは反対側の面）およびコンタクト層２６上には、それぞれ、下部電極３１および上部電極３２が設けられている。
基板１１は、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする窒化物半導体基板である。基板１１の面方位は、例えば、（１０−１１）、（２０−２１）、（３０−３１）および（１−１００）のうちのいずれかである。基板１１の厚みは、例えば３００μｍ〜５００μｍである。
第１下地層１２は、基板１１上に設けられており、例えば、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）により構成されており、詳細は後述するが、基板１１の主面と（１−１００）面との交線方向に転位が導入されている（図６Ａ参照）。第１下地層１２は、高いインジウム（Ｉｎ）組成を有することが好ましい。例えば、第１下地層１２のインジウム（Ｉｎ）組成ｘ１は６％以上であることが好ましく、より好ましくは２０％以上、さらに好ましくは３０％以上である。上限については特に問わないが、第１下地層１２の結晶成長の条件や成長後の表面状態を鑑みて、例えば５０％以下であることが好ましい。第１下地層１２の厚み（ｄ１）は、例えば３ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以上、さらに好ましくは１５ｎｍ以上である。上限については、後述する第２下地層１３よりも薄膜であることが好ましく、例えば５０ｎｍ未満である。
第２下地層１３は、第１下地層１２上に設けられており、例えば、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）により構成されており、詳細は後述するが、基板１１の主面と（０００１）面との交線方向に転位が導入されている（図６Ｂ参照）。第２下地層１３は、第１下地層１２よりも（Ｉｎ）組成が低いことが好ましく、例えば、第２下地層１３のインジウム（Ｉｎ）組成ｙ１は６％未満であることが好ましい。下限は０．５％以上であることが好ましく、より好ましくは２％以上、さらに好ましくは４％以上である。第２下地層１３の厚み（ｄ２）は、第１下地層１２よりも厚膜であることが好ましく、例えば５０ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは、２００ｎｍ以上、さらに好ましくは３００ｎｍ以上である。上限については、表面の平坦性を鑑みて、１μｍ以下とすることが好ましい。
なお、上記第１下地層１２および第２下地層１３の上記転位方向は、層内において大部分、例えば８０％以上を占めるものであり、上記以外の転位が導入されていてもよい。また、第１下地層１２および第２下地層１３には、それぞれ、ｎ型ドーパントとして、例えばケイ素（Ｓｉ）がドープされている。更に、図１および図２では、第１下地層１２および第２下地層１３をこの順に積層した例を示したがこれに限らず、第２下地層１３上に第１下地層１２を形成するようにしてもよい。
テンプレート基板１０上のデバイス層２０は、窒化物半導体により構成されている。窒化物半導体は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、または、ＡｌＧａＩｎＮ等である。窒化物半導体には、所望に応じて、ホウ素（Ｂ）原子、タリウム（Ｔｌ）原子、ケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、ヒ素（Ａｓ）原子、リン（Ｐ）原子およびアンチモン（Ｓｂ）原子等が含まれていてもよい。
ｎ型クラッド層２１は、テンプレート基板１０の第２下地層１３上に設けられており、ｎ型のドーパントとして、例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＩｎＮにより構成されている。
ｎ型ガイド層２２は、ｎ型クラッド層２１上に設けられており、ｎ型のドーパントとして、例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＩｎＮにより構成されている。
活性層２３は、ｎ型ガイド層２２上に設けられている。活性層２３は、単一量子井戸構造または、障壁層を間に複数の量子井戸層が積層された多重量子井戸構造を有する。活性層２３は、量子井戸層および障壁層共に、例えばＡｌaＩｎbＧａcＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０＜ｃ≦１）からなる。量子井戸層はインジウム（Ｉｎ）を含んでいることが好ましく、ＡｌＧａＩｎＮにおけるＩｎ組成は、例えば１５％以上５０％以下であることが好ましく、さらに好ましくは、２０％以上５０％以下である。活性層２３の厚みは、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。活性層２３から発振されるレーザ光のピーク波長は、例えば４８０ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以上である。
ｐ型ガイド層２４は、活性層２３上に設けられており、例えばアンドープのＧａＩｎＮにより構成されている。
ｐ型クラッド層２５は、ｐ型ガイド層２４上に設けられており、ｐ型のドーパントとして、例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＡｌＧａＮにより構成されている。ｐ型クラッド層２５の一部には、光導波路として、電流狭窄のための共振器方向（図２では、Ｚ軸方向）に延長された細いストライプ状のリッジ部２５Ｘが形成されている。リッジ部２５Ｘは、例えば１μｍ〜５０μｍの幅（図２ではＸ軸方向：ｗ）を有し、例えば０．１〜１μｍの高さ（図２ではＹ軸方向：ｈ）を有する。リッジ部２５Ｘの共振器方向の長さは、例えば２００μｍ以上３０００μｍ以下であることが好ましい。
コンタクト層２６は、ｐ型クラッド層２５のリッジ部２５Ｘ上に設けられており、例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＧａＮにより構成されている。
リッジ部２５Ｘの側面を含むｐ型クラッド層２５上およびコンタクト層２６の側面には、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ2）からなる電流狭窄層２７が形成されている。
下部電極３１は、基板１１の裏面に形成されており、金属によって構成されている。下部電極３１の一例としては、例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を基板１１側から順に積層した多層膜（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）が挙げられる。下部電極３１は、基板１１等を介してｎ型クラッド層２１と電気的に接続されていればよく、必ずしも基板１１の裏面に形成されていなくてもよい。
上部電極３２は、例えばコンタクト層２６上から電流狭窄層２７を間にリッジ部２５Ｘの側面にかけて設けられており、下部電極３１と同様に金属によって構成されている。上部電極３２の一例としては、例えばパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をコンタクト層２６の側から順に積層した多層膜（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）が挙げられる。上部電極３２は、電流狭窄をするように帯状に延長されており、この上部電極３２に対応する活性層２３の領域が発光領域となる。
（１−２．半導体レーザの製造方法）
本実施の形態の半導体レーザ１Ａは、例えば以下のように製造することができる。図３は、半導体レーザ１Ａの製造方法の流れを表したものであり、図４Ａ〜図４Ｃは、半導体レーザ１Ａの製造方法を工程順に表したものである。
本実施の形態の半導体レーザ１Ａは、例えば以下のように製造することができる。図３は、半導体レーザ１Ａの製造方法の流れを表したものであり、図４Ａ〜図４Ｃは、半導体レーザ１Ａの製造方法を工程順に表したものである。
まず、リアクター内に、例えば（２０−２１）面を成長の主面とするＧａＮよりなる基板１１を用意する（ステップＳ１０１）。次に、図４Ａに示したように、基板１１の上面（結晶成長面）に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長）法を用いて、第１下地層１２および第２下地層１３をこの順に形成する（ステップＳ１０２）。
続いて、図４Ｂに示したように、第２下地層１３上に、例えばＭＯＣＶＤ法を用いてｎ型クラッド層２１、ｎ型ガイド層２２、活性層２３、ｐ型ガイド層２４、ｐ型クラッド層２５およびコンタクト層２６を、この順に形成する（ステップＳ１０３）。
なお、ＭＯＣＶＤを行う際、ガリウムの原料ガスとしては、例えばトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）、アルミニウムの原料ガスとしては、例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ）、インジウムの原料ガスとしては、例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ）をそれぞれ用いる。また、窒素の原料ガスとしてはアンモニア（ＮＨ3）を用いる。また、ケイ素の原料ガスとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ4）を用い、マグネシウムの原料ガスとしては例えばビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ5Ｈ5）2Ｍｇ）を用いる。
続いて、図４Ｃに示したように、リッジ部２５Ｘおよび電流狭窄層２７を形成する（ステップＳ１０４）。具体的には、例えばコンタクト層２６上にマスクを形成し、このマスクを利用して、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法によりコンタクト層２６およびｐ型クラッド層２５の一部を選択的に除去してリッジ部２５Ｘを形成する。次に、ｐ型クラッド層２５およびコンタクト層２６の上に、例えばＳｉＯ2膜を成膜したのち、リッジ部２５Ｘの上面に開口を設けて電流狭窄層２７を形成する。
続いて、コンタクト層２６および電流狭窄層２７上に、例えば蒸着法またはスパッタ法等を用いてパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を順に積膜したのち、例えばフォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより所望の形状にパターニングして上部電極３２を形成する。次に、基板１１の裏面側を研磨して基板１１を所定の厚さ、例えば９０μｍの厚みにしたのち、基板１１の裏面に下部電極３１を形成する（ステップＳ１０５）。
続いて、劈開により共振器端面を形成する（ステップＳ１０６）。また、共振器端面と平行方向のバー状に分割する。以上により、本実施の形態の半導体レーザ１Ａが完成する。
その後、バー状の端面の一方に低反射率の絶縁膜を成膜し、他方に高反射率の絶縁膜を成膜したのち、バーをペレット化する。以降は、一般的な半導体レーザの製造方法に従って製造する。
本実施の形態の半導体レーザ１Ａでは、下部電極３１と上部電極３２との間に所定の電圧が印加されると活性層２３に電流が注入され、電子と正孔との再結合により発光が生じる。この光は、一対の共振器端面において繰り返し反射されたのち、一方の端面から所定の波長のレーザ光として出射する。このようにして、レーザ発振がなされる。
（１−３．作用・効果）
前述したように、近年、光源用途として窒化物半導体を用いた青色帯域〜緑色帯域の光を発する半導体レーザおよび発光ダイオードの開発が活発に行われている。その中でも、半極性や非極性の窒化物半導体は、ピエゾ電界の影響を小さくでき、長波長帯域の光を発する半導体発光素子を構成する上で効果的である。
前述したように、近年、光源用途として窒化物半導体を用いた青色帯域〜緑色帯域の光を発する半導体レーザおよび発光ダイオードの開発が活発に行われている。その中でも、半極性や非極性の窒化物半導体は、ピエゾ電界の影響を小さくでき、長波長帯域の光を発する半導体発光素子を構成する上で効果的である。
一般的な方法を用いてＧａＮ基板上に形成される活性層はコヒーレントに成長している。ＧａＩｎＮからなる活性層を有する半導体発光素子の発光波長を長波長化するためには、インジウム（Ｉｎ）の組成を高くする必要があるが、Ｉｎの組成が高くなるとＧａＮ基板との格子定数差が大きくなり、臨界膜厚を超えてしまう。これにより、活性層には結晶欠陥や転位が導入され、結晶性が悪化する。この問題を解決する方法としては、ＧａＮ基板上にヘテロ界面周辺のミスフィット転位を空間的に制限することにより格子緩和された格子定数を有する層を設けることで、ＧａＮ基板の主面を格子緩和させる方法が挙げられる。しかしながら、半極性面や非極性面を主面とするＧａＮ基板は結晶の異方性を有するため、上記方法では十分に格子緩和させることが難しく、部分緩和となってしまう場合が多い。
これに対して、本実施の形態の半導体発光素子１（および半導体レーザ１Ａ）では、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする基板１１上に、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなり、基板１１の主面と（１−１００）面との交線方向に沿った転位を有する第１下地層１２と、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなり、基板１１の主面と（０００１）面との交線方向に沿った転位を有する第２下地層１３とを積層するようにした。
図５は、ＧａＮ基板の結晶面の立体配置と交差する（０００１）面および（１−１００）面の交線を表したものである。ｃ軸から傾斜した面を主面とするＧａＮ基板からなる基板１１は、成長方向（基板主面に対する垂直方向）に対して異方性を有する。第１下地層１２は、上述したように、高いインジウム（Ｉｎ）組成を有すると共に、例えば厚さ３ｎｍ以上５０ｎｍ未満の薄膜として形成した場合、局所的に大きな歪がかかり、図６Ａに示したように、ＧａＮ基板からなる基板１１の主面と（１−１００）面との交線方向に転位が導入される。第２下地層１３は、上述したように、低いインジウム（Ｉｎ）組成を有すると共に、例えば厚さ５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚膜として形成した場合、第１下地層１２よりも広範囲に歪がかかり、図６Ｂに示したように、基板１１の主面と（０００１）面との交線方向に転位が導入される。これら第１下地層１２および第２下地層１３を基板１１上に積層することにより、基板１１上に十分に格子緩和した下地層を形成することが可能となる。よって、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする基板１１の上方に形成される、活性層２３の結晶性を改善することが可能となる。
以上のように、本実施の形態の半導体発光素子１（および半導体レーザ１Ａ）では、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする基板１１上に、上記のように、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなり、基板１１の主面と（１−１００）面との交線方向に転位を有する第１下地層１２と、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなり、基板１１の主面と（０００１）面との交線方向に転位を有する第２下地層１３とを積層するようにした。これにより、下地層による格子緩和が促進され、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする基板１１の上方に形成される活性層２３の結晶品質が向上する。よって、優れた発光特性を有する半導体発光素子１（および半導体レーザ１Ａ）を提供することが可能となる。特に、高いインジウム（Ｉｎ）組成を有する活性層２３を備えた、例えば４８０ｎｍ以上の長波長帯域にピーク強度を有する半導体発光素子１（および半導体レーザ１Ａ）の発光特性を向上させることが可能となる。
＜２．変形例＞
図７は、本開示の一実施の形態に係る半導体発光素子（半導体発光素子２）の断面構成を模式的に表したものである。この半導体発光素子２は、上記実施の形態と同様に、例えば可視領域、特に４８０ｎｍ以上の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等である。本変形例の半導体発光素子２は、半導体発光素子１と同様に、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする基板１１上に、第１下地層１２および第２下地層１３がこの順に積層されたテンプレート基板４０上に、活性層（例えば、活性層２３）を有するデバイス層２０（デバイス）が設けられたものである。本変形例では、テンプレート基板４０として、基板１１と第１下地層１２との間、第１下地層１２と第２下地層１３との間、第２下地層１３とデバイス層２０との間に、それぞれ中間層４４，４５，４６が設けられた点が上記実施の形態とは異なる。
図７は、本開示の一実施の形態に係る半導体発光素子（半導体発光素子２）の断面構成を模式的に表したものである。この半導体発光素子２は、上記実施の形態と同様に、例えば可視領域、特に４８０ｎｍ以上の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等である。本変形例の半導体発光素子２は、半導体発光素子１と同様に、ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする基板１１上に、第１下地層１２および第２下地層１３がこの順に積層されたテンプレート基板４０上に、活性層（例えば、活性層２３）を有するデバイス層２０（デバイス）が設けられたものである。本変形例では、テンプレート基板４０として、基板１１と第１下地層１２との間、第１下地層１２と第２下地層１３との間、第２下地層１３とデバイス層２０との間に、それぞれ中間層４４，４５，４６が設けられた点が上記実施の形態とは異なる。
中間層４４，４５，４６は、ｎ型のドーパントとして、例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＮにより構成されている。中間層４４，４５，４６は、第１下地層１２および第２下地層１３が基板１１よりも格子定数が大きなＡｌＧａＩｎＮの４元混晶で構成されている場合に設けることが好ましい。中間層４４，４５，４６の厚みは、例えば２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
以上のように、基板１１よりも大きな格子定数を有するＡｌＧａＩｎＮ層により第１下地層１２および第２下地層１３を形成する場合には、基板１１と第１下地層１２との間、第１下地層１２と第２下地層１３との間、第２下地層１３とデバイス層２０との間に、例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＮからなる中間層４４，４５，４６をそれぞれ設けることで、平坦性を向上することが可能となる。これにより、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、中間層４４，４５，４６は全て設ける必要はなく、いずれか１層を設けるようにしてもよい。
以上、実施の形態および変形例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態において例示した半導体レーザ１Ａの構成要素、配置および数等は、あくまで一例であり、全ての構成要素を備える必要はなく、また、他の構成要素をさらに備えていてもよい。
また、上記実施の形態等において説明した効果は一例であり、本開示の効果は、他の効果であってもよいし、更に他の効果を含んでいてもよい。
なお、本開示は以下のような構成であってもよい。
［１］
ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に設けられ、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、前記窒化物半導体基板の主面と（１−１００）面とが交差する交線に沿った転位を有する第１層およびＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなると共に、前記窒化物半導体基板の主面と（０００１）面とが交差する交線に沿った転位を有する第２層が積層された下地層と、
前記下地層上に設けられた活性層を含むデバイス層と
を備えた半導体発光素子。
［２］
前記第１層のインジウム（Ｉｎ）組成ｘ１および前記第２層のインジウム（Ｉｎ）組成ｙ１は下記式（１）を満たす、前記［１］に記載の半導体発光素子。
（数１）０．５％≦ｙ１＜６％≦ｘ１≦１００％・・・（１）
［３］
前記第１層の膜厚ｄ１および前記第２層の膜厚ｄ２は下記式（２）を満たす、前記［１］または［２］に記載の半導体発光素子。
（数２）３ｎｍ≦ｄ１＜５０ｎｍ≦ｄ２≦１μｍ・・・（２）
［４］
前記窒化物半導体基板の主面は、（１０−１１）、（２０−２１）、（３０−３１）および（１−１００）のうちのいずれかである、前記［１］乃至［３］のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
［５］
前記活性層は、０．５％以上のＩｎ組成を有するＧａＩｎＮ層の上方にコヒーレントに成長されている、前記［１］乃至［４］のうちのいずれかに記載に半導体発光素子。
［６］
前記活性層は４８０ｎｍ以上のピーク波長を有するレーザ光を発振する、前記［１］乃至［５］のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
［７］
前記活性層は、インジウム（Ｉｎ）を２０％以上５０％以下の範囲で含む、前記［１］乃至［６］のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
［８］
前記第１層および前記第２層はＡｌＧａＩｎＮの４元系からなり、前記窒化物半導体基板よりも格子定数が大きい、前記［１］乃至［７］のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
［１］
ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に設けられ、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、前記窒化物半導体基板の主面と（１−１００）面とが交差する交線に沿った転位を有する第１層およびＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなると共に、前記窒化物半導体基板の主面と（０００１）面とが交差する交線に沿った転位を有する第２層が積層された下地層と、
前記下地層上に設けられた活性層を含むデバイス層と
を備えた半導体発光素子。
［２］
前記第１層のインジウム（Ｉｎ）組成ｘ１および前記第２層のインジウム（Ｉｎ）組成ｙ１は下記式（１）を満たす、前記［１］に記載の半導体発光素子。
（数１）０．５％≦ｙ１＜６％≦ｘ１≦１００％・・・（１）
［３］
前記第１層の膜厚ｄ１および前記第２層の膜厚ｄ２は下記式（２）を満たす、前記［１］または［２］に記載の半導体発光素子。
（数２）３ｎｍ≦ｄ１＜５０ｎｍ≦ｄ２≦１μｍ・・・（２）
［４］
前記窒化物半導体基板の主面は、（１０−１１）、（２０−２１）、（３０−３１）および（１−１００）のうちのいずれかである、前記［１］乃至［３］のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
［５］
前記活性層は、０．５％以上のＩｎ組成を有するＧａＩｎＮ層の上方にコヒーレントに成長されている、前記［１］乃至［４］のうちのいずれかに記載に半導体発光素子。
［６］
前記活性層は４８０ｎｍ以上のピーク波長を有するレーザ光を発振する、前記［１］乃至［５］のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
［７］
前記活性層は、インジウム（Ｉｎ）を２０％以上５０％以下の範囲で含む、前記［１］乃至［６］のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
［８］
前記第１層および前記第２層はＡｌＧａＩｎＮの４元系からなり、前記窒化物半導体基板よりも格子定数が大きい、前記［１］乃至［７］のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
本出願は、日本国特許庁において２０１８年７月２０日に出願された日本特許出願番号２０１８−１３６６２７号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
Claims (8)
- ｃ面からｍ軸方向に６０°以上９０°以下の範囲で傾斜した面を主面とする窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に設けられ、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、前記窒化物半導体基板の主面と（１−１００）面とが交差する交線に沿った転位を有する第１層およびＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなると共に、前記窒化物半導体基板の主面と（０００１）面とが交差する交線に沿った転位を有する第２層が積層された下地層と、
前記下地層上に設けられた活性層を含むデバイス層と
を備えた半導体発光素子。 - 前記第１層のインジウム（Ｉｎ）組成ｘ１および前記第２層のインジウム（Ｉｎ）組成ｙ１は下記式（１）を満たす、請求項１に記載の半導体発光素子。
（数１）０．５％≦ｙ１＜６％≦ｘ１≦１００％・・・（１）
- 前記第１層の膜厚ｄ１および前記第２層の膜厚ｄ２は下記式（２）を満たす、請求項１に記載の半導体発光素子。
（数２）３ｎｍ≦ｄ１＜５０ｎｍ≦ｄ２≦１μｍ・・・（２）
- 前記窒化物半導体基板の主面は、（１０−１１）、（２０−２１）、（３０−３１）および（１−１００）のうちのいずれかである、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層は、０．５％以上のＩｎ組成を有するＧａＩｎＮ層の上方にコヒーレントに成長されている、請求項１に記載に半導体発光素子。
- 前記活性層は４８０ｎｍ以上のピーク波長を有するレーザ光を発振する、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層は、インジウム（Ｉｎ）を２０％以上５０％以下の範囲で含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記第１層および前記第２層はＡｌＧａＩｎＮの４元系からなり、前記窒化物半導体基板よりも格子定数が大きい、請求項１に記載の半導体発光素子。
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