WO2014006813A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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WO2014006813A1
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semiconductor
emitting device
layer
light emitting
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真生 川口
秀紀 春日井
信一郎 能崎
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パナソニック株式会社
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    • H01S5/18305—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] with emission through the substrate, i.e. bottom emission

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device composed of a group III nitride represented by gallium nitride (GaN).
  • GaN gallium nitride
  • Semiconductor lasers are used in a wide range of technical fields such as medicine, lighting, etc. in addition to communication, IT technologies such as optical disks, and the like because they have excellent features such as small size, low cost, and high output.
  • semiconductor light sources semiconductor light emitting elements
  • GAN semiconductor light emitting elements
  • a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser
  • the threshold value when the threshold value is reduced, the light output obtained at the same injection current value can be increased, and high output and low current can be achieved. As a result, power consumption can be reduced in the semiconductor light emitting device.
  • Non-patent Document 1 AlInN having a very low refractive index is used for the n-type cladding layer.
  • Non-Patent Document 2 an attempt has been made to periodically provide an n-GaN layer in the AlInN layer to conduct electric conduction in the stacking direction.
  • AlInN is used to reduce the refractive index of the n-type cladding layer.
  • AlInN has a problem that it is difficult to inject electrons by passing AlInN in the stacking direction.
  • Non-Patent Document 1 a thin n-type AlGaN layer is inserted between the light guide layer and the AlInN cladding layer, and electron injection is performed.
  • the present disclosure is a semiconductor light emitting device capable of improving the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device by effectively increasing the vertical light confinement coefficient ⁇ v of the semiconductor light emitting device and reducing the oscillation threshold current. I will provide a.
  • a semiconductor light emitting device in the present disclosure includes an n-type layer composed of a group III nitride semiconductor, an active layer, and a p-type layer, and the n-type layer is a group III nitrided Of the band gap of group III nitride semiconductor A and group III nitride semiconductor B are Eg (A) and Eg (B), respectively, including a semiconductor superlattice in which oxide semiconductor A and group III nitride semiconductor B are repeatedly stacked.
  • the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device can be improved by effectively increasing the vertical light confinement coefficient ⁇ v of the semiconductor light emitting device and reducing the oscillation threshold current.
  • FIG. 1A is a top view of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. 1A and cut in a direction perpendicular to the paper surface.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1.
  • FIG. 3 is a view showing the configuration of a semiconductor light emitting device according to Comparative Example 2.
  • FIG. 4 is a view showing the configuration of a semiconductor light emitting device according to Comparative Example 3.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining calculation results of the conduction band side band structure in the vicinity of the first cladding layer in Comparative Example 1.
  • FIG. 1A is a top view of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. 1A and cut in a direction perpendicular to the paper surface.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration
  • FIG. 6A is a view for explaining calculation results of a conduction band side band structure in the vicinity of the first cladding layer in Comparative Example 2.
  • FIG. 6B is a view for explaining calculation results of a conduction band side band structure in the vicinity of the first cladding layer in Comparative Example 2.
  • FIG. 7A is a view for explaining calculation results of a conduction band side band structure in the vicinity of the first cladding layer in Comparative Example 3.
  • FIG. 7B is a view for explaining calculation results of a conduction band side band structure in the vicinity of the first cladding layer in Comparative Example 3.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining calculation results of the conduction band side band structure in a part of the AlInN (O) / n-GaN superlattice in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining calculation results of the conduction band side band structure in a part of the AlInN (O) / n-GaN superlattice in the first embodiment.
  • FIG. 9A is a view for explaining a sample 1 for verifying the effect of the superlattice structure according to the first embodiment.
  • FIG. 9B is a view for explaining a sample 2 for verifying the effect of the superlattice structure according to the first embodiment.
  • FIG. 9C is a view for explaining a sample 3 for verifying the effect of the superlattice structure according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the current-voltage characteristics between the electrodes AB in the structures of FIGS. 9A to 9C.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining current light output characteristics of the semiconductor laser of the first embodiment and the semiconductor laser of the second comparative example.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the resistivity of the superlattice structure when the film thickness of the AlInN (O) layer is changed in the superlattice structure according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the resistivity of the superlattice structure when the oxygen concentration in the AlInN (O) layer is changed in the superlattice structure according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the configuration of the semiconductor light emitting device of the second embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the configuration of the semiconductor light emitting device of the third embodiment.
  • a region where the light output only gradually increases due to current injection a region where the current value is small
  • a region where the light output largely increases due to current injection a region where the current value is large
  • the current value at the boundary between the two is called a threshold.
  • a parameter called a vertical light confinement coefficient ( ⁇ v) should be increased. This is due to the material gain (g) and the vertical light confinement coefficient ( ⁇ v), which indicate the degree of amplification when the laser light travels in the light emitting layer (called the active layer). ), That is, ⁇ ⁇ v ⁇ g.
  • the semiconductor laser oscillates when the mode gain and the loss ( ⁇ ) of the laser resonator become equal.
  • the threshold can be reduced when the vertical optical confinement coefficient ⁇ v is large.
  • the vertical light confinement coefficient ⁇ v is the ratio of the light emitting layer (referred to as the active layer) of the semiconductor laser to the light distribution of the propagation light in the direction perpendicular to the laminated surface in the laminated structure of the semiconductor laser. And is usually about several percent.
  • a laminated structure constituting a general semiconductor laser a p-type / n-type light guide layer is sandwiched above and below the active layer, and a p-type / n-type cladding layer is sandwiched above and below the light guide layer. At this time, the light guide layer and the active layer become a region for propagating the laser light, and the refractive index thereof needs to be higher than that of the cladding layer.
  • group III nitride vertical cavity surface emitting semiconductor lasers (hereinafter referred to as surface emitting lasers) operating in the visible light wavelength region characterized by low threshold operation and easy emission beam shape control are attracting attention. .
  • a surface emitting laser two reflecting mirrors having a high reflectance close to 99% are disposed in the stacking surface direction, and a light emitting layer (active layer) is interposed therebetween.
  • a reflecting mirror a distributed Bragg reflector (DBR) in which two types of materials having different refractive indexes are alternately stacked is used.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • a material of the DBR it is preferable to use a material having electrical conductivity, since current injection can be performed in the vertical direction (vertical direction to the laminated surface).
  • a combination of n-type or p-type impurity-doped GaAs and AlAs or AlGaAs is often used as a DBR material. This is because it has an excellent feature that electrical conductivity can be achieved by impurity doping while having a large refractive index difference while having AlAs and GaAs having substantially the same lattice constant.
  • InGaN or GaN for the light guide layer and AlGaN having a lower refractive index than those for the cladding layer are used.
  • the p-type cladding layer it is common practice to use a superlattice periodic structure of p-AlGaN / p-GaN superlattice in order to reduce the resistance of p-AlGaN having a relatively high electrical resistance. ing.
  • Non-Patent Document 1 AlInN having a very low refractive index for the n-type cladding layer although the lattice constant is the same as that of GaN.
  • Non-Patent Document 2 an attempt has been made to periodically provide an n-GaN layer in the AlInN layer to conduct electric conduction in the stacking direction.
  • Non-Patent Document 1 AlInN is used to reduce the refractive index of the n-type cladding layer.
  • AlInN has a very large band gap of about 5 eV, and in its electronic structure (band), since it has a band offset of about 1 eV with respect to GaN on the conduction band side, it passes AlInN in the stacking direction. There is a problem that it is difficult to inject electrons.
  • a thin n-type AlGaN layer is inserted between the light guide layer and the AlInN cladding layer, and electron injection is performed across the layer in the lateral direction (lamination plane direction) It has a structure.
  • the present disclosure relates to an n-type cladding layer, an AlInN layer doped with oxygen (O) as an impurity, and other n-type group III nitride semiconductor layers as short as several nm. It is a superlattice layer which is repeatedly laminated in a cycle.
  • a semiconductor layer doped with O is expressed as AlInN (O).
  • Non-Patent Document 2 The inventors of the present invention conducted various studies and found that the reason why a sufficiently low resistance characteristic can not be obtained in Non-Patent Document 2 is that the superlattice period is not optimized and quantization in the superlattice structure is made. A Schottky barrier was formed for energy, and without conducting an electrical bias for overcoming the Schottky barrier, no electrical conduction was performed, and it was found that the resistance value was increased.
  • the present inventors form an impurity level at almost the same energy as the donor level of another n-type Group III nitride semiconductor (for example, n-type GaN) when O is doped as an impurity in the AlInN film. It has been found that the Schottky barrier can be eliminated by conducting the same level in a hopping manner, and low resistance characteristics equivalent to those of conventional AlGaN-based materials can be realized.
  • n-type Group III nitride semiconductor for example, n-type GaN
  • a group III nitride semiconductor laser having the above-described O-doped AlInN in the n-cladding layer was fabricated on a trial basis, and the vertical light confinement coefficient ⁇ v of the semiconductor light emitting device was effective while the electrical resistance was equivalent to that of the conventional AlGaN system. It was confirmed that the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device can be improved by experimentally confirming that the oscillation threshold current is lowered by increasing the voltage.
  • the semiconductor light emitting device in the present disclosure includes an n-type layer composed of a group III nitride semiconductor, an active layer, and a p-type layer, and the n-type layer comprises a group III nitride semiconductor A and Assuming that Eg (A) and Eg (B) represent the band gaps of the group III nitride semiconductor A and the group III nitride semiconductor B, respectively, including a semiconductor superlattice in which the group III nitride semiconductor B is repeatedly stacked.
  • the group III nitride semiconductor A is made of AlInN containing 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more of oxygen (O) in the film, and a current is injected in the stacking direction of the semiconductor superlattice It is characterized by being.
  • the vertical light confinement coefficient ⁇ v of the semiconductor light emitting device is effectively increased and the oscillation threshold current is lowered, while the electric resistance is equivalent to that of the conventional AlGaN system, and the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device is reduced. Can be improved.
  • the group III nitride semiconductor B may be made of n-type GaN or n-type InGaN.
  • the electrical resistance can be effectively reduced by the proximity of the donor level of the group III nitride semiconductor B and the level of O doped with AlInN.
  • group III nitride semiconductor B may contain oxygen (O) or silicon (Si).
  • an n-type layer, an active layer, and a p-type layer may be stacked in this order on the substrate.
  • a p-type layer, an active layer, and an n-type layer may be stacked in this order on the substrate.
  • the substrate may be a GaN substrate or a GaN template substrate.
  • current injection can be performed by longitudinally cutting the superlattice formed of the group III nitride semiconductors A and B in the stacking direction.
  • the period of the semiconductor superlattice may be shorter than 10 nm.
  • the period of the semiconductor superlattice may be shorter than 5 nm.
  • Embodiment 1 the semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment will be described.
  • a green (wavelength 520 nm) semiconductor laser using a hexagonal group III nitride semiconductor is described as an embodiment of the semiconductor light emitting device 100.
  • description will be made with reference to the drawings.
  • FIG. 1A is a view of a semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, as viewed from above.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. 1A and including the optical waveguide 20, in a direction perpendicular to the paper surface.
  • a semiconductor light emitting device 100 according to the present disclosure shown in FIGS. 1A and 1B includes an n-type layer 3 made of a group III nitride semiconductor, an active layer 4 and a p-type layer 5.
  • the n-type layer 3 includes a semiconductor superlattice in which a group III nitride semiconductor A and a group III nitride semiconductor B are repeatedly stacked.
  • the forbidden band widths of the group III nitride semiconductor A and the group III nitride semiconductor B are Eg (A) and Eg (B), respectively, Eg (A)> Eg (B), and the group III nitride semiconductor A Is composed of AlInN containing oxygen (O) of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more in the film.
  • a current is injected in the stacking direction of the semiconductor superlattice.
  • the n-type layer 3 is not only used as an electron injection layer but also as a strong light confinement layer. It can be made to function.
  • the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device can be improved by effectively increasing the vertical light confinement coefficient ⁇ v of the semiconductor light emitting device and reducing the oscillation threshold current.
  • the semiconductor light emitting device 100 includes, for example, an n-type layer composed of a group III nitride semiconductor, an active layer, and a p-type layer on a semiconductor substrate 1 which is an n-type hexagonal GaN substrate having a (0001) main surface. And the semiconductor laminated body which has in this order is laminated
  • a semiconductor superlattice layer 2 which is, for example, an AlInN (O) / n-GaN superlattice cladding layer and an n-type light guide layer 3 which is, for example, n-GaN are stacked. .
  • an active layer 4 which is, for example, an InGaN / GaN multiple quantum well is stacked.
  • the p-type layer is, for example, a p-type light guide layer 5 of p-GaN, an electron barrier layer 6 of p-Al 0.20 GaN, and a p-Al 0.15 GaN / GaN super lattice, for example.
  • a p-type cladding layer 7 and a p-type contact layer 8 made of, for example, p-GaN are stacked.
  • the optical waveguide 20 of the semiconductor light emitting device 100 is insulated on both sides by the insulating film 9 made of, for example, SiO 2 .
  • Two electrodes, that is, p electrode 10 and n electrode 15 are formed above and below the semiconductor stack so as to sandwich the semiconductor stack.
  • current is injected in the vertical direction (stacking direction) into the semiconductor superlattice layer 2 in the semiconductor stack.
  • a current path is formed between the two electrode p electrodes 10 and the n electrode 15 so as to pass through the semiconductor superlattice layer 2 in the longitudinal direction (stacking direction).
  • a p electrode 10 made of, for example, Pd / Pt
  • a wiring electrode 11 made of, for example, Ti / Pt / Au
  • a pad electrode 12 made of, for example, Ti / Au It is formed by a predetermined pattern.
  • an n electrode 15 of, for example, Cu / Au is formed on the opposite surface of the semiconductor substrate 1.
  • a front coat film 13 formed of a film and a rear coat film 14 formed of, for example, a dielectric multilayer film are formed.
  • the n-type layer, the active layer, and the p-type layer are stacked in this order on the semiconductor substrate, the n-type and the p-type may be interchanged. That is, the p-type layer, the active layer, and the n-type layer may be stacked in this order on the semiconductor substrate.
  • the semiconductor superlattice layer 2 to p are formed on the semiconductor substrate 1 which is n-type hexagonal GaN whose main surface is a (0001) plane by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the semiconductor superlattice layer 2 is formed by laminating a total of 70 cycles (total film thickness is 350 nm) of superlattice layers each composed of a repetition of n-type GaN and AlIn 0.177 N each having a thickness of 2.5 nm. Form.
  • a gas source for film formation for example, trimethylgallium (TEG), trimethylindium (TMI), trimethylaluminum (TMA) as a Group III source, silane as an n-type impurity, ammonia as a Group V source, etc.
  • TAG trimethylgallium
  • TMI trimethylindium
  • TMA trimethylaluminum
  • the Si concentration of the n-GaN layer may be about 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the AlInN layer is preferably doped with oxygen at about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the n-type GaN layer may contain oxygen.
  • As a method of doping oxygen into the AlInN layer there is a method of adding a trace amount of oxygen to the source gas.
  • the growth temperature when depositing AlInN is set to a temperature range (generally 800 to 1200 ° C.) which is generally used for the growth of nitride semiconductors. If the temperature is lower than that, for example, about 700 to 850 ° C., more preferably about 700 to 800 ° C., oxygen can be mixed as an impurity from the organic Al raw material.
  • n-GaN (Si concentration 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 ) constituting the n-type light guide layer 3 is grown to 100 nm. Furthermore, a quantum well active layer composed of three cycles of an In 0.02 GaN barrier layer and an In 0.23 GaN quantum well layer constituting the active layer 4 is grown. At this time, the film thickness of the InGaN barrier layer may be 7.5 nm, and the film thickness of the well layer may be 3 nm. Next, 100 nm of p-GaN constituting the p-type light guide layer 5 is stacked.
  • the p-GaN layer may be, for example, cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) so that the Mg concentration is 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • 10 nm of p-Al 0.20 GaN (Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ) constituting the electron barrier layer 6 is stacked.
  • 10 nm of p-GaN (Mg concentration: 3 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 ) constituting the p-type contact layer 8 is stacked.
  • the crystal growth method at the time of forming the semiconductor laminated structure as described above includes a molecular beam growth (MBE) method or a chemical beam growth (CBE) method. And the like, and a growth method capable of growing a GaN-based blue-violet semiconductor laser structure may be used.
  • MBE molecular beam growth
  • CBE chemical beam growth
  • the grown wafer is processed into a ridge stripe type laser.
  • a SiO 2 insulating film (not shown) composed of SiO 2 with a thickness of 0.3 ⁇ m is formed on the p-type contact layer 8 by, eg, thermal CVD. Further, the SiO 2 insulating film is left in a stripe shape of 8 ⁇ m in width and etched in the other region by a photolithography method and an etching method using hydrofluoric acid. At this time, the direction of the stripe is made parallel to the m-axis direction of hexagonal GaN in consideration of forming the end face of the laser using the natural cleavage plane (m-plane) of the hexagonal nitride semiconductor.
  • m-plane natural cleavage plane
  • the upper portion of the laminated structure is etched to a depth of 0.35 ⁇ m using an SiO 2 insulating film by inductively coupled plasma (ICP) etching method to form the p-type contact layer 8 and the p-type cladding.
  • ICP inductively coupled plasma
  • a ridge stripe portion that constitutes the optical waveguide 20 is formed.
  • the second mask film is removed using hydrofluoric acid, and again, a 200 nm-thick SiO 2 film is formed over the entire surface including the ridge stripe portion on the exposed p-type cladding layer 7 by thermal CVD.
  • the formed insulating film 9 is formed again.
  • a resist pattern (not shown) having an opening with a width of 7.5 ⁇ m along the ridge stripe portion is formed on the top surface of the ridge stripe portion (optical waveguide 20) in the insulating film 9 by lithography.
  • the SiO 2 insulating film is etched by using a resist pattern as a mask by, for example, reactive ion etching (RIE) using methane trifluoride (CHF 3 ) gas, from the top surface of the ridge stripe portion.
  • RIE reactive ion etching
  • CHF 3 methane trifluoride
  • palladium (Pd) having a thickness of 40 nm and 35 nm in thickness are formed on the p-type contact layer 8 exposed at least from the top surface of the ridge stripe by, for example, electron beam (EB) deposition.
  • a metal laminated film is formed which constitutes ap electrode 10 composed of platinum (Pt).
  • the metal laminated film in the region other than the upper portion of the ridge stripe is removed by a lift-off method of removing the resist pattern to form the p electrode 10.
  • the planar dimension in a direction parallel to, for example, the ridge stripe portion is 750 ⁇ m so as to cover the p electrode 10 on the top of the ridge stripe portion on the insulating film 12 by lithography and liftoff.
  • the wiring electrode 11 made of, for example, Ti / Pt / Au and having a plane dimension of 150 ⁇ m in a direction perpendicular to the ridge stripe portion is selectively formed.
  • the wiring electrode 11 is formed of a metal laminated film of titanium (Ti) / platinum (Pt) / gold (Au) having a thickness of 50 nm, 200 nm and 100 nm, respectively.
  • a plurality of laser devices are formed in a matrix on the main surface of a wafer. Therefore, when the wiring electrode 11 is cut in dividing the substrate in the wafer state into individual laser chips, the p electrode 10 in close contact with the wiring electrode 11 may be peeled off from the p-type contact layer 8. Therefore, as shown in FIG. 1A, it is desirable that the wiring electrodes 11 are not connected between adjacent chips.
  • an Au layer having a thickness of, for example, 10 ⁇ m is formed on the upper surface of the wiring electrode 11 by electrolytic plating, and a pad electrode 12 is formed.
  • the laser chip can be mounted by wire bonding, and the heat generated in the active layer 4 can be effectively dissipated, so that the reliability of the semiconductor light emitting device 100 can be improved.
  • the back surface of the semiconductor light emitting element 100 in the wafer state formed up to the Au pad electrode is polished with a diamond slurry to reduce the thickness of the semiconductor substrate 1 to about 100 ⁇ m.
  • Ti having a thickness of 5 nm, platinum having a thickness of 10 nm, and Au having a thickness of 1000 nm are formed on the back surface of the semiconductor substrate 1 (surface opposite to the surface on which the optical waveguide 20 is formed) by EB evaporation, for example.
  • An n electrode 15 is formed by forming a metal laminated film composed of
  • the semiconductor light emitting device 100 in the wafer state is cleaved (primary cleavage) along the m-plane so that the length in the m-axis direction is, for example, 800 ⁇ m.
  • the front coat film 13 is formed on the cleavage plane from which laser light is emitted, and the rear coat film 14 is formed on the opposite cleavage plane, using, for example, electron cyclotron resonance (ECR) sputtering.
  • ECR electron cyclotron resonance
  • a material of the front coat film 13 for example, a dielectric film such as a SiO 2 single layer film is used.
  • the highly efficient semiconductor light emitting device 100 is configured by setting the reflectance on the front side (light emitting side) of the semiconductor light emitting device 100 to, for example, 15% and the rear side (the opposite side to the light emitting side) to 90%. can do.
  • the primary-cleaved semiconductor light emitting device 100 is cleaved along the a-plane (secondary cleavage) between the optical waveguides 20 formed at a pitch of 200 ⁇ m in the a-axis direction, for example.
  • the laser chip is completed.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the configuration of the semiconductor light emitting device 101 according to Comparative Example 1. As shown in FIG. As shown in FIG. 2, the semiconductor light emitting device 101 is obtained by replacing the semiconductor superlattice layer 2 in the semiconductor light emitting device 100 shown in FIGS. 1A and 1B with a first cladding layer 16 which is an AlInN single layer film.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the configuration of the semiconductor light emitting device 102 according to Comparative Example 2. As shown in FIG. As shown in FIG. 3, in the semiconductor light emitting device 102, the semiconductor superlattice layer 2 in the semiconductor light emitting device 100 shown in FIGS. 1A and 1B is replaced with a first cladding layer 17 which is an n-AlGaN / n-GaN superlattice. It is
  • FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the semiconductor light emitting device 103 according to Comparative Example 3.
  • the semiconductor light emitting device 103 is a first cladding in which the semiconductor superlattice layer 2 in the semiconductor light emitting device 100 shown in FIGS. 1A and 1B is AlInN (not doped with O) / n-GaN superlattice. It is replaced with the layer 18.
  • FIG. 5 shows calculation results in the vicinity of the first cladding layer 16 (AlInN single-layer film) of the semiconductor light emitting device 101 shown in FIG. Since AlInN has a strong electric field caused by a large spontaneous polarization in the vicinity of the first cladding layer 16, the potential energy of Ec may be largely bent from the semiconductor substrate 1 side of n-type GaN to the upper surface side of the laminated structure I understand.
  • AlInN AlInN single-layer film
  • the band bending amount from the semiconductor substrate 1 exceeds 4 eV at the maximum. This means that in order to inject current into the active layer 4 from the semiconductor substrate 1 in the semiconductor light emitting device 101 over the potential of AlInN as the first cladding layer 16, a voltage drop of 4 V or more occurs in the n-type cladding layer alone. This results in a significant increase in power consumption.
  • the inventors examined a method of reducing resistance by doping AlInN with Si to make it n-type, but the donor level formed by Si in the band of AlInN is the conduction band (Ec Because it is as deep as -1.5 eV from the end, it has been found that it hardly contributes to electron conduction and has no effect.
  • FIGS. 6A and 6B calculation results in the vicinity of the first cladding layer 17 (AlGaN / n-GaN super lattice) of the semiconductor light emitting device 102 shown in FIG. 3 are shown in FIGS. 6A and 6B.
  • AlGaN / n-GaN superlattice there is a band bend of about 0.45 eV with respect to n-GaN because of the characteristics of the polarization and wide band gap possessed by AlGaN.
  • electrons are hardly affected by the potential barrier because electrons localized in n-GaN pass through the AlGaN barrier and are coupled by multiple n-GaNs. (In current-voltage characteristics, there is no Schottky barrier and only ohmic resistance exists).
  • Comparative Example 3 a method is considered to combine the comparative examples 1 and 2 to form a superlattice of AlInN and n-GaN, and to quantum-couple electrons between n-GaN as in the comparative example 2 to avoid a voltage increase due to the AlInN layer. It can also be done.
  • Such a structure is referred to as Comparative Example 3.
  • FIG. 7A shows the calculation result in the case where the above-described AlInN and n-GaN superlattice are combined (the structure is shown in the semiconductor light emitting device 103 of FIG. 4).
  • the band bending of AlInN is lowered to 1 eV in the superlattice by n-GaN, and n-GaN becomes a quantum well, and in order to transmit adjacent AlInN and quantum-couple with the next n-GaN layer, It can be expected that the potential barrier to which the electrons are subjected is further reduced.
  • FIG. 7B is an enlarged view of a portion of FIG. 7A.
  • FIG. 7B shows the calculation results of the quantization energy in the n-GaN quantum well, where the ground level is E1 and the second level is E2.
  • FIG. 8 shows a band structure diagram of this embodiment in which AlInN is doped with oxygen (O) in the structures of FIG. 7A and FIG. 7B. Since the material configuration is similar to the AlInN / n-GaN superlattice of FIGS. 7A and 7B, the calculation results are basically the same. Therefore, the figure corresponding to FIG. 7A is omitted.
  • the O forms a donor level at a potential of about 1 eV from the band edge at the conduction band of AlInN. Found out.
  • the level present in the deep potential hardly affects the electrical conduction of AlInN itself (the electron concentration does not increase)
  • the present inventors have found that this level is almost the same as the conduction band potential energy of n-GaN. Therefore, it was thought that electrons localized in n-GaN can be conducted hoppingly (hopping effect) through the O level.
  • the hopping level (denoted as Ehop in the figure) is only 0.05 eV from the n-GaN band edge and has almost the same energy level, it is expected to be substantially ohmic resistance. it can.
  • the inventors prepared three types of samples 1 to 3 shown in FIGS. 9A to 9C by MOCVD, photolithography, ICP etching, and electrode formation, as shown in FIG. The voltage-current characteristics between A and B were evaluated.
  • the n-GaN substrate, the n-GaN contact layer, and the semiconductor superconductive layer of the present embodiment or the comparative example described above are disposed between the electrode A and the electrode B both of which are composed of Ti / Pt / Au.
  • An n-type cladding layer corresponding to a lattice is formed.
  • the size of the electrode A is 750 ⁇ 200 ⁇ m, and the electrode B is formed on the entire back surface of the n-GaN substrate.
  • the n-GaN contact layer has a Si concentration of 3 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and a film thickness of 10 nm.
  • Sample 1 of FIG. 9A is an AlInN (O-doped) / n-GaN superlattice corresponding to the semiconductor superlattice layer 2 in this embodiment (band structure is FIG. 8), and sample 2 of FIG. 9B is AlInN (O-doped) None) / n-GaN superlattice (band structure is shown in FIG. 7A), and in sample 3 of FIG. 9C, an AlInN monolayer film (band structure is shown in FIG. 5) is inserted between the electrodes.
  • the voltage-current characteristics of the samples 1 to 3 are shown in FIG.
  • the Schottky barrier does not exist and it has an ohmic characteristic. From this, in the semiconductor light emitting device 100 using the semiconductor super lattice layer as in the present embodiment, it is possible to reduce the oscillation threshold and to reduce the power consumption without deteriorating the operating voltage.
  • the above hopping effect occurs only when the band gap (Eg) of the AlInN layer is larger than the Eg of the GaN layer. That is, the above-described effects occur only when the Eg of the AlInN layer and the GaN layer has a relationship of Eg (AlInN)> Eg (GaN).
  • the semiconductor superlattice layer 2 is an AlInN (O) / n-GaN superlattice, but may be an AlInN (O) / n-InGaN superlattice. Also in this case, it is necessary that Eg of the AlInN layer and the InGaN layer have a relationship of Eg (AlInN)> Eg (InGaN). That is, in the semiconductor superlattice layer 2, the semiconductor material to be combined with AlInN (O) is required to have a smaller band gap Eg than AlInN.
  • the characteristics are shown.
  • the current-voltage characteristics measured at the same time are omitted because they are almost the same.
  • the vertical light confinement coefficient ⁇ v is improved and the threshold current is decreased. Moreover, the voltage rise by introduction of AlInN was not observed. From the above, by using the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, a semiconductor light emitting device with high light emission efficiency can be realized.
  • FIG. 12 is a diagram showing changes in resistivity of the superlattice structure (sample 1) when the film thickness of AlInN (O) of the AlInN (O) / n-GaN superlattice layer is changed.
  • FIG. 13 is a diagram showing the change in the resistivity of the superlattice structure (sample 1) when the oxygen (O) concentration of AlInN (O) in the AlInN (O) / n-GaN superlattice layer is changed. .
  • the film thickness of AlInN (O) exceeds 5 nm, the resistivity rapidly increases. Therefore, the film thickness of AlInN (O) is preferably 5 nm or less.
  • the oxygen concentration of AlInN (O) is preferably 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the period of the AlInN (O) / n-GaN superlattice layer that is, the sum of the thickness of one AlInN (O) layer and one n-GaN layer is preferably thinner than 10 nm and thinner than 5 nm. Is more preferred.
  • AlInN (O) / n-GaN superlattice is used as the n-type cladding layer, but AlInN (O) / n-GaN superlattice and n-AlGaN are used as the n-type cladding layer. It may be combined with a layer.
  • a GaN-based substrate (such as a GaN substrate or an AlGaN substrate) belonging to a hexagonal system is used as the growth substrate for the laminated structure, ie, the semiconductor substrate 1, but a GaN-based material can be grown.
  • Other substrates such as silicon carbide (SiC), silicon (Si), sapphire (single crystal Al 2 O 3 ) or zinc oxide (ZnO) can be used.
  • a template substrate in which a GaN crystal is grown on a substrate different from GaN such as a sapphire substrate can be used.
  • the semiconductor light emitting device of the present embodiment has been described using a semiconductor laser having a green emission wavelength, the emission spectrum width is broadened by reducing the reflectance on the front side, and speckle noise is reduced.
  • the emitted light wavelength may be a super luminescent diode in the green region.
  • the In composition of the active layer may be reduced to about 16% to obtain a blue semiconductor laser or a super luminescent diode having a wavelength of 445 nm.
  • the semiconductor light emitting device 200 according to the second embodiment will be described below.
  • the semiconductor light emitting device 200 of the present embodiment will be described with reference to the drawings, taking a green surface emitting semiconductor laser (VCSEL) having a wavelength of 520 nm and a light emission wavelength using a hexagonal group III nitride semiconductor as an example.
  • VCSEL green surface emitting semiconductor laser
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device 200 according to the present embodiment.
  • the structure and manufacturing method of the semiconductor light emitting device 200 will be described using the drawings.
  • the first multilayer film 202 is stacked, for example, by the MOCVD method on the semiconductor substrate 201 which is n-type hexagonal GaN whose main surface is a (0001) plane.
  • the first multilayer film 202 includes, for example, a first refractive index nitride semiconductor film 202 a which is an n-GaN layer, and a second refractive index nitride semiconductor film 202 b which is a superlattice structure of AlInN (O) / n-GaN. Are alternately stacked.
  • the film thickness of the first refractive index nitride semiconductor film 202 a is a value obtained by multiplying the oscillation wavelength ⁇ by 1 ⁇ 4 and dividing by the refractive index at the oscillation wavelength of the semiconductor light emitting device 200.
  • the second refractive index nitride semiconductor film 202b is formed by repeatedly laminating a plurality of times with AlIn 0.177 N (O concentration 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ) and n-GaN each having a film thickness of 2.5 nm. It is a super lattice structure.
  • the total film thickness of the superlattice structure is a value obtained by multiplying the oscillation wavelength by 1 ⁇ 4 and dividing by the refractive index of the superlattice structure at the oscillation wavelength, as in the case of the first refractive index nitride semiconductor film 202a.
  • first refractive index nitride semiconductor film 202a having a thickness of 54.2 nm and the second refractive index nitride semiconductor film 202b having a thickness of 56.5 nm as one cycle, for example, 30 cycles are formed.
  • a first multilayer film 202 is formed.
  • the first multilayer film 202 serves as an n-type distributed Bragg reflector, and is a semiconductor superconductive layer constituting the first refractive index nitride semiconductor film 202a with the refractive index n1, the film thickness with d1, and the second refractive index nitride semiconductor film 202b.
  • the refractive index of the grating is n2
  • the total film thickness of the second refractive index nitride semiconductor film 202b is d2
  • the AlInN layer is preferably doped with oxygen at about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the growth temperature when depositing AlInN is set to a temperature range (generally 800 to 1200 ° C.) which is generally used for the growth of nitride semiconductors. If the temperature is lower than that, for example, about 700 to 850 ° C., more preferably about 700 to 800 ° C., oxygen can be mixed as an impurity from the organic Al raw material.
  • the film thickness of the InGaN barrier layer may be 7.5 nm, and the film thickness of the well layer may be 3 nm.
  • nm of GaN as the second nitride semiconductor film 205 is stacked. Furthermore, 10 nm of p-Al 0.20 GaN (Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ) which is the electron barrier layer 206 is stacked. Next, p-GaN (Mg concentration: 3 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 ), which is the p-type contact layer 208, is stacked, for example, 10 nm.
  • a growth method such as a molecular beam growth (MBE) method or a chemical beam growth (CBE) method in addition to the MOCVD method is used. May be
  • a thermal CVD method is used to form and pattern an insulating film 209 made of SiO 2 having a thickness of, for example, 0.3 ⁇ m and opened only at the laser emission portion on the p-type contact layer.
  • a transparent electrode 210 (film thickness 144 nm) made of, for example, ITO (Indium Thin Oxide) is formed on the surface, and patterning is performed to remove only the peripheral portion.
  • ITO Indium Thin Oxide
  • the p electrode 212 made of, for example, Ti / Pt / Au is patterned on the periphery of the transparent electrode 210 other than the laser emitting portion.
  • the semiconductor substrate 201 of the wafer-like semiconductor light emitting element 200 is thinned by polishing to a predetermined thickness, for example, 100 ⁇ m.
  • the wafer back surface side corresponding to the opposite side of the second multilayer film (dielectric insulating film) 213 on the upper surface of the wafer by patterning using a SiO 2 insulating film and wet etching using an alkaline solution (for example, KOH) Provide a circular light exit hole in the area of After that, an n-electrode 215 made of, for example, Ti / Pt / Au is formed on the polished surface while avoiding the light emitting region.
  • an alkaline solution for example, KOH
  • the semiconductor light emitting device 200 described above includes two electrodes (p electrode) of a semiconductor laminate including an n-type layer including a superlattice structure of AlInN (O) / n-GaN, an active layer, and a p-type layer. 212 and n electrode 215).
  • current is injected in the vertical direction (stacking direction) into the AlInN (O) / n-GaN superlattice structure.
  • a current path is formed between the two electrodes in the longitudinal direction (stacking direction) of the AlInN (O) / n-GaN superlattice structure.
  • Electrons and holes injected into the active layer 204 are converted to light having a central wavelength of 520 nm.
  • the converted light is amplified as stimulated emission light by the first multilayer film 202 and the second multilayer film 213 functioning as a reflective film, and emitted as laser light from the first multilayer film 202 side.
  • the film thickness of AlInN (O) is preferably 5 nm or less.
  • the oxygen concentration of AlInN (O) is preferably 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the period of the AlInN (O) / n-GaN superlattice layer, that is, the sum of the thickness of one AlInN (O) layer and one n-GaN layer is preferably thinner than 10 nm and thinner than 5 nm. Is more preferred.
  • a GaN-based substrate (such as a GaN substrate or an AlGaN substrate) belonging to a hexagonal system is used as the semiconductor substrate 201, but another substrate capable of growing a GaN-based material, such as silicon carbide SiC), silicon (Si), sapphire (single crystal Al 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO) or the like can be used.
  • a template substrate in which a GaN crystal is grown on a substrate different from GaN such as a sapphire substrate can be used.
  • the semiconductor light emitting device 300 according to the third embodiment will be described below.
  • a green (wavelength 520 nm) semiconductor laser using a hexagonal group III nitride semiconductor is described as an example of the semiconductor light emitting device 300.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device 300 according to the present embodiment.
  • the same reference numerals as in the first embodiment denote the same constituent elements as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. Only points different from the first embodiment will be described.
  • the n electrode 15 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 1.
  • an n-type cladding layer 301 made of n-type GaN, for example, is formed between the substrate and the semiconductor superlattice layer 2 as a part of the n-type layer of the semiconductor stack. It is provided.
  • an n electrode 15 is formed on the same side of the n-type cladding layer 301 as the surface on which the semiconductor superlattice layer 2 is formed.
  • the film thickness of AlInN (O) is preferably 5 nm or less.
  • the oxygen concentration of AlInN (O) is preferably 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the period of the AlInN (O) / n-GaN superlattice layer, that is, the sum of the thickness of one AlInN (O) layer and one n-GaN layer is preferably thinner than 10 nm and thinner than 5 nm. Is more preferred.
  • a GaN-based substrate (GaN substrate, AlGaN substrate, etc.) belonging to the hexagonal system is used as the semiconductor substrate 1, but another substrate capable of growing a GaN-based material, such as silicon carbide SiC), silicon (Si), sapphire (single crystal Al 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO) or the like can be used.
  • a template substrate in which a GaN crystal is grown on a substrate different from GaN such as a sapphire substrate can be used.
  • the semiconductor light emitting device has been described using a semiconductor laser whose emission wavelength is in the green region, the emission spectrum width is broadened by reducing the reflectance on the front side, and speckle noise is reduced.
  • the emitted light wavelength may be a super luminescent diode in the green region.
  • the In composition of the active layer may be reduced to about 16% to obtain a blue semiconductor laser or a super luminescent diode having a wavelength of 445 nm.
  • the semiconductor light emitting device can be used for a laser display or a liquid crystal back light, a laser scalpel for surgery, welding applications and the like, and is useful for a semiconductor light emitting device using a GaN based compound semiconductor.

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Abstract

　半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させる。　半導体発光素子（１００）は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型光ガイド層（３）と、活性層（４）と、ｐ型光ガイド層（５）とを備え、ｎ型光ガイド層（３）は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含み、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ－３以上含むＡｌＩｎＮで構成され、半導体超格子の積層方向に電流が注入される。

Description

半導体発光素子
　本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表されるＩＩＩ族窒化物で構成される半導体発光素子に関する。
　小型、安価、高出力などの優れた特徴をもつことから、半導体レーザが、通信、光ディスクなどのＩＴ技術のほか、医療、一部照明など、幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に、レーザディスプレイや液晶バックライトなどの表示装置の光源用途に、ＧＡＮ系半導体レーザを用いた波長４５０ｎｍ～５４０ｎｍの半導体光源（半導体発光素子）の開発が進められている。
　これらの表示装置に用いられる半導体発光素子では、明瞭な画像を得るために、半導体発光素子の高光出力化が重要となる。また、表示装置の放熱機構を簡素化し低コスト化するためや、半導体発光素子自身の信頼性を向上するために、低消費電力化が求められている。
　半導体レーザなどの半導体発光素子においては、しきい値を低減すると、同一の注入電流値において得られる光出力を増すことができ、高出力化及び低電流化が可能となる。これにより、半導体発光素子において、低消費電力化が可能となる。
　半導体レーザのしきい値を低減するためには、垂直光閉じ込め係数（Γｖ）と呼ばれるパラメータを大きくすれば良いことが知られている。また、一般的に製造されているｎ型ＧａＮ基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体レーザにおいては、光ガイド層にＩｎＧａＮまたはＧａＮ、クラッド層にはそれらよりも屈折率が低いＡｌＧａＮが用いられることが多い。
　垂直光閉じ込め係数Γｖを高める目的でクラッド層を低屈折率化するために、例えば、屈折率が非常に小さいＡｌＩｎＮをｎ型クラッド層に利用することが開示されている（非特許文献１）。また、ＡｌＩｎＮ層中に周期的にｎ－ＧａＮ層を設け、積層方向に電気伝導させる試みもなされている（非特許文献２）。
E. Feltin, A. Castiglia, G. Cosendey, J.-F.Carlin, R. Butte, and N. Grandjean Proc. of CLEO/IQLC978-1-55752-869-8/09 CTuY5, 2009. R. Charash, H. Kim-Chauveau, J-M. Lamy, M. Akther,1P. P. Maaskant, E.  Frayssinet,P. de Mierry, A. D. Drager,J-Y. Duboz, A. Hangleiter,and B. Corbett, APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 201112, 2011.
　非特許文献１に開示されている半導体発光素子では、ｎ型クラッド層の低屈折率化のためにＡｌＩｎＮを用いていた。ところが、ＡｌＩｎＮでは、積層方向にＡｌＩｎＮを通過して電子注入を行うことが困難という課題がある。
　この課題を解決するために、非特許文献１では、光ガイド層とＡｌＩｎＮクラッド層の中間に薄いｎ型ＡｌＧａＮ層を挿入し、電子注入を行う構造としている。しかし、電子が横方向にＡｌＧａＮ層を通過するために抵抗が高く低電圧素子を実現することは困難であった。
　一方、非特許文献２のようなＡｌＩｎＮ層中に周期的にｎ－ＧａＮ層を設け、積層方向に電気伝導させる試みにおいても、未だ実用水準の電気特性は得られていない。
　また、ＩＩＩ族窒化物面発光レーザにおいては、ＧａＮとＡｌＧａＮを用いたＤＢＲが検討されている。しかしながら、ＧａＮとＡｌＧａＮには大きな格子定数差が存在するために、Ａｌ組成を大きくして屈折率差を高め、ＤＢＲの反射率を大きくすることが困難であるという課題がある。そこで、ＡｌＩｎＮをＤＢＲの低屈折率層に用いることも検討されている。しかし、積層方向にＡｌＩｎＮ層を通過して電子注入を行うことが困難であるという課題から、ＡｌＩｎＮをＤＢＲ層に用いた面発光レーザの報告は未だなされていない。
　上記課題に鑑み、本開示は、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供する。
　前記の課題を解決するために、本開示における半導体発光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを備え、ｎ型層は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含み、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ－３以上含むＡｌＩｎＮで構成され、半導体超格子の積層方向に電流が注入されることを特徴とする。
　本開示によれば、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
図１Ａは、実施の形態１にかかる半導体発光素子の上面図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ｂ線に沿って紙面に垂直な方向に切って見た断面図である。 図２は、比較例１にかかる半導体発光素子の構成を示す図である。 図３は、比較例２にかかる半導体発光素子の構成を示す図である。 図４は、比較例３にかかる半導体発光素子の構成を示す図である。 図５は、比較例１における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図６Ａは、比較例２における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図６Ｂは、比較例２における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図７Ａは、比較例３における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図７Ｂは、比較例３における第１クラッド層近傍の伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図８は、実施の形態１におけるＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子の一部における伝導帯側バンド構造の計算結果を説明する図である。 図９Ａは、実施の形態１にかかる超格子構造の効果を検証するための試料１を説明する図である。 図９Ｂは、実施の形態１にかかる超格子構造の効果を検証するための試料２を説明する図である。 図９Ｃは、実施の形態１にかかる超格子構造の効果を検証するための試料３を説明する図である。 図１０は、図９Ａ～図９Ｃの構造の電極Ａ－Ｂ間の電流電圧特性を説明する図である。 図１１は、実施の形態１の半導体レーザと比較例２の半導体レーザの電流光出力特性を説明する図である。 図１２は、実施の形態１にかかる超格子構造において、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）層の膜厚を変えたときの超格子構造の抵抗率を説明する図である。 図１３は、実施の形態１にかかる超格子構造において、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）層中の酸素濃度を変えたときの超格子構造の抵抗率を説明する図である。 図１４は、実施の形態２の半導体発光素子の構成を説明する図である。 図１５は、実施の形態３の半導体発光素子の構成を説明する図である。
　（本発明の基礎となった知見）
　はじめに、本発明の基礎となった知見について、図面を参照しながら説明する。
　半導体レーザなどの半導体発光素子においては、電流注入によって光出力が緩やかにしか増大しない領域（電流値が小さい領域）と、電流注入によって光出力が大きく増大する領域（電流値が大きい領域）が存在し、両者の境界の電流値をしきい値と呼ぶ。しきい値を低減すると、電流を注入しても光出力が緩やかにしか増大しない領域を減らすことが可能となり、結果的に、同一の注入電流値において得られる光出力を増すことができる。すなわち、しきい値を低減することにより高出力化が可能となる。また、しきい値を低減すれば、ある光出力を得るために必要な電流値を低減することが可能となり、低消費電力化でき、結果として、低コスト化や長寿命化させることも可能となる。
　一方、半導体レーザのしきい値を低減するためには、垂直光閉じ込め係数（Γｖ）と呼ばれるパラメータを大きくすれば良いことが知られている。これは、モード利得と呼ばれる半導体レーザが光を増幅する性能が、発光層（活性層と呼ばれる）中をレーザ光が進行する際の増幅度合いを示す材料利得（ｇ）と垂直光閉じ込め係数（Γｖ）との積、すなわちΓｖ・ｇで表されるためである。
　半導体レーザは、モード利得とレーザ共振器の損失（α）が等しくなったとき発振する。垂直光閉じ込め係数Γｖが大きいとしきい値の低減が可能となるのは、電流注入に伴ってｇが単調に増大するものの、他のパラメータは一定値のため、垂直光閉じ込め係数Γｖが大きいほどΓｖ・ｇ（ｉ）＝αとなる電流値ｉが小さいためである。
　ここで、垂直光閉じ込め係数Γｖとは、半導体レーザの積層構造において、積層面に垂直な方向への伝播光の光分布のうち、半導体レーザの発光層（活性層と呼ばれる）が占める割合のことを言い、通常数％程度の値となることが多い。一般的な半導体レーザを構成する積層構造は、活性層の上下にｐ型／ｎ型光ガイド層が挟持され、さらに光ガイド層の上下をｐ型／ｎ型クラッド層が挟持している。このとき、光ガイド層および活性層がレーザ光を伝播させる領域となり、その屈折率をクラッド層よりも高くする必要がある。
　これは、光が高屈折率材料へ集中していくため、高屈折率層を低屈折率層で取り囲むことで高屈折率層に光を閉じ込めるためである。このような積層構造において、垂直光閉じ込め係数Γｖを大きくするためには、通常光ガイド層の中央付近に配される活性層における光強度を強める必要がある。このためには、クラッド層の屈折率を低くすることで、光ガイド層とクラッド層の屈折率差を大きくすることが特に有効である。
　また、低しきい値動作可能で出射ビーム形状制御が容易という特徴を有する可視光波長域で動作するＩＩＩ族窒化物垂直共振器型面発光半導体レーザ（以下、面発光レーザ）が注目されている。
　面発光レーザでは、積層面方向に９９％に近い高い反射率を有する２枚の反射鏡を配し、その間に発光層（活性層）を挟持している。反射鏡としては、屈折率が異なる２種類の材料を交互に積層する分布型ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）が用いられる。
　ここで、ＤＢＲの材料としては、縦方向（積層面に垂直方向）への電流注入が可能となることから、電気伝導性を有する材料を用いることが好ましい。既に実用化されている、ＧａＡｓを基板に用いる赤外波長の面発光レーザでは、ＤＢＲの材料としてｎ型またはｐ型に不純物ドープしたＧａＡｓとＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓとの組み合わせを用いることが多い。これは、ＡｌＡｓとＧａＡｓとがほぼ同一の格子定数を持ちながら大きな屈折率差を有すると同時に、不純物ドーピングを行うことで電気伝導させることができるという優れた特徴を有するためである。
　現在、一般的に製造されているｎ型ＧａＮ基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体レーザにおいては、光ガイド層にＩｎＧａＮまたはＧａＮ、クラッド層にはそれらよりも屈折率が低いＡｌＧａＮが用いられることが多い。なお、ｐ型クラッド層については、電気抵抗が比較的高いｐ－ＡｌＧａＮの抵抗を低減する目的で、ｐ－ＡｌＧａＮ／ｐ－ＧａＮ超格子の超格子周期構造を利用することが一般的に行われている。
　上記の構造において、垂直光閉じ込め係数Γｖを高める目的でクラッド層を低屈折率化するためには、クラッド層を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成を増加させることが比較的容易に実現できる。しかしながら、Ａｌ組成比を増加させるとｎ型ＧａＮ基板との格子定数差が増加し、積層構造にクラックと呼ばれる割れが入りやすくなるという欠点があり、実質的なＡｌ組成としておよそ１０％を超えるＡｌＧａＮでクラッド層を実現することは困難である。
　上記は、ＡｌＧａＮを用いたｐ型、ｎ型クラッド層に共通する課題であるが、近年高品質なｎ型ＧａＮバルク基板が商用に供されるようになったために、ｎ型クラッド層においてより顕著となっている。これは、ｎ型ＧａＮ基板上にＩＩＩ族窒化物半導体レーザを形成する場合、ｎ型クラッド層、光ガイド層（活性層を含む）、ｐ型クラッド層をこの順番で形成することになるが、ｎ型基板の屈折率がｎ型クラッド層よりも高いために、ｎ型クラッド層の膜厚が不十分な場合、レーザ光が光ガイド層からｎ型クラッド層を超えてｎ型ＧａＮ基板に放射して光損失を生じる恐れがあるために、ｎ型クラッド層の膜厚をｐ型クラッド層と比して厚くする必要があるためである。
　そこで、ＧａＮと格子定数が同じであるにも関わらず、屈折率が非常に小さいＡｌＩｎＮをｎ型クラッド層に利用することが提唱されている（非特許文献１）。また、ＡｌＩｎＮ層中に周期的にｎ－ＧａＮ層を設け、積層方向に電気伝導させる試みもなされている（非特許文献２）。
　上述したように、非特許文献１では、ｎ型クラッド層の低屈折率化のためにＡｌＩｎＮを用いていた。ところが、ＡｌＩｎＮはおよそ５ｅＶという非常に大きなバンドギャップを有し、その電子構造（バンド）において、伝導帯側にＧａＮに対して１ｅＶ程度のバンドオフセットを持つために、積層方向にＡｌＩｎＮを通過して電子注入を行うことが困難という課題がある。この課題を解決するために、非特許文献１では、光ガイド層とＡｌＩｎＮクラッド層の中間に薄いｎ型ＡｌＧａＮ層を挿入し、同層を横方向（積層面方向）に横切って電子注入を行う構造としている。しかし、横方向にＡｌＧａＮ層を通過するために、抵抗が高く商用に供することが可能な水準の低電圧素子を実現することは困難であった。一方、非特許文献２のようなＡｌＩｎＮ層中に周期的にｎ－ＧａＮ層を設け、積層方向に電気伝導させる試みにおいても、未だ実用水準の電気特性は得られていない。
　また、ＩＩＩ族窒化物面発光レーザにおいては、ＧａＮとＡｌＧａＮを用いたＤＢＲが検討されている。しかしながら、先に述べたＧａＡｓとＡｌＡｓの組み合わせの場合と異なって、ＧａＮとＡｌＧａＮには大きな格子定数差が存在するために、Ａｌ組成を大きくして屈折率差を高め、ＤＢＲの反射率を大きくすることが困難であるという課題がある。そこで、ＡｌＩｎＮをＤＢＲの低屈折率層に用いることも検討されているが、先に述べた、積層方向にＡｌＩｎＮ層を通過して電子注入を行うことが困難であるという課題から、ＡｌＩｎＮをＤＢＲ層に用いた面発光レーザの報告は未だなされていない。
　以下、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる半導体発光素子について説明する。
　前記の課題を解決するために、本開示は、ｎ型クラッド層を、不純物である酸素（Ｏ）をドーピングしたＡｌＩｎＮ層と、他のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とを数ｎｍ程度の短周期で繰り返し積層した超格子層とする。なお、本開示において、Ｏがドーピングされた半導体層をＡｌＩｎＮ（Ｏ）のように表現する。
　本発明者らは、種々の検討を行った結果、非特許文献２において十分な低抵抗特性が得られない原因は、超格子周期の最適化が行われていないほか、超格子構造における量子化エネルギーのためにショットキーバリアが形成され、前記ショットキーバリアを乗り越えるための電気的なバイアスを印加しなければ電気伝導が行われず、このことによって抵抗値が増加していることを突き止めた。
　そこで、本発明者らは、ＡｌＩｎＮ膜中に不純物としてＯをドーピングすると、他のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体（例えばｎ型ＧａＮ）のドナー準位とほぼ同一のエネルギーに不純物準位を形成し、同準位をホッピング的に伝導することでショットキーバリアを解消して従来のＡｌＧａＮ系材料同等の低抵抗特性を実現可能であることを見出した。
　さらに、上記のＯドーピングしたＡｌＩｎＮをｎクラッド層に有するＩＩＩ族窒化物半導体レーザを試作し、電気抵抗が従来のＡｌＧａＮ系に比べて同等でありながら、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流が低下することを実験的に確認することで、半導体発光素子の発光効率を向上させることができることを確認した。
　以上のことより、本開示における半導体発光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを備え、ｎ型層は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含み、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ－３以上含むＡｌＩｎＮで構成され、半導体超格子の積層方向に電流が注入されることを特徴とする。
　これにより、電気抵抗が従来のＡｌＧａＮ系に比べて同等でありながら、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
　また、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂは、ｎ型ＧａＮまたはｎ型ＩｎＧａＮで構成されるとしてもよい。
　これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂのドナー準位とＡｌＩｎＮにドーピングされたＯの準位が近接することにより、電気抵抗を効果的に低減することができる。
　また、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂは、酸素（Ｏ）または珪素（Ｓｉ）を含むこととしてもよい。
　これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂに効果的にドナー準位を形成することが可能となり、電気抵抗を低減することができる。
　また、基板上にｎ型層、活性層、およびｐ型層がこの順に積層されていてもよい。
　また、基板上にｐ型層、活性層、およびｎ型層がこの順に積層されていてもよい。
　また、基板はＧａＮ基板またはＧａＮテンプレート基板であることとしてもよい。
　上記の構成により、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＢで構成される超格子を積層方向に縦断して電流注入を行うことが可能となる。
　また、半導体超格子の周期が１０ｎｍよりも短いこととしてもよい。
　これにより、半導体超格子の抵抗を低減することができる。
　また、半導体超格子の周期が５ｎｍよりも短いこととしてもよい。
　これにより、半導体超格子の抵抗をさらに低減することができる。
　また、ｎ型層に第一屈折率窒化物半導体膜と半導体超格子とが交互に積層されたｎ型分布ブラッグ反射鏡を含み、ｎ型分布ブラッグ反射鏡は、第一屈折率窒化物半導体膜の屈折率をｎ１、第一屈折率窒化物半導体膜の膜厚をｄ１、半導体超格子の屈折率をｎ２、半導体超格子の前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとが繰り返し積層された合計膜厚をｄ２、活性層の発光波長をλとすると、ｎ１＞ｎ２且つｎ１×ｄ１＝ｎ２×ｄ２＝１／４×λの関係を満たすこととしてもよい。
　これにより、高い電気導電性と光学反射率を有するｎ型分布ブラッグ反射鏡を形成することが可能となる。
　以下、具体的に実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面において同一部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例を示すものであって、本発明は、例えば構成部材の配置等が下記のものに特定されるものではない。本発明は、請求の範囲において様々な変更を加えることができる。
　（実施の形態１）
　以下、実施の形態１にかかる半導体発光素子１００について説明する。本実施の形態においては、半導体発光素子１００の実施の形態として、六方晶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１Ａは、本実施の形態にかかる半導体発光素子１００の図であり、上面方向から見た図である。図１Ｂは、光導波路２０を含んで、図１ＡのＡ－Ｂに沿って紙面に垂直な方向に切って見た断面図である。
　まず、半導体発光素子１００の構成について説明する。
　図１Ａ及び図１Ｂに示す、本開示における半導体発光素子１００は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層３と、活性層４と、ｐ型層５とを備えている。ｎ型層３は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含む。ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ－３以上含むＡｌＩｎＮで構成されている。半導体超格子の積層方向に電流が注入される。
　このような構成とすることにより、ｎ型層３において、ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの伝導帯に注入された電子は、ＡｌＩｎＮによるポテンシャル障壁を、膜中に含まれる酸素原子に起因したドナー準位を介してホッピング的に伝導することにより通過することができる。このことにより、障壁に起因する抵抗を飛躍的に低減することができる。また、ここで、ＡｌＩｎＮは、従来ｎ型層として用いられてきたＡｌＧａＮに比べても低い屈折率を有するために、ｎ型層３を、電子注入層としてだけでなく、強力な光閉じ込め層として機能させることができる。
　その結果として、半導体発光素子の垂直光閉じ込め係数Γｖを効果的に増加させ、発振しきい値電流を低下させることで半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
　以下、必須ではない任意の構成も含めたより具体的な実施例を記載する。
　半導体発光素子１００は、例えば主面が（０００１）面のｎ型六方晶ＧａＮ基板である半導体基板１上に、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とをこの順番に有する半導体積層体が積層される。具体的には、ｎ型層としては、例えばＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子クラッド層である半導体超格子層２と、例えばｎ－ＧａＮであるｎ型光ガイド層３とが積層される。活性層としては、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸である活性層４が積層される。ｐ型層としては、例えばｐ－ＧａＮであるｐ型光ガイド層５と、例えばｐ－Ａｌ０．２０ＧａＮである電子障壁層６と、例えばｐ－Ａｌ０．１５ＧａＮ／ＧａＮ超格子であるｐ型クラッド層７と、例えばｐ－ＧａＮであるｐ型コンタクト層８とが積層される。
　半導体発光素子１００の光導波路２０は、例えばＳｉＯ２である絶縁膜９により両側を絶縁される。半導体積層体の上下には、当該半導体積層体を挟むように２つの電極、すなわちｐ電極１０およびｎ電極１５が形成される。このような構造により、半導体積層体中の半導体超格子層２には、縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される。言い換えると、２つの電極ｐ電極１０とｎ電極１５との間には、半導体超格子層２を縦方向（積層方向）に通る電流パスが形成される。
　光導波路の最上面には、例えばＰｄ／Ｐｔで構成されるｐ電極１０と、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成される配線電極１１と、例えばＴｉ／Ａｕで構成されるパッド電極１２とが、所定のパターンにより形成される。半導体基板１の反対側の面には、例えばＣｕ／Ａｕであるｎ電極１５が形成される。
　半導体発光素子１００の光導波路２０の前後、すなわち、図１Ａに示す半導体発光素子１００の紙面に向かって上下の端面には、それぞれ、光導波路２０内の光を反射するための、例えば誘電体多層膜で構成されたフロントコート膜１３と、例えば誘電体多層膜で構成されたリアコート膜１４とが形成される。
　なお、本実施の形態では、半導体基板上にｎ型層、活性層、ｐ型層の順に積層したが、ｎ型、ｐ型を入れ換えても構わない。すなわち、半導体基板上にｐ型層、活性層、ｎ型層の順に積層してもよい。
　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）面のｎ型六方晶ＧａＮである半導体基板１上に、例えば有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いて半導体超格子層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、半導体超格子層２は、膜厚がそれぞれ２．５ｎｍのｎ型ＧａＮ、ＡｌＩｎ０．１７７Ｎの繰り返しで構成される超格子層を計７０周期（合計膜厚は３５０ｎｍ）積層することで形成する。
　ここで、成膜のためのガス原料としては、例えばＩＩＩ族原料にトリメチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、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－ＧａＮ層のＳｉ濃度は、１×１０１９ｃｍ－３程度にすると良い。ＡｌＩｎＮ層には、酸素を１×１０１８ｃｍ－３程度以上ドーピングすることが好ましい。また、ｎ型ＧａＮ層が酸素を含んでいても良い。ＡｌＩｎＮ層に酸素をドーピングする方法としては、原料ガスに微量の酸素を加える方法がある。
　そのほか、簡単には、ＴＭＡのような有機Ａｌ原料を用いる場合には、ＡｌＩｎＮを成膜する際の成長温度を、通常窒化物半導体の成長に広く用いられる温度域（概ね８００～１２００℃）に比べて低い温度、例えば７００～８５０℃程度、より好ましくは７００～８００℃程度にすれば、有機Ａｌ原料から不純物として酸素を混入させることもできる。
　次に、ｎ型光ガイド層３を構成するｎ－ＧａＮ（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ－３）を１００ｎｍ成長する。さらに、活性層４を構成するＩｎ０．０２ＧａＮバリア層とＩｎ０．２３ＧａＮ量子井戸層３周期で構成される量子井戸活性層を成長する。このとき、ＩｎＧａＮバリア層の膜厚は７．５ｎｍ、井戸層の膜厚は３ｎｍとすればよい。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、例えばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いて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５×１０１９ｃｍ－３）とｐ－ＧａＮ（Ｍｇ濃度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）法等の、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ構造が成長可能な成長方法を用いてもよい。
　続いて、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で構成される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（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ：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で構成される絶縁膜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）とで構成される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１Ｂ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１２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で構成される配線電極１１を選択的に形成する。ここで、配線電極１１は、それぞれ厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／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、該配線電極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１Ａ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繋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、Ａｕパッド電極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で構成され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８００μｍとなるようにｍ面に沿って劈開（１次劈開）する。続いて、例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、例えば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／ＳｉＯ２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。
　次に、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。
　続いて、本実施の形態の半導体発光素子１００の効果を検証するため、図２～図４に示す比較例１から３にかかる半導体発光素子１０１、１０２、１０３について説明する。
　図２は、比較例１にかかる半導体発光素子１０１の構成を示す概略図である。図２に示すように、半導体発光素子１０１は、図１Ａ及び図１Ｂに示した半導体発光素子１００における半導体超格子層２をＡｌＩｎＮ単層膜である第一クラッド層１６に置き換えたものである。
　図３は、比較例２にかかる半導体発光素子に１０２の構成を示す概略図である。図３に示すように、半導体発光素子１０２は、図１Ａ及び図１Ｂに示した半導体発光素子１００における半導体超格子層２をｎ－ＡｌＧａＮ／ｎ－ＧａＮ超格子である第一クラッド層１７に置き換えたものである。
　図４は、比較例３にかかる半導体発光素子１０３の構成を示す概略図である。図４に示すように、半導体発光素子１０３は、図１Ａ及び図１Ｂに示した半導体発光素子１００における半導体超格子層２をＡｌＩｎＮ（Ｏがドーピングされない）／ｎ－ＧａＮ超格子である第一クラッド層１８に置き換えたものである。
　ここでまず、本実施の形態にかかる半導体発光素子１００の効果を説明するために、理論および実験結果の両面から検証を行った結果を説明する。まず、上記図１Ａ～図４のレーザ構造において、ｎ型クラッド層近辺の半導体バンド構造を、電子伝導に関係する伝導帯側バンドエネルギー（Ｅｃ）に着目し、シュレディンガー方程式とポアソン方程式をセルフコンシステントに解くことによって計算した。
　ここで、計算に必要な物理パラメータ、すなわちＡｌＧａＮのＧａＮに対する格子歪みに起因する分極、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＮの自発分極の大きさ、バンドオフセット、電子の有効質量などは、文献J. Kuzmik, IEEE Electron Device Lett. 22, 510 (2001)及びM. Gonschorek, J.-F. Carlin,E. Feltin, M. A. Py, and N. Grandjean, Appl. Phys.Lett. 89, 062106 (2006)に記載された値を用いた。計算結果を図５～７に示す。
　図５に、図２に示す半導体発光素子１０１の第一クラッド層１６（ＡｌＩｎＮ単層膜）付近の計算結果を示す。第一クラッド層１６付近では、ＡｌＩｎＮが大きな自発分極に起因する強い電界を有することから、Ｅｃのポテンシャルエネルギーはｎ型ＧａＮである半導体基板１側から積層構造上面側へと大きく曲がっていくことが分かる。
　例えば、３５０ｎｍ積層した場合、半導体基板１からのバンド曲がり量は最大で４ｅＶを超える。このことは、半導体発光素子１０１において半導体基板１から、第一クラッド層１６であるＡｌＩｎＮのポテンシャルを超えて活性層４に電流注入するためには、ｎ型クラッド層だけで４Ｖ以上の電圧降下が生じることとなり、消費電力の著しい増大に繋がってしまう。
　ここで、発明者らは、このＡｌＩｎＮにＳｉをドーピングしてｎ型化することで抵抗を低減する手法についても検討したが、ＳｉがＡｌＩｎＮのバンド中に形成するドナー準位が伝導帯（Ｅｃ）端から－１．５ｅＶ程度と深いため、電子伝導には殆ど寄与せず、効果がないことを見出した。
　続いて、図６Ａ及び図６Ｂに図３に示す半導体発光素子１０２の第一クラッド層１７（ＡｌＧａＮ／ｎ－ＧａＮ超格子）付近の計算結果を示す。ＡｌＧａＮ／ｎ－ＧａＮ超格子では、ＡｌＧａＮの有する分極とワイドバンドギャップという特徴から、ｎ－ＧａＮに対して０．４５ｅＶ程度のバンド曲がりが存在する。しかしながら、非特許文献２に記載されているように、ｎ－ＧａＮに局在する電子がＡｌＧａＮバリアを透過して複数のｎ－ＧａＮで結合するために、電子は殆どポテンシャルバリアの影響を受けない（電流電圧特性において、ショットキーバリアが存在せずオーミック抵抗だけが存在する）。
　そこで、比較例１と２を組み合わせ、ＡｌＩｎＮとｎ－ＧａＮの超格子を形成し、比較例２と同様にｎ－ＧａＮ間の電子を量子結合させてＡｌＩｎＮ層による電圧上昇を回避する手法を考えることもできる。このような構造を比較例３とする。
　図７Ａは、上述のＡｌＩｎＮとｎ－ＧａＮ超格子を組み合わせた場合の計算結果である（構造は図４の半導体発光素子１０３に示す）。ｎ－ＧａＮによってＡｌＩｎＮのバンド曲がりは超格子中では１ｅＶにまで低下するほか、ｎ－ＧａＮが量子井戸となり、隣接したＡｌＩｎＮを透過して隣のｎ－ＧａＮ層と量子結合するために、実際に電子が受けるポテンシャルバリアはさらに小さくなることが期待できる。
　ところが、この場合にも大きな課題を見出した。図７Ｂは、図７Ａの一部の拡大図である。図７Ｂには、ｎ－ＧａＮ量子井戸における量子化エネルギーの計算結果を、基底準位をＥ１、２番目の準位をＥ２として示している。
　Ｅ１＝０．４５ｅＶであるために、電子は実際にはｎ－ＧａＮのバンド端ではなく、Ｅ１のエネルギーを持って局在することとなる。すなわち、ＡｌＩｎＮ／ｎ－ＧａＮ超格子に電流（電子）注入するためには、少なくとも０．４５Ｖの電圧の印加、すなわち超格子での電圧降下が起こってしまうこととなる。
　次に、図８に、図７Ａ及び図７Ｂの構造において、ＡｌＩｎＮに酸素（Ｏ）をドーピングした本実施の形態のバンド構造図を示す。材料の構成は図７Ａ及び図７ＢのＡｌＩｎＮ／ｎ－ＧａＮ超格子と同様であるから、計算結果も基本的に同一である。そのため、図７Ａに相当する図は省略する。
　図８に示した結果から、本発明者らは、本実施の形態の構成によりＡｌＩｎＮにＯをドーピングすると、ＯがＡｌＩｎＮの伝導帯側バンド端から約１ｅＶのポテンシャルにドナー準位を形成することを見出した。このように深いポテンシャルに存在する準位はＡｌＩｎＮ自体の電気伝導に殆ど影響しない（電子濃度は増加しない）が、本発明者らは、この準位がｎ－ＧａＮの伝導帯ポテンシャルエネルギーとほぼ同一であるために、Ｏの準位を介してｎ－ＧａＮに局在する電子がホッピング的に伝導可能（ホッピング効果）ではないかと考えた。この場合、ホッピング準位（図中Ｅｈｏｐと記載）は、ｎ－ＧａＮバンド端からわずか０．０５ｅＶであり、ほぼ同一のエネルギー準位であることから、実質的にオーム性抵抗となることが期待できる。
　さらに、上述の効果を検証するために、発明者らは、図９Ａ～図９Ｃに示す３種類の試料１～３をＭＯＣＶＤ法とフォトリソグラフィ、ＩＣＰエッチング、電極形成により準備して、図中電極Ａ－Ｂ間の電圧電流特性を評価した。
　試料１～３では、共にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成される電極Ａと電極Ｂとの間に、ｎ－ＧａＮ基板、ｎ－ＧａＮコンタクト層、および上述した本実施の形態や比較例の半導体超格子に相当するｎ型クラッド層が形成されている。電極Ａの大きさは７５０×２００μｍであり、電極Ｂはｎ－ＧａＮ基板の裏面全面に形成されている。ｎ－ＧａＮコンタクト層は、Ｓｉ濃度が３×１０１８ｃｍ－３で、膜厚１０ｎｍとしている。
　図１Ａ及び図１Ｂのようなレーザ構造としなかったのは、ｐｎジャンクションによる電圧降下など、ｎ型クラッド層以外の層による影響を除外するためである。図９Ａの試料１は、本実施の形態における半導体超格子層２に相当するＡｌＩｎＮ（Ｏドープ）／ｎ－ＧａＮ超格子（バンド構造は図８）、図９Ｂの試料２は、ＡｌＩｎＮ（Ｏドープなし）／ｎ－ＧａＮ超格子（バンド構造は図７Ａ）、図９Ｃの試料３は、ＡｌＩｎＮ単層膜（バンド構造は図５）がそれぞれ電極間に挿入されている。
　図１０に、試料１から試料３の各試料の電圧電流特性を示す。試料３に用いたＡｌＩｎＮ単層膜では約５Ｖ程度、試料２に用いたＡｌＩｎＮ（Ｏドープなし）／ｎ－ＧａＮ超格子では約０．４５Ｖのショットキーバリアが存在する。これに対し、試料１のＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子では、ショットキーバリアが存在せずオーミックな特性になっていることがわかる。このことから、本実施の形態のような半導体超格子層を利用した半導体発光素子１００では、動作電圧を悪化させないで、発振しきい値を低減して消費電力を低下することが可能となる。
　なお、上記のホッピング効果は、ＡｌＩｎＮ層のバンドギャップ（Ｅｇ）がＧａＮ層のＥｇよりも大きいときにのみ生じるものである。すなわち、ＡｌＩｎＮ層とＧａＮ層のＥｇにＥｇ（ＡｌＩｎＮ）＞Ｅｇ（ＧａＮ）の関係があるときにのみ上記したような効果が生じることになる。
　なお、本実施の形態においては、半導体超格子層２をＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子としたが、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＩｎＧａＮ超格子としてもよい。この場合も、ＡｌＩｎＮ層とＩｎＧａＮ層のＥｇにＥｇ（ＡｌＩｎＮ）＞Ｅｇ（ＩｎＧａＮ）の関係があることが必要である。すなわち、半導体超格子層２において、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）と組み合わせる半導体材料には、ＡｌＩｎＮよりもバンドギャップＥｇが小さいことが求められる。
　図１１に、図１Ａ及び図１Ｂの構造を有する実施の形態１の半導体発光素子（半導体レーザ）１００と、図３の構造を有する比較例２の半導体発光素子（半導体レーザ）１０２の電流光出力特性（実験値）とを示す。同時に測定した電流電圧特性は、両者ほぼ同一であるため省略する。
　ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子層をｎ型クラッド層（半導体超格子層２）に導入することにより垂直光閉じ込め係数Γｖが向上し、しきい値電流が減少している。また、ＡｌＩｎＮの導入による電圧上昇も観察されなかった。上記のことから、本実施の形態にかかる半導体発光素子１００を用いることで、発光効率のよい半導体発光素子を実現することが出来る。
　ここで、上記のＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子層の好ましい構成について図１２および図１３を用いて述べる。図１２は、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子層のＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚を変化させたときの超格子構造（試料１）の抵抗率の変化を測定した図である。図１３は、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子層のＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素（Ｏ）濃度を変化させたときの超格子構造（試料１）の抵抗率の変化を測定した図である。
　図１２の結果から、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚が５ｎｍを超えると、抵抗率が急激に大きくなることがわかる。よって、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。
　また、図１３の結果から、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素濃度が１×１０１８ｃｍ－３を下回ると、抵抗率が急激に高くなることがわかる。よって、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ－３以上であることが好ましい。
　なお、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子層の周期、すなわちＡｌＩｎＮ（Ｏ）、ｎ－ＧａＮそれぞれ１層の膜厚を合計した値は、１０ｎｍよりも薄いことが好ましく、５ｎｍよりも薄いことがより好ましい。
　なお、本実施の形態においては、ｎ型クラッド層としてＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子を用いたが、ｎ型クラッド層として、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子と、ｎ－ＡｌＧａＮ層とを組み合わせても構わない。
　なお、本実施の形態においては、積層構造体の成長用基板、すなわち半導体基板１に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等）を用いたが、ＧａＮ系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。また、サファイア基板などのＧａＮとは異なる基板上にＧａＮ結晶を成長させたテンプレート基板を用いることも出来る。
　なお、本実施の形態の半導体発光素子として、発光波長が緑色領域の半導体レーザを用いた説明を行ったが、フロント側の反射率を低減させることで発光スペクトル幅を広げ、スペックルノイズを低減させた発光波長が緑色領域のスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。さらに、活性層のＩｎ組成を１６％程度に低下させることで、波長を４４５ｎｍの青色波長とした青色半導体レーザまたはスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。
　（実施の形態２）
　以下、実施の形態２にかかる半導体発光素子２００について説明する。本実施の形態の半導体発光素子２００について、六方晶ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた発光波長が波長５２０ｎｍ付近の緑色面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を例に、図を参照しながら説明する。
　図１４は、本実施の形態にかかる半導体発光素子２００の断面図である。以下、図面を用いて半導体発光素子２００の構造および製造方法を説明する。
　主面が（０００１）面のｎ型六方晶ＧａＮである半導体基板２０１上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、第一の多層膜２０２を積層する。第一の多層膜２０２は、例えばｎ－ＧａＮ層である第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａと、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮの超格子構造である第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂとが交互に積層された構成である。
　ここで、第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａ（ｎ－ＧａＮ層）の膜厚は、発振波長λに１／４を乗じて上記半導体発光素子２００の発振波長における屈折率で除した値とする。例えば、発振波長を５２０ｎｍ、ｎ－ＧａＮ層５２０ｎｍにおける屈折率が２．４である場合、第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａ（ｎ－ＧａＮ層）の膜厚は、５２０×（１／４）／２．４＝５４．２ｎｍである。
　第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂは、それぞれ膜厚２．５ｎｍのＡｌＩｎ０．１７７Ｎ（Ｏ濃度１×１０１８ｃｍ－３）およびｎ－ＧａＮを１周期として、これを複数回繰り返し積層した超格子構造である。超格子構造の合計膜厚は、第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａの場合と同様に、発振波長に１／４を乗じて上記超格子構造の発振波長における屈折率で除した値とする。例えば、超格子構造の屈折率が２．３である場合、第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂの膜厚は、５２０×（１／４）／２．３＝５６．５ｎｍである。
　このように、厚みが５４．２ｎｍである第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａと厚みが５６．５ｎｍである第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂとを１周期として、例えば３０周期形成することで第一の多層膜２０２を形成する。
　第一の多層膜２０２は、ｎ型分布ブラッグ反射鏡となり、第一屈折率窒化物半導体膜２０２ａの屈折率をｎ１、膜厚をｄ１、第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂを構成する半導体超格子の屈折率をｎ２、第二屈折率窒化物半導体膜２０２ｂの合計膜厚をｄ２とすると、ｎ１＞ｎ２且つｎ１×ｄ１＝ｎ２×ｄ２＝１／４×λの関係を満たす。
　ここで、原料としては、例えばＩＩＩ族原料にトリメチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、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。ここで、実施の形態１と同様に、ＡｌＩｎＮ層には酸素を１×１０１８ｃｍ－３程度ドーピングすることが好ましい。
　ＡｌＩｎＮ層に酸素をドーピングする方法としては、原料ガスに微量の酸素を加える方法がある。そのほか、簡単には、ＴＭＡのような有機Ａｌ原料を用いる場合には、ＡｌＩｎＮを成膜する際の成長温度を、通常窒化物半導体の成長に広く用いられる温度域（概ね８００～１２００℃）に比べて低い温度、例えば７００～８５０℃程度、より好ましくは７００～８００℃程度にすれば、有機Ａｌ原料から不純物として酸素を混入させることもできる。
　次に、第一の窒化物半導体膜２０３であるＧａＮを５３ｎｍ成長させる。さらに、Ｉｎ０．０２ＧａＮバリア層とＩｎ０．２３ＧａＮ量子井戸層３周期で構成される活性層２０４を成長させる。このとき、ＩｎＧａＮバリア層の膜厚は７．５ｎｍ、井戸層の膜厚は３ｎｍとすればよい。
　次に、第二の窒化物半導体膜２０５であるＧａＮを４０ｎｍ積層させる。さらに、電子障壁層２０６であるｐ－Ａｌ０．２０ＧａＮ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３）を１０ｎｍ積層する。次に、ｐ型コンタクト層２０８であるｐ－ＧａＮ（Ｍｇ濃度３×１０２０ｃｍ－３）を、例えば１０ｎｍ積層する。
　上記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）法等の成長方法を用いてもよい。
　次に、成長した窒化物半導体層にパターニング等を行い、電流を注入できるようにする。
　まず、例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層の上に、レーザ出射部のみ開口した膜厚が例えば０．３μｍのＳｉＯ２で構成される絶縁膜２０９を成膜しパターニングする。
　続いて、その表面に、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｈｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）である透明電極２１０（膜厚１４４ｎｍ）を形成し、周辺部のみ取り除くパターニングを行う。
　続いて、透明電極２１０のレーザ出射部上に例えばＴｉＯ２、ＳｉＯ２の多層膜である第二の多層膜２１３を形成し、レーザ出射部以外の部分はパターニングにより取り除く。
　続いて、透明電極２１０のレーザ出射部以外の周辺に例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕであるｐ電極２１２をパターニングする。
　続いて、ウェハ状の半導体発光素子２００の半導体基板２０１を所定の厚み、例えば１００μｍまで研磨により薄膜化する。
　次に、ＳｉＯ２絶縁膜を用いたパターニングと、アルカリ溶液（例えばＫＯＨ）を用いたウェットエッチングにより、ウェハ上面の第二の多層膜（誘電体絶縁膜）２１３の反対側に対応するウェハ裏面側の領域に円形の光出射穴を設ける。その後、研磨面に、光出射領域を避けて例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕであるｎ電極２１５を形成する。
　続いて、上記の半導体発光素子２００の動作について説明する。上記の半導体発光素子２００は、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮの超格子構造を含むｎ型層と、活性層と、ｐ型層とで構成される半導体積層体を、２つの電極（ｐ電極２１２およびｎ電極２１５）で上下から挟んだ構成である。このような構成により、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮの超格子構造に縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される。言い換えると、２つの電極の間には、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮの超格子構造を縦方向（積層方向）に通る電流パスが形成される。
　ｐ電極２１２およびｎ電極２１５より注入された電流は、透明電極２１０を伝達し絶縁膜２０９によりレーザ出射部付近に集中され、活性層２０４に注入される。活性層２０４に注入された電子および正孔は、中心波長５２０ｎｍの光に変換される。変換された光は、反射膜として機能する、第一の多層膜２０２と第二の多層膜２１３により誘導放出光として増幅され、第一の多層膜２０２側からレーザ光として出射される。
　以上の構成により、本実施の形態に示す半導体超格子層を用いることで、発光波長が波長５２０ｎｍ付近の緑色面発光型半導体レーザを容易に構成および製造することができる。
　本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。また、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ－３以上であることが好ましい。なお、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子層の周期、すなわちＡｌＩｎＮ（Ｏ）、ｎ－ＧａＮそれぞれ１層の膜厚を合計した値は、１０ｎｍよりも薄いことが好ましく、５ｎｍよりも薄いことがより好ましい。
　また、本実施の形態においても、半導体基板２０１に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等）を用いたが、ＧａＮ系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。また、サファイア基板などのＧａＮとは異なる基板上にＧａＮ結晶を成長させたテンプレート基板を用いることも出来る。
　（実施の形態３）
　以下、実施の形態３にかかる半導体発光素子３００について説明する。本実施の形態においては、半導体発光素子３００の例として、六方晶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。
　図１５は、本実施の形態にかかる半導体発光素子３００の断面図である。実施の形態１と共通する構成要素については実施の形態１と同一の符号を付することにより説明を省略し、実施の形態１との変化点についてのみ説明する。
　実施の形態１にかかる半導体発光素子１００では、半導体基板１の裏面にｎ電極１５が形成されていた。本実施の形態に係る半導体発光素子３００では、基板と半導体超格子層２との間に、半導体積層体のｎ型層の一部として、例えばｎ型ＧａＮで構成されるｎ型クラッド層３０１が設けられている。また、ｎ型クラッド層３０１における半導体超格子層２が形成されている面と同じ側の面上に、ｎ電極１５が形成されている。
　このような構造でも、２つの電極（ｐ電極１０およびｎ電極１５）から半導体超格子層２に、縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される。言い換えると、２つの電極の間には、半導体超格子層２を縦方向（積層方向）に通る電流パスが形成される。このような構造は、特に基板に半導体ではなく絶縁基板を用いた場合、半導体超格子層２に縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される構造を容易に実現することができるため有効である。
　以上の構成により、絶縁基板を用いた場合、半導体超格子層２に縦方向（積層方向）に電流（電子）が注入される構造を容易に実現することができる。
　なお、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。また、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ－３以上であることが好ましい。なお、ＡｌＩｎＮ（Ｏ）／ｎ－ＧａＮ超格子層の周期、すなわちＡｌＩｎＮ（Ｏ）、ｎ－ＧａＮそれぞれ１層の膜厚を合計した値は、１０ｎｍよりも薄いことが好ましく、５ｎｍよりも薄いことがより好ましい。
　また、本実施の形態においても、半導体基板１に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等）を用いたが、ＧａＮ系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。また、サファイア基板などのＧａＮとは異なる基板上にＧａＮ結晶を成長させたテンプレート基板を用いることも出来る。
　なお、本実施の形態の半導体発光素子として発光波長が緑色領域である半導体レーザを用いた説明を行ったが、フロント側の反射率を低減させることで発光スペクトル幅を広げ、スペックルノイズを低減させた発光波長が緑色領域のスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。さらに、活性層のＩｎ組成を１６％程度に低下させることで、波長を４４５ｎｍの青色波長とした青色半導体レーザまたはスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。
　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　基板
　２　半導体超格子層
　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
　１００　半導体発光素子
 

Claims (9)

  1. 　ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを備え、
    　前記ｎ型層は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡとＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとを繰り返し積層した半導体超格子を含み、
    　前記ＩＩＩ族窒化物半導体ＡおよびＩＩＩ族窒化物半導体Ｂの禁制帯幅をそれぞれＥｇ（Ａ）およびＥｇ（Ｂ）とすると、Ｅｇ（Ａ）＞Ｅｇ（Ｂ）であって、
    　前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａは、膜中に酸素（Ｏ）を１×１０１８ｃｍ－３以上含むＡｌＩｎＮで構成され、
    　前記半導体超格子の積層方向に電流が注入される
    半導体発光素子。
  2. 　請求項１に記載の半導体発光素子であって、
    　前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂは、ｎ型ＧａＮまたはｎ型ＩｎＧａＮで構成される
    半導体発光素子。
  3. 　請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、
    　前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂは、酸素（Ｏ）または珪素（Ｓｉ）を含む
    半導体発光素子。
  4. 　請求項１から３の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
    　基板上に前記ｎ型層、活性層およびｐ型層が、この順に積層されている
    半導体発光素子。
  5. 　請求項１から３の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
    　基板上に前記ｐ型層、活性層およびｎ型層が、この順に積層されている
    半導体発光素子。
  6. 　請求項４または５に記載の半導体発光素子であって、
    　前記基板は、ＧａＮ基板またはＧａＮテンプレート基板である
    半導体発光素子。
  7. 　請求項１から６の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
    　前記半導体超格子において、前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとの繰り返しの周期は、１０ｎｍよりも短い
    半導体発光素子。
  8. 　請求項７に記載の半導体発光素子であって、
    　前記半導体超格子において、前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとの繰り返しの周期は、５ｎｍよりも短い
    半導体発光素子。
  9. 　請求項１から８の何れか１項に記載の半導体発光素子であって、
    　前記ｎ型層に第一屈折率窒化物半導体膜と前記半導体超格子とが交互に積層されたｎ型分布ブラッグ反射鏡を含み、
    　前記ｎ型分布ブラッグ反射鏡は、
    　前記第一屈折率窒化物半導体膜の屈折率をｎ１、前記第一屈折率窒化物半導体膜の膜厚をｄ１、前記半導体超格子の屈折率をｎ２、前記半導体超格子の前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ａと前記ＩＩＩ族窒化物半導体Ｂとが繰り返し積層された合計膜厚をｄ２、前記活性層の発光波長をλとすると、
    　ｎ１＞ｎ２
    　ｎ１×ｄ１＝ｎ２×ｄ２＝１／４×λ
    　の関係を満たす
    半導体発光素子。
     
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