WO2014167965A1 - 窒化物半導体多層膜反射鏡とそれを用いた発光素子 - Google Patents

窒化物半導体多層膜反射鏡とそれを用いた発光素子 Download PDF

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竹内　哲也
素顕 岩谷
赤▲崎▼　勇
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    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor multilayer film reflector and a light emitting device using the same.
  • An AlGaAs-based surface emitting semiconductor laser device for extracting laser light from a direction perpendicular to the substrate surface has semiconductor multilayer film reflecting mirrors in the vertical direction of the active layer in order to constitute an optical resonator.
  • the semiconductor multilayer reflector is configured by alternately laminating first semiconductor layers and second semiconductor layers having a band gap energy larger than the energy corresponding to the oscillation wavelength of the laser light.
  • the first semiconductor layer and the second semiconductor layer having a large difference in refractive index that is, the difference in band gap energy
  • the first semiconductor layer and the second semiconductor layer having a large difference in refractive index are selected to achieve high reflectance, but they occur at their junctions. Hetero-barriers become high. This makes it difficult for the current due to electrons or holes to flow, and has a problem of showing a high resistance value.
  • the first semiconductor layer is formed by interposing a non-doped third semiconductor layer having the same composition as the second semiconductor layer and having a small layer thickness between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
  • a third semiconductor layer are disclosed, for example, to reduce the resistance of the semiconductor multilayer reflector by lowering the hetero barrier in the hetero junction and promoting the tunneling of electrons or holes.
  • the resistivity is unlikely to be lowered because the nitride semiconductor itself is a wide gap semiconductor material. Furthermore, there is a problem that the hetero barrier formed at the hetero junction interface between the semiconductor layers also becomes high.
  • the inventors of the present invention earnestly examining the factor that the nitride semiconductor multilayer film reflector exhibits high resistance, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer having different refractive indexes due to the polarization effect unique to the nitride semiconductor material. It was found that a very large polarization was formed at the junction interface of Then, it was found that the energy barrier due to this polarization effect is the main factor that the nitride semiconductor multilayer mirror exhibits high resistance.
  • the present invention has been made in view of the factors newly found by the present inventors in addition to the above-described conventional circumstances, and reduces the energy barrier generated at the nitride semiconductor heterojunction interface by the polarization effect,
  • An object of the present invention is to realize a low resistance nitride semiconductor multilayer reflector capable of current injection.
  • the nitride semiconductor multilayer film reflector of the first invention is The semiconductor device includes a first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor, a second semiconductor layer, a first composition graded layer, and a second composition graded layer, and a plurality of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
  • a nitride semiconductor multilayer film reflector manufactured by alternately stacking pairs The Al composition of the first semiconductor layer is higher than the Al composition of the second semiconductor layer, A first, which is adjusted between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, on the side of the group III element surface of the first semiconductor layer, such that the Al composition becomes lower toward the second semiconductor layer.
  • Composition graded layer intervenes, A second compositional gradient adjusted between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, on the nitrogen surface side of the first semiconductor layer, such that the Al composition becomes lower as the second semiconductor layer is approached. Layers intervene, The energy levels for the electrons at the lower end of the conduction band of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the first composition graded layer, and the second composition graded layer are continuous without offset.
  • the n-type impurity concentration in the first composition graded layer is 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more.
  • the nitride semiconductor multilayer reflector has a lower Al composition as it approaches the second semiconductor layer than the first semiconductor layer, between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer having an Al composition lower than that of the first semiconductor layer.
  • a first compositionally graded layer or a second compositionally graded layer is provided.
  • the light emitting device of the second invention is A nitride semiconductor multilayer film reflector according to the first aspect of the present invention is characterized.
  • This light emitting device can shorten the resonator length by providing the nitride semiconductor multilayer film reflector of the first invention, so that internal loss and threshold current can be significantly reduced, and high performance with high differential quantum efficiency It is possible to provide a nitride semiconductor light emitting device.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the nitride semiconductor multilayer film reflector of Example 1.
  • 7 is a graph showing energy levels of electrons at the lower end of the conduction band of three pairs of the nitride semiconductor multilayer reflector in Example 1; It is a graph which shows Si doping concentration dependence with respect to the 1st composition gradient AlGaN layer of the energy level of FIG. In Example 1, it is a graph which shows the energy level with respect to the electron of the conduction band lower end for three pairs of nitride semiconductor multilayer film reflecting mirrors when not considering a polarization effect.
  • Example 1 it is a graph which shows the relationship of light standing wave intensity distribution and electron concentration distribution at the time of making light inject into the nitride multilayer film reflective mirror for 3 pairs.
  • FIG. 1 is a side sectional view of a nitride semiconductor surface emitting laser according to Example 1;
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor multilayer film reflector of Example 2.
  • 15 is a graph showing energy levels of electrons at the lower end of the conduction band of three pairs of the nitride semiconductor multilayer reflector in Example 2;
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor multilayer film reflector of Example 3.
  • 18 is a graph showing energy levels of electrons at the lower end of the conduction band of three pairs of the nitride semiconductor multilayer reflector in Example 3;
  • the film thickness of each of the first composition graded layer and the second composition graded layer may be 20 nm or less. In this case, it is possible to prevent the decrease in the reflectance of the multilayer mirror.
  • the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are respectively an AlGaN layer and a GaN layer, and the Al composition value of the AlGaN layer is 0.4 to 0.6.
  • the first composition graded layer and the second composition graded layer may be AlGaN layers, and the Al composition thereof may be compositionally graded from 0 to the Al composition value.
  • a multilayer film having relatively high quality and high reflectance can be obtained at high speed. It is possible to form a film on The multilayer film reflector is manufactured by stacking 40 to 60 pairs of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, so that high speed film formation can significantly reduce the manufacturing process and the manufacturing cost.
  • the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are respectively an AlInN layer and a GaN layer, and the Al composition value of the AlInN layer is 0.82
  • the first composition graded layer and the second composition graded layer are AlInN layers, and the Al composition thereof may be compositionally graded from 0.6 to the Al composition value.
  • the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are approximately the same. Since lattice matching is performed, crystal defects such as dislocations are less likely to be mixed during deposition of stacked layers, and a high-quality semiconductor layer can be obtained.
  • Example 1 As shown in FIG. 1, a second composition gradient AlGaN layer (second composition gradient layer) 103 / Al 0.5 Ga 0.5 N layer (first semiconductor layer) 104 / a first composition gradient AlGaN layer (first composition gradient layer) 105
  • a nitride semiconductor multilayer reflector having a laminated structure in which a / GaN layer (second semiconductor layer) 106 is laminated in order is used as one pair.
  • the first semiconductor layer 104 was selected from Al 0.5 Ga 0.5 N.
  • the second semiconductor layer 106 was selected from GaN.
  • the Al composition value of the first semiconductor layer 104 is desirably 0.4 to 0.6. In the first embodiment, the first semiconductor layer 104 has an Al composition value of 0.5.
  • the second composition graded AlGaN layer 103 uses AlGaN in which the Al composition value gradually increases monotonously from GaN to Al 0.5 Ga 0.5 N.
  • the first composition graded AlGaN layer 105 uses AlGaN in which the Al composition value gradually decreases monotonously from Al 0.5 Ga 0.5 N to GaN.
  • the central reflection wavelength of the multilayer film reflector is 400 nm, based on which the film thickness of the second composition gradient AlGaN layer 103 is 10 nm, the film thickness of the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 is 34 nm, and the first composition gradient AlGaN layer
  • the film thickness of 105 was set to 10 nm, and the film thickness of the GaN layer 106 was set to 30 nm.
  • the nitride semiconductor multilayer film reflector having the structure shown in FIG. 1 was produced by the MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) according to the following procedure.
  • MOCVD method metal organic chemical vapor deposition method
  • the GaN free-standing substrate 101 whose surface is a group III element surface was set in the reactor of the MOCVD apparatus. Thereafter, the surface of the GaN free-standing substrate 101 was thermally cleaned by raising the temperature while flowing hydrogen into the reaction furnace. Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C., hydrogen as a carrier gas, TMGa (trimethylgallium) as a raw material, ammonia, and SiH 4 (silane) as an n-type impurity raw material gas are put in a reaction furnace.
  • TMGa trimethylgallium
  • SiH 4 silane
  • the n-type GaN underlayer 102 was grown to 300 nm on the GaN free-standing substrate 101.
  • Si which is an n-type impurity, is doped at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the second composition graded AlGaN layer 103 is grown.
  • the substrate temperature is set to 1050 ° C. as in the film formation of the n-type GaN underlayer 102, and hydrogen as a carrier gas, TMGa, TMAl (trimethylaluminum) and ammonia as raw materials, and SiH 4 as an n-type impurity raw material gas
  • the second composition-graded AlGaN layer 103 was grown to 10 nm on the n-type GaN underlayer 102 by flowing the reaction mixture into the reaction furnace.
  • the gas supply amount of TMAl which is an Al raw material
  • the gas supply amount of TMGa which is a Ga source
  • the second composition-graded AlGaN layer 103 in which the Al composition value monotonously increases from 0 to 0.5 in the film thickness direction is formed on the n-type GaN underlayer 102.
  • the second composition graded AlGaN layer 103 is doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the doping concentration of Si is unified to 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , but may be changed as needed within a range not exceeding 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 . That is, if a lower resistance multilayer mirror is required, high concentration doping may be performed, and if higher reflectance is required, low concentration doping may be performed.
  • an Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 having an Al composition value of 0.5 was grown to 34 nm on the second composition graded AlGaN layer 103.
  • the substrate temperature at this time, and the carrier gas, source gas, and impurity source gas flowing into the reaction furnace are all the same as those at the time of film formation of the second composition inclination AlGaN layer 103, and detailed description will be omitted.
  • the gas supply amount of TMGa and TMAl was fixed to an amount capable of forming the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104.
  • the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 is doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • a first composition gradient AlGaN layer 105 was grown to 10 nm.
  • the substrate temperature at this time, and the carrier gas, source gas, and impurity source gas flowing into the reaction furnace are all the same as those at the time of forming the second composition gradient AlGaN layer 103, and the detailed description will be omitted.
  • the gas supply amount of TMAl which is an Al raw material, was monotonically decreased from 0 to a value at which the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 is grown.
  • the gas supply amount of TMGa which is a Ga source
  • TMGa which is a Ga source
  • the first composition gradient AlGaN layer 105 in which the Al composition value monotonically decreases from 0.5 to 0 was formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104.
  • the supply amount of SiH 4 as the impurity source gas is increased.
  • the first composition graded AlGaN layer 105 is doped with Si, which is an n-type impurity, at a high concentration of 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the GaN layer 106 was grown to 30 nm on the first composition graded AlGaN layer 105.
  • the substrate temperature at this time, and the carrier gas, the source gas, and the impurity source gas to be flowed into the reaction furnace are all the same as in the film formation of the n-type GaN underlayer 102, and detailed description will be omitted.
  • the GaN layer 106 is doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the second composition gradient AlGaN layer 103 and the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 were further deposited to prepare a total of 49.5 pairs of nitride semiconductor multilayer reflectors as shown in FIG.
  • FIG. 2 shows energy levels for electrons at the lower end of the conduction band of three pairs of nitride semiconductor multilayer reflectors.
  • the energy level for electrons at the lower end of the conduction band of GaN is normalized to 0 eV.
  • the lower end of the conduction band of the second composition gradient AlGaN layer 103 / Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 / the first composition gradient AlGaN layer 105 / GaN layer 106 is substantially flat with almost no offset.
  • the doping concentration of Si in the first composition gradient AlGaN layer 105 is 2 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and 5 ⁇ 10 19 cm 3 in FIG. 3.
  • the energy level with respect to the electron of the conduction band lower end for three pairs of nitride semiconductor multilayer film reflective mirrors at the time of changing to -3 is shown.
  • the energy barrier due to the difference in the band gap energy between the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 and the GaN layer 106 is smoothed by the first composition graded AlGaN layer 103 and the second composition graded AlGaN layer 105, the Al 0.5 Ga 0.5 N It is suggested that a high energy barrier due to negative fixed charge due to polarization is present at the interface between the layer 104 and the GaN layer 106 (first composition gradient AlGaN layer 105). Furthermore, when the doping concentration of Si in the first composition graded AlGaN layer 105 is 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, it can be seen that the height of the energy barrier shows a very high value of about 4 eV.
  • FIG. 4 shows energy levels for electrons at the lower end of the conduction band of three pairs of nitride semiconductor multilayer reflectors in the case where polarization is not taken into consideration.
  • the solid line shows the energy level when the doping concentration of Si is 2 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the two dotted lines respectively show the energy levels when doping Si at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and 7 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • an energy barrier of about 0.8 eV is formed because the Al 0.5 Ga 0.5 N layer has a band gap energy larger than that of the GaN layer.
  • the energy barrier is sufficiently lowered and the energy level becomes almost flat.
  • the reason why the nitride multilayer reflector exhibits high resistance can not be explained.
  • the high energy barrier associated with the polarization effect is considered to be the main factor that can not reduce the resistance of the nitride semiconductor multilayer reflector.
  • the energy barrier due to the polarization effect is relaxed, and when the doping concentration of Si is 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , the energy barrier is almost lost and flat It turns out that it becomes.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the light standing wave intensity distribution and the electron concentration distribution in three pairs of nitride semiconductor multilayer film reflectors.
  • the solid line indicates the profile of the electron concentration in the film thickness direction
  • the dotted line indicates the profile of the light standing wave intensity in the film thickness direction.
  • solid arrows indicate the interface (first inclined AlGaN layer 105) on the group III element surface side of the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104
  • dotted arrows indicate the interface on the N surface (nitrogen) side (second inclination The AlGaN layer 103) is shown.
  • a resonator structure is formed on the group III element surface side of the nitride semiconductor multilayer film reflector (see FIG. 6). Therefore, as shown in FIG. 5, antinodes of light standing waves are formed at the interface on the group III element surface side of the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 indicated by the solid arrows, and at the interface on the N surface shown by the dotted arrows. , Nodes of light standing waves are formed.
  • the electron concentration increases.
  • the electron concentration decreases at the interface on the group III element side of the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 where the energy level for electrons at the lower end of the conduction band is higher than 0 eV.
  • the interface (first composition gradient AlGaN layer 105) on the side of the group III element surface of the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 was subjected to Si doping at a very high concentration of 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the electron concentration remains as low as about 3 ⁇ 10 18 cm -3 as shown by the solid arrow in FIG. I understand. Therefore, the absorption coefficient is also expected to be a low value of 10 cm -1 or less.
  • a method of doping a film with a high concentration of impurities for the purpose of reducing the resistance of a semiconductor multilayer film reflector is known in the prior art.
  • impurity doping is performed at a high concentration, free carriers at the interface of the multilayer film are increased, and there is a problem in that the reflectance is reduced due to the absorption loss of light.
  • the nitride semiconductor multilayer reflector is a high concentration n-type impurity (Si) with respect to the interface (first composition gradient AlGaN layer 105) on the group III element surface side of the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104. Even if doping is performed, the absorption loss does not increase because the polarization fixed charges keep electrons away. Therefore, the resistance of the nitride semiconductor multilayer reflector can be reduced while suppressing the decrease in reflectance.
  • the interface on the N surface side of the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 was subjected to Si doping at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the electron concentration has a high value of about 3 ⁇ 10 19 cm -3 as indicated by the dotted arrow in FIG. Therefore, the absorption coefficient is also expected to be as large as 100 cm -1 .
  • the interface on the N surface side of the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 corresponds to a node of the light standing wave as shown by the dotted arrow in FIG. There is no.
  • the nitride multilayer film reflector of the first embodiment is It meets the required specifications.
  • an n-type GaN layer 201 of 70 nm was grown on the multilayer film reflection mirror (Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104).
  • Si which is an n-type impurity, is doped at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • 2.5 pairs of 3 nm of GaInN quantum well layer 302 and 6 nm of GaN barrier layer 301 are formed on n-type GaN layer 201 to form GaInN triple quantum well active layer 304 as a stacked layer.
  • a 60 nm p-type GaN layer 202 was grown on the GaInN triple quantum well active layer 304 (GaN barrier layer 304).
  • CP 2 Mg cyclopentadienyl magnesium
  • the p-type GaN layer 202 is doped with Mg, which is a p-type impurity, at a concentration of 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the p-type GaN contact layer 204 was grown to 10 nm on the p-type GaN layer 202.
  • the p-type GaN contact layer 204 is doped with Mg, which is a p-type impurity, at a concentration of 2 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • Mg which is a p-type impurity
  • p-side and n-side electrodes nC for current injection are formed.
  • a SiO 2 film 401 is deposited to 20 nm on the one-wavelength resonator 203 (p-type GaN contact layer 204).
  • an opening with a diameter of 10 um is formed in the center of the SiO 2 film 401 by photolithography and dry etching, and the p-type GaN contact layer 204 is exposed.
  • an ITO transparent electrode tC is grown to 20 nm as a p-side contact electrode which also serves as current constriction.
  • the p-side electrode is formed by forming a Ti / Au electrode having an outer peripheral part in contact with the outer peripheral part of the ITO transparent electrode tC and a pad part for wire bonding.
  • photolithography is performed to partially dry-etch the multilayer mirror and the one-wavelength resonator 203 to expose the n-type GaN underlayer 102.
  • a Ti / Al / Ti / Au electrode is laminated on the surface thereof to form an n-side electrode nC as shown in FIG.
  • the Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104 is a first semiconductor layer, between the GaN layer 106 is a second semiconductor layer, closer to the GaN layer 106 from Al 0.5 Ga 0.5 N layer 104
  • a nitride multilayer reflector is manufactured by laminating a plurality of layers.
  • the barrier can be significantly reduced, the resistance of the nitride semiconductor multilayer reflector can be lowered to allow current injection.
  • each of the first AlGaN composition graded layer 105 and the second AlGaN composition graded layer 103 is reduced to 10 nm, it is possible to prevent a decrease in reflectance of the nitride semiconductor multilayer mirror.
  • the Al composition value of the first semiconductor layer 104 is set to 0.5, it is possible to achieve both good crystallinity and high reflectance.
  • AlGaN and GaN can be grown relatively fast among nitride semiconductors, the manufacturing process and manufacturing cost of the nitride semiconductor multilayer film reflector can be significantly reduced.
  • the nitride semiconductor surface emitting laser provided with the above-mentioned nitride semiconductor multilayer film reflector can perform the laser oscillation operation by current injection. Therefore, it is not necessary to form the conventional intra-cavity structure for performing current injection from the side of the resonator, and the resonator length can be made into the one-wavelength resonator 203. Along with this, since the resonator length can be shortened, the internal loss and the threshold current necessary for laser oscillation can be greatly reduced, and the differential quantum efficiency is also improved.
  • Example 2 As shown in FIG. 7, a second compositionally graded AlInN layer (second composition graded layer) 501 / Al 0.85 In 0.15 N layer (first semiconductor layer) 502 / a first composition graded AlInN layer (first composition graded layer) 503 A nitride semiconductor multilayer reflector having a laminated structure of the / GaN layer (second semiconductor layer) 106 as one pair is manufactured.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that AlInN is used instead of AlGaN of the first semiconductor layer 502, the first composition graded layer 503, and the second composition graded layer 501.
  • Al 0.85 In 0.15 N was selected as the first semiconductor layer 502.
  • GaN was selected as the second semiconductor layer 106 as in the first embodiment.
  • the Al composition value of the first semiconductor layer 502 may be 0.83 in order to achieve lattice matching with GaN, but compressive strain is inherent in the first composition graded AlInN layer 503 and the second composition graded AlInN layer 501. Therefore, tensile strain is included by setting the Al composition value of the first semiconductor layer 502 to 0.85, and cumulative strain in the entire multilayer film is reduced as much as possible.
  • the second compositionally graded AlInN layer 501 gradually increases from Al composition value 0.6 of AlInN to Al composition value 0.85 of the first semiconductor layer 502, which substantially matches the energy level for electrons at the lower end of the conduction band of GaN. AlInN in which the composition monotonously increases was used.
  • the first composition graded AlGaN layer 503 uses AlInN in which the Al composition value gradually decreases monotonously from 0.85 to 0.6. As a result, the change in the energy level for electrons at the lower end of the conduction band of the first semiconductor layer 502, the second semiconductor layer 106, the first composition graded layer 503, and the second composition graded layer 501 becomes smooth, and the energy barrier for electrons Can be reduced.
  • the central reflection wavelength of the multilayer film reflector is 400 nm, based on which the film thickness of the second composition-graded AlInN layer 501 is 10 nm, the film thickness of the Al 0.85 In 0.15 N layer 502 is 32 nm, and the first composition-graded AlInN layer 503
  • the film thickness of the GaN layer 106 was set to 10 nm, and the film thickness of the GaN layer 106 to 30 nm.
  • the nitride semiconductor multilayer film reflector having the structure shown in FIG. 7 was produced by the MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) according to the following procedure.
  • MOCVD method metal organic chemical vapor deposition method
  • the fabrication procedure up to the n-type GaN underlayer 102 is the same as that of the first embodiment, and thus the detailed description is omitted.
  • a second compositionally graded AlInN layer 501 is grown on the n-type GaN underlayer 102.
  • the substrate temperature is set to 750 ° C.
  • n-type GaN is produced by flowing carrier gas nitrogen, TMAl, TMIn (trimethyl indium) and ammonia as raw materials, and SiH 4 as n-type impurity raw material gas into the reaction furnace.
  • a second composition-graded AlInN layer 501 was grown to 10 nm on the underlayer 102.
  • the gas supply amount of TMAl which is an Al raw material, depends on the supply amount for growing Al 0.6 In 0.3 N having an Al composition value of 0.6.
  • the gas supply amount of TMIn which is an In raw material is Al 0.85 In 0.15 N layer 502 with an In composition value of 0.15 from the supply amount for growing Al 0.6 In 0.3 N with an In composition value of 0.3.
  • the second composition-graded AlInN layer 501 in which the Al composition value monotonously increases from 0.6 to 0.85 was formed on the n-type GaN underlayer 102.
  • the second composition graded AlInN layer 501 is doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • an Al 0.85 In 0.15 N layer 502 having an Al composition value of 0.85 was grown to a thickness of 32 nm.
  • the substrate temperature at this time, and the carrier gas, the source gas, and the impurity source gas to be flowed into the reaction furnace are all the same as in the film formation of the second composition gradient AlInN layer 501, and the detailed description is omitted.
  • the gas supply amounts of TMAl and TMIn were fixed to the growth conditions of the Al 0.85 In 0.15 N layer 502.
  • the Al 0.85 In 0.15 N layer 502 is doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • a first composition graded AlInN layer 503 was grown to 10 nm on the Al 0.85 In 0.15 N layer 502.
  • the substrate temperature at this time, and the carrier gas, the source gas, and the impurity source gas to be flowed into the reaction furnace are all the same as in the film formation of the second composition graded AlInN layer 501, and thus the detailed description is omitted.
  • the gas supply amount of TMAl which is an Al raw material is monotonically decreased from the supply amount for growing the Al 0.85 In 0.15 N layer 502 to the supply amount for growing Al 0.6 In 0.3 N
  • the gas supply amount of TMIn, which is an In raw material was monotonously changed from the supply amount for growing the Al 0.85 In 0.15 N layer 502 to the supply amount for growing Al 0.6 In 0.3 N.
  • the first composition gradient AlInN layer 503 in which the Al composition value monotonously decreases from 0.85 to 0.6 was formed on the Al 0.85 In 0.15 N layer 502.
  • the first composition graded AlInN layer 503 corresponds to the group III element surface side of the Al 0.85 In 0.15 N layer 502, the supply amount of SiH 4 as the impurity source gas was increased.
  • the first composition graded AlInN layer 503 is doped with Si, which is an n-type impurity, at a high concentration of 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • a GaN layer 106 was grown to 30 nm on the first composition graded AlInN layer 503.
  • the substrate temperature at this time, and the carrier gas, the source gas, and the impurity source gas to be flowed into the reaction furnace are all the same as at the time of forming the n-type GaN underlayer 102, and the detailed description will be omitted.
  • the GaN layer 106 is doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • FIG. 8 shows the energy levels of electrons at the lower end of the conduction band of three pairs of nitride semiconductor multilayer reflectors.
  • the energy level for electrons at the lower end of the conduction band of GaN is normalized to 0 eV.
  • electrons which are carriers can move without being affected by the energy barrier. That is, as in the first embodiment, the reduction in resistance of the nitride semiconductor multilayer reflector can be realized.
  • the first semiconductor layer 502 is substantially lattice matched with the GaN layer 106 which is the second semiconductor layer 106. Therefore, crystal defects such as dislocations are less likely to be mixed in during film formation, and the crystallinity and reflectance of the multilayer film can be improved.
  • the Al composition value of the first semiconductor layer 502 is set to 0.85 instead of the Al composition value of 0.83 which is completely lattice-matched with the GaN layer which is the second semiconductor layer 106.
  • tensile strain is generated in the first semiconductor layer 502 and accumulated strain in the entire multilayer film is alleviated, so that the crystallinity of the multilayer film is further improved.
  • the nitride semiconductor surface emitting laser provided with the nitride semiconductor multilayer film reflector of the second embodiment can perform a laser oscillation operation by current injection, and the same effect as that of the first embodiment can be exhibited.
  • Example 3 As shown in FIG. 9, a second composition gradient AlGaN layer (second composition gradient layer) 601 / Al 0.82 In 0.18 N layer (first semiconductor layer) 602 / a first composition gradient AlGaN layer (first composition gradient layer) 603 A nitride semiconductor multilayer film reflection mirror of 49.5 pairs of laminations in which the laminated structure of the / GaN layer (second semiconductor layer) 106 is one pair is manufactured.
  • the second embodiment is different from the second embodiment in that AlGaN is used instead of AlInN for the first composition graded layer 603 and the second composition graded layer 601. Al 0.82 In 0.18 N was selected as the first semiconductor layer 602. Then, GaN was selected as the second semiconductor layer 106 as in the first and second embodiments.
  • the Al composition value of the first semiconductor layer 602 may be 0.83 in order to achieve lattice matching with GaN, but tensile strain is inherent in the first composition graded AlGaN layer 603 and the second composition graded AlGaN layer 601. Therefore, compressive strain is included by setting the Al composition value of the first semiconductor layer 602 to 0.82, and cumulative strain in the entire multilayer film is reduced as much as possible.
  • the second composition gradient AlGaN layer 601 gradually changes the Al composition value from 0 to 0.5 corresponding to the energy level for electrons of the lower end of the conduction band of Al 0.82 In 0.18 N which is the first semiconductor layer 602. The monotonically increasing AlGaN was used.
  • the first composition graded AlGaN layer 603 uses AlGaN in which the Al composition value gradually decreases monotonously from 0.5. As a result, the change in the energy level for electrons in the lower end of the conduction band of the first semiconductor layer 602, the second semiconductor layer 106, the first composition graded layer 603, and the second composition graded layer 601 becomes smooth and an energy barrier for electrons Can be reduced.
  • the central reflection wavelength of the multilayer mirror is 400 nm, based on which the film thickness of the second composition gradient AlGaN layer 601 is 10 nm, the film thickness of the Al 0.82 In 0.18 N layer 602 is 32 nm, and the first composition gradient AlGaN layer
  • the film thickness of 603 was set to 10 nm
  • the film thickness of the GaN layer 106 was set to 30 nm.
  • the manufacturing procedure of the nitride semiconductor reflecting mirror is the same as in the first and second embodiments, and the detailed description will be omitted.
  • FIG. 10 shows the energy levels for electrons at the lower end of the conduction band of three pairs of nitride semiconductor multilayer reflectors.
  • the energy level for electrons at the lower end of the conduction band of GaN is normalized to 0 eV.
  • the energy level for electrons at the lower end of the conduction band of the second composition gradient AlGaN layer 601 / Al 0.82 In 0.18 N layer 602 / the first composition gradient AlGaN layer 603 / GaN layer 106 is almost offset. It is almost flat.
  • the resistance reduction in the nitride semiconductor multilayer film reflector can be realized. Then, if a nitride semiconductor surface emitting laser provided with the nitride semiconductor multilayer film reflector of the third embodiment is manufactured, the laser oscillation operation can be performed by current injection. As described above, according to the third embodiment, the same effect as the first and second embodiments can be obtained.
  • the first semiconductor may be interposed between the first semiconductor layers 104, 502, 602 and the second semiconductor layer 106 having an Al composition lower than that of the first semiconductor layers 104, 502, 602.
  • the first and second composition graded layers 105, 503, 603, 103, 501, 601 are provided such that the Al composition is lowered as approaching the second semiconductor layer 106 than the layers 104, 502, 602.
  • the energy level for electrons at the lower end of the conduction band of each layer is almost offset and has a continuous shape, thereby reducing the energy barrier for electrons as carriers.
  • the first semiconductors 104, 502, 602 and the second semiconductor 106 by doping the first composition graded layers 105, 503, 603 with an n-type impurity at a concentration of 5 ⁇ 10 19 cm -3 or more. Since the energy barrier generated due to the polarization effect can also be significantly reduced, the resistance of the nitride semiconductor multilayer reflector can be lowered to allow current injection.
  • the resonator length can be shortened by providing a nitride semiconductor multilayer film reflector capable of current injection, internal loss and threshold current can be significantly reduced, and a high performance nitride with high differential quantum efficiency can be obtained. It becomes possible to provide a semiconductor light emitting device.
  • the present invention is not limited to the first to third embodiments described above with reference to the drawings.
  • the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
  • the GaN free-standing substrate is used as the substrate.
  • the present invention is not limited to this.
  • a sapphire substrate or ZnO (zinc oxide) substrate having high transparency to the oscillation wavelength is used.
  • the nitride semiconductor multilayer film is formed by MOCVD (organic metal vapor phase epitaxy).
  • MOCVD organic metal vapor phase epitaxy
  • HVPE hydrogen vapor phase epitaxy
  • MBE Molecular beam epitaxy
  • sputtering or laser ablation may be used for film formation.
  • TMGa trimethylgallium
  • TMAl trimethylaluminum
  • TMIn trimethylindium
  • TEGa triethylindium
  • TEAl triethylaluminum
  • Si and Mg were used as the n-type and p-type impurities, respectively.
  • the present invention is not limited thereto, and Ge, Zn, Be or the like may be used.
  • the raw material supply amount was changed in order to control the Al composition of the first composition graded layer and the second composition graded layer, but the invention is not limited thereto, and the substrate temperature etc. is changed.
  • You may (7) In Examples 1 to 3, GaN, AlGaN and AlInN were used for the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the first composition graded layer, and the second composition graded layer, but the invention is not limited thereto. AlGaInN may be used.
  • the number of pairs of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer constituting the nitride multilayer reflector is 49.5, but the number of pairs is not limited.
  • the single-wavelength resonator structure is adopted as the light emitting element.
  • the present invention is not limited to this.
  • a resonator structure having two or more wavelengths may be used.
  • the n-side electrode of the light emitting element is formed on the front side of the substrate, but may be formed on the back side as long as it is a conductive substrate.
  • the surface emitting laser is exemplified as the light emitting element, but it may be another light emitting element having a multilayer mirror.

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Abstract

　窒化物半導体多層膜反射鏡の低抵抗化を図る。　窒化物半導体多層膜反射鏡は、第１半導体層（１０４）のＡｌ組成が第２半導体層（１０６）のＡｌ組成よりも高く、第１半導体層（１０４）と第２半導体層（１０６）との間であって、第１半導体層（１０４）のＩＩＩ族元素面側に第２半導体層（１０６）に近づくにつれてＡｌ組成が低くなるように調整された第１組成傾斜層（１０５）が介在し、第１半導体層（１０４）の窒素面側に第２半導体層（１０６）に近づくにつれてＡｌ組成が低くなるように調整された第２組成傾斜層（１０３）が介在しており、第１半導体層（１０４）、第２半導体層（１０６）、第１組成傾斜層（１０５）、及び第２組成傾斜層（１０３）の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位はオフセットがなく連続しており、第１組成傾斜層（１０５）におけるｎ型不純物濃度は５×１０19ｃｍ-3以上である。

Description

窒化物半導体多層膜反射鏡とそれを用いた発光素子
　本発明は、窒化物半導体多層膜反射鏡とそれを用いた発光素子に関するものである。
　基板面に対して垂直な方向からレーザ光を取り出すＡｌＧａＡｓ系面発光型半導体レーザ素子は、光共振器を構成するため、活性層の上下方向にそれぞれ半導体多層膜反射鏡を有している。半導体多層膜反射鏡は、レーザ光の発振波長に対応するエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第１半導体層及び第２半導体層を交互に積層することで構成されている。
　ところで、半導体多層膜反射鏡では高い反射率を実現するために大きな屈折率差、すなわちバンドギャップエネルギーの差が大きい第１半導体層と第２半導体層が選択されるが、それらの接合部に生じるヘテロ障壁が高くなる。これによって、電子あるいは正孔による電流が流れにくくなり、高い抵抗値を示すという問題点があった。下記特許文献１においては、第１半導体層と第２半導体層との間に、第２半導体層と同一の組成で層厚の小さいノンドープの第３半導体層を介在させることで、第１半導体層と第３半導体層のヘテロ接合部におけるヘテロ障壁を低くし、電子あるいは正孔のトンネリングを促進することで、半導体多層膜反射鏡の低抵抗化を実現する技術が開示されている。
特開平６－１９６８０４号公報
　しかしながら、窒化物半導体によって半導体多層膜反射鏡を構成する場合には、窒化物半導体自体がワイドギャップ半導体材料であるが故に、抵抗率は低くなり難い。更に、半導体層間のヘテロ接合界面に生じるヘテロ障壁についても高くなるという問題点があった。
　更に、本願発明者らが窒化物半導体多層膜反射鏡が高抵抗を示す要因を鋭意検討した結果、窒化物半導体材料特有の分極効果によって、屈折率の異なる第１半導体層及び第２半導体層との接合界面において、極めて大きな分極が形成されることがわかった。そして、この分極効果によるエネルギー障壁が窒化物半導体多層膜反射鏡が高抵抗を示す主要因であることを突き止めた。
　本発明は、上記従来の実情に加えて、本願発明者らが新たに見出した要因に鑑みてなされたものであって、分極効果によって窒化物半導体ヘテロ接合界面に発生するエネルギー障壁を低減し、電流注入可能な低抵抗窒化物半導体多層膜反射鏡の実現を目的としている。
　第１発明の窒化物半導体多層膜反射鏡は、
　ＩＩＩ族窒化物半導体より成る第１半導体層と、第２半導体層と、第１組成傾斜層と、第２組成傾斜層とを備えており、前記第１半導体層と第２半導体層とを複数組交互に積層して作製した窒化物半導体多層膜反射鏡であって、
　前記第１半導体層のＡｌ組成は前記第２半導体層のＡｌ組成よりも高く、
　前記第１半導体層と第２半導体層との間であって、前記第１半導体層のＩＩＩ族元素面側に、前記第２半導体層に近づくにつれてＡｌ組成が低くなるように調整された第１組成傾斜層が介在しており、
　前記第１半導体層と第２半導体層との間であって、前記第１半導体層の窒素面側に、前記第２半導体層に近づくにつれてＡｌ組成が低くなるように調整された第２組成傾斜層が介在しており、
　前記第１半導体層、第２半導体層、前記第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位はオフセットがなく連続しており、
　前記第１組成傾斜層におけるｎ型不純物濃度は５×１０19ｃｍ-3以上であることを特徴とする。
　この窒化物半導体多層膜反射鏡は、第１半導体層と、第１半導体層よりＡｌ組成が低い第２半導体層との間に、第１半導体層より第２半導体層に近づくにつれてＡｌ組成が低くなるように調整された第１組成係傾斜層、又は第２組成傾斜層を設けた。これによって、各層の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位はオフセットがほとんどなくなり連続した形状となるから、キャリアである電子に対するエネルギー障壁が低減する。更に、第１組成傾斜層において５×１０19ｃｍ-3以上の濃度のｎ型不純物をドーピングすることにより、第１半導体層と、第２半導体層との間にて分極効果により発生するエネルギー障壁についても大幅に低減できるため、窒化物半導体多層膜反射鏡が低抵抗化し、電流注入が可能となる。
　第２発明の発光素子は、
　第１発明の窒化物半導体多層膜反射鏡を有していることを特徴とする。
　この発光素子は、第１発明の窒化物半導体多層膜反射鏡を具備することで共振器長を短くすることが出来るため、内部損失や閾値電流を大幅に低減でき、微分量子効率の高い高性能な窒化物半導体発光素子を提供することが可能となる。
実施例１の窒化物半導体多層膜反射鏡の断面図である。 実施例１の窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示すグラフである。 図２のエネルギー準位の第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層に対するＳｉドーピング濃度依存性を示すグラフである。 実施例１において、分極効果を考慮しない場合の窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示すグラフである。 実施例１において、３ペア分の窒化物多層膜反射鏡に対して光を入射させた場合の光定在波強度分布と電子濃度分布の関係を示すグラフである。 実施例１の窒化物半導体面発光レーザの側断面図である。 実施例２の窒化物半導体多層膜反射鏡の断面図である。 実施例２の窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示すグラフである。 実施例３の窒化物半導体多層膜反射鏡の断面図である。 実施例３の窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示すグラフである。
　第１発明における好ましい実施の形態を説明する。
　第１発明の窒化物半導体多層膜反射鏡において、前記第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層の膜厚は、それぞれ２０ｎｍ以下であり得る。この場合、多層膜反射鏡における反射率低下を防止できる。
　第１発明の窒化物半導体多層膜反射鏡において、前記第１半導体層と第２半導体層はそれぞれ、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層であって、前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成値は０．４から０．６であり、前記第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層は、ＡｌＧａＮ層であって、そのＡｌ組成は０から前記Ａｌ組成値まで組成傾斜し得る。この場合、第１半導体層、第２半導体層、第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層をＡｌＧａＮ層もしくはＧａＮ層とすることで、比較的高品質で高い反射率を有する多層膜を高速に成膜することができる。多層膜反射鏡は第１半導体層と、第２半導体層とを４０～６０ペア積層して作製されるので、高速成膜の実現によって、製造工程や製造コストを大幅に削減することができる。
　第１の発明の窒化物半導体多層膜反射鏡において、前記第１半導体層、及び前記第２半導体層は、それぞれ、ＡｌＩｎＮ層とＧａＮ層であって、前記ＡｌＩｎＮ層のＡｌ組成値は０．８２から０．８５であり、前記第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層は、ＡｌＩｎＮ層であって、そのＡｌ組成は０．６から前記Ａｌ組成値まで組成傾斜しうる。この場合、第１半導体層、及び第２半導体層にＡｌＩｎＮとＧａＮを用い、更にＡｌＩｎＮのＡｌ組成値を０．８２から０．８５とすることによって、第１半導体層と第２半導体層が略格子整合するため、積層成膜時に転位等の結晶欠陥が混入しにくくなり、高品質な半導体層が得られる。
　次に、第１発明の窒化物半導体多層膜反射鏡と第２発明の発光素子を具体化した実施例１～３について、図面を参照しつつ説明する。
　＜実施例１＞
　図１に示すように、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層（第２組成傾斜層）１０３／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層（第１半導体層）１０４／第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層（第１組成傾斜層）１０５／ＧａＮ層（第２半導体層）１０６の順に積層した積層構造を１ペアとする窒化物半導体多層膜反射鏡を作製する。第１半導体層１０４はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎを選択した。そして、第２半導体層１０６はＧａＮを選択した。第１半導体層１０４のＡｌ組成値が高すぎると、第２半導体層１０６であるＧａＮとの格子不整合が大きくなりすぎるため、結晶性が劣化し、それに伴って反射率が低下する。逆に、第１半導体層１０４のＡｌ組成値が低すぎると、第１半導体層１０４、及び第２半導体層１０６の屈折率段差が小さくなるため、反射率が低下する。このため、第１半導体層１０４のＡｌ組成値は０．４～０．６とすることが望ましい。本実施例１においては、第１半導体層１０４はＡｌ組成値を０．５にした。第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３はＧａＮからＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎへと徐々にＡｌ組成値が単調増加するＡｌＧａＮを用いた。また、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５はＡｌ0.5Ｇａ0.5ＮからＧａＮへと徐々にＡｌ組成値が単調減少するＡｌＧａＮを用いた。そして、多層膜反射鏡の中心反射波長は４００ｎｍとし、それに基づいて、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３の膜厚を１０ｎｍ、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４の膜厚を３４ｎｍ、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５の膜厚を１０ｎｍ、及びＧａＮ層１０６の膜厚を３０ｎｍと設定した。
　図１に示される構造の窒化物半導体多層膜反射鏡をＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって以下の手順で作製した。まず、表面がＩＩＩ族元素面であるＧａＮ自立基板１０１を、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットした。その後、反応炉内に水素を流しながら昇温することで、ＧａＮ自立基板１０１表面のサーマルクリーニングを行った。次に、基板温度を１０５０℃に昇温し、キャリアガスである水素と、原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とアンモニアと、ｎ型不純物原料ガスであるＳｉＨ４（シラン）とを反応炉内に流すことで、ＧａＮ自立基板１０１上にｎ型ＧａＮ下地層１０２を３００ｎｍ成長させた。ｎ型ＧａＮ下地層１０２中には、ｎ型不純物であるＳｉは２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。
　次に、ｎ型ＧａＮ下地層１０２からＡｌ組成値が０．５であるＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４への成膜に移行するため、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３を成長させる。基板温度はｎ型ＧａＮ下地層１０２の成膜時と同様に１０５０℃とし、キャリアガスである水素と、原料であるＴＭＧａとＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアと、ｎ型不純物原料ガスであるＳｉＨ4とを反応炉内に流すことで、ｎ型ＧａＮ下地層１０２上に第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３を１０ｎｍ成長させた。第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３の成膜過程においては、Ａｌ原料であるＴＭＡｌのガス供給量は０からＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４を成長させる供給量まで単調増加させた。同様にＧａ原料であるＴＭＧａのガス供給量はＧａＮ層１０６を成長させる供給量からＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４を成長させる供給量まで単調変化させた。このようにして、ｎ型ＧａＮ下地層１０２上に膜厚方向に対してＡｌ組成値が０から０．５まで単調増加する第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３を形成した。第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３はｎ型不純物であるＳｉが２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。ここまでの各層において、Ｓｉのドーピング濃度は２×１０18ｃｍ-3に統一したが、１×１０19ｃｍ-3を超えない範囲で必要に応じて変化させても良い。すなわち、より低抵抗な多層膜反射鏡が必要であれば、高濃度のドーピングを行えばよいし、より高い反射率が必要であれば、低濃度のドーピングを行えばよい。
　次に、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３上に、Ａｌ組成値が０．５のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４を３４ｎｍ成長させた。この時の基板温度、並びに反応炉内に流すキャリアガス、原料ガス、及び不純物原料ガスは、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３の成膜時とすべて同じであり、詳細な説明は割愛する。ＴＭＧａ及びＴＭＡｌのガス供給量はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４が形成可能な量に固定した。Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４はｎ型不純物であるＳｉが２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。
　次に、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４からＧａＮ層１０６への成膜に移行するため、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５を１０ｎｍ成長させた。この時の基板温度、並びに反応炉内に流すキャリアガス、原料ガス、及び不純物原料ガスは、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３成膜時とすべて同じであり、詳細な説明は割愛する。第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５の成膜過程においては、Ａｌ原料であるＴＭＡｌのガス供給量はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４を成長させる供給量から０まで単調減少させた。同様にＧａ原料であるＴＭＧａのガス供給量はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４を成長させる供給量からＧａＮ層１０６を成長させる供給量まで単調変化させた。このようにして、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４上にＡｌ組成値が０．５から０まで単調減少する第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５を形成した。また、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＩＩＩ族元素面側に相当するため、不純物原料ガスであるＳｉＨ4の供給量を増加させた。これによって、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５は、ｎ型不純物であるＳｉが５×１０19ｃｍ-3と高濃度でドーピングされている。
　次に、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５上に、ＧａＮ層１０６を３０ｎｍ成長させた。この時の基板温度、並びに反応炉内に流すキャリアガス、原料ガス、及び不純物原料ガスは、ｎ型ＧａＮ下地層１０２の成膜時とすべて同じであり、詳細な説明は割愛する。ＧａＮ層１０６はｎ型不純物であるＳｉが２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。
　このように、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４／第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５／ＧａＮ層１０６の積層膜を１ペアとし、これを計４９ペア積層した後、最後に、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４をもう一層堆積させて、図１に示すような計４９．５ペアの窒化物半導体多層膜反射鏡を作製した。
　作製した窒化物半導体多層膜反射鏡の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を計算により求めた。図２に、窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示す。尚、ＧａＮの伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を０ｅＶとして規格化している。図２から解る通り、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４／第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５／ＧａＮ層１０６の伝導帯下端は、オフセットがほとんど存在せず、略平坦であるから、エネルギー障壁の影響を受けることなく、キャリアである電子が移動できることがわかる。すなわち、窒化物半導体多層膜反射鏡における低抵抗化が実現できている。
　比較例として、図３に第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５におけるＳｉのドーピング濃度を２×１０15ｃｍ-3、２×１０18ｃｍ-3、２×１０19ｃｍ-3、及び５×１０19ｃｍ-3に変化させた場合の窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示す。第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３、及び第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５によって、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４とＧａＮ層１０６とのバンドギャップエネルギーの違いによるエネルギー障壁はなだらかになるものの、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４とＧａＮ層１０６との界面（第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５）に分極に起因する負の固定電荷による高いエネルギー障壁が存在していることが示唆される。更に、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５におけるＳｉのドーピング濃度が２×１０18ｃｍ-3以下の場合、エネルギー障壁の高さは約４ｅＶと極めて高い値を示すことがわかる。
　図４に分極を考慮しない場合の窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示す。実線はＳｉのドーピング濃度が２×１０15ｃｍ-3の場合のエネルギー準位を示している。二つの点線はそれぞれ、Ｓｉを２×１０18ｃｍ-3、７×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングを行った場合のエネルギー準位を示している。図４からわかるように、分極効果を考慮しない場合にも、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層がＧａＮ層よりもバンドギャップエネルギーが大きいため、０．８ｅＶ程度のエネルギー障壁が形成される。しかし、Ｓｉを１０18ｃｍ-3程度ドーピングすることでエネルギー障壁が十分に低下し、エネルギー準位はほとんど平坦になるという結果が得られる。このように分極を考慮しないモデルにおいては、窒化物多層膜反射鏡が高い抵抗を示す理由が説明できない。
　以上を総合すると、この分極効果に伴う高いエネルギー障壁が窒化物半導体多層膜反射鏡を低抵抗化できない主要因であると考えられる。一方で、図３に示すように、Ｓｉのドーピング濃度を更に増やしていくと、分極効果によるエネルギー障壁は緩和され、Ｓｉのドーピング濃度が５×１０19ｃｍ-3では、エネルギー障壁がほとんどなくなり平坦になっていることがわかる。
　次に、窒化物半導体多層膜反射鏡に対して光を入射した際の光吸収について説明する。多層膜反射鏡内の光吸収量は、多層膜中の光定在波強度分布と吸収係数、即ち電子濃度分布によって決まる。図５は、３ペアの窒化物半導体多層膜反射鏡内の光定在波強度分布と電子濃度分布の関係を示すグラフである。グラフ中において、実線が電子濃度の膜厚方向のプロファイルを示しており、点線が光定在波強度の膜厚方向のプロファイルを示している。また、実線の矢印がＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＩＩＩ族元素面側の界面（第１傾斜ＡｌＧａＮ層１０５）を示しており、点線の矢印がＮ面（窒素）側の界面（第２傾斜ＡｌＧａＮ層１０３）を示している。窒化物半導体面発光レーザを作製する際、窒化物半導体多層膜反射鏡のＩＩＩ族元素面側に共振器構造を構成する（図６参照）。よって、図５に示すように、実線矢印が示すＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＩＩＩ族元素面側の界面に、光定在波の腹が形成され、点線矢印が示すＮ面側の界面に、光定在波の節が形成される。
　そして、電子濃度の値と伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位との間には強い相関がある。伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位が０ｅＶより低いＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＮ面側の界面においては、電子濃度が増加する。また、伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位が０ｅＶより高いＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＩＩＩ族元素面側の界面においては、電子濃度が減少する。
　上述の通り、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＩＩＩ族元素面側の界面（第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５）には５×１０19ｃｍ-3と極めて高い濃度のＳｉドーピングを施した。しかしながら、分極起因の負の固定電荷がクーロン力により電子を遠ざけるように作用するため、電子濃度は図５の実線の矢印が示すように、３×１０18ｃｍ-3程度と低い値に留まることがわかる。よって、吸収係数も１０ｃｍ-1以下の低い値になると予想される。従って、高濃度のＳｉドーピングを行ったＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＩＩＩ族元素面側の界面が図５に示すように光定在波の腹に相当しても、フリーキャリア吸収はほとんど発生しない。
　半導体多層膜反射鏡の低抵抗化を目的に膜中に高濃度の不純物ドーピングを行う手法は従来より知られている。しかし、高濃度の不純物ドーピングを行うと、多層膜界面におけるフリーキャリアが増加し、それに伴う光の吸収損失によって反射率の低下してしまう問題点があった。しかしながら、上述の通り、窒化物半導体多層膜反射鏡は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＩＩＩ族元素面側の界面（第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５）に対して高濃度のｎ型不純物（Ｓｉ）ドーピングを施しても、分極固定電荷によって電子が遠ざけられるため、吸収損失は大きくならない。よって、反射率の低下を抑制しつつ、窒化物半導体多層膜反射鏡を低抵抗化できる。
　一方で、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＮ面側の界面は、２×１０18ｃｍ-3の濃度でＳｉドーピングを施した。しかし、分極起因の正の固定電荷が電子を引き寄せるため、電子濃度は図５の点線の矢印が示すように、３×１０19ｃｍ-3程度の高い値となる。よって、吸収係数も１００ｃｍ-1と大きな値になると予想される。しかし、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４のＮ面側の界面は、図５の点線矢印が示すように、光定在波の節に相当し、光吸収はほとんど生じないため、反射率低下に対する懸念はない。
　レーザ動作させるため、多層膜反射鏡における吸収等による光損失を少なくとも２０ｃｍ-1以下、好ましくは、１０ｃｍ-1以下にする必要があるが、本実施例１の窒化物多層膜反射鏡は、その要求仕様を満たしている。
　次に、図６に示すように、４９．５ペアの第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０３／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４／第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層１０５／ＧａＮ層１０６の積層多層膜反射鏡上に、ＧａＩｎＮ三重量子井戸活性層３０４を含む一波長共振器２０３構造を形成し、窒化物半導体面発光レーザを作製する手順について説明する。
　まず、一波長共振器２０３構造を作製すべく、上記多層膜反射鏡（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４）上に７０ｎｍのｎ型ＧａＮ層２０１を成長させた。ｎ型ＧａＮ層２０１中には、ｎ型不純物であるＳｉが２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。その後、ｎ型ＧａＮ層２０１上に、３ｎｍのＧａＩｎＮ量子井戸層３０２と、６ｎｍのＧａＮバリア層３０１を１ペアとし、２．５ペア形成することで、ＧａＩｎＮ三重量子井戸活性層３０４を積層成長させた。その後、ＧａＩｎＮ三重量子井戸活性層３０４（ＧａＮバリア層３０４）上に、６０ｎｍのｐ型ＧａＮ層２０２を成長させた。ｐ型不純物原料ガスにはＣＰ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。ｐ型ＧａＮ層２０２は、ｐ型不純物であるＭｇが２×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。最後に、ｐ型ＧａＮ層２０２上に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０４を１０ｎｍ成長させた。ｐ型ＧａＮコンタクト層２０４中には、ｐ型不純物であるＭｇが２×１０20ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。このようにして、図６に示すように、トータルの膜厚が１６０ｎｍの一波長共振器２０３が多層膜反射鏡（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４）上に形成される。
　次に、電流注入を行うためのｐ側、ｎ側電極ｎＣを形成する。まず、一波長共振器２０３（ｐ型ＧａＮコンタクト層２０４）上に、ＳｉＯ2膜４０１を２０ｎｍ堆積させる。そして、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、ＳｉＯ2膜４０１の中央部に１０ｕｍ径の開口部を形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０４を露出させる。続いて、開口部の底面に露出するｐ型ＧａＮコンタクト層２０４上に、電流狭窄を兼ねるｐ側コンタクト電極として、ＩＴＯ透明電極ｔＣを２０ｎｍ成長させる。そして、図示はしないが、ＩＴＯ透明電極ｔＣの外周部に接触する外周部と、ワイヤーボンディングのためのパッド部を有するＴｉ／Ａｕ電極を形成することでｐ側電極を形成する。一方で、フォトリソグラフィを行い、多層膜反射鏡及び一波長共振器２０３を部分的にドライエッチングして、ｎ型ＧａＮ下地層１０２を露出させる。その表面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極を積層成膜し、図６に示すようなｎ側電極ｎＣを形成する。このｐ側、ｎ側電極ｎＣを形成することで、多層膜反射鏡及び一波長共振器２０３に対して電流注入が可能となる。
　最後に、ＩＴＯ透明電極ｔＣ上に、４００ｎｍを反射中心波長とする８ペアのＳｉＯ2層４０１／ＺｒＯ2層４０２の誘電体多層膜を積層すれば、図６に示すように一対の多層膜反射鏡の間に一波長共振器２０３を有する窒化物半導体面発光レーザが完成する。
　本実施例１によれば、第１半導体層であるＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４と、第２半導体層であるＧａＮ層１０６との間に、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４よりＧａＮ層１０６に近づくにつれてＡｌ組成値が低くなるように調整された第１ＡｌＧａＮ組成傾斜層１０５、及び第２ＡｌＧａＮ組成傾斜層１０３を設けて、これらを複数層積層することで、窒化物多層膜反射鏡を作製した。これによって、各層の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位はオフセットがほとんどなくなり連続した形状となるため、キャリアである電子に対する障壁が低減する。更に、第１ＡｌＧａＮ組成傾斜層１０５において、５×１０19ｃｍ-3以上の濃度のＳｉをドーピングすることによって、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層１０４とＧａＮ層１０６との間にて分極効果によって発生するエネルギー障壁が大幅に低減できるため、窒化物半導体多層膜反射鏡が低抵抗化し、電流注入が可能となる。
　また、第１ＡｌＧａＮ組成傾斜層１０５、及び第２ＡｌＧａＮ組成傾斜層１０３の膜厚はそれぞれ１０ｎｍと膜厚を薄くしたので、窒化物半導体多層膜反射鏡における反射率低下を防止することが可能となる。
　また、第１半導体層１０４のＡｌ組成値を０．５にすることで、良好な結晶性と高い反射率の両立を図ることができる。また、ＡｌＧａＮやＧａＮは窒化物半導体の中でも比較的高速成長が可能であるから、窒化物半導体多層膜反射鏡の製造工程や製造コストを大幅に削減することができる。
　また、上記窒化物半導体多層膜反射鏡を具備した窒化物半導体面発光レーザは、電流注入によってレーザ発振動作が可能になる。よって、共振器の横から電流注入を行う従来のイントラキャビティ構造を形成する必要がなくなり、共振器長を一波長共振器２０３にすることができる。これに伴って共振器長を短くできるため、内部損失やレーザ発振に必要な閾値電流を大幅に低減でき、更に微分量子効率についても改善される。
　＜実施例２＞
　図７に示すように、第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層（第２組成傾斜層）５０１／Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層（第１半導体層）５０２／第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層（第１組成傾斜層）５０３／ＧａＮ層（第２半導体層）１０６の積層構造を１ペアとする窒化物半導体多層膜反射鏡を作製する。第１半導体層５０２、第１組成傾斜層５０３、及び第２組成傾斜層５０１のＡｌＧａＮに替えて、ＡｌＩｎＮを用いている点が実施例１と異なっている。第１半導体層５０２として、Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎを選択した。そして、第２半導体層１０６として、実施例１と同様にＧａＮを選択した。ＧａＮと格子整合させるために、第１半導体層５０２のＡｌ組成値を０．８３としても良いが、第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３、及び第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１は圧縮歪が内在する。よって、第１半導体層５０２のＡｌ組成値を０．８５にすることで引張歪を内在させ、多層膜全体での累積歪をできるだけ低減させた。第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１は、ＧａＮの伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位と略一致するＡｌＩｎＮのＡｌ組成値０．６から第１半導体層５０２のＡｌ組成値０．８５へと徐々にＡｌ組成が単調増加するＡｌＩｎＮを用いた。また、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層５０３は、０．８５から０．６へと徐々にＡｌ組成値が単調減少するＡｌＩｎＮを用いた。これによって、第１半導体層５０２、第２半導体層１０６、第１組成傾斜層５０３、及び第２組成傾斜層５０１の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位の変化はなだらかになり、電子に対するエネルギー障壁を低減することができる。また、多層膜反射鏡の中心反射波長は４００ｎｍとし、それに基づいて第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１の膜厚を１０ｎｍ、Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２の膜厚を３２ｎｍ、第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３の膜厚を１０ｎｍ、及びＧａＮ層１０６の膜厚を３０ｎｍと設定した。
　図７に示される構造の窒化物半導体多層膜反射鏡をＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって以下の手順で作製した。ｎ型ＧａＮ下地層１０２までの作製手順は実施例１と同様であるから詳細な説明は省略する。
　ｎ型ＧａＮ下地層１０２上に、第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１を成長させる。基板温度は７５０℃とし、キャリアガスである窒素と、原料であるＴＭＡｌとＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とアンモニアと、ｎ型不純物原料ガスであるＳｉＨ４とを反応炉内に流すことで、ｎ型ＧａＮ下地層１０２上に第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１を１０ｎｍ成長させた。第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１の成膜過程においては、Ａｌ原料であるＴＭＡｌのガス供給量はＡｌ組成値が０．６のＡｌ０．６Ｉｎ０．３Ｎを成長させる供給量からＡｌ組成値が０．８５のＡｌ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ層５０２を成長させる供給量まで単調増加させた。同様にＩｎ原料であるＴＭＩｎのガス供給量はＩｎ組成値が０．３のＡｌ０．６Ｉｎ０．３Ｎを成長させる供給量からＩｎ組成値が０．１５のＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２を成長させる供給量まで単調変化させた。このようにして、ｎ型ＧａＮ下地層１０２上にＡｌ組成値が０．６から０．８５まで単調増加する第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１を形成した。第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１は、ｎ型不純物であるＳｉが２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。
　次に、第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１上に、Ａｌ組成値が０．８５のＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２を３２ｎｍ成長させた。この時の基板温度、並びに反応炉内に流すキャリアガス、原料ガス、及び不純物原料ガスは、第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１の成膜時とすべて同じであり、詳細な説明は割愛する。ＴＭＡｌ及びＴＭＩｎのガス供給量はＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２の成長条件に固定した。Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２は、ｎ型不純物であるＳｉが２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。
　次に、Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２上に第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３を１０ｎｍ成長させた。この時の基板温度、並びに反応炉内に流すキャリアガス、原料ガス、及び不純物原料ガスは、第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１の成膜時とすべて同じなので詳細な説明は割愛する。第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３の成膜過程において、Ａｌ原料であるＴＭＡｌのガス供給量はＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２を成長させる供給量からＡｌ0.6Ｉｎ0.3Ｎを成長させる供給量まで単調減少させた。同様にＩｎ原料であるＴＭＩｎのガス供給量はＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２を成長させる供給量からＡｌ0.6Ｉｎ0.3Ｎを成長させる供給量まで単調変化させた。このようにして、Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２上にＡｌ組成値が０．８５から０．６まで単調減少する第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３を形成した。また、第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３はＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２のＩＩＩ族元素面側に相当するため、不純物原料ガスであるＳｉＨ4の供給量を増加させた。これによって、第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３は、ｎ型不純物であるＳｉが５×１０19ｃｍ-3の高濃度でドーピングされている。
　次に、第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３上に、ＧａＮ層１０６を３０ｎｍ成長させた。この時の基板温度、並びに反応炉内に流すキャリアガス、原料ガス、及び不純物原料ガスは、ｎ型ＧａＮ下地層１０２成膜時とすべて同じであり、詳細な説明は割愛する。ＧａＮ層１０６は、ｎ型不純物であるＳｉが２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。
　以上、第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１／Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２／第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３／ＧａＮ層１０６の積層膜を１ペアとし、これを計４９ペア積層した後、最後に、第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１とＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２をもう一層堆積させて、図７に示すような計４９．５ペアの窒化物半導体多層膜反射鏡を作製した。
　作製した窒化物半導体多層膜反射鏡の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を計算により求めた。図８に、窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示す。尚、ＧａＮの伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を０ｅＶとして規格化している。図８から解るとおり、第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１／Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２／第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３／ＧａＮ層１０６の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位にはほとんどオフセットが存在せず、略平坦である。よって、エネルギー障壁の影響を受けることなく、キャリアである電子が移動できることがわかる。すなわち、実施例１と同様に、窒化物半導体多層膜反射鏡における低抵抗化が実現できているのである。
　本実施例２によれば、第１半導体層５０２をＡｌ組成値が０．８５であるＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層５０２にすることで、第２半導体層１０６であるＧａＮ層１０６と略格子整合するため、転位等の結晶欠陥が成膜中に混入しにくくなり、多層膜の結晶性及び反射率を向上させることができる。
　また、第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０３、及び第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層５０１は、圧縮歪が内在する。よって、これを緩和すべく、第２半導体層１０６であるＧａＮ層と完全に格子整合するＡｌ組成値である０．８３ではなく、第１半導体層５０２のＡｌ組成値を０．８５にした。これによって、第１半導体層５０２に引張歪を発生させ、多層膜全体の累積歪が緩和されるので、多層膜の結晶性は更に良好になる。
　また、本実施例２の窒化物半導体多層膜反射鏡を具備した窒化物半導体面発光レーザは、電流注入によってレーザ発振動作が可能になり、実施例１と同様の効果が発揮される。
　＜実施例３＞
　図９に示すように、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層（第２組成傾斜層）６０１／Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層（第１半導体層）６０２／第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層（第１組成傾斜層）６０３／ＧａＮ層（第２半導体層）１０６の積層構造を１ペアとする４９．５ペア積層の窒化物半導体多層膜反射鏡を作製する。第１組成傾斜層６０３、及び第２組成傾斜層６０１にＡｌＩｎＮに替えて、ＡｌＧａＮを用いている点が実施例２と異なっている。第１半導体層６０２として、Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎを選択した。そして、第２半導体層１０６として、実施例１及び２と同様にＧａＮを選択した。ＧａＮと格子整合させるために、第１半導体層６０２のＡｌ組成値を０．８３としても良いが、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層６０３、及び第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層６０１は引張歪が内在する。このため、第１半導体層６０２のＡｌ組成値を０．８２にすることで圧縮歪を内在させ、多層膜全体での累積歪をできるだけ低減させた。第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層６０１は、Ａｌ組成が０から第１半導体層６０２であるＡｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎの伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位に一致する０．５へと徐々にＡｌ組成値が単調増加するＡｌＧａＮを用いた。また、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層６０３は、０．５から０へと徐々にＡｌ組成値が単調減少するＡｌＧａＮを用いた。これによって、第１半導体層６０２、第２半導体層１０６、第１組成傾斜層６０３、及び第２組成傾斜層６０１の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位の変化はなだらかになり、電子に対するエネルギー障壁を低減することができる。また、多層膜反射鏡の中心反射波長は４００ｎｍにし、これに基づいて第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層６０１の膜厚を１０ｎｍ、Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層６０２の膜厚を３２ｎｍ、第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層６０３の膜厚を１０ｎｍ、ＧａＮ層１０６の膜厚を３０ｎｍに設定した。窒化物半導体反射鏡の作製手順については実施例１及び２と同様であり、詳細な説明は割愛する。
　次に、本実施例３の窒化物半導体多層膜反射鏡の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を計算により求めた。図１０に、窒化物半導体多層膜反射鏡３ペア分の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を示す。尚、ＧａＮの伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位を０ｅＶとして規格化している。図１０から解るとおり、第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層６０１／Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層６０２／第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層６０３／ＧａＮ層１０６の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位にはオフセットがほとんど存在せず、略平坦である。これから、エネルギー障壁の影響を受けることなく、キャリアである電子が移動できることが解る。すなわち、実施例１及び２と同様に、窒化物半導体多層膜反射鏡における低抵抗化が実現できている。そして、本実施例３の窒化物半導体多層膜反射鏡を具備した窒化物半導体面発光レーザを作製すれば、電流注入によってレーザ発振動作が可能になる。このように、本実施例３によれば、実施例１及び２と同様の効果が得られる。
　以上、本実施例１～３によれば、第１半導体層１０４、５０２、６０２と、第１半導体層１０４、５０２、６０２よりＡｌ組成が低い第２半導体層１０６との間に、第１半導体層１０４、５０２、６０２より第２半導体層１０６に近づくにつれてＡｌ組成が低くなるように調整された第１、第２組成傾斜層１０５、５０３、６０３、１０３、５０１、６０１、を設けた。これによって、各層の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位はほとんどオフセットがなくなり連続した形状になるため、キャリアである電子に対するエネルギー障壁が低減する。更に、第１組成傾斜層１０５、５０３、６０３において、５×１０19ｃｍ-3以上の濃度のｎ型不純物をドーピングすることによって、第１半導体１０４、５０２、６０２と第２半導体１０６との間で分極効果によって発生するエネルギー障壁も大幅に低減できる為、窒化物半導体多層膜反射鏡が低抵抗化し、電流注入が可能となる。
　また、電流注入可能な窒化物半導体多層膜反射鏡を具備することで共振器長を短くすることが出来る為、内部損失や閾値電流を大幅に低減でき、微分量子効率の高い高性能な窒化物半導体発光素子を提供することが可能となる。
　本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１～３に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
　（１）実施例１～３では、基板としてＧａＮ自立基板を用いたが、これに限らず、発振波長に対して高い透過性を有しているサファイア基板やＺｎＯ（酸化亜鉛）基板等を用いてもよい。
　（２）実施例１～３では、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって、窒化物半導体多層膜を成膜したが、これに限らず、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、スパッタリング法やレーザアブレーション法を用いて成膜してもよい。
　（３）実施例１～３では、窒化物多層膜反射鏡を作製する原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いたが、これに限らず、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）などを用いてもよい。
　（４）実施例１～３では、キャリアガスに水素や窒素を用いたが、これに限らず、他の活性ガスやアルゴンなどの他の不活性ガスを用いても良く、それらを混合して用いてもよい。
　（５）実施例１～３では、ｎ型、ｐ型不純物にそれぞれＳｉ、Ｍｇを用いたが、これに限らず、ＧｅやＺｎ、Ｂｅ等であってもよい。
　（６）実施例１～３では、第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層のＡｌ組成を制御するために、原料供給量を変化させたが、これに限らず、基板温度等を変化させてもよい。
　（７）実施例１～３では、第１半導体層、第２半導体層、第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層にＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮを用いたが、これに限らず、ＡｌＮやＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。
　（８）実施例１～３では、窒化物多層膜反射鏡を構成する第１半導体層、及び第２半導体層のペア数を４９．５ペアとしたが、ペア数に制限はない。
　（９）実施例１～３では、発光素子に一波長共振器構造を採用したが、これに限らず、二波長以上の共振器構造を用いてもよい。
　（１０）実施例１～３では、発光素子のｎ側電極を基板の表面側に形成したが、導電性を有する基板であれば、裏面側に形成してもよい。
　（１１）実施例１～３では、発光素子として面発光レーザを例示したが、その他の多層膜反射鏡を有する発光素子であってもよい。
　１０３、６０１…第２組成傾斜ＡｌＧａＮ層（第２組成傾斜層）
　１０４…Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層（第１半導体層）
　１０５、６０３…第１組成傾斜ＡｌＧａＮ層（第１組成傾斜層）
　１０６…ＧａＮ層（第２半導体層）
　５０１…第２組成傾斜ＡｌＩｎＮ層（第２組成傾斜層）
　５０２…Ａｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層（第１半導体層）
　５０３…第１組成傾斜ＡｌＩｎＮ層（第１組成傾斜層）
　６０２…Ａｌ0.82Ｉｎ0.18Ｎ層（第１半導体層）

Claims (5)

  1. 　ＩＩＩ族窒化物半導体より成る第１半導体層と、第２半導体層と、第１組成傾斜層と、第２組成傾斜層とを備えており、前記第１半導体層と第２半導体層とを複数組交互に積層して作製した窒化物半導体多層膜反射鏡であって、
    　前記第１半導体層のＡｌ組成は前記第２半導体層のＡｌ組成よりも高く、
    　前記第１半導体層と第２半導体層との間であって、前記第１半導体層のＩＩＩ族元素面側に、前記第２半導体層に近づくにつれてＡｌ組成が低くなるように調整された第１組成傾斜層が介在しており、
    　前記第１半導体層と第２半導体層との間であって、前記第１半導体層の窒素面側に、前記第２半導体層に近づくにつれてＡｌ組成が低くなるように調整された第２組成傾斜層が介在しており、
    　前記第１半導体層、第２半導体層、前記第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層の伝導帯下端の電子に対するエネルギー準位はオフセットがなく連続しており、
    　前記第１組成傾斜層におけるｎ型不純物濃度は５×１０19ｃｍ-3以上であることを特徴とする窒化物半導体多層膜反射鏡。
  2. 　前記第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層の膜厚は、それぞれ２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体多層膜反射鏡。
  3. 　前記第１半導体層と第２半導体層はそれぞれ、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層であって、前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成値は０．４から０．６であり、
    　前記第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層は、ＡｌＧａＮ層であって、そのＡｌ組成は０から前記Ａｌ組成値まで組成傾斜していることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体多層膜反射鏡。
  4. 　前記第１半導体層、及び前記第２半導体層は、それぞれ、ＡｌＩｎＮ層とＧａＮ層であって、前記ＡｌＩｎＮ層のＡｌ組成値は０．８２から０．８５であり、
    　前記第１組成傾斜層、及び第２組成傾斜層は、ＡｌＩｎＮ層であって、そのＡｌ組成は０．６から前記Ａｌ組成値まで組成傾斜していることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体多層膜反射鏡。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか１項記載の窒化物半導体多層膜反射鏡を有していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
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