JP2009032966A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、良好な偏光状態の光を取り出すことができる発光ダイオード、および、レーザ発振効率を高め、閾値電流を低減することができる半導体レーザダイオード。
【解決手段】ｃ面以外の非極性面または半極性面の面方位を結晶成長の主面とする化合物半導体（１００〜１０８）からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、積層構造の一つに積層欠陥Ｉを発生させるｐ型半導体層１０８を設けることによって、ｐ型半導体層１０８の下部に比べて、ｐ型半導体層１０８より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする半導体発光素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体積層構造を備えた発光ダイオードおよび半導体レーザダイオードに関する。

ＩＩＩ族窒化物半導体とは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができ、これを、「窒化インジウム半導体」または「ＧａＮ半導体」ということにする。

ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、ｎ型層およびｐ型層を有するＧａＮ半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、例えば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。

ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に再成長されたＧａＮ半導体の主面はｃ面である。このｃ面から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い（効率は最大でも５０％）という問題がある。

この問題を解決するために、ｃ面以外、すなわち、ａ面、ｍ面等の非極性（ノンポーラ）面、または半極性（セミポーラ）面を主面とするＧａＮ半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層によってｐ型層およびｎ型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、かつ、高輝度な表示を実現できる。

一方、青色や緑色といった短波長のレーザ光源は、ＤＶＤに代表される光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器などの分野で活用されるようになってきている。このような短波長レーザ光源は、例えば、ＧａＮ半導体を用いたレーザダイオードで構成されている。

ＧａＮ半導体レーザダイオードは、ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法によって成長させて製造される。より具体的には、ＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層、活性層（発光層）、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層が順に成長させられ、これらの半導体層からなる半導体積層構造が形成される。活性層では、ｎ型層から注入される電子とｐ型層から注入される正孔との再結合による発光が生じる。その光は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の間に閉じ込められ、半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。その伝搬方向の両端に共振器端面が形成されており、この一対の共振器端面間で、誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
ティー・タケウチ（T. Takeuchi）、他著、"ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第３９巻（Jap. J. Appl. Phys. 39）"、２０００年、ｐ.４１３−４１６ エイ・チャクラボルティ（A. Chakraborty）、他著、"ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第４４巻（Jap. J. Appl. Phys. 44）"、 ２００５年、Ｌ１７３

一方、発光ダイオードでは、半導体層の光取り出し側表面や光取り出し側の電極の表面を粗面（砂ずり面）として、光を散乱させる技術が従来から用いられている。

しかし、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用いて偏光を発生させても、ＧａＮ半導体層の光取り出し側表面や光取り出し側の電極表面が粗面であると、この粗面の凹凸によって偏光が乱されてしまう。そのため、液晶パネルに適用した場合には、入射側偏光板での損失が大きくなり、エネルギー効率および表示輝度の向上が妨げられる。

むろん、同様の問題は、ＧａＮ半導体を用いた発光素子だけでなく、他のＩＩＩ族窒化物半導体を用いた発光素子にも共通している。

従来の非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用いて形成された発光ダイオードにおいては、ｐ型層のホール濃度が低く、抵抗が高いため、発熱が起きてしまい発光効率が低下してしまうという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、低抵抗かつ高発光効率なIII族窒化物半導体を用いた半導体発光素子（発光ダイオード）を提供することである。

半導体レーザダイオードの重要な特性の一つは、レーザ発振を生じさせるための閾値電流（発振閾値）である。この閾値電流が低いほど、エネルギー効率の良いレーザ発振が可能になる。

ところが、ｃ面を主面として成長された発光層から生じる光はランダム偏光であるため、ＴＥモードの発振に寄与する光の割合が少ない。そのため、レーザ発振の効率が必ずしもよくなく、閾値電流を低減するうえで、改善の余地がある。

また、従来の非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用いて形成された半導体レーザダイオードにおいては、ｐ型層のホール濃度が低く、抵抗が高いという問題点がある。

そこで、この発明の目的は、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、低抵抗にすることで発光効率を高くして、閾値電流を低減することが可能な半導体発光素子（半導体レーザダイオード）を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、非極性面または半極性面を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、積層構造の一つに結晶欠陥を発生させる結晶欠陥層を設けることによって、前記結晶欠陥層の下部に比べて、前記結晶欠陥層の上部の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本発明の半導体発光素子（発光ダイオード）によれば、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、低抵抗かつ高効率なIII族窒化物半導体を用いた半導体発光素子（発光ダイオード）を提供することができる。

本発明の半導体発光素子（半導体レーザダイオード）によれば、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、低抵抗にすることで発光効率を高くして、閾値電流を低減することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造を示す。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、非極性面または半極性面の面方位を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子である。
積層構造の一つに結晶欠陥を含む結晶欠陥層を設けることによって、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする。

また、上記結晶欠陥は積層欠陥Ｉであることを特徴とする。

また、上記化合物半導体は、結晶が六方晶からなる半導体であることを特徴とする。

また、上記化合物半導体は、結晶がＩＩＩ族窒化物半導体またはＺｎを含む酸化物半導体であっても良い。

また、積層構造の主面がｍ面やａ面からなる非極性面であることを特徴とする。

また、結晶欠陥層の成長温度は、結晶欠陥層の前後の結晶成長層を成長する成長温度に比べて温度が異なることを特徴とする。このことによって、積層欠陥Ｉを結晶欠陥層に有効で導入することができる。

また、結晶欠陥層は、結晶欠陥層の前後の結晶成長層に比べて組成が異なることを特徴とする。このことによっても、積層欠陥Ｉを結晶欠陥層に有効で導入することができる。

また、結晶欠陥層の上部に、ｐ型半導体層を有することを特徴とする。

また、結晶欠陥層は、光を発生する活性層、またはその上部に存在し、さらに結晶欠陥層の上部にｐ型半導体層を有することを特徴とする。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、図１に示すように、ｎ型半導体層１００と、ｎ型半導体層１００の上に配置された活性層１０２と、活性層１０２の上に配置されたｐ型半導体層１０４と、ｐ型半導体層１０４の上に配置されたＡｌＧａＮバリア層１０６と、ＡｌＧａＮバリア層１０６の上に配置され、積層欠陥Ｉを導入したｐ型半導体層１０８とを備える。

ｐ型半導体層１０８に意図的に積層欠陥Ｉを設けることで、ｐ型半導体層１０８中のアクセプタ不純物密度ＮAを増加することができ、ｐ型半導体層１０８内における正孔（ホール）のキャリア密度を高くすることができる。

図２は、非極性面および半極性面について説明するための模式図であって、図２（ａ）は、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶構造を示す模式図、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、半極性面を説明するための模式図、図２（ｄ）は、ＩＩＩ族原子と窒素原子の結合を示す模式図をそれぞれ示す。

ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶構造は、図２（ａ）および（ｄ）に示すように、六方晶系で近似することができ、一つのＩＩＩ族原子に対して４つの窒化原子が結合している。４つの窒素原子は、ＩＩＩ族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がＩＩＩ族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がＩＩＩ族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、ＩＩＩ族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。

ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面｛０００１｝である。ｃ面に平行な２つの面でＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はＩＩＩ族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。

＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、例えば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。

一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面｛１０−１０｝であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面｛１１−２０｝である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面｛１０−１１｝や｛１０−１３｝は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。他の半極性面の具体例は、｛１０−１−１｝面、｛１０−１−３｝面、｛１１−２２｝面などの面である。

例えば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、例えば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、［０００１］方向および［１１−２０］方向の両方に関する方位誤差が±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板が得られる。

このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザダイオード（ＬＤ）構造が形成される。

図３乃至図５は、ブルガフトマンとメイヤー（Vurgaftman and Mayer）による発表論文ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics, 94(6), 2003）に発表された結果に基づく図である。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図を示す。窒化ガリウムなどの六方晶において、 [０００１] ｃ軸方向に結晶成長を行なった場合、積層欠陥はｃ面に平行な面に形成され、しかも、この積層欠陥は、立方晶Ｚと同様に振舞う。

すなわち、立法晶の自発分極Ｐ_{sp, ZB}と六方晶の自発分極Ｐ_{sp, wurtzite}の間には、Ｐ_{sp, ZB}≠Ｐ_{sp, wurtzite}の関係が成り立ち、結果として、立方晶Ｚと六方晶Ｗのヘテロ接合において、立方晶Ｚに相当する積層欠陥が導入されたことになる。六方晶（ＡＢＣＡＢＣ・・・）の窒化ガリウム中で、積層欠陥部分は、立法晶（ＡＢＡＢＡ・・・）があることに等価であり、立方晶Ｚと六方晶Ｗのヘテロ接合は、（ＡＢＣＡＢＡＢＣ・・・）のように表される。

このため、積層欠陥を導入することで、バンドギャップが異なる超格子構造ができたことになる。活性層に積層欠陥があると発光効率が落ちるが、ｐ型層のみに積層欠陥がある場合は、高い発光効率と低いｐ型層の抵抗を両立できる。

また、図４は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図であって、六方晶（ウルツ鉱結晶構造：wurtzite）に挟まれる積層欠陥層（立方晶Ｚ：zincblende）の[０００１]方向の距離（オングストローム）とエネルギーバンドとの関係を示す。図４は、ノンドープの結晶について示されており、コンダクションバンドＣＢとバレンスバンドＶＢの略中央付近にフェルミレベルＥｆが存在している。六方晶Ｗに挟まれた部分に立方晶Ｚに相当する積層欠陥が存在している。

また、図５は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図であって、アクセプタ不純物密度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3の場合の、六方晶（ウルツ鉱結晶構造Ｗ：wurtzite）に挟まれる積層欠陥層（立方晶Ｚ：zincblende）の[０００１]方向の距離（オングストローム）とエネルギーバンドとの関係を示す。アクセプタ不純物密度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3の場合、六方晶Ｗで挟まれる立方晶Ｚで表される積層欠陥によって、アクセプタ不純物密度のレベルが確実に上昇しており、所望の高不純物密度の不純物添加が実施され得ることがわかる。

また、図６は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構造における積層欠陥の模式的説明図であって、図６（ａ）は、積層欠陥がｍ面の多層構造(ｐ型半導体層１０８、１０９)で連続的に形成される様子を説明する図であり、図６（ｂ）は、ｍ面に垂直なｍ軸方向に積層欠陥が形成される様子を説明する図であり、図６（ｃ）は、ｃ面に平行な方向（ｍ面に垂直なｍ軸方向）に積層欠陥が形成される様子を説明する図である。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子（発光ダイオード）によれば、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、良好な偏光状態の光を取り出すことができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子（半導体レーザダイオード）によれば、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層（ｐ型半導体層１０８、１０９）に意図的に積層欠陥Ｉを設けることで、ホール濃度を高く形成し、レーザ発振効率を高め、閾値電流を低減することができる。

[第２の実施の形態]
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図を示す。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子は、非極性面または半極性面を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、少なくともｎ型層およびｐ型層を有する積層構造のＩＩＩ族窒化物半導体層を備え、ＩＩＩ族窒化物半導体層の光取り出し側表面が鏡面になっていると共に、積層構造の一つに積層欠陥Ｉを発生させる結晶欠陥層を設けることによって、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体層の光取り出し側表面に接する透明電極をさらに備え、透明電極の光取り出し側表面が鏡面になっていることを特徴とする。

また、透明電極が、厚さが２００Å(オングストローム)以下の遷移金属膜からなることを特徴とする。

また、透明電極が、金属酸化物膜からなることを特徴とする。

また、透明電極の光取り出し側表面の凹凸が、発光波長λに対して、λ／ｎ１ （ただしｎ１ は前記透明電極の屈折率）以下であることを特徴とする。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体層の光取り出し側表面の凹凸が、発光波長λに対して、λ／ｎ２（ただしｎ２はＩＩＩ族窒化物半導体層の屈折率）以下であることを特徴とする。

また、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子は、ｃ面以外の非極性面または半極性面の面方位を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、少なくともｎ型層およびｐ型層を有する積層構造のＩＩＩ族窒化物半導体層を備え、ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面に電極が具備されていると共に、積層構造の一つに積層欠陥Ｉを発生させる結晶欠陥層を設けることによって、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする。

また、上記電極はｐ側電極であることを特徴とする。

また、非極性面または半極性面からの発光層の光出力について、ｃ軸方向への光出力がａ軸方向への光出力に比べて、５倍以上であることを特徴とする。

本発明の第２の実施の形態に係る発光ダイオードは、図７に示すように、ＧａＮ（窒化ガリウム）単結晶基板１上にＩＩＩ族窒化物半導体層２を再成長させて構成されている。
ＩＩＩ族窒化物半導体層２は、ＧａＮ単結晶基板１側から順に、ｎ型コンタクト層２１、発光層としての量子井戸（ＱＷ：Quantum well）、ＧａＮファイナルバリア層２５、ｐ型電子阻止層２３、およびｐ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。

ｐ型コンタクト層２４の表面には、透明電極としてのアノード電極３が形成されており、さらに、このアノード電極３の一部には、配線接続のための接続部４が接合されている。また、ｎ型コンタクト層２１には、カソード電極５が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。

ｐ型コンタクト層２４には、図７中に示すように、積層欠陥Ｉが導入され、実質的にアクセプタ不純物である、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）の不純物添加量が増大している。その結果、正孔（ホール）のキャリア密度を高くすることができる。

また、ｐ型コンタクト層２４は、単層構造のみならず、２層〜４層構造として形成されている場合もあり、その場合、各層に導入される積層欠陥Ｉは、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が多いことを特徴とする。

あるいはまた、多層構造のｐ型コンタクト層２４において、互いに積層欠陥Ｉの導入密度を変化させ、各層の正孔（ホール）のキャリア密度を変化させることもできる。

ＧａＮ単結晶基板１は、支持基板（配線基板）１０に接合されている。支持基板１０の表面には、配線１１，１２が形成されている。そして、接続部４と配線１１とがボンディングワイヤ１３０で接続されており、カソード電極５と配線１２とがボンディングワイヤ１４０で接続されている。さらに、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ１３０，１４０とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード素子が構成されている。

ｎ型コンタクト層２１は、シリコンをｎ型ドーパントとして添加したｎ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、例えば、約１０¹⁸ｃｍ^-3程度とされる。

量子井戸は、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（例えば、約３ｎｍ厚）とＧａＮ層（例えば、約９ｎｍ厚）とを交互に所定周期（例えば５周期）積層したものである。この量子井戸と、ｐ型電子阻止層２３との間に、ＧａＮファイナルバリア層２５（例えば、約４０ｎｍ厚）が積層される。

ｐ型電子阻止層２３は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、例えば、約２８ｎｍ程度である。マグネシウムのドーピング濃度は、例えば、約３×１０¹⁹ｃｍ-3程度とされる。

ｐ型コンタクト層２４は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は、例えば、約７０ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、例えば、約１０²⁰ｃｍ^-3程度とされる。ｐ型コンタクト層２４の表面はＩＩＩ族窒化物半導体層２の表面２ａをなし、この表面２ａは鏡面となっている。

より具体的には、表面２ａの凹凸は、約１００ｎｍ以下である。ＧａＮの屈折率をｎ２ （ｎ２ ≒２．５）とし、発光波長をλとすると、表面２ａの凹凸がλ／ｎ２ 以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。この表面２ａは、量子井戸で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。

アノード電極３は、ＮｉとＡｕとから構成される透明な薄い金属層（例えば、約２００Å以下）で構成される。ＩＩＩ族窒化物半導体層２の表面２ａが鏡面であるので、この表面２ａに接して形成されるアノード電極３の表面３ａ（光取り出し側表面）も鏡面となる。すなわち、この表面３ａの凹凸は、例えば、約１００ｎｍ以下である。アノード電極３の屈折率ｎ１（ｎ１は１．６〜）とし、発光波長をλとすると、表面３ａの凹凸がλ／ｎ１以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。

このように、ＩＩＩ族窒化物半導体層２の光取り出し側表面２ａおよびアノード電極３の光取り出し側表面３ａがいずれも鏡面であるので、量子井戸から発生した光は、その偏光状態にほとんど影響を与えることなく、アノード電極３側へと取り出されることになる。

カソード電極５は、ＴｉとＡｌ層とから構成される膜である。

ＧａＮ単結晶基板１は、ｃ面以外の主面を有するＧａＮ単結晶からなる基板である。より具体的には、非極性面または半極性面を主面とするものである。さらに具体的には、ＧａＮ単結晶基板１の主面は、非極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面であるか、または半極性面の両方位から±１°以内のオフ角を有する面である。

駆動電流２０ｍＡにおけるピーク波長は、例えば、約４３５ｎｍ（青色領域）である。駆動電流１ｍＡにおけるピーク波長は、例えば、約４３７ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおけるピーク波長は４３４ｎｍである。すなわち、駆動電流によるピーク波長の変動は、例えば、約３ｎｍである。ＩＩＩ族窒化物半導体層２の表面２ａおよびアノード電極３の表面３ａの凹凸は、例えば、約１００ｎｍ以下であるので、前記波長域の光の偏光に対して、ほとんど影響を与えることがない。

ＥＬ発光の偏光方向が、ｃ軸に対して直交している（ａ軸方向に偏光している）ことも確認され、偏光比は、駆動電流１ｍＡのとき、例えば、約０．７７である。偏光比とは、ｃ軸に直交する偏光強度Ｉｏ（ａ軸方向の偏光強度）およびｃ軸に平行な偏光強度Ｉｐにより、（Ｉｏ−Ｉｐ）／（Ｉｏ＋Ｉｐ）で与えられる値である。一般に、光は、偏光の方向に対して垂直な方向へと伝搬するので、ａ軸方向の偏光成分はｃ軸方向に伝搬する。その結果、ｃ軸方向への光出力は、ａ軸方向への光出力の５倍以上となる。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子（発光ダイオード）によれば、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層(ｐ型コンタクト層２４)に意図的に積層欠陥Ｉを設けることで、ホール濃度を高く形成し、良好な偏光状態の光を取り出すことができる。

[第３の実施の形態]
図８は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子（半導体レーザダイオード）の構造を説明するための斜視図を示す。また、図９は、図８のＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断面図を示し、図１０は、図８のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面図を示す。

本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子（半導体レーザダイオード）は、ｍ面を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、ｍ軸方向に、ｎ型クラッド層、発光層、およびｐ型クラッド層を積層したIII族窒化物半導体積層構造を備え、積層構造の一つに積層欠陥を発生させる結晶欠陥層を設けることによって、結晶欠陥層の下部に比べて、前記結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体が、ｍ面を結晶成長のための再成長面とするＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させたものであることを特徴とする。

また、ＧａＮ単結晶基板の主面のオフ角は±１°以内であることを特徴とする。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造は、ｐ型クラッド層を含むｐ型半導体層を備え、半導体発光素子は、所定方向に沿って形成され、ｐ型半導体層にストライプ状の接触領域で接触したｐ側電極をさらに備え、接触領域のストライプの方向に垂直に一対の共振器端面が形成されていることを特徴とする。

また、ストライプ状の接触領域を除くｐ型半導体の表面が、絶縁膜で保護されていることを特徴とする。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造は、ｐ型クラッド層を含むｐ型半導体層を備え、ｐ型半導体層の一部が除去されて、所定方向に沿ったストライプが形成されており、ストライプの方向に垂直に一対の共振器端面が形成されていることを特徴とする。

また、ストライプがリッジ形状に形成されており、ストライプとｐ側電極との接触部を除く当該ストライプの表面が、絶縁膜で保護されていることを特徴とする。

また、ストライプの方向がｃ軸方向であり、一対の共振器端面が＋ｃ面および−ｃ面であることを特徴とする。

また、−ｃ面の共振器端面が、絶縁膜からなる保護膜によって被覆されていることを特徴とする。

また、発光層が量子井戸構造からなり、量子井戸構造を構成する量子井戸のｃ軸方向への平坦性が、１０Å以下であることを特徴とする。

また、ストライプの方向がａ軸方向であり、一対の共振器端面がａ面であることを特徴とする。

また、共振器端面は、劈開面であることを特徴とする。

また、ｐ型半導体層への接触領域を複数個備えたことを特徴とする。

また、ｐ型半導体層のｍ面にｐ側電極が形成されており、ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造が導電性基板の一主面に成長させられており、この導電性基板の他の主面がｍ面であり、当該他の主面にｎ側電極が形成されていることを特徴とする。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造は、ｎ型クラッド層と当該ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造を担持する基板との間に、２軸性応力を有するＩｎを含む層を備えていることを特徴とする。

また、発光層は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下である多重量子井戸構造を有し、ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造は、発光層を挟んで配置された一対のガイド層を含み、ｎ型クラッド層は、一対のガイド層の一方を発光層との間に挟むように配置され、当該ガイド層よりもハンドギャップが広い少なくともＡｌを含むクラッド層であり、ｐ型クラッド層は、一対のガイド層の他方を発光層との間に挟むように配置され、当該ガイド層よりもハンドギャップが広い少なくともＡｌを含むクラッド層であることを特徴とする。

本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子（半導体レーザダイオード７０）は、ＧａＮ単結晶基板７１と、ＧａＮ単結晶基板７１上に結晶成長によって形成されたＩＩＩ族窒化物半導体積層構造７２と、ＧａＮ単結晶基板１の裏面（ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造７２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ側電極７３と、ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造７２の表面に接触するように形成されたｐ側電極４０とを備えたファブリペロー型のものである。

このＧａＮ単結晶基板７１は、ｍ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造７２が形成されている。したがって、ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造７２は、ｍ面を結晶成長主面とするＩＩＩ族窒化物半導体からなる。

ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造７２は、発光層８０と、ｎ型半導体層８１と、ｐ型半導体層８２とを備えている。

ｎ型半導体層８１は発光層８０に対してＧａＮ単結晶基板７１側に配置されており、ｐ型半導体層８２は発光層８０に対してｐ側電極４０側に配置されている。こうして、発光層８０が、ｎ型半導体層８１およびｐ型半導体層８２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層８０には、ｎ型半導体層８１から電子が注入され、ｐ型半導体層８２から正孔が注入される。これらが発光層８０で再結合することにより、光が発生するようになっている。

ｎ型半導体層８１は、ＧａＮ単結晶基板７１側から順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３（例えば２μｍ厚）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４（１．５μｍ厚以下。例えば１．０μｍ厚）およびｎ型ＧａＮガイド層８５（例えば０．１μｍ厚）を積層して構成されている。

一方、ｐ型半導体層８２は、発光層８０の上に、順に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層８６（例えば２０ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＮガイド層８７（例えば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８（１．５μｍ厚以下。例えば０．４μｍ厚）およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９（例えば０．３μｍ厚）を積層して構成されている。

ｎ型ＧａＮコンタクト層８３およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９は、それぞれｎ側電極７３およびｐ側電極４０とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｎ型ＧａＮコンタクト層８３は、ＧａＮに、例えばｎ型ドーパントとしてのＳｉを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層８９は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、例えば、３×１０¹⁹ｃｍ^-3）することによってｐ型半導体層とされている。

ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、発光層８０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。

ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４は、ＡｌＧａＮに例えばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、例えば、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、例えば、１×１０¹⁹ｃｍ^-3）することによってｐ型半導体層とされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４は、ｎ型ＧａＮガイド層８５よりもバンドギャップが広く、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、ｐ型ＧａＮガイド層８７よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。

ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９には、図８中に示すように、積層欠陥Ｉが導入され、実質的にアクセプタ不純物である、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）の不純物添加量が増大している。その結果、正孔（ホール）のキャリア密度を高くすることができる。

また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、単層構造のみならず、２層〜４層構造として形成されている場合もあり、その場合、各層に導入される積層欠陥Ｉは、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が多いことを特徴とする。

あるいはまた、多層構造のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８おいて、互いに積層欠陥Ｉの導入密度を変化させ、各層の正孔（ホール）のキャリア密度を変化させることもできる。

ｎ型ＧａＮガイド層８５およびｎ型ＧａＮガイド層８７は、発光層８０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め効果を生じる半導体層である。これにより、発光層８０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ＧａＮガイド層８５は、ＧａＮに、例えばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、例えば、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＧａＮガイド層８７は、ＧａＮに例えばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、例えば、５×１０¹⁸ｃｍ^-3）ことによってｐ型半導体とされている。

ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層８６は、ＡｌＧａＮにｐ型ドーパントとしての、例えばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、例えば、５×１０¹⁸ｃｍ^-3）して形成されたｐ型半導体であり、発光層８０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。

発光層８０は、例えばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層８０は、具体的には、ＩｎＧａＮ層（例えば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（例えば９ｎｍ厚）とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層（障壁層）として機能する。例えば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の発光層８０が構成されている。発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４００ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。上記ＭＱＷ構造は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下とされることが好ましい。

ｐ型半導体層８２は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ２０を形成している。より具体的には、ｐ型コンタクト層８９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８およびｐ型ＧａＮガイド層８７の一部がエッチング除去され、横断面視ほぼ台形形状（メサ形）のリッジストライプ２０が形成されている。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に沿って形成されている。

ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造７２は、リッジストライプ２０の長手方向両端における劈開により形成された一対の共振器端面９１，９２（劈開面）を有している。この一対の共振器端面９１，９２は、互いに平行であり、いずれもｃ軸に垂直である。こうして、ｎ型ＧａＮガイド層８５、発光層８０およびｐ型ＧａＮガイド層８７によって、共振器端面９１，９２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。

すなわち、発光層８０で発生した光は、共振器端面９１，９２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面９１，９２からレーザ光として素子外に取り出される。

ｎ側電極７３は、例えばＡｌ金属からなり、ｐ側電極４０は、例えば、Ａｌ金属、Ｐｄ／Ａｕ合金からなり、それぞれｐ型コンタクト層８９およびＧａＮ単結晶基板７１にオーミック接続されている。ｐ側電極４０がリッジストライプ２０の頂面（ストライプ状の接触領域）のｐ型ＧａＮコンタクト層８９だけに接触するように、ｎ型ＧａＮガイド層８７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８の露出面を覆う絶縁層７６が設けられている。これにより、リッジストライプ２０に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。また、リッジストライプ２０の表面は、ｐ側電極４０との接触部を除く領域が絶縁層７６で覆われて保護されているので、横方向の光閉じ込めを緩やかにして制御を容易にすることができるとともに、側面からのリーク電流を防ぐことができる。絶縁層７６は、屈折率が１よりも大きな絶縁材料、例えば、ＳｉＯ₂やＺｒＯ₂で構成することができる。

さらに、リッジストライプ２０の頂面はｍ面となっていて、このｍ面にｐ側電極４０が形成されている。そして、ｎ側電極７３が形成されているＧａＮ単結晶基板７１の裏面もｍ面である。このように、ｐ側電極４０およびｎ側電極７３のいずれもがｍ面に形成されているので、レーザの高出力化や高温動作に十分に耐えられる信頼性を実現できる。

共振器端面９１，９２は、それぞれ絶縁膜９３，９４（図８では図示省略）によって被覆されている。共振器端面９１は、＋ｃ軸側共振器端面であり、共振器端面９２は−ｃ軸側共振器端面である。すなわち、共振器端面９１の結晶面は＋ｃ面であり、共振器端面９２の結晶面は−ｃ面である。−ｃ面側の絶縁膜９４は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード７０の信頼性の向上に寄与する。

本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子（半導体レーザダイオード）によれば、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用い、ｐ型層（ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９）に意図的に積層欠陥Ｉを設けることで、ホール濃度を高く形成し、レーザ発振効率を高め、閾値電流を低減することができる。

[その他の実施の形態]
以上、本発明を第１乃至第３の実施形態について説明したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

上記のように、本発明は第１乃至第３の実施の形態によって記載したが、このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。 非極性面および半極性面について説明するための模式図であって、（ａ）ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶構造を示す模式図、（ｂ）半極性面{１０−１１}を説明するための模式図、ｃ）半極性面｛１０−１３｝を説明するための模式図、（ｄ）ＩＩＩ族原子と窒素原子の結合を示す模式図。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図であって、六方晶（ウルツ鉱結晶構造Ｗ：wurtzite）に挟まれる積層欠陥層（立方晶Ｚ：zincblende）の[０００１]方向の距離（オングストローム）とエネルギーバンドとの関係図。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図であって、アクセプタ不純物密度が１×１０¹⁸ ｃｍ^-3の場合の、六方晶（ウルツ鉱結晶構造Ｗ：wurtzite）に挟まれる積層欠陥層（立方晶Ｚ：zincblende）の[０００１]方向の距離（オングストローム）とエネルギーバンドとの関係図。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構造における積層欠陥の模式的説明図であって、（ａ）積層欠陥がｍ面の多層構造で連続的に形成される様子を説明する図、（ｂ）ｍ面に垂直なｍ軸方向に積層欠陥が形成される様子を説明する図、（ｃ）ｃ面に平行な方向（ｍ面に垂直なｍ軸方向）に積層欠陥が形成される様子を説明する図。 本発明の第２の実施の形態に係る発光ダイオードの模式的断面構造図。 本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構造を説明するための斜視図。 図８のＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断面図。 図８のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面図。

符号の説明

１…ＧａＮ単結晶基板
２…ＩＩＩ族窒化物半導体層
２ａ…ＧａＮ半導体層の表面（鏡面）
３…アノード電極（透明電極）（ｎ側電極）
３ａ…アノード電極の表面（鏡面）
４…接続部
５…カソード電極
７…凹部
１０…支持基板
１１，１２…配線
８３…ｎ型ＧａＮコンタクト層
８４…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
８５…ｎ型ＧａＮガイド層
８６…ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
８７…ｐ型ＧａＮガイド層
８８…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
８９…ｐ型ＧａＮコンタクト層
２１…ｎ型コンタクト層
２０…リッジストライプ
２１ａ…ｎ型コンタクト層の表面（ＧａＮ半導体層の表面：鏡面）
２２…量子井戸層
２３…ｐ型電子阻止層
２４…ｐ型コンタクト層
２５…ファイナルバリア層
４０…ｐ側電極
７０…半導体レーザダイオード
７１…基板（ＧａＮ単結晶基板）
７２…ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造
７３…ｎ側電極
７６、９３，９４…絶縁層
８０、１０２…発光層（活性層）
８１、１００…ｎ型半導体層
８２、１０４、１０８、１０９…ｐ型半導体層
９１，９２…共振器端面
１０６…ＡｌＧａＮバリア層
１３０，１４０…ボンディングワイヤ
Ｉ…積層欠陥

Claims (9)

1. 非極性面または半極性面を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、積層構造の一つに結晶欠陥を発生させる結晶欠陥層を設けることによって、前記結晶欠陥層の下部に比べて、前記結晶欠陥層の上部の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記結晶欠陥は積層欠陥であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記化合物半導体からなる結晶が六方晶からなる半導体であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記化合物半導体からなる結晶がＩＩＩ族窒化物半導体またはＺｎを含む酸化物半導体であることを特徴とする請求項１乃至３の内、いずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記積層構造の主面が非極性面であることを特徴とする請求項１乃至４の内、いずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記結晶欠陥層の成長温度は、前記結晶欠陥層の上部又は下部の結晶成長層を成長する成長温度に比べて温度が異なることを特徴とする請求項１乃至５の内、いずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記結晶欠陥層は、前記結晶欠陥層の上部又は下部の結晶成長層に比べて組成が異なることを特徴とする請求項１乃至６の内、いずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記結晶欠陥層の上部に、ｐ型層を有することを特徴とする請求項１乃至７の内、いずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 前記結晶欠陥層は、活性層、またはその上部に存在し、さらに前記結晶欠陥層の上部にｐ型層を有することを特徴とする請求項１乃至７の内、いずれか１項に記載の半導体発光素子。

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