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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024166698
(43)【公開日】2024-11-29
(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/343 20060101AFI20241122BHJP
H01S 5/22 20060101ALI20241122BHJP
【ＦＩ】
H01S5/343 610
H01S5/22
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023082986
(22)【出願日】2023-05-19
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、環境省、革新的な省ＣＯ２実現のための部材や素材の社会実装・普及展開加速化事業委託業務、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】川口 真生
(72)【発明者】
【氏名】大野 啓
(72)【発明者】
【氏名】石橋 明彦
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AA08
5F173AB78
5F173AF13
5F173AG17
5F173AH22
5F173AP05
5F173AP32
5F173AP33
5F173AP73
5F173AP76
5F173AP78
5F173AP79
5F173AP94
5F173AR23
(57)【要約】
【課題】投入した電力を効率よく光に変換することが可能なIII族窒化物系半導体発光素子の提供を目的とする。
【解決手段】上記課題を解決するIII族窒化物系半導体発光素子は、基板と、ｎ型クラッド層と、ｎ側光ガイド層と、Ｉｎを含む発光層と、ｐ側光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、をこの順に有し、前記ｎ側光ガイド層と前記発光層との間に、前記ｎ側光ガイド層から前記発光層に向かってＩｎ組成が増加する組成傾斜層を有し、かつ前記組成傾斜層の最低のＩｎ組成は、前記ｎ側光ガイド層の前記組成傾斜層に接する領域のＩｎ組成より低い。
【選択図】図１
【解決手段】上記課題を解決するIII族窒化物系半導体発光素子は、基板と、ｎ型クラッド層と、ｎ側光ガイド層と、Ｉｎを含む発光層と、ｐ側光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、をこの順に有し、前記ｎ側光ガイド層と前記発光層との間に、前記ｎ側光ガイド層から前記発光層に向かってＩｎ組成が増加する組成傾斜層を有し、かつ前記組成傾斜層の最低のＩｎ組成は、前記ｎ側光ガイド層の前記組成傾斜層に接する領域のＩｎ組成より低い。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、ｎ型クラッド層と、ｎ側光ガイド層と、Ｉｎを含む発光層と、ｐ側光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、をこの順に有し、
前記ｎ側光ガイド層と前記発光層との間に、前記ｎ側光ガイド層から前記発光層に向かってＩｎ組成が増加する組成傾斜層を有し、かつ
前記組成傾斜層の最低のＩｎ組成が、前記ｎ側光ガイド層の前記組成傾斜層に接する領域のＩｎ組成より低い、
III族窒化物系半導体発光素子。
前記ｎ側光ガイド層と前記発光層との間に、前記ｎ側光ガイド層から前記発光層に向かってＩｎ組成が増加する組成傾斜層を有し、かつ
前記組成傾斜層の最低のＩｎ組成が、前記ｎ側光ガイド層の前記組成傾斜層に接する領域のＩｎ組成より低い、
III族窒化物系半導体発光素子。
【請求項2】
請求項１に記載のIII族窒化物系半導体発光素子であって、
前記組成傾斜層の膜厚が５ｎｍより厚い、III族窒化物系半導体発光素子。
前記組成傾斜層の膜厚が５ｎｍより厚い、III族窒化物系半導体発光素子。
【請求項3】
請求項２に記載のIII族窒化物系半導体発光素子であって、
前記組成傾斜層の膜厚が１０ｎｍより厚い、III族窒化物系半導体発光素子。
前記組成傾斜層の膜厚が１０ｎｍより厚い、III族窒化物系半導体発光素子。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか一項に記載のIII族窒化物系半導体発光素子であって、
前記発光層が、前記組成傾斜層に隣接して配置された障壁層と、前記障壁層に隣接して配置された量子井戸層と、を含み、
前記障壁層の屈折率が、前記ｎ側光ガイド層の屈折率以上である、III族窒化物系半導体発光素子。
前記発光層が、前記組成傾斜層に隣接して配置された障壁層と、前記障壁層に隣接して配置された量子井戸層と、を含み、
前記障壁層の屈折率が、前記ｎ側光ガイド層の屈折率以上である、III族窒化物系半導体発光素子。
【請求項5】
請求項４に記載のIII族窒化物系半導体発光素子であって、
前記障壁層の膜厚が７ｎｍより厚い、III族窒化物系半導体発光素子。
前記障壁層の膜厚が７ｎｍより厚い、III族窒化物系半導体発光素子。
【請求項6】
請求項４に記載のIII族窒化物系半導体発光素子であって、
前記障壁層の膜厚が１０ｎｍより厚い、III族窒化物系半導体発光素子。
前記障壁層の膜厚が１０ｎｍより厚い、III族窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、低動作電流を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を実現可能なIII族窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体レーザは、小型、安価、高出力などの優れた特徴を有することから、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、金属、樹脂、複合炭素材（ＣＦＲＰ）といった様々な材料加工用の光源に高出力半導体レーザが用いられている。またとりわけ、複数のレーザ発光点を束ねて高出力化する光合成技術により、数百ワットから数キロワットといった大光出力を有するレーザ加工機システムが開発され、実用に供されている。レーザ加工には、リモート加工、高スループット、低消費電力、プログラマブルなど多数の利点があり、工業製品の生産現場において幅広く用いられている。近年、このようなレーザ加工の半導体光源として、波長１μｍ程度のＧａＡｓ系近赤外レーザの利用が広がっている。これは、ＧａＡｓ基板上の半導体形成技術およびプロセス技術が十分に成熟していること依拠している。
【0003】
ところで近年、電気自動車（ＥＶ）用モータやバッテリーなどの様々な分野で、低電気抵抗、易加工性、高放熱などの優れた特性を有する銅が多用されている。ところが、銅は近赤外レーザ光を反射することから、レーザ加工を試みると、エネルギーが入熱せず、加工が困難である、という課題がある。
【0004】
そこで、銅材料の加工には、銅材料の反射率が低い（吸収率が大きい）、青色波長域（波長４０５ｎｍ～５４０ｎｍ）の光を発するＧａＮ系半導体レーザの適用されている。ＧａＮ半導体をレーザ加工に適用する場合、高い光出力（加工エネルギー）が必要とされ、高出力動作が求められる。そして、このような高出力動作を実現するためには、半導体レーザ素子を十分に冷却したり、多量の電流を通電したりする必要がある。つまり、多量の電力が必要であり、環境負荷の観点などから、半導体レーザの低消費電力化がことのほか重要になる。
【0005】
半導体レーザを低消費電力化するためには、投入した電力を効率よく光に変換する必要がある。すなわち、投入したエネルギーのうちレーザ光に変換された割合を示す、電力光変換効率を高めることが重要である。さらに、投入電力を高効率に光に変換することで、光出力を増すことができるだけでなく、余剰エネルギーが熱に変わることを防ぐことも可能となり、発熱に起因する光出力低下や、長期信頼性特性に対する悪影響を低減することも出来る。
【0006】
一般的なｐｎ接合ダイオード型の半導体レーザにおいて、レーザ光を生成するメカニズムは以下の通りである。半導体レーザ素子では、基板上に、ｎ型光閉じ込め層（クラッド層）、ｎ側光ガイド層、発光層、ｐ側光ガイド層、およびｐ型光閉じ込め層（クラッド層）が少なくとも順番に積層される。ここで、半導体レーザ素子の発光層には、ｎ型クラッド層やｎ側光ガイド層を介して電子が注入され、ｐ型クラッド層やｐ側光ガイド層を介して正孔が注入される。そして、これらのうちの一定の割合が、発光層で再結合して発光する。ここで、ｐ型クラッド層側から発光層に向けて流れる正孔のうち、発光層を超えてｎ側光ガイド層へと拡散するものがある。こういった正孔は、発光層外側のｎ側光ガイド層で再結合して消滅することから、レーザ発振に寄与しない無効電流になり、消費電力を増加させる一因となる。このような、正孔無効電流を低減する方法として、いくつかの技術が開示されている。例えば、特許文献１では、ｎ側光ガイド層をｎ型不純物でドーピングしている。これにより、発光層から拡散する正孔から見て、ｎ側光ガイド層にポテンシャル障壁が生起することとなる。このような障壁により、正孔が発光層の側へと反射されて、再び発光層で電子と再結合することから、無効電流を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０００－２３６１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ところが、特許文献１に記載の構成では、発光層で生じたレーザ光が、ｎ型ドーピングされたｎ側光ガイド層内を伝搬する。ｎ側光ガイド層を伝搬したレーザ光は、ｎ側不純物やその他の不純物によって生じた、過剰な電子によって吸収されてしまい、外部に取り出すことができない。したがって、無効電流を低減しているにも関わらず、光出力が低下してしまうという課題がある。
【0009】
本開示は、上記課題を鑑みてなされたものである。すなわち、投入した電力を効率よく光に変換することが可能なIII族窒化物系半導体発光素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者らの鋭意検討によって、ＧａＮ系半導体レーザに用いるIII族窒化物系半導体発光素子おいて、ｎ側光ガイド層と発光層との間に、低Ｉｎ組成から高Ｉｎ組成へとＩｎ組成が変化する組成傾斜層を設けることで、正孔側のバンド構造（価電子帯）にポテンシャル障壁が生じ、発光層側から拡散する正孔を反射できること、さらに正孔の漏洩が防止され、III族窒化物系半導体発光素子の発光効率が増加すること、が見出された。このような構造では、正孔の漏洩を防止しつつ、ｎ側光ガイド層をドーピングする必要がない、あるいは、ドーピングする場合もごく微量の濃度で十分である。したがって、ｎ型光ガイド層内でのレーザ光の吸収が実質的に生じないという利点がある。
【0011】
すなわち本開示は、基板と、ｎ型クラッド層と、ｎ側光ガイド層と、Ｉｎを含む発光層と、ｐ側光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、をこの順に有し、前記ｎ側光ガイド層と前記発光層との間に、前記ｎ側光ガイド層から前記発光層に向かってＩｎ組成が増加する組成傾斜層を有し、かつ前記組成傾斜層の最低のＩｎ組成が、前記ｎ側光ガイド層の前記組成傾斜層に接する領域のＩｎ組成より低い、III族窒化物系半導体発光素子を提供する。
【発明の効果】
【0012】
本開示によれば、投入した電力を効率よく光に変換することが可能なIII族窒化物系半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図2】比較例（組成傾斜層なし）における発光層近傍のバンド構造および電子正孔濃度分布図
【図3】実施形態における発光層近傍のバンド構造および電子正孔濃度分布図
【図4】実施形態および比較例における非発光再結合の計算結果
【図5】実施形態における組成傾斜層の膜厚と、正孔に対する価電子帯側ポテンシャル障壁の高さとの相関図
【図6】実施形態における発光層中の第１障壁層の膜厚変化と発光波長との相関図
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、具体的に本発明の好ましい一実施形態について説明するが、本開示は当該実施形態に限定されない。
【0015】
本実施形態にかかるIII族窒化物系半導体発光素子（以下、単に「半導体発光素子」とも称する）１００について、図１Ａおよび図１Ｂを参照しながら説明する。図１Ａは、本実施形態の半導体発光素子１００の平面図である。図１Ｂは、当該半導体発光素子１００の図１ＡにおけるＡ－Ａ線での断面図（矢印で示す側からその断面を見たときの図）である。また以下では、ｎ側光ガイド層３や発光層５、ｐ側光ガイド層６などが六方晶III族窒化物系半導体含む場合を例に、本実施形態の半導体発光素子１００を説明する。
【0016】
まず、半導体発光素子１００の簡単な構成について説明する。
図１Ｂに示すように、半導体発光素子１００は、（０００１）面を主面とするｎ型六方晶ＧａＮ基板（基板）１、ｎ－ＡｌＧａＮ層（ｎ型クラッド層）２、ｎ－ＧａＮおよびｉ－Ｉｎｘ１ＧａＮ（ｘ１＞０）の積層体であるｎ側光ガイド層３、Ｉｎ組成がｎ側光ガイド層３側から発光層５側に向かって増加するｉ－ＩｎＧａＮ層（組成傾斜層）４、ＩｎＧａＮ組成障壁層（第１障壁層）、ＩｎＧａＮ量子井戸層（量子井戸層）、およびＩｎＧａＮ障壁層（第２障壁層）の積層体で構成される発光層５、ｉ－ＩｎＧａＮ層（ｐ側光ガイド層）６、ｐ－Ａｌ０．３５ＧａＮ層（電子障壁層）７、ｐ－ＡｌＧａＮおよびＧａＮの積層体である超格子層（ｐ型クラッド層）８、ｐ－ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層）９がこの順に積層された構造を有する。
図１Ｂに示すように、半導体発光素子１００は、（０００１）面を主面とするｎ型六方晶ＧａＮ基板（基板）１、ｎ－ＡｌＧａＮ層（ｎ型クラッド層）２、ｎ－ＧａＮおよびｉ－Ｉｎｘ１ＧａＮ（ｘ１＞０）の積層体であるｎ側光ガイド層３、Ｉｎ組成がｎ側光ガイド層３側から発光層５側に向かって増加するｉ－ＩｎＧａＮ層（組成傾斜層）４、ＩｎＧａＮ組成障壁層（第１障壁層）、ＩｎＧａＮ量子井戸層（量子井戸層）、およびＩｎＧａＮ障壁層（第２障壁層）の積層体で構成される発光層５、ｉ－ＩｎＧａＮ層（ｐ側光ガイド層）６、ｐ－Ａｌ０．３５ＧａＮ層（電子障壁層）７、ｐ－ＡｌＧａＮおよびＧａＮの積層体である超格子層（ｐ型クラッド層）８、ｐ－ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層）９がこの順に積層された構造を有する。
【0017】
また、当該半導体発光素子１００は、光導波路２０構造を有する。具体的には、ｐ型クラッド層８やｐ型コンタクト層９の両側に、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１０が配置されている。一方、ｐ型コンタクト層９上には、ＰｄおよびＰｔの積層体からなるｐ型電極１１、Ｔｉ、Ｐｔ、およびＡｕの積層体からなる配線電極１２、ＴｉおよびＡｕの積層体からなるパッド電極１３が配置される。また、図１Ａに示すように、光導波路２０の一方の端部には、光導波路２０内の光を反射するための、誘電体多層膜で構成されたリアコート膜１５が配置される。一方、光導波路２０の他方の端部には、光を放射するための、誘電体多層膜で構成された、フロントコート膜１４が配置される。さらに、基板１のｎ型クラッド層２と反対側の面には、ＴｉおよびＡｕの積層体からなるｎ型電極１６が配置される。なお、上記では発光層５が、ＩｎＧａＮ組成障壁層（第１障壁層）／ＩｎＧａＮ量子井戸層（第１量子井戸層）／およびＩｎＧａＮ障壁層（第２障壁層）の３層で説明したが、発光層５は、障壁層と量子井戸層が繰り返し積層された多重量子井戸構造を有していてもよい。
【0018】
続いて、上記半導体発光素子１００の詳細な構成について製造方法と合わせて説明する。ただし、各層の膜厚や組成などは、適宜調整可能である。さらに、下記で説明する層以外に、本開示の目的および効果を損なわない範囲で、他の構成を含んでいてもよい。
【0019】
まず、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板１上に、有機金属気層成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）によって、ｎ型クラッド層２からｐ型コンタクト層９までを連続的に成膜する。具体的には、ｎ型のＡｌ０．０３ＧａＮ層（ｎ型クラッド層２）を３μｍ程度積層する。成膜のためのガス原料として、本実施形態では、III族原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ｎ型不純物としてシランを用い、Ｖ族原料としてアンモニアを用いたが、これら以外を用いてもよい。ｎ－ＡｌＧａＮ層（ｎ型クラッド層２）のＳｉ濃度は１×１０１８ｃｍ－３程度が好ましい。
【0020】
次に、ｎ側光ガイド層３の第１層目として、上記ｎ型クラッド層２と同様の方法で、ｎ－ＧａＮ層を２５０ｎｍ程度成膜する。ここで、ｎ－ＧａＮ層のＳｉ濃度は１×１０１８ｃｍ－３程度が好ましい。さらに、ｎ側光ガイド層３の残りの層であるｉ－ＩｎＧａＮ層を１５０ｎｍ積層する。
【0021】
次に、ｎ側光ガイド層３側から発光層５にかけて、Ｉｎ組成が増加する組成傾斜層４を成膜する。当該組成傾斜層４では、その最低Ｉｎ組成が、ｎ側光ガイド層３のｉ－ＩｎＧａＮ層より小さければよいが、０％であることがより好ましい。一方、組成傾斜層４内での最高Ｉｎ組成は、組成傾斜層４に隣接する発光層５の障壁層のＩｎ組成と略同じであることが好ましい。またこのとき、組成傾斜層４の中でＩｎ組成が最低となる領域が、ｎ側光ガイド層に近接するように調整し、Ｉｎ組成が最も高い領域が、発光層５の障壁層に近接するように、Ｉｎ組成を調整することが好ましい。本実施形態では、ｎ側光ガイド層３との境界から発光層５との境界にかけて、Ｉｎ組成が０％から３％まで徐々に増加するｉ－ＩｎＧａＮ層（組成傾斜層４）を成膜する。組成傾斜層４の膜厚は、５ｎｍより厚いことが好ましく、７ｎｍ以上がより好ましく、１０ｎｍより厚いことがさらに好ましく、１５ｎｍ以上がさらに好ましい。しかしながら、組成傾斜層が厚すぎると、当該箇所の平均屈折率が低下し素子の光学設計に支障を来すことがある。このことから、組成傾斜層４の膜厚は通常、２０ｎｍ以下が好ましい。
【0022】
組成傾斜層４内でのＩｎ組成変化は、ｎ側光ガイド層３側から、発光層５の第１障壁層にかけて、連続的または断続的に増加してもよい。つまり、膜厚に対するＩｎ組成変化量の二階微分値が正の領域があればよく、一部に負の領域やゼロ領域があってもかまわない。ただし、ｎ側光ガイド層３側から、発光層５の障壁層にかけて連続的に増加することが好ましい。組成傾斜層４内で、そのＩｎ組成を変化させる方法としては、使用するトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスの量を調整する方法が挙げられる。そのほかの方法として、成長温度を低下させることによってＩｎ取り込み量を増加させてもよい。
【0023】
次に発光層５の一部としてＩｎ０．０３ＧａＮ障壁層（第１障壁層）を７ｎｍ成膜する。第１障壁層の膜厚は、３ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは５ｎｍ以上であり、さらに好ましくは７ｎｍ超であり、特に好ましくは１０ｎｍ超である。本実施形態では、第１障壁層によって、発光層５の量子井戸層と組成傾斜層４とが離間される。第１障壁層が存在しないと、量子井戸（層）に閉じ込められたキャリア（電子あるいは正孔）が、組成傾斜層４との間で量子結合を果たし、量子化エネルギー変化を通じて発光波長が変化することがある。なお、当該第１障壁層の屈折率は、上述のｎ側光ガイド層３の屈折率以上であればよいが、半導体発光素子１００内部への光閉じ込め効果の観点で、ｎ側光ガイド層３の屈折率より大きいことがより好ましい。次に、Ｉｎ０．１８ＧａＮ量子井戸層（第１量子井戸層）を約３．０ｎｍ成膜する。続いてＩｎ０．０３ＧａＮ障壁層（第２障壁層）を約１０ｎｍ成膜する。続いて、ＩｎＧａＮ井戸層(第２量子井戸層)を３．０ｎｍ成膜する。最後に、Ｉｎ０．０３ＧａＮ障壁層（第３障壁層）を１０ｎｍ成長する。ここで、各障壁層（ｎ０．０３ＧａＮ層）の膜厚が厚いと、発光性再結合によって効率が低下してしまう。そこで、各障壁層の厚みは最大でも４０ｎｍ程度にとどめることが好ましい。また、上記例では第２障壁層および第３障壁層の膜厚をそれぞれ１０ｎｍとしたが、キャリア注入の均一性などの観点から、第１障壁層、第２障壁層、および第３障壁層の膜厚がそれぞれ異なっていてもかまわない。
【0024】
次に、ｐ側光ガイド層６を構成するｉ－ＩｎＧａＮ層、ｉ－ＧａＮまたはｉ－ＡｌＧａＮ、もしくはこれらの組み合わせからなる層を、０．２μｍ程度成膜する。ここで、半導体発光素子１００内部への光閉じ込めの観点から、発光層５（第３障壁層）の屈折率よりｐ側光ガイド層６の屈折率が小さいことが好ましく、ｐ型ガイド層６内でも、発光層５側から電子障壁層７側に向かって徐々に屈折率が低下する構成が好ましい。すなわち、ｐ側光ガイド層６を、発光層５に近い側から、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮの順に構成することで、光閉じ込めを増加させることができる。
【0025】
次に、電子障壁層７を構成するｐ－Ａｌ０．35ＧａＮ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３）を５ｎｍ成膜する。ｐ－ＡｌＧａＮ層は、たとえばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）用いてＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ－３となるようにするとよい。
【0026】
次に、ｐ型クラッド層８を構成するｐ－Ａｌ０．０３ＧａＮ（Ｍｇ濃度を１×１０１９ｃｍ－３）を、６００ｎｍ成膜する。
さらに、ｐ－ＧａＮコンタクト層９を構成するｐ－ＧａＮ（Ｍｇ濃度を1×１０２０ｃｍ－３）を、１０ｎｍ成膜する。
さらに、ｐ－ＧａＮコンタクト層９を構成するｐ－ＧａＮ（Ｍｇ濃度を1×１０２０ｃｍ－３）を、１０ｎｍ成膜する。
【0027】
次に、ＭＯＣＶＤ法によって作製した窒化物半導体の積層構造体を、リッジストライプ型レーザに加工する。例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層９の上に、膜厚が０．３μｍのＳｉＯ２からなる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１６μｍ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へき開面（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。
【0028】
次に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を除去した領域のｐ型コンタクト層９およびｐ型クラッド層８を、ＳｉＯ２絶縁膜を形成した上部から、０．８５μｍの深さまでエッチングし、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残っていたＳｉＯ２絶縁膜を除去する。そして再度、熱ＣＶＤ法により、露出したｐ型クラッド層８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からなる絶縁膜１０を再度形成する。
【0029】
次に、リソグラフィ法により、絶縁膜１０におけるリッジストライプ部（光導波路２０）上に、当該リッジストライプ部の頂面に沿って幅が１５．５μｍ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、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、リッジストライプ部の頂面のＳｉＯ２絶縁膜をエッチングし、リッジストライプ部の上面からｐ型コンタクト層９を露出させる。
【0030】
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９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）とからなるｐ型電極１１を構成する金属積層膜を積層する。その後、レジストパターンをリフトオフ法により除去し、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型電極１１を形成する。
【0031】
さらに、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、リッジストライプ部の上部のｐ型電極１１、およびリッジストライプ部の側面（絶縁膜１０）を覆うように、Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（２００ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）からなる配線電極１２（図１Ａには、点線で示す）を選択的に形成する。当該配線電極１２のリッジストライプ部に平行な方向の平面寸法（長さ）は１１５０μｍとし、リッジストライプ部に垂直な方向の平面寸法（幅）は１５０μｍとする。なお、一般的には、１つの積層構造体上に、同様の構成の導波路を複数、行列状に作製する。また、使用時には、これを分割する。このとき、複数の導波路の配線電極１２どうしがつながっていると、分割の際に、配線電極１２に密着したｐ型電極１１がｐ型コンタクト層９から剥がれるおそれがある。そこで、積層構造体上に、複数の導波路を形成する場合には、隣接する導波路２０の配線電極１２が、つながらないように形成することが望ましい。
【0032】
続いて、電解めっき法により、配線電極１２の上部に、パッド電極１３を構成する厚み１０μｍのＡｕ層を形成する。このような構成にすると、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、発光層５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の信頼性を向上させることができる。
【0033】
次に、パッド電極１３まで形成した積層体の裏面（基板１）側を、ダイヤモンドスラリにより研磨して、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、基板１の表面（光導波路２０が形成された面と反対の面）に、ｎ型電極１６を構成する、Ｔｉ（５ｎｍ）／Ｐｔ（１０ｎｍ）／Ａｕ（１０００ｎｍ）の金属積層膜を形成する。
【0034】
また、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１２００μｍとなるようにｍ面に沿って劈開（１次劈開）する。続いて、たと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１４を、反対の劈開面に対してリアコート膜１５を形成する。ここでフロントコート膜１４の材料としては、たとえばＳｉＯ２単層膜などの誘電体膜を用いる。また、リアコート膜１５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６％、リア側（光出射側と反対側）を例えば９５％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。また、半導体レーザ（半導体発光素子１００）と、半導体レーザ外部のレーザ光軸上に配置した集光レンズなどとを組み合わせて発振させる外部共振光学系を用いる場合は、フロント側反射率は１％以下とすることが好ましい。続いて、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。
【0035】
（半導体発光素子の発光効率について）
ここで、上述の半導体発光素子１００は、ｐｎ接合半導体発光素子であって、特にｎ側光ガイド層３と発光層５との間に、Ｉｎ組成が徐々に変化する組成傾斜層４を配置した構造である。このような構造とすることにより、価電子帯において、発光層５とｎ側光ガイド層３との間にポテンシャル障壁を有する層を形成することが可能となる。その結果、正孔のｎ側光ガイド層３への拡散を防止して、半導体レーザの発光効率を向上させることができる。
ここで、上述の半導体発光素子１００は、ｐｎ接合半導体発光素子であって、特にｎ側光ガイド層３と発光層５との間に、Ｉｎ組成が徐々に変化する組成傾斜層４を配置した構造である。このような構造とすることにより、価電子帯において、発光層５とｎ側光ガイド層３との間にポテンシャル障壁を有する層を形成することが可能となる。その結果、正孔のｎ側光ガイド層３への拡散を防止して、半導体レーザの発光効率を向上させることができる。
【0036】
ここで、図２（ａ）に、比較例となる半導体発光素子の伝導帯及び価電子帯のバンド構造の計算結果を示し、図２（ｂ）には、当該半導体発光素子の電子および正孔濃度の計算結果を示す。当該半導体発光素子は、組成傾斜層４を有さない以外は、上述の半導体発光素子と同様の構造を有する。計算は、各層の分極電荷を考慮してシュレディンガー・ポアソン方程式を解くことで実施した。計算に用いた窒化物系半導体の物性パラメータは、非特許文献１（Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｊ．Ｐｉｐｒｅｋ，Ｊｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００７， ＷＩＬＥＹ－ＶＣＨ）に示された値を使用した。図２（ａ）および（ｂ）中３～６の標記は、図１Ｂの半導体発光素子１００の各構成の符号に対応する番号であり、それぞれｎ側光ガイド層３、発光層５、およびｐ側光ガイド層を示す。なお、図２（ａ）および（ｂ）に計算結果示す比較例では、組成傾斜層４が存在しないため表示されていない。また、図２（ａ）バンド構造図に示す通り、ｎ側伝導帯から電子、ｐ側価電子帯から正孔が拡散する。両者は、発光層５の量子井戸層（ＱＷ）で再結合し一部がレーザ光へ変換される。
【0037】
ここで、ｐ側光ガイド層（ＩｎＧａＮ層）６から発光層５に注入される正孔は、価電子帯エネルギー値が小さい領域を通過するとき、ポテンシャル障壁により反射される。図２（ａ）の価電子帯側バンド構造（下図）を見ると、ｐ側光ガイド層６と発光層５の間の価電子帯エネルギーの値が最も小さくなっている。つまり、ｐ側光ガイド層６から発光層５に注入された正孔に対する障壁が、発光層５からｎ側光ガイド層（ＩｎＧａＮ層）３にかけて実質的に存在しない。そのため、量子井戸発光層で電子と結合しない正孔はｎ側光ガイド層３に向けて拡散することになる。このことは、図２（ｂ）のキャリア濃度のグラフにも表されており、ｎ側光ガイド層３における正孔濃度が、ｐ側光ガイド６のキャリア濃度と同等程度に高い。ここで、発光層５以外の領域で電子と正孔とが空間的に同時に存在すると、非発光性再結合により、両者が徐々に消滅していく。このような消滅は、レーザ発振に寄与せず、エネルギー損失となる。そこで、発光層５からｎ側光ガイド層３に向かう正孔の濃度を低減する、すなわち、正孔をｎ側光ガイド層３の近傍で反射するようなポテンシャル障壁を設けることができれば、半導体レーザの動作効率を高めることが期待できる。
【0038】
本実施形態の半導体発光素子の同様の計算結果を図３示す。図３（ａ）には、本実施形態の半導体発光素子の伝導帯及び価電子帯のバンド構造の計算結果を示し、図３（ｂ）には、当該半導体発光素子の電子および正孔濃度の計算結果を示す。本実施形態では、ｎ側光ガイド層３と発光層５との間に組成傾斜層４を有する点が、上記比較例と異なる。
【0039】
図３（ａ）下図に示すように、本実施形態の半導体発光素子の伝導帯エネルギーは、組成傾斜層（ｉ－ＩｎＧａＮ層）４の領域でマイナス値が大きくなる。これは、組成傾斜層４において、ＩｎＧａＮの分極電荷に起因するバンド曲がりが生じるためである。図３（ａ）下図に示す通り、本実施形態の場合、約１４０ｍｅＶのポテンシャル障壁が生じる。そのため、ｐ側光ガイド層（ＩｎＧａＮ層）６から発光層５に向かい、発光層５を通過した正孔は、このポテンシャル障壁で反射される。その結果、図３（ｂ）に示すように、ｎ側光ガイド層（ＩｎＧａＮ層）５に到達する正孔濃度は、図２に示す比較例の１／１０程度にまで低下する。
【0040】
図４に、本実施形態および比較例における非発光再結合レート（非発光再結合が生じる割合）を計算した結果を示す。ｎ側光ガイド層３における非発光再結合レートを比較すると、図中実線で示す本発明の実施形態の非発光再結合レートが、点線で示す比較例の非発光再結合レートに対して低下していることがわかる。図３に示す組成傾斜層４によるポテンシャル障壁によって、ｎ側光ガイド層（ＩｎＧａＮ層）３に到達する正孔濃度が低下し、非発光性再結合も減少したことが原因である。
【0041】
図５に、本実施形態において、組成傾斜層４の膜厚を変化させたときのポテンシャル障壁の値を計算した結果を示す。図３に示す組成傾斜層４によるポテンシャル障壁は大きいほうが好ましい。そして、ＧａＮ系材料における正孔の有効質量を考慮すると、ポテンシャル障壁は、１００ｍｅＶ以上が好ましく、２００ｍｅＶ以上が特に有効である。そのため、図５に示されるように、組成傾斜層４の膜厚は好ましくは５ｎｍ超であるといえ、より好ましくは１０ｎｍ超である。
【0042】
図６に、本開示の実施形態において、発光層５に含まれる第１障壁層（ＱＢ）、すなわち組成傾斜層４に隣接する障壁層の膜厚（換言すると、組成傾斜層４の発光層５側端部から最も近い量子井戸層までの距離）を変化させた時の、発光波長を計算した結果を示す。第１障壁層（ＱＢ）の膜厚が薄い場合、発光層５中の量子井戸層と組成傾斜層４の電子とが量子結合し、発光波長が変化する。これは、素子設計において意図しない波長変化を生じることがあるほか、多重量子井戸構造を用いる場合、異なる井戸間で違う波長で発光が生じることとなり、半導体発光素子１００の発光効率を低下させる原因となる。本実施形態において、発光層５の量子井戸層が一層のみである場合、発光波長は４５０ｎｍである。多重量子井戸(複数の量子井戸層)を用いる場合、各量子井戸の発光波長差は少なくとも３ｎｍ、より好ましくは０．１ｎｍ以下にすることが好ましい。さらに、単一量子井戸（単一の量子井戸層）とする場合においても、設計値との乖離は３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下であることが望まれる。そのため、図６に示すように、第１障壁層の膜厚は７ｎｍ超が好ましく、１０ｎｍ超がより好ましい。
【0043】
なお、本開示の実施形態のバンド構造を示す図３（ａ）傾斜層において、ｎ側光ガイド層３側の伝導帯にプラスのポテンシャルが生じている。このポテンシャルは電子に対して障壁となるため、ｎ側光ガイド層３から発光層５に電子注入する際の電圧上昇を生じる可能性がある。発明者らによる検討によれば、電子の有効質量は正孔に対して軽いため、ポテンシャル障壁による電圧上昇はわずか（０．０５Ｖ程度）である。さらに、このようなポテンシャル障壁を解消する目的で、組成傾斜層４に、ｎ型不純物をドーピングしてもよい。例えば１×１０１８ｃｍ－３のドーピングを実施することで、このようなポテンシャル障壁を実質的に解消することができる。一方、組成傾斜層４はレーザ光がガイドする領域であるから、ｎ型不純物をドーピングする場合には、その濃度は２×１０１８ｃｍ－３以下にとどめることが好ましい。
【0044】
（その他）
上記のような半導体発光素子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）法や、化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法などの、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。また、ＡｌＧａＮおよびＧａＮを積層する場合や、ＧａＮおよびＩｎＧａＮを積層する場合、これらの界面で、ＩｎないしはＡｌの組成が徐々に変化するように調整してもよい。また、上述の実施形態では、各層がＧａＮ系材料からなる場合について記載したが、組成を変えることで分極を生じる他の材料系、例えばＧａＡｓ上に、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓを積層した構造、ＩｎＰ上に、ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓＰを積層した構造、ＧａＳｂ上にＧａＩｎＳｂなどを積層した構造であってもかまわない。
上記のような半導体発光素子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）法や、化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法などの、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。また、ＡｌＧａＮおよびＧａＮを積層する場合や、ＧａＮおよびＩｎＧａＮを積層する場合、これらの界面で、ＩｎないしはＡｌの組成が徐々に変化するように調整してもよい。また、上述の実施形態では、各層がＧａＮ系材料からなる場合について記載したが、組成を変えることで分極を生じる他の材料系、例えばＧａＡｓ上に、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓを積層した構造、ＩｎＰ上に、ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓＰを積層した構造、ＧａＳｂ上にＧａＩｎＳｂなどを積層した構造であってもかまわない。
【0045】
また、本実施形態において、チップを幅２００μｍに分割したが、複数の発光素子が連続して形成されたアレイ素子としてもかまわない。
【0046】
本実施形態において、ｐｎ接合型半導体レーザについて記載したが、積層方向に電子伝導し、組成が相違する層におけるポテンシャルを有する構造であれば、ｐｎ接合型半導体ＬＥＤ、ないしは単極性の電子伝導型量子カスケードレーザであってもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【0047】
本開示のIII族半導体発光素子は、高出力半導体レーザや、通信、光ディスクなどのＩＴ技術、医療、一部照明など、幅広い技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【0048】
１ 基板
２ ｎ型クラッド層
３ ｎ側光ガイド層
４ 組成傾斜層
５ 発光層
６ ｐ側光ガイド層
７ 電子障壁層
８ ｐ型クラッド層
９ ｐ型コンタクト層
１０ 絶縁膜
１１ ｐ型電極
１２ 配線電極
１３ パッド電極
１４ フロントコート膜
１５ リアコート膜
１６ ｎ型電極
２ ｎ型クラッド層
３ ｎ側光ガイド層
４ 組成傾斜層
５ 発光層
６ ｐ側光ガイド層
７ 電子障壁層
８ ｐ型クラッド層
９ ｐ型コンタクト層
１０ 絶縁膜
１１ ｐ型電極
１２ 配線電極
１３ パッド電極
１４ フロントコート膜
１５ リアコート膜
１６ ｎ型電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】