(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-21
(45)【発行日】2022-07-29
(54)【発明の名称】窒化物半導体多層膜反射鏡
(51)【国際特許分類】
H01S 5/183 20060101AFI20220722BHJP
H01S 5/323 20060101ALI20220722BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20220722BHJP
【ＦＩ】
H01S5/183
H01S5/323 610
H01L21/205
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2018228857
(22)【出願日】2018-12-06
(65)【公開番号】P2020092175
(43)【公開日】2020-06-11
【審査請求日】2021-07-26
(73)【特許権者】
【識別番号】599002043
【氏名又は名称】学校法人 名城大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000497
【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】竹内 哲也
(72)【発明者】
【氏名】平岩 恵
(72)【発明者】
【氏名】岩山 章
(72)【発明者】
【氏名】岩谷 素顕
(72)【発明者】
【氏名】上山 智
(72)【発明者】
【氏名】赤▲崎▼ 勇
【審査官】村川 雄一
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－０６０４５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１３－５４４４３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１６０７５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１６３９９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００７／１０３４１９（ＷＯ，Ａ２）
【文献】米国特許出願公開第２００８／００５６３２０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１１５２９９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０３１８０９７３（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ５／００－５／５０
Ｈ０１Ｌ３３／００－３３／４６
Ｈ０１Ｌ２１／２０５
Ｈ０１Ｌ２１／３１
Ｈ０１Ｌ２１／３６５
Ｈ０１Ｌ２１／４６９
Ｈ０１Ｌ２１／８６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｉｎの組成が互いに異なる複数のＩｎ含有層と、Ｉｎを含有しない非Ｉｎ含有層と、
を備える窒化物半導体多層膜反射鏡であって、
前記Ｉｎ含有層が１層から３層続けて積層される毎に前記非Ｉｎ含有層が１層積層され、
前記Ｉｎ含有層であるＡｌＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが繰り返して積層され、前記ＡｌＩｎＮ層と前記ＧａＩｎＮ層との間に少なくとも前記非Ｉｎ含有層であるＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層のいずれか一方が１層積層されることを特徴とする窒化物半導体多層膜反射鏡。
【請求項2】
前記ＡｌＩｎＮ層と前記ＧａＩｎＮ層との間に前記ＧａＮ層が積層されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体多層膜反射鏡。
【請求項3】
前記ＧａＮ層の最大の厚みは、
反射中心発光波長λ（ｎｍ）によって決定する式２のa(λ)、式３のb(λ)、及び式４のc(λ)と、
前記ＧａＩｎＮ層におけるＩｎＮのモル分率ｘと、
によって決定する式１のf(ｘ)であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体多層膜反射鏡。
f(ｘ)＝a(λ)×10000ｘ 2 ＋b(λ)×100ｘ＋ｃ(λ) ・・・式１
a(λ)＝2.6×10 -6 ×λ 2 －0.0034×λ＋0.66 ・・・式２
b(λ)＝-3.3×10 -5 ×λ 2 ＋0.051×λ－9.8 ・・・式３
c(λ)＝-6.2×10 -5 ×λ 2 ＋0.1×λ－16 ・・・式４
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は窒化物半導体多層膜反射鏡に関するものである。
【背景技術】
【0002】
窒化物半導体による面発光レーザにおいて、反射鏡として半導体多層膜反射鏡を用いた構造が提案されている。半導体多層膜反射鏡として、ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜、又はＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜が用いられることが非特許文献１、２に開示されている。
しかしながら、ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜を多層膜反射鏡として用いた場合、ＡｌＮとＧａＮとの格子不整合によってクラックが生じるという問題がある。また、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜を多層膜反射鏡として用いた場合、ＡｌＩｎＮとＧａＮとを格子整合させてエピタキシャル成長することができるが、反射中心の発光波長が長波長領域になるほどＡｌＩｎＮとＧａＮとの屈折率の差が小さくなるため、長波長領域で高い反射率の反射膜を得るために必要な多層膜のペア数が多くなり多層膜反射鏡の成長時間が長くなってしまう。
例えば、反射中心の発光波長が４００ｎｍの場合には、ＶＣＳＥＬ用として４０ペア、層厚が３．７ｕｍもの厚みの多層膜反射鏡が必要である。反射中心の発光波長のさらなる長波長化に対しては、反射中心の発光波長の長波長化による層厚の増大と屈折率差の減少とによってペア数が増え、多層膜反射鏡の層厚はさらに厚くなり、結晶成長における負担やコストが増える。こうした問題を解決するため、疑似格子整合させることによって屈折率差をより大きくすることができるＡｌＩｎＮ／ＧａＩｎＮ多層膜を多層膜反射鏡として利用することが考えられる。
しかしながら、ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜を多層膜反射鏡として用いた場合、ＡｌＮとＧａＮとの格子不整合によってクラックが生じるという問題がある。また、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜を多層膜反射鏡として用いた場合、ＡｌＩｎＮとＧａＮとを格子整合させてエピタキシャル成長することができるが、反射中心の発光波長が長波長領域になるほどＡｌＩｎＮとＧａＮとの屈折率の差が小さくなるため、長波長領域で高い反射率の反射膜を得るために必要な多層膜のペア数が多くなり多層膜反射鏡の成長時間が長くなってしまう。
例えば、反射中心の発光波長が４００ｎｍの場合には、ＶＣＳＥＬ用として４０ペア、層厚が３．７ｕｍもの厚みの多層膜反射鏡が必要である。反射中心の発光波長のさらなる長波長化に対しては、反射中心の発光波長の長波長化による層厚の増大と屈折率差の減少とによってペア数が増え、多層膜反射鏡の層厚はさらに厚くなり、結晶成長における負担やコストが増える。こうした問題を解決するため、疑似格子整合させることによって屈折率差をより大きくすることができるＡｌＩｎＮ／ＧａＩｎＮ多層膜を多層膜反射鏡として利用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】Daiji Kasahara，Daisuke Morita，Takao Kosugi，Kyosuke Nakagawa，Jun Kawamata，Yu Higuchi，Hiroaki Matsumura，Takashi Mukai"Demonstration of Blue and Green GaN-Based Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers by Current Injection at Room Temperature"、Applied Physics Express、（米国）、２０１１年、Vol．４、Number７、P.０７２１０３
【文献】Takashi Furuta，Kenjo Matsui，Kosuke Horikawa，Kazuki Ikeyama，Yugo Kozuka，Shotaro Yoshida，Takanobu Akagi，Tetsuya Takeuchi，Satoshi Kamiyama，Motoaki Iwaya，Isamu Akasaki"Room-temperature CW operation of a nitride-based vertical-cavity surface-emitting laser using thick GaInN quantum wells"、Japanese Journal of Applied Physics、（日本）、２０１６年、Vol．５５、No．５Ｓ、P．０５ＦＪ１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
例えば、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜の多層膜反射鏡に代えて、ＡｌＩｎＮの引っ張り歪とＧａＩｎＮの圧縮歪とを相殺させるＡｌＩｎＮとＧａＩｎＮとの疑似格子整合による多層膜反射鏡を利用することによって、２つの材料（ＡｌＩｎＮ、及びＧａＩｎＮ）の屈折率の差を大きくした多層膜反射鏡を作製することができる。
しかしながら、どちらの材料（ＡｌＩｎＮ、及びＧａＩｎＮ）も成長温度が比較的低温（およそ８７０℃）で結晶成長させるために結晶性が低下し易く、結晶性が良好な多層膜反射鏡を得ることが困難であるため、多層膜反射鏡として期待されるほどの反射率が得られないという課題がある。
しかしながら、どちらの材料（ＡｌＩｎＮ、及びＧａＩｎＮ）も成長温度が比較的低温（およそ８７０℃）で結晶成長させるために結晶性が低下し易く、結晶性が良好な多層膜反射鏡を得ることが困難であるため、多層膜反射鏡として期待されるほどの反射率が得られないという課題がある。
【0005】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって長波長領域において良好に機能することができる窒化物半導体多層膜反射鏡を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の窒化物半導体多層膜反射鏡は、
Ｉｎの組成が互いに異なる複数のＩｎ含有層と、
Ｉｎを含有しない非Ｉｎ含有層と、
を備える窒化物半導体多層膜反射鏡であって、
前記Ｉｎ含有層が１層から３層続けて積層される毎に前記非Ｉｎ含有層が１層積層され、
前記Ｉｎ含有層であるＡｌＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが繰り返して積層され、前記ＡｌＩｎＮ層と前記ＧａＩｎＮ層との間に少なくとも前記非Ｉｎ含有層であるＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層のいずれか一方が１層積層されることを特徴とする。
Ｉｎの組成が互いに異なる複数のＩｎ含有層と、
Ｉｎを含有しない非Ｉｎ含有層と、
を備える窒化物半導体多層膜反射鏡であって、
前記Ｉｎ含有層が１層から３層続けて積層される毎に前記非Ｉｎ含有層が１層積層され、
前記Ｉｎ含有層であるＡｌＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが繰り返して積層され、前記ＡｌＩｎＮ層と前記ＧａＩｎＮ層との間に少なくとも前記非Ｉｎ含有層であるＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層のいずれか一方が１層積層されることを特徴とする。
【0007】
この窒化物半導体多層膜反射鏡は、複数のＩｎ含有層を積層することによって低下した結晶性を非Ｉｎ含有層を積層することによって回復させると共に、高い反射率を実現することができる。また、ＡｌＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層を用いることによって、効率よく光を反射させることができ、Ｉｎを含有しないＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層を積層することによって、ＡｌＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層を積層したことによって低下した結晶性を回復させることができる。
【0008】
したがって、本発明の窒化物半導体多層膜反射鏡は長波長領域において良好に機能することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施例１の窒化物半導体多層膜反射鏡の構造を示す模式図である。
【図2】ＧａＩｎＮ層、ＡｌＩｎＮ層の順に２層続けて積層される毎にＧａＮ層を１層積層して結晶成長した他の実施例の窒化物半導多層膜反射鏡の構造を示す模式図である。
【図3】ＡｌＩｎＮ層、ＧａＩｎＮ層の順に２層続けて積層される毎にＧａＮ層を１層積層して結晶成長した他の実施例の窒化物半導多層膜反射鏡の構造を示す模式図である。
【図4】ＧａＩｎＮ層、ＡｌＩｎＮ層の順に繰り返して積層して結晶成長した多層膜において、ＧａＩｎＮ層、及びＡｌＩｎＮ層が３層続けて積層される毎にＧａＮ層を１層積層して結晶成長した他の実施例の窒化物半導多層膜反射鏡の構造を示す模式図である。
【図5】ＧａＩｎＮ層のＩｎＮのモル分率に対する、複数の互いに異なる反射中心発光波長におけるＧａＮ層の厚みの挿入限度量を示すグラフである。
【図6】ＧａＩｎＮ層、ＡｌＩｎＮ層の順に１層積層される毎にＡｌＧａＮ層を１層積層して結晶成長した他の実施例の窒化物半導多層膜反射鏡の構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
【0012】
本発明の窒化物半導体多層膜反射鏡は、ＡｌＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層との間にＧａＮ層が積層され得る。この場合、ＧａＮ層は窒化物半導体多層膜反射鏡の材料を用いることができるため、作製の工程を簡単にすることができる。
【0013】
本発明の窒化物半導体多層膜反射鏡のＧａＮ層の最大の厚みは、反射中心発光波長λ（ｎｍ）によって決定する式２のa(λ)、式３のb(λ)、及び式４のc(λ)と、ＧａＩｎＮ層におけるＩｎＮのモル分率ｘとによって決定する式１のf(ｘ)であり得る。
f(ｘ)＝a(λ)×10000ｘ2＋b(λ)×100ｘ＋ｃ(λ) ・・・式１
a(λ)＝2.6×10-6×λ2－0.0034×λ＋0.66 ・・・式２
b(λ)＝-3.3×10-5×λ2＋0.051×λ－9.8 ・・・式３
c(λ)＝-6.2×10-5×λ2＋0.1×λ－16 ・・・式４
この場合、これら数式を用いることによって、反射中心発光波長λ（ｎｍ）とＧａＩｎＮ層におけるＩｎＮのモル分率ｘとを決定するのみで、積層するＧａＮ層の最大の厚みを計算することができる。
f(ｘ)＝a(λ)×10000ｘ2＋b(λ)×100ｘ＋ｃ(λ) ・・・式１
a(λ)＝2.6×10-6×λ2－0.0034×λ＋0.66 ・・・式２
b(λ)＝-3.3×10-5×λ2＋0.051×λ－9.8 ・・・式３
c(λ)＝-6.2×10-5×λ2＋0.1×λ－16 ・・・式４
この場合、これら数式を用いることによって、反射中心発光波長λ（ｎｍ）とＧａＩｎＮ層におけるＩｎＮのモル分率ｘとを決定するのみで、積層するＧａＮ層の最大の厚みを計算することができる。
【0014】
次に、本発明の窒化物半導体多層膜反射鏡を具体化した実施例１について、図面を参照しつつ説明する。
【0015】
＜実施例１＞
今回、発明者が鋭意検討した結果、窒化物半導体多層膜反射鏡において、結晶性の改善を図るために、ＡｌＩｎＮ層、及びＧａＩｎＮ層に加えて第三の層であるＧａＮ層を新たに用いた。具体的には、窒化物半導体多層膜反射鏡においてＧａＮ層を配置する位置とＧａＮ層の厚さとを適切にすることによって、窒化物半導体多層膜反射鏡における高結晶性と高反射率を両立させることができることを見出した。本発明の窒化物半導体多層膜反射鏡は、例えば、ＶＣＳＥＬの活性層から発光した光を反射させてレーザ光を得る場合等に用いられる。
今回、発明者が鋭意検討した結果、窒化物半導体多層膜反射鏡において、結晶性の改善を図るために、ＡｌＩｎＮ層、及びＧａＩｎＮ層に加えて第三の層であるＧａＮ層を新たに用いた。具体的には、窒化物半導体多層膜反射鏡においてＧａＮ層を配置する位置とＧａＮ層の厚さとを適切にすることによって、窒化物半導体多層膜反射鏡における高結晶性と高反射率を両立させることができることを見出した。本発明の窒化物半導体多層膜反射鏡は、例えば、ＶＣＳＥＬの活性層から発光した光を反射させてレーザ光を得る場合等に用いられる。
【0016】
実施例１の窒化物半導体多層膜反射鏡１は、図１に示すように、Ｉｎ含有層であるＧａＩｎＮ層１１、Ｉｎを含有しない非Ｉｎ含有層であるＧａＮ層１２、及びＩｎ含有層であるＡｌＩｎＮ層１３を備えている。ＧａＩｎＮ層１１は、ＩｎＮのモル分率が０．０４であり、ＧａＮのモル分率が０．９６である。ＡｌＩｎＮ層１３は、ＩｎＮのモル分率が０．１４４であり、ＡｌＮのモル分率が０．８５６である。ＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３とはＩｎの組成が互いに異なっている。窒化物半導体多層膜反射鏡１は、例えば、ＧａＮ等で形成された基板（図示せず）の表面にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）等を用いることによって積層して結晶成長する。窒化物半導体多層膜反射鏡１はＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３とが繰り返して積層され、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３が１層積層される毎にＧａＮ層１２が１層積層される。
【0017】
ＧａＩｎＮ層１１は、窒化物半導体多層膜反射鏡１を形成する際に最初に結晶成長される。ＧａＩｎＮ層１１を結晶成長する際の基板の温度はおよそ８７０℃である。
ＧａＮ層１２は、ＧａＩｎＮ層１１の表面（表裏は図１における上側下側である）に積層して結晶成長する。ＧａＮ層１２を結晶成長する際の基板の温度はおよそ１１００℃である。ＧａＮ層１２はＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３との間に１層積層されている。
ＡｌＩｎＮ層１３は、ＧａＮ層１２の表面に積層して結晶成長する。ＡｌＩｎＮ層１３を結晶成長する際の基板の温度はおよそ８７０℃である。ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３を結晶成長する際の基板の温度（８７０℃）はＧａＮ層１２を結晶成長する際の基板の温度より低い。このため、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３はＧａＮ層１２に比べて良好な結晶性を維持して結晶成長させることが難しい。
ＧａＮ層１２は、ＧａＩｎＮ層１１の表面（表裏は図１における上側下側である）に積層して結晶成長する。ＧａＮ層１２を結晶成長する際の基板の温度はおよそ１１００℃である。ＧａＮ層１２はＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３との間に１層積層されている。
ＡｌＩｎＮ層１３は、ＧａＮ層１２の表面に積層して結晶成長する。ＡｌＩｎＮ層１３を結晶成長する際の基板の温度はおよそ８７０℃である。ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３を結晶成長する際の基板の温度（８７０℃）はＧａＮ層１２を結晶成長する際の基板の温度より低い。このため、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３はＧａＮ層１２に比べて良好な結晶性を維持して結晶成長させることが難しい。
【0018】
ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３は、交互に積層して結晶成長すると、ＧａＩｎＮ層１１の圧縮歪とＡｌＩｎＮ層１３の引っ張り歪とが相殺され、疑似格子整合して結晶成長することができる。
多層膜反射鏡は、２つの材料を積層したペアを複数繰り返して積層して構成され、２つの材料を積層したペアの厚みを、反射中心の発光波長λ（以降、反射中心発光波長λともいう）における光学波長の２分の１に相当する厚みにし、１つの材料の厚みを、反射中心発光波長λにおける光学波長の４分の１に相当する厚みにすることが一般的である。ここで、光学波長とは反射中心発光波長λを各層の固有の屈折率で除した値である。各層の固有の屈折率が互いに異なれば、各層における光学波長も互いに異なる。
ＧａＮ層１２は、２つの材料（ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３）を積層して結晶成長して多層膜反射鏡とした場合における２つの材料の界面を含む位置に挿入される。但し、ＧａＮ層１２の挿入位置は、これに限定されるものではなく、２つの材料（ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３）の界面の位置に対して、ＡｌＩｎＮ層１３側に片寄っても良く、ＧａＩｎＮ層１１側に片寄っても良い。ＧａＮ層１２がＡｌＩｎＮ層１３側に片寄る場合には、結晶性が向上するが反射率が若干低下する傾向となる。また、ＧａＮ層１２がＧａＩｎＮ層１１側に片寄る場合には、反射率は維持されるが結晶性の低下につながる。
多層膜反射鏡は、２つの材料を積層したペアを複数繰り返して積層して構成され、２つの材料を積層したペアの厚みを、反射中心の発光波長λ（以降、反射中心発光波長λともいう）における光学波長の２分の１に相当する厚みにし、１つの材料の厚みを、反射中心発光波長λにおける光学波長の４分の１に相当する厚みにすることが一般的である。ここで、光学波長とは反射中心発光波長λを各層の固有の屈折率で除した値である。各層の固有の屈折率が互いに異なれば、各層における光学波長も互いに異なる。
ＧａＮ層１２は、２つの材料（ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３）を積層して結晶成長して多層膜反射鏡とした場合における２つの材料の界面を含む位置に挿入される。但し、ＧａＮ層１２の挿入位置は、これに限定されるものではなく、２つの材料（ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３）の界面の位置に対して、ＡｌＩｎＮ層１３側に片寄っても良く、ＧａＩｎＮ層１１側に片寄っても良い。ＧａＮ層１２がＡｌＩｎＮ層１３側に片寄る場合には、結晶性が向上するが反射率が若干低下する傾向となる。また、ＧａＮ層１２がＧａＩｎＮ層１１側に片寄る場合には、反射率は維持されるが結晶性の低下につながる。
【0019】
窒化物半導体多層膜反射鏡１は、ＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３とが疑似格子整合し、ＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３との間にＧａＮ層１２を挿入している。
ＧａＮ層１２を結晶成長させる際の基板の温度は、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３を結晶成長させる際の基板の温度よりも高い。このため、窒化物半導体多層膜反射鏡１は、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３を結晶成長したことによって低下した結晶性（表面の平滑さ）を、ＧａＮ層１２を積層して結晶成長させることによって改善（表面を平滑に）することができる。これにより、窒化物半導体多層膜反射鏡１の表面に共振器等を積層して結晶成長させる場合、窒化物半導体多層膜反射鏡１の結晶性が共振器等に及ぼす影響を抑えることができる。
しかし、ＧａＮ層１２の厚みを厚くし過ぎると、窒化物半導体多層膜反射鏡１の実行的な屈折率が低下するため、これにより、必要な反射率を得るためにＧａＩｎＮ層１１、ＧａＮ層１２、及びＡｌＩｎＮ層１３からなる組の数を増やすことになってしまう。
そこで、シミュレーションを行った結果、反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおいて、窒化物半導体多層膜反射鏡１が従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡と同じペア数で従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡よりも高い反射率を実現することができるＧａＮ層１２の最大の厚みは４７．１ｎｍであることがわかった。
ＧａＮ層１２を結晶成長させる際の基板の温度は、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３を結晶成長させる際の基板の温度よりも高い。このため、窒化物半導体多層膜反射鏡１は、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３を結晶成長したことによって低下した結晶性（表面の平滑さ）を、ＧａＮ層１２を積層して結晶成長させることによって改善（表面を平滑に）することができる。これにより、窒化物半導体多層膜反射鏡１の表面に共振器等を積層して結晶成長させる場合、窒化物半導体多層膜反射鏡１の結晶性が共振器等に及ぼす影響を抑えることができる。
しかし、ＧａＮ層１２の厚みを厚くし過ぎると、窒化物半導体多層膜反射鏡１の実行的な屈折率が低下するため、これにより、必要な反射率を得るためにＧａＩｎＮ層１１、ＧａＮ層１２、及びＡｌＩｎＮ層１３からなる組の数を増やすことになってしまう。
そこで、シミュレーションを行った結果、反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおいて、窒化物半導体多層膜反射鏡１が従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡と同じペア数で従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡よりも高い反射率を実現することができるＧａＮ層１２の最大の厚みは４７．１ｎｍであることがわかった。
【0020】
なお、窒化物半導体多層膜反射鏡１において、ＧａＮ層１２を積層して結晶成長させる場合、ＧａＮ層１２、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３の厚みの合計を反射中心発光波長λにおける光学波長の２分の１に相当する厚みにしなければならない。
具体的には、ＧａＮ層１２での４７．１ｎｍの厚みは反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の０．１９０倍に相当する厚みである。したがって、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３のそれぞれの厚みは、反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の０．１５５倍に相当する厚みにする必要がある。
反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおけるＡｌＩｎＮの屈折率は２．１５１であり、ＧａＩｎＮの屈折率は２．３５６である。これにより、反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の０．１５５倍に相当するＡｌＩｎＮ層１３の厚みは４１．８ｎｍとなり、ＧａＩｎＮ層１１の厚みは３８．２ｎｍとなることがわかる。
こうして、ＧａＩｎＮ層１１、ＧａＮ層１２、及びＡｌＩｎＮ層１３の厚みの合計を反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の２分の１に相当する厚みにすることができ、窒化物半導体多層膜反射鏡１は、ＧａＮ層１２の厚みを４７．１ｎｍ（反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の０．１９０倍に相当する厚み）とすることで、従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡と同じペア数で、従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡より高い反射率を実現することができる。
具体的には、ＧａＮ層１２での４７．１ｎｍの厚みは反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の０．１９０倍に相当する厚みである。したがって、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３のそれぞれの厚みは、反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の０．１５５倍に相当する厚みにする必要がある。
反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおけるＡｌＩｎＮの屈折率は２．１５１であり、ＧａＩｎＮの屈折率は２．３５６である。これにより、反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の０．１５５倍に相当するＡｌＩｎＮ層１３の厚みは４１．８ｎｍとなり、ＧａＩｎＮ層１１の厚みは３８．２ｎｍとなることがわかる。
こうして、ＧａＩｎＮ層１１、ＧａＮ層１２、及びＡｌＩｎＮ層１３の厚みの合計を反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の２分の１に相当する厚みにすることができ、窒化物半導体多層膜反射鏡１は、ＧａＮ層１２の厚みを４７．１ｎｍ（反射中心発光波長λが５８０ｎｍにおける光学波長の０．１９０倍に相当する厚み）とすることで、従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡と同じペア数で、従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡より高い反射率を実現することができる。
【0021】
次に、疑似格子整合するＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３との間にＧａＮ層１２を挿入した窒化物半導体多層膜反射鏡１において、種々の反射中心発光波長λにおいて、従来のＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡に比べてペア数の増大を抑えつつ結晶性を改善することができるＧａＮ層１２の厚みの挿入限度量をシミュレーションによって求めた結果を表１に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
表１におけるＩｎＮのモル分率は、ＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率である。そして、ＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３との累積歪がゼロとなる条件（すなわち、交互に積層して疑似格子整合することができるＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率、及びＡｌＩｎＮ層１３におけるＩｎＮのモル分率の組み合わせ）を表２に示す。
【0024】
【表2】
【0025】
表２に示す値は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのａ軸方向におけるそれぞれの格子定数を３．１１２Å、３．１８９Å、３．５４８Åとして求めたものである。表２に示すように、ＧａＩｎＮ層１１とＡｌＩｎＮ層１３との累積歪がゼロとなる条件は、ＧａＩｎＮ層１１のＩｎＮのモル分率が大きくなるに従い、ＡｌＩｎＮ層１３のＩｎＮのモル分率が小さくなる。
【0026】
図５に、ＧａＩｎＮ層１１のＩｎＮのモル分率ｘに対する、複数の互いに異なる反射中心発光波長λにおけるＧａＮ層１２の厚みの挿入限度量のグラフを示す。
図５に示すように、いずれの反射中心発光波長λにおいても、ＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率が大きくなるにしたがってＧａＮ層１２の厚みの挿入限度量が大きくなる。
図５に示すように、いずれの反射中心発光波長λにおいても、ＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率が大きくなるにしたがってＧａＮ層１２の厚みの挿入限度量が大きくなる。
【0027】
図５における結果を二次関数でフィッティングして得られた数式を以下に示す。
f(ｘ)＝a(λ)×10000ｘ2＋b(λ)×100ｘ＋ｃ(λ) ・・・式１
a(λ)＝2.6×10-6×λ2－0.0034×λ＋0.66 ・・・式２
b(λ)＝-3.3×10-5×λ2＋0.051×λ－9.8 ・・・式３
c(λ)＝-6.2×10-5×λ2＋0.1×λ－16 ・・・式４
f(ｘ)は、反射中心発光波長λ（設計波長）［ｎｍ］、ＧａＩｎＮ層１１のＩｎＮのモル分率がｘのときの、反射中心発光波長λの１周期中における最大のＧａＮ層１２の厚み［ｎｍ］である。
ｘは、ＧａＩｎＮ層１１のＩｎＮのモル分率（０．０１≦ｘ≦０．１）である。
λは、反射中心発光波長（設計波長）［ｎｍ］（４００≦λ≦６５０）である。
これにより、ＧａＮ層１２の最大の厚みf(ｘ)は、反射中心発光波長λ（ｎｍ）によって決定する式２のa(λ)、式３のb(λ)、及び式４のc(λ)と、ＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率ｘとによって決定する。つまり、式１から式４によって、反射中心発光波長λ（設計波長）［ｎｍ］、及びＧａＩｎＮ層１１のＩｎＮのモル分率ｘを決定することによって、挿入することができる最大のＧａＮ層１２の厚みf(ｘ)［ｎｍ］を計算することができる。
f(ｘ)＝a(λ)×10000ｘ2＋b(λ)×100ｘ＋ｃ(λ) ・・・式１
a(λ)＝2.6×10-6×λ2－0.0034×λ＋0.66 ・・・式２
b(λ)＝-3.3×10-5×λ2＋0.051×λ－9.8 ・・・式３
c(λ)＝-6.2×10-5×λ2＋0.1×λ－16 ・・・式４
f(ｘ)は、反射中心発光波長λ（設計波長）［ｎｍ］、ＧａＩｎＮ層１１のＩｎＮのモル分率がｘのときの、反射中心発光波長λの１周期中における最大のＧａＮ層１２の厚み［ｎｍ］である。
ｘは、ＧａＩｎＮ層１１のＩｎＮのモル分率（０．０１≦ｘ≦０．１）である。
λは、反射中心発光波長（設計波長）［ｎｍ］（４００≦λ≦６５０）である。
これにより、ＧａＮ層１２の最大の厚みf(ｘ)は、反射中心発光波長λ（ｎｍ）によって決定する式２のa(λ)、式３のb(λ)、及び式４のc(λ)と、ＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率ｘとによって決定する。つまり、式１から式４によって、反射中心発光波長λ（設計波長）［ｎｍ］、及びＧａＩｎＮ層１１のＩｎＮのモル分率ｘを決定することによって、挿入することができる最大のＧａＮ層１２の厚みf(ｘ)［ｎｍ］を計算することができる。
【0028】
このように、窒化物半導体多層膜反射鏡１は、複数のＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３を積層したことによって低下した結晶性をＧａＮ層１２を積層することによって回復させると共に、高い反射率を実現することができる。
【0029】
したがって、本発明の窒化物半導体多層膜反射鏡１は長波長領域において良好に機能することができる。
【0030】
窒化物半導体多層膜反射鏡１は、Ｉｎ含有層であるＡｌＩｎＮ層１３とＧａＩｎＮ層１１とが繰り返して積層され、ＡｌＩｎＮ層１３とＧａＩｎＮ層１１との間に非Ｉｎ含有層であるＧａＮ層１２が１層積層される。このため、ＡｌＩｎＮ層１３及びＧａＩｎＮ層１１を用いることによって、効率よく光を反射させることができ、Ｉｎを含有しないＧａＮ層１２を積層することによって、ＡｌＩｎＮ層１３及びＧａＩｎＮ層１１を積層したことによって低下した結晶性を回復させることができる。
【0031】
窒化物半導体多層膜反射鏡１は、ＡｌＩｎＮ層１３とＧａＩｎＮ層１１との間にＧａＮ層１２が積層される。このため、ＧａＮ層１２は窒化物半導体多層膜反射鏡１の材料を用いることができるため、作製の工程を簡単にすることができる。
【0032】
窒化物半導体多層膜反射鏡１のＧａＮ層１２の最大の厚みは、反射中心発光波長λ（ｎｍ）によって決定する式２のa(λ)、式３のb(λ)、及び式４のc(λ)と、ＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率ｘとによって決定する式１のf(ｘ)である。
f(ｘ)＝a(λ)×10000ｘ2＋b(λ)×100ｘ＋ｃ(λ) ・・・式１
a(λ)＝2.6×10-6×λ2－0.0034×λ＋0.66 ・・・式２
b(λ)＝-3.3×10-5×λ2＋0.051×λ－9.8 ・・・式３
c(λ)＝-6.2×10-5×λ2＋0.1×λ－16 ・・・式４
このため、これら数式を用いることによって、反射中心発光波長λ（ｎｍ）とＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率ｘとを決定するのみで、積層するＧａＮ層１２の最大の厚みを計算することができる。
f(ｘ)＝a(λ)×10000ｘ2＋b(λ)×100ｘ＋ｃ(λ) ・・・式１
a(λ)＝2.6×10-6×λ2－0.0034×λ＋0.66 ・・・式２
b(λ)＝-3.3×10-5×λ2＋0.051×λ－9.8 ・・・式３
c(λ)＝-6.2×10-5×λ2＋0.1×λ－16 ・・・式４
このため、これら数式を用いることによって、反射中心発光波長λ（ｎｍ）とＧａＩｎＮ層１１におけるＩｎＮのモル分率ｘとを決定するのみで、積層するＧａＮ層１２の最大の厚みを計算することができる。
【0033】
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１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では、窒化物半導体多層膜反射鏡におけるＧａＮ層を両方の界面に配置（すなわち、ＧａＩｎＮ層、及びＡｌＩｎＮ層が１層積層される毎にＧａＮ層を１層積層）しているが、図２、３に示すように、ＧａＮ層１１２、２１２を片方の界面のみに配置（すなわち、ＧａＩｎＮ層１１１、及びＡｌＩｎＮ層１１３が２層続けて積層される毎にＧａＮ層１１２を１層積層したり、ＧａＩｎＮ層２１１、及びＡｌＩｎＮ層２１３が２層続けて積層される毎にＧａＮ層２１２を１層積層したり）しても良く、図４に示すように、ＧａＩｎＮ層３１１、及びＡｌＩｎＮ層３１３が３層続けて積層される毎にＧａＮ層３１２を１層積層しても良い。
（２）実施例１では、ＧａＩｎＮ層、及びＡｌＩｎＮ層の間にＧａＮ層を挿入しているが、図６に示すように、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３の間にＩｎを含有しない非Ｉｎ含有層であるＡｌＧａＮ層１４を挿入してもよい。つまり、ＡｌＩｎＮ層１３とＧａＩｎＮ層１１とが繰り返して積層され、ＡｌＩｎＮ層１３とＧａＩｎＮ層１１との間に非Ｉｎ含有層であるＡｌＧａＮ層１４が１層積層される。
（１）実施例１では、窒化物半導体多層膜反射鏡におけるＧａＮ層を両方の界面に配置（すなわち、ＧａＩｎＮ層、及びＡｌＩｎＮ層が１層積層される毎にＧａＮ層を１層積層）しているが、図２、３に示すように、ＧａＮ層１１２、２１２を片方の界面のみに配置（すなわち、ＧａＩｎＮ層１１１、及びＡｌＩｎＮ層１１３が２層続けて積層される毎にＧａＮ層１１２を１層積層したり、ＧａＩｎＮ層２１１、及びＡｌＩｎＮ層２１３が２層続けて積層される毎にＧａＮ層２１２を１層積層したり）しても良く、図４に示すように、ＧａＩｎＮ層３１１、及びＡｌＩｎＮ層３１３が３層続けて積層される毎にＧａＮ層３１２を１層積層しても良い。
（２）実施例１では、ＧａＩｎＮ層、及びＡｌＩｎＮ層の間にＧａＮ層を挿入しているが、図６に示すように、ＧａＩｎＮ層１１、及びＡｌＩｎＮ層１３の間にＩｎを含有しない非Ｉｎ含有層であるＡｌＧａＮ層１４を挿入してもよい。つまり、ＡｌＩｎＮ層１３とＧａＩｎＮ層１１とが繰り返して積層され、ＡｌＩｎＮ層１３とＧａＩｎＮ層１１との間に非Ｉｎ含有層であるＡｌＧａＮ層１４が１層積層される。
【0034】
１１，１１１，２１１，３１１…ＧａＩｎＮ層（Ｉｎ含有層）
１２，１１２，２１２，３１２…ＧａＮ層（非Ｉｎ含有層）
１３，１１３，２１３，３１３…ＡｌＩｎＮ層（Ｉｎ含有層）
１４…ＡｌＧａＮ層（非Ｉｎ含有層）
１２，１１２，２１２，３１２…ＧａＮ層（非Ｉｎ含有層）
１３，１１３，２１３，３１３…ＡｌＩｎＮ層（Ｉｎ含有層）
１４…ＡｌＧａＮ層（非Ｉｎ含有層）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】