半導体発光素子、光ピックアップ装置、光源装置および半導体発光素子の製造方法
【課題】発光効率を高めることができる半導体発光素子、光ピックアップ装置、光源装置および半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、ウルツ鉱型結晶構造の無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層１と、下地層１の当該無極性面である成長面１Ａ上に形成されており、当該無極性面１Ａにおける下地層１の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層２とを含み、量子細線活性層２は、前記有極性面の法線方向（ｃ軸方向）に伸長するように形成されている。
【解決手段】半導体発光素子は、ウルツ鉱型結晶構造の無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層１と、下地層１の当該無極性面である成長面１Ａ上に形成されており、当該無極性面１Ａにおける下地層１の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層２とを含み、量子細線活性層２は、前記有極性面の法線方向（ｃ軸方向）に伸長するように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、光ピックアップ装置、光源装置および半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
青紫色〜緑色の光を発する発光ダイオード、レーザダイオード等の半導体発光素子として、窒化物半導体発光素子がある。
窒化物半導体発光素子は、たとえば、サファイア基板のｃ面（０００１）面上にＧａＮ低温バッファ層、ｎ−ＧａＮコンタクト層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ−ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ量子井戸層が順に積層し、更に発光層上には、ｐ−ＡｌＧａＮ層、ｐ−ＧａＮコンタクト層等が順に積層した構造を有する。
【０００３】
サファイア基板のｃ面に積層されたＧａＮ系半導体層は、成長面が、極性面であるｃ面のウルツ鉱型の結晶構造となる。図１２はウルツ鉱型結晶の面方位を表す模式図である。
ｃ面を成長面としてＩｎＧａＮ量子井戸層を形成した場合、次に述べる理由により、発光効率の低下が起きることが知られている。
すなわち、ＧａＮの格子定数を持つ層上に、ＩｎＧａＮ量子井戸層を成長すると、ＩｎＧａＮ量子井戸層には格子不整合による歪が発生する。この歪により、ピエゾ分極が起こる。そして、成長面であるｃ面に対して垂直なｃ軸方向<０００１>方向、すなわち層厚方向に内部電界が発生する。この層厚方向の内部電界の発生により、キャリアはｃ軸方向にドリフト移動する。負の電荷を有する電子と、正の電荷を有する正孔は、それぞれ反対の方向にドリフト移動することになる。
その結果、電子と正孔がＩｎＧａＮ量子井戸層の層厚方向に分離する。そのため、電子と正孔の再結合確率が低下し、発光効率が低下するのである。
【０００４】
この問題の解決手段の一つとして、成長面としてｃ面とは異なる結晶面を利用する手段が挙げられる。たとえば、図１２中に示すａ面である（１１−２０）面及びｍ面である（１−１００）面のような無極性面を成長面として利用する手段が挙げられる。
無極性面を成長面として利用した場合、活性層において格子不整合による歪が発生したとしても、ピエゾ分極は層厚方向であるａ軸方向<１１−２０>方向及びｍ軸方向<１−１００>方向に発生しない。すなわち、無極性面上に形成したＩｎＧａＮ量子井戸層には、層厚方向の内部電界が発生しない。そのため、無極性面を成長面として利用すると、極性面であるｃ面を成長面とした場合と比較して、発光効率が向上すると考えられる。このように無極性面を成長面として利用した例が、たとえば、特許文献１に記載されている。
【０００５】
また、発光効率向上の他の手段としては、量子細線活性層を用いる手段が挙げられる（特許文献２参照）。量子細線活性層を用いることにより、電子の自由度が低下する。すなわち、２次元的な広がりを持つ量子井戸活性層よりも、１次元的な広がりしか持てない量子細線活性層の方が、電子の自由度が低い。これを量子サイズ効果という。この量子サイズ効果により、電子が取りうるエネルギー状態が限定されることになり、注入されたキャリアが効率良く発光に寄与する。すなわち、発光効率が向上する。量子細線活性層の形成方法としては、たとえば、非特許文献１に記載のように、オフアングル基板上のステップ端成長を利用する方法がある。
【０００６】
しかしながら、窒化物半導体発光素子に求められる発光効率は年々高くなっている。近年は、上述した２つの解決手段それぞれを用いた構造の発光効率よりも高い発光効率が求められるようになっている。
そこで、上述した２つの解決手段を組み合わせた構造が、たとえば特許文献３に記載されている。すなわち、無極性面上に量子細線活性層を形成した構造が記載されている。図１３は、特許文献３に記載された半導体発光素子の構成を示す。この半導体発光素子は、サファイア基板１１のａ面上に、バッファ層１２、ｎコンタクト層１３、ｎクラッド層１４、ｎガイド層１５、発光層１６、ｐガイド層１７、ｐクラッド層１８及びｐコンタクト層１９を積層し、さらに、電極２２Ｐ、電極２２Ｎを設けたものである。
発光層１６は、バリア層内に量子細線活性層が埋め込まれた構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５７７６６号公報
【特許文献２】特開平１０−１０７３２０号公報
【特許文献３】特開平１０−１７３２８４号公報
【特許文献４】特開平２−２２９４７６号公報
【特許文献５】特開平６−２６８２５７号公報
【特許文献６】特開平８−９７４７１号公報
【特許文献７】特開２００３−７８２１５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. Hara, J. Ishizaki, J. Motohisa, T. Fukui, and H. Hasegawa, "Formation and photoluminescence characterization of quantum well wires using multiatomic steps grown by metalorganic vapor phase epitaxy", Journal of Crystal Growth, Vol. 145, pp. 692-697(1994).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、本発明者らが鋭意検討を行った結果、特許文献３に記載のように、無極性面上に量子細線活性層を形成した構造であっても、十分な発光効率が得られない場合があることが分かった。
無極性面上に量子細線活性層を形成した構造であっても、十分な発光効率が得られない理由は次のようであると推測される。
無極性面上に形成した活性層には、歪による層厚方向の内部電界は発生しない。しかし、ｃ軸方向の内部電界が発生すると考えられる。無極性面におけるｃ軸方向は、成長方向に対して垂直な方向、つまり層内方向にあたる。このｃ軸方向の内部電界のため、活性層内のキャリアはｃ軸方向にドリフト移動する。負の電荷を有する電子と、正の電荷を有する正孔は、それぞれ反対の方向にドリフト移動することになる。
たとえば、ＧａＮの格子定数を有する基板上に、ＩｎＧａＮ活性層を形成した場合、ＩｎＧａＮ活性層には圧縮歪がかかり、分極による内部電界が＋ｃ方向に発生する。このため、活性層に注入された電子は−ｃ方向へ、正孔は＋ｃ方向へドリフト移動する。
ここで、量子細線活性層がｃ軸方向に直交して延在する場合には、量子細線活性層に量子準位が形成される。そのため、量子細線活性層に注入されたキャリア（電子および正孔）は発光に寄与する前に量子準位に捕われることとなる。これにより、量子細線活性層の幅方向にキャリア分布の分離（電子と正孔との分離）が発生する。そのため、電子と正孔の再結合確率が低下し、発光効率が低下するのだと考えられる。
すなわち、特許文献３に記載の構造のように、量子細線活性層の方向性を何ら考慮せずに作成した場合、たとえば、量子細線活性層がｃ軸に直交に形成された場合には、量子細線活性層の幅方向にキャリア分布の分離が起こると考えられる。また、量子細線活性層がｃ軸と完全に直交していない場合でも、量子細線活性層に量子準位が形成されることがある。従って、ｃ軸と直交している場合と同様に、量子細線活性層の幅方向にキャリア分布の分離が起こると考えられる。そのため、電子と正孔の再結合確率が低下し、高い発光効率が得られないと考えられる。
【００１０】
本発明は、高い発光効率を有する半導体発光素子、光ピックアップ装置、光源装置および半導体発光素子の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層と、前記下地層の当該無極性面上に形成されており、当該無極性面における前記下地層の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層とを含み、前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成されている、半導体発光素子が提供される。
また、本発明によれば、上述した半導体発光素子を備えた光ピックアップ装置、さらには、上述した半導体発光素子を備えた光源装置が提供できる。
さらに、本発明によれば、ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層を配置する工程と、前記下地層の当該無極性面上に、当該無極性面における前記下地層の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層を形成する工程と、を含み、前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成されている、半導体発光素子の製造方法も提供できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い発光効率を有する半導体発光素子、光ピックアップ装置、光源装置および半導体発光素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の基本構成を示す図である。
【図２】第一実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図３】第一実施形態の基板の拡大図である。
【図４】第一実施形態の半導体発光素子の製造工程の一部を示す図である。
【図５】光ピックアップ装置を示す模式図である。
【図６】第二実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図７】第一実施形態の半導体発光素子の要部を示す図である。
【図８】第三実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図９】光源装置を示す模式図である。
【図１０】第四実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図１１】第五実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図１２】ウルツ鉱型結晶の面方位を表す模式図である。
【図１３】特許文献３に関連する半導体発光素子の断面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。
【００１５】
（基本構成）
図１は、本発明に係る半導体発光素子の断面構造を概略的に示す図である。図１に示されるように、半導体発光素子は、ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層１と、下地層１の当該無極性面である成長面１Ａ上に形成されており、当該無極性面１Ａにおける下地層１の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層２とを含む。そして、量子細線活性層２は、有極性面の法線方向（ｃ軸方向、<０００１>方向）に伸長するように形成されている。
ここで、量子細線活性層２が下地層１の有極性面の法線方向に伸長するとは、有極性面の法線方向と平行である場合のみならず、量子細線活性層２内に量子準位が形成され、下地基板の有極性面の法線方向にキャリアの分離が生じない程度に、量子細線活性層２の延在方向が有極性面の法線方向に対して傾斜している場合も含む。
具体的には、下地層１は、ウルツ鉱型結晶構造の窒化物半導体、たとえば、ＧａＮ基板等からなり、無極性面であるｍ面である｛１−１００｝面またはａ面である｛１１−２０｝面を成長面１Ａとしている。
量子細線活性層２は、下地層１の成長面１Ａに、下地層１のｃ軸方向、すなわち、<０００１>方向に延在し、このｃ軸に平行となるように形成されている。そして、量子細線活性層２の下地層１のｃ軸に沿った長さ寸法は、５０ｎｍ以上である。また、量子細線活性層２の下地層１のｃ軸に沿った長さの上限値は、特に限定されないが、デバイスの構成上２ｍｍ以下であることが好ましい。
このような半導体光素子は、以下のように製造される。
ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面１Ａと当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層１を配置する工程と、下地層１の当該無極性面１Ａ上に、当該無極性面における下地層１の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層２を形成する工程とを含む。量子細線活性層２は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成される。
【００１６】
成長面１Ａを無極性面にすることにより、活性層の層厚方向の内部電界が抑制される。また、活性層を量子細線活性層２とすることによって量子サイズ効果が得られる。
さらに、量子細線活性層２を、有極性面の法線方向（ｃ軸方向）に延長するように形成することで、量子細線活性層２内に量子準位が形成されてしまうことが抑制される。
特に、量子細線活性層２を下地層１のｃ軸方向に５０ｎｍ以上の長さを有するものとすることで、量子細線活性層２内に量子準位が形成されてしまうことを確実に防止できる。そのため、量子細線活性層２に注入されたキャリアは、層内方向に発生した内部電界によってドリフト移動している間に発光に寄与することができ、下地層１のｃ軸方向のキャリア分布の分離を抑制できる。
すなわち、本発明の構造により、層厚方向の内部電界の抑制と、量子サイズ効果の発生と共に、量子細線活性層２内のキャリア分布の分離をも抑制できるため、高い発光効率が得られる。
【００１７】
（第一実施形態）
本発明の半導体発光素子の一例として、レーザダイオードを挙げて説明する。
図２は、本実施形態におけるレーザダイオードの模式的な断面図である。図２に記載のレーザダイオードは、無極性面を成長面とする基板１０１（ここでは、無極性面であるｍ面すなわち、｛１−１００｝面を成長面とするＧａＮバルク基板１０１）上に、珪素が添加された厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、珪素が添加された厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１０３、珪素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４、発光層１０５、珪素が添加された厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、マグネシウムが添加された厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１０７、マグネシウムが添加された厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ニッケルおよび金からなるｐ電極１０９、チタンおよびアルミニウムからなるｎ電極１１０、ＳｉＯ２からなる絶縁層１１１が形成された構造を有する。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものに限定されるものではない。
【００１８】
ｍ面を成長面とするＧａＮバルク基板１０１としては、ハイドライド気相成長法などにより、ｃ面成長で作製された高品質のＧａＮバルク結晶から、ｍ面を成長面として切り出した基板を用いる。また、たとえば特許文献４の記載のように、ｒ面サファイア基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などを用いて、低温バッファ層を介して成長したＧａＮテンプレート基板を用いても良い。本実施形態ではｍ面を成長面として用いるが、ｍ面と同じく無極性面である、ａ面である｛１１−２０｝面を成長面として用いても良い。
【００１９】
ＧａＮバルク基板１０１は、主面（ＧａＮバルク基板１０１に対する法線ベクトル、すなわち、各半導体層の積層方向に直交する面、図３の点線Ｐ）に対して成長面が傾斜しているオフアングル基板である。図３に、本実施形態に用いるオフアングル基板の一部を拡大した模式的な断面図を示す。
オフアングル基板は、有極性面の法線方向（基板１０１のｃ軸方向、<０００１>方向）に伸長する複数の段差部１０１Ａが形成された上面を有する。
段差部１０１Ａは、ｃ軸方向に平行に延びるテラス部分Ａと、ｃ軸方向に平行に延びるステップ部分（側壁部）Ｂとを有している。テラス部分Ａは、ステップ部分Ｂに対して略垂直に形成されている。テラス部分Ａは、無極性面であり、本実施形態ではｍ面である。
ｍ面に対するオフ角θは３°程度である。テラス幅Ｗとステップの段差（高さ）ｈ、オフ角θは、ｔａｎθ＝ｈ／Ｗという関係を持つ。基板のオフ角は、０．３度〜５度とすることが望ましく、所望のテラス幅Ｗと段差ｈに応じて選択する。本実施形態では、たとえば、オフ角θ＝３°、テラス幅Ｗ＝３８ｎｍ、段差ｈ＝２ｎｍである。
このようなオフアングル基板上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、及びｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４、障壁層１０５ｂ等の半導体層を形成すると、段差部１０１Ａの形状が各半導体層に引き継がれる（図４（Ａ）参照）。
障壁層１０５ｂは、詳しくは後述するが窒化物半導体層であり、無極性面とこの無極性面に直交する有極性面を有するウルツ鉱型結晶構造である。
そして、各量子細線活性層１０５ａは、オフアングル基板の段差部１０１Ａの形状を引き継いだ半導体層、本実施形態では、障壁層１０５ｂのテラス部分１０５ｂ１上に形成され、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に延在する。また、量子細線活性層１０５ａは、オフアングル基板のステップ部分Ｂの形状を引き継いだ障壁層１０５ｂのステップ部分１０５ｂ２にも接するように形成される（図４（Ｂ）参照）。
なお、障壁層１０５ｂのテラス部分１０５ｂ１は、無極性面であり、本実施形態ではｍ面である。また、この成長面であるテラス部分１０５ｂ１の格子定数は、量子細線活性層１０５ａの格子定数と異なっている。
量子細線活性層１０５ａは、テラス部分１０５ｂ１の幅方向全面にわたって形成されず、障壁層１０５ｂのｃ軸方向と直交する方向（ここでは、ａ軸方向）に隣接する量子細線活性層１０５ａ間には所定の間隔が形成される。
【００２０】
次に、本実施形態におけるレーザダイオードの作製方法について述べる。
ＧａＮバルク基板１０１上に結晶成長により窒化物半導体結晶層を形成する。ここでは、たとえば特許文献５、６に記載されているような、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などによる一般的な成長方法を用いる。
【００２１】
次に、ＧａＮバルク基板１０１を気相成長装置内に設置し、アニールによる結晶表面の清浄化を行う。
その後、ＧａＮバルク基板１０１上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、及びｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４を順に結晶成長により形成する。
ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、及びｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４は、ＧａＮバルク基板１０１の段差部１０１Ａの形状を引き継いで形成される。また、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４の成長面は、ＧａＮバルク基板１０１の段差部１０１Ａと同様の段差部の段差及びテラス幅を有する。
【００２２】
次に、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４上に、発光層１０５を形成する。発光層１０５は、量子細線活性層１０５ａと、障壁層１０５ｂから構成される。量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂに埋設されている。図４は、発光層１０５の形成過程を表す模式的な斜視図である。図４（Ａ）に示すように障壁層１０５ｂを形成後、図４（Ｂ）のように障壁層１０５ｂの段差部に量子細線活性層１０５ａを形成する。テラス部分１０５ｂ１はＧａＮバルク基板１０１のｃ軸と平行に形成されているため、量子細線活性層１０５ａも同様に、ＧａＮバルク基板１０１のｃ軸と平行に形成される。量子細線活性層１０５ａは、一般式ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１（０<Ｘ１≦１，０≦Ｙ１≦１）で表される。
【００２３】
本実施形態では、量子細線活性層１０５ａの幅（障壁層１０５ｂのａ軸方向に沿った長さ）及び高さ（障壁層１０５ｂのｍ軸方向に沿った長さ）はそれぞれたとえば、２ｎｍである。
量子的な閉じ込めの効果、すなわち量子サイズ効果を得るためには、この量子細線活性層１０５ａの幅及び高さを１ｎｍ以上、５ｎｍ以下とすることが好ましい。量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂの段差部の端に形成される。換言すると、量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂのテラス部分１０５ｂ１およびステップ部分１０５ｂ２に接するように形成される。そのため、量子細線活性層１０５ａの幅及び高さはＧａＮバルク基板１０１のステップ幅及び段差に依存する。従って、ＧａＮバルク基板１０１のオフ角は、量子細線活性層１０５ａの高さ及び幅に合わせて調節する。
障壁層１０５ｂは、一般式ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０<Ｘ２≦１，０≦Ｙ２≦１）で表され、量子細線活性層１０５ａよりもバンドギャップエネルギーが小さい層である。
その後、量子細線活性層１０５ａ上に、さらに、障壁層１０５ｂを形成する。これにより、量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂに埋め込まれることとなる（図４（Ｃ）参照）。
【００２４】
ここで、利得の向上のため、量子細線活性層１０５ａと、障壁層１０５ｂを形成する工程を交互に繰り返すことで、量子細線活性層１０５ａを多層化しても良い。量子細線活性層１０５ａを多層化した場合、量子細線活性層１０５ａの垂直方向の数及び間隔は特に限定されないが、１〜２０本及び５〜２０ｎｍとすることが望ましい。
また、量子細線活性層１０５ａに高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮを用いる場合などは、多層化による歪の蓄積を防止するため、障壁層１０５ｂとしてＡｌＧａＮなどを用いて歪補償を行うことが望ましい。量子細線活性層１０５ａ及び障壁層１０５ｂには、結晶成長時に珪素やマグネシウムなどを添加して、ｎ型やｐ型にドーピングしても良い。
量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に延在していればよいが、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に対して５０ｎｍ以上の長さを有することが好ましい。量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に５０ｎｍ以上の長さを有していれば、量子準位は確実に形成されないため、キャリア分布の分離を抑制することができる。
なお、量子細線活性層１０５ａの障壁層１０５ｂのｃ軸方向に沿った長さは、デバイスの構造上、２ｍｍ以下であることが好ましい。
また、次に述べる理由により、量子細線活性層１０５ａは障壁層１０５ｂのｃ軸に平行に、かつ障壁層１０５ｂのｃ軸方向に点在せずに、連続的に形成されることが好ましい。
無極性面上に形成された活性層の場合、障壁層１０５ｂのｃ軸方向の活性層の両端には、電子あるいは正孔のいずれかのキャリアが欠乏した領域が形成される。下地層と、活性層との格子定数の差異により、活性層には圧縮歪がかかり、分極による内部電界が＋ｃ方向に発生するためである。このようなキャリアが欠乏した領域は、発光に寄与することができない、すなわち、発光領域ではない。
量子細線活性層１０５ａが障壁層１０５ｂのｃ軸に平行に、且つ連続的に形成される場合、キャリア欠乏領域は量子細線活性層１０５ａの両端部のみに形成されることになるので、発光領域の減少が抑制できる。そのため、デバイス全体として高い発光効率が得られる。
【００２５】
発光層１０５の上部には、図２に示すように、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、を順に結晶成長により形成する。ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６中に、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮなどによるキャリアのオーバーフロー防止層を形成しても良い。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７には、低抵抗化のためにＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を用いても良い。
【００２６】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８まで結晶成長により形成した後、ｐ側電極用テラスと、ｎ側電極用の電流経路構造を形成する。更に、ｐ側電極用テラス上に電流狭窄用の屈折率導波構造として、リッジ構造の導波路を形成する。フォトリソグラフィ（ＰＲ）、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、図２に示すように、たとえば、５μｍ幅のリッジ部を形成し、リッジ部側面からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の平坦部までを絶縁層１１１で覆う。その後、ＰＲとＲＩＥにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２を厚み約１μｍ程度残して除去する。ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２が露出している部分に、Ｔｉ（チタン）をたとえば、５０ｎｍ蒸着する。続いてＡｌ（アルミニウム）をたとえば、２００ｎｍ蒸着することでｎ電極１１０を形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の上部には、Ｎｉ（ニッケル）をたとえば、５０ｎｍ、Ａｕ（金）をたとえば、２００ｎｍ蒸着することでｐ電極１０９を形成する。
さらに集束イオンビーム（ＦＩＢ， Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）装置を用いてエッチングを行い、ｍ面に垂直な面の一対の共振ミラーを形成する（図示略）。ここでは、リッジ構造のストライプ方向は量子細線活性層の方向と平行になるように形成しており、従って共振ミラーはｃ面に形成される。ただし、リッジ構造のストライプ方向と量子細線活性層の方向の関係はこれに限定されない。共振ミラーは、たとえば１ｍｍの間隔で平行に形成され、量子細線活性層で生成された光を閉じ込める。この共振ミラーにより、共振器が形成される。このようにして形成された半導体ウェハを、素子ごとに切り分け、所望のレーザダイオードを形成する。以上のようにして、本実施例のレーザダイオードを作製する。
【００２７】
なお、本発明に記載のレーザダイオードは、たとえば図５に示すような光ピックアップ装置に搭載することができる。
この光ピックアップ装置９は、光源９０１と、コリメータレンズ９０３と、レンズモジュール９０４と、偏光ビームスプリッタ９０２とを備える。
光源９０１から出射されたレーザ光は、それぞれ一定の発散角を有する発散光であり、偏光ビームスプリッタ９０２を通過して、コリメータレンズ９０３によって略平行光に変換される。そして、この平行光は、レンズモジュール９０４に供給されて、光ディスク９０９の情報記録面（記録媒体）に集光される。レンズモジュール９０４は、光を記録媒体に集光させる対物レンズを備える。光ディスク９０９の情報記録面で反射されたレーザビームはさらにレンズモジュール９０４を通じて偏光ビームスプリッタ９０２に供給されて、偏光ビームスプリッタ９０２によって反射された後、光検出器９１０によって光電変換される。
このような光ピックアップ装置９の光源９０１に前述したレーザダイオードを搭載することにより、低消費電力を可能とする光ピックアップを実現することが可能となる。
【００２８】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態では、ＧａＮバルク基板１０１の成長面を無極性面とすることで、障壁層１０５ｂの成長面が無極性面となり、活性層の層厚方向の内部電界が抑制される。また、活性層を量子細線活性層１０５ａとすることによって量子サイズ効果が得られる。
さらに、量子細線活性層１０５ａを、障壁層１０５ｂの有極性面の法線方向（ｃ軸方向）に延長するように形成することで、量子細線活性層１０５ａ内に量子準位が形成されてしまうことが抑制される。
特に、量子細線活性層１０５ａを障壁層１０５ｂのｃ軸方向に５０ｎｍ以上の長さを有するものとすることで、量子細線活性層１０５ａ内に量子準位が形成されてしまうことを確実に防止できる。そのため、量子細線活性層に注入されたキャリアは、層内方向に発生した内部電界によってドリフト移動している間に発光に寄与することができ、ＧａＮバルク基板１０１の有極性面の法線方向のキャリア分布の分離を抑制できる。
また、本実施形態では、下地基板として、オフアングル基板を使用している。
このオフアングル基板は、ｃ軸方向に平行に延びるテラス部分Ａを有するため、このようなオフアングル基板を使用することで、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に延在する量子細線活性層１０５ａが形成しやすくなる。
【００２９】
（第二実施形態）
本発明の半導体光素子の一例してレーザダイオードを説明する。
第二実施形態のレーザダイオード構造は、基本的に第一実施形態と類似の構造で、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、発光層、ｐ型ＧａＮ光ガイド層の構造のみが異なる。
【００３０】
図６に示すように、ｍ面を成長面とするＧａＮバルク基板１０１上に、珪素が添加された厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、珪素が添加された、厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１０３、珪素が添加された、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層２０４、発光層２０５、Ｍｇ（マグネシウム）が添加された、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６、Ｍｇが添加された、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１０７、Ｍｇが添加された厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ＮｉおよびＡｕからなるｐ電極１０９、ＴｉおよびＡｌからなるｎ電極１１０、が形成されている。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものおよび後述するものに限定されるものではない。
【００３１】
発光層２０５は、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０４の無極性面上に形成され、図７に断面図を示すように、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａと、厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮバリア層２０５ｂから構成されている。ＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａと、ＡｌＧａＮバリア層２０５ｂとはそれぞれ複数層形成され、交互に積層されている。また、高抵抗領域２０５ｃが、窒素のイオンインプランテーション及びその後の熱処理により、ＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａとＡｌＧａＮバリア層２０５ｂに、ストライプ状に形成されている。高抵抗領域２０５ｃは、発光層２０５だけでなく、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０４及びｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６にも拡がっている。高抵抗領域は、ＧａＮバルク基板１０１のｃ軸方向に延長し、互いに平行になるように形成されている。ＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａのうち、複数の高抵抗領域２０５ｃは、バリア層２０５ｂのｃ軸方向に延長するとともに、互いに平行に延在し、この高抵抗領域２０５ｃではさまれた領域である非高抵抗領域２０５ｄの幅は５ｎｍである。すなわち、この非高抵抗領域２０５ｄが量子細線活性層である。
【００３２】
この非高抵抗領域２０５ｄである量子細線活性層は、無極性面とこの無極性面に直交する有極性面を有するウルツ鉱型結晶構造であるＡｌＧａＮバリア層２０５ｂの無極性面上に形成され、さらに、ＡｌＧａＮバリア層２０５ｂのｃ軸に沿って延在しており、そのｃ軸方向に沿った長さは、前記実施形態と同様５０ｎｍ以上であることが好ましい。量子細線活性層の長さの上限値や、量子細線活性層の幅、高さは、前記実施形態と同じである。
また、量子細線活性層の格子定数と、ＡｌＧａＮバリア層２０５ｂの成長面の格子定数とは異なっている。
【００３３】
本実施例のレーザダイオードの作製方法について説明する。窒化物結晶層は、ＭＯＣＶＤ法等で成長される。ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０４、発光層２０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６を順に結晶成長により形成する。ここで、発光層２０５は、ＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａと、ＡｌＧａＮバリア層２０５ｂを交互に積層して形成しており、この時点では発光層において量子細線構造は形成されていない。
次に、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６まで形成された素子に対して窒素のイオンインプランテーションを行う。これは、イオン注入装置により窒素イオンを加速して、素子の成長面から、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６に打ち込むことによって行う。ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６に打ち込まれたイオンは原子核との衝突や電子との相互作用により次第にエネルギーを失いながら発光層２０５に到達する。そして、図７に示すようにイオンを打ち込まれた領域は高抵抗化し、高抵抗領域２０５ｃを形成する。イオン注入制御を行うことによって、発光層２０５における隣合う高抵抗領域２０５ｃの間隔、即ち非高抵抗領域２０５ｄのＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａの幅が５ｎｍとなるように高抵抗領域２０５ｃを形成する。
イオン注入終了後、７００℃にて５分間熱処理を行う。これにより熱拡散をするので高抵抗領域２０５ｃは拡張する。拡張した高抵抗領域２０５ｃにより、隣合う高抵抗領域２０５ｃの間隔を５ｎｍ、即ち非高抵抗領域２０５ｄのＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａの幅が５ｎｍとなるようにする。以上の工程により、量子細線活性層が形成される。
このようにして量子細線活性層を形成することで、所望の寸法の量子細線活性層を確実に形成することができるとともに製造安定性に優れたものとすることができる。
【００３４】
次に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、を順に結晶成長により形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の上部には、Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ蒸着してｐ電極１０９を形成する。その後、ＧａＮバルク基板１０１を厚さ１００μｍ程度に研磨する。そして、ＧａＮバルク基板１０１の裏面にＴｉを５０ｎｍ蒸着し、Ａｌを２００ｎｍ蒸着することで、ｎ電極１１０を形成する。このようにして形成された半導体ウェハを素子ごとに切り分けて、本実施形態のレーザダイオードを形成する。
このようにして得られたレーザダイオードは、前記実施形態と同様、光ピックアップ装置に適用することができる。
このような本実施形態によれば、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００３５】
（第三実施形態）
本発明の半導体光素子の一例としての発光ダイオードを図８に示す。
本実施形態における発光ダイオードは、第一実施形態と同様のオフアングル基板である基板１０１（ここでは、サファイア基板）上に、発光領域を含む窒化物半導体結晶層が形成されている。窒化物半導体結晶層は、サファイア基板１０１のｒ面（１−１０２）上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、ＧａＮバッファ層３１２を介して形成される。また、ＧａＮバッファ層３１２は、無極性面であるａ面を成長面とする。
【００３６】
ＧａＮバッファ層３１２の成長面に、珪素が添加された厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、珪素が添加された厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層３０３、珪素が添加された、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、第一実施形態と同様の発光層１０５、Ｍｇが添加された、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層３０６、Ｍｇが添加された、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層３０７、Ｍｇが添加された、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０８、ＮｉおよびＡｕからなるｐ電極３０９、ＴｉおよびＡｌからなるｎ電極３１０、を形成する。
発光層１０５は、第一実施形態と同様であるが、量子細線活性層や障壁層の厚みや幅を適宜変え、たとえば、厚さ５ｎｍ、幅５ｎｍの量子細線活性層と、厚さ１０ｎｍの障壁層とで構成してもよい。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものに限定されるものではない。
また、基板１０１上のＧａＮバッファ層３１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、クラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４は、第一実施形態と同様に、基板１０１の段差部の形状を引きついでいる。
【００３７】
次に、本実施形態の発光ダイオードの作製方法について述べる。
第一実施形態に記載のレーザダイオード構造の例と同様に、窒化物結晶層をＭＯＣＶＤ法等で成長する。サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層３１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、発光層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８、を順に結晶成長により形成する。一般的なＰＲおよびＲＩＥを用いて、図８に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２を約１μｍ残して除去する。ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２が露出している部分に、Ｔｉを５０ｎｍを蒸着し、続いてＡｌを２００ｎｍ蒸着することで、ｎ電極３１０を形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８の上部には、Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ蒸着してｐ電極３０９を形成する。このようにして形成された半導体ウェハを素子ごとに切り分けて、本実施形態の発光ダイオードを形成する。
なお、本発明に記載の発光ダイオードは、たとえば蛍光体を用いた白色光源装置に搭載することができる。この白色光源装置は、図９に示すように、ＬＥＤ光源８１と、ＬＥＤ光源８１から投射される光線をロッドレンズ８３の入射面に集光する集光レンズ８２と、ロッドレンズ８３の出射面に接着された蛍光体シート８４とを備える。蛍光体シート８４は、ＬＥＤ光源８１から出射された光を励起光として吸収して発光する。
白色光源装置のＬＥＤ光源８１に上述した発光ダイオードを適用することにより、低消費電力を可能とする白色光源装置を実現することが可能となる。
【００３８】
本実施形態によれば、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、本実施形態では、量子細線活性層の層厚方向の内部電界の抑制と、量子サイズ効果の発生と共に、量子細線活性層の幅方向におけるキャリア分布の分離をも抑制できるため、高い発光効率を実現する発光ダイオードが得られる。
また、サファイア基板上に無極性面の窒化物半導体を形成することにより、安価に素子を作製できる。また、サファイア基板に限らず、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、あるいはＡｌＬｉＯ２からなる基板上に窒化物系バッファ層を形成した場合においても、同様の効果が得られる。
【００３９】
（第四実施形態）
本発明の半導体発光素子の例として、発光ダイオードの別の例を図１０に示す。
本実施例における発光ダイオードは、ｍ面を成長面とするＧａＮバルク基板１０１上に、珪素が添加された、厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層４０２、珪素が添加された厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層４０３、珪素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層４０４、発光層１０５、珪素が添加された厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層４０６、Ｍｇが添加された厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層４０７、Ｍｇが添加された厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層４０８、ＮｉおよびＡｕからなるｐ電極４０９、ＴｉおよびＡｌからなるｎ電極４１０、が形成されている。発光層１０５は、第一実施形態に記載の発光層１０５と同様の構造である。ここでは、厚さ５ｎｍ、幅５ｎｍの量子細線活性層と、厚さ１０ｎｍの障壁層からなるものとしてもよい。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものに限定されるものではない。また、基板１０１上のｎ型ＧａＮコンタクト層４０２、クラッド層４０３、ＧａＮ光ガイド層４０４は、基板１０１の段差部の形状を引き継いでいる。
【００４０】
次に、本実施例の発光ダイオードの作製方法を述べる。
窒化物結晶層は、ＭＯＣＶＤ法等で成長される。ｎ型ＧａＮコンタクト層４０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４０４、発光層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０８、を順に結晶成長により形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層４０８の上部には、Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ蒸着してｐ電極４０９を形成する。その後、ＧａＮバルク基板４０１を厚さ１００μｍ程度に研磨する。そして、ＧａＮバルク基板４０１の裏面にＴｉを５０ｎｍ蒸着し、続いてＡｌを２００ｎｍ蒸着することで、ｎ電極４１０を形成する。このようにして形成された半導体ウェハを素子ごとに切り分けて、発光ダイオードを形成する。
以上の構成を備えることにより、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、量子細線活性層の層厚方向の内部電界の抑制と、量子細線活性層における量子サイズ効果の発生と共に、量子細線活性層の幅方向におけるキャリア分布の分離をも抑制できるため、高い発光効率を実現する発光ダイオードが得られる。
【００４１】
（第五実施形態）
本発明の半導体発光素子の一例として、面発光レーザの例を図１１に示す。
本実施例における面発光レーザは、前記実施形態と同様、無極性面を成長面とするオフアングル基板である基板１０１（ここでは、ｍ面を成長面とするＧａＮ基板１０１）上に、厚さ１μｍのｎ型下部多重反射膜ミラー５０３、厚さ０．３μｍのｎ型ＧａＮクラッド層５０４、発光層１０５、厚さ２０ｎｍの電流狭窄層５０７を内部に含む厚さ０．６μｍのｐ型ＧａＮ層５０６、厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮクラッド層５０８、厚さ０．２μｍのｐ型上部多重反射膜ミラー５０９から成る積層構造を有する。ｎ型下部多重反射膜ミラー５０３は、厚さ２０ｎｍのｎ型ＧａＮ層と厚さ２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を交互に積層した構造であり、ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９は、厚さ２０ｎｍのｐ型ＧａＮ層と厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層を交互に積層した構造である。ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９は、量子細線活性層の上面を被覆し、ｎ型下部多重反射膜ミラー５０３は、量子細線活性層の下面を被覆して、量子細線活性層で生成された光を閉じこめる。
電流狭窄層５０７はＡｌＮで構成されており、直径６μｍの開口を有する。また、ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９上にはｐ電極５１０が、ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極５０１が形成されている。発光層１０５は、第一実施形態に記載の発光層１０５と同様の構造であるが、厚さ５ｎｍ、幅５ｎｍの量子細線活性層と、厚差１０ｎｍの障壁層からなるものとしてもよい。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものに限定されるものではない。また、基板１０１上の下部多重反射膜ミラー５０３、ｎ型ＧａＮクラッド層５０４は、基板１０１の段差部の形状を引き継いでいる
【００４２】
次に、本実施例の面発光レーザの作製方法を述べる。
窒化物結晶層は、ＭＯＣＶＤ法等で成長される。ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型下部多重反射膜ミラー５０３、ｎ型ＧａＮクラッド層５０４、発光層１０５、ｐ型ＧａＮ層５０６、を順に結晶成長により形成する。電流狭窄層５０７は、たとえば特許文献７に記載されているように、結晶成長により非晶質ＡｌＮ層を形成し、エッチングにより開口を形成した後、ｐ型ＧａＮ層５０６を再度成長することによって結晶化される。
ｐ型ＧａＮ層５０６の上部に、ｐ型ＧａＮクラッド層５０８、ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９、を順に結晶成長により形成する。ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９の上部には、Ｎｉを５０ｎｍ蒸着し、続いてＡｕを２００ｎｍ蒸着することによりｐ電極５１０を形成する。その後、ＧａＮ基板１０１を厚さ１００μｍ程度に研磨する。そして、ＧａＮ基板１０１の裏面にＴｉを５０ｎｍ蒸着し、続いてＡｌを２００ｎｍ蒸着することで、ｎ電極５０１を形成する。このようにして形成された半導体ウェハを素子ごとに切り分けて、所望の面発光レーザ素子を形成する。
このような面発光レーザは、たとえば光ピックアップに搭載することができる。光ピックアップ装置に上述した面発光レーザを搭載することにより、低消費電力を可能とする光ピックアップを実現することが可能となる。
【００４３】
以上の構成を備えることにより、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、量子細線活性層の層厚方向の内部電界の抑制と、量子細線活性層における量子サイズ効果の発生と共に、量子細線活性層の幅方向におけるキャリア分布の分離をも抑制できるため、高い発光効率を実現する面発光レーザが得られる。
なお、本実施形態においては、電流狭窄型の面発光レーザについて述べたが、本発明の半導体光素子をトンネル接合型の面発光レーザに適用した場合にも、同様の効果が得られる。
【００４４】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、前記各実施形態においては、半導体光素子を光ピックアップ装置や白色光源に適用できるとしたが、これに限られるものではない。
また、前記各実施形態では、量子細線活性層は、下地層のｃ軸に沿って、連続的に延在するとしていたが、これに限らず、下地層のｃ軸に沿って、ｃ軸方向に延在する複数の量子細線活性層が断続的に、すなわち、所定の間隔をあけて配置されていてもよい。
さらに、前記各実施形態では、量子細線活性層が下地層のｃ軸（有極性面の法線）に平行に延在するとしたが、これに限らず、量子細線活性層が有極性面の法線方向に伸長していればよく、量子細線活性層が有極性面の法線から多少傾斜して配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１ 下地層
１Ａ 成長面（無極性面）
２ 量子細線活性層
６ 発光層
９ 光ピックアップ装置
１１ サファイア基板
１２ バッファ層
１３ コンタクト層
１４ クラッド層
１５ ガイド層
１６ 発光層
１７ ガイド層
１８ クラッド層
１９ コンタクト層
２２Ｐ 電極
２２Ｎ 電極
８１ 光源
８２ 集光レンズ
８３ ロッドレンズ
８４ 蛍光体シート
１０１ 基板（ＧａＮバルク基板、サファイア基板、ＧａＮ基板）
１０１Ａ 段差部
１０２ コンタクト層
１０３ クラッド層
１０４ 光ガイド層
１０５ 発光層
１０５ａ 量子細線活性層
１０５ｂ 障壁層
１０５ｂ２ ステップ部分
１０５ｂ１ テラス部分
１０６ 光ガイド層
１０７ クラッド層
１０８ コンタクト層
１０９ 電極
１１０ 電極
１１１ 絶縁層
２０４ 光ガイド層
２０５ 発光層
２０５ａ 量子井戸層
２０５ｂ バリア層
２０５ｃ 高抵抗領域
２０５ｄ 非高抵抗領域
２０６ 光ガイド層
３０２ コンタクト層
３０３ クラッド層
３０４ 光ガイド層
３０６ 光ガイド層
３０７ クラッド層
３０８ コンタクト層
３０９ 電極
３１０ 電極
３１２ バッファ層
４０１ バルク基板
４０２ コンタクト層
４０３ クラッド層
４０４ 光ガイド層
４０６ 光ガイド層
４０７ クラッド層
４０８ コンタクト層
４０９ 電極
４１０ 電極
５０１ 電極
５０３ 下部多重反射膜ミラー
５０４ クラッド層
５０６ ｐ型ＧａＮ層
５０７ 電流狭窄層
５０８ クラッド層
５０９ 上部多重反射膜ミラー
５１０ 電極
９０１ 光源
９０２ 偏光ビームスプリッタ
９０３ コリメータレンズ
９０４ レンズモジュール
９０９ 光ディスク
９１０ 光検出器
Ａ テラス部分
Ｂ ステップ部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、光ピックアップ装置、光源装置および半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
青紫色〜緑色の光を発する発光ダイオード、レーザダイオード等の半導体発光素子として、窒化物半導体発光素子がある。
窒化物半導体発光素子は、たとえば、サファイア基板のｃ面（０００１）面上にＧａＮ低温バッファ層、ｎ−ＧａＮコンタクト層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ−ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ量子井戸層が順に積層し、更に発光層上には、ｐ−ＡｌＧａＮ層、ｐ−ＧａＮコンタクト層等が順に積層した構造を有する。
【０００３】
サファイア基板のｃ面に積層されたＧａＮ系半導体層は、成長面が、極性面であるｃ面のウルツ鉱型の結晶構造となる。図１２はウルツ鉱型結晶の面方位を表す模式図である。
ｃ面を成長面としてＩｎＧａＮ量子井戸層を形成した場合、次に述べる理由により、発光効率の低下が起きることが知られている。
すなわち、ＧａＮの格子定数を持つ層上に、ＩｎＧａＮ量子井戸層を成長すると、ＩｎＧａＮ量子井戸層には格子不整合による歪が発生する。この歪により、ピエゾ分極が起こる。そして、成長面であるｃ面に対して垂直なｃ軸方向<０００１>方向、すなわち層厚方向に内部電界が発生する。この層厚方向の内部電界の発生により、キャリアはｃ軸方向にドリフト移動する。負の電荷を有する電子と、正の電荷を有する正孔は、それぞれ反対の方向にドリフト移動することになる。
その結果、電子と正孔がＩｎＧａＮ量子井戸層の層厚方向に分離する。そのため、電子と正孔の再結合確率が低下し、発光効率が低下するのである。
【０００４】
この問題の解決手段の一つとして、成長面としてｃ面とは異なる結晶面を利用する手段が挙げられる。たとえば、図１２中に示すａ面である（１１−２０）面及びｍ面である（１−１００）面のような無極性面を成長面として利用する手段が挙げられる。
無極性面を成長面として利用した場合、活性層において格子不整合による歪が発生したとしても、ピエゾ分極は層厚方向であるａ軸方向<１１−２０>方向及びｍ軸方向<１−１００>方向に発生しない。すなわち、無極性面上に形成したＩｎＧａＮ量子井戸層には、層厚方向の内部電界が発生しない。そのため、無極性面を成長面として利用すると、極性面であるｃ面を成長面とした場合と比較して、発光効率が向上すると考えられる。このように無極性面を成長面として利用した例が、たとえば、特許文献１に記載されている。
【０００５】
また、発光効率向上の他の手段としては、量子細線活性層を用いる手段が挙げられる（特許文献２参照）。量子細線活性層を用いることにより、電子の自由度が低下する。すなわち、２次元的な広がりを持つ量子井戸活性層よりも、１次元的な広がりしか持てない量子細線活性層の方が、電子の自由度が低い。これを量子サイズ効果という。この量子サイズ効果により、電子が取りうるエネルギー状態が限定されることになり、注入されたキャリアが効率良く発光に寄与する。すなわち、発光効率が向上する。量子細線活性層の形成方法としては、たとえば、非特許文献１に記載のように、オフアングル基板上のステップ端成長を利用する方法がある。
【０００６】
しかしながら、窒化物半導体発光素子に求められる発光効率は年々高くなっている。近年は、上述した２つの解決手段それぞれを用いた構造の発光効率よりも高い発光効率が求められるようになっている。
そこで、上述した２つの解決手段を組み合わせた構造が、たとえば特許文献３に記載されている。すなわち、無極性面上に量子細線活性層を形成した構造が記載されている。図１３は、特許文献３に記載された半導体発光素子の構成を示す。この半導体発光素子は、サファイア基板１１のａ面上に、バッファ層１２、ｎコンタクト層１３、ｎクラッド層１４、ｎガイド層１５、発光層１６、ｐガイド層１７、ｐクラッド層１８及びｐコンタクト層１９を積層し、さらに、電極２２Ｐ、電極２２Ｎを設けたものである。
発光層１６は、バリア層内に量子細線活性層が埋め込まれた構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５７７６６号公報
【特許文献２】特開平１０−１０７３２０号公報
【特許文献３】特開平１０−１７３２８４号公報
【特許文献４】特開平２−２２９４７６号公報
【特許文献５】特開平６−２６８２５７号公報
【特許文献６】特開平８−９７４７１号公報
【特許文献７】特開２００３−７８２１５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. Hara, J. Ishizaki, J. Motohisa, T. Fukui, and H. Hasegawa, "Formation and photoluminescence characterization of quantum well wires using multiatomic steps grown by metalorganic vapor phase epitaxy", Journal of Crystal Growth, Vol. 145, pp. 692-697(1994).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、本発明者らが鋭意検討を行った結果、特許文献３に記載のように、無極性面上に量子細線活性層を形成した構造であっても、十分な発光効率が得られない場合があることが分かった。
無極性面上に量子細線活性層を形成した構造であっても、十分な発光効率が得られない理由は次のようであると推測される。
無極性面上に形成した活性層には、歪による層厚方向の内部電界は発生しない。しかし、ｃ軸方向の内部電界が発生すると考えられる。無極性面におけるｃ軸方向は、成長方向に対して垂直な方向、つまり層内方向にあたる。このｃ軸方向の内部電界のため、活性層内のキャリアはｃ軸方向にドリフト移動する。負の電荷を有する電子と、正の電荷を有する正孔は、それぞれ反対の方向にドリフト移動することになる。
たとえば、ＧａＮの格子定数を有する基板上に、ＩｎＧａＮ活性層を形成した場合、ＩｎＧａＮ活性層には圧縮歪がかかり、分極による内部電界が＋ｃ方向に発生する。このため、活性層に注入された電子は−ｃ方向へ、正孔は＋ｃ方向へドリフト移動する。
ここで、量子細線活性層がｃ軸方向に直交して延在する場合には、量子細線活性層に量子準位が形成される。そのため、量子細線活性層に注入されたキャリア（電子および正孔）は発光に寄与する前に量子準位に捕われることとなる。これにより、量子細線活性層の幅方向にキャリア分布の分離（電子と正孔との分離）が発生する。そのため、電子と正孔の再結合確率が低下し、発光効率が低下するのだと考えられる。
すなわち、特許文献３に記載の構造のように、量子細線活性層の方向性を何ら考慮せずに作成した場合、たとえば、量子細線活性層がｃ軸に直交に形成された場合には、量子細線活性層の幅方向にキャリア分布の分離が起こると考えられる。また、量子細線活性層がｃ軸と完全に直交していない場合でも、量子細線活性層に量子準位が形成されることがある。従って、ｃ軸と直交している場合と同様に、量子細線活性層の幅方向にキャリア分布の分離が起こると考えられる。そのため、電子と正孔の再結合確率が低下し、高い発光効率が得られないと考えられる。
【００１０】
本発明は、高い発光効率を有する半導体発光素子、光ピックアップ装置、光源装置および半導体発光素子の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層と、前記下地層の当該無極性面上に形成されており、当該無極性面における前記下地層の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層とを含み、前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成されている、半導体発光素子が提供される。
また、本発明によれば、上述した半導体発光素子を備えた光ピックアップ装置、さらには、上述した半導体発光素子を備えた光源装置が提供できる。
さらに、本発明によれば、ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層を配置する工程と、前記下地層の当該無極性面上に、当該無極性面における前記下地層の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層を形成する工程と、を含み、前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成されている、半導体発光素子の製造方法も提供できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い発光効率を有する半導体発光素子、光ピックアップ装置、光源装置および半導体発光素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の基本構成を示す図である。
【図２】第一実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図３】第一実施形態の基板の拡大図である。
【図４】第一実施形態の半導体発光素子の製造工程の一部を示す図である。
【図５】光ピックアップ装置を示す模式図である。
【図６】第二実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図７】第一実施形態の半導体発光素子の要部を示す図である。
【図８】第三実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図９】光源装置を示す模式図である。
【図１０】第四実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図１１】第五実施形態にかかる半導体発光素子の断面図を示す図である。
【図１２】ウルツ鉱型結晶の面方位を表す模式図である。
【図１３】特許文献３に関連する半導体発光素子の断面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。
【００１５】
（基本構成）
図１は、本発明に係る半導体発光素子の断面構造を概略的に示す図である。図１に示されるように、半導体発光素子は、ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層１と、下地層１の当該無極性面である成長面１Ａ上に形成されており、当該無極性面１Ａにおける下地層１の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層２とを含む。そして、量子細線活性層２は、有極性面の法線方向（ｃ軸方向、<０００１>方向）に伸長するように形成されている。
ここで、量子細線活性層２が下地層１の有極性面の法線方向に伸長するとは、有極性面の法線方向と平行である場合のみならず、量子細線活性層２内に量子準位が形成され、下地基板の有極性面の法線方向にキャリアの分離が生じない程度に、量子細線活性層２の延在方向が有極性面の法線方向に対して傾斜している場合も含む。
具体的には、下地層１は、ウルツ鉱型結晶構造の窒化物半導体、たとえば、ＧａＮ基板等からなり、無極性面であるｍ面である｛１−１００｝面またはａ面である｛１１−２０｝面を成長面１Ａとしている。
量子細線活性層２は、下地層１の成長面１Ａに、下地層１のｃ軸方向、すなわち、<０００１>方向に延在し、このｃ軸に平行となるように形成されている。そして、量子細線活性層２の下地層１のｃ軸に沿った長さ寸法は、５０ｎｍ以上である。また、量子細線活性層２の下地層１のｃ軸に沿った長さの上限値は、特に限定されないが、デバイスの構成上２ｍｍ以下であることが好ましい。
このような半導体光素子は、以下のように製造される。
ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面１Ａと当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層１を配置する工程と、下地層１の当該無極性面１Ａ上に、当該無極性面における下地層１の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層２を形成する工程とを含む。量子細線活性層２は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成される。
【００１６】
成長面１Ａを無極性面にすることにより、活性層の層厚方向の内部電界が抑制される。また、活性層を量子細線活性層２とすることによって量子サイズ効果が得られる。
さらに、量子細線活性層２を、有極性面の法線方向（ｃ軸方向）に延長するように形成することで、量子細線活性層２内に量子準位が形成されてしまうことが抑制される。
特に、量子細線活性層２を下地層１のｃ軸方向に５０ｎｍ以上の長さを有するものとすることで、量子細線活性層２内に量子準位が形成されてしまうことを確実に防止できる。そのため、量子細線活性層２に注入されたキャリアは、層内方向に発生した内部電界によってドリフト移動している間に発光に寄与することができ、下地層１のｃ軸方向のキャリア分布の分離を抑制できる。
すなわち、本発明の構造により、層厚方向の内部電界の抑制と、量子サイズ効果の発生と共に、量子細線活性層２内のキャリア分布の分離をも抑制できるため、高い発光効率が得られる。
【００１７】
（第一実施形態）
本発明の半導体発光素子の一例として、レーザダイオードを挙げて説明する。
図２は、本実施形態におけるレーザダイオードの模式的な断面図である。図２に記載のレーザダイオードは、無極性面を成長面とする基板１０１（ここでは、無極性面であるｍ面すなわち、｛１−１００｝面を成長面とするＧａＮバルク基板１０１）上に、珪素が添加された厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、珪素が添加された厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１０３、珪素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４、発光層１０５、珪素が添加された厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、マグネシウムが添加された厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１０７、マグネシウムが添加された厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ニッケルおよび金からなるｐ電極１０９、チタンおよびアルミニウムからなるｎ電極１１０、ＳｉＯ２からなる絶縁層１１１が形成された構造を有する。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものに限定されるものではない。
【００１８】
ｍ面を成長面とするＧａＮバルク基板１０１としては、ハイドライド気相成長法などにより、ｃ面成長で作製された高品質のＧａＮバルク結晶から、ｍ面を成長面として切り出した基板を用いる。また、たとえば特許文献４の記載のように、ｒ面サファイア基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などを用いて、低温バッファ層を介して成長したＧａＮテンプレート基板を用いても良い。本実施形態ではｍ面を成長面として用いるが、ｍ面と同じく無極性面である、ａ面である｛１１−２０｝面を成長面として用いても良い。
【００１９】
ＧａＮバルク基板１０１は、主面（ＧａＮバルク基板１０１に対する法線ベクトル、すなわち、各半導体層の積層方向に直交する面、図３の点線Ｐ）に対して成長面が傾斜しているオフアングル基板である。図３に、本実施形態に用いるオフアングル基板の一部を拡大した模式的な断面図を示す。
オフアングル基板は、有極性面の法線方向（基板１０１のｃ軸方向、<０００１>方向）に伸長する複数の段差部１０１Ａが形成された上面を有する。
段差部１０１Ａは、ｃ軸方向に平行に延びるテラス部分Ａと、ｃ軸方向に平行に延びるステップ部分（側壁部）Ｂとを有している。テラス部分Ａは、ステップ部分Ｂに対して略垂直に形成されている。テラス部分Ａは、無極性面であり、本実施形態ではｍ面である。
ｍ面に対するオフ角θは３°程度である。テラス幅Ｗとステップの段差（高さ）ｈ、オフ角θは、ｔａｎθ＝ｈ／Ｗという関係を持つ。基板のオフ角は、０．３度〜５度とすることが望ましく、所望のテラス幅Ｗと段差ｈに応じて選択する。本実施形態では、たとえば、オフ角θ＝３°、テラス幅Ｗ＝３８ｎｍ、段差ｈ＝２ｎｍである。
このようなオフアングル基板上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、及びｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４、障壁層１０５ｂ等の半導体層を形成すると、段差部１０１Ａの形状が各半導体層に引き継がれる（図４（Ａ）参照）。
障壁層１０５ｂは、詳しくは後述するが窒化物半導体層であり、無極性面とこの無極性面に直交する有極性面を有するウルツ鉱型結晶構造である。
そして、各量子細線活性層１０５ａは、オフアングル基板の段差部１０１Ａの形状を引き継いだ半導体層、本実施形態では、障壁層１０５ｂのテラス部分１０５ｂ１上に形成され、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に延在する。また、量子細線活性層１０５ａは、オフアングル基板のステップ部分Ｂの形状を引き継いだ障壁層１０５ｂのステップ部分１０５ｂ２にも接するように形成される（図４（Ｂ）参照）。
なお、障壁層１０５ｂのテラス部分１０５ｂ１は、無極性面であり、本実施形態ではｍ面である。また、この成長面であるテラス部分１０５ｂ１の格子定数は、量子細線活性層１０５ａの格子定数と異なっている。
量子細線活性層１０５ａは、テラス部分１０５ｂ１の幅方向全面にわたって形成されず、障壁層１０５ｂのｃ軸方向と直交する方向（ここでは、ａ軸方向）に隣接する量子細線活性層１０５ａ間には所定の間隔が形成される。
【００２０】
次に、本実施形態におけるレーザダイオードの作製方法について述べる。
ＧａＮバルク基板１０１上に結晶成長により窒化物半導体結晶層を形成する。ここでは、たとえば特許文献５、６に記載されているような、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などによる一般的な成長方法を用いる。
【００２１】
次に、ＧａＮバルク基板１０１を気相成長装置内に設置し、アニールによる結晶表面の清浄化を行う。
その後、ＧａＮバルク基板１０１上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、及びｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４を順に結晶成長により形成する。
ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、及びｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４は、ＧａＮバルク基板１０１の段差部１０１Ａの形状を引き継いで形成される。また、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４の成長面は、ＧａＮバルク基板１０１の段差部１０１Ａと同様の段差部の段差及びテラス幅を有する。
【００２２】
次に、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４上に、発光層１０５を形成する。発光層１０５は、量子細線活性層１０５ａと、障壁層１０５ｂから構成される。量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂに埋設されている。図４は、発光層１０５の形成過程を表す模式的な斜視図である。図４（Ａ）に示すように障壁層１０５ｂを形成後、図４（Ｂ）のように障壁層１０５ｂの段差部に量子細線活性層１０５ａを形成する。テラス部分１０５ｂ１はＧａＮバルク基板１０１のｃ軸と平行に形成されているため、量子細線活性層１０５ａも同様に、ＧａＮバルク基板１０１のｃ軸と平行に形成される。量子細線活性層１０５ａは、一般式ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１（０<Ｘ１≦１，０≦Ｙ１≦１）で表される。
【００２３】
本実施形態では、量子細線活性層１０５ａの幅（障壁層１０５ｂのａ軸方向に沿った長さ）及び高さ（障壁層１０５ｂのｍ軸方向に沿った長さ）はそれぞれたとえば、２ｎｍである。
量子的な閉じ込めの効果、すなわち量子サイズ効果を得るためには、この量子細線活性層１０５ａの幅及び高さを１ｎｍ以上、５ｎｍ以下とすることが好ましい。量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂの段差部の端に形成される。換言すると、量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂのテラス部分１０５ｂ１およびステップ部分１０５ｂ２に接するように形成される。そのため、量子細線活性層１０５ａの幅及び高さはＧａＮバルク基板１０１のステップ幅及び段差に依存する。従って、ＧａＮバルク基板１０１のオフ角は、量子細線活性層１０５ａの高さ及び幅に合わせて調節する。
障壁層１０５ｂは、一般式ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０<Ｘ２≦１，０≦Ｙ２≦１）で表され、量子細線活性層１０５ａよりもバンドギャップエネルギーが小さい層である。
その後、量子細線活性層１０５ａ上に、さらに、障壁層１０５ｂを形成する。これにより、量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂに埋め込まれることとなる（図４（Ｃ）参照）。
【００２４】
ここで、利得の向上のため、量子細線活性層１０５ａと、障壁層１０５ｂを形成する工程を交互に繰り返すことで、量子細線活性層１０５ａを多層化しても良い。量子細線活性層１０５ａを多層化した場合、量子細線活性層１０５ａの垂直方向の数及び間隔は特に限定されないが、１〜２０本及び５〜２０ｎｍとすることが望ましい。
また、量子細線活性層１０５ａに高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮを用いる場合などは、多層化による歪の蓄積を防止するため、障壁層１０５ｂとしてＡｌＧａＮなどを用いて歪補償を行うことが望ましい。量子細線活性層１０５ａ及び障壁層１０５ｂには、結晶成長時に珪素やマグネシウムなどを添加して、ｎ型やｐ型にドーピングしても良い。
量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に延在していればよいが、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に対して５０ｎｍ以上の長さを有することが好ましい。量子細線活性層１０５ａは、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に５０ｎｍ以上の長さを有していれば、量子準位は確実に形成されないため、キャリア分布の分離を抑制することができる。
なお、量子細線活性層１０５ａの障壁層１０５ｂのｃ軸方向に沿った長さは、デバイスの構造上、２ｍｍ以下であることが好ましい。
また、次に述べる理由により、量子細線活性層１０５ａは障壁層１０５ｂのｃ軸に平行に、かつ障壁層１０５ｂのｃ軸方向に点在せずに、連続的に形成されることが好ましい。
無極性面上に形成された活性層の場合、障壁層１０５ｂのｃ軸方向の活性層の両端には、電子あるいは正孔のいずれかのキャリアが欠乏した領域が形成される。下地層と、活性層との格子定数の差異により、活性層には圧縮歪がかかり、分極による内部電界が＋ｃ方向に発生するためである。このようなキャリアが欠乏した領域は、発光に寄与することができない、すなわち、発光領域ではない。
量子細線活性層１０５ａが障壁層１０５ｂのｃ軸に平行に、且つ連続的に形成される場合、キャリア欠乏領域は量子細線活性層１０５ａの両端部のみに形成されることになるので、発光領域の減少が抑制できる。そのため、デバイス全体として高い発光効率が得られる。
【００２５】
発光層１０５の上部には、図２に示すように、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、を順に結晶成長により形成する。ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６中に、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮなどによるキャリアのオーバーフロー防止層を形成しても良い。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７には、低抵抗化のためにＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を用いても良い。
【００２６】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８まで結晶成長により形成した後、ｐ側電極用テラスと、ｎ側電極用の電流経路構造を形成する。更に、ｐ側電極用テラス上に電流狭窄用の屈折率導波構造として、リッジ構造の導波路を形成する。フォトリソグラフィ（ＰＲ）、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、図２に示すように、たとえば、５μｍ幅のリッジ部を形成し、リッジ部側面からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の平坦部までを絶縁層１１１で覆う。その後、ＰＲとＲＩＥにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２を厚み約１μｍ程度残して除去する。ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２が露出している部分に、Ｔｉ（チタン）をたとえば、５０ｎｍ蒸着する。続いてＡｌ（アルミニウム）をたとえば、２００ｎｍ蒸着することでｎ電極１１０を形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の上部には、Ｎｉ（ニッケル）をたとえば、５０ｎｍ、Ａｕ（金）をたとえば、２００ｎｍ蒸着することでｐ電極１０９を形成する。
さらに集束イオンビーム（ＦＩＢ， Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）装置を用いてエッチングを行い、ｍ面に垂直な面の一対の共振ミラーを形成する（図示略）。ここでは、リッジ構造のストライプ方向は量子細線活性層の方向と平行になるように形成しており、従って共振ミラーはｃ面に形成される。ただし、リッジ構造のストライプ方向と量子細線活性層の方向の関係はこれに限定されない。共振ミラーは、たとえば１ｍｍの間隔で平行に形成され、量子細線活性層で生成された光を閉じ込める。この共振ミラーにより、共振器が形成される。このようにして形成された半導体ウェハを、素子ごとに切り分け、所望のレーザダイオードを形成する。以上のようにして、本実施例のレーザダイオードを作製する。
【００２７】
なお、本発明に記載のレーザダイオードは、たとえば図５に示すような光ピックアップ装置に搭載することができる。
この光ピックアップ装置９は、光源９０１と、コリメータレンズ９０３と、レンズモジュール９０４と、偏光ビームスプリッタ９０２とを備える。
光源９０１から出射されたレーザ光は、それぞれ一定の発散角を有する発散光であり、偏光ビームスプリッタ９０２を通過して、コリメータレンズ９０３によって略平行光に変換される。そして、この平行光は、レンズモジュール９０４に供給されて、光ディスク９０９の情報記録面（記録媒体）に集光される。レンズモジュール９０４は、光を記録媒体に集光させる対物レンズを備える。光ディスク９０９の情報記録面で反射されたレーザビームはさらにレンズモジュール９０４を通じて偏光ビームスプリッタ９０２に供給されて、偏光ビームスプリッタ９０２によって反射された後、光検出器９１０によって光電変換される。
このような光ピックアップ装置９の光源９０１に前述したレーザダイオードを搭載することにより、低消費電力を可能とする光ピックアップを実現することが可能となる。
【００２８】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態では、ＧａＮバルク基板１０１の成長面を無極性面とすることで、障壁層１０５ｂの成長面が無極性面となり、活性層の層厚方向の内部電界が抑制される。また、活性層を量子細線活性層１０５ａとすることによって量子サイズ効果が得られる。
さらに、量子細線活性層１０５ａを、障壁層１０５ｂの有極性面の法線方向（ｃ軸方向）に延長するように形成することで、量子細線活性層１０５ａ内に量子準位が形成されてしまうことが抑制される。
特に、量子細線活性層１０５ａを障壁層１０５ｂのｃ軸方向に５０ｎｍ以上の長さを有するものとすることで、量子細線活性層１０５ａ内に量子準位が形成されてしまうことを確実に防止できる。そのため、量子細線活性層に注入されたキャリアは、層内方向に発生した内部電界によってドリフト移動している間に発光に寄与することができ、ＧａＮバルク基板１０１の有極性面の法線方向のキャリア分布の分離を抑制できる。
また、本実施形態では、下地基板として、オフアングル基板を使用している。
このオフアングル基板は、ｃ軸方向に平行に延びるテラス部分Ａを有するため、このようなオフアングル基板を使用することで、障壁層１０５ｂのｃ軸方向に延在する量子細線活性層１０５ａが形成しやすくなる。
【００２９】
（第二実施形態）
本発明の半導体光素子の一例してレーザダイオードを説明する。
第二実施形態のレーザダイオード構造は、基本的に第一実施形態と類似の構造で、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、発光層、ｐ型ＧａＮ光ガイド層の構造のみが異なる。
【００３０】
図６に示すように、ｍ面を成長面とするＧａＮバルク基板１０１上に、珪素が添加された厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、珪素が添加された、厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１０３、珪素が添加された、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層２０４、発光層２０５、Ｍｇ（マグネシウム）が添加された、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６、Ｍｇが添加された、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層１０７、Ｍｇが添加された厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ＮｉおよびＡｕからなるｐ電極１０９、ＴｉおよびＡｌからなるｎ電極１１０、が形成されている。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものおよび後述するものに限定されるものではない。
【００３１】
発光層２０５は、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０４の無極性面上に形成され、図７に断面図を示すように、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａと、厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮバリア層２０５ｂから構成されている。ＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａと、ＡｌＧａＮバリア層２０５ｂとはそれぞれ複数層形成され、交互に積層されている。また、高抵抗領域２０５ｃが、窒素のイオンインプランテーション及びその後の熱処理により、ＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａとＡｌＧａＮバリア層２０５ｂに、ストライプ状に形成されている。高抵抗領域２０５ｃは、発光層２０５だけでなく、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０４及びｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６にも拡がっている。高抵抗領域は、ＧａＮバルク基板１０１のｃ軸方向に延長し、互いに平行になるように形成されている。ＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａのうち、複数の高抵抗領域２０５ｃは、バリア層２０５ｂのｃ軸方向に延長するとともに、互いに平行に延在し、この高抵抗領域２０５ｃではさまれた領域である非高抵抗領域２０５ｄの幅は５ｎｍである。すなわち、この非高抵抗領域２０５ｄが量子細線活性層である。
【００３２】
この非高抵抗領域２０５ｄである量子細線活性層は、無極性面とこの無極性面に直交する有極性面を有するウルツ鉱型結晶構造であるＡｌＧａＮバリア層２０５ｂの無極性面上に形成され、さらに、ＡｌＧａＮバリア層２０５ｂのｃ軸に沿って延在しており、そのｃ軸方向に沿った長さは、前記実施形態と同様５０ｎｍ以上であることが好ましい。量子細線活性層の長さの上限値や、量子細線活性層の幅、高さは、前記実施形態と同じである。
また、量子細線活性層の格子定数と、ＡｌＧａＮバリア層２０５ｂの成長面の格子定数とは異なっている。
【００３３】
本実施例のレーザダイオードの作製方法について説明する。窒化物結晶層は、ＭＯＣＶＤ法等で成長される。ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０４、発光層２０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６を順に結晶成長により形成する。ここで、発光層２０５は、ＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａと、ＡｌＧａＮバリア層２０５ｂを交互に積層して形成しており、この時点では発光層において量子細線構造は形成されていない。
次に、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６まで形成された素子に対して窒素のイオンインプランテーションを行う。これは、イオン注入装置により窒素イオンを加速して、素子の成長面から、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６に打ち込むことによって行う。ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０６に打ち込まれたイオンは原子核との衝突や電子との相互作用により次第にエネルギーを失いながら発光層２０５に到達する。そして、図７に示すようにイオンを打ち込まれた領域は高抵抗化し、高抵抗領域２０５ｃを形成する。イオン注入制御を行うことによって、発光層２０５における隣合う高抵抗領域２０５ｃの間隔、即ち非高抵抗領域２０５ｄのＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａの幅が５ｎｍとなるように高抵抗領域２０５ｃを形成する。
イオン注入終了後、７００℃にて５分間熱処理を行う。これにより熱拡散をするので高抵抗領域２０５ｃは拡張する。拡張した高抵抗領域２０５ｃにより、隣合う高抵抗領域２０５ｃの間隔を５ｎｍ、即ち非高抵抗領域２０５ｄのＩｎＧａＮ量子井戸層２０５ａの幅が５ｎｍとなるようにする。以上の工程により、量子細線活性層が形成される。
このようにして量子細線活性層を形成することで、所望の寸法の量子細線活性層を確実に形成することができるとともに製造安定性に優れたものとすることができる。
【００３４】
次に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、を順に結晶成長により形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の上部には、Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ蒸着してｐ電極１０９を形成する。その後、ＧａＮバルク基板１０１を厚さ１００μｍ程度に研磨する。そして、ＧａＮバルク基板１０１の裏面にＴｉを５０ｎｍ蒸着し、Ａｌを２００ｎｍ蒸着することで、ｎ電極１１０を形成する。このようにして形成された半導体ウェハを素子ごとに切り分けて、本実施形態のレーザダイオードを形成する。
このようにして得られたレーザダイオードは、前記実施形態と同様、光ピックアップ装置に適用することができる。
このような本実施形態によれば、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００３５】
（第三実施形態）
本発明の半導体光素子の一例としての発光ダイオードを図８に示す。
本実施形態における発光ダイオードは、第一実施形態と同様のオフアングル基板である基板１０１（ここでは、サファイア基板）上に、発光領域を含む窒化物半導体結晶層が形成されている。窒化物半導体結晶層は、サファイア基板１０１のｒ面（１−１０２）上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、ＧａＮバッファ層３１２を介して形成される。また、ＧａＮバッファ層３１２は、無極性面であるａ面を成長面とする。
【００３６】
ＧａＮバッファ層３１２の成長面に、珪素が添加された厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、珪素が添加された厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層３０３、珪素が添加された、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、第一実施形態と同様の発光層１０５、Ｍｇが添加された、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層３０６、Ｍｇが添加された、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層３０７、Ｍｇが添加された、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０８、ＮｉおよびＡｕからなるｐ電極３０９、ＴｉおよびＡｌからなるｎ電極３１０、を形成する。
発光層１０５は、第一実施形態と同様であるが、量子細線活性層や障壁層の厚みや幅を適宜変え、たとえば、厚さ５ｎｍ、幅５ｎｍの量子細線活性層と、厚さ１０ｎｍの障壁層とで構成してもよい。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものに限定されるものではない。
また、基板１０１上のＧａＮバッファ層３１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、クラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４は、第一実施形態と同様に、基板１０１の段差部の形状を引きついでいる。
【００３７】
次に、本実施形態の発光ダイオードの作製方法について述べる。
第一実施形態に記載のレーザダイオード構造の例と同様に、窒化物結晶層をＭＯＣＶＤ法等で成長する。サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層３１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、発光層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８、を順に結晶成長により形成する。一般的なＰＲおよびＲＩＥを用いて、図８に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２を約１μｍ残して除去する。ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２が露出している部分に、Ｔｉを５０ｎｍを蒸着し、続いてＡｌを２００ｎｍ蒸着することで、ｎ電極３１０を形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８の上部には、Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ蒸着してｐ電極３０９を形成する。このようにして形成された半導体ウェハを素子ごとに切り分けて、本実施形態の発光ダイオードを形成する。
なお、本発明に記載の発光ダイオードは、たとえば蛍光体を用いた白色光源装置に搭載することができる。この白色光源装置は、図９に示すように、ＬＥＤ光源８１と、ＬＥＤ光源８１から投射される光線をロッドレンズ８３の入射面に集光する集光レンズ８２と、ロッドレンズ８３の出射面に接着された蛍光体シート８４とを備える。蛍光体シート８４は、ＬＥＤ光源８１から出射された光を励起光として吸収して発光する。
白色光源装置のＬＥＤ光源８１に上述した発光ダイオードを適用することにより、低消費電力を可能とする白色光源装置を実現することが可能となる。
【００３８】
本実施形態によれば、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、本実施形態では、量子細線活性層の層厚方向の内部電界の抑制と、量子サイズ効果の発生と共に、量子細線活性層の幅方向におけるキャリア分布の分離をも抑制できるため、高い発光効率を実現する発光ダイオードが得られる。
また、サファイア基板上に無極性面の窒化物半導体を形成することにより、安価に素子を作製できる。また、サファイア基板に限らず、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、あるいはＡｌＬｉＯ２からなる基板上に窒化物系バッファ層を形成した場合においても、同様の効果が得られる。
【００３９】
（第四実施形態）
本発明の半導体発光素子の例として、発光ダイオードの別の例を図１０に示す。
本実施例における発光ダイオードは、ｍ面を成長面とするＧａＮバルク基板１０１上に、珪素が添加された、厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層４０２、珪素が添加された厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層４０３、珪素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層４０４、発光層１０５、珪素が添加された厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層４０６、Ｍｇが添加された厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層４０７、Ｍｇが添加された厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層４０８、ＮｉおよびＡｕからなるｐ電極４０９、ＴｉおよびＡｌからなるｎ電極４１０、が形成されている。発光層１０５は、第一実施形態に記載の発光層１０５と同様の構造である。ここでは、厚さ５ｎｍ、幅５ｎｍの量子細線活性層と、厚さ１０ｎｍの障壁層からなるものとしてもよい。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものに限定されるものではない。また、基板１０１上のｎ型ＧａＮコンタクト層４０２、クラッド層４０３、ＧａＮ光ガイド層４０４は、基板１０１の段差部の形状を引き継いでいる。
【００４０】
次に、本実施例の発光ダイオードの作製方法を述べる。
窒化物結晶層は、ＭＯＣＶＤ法等で成長される。ｎ型ＧａＮコンタクト層４０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４０４、発光層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０８、を順に結晶成長により形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層４０８の上部には、Ｎｉを５０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ蒸着してｐ電極４０９を形成する。その後、ＧａＮバルク基板４０１を厚さ１００μｍ程度に研磨する。そして、ＧａＮバルク基板４０１の裏面にＴｉを５０ｎｍ蒸着し、続いてＡｌを２００ｎｍ蒸着することで、ｎ電極４１０を形成する。このようにして形成された半導体ウェハを素子ごとに切り分けて、発光ダイオードを形成する。
以上の構成を備えることにより、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、量子細線活性層の層厚方向の内部電界の抑制と、量子細線活性層における量子サイズ効果の発生と共に、量子細線活性層の幅方向におけるキャリア分布の分離をも抑制できるため、高い発光効率を実現する発光ダイオードが得られる。
【００４１】
（第五実施形態）
本発明の半導体発光素子の一例として、面発光レーザの例を図１１に示す。
本実施例における面発光レーザは、前記実施形態と同様、無極性面を成長面とするオフアングル基板である基板１０１（ここでは、ｍ面を成長面とするＧａＮ基板１０１）上に、厚さ１μｍのｎ型下部多重反射膜ミラー５０３、厚さ０．３μｍのｎ型ＧａＮクラッド層５０４、発光層１０５、厚さ２０ｎｍの電流狭窄層５０７を内部に含む厚さ０．６μｍのｐ型ＧａＮ層５０６、厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮクラッド層５０８、厚さ０．２μｍのｐ型上部多重反射膜ミラー５０９から成る積層構造を有する。ｎ型下部多重反射膜ミラー５０３は、厚さ２０ｎｍのｎ型ＧａＮ層と厚さ２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を交互に積層した構造であり、ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９は、厚さ２０ｎｍのｐ型ＧａＮ層と厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層を交互に積層した構造である。ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９は、量子細線活性層の上面を被覆し、ｎ型下部多重反射膜ミラー５０３は、量子細線活性層の下面を被覆して、量子細線活性層で生成された光を閉じこめる。
電流狭窄層５０７はＡｌＮで構成されており、直径６μｍの開口を有する。また、ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９上にはｐ電極５１０が、ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極５０１が形成されている。発光層１０５は、第一実施形態に記載の発光層１０５と同様の構造であるが、厚さ５ｎｍ、幅５ｎｍの量子細線活性層と、厚差１０ｎｍの障壁層からなるものとしてもよい。
なお、各層の厚みや、組成は例示であり、上述したものに限定されるものではない。また、基板１０１上の下部多重反射膜ミラー５０３、ｎ型ＧａＮクラッド層５０４は、基板１０１の段差部の形状を引き継いでいる
【００４２】
次に、本実施例の面発光レーザの作製方法を述べる。
窒化物結晶層は、ＭＯＣＶＤ法等で成長される。ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型下部多重反射膜ミラー５０３、ｎ型ＧａＮクラッド層５０４、発光層１０５、ｐ型ＧａＮ層５０６、を順に結晶成長により形成する。電流狭窄層５０７は、たとえば特許文献７に記載されているように、結晶成長により非晶質ＡｌＮ層を形成し、エッチングにより開口を形成した後、ｐ型ＧａＮ層５０６を再度成長することによって結晶化される。
ｐ型ＧａＮ層５０６の上部に、ｐ型ＧａＮクラッド層５０８、ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９、を順に結晶成長により形成する。ｐ型上部多重反射膜ミラー５０９の上部には、Ｎｉを５０ｎｍ蒸着し、続いてＡｕを２００ｎｍ蒸着することによりｐ電極５１０を形成する。その後、ＧａＮ基板１０１を厚さ１００μｍ程度に研磨する。そして、ＧａＮ基板１０１の裏面にＴｉを５０ｎｍ蒸着し、続いてＡｌを２００ｎｍ蒸着することで、ｎ電極５０１を形成する。このようにして形成された半導体ウェハを素子ごとに切り分けて、所望の面発光レーザ素子を形成する。
このような面発光レーザは、たとえば光ピックアップに搭載することができる。光ピックアップ装置に上述した面発光レーザを搭載することにより、低消費電力を可能とする光ピックアップを実現することが可能となる。
【００４３】
以上の構成を備えることにより、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、量子細線活性層の層厚方向の内部電界の抑制と、量子細線活性層における量子サイズ効果の発生と共に、量子細線活性層の幅方向におけるキャリア分布の分離をも抑制できるため、高い発光効率を実現する面発光レーザが得られる。
なお、本実施形態においては、電流狭窄型の面発光レーザについて述べたが、本発明の半導体光素子をトンネル接合型の面発光レーザに適用した場合にも、同様の効果が得られる。
【００４４】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、前記各実施形態においては、半導体光素子を光ピックアップ装置や白色光源に適用できるとしたが、これに限られるものではない。
また、前記各実施形態では、量子細線活性層は、下地層のｃ軸に沿って、連続的に延在するとしていたが、これに限らず、下地層のｃ軸に沿って、ｃ軸方向に延在する複数の量子細線活性層が断続的に、すなわち、所定の間隔をあけて配置されていてもよい。
さらに、前記各実施形態では、量子細線活性層が下地層のｃ軸（有極性面の法線）に平行に延在するとしたが、これに限らず、量子細線活性層が有極性面の法線方向に伸長していればよく、量子細線活性層が有極性面の法線から多少傾斜して配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１ 下地層
１Ａ 成長面（無極性面）
２ 量子細線活性層
６ 発光層
９ 光ピックアップ装置
１１ サファイア基板
１２ バッファ層
１３ コンタクト層
１４ クラッド層
１５ ガイド層
１６ 発光層
１７ ガイド層
１８ クラッド層
１９ コンタクト層
２２Ｐ 電極
２２Ｎ 電極
８１ 光源
８２ 集光レンズ
８３ ロッドレンズ
８４ 蛍光体シート
１０１ 基板（ＧａＮバルク基板、サファイア基板、ＧａＮ基板）
１０１Ａ 段差部
１０２ コンタクト層
１０３ クラッド層
１０４ 光ガイド層
１０５ 発光層
１０５ａ 量子細線活性層
１０５ｂ 障壁層
１０５ｂ２ ステップ部分
１０５ｂ１ テラス部分
１０６ 光ガイド層
１０７ クラッド層
１０８ コンタクト層
１０９ 電極
１１０ 電極
１１１ 絶縁層
２０４ 光ガイド層
２０５ 発光層
２０５ａ 量子井戸層
２０５ｂ バリア層
２０５ｃ 高抵抗領域
２０５ｄ 非高抵抗領域
２０６ 光ガイド層
３０２ コンタクト層
３０３ クラッド層
３０４ 光ガイド層
３０６ 光ガイド層
３０７ クラッド層
３０８ コンタクト層
３０９ 電極
３１０ 電極
３１２ バッファ層
４０１ バルク基板
４０２ コンタクト層
４０３ クラッド層
４０４ 光ガイド層
４０６ 光ガイド層
４０７ クラッド層
４０８ コンタクト層
４０９ 電極
４１０ 電極
５０１ 電極
５０３ 下部多重反射膜ミラー
５０４ クラッド層
５０６ ｐ型ＧａＮ層
５０７ 電流狭窄層
５０８ クラッド層
５０９ 上部多重反射膜ミラー
５１０ 電極
９０１ 光源
９０２ 偏光ビームスプリッタ
９０３ コリメータレンズ
９０４ レンズモジュール
９０９ 光ディスク
９１０ 光検出器
Ａ テラス部分
Ｂ ステップ部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層と、
前記下地層の当該無極性面上に形成されており、当該無極性面における前記下地層の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層と、
を含み、
前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成されている、半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記有極性面の法線方向は、前記ウルツ鉱型結晶構造のｃ軸方向である、半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、
前記量子細線活性層は、少なくとも５０ｎｍの長さに亘って前記有極性面の法線方向に伸長している、半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体発光素子であって、
前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に沿って且つ連続的に伸長している、半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記下地層は、前記有極性面の法線方向に伸長する複数の段差部が形成された表面を有するオフアングル基板と、
前記オフアングル基板の前記表面上に、前記段差部の形状を引き継いだ半導体層とを含み、
前記量子細線活性層は、前記半導体層の前記段差部の側壁と接するように前記段差部のテラス上に形成されている、半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記下地層上に形成された半導体積層構造を有し、
前記半導体積層構造は、前記有極性面の法線方向に沿って互いに並行に伸長するように形成された複数の高抵抗領域を有し、
前記量子細線活性層は、前記高抵抗領域よりも低い電気抵抗を有するとともに前記高抵抗領域間に形成されている、半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記量子細線活性層で生成された光を閉じ込める一対のミラーを有し、前記ミラーにより光共振器が構成される、半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
当該半導体発光素子は面発光レーザであり、
前記量子細線活性層の上面を被覆する第１の多重反射膜ミラーと、
前記量子細線活性層の下面を被覆する第２の多重反射膜ミラーとを含み、
前記第１および第２の多重反射膜ミラーは、前記量子細線活性層で生成された光を閉じ込める、半導体発光素子。
【請求項９】
請求項７または８に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を記録媒体に集光させるレンズと、
前記記録媒体からの戻り光を受光する光検出器と、
前記半導体発光素子から出射された光を前記レンズに導くとともに前記戻り光を前記光検出器に導く光学系と、
を含む光ピックアップ装置。
【請求項１０】
請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を励起光として吸収して発光する蛍光体と、
を含む光源装置。
【請求項１１】
ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層を配置する工程と、
前記下地層の当該無極性面上に、当該無極性面における前記下地層の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層を形成する工程と、
を含み、
前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成されている、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層と、
前記下地層の当該無極性面上に形成されており、当該無極性面における前記下地層の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層と、
を含み、
前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成されている、半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記有極性面の法線方向は、前記ウルツ鉱型結晶構造のｃ軸方向である、半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、
前記量子細線活性層は、少なくとも５０ｎｍの長さに亘って前記有極性面の法線方向に伸長している、半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体発光素子であって、
前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に沿って且つ連続的に伸長している、半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記下地層は、前記有極性面の法線方向に伸長する複数の段差部が形成された表面を有するオフアングル基板と、
前記オフアングル基板の前記表面上に、前記段差部の形状を引き継いだ半導体層とを含み、
前記量子細線活性層は、前記半導体層の前記段差部の側壁と接するように前記段差部のテラス上に形成されている、半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記下地層上に形成された半導体積層構造を有し、
前記半導体積層構造は、前記有極性面の法線方向に沿って互いに並行に伸長するように形成された複数の高抵抗領域を有し、
前記量子細線活性層は、前記高抵抗領域よりも低い電気抵抗を有するとともに前記高抵抗領域間に形成されている、半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記量子細線活性層で生成された光を閉じ込める一対のミラーを有し、前記ミラーにより光共振器が構成される、半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
当該半導体発光素子は面発光レーザであり、
前記量子細線活性層の上面を被覆する第１の多重反射膜ミラーと、
前記量子細線活性層の下面を被覆する第２の多重反射膜ミラーとを含み、
前記第１および第２の多重反射膜ミラーは、前記量子細線活性層で生成された光を閉じ込める、半導体発光素子。
【請求項９】
請求項７または８に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を記録媒体に集光させるレンズと、
前記記録媒体からの戻り光を受光する光検出器と、
前記半導体発光素子から出射された光を前記レンズに導くとともに前記戻り光を前記光検出器に導く光学系と、
を含む光ピックアップ装置。
【請求項１０】
請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を励起光として吸収して発光する蛍光体と、
を含む光源装置。
【請求項１１】
ウルツ鉱型結晶構造であり、無極性面と当該無極性面に沿った方向とは直交する有極性面とを有する下地層を配置する工程と、
前記下地層の当該無極性面上に、当該無極性面における前記下地層の格子定数とは異なる格子定数を有するIII族窒化物半導体からなる複数の量子細線活性層を形成する工程と、
を含み、
前記量子細線活性層は、前記有極性面の法線方向に伸長するように形成されている、半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２３８９５４（Ｐ２０１０−２３８９５４Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８５９９９（Ｐ２００９−８５９９９）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【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）平成２０年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「エネルギー使用合理化技術戦略的開発／エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発／ディスプレイ用可視光半導体レーザの研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【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）平成２０年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「エネルギー使用合理化技術戦略的開発／エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発／ディスプレイ用可視光半導体レーザの研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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