発光素子用基板および発光素子
【課題】非極性基板または半極性基板を用いた発光素子において、発光端面の平坦性を向上させ、発光波長を緑色領域まで長波長化させる。
【解決手段】発光素子の基板となる、非極性ＡｌＩｎＧａＮ基板において、ＡｌＩｎＧａＮ混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、点（ｘ，ｙ）をＡ点（０．６８，０．３２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ点（０．３８，０．６２）を頂点とする四角形の領域内にする。
【解決手段】発光素子の基板となる、非極性ＡｌＩｎＧａＮ基板において、ＡｌＩｎＧａＮ混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、点（ｘ，ｙ）をＡ点（０．６８，０．３２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ点（０．３８，０．６２）を頂点とする四角形の領域内にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅器、発光ダイオード、半導体レーザなどの発光素子に用いられる基板、および当該基板を用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の実現以来、紫外〜可視光領域の発光デバイスの材料として、窒化物半導体が非常に注目されている。これまでに発光ダイオードとしては、青色、緑色、白色が実用化されており、たとえば、交通信号、各種インディケーター、イルミネーション、液晶バックライトなどに使用されている。さらに、この材料を用いた半導体レーザについても開発が進み、これまでに、青紫色と純青色のレーザが開発されており、それぞれ次世代ＤＶＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ）用光源、およびフルカラーディスプレイに実用化されつつある。ところが、このように技術が進展している中で、光の三原色の１つである緑色の半導体レーザが未だに実現されておらず、これが「Ｇｒｅｅｎ Ｇａｐ Ｐｒｏｂｌｅｍ」という言葉の由来となっている。
【０００３】
緑色の半導体レーザを実現するためには、青色半導体レーザの発光層に用いられているＩｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）ＮのＩｎ組成（ｘ）を大きくしていくことが最も簡単なアプローチである。しかし、ＩｎＧａＮ発光層のＩｎ組成を大きくしていくと、ピエゾ電界と呼ばれる発光層内部の電界が発生し、これが発光層での発光効率を著しく低下させてしまい、緑色レーザの実現を阻む要因となっている。この「電界」の問題を解決する方法として、従来とは異なる結晶面方位の基板上に素子を作製することが提案されている。具体的には、従来用いられていたＧａＮ（０００１）面（Ｃ面）の基板に代えて、ピエゾ電界の抑制のために、非極性面あるいは半極性面と呼ばれるカテゴリーの基板面方位を用いるという提案がなされている。ここで、非極性面とはＣ面に垂直な面であり、半極性面とはＣ面から４０〜６５度傾いた面をいう。
【０００４】
これらの面方位を用いると、理論上、ピエゾ電界は大幅に低減することが予測されている。最近、実際に非極性面（ｍ面）上に形成された青色レーザにおいても、ピエゾ電界が大幅に抑制されていることを示唆する結果が得られている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Applied Physics Express 1 (2008) 011102
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載の半導体レーザの構成を用いても緑色のレーザは実現されていない。この原因の1つに、レーザの共振器ミラー端面の平坦性が挙げられる。非極性面ＧａＮ基板上にレーザ素子を作製した場合に、レーザの光学利得を大きく得るためには、ｃ軸に平行に共振器ストライプを形成する必要がある。これは、共振器ミラー端面をＣ面にすることを意味するが、Ｃ面は電荷中性面ではないために、容易に劈開することはできず、たとえ劈開できたとしても理想的に平坦なミラー面を形成することが難しいためである。
【０００６】
これまでに報告された非極性面上レーザでは、通常、共振器ミラーはＣ面となっているが、このレーザを緑色領域まで長波長化できないのは、Ｃ面共振器ミラーの平坦性を確保できないのが原因であると考えられる。上述の議論は、半極性基板上のレーザ素子においても、ほぼ同様に当てはまり、平坦な共振器ミラー面を形成することが難しいという状況になっている。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、非極性基板または半極性基板を用いた発光素子において、発光端面の平坦性を向上させ、発光波長を緑色領域まで長波長化する技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、発光素子用基板である。当該発光素子用基板は、混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、点（ｘ，ｙ）がＡ点（０．６８，０．３２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ点（０．３８，０．６２）を頂点とする四角形の領域内に位置する非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする。
【０００９】
この態様によれば、発光素子を形成する場合に、発光端面を電荷中性面とすることができる。電荷中性面は、容易に劈開することができ、Ｃ面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、発光素子の発光波長を緑域領域にまで長波長化することが可能となる。また、発光層における歪みが抑制されるため、発光層の結晶構造を良好に維持した状態で結晶成長させることができる。
【００１０】
上記態様の発光素子用基板において、点（ｘ，ｙ）がＡ’点（０．３，０．２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ’点（０．３，０．５９）を頂点とする四角形の領域内に位置していてもよい。
【００１１】
本発明の他の態様は、発光素子用基板である。当該発光素子用基板は、混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、点（ｘ，ｙ）がＥ点（０．６９，０．３１）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ点（０．３９，０．６１）を頂点とする五角形の領域内に位置する半極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記態様の発光素子用基板において、点（ｘ，ｙ）がＥ’点（０．３，０．１９）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ’点（０．３，０．５８）を頂点とする五角形の領域内に位置していてもよい。
【００１３】
本発明のさらに他の態様は、発光素子である。当該発光素子は、上述したいずれかの態様の発光素子用基板と、発光素子用基板の上に形成され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、を備える。
【００１４】
上記態様の発光素子において、発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でｃ軸に垂直な方向より、ｃ軸を基板面に投影した方向の方が強く、発光層からの発光が出射される発光端面がｃ軸を基板面に投影した方向と平行であってもよい。
【００１５】
本発明のさらに他の態様は、発光素子である。当該発光素子は、主表面が非極性面または半極性面であり、混晶組成がＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１と表されるＡｌＩｎＧａＮ混晶基板と、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の上に形成され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、を備え、発光層の歪みが−２％〜＋２％であり、発光層の発光端面が電荷中性面である。
【００１６】
この態様によれば、発光素子の発光端面を電荷中性面とすることにより、Ｃ面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、発光素子の発光波長を緑域領域にまで長波長化することが可能となる。また、発光層に係る歪みが抑制され、を結晶成長させる場合に発光層の結晶構造を良好に維持することができる。
【００１７】
上述した態様の発光素子において、発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でｃ軸に垂直な方向より、ｃ軸を基板面に投影した方向の方が強くなる範囲から点（ｘ，ｙ）が選択されてもよい。また、前記発光層から発せられる光の発光波長が５００〜５５０ｎｍであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、非極性基板または半極性基板を用いた発光素子において、発光端面の平坦性を向上させ、発光波長を緑色領域まで長波長化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態および実施例を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２０】
（実施の形態）
実施の形態に係る発光素子用基板は、基板の主表面が非極性面または半極性面であるＡｌＩｎＧａＮ混晶基板である。非極性面はＣ面に垂直な面であり、たとえば、ｍ面およびａ面が挙げられる。また、半極性面はＣ面との角度が４０〜６５度の面であり、たとえば、（１１−２２）面および（１０−１２）面が挙げられる。電界中性面としては、非極性面（ｍ面、ａ面）および半極性面が挙げられる。当該ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板は、少なくとも１つのＰｎ接合を有する発光ダイオード、半導体レーザ、半導体光増幅器などの化合物半導体発光素子用の基板として好適に用いられる。
【００２１】
ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板は、Ａｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１と表される混晶組成を有する。すなわち、ＩｎおよびＧａが必須であり、Ａｌは任意の成分である。
【００２２】
ＡｌＩｎＧａＮの組成に対する条件として下記の項目が挙げられる。
【００２３】
・条件（１）「発光層から放射された光の偏光に関し、Ｘ１偏光、Ｘ２偏光およびＸ３偏光のうち、Ｘ２偏光の光学利得が最大であること」
Ｘ１偏光、Ｘ２偏光およびＸ３偏光は、次のように定義される。すなわち、図１に示すように、Ｘ１偏光は、基板面内でｃ軸に垂直な偏光である。Ｘ２偏光は、ｃ軸を基板面に射影した方向の偏光である。また、Ｘ３偏光は、基板に垂直な方向の偏光である。なお、「偏光の方向」は、「光の電場ベクトルの方向」を指す。
【００２４】
・条件（２）「発光層の歪みが−２％から＋２％の範囲であること」
条件（１）に合致するようにＡｌＩｎＧａＮの組成を調整することにより、従来の発光素子で利用されていたＸ１偏光に代えて、Ｘ２偏光を利用することができる。このため、発光素子の発光端面を従来のＣ面から、電荷中性面とすることができる。より詳しくは、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を非極性面（ｍ面）とした場合には、発光端面を非極性面（ａ面）とすることができる。また、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を非極性面（ａ面）とした場合には、発光端面を非極性面（ｍ面）とすることができる。この場合、図１に示したｃ軸はＸ３方向と垂直となり、ｃ軸とＸ３軸とのなす角θは９０度となる。また、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を半極性面とした場合には、発光端面を非極性面（ｍ面）、非極性面（ａ面）などの電荷中性面とすることができる。この場合、図１に示したｃ軸とＸ３軸とのなす角θは４０〜６５度となる。具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を（１１−２２）面（θ＝５８度）にしたときは、発光端面を非極性面（ｍ面）とすることができる。また、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を（１０−１２）面（θ＝４３度）にしたときには、発光端面を非極性面（ａ面）とすることができる。
【００２５】
また、条件（２）に合致するようにＡｌＩｎＧａＮの組成を調整することにより、発光層に係る歪みが抑制され、を結晶成長させる場合に発光層の結晶構造を良好に維持することができる。
【００２６】
これにより、たとえば、実施の形態に係る発光素子用基板を用いて半導体レーザを形成する場合に、共振器ミラー端面を電荷中性面とすることができる。電荷中性面は、クーロン力によりで互いに引き合うプラスの電荷とマイナスの電荷を引き離すことを要しないため、容易に劈開することができ、Ｃ面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、半導体レーザの発光波長を緑域領域（５００〜５５０ｎｍ）にまで長波長化することが可能となる。
【００２７】
（実施例１）
図２は、実施例１に係る半導体レーザダイオード１０の構造を示す概略図である。半導体レーザダイオード１０は、基板２０と、基板２０の上に結晶成長によって順に形成されたｎ型半導体層３０、発光層４０、ｐ型半導体層５０、基板２０の裏面に設けられたｎ側電極６０およびｐ型半導体層５０の上に形成されたｐ側電極７０を備える。
【００２８】
実施例１の基板２０は、非極性面（ｍ面）を主表面とする非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板である。非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板は、たとえば、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成することができる。基板２０の厚さは、たとえば、１００μｍである。ＡｌＩｎＧａＮの組成については後述する。
【００２９】
ｎ型半導体層３０は、基板２０側から順に、ｎ−ＧａＮ層３２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４、およびｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６を含む。
【００３０】
ｎ−ＧａＮ層３２は、ｎ側電極６０とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層である。ｎ−ＧａＮ層３２は、ＧａＮにｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープすることにより形成される。
【００３１】
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４は、ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６より屈折率が小さく、ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６との間にヘテロ接合を有する。これにより、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４は、発光層４０から放射された光を発光層４０に閉じ込める役割を有する。具体的には、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４は、ＡｌＧａＮにｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープすることにより形成される。ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４の厚さは、たとえば、１μｍである。
【００３２】
ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６は、発光層４０からの光を閉じ込める役割を有する。具体的には、ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６は、ＩｎＧａＮにｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープすることにより形成される。ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６の厚さは、たとえば、０．１μｍである。なお、ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６は、発光層４０からの光を閉じ込めることができればよく、ｎ型不純物を含んでいなくてもよい。
【００３３】
一方、ｐ型半導体層５０は、発光層４０の上に設けられ、ｐ側電極７０側から順に、ｐ−ＧａＮ層５２、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４、ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６、およびｐ−ＡｌＧａＮブロック層５８を含む。
【００３４】
ｐ−ＧａＮ層５２は、ｐ側電極７０とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層である。ｐ−ＧａＮ層５２は、ＧａＮにｐ型不純物として、たとえば、Ｍｇをドープすることにより形成される。
【００３５】
ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４は、ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６より屈折率が小さく、ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６との間にヘテロ接合を有する。これにより、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４は、発光層４０から放射された光を発光層４０に閉じ込める役割を有する。具体的には、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４は、ＡｌＧａＮにｐ型不純物として、たとえば、Ｍｇをドープすることにより形成される。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４の厚さは、たとえば、０．５μｍである。
【００３６】
ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６は、発光層４０からの光を閉じ込める役割を有する。具体的には、ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６は、ＩｎＧａＮにｐ型不純物として、たとえば、Ｍｇをドープすることにより形成される。ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６の厚さは、たとえば、０．１μｍである。ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６は、発光層４０からの光を閉じ込めることができればよく、ｐ型不純物を含んでいなくてもよい。
【００３７】
ｐ−ＡｌＧａＮブロック層５８は、発光層４０からの電子の流出を抑制し、電子と正孔の再結合の効率を高める役割を有する。具体的には、ｐ−ＡｌＧａＮブロック層５８は、ＡｌＧａＮにｐ型不純物として、たとえば、Ｍｇをドープすることにより形成される。
【００３８】
発光層４０は、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層（量子井戸層）とＧａＮ層（バリア層）とが交互に３層ずつ積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有し、電子と正孔とが再結合することにより光を放射し、放射された光を増幅する。本実施例の発光層４０に用いられるＩｎＧａＮ層の組成は、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎである。ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層の厚さは、それぞれ３ｎｍ、５ｎｍである。発光層４０から放射される光は緑色であり、発光波長は、たとえば、５３０ｎｍである。
【００３９】
ｎ側電極６０は、基板２０の裏面に電気的に接続されている。ｎ側電極６０は、たとえば、Ａｌで形成される。
【００４０】
ｐ側電極７０は、ｐ型半導体層５０の上にｃ軸と垂直な方向にストライプ状に設けられている。ｐ側電極７０は、たとえば、Ｐｄ／Ａｕで形成される。
【００４１】
以上説明した層構造を有する半導体レーザダイオード１０では、発光層４０の量子井戸面が非極性面（ｍ面）であるため、ピエゾ電界が大幅に低減される。また、共振器ミラー端面が電荷中性面である非極性面（ａ面）である。このため、共振器ミラー端面における劈開を容易に行うことができ、共振器ミラー端面の平坦性を向上させることができる。
【００４２】
（偏光特性の計算）
上述した半導体レーザダイオード１０に関して、偏光特性と非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板におけるＡｌＩｎＧａＮ組成との関係を下記計算方法に従って調べ、上述した条件（１）を満たす組成領域を算出した。
【００４３】
一般に、化合物半導体発光素子の偏光特性は、量子井戸の価電子帯の電子状態によって主に決まる。このため、半導体レーザダイオード１０の偏光特性を計算するにあたり、発光層４０の歪み量子井戸の価電子帯の電子状態を下記のようにモデル化した。
【００４４】
バルクＩｎＧａＮにおいては、価電子帯頂上付近にＡ、Ｂ、Ｃと呼ばれる３つのバンドがあり、これらのガンマ点の電子状態は、ほぼ｜Ｘ＋ｉＹ＞、｜Ｘ−ｉＹ＞、｜Ｚ＞となっている。図３に示すように、伝導帯から価電子帯への光学遷移において、Ａ、Ｂへの遷移はＣ面内の偏光のみに対して許容となり、Ｃへの遷移はｃ軸方向の偏光に対してのみ許容となる。
【００４５】
ＩｎＧａＮ歪み量子井戸では、歪みや量子井戸の効果により、上述した３つの価電子帯バンドがミキシングを起こすため、その偏光特性はバルクとは全く異なる。このため、６×６ ｋ・ｐハミルトニアン（S.L.Chuang and C.S.Chang:Phys.Rev.B54,2491(1996)参照）を用いることによって、上述の効果を取り入れ、非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板上のＩｎＧａＮ歪み量子井戸の価電子帯の電子状態を計算した。なお、計算にあたり、無限障壁の量子井戸を仮定し、量子井戸内の電界をゼロとした。また、価電子帯の電子状態に関しては、ガンマ点のみについて計算した。伝導帯、価電子帯それぞれの基底状態間のバンド端発光について、図１に示した３つの異なる偏光（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）に対して、光学行列要素を計算した。
【００４６】
このような計算を、基板２０の組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、（ｘ、ｙ）をそれぞれ独立に０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１の範囲で変化させて行った。各点（ｘ、ｙ）において、Ｘ１偏光、Ｘ２偏光、Ｘ３偏光の光学利得を計算し、これら３つの偏光のうち最大となる偏光を特定した。
【００４７】
図４は、非極性ＡｌＩｎＧａＮ組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。図４に示した領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ、Ｘ１偏光、Ｘ２偏光、Ｘ３偏光の光学利得が最大となる領域を示す。領域Ｒ２は、上述した条件（１）を満たす領域であり、ＡｌＩｎＧａＮ組成を領域Ｒ２内とすることにより、非極性面（ａ面）を共振器ミラー端面（発光端面）とすることができる。この条件（１）と、条件（２）の発光層の歪みが−２％から＋２％になる範囲であることという条件を満たす点（ｘ，ｙ）は、Ａ点（０．６８，０．３２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ点（０．３８，０．６２）を頂点とする四角形の領域内に位置することが見出された。
【００４８】
ＡｌＩｎＧａＮ組成において、ＡｌＮの割合は３０％以下であることが望ましい。Ｉｎ原子の原子半径（１．６３Å）とＡｌ原子の原子半径（１．４３Å）が大きく違うために、ＡｌＮの割合が３０％より高くなると、ＩｎＮとＡｌＮとを混合することが困難になり、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を結晶成長させることが難しくなる。また、ＡｌＮの割合が３０％より高くなると、電気抵抗が増加し、半導体レーザダイオード１０の発光強度の低下を招く。
【００４９】
このため、上述した条件（１）および（２）に、条件（３）として、「ＡｌＮの割合が３０％以下であること」を加味することが望ましい。条件（３）を加味した場合には、点（ｘ，ｙ）は、Ａ’点（０．３，０．２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ’点（０．３，０．５９）を頂点とする四角形の領域内に位置することが見出された。
【００５０】
（実施例２）
図５は、実施例２に係る半導体レーザダイオード１０の構造を示す概略図である。実施例２に係る半導体レーザダイオード１０は、基板２０として半極性面を主表面とする半極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板が用いられ、ｎ型半導体層３０、発光層４０、およびｐ型半導体層５０の表面がいずれも半極性面（図１に示したθは５８度）である点が、実施例１と相違する。実施例２に係る半導体レーザダイオード１０の他の構成は、実施例１と同様であるため、説明を適宜省略する。
【００５１】
実施例２に係る半導体レーザダイオード１０では、発光層４０の量子井戸面が半極性面であるため、ピエゾ電界が大幅に低減される。また、共振器ミラー端面が電荷中性面である非極性面（ｍ面）または非極性面（ａ面）である。このため、共振器ミラー端面における劈開を容易に行うことができ、共振器ミラー端面の平坦性を向上させることができる。
【００５２】
実施例２に係る半導体レーザダイオード１０について、実施例１と同様に発光層４０の偏光特性について解析した。
【００５３】
図６は、半極性ＡｌＩｎＧａＮ組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。図６に示した領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ、Ｘ１偏光、Ｘ２偏光、Ｘ３偏光の光学利得が最大となる領域を示す。領域Ｒ２は、上述した条件（１）を満たす領域であり、ＡｌＩｎＧａＮ組成を領域Ｒ２内とすることにより、非極性面（ｍ面）を共振器ミラー端面（発光端面）とすることができる。この条件（１）と、条件（２）の発光層の歪みが−２％から＋２％になる範囲であること、という条件を満たす点（ｘ，ｙ）は、Ｅ点（０．６９，０．３１）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ点（０．３９，０．６１）を頂点とする五角形の領域内に位置することが見出された。
【００５４】
また、上述した条件（３）を加味した場合には、点（ｘ，ｙ）は、Ｅ’点（０．３，０．１９）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ’点（０．３，０．５８）を頂点とする五角形の領域内に位置することが見出された。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】任意面方位基板上の（発光層）量子井戸における座標軸の取り方を表す模式図である。
【図２】実施例１に係る半導体レーザダイオードの構造を示す概略図である。
【図３】ＩｎＧａＮにおける光学遷移の選択則を示す模式図である。
【図４】非極性ＡｌＩｎＧａＮ組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。
【図５】実施例２に係る半導体レーザダイオードの構造を示す概略図である。
【図６】半極性ＡｌＩｎＧａＮ組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 半導体レーザダイオード、２０ 基板、３０ ｎ型半導体層、４０ 発光層、５０ ｐ型半導体層、６０ ｎ側電極、７０ ｐ側電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅器、発光ダイオード、半導体レーザなどの発光素子に用いられる基板、および当該基板を用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の実現以来、紫外〜可視光領域の発光デバイスの材料として、窒化物半導体が非常に注目されている。これまでに発光ダイオードとしては、青色、緑色、白色が実用化されており、たとえば、交通信号、各種インディケーター、イルミネーション、液晶バックライトなどに使用されている。さらに、この材料を用いた半導体レーザについても開発が進み、これまでに、青紫色と純青色のレーザが開発されており、それぞれ次世代ＤＶＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ）用光源、およびフルカラーディスプレイに実用化されつつある。ところが、このように技術が進展している中で、光の三原色の１つである緑色の半導体レーザが未だに実現されておらず、これが「Ｇｒｅｅｎ Ｇａｐ Ｐｒｏｂｌｅｍ」という言葉の由来となっている。
【０００３】
緑色の半導体レーザを実現するためには、青色半導体レーザの発光層に用いられているＩｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）ＮのＩｎ組成（ｘ）を大きくしていくことが最も簡単なアプローチである。しかし、ＩｎＧａＮ発光層のＩｎ組成を大きくしていくと、ピエゾ電界と呼ばれる発光層内部の電界が発生し、これが発光層での発光効率を著しく低下させてしまい、緑色レーザの実現を阻む要因となっている。この「電界」の問題を解決する方法として、従来とは異なる結晶面方位の基板上に素子を作製することが提案されている。具体的には、従来用いられていたＧａＮ（０００１）面（Ｃ面）の基板に代えて、ピエゾ電界の抑制のために、非極性面あるいは半極性面と呼ばれるカテゴリーの基板面方位を用いるという提案がなされている。ここで、非極性面とはＣ面に垂直な面であり、半極性面とはＣ面から４０〜６５度傾いた面をいう。
【０００４】
これらの面方位を用いると、理論上、ピエゾ電界は大幅に低減することが予測されている。最近、実際に非極性面（ｍ面）上に形成された青色レーザにおいても、ピエゾ電界が大幅に抑制されていることを示唆する結果が得られている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Applied Physics Express 1 (2008) 011102
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載の半導体レーザの構成を用いても緑色のレーザは実現されていない。この原因の1つに、レーザの共振器ミラー端面の平坦性が挙げられる。非極性面ＧａＮ基板上にレーザ素子を作製した場合に、レーザの光学利得を大きく得るためには、ｃ軸に平行に共振器ストライプを形成する必要がある。これは、共振器ミラー端面をＣ面にすることを意味するが、Ｃ面は電荷中性面ではないために、容易に劈開することはできず、たとえ劈開できたとしても理想的に平坦なミラー面を形成することが難しいためである。
【０００６】
これまでに報告された非極性面上レーザでは、通常、共振器ミラーはＣ面となっているが、このレーザを緑色領域まで長波長化できないのは、Ｃ面共振器ミラーの平坦性を確保できないのが原因であると考えられる。上述の議論は、半極性基板上のレーザ素子においても、ほぼ同様に当てはまり、平坦な共振器ミラー面を形成することが難しいという状況になっている。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、非極性基板または半極性基板を用いた発光素子において、発光端面の平坦性を向上させ、発光波長を緑色領域まで長波長化する技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、発光素子用基板である。当該発光素子用基板は、混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、点（ｘ，ｙ）がＡ点（０．６８，０．３２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ点（０．３８，０．６２）を頂点とする四角形の領域内に位置する非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする。
【０００９】
この態様によれば、発光素子を形成する場合に、発光端面を電荷中性面とすることができる。電荷中性面は、容易に劈開することができ、Ｃ面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、発光素子の発光波長を緑域領域にまで長波長化することが可能となる。また、発光層における歪みが抑制されるため、発光層の結晶構造を良好に維持した状態で結晶成長させることができる。
【００１０】
上記態様の発光素子用基板において、点（ｘ，ｙ）がＡ’点（０．３，０．２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ’点（０．３，０．５９）を頂点とする四角形の領域内に位置していてもよい。
【００１１】
本発明の他の態様は、発光素子用基板である。当該発光素子用基板は、混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、点（ｘ，ｙ）がＥ点（０．６９，０．３１）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ点（０．３９，０．６１）を頂点とする五角形の領域内に位置する半極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記態様の発光素子用基板において、点（ｘ，ｙ）がＥ’点（０．３，０．１９）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ’点（０．３，０．５８）を頂点とする五角形の領域内に位置していてもよい。
【００１３】
本発明のさらに他の態様は、発光素子である。当該発光素子は、上述したいずれかの態様の発光素子用基板と、発光素子用基板の上に形成され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、を備える。
【００１４】
上記態様の発光素子において、発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でｃ軸に垂直な方向より、ｃ軸を基板面に投影した方向の方が強く、発光層からの発光が出射される発光端面がｃ軸を基板面に投影した方向と平行であってもよい。
【００１５】
本発明のさらに他の態様は、発光素子である。当該発光素子は、主表面が非極性面または半極性面であり、混晶組成がＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１と表されるＡｌＩｎＧａＮ混晶基板と、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の上に形成され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、を備え、発光層の歪みが−２％〜＋２％であり、発光層の発光端面が電荷中性面である。
【００１６】
この態様によれば、発光素子の発光端面を電荷中性面とすることにより、Ｃ面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、発光素子の発光波長を緑域領域にまで長波長化することが可能となる。また、発光層に係る歪みが抑制され、を結晶成長させる場合に発光層の結晶構造を良好に維持することができる。
【００１７】
上述した態様の発光素子において、発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でｃ軸に垂直な方向より、ｃ軸を基板面に投影した方向の方が強くなる範囲から点（ｘ，ｙ）が選択されてもよい。また、前記発光層から発せられる光の発光波長が５００〜５５０ｎｍであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、非極性基板または半極性基板を用いた発光素子において、発光端面の平坦性を向上させ、発光波長を緑色領域まで長波長化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態および実施例を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２０】
（実施の形態）
実施の形態に係る発光素子用基板は、基板の主表面が非極性面または半極性面であるＡｌＩｎＧａＮ混晶基板である。非極性面はＣ面に垂直な面であり、たとえば、ｍ面およびａ面が挙げられる。また、半極性面はＣ面との角度が４０〜６５度の面であり、たとえば、（１１−２２）面および（１０−１２）面が挙げられる。電界中性面としては、非極性面（ｍ面、ａ面）および半極性面が挙げられる。当該ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板は、少なくとも１つのＰｎ接合を有する発光ダイオード、半導体レーザ、半導体光増幅器などの化合物半導体発光素子用の基板として好適に用いられる。
【００２１】
ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板は、Ａｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１と表される混晶組成を有する。すなわち、ＩｎおよびＧａが必須であり、Ａｌは任意の成分である。
【００２２】
ＡｌＩｎＧａＮの組成に対する条件として下記の項目が挙げられる。
【００２３】
・条件（１）「発光層から放射された光の偏光に関し、Ｘ１偏光、Ｘ２偏光およびＸ３偏光のうち、Ｘ２偏光の光学利得が最大であること」
Ｘ１偏光、Ｘ２偏光およびＸ３偏光は、次のように定義される。すなわち、図１に示すように、Ｘ１偏光は、基板面内でｃ軸に垂直な偏光である。Ｘ２偏光は、ｃ軸を基板面に射影した方向の偏光である。また、Ｘ３偏光は、基板に垂直な方向の偏光である。なお、「偏光の方向」は、「光の電場ベクトルの方向」を指す。
【００２４】
・条件（２）「発光層の歪みが−２％から＋２％の範囲であること」
条件（１）に合致するようにＡｌＩｎＧａＮの組成を調整することにより、従来の発光素子で利用されていたＸ１偏光に代えて、Ｘ２偏光を利用することができる。このため、発光素子の発光端面を従来のＣ面から、電荷中性面とすることができる。より詳しくは、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を非極性面（ｍ面）とした場合には、発光端面を非極性面（ａ面）とすることができる。また、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を非極性面（ａ面）とした場合には、発光端面を非極性面（ｍ面）とすることができる。この場合、図１に示したｃ軸はＸ３方向と垂直となり、ｃ軸とＸ３軸とのなす角θは９０度となる。また、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を半極性面とした場合には、発光端面を非極性面（ｍ面）、非極性面（ａ面）などの電荷中性面とすることができる。この場合、図１に示したｃ軸とＸ３軸とのなす角θは４０〜６５度となる。具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を（１１−２２）面（θ＝５８度）にしたときは、発光端面を非極性面（ｍ面）とすることができる。また、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の主表面を（１０−１２）面（θ＝４３度）にしたときには、発光端面を非極性面（ａ面）とすることができる。
【００２５】
また、条件（２）に合致するようにＡｌＩｎＧａＮの組成を調整することにより、発光層に係る歪みが抑制され、を結晶成長させる場合に発光層の結晶構造を良好に維持することができる。
【００２６】
これにより、たとえば、実施の形態に係る発光素子用基板を用いて半導体レーザを形成する場合に、共振器ミラー端面を電荷中性面とすることができる。電荷中性面は、クーロン力によりで互いに引き合うプラスの電荷とマイナスの電荷を引き離すことを要しないため、容易に劈開することができ、Ｃ面に比べて平坦性を向上させることができる。この結果、半導体レーザの発光波長を緑域領域（５００〜５５０ｎｍ）にまで長波長化することが可能となる。
【００２７】
（実施例１）
図２は、実施例１に係る半導体レーザダイオード１０の構造を示す概略図である。半導体レーザダイオード１０は、基板２０と、基板２０の上に結晶成長によって順に形成されたｎ型半導体層３０、発光層４０、ｐ型半導体層５０、基板２０の裏面に設けられたｎ側電極６０およびｐ型半導体層５０の上に形成されたｐ側電極７０を備える。
【００２８】
実施例１の基板２０は、非極性面（ｍ面）を主表面とする非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板である。非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板は、たとえば、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成することができる。基板２０の厚さは、たとえば、１００μｍである。ＡｌＩｎＧａＮの組成については後述する。
【００２９】
ｎ型半導体層３０は、基板２０側から順に、ｎ−ＧａＮ層３２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４、およびｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６を含む。
【００３０】
ｎ−ＧａＮ層３２は、ｎ側電極６０とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層である。ｎ−ＧａＮ層３２は、ＧａＮにｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープすることにより形成される。
【００３１】
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４は、ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６より屈折率が小さく、ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６との間にヘテロ接合を有する。これにより、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４は、発光層４０から放射された光を発光層４０に閉じ込める役割を有する。具体的には、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４は、ＡｌＧａＮにｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープすることにより形成される。ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４の厚さは、たとえば、１μｍである。
【００３２】
ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６は、発光層４０からの光を閉じ込める役割を有する。具体的には、ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６は、ＩｎＧａＮにｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープすることにより形成される。ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６の厚さは、たとえば、０．１μｍである。なお、ｎ−ＩｎＧａＮガイド層３６は、発光層４０からの光を閉じ込めることができればよく、ｎ型不純物を含んでいなくてもよい。
【００３３】
一方、ｐ型半導体層５０は、発光層４０の上に設けられ、ｐ側電極７０側から順に、ｐ−ＧａＮ層５２、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４、ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６、およびｐ−ＡｌＧａＮブロック層５８を含む。
【００３４】
ｐ−ＧａＮ層５２は、ｐ側電極７０とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層である。ｐ−ＧａＮ層５２は、ＧａＮにｐ型不純物として、たとえば、Ｍｇをドープすることにより形成される。
【００３５】
ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４は、ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６より屈折率が小さく、ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６との間にヘテロ接合を有する。これにより、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４は、発光層４０から放射された光を発光層４０に閉じ込める役割を有する。具体的には、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４は、ＡｌＧａＮにｐ型不純物として、たとえば、Ｍｇをドープすることにより形成される。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５４の厚さは、たとえば、０．５μｍである。
【００３６】
ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６は、発光層４０からの光を閉じ込める役割を有する。具体的には、ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６は、ＩｎＧａＮにｐ型不純物として、たとえば、Ｍｇをドープすることにより形成される。ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６の厚さは、たとえば、０．１μｍである。ｐ−ＩｎＧａＮガイド層５６は、発光層４０からの光を閉じ込めることができればよく、ｐ型不純物を含んでいなくてもよい。
【００３７】
ｐ−ＡｌＧａＮブロック層５８は、発光層４０からの電子の流出を抑制し、電子と正孔の再結合の効率を高める役割を有する。具体的には、ｐ−ＡｌＧａＮブロック層５８は、ＡｌＧａＮにｐ型不純物として、たとえば、Ｍｇをドープすることにより形成される。
【００３８】
発光層４０は、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層（量子井戸層）とＧａＮ層（バリア層）とが交互に３層ずつ積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有し、電子と正孔とが再結合することにより光を放射し、放射された光を増幅する。本実施例の発光層４０に用いられるＩｎＧａＮ層の組成は、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎである。ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層の厚さは、それぞれ３ｎｍ、５ｎｍである。発光層４０から放射される光は緑色であり、発光波長は、たとえば、５３０ｎｍである。
【００３９】
ｎ側電極６０は、基板２０の裏面に電気的に接続されている。ｎ側電極６０は、たとえば、Ａｌで形成される。
【００４０】
ｐ側電極７０は、ｐ型半導体層５０の上にｃ軸と垂直な方向にストライプ状に設けられている。ｐ側電極７０は、たとえば、Ｐｄ／Ａｕで形成される。
【００４１】
以上説明した層構造を有する半導体レーザダイオード１０では、発光層４０の量子井戸面が非極性面（ｍ面）であるため、ピエゾ電界が大幅に低減される。また、共振器ミラー端面が電荷中性面である非極性面（ａ面）である。このため、共振器ミラー端面における劈開を容易に行うことができ、共振器ミラー端面の平坦性を向上させることができる。
【００４２】
（偏光特性の計算）
上述した半導体レーザダイオード１０に関して、偏光特性と非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板におけるＡｌＩｎＧａＮ組成との関係を下記計算方法に従って調べ、上述した条件（１）を満たす組成領域を算出した。
【００４３】
一般に、化合物半導体発光素子の偏光特性は、量子井戸の価電子帯の電子状態によって主に決まる。このため、半導体レーザダイオード１０の偏光特性を計算するにあたり、発光層４０の歪み量子井戸の価電子帯の電子状態を下記のようにモデル化した。
【００４４】
バルクＩｎＧａＮにおいては、価電子帯頂上付近にＡ、Ｂ、Ｃと呼ばれる３つのバンドがあり、これらのガンマ点の電子状態は、ほぼ｜Ｘ＋ｉＹ＞、｜Ｘ−ｉＹ＞、｜Ｚ＞となっている。図３に示すように、伝導帯から価電子帯への光学遷移において、Ａ、Ｂへの遷移はＣ面内の偏光のみに対して許容となり、Ｃへの遷移はｃ軸方向の偏光に対してのみ許容となる。
【００４５】
ＩｎＧａＮ歪み量子井戸では、歪みや量子井戸の効果により、上述した３つの価電子帯バンドがミキシングを起こすため、その偏光特性はバルクとは全く異なる。このため、６×６ ｋ・ｐハミルトニアン（S.L.Chuang and C.S.Chang:Phys.Rev.B54,2491(1996)参照）を用いることによって、上述の効果を取り入れ、非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板上のＩｎＧａＮ歪み量子井戸の価電子帯の電子状態を計算した。なお、計算にあたり、無限障壁の量子井戸を仮定し、量子井戸内の電界をゼロとした。また、価電子帯の電子状態に関しては、ガンマ点のみについて計算した。伝導帯、価電子帯それぞれの基底状態間のバンド端発光について、図１に示した３つの異なる偏光（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）に対して、光学行列要素を計算した。
【００４６】
このような計算を、基板２０の組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、（ｘ、ｙ）をそれぞれ独立に０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１の範囲で変化させて行った。各点（ｘ、ｙ）において、Ｘ１偏光、Ｘ２偏光、Ｘ３偏光の光学利得を計算し、これら３つの偏光のうち最大となる偏光を特定した。
【００４７】
図４は、非極性ＡｌＩｎＧａＮ組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。図４に示した領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ、Ｘ１偏光、Ｘ２偏光、Ｘ３偏光の光学利得が最大となる領域を示す。領域Ｒ２は、上述した条件（１）を満たす領域であり、ＡｌＩｎＧａＮ組成を領域Ｒ２内とすることにより、非極性面（ａ面）を共振器ミラー端面（発光端面）とすることができる。この条件（１）と、条件（２）の発光層の歪みが−２％から＋２％になる範囲であることという条件を満たす点（ｘ，ｙ）は、Ａ点（０．６８，０．３２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ点（０．３８，０．６２）を頂点とする四角形の領域内に位置することが見出された。
【００４８】
ＡｌＩｎＧａＮ組成において、ＡｌＮの割合は３０％以下であることが望ましい。Ｉｎ原子の原子半径（１．６３Å）とＡｌ原子の原子半径（１．４３Å）が大きく違うために、ＡｌＮの割合が３０％より高くなると、ＩｎＮとＡｌＮとを混合することが困難になり、ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を結晶成長させることが難しくなる。また、ＡｌＮの割合が３０％より高くなると、電気抵抗が増加し、半導体レーザダイオード１０の発光強度の低下を招く。
【００４９】
このため、上述した条件（１）および（２）に、条件（３）として、「ＡｌＮの割合が３０％以下であること」を加味することが望ましい。条件（３）を加味した場合には、点（ｘ，ｙ）は、Ａ’点（０．３，０．２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ’点（０．３，０．５９）を頂点とする四角形の領域内に位置することが見出された。
【００５０】
（実施例２）
図５は、実施例２に係る半導体レーザダイオード１０の構造を示す概略図である。実施例２に係る半導体レーザダイオード１０は、基板２０として半極性面を主表面とする半極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板が用いられ、ｎ型半導体層３０、発光層４０、およびｐ型半導体層５０の表面がいずれも半極性面（図１に示したθは５８度）である点が、実施例１と相違する。実施例２に係る半導体レーザダイオード１０の他の構成は、実施例１と同様であるため、説明を適宜省略する。
【００５１】
実施例２に係る半導体レーザダイオード１０では、発光層４０の量子井戸面が半極性面であるため、ピエゾ電界が大幅に低減される。また、共振器ミラー端面が電荷中性面である非極性面（ｍ面）または非極性面（ａ面）である。このため、共振器ミラー端面における劈開を容易に行うことができ、共振器ミラー端面の平坦性を向上させることができる。
【００５２】
実施例２に係る半導体レーザダイオード１０について、実施例１と同様に発光層４０の偏光特性について解析した。
【００５３】
図６は、半極性ＡｌＩｎＧａＮ組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。図６に示した領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ、Ｘ１偏光、Ｘ２偏光、Ｘ３偏光の光学利得が最大となる領域を示す。領域Ｒ２は、上述した条件（１）を満たす領域であり、ＡｌＩｎＧａＮ組成を領域Ｒ２内とすることにより、非極性面（ｍ面）を共振器ミラー端面（発光端面）とすることができる。この条件（１）と、条件（２）の発光層の歪みが−２％から＋２％になる範囲であること、という条件を満たす点（ｘ，ｙ）は、Ｅ点（０．６９，０．３１）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ点（０．３９，０．６１）を頂点とする五角形の領域内に位置することが見出された。
【００５４】
また、上述した条件（３）を加味した場合には、点（ｘ，ｙ）は、Ｅ’点（０．３，０．１９）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ’点（０．３，０．５８）を頂点とする五角形の領域内に位置することが見出された。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】任意面方位基板上の（発光層）量子井戸における座標軸の取り方を表す模式図である。
【図２】実施例１に係る半導体レーザダイオードの構造を示す概略図である。
【図３】ＩｎＧａＮにおける光学遷移の選択則を示す模式図である。
【図４】非極性ＡｌＩｎＧａＮ組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。
【図５】実施例２に係る半導体レーザダイオードの構造を示す概略図である。
【図６】半極性ＡｌＩｎＧａＮ組成の相図において、発光層からの各偏光のうち最大となる偏光を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 半導体レーザダイオード、２０ 基板、３０ ｎ型半導体層、４０ 発光層、５０ ｐ型半導体層、６０ ｎ側電極、７０ ｐ側電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、
点（ｘ，ｙ）がＡ点（０．６８，０．３２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ点（０．３８，０．６２）を頂点とする四角形の領域内に位置する非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする発光素子用基板。
【請求項２】
点（ｘ，ｙ）がＡ’点（０．３，０．２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ’点（０．３，０．５９）を頂点とする四角形の領域内に位置する非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備える請求項１に記載の発光素子用基板。
【請求項３】
混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、
点（ｘ，ｙ）がＥ点（０．６９，０．３１）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ点（０．３９，０．６１）を頂点とする五角形の領域内に位置する半極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする発光素子用基板。
【請求項４】
点（ｘ，ｙ）がＥ’点（０．３，０．１９）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ’点（０．３，０．５８）を頂点とする五角形の領域内に位置する半極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする請求項３に記載の発光素子用基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光素子用基板と、
前記発光素子用基板の上に形成され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、
を備えることを特徴とする発光素子。
【請求項６】
前記発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でｃ軸に垂直な方向より、ｃ軸を基板面に投影した方向の方が強く、
前記発光層からの発光が出射される発光端面がｃ軸を基板面に投影した方向と平行であることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
主表面が非極性面または半極性面であり、混晶組成がＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１と表されるＡｌＩｎＧａＮ混晶基板と、
前記ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の上に形成された発光層と、
を備え、
前記発光層の歪みが−２％〜＋２％であり、
前記発光層の発光端面が電荷中性面であることを特徴とする発光素子。
【請求項８】
前記発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でｃ軸に垂直な方向より、ｃ軸を基板面に投影した方向の方が強くなる範囲から点（ｘ，ｙ）が選択されることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
前記発光層から発せられる光の発光波長が５００〜５５０ｎｍであることを特徴とする請求項７または８に記載の発光素子。
【請求項１】
混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、
点（ｘ，ｙ）がＡ点（０．６８，０．３２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ点（０．３８，０．６２）を頂点とする四角形の領域内に位置する非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする発光素子用基板。
【請求項２】
点（ｘ，ｙ）がＡ’点（０．３，０．２）、Ｂ点（０．１９，０．１７）、Ｃ点（０．１６，０．５５）およびＤ’点（０．３，０．５９）を頂点とする四角形の領域内に位置する非極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備える請求項１に記載の発光素子用基板。
【請求項３】
混晶組成をＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表すとき、
点（ｘ，ｙ）がＥ点（０．６９，０．３１）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ点（０．３９，０．６１）を頂点とする五角形の領域内に位置する半極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする発光素子用基板。
【請求項４】
点（ｘ，ｙ）がＥ’点（０．３，０．１９）、Ｆ点（０．１６，０．１５）、Ｇ点（０，０．２７）、Ｈ点（０，０．５）およびＩ’点（０．３，０．５８）を頂点とする五角形の領域内に位置する半極性ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板を備えることを特徴とする請求項３に記載の発光素子用基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光素子用基板と、
前記発光素子用基板の上に形成され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられた量子井戸構造で構成される発光層と、
を備えることを特徴とする発光素子。
【請求項６】
前記発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でｃ軸に垂直な方向より、ｃ軸を基板面に投影した方向の方が強く、
前記発光層からの発光が出射される発光端面がｃ軸を基板面に投影した方向と平行であることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
主表面が非極性面または半極性面であり、混晶組成がＡｌ（ｘ）Ｉｎ（ｙ）Ｇａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１と表されるＡｌＩｎＧａＮ混晶基板と、
前記ＡｌＩｎＧａＮ混晶基板の上に形成された発光層と、
を備え、
前記発光層の歪みが−２％〜＋２％であり、
前記発光層の発光端面が電荷中性面であることを特徴とする発光素子。
【請求項８】
前記発光層からの発光の偏光の光学利得が、基板面内でｃ軸に垂直な方向より、ｃ軸を基板面に投影した方向の方が強くなる範囲から点（ｘ，ｙ）が選択されることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
前記発光層から発せられる光の発光波長が５００〜５５０ｎｍであることを特徴とする請求項７または８に記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−５６４３４（Ｐ２０１０−５６４３４Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２２０９５（Ｐ２００８−２２２０９５）
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（５９３１６５４８７）学校法人金沢工業大学 (202)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（５９３１６５４８７）学校法人金沢工業大学 (202)
【Ｆターム（参考）】
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