CN103444021A - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

一种具有光波导(120)的氮化物半导体发光元件，至少以下部覆盖层(102)、活性层(104)、上部覆盖层(107)的顺序来包含这些层，上部覆盖层(107)具有：由透明导电体构成的第二上部覆盖层(109)、以及由氮化物半导体构成的第一上部覆盖层(108)，且第一上部覆盖层(108)被形成在比该第二上部覆盖层(109)靠近活性层一侧。

Description

氮化物半导体发光元件
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光元件，尤其涉及发光效率高且工作电压低的氮化物半导体发光元件。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的III-V族氮化物系化合物半导体，也就是所谓的氮化物半导体不断地受到关注。氮化物半导体的一般的表达式为InxGayAl1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)，是由作为III族元素的铟(In)、镓(Ga)以及铝(Al)之中的至少一个、与作为V族元素的氮(N)构成的化合物半导体。在使用了这些氮化物半导体的器件中，尤其是将电转换为光的发光元件的开发正在进展。
作为半导体发光元件的种类大致有两种，一种是被注入的载体(电子、空穴)通过自然放出而被转换为光的发光二极管(LED：Light EmittingDiode)，另一种是在器件上设置导波路径，将被注入到导波路径的载体通过诱导放出，来转换为光的激光二极管(LD：Laser Diode)等半导体激光。
使用了氮化物半导体的发光二极管作为组合了荧光体的白色LED，作为照明装置或液晶显示装置的背面光源正在被不断地开发。另外，关于使用了氮化物半导体的半导体激光，射出发光波长为400至410nm的激光的蓝紫色激光二极管被用于蓝光(Blu-ray)光碟的记录以及再生装置的光源。
并且，近些年，发光波长从蓝色区域发展为绿色区域的被进行了长波长化的氮化物半导体发光元件也作为显示器所使用的光源被开发并被投入生产。为了满足这种用途，像超辐射发光二极管(SLD：Super LuminescentDiode)这种，能够射出使作为激光的缺点的斑点噪声减少的光的氮化物半导体发光元件也得到了开发。
在这种半导体激光或SLD等氮化物半导体发光元件中，如以上所述那样，通过在光波导中生成诱导放射光，来实现高效率的发光元件。为了高效地得到这种诱导放射光，则需要提高光波导的光限制因子(Opticalconfinement factor)。作为提高光限制因子的方法，例如在以往的技术中列举的方法是，作为导向层采用GaN(氮化镓)，作为覆盖层采用AlxGa1-xN(0<x≤1)。在这种情况下，在覆盖层的AlxGa1-xN中通过使Al(铝)成分增大，从而能够使折射率比导向层的GaN大幅度减小，其结果是，折射率差增大，从而能够使光限制因子增高。
但是，像这样在增加覆盖层的Al成分的情况下，副作用也会增加。尤其是在发光层上方设置的p型的覆盖层，用作掺杂物的Mg(镁)受主的电离能与Al成分成正比来增大。因此，出现的问题是，难于在p型的覆盖层实现较高的空穴浓度，最终会增加覆盖层的串联电阻，氮化物半导体发光元件的工作电压就会増加。
对于上述的问题，专利文献1公开了在实现较高的光限制的同时，还能够得到工作电压低的激光二极管。以下，利用图17来对专利文献1所公开的以往的激光二极管的结构进行说明。
如图17所示，以往的激光二极管2100由在蓝宝石衬底等构成的衬底2101上的n型接触层2110、n型下部覆盖层2130、n型下部波导层2140、多重量子阱(MQW：Multiple Quantum Well)区域2150、p型限制层2160、以及p型上部波导层2170形成。
并且，在MQW区域2150的活性区域2155的上方的p型上部波导层2170上，形成有由透明导电膜构成的上部覆盖层2180。而且，一对绝缘层部分2185以中间夹着上部覆盖层2180的方式而相对地形成。
并且，由金属构成的p侧电极2190被形成在上部覆盖层2180以及绝缘层部分2185之上。另外，由金属构成的n侧电极2120被形成在n型接触层2110的第一露出区域上。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1  日本 特开2004-289157号公报
然而，本申请的发明人员在制作了具有上述的构成的激光二极管2100并进行了探讨，发现在以往的激光二极管2100的结构中，虽然能够降工作电压低，但是使用范围内的注入电流不能引起诱导放射，因此不能输出所希望的光。
这是因为，即使作为上部覆盖层2180的透明导电膜的材料来采用目前特性最稳定的ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟)，也难于制作具有充分低的体反抗且对发出的光的光吸收少的高结晶性的透明导电膜的缘故。
这样，由于使透明导电膜的结晶性增高比较困难，因此即使制作具有图17所示的结构的激光二极管2100，在p型上部波导层2170与透明导电膜构成的上部覆盖层2180之间的界面也会发生因光吸收而造成的内部损失，因此会有发光效率低的问题。
发明内容
本发明鉴于上述的问题，目的在于提供一种发光效率高且工作电压低的氮化物半导体发光元件。
本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的一个实施方式为一种具有光波导的氮化物半导体发光元件，该半导体发光元件至少以第一覆盖层、活性层、第二覆盖层的顺序来包含这些层，所述第二覆盖层具有透明导电体层以及氮化物半导体层，所述透明导电体层由透明导电体构成，所述氮化物半导体层由氮化物半导体构成，并且被形成在比该透明导电体层靠近所述活性层一侧。
通过此构成，能够由第二覆盖层中的与活性层近的氮化物半导体层来进行光限制。据此，即使在透明导电体层由结晶性低的透明导电性氧化膜构成的情况下，与具有以透明导电体层这一单层来进行光限制的构成的氮化物半导体发光元件相比，也能够抑制内部损失的增大。其结果是，能够实现发光效率高的氮化物半导体发光元件。
并且，第二覆盖层中的透明导电体层能够在纵方向上对光限制起到作用。这样，由于能够使被形成在与活性层近的一侧的氮化物半导体层薄膜化，因此，能够降低该氮化物半导体层的串联电阻。其结果是，能够实现工作电压低的氮化物半导体发光元件。
而且，在本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的一个实施方式中，所述氮化物半导体层最好是至少包含Al(铝)。
而且，在本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的一个实施方式中，所述氮化物半导体层最好是由AlxInyGa1-x-yN(0<x≤0.82，0≤y≤0.18，0≤1-x-y<1)构成。
而且，在本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的一个实施方式中，最好是该氮化物半导体发光元件具备被设置在所述活性层与所述第二覆盖层之间的导向层，所述导向层与所述第二覆盖层的合计膜厚d为，0.1μm<d<0.5μm。
而且，在本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的一个实施方式中，所述光波导最好是垂直台面型结构，该追指台面型结构是通过从所述第二覆盖层挖掘到所述第一覆盖层的一部分为止而被形成的。
而且，在本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的一个实施方式中，所述透明导电体的材料最好是以下材料之中的某一个，这些材料包括：被添加了锡的氧化铟、被添加了锑的氧化锡、以及氧化锌。
而且，在本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的一个实施方式中，所述透明导电体层的膜厚最好是比100nm大。
通过本发明所涉及的氮化物半导体发光元件，能够实现发光效率高且工作电压低的氮化物半导体发光元件。
附图说明
图1A是本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件的俯视图。
图1B是图1A的A-A’线上的本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件的剖面图。
图2是用于说明本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件的制造方法的图。
图3是对结构不同的六种氮化物半导体发光元件的计算参数及其特性进行比较的图。
图4A是用于说明本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件上的第二上部覆盖层的设计例子的结构图。
图4B示出了在使用图4A的结构时的ITO(氧化铟)的衰减系数(K)与波导损失(αi)之间的关系。
图5A是用于说明在本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件中，上部导向层以及第一上部覆盖层的设计例子的结构的图。
图5B示出了图5A所示的氮化物半导体发光元件中的第二导向层以及第一上部覆盖层的膜厚与波导损失的关系。
图5C示出了图5A所示的氮化物半导体发光元件中的第二导向层以及第一上部覆盖层的膜厚与光限制因子的关系。
图6示出了本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件中的第二上部覆盖层的膜厚与波导损失的关系。
图7A是本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件的俯视图。
图7B是图7A的A-A’线上的本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件的剖面图。
图8是用于说明本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件的制造方法的图。
图9是对结构不同的六种氮化物半导体发光元件中计算参数及其特性进行比较的图。
图10A示出了在对第二上部覆盖层的设计例子进行说明时所使用的氮化物半导体发光元件的结构。
图10B示出了在采用图10A的结构时的ITO的衰减系数(K)与波导损失(αi)的关系。
图11A示出了在对上部导向层以及第一上部覆盖层的设计例子进行说明时所采用的氮化物半导体发光元件的结构。
图11B示出了图11A所示的氮化物半导体发光元件中的第二导向层以及第一上部覆盖层的膜厚与波导损失的关系。
图11C示出了图11A所示的氮化物半导体发光元件中的第二导向层以及第一上部覆盖层的膜厚与光限制因子的关系。
图12A是本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件的俯视图。
图12B是图12A的A-A’线上的本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件的剖面图。
图13A示出了在本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件中，利用图9所示的参数来制作的氮化物半导体发光元件(结构G)中的电流-光输出特性以及电流-电压特性。
图13B示出了在本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件中，利用图9所示的参数来制作的氮化物半导体发光元件(结构J)中的电流-光输出特性以及电流-电压特性。
图13C示出了在本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件中，利用图9所示的参数来制作的氮化物半导体发光元件(结构K)中的电流-光输出特性以及电流-电压特性。
图14是本发明的实施方式4所涉及的氮化物半导体发光元件的剖面图。
图15是本发明的实施方式5所涉及的氮化物半导体发光元件的剖面图。
图16是用于说明本发明的实施方式5所涉及的氮化物半导体发光元件的制造方法的图。
图17是用于说明以往的激光二极管的结构的图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的氮化物半导体发光元件的实施方式进行说明。另外，以下的实施方式仅为一个例子，本发明并非受这些实施方式所限，本发明由权利要求中所记载的内容限定。因此，以下的实施方式的构成要素中，没有记载在权利要求的构成要素虽然不是实现本发明的课题所必需的构成，但是作为比较优选的构成方式来说明。并且，各个图仅为模式图，并非是严谨的图示。
(实施方式1)
首先，参照附图对本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件100进行说明。本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件100是使用了氮化物半导体的激光二极管，发光波长为390nm至420nm，优选的是中心波长为405nm。
图1A是本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件的俯视图，图1B是图1A的A-A’线上的该氮化物半导体发光元件的剖面图。
如图1A以及图1B所示，本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件100具有例如在作为(0001)面的n型GaN主体衬底的衬底101上，由如下的层依次层叠而成的层结构，依次层叠的层为：例如作为n型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的下部覆盖层102(第一覆盖层)、例如作为n型的GaN层的下部导向层103(第一导向层)、例如作为InGaN活性层的量子阱结构的活性层104、例如作为p型的GaN层的上部导向层105(第二导向层)、例如作为薄膜的p型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的电子阻挡层106、以及上部覆盖层107(第二覆盖层)。
上部覆盖层107由多个层构成，在本实施方式中为第一上部覆盖层108和第二上部覆盖层109的两层结构。
第一上部覆盖层108由氮化物半导体构成，是比第二上部覆盖层109更接近于活性层104一侧而被形成的氮化物半导体覆盖层(氮化物半导体层)。第一上部覆盖层108例如能够由p型的Alx+yIn1-yGa1-xN(0<x≤0.82，0≤y≤0.18，0≤1-x-y<1)构成。
第二上部覆盖层109由透明导电膜(透明导电体)构成，是比第一上部覆盖层108远离活性层104而被形成的透明导电体覆盖层(透明导电体层)。第二上部覆盖层109例如能够由ITO(氧化铟)构成。
本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件100具有带脊型的光波导120，其是通过直到活性层104的下面的层为止进行蚀刻并深挖而形成的带脊(凸部)。本实施方式中的光波导120是通过从第二上部覆盖层109深挖到下部覆盖层102的一部分而形成的垂直台面型结构的光波导。
下部覆盖层102的表面与光波导120的带脊的侧面之间形成有由SiO2构成的绝缘膜130。并且，以覆盖下部覆盖层102和光波导120的带脊的方式，在绝缘膜130上以及第二上部覆盖层109的表面(光波导120的凸部的接触面125)形成有p侧电极140。并且，以覆盖p侧电极140的方式形成有衬垫电极141。而且，在衬底101的背面，即在与形成有下部覆盖层102的面相反一侧的面上形成有n侧电极150。
这样，通过在上部覆盖层107中，在由透明导电膜构成的第二上部覆盖层109的正下方，设置由氮化物半导体构成的第一上部覆盖层108，从而在第一上部覆盖层108与其正下方的由p型的GaN构成的上部导向层105之间发生折射率差。即，能够通过与活性层104接近的第一上部覆盖层108来对光进行限制。据此，即使在第二上部覆盖层109由结晶性低的透明导电性氧化膜构成，且衰减系数高的情况下，也能够抑制因光吸收而造成的内部损失(αi)的增加。其结果是，能够实现发光效率高的氮化物半导体发光元件。
并且，由透明导电膜构成的第二上部覆盖层109能够作为对光或载体进行限制的覆盖层来发挥作用，通过第二上部覆盖层109能够对纵方向上的光进行限制。据此，能够对由p型的Alx+yIn1-yGa1-xN构成的第一上部覆盖层108的膜厚进行薄膜化，因此能够降低第一上部覆盖层108的串联电阻。其结果是，能够实现低电压工作的氮化物半导体发光元件。
这样，通过本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件100，能够实现发光效率高以及工作电压低的氮化物半导体发光元件。
接着利用图2对本実施的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件100的制造方法进行说明。图2是用于说明本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件的制造方法进行说明的图。
如图2的(a)所示，首先，通过MOCVD法(金属有机化学气相淀积法)，在衬底101上以膜厚为1.5μm的厚度，例如对掺杂了Si的Al0.05Ga0.95N进行成膜，从而形成下部覆盖层102。接着，对如下的层依次进行成膜，这些层是指：例如作为掺杂了Si的n型的GaN的下部导向层103、例如由In0.6Ga0.94N量子阱层/In0.02Ga0.98N阻挡层进行多层(例如三层)成膜的活性层104、例如作为掺杂了Mg的GaN的上部导向层105(膜厚100nm)、以及例如作为掺杂了Mg的p型的Al0.2Ga0.8N的电子阻挡层106(膜厚10nm)。
之后，作为上部覆盖层107，对氮化物半导体层与透明导电体层的层叠膜进行成膜。具体而言，通过在电子阻挡层106上以膜厚为150nm的厚度，来对例如掺杂了Mg的p型的Al0.05Ga0.95N进行成膜，来形成作为氮化物半导体层的第一上部覆盖层108。之后，从生长炉中取出，利用溅射装置或者电子束气相淀积装置等，以200nm的膜厚例如来对ITO进行成膜，从而形成作为透明导电体层的第二上部覆盖层109。
接着，在第二上部覆盖层109上，利用等离子体CVD(气相淀积)法，来形成厚度为800nm的SiO2膜。之后，进行利用了光刻以及氟化氢的蚀刻，对SiO2膜进行选择性去除，之后形成成为带脊型的光波导120的宽度例如为1.5μm的SiO2掩膜。之后，利用Cl2气体来进行干蚀刻，对于没有由SiO2掩膜覆盖的に区域直到下部覆盖层102(一部分或全部)为止进行蚀刻。据此，形成了图2的(b)所示的宽度为1.5μm的凸型(带脊)的图案。
接着，以覆盖衬底101的整个上方的方式，利用等离子体CVD法，来形成厚度为300nm的SiO2膜，并形成绝缘膜130。之后，通过去除SiO2掩膜，从而如图2的(c)所示，能够形成具有由两层结构构成的上部覆盖层107的带脊型的光波导120。
接着，如图2的(d)所示，通过光刻以及EB气相淀积法，以覆盖光波导120的方式，来形成由厚度为45nm的钯(Pd)和厚度为50nm的白金(Pt)构成的p侧电极140。接着，利用光刻以及EB气相淀积法，来形成使厚度为50nm的钛(Ti)和厚度为1000nm的金(Au)层叠后的膜，之后通过电解镀金法使Au的厚度增加到10μm，来形成衬垫电极141。
之后，利用金刚石泥浆通过将衬底101的厚度研磨到100μm左右，来进行薄片化之后，利用EB气相淀积装置，在衬底101的背面形成作为n侧电极150的厚度为5nm的Ti、厚度为10nm的Pt以及厚度为1000nm的Au。之后，通过进行劈裂而使芯片分离，从而制造出本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件100。
在此，利用图3来对使上部覆盖层107具有两层结构的理由进行说明，所述的两层结构是指，由被形成在与活性层104近的一侧的氮化物半导体构成的第一上部覆盖层108，以及被形成在该第一上部覆盖层108上的由透明导电体构成的第二上部覆盖层109。
图3示出了对结构不同的六种(“结构A”至“结构F”)氮化物半导体发光元件中的计算参数及其特性进行比较的图。并且，图3中的各个结构的氮化物半导体发光元件将各个结构的各个层的条件设定为，与图1B所示的氮化物半导体发光元件的各个层相对应。
“结构A”是，作为上部覆盖层107而仅使用了Al0.05Ga0.95N的结构，是没有使用透明导电体层的标准结构。“结构B”是，没有第一上部覆盖层(氮化物半导体层)108，而仅使用了由ITO构成的第二上部覆盖层109的结构。“结构C”是，作为第一上部覆盖层108的材料采用了GaN，并且，作为第二上部覆盖层109的材料采用了ITO的结构。“结构D”是，作为第一上部覆盖层108的材料采用了Al0.05Ga0.95N，作为第二上部覆盖层109的材料采用了ITO的结构。“结构E”是，虽然与“结构A”同样，没有采用透明导电体层，不过，上部覆盖层107的膜厚为较薄的结构，作为第一上部覆盖层108的材料采用了Al0.05Ga0.95N，并且没有采用第二上部覆盖层109的结构。“结构F”是，作为第一上部覆盖层108的材料采用了Al0.2In0.1Ga0.7N，作为第二上部覆盖层109的材料采用了ITO的结构。
并且，图3的六种结构之中，本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件100为结构D以及结构F，在结构D，第一上部覆盖层108中不含有In(铟)。
在图3中归纳了，针对这些六种结构的氮化物半导体发光元件的、用于决定电流-光输出特性的光限制因子(Γ)和波导损失(αi)的值。
根据图3所示的结果，在作为本实施方式所涉及的结构D以及结构F中的氮化物半导体发光元件中，能够比作为标准的激光结构的结构A的氮化物半导体发光元件得到高的光限制因子，并且能够得到与该结构A具有同等程度的波导损失。结果是，通过本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件100，与标准结构A的氮化物半导体发光元件相比，不会使电流-光输出特性降低，并且能够使电流-电压特性提高。
接着，关于上述的“结构A”至“结构F”(除“结构E”)，利用图4A以及图4B，对作为第二上部覆盖层109的材料的ITO与氮化物半导体发光元件的特性的关系进行说明。图4A示出了用于说明第二上部覆盖层109的设计例子而采用的氮化物半导体发光元件的结构。图4B示出了在使用图4A的结构时的ITO的衰减系数(K)与波导损失(αi)之间的关系，ITO的衰减系数(K)对波导损失的依存性。
如图4B所示，若要将“结构B”或者“结构C”的氮化物半导体发光元件中的波导损失与“结构A”或者“结构D”、“结构F”的氮化物半导体发光元件中的波导损失成为同等程度，虽然可以使第二上部覆盖层109(ITO)的衰减系数(K)成为10-3左右，但是这需要提高ITO的结晶性。然而，现状是对这种程度的结晶性高的ITO进行成膜是非常困难的。
对此，在“结构D”或者“结构F”的氮化物半导体发光元件中，即使将第二上部覆盖层109(ITO)的衰减系数(K)的值设定得比较大，使其成为10-2，也能够成为与“结构A”为同等程度的波导损失(αi)。即，第二上部覆盖层109即使为结晶性低的ITO，也能够实现与“结构A”的氮化物半导体发光元件为同等程度的波导损失(αi)。这是因为，在“结构D”或者“结构F”的氮化物半导体发光元件中，以折射率低的AlGaN构成的第一上部覆盖层108有利于对光进行限制，因此几乎没有光渗透到第二上部覆盖层109的缘故。
这样，通过本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件100，第二上部覆盖层109即使为结晶性低的ITO，也能够抑制因光吸收而造成的波导损失(αi)的增大。并且，由于由ITO构成的第二上部覆盖层109比由p型的AlGaN构成的第一上部覆盖层108的折射率低，因此第二上部覆盖层109能够作为光限制层来发挥作用。据此，能够使第一上部覆盖层108的膜厚薄膜化，并能够降低串联电阻。因此，能够实现发光效率高以及工作电压低的氮化物半导体发光元件。
接着，利用图5A、图5B以及图5C对本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件100中的上部导向层105的优选膜厚进行说明。
图5A示出了为了说明上部导向层105以及第一上部覆盖层108的设计例子而采用的氮化物半导体发光元件的结构。图5B示出了图5A所示的氮化物半导体发光元件中的第二导向层以及第一上部覆盖层的膜厚与波导损失之间的关系。图5C示出了图5A所示的氮化物半导体发光元件中的第二导向层以及第一上部覆盖层的膜厚与光限制因子之间的关系。
在上述的结构中，将作为上部导向层105的p型的GaN的膜厚设为100nm，将作为第一上部覆盖层108的p型的AlGaN的膜厚设为150nm，将第二上部覆盖层109的膜厚设为200nm。
在此，光限制因子(Γ)以及波导损失(αi)由作为上部导向层105的p型的GaN的膜厚(T1)和作为第一上部覆盖层108的p型的AlGaN的膜厚(T2)来决定。
因此，依照作为上部导向层105的p型的GaN的膜厚以及作为第一上部覆盖层108的p型的lGaN的膜厚的变化，会有不能充分得到上述的本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的效果的情况。
因此，如图5A的结构所示，将由p型的GaN构成的上部导向层105的膜厚设为T1，将由p型的AlGaN构成的第一上部覆盖层108的膜厚设为T2，并计算了针对这些膜厚的变化的光限制因子(Γ)以及波导损失(αi)。这些计算结果由图5B以及图5C示出。
如图5B以及图5C所示，为了得到比标准结构A(光限制因子：3.4%，波导损失：3.5cm-1)的光限制因子高且波导损失低的氮化物半导体发光元件，在上部导向层105的膜厚(T1)为100nm的情况下，第一上部覆盖层108的膜厚(T2)最好在150nm以上。
同样，在上部导向层105的膜厚(T1)为150nm的情况下，第一上部覆盖层108的膜厚(T2)最好在100nm以上。
通过将上部导向层105的膜厚(T1)与第一上部覆盖层108的膜厚(T2)的组合设定在图5B以及图5C所示的范围内，这样，即使在ITO的衰减系数大的情况下也能够抑制波导损失(αi)的增大，并且能够得到所希望的光限制因子。
并且，若将上部导向层105的膜厚(T1)设定为小于100nm或者大于150nm，则波导损失(αi)比标准结构A增大，并且由于引起光限制因子的降低，因此导致阈值电流特性增大。
接着，利用图6对本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件100中的第二上部覆盖层109的优选膜厚进行说明。图6示出了本发明的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件中的第二上部覆盖层的膜厚与波导损失之间的关系。
在上述的结构中，虽然将第二上部覆盖层109(ITO)的膜厚设为200nm，但是在本实施方式的结构D或者结构F中，为了使波导损失与标准结构A(波导损失：3.5cm-1)相同，则如图6所示，最好是至少将第二上部覆盖层109的膜厚设定在100nm以上。据此，能够使因第二上部覆盖层109的接触面上的电极而造成的光吸收充分降低。
从以上的膜厚的计算结果中可知，上部导向层105与上部覆盖层107(第一上部覆盖层108以及第二上部覆盖层109)的合计膜厚d最好是成为0.1μm<d<0.5μm。
以上对本实施方式中的，以将p型的AlGaN用作第一上部覆盖层108的情况为中心进行了说明。在这种情况下，第一上部覆盖层108只要是至少含有Al的氮化物半导体层，就能够得到本发明的效果。第一上部覆盖层108的最优选的Al成分为，Al成分x为0<x≤0.1的情况。若Al成分x比0.1高，则第一上部覆盖层108的串联电阻就会增高，阈值电流特性变差，并且与GaNと的晶格常数差就会增大，且发生裂缝，这样会对成品率带来不好的影响。
并且，作为第一上部覆盖层108的材料，并非受限于AlGaN，即使采用比AlGaN的Al成分x为0<x≤0.1的情况下的折射率低的p型AlInN或者四维混合晶体的p型的AlInGaN，也能够得到同样的效果。
(实施方式2)
接着，参照附图对本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件200进行说明。
在上述的实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件100中，虽然作为下部导向层103以及上部导向层105的材料使用了GaN，在实施方式2中，作为下部导向层203以及上部导向层205的材料采用InGaN。据此，实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件200与实施方式1所涉及的氮化物半导体发光元件100相比，能够使针对ITO的衰减系数的容许上限更高，并且能够使光限制因子增大。因此，能够实现更高效率的氮化物半导体发光元件。
并且，作为实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件，以采用了氮化物半导体的超辐射发光二极管为例进行说明。本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的发光波长例如为420nm至490nm，优选中心波长为450nm。
图7A是本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件的俯视图，图7B是图7A的A-A’线上的该氮化物半导体发光元件的剖面图。
如图7A以及图7B所示，本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件200例如是具有在作为(0001)面的n型GaN主体衬底的衬底201上，依次层叠如下的层的层结构，所述的层包括：例如作为n型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的下部覆盖层202(第一覆盖层)、例如作为n型的In0.02Ga0.98N层的下部导向层203(第一导向层)、例如作为In0.15Ga0.85N/GaN活性层的量子阱结构的活性层204、例如作为p型的In0.02Ga0.98N层的上部导向层205(第二导向层)、例如作为薄膜的p型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的电子阻挡层206、以及上部覆盖层207(第二覆盖层)。
上部覆盖层207由多个层构成，在本实施方式中为第一上部覆盖层208和第二上部覆盖层209的两层结构。
第一上部覆盖层208由氮化物半导体构成，是在比第二上部覆盖层209更接近于活性层204一侧被形成的氮化物半导体覆盖层(氮化物半导体层)。第一上部覆盖层208例如能够由p型的Alx+yIn1-yGa1-xN(0<x≤0.82，0≤y≤0.18，0≤1-x-y<1)构成。
第二上部覆盖层209由透明导电膜(透明导电体)构成，是以比第一上部覆盖层208远离活性层204的方式而被形成的透明导电体覆盖层(透明导电体层)。第二上部覆盖层209例如由ITO构成。
本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件200具有带脊型的光波导220，该带脊型的光波导220具有通过深挖到活性层204的下面的层为止而被形成的带脊(凸部)。但是，本实施方式中的光波导220与实施方式1中的光波导120不同，本实施方式中的光波导220为具有垂直的台面型结构的光波导，其是通过从第一上部覆盖层208深挖到下部覆盖层202的一部分为止而被形成的。即，在本实施方式中，第二上部覆盖层209以覆盖带脊的方式而被构成。
在下部覆盖层202的表面与光波导220的带脊的侧面，被形成有由SiO2构成的绝缘膜230。并且，以覆盖下部覆盖层202以及光波导220的带脊的方式，在绝缘膜230上以及第一上部覆盖层208的表面形成有第二上部覆盖层209。并且，以覆盖第二上部覆盖层209的方式，在第二上部覆盖层的凸部的接触面225形成有p侧电极240。并且，以覆盖p侧电极240的方式形成有衬垫电极241。而且，在衬底201的背面形成有n侧电极250。
并且，在本实施方式中如图7A所示，光波导220在射出端近旁以3000μm以上的曲率半径弯曲，光波导220相对于光射出端面为傾斜。在本实施方式中，光射出端面与光波导220所成的角度例如为10度。
这样，即使在本实施方式中，由于在上部覆盖层207中，在由透明导电膜构成的第二上部覆盖层209的正下方设置有由氮化物半导体构成的第一上部覆盖层208，因此在第一上部覆盖层208与其正下方的由p型的InGaN构成的上部导向层205之间发生折射率差。即，能够由离活性层204近的第一上部覆盖层208来对光进行限制。据此，即使第二上部覆盖层209由结晶性低的透明导电性氧化膜构成且衰减系数高的情况下，也能够抑制因光吸收而造成的内部损失(αi)的增大。其结果是，能够实现发光效率高的氮化物半导体发光元件。
并且，由透明导电膜构成的第二上部覆盖层209作为对光或载体进行限制的覆盖层来发挥作用，由第二上部覆盖层209能够在纵方向上对光进行限制。据此，能够对由p型的Alx+yIn1-yGa1-xN构成的第一上部覆盖层208的膜厚进行薄膜化，因此能够降低第一上部覆盖层208的串联电阻。其结果是能够实现低电压工作的氮化物半导体发光元件。
这样，通过本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件200，能够实现发光效率高以及工作电压低的氮化物半导体发光元件。
接着，利用图8对本实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件200的制造方法进行说明。图8是用于说明本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件的制造方法的图。
首先，通过MOCVD法，在衬底201上，以1.5μm的膜厚来对例如掺杂了Si的Al0.05Ga0.95N进行成膜，以形成下部覆盖层202。接着，依次对如下的层进行成膜，这些层是指：例如作为掺杂了Si的In0.02Ga0.98N的下部导向层203、例如由In0.15Ga0.85N量子阱层/GaN阻挡层多层(例如三层)成膜的活性层204、例如作为掺杂了Mg的In0.02Ga0.98N的上部导向层205(膜厚100nm)、以及例如作为Mg掺杂了p型的Al0.2Ga0.8N的电子阻挡层206(膜厚10nm)。
之后，作为构成上部覆盖层207的一个层，首先以150nm的膜厚例如对掺杂了Mg的p型的Al0.05Ga0.95N进行成膜，从而形成作为氮化物半导体层的第一上部覆盖层108。
接着，在第一上部覆盖层208之上，利用等离子体CVD法来形成厚度为800nm的SiO2膜。之后，通过利用光刻以及氟化氢来进行蚀刻，来对SiO2膜进行选择性去除，之后形成成为带脊型的光波导220的、宽度例如为1.5μm的SiO2掩膜。之后，利用Cl2气体来进行干蚀刻，针对没有覆盖SiO2掩膜的区域直到下部覆盖层102(一部分或全部)为止进行蚀刻。据此，形成图8的(a)所示的、宽度为1.5μm的凸型(带脊)的图案。
接着，以覆盖衬底101的上方的整个面的方式，通过等离子体CVD法，来形成厚度为300nm的SiO2膜，并形成绝缘膜230。之后，通过去除SiO2掩膜，从而能够成为图8的(b)所示的带脊型的光波导220。
之后，利用溅射装置或者电子束气相淀积装置等，例如以200nm的膜厚来对ITO进行成膜，并通过图案化，从而能够形成规定形状的第二上部覆盖层209。据此，如图8的(c)所示，能够形成两层结构的上部覆盖层207。
接着，如图8的(d)所示，利用光刻以及EB气相淀积法，以覆盖光波导220的方式，来形成由厚度为45nm的钯(Pd)以及厚度为50nm的白金(Pt)构成的p侧电极240。接着，利用光刻以及EB气相淀积法，来形成对厚度为50nm的钛(Ti)以及厚度为1000nm的金(Au)进行层叠而成的膜之后，通过电解镀金法将Au的厚度增加到10μm，来形成衬垫电极241。
之后，利用金刚石泥浆，通过研磨来使衬底201的厚度成为100μm左右来进行薄片化，之后利用EB气相淀积装置，在衬底201的背面形成厚度为5nm的Ti、厚度为10nm的Pt、以及厚度为1000nm的Au，以作为n侧电极250。之后，通过进行劈裂而使芯片分离，从而制造出本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件200。
在此，利用图9对作为上部覆盖层207而形成两层结构的理由进行说明，这两层结构是指：被形成在离活性层204近的一侧的由氮化物半导体构成的第一上部覆盖层208、以及被形成在该第一上部覆盖层208之上的由透明导电体构成的第二上部覆盖层209。
图9对结构不同的六种(“结构G”至“结构L”)的氮化物半导体发光元件中的计算参数及其特性进行了比较。并且，图9中的各个结构的氮化物半导体发光元件将各个结构的各个层的条件设定为，与图7B所示的氮化物半导体发光元件的各个层相对应。
在图9中，“结构G”是仅采用了Al0.05Ga0.95N来作为上部覆盖层207的结构，是没有透明导电体层的标准结构。“结构H”是没有第一上部覆盖层(氮化物半导体层)208，而是仅采用了由ITO构成的第二上部覆盖层209的结构。“结构I”是采用GaN来作为第一上部覆盖层208的材料，并且采用ITO来作为第二上部覆盖层209的材料的结构。“结构J”是采用Al0.05Ga0.95N来作为第一上部覆盖层208的材料，采用ITO来作为第二上部覆盖层209的材料的结构。“结构K”与“结构G”同样是没有采用透明导电体层的结构，不过是上部覆盖层207的膜厚较薄的结构，并且作为第一上部覆盖层208的材料而采用膜厚为150nm的Al0.05Ga0.95N，并且是不使用第二上部覆盖层209的结构。“结构L”是采用Al0.2In0.1Ga0.7N来作为第一上部覆盖层208的材料，以及采用ITO来作为第二上部覆盖层209的材料的结构。
并且，图9的六种の结构之中的本发明的实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件200是结构J以及结构L，在结构J中，第一上部覆盖层208不含有In(铟)。
在图9中归纳了，针对这些六种结构的氮化物半导体发光元件的、用于决定电流-光输出特性的光限制因子(Γ)和波导损失(αi)的值。
根据图9所示的结果，在作为本实施方式所涉及的结构J以及结构L中的氮化物半导体发光元件中，能够比作为标准的激光结构的结构G的氮化物半导体发光元件得到高的光限制因子，并且能够得到与该结构G具有同等程度的波导损失。结果是，通过本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件200，能够得到与标准结构G的氮化物半导体发光元件相同的电流-光输出特性，并且能够改善电流-电压特性。
接着，关于上述的“结构G”至“结构L”(除“结构K”)，利用图10A以及图10B，对作为第二上部覆盖层209的材料的ITO与氮化物半导体发光元件的特性的关系进行说明。图10A示出了用于说明第二上部覆盖层209的设计例子而采用的氮化物半导体发光元件的结构。图10B示出了在使用图10A的结构时的ITO的衰减系数(K)与波导损失(αi)之间的关系，ITO的衰减系数(K)对波导损失的依存性。
如图10B所示，若要将“结构H”或者“结构I”的氮化物半导体发光元件中的波导损失与“结构G”或者“结构J”、“结构L”的氮化物半导体发光元件中的波导损失成为同等程度，虽然可以使第二上部覆盖层209(ITO)的衰减系数(K)成为10-3左右，但这需要提高ITO的结晶性。然而，现状是对这种程度的结晶性高的ITO进行成膜是非常困难的。
对此，在“结构J”或者“结构L”的氮化物半导体发光元件中，即使将第二上部覆盖层209(ITO)的衰减系数(K)的值设定得比较大，使其成为10-2，也能够成为与“结构G”为同等程度的波导损失(αi)。即，第二上部覆盖层209即使为结晶性低的ITO，也能够实现与“结构G”的氮化物半导体发光元件为同等程度的波导损失(αi)。这是因为，在“结构J”或者“结构L”的氮化物半导体发光元件中，以折射率低的AlGaN构成的第一上部覆盖层208有利于对光进行限制，因此几乎没有光渗透到第二上部覆盖层209的缘故。
这样，通过本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件200，第二上部覆盖层209即使是结晶性低的ITO，也能够抑制因光吸收而造成的波导损失(αi)的增大。并且，由于由ITO构成的第二上部覆盖层209比由p型的AlGaN构成的第一上部覆盖层208的折射率低，因此第二上部覆盖层209能够作为光限制层来发挥作用。据此，能够使第一上部覆盖层208的膜厚薄膜化。因此，能够实现发光效率高以及工作电压低的氮化物半导体发光元件。
接着，利用图11A、图11B以及图11C对本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件200中的上部导向层205的优选膜厚进行说明。
图11A示出了为了说明上部导向层205以及第一上部覆盖层208的设计例子而采用的氮化物半导体发光元件的结构。图11B示出了图11A所示的氮化物半导体发光元件中的第二导向层以及第一上部覆盖层的膜厚与波导损失之间的关系。图11C示出了图11A所示的氮化物半导体发光元件中的第二导向层以及第一上部覆盖层的膜厚与光限制因子之间的关系。
在上述的结构中，将作为上部导向层205的p型的InGaN的膜厚设为100nm，将作为第一上部覆盖层208的p型的AlGaN的膜厚设为150nm，将第二上部覆盖层209的膜厚设为200nm。
在此，光限制因子(Γ)以及波导损失(αi)由作为上部导向层205的p型的InGaN的膜厚(T1)和作为第一上部覆盖层208的p型的AlGaN的膜厚(T2)来决定。
因此，依照作为上部导向层205的p型的InGaN的膜厚以及作为第一上部覆盖层208的p型的AlGaN的膜厚的变化，会有不能充分得到上述的本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件的效果的情况。
因此，如图11A的结构所示，将p型的InGaN构成的上部导向层205的膜厚设为T1，将由p型的AlGaN构成的第一上部覆盖层208的膜厚设为T2，并计算了针对这些膜厚的变化的光限制因子(Γ)以及波导损失(αi)。这些计算结果由图11B以及图11C示出。
如图11B以及图11C所示，为了得到比标准结构G(光限制因子：2.46%，波导损失：3.5cm-1)的光限制因子高且波导损失低的氮化物半导体发光元件，在第二上部覆盖层209的膜厚(T2)为50nm的情况下，第二导向层的膜厚(T1)最好为200nm。并且，在第二上部覆盖层209的膜厚(T2)为100nm的情况下，第二导向层的膜厚(T1)最好为50nm以上200nm以下。并且，在第二上部覆盖层209的膜厚(T2)为150nm的情况下，第二导向层的膜厚(T1)最好为50nm以上150nm以下。并且，在第二上部覆盖层209的膜厚(T2)为200nm的情况下，第二导向层的膜厚(T1)最好为50nm以上150nm以下。并且，在第二上部覆盖层209的膜厚(T2)为300nm的情况下，第二导向层的膜厚(T1)最好为50nm以上100nm以下。
通过将上部导向层205的膜厚(T1)以及第一上部覆盖层208的膜厚(T2)的组合设定在图11B以及图11C所示的范围内，这样，即使在ITO的衰减系数大的情况下也能够抑制波导损失(αi)的增大，并且能够得到所希望的光限制因子。
并且，在上部导向层205的膜厚(T1)以及第一上部覆盖层208的膜厚(T2)为上述的范围以外的情况下，则波导损失(αi)比标准结构G增大，并且，会引起光限制因子的降低，从而导致电流-光输出特性变差。
以上对本实施方式中的，以将p型的AlGaN用作第一上部覆盖层208的情况为中心进行说明。在这种情况下，第一上部覆盖层208只要是至少含有Al的氮化物半导体层，就能够得到本发明的效果。第一上部覆盖层208的最优选的Al成分为，Al成分x为0<x≤0.1的情况。若Al成分x比0.1高，则第一上部覆盖层208的串联电阻就会增高，阈值电流特性变差，并且与GaN的晶格常数差就会增大，且发生裂缝，这样会对成品率带来不好的影响。
并且，作为第一上部覆盖层208的材料，并非受限于AlGaN，即使采用与AlGaN的Al成分x为0<x≤0.1的情况下的折射率相同或更低的AlInN或者四维混合晶体的AlInGaN，也能够得到同样的效果。
并且，本实施方式(结构J)的第二上部覆盖层209的膜厚被设定为200nm，不过，厚度最好是至少比100nm厚。通过使第二上部覆盖层209的膜厚变厚，从而能够使因被形成在第二上部覆盖层209之上的电极而造成的光吸收减少。
(实施方式3)
接着参照附图，对本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件300进行说明。
本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件300与第一以及实施方式2所涉及的氮化物半导体发光元件100和200的基本构成相同。因此，在本实施方式中，以与第一以及实施方式2的不同之处为中心进行说明。
并且，作为实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件，以利用了氮化物半导体的激光二极管为例进行说明。
图12A是本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件的俯视图，图12B是图12A的A-A’线上的该氮化物半导体发光元件的剖面图。
如图12A以及图12B所示，本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件300例如是具有在作为(0001)面的n型GaN主体衬底的衬底301上，依次层叠如下的层的层结构，所述的层包括：例如作为n型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的下部覆盖层302(第一覆盖层)、例如作为n型的In0.02Ga0.98N层的下部导向层303(第一导向层)、例如作为In0.15Ga0.85N/GaN活性层的量子阱结构的活性层304、例如作为p型的In0.02Ga0.98N层的上部导向层305(第二导向层)、例如作为薄膜的p型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的电子阻挡层306、以及上部覆盖层307(第二覆盖层)。
上部覆盖层307由多个层构成，在本实施方式中为第一上部覆盖层308和第二上部覆盖层309的两层结构。
第一上部覆盖层308由氮化物半导体构成，是比第二上部覆盖层309更接近于活性层304一侧被形成的氮化物半导体覆盖层(氮化物半导体层)。第一上部覆盖层308例如能够由p型的Alx+yIn1-yGa1-xN构成。
第二上部覆盖层309由透明导电膜(透明导电体)构成，是以比第一上部覆盖层308远离活性层304而被形成的透明导电体覆盖层(透明导电体层)。第二上部覆盖层309例如能够由ITO构成。
本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件300具有带脊型的光波导320，该带脊型的光波导320具有使第一上部覆盖层308的一部分或者全部成为垂直的台面型结构的带脊。在除光波导320的最上部以外的第一上部覆盖层308的表面，即第一上部覆盖层308的带脊侧面以及平坦部的表面例如由以SiO2构成的绝缘膜330覆盖。
并且，以与光波导320的最上部的第一上部覆盖层308的表面相接合的方式，来形成第二上部覆盖层309。并且，第二上部覆盖层309以比光波导320的凸部(带脊)表面向横方向增大扩展的方式而被形成，以覆盖光波导320的凸部和绝缘膜330的表面的一部分的方式而被形成。
并且，在第二上部覆盖层309的上部，通过接触面325而形成有p侧电极340。而且，以覆盖p侧电极的方式形成有衬垫电极341。而且，在衬底301的背面上形成有n侧电极350。
这样，即使在本实施方式中，由于在上部覆盖层307中，在由透明导电膜构成的第二上部覆盖层309的正下方设置有由氮化物半导体构成的第一上部覆盖层308，因此在第一上部覆盖层308与其正下方的由p型的InGaN构成的上部导向层305之间发生折射率差。即，能够由离活性层304近的第一上部覆盖层308来对光进行限制。据此，即使第二上部覆盖层309由结晶性低的透明导电性氧化膜构成且衰减系数高的情况下，也能够抑制因光吸收而造成的内部损失(αi)的增大。其结果是，能够实现发光效率高的氮化物半导体发光元件。
并且，由透明导电膜构成的第二上部覆盖层309作为对光或载体进行限制的覆盖层来发挥作用，由第二上部覆盖层309构成在纵方向上对光进行限制。据此，能够对由p型的Alx+yIn1-yGa1-xN构成的第一上部覆盖层308的膜厚进行薄膜化，因此能够降低第一上部覆盖层308の串联电阻。而且，在本实施方式中，第二上部覆盖层309以比光波导320的凸部在横方向上增大变宽的方式而被形成，从而能够将与p侧电极340的接触面325设定得较大。据此，能够降低接触面325中的接触电阻。其结果是，能够实现以较低的电压来进行工作的氮化物半导体发光元件。
以上通过本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件300，能够实现发光效率高且工作电压较低的氮化物半导体发光元件。
接着，利用图13A至图13C对本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件300的作用效果进行说明。图13A至图13C示出了，在本发明的实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件中，利用图9所示的参数而制作的氮化物半导体发光元件(结构G、结构J、结构K)中的电流-光输出特性以及电流-电压特性。
具体而言，图13A示出了，仅采用Al0.05Ga0.95N、而不采用第二上部覆盖层(ITO)的标准结构G的参数被利用时试作的氮化物半导体发光元件的特性。图13B示出了，作为上部覆盖层而采用了第一上部覆盖层(氮化物半导体)和第二上部覆盖层(ITO)的结构J的参数被利用时试作的氮化物半导体发光元件的特性。图13C示出了，作为第一上部覆盖层采用膜厚为150nm的Al0.05Ga0.95N，且不采用第二上部覆盖层(ITO)的结构K的参数被利用时所试作的氮化物半导体发光元件的特性。
通过对图13A至图13C进行比较可知，相当于图13B所示的本实施方式的结构的氮化物半导体发光元件，相对于图13A所示的标准的氮化物半导体发光元件，电流-光输出特性虽然相同，但工作电压却大幅度地降低了。
另外，图13C所示的并非本实施方式的结构的、仅为150nm膜厚的Al0.05Ga0.95N的覆盖层结构的氮化物半导体发光元件，相对于图13A所示的标准的氮化物半导体发光元件，工作电压虽然减低了，但是向p侧电极的光吸收增多，而不能得到所希望的光输出。
从以上的结果可知，通过本实施方式所涉及的结构的氮化物半导体发光元件300，能够在不使电流-光输出特性变差的状态下降低工作电压。
(实施方式4)
接着，利用图14对本发明的实施方式4所涉及的氮化物半导体发光元件400进行说明。图14是本发明的实施方式4所涉及的氮化物半导体发光元件的剖面图。
本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件400与实施方式3所涉及的氮化物半导体发光元件300的基本构成相同。因此，在本实施方式中以与实施方式3不同之处为中心进行说明。
如图14所示，本发明的实施方式4所涉及的氮化物半导体发光元件400例如是具有在作为(0001)面的n型GaN主体衬底的衬底401上，依次层叠如下的层的层结构，所述的层包括：例如作为n型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的下部覆盖层402(第一覆盖层)、例如作为n型的GaN层的下部导向层403(第一导向层)、例如作为InGaN活性层的量子阱结构的活性层404、例如作为p型的GaN层的上部导向层405(第二导向层)、例如作为薄膜的p型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的电子阻挡层406、以及上部覆盖层407(第二覆盖层)。
上部覆盖层407由多个层构成，在本实施方式中为第一上部覆盖层408、第二上部覆盖层409、以及在第一上部覆盖层408与第二上部覆盖层409之间形成的第三上部覆盖层408a的三层结构。
第一上部覆盖层408由氮化物半导体构成，是在比第二上部覆盖层409以及第三上部覆盖层408a更接近于活性层404的一侧被形成的氮化物半导体覆盖层(氮化物半导体层)。第一上部覆盖层408例如能够由p型的Alx+yIn1-yGa1-xN构成。
第二上部覆盖层409由透明导电膜(透明导电体)构成，是以比第一上部覆盖层408以及第三上部覆盖层408a远离活性层404的方式而被形成的透明导电体覆盖层(透明导电体层)。第二上部覆盖层409例如能够由ITO构成。
第三上部覆盖层408a由氮化物半导体构成，是在第一上部覆盖层408上形成的n型接触层。第三上部覆盖层408a作为隧道电极而被形成，例如能够由以高浓度来掺杂Si而构成的n型的InGaN/GaN超晶格层构成。
本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件400具有带脊型的光波导420，该带脊型的光波导420具有使第一上部覆盖层408以及第三上部覆盖层408a的一部分成为台面型结构的带脊。在光波导420的带脊以外的区域，即在第一上部覆盖层408的带脊侧面以及平坦部的表面与第三上部覆盖层408a的侧面，例如由以SiO2构成的绝缘膜430覆盖。
并且，以与光波导420的最上部的第三上部覆盖层408a的表面相接合的方式，第二上部覆盖层409而被形成。而且，第二上部覆盖层409以比光波导420的凸部(带脊)表面在横方向上增大变宽的方式而被形成，以覆盖光波导420的凸部与绝缘膜430的表面的一部分的方式而被形成。
并且，在第二上部覆盖层409的接触面425上形成有p侧电极440，在该p侧电极440的上部形成有衬垫电极441。而且，在衬底401的背面上形成有n侧电极450。
这样，在本实施方式中与实施方式3同样，由于在透明导电膜构成的第二上部覆盖层409的下方设置了氮化物半导体构成的第一上部覆盖层408，从而既能够抑制因光吸收而造成的内部损失(αi)的增大，又能够降低第一上部覆盖层408的串联电阻。而且，第二上部覆盖层409以比光波导420的凸部在横方向上增大的方式而被形成，因此能够将与p侧电极440的接触面425设定得较大，从而能够降低接触面425中的接触电阻。
而且，在本实施方式中，第一上部覆盖层408与第二上部覆盖层409之间形成有第三上部覆盖层408a。据此，在第一上部覆盖层408与第二上部覆盖层409之间，能够由隧道电流来使载体移动。其结果是，能够降低第二上部覆盖层409与第一上部覆盖层408之间的接触电阻。
综上所述，通过本发明的实施方式4所涉及的氮化物半导体发光元件400，由于能够进一步使氮化物半导体发光元件的工作电压降低，从而能够实现发光效率高且工作电压低的氮化物半导体发光元件。
并且，在本实施方式中，作为第三上部覆盖层408a，虽然采用了掺杂了高浓度Si的InGaN/GaN超点阵层，但是并非受此所限。作为第三上部覆盖层408a，例如也可以采用掺杂了高浓度Si的GaN或者InGaN的单层的n型接触层。
(实施方式5)
接着，利用图15对本发明的实施方式5所涉及的氮化物半导体发光元件500进行说明。
如图15所示，本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件500是利用了氮化物半导体的埋入型(RISA型)的半导体激光，例如具有在作为(0001)面的n型GaN主体衬底的衬底501上依次层叠如下的层的层结构，这些层包括：例如作为n型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的下部覆盖层502(第一覆盖层)、例如作为n型的InGaN层的下部导向层503(第一导向层)、例如作为InGaN活性层的量子阱结构的活性层504、例如作为p型的InGaN层的第一上部导向层505a(第一个第二导向层)、例如作为薄膜的p型的AlxGa1-xN(0≤x≤1)层的电子阻挡层506、例如作为p型的GaN层的第二上部导向层505b(第二个第二导向层)、在第二上部导向层505b上部具有开口部的例如作为n型的AlGaN的电流阻挡层530、以及以填埋开口部的方式而被形成在电流阻挡层530上的上部覆盖层507(第二覆盖层)。并且，电流阻挡层530由Al成分比高的高Al成分的AlGaN构成。
上部覆盖层507由多个层构成，在本实施方式中为第一上部覆盖层508、第二上部覆盖层509、以及被形成在第一上部覆盖层508与第二上部覆盖层509之间的第三上部覆盖层508a这三层结构。
第一上部覆盖层508由氮化物半导体构成，是在比第二上部覆盖层509以及第三上部覆盖层508a更接近于活性层504一侧而被形成的氮化物半导体覆盖层(氮化物半导体层)。第一上部覆盖层508以填埋电流阻挡层530的开口部的方式，被形成在第一上部导向层505a以及电流阻挡层530上，例如能够由p型的Alx+yIn1-yGa1-xN构成。
第二上部覆盖层509由透明导电膜(透明导电体)构成，是以比第一上部覆盖层508以及第三上部覆盖层508a远离活性层504的方式而被形成的透明导电体覆盖层(透明导电体层)。第二上部覆盖层509例如由ITO构成。
第三上部覆盖层508a由氮化物半导体构成，是被形成在第一上部覆盖层508上的n型接触层。第三上部覆盖层508a作为隧道电极被形成，例如能够由被掺杂了高浓度的Si的n型的InGaN/GaN超点阵层构成。
本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件500具备埋入型的光波导520，是通过将第一上部覆盖层508填埋到电流阻挡层530的开口部而被形成的。
并且，在第二上部覆盖层509的接触面525上形成有p侧电极540，在该p侧电极540的上部形成有衬垫电极541。而且，在衬底501的背面形成有n侧电极550。
接着，利用图16对本发明的实施方式5所涉及的氮化物半导体发光元件500的制造方法进行说明。图16是用于说明本发明的实施方式5所涉及的氮化物半导体发光元件的制造方法的图。
如图16的(a)所示，首先，通过MOCVD法，在衬底501上，以1.5μm的膜厚来对例如掺杂了Si的Al0.05Ga0.95N进行成膜，并形成下部覆盖层502。接着，依次对如下的层进行成膜，这些层是指：例如作为掺杂了Si的n型的InGaN的下部导向层503、例如由In0.15Ga0.95N井戸层/GaN阻挡层多层(例如三层)成膜的活性层504、例如作为掺杂了Mg的InGaN的第一上部导向层505a、例如作为掺杂了Mg的p型的Al0.2Ga0.8N的电子阻挡层506、例如作为掺杂了Mg的GaN的第二上部导向层505b、以及例如作为n型的AlGaN的电流阻挡层530。
之后，利用溅射装置在电流阻挡层530上形成SiO2掩膜，利用光刻以及湿式蚀刻，来形成例如宽度为1.5μm的开口部。之后，利用光刻以及湿式蚀刻对成为光波导520的区域进行开口，之后通过来去除SiO2掩膜。据此，能够成为如图16的(b)所示那样，能够得到在电流阻挡层530形成成为光波导520的开口部的构成。并且，此时，第一上部导向层505a露出到开口部内。
之后，如图16的(c)所示，再次利用MOCVD法，例如将由p型的Al0.05Ga0.95N构成的第一上部覆盖层508以填埋开口部的方式，来形成在第一上部导向层505a以及电流阻挡层530之上，接着，在第一上部覆盖层508上，来对例如由被掺杂了高浓度的Si的n型的InGaN/GaN超点阵层构成的第三上部覆盖层508a进行成膜。
之后，从生长炉中取出，如该图所示，利用电子束气相淀积装置或者溅射装置，例如通过对ITO进行成膜，从而能够对第二上部覆盖层509进行成膜。据此，能够形成三层结构的上部覆盖层507。
之后，如图16的(d)所示，利用光刻以及EB气相淀积法，以覆盖光波导520的方式，来形成由厚度为45nm的钯(Pd)以及厚度为50nm的白金(Pt)构成的p侧电极540。接着，利用光刻以及EB气相淀积法，对厚度为50nm的钛(Ti)与厚度为1000nm的金(Au)进行层叠来形成膜之后，由电解镀金法来使Au的厚度增加到10μm，以形成衬垫电极541。
之后，利用金刚石泥浆通过将衬底501的厚度研磨到100μm左右，来进行薄片化之后，利用EB气相淀积装置，在衬底501的背面形成作为n侧电极550的厚度为5nm的Ti、厚度为10nm的Pt以及厚度为1000nm的Au。之后，通过进行劈裂而使芯片分离，从而制造出本实施方式所涉及的氮化物半导体发光元件500。
综上所述，通过本发明的实施方式5所涉及的氮化物半导体发光元件500，与实施方式1至实施方式4同样，由于在透明导电膜构成的第二上部覆盖层509的下方设置了由氮化物半导体构成的第一上部覆盖层508，因此，不仅能够抑制因光吸收而造成的内部损失(αi)的增大，而且能够降低第一上部覆盖层508的串联电阻。
并且，在本实施方式中与实施方式4同样，由于在第一上部覆盖层508与第二上部覆盖层509之间形成了第三上部覆盖层508a，因此还能够降低在第二上部覆盖层509与第一上部覆盖层508之间的接触电阻。
而且，在本实施方式中，作为埋入型的光波导520是由电流阻挡层530构成的氮化物半导体，该电流阻挡层530以比SiO2等氧化膜的热传导率高的n型的AlGaN等构成。据此，能够效率良好地将在活性层104付近的发光部产生的焦耳热を效散热到发光部之外。并且，通过使以n型的AlGaN构成的电流阻挡层530的Al成分增多，因此能够提高在横方向上的光限制效果。据此，能够进一步使以本实施方式中的氮化物半导体构成的覆盖层的膜厚薄膜化。其结果是，能够进一步降低覆盖层的串联电阻，因此能够进一步提高氮化物半导体发光元件的电流-光输出特性。因此，能够进一步提高电与光的转换效率。
而且，在本实施方式中与其他的实施方式相比，由于氮化物半导体构成的上部覆盖层(第三上部覆盖层508a或者第一上部覆盖层508)与透明导电膜构成的覆盖层(第二上部覆盖层509)的接触面积大，因此能够进一步降低氮化物半导体构成的上部覆盖层与透明导电膜构成的覆盖层之间的接触电阻。
而且，在本实施方式中，由于在第一上部覆盖层508与第二上部覆盖层509之间形成了第三上部覆盖层508a，因此能够通过隧道电流来降低接触电阻。
这样，通过本发明的实施方式5所涉及的氮化物半导体发光元件500，能够实现发光效率高且工作电压低的氮化物半导体发光元件。
以上，根据实施方式对本发明所涉及的氮化物半导体发光元件进行了说明，不过，本发明并非受这些实施方式所限。
例如，在实施方式1、实施方式3、以及实施方式5中对半导体激光进行了描述，超辐射发光二极管也同样能够适用。
并且，在实施方式1、实施方式3、以及实施方式5中举例示出了直线状的光波导，不过也可以是实施方式2那样，即使是包括曲线部分的曲线状的光波导也同样能够适用。
并且，在上述的实施方式中，举例示出了采用劈裂来形成了共振器端面，即使是通过干蚀刻来形成的光射出端面以及反射端面的结构也同样能够适用。
并且，在上述的实施方式中，作为光波导的带脊的宽度(条宽)以1.5μm为例进行了说明，不过，只要是10μm以下的条宽，不论哪个实施方式都能够同样适用。
并且，在上述的实施方式中，作为衬底举例示出了，以(0001)面作为衬底的主面的n型GaN衬底，不过，也可以是以(10-10)面、(11-20)面、(10-11)面、(11-21)面等来作为衬底的主面，即使采用以这样的面为主面的n型GaN衬底，也同样能够适用。
并且，在上述的实施方式中，作为衬底的例子采用了n型GaN衬底，在采用蓝宝石、SiC、Si等其他的衬底的情况下也同样能够适用。
并且，在上述的实施方式中，作为第二上部覆盖层的透明导电膜的材料，虽然采用了作为添加了锡(Sn)的氧化铟(InO)的ITO，不过，并非受此所限。例如，作为第二上部覆盖层的透明导电膜的材料，也能够采用掺杂了Ga或者Al等材料的ZnO(氧化锌)、或者，添加了锑(Sb)的氧化锡(SnO)等。这些透明导电膜能够对应于所希望的折射率来使用。
另外，将在不脱离本发明的主旨的范围内本领域技术人员所想到的各种变形执行于本实施方式，也包含在本发明的范围内。并且，在不脱离本发明的主旨的范围内，也可以对多个实施方式中的各个构成要素进行任意地组合。
本发明所涉及的氮化物半导体发光元件能够作为各种光源而被广泛利用，尤其是有用于显示器或者投影仪等画像显示装置中的光源、或者激光加工或激光退火等产业用激光设备等需要具有较高的光输出的装置中的光源。
符号说明
100，200，300，400，500   氮化物半导体发光元件
101，201，301，401，501，2101   衬底
102，202，302，402，502   下部覆盖层
103，203，303，403，503   下部导向层
104，204，304，404，504   活性层
105，205，305，405   上部导向层
106，206，306，406，506   电子阻挡层
107，207，307，407，507，2180   上部覆盖层
108，208，308，408，508   第一上部覆盖层
109，209，309，409，509   第二上部覆盖层
120，220，320，420，520   光波导
125，225，325，425，525   接触面
130，230，330，430   绝缘膜
140，240，340，440，540，2190   p侧电极
141，241，341，441，541   衬垫电极
150，250，350，450，550，2120   n侧电极
408a，508a   第三上部覆盖层
505a   第一上部导向层
505b   第二上部导向层
530    电流阻挡层
2100   激光二极管
2110   n型接触层
2130   n型下部覆盖层
2140   n型下部波导层
2150   多重量子阱区域
2155   活性区域
2160   p型限制层
2170   p型上部波导层

Claims (7)

1.一种氮化物半导体发光元件，是具有光波导的氮化物半导体发光元件，
该半导体发光元件至少以第一覆盖层、活性层、第二覆盖层的顺序来包含这些层；
所述第二覆盖层具有透明导电体层以及氮化物半导体层，所述透明导电体层由透明导电体构成，所述氮化物半导体层由氮化物半导体构成，并且被形成在比该透明导电体层靠近所述活性层一侧。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，
所述氮化物半导体层至少包含铝。
3.如权利要求1或者2所述的氮化物半导体发光元件，
所述氮化物半导体层由AlxInyGa1-x-yN构成，其中0<x≤0.82，0≤y≤0.18，0≤1-x-y<1。
4.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，
所述氮化物半导体发光元件具备被设置在所述活性层与所述第二覆盖层之间的导向层；
所述导向层与所述第二覆盖层的合计膜厚d为，0.1μm<d<0.5μm。
5.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，
所述光波导为垂直台面型结构，该垂直台面型结构是通过从所述第二覆盖层挖掘到所述第一覆盖层的一部分为止而被形成的。
6.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，
所述透明导电体的材料是以下材料之中的某一个，这些材料包括：被添加了锡的氧化铟、被添加了锑的氧化锡、以及氧化锌。
7.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，
所述透明导电体层的膜厚比100nm大。
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