(57)【要約】【課題】上方接触層としても機能する非エピタキシャル・クラッド層を備えた、光学的損失の低い半導体発光デバイスを提供する。【解決手段】本発明の半導体発光デバイス（２０Ａ）は、基板（２２）と、基板上に形成された結晶性半導体クラッド層（２６）と、結晶性半導体クラッド層上に形成された閉じ込めヘテロ構造（３０Ａ）と、閉じ込めヘテロ構造内に形成された活性領域（２８）と、閉じ込めヘテロ構造上に形成され電気抵抗率が１Ω−ｃｍよりも低い非エピタキシャル・クラッド層（３２）とを備え、結晶性半導体クラッド層と閉じ込めヘテロ構造と非エピタキシャル・クラッド層とが併せて、これらのクラッド層の平面において光を導く導波路を形成する。【選択図】図２Ａ
2010080960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された結晶性半導体クラッド層と、
前記結晶性半導体クラッド層上に形成された閉じ込めヘテロ構造と、
前記閉じ込めヘテロ構造内に形成された活性領域と、
前記閉じ込めヘテロ構造上に形成され、電気抵抗率が１Ωｃｍよりも低い非エピタキシャル・クラッド層と、
を備え、、
前記結晶性半導体クラッド層と、前記閉じ込めヘテロ構造と、前記非エピタキシャル・クラッド層とが併せて、前記結晶性半導体クラッド層及び前記非エピタキシャル・クラッド層の平面において光を導く導波路を形成する、
半導体発光デバイス。
【請求項２】
前記非エピタキシャル・クラッド層が、銀（Ａｇ）から構成される、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項３】
前記非エピタキシャル・クラッド層が、この発光デバイスの上方クラッド層でもありｐ接触層でもある、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項４】
前記非エピタキシャル・クラッド層が、光透過性導電層と前記光透過性導電層上に付着された金属層とから構成される、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項５】
前記閉じ込めヘテロ構造上且つ前記非エピタキシャル・クラッド層下にストライプとして形成された誘電層を更に備え、
前記非エピタキシャル・クラッド層が、前記誘電層上に選択的に形成された不連続な横方向リッジ型導波路素子を構成する周期的格子である、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アメリカ国防総省国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ）によって授けられたＷ９１１ＮＦ−０８−Ｃ−０００３に基づき、アメリカ政府の支援を受けて行われた。従って、アメリカ政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００２】
本開示は、半導体発光デバイスに関し、より詳細には、従来のクラッド層に代わる層を備えた構造及びその生成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
５００ｎｍの範囲で発光する半導体レーザ・ダイオード（ＬＤ）（緑色波長ＬＤとしても知られる）には、様々な用途（例えば、（既存の赤色ＬＤ及び青色ＬＤを補足する）フルカラー可視ディスプレイや海底通信など）から、現在、技術的な関心が寄せられている。窒化物紫外レーザ・ダイオード（λ＜３８０ｎｍ）、窒化物近紫外レーザ・ダイオード（λ≒４０５ｎｍ）、及び、窒化物青紫色レーザ・ダイオード（４０５ｎｍ≦λ≦４７０ｎｍ）が実証されて商品化されてきたが、これらの性能は、波長が長くなると低下してしまう。このような性能低下の原因は、多数ある。まず、波長が長くなるということは、インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）活性領域のインジウム含有量が高くなるということを意味する。このような合金は、ＧａＮテンプレート（一般的に、このような合金はこのＧａＮテンプレート上に形成される）に対する歪みが大きくなる。歪みが大きくなると、内部量子効率を損なう構造欠陥が生じる可能性があると共に、量子井戸にわたるピエゾ電界が大きくなり、このようにピエゾ電界が大きくなると、注入電子と正孔とが分離されることによって放射効率も低下する。従って、ＧａＮの無極性配向又は半極性配向に関し、有意義な研究が行われている。
【０００４】
図１は、一般的な窒化物レーザ・ダイオード構造１０を示している。この図１の部分１２は、バンドギャップ・エネルギー表現を示しており、部分１４は、この構造に関連した対応する屈折率プロファイルを示している。ＬＤ構造を最適化すれば、キャリア閉じ込めも光閉じ込めも強くなる。キャリア閉じ込めは、ヘテロ構造（具体的には、量子井戸活性層を囲むクラッド層）に高バンドギャップ合金を含めることによって実現される。屈折率の低いクラッド層は、強い光閉じ込めをもたらす。
【０００５】
しかしながら、このようなヘテロ構造を形成する合金の範囲は、下にある層（例えば、ＧａＮ）に対して歪み過ぎない組成物に限定される。従って、緑色レーザ・ダイオードの形成に関連する別の難題として、光を適切に閉じ込めにくいという点がある。これは、長波長におけるＩｎＧａＮ合金の屈折率差が小さい（即ち、分散が低い）ほど、（モード・サイズは波長に対応するため）波長自体は長くなるということと、歪み限度が、（引っ張り歪みが生じてひび割れしやすい）ＡｌＧａＮクラッド層の使用を妨げ得るということによる。ゆえに、上方クラッド層がＡｌＧａＮでない代わりの窒化物レーザ構造が、本明細書中に説明されている。新しい上方クラッド層の研究によって、このような新しいクラッド層は、緑色波長のデバイスだけでなく、その他多くのデバイス（例えば、青紫色領域、赤色領域、及び赤外領域で発光するデバイス）にも適用できる可能性がある、ということが分かった。本開示は、このような構造及びそのアプリケーションを検討する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７１２３６３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本開示は、従来のエピタキシャル上方クラッド層に比べて、非エピタキシャル上方クラッド層を含む、半導体発光デバイス（例えば、レーザ・ダイオードや超光発光ダイオード）に関する。本発明の一態様によれば、この上方クラッド層は、電気抵抗率の低い（例えば、１Ω−ｃｍよりも低い）材料から形成される。このような上方クラッド層は、発光波長に対する屈折率が低い（例えば、３５０〜５５０ｎｍの範囲の波長に対する屈折率が０．３以下である）材料から構成されてもよい。一実施形態では、この上方クラッド層を形成する材料は銀（Ａｇ）であるが、その他の金属及び非金属材料を適切なアプリケーションに用いてもよい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様によれば、基板と、前記基板上に形成された平面結晶性半導体クラッド層と、前記結晶性半導体クラッド層上に形成された閉じ込めヘテロ構造と、前記閉じ込めヘテロ構造内に形成された活性領域と、前記閉じ込めヘテロ構造上に形成され電気抵抗率が１Ω−ｃｍよりも低い平面非エピタキシャル・クラッド層とを備える、半導体レーザ・ダイオードであって、前記結晶性半導体クラッド層と前記非エピタキシャル・クラッド層とが併せて、これらのクラッド層の平面において光を導く導波路を形成する、半導体レーザ・ダイオードが提供される。閉じ込めヘテロ構造は、例えば、バルク・インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）から構成されていてもよいし、ＩｎＧａＮ短周期超格子から構成されていてもよい。
【０００９】
本発明の別の実施形態によれば、上方クラッド層が、デバイスの上方ｐ接触層としても機能することにより、別個の更なる接触層を形成する必要がなくなり得る。この上方クラッド層上には、環境保護改善のため、或いは、ワイヤボンディング又ははんだ付けのため、更なる材料（例えば、金（Ａｕ））を付着してもよい。
【００１０】
本発明の更に別の実施形態によれば、閉じ込めヘテロ構造と非エピタキシャル・クラッド層との間に、位相整合層として、光透過性導電材料（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ））を付与することにより、光閉じ込めを改善してもよい。
【００１１】
本発明の更に別の実施形態によれば、上方クラッド層は、ストライプとして形成することにより屈折率導波構造をもたらしてもよいし、不連続な横方向導波路素子を構成する周期的格子として形成することにより横方向リッジ型導波路又は横方向利得導波構造を形成してもよい。
【００１２】
長波長デバイスにおける光閉じ込めの問題は、上述した構造及び本明細書中に説明する構造によって対処される。このような長波長デバイス以外に、新しい上方クラッド構造は、クラッド層と接触層とを組み合わせた構造ももたらし、デバイスの製造を単純化する。
【００１３】
従来のレーザ・ダイオード・ヘテロ構造は、下方（例えば、ｎ型）エピタキシャル・クラッド層と上方（例えば、ｐ型）エピタキシャル・クラッド層との両方を含むのに対し、本発明は、上方エピタキシャル・クラッド層を不要とする。これにより、上方エピタキシャル・クラッド層が含まれるとレーザ構造の材料及び複雑性が増加する、という別の問題が対処された。半導体ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層のないデバイスを形成すると、構造が単純化され、直列抵抗と熱伝導抵抗との両方を下げると共に、ひび割れを抑えることができる。
【００１４】
更に、活性領域上に追加材料層を形成するには、多くのアプリケーションにおいて、比較的高温の付着処理が必要とされてきた。このような高温処理は、活性層を劣化させることが分かっている。本発明は、活性領域上に最小限の追加材料しか必要としないことにより、この問題に対処する。厚いｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長に関する時間／温度暴露による劣化から、ＩｎＧａＮ  ＱＷ品質が保護され得る。ＩｎＧａＮは熱不安定性を備えるため、このような利点は高インジウム含有構造に対して特に重大である。
【００１５】
上記は、本開示のいくつか特有の態様、特徴、及び利点の要約である。しかしながら、この要約は完全なものではない。従って、本開示のこれらの及びその他の態様、特徴、並びに利点は、添付の特許請求の範囲に照らして考えれば、以下の詳細な説明及び添付の図面から、より明らかになるであろう。
【００１６】
添付の図面では、様々な図面間において、同じ参照番号は同じ要素を示す。これらの図面は、実例を示しているが、正確な縮尺ではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】バンドギャップ・エネルギー表現及びそれに対応する屈折率プロファイルを示す、従来技術の窒化物レーザ・ダイオード構造の図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施形態による、半導体発光デバイスの切り取り断面図である。
【図２Ｂ】本発明の第２実施形態による、半導体発光デバイスの切り取り断面図である。
【図３】銀に対する複素屈折率（ｎチルダ＝ｎ＋ｉκ）の値を描画したグラフである。
【図４】本発明の一実施形態による、活性領域構造の構成を示す、半導体発光デバイスの切り取り断面図である。
【図５】３ｎｍのＩｎＧａＮ  ＱＷ数の関数として、従来の４０５ｎｍレーザに対する総閉じ込め係数（Γ）値、並びに、厚さ０ｎｍ、２５０ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍの下方Ａｌ0.07ＧａＮクラッド層、及び、厚さ２５０ｎｍの下方Ａｌ0.15ＧａＮクラッド層を有する、銀クラッド層を備えた４ＱＷの５００ｎｍ  ＬＤに対する総閉じ込め係数（Γ）値を示すグラフである。
【図６】下方ＡｌＧａＮクラッド層がない（即ち、下方クラッド層が全てＧａＮである）場合に対する、横方向近視野モード強度プロファイルのグラフである。
【図７】金属クラッド層による総閉じ込め係数（Γ）値及びモード損失、並びに、４×３ｎｍのＩｎ0.1ＧａＮ  ＱＷを備えた従来の４０５ｎｍ  ＬＤに対するこれらの値を示す、グラフである。
【図８】本発明の一実施形態による、金属とｐ型半導体表面との間に透明導電体（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ））を含む、半導体発光デバイスの切り取り断面図である。
【図９】図９に示されている構造の測定された分散特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による、銀及びＩＴＯクラッド構造から成るリッジ型導波路を有するように形成された、半導体発光デバイスの斜視図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態による、横方向リッジ型導波路を形成する、金属銀の周期的ストライプの格子から成る金属クラッド層を有する、半導体発光デバイスの斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの半導体発光デバイスの切り取り側面図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、利得導波路を形成する、金属銀の周期的ストライプの格子から成る金属クラッド層を有する、半導体発光デバイスの斜視図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、Ａｇクラッド層を備えた窒化物ＬＤ構造の断面図である。
【図１４】図１３に示されている実施形態による、１２μｍ×１０００μｍの銀クラッド層を備えた窒化物レーザ・ダイオードに関する、室温におけるパルス光（パルス幅：１００ナノ秒、補充速度：１ｋＨｚ）対電流特性を示す、グラフである。
【図１５】図１３に示されている実施形態による、１．５Ａのパルス電流において測定された、１２μｍ×１０００μｍの銀クラッド層を備えた窒化物レーザ・ダイオードの発光スペクトル示す、グラフである。
【図１６】図１３に示されている実施形態による、室温パルス動作に関する、１２μｍ幅の銀クラッド層を備えた窒化物レーザ・ダイオードの閾値電流密度（Ｊth）のキャビティ長への依存度を示す、グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、長波長デバイスに関する留意点であるが、ここでは、長波長デバイスとは、４８０ｎｍ以上で発光するデバイスを意味する。しかし、当然のことながら、本発明は、このような長波長デバイスに限定されない。また、以下の説明では、例示的構造としてレーザ・ダイオードを用いるが、当然のことながら、本開示は、様々な発光デバイスに適用され、いずれか１つの構造的要素に限定されない。上述したように、青緑色波長で窒化物ベースの発光デバイス（例えば、レーザ・ダイオード）では、十分に光を横方向に閉じ込めにくい。このような難題は、ヘテロ構造を構成する合金間における比較的小さな屈折率差と格子歪み限度とが相まって生じる。例えば、このような歪み及び屈折率の限度によって、従来の４０５ｎｍレーザ・ダイオードにおいて閉じ込めをもたらすのに用いられる一般的なＡｌＧａＮクラッド層は、緑色波長に達するのに十分な閉じ込めをもたらさない。
【００１９】
このような限度に対処するため、新しいクラッド層組成を含む新しい構造を研究し、既知の上方閉じ込め層構造に代わる有効な構造をいくつかの材料がもたらすことを発見した。一般的に、このような材料は、レーザ・デバイスの発光波長において低損失でなければならず、電気抵抗率が比較的低くなければならない（例えば、１オーム−センチメートル（Ω−ｃｍ）未満）。従って、金属銀（Ａｇ）は、その特性により、クラッド層材料の良き候補となる。本明細書中では、窒化物（長波長）ＬＤに対して実行可能なＡｇクラッド導波構造が開示される。しかし、当然のことながら、Ａｇは、本発明による新しい導波クラッド層に適した材料群の一例にすぎない。
【００２０】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、本開示による構造２０Ａ及び２０Ｂの略図がそれぞれ示されている。これらの構造２０Ａ及び２０Ｂは、標準的なサファイア（Ａｌ2Ｏ3）又はＧａＮ基板２２と、その上に形成されたＧａＮテンプレート層２４とを備える。活性領域２８は、５００ｎｍの発光に合わせて調整された（例えば、Ｉｎ組成が２５〜３０％の範囲である）従来と同様のＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）から成る。このＭＱＷ２８は、ＩｎＧａＮ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）３０に埋め込まれている。このＩｎＧａＮ  ＳＣＨは、図２Ａに示されているバルク材料３０Ａであってもよいし、或いは、図２Ａに示されているＩｎＧａＮ短周期超格子（ＳＰＳＬ）３０Ｂから全体的に又は部分的に形成されていてもよい。後者の場合、ＳＰＳＬは、貫通転位を抑制する機能を果たす。そうしないと、この貫通転位は、歪んだＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面を形成し、この界面から上方へ延びる可能性がある。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、これらの構造は、活性領域にわたって非対称的な横方向の導波路を備える。以下で詳細に論じるが、ＩｎＧａＮ  ＳＣＨ３０Ａ及び３０Ｂの上には、新しいクラッド層３２が設けられている。このクラッド層３２には、いくつか特有の基準がある。第１に、このクラッド層は、活性層が作動する波長において光反射率が高い。この光反射率は、例えば、選択材料の複素屈折率を調べることによって定量化され得る。第２に、このクラッド層材料は、導電率が比較的高い。この導電率は、例えば、選択材料のバルク抵抗率を調べることによって定量化され得る。このクラッド層３２に対して選択される実際の材料はアプリケーションによって異なるが、これらの基準を満たす以下で更に論じる一例は金属銀である。
【００２２】
これらのレーザ構造のｎ側には、クラッド層として機能するｎ−ＡｌＧａＮ層２６が任意で含まれていてもよい。このＡｌＧａＮ層は、厚いＧａＮ基板／テンプレート自体が下方クラッド層として機能し得るために任意である。この更なるｎ−ＡｌＧａＮ層２６があってもなくても、当然のことながら、上下のクラッド層は、材料が異なると共に、非常に高い可能性で厚さが異なる。それでも、これら上下のクラッド層は、その平面において（即ち、横方向に）導波する。従って、このシステムは、非対称的横方向導波路と呼ばれる。
【００２３】
ここで、クラッド層３２に注目すると、光学的損失を最小限に抑えるには高い反射率が必要とされる。従って、材料の複素屈折率は、重要な測度である。一般的に、複素屈折率は、以下の式で定義される。
【００２４】
【数１】
2010080960.tif 000003
上記式において、ｎは屈折率の実数部であり、κは（電磁波が材料中を伝播したときの吸収損失量を示す）吸光係数の虚数部である。この複素屈折率を調べることによって、選択材料の反射率に関する情報がもたらされる。このクラッド層への法線入射に達する光の反射率は、以下の式によって求められる。
【００２５】
【数２】
2010080960.tif 000004
上記式において、ｎiは光が入射する材料の屈折率であり、κiは光が入射する材料の吸光係数である。
【００２６】
導波構造において、導波によって見られるクラッド層の反射率は、この導波の「方向ベクトル」によって決まる。そうは言っても、法線入射における反射率（Ｒ）が、クラッド層の材料を選択する際に用いることのできる単純で便利な測度である。クラッド層の材料を選択したら、その実際の性能を導波路の数値シミュレーションによって評価すべきである。
【００２７】
望ましいクラッド材は、反射率が高くなければならない。この条件が満たされると、光学モードはクラッド材にほんの少ししか浸透せず、クラッド材の吸光係数が高くても、モード損失を低くすることができる。
【００２８】
複素屈折率の実数成分が非常に小さい候補クラッド材は、半導体との屈折率のずれが大きくなるであろう。このずれはＲを表す式の分子に現れ、高い法線入射反射率は高い導波モード反射率と相関するので、このようなクラッド材が、所望の高反射率をもたらすのに有望な候補であろう。例えば、銀は、屈折率が低いため、クラッド材に有望な候補であろう。
【００２９】
また、クラッド層３２は、オーミック接触層としても機能するので、比較的低いバルク抵抗が必要とされる。いくつかの高仕事関数金属は、電気抵抗が望ましく低い種類の材料であるが、ｐ型窒化物半導体へのオーミック接触層を形成するのに使用可能なほとんどの高仕事関数金属（例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ）は、このような低電気抵抗基準を満たさない。ゆえに、これらの金属は、光学的損失が非常に高いため、従来の窒化物ＬＤ構造では、十分な厚さのｐクラッド層を活性領域上に成長させてモードの減衰尾(evanescent tail)を封じ込めることにより、この減衰尾が吸光金属と重なるのを抑制しなければならない。銀は、可視スペクトル全体を通して実質屈折率ｎが低いので例外である。更に、銀は、ｐ型窒化物半導体への低抵抗オーミック接触層を形成し得る高仕事関数材料である。従って、銀は、光学的損失が低く導電率が高いという必要条件を満たすため、ｐ型半導体のクラッド層の代わりとなる一材料である。実際、このような材料は、デバイスの上方ｐ接触層としても機能し得る。
【００３０】
図３は、銀に対する複素屈折率（ｎチルダ）の値を描画したグラフである。銀の複素屈折率の実数成分ｎは、可視スペクトル全体を通して非常に小さい（３５０ｎｍより長い（特に約４８０〜５５０ｎｍの範囲の）波長に関しては０．３未満）。これらの複素屈折率の値を用いて、図２Ａ及び図２Ｂに示した組成のＡｇクラッドＬＤ構造をシミュレートした。このシミュレーションは、５００ｎｍの波長で作動するデバイスに対して行われた。
【００３１】
下の表１は、ＧａＮ層から伝播する光に対する銀とニッケルの法線入射反射率を一覧にしている。３６５ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲の波長に関しては、ＮｉよりもＡｇの方がはるかに反射率が高いことに留意されたい。従って、ＧａＮ系のクラッド材には、Ａｇを選択するのが良い。他の材料系における他の波長（例えば、ＧａＡｓ系又はＩｎＰ系における赤色波長又は近赤外波長）に対しては、他のクラッド材を選択するのが適しているかもしれない。
【００３２】
【表１】
2010080960.tif 000005
【００３３】
構造４０の構成が図４に示されていると共に、この構造６０の各層に対応する屈折率の値が下の表２に記されている。
【００３４】
【表２】
2010080960.tif 000006
【００３５】
この銀クラッド構造に対し、横方向導波モード・シミュレーションを行った。この基本ＴＥモードに関し、銀のクラッド／ｐ接触層による光閉じ込め係数（Γ）及びモード損失（α）を求めた。これらΓ及びα間のトレードオフを調べ、このトレードオフを最適化するように構造パラメータを調整した。具体的には、光閉じ込め係数の値を最大化するように、下方Ｉｎ0.1ＧａＮ  ＳＣＨ層４６及び上方Ｉｎ0.1ＧａＮ  ＳＣＨ層５４を調整し、いくつかの異なる厚さの下方Ａｌ0.07ＧａＮクラッド層４４に対して、α及びΓの値を求めた。全てのシミュレーションにおいて、波長は５００ｎｍと仮定した。当然のことながら、この研究結果は、図４の分散特性によって示されているような、銀が強く反射する波長（即ち、λ＞３５０ｎｍ）のいずれにも通じる。
【００３６】
図５は、３ｎｍのＩｎＧａＮ  ＱＷ数の関数として、従来の４０５ｎｍレーザに対する総Γ値（Γtotal）を示している。４ＱＷ構造に対しΓはほぼ４％であり、即ち、１ＱＷあたりΓはほぼ１％である。比較のため、銀クラッド層を備えた４ＱＷの５００ｎｍ  ＬＤに対するΓtotal値も表されている。異なる厚さの下方Ａｌ0.07ＧａＮクラッド層（０ｎｍ（即ち、下方ＡｌＧａＮクラッド層なし）、２５０ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍ）の場合に対応する４つの点が示されている。また、厚さ２５０ｎｍの下方Ａｌ0.15ＧａＮクラッド層のデータも示されている。これら２種類の組成物のそれぞれに関し、最も厚いものが、ＧａＮテンプレート層上にエピタキシャルに成長された膜のおおよその歪み限度を表す。同様に、それぞれの場合に対し、Γtotal値が最大になるように、ＳＣＨ層の厚さが調整される。ＳＣＨ層の厚さの最適値は、ΓtotalとαmetalとＱＷ利得媒質の利得電流特性との間のトレードオフによって最終的に決まるであろう。下方ＡｌＧａＮクラッド層がない（即ち、下方クラッド層が全てＧａＮである）場合に対する、横方向近視野モード強度プロファイルの一例が、図６に示されている。
【００３７】
金属クラッド層によるΓtotal及びモード損失の一覧が、Γtotalを最大化するＩｎ0.1ＧａＮ  ＳＣＨ層の厚さと共に、下の表３に示されている。同じく、これらΓtotal及びαmetalの値が、図７に描画されている。また、比較のため、４×３ｎｍのＩｎ0.1ＧａＮ  ＱＷを備えた従来の４０５ｎｍ  ＬＤに対する値も示されている（図７の破線）。Ａｇクラッド層を備えた５００ｎｍ  ＬＤ構造は、この金属によって、Γtotalがいくらか低くなり、モード損失がかなり大きくなる。下方ＡｌＧａＮクラッド層を含むと、閉じ込め性能が良くなりΓが高くなるが、導波路の反対側にある金属銀クラッド層が吸光するため、モード損失もかなり増える。モード損失αmetalが最も低くなるのは、ＡｌＧａＮのない構造の場合である。この損失は、従来の４０５ｎｍレーザの損失よりも高いが、Ａｇクラッド構造の全損失は、従来の４０５ｎｍ  ＬＤの全損失と比べて遜色が少ない。これは、ｐ型ドープ層に関連する付加損失によるものであり、（恐らく、ＭｇＮx沈殿物による散乱、反転分域境界、欠陥レベルの吸光、又は価電子帯間吸光による）ｐ型クラッド層の局所的損失は、ほぼ６０ｃｍ-1であると推定される。５００ｎｍ構造に関しては、以下の理由で、このようなｐ型材料による損失（αp-doping）が低くなると思われる。
１．Ａｇクラッド構造及びこれに関連するモードは強い非対称性を備える（図６参照）ため、モードとＡｇクラッド構造におけるｐ型層との重なりが少ない。
２．Ａｇクラッド構造におけるｐ型層はＡｌＧａＮではなくＩｎＧａＮであるため、アクセプタ活性化エネルギーがより低く、所定の正孔濃度をもたらすのに必要なドーピングがより少ない。
【００３８】
【表３】
2010080960.tif 000007
【００３９】
また、従来の構造及び銀クラッド構造それぞれのｐドープ層に対応するモード損失を定量化して比較しようと試みた。これらｐ型層のバルク損失は６０ｃｍ-1であると仮定することにより、ｐドーピングによるモード損失は、正規化光学モードとｐドープ層におけるこの局所的損失との空間的重なりだけである。これらのαp-doping値が、従来の４０５ｎｍ  ＬＤに関しては２５ｃｍ-1として、下方ＧａＮクラッド層を備えたＡｇクラッド構造の５００ｎｍ  ＬＤに関しては２１ｃｍ-1として、それぞれの全モード損失（αtotal＝αp-doping＋αmetal）３５ｃｍ-1及び４８ｃｍ-1に対し、図８に破線で示されている。Ａｇクラッド構造の方がｐドーピング損失が低いのは、図７で明らかにされているようなその非対称的モード形状を反映している。
【００４０】
これらのシミュレーションは、Ａｇクラッド構造が許容可能なΓtotalとαmetalの値を提示する、ということを示すのに役立つ。その他の構造パラメータ（ＳＣＨ組成、漸変(graded)組成、ドーピング・プロファイルなど）を更に最適化すれば、更に改良が進む可能性がある。最も重要なことは、ＡｌＧａＩｎＮクラッド層を用いずにこのような改良を実現することである。従って、このＡｇクラッド構造は、長波長デバイス（例えば、緑色ＬＤ）に対象を絞っているが、これは特に、過度な歪みは従来の構造の実用性を制限する可能性があるからである。しかし、また、当然のことながら、上方クラッド層が光を反射し電気を伝導するこのような非対称的クラッド層は、短波長においても適用可能である。
【００４１】
モード損失は、金属とｐ型半導体表面との間に位相整合層６２を含めることによって、更に減少され得る。この位相整合層としては、透明導電体（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ））を用いることができる。また、他の透明導電体（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又はインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ））も実行可能である。このような変形構造が、一例としてＩＴＯを用いて、図８に示されている。このＩＴＯ透明電極の測定された分散特性が、図９に示されている。
【００４２】
図９における分散特性は、２つの構成部：付着面付近部（「底部」、二重曲線）及び膜頂部（「頂部」、単一曲線）を仮定して分析されたＩＴＯ膜に対するｎ（実線曲線）とκ（破線曲線）の値を表している。ＩＴＯの屈折率の実数部は、約２であり、即ち、ＧａＮの屈折率の実数部よりも１０分のいくつか低く、ＩＴＯの屈折率の虚数成分は、金属の屈折率の虚数成分よりもはるかに小さい。従って、ＩＴＯ＋Ａｇ複合クラッド層を備える構造に関しては、金属のみのクラッド層に比べて、モード損失が減少され得る。
【００４３】
また、いくつかのアプリケーションにおいて、このような構造は、導波クラッド層機能からオーミック接触層機能を分離するため、更に有益である。これら２つの必要条件は、衝突することが多く、互いにトレードオフしなければならない。即ち、必要な高仕事関数と低モード損失との両方をもたらす金属を見つけるのは難しい。このＩＴＯ＋Ａｇ複合クラッド構造に関しては、ＩＴＯがオーミック接触層として機能し、その上に重ねる金属の選択は、仕事関数の高い金属（例えば、銀）にそれほど限定されない。むしろ、その材料特性によってモード吸収損失が低くなるのであれば、はるかに広範囲の反射材料が実行可能となる。従って、一実施形態は、ＩＴＯ層並びにｎ−ＳＣＨ層及びｐ−ＳＣＨ層を含み、これらの層の厚さ及び組成は、Γtotal値を最大化するように且つ／或いはモード損失αを最小化するように調整される。（図４に示されている構造に対する）５００ｎｍの波長における、Ａｇクラッド構造レーザとＩＴＯ＋Ａｇクラッド構造レーザに対するこれらの値の比較が、下の表４に示されている（ＩＴＯの屈折率は、「底部」材料に対応して仮定）。ｐ−ＩｎＧａＮ層と銀層との間に５０ｎｍのＩＴＯ層を挿入することにより、光学的重なり(optical overlap)Γを損なうことなく、モード損失を４５ｃｍ-1から３１ｃｍ-1へ著しく減少させることができる。
【００４４】
【表４】
2010080960.tif 000008
【００４５】
図１０に示されているように、リッジ型導波路を含む構造７０も、このような銀又はＡｇ＋ＩＴＯクラッド構造から構成され得る。基板（図示せず）の上に、下方ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７２が形成される。前述したタイプの活性領域７６が、下方ｎ−ＩｎＧａＮ  ＳＣＨ層７４と上方ｐ−ＩｎＧａＮ  ＳＣＨ層７８との間に形成される。次に、ＩＴＯ領域が付着されてパターニングされることにより、リッジ構造８０が形成され、次に、例えばＳｉＮｘから成る保護層８２が付着される。最後に、例えば金属銀から成る上方クラッド層８４が付着される。
【００４６】
レーザ・ストライプの外側にある上方ｐ−ＳＣＨ層の一部をエッチングで除去することにより、正の横方向屈折率導波路(positive lateral index guide)が形成される。例えば、上の表４に記した最適化された５００ｎｍのＡｇ＋ＩＴＯクラッド構造からｐ−ＳＣＨ層をエッチングで５０ｎｍ除去する（即ち、ｐ−ＳＣＨ層の厚さを２１８ｎｍから１６８ｎｍに薄くする）ことにより、モード有効屈折率がおよそ０．００５下がる。これは、単一モード導波路を形成するのに適当な値であり、従来のリッジ型導波路の典型的な値である。従って、（横方向の屈折率ステップ(lateral index step)を決定する）リッジ幅及びエッチング深さは、以下の性能特性をもたらすように、通常の方法で最適化されるべきである。
１．低閾値電流
２．低基本モード損失
３．安定した単一モード動作に対する強モード識別（例えば、高次モードに対する高損失及び／又はより低い利得）
【００４７】
本発明の更なる実施形態９０、９２において、Ａｇクラッド構造は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ又は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザを形成する。図１１Ａ、１１Ｂ及び図１２を参照すると、金属クラッド層９４が、金属銀又はＡｇ＋ＩＴＯから成る周期的ストライプ９６の格子として形成されている。このようなクラッド構造は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示されているように、横方向リッジ型導波路９８上に形成されてもよいし、図１２に示されているように、電流注入によって利得導波ストライプ１００を画定してもよい。より従来型のエッチングされた（表面波形）格子に比べて、このような金属格子は、単一モード動作を助ける複素結合（即ち、利得／損失変調に伴う周期的な屈折率変化）をもたらす。
【００４８】
具体例として、上方クラッド層が金属銀である４×３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ量子井戸を備えた４１２ｎｍ窒化物レーザ・ダイオードを実証した。このＡｇクラッド層を備えた窒化物ＬＤ構造が、図１３に示されている。ｎ側は、従来のＧａＮベースのＬＤと同様であり、厚いｎ型ＧａＮ／サファイア・テンプレート上に付着された、７５０ｎｍのＡｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ＧａＮ（３／３ｎｍ）（０００１）配向の短周期超格子クラッド層を含む。活性領域は、ＧａＮ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）に埋め込まれた４×Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ（３／６ｎｍ）の量子井戸から成る。最後のＧａＮバリア上には、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ：Ｍｇ電子ブロッキング層が付着されている。ｐ型ＳＣＨ層上には、従来の窒化物ＬＤ構造の典型的なｐ型ＡｌＧａＮクラッド層に代わって、金属銀クラッド層が直接的に付与されている。ｎ型ＳＣＨ層及びｐ型ＳＣＨ層の厚さは、横方向導波路のシミュレーションによって設計され、これにより、金属銀クラッド層に関連するＱＷ閉じ込め係数（Γ）及びモード損失（α）が、基本ＴＥモードに対して決定される。
【００４９】
４１０ｎｍの波長において、銀の複素屈折率は、ｎ＝０．１７＋２．０ｉであり、ＧａＮに対して非常に大きな屈折率不連続性を表す。従って、金属銀を導波クラッド層として付与すると、閉じ込められた光学モードは、銀において非常に急激に減衰する。
【００５０】
この窒化物ＬＤヘテロ構造は、Ｈ2及びＮ2キャリア・ガスにおいて、ｎ型及びｐ型ドーピングのためのトリメチルＩＩＩ族前駆体、アンモニア、シラン、及びビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって作製された。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層が２００トルの圧力で付着されたのに対し、その他の層は全て、最高光学効率及びｐ型ドーピングに合わせた７００トルの高圧で成長された。次に、ミラー及びｎ接触パッドが、化学支援イオンビーム・エッチング（ＣＡＩＢＥ）によって形成された。銀クラッド層は、２００ｎｍの銀を蒸着させた後、５００ｎｍの金を蒸着させることによって形成された。ｎ接触電極は、Ｔｉ−Ａｕメタライゼーションによって形成された。キャビティ長は、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、１０００μｍ、及び１５００μｍであって、コーティングされていない（エッチングされたままの）ミラーを備え、この単一利得導波型ＬＤのストライプ幅は、１２μｍであった。このダイオードを、室温においてパルス状態下（パルス幅：１００ナノ秒、補充速度：１ｋＨｚ）でテストした。
【００５１】
１２μｍ×１０００μｍのストライプに関するパルス光対電流特性が、図１４に示されている。閾値電流は１．４Ａであり、閾値電流密度約１２ｋＡ／ｃｍ2に対応している。閾値において、（ミラー正面のエッチング面からの反射によって干渉縞が生じることにより）遠視野パターンが現れ、これは、空間的コヒーレンス及びレージングを示す。図１５のスペクトルに示されているように、１．５Ａのパルス電流におけるレージング波長は４１２ｎｍであった。更に、閾値電流密度（Ｊth）のキャビティ長への依存度が、図１６に示されている。長いキャビティ（Ｌ＞１０００μｍ）に関しては、分布損失αの優位性により、Ｊthはキャビティ長の影響を比較的受けないのに対し、短いキャビティに関しては、ＱＷの典型的な準線形の利得対電流特性に伴ってミラー損失が変化することにより、Ｊthは非常に高い。このように、Ｊthのキャビティ長への依存度は、約３０ｃｍ-1の推定モード損失とおおむね一致する。Ｊthの最低測定値は、１５００μｍのキャビティに対する約１０ｋＡ／ｃｍ2であった。
【００５２】
この銀クラッドＬＤヘテロ構造には、従来の構造に比べていくつかの利点がある。まず、半導体ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層がないことで、構造が比較的単純になり、直列抵抗と熱伝導抵抗との両方を下げると共に、ひび割れを抑えることができる。更に、活性領域上に必要とされる最小限の材料だけで、厚いｐ−ＡｌＧａＮクラッド層を成長させたら生じるであろう時間／温度暴露による劣化から、ＩｎＧａＮ  ＱＷ品質が保護され得る。ＩｎＧａＮは熱不安定性を備えるため、このような利点は高インジウム含有構造に対して特に重大である。
【００５３】
総合モード損失は許容可能に小さくされ得る、ということが分かった。実際、金属クラッド／接触層における吸光から生じる損失は、従来の窒化物ＬＤ構造の損失よりも大きいが、モードの非対称性が大きいことにより、モードとｐ型（Ｍｇドープ）層との重なりから生じる損失が小さくなる。これにより、総合分布損失は実用限界内である。また、長波長（青緑色）窒化物ＬＤに関し、金属銀から生じるモード損失は、ｐ−ＳＣＨ層と銀層との間にＩＴＯ層を導入することにより、更に減少され得る。
【００５４】
本開示で説明した特定の実施形態は、ＧａＮ材料系で作られたレーザ・ダイオードに焦点が当てられているが、同じ非エピタキシャル上方クラッド層構造を、その他の材料系（例えば、ＧａＡｓ及びＩｎＰ系）に容易に拡張することができる。異なる材料系に対しては、動作波長が異なるであろう。例えば、ＧａＡｓベースのレーザ・ダイオードは、一般的には６３０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長で作動し、ＩｎＰベースのレーザ・ダイオードは、一般的には１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長で作動するであろう。材料の屈折率及び反射率は波長によって決まるため、異なる材料系で作られた発光構造に対して、好適な上方クラッド材は異なり得る。しかしながら、基本的物理は同じである。更に、超光発光ダイオードのような、その他の発光デバイスも可能である。超光発光ダイオードは、光導波路を利用する点ではレーザ・ダイオードと似ているが、光フィードバックが抑制される。
【符号の説明】
【００５５】
１０、２０Ａ、２０Ｂ、４０、６０、７０、９０、９２    レーザ・ダイオード構造
１２、１４    部分
２２    基板
２４、４２    テンプレート層
２６、４４、７２    下方クラッド層
２８、４８、５０、７６    活性領域
２９、５２    電子ブロッキング層
３０Ａ、３０Ｂ、４６、５４、７４、７８    分離閉じ込めヘテロ構造
３２、５６、８４、９４    上方クラッド層
６２    位相整合層
８０    リッジ構造
８２    保護層
９６    周期的ストライプ
９８    リッジ型導波路
１００    利得導波路
【図１】
2010080960.tif 000009
【図２Ａ】
2010080960.tif 000010
【図２Ｂ】
2010080960.tif 000011
【図３】
2010080960.tif 000012
【図４】
2010080960.tif 000013
【図５】
2010080960.tif 000014
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010080960.tif 000019
【図１１Ａ】
2010080960.tif 000020
【図１１Ｂ】
2010080960.tif 000021
【図１２】
2010080960.tif 000022
【図１３】
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【図１４】
2010080960.tif 000024
【図１５】
2010080960.tif 000025
【図１６】
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