【手続補正書】
【提出日】平成16年3月4日(2004.3.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】窒化ガリウム系半導体発光素子、及び半導体レーザ光源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】窒化物半導体からなるクラッド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備え、
前記量子井戸構造活性層は２層の量子井戸層とこれらに挟まれた１層の障壁層とから形成され、
前記各量子井戸層は層厚が１０ｎｍ以下であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】前記障壁層は層厚が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項３】前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体レーザ素子であり、前記量子井戸構造活性層はこの半導体レーザ素子の発振部を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項４】前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体発光ダイオード素子であり、前記量子井戸構造活性層はこの半導体発光ダイオード素子の発光部を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項５】前記半導体レーザ素子は自励発振型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項６】前記半導体レーザ素子はｐ型リッジ構造の半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項７】リッジの幅が１〜５μｍであることを特徴とする請求項６記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項８】前記クラッド層におけるリッジの残し膜厚が０．０５〜０．５μｍであることを特徴とする請求項６または７に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項９】窒化物半導体からなるクラッド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備え、前記量子井戸構造活性層は２層の量子井戸層とこれらに挟まれた１層の障壁層とから形成される窒化ガリウム系半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザに高周波数変調された電流を注入する駆動回路とを備えたことを特徴とする半導体レーザ光源装置。
【請求項１０】変調周波数は３００ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に係り、特に、窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備えた発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体レーザ素子（ＬＤ）や発光ダイオード素子（ＬＥＤ）等の半導体材料として、窒化ガリウム系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられている。この窒化ガリウム系半導体を用いた青色ＬＤは、例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ.６９,Ｎｏ.１０,ｐ.１４７７〜１４７９に記載されており、その断面図を図１０に示す。
【０００３】
図１０において、１０１はサファイア基板、１０２はＧａＮバッファ層、１０３はｎ−ＧａＮコンタクト層、１０４はｎ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、１０５はｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、１０６はｎ−ＧａＮガイド層、１０７はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、１０８はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、１０９はｐ−ＧａＮガイド層、１１０はｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、１１１はｐ−ＧａＮコンタクト層、１１２はｐ側電極、１１３はｎ側電極、１１４はＳｉＯ2 絶縁膜である。ここで、多重量子井戸構造活性層１０７は、３ｎｍ厚のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層が５層、６ｎｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層が４層、の合計９層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。
【０００４】
この他、特開平８−３１６５２８にも同様に窒化ガリウム系半導体を用いた青色ＬＤが記載されているが、これらはいずれも５層以上の量子井戸層を持つ多重量子井戸構造活性層が用いられていた。
【０００５】
一方、窒化ガリウム系半導体を用いた青色ＬＥＤは、例えば、上記の特開平８−３１６５２８号公報に記載されており、その断面図を図１１に示す。図１１において、１２１はサファイア基板、１２２はＧａＮバッファ層、１２３はｎ−ＧａＮコンタクト層、１２４はｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２ｎ型クラッド層、１２５はｎ−Ｉｎ0.01Ｇａ0.99ＧａＮ第１ｎ型クラッド層、１２６は３ｎｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ単一量子井戸構造活性層、１２７はｐ−Ｉｎ0.01Ｇａ0.99ＧａＮ第１ｐ型クラッド層、１２８はｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２ｐ型クラッド層、１２９はｐ−ＧａＮコンタクト層、１３０はｐ側電極、１３１はｎ側電極ある。このように窒化ガリウム系半導体を用いた青色ＬＥＤでは、１層のみの量子井戸層を有する活性層が用いられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の前記青色ＬＤ及び青色ＬＥＤ素子はそれぞれ以下のような問題点があった。
【０００７】
まず、青色ＬＤに関しては発振閾値電流値が１００ｍＡ以上と高く、光ディスク等の情報処理用として実用に供するためには大幅に発振閾値電流値を低減する必要がある。さらに光ディスク用としてＬＤを用いる場合、データの読み出し時における雑音によるデータの読み出しエラーを防止するために周波数３００ＭＨｚ程度の高周波電流をＬＤに注入し、光出力を同じ周波数で変調する必要があるが、従来の青色ＬＤでは高周波電流を注入しても光出力が変調されないため、データの読み出しエラーを生じるという問題があった。
【０００８】
また、青色ＬＥＤに関してはすでに実用化されているもの、例えば、広い視野角でも明るく表示できる大型カラーディスプレー等のように、さらに広範囲にわたる用途に青色ＬＥＤ素子を供していくためには、光出力の向上によるより一層高輝度なＬＥＤの実現が望まれている。
【０００９】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、上記窒化ガリウム系半導体発光素子における課題を解決して、良好なレーザ発振特性を有する半導体レーザ素子、及び、高い光出力が得られる発光ダイオード素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、窒化物半導体からなるクラッド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備え、前記量子井戸構造活性層は２層の量子井戸層とこれらに挟まれた１層の障壁層とから形成され、前記各量子井戸層は層厚が１０ｎｍ以下であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記障壁層は層厚が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体レーザ素子であり、前記量子井戸構造活性層はこの半導体レーザ素子の発振部を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体発光ダイオード素子であり、前記量子井戸構造活性層はこの半導体発光ダイオード素子の発光部を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子である。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、前記半導体レーザ素子は自励発振型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子である。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、前記半導体レーザ素子はｐ型リッジ構造の半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項３に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子である。
請求項７に記載の発明は、リッジの幅が１〜５μｍであることを特徴とする請求項６記載の窒化ガリウム系半導体発光素子である。
請求項８に記載の発明は、前記クラッド層におけるリッジの残し膜厚が０．０５〜０．５μｍであることを特徴とする請求項６または７に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子である。
請求項９に記載の発明は、窒化物半導体からなるクラッド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備え、前記量子井戸構造活性層は２層の量子井戸層とこれらに挟まれた１層の障壁層とから形成される窒化ガリウム系半導体レーザ素子と、前記半導体レーザに高周波数変調された電流を注入する駆動回路とからなることを特徴とする半導体レーザ光源装置である。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、変調周波数は３００ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ光源装置である。
【００１７】
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の構成は、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備え、前記量子井戸構造活性層は２層の量子井戸層とこれらに挟まれた１層の障壁層とからなる。
【００１９】
このような本発明を見い出すにあたって、本発明者は従来素子における前記課題の原因について詳細に調査を行い、以下のことが判明した。
【００２０】
まず  青色ＬＤに関しては、量子井戸層として用いられるＩｎＧａＮ材料は、電子・正孔ともにその有効質量が大きいことと多数の結晶欠陥が存在していることにより電子や正孔の移動度が大幅に低下し、多重量子井戸構造活性層のすべての量子井戸層に電子と正孔とが均一に分布しなくなる。即ち、電子を注入するｎ型クラッド層側の量子井戸層２層程度にしか電子は注入されず、正孔を注入するｐ型クラッド層側の量子井戸層２層程度にしか正孔は注入されない。従って、量子井戸層が５層以上の多重量子井戸構造活性層では、電子と正孔とが同一の量子井戸層内に存在する割合が小さいため、電子と正孔の再結合による発光の効率が低下し、レーザ発振の閾値電流値を増大させてしまっている。
【００２１】
またこのように電子や正孔の移動度が小さいため量子井戸層の間での電子や正孔の移動が遅くなり、再結合によって電子・正孔が消滅した量子井戸層内へ新たに電子と正孔が注入されず、クラッド層に近接する量子井戸層に注入された電子・正孔がそのままその量子井戸層に存在し続けることになる。従って、注入電流を変調しても量子井戸層内に存在する電子と正孔の密度が変調されないことになり、このため高周波電流を注入しても光出力が変調されなくなっていた。
【００２２】
従って本発明では、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造活性層における量子井戸層の層数を２とすることによって、すべての量子井戸層に電子と正孔とを均一に分布させるようにした。この結果、発光効率が向上して発振閾値電流値を低減させることができた。さらに、再結合によって電子・正孔が消滅した量子井戸層内への電子と正孔の注入が効果的に行われるので、高周波電流の注入により量子井戸層内に存在する電子と正孔の密度も変調され、その結果、光出力も変調されることが可能となった。
【００２３】
このようにすべての量子井戸層に電子と正孔とを均一に分布させるにあたっては、量子井戸層の層厚が厚すぎると、均一に電子と正孔を分布させることが阻害されてしまうため、量子井戸層の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
さらに同様に、障壁層の層厚が厚すぎると、均一に電子と正孔を分布させることが阻害されてしまうため、障壁層の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
一方青色ＬＥＤに関しては、現在実用化されている素子の電流ー光出力特性は図９に示されるように電流を注入していくにつれて飽和する傾向がある。従来の青色ＬＥＤでは量子井戸活性層は１層のみであり、注入された電子と正孔はともにこの１層の量子井戸層に存在するが、注入量を増大すると、量子井戸層を形成するＩｎＧａＮ半導体材料の電子・正孔の有効質量が大きいため、注入された電子や正孔の運動量空間内で分布が大きくなり、発光効率が低下してしまう。そこで本発明のように、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造活性層における量子井戸層の層数を２とすることによって、注入された電子と正孔は２つの量子井戸層に分割されるため、量子井戸層１層当りに存在する電子と正孔の密度が低減され、運動量空間内で電子や正孔の分布を低減できた。その結果、電流ー光出力特性における飽和する傾向は改善され、光出力の向上によるより高輝度な窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が実現された。
【００２６】
以下、具体例に従ってさらに詳細に説明する。
【００２７】
（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図であり、図２は図１中のＡ部を拡大した断面図である。
【００２８】
この図において、１はｃ面を表面として有するサファイア基板、２はＧａＮバッファ層、３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、５はｎ−ＧａＮガイド層、６は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層１４と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層１５とからなる多重量子井戸構造活性層、７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、８はｐ−ＧａＮガイド層、９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、１０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１１はｐ側電極、１２はｎ側電極、１３はＳｉＯ2 絶縁膜である。
【００２９】
本実施例において、サファイア基板１の表面はａ面、ｒ面、ｍ面等の他の面方位であっても構わない。また、サファイア基板に限らずＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、またはＧａＡｓ基板も用いることが出来る。特にＳｉＣ基板の場合はサファイア基板に比べて劈開しやすいため、劈開によるレーザ共振器端面の形成が容易であるという利点がある。バッファ層２はその上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶を用いてもよい。
【００３０】
ｎ型クラッド層４及びｐ型クラッド層９は、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層９とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００３１】
ガイド層５と８は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層４、９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ等の４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層６側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【００３２】
多重量子井戸構造活性層６を構成する２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層１４と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層１５は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層１４のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層１４のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層１４と障壁層１５は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層１５は単にＧａＮを用いてもよい。
【００３３】
次に、図１と図２を参照して、上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００３４】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有するサファイア基板１上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層２を３５ｎｍ成長させる。
【００３５】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3 、及びシランガス（ＳｉＨ4）を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３を成長する。さらに続けてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０.７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０.０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層５を成長する。
【００３６】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）１４、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）１５、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）１４を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１５ｎｍ）６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3 を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を成長する。
【００３７】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０.０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層８を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０.７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０.２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００３８】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００３９】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライプ状にｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３が露出するまでエッチングを行う。次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残ったｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面に、５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０、及びｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９をエッチングする。
【００４０】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜１３を形成する。このＳｉＯ2 絶縁膜１３とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極１１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００４１】
その後、このウエハーをリッジストライプに垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００４２】
以上のようにして作製された青色ＬＤ素子は、発振波長４３０ｎｍ、発振閾値電流４０ｍＡというレーザ特性が得られ、３００ＭＨｚ以上、最大周波数で１ＧＨｚ程度の高周波電流の注入により光出力も十分変調されることが確認された。この結果、光ディスク用として本実施例の青色ＬＤ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、光ディスク用として使用可能な青色ＬＤ素子が実現できた。
【００４３】
図３には、窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、量子井戸層の層数を１から５まで変化させたときの、閾値電流値と、光出力の変調が可能な注入電流の最大変調周波数の変化を表すグラフ図が示されている。各半導体レーザの構造は、量子井戸層の層数が異なること、及び量子井戸層数に応じて障壁層の層数が異なること以外は、本発明の第１実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子と同じである。この図からわかるように、発振閾値電流が低く、かつ、３００ＭＨｚ以上、例えば最大周波数で１ＧＨｚ程度の高周波電流の注入でも光出力が十分変調されることが可能なものは、量子井戸層数が２である本発明の第１の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子のみである。
【００４４】
なお、本実施例では、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層１４と障壁層１５の層厚をともに５ｎｍとしたが、これらの層厚が同一である必要はなく、異なっていても構わない。また２層の量子井戸層に均一に電子・正孔を注入するために、量子井戸層１４と障壁層１５の各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施例にこだわらず、他の層厚でも同等の効果が得られる。
【００４５】
図４には、量子井戸層数が２層である窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、障壁層の層厚を変化させたときの光出力の変調が可能な注入電流の最大変調周波数の変化を表すグラフ図が示されている。このときの半導体レーザの構造は、障壁層の層厚が異なること以外は第１実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子と同じである。この図から、障壁層の層厚を１０ｎｍ以下とすれば、３００ＭＨｚ以上、最大１ＧＨｚ程度の高周波電流の注入でも光出力が十分変調されることが可能であることがわかる。また、これは量子井戸層の場合も同様の結果であり、量子井戸層の層厚を１０ｎｍ以下とすれば、３００ＭＨｚ以上、最大１ＧＨｚ程度の高周波電流の注入でも光出力が十分変調されることが確認された。
【００４６】
また本実施例では、多重量子井戸構造活性層６に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を形成しているが、これは量子井戸層１４が成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層１４を保護するものであれば蒸発防止層７として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防止層７にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層８やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層１４のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層７を形成しなくても量子井戸層１４は蒸発しないため、特に蒸発防止層７を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。
【００４７】
本実施例では、リッジストライプ構造を形成して注入電流の狭窄を行っているが、電極ストライプ構造等の他の電流狭窄の手法を用いてもよい。また、本実施例では劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、サファイア基板は硬くて劈開しにくい場合があるので、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【００４８】
さらに本実施例では絶縁体であるサファイアを基板として用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極１２を形成しているが、ｎ型導電性を有するＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等を基板に用いれば、この基板の裏面にｎ側電極１２を形成してもよい。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
【００４９】
（第２実施例）
図５は本発明の第２実施例に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示す回路図である。図５中に示される半導体レーザ素子１６は、本発明の第１実施例で得られた量子井戸層数が２層である窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いている。高周波駆動回路１７は、通常の半導体部品を用いて構成されるものであり、高い周波数で半導体レーザ１７への注入電流を変調し、光出力を変調させるための半導体レーザの駆動回路である。本実施例では、注入電流の変調周波数を３００ＭＨｚとした。第１実施例で得られた窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、注入電流の最大変調周波数は１ＧＨｚ以上のものが得られており、３００ＭＨｚの周波数でも光出力を十分変調させることができた。本実施例を光ディスク用の光源として用いると、半導体レーザの光出力が十分変調されているのでレーザ光のコヒーレント性を低下させることができ、ディスク面からのレーザ光の戻り光による雑音を低減することができた。その結果、エラー無しで光ディスクからのデータの読み出しを行うことが可能となった。
【００５０】
なお、本実施例では、注入電流の変調周波数を３００ＭＨｚとしたが、レーザ光のコヒーレント性を低下させて、ディスク面からのレーザ光の戻り光による雑音を低減できるような周波数であれば、最大周波数１ＧＨｚ程度まで、他の変調周波数で窒化物半導体レーザを駆動しても構わない。
【００５１】
（第３実施例）
図６は本発明の第３実施例に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示す回路図である。図６中に示される半導体レーザ素子１８は、本発明の第１実施例で得られた量子井戸層数が２層である窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いているが、リッジ構造を形成する際のストライプ幅と、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９をエッチングする深さとを調整することによって、変調されていない一定電流を注入しても光出力が変調されている自励発振型の半導体レーザとなっている。ここでは、ストライプ幅を３μｍ、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９のエッチングの際の残し膜厚を０．２μｍとした。なお、これらのストライプ幅とエッチングの際の残し膜厚とは本具体例の値に限定されるものではなく、ストライプ幅として１乃至５μｍ、ｐ型クラッド層９の残し膜厚としては０．０５乃至０．５μｍであればよい。このように作成された自励発振型の窒化ガリウム系半導体レーザ素子における光出力の変調周波数は、８００ＭＨｚであった。
【００５２】
第３実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、量子井戸層数を２層としたことにより、量子井戸層内に存在する電子と正孔の密度が変調されやすくなっている。従って、注入電流を変調して電子と正孔の密度を変調することによって光出力を変調するだけでなく、変調されていない一定電流の注入でも電子と正孔の密度が変調されて光出力が変調される自励発振型の半導体レーザの作製も容易にでき、高い周波数で光出力が変調されることが可能となった。
【００５３】
定電流駆動回路１９は、通常の半導体部品を用いて構成されるものであり、一定電流を注入ための半導体レーザの駆動回路である。本実施例を光ディスク用の光源として用いると、半導体レーザの光出力が十分変調されているのでレーザ光のコヒーレント性を低下させることができて、ディスク面からのレーザ光の戻り光による雑音を低減することができた。その結果、エラー無しで光ディスクからのデータの読み出しを行うことが可能となった。
【００５４】
なお、本第３実施例で用いた窒化ガリウム系半導体レーザ素子１８は、リッジ構造を形成する際のストライプ幅と、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９をエッチングする深さとを調整することによって自励発振型の半導体レーザとしたが、通常のＧａＡｓ系半導体レーザ等で用いられているように、活性層の近傍に過飽和吸収層を設置して自励発振型の半導体レーザとしても構わない。
【００５５】
（第４実施例）
図７は本発明の第４の実施例に係る窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子を示す断面図であり、図８は図７中のＢ部を拡大した断面図である。
【００５６】
この図において、２１はｃ面を表面として有するサファイア基板、２２はＧａＮバッファ層、２３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、２４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、２５はｎ−ＧａＮガイド層、２６は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層３４と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層３５とからなる多重量子井戸構造活性層、２７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、２８はｐ−ＧａＮガイド層、２９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、３０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、３１はｐ側電極、３２はｎ側電極である。
【００５７】
本実施例において、サファイア基板２１の表面はａ面、ｒ面、ｍ面等の他の面方位であっても構わない。また、サファイア基板に限らずＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、またはＳｉ基板も用いることが出来る。特にＳｉＣ基板の場合はサファイア基板に比べて劈開しやすいため、ＬＥＤ素子をチップ分割する作業が容易に行えるという利点がある。バッファ層２２はその上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶を用いてもよい。
【００５８】
ｎ型クラッド層２４及びｐ型クラッド層２９は、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶や、単にＧａＮを用いてもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差が大きくなり、キャリアが活性層に有効に閉じ込められて温度特性の向上が図れる。またキャリアの閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、発光ダイオード素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層２４とｐ型クラッド層２９とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００５９】
ガイド層２５と２８は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層２６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層２４、２９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ等の４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層２６側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに光出力が向上するという利点がある。また、ガイド層２５、２８には、ｎ型クラッド層２４とｐ型クラッド層２９からそれぞれ電子と正孔を多重量子井戸構造活性層２６へ注入しやすくするという利点があるが、特にガイド層２５、２８を設けなくてもＬＥＤ素子特性が大きく悪化することはないので、ガイド層２５、２８はなくても構わない。
【００６０】
多重量子井戸構造活性層２６を構成する、２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層３４と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層３５は、必要な発光波長に応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くしたい場合は量子井戸層３４のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層３４のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層３４と障壁層３５は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層３５は単にＧａＮを用いてもよい。
【００６１】
次に、図７と図８を参照して上記窒化ガリウム系半導体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００６２】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有するサファイア基板２１上に、ＴＭＧとＮＨ3 を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層２２を３５ｎｍ成長させる。
【００６３】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3 、及びＳｉＨ4 を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２３を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．３μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層２４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０.０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層２５を成長する。
【００６４】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3 、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）３４、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）３５、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）３４を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１１ｎｍ）２６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3 を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層２７を成長する。
【００６５】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3 、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０.０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層２８を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０.３μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０.２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００６６】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００６７】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、ＬＥＤ素子作製のために所定の領域に、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３０の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２３が露出するまでエッチングを行う。
【００６８】
続いて、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極３１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極３２を形成して、窒化ガリウム系ＬＥＤウエハーを完成する。
【００６９】
その後、このウエハーを個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子を完成する。
【００７０】
以上のようにして作製された青色ＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡで、発光波長４３０ｎｍ・光出力６ｍＷという発光特性が得られた。また図９に示されるように、電流−光出力特性は高い注入電流においても光出力は飽和することはなく、従来のＬＥＤ素子に比べて特性が改善された。
【００７１】
なお、本実施例では、多重量子井戸構造活性層２６を構成する量子井戸層３４と障壁層３５の層厚をそれぞれ３ｎｍ及び５ｎｍとしたが、これらの層厚は、２層の量子井戸層に均一に電子・正孔を注入するために、量子井戸層３４と障壁層３５の各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施例にこだわらず、他の層厚でも同等の効果が得られる。
【００７２】
また本実施例では、多重量子井戸構造活性層２６に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層２７を形成しているが、これは量子井戸層３４が成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層３４を保護するものであれば蒸発防止層２７として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防止層２７にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層２８やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２９から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層３４のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層２７を形成しなくても量子井戸層３４は蒸発しないため、特に蒸発防止層２７を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子の特性は損なわれない。
【００７３】
【発明の効果】
上述したように本発明による窒化ガリウム系半導体レーザ素子においては、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造活性層における量子井戸層の層数を２とし、各量子井戸層の層厚を１０ｎｍ以下とすることによって、すべての量子井戸層に電子と正孔とを均一に分布させるようにした。この結果、量子井戸層に注入された電子と正孔が効率よく再結合するため発光効率が向上して発振閾値電流値を低減させることができた。さらに、再結合によって電子・正孔が消滅した量子井戸層内への電子と正孔の注入が効果的に行われるので、量子井戸層内に存在する電子と正孔の密度が効果的に変調され、その結果、光出力も変調されることが可能となり、光ディスク用として使用可能な、データの読み出し時にエラーを発生しない窒化ガリウム系半導体レーザ素子を実現した。
【００７４】
また、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造活性層における量子井戸層の層数を２とした本発明による窒化ガリウム系半導体レーザ素子と１ＧＨｚ程度までの高周波電流を注入する駆動回路を組み合わせて、光ディスク用としてデータの読み出し時にエラーを発生しない半導体レーザ光源装置を提供できる。
【００７５】
また、本発明による窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子においては、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造活性層における量子井戸層の層数を２とし、各量子井戸層の層厚を１０ｎｍ以下とすることによって、注入された電子と正孔を２つの量子井戸層に均等に分割し、量子井戸層１層当りに存在する電子と正孔の密度を低減したことにより、運動量空間内で電子や正孔の分布を低減できた。その結果、電流ー光出力特性において高い注入電流においても光出力は飽和することなく、高輝度な窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子が実現された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部を拡大した断面図である。
【図３】第１実施例における閾値電流値の量子井戸層数依存性、及び光出力の変調可能な、注入電流の最大変調周波数の量子井戸層数依存性を示すグラフ図である。
【図４】同、光出力の変調可能な、注入電流の最大周波数の障壁層の厚さ依存性を示すグラフ図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示す回路図である。
【図６】本発明の第３実施例に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示す回路図である。
【図７】本発明の第４実施例に係る半導体発光ダイオード素子を示す断面図である。
【図８】図７のＢ部を拡大した断面図である。
【図９】本発明の第４実施例に係る半導体発光ダイオード素子と従来の半導体発光ダイオード素子の、それぞれの電流ー光出力特性を示すグラフである。
【図１０】従来の青色ＬＤの構造例を示す断面図である。
【図１１】従来の青色ＬＥＤの構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
３  ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層
４  ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層
５  ｎ−ＧａＮガイド層
４、２４  ｎ−ＡｌＧａＮｎ型クラッド層
６、２５  多重量子井戸構造活性層
８、２８  ｐ−ＧａＮガイド層
９、２９  ｐ−ＡｌＧａＮｐ型クラッド層
１４、３４  ＩｎＧａＮ量子井戸層
１５、３５  ＩｎＧａＮ障壁層