(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた窒化物系半導体からなる活性層と、前記基板上に設けられ前記活性層を挟むように設けられた第１及び第２のクラッド層とを具備し、前記第１及び第２のクラッド層の少なくともいずれかは、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN  0＜x ≦1,0 ≦y＜1）からなる超格子構造からなるとともに、前記障壁層（AlxGa1-xN  0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が、前記基板側から表面側に向かってグレーデッド状に増加していることを特徴する窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項２】
基板上に設けられた窒化物系半導体からなる活性層と、前記基板上に設けられ前記活性層を挟むように設けられた第１及び第２のクラッド層とを具備し、前記第１及び第２のクラッド層の少なくともいずれかは、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN  0＜x ≦1,0 ≦y＜1）からなる超格子構造からなるとともに、前記井戸層（AlxGa1-xN  0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が、前記基板側から表面側に向かってグレーデッド状に増加していることを特徴する窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項３】
基板上に設けられた窒化物系半導体からなる活性層と、前記基板上に設けられ前記活性層を挟むようにそれぞれ設けられたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層とを具備し、前記ｎ型クラッド層は、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 0＜x ≦1,0 ≦y＜1）からなる超格子構造からなり、前記障壁層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が、前記基板側から表面側に向かってグレーデッド状に増加していることを特徴する窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項４】
基板上に設けられた窒化物系半導体からなる活性層と、前記基板上に設けられ前記活性層を挟むようにそれぞれ設けられたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層とを具備し、前記ｎ型クラッド層は、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 0＜x ≦1,0 ≦y＜1）からなる超格子構造からなり、前記井戸層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が、前記基板側から表面側に向かってグレーデッド状に増加していることを特徴する窒化物系半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体材料を用いた半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度光ディスクシステム等への応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が進められている。この種のレーザーでは記録密度を高めるために発振波長を短くすることが要求されている。短波長の半導体レーザとしてＩｎＧａＡｌＰ材料による６００ｎｍ帯光源は、ディスクの読み込み、書き込みのどちらも可能なレベルにまで特性改善され、すでに実用化されている。
【０００３】
さらなる記録密度向上を目指して青色体半導体レーザの開発が盛んに行われている。すでにII-VI 族系による半導体レーザは発振動作が確認されているが、信頼性が１００時間程度にリミットされるなど実用化への障壁は多く、また波長も４８０ｎｍ以下は作ることが困難であるなど、次世代の光ディスクシステム等への応用には材料的なリミットが数多く存在する。
【０００４】
一方、ＧａＮ系型半導体レーザは、３５０ｎｍ以下まで短波長が可能で、信頼性に関してもＬＥＤにおいて１万時間以上の信頼性が確認されるなど有望であり盛んに研究、開発が行われている。また、一部では、室温での電流注入によるレーザ発振も確認された。このようにＧａＮ系は材料的に次世代の光ディスクシステム光源必要な条件を満たす優れた材料である。
【０００５】
また、半導体レーザを、光ディスクシステム等へ応用可能にするためには、レーザの発振ビーム特性が重要となる。発振ビーム特性を向上させるためには、発光部に接合平面に平行方向に横モード制御構造を形成することが必須となる。横モード制御構造は通常異なる屈折率を有する半導体層で埋め込むメサ構造などの方法で作り付けることができる。
【０００６】
メサ構造の、安定した基本横モード特性を得るためには十分に厚いクラッド層、リッジ幅を狭くするなどが必要となるが、クラッド層として用いるＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいため厚くするとクラックが入るという問題があった。またＡｌＧａＮ層は抵抗率が小さくできないため電圧を低くできないとういう問題があった。
【０００７】
このためクラッド層として、薄膜(2nm厚程度) ＧａＮと１５％程度のＡｌ組成の薄膜(2nm厚程度) ＡｌＧａＮとの超格子構造とすることで、クラックが防止でき、電圧も低くできることが提案されている。この構造では、クラッド層を超格子構造としているので、歪に対する臨界膜厚が増大し、クラックが入りにくい。
【０００８】
また、このような構造では、図１（ａ）に示ように、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮ障壁層をｎ型にドーピングし、ＧａＮ井戸層をアンドープとする超格子構造では、ヘテロ界面に大きなバンドベンデングが生じ、２次元電子ガスが溜まる。超格子は薄く設計されており、隣どうしの２次元電子ガスがカップリングあるいはトンネリングし合い、抵抗率の高いＡｌＧａＮを介さずにキャリヤの輸送をエピ層の上下（図では左右）方向に円滑にすることができ、クラッド層の抵抗を低くすることが可能となる。ｐ型の場合も略同様である。
【０００９】
しかしながら、本発明者の研究によりば、サファイヤ基板上に超格子を形成した場合、状況は大きく変化することが判明した。窒化物半導体材料による超格子構造は、他の半導体材料の超格子構造に比べて、歪によるピエゾ効果や自発分極の影響で非常に大きな内部電界が発生していることが理論的、実験的にも明らかとなった。
【００１０】
図１（ｂ）に示すように、窒化物系半導体材料を用いた超格子構造では、障壁層、井戸層とも電界の影響で三角ポテンシャルになっておりキャリヤ注入に必須な２次元電子ガスを形成するのに十分なバンドベンデングが得られなく、そのためレーザの動作電圧も５Ｖ以下に低くすることは極めて困難である。このような２次元電子ガスが形成されない要因以外にも３角ポテンシャルにより実効的に高いヘテロバリヤが形成され、種々の電圧降下の要因を誘起していた。
【００１１】
またさらなる光デスクへの記録密度向上のためには光源の短波長化をさらに進める必要があるが、有望となるＧａＮ／ＡｌＧａＮを量子井戸とする活性層をレーザに用いた場合においても、このような三角ポテンシャルは井戸部にも形成され、キャリヤ再結合のペアリングを著しく悪化させていた。
【００１２】
このように従来の窒化物系半導体材料の超格子構造では動作電圧が低くモード特性も良好な横モード制御半導体レーザ装置を製作することは著しく困難であり、信頼性特性（特に高温での）も損なわれていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の窒化物系半導体材料を用いた超格子構造を有する横モード制御半導体レーザ装置では自発分極、ピエゾ効果により電圧の低く発光特性も良好にすることが非常に困難であるという問題点があった。
【００１４】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、プロセスの再現性にも優れ、工程が易しく、歩留まりも高い低しきい値・低動作電圧で基本横モード動作が可能な、特性の良い窒化物半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明は、基板上に設けられた窒化物系半導体からなる活性層と、前記基板上に設けられ前記活性層を挟むように設けられた第１及び第２のクラッド層とを具備し、前記第１及び第２のクラッド層の少なくともいずれかは、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 0＜x ≦1,0 ≦y＜1）からなる超格子構造からなるとともに、前記障壁層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が、前記基板側から表面側に向かってグレーデッド状に増加していることを特徴する窒化物系半導体レーザ装置を提供する。
【００１６】
また、本発明は、基板上に設けられた窒化物系半導体からなる活性層と、前記基板上に設けられ前記活性層を挟むように設けられた第１及び第２のクラッド層とを具備し、前記第１及び第２のクラッド層の少なくともいずれかは、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 0＜x ≦1,0 ≦y＜1）からなる超格子構造からなるとともに、前記井戸層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が、前記基板側から表面側に向かってグレーデッド状に増加していることを特徴する窒化物系半導体レーザ装置を提供する。
【００１７】
また、本発明は、前記障壁層あるいは井戸層のＡｌ組成は単調に増加あるいは減少していることを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置を提供する。基板上に構成された少なくともAlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0 ＜x ≦1,0 ≦y ＜1)からなる超格子構造で、Ａｌ組成が一様ではなくグレーデッド状に形成することで、超格子構造のバンド構造を詳細に設計し、ピエゾ電界・自発分極の影響を防ぎ電圧が低く、発光効率や利得の高い窒化物半導体レーザ装置を提供できる。
【００１８】
また、本発明は、プロセスの再現性にも優れ、工程が易しく、歩留まりも高い低しきい値・低動作電圧で基本横モード動作が可能となる。特に窒化物半導体レーザ装置の特性のうち、低動作電圧化、横モード特性の安定化のみならず、信頼性も向上することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図２は本発明の第１の実施例に係わる青色窒化物半導体レーザ装置の概略構成を説明するための断面図である。
【００２０】
各窒化物層はすべてＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）により成長を行った。成長条件に関して、圧力は常圧、バッファー層以外のGaN 、AlGaN 層は基本的には窒素、水素、アンモニアを混合した雰囲気で１０００℃から１１００℃の範囲、活性層を含む成長は窒素とアンモニア雰囲気で、７００℃から８５０℃の範囲とした。
【００２１】
図２中１１はサファイヤ基板であり、１２は低温成長（５５０℃）のGaN バッファー層（０．０３μｍ）である。１４は高温成長（１１００℃）のGaN で、ラテラル成長用のＳｉＯ2 ストライプ１０を介して下部はアンドープ、上はn −ＧａＮコンタクト層とした。１３はn 側電極である。
【００２２】
１５はトータル厚さ１．０μｍのｎ−ＡｌＧａＮ/ ｕｎ−ＧａＮの超格子構造からなるｎ型クラッド層、１６は多重量子井戸構造（MQW ）、光ガイド層を含む活性層部であり、厚さ０．１μｍのＧａＮからなる光ガイド層を有し、井戸層は４ｎｍ厚のＩｎ0.13  Ｇａ0.87  Ｎ４層からなり、バリヤ層は厚さ８ｎｍのＩｎ0.０３  Ｇａ0.９７  Ｎから構成される。
【００２３】
１７はトータル厚さ１．０μｍのｐ−ＡｌＧａＮ/ ｕｎ−ＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド層、２０は厚さ０．５μｍP −ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）で、最表面はさらにＭｇを高濃度化している。２１はＳｉＯ2 狭窄層、２２はｐ型電極、２３は電極パッドである。
【００２４】
図３に、この窒化物半導体レーザ装置の超格子構造のバンド図を示す。
ここではｎ側の伝導帯側を示す。障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、障壁層のみ５×１０18ｃｍ-3のｎ型にドープしている。障壁層のＡｌ組成を基板側から表面側に向って１５％から２０％にグレーデッドに変化させることでＧａＮ側のバンドベンデングを急峻化させ２次元電子ガスの形成を確実にさせている。
【００２５】
本実施例ではリッジ幅は３μｍの場合、しきい値３５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は４００ｎｍ、動作電圧は４．０Ｖであった。ビーム特性は単峰であり、非点隔差は５μｍと十分小さな値が得られた。最高光出力は連続発振で４０ｍＷまで得られ、信頼性に関しても５０Ｃで２０００時間以上安定に動作した。これらの特性は基板は下のままヒートシンクにボンデングした構造で得られた。雑音特性に関してももどり光の存在下でも10-13 dB/Hz 以下の特性が得られた。素子の歩留まりは極めて高く、９０％の素子で、上記した横モード特性が得られた。
【００２８】
図４は本発明の第２の実施例に係わる青色窒化物半導体レーザ装置の概略構成を説明するための断面図である。第１の実施例との違いは基板としてハイドライド気相成長装置により成長したｎ型ＧａＮ基板２４を用いていることである。ＧａＮ基板成長時にもラテラル成長技術を取り込んでおり、転位密度を１０4 ｃｍ-2以下に抑制している。また、メサを形成後、再成長により選択成長でn-InGaN 吸収層（光導波層）１８を形成し、その後コンタクト層２０を成長している。
【００２９】
図５に、この窒化物半導体レーザ装置の超格子構造のバンド図を示す。ここでもｎ側の伝導帯側を示す。障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、障壁層のみ５×１０18ｃｍ-3のｎ型にドープしている。ここでは井戸層のＡｌ組成を基板側から表面側に向って０％から５％にグレーデッドに変化させることでＧａＮ側のバンド底を擬似フラット化し、２次元電子ガスの形成を確実にさせた。
【００３２】
本発明では、ｐ型の場合も価電子帯側のバンドを考慮して同様に設計実施した。超格子の場合の電圧降下は主にピエゾ電界・自発分極の影響と見ており、基板−表面側の電界効果方向も図示した通りである。
【００３４】
なお本発明は本実施例に限られるものではなく、半導体層、基板としてＳｉＣなども適用可能で、II-VI 族化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅなどを用いても良い。
構造もレーザのしきい値に悪影響を与えないものであれば種々の適用が可能である。
その他、導波路構造、受光素子、トランジスターなどの光デバイス分野へも適用が可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、超格子層は低抵抗化することができ、プロセスの再現性にも優れ、工程が易しく、歩留まりも高い低しきい値・低動作電圧で基本横モード動作が可能な、特性の良いナイトライド系横モード制御型構造レーザを提供する。特に半導体レーザの特性においては低動作電圧化、横モード特性の安定化のみならず、信頼性も向上せしめる大きな作用がある。その有用性は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来背景を示す図。
【図２】  本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザ装置の断面図。
【図３】  本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザ装置の超格子構造のバンド図。
【図４】  本発明の第２の実施例の窒化物半導体レーザ装置の断面図。
【図５】  本発明の第２の実施例の窒化物半導体レーザ装置の超格子構造のバンド図。
【符号の説明】
１１…サファイヤ基板
１２…バッファー層
１３…ｎ側電極
１４…ｎ−ＧａＮコンタクト層
１５…ｎ−ＡｌＧａＮ／GaN 超格子クラッド層
１６…多重量子井戸構造（MQW ）光ガイド層を含む活性層部
１７…ｐ−ＡｌＧａＮ／GaN 超格子クラッド層
１８…InGaN 吸収層（光導波層）
２０…ｐ−ＧａＮコンタクト層
２１…ＳｉＯ2 狭窄層
２２…ｐ型電極
２３…電極パッド
１０…ＳｉＯ2 ストライプマスク
２４…ｎ−ＧａＮ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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