(57)【要約】      （修正有）【課題】内部量子効率を向上させた窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】ｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１３との間に活性層１２を有する窒化物半導体レーザ素子において、ｎ型半導体層はｎ側光ガイド層を有し、活性層は２以上の井戸層と、井戸層の間に設けられた少なくとも１つの障壁層とを有し、障壁層はｎ側光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する障壁層を有し、ｐ型半導体層は活性層に含まれる全ての障壁層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を有し、２以上の井戸層のうちｐ型半導体層に最も近い井戸層である最終井戸層と電子障壁層との間に配置されたｐ側光ガイド層を備え、ｐ側光ガイド層は最終井戸層側に配置され、ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの低い第１領域と、電子障壁層側に配置され、ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの高い第２領域とを有する。【選択図】図１１
2014131019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に、活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｎ型半導体層は、ｎ側光ガイド層を有し、
前記活性層は、２以上の井戸層と、前記井戸層の間に設けられた少なくとも１つの障壁層と、を有し、
前記障壁層は、前記ｎ側光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する障壁層を有し、
前記ｐ型半導体層は、前記活性層に含まれる全ての障壁層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を有し、
前記２以上の井戸層のうち前記ｐ型半導体層に最も近い井戸層である最終井戸層と前記電子障壁層との間に配置されたｐ側光ガイド層を備え、
前記ｐ側光ガイド層は、
前記最終井戸層側に配置され、前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの低い第１領域と、
前記電子障壁層側に配置され、前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの高い第２領域とを有する、窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ側光ガイド層は、前記最終井戸層側から前記電子障壁層側にバンドエネルギーが略直線状に増加する層を有する請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記バンドエネルギーが略直線状に増加する層は、化合物半導体の組成が変化している組成傾斜層である請求項２記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記組成傾斜層は、少なくとも一部にＩｎを含有している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記組成傾斜層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）を有する請求項３または４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記組成傾斜層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を有する請求項３または４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記ｐ側光ガイド層は、前記電子障壁層と接している請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記障壁層のうち前記ｎ型半導体層に最も近い障壁層は、第１の障壁層であり、前記第１の障壁層の膜厚は、井戸層の膜厚よりも厚い請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記第１の障壁層は、ｎ型不純物を１×１０１９ｃｍ−３以上含有している請求項８に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記ｎ側ガイド層の膜厚は、前記第１の障壁層の膜厚よりも厚い請求項８または９のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記ｎ側ガイド層は、前記第１の障壁層に接しており、該ｎ側ガイド層における該接触部はノンドープ領域である請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記ｐ側光ガイド層は、ノンドープ層である請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記井戸層の総膜厚は、第１の障壁層を除く他の障壁層の総膜厚よりも厚い請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記窒化物半導体レーザ素子は、Ｃ面窒化物基板上に形成されている請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１５】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に、活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｎ型半導体層は、ｎ側光ガイド層を有し、
前記活性層は、前記ｎ側光ガイド層上に、障壁層、井戸層を順に積層した単一量子井戸構造であり、
前記障壁層は、前記ｎ側光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有し、
前記井戸層上に、ｐ側光ガイド層と、前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層とを順に有し、
前記ｐ側光ガイド層は、前記井戸層側に配置され、前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの低い第１領域と、前記電子障壁層側に配置され、前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの高い第２領域とを有する窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、窒化物半導体素子である窒化物半導体レーザは、紫外域から緑色に至るまで、幅広い波長域での発振が可能となり、その応用範囲は、光ディスクシステムの光源にとどまらず、多岐にわたるものと期待されている。特に可視光領域の、青紫色帯より長波長帯側では、プロジェクタ用光源やテレビ用光源といったディスプレイ用光源として期待されている。
【０００３】
特許文献１には、半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、基板上にｎ型クラッド層と、第１の光ガイド層と、活性層と、第２光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、を備えた半導体レーザであって、前記第２光ガイド層はＩｎＧａＮ領域を含み、そのＩｎ組成は活性層側からｐ型クラッド層に向けて減少する構造を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２００４３７号公報
【特許文献２】特開２００１−６５６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような特許文献１に記載された構造の半導体レーザでは、活性層への光閉じ込めが不十分で閾値電流が上昇するおそれがある。また、このような半導体レーザでは、光吸収の多い電子障壁層に光が漏れてレーザ特性を悪化させてしまうおそれがある。
【０００６】
またｎ側半導体層においても組成傾斜している層を有しており、このような構造では電圧が上昇するという現象がある。この問題は、不純物をドーピングすることにより回避できると考えられるが、一方でこの不純物がレーザ光を吸収してしまう。その結果、レーザ特性を悪化させてしまう。
【０００７】
また特許文献２に記載された半導体発光素子においては、ｐ側障壁層においてバンドエネルギーの低い領域と高い領域が存在する構造が開示されている。しかし、そのトータル厚みが１０ｎｍと小さく、光ガイド層としては機能しないため、光閉じ込めが弱くレーザ特性が悪化するおそれがある。その結果、この構造を採用した半導体発光素子は、内部量子効率が減少する。
【０００８】
窒化物半導体レーザ素子では、Ｉｎ含有窒化物層を井戸層に有する量子井戸構造とする場合には、発振波長が長くなるに従って、このＩｎ含有量を増加させなければならない。その結果、半導体層の内部に大きな歪みが発生するため結晶性の悪化や圧電分極の増大による内部量子効率の低下が発生する。一方で、井戸層を薄くすることによって、上記の問題を抑制させることはできるが、井戸層のキャリアの閉じ込めが弱くなり、キャリアのオーバーフローが発生し、内部量子効率が低下してしまう。
また、レーザ素子の積層構造体に含まれる導波路の一部を構成するガイド層では、井戸層からのキャリアのオーバーフローにより井戸層以外の領域におけるキャリア濃度が増加し、このため光吸収、非発光再結合（ＳＲＨ  （Ｓｈｏｃｋｌｅｙ  Ｒｅａｄ−Ｈａｌｌ）非発光再結合、オージェ非発光再結合）または発振に寄与しない発光再結合が発生する。これにより、上述した内部量子効率の低下というレーザ特性の悪化を招いてしまう。
また、キャリアの閉じ込めを大きくするために障壁層のエネルギーギャップを大きくする構造や、障壁層の厚みをより厚くする構造が考えられるが、その障壁層自体によって動作電圧が高くなってしまう問題もある。
更に、上部クラッド層と下部クラッド層の間に活性層を有するレーザ素子においては、活性層を含めた導波路内に光を閉じこめるための屈折率差を確保する必要がある。具体的には、クラッド層にＡｌ組成比の大きな窒化物半導体を用いるものであり、その結果、結晶性の問題が生じることになる。Ａｌを含む窒化物半導体が、Ａｌを含まない他の窒化物半導体に比べて、クラック等の発生により大きく結晶性が悪化する傾向にあるからである。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。つまり、本発明は内部量子効率を向上させ、また動作電圧を低下させた窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、上記課題を解決することができる。その窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に、活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体層は、ｎ側光ガイド層を有し、前記活性層は、２以上の井戸層と、前記井戸層の間に設けられた少なくとも１つの障壁層と、を有し、前記障壁層は、前記ｎ側光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する障壁層を有し、前記ｐ型半導体層は、前記活性層に含まれる全ての障壁層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を有し、前記２以上の井戸層のうち前記ｐ型半導体層に最も近い井戸層である最終井戸層と前記電子障壁層との間に配置されたｐ側光ガイド層を備え、前記ｐ側光ガイド層は、前記最終井戸層側に配置され、前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの低い第１領域と、前記電子障壁層側に配置され、前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの高い第２領域とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子は、内部量子効率を向上させることができる。また、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子では、低い動作電圧で使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構造と従来構造とのバンドエネルギーイメージを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構造と従来構造とのキャリア濃度分布を示す図である。
【図３】窒化物半導体レーザ素子の従来構造と比較例とのバンドエネルギーイメージを示す図である。
【図４】窒化物半導体レーザ素子の従来構造と比較例とのキャリア濃度分布を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構造と従来構造とのバンドエネルギーイメージを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構造と従来構造とのキャリア濃度分布を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子と一比較例のＩ−Ｌ特性である。
【図８】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子と一比較例のＩ−Ｖ特性である。
【図９】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子と一比較例のＩ−Ｌ特性である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子と一比較例のＩ−Ｖ特性である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１４】
本発明の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に、活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体層は、ｎ側光ガイド層を有し、前記活性層は、２以上の井戸層と、前記井戸層の間に設けられた少なくとも１つの障壁層と、を有し、前記障壁層は、前記ｎ側光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する障壁層を有し、前記ｐ型半導体層は、前記活性層に含まれる全ての障壁層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を有し、前記２以上の井戸層のうち前記ｐ型半導体層に最も近い井戸層である最終井戸層と前記電子障壁層との間に配置されたｐ側光ガイド層とを備え、前記ｐ側光ガイド層は、前記最終井戸層側に配置され、前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの低い第１領域と、前記電子障壁層側に配置され、前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの高い第２領域とを有するものである。
【００１５】
このような構造を採用したレーザ素子では、最終井戸層と電子障壁層との間にあるｐ側光ガイド層の電子およびホール濃度を下げることができる。そのため、非発光再結合の確率が減少し、若しくは発振に寄与しない半導体層での発光再結合確率が減少し、内部量子効率が上昇する。その結果、レーザ素子のレーザ特性が向上する。以後、発振に寄与しない半導体層での発光再結合に関しても、まとめて非発光再結合と表記することがある。
【００１６】
これらのメカニズムについて詳細に説明する。
一般的に注入した電子、およびホールは再結合によって、半導体層内で消費される。井戸層に注入した電子とホールの再結合に関して一般的に以下のモデル式（１）で表される。ここでのＲは、再結合速度を示す。
Ｒ（ｎ）  ＝  Ａｎ＋Ｂｎ２＋Ｃｎ３      （１）
（ｎ：キャリア濃度、Ａ：ＳＲＨ非発光再結合系数、Ｂ：発光再結合系数、Ｃ：Ａｕｇｅｒ再結合係数）
この式から発光再結合および非発光再結合の速度、つまり再結合確率はキャリア濃度に依存することがわかる。また、このようなキャリア濃度に依存する再結合は、井戸層のみで発生するものではなく、あらゆるエピタキシャル層において発生する。つまり、井戸層以外のキャリア濃度を下げることにより、レーザ素子全体の非発光再結合を抑制することができ、かつレーザ素子の内部量子効率をあげることができると推測できる。
【００１７】
上述について、以下に例をあげて説明する。
従来の構造のバンドエネルギーイメージ図、およびバンドシミュレーション（ＣＲＯＳＳＬＩＧＨＴ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｉｎｃ．  製ＬＡＳＴＰ使用）を用いて計算したｐ側光ガイド層の発振時キャリア濃度分布図を示す。これらは、図１と図２の実線である。
図１および図２に示すモデルでは、横軸の左から順にｎ側ガイド層、第１の障壁層、活性層（第１の障壁層を除く）、ｐ側ガイド層、電子障壁層およびｐ側クラッド層が配置されている。図１に示すバンドエネルギーイメージ図においては、簡便のため各層のバンドエネルギーの大小関係を表すものとしている。また、キャリア濃度には電子濃度とホール濃度の二種類があるが、ｐ側ガイド層においてはほぼ同濃度のキャリア濃度分布になることを確認しており、簡便のため電子濃度のみをキャリア濃度分布図として示す。図２よりｐ側光ガイド層（ｐ側ガイド層）のキャリア濃度が活性層から電子障壁層に近づくにつれて増加していることがわかる。井戸層（活性層）以外のキャリア濃度が高くなることによって、その部分での非発光再結合確率（ＳＲＨ再結合、Ａｕｇｅｒ再結合）が高くなり、結果としてレーザ素子としての非発光再結合確率が高くなるため内部量子効率を低下させてしまうことになる。また井戸層以外での発振に寄与しない発光再結合確率も高くなり、これも内部量子効率を低下させてしまう原因となる。これらのことから、井戸層以外のキャリア濃度が非発光再結合確率に及ぼす影響は非常に大きいと考えられる。特にそのキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３を超えてくると内部量子効率に与える影響が大きくなってくる。
【００１８】
一方、ｐ側光ガイド層に、ｎ側ガイド層よりバンドエネルギーの低い領域（第１領域）とバンドエネルギーの高い領域（第２領域）を井戸層（活性層側）側から順に設けることによって、ｐ側光ガイド層のキャリア濃度を低減することがわかった。このバンドイメージを図１の破線に示す。またキャリア濃度分布図を図２の破線に示す。バンドエネルギーの低い領域では従来構造と比較してほぼ同様あるいは若干多くキャリア濃度が増加するが、バンドエネルギーの高い領域では大幅にキャリア濃度が減少することがわかる。つまり、ｐ側光ガイド層における非発光再結合確率を大幅に下げられるということが明確にわかる。この構造が本実施形態に係るレーザ素子の構造である（図２の破線）。つまり、本実施形態のレーザ素子構造を採用することにより、最終井戸層と電子障壁層との間のｐ側光ガイド層の電子およびホール濃度を大幅に下げることができる。そのため、非発光再結合確率が減少し、結果として内部量子効率が上昇する。
さらに、このｐ側光ガイド層の最終井戸層側をバンドギャップエネルギーの低い領域（第１領域）とすることにより効果的に動作電圧を低減することができる。このことは、最終井戸層とｐ側光ガイド層のバンドエネルギー差が小さくなるため、動作電圧が低下するものと考えられる。一方で、井戸層のキャリアの閉じ込めが弱くなるため電子のオーバーフローを推進してしまうことも懸念されるが、このレーザ素子はｐ側光ガイド層の電子障壁層側にバンドギャップエネルギーの高い領域（第２領域）を設けているため、その部分でオーバーフローした電子を止めることができ、電子障壁層手前の電子キャリア濃度を効果的に下げることができる。そのため、結果として、電圧を低下させつつ半導体層の非発光再結合確率を減少させ、内部量子効率を向上させることができる。
【００１９】
ここで比較のために、バンドエネルギーの低い領域のみをｐ側光ガイド層に設けた構造（比較例１）と、バンドエネルギーの高い領域のみをｐ側光ガイド層に設けた構造（比較例２）に関して説明する。これらのバンドイメージ図を従来構造図とあわせて図３に示す。また、同様にキャリア濃度分布図を従来構造図とあわせて図４に示す。図３と図４において、従来構造は実線であり、比較例１の構造は点線であり、比較例２の構造は破線としている。ｐ側光ガイド層にバンドエネルギーの低い領域のみ設けた場合、先述したように電圧が低下する。しかしながら、電子のオーバーフローが増加することによりｐ側光ガイド層のキャリア濃度が増大し、先述と同様に内部量子効率が低下する。これらを図３の点線と、図４の点線に示す。
一方、ｐ側光ガイド層にバンドエネルギーの高い領域のみ設けると、ｐ側光ガイド層のキャリア濃度は若干減少し、若干の内部量子効率の増加が期待されるが、井戸層とｐ側光ガイド層の障壁により電圧が上昇してしまう。これらを図３の破線と、図４の破線に示す。またこのときのキャリア濃度の減少は本発明の構造と比較するとごく小さく、その効果は非常に小さなものとなる。
【００２０】
さらに、半導体レーザ素子においては井戸層への光閉じ込めも考慮する必要がある。井戸層への光閉じ込めは各層の屈折率差に依存して決定され、屈折率はバンドエネルギーの大きな材料ほど低くなる傾向にある。ｐ側光ガイド層がｎ側光ガイド層よりもバンドエネルギーの大きな領域だけであると、ｎ側光ガイド層へ光が移動するため井戸層への光閉じ込めが弱くなる。一方ｐ側光ガイド層がｎ側光ガイド層よりもバンドエネルギーの小さな領域だけであると、ｐ側光ガイド層へ光が移動するため同様に井戸層への光閉じ込めが弱くなる。さらに電子障壁層やｐ型半導体層は光吸収係数が大きいため、ｐ型半導体層（ｐ型クラッド層）に光が漏れると光吸収が大きくなり、半導体レーザの特性を悪化させてしまう。本実施形態における窒化物半導体レーザ素子は、ｎ側光ガイド層と比較して、ｐ側光ガイド層にバンドエネルギーの小さな領域と大きな領域を設けることによって、井戸層への光閉じ込めを効果的におこなうことができ、ｐ型半導体層への光の漏れもバンドエネルギーの大きな領域を設けることによって最小限に抑え、半導体レーザの効率を向上させることができる。
【００２１】
図１１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を概略的に示す図面である。この窒化物半導体レーザ素子１００は、基板１０上に、ｎ型半導体層１１と、活性層１２と、ｐ型半導体層１３とを備えている。これらの層は、基本的には多層構造をしている。尚、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、この図面に限定されるものではない。
【００２２】
また、ｎ型半導体層１１は、少なくともｎ側光ガイド層を有している。
【００２３】
本実施形態における活性層１２は、多重量子井戸構造をしており、２以上の井戸層と、前記井戸層の間に設けられた少なくとも１つの障壁層と、を有している。井戸層のうちｎ型半導体層に最も近い井戸層は、第１の井戸層である。また、井戸層のうちｐ型半導体層に最も近い井戸層は、最終井戸層である。障壁層は、前記ｎ側光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する障壁層を有している。
【００２４】
ｐ型半導体層１３は、活性層１２に含まれる全ての障壁層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を有している。また、ｐ型半導体層１３は、最終井戸層と電子障壁層との間に、ｐ側光ガイド層を有している。このｐ側光ガイド層は、最終井戸層側にはｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの低い領域があり、電子障壁層側にはｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの高い領域がある。
【００２５】
本実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ、０≦α、０≦β、α＋β≦１）を用いてよい。また上記に加えて、ＩＩＩ族元素としてＢを含むものや、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換した、混晶を用いてもよい。また、Ａｌを含む窒化物半導体はβ＞０であり、Ｉｎを含む窒化物半導体はα＞０である。
【００２６】
上記窒化物半導体には不純物を含有する層がある。具体的には、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを用いる。また、ｐ型不純物としては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇを用いる。これにより、各導電型の窒化物半導体層を形成する。
【００２７】
本実施形態におけるｐ側光ガイド層は、最終井戸層側から電子障壁層側にバンドエネルギーが略直線的に増加するように組成傾斜層を有してよい。このときのバンドエネルギーイメージ図およびキャリア濃度分布図を従来構造と合わせて図５と図６に示す。図５と図６において、従来構造は実線で示す構造であり、本実施形態における構造は破線で示す構造である。このような破線で示す本実施形態の構成により、ｐ側光ガイド層におけるキャリア濃度を効果的に低下させることができる。この組成傾斜する層において、バンドギャップエネルギーの増加を直線的にするのでなく、上部へまたは下部へ湾曲させながら形成することも出来るが、ほぼ直線的にバンドギャップエネルギーを増加させることが最も効果的にキャリア濃度を低下させることができる。前述したように、ｐ側光ガイド層のキャリア濃度を低下させると非発光再結合確率を減少できるため、本発明の構成において大幅に内部量子効率を向上させることになる。このバンドエネルギーが略直線状に増加する層は、化合物半導体の組成を変化させて形成する。
ここで詳細に図６のグラフをみると、本発明のキャリア濃度は、井戸層付近のｐ側光ガイド層では従来構造のレーザ素子よりも若干高くなる。しかしながら、従来構造では電子障壁層側に近づくにつれキャリア濃度は高くなるが、本実施形態のレーザ素子ではキャリア濃度の増加はなく、ほぼ一定となる。結果として、従来構造のｐ側光ガイド層と比較して、本実施形態のレーザ素子におけるｐ側光ガイド層のキャリア濃度が大幅に低くなることがわかる。このような現象は、ｐ側光ガイド層が厚くなってくると顕著となる。特に半導体レーザ素子においては、光閉じ込めを強化するために十分な厚みのｐ側光ガイド層が必要となるため、本実施形態のレーザ素子の効果が大きくなる。さらに、このバンドエネルギーの傾きが急であるほどキャリア濃度の増加が抑えることができる。
【００２８】
このｐ側光ガイド層の組成傾斜層は、少なくとも一部にＩｎを含有していることが好ましい。
このＩｎを含有する層を上述した位置に入れることにより、井戸層への歪み緩衝層として機能する。これはＩｎを含有する結晶そのものの柔らかさにより井戸層の歪みを分散させる効果がある。特に組成傾斜により井戸層に近い部分でのＩｎ組成が大きいため、より効果的に働いているものと考えられる。また、Ｉｎ組成が大きな層による圧電分極の抑制の効果もあると考えられる。
【００２９】
このｐ側光ガイド層は、電子障壁層よりもバンドエネルギーが低いことが好ましい。
その理由は、電子障壁層にて電子を止める効果を得て、ｐ側光ガイド層の動作電圧の上昇を抑制するためである。
【００３０】
ｐ側光ガイド層の膜厚は、５００〜５０００Åであることが好ましい。
【００３１】
このｐ側光ガイド層は、最終井戸層、及び／又は前記電子障壁層と接していることが好ましい。
この構造を採用することにより、前述したとおりｐ側光ガイド層における非発光再結合確率を減少させ、かつ光の閉じこめを効率良く行うことができる。
【００３２】
このｐ側光ガイド層の組成傾斜する層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）を有することが好ましい。
【００３３】
このｐ側光ガイド層の組成傾斜する層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を有することが好ましい。この組成傾斜層は、歪み緩衝層として機能させることができる。
【００３４】
障壁層のうちｎ型半導体層に最も近い障壁層は、第１の障壁層である。この第１の障壁層の膜厚は、井戸層の膜厚よりも厚いことが好ましい。
【００３５】
第１の障壁層は、ｎ型不純物を１×１０１９ｃｍ−３以上含有していることが好ましい。
第１の障壁層は井戸層からのホールのオーバーフローをブロックする効果があり、ホールブロック層として機能する。この層を設けることにより、半導体素子のレーザ特性を向上させることができる。また、第１の障壁層は、ホールブロック層として機能するため、部分的にｎ型不純物を含まない薄膜を挟んだ構造としても良い。
【００３６】
ｎ側光ガイド層は、第１の障壁層に接しており、該ｎ側光ガイド層における該接触部はノンドープ領域であることが好ましい。第１の障壁層がホールブロック層として機能する場合、ｎ側光ガイド層はノンドープ領域とすることができる。その結果、ｎ側光ガイド層におけるｎ型不純物濃度およびキャリア濃度が減少し、非発光再結合確率の低下、および光吸収係数の減少により半導体レーザ特性を向上させることができる。
また、ｎ側光ガイド層で光を閉じ込める効果を得るために、このｎ側光ガイド層の膜厚は第１の障壁層より厚くなるのが好ましい。このｎ側光ガイド層をノンドープ領域とした場合、ｐ側光ガイド層のように組成傾斜により井戸層方向にバンドエネルギーを小さくするような構造をとると、ピエゾ電界の影響により電圧特性に異常が発生し電圧が上昇してしまう。そのため、ｎ側光ガイド層は、組成傾斜しないノンドープ領域の層であることが望ましい。
【００３７】
ｐ側光ガイド層は、ノンドープ層であることが好ましい。ドーピングをすると、キャリア濃度が増えることになり、その結果、非発光再結合確率の増加および光吸収係数が増加してしまうためレーザ特性を著しく悪化させてしまう場合がある。しかし、光ガイド層はＮ型半導体層であってもよい。
【００３８】
井戸層の総膜厚（全ての井戸層の膜厚の合計）は、第１の障壁層を除く他の障壁層の総膜厚よりも厚いことが好ましい。このような構造を取ることにより、井戸層にかかるピエゾ電界を効果的に抑制することができるため発光再結合確率が上昇し、かつ動作電圧を減少させることができる。
言い換えると、この他の障壁層である中間障壁層の膜厚は薄いことが好ましいことになる。具体的には、この中間障壁層の各膜厚は６０Å以下であることが好ましい。
【００３９】
このｐ側光ガイド層は、電子障壁層と接していることが好ましい。
【００４０】
障壁層のうちｎ型半導体層に最も近い障壁層は、第１の障壁層である。この第１の障壁
層の膜厚は、井戸層の膜厚よりも厚いことが好ましい。このような構造により、キャリアの閉じ込めを十分に行うことができる。特に、第１の障壁層以降にある中間障壁層の膜厚を薄くする場合に有効である。
この第１の障壁層の膜厚は、２０〜２００Å以下とすることが好ましい。また、各井戸層の膜厚は、２００Å以下であればよい。
【００４１】
次に、本発明の実施形態２に係る窒化物半導体レーザ素子の構成を説明する。この窒化物半導体レーザ素子は、単一量子井戸構造のレーザ素子である。ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に、活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体層は、ｎ側光ガイド層を有し、前記活性層は、前記ｎ側光ガイド層上に、障壁層、井戸層を順に積層した単一量子井戸構造であり、前記障壁層は、前記ｎ側光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有し、前記ｐ型半導体層は、前記井戸層上に、ｐ側光ガイド層と、前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層とを順に有し、前記ｐ側光ガイド層は、前記井戸層側には前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの低い領域（第１領域）があり、前記電子障壁層側には前記ｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの高い領域（第２領域）がある。
【００４２】
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明が以下の実施例に限定されないことは言うまでもない。
【００４３】
［実施例１］
以下、実施例として、窒化物半導体レーザ素子構造について、説明する。
【００４４】
本実施例では、窒化物半導体層の成長用基板１０にｃ面ＧａＮ基板を用いた。他にもｃ面以外のｍ面やａ面などの非極性および半極性ＧａＮ基板や、ＡｌＮ等の窒化物基板や窒化物半導体と異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアのような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等である。その他にも、窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体を成長させたテンプレート基板を用いることができる。例えば、Ｗ上にＧａＮを成長したテンプレート基板がある。また、基板は、オフアングルしていてもよく、一般的にステップ状にオフアングルしたものを用いる。
【００４５】
また本実施例の効果は、極性面をもつｃ面において特に効果が大きいと考えられる。ｃ面ＧａＮ基板上の素子では井戸層にかかるピエゾ電界により、井戸層から電子がオーバーフローしやすく、ｐ側ガイド層のキャリア濃度が増加することによって、内部量子効率を低下させてしまいやすい。本実施例では、ｐ側ガイド層のキャリア濃度の増加を抑制することができるため、その非発光再結合確率が小さくなり、結果としてｃ面ＧａＮ基板上の素子において内部量子効率を向上させる効果が大きくなる。
【００４６】
以下に発振波長が４６０ｎｍの青色レーザダイオードについて記述する。窒化物半導体層の作製には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を利用した。また、原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア、シランガス、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を適宜用いた。
【００４７】
ｃ面ＧａＮ基板１０上に、ｎ型半導体層１１を成長させる。具体的には、ＳｉドープしたＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる下地層を２．０μｍの膜厚で成長させた。
【００４８】
次に、ＳｉドープしたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第１のｎ側半導体層を０．１５μｍの膜厚で成長させた。
【００４９】
次に、ＳｉドープしたＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなる層を１．０μｍの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープしたＧａＮよりなる層を０．３μｍの膜厚で成長させた。これらは第２のｎ側半導体層である。
【００５０】
次に、アンドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層を０．２μｍの膜厚で成長させた。この層はｎ側光ガイド層である。
【００５１】
次に、活性層１２を成長させた。２×１０１９ｃｍ−３程度のＳｉドープしたＧａＮよりなる第１の障壁層を膜厚１００Åで成長させた。この層はホールブロック層として機能する。その上に、アンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる第１の井戸層を膜厚３５Å、アンドープのＧａＮよりなる中間障壁層を膜厚３５Å、アンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる第２の井戸層を膜厚３５Åで順に成長させた。次に、最終障壁層として１０Åの膜厚のＧａＮを成長させた。この活性層は、総膜厚が約１１５Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。本実施例のように井戸層とｐ側ガイド層との間に最終障壁層を動作電圧が上がらない程度に導入しても良い。この層は井戸層のＩｎＧａＮの分解の抑制や、結晶の平坦性を向上する層として機能すると考えられる。
【００５２】
次に、活性層１２上に、ｐ型半導体層１３を成長させた。具体的には、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなるｐ側光ガイド層を成長させた。このｐ側光ガイド層は、組成傾斜層として成長させた。具体的には井戸層側をＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎとし、電子障壁層側をＧａＮとして、組成傾斜がほぼ直線上になるようにＩｎを減少さて膜厚２０００Åで成長させた。
【００５３】
次に、電子障壁層を成長させた。Ｃｐ２Ｍｇを用いてＭｇをドープしたＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる電子障壁層を１００Åの膜厚で成長させた。
【００５４】
次にｐ側クラッド層を成長させた。このｐ側クラッド層は、アンドープのＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎよりなる層を１５００Åの膜厚で、ＭｇドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎよりなる層を１５００Åの膜厚で順に成長させた。
【００５５】
次に、ｐ側コンタクト層を成長させた。Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させた。
【００５６】
次に、ＭＯＣＶＤ炉内より素子成長したウェハを取りだし、ＲＩＥにより３０μｍの幅を有するストライプ状のリッジを形成した。次に、リッジ上にＩＴＯよりなるｐ側電極１５を２００ｎｍの膜厚で形成した。次に、ＳｉＯ２よりなる絶縁膜１６を２００ｎｍの膜厚で形成した。この絶縁膜は、半導体層の上面、リッジ１４の側面及び上面のｐ側電極が形成されていない領域（リッジの両端の領域）を被覆している。
【００５７】
次に、Ｎｉ（膜厚８ｎｍ）／Ｐｄ（膜厚２００ｎｍ）／Ａｕ（膜厚８００ｎｍ）／Ｐｔ（膜厚２００ｎｍ）／Ａｕ（膜厚３００ｎｍ）よりなるパッド１８を形成した。最終層の膜厚３００ｎｍのＡｕは、フェイスダウン実装時にＡｕＳｎとの共晶により合金化した。
【００５８】
以上の構成を有するウエハを基板側から研磨して８０μｍとした後、Ｔｉ（膜厚６ｎｍ）／Ａｕ（膜厚２００ｎｍ）／Ｐｔ（膜厚２００ｎｍ）／Ａｕ（膜厚３００ｎｍ）よりなるｎ側電極１９を基板の下面に形成した。
【００５９】
次に、Ｍ面を劈開面としてウエハをバー状に劈開し、複数のバー状ウエハとした。作製したバー状ウエハの出射面にＡｌＮを形成した後、ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５を形成し、出射側保護膜（出射側ミラー）とした。また、バー状ウエハの反射面にはＡｌＮを形成した後ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５を計６ペア形成し、反射側保護膜（反射側ミラー）とした。
【００６０】
次に、リッジに平行な方向でバー状ウエハを切断して、共振器長（リッジに平行な方向の長さ）１２００μｍ、幅（リッジと垂直な方向のレーザー素子の長さ）１５０μｍの半導体レーザ素子を得た。
【００６１】
上述したように作製した窒化物半導体レーザ素子は４６０ｎｍで発振した。
【００６２】
実施例１で作製したレーザ素子のＩ−Ｌ特性、Ｉ−Ｖ特性を図７と図８の実線にてそれぞれ示す。また比較例３として、ｐ側光ガイド層をＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎで膜厚を２０００Åの単層としたこと以外は、実施例１と同様の構造で作製したレーザ素子のＩ−Ｌ特性、Ｉ−Ｖ特性を図７と図８の破線にて示す。
【００６３】
本発明の実施例１において、比較例３に比べ、スロープ効率の増加により光出力が向上し、かつ電圧が低下していることを確認した。これは図５と図６に示したように、ｐ側ガイド層のキャリア濃度増加の抑制による非発光再結合確率の減少の効果が得られて、内部量子効率が向上したため、光出力が向上したものと考えられる。さらに、ｐ側ガイド層にバンドエネルギーの小さな層を井戸層側層に設けることによって電圧が低減したためであると考えられる。
【００６４】
［実施例２］
実施例２は、実施例１と異なる発振波長のレーザ素子に関する。この実施例２のレーザ素子は、発振波長が５１５ｎｍの緑色レーザである。実施例１と同様の方法でレーザ素子の作製をおこなった。半導体層は、第１の井戸層と第２の井戸層とをアンドープのＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎとし、膜厚２５Åで成長させた。また、中間障壁層をアンドープのＧａＮとし、膜厚２５Åで成長させた。また、ｐ側光ガイド層の井戸層側をＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ、電子障壁層側をＧａＮとして、Ｉｎがほぼ直線上になるように組成傾斜をつけて２０００Åで成長させた。これらの構造以外は、実施例１と同構造の素子構造を作製した。このレーザ素子のリッジ幅は１５μｍとした。
【００６５】
このように作製したレーザ素子は５１５ｎｍで発振した。
【００６６】
実施例２で作製したレーザ素子のＩ−Ｌ特性を図９の実線で示し、Ｉ−Ｖ特性を図１０の実線で示す。また比較例４として、活性層の中間障壁層を１４０Å、ｐ側光ガイド層をＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ２０００Åの単層としたこと以外は、実施例２と同様の構造で作製したレーザ素子のＩ−Ｌ特性を図９の破線で示し、Ｉ−Ｖ特性を図１０の破線で示す。
【００６７】
実施例２と比較例４の比較において、スロープ効率の増加による光出力の大幅な向上だけでなく閾値電流も大きく低下している。この閾値電流の差異は実施例１においては顕著な差はみられなかった。本実施例のような緑色長波領域においては、高混晶Ｉｎ結晶の井戸層を成長しなくてはならず、ピエゾ電界も大きく発生してしまうだけでなく、大きな格子歪みが発生し結晶性も悪化させてしまう。そのためピエゾ電界を抑制し結晶性を保つためには井戸層の厚みを薄くする必要があるが、逆にキャリアの閉じ込めが弱くなり、井戸層から電子のオーバーフローがより顕著となる。このような理由のため、ｐ側光ガイド層のキャリア濃度増加の抑制効果が大幅にあらわれ、内部量子効率が大幅に向上し、スロープ効率の向上だけでなく、大幅な閾値電流の低下を実現したものと考えられる。また実施例１と同様の理由で、実施例２において比較例４よりも電圧が低下する。これは中間障壁層の厚みが井戸層の総膜厚よりも薄くなっていることで、大幅な電圧の低下の効果がみられている。特に緑色長波領域においては、井戸層への光閉じ込めが強くなる効果も顕著にあらわれ、特性の向上を実現しているものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係るレーザ素子は、光ディスク用光源の他にも、プロジェクタ用光源やテレビ用光源といったディスプレイ用光源や医療用光源等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１００・・・窒化物半導体レーザ素子、１０・・・基板、１１・・・ｎ型半導体層、１２・・・活性層、１３・・・ｐ型半導体層、１４・・・リッジ、１５・・・ｐ側電極、１６・・・保護膜、１８・・・ｐパッド電極、１９・・・ｎ側電極
【図１】
2014131019.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【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】
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【図１１】
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