(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ軸方向に成長させた活性層を有し、前記活性層が六方晶化合物半導体であり、かつ、前記活性層のｃ面内に、光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪を生じさせる等方的でない歪が入っている半導体レーザ。
【請求項２】
等方的でない歪が１軸性歪である請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
発光する光の電場ベクトルがｃ面に平行である請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
ｃ軸方向に成長させた活性層を有し、前記活性層が六方晶化合物半導体であり、かつ、前記活性層のｃ面内に、光の進行方向に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪が入っている半導体レーザ。
【請求項５】
等方的でない歪が１軸性歪である請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
発光する光の電場ベクトルがｃ面に平行である請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
六方晶化合物半導体であり、ｃ面内に等方的でない歪を加えることにより発光する光の進行方向を制御することを特徴する半導体発光素子。
【請求項８】
ｃ軸方向に成長させた活性層を有する請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
ｃ軸方向に成長させた活性層の両側に光を閉じ込めるための異種の材料による層を有する請求項８に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
ｃ軸に垂直に成長させた活性層を有する請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
ｃ軸に垂直に成長させた活性層の両側に光を閉じ込めるための異種の材料による層を有する請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
六方晶化合物半導体であり、ｃ面内に等方的でない歪を加えることにより発光する光の進行方向を制御することを特徴する半導体発光素子。
【請求項１３】
発光する光の電場ベクトルが活性層と隣り合う層とのヘテロ界面に平行である請求項１２に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光情報処理分野などに用いられる短波長の半導体発光素子等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、多くの分野で短波長半導体発光素子の需要が高まり、ＺｎＳｅ系、及びＧａＮ系材料を中心として精力的に研究が進められている。ＺｎＳｅ系材料では、発振波長５００ｎｍ前後の短波長半導体レーザの室温連続発振が達成され、実用化に向けての研究開発が続けられている。一方、ＧａＮ系材料でも、最近、高輝度な青色発光ダイオードが実現された。発光ダイオードとしての信頼性も、他の半導体発光素子材料と比較しても遜色なく、半導体レーザへの応用も十分可能であると思われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＮ系材料はその物性があまり明らかにされておらず、結晶構造が六方晶系であるため、従来の立方晶系材料と同様な素子構造で十分実用に耐えられる特性が得られるかどうかはわからない。
【０００４】
本発明は以上のような問題点を鑑みてなされたものであり、六方晶化合物半導体の独特の電子帯構造の特徴を用いて高性能な半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の半導体発光素子は、六方晶化合物半導体固有の電子帯構造の歪特性を用いて、構成の単純な高性能半導体発光素子を実現するものである。具体的には、六方晶化合物半導体のｃ面内に、光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪、あるいは、光の進行方向に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪を加えることにより、しきい値電流が低く、光学利得が大きい半導体発光素子を実現するものである。また、前記発光素子が共振器構造を有しない場合、光の進行方向と歪を加える方向は、歪によって光の進行方向を制御していることに相当する。
【０００６】
本発明の作用は以下の通りである。我々は、六方晶化合物半導体のｃ面内に、光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪、あるいは、光の進行方向に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪を加えた場合、価電子帯上端付近のホールの状態密度が小さくなり、かつ、光学遷移に寄与する状態がｃ面内に異方性があるということを見い出した。この性質を利用して、ｃ軸方向に成長させた六方晶化合物半導体から構成されている活性層のｃ面内に、光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪、あるいは、光の進行方向に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪を入れることにより、しきい値電流が低く、光学利得が大きい半導体発光素子が実現できる。また、前記発光素子が共振器構造を有しない場合、光の進行方向が歪を加える方向によって光の進行方向を制御でき、輝度の大きい発光素子が実現できる。ここで、等方的とはｃ面内で静水圧的（等方的）にかかる歪をいう。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下に、本発明で利用している六方晶化合物半導体の価電子帯の電子帯構造の歪特性について、図面を参照しながら説明する。
【０００８】
図１は歪が加わっていない場合のＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造（ＡｌＧａＮが障壁層、ＧａＮが井戸層）におけるＧａＮ層の価電子帯の電子帯構造を示している。
【０００９】
図１から明らかなように、価電子帯上端付近のホールの有効質量はＺｉｎｃｂｌｅｎｄｅ型化合物半導体と比べてかなり大きい。また、ＧａＮ層にｃ軸方向の一軸性歪、あるいはｃ面内の等方的な（二軸性）歪が加わった場合、価電子帯上端付近のホールの有効質量は無歪の場合とほとんど変わらない。ここでｃ軸方向の一軸性歪とは、六方晶化合物半導体のｃ軸方向にのみ歪がある場合をいい、ｃ面内の二軸性歪とは、互いに垂直な軸にそれぞれ等しい大きさの歪がある場合である。
【００１０】
ところで、六方晶化合物半導体（ここではＧａＮ）のｃ面内に等方的でない歪が加わった場合の変形ポテンシャルをＤ５、ｃ面内の直交する２つの方向の歪をｅｘｘ、及びｅｙｙ、ｃ面内のせん断歪をｅｘｙとすると、ｃ面内に等方的でない歪が加わったことによる変形エネルギーはＤ５（ｅｘｘ−ｅｙｙ＋２ｉｅｘｙ）の形で記述できる。ｃ軸方向をｚ軸、ｃ面内にｘ−ｙ軸の直交座標軸を定義すると、図２、３はｃ面内のｙ軸方向に、１％の圧縮歪、あるいはｘ軸方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪が加わった場合のＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造におけるＧａＮ層の価電子帯のｙ軸およびｘ軸方向の電子帯構造を示している。
【００１１】
図２から明らかなように、ｙ軸方向に圧縮歪（あるいはｘ軸方向に引張歪）が加わった場合、ｙ軸方向の電子帯構造から、価電子帯上端付近のホールの有効質量は、図１の無歪の場合と比較してかなり小さくなっていることがわかる。これは価電子帯上端付近の状態密度が減少していることを意味し、レーザ発振させるために必要な反転分布を実現しやすいということに対応している。同様に図３はＧａＮ層の価電子帯のｘ軸方向の電子帯構造であるが、図より価電子帯上端付近の状態密度は図１の場合とあまりかわっていないことがわかる。よって、ｙ軸方向の圧縮歪（あるいはｘ軸方向に引張歪）により、光の電場ベクトルＥはｙ軸方向につくられるので、光はｘ軸方向に出射する。したがってｘ軸方向に共振器を形成することで半導体レーザが実現できる。
【００１２】
また、図４はｃ面内に等方的でない歪が加わった場合の注入電流密度と光学利得の関係を示している。図には、光の進行方向をｘ軸方向にとり、光の電場ベクトルＥがｙ方向成分が主成分であるＴＥモードの場合の、ｙ軸方向の圧縮歪（あるいはｘ軸方向に平行な方向の引張歪）の大きさが、１、０、−１％の場合の結果をまとめて示してある。ここで、０％とは無歪の場合に対応し、−１％とは、ｙ軸方向の１％の引張歪（あるいはｘ軸方向に平行な方向の１％の圧縮歪）が加わった場合に対応する。
【００１３】
図４から明らかなように、ｙ軸方向に圧縮歪（あるいはｘ軸方向に引張歪）を生じさせる等方的でない歪を加えた場合は、グラフはＡのようになり、少ないキャリア密度で光学利得が生じ、かつＡの傾きが大きいことから、キャリア密度に対する光学利得の増加も著しく改善されていることがわかる。よってしきい値電流密度が減少する。これは、価電子帯上端付近の状態密度が減少するため、反転分布に必要なキャリア密度が減少し、また、ｙ軸方向の圧縮歪を加えた場合、価電子帯上端の状態を示す波動関数が、ｙ軸方向に強い方向性を示し、光の電場ベクトルと結合するため、光学遷移に寄与する状態が増えていることを意味し、レーザ発振させるために必要な注入電流密度が少なくてよいことに対応している。
【００１４】
一方、ｙ軸方向に引張歪（あるいはｘ軸方向に圧縮歪）を生じさせる等方的でない歪を加えた場合は、グラフＣで示すようにしきい値電流密度が減少しない。これは、価電子帯上端付近の状態密度は減少しているが、価電子帯上端の状態を示す波動関数がｘ軸方向に強い方向性を示し、光の電場ベクトルと結合しないため、光学遷移に寄与する状態が減っていることを意味し、レーザ発振させるために必要な注入電流密度を減少させることができないことに対応している。
【００１５】
以上、図１〜図４ではＧａＮを用いて説明したが、一般に六方晶化合物半導体を活性層に用いた半導体発光素子において、活性層に等方的でない圧縮歪を加えることで、この歪を加えた方向と垂直方向に光が進行することになる。したがって、この光の進行方向に共振器を形成することで、しきい値電流が低く、光学利得の大きい半導体レーザをつくることができる。
【００１６】
同様に、活性層に等方的でない引張歪を加えることで、この歪と平行方向に光が進行することになるので、この光の進行方向に共振器を形成すれば、しきい値電流が低く、光学利得が大きい半導体レーザをつくることができる。
【００１７】
このように量子井戸層に、反射鏡面を具備した共振器構造で、前記反射鏡面に平行な方向に圧縮歪（あるいは、反射鏡面に垂直な方向に引張歪）を生じさせる等方的でない歪を加えた活性層を用いた半導体レーザでは、発振しきい値電流が小さくなることがわかる。
【００１８】
以上説明したのは、半導体レーザの場合であるが、ＬＥＤの場合は、光の方向を制御することができるデバイスになる。つまりＬＥＤは光が全体に広がって出射されるが、上述したように、歪を加えることで発光の方向を制御することができる。ｙ軸方向に圧縮歪（あるいはｘ軸方向に引張歪）を加えると、発光はｙ軸方向になる。
【００１９】
ＬＥＤのように反射鏡面がない場合、活性層を活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップの材料（または、活性層を活性層の屈折率より小さい屈折率の材料）の層ではさみ、ヘテロ界面に垂直な方向に光を閉じ込めると、ｃ面内の等方的でない歪によって、価電子帯上端の状態を示す波動関数の方向性を制御することができ、同時にそれと結合する光の電場ベクトルの方向を制御することができ、輝度の大きい指向性のある発光素子を得ることができる。
【００２０】
以下、具体的にＧａＮ六方晶化合物半導体に等方的でない歪を導入した素子の構造について述べていく。
【００２１】
図５にＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸を有する半導体発光素子の構造を示す。ＮＧＯ（０１１）面の基板１０１の上に有機金属気相成長方等の結晶成長方法によってＧａＮバッファ層１０２を成長させ、続いてｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｎ型ＡｌＧａＮ光ガイド層１０４、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造による活性層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ光ガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７を成長させ、その一部をｎ型ＡｌＧａＮ層までエッチングし、カソード電極１０８とアノード電極を形成する。ここでＮＧＯとはＮｄＧａＯ３のことであり、結晶系は擬似立方構造である。
【００２２】
ｙ軸方向に圧縮歪１１２を選ぶと、発光１１０は図の方向になり、ＴＥモードでは光の電場ベクトル１１１がｃ面内に平行になる。したがって、上述の内容からｃ面内で光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪１１２を、または、ｃ面内で光の進行方向に平行な方向に引っぱり歪１１３を加えることにより、低しきい値電流の半導体レーザを得ることができる。また共振器を形成しない場合には、輝度の大きいｘ軸方向に指向性のある発光素子を得ることができる。
【００２３】
図５の発光素子において、ＧａＮ量子井戸活性層１０５のｙ軸方向に圧縮歪を加える方法について図６〜９を用いて説明する。
【００２４】
図６はＮＧＯの結晶構造を示している。図のようにａ軸とｂ軸との格子定数がほぼ等しい擬似立方構造である。ａ＝５．４２８Ａ、ｂ＝５．４９５Ａ、ｃ＝７．７１０Ａである。この（０１１）面を上から見た図は図７のようになる。底辺がａ＝５．４２８Ａで、他の２辺が√（ａ２＋ｂ２＋ｃ２）／２＝５．４５７Ａの２等辺３角形になっている。
【００２５】
このＮＧＯ基板の（０１１）面上に結晶成長させる。簡単にするため、ＧａＮ層の成長について図８を用いて説明する。図８において、点線の丸はＮＧＯ基板のＧａ原子を示している。この上にＮ（窒素）がつく。またＮは点線で結んだ３角形の中心にもつく。Ｇａは３角形の点線上についていく。このようにＧａＮの六方晶構造が形成される。
【００２６】
本来のＧａＮの格子定数は図８（ｂ）で示すように、ａ＝３．１８９Ａであるが、ＮＧＯ基板上では√３×ａとなり、その大きさは５．５２４Ａとなる。すると、図９に示すように、ｘ方向は５．５２４Ａが５．４２８Ａになるため圧縮歪がかかり、同様にｙ方向にも、成長したＧａＮには圧縮歪が加わることになる。ｘ方向とｙ方向との圧縮歪の大きさを計算すると、
εｘｘ＝（５．５２４−５．４２８）／５．５２４
εｙｙ＝（√３／２×５．５２４−√３／２×５．４５７）／（√３／２×５．５２４）、となる。
【００２７】
ε＝εｘｘ−εｙｙ＝０．５３％となる。ε＝εｘｘ−εｙｙ＝０であれば、等方的となり、本発明の効果は得られないが、いま、ε＝εｘｘ−εｙｙ≠０であるので、等方的でない圧縮歪が加わっている。圧縮歪はｙ軸方向よりｘ軸方向の方が大きいので、光の進行方向はｙ軸方向となる。したがって、レーザを構成する場合、ｙ軸方向に共振器を形成ればよい。
【００２８】
ＬＥＤの場合であれば、ｙ軸方向に指向性の強い発光が得られる。
以上のように、ＮＧＯ基板上にＧａＮを成長させると、ＧａＮ層にはｘ軸方向とｙ軸方向とに等方的でない歪を加えることができるので、この層を活性層に使えば、しきい値電流が小さく、光学利得の大きい発光素子を得ることができる。
【００２９】
（実施の形態２）
実施の形態１では、ｃ軸に垂直な面内に活性層を形成した場合について説明したが、それに限らず、ｃ軸に平行に活性層を有した構造であってもよい。活性層を活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップの材料（または、活性層を活性層の屈折率より小さい屈折率の材料）の層で挟んだ構造でも、ｃ面内の歪によって、活性層と平行な光の電場ベクトルと強く結合する波動関数を価電子帯上端の状態にさせることができるため、実施の形態１と同様に輝度の大きい指向性のある発光素子を得ることができる。
【００３０】
活性層にはＧａＮを用いて説明したが、六方晶化合物半導体であればどれでもよい。また六方晶化合物半導体は、ウルツ型構造、４Ｈ型構造、６Ｈ型構造のどれであってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、六方晶化合物半導体のｃ面内に、光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪、あるいは、光の進行方向に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪を加えた場合、価電子帯上端付近のホールの有効質量が小さくなり、かつ、光学遷移に寄与する状態が増えるということにもとづき、ｃ軸方向に成長させた六方晶化合物半導体から構成されている活性層のｃ面内に、光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪、あるいは、光の進行方向に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪を加えることにより、しきい値電流が低く、光学利得が大きい半導体発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸におけるＧａＮ層の価電子帯の電子帯構造を示す図
【図２】ｃ面内に、光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪、あるいは、光の進行方向に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪が加わった場合のＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸におけるＧａＮ層の価電子帯の電子帯構造を示す図
【図３】ｃ面内に、光の進行方向に垂直な方向に圧縮歪、あるいは、光の進行方向に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪が加わった場合のＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸におけるＧａＮ層の価電子帯の電子帯構造を示す図
【図４】ｃ面内に、反射鏡面に垂直な方向に圧縮歪、あるいは、反射鏡に平行な方向に引張歪を生じさせる等方的でない歪が加わった場合の注入電流密度と光学利得の関係の歪依存性を示す図
【図５】本発明の実施例の構造図
【図６】ＮＧＯ基板の結晶構造図
【図７】ＮＧＯの（０１１）面の平面図
【図８】ＮＧＯ基板上に成長したＧａ原子とＮ原子を説明する図
【図９】ＮＧＯ基板上に成長したＧａＮの格子間距離を説明する図
【符号の説明】
１０１  ＮＧＯ基板
１０２  ＧａＮバッファ層
１０３  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０４  ｎ型ＡｌＧａＮ光ガイド層
１０５  ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸
１０６  ｐ型ＡｌＧａＮ光ガイド層
１０７  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０８  カソード電極
１０９  アノード電極
１１０  発光の方向
１１１  光の電場ベクトル
１１２  圧縮歪の方向
１１３  引っぱり歪の方向
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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