(57)【要約】【課題】高い微分効率を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を得る。【解決手段】それぞれが５ｎｍの膜厚を有する２つのＩｎＧａＮウエル層を有する２重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザにおいて、光閉じ込め係数Γは３．０％以下の領域では、しきい値電流の劣化は比較的小さく、微分効率は大幅に改善（上昇）するという特性を有している。一方、光閉じ込め係数Γが１．５％より小さくなくと、しきい値電流が大幅に増大する一方、微分効率の改善量も小さくなることがわかる。したがって、光閉じ込め係数Γの下限としては、１．５％程度が好ましく、光閉じ込め係数Γを３．０％以下にすると、微分効率は１．６Ｗ／Ａ以上得られ、光閉じ込め係数Γを２．６％以下にすることにより、１．７Ｗ／Ａ以上の微分効率が得られる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
前記少なくとも２つのウエル層は少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層を含み、発光時における素子の全導波光のうち、前記少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数（％）を１．５以上、３．０以下に設定したことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子であって、
前記光閉じ込め係数を２．７以下に設定したことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２記載の半導体発光素子であって、
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１のクラッド層と、
前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２のクラッド層とを備え、
前記第１及び第２のクラッド層のうち一方の屈折率を他方のクラッド層の屈折率よりも高くすることにより、発光時における素子の光出力のピーク位置を活性層から一方のクラッド層の方向へずらしたことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項４】
窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有し、
前記少なくとも２つのウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数（％）を１．５以上、３．０以下に設定したことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項５】
請求項４記載の半導体発光素子であって、
前記少なくとも２つのウエル層は少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層を含むことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１、請求項２、請求項４及び請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体発光素子であって，
前記活性層は基板の上方に形成され、
前記半導体発光素子は、
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１クラッド層と，
前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２クラッド層とを備え，
第１クラッド層の屈折率を第２クラッド層の屈折率よりも大きくしたことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のうち、いずれか１項に記載の半導体発光素子であって，
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１クラッド層及び前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２クラッド層が共に、少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ層(０＜ｘ≦１)を含むことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７記載の半導体発光素子であって，
前記第１グラッド層に含まれる少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成比が０．００５以上、０．０８以下であることを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項９】
請求項７記載の半導体発光素子であって，
前記第１グラッド層に含まれる少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成比が０．００５以上、０．０６以下であることを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項７記載の半導体発光素子であって，
前記第１グラッド層に含まれる少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成比が０．００５以上、０．０４以下であることを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１あるいは請求項２記載の半導体発光素子であって、
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１のＡｌＧａＮクラッド層と、
前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２のＡｌＧａＮクラッド層とを備え、
前記第１及び第２のＡｌＧａＮクラッド層のうち少なくと一方のクラッド層のＡｌ組成比を０．０３以下に設定したことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１１記載の半導体発光素子であって、
前記第１及び第２のＡｌＧａＮクラッド層双方のＡｌ組成比を０．０３以下に設定したことを特徴とする、
半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた窒化物系半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。
【０００３】
これまでに報告されている窒化物系半導体レーザにおいては、その活性層構造として、ＩｎＧａＮからなるウエル層（ＩｎＧａＮウエル層）と、当該ウエル層よりもＩｎ組成比が小さい値（通常０．０２程度）をとるＩｎＧａＮからなるバリア層（ＩｎＧａＮバリア層）とが交互に積層した多重量子井戸構造が用いられる。上述した多重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザとして例えば、特許文献１で開示された窒化ガリウム系半導体発光素子がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２６１８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＩｎＧａＮウエル層のＩｎ組成比（ＩｎxＧａ(1-x)における“ｘ”を意）については、発振波長やウエル層の厚み（ウエル厚）などに基づき様々な値が用いられるが、発振波長４０５ｎｍ、ウエル厚保５．０ｎｍとした場合には、０．１２程度となる。しかしながら、実際には、このＩｎ組成比は、ウエル層の層方向（成長方向と垂直な方向）の位置により異なる値をとる、すなわち、ウエル層の層方向に沿ってＩｎ組成比が大きく揺らいでいることが一般的に知られている。その揺らぎの大きさは、小さいもので数ｎｍ、大きなもので数百μｍにも及ぶものである。
【０００６】
このような元素組成比の揺らぎは、ＧａＡｓ系ＬＤのウエル層に良く用いられるＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰといった材料や、ＩｎＰ系ＬＤのウエル層に良く用いられるＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰといった材料では見られない特徴となっている。
【０００７】
このように、ＩｎＧａＮウエル層とＩｎＧａＮバリア層とにより構成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザ等の半導体発光素子においては、ＩｎＧａＮウエル層の層方向に生じるＩｎ組成比の揺らぎに発生する。このため、十分高い微分効率の有する半導体発光素子を得ることができないという問題点があった。
【０００８】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、従来に比べ高い微分効率を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る請求項１記載の半導体発光素子は、少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いており、前記少なくとも２つのウエル層は少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層を含み、発光時における素子の全導波光のうち、前記少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数（％）を１．５以上、３．０以下に設定している。
【００１０】
この発明に係る請求項４記載の半導体発光素子は、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を用いており、少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有し、前記少なくとも２つのウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数（％）を１．５以上、３．０以下に設定している。
【発明の効果】
【００１１】
この発明における請求項１及び請求項５記載の半導体発光素子において、少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数を１．５以上、３．０以下に設定することにより、例えば、前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせたときに、しきい値電流を実用レベルに抑えながら、１．６Ｗ／Ａ以上の高い微分効率を得ることができるという効果を奏する。
【００１２】
この発明における請求項４記載の半導体発光素子において、少なくとも２つのウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数を１．５以上、３．０以下に設定することにより、例えば、前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせたときに、しきい値電流を実用レベルに抑えながら、１．６Ｗ／Ａ以上の高い微分効率を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜発明の原理＞
（問題点の検討）
ＩｎＧａＮ材料のバンドギャップは、Ｉｎ組成比が大きくなる程、小さくなるという負の相関を有している。したがって、従来の問題点の原因となるＩｎＧａＮウエル層の層方向におけるＩｎ組成比の揺らぎの存在は、ウエル層内でのバンドギャップが層方向の位置により異なることを意味する。
【００１４】
図１は、ＩｎＧａＮウエル層における層方向のＩｎ組成比の揺らぎによるバンドギャップの状態を示す説明図である。同図に示すように、Ｉｎ組成比大領域３１ではバンドギャップが相対的に小さくなり、Ｉｎ組成比小領域３２ではバンドギャップが相対的に大きくなる。
【００１５】
図２はＩｎＧａＮウエル層における利得領域及び吸収領域の存在を示す説明図である。同図に示すように、ＩｎＧａＮウエル層に電子及び正孔が注入され、レーザ発振している時には、バンドギャップが小さい領域ではキャリアが多く、バンドギャップが大きい領域ではキャリアが少ない。これはＩｎＧａＮウエル層内においてキャリアが拡散した結果生じる現象である。
【００１６】
通常、半導体レーザの利得領域となるウエル層に置いては、キャリア密度の対象により利得の大小が決定される。すなわち、キャリア密度がある一定の値（透明化キャリア密度と呼ばれる値）よりも高い領域は利得領域となるが、キャリア密度が透明化キャリア密度よりも小さい領域では、利得が負、すなわち、光の吸収領域となる。
【００１７】
以上のことを考え合わせると、ＩｎＧａＮ材料をウエル層として用いた窒化物系III−Ｖ族化合物半導体レーザにおいては、図２に示すように、発振時においても、利得領域に加え、キャリア密度が透明化キャリア密度より小さい光の吸収領域が存在することにより、当該吸収領域において光吸収が起こっていることが推測される。
【００１８】
一方、半導体レーザにおける前端面と後端面の微分効率の和である総合微分効率ηtotalは、前端面反射率をＲｆ、後端面反射率をＲｒ、共振器長をＬ、内部量子効率をηｉ、内部損失をαｉとすると、以下の式(1)によって表される。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
したがって、ＩｎＧａＮウエル層に前述したような光の吸収が存在するということは、内部損失αｉが大きいということを意味することから、内部損失αｉが増加する分、総合微分効率ηtotalが減少することを意味する。このように、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザでは、ウエル層でのＩｎ組成比揺らぎに起因して発生するウエル層内での光吸収が、高い総合微分効率ηtotalの実現のための障害となっていることがわかる。
【００２１】
これまで報告された窒化物系III−Ｖ族化合物の半導体レーザでは、前面から得られる微分効率を大きくするため、前面に１０％程度の低反射率コーディングを、後面に９５％程度の高反射率コーディングを施しているものが多い。それにも拘わらず、前述したＩｎ組成比の揺らぎに起因する障害によって、前端面の微分効率は１．６Ｗ／Ａよりも小さいものとなり、それ以上の微分効率を有する半導体レーザの報告はなされていない。
【００２２】
（問題点の解決についての検討）
窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザでは、Ｉｎ組成比の揺らぎに起因して発生するＩｎＧａＮウエル層内で光吸収を低減化することが、高い微分効率を得るために不可欠である。
【００２３】
ＩｎＧａＮウエル層内での光吸収は、ウエル層における光閉じ込め係数Γ（発光時における半導体レーザの全導波光のうち、ウエル層内にある光の割合）に比例することから、ウエル層内での光吸収を低減するためには、この光閉じ込め係数Γの低減化を図ることが有効である。
【００２４】
しかしながら、レーザ光の利得、すなわちモード利得も光閉じ込め係数Γに比例することからも、光閉じ込め係数Γを小さくすると、モード利得が小さくなり、発振するために必要なキャリア密度（しきい値キャリア密度）が大きくなり、光出力−電流特性における発振しきい値（しきい値電流）が増大するといった問題が発生する。このような問題により、従来の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザでは、ウエル層への光閉じ込め係数Γを、３．５〜４．５％前後で、設計、作成することが一般的であった。
【００２５】
これまでのＧａＡｓ系材料や、ＩｎＰ系材料を用いたレーザにおいても、ウエル層での光閉じ込め係数Γを極端に小さくすることは、上述した同様な問題が発生するため好ましくなく、行われていないのが実状であった。
【００２６】
上述のように、ウエル層への光閉じ込め係数Γは３．５〜４．５％前後が適切であるとの技術常識が支配的な中、本願の発明者はさらに光閉じ込め係数Γを小さくした、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザを試験的に作製し、微分効率向上の可能性を検討した。
【００２７】
図３はしきい値電流の光閉じ込め係数Γに対する依存性（以下、「Γ依存性」と略記する場合あり）を示すグラフである。図４は前端面から出射するレーザ光の微分効率のΓ依存性を示すグラフである。なお、図４は、前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーティングを施したときのΓ依存性を示したグラフである。
【００２８】
ここで、ウエル層への光閉じ込め係数Γは、光の進行方向に対し垂直な二次元面でのレーザ層構造について、その屈折率から光強度分布をシミュレーションした後、ウエル層に相当する領域における光強度の全体に対する割合を計算することにより求めたものである。なお、多重量子井戸構造における光閉じ込め係数Γとは、複数のウエル層それぞれの光閉じ込め係数の和を意味する。
【００２９】
作製した半導体レーザの活性層は、それぞれが５ｎｍの膜厚を有する２つのウエル層を有する２重量子井戸構造を呈している。従来、この構造におけるウエル層への光閉じ込め係数Γは、約３．７％程度であるため、この場合、しきい値電流は３０ｍＡ以下（図３参照）となり、微分効率は１．５Ｗ／Ａ以下（図４参照）となる。
【００３０】
しかしながら、光閉じ込め係数Γは３．０％以下の領域について検討すると、図３で示すしきい値電流のΓ依存性から、しきい値電流の劣化（上昇）は比較的小さく、図４で示す微分効率のΓ依存性から、微分効率は大幅に改善（上昇）するという特性を有していることがわかる。
【００３１】
窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、上述した特性を有する理由としては、以下の点が挙げられる。一般に、光閉じ込め係数Γの減少によるモード利得の減少があった場合、それを補うだけのウエル層の利得が必要となるため、発振させるためには、ウエル層へのキャリア注入量の増大（しきい値キャリア密度増大）が必要となるが、この材料系においては、キャリア濃度変化量に対するウエルの光利得変化量の割合（微分利得）が非常に大きく、キャリア注入量を小量で済ますことができるため、しきい値電流の増大が大きく生じないと考えられる。
【００３２】
また、前述したように、ＩｎＧａＮウエル層は、Ｉｎ組成比の揺らぎがウエル層内で生じることにより、ウエル層内での光吸収が他の材料系に比べても極めて大きくなっている性質を有しており、この性質が光閉じ込め係数Γの低減時に微分効率が大きく改善する理由にもなっていると考えられる。
【００３３】
また、光閉じ込め係数Γの低減による光吸収量低減により、発振に必要なモード利得が低減し、これがこれがしきい値電流の同大の影響をある程度相殺することも、Γ依存性によるしきい値電流の増大がそれほど大きくならない理由と考えられる。
【００３４】
図３及び図４で示すΓ依存性から、光閉じ込め係数Γが１．５％より小さくなると、しきい値電流が大幅に増大する一方、微分効率の改善量も小さくなることがわかる。したがって、光閉じ込め係数Γの下限としては、１．５％程度が好ましいと判断される。
【００３５】
また、図４で示す微分効率のΓ依存性から、光閉じ込め係数Γを３．０％以下にすると、微分効率は１．６Ｗ／Ａ以上得られることがわかる。さらには、光閉じ込め係数Γを２．６％以下にすることにより、１．７Ｗ／Ａ以上の微分効率が得られる。
【００３６】
したがって、２つのＩｎＧａＮウエル層を含む２重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザにおいて、微分効率が１．６Ｗ／Ａ以上でしきい値電流が実用レベルとなるには、ウエル層の光閉じ込め係数Γが１．５〜３．０の範囲にする必要があり、微分効率が１．７Ｗ／Ａ以上でしきい値電流が実用レベルとなるには、ウエル層の光閉じ込め係数Γが１．５〜２．６の範囲にする必要があるといえる。
【００３７】
これまで報告されている窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、前端面から出射するレーザ光の微分効率の値は１．６Ｗ／Ａよりも小さかったことから、本発明により、従来では得ることが不可能であった微分効率を得ることが可能となることがわかる。
【００３８】
微分効率を高くすることができれば、同じ光出力を出すのに必要とされる電流値を低く抑えることができるため、レーザ駆動回路の負荷軽減、消費電力低減による発熱量の低減など、その利点は極めて大きくなる。
【００３９】
図５及び図６は、膜厚が５ｎｍの１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおけるしきい値電流及び微分効率のΓ依存性をそれぞれ示す説明図である。
【００４０】
これらの図に示すように、光閉じ込め係数Γの減少に伴うしきい値電流の劣化（上昇）度合が著しく、微分効率の改善（上昇）効果もあまり発揮されていない。このことは、活性層を構成するウエル層の数が２つの場合の半導体レーザにおけるしきい値電流及び微分効率のΓ依存性（図３及び図４）との比較から明白である。
【００４１】
１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおけるしきい値電流及び微分効率のΓ依存性が上述した性質を有するのは、ウエル層が１つの場合には、ウエル内のキャリアに対してポテンシャル障壁が１つしかなく、オーバーフローした結果、ウエル内で再結合することなく電子が漏れるため光出力に寄与しないことに起因すると考えられることができる。
【００４２】
また、１つのウエル層の場合において、それと同じ厚さを持つ２つのウエル層の場合と同様な光閉じ込め係数Γを得ようとした場合、ウエル層の膜厚を２つのウエル層の場合におけるウエル層の膜厚の和と同程度に厚くするか、垂直方向の光の分布、すなわり近視野像をできるだけウエル近傍に集中させた形にする必要がある。
【００４３】
しかしながら、ウエル層の膜厚を厚くした場合には、ウエル層の量子効果が小さくなることにより、しきい値電流の増大等のデメリットが発生し、垂直方向の近視野像を小さくすると、遠視野像が大きくなり、光ピックアップ用用途しては不適な特性となる。
【００４４】
このように活性層を構成するウエル層の数が“１”の場合、種々の問題が発生することが考えられることから、本発明の効果を得るためには、ウエル層の数は２以上であることが望ましいと考えられる。また、ウエル層の数が“３”より多い場合は、上記したウエル数が“１”の場合の問題が発生しない上に、通常の設計においては、ウエル層の体積が大きくなるとこと、さらに活性層近傍の屈折率が大きくなることとの２つの効果により、光閉じ込め係数Γが大きくなる傾向が強いため、本発明を用いることによる光吸収の低減効果は、より大きなものとなることが多い。
【００４５】
＜実施の形態１＞
図７はこの発明の実施の形態１である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ（半導体発光素子）の構造を示す断面図である。本実施の形態の半導体レーザは、リッジ構造及びＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有する。
【００４６】
同図に示すように、実施の形態１の半導体レーザは、ＧａＮ基板１の一方主面であるＧａ面上にｎ型ＧａＮバッファ層２を形成している。ｎ型ＧａＮバッファ層２はＧａＮ基板１の一方主面の凹凸を低減し、その上層をできるだけ平坦に積層する目的のために用いられる。
【００４７】
ｎ型ＧａＮバッファ層２上に、Ａｌ組成比が０．０７のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、Ａｌ組成比が０．０４５のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４、Ａｌ組成比が０．０１５のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５が順次積層される。さらに、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５上にｎ型ＧａＮ光ガイド層６、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７が順次積層される。ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７として例えばＩｎ組成比０．０２でアンドープの構成が考えられる。
【００４８】
そして、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７上に活性層８が形成される。活性層８は、図８に示すように、例えば、Ｉｎ組成比０．１２でアンドープのＩｎＧａＮウエル層８ａ、Ｉｎ組成比０．０２のＩｎＧａＮバリア層８ｂ、及びＩｎ組成比０．１２でアンドープのＩｎＧａＮウエル層８ｃの順に積層した、２重量子井戸構造を呈している。
【００４９】
さらに、活性層８上に、ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１の順に積層される。ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９として例えばＩｎ組成比０．０２でアンドープの構成が考えられ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０として例えばＡｌ組成比０．２の構成が考えられる。
【００５０】
ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１上にＡｌ組成比０．０７のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２が形成される。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２は一部突出したリッジ１２ａを有している。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のリッジ１２ａ上にｐ型ＧａＮコンタクト層１３が形成される。リッジ部１２ａ及びリッジ部１２ａ上のｐ型ＧａＮコンタクト層１３によりリッジ１４が形成され、このリッジ１４は、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３を積層した後、例えば（１−１００）方向に向かってエッチング処理を施すことにより形成される。このリッジ１４はＧａＮ基板１上にストライプ状に形成された数μｍ〜数十μｍ幅の高転位領域の間にある低欠陥領域上に位置するように形成される。
【００５１】
また、ＧａＮ基板１の一方主面となるＧａ面とは反対側方向の他方主面となるＮ面には、ｎ型電極１８が形成される。このｎ型電極１８は例えばチタン（Ｔｉ）及びＡｕ膜を順次積層した構造となっている。
【００５２】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のリッジ部１２ａ以外の表面上、リッジ１４（リッジ部１２ａ及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３）の側面に絶縁膜１５が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１３及び絶縁膜１５を覆ってｐ型電極１７が形成される。絶縁膜１５はリッジ部１２ａの側面部及びリッジ部１２ａが形成されないｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の表面保護及び電気的絶縁のため設けられる。
【００５３】
ｎ型ＧａＮバッファ層２は膜厚が例えば１μｍで、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３，４及び５それぞれの膜厚は例えば０．４μｍ、１．０μｍ及び０．３μｍであり、ｎ型不純物としては例えばＳｉがドープされている。
【００５４】
ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７及びｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９は共に膜厚が３０ｎｍであり、２重量子井戸構造の活性層８は、例えば２つのＩｎＧａＮウエル層８ａ，８ｃの膜厚が共に５．０ｎｍ、ＩｎＧａＮバリア層８ｂの膜厚が８．０ｎｍであり、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０の膜厚は例えば２０ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。また、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１の膜厚は例えば１００ｎｍである。
【００５５】
ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の膜厚は例えば５００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１３は膜厚は例えば２０ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００５６】
絶縁膜１５は膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ2膜で形成され、ｐ型電極１７は例えばパラジウム（Ｐｄ）及び金（Ａｕ）膜を順次積層した構造となっている。
【００５７】
表１は実施の形態１の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率を示した表である。表１の最左欄に示した層No.は、図７で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
図９はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＡｌ組成依存性を示すグラフである。図１０はＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＩｎ組成比依存性を示すグラフである。なお、図９及び図１０で示したＡｌ組成依存性及びＩｎ組成比依存性は発振波長が４０５ｎｍの場合を示している。
【００６０】
表１で示すｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５等のＡｌＧａＮ層の屈折率ｎは、図９で示したＡｌ組成依存性に基づき算出し、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７等のＩｎＧａＮ層の屈折率ｎは、図１０で示したＩｎ組成比依存性に基づいて算出している。これらは、半導体レーザを構成する各層の屈折率ｎから近視野像及び遠視野像を求めるシミュレーション結果と、レーザの遠視野像の実験結果を、どのような構造においても一致させることができるようにフィッティングした結果であり、その精度は非常に高いものである。
【００６１】
活性層８を構成するＩｎＧａＮウエル層８ａ，８ｂについては、２重量子井戸構造であるため、バンドギャップ構造がバルク結晶と異なることから、Ｉｎ組成比と屈折率ｎとの関係は図１０と異なる値を取る。そこで、遠視野像の実測値をもとに「２．７６５」と決定した。ウエル層の屈折率ｎは、ウエル構造や膜厚によって変わるが、バンドギャップと発振波長との関係は、ウエル層のＩｎ組成比の違いによって大きな変化を受けないことから、一般的に用いられるＩｎ組成比０．０５〜０．２程度、厚さ２〜１０ｎｍ程度の範囲内においては、光閉じ込め係数Γの計算に大きな影響を与えるほどの実質的な変化はない。このことから、ウエル層の屈折率ｎについては、上記した範囲内であれば「２．７６５」としても精度的に差し支えない。
【００６２】
また、図９及び図１０で示す屈折率ｎのＡｌ組成依存性、Ｉｎ組成比依存性は、発振波長によって変化し、発振波長が短いほど屈折率ｎが大きく、発振波長が長いほど屈折率ｎが小さくなる傾向がある。ただし、その変化についてはレーザを構成する全ての層に当てはまるため、その変化量はその材料のＡｌ組成比やＩｎ組成比に対して同程度の値をとる。
【００６３】
例えば、発振波長４１０ｎｍの場合には、発振波長４０５ｎｍの値を用いて計算した場合に比べ、実際の屈折率ｎは小さくなる。この場合、光閉じ込め層（ｎ型ＧａＮ光ガイド層６、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７、活性層８、ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０及びｐ型ＧａＮ光ガイド層１１）での屈折率が活性層への光閉じ込め係数Γを小さくする効果を発生する反面、ｐ型及びｎ型クラッド層の屈折率も小さくなるため、クラッド層への光の滲み出しが小さくなる。すなわち、活性層８への光閉じ込め係数Γを大きくする効果を発生する。したがって、これらの効果が相反することにより、結果的にウエル層への光閉じ込め係数Γについては実質的に変化しないことことになる。
【００６４】
上述した理由により、ウエル層への光閉じ込め係数Γについては、発振波長が４０５ｎｍ近傍である限りは、発振波長によって大きく変化することはないと考えられる。すなわち、発振波長が４０５ｎｍと異なる場合においても、図９及び図１０で示したＡｌ組成依存性及びＩｎ組成比依存性に基づき屈折率ｎを算出することにより、ほぼ正確なＩｎＧａＮウエル層への光閉じ込め係数Γを求めることができることになる。実際に、発振波長の変化を考慮した屈折率ｎを用いた計算の結果も、上記の考えを支持するものであった。
【００６５】
以上の検証結果を踏まえ、実施の形態１の半導体レーザの光閉じ込め係数Γのシミュレーションを行った。その結果、光閉じ込め係数Γ（ＩｎＧａＮウエル層８ａ，８ｃの光閉じ込め係数の和）は２．５０％であり、従来の約３．７％よりも小さくなっている。
【００６６】
表２は実施の形態１に対応する従来例の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率ｎを示した表である。なお、表２の最左欄に示した層No.は、図７で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。
【００６７】
【表２】
2006270028.tif 000005
【００６８】
図１１は実施の形態１による半導体レーザの前端面からの光出力を測定した結果を示すグラフである。図１１で示す光出力変化Ｌ１は、この発明の実施の形態１による半導体レーザによるレーザの前端面に１０％。後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーティングを施した際の、前端面からの光出力を測定した結果を示している。なお、光出力変化Ｌ２は従来の半導体レーザに前端面及び後端面の反射率を同様に設定した際の前端面からの光出力を測定した結果を示している。
【００６９】
図１１を参照して、光出力変化Ｌ２に示すように、従来構造の微分効率（動作電流に対する前端面からの光出力の割合）は１．５Ｗ／Ａであるのに対して、光出力変化Ｌ１に示すように、実施の形態１の微分効率は１．９５Ｗ／Ａと大幅に向上している。その結果、光出力１５０ｍＷ時における動作電流値は従来は１３０ｍＡ必要であったものが、実施の形態１では１１０ｍＡで済ますことに成功している。
【００７０】
この結果は、前述したように、ウエル層への光閉じ込め係数Γの低減により、ウエル層での光吸収が減少したことが原因と考えられる。
【００７１】
図１２は実施の形態１におけるリッジ中央部、垂直方向の屈折率分布と光電界強度部分のシミュレーション結果を示す説明図である。光電界強度部分布は、光の進行方向に対し垂直な二次元面でのレーザ層構造からシミュレーションを行い２次元での光電界強度分布を計算し、そのリッジ中央部の分布を示している。なお、光電極強度の２乗が光強度である。
【００７２】
実施の形態１のレーザ構造では、ｎ型のＡｌＧａＮクラッド層として、３層構造のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５を用い、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３，４及び５において、Ａｌ組成比を０．０７．０．０４５，及び０．０１５に設定することにより、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５間において異なったＡｌ組成比に設定している。
【００７３】
図１２に示すように、比較的屈折率が高いＡｌ組成比０．０１５のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５に光が引き込まれており、このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５への光強度が大きくなるため、光の強度中心（ピーク位置）が活性層８よりもｎ側（ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５側）にシフトする結果、活性層８のウエル層内での光閉じ込め係数Γが小さくなることがわかる。
【００７４】
なお、Ａｌ組成比が０．０７のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３は、光分布がＧａＮ基板１に滲み出すことを抑制するために設けられた層であり、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３の有無は、活性層８のウエル層での光閉じ込め係数Γにほとんど影響を与えない。
【００７５】
上述した実施の形態１は、ｎ型およびｐ型クラッド層として、ＡｌＧａＮを用いることで、バンドギャップが大きく、結晶性の良い層が得られる効果を奏する。
【００７６】
ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成比については、Ａｌ組成比が大きいほど結晶性が悪くなり、信頼性を大きく劣化させる。さらに、屈折率が小さくなることから、光電界がｎ側に広がりにくくなる結果、活性層周辺に光電界が集中しやすくなり、ウエル層における光閉じ込め係数Γを低減することが困難となってくる。逆にＡｌ組成比が小さい場合には、屈折率が大きくなることから、光電界が必要以上にｎ側に大きく広がるため、光閉じ込め係数Γが小さくなりすぎる。
【００７７】
以上のことから、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、あるいは、ｎ型クラッド層が複数ある場合には、その少なくとも１層について、Ａｌ組成比は0.005以上、0.08以下であることが好ましく、さらに好ましくは、0.005以上、0.06以下、より好ましくは0.005以上、0.04以下がよい。
【００７８】
さらに、ｐ型クラッド層よりもｎ型クラッド層の屈折率を大きくすると、光電界がｎ層側に引っ張られ、ｎ型クラッド層内の光閉じ込め量が増大することから、光閉じ込め係数Γの低減が容易に可能となる。このとき、ｎ型層を複数のクラッド層とし、そのうちの１つの層について、ｐ型クラッド層よりも高い屈折率を持たせることでも同様の効果が得られる。
【００７９】
実施の形態１は、少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、上記複数のウエル層の組成を同じとし、その複数のウエル層内の最も基板（ＧａＮ基板１）側に近いウエル層（ＩｎＧａＮウエル層８ａ）の光閉じ込め係数を最も基板側から遠いウエル層（ＩｎＧａＮウエル層８ｃ）の光閉じ込め係数よりも大きくするように、活性層８の下層に設けられる第１の導電型の第１クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４，５）と、活性層８の上層に設けられる第２の導電型の第２クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２）とを備え、第１クラッド層の屈折率を第２クラッド層の屈折率よりも大きくしたことを特徴の一つとしている。
【００８０】
すなわち、図８で示された活性層８に閉じ込められている光のうち、その活性層８を構成する同じ組成を持った複数の活性層８ａ，８ｃそれぞれが配分する光の量の対象性は確保されず、特に基板側に近いＩｎＧａＮウエル層８ａと最も基板側から遠いＩｎＧａＮウエル層８ｃではその量が明らかに異なる。
【００８１】
このことは、図１２に示すように活性層８に閉じ込められている光が、ＧａＮ基板１側に設けられた屈折率がｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２より大きいｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４，５に近いＩｎＧａＮウエル層８ａに引き込まれることにより発生する。言い換えると、ＧａＮ基板１側に設けられた屈折率の大きいｎ型ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４，５に近いＩｎＧａＮウエル層８ａに閉じ込められている光は、ＧａＮ基板１から離れた側に設けられた屈折率の小さいｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２に近いＩｎＧａＮウエル層８ｃに閉じ込められている光より大きくなる。
【００８２】
すなわち、ＩｎＧａＮウエル層８ａの光閉じ込め係数は、ＩｎＧａＮウエル層８ｃの光閉じ込め係数よりも大きくなる。その結果、ｐ型電極１７への光強度を低下させることができるため、その素子の持つ微分効率を改善できるという格別の効果が得られる。以下、この点を詳述する。
【００８３】
一般に、半導体レーザでは、基板側に設けられた電極（第１の電極）と活性層との距離に対し、基板とは反対側に設けられた電極（第２の電極）と活性層との距離が極端に小さい。例えば、窒化物系半導体レーザにおいては、活性層と第２の電極との距離は一般的に４００ｎｍ程度にすることが多い。他の材料系である、ＩｎＰ系あるいはＧａＡｓ材料を用いた半導体レーザでは、この距離が２μｍ以上程度あることを考えると、非常に小さく設定されるものである。これは、この距離が大きいほど、結晶の直列抵抗値が大きくなるためで、特に窒化物系半導体の結晶の抵抗が非常に高いことから、この距離が小さくとられるのである。
【００８４】
このように、活性層と第２の電極との距離が近いことから、第２の電極内には、第１の電極に比べ無視できない光電界が存在することになり、若干の光吸収が存在する。したがって、光の強度中心（ピーク位置）が活性層８よりも第２の電極側にシフトする結果、光電界をさらに、第２の電極の側に広げることは、光吸収をさらに大きくすることとなり、発振しきい値の増大や発光効率の低下等の特性上の問題を発生させる可能性が高い。
【００８５】
このような理由を考慮して、実施の形態１では、光閉じ込め係数Γを小さくする方法として、第２の電極であるｐ型電極１７側に光電界を広げるよりも、第１の電極であるｎ型電極１８側に光電界を広げている。すなわち、活性層８の下方であるＧａＮ基板１側に設けられるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５，４の屈折率を、活性層８の上方であるＧａＮ基板１とは反対側に設けられるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の屈折率よりも大きくすることにより、光の強度中心を第１の電極であるｎ型電極１８側にシフトさせる結果、第２の電極であるｐ型電極１７にかかる光強度を下げることができ、上記特性上の問題の発生を緩和することが可能となる効果を奏する。
【００８６】
（製造方法）
次に、実施の形態１の半導体レーザの製造方法について図７を参照して説明する。まず、予めサーマルクリーニングなどにより表面を洗浄化したＧａＮ基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば１０００℃の成長温度でｎ型ＧａＮバッファ層２を成長させる。
【００８７】
その後、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５，ｎ型ＧａＮ光ガイド層６、アンドープのｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７、アンドープのＩｎＧａＮウエル層８ａ，８ｃ及びＩｎＧａＮバリア層８ｂからなる２重量子井戸構造の活性層８、アンドープのｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０及びｐ型ＧａＮ光ガイド層１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３を順次積層する。
【００８８】
ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５、及びｎ型ＧａＮ光ガイド層６は１０００℃、アンドープｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７〜アンドープｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９については７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０〜ｐ型ＧａＮコンタクト層１３については１０００℃とする。
【００８９】
以上の結晶成長が終了したウェハの前面に、レジスト（図７では図示せず）を塗布し、リソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えば、ＲＩＥ（Reactiv Ion Etching）によりｐ型ＧａＮコンタクト層１３及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２に対して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の一部のみが残るようにエッチングを行う。その結果、レジストパターン下にあるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のリッジ部１２ａ及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３によってリッジ１４が形成される。
【００９０】
次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再びウエハ全面にＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法等を用いて、例えば、厚さが０．２μｍのＳｉＯ2膜である絶縁膜１５を形成し、レジストパターン除去時にレジストパターン上に形成された絶縁膜１５を併せて除去する、いわゆるリフトオフを行う。その結果、リッジ１４上に開口部１６が設けられる。
【００９１】
次に、ウエハ全面に例えば真空蒸着法によりプラチナ（Ｐｔ）及びＡｕを順次形成した後、レジスト塗布、リソグラフィーによるレジストパターン形成後、ウェットエッチングあるいはドライエッチングを施すことにより、図７に示すように、ｐ型電極１７（パターン）を形成する。
【００９２】
その後、ＧａＮ基板１の裏面全面に、真空蒸着法によりＴｉ及びＡｌ膜を順次形成することによりｎ型電極１８を得、ｎ型電極１８をオーミック接触させるためのアロイ処理（熱処理）を行う。
【００９３】
この後、この基板を（第１の方向に沿った）劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらにこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを（上記第１の方向と垂直な方向に沿った）劈開などによりチップ化する。以上により、実施の形態１の半導体レーザが製造される。
【００９４】
なお、実施の形態１の構造とは逆に、活性層の上層（基板と反対側）に設けられる第２クラッド層の屈折率を活性層の下層（基板側）に設けられる第１クラッド層の屈折率よりも大きくする構造も勿論考えられる。上記構造の場合においても、光の強度中心が活性層８よりも第２クラッド層（第２の電極）側にシフトする結果、活性層のウエル層内での光閉じ込め係数Γを小さくすることができる。
【００９５】
＜実施の形態２＞
表３は実施の形態２の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率ｎを示した表である。表３の最左欄に示した層No.は、図７で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。
【００９６】
【表３】
2006270028.tif 000006
【００９７】
表３に示すように、実施の形態２では、活性層８の構造を３つのウエル層と２つのバリア層による３重量子井戸構造で実現している点が実施の形態１と異なる。また、３つのウエル層のＩｎ組成比、膜厚、２つのバリア層の膜厚も、実施の形態１とは異なっている。
【００９８】
実施の形態２の半導体レーザにおいて光閉じ込め係数Γについて、実施の形態１と同様のシミュレーションを行うと、光閉じ込め係数Γ（３つのＩｎＧａＮウエル層の光閉じ込め係数の和）は２．５８％得られることがわかった。
【００９９】
また、レーザの前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーディングを施した後、前端面における微分効率を実測した結果、１．９５Ｗ／Ａと従来の１．５Ｗ／Ａから大きく改善していることがわかった。
【０１００】
なお、実施の形態２の半導体レーザは、その層構造のみ異なり、実施の形態１と同様に製造されるため、説明は省略する。
【０１０１】
＜実施の形態３＞
図１３はこの発明の実施の形態３である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの構造を示す断面図である。同図に示すように、３層のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５が１層のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２がｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１に置き換わった点を除いて、図７で示した実施の形態１の層構造と同様である。
【０１０２】
表４は実施の形態３の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率ｎを示した表である。表４の最左欄に示した層No.は、図１３で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。
【０１０３】
【表４】
2006270028.tif 000007
【０１０４】
表４に示すように、実施の形態３では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０のＡｌ組成比を、従来のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層に比べ小さい「０．０３」に設定することにより、それぞれの屈折率ｎを従来より大きくしている。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１への光の滲み出しを大きくし、その結果、ウエル層への光閉じ込め係数Γを小さくしている。
【０１０５】
実施の形態３の半導体レーザにおいて光閉じ込め係数Γについて、実施の形態１と同様のシミュレーションを行うと、光閉じ込め係数Γ（２つのＩｎＧａＮウエル層８ａ，８ｃの光閉じ込め係数の和）は２．６２％得られることがわかった。
【０１０６】
また、レーザの前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーディングを施した後、前端面における微分効率を実測した結果、１．９５Ｗ／Ａと従来の１．５Ｗ／Ａから大きく改善していることがわかった。
【０１０７】
なお、実施の形態３の半導体レーザは、その層構造のみ異なり、実施の形態１と同様に製造されるため、説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】ＩｎＧａＮウエル層における層方向のＩｎ組成比の揺らぎによるバンドギャップの状態を示す説明図である。
【図２】ＩｎＧａＮウエル層における利得領域及び吸収領域の存在を示す説明図である。
【図３】しきい値電流の光閉じ込め係数Γに対する依存性を示すグラフである。
【図４】前端面から出射するレーザ光の微分効率の光閉じ込め係数Γに対する依存性を示すグラフである。
【図５】膜厚が５ｎｍの１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおけるしきい値電流のΓ依存性をそれぞれ示す説明図である。
【図６】膜厚が５ｎｍの１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおける微分効率のΓ依存性をそれぞれ示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図８】図７で示した活性層の内部構造を示す断面図である。
【図９】ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＡｌ組成依存性を示すグラフである。
【図１０】ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＩｎ組成比依存性を示すグラフである。
【図１１】実施の形態１による半導体レーザの前端面からの光出力を測定した結果を示すグラフである。
【図１２】実施の形態１におけるリッジ中央部、垂直方向の屈折率分布と光電界強度部分のシミュレーション結果を示す説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態１である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１  ＧａＮ基板、２  ｎ型ＧａＮバッファ層、３〜５，２０  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、７  ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層、８  活性層、８ａ，８ｃ  ＩｎＧａＮウエル層、８ｂ  ＩｎＧａＮバリア層、９  ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層、１０  ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、１１  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１２，２１  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１３  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１４  リッジ、１５  絶縁膜、１６  開口部、１７  ｐ型電極、１８  ｎ型電極。
【図１】
2006270028.tif 000008
【図２】
2006270028.tif 000009
【図３】
2006270028.tif 000010
【図４】
2006270028.tif 000011
【図５】
2006270028.tif 000012
【図６】
2006270028.tif 000013
【図７】
2006270028.tif 000014
【図８】
2006270028.tif 000015
【図９】
2006270028.tif 000016
【図１０】
2006270028.tif 000017
【図１１】
2006270028.tif 000018
【図１２】
2006270028.tif 000019
【図１３】
2006270028.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月9日(2006.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
ＩｎＧａＮウエル層のＩｎ組成比（ＩｎxＧａ(1-x)における“ｘ”を意）については、発振波長やウエル層の厚み（ウエル厚）などに基づき様々な値が用いられるが、発振波長４０５ｎｍ、ウエル厚を５．０ｎｍとした場合には、０．１２程度となる。しかしながら、実際には、このＩｎ組成比は、ウエル層の層方向（成長方向と垂直な方向）の位置により異なる値をとる、すなわち、ウエル層の層方向に沿ってＩｎ組成比が大きく揺らいでいることが一般的に知られている。その揺らぎの大きさは、小さいもので数ｎｍ、大きなもので数百μｍにも及ぶものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
このように、ＩｎＧａＮウエル層とＩｎＧａＮバリア層とにより構成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザ等の半導体発光素子においては、ＩｎＧａＮウエル層の層方向に生じるＩｎ組成比の揺らぎが発生する。このため、十分高い微分効率の有する半導体発光素子を得ることができないという問題点があった。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
通常、半導体レーザの利得領域となるウエル層に置いては、キャリア密度の大小により利得の大小が決定される。すなわち、キャリア密度がある一定の値（透明化キャリア密度と呼ばれる値）よりも高い領域は利得領域となるが、キャリア密度が透明化キャリア密度よりも小さい領域では、利得が負、すなわち、光の吸収領域となる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
また、光閉じ込め係数Γの低減による光吸収量低減により、発振に必要なモード利得が低減し、これがこれがしきい値電流の増大の影響をある程度相殺することも、Γ依存性によるしきい値電流の増大がそれほど大きくならない理由と考えられる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１上にＡｌ組成比０．０７のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２が形成される。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２は一部突出したリッジ部１２ａを有している。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のリッジ部１２ａ上にｐ型ＧａＮコンタクト層１３が形成される。リッジ部１２ａ及びリッジ部１２ａ上のｐ型ＧａＮコンタクト層１３によりリッジ１４が形成され、このリッジ１４は、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３を積層した後、例えば（１−１００）方向に向かってエッチング処理を施すことにより形成される。このリッジ１４はＧａＮ基板１上にストライプ状に形成された数μｍ〜数十μｍ幅の高転位領域の間にある低欠陥領域上に位置するように形成される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
表１は実施の形態１の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率ｎを示した表である。表１の最左欄に示した層No.は、図７で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
図９はＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＡｌ組成比依存性を示すグラフである。図１０はＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＩｎ組成比依存性を示すグラフである。なお、図９及び図１０で示したＡｌ組成依存性及びＩｎ組成比依存性は発振波長が４０５ｎｍの場合を示している。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
表１で示すｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５等のＡｌＧａＮ層の屈折率ｎは、図９で示したＡｌ組成比依存性に基づき算出し、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７等のＩｎＧａＮ層の屈折率ｎは、図１０で示したＩｎ組成比依存性に基づいて算出している。これらは、半導体レーザを構成する各層の屈折率ｎから近視野像及び遠視野像を求めるシミュレーション結果と、レーザの遠視野像の実験結果を、どのような構造においても一致させることができるようにフィッティングした結果であり、その精度は非常に高いものである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
活性層８を構成するＩｎＧａＮウエル層８ａ，８ｃについては、２重量子井戸構造であるため、バンドギャップ構造がバルク結晶と異なることから、Ｉｎ組成比と屈折率ｎとの関係は図１０と異なる値を取る。そこで、遠視野像の実測値をもとに「２．７６５」と決定した。ウエル層の屈折率ｎは、ウエル構造や膜厚によって変わるが、バンドギャップと発振波長との関係は、ウエル層のＩｎ組成比の違いによって大きな変化を受けないことから、一般的に用いられるＩｎ組成比０．０５〜０．２程度、厚さ２〜１０ｎｍ程度の範囲内においては、光閉じ込め係数Γの計算に大きな影響を与えるほどの実質的な変化はない。このことから、ウエル層の屈折率ｎについては、上記した範囲内であれば「２．７６５」としても精度的に差し支えない。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
また、図９及び図１０で示す屈折率ｎのＡｌ組成比依存性、Ｉｎ組成比依存性は、発振波長によって変化し、発振波長が短いほど屈折率ｎが大きく、発振波長が長いほど屈折率ｎが小さくなる傾向がある。ただし、その変化についてはレーザを構成する全ての層に当てはまるため、その変化量はその材料のＡｌ組成比やＩｎ組成比に対して同程度の値をとる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
例えば、発振波長４１０ｎｍの場合には、発振波長４０５ｎｍの値を用いて計算した場合に比べ、実際の屈折率ｎは小さくなる。この場合、光閉じ込め層（ｎ型ＧａＮ光ガイド層６、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７、活性層８、ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０及びｐ型ＧａＮ光ガイド層１１）での屈折率が活性層８への光閉じ込め係数Γを小さくする効果を発生する反面、ｐ型及びｎ型クラッド層の屈折率も小さくなるため、クラッド層への光の滲み出しが小さくなる。すなわち、活性層８への光閉じ込め係数Γを大きくする効果を発生する。したがって、これらの効果が相反することにより、結果的にウエル層への光閉じ込め係数Γについては実質的に変化しないことことになる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
【表２】
2006270028.tif 000021
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
図１１は実施の形態１による半導体レーザの前端面からの光出力を測定した結果を示すグラフである。図１１で示す光出力変化Ｌ１は、この発明の実施の形態１による半導体レーザによるレーザの前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーティングを施した際の、前端面からの光出力を測定した結果を示している。なお、光出力変化Ｌ２は従来の半導体レーザに前端面及び後端面の反射率を同様に設定した際の前端面からの光出力を測定した結果を示している。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
図１２は実施の形態１におけるリッジ中央部、垂直方向の屈折率分布と光電界強度分布のシミュレーション結果を示す説明図である。光電界強度分布は、光の進行方向に対し垂直な二次元面でのレーザ層構造からシミュレーションを行い２次元での光電界強度分布を計算し、そのリッジ中央部の分布を示している。なお、光電極強度の２乗が光強度である。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
以上のことから、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、あるいは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層が複数ある場合には、その少なくとも１層について、Ａｌ組成比は0.005以上、0.08以下であることが好ましく、さらに好ましくは、0.005以上、0.06以下、より好ましくは0.005以上、0.04以下がよい。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
すなわち、図８で示された活性層８に閉じ込められている光のうち、その活性層８を構成する同じ組成を持った複数のＩｎＧａＮウエル層８ａ，８ｃそれぞれが配分する光の量の対象性は確保されず、特に基板側に近いＩｎＧａＮウエル層８ａと最も基板側から遠いＩｎＧａＮウエル層８ｃではその量が明らかに異なる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
このことは、図１２に示すように活性層８に閉じ込められている光が、ＧａＮ基板１側に設けられた屈折率がｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２より大きいｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４，５に近いＩｎＧａＮウエル層８ａに引き込まれることにより発生する。言い換えると、ＧａＮ基板１側に設けられた屈折率の大きいｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４，５に近いＩｎＧａＮウエル層８ａに閉じ込められている光は、ＧａＮ基板１から離れた側に設けられた屈折率の小さいｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２に近いＩｎＧａＮウエル層８ｃに閉じ込められている光より大きくなる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０８】
【図１】ＩｎＧａＮウエル層における層方向のＩｎ組成比の揺らぎによるバンドギャップの状態を示す説明図である。
【図２】ＩｎＧａＮウエル層における利得領域及び吸収領域の存在を示す説明図である。
【図３】しきい値電流の光閉じ込め係数Γに対する依存性を示すグラフである。
【図４】前端面から出射するレーザ光の微分効率の光閉じ込め係数Γに対する依存性を示すグラフである。
【図５】膜厚が５ｎｍの１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおけるしきい値電流のΓ依存性をそれぞれ示す説明図である。
【図６】膜厚が５ｎｍの１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおける微分効率のΓ依存性をそれぞれ示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図８】図７で示した活性層の内部構造を示す断面図である。
【図９】ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＡｌ組成依存性を示すグラフである。
【図１０】ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＩｎ組成比依存性を示すグラフである。
【図１１】実施の形態１による半導体レーザの前端面からの光出力を測定した結果を示すグラフである。
【図１２】実施の形態１におけるリッジ中央部、垂直方向の屈折率分布と光電界強度分布のシミュレーション結果を示す説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態３である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの構造を示す断面図である。
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月15日(2006.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
前記少なくとも２つのウエル層は少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層を含み、発光時における素子の全導波光のうち、前記少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数（％）を１．５以上、２．０以下に設定したことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子であって，
前記活性層は基板の上方に形成され、
前記半導体発光素子は、
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１クラッド層と，
前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２クラッド層とを備え，
第１クラッド層の屈折率を第２クラッド層の屈折率よりも大きくしたことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載の半導体発光素子であって，
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１クラッド層及び前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２クラッド層が共に、少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ層(０＜ｘ≦１)を含むことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３記載の半導体発光素子であって，
前記第１グラッド層に含まれる少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成比が０．００５以上、０．０８以下であることを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項５】
請求項３記載の半導体発光素子であって，
前記第１クラッド層に含まれる少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成比が０．００５以上、０．０６以下であることを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項６】
請求項３記載の半導体発光素子であって，
前記第１クラッド層に含まれる少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成比が０．００５以上、０．０４以下であることを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１記載の半導体発光素子であって、
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１のＡｌＧａＮクラッド層と、
前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２のＡｌＧａＮクラッド層とを備え、
前記第１及び第２のＡｌＧａＮクラッド層のうち少なくと一方のクラッド層のＡｌ組成比を０．０３以下に設定したことを特徴とする、
半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７記載の半導体発光素子であって、
前記第１及び第２のＡｌＧａＮクラッド層双方のＡｌ組成比を０．０３以下に設定したことを特徴とする、
半導体発光素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
この発明に係る請求項１記載の半導体発光素子は、少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いており、前記少なくとも２つのウエル層は少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層を含み、発光時における素子の全導波光のうち、前記少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数（％）を１．５以上、２．０以下に設定している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
この発明における請求項１記載の半導体発光素子において、少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数を１．５以上、２．０以下に設定することにより、例えば、前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせたときに、しきい値電流を実用レベルに抑えながら、高い微分効率を得ることができるという効果を奏する。