(57)【要約】【課題】高温高出力動作時でも低電圧で駆動する半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板上に、第１クラッド層１１２と、活性層１１３と、第２クラッド層１１４と、コンタクト層１１７とが形成された半導体発光素子であって、第２クラッド層１１４とコンタクト層１１７との間に、コンタクトバリア層１１６ｂとコンタクトウェル層１１６ｗとを有する量子井戸へテロバリア層１１６が形成されている。コンタクトウェル層１１６ｗは、コンタクト層側の第１コンタクトウェル層１１６ｗ１と第２クラッド層側の第２コンタクトウェル層１１６ｗ３とを含む。第２クラッド層１１４、コンタクト層１１７、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１及び第２コンタクトウェル層１１６ｗ３の禁制帯幅エネルギーをＥCLD2、ＥCNT、ＥCW1及びＥCW2としたときに、ＥCLD2＞ＥCNT、かつ、ＥCW1＜ＥCW2である。【選択図】図１Ａ
2011192816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に、第１導電型の半導体層からなる第１クラッド層と、活性層と、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型の半導体層からなる第２クラッド層と、第２導電型の半導体層からなるコンタクト層とが形成された半導体発光素子であって、
前記第２クラッド層と前記コンタクト層との間に、第２導電型のコンタクトバリア層と第２導電型のコンタクトウェル層とを有する量子井戸へテロバリア層が形成され、
前記コンタクトウェル層は、少なくとも、前記コンタクト層側に形成された第１コンタクトウェル層と前記第２クラッド層側に形成された第２コンタクトウェル層とを含む複数層で構成されており、
前記第２クラッド層、前記コンタクト層、前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層の禁制帯幅エネルギーをそれぞれＥCLD2、ＥCNT、ＥCW1及びＥCW2としたときに、
ＥCLD2＞ＥCNT、かつ、ＥCW1＜ＥCW2である
半導体発光素子。
【請求項２】
前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層の各禁制帯幅エネルギーは、前記コンタクト層側の層から前記第２クラッド層側の層に向かって単調に増大する
請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記コンタクトバリア層の禁制帯幅エネルギーをＥCBとすると、
ＥCLD2≧ＥCB＞ＥCW2＞ＥCW1≧ＥCNTである
請求項１又は請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層の各膜厚は、前記コンタクト層側の層から前記第２クラッド層側の層に向かって単調に減少する
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記コンタクトバリア層の格子定数は、前記半導体基板の格子定数よりも小さい
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記コンタクトバリア層の格子定数は、前記第２クラッド層の格子定数よりも小さい
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
第１導電型のＧａＡｓ基板上に、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰからなる第１クラッド層と、活性層と、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型のＡｌＧａＩｎＰからなる第２クラッド層と、第２導電型のＧａＡｓからなるコンタクト層とが形成された半導体発光素子であって、
前記第２クラッド層と前記コンタクト層の間に、（ＡｌXbpＧａ1-Xbp）YbpＩｎ1-YbpＰからなるコンタクトバリア層（０≦Ｘｂｐ≦１、０＜Ｙｂｐ＜１）とＡｌXwpＧａ1-XwpＡｓからなるコンタクトウェル層（０≦Ｘｗｐ＜１）とを有する量子井戸ヘテロバリア層が形成され、
前記コンタクトウェル層は、少なくとも前記コンタクト層側に形成された第１コンタクトウェル層と前記第２クラッド層側に形成された第２コンタクトウェル層とを含む複数層で構成されており、
前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層のＡｌ組成を、それぞれＸｗｐ１、Ｘｗｐ２としたときに、
Ｘｗｐ１＜Ｘｗｐ２である
半導体発光素子。
【請求項８】
前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層の各Ａｌ組成Ｘｗｐは、前記コンタクト層側の層から前記第２クラッド層側の層に向かって単調に増大する
請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１コンタクトウェル層は、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層のうち前記コンタクト層に最も近い層であって、そのＡｌ組成Ｘｗｐ１が０以上、０．１以下であり、
前記第２コンタクトウェル層は、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層のうち前記第２クラッド層に最も近い層であって、そのＡｌ組成Ｘｗｐ２が０．２以上、０．３以下である
請求項７又は請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層の膜厚は、２０Å以上、６０Å以下であり、
前記コンタクトバリア層の膜厚は、２０Å以上、８０Å以下である
請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記コンタクトバリア層の格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さい
請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
第１導電型のＧａＮ基板上に、第１導電型のＡｌＧａＩｎＮ系材料からなる第１クラッド層と、活性層と、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型のＡｌＧａＩｎＮ系材料からなる第２クラッド層と、第２導電型のＧａＮからなるコンタクト層とが形成された半導体発光素子であって、
前記第２クラッド層と前記コンタクト層との間に、ＡｌXbnＧａYbnＩｎ1-Xbn-YbnＮからなるコンタクトバリア層（０≦Ｘｂｎ＜１、０＜Ｙｂｎ≦１、０≦１−Ｘｂｎ−Ｙｂｎ＜１）とＡｌXwnＧａYwnＩｎ1-Xwn-YwnＮからなるコンタクトウェル層（０≦Ｘｗｎ＜１、０＜Ｙｗｎ≦１、０≦１−Ｘｗｎ−Ｙｗｎ＜１）とを有する量子井戸ヘテロバリア層が形成されており、
前記コンタクトウェル層は、少なくとも前記コンタクト層側に形成された第１コンタクトウェル層と前記第２クラッド層側に形成された第２コンタクトウェル層とを含む複数層で構成されており、
前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層のＡｌ組成を、それぞれＸｗｎ１、Ｘｗｎ２としたときに、
Ｘｗｎ１＜Ｘｗｎ２である
半導体発光素子。
【請求項１３】
前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層の各禁制帯幅エネルギーは、前記コンタクト層側の層から前記第２クラッド層側の層に向かって単調に増大する
請求項１２に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第１コンタクトウェル層は、前記コンタクトウェル層を構成する層のうち前記コンタクト層に最も近い層であって、そのＡｌ組成Ｘｗｎ１が０以上、０．０５以下であり、
前記第２コンタクトウェル層は、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層のうち前記第２クラッド層に最も近い層であって、そのＡｌ組成Ｘｗｎ２が前記第２クラッド層のＡｌ組成の大きさ以下である
請求項１２又は請求項１３記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層の膜厚は、２０Å以上、６０Å以下であり、
前記コンタクトバリア層の膜厚は、２０Å以上、８０Å以下である
請求項１２〜請求項１４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記コンタクトバリア層の格子定数は、前記ＧａＮ基板の格子定数よりも小さい
請求項１２〜請求項１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、高温高出力動作に適した低動作電圧を可能にする半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ又は発光ダイオード等の半導体発光素子は、様々な分野で幅広く使用されている。中でも、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザは、発振波長が７８０ｎｍ帯である赤外レーザ光を出力することができる。また、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザは、発振波長が６５０ｎｍ帯である赤色レーザ光を出力することができる。これらのＡｌＧａＡｓ系及びＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザは、ＣＤやＤＶＤに代表される光ディスクシステムの分野において、光源として広く使用されている。
【０００３】
また、近年の光ディスクシステムの大容量化の進展により、ＣＤやＤＶＤよりもさらに大容量の記録を可能にするＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ）の光ディスクシステム市場が立ち上がっている。ＢＤの光ディスクシステムでは、発振波長が４０５ｎｍ帯である青紫レーザ光を出力することができるＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物材料系の半導体レーザが実用化されている。
【０００４】
このような中、光ディスクシステムの光源となる半導体レーザには、記録速度の高倍速化による高出力動作、及び、８５℃以上での高温動作が強く要望されている。従って、記録再生可能な光ディスクシステムの光源となる高出力半導体レーザには、上記いずれの波長帯を問わず、高温高出力動作が要望されている。
【０００５】
半導体レーザにおいて、高温高出力動作を阻害する大きな要因の一つとして、動作電圧の増大がある。動作電圧が増大すると、素子の動作電力の増大を招き、ジュール発熱による温度上昇をもたらす。この結果、動作電流が増大し、さらに、動作電圧が大きくなって素子の信頼性が低下する。また、半導体レーザを駆動するための駆動回路は、その駆動電圧に上限値がある。従って、動作電圧の増大を抑制することは、素子の信頼性の観点からも、駆動回路による動作制御の観点からも重要である。
【０００６】
このような半導体レーザにおける動作電圧の増大について、以下、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザを例にとって説明する。
【０００７】
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザにおいては、通常、活性層の一方側に形成されるｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層上に、当該クラッド層よりも禁制帯幅エネルギー（バンドギャップエネルギー）が小さいｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層が形成される。そして、当該コンタクト層上に金属電極が形成される。
【０００８】
このように、金属電極をクラッド層上ではなくコンタクト層上に形成するのは、ｐ型のＧａＡｓのコンタクト層のバンドギャップエネルギーが、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰのクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも相対的に小さいからである。従って、ｐ型のＧａＡｓのコンタクト層上に金属電極を形成した方が、金属電極との間における接触抵抗を小さくすることができる。
【０００９】
しかしながら、この場合、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰのクラッド層とｐ型のＧａＡｓのコンタクト層との界面には、両層のバンドギャップエネルギーの差によって生じる電位障壁（ヘテロスパイク）が形成される。これは、金属電極からのホール（正孔）がｐ型クラッド層に注入するときの電気的障壁となる。この電位障壁によって、ホールをｐ型クラッド層に注入するために必要な印加電圧が増大し、動作電圧が大きくなる。
【００１０】
従って、通常、赤色半導体レーザでは、図１３に示すように、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰのクラッド層とｐ型のＧａＡｓのコンタクト層との間に、バンドギャップエネルギーが当該クラッド層と当該コンタクト層との間の大きさとなるｐ型のＧａＩｎＰからなる中間層を形成する。これにより、電位障壁を２つに分割するとともに、個々の電位障壁の大きさ（ΔＥＶ１及びΔＥｖ２）を小さくすることができ、動作電圧の増大を抑制することができる。
【００１１】
ここで、ＧａＡｓに格子整合する材料として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた場合、この材料の原子組成は、（ＡｌxＧａ1-x）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（０≦Ｘ≦１）と表すことができる。このとき、Ａｌ組成が０であるＧａＩｎＰのバンドギャップエネルギーは１．９ｅＶである。また、通常、クラッド層として用いられるＡｌ組成は０．７であり、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐであり、このＡｌＧａＩｎＰのバンドギャップエネルギーは、２．３２ｅＶである。また、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは、１．４２ｅＶである。
【００１２】
従って、ｐ型のＧａＡｓ層とｐ型の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐ層とを接合させた場合、価電子帯には０．７ｅＶ程度の電位障壁が生じる。一方、ＧａＡｓ層とＧａＩｎＰ層とを接合させた場合、価電子帯には、図１３に示すように、電位障壁(ΔＥｖ１)の大きさは０.５ｅＶ程度となる。このように、ｐ型のＧａＩｎＰからなる中間層を用いることにより、価電子帯に生じる個々の電位障壁の大きさをある程度低減することができる。
【００１３】
しかしながら、電位障壁をある程度低減できたとしても、依然として、ｐ型のＧａＩｎＰの中間層とｐ型のＧａＡｓ層のコンタクト層との間には、上述のとおり、０．５ｅＶ程度の大きさの電位障壁（ΔＥｖ１）が残っている。
【００１４】
従って、図１４に示すように、この電位障壁（ΔＥｖ１）によって、ＧａＡｓ層に供給されたホールはＧａＩｎＰ層に効率よく伝導することができず、動作電圧の増大を十分に抑制することができない。
【００１５】
そこで、特許文献１に開示される半導体レーザ装置が提案されている。以下、特許文献１に開示される従来の半導体レーザ装置について、図１５を用いて説明する。図１５は、従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【００１６】
図１５に示すように、従来の半導体レーザ装置５００は、ｎ型のＧａＡｓ基板５０１（１５°ｏｆｆ）上に、ｎ型のＧａＩｎＰからなる中間層５０２、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第１Ｎクラッド層５０３、及び、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第２Ｎクラッド層５０４が順次形成されている。第２Ｎクラッド層５０４上には、多重量子井戸層５０５（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第１Ｐクラッド層５０６、及び、ｐ型のＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層５０７が形成されている。なお、多重量子井戸層５０５は、ＡｌＧａＩｎＰからなるガイド層５０５ｇ、ＧａＩｎＰからなる井戸層５０５ｗ、及び、ＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層５０５ｂとからなる。
【００１７】
エッチングストップ層５０７上には、ｐ型の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.511Ｉｎ0.489Ｐからなる第２Ｐクラッド層５０８、ｐ型のＧａ0.508Ｉｎ0.492Ｐからなる中間層５０９、及び、ｐ型のＧａＡｓからなるキャップ層５１１（コンタクト層）が形成されている。
【００１８】
従来の半導体レーザ装置５００では、さらに、ｐ型のＧａＩｎＰからなる中間層５０９とＧａＡｓからなるキャップ層５１１との間に、３層のＧａＡｓ層５１３ａ〜５１３ｃと３層のＧａＩｎＰ層５１４とで構成される量子井戸へテロバリア層５１０が形成されている。
【００１９】
量子井戸へテロバリア層５１０におけるＧａＡｓ層５１３ａ〜５１３ｃの３層は、それぞれＧａＩｎＰ層５１４で挟まれた構成となっており、また、それぞれ膜厚が異なる。上層から順に、第１のＧａＡｓ層５１３ａの膜厚は６ｎｍであり、第２のＧａＡｓ層５１３ｂの膜厚は４ｎｍであり、第３のＧａＡｓ層５１３ｃの膜厚は２．５ｎｍである。このように、ＧａＡｓ層５１３ａ〜５１３ｃにおける各層の膜厚は、キャップ層５１１から中間層５０９に向かうに従って膜厚が小さくなるように構成されている。
【００２０】
次に、このように構成された従来の半導体レーザ装置５００の動作について、図１６Ａ、図１６Ｂ及び図１７を参照して説明する。
【００２１】
図１６Ａは、従来の半導体レーザ装置５００において、量子井戸へテロバリア層５１０のＧａＡｓ層５１３ａ〜５１３ｃの膜厚に対するエネルギー準位とエネルギーの大きさの関係を示す図である。図１６Ｂは、図１６Ａにおいて、ＧａＡｓの膜厚が２０Å以下のときにおけるＧａＩｎＰとＧａＡｓのエネルギーバンドを示す図である。なお、図１６Ａにおいて、エネルギーは、ＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーからの大きさを表している。
【００２２】
図１６Ａに示すように、量子井戸へテロバリア層５１０のＧａＡｓ層５１３ａ〜５１３ｃの膜厚が薄くなればなるほど、量子井戸層である各ＧａＡｓ層に形成される量子化されたエネルギー準位の大きさは、ホールに対して高エネルギー側にシフトする。また、ＧａＡｓ層５１３ａ〜５１３ｃの膜厚が薄くなればなるほど、量子井戸へテロバリア層５１０内に形成されるエネルギー準位の数も少なくなる。なお、図１６Ａ中、ＨＨで示される曲線は、ヘビーホールにおけるエネルギー準位のエネルギーを表し、ＬＨで示される曲線は、ライトホールにおけるエネルギー準位のエネルギーを表している。また、ＨＨ１及びＬＨ１で示される曲線は、それぞれヘビーホール及びライトホールに対する基底状態のエネルギーを表し、ＨＨ２、ＨＨ３等、数字が大きくなるにつれて高次のエネルギー状態のエネルギーを表している。
【００２３】
具体的には、図１６Ａに示すように、ＧａＡｓ層の膜厚が２５Å（２．５ｎｍ）の場合は、２つのヘビーホールのエネルギー準位と１つのライトホールのエネルギー準位が形成され、膜厚が４０Å（４ｎｍ）の場合は、３つのヘビーホールのエネルギー準位と２つのライトホールのエネルギー準位が形成され、膜厚が６０Å(６ｎｍ)の場合は、５つのヘビーホールのエネルギー準位と２つのライトホールのエネルギー準位が形成される。従って、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰからなる量子井戸ヘテロバリア層５１０内には、合計１５個のエネルギー準位が形成される。
【００２４】
なお、図１６Ｂに示すように、コンタクトウェル層の厚さを２０Å以下に薄膜化したとしても、ＧａＩｎＰからなる中間層の価電子帯端よりも０．３ｅＶ程度のエネルギー障壁（ΔＥｖｑ）が存在する。
【００２５】
次に、従来の半導体レーザ装置５００において、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第２Ｐクラッド層５０８、ｐ型のＧａＩｎＰからなる中間層５０９、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰからなる量子井戸へテロバリア層５１０、及び、ｐ型のＧａＡｓからなるキャップ層５１１の価電子帯バンドについて、図１７を用いて説明する。図１７は、上記各層を接合したときのバイアス電圧を加えない熱平衡状態（ゼロバイアス時）における価電子帯バンドを示す図である。
【００２６】
図１７に示すように、ｐ型のＧａＡｓからなるキャップ層５１１側に正のバイアス電圧を印加していくと、当該キャップ層５１１から供給されたホールは、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰからなる量子井戸ヘテロバリア層５１０に形成されたエネルギー準位を経て、ＧａＩｎＰからなる中間層５０９に伝わる。
【００２７】
このとき、量子井戸ヘテロバリア層５１０には、上述の図１６Ａに示したように、複数のエネルギー準位が形成されており、キャップ層５１１におけるホールのエネルギーが継承され、比較的高次のエネルギー準位にもホールが入りやすくなる。このとき、高次のエネルギー準位とＧａＩｎＰからなる中間層５０９のエネルギーレベルとの間のエネルギー差が小さいことから、中間層５０９に対して容易にホールが注入される。
【００２８】
すなわち、キャップ層５１１から注入されたホールは、トンネル効果で第１のＧａＩｎＰ層５１４を通過して第１のＧａＡｓ層５１３ａに到達し、さらに、第２のＧａＩｎＰ層５１４、第２のＧａＡｓ層５１３ｂ、第３のＧａＩｎＰ層５１４を通過して、第３のＧａＡｓ層５１３ｃに到達する。このとき、第３のＧａＡｓ層５１３ｃに分布するホールのうち、高いエネルギー準位に存在するホールに対しては、中間層５０９との電位障壁が小さくなる。
【００２９】
しかも、第１のＧａＡｓ層５１３ａから第３のＧａＡｓ層５１３ｃの膜厚を徐々に薄くすることにより、第３のＧａＡｓ層５１３ｃに存在するエネルギー準位の数を少なくし、かつ、同一エネルギー準位におけるエネルギーの大きさを徐々に大きくすることができる。これにより、第３のＧａＡｓ層５１３ｃにおいて、高いエネルギーを有するホールの存在確率を高めることができる。
【００３０】
このように、従来の半導体レーザ装置５００によれば、ｐ型のＧａＩｎＰからなる中間層５０９とＧａＡｓからなるキャップ層５１１との間に、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰからなる量子井戸ヘテロバリア層５１０を挿入することにより、中間層５０９とキャップ層５１１との界面におけるホールに対する電位障壁の影響を緩和することができる。従って、低電圧でホールを注入することが可能となり、半導体レーザ装置の動作電圧を低下させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開２００８−７８２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
しかしながら、図１７に示すように、従来の半導体レーザ装置５００においては、第３のＧａＡｓ層５１３ｃには、依然として低いエネルギー準位が存在し、このエネルギー準位にもホールが存在する。
【００３３】
従って、電位障壁による動作電圧の増大を効率よく抑制することができず、動作電圧を十分に低減することができないという問題がある。
【００３４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、低動作電圧で、高出力動作が可能な半導体発光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】
【００３５】
本発明に係る第１の半導体発光素子の一態様は、第１導電型の半導体基板上に、第１導電型の半導体層からなる第１クラッド層と、活性層と、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型の半導体層からなる第２クラッド層と、第２導電型の半導体層からなるコンタクト層とが形成された半導体発光素子であって、前記第２クラッド層と前記コンタクト層との間に、第２導電型のコンタクトバリア層と第２導電型のコンタクトウェル層とを有する量子井戸へテロバリア層が形成され、前記コンタクトウェル層は、少なくとも、前記コンタクト層側に形成された第１コンタクトウェル層と前記第２クラッド層側に形成された第２コンタクトウェル層とを含む複数層で構成されており、前記第２クラッド層、前記コンタクト層、前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層の禁制帯幅エネルギーをそれぞれＥCLD2、ＥCNT、ＥCW1及びＥCW2としたときに、ＥCLD2＞ＥCNT、かつ、ＥCW1＜ＥCW2である。
【００３６】
この構成により、第２クラッド層側の第１コンタクトウェル層に形成される最大エネルギー準位の大きさを、コンタクト層側の第２コンタクトウェル層に形成される最大エネルギー準位のエネルギーの大きさよりも大きくすることができる。この結果、第２コンタクトウェル層に注入されたキャリアが第２クラッド層に向かって伝導して第１コンタクトウェル層に到達した時において、キャリアの有するポテンシャルエネルギーが増大する。これにより、低いバイアス電圧の印加時においても電流を流すことが可能となり、動作電圧を低減することが可能となる。
【００３７】
さらに、本発明に係る第１の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層の各禁制帯幅エネルギーは、前記コンタクト層側の層から前記第２クラッド層側の層に向かって単調に増大することが好ましい。
【００３８】
この構成により、量子井戸へテロバリア層を構成する複数層のバンドギャップエネルギーは、第２クラッド層に近づくにつれて徐々に大きくなる。これにより、第２クラッド層に近づくにつれて、各コンタクトウェル層に存在するエネルギー準位の数を少なくし、かつ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることができる。
【００３９】
このため、第２クラッド層に近いコンタクトウェル層の最大エネルギー準位に存在するホールの存在確率を高めることができ、かつ、コンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位の最低エネルギーの大きさも増大させることが可能となる。また、第２クラッド層に向かって流れるキャリアは、各コンタクトバリア層をトンネル効果で通過し、第２クラッド層に近づくに従って、コンタクトウェル層に存在するキャリアは、よりエネルギーの高い準位に存在することができる。
【００４０】
従って、第２クラッド層に近づくに従って、注入されたキャリアを、効率よく、かつ選択的に、高いエネルギー準位に存在させることができる。このため、低いバイアス電圧においてもキャリアがヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、半導体発光素子の動作電圧を効率よく低減することができる。
【００４１】
さらに、本発明に係る第１の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトバリア層の禁制帯幅エネルギーをＥCBとすると、ＥCLD2≧ＥCB＞ＥCW2＞ＥCW1≧ＥCNTであることが好ましい。
【００４２】
この構成により、量子井戸ヘテロバリア層におけるコンタクトバリア層と、第２クラッド層及びコンタクト層とのヘテロスパイクによる動作電圧の増大を防止することができる。
【００４３】
さらに、本発明に係る第１の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層の各膜厚は、前記コンタクト層側の層から前記第２クラッド層側の層に向かって単調に減少することが好ましい。
【００４４】
この構成により、コンタクトウェル層内に形成されるエネルギー準位を第２クラッド層に近いコンタクトウェル層に対して徐々に大きくし、かつ、エネルギー準位の数を減らすことが可能となる。
【００４５】
これにより、第２クラッド層に近いコンタクトウェル層において最もエネルギー準位の大きさ準位に存在するキャリアの数をより多くすることが可能となる。従って、注入されたキャリアは、コンタクトバリア層と当該コンタクトバリア層に接する層との界面におけるヘテロスパイクに対して、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、半導体発光素子の動作電圧をさらに低減することができる。
【００４６】
さらに、本発明に係る第１の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトバリア層の格子定数は、前記半導体基板の格子定数よりも小さいことが好ましい。
【００４７】
この構成により、コンタクトバリア層に引っ張り歪を生じさせることができ、コンタクトバリア層のバンドギャップエネルギーを増大させることができる。これにより、コンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。従って、注入されたキャリアは、コンタクトバリア層と当該コンタクトバリア層に接する層との界面におけるヘテロスパイクに対して、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、半導体発光素子の動作電圧をさらに低減することができる。
【００４８】
さらに、本発明に係る第１の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトバリア層の格子定数は、前記第２クラッド層の格子定数よりも小さいことが好ましい。
【００４９】
この構成により、コンタクトバリア層に引っ張り歪を生じさせることができ、コンタクトバリア層のバンドギャップエネルギーを増大させることができる。これにより、コンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。従って、注入されたキャリアは、コンタクトバリア層と当該コンタクトバリア層に接する層との界面におけるヘテロスパイクに対して、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、半導体発光素子の動作電圧をさらに低減することができる。
【００５０】
また、本発明に係る第２の半導体発光素子の一態様は、第１導電型のＧａＡｓ基板上に、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰからなる第１クラッド層と、活性層と、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型のＡｌＧａＩｎＰからなる第２クラッド層と、第２導電型のＧａＡｓからなるコンタクト層とが形成された半導体発光素子であって、前記第２クラッド層と前記コンタクト層の間に、（ＡｌXbpＧａ1-Xbp）YbpＩｎ1-YbpＰからなるコンタクトバリア層（０≦Ｘｂｐ≦１、０＜Ｙｂｐ＜１）とＡｌXwpＧａ1-XwpＡｓからなるコンタクトウェル層（０≦Ｘｗｐ＜１）とを有する量子井戸ヘテロバリア層が形成され、前記コンタクトウェル層は、少なくとも前記コンタクト層側に形成された第１コンタクトウェル層と前記第２クラッド層側に形成された第２コンタクトウェル層とを含む複数層で構成されており、前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層のＡｌ組成を、それぞれＸｗｐ１、Ｘｗｐ２としたときに、Ｘｗｐ１＜Ｘｗｐ２である。
【００５１】
この構成により、量子井戸へテロバリア層の複数のＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層において、バンドギャップエネルギーを第２クラッド層に近づく層につれて大きくすることができる。これにより、第２クラッド層に近づくにつれて各量子井戸へテロバリアウェル層に存在するエネルギー準位の数を少なくし、かつ、最大のエネルギー準位の大きさを大きくすることができる。
【００５２】
このため、第２クラッド層に最も近いＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層の最大エネルギー準位に存在するホールの存在確率を高め、かつ、コンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位の最低エネルギーの大きさも増大させることが可能となる。また、第２クラッド層に向かって流れるキャリアは、各ＡｌＧＩｎＰコンタクトバリア層をトンネル効果で通過し、第２クラッド層に近づくに従って、コンタクトウェル層に存在するキャリアは、よりエネルギーの高い準位に存在することができる。
【００５３】
従って、第２クラッド層に近づくに従って、注入されたキャリアを、効率よく、かつ選択的に高いエネルギー準位に存在させることができる。このため、低いバイアス電圧においてもキャリアがヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、半導体発光素子の動作電圧を効率よく低減することができる。
【００５４】
さらに、本発明に係る第２の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層の各Ａｌ組成Ｘｗｐは、前記コンタクト層側の層から前記第２クラッド層側の層に向かって単調に増大することが好ましい。
【００５５】
この構成により、量子井戸へテロバリア層を構成する複数層の各バンドギャップエネルギーは、第２クラッド層に近づくにつれて徐々に大きくなる。これにより、第２クラッド層に近づくにつれて、各コンタクトウェル層に存在するエネルギー準位の数を最も少なくし、かつ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることができる。
【００５６】
従って、第２クラッド層に近づくに従って、注入されたキャリアを、効率よく、かつ選択的に、高いエネルギー準位に存在させることができ、低いバイアス電圧においてもキャリアがヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、半導体発光素子の動作電圧を効率よく低減することができる。
【００５７】
さらに、本発明に係る第２の半導体発光素子の一態様において、前記第１コンタクトウェル層は、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層のうち前記コンタクト層に最も近い層であって、そのＡｌ組成Ｘｗｐ１が０以上、０．１以下であり、前記第２コンタクトウェル層は、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層のうち前記第２クラッド層に最も近い層であって、そのＡｌ組成Ｘｗｐ２が０．２以上、０．３以下であることが好ましい。
【００５８】
ＧａＡＳコンタクト層に最も近いコンタクトウェル層のＡｌ組成を０以上０．１以下とすることにより、ＧａＡｓコンタクト層に最も近いＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位の数を大きくすることができ、ＧａＡｓコンタクト層からＧａＡｓコンタクト層に最も近いＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層へとキャリアが通過するトンネル確率を増大させることができる。
【００５９】
また、第２クラッド層に最も近いコンタクトウェル層のＡｌ組成を０．２以上０．３以下とすることにより、コンタクトバリア層と第２クラッド層間にＧａＩｎＰ中間層を形成した場合に、コンタクトウェル層のエネルギー準位の大きさをコンタクトウェル層がＧａＩｎＰ中間層に近づくにつれて、ＧａＩｎＰ中間層の価電子帯エネルギーの大きさに徐々に近づけることが可能となり、キャリアのポテンシャルエネルギーを効率よく高めることが可能となる。この結果、低いバイアス電圧においてもキャリアは第２クラッド層に流れることが可能となり、半導体発光素子の動作電圧を低減することが可能となる。
【００６０】
さらに、本発明に係る第２の半導体発光素子の一態様において、前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層の膜厚は、２０Å以上、６０Å以下であり、前記コンタクトバリア層の膜厚は、２０Å以上、８０Å以下であることが好ましい。
【００６１】
この構成により、コンタクトウェル層においてエネルギー準位を制御性良く形成することが可能となり、また、キャリアがコンタクトバリア層をトンネル効果により通過する確率を高めることが可能となる。
【００６２】
さらに、本発明に係る第２の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトバリア層の格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さいことが好ましい。
【００６３】
この構成により、ＡｌＧａＩｎＰコンタクトバリア層に引っ張り歪を生じさせることができ、量子井戸ヘテロバリア層のバンドギャップエネルギーを大きくし、各コンタクトウェル層に形成される最低エネルギー準位のエネルギー大きさを大きくすることが可能となる。これにより、コンタクトウェル層の最も低いエネルギー準位に存在するキャリアのポテンシャルエネルギーを増大させることが可能となる。この結果、低いバイアス電圧においてもホールがヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率をより増大させることができ、半導体発光素子の動作電圧をさらに効率よく低減することができる。
【００６４】
また、本発明に係る第３の半導体発光素子の一態様は、第１導電型のＧａＮ基板上に、第１導電型のＡｌＧａＩｎＮ系材料からなる第１クラッド層と、活性層と、前記第１導電型とは異なる導電型である第２導電型のＡｌＧａＩｎＮ系材料からなる第２クラッド層と、第２導電型のＧａＮからなるコンタクト層とが形成された半導体発光素子であって、前記第２クラッド層と前記コンタクト層との間に、ＡｌXbnＧａYbnＩｎ1-Xbn-YbnＮからなるコンタクトバリア層（０≦Ｘｂｎ＜１、０＜Ｙｂｎ≦１、０≦１−Ｘｂｎ−Ｙｂｎ＜１）とＡｌXwnＧａYwnＩｎ1-Xwn-YwnＮからなるコンタクトウェル層（０≦Ｘｗｎ＜１、０＜Ｙｗｎ≦１、０≦１−Ｘｗｎ−Ｙｗｎ＜１）とを有する量子井戸ヘテロバリア層が形成されており、前記コンタクトウェル層は、少なくとも前記コンタクト層側に形成された第１コンタクトウェル層と前記第２クラッド層側に形成された第２コンタクトウェル層とを含む複数層で構成されており、前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層のＡｌ組成を、それぞれＸｗｎ１、Ｘｗｎ２としたときに、Ｘｗｎ１＜Ｘｗｎ２である。
【００６５】
この構成により、量子井戸へテロバリア層の複数のＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層において、バンドギャップエネルギーを第２クラッド層に近づくにつれて徐々に大きくすることができる。これにより、第２クラッド層に近づくにつれて各量子井戸へテロバリアウェル層に存在するエネルギー準位の数を少なくし、かつ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることができる。
【００６６】
このため、第２クラッド層に最も近いＡｌＧａＩｎＮコンタクトウェル層の最大エネルギー準位に存在するホールの存在確率を高めることができ、かつ、コンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位の最低エネルギーの大きさも増大させることが可能となる。また、第２クラッド層に向かって流れるキャリアは、各ＡｌＧａＩｎＮコンタクトバリア層をトンネル効果で通過し、第２クラッド層に近づくに従って、コンタクトウェル層に存在するキャリアは、よりエネルギーの高い準位に存在することができる。
【００６７】
従って、第２クラッド層に近づくに従って、注入されたキャリアを、効率よく、かつ選択的に高いエネルギー準位に存在させることができる。このため、低いバイアス電圧においてもキャリアがヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、半導体発光素子の動作電圧を効率よく低減することができる。
【００６８】
さらに、本発明に係る第３の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層の各禁制帯幅エネルギーは、前記コンタクト層側の層から前記第２クラッド層側の層に向かって単調に増大することが好ましい。
【００６９】
この構成により、量子井戸へテロバリア層を構成する複数層のバンドギャップエネルギーは、第２クラッド層に近づくにつれて徐々に大きくなる。これにより、第２クラッド層に近づくにつれて、各コンタクトウェル層に存在するエネルギー準位の数を少なくし、かつ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることができる。
【００７０】
従って、第２クラッド層に近づくに連れて、注入されたキャリアを、効率よく、かつ選択的に、高いエネルギー準位に存在させることができる。このため、低いバイアス電圧においてもキャリアがヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、動作電圧を効率よく低減することができる。
【００７１】
さらに、本発明に係る第３の半導体発光素子の一態様において、前記第１コンタクトウェル層は、前記コンタクトウェル層を構成する層のうち前記コンタクト層に最も近い層であって、そのＡｌ組成Ｘｗｎ１が０以上、０．０５以下であり、前記第２コンタクトウェル層は、前記コンタクトウェル層を構成する前記複数層のうち前記第２クラッド層に最も近い層であって、そのＡｌ組成Ｘｗｎ２が前記第２クラッド層のＡｌ組成の大きさ以下であることが好ましい。
【００７２】
この構成により、ＧａＮコンタクト層に最も近いＡｌＧａＩｎＰコンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位の数を大きくすることができ、ＧａＮコンタクト層からＧａＮコンタクト層に最も近いＡｌＧａＩｎＰコンタクトウェル層へとキャリアが通過するトンネル確率を増大させることができる。
【００７３】
また、第２クラッド層に最も近いコンタクトウェル層のＡｌ組成を第２クラッド層のＡｌ組成の大きさ以下とすることにより、コンタクトウェル層のエネルギー準位の大きさを、コンタクトウェル層がＡｌＧａＮクラッド層に近づくにつれて、ＡｌＧａＮクラッド層の価電子帯エネルギーの大きに徐々に近づけることが可能となる。これにより、キャリアのポテンシャルエネルギーを効率よく高めることが可能となる。この結果、低いバイアス電圧においてもキャリアはクラッド層に流れることが可能となり、半導体発光素子の動作電圧を低減することが可能となる。
【００７４】
さらに、本発明に係る第３の半導体発光素子の一態様において、前記第１コンタクトウェル層及び前記第２コンタクトウェル層の膜厚は、２０Å以上、６０Å以下であり、前記コンタクトバリア層の膜厚は、２０Å以上、８０Å以下であることが好ましい。
【００７５】
この構成により、コンタクトウェル層においてエネルギー準位を制御性良く形成することが可能となり、また、キャリアがコンタクトバリア層をトンネル効果により通過する確率を高めることが可能となる。
【００７６】
さらに、本発明に係る第３の半導体発光素子の一態様において、前記コンタクトバリア層の格子定数は、前記ＧａＮ基板の格子定数よりも小さいことが好ましい。
【００７７】
この構成により、コンタクトバリア層に引っ張り歪を生じさせることができ、コンタクトバリア層のバンドギャップエネルギーを増大させることができる。これにより、コンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。従って、注入されたキャリアは、コンタクトバリア層と当該コンタクトバリア層に接する層との界面におけるヘテロスパイクに対して、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、半導体発光素子の動作電圧をさらに低減することができる。
【発明の効果】
【００７８】
本発明に係る半導体発光素子によれば、量子井戸へテロバリア層の複数のコンタクトウェル層の各バンドギャップエネルギーを、第２クラッド層に近づく層につれて徐々に大きくすることができる。これにより、第２クラッド層に近づくにつれて各コンタクトウェル層に存在するエネルギー準位の数を少なくし、かつ、最大のエネルギー準位の大きさを大きくすることができる。
【００７９】
このため、第２クラッド層に近いコンタクトウェル層の最大エネルギー準位に存在するキャリアの存在確率を高め、かつ、コンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位の最低エネルギーの大きさも増大させることが可能となる。
【００８０】
従って、注入されたキャリアを、効率よく、選択的に高いエネルギー準位に存在させることができる。この結果、低いバイアス電圧においてもホールがヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大させることができるので、動作電圧を効率よく低減することができる。
【００８１】
これにより、低動作電圧の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】
【００８２】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す領域Ａの拡大図であって、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示す領域Ｂの拡大図であって、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図である。
【図２】ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層（４０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層に形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。
【図３】ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層（２０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層に形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置において、中間層、量子井戸へテロバリア層及びコンタクト層を接合したときのゼロバイアス時における価電子帯バンドを示す図である。
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における電流−電圧特性を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における電流−光出力特性を示す図である。
【図６】第１の実施形態の変形例に係る半導体レーザ装置において、中間層、量子井戸へテロバリア層及びコンタクト層を接合したときのゼロバイアス時における価電子帯バンドを示す図である。
【図７Ａ】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す領域Ｃの拡大図であって、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図である。
【図７Ｃ】図７Ａに示す領域Ｄの拡大図であって、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図である。
【図８Ａ】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示す領域Ｅの拡大図であって、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図である。
【図９】ＡｌＧａＮコンタクトウェル層（４０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層に形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。
【図１０】ＡｌＧａＮコンタクトウェル層（２０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層に形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。
【図１１】ＡｌＧａＮコンタクトウェル層（４０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層に形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。
【図１２】ＡｌＧａＮコンタクトウェル層（２０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層に形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。
【図１３】ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ／ｐ型ＧａＩｎＰ／ｐ型ＧａＡｓ接合時のバンドを示す図である。
【図１４】ｐ型ＧａＩｎＰ／ｐ型ＧａＡｓ接合時の価電子帯バンドを示す図である。
【図１５】従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【図１６Ａ】従来の半導体レーザ装置において、量子井戸へテロバリア層のＧａＡｓ層の膜厚に対するエネルギー準位とエネルギーの大きさの関係を示す図である。
【図１６Ｂ】ＧａＩｎＰとＧａＡｓのエネルギーバンドを示す図である。
【図１７】従来の半導体レーザ装置において、第２クラッド層、中間層、量子井戸へテロバリア層及びキャップ層を接合したときのゼロバイアス時における価電子帯バンドを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８３】
以下、本発明の実施形態に係る半導体発光素子について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態においては、半導体発光素子の一態様として、半導体レーザ装置の場合について説明する。
【００８４】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について、図１Ａ〜図１Ｃを用いて説明する。図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。また、図１Ｂは、図１Ａに示す領域Ａの拡大図であって、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図である。図１Ｃは、図１Ａに示す領域Ｂの拡大図であって、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図である。
【００８５】
図１Ａに示すように、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００は、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザ光を出力する半導体レーザ装置であって、（１００）面から［０１１］方向に１０°傾けた面を主面とするｎ型のＧａＡｓ基板１１０上に、ｎ型のＧａＡｓからなるバッファ層１１１（０.２μｍ）、ｎ型の（ＡｌX2Ｇａ1-X2）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる第１クラッド層１１２（２.０μｍ）、歪量子井戸構造の活性層１１３、ｐ型の（ＡｌX1Ｇａ1-X1）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる第２クラッド層１１４、ｐ型のＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる中間層１１５（５００Å）、ｐ型の量子井戸へテロバリア層１１６、及び、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層１１７（０．４μｍ）が形成されている。
【００８６】
また、活性層１１３は、図１Ｂに示すように、２つの光ガイド層と、３つのウェル層と、２つのバリア層とからなり、第１クラッド層１１２上に、第２光ガイド層１１３ｇ２、第３ウェル層１１３ｗ３、第２バリア層１１３ｂ２、第２ウェル層１１３ｗ２、第１バリア層１１３ｂ１、第１ウェル層１１３ｗ１及び第１光ガイド層１１３ｇ１の順で形成されている。
【００８７】
なお、第１光ガイド層１１３ｇ１及び第２光ガイド層１１３ｇ２は、いずれも（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなり、膜厚は２００Åである。また、第１ウェル層１１３ｗ１、第２ウェル層１１３ｗ２及び第３ウェル層１１３ｗ３は、いずれもＧａＩｎＰからなる。また、第１バリア層１１３ｂ１及び第２バリア層１１３ｂ２は、いずれも（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる。
【００８８】
また、図１Ａに示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置１００においては、リッジ部が形成されており、リッジ部の側面を覆うようにして、ＳｉＮからなる誘電体の電流ブロック層１１８（０．７μｍ）が形成されている。さらに、コンタクト層１１７の開口部に接し、電流ブロック層１１８を被覆するようにして、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなるｐ型のオーミック電極１１９が形成されている。また、ＧａＡｓ基板１１０に接するようにして、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造からなるｎ型のオーミック電極１２０が形成されている。
【００８９】
本実施形態において、第２クラッド層１１４は、当該第２クラッド層１１４のリッジ上部と活性層１１３との距離が１．４μｍとなるように、また、当該第２クラッド層１１４のリッジ下端部と活性層１１３との距離ｄｐが０．２μｍとなるように構成されている。また、活性層１１３に注入されたキャリアが熱によってオーバーフローすることを抑制するために、第１クラッド層１１２のＡｌ組成Ｘ１及び第２クラッド層１１４のＡｌ組成Ｘ２は、最もバンドギャップエネルギーが大きい０．７としている。
【００９０】
本実施形態に係る半導体レーザ装置１００において、オーミック電極１１９を介してコンタクト層１１７に電流が注入されると、コンタクト層１１７から注入された電流は、電流ブロック層１１８よってリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部の下方に位置する活性層１１３に集中して電流が注入される。
【００９１】
これにより、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が、数十ｍＡ程度の少ない注入電流によって実現することができる。この時、活性層１１３に注入されたキャリアの再結合によって発光した光は、光閉じ込め効果によって高出力レーザ発振となる。具体的には、活性層１１３に対して垂直な方向においては、第１クラッド層１１２及び第２クラッド層１１４によって垂直方向の光閉じ込めが行われ、活性層１１３と平行な方向においては、電流ブロック層１１８が第２クラッド層１１４よりも屈折率が低いために水平方向の光閉じ込めが行われる。しかも、電流ブロック層１１８は、レーザ発振光に対して透明であるため光吸収がないので、電流ブロック層１１８を形成することによって、低損失の光導波路を実現することができる。さらに、光導波路内を伝播するレーザ光の光分布は、電流ブロック層１１８に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１０-3のオーダの屈折率差（Δｎ）を容易に得ることができる。しかも、その大きさを、第２クラッド層１１４のリッジ下端部と活性層１１３との距離ｄｐの大きさによって、同じく１０-3のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電圧の高出力半導体レーザを得ることができる。
【００９２】
ところで、半導体レーザ素子を光ディスクシステムの記録再生の光源として用いる場合、レーザ出射光を光ディスク上に集光するために、半導体レーザにおける光分布は単峰性の基本横モード発振動作を生じさせる必要がある。
【００９３】
高温高出力状態においても安定した基本横モード発振を生じさせるためには、高次横モード発振をカットオフするように導波路の構造を決めなければならない。このためには、上述のΔｎを１０-3のオーダで精密に制御するのみならず、リッジ部の底部の幅を狭くし、高次横モード発振をカットオフ状態にする必要がある。高次横モード発振を抑制するためには、リッジ部底部の幅を３μｍ以下に狭くする必要がある。
【００９４】
しかしながら、リッジ部底部の幅を狭くすると、リッジ部のメサ形状に応じてリッジ部上部の幅も狭くなる。リッジ部上部の幅が狭くなりすぎると、リッジ部上部から素子に向かって注入される電流経路の幅が狭くなり、素子の直列抵抗（Ｒｓ）の増大を招き、動作電圧を増大させてしまうことになる。
【００９５】
従って、安定な基本横モード発振を生じさせるために、リッジ部底部の幅を単純に狭くしてしまうと、動作電圧を増大させてしまい、これが発熱の原因となって高温高出力動作を困難にしてしまう。
【００９６】
そこで、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００では、低動作電圧を実現するために、中間層１１５とコンタクト層１１７との間に、量子井戸へテロバリア層１１６を設けている。
【００９７】
図１Ｃに示すように、本実施形態に係る量子井戸へテロバリア層１１６は、ｐ型の（ＡｌXbpＧａ1-Xbp）YbpＩｎ1-YbpＰからなるコンタクトバリア層１１６ｂ（０≦Ｘｂｐ≦１、０＜Ｙｂｐ＜１）と、ｐ型のＡｌXwpＧａ1-XwpＡｓからなるコンタクトウェル層１１６ｗ（０≦Ｘｗｐ＜１）とを有する。
【００９８】
コンタクトバリア層１１６ｂは、第１コンタクトバリア層１１６ｂ１、第２コンタクトバリア層１１６ｂ２及び第３コンタクトバリア層１１６ｂ３とからなる複数層で構成されている。また、コンタクトウェル層１１６ｗは、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１、第２コンタクトウェル層１１６ｗ２及び第３コンタクトウェル層１１６ｗ３とからなる複数層で構成されている。
【００９９】
量子井戸へテロバリア層１１６の上記各層は、中間層１１５上に、第３コンタクトウェル層１１６ｗ３、第３コンタクトバリア層１１６ｂ３、第２コンタクトウェル層１１６ｗ２、第２コンタクトバリア層１１６ｂ２、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１及び第１コンタクトバリア層１１６ｂ１が順に形成されている。
【０１００】
本実施形態において、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１〜第３コンタクトウェル層１１６ｗ３のＡｌ組成Ｘｗｐ１〜Ｘｗｐ３は、Ｘｗｐ１＜Ｘｗｐ２＜Ｘｗｐ３となるように構成されている。さらに、コンタクトウェル層１１６ｗを構成する各層の各Ａｌ組成Ｘｗｐは、コンタクト層１１７側の層から中間層１１５側（第２クラッド層１１４側）の層に向かって単調に増大するように構成されている。なお、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１〜第３コンタクトウェル層１１６ｗ３の膜厚については、いずれも４０Åとした。
【０１０１】
また、第１コンタクトバリア層１１６ｂ１〜第３コンタクトバリア層１１６ｂ３については、中間層１１５と同じ組成比となるように、Ｘｂｐ＝０、Ｙｂｐ＝０．５１とし、いずれもＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐとした。なお、第１コンタクトバリア層１１６ｂ１〜第３コンタクトバリア層１１６ｂ３の膜厚については、いずれも６０Åとした。
【０１０２】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００における量子井戸ヘテロバリア層１１６の作用について説明する。まず、コンタクトウェル層１１６ｗのＡｌ組成について説明する。
【０１０３】
ここで、例えば、量子井戸へテロバリア層１１６を構成する各コンタクトウェル層１１６ｗの材料を、従来の半導体レーザ装置のように全てＧａＡｓにしたとする。この場合、図１６Ａに示すように、コンタクトウェル層の厚さを２０Å以下に薄膜化したとしても、価電子帯に形成されるホールに対するエネルギー準位は、コンタクトウェル層の価電子帯端エネルギーより０．１ｅＶ程度高エネルギー化されているに過ぎず、図１６Ｂに示すように、ＧａＩｎＰからなる中間層の価電子帯端よりも０．３ｅＶ程度のエネルギー障壁（ΔＥｖｑ）が存在する。
【０１０４】
従って、この場合、仮に、従来の半導体レーザ装置５００と同様に、中間層１１５に近づくに従って３層のＧａＡｓからなるコンタクトウェル層の膜厚を６０Åから２０Åへと段階的に薄膜化したとしても、ホールに対するエネルギー準位の最低エネルギーの大きさは高々０．１ｅＶ程度しか増大しない。このため、中間層１１５に接するコンタクトウェル層１１６ｗにおいて、最大エネルギーとなるホールのエネルギー準位と、ＧａＩｎＰからなる中間層１１５の価電子帯端よりのエネルギーの大きさが０．１５ｅＶとなるようにヘテロ障壁の大きさが低減されたホールのエネルギー準位とを形成することができたとしても、基底状態のエネルギー準位には依然としてホールが存在する。この結果、コンタクト層１１７と中間層１１５との間における全てのホールに対するヘテロ障壁の大きさを効率よく低減することができない。
【０１０５】
そこで、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００では、量子井戸ヘテロバリア層１１６を構成する第１コンタクトウェル層１１６ｗ１〜第３コンタクトウェル層１１６ｗ３をＡｌＧａＡｓで構成し、上述のとおり、Ａｌ組成Ｘｗｐ１〜Ｘｗｐ３が、Ｘｗｐ１＜Ｘｗｐ２＜Ｘｗｐ３とし、各Ａｌ組成Ｘｗｐがコンタクト層１１７側の層から中間層１１５側（第２クラッド層１１４側）の層に向かって単調に増大するように構成した。また、コンタクトバリア層１１６ｂは、ＧａＩｎＰで構成した。これにより、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１〜第３コンタクトウェル層１１６ｗ３の各バンドギャップエネルギーは、ＧａＩｎＰからなる中間層１１５に近づくほど大きくなる。
【０１０６】
ここで、コンタクトウェル層１１６ｗのＡｌ組成に対するコンタクトウェル層１１６ｗに形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係について、図２を用いて説明する。図２は、ＡｌＧａＡｓのコンタクトウェル層１１６ｗ（４０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層１１６ｗに形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。なお、図２において、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚は量子効果を得ることができる４０Åとした。また、コンタクトウェル層１１６ｗのＡｌ組成は、０から０．３５に変化させている。なお、図中、エネルギーは、ＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーからの大きさを表している。また、ＨＨ又はＬＨで示される曲線は、それぞれ、ヘビーホール又はライトホールにおけるエネルギー準位のエネルギーを表している。ＨＨ１及びＬＨ１で示される曲線は、それぞれヘビーホール及びライトホールに対する基底状態のエネルギーを表し、ＨＨ２、ＨＨ３等、数字が大きくなるにつれて高次のエネルギー状態のエネルギーを表している。ＨＨ及びＬＨについては、以降の実施形態においても同様である。
【０１０７】
図２に示すように、コンタクトウェル層１１６ｗのＡｌ組成を大きくするに従って、コンタクトウェル層１１６ｗ内に形成されるホールの基底状態のエネルギー準位は、ＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーに近づいていくことが分かる。また、図２に示すように、Ａｌ組成０．３５では、ＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーとコンタクトウェル層１１６ｗ内に形成されるエネルギーの大きさはほぼ等しくなる。
【０１０８】
さらに、図２に示すように、コンタクトウェル層１１６ｗのＡｌ組成を大きくするに従って、コンタクトウェル層１１６ｗ内に形成されるエネルギー準位の数も少なくなることが分かる。
【０１０９】
従って、コンタクト層１１７に最も近いコンタクトウェル層のＡｌ組成を低くし、中間層１１５に近づくにつれてコンタクトウェル層のＡｌ組成を大きくすることにより、コンタクトウェル層１１６ｗを伝導するに従って、コンタクトウェル層１１６ｗに存在するホールのエネルギーを効率良くＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーに近づけることが可能となる。
【０１１０】
特に、本実施形態において、コンタクト層１１７に最も近いコンタクトウェル層である第１コンタクトウェル層１１６ｗ１のＡｌ組成を、０以上、０．１以下の範囲に設定することが好ましい。これにより、図２に示すように、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１に形成される基底状態のホールのエネルギー準位を、ＧａＩｎＰ価電子帯端に対して、０．１ｅＶ程度近づけることができる。この場合、コンタクト層１１７から注入されたホールは、大きなヘテロ障壁を感受することなくトンネル効果によって第１コンタクトウェル層１１６ｗ１に注入される。
【０１１１】
また、本実施形態において、中間層１１５に最も近いコンタクトウェル層である第３コンタクトウェル層１１６ｗ３のＡｌ組成を、０．２以上、０．３以下の範囲に設定することが好ましい。これにより、図２に示すように、第３コンタクトウェル層１１６ｗ３に存在するホールが中間層１１５に伝導する場合に感受するヘテロ障壁の大きさを、０．１５ｅＶ程度以下とすることができる。この場合、第３コンタクトウェル層１１６ｗ３に存在するホールは、大きなヘテロ障壁を感受することなく中間層１１５に注入される。
【０１１２】
なお、以上、本実施形態において、コンタクトウェル層１１６ｗは、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１〜第３コンタクトウェル層１１６ｗ３の３層で構成し、各層のＡｌ組成Ｘｗｐ１〜Ｘｗｐ３を、それぞれＸｗｐ１＝０．０５、Ｘｗｐ２＝０．１５、Ｘｗｐ３＝０．２５とし、中間層１１５に近づくにつれて、Ａｌ組成を徐々に増加させている。
【０１１３】
以上、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚が４０Åの場合で説明したが、次に、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚が２０Åの場合について、図３を用いて説明する。図３は、ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層（２０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層に形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。図３と図２とは、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚が異なる。なお、図３においても、エネルギーは、ＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーからの大きさを表している。
【０１１４】
図２及び図３を比較すると、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚を薄くすると、同じＡｌ組成で比べたときに、コンタクトウェル層１１６ｗに形成されるホールのエネルギー準位の数が減少することが分かる。例えば、コンタクトウェル層１１６ｗのＡｌ組成を０．０５とした場合、図３に示すように、膜厚が２０Åのときは、ホールのエネルギー準位の数は３準位であり、図２に示す膜厚が４０Åの場合よりもエネルギー準位の数が減少する。従って、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚を薄くすると、コンタクトバリア層１１６ｂをトンネル効果により通過するホールの確率が低下する。逆に、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚を厚くすると、コンタクトバリア層１１６ｂをトンネル効果により通過するホールの確率は高くなる。
【０１１５】
但し、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚を厚くしすぎると、コンタクトウェル層１１６ｗ内に形成されるホールのエネルギー準位の数が多くなりすぎて、高いエネルギー状態にあるホールの確率が低下してしまう。すなわち、ＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーに最も近いエネルギー準位に存在するホールの確率が低下してしまうことになる。
【０１１６】
なお、コンタクトウェル層１１６ｗとコンタクトバリア層１１６ｂとの界面においては界面層同士が混晶化する場合があり、この場合はさらにコンタクトウェル層１１６ｗの平均Ａｌ組成が大きくなり、エネルギー準位の数の減少につながる。
【０１１７】
従って、コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚は、２０Å以上、６０Å以下とすることが好ましい。なお、本実施形態では、各コンタクトウェル層１１６ｗの膜厚は４０Åとしている。
【０１１８】
次に、コンタクトバリア層１１６ｂの電気伝導について、コンタクトバリア層１１６ｂの膜厚との関係について説明する。
【０１１９】
半導体レーザ装置１００にバイアス電圧を印加し、半導体レーザ装置１００に電流を供給すると、コンタクト層１１７から注入されたホールは、まず、コンタクトバリア層１１６ｂ１を介してコンタクトウェル層１１６ｗ１を通過する。この時、コンタクトバリア層１１６ｂ１の膜厚を薄くして、ホールがトンネル効果によりコンタクトバリア層１１６ｂ１を通過できるようにする必要がある。これにより、ホールは、コンタクトバリア層１１６ｂ１とコンタクト層１１７との界面にヘテロ障壁が存在していても、低いバイアス電圧時においてもコンタクトウェル層１１６ｗ１に到達することができる。
【０１２０】
このトンネル効果を生じさせるためには、第１コンタクトバリア層１１６ｂ１〜第３コンタクトバリア層１１６ｂ３の厚さは、ホールの波動関数の波長程度以下の薄さである必要があり、８０Å以下でなければならない。
【０１２１】
逆に、第１コンタクトバリア層１１６ｂ１〜第３コンタクトバリア層１１６ｂ３の厚さを薄くしすぎると、コンタクトウェル層間の量子準位の結合が強くなり、ミニバンドが形成されてしまうことになる。
【０１２２】
この場合、各コンタクトウェル層１１６ｗ１〜１１６ｗ３で形成されるホールのエネルギー準位が分裂し、コンタクトウェル層内においてエネルギーの低い状態に存在するホールの確率が増大することになる。このため、第３コンタクトウェル層１１６ｗ３から中間層１１５にホールが伝導する場合に、依然として、大きなヘテロ障壁の影響を受けるホールの割合が増し、動作電圧の低減効果が薄れてしまうことになる。
【０１２３】
従って、高いトンネル確率を維持し、コンタクトウェル層間のホールの量子準位の結合によるミニバンドの形成を防止するためには、コンタクトバリア層１１６ｂの膜厚は、２０Å以上、８０Å以下とすることが好ましい。なお、本実施形態において、各コンタクトバリア層１１６ｂの膜厚は６０Åとしている。
【０１２４】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００において、中間層１１５、量子井戸へテロバリア層１１６及びコンタクト層１１７を接合したときの価電子帯バンドについて説明する。図４は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００において、中間層、量子井戸へテロバリア層及びコンタクト層を接合したときのゼロバイアス時における価電子帯バンドを示す図である。
【０１２５】
本実施形態において、第２クラッド層１１４は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐとし、中間層１１５は、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐとし、コンタクト層１１７はＧａＡｓとした。
【０１２６】
また、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１〜第３コンタクトウェル層１１６ｗ３の各層のＡｌ組成Ｘｗｐ１〜Ｘｗｐ３は、上述のとおり、Ｘｗｐ１＝０．０５、Ｘｗｐ２＝０．１５、Ｘｗｐ３＝０．２５とした。すなわち、コンタクト層１１７側の第１コンタクトウェル層１１６ｗ１をＡｌ0.05Ｇａ0.95Ａｓとし、中間の第２コンタクトウェル層１１６ｗ２をＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとし、中間層１１５側の第３コンタクトウェル層１１６ｗ３をＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓとした。
【０１２７】
以上の本実施形態に係る半導体レーザ装置１００における、第２クラッド層１１４、コンタクト層１１７、第１コンタクトウェル層１１６ｗ１、第２コンタクトウェル層１１６ｗ２及び第３コンタクトウェル層１１６ｗ３について、各バンドギャップエネルギーをＥCLD2、ＥCNT、ＥCW1、ＥCW2及びＥCW3としたときに、ＥCLD2＞ＥCNT、かつ、ＥCW1＜ＥCW2＜ＥCW3となっている。
【０１２８】
また、第１コンタクトバリア層１１６ｂ１〜第３コンタクトバリア層１１６ｂ３については、膜厚を６０Åとし、Ａｌ組成及びＧａ組成を、Ａｌ組成Ｘｂｐ＝０、Ｇａ組成Ｙｂｐ＝０．５１として、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐとしている。
【０１２９】
これにより、コンタクト層１１７に最も近い第１コンタクトバリア層１１６ｂ１に形成されるホールのエネルギー準位の数は５準位となり、エネルギー準位を多くすることができる。これにより、コンタクト層１１７からコンタクトバリア層１１６ｂ１にトンネル効果で通過するホールの割合を大きくすることができる。
【０１３０】
このとき、第１コンタクトバリア層１１６ｂ１〜第３コンタクトバリア層１１６ｂ３のバンドギャップエネルギーをＥｃｂとしたときに、ＥCLD2≧ＥCB＞ＥCW3＞ＥCW2＞ＥCW1≧ＥCNTとなっている。
【０１３１】
このように構成された本実施形態に係る半導体レーザ装置１００では、図４に示すように、ホールが量子井戸へテロバリア層１１６をトンネル効果によって伝導するに従って、コンタクトウェル層１１６ｗ１から１１６ｗ３へと効率よくホールの高いエネルギー準位を介して伝導することになる。この場合、第３コンタクトウェル層１１６ｗ３で形成されるホールの最大エネルギー準位に対して、ＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーからのエネルギーの大きさが０．０５ｅＶまで低減されるので、ホールは低いバイアス電圧印加時においても、コンタクト層１１７から中間層１１５へと伝導することができる。
【０１３２】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００における電流−電圧特性及び電流−光出力特性について、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の電流−電圧特性を示す図である。図５Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の電流−光出力特性を示す図である。なお、図５Ｂは、８５℃、５０ｎｓ、デューティ５０％の状態での高温パルス駆動における電流−光出力特性である。また、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、「本発明」とは、量子井戸へテロバリア層１１６を用いた本実施形態に係る半導体レーザ装置１００における特性曲線を表しており、「比較例」とは、量子井戸へテロバリア層を用いない半導体レーザ装置における特性曲線を表している。
【０１３３】
図５Ａに示すように、量子井戸へテロバリア層１１６を用いた本実施形態に係る半導体レーザ装置１００は、比較例の量子井戸へテロバリア層を用いない半導体レーザ装置と比べて、動作電圧を０．２Ｖ程度安定して低減することが可能となった。
【０１３４】
また、図５Ｂに示すように、量子井戸へテロバリア層１１６を用いた本実施形態に係る半導体レーザ装置１００は、比較例の量子井戸へテロバリア層を用いない半導体レーザ装置と比べて、熱飽和レベルが５０ｍＷ程度改善していることが確認できた。
【０１３５】
（第１の実施形態の変形例）
次に、第１の実施形態の変形例に係る半導体レーザ装置について説明する。
【０１３６】
上記の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００では、コンタクトウェル層１１６ｗを構成する層の膜厚は一定としたが、本変形例に係る半導体レーザ装置では、コンタクトウェル層１１６ｗを構成する膜厚を変化させている。
【０１３７】
すなわち、本変形例に係る半導体レーザ装置では、コンタクトウェル層１１６ｗを構成する層のＡｌ組成をコンタクト層１１７から中間層１１５に近づくにつれて徐々に大きくするとともに、コンタクトウェル層１１６ｗを構成する層の膜厚をコンタクト層１１７から中間層１１５に近づくにつれて徐々に薄くなるように変化させている。なお、その他の構成については、上述の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００と同様である。
【０１３８】
具体的には、コンタクト層１１７に最も近い第１コンタクトウェル層１１６ｗ１の膜厚を６０Åとし、Ａｌ組成を０．０５とした。また、第２コンタクトウェル層１１６ｗ２の膜厚を４０Åとし、Ａｌ組成を０．１５とした。また、中間層１１５に最も近い第３コンタクトウェル層１１６ｗ３１の膜厚を２０Åとし、Ａｌ組成を０．２５とした。
【０１３９】
図６は、第１の実施形態の変形例に係る半導体レーザ装置において、中間層、量子井戸へテロバリア層及びコンタクト層を接合したときのゼロバイアス時における価電子帯バンドを示す図である。
【０１４０】
図６に示すように、本変形例に係る半導体レーザ装置は、コンタクトウェル層１１６ｗに存在するホールのエネルギーを、中間層１１５に近いコンタクトウェル層ほど、ＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーに近づけることができる。さらに、本変形例に係る半導体レーザ装置は、ホールのエネルギー準位の数を減少させることもできる。
【０１４１】
この結果、コンタクト層１１７から注入されたホールを、第３コンタクトウェル層１１６ｗ３において最もＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーに近いエネルギー準位に効率良く存在させることが可能となり、上記の第１の実施形態の半導体レーザ装置１００よりもさらに動作電圧を低減することが可能となる。
【０１４２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置について、図７Ａ〜図７Ｃを用いて説明する。図７Ａは、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。また、図７Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図であり、図７Ａに示す領域Ｃの拡大図である。図７Ｃは、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図であり、図７Ａに示す領域Ｄの拡大図である。
【０１４３】
図７Ａに示すように、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２００は、ＡｌＧａＡｓ系の赤外レーザ光を出力する半導体レーザ装置であって、ｎ型のＧａＡｓ基板２１０上に、ｎ型のＧａＡｓからなるバッファ層２１１（０.５μｍ）、ｎ型の（ＡｌX4Ｇａ1-X4）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる第１クラッド層２１２（２．０μｍ）、量子井戸構造の活性層２１３、ｐ型の（ＡｌX3Ｇａ1-X3）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる第２クラッド層２１４、ｐ型のＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる中間層２１５（５００Å）、ｐ型の量子井戸へテロバリア層２１６、及び、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２１７（０．４μｍ）が形成されている。
【０１４４】
また、活性層２１３は、図７Ｂに示すように、第１光ガイド層２１３ｇ１、第２光ガイド層２１３ｇ２、第１ウェル層２１３ｗ１、第２ウェル層２１３ｗ２、及び、第１バリア層２１３ｂ１によって構成されている。これらの層は、第１クラッド層２１２上に、第２光ガイド層２１３ｇ２、第２ウェル層２１３ｗ２、第１バリア層２１３ｂ１、第１ウェル層２１３ｗ１及び第１光ガイド層２１３ｇ１の順で形成されている。
【０１４５】
なお、第１光ガイド層２１３ｇ１及び第２光ガイド層２１３ｇ２は、いずれも、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなり、膜厚は２００Åである。また、第１ウェル層２１３ｗ１及び第２ウェル層２１３ｗ２は、いずれもＧａＡｓからなる。また、第１バリア層２１３ｂ１は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなる。
【０１４６】
また、本実施形態に係る半導体レーザ装置２００は、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１００と同様に、リッジ部が形成されており、リッジ部の側面を覆うようにして、ＳｉＮからなる誘電体の電流ブロック層２１８（０．７μｍ）が形成されている。さらに、コンタクト層２１７の開口部に接し、電流ブロック層２１８を被覆するようにして、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなるｐ型のオーミック電極２１９が形成されている。また、ＧａＡｓ基板１１０に接するようにして、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造からなるｎ型のオーミック電極２２０が形成されている。
【０１４７】
本実施形態において、第２クラッド層２１４は、当該第２クラッド層２１４のリッジ上部と活性層２１３との距離が１．４μｍとなるように、また、当該第２クラッド層２１４のリッジ下端部と活性層２１３との距離ｄｐが０．２４μｍとなるように構成されている。
【０１４８】
また、活性層２１３に注入されたキャリアが熱によってオーバーフローすることを抑制するために、第１クラッド層のＡｌ組成Ｘ３及び第２クラッド層のＡｌ組成Ｘ２はそれぞれ、最もバンドギャップエネルギーが大きい０．７としている。
【０１４９】
また、本実施形態では、活性層２１３にＡｌＧａＡｓ系材料を使用し、第１クラッド層２１２及び第２クラッド層２１４にＡｌＧａＩｎＰ系材料を使用しているため、活性層とクラッド層間のバンドギャップエネルギーの差が大きくなり、活性層２１３に注入されたキャリアの熱によるオーバーフローの発生をさらに抑制することができる。
【０１５０】
このように構成される本実施形態に係る半導体レーザ装置２００は、オーミック電極２１９を介してコンタクト層２１７に電流が注入されると、コンタクト層２１７から注入された電流は、電流ブロック層２１８よってリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部の下方に位置する活性層２１３に集中して電流が注入される。
【０１５１】
これにより、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が、数十ｍＡ程度の少ない注入電流によって実現することができる。この時、活性層２１３に注入されたキャリアの再結合によって発光した光は、光閉じ込め効果によって高出力レーザ発振となる。具体的には、活性層２１３に対して垂直な方向においては、第１クラッド層２１２及び第２クラッド層２１４によって垂直方向の光閉じ込めが行われ、活性層２１３と平行な方向においては、電流ブロック層２１８が第２クラッド層２１４よりも屈折率が低いために水平方向の光閉じ込めが行われる。しかも、電流ブロック層２１８は、レーザ発振光に対して透明であるため光吸収がないので、電流ブロック層２１８を形成することによって、低損失の光導波路を実現することができる。さらに、光導波路内を伝播するレーザ光の光分布は、電流ブロック層２１８に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１０-3のオーダのΔｎを容易に得ることができる。しかも、その大きさを、第２クラッド層２１４のリッジ下端部と活性層２１３との距離ｄｐの大きさによって、同じく１０-3のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電圧の高出力半導体レーザを得ることができる。
【０１５２】
第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る半導体レーザ装置２００を光ディスクシステムの記録再生の光源として用いる場合、レーザ出射光を光ディスク上に集光するために、半導体レーザにおける光分布は単峰性の基本横モード発振動作を生じさせる必要がある。
【０１５３】
高温高出力状態においても安定した基本横モード発振を生じさせるためには、高次横モード発振をカットオフするように導波路の構造を決めなければならない。このためには、上述のΔｎを１０-3のオーダで精密に制御するのみならず、リッジ部の底部の幅を狭くし、高次横モード発振をカットオフ状態にする必要がある。高次横モード発振を抑制するためには、リッジ部底部の幅を４μｍ以下に狭くする必要がある。
【０１５４】
しかしながら、リッジ部底部の幅を狭くすると、リッジ部のメサ形状に応じてリッジ部上部の幅も狭くなる。リッジ部上部の幅が狭くなりすぎると、リッジ部上部から素子に向かって注入される電流経路の幅が狭くなり、素子の直列抵抗（Ｒｓ）の増大を招き、動作電圧を増大させてしまうことになる。
【０１５５】
従って、安定な基本横モード発振を生じさせるために、リッジ部底部の幅を単純に狭くしてしまうと、動作電圧を増大させてしまい、これが発熱の原因となって高温高出力動作を困難にしてしまう。
【０１５６】
そこで、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２００では、低動作電圧を実現するために、中間層２１５とコンタクト層２１７との間に、量子井戸へテロバリア層２１６を設けた。
【０１５７】
本実施形態に係る量子井戸へテロバリア層２１６は、図７Ｃに示すように、ｐ型のＧａＩｎＰからなるコンタクトバリア層２１６ｂと、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなるコンタクトウェル層２１６ｗとを有する。
【０１５８】
コンタクトバリア層２１６ｂは、第１コンタクトバリア層２１６ｂ１、第２コンタクトバリア層２１６ｂ２及び第３コンタクトバリア層２１６ｂ３とからなる複数層で構成されている。また、コンタクトウェル層２１６ｗは、第１コンタクトウェル層２１６ｗ１、第２コンタクトウェル層２１６ｗ２及び第３コンタクトウェル層２１６ｗ３とからなる複数層で構成されている。
【０１５９】
量子井戸へテロバリア層１１６の上記各層は、中間層２１５上に、第３コンタクトウェル層２１６ｗ３、第３コンタクトバリア層２１６ｂ３、第２コンタクトウェル層２１６ｗ２、第２コンタクトバリア層２１６ｂ２、第１コンタクトウェル層２１６ｗ１及び第１コンタクトバリア層２１６ｂ１が順に形成されている。
【０１６０】
本実施形態において、第１コンタクトウェル層２１６ｗ１〜第３コンタクトウェル層２１６ｗ３のＡｌ組成は、コンタクト層２１７側の層から中間層２１５側（第２クラッド層２１４側）の層に向かって単調に増大するように構成されている。
【０１６１】
また、第１コンタクトウェル層２１６ｗ１〜第３コンタクトウェル層２１６ｗ３の膜厚は、量子効果を得ることができる４０Åとした。また、コンタクトウェル層１１６ｗのＡｌ組成は、第１の実施形態と同様に、中間層２１５に近づくにつれて、０．０５、０．１５、０．２５と徐々に増加させている。
【０１６２】
この様な構成とすることにより、ホールがコンタクトウェル層２１６ｗを中間層２１５に向かって伝導するに従って、コンタクトウェル層２１６ｗに存在するホールのエネルギーを効率良くＧａＩｎＰ価電子帯端エネルギーに近づけることが可能となる。従って、ＡｌＧａＡｓ系の活性層を有し、クラッド層がＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる赤外レーザ素子においても、動作電圧を低減することが可能となる。
【０１６３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置について、図８Ａ及び図８Ｂを用いて説明する。図８Ａは、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。また、図８Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の要部拡大断面図であり、図８Ａに示す領域Ｅの拡大図である。
【０１６４】
図８Ａに示すように、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置は、窒化物材料系の青紫レーザ光を出力する半導体レーザ装置であって、ＧａＮ基板３１０上に、ｎ型のＡｌＧａＮからなる第１クラッド層３１２（２．５μｍ）、ｎ型のＡｌＧａＮからなる第１ガイド層３１３（８６０Å）、ＩｎＧａＮ系材料からなる量子井戸構造の活性層３１４、ｐ型のＡｌＧａＮからなる電子ブロック層３１５（１００Å）、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第２クラッド層３１６、ｐ型の量子井戸へテロバリア層３１７、及び、ｐ型のＧａＮからなるコンタクト層３１８(０．１μｍ)が順に形成されている。
【０１６５】
また、本実施形態に係る半導体レーザ装置３００は、リッジ部が形成されており、リッジ部の側面を覆うようにして、ＳｉＮからなる誘電体の電流ブロック層３１９（０．１μｍ）が形成されている。さらに、コンタクト層３１８の開口部に接し、電流ブロック層３１９を被覆するようにして、Ｐｄ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造からなるｐ型のオーミック電極３２０が形成されている。また、ＧａＮ基板３１０に接するようにして、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなるｎ型のオーミック電極３２１が形成されている。なお、本実施形態において、リッジ部の幅は１．４μｍとした。
【０１６６】
本実施形態において、第２クラッド層３１６は、当該第２クラッド層３１６のリッジ上部と活性層３１４との距離が０．５μｍとなるように、また、当該第２クラッド層３１６のリッジ下端部と活性層３１４との距離ｄｐが０．１μｍとなるように構成されている。
【０１６７】
また、活性層３１４に注入されたキャリアが熱によってオーバーフローすることを抑制するために、第２クラッド層のＡｌ組成は、０．１としている。
【０１６８】
また、本実施形態において、第１クラッド層３１２及び第２クラッド層３１６のＡｌ組成を大きくすることにより、活性層とクラッド層間のバンドギャップエネルギー差を大きくすることができ、活性層３１４に注入されたキャリアの発熱によるキャリアオーバーフローをさらに抑制することができる。但し、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ基板との熱膨張係数の差のために、ＡｌＧａＮからなるクラッド層のＡｌ組成を大きくしすぎると、格子欠陥が生じて信頼性の低下につながる。従って、クラッド層のＡｌ組成は、０．２以下で素子を作製することが好ましい。
【０１６９】
このように構成される本実施形態に係る半導体レーザ装置３００は、オーミック電極３２０を介してコンタクト層３１８に電流が注入されると、コンタクト層３１８から注入された電流は、電流ブロック層３１９よってリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部の下方に位置する活性層３１４に集中して電流が注入される。
【０１７０】
これにより、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が、数十ｍＡ程度の少ない注入電流によって実現することができる。この時、活性層３１４に注入されたキャリアの再結合によって発光した光は、光閉じ込め効果によって高出力レーザ発振となる。具体的には、活性層３１４に対して垂直な方向においては、第１クラッド層３１２及び第２クラッド層３１６によって垂直方向の光閉じ込めが行われ、活性層３１４と平行な方向においては、電流ブロック層３１９が第２クラッド層３１６よりも屈折率が低いために水平方向の光閉じ込めが行われる。しかも、電流ブロック層３１９は、レーザ発振光に対して透明であるため光吸収がないので、電流ブロック層３１９を形成することによって、低損失の光導波路を実現することができる。さらに、光導波路内を伝播するレーザ光の光分布は、電流ブロック層３１９に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１０-3のオーダの屈折率差（Δｎ）を容易に得ることができる。しかも、その大きさを、第２クラッド層３１６のリッジ下端部と活性層３１４との距離ｄｐの大きさによって、同じく１０-3のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電圧の高出力半導体レーザを得ることができる。
【０１７１】
本実施形態に係る半導体レーザ装置３００を光ディスクシステムの記録再生の光源として用いる場合、第１及び第２の実施形態と同様に、レーザ出射光を光ディスク上に集光するために、半導体レーザにおける光分布は単峰性の基本横モード発振動作を生じさせる必要がある。
【０１７２】
高温高出力状態においても安定した基本横モード発振を生じさせるためには、高次横モード発振をカットオフするように導波路の構造を決めなければならない。このためには、上述のΔｎを１０-3のオーダで精密に制御するのみならず、リッジ部の底部の幅を狭くし、高次横モード発振をカットオフ状態にする必要がある。高次横モード発振を抑制するためには、リッジ部底部の幅を１．５μｍ以下に狭くする必要がある。
【０１７３】
しかしながら、リッジ部底部の幅を狭くすると、リッジ部のメサ形状に応じてリッジ部上部の幅も狭くなる。リッジ部上部の幅が狭くなりすぎると、リッジ部上部から素子に向かって注入される電流経路の幅が狭くなり、素子の直列抵抗（Ｒｓ）の増大を招き、動作電圧を増大させてしまうことになる。
【０１７４】
従って、安定な基本横モード発振を生じさせるために、リッジ部底部の幅を単純に狭くしてしまうと、動作電圧を増大させてしまい、これが発熱の原因となって高温高出力動作を困難にしてしまう。
【０１７５】
そこで、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３００では、低動作電圧を実現するために、第２クラッド層３１６とコンタクト層３１８との間に、量子井戸へテロバリア層３１７を設けた。
【０１７６】
本実施形態に係る量子井戸へテロバリア層３１７は、図８Ｂに示すように、ｐ型のＡｌXbnＧａYbnＩｎ1-Xbn-YbnＮからなるコンタクトバリア層３１７ｂ（０≦Ｘｂｎ＜１、０＜Ｙｂｎ≦１、０≦１−Ｘｂｎ−Ｙｂｎ＜１）と、ｐ型のＡｌXwnＧａYwnＩｎ1-Xwn-YwnＮからなるコンタクトウェル層３１７ｗ（０≦Ｘｗｎ＜１、０＜Ｙｗｎ≦１、０≦１−Ｘｗｎ−Ｙｗｎ＜１）とからなる。
【０１７７】
コンタクトバリア層３１７ｂは、第１コンタクトバリア層３１７ｂ１、第２コンタクトバリア層３１７ｂ２及び第３コンタクトバリア層３１７ｂ３とからなる複数層で構成されている。また、コンタクトウェル層３１７ｗは、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１、第２コンタクトウェル層３１７ｗ２及び第３コンタクトウェル層３１７ｗ３とからなる複数層で構成されている。
【０１７８】
量子井戸へテロバリア層３１７の上記各層は、第２クラッド層３１６上に、第３コンタクトウェル層３１７ｗ３、第３コンタクトバリア層３１７ｂ３、第２コンタクトウェル層３１７ｗ２、第２コンタクトバリア層３１７ｂ２、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１及び第１コンタクトバリア層３１７ｂ１が順に形成されている。
【０１７９】
また、本実施形態において、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１〜第３コンタクトウェル層３１７ｗ３のＡｌ組成Ｘｗｎ１〜Ｘｗｎ３は、Ｘｗｎ１＜Ｘｗｎ２＜Ｘｗｎ３となるように構成されている。つまり、コンタクトウェル層３１７ｗを構成する複数層の各Ａｌ組成Ｘｗｐは、コンタクト層３１８側の層から第２クラッド層３１６に向かって単調に増大するように構成されている。
【０１８０】
また、第１コンタクトバリア層３１７ｂ１〜第３コンタクトバリア層３１７ｂ３については、第２クラッド層３１６と同じ組成比となるように、Ｘｂｎ＝０．１、Ｙｂｎ＝０．９とし、いずれもＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとした。
【０１８１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３００における量子井戸ヘテロバリア層３１７の作用について詳述する。
【０１８２】
量子井戸へテロバリア層３１７を用いない構造においては、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第２クラッド層３１６のＡｌ組成を０．１、０．２とした場合、ｐ型のＧａＮからなるコンタクト層３１８との界面において、ホールに対してそれぞれ０．０７ｅＶ、０．１４ｅＶのヘテロ障壁が形成されることになる。
【０１８３】
このヘテロ障壁のために、電流−電圧特性における立ち上がり電圧が増大するのみならず、素子の直列抵抗（Ｒｓ）が増大し、動作電圧の増大につながってしまう。本実施形態のように、窒化物系半導体レーザにおいては、材料物性上、バンドギャップエネルギーが大きいために、元々動作電圧が高い。従って、本実施形態のような窒化物系半導体レーザにおいては、動作電圧を低減することが非常に重要である。
【０１８４】
そこで、上述のとおり、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３００では、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第２クラッド層３１６とｐ型のＧａＮからなるコンタクト層３１８との間に、コンタクトウェル層３１７ｗを有する量子井戸へテロバリア層３１７を設けている。
【０１８５】
以下、第２クラッド層３１６と、量子井戸へテロバリア層３１７におけるコンタクトウェル層３１７ｗ及びコンタクトバリア層３１７ｂと、コンタクト層３１８において、Ａｌ組成及び膜厚の関係について、図９〜図１２を参照しながら詳述する。
【０１８６】
図９は、ＡｌＧａＮのコンタクトウェル層３１７ｗ（４０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層３１７ｗに形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。
【０１８７】
ここで、図９において、第２クラッド層３１６としてＡｌ組成が０．１のＡｌＧａＮを用い、第１コンタクトバリア層３１７ｂ１〜第３コンタクトバリア層３１７ｂ３ｂ３としてＡｌ組成０．１がＡｌＧａＮを用い、さらに、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１〜第３コンタクトウェル層３１７ｗ３として厚さが４０ÅのＡｌＧａＮを用いた。この場合において、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１〜第３コンタクトウェル層３１７ｗ３のＡｌ組成を、０から０．０８まで変化させた。なお、図９に示すエネルギーは、ＡｌＧａＮのコンタクトバリア層の価電子帯端からの量子準位エネルギーの差を示している。
【０１８８】
図９に示すように、ＡｌＧａＮのコンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成を第２クラッド層３１６のＡｌ組成（０．１）に近づけるようにして、コンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成を０．０２５、０．０５、０．０７５と増大させる。この場合、コンタクトウェル層内に形成されるホールのエネルギー準位を第２クラッド層３１６の価電子帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の正孔のエネルギー準位を、０．０２４ｅＶ、０．０１３ｅＶ、０．００５ｅＶと、０．０１ｅＶ程度の小さな間隔で順次近づけることができる。
【０１８９】
この結果、コンタクト層３１８から第２クラッド層３１６に向かって注入されるホールのエネルギーレベルは、第２クラッド層３１６に近づくにつれて効率良く増大し、これにより、注入されたホールは、量子井戸へテロバリア層３１７を介して、第２クラッド層３１６に効率よく到達する。この結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
【０１９０】
図１０は、ＡｌＧａＮのコンタクトウェル層３１７ｗ（２０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層３１７ｗに形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。なお、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１〜第３コンタクトウェル層３１７ｗ３の厚さ以外は、図９と同様の条件である。
【０１９１】
図１０に示すように、ＡｌＧａＮのコンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成を第２クラッド層３１６のＡｌ組成（０．１）に近づけるように、コンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成を０．０２５、０．０５、０．０７５と増大させる。この場合、コンタクトウェル層内に形成されるホールのエネルギー準位を第２クラッド層３１６の価電子帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の正孔のエネルギー準位を、０．０３７ｅＶ、０．０２５ｅＶ、０．０１ｅＶと、０．０１ｅＶ程度の小さな間隔で順次近づけることが可能となる。
【０１９２】
この結果、上述の図９と同様に、コンタクト層３１８から第２クラッド層３１６に向かって注入されるホールのエネルギーレベルは、第２クラッド層３１６に近づくにつれて効率良く増大し、これにより、注入されたホールは、量子井戸へテロバリア層３１７を介して、第２クラッド層３１６に効率よく到達する。この結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
【０１９３】
図１１は、ＡｌＧａＮのコンタクトウェル層３１７ｗ（４０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層３１７ｗに形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。コンタクトウェル層３１７ｗ（４０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層３１７ｗに形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。
【０１９４】
ここで、図１１において、第２クラッド層３１６としてＡｌ組成が０．２のＡｌＧａＮを用い、第１コンタクトバリア層３１７ｂ１〜第３コンタクトバリア層３１７ｂ３としてＡｌ組成が０．２のＡｌＧａＮを用い、さらに、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１〜第３コンタクトウェル層３１７ｗ３として厚さが４０ÅのＡｌＧａＮを用いた。この場合において、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１〜第３コンタクトウェル層３１７ｗ３のＡｌ組成を、０から０．１６まで変化させた。なお、図１１に示すエネルギーは、ＡｌＧａＮのコンタクトバリア層の価電子帯端からの量子準位エネルギーの差を示している。
【０１９５】
図１１に示すように、ＡｌＧａＮのコンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成を第２クラッド層３１６のＡｌ組成（０．２）に近づけるようにして、コンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成を０．０５、０．１、０．１５と増大させる。この場合、コンタクトウェル層内に形成されるホールのエネルギー準位を第２クラッド層３１６の価電子帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の正孔のエネルギー準位を、０．０８８ｅＶ、０．０５６ｅＶ、０．０２８ｅＶと、０．０３ｅＶ程度の小さな間隔で順次近づけることができる。
【０１９６】
この結果、コンタクト層３１８から第２クラッド層３１６に向かって注入されるホールのエネルギーレベルは、第２クラッド層３１６に近づくにつれて効率良く増大し、これにより、注入されたホールは、量子井戸へテロバリア層３１７を介して、第２クラッド層３１６に効率よく到達する。この結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
【０１９７】
図１２は、ＡｌＧａＮのコンタクトウェル層３１７ｗ（２０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層３１７ｗに形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。コンタクトウェル層３１７ｗ（２０Å）のＡｌ組成に対するコンタクトウェル層３１７ｗに形成されるホールのエネルギー準位とエネルギーの大きさとの関係を示す図である。なお、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１〜第３コンタクトウェル層３１７ｗ３の厚さ以外は、図１１と同様の条件である。
【０１９８】
図１２に示すように、ＡｌＧａＮのコンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成を第２クラッド層３１６のＡｌ組成（０．２）に近づけるようにして、コンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成を０．０５、０．１、０．１５と増大させる。この場合、コンタクトウェル層内に形成されるホールのエネルギー準位を第２クラッド層３１６の価電子帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の正孔のエネルギー準位を、０．０７ｅＶ、０．０４３ｅＶ、０．０１８ｅＶと、０．０３ｅＶ程度の小さな間隔で順次近づけることが可能となる。
【０１９９】
この結果、上述の図１１と同様に、コンタクト層３１８から第２クラッド層３１６に向かって注入されるホールのエネルギーレベルは、第２クラッド層３１６に近づくにつれて効率良く増大し、これにより、注入されたホールは、量子井戸へテロバリア層３１７を介して、第２クラッド層３１６に効率よく到達する。この結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
【０２００】
その他、コンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成に関し、特に、コンタクト層３１８に最も近い第１コンタクトウェル層３１７ｗ１のＡｌ組成は、０以上、０．０５以下とすることが好ましい。これにより、第１コンタクトウェル層３１７ｗ１で形成されるホールの基底状態のエネルギー準位を、ｐ型ＧａＮの価電子帯のホールのエネルギーと近づけることができるので、注入されたホールが、第１コンタクトバリア層３１７ｂ１をトンネル効果で通過する確率が高まり、さらに動作電圧の低減を行うことができる。
【０２０１】
さらに、コンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成は、第２クラッド層３１６のＡｌ組成以下とすることが好ましい。これにより、コンタクトウェル層３１７ｗに形成されるホールのエネルギーが必要以上に高くなることを防止することができる。
【０２０２】
また、コンタクトウェル層３１７ｗの膜厚に関して、図９〜図１２に示すように、コンタクトウェル層３１７ｗの膜厚を薄くした場合、コンタクトウェル層３１７ｗに形成されるホールのエネルギー準位の数が減少することが分かる。従って、コンタクトウェル層３１７ｗの膜厚を薄くした方が、コンタクトバリア層３１７ｂをトンネル効果により通過するホールの確率が低下する。逆に、コンタクトウェル層３１７ｗの膜厚を厚くすると、コンタクトバリア層３１７ｂをトンネル効果により通過するホールの確率は高くなる。
【０２０３】
但し、コンタクトウェル層３１７ｗの膜厚を厚くしすぎると、コンタクトウェル層３１７ｗ内に形成されるホールのエネルギー準位の数が多くなりすぎて、高いエネルギー状態にあるホールの確率が低下してしまう。すなわち、ＡｌＧａＮ価電子帯端エネルギーに最も近いエネルギー準位に存在するホールの確率が低下してしまうことになる。
【０２０４】
なお、コンタクトウェル層３１７ｗとコンタクトバリア層３１７ｂとの界面においては界面層同士が混晶化する場合があり、この場合はさらにコンタクトウェル層３１７ｗの平均Ａｌ組成が大きくなり、エネルギー準位の数の減少につながる。
【０２０５】
従って、本実施形態においても、コンタクトウェル層３１７ｗの膜厚は、２０Å以上、６０Å以下とすることが好ましい。なお、本実施形態例では、各コンタクトウェル層３１７ｗの膜厚は４０Åとしている。
【０２０６】
また、コンタクトバリア層３１７ｂについては、コンタクトバリア層３１７ｂにトンネル効果を生じさせるために、第１コンタクトバリア層３１７ｂ１〜第３コンタクトバリア層３１７ｂ３の厚さは、ホールの波動関数の波長程度以下の薄さである必要があり、８０Å以下でなければならない。
【０２０７】
逆に、第１コンタクトバリア層１１６ｂ１〜第３コンタクトバリア層１１６ｂ３の厚さを薄くしすぎると、コンタクトウェル層間の量子準位の結合が強くなり、ミニバンドが形成されてしまうことになる。
【０２０８】
この場合、各コンタクトウェル層３１７ｗ１〜３１７ｗ３で形成されるホールのエネルギー準位が分裂し、コンタクトウェル層内においてエネルギーの低い状態に存在するホールの確率が増大することになる。このため、第３コンタクトウェル層３１７ｗ３から第２クラッド層３１６にホールが伝導する場合に、依然として、大きなヘテロ障壁の影響を受けるホールの割合が増し、動作電圧の低減効果が薄れてしまうことになる。
【０２０９】
従って、高いトンネル確率を維持し、コンタクトウェル層間のホールの量子準位の結合によるミニバンドの形成を防止するめには、コンタクトバリア層３１７ｂの膜厚は、２０Å以上、８０Å以下とすることが好ましい。なお、本実施形態において、各コンタクトバリア層３１７ｂの膜厚は６０Åとしている。
【０２１０】
以上説明したように、窒化物系の半導体レーザにおいても、ｐ型のＧａＮからなるコンタクト層３１８と、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第２クラッド層３１６との間に、第２クラッド層３１６に向かっていくに従ってバンドギャップエネルギーが増大するようなコンタクトウェル層３１７ｗを有する量子井戸へテロバリア層３１７を備えることにより、低いバイアス電圧印加時においても、ホールは、ｐ型のコンタクト層３１８からｐ型の第２クラッド層３１６へと効率よく伝導することが可能となる。
【０２１１】
また、コンタクトウェル層３１７ｗのＡｌ組成とバンドギャップエネルギーとは、第２クラッド層３１６に近づくにつれて、徐々に大きくし、また、膜厚は徐々に薄くなるように変化させてもよい。具体的には、コンタクト層３１８に近い方のコンタクトウェル層３１７ｗから順に、膜厚を６０Å、４０Å、２０Åとし、Ａｌ組成を０．０２５、０．０５、０．０７５とする。これにより、コンタクトウェル層３１７ｗに存在するホールのエネルギーを、第２クラッド層３１６に近いコンタクトウェル層ほど、ＡｌＧａＮ価電子帯端エネルギーに近づけることができる。さらに、本実施形態に係る半導体レーザ装置３００は、ホールのエネルギー準位の数を減少させることが可能となる。
【０２１２】
この結果、コンタクト層３１８から注入されたホールを、第３コンタクトウェル層３１７ｗ３において最もＡｌＧａＮ価電子帯端エネルギーに近いエネルギー準位に効率良く存在させることが可能となり、さらに動作電圧を低減することが可能となる。
【０２１３】
なお、以上の本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３００では、ｐ型の第２クラッド層３１６の材料として、ＡｌＧａＮのみの例を示したが、第２クラッド層を含めて、コンタクトウェル層３１７ｗ、コンタクトバリア層３１７ｂの材料としては、ＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。この場合、コンタクトウェル層３１７ｗとしては、ｐ型の第２クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有するＡｌＧａＩｎＮ材料を用い、また、コンタクトバリア層３１７ｂとしては、第２クラッド層のバンドギャップエネルギー以下であり、かつ、コンタクトウェル層３１７ｗのバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＡｌＧａＩｎＮ材料を用いても、上記と同様の効果を得ることができる。
【０２１４】
また、以上の第１〜第３の実施形態に係る半導体レーザ装置において、コンタクトバリア層に引っ張り歪を生じさせるように組成を設定することにより、コンタクトバリア層のバンドギャップエネルギーを増大させることができる。これにより、コンタクトウェル層に形成されるエネルギー準位のエネルギーの大きさを大きくすることができる。従って、コンタクトバリア層と中間層（又は第２クラッド層）との界面の電位障壁（ヘテロスパイク）に対して、より低いバイアス電圧においてもホールを通過させることが可能となり、さらに動作電圧を低減することができる。例えば、コンタクトバリア層の格子定数を半導体基板の格子定数より小さくすることにより、コンタクトバリア層に引っ張り歪を生じさせることができる。また、コンタクトバリア層の格子定数を第２クラッド層の格子定数より小さくすることによっても、コンタクトバリア層に引っ張り歪を生じさせることができる。
【０２１５】
また、以上の第１〜第３の実施形態に係る半導体レーザ装置では、量子井戸ヘテロバリア層及びその前後の構成として、クラッド層／コンタクトウェル層／コンタクトバリア層／コンタクトウェル層／コンタクトバリア層／コンタクトウェル層／コンタクトバリア層／コンタクト層の構成について説明を行ったが、クラッド層／コンタクトバリア層／コンタクトウェル層／コンタクトバリア層／コンタクトウェル層／コンタクトバリア層／コンタクトウェル層／コンタクトバリア層／コンタクト層の構成であっても、同様の効果を得ることが可能である。
【０２１６】
また、以上の第１〜第３の実施形態に係る半導体レーザ装置では、コンタクトウェル層の層数は３層の例について説明したが、量子井戸へテロバリア層の合計膜厚が、量子井戸ヘテロバリア層がない状態における、クラッド層とコンタクト層との界面でクラッド層に形成される電位障壁の存在する膜厚（通常０．１μｍ以下）を越えない範囲内とすることにより、電位障壁をホールがトンネル効果で伝導する効果によって動作電圧を低減することが可能となる。
【０２１７】
なお、本発明に係る半導体発光素子は、半導体レーザ装置に限定されるものではなく、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子においても同様の効果をもたらすものである。
【０２１８】
また、その他、各実施形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２１９】
本発明に係る半導体発光素子は、半導体レーザ装置又は発光ダイオード等に有用である。
【符号の説明】
【０２２０】
１００、２００、３００、５００  半導体レーザ装置
１１０、２１０、５０１  ＧａＡｓ基板
１１１、２１１  バッファ層
１１２、２１２、３１２  第１クラッド層
１１３、２１３、３１４  活性層
１１３ｂ１、２１３ｂ１  第１バリア層
１１３ｂ２、２１３ｂ２  第２バリア層
１１３ｇ１、２１３ｇ１  第１光ガイド層
１１３ｇ２、２１３ｇ２  第２光ガイド層
１１３ｗ１、２１３ｗ１  第１ウェル層
１１３ｗ２、２１３ｗ２  第２ウェル層
１１３ｗ３、２１３ｗ３  第３ウェル層
１１４、２１４、３１６  第２クラッド層
１１５、２１５、５０２、５０９  中間層
１１６、２１６、３１７、５１０  量子井戸へテロバリア層
１１６ｂ、２１６ｂ、３１７ｂ  コンタクトバリア層
１１６ｂ１、２１６ｂ１、３１７ｂ１  第１コンタクトバリア層
１１６ｂ２、２１６ｂ２、３１７ｂ２  第２コンタクトバリア層
１１６ｂ３、２１６ｂ３、３１７ｂ３  第３コンタクトバリア層
１１６ｗ、２１６ｗ、３１７ｗ  コンタクトウェル層
１１６ｗ１、２１６ｗ１、３１７ｗ１  第１コンタクトウェル層
１１６ｗ２、２１６ｗ２、３１７ｗ２  第２コンタクトウェル層
１１６ｗ３、２１６ｗ３、３１７ｗ３  第３コンタクトウェル層
１１７、２１７、３１８  コンタクト層
１１８、２１８、３１９  電流ブロック層
１１９、１２０、２１９、２２０、３２０、３２１  オーミック電極
３１０  ＧａＮ基板
３１３  第１ガイド層
３１５  電子ブロック層
５０３  第１Ｎクラッド層
５０４  第２Ｎクラッド層
５０５  多重量子井戸層
５０５ｂ  バリア層
５０５ｇ  ガイド層
５０５ｗ  井戸層
５０６  第１Ｐクラッド層
５０７  エッチングストップ層
５０８  第２Ｐクラッド層
５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃ  ＧａＡｓ層
５１４  ＧａＩｎＰ層
【図１Ａ】
2011192816.tif 000003
【図１Ｂ】
2011192816.tif 000004
【図１Ｃ】
2011192816.tif 000005
【図２】
2011192816.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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