(57)【要約】【課題】ＩＩＩ族窒化物ベース半導体レーザダイオードの閾値電流を低減する。【解決手段】ＩＩＩ族窒化物ベース・レーザ発光デバイスは、ｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域、ｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域、ならびにｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域とｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域との間のＩＩＩ族窒化物ベース活性領域を含む。ＩＩＩ族窒化物ベース活性領域（２０４）は、第１および第２の量子井戸層ならびに第１および第２の量子井戸層の間のバリア層を含み、第１および第２の量子井戸層のそれぞれの組成は、異なるそれぞれの量のインジウムを備える。第１の量子井戸層（２１５）は、第２の量子井戸層よりｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域により近接し、第２の量子井戸層（２１７）は、第１の量子井戸層よりｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域により近接して、第１の量子井戸層（２１５）は、第２の量子井戸層（２１７）のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する。【選択図】図２Ｄ
2019041102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物ベースのレーザダイオードであって、
ｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域、
ｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域、および
前記ｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域と前記ｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域との間のＩＩＩ族窒化物ベース活性領域を備え、
前記ＩＩＩ族窒化物ベース活性領域は、第１および第２の量子井戸層ならびに前記第１および第２の量子井戸層の間のバリア層を有し、前記第１および第２の量子井戸層のそれぞれの組成は、異なるインジウム量を有し、
前記第１の量子井戸層は、前記第２の量子井戸層より前記ｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域により近接し、前記第２の量子井戸層は、前記第１の量子井戸層より前記ｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域により近接して、前記第１の量子井戸層は、前記第２の量子井戸層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有することを特徴とするレーザダイオード。
【請求項２】
前記第１および第２の量子井戸層の前記それぞれのバンドギャップは、前記第１および第２の量子井戸層の前記異なるインジウム量によって決定される、請求項１に記載のレーザダイオード。
【請求項３】
前記第１の量子井戸層は、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）からなり、
前記第２の量子井戸層は、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１）からなる、
請求項１または２のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項４】
インジウム量比ｘ２／ｘ１は、１．０５〜５である、請求項３に記載のレーザダイオード。
【請求項５】
インジウム量比ｘ２／ｘ１は、１．２〜５である、請求項３に記載のレーザダイオード。
【請求項６】
インジウム量比ｘ２／ｘ１は、１．０５〜３である、請求項３に記載のレーザダイオード。
【請求項７】
インジウム量比ｘ２／ｘ１は、１．２〜３である、請求項３に記載のレーザダイオード。
【請求項８】
閾値電流密度が、少なくとも１０００Ａ／ｃｍ２である、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項９】
前記バリア層の厚さは、少なくとも５ｎｍである、請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項１０】
前記バリア層は、前記第１および第２の量子井戸層より大きいバンドギャップを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項１１】
前記バリア層の厚さは、３０ｎｍ以下である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項１２】
レーザ発振波長は、少なくとも４５０ｎｍで、５５０ｎｍ以下である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項１３】
レーザ発振波長は、少なくとも５００ｎｍで、５５０ｎｍ以下である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項１４】
前記ｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域は、ＩｎＧａＮガイド層を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項１５】
前記ＩｎＧａＮガイド層の厚さは、少なくとも８０ｎｍで、３００ｎｍ以下である、請求項１４に記載のレーザダイオード。
【請求項１６】
前記ＩｎＧａＮガイド層の厚さは、少なくとも１２０ｎｍで、３００ｎｍ以下である、請求項１４に記載のレーザダイオード。
【請求項１７】
前記ＩｎＧａＮガイド層の厚さは、少なくとも１６０ｎｍで、３００ｎｍ以下である、請求項１４に記載のレーザダイオード。
【請求項１８】
前記ＩｎＧａＮガイド層は、ノンドープである、請求項１４から１７のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項１９】
前記ＩＩＩ族窒化物ベース活性領域は、ＩｎＧａＮのキャップ層をさらに備え、前記キャップ層は、前記第１の量子井戸層と前記ＩｎＧａＮガイド層との間に位置する、請求項１４から１８のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
【請求項２０】
前記キャップ層の厚さは、少なくとも３ｎｍで、３０ｎｍ以下である、請求項１９に記載のレーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体レーザダイオードのエピタキシャル構造に関し、特に、ＩＩＩ族窒化物ベース半導体レーザダイオードの活性領域構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁スペクトルのＵＶ、青色および緑色領域に発光波長をもつＩＩＩ族窒化物半導体ベースのレーザダイオード（ＬＤ：ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ）が市販されている。かかるデバイスは、例えば、照明および表示用途に用いられる。特に重要なのは、高い電気的および光学的性能をもつかかるデバイスを提供することである。
【０００３】
高効率のＬＤデバイスを形成するために、ＧａＮならびにＩｎおよびＡｌを含んだそのアロイ（以下、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎアロイと呼ばれる）ベースのＩＩＩ族窒化物（または同じく窒化物）半導体構造を作ることができる。かかるデバイスのための半導体層構造は、基板上に半導体層を順次に形成することによって製造できる。これらの層は、物理的に接続されており、一般に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）のようなエピタキシャルデポジションまたは成長方法を用いて高結晶品質が得られる。図１Ａは、非特許文献１、ｐ．２９３によって記載されるようなレーザダイオード・デバイスの従来型構造を示す。この構造は、基板１１２上に形成されたｎ側半導体領域１１３、活性領域１０６およびｐ側半導体領域１１４を含む。デポジション方向または成長方向は、この構造の半導体層表面に垂直な方向によって定義される。基板は、サファイヤでできている。
【０００４】
この構造への低い電気的励起の印加の下では、電子およびホールのような電荷キャリアが構造を横断して、活性領域１０６において発光再結合し、フォトンの放出をもたらす。ＬＤデバイスから放出されるフォトンの波長、従って、発光の波長は、活性領域のバンドギャップによって決定される。
【０００５】
上記のような半導体レーザダイオード・デバイスは、放出されたフォトンの閉じ込め、活性領域へのキャリア再結合、およびより高い電気的励起を必要とする。加えて、デバイスの両端の反射鏡面によって形成された光キャビティが光増幅を誘導する。これらの必要条件が満たされると、レーザ動作を達成できる。
【０００６】
放出されたフォトンの閉じ込めは、分離閉じ込めヘテロ構造の利用によって達成できる。図１Ａを引き続き参照すると、この閉じ込めは、ｎガイド層１０５を活性領域１０６の下に、およびｐガイド層１０８を活性領域１０６の上に配置することによって達成されてよく、ｎガイド層およびｐガイド層の各々は、導波光の実効的な屈折率より高い屈折率を有する。さらなる閉じ込めは、ｎクラッド層１０４を活性領域１０６の下に、およびｐクラッド層１０９を活性領域１０６の上に配置することによって達成され、ｎクラッド層およびｐクラッド層の各々は、導波光の実効的な屈折率より低い屈折率を有する。上部ｐガイド層１０８および上部ｐクラッド層１０９は、ｐ側半導体領域１１４の部分を形成する。下部ｎガイド層１０５および下部ｎクラッド層１０４は、ｎ側半導体領域１１３の部分を形成する。ｎ側半導体領域１１３は、バッファ層１０１、ｎコンタクト層１０２、およびバッファ層１０３を追加的に含む。
【０００７】
この構造は、放出されたフォトンの垂直方向における強い閉じ込めにつながってよく、それゆえに、活性領域に平行に伝搬させる。活性領域１０６と上部ｐガイド層１０８との間に、隣接する層と比べてより広いバンドギャップを有する、キャリアブロック層１０７が設けられる。
【０００８】
ｐクラッド層１０９は、成長後処理によって形成されてよい成形された上部表面を有する。典型的なレイアウトでは、ｐクラッド層１０９の成形された上部表面は、成長の面内に形成されたリッジであり、リッジの最長寸法の方向への光閉じ込めを強化する。
【０００９】
上部ｐクラッド層１０９の上にはｐコンタクト層１１０が形成される。ｐコンタクト層１１０への電気的接触がその上に形成された金属電極層１１１ａによってなされ、このことによってデバイスを電気的に作動させることができる。ｐ側半導体１１４への電荷キャリアの注入は、金属電極層１１１ａとｐコンタクト層１１０とによって画定された領域においてのみ発生し、この領域が成形されたリッジと一致する。電極金属層１１１ｂもｎコンタクト層１０２の表面上に形成され、成長後処理によって本明細書に記載される半導体層構造を通してエッチングし、ｎコンタクト層１０２上に金属電極層を製膜することによってこれを達成できる。
【００１０】
リッジの両端では、劈開またはエッチングのような処理によって成長方向およびリッジの最長寸法の方向に垂直な表面が画定される。これらの表面を透過することによって出射した光が意図された用途に用いられる。この記載された配置では、デバイスは、端面発光型であると言われる。
【００１１】
図１Ｂは、図１Ａの半導体レーザ発光デバイスの活性領域１０６を示す。活性領域１０６は、電荷キャリア（電子、ホール）の再結合を閉じ込めるように設計されて、３重量子井戸構造で形成され、この構造では低バンドギャップをもつ半導体層（量子井戸層１１５）がより高いバンドギャップの層（量子バリア層１１６）の間に配置される。活性領域の層は、ＩｎＧａＮアロイ半導体材料から形成される。ＩｎＧａＮ材料のバンドギャップは、Ｉｎ量が増加するにつれて減少する。図１Ｃは、量子井戸層１１５ごとの組成におけるＩｎ量ｘ、および量子バリア層１１６ごとの組成におけるＩｎ量ｙを示す。図１Ｄは、電子およびホールについて対応するエネルギーレベルを示す。エネルギーＥ０は、量子井戸層１１５のバンドギャップを示す。
【００１２】
かかる量子井戸構造は、キャリアの再結合を局在化するのに大いに望ましい。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物材料系では、量子井戸にわたってのキャリア濃度の不均一性の課題があり、これがレーザダイオード性能に影響を及ぼす。例えば、ｎ側半導体領域１１３に近接した量子井戸層１１５は、一般に、所与の動作条件の下で、ｐ側半導体領域１１４に近接した量子井戸層１１５よりはるかに高い電子濃度を有する。同様に、ｐ側半導体領域により近接した量子井戸層は、ｎ側半導体領域に近接した量子井戸層より高いホール濃度を有する。この材料系ではホールの移動度が電子と比べてより低いためにホール濃度における不均一性が特に際立つ。
【００１３】
加えて、ＵＶより長い発光波長（＞４０５ｎｍ）をもつレーザダイオード・デバイスを達成するためには、典型的に、活性領域１０６中の量子井戸層１１５のバンドギャップを減少させる必要がある。これは、ｎ側半導体領域１１３により近接した量子井戸層１１５における電子の閉じ込めおよびｐ側半導体領域１１４により近接した量子井戸層１１５におけるホールの閉じ込めを増加させる結果をもたらす。これが量子井戸にわたってのキャリアの不均一性を増加させるさらなる原因となる。
【００１４】
レーザ光放出は、活性領域におけるキャリア再結合からの発光再結合速度が光学損失を補償することが可能なレベルに達したときに達成される。これは、閾値電流としても知られる高い電気的励起の下でのキャリア濃度に対応する。この閾値において、レーザ発振が達成されることになり、このレーザ発振過程に寄与する量子井戸層は、最も高い発光再結合速度をもつ量子井戸層（単数または複数）であろう。量子井戸層１１５間に不均一性が存在するならば、レーザ発振過程は、より高い電気的励起において、つまりは、より高い閾値電流において達成されることになろう。
【００１５】
非特許文献１、ｐ．２０１〜２２１では、キャリア分布における不均一性は、量子井戸層の数を、例えば、１つに減らすことによって低減されうる。しかしながら、かかる配置において、活性領域１０６へ注入されたすべての電子を局在化するためには単一の量子井戸層では不十分であり、かなりの電子のフローが活性領域中に閉じ込められず、電子がｐ側半導体領域１１４中へ注入される。これは、ｐ側半導体１１４中、特に上部ガイド層１０８における電子およびホールの再結合につながり、それによって、活性領域１０６へのホールの注入を低減し、閾値電流を増加させる。このオーバーフロー効果を低減するには、量子井戸層中の電子の閉じ込めを増強するために増加した量子井戸層厚をもつ単一の量子井戸構造が用いられてよい。しかしながら、これらの層の厚さが増加されたときには、高結晶品質をもつＩｎＧａＮベース量子井戸層を達成することが難しい。これは、量子井戸層中の欠陥を増加させる結果をもたらし、それによって非発光再結合速度を増加させて、レーザ発光デバイスの閾値電流をさらに増加させる原因となりうる。
【００１６】
特許文献１（ゴーダ（Ｇｏｄａ）ら、２０１５年９月１日）では、多重量子井戸構造のキャリア濃度における不均一性は、量子井戸層１１５の間に配置された量子バリア層１１６の厚さを低減することによって対処されうる。しかしながら、かかる構造では、電子の移動度がホールの移動度より高いため、電子濃度の不均一性が強化されて、ｐ側半導体領域１１４への、特に上部ｐガイド層１０８における電子のオーバーフローの増加をもたらす。これは、ｐガイド層中の電子およびホールの再結合を増加させて、活性領域へのホールの注入を低減する結果をもたらす。かかる構造を用いて達成されたレーザ発光デバイスは、増加した閾値電流を示すことがある。
【００１７】
特許文献２（コージ（Ｋｏｊｉ）、２００５年３月３日）では、量子井戸にわたってのキャリア濃度の不均一性は、バリア層１１６を通過するキャリアの輸送を強化すべく、バリア層１１６のバンドギャップエネルギーを量子井戸層１１５と比べて低めることによって低減されうる。しかしながら、このケースでは、バリア層を通過する電子の輸送がバリア層を通過するホールの輸送より大幅に改善され、従って、ｐ側半導体領域１１４への、特に上部ｐガイド層１０８における電子のオーバーフローを全体的に増加させる。
【００１８】
バリア層１１６のバンドギャップエネルギーを低減することは、バリア層１１６中のＩｎ量を増加させることによって達成できるが、これは、活性領域の結晶品質を低下させて、より高いレベルの非発光再結合につながり、レーザダイオード・デバイスの閾値電流を増加させる。
【００１９】
非特許文献２では、改善された性能は、上部ｐガイド層１０８、下部ｎガイド層１０５、上部ｐクラッド層１０９、および下部ｎクラッド層１０４中のフォトンの吸収損失を低減することによって達成されうる。これらの層中のドーパント種の濃度を低減することによってこれを達成できるが、しかし、このことはｐ側半導体領域およびｎ側半導体領域から活性領域中へのホール注入に悪影響を及ぼす。
【００２０】
残る問題は、強い光閉じ込めおよび高結晶品質を維持する一方で、放出されるレーザ光の特性を劣化させることなく、活性領域に対するキャリア注入およびキャリア均一性を改善することによってＩＩＩ族窒化物ベース半導体レーザダイオードの閾値電流を低減することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許第９１２３８５１（Ｂ２）号
【特許文献２】特許第４６２２４６６（Ｂ２）号
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】ナカムラ・Ｓ（Ｎａｋａｍｕｒａ  Ｓ）およびファーソル・Ｇ（Ｆａｓｏｌ  Ｇ）著、「青色レーザダイオード（Ｔｈｅ  Ｂｌｕｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）」、１９９７（ベルリン：シュプリンガー）
【非特許文献２】チャン（Ｚｈａｎｇ）ら著、「紫外から緑色で発光するＡｌＩｎＧａＮベース・レーザダイオードの閉じ込め係数および吸収損失（Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｆａｃｔｏｒ  ａｎｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｌｏｓｓ  ｏｆ  ＡｌＩｎＧａＮ  ｂａｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｆｒｏｍ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｔｏ  ｇｒｅｅｎ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １０５、０２３１０４（２００９）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本開示は、先行技術の課題に対処して、低電流閾値をもつレーザ発光デバイスを製造しうる半導体レーザダイオードを提供する。本開示は、レーザ発光デバイスの活性領域のための多重量子井戸構造を提供する。この活性領域は、可視光を放出してよく、これまでの従来型デバイスに見られる非実用性を克服しうる。例えば、本開示のある実施形態のデバイスの活性領域は、２つの量子井戸領域を含み、これらの領域ではｎ側半導体に最も近接した量子井戸層がｐ側半導体に最も近接した量子井戸領域と比べて増加したバンドギャップを有する。活性領域のためのこの量子井戸構造を含んだデバイスは、低閾値電流、長寿命、および高いウォールプラグ効率（ＷＰＥ）を提供しうる。
【００２４】
本開示のある態様において、ＩＩＩ族窒化物ベース・レーザダイオードは、ｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域、ｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域、およびｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域とｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域との間のＩＩＩ族窒化物ベース活性領域を含み、ＩＩＩ族窒化物ベース活性領域は、第１および第２の量子井戸層ならびに第１および第２の量子井戸層の間のバリア層を含み、第１および第２の量子井戸層のそれぞれの組成は、異なるそれぞれの量のインジウムを含み、第１の量子井戸層は、第２の量子井戸層よりｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域により近接し、第２の量子井戸層は、第１の量子井戸層よりｐ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域により近接して、第１の量子井戸層は、第２の量子井戸層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する。
【００２５】
いくつかの実施形態において、第１および第２の量子井戸層のぞれぞれのバンドギャップは、第１および第２の量子井戸層の異なるインジウム量によって決定される。
【００２６】
いくつかの実施形態において、第１の量子井戸層は、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ、ここで０＜ｘ１＜１であり、第２の量子井戸層は、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ、ここで０＜ｘ２＜１である。いくつかの実施形態において、インジウム量比ｘ２／ｘ１は、１．０５〜５である。いくつかの実施形態において、インジウム量比ｘ２／ｘ１は、１．２〜５である。いくつかの実施形態において、インジウム量比ｘ２／ｘ１は、１．０５〜３である。いくつかの実施形態において、インジウム量比ｘ２／ｘ１は、１．２〜３である。
【００２７】
いくつかの実施形態において、レーザダイオードの閾値電流密度は、少なくとも１０００Ａ／ｃｍ２である。
【００２８】
いくつかの実施形態において、バリア層の厚さは、少なくとも５ｎｍである。
【００２９】
いくつかの実施形態において、バリア層は、第１および第２の量子井戸層より大きいバンドギャップを含む。
【００３０】
いくつかの実施形態において、バリア層の厚さは、３０ｎｍ以下である。
【００３１】
いくつかの実施形態において、レーザ発振波長は、少なくとも４５０ｎｍであり、５５０ｎｍ以下である。
【００３２】
いくつかの実施形態において、レーザ発振波長は、少なくとも５００であり、５５０ｎｍ以下である。
【００３３】
いくつかの実施形態において、ｎ側ＩＩＩ族窒化物ベース半導体領域は、ＩｎＧａＮガイド層を含む。いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＮガイド層の厚さは、少なくとも８０ｎｍであり、３００ｎｍ以下である。いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＮガイド層の厚さは、少なくとも１２０ｎｍであり、３００ｎｍ以下である。いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＮガイド層の厚さは、少なくとも１６０ｎｍであり、３００ｎｍ以下である。
【００３４】
いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＮガイド層は、ノンドープである。
【００３５】
いくつかの実施形態において、ＩＩＩ族窒化物ベース活性領域は、ＩｎＧａＮのキャップ層をさらに含み、キャップ層は、第１の量子井戸層とＩｎＧａＮガイド層との間に位置する。いくつかの実施形態において、キャップ層の厚さは、少なくとも３ｎｍであり、３０ｎｍ以下である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】従来型半導体レーザダイオード・デバイスの層構造の概略図を示す。
【図１Ｂ】従来型半導体レーザダイオード・デバイスの活性領域の層構造の概略図を示す。
【図１Ｃ】従来型半導体レーザダイオード・デバイスの活性領域の層中のそれぞれのインジウム量を図示したグラフを示す。
【図１Ｄ】従来型半導体レーザダイオード・デバイスの活性領域中の層のエネルギーバンド構造を図示したグラフを示す。
【図２Ａ】本開示の例示的な実施形態によるデバイスの層構造の概略図を示す。
【図２Ｂ】本開示の例示的な実施形態によるデバイスの活性領域の層構造の概略図を示す。
【図２Ｃ】本開示の例示的な実施形態によるデバイスの活性領域の量子井戸層中のそれぞれのインジウム量を図示したグラフを示す。
【図２Ｄ】本開示の例示的な実施形態によるデバイスの活性領域中の層のエネルギーバンド構造を図示したグラフを示す。
【図３Ａ】較正されたレーザシミュレーションから得られた、およそ４０５ｎｍの発光波長で発光する従来型窒化物レーザダイオード・デバイスの量子井戸層中の電荷キャリアの濃度を図示したグラフを示す。
【図３Ｂ】較正されたレーザシミュレーションから得られた、発光波長＞４５０ｎｍで発光する従来型窒化物レーザダイオード・デバイスの量子井戸層中の電荷キャリアの濃度を図示したグラフを示す。
【図４】本開示のある実施形態によるレーザ発光デバイスの量子井戸層の組成に依存する閾値電流密度における変化を図示したグラフを示す。
【図５】本開示のある実施形態によるレーザ発光デバイスの量子井戸層の組成に依存するウォールプラグ効率（ＷＰＥ）における変化を図示したグラフを示す。
【図６】５００ｎｍ〜５１０ｎｍ発光を用いた、参照レーザ発光デバイスおよび本開示によるレーザ発光デバイスの測定された電流‐電圧特性を示す。
【図７】５００ｎｍ〜５１０ｎｍ発光を用いた、参照レーザ発光デバイスおよび本開示によるレーザ発光デバイスの測定された光出力パワー‐電流特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本開示は、半導体レーザダイオード（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベース・レーザ発光ダイオード）の活性領域を提供する。活性領域は、２つの量子井戸領域を含んでよく、これらの領域ではｎ側半導体領域に最も近接した量子井戸層がｐ側半導体領域に最も近接した量子井戸領域のバンドギャップと比べて増加したバンドギャップを有する。活性領域のための多重量子井戸構造を含んだデバイスは、低閾値電流、長寿命、および高いウォールプラグ効率（ＷＰＥ）を提供しうる。
【００３８】
次に図２Ａおよび２Ｂを参照すると、活性領域を含んだ半導体レーザダイオード（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベース・レーザ発光ダイオード）デバイスの例示的な実施形態が２００に示される。ＩＩＩ族窒化物ベース・レーザ発光ダイオード・デバイスは、ｎ側（ＩＩＩ族窒化物ベース）半導体領域２１２、ｐ側（ＩＩＩ族窒化物ベース）半導体領域２１３、およびｐ側半導体領域２１３とｎ側半導体領域２１２との間の（ＩＩＩ族窒化物ベース）活性領域２０４を含む。活性領域２０４は、図２Ｂに示されるように、バリア層２１４、２１６、２１８が組み入れられた複数の（例えば、第１および第２の）積層されたＩＩＩ族窒化物ベース量子井戸層２１５、２１７を含む。
【００３９】
いくつかの実施形態において、ｎ側半導体領域２１２の層の１つ以上は、ｎ型ドープ層であり、一方でｎ側半導体領域の他の層は、ｎ型ドープ層ではない。他の実施形態では、ｎ側半導体領域２１２のすべての層がｎ型にドープされてよい。
【００４０】
いくつかの実施形態において、ｐ側半導体領域２１３の層の１つ以上は、ｐ型ドープ層であり、一方でｐ側半導体領域の他の層は、ｐ型ドープ層ではない。他の実施形態では、ｐ側半導体領域２１３のすべての層がｐ型にドープされてよい。
【００４１】
本開示のデバイス、例えば、図２Ａおよび２Ｂに示されるデバイスは、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、またはいずれかの他の適切な成長法（単数または複数）などいずれかの適切な方法によって得られてよい。デバイス層は、いずれかの適切な基板２１０上に積層されてよく、これらの基板は、限定はされないがＧａＮ、シリコン、サファイヤまたはＳｉＣを含んでよい。ｎ型半導体を生成するために、ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅが用いられてよい。ｐ型半導体を生成するために、ドーパントとしてＢｅ、Ｃｄ、Ｍｇが用いられてよい。
【００４２】
図２Ｂを参照すると、量子井戸層２１５および２１７は、それぞれの組成を有してよく、各々が第１の元素を含んでよい。いくつかの実施形態において、第１の元素は、インジウムであってよい。ある例では、２つの窒化物ベース量子井戸層（２１５、２１７）が（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ半導体アロイであり、各々がＩｎを含む。いくつかの実施形態では、第１および第２の量子井戸層の一方または両方の組成がＩｎＧａＮである。それぞれの量子井戸層の組成は、第１の元素（例えば、Ｉｎ）の量について互いの間で異なってよい。量子井戸層２１５、２１７のそれぞれの組成における変化は、活性領域２０４内の量子井戸層の位置に依存してよい。いくつかの実施形態において、第１の元素は、インジウムであってよく、ｎ側半導体領域２１２により近接した量子井戸層２１５のための組成は、ｐ側半導体領域２１３により近接した量子井戸層の組成におけるインジウム量と比べてより少ないインジウム量を含んでよい。従って、量子井戸層（２１５、２１７）は、活性領域２０４内の量子井戸層の位置に依存する第１の元素（Ｉｎ）を含んだ組成を有しうる。かかる実施形態では、図２Ｃに示されるように、ｎ側半導体領域２１２に相対的により近接して位置する第１の量子井戸層２１５のＩｎ量ｘ１は、ｐ側半導体領域２１３により近接した第２の量子井戸層２１７のＩｎ量ｘ２と比べてより少ない。
【００４３】
図２Ｄは、活性領域２０４内の電荷キャリア（すなわち、電子およびホール）に対応するエネルギーレベルを示す。電子のエネルギーは、伝導帯のエネルギーによって示され、ホールのエネルギーは、価電子帯のエネルギーによって示される。第１の量子井戸層２１５のエネルギーバンドギャップＥ１および第２の量子井戸層２１７のエネルギーバンドギャップＥ２が示される。第１および第２の量子井戸層の各々の組成がＩｎＧａＮである例では、ＩｎＧａＮアロイ材料のエネルギーバンドギャップがアロイ中の第１の元素Ｉｎの量に依存する。ＩｎＮのエネルギーバンドギャップ（約０．７ｅＶ）は、ＧａＮのエネルギーバンドギャップ（約３．４ｅＶ）より低い。それゆえに、ＩｎＧａＮアロイ層中の第１の元素Ｉｎの量が増加すると、前記層におけるエネルギーバンドギャップの低減につながることになる。いくつかの実施形態では、１つ以上のバリア層の組成がＩｎＧａＮであり、これらの層ではＩｎ量が第１および第２の量子井戸層のいずれにおけるＩｎ量よりも少ない。いくつかの実施形態では、１つ以上のバリア層の組成がＧａＮである。
【００４４】
図２Ｃおよび２Ｄに示されるように、組成中のインジウム量が第１の量子井戸層２１５では第２の量子井戸層２１７と比べてより少ない。これは、第１の量子井戸層２１５のバンドギャップＥ１が第２の量子井戸層２１７に対するバンドギャップＥ２より比較的により大きいことをもたらす。
【００４５】
上記のように、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ材料系において作製された活性領域２０４は、多重量子井戸層２１５、２１７および量子バリア層２１４、２１６、２１８構造を含む。活性領域２０４は、ｐ側半導体領域２１３およびｎ側半導体領域２１２によって囲まれる。これが半導体レーザダイオード・デバイスの構造を提供する。
【００４６】
ｎ側半導体領域では、電荷キャリアの過半数が電子であり、ｐ側半導体領域では、過半数の電荷キャリアがホールである。電気的励起の下では、ホールがｐ側半導体領域２１３から活性領域２０４へ注入されてよく、電子がｎ側半導体領域２１２から活性領域２０４へ注入されてよい。用語「注入される」は、本明細書では、デバイスの両端間に印加された何らかの電気的励起の下でのｐ側半導体領域またはｎ側半導体領域における電荷キャリアの発生からデバイス内の別の層への輸送を示すために用いられる。隣接するバリア層（２１６）と比べてより低いエネルギーレベルに起因して、これらの電子およびホール（電荷キャリア）は、量子井戸層（２１５、２１７）中に蓄積しうる。注入層（ｐ側またはｎ側半導体領域２１３および２１２）から最も遠い量子井戸層への電荷キャリアのさらなる輸送は、量子バリア層によって制限される。それゆえに、ｎ側半導体領域２１２に近接した量子井戸層２１５は、所与の動作条件の下で、ｐ側半導体領域２１３に近接した量子井戸層２１７より高い電子濃度を有しうる。同様に、ｐ側半導体領域２１３により近接した量子井戸層２１７は、ｎ側半導体領域２１２に近接した量子井戸層２１７より高いホール濃度を有しうる。（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ材料系ではホール移動度が電子移動度より低いことが当技術分野では知られている。
【００４７】
本開示の半導体レーザダイオード・デバイスの動作は、活性領域における電荷キャリアの再結合によって特徴付けられうる。再結合過程は、発光または非発光的であってよい。発光再結合は、１つの電子の１つのホールとの再結合によって解放されたエネルギーが電子およびホールが再結合することによって失われたのと等しいエネルギーをもつフォトンへ移されることを示す。非発光再結合は、電子およびホールからのエネルギーをキャリア漏洩、フォトン再結合、材料中の欠陥または不純物との再結合など非発光的な方法で解放するすべての他のメカニズムを指す。本開示の窒化物半導体レーザダイオード・デバイスによって放出される光の波長は、それゆえに、電子およびホールが上記のような発光過程によって再結合するときに解放されるフォトンのエネルギーによって決定される。
【００４８】
図３Ａは、およそ４０５ｎｍの発光波長をもつ（例えば、図１Ａ〜１Ｄに示されるものと同様の）従来型レーザ発光デバイスのための従来型２重量子井戸（ＱＷ１およびＱＷ２）活性領域構造におけるキャリア濃度を示す。図３Ａは、電子と比べて比較的により低い移動度に起因して、量子井戸にわたってのキャリア濃度の不均一分布がホール濃度では特に顕著であることを示す。
【００４９】
図３Ａにおいて考察されたデバイスに対してより長い波長で発光する窒化物レーザ発光デバイスを達成するためには、再結合する電子とホールと間のエネルギー差が比較的により小さくなければならない。これは、再結合が生じる１つまたは複数の層のエネルギーバンドギャップが比較的により低くなければならないことを示唆する。量子井戸層の比較的により低いバンドギャップは、隣接するバリア層の相対的なポテンシャルの高さを増加させ、それによって、電荷キャリアがその層から活性領域中へ注入された層に最も近接した量子井戸層（単数または複数）に、電荷キャリアをより強く閉じ込める。それゆえに、電荷キャリアがその層から活性領域中へ注入された層から最も遠い量子井戸層（単数または複数）へのバリアを超えた層へのキャリアの輸送が比較的に低減される。（２重量子井戸活性領域における両方のキャリア型を図３Ａのものと比較して示す）図３Ｂに例示されるように、青色／緑色領域で発光する量子井戸のための比較的により低いバンドギャップは、両方のキャリア型の２つの量子井戸層にわたっての分布における比較的により大きい不均一性につながる。
【００５０】
レーザ光放出は、活性領域におけるキャリア再結合からの発光再結合速度が光キャビティの光学損失を補償することが可能なレベルに達したときに達成される。これは、閾値電流（デバイスの両端間の電気的励起の下で通過するキャリアフローの量に対応する電流）としても知られる高い電気的励起の下での閾値キャリア濃度に対応する。レーザ発振が達成されるためには、同じ量子井戸層中の両方のキャリア型に対してキャリア濃度閾値が満たされなければならない。閾値電流は、電流密度で表現されてもよく、電流密度は、電流が流れる活性領域に平行なレーザダイオード・デバイスの面積で閾値電流を除すことによって計算される。面積は、ｐ‐ＧａＮコンタクト層２０８によって画定されるリッジの幅および半導体積層体の劈開によって画定される鏡面間の距離として一般に計算される。
【００５１】
キャリア濃度の不均一性が量子井戸層の間に存在すれば、レーザ発振過程は、量子井戸層ごとに異なる電流密度において達成されるであろう。（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎから形成されたレーザダイオード・デバイスでは、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓのような他の材料系と比べて閾値キャリア濃度がより高い。そのように、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎレーザダイオード・デバイスの閾値電流密度は、典型的に１０００Ａ／ｃｍ２以上である。
【００５２】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、電子またはホールのいずれかの最小濃度が所与の動作条件に対して量子井戸層ＱＷ２では量子井戸層ＱＷ１より比較的により高い。それゆえに、量子井戸層ＱＷ２ではより低い電流においてキャリア濃度閾値が達成される。量子井戸層ＱＷ１においてキャリア濃度閾値を達成するために必要な電流は、量子井戸層ＱＷ２においてキャリア濃度閾値を達成するために必要な電流より比較的に著しくより高いことがある。
【００５３】
本開示のある実施形態において、図２Ｂを参照すると、活性領域は、レーザ発光が第２の量子井戸層２１７に対してのみ達成されるように構成されてよい。前記実施形態では、所与の動作条件において電子の濃度がホールより比較的により低いことに起因して、レーザ発光の開始を制限する過程は、第２の量子井戸層２１７への電子注入である。図２Ｄをさらに参照すると、第１の量子井戸層２１５のバンドギャップＥ１が第２の量子井戸層２１７のバンドギャップＥ２と比べて増加されて、第２の量子井戸層２１７への電子注入の改善と、デバイスからのレーザ発光に対するより低い閾値電流とをもたらす。
【００５４】
当技術分野では、多重量子井戸層を含んだ活性領域における不均一性の程度を低減するための取り組みがなされてきた。不均一性を低減することによって、１つより多い量子井戸層からの発光が期待される。しかしながら、望ましい動作条件の下では発光がｐ側半導体に最も近接した量子井戸層（単数または複数）において比較的に著しくより高いままであることをかかる構造のシミュレーションが示した。
【００５５】
本開示の構造では、キャリア閾値条件が第２の量子井戸層２１７においてのみ意図的に満たされ、レーザ発光は、第２の量子井戸層２１７からのみである。それゆえに、レーザ発光過程によって発生するフォトンのエネルギーは、第２の量子井戸層２１７のエネルギーバンドギャップＥ２によって決定されてよく、第１の量子井戸層２１５のエネルギーバンドギャップＥ２には依存しえない。それゆえに、第１の量子井戸層２１５の特性、例えば、組成中の第１の元素の量の変更がこの構造によって放出されるレーザ光の特性には影響しえないことになる。第１の量子井戸層２１５の特性の変更は、デバイスの電気および効率特性を改善するためになされてよい。
【００５６】
半導体レーザダイオード・デバイスがレーザ発振動作を達成するためには、その構造がキャリア再結合および放出されたフォトンの活性領域への閉じ込めを提供すべきである。図２Ａを引き続き参照すると、活性領域方向に垂直な方向における光閉じ込めは、ガイド層２０２、２０３を活性領域２０４の下に、およびｐガイド層２０５を活性領域２０４の上に配置することによって達成されてよく、ガイド層２０２、２０３、２０５の各々が導波光の実効的な屈折率より高い屈折率を有する。さらなる閉じ込めは、ｎクラッド層２０１を活性領域の下に、およびｐクラッド層２０７を活性領域の上に配置することによって達成されてよく、クラッド層２０１、２０７の各々が導波光の屈折率より低い屈折率を有する。上記のようなガイド層２０２、２０３、２０５およびクラッド層２０１、２０７をもつ本開示の構造は、活性領域に垂直な方向における光閉じ込めを提供しうる。ある例では、ガイド層２０２、２０３、２０５および／またはクラッド層２０１、２０７が（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ半導体アロイであってよい。
【００５７】
ＩｎＮの屈折率は、ＧａＮの屈折率と比べて比較的により高い。ＩｎＧａＮ材料の屈折率は、増加するＩｎ量とともに増加することになる。この増加は、直線状であってもなくてもよい。そのうえ、４５０ｎｍより長い波長では、ＧａＮおよびＩｎＮの屈折率は、ＧａＮとＩｎＮとの間の屈折率差異がより長い波長において低減されるように、増加する波長とともにいずれも減少する。ＧａＮとＩｎＧａＮとの間の屈折率差異は、選ばれたＩｎ量に対して、より長い波長では低減されることになる。
【００５８】
ＡｌＮの屈折率は、ＧａＮの屈折率と比べて比較的により低い。ＡｌＧａＮ材料の屈折率は、増加するＡｌ量とともに減少することになる。この減少は、直線状であってもなくてもよい。そのうえ、４５０ｎｍより長い波長では、ＡｌＮの屈折率は、ＧａＮとＡｌＮとの間の屈折率差異がより長い波長では低減されるように、増加する波長とともに増加する。ＧａＮとＡｌＧａＮと間の屈折率差異は、選ばれたＡｌ量に対して、より長い波長では低減されることになる。
【００５９】
上部ガイド層２０５と上部クラッド層２０７との間には、隣接する層２０５および２０７と比べてより高いバンドギャップを有する、キャリアブロック層２０６が設けられる。この層は、ガイド層２０５からクラッド層２０７への電子の輸送を低減してよく、クラッド２０７からガイド層２０５へのホールの輸送には強い影響を与えなくてよい。
【００６０】
図２Ａに例示されるように、上部クラッド層２０７は、例えば、成長後処理によって形成された、成形された上部表面を有しうる。典型的なレイアウトでは、成形された上部表面は、成長の面内に形成されたリッジであってよく、このリッジが光伝搬をリッジの最長寸法の方向に追加的に閉じ込める。示された例では、電気的接触を助けるために、成長後処理の前に上部クラッド層２０７の上にｐ型ＧａＮコンタクト層２０８が形成される。金属電極層２０９ａおよび２０９ｂによって、電気的接触が基板２１０に対してなされ、および電気的接触がｐ型ＧａＮ２０８に対してなされ、これによりデバイスを電気的に作動させることができる。成形されたリッジと一致するｐ型ＧａＮコンタクト層２０８によって画定される領域においてのみデバイスへの電荷キャリアの注入が発生するように、上部クラッド層２０７と金属電極層２０９ａとの間に絶縁層２１１が形成される。
【００６１】
本開示のある実施形態において、光を活性領域２０４に平行な方向に閉じ込めるために、リッジの最長寸法におよび活性領域層構造に垂直な半導体層構造の劈開（または他の方法）によって２つの鏡面が設けられる。２つの鏡面は、一緒に光キャビティを画定しうる。レーザ発光に対するそれらの鏡面反射率を変化されるべく屈折率特性を変えるために、鏡面を、例えば、さらなる他の材料（例えば、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３）の製膜によって処理することができる。光は、これらの表面を透過することによって出射してよく、この光が意図された用途に用いられてよい。この記載された配置では、デバイスが端面発光型であると言われ、端面が活性領域層構造およびリッジの最長寸法に垂直なように画定される。レーザ発光デバイスの光キャビティの配置が活性領域層構造に平行に画定されて、垂直発光レーザデバイスをもたらしてもよい。
【００６２】
量子井戸層２１５、２１７は、ＩｎＧａＮ材料からなってよく、０＜ｘ１≦１および０＜ｘ２≦１の範囲内のそれぞれの量ｘ１およびｘ２のＩｎを含んでよい。量子バリア層２１６は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ材料を備えてよく、０≦ｙ＜１の範囲内にあり、ｙ＜ｘ１およびｙ＜ｘ２を満たす量ｙのＩｎを含んでよい。しかし、いくつかの実施形態では、量子バリア層２１６がＩｎを含まなくてよい。これは、第２の量子井戸層２１７の結晶品質を改善し、および／または成長品質を改善しうる。バリア層２１６は、第１および第２の量子井戸層より大きいバンドギャップを有しうる。
【００６３】
量子バリア層２１４、２１８（本明細書ではキャップ層とも呼ばれる）は、ＩｎｚＧａ１−ｚＮを含んでよく、０≦ｚ＜１の範囲内にあり、ｚ＜ｘ１およびｚ＜ｘ２を満たす量ｚのＩｎを含んでよい。しかし、いくつかの実施形態では、量子バリア層２１４、２１８の一方または両方がＩｎを含まなくてよい。これは、これらの層の結晶品質を改善し、および／または後続層の成長のために滑らかな表面を提供しうる。
【００６４】
いくつかの実施形態において、量子井戸層２１５、２１７の各々の厚さは、少なくとも１ｎｍであり、１０ｎｍ未満であってよい。いくつかの実施形態において、量子バリア層２１４、２１６の各々の厚さは、少なくとも５ｎｍであり、３０ｎｍ未満であってよい。いくつかの実施形態において、量子バリア層２１８の厚さは、少なくとも１ｎｍであり、３０ｎｍ未満であってよい。
【００６５】
いくつかの実施形態において、量子井戸層２１５および２１７、量子バリア層２１６、ならびにキャップ層２１４および２１８からなる、活性領域２０４は、ノンドープである。（（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ材料系に一般に用いられる）、限定はされないがＳｉまたはＭｇのような、ドーパントの導入は、いくつかの実施形態では結晶品質を低下させる可能性があり、このことは、結果として、デバイス性能に影響を与えることになろう。しかしながら、ノンドープ層は、量子井戸へのキャリアの注入を低減して、閾値電流を増加させる効果を有しうる。適宜に、いくつかの実施形態では、活性領域２０４内の１つ以上の層が（例えば、限定はされないがＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｍｇのような１つ以上のドーパントによって）ドープされてよい。
【００６６】
第１の量子井戸層２１５のバンドギャップＥ１が第２の量子井戸層２１７のバンドギャップＥ２より大きい実施形態では、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ材料の第１の量子井戸層２１５のインジウム量ｘ１がＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ材料の第２の量子井戸層２１７のインジウム量ｘ２とは異なる。この差がインジウム量比ｘ２／ｘ１によって定義されてよい。いくつかの例では、比ｘ２／ｘ１は、１．０５以上である。他の例では、第１および第２の量子井戸層のＩｎ量比ｘ２／ｘ１は、１．２以上である。他の例では、第１および第２の量子井戸層のＩｎ量比ｘ２／ｘ１は、２以上である。
【００６７】
いくつかの実施形態において、本開示のデバイスによって放出されるレーザ光の波長は、第２の量子井戸層２１５のエネルギーギャップＥ２によって決定されるように、少なくとも４５０ｎｍである。このケースでは、第１の量子井戸層２１５の組成におけるより少ないインジウム量ｘ１の使用がレーザ発光デバイスの閾値電流を低減するために好ましいことがわかった。
【００６８】
いくつかの実施形態において、本開示のデバイスによって放出されるレーザ光の波長は、少なくとも５００ｎｍである。これらの条件の下では、量子井戸層２１５のＩｎ量ｘ１を低下させることなく調製されたレーザデバイスと比べて本開示による第１の量子井戸層２１５のＩｎ量ｘ１を低下させることによって、この実施形態によるかかるレーザデバイスの閾値電流を低減できる。
【００６９】
閾値電流の減少は、電気エネルギー入力に対する有用な光エネルギー出力の比によって算出されるような、パーセントとして表現された、ウォールプラグ効率（ＷＰＥ：ｗａｌｌ‐ｐｌｕｇ‐ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）に対してプラスの影響を有しうる。いくつかの実施形態において、本開示のデバイスによって放出されるレーザ光の波長は、５５０ｎｍ以下である。
【００７０】
本開示の例示的な実施形態において、半導体レーザダイオード・デバイスの波長発光は、少なくとも４５０ｎｍである。クラッド層２０１、２０７は、ＡｌＧａＮであってよく、すべてが等しいＡｌ量を有さなくてよい。ガイド層２０２、２０３、２０５は、ＩｎＧａＮであってよく、すべてが等しいＩｎ量を有さなくてよい。記載されるように、活性領域の波長発光が増加されたときにはクラッド層２０１、２０７およびガイド層２０２、２０３、２０５の屈折率が低下することになり、それゆえに、ガイド層２０２、２０３、２０５とクラッド層２０１、２０７との間の屈折率差が減少するであろう。これは、レーザ発光デバイスの光閉じ込めの低減をもらして、デバイス性能に影響を与えうる。それゆえに、いくつかの実施形では、ＩｎＧａＮガイド層２０５中のＩｎ量を原子分率で２％以上に設定するのが好ましいことがある。このケースでは、第２の量子井戸キャップ層２１８とＩｎＧａＮガイド層２０５との間に伝導帯エネルギーにおける差が生み出される。これは、ホール注入を低減して、これらの層間の界面におけるホールの蓄積を生み出しうる。本開示の効果は、第２の量子井戸層２１７の方への電子の輸送を増加させることなので、ＩｎＧａＮガイド層２０５中への輸送も増加させる。それゆえに、そうでないと、電子およびホールの著しい再結合がＩｎｘＧａ１−ｘＮガイド層２０５中で発生して、活性領域２０４へホールの注入を低減するので、Ｉｎ量比ｘ２／ｘ１が５倍以下異なるのが好ましいこともある。いくつかの実施形態では、Ｉｎ量比が３倍以下異なる。
【００７１】
いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＮガイド層２０５は、ｐ型にドープされる。これは、レーザデバイスの電気的性能を改善しうる。
【００７２】
本開示の別の例示的な実施形態において、半導体レーザダイオード・デバイスの波長発光は、少なくとも４５０ｎｍである。記載されたように、クラッド層２０１、２０７およびガイド層２０２、２０３、２０５の屈折率は、低下することになり、それゆえに、ガイド層２０２、２０３、２０５とクラッド層２０１、２０７との間の屈折率差が減少するであろう。これは、レーザ発光デバイスの光閉じ込めの低減をもらして、デバイス性能に影響を与えうる。それゆえに、いくつかの実施形態では、ＩｎＧａＮガイド層２０３の厚さを８０ｎｍ以上に、およびＩｎ量を原子分率で２％以上に設定するのが好ましいことがある。これらの特性を用いると、ＩｎＧａＮガイド層２０３の結晶品質が低下し、それによって活性領域、特に量子井戸層の結晶性に悪影響を及ぼして、閾値電流の増加につながりうる。適宜に、第１の量子井戸層２１５のＩｎ量ｘ１を低下させることによって、第２の量子井戸層２１７の結晶性を改善して閾値電流密度を低減できる。この構造は、ＩｎＧａＮガイド層２０３の厚さが１２０ｎｍを超えるときに好ましいことがある。そのうえ、この構造は、ＩｎＧａＮガイド層２０３の厚さが１６０ｎｍを超えるときに特に好ましいことがある。いくつかの実施形態では、ＩｎＧａＮガイド層２０３の厚さが３００ｎｍ以下である。
【００７３】
本開示の半導体レーザダイオード・デバイスは、第１の量子井戸層２１５と第２の量子井戸層２１７との間に配置された量子バリア層２１６を含んでよい。ある実施形態において、量子バリア層２１６の厚さは、５ｎｍより大きい。量子バリア層２１６の厚さが増加されるにつれて、第１の量子井戸層２１５から生じたエピタキシャル成長材料中に存在する欠陥を除去できて、これは、第２の量子井戸層２１７の結晶品質を改善するために好ましい。しかしながら、量子バリア層２１６の厚さが増加されるにつれて、第２の量子井戸層２１７への電子の注入が悪影響を受けることもある。第１の量子井戸層２１５のＩｎ量ｘ１を低下させると、第２の量子井戸層２１７への電子の注入を改善できる。いくつかの実施形態では、量子バリア層２１６の厚さが３０ｎｍ以下（および５ｎｍ超）である。
【００７４】
図２Ａに示されるように、本開示のデバイスは、第１の量子井戸層２１５の下に形成されたキャップ層２１４を有しうる。キャップ層２１４は、後続の量子井戸層２１５の結晶品質を改善しうる。キャップ層２１４は、０≦ｚ１＜０．０５の範囲内にあり、ｚ１＜ｘ１およびｚ１＜ｘ２を満たすＩｎ量ｚをもつＩｎｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎからなってよい。いくつかの実施形態において、キャップ層２１４は、高結晶品質を維持するためにノンドープである。キャップ層２１４のＩｎ量ｚ１がゼロに等しいときに、非常に高い結晶品質の層を作製できる。キャップ層２１４のＩｎ量ｚ１がゼロより大きいときには、活性領域への電子注入が改善されうるが、後続層２１５の結晶品質が低下することがある。いくつかの実施形態では、キャップ層２１４のＩｎ量ｚ１が０．０５以下であってよい。
【００７５】
レーザダイオード構造がキャップ層２１４を含むときに、第１の量子井戸層２１５のＩｎ量ｘ１を第２の量子井戸層２１７のＩｎ量ｘ２より少なく設定することによって、本開示による第１および第２の量子井戸層の特徴のない同様の構造と比べて、このレーザ発光デバイスの閾値電流が改善されうることがわかった。
【００７６】
いくつかの実施形態において、第１の量子井戸層２１５の結晶品質における改善を達成するためには、キャップ層２１４の厚さが少なくとも３ｎｍである。いくつかの実施形態では、キャップ層の厚さが３０ｎｍ以下であり、少なくとも３ｎｍである。
【００７７】
いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＮガイド層２０３は、ｎ型にドープされる。これは、レーザデバイスの電気的性能を改善しうる。
【００７８】
いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＮガイド層２０３は、ノンドープである。これは、活性領域の結晶性を改善しうる。これらの条件の下で、量子井戸層２１５のＩｎ量ｘ１を低下させることなく調製されたレーザデバイスと比べて、本開示による第１の量子井戸層２１５のＩｎ量ｘ１を低下させることによって、この実施形態によるかかるレーザデバイスの閾値電流を低減できる。
【実施例】
【００７９】
本開示のデバイスの実施形態の例が次に記載されるが、かかる例は、いかなる点においても限定的であることは意図されない。
【００８０】
半導体レーザダイオードの第１の例示的な実施形態が図２Ａおよび２Ｂを参照して記載される。半導体レーザダイオード・デバイスは、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲内の波長をもつ光を生成する。レーザダイオード・デバイスは、自立ＧａＮ基板２１０を含む。基板２１０上には、厚さ１０００ｎｍおよびｎドーパントＳｉ濃度５ｅ１８ｃｍ−３をもつｎ‐Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層２０１が形成される。クラッド層２０１上には、厚さ４００ｎｍおよびｎドーパントＳｉ濃度５ｅ１８ｃｍ−３をもつｎ‐ＧａＮガイド層２０２が形成される。ｎ‐ＧａＮガイド層２０２上には、厚さ８０ｎｍおよびｎドーパントＳｉ濃度１ｅ１８ｃｍ−３をもつＩｎ０．０２５Ｇａ０．９７５Ｎガイド層２０３が形成される。
【００８１】
ガイド層２０３上には、レーザ発光活性領域２０４が形成され、この領域は、（図２Ｂに記載されるように）厚さ１０ｎｍをもつＧａＮの下部キャップ層２１４、厚さ２．５ｎｍをもつＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎの第１の量子井戸層２１５、厚さ１０ｎｍをもつＧａＮのバリア層２１６、厚さ２．５ｎｍをもつＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎの第２の量子井戸層２１７、および厚さ２ｎｍをもつＧａＮの上部キャップ層２１８を備える。この例の量子井戸層のＩｎ量比は、２に等しい。活性領域２０４上には、厚さ１００ｎｍをもつＩｎ０．０２５Ｇａ０．９７５Ｎガイド層２０５が形成される。ガイド層２０５上には、厚さ１０ｎｍおよびｐドーパントＭｇ濃度５ｅ１９ｃｍ−３をもつｐ‐Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャリアブロック層２０６が形成される。キャリアブロック層２０６上には、厚さ５００ｎｍおよびｐドーパントＭｇ濃度１ｅ１９ｃｍ−３をもつｐ‐Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層２０７が形成される。クラッド層２０７上には、厚さ１００ｎｍおよびｐドーパントＭｇ濃度１ｅ１９ｃｍ−３をもつｐ‐ＧａＮコンタクト層２０８が形成される。
【００８２】
リッジを形成するためにｐ‐Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎクラッド層２０７およびｐ‐ＧａＮコンタクト層２０８が何らかの積層後の方法によって成形される。厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２の絶縁層２１１がｐ‐Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層２０７と金属電極層２０９ａとの間に形成される。電荷キャリアの注入が金属コンタクト層と接触したｐ‐ＧａＮコンタクト層表面によって画定された領域においてのみ発生するように、（例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｉでできた）金属電極層２０９ａおよび２０９ｂがＳｉＯ２絶縁層２１１およびｐ‐ＧａＮコンタクト層２０８の表面、ならびに基板２１０の底面上にそれぞれ配置される。
【００８３】
リッジの両端における半導体積層体２００の劈開によって２つの表面が形成されて、それらの表面が鏡面としての機能を果たし、結果としてレーザキャビティを形成する。１つの鏡面は、レーザキャビティ中を伝搬する光に対して０．９以上の反射率を有する。第２の鏡面は、レーザキャビティ中を伝搬する光に対して０．７以下の反射率を有してよく、この鏡面から出射する光が用途に用いられる。鏡面の反射特性は、例えば、よく知られた技術による別の材料層構造（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘまたはＡｌ２Ｏ３）の表面上への製膜によって変えられてよい。レーザ発光デバイスに電気的励起を発生させるために、金属電極層２０９ａおよび２０９ｂへの電気的接触がなされる。
【００８４】
第１の例示的な実施形態によるレーザダイオード・デバイスは、３０ｍＷの光出力パワーを放出しているときに測定される２５ｍＡの閾値電流および１５％のウォールプラグ効率（ＷＰＥ）を有する。
【００８５】
半導体レーザダイオードの第２の例示的な実施形態が図２Ａおよび２Ｂを参照して記載される。半導体レーザダイオード・デバイスは、４９０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内の波長をもつ光を生成する。
【００８６】
レーザ発光デバイスは、自立ＧａＮ基板２１０を含む。基板２１０上には、厚さ１０００ｎｍおよびｎドーパントＳｉ濃度５ｅ１８ｃｍ−３をもつｎ‐Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層２０１が形成される。クラッド層２０１上には、厚さ４００ｎｍおよびｎドーパントＳｉ濃度５ｅ１８ｃｍ−３をもつｎ‐ＧａＮガイド層２０２が形成される。ガイド層２０２上には、厚さ１６０ｎｍおよびｎドーパントＳｉ濃度１ｅ１８ｃｍ−３をもつＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層２０３が形成される。
【００８７】
ガイド層２０３上には、レーザ発光活性領域２０４が形成され、この領域は、厚さ１０ｎｍをもつＧａＮの下部キャップ層２１４、厚さ２．５ｎｍをもつＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎの第１の量子井戸層２１５、厚さ１０ｎｍをもつＧａＮのバリア層２１６、厚さ２．５ｎｍをもつＩｎ０．２４Ｇａ０．７６Ｎの第２の量子井戸層２１７、および厚さ２ｎｍをもつＧａＮの上部キャップ層２１８を備える。２つの量子井戸層２１５および２１７のインジウム量比は、２．４に等しい。活性領域２０４上には、厚さ１５０ｎｍをもつＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎガイド層２０５が形成される。ガイド層２０５上には、厚さ１０ｎｍおよびｐドーパントＭｇ濃度５ｅ１９ｃｍ−３をもつｐ‐Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャリアブロック層２０６が形成される。キャリアブロック層２０６上には、厚さ５００ｎｍおよびｐドーパントＭｇ濃度１ｅ１９ｃｍ−３をもつｐ‐Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層２０７が形成される。クラッド層２０７上には、厚さ１００ｎｍおよびｐドーパントＭｇ濃度１ｅ１９ｃｍ−３をもつｐ‐ＧａＮコンタクト層２０８が形成される。
【００８８】
リッジを形成するためにｐ‐Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層２０７およびｐ‐ＧａＮコンタクト層２０８が何らかの積層後の方法によって成形される。厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２の絶縁層２１１がｐ‐Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎクラッド層２０７と金属電極層２０９ａとの間に形成される。電荷キャリアの注入が金属コンタクト層と接触したｐ‐ＧａＮコンタクト層表面によって画定された領域においてのみ発生するように（例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｉでできた）金属電極層２０９ａおよび２０９ｂがＳｉＯ２絶縁層２１１およびｐ‐ＧａＮコンタクト層２０８の表面上に、ならびに基板２１０の底面上にそれぞれ配置される。
【００８９】
リッジの両端における半導体層列の劈開によって２つの表面が形成されて、それらの表面が鏡面としての機能を果たし、結果としてレーザキャビティを形成する。１つの鏡面は、レーザキャビティ中を伝搬する光に対して０．９以上の反射率を有する。第２の鏡面は、レーザキャビティ中を伝搬する光に対して０．７以下の反射率を有してよく、この鏡面から出射する光が用途に用いられる。鏡面の反射特性は、例えば、よく知られた技術による別の材料層構造（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘまたはＡｌ２Ｏ３）の表面上への製膜によって変えられてよい。レーザ発光デバイスに電気的励起を発生させるために、金属電極層２０９ａおよび２０９ｂへの電気的接触がなされる。
【００９０】
第２の例示的な実施形態によるレーザダイオード・デバイスは、３０ｍＷの光出力パワーを放出しているときに測定される５０ｍＡの閾値電流および５％のウォールプラグ効率（ＷＰＥ）を有する。
【００９１】
上記の例示的な実施形態は、図２Ｂに示される活性領域の構造、特に、ｎ側半導体２１２に相対的により近接して位置する第１の量子井戸層２１５がｐ側半導体２１３に相対的により近接して位置する第２の量子井戸層２１７と比べてより低いインジウム量ｘ１を有する構造を含む。例示的な実施形態の構造は、第１の量子井戸層２１５のインジウム量ｘ１および第２の量子井戸層２１７のｘ２が等しい構造と比べて、低減された閾値電流密度を提供する。図４および５は、例示的な半導体レーザダイオードの閾値電流密度を示す。
【００９２】
図４および図５を参照すると、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ発光のための本開示による例示的な構造は、３０ｍＷ光出力パワーにおいて、本開示の活性領域を利用しない従来型構造と比べて７％より低い閾値電流密度（Ｊｔｈ）および１．１％より高いウォールプラグ効率（ＷＰＥ）を有する。
【００９３】
作製されたデバイス上で測定された閾値電流およびＷＰＥにおける改善は、シミュレーション実験によって予測されるより高く、この理由は、第１の量子井戸層のＩｎ量が低減されたときの高結晶品質の追加的な利益がシミュレーションでは考慮されないためである。
【００９４】
図４および図５を参照すると、４９０ｎｍ〜５１０ｎｍ発光のための本開示による例示的な構造は、３０ｍＷ光出力パワーにおいて、本開示の活性領域を利用しない従来型構造と比べて１７％低い閾値電流密度（Ｊｔｈ）および１．１％より高いウォールプラグ効率（ＷＰＥ）を有する。
【００９５】
図６は、５００〜５１０ｎｍ発光を用いた、参照レーザ発光デバイスおよび本開示によるレーザ発光デバイスの測定された電流‐電圧特性を示す。図７は、これらのデバイスの測定された光出力パワー‐電流特性を示す。参照構造では、量子井戸層が同じＩｎ量を有し、本開示によるデバイスでは、第１の量子井戸層が第２の量子井戸層と比べてより少ないＩｎ量を有する。Ｉｎ量比は、１．１である。
【００９６】
本発明がある特定の１つまたは複数の実施形態に関して図示され、記載されたが、この明細書および添付図面を読んで理解したときに、当業者には明らかに等価な変化および変更が想起されるであろう。特に、上記の要素（部品、組立品、デバイス、組成物など）によって行われる様々な機能について、かかる要素を記載するために用いられる用語（「手段」への言及を含む）は、たとえ本明細書に示される本発明の例示的な１つまたは複数の実施形態における機能を行う開示される構造と構造的には等価でなくても、他に指示されない限り、記載される要素の指定された機能を行う（すなわち、機能的に等価な）いずれかの要素に対応することが意図される。加えて、本発明の特定の特徴がいくつかの図示された実施形態のうちの１つ以上に関してのみ先に記載されたが、いずれかまたは特定の用途に所望され、有利でありうる場合には、かかる特徴が他の実施形態の１つ以上の他の特徴と組み合わされてよい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本開示の実施形態によるレーザダイオード・デバイスは、可視光源として用いられてよい。前記光源は、照明または表示用途に用いられてよい。特に、低閾値電流および高いウォールプラグ効率（ＷＰＥ）をもつレーザダイオード・デバイスは、電力が電池または他の制限された電源から送られる携帯用途に特に適する。
【符号の説明】
【００９８】
１００：レーザダイオード・デバイス
１０１：バッファ層
１０２：ｎコンタクト層
１０３：バッファ層
１０４：ｎクラッド層
１０５：ｎガイド層
１０６：活性領域
１０７：キャリアブロック層
１０８：ｎガイド層
１０９：ｐクラッド層
１１０：ｐコンタクト層
１１１ａ：金属電極層
１１１ｂ：金属電極層
１１２：基板
１１３：ｎ側半導体領域
１１４：ｐ側半導体領域
１１５：量子井戸層
１１６：量子バリア層
２００：レーザダイオード・デバイス
２０１：ｎクラッド層
２０２：ｎガイド層
２０３：ガイド層
２０４：活性領域
２０５：ガイド層
２０６：キャリアブロック層
２０７：ｐクラッド層
２０８：コンタクト層
２０９ａ：金属電極層
２０９ｂ：金属電極層
２１０：基板
２１１：絶縁層
２１２：ｎ側半導体領域
２１３：ｐ側半導体領域
２１４：バリア層（キャップ層）
２１５：量子井戸層
２１６：バリア層
２１７：量子井戸層
２１８：バリア層（キャップ層）
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
2019041102.tif 000009
【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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