(57)【要約】【課題】高い出力安定性および長寿命を実現する窒化物半導体レーザー素子が望まれていた。【解決手段】井戸層２２および障壁層２１を含む多重量子井戸構造の活性層１４を有する窒化物半導体レーザー素子であって、発振波長が４３０〜４４０ｎｍで、井戸層２２の全積層数が３であり、井戸層２２と障壁層２１とのバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以上である窒化物半導体レーザー素子である。【効果】井戸層の全積層数を３としたので、高い出力安定性および長寿命化を実現できる。また、井戸層２２と障壁層２１とのバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以上であり、発振特性において従来の素子よりも信頼性に優れる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザー素子であって、
発振波長が４３０〜４４０ｎｍで、井戸層の全積層数が３であり、井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以上であることを特徴とする窒化物半導体レーザー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体（ＩｎＧａＮ）のレーザー素子に関し、特に窒化物青色半導体レーザー素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体レーザー素子の先行技術は、たとえば特許文献１および特許文献２に開示されている。
特許文献１に開示されている窒化物半導体レーザー素子は、井戸層と障壁層を含む多重量子井戸の活性層を有し、４３０ｎｍ以上で発振する窒化ガリウム系半導体レーザー素子であるが、井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギーの差が０．２０ｅＶ以上で０．３０ｅＶ以下に構成されている。（特許文献１の［要約］および［請求項１］参照）
このため、この半導体レーザー素子において、発振波長が４３０〜４４０ｎｍという青色波長領域の場合、上記のバンドギャップエネルギーの差では発振性能の信頼性がやや不足しており、バンドギャップエネルギーの差がもっと大きい方が望ましいという課題がある。
【０００３】
また、特許文献２には、井戸層と障壁層を含む多重量子井戸構造からなる活性層を有する窒化物半導体レーザー素子において、長波長になるほど発振しきい値が増大して室温での連続発振が困難になるという課題を解決するために、発振波長が４２０ｎｍ以上では井戸層の全積層数を２以下とし、発振波長が４３０ｎｍ以上では井戸層の全積層数を１とした量子井戸構造を有する窒化物半導体レーザー素子が提案されている（特許文献２の［請求項１］および［請求項２］参照）。
【０００４】
ところで、量子井戸構造の活性層を有するレーザー素子においては、一般に、井戸層の全積層数は、信頼性の観点からは多い方が望ましく、高い出力安定性と寿命の向上が望める。よって、特許文献２に開示の窒化物半導体レーザー素子では、井戸層の全積層数が少ないため、出力安定性や寿命の向上という点で、改良すべき課題がある。
【特許文献１】特開２００１−１４８５４６号公報
【特許文献２】特開２００１−７４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明は、上述のような背景技術のもとになされたもので、より信頼性の高い窒化物半導体レーザー素子を提供することを主たる目的とする。
また、この発明は、高い出力安定性および長寿命を実現する窒化物半導体レーザー素子を提供することを他の目的とする。
この発明は、その研究・実験過程において、量子井戸構造を有する活性層を備えた窒化物半導体レーザー素子において、発振波長が４３０〜４４０ｎｍの領域においては、井戸層の全積層数が２の場合と３の場合とで、しきい値電流密度に実質上の差が見られなかったという知見に基づいてなされたものであり、井戸層の全積層数を３とした構造を採用して発明完成に至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザー素子であって、発振波長が４３０〜４４０ｎｍで、井戸層の全積層数が３であり、井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以上であることを特徴とする窒化物半導体レーザー素子である。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造において、井戸層の全積層数を３としたので、高い出力安定性および長寿命化を実現した窒化物半導体レーザー素子とすることができる。
また、井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以上であり、４３０〜４４０ｎｍという発振波長領域において、従来の素子よりも発振特性において信頼性の向上を図ることができる。
【０００８】
この発明に係る窒化物半導体レーザー素子は、フルカラーディスプレイ、プロジェクター、レーザー加工機、レーザーポインター等の分野においてその活用が期待できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明をする。
図１は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザー素子の模式的な縦断面図である。この実施形態に係る窒化物半導体レーザー素子１０は、基板１１の上にｎ型クラッド層１２、ｎ型ガイド層１３、活性層１４、ｐ型ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６およびｐ型コンタクト層１７が順次積層形成された構造を有している。
【００１０】
活性層１４の構造は、図２に示すように、３つの井戸層２２を有する多重量子井戸構造をしている。
すなわち、図２を参照して、活性層１４は、第１の障壁層２１、第１の障壁層２１の上に積層された第１の井戸層２２、第１の井戸層２２の上に積層された第２の障壁層２１、第２の障壁層２１の上に積層された第２の井戸層２２、第２の井戸層２２の上に積層された第３の障壁層２１、第３の障壁層２１の上に積層された第３の井戸層２２、および、第３の井戸層２２の上に積層された第４の障壁層２１を備えている。
各障壁層２１は、ＧａＮ、または、微量のＩｎを含むＩｎαＧａ１−αＮで構成されている。ここに、αは、α＜０．０１、すなわちＩｎは１％のドープ量である。
【００１１】
一方、各井戸層２２は、ＩｎβＧａ１−βＮ（但し、０．１３≦β≦０．１７）である。
図３は、活性層１４におけるバンドギャップエネルギーの分布を表わす図解図である。多重量子井戸構造においては、障壁層２１をＩｎをドープせずにＧａＮで構成した場合、そのバンドギャップエネルギー（Ｅｃ−Ｅｖ）は、最大３ｅＶである。そして、各井戸層２２は、ＩｎをドープしたＩｎβＧａ１−βＮで構成されており、Ｉｎのドープ量βは１３〜１７％とした。このため、Ｉｎのドープ量が比較的多く、それによって、エネルギー分布上、各井戸層２２の間隔を狭めることができ、半導体レーザー素子の発振波長を長波長側にシフトすることができる。すなわち、青色発行に適した発振波長とすることができる。
【００１２】
また、Ｉｎのドープ量を増加したため、井戸層２２と障壁層２１との格子定数が変化し、ピエゾ電界（内部電界）が発生して、井戸層２２のバンド領域が斜めに歪んでいる。これにより、井戸層２２の間隔がさらに狭まり、その結果、井戸層２２と障壁層２１とのバンドギャップエネルギーの差が増加されている。
この実施形態では、上述したように、Ｉｎのドープ量を１３〜１７％としたことによって、井戸層２２と障壁層２１とのバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶ以上とされている。
【００１３】
この実施形態では、上記バンドギャップエネルギーの差が大きいことにより、ピエゾ電界が大きく、加えてバンドの歪みを利用して発振波長の長波長化が期待できる。また、活性層１４における井戸層２２の全積層数は３であり、半導体レーザー素子１０における高い出力安定性と高寿命化が望める。
図４は、しきい値電流密度の発振波長依存性を示すグラフであり、横軸が発振波長（ｎｍ）であり、縦軸がしきい値電流密度（ｋＡ／ｃｍ２）である。図４のグラフにおいて、３ＱＷ、２ＱＷの「３」「２」はそれぞれ井戸層の積層数を表わしている。
【００１４】
一般に、多重量子井戸構造の活性層においては、井戸層の数に関係なく、発振波長が長くなるとしきい値電流密度が上がる傾向がある。ところが、発明者らが測定したところ、井戸層の数が２の場合も３の場合も、発振波長としきい値電流密度との相関関係ラインがほぼ等しいライン上に並ぶことを知見し、この発明を完成するに至ったものである。
この実施形態のように、多重量子井戸構造の活性層において、井戸層の全積層数が３であれば、発振性能の信頼性が向上する。
【００１５】
この発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザー素子の模式的な縦断面図である。
【図２】活性層１４における多重量子井戸構造であって、井戸層の全積層数が３の構造の図解図である。
【図３】活性層におけるバンドギャップエネルギーの分布を表わす図解図である。
【図４】しきい値電流密度の発振波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１７】
１０    窒化物半導体レーザー素子
１４    活性層
２１    障壁層
２２    井戸層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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