(57)【要約】【課題】Ｓｉ等の不純物をドープする量を抑えるとともに、効率よくキャリアの発生を促すことができるバンドギャップ構造を有する窒化物半導体発光素子を提案することを目的とする。【解決手段】障壁層２０１ａ〜２０１ｃが、井戸層２０２と接するＳｉ等のｎ型不純物がドープされたＧａＮ層である井戸近接層２０３ｙと、井戸近接層２０３ｙの間にｎ型不純物のドープされていないアンドープのＧａＮ層である中間層２０４とを備える。【選択図】　　　図３
2004031770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型不純物がドープされたｎ型窒化物半導体層と、キャリアをトラップする複数の井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い複数の障壁層とが積層されて成る多重量子井戸構造である活性層と、ｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体層とから成り、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層と前記ｐ型窒化物半導体層とが順に積層された窒化物半導体発光素子において、
前記障壁層が、ｎ型不純物がドープされたドープ層と、ｎ型不純物がドープされていないアンドープ層とを有し、
前記障壁層の前記ドープ層が前記井戸層と接することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記障壁層を構成する前記ドープ層及び前記アンドープ層の総数が３層以上であるとともに、前記アンドープ層が前記井戸層と接していないことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ドープ層の膜厚ｄａが、０．３ｎｍ≦ｄａ≦３ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記障壁層が、１つの前記ドープ層と１つの前記アンドープ層の２層で構成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ドープ層の膜厚ｄａが、０．３ｎｍ≦ｄａ≦４ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記障壁層の膜厚ｄｂが、７ｎｍ≦ｄｂ≦１２ｎｍであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ドープ層にドープされたｎ型不純物の濃度Ｘが、５×１０１５ｃｍ−３≦Ｘ≦１×１０２０ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記井戸層の膜厚ｄｃが、２ｎｍ≦ｄｃ≦７ｎｍであることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記障壁層がＧａＮ層であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記アンドープ層の組成にＩｎが含まれることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ドープ層の組成にＩｎが含まれることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記井戸層がＩｎＧａＮ層であるとともに、ｎ型不純物がドープされていないことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子に関するもので、特に、窒化物半導体よりなる窒化物半導体発光素子に関する。尚、本明細書で説明する窒化物半導体とは、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成される。又、この窒化物半導体において、その結晶構造が六方晶系であれば、約１０％以下のＡｓ、Ｐ、Ｓｂのいずれかの元素が置換されていても構わない。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、高輝度青色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）、純緑色ＬＥＤの材料として用いられ、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源に実用化されている。又、青紫色半導体レーザ素子の材料としても用いられ、光ディスクの情報読み出しおよび書き込み用光源等への応用も期待されている。
【０００３】
このような窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子の基本的な構成が、例えば、特開平６−１７７４２３号公報に開示されている。この特開平６−１７７４２３号公報で開示されている窒化物半導体発光素子は、図１２に示すように、サファイア等の基板９０１上に、ＧａＮよりなるバッファ層９０２と、ｎ型ＧａＮ層９０３と、ｎ型ＩｎＧａＮ層９０４と、ｐ型ＧａＮ層９０５とが順に積層された構造となる。
【０００４】
図１２のような窒化物半導体発光素子において、ｎ型ＩｎＧａＮ層９０４は、ＩｎとＧａの組成比の異なる２つのｎ型ＩｎＧａＮ層膜が交互に積層された多層膜で形成されている多重量子井戸構造とされ、発光層として用いられる。このｎ型ＩｎＧａＮ層９０４は、バンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＮの井戸層と、バンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ障壁層とが積層された構成の活性層となる。
【０００５】
この活性層となるｎ型ＩｎＧａＮ層９０４には、井戸層にキャリアを効率よく注入し閾値電流密度を低減させるために、Ｓｉ等のｎ型不純物がドープされている。このような構成の活性層を備えることによって、発光素子の光出力を向上させることができ、半導体レーザ素子を構成した場合、駆動時の閾値電流を低下させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光層となる活性層にＳｉ等の不純物をドープすることによって、活性層内でのフリーキャリア散乱の増加や結晶性の悪化を招くため、半導体レーザ素子などにおいては、発生する光出力の低下の原因となる。このようなＳｉ等の不純物の活性層へドープする量を抑えた窒化物半導体発光素子が、特許第３２１７００４号公報において開示されている。
【０００７】
特許第３２１７００４号公報において、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層である井戸層と、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ層とｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層とから構成される障壁層とが積層されて、体重量子井戸構造の活性層が構成される。このような活性層の障壁層において、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ層は、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層に挟まれた状態となるため、井戸層と接していない。
【０００８】
このように障壁層を構成するとき、障壁層の膜厚を８ｎｍで一定とし、障壁層を構成するｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚を変化させて、駆動時の閾値電流密度を測定した。この測定結果を、図１３のグラフに示す。図１３より、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚が１ｎｍより薄くなると閾値電流密度が増加することがわかる。これは、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ層の膜厚が厚くなり光が散乱されるフリーキャリア散乱領域が増加し内部損失が大きくなったためと考えられる。
【０００９】
又、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚が３ｎｍより厚くなると閾値電流密度が増加することがわかる。これは、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ層で生成されたキャリアが井戸層に達するまでに、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層で消費され、効率よく井戸層に注入されないためであると考えられる。又、ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚が１〜３ｎｍであっても、このｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層があるために、効率よく井戸層にキャリアを注入できないため、閾値電流密度が高くなる。
【００１０】
本発明は、Ｓｉ等の不純物をドープする量を抑えるとともに、効率よくキャリアの発生を促すことができるバンドギャップ構造を有する窒化物半導体発光素子を提案することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされたｎ型窒化物半導体層と、キャリアをトラップする複数の井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い複数の障壁層とが積層されて成る多重量子井戸構造である活性層と、ｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体層とから成り、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層と前記ｐ型窒化物半導体層とが順に積層された窒化物半導体発光素子において、前記障壁層が、ｎ型不純物がドープされたドープ層と、ｎ型不純物がドープされていないアンドープ層とを有し、前記障壁層の前記ドープ層が前記井戸層と接することを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、ｎ型不純物がドープされたドープ層が井戸層と接しているため、ドープ層で発生したキャリアが効率よく井戸層に供給される。障壁層にｎ型不純物がドープされていないアンドープ層を備えるため、障壁層内のｎ型不純物の濃度を抑えることができ、フリーキャリア散乱による内部損失を抑制することができる。
【００１３】
このような窒化物半導体発光素子において、前記障壁層を構成する前記ドープ層及び前記アンドープ層の総数を３層以上とするとともに、前記井戸層と接していない前記アンドープ層を設けるようにしても構わない。このとき、前記ドープ層の膜厚ｄａを、０．３ｎｍ≦ｄａ≦３ｎｍとする。
【００１４】
又、前記障壁層を、１つの前記ドープ層と１つの前記アンドープ層の２層で構成しても構わない。このとき、前記ドープ層の膜厚ｄａを、０．３ｎｍ≦ｄａ≦４ｎｍとする。
【００１５】
更に、前記障壁層の膜厚ｄｂを、７ｎｍ≦ｄｂ≦１２ｎｍとする。又、前記ドープ層にドープされたｎ型不純物の濃度Ｘを、５×１０１５ｃｍ−３≦Ｘ≦１×１０２０ｃｍ−３とする。又、前記井戸層の膜厚ｄｃを、２ｎｍ≦ｄｃ≦７ｎｍとする。
【００１６】
又、前記障壁層をＧａＮ層とする。このとき、ドープ層及びアンドープ層いずれもＧａＮ層としても構わないし、ドープ層のみにＩｎがその組成に含まれるようにしても構わないし、アンドープ層のみにＩｎがその組成に含まれるようにしても構わないし、ドープ層及びアンドープ層いずれにもＩｎがその組成に含まれるようにしても構わない。更に、井戸層がＩｎＧａＮ層であるとともに、ｎ型不純物がドープされていない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜窒化物半導体発光素子の構成＞
以下の各実施形態において共通となる窒化物半導体発光素子の構成について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の構成を示す概略断面図である。
【００１８】
図１の窒化物半導体発光素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００の表面上に、ｎ型ＧａＮ層１、ｎ型Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラック防止層２、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４、活性層５、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャリアブロック層６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層７、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層８、ｐ型ＧａＮコンタクト層９が順に積層されて構成される。
【００１９】
更に、このように各窒化物半導体層が積層されて構成された窒化物半導体発光素子は、ｐ型ＡｌＧａＮ層８の上側部分及びｐ型ＧａＮコンタクト層９がストライプ状のリッジ構造とされ、このリッジ構造の両側にＳｉＯ２誘電体膜１１が設けられる。そして、ｎ型ＧａＮ基板１００の裏面にｐ型電極１２が設けられるとともに、ｐ型ＧａＮコンタクト層９及びＳｉＯ２誘電体膜１１の表面にｎ型電極１０が設けられる。
【００２０】
このような構成の窒化物半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって、窒化物半導体からなる積層構造をＧａＮ基板１００表面上に形成することで製作する。
【００２１】
このとき、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１００の表面に、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層１を３μｍ、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層２を４０ｎｍ、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３を１μｍ、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ光ガイド層４を０．１μｍ、活性層５、　Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６を２０ｎｍ、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ光ガイド層７を０．１μｍ、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を０．４μｍ、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層９を０．１μｍ、それぞれ順に成長させた。
【００２２】
このようにして、ｎ型ＧａＮ基板１００上に窒化物半導体積層構造を作製した後、熱処理などによりＭｇドープ層を低抵抗ｐ型にした上で、ＡｌＧａＮクラッド層８と、ＧａＮコンタクト層９には、共振器方向に延伸したストライプ状のリッジを設けるとともに、このリッジ部分の両側及びＡｌＧａＮクラッド層８の表面にＳｉＯ２誘電体膜１１を設ける。その後、Ａｕ／Ｍｏ／Ｐｄからなるｐ型電極１２、Ａｌ／Ｈｆからなるｎ型電極１０を形成して、窒化物半導体発光素子を作製する。
【００２３】
又、活性層５は、井戸層と障壁層とを順次積層した多層膜構造の多重量子井戸構造である。このとき、多重量子井戸構造の積層構造を最小としたとき、活性層５は、障壁層を１層とするとともにこの障壁層の両側に設けられた２層の井戸層を設けた３層構造、又は、井戸層を１層とするとともにこの井戸層の両側に設けられた２層の障壁層を設けた３層構造となる。
【００２４】
この多重量子井戸構造となる活性層５において、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４及びｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６に接する両側の２つの最外層を、いずれも井戸層としても構わないし、逆に、いずれも障壁層としても構わない。又、一方の最外層を井戸層とするとともに、他方の最外層を障壁層としても構わない。このような各構成の多重量子井戸構造となる活性層において、更に、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６に接した最外層を障壁層及び井戸層のいずれで構成しても構わない。
【００２５】
このような多重量子井戸構造の活性層５において、井戸層及び障壁層は、ともに、窒化物半導体で形成される。即ち、井戸層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）や、ＧａＮ１−ｘＡｓｘ（０＜ｘ＜１）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＧａＮ１−ｘＰｘ（０＜ｘ＜１）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮｙＰ１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）又はこれらの化合物で構成される。又、障壁層については、井戸層を構成するこれらの窒化物半導体のいずれか又はこれらの化合物で構成され、更に、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体によって構成される。
【００２６】
更に、この活性層５において構成される井戸層は全て、意図的に不純物がドープされない状態であるアンドープとされる。これは、井戸層に不純物をドープした場合、窒化物半導体発光素子の劣化が早く、その寿命に影響を与えるため、アンドープとした方がよいためである。　又、ｐ型不純物としてｐ型窒化物半導体層にＭｇをドープしているが、その添加濃度は、５×１０１９〜２×１０２０ｃｍ−３の濃度で添加している。
【００２７】
このような共通の構成の窒化物半導体発光素子において、以下の各実施形態では、活性層５内部の積層構造が異なる。よって、以下の各実施形態では、活性層５内部の積層構造を中心に説明する。又、以下の各実施形態における窒化物半導体発光素子として、窒化物半導体レーザ素子を例に挙げて説明する。
【００２８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図２は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５の積層構造を示すための断面図である。
【００２９】
図２に示すように、活性層５は、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃと井戸層２０２とによる多重量子井戸構造で構成される。本実施形態では、障壁層２０１ａ／井戸層２０２／障壁層２０１ｂ／井戸層２０２／障壁層２０１ｂ／井戸層２０２／障壁層２０１ｃの順序で成長させて構成し、井戸層２０２の層数を３層とした。
【００３０】
このように活性層５を構成する際、本実施形態において、井戸層２０２をアンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層とする。又、井戸層２０２の厚さを２〜７ｎｍの範囲とする。これは、井戸層２０２の厚さが２ｎｍより薄いと、界面散乱が増加し、又、移動層２０２の厚さが７ｎｍより厚くなると、井戸層２０２内で電子と正孔の空間的な分離が起こって再結合確率を下げる。よって、井戸層２０２の厚さを２〜７ｎｍの範囲外とした場合、駆動時の閾値電流を上昇させてしまう。尚、本実施形態では、この井戸層２０２の厚さを４ｎｍとする。
【００３１】
又、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃはそれぞれ、３層構造とする。そして、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４と井戸層２０２とに挟まれた障壁層２０１ａは、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４と接するｎ側近接層２０３ｘと、井戸層２０２と接する井戸近接層２０３ｙと、３層の中間に位置する中間層２０４とによって構成される。又、井戸層２０２に挟まれた障壁層２０１ｂは、２層の井戸近接層２０３ｙと、中間層２０４とによって構成される。又、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６と井戸層２０２とに挟まれた障壁層２０１ｃは、井戸近接層２０３ｙと、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６と接するｐ側近接層２０３ｚと、中間層２０４とによって構成される。
【００３２】
このようにして、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃそれぞれを構成するとき、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚの厚さをそれぞれ３ｎｍとするとともに、中間層２０４の厚さを２ｎｍとし、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの厚さをそれぞれ８ｎｍとする。又、井戸近接層２０３ｙにのみ、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープする。
【００３３】
このとき、ドープされたＳｉ濃度を、５×１０１５ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３とする方がよい。これは、Ｓｉ濃度を１×１０２０ｃｍ−３以上としたとき、Ｓｉの過剰ドープが活性層の結晶性を悪化させてしまい、又、Ｓｉ濃度を５×１０１５ｃｍ−３以下としたとき、キャリアの生成が起こらなくなり、それぞれ、閾値電流密度の増加を引き起こしてしまうためである。このドープされたＳｉ濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）などの測定方法を用いて測定される。
【００３４】
尚、本実施形態においては、Ｓｉ濃度を、１×１０１８ｃｍ−３とする。又、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚを、アンドープとしたが、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープしても構わない。又、上記範囲以内であれば、井戸近接層２０３ｙにおいて、ｎ側ＧａＮ光ガイド層４側の井戸層２０２と近接している層と、ｐ側ＡｌＧａＮキャリアブロック層６側の井戸層２０２と近接している層との間で、Ｓｉ濃度は異なっていても構わない。
【００３５】
このように構成された活性層５のバンドダイヤグラムを、図３に示す。図３より明らかなように、障壁層２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃのバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーとなる井戸層２０２に、井戸近接層２０３ｙが接していることがわかる。
【００３６】
この井戸近接層２０３ｙは、ｎ型不純物がドープされているため、キャリアが発生しやすい状態となる。この発生したキャリアが、井戸層２０２にトラップされるため、井戸層２０２にトラップされるキャリアの量が多くなり、光出力を高めることができる。又、井戸近接層２０３ｙが井戸層２０２と接しているので、発生したキャリアが井戸層２０２に達する確率が高い。そして、上述の条件で作成した窒化物半導体レーザ素子の閾値電流密度は、２．３ｋＡ／ｃｍ２となった。
【００３７】
又、図４に、障壁層２０１（障壁層２０１ａ〜２０１ｃに相当する）全体の膜厚を８ｎｍで一定として、井戸近接層２０３ｙの膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフを示す。尚、ｎ側ＧａＮ光ガイド層４側の井戸層２０２と近接している井戸近接層２０３ｙの膜厚と、ｐ側ＡｌＧａＮキャリアブロック層６側の井戸層２０２と近接している井戸近接層２０３ｙの膜厚とが等しいものとする。即ち、井戸近接層２０３ｙが１ｎｍの時は、中間層２０４は６ｎｍとなり、井戸近接層２０３ｙが２ｎｍの時は、中間層２０４は４ｎｍとなり、井戸近接層２０３ｙが３ｎｍの時は、中間層２０４は２ｎｍとなる。
【００３８】
この図４の結果より、井戸近接層２０３ｙが３ｎｍ以下となるとき、閾値電流密度が低減することがわかる。尚、井戸近接層２０３ｙが３ｎｍより厚い場合、閾値電流密度が増加するのは、ｎ型不純物がドープされる井戸近接層２０３ｙをこれ以上厚くしても、井戸層２０２に注入されるキャリアの量が増加せず、障壁層２０１にドープされるｎ型不純物の割合が多くなるためである。即ち、このｎ型不純物の割合が多くなると、活性層５内のフリーキャリア散乱が増加し内部損失が大きくなるため、閾値電流密度が増加する。
【００３９】
そこで、井戸近接層２０３ｙの層厚を３ｎｍ以下とすることで、ｎ型不純物のドープ量が抑えられるため、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑えることができる。又、井戸層２０２と接する井戸近接層２０３ｙにｎ型不純物をドープするので、井戸層２０２に効率よくキャリアが供給することができるものと考えられる。但し、井戸近接層２０３ｙの膜厚が０．３ｎｍ以下になると、ｎ型不純物のドープ量が十分でなく、十分なキャリア数が井戸層２０２に注入できなくなるため、再び閾値電流密度が増大する。
【００４０】
この図４のような井戸近接層２０３ｙの膜厚と閾値電流密度との関係を、井戸層２０２の膜厚を２ｎｍ〜７ｎｍの範囲で変化させるとともに、又、障壁層２０１の膜厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲で変化させて、調べたが、その結果は、図４に示した結果と一致した。又、障壁層２０１の膜厚を７ｎｍ未満とした場合、閾値電流密度が増加する。これは、活性層５全体の膜厚が薄くなり、光閉じ込めが弱くなったためと考えられる。更に、障壁層２０１の厚さを１２ｎｍ以上とした場合、各井戸層２０２が離れすぎて、移動度の小さいホールが各井戸層２０２に均一に注入されなくなり、ゲインの低下を引き起こすため、閾値電流密度が上昇する。
【００４１】
上述の結果より、窒化物半導体レーザ素子の活性層５において、障壁層２０１の層厚を７〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドーピングされる井戸近接層２０３ｙの膜厚を０．３ｎｍ〜３ｎｍ以下とすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層２０２にキャリアを注入できるため、閾値電流密度を低減することができる。
【００４２】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図５は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５を構成する各層のバンドギャップエネルギーの関係を示すバンドダイヤグラムである。尚、本実施形態において、活性層５の構成については、第１の実施形態と同様、図２のような構成となる。
【００４３】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、障壁層２０１ａ〜２０１ｃにおいて、中間層２０４をＩｎＧａＮ層とし、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚをＧａＮ層としている。このとき、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚに対して、Ｓｉなどのｎ型不純物をドープする。
【００４４】
又、中間層２０４は、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を防ぐために、アンドープとなっている。この中間層２０４の組成を、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎで形成する。このように、Ｉｎが中間層２０４の組成に含まれるため、ＧａＮ層で構成されるｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚに対して、そのバンドギャップエネルギーが低くなる。このバンドギャップエネルギーは、Ｉｎの含有率によって決定し、その含有率が多くなるほど低くなる。よって、中間層２０４において、井戸層２０２におけるＩｎの含有率よりも低くなるように設定される。
【００４５】
このように活性層５が構成された窒化物半導体レーザ素子においても、第１の実施形態とほぼ同様の結果が得られた。よって、障壁層２０１の層厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドープされる井戸近接層２０３ｙの膜厚を０．３ｎｍ〜３ｎｍ以下とすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層２０２にキャリアを注入できるため、閾値電流密度を低減することができる。
【００４６】
本実施形態のように、障壁層２０１の一部をＩｎＧａＮ層とした場合、活性層５は熱によるダメージに弱くなり、活性層５を成長させた後、１０００℃以上でｐ層を成長させる際に、熱ダメージを受けてしまう。しかし、本実施形態のように、ＩｎＧａＮ層とされる中間層２０４を、ＧａＮ層とされるｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚで挟みこむため、熱ダメージを受けにくくすることができ、閾値電流密度が２ｋＡ／ｃｍ２程度の良好な特性の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。尚、障壁層２０１に含まれるＩｎＧａＮ層におけるＩｎの組成は０．１以下に抑える方が好ましい。又、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚに対して、ｎ型不純物をドープするものとしたが、中間層２０４と同様、アンドープとしても構わない。
【００４７】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図６は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５を構成する各層のバンドギャップエネルギーの関係を示すバンドダイヤグラムである。尚、本実施形態において、活性層５の構成については、第１の実施形態と同様、図２のような構成となる。
【００４８】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、障壁層２０１ａ〜２０１ｃにおいて、井戸近接層２０３ｙをＩｎＧａＮ層とし、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚ及び中間層２０４をＧａＮ層としている。このとき、井戸近接層２０３ｙに対して、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープする。この井戸近接層２０３ｙの組成を、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎで形成する。又、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚ及び中間層２０４は、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を防ぐために、アンドープとなっている。
【００４９】
このように、Ｉｎが井戸近接層２０３ｙの組成に含まれるため、ＧａＮで構成されるｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚ及び中間層２０４に対して、そのバンドギャップエネルギーが低くなる。尚、井戸近接層２０３ｚにおけるＩｎの含有率は、井戸層２０２よりも低くなるように設定される。又、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４側の井戸近接層２０３ｙとｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６側の井戸近接層２０３ｙそれぞれにおいて、Ｉｎの組成が異なっていても構わない。
【００５０】
本実施形態のように構成された窒化物半導体レーザ素子においても、第１の実施形態とほぼ同様の結果が得られた。即ち、障壁層２０１の層厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドープされる井戸近接層２０３ｙの膜厚を０．３ｎｍ〜３ｎｍ以下とすることで、閾値電流密度を低減することができる。
【００５１】
尚、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚをＧａＮとしたが、井戸近接層２０３ｙと同様、その組成にＩｎを含むようにしても構わない。又、このｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚに、ｎ型不純物をドープするようにしても構わない。
【００５２】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図７は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５を構成する各層のバンドギャップエネルギーの関係を示すバンドダイヤグラムである。尚、本実施形態において、活性層５の構成については、第１の実施形態と同様、図２のような構成となる。
【００５３】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、障壁層２０１ａ〜２０１ｃを、ＩｎＧａＮ層とする。即ち、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚ及び中間層２０４それぞれの組成を、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎで形成する。このとき、井戸層２０２はアンドープで、障壁層２０１ａ〜２０１ｃに関しては、ｎ側近接層２０３ｘ及び井戸近接層２０３ｙ及びｐ側近接層２０３ｚに、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープする。このとき、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚについては、アンドープでも構わない。
【００５４】
本実施形態のように構成された窒化物半導体レーザ素子においても、第１の実施形態とほぼ同様の結果が得られた。即ち、障壁層２０１の層厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドープされる井戸近接層２０３ｙの膜厚を０．３ｎｍ〜３ｎｍ以下とすることで、閾値電流密度を低減することができる。
【００５５】
しかし、第３の実施形態及び第４の実施形態のように、井戸近接層２０３ｙをＩｎＧａＮ層とした場合、活性層５が熱によるダメージに弱くなり、活性層５を成長させた後、１０００℃以上でｐ層を成長させる際に、熱ダメージを受ける。よって、障壁層２０１ａ〜２０１ｃと井戸層２０２との界面の急峻性が崩れることがあり、活性層５からの発光スペクトルがブロード化して、窒化物半導体レーザ素子の出力特性を悪化させてしまう。このため、井戸近接層２０３ｙをＧａＮ層とする方が好ましい。
【００５６】
＜第５の実施形態＞
本発明の第５の実施形態について、図面を参照して説明する。図８は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５の積層構造を示すための断面図である。尚、図２に示すと同一部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５７】
図８に示すように、活性層５において、障壁層２０１ａ〜２０１ｃが２層となっている。この障壁層２０１ａ〜２０１ｃ及び第１の実施形態と同様アンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層である井戸層２０２が、障壁層２０１ａ／井戸層２０２／障壁層２０１ｂ／井戸層２０２／障壁層２０１ｂ／井戸層２０２／障壁層２０１ｃの順序で成長されて、多重量子井戸構造が構成される。本実施形態においても、井戸層２０２の層数が３層とした。
【００５８】
本実施形態に置いても、駆動時の閾値電流を抑制するために、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲であることが好ましく、本実施形態では、４ｎｍとする。又、障壁層２０１ａは、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４と接するｎ側近接層２０３ｘと、井戸層２０２と接するｐ側井戸近接層２０３ｂとによって構成される。又、障壁層２０１ｂは、ｎ側ＧａＮ光ガイド層４側の井戸層２０２と接するｎ側井戸近接層２０３ａと、ｐ側ＡｌＧａＮキャリアブロック層６側の井戸層２０２と接するｐ側井戸近接層２０３ｂとによって構成される。又、障壁層２０１ｃは、ｎ側井戸近接層２０３ａと、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６と接するｐ側近接層２０３ｚとによって構成される。
【００５９】
そして、ｎ側近接層２０３ｘ及びｎ側井戸近接層２０３ａをＧａＮ層とし、ｐ側近接層２０３ｚ及びｐ側井戸近接層２０３ｂをＩｎＧａＮ層とする。このとき、ｐ側近接層２０３ｚ及びｐ側井戸近接層２０３ｂの組成が、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．９５Ｎで形成されるとともに、アンドープとされる。又、ｎ側近接層２０３ｘ及びｎ側井戸近接層２０３ａには、Ｓｉ等のｎ型不純物がドープされる。そして、ｎ側近接層２０３ｘ及びｐ側近接層２０３ｚ及びｎ側井戸近接層２０３ａ及びｐ側井戸近接層２０３ｂそれぞれの膜厚を４ｎｍとし、障壁層２０１ａ〜２０１ｃそれぞれの膜厚を８ｎｍとする。
【００６０】
ｎ側近接層２０３ｘ及びｎ側井戸近接層２０３ａにドープされるＳｉ濃度は、第１の実施形態と同様の理由から、５×１０１５ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３とした方がよい。尚、本実施形態では、１×１０１８ｃｍ−３とする。又、上記範囲以内であれば、ｎ側近接層２０３ｘ及びｎ側井戸近接層２０３ａにドープされるＳｉ濃度が異なっていても構わない。
【００６１】
このように構成された活性層５のバンドダイヤグラムを、図９に示す。ｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚはＩｎを組成に含むため、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘよりもバンドギャップエネルギーが低くなる。又、ｎ型不純物がドープされたｎ側井戸近接層２０３ａが井戸層２０２と接しているので、ｎ側井戸近接層２０３ａで発生したキャリアが効率よく井戸層２０２にトラップされる。そして、上述の条件で作成した窒化物半導体レーザ素子の閾値電流密度は、２．５ｋＡ／ｃｍ２となった。
【００６２】
又、図１０に、障壁層２０１（障壁層２０１ａ〜２０１ｃに相当する）全体の膜厚を８ｎｍで一定として、ｎ側井戸近接層２０３ａ（ｎ側近接層２０３ｘを含む）の膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフを示す。つまり、ｎ側井戸近接層２０３ａが１ｎｍの時は、ｐ側井戸近接層２０３ｂは７ｎｍで、ｎ側井戸近接層２０３ａが２ｎｍの時は、ｐ側井戸近接層２０３ｂは６ｎｍで、ｎ側井戸近接層２０３ａが４ｎｍの時は、ｐ側井戸近接層２０３ｂは４ｎｍとなり、障壁層２０１の全体厚さが８ｎｍになるように、ｐ側井戸近接層２０３ｂの膜厚が決定される。
【００６３】
この図１０の結果より、ｎ側井戸近接層２０３ａが４ｎｍ以下となるとき、閾値電流密度が低減することがわかる。尚、ｎ側井戸近接層２０３ａが４ｎｍより厚い場合、閾値電流密度が増加するのは、ｎ型不純物がドープされるｎ側井戸近接層２０３ａをこれ以上厚くしても、井戸層に注入されるキャリアの量が増加せず、井戸層２０２に注入されるキャリアの量が増加せず、障壁層２０１にドープされるｎ型不純物の割合が多くなるためである。
【００６４】
しかし、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘの膜厚を４ｎｍ以下にすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、更に、Ｓｉドープされることで、井戸層２０２に効率よくキャリアが供給されて低閾値電流密度の素子が実現できたと考えられる。但し、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘの膜厚が０．３ｎｍ以下になると十分なキャリア数が井戸層２０２に注入できなくなるため、再び閾値電流密度の増大を引き起こす。また、ｎ側近接層２０３ｘに関して、本実施形態では、Ｓｉドープを行ったが、アンドープとしても、図１０の結果と同じであった。
【００６５】
この図１０のようなｎ側井戸近接層２０３ａの膜厚と閾値電流密度との関係を、井戸層２０２の膜厚を２ｎｍ〜７ｎｍの範囲で変化させるとともに、又、障壁層２０１の膜厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲で変化させて、調べたが、第１の実施形態と同様、その結果は、図１０に示した結果と一致した。
【００６６】
上述の結果より、窒化物半導体レーザ素子の活性層５において、障壁層２０１の層厚を７〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ｎ型不純物のドープを、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘに行うことで、最も効率よくキャリアを井戸層２０２に注入できる。又、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘの層厚を０．３〜４ｎｍとすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層２０２にキャリアを注入できるため閾値電流密度を低減することができる。
【００６７】
このように構成された窒化物半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的な接続を行って、半導体レーザ装置を組んだとき、その特性歩留まりを良好なものとすることができる。尚、本実施形態において、ｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚをＩｎＧａＮ層としたが、ＧａＮ層としても、ほぼ同じ結果が得られる。
【００６８】
＜第６の実施形態＞
本発明の第６の実施形態について、図面を参照して説明する。図１１は、窒化物半導体レーザ素子の活性層５を構成する各層のバンドギャップエネルギーの関係を示すバンドダイヤグラムである。尚、本実施形態において、活性層５の構成については、第５の実施形態と同様、図８のような構成となる。
【００６９】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、障壁層２０１ａ〜２０１ｃにおいて、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘをＩｎ０．１５Ｇａ０．９５Ｎ層とするとともにアンドープとし、ｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚをＧａＮ層とするとともにＳｉ等のｎ型不純物をドープする。そして、障壁層２０１ａ〜２０１ｃの膜厚を一定として、ｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚの膜厚を変化させた場合、図１０と同様の傾向を示した。
【００７０】
このように活性層５が構成された窒化物半導体レーザ素子においても、第５の実施形態とほぼ同様の結果が得られた。よって、障壁層２０１の層厚を７ｎｍ〜１２ｎｍの範囲とし、井戸層２０２の膜厚を２〜７ｎｍの範囲とするとともに、ドープされるｐ側井戸近接層２０３ｂ及びｐ側近接層２０３ｚの膜厚を０．３ｎｍ〜４ｎｍ以下とすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層２０２にキャリアを注入できるため、閾値電流密度を低減することができる。
【００７１】
尚、本実施形態において、ｎ側井戸近接層２０３ａ及びｎ側近接層２０３ｘをＩｎＧａＮ層としたが、ＧａＮ層としても、ほぼ同じ結果が得られる。又、ｐ側近接層２０３ｚをノンドープとしても、ほぼ同じ結果が得られる。
【００７２】
上述の各実施形態で構成された窒化物半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的な接続を行って、半導体レーザ装置を組んだとき、その特性歩留まりを良好なものとすることができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によると、ｎ型不純物がドープされたドープ層が井戸層と接しているため、ドープ層で発生したキャリアが効率よく井戸層に供給される。障壁層にｎ型不純物がドープされていないアンドープ層を備えるため、障壁層内のｎ型不純物の濃度を抑えることができ、フリーキャリア散乱による内部損失を抑制することができる。よって、駆動時の閾値電流密度の低い窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体発光素子の構成を示す概略断面図。
【図２】図１の窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示す断面図の一例。
【図３】第１の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図４】井戸近接層の膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフ。
【図５】第２の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図６】第３の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図７】第４の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図８】図１の窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示す断面図の一例。
【図９】第５の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図１０】ｎ側井戸近接層の膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフ。
【図１１】第６の実施形態の窒化物半導体素子の活性層のバンドダイヤグラム。
【図１２】従来の窒化物半導体発光素子の構成を示す概略断面図。
【図１３】ｎ型不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層の膜厚を変化させたときの閾値電流密度を表したグラフ。
【符号の説明】
１　ｎ型ＧａＮ層
２　ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層
３　ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４　ｎ型ＧａＮ光ガイド層
５　活性層
６　ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層
７　ｐ型ＧａＮ光ガイド層
８　ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
９　ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０　ｎ型電極
１１　ＳｉＯ２誘電体膜
１２　ｐ型電極
【図１】
2004031770.tif 000003
【図２】
2004031770.tif 000004
【図３】
2004031770.tif 000005
【図４】
2004031770.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2004031770.tif 000009
【図８】
2004031770.tif 000010
【図９】
2004031770.tif 000011
【図１０】
2004031770.tif 000012
【図１１】
2004031770.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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