(57)【要約】【課題】結晶性が良好な量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子を提供する。【解決手段】本ＧａＮ系半導体レーザ素子は発光波長が４６０ｎｍの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造１０は、膜厚８０ｎｍの下部ＧａＮ光ガイド層１２と、障壁層１４、歪補償層１６Ａ、井戸層１８、及び歪補償層１６Ｂの３周期と、障壁層と、膜厚８０ｎｍの上部ＧａＮ光ガイド層２０とから構成されている。障壁層は膜厚５０ÅのＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（Ｘ１＝０．０２）層として、歪補償層は膜厚１０ÅのＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ２＝０．０４）層として、井戸層は膜厚２５ÅのＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ（Ｘ３＝０．１８）層として構成されている。全ての井戸層とそれと隣合う障壁層との間に歪補償層が介在している。歪補償層のバンドギャップエネルギーは、障壁層のそれより大きく、また歪補償層のフリースタンディングでの格子定数は障壁層のそれより小さい。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、量子井戸構造を構成する井戸層のうち少なくとも１層の井戸層と該少なくとも一層の井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在していることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在する２層の歪補償層の組成が相互に異なることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
Ｉｎを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、障壁層内又は井戸層内に介在していることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
各障壁層内又は各井戸層内にそれぞれ介在している障壁層のうち少なくとも２層の障壁層の組成が相互に異なることを特徴とする請求項３に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
井戸層及び障壁層がＩｎＧａＮ層で構成されているとき、歪補償層がＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項１又は３に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
Ｉｎを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
光ガイド層及び量子井戸構造を構成する障壁層の双方のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、活性層の上下に設けられている光ガイド層の少なくとも一方の光ガイド層内に介在していることを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項７】
複数層の歪補償層が光ガイド層内に周期的に介在することを特徴とする請求項６に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
光ガイド層がＩｎＧａＮ層で構成されているとき、歪補償層がＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項６又は８に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項９】
歪補償層の膜厚が、井戸層の膜厚及び障壁層の膜厚の双方より薄いことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関し、更に詳細には、しきい値電流が小さく、スロープ効率が大きな窒化物系半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系発光素子は、ＧａＮ、Ｉｎ、Ａｌを含む混晶化合物半導体で構成された半導体発光素子であって、化合物半導体の格子定数はＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの順に大きくなる。
従来、４０５ｎｍの窒化ガリウム系半導体レーザ素子９０を作製するときには、例えば図７に示すように、サファイア基板又はＧａＮ基板９１上に、ｎ−ＧａＮバッファ層９２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層９３、ＧａＮ光ガイド層９４、活性層９５、ＧａＮ光ガイド層９６、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９７、ｐ−ＧａＮコンタクト層９８を積層している。
ここで、活性層９５は、図示しないが、ＩｎＧａＮ井戸層と、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きなＩｎＧａＮ障壁層とからなる量子井戸構造として構成され、井戸層及び障壁層のＩｎ組成は、それぞれ、８％及び２％である。
【０００３】
上述の積層構造の構成で活性層を結晶成長させた際、活性層を構成する井戸層及び障壁層は、その格子定数がＧａＮと比較して大きいので、歪が井戸層に導入されるものの、４０５ｎｍの波長帯では、井戸層のＩｎ組成が低いので、化合物半導体層同士の界面、或いは各化合物半導体層内から格子欠陥が発生するような現象は起こり難かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような窒化物系化合物半導体層からなる積層構造で、青色帯（波長４６０ｎｍ）あるいは緑色帯（波長５１０ｎｍ）の半導体レーザ素子を作製するためには、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成を、それぞれ、２０％及び３０％にすることが必要である。
しかし、発光波長を長くするために、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成を２０％或いは３０％に大きくして行くと、ＩｎＧａＮ井戸層の格子定数が大きくなり、活性層を構成する井戸層と障壁層との界面、或いは井戸層の膜中に、歪みが生じる。
その結果、格子欠陥が導入され、発光効率が悪化するという問題があった。格子欠陥が導入されると、電流を注入して発光させる際、格子欠陥が非発光中心として働き、発光効率が悪化するからである。
また、歪みが生じるために、井戸層内でＩｎ組成が大きな相と、Ｉｎ組成が小さい相に相分離するために、所定の発光波長での発光効率が悪化する。
【０００５】
例えば、４６０ｎｍで発光させるために、膜厚２５ÅのＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ（Ｘ３＝０．１８）井戸層と、膜厚５０ÅのＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（Ｘ１＝０．０２）障壁層とで構成した従来の量子井戸構造では、活性層のカソードミネッセンス強度面内分布を観察すると、図８に示すように、４６０ｎｍの光を発光していない非発光領域Ａ（黒色の領域）が多数存在している。図８は、カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しで、元の写真は参考写真として特許庁に提出されている。
そして、非発光領域がレーザストライプに重なると、半導体レーザ素子のしきい値上昇、及びスロープ効率の悪化を招くことになる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、結晶性が良好で、発光効率の高い量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物系半導体発光素子（以下、第１の発明と言う）は、Ｉｎを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、量子井戸構造を構成する井戸層のうち少なくとも１層の井戸層と該少なくとも一層の井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在していることを特徴としている。
【０００８】
第１の発明では、全ての井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間に歪補償層を介在させることが好ましいものの、少なくとも１層の井戸層と該少なくとも一層の井戸層を挟む両障壁層との間に歪補償層をそれぞれ介在させても良い。
全ての歪補償層の組成が同一である必要はなく、井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間にそれぞれ介在する２層の歪補償層の組成が相互にことなっていも良い。
【０００９】
本発明に係る別の窒化物系半導体発光素子（以下、第２の発明と言う）は、Ｉｎを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
量子井戸構造を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、障壁層内又は井戸層内に介在していることを特徴としている。
【００１０】
第２の発明では、全ての障壁層内又は井戸層内にそれぞれ歪補償層を介在させることが好ましいものの、少なくとも１層の障壁層内又は少なくとも１層の井戸層内に歪補償層を介在させても良い。
全ての歪補償層の組成が同一である必要はなく、例えば各障壁層内又は各井戸層内にそれぞれ介在している障壁層のうち少なくとも２層の障壁層の組成が相互に異なっていても良い。
【００１１】
第１及び第２の発明は、活性層がＩｎを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造である限り適用できる。例えば井戸層及び障壁層がＩｎＧａＮ層で構成されているとき、歪補償層がＩｎに代えてＡｌを有するＡｌＧａＮ層である。
【００１２】
歪補償層は、必ずしも、井戸層と障壁層との間、井戸層内、又は障壁層内に介在させることは必要でなく、光ガイド層内に介在させても良い。
即ち、本発明に係る別の窒化物系半導体発光素子（以下、第３の発明と言う）は、Ｉｎを含む窒化物系化合物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体発光素子において、
光ガイド層及び量子井戸構造を構成する障壁層の双方のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層が、活性層の上下に設けられている光ガイド層の少なくとも一方の光ガイド層内に介在していることを特徴としている。
【００１３】
第３の発明の好適な実施態様では、複数層の歪補償層が光ガイド層内に周期的に介在する。また、光ガイド層がＩｎＧａＮ層で構成されているとき、歪補償層はＩｎに代えてＡｌを有するＡｌＧａＮ層である。
【００１４】
第１から第３の発明の好適な実施態様では、歪補償層の膜厚が、井戸層の膜厚及び障壁層の膜厚の双方より薄い。これにより、歪補償層が窒化物系半導体発光素子の光学的特性に影響しないようにすることができる。
第１から第３の発明で、窒化物系半導体レーザ素子とは、窒化物系化合物半導体層の積層構造を備えた半導体レーザ素子である。窒化物系化合物半導体とは、Ｖ族として窒素（Ｎ）を有し、組成がＡｌａＢｂＧａｃＩｎｄ　ＮｘＰｙＡｓｚ（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ、ｂ、ｃ、ｄ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ、ｚ≦１）で表示される化合物半導体である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、化合物半導体層の組成及び膜厚等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は、第１の発明に係る窒化物系半導体発光素子をＧａＮ系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近の構成を示す断面図、及び図２は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子は発光波長が４６０ｎｍの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造１０は、図１に示すように、膜厚８０ｎｍの下部ＧａＮ光ガイド層１２と、障壁層１４、歪補償層１６Ａ、井戸層１８、及び歪補償層１６Ｂの３周期と、障壁層１４と、膜厚８０ｎｍの上部ＧａＮ光ガイド層２０とから構成されている。
【００１６】
障壁層１４は膜厚５０ÅのＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（Ｘ１＝０．０２）層として、歪補償層１６は膜厚１０ÅのＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ２＝０．０４）層として、井戸層１８は膜厚２５ÅのＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ（Ｘ３＝０．１８）層として構成されている。
本実施形態例では、全ての井戸層１８とそれと隣合う障壁層１４との間に歪補償層１６が介在している。歪補償層１６Ａ、Ｂのバンドギャップエネルギーは、図２に示すように、障壁層１４のバンドギャップエネルギーより大きく、また、歪補償層１６Ａ、Ｂのフリースタンディングでの格子定数は、障壁層１４のそれより小さい。
【００１７】
実施形態例１の活性層構造の活性層のカソードミネッセンス強度面内分布を観察すると、図３に示すように、全領域が４６０ｎｍで発光しており、非発光領域は存在していない。図８に示す従来の活性層のカソードミネッセンス強度面内分布と比較すると、本発明の効果を十分に認識することができる。図３はカソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しであって、元の写真は参考写真として特許庁に提出している。
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層１６を井戸層１８と障壁層１４との間に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造１０を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【００１８】
本実施形態例では、歪補償層１６Ａ、ＢはＡｌＧａＮ層であるが、これに限らず、障壁層１４より大きなバンドギャップエネルギーを有する限り、ＩｎＡｌＧａＮ層で構成しても良い。また、本実施形態例では、歪補償層１６Ａ、Ｂは同じ膜厚、同じ組成であるが、互いに異なる組成、膜厚でも良い。
また、本実施形態例では、歪補償層１６が全ての井戸層１８とそれを挟む障壁層１４との間に介在しているが、これに限ることはなく、一部の井戸層１８とそれを挟む障壁層１４との間に介在していても良い。
更には、活性層は、３周期の量子井戸構造に限るものではない。
【００１９】
本実施形態例では、障壁層１４は、ＩｎＧａＮ層であるが、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮ層で構成しても良い。
また、光ガイド層１２、２０はＧａＮ層であるが、ＧａＮに限る必要はなく、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＡｌＧａＮのいずれを使用しても良く、それらを積層した構造でも良い。また、光ガイド層１２及び２０は、同一である必要は無く、例えばＡｌ及びＩｎ組成が異なっても、膜厚が異なっていても良く、更には一方が単層膜で、他方が積層膜でも良い。
【００２０】
実施形態例２
本実施形態例は、第２の発明に係る窒化物系半導体発光素子をＧａＮ系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図４は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子は発光波長が４６０ｎｍの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造３０は、図４に示すように、膜厚８０ｎｍの下部ＧａＮ光ガイド層３２と、障壁層３４、障壁層３４内に設けられた歪補償層３６、及び井戸層３８の３周期と、障壁層３４と、膜厚８０ｎｍの上部ＧａＮ光ガイド層４０とから構成されている。
【００２１】
障壁層３４、歪補償層３６、及び井戸層３８の組成は、実施形態例１と同じである。
歪補償層３６のバンドギャップエネルギーは、図３に示すように、障壁層３４のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層３６のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層３４のそれより小さい。
【００２２】
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層３６を障壁層３４内に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し低くなり、実施形態例１と同様に、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造３０を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【００２３】
実施形態例３
本実施形態例は、第２の発明に係る窒化物系半導体発光素子をＧａＮ系半導体レーザ素子に適用した実施形態の別の一例であって、図５は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子は発光波長が４６０ｎｍの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造５０は、図５に示すように、膜厚８０ｎｍの下部ＧａＮ光ガイド層５２と、障壁層５４、井戸層５６、井戸層５６内に設けられた歪補償層５８、障壁層５４と、膜厚８０ｎｍの上部ＧａＮ光ガイド層６０とから構成されている。
【００２４】
障壁層５４、井戸層５６、及び歪補償層５８の組成は、実施形態例１と同じである。
歪補償層５８のバンドギャップエネルギーは、図５に示すように、障壁層５４のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層５８のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層５４のそれより小さい。
【００２５】
本実施形態例では、活性層を結晶成長させる際、歪補償層５８を井戸層５６内に介在させることにより、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、実施形態例１と同様に、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の活性層付近の構造５０を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【００２６】
実施形態例４
本実施形態例は、第３の発明に係る窒化物系半導体発光素子をＧａＮ系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図６は活性層付近のバンド構造図である。
本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子は発光波長が４６０ｎｍの半導体レーザ素子であって、活性層付近の構造７０は、図６に示すように、膜厚８０ｎｍの下部ＧａＮ光ガイド層７２と、多重量子井戸構造の活性層７４と、膜厚８０ｎｍの上部ＧａＮ光ガイド層７６とから構成されている。
【００２７】
本実施形態例では、下部及び上部ＧａＮ光ガイド層７２、７６内に、それぞれ、複数層の歪補償層７８が介在している。
ＧａＮ光ガイド層７２、７６の平均組成はＩｎＸ　Ｇａ１−Ｘ　Ｎ（Ｘ＝０．０２）であって、図６に示すように、膜厚８００ÅのＧａＮ光ガイド層７２、７６内に、それぞれ、複数層の膜厚１０ÅのＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（Ｘ１＝０．０４）歪補償層７８が２００Å周期で介在している。
【００２８】
歪補償層７８のバンドギャップエネルギーは、図６に示すように、ＧａＮ光ガイド層７２及び７６のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層７８のフリースタンディングでの格子定数は、ＧａＮ光ガイド層７２及び７６のそれより小さい。
【００２９】
本実施形態例では、歪補償層７８が光ガイド層７２、７６内に介在していることにより、活性層の結晶成長に際して、歪の蓄積が緩和されるので、結晶欠陥が発生し難くなり、非発光領域が減少する。
これにより、本実施形態例の光ガイド層構造を備えた窒化物系半導体レーザ素子のしきい値が低下し、スロープ効率が向上する。
【００３０】
尚、本実施形態例で、光ガイド層７２、７６内に加えて、井戸層と障壁層との間にも歪補償層を介在させても良い。
つまり、多重量子井戸構造の活性層７４は、図６に示すように、膜厚２５ÅのＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ（Ｘ３＝０．１８）井戸層８０と、井戸層８０を挟む膜厚５０ÅのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ（Ｘ２＝０．０８）障壁層８２と、井戸層８０と井戸層８０の両側の障壁層８２との間に介在する膜厚１０ÅのＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ（Ｘ４＝０．０４）歪補償層８４Ａ、Ｂとで構成されている。
歪補償層８４のバンドギャップエネルギーは、図６に示すように、障壁層８２のバンドギャップエネルギーより大きく、また歪補償層８４のフリースタンディングでの格子定数は、障壁層８２のそれより小さい。
これにより、本実施形態例では、本発明の効果が一層大きくなる。
【００３１】
【発明の効果】
第１及び第２の発明によれば、障壁層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層を井戸層と井戸層を挟む両障壁層との間に介在させることにより、又は歪補償層を井戸層内又は障壁層内に介在させることにより、活性層の結晶成長に際して、歪の蓄積を緩和させることにより、結晶欠陥の発生を抑制し、非発光領域を減少させている。
また、第３の発明によれば、光ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する歪補償層を光ガイド層内に介在させることにより、歪の蓄積を緩和させることにより、結晶欠陥の発生を抑制し、非発光領域を減少させている。
第１から第３の発明に係る窒化物系半導体発光素子を適用することにより、しきい値電流が小さく、スロープ効率が上昇し、所定の発光波長での発光効率が高い窒化物系半導体レーザ素子を実現し、また定の発光波長での発光効率の高い窒化物系発光ダイオードを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近の構成を示す断面図である。
【図２】実施形態例１のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図３】カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しである。
【図４】実施形態例２のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図５】実施形態例３のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図６】実施形態例４のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近のバンド構造図である。
【図７】４０５ｎｍの半導体レーザ素子の断面図である。
【図８】
カソードミネッセンス強度面内分布の写真の写しである。
【符号の説明】
１０……実施形態例１のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、１２……下部ＧａＮ光ガイド層、１４……障壁層、１６……歪補償層、１８……井戸層、２０……上部ＧａＮ光ガイド層、３０……実施形態例２のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、３２……下部ＧａＮ光ガイド層、３４……障壁層、３６……歪補償層、３８……井戸層、４０……上部ＧａＮ光ガイド層、５０……実施形態例３のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、５２……下部ＧａＮ光ガイド層、５４……障壁層、５６……井戸層、５８……歪補償層、６０……上部ＧａＮ光ガイド層、７０……実施形態例４のＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層付近の構造、７２……下部ＧａＮ光ガイド層、７４……多重量子井戸構造の活性層、７６……上部ＧａＮ光ガイド層、７８……歪補償層、８０……井戸層、８２……障壁層、８４……歪補償層、９０……４０５ｎｍの半導体レーザ素子、９１……サファイア基板又はＧａＮ基板、９２……ｎ−ＧａＮバッファ層、９３……ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、９４……ＧａＮ光ガイド層、９５……活性層、９６……ＧａＮ光ガイド層、９７……ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、９８……ｐ−ＧａＮコンタクト層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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