(57)【要約】【課題】室温での連続発振を可能とし得るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の提供。【解決手段】ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有する活性層５が、この活性層よりもバンドギャップが大きく、かつ、屈折率が小さいｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）半導体からなる第１のクラッド層４及びｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０．５＜Ｙ≦１）半導体からなる第２のクラッド層６で挾み込まれる構造を備え、活性層とクラッド層との屈折率差の割合がレーザー波長において７％以上である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有する活性層が、この活性層よりもバンドギャップが大きく、かつ、屈折率が小さいｎ型ＡｌＸＧａ１−Ｘ（０．５＜Ｘ≦１）半導体からなる第１のクラッド層及びｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０．５＜Ｙ≦１）半導体からなる第２のクラッド層で挾み込まれる構造を備え、活性層とクラッド層との屈折率差の割合がレーザー波長において７％以上であることを特徴とするＧａＮ系化合物半導体レーザー素子
【請求項２】
前記活性層と両クラッド層との間に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、屈折率が活性層より小さく、かつ、両クラッド層より大きい光導波層が介在されていることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子
【請求項３】
前記第１のクラッド層がｎ型ＡｌＮ半導体からなり、かつ、第２のクラッド層がｐ型ＡｌＮ半導体からなることを特徴とする請求項１又は２記載のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子
【請求項４】
前記活性層とクラッド層との屈折率差の割合がレーザー波長において１０％以上であることを特徴とする請求項１、２又は３記載のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、短波長のレーザー光を発振するＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物半導体レーザー素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップ半導体であるため、紫外線から赤色までの発光素子の材料として知られており、最近、この材料で高輝度の青色ＬＥＤ（発光ダイオード）、緑色ＬＥＤが実現され、次の目標としてレーザー素子の実現が望まれている。
【０００３】
従来、ＧａＮ系化合物半導体レーザー素子としては、閾値電流を下げるため、ｎ型ＧａＮ層の表面に導波路として少なくともｎ型ＧａＮ系化合物半導体よりなるｎクラッド層と、ｎ型あるいはｐ型のＧａＮ系化合物半導体よりなる活性層と、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体よりなるｐクラッド層とが順にストライプ形状で積層されて成るダブルヘテロ構造のレーザー素子であり、前記導波路のストライブ幅が５０μｍ以下であるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０７−１７６８２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子では、閾値電流を低くして室温での連続発振が望まれているものの、現状の閾値電流は実用に供するには未だ高い。
【０００６】
そこで、本発明は、室温での連続発振を可能とし得るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の提供を課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有する活性層が、この活性層よりもバンドギャップが大きく、かつ，屈折率が小さいｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）半導体からなる第１のクラッド層及びｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０．５＜Ｙ≦１）半導体からなる第２のクラッド層で挾み込まれる構造を備え、活性層とクラッド層との屈折率差の割合がレーザー波長において７％以上であることを特徴とする。
【０００８】
ここで、活性層とクラッド層との屈折率差の割合の値Ｐは、次式で算出されるものをいう。
【数１】
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【０００９】
又、第２のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子は、第１のものにおいて、前記活性層と両クラッド層との間にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、屈折率が活性層より小さく、かつ、両クラッド層より大きい光導波層が介在されていることを特徴とする。
【００１０】
一方、前記第１のクラッド層は、ｎ型ＡｌＮ半導体からなり、かつ、第２のクラッド層は、ｐ型ＡｌＮ半導体からなることが好ましい。
又、前記活性層とクラッド層との屈折率差の割合は、レーザー波長において１０％以上であることが好ましい。
【００１１】
【作用】
本発明の第１のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子においては、閾値電流が、１０ｍＡ台と従来の１／５程度になる。
【００１２】
又、第２のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子においては、第１のものによる作用の他、さらに閾値電流が５ｍＡ台と従来の１／１０程度となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の実施の形態の一例を示す概念的な断面図である。
【００１４】
図中１はＳｉ（シリコン）単結晶からなる基板で、この基板１上にはｃ−ＢＰ（立方晶リン化ホウ素）単結晶からなる厚さ１〜１００ｎｍ程度のバッファ（緩衝）層２を介在してｎ型のｃ−ＧａＮ（立方晶窒化ガリウム）単結晶膜からなる厚さ０．１〜１０μｍ程度の第１のコンタクト層３が形成されている。
なお、基板１は、Ｓｉ単結晶からなるものに限らず、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等からなるものであってもよく、又、バッファ層は、ｃ−ＢＰ単結晶層からなるものに限らず、基材１の材料に応じて、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）等からなるものであってもよい。
【００１５】
第１のコンタクト層３上には、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）半導体からなる厚さ０．０１〜５μｍ程度の第１のクラッド層４、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ（窒化アルミニウムインジウムガリウム）半導体からなり、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有する厚さ０．０１〜０．１μｍ程度の活性層５及びｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０．５＜Ｙ≦１）半導体からなる厚さ０．０１〜５μｍ程度の第２のクラッド層６を順次積層し、活性層５を第１、第２のクラッド層４，６で挾み込む構造の導波路が形成されている。
この導波路の第１、第２のクラッド層４，６は、活性層５よりもバンドギャップＥｇ（活性層：２．６〜４．５ｅＶ，クラッド層：４．６〜６．２ｅＶ）が大きく、かつ、屈折率ｎ（活性層：２．８〜２．５、クラッド層：２．３〜２．１）が小さいものであり、又、活性層５とクラッド層４，６との屈折率差の値は、レーザー波長において７％以上、好ましくは１０％以上とされている。
【００１６】
そして、導波路の第２のクラッド層６上には、ｐ型のｃ−ＧａＮ単結晶膜からなる厚さ０．０１〜１μｍ程度の第２のコンタクト層７が形成されており、この第２のコンタクト層７上には、Ａｕ（金）からなる電極８が形成されている一方、第１のコンタクト層３上には、Ａｌ（アルミニウム）からなる電極９が形成されているものである。
【００１７】
ここで、第１のクラッド層４の組成を変えて屈折率ｎを測定したところ、図２に示すように、Ｘを０．５から１へ変化させることにより、すなわち、ＡｌＧａＮ三元混晶からＡｌＮ二元混晶とすることにより、レーザー波長における屈折率ｎが２．３程度から２．１程度に小さくなった。
したがって、活性層５とクラッド層４，６との屈折率差の割合が７％以上となり、閾値電流を１０ｍＡ台と従来の１／５程度とすることができ、室温での連続発振が実現可能であることが分かる。
【００１８】
なお、上述した実施の形態においては、導波路の活性層５を第１、第２のクラッド層４，６で直に挾み込む構造とする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、活性層５と第１、第２のクラッド層４，６との間に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、屈折率が活性層５より小さく、かつ、両クラッド層４，６より大きい厚さ０．０１〜１μｍ程度の第１、第２の光導波層１０，１１を介在させるようにしてもよい。
このようにすることにより、光の閉込め作用強化となるので、閾値電流をさらに低減（１／１０程度）できる。
又、導波路における活性層５を挟み込む第１、第２のクラッド層４，６及び第１、第２のコンタクト層３，７におけるｐ型、ｎ型の関係は、上下の位置を入れ換えてもよい。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子によれば、閾値電流が１０ｍＡ台と従来の１／５程度となるので、室温での連続発振を可能とすることができる。
【００２０】
又、第２のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子によれば、第１のものによる作用効果の他、光の閉込め作用強化となるので、閾値電流をさらに低減（１／１０程度）できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の実施の形態の一例を示す概念的な断面図である。
【図２】図１のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子における第１のクラッド層の組成を変えた場合の屈折率の説明図である（第２のグラッド層の場合も同様であり、又、活性層にＡｌＸＧａ１−ＸＮを用いる場合も同様であるが、活性層をＡｌＸＧａ１−ＸＮに限定するものではない）。
【図３】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の実施の形態の他の例を示す概念的な断面図である
【符号の説明】
１  基板
２  バッファ層
３  第１のコンタクト層
４  第１のクラッド層
５  活性層
６  第２のクラッド層
７  第２のコンタクト層
８  電極
９  電極
１０  第１の光導波層
１１  第２の光導波層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年4月11日(2003.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有する活性層が、この活性層よりもバンドギャップが大きく、かつ、屈折率が小さいｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）半導体からなる第１のクラッド層及びｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０．５＜Ｙ≦１）半導体からなる第２のクラッド層で挾み込まれる構造を備え、活性層とクラッド層との屈折率差の割合がレーザー波長において７％以上であることを特徴とするＧａＮ系化合物半導体レーザー素子。
【請求項２】
前記活性層と両クラッド層との間に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、屈折率が活性層より小さく、かつ、両クラッド層より大きい光導波層が介在されていることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子。
【請求項３】
前記第１のクラッド層がｎ型ＡｌＮ半導体からなり、かつ、第２のクラッド層がｐ型ＡｌＮ半導体からなることを特徴とする請求項１又は２記載のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子。
【請求項４】
前記活性層とクラッド層との屈折率差の割合がレーザー波長において１０％以上であることを特徴とする請求項１、２又は３記載のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子。