(57)【要約】【課題】  内部量子効率及び発光強度を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】  半導体レーザは、ｎ型電極１、基板２、ｎ型バッファ層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型光ガイド層５、ＭＱＷ活性層６、ｐ型光ガイド層７、ｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９、ｐ型電極１０により構成されている。ＭＱＷ活性層６は、ＩｎＧａＮ層（井戸層）１１及びＧａＮ層（バリア層）１２が複数積層された量子井戸構造に構成されている。そして、ＩｎＧａＮ層１１は、ＩｎＧａＮ層１１内のＩｎの組成比をｙ％とし、ＩｎＧａＮ層１１内の膜厚をｘÅ（１０≦ｘ≦３５）とし、１９．５≦ａ≦２７．４とすると、ｙ＝−０．６７ｘ＋ａを満たすようにＩｎＧａＮ層１１が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸構造を有し、Ｉｎを含む窒化物材料からなる活性層を備えた窒化物半導体発光素子であって、前記活性層中の井戸層は、Ｉｎの組成比をｙ％とし、膜厚をｘÅ（１０≦ｘ≦３５）とし、１９．５≦ａ≦２７．４とすると、ｙ＝−０．６７ｘ＋ａを満たすように形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層中の井戸層は、膜厚をｘ≦１７とし、Ｉｎの組成比をｙ≦１６とすることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層中の井戸層は、ＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸構造を有し、ＩｎＧａＮ等のＩｎを含む窒化物材料からなる活性層を備えた窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代ＤＶＤなどの光情報記録システムの光源として、青紫色領域の光を発光することができ、高密度で情報を書き込むことが可能なＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物材料からなる井戸層を有する活性層を備えた窒化物半導体発光素子が注目されている。
【０００３】
例えば、Ｉｎを含む窒化物材料からなる井戸層を有する活性層を備えた半導体レーザ（窒化物半導体発光素子）の一般的な基本構造は、基板と、その上に成長させた半導体積層構造からなる。この半導体積層構造は、基板側から順に、ｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、ＭＱＷ活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層等で構成される。また、基板及びｐ型コンタクト層には、ｎ型電極及びｐ型電極がそれぞれ形成されている。ＭＱＷ活性層は、例えば、ＧａＮ層（バリア層）とＩｎＧａＮ層（井戸層）とが、交互に複数積層された多重量子井戸構造を有している。
【０００４】
ＭＱＷ活性層を構成するＩｎを含む窒化物材料からなる井戸層の欠陥が半導体レーザの性能に大きく関係していることはよく知られている。近年、ＭＯＣＶＤ装置などによる半導体の結晶成長の技術が向上するとともに、井戸層の欠陥を大幅に減少させることができるようになり、結晶性の高い井戸層を形成することができるようになった。その結果、半導体レーザの内部量子効率及び発光強度などの性能を向上させることができるようになった。
【特許文献１】特開２００３−１５２２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＩｎＧａＮ等のＩｎを含む窒化物材料からなる井戸層の欠陥を更に減少させて結晶性を高めることにより、窒化物半導体発光素子の内部量子効率及び発光強度などの性能を向上させることは略限界まできており、困難である。しかし、窒化物半導体発光素子の内部量子効率及び発光強度などの性能は、まだ充分なものとは言えないのが現状である。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、内部量子効率及び発光強度を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、量子井戸構造を有し、Ｉｎを含む窒化物材料からなる活性層を備えた窒化物半導体発光素子であって、前記活性層中の井戸層は、Ｉｎの組成比をｙ％とし、膜厚をｘÅ（１０≦ｘ≦３５）とし、１９．５≦ａ≦２７．４とすると、ｙ＝−０．６７ｘ＋ａを満たすように形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、前記活性層中の井戸層は、膜厚をｘ≦１７とし、Ｉｎの組成比をｙ≦１６とすることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子である。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、前記活性層中の井戸層は、ＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。
【００１０】
また、請求項４記載の発明は、前記活性層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、上記の式を満たすように、Ｉｎを含む窒化物材料からなる井戸層を形成することによって、内部量子効率及び発光強度を向上させることができる。また、井戸層を形成する際に、容易に制御することができるＩｎを含む窒化物材料からなる井戸層の膜厚及びＩｎの組成比によって内部量子効率及び発光強度を向上させることができるので、製造プロセスを複雑化することなく、上記効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明による半導体レーザ（窒化物半導体発光素子）の断面構造を示す。図２は、半導体レーザのＭＱＷ活性層の断面構造を示す。
【００１３】
本発明の半導体レーザは、ｎ型電極１、基板２、ｎ型バッファ層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型光ガイド層５、ＭＱＷ活性層６、ｐ型光ガイド層７、ｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９、ｐ型電極１０により構成されている。
【００１４】
上記半導体レーザでは、例えば、基板２にｎ型ＳｉＣ基板、ｎ型バッファ層３にＳｉがドープされたｎ型のＡｌＮ、ｎ型クラッド層４にＳｉがドープされたｎ型のＡｌＧａＮ、ｎ型光ガイド層５にＳｉがドープされたｎ型のＧａＮ、ｐ型光ガイド層７にＭｇがドープされたｐ型のＧａＮ、ｐ型クラッド層８にＭｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＮ、ｐ型コンタクト層９にｐ型のＧａＮが用いられる。
【００１５】
図２に示すように、上記半導体レーザでは、ＭＱＷ活性層６が、ＩｎＧａＮ層（井戸層）１１とＧａＮ層（バリア層）１２とが複数積層（例えば、各５層）された多重量子井戸構造に構成されている。そして、ＭＱＷ活性層６内の各ＩｎＧａＮ層１１におけるＩｎの組成比をｙ％とし、各ＩｎＧａＮ層１１の膜厚をｘÅとして、下記の式（１）〜式（３）を満たすように、ＩｎＧａＮ層１１が形成されているものとする。
ｙ＝−０．６７ｘ＋ａ          ・・・（１）
１０≦ｘ≦３５                ・・・（２）
１９．５≦ａ≦２７．４        ・・・（３）
【００１６】
次に、上記半導体レーザの特性を調べるために使用した試料について説明する。図３は、半導体レーザの内部量子効率及び発光強度を調べるための試料の断面図である。
【００１７】
この試料は、サファイア基板２０上に、ｎ型ＧａＮ層２１、ＭＱＷ活性層２２及びｐ型ＧａＮ層２３により構成されている。尚、このＭＱＷ活性層２２は、上記半導体レーザと同様に、ＧａＮ層（バリア層）とＩｎＧａＮ層（井戸層）とがそれぞれ各５層積層された多重量子井戸構造によって構成されている。
【００１８】
そして、ＭＱＷ活性層２２のＩｎＧａＮ層（井戸層）の膜厚ｘ及びＭＱＷ活性層２２のＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙを変化させて、ＭＱＷ活性層２２のＩｎＧａＮ層が、式（１）〜式（３）を満たす試料と、式（１）〜式（３）を満たさない比較用の試料を作製して、各試料の内部量子効率及び発光強度を調べ、比較した。尚、内部量子効率とは、低温（１２Ｋ）での各試料の発光強度（内部量子効率が１００％）に対する室温での各試料の発光強度の比率を％で表したものである。
【００１９】
以下の全ての実験において、図３に示す試料の上層のｐ−ＧａＮ層２３に吸収されにくい波長４０５ｎｍ及び強度３．５ｍＷのレーザ光を照射した。そして、そのレーザ光によって各試料のＭＱＷ活性層２２のキャリアを励起して、各試料の内部量子効率及び発光強度を測定した。
【００２０】
図３に示す試料における、ＭＱＷ活性層２２のＩｎＧａＮ層の膜厚ｘ及びＭＱＷ活性層２２のＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙを変化させた各試料の内部量子効率及び発光強度を調べた実験結果を、図４〜図７を参照して説明する。
【００２１】
図４は、ＩｎＧａＮ層の膜厚ｘ及びＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙと内部量子効率の関係を示す図である。尚、図４において、プロットされた各点に記載された数値が、各試料の内部量子効率を示すものとする。まず、図３に示す試料において、ＩｎＧａＮ層の膜厚ｘ、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙ及び内部量子効率の関係を、図４のグラフを参照して説明する。
【００２２】
上記式（１）〜式（３）を満たす試料の内部量子効率（図３の枠Ａ内参照）は、２５．８％以上を示したのに対し、それ以外の比較用の試料の内部量子効率（図３の枠Ａ以外の領域参照）は、２３．３％以下を示している。これにより、上記式（１）〜式（３）を満たす試料の内部量子効率が、それ以外の試料の内部量子効率に比べて大きいことがわかる。特に、ＩｎＧａＮ層の膜厚ｘをｘ≦１７、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙを１２≦ｙ≦１６を満たすようにＩｎＧａＮ層を形成した場合には、内部量子効率が４３．２％以上を示し、更に内部量子効率が向上することがわかる。
【００２３】
図５は、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比を一定にした場合の、ＩｎＧａＮ層の膜厚と内部量子効率との関係を示す図である。次に、図３に示す試料において、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙを一定（１５％及び１０％）にした場合のＩｎＧａＮ層の膜厚ｘと内部量子効率との関係について、図５を参照して説明する。
【００２４】
図５に示すように、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙが１５％の場合には、式（１）〜式（３）を満たすように、試料のＩｎＧａＮ層の膜厚ｘを１１．８Åまたは１２．０Åに形成すると、内部量子効率が４３％以上となることがわかる。一方、式（１）〜式（３）を満たさない、試料のＩｎＧａＮ層の膜厚ｘを６．５Å以下または２１Å以上にした試料においては、内部量子効率が２０％以下となり、式（１）〜式（３）を満たす試料に比べて、内部量子効率が非常に小さくなることがわかる。
【００２５】
また、図５に示すように、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙが１０％の場合には、式（１）〜式（３）を満たすように、試料のＩｎＧａＮ層の膜厚ｘを２０Åまたは２５．５Åに形成すると、内部量子効率が２８％以上になることがわかる。一方、式（１）〜式（３）を満たさない、試料のＩｎＧａＮ層の膜厚ｘを１１．５Å以下または４０．３Å以上に形成した試料においては、内部量子効率が２１％以下となり、式（１）〜式（３）を満たす試料に比べて、内部量子効率が小さくなることがわかる。
【００２６】
図６は、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙを一定にした場合の、発光強度のＩｎＧａＮ層の膜厚依存性を示す図である。尚、図６の各スペクトルの添え字が、各試料のＩｎＧａＮ層の膜厚ｘ（Å）を示す。次に、図６を参照して、試料のＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙを一定（１２％）にした場合の、発光強度のＩｎＧａＮ層の膜厚依存性について説明する。
【００２７】
図６に示すように、式（１）〜式（３）を満たすように膜厚ｘを１１．７Å及び１５．０Åに構成したＩｎＧａＮ層を有する試料の発光強度のピークは、膜厚ｘを３．３Å及び４２．１Åに構成し、式（１）〜式（３）を満たさないＩｎＧａＮ層を有する試料の発光強度のピークに比べて、非常に大きくなることがわかる。
【００２８】
また、図６に示す膜厚ｘが３．３Åの試料よりも膜厚ｘが４２．１Åの試料の方が、発光強度が大きくなっているように、一般には、長波長側の光の方が物質に吸収されにくいため、発光強度のピークが大きくなる。しかし、式（１）〜式（３）を満たすＩｎＧａＮ層の膜厚ｘが１１．７Å及び１５．０Åの試料は、図６に示すように、膜厚ｘが４２．１Åの試料よりも波長が短いにも関わらず、発光強度のピークが大きくなることがわかる。
【００２９】
また、式（１）〜式（３）を満たす膜厚ｘが１１．７Å及び１５．０Åの試料においても、ＩｎＧａＮ層の膜厚ｘが小さい１１．７Åの試料の方が、膜厚ｘの大きい１５．０Åの試料よりも、発光強度のピークが大きいことがわかる。即ち、式（１）〜式（３）を満たす試料においても、発光強度のピークが短波長側であって、高エネルギーの光を発光する試料の方が、発光強度のピークがより大きくなることがわかる。
【００３０】
図７は、ＩｎＧａＮ層の膜厚ｘを一定にした場合の、発光強度のＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙの依存性を示した図である。尚、図７の各スペクトルの添え字が、各試料のＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比を示す。次に、ＩｎＧａＮ層の膜厚ｘを一定（１８Å）にした場合の、発光強度のＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙの依存性について図７を参照して説明する。
【００３１】
図７に示すように、式（１）〜式（３）を満たすＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙが８．８％及び１３．３％のＩｎＧａＮ層を有する試料の発光強度のピークは、ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙが、１６．４％及び１７．３％に構成され、式（１）〜式（３）を満たさないＩｎＧａＮ層を有する試料の発光強度のピークに比べて、大きくなることがわかる。
【００３２】
以上のように、半導体レーザにおいて、井戸層を構成するＩｎＧａＮ層を式（１）〜式（３）を満たすように形成することにより、内部量子効率及び発光強度を向上させることができる。また、ＩｎＧａＮ層を形成する際に、容易に制御することができるＩｎＧａＮ層の膜厚ｘ及びＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比ｙによって内部量子効率及び発光強度を向上させることができるので、製造プロセスを複雑化することなく、上記効果を得ることができる。
【００３３】
上記実施形態では、ＩｎＧａＮ層を有する半導体レーザに本発明を適用した例について説明したが、Ｉｎを含む他の窒化物層（例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層）からなる井戸層を有する活性層を備えた他の窒化物半導体発光素子に本発明を適用してもよい。
【００３４】
また、上記実施形態における半導体レーザでは、基板２にｎ型ＳｉＣ基板を適用したが、基板にサファイア基板を適用してもよい。この場合には、ｎ型バッファ層をＡｌＮの代わりにＧａＮによって形成し、この上にｎ型のＧａＮからなるｎ型コンタクト層を形成し、このｎ型コンタクト層にｎ型電極を形成すればよい。そして、ｎ型クラッド層〜ｐ型クラッド層までの構造は同じように形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図２】本発明の半導体レーザのＭＱＷ活性層の断面構造を示す図である。
【図３】本発明の半導体レーザの特性を調べるために作成した試料の断面構造を示す図である。
【図４】ＩｎＧａＮ層の膜厚及びＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比と内部量子効率の関係を示す図である。
【図５】ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比を一定にした場合の、ＩｎＧａＮ層の膜厚と内部量子効率との関係を示す図である。
【図６】ＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比を一定にした場合の、発光強度のＩｎＧａＮ層の膜厚依存性を示す図である。
【図７】ＩｎＧａＮ層の膜厚を一定にした場合の、発光強度のＩｎＧａＮ層内のＩｎの組成比の依存性を示した図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    ｎ型電極
２    基板
３    ｎ型バッファ層
４    ｎ型クラッド層
５    ｎ型光ガイド層
６    ＭＱＷ活性層
７    ｐ型光ガイド層
８    ｐ型クラッド層
９    ｐ型コンタクト層
１０  ｐ型電極
１１  ＩｎＧａＮ層
１２  ＧａＮ層
２０  サファイア基板
２１  ｎ−ＧａＮ層
２２  ＭＱＷ活性層
２３  ｐ−ＧａＮ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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