(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎ、Ｇａ、及びＮを構成元素として含む半導体からなる井戸層と、
Ａｌ、Ｇａ、及びＮを構成元素として含む半導体からなる障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を有する半導体発光素子であって、
前記井戸層と前記障壁層との伝導帯不連続が１００ｍｅＶ以上となり、かつΔＥｃ／ΔＥｇが０．５程度となるように前記井戸層のＩｎの組成比と前記障壁層のＡｌの組成比と前記障壁層のＡｌの組成比を調節し、４１０〜４２０ｎｍの波長で光学利得が生じることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記障壁層はＡｌＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、より詳しくは、青色から近紫外領域に発振波長を有する半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大量の情報を伝送し、処理する光通信への要望が高まり、それに用いる半導体レーザの開発や商品化が盛んである。
ＧａＡｓ−ＧａＡｌＡｓ系レーザ（波長０．７５〜０．９μｍ），ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＰ系レーザ（波長１．２〜１．６μｍ），ＩｎＧａＰ−ＩｎＧａＡｌＰ系レーザ（波長０．６６〜０．６９μｍ）が商品化されている。
【０００３】
また、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）等が採用され、しきい値電流密度やリーク電流の低減が図られてた来た。現在、しきい値電流密度２００Ａ／ｃｍ2 前後のものが得られ、実用化も図られている。
ところで、近年更なる情報処理量の増大にともなって、更に短波長の半導体レーザの要望があり、青色から近紫外領域に波長約４５０ｎｍ以下を有する短波長レーザの開発が盛んになってきている。
【０００４】
青色発光半導体レーザ用材料としては、II-VI 族のZnSe系とIII-V 族のＧａＮ系がある。レーザの研究に関してはZnSe系が先んじていて、既に室温連続発振が報告されているが、本質的に劣化し易い材料であることから信頼性が問題となり、未だ実用化には至っていない。一方、１９９３年の日亜化学によるＧａＮ高輝度ＬＥＤの発表を境にZnSeでネックとなっている信頼性に関して耐環境性に優れているＧａＮが見直されることとなった。そして、１９９５年１２月初め、日亜化学によってＧａＮ系半導体レーザが試作され、青色発光のレーザ発振が達成されたところである。ダブルヘテロ接合型で、障壁層と活性層にＧａＮ層／In0.2Ga0.8N 層の組み合わせを用いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＧａＮ系半導体レーザは、しきい値電流密度が４ｋＡ／ｃｍ2 程度と、長波長の半導体レーザのしきい値電流密度が０．２ｋＡ／ｃｍ2 程度であるのと比較して極めて大きく、連続発振は困難な状況である。
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、しきい値電流密度の低減を図ることができる、青色から近紫外領域に発振波長を有する短波長発光半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するため、第１の発明は、半導体発光素子に係り、Ｉｎ、Ｇａ、及びＮを構成元素として含む半導体からなる井戸層と、Ａｌ、Ｇａ、及びＮを構成元素として含む半導体からなる障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を有する半導体発光素子であって、前記井戸層と前記障壁層との伝導帯不連続が１００ｍｅＶ以上となり、かつΔＥｃ／ΔＥｇが０．５程度となるように前記井戸層のＩｎの組成比と前記障壁層のＡｌの組成比を調節し、４１０〜４２０ｎｍの波長で光学利得が生じることを特徴とし、
第２の発明は、第１の発明の半導体発光素子に係り、前記障壁層はＡｌＧａＡｓ層であることを特徴としている。
【０００７】
従来例のＧａＮ系半導体レーザについて、本願発明者の分析によれば、図５（ｂ）に示すように、ＧａＮ障壁層２１，２３とＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ活性層２２の組み合わせでは、ΔＥg （＝ΔＥc ＋ΔＥv ）が４００ｍｅＶとなり、長波長の半導体レーザと比較してバンド不連続は十分であるが、ΔＥg に対するΔＥC の割合が約０．３以下と極めて小さいことが分かった。このことは、反転分布を達成するのに不利である。特に、ＧａＮ系では、従来の材料と異なり、価電子帯Ｅv にバンドが三つ存在し、それぞれの有効質量が大きいために、価電子帯Ｅv の擬フェルミレベルＥFPが従来の材料に比べて非常に上がりにくい。また、伝導帯不連続ΔＥC が小さいために、リーク電流も大きい。これらの理由によりしきい値電流密度が低減できないものと考えられる。
【０００８】
ところで、半導体レーザでは、伝導帯と価電子帯の擬フェルミレベル差ΔＥF （＝ＥFN＋ＥFP＋Ｅg ）とバンドギャップＥg の間の関係が、
ΔＥF ＞Ｅg 
を満たすとき、反転分布の条件が達成され、半導体レーザの光学利得が発生する。最も一般的な多重量子井戸構造では、伝導帯の障壁層の高さが高いほど、即ち伝導帯不連続ΔＥc が大きいほど、より少ないキャリア密度で反転分布を達成することができる。価電子帯不連続ΔＥv も大きい方がよいが、以下の理由で効果はΔＥc 程ではない。即ち、図４に示すように、有効質量の大きい価電子帯よりも有効質量の小さい伝導帯の方が擬フェルミレベルＥFnが上がりやすく、反転分布の達成への寄与が大きい。また、有効質量の小さい電子の方がリークし易いので、リーク電流の低減にはΔＥC を大きくすることが有効である。
【０００９】
従来のＧａＮ系半導体レーザでは活性層と障壁層にＧａＮ／Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを用いているので、ΔＥC を１００ｍｅＶ以上とすることは困難であったが、本願発明では、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎを構成元素として含む半導体材料とIII 族元素又はＶ族元素を構成元素として含むＧａＮとの組み合わせを用いている。例えば、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮのヘテロ接合を用いると、ΔＥc ／ΔＥg ＝０．５程度とすることができる。インジウムの組成比の増加により伝導帯のバンド端は下がり、アルミニウムの組成比の増加により伝導帯のバンド端は上がるので、インジウム組成とアルミニウム組成とを調整して容易にΔＥC を大きくすることが可能である。
【００１０】
特に、ΔＥC を１００ｍｅＶ以上とすることにより、ΔＥC が常温における熱起電力（ｋＴ，ここで、ｋ：ボルツマン定数，Ｔ：絶対温度（Ｋ））である約２５ｍｅＶよりも十分に大きくなるため、熱エネルギによる活性層或いは井戸層からの電子の流出が低減し、電子によるリーク電流の低減を図ることができる。
また、ΔＥC が大きくなると、伝導帯Ｅc における隣接する量子準位の間隔が大きくなるために擬フェルミレベルＥFnが上がり易くなり、より少ないキャリア密度で反転分布を達成することが容易になる。このため、しきい値電流密度の低減を図ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（１）第１の実施の形態
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るダブルヘテロ構造を有する半導体レーザを示す斜視図である。
【００１２】
図１（ａ）に示すように、スピネル又はサファイア基板１上に、膜厚３０ｎｍのＬＴ−ＧａＮバッファ層２と、２×１０18ｃｍ-3のシリコンがドープされた膜厚２μｍのｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層３と、膜厚２０ｎｍのアンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ活性層４と、１×１０17ｃｍ-3のＭｇがドープされた膜厚１μｍのｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ障壁層５と、ｐ−ＧａＮコンタクト層６とが順に形成されている。これらの層は分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）や有機金属気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ法）により連続的に形成される。
【００１３】
活性層４と障壁層３，５にそれぞれＩｎ含有ＧａＮ系材料とＡｌ含有ＧａＮ系材料の組み合わせを用い、活性層４と障壁層３，５の間の伝導帯不連続ΔＥC を１００ｍｅＶ以上となるように、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比とを調整して、活性層４をＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎとし、障壁層３，５をＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎとする。図３（ａ），（ｂ）に示すように、Ｉｎ組成比を高くするほどＥg が狭くなり、Ａｌ組成比を高くするほどＥg が広くなる。
【００１４】
更に、長手方向に沿って片側半分は、活性層４の下のｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層３に達するように、上部が例えば反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）により除去されている。
さらに、ｐ側電極部分では、ｐ−ＧａＮコンタクト層６上に幅（Ｗ1 ）８０μｍ、膜厚１００ｎｍのＮｉ電極（ｐ側電極）７が形成され、ｎ側電極部分では、露出したｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層３上にｐ側電極７と同じ幅（Ｗ2 ）、同じ膜厚のＴｉ電極（ｎ側電極）８が形成されている。
【００１５】
なお、半導体レーザは長手方向の長さ（Ｌ）６００μｍを有する。
次に、図１（ａ），（ｂ）を参照しながら上記半導体レーザの動作について説明する。
まず、ｐ側電極７とｎ側電極８の間に順方向に電流を流す。ｐ側から正孔が、ｎ側から電子がそれぞれ活性層４に注入される。このとき、活性層４と障壁層３，５のΔＥC は１００ｍｅＶ以上あるので、リーク電流が少なく、注入されたキャリアは反転分布の形成に有効に寄与する。
【００１６】
電流密度を上げていくにつれて、図４に示すように、ＥFNは伝導帯側にシフトし、ＥFPは価電子帯側にシフトしていく。このとき、ΔＥC が大きいため、活性層４の伝導帯における隣接する量子準位の間隔が大きくなる。これにより、キャリアの注入によって擬フェルミレベルＥFNが上がり易くなり、かつＥFNはＥFPよりも変化が大きい。なお、図４において、ＥFNは図１（ｂ）に示す活性層４の伝導帯Ｅc 端から上側を正に下側を負に取っている。ＥFPは図１（ｂ）に示す活性層４の価電子帯Ｅv 端から上側を負に下側を正に取っている。
【００１７】
従って、キャリアの注入量が更に増えて
ΔＥF （＝ＥFN＋ＥFP＋Ｅg ）＞Ｅg 
の条件を満たすと、反転分布が生じて、レーザはバンド間の量子準位の差のエネルギに対応する４１０〜４２０ｎｍの波長で光学利得が生じる。
以上のように、上記実施の形態では、活性層４と障壁層３，５にＩｎ含有ＧａＮ系材料とＡｌ含有ＧａＮ系材料の組み合わせを用いている。Ｉｎ組成比の増加により伝導帯Ｅc のバンド端は下がり、Ａｌ組成比の増加により伝導帯Ｅc のバンド端は上がるので、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比とを調整して、活性層４と障壁層３，５の間の伝導帯不連続ΔＥC を１００ｍｅＶ以上とすることが可能である。
ΔＥC を１００ｍｅＶとすることにより、ΔＥC が常温における熱起電力（ｋＴ）である約２５ｍｅＶよりも十分に大きくなるため、熱エネルギによる活性層或いは井戸層からの電子の流出が低減し、電子によるリーク電流の低減を図ることができる。
【００１８】
また、ΔＥC が大きくなると、伝導帯における隣接する量子準位の間隔が大きくなるために、キャリアの注入によって擬フェルミレベルが上がり易くなり、より少ないキャリア密度で反転分布を形成することが容易になる。このため、しきい値電流密度の低減を図ることができる。
なお、上記では活性層４に隣接する障壁層３，５として光閉じ込め層が形成される場合もある。
（２）第２の実施の形態
図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る多重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザを示す斜視図である。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、図１（ａ）の障壁層３，５の間に光閉じ込め層９と多重量子井戸層（ＭＱＷ層）１０と光閉じ込め層１１が積層されている。即ち、光閉じ込め層９は膜厚０．１μｍのｎ−ＧａＮ層からなり、多重量子井戸層１０は膜厚５ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層１０ａと膜厚５ｎｍのアンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ井戸層１０ｂとがそれぞれ３層及び２層交互に積層されてなり、光閉じ込め層１１は膜厚０．１μｍのｐ−ＧａＮ層からなる。これらの層は他の層とともに分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）や有機金属気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ法）により連続的に形成される。
【００２０】
ＭＱＷ層１０の井戸層１０ｂと障壁層１０ａにＩｎ含有ＧａＮ系材料とＡｌ含有ＧａＮ系材料の組み合わせを用い、井戸層１０ｂと障壁層１０ａの間の伝導帯不連続ΔＥC を１００ｍｅＶ以上となるように、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比とを調整して、井戸層１０ｂの材料をＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎとし、障壁層１０ａの材料をＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎとする。
【００２１】
なお、他は図１（ａ）と同じ符号で示すものは図１（ａ）と同じものを示す。
次に、上記半導体レーザの動作について説明する。
まず、ｐ側電極７とｎ側電極８の間に順方向に電流を流す。ｐ側から正孔が、ｎ側から電子がそれぞれＭＱＷ層１０に注入される。このとき、井戸層１０ｂと障壁層１０ａのΔＥC は１００ｍｅＶ以上あるので、リーク電流が少なく、注入されたキャリアは井戸層１０ｂに有効に蓄積され、反転分布の形成に有効に寄与する。
【００２２】
電流密度を上げていくにつれて、図４に示すように、ＥFNは伝導帯Ｅc 側にシフトし、ＥFPは価電子帯Ｅv 側にシフトしていく。このとき、ΔＥC が大きいため、伝導帯Ｅc における隣接する量子準位の間隔が大きくなる。これにより、キャリアの注入によって擬フェルミレベルＥFNが上がり易くなり、かつＥFNはＥFPよりも変化が大きい。なお、図４において、ＥFNは図２（ｂ）に示す井戸層１０ｂの伝導帯Ｅc 端から上側を正に下側を負に取っている。ＥFPは図２（ｂ）に示す井戸層１０ｂの価電子帯Ｅv 端から上側を負に下側を正に取っている。従って、キャリアの注入量が更に増えて
ΔＥF （＝ＥFN＋ＥFP＋Ｅg ）＞Ｅg 
の条件を満たすと、反転分布が生じて、レーザはバンド間の量子準位の差のエネルギに対応する４１０〜４２０ｎｍの波長で光学利得が生じる。
【００２３】
以上のように、上記実施の形態では、ＭＱＷ層１０の井戸層１０ｂと障壁層１０ａにＩｎ含有ＧａＮ系材料とＡｌ含有ＧａＮ系材料の組み合わせを用いている。Ｉｎ組成比の増加により伝導帯Ｅc のバンド端は下がり、Ａｌ組成比の増加により伝導帯Ｅc のバンド端は上がるので、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比とを調整して、井戸層１０ｂと障壁層１０ａの間の伝導帯不連続ΔＥC を１００ｍｅＶ以上とすることが可能である。ΔＥC を１００ｍｅＶとすることにより、ΔＥC が常温における熱起電力（ｋＴ）である約２５ｍｅＶよりも十分に大きくなるため、熱エネルギによる井戸層１０ｂからの電子の流出が低減し、電子によるリーク電流の低減を図ることができる。
【００２４】
また、ΔＥC が大きくなると、井戸層１０ｂにおける隣接する量子準位の間隔が大きくなるために、キャリアの注入によって擬フェルミレベルが上がり易くなり、より少ないキャリア密度で反転分布を形成することが容易になる。このため、しきい値電流密度の低減を図ることができる。
なお、ＭＱＷ層１０の井戸層１０ｂの材料としてＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを用いているが、他の組成比を有するＩｎx Ｇａ1-x Ｎや、他の種類のＩｎ含有ＧａＮ系材料、例えばＡｌＧａ1-x Ｉｎx Ｎ等を用いてもよい。
【００２５】
更に、ＭＱＷ層１０の障壁層１０ａの材料としてＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎを用いているが、他の組成比を有するＡｌx Ｇａ1-x Ｎや、他の種類のＡｌ含有ＧａＮ系材料、例えばＡｌＧａＩｎＮ等を用いてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体発光素子においては、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎを構成元素として含む半導体からなる材料と他のIII 族元素又はＶ族元素を構成元素として含むＧａＮとの組み合わせを用いているので、Ｉｎ組成とIII 族元素又はＶ族元素の組成とを調整して容易にΔＥC を大きくすることが可能である。
【００２７】
特に、ΔＥC を１００ｍｅＶ以上とすることにより、熱エネルギによる活性層或いは井戸層からの電子の流出が低減し、電子によるリーク電流の低減を図ることができる。
また、ΔＥC が大きくなると、伝導帯における隣接する量子準位の間隔が大きくなるために擬フェルミレベルが上がり易くなり、より少ないキャリア密度で反転分布を達成することが容易になる。このため、しきい値電流密度の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの斜視図、図１（ｂ）は活性層付近のエネルギバンド図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの斜視図、図２（ｂ）は活性層付近のエネルギバンド図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の実施の形態に係るＩｎx Ｇａ1-x ＮのＩｎ組成比ｘに対するＥg の依存性を示す特性図、図３（ｂ）は本発明の実施の形態に係るＡｌy Ｇａ1-y ＮのＩｎ組成比ｙの変化に対するＥg の依存性を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る注入キャリア濃度に対する擬フェルミレベルＥFn，ＥFpの依存性を示す特性図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の実施の形態に係る注入キャリア濃度に対する擬フェルミレベルＥFn，ＥFpの依存性を示すエネルギバンド図、図５（ｂ）は比較例に係る注入キャリア濃度に対する擬フェルミレベルＥFn，ＥFpの依存性を示すエネルギバンド図である。
【符号の説明】
１  スピネル又はサファイア基板、
２  ＬＴ−ＧａＮバッファ層、
３  ｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層、
４  アンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ活性層、
５  ｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ障壁層、
６  ｐ−ＧａＮコンタクト層、
７  Ｎｉ電極（ｐ側電極）、
８  Ｔｉ電極（ｎ側電極）、
９、１１  光閉じ込め層、
１０  多重量子井戸層、
１０ａ  Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層：
１０ｂ  アンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ井戸層、
２１，２３  ＧａＮ障壁層、
２２  Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ活性層。
【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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