(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ側AlGaNクラッド層、ｎ側ガイド層、活性層、ｐ側ガイド層、ｐ側AlGaNクラッド層を含むIII族窒化物系半導体発光素子であって、前記ｐ側ガイド層の屈折率が前記ｎ側ガイド層の屈折率よりも大であり且つ前記ｐ側ガイド層がIny Ga1-yN（0＜y≦１）であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ側ガイド層は、厚さ0.05μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記ｐ側ガイド層は、ｙ＝0.005以上のInyGa1-y Nからなることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記ｎ側ガイド層は、GaNであることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｎ側ガイド層と前記活性層との間にInGaNからなる中間層を有することを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体素子
【請求項６】
前記中間層は、厚さ500オングストローム以下であることを特徴とする請求項５記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガイド層によって活性層にキャリアを閉じ込め、クラッド層によってガイド層及び活性層に光を閉じ込めるＳＣＨ構造を有する半導体レーザ素子がある。特に、（AlxGa1-x）1-yInyN（0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦1）で表される如きIII族窒化物系半導体からなる半導体レーザ素子では、他の材料系からなる半導体レーザ素子に比べて、ガイド層及び活性層への光閉じ込めが困難である故に、レーザ素子を発振させるために必要な閾値電流密度が高く、また出射ビームの遠視野像が劣化する等の発光特性における問題が生じていた。
【０００３】
図１に示すように、従来のIII族窒化物系半導体レーザ素子は、単結晶サファイアからなる基板１上に膜を多層に積層した構造を有していた。詳細には、基板１上に順に、GaN又はAlNを低温にて成膜したバッファ層２、GaNからなるｎ側下地層３、AlGaNからなるｎ側クラッド層４、GaNからなるｎ側ガイド層５、InGaNを主たる成分とする活性層６、AlGaNからなる電子バリア層７、GaNからなるｐ側ガイド層８、AlGaNからなるｐ側クラッド層９、GaNからなるｐ側コンタクト層10が積層している。なお、下地層３及びコンタクト層10の上には、絶縁層11の窓部を介して、ｎ側電極12a及びｐ側電極12bが各々形成されている。ここで、バッファ層２は、サファイア基板１上に平滑な単結晶膜を形成するために設けられており、下地層３は、基板１のサファイアが導電性を有さないために設けられている。
【０００４】
上記の如き構造の従来のIII族窒化物系半導体レーザ素子において、(1)クラッド層４の膜厚を増加させる、若しくは、(2)クラッド層４の屈折率を下げる、ことでＳＣＨ構造での光閉じ込め効率を向上させることが出来るのである。
前記(1)の方法において、GaNからなる下地層３の上にGaNよりも格子定数の小さいAlGaNからなるクラッド層４を形成した場合、クラッド層４の内部には引っ張り応力が発生し、クラックが形成され易くなる。特に、クラッド層４の膜厚が大きくなると、この傾向は顕著となる。かかるクラッド層４のクラックは、素子としての発光特性の劣化を引き起こすのである。
【０００５】
そこで、上記下地層３とクラッド層４との間に格子不整合を緩和するための歪み緩和層（図示せず）を設けると、クラッド層４のクラックの発生を低減し、且つクラッド層４の膜厚を大きくすることが出来るのである。例えば、歪み緩和層は、厚さ0.1〜0.2μm程度のInGaN等からなる。しかしながら、格子不整合を緩和するための歪みエネルギーは、歪み緩和層中に転位として蓄えられて、歪み緩和層の結晶品質を大きく劣化させてしまうのである。さらに歪み緩和層中に新たに発生した転位の一部が貫通転位となって活性層にまで到達して、発光特性を劣化させてしまうのである。結果として、得られた素子では、発光特性の劣化及び導波損失の増加による閾値電流密度の上昇を招来するのである。
【０００６】
さらに、前記(1)の方法では、クラッド層４の膜厚の増大と共に、当該層の成膜時間も増加して、製造コストを増加させるので好ましくない。
前記(2)の方法においては、AlGaNからなるクラッド層４のAl混晶比を高めてクラッド層４の屈折率を下げることができる。しかしながら、AlGaN中のAl混晶比が高くなると、AlGaN混晶の格子定数が小さくなる故、クラッド層４には、より大きな引っ張り応力が作用して、クラッド層４にはクラックが生じてしまうのである。
【０００７】
一方、上記(1)及び(2)に対して、クラッド層４の屈折率を下げるのではなく、ガイド層５の屈折率を高めて光の閉じ込め効率を向上させる方法がある。例えば、Inは、わずかな量でも屈折率を大きく上昇させ得る。ガイド層５を屈折率の高いInGaNで形成すると、クラッド層４の厚さを増加させることなく、光閉じ込め効率を高めることができるのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
InGaNを有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で形成すると、その表面には断面略Ｖ字状の逆円錐型の「くぼみ」が発生する。この「くぼみ」は、その下層の膜からの貫通転位の延長線上に発生し、堆積させるInGaNの膜厚の大きさに比例して成長する。ガイド層５は、活性層６への光閉じ込め効率を改善するために一定値以上の厚さを必要とするため、ガイド層５をInGaNとした場合、その成膜後の表面には、深さ及び開口ともに非常に大きな「くぼみ」が形成されてしまうのである。この大なる「くぼみ」は、その上に形成される活性層６が平坦に成膜された場合であっても、活性層６及びガイド層５を導波する光の散乱を引き起こして素子の発光特性を劣化させてしまうのである。それ故、ガイド層にInGaNを用いると、ガイド層の屈折率を高めることは出来るが、一方で、散乱損失を増加させて、閾値電流密度の上昇を招く結果となる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記を鑑みて、製造コストを増加させることなく、発光特性の優れた半導体発光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による窒化物半導体発光素子は、ｎ側AlGaNクラッド層、ｎ側ガイド層、活性層、ｐ側ガイド層、ｐ側AlGaNクラッド層を含むIII族窒化物系半導体発光素子であって、前記ｐ側ガイド層の屈折率が前記ｎ側ガイド層の屈折率よりも大であり且つ前記ｐ側ガイド層がIny Ga1-yN（0＜y≦１）であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明による半導体レーザ素子は、素子を構成する各層の材料成分比等が一部異なっているが、上記従来のIII族窒化物系半導体レーザ素子と同様の断面構造を
有している。
【００１２】
そこで図１に従って、これを説明すると、サファイア基板１上には、AlNやGaN等からなる低温バッファ層２が積層し、この上にSi等をドーピングして導電性を付与したｎ側GaN下地層３が厚さ約４〜６μｍ程度に積層している。さらに、0.6μｍの厚さを有し且つ混晶比ｘ＝0.06のｎ側AlxGal-xNクラッド層４、ｎ側GaNガイド層５が積層した上に、発光層としてIny1Ga1-y1N（y1＝0.08、30Å)／Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01、60Å)を５層積層したＭＱＷ活性層６が積層している。そして、0.02μｍの厚さのAlxGal-xN電子バリア層７、マグネシウムをドーピングしてｐ型としたｐ側InyGa1-yNガイド層８、0.4μｍの厚さを有し且つ混晶比ｘ＝0.06のｐ側AlxGal-xNクラッド層９及び0.1μｍの厚さのｐ側コンタクト層10が積層している。なおｐ側コンタクト層10及びｎ側GaN下地層３上には、絶縁層11の窓を介して、それぞれｐ側電極12b及びｎ側電極12aが形成されている。
【００１３】
本実施例の半導体レーザ素子においては、ｎ側ガイド層がGaNからなっているので、ｎ側ガイド層５の成膜後の表面には「くぼみ」が形成されることがないため、上述の散乱損失の問題を生じることがない。また、ｐ側ガイド層８をInGaNとして屈折率を高めているので、光の閉じ込め効率を改善することができるのである。
【００１４】
なお、InGaNにマグネシウムをドーピングすると「くぼみ」の発生が抑制される。ここで、ｐ側ガイド層８には、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムがドーピングされている故、散乱損失を増加させるような「くぼみ」が形成されず、好ましいのである。
また、InyGa1-yNからなるｐ側ガイド層８は、In混晶比ｙを調整して屈折率の高低の制御を行うことができる。つまり、光の閉じ込めの状態の制御が可能となったのである。ｐ側ガイド層８のIn混晶比ｙを高めると、ｐ側ガイド層８の屈折率を上昇させることが出来る。ここでInyGa1-yNからなるｐ側ガイド層８において、厚さを0.05μｍ以上、In混晶比をｙ＝0.005以上とすると、素子の発光特性が改善されて、好ましいのである。
【００１５】
以下に本発明による半導体レーザ素子及び比較例の発光特性を計算によってシミュレーションした結果を説明する。
図２に示すように、ｎ側ガイド層５及びｐ側ガイド層８の厚さを共に0.2μｍとして、ｐ側InyGa1-yNガイド層８の屈折率を変化させるべく、In混晶比ｙを変化させた場合の活性層への光の閉じこめ係数Γを求めた。
【００１６】
In混晶比ｙの増加とともに、特にｙ＝0.015近傍で急激にΓ値が上昇した後に、緩やかにΓ値は下降している。すなわち、ｐ側ガイド層８及びｎ側ガイド層５の厚さが共に0.2μｍである場合、ｙ＝0.015よりも大なるIn混晶比で、ＳＣＨ構造での良好な光の閉じ込め効率が達成されるのである。
次に、図３乃至図６に示すように、ｎ側ガイド層５及びｐ側ガイド層８の厚さを共に0.2μｍとして、ｐ側InyGa1-yNガイド層８の屈折率を変化させるべく、In混晶比ｙを0（比較例）、0.010、0.015（以上、本発明）と変化させた場合の素子の積層方向における光強度分布と遠視野像の強度分布を計算によって求めた。なお、図３乃至図５中における屈折率分布では、素子を構成する各層の屈折率を、図１において各層を表した番号と同じ番号を付して表している。
【００１７】
まず、図３に示すように、比較例としてのIn混晶比がｙ＝0の場合、すなわちｐ側ガイド層８がｎ側ガイド層５と同じ材料のGaNであって、ガイド層８の屈折率がｎ側ガイド層５及び下地層３の屈折率と同じである場合において、光の強度分布16は、ｎ側ガイド層５及びｐ側ガイド層８を含む活性層６の近傍だけでなく、幅広く下地層３部分においても分布16a及び16bしている。
【００１８】
また、図６(a)に示すように、このときの積層方向における遠視野像の光強度分布は、幅の狭い鋭いピークを複数有する多峰形であって好ましくない。遠視野像の光強度分布の形状は、素子内部の光強度分布の影響を強く受ける。つまり、活性層６近傍への光の閉じ込めが弱く、下地層３に光が漏れ出している場合においては、遠視野像は、上記の如き幅の狭い鋭いピークを伴った多峰形となるのである。一方、素子内部において活性層６近傍への光の閉じ込めが良好な場合では、遠視野像における上記の如き幅の狭い鋭いピークは相対的に小さくなって、幅の広い単一のピーク形状に近づくのである。
【００１９】
次に、図４に示すように、In混晶比がｙ＝0.010の場合、すなわち、ｐ側ガイド層８の屈折率がｎ側ガイド層５の屈折率よりも僅かに高い場合においても、光の強度分布16は、下地層３の部分にピーク16aを形成して分布している。つまり下地層３部分に光が漏れ出しているのである。更に、この場合の遠視野像は、図6(b)に示すように、多峰形の遠視野像を形成しているが、図6(a)の場合と比べて、幅の広い単一のピーク形状に近づいている。すなわち、In混晶比ｙ＝0の場合と比較して、素子内部における光閉じ込め効率が向上したことが判る。
【００２０】
さらに、図５に示すように、本発明によるIn混晶比がｙ＝0.015の場合、すなわちｐ側ガイド層８の屈折率が図４における場合よりも、更に高い場合、光の強度分布16は、ｎ側ガイド層５及びｐ側ガイド層８を含む活性層６の近傍に集中しており、活性層６で発光し、素子内部を導波する光が、活性層６の近傍に良好に閉じ込められていることが判る。このときの遠視野像は、図６(c)に示すように、幅の広い単一のピーク形状となって、幅の狭い鋭いピークが観察されなくなって、素子の発光特性として非常に好ましいのである。
【００２１】
ここまでは、ｎ側ガイド層５及びｐ側ガイド層８の厚さが共に0.2μｍの場合であったが、次に、ｐ側InyGa1-yNガイド層８のIn混晶比及びその膜厚を変化させて、下地層３部分への光の漏れ出し及び遠視野像の光強度分布を求めた。なお、ｎ側ガイド層５はGaNであり、ｎ側ガイド層５とｐ側ガイド層８は、常に同じ厚さを有している。つまりｐ側ガイド層８の膜厚が0.1μｍであるときは、ｎ側ガイド層５の膜厚も0.1μｍである。
【００２２】
図６に示すように、曲線17は、光の漏れ出しが無く、遠視野像が単峰形となって発光特性が最も好ましき（境界）条件を示している。曲線17は、In混晶比ｙとｐ側ガイド層ｔ（μm）との間において、ｙｔ＝0.003なる関係が成り立つことが判った。ここで図２を合わせて考慮すると、曲線17よりも混晶比ｙが低いと、急激に発光特性が劣化し、一方で、混晶比ｙが高い方向へ曲線17からはずれても発光特性の劣化は少ないのである。すなわち、曲線17で２分割される領域において、曲線17を含み且つ膜の厚さが大きく、混晶比ｙが大きい領域Ａにおいて単峰形の遠視野像が得られて好ましいのである。
【００２３】
ところで、図７に示すように、ガイド層５と活性層６との間に約500Å、好ましくは300ÅのInGaNからなる中間層13を設けてもよい。上述の如く、InGaNを有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって約300Å以上の厚さに形成すると、その形成後の表面には「くぼみ」が発生する。係る「くぼみ」は、InGaN層よりも下層にある膜中から上部に向かって延びる貫通転位部分に発生することが知られている。例えば、図７に示すように、貫通転位を有する下地層３の上にｎ側クラッド層４及びｎ側ガイド層５を形成し、更にこの上から約500Å以下の厚さのInGaNからなる中間層13を形成すると、その表面には微細な「くぼみ」が生成するのである。中間層13の上に活性層６を成膜すると、活性層６は微細な「くぼみ」の上、すなわち下地層３からの貫通転位部分を避けるようにして成長する。活性層６を貫く貫通転位部分は、非発光再結合中心として作用するが、InGaN中間層13を挿入して貫通転位部分を避けて成長した活性層６では、非発光再結合による無効電流を低減できる。故に閾値電流密度の上昇を抑えることが出来て好ましいのである。なお、一定の大きさ以上の「くぼみ」は、活性層６の平坦性を阻害し、導波する光を散乱するので、好ましくない。
【００２４】
更に、図６の点線17'は、上記の如き中間層13を設けたときの曲線17と同一条件（すなわち、発光特性が改善される境界条件）を満たす関係を示したものである。InGaN中間層13を設けない場合に比較して、同じガイド層８の厚さであれば、混晶比が下がる方向に広がるのである。
さらに、図８に示すように、ｎ側GaN下地層３において、SiO2等からなるマスク層14をGaN下地層３の中間に形成してGaNの横方向成長を促進させてマスクの上部の半導体層における転位密度を低減するＥＬＯ（Epitaxial Laterally Overgrowth）等の技術を用いて作成された厚膜下地上にレーザ構造体を作成する場合においても、遠視野像の優れたレーザ素子を得ることが出来ることも確認された。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、素子を構成する層の膜厚を大とせずに良好な発光特性の素子を得ることが出来るので、製造コストを増加させることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  III族窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】クラッド層におけるIn混晶比と光閉じこめ係数との関係を示すグラフである。
【図３】比較例としての半導体レーザ素子（混晶比ｙ＝０）の積層方向における屈折率及び素子内の光強度（対数軸）分布を示す図（各軸は任意単位）である。
【図４】本発明としての半導体レーザ素子（混晶比ｙ＝0.010）の積層方向における屈折率及び素子内の光強度（対数軸）分布を示す図（各軸は任意単位）である。
【図５】本発明としての半導体レーザ素子（混晶比ｙ＝0.015）の積層方向（任意単位）における屈折率及び素子内の光強度（対数軸）分布を示す図（各軸は任意単位）である。
【図６】ガイド層の膜厚と混晶比を変化させたときの素子の発光特性を示すマトリクス図及び遠視野像の光強度分布を示す図である。
【図７】本発明による他のIII族窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図８】本発明による他のIII族窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【主要部分の符号の説明】
１  基板
２  バッファ層
３  下地層
４、９  クラッド層
５、８  ガイド層
６  活性層
７  電子バリア層
１０  コンタクト層
１１  絶縁層
１２ａ  ｎ側電極
１２ｂ  ｐ側電極
１３  中間層
１４  マスク層
【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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