(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III 族窒化物系半導体からなり活性層を含む発光層上に、III 族窒化物系半導体からなり前記活性層よりも大きなバンドギャップを有しかつ前記活性層よりも小さな屈折率を有するｐ型クラッド層が形成され、前記ｐ型クラッド層にはリッジ部およびリッジ部の両側に位置する平坦部が形成され、前記クラッド部の厚さｔ1は０．３μｍ未満であり、前記平坦部の厚さｔ2は０．０５〜０．１５μｍであり、前記厚さｔ1及び厚さｔ2が、ｔ1＞ｔ2の関係を満たすことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
クラッド層のアルミニウム組成が０．０５以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層は、前記活性層上に、前記ｐ型クラッド層よりも小さなバンドギャップを有しかつ前記ｐ型クラッド層よりも大きな屈折率を有するとともに前記活性層よりも大きなバンドギャップを有しかつ前記活性層よりも小さな屈折率を有するｐ型光ガイド層をさらに含み、前記ｐ型光ガイド層上に前記ｐ型クラッド層が形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層は、前記活性層上に形成され前記ｐ型光ガイド層よりも大きなバンドギャップを有するｐ型のキャリア漏れ防止層をさらに含み、前記キャリア漏れ防止層上に前記ｐ型光ガイド層が形成されたことを特徴とする請求項３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、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度かつ大容量の光ディスクシステムに用いられる記録または再生用の光源として、青色または紫色の光を発する窒化物系半導体レーザ素子の研究開発が行われている。
【０００３】
図９は従来の窒化物系半導体レーザ素子の例を示す模式的な断面図である。
図９に示す半導体レーザ素子は、サファイア基板８１のＣ（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、アンドープのＡｌＧａＮからなるバッファ層８２、アンドープＧａＮ層８３、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮコンタクト層８４、ｎ−ＩｎＧａＮからなるクラック防止層８５、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６、ＩｎＧａＮからなる発光層８７、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１およびｐ−ＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層９２が順に形成されてなる。
【０００４】
発光層８７は、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮ光ガイド層８８と、ＩｎＧａＮからなり多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＭＱＷ活性層８９と、ｐ−ＧａＮからなるｐ−ＧａＮ光ガイド層９０とが順に積層されてなる。
【０００５】
ｐ−ＧａＮコンタクト層９２からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の所定深さまでがエッチングにより除去されている。それにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層９２およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からなるストライプ状のリッジ部９３が形成されるとともに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１に平坦部が形成される。このリッジ部９３のｐ−ＧａＮコンタクト層９２上にｐ電極１３１が形成されている。また、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の平坦部からｎ−ＧａＮコンタクト層８４までの一部領域がエッチングにより除去され、ｎ−ＧａＮコンタクト層８４のｎ電極形成領域９４が露出している。この露出したｎ電極形成領域９４上にｎ電極１３２が形成されている。
【０００６】
リッジ部９３の両側面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の平坦部上面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からｎ−ＧａＮコンタクト層８４までの側面、ならびにｎ電極１３２が形成された領域を除くｎ−ＧａＮコンタクト層８４上面にＳｉＯ2 等のＳｉ酸化物からなる絶縁膜９５が形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図９の半導体レーザ素子においては、例えば従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子と比較して、発光層８７とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１との屈折率の差が約４分の１から３分の１と小さい。このため、発光層８７のＭＱＷ活性層８９において発生した光は、発光層８７に導波されにくい。
【０００８】
また、発光層８７のＭＱＷ活性層８９において発生した光を閉じ込めるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の外側に位置するｎ−ＧａＮコンタクト層８４およびｐ−ＧａＮコンタクト層９２の屈折率が、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１よりも大きくなるいわゆる反導波構造となることから、基本垂直横モードが得られにくい。
【０００９】
ここで、例えばＧａＡｓのような吸収係数の大きな材料から構成されるコンタクト層は、クラッド層からしみ出した光を吸収することが可能である。しかしながら、上記のようにＧａＮから構成されるｐ−ＧａＮコンタクト層９２は、吸収係数が小さいため、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からしみ出した光を吸収することができない。
【００１０】
したがって、図９の半導体レーザ素子においては、発光層８７に十分に光を閉じ込めることが困難であり、垂直横モードが高次モードになりやすい。このため、半導体レーザ素子のしきい値電流の低減化を図ることが困難である。
【００１１】
垂直横モードが高次モードになることを防止するためには、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１のＡｌ組成を大きくする（例えば０．０７より大きくする）か、または、ｎ−ＧａＮコンタクト層８４に数％のＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）。それにより、基本垂直横モードが得られやすくなる。しかしながら、このようにＡｌ組成が大きくなることによって成長層にクラックが発生しやすくなり、その結果素子の歩留りが大きく低下してしまう。
【００１２】
ところで、上記の半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層８９は、ＧａＮやＡｌＧａＮに比べて格子定数が大きいＩｎＧａＮから構成される。このようなＩｎＧａＮから構成されるＭＱＷ活性層８９は、膜厚を大きくすると結晶性が劣化する。したがって、ＭＱＷ活性層８９の結晶性を劣化させないためには、ＭＱＷ活性層８９の厚さを数十Åと小さくする必要がある。しかしながら、このようにＭＱＷ活性層８９の厚さを小さくした場合、発光層８７に特に光を閉じ込めにくく、垂直横モードがさらに高次モードになりやすい。このため、半導体レーザ素子においてしきい値電流の低減化を図ることがより困難となる。
【００１３】
一方、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１は抵抗が大きいため、上記の半導体レーザ素子においては電極間の直列抵抗が大きくなる。このため、半導体レーザ素子において動作電圧の低減化を図ることが困難である。特に、半導体レーザ素子を０℃以下のような低温で動作させる場合、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１における抵抗がより大きくなるので、動作電圧がさらに高くなり、絶縁破壊等の素子破壊が発生しやすくなる。
【００１４】
本発明の目的は、クラックの発生による歩留りの低下をまねくことなく、発光層における光の閉じ込めを効果的に行うことによりしきい値電流の低減化が図られた窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、クラックの発生による歩留りの低下をまねくことなく、動作電圧の低減化が図られた窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る窒化物系半導体発光素子は、III 族窒化物系半導体からなり活性層を含む発光層上に、III 族窒化物系半導体からなり活性層よりも大きなバンドギャップを有しかつ活性層よりも小さな屈折率を有するｐ型クラッド層が形成され、ｐ型クラッド層の厚さが０．３μｍ未満であるものである。
【００１７】
本発明に係る窒化物系半導体発光素子においては、ｐ型クラッド層の厚さが０．３μｍ未満と小さく抑えられている。このため、活性層において発生した光のｐ型クラッド層へのしみ出しが抑制され、垂直横モードにおける高次モードをカットオフすることが可能である。それにより、窒化物系半導体発光素子においてしきい値電流の低減化を図ることが可能になるとともに、レーザ光を集光した際の集光特性の向上が図られる。
【００１８】
特に、上記の窒化物系半導体発光素子では、活性層の厚さを小さくした場合においてもｐ型クラッド層への光のしみ出しを抑制することが可能である。したがって、このような窒化物系半導体発光素子においては、活性層の厚さを小さくすることが可能である。ここで、活性層の厚さが小さな窒化物系半導体発光素子においては活性層において良好な結晶性を実現することが可能となることから、上記の窒化物系半導体発光素子においては素子特性の向上を図ることが可能となる。
【００１９】
さらに、上記の窒化物系半導体発光素子においては、抵抗の大きなｐ型クラッド層の厚さが０．３μｍ未満と小さいため、電極間の直列抵抗の低減化が図られる。それにより、この窒化物系半導体発光素子においては、素子の動作電圧の低減化を図ることが可能となる。
【００２０】
クラッド層のアルミニウム組成が０．０５以下であってもよい。このようにクラッド層のアルミニウム組成を０．０５以下にすることによって、窒化物系半導体層の成長時に発生する窒化物系半導体層にかかる歪を小さくすることができ、窒化物系半導体層でのクラック発生を防止できる。それにより、素子の歩留りを低下させることなく、窒化物系半導体発光素子の動作電圧の低減化を図ることが可能となる。
【００２１】
また、発光層は、活性層上に、ｐ型クラッド層よりも小さなバンドギャップを有しかつｐ型クラッド層よりも大きな屈折率を有するとともに活性層よりも大きなバンドギャップを有しかつ活性層よりも小さな屈折率を有するｐ型光ガイド層をさらに含み、ｐ型光ガイド層上にｐ型クラッド層が形成されてもよい。
【００２２】
このような窒化物系半導体発光素子においても、活性層への光の閉じ込めを効果的に行ってしきい値電流の低減を図ることが可能になるとともに、ｐ型クラッド層における抵抗を低減して窒化物系半導体発光素子の動作電圧の低減を図ることが可能となる。
【００２３】
また、発光層は、活性層上に形成されｐ型光ガイド層よりも大きなハンドギャップを有するｐ型のキャリア漏れ防止層をさらに含み、キャリア漏れ防止層上にｐ型光ガイド層が形成されてもよい。この場合、キャリア漏れ防止層により、活性層からｐ型光ガイド層へのキャリアの漏れを防止することが可能となる。したがって、このような窒化物系半導体発光素子においては、しきい値電流の低減化がさらに図られる。
【００２４】
ｐ型クラッド層にリッジ部が形成され、リッジ部の厚さが０．３μｍ未満であってもよい。この場合、しきい値電流および動作電圧の低減化が図られたリッジ導波型構造を有する窒化物系半導体発光素子が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体発光素子として、半導体レーザ素子について説明する。
【００３３】
図１は本発明の一実施例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【００３４】
図１に示す半導体レーザ素子１００は、サファイア基板１のＣ（０００１）面上に、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなり厚さが２５０Åであるバッファ層２、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層３、ＳｉドープのＧａＮからなる厚さ３μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層４、ＳｉドープのＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層５、ＳｉドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる厚さ１μｍのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６、発光層７、ＭｇドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびＭｇドープのＧａＮからなる厚さ０．０５μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層９が順に形成されてなる。このような各層２〜９は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により形成される。
【００３５】
図２は、発光層７の詳細な構造を示す模式的な部分拡大断面図である。図２に示すように、発光層７は、ＳｉドープのＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮ光ガイド層７１と、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＭＱＷ活性層７２と、ＭｇドープのＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮ光ガイド層７３とから構成される。ＭＱＷ活性層７２は、ＳｉドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなる厚さ９０ｎｍの４つのｎ−ＩｎＧａＮ障壁層７２ａとＳｉドープのＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなる厚さ３０ｎｍの３つのｎ−ＩｎＧａＮ井戸層７２ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造を有する。
【００３６】
なお、ここでは、クラッド層に比べてバンドギャップが小さくかつクラッド層に比べて屈折率が大きいとともに、活性層に比べてバンドギャップが大きくかつ活性層に比べて屈折率が小さい層を光ガイド層と定義している。また、本例のように活性層が多重量子井戸構造を有する場合には、活性層の井戸層のバンドギャップの大きさを活性層のバンドギャップの大きさと定義する。
【００３７】
図１に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層９からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８までの一部領域が反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）または反応性イオンビームエッチング法（ＲＩＢＥ法）によりエッチングされている。それにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層９およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８からなるストライプ状のリッジ部１０が形成されるとともに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８に平坦部が形成される。このように、本実施例の半導体レーザ素子１００はリッジ導波型構造を有する。
【００３８】
上記のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の平坦部からｎ−ＧａＮコンタクト層４までの一部領域がＲＩＥ法またはＲＩＢＥ法によりエッチングされ、ｎ−ＧａＮコンタクト層４のｎ電極形成領域１１が露出している。
【００３９】
リッジ部１０のｐ−ＧａＮコンタクト層９上にｐ電極１３１が形成され、ｎ−ＧａＮコンタクト層４のｎ電極形成領域１１上にｎ電極１３２が形成されている。さらに、リッジ部１０の両側面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の平坦部上面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８からｎ−ＧａＮコンタクト層４までの側面、ならびにｎ電極１３２が形成された領域を除くｎ−ＧａＮコンタクト層４の上面に、ＳｉＯ2 等からなる絶縁膜１２が形成されている。
【００４０】
上記において、半導体レーザ素子１００のリッジ部１０のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 は０．３μｍ未満である。一方、リッジ部１０の両側に位置するｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の平坦部の厚さｔ2 は、半導体レーザ素子１００の横モード制御の点から、０．０５〜０．１５μｍであることが好ましい。なお、この場合においては、ｔ1 およびｔ2 がｔ1 ＞ｔ2 の関係を満たしている。
【００４１】
ここで、この場合においては、リッジ部１０の厚さｔ1 をｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さと定義する。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．３μｍ未満に設定された半導体レーザ素子１００においては、以下のような効果が得られる。
【００４２】
図３は、図１の半導体レーザ素子の所定領域におけるレーザ光の電界分布を示す模式的な断面図である。なお、図３においては絶縁膜１２およびｐ電極１３１の図示を省略している。ここではＸ軸に電界の大きさをとり、Ｙ軸を半導体レーザ素子１００の各層６〜９に垂直な方向の空間軸としている。
【００４３】
なお、図３は、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６の所定領域、発光層７、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびｐ−ＧａＮコンタクト層９におけるレーザ光の電界分布を示すものであり、ここではこれ以外の領域におけるレーザ光の電界分布については図示していない。この場合、各ＡｌＧａＮクラッド層６，８における電界分布は指数関数（ｅｘｐ．）で表され、一方、発光層７のＭＱＷ活性層７２および各ＧａＮ光ガイド層７１，７３、ならびにｐ−ＧａＮコンタクト層９における電界分布は正弦関数および余弦関数（ｓｉｎおよびｃｏｓ）で表される。
【００４４】
図３に示すように、厚さｔ1 が０．３μｍ未満のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８を備えた半導体レーザ素子１００においては、発光層７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８への光のしみ出しが小さく、発光層７における光の閉じ込めが効果的に行われる。このため、垂直横モードが最低次の基本モードとなる。このような半導体レーザ素子１００においては、しきい値電流の低減化が図られるとともに、レーザ光を集光した際の集光特性の向上が図られる。
【００４５】
ここで、比較のため、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 を０．３μｍ以上とした場合について説明する。
【００４６】
図１の半導体レーザ素子１００と同様の構造を有し、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．３μｍ以上である半導体レーザ素子のレーザ光の電界分布を図４に示す。なお、図４（ａ）は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．６μｍより大きい場合について示しており、図４（ｂ）はｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．３〜０．６μｍ程度である場合について示している。
【００４７】
図４は、図３の場合と同様、Ｘ軸に電界の大きさをとり、Ｙ軸を半導体レーザ素子の各層６〜９に垂直な方向の空間軸とした模式図である。
【００４８】
また、図４においては、図３の場合と同様、半導体レーザ素子の詳細な構造の図示を省略するとともに、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６の所定領域、発光層７、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびｐ−ＧａＮコンタクト層９以外の領域におけるレーザ光の電界分布については図示していない。
【００４９】
図４（ａ）に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．６μｍより大きい場合、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８に大きな電界が存在する。すなわち、発光層７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８への光のしみ出しが大きく、発光層７において光の閉じ込めが十分に行われない。このような状態では、垂直横モードは高次モード、この場合は１次モードとなる。したがって、このような半導体レーザ素子においては、しきい値電流の低減化を図ることが非常に困難であり、また、レーザ光を集光した際の集光特性が良好ではない。
【００５０】
一方、図４（ｂ）に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．３〜０．６μｍ程度の場合、電界はｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８とｐ−ＧａＮコンタクト層９との界面付近にわずかに存在する程度である。すなわち、この場合においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．６μｍより大きい図４（ａ）の場合に比べて、発光層７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８への光のしみ出しが小さくなる。
【００５１】
しかしながら、この場合においても発光層７に十分に光を閉じ込めることができず、垂直横モードは１次モードとなる。したがって、半導体レーザ素子においてしきい値電流の低減化を図ることが困難であり、また、レーザ光を集光した際の集光特性が良好ではない。
【００５２】
以上のように、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．３μｍ未満と小さい半導体レーザ素子１００のｐ型半導体層側においては、発光層７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８への光のしみ出しを抑制し、垂直横モードにおける高次モードをカットオフすることができる。このため、半導体レーザ素子１００においては、しきい値電流の低減化を図ることが可能になる。また、この場合、レーザ光を集光した際の集光特性が良好である。
【００５３】
このような半導体レーザ素子１００においては、ＭＱＷ活性層７２の厚さを小さくした場合においても、ｐ型半導体層側への光のしみ出しを抑制することができる。したがって、半導体レーザ素子１００においてはＭＱＷ活性層７２の厚さを小さくすることができる。厚さの小さなＭＱＷ活性層７２においては良好な結晶性が実現されることから、このような半導体レーザ素子１００においては素子特性の向上が図られる。
【００５４】
また、半導体レーザ素子１００においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８により、ＭＱＷ活性層７２からのキャリアの漏れを十分に抑制することが可能である。したがって、しきい値電流の低減がさらに図られる。
【００５５】
さらに、半導体レーザ素子１００においては、抵抗の大きなｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．３μｍ未満と小さいので、ｐ電極１３１とｎ電極１３２との間の直列抵抗を小さくすることが可能となる。したがって、半導体レーザ素子１００においては動作電圧の低減化が図られる。
【００５６】
なお、上記の半導体レーザ素子１００においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６がともにＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから構成されているが、Ａｌ組成が０．０５よりも大きくてもよい。ただし、クラッド層のＡｌ組成を０．０５以下にすることによって、窒化物系半導体層の成長時に発生する窒化物系半導体層にかかる歪を小さくすることができ、窒化物系半導体層でのクラックの発生を防止することができる。それにより、素子の歩留りを低下させることなく、窒化物系半導体発光素子の動作電圧の低減化を図ることが可能となる。
【００５７】
また、上記の半導体レーザ素子１００においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６がともにＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから構成され、同じ大きさのバンドギャップを有する場合について説明したが、バンドギャップの大きさが異なるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６が形成されてもよい。
【００５８】
また、上記においてはｎ−ＧａＮ光ガイド層７１およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３の両方が形成される場合について説明したが、ｎ−ＧａＮ光ガイド層７１およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３のどちらか一方のみが形成された構造であってもよく、また、ｎ−ＧａＮ光ガイド層７１およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３の両方が形成されない構造であってもよい。
【００５９】
図５は本発明の他の実施例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。図５に示す半導体レーザ素子１０１は、以下の点を除いて、図１の半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００６０】
図５に示すように、半導体レーザ素子１０１においては、発光層７を構成する厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮ光ガイド層７３の所定領域が所定深さまでエッチングされ、リッジ部１０ａが形成されている。
【００６１】
この場合、ｐ−ＧａＮ光ガイド層７３の平坦部の厚さは、半導体レーザ素子１０１の横モード制御の点から、０．０５μｍ以下であることが好ましい。また、ＭＱＷ活性層７２が露出するまでｐ−ＧａＮ光ガイド層７３の所定領域がエッチングされてＭＱＷ活性層７２上にリッジ状のｐ−ＧａＮ光ガイド層７３が形成された構造であってもよい。
【００６２】
半導体レーザ素子１０１においては、ｐ−ＧａＮ光ガイド層７３のリッジ部１０ａの上面にｐ電極１３１が形成されている。また、ｐ−ＧａＮ光ガイド層７３のリッジ部１０ａの両側面、ｐ−ＧａＮ光ガイド層７３の平坦部上面、ｐ−ＧａＮ光ガイド層７３からｎ−ＧａＮコンタクト層４までの側面、ならびにｎ電極１３２が形成された領域を除くｎ−ＧａＮコンタクト層４の上面にＳｉＯ2 等からなる絶縁膜１２が形成されている。
【００６３】
本実施例の半導体レーザ素子１０１においては、図１の半導体レーザ素子１００のようなｐ−ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ−ＧａＮコンタクト層が形成されず、代わりにｐ−ＧａＮ光ガイド層７３にリッジ部１０ａが形成されてリッジ部１０ａの上面がｐ電極１３１にオーミック接触している。
【００６４】
このような半導体レーザ素子１０１のｐ型半導体層側においては、ＭＱＷ活性層７２で発生した光のしみ出しがｐ−ＧａＮ光ガイド層７３に限られる。このため、光のしみ出しを抑制してＭＱＷ活性層７２に光を効果的に閉じ込めることができる。それにより、垂直横モードにおける高次モードを十分にカットオフすることができる。したがって、半導体レーザ素子１０１においては、しきい値電流の低減化が図られるとともに、レーザ光を集光した際の集光特性が向上する。
【００６５】
このような半導体レーザ素子１０１においては、ＭＱＷ活性層７２の厚さを小さくした場合においても、光のしみ出しを抑制してＭＱＷ活性層７２に効果的に光を閉じ込めることができる。したがって、半導体レーザ素子１０１においてはＭＱＷ活性層７２の厚さを小さくすることができる。厚さの小さなＭＱＷ活性層７２においては良好な結晶性が実現されることから、このような半導体レーザ素子１０１においては素子特性の向上が図られる。
【００６６】
また、半導体レーザ素子１０１おいては、抵抗が大きいｐ−ＡｌＧａＮクラッド層が形成されていないため、動作電圧の低減化が十分に図られる。
【００６７】
特に、このような半導体レーザ素子１０１においては、素子の動作温度の変化に伴う動作電圧の変動を小さく抑えることが可能である。すなわち、半導体レーザ素子１０１においては、動作温度を下げた場合においても動作電圧の上昇が小さいので、低温下においても絶縁破壊等の素子破壊の発生を防止することができる。
【００６８】
図６は本発明のさらに他の実施例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【００６９】
図６に示す半導体レーザ素子１０２は、ＭＱＷ活性層７２上にキャリア漏れ防止層７４が形成されるとともにこのキャリア漏れ防止層７４上にｐ−ＧａＮ光ガイド層７３が形成された点を除いて、図５の半導体レーザ素子１０１と同様の構造を有する。
【００７０】
キャリア漏れ防止層７４は、ＭＱＷ活性層７２およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３に比べて大きなバンドギャップを有する。なお、ここでは、前述のようにｎ−ＩｎＧａＮ井戸層７２ｂのバンドギャップの大きさをＭＱＷ活性層７２のバンドギャップの大きさと定義する。
【００７１】
例えば、上記の半導体レーザ素子１０２においてはｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる厚さ２００Åのキャリア漏れ防止層７４が形成されている。このようなキャリア漏れ防止層７４が形成された半導体レーザ素子１０２においては、キャリア漏れ防止層７４が障壁となるため、ＭＱＷ活性層７２からｐ−ＧａＮ光ガイド層７３へのキャリア（電子）の漏れが防止される。
【００７２】
上記の半導体レーザ素子１０２のｐ型半導体層側においては、ＭＱＷ活性層７２で発生した光のしみ出しがキャリア漏れ防止層７４およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３に限られる。このため、光のしみ出しを抑制してＭＱＷ活性層７２に光を効果的に閉じ込めることができる。それにより、垂直横モードにおける高次モードを十分にカットオフすることができる。したがって、半導体レーザ素子１０２においては、しきい値電流の低減化が図られるとともに、レーザ光を集光した際の集光特性が向上する。
【００７３】
特に、この場合においては、ＭＱＷ活性層７２上にキャリア漏れ防止層７４が形成されているため、ＭＱＷ活性層７２からｐ−ＧａＮ光ガイド層７３への電子（キャリア）の漏れを防止することが可能となる。したがって、半導体レーザ素子１０２においては、しきい値電流の低減化がさらに図られる。
【００７４】
このような半導体レーザ素子１０２においては、ＭＱＷ活性層７２の厚さを小さくした場合においても、光のしみ出しを抑制してＭＱＷ活性層７２に効果的に光を閉じ込めることができる。したがって、半導体レーザ素子１０２においては、ＭＱＷ活性層７２の厚さを小さくすることができる。厚さの小さなＭＱＷ活性層７２においては良好な結晶性が実現されることから、このような半導体レーザ素子１０２においては素子特性の向上が図られる。
【００７５】
また、半導体レーザ素子１０２おいては、抵抗が大きいｐ−ＡｌＧａＮクラッド層が形成されていないため、動作電圧の低減化が十分に図られる。
【００７６】
特に、このような半導体レーザ素子１０２においては、素子の動作温度の変化に伴う動作電圧の変動を小さく抑えることが可能である。すなわち、半導体レーザ素子１０２においては、動作温度を下げた場合においても動作電圧の上昇が小さいので、低温下においても絶縁破壊等の素子破壊の発生を防止することができる。
【００７７】
なお、上記においてキャリア漏れ防止層７４は抵抗の大きなｐ−ＡｌＧａＮから構成されているが、厚さが２００Åと小さいため、キャリア漏れ防止層７４は半導体レーザ素子１０２の動作電圧には影響しない。キャリアの漏れを十分に抑制しかつ素子の動作電圧の低減化を図る上では、キャリア漏れ防止層７４の厚さは１５０〜３００Åであることが好ましい。
【００７８】
半導体レーザ素子１００〜１０２において、各層の構成は上記に限定されるものではない。各層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つを含む窒化物系半導体から構成されていればよい。また、上記においては基板としてサファイア基板を用いているが、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等からなる基板を用いてもよい。
【００７９】
さらに、上記においては基板上にｎ型層およびｐ型層がこの順で形成される場合について説明したが、基板上にｐ型層およびｎ型層がこの順で形成されてもよい。
【００８１】
図７は、本発明の参考例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。図７に示す半導体レーザ素子は、サファイア基板２１のＣ（０００１）面上に、アンドープのＡｌＧａＮからなるバッファ層２２、アンドープＧａＮ層２３、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮコンタクト層２４、ｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２５、発光層２６、ｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層２７、開口部を有するｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層２８、ｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２９およびｐ−ＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層３０が順に積層されてなる。ｐ−ＧａＮコンタクト層３０からｎ−ＧａＮコンタクト層２４までの一部領域が除去され、ｎ−ＧａＮコンタクト層２４が露出している。この露出したｎ−ＧａＮコンタクト層２４上にｎ電極１３２が形成されている。また、ｐ−ＧａＮコンタクト層３０の所定領域上にはｐ電極１３１が形成されている。
【００８２】
なお、上記の発光層２６の構造は、図１の半導体レーザ素子１００の発光層７の構造と同様である。
【００８５】
例えば、図７の半導体レーザ素子において、開口部を有するｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層２８が発光層２６上に直接形成され、このｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層２８上およびｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層２８の開口部内で露出した発光層２６上にｐ−ＧａＮコンタクト層３０が形成された構造であってもよい。この場合においては、図２の半導体レーザ素子１０１と同様の効果が得られる。さらに、この場合、図３の半導体レーザ素子１０２のように、発光層２６のＭＱＷ活性層とｐ−ＧａＮ光ガイド層との間にキャリア漏れ防止層を形成してもよい。
【００８６】
図８は、本発明のさらに他の実施例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【００８７】
図８に示す半導体レーザ素子は、ＭＱＷ活性層７２上にキャリア漏れ防止層７４が形成されるとともにこのキャリア漏れ防止層７４上にｐ−ＧａＮ光ガイド層７３が形成された点を除いて、図１の半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００８８】
キャリア漏れ防止層７４は、ＭＱＷ活性層７２およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３に比べて大きなバンドギャップを有する。なお、ここでは、前述のようにｎ−ＩｎＧａＮ井戸層７２ｂのバンドギャップの大きさをＭＱＷ活性層７２のバンドギャップの大きさと定義する。
【００８９】
例えば、本実施例の半導体レーザ素子においては、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる厚さ２００Åのキャリア漏れ防止層７４が形成されている。このようなキャリア漏れ防止層７４が形成された本実施例の半導体レーザ素子においては、キャリア漏れ防止層７４が障壁となるため、ＭＱＷ活性層７２からｐ−ＧａＮ光ガイド層７３へのキャリア（電子）の漏れが防止される。
【００９０】
本実施例の半導体レーザにおいては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1が０．３μｍ未満と小さいため、ｐ型半導体層側において、発光層７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８への光のしみ出しを抑制し、垂直モードにおける高次モードをカットオフすることができる。このため、本半導体レーザ素子においては、しきい値電流の低減化を図ることが可能になる。また、この場合、レーザ光を集光した際の集光特性が良好である。
【００９１】
加えて、本半導体レーザ素子においては、ＭＱＷ活性層７２の厚さを小さくした場合においても、ｐ型半導体層側への光のしみ出しを抑制することができる。厚さの小さなＭＱＷ活性層７２においては、良好な結晶性が実現されることから、このような半導体レーザ素子においては素子特性の向上が図られる。
【００９２】
また、本実施例の半導体レーザ素子においては、図１の半導体レーザ素子に比較して、キャリア漏れ防止層７４により、ＭＱＷ活性層７２からのキャリア漏れを、より一層十分に抑制することが可能である。したがって、しきい値電流の低減がさらに図られる。
【００９３】
さらに、本実施例の半導体レーザ素子においては、抵抗の大きなｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さｔ1 が０．３μｍ未満と小さいので、ｐ電極１３１とｎ電極１３２との間の直列抵抗を小さくすることが可能となる。したがって、本実施例の半導体レーザ素子においては動作電圧の低減化が図られる。
【００９４】
なお、上記の本実施例の半導体レーザ素子においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６がともにＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから構成されているが、Ａｌ組成が０．０５よりも大きくてもよい。ただし、クラッド層のＡｌ組成を０．０５以下にすることによって、窒化物系半導体層の成長時に発生する窒化物系半導体層にかかる歪を小さくすることができ、窒化物系半導体層でのクラックの発生を防止することができる。それにより、素子の歩留りを低下させることなく、窒化物系半導体発光素子の動作電圧の低減化を図ることが可能となる。
【００９５】
また、上記の本実施例の半導体レーザ素子においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６がともにＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから構成され、同じ大きさのバンドギャップを有する場合について説明したが、バンドギャップの大きさが異なるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６が形成されてもよい。
【００９６】
また、上記においてはｎ−ＧａＮ光ガイド層７１およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３の両方が形成される場合について説明したが、ｎ−ＧａＮ光ガイド層７１およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３のどちらか一方のみが形成された構造であってもよく、また、ｎ−ＧａＮ光ガイド層７１およびｐ−ＧａＮ光ガイド層７３の両方が形成されない構造であってもよい。
【００９７】
なお、上記においては本発明を半導体レーザ素子に適用する場合について説明したが、本発明を半導体レーザ素子以外の半導体発光素子に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子の発光層の詳細な構造を示す模式的な部分拡大図である。
【図３】図１の半導体レーザ素子の所定領域におけるレーザ光の電界分布を示す模式的な断面図である。
【図４】ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の厚さが０．３μｍ以上である半導体レーザ素子のレーザ光の電界分布を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明の他の実施例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図７】  本発明の参考例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施例における半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図９】従来の窒化物系半導体レーザ素子の例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  バッファ層
３  アンドープＧａＮ層
４  ｎ−ＧａＮコンタクト層
５  ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層
６  ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
７  発光層
８  ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
９  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１０，１０ａ  リッジ部
１１  ｎ電極形成領域
１２  絶縁膜
７１  ｎ−ＧａＮ光ガイド層
７２  ＭＱＷ活性層
７３  ｐ−ＧａＮ光ガイド層
７４  キャリア漏れ防止層
１００，１０１，１０２  半導体レーザ素子
１３１  ｐ電極
１３２  ｎ電極
【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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【図９】
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