(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を有し、
上記ｎ型クラッド層の外側および上記ｐ型クラッド層の外側の少なくとも一方に、バンドギャップが上記活性層よりも小さく、発光波長の光を吸収する光吸収層を少なくとも一層有する
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
上記活性層はＩｎＧａＮ層を用いたものであり、上記光吸収層はこのＩｎＧａＮ層よりもＩｎ組成比が大きいＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
上記活性層はＩｎＧａＮ層を用いたものであり、上記光吸収層はＡｌＧａＩｎＮ層であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
上記光吸収層はドナー不純物とアクセプタ不純物とをドーピングしたＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＩｎＮ層であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項５】
基板上にｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮからなる上記光吸収層、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層、ＧａＮからなるｎ型光導波層、ＩｎＧａＮからなる活性層、ＧａＮからなるｐ型光導波層、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層、ＩｎＧａＮからなる上記光吸収層およびｐ型ＧａＮ層が順次積層された構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項６】
基板上にｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮからなる上記光吸収層、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層、ＧａＮからなるｎ型光導波層、ＩｎＧａＮからなる活性層、ＧａＮからなるｐ型光導波層およびＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層が順次積層された構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項７】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
ＩｎＧａＮからなる活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を有し、
上記ｎ型クラッド層の外側および上記ｐ型クラッド層の外側の少なくとも一方に、ＩｎＧａＮからなる光吸収層を少なくとも一層有し、
上記光吸収層のＩｎ組成比が上記活性層のＩｎ組成比よりも大きい
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項８】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
基板上にｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮからなる光吸収層、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層、ＧａＮからなるｎ型光導波層、ＩｎＧａＮからなる活性層、ＧａＮからなるｐ型光導波層、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層、ＩｎＧａＮからなる上記光吸収層およびｐ型ＧａＮ層が順次積層された構造を有し、
上記光吸収層のＩｎ組成比が上記活性層のＩｎ組成比よりも大きい
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項９】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
基板上にｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮからなる光吸収層、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層、ＧａＮからなるｎ型光導波層、ＩｎＧａＮからなる活性層、ＧａＮからなるｐ型光導波層およびＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層が順次積層された構造を有し、
上記光吸収層のＩｎ組成比が上記活性層のＩｎ組成比よりも大きい
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１０】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を有し、
上記ｎ型クラッド層の外側および上記ｐ型クラッド層の外側の少なくとも一方に、発光波長の光を吸収する光吸収層を少なくとも一層有し、
上記光吸収層はドナー不純物とアクセプタ不純物とをドーピングしたＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＩｎＮ層であることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザに関し、特に、ＧａＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光を用いて記録／再生を行う光ディスクや光磁気ディスクに対する記録／再生の高密度化または高解像度化のために、短波長で発光可能な半導体レーザに対する要求が高まっており、その実用化を目指して研究が活発に行われている。
【０００３】
このような半導体レーザとして最近盛んに研究されているＧａＮ系半導体レーザの一例を図４に示す。図４に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板１０１上に、図示省略したＧａＮバッファ層を介して、ｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｎ型ＧａＮ光導波層１０４、ＩｎＧａＮからなる活性層１０５、ｐ型ＧａＮ光導波層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７およびｐ型ＧａＮ層１０８が、順次積層されている。ここで、ｎ型ＧａＮ層１０２は、図示省略したｎ側電極のコンタクト層として用いられるほか、バッファ層としても用いられる。また、ｐ型ＧａＮ層１０８は、図示省略したｐ側電極のコンタクト層として用いられる。
【０００４】
しかしながら、本発明者の知見によれば、上述の図４に示す従来のＧａＮ系半導体レーザは、レーザ構造を光学的に考えた場合には問題がある。それは、ＧａＮがこのＧａＮ系半導体レーザの青紫色帯の発振波長の光に対して透明であることによる。
【０００５】
すなわち、図５は、図４に示すＧａＮ系半導体レーザの動作時における光場を計算により求めた結果を示す。ただし、この計算においては、発振波長を４１０ｎｍ、ＩｎＧａＮからなる活性層１０５のＩｎ組成比は０．２、厚さは５ｎｍ、屈折率は２．７、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７のＡｌ組成比は０．１５、厚さは１μｍ、屈折率は２．４５、ｎ型ＧａＮ光導波層１０４およびｐ型ＧａＮ光導波層１０６の厚さは０．１μｍ、屈折率は２．５４、ｎ型ＧａＮ層１０２の厚さは３μｍ、屈折率は２．５４、ｃ面サファイア基板１０１の屈折率は１．６５とした。図５からわかるように、レーザ共振器内で発生する光はｎ型ＧａＮ層１０２に引っ張られる結果、ほとんどの光はこのｎ型ＧａＮ層１０２に集中してしまう。こうなると、このレーザ構造の光閉じ込め係数は非常に小さくなり（この例では１０-10 ）、レーザ発振させるためには大きな利得が必要となる。なぜならば、発振に必要な利得をｇ、光閉じ込め係数をΓ、レーザ共振器の損失をαlossとすると、
Γｇ＝αloss
と書け、この式より、損失が一定ならば発振に必要な利得は光閉じ込め係数に反比例するからである。
【０００６】
一方、最近、ＧａＮ系半導体レーザにおいて、室温でのパルスレーザ発振の報告がなされている（例えば、日経エレクトロニクス、１９９６年１月１５日号、第１３頁）。このＧａＮ系半導体レーザにおいては、図５に示すような光場にはならない。その理由は、活性層を、厚さ２．５ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層とを２６周期積層した多重量子井戸構造として十分に厚くし、光場の有効屈折率をＧａＮの屈折率より大きくなるように設計してあるからである。この場合、光閉じ込め係数は０．３４と大きい。
【０００７】
しかしながら、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、活性層を構成するＩｎＧａＮ井戸層の合計厚さが２．５×２６＝６５ｎｍと大きいため、しきい電流密度が高く、素子そのものの寿命や電極の寿命に対して不利である。実際、上述の文献においても、電極の信頼性が問題であることが指摘されている。また、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、活性層の厚さが臨界膜厚を超えるため、活性層に不一致転位が入り、素子の特性や寿命が悪くなる。さらに、活性層に量子井戸が多数存在することから、不均一な電流注入となることが予想される（図６参照）。また、半導体レーザの光学設計の観点から考えると、有効屈折率をＧａＮより小さくすることができないという制約ができてしまうので、遠視野像（ＦＦＰ）を制御しようとしたときなどに設計の自由度が小さく、不都合である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上より、光閉じ込め係数を大きくし、かつ活性層が臨界膜厚を超えないようにするための構造上の工夫が必要となるが、そのための具体的な方策についてはこれまで提案されていなかった。
【０００９】
したがって、この発明の目的は、動作時における光場の分布の改善により、低しきい電流密度かつ長寿命で遠視野像の制御も容易な、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を有し、
ｎ型クラッド層の外側およびｐ型クラッド層の外側の少なくとも一方に、バンドギャップが活性層よりも小さく、発光波長の光を吸収する光吸収層を少なくとも一層有する
ことを特徴とするものである。
【００１１】
この発明においては、半導体レーザは、具体的には、活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を有し、ｎ型クラッド層の外側およびｐ型クラッド層の外側の少なくとも一方に光吸収層を有する。この場合、ｎ型クラッド層の外側およびｐ型クラッド層の外側の両方に光吸収層を有する場合、ｎ型クラッド層の外側にのみ光吸収層を有する場合、および、ｐ型クラッド層の外側にのみ光吸収層を有する場合がある。
【００１２】
この発明において、活性層としてＩｎＧａＮ層を用いる場合、光吸収層としては、典型的には、活性層を構成するＩｎＧａＮ層よりもＩｎ組成比が大きいＩｎＧａＮ層を用いる。具体的には、例えば、Ｉｎ組成比が０．２の活性層を用いる場合には、Ｉｎ組成比が０．２よりも大きいＩｎＧａＮ層を光吸収層として用いる。
【００１３】
この発明において、光吸収層としては、ドナー不純物（例えば、Ｓｉ）とアクセプタ不純物（例えば、ＭｇやＺｎ）とをともにドーピングしたＧａＮ層（ＩｎＧａＮ層においてＩｎ組成比を０としたもの）を用いてもよい。この場合、ＧａＮ層中に生成されるドナー−アクセプタ対による光吸収帯が４００〜５００ｎｍ付近に発生する。また、例えば、ドナー不純物としてＳｉ、アクセプタ不純物としてＭｇを用い、そのドーピング濃度をそれぞれ［Ｓｉ］および［Ｍｇ］で表すと、［Ｓｉ］＞［Ｍｇ］または［Ｍｇ］＞［Ｓｉ］とすることによりこのＧａＮ層の導電型の制御が可能である。
【００１４】
上述のようなドナー不純物とアクセプタ不純物とのドーピングによるドナー−アクセプタ対の生成を利用すれば、光吸収層としてのＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比の制限を緩和することができる。具体的には、Ｉｎ組成比が０．２よりも小さい（例えば、０．０５）ＩｎＧａＮ層であっても、ドナー−アクセプタ対の生成を利用することにより、光吸収層として用いることが可能となる。
【００１５】
この発明において、光吸収層としては、上述のものに加えて、ＡｌＧａＩｎＮ層などを用いてもよく、必要に応じて、さらにドナー不純物とアクセプタ不純物とのドーピングによるドナー−アクセプタ対の生成を利用してもよい。
【００１６】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎからなる群より選ばれた少なくとも一種のＩＩＩ族元素とＮとからなり、その具体例をいくつか挙げると、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどである。
【００１７】
上述のように構成されたこの発明による半導体レーザにおいては、発光波長の光を吸収する光吸収層を有することにより、この光吸収層を有しない場合に比べて、動作時における光場の分布を改善してその光場の分布のピークをほぼ活性層の近傍に位置させることができる。このため、大きな光閉じ込め係数を得ることができる。また、光閉じ込め係数を大きくするために活性層を厚く形成する必要がないので、活性層の厚さを臨界膜厚以下に抑えることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００１９】
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板１上に、図示省略したＧａＮバッファ層を介して、ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４、ｎ型ＧａＮ光導波層５、例えばＩｎＧａＮからなる活性層６、ｐ型ＧａＮ光導波層７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９およびｐ型ＧａＮ層１０が、順次積層されている。ここで、ｎ型ＧａＮ層２は、図示省略したｎ側電極のコンタクト層として用いられるほか、バッファ層としても用いられる。また、ｐ型ＧａＮ層１０は、図示省略したｐ側電極のコンタクト層として用いられる。
【００２０】
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４のすぐ下にｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３が設けられ、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８のすぐ上にｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９が設けられていることが、特徴的である。
【００２１】
図２は、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの動作時における光場を計算により求めた結果を示す。ただし、この計算においては、発振波長を４１０ｎｍ、ｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３およびｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９のＩｎ組成比は０．２５、厚さは１０ｎｍ、波長４１０ｎｍの光に対する吸収係数は１０5 ｃｍ-1（消衰係数としては０．３）とした。また、ＩｎＧａＮからなる活性層６のＩｎ組成比は０．２、厚さは５ｎｍ、屈折率は２．７、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８のＡｌ組成比は０．１５、厚さは１μｍ、屈折率は２．４５、ｎ型ＧａＮ光導波層５およびｐ型ＧａＮ光導波層７の厚さは０．１μｍ、屈折率は２．５４、ｎ型ＧａＮ層２の厚さは３μｍ、屈折率は２．５４、ｃ面サファイア基板１の屈折率は１．６５とした。なお、光場の計算に用いたこれらのパラメータは、ｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３およびｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９に関するものを除いて、図５に示す従来のＧａＮ系半導体レーザの動作時における光場の計算に用いたパラメータと同じである。
【００２２】
図２に示す光場における光閉じ込め係数は０．０２２となる。この図２に示す光場を、ｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３およびｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９が設けられていないことを除いてこの第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同一の構造の図４に示す従来のＧａＮ系半導体レーザの動作時における光場と比較すると、光場が活性層６の近傍に集中していて光場の分布が大幅に改善されていることがわかる。このようにｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３およびｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９が設けられていることにより光場が大幅に改善されるのは、これらのｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３およびｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９により光場の損失が大きくなるため、より損失の小さな光場になるように光場自身が変化することによる。
【００２３】
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを製造するには、ｃ面サファイア基板１上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により各層を成長させればよい。
【００２４】
以上のように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザによれば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４のすぐ下にｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３が設けられ、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８のすぐ上にｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９が設けられていることにより、動作時における光場の分布を従来に比べて大幅に改善することができ、高い光閉じ込め係数を得ることができる。このため、しきい電流密度の大幅な低減を図ることができる。また、これによって、動作時の発熱を少なくすることができ、信頼性の向上（内部劣化の防止）を図ることができる。また、活性層６を薄くすることができることにより、しきい電流密度の低減、ひいては電極部、特にｐ側電極のコンタクト部における発熱の低減、電極の信頼性の向上を図ることができる。また、活性層６の厚さを臨界膜厚以下にすることができることにより、活性層６に不一致転位が入るのを防止することができ、素子の特性や寿命の向上を図ることができる。
【００２５】
以上により、低しきい電流密度、高信頼性、長寿命の青紫色発光のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。また、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるように光場の有効屈折率をＧａＮより小さくすることができないという制約がなく、遠視野像（ＦＦＰ）を制御するときなどの設計の自由度が大きい。
【００２６】
図３はこの発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。
図２に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４のすぐ下にのみｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３が設けられ、また、ｐ型ＧａＮ層１０は設けられていない。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００２７】
この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの動作時における光場を第１の実施形態と同様にして計算により求めたところ、図２に示すものとほぼ同様であり、その光閉じ込め係数も第１の実施形態と同様に０．０２２であった。
この第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な種々の利点を得ることができる。
【００２８】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００２９】
例えば、上述の第１の実施形態および第２の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じて異なる数値を用いてもよい。また、上述の第１の実施形態および第２の実施形態においては、ｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３およびｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９のＩｎ組成比を０．２５としているが、これと異なる値のＩｎ組成比を用いてもよい。さらに、これらのｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層３およびｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層９の代わりにアンドープのＩｎＧａＮ光吸収層を用いてもよい。また、ｃ面サファイア基板１の代わりに、ＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いてもよい。
【００３０】
また、上述の第１の実施形態および第２の実施形態においては、この発明をＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、ＧａＮ系発光ダイオードに適用することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による半導体レーザによれば、ｎ型クラッド層の外側およびｐ型クラッド層の外側の少なくとも一方に、バンドギャップが活性層よりも小さく、発光波長の光を吸収する光吸収層を少なくとも一層有することにより、従来に比べて動作時における光場の分布を改善することができ、これによって低しきい電流密度かつ長寿命で遠視野像の制御も容易な、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの動作時における光場を示す略線図である。
【図３】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図４】従来のＧａＮ系半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図５】従来のＧａＮ系半導体レーザの動作時における光場を示す略線図である。
【図６】従来のＧａＮ系半導体レーザの問題を説明するための略線図である。
【符号の説明】
１・・・ｃ面サファイア基板、２・・・ｎ型ＧａＮ層、３・・・ｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層、４・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・活性層、８・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、９・・・ｐ型ＩｎＧａＮ光吸収層、１０・・・ｐ型ＧａＮ層
【図１】
0003780571.tif 000002
【図２】
0003780571.tif 000003
【図３】
0003780571.tif 000004
【図４】
0003780571.tif 000005
【図５】
0003780571.tif 000006
【図６】
0003780571.tif 000007