JP2007273901A

JP2007273901A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2007273901A
Application number: JP2006100762A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Kuramoto; 恭介蔵本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】単位共振器あたりの電流密度を低減し、長寿命とした窒化物系半導体III−Ｖ族化合物レーザを得る。
【解決手段】光閉じ込め係数Γが小さくなると、内部損失が低減するので、単位共振器長あたりの電流密度も低減する。本発明では、Γを１．５以上３．０以下に設定し、共振器長を８００μｍ以上２，０００μｍ以下とする。これにより、従来に比べて小さな内部損失を持つ構造としたうえで共振器を長くすることになるので、単位共振器あたりの電流密度を低減し、長寿命とした窒化物系半導体III−Ｖ族化合物レーザが得られる。
【選択図】図９

Description

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や発光ダイオード等の半導体発光素子に関するものである。

近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた窒化物系半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。

これまでに報告されている窒化物系半導体レーザにおいては、その活性層構造として、ＩｎＧａＮからなるウエル層（ＩｎＧａＮウエル層）と、当該ウエル層よりもＩｎ組成比が小さい値（通常０．０２程度）をとるＩｎＧａＮからなるバリア層（ＩｎＧａＮバリア層）とが交互に積層した多重量子井戸構造が用いられる。上述した多重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザとして例えば、特許文献１で開示された窒化ガリウム系半導体発光素子がある。

特開平１０−２６１８３８号公報

ところで、窒化物系半導体レーザは、ディスク用途に主として用いられるＧａＡｓ系レーザダイオード（ＬＤ）や、通信用途に主として用いられるＩｎＰ系レーザダイオード（ＬＤ）に比べて、長期通電中の光出力低下量が大きいことが知られている。

光出力を低下しないようにするには、動作電流を大きくしていく必要がある。ここで、動作電流の値が初期値に対してある一定以上の値になると、素子に故障が生じたと見なして、その値になった時間を素子寿命と定義している。大きな光出力を得るためには、動作電流を大きくする必要があるが、動作電流が大きいと動作電圧も増大して、素子に入力される電力が大きくなる。また、共振器内における光密度も増大する。このため、一般に、素子寿命は、高光出力動作時ほど短くなる。

素子寿命を改善する一つの方法に、共振器長を大きくする方法がある。この方法は、特に、ＧａＡｓ系レーザダイオードで用いられている。

共振器長を大きくすると、しきい値および動作電流が増大するものの、単位共振器長あたりのしきい値電流密度および動作電流密度は小さくなり、動作電圧も低減する。その結果、動作時の活性層やその近傍の温度が低下し、これによって素子寿命が増大すると考えられている。

しかしながら、窒化物系半導体レーザにおいては、ウエル層の層方向（成長方向と垂直な方向）の位置によって、ＩｎＧａＮウエル層のＩｎ組成比が異なる値をとることが知られている。すなわち、窒化物系半導体レーザでは、ウエル層の層方向に沿ってＩｎ組成比が大きく揺らいでおり、これが原因となって、発生した光の共振器内での再吸収、いわゆる内部損失が非常に大きくなる。

ここで、半導体レーザにおける前端面と後端面の微分効率の和である外部微分効率ηtotalは、前端面反射率をＲｆ、後端面反射率をＲｒ、共振器長をＬ、内部量子効率をηｉ、内部損失をαｉとすると、以下の式（１）によって表される。

式（１）から明らかであるように、共振器長Ｌを大きくしていくと、外部微分効率ηtotalが小さくなっていくが、この変化は内部損失αiが大きいほど顕著となる。したがって、内部損失の大きな窒化物系半導体レーザでは、共振器長を大きくしていったときの外部微分効率の低下は著しいものとなる。このため、動作電流が非常に大きくなって、共振器長を大きくした場合においても、単位共振器長あたりの動作電流密度を低減することが困難になる。このことは、共振器を長くすることによる寿命増大の効果が非常に小さいことを意味している。

したがって、内部損失の小さいＧａＡｓ系レーザダイオードでは、共振器長を大きくすることによって素子寿命を改善することができるが、内部損失の大きい窒化物系半導体レーザでは、非常に小さい程度でしか改善できないか、または、逆に素子寿命を低下させてしまうという問題があった。

この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光レーザにおいて、従来に比べ小さな内部損失を持つ構造としたうえで、そのレーザ共振器を長くすることで、単位共振器あたりの電流密度を低減し、長寿命とした窒化物系半導体III−Ｖ族化合物レーザを得ることを目的とする。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明は、少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、少なくとも２つのウエル層は少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層を含み、発光時における素子の全導波光のうち、少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数（％）が１．５以上３．０以下に設定され、共振器長が８００μｍ以上２，０００μｍ以下であることを特徴とするものである。

本発明の半導体発光素子によれば、光閉じ込め係数（％）を１．５以上３．０以下に設定し、且つ、共振器長を８００μｍ以上２，０００μｍ以下とするので、従来に比べ小さな内部損失とすることができ、また、素子寿命を長くすることが可能となる。

＜発明の原理＞
（問題点の検討）
ＩｎＧａＮ材料のバンドギャップは、Ｉｎ組成比が大きくなる程、小さくなるという負の相関を有している。したがって、従来の問題点の原因となるＩｎＧａＮウエル層の層方向におけるＩｎ組成比の揺らぎの存在は、ウエル層内でのバンドギャップが層方向の位置により異なることを意味する。

図１は、ＩｎＧａＮウエル層における層方向のＩｎ組成比の揺らぎによるバンドギャップの状態を示す説明図である。同図に示すように、Ｉｎ組成比大領域３１ではバンドギャップが相対的に小さくなり、Ｉｎ組成比小領域３２ではバンドギャップが相対的に大きくなる。

図２はＩｎＧａＮウエル層における利得領域及び吸収領域の存在を示す説明図である。同図に示すように、ＩｎＧａＮウエル層に電子及び正孔が注入され、レーザ発振している時には、バンドギャップが小さい領域ではキャリアが多く、バンドギャップが大きい領域ではキャリアが少ない。これはＩｎＧａＮウエル層内においてキャリアが拡散した結果生じる現象である。

通常、半導体レーザの利得領域となるウエル層においては、キャリア密度の大小により利得の大小が決定される。すなわち、キャリア密度がある一定の値（透明化キャリア密度と呼ばれる値）よりも高い領域は利得領域となるが、キャリア密度が透明化キャリア密度よりも小さい領域では、利得が負、すなわち、光の吸収領域となる。

以上のことを考え合わせると、ＩｎＧａＮ材料をウエル層として用いた窒化物系III−Ｖ族化合物半導体レーザにおいては、図２に示すように、発振時においても、利得領域に加え、キャリア密度が透明化キャリア密度より小さい光の吸収領域が存在することにより、当該吸収領域において光吸収が起こっていることが推測される。

一方、半導体レーザにおける前端面と後端面の微分効率の和である外部微分効率ηtotalは、前述の式（１）によって表される。ＩｎＧａＮウエル層に前述したような光の吸収が存在するということは、内部損失αｉが大きいということを意味することから、内部損失αｉが増加する分、外部微分効率ηtotalが減少することを意味する。このように、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザでは、ウエル層でのＩｎ組成比揺らぎに起因して発生するウエル層内での光吸収が、高い外部微分効率ηtotalの実現のための障害となっていることがわかる。

これまで報告された窒化物系III−Ｖ族化合物の半導体レーザでは、共振器長を６００μｍ程度とすることが多く、また、前面から得られる微分効率を大きくするため、前面に１０％程度の低反射率コーティングを、後面に９５％程度の高反射率コーティングを施しているものが多い。それにも関わらず、前述したＩｎ組成比の揺らぎに起因する障害によって、前端面の微分効率は１．６Ｗ／Ａよりも小さいものとなり、それ以上の微分効率を有する半導体レーザの報告はなされていない。

信頼性向上のためには、単位共振器長あたりのしきい値電流密度や動作電流密度を低減することが効果的であり、これを実現するためには、共振器長Ｌを大きくすることが望ましい。しかしながら、式（１）から分かるように、共振器長Ｌの増大は、外部微分効率の低下を引き起こして動作電流を増大させる。また、単位共振器長あたりの電流密度も必ず小さくなるものでもない。

（問題点の解決についての検討）
共振器増大による外部微分効率の低下をできるだけ抑えるためには、内部損失αｉをできるだけ小さくする必要がある。そして、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザでは、Ｉｎ組成比の揺らぎに起因して発生するＩｎＧａＮウエル層内での光吸収を低減することが有効である。

ＩｎＧａＮウエル層内での光吸収は、ウエル層における光閉じ込め係数Γ（発光時における半導体レーザの全導波光のうち、ウエル層内にある光の割合）に比例することから、ウエル層内での光吸収を低減するためには、この光閉じ込め係数Γの低減を図ることが有効である。

しかしながら、レーザ光の利得、すなわちモード利得も光閉じ込め係数Γに比例することからも、光閉じ込め係数Γを小さくすると、モード利得が小さくなり、発振するために必要なキャリア密度（しきい値キャリア密度）が大きくなり、光出力−電流特性における発振しきい値（しきい値電流）が増大するといった問題が発生する。このような問題により、従来の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザでは、ウエル層への光閉じ込め係数Γを、３．５〜４．５％前後で、設計、作製することが一般的であった。

これまでのＧａＡｓ系材料や、ＩｎＰ系材料を用いたレーザにおいても、ウエル層での光閉じ込め係数Γを極端に小さくすることは、上述した同様な問題が発生するため好ましくなく、行われていないのが実状であった。

上述のように、ウエル層への光閉じ込め係数Γは３．５〜４．５％前後が適切であるとの技術常識が支配的な中、本願の発明者はさらに光閉じ込め係数Γを小さくした、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザを試験的に作製し、外部微分効率向上の可能性を検討した。

図３は、しきい値電流の光閉じ込め係数Γに対する依存性（以下、「Γ依存性」と略記する場合あり）を示すグラフである。図４は、前端面から出射するレーザ光の微分効率のΓ依存性を示すグラフである。なお、図３および図４は、共振器長を６００μｍとしたときのΓ依存性を示したグラフであり、さらに、図４は、前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーティングを施したときのグラフである。

ここで、ウエル層への光閉じ込め係数Γは、光の進行方向に対し垂直な二次元面でのレーザ層構造について、その屈折率から光強度分布をシミュレーションした後、ウエル層に相当する領域における光強度の全体に対する割合を計算することにより求めたものである。なお、多重量子井戸構造における光閉じ込め係数Γとは、複数のウエル層それぞれの光閉じ込め係数の和を意味する。

作製した半導体レーザの活性層は、それぞれが５ｎｍの膜厚を有する２つのウエル層を有する２重量子井戸構造を有している。従来、この構造におけるウエル層への光閉じ込め係数Γは、約３．７％程度であるため、この場合、しきい値電流は３０ｍＡ以下（図３参照）となり、微分効率は１．５Ｗ／Ａ以下（図４参照）となる。

しかしながら、光閉じ込め係数Γは３．０％以下の領域について検討すると、図３で示すしきい値電流のΓ依存性から、しきい値電流の劣化（上昇）は比較的小さく、図４で示す微分効率のΓ依存性から、微分効率は大幅に改善（上昇）するという特性を有していることがわかる。

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、上述した特性を有する理由としては、以下の点が挙げられる。一般に、光閉じ込め係数Γの減少によるモード利得の減少があった場合、それを補うだけのウエル層の利得が必要となるため、発振させるためには、ウエル層へのキャリア注入量の増大（しきい値キャリア密度増大）が必要となるが、この材料系においては、キャリア濃度変化量に対するウエルの光利得変化量の割合（微分利得）が非常に大きく、キャリア注入量を小量で済ますことができるため、しきい値電流の増大が大きく生じないと考えられる。

また、前述したように、ＩｎＧａＮウエル層は、Ｉｎ組成比の揺らぎがウエル層内で生じることにより、ウエル層内での光吸収が他の材料系に比べても極めて大きくなっている性質を有しており、この性質が光閉じ込め係数Γの低減時に微分効率が大きく改善する理由にもなっていると考えられる。

また、光閉じ込め係数Γの低減による光吸収量低減により、発振に必要なモード利得が低減し、これがこれがしきい値電流の同大の影響をある程度相殺することも、Γ依存性によるしきい値電流の増大がそれほど大きくならない理由と考えられる。

図３及び図４で示すΓ依存性から、光閉じ込め係数Γが１．５％より小さくなくと、しきい値電流が大幅に増大する一方、微分効率の改善量も小さくなることがわかる。したがって、光閉じ込め係数Γの下限としては、１．５％程度が好ましいと判断される。

また、図４で示す微分効率のΓ依存性から、光閉じ込め係数Γを３．０％以下にすると、微分効率は１．６Ｗ／Ａ以上得られることがわかる。さらには、光閉じ込め係数Γを２．６％以下にすることにより、１．７Ｗ／Ａ以上の微分効率が得られる。

したがって、２つのＩｎＧａＮウエル層を含む２重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザにおいて、微分効率が１．６Ｗ／Ａ以上でしきい値電流が実用レベルとなるには、ウエル層の光閉じ込め係数Γが１．５〜３．０の範囲にする必要があり、微分効率が１．７Ｗ／Ａ以上でしきい値電流が実用レベルとなるには、ウエル層の光閉じ込め係数Γが１．５〜２．６の範囲にする必要があるといえる。

これまで報告されている窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、前端面から出射するレーザ光の微分効率の値は１．６Ｗ／Ａよりも小さかったことから、本発明により、従来では得ることが不可能であった微分効率を得ることが可能となることがわかる。

微分効率を高くすることができれば、同じ光出力を出すのに必要とされる電流値を低く抑えることができるため、レーザ駆動回路の負荷軽減、消費電力低減による発熱量の低減など、その利点は極めて大きくなる。

図５及び図６は、膜厚が５ｎｍの１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおけるしきい値電流及び微分効率のΓ依存性をそれぞれ示す説明図である。

これらの図に示すように、光閉じ込め係数Γの減少に伴うしきい値電流の劣化（上昇）度合が著しく、微分効率の改善（上昇）効果もあまり発揮されていない。このことは、活性層を構成するウエル層の数が２つの場合の半導体レーザにおけるしきい値電流及び微分効率のΓ依存性（図３及び図４）との比較から明白である。

１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおけるしきい値電流及び微分効率のΓ依存性が上述した性質を有するのは、ウエル層が１つの場合には、ウエル内のキャリアに対してポテンシャル障壁が１つしかなく、オーバーフローした結果、ウエル内で再結合することなく電子が漏れるため光出力に寄与しないことに起因すると考えられることができる。

また、１つのウエル層の場合において、それと同じ厚さを持つ２つのウエル層の場合と同様な光閉じ込め係数Γを得ようとした場合、ウエル層の膜厚を２つのウエル層の場合におけるウエル層の膜厚の和と同程度に厚くするか、垂直方向の光の分布、すなわり近視野像をできるだけウエル近傍に集中させた形にする必要がある。

しかしながら、ウエル層の膜厚を厚くした場合には、ウエル層の量子効果が小さくなることにより、しきい値電流の増大等のデメリットが発生し、垂直方向の近視野像を小さくすると、遠視野像が大きくなり、光ピックアップ用用途しては不適な特性となる。

このように活性層を構成するウエル層の数が“１”の場合、種々の問題が発生することが考えられることから、本発明の効果を得るためには、ウエル層の数は２以上であることが望ましいと考えられる。また、ウエル層の数が“３”より多い場合は、上記したウエル数が“１”の場合の問題が発生しない上に、通常の設計においては、ウエル層の体積が大きくなるとこと、さらに活性層近傍の屈折率が大きくなることとの２つの効果により、光閉じ込め係数Γが大きくなる傾向が強いため、本発明を用いることによる光吸収の低減効果は、より大きなものとなることが多い。

ここで、半導体レーザの信頼性向上のためには、共振器長を長くして、単位共振器長あたりのしきい値電流密度や動作電流密度を小さくするのが有効であることが、ＧａＡｓ系半導体レーザ等の例で示されている。この主な理由は、発熱の減少であると考えられる。ただし、上記の式（１）から分かるように、共振器長を長くすると、内部損失に起因した外部微分効率の低下が発生する。この際、内部損失が大きいほど、長共振器化に伴う外部微分効率の低下が大きくなる。

窒化物系半導体レーザでは、上述したように、ウエル層での光吸収に起因する内部損失が大きい。したがって、外部微分効率の低下が顕著となり、共振器長を長くしたところで、外部微分効率の低下による動作電流の増大によって、単位共振器あたりの電流密度を十分に低減することが困難となる。単位共振器あたりの電流密度を十分に低減するには、内部損失を低減することによって、共振器長を長くしたときの外部微分効率の低下を小さくすることが望ましい。そして、内部損失の低減には、上述したような、ウエル層への光閉じ込め係数の低減が効果的である。

図７は、この内部損失の低減を目的として、ウエル層への光閉じ込め係数Γを変化させた場合における、外部微分効率の共振器長依存性の測定結果である。また、図８は、動作電流の共振器長依存性の測定結果である。さらに、図９は、動作電流［ｍＡ］を共振器長［μｍ］で割って得られた、単位共振器長あたりの電流密度の共振器長依存性の測定結果である。なお、動作電流は、光出力が２００ｍＷとなったときの注入電流値である。

図７〜図９から分かるように、Γを小さくするほど、外部微分効率が向上し、動作電流は低減し、そして、単位共振器長あたりの電流密度も低減する。図９より、単位共振器長あたりの電流密度を小さくするには、共振器長を８００μｍ以上とすることが好ましく、９００μｍ以上とすることがより好ましい。一方、共振器長が長くなると、単位共振器長あたりの動作電流の低減量は小さくなる。また、共振器が長すぎる場合には、サブマウントからの応力の増大等の問題が発生する。したがって、共振器長は、２，０００μｍ以下であることが好ましく、１，６００μｍ以下であることがより好ましい。また、Γが１．５％より小さい場合は、前述したように、しきい値が大幅に増大することから好ましくないと言える。

＜実施の形態１＞
図１０は、この発明の実施の形態１である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ（半導体発光素子）の構造を示す断面図である。本実施の形態の半導体レーザは、リッジ構造及びＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有する。

同図に示すように、実施の形態１の半導体レーザは、ＧａＮ基板１の一方主面であるＧａ面上にｎ型ＧａＮバッファ層２を形成している。ｎ型ＧａＮバッファ層２はＧａＮ基板１の一方主面の凹凸を低減し、その上層をできるだけ平坦に積層する目的のために用いられる。

ｎ型ＧａＮバッファ層２上に、Ａｌ組成比が０．０７のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、Ａｌ組成比が０．０４５のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４、Ａｌ組成比が０．０１５のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５が順次積層される。さらに、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５上にｎ型ＧａＮ光ガイド層６、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７が順次積層される。ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７として例えばＩｎ組成比０．０２でアンドープの構成が考えられる。

そして、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７上に活性層８が形成される。活性層８は、図１１に示すように、例えば、Ｉｎ組成比０．１２でアンドープのＩｎＧａＮウエル層８ａ、Ｉｎ組成比０．０２のＩｎＧａＮバリア層８ｂ、及びＩｎ組成比０．１２でアンドープのＩｎＧａＮウエル層８ｃの順に積層した、２重量子井戸構造を呈している。

さらに、活性層８上に、ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１の順に積層される。ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９として例えばＩｎ組成比０．０２でアンドープの構成が考えられ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０として例えばＡｌ組成比０．２の構成が考えられる。

ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１上にＡｌ組成比０．０７のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２が形成される。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２は一部突出したリッジ１２ａを有している。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のリッジ１２ａ上にｐ型ＧａＮコンタクト層１３が形成される。リッジ部１２ａ及びリッジ部１２ａ上のｐ型ＧａＮコンタクト層１３によりリッジ１４が形成され、このリッジ１４は、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３を積層した後、例えば（１−１００）方向に向かってエッチング処理を施すことにより形成される。このリッジ１４はＧａＮ基板１上にストライプ状に形成された数μｍ〜数十μｍ幅の高転位領域の間にある低欠陥領域上に位置するように形成される。

また、ＧａＮ基板１の一方主面となるＧａ面とは反対側方向の他方主面となるＮ面には、ｎ型電極１８が形成される。このｎ型電極１８は例えばチタン（Ｔｉ）及びＡｕ膜を順次積層した構造となっている。

ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のリッジ部１２ａ以外の表面上、リッジ１４（リッジ部１２ａ及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３）の側面に絶縁膜１５が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１３及び絶縁膜１５を覆ってｐ型電極１７が形成される。絶縁膜１５はリッジ部１２ａの側面部及びリッジ部１２ａが形成されないｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の表面保護及び電気的絶縁のため設けられる。

ｎ型ＧａＮバッファ層２は膜厚が例えば１μｍで、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、４及び５それぞれの膜厚は例えば０．４μｍ、１．０μｍ及び０．３μｍであり、ｎ型不純物としては例えばＳｉがドープされている。

ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７及びｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９は共に膜厚が３０ｎｍであり、２重量子井戸構造の活性層８は、例えば２つのＩｎＧａＮウエル層８ａ、８ｃの膜厚が共に５．０ｎｍ、ＩｎＧａＮバリア層８ｂの膜厚が８．０ｎｍであり、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０の膜厚は例えば２０ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。また、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１の膜厚は例えば１００ｎｍである。

ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の膜厚は例えば５００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１３は膜厚は例えば２０ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。

絶縁膜１５は膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ₂膜で形成され、ｐ型電極１７は例えばパラジウム（Ｐｄ）及び金（Ａｕ）膜を順次積層した構造となっている。

共振器は、両端面をへき開することにより形成しており、共振器長は１，０００μｍである。

表１は、実施の形態１の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率を示した表である。表１の最左欄に示した層No.は、図１０で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。

図１２は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＡｌ組成依存性を示すグラフである。図１３は、Ｉｎ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＩｎ組成比依存性を示すグラフである。なお、図１２及び図１３で示したＡｌ組成依存性及びＩｎ組成比依存性は、発振波長が４０５ｎｍの場合を示している。

表１で示すｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５等のＡｌＧａＮ層の屈折率ｎは、図１２で示したＡｌ組成依存性に基づき算出し、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７等のＩｎＧａＮ層の屈折率ｎは、図１３で示したＩｎ組成比依存性に基づいて算出している。これらは、半導体レーザを構成する各層の屈折率ｎから近視野像及び遠視野像を求めるシミュレーション結果と、レーザの遠視野像の実験結果を、どのような構造においても一致させることができるようにフィッティングした結果であり、その精度は非常に高いものである。

活性層８を構成するＩｎＧａＮウエル層８ａ、８ｂについては、２重量子井戸構造であるため、バンドギャップ構造がバルク結晶と異なることから、Ｉｎ組成比と屈折率ｎとの関係は図１３と異なる値を取る。そこで、遠視野像の実測値をもとに「２．７６５」と決定した。ウエル層の屈折率ｎは、ウエル構造や膜厚によって変わるが、バンドギャップと発振波長との関係は、ウエル層のＩｎ組成比の違いによって大きな変化を受けないことから、一般的に用いられるＩｎ組成比０．０５〜０．２程度、厚さ２〜１０ｎｍ程度の範囲内においては、光閉じ込め係数Γの計算に大きな影響を与えるほどの実質的な変化はない。このことから、ウエル層の屈折率ｎについては、上記した範囲内であれば「２．７６５」としても精度的に差し支えない。

また、図１２及び図１３で示す屈折率ｎのＡｌ組成依存性、Ｉｎ組成比依存性は、発振波長によって変化し、発振波長が短いほど屈折率ｎが大きく、発振波長が長いほど屈折率ｎが小さくなる傾向がある。ただし、その変化についてはレーザを構成する全ての層に当てはまるため、その変化量はその材料のＡｌ組成比やＩｎ組成比に対して同程度の値をとる。

例えば、発振波長４１０ｎｍの場合には、発振波長４０５ｎｍの値を用いて計算した場合に比べ、実際の屈折率ｎは小さくなる。この場合、光閉じ込め層（ｎ型ＧａＮ光ガイド層６、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７、活性層８、ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０及びｐ型ＧａＮ光ガイド層１１）での屈折率が活性層への光閉じ込め係数Γを小さくする効果を発生する反面、ｐ型及びｎ型クラッド層の屈折率も小さくなるため、クラッド層への光の滲み出しが小さくなる。すなわち、活性層８への光閉じ込め係数Γを大きくする効果を発生する。したがって、これらの効果が相反することにより、結果的にウエル層への光閉じ込め係数Γについては実質的に変化しないことことになる。

上述した理由により、ウエル層への光閉じ込め係数Γについては、発振波長が４０５ｎｍ近傍である限りは、発振波長によって大きく変化することはないと考えられる。すなわち、発振波長が４０５ｎｍと異なる場合においても、図１２及び図１３で示したＡｌ組成依存性及びＩｎ組成比依存性に基づき屈折率ｎを算出することにより、ほぼ正確なＩｎＧａＮウエル層への光閉じ込め係数Γを求めることができることになる。実際に、発振波長の変化を考慮した屈折率ｎを用いた計算の結果も、上記の考えを支持するものであった。

以上の検証結果を踏まえ、実施の形態１の半導体レーザの光閉じ込め係数Γのシミュレーションを行った。その結果、光閉じ込め係数Γ（ＩｎＧａＮウエル層８ａ、８ｃの光閉じ込め係数の和）は２．５０％であり、従来の約３．７％よりも小さくなっている。

表２は、実施の形態１に対応する従来例の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率ｎを示した表である。なお、表２の最左欄に示した層No.は、図１０で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。

図１４は、実施の形態１による半導体レーザの前端面からの光出力を測定した結果を示すグラフである。図１４で示す光出力変化Ｌ１は、この発明の実施の形態１による半導体レーザによるレーザの前端面に１０％。後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーティングを施した際の、前端面からの光出力を測定した結果を示している。なお、光出力変化Ｌ２は、従来の半導体レーザに前端面及び後端面の反射率を同様に設定した際の前端面からの光出力を測定した結果を示している。

図１４を参照して、光出力変化Ｌ２に示すように、従来構造の微分効率（動作電流に対する前端面からの光出力の割合）は１．４２Ｗ／Ａであるのに対して、光出力変化Ｌ１に示すように、実施の形態１の微分効率は１．８０Ｗ／Ａと大幅に向上している。その結果、光出力１５０ｍＷ時における動作電流値は従来は１３０ｍＡ必要であったものが、実施の形態１では１１０ｍＡで済ますことに成功している。

この結果は、前述したように、ウエル層への光閉じ込め係数Γの低減により、ウエル層での光吸収が減少したことが原因と考えられる。

図１５は、実施の形態１におけるリッジ中央部、垂直方向の屈折率分布と光電界強度部分のシミュレーション結果を示す説明図である。光電界強度部分布は、光の進行方向に対し垂直な二次元面でのレーザ層構造からシミュレーションを行い２次元での光電界強度分布を計算し、そのリッジ中央部の分布を示している。なお、光電界強度の２乗が光強度である。

実施の形態１のレーザ構造では、ｎ型のＡｌＧａＮクラッド層として、３層構造のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５を用い、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、４及び５において、Ａｌ組成比を０．０７．０．０４５、及び０．０１５に設定することにより、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５間において異なったＡｌ組成比に設定している。

図１５に示すように、比較的屈折率が高いＡｌ組成比０．０１５のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５に光が引き込まれており、このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５への光強度が大きくなるため、光の強度中心（ピーク位置）が活性層８の中心よりもｎ側（ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５側）にシフトする結果、活性層８のウエル層内での光閉じ込め係数Γが小さくなることがわかる。

なお、Ａｌ組成比が０．０７のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３は、光分布がＧａＮ基板１に滲み出すことを抑制するために設けられた層であり、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３の有無は、活性層８のウエル層での光閉じ込め係数Γにほとんど影響を与えない。

（製造方法）
次に、実施の形態１の半導体レーザの製造方法について、図１０を参照して説明する。まず、予めサーマルクリーニングなどにより表面を洗浄化したＧａＮ基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば１０００℃の成長温度でｎ型ＧａＮバッファ層２を成長させる。

その後、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５、ｎ型ＧａＮ光ガイド層６、アンドープのｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７、アンドープのＩｎＧａＮウエル層８ａ、８ｃ及びＩｎＧａＮバリア層８ｂからなる２重量子井戸構造の活性層８、アンドープのｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０及びｐ型ＧａＮ光ガイド層１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３を順次積層する。

ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５、及びｎ型ＧａＮ光ガイド層６は１０００℃、アンドープｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７〜アンドープｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９については７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０〜ｐ型ＧａＮコンタクト層１３については１０００℃とする。

以上の結晶成長が終了したウェハの前面に、レジスト（図１０では図示せず）を塗布し、リソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えば、ＲＩＥ（Reactiv Ion Etching）によりｐ型ＧａＮコンタクト層１３及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２に対して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の一部のみが残るようにエッチングを行う。その結果、レジストパターン下にあるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のリッジ部１２ａ及びｐ型ＧａＮコンタクト層１３によってリッジ１４が形成される。

次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再びウエハ全面にＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法等を用いて、例えば、厚さが０．２μｍのＳｉＯ₂膜である絶縁膜１５を形成し、レジストパターン除去時にレジストパターン上に形成された絶縁膜１５を併せて除去する、いわゆるリフトオフを行う。その結果、リッジ１４上に開口部１６が設けられる。

次に、ウエハ全面に例えば真空蒸着法によりプラチナ（Ｐｔ）及びＡｕを順次形成した後、レジスト塗布、リソグラフィーによるレジストパターン形成後、ウェットエッチングあるいはドライエッチングを施すことにより、図１０に示すように、ｐ型電極１７（パターン）を形成する。

その後、ＧａＮ基板１の裏面全面に、真空蒸着法によりＴｉ及びＡｌ膜を順次形成することによりｎ型電極１８を得、ｎ型電極１８をオーミック接触させるためのアロイ処理（熱処理）を行う。

この後、この基板を（第１の方向に沿った）劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらにこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを（上記第１の方向と垂直な方向に沿った）劈開などによりチップ化する。以上により、実施の形態１の半導体レーザが製造される。

＜実施の形態２＞
表３は実施の形態２の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率ｎを示した表である。表３の最左欄に示した層No.は、図１０で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。

表３に示すように、実施の形態２では、活性層８の構造を３つのウエル層と２つのバリア層による３重量子井戸構造で実現している点が実施の形態１と異なる。また、３つのウエル層のＩｎ組成比、膜厚、２つのバリア層の膜厚も、実施の形態１とは異なっている。

実施の形態２の半導体レーザにおいて、光閉じ込め係数Γについて、実施の形態１と同様のシミュレーションを行うと、光閉じ込め係数Γ（３つのＩｎＧａＮウエル層の光閉じ込め係数の和）は２．５８％となることがわかった。

また、レーザの前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーティングを施した後、前端面における微分効率を実測した結果、１．８５Ｗ／Ａと従来の１．４７Ｗ／Ａから大きく改善していることがわかった。

なお、実施の形態２の半導体レーザは、その層構造のみ異なり、実施の形態１と同様に製造されるため、説明は省略する。

＜実施の形態３＞
図１６は、この発明の実施の形態３である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの構造を示す断面図である。同図に示すように、３層のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３〜５が１層のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２がｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１に置き換わった点を除いて、図１０で示した実施の形態１の層構造と同様である。

表４は、実施の形態３の半導体レーザを構成する各層における材料、膜厚及び屈折率ｎを示した表である。表４の最左欄に示した層No.は、図１６で示した構造の各層に対応する符号番号を意味する。

表４に示すように、実施の形態３では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０のＡｌ組成比を、従来のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層に比べ小さくすることにより、それぞれの屈折率ｎを従来より大きくしている。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１への光の滲み出しを大きくし、その結果、ウエル層への光閉じ込め係数Γを小さくしている。

実施の形態３の半導体レーザにおいて、光閉じ込め係数Γについて、実施の形態１と同様のシミュレーションを行うと、光閉じ込め係数Γ（２つのＩｎＧａＮウエル層８ａ、８ｃの光閉じ込め係数の和）は２．６２％となることがわかった。

また、レーザの前端面に１０％、後端面に９５％の反射率を持たせるようにコーティングを施した後、前端面における微分効率を実測した結果、１．８０Ｗ／Ａと従来の１．４５Ｗ／Ａから大きく改善していることがわかった。

このようにｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０のＡｌ組成比を小さくすることで、ｎ側方向への光の広がりを大きくすることができるため、結果として、ウエル層への光閉じ込め量を低減することが可能である。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０のＡｌ組成比ｘは、０．０１≦ｘ＜０．０６の範囲であれば、Ａｌ組成比が０．０６以上の場合に比べて光滲み出しを大幅に小さく抑えることができる。ここで、Ａｌ組成比の下限を０．０１としたのは、０．０１より小さなＡｌ組成比のｎ型クラッド層２０では、活性層から離れるにしたがって光の減衰が十分でなくなる可能性があるためである。さらに、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０のＡｌ組成比が０．０１≦ｘ≦０．０５であれば、より容易にウエル層への光閉じ込め量を低減することが可能となるので、より好ましい。さらに好ましくは、Ａｌ組成比が０．０１≦ｘ≦０．０３であるのがよい。

ｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚は、実施の形態１乃至３の例に限る必要はなく、０．５μｍ以上４．０μｍ以下が適当である。

また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１についても、上記と同じ理由により、そのＡｌ組成が小さいほど、ｐ側方向への光の広がりを大きくすることができるため、結果として、ウエル層への光閉じ込め量を低減することが可能である。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１のＡｌ組成比ｘは、０．０１≦ｘ＜０．０６の範囲であれば、Ａｌ組成比が０．０６以上の場合に比べて光滲み出しを大幅に小さく抑えることができる。ここで、Ａｌ組成比の下限を０．０１としたのは、０．０１より小さなＡｌ組成比のｐ型クラッド層２１では、活性層から離れるに従う光の減衰が十分でなくなる可能性があるためである。さらに、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１のＡｌ組成比が０．０１≦ｘ≦０．０５であれば、より容易にウエル層への光閉じ込め量を低減することが可能となるので、より好ましい。さらに好ましくは、Ａｌ組成比が０．０１≦ｘ≦０．０３であるのがよい。

ｐ型ＡｌＧａＮ層の膜厚は、実施の形態１乃至３の例に限る必要はなく、０．２μｍ以上２．０μｍ以下が適当である。

なお、実施の形態３の半導体レーザは、その層構造のみ異なり、実施の形態１と同様に製造されるため、説明は省略する。

実施の形態１および３ではウエル層の膜厚が５．０ｎｍの場合を、実施の形態２ではウエル層の膜厚が３．５ｎｍの場合を記載しているが、この値に限る必要がないことは言うまでもない。ウエル層の膜厚が薄い場合には、同じ発振波長を得るためにＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を大きくする必要があり、結晶性に問題が発生する。また、ウエル層の膜厚が厚い場合にも結晶性の問題が発生することから、ウエル層の膜厚は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、さらには２ｎｍ以上６ｎｍ以下がより好ましい。

バリア層については、膜厚が薄い場合には、ウエル層間で電子の波動関数の干渉が起こることで特性が劣化することがよく知られている。一方、膜厚が厚い場合には、結晶性の問題が発生することから、バリア層の膜厚は、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下が好ましく、さらには４ｎｍ以上１０ｎｍ以下がより好ましい。

ｐ型およびｎ型ＳＣＨ層については、光閉じ込め量を適当な値にする働きを持たせることが可能で、膜厚は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下がよい。

ｐ型ガイド層については、膜厚は０μｍ以上１．０μｍ以下が適当であり、無くてもよい。ｎ型ガイド層については、光電解を基板側にしみ出させることで、光閉じ込め係数を小さくする働きを持たせることが可能で、膜厚は、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以上０．４μｍ以下がよい。

ＩｎＧａＮウエル層における層方向のＩｎ組成比の揺らぎによるバンドギャップの状態を示す説明図である。ＩｎＧａＮウエル層における利得領域及び吸収領域の存在を示す説明図である。しきい値電流の光閉じ込め係数Γに対する依存性を示すグラフである。前端面から出射するレーザ光の微分効率の光閉じ込め係数Γに対する依存性を示すグラフである。膜厚が５ｎｍの１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおけるしきい値電流のΓ依存性をそれぞれ示す説明図である。膜厚が５ｎｍの１つのウエル層のみで構成された活性層を有する半導体レーザにおける微分効率のΓ依存性をそれぞれ示す説明図である。異なるΓについて微分効率の共振器依存性を示す説明図である。異なるΓについて動作電流の共振器依存性を示す説明図である。異なるΓについて単位共振器あたりの動作電流の共振器依存性を示す説明図である。この発明の実施の形態１である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの構造を示す断面図である。図７で示した活性層の内部構造を示す断面図である。Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＡｌ組成依存性を示すグラフである。Ｉｎ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の屈折率ｎのＩｎ組成比依存性を示すグラフである。実施の形態１による半導体レーザの前端面からの光出力を測定した結果を示すグラフである。実施の形態１におけるリッジ中央部、垂直方向の屈折率分布と光電界強度部分のシミュレーション結果を示す説明図である。この発明の実施の形態１である窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ＧａＮ基板、２ｎ型ＧａＮバッファ層、３〜５、２０ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６ｎ型ＧａＮ光ガイド層、７ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層、８活性層、８ａ、８ｃＩｎＧａＮウエル層、８ｂＩｎＧａＮバリア層、９ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層、１０ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、１１ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１２、２１ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１３ｐ型ＧａＮコンタクト層、１４リッジ、１５絶縁膜、１６開口部、１７ｐ型電極、１８ｎ型電極。

Claims

少なくとも２つのウエル層を含む多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
前記少なくとも２つのウエル層は少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層を含み、発光時における素子の全導波光のうち、前記少なくとも２つのＩｎＧａＮウエル層にある光の割合を示す光閉じ込め係数（％）が１．５以上３．０以下に設定され、共振器長が８００μｍ以上２，０００μｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
請求項１記載の半導体発光素子であって、
前記光閉じ込め係数が１．５以上２．７以下に設定されたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１あるいは請求項２記載の半導体発光素子であって、
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１のＡｌＧａＮクラッド層と、
前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２のＡｌＧａＮクラッド層とを備え、前記第１及び第２のＡｌＧａＮクラッド層のうち少なくと一方のクラッド層のＡｌ組成比が０．０１以上０．０６未満に設定されたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項３記載の半導体発光素子であって、
前記Ａｌ組成比が０．０１以上０．０５以下に設定されたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項４記載の半導体発光素子であって、
前記Ａｌ組成比が０．０１以上０．０３以下に設定されたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１あるいは請求項２記載の半導体発光素子であって、
前記活性層の下層に設けられる第１の導電型の第１のクラッド層と、
前記活性層の上層に設けられる第２の導電型の第２のクラッド層とを備え、
前記第１及び第２のクラッド層のうち一方の屈折率を他方のクラッド層の屈折率よりも高くすることにより、発光時における素子の光出力のピーク位置を活性層の中心から一方のクラッド層の方向へずらしたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項６記載の半導体発光素子であって、
前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層はともにＡｌＧａＮクラッド層であり、
これらのＡｌＧａＮクラッド層のうち少なくとも一方のクラッド層のＡｌ組成比が０．０１以上０．０６未満に設定されたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項７記載の半導体発光素子であって、
前記Ａｌ組成比が０．０１以上０．０５以下に設定されたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項８記載の半導体発光素子であって、
前記Ａｌ組成比が０．０１以上０．０３以下に設定されたことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１〜９のいずれか１項記載の半導体発光素子であって、
前記共振器長が９００μｍ以上１，６００μｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。