JP5553035B2 - 窒化ガリウム系半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体レーザ素子に関する。

従来、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、活性層、電子ブロック層、ｐ型光ガイド層、ｐ型クラッド層が半導体基板上にこの順に積層されてなる半導体レーザ素子が知られている（例えば、下記非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された半導体レーザ素子の活性層は、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。

Journal of Applied physics、107、023101（2010）

ところで、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の発光特性は、単一の井戸層からなる活性層を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子に比して優れる傾向がある。しかしながら、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、単一の井戸層からなる活性層を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子に比して井戸層とバリア層とのバンドオフセットが大きいため、大きな電圧降下（例えば３Ｖ以上の電圧降下）が生じて、所定量の電流を得るための動作電圧が高くなる傾向がある。そのため、このような活性層を備えた窒化ガリウム系半導体レーザ素子に対しては、動作電圧を低減することが求められている。

本発明は、上記課題を解決しようとするものであり、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しつつ動作電圧を低減することが可能な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な井戸層／バリア層／井戸層の量子井戸構造を基板の半極性面上に光ガイド層を介して有する素子では、当該量子井戸構造を基板の極性面上に光ガイド層を介して有する素子に比してキャリアの移動度に優れたバンド構造が形成され易く、半導体レーザ素子において動作電圧を低減し易いことを見出した。

さらに、本発明者は、基板の半極性面上に光ガイド層を介して配置される上記量子井戸構造において、バリア層のバンドギャップを光ガイド層のバンドギャップより小さくなるように調整することで、キャリアの移動度に更に優れたバンド構造が形成され、動作電圧を低減することができることを見出した。

すなわち、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、半極性主面を有する基板と、半極性主面上に配置された光ガイド層と、５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な量子井戸構造を有すると共に光ガイド層上に配置された活性層と、を備え、量子井戸構造が、ＩｎＧａＮからなる第１井戸層と、当該第１井戸層上に配置されると共に窒化ガリウム系半導体からなるバリア層と、当該バリア層上に配置されると共にＩｎＧａＮからなる第２井戸層と、を有し、バリア層のバンドギャップが光ガイド層のバンドギャップより小さい。

本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、基板の半極性主面上に光ガイド層を介して配置される井戸層／バリア層／井戸層の量子井戸構造が５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な構造を有しており、バリア層のバンドギャップが光ガイド層のバンドギャップより小さい。これにより、キャリアの移動度に優れたバンド構造が形成されてキャリアの移動が促進されることとなる。したがって、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しつつ、所定量（例えば２００ｍＡ）の電流を得るための動作電圧を低減することができる。

半極性主面は、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に傾斜していることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減することができる。

半極性主面のｍ軸方向への傾斜角度は、６３°以上８０°未満であることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減することができる。

第１井戸層又は第２井戸層の少なくとも一方の膜厚は、１．０〜４．０ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減することができる。

本発明においては、第１井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第２井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が１．１２ｅＶを超え１．１４ｅＶ以下であり、且つ、バリア層の膜厚が１．０〜２．２ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明においては、第１井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第２井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が１．０７ｅＶを超え１．１２ｅＶ以下であり、且つ、バリア層の膜厚が１．０〜２．４ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明においては、第１井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第２井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が１．０２ｅＶを超え１．０７ｅＶ以下であり、且つ、バリア層の膜厚が１．０〜２．９ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明においては、第１井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第２井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．９７ｅＶを超え１．０２ｅＶ以下であり、且つ、バリア層の膜厚が１．０〜３．３ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明においては、第１井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第２井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．９２ｅＶを超え０．９７ｅＶ以下であり、且つ、バリア層の膜厚が１．０〜４．１ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明においては、第１井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第２井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．８７ｅＶを超え０．９２ｅＶ以下であり、且つ、バリア層の膜厚が１．０〜４．８ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明においては、第１井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第２井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．８２ｅＶを超え０．８７ｅＶ以下であり、且つ、バリア層の膜厚が１．０〜６．５ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明においては、第１井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第２井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．７７ｅＶ以上０．８２ｅＶ以下であり、且つ、バリア層の膜厚が１．０〜８．３ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明によれば、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しつつ、所定量の電流を得るための動作電圧を低減することが可能な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することができる。本発明によれば、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しつつ、単一の井戸層からなる活性層を有する素子と同等の動作電圧を達成可能な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す模式断面図である。 図１に示した窒化ガリウム系半導体レーザ素子の一部におけるエネルギーバンドの模式図である。 エネルギーバンドのシミュレーション結果を示す図面である。 電流−電圧特性を示す図面である。 動作電圧とＩｎ組成との関係を示す図面である。 バリア層の許容膜厚とＩｎ組成との関係を示す図面である。 井戸層及びバリア層のバンドギャップ差とバリア層のＩｎ組成との関係を示す図面である。

以下、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す模式断面図である。本実施形態に係る半導体レーザ（窒化ガリウム系半導体レーザ素子）１は、半導体基板１０、半導体領域２０、活性層３０及び半導体領域４０を備えている。

半導体基板１０は、例えば、ＧａＮ基板等の窒化ガリウム系半導体基板である。半導体基板１０は、互いに対向する表面１０ａと裏面１０ｂとを有しており、半導体基板１０の表面１０ａは、例えば、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に傾斜した半極性主面である。表面１０ａのｍ軸方向への傾斜角度は、動作電圧を更に低減する観点から、６３°以上８０°未満が好ましく、７０°以上８０°未満がより好ましく、７１°以上７９°以下が更に好ましい。

半導体レーザ１は、半導体領域２０、活性層３０及び半導体領域４０を半導体基板１０の表面１０ａ上に表面１０ａの法線方向にエピタキシャル成長させて形成される。半導体基板１０の表面１０ａ上にエピタキシャル成長する半導体領域（半導体領域２０、活性層３０、半導体領域４０）の各構成層の主面は、表面１０ａの結晶方位を引き継ぐ傾向がある。

半導体領域２０は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層から構成されており、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮ等からなる窒化ガリウム系半導体層から構成されている。半導体領域２０は、光ガイド層を少なくとも一つ有しており、例えば、バッファ層２０ａ、下部クラッド層２０ｂ、下部光ガイド層２０ｃ及び下部光ガイド層２０ｄを有している。

バッファ層２０ａは、半導体基板１０の表面１０ａ上に配置されており、表面１０ａに接合している。バッファ層２０ａは、例えば、Ｓｉ等をｎ型ドーパントとして含有するｎ型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。バッファ層２０ａのｎ型ドーパント濃度は、例えば３×１０^１８／ｃｍ^３である。バッファ層２０ａの膜厚は、例えば１．１μｍである。

下部クラッド層２０ｂは、バッファ層２０ａ上に配置されており、例えば、Ｓｉ等をｎ型ドーパントとして含有するｎ型窒化ガリウム系半導体層（Ｉｎ_０．０３Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８３Ｎ層等）である。下部クラッド層２０ｂのｎ型ドーパント濃度は、例えば３×１０^１８／ｃｍ^３である。下部クラッド層２０ｂの膜厚は、例えば１．２μｍである。

下部光ガイド層２０ｃは、下部クラッド層２０ｂ上に配置されており、例えば、Ｓｉ等をｎ型ドーパントとして含有するｎ型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。下部光ガイド層２０ｃのｎ型ドーパント濃度は、例えば２×１０^１８／ｃｍ^３である。下部光ガイド層２０ｃの膜厚は、例えば０．２５０μｍである。

下部光ガイド層２０ｄは、バッファ層２０ａ、下部クラッド層２０ｂ及び下部光ガイド層２０ｃを介して半導体基板１０上に配置されている。下部光ガイド層２０ｄは、例えば、Ｓｉ等をｎ型ドーパントとして含有するｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ半導体層である。Ｉｎ組成ｘは、０．０２５≦ｘ≦０．０６が好ましい。下部光ガイド層２０ｄのｎ型ドーパント濃度は、例えば５×１０^１７〜２×１０^１８／ｃｍ^３である。下部光ガイド層２０ｄの膜厚は、例えば０．１１５μｍである。

活性層３０は、下部光ガイド層２０ｄ上に配置されており、下部光ガイド層２０ｄの主面２０ｓに接合している。活性層３０は、５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。活性層３０は、井戸層（第１井戸層）３０ａと、井戸層３０ａ上に配置されたバリア層３０ｂと、バリア層３０ｂ上に配置された井戸層（第２井戸層）３０ｃとから構成されるＭＱＷ構造を有している。

井戸層３０ａ，３０ｃは、例えばノンドープのＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ半導体層である。Ｉｎ組成ｙは、０．２５≦ｙ≦０．３０が好ましい。井戸層３０ａのＩｎ組成ｙと井戸層３０ｃのＩｎ組成ｙとは、互いに同一であっても異なっていてもよい。

井戸層３０ａ又は井戸層３０ｃの少なくとも一方の膜厚は、１．０〜４．０ｎｍであることが好ましく、２．０〜３．０ｎｍがより好ましい。また、井戸層３０ａ，３０ｃの膜厚のいずれもが１．０〜４．０ｎｍであることが好ましい。井戸層３０ａ，３０ｃの膜厚のいずれもが１．０ｎｍ未満であると、発光効率が低下する傾向がある。井戸層３０ａ，３０ｃの膜厚のいずれもが４．０ｎｍを超えると、歪が大きくなり結晶が壊れ易くなる傾向がある。

バリア層３０ｂは、下部光ガイド層２０ｄよりもバンドギャップが小さい窒化ガリウム系半導体からなり、例えばノンドープのＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ半導体層である。Ｉｎ組成ｚは、０．０２５≦ｚ≦０．１０が好ましく、０．０２５＜ｚ≦０．１０がより好ましく、０．０３≦ｚ≦０．０６が更に好ましい。Ｉｎ組成ｚが０．０２５未満であると、バリア層３０ｂでの電圧降下が大きくなる傾向がある。Ｉｎ組成ｚが０．１０を超えると、バリア層３０ｂを結晶成長させ難くなる傾向がある。Ｉｎ組成ｚは、下部光ガイド層２０ｄのＩｎ組成ｘ以上であることが好ましく、下部光ガイド層２０ｄのＩｎ組成ｘより大きいことがより好ましい。また、Ｉｎ組成ｚは、井戸層３０ａ，３０ｃのＩｎ組成ｙより小さいことが好ましい。

バリア層３０ｂの膜厚は、１．０ｎｍ以上が好ましい。バリア層３０ｂの膜厚が１．０ｎｍ未満であると、結晶成長が困難になる傾向がある。

半導体領域４０は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層から構成されており、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮ等からなる窒化ガリウム系半導体層から構成されている。半導体領域４０は、例えば、上部光ガイド層４０ａ、電子ブロック層４０ｂ、上部光ガイド層４０ｃ、上部光ガイド層４０ｄ、上部クラッド層４０ｅ及びコンタクト層４０ｆを有している。

上部光ガイド層４０ａは、活性層３０上に配置されており、活性層３０の主面３０ｓに接合している。上部光ガイド層４０ａは、例えば、ノンドープの窒化ガリウム系半導体層（Ｉｎ_{０．０２５}Ｇａ_{０．９７５}Ｎ層等）である。上部光ガイド層４０ａの膜厚は、例えば０．０７５μｍである。

電子ブロック層４０ｂは、上部光ガイド層４０ａ上に配置されており、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。電子ブロック層４０ｂのｐ型ドーパント濃度は、例えば１×１０^１９／ｃｍ^３である。電子ブロック層４０ｂの膜厚は、例えば２０ｎｍである。

上部光ガイド層４０ｃは、電子ブロック層４０ｂ上に配置されている。上部光ガイド層４０ｃは、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層（Ｉｎ_{０．０２５}Ｇａ_{０．９７５}Ｎ層等）である。上部光ガイド層４０ｃのｐ型ドーパント濃度は、例えば５×１０^１８／ｃｍ^３である。上部光ガイド層４０ｃの膜厚は、例えば０．０５０μｍである。

上部光ガイド層４０ｄは、上部光ガイド層４０ｃ上に配置されており、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。上部光ガイド層４０ｄのｐ型ドーパント濃度は、例えば５×１０^１８／ｃｍ^３である。上部光ガイド層４０ｄの膜厚は、例えば０．２５０μｍである。

上部クラッド層４０ｅは、上部光ガイド層４０ｄ上に配置されており、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層（Ｉｎ_０．０３Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８３Ｎ層等）である。上部クラッド層４０ｅのｐ型ドーパント濃度は、例えば１×１０^１９／ｃｍ^３である。上部クラッド層４０ｅの膜厚は、例えば０．４０μｍである。

コンタクト層４０ｆは、上部クラッド層４０ｅ上に配置されており、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ^＋型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。コンタクト層４０ｆのｐ型ドーパント濃度は、例えば３×１０^１９／ｃｍ^３である。コンタクト層４０ｆの膜厚は、例えば０．０５０μｍである。

図２は、半導体レーザ１の一部におけるエネルギーバンドの模式図であり、下部光ガイド層２０ｄから上部光ガイド層４０ａにかけてのバンド図である。縦軸はバンドエネルギーを示し、横軸は積層方向の座標を示す。実線Ｅ_ｃは伝導帯の下端を示し、実線Ｅ_ｖは価電子帯の上端を示す。

本発明者の知見によれば、バリア層３０ｂのバンドギャップＢＧ１を下部光ガイド層２０ｄのバンドギャップＢＧ２より小さくなるように調整することにより、動作電圧を低減することができる。また、バリア層３０ｂのバンドギャップＢＧ１を上部光ガイド層４０ａのバンドギャップＢＧ３より小さくなるように調整することにより、動作電圧を更に低減することができる。各半導体層のバンドギャップの大きさは、例えば、各半導体層のＩｎ組成により調整することが可能であり、Ｉｎ組成の増加に伴いバンドギャップは減少する傾向がある。

さらに、本発明者の知見によれば、バンドギャップＢＧ１をバンドギャップＢＧ２より小さくなるように調整した上で、（ｉ）井戸層３０ａ，３０ｃとバリア層３０ｂとのバンドオフセットＢＯ１〜ＢＯ４を小さくする、（ｉｉ）バリア層３０ｂの膜厚Ｔを小さくすることにより、動作電圧を更に低減することができる。バンドオフセットＢＯ１〜ＢＯ４は、例えば、井戸層３０ａ，３０ｃ及びバリア層３０ｂのＩｎ組成により調整することができる。

本実施形態においては、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現する観点から、井戸層３０ａ，３０ｃとバリア層３０ｂとのバンドギャップ差（すなわち、井戸層３０ａ，３０ｃとバリア層３０ｂとのバンドオフセット）に応じて、バリア層３０ｂの膜厚を調整することが好ましい。例えば、井戸層３０ａ，３０ｃとバリア層３０ｂとのバンドギャップ差が大きい場合には、バリア層３０ｂにおけるキャリアのトンネリング作用を向上させる観点から、膜厚の小さいバリア層３０ｂを用いることが好ましい。

井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差、又は、井戸層３０ｃとバリア層３０ｂのバンドギャップ差の少なくとも一方が１．１２ｅＶを超え１．１４ｅＶ以下である場合、バリア層３０ｂの膜厚は１．０〜２．２ｎｍであることが好ましい。

井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差、又は、井戸層３０ｃとバリア層３０ｂのバンドギャップ差の少なくとも一方が１．０７ｅＶを超え１．１２ｅＶ以下である場合、バリア層３０ｂの膜厚は１．０〜２．４ｎｍであることが好ましい。

井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差、又は、井戸層３０ｃとバリア層３０ｂのバンドギャップ差の少なくとも一方が１．０２ｅＶを超え１．０７ｅＶ以下である場合、バリア層３０ｂの膜厚は１．０〜２．９ｎｍであることが好ましい。

井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差、又は、井戸層３０ｃとバリア層３０ｂのバンドギャップ差の少なくとも一方が０．９７ｅＶを超え１．０２ｅＶ以下である場合、バリア層３０ｂの膜厚が１．０〜３．３ｎｍであることが好ましい。

井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差、又は、井戸層３０ｃとバリア層３０ｂのバンドギャップ差の少なくとも一方が０．９２ｅＶを超え０．９７ｅＶ以下である場合、バリア層３０ｂの膜厚が１．０〜４．１ｎｍであることが好ましい。

井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差、又は、井戸層３０ｃとバリア層３０ｂのバンドギャップ差の少なくとも一方が０．８７ｅＶを超え０．９２ｅＶ以下である場合、バリア層３０ｂの膜厚が１．０〜４．８ｎｍであることが好ましい。

井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差、又は、井戸層３０ｃとバリア層３０ｂのバンドギャップ差の少なくとも一方が０．８２ｅＶを超え０．８７ｅＶ以下である場合、バリア層３０ｂの膜厚が１．０〜６．５ｎｍであることが好ましい。

井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差、又は、井戸層３０ｃとバリア層３０ｂのバンドギャップ差の少なくとも一方が０．７７ｅＶ以上０．８２ｅＶ以下である場合、バリア層３０ｂの膜厚が１．０〜８．３ｎｍであることが好ましい。

半導体レーザ１では、半極性主面である表面１０ａ上に下部光ガイド層２０ｄを介して配置される井戸層３０ａ／バリア層３０ｂ／井戸層３０ｃの量子井戸構造が５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な構造を有しており、バリア層３０ｂのバンドギャップが下部光ガイド層２０ｄのバンドギャップより小さい。この場合、図３を用いて後述するようにキャリアの移動度に優れたバンド構造が形成されているため、キャリアの移動が促進されることとなる。したがって、半導体レーザ１では、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しているものの、所定量の電流を得るための動作電圧を低減することができる。このような半導体レーザ１では、単一の井戸層からなる活性層を有する素子と同等の動作電圧を達成しつつ当該素子よりも優れた発光特性を得ることができる。

本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、上述の実施形態において半導体基板１０の表面１０ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に傾斜しているが、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に傾斜していてもよい。また、半導体領域４０の表面側に、半導体レーザ素子の光導波方向に延びるリッジ部が形成されていてもよい。

また、上記半導体レーザ１では、上部光ガイド層４０ａはノンドープであるが、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層であってもよい。また、上記半導体レーザ１では、上部光ガイド層４０ａ及び上部光ガイド層４０ｃの間に電子ブロック層４０ｂが配置されているが、電子ブロック層４０ｂが配置されることなく単一の上部光ガイド層が形成されていてもよい。

次に、下記半導体レーザ素子モデルＡ〜Ｃを用いたデバイスシミュレーションの結果について説明する。半導体レーザ素子モデルＡは、半導体レーザ１と同様の構成を有している。半導体レーザ素子モデルＡ〜Ｃの構成の詳細は下記のとおりである。

（半導体レーザ素子モデルＡ）
半導体基板１０（ノンドープＧａＮ基板、主面：｛２０−２１｝面（ｃ面からｍ軸方向への傾斜角度：７５°）
バッファ層２０ａ（ｎ型ＧａＮ層、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：３×１０^１８／ｃｍ^３、膜厚：１．１μｍ）
下部クラッド層２０ｂ（ｎ型Ｉｎ_０．０３Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８３Ｎ層、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：３×１０^１８／ｃｍ^３、膜厚：１．２μｍ）
下部光ガイド層２０ｃ（ｎ型ＧａＮ層、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：２×１０^１８／ｃｍ^３、膜厚：０．２５０μｍ）
下部光ガイド層２０ｄ（ｎ型Ｉｎ_{０．０２５}Ｇａ_{０．９７５}Ｎ半導体層、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：５×１０^１７／ｃｍ^３、膜厚：０．１１５μｍ）
活性層３０（多重量子井戸構造：井戸層３０ａ／バリア層３０ｂ／井戸層３０ｃ、井戸層３０ａ，３０ｃの組成：Ｉｎ_０．３０Ｇａ_０．７０Ｎ、井戸層３０ａ，３０ｃの膜厚：３ｎｍ、バリア層３０ｂの組成：Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ半導体層（ｚ：０．０２５、０．０５０、０．１０、０．１５）、バリア層３０ｂの膜厚：１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ）
上部光ガイド層４０ａ（ノンドープＩｎ_{０．０２５}Ｇａ_{０．９７５}Ｎ半導体層、膜厚：０．０７５μｍ）
電子ブロック層４０ｂ（ｐ型ＧａＮ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：１×１０^１９／ｃｍ^３、膜厚：２０ｎｍ）
上部光ガイド層４０ｃ（ｐ型Ｉｎ_{０．０２５}Ｇａ_{０．９７５}Ｎ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：５×１０^１８／ｃｍ^３、膜厚：０．０５０μｍ）
上部光ガイド層４０ｄ（ｐ型ＧａＮ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：５×１０^１８／ｃｍ^３、膜厚：０．２５０μｍ）
上部クラッド層４０ｅ（ｐ型Ｉｎ_０．０３Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８３Ｎ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：１×１０^１９／ｃｍ^３、膜厚：０．４０μｍ）
コンタクト層４０ｆ（ｐ^＋型ＧａＮ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：３×１０^１９／ｃｍ^３、膜厚：０．０５０μｍ）

（半導体レーザ素子モデルＢ）
半導体レーザ素子モデルＢは、半導体基板１０の主面が｛０００１｝面（ｃ面）であることを除き半導体レーザ素子モデルＡと同様の構成を有している。

（半導体レーザ素子モデルＣ）
半導体レーザ素子モデルＣは、活性層３０が井戸層３０ａの単層からなることを除き半導体レーザ素子モデルＡと同様の構成を有している。

図３は、半導体レーザ素子モデルＡ，Ｂを用いたシミュレーションによって提供されたエネルギーバンド図であり、下部光ガイド層２０ｄからバリア層３０ｂにかけてのエネルギーバンド図である。図３（ａ）は、半導体レーザ素子モデルＡを用いたシミュレーション結果であり、図３（ｂ）は、半導体レーザ素子モデルＢを用いたシミュレーション結果である。縦軸はバンドエネルギー（ｅＶ）を示し、横軸は積層方向の座標を示す。実線Ｅ_ｃ１，Ｅ_ｃ２は伝導帯の下端を示し、実線Ｅ_ｖ１，Ｅ_ｖ２は価電子帯の上端を示す。破線Ｆ_ｃ１，Ｆ_ｃ２は電子のフェルミ準位を示し、破線Ｆ_ｖ１，Ｆ_ｖ２は正孔のフェルミ準位を示す。

図３（ａ）を参照すると、半導体基板の半極性面上に下部光ガイド層２０ｄ／井戸層３０ａ／バリア層３０ｂの量子井戸構造を有する素子では、伝導帯の下端Ｅ_ｃ１において、井戸層３０ａ／バリア層３０ｂ界面におけるエネルギーレベルＥＬ_ｃ１１の方が井戸層３０ａ／下部光ガイド層２０ｄ界面におけるエネルギーレベルＥＬ_ｃ１２に比してバンドエネルギーが高いと共に、価電子帯の上端Ｅ_ｖ１において、井戸層３０ａ／バリア層３０ｂ界面におけるエネルギーレベルＥＬ_ｖ１１の方が井戸層３０ａ／下部光ガイド層２０ｄ界面におけるエネルギーレベルＥＬ_ｖ１２に比してバンドエネルギーが高い。

一方、図３（ｂ）を参照すると、半導体基板の極性面上に下部光ガイド層２０ｄ／井戸層３０ａ／バリア層３０ｂの量子井戸構造を有する素子では、伝導帯の下端Ｅ_ｃ２において、井戸層３０ａ／バリア層３０ｂ界面におけるエネルギーレベルＥＬ_ｃ２１の方が井戸層３０ａ／下部光ガイド層２０ｄ界面におけるエネルギーレベルＥＬ_ｃ２２に比してバンドエネルギーが低いと共に、価電子帯の下端Ｅ_ｖ２において、井戸層３０ａ／バリア層３０ｂ界面におけるエネルギーレベルＥＬ_ｖ２１の方が井戸層３０ａ／下部光ガイド層２０ｄ界面におけるエネルギーレベルＥＬ_ｖ２２に比してバンドエネルギーが低い。

そのため、電子が井戸層３０ａに注入されるときに乗り越えなければならないバンド障壁の高さが、半極性の場合は比較的低くなることにより、半極性面上に量子井戸構造を有する素子は、極性面上に量子井戸構造を有する素子に比してキャリアの移動度に優れたバンド構造を有しているため、半導体レーザ素子において所定量の電流を得るための動作電圧を低くすることができる。

半導体レーザ素子モデルＡを用いて、バリア層３０ｂの膜厚及びＩｎ組成を変化させて電流−電圧特性のデバイスシミュレーションを行った。図４は、シミュレーションによって提供された電流−電圧特性を示す図面であり、シミュレーション結果の一例として、バリア層３０ｂの膜厚が１０ｎｍである場合における電流−電圧特性を示す図面である。縦軸は電流（ｍＡ）を示し、横軸は電圧（Ｖ）を示す。

図５は、バリア層３０ｂの各膜厚及び各Ｉｎ組成において２００ｍＡの電流を得るための動作電圧を図４の電流−電圧特性のシミュレーション結果に基づき導出した結果を示す図面であり、動作電圧とＩｎ組成との関係を示す図面である。縦軸は２００ｍＡの電流を得るための動作電圧Ｖｆ（Ｖ）を示し、横軸はバリア層３０ｂのＩｎ組成（％）を示す。

図５を参照すると、バリア層３０ｂがいずれの膜厚を有している場合であっても、２００ｍＡの電流を得るための動作電圧がＩｎ組成の増加に伴い減少することが確認される。バリア層３０ｂのＩｎ組成が増加するに伴い、バリア層３０ｂのバンドギャップが下部光ガイド層２０ｄのバンドギャップよりも小さくなると共に、バリア層３０ｂと井戸層３０ａ，３０ｃとのバンドオフセットが小さくなることにより、キャリアの移動に更に優れたバンド構造が形成されることとなり動作電圧が減少したものと推測される。

また、図５を参照すると、バリア層３０ｂの膜厚が小さくなるに伴い、同一のＩｎ組成における動作電圧が減少することが確認される。バリア層３０ｂの膜厚が小さくなるに伴い、バリア層３０ｂにおけるキャリアのトンネリング作用が向上することにより、動作電圧が減少したものと推測される。

また、単一の井戸層からなる活性層を有する半導体レーザ素子モデルＣを用いて、電流−電圧特性のデバイスシミュレーションを行ったところ、２００ｍＡの電流を得るための動作電圧Ｖｆ（Ｖ）が６．３Ｖであることが確認された。半導体レーザ素子においては井戸層の数が増加するに伴い動作電圧が増大する傾向があるところ、２００ｍＡの電流を得るための動作電圧の増加量は、単一の井戸層からなる活性層を有する素子に対して１．０Ｖ以下であることが好ましく、すなわち、２００ｍＡの電流を得るための動作電圧Ｖｆ（Ｖ）は７．３Ｖ以下であることが好ましい。

図６は、図５の結果に基づき、動作電圧が７．３Ｖとなる膜厚（以下、「許容膜厚」という）をＩｎ組成２．５％〜１０％の範囲内で算出した結果を示す図面であり、バリア層３０ｂの許容膜厚とＩｎ組成との関係を示す図面である。縦軸はバリア層３０ｂの許容膜厚（ｎｍ）を示し、横軸はバリア層３０ｂのＩｎ組成（％）を示す。

また、半導体レーザ素子モデルＡを用いて、井戸層３０ａとバリア層３０ｂのバンドギャップ差についてデバイスシミュレーションを行った。図７は、井戸層３０ａ及びバリア層３０ｂのバンドギャップ差とバリア層３０ｂのＩｎ組成との関係を示す図面である。縦軸は井戸層３０ａ及びバリア層３０ｂのバンドギャップ差（ｅＶ）を示し、横軸はバリア層３０ｂのＩｎ組成（％）を示す。なお、井戸層３０ａのバンドギャップは２．２ｅＶであった。バンドギャップ差はＩｎ組成の増加に伴い単調に減少し、近似曲線「ｙ＝−０．０４９７ｘ＋１．２６７５（ｘ：Ｉｎ組成、ｙ：バンドギャップ差）」が得られた。

次に、図６及び図７の結果に基づき、バリア層３０ｂの許容膜厚と、井戸層３０ａ及びバリア層３０ｂのバンドギャップ差との関係を導出した。例えば、図７においてバンドギャップ差が１．１２ｅＶを超え１．１４ｅＶ以下の範囲では、１．１４ｅＶにおける許容膜厚をバリア層３０ｂが有している場合には、当該範囲のいずれにおいても動作電圧を７．３Ｖ以下とすることができる。図７においてバンドギャップ差が１．１４ｅＶである場合、Ｉｎ組成は２．５（％）である。そして、Ｉｎ組成が２．５（％）である場合、図６における許容膜厚は２．２ｎｍである。したがって、バンドギャップ差が１．１２ｅＶを超え１．１４ｅＶ以下の範囲では、バリア層３０ｂの膜厚を２．２ｎｍ以下にすることにより、２００ｍＡの電流を得るための動作電圧を７．３Ｖ以下にすることができる。

同様の手順により、図７においてバンドギャップ差が１．０７ｅＶを超え１．１２ｅＶ以下の範囲では、図６において許容膜厚は２．４ｎｍ以下と算出される。バンドギャップ差が１．０２ｅＶを超え１．０７ｅＶ以下の範囲では、許容膜厚は２．９ｎｍ以下と算出される。バンドギャップ差が０．９７ｅＶを超え１．０２ｅＶ以下の範囲では、許容膜厚は３．３ｎｍ以下と算出される。バンドギャップ差が０．９２ｅＶを超え０．９７ｅＶ以下の範囲では、許容膜厚は４．１ｎｍ以下と算出される。バンドギャップ差が０．８７ｅＶを超え０．９２ｅＶ以下の範囲では、許容膜厚は４．８ｎｍ以下と算出される。バンドギャップ差が０．８２ｅＶを超え０．８７ｅＶ以下の範囲では、許容膜厚は６．５ｎｍ以下と算出される。バンドギャップ差が０．７７ｅＶ以上０．８２ｅＶ以下の範囲では、許容膜厚は８．３ｎｍ以下と算出される。

１…半導体レーザ（窒化ガリウム系半導体レーザ素子）、１０…半導体基板、１０ａ…表面（半極性主面）、２０ｄ…下部光ガイド層、３０…活性層、３０ａ…井戸層（第１井戸層）、３０ｂ…バリア層、３０ｃ…井戸層（第２井戸層）。

Claims (13)

1. 半極性主面を有する基板と、
   前記半極性主面上に配置された光ガイド層と、
   ５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な量子井戸構造を有すると共に前記光ガイド層上に配置された活性層と、を備え、
   前記半極性主面が、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から前記窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に傾斜しており、
   前記半極性主面の前記ｍ軸方向への傾斜角度が６３°以上８０°未満であり、
   前記量子井戸構造が、ＩｎＧａＮからなる第１井戸層と、当該第１井戸層上に配置されると共に窒化ガリウム系半導体からなるバリア層と、当該バリア層上に配置されると共にＩｎＧａＮからなる第２井戸層と、を有し、
   前記バリア層のバンドギャップが前記光ガイド層のバンドギャップより小さく、
   前記第１井戸層又は前記第２井戸層の少なくとも一方がＩｎ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ｎ（０．２５≦ｙ≦０．３０）からなり、
   前記バリア層の前記窒化ガリウム系半導体がＩｎ _ｚ Ｇａ _１−ｚ Ｎ半導体（０．０２５≦ｚ≦０．１０）である、窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
2. 前記半極性主面が｛２０−２１｝面である、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
3. 前記光ガイド層がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０２５≦ｘ≦０．０６）からなる、請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
4. 前記光ガイド層がｎ型ドーパントを含有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
5. 前記第１井戸層又は前記第２井戸層の少なくとも一方の膜厚が１．０〜４．０ｎｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
6. 前記第１井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第２井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が１．１２ｅＶを超え１．１４ｅＶ以下であり、
   前記バリア層の膜厚が１．０〜２．２ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
7. 前記第１井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第２井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が１．０７ｅＶを超え１．１２ｅＶ以下であり、
   前記バリア層の膜厚が１．０〜２．４ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
8. 前記第１井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第２井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が１．０２ｅＶを超え１．０７ｅＶ以下であり、
   前記バリア層の膜厚が１．０〜２．９ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
9. 前記第１井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第２井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．９７ｅＶを超え１．０２ｅＶ以下であり、
   前記バリア層の膜厚が１．０〜３．３ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
10. 前記第１井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第２井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．９２ｅＶを超え０．９７ｅＶ以下であり、
    前記バリア層の膜厚が１．０〜４．１ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
11. 前記第１井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第２井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．８７ｅＶを超え０．９２ｅＶ以下であり、
    前記バリア層の膜厚が１．０〜４．８ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
12. 前記第１井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第２井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．８２ｅＶを超え０．８７ｅＶ以下であり、
    前記バリア層の膜厚が１．０〜６．５ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
13. 前記第１井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第２井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が０．７７ｅＶ以上０．８２ｅＶ以下であり、
    前記バリア層の膜厚が１．０〜８．３ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。

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