JP7512121B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本開示は、半導体レーザ素子に関し、特に、窒化物半導体材料からなる窒化物半導体レーザ素子に関する。

半導体レーザ素子は、長寿命、高効率及び小型等のメリットがあるため、プロジェクタ、光ディスク、車載ヘッドランプ、照明装置又はレーザ加工装置等の様々な製品の光源として利用されている。

この種の半導体レーザ素子として、紫外から青色までの波長帯をカバーする窒化物半導体レーザ素子の研究開発が進められている。窒化物半導体レーザ素子は、ｎ側クラッド層、活性層及びｐ側クラッド層等からなる半導体層積層構造が窒化物半導体材料によって構成されている。

窒化物半導体レーザ素子では、さらなる高出力化と長寿命化に加えて、高効率化も求められている。このため、窒化物半導体レーザ素子では、レーザ発振時の消費電力のさらなる低減化が求められている。

そこで、従来、ｐ側クラッド層をＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが交互に積層された超格子構造とした窒化物半導体レーザ素子が提案されている（例えば特許文献１）。このように、ｐ側クラッド層を超格子構造にすることで、ｐ側クラッド層を低抵抗化することができ、動作電圧を低くして消費電力を低減することができる。

特開２０１２－１８９６３号公報

ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが交互に積層された超格子構造をｐ側クラッド層に採用した窒化物半導体レーザ素子では、ｐ型クラッド層におけるＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とのヘテロ界面で生成される正孔が横方向（基板面内方向）に容易に移動できるため、横方向の抵抗を低減することができる。

しかしながら、縦方向（積層方向）では、障壁となるＡｌＧａＮ層によって正孔の移動が阻まれて抵抗を充分に低減することができない。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが積層された積層構造を有するクラッド層の縦方向（積層方向）の抵抗を低減することができる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示に係る第１の半導体レーザ素子の一態様は、第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上方に位置する活性層と、前記活性層の上方に位置する第２クラッド層とを備え、前記第２クラッド層は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが複数繰り返して積層された積層構造を有し、複数の前記ＡｌＧａＮ層の各々の膜厚は、２原子層以下である。

また、本開示に係る第２の半導体レーザ素子の一態様は、第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上方に位置する活性層と、前記活性層の上方に位置する第２クラッド層とを備え、前記第２クラッド層は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが複数繰り返して積層された積層構造を有し、前記積層構造の断面において、複数の前記ＡｌＧａＮ層の各々は、分断している。

本開示によれば、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが積層された積層構造を有する第２クラッド層の縦方向の抵抗を低減することができる。

実施の形態１に係る半導体レーザ素子の断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子におけるｐ型クラッド層の層構造を示す断面図である。 窒化物半導体の結晶構造を示す図である。 実施例１、２及び比較例１の各半導体レーザ素子における動作電圧とＡｌＧａＮ層の膜厚との関係を示す図である。 実施例１、３、４、５及び比較例２の各半導体レーザ素子における動作電圧とＡｌＧａＮ層のＡｌ組成との関係を示す図である。 実施例４、６、７及び比較例２の各半導体レーザ素子における電流電圧特性を示す図である。 ｐ側クラッド層が均一ドープである場合とｐ側クラッド層が変調ドープである場合とのそれぞれにおける伝導帯と価電子帯とを示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子におけるｐ型クラッド層の層構造を示す断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

なお、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における鉛直上方及び鉛直下方を示すものではなく、積層構成における積層順をもとにした相対的な位置関係により規定される用語として用いられる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る半導体レーザ素子１の断面図である。

図１に示すように、半導体レーザ素子１は、第１クラッド層であるｎ側クラッド層２０と、ｎ側クラッド層２０の上方に位置する活性層４０と、活性層４０の上方に位置する第２クラッド層であるｐ側クラッド層とを備える。

具体的には、半導体レーザ素子は、基板１０と、ｎ側クラッド層２０と、ｎ側光ガイド層３０と、活性層４０と、ｐ側光ガイド層５０と、オーバーフロー抑制層６０と、ｐ側クラッド層７０と、コンタクト層８０と、ｐ側電極９０と、パッド電極１００と、ｎ側電極１１０とを備える。

本実施の形態における半導体レーザ素子１は、ｎ側クラッド層２０、ｎ側光ガイド層３０、活性層４０、ｐ側光ガイド層５０、オーバーフロー抑制層６０、ｐ側クラッド層７０及びコンタクト層８０が窒化物半導体材料によって構成された窒化物半導体レーザ素子である。具体的には、半導体レーザ素子１は、ＧａＮ系の窒化物半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１から出射するレーザ光は、例えば、紫外から青色までの波長帯域の光である。

基板１０は、ＧａＮ又はＳｉＣ等からなる半導体基板、又は、サファイア基板等である。本実施の形態では、基板１０として、六方晶系ＧａＮ単結晶からなるｎ型ＧａＮ基板を用いている。具体的には、基板１０として、主面が（０００１）面であるｎ型ＧａＮ基板を用いている。

基板１０の上には、ｎ側クラッド層２０、ｎ側光ガイド層３０、活性層４０、ｐ側光ガイド層５０、オーバーフロー抑制層６０、ｐ側クラッド層７０及びコンタクト層８０がこの順で積層されている。ｎ側クラッド層２０、ｎ側光ガイド層３０、活性層４０、ｐ側光ガイド層５０、オーバーフロー抑制層６０、ｐ側クラッド層７０及びコンタクト層８０は、例えば、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）法によって形成することができる。なお、基板１０に形成される窒化物半導体層には、これらの半導体層以外のものも含まれていてもよい。

ｎ側クラッド層２０は、基板１０の上方に形成されている。本実施の形態において、ｎ側クラッド層２０は、不純物がドープされたｎ型のクラッド層である。ｎ側クラッド層２０は、例えば、ｎ型のＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）によって構成されている。

本実施の形態において、ｎ側クラッド層２０は、不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたｎ型のＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなるｎ－ＡｌＧａＮ層である。この場合、ｎ側クラッド層２０におけるシリコンの不純物濃度は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^－３である。また、一例として、ｎ側クラッド層２０の膜厚は、３μｍである。

ｎ側クラッド層２０の上方には、第１光ガイド層として、ｎ側光ガイド層３０が形成されている。ｎ側光ガイド層３０は、不純物を意図的にドープしないアンドープのＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）又は不純物がドープされたｎ型のＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）によって構成されている。ｎ側光ガイド層３０は、単層及び複数層のいずれであってもよい。

本実施の形態において、ｎ側光ガイド層３０は、複数層であり、アンドープのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎからなるｕｎ－ＩｎＧａＮ層と、不純物としてシリコンがドープされたｎ型のＧａＮからなるｎ－ＧａＮ層とによって構成されている。この場合、ｎ－ＧａＮ層におけるシリコンの不純物濃度は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^－３である。また、一例として、ｕｎ－ＩｎＧａＮ層の膜厚は、２２０ｎｍであり、ｎ－ＧａＮ層の膜厚は、４０ｎｍである。

ｎ側光ガイド層３０の上方には、活性層４０が形成されている。活性層４０は、アンドープのＩｎ_ｘＧａＮ（０＜ｘ＜１）及び／又はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａＮ（ｘ，ｙ≧１）によって構成されている。活性層４０は、単層及び複数層のいずれであってもよい。また、活性層４０は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ；Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）及び多重量子井戸構造（ＭＱＷ；ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）のいずれであってもよい。

本実施の形態において、活性層４０は、アンドープのＩｎＧａＮからなる量子井戸層４１とアンドープのＩｎＧａＮからなる量子障壁層４２とによって構成された単一量子井戸構造である。具体的には、活性層４０は、膜厚１４ｎｍのアンドープのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなるｕｎ－ＩｎＧａＮ層である量子障壁層４２と、膜厚７．５ｎｍのアンドープのＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎからなるｕｎ－ＩｎＧａＮ層である量子井戸層４１と、膜厚１４ｎｍのアンドープのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなるｕｎ－ＩｎＧａＮ層である量子障壁層４２とが順に積層された３層構造である。

活性層４０の上方には、第２光ガイド層として、ｐ側光ガイド層５０が形成されている。ｐ側光ガイド層５０は、アンドープのＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）又はｐ型のＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）によって構成されている。ｐ側光ガイド層５０は、単層及び複数層のいずれであってもよい。

本実施の形態において、ｐ側光ガイド層５０は、単層であり、アンドープのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎからなるｕｎ－ＩｎＧａＮ層である。一例として、ｐ側光ガイド層５０の膜厚は、１１０ｎｍである。

ｐ側光ガイド層５０の上方には、オーバーフロー抑制層６０が形成されている。オーバーフロー抑制層６０は、活性層４０から電子が漏れることを抑制する。オーバーフロー抑制層６０は、不純物がドープされたｐ型のＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）によって構成されている。

本実施の形態において、オーバーフロー抑制層６０は、不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎからなるｐ－ＡｌＧａＮ層である。この場合、オーバーフロー抑制層６０におけるマグネシウムの不純物濃度は、例えば、２×１０^１８ｃｍ^－３である。また、一例として、オーバーフロー抑制層６０の膜厚は、５ｎｍである。

オーバーフロー抑制層６０の上方には、ｐ側クラッド層７０が形成されている。ｐ側クラッド層７０は、レーザ共振器長方向に延在する突条のリッジ部７０ａ（リッジ導波路）と、リッジ部７０ａの根元から横方向に広がる平坦部７０ｂとを有する。リッジ部７０ａの幅及び高さは、特に限定されるものではないが、一例として、リッジ部７０ａの幅（ストライプ幅）は１μｍ以上１００μｍ以下であり、リッジ部７０ａの高さは１００ｎｍ以上１μｍ以下である。

ｐ側クラッド層７０は、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）によって構成されている。本実施の形態において、ｐ側クラッド層７０は、超格子構造を有する超格子層である。具体的には、ｐ側クラッド層７０は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが複数繰り返して積層された積層構造を有する。ｐ側クラッド層７０において、ＡｌＧａＮ層の膜厚は、２原子層以下である。なお、ｐ側クラッド層７０の具体的な構造については後述する。

ｐ側クラッド層７０の上方には、コンタクト層８０が形成されている。具体的には、コンタクト層８０は、ｐ側クラッド層７０のリッジ部７０ａの上面に接して形成されている。コンタクト層８０の幅は、リッジ部７０ａのリッジ幅と同じである。コンタクト層８０は、不純物がドープされたｐ型のコンタクト層である。

本実施の形態において、コンタクト層８０は、ｐ型のＧａＮによって構成されている。具体的には、コンタクト層８０は、複数層であり、不純物濃度と膜厚とが異なる２層のｐ型のＧａＮによって構成されている。一例として、コンタクト層８０は、マグネシウムの不純物濃度が２×１０^１８ｃｍ^－３で膜厚が５０ｎｍのｐ型のＧａＮからなるｐ－ＧａＮ層と、マグネシウムの不純物濃度が２×１０^２０ｃｍ^－３で膜厚が１０ｎｍのｐ型のＧａＮからなるｐ－ＧａＮ層とによって構成されている。

リッジ部７０ａの側面と平坦部７０ｂの上面とを覆うように絶縁膜１２０が形成されている。具体的には、絶縁膜１２０は、リッジ部７０ａの側面と平坦部７０ｂの上面とにわたって連続的に形成されている。絶縁膜１２０は、リッジ部７０ａの上方には形成されていない。したがって、リッジ部７０ａの上面に形成されたコンタクト層８０の上面は、絶縁膜１２０で覆われておらず、絶縁膜１２０から露出している。このため、リッジ部７０ａの上方（コンタクト層８０上）の絶縁膜１２０には開口部が形成されている。この絶縁膜１２０の開口部を通って活性層４０に電流が注入される。絶縁膜１２０は、絶縁材料によって構成されている。例えば、絶縁膜１２０は、ＳｉＯ_２等の誘電体材料によって構成されている。絶縁膜１２０の膜厚は、一例として、３００ｎｍである。

絶縁膜１２０から露出するコンタクト層８０の上方には、第１電極として、ｐ側電極９０が形成されている。ｐ側電極９０は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕ等の金属材料を少なくとも１つ以上用いて形成されている。また、ｐ側電極９０は、単層及び複数層のいずれであってもよい。本実施の形態において、ｐ側電極９０は、Ｐｄからなる膜厚４０ｎｍのＰｄ層とＰｔからなる膜厚３５ｎｍのＰｔ層との２層構造の電極である。

ｐ側電極９０の上方には、パッド電極１００が形成されている。具体的には、パッド電極１００は、ｐ側電極９０の上面に接して形成されている。また、パッド電極１００は、ｐ側電極９０を覆うように、リッジ部７０ａの上方及び側方と平面部７０ｂの上方とにわたって形成されている。具体的には、パッド電極１００は、ｐ側電極９０及び絶縁膜１２０を覆うように形成されている。パッド電極１００は、例えば、Ｔｉ（０．１μｍ）／Ｐｔ（０．２μｍ）／Ａｕ（０．２μｍ）の３層構造の電極である。

基板１０の下面（裏面）には、第２電極として、ｎ側電極１１０が形成されている。ｎ側電極１１０は、半導体基板である基板１０とオーミック接触するオーミック電極である。ｎ側電極１１０は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕ等の金属材料を少なくとも１つ以上用いて形成されている。また、ｎ側電極１１０は、単層及び複数層のいずれであってもよい。本実施の形態において、ｎ側電極１１０は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造の電極である。

なお、図示しないが、半導体レーザ素子１の前端面及び後端面には、誘電体多層膜で構成された端面コート膜が形成されている。具体的には、前端面には、低反射率の端面コート膜が形成されており、後端面には、高反射率の端面コート膜が形成されている。一例として、前端面に形成された端面コート膜は、Ａｌ_２Ｏ_３とＴａ_２Ｏ_５との多層膜によって構成された反射率が２％の低反射膜である。また、後端面に形成された端面コート膜は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５との多層膜によって構成された反射率が９５％の高反射膜である。

次に、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１の作用効果について、本開示の一態様を得るに至った経緯も含めて説明する。

ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが交互に積層された超格子構造をｐ側クラッド層に採用した窒化物半導体レーザ素子では、ｐ側クラッド層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の膜厚を薄くすればするほどｐ側クラッド層を低抵抗化できる。

しかしながら、これまでは、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との界面での格子ひずみによるピエゾ分極の影響を考慮すると、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の膜厚は、２ｎｍ程度までしか薄くすることができないと考えられていた。つまり、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層からなる超格子構造のｐ側クラッド層については、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の膜厚の最小値は２ｎｍ程度であると考えられていた。このことは、当業者の技術常識であり、実際、市場の窒化物半導体レーザ素子においても、ｐ側クラッド層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の膜厚の最小値は２ｎｍ程度であった。例えば、従来の窒化物半導体レーザ素子では、ｐ側クラッド層におけるＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層は、膜厚がそれぞれ２ｎｍであり、１６５回繰り返して積層されている。

このように構成されたｐ側クラッド層を用いることで、横方向（基板面内方向）の抵抗を効果的に低減することができるので、ｐ側クラッド層を低抵抗化することができる。

しかしながら、この場合、縦方向（積層方向）では障壁となるＡｌＧａＮ層を正孔が超える必要があるため、ＡｌＧａＮ層に対して縦方向での抵抗は僅かに低減できる程度に過ぎなかった。つまり、縦方向ではＡｌＧａＮ層によって正孔の移動が阻まれことになり正孔が容易に移動することができず、縦方向の抵抗が充分に下げることができないという課題がある。

このように、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが交互に積層された超格子構造をｐ側クラッド層に採用したこれまでの窒化物半導体レーザ素子では、横方向の抵抗を効果的に低減できるものの、縦方向の抵抗を十分に低減することができなかった。

そこで、本願発明者らは、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の膜厚の最小値は２ｎｍ程度であったという技術常識にとらわれずにＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の膜厚を変えて実験を繰り返して鋭意検討した結果、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層で構成されたｐ側クラッド層におけるＡｌＧａＮ層の膜厚を２ｎｍよりも薄くすることで、横方向の抵抗だけではなく縦方向の抵抗も低減できることを見出した。

以下、この点について、実験結果を含めて詳細に説明する。まず、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１におけるｐ側クラッド層７０の詳細な構成について、図２を用いて説明する。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１におけるｐ側クラッド層７０の層構造を示す断面図である。

図１に示される半導体レーザ素子１において、ｐ側クラッド層７０は、超格子構造を有する超格子層である。具体的には、図２に示すように、ｐ側クラッド層７０は、超格子構造として、ＡｌＧａＮ層７１とＧａＮ層７２とが複数繰り返して積層された積層構造を有する。本実施の形態において、ＡｌＧａＮ層７１とＧａＮ層７２とは、１層ずつ交互に複数回繰り返して積層されている。ＡｌＧａＮ層７１とＧａＮ層７２との繰り返し回数は、特に限定されるものではないが、数十回以上である。

ＡｌＧａＮ層７１は、不純物を意図的にドープしないアンドープのＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなるｕｎ－ＡｌＧａＮ層、又は、不純物がドープされたｐ型のＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなるｐ－ＡｌＧａＮ層である。

ＧａＮ層７２は、不純物を意図的にドープしないアンドープのＧａＮからなるｕｎ－ＧａＮ層、又は、不純物がドープされたｐ型のＧａＮからなるｐ－ＧａＮ層である。

ｐ側クラッド層７０は、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の少なくとも一方がｐ型の窒化物半導体によって構成されたｐ型クラッド層である。つまり、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の少なくとも一方は、不純物が意図的にドープされたドープ層である。

この場合、ｐ側クラッド層７０は、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の両方に不純物がドープされた均一ドープのｐ型クラッド層（ｐ－ＡｌＧａＮ層／ｐ－ＧａＮ層）であってもよいし、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２のいずれか一方のみに不純物がドープされた変調ドープのｐ型クラッド層であってもよい。

また、ｐ側クラッド層７０が変調ドープのｐ型クラッド層である場合、ｐ側クラッド層７０は、不純物がドープされていないｕｎ－ＡｌＧａＮ層であるＡｌＧａＮ層７１と不純物がドープされたｐ－ＧａＮ層であるＧａＮ層７２とによって構成されていてもよいし、不純物がドープされたｕｎ－ＡｌＧａＮ層であるＡｌＧａＮ層７１と不純物がドープされていないｕｎ－ＧａＮ層であるＧａＮ層７２とによって構成されていてもよい。

ここで、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の結晶構造は、図３に示されるウルツ鉱型構造を有する。図３は、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＡｌＧａＮの窒化物半導体の結晶構造を示している。図３に示すように、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＡｌＧａＮの窒化物半導体は、Ｇａ及び／又はＡｌのＩＩＩ族原子とＮのＶ族原子とが交互に積層された構成になっている。図３において、黒球は、Ｇａ原子又はＡｌ原子を示しており、白球は、Ｎ原子を示している。

図３がＧａＮの結晶構造である場合、縦方向（ｃ軸方向）の格子定数は、０．５１９ｎｍとなる。また、図３がＡｌＮの結晶構造である場合、縦方向の格子定数は、０．４９８ｎｍとなる。したがって、図３がＡｌＧａＮの結晶構造である場合、縦方向の格子定数は、ＡｌとＧａの存在比率に応じて、０．４９８ｎｍ以上０．５１９ｎｍ以下となる。

このように、図３に示される結晶構造の窒化物半導体では、縦方向であるｃ軸方向の格子定数（図３のｘ）は、約０．５ｎｍであり、２原子層に相当する。つまり、図３に示される結晶構造の窒化物半導体において、１原子層（＝ｘ／２）は、約０．２５ｎｍであり、４原子層は、約１ｎｍとなる。

そして、本願発明者らは、図３に示される窒化物半導体の結晶構造に着目して、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２で構成された超格子構造のｐ側クラッド層７０について、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚を２原子層以下にまで薄くするという新たな着想をもとに、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚を種々変化させた実験を行った。以下の表１は、その実験における実施例１～実施例７及び比較例１、２の半導体レーザ素子１のｐ側クラッド層７０（超格子層）の構成を示しており、図４～図６は、その実験結果を示している。なお、表１に示すように、実施例１～実施例７及び比較例１、２において、ＡｌＧａＮ層７１とＧａＮ層７２との繰り返し回数は異なるが、ｐ側クラッド層７０全体の総膜厚、平均アルミニウム組成及び平均マグネシウム濃度は、同じにしている。また、本実験において、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２はＭＯＣＶＤ装置にて成膜した。

図４は、実施例１、２及び比較例１の各半導体レーザ素子１における動作電圧ＶｆとＡｌＧａＮ層７１の膜厚との関係を示している。つまり、動作電圧ＶｆのＡｌＧａＮ層７１の膜厚依存性を示している。なお、図４では、電流密度が４．７８ｋＡ／ｃｍ^２のときの動作電圧Ｖｆを示している。

図４において、比較例１及び実施例１、２は、表１に示すように、互いにＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の組成が同じであり、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の膜厚のみが異なっている。

図４に示すように、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚は、１ｎｍ（４原子層）、０．５ｎｍ（２原子層）、０．２５ｎｍ（１原子層）と、薄くなればなるほど動作電圧が低くなっていくことが分かる。特に、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚を０．５ｎｍ（２原子層）及び０．２５ｎｍ（１原子層）にして、これまので技術常識であった２ｎｍ（８原子層）よりもさらに薄い１ｎｍ（４原子層）を大きく下回るようにしたとしても、動作電圧が低くなることが分かった。

これは、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚が小さくなるにしたがって、ＡｌＧａＮ層７１とＧａＮ層７２とのヘテロ界面で生成したキャリア（正孔）が、障壁層となるＡｌＧａＮ層７１をトンネル効果で通り抜けて縦方向を移動した結果、ｐ側クラッド層７０の縦方向の抵抗が小さくなったからであると考えられる。

図５は、実施例１、３、４、５及び比較例２の各半導体レーザ素子１における動作電圧ＶｆとＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成との関係を示している。つまり、動作電圧ＶｆのＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成依存性を示している。なお、図５でも、電流密度が４．７８ｋＡ／ｃｍ^２のときの動作電圧Ｖｆを示している。

図５において、実施例１と実施例３とを比較して分かるように、ＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成もＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の各々の膜厚も変えずに、ＧａＮ層７２をドープ層にしたままでＡｌＧａＮ層７１をドープ層からアンドープ層に変更してｐ側クラッド層７０を変調ドープにすることで、動作電圧を小さくできることが分かる。つまり、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２をいずれもドープ層とした場合（実施例１）と比べて、ＡｌＧａＮ層７１をアンドープ層とし且つＧａＮ層７２をドープ層とした場合（実施例３）の方がｐ側クラッド層７０の抵抗を小さくできることが分かる。

また、比較例２と実施例５とを比較して分かるように、ＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成を変えずに、ＡｌＧａＮ層７１をアンドープ層のままで且つＧａＮ層７２もドープ層のままでＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の膜厚を薄くすることで、動作電圧を小さくできることが分かる。つまり、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の膜厚が厚い場合（比較例２）よりも、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の膜厚が薄い場合（実施例５）の方がｐ側クラッド層７０の抵抗を小さくできることが分かる。

また、図５において、実施例３～５は、いずれもＡｌＧａＮ層７１が膜厚０．２５ｎｍのｕｎ－ＡｌＧａＮによって構成されている。つまり、実施例３～５に関して破線で示される図５の曲線は、ＡｌＧａＮ層７１がｕｎ－ＡｌＧａＮ（膜厚０．２５ｎｍ）における動作電圧ＶｆのＡｌ組成依存性の傾向を示している。

図５の破線で示される曲線（実施例３～５）から分かるように、ＡｌＧａＮ層７１は、Ａｌ組成が１２％のときに最も動作電圧が小さくなる。また、ＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成が少なくとも５％～２５％であれば、比較例２及び実施例１の場合よりも動作電圧が小さくなることも分かる。なお、ＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成は、好ましくは１０％～１５％である。

図６は、実施例４、６、７及び比較例２の各半導体レーザ素子１における電流電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）を示している。図６において、実施例４、６、７は、互いにＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成とＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の膜厚とが同じであり、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２における不純物のドープの有無のみが異なっている。

図６において、実施例４、６、７と比較例２とを比較して分かるように、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の膜厚を薄くすることで閾値電圧が低くなる。また、実施例４、６と実施例７とを比較して分かるように、ｐ側クラッド層７０を変調ドープにした場合（実施例４、６）は、ｐ側クラッド層７０を均一ドープにした場合（実施例７）と比べて、閾値電圧が低くなる。さらに、ｐ側クラッド層７０を変調ドープにした場合（実施例４、６）であっても、ＡｌＧａＮ層７１をドープ層としＧａＮ層７２をアンドープ層とした場合（実施例６）の方が、ＧａＮ層７２をドープ層としＡｌＧａＮ層７１をアンドープ層とした場合（実施例４）よりも閾値電圧を低くできることも分かった。

以上の実験結果によれば、実施例１～実施例７の各半導体レーザ素子１のように、ｐ側クラッド層７０における複数のＡｌＧａＮ層７１の各々の膜厚は、２原子層以下であるとよい。つまり、超格子層であるｐ側クラッド層７０におけるＡｌＧａＮ層７１の膜厚は、約０．５ｎｍ以下であるとよい。

このように、ｐ側クラッド層７０におけるＡｌＧａＮ層７１の膜厚を２原子層（約０．５ｎｍ）以下にすることで、ｐ側クラッド層７０におけるＡｌＧａＮ層７１とＧａＮ層７２とのヘテロ界面で生成されたキャリア（正孔）が、障壁層となるＡｌＧａＮ層７１をトンネル効果で容易に通り抜けることができる。つまり、ｐ側クラッド層７０における正孔の縦方向の移動が容易になる。この結果、ｐ側クラッド層７０を超格子層とすることでｐ側クラッド層７０の横方向（基板面内方向）の抵抗を効果的に低減することができるだけではなく、ｐ側クラッド層７０の縦方向の抵抗を低減することができる。これにより、半導体レーザ素子１の動作電圧を低くすることができるので、レーザ発振時の消費電力を低減することができる。

また、実施例１、３～７の各半導体レーザ素子１のように、ｐ側クラッド層７０におけるＡｌＧａＮ層７１の膜厚は、１原子層以下（つまり約０．２５ｎｍ以下）であるとよい。

これにより、ｐ側クラッド層７０の縦方向の抵抗をさらに低減することができるので、図４及び図５に示すように、半導体レーザ素子１の動作電圧をさらに低くすることができる。なお、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚は、実施例２のように、１原子層よりも厚く２原子層以下（つまり約０．２５ｎｍ超０．５ｎｍ以下）であってもよい。

また、本実施の形態において、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚は、２原子層以下であるが、ＧａＮ層７２の膜厚は、２原子層以下にする必要はない。ＧａＮ層７２の膜厚は、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚よりも厚くても薄くてもよいが、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚よりも厚い方がよい。つまり、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚とＧａＮ層７２の膜厚とは、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚は、ＧａＮ層７２の膜厚以下であるとよい。より好ましくは、ＡｌＧａＮ層７１の膜厚は、ＧａＮ層７２の膜厚未満であるとよい。これにより、ｐ側クラッド層７０の縦方向の抵抗を効果的に低減することができる。

また、上記のように、ｐ側クラッド層７０は、変調ドープのｐ型クラッド層であるとよい。つまり、ｐ側クラッド層７０において、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の一方には、不純物がドープされておらず、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２の他方には、不純物がドープされているとよい。

これにより、ｐ側クラッド層７０の縦方向の抵抗を一層低減することができる。このことは、図６で説明した実験結果のとおりであるが、この効果の原理を考察したので、この点について、図７を用いて説明する。図７は、ＡｌＧａＮ層７１及びＧａＮ層７２が繰り返して積層された構造のｐ側クラッド層７０について、ｐ側クラッド層７０が均一ドープである場合（図７の左側）とｐ側クラッド層７０が変調ドープである場合（図７の右側）とのそれぞれにおける伝導帯（Ｅｃ）と価電子帯（Ｅｖ）とを示す図である。

図７に示すように、ｐ側クラッド層７０が変調ドープである場合は、ｐ側クラッド層７０が均一ドープである場合と比べて、キャリア（正孔）の障壁となるＡｌＧａＮ層７１での伝導帯及び価電子帯の傾斜が急峻になる。この結果、ＡｌＧａＮ層７１の障壁が実効的に薄くなる。この結果、ＡｌＧａＮ層７１とＧａＮ層７２とのヘテロ界面で生成したキャリア（正孔）は、ｐ側クラッド層７０が変調ドープである場合の方がｐ側クラッド層７０が均一ドープである場合よりも、障壁となるＡｌＧａＮ層７１をトンネル効果で通り抜けやすくなる。これにより、正孔は、ｐ側クラッド層７０の縦方向における移動が容易になる。したがって、ｐ側クラッド層７０の縦方向の抵抗を一層低減することができる。

なお、ｐ側クラッド層７０を変調ドープにする場合、実施例４のように、ＧａＮ層７２のみに不純物をドープし、ＡｌＧａＮ層７１に不純物をドープしない構成とするのではなく、実施例６のように、ＡｌＧａＮ層７１のみに不純物をドープし、ＧａＮ層７２に不純物をドープしない構成にするがよい。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１Ａについて、図８を用いて説明する。図８は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１Ａにおけるｐ型クラッド層７０Ａの層構造を示す断面図である。

本実施の形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、上記実施の形態１に係る半導体レーザ素子１と同様に、ｎ側クラッド層２０と、ｎ側クラッド層２０の上方に位置する活性層４０と、活性層４０の上方に位置するｐ側クラッド層７０Ａとを備えており、ｐ側クラッド層７０Ａは、図８に示すように、ＡｌＧａＮ層７１ＡとＧａＮ層７２Ａとが複数繰り返して積層された積層構造を有する。

本実施の形態における半導体レーザ素子１Ａが上記実施の形態１における半導体レーザ素子１と異なる点は、ｐ側クラッド層７０Ａの構成である。具体的には、上記実施の形態１における半導体レーザ素子１では、ｐ側クラッド層７０における複数のＡｌＧａＮ層７１の各々が横方向に分断されることなく連続して形成されていたのに対して、本実施の形態における半導体レーザ素子１Ａでは、図８に示すように、ｐ側クラッド層７０Ａにおける複数のＡｌＧａＮ層７１Ａの各々が横方向に不連続に形成されている。つまり、本実施の形態では、ｐ側クラッド層７０の積層構造の断面において、複数のＡｌＧａＮ層７１Ａの各々が分断しており、各層において、ＡｌＧａＮ層７１Ａが横方向に複数に分割されている。したがって、各ＡｌＧａＮ層７１Ａには途切れた箇所が１つ又は複数存在している。

このように横方向に分断されたＡｌＧａＮ層７１Ａは、ＭＯＣＶＤ装置にてウエハ（基板１０）を回転させながらＡｌＧａＮ層７１Ａを成膜する際に、アルミニウムを含む原料を断続的にＭＯＣＶＤ装置内に供給することで形成することができる。例えば、１０ｒｐｍでウエハを回転させながらＡｌＧａＮ層７１Ａを成膜する場合、ＭＯＣＶＤ装置内へのアルミニウムを含む原料の供給と供給停止とを１秒又は２秒間隔で行うことによって、図８に示されるように、各層で横方向に複数に分断されたＡｌＧａＮ層７１Ａを形成することができる。なお、ｐ側クラッド層７０Ａ以外の構成は、上記実施の形態１と同様である。

このように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１Ａでは、ｐ側クラッド層７０Ａの積層構造の断面において、複数のＡｌＧａＮ層７１Ａの各々が分断している。

この構成により、ｐ側クラッド層７０ＡにおけるＡｌＧａＮ層７１ＡとＧａＮ層７２Ａとのヘテロ界面で生成されたキャリア（正孔）は、Ａｌ組成が高いところに溜まってＡｌ組成が低いＡｌＧａＮ層７１Ａの途切れた部分を通って縦方向に移動することができる。この結果、仮にＡｌＧａＮ層７１Ａが分断されていない半導体レーザ素子と比べて、ｐ側クラッド層７０Ａの縦方向の抵抗を低減することができる。つまり、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１Ａでも、上記実施の形態１に係る半導体レーザ素子１と同様に、ｐ側クラッド層７０Ａの横方向（基板面内方向）の抵抗を低減することができるだけではなく、ｐ側クラッド層７０Ａの縦方向の抵抗を低減することができる。これにより、半導体レーザ素子１Ａの動作電圧を低くすることができるので、レーザ発振時の消費電力を低減することができる。

なお、本実施の形態において、ｐ側クラッド層７０Ａにおける各ＡｌＧａＮ層７１Ａの膜厚は、２原子層（約０．５ｎｍ）よりも厚くてもよいが、上記実施の形態１と同様に、各ＡｌＧａＮ層７１Ａの膜厚は、２原子層以下であることが好ましく、１原子層以下であることがよい好ましい。

このように、ｐ側クラッド層７０Ａにおいて、各ＡｌＧａＮ層７１Ａが分断されているとともに、各ＡｌＧａＮ層７１Ａの膜厚が２原子層以下にすることで、ｐ側クラッド層７０Ａの縦方向の抵抗をさらに低減することができる。これにより、半導体レーザ素子１Ａの動作電圧をさらに低くすることができる。

（変形例）
以上、本開示に係る半導体レーザ素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態１、２では、紫外から青色までの波長帯をカバーするＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子について説明したが、これに限るものではない。本開示の技術は、他の波長帯の半導体レーザ素子に適用してもよい。

なお、その他、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

本開示に係る半導体レーザ素子は、光ディスク、ディスプレイ、車載ヘッドランプ、照明又はレーザ加工装置等の様々な分野の製品の光源として有用である。

１、１Ａ 半導体レーザ素子
１０ 基板
２０ ｎ側クラッド層
３０ ｎ側光ガイド層
４０ 活性層
４１ 量子井戸層
４２ 量子障壁層
５０ ｐ側光ガイド層
６０ オーバーフロー抑制層
７０、７０Ａ ｐ側クラッド層
７０ａ リッジ部
７０ｂ 平坦部
７１、７１Ａ ＡｌＧａＮ層
７２、７２Ａ ＧａＮ層
８０ コンタクト層
９０ ｐ側電極
１００ パッド電極
１１０ ｎ側電極
１２０ 絶縁膜

Claims (10)

1. 第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層の上方に位置する活性層と、
   前記活性層の上方に位置する第２クラッド層とを備え、
   前記第２クラッド層は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが複数繰り返して積層された積層構造を有し、
   複数の前記ＡｌＧａＮ層の各々の膜厚は、２原子層以下であり、
   前記ＡｌＧａＮ層の膜厚は、前記ＧａＮ層の膜厚未満である、
   半導体レーザ素子。
2. 第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層の上方に位置する活性層と、
   前記活性層の上方に位置する第２クラッド層とを備え、
   前記第２クラッド層は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが複数繰り返して積層された積層構造を有し、
   前記積層構造の断面において、複数の前記ＡｌＧａＮ層の各々は、分断している
   半導体レーザ素子。
3. 複数の前記ＡｌＧａＮ層の各々の膜厚は、２原子層以下である、
   請求項２に記載の半導体レーザ素子。
4. 複数の前記ＡｌＧａＮ層の各々の膜厚は、１原子層以下である、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記ＡｌＧａＮ層及び前記ＧａＮ層の一方には、不純物がドープされておらず、
   前記ＡｌＧａＮ層及び前記ＧａＮ層の他方には、不純物がドープされている、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記ＧａＮ層には、不純物がドープされておらず、
   前記ＡｌＧａＮ層には、不純物がドープされている、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記ＡｌＧａＮ層の膜厚は、前記ＧａＮ層の膜厚以下である、
   請求項２又は３に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記ＡｌＧａＮ層の膜厚は、前記ＧａＮ層の膜厚未満である、
   請求項２に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記第２クラッド層は、ｐ側クラッド層である、
   請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記第２クラッド層にはリッジ部が形成されている、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

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