JP2000012982A - 半導体レ―ザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 紫外領域においても発振可能な半導体レーザ
素子を実現できるようにすると共に素子の信頼性の向上
を図る。 【解決手段】 サファイアからなる基板１１上に、Ｇａ
Ｎからなるバッファ層１２とＳｉがドープされたｎ型Ｇ
ａＮからなるｎ型コンタクト層１３とが順次形成されて
いる。ｎ型コンタクト層１３上の素子形成領域には、ｎ
型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなるｎ型クラッド層１４と、
ｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるｎ型光ガイド層１５
と、Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎからなる井戸層及びＡｌ_0.25Ｇ
ａ_0.75Ｎからなる障壁層が交互に積層されてなる多重量
子井戸活性層１６と、Ｍｇがドープされたｐ型Ａｌ_0.25
Ｇａ_0.75Ｎからなるｐ型光ガイド層１７と、ｐ型Ａｌ
_0.4Ｇａ_0.6 Ｎ_0.98Ｐ_0.02からなるｐ型クラッド層１８
と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１９とが順次
形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理分野等
への応用が期待されている短波長レーザ光を出力するII
I-Ｖ族窒化物半導体レーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、デジタルビデオディスク装置等の
大容量光ディスク装置が実用化され、さらにディスク容
量の大容量化が図られている。光ディスク装置の大容量
化には良く知られているように、情報の記録用又は再生
用の光源となるレーザ光の短波長化を図ることが最も有
効な手段の一つである。現状のデジタルビデオディスク
装置に組み込まれている半導体レーザ素子は、III-Ｖ族
半導体材料のうち主としてＡｌＧａＩｎＰからなる半導
体材料が用いられており、その発振波長は６５０ｎｍで
ある。従って、現在開発中の高密度デジタルビデオディ
スク装置に対応するには、III-Ｖ族窒化物半導体材料を
用いたより短波長のレーザ素子が不可欠となる。

【０００３】以下、従来のIII-Ｖ族窒化物半導体レーザ
素子について図面を参照しながら説明する。

【０００４】図１０は従来のIII-Ｖ族窒化物半導体レー
ザ素子の断面構成を示している。

【０００５】図１０に示すように、サファイアからなる
基板１０１上には、基板１０１と該基板１０１上に成長
する窒化物半導体結晶との格子定数の不整合を緩和する
ＧａＮからなるバッファ層１０２と、低抵抗のｎ型Ｇａ
Ｎからなるｎ型コンタクト層１０３とが順次形成されて
いる。ｎ型コンタクト層１０３上の素子形成領域には、
後述する活性層に電子及び生成光を閉じ込めるｎ型Ａｌ
ＧａＮからなるｎ型クラッド層１０４と、活性層に生成
光を閉じ込め易くするｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド
層１０５と、Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎからなる井戸層とＧａ
_1-y Ｉｎ_y Ｎからなる障壁層（但し、ｘ及びｙは０＜ｙ
＜ｘ＜１である。）とが交互に積層され、閉じ込められ
た電子及び正孔を再結合させて生成光を生成する多重量
子井戸活性層１０６と、該活性層１０６に生成光を閉じ
込め易くするｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０７
と、上面に幅が３μｍ〜１０μｍ程度の畝状のリッジス
トライプ部１０８ａを有し、活性層１０６に正孔及び生
成光を閉じ込めるｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド
層１０８とが順次形成されている。

【０００６】ｐ型クラッド層１０８上には、低抵抗のｐ
型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０９が形成され、
ｐ型クラッド層１０８上におけるリッジストライプ部１
０８ａの両側部分及び素子形成領域の側面は絶縁膜１１
０により覆われている。

【０００７】絶縁膜１１０上にはｐ型コンタクト層１０
９と接するように、例えば、ＮｉとＡｕとが積層されて
なるストライプ状のｐ側電極１１１が形成され、ｎ型コ
ンタクト層１０３上における素子形成領域の側方には、
ＴｉとＡｌとが積層されてなるｎ側電極１１２が形成さ
れている。

【０００８】以上のように形成された半導体レーザ素子
に対して、ｎ側電極１１２を接地し、ｐ側電極１１１に
所定電圧を印加すると、発振波長が３７０ｎｍ〜４３０
ｎｍのレーザ発振を起こす。この発振波長は、多重量子
井戸活性層１０６を構成するＧａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ及びＧａ
_1-y Ｉｎ_y Ｎの組成や膜厚によって変化する。現在、室
温以上の温度環境下において連続発振が達成されてお
り、実用化の時期も近い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の窒化物半導体レーザ素子は、その発振波長を３７０
ｎｍ程度よりも小さくできず、これ以上の短波長化は原
理的に困難である。

【００１０】半導体レーザの短波長化のためには禁制帯
の幅（エネルギーギャップ）が大きい、いわゆるワイド
ギャップ半導体を活性層として用いれば良い。前述の多
重量子井戸活性層１０６を例に採ると、井戸層として、
Ｇａ_1-x Ｉｎ_x ＮのＩｎの組成比ｘが０、すなわちＧａ
Ｎを用いるか、さらにはエネルギーギャップがより大き
くなるＡｌを含むＡｌＧａＮを用いれば実現できる。

【００１１】ところで、活性層にキャリア及び生成光を
閉じ込めるダブルへテロ構造のレーザ素子においては、
クラッド層として、活性層よりもさらにエネルギーギャ
ップが大きい半導体材料を用いる必要がある。

【００１２】一般に、室温以上で動作可能な実用レベル
の動作特性を持つ半導体レーザ素子を得るには、活性層
と比べて少なくとも０．４ｅＶ程度大きいエネルギーギ
ャップを持つクラッド層が必要である。ＡｌＧａＮ半導
体はエネルギーギャップを３．４ｅＶ〜６．２ｅＶの範
囲で大きく変更できるため、エネルギーギャップが大き
いクラッド層を形成することは可能である。しかしなが
ら、ＡｌＧａＮからなる半導体をエネルギーギャップが
大きい組成とすると、特に、ｐ型の半導体を得るｐ型不
純物ドーピングが、正孔の熱的な活性化率が低下するた
め困難となる。このため、現状ではＡｌの組成が最大で
０．２（混晶としてＡｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ）まで、エネル
ギーギャップが最大で４．０ｅＶ程度までのｐ型半導体
しか得られていない。

【００１３】このように、従来のIII-Ｖ族窒化物半導体
レーザ素子は、ｐ型半導体層のエネルギーギャップの大
きさが最大で４．０ｅＶ程度までしか得られないという
第１の問題がある。

【００１４】さらに、Ａｌの組成が大きい結晶とＡｌの
組成が小さい結晶とを積層すると、積層した結晶同士に
互いの格子定数の差異に起因する応力が働く。このた
め、Ａｌの組成が大きい半導体結晶をクラッド層として
必要な１μｍ以上の膜厚にまで成長させると該半導体結
晶にクラックが生じてしまい、レーザ特性が悪化すると
共にレーザ素子の信頼性が低下するという第２の問題が
ある。

【００１５】本発明は、前記従来の問題を解決し、紫外
領域においても発振可能な半導体レーザ素子を実現でき
るようにすることを第１の目的とし、半導体レーザ素子
の信頼性の向上を図ることを第２の目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、ｐ型の
III-Ｖ族窒化物半導体、特にｐ型ＡｌＧａＮからなる半
導体のエネルギーギャップが４．０ｅＶ程度しか得られ
ない理由を種々検討した結果、以下のような結論を得て
いる。

【００１７】図１１はｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）とｐ
型窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との各エネルギー準位で
あって、縦軸が電子のエネルギーを示している。図１１
に示すように、ＧａＮ及びＡｌＮの価電子帯Ｅｖの上側
には、ｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）によ
るアクセプタ準位Ｅａが形成されている。このＭｇは、
窒化物半導体に対して最も浅い、すなわちエネルギーギ
ャップが最も小さく活性化し易いアクセプタと一般に認
められており、ｐ型ドーパントとして広く用いられてい
る。

【００１８】但し、Ｍｇであっても、ＧａＮの価電子帯
Ｅｖの上端部からのアクセプタ準位は０．１５ｅＶと比
較的大きいため、室温における熱的な活性化率は１％程
度に過ぎない。従って、ｐ型クラッド層に必要なキャリ
ア濃度である１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3を得るため
にはＭｇのドーピング濃度を１×１０¹⁹〜１×１０²⁰ｃ
ｍ^-3程度とする必要がある。Ｍｇのドーピング濃度が１
×１０²⁰ｃｍ^-3となる値は良質な半導体結晶を得られる
限界値に近く、これ以上にＭｇをドープすると結晶性が
著しく低下する。従って、不純物濃度が１×１０²⁰ｃｍ
^-3となる値をドーピング濃度の限界とすると、１×１０
¹⁷ｃｍ^-3以上のキャリア濃度を得るためにはアクセプタ
の熱的な活性化率を０．１％以上とする必要がある。

【００１９】一方、図１１に示すように、ＡｌＮにおい
ては、Ｍｇのアクセプタ準位Ｅａがさらに深くなり、ほ
とんど０．６ｅＶにも達する。例えば、Ａｌ_y Ｇａ_1-y
Ｎの場合には、Ａｌの組成ｙを変化させるとほぼ線形に
０．１５ｅＶから０．６ｅＶにまで変化する。アクセプ
タの熱的な活性化率が０．１％以上となるようにするに
は、アクセプタ準位Ｅａと価電子帯の上端部のエネルギ
ーＥｖとの差を比較的小さくする必要があるため、Ａｌ
の組成ｙを大きくできない。

【００２０】以上のことから、従来の窒化物半導体レー
ザ素子の発振波長を紫外領域にまで短波長化することは
極めて困難であり、発振波長は３６０ｎｍ程度が限界と
考えられる。

【００２１】従って、本発明は、前記第１の目的を達成
するため、窒化物半導体レーザ素子のｐ型半導体層の組
成にリン又はヒ素を加えることにより、該ｐ型半導体層
のエネルギーギャップを大きく維持したまま、アクセプ
タ準位と価電子帯の上端部のエネルギーとの差を小さく
する、いわゆる、アクセプタ準位を浅くする構成とす
る。また、本発明は、前記第２の目的を達成するため、
ガリウムを含む窒化物半導体レーザ素子における活性層
を挟む半導体層の格子定数を窒化ガリウムの格子定数と
ほぼ一致させる構成とする。

【００２２】本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、
前記第１の目的を達成し、基板上に形成された第１導電
型の第１の窒化物半導体からなる第１半導体層と、第１
半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が第１の窒化物半
導体よりも小さい第２の窒化物半導体からなる第２半導
体層と、第２半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が第
２の窒化物半導体よりも大きい第２導電型の第３の窒化
物半導体からなる第３半導体層とを備え、第１の窒化物
半導体又は第３の窒化物半導体はリンを含む。

【００２３】第１の半導体レーザ素子によると、第２半
導体層は、禁制帯の幅が該第２の半導体層よりも大きい
第１導電型の第１半導体層及び第２導電型の第３半導体
層により上下方向から挟まれるように形成されているた
め、第２の半導体層は第１半導体層及び第２半導体層か
らそれぞれ供給されるキャリア同士の再結合光を生成す
る活性層に相当し、第１半導体層及び第３半導体層は活
性層にキャリア及び再結合光を閉じ込めるクラッド層又
は光ガイド層に相当する。従って、第１半導体層又は第
３半導体層がリン（Ｐ）を含むため、禁制帯の幅を大き
く維持したまま価電子帯の上端部及び伝導帯の下端部を
高エネルギー側（上方）にシフトさせることができる。

【００２４】第１の半導体レーザ素子において、第１導
電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であり、第１の窒
化物半導体の組成がＡｌＧａＮ_1-x Ｐ_x であり、第３の
窒化物半導体の組成がＡｌＧａＮ_1-y Ｐ_y （但し、ｘ及
びｙは０≦ｘ≦ｙである。）であることが好ましい。こ
のようにすると、ｐ型の第３半導体層のリンの組成がｎ
型の第１半導体層のリンの組成と比べて大きいため、価
電子帯の上端部の上方へのシフトがより大きくなる。こ
のため、アクセプタ準位と価電子帯の上端部とのエネル
ギーギャップをより小さくできる。

【００２５】この場合に、ｎ型の第１の窒化物半導体の
組成がＡｌＧａＮであることが好ましい。このようにす
ると、ドナー準位と伝導帯の下端部とのエネルギーギャ
ップが大きくなることを防止できるため、紫外領域の発
振波長を確実に出力できるようになる。

【００２６】本発明に係る第２の半導体レーザ素子は、
前記第１の目的を達成し、基板上に形成された第１導電
型の第１の窒化物半導体からなる第１半導体層と、第１
半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が第１の窒化物半
導体よりも小さい第２の窒化物半導体からなる第２半導
体層と、第２半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が第
２の窒化物半導体よりも大きい第２導電型の第３の窒化
物半導体からなる第３半導体層とを備え、第１の窒化物
半導体又は第３の窒化物半導体はヒ素を含む。

【００２７】第２の半導体レーザ素子によると、第１の
半導体レーザ素子と同様に、第１半導体層又は第３半導
体層がヒ素（Ａｓ）を含むため、禁制帯の幅を大きく維
持したまま価電子帯の上端部及び伝導帯の下端部を高エ
ネルギー側にシフトさせることができる。

【００２８】第２の半導体レーザ素子において、第１導
電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であり、第１の窒
化物半導体の組成がＡｌＧａＮ_1-x Ａｓ_x であり、第３
の窒化物半導体の組成がＡｌＧａＮ_1-y Ａｓ_y （但し、
ｘ及びｙは０≦ｘ≦ｙである。）であることが好まし
い。このようにすると、ｐ型の第３半導体層のヒ素の組
成がｎ型の第１半導体層のヒ素の組成と比べて大きいた
め、価電子帯の上端部の上方へのシフトがより大きくな
る。このため、アクセプタ準位と価電子帯の上端部との
エネルギーギャップをより小さくできる。

【００２９】この場合に、ｎ型の第１の窒化物半導体の
組成がＡｌＧａＮであることが好ましい。このようにす
ると、ドナー準位と伝導帯の下端部とのエネルギーギャ
ップが大きくなることを防止できるため、紫外領域の発
振波長を確実に出力できるようになる。

【００３０】本発明に係る第３の半導体レーザ素子は、
前記第２の目的を達成し、基板上に形成された第１導電
型の第１の窒化物半導体からなる第１半導体層と、第１
半導体層の上に形成され、ガリウムを含み且つ禁制帯の
幅が第１の窒化物半導体よりも小さい第２の窒化物半導
体からなる第２半導体層と、第２半導体層の上に形成さ
れ、禁制帯の幅が第２の窒化物半導体よりも大きい第２
導電型の第３の窒化物半導体からなる第３半導体層とを
備え、第１の窒化物半導体及び第３の窒化物半導体は、
その格子定数が窒化ガリウムの格子定数とほぼ一致する
ような組成を有している。

【００３１】第３の半導体レーザ素子によると、ガリウ
ムを含み且つ禁制帯の幅が第１の窒化物半導体よりも小
さい第２の窒化物半導体からなる第２半導体層が実質的
に活性層となる。従って、クラッド層又はガイド層に相
当する第１半導体層及び第３半導体層は、その格子定数
が窒化ガリウムの格子定数とほぼ一致するような組成を
有しているため、結晶成長時に格子定数の差異に起因す
る応力が生じない。

【００３２】第１〜３の半導体レーザ素子において、第
１の窒化物半導体又は第３の窒化物半導体の禁制帯の幅
は４ｅＶ以上であることが好ましい。

【００３３】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の第１
の実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００３４】図１は本発明の第１の実施形態に係る多重
量子井戸型窒化物半導体レーザ素子の断面構成を示して
いる。ここでは、レーザ素子の構成をダブルへテロ接合
を形成する各半導体層の製造方法として説明する。

【００３５】図１に示すように、まず、有機金属気相成
長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、例えば、面方位が（００
０１）面のサファイアからなる基板１１上に、基板１１
と該基板１１上に成長する窒化物半導体結晶との格子定
数の不整合を緩和して結晶欠陥が少ない半導体層を得る
ためのＧａＮからなるバッファ層１２と、Ｓｉをｎ型ド
ーパントとする低抵抗のｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタ
クト層１３と、後述する活性層に電子及び生成光を閉じ
込めるｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなるｎ型クラッド層
１４と、活性層に生成光を閉じ込め易くするｎ型Ａｌ
_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるｎ型光ガイド層１５とを順次成
長させる。

【００３６】続いて、ｎ型光ガイド層１５の上に、Ａｌ
_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎからなる井戸層とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎと
からなる障壁層とを交互に積層することにより、閉じ込
められた電子及び正孔が再結合してなる生成光を生成す
る多重量子井戸活性層１６と、Ｍｇをｐ型ドーパントと
し、活性層１６に生成光を閉じ込め易くするｐ型Ａｌ
_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるｐ型光ガイド層１７と、活性層
１６に正孔及び生成光を閉じ込めるｐ型Ａｌ_0.4 Ｇａ
_0.6 Ｎ_0.98Ｐ_0.02からなるｐ型クラッド層１８と、低抵
抗のｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１９とを順次
成長させる。これにより、活性層１６が上下方向から、
該活性層１６よりもエネルギーギャップが大きいｎ型ク
ラッド層１４及びｐ型クラッド層１８により挟まれてな
るダブルヘテロ接合部を有するエピタキシャル層を形成
する。

【００３７】エピタキシャル層を形成した後、ｐ型コン
タクト層１９及びｐ型クラッド層１８における素子形成
領域に対して選択的にドライエッチングを行なうことに
より、幅が５μｍ程度で上部がｐ型コンタクト層１９か
らなる畝状のリッジストライプ部１８ａを形成する。

【００３８】次に、リッジストライプ部１８ａのｐ型コ
ンタクト層１９上に、ＮｉとＡｕとの積層体からなるｐ
側電極２０を選択的に形成し、その後、エピタキシャル
層の素子形成領域をマスクして、ｎ型コンタクト層１３
が露出するまでドライエッチングを行なうことにより、
ｎ型コンタクト層１３の上面にｎ側電極形成領域を形成
し、続いて、ｎ型コンタクト層１３上のｎ側電極形成領
域にＴｉとＡｌとの積層体からなるｎ側電極２１を選択
的に形成する。

【００３９】次に、ｐ型クラッド層１８上におけるリッ
ジストライプ部１８ａの両側部分及び素子形成領域の側
面にシリコン酸化膜等からなる保護絶縁膜２２を形成す
る。

【００４０】次に、保護絶縁膜２２上のｐ側電極２０を
含む領域に該ｐ側電極２０と電気的に接続される配線電
極２３を形成することにより、図１に示す窒化物半導体
レーザ素子を得る。

【００４１】以下、前記のように構成された半導体レー
ザ素子の動作及びその動作特性について図面を参照しな
がら説明する。

【００４２】本実施形態に係る半導体レーザ素子の多重
量子井戸活性層１６の実効的なエネルギーギャップは約
４ｅＶである。そこで、ｎ側電極２１を接地し、ｐ側電
極２０に所定電圧を印加すると、活性層１６に対して、
ｐ側電極２０からは正孔が、ｎ側電極２１からは電子が
それぞれ注入され、活性層１６において光学利得を生じ
ることにより、発振波長が約３１０ｎｍのレーザ発振が
生じる。

【００４３】図２は本実施形態に係る半導体レーザ素子
を構成するＡｌＧａＮＰからなる窒化物半導体における
Ａｌ及びＰの各組成比とエネルギーギャップとの関係を
表わしている。図２に示すように、Ａｌの組成比が０．
３でＰの組成比が０のｎ型クラッド層１４及びＡｌの組
成比が０．４でＰの組成比が０．０２のｐ型クラッド層
１８は、共にエネルギーギャップの大きさが約４．４ｅ
Ｖとなっており、電子及び正孔を活性層１６に確実に閉
じ込めることができる。

【００４４】図３は本実施形態に係る半導体レーザ素子
を構成するＡｌＧａＮＰからなる窒化物半導体における
Ａｌ及びＰの各組成比と価電子帯上端部のエネルギーＥ
ｖとの関係をベガード則に基づいて算出した結果を表わ
している。図３において、縦軸上の０ｅＶはＡｌの組成
比ｘ及びＰの組成比ｙが共に０の場合であって、ＧａＮ
結晶における価電子帯の上端部のエネルギーＥｖを表わ
している。

【００４５】図３に示すように、Ａｌの組成比が０．４
でＰの組成比が０の場合は、ＧａＮ混晶と比べて価電子
帯上端部のエネルギーＥｖが０．１７ｅＶだけ低下す
る。これにより、アクセプタ準位は０．１７ｅＶだけ深
くなる。しかしながら、本実施形態においては、ｐ型ク
ラッド層１８としてＡｌの組成比が０．４でＰの組成比
が０．０２のＡｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎ_0.98Ｐ_0.02を用いてい
るため、ＧａＮ混晶の価電子帯上端部のエネルギーＥｖ
とほとんど差がなく、逆にアクセプタ準位は若干浅くさ
えなっている。

【００４６】ここで、本実施形態の特徴であるｎ型クラ
ッド層１４及びｐ型クラッド層１８に対する不純物ドー
ピングについて説明する。

【００４７】ｎ型クラッド層１４は、ｎ型ドーパントと
してＳｉを用いることにより、１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度の
キャリア濃度を実現できる。

【００４８】また、図３に示すように、III-Ｖ族窒化物
半導体からなるｐ型クラッド層１８は、該ｐ型クラッド
層１８に対してＶ族のリン（Ｐ）をその組成に加えるこ
とによって、ｐ型ドーパントであるＭｇにより生成され
るアクセプタ準位ＥａをＧａＮとほぼ同等の０．１５ｅ
Ｖ程度にできる。

【００４９】図３から分かるように、III-Ｖ族窒化物半
導体においてＡｌの組成が大きくなると、価電子帯の上
端部のエネルギーＥｖが低エネルギー側（下方に）ずれ
る。しかしながら、本実施形態においては、図２及び図
３に示すように、リンを添加することにより、４ｅＶ以
上のエネルギーギャップを維持したまま、価電子帯の上
端部のエネルギーＥｖを高エネルギー側（上方）にシフ
トさせることができ、これにより、アクセプタの活性化
率を向上させている。

【００５０】一般に、正孔の熱的な活性化率ｐを単純に
表現すると、 ｐ＝ｅｘｐ｛−（Ｅａ−Ｅｖ）／ｋＴ｝ のように表わすことができる。ここで、Ｅａはアクセプ
タ準位を表わし、Ｅｖは価電子帯上端部のエネルギーを
表わし、ｋはボルツマン定数を表わし、Ｔは絶対温度を
表わしている。実際には、これほど単純ではないが、ア
クセプタ準位Ｅａと価電子帯Ｅｖとの差が大きくなる
と、ｐ型ドーパントの活性化率ｐが急激に低下すること
に変わりはない。

【００５１】図３に示すように、Ａｌの組成ｘが大きく
なるほど価電子帯上端部のエネルギーＥｖが小さくなる
ため、アクセプタ準位Ｅａと価電子帯上端部のエネルギ
ーＥｖの差である不純物深さが増大して活性化率ｐが小
さくなってしまう。

【００５２】そこで、前述したように、本実施形態にお
いては、III-Ｖ族窒化物半導体のＶ族元素にリンを加
え、さらにリンの組成比ｙを最適化することにより、価
電子帯上端部のエネルギーＥｖを高エネルギー側へシフ
トさせる。これにより、アクセプタ準位Ｅａと価電子帯
Ｅｖとの差（Ｅａ−Ｅｖ）を小さくしている。

【００５３】ところで、図２に示すように、ＡｌＧａＮ
からなる窒化物半導体にＰを添加すると、エネルギーギ
ャップも小さくなるため、所定のエネルギーギャップを
得るためにはＡｌの組成比を大きくする必要がある。

【００５４】このように、本実施形態によると、Ａｌを
含むIII-Ｖ族窒化物半導体に対してＡｌの組成比を大き
くすることにより所定のエネルギーギャップを維持し且
つＰをその組成に加えることにより、アクセプタ準位Ｅ
ａと価電子帯Ｅｖとの差を小さくできる。これにより、
アクセプタの熱的な活性化率が高くなり、紫外領域の発
振波長に相当するエネルギーギャップを持つ活性層１６
を動作させるのに必要なｐ型クラッド層１８を得ること
ができる。

【００５５】なお、紫外領域の発振波長を得る場合に
は、ｎ型クラッド層１４にＰを添加するとドナー準位が
逆に深くなり、ドナーの活性化率が若干低下するため、
ｎ型クラッド層１４においてはＰの組成を小さくするの
が好ましく、さらにはＰを添加しないＡｌＧａＮを用い
るのが好ましい。

【００５６】但し、発振波長が青色程度の、発振波長が
比較的長い場合には、ｎ型クラッド層１４をｐ型クラッ
ド層１８と同じ４元混晶とすると、結晶成長装置の運用
上の理由からレーザ素子の製造が容易となる。従って、
レーザ光の発振波長に応じて、すなわち用途に応じてｎ
型クラッド層１４の組成を決定すればよい。

【００５７】以上説明したように、アルミニウム（Ａ
ｌ）を含むIII-Ｖ族窒化物半導体の組成にリン（Ｐ）を
加えることにより、所定のエネルギーギャップを維持し
たまま、浅いアクセプタ準位を生成できる。その結果、
ｐ型ＡｌＧａＮＰからなる混晶をダブルへテロ型半導体
レーザ素子のｐ型クラッド層に用いると、紫外領域にま
で及ぶ短波長領域において発振可能な半導体レーザ素子
を実現できる。

【００５８】なお、活性層１６よりもエネルギーギャッ
プが大きいｎ型光ガイド層１５及びｐ型光ガイド層１７
に対して、特にｐ型光ガイド層１７に対してその組成に
リン（Ｐ）を加えてもよい。 （第２の実施形態）以下、本発明の第２の実施形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００５９】図４は本発明の第２の実施形態に係る多重
量子井戸型窒化物半導体レーザ素子の断面構成を示して
いる。図４において、図１に示す構成部材と同一の構成
部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

【００６０】図４に示すように、本実施形態において
は、ｐ型クラッド層２８が、Ｍｇがドープされたｐ型Ａ
ｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎ_0.98Ａｓ_0.02からなる半導体層により
形成されている。

【００６１】図５は本実施形態に係る半導体レーザ素子
を構成するＡｌＧａＮＡｓからなる窒化物半導体におけ
るＡｌ及びＡｓの各組成比とエネルギーギャップとの関
係を表わしている。また、図６は本実施形態に係る半導
体レーザ素子を構成するＡｌＧａＮＡｓからなる窒化物
半導体におけるＡｌ及びＡｓの各組成比と価電子帯上端
部のエネルギーＥｖとの関係をベガード則に基づいて計
算した結果を表わしている。

【００６２】図５に示すように、ｐ型クラッド層２８は
Ａｌの組成比が０．４で且つＡｓの組成比が０．０２で
あるため、エネルギーギャップの大きさは４．３ｅＶ程
度となっており、電子及び正孔を活性層１６に閉じ込め
ることができる。

【００６３】さらに、図６に示すように、アクセプタ準
位Ｅａと価電子帯上端部のエネルギーＥｖとの差（Ｅａ
−Ｅｖ）は、Ａｓの組成比が０の場合よりも小さくなっ
ている。

【００６４】従って、第１の実施形態と同様に、アルミ
ニウム（Ａｌ）を含むIII-Ｖ族窒化物半導体の組成にヒ
素（Ａｓ）を加えると共に、Ａｌの組成比を０．４程度
と高めに設定することにより、所定のエネルギーギャッ
プを維持したまま、Ａｓを含まない場合と比べて浅いア
クセプタ準位を生成できる。その結果、ｐ型ＡｌＧａＮ
Ａｓからなる混晶をダブルへテロ型半導体レーザ素子の
ｐ型クラッド層に用いると、紫外領域にまで及ぶ短波長
領域で発振可能な半導体レーザ素子を実現できる。

【００６５】なお、紫外領域の発振波長を得る場合に
は、ｎ型クラッド層１４にＡｓを加えるとドナーの活性
化率が若干低下するため、ｎ型クラッド層１４における
Ａｓの組成を小さくするのが好ましく、さらにはＡｓを
添加しない方が好ましい。

【００６６】但し、発振波長が青色程度の、発振波長が
比較的長い場合には、ｎ型クラッド層１４をｐ型クラッ
ド層２８と同じ４元混晶とすると、レーザ素子の製造が
容易となる。従って、用途に応じてｎ型クラッド層１４
の組成を決定すればよい。

【００６７】また、活性層１６よりもエネルギーギャッ
プが大きいｎ型光ガイド層１５及びｐ型光ガイド層１７
に対して、特にｐ型光ガイド層１７に対してその組成に
ヒ素（Ａｓ）を加えてもよい。 （第３の実施形態）以下、本発明の第３の実施形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００６８】図７は本発明の第３の実施形態に係る多重
量子井戸型窒化物半導体レーザ素子の断面構成を示して
いる。図７において、図１に示す構成部材と同一の構成
部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

【００６９】図７に示すように、本実施形態において
は、ｎ型クラッド層３４が、Ｓｉがドープされたｎ型Ａ
ｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎ_0.98Ｐ_0.02からなる半導体層により形
成され、ｐ型クラッド層３８が、Ｍｇがドープされたｐ
型Ａｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎ_0.98Ｐ_{0. 02}からなる半導体層によ
り形成されている。

【００７０】ここでも、第１の実施形態と同様に、多重
量子井戸活性層１６の実効的なエネルギーギャップは約
４ｅＶである。従って、活性層１６から出力されるレー
ザ光の発振波長は約３１０ｎｍとなる。

【００７１】図２に示すように、ｎ型クラッド層３４及
びｐ型クラッド層３８のエネルギーギャップの大きさ
は、共に４．４ｅＶ程度であり、電子及び正孔を活性層
１６に確実に閉じ込めることができる。

【００７２】第１の実施形態及び第２の実施形態におい
ては、Ａｌを含むIII-Ｖ族窒化物半導体レーザ素子にお
いて、ｐ型半導体層のアクセプタの活性化率を向上させ
る構成を説明したが、本実施形態はＡｌを含むIII-Ｖ族
窒化物半導体レーザ素子における半導体結晶の結晶品質
を向上させる構成を説明する。

【００７３】前述したように、Ａｌを含むIII-Ｖ族窒化
物半導体において、例えば、比較的厚い膜厚を必要とす
るクラッド層が、エネルギーギャップを大きくするため
のＡｌを多く含むと、クラッド層にクラックが生じ易く
なる。従って、クラッド層自体の膜厚は、Ａｌの組成比
を大きくする程クラックが生じない程度に制限されてし
まう。

【００７４】クラックが生じる理由は、Ａｌの組成比を
大きくすると、Ａｌを含むIII-Ｖ族窒化物半導体の格子
定数とIII-Ｖ族窒化物半導体の主要な半導体である窒化
ガリウム（ＧａＮ）との格子定数と差が拡大するからで
ある。

【００７５】図８は本実施形態に係る半導体レーザ素子
を構成するＡｌＧａＮＰからなる窒化物半導体における
Ａｌ及びＰの各組成比と格子定数との関係を表わしてい
る。図８において、縦軸上の白丸印はＡｌの組成比ｘ及
びＰの組成比ｙが共に０の場合であって、ＧａＮ結晶の
格子定数を表わしている。

【００７６】図８に示すように、本半導体レーザ素子の
クラッド層３４、３８はＡｌの組成比が０．４でＰの組
成比が０．０２であるため、各クラッド層３４、３８の
格子定数は、ＧａＮ結晶の格子定数である３．１９Åと
ほぼ一致している。従って、結晶成長時において、ｎ型
コンタクト層１３とｎ型クラッド層３４との間、及びｐ
型コンタクト層１９とｐ型クラッド層３８との間でそれ
ぞれ応力が生じないため、クラック等の格子欠陥を抑制
でき、高品質の半導体結晶を得ることができる。

【００７７】このように、本実施形態によると、ワイド
ギャップ半導体からなる窒化物半導体レーザ素子におい
て、エネルギーギャップを大きくする必要があるクラッ
ド層が、格子欠陥が極めて少ない高品質の半導体結晶か
らなるため、長寿命で且つ低しきい値電流で動作するよ
うになり、高性能な短波長半導体レーザ素子を実現でき
る。

【００７８】なお、図９はＡｌＧａＮＡｓからなる窒化
物半導体におけるＡｌ及びＡｓの各組成比と格子定数と
の関係を表わしている。従って、図７に示すｎ型クラッ
ド層３４として、ｎ型Ａｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎ_0.98Ａｓ_0.02
からなる半導体層を用いると共に、ｐ型クラッド層３８
として、ｐ型Ａｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎ_0.98Ａｓ_0.02からなる
半導体層を用いた場合であっても、各クラッド層３４、
３８の格子定数を、ＧａＮ結晶の格子定数とほぼ一致さ
せることができる。

【００７９】

【発明の効果】本発明に係る第１の半導体レーザ素子に
よると、第１半導体層又は第３半導体層がリン（Ｐ）を
含むため、禁制帯の幅を大きく維持したまま価電子帯の
上端部及び伝導帯の下端部を高エネルギー側にシフトさ
せることができるので、第１半導体層及び第３半導体層
のうちアクセプタがドープされた半導体層においてアク
セプタ準位を小さくできる。これにより、第１半導体層
又は第３半導体層の正孔の活性化率を大きくできるた
め、紫外領域にまで及ぶ波長に相当するエネルギーギャ
ップを持つ第２半導体層（活性層）において、第１半導
体層又は第３半導体層によりキャリアを確実に閉じ込め
ることができるので、紫外領域にまで及ぶ短波長のレー
ザ光を確実に発振できる。

【００８０】第１の半導体レーザ素子において、第１導
電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であり、第１の窒
化物半導体の組成がＡｌＧａＮ_1-x Ｐ_x であり、第３の
窒化物半導体の組成がＡｌＧａＮ_1-y Ｐ_y （但し、ｘ及
びｙは０≦ｘ≦ｙである。）であると、ｐ型の第３半導
体層のリンの組成がｎ型の第１半導体層のリンの組成と
比べて大きいため、価電子帯の上端部の上方へのシフト
がより大きくなるので、アクセプタ準位と価電子帯の上
端部とのエネルギーギャップを小さくできる。また、第
２半導体層に対して基板側にｎ型の第１半導体層を形成
し、第２半導体層に対して基板と反対側にｐ型半導体層
を形成しているため、形成された半導体結晶の品質が向
上する。

【００８１】本発明に係る第２の半導体レーザ素子によ
ると、本発明の第１の半導体レーザ素子と同様に、第１
半導体層又は第３半導体層がヒ素（Ａｓ）を含むため、
禁制帯の幅を大きく維持したまま価電子帯の上端部及び
伝導帯の下端部を高エネルギー側にシフトさせることが
できるので、第１半導体層及び第３半導体層のうちアク
セプタがドープされた半導体層においてアクセプタ準位
を小さくできる。これにより、第１半導体層又は第３半
導体層の正孔の活性化率を大きくできるため、紫外領域
にまで及ぶ短波長のレーザ光を確実に発振できる。

【００８２】本発明に係る第３の半導体レーザ素子によ
ると、結晶成長時に格子定数の差異に起因する応力が生
じないため、第１半導体層又は第３半導体層を相対的に
大きい膜厚が必要なクラッド層に用いる場合であって
も、該第１半導体層又は第３半導体層にクラックが生じ
にくくなり、半導体結晶の品質が向上するので、長期信
頼性を向上させることができる。

【００８３】第１〜３の半導体レーザ素子において、第
１の窒化物半導体及び第３の窒化物半導体の禁制帯の幅
は４ｅＶ以上であると、発振波長が紫外領域にまで及ぶ
レーザ光を出力できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る多重量子井戸型
窒化物半導体レーザ素子を示す構成断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するＡｌＧａＮＰからなる窒化物半導体におけ
るＡｌ及びＰの各組成比とエネルギーギャップとの関係
を表わすグラフである。

【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するＡｌＧａＮＰからなる窒化物半導体におけ
るＡｌ及びＰの各組成比と価電子帯上端部のエネルギー
Ｅｖとの関係を表わすグラフである。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る多重量子井戸型
窒化物半導体レーザ素子を示す構成断面図である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するＡｌＧａＮＡｓからなる窒化物半導体にお
けるＡｌ及びＡｓの各組成比とエネルギーギャップとの
関係を表わすグラフである。

【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するＡｌＧａＮＡｓからなる窒化物半導体にお
けるＡｌ及びＡｓの各組成比と価電子帯上端部のエネル
ギーＥｖとの関係を表わすグラフである。

【図７】本発明の第３の実施形態に係る多重量子井戸型
窒化物半導体レーザ素子を示す構成断面図である。

【図８】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するＡｌＧａＮＰからなる窒化物半導体におけ
るＡｌ及びＰの各組成比と格子定数との関係を表わすグ
ラフである。

【図９】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するＡｌＧａＮＡｓからなる窒化物半導体にお
けるＡｌ及びＡｓの各組成比と格子定数との関係を表わ
すグラフである。

【図１０】従来の多重量子井戸型窒化物半導体レーザ素
子を示す構成断面図である。

【図１１】ｐ型窒化ガリウムとｐ型窒化アルミニウムと
の各エネルギー準位を示す図である。

【符号の説明】

１１ 基板 １２ バッファ層 １３ ｎ型コンタクト層 １４ ｎ型クラッド層 １５ ｎ型光ガイド層 １６ 多重量子井戸活性層 １７ ｐ型光ガイド層 １８ ｐ型クラッド層 １８ａ リッジストライプ部 １９ ｐ型コンタクト層 ２０ ｐ側電極 ２１ ｎ側電極 ２２ 保護絶縁膜 ２３ 配線電極 ２８ ｐ型クラッド層 ３４ ｎ型クラッド層 ３８ ｐ型クラッド層

フロントページの続き (72)発明者 木戸口 勲 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 伴 雄三郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 辻村 歩 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 長谷川 義晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 石橋 明彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 上山 智 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された第１導電型の第１の
   窒化物半導体からなる第１半導体層と、 前記第１半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
   １の窒化物半導体よりも小さい第２の窒化物半導体から
   なる第２半導体層と、 前記第２半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
   ２の窒化物半導体よりも大きい第２導電型の第３の窒化
   物半導体からなる第３半導体層とを備え、前記第１の窒
   化物半導体又は前記第３の窒化物半導体はリンを含むこ
   とを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 前記第１導電型はｎ型であり、前記第２
   導電型はｐ型であり、前記第１の窒化物半導体の組成は
   ＡｌＧａＮ_1-x Ｐ_x であり、前記第３の窒化物半導体の
   組成はＡｌＧａＮ_1-y Ｐ_y （但し、ｘ及びｙは０≦ｘ≦
   ｙである）であることを特徴とする請求項１に記載の半
   導体レーザ素子。
3. 【請求項３】 基板上に形成された第１導電型の第１の
   窒化物半導体からなる第１半導体層と、 前記第１半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
   １の窒化物半導体よりも小さい第２の窒化物半導体から
   なる第２半導体層と、 前記第２半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
   ２の窒化物半導体よりも大きい第２導電型の第３の窒化
   物半導体からなる第３半導体層とを備え、前記第１の窒
   化物半導体又は前記第３の窒化物半導体はヒ素を含むこ
   とを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記第１導電型はｎ型であり、前記第２
   導電型はｐ型であり、前記第１の窒化物半導体の組成は
   ＡｌＧａＮ_1-x Ａｓ_x であり、前記第３の窒化物半導体
   の組成はＡｌＧａＮ_1-y Ａｓ_y （但し、ｘ及びｙは０≦
   ｘ≦ｙである）であることを特徴とする請求項３に記載
   の半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】 基板上に形成された第１導電型の第１の
   窒化物半導体からなる第１半導体層と、 前記第１半導体層の上に形成され、ガリウムを含み且つ
   禁制帯の幅が前記第１の窒化物半導体よりも小さい第２
   の窒化物半導体からなる第２半導体層と、 前記第２半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
   ２の窒化物半導体よりも大きい第２導電型の第３の窒化
   物半導体からなる第３半導体層とを備え、 前記第１の窒化物半導体及び第３の窒化物半導体は、そ
   の格子定数が窒化ガリウムの格子定数とほぼ一致するよ
   うな組成を有していることを特徴とする半導体レーザ素
   子。
6. 【請求項６】 前記第１の窒化物半導体及び第３の窒化
   物半導体の組成は、ＡｌＧａＮＰ又はＡｌＧａＮＡｓで
   あることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素
   子。
7. 【請求項７】 前記第１の窒化物半導体又は第３の窒化
   物半導体の禁制帯の幅は４ｅＶ以上であることを特徴と
   する請求項１、３及び５のいずれか１項に記載の半導体
   レーザ素子。