JP2000208875A

JP2000208875A - 多重量子井戸構造半導体発光素子

Info

Publication number: JP2000208875A
Application number: JP715699A
Authority: JP
Inventors: Megumi Doumen; 恵堂免
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】多重量子井戸構造半導体発光素子に関し、多
重量子井戸活性層の結晶性に影響を与えることなく、ホ
ールの注入効率及び多重量子井戸活性層中におけるホー
ルの分布の均一性を改善する。【解決手段】ナイトライド系化合物半導体を用いた多
重量子井戸構造半導体発光素子の多重量子井戸活性層１
を構成する障壁層３のｐ型不純物濃度を、７×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多重量子井戸構造半
導体発光素子に関するものであり、特に、ナイトライド
系化合物半導体からなる短波長半導体レーザにおける正
孔の不均一注入を改善するための多重量子井戸構造及び
その近傍の層の不純物濃度に特徴がある多重量子井戸構
造半導体発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、短波長半導体レーザは、光ディス
クやＤＶＤ等の光源として用いられているが、光ディス
クの記録密度はレーザ光の波長の二乗に反比例するた
め、より短い波長の半導体レーザが要請されており、現
在商品化されている最短波長の半導体レーザは６３０〜
６５０ｎｍ近傍に波長を有する赤色半導体レーザであ
り、一昨年発売されたＤＶＤに用いられている。

【０００３】しかし、より記録密度を高めるためにはさ
らなる短波長化が必要であり、例えば、光ディスクに動
画を２時間記録するためには波長が４００ｎｍ近辺の青
色半導体レーザが不可欠となり、そのため、近年では次
世代光ディスク用光源として、青色領域に波長を有する
短波長半導体レーザの開発が盛んになされている。

【０００４】この様な青色半導体レーザ用材料として
は、ＧａＮ系化合物半導体が注目されており、特に、１
９９３年末の日亜化学によるＧａＮ高輝度ＬＥＤの発表
を境に、ＺｎＳｅ系でネックになっている信頼性に関し
て耐環境性に優れるＧａＮが見直され、世界中で研究者
の大きな増加を見ている。

【０００５】次いで、１９９５年１２月初めには、同じ
く日亜化学によりパルスレーザ発振の成功が報告されて
以来、急速に研究が進み、現在、室温連続発振（ＣＷ発
振）において、７０００時間の発振持続時間が報告され
ている。

【０００６】この様な従来の短波長半導体レーザは、例
えば、（０００１）面を主面とするサファイア基板上
に、低温ＧａＮバッファ層を介して、ｎ型ＧａＮバッフ
ァ層、ｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ
_0.85Ｎクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ
ＭＱＷ活性層、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、ｐ型ＧａＮ
光ガイド層、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層、及
び、ｐ型ＧａＮコンタクト層をＭＯＶＰＥ法（有機金属
気相成長法）によって順次エピタキシャル成長させたの
ち、ドライ・エッチングによりｎ型ＧａＮバッファ層の
一部を露出させて、Ｔｉ／Ａｕからなるｎ側電極を設け
ると共に、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にはＮｉ／Ａｕか
らなるｐ側電極を設け、次いで、ドライ・エッチングを
施して共振器面となる一対の平行な端面を形成するもの
であり、この様な構成によってパルスレーザ発振に成功
している（必要ならば、Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａｅｔ
ａｌ．，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡ
ｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．３５，ｐ．Ｌ
７４，１９９６参照）。

【０００７】しかし、この様なサファイア基板を用いた
ＭＱＷ構造短波長半導体レーザの場合、しきい値電流密
度Ｊ_thが３．６ｋＡ／ｃｍ²程度と、非常に大きいとい
う問題があり、これは基板のサファイアに劈開性がない
ことが一因となる。

【０００８】そこで、本出願人等は、基板として劈開性
を有し、且つ、結晶構造が似ているＳｉＣ基板を用いて
ナイトライド系ＭＱＷ構造半導体レーザを構成すること
によってレーザ発振に成功しているので、ここで、図４
を参照して、この様な従来のＭＱＷ半導体レーザを説明
する。なお、図４（ａ）は、本出願人による従来のＭＱ
Ｗ半導体レーザの概略的な斜視図であり、また、図４
（ｂ）は図４（ａ）において破線の円で示すＭＱＷ活性
層近傍の層構造を模式的に示す拡大図である。図４（ａ）参照まず、（０００１）面、即ち、ｃ面を主面とする六方晶
の６Ｈ−ＳｉＣからなるｎ型ＳｉＣ基板３１上に、有機
金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ｎ型ＡｌＧ
ａＮバッファ層３２、ｎ型ＧａＮ中間層３３、ｎ型Ａｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層３４、アンドープＧａＮ光ガ
イド層３５、ＭＱＷ活性層３６、アンドープＧａＮ光ガ
イド層３９、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層４０、
及び、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１を順次成長させる。

【０００９】図４（ｂ）参照なお、この場合のＭＱＷ活性層３６は、厚さが、例え
ば、３ｎｍのアンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバリア層３
８で分離された厚さが、例えば、４ｎｍのアンドープＩ
ｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎウエル層３７を、例えば、５層成長さ
せて形成する。

【００１０】次いで、ｎ型ＳｉＣ基板３１の裏面にはｎ
側電極として厚さＮｉ電極４２を設けると共に、ｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層４１上にはｐ側電極として幅Ｗが３μ
ｍのＮｉ電極４３を設け、共振器長Ｌが７００μｍとな
るように素子分割することによってＭＱＷ半導体レーザ
が完成する。

【００１１】しかし、この様にＳｉＣ基板を用いたＭＱ
Ｗ半導体レーザにおいても、依然としてしきい値電流密
度Ｊ_thの高さは問題となる。それは、基板の劈開性の問
題のほかに、ＧａＮ系化合物半導体、即ち、ナイトライ
ド系化合物半導体という材料が、光学利得を発生するた
めには、本質的に大きなキャリア密度を必要とするため
である。

【００１２】即ち、従来、実用化されている半導体レー
ザは、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＩｎＧａＡｓ系等の閃亜鉛
鉱型結晶構造のIII-Ｖ族化合物半導体を用いているのに
対して、ナイトライド系化合物半導体は、非常に大きな
禁制帯幅を有する六方晶ウルツ鉱構造であり、閃亜鉛鉱
型結晶材料とは全く異なった物性を有しているためであ
る。

【００１３】この様なナイトライド系化合物半導体の物
性上の大きな特徴は、六方晶であり結晶に異方性が存在
すること、禁制帯幅が大きく有効質量が大きいこと、ス
ピン軌道相互作用が小さく、価電子帯に、ＨＨ（Ｈｅａ
ｖｙＨｏｌｅ）、ＬＨ（ＬｉｇｈｔＨｏｌｅ）、及
び、ＣＨの３つのバンドが近接して存在することの三つ
が挙げられる。

【００１４】この内、有効質量が大きいことが主な原因
で、ｐ側ＳＣＨ（ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅ
ｎｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層、即ち、
ｐ側光ガイド層から活性層へのホールの注入効率が非常
に悪くなり、特に、活性層が多重量子井戸構造のＭＱＷ
活性層である場合、ホールの注入効率の悪さは量子井戸
層（ウエル層）間のホール密度の不均一を生み、レーザ
発振を非効率にすることになるので、この事情を図５及
び図６を参照して説明する。

【００１５】図５参照図５は、ＭＱＷ半導体レーザの発振時の素子膜厚方向の
ホール密度分布のシミュレーション結果を示す図であ
り、図から明らかなように、多重量子井戸活性層におけ
るホール密度がｐ側光ガイド層に近いほど大きく、不均
一になっていることが理解される。

【００１６】図６参照図６は、同じくＭＱＷ半導体レーザの発振時の素子膜厚
方向の電子密度分布のシミュレーション結果を示す図で
あり、図から明らかなように、ｎ側光ガイド層側から注
入される多重量子井戸活性層における電子密度もｐ側光
ガイド層に向かうほど大きく不均一になっていることが
理解され、これは上述のホール不均一注入が原因で、電
荷中性条件を満たすために電子がホールに引き寄せられ
る結果である。

【００１７】この様に、ホールと電子ともに同様の不均
一が起きていることによって、多重量子井戸構造中にお
ける光学利得の発生を著しく不均一にすることが予想さ
れるので、この事情を図７を参照して説明する。

【００１８】図７参照図７は、上述のナイトライド系化合物半導体を用いたＭ
ＱＷ半導体レーザの多重量子井戸中における光学利得分
布の説明図であり、ｐ型クラッド層側から第１番目の量
子井戸においてはｐ型クラッド層からのホールの供給が
多いため、大きな光学利得を有しているが、ｎ型クラッ
ド層側へ向かうにつれて光学利得は減少し、ｎ型クラッ
ド層側の２つの量子井戸においては光学利得を発生しな
いばかりか、光の損失が生じるという従来の閃亜鉛鉱型
結晶構造の半導体を用いたレーザと異なる特性となる。

【００１９】この様な光学利得の量子井戸層間の不均一
による光吸収層の発生は、二つの悪影響を与えることに
なり、第一は、光吸収層となっているｎ側の２つの量子
井戸層においても、図５及び図６から明らかなようにキ
ャリアが高密度に存在するため、発光再結合電流が大き
いことを意味し、ｐ側の３つの量子井戸層がレーザ発振
のしきい値フェルミレベルに達する電流量をｎ側の２つ
の量子井戸層が増加させる結果となる。

【００２０】第二に、ｎ側の２つの量子井戸層が光吸収
層であるために、レーザ発振するために克服すべき内部
ロスが増加し、しきい値フェルミレベルそのものが上昇
してしまうという悪影響が生ずることになる。

【００２１】図８参照図８は、多重量子井戸活性層における量子井戸層の数を
変えて実際に作製したＭＱＷ半導体レーザの光出力−電
流特性を示す図であり、この場合、全体の光閉じ込めを
一定にするために膜厚を変化させているが、５層の量子
井戸層からなる活性層を設けたＭＱＷ半導体レーザの方
が３層の量子井戸層からなる活性層を設けたＭＱＷ半導
体レーザの場合よりしきい値電流密度Ｊ_thが高く、且
つ、レーザ発振後の効率も悪いことがわかる。

【００２２】これは、半導体レーザの効率は内部量子効
率と内部ロスで決定されるため、ｎ側の２つの量子井戸
層が光吸収層になっていることによって、内部量子効率
及び内部ロスの両者が劣化していることが原因であると
考えられ、したがって、ナイトライド系化合物半導体を
用いたＭＱＷ半導体レーザの特性を改善するためには、
しきい値電流密度Ｊ_thを低減させることが必要になる
が、そのためには、上述のキャリアの不均一注入を改善
することが有効となる。

【００２３】そこで、本出願人は、ＡｌＧａＮエレクト
ロンブロック層をｐ型不純物により高濃度ドープするこ
とによってキャリアのオーバーフローが効果的に抑制で
きることを実験的に見出している。この理由は必ずしも
明らかではないが、エレクトロンブロック層の価電子帯
側に深い不純物準位が高濃度に形成され、この不純物準
位を介した不純物伝導（ｈｏｐｐｉｎｇｃｏｎｄｕｃ
ｔｉｏｎ）によって、ホールが効率的に活性層に注入さ
れるため、結果的にキャリアのオーバーフローが抑制さ
れると考えられる（必要ならば、特願平１０−２１５１
４７号参照）。この様に、障壁となる層へのｐ型不純物
の高濃度ドープによって、ホールの注入効率を改善する
ことができるものと考えられる。

【００２４】一般に、ＧａＮのキャリア濃度は、６００
〜９００℃の比較的低温成長においては、不純物濃度が
約５×１０¹⁹ｃｍ^-3近傍で最大の約１×１０¹⁸ｃｍ^-3に
なるにも拘わらず、７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、例えば、１
×１０²⁰ｃｍ^-3にすることによって、しきい値電流密度
Ｊ_thが改善されているので、この場合の伝導機構は閃亜
鉛鉱型結晶構造の従来材料とは全く異なったものである
と考えられる。

【００２５】即ち、ＧａＮよりさらにドーピングが困難
なＡｌＧａＮにおいては１０¹⁷ｃｍ ^-3程度のホール濃度
しか得られていないが、上述のようにｐ型不純物を７×
１０ ¹⁹ｃｍ^-3以上に高濃度ドーピングを行うことによっ
て、禁制帯中に多量のアクセプタ型不純物準位を導入
し、ホッピング伝導或いはトンネリング伝導によってホ
ールの伝導が容易になるものと考えられる。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の様なエ
レクトロンブロック層を始めとするｐ側のＡｌＧａＮ層
の不純物濃度を高めるだけではホールの注入効率は改善
されるものの、ＭＱＷ活性層内におけるキャリアの不均
一分布の改善は必ずしも十分ではなく、さらなる改善の
余地があると考えられる。

【００２７】そこで、検討するに、一般に、ＭＱＷ半導
体レーザにおけるキャリアの不均一注入を改善するため
には、多重量子井戸構造におけるウエル層の膜厚を薄く
すること、バリア層の厚さを薄くすること、及び、バリ
ア層の高さを低く、即ち、禁制帯幅を小さくすることが
有効であると考えられる。

【００２８】この内、ウエル層の膜厚は、レーザの光学
利得特性を大きく左右し、レーザ設計の最重要項目であ
るため、独立に変化させることは難しいという問題があ
り、また、ナイトライド系ＭＱＷ青色半導体レーザにお
いて、バリア層の禁制帯幅を小さくするということは、
バリア層中のＩｎ組成を増加することを意味することに
なるが、これは歪の増加をもたらし、結晶性が劣化する
ことになるので好ましくない。

【００２９】一方、バリア層の膜厚については、ナイト
ライド系化合物半導体を用いたＭＱＷ半導体レーザにお
いては、上述のようにキャリアの有効質量が大きいた
め、量子井戸からの波動関数の滲み出しが少なく、且
つ、バンド・ギャップの不均一性のため階段状の光学利
得分布がもともと若干なまっているため、バリア層の膜
厚を薄くすることが最善の手段であると考えられている
が、ＩｎＧａＮバリア層を薄くすると、ＩｎＧａＮ層の
成長は下地依存性等があるため、ＩｎＧａＮバリア層或
いはＩｎＧａＮウエル層の膜厚の不均一化をもたらし、
ＭＱＷ活性層自体の結晶性を微妙に変化させる虞があ
る。

【００３０】なお、しきい値電流密度Ｊ_th低下させるた
めに、ＭＱＷ活性層を構成するウエル層及びバリア層の少な
くとも一方をｎ型不純物によって、１×１０¹⁸〜１×１
０²²ｃｍ^-3にドープすること、或いは、ウエル層にＺｎを１×１０¹⁷〜１×１０²²ｃｍ^-3、例
えば、１×１０¹⁹ｃｍ^-3にドープし、バリア層をノン・
ドープにすること、或いは、ウエル層にＳｉを１×１０²⁰ｃｍ^-3とＺｎを１×１０
¹⁹ｃｍ^-3ドープし、バリア層をノン・ドープにすること
が提案されている（必要ならば、特開平１０−１２９６
９号公報参照）。

【００３１】しかし、上記の提案におけるの構成の場
合には、ｎ型不純物を高濃度にドープしたものであるの
でホールの伝導及び分布に直接寄与するものではなく、
且つ、〜の場合には、再結合発光の行われるウエル
層を高不純物濃度にしているので、再結合発光の行われ
るウエル層の結晶性の劣化が問題となり、さらに、上記
提案においては、ホッピング伝導或いはトンネリング伝
導に関する認識は全くなく、仮に、Ｚｎの高濃度ドープ
によりホールのホッピング伝導或いはトンネリング伝導
が生じていたとしても、それは、ウエル層においてであ
り、ホールに対する電位障壁となるバリア層においてで
はないので、ホールの注入に関しては本質的には従来と
同じ伝導機構であると考えられる。

【００３２】したがって、本発明は、多重量子井戸活性
層の結晶性に影響を与えることなく、ホールの注入効率
及び多重量子井戸活性層中におけるホールの分布の均一
性を改善することを目的とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。なお、図１は多
重量子井戸活性層近傍の層構造を示す図であり、図にお
ける符号５はｎ側光ガイド層を表す。図１参照（１）本発明は、ナイトライド系化合物半導体を用いた
多重量子井戸構造半導体発光素子において、多重量子井
戸活性層１を構成する障壁層３のｐ型不純物濃度を、７
×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることを特徴とする。

【００３４】この様に、多重量子井戸活性層１を構成す
る障壁層３、即ち、バリア層のｐ型不純物濃度を７×１
０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることによって、多重量子井戸活性
層１内におけるホールの移動を容易にすることができ、
それによって、多重量子井戸活性層１内におけるホール
の分布を均一にし、ひいては、電子の分布も均一にする
ことができる。なお、この場合の多重量子井戸活性層１
内におけるホールの移動もホッピング伝導或いはトンネ
ル伝導であると考えられ、また、高濃度ドープ層は再結
合発光が実効的に生じない障壁層３であるので、高濃度
ドープに伴う多重量子井戸活性層１の結晶性はあまり問
題とならない。

【００３５】（２）また、本発明は、ナイトライド系化
合物半導体を用いた多重量子井戸構造半導体発光素子に
おいて、多重量子井戸活性層１のｐ側に設けるｐ側光ガ
イド層４の少なくとも一部のｐ型不純物濃度を、７×１
０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることを特徴とする。

【００３６】一般に、多重量子井戸活性層１とｐ側光ガ
イド層４との接合界面、ｐ側光ガイド層４とｐ側エレク
トロンブロック層との接合界面、或いは、ｐ側光ガイド
層４とｐ型クラッド層との接合界面には、電子親和力と
禁制帯幅の和の差に起因するノッチが発生し、ホールの
注入に対する電位障壁となるが、ｐ側光ガイド層４、即
ち、ｐ側ＳＣＨ層の少なくとも一部のｐ型不純物濃度
を、７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることによって、ホッピ
ング伝導或いはトンネリング伝導によってノッチの障壁
を通過することが可能になる。

【００３７】また、ナイトライド系化合物半導体におい
てはピエゾ効果が大きいため、各隣接する層との間の歪
が圧縮歪／引張歪／圧縮歪／引張歪／・・・と交互に変
わるため、歪の向きの違いによってピエゾ効果による内
部電界が発生し、この内部電界がバンドの曲がり・傾き
に影響を与え、それが電位障壁となってホールの注入に
も影響を与えると考えられるが、ホッピング伝導或いは
トンネリング伝導によってホールの移動が容易になる効
果も期待できる。なお、この場合の「ｐ側光ガイド層４
の少なくとも一部」とは、ｐ側光ガイド層４が薄ければ
全体を高濃度ドーピングしても良いし、或いは、多重量
子井戸活性層１側、または、ｐ型クラッド層側の一部を
高濃度ドーピングしても良いし、或いは、多重量子井戸
活性層１側またはｐ型クラッド層側がより高濃度になる
ようにグレーデッドにドープしても良いことを意味す
る。

【００３８】（３）また、本発明は、上記（１）または
（２）において、多重量子井戸活性層１を構成する井戸
層２を、アンドープ層とすることを特徴とする。

【００３９】この様に、再結合発光の生じる多重量子井
戸活性層１を構成する井戸層２をアンドープ層としてい
るの、井戸層２自体の結晶性が劣化することがなく、し
たがって、多重量子井戸活性層１全体の結晶性の劣化が
問題となることはない。

【００４０】（４）また、本発明は、上記（１）乃至
（３）のいずれかにおいて、多重量子井戸活性層１とｐ
側光ガイド層４との間にｐ型エレクトロンブロック層を
設けるとともに、ｐ型エレクトロンブロック層のｐ型不
純物濃度を、７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることを特徴と
する。

【００４１】この様に、多重量子井戸活性層１とｐ側光
ガイド層４との間にｐ型エレクトロンブロック層を設け
た場合、ｐ型エレクトロンブロック層のｐ型不純物濃度
を、７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることによって、ｐ型エ
レクトロンブロック層自体或いはｐ型エレクトロンブロ
ック層の両側に発生するノッチはホールに対する電子障
壁となっても、ホッピング伝導或いはトンネリング伝導
によってホールの移動が容易になる。

【００４２】（５）また、本発明は、上記（１）乃至
（４）のいずれかにおいて、ｐ型不純物として、Ｍｇを
用いたことを特徴とする。

【００４３】この様に、ｐ型不純物としてＭｇを用いる
ことによって、Ｍｇ濃度を７×１０ ¹⁹ｃｍ^-3以上にする
ことによって、不純物準位によるホッピング伝導或いは
トンネリング伝導が可能になり、ホール濃度及びホール
の注入効率を確実に向上することができる。

【００４４】

【発明の実施の形態】ここで、図２を参照して本発明の
第１の実施の形態のＭＱＷ半導体レーザを説明する。な
お、図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ
半導体レーザの概略的な斜視図であり、また、図２
（ｂ）は図２（ａ）において破線の円で示すＭＱＷ活性
層近傍の層構造を模式的に示す拡大図である。図２（ａ）及び（ｂ）参照まず、（０００１）面、即ち、ｃ面を主面とする六方晶
の６Ｈ−ＳｉＣからなるｎ型ＳｉＣ基板１１上に、ＴＭ
Ｇａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルア
ルミニウム）、アンモニア、ドーパント源としてＳｉＨ
₄、及び、キャリアガスとしての水素を成長ガスとして
用いたＭＯＶＰＥ法によって、成長圧力を７０〜７６０
Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を８
００〜１２００℃、例えば、９５０℃とした状態で、厚
さ５０〜３００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｎ型ＡｌＧａ
Ｎバッファ層１２を成長させる。

【００４５】引き続いて、ＴＭＧａ、アンモニア、ドー
パント源としてＳｉＨ₄、及び、キャリアガスとして水
素を用いて、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏｒｒ、例え
ば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を８００〜１２００
℃、例えば、９２０℃とした状態で、厚さ０．１〜２．
０μｍ、例えば、０．５μｍで、キャリア濃度が５×１
０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3、例えば、２×１０¹⁸ｃｍ^-3の
ｎ型ＧａＮ中間層１３を成長させる。

【００４６】引き続いて、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、アンモ
ニア、ドーパントとしてＳｉＨ₄、及び、キャリアガス
としての水素を用いて、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏｒ
ｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を８００〜
１２００℃、例えば、９５０℃とした状態で、厚さ０．
１〜２．０μｍ、例えば、０．５μｍで、キャリア濃度
が１．０×１０¹⁷〜１．０×１０²⁰ｃｍ^-3、例えば、
１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッ
ド層１４を成長させる。

【００４７】引き続いて、ＴＭＧａ、アンモニア、及
び、キャリアガスとしての水素を用いて、成長圧力を７
０〜７６０Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成
長温度を８００〜１２００℃、例えば、９３０℃とした
状態で、厚さ１０〜３００ｎｍ、例えば、１００ｎｍの
アンドープＧａＮ光ガイド層１５を成長させる。

【００４８】引き続いて、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ（トリメ
チルインジウム）、アンモニア、及び、キャリアガスと
してのＮ₂を用いて、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏｒ
ｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を５５０〜
９００℃、例えば、７００℃とした状態で、厚さ１ｎｍ
〜１０ｎｍ、例えば、５ｎｍのｐ⁺型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97
Ｎバリア層１８で分離された厚さ３〜１０ｎｍ、例え
ば、４ｎｍのアンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎウエル層１
７を２〜１０層、例えば、３層成長させてＭＱＷ活性層
１６を形成する。

【００４９】このＭＱＷ活性層１６の成長に際しては、
ビスシクロペンタジエニルマグネシウムの供給を制御
し、ｐ⁺型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎバリア層１８の不純物濃
度が７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、例えば、１×１０²⁰ｃｍ^-3
となり、アンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎウエル層１７の
成長に際しては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウ
ムの供給を停止し、実効的にアンドープになるようにす
る必要がある。但し、アンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎウ
エル層１７には残留Ｍｇが不可避的に若干取り込まれる
ことになる。

【００５０】引き続いて、ＴＭＧａ、アンモニア、ビス
シクロペンタジエニルマグネシウム、及び、キャリアガ
スとしてのＮ₂を用いて、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏ
ｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を８００
〜１２００℃、例えば、１１３０℃とした状態で、厚さ
１０〜３００ｎｍ、例えば、１００ｎｍで、不純物濃度
が７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、例えば、１×１０²⁰ｃｍ^-3の
ｐ⁺型ＧａＮ光ガイド層１９を成長させる。

【００５１】引き続いて、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、アンモ
ニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、及び、
キャリアガスとしてのＮ₂を用いて、成長圧力を７０〜
７６０Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温
度を８００〜１２００℃、例えば、９５０℃とした状態
で、厚さ０．１〜２．０μｍ、例えば、０．５μｍで、
不純物濃度が１．０×１０¹⁷〜１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3、
例えば、２．０×１０ ¹⁷ｃｍ^-3のｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85
Ｎクラッド層２０を成長させる。

【００５２】引き続いて、ＴＭＧａ、アンモニア、ビス
シクロペンタジエニルマグネシウム、及び、キャリアガ
スとしてのＮ₂を用いて、成長圧力を７０〜７６０Ｔｏ
ｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温度を８００
〜１２００℃、例えば、９３０℃とした状態で、厚さ
０．１〜２．０μｍ、例えば、０．５μｍで、不純物濃
度が１．０×１０¹⁷〜１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3、例えば、
１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮコンタクト層２１を
成長させる。

【００５３】次いで、ｎ型ＳｉＣ基板１１の裏面にはｎ
側電極として厚さ１００ｎｍのＮｉ電極２２を設けると
共に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１上にはｐ側電極とし
て厚さ１００ｎｍ、幅Ｗが３μｍのＮｉ電極２３を設
け、共振器長Ｌが７００μｍとなるように素子分割する
ことによってＭＱＷ半導体レーザが完成する。

【００５４】この本発明の第１の実施の形態において
は、ＭＱＷ活性層１６を構成するバリア層の不純物濃度
を、従来常識に反してキャリア濃度が飽和する５×１０
¹⁹ｃｍ ^-3以上の７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上に高濃度にドープ
することによって、従来とは異なった伝導機構によりキ
ャリアの注入効率が改善され、キャリアの不均一注入を
なくすことが可能になると考えられる

【００５５】また、この第１の実施の形態においては、
ｐ側光ガイド層を７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の高濃度ドープ
層としているので、ｐ側光ガイド層においてもホッピン
グ伝導或いはトンネリング伝導が生じ、電子親和力と禁
制帯幅の和の差によってＭＱＷ活性層１６とｐ⁺型Ｇａ
Ｎ光ガイド層１９との界面に形成されるホールに対する
電位障壁となるノッチを、不純物準位を介したホッピン
グ伝導或いはトンネル伝導することによってホールを効
率的に注入することが可能になり、注入効率が改善され
ることになる。

【００５６】また、各隣接する層との間の歪が圧縮歪／
引張歪／圧縮歪／引張歪／・・・と交互に変わるため、
歪の向きの違いによってピエゾ効果による内部電界が発
生することになるが、ナイトライド系化合物半導体にお
いてはピエゾ効果が大きいため、内部電界が１０⁶Ｖ／
ｃｍ程度となり、これは、１Ｖ／１００Åに相当するの
で、この内部電界がバンドの曲がり・傾きに影響を与
え、それが電位障壁となってホールの注入にも影響を与
えると考えられるが、ホッピング伝導或いはトンネリン
グ伝導によって内部電界に起因する電位障壁を越えての
ホールの移動が容易になる効果も期待できる。

【００５７】次に、図３を参照して、本発明の第２の実
施の形態を説明する。図３参照図３は、本発明の第２の実施の形態のＭＱＷ半導体レー
ザの斜視図であり、上記の第１の実施の形態との違い
は、ＭＱＷ活性層１６とｐ⁺型ＧａＮ光ガイド層１９と
の間に高不純物濃度のエレクトロンブロック層を設けた
点だけであるので、詳細な説明は省略する。

【００５８】まず、上記の第１の実施の形態と全く同様
に、ｃ面を主面とする六方晶の６Ｈ−ＳｉＣからなるｎ
型ＳｉＣ基板１１上に、ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層１
２、ｎ型ＧａＮ中間層１３、ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎク
ラッド層１４、アンドープＧａＮ光ガイド層１５、及
び、ＭＱＷ活性層１６を順次堆積させる。

【００５９】この場合のＭＱＷ活性層１６も、バリア層
を不純物濃度が７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、例えば、１×１
０²⁰ｃｍ^-3のｐ⁺型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層とし、ウエル
層をアンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層とし、ウエル層が
２〜１０層、例えば、３層になるように交互に堆積させ
る。

【００６０】引き続いて、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、アンモ
ニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、及び、
キャリアガスとしてのＮ₂を用いて、成長圧力を７０〜
７６０Ｔｏｒｒ、例えば、１００Ｔｏｒｒとし、成長温
度を６００〜９００℃、例えば、７８０℃とした状態
で、厚さ５〜３０ｎｍ、例えば、２０ｎｍで、不純物濃
度が７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、例えば、１×１０²⁰ｃｍ^-3
のｐ⁺型Ａｌ_0.18Ｇａ_0. ₈₂Ｎエレクトロンブロック層２
４を成長させる。

【００６１】以降は、再び、上記の第１の実施の形態と
全く同様に、ｐ⁺型ＧａＮ光ガイド層１９、ｐ型Ａｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層２０、及び、ｐ型ＧａＮコン
タクト層２１を順次成長させたのち、ｎ型ＳｉＣ基板１
１の裏面にはｎ側電極として厚さ１００ｎｍのＮｉ電極
２２を設けると共に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１上に
はｐ側電極として厚さ１００ｎｍ、幅Ｗが３μｍのＮｉ
電極２３を設け、共振器長Ｌが７００μｍとなるように
素子分割することによってＭＱＷ半導体レーザが完成す
る。

【００６２】この第２の実施の形態においては、ＭＱＷ
活性層１６とｐ⁺型ＧａＮ光ガイド層１９との間に不純
物濃度が７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上のｐ⁺型Ａｌ_0.18Ｇａ
_0.82Ｎエレクトロンブロック層２４を設けているので、
単に電子のオーバーフローを低減するだけでなく、本
来、ホールに対して電位障壁となるエレクトロンブロッ
ク層の価電子帯側の障壁をエレクトロンブロック層に形
成された不純物準位を介したホッピング伝導或いはトン
ネル伝導によって通過することによってホールの注入効
率を改善することができ、ＭＱＷ活性層１６のバリア層
を高濃度ドーピングした効果と相まってホール分布の均
一性を改善することができる。

【００６３】以上、本発明の各実施の形態を説明してき
たが、本発明は上記の各実施の形態の構成に限られるも
のではなく、各種の変更が可能である。例えば、各実施
の形態においては、ＭＱＷ活性層１６のバリア層及びｐ
側光ガイド層の双方をｐ型不純物であるＭｇによって７
×１０¹⁹ｃｍ^-3以上にドープしているが、どちらか一方
のみを高濃度ドープするだけでも良いものである。

【００６４】また、上記の各実施の形態においては、ｐ
側光ガイド層の全体を７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上に均一にド
ープしているが、必ずしもｐ側光ガイド層の全体を均一
ドープする必要はなく、特に、ｐ側光ガイド層が厚い場
合には、全体を高濃度のドーピングすると結晶性の劣化
をもたらすことになるので、ｐ側光ガイド層の少なくと
も一部、特に、ホールに対する電位障壁となるノッチの
形成されるＭＱＷ活性層１６に接する側の２〜５０ｎｍ
またはｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓクラッド層２０に接す
る側の２〜５０ｎｍ、例えば、２０ｎｍを７×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3以上、例えば、１×１０²⁰ｃｍ^-3にドーピングする
だけでも良い。

【００６５】また、この様な部分的なドーピングはグレ
ーデッドに変化するドーピングでも良いものであり、例
えば、ＭＱＷ活性層１６に接する側を７×１０¹⁹ｃｍ^-3
以上、例えば、１×１０²⁰ｃｍ^-3とし、界面から離れる
にしたがって漸減し、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド
層２０との界面で、１．０×１０¹⁷〜１．０×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3、例えば、２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3となるようにして
も良いものである。

【００６６】また、上記の各実施の形態の説明において
は、ＭＱＷ活性層１６をｎ層のバリア層と（ｎ＋１）層
のウエル層によって構成しているが、逆に、（ｎ＋１）
層のバリア層とｎ層のウエル層によって構成しても良い
ものである。

【００６７】また、上記の各実施の形態においては、多
重量子井戸活性層としてＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ／Ｉｎ_0.03
Ｇａ_0.97ＮからなるＭＱＷ構造を採用しているが、必要
とする波長に応じて混晶比をＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ
（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）の範囲内で変えても良いも
のであり、且つ、それに伴って、光ガイド層及びクラッ
ド層の混晶比をＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＮ（０≦ａ≦
１、０≦ｂ≦１）の範囲内で変えても良い。

【００６８】また、上記の各実施の形態においては、Ｍ
ＱＷ半導体レーザとして説明しているが、半導体レーザ
に限られるものではなく、高輝度発光短波長発光ダイオ
ード等の他の半導体発光素子も対象とするものである。

【００６９】

【発明の効果】本発明によれば、ナイトライド系化合物
半導体からなる多重量子井戸構造半導体発光素子の多重
量子井戸活性層を構成するバリア層或いはｐ側光ガイド
層の少なくとも一方のｐ型不純物濃度を、従来常識に反
して７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上としているので、従来と異な
った伝導機構によってホールの不均一注入を改善し、光
学利得の不均一な発生を改善することができるので、そ
れによって、しきい値電流密度Ｊ_thが低減され、低消費
電力化が可能になり、また、信頼性が向上するので、光
情報記録装置等の光源としてその高密度化に寄与すると
ころが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ半導体レー
ザの説明図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態のＭＱＷ半導体レー
ザの斜視図である。

【図４】従来のＭＱＷ半導体レーザの説明図である。

【図５】従来のＭＱＷ半導体レーザの発振時のホール密
度分布の説明図である。

【図６】従来のＭＱＷ半導体レーザの発振時の電子密度
分布の説明図である。

【図７】従来のＭＱＷ半導体レーザの多重量子井戸中の
光学利得分布の説明図である。

【図８】従来のＭＱＷ半導体レーザの光出力−電流特性
の説明図である。

【符号の説明】

１多重量子井戸活性層２井戸層３障壁層４ｐ側光ガイド層５ｎ側光ガイド層１１ｎ型ＳｉＣ基板１２ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層１３ｎ型ＧａＮ中間層１４ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層１５アンドープＧａＮ光ガイド層１６ＭＱＷ活性層１７アンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎウエル層１８ｐ⁺型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎバリア層１９ｐ⁺型ＧａＮ光ガイド層２０ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層２１ｐ型ＧａＮコンタクト層２２Ｎｉ電極２３Ｎｉ電極２４ｐ⁺型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎエレクトロンブロック
層３１ｎ型ＳｉＣ基板３２ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層３３ｎ型ＧａＮ中間層３４ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層３５アンドープＧａＮ光ガイド層３６ＭＱＷ活性層３７アンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎウエル層３８アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバリア層３９アンドープＧａＮ光ガイド層４０ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層４１ｐ型ＧａＮコンタクト層４２Ｎｉ電極４３Ｎｉ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多重量子井戸活性層を構成する障壁層の
ｐ型不純物濃度を、７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることを
特徴とするナイトライド系化合物半導体を用いた多重量
子井戸構造半導体発光素子。
【請求項２】多重量子井戸活性層のｐ側に設けるｐ側
光ガイド層の少なくとも一部のｐ型不純物濃度を、７×
１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることを特徴とするナイトライド
系化合物半導体を用いた多重量子井戸構造半導体発光素
子。
【請求項３】上記多重量子井戸活性層を構成する井戸
層を、アンドープ層とすることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の多重量子井戸構造半導体発光素子。
【請求項４】上記多重量子井戸活性層と上記ｐ側光ガ
イド層との間にｐ型エレクトロンブロック層を設けると
ともに、ｐ型エレクトロンブロック層のｐ型不純物濃度
を、７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることを特徴とする請求
項１乃至３のいずれか１項に記載の多重量子井戸構造半
導体発光素子。
【請求項５】上記ｐ型不純物として、Ｍｇを用いたこ
とを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
多重量子井戸構造半導体発光素子。