JP2001223441A - 窒化物半導体の発光素子 - Google Patents
窒化物半導体の発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 GaNを採用した半導体発光素子において多く
のキャリア注入によって発生するキャリアオーバーフロ
ーおよびストレインを減らすための手段を具備する半導
体発光素子を提供する。 【解決手段】 AlGaN/GaNの二重層が複数回積層された
多重量子障壁あるいはAlGaN/InGaNの二重層が複数回積
層されたストレイン補償の多重量子障壁を活性層の上部
および下部のうち選択された何れか一側に具備し、また
p型クラッド層が不要である。
のキャリア注入によって発生するキャリアオーバーフロ
ーおよびストレインを減らすための手段を具備する半導
体発光素子を提供する。 【解決手段】 AlGaN/GaNの二重層が複数回積層された
多重量子障壁あるいはAlGaN/InGaNの二重層が複数回積
層されたストレイン補償の多重量子障壁を活性層の上部
および下部のうち選択された何れか一側に具備し、また
p型クラッド層が不要である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子に係
り、特にGaNを採用した半導体発光素子において多くの
キャリア（carrier）注入によって発生するキャリアオ
ーバーフロー（overflow）を抑制しつつストレイン（st
rain）を減らせるレーザーダイオードに関する。
り、特にGaNを採用した半導体発光素子において多くの
キャリア（carrier）注入によって発生するキャリアオ
ーバーフロー（overflow）を抑制しつつストレイン（st
rain）を減らせるレーザーダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】図１を参照すれば、従来の半導体レーザ
ーダイオードあるいは光増幅器などを構成する半導体発
光素子はInyGa1-yN/InyGa1-yN層１、２よりなる多重量
子ウェル（Multi-Quantum Well、以下、MQWと称する）
構造の活性層１、２および活性層１、２上に順次に積層
されたp-AlxGa1-xNキャリア遮断層３およびｐ、n-GaN光
導波層４で構成されている。
ーダイオードあるいは光増幅器などを構成する半導体発
光素子はInyGa1-yN/InyGa1-yN層１、２よりなる多重量
子ウェル（Multi-Quantum Well、以下、MQWと称する）
構造の活性層１、２および活性層１、２上に順次に積層
されたp-AlxGa1-xNキャリア遮断層３およびｐ、n-GaN光
導波層４で構成されている。
【０００３】図２は、このような積層構造のエネルギー
バンドダイヤグラムであって、量子ウェル構造のキャリ
アがキャリア遮断層のエネルギー障壁により抜け出せな
いように形成されている。
バンドダイヤグラムであって、量子ウェル構造のキャリ
アがキャリア遮断層のエネルギー障壁により抜け出せな
いように形成されている。
【０００４】このようなエネルギーバンド構造は青緑色
のレーザーダイオードや光増幅器などの半導体発光素子
を備えなければならない構造で、このような青緑色のレ
ーザーダイオードはフルカラーディスプレー（Full col
or display）とDVDなどの高密度記録媒体を具現するの
に必要な重要な要素の１つとなっている。
のレーザーダイオードや光増幅器などの半導体発光素子
を備えなければならない構造で、このような青緑色のレ
ーザーダイオードはフルカラーディスプレー（Full col
or display）とDVDなどの高密度記録媒体を具現するの
に必要な重要な要素の１つとなっている。
【０００５】すなわち、低い発振開始電流で動作し、良
い温度特性を有する青緑色の素子を実現するためには活
性層内の電流注入、つまりキャリア注入が効率的であ
り、活性層を越えて通過するキャリアの数を減少させる
効率的な構造として設計する必要がある。一般にこのよ
うなキャリアオーバーフローを防止するために、図１の
ようなキャリアの電子を遮断する電子遮断層（electron
blocking layer）３を挿入する技術が使われている。
い温度特性を有する青緑色の素子を実現するためには活
性層内の電流注入、つまりキャリア注入が効率的であ
り、活性層を越えて通過するキャリアの数を減少させる
効率的な構造として設計する必要がある。一般にこのよ
うなキャリアオーバーフローを防止するために、図１の
ようなキャリアの電子を遮断する電子遮断層（electron
blocking layer）３を挿入する技術が使われている。
【０００６】GaN化合物半導体を基本として製作されるG
aN青緑色レーザーはGaNと格子定数が一致する基板が存
在しないために、結局MOCVD方法で成長されるGaN、InGa
N、AlGaNなどの結晶の品質が劣る。これは活性層として
使われるInGaNの光利得の減少を引き起こす。したがっ
て、レーザーが発振するためには多量の注入電流、すな
わち数多くのキャリアを要求することになる。さらに、
電流の注入が増加すると、活性層だけでなく、障壁とし
て使われるGaNやAlGaN層へのキャリアオーバーフローが
増加されて効率的なレーザーの発振が不可能となる。こ
れを改善するために、図１に示されたように、２００Å
の厚さに蒸着されたAlGaN単一層よりなるキャリア遮断
（carrier blocking）層を挿入する構造がNichiaなどの
多くの研究グループで使われている。しかし、AlGaN単
一層の挿入は障壁以上のエネルギーを有するキャリアオ
ーバーフローは防止できない。高いエネルギーを有する
キャリアを遮断するためにはAlの含量（mole fractio
n）の多いAlGaN層を使用しなければならないが、これは
格子定数の合わないGaN層との付加的なストレイン（add
itional strain）を発生させ、試料のクラック（crac
k）を発生させる原因となる。また、効率的なキャリア
遮断のためにはｐ型不純物のドーピングが必須的である
が、Al含量の大きなAlGaN層にｐ型物質をドーピングす
るのは非常に難しいということが知られている。
aN青緑色レーザーはGaNと格子定数が一致する基板が存
在しないために、結局MOCVD方法で成長されるGaN、InGa
N、AlGaNなどの結晶の品質が劣る。これは活性層として
使われるInGaNの光利得の減少を引き起こす。したがっ
て、レーザーが発振するためには多量の注入電流、すな
わち数多くのキャリアを要求することになる。さらに、
電流の注入が増加すると、活性層だけでなく、障壁とし
て使われるGaNやAlGaN層へのキャリアオーバーフローが
増加されて効率的なレーザーの発振が不可能となる。こ
れを改善するために、図１に示されたように、２００Å
の厚さに蒸着されたAlGaN単一層よりなるキャリア遮断
（carrier blocking）層を挿入する構造がNichiaなどの
多くの研究グループで使われている。しかし、AlGaN単
一層の挿入は障壁以上のエネルギーを有するキャリアオ
ーバーフローは防止できない。高いエネルギーを有する
キャリアを遮断するためにはAlの含量（mole fractio
n）の多いAlGaN層を使用しなければならないが、これは
格子定数の合わないGaN層との付加的なストレイン（add
itional strain）を発生させ、試料のクラック（crac
k）を発生させる原因となる。また、効率的なキャリア
遮断のためにはｐ型不純物のドーピングが必須的である
が、Al含量の大きなAlGaN層にｐ型物質をドーピングす
るのは非常に難しいということが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する技術的課題は、前記従来の問題点を改善するための
ものであって、活性層に注入される電流が障壁を越えて
オーバーフローされることを効率よく遮断しつつストレ
インの発生を最小化する半導体の発光素子を提供するこ
とである。
する技術的課題は、前記従来の問題点を改善するための
ものであって、活性層に注入される電流が障壁を越えて
オーバーフローされることを効率よく遮断しつつストレ
インの発生を最小化する半導体の発光素子を提供するこ
とである。
【０００８】本発明が解決しようとする他の技術的課題
は、電流が障壁を越えてオーバーフローされることを効
率よく遮断しつつストレイン発生を最小化し、基板方向
への光損失を減らしつつ活性層の劣化を防止して工程を
単純化しうる半導体の発光素子を提供することである。
は、電流が障壁を越えてオーバーフローされることを効
率よく遮断しつつストレイン発生を最小化し、基板方向
への光損失を減らしつつ活性層の劣化を防止して工程を
単純化しうる半導体の発光素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記技術的課題を達成す
るために本発明は、０<x<１とする時、GaN系の化合物半
導体よりなる活性層と、前記活性層の上部および下部に
各々AlxGa1-xN層とGaN層の二重層を少なくとも２回以上
繰り返して積層してエネルギーバンドが複数個の多重量
子の障壁構造を有するように前記活性層の上部および下
部のうち少なくとも何れか一側に形成された多重量子障
壁層とを具備することを特徴とする窒化物半導体の発光
素子を提供する。この際、前記活性層あるいは多重量子
障壁層の上下部には各々GaN光導波層がさらに備えられ
ており、前記活性層はInxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層、InxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二重層、InxGa1-xN層
とIn yAlzGa1-y-zN層の二重層、InxAsyGa1-x-yN層とInzG
a1-zN層の二重層およびInxAs yGa1-x-yN層とAlyGa1-yN層
の二重層のうち何れか１つの二重層が複数回以上積層さ
れて多重量子ウェル構造よりなることが望ましい。この
際、０≦x<１、０≦y<１、０≦z<１、x+y<１であり、y+
z<１である。
るために本発明は、０<x<１とする時、GaN系の化合物半
導体よりなる活性層と、前記活性層の上部および下部に
各々AlxGa1-xN層とGaN層の二重層を少なくとも２回以上
繰り返して積層してエネルギーバンドが複数個の多重量
子の障壁構造を有するように前記活性層の上部および下
部のうち少なくとも何れか一側に形成された多重量子障
壁層とを具備することを特徴とする窒化物半導体の発光
素子を提供する。この際、前記活性層あるいは多重量子
障壁層の上下部には各々GaN光導波層がさらに備えられ
ており、前記活性層はInxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層、InxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二重層、InxGa1-xN層
とIn yAlzGa1-y-zN層の二重層、InxAsyGa1-x-yN層とInzG
a1-zN層の二重層およびInxAs yGa1-x-yN層とAlyGa1-yN層
の二重層のうち何れか１つの二重層が複数回以上積層さ
れて多重量子ウェル構造よりなることが望ましい。この
際、０≦x<１、０≦y<１、０≦z<１、x+y<１であり、y+
z<１である。
【００１０】また、前記上部および下部の多重量子ウェ
ル障壁層は、前記AlxGa1-xN層とGaN層の二重層毎に前記
AlxGa1-xN層あるいはGaN層の厚さを変えて前記多重量子
障壁のエネルギー準位を異ならせて形成し、あるいは前
記AlxGa1-xN層のAl含量を変えて形成される多重量子障
壁のエネルギー準位を異ならせて形成したことも望まし
い。
ル障壁層は、前記AlxGa1-xN層とGaN層の二重層毎に前記
AlxGa1-xN層あるいはGaN層の厚さを変えて前記多重量子
障壁のエネルギー準位を異ならせて形成し、あるいは前
記AlxGa1-xN層のAl含量を変えて形成される多重量子障
壁のエネルギー準位を異ならせて形成したことも望まし
い。
【００１１】また、０<x<１とし、０<y≦１とする時、
前記多重量子障壁層はAlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層を少なくとも２回以上繰り返し積層してエネルギーバ
ンドが複数個の多重量子障壁構造を有するように形成さ
れることも望ましい。この場合、前記多重量子障壁層は
AlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重層毎に前記AlxGa1-xN
層あるいはInyGa1-yN層の厚さを変えて形成される前記
多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせて形成した
り、あるいは前記AlxGa1-xN層のAl含量を変えて形成さ
れる多重量子障壁のエネルギー準位を変えて形成したり
する。
前記多重量子障壁層はAlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層を少なくとも２回以上繰り返し積層してエネルギーバ
ンドが複数個の多重量子障壁構造を有するように形成さ
れることも望ましい。この場合、前記多重量子障壁層は
AlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重層毎に前記AlxGa1-xN
層あるいはInyGa1-yN層の厚さを変えて形成される前記
多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせて形成した
り、あるいは前記AlxGa1-xN層のAl含量を変えて形成さ
れる多重量子障壁のエネルギー準位を変えて形成したり
する。
【００１２】一方、前記他の技術的課題を達成するため
に本発明は、活性層を中心に対向するレイジングのため
のｐ型およびｎ型物質層からp型クラッド層を除去する
代わりにｎ型クラッド層のエネルギーバンド幅を従来に
比べてはるかに広げ、前記ｐ型物質層と前記活性層との
間に備えられるキャリア障壁層のキャリア遮断効率を高
めたことを特徴とする半導体発光素子を提供する。
に本発明は、活性層を中心に対向するレイジングのため
のｐ型およびｎ型物質層からp型クラッド層を除去する
代わりにｎ型クラッド層のエネルギーバンド幅を従来に
比べてはるかに広げ、前記ｐ型物質層と前記活性層との
間に備えられるキャリア障壁層のキャリア遮断効率を高
めたことを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００１３】また、前記他の技術的課題を達成するため
に本発明は、基板と、前記基板上に形成された光放出が
起こる活性層と、前記基板と前記活性層との間に備えら
れているが、前記基板方向への光損失を防止するように
備えられたｎ型クラッド層を含むレイジングのためのｎ
型物質層と、前記活性層上に順次に備えられたキャリア
障壁層、ｐ型導波層およびｐ型化合物の半導体層と、前
記活性層へのキャリア拡散のための電位差を形成するｎ
型およびｐ型電極とを具備することを特徴とするレーザ
ーダイオードを提供する。この際、前記ｎ型物質層は、
前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に備えられたｎ
型導波層と、前記ｎ型クラッド層と前記基板との間に備
えられており、前記ｎ型電極と連結されるｎ型化合物の
半導体層よりなる。また、前記ｎ型物質層は前記ｎ型ク
ラッド層と前記活性層との間に備えられたｎ型導波層と
前記ｎ型クラッド層と前記基板との間に備えられたｎ型
化合物の半導体層を具備する。前記活性層は多重量子ウ
ェル（MQW）構造を有するIII−V族窒化物化合物の半導
体層である。
に本発明は、基板と、前記基板上に形成された光放出が
起こる活性層と、前記基板と前記活性層との間に備えら
れているが、前記基板方向への光損失を防止するように
備えられたｎ型クラッド層を含むレイジングのためのｎ
型物質層と、前記活性層上に順次に備えられたキャリア
障壁層、ｐ型導波層およびｐ型化合物の半導体層と、前
記活性層へのキャリア拡散のための電位差を形成するｎ
型およびｐ型電極とを具備することを特徴とするレーザ
ーダイオードを提供する。この際、前記ｎ型物質層は、
前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に備えられたｎ
型導波層と、前記ｎ型クラッド層と前記基板との間に備
えられており、前記ｎ型電極と連結されるｎ型化合物の
半導体層よりなる。また、前記ｎ型物質層は前記ｎ型ク
ラッド層と前記活性層との間に備えられたｎ型導波層と
前記ｎ型クラッド層と前記基板との間に備えられたｎ型
化合物の半導体層を具備する。前記活性層は多重量子ウ
ェル（MQW）構造を有するIII−V族窒化物化合物の半導
体層である。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づいて本
発明の実施形態に係る半導体発光素子のレーザーダイオ
ードを詳しく説明する。
発明の実施形態に係る半導体発光素子のレーザーダイオ
ードを詳しく説明する。
【００１５】本発明はGaNを採用した半導体発光素子に
おいて主に多重量子ウェル構造よりなる活性層に多くの
キャリアを注入することによって発生するキャリアオー
バーフローを抑制するための構造であって、図３ないし
図８に示されたように、多重量子障壁（multiple quant
um barrier;MQB）を活性層の上部および下部のうち少な
くとも何れか一側に形成されたことを特徴とする。すな
わち、図３に示されたように、多重量子障壁層７、８を
活性層５、６の上部にのみ形成するか、図５に示された
ように、多重量子障壁層７、８を活性層５、６の下部に
のみ形成するか、図７に示されたように、多重量子障壁
層７、８を活性層５、６の上下部に形成する。図４、図
６および図８は各々図３、図５および図７の実施の形態
のエネルギーバンドダイヤグラムである。
おいて主に多重量子ウェル構造よりなる活性層に多くの
キャリアを注入することによって発生するキャリアオー
バーフローを抑制するための構造であって、図３ないし
図８に示されたように、多重量子障壁（multiple quant
um barrier;MQB）を活性層の上部および下部のうち少な
くとも何れか一側に形成されたことを特徴とする。すな
わち、図３に示されたように、多重量子障壁層７、８を
活性層５、６の上部にのみ形成するか、図５に示された
ように、多重量子障壁層７、８を活性層５、６の下部に
のみ形成するか、図７に示されたように、多重量子障壁
層７、８を活性層５、６の上下部に形成する。図４、図
６および図８は各々図３、図５および図７の実施の形態
のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【００１６】<第１および第２実施形態>図３および図５
を参照すれば、本発明に係る多重量子障壁を有する半導
体発光素子はGaN系化合物半導体よりなる単一活性層
（図示せず）あるいはInxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層、InxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二重層、InxGa1-xN層
とIn yAlzGa1-y-zN層の二重層、InxAsyGa1-x-yN層とInzG
a1-zN層の二重層およびInxAs yGa1-x-yN層とAlyGa1-yN層
の二重層のうち何れかの二重層が複数回以上積層されて
多重量子ウェル構造よりなる活性層５、６を具備する。
この際、０≦x<１、０≦y<１、０≦z<１、x+y<１であ
り、y+z<１である。そして活性層５、６に注入された障
壁以上のエネルギーを有するキャリアのオーバーフロー
を遮断する遮断層を挿入して防止するが、遮断効果を極
大化すると共に遮断層によるストレインの影響を最小化
するために、遮断層としてAlxGa1-xN層とGaN層の二重
層、AlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重層（この際、０<x
<１、０<y≦１）あるいはAlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の
二重層（この際、０<x<１、０≦y<１およびx>y）を少な
くとも２回以上繰り返し積層してエネルギーバンドが複
数個の多重量子障壁構造を有するストレイン補償の多重
量子障壁（Strain-compensating MQB）層７、８を活性
層５、６の上部に備えたり（第１実施形態）、活性層
５、６の下部に備えたりする（第２実施形態）。
を参照すれば、本発明に係る多重量子障壁を有する半導
体発光素子はGaN系化合物半導体よりなる単一活性層
（図示せず）あるいはInxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重
層、InxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二重層、InxGa1-xN層
とIn yAlzGa1-y-zN層の二重層、InxAsyGa1-x-yN層とInzG
a1-zN層の二重層およびInxAs yGa1-x-yN層とAlyGa1-yN層
の二重層のうち何れかの二重層が複数回以上積層されて
多重量子ウェル構造よりなる活性層５、６を具備する。
この際、０≦x<１、０≦y<１、０≦z<１、x+y<１であ
り、y+z<１である。そして活性層５、６に注入された障
壁以上のエネルギーを有するキャリアのオーバーフロー
を遮断する遮断層を挿入して防止するが、遮断効果を極
大化すると共に遮断層によるストレインの影響を最小化
するために、遮断層としてAlxGa1-xN層とGaN層の二重
層、AlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二重層（この際、０<x
<１、０<y≦１）あるいはAlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の
二重層（この際、０<x<１、０≦y<１およびx>y）を少な
くとも２回以上繰り返し積層してエネルギーバンドが複
数個の多重量子障壁構造を有するストレイン補償の多重
量子障壁（Strain-compensating MQB）層７、８を活性
層５、６の上部に備えたり（第１実施形態）、活性層
５、６の下部に備えたりする（第２実施形態）。
【００１７】<第３実施形態>特に、図７に示されたよう
に、上部および下部のストレイン補償の多重量子ウェル
障壁層７、８がAlxGa1-xN層７およびGaN層８の二重層よ
りなる場合にはこれら二重層毎にAlxGa1-xN層７あるい
はGaN層８の厚さを変えて形成し、多重量子障壁のエネ
ルギー準位を異ならせて形成したり、あるいはAlxGa1-x
N層７毎にAl含量を変えて各層毎に障壁のエネルギー準
位を異ならせたりする。
に、上部および下部のストレイン補償の多重量子ウェル
障壁層７、８がAlxGa1-xN層７およびGaN層８の二重層よ
りなる場合にはこれら二重層毎にAlxGa1-xN層７あるい
はGaN層８の厚さを変えて形成し、多重量子障壁のエネ
ルギー準位を異ならせて形成したり、あるいはAlxGa1-x
N層７毎にAl含量を変えて各層毎に障壁のエネルギー準
位を異ならせたりする。
【００１８】また、上部および下部のストレイン補償の
多重量子ウェル障壁層がAlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二
重層を少なくとも２回以上繰り返し積層して形成する場
合にも、このストレイン補償の多重量子障壁層は二重層
毎にAlxGa1-xN層あるいはInyGa1-yN層の厚さを変えて形
成し、多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせたり、
あるいは二重層毎にAlxGa1-xN層のAl含量を変えて多重
量子障壁のエネルギー準位を異ならせたりする。
多重量子ウェル障壁層がAlxGa1-xN層とInyGa1-yN層の二
重層を少なくとも２回以上繰り返し積層して形成する場
合にも、このストレイン補償の多重量子障壁層は二重層
毎にAlxGa1-xN層あるいはInyGa1-yN層の厚さを変えて形
成し、多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせたり、
あるいは二重層毎にAlxGa1-xN層のAl含量を変えて多重
量子障壁のエネルギー準位を異ならせたりする。
【００１９】また、上部および下部のストレイン補償の
多重量子ウェル障壁層がAlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二
重層を少なくとも２回以上繰り返し積層して形成する場
合にも、このストレイン補償の多重量子障壁層は二重層
毎にAlxGa1-xN層あるいはAlyGa1-yN層の厚さを変えて形
成し、多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせたり、
あるいは二重層毎にAlxGa1-xN層のAl含量を変えて多重
量子障壁のエネルギー準位を異ならせたりする。
多重量子ウェル障壁層がAlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二
重層を少なくとも２回以上繰り返し積層して形成する場
合にも、このストレイン補償の多重量子障壁層は二重層
毎にAlxGa1-xN層あるいはAlyGa1-yN層の厚さを変えて形
成し、多重量子障壁のエネルギー準位を異ならせたり、
あるいは二重層毎にAlxGa1-xN層のAl含量を変えて多重
量子障壁のエネルギー準位を異ならせたりする。
【００２０】このように形成されたストレイン補償の多
重量子障壁二重層７、８が多重量子ウェル構造５、６の
活性層に注入されたキャリアを遮断する原理は次の通り
である。
重量子障壁二重層７、８が多重量子ウェル構造５、６の
活性層に注入されたキャリアを遮断する原理は次の通り
である。
【００２１】キャリアの波動的性格によって多重量子障
壁内の量子ウェルに拘束される量子効果によって単一隔
壁のキャリア障壁よりキャリアオーバーフローを減少さ
せるものである。
壁内の量子ウェルに拘束される量子効果によって単一隔
壁のキャリア障壁よりキャリアオーバーフローを減少さ
せるものである。
【００２２】図９は従来のAlGaN単一層のキャリア遮断
障壁１０とAlxGa1-xN/GaN多重量子障壁１１とAlxGa1-xN
/InyGa1-yNストレイン補償の多重量子障壁１２によるキ
ャリア反射度を計算したグラフである。
障壁１０とAlxGa1-xN/GaN多重量子障壁１１とAlxGa1-xN
/InyGa1-yNストレイン補償の多重量子障壁１２によるキ
ャリア反射度を計算したグラフである。
【００２３】図９を参照すれば、多重量子障壁の量子効
果によって実際のエネルギー準位差によるエネルギー障
壁が、注入されるキャリアに焦点をあててみれば非常に
高まったことが分かる。特に、AlxGa1-xN/InyGa1-yNス
トレイン補償の多重量子障壁の場合、より高いエネルギ
ーのキャリアまで反射率が高くてさらに効率的なエネル
ギー障壁として使用されうる。さらに、AlxGa1-xN/InyG
a1-yNストレイン補償の多重量子障壁の場合にはAlGaNが
GaNと引っ張りストレインを有し、逆にInGaNはGaNと圧
縮ストレイン（compressive strain）を有するので相互
ストレイン補償がなされて成長時にクラックが存在しな
くかつ厚い層の量子障壁を成長させることができてさら
に効率的である。
果によって実際のエネルギー準位差によるエネルギー障
壁が、注入されるキャリアに焦点をあててみれば非常に
高まったことが分かる。特に、AlxGa1-xN/InyGa1-yNス
トレイン補償の多重量子障壁の場合、より高いエネルギ
ーのキャリアまで反射率が高くてさらに効率的なエネル
ギー障壁として使用されうる。さらに、AlxGa1-xN/InyG
a1-yNストレイン補償の多重量子障壁の場合にはAlGaNが
GaNと引っ張りストレインを有し、逆にInGaNはGaNと圧
縮ストレイン（compressive strain）を有するので相互
ストレイン補償がなされて成長時にクラックが存在しな
くかつ厚い層の量子障壁を成長させることができてさら
に効率的である。
【００２４】前述したように、本発明に係る半導体発光
素子は活性層から非活性層へのキャリアオーバーフロー
を抑制するために活性層領域の次にAlGaN/GaN二重層あ
るいはAlGaN/InGaN二重層を反復的に成長させた多重量
子の障壁構造を有する。この多重量子障壁は活性層に多
数のキャリアを注入する場合に発生するキャリアオーバ
ーフローを抑制する効果は同一なレーザー構造で従来の
電子遮断（electron blocking）層を挿入した構造と、
本発明で提案されたAlxGa1-xN/GaN多重量子障壁を採用
した構造のレーザー発振特性を比較することによってそ
の特性がわかる。
素子は活性層から非活性層へのキャリアオーバーフロー
を抑制するために活性層領域の次にAlGaN/GaN二重層あ
るいはAlGaN/InGaN二重層を反復的に成長させた多重量
子の障壁構造を有する。この多重量子障壁は活性層に多
数のキャリアを注入する場合に発生するキャリアオーバ
ーフローを抑制する効果は同一なレーザー構造で従来の
電子遮断（electron blocking）層を挿入した構造と、
本発明で提案されたAlxGa1-xN/GaN多重量子障壁を採用
した構造のレーザー発振特性を比較することによってそ
の特性がわかる。
【００２５】図１０は前記２つの構造のLI特性を示し
た。従来の積層構造におけるLI特性グラフ１３において
発振開始電流は約５５０mAで、本発明によって提案され
たレーザー構造におけるLI特性グラフ１４において発振
開始電流は約２７０mA程度の値であって、半分程度減少
したことがわかる。使われた試料が同じ活性層構造を有
するのでキャリアによる光利得値が同一なものと仮定で
きるため、発振開始電流の減少は同一な電流の注入時、
効率的なキャリアオーバーフローが可能で活性層に存在
するキャリア数が増加して光利得が増加したことを意味
する。
た。従来の積層構造におけるLI特性グラフ１３において
発振開始電流は約５５０mAで、本発明によって提案され
たレーザー構造におけるLI特性グラフ１４において発振
開始電流は約２７０mA程度の値であって、半分程度減少
したことがわかる。使われた試料が同じ活性層構造を有
するのでキャリアによる光利得値が同一なものと仮定で
きるため、発振開始電流の減少は同一な電流の注入時、
効率的なキャリアオーバーフローが可能で活性層に存在
するキャリア数が増加して光利得が増加したことを意味
する。
【００２６】<第４実施形態>多重量子障壁層の代わりに
効率的な電子遮断障壁層を具備して光モードの損失を軽
減しうる構造としてｎ型クラッド層を具備するが、p型
クラッド層は除去したレーザーダイオードに関するもの
である。
効率的な電子遮断障壁層を具備して光モードの損失を軽
減しうる構造としてｎ型クラッド層を具備するが、p型
クラッド層は除去したレーザーダイオードに関するもの
である。
【００２７】図１１を参照すれば、部材番号４０は基板
である。基板４０はサファイア基板であることが望まし
いが、SiC、Si、GaAs、GaNおよびZnOよりなる群から選
択されたいずれか１つであっても良い。基板４０を構成
する物質によって電極は基板４０の底面か、あるいは基
板４０の上側に構成されうる。例えば、基板４０がサフ
ァイア基板の場合、基板の高抵抗性により基板４０の上
側で必要な物質層と接触されるように電極が構成され、
基板４０がSiCの場合、基板４０の底面と接触されるよ
うに電極が構成されうる。また、ｐ型電極をリッジ（ri
dge）形に具備する場合、ｎ型電極は下記ｎ型化合物の
半導体層と接触されるように構成されることもできる。
その方法は様々に有り得る。
である。基板４０はサファイア基板であることが望まし
いが、SiC、Si、GaAs、GaNおよびZnOよりなる群から選
択されたいずれか１つであっても良い。基板４０を構成
する物質によって電極は基板４０の底面か、あるいは基
板４０の上側に構成されうる。例えば、基板４０がサフ
ァイア基板の場合、基板の高抵抗性により基板４０の上
側で必要な物質層と接触されるように電極が構成され、
基板４０がSiCの場合、基板４０の底面と接触されるよ
うに電極が構成されうる。また、ｐ型電極をリッジ（ri
dge）形に具備する場合、ｎ型電極は下記ｎ型化合物の
半導体層と接触されるように構成されることもできる。
その方法は様々に有り得る。
【００２８】引き続き、基板４０上にレイジングのため
のｎ型物質層Mが形成されている。ｎ型物質層Mは基板４
０上に順次に形成されたｎ型化合物の半導体層４２、ｎ
型クラッド層４４およびｎ型導波層４６で構成されてい
る。ｎ型化合物の半導体層４２はIII−V族窒化物化合物
の半導体層で、n-GaN層であることが望ましい。そし
て、ｎ型クラッド層４４は所定の割合でAlを含有するn-
AlxGa1-xN層（この際、０<x≦０．２）の単層であるこ
とが望ましく、複層で有り得るが、例えばAlGaN層とGaN
層よりなる超格子（super lattice）層でありうる。い
ずれの場合でもｎ型クラッド層４４は基板４０方向への
光モードの損失を最小化しうる厚さであることが望まし
い。例えば、ｎ型クラッド層４４の厚さは０．５〜１．
７μmほどである。この際、考慮しなければならない点
が半導体の発光素子全体のストレインである。したがっ
て、ｎ型クラッド層４４は前記光モードを最小化しうる
厚さであれば良いが、厚さをそれより若干小さな値とし
て半導体の発光素子全体のストレインを減らせるように
しても良い。ｎ型クラッド層４４の厚さは従来のレーザ
ーダイオードに備えられたものよりはるかに厚いもので
ある。このようにｎ型クラッド層４４を厚くすることで
基板４０への光モードの損失を最小化しうる。ｎ型導波
層４６はIII−V族窒化物化合物の半導体層であって、n-
GaN層であることが望ましい。レイジングのためのｎ型
物質層M上には活性層４８が形成されているので、活性
層４８は多重量子ウェル構造を有する物質層であるのが
望ましく、III−V族窒化物化合物の半導体層の中でもIn
を所定の割合で含有するInGaN層であることがさらに望
ましい。また、活性層４８はこのように単層であって
も、第１ないし第３実施形態において説明したように複
層であっても良く、これは前記実施形態において詳しく
説明したのでその詳細な説明は省略する。活性層４８上
に電子遮断層５０およびｐ型導波層５２が順次に形成さ
れている。この際、電子遮断層５０は電子遮断効率を高
めるために所定の割合でAlを含有するAlGaN層であるこ
とが望ましいが、第１ないし第３実施形態において説明
したような多重量子障壁層５、６で有り得る。ｐ型導波
層５２はドーピング物質がｐ型であることを除いてはｎ
型導波層４６と同じ物質層である。ただし、その厚さは
光モードと光利得とが最大化されうる厚さであることが
望ましく、例えば０．１５〜０．２μmほどが望まし
い。ｐ型導波層５２上にｐ型化合物の半導体層５４が形
成されている。ｐ型化合物の半導体層５４はドーピング
物質がｐ型であることを除いてはｎ型化合物の半導体層
４２と同じ物質層であることが望ましい。ただし、ｐ型
化合物の半導体層５４はその上にｐ型電極（図示せず）
が備えられるのでｐ型導波層５２よりドーピング濃度を
高めて電気抵抗を低めたことが望ましい。
のｎ型物質層Mが形成されている。ｎ型物質層Mは基板４
０上に順次に形成されたｎ型化合物の半導体層４２、ｎ
型クラッド層４４およびｎ型導波層４６で構成されてい
る。ｎ型化合物の半導体層４２はIII−V族窒化物化合物
の半導体層で、n-GaN層であることが望ましい。そし
て、ｎ型クラッド層４４は所定の割合でAlを含有するn-
AlxGa1-xN層（この際、０<x≦０．２）の単層であるこ
とが望ましく、複層で有り得るが、例えばAlGaN層とGaN
層よりなる超格子（super lattice）層でありうる。い
ずれの場合でもｎ型クラッド層４４は基板４０方向への
光モードの損失を最小化しうる厚さであることが望まし
い。例えば、ｎ型クラッド層４４の厚さは０．５〜１．
７μmほどである。この際、考慮しなければならない点
が半導体の発光素子全体のストレインである。したがっ
て、ｎ型クラッド層４４は前記光モードを最小化しうる
厚さであれば良いが、厚さをそれより若干小さな値とし
て半導体の発光素子全体のストレインを減らせるように
しても良い。ｎ型クラッド層４４の厚さは従来のレーザ
ーダイオードに備えられたものよりはるかに厚いもので
ある。このようにｎ型クラッド層４４を厚くすることで
基板４０への光モードの損失を最小化しうる。ｎ型導波
層４６はIII−V族窒化物化合物の半導体層であって、n-
GaN層であることが望ましい。レイジングのためのｎ型
物質層M上には活性層４８が形成されているので、活性
層４８は多重量子ウェル構造を有する物質層であるのが
望ましく、III−V族窒化物化合物の半導体層の中でもIn
を所定の割合で含有するInGaN層であることがさらに望
ましい。また、活性層４８はこのように単層であって
も、第１ないし第３実施形態において説明したように複
層であっても良く、これは前記実施形態において詳しく
説明したのでその詳細な説明は省略する。活性層４８上
に電子遮断層５０およびｐ型導波層５２が順次に形成さ
れている。この際、電子遮断層５０は電子遮断効率を高
めるために所定の割合でAlを含有するAlGaN層であるこ
とが望ましいが、第１ないし第３実施形態において説明
したような多重量子障壁層５、６で有り得る。ｐ型導波
層５２はドーピング物質がｐ型であることを除いてはｎ
型導波層４６と同じ物質層である。ただし、その厚さは
光モードと光利得とが最大化されうる厚さであることが
望ましく、例えば０．１５〜０．２μmほどが望まし
い。ｐ型導波層５２上にｐ型化合物の半導体層５４が形
成されている。ｐ型化合物の半導体層５４はドーピング
物質がｐ型であることを除いてはｎ型化合物の半導体層
４２と同じ物質層であることが望ましい。ただし、ｐ型
化合物の半導体層５４はその上にｐ型電極（図示せず）
が備えられるのでｐ型導波層５２よりドーピング濃度を
高めて電気抵抗を低めたことが望ましい。
【００２９】このように、本発明の第４実施形態に係る
レーザーダイオードはｐ型物質層にp型クラッド層を備
えない代わりに、キャリア障壁層（電子遮断層）の遮断
効率をはるかに高めて従来のｎ型クラッド層よりさらに
一層厚くしたｎ型クラッド層を具備する。
レーザーダイオードはｐ型物質層にp型クラッド層を備
えない代わりに、キャリア障壁層（電子遮断層）の遮断
効率をはるかに高めて従来のｎ型クラッド層よりさらに
一層厚くしたｎ型クラッド層を具備する。
【００３０】p型クラッド層（p-AlGaN）の形成過程は他
の物質層に比べて相対的に高温形成過程であり、ドーピ
ング過程を伴う。ところが、p型クラッド層を具備しな
いことによって高温工程とドーピング注入工程などの省
略が可能なので製造工程を単純化し、活性層４８の特性
変化を防止しうる。また、活性層４８と熱的、結晶学的
不整合の大きなp型クラッド層を具備しないことによっ
て、レーザーダイオード全体のストレインを減らして素
子のクラックを防止でき、素子の抵抗および動作電圧を
低めて素子の信頼性を高められる。また、p型クラッド
層を具備しないことによって生じるストレインマージン
だけｎ型クラッド層を厚くして基板方向への光モードの
損失を減らせて安定した光モードと向上された光利得が
得られる。
の物質層に比べて相対的に高温形成過程であり、ドーピ
ング過程を伴う。ところが、p型クラッド層を具備しな
いことによって高温工程とドーピング注入工程などの省
略が可能なので製造工程を単純化し、活性層４８の特性
変化を防止しうる。また、活性層４８と熱的、結晶学的
不整合の大きなp型クラッド層を具備しないことによっ
て、レーザーダイオード全体のストレインを減らして素
子のクラックを防止でき、素子の抵抗および動作電圧を
低めて素子の信頼性を高められる。また、p型クラッド
層を具備しないことによって生じるストレインマージン
だけｎ型クラッド層を厚くして基板方向への光モードの
損失を減らせて安定した光モードと向上された光利得が
得られる。
【００３１】従来に比べて基板方向への光損失を減らせ
るのはｎ型クラッド層の厚さが従来に比べてはるかに厚
くてその分エネルギーバンド幅も広くなるからである
が、これは図１２を参照することによってさらに明白に
なる。
るのはｎ型クラッド層の厚さが従来に比べてはるかに厚
くてその分エネルギーバンド幅も広くなるからである
が、これは図１２を参照することによってさらに明白に
なる。
【００３２】具体的に、図１２（ａ）および図１２
（ｂ）は各々従来および本発明の第４実施形態に係るレ
ーザーダイオードを構成する物質層のエネルギーバンド
ダイヤグラムであって、従来のｎ型クラッド層のエネル
ギーバンドEncより本発明のｎ型クラッド層のエネルギ
ーバンドEnc'幅がはるかに広いことがわかる。合わせ
て、従来の電子遮断層のエネルギーバンドEebに対応す
る本発明の電子遮断層のエネルギーバンドEeb'に続いて
従来のp型クラッド層のエネルギーバンドEpcに対応する
エネルギーバンドが示されないことが分かる。部材番号
EmqwおよびEmqw'は各々従来および本発明に係る多重量
子ウェル構造を有する活性層のエネルギーバンドを示
す。
（ｂ）は各々従来および本発明の第４実施形態に係るレ
ーザーダイオードを構成する物質層のエネルギーバンド
ダイヤグラムであって、従来のｎ型クラッド層のエネル
ギーバンドEncより本発明のｎ型クラッド層のエネルギ
ーバンドEnc'幅がはるかに広いことがわかる。合わせ
て、従来の電子遮断層のエネルギーバンドEebに対応す
る本発明の電子遮断層のエネルギーバンドEeb'に続いて
従来のp型クラッド層のエネルギーバンドEpcに対応する
エネルギーバンドが示されないことが分かる。部材番号
EmqwおよびEmqw'は各々従来および本発明に係る多重量
子ウェル構造を有する活性層のエネルギーバンドを示
す。
【００３３】<実験例>一方、前記本発明の第４実施形態
に係るレーザーダイオードの特性を確認するために次の
ような実験を実施した。この実験は３つのレーザーダイ
オード群を対象として実施し、各レーザーダイオード群
の光導波路解釈を通じて光利得と光モードとを調べるた
めに、複素（complex）TMM（Transfer Matrix Method）
を用いて光導波路に拘束される光モードと光利得とを同
時に計算した。
に係るレーザーダイオードの特性を確認するために次の
ような実験を実施した。この実験は３つのレーザーダイ
オード群を対象として実施し、各レーザーダイオード群
の光導波路解釈を通じて光利得と光モードとを調べるた
めに、複素（complex）TMM（Transfer Matrix Method）
を用いて光導波路に拘束される光モードと光利得とを同
時に計算した。
【００３４】本実験に使用した３つのレーザーダイオー
ド群の中から第１レーザーダイオード群は各々厚さが
０．５μmのｎおよびp型クラッド層を全て具備するが、
ｐ型導波層の厚さは異ならせたものであり、第２レーザ
ーダイオード群はクラッド層の中から０．５μmのｎ型
クラッド層のみを具備するが、ｐ型導波層の厚さは異な
らせたものであり、第３レーザーダイオード群は第２レ
ーザーダイオード群と同一なものであるが、ｎ型クラッ
ド層の厚さを１．０μmとしたものである。
ド群の中から第１レーザーダイオード群は各々厚さが
０．５μmのｎおよびp型クラッド層を全て具備するが、
ｐ型導波層の厚さは異ならせたものであり、第２レーザ
ーダイオード群はクラッド層の中から０．５μmのｎ型
クラッド層のみを具備するが、ｐ型導波層の厚さは異な
らせたものであり、第３レーザーダイオード群は第２レ
ーザーダイオード群と同一なものであるが、ｎ型クラッ
ド層の厚さを１．０μmとしたものである。
【００３５】図１３は前記第１レーザーダイオード群を
構成する各物質層の屈折率分布を示したものであって、
活性層を中心としたｎ型およびｐ型側の一部物質層に対
して屈折率分布のみを拡大して示したものである。
構成する各物質層の屈折率分布を示したものであって、
活性層を中心としたｎ型およびｐ型側の一部物質層に対
して屈折率分布のみを拡大して示したものである。
【００３６】図１３において、部材番号R１は活性層に
対応する屈折率を、Rn１およびRp１は各々ｎ型およびｐ
型導波層に対応する屈折率を、Reは電子遮断層に対応す
る屈折率を、各々示す。また、部材番号Rn２およびRp２
は各々ｎ型およびp型クラッド層に対応する屈折率を、R
n３およびRp３は各々ｎ型およびｐ型化合物の半導体層
に対応する屈折率を、各々表す。
対応する屈折率を、Rn１およびRp１は各々ｎ型およびｐ
型導波層に対応する屈折率を、Reは電子遮断層に対応す
る屈折率を、各々示す。また、部材番号Rn２およびRp２
は各々ｎ型およびp型クラッド層に対応する屈折率を、R
n３およびRp３は各々ｎ型およびｐ型化合物の半導体層
に対応する屈折率を、各々表す。
【００３７】図１３を参照すれば、活性層付近の屈折率
分布は活性層からｎ型およびｐ型化合物の半導体層まで
順次に低くなる分布を示していることが分かる。ただ
し、例外的に電子遮断層の屈折率Reはｎ型およびp型ク
ラッド層の屈折率Rn２、Rp２よりも小さい。
分布は活性層からｎ型およびｐ型化合物の半導体層まで
順次に低くなる分布を示していることが分かる。ただ
し、例外的に電子遮断層の屈折率Reはｎ型およびp型ク
ラッド層の屈折率Rn２、Rp２よりも小さい。
【００３８】一方、本実験において最適化されたレーザ
ーダイオード構造を設計するために、前記第１ないし第
３レーザーダイオード群の光利得と光モードを計算し
た。
ーダイオード構造を設計するために、前記第１ないし第
３レーザーダイオード群の光利得と光モードを計算し
た。
【００３９】図１４はこれに対する結果を第１ないし第
３レーザーダイオード群別に示したグラフであって、参
照図形■、●および◆は各々第１ないし第３レーザーダ
イオード群に対した利得変化を示すグラフである。図１
４を参照すれば、光利得を最も大きく得られるｐ型導波
層の厚さは各レーザーダイオード群の光導波路構造によ
って変わることが分かる。
３レーザーダイオード群別に示したグラフであって、参
照図形■、●および◆は各々第１ないし第３レーザーダ
イオード群に対した利得変化を示すグラフである。図１
４を参照すれば、光利得を最も大きく得られるｐ型導波
層の厚さは各レーザーダイオード群の光導波路構造によ
って変わることが分かる。
【００４０】具体的に、図１４を参照すれば、ｎ型およ
びp型クラッド層を全て具備する第１レーザーダイオー
ド群の場合、ｐ型導波層の厚さが約０．１２μmの時に
光利得が最大となり、p型クラッド層を含まない第２お
よび第３レーザーダイオード群の場合、ｐ型導波層の厚
さが０．１５〜０．２２μm、望ましくは約０．２μmで
光利得が最大となることが分かる。
びp型クラッド層を全て具備する第１レーザーダイオー
ド群の場合、ｐ型導波層の厚さが約０．１２μmの時に
光利得が最大となり、p型クラッド層を含まない第２お
よび第３レーザーダイオード群の場合、ｐ型導波層の厚
さが０．１５〜０．２２μm、望ましくは約０．２μmで
光利得が最大となることが分かる。
【００４１】図１５ないし図１７は各々ｐ型導波層の厚
さ変化に伴う前記第１ないし第３レーザーダイオード群
の光モードの変化を示すグラフ図であって、全部類似し
た傾向を示しているが、ｐ型導波層の厚さが、光モード
が最大となる厚さより薄い場合に光モードはｎ型導波層
に偏り、その反対の場合には光モードはｐ型導波層に偏
ることが見られる。各図面において部材符号G１max、G
２maxおよびG３maxは各々光利得の最大のグラフを示
す。
さ変化に伴う前記第１ないし第３レーザーダイオード群
の光モードの変化を示すグラフ図であって、全部類似し
た傾向を示しているが、ｐ型導波層の厚さが、光モード
が最大となる厚さより薄い場合に光モードはｎ型導波層
に偏り、その反対の場合には光モードはｐ型導波層に偏
ることが見られる。各図面において部材符号G１max、G
２maxおよびG３maxは各々光利得の最大のグラフを示
す。
【００４２】すなわち、図１５を参照すれば、第１レー
ザーダイオード群の場合、光モードはｐ型導波層の厚さ
が０．１μmの時に最大となるが、ｐ型導波層の厚さが
０．１μmより薄い時光モードはｎ型導波層（図面の左
側）に偏り、ｐ型導波層の厚さが０．１μmより厚い
０．２μmまたは０．４μmである場合に光モードはｐ型
導波層（図面の右側）に偏るのが見られる。
ザーダイオード群の場合、光モードはｐ型導波層の厚さ
が０．１μmの時に最大となるが、ｐ型導波層の厚さが
０．１μmより薄い時光モードはｎ型導波層（図面の左
側）に偏り、ｐ型導波層の厚さが０．１μmより厚い
０．２μmまたは０．４μmである場合に光モードはｐ型
導波層（図面の右側）に偏るのが見られる。
【００４３】また、図１６および図１７を参照すれば、
第２および第３レーザーダイオード群の場合、光モード
はｐ型導波層の厚さが０．２μmの時に最大となるが、
ｐ型導波層の厚さがこれより薄い場合やこれより厚い場
合には程度の差はあるが第１レーザーダイオード群の場
合と同じ特性を示すということがわかる。
第２および第３レーザーダイオード群の場合、光モード
はｐ型導波層の厚さが０．２μmの時に最大となるが、
ｐ型導波層の厚さがこれより薄い場合やこれより厚い場
合には程度の差はあるが第１レーザーダイオード群の場
合と同じ特性を示すということがわかる。
【００４４】このように、ｐ型導波層の厚さが最大の光
利得を得られる厚さより薄い場合、光モードがｎ型導波
層に偏り、これは光モードの損失を意味して結局光利得
が減少されるということを意味する。したがって、この
際は光利得の減少を補償するためにさらに多くのキャリ
ア（電子）を供給しなければならないので、結局レイジ
ングのための臨界電流値が大きくなる。
利得を得られる厚さより薄い場合、光モードがｎ型導波
層に偏り、これは光モードの損失を意味して結局光利得
が減少されるということを意味する。したがって、この
際は光利得の減少を補償するためにさらに多くのキャリ
ア（電子）を供給しなければならないので、結局レイジ
ングのための臨界電流値が大きくなる。
【００４５】一方、その反対の場合、ｐ型導波層におけ
る光利得の減少が発生するが、これはｐ型導波層を含む
共振領域（ｎ型導波層+活性層+ｐ型導波層）に拘束され
る光モードが広くなって活性層に拘束される量が減少さ
れるからであると予測される。
る光利得の減少が発生するが、これはｐ型導波層を含む
共振領域（ｎ型導波層+活性層+ｐ型導波層）に拘束され
る光モードが広くなって活性層に拘束される量が減少さ
れるからであると予測される。
【００４６】結論的に、本実験を行うことによって光モ
ードの損失を最小化しかつ単一横モードを有するレーザ
ー発振が可能な光導波路構造を有するレーザーダイオー
ドが可能であるのがわかり、これがp型クラッド層の除
去の代わりにｎ型クラッド層を相対的に厚くした本発明
に係るレーザーダイオードであることが分かった。ま
た、p型クラッド層を除去することによって、レーザー
ダイオードの全体ストレインも小さくなることが分かっ
た。
ードの損失を最小化しかつ単一横モードを有するレーザ
ー発振が可能な光導波路構造を有するレーザーダイオー
ドが可能であるのがわかり、これがp型クラッド層の除
去の代わりにｎ型クラッド層を相対的に厚くした本発明
に係るレーザーダイオードであることが分かった。ま
た、p型クラッド層を除去することによって、レーザー
ダイオードの全体ストレインも小さくなることが分かっ
た。
【００４７】前記説明において多くの事項が具体的に記
載されているが、それらは発明の範囲を限定するための
ものではなく、望ましい実施形態の例示に過ぎない。例
えば、当業者なら本発明の技術的思想をIII−V族化合物
の半導体層でない他の化合物半導体層を用いたレーザー
ダイオード構造に適用でき、前記構造と異なる構造のレ
ーザーダイオード、例えばリッジウェーブガイドを具備
するレーザーダイオードにも適用できる。この時は電子
遮断層の構成やｎ型クラッド層の構造が変わることもで
きる。このように本発明の技術的思想を含む変形された
レーザーダイオードを具現することが可能なために本発
明の範囲は実施形態によって決まるのではなく、特許請
求の範囲に記載された技術的思想によってのみ決まるべ
きである。
載されているが、それらは発明の範囲を限定するための
ものではなく、望ましい実施形態の例示に過ぎない。例
えば、当業者なら本発明の技術的思想をIII−V族化合物
の半導体層でない他の化合物半導体層を用いたレーザー
ダイオード構造に適用でき、前記構造と異なる構造のレ
ーザーダイオード、例えばリッジウェーブガイドを具備
するレーザーダイオードにも適用できる。この時は電子
遮断層の構成やｎ型クラッド層の構造が変わることもで
きる。このように本発明の技術的思想を含む変形された
レーザーダイオードを具現することが可能なために本発
明の範囲は実施形態によって決まるのではなく、特許請
求の範囲に記載された技術的思想によってのみ決まるべ
きである。
【００４８】
【発明の効果】前述したように、本発明はAlGaN/GaNの
二重層が複数回積層された多重量子障壁あるいはAlGaN/
InGaNの二重層が複数回積層されたストレイン補償の多
重量子障壁を活性層の上部および下部のうち少なくとも
選択されたいずれか一側に備えたり、同一な構造でp型
クラッド層を除去するが、ｎ型クラッド層の厚さは相対
的に厚くしたレーザーダイオードまたはこれらの組み合
わせたりしたものであって、後者において前記多重量子
障壁層の代わりに電子遮断の効率を高めた電子遮断層を
具備するレーザーダイオードを提供する。したがって、
本発明に係るレーザーダイオードを用いる場合に次のよ
うな効果が得られる。
二重層が複数回積層された多重量子障壁あるいはAlGaN/
InGaNの二重層が複数回積層されたストレイン補償の多
重量子障壁を活性層の上部および下部のうち少なくとも
選択されたいずれか一側に備えたり、同一な構造でp型
クラッド層を除去するが、ｎ型クラッド層の厚さは相対
的に厚くしたレーザーダイオードまたはこれらの組み合
わせたりしたものであって、後者において前記多重量子
障壁層の代わりに電子遮断の効率を高めた電子遮断層を
具備するレーザーダイオードを提供する。したがって、
本発明に係るレーザーダイオードを用いる場合に次のよ
うな効果が得られる。
【００４９】１．多重量子障壁層または遮断効率を高め
た電子遮断層により活性層からオーバーフローされるキ
ャリア量を減らせる。
た電子遮断層により活性層からオーバーフローされるキ
ャリア量を減らせる。
【００５０】２．これと共に、AlGaN/InGaNストレイン
補償の多重量子障壁の場合にストレイン補償によりレー
ザーダイオード内のストレインを減らせるが、活性層と
熱的、結晶学的に不整合の大きなp型クラッド層を具備
しないことによって、レーザーダイオードの全体ストレ
インをさらに減少させ、その結果ディバイスを構成する
各物質層のクラックを防止しうる。
補償の多重量子障壁の場合にストレイン補償によりレー
ザーダイオード内のストレインを減らせるが、活性層と
熱的、結晶学的に不整合の大きなp型クラッド層を具備
しないことによって、レーザーダイオードの全体ストレ
インをさらに減少させ、その結果ディバイスを構成する
各物質層のクラックを防止しうる。
【００５１】３．p型クラッド層が除去されることによ
って、ｐ型不純物が増加して抵抗が低まると共に、光モ
ードの損失が減り、光利得が増加されるので、レーザー
ダイオードのレーザー発振のための臨界電流が減少され
る。
って、ｐ型不純物が増加して抵抗が低まると共に、光モ
ードの損失が減り、光利得が増加されるので、レーザー
ダイオードのレーザー発振のための臨界電流が減少され
る。
【００５２】４．p型クラッド層を具備しないことによ
って、p型クラッド層の形成に伴う高温工程による活性
層の熱的劣化を防止できるのでレーザーダイオードの温
度特性が向上される。
って、p型クラッド層の形成に伴う高温工程による活性
層の熱的劣化を防止できるのでレーザーダイオードの温
度特性が向上される。
【００５３】５．半導体発光素子の寿命が延び、p型ク
ラッド層の形成と関連した工程が省略されることによっ
てレーザーダイオードの製造工程が単純化される。
ラッド層の形成と関連した工程が省略されることによっ
てレーザーダイオードの製造工程が単純化される。
【図１】従来の量子障壁を有する半導体発光素子の概略
的な垂直断面図である。
的な垂直断面図である。
【図２】図１の量子障壁を有する半導体発光素子の電子
遮断障壁を示すエネルギーバンドダイヤグラムである。
遮断障壁を示すエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図３】本発明の第１実施形態に係るキャリアオーバー
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を具備する半導体発光素子の断面図で
ある。
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を具備する半導体発光素子の断面図で
ある。
【図４】図３に示された半導体発光素子のエネルギーバ
ンドダイヤグラムである。
ンドダイヤグラムである。
【図５】本発明の第２実施形態に係るキャリアオーバー
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を有する半導体発光素子の断面図であ
る。
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を有する半導体発光素子の断面図であ
る。
【図６】図５に示された半導体発光素子のエネルギーバ
ンドダイヤグラムである。
ンドダイヤグラムである。
【図７】本発明の第３実施形態に係るキャリアオーバー
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を有する半導体発光素子の垂直断面図
である。
フローとストレインの減少手段としてAlxGa1-xN/GaN多
重量子障壁あるいはAlxGa1-xN/InyGa1-yNストレイン補
償の多重量子障壁を有する半導体発光素子の垂直断面図
である。
【図８】図７に示された半導体発光素子のエネルギーバ
ンドダイヤグラムである。
ンドダイヤグラムである。
【図９】図３に示された半導体発光素子が有するAlxGa
1-xN/InyGa1-yNストレイン補償の多重量子障壁の電子反
射度を示すグラフである。
1-xN/InyGa1-yNストレイン補償の多重量子障壁の電子反
射度を示すグラフである。
【図１０】従来の技術による量子障壁を有する半導体発
光素子と本発明の実施形態によるキャリアオーバーフロ
ーとストレインの減少手段として多重量子障壁を有する
半導体発光素子のLI特性を示すグラフである。
光素子と本発明の実施形態によるキャリアオーバーフロ
ーとストレインの減少手段として多重量子障壁を有する
半導体発光素子のLI特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る半導体発光素子
の断面図である。
の断面図である。
【図１２】図１１に示した半導体発光素子のエネルギー
バンドダイヤグラムである。
バンドダイヤグラムである。
【図１３】本発明の実験例に使用した第１レーザーダイ
オード群から選択したレーザーダイオードの屈折率分布
の拡大図である。
オード群から選択したレーザーダイオードの屈折率分布
の拡大図である。
【図１４】本発明の実験例に使用した第１ないし第３レ
ーザーダイオード群の光利得変化を示すグラフである。
ーザーダイオード群の光利得変化を示すグラフである。
【図１５】本発明の実験例に使用した第１レーザーダイ
オード群の光モード変化を示すグラフである。
オード群の光モード変化を示すグラフである。
【図１６】本発明の実験例に使用した第２レーザーダイ
オード群の光モード変化を示すグラフである。
オード群の光モード変化を示すグラフである。
【図１７】本発明の実験例に使用した第３レーザーダイ
オード群の光モード変化を示すグラフである。
オード群の光モード変化を示すグラフである。
５、６…活性層、 ７、８…多重量子障壁層、 ４０…基板、 ４２…ｎ型化合物半導体層、 ４４…ｎ型クラッド層、 ４６…ｎ型導波層、 ４８…活性層、 ５０…電子遮断層、 ５２…ｐ型導波層、 ５４…ｐ型化合物半導体層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 南 玉 鉉 大韓民国ソウル特別市江南区逸院洞719番 地 プルンマウルアパート106棟504号 (72)発明者 李 仁 煥 大韓民国京畿道水原市八達区靈通洞963− ２番地 新安アパート533棟706号 (72)発明者 李 元 碩 大韓民国ソウル特別市恩平区亀山洞21−60 番地 俊ビル５階 (72)発明者 趙 時 衍 大韓民国ソウル特別市銅雀区舎堂洞64−93 番地 宇進パークビラー402号 (72)発明者 孫 哲 守 大韓民国京畿道安養市東安区坪村洞897− ７番地 草原ラッキーアパート504棟803号
Claims (21)
- 【請求項１】 ０<x<１とする時、 GaN系の化合物半導体よりなる活性層と、 前記活性層の上部および下部に各々AlxGa1-xN層とGaN層
の二重層を少なくとも２回以上繰り返して積層してエネ
ルギーバンドが複数個の多重量子障壁構造を有するよう
に前記活性層の上部および下部のうち少なくともいずれ
か一側に形成された多重量子障壁層とを具備することを
特徴とする多重量子障壁を有する窒化物半導体の発光素
子。 - 【請求項２】 前記活性層あるいは多重量子障壁層の上
下部には各々GaN光導波層がさらに備えられたことを特
徴とする請求項１に記載の多重量子障壁を有する窒化物
半導体の発光素子。 - 【請求項３】 前記活性層はInxGa1-xN層とInyGa1-yN層
の二重層、InxGa1-xN層とAlyGa1-yN層の二重層、InxGa
1-xN層とInyAlzGa1-y-zN層の二重層、InxAsyGa1-x-yN層
とInzGa1-zN層の二重層およびInxAsyGa1-x-yN層とAlyGa
1-yN層の二重層のうちいずれか１つの二重層が複数回以
上積層されて多重量子ウェル構造よりなったものであっ
て、０≦x<１、０≦y<１、０≦z<１、x+y<１であり、y+
z<１であることを特徴とする請求項１に記載の多重量子
障壁を持った窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項４】 ０<x<１、０≦y<１、x>yとする時、 GaN系の化合物半導体よりなった活性層と、 前記活性層の上部および下部に各々AlxGa1-xN層とAlyGa
1-yN層の二重層を少なくとも２回以上繰り返し積層して
エネルギーバンドが複数個の多重量子の障壁構造を有す
るように前記活性層の上部および下部のうち少なくとも
いずれか一側に形成された多重量子障壁層とを備えるこ
とを特徴とする多重量子障壁を有する窒化物半導体の発
光素子。 - 【請求項５】 前記多重量子障壁層は、前記二重層毎に
前記AlxGa1-xN層の厚さを変えて形成し、多重量子障壁
のエネルギー準位を異ならせることを特徴とする請求項
４に記載の多重量子障壁を有する窒化物半導体の発光素
子。 - 【請求項６】 ０<x<１、０≦y<１、x>yとする時、 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に前記AlyGa1-yN層
の厚さを変えて形成し、多重量子障壁のエネルギー準位
を異ならせることを特徴とする請求項４に記載の多重量
子障壁を有する窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項７】 ０<x<１、０≦y<１、x>yとする時、 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に前記AlxGa1-xN層
のAl含量を変えて多重量子障壁のエネルギー準位を異な
らせることを特徴とする請求項４に記載の多重量子障壁
を有する窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項８】 ０<x<１とし、０<y≦１とする時、 GaN系の化合物半導体よりなる活性層と、 前記活性層の上部および下部に各々AlxGa1-xN層とInyGa
1-yN層の二重層を少なくとも２回以上繰り返し積層して
エネルギーバンドが複数個の多重量子障壁構造を有する
ように前記活性層の上部および下部のうち少なくともい
ずれか一側に形成された多重量子障壁層とを具備するこ
とを特徴とする多重量子障壁を有する窒化物半導体の発
光素子。 - 【請求項９】 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に前
記AlxGa1-xN層の厚さを変えて前記多重量子障壁のエネ
ルギー準位を異ならせることを特徴とする請求項８に記
載の多重量子障壁を有する窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項１０】 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に
前記InyGa1-yN層の厚さを変えて形成し、多重量子障壁
のエネルギー準位を異ならせることを特徴とする請求項
８に記載の多重量子障壁を持った窒化物半導体の発光素
子。 - 【請求項１１】 前記多重量子障壁層は前記二重層毎に
前記AlxGa1-xN層のAl含量を異ならせて形成し、多重量
子障壁のエネルギー準位を異ならせて形成したことを特
徴とする請求項８に記載の多重量子障壁を有する窒化物
半導体の発光素子。 - 【請求項１２】 基板と、 前記基板上に形成された光放出が起こる活性層と、 前記基板と前記活性層との間に備えられているが、前記
基板方向への光損失を防止するように備えられたｎ型ク
ラッド層を含むレイジングのためのｎ型物質層と、 前記活性層上に順次に備えられたキャリア障壁層、ｐ型
導波層およびｐ型化合物の半導体層と、 前記活性層へのキャリア拡散のための電位差を形成する
ｎ型およびｐ型電極とを具備することを特徴とする窒化
物半導体の発光素子。 - 【請求項１３】 前記ｎ型物質層は、 前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に備えられたｎ
型導波層と、 前記ｎ型クラッド層と前記基板との間に備えられてお
り、前記ｎ型電極と連結されるｎ型化合物の半導体層よ
りなることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導
体の発光素子。 - 【請求項１４】 前記活性層は多重量子ウェル構造を有
するIII−V族窒化物化合物半導体層であることを特徴と
する請求項１２または１３に記載の窒化物半導体の発光
素子。 - 【請求項１５】 前記ｎ型クラッド層の厚さは０．５μ
m〜１．７μmであることを特徴とする請求項１２または
１３に記載の窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項１６】 前記ｐ型導波層の厚さは光モードと光
利得とが最大となる０．１５μm〜０．２２μmであるこ
とを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体の発光
素子。 - 【請求項１７】 前記キャリア障壁層は単一層または多
重量子障壁層であることを特徴とする請求項１２に記載
の窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項１８】 前記多重量子障壁層は前記AlxGa1-xN
層とInyGa1-yN層（０<x<１、０<y≦１）の二重層毎に前
記InyGa1-yN層の厚さを変えて形成される多重量子障壁
のエネルギー準位を異ならせて形成したことを特徴とす
る請求項１７に記載の窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項１９】 前記多重量子障壁層は前記AlxGa1-xN
層とInyGa1-yN層（０<x<１、０<y≦１）の二重層毎に前
記AlxGa1-xN層のAl含量を変えて形成される多重量子障
壁のエネルギー準位を異ならせて形成したことを特徴と
する請求項１７に記載の窒化物半導体の発光素子。 - 【請求項２０】 前記ｐ型導波層および前記ｐ型化合物
の半導体層は同一な物質層であるが、ｐ型化合物の半導
体層のドーピング濃度が前記ｐ型導波層より高いことを
特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体の発光素
子。 - 【請求項２１】 前記基板はサファイア基板、SiC、S
i、GaAs、GaNおよびZnOよりなるグループのうち選択さ
れた何れか１つであることを特徴とする請求項１２に記
載の窒化物半導体の発光素子。
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