JP2002094188A - Iii族窒化物系半導体レーザ素子 - Google Patents
Iii族窒化物系半導体レーザ素子Info
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Abstract
の優れたIII族窒化物系半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 n側AlGaNクラッド層、n側ガイド
層、活性層、p側ガイド層、p側AlGaNクラッド層
を含むIII族窒化物系半導体発光素子であって、前記
p側ガイド層の屈折率8が前記n側ガイド層の屈折率5
よりも大であることを特徴とする窒化物半導体発光素子
をつくる。
Description
ザ素子に関する。
じ込め、クラッド層によってガイド層及び活性層に光を
閉じ込めるSCH構造を有する半導体レーザ素子があ
る。特に、(AlxGa1-x)1-yInyN(0≦x≦1、0≦y≦
1)で表される如きIII族窒化物系半導体からなる半導体
レーザ素子では、他の材料系からなる半導体レーザ素子
に比べて、ガイド層及び活性層への光閉じ込めが困難で
ある故に、レーザ素子を発振させるために必要な閾値電
流密度が高く、また出射ビームの遠視野像が劣化する等
の発光特性における問題が生じていた。
半導体レーザ素子は、単結晶サファイアからなる基板1
上に膜を多層に積層した構造を有していた。詳細には、
基板1上に順に、GaN又はAlNを低温にて成膜したバッフ
ァ層2、GaNからなるn側下地層3、AlGaNからなるn側
クラッド層4、GaNからなるn側ガイド層5、InGaNを主
たる成分とする活性層6、AlGaNからなる電子バリア層
7、GaNからなるp側ガイド層8、AlGaNからなるp側ク
ラッド層9、GaNからなるp側コンタクト層10が積層し
ている。なお、下地層3及びコンタクト層10の上には、
絶縁層11の窓部を介して、n側電極12a及びp側電極12b
が各々形成されている。ここで、バッファ層2は、サフ
ァイア基板1上に平滑な単結晶膜を形成するために設け
られており、下地層3は、基板1のサファイアが導電性
を有さないために設けられている。
導体レーザ素子において、(1)クラッド層4の膜厚を増
加させる、若しくは、(2)クラッド層4の屈折率を下げ
る、ことでSCH構造での光閉じ込め効率を向上させる
ことが出来るのである。前記(1)の方法において、GaNか
らなる下地層3の上にGaNよりも格子定数の小さいAlGaN
からなるクラッド層4を形成した場合、クラッド層4の
内部には引っ張り応力が発生し、クラックが形成され易
くなる。特に、クラッド層4の膜厚が大きくなると、こ
の傾向は顕著となる。かかるクラッド層4のクラック
は、素子としての発光特性の劣化を引き起こすのであ
る。
間に格子不整合を緩和するための歪み緩和層(図示せ
ず)を設けると、クラッド層4のクラックの発生を低減
し、且つクラッド層4の膜厚を大きくすることが出来る
のである。例えば、歪み緩和層は、厚さ0.1〜0.2μm程
度のInGaN等からなる。しかしながら、格子不整合を緩
和するための歪みエネルギーは、歪み緩和層中に転位と
して蓄えられて、歪み緩和層の結晶品質を大きく劣化さ
せてしまうのである。さらに歪み緩和層中に新たに発生
した転位の一部が貫通転位となって活性層にまで到達し
て、発光特性を劣化させてしまうのである。結果とし
て、得られた素子では、発光特性の劣化及び導波損失の
増加による閾値電流密度の上昇を招来するのである。
4の膜厚の増大と共に、当該層の成膜時間も増加して、
製造コストを増加させるので好ましくない。前記(2)の
方法においては、AlGaNからなるクラッド層4のAl混晶
比を高めてクラッド層4の屈折率を下げることができ
る。しかしながら、AlGaN中のAl混晶比が高くなると、A
lGaN混晶の格子定数が小さくなる故、クラッド層4に
は、より大きな引っ張り応力が作用して、クラッド層4
にはクラックが生じてしまうのである。
層4の屈折率を下げるのではなく、ガイド層5の屈折率
を高めて光の閉じ込め効率を向上させる方法がある。例
えば、Inは、わずかな量でも屈折率を大きく上昇させ得
る。ガイド層5を屈折率の高いInGaNで形成すると、ク
ラッド層4の厚さを増加させることなく、光閉じ込め効
率を高めることができるのである。
成長(MOCVD)法で形成すると、その表面には断面
略V字状の逆円錐型の「くぼみ」が発生する。この「く
ぼみ」は、その下層の膜からの貫通転位の延長線上に発
生し、堆積させるInGaNの膜厚の大きさに比例して成長
する。ガイド層5は、活性層6への光閉じ込め効率を改
善するために一定値以上の厚さを必要とするため、ガイ
ド層5をInGaNとした場合、その成膜後の表面には、深
さ及び開口ともに非常に大きな「くぼみ」が形成されて
しまうのである。この大なる「くぼみ」は、その上に形
成される活性層6が平坦に成膜された場合であっても、
活性層6及びガイド層5を導波する光の散乱を引き起こ
して素子の発光特性を劣化させてしまうのである。それ
故、ガイド層にInGaNを用いると、ガイド層の屈折率を
高めることは出来るが、一方で、散乱損失を増加させ
て、閾値電流密度の上昇を招く結果となる。
製造コストを増加させることなく、発光特性の優れた半
導体発光素子を提供することにある。
体発光素子は、n側AlGaNクラッド層、n側ガイド層、
活性層、p側ガイド層、p側AlGaNクラッド層を含むIII
族窒化物系半導体発光素子であって、前記p側ガイド層
の屈折率が前記n側ガイド層の屈折率よりも大であるこ
とを特徴とする。
は、素子を構成する各層の材料成分比等が一部異なって
いるが、上記従来のIII族窒化物系半導体レーザ素子と
同様の断面構造を有している。
サファイア基板1上には、AlNやGaN等からなる低温バッ
ファ層2が積層し、この上にSi等をドーピングして導電
性を付与したn側GaN下地層3が厚さ約4〜6μm程度
に積層している。さらに、0.6μmの厚さを有し且つ混
晶比x=0.06のn側AlxGal-xNクラッド層4、n側GaNガ
イド層5が積層した上に、発光層としてIny1Ga1-y1N(y
1=0.08、30Å)/Iny2Ga 1-y2N(y2=0.01、60Å)を5層
積層したMQW活性層6が積層している。そして、0.02
μmの厚さのAlxGal-xN電子バリア層7、マグネシウム
をドーピングしてp型としたp側InyGa1-yNガイド層
8、0.4μmの厚さを有し且つ混晶比x=0.06のp側Alx
Gal-xNクラッド層9及び0.1μmの厚さのp側コンタク
ト層10が積層している。なおp側コンタクト層10及びn
側GaN下地層3上には、絶縁層11の窓を介して、それぞ
れp側電極12b及びn側電極12aが形成されている。
n側ガイド層がGaNからなっているので、n側ガイド層
5の成膜後の表面には「くぼみ」が形成されることがな
いため、上述の散乱損失の問題を生じることがない。ま
た、p側ガイド層8をInGaNとして屈折率を高めている
ので、光の閉じ込め効率を改善することができるのであ
る。
すると「くぼみ」の発生が抑制される。ここで、p側ガ
イド層8には、p型ドーパントとしてマグネシウムがド
ーピングされている故、散乱損失を増加させるような
「くぼみ」が形成されず、好ましいのである。また、In
yGa1-yNからなるp側ガイド層8は、In混晶比yを調整
して屈折率の高低の制御を行うことができる。つまり、
光の閉じ込めの状態の制御が可能となったのである。p
側ガイド層8のIn混晶比yを高めると、p側ガイド層8
の屈折率を上昇させることが出来る。ここでInyGa1-yN
からなるp側ガイド層8において、厚さを0.05μm以
上、In混晶比をy=0.005以上とすると、素子の発光特
性が改善されて、好ましいのである。
比較例の発光特性を計算によってシミュレーションした
結果を説明する。図2に示すように、n側ガイド層5及
びp側ガイド層8の厚さを共に0.2μmとして、p側Iny
Ga1-yNガイド層8の屈折率を変化させるべく、In混晶比
yを変化させた場合の活性層への光の閉じこめ係数Γを
求めた。
5近傍で急激にΓ値が上昇した後に、緩やかにΓ値は下
降している。すなわち、p側ガイド層8及びn側ガイド
層5の厚さが共に0.2μmである場合、y=0.015よりも
大なるIn混晶比で、SCH構造での良好な光の閉じ込め
効率が達成されるのである。次に、図3乃至図6に示す
ように、n側ガイド層5及びp側ガイド層8の厚さを共
に0.2μmとして、p側InyGa1-yNガイド層8の屈折率を
変化させるべく、In混晶比yを0(比較例)、0.010、0.
015(以上、本発明)と変化させた場合の素子の積層方
向における光強度分布と遠視野像の強度分布を計算によ
って求めた。なお、図3乃至図5中における屈折率分布
では、素子を構成する各層の屈折率を、図1において各
層を表した番号と同じ番号を付して表している。
In混晶比がy=0の場合、すなわちp側ガイド層8がn
側ガイド層5と同じ材料のGaNであって、ガイド層8の
屈折率がn側ガイド層5及び下地層3の屈折率と同じで
ある場合において、光の強度分布16は、n側ガイド層5
及びp側ガイド層8を含む活性層6の近傍だけでなく、
幅広く下地層3部分においても分布16a及び16bしてい
る。
積層方向における遠視野像の光強度分布は、幅の狭い鋭
いピークを複数有する多峰形であって好ましくない。遠
視野像の光強度分布の形状は、素子内部の光強度分布の
影響を強く受ける。つまり、活性層6近傍への光の閉じ
込めが弱く、下地層3に光が漏れ出している場合におい
ては、遠視野像は、上記の如き幅の狭い鋭いピークを伴
った多峰形となるのである。一方、素子内部において活
性層6近傍への光の閉じ込めが良好な場合では、遠視野
像における上記の如き幅の狭い鋭いピークは相対的に小
さくなって、幅の広い単一のピーク形状に近づくのであ
る。
0.010の場合、すなわち、p側ガイド層8の屈折率がn
側ガイド層5の屈折率よりも僅かに高い場合において
も、光の強度分布16は、下地層3の部分にピーク16aを
形成して分布している。つまり下地層3部分に光が漏れ
出しているのである。更に、この場合の遠視野像は、図
6(b)に示すように、多峰形の遠視野像を形成している
が、図6(a)の場合と比べて、幅の広い単一のピーク形状
に近づいている。すなわち、In混晶比y=0の場合と比
較して、素子内部における光閉じ込め効率が向上したこ
とが判る。
In混晶比がy=0.015の場合、すなわちp側ガイド層8
の屈折率が図4における場合よりも、更に高い場合、光
の強度分布16は、n側ガイド層5及びp側ガイド層8を
含む活性層6の近傍に集中しており、活性層6で発光
し、素子内部を導波する光が、活性層6の近傍に良好に
閉じ込められていることが判る。このときの遠視野像
は、図6(c)に示すように、幅の広い単一のピーク形状
となって、幅の狭い鋭いピークが観察されなくなって、
素子の発光特性として非常に好ましいのである。
ド層8の厚さが共に0.2μmの場合であったが、次に、
p側InyGa1-yNガイド層8のIn混晶比及びその膜厚を変
化させて、下地層3部分への光の漏れ出し及び遠視野像
の光強度分布を求めた。なお、n側ガイド層5はGaNで
あり、n側ガイド層5とp側ガイド層8は、常に同じ厚
さを有している。つまりp側ガイド層8の膜厚が0.1μ
mであるときは、n側ガイド層5の膜厚も0.1μmであ
る。
しが無く、遠視野像が単峰形となって発光特性が最も好
ましき(境界)条件を示している。曲線17は、In混晶比
yとp側ガイド層t(μm)との間において、yt=0.0
03なる関係が成り立つことが判った。ここで図2を合わ
せて考慮すると、曲線17よりも混晶比yが低いと、急激
に発光特性が劣化し、一方で、混晶比yが高い方向へ曲
線17からはずれても発光特性の劣化は少ないのである。
すなわち、曲線17で2分割される領域において、曲線17
を含み且つ膜の厚さが大きく、混晶比yが大きい領域A
において単峰形の遠視野像が得られて好ましいのであ
る。
と活性層6との間に約500Å、好ましくは300ÅのInGaN
からなる中間層13を設けてもよい。上述の如く、InGaN
を有機金属気相成長(MOCVD)法によって約300Å
以上の厚さに形成すると、その形成後の表面には「くぼ
み」が発生する。係る「くぼみ」は、InGaN層よりも下
層にある膜中から上部に向かって延びる貫通転位部分に
発生することが知られている。例えば、図7に示すよう
に、貫通転位を有する下地層3の上にn側クラッド層4
及びn側ガイド層5を形成し、更にこの上から約500Å
以下の厚さのInGaNからなる中間層13を形成すると、そ
の表面には微細な「くぼみ」が生成するのである。中間
層13の上に活性層6を成膜すると、活性層6は微細な
「くぼみ」の上、すなわち下地層3からの貫通転位部分
を避けるようにして成長する。活性層6を貫く貫通転位
部分は、非発光再結合中心として作用するが、InGaN中
間層13を挿入して貫通転位部分を避けて成長した活性層
6では、非発光再結合による無効電流を低減できる。故
に閾値電流密度の上昇を抑えることが出来て好ましいの
である。なお、一定の大きさ以上の「くぼみ」は、活性
層6の平坦性を阻害し、導波する光を散乱するので、好
ましくない。
層13を設けたときの曲線17と同一条件(すなわち、発光
特性が改善される境界条件)を満たす関係を示したもの
である。InGaN中間層13を設けない場合に比較して、同
じガイド層8の厚さであれば、混晶比が下がる方向に広
がるのである。さらに、図8に示すように、n側GaN下
地層3において、SiO2等からなるマスク層14をGaN下地
層3の中間に形成してGaNの横方向成長を促進させてマ
スクの上部の半導体層における転位密度を低減するEL
O(Epitaxial Laterally Overgrowth)等の技術を用い
て作成された厚膜下地上にレーザ構造体を作成する場合
においても、遠視野像の優れたレーザ素子を得ることが
出来ることも確認された。
厚を大とせずに良好な発光特性の素子を得ることが出来
るので、製造コストを増加させることもない。
る。
との関係を示すグラフである。
0)の積層方向における屈折率及び素子内の光強度(対
数軸)分布を示す図(各軸は任意単位)である。
0.010)の積層方向における屈折率及び素子内の光強度
(対数軸)分布を示す図(各軸は任意単位)である。
0.015)の積層方向(任意単位)における屈折率及び素
子内の光強度(対数軸)分布を示す図(各軸は任意単
位)である。
子の発光特性を示すマトリクス図及び遠視野像の光強度
分布を示す図である。
素子の断面図である。
素子の断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 n側AlGaNクラッド層、n側ガイド層、
活性層、p側ガイド層、p側AlGaNクラッド層を含むIII
族窒化物系半導体発光素子であって、前記p側ガイド層
の屈折率が前記n側ガイド層の屈折率よりも大であるこ
とを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項2】 前記p側ガイド層は、InyGa1-yN(0<y
≦1)であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半
導体レーザ素子。 - 【請求項3】 前記p側ガイド層は、厚さ0.05μm以上
であることを特徴とする請求項2記載の窒化物半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項4】 前記p側ガイド層は、y=0.005以上のI
nyGa1-yNからなることを特徴とする請求項2記載の窒化
物半導体レーザ素子。 - 【請求項5】 前記n側ガイド層は、GaNであることを
特徴とする請求項2記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項6】 前記n側ガイド層と前記活性層との間に
InGaNからなる中間層を有することを特徴とする請求項
5記載の窒化物半導体素子 - 【請求項7】 前記中間層は、厚さ500オングストロー
ム以下であることを特徴とする請求項6記載の窒化物半
導体レーザ素子。
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