JP2002151797A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒化物半導体よりなるレーザ素子の発光出力
を高め、さらに閾値電流を小さくして、室温での連続発
振を目指す。 【構成】 インジウムを含む窒化物半導体よりなる井戸
層と、井戸層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導
体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造
の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前
記活性層中にはｎ型不純物及び／又はｐ型不純物がドー
プされており、さらに前記レーザ素子の発光スペクトル
中には縦モードの発光ピークとは異なる複数の発光ピー
クを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物半導体（Ｉｎ
_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）
よりなるレーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】活性層にＳｉがドープされたレーザ素子
が、特開平７−２９７４９４号公報に記載されている。
この公報にはＧａＮよりなる膜厚の厚い活性層にＳｉを
ドープして閾値電流を低下させることが開示されてい
る。

【０００３】しかし、前記公報のように、単一層の膜厚
が例えば０．１μｍ以上もある厚膜の活性層を有する素
子構造では出力が弱く、レーザ発振させるのは非常に困
難である。また活性層を単一膜厚が１００オングストー
ム近辺にある井戸層と障壁層とを積層した多重量子井戸
構造の活性層を有するレーザ素子が、例えば特開平８−
６４９０９号公報に記載されている。この公報には、井
戸層にＺｎがドープされた多重量子井戸構造の活性層を
有するレーザ素子が記載されており、井戸層に極微量の
Ｚｎをドープすることにより、価電子帯近くにアクセプ
ター的な不純物準位を形成して、閾値電流を低下させる
ことが示されている。さらにまた、特開平６−２６８２
５７号公報にはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮよりなる井戸層と、
Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮよりなる障壁層とを積層した多重量
子井戸構造の活性層を有する発光素子が示されており、
さらにこの公報には活性層にｎ型不純物、またはｐ型不
純物をドープしても良いことが記載されている。

【０００４】このように活性層にｎ型、ｐ型不純物をド
ープして、バンドギャップ内に不純物準位を形成するこ
とにより、発光素子の発光出力を高めたり、レーザ素子
の閾値電流を低下させることが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本出願人は
最近窒化物半導体により、パルス電流において、室温で
の４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.
Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76）。発表したレー
ザ素子はいわゆる電極ストライプ型のレーザ素子であ
り、ノンドープＩｎＧａＮが積層された多重量子井戸構
造の活性層を有するものである。

【０００６】しかしながら、前記窒化物半導体レーザは
未だパルス発振でしかなく、しかも閾値電流は１〜２Ａ
もある。窒化物半導体で連続発振させるためには、閾値
電流をさらに低下させる必要がある。

【０００７】従って、本発明の目的とするところは、窒
化物半導体よりなるレーザ素子の発光出力を高め、さら
に閾値電流を小さくして、室温での連続発振を目指すこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】インジウムを含む窒化物
半導体よりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップ
が大きい窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてな
る多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レー
ザ素子において、前記活性層は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ
（０＜X≦１）よりなる井戸層と、Ｉｎ_{Ｘ ’}Ｇａ
_１−Ｘ’Ｎ（０＜X'≦１、X'＜X）よりなる障壁層が積
層され、かつ前記活性層の１つの井戸層においてＩｎ組
成の多い領域とＩｎ組成の少ない領域とを有し、かつ前
記井戸層中にｎ型不純物及びｐ型不純物のうちの少なく
とも一方がドープされて、かつ前記活性層に接して、Ａ
ｌを含むｐ型の窒化物半導体からなる第１のｐ型層を有
することを特徴とする。

【０００９】前記第１のｐ型層は１０オングストローム
以上、０．５μｍ以下の膜厚であることを特徴とする。

【００１０】前記第１のｐ型層は、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ
（０≦Ｙ＜１）よりなる第２のｐ型層を介して成長させ
る、Ａｌを含むｐ型窒化物半導体よりなる第３のｐ型層
よりも膜厚が薄く形成されていることを特徴とする。

【００１１】前記第２のｐ型層は１００オングストロー
ム〜０．５μｍの膜厚で、前記第３のｐ型層は０．１μ
ｍ〜１μｍの膜厚であることを特徴とする。

【００１２】前記活性層には、前記ｎ型不純物としてＳ
ｉが、１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^２２／ｃｍ^３の
範囲の濃度でドープされていることを特徴とする請求項
１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素
子。

【００１３】前記活性層には、前記ｐ型不純物としてＭ
ｇが、１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２２／ｃｍ^３の
範囲の濃度でドープされていることを特徴とする。

【００１４】共振器長を６００μｍとすることを特徴と
する。

【００１５】また、活性層にはｎ型不純物がドープされ
ており、そのｎ型不純物が１×１０ ^１８／cm^３〜１×１
０^２２／cm^３の濃度でドープされていることが望まし
く、さらに好ましくは、ｎ型不純物は少なくとも井戸層
にドープされていることが望ましい。

【００１６】また、活性層にはｐ型不純物がドープされ
ており、そのｐ型不純物が１×１０ ^１７／cm^３〜１×１
０^２２／cm^３の濃度でドープされていることが望まし
く、さらに好ましくは、ｐ型不純物は少なくとも井戸層
にドープされていることが望ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例に係るレ
ーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。基本的な
構造としては、基板１の上に、バッファ層２、ｎ型コン
タクト層３、ｎ型クラッド層４、不純物がドープされた
多重量子井戸構造を有する活性層５、第１のｐ型層６、
第２のｐ型層７、第３のｐ型層８、ｐ型コンタクト層９
が順に積層された電極ストライプ型の構造を有してお
り、ｎ型コンタクト層にはストライプ状の負電極、ｐ型
コンタクト層には正電極が設けられている。

【００１８】このレーザ素子を各パルス電流を流した際
のスペクトルを図３に示す。図３において（ａ）は２８
０ｍＡ（閾値直後）、（ｂ）は２９５ｍＡ、（ｃ）は３
２０ｍＡ、（ｄ）は３４０ｍＡでの発光スペクトルを示
している。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は発振時のスペクト
ルを示している。

【００１９】（ａ）は発振直後のスペクトルを示し、こ
の状態ではおよそ４０４．２ｎｍ付近にある主発光ピー
クの前後に小さな発光ピークが多数（ファブリペローモ
ード）出現してレーザ発振直後の状態であることが分か
る。これがいわゆる縦モードのスペクトルである。電流
値を上げると（ｂ）に示すように、そのスペクトルがシ
ングルモードとなって４０４．２ｎｍ付近のレーザ発振
を示す。次からが本発明の特徴であり、さらに電流を増
加させると、（ｃ）に示すように、４０３．３ｎｍ
（３．０７５ｅＶ）、４０３．６ｎｍ（３．０７２ｅ
Ｖ）、４０３．９ｎｍ（３．０７０ｅＶ）、４０４．２
ｎｍ（３．０６８ｅＶ）、４０４．４ｎｍ（３．０６６
ｅＶ）というように、主発光ピークの他に、強度の大き
な発光ピークが１ｍｅＶ〜１００ｍｅＶの間隔で不規則
に出現する。さらに（ｄ）では前記ピークの他に、また
新たなピークがはっきりと出現しており。これらのスペ
クトル間隔は一定ではなく明らかに縦モードのスペクト
ルと異なる。

【００２０】一般に、半導体レーザの場合、レーザ発振
すると、レーザ光の縦モードによる小さな発光ピークが
主発光ピークの前後に多数出現する。この場合の発光ス
ペクトルは、ほぼ等間隔の発光ピークよりなっている。
赤色半導体レーザでは、その発光ピークの間隔はおよそ
０．２ｎｍである。青色半導体レーザではおよそ０．０
５ｎｍ（１ｍｅＶ）以下である（但し、青色半導体レー
ザの縦モードは共振器長が６００μｍにおいて、本出願
人により初めて計測された。）。つまり、図３（ａ）、
（ｂ）の状態では通常のレーザ素子の挙動を示してい
る。しかし、本発明のレーザ素子の場合、（ｃ）、
（ｄ）に示すように、明らかに従来のレーザ素子の縦モ
ードによる発光ピークとは異なった等間隔でないピーク
が多数出現している。これは図３の電流値による各スペ
クトルを比較しても分かる。本発明のレーザ素子では、
このような発光スペクトルが出現することにより、出力
が高くなる。

【００２１】なぜ、このようなピークが発生するとレー
ザ素子の出力が高くなるのかは定かではないが、例えば
次のようなことが考えられる。活性層が量子井戸構造の
場合、井戸層の膜厚は１００オングストローム以下、好
ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５
０オングストローム以下に調整される。一方、障壁層も
１５０オングストローム以下、好ましくは１００オング
ストローム以下に調整される。本発明の発光素子では、
このような単一膜厚が数十オングストロームの薄膜を積
層した場合、井戸層、障壁層共、均一な膜厚で成長して
おらず、凹凸のある層が幾重にも重なり合った状態とな
っている。図２は図１のレーザ素子において活性層５と
クラッド層との界面の状態を拡大して示す模式的な断面
図である。図２に示すように、このような凹凸のある活
性層を、活性層よりもバンドギャップの大きいクラッド
層で挟むダブルヘテロ構造を実現すると、活性層に注入
された電子とホールとが、凹部にも閉じ込められるよう
になって、クラッド層の縦方向と共に縦横の両方向に閉
じ込められる。このため、キャリアが約１０〜７０オン
グストローム凹凸差がある３次元のＩｎＧａＮよりなる
量子箱、あるいは量子ディスクに閉じ込められたように
なって、従来の量子井戸構造とは違った、量子効果が出
現する。従って、多数の量子準位に基づく発光が室温で
も観測されるようになり、発光スペクトルの１ｍｅＶ〜
１００ｍｅＶの間隔で多数の発光ピークが観測される。
また、他の理由としては、三次元のＩｎＧａＮよりなる
小さな量子箱にキャリアが閉じ込められるので、エキシ
トン効果が顕著に現れてきて多数の発光ピークが観測さ
れる。

【００２２】また、このようにＩｎＧａＮ井戸層に多数
の凹凸が発生する理由の一つとして、Ｉｎ組成の面内不
均一が考えられる。即ち、単一井戸層内において、Ｉｎ
組成の大きい領域と、少ない領域とができるために、井
戸層表面に多数の凹凸が発生するのである。ＩｎＧａＮ
は混晶を成長させにくい材料であり、ＩｎＮとＧａＮと
が相分離する傾向にある。このためＩｎ組成の不均一な
領域ができる。そして、このＩｎ組成の高い領域に電子
と正孔とが局在して、エキシトン発光、あるいはバイエ
キシトン発光して、レーザの出力が向上し、多数のピー
クができる。特にレーザ素子ではこのバイエキシトンレ
ーザ発振することにより、量子ディスク、量子箱と同等
になって多数のピークが出現し、この多数のピークによ
りレーザ素子の閾値が下がり、出力が向上する。なおエ
キシトンとは電子と正孔とが弱いクーロン力でくっつい
てペアになったものである。

【００２３】さらに、活性層中にｎ型不純物及び／又は
ｐ型不純物をドープすることにより、閾値電流を低下さ
せることができる。これらの不純物をドープすることに
より、活性層のＩｎ組成の多い領域に局在化しているエ
キシトンが、今度はそれよりもさらに深い不純物の準位
に局在化するようになって、エキシトン発光の効果が顕
著となることにより、閾値の低下が起きる。

【００２４】本発明のレーザ素子の活性層について述べ
たことを、図６のエネルギーバンド図でわかりやすく示
す。図６Ａは多重量子井戸構造の活性層のエネルギーバ
ンドを示しており、図６Ｂは、図６Ａの単一井戸層のエ
ネルギーバンドを拡大して示すものである。前記したよ
うに、井戸層においてＩｎ組成の面内不均一があるとい
うことは、Ｂに示すように単一のＩｎＧａＮ井戸層幅に
バンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領域が存在する。従
って、伝導帯にある電子は一度、Ｉｎ組成の大きいＩｎ
ＧａＮ領域に落ちて、そこから価電子帯にある正孔と再
結合することによりｈνのエネルギーを放出する。この
ことは、電子と正孔とが井戸層幅のＩｎ組成の多い領域
に局在化して、局在エキシトンを形成し、レーザの閾値
の低下を助ける。閾値が下がり、出力が高くなるのはこ
の局在エキシトンの効果によるものである。さらに、こ
の井戸層にＳｉ等のｎ型不純物、Ｚｎ等のｐ型不純物を
ドープすることにより、伝導帯と価電子帯との間にさら
に不純物レベルの準位ができる。図６ＢではＳｉと、Ｚ
ｎとでもってその準位を示している。不純物をドープす
ると不純物レベルのエネルギー準位が形成される。その
ため電子はより深い準位へ落ち、正孔はｐ型不純物のレ
ベルに移動して、そこで電子と正孔とが再結合して、ｈ
ν'のより小さいエネルギーを放出する。このことは電
子と正孔とがさらに局在化することを意味し、この局在
したエキシトン効果によりレーザの閾値が下がるのであ
る。多数のピークが出現するのは、この局在エキシトン
に加えて、三次元的に閉じ込められた量子箱の効果によ
り多数の量子準位間の発光が出てくるからである。

【００２５】ｎ型不純物には、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ、Ｓｅ、Ｓを挙げることができる。ｐ型不純物には、
例えばＺｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ等を挙げることが
できる。これらの不純物を活性層中、特に好ましくは井
戸層中にドープすることにより、量子準位間に、不純物
レベルの発光を起こさせ、バンド間のエネルギー準位を
小さくして、閾値を低下させることができる。なお、ｎ
型不純物、ｐ型不純物両方をドープしてもよいことは言
うまでもない。

【００２６】特に好ましくはｎ型不純物、中でもＳｉ、
Ｇｅをドープすることにより、発光強度を強めると共
に、閾値電流を低下させることができる。図４は井戸層
にドープしたＳｉ濃度と、閾値電流の低下率の割合を示
す図である。具体的には平均膜厚３０オングストローム
のＩｎＧａＮよりなる井戸層と、平均膜厚７０オングス
トローム障壁とを５層積層した多重量子井戸構造の活性
層を有するレーザ素子において、前記井戸層中にＳｉを
ドープした際のレーザ素子の閾値の低下の割合を示して
おり、図に示す各点は実際のＳｉ濃度を示している。こ
の図に示すようにＳｉをドープすることにより、閾値電
流を最大で５０％近く低下させることができる。従っ
て、好ましいＳｉ濃度は、１×１０^１８／cm^３〜１×１
０^２２／cm^３の範囲にあり、さらに好ましくは５×１０
^１８／cm^３〜２×１０^２１／cm^３、最も好ましくは１×
１０^１９／cm^３〜１×１０^２１／cm^３である。なおこの
図はＳｉについて示したものであるが、他のｎ型不純
物、Ｇｅ、Ｓｎ等に対しても同様の傾向があることを確
認した。

【００２７】図５は井戸層にドープしたＭｇ濃度と、閾
値電流の低下率の割合を示す図である。これも同じく平
均膜厚３０オングストロームのＩｎＧａＮよりなる井戸
層と、平均膜厚７０オングストローム障壁とを５層積層
した多重量子井戸構造の活性層を有するレーザ素子にお
いて、前記井戸層中にＭｇをドープした際のレーザ素子
の閾値の低下の割合を示しており、図に示す各点は実際
のＭｇ濃度を示している。この図に示すように、Ｍｇを
ドープすることにより、閾値電流を２５％近く低下させ
ることができる。好ましいＭｇ濃度は、１×１０^１７／
cm^３〜１×１０ ^２２／cm^３の範囲にあり、さらに好まし
くは１×１０^１８／cm^３〜２×１０^２１／cm^３、最も好
ましくは１×１０^１８／cm^３〜１×１０^２１／cm^３であ
る。なお、この図はＭｇについて示したものであるが、
他のｐ型不純物、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ等に対しても同様の
傾向があることを確認した。

【００２８】

【実施例】以下、ＭＯＶＰＥ法を用いて、図１に示す構
造のレーザ素子を得る方法を説明する。図１は本発明の
レーザ素子の一構造を示すものであって、本発明のレー
ザ素子はこの構造に限定されるものではない。なお本発
明において示すＩｎ_ＸＧａ _１−ＸＮ、Ａｌ_ＹＧａ_１−Ｙ
Ｎ等の一般式は、単に窒化物半導体の組成式を示してい
るに過ぎず、異なる層が同一の式で示されていても、そ
れらの層が同一の組成を示すものでは決してない。

【００２９】［実施例１］サファイアのＡ面を主面とす
る基板１を用意し、この基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応
容器内に設置した後、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガ
リウム）と、アンモニアを用い、温度５００℃でサファ
イア基板１の表面にＧａＮよりなるバッファ層２を２０
０オングストロームの膜厚で成長させる。基板１にはＡ
面の他にＣ面、Ｒ面等の面方位を有するサファイアが使
用でき、サファイアの他、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ
_２Ｏ_４）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の
単結晶よりなる、公知の基板が用いられる。バッファ層
２は基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するため
に設けられ、通常、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等が１
０００オングストローム以下の膜厚で成長されるが、窒
化物半導体と格子定数の近い基板、格子整合した基板を
用いる場合、成長方法、成長条件等の要因によっては成
長されないこともあるので、省略することもできる。但
し、サファイア、スピネルのように、窒化物半導体と格
子定数が異なる基板を用いる場合、特開平４−２９７０
２３号公報に記載されるように、２００℃以上、９００
℃以下の温度でバッファ層２を成長させると、次に高温
で成長させる窒化物半導体層の結晶性が飛躍的に良くな
る。

【００３０】続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガス
にＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモ
ニア、ドナー不純物としてＳｉＨ_４（シラン）ガスを用
いて、ＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｎ型コンタ
クト層３を４μｍの膜厚で成長させる。

【００３１】ｎ型コンタクト層３は光閉じ込め層として
も作用する。ｎ型コンタクト層３をＡｌとＧａとを含む
ｎ型窒化物半導体、好ましくはｎ型ＡｌYＧａ1-YＮ（０
＜Y＜１）とすることにより、活性層との屈折率差が大
きくでき、光閉じ込め層としてのクラッド層、及び電流
を注入するコンタクト層として作用する。さらに、この
コンタクト層をＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮとすることにより、
活性層の発光をｎ型コンタクト層内で広がりにくくでき
るので、閾値が低下する。ｎ型コンタクト層３をＡｌ_Ｙ
Ｇａ_１−ＹＮとする場合、基板側のＡｌ混晶比が小さ
く、活性層側のＡｌ混晶比が大きい構造、即ち組成傾斜
構造とすることが望ましい。前記構造とすることによ
り、結晶性の良いｎ型コンタクト層が得られるので、結
晶性の良いｎ型コンタクト層の上に積層する窒化物半導
体の結晶性も良くなるため、素子全体の結晶性が良くな
り、ひいては閾値の低下、素子の信頼性が格段に向上す
る。また活性層側のＡｌ混晶比が大きいために、活性層
との屈折率差も大きくなり光閉じ込め層として有効に作
用する。また、このｎ型コンタクト層３をＧａＮとして
もよい。ＧａＮの場合、ｎ電極とのオーミック特性につ
いては非常に優れている。コンタクト層をＧａＮとする
と、ＧａＮコンタクト層と、活性層との間にＡｌＧａＮ
よりなる光閉じ込め層を設ける必要がある。このｎ型コ
ンタクト層３の膜厚は０．１μｍ以上、５μｍ以下に調
整することが望ましい。０．１μｍ以下であると、光閉
じ込め層として作用しにくく、また、電極を同一面側に
設ける場合に、精密なエッチングレートの制御をせねば
ならないので不利である。一方、５μｍよりも厚いと、
結晶中にクラックが入りやすくなる傾向にある。

【００３２】続いて、温度を１０５０℃に保持し、原料
ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用いて、Ｓｉ
ドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型クラッド層４を５００オ
ングストロームの膜厚で成長させる。

【００３３】このｎ型クラッド層４はｎ層側の光ガイド
層、および活性層にＩｎＧａＮを成長させる際のバッフ
ァ層として作用し、ｎ型ＧａＮの他、ｎ型ＩｎＧａＮを
成長させることもできる。バッファ層と成長させる場合
には０．０５μｍ以下の膜厚で成長させることが望まし
い。また、前記のようにコンタクト層２をＧａＮで成長
させた場合、このｎ型クラッド層４は、光閉じ込め層と
して作用させるためにＡｌＧａＮで成長させる必要があ
る。ＡｌＧａＮ層の場合、膜厚は０．０１μｍ〜０．５
μｍの膜厚で成長させることが望ましい。０．０１μｍ
より薄いと光閉じ込め層として作用しにくく、０．５μ
ｍよりも厚いと結晶中にクラックが入りやすい傾向にあ
る。

【００３４】次に、温度を７５０℃にして、原料ガスに
ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニ
ア、不純物ガスとしてシランガスを用いてＳｉをドープ
した活性層５を成長させる。活性層５は、まずＳｉを１
×１０^２０／cm^３の濃度でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ
よりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長さ
せる。次にシランガスを止めて、ＴＭＩのモル比を変化
させるのみで同一温度で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95
Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長
させる。この操作を１３回繰り返し、最後に井戸層を成
長させ総膜厚０．１μｍの多重量子井戸構造よりなる活
性層５を成長させる。

【００３５】活性層５は、少なくとも井戸層がＩｎを含
む窒化物半導体を含む多重量子井戸構造とする。多重量
子井戸構造とは、井戸層と障壁層とを積層したものであ
り、本発明の場合、井戸層がＩｎを含む窒化物半導体で
構成されていれば、障壁層は井戸層よりもバンドギャッ
プが大きければ特にＩｎを含む必要はない。好ましく
は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜X≦１）よりなる井戸層
と、Ｉｎ_Ｘ’Ｇａ_{１−Ｘ ’}Ｎ（０≦X'＜１、X'＜X）よ
りなる障壁層とを積層した構造とする。三元混晶のＩｎ
ＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良い物が得ら
れるので、発光出力が向上する。また障壁層は井戸層よ
りもバンドギャップエネルギーを大きくして、井戸＋障
壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸層（その逆でもよい。）
となるように積層して多重量子井戸構造を構成する。井
戸層の膜厚は７０オングストローム以下、さらに望まし
くは５０オングストローム以下に調整することが好まし
い。また障壁層の厚さも１５０オングストローム以下、
さらに望ましくは１００オングストローム以下の厚さに
調整することが望ましい。井戸層が７０オングストロー
ムよりも厚いか、または障壁層が１５０オングストロー
ムよりも厚いと、レーザ素子の出力が低下する傾向にあ
る。このように活性層をＩｎＧａＮを積層したＭＱＷと
すると、量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間
での高出力なＬＤを実現することができる。特に好まし
い態様として、両方の層をＩｎＧａＮとすると、ＩｎＧ
ａＮは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ結晶に比べて結晶が柔らか
い。そのため第１のｐ型層であるＡｌＧａＮの厚さを厚
くできるのでレーザ発振が実現できる。またｎ型不純物
は本実施例のように井戸層にドープしてもよいし、また
障壁層にドープしてもよく、さらに井戸層、障壁層両方
にドープしてもよい。

【００３６】活性層５の膜厚は、ｎ型コンタクト層３を
Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮとした場合、２００オングストロー
ム以上、さらに好ましくは３００オングストローム以上
の膜厚で成長させることが望ましい。なぜなら、ＭＱＷ
よりなる活性層を厚く成長させることにより、活性層の
最外層近辺が光ガイド層として作用する。つまり、ｎ型
コンタクト層３と第３のｐ型層８とが光閉じ込め層とし
て作用し、活性層の最外層近傍が光ガイド層として作用
する。活性層の膜厚の上限は特に限定するものではない
が、通常は０．５μｍ以下に調整することが望ましい。

【００３７】次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモ
ニア、ｐ型不純物としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエ
ニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2
Ｇａ0.8Ｎよりなる第１のｐ型層６を１００オングスト
ロームの膜厚で成長させる。

【００３８】第１のｐ型層６はＡｌを含むｐ型の窒化物
半導体で構成し、好ましくは三元混晶若しくは二元混晶
のＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Y≦１）を成長させること
が望ましい。さらに、このＡｌＧａＮは後に述べる第３
のｐ型層８よりも膜厚を薄く形成することが望ましく、
好ましくは１０オングストローム以上、０．５μｍ以下
に調整する。この第１のｐ型層６を活性層５に接して形
成することにより、素子の出力が格段に向上する。これ
は、第１のｐ型層６成長時に、活性層のＩｎＧａＮが分
解するのを抑える作用があるためと推察されるが、詳し
いことは不明である。第１のｐ型層６は好ましく１０オ
ングストローム〜０．５μｍ以下の膜厚で成長させるこ
とが望ましいが、省略することもできる。

【００３９】次に、温度を１０５０℃にし、ＴＭＧ、ア
ンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ
よりなる第２のｐ型層７を５００オングストロームの膜
厚で成長させる。

【００４０】この第２のｐ型層７はｐ層側の光ガイド層
若しくはバッファ層として作用し、好ましくは二元混晶
または三元混晶のＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Y＜１）を
成長させる。第２のｐ型層７は、活性層の膜厚が薄い場
合に成長させると光ガイド層として作用する。また第１
のｐ型層６がＡｌＧａＮ等よりなるので、この層がバッ
ファ層のような作用をして、次に成長させる第３のｐ型
層８をクラック無く結晶性良く成長できる。つまり、Ａ
ｌＧａＮの上に直接バンドギャップが大きいＡｌＧａＮ
を積層すると、後から成長させたバンドギャップが大き
いＡｌＧａＮにクラックが入りやすくなるので、この第
２のｐ型層７を介することによりクラックを入りにくく
している。第２のｐ型層７は、通常１００オングストロ
ーム〜０．５μｍ程度の膜厚で成長させることが望まし
いが、省略することもできる。

【００４１】次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガス
にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物と
してＣｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ
よりなる第３のｐ型層８を０．３μｍの膜厚で成長させ
る。

【００４２】第３のｐ型層８は、Ａｌを含む窒化物半導
体で構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＡｌ
_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Y≦１）を成長させる。第３のｐ
型層８は、光閉じ込め層として作用し、０．１μｍ〜１
μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＡｌＧａＮの
ようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体とすることにより、
好ましく光閉じ込め層として作用する。この第３のｐ型
層も活性層５をＩｎを含む窒化物半導体としているため
に、成長可能となる。つまり、ＩｎＧａＮを含む活性層
が緩衝層のような作用をするために、ＡｌＧａＮを厚膜
で成長させやすくなる。逆にＡｌを含む窒化物半導体層
の上に、直接光閉じ込め層となるような厚膜で、Ａｌを
含む窒化物半導体を成長させることは難しい傾向にあ
る。

【００４３】続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニ
ア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなる
ｐ型コンタクト層９を０．５μｍの膜厚で成長させる。

【００４４】ｐ型コンタクト層９は電流を注入する層で
あり、ｐ型の窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ
_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成するこ
とができ、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮ、その中でもＭｇを
ドープしたｐ型ＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高
いｐ型層が得られて、正電極と良好なオーミック接触が
得られ、しきい値電流を低下させることができる。正電
極の材料としてはＮｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａ
ｇ、Ａｕ等の比較的仕事関数の高い金属又は合金がオー
ミックが得られやすい。

【００４５】以上のようにして窒化物半導体を積層した
ウェーハを反応容器から取り出し、図１に示すように最
上層のｐ型コンタクト層９より選択エッチングを行い、
ｎ型コンタクト層３の表面を露出させ、露出したｎ型コ
ンタクト層３と、ｐ型コンタクト層９との表面にそれぞ
れストライプ状の電極を形成した後、サファイア基板の
Ｒ面からウェーハを劈開して、バー状にし、さらにスト
ライプ状の電極に直交する方向にレーザの共振面を形成
し、共振器長は６００μｍとする。後は、常法に従い、
共振面に誘電体多層膜よりなる反射鏡を形成した後、ス
トライプ状の電極に平行な位置でウェーハを分割してレ
ーザチップとする。このレーザチップをヒートシンクに
設置し、順方向電流３２０ｍＡのパルス発振を試みたと
ころ、図３（ｃ）に示すような不規則な位置に発光ピー
クを有するレーザ発振を示し、活性層に不純物をドープ
していないレーザ素子に比較して、閾値電流は５０％低
下し、出力は３０％向上した。

【００４６】［実施例２］実施例１の活性層を成長させ
る工程において、不純物ガスとしてシランガスの代わり
にジエチルジンクを用いて、Ｚｎを１×１０^１９／cm^３
の濃度でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を
２５オングストローム、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ
よりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長さ
せて、同じく総膜厚０．１μｍの多重量子井戸構造より
なる活性層５を成長させる他は、同様にして、共振器長
６００μｍのレーザ素子を得たところ、活性層に不純物
をドープしていないレーザ素子に比較して、閾値電流は
２５％低下し、出力は１０％向上した。

【００４７】［実施例３］実施例１の活性層を成長させ
る工程において、不純物ガスとしてシランガス、および
ジエチルジンクを用いて、Ｓｉを１×１０^２０／cm^３、
及びＺｎを１×１０^１９／cm^３の濃度でドープしたＩｎ
0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストローム、
ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オ
ングストロームの膜厚で成長させて、同じく総膜厚０．
１μｍの多重量子井戸構造よりなる活性層５を成長させ
る他は、同様にして、共振器長６００μｍのレーザ素子
を得たところ、活性層に不純物をドープしていないレー
ザ素子に比較して、閾値電流は６０％低下し、出力は３
５％向上した。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ素
子は、活性層の１つの井戸層においてＩｎ組成の多い領
域とＩｎ組成の少ない領域とを有することにより発光出
力が向上する。さらに、活性層中にｎ型不純物、ｐ型不
純物がドープされていることにより、発光出力を低下さ
せることなく閾値を低下させることができる。このた
め、発光出力が高く閾値の低いレーザ素子を実現するこ
とができる。また、本発明のレーザ素子を埋め込みへテ
ロ型、屈折率導波型、実効屈折率導波型等の横モードの
安定化を図るレーザ素子とすることにより、さらに閾値
電流が下がる可能性がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す模式断面図。

【図２】 図１のレーザ素子の活性層付近を拡大して示
す模式断面図。

【図３】 本発明のレーザ素子にパルス電流を流した際
の発光スペクトルを各電流値で比較して示す図。

【図４】 活性層にドープしたＳｉ濃度と、レーザ素子
の閾値電流の低下率との関係を示す図。

【図５】 活性層にドープしたＭｇ濃度と、レーザ素子
の閾値電流の低下率との関係を示す図。

【図６】 本発明のレーザ素子の井戸層のエネルギーバ
ンド図。

【符号の説明】

１・・・基板 ２・・・バッファ層 ３・・・ｎ型コンタクト層 ４・・・ｎ型クラッド層 ５・・・活性層 ６・・・第１のｐ型層 ７・・・第２のｐ型層 ８・・・第３のｐ型層 ９・・・ｐ型コンタクト層

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インジウムを含む窒化物半導体よりなる
   井戸層と、井戸層よりもバンドギャップが大きい窒化物
   半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸
   構造の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子におい
   て、 前記活性層は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜X≦１）より
   なる井戸層と、Ｉｎ_{Ｘ ’}Ｇａ_１−Ｘ’Ｎ（０＜X'≦１、
   X'＜X）よりなる障壁層が積層され、 かつ前記活性層の１つの井戸層においてＩｎ組成の多い
   領域とＩｎ組成の少ない領域とを有し、かつ前記井戸層
   中にｎ型不純物及びｐ型不純物のうちの少なくとも一方
   がドープされて、 かつ前記活性層に接して、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導
   体からなる第１のｐ型層を有することを特徴とする窒化
   物半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 前記第１のｐ型層は１０オングストロー
   ム以上、０．５μｍ以下の膜厚であることを特徴とする
   請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 【請求項３】 前記第１のｐ型層は、Ｉｎ_ＹＧａ_１−Ｙ
   Ｎ（０≦Ｙ＜１）よりなる第２のｐ型層を介して成長さ
   せる、Ａｌを含むｐ型窒化物半導体よりなる第３のｐ型
   層よりも膜厚が薄く形成されていることを特徴とする請
   求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記第２のｐ型層は１００オングストロ
   ーム〜０．５μｍの膜厚で、前記第３のｐ型層は０．１
   μｍ〜１μｍの膜厚であることを特徴とする請求項１乃
   至３の内のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素
   子。
5. 【請求項５】 前記活性層には、前記ｎ型不純物として
   Ｓｉが、１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^２２／ｃｍ^３
   の範囲の濃度でドープされていることを特徴とする請求
   項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ
   素子。
6. 【請求項６】 前記活性層には、前記ｐ型不純物として
   Ｍｇが、１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２２／ｃｍ^３
   の範囲の濃度でドープされていることを特徴とする請求
   項１乃至５のいずれかに１項に記載の窒化物半導体レー
   ザ素子。
7. 【請求項７】 共振器長を６００μｍとすることを特徴
   とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半
   導体レーザ素子。