JP2002299768A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JP2002299768A
JP2002299768A JP2001098653A JP2001098653A JP2002299768A JP 2002299768 A JP2002299768 A JP 2002299768A JP 2001098653 A JP2001098653 A JP 2001098653A JP 2001098653 A JP2001098653 A JP 2001098653A JP 2002299768 A JP2002299768 A JP 2002299768A
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light
semiconductor
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JP2001098653A
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Yoshiteru Hasegawa
義晃 長谷川
Nobuyuki Otsuka
信之 大塚
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、GaN系青紫色レーザの高光出力時
の信頼性を実用に耐えうる十分なものにすることを目的
とする。 【解決手段】 本発明に係る半導体発光装置は、活性層
の位置と光強度分布が最大となる位置が異なることを特
徴とする。このことにより、光強度分布の最大位置が活
性層からはずれるため、活性層の光学的劣化を抑制する
ことが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光装置に
関し、青紫光の短波長領域の発光素子に用いる窒化物系
III−V族化合物半導体の発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、次世代の高密度光ディスク用光源
として青紫色の光を発するレーザダイオードに対する要
望が高まり、特に、青紫光の短波長領域で動作可能な窒
化ガリウム(GaN)系のIII−V族化合物半導体発光
素子の研究開発が盛んに行われている。特に、書き換え
可能な高密度光ディスクを満足させるためには、レーザ
の高光出力化が重要となるため、高光出力・長寿命GaN
系レーザを実現する必要がある。
【0003】一般的に、この発光素子の活性層にはInGa
Nに代表されるようなInを含む窒化物系III−V族
化合物半導体が用いられている。しかしながら、このIn
GaN系半導体はIn組成が不均一になりやすく組成揺ら
ぎが大きいことが知られている。
【0004】InGaNのIn組成不均一性について、第1
の論文に「Applied Physics Letters, Vol.69 (1996) p
p.2701-2703」がある。この論文では、GaNとInNの格子
定数が大きく異なるため、InGaN結晶を成長すると相分
離が自然に発生し、均一なIn組成を有するInGaN結晶
が得にくいことを理論的に示している。また、InGaN活
性層のIn組成不均一(相分離)がGaN系レーザの特性
に及ぼす影響について、第2の論文に「Applied Physic
s Letters, Vol.76 (2000) pp.22-24」がある。この論
文では、InGaN活性層のIn組成が大きな青色レーザを
試作した結果、In組成が大きいために相分離が顕著に
なり活性層の結晶性が低下し、動作電流が増加したこと
を示している。
【0005】次に、InGaN活性層の光学的劣化に関し
て、第3の論文に「Applied Physics Letters, Vol.72
(1998) pp.3267-3269」がある。この論文では、GaN系レ
ーザのInGaN活性層が電流注入ではなく光励起で劣化す
ることを示している。さらに、InGaNを活性層とするGaN
系レーザの劣化機構として、第4の論文に「Applied Ph
ysics Letters, Vol.77 (2000) pp.1931-1933」があ
る。この論文では、レーザの劣化機構として熱的劣化以
外に光出力に起因する劣化が存在することを示してい
る。
【0006】以上のことを考慮すると、InGaN活性層の
In組成が不均一であるために、レーザ発振に寄与する
エネルギー準位(In組成)よりも(In組成が大き
く)低いエネルギー準位が必ず存在し、レーザ動作中は
その低いエネルギー準位は光の吸収媒体になっている可
能性がある。レーザの光出力が高くなると、この光の吸
収領域では局所的発熱が大きくなり、温度が上がってバ
ンドギャップが縮小する。その結果、更に光の吸収が大
きくなって温度が上昇するという正帰還がかかり、あた
かも従来の砒化ガリウム(GaAs)系半導体レーザの端面劣
化で問題となったCOD(Catastropic Optical Damage)の
ような光学損傷がInGaN活性層で発生すると推測され
る。このGaN系レーザ活性層内の光吸収に関して、実証
例として第5の論文に「Journal of Materials Researc
h, Vol.14 (1999) pp.2716-2731」があり、レーザを変
調動作させると自己パルセーションが発生し、In組成
の不均一なInGaN活性層自身が実際に過飽和吸収体とし
て作用していることを示している。
【0007】したがって、GaN系レーザにおいて高光出
力時の長寿命化を図るには、動作電流を低減する意味か
らもInGaN活性層の相分離を抑制しIn組成を均一化す
ればよいことになるが、第1の論文から明らかなよう
に、この系では結晶成長中に相分離が自然に発生するた
め、In組成の不均一性はある程度低減できるものの、
完全に均一化することは非常に困難である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、Ga
N系青紫色レーザの高光出力時の信頼性を実用に耐えう
る十分なものにすることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る第1の半導
体発光装置は、前記の目的を達成し、活性層の位置と光
強度分布が最大となる位置が異なることを特徴とする。
【0010】第1の半導体発光装置によると、光強度分
布の最大位置が活性層からはずれるため、活性層の光学
的劣化を抑制することが可能になる。
【0011】第2の半導体発光装置によると、光ガイド
層の膜厚が互いに異なることにより、光強度分布の最大
位置が活性層からはずれるため、活性層の光学的劣化を
抑制することが可能になる。
【0012】本発明に係る第3の半導体発光装置は、前
記の目的を達成し、半導体発光装置を積層する基板から
離れた方の光ガイド層の膜厚が他方の光ガイド層よりも
厚いために、光強度分布の最大位置が基板から離れた方
の光ガイド層に移行し、基板側への光漏れを抑制でき且
つ活性層の光学的劣化を抑制することが可能になる。
【0013】第4の半導体発光装置によると、光ガイド
層の屈折率が互いに異なることにより、光強度分布の最
大位置が活性層からはずれるため、活性層の光学的劣化
を抑制することが可能になる。
【0014】本発明に係る第5の半導体発光装置は、前
記の目的を達成し、半導体発光装置を積層する基板から
離れた方の光ガイド層の屈折率が他方の光ガイド層より
も高いために、光強度分布の最大位置が基板から離れた
方の光ガイド層に移行し、基板側への光漏れを抑制でき
且つ活性層の光学的劣化を抑制することが可能になる。
【0015】第6の半導体発光装置によると、前記第5
の半導体発光装置において、半導体発光装置を積層する
基板に近い方の光ガイド層が少なくともAl原子を含む窒
化物系III−V族化合物半導体で構成されており、他
方の光ガイド層よりも屈折率が低いために、光強度分布
の最大位置が基板から離れた方の光ガイド層に移行し、
基板側への光漏れを抑制でき且つ活性層の光学的劣化を
抑制することが可能になる。
【0016】本発明に係る第7の半導体発光装置による
と、前記第5の半導体発光装置において、半導体発光装
置を積層する基板から離れた方の光ガイド層が少なくと
もIn原子を含む窒化物系III−V族化合物半導体で構
成されており、他方の光ガイド層よりも屈折率が高いた
めに、光強度分布の最大位置が基板から離れた方の光ガ
イド層に移行し、基板側への光漏れを抑制でき且つ活性
層の光学的劣化を抑制することが可能になる。
【0017】第8の半導体発光装置は、前記の目的を達
成し、前記第7の半導体製造方法において、半導体発光
装置を積層する基板から離れた方の光ガイド層が少なく
ともIn原子を含む窒化物系III−V族化合物半導体で
構成されており、且つそのIn組成が活性層に含まれるIn
組成よりも少ないことを特徴とする。この場合、活性層
から放射されたレーザ光は前記光ガイド層で吸収される
ことなく、光強度分布の最大位置が前記光ガイド層に移
行し、基板側への光漏れを抑制でき且つ活性層の光学的
劣化を抑制することが可能になる。
【0018】本発明に係る第9の半導体発光装置による
と、前記第7および第8の半導体発光装置において、半
導体発光装置を積層する基板から離れた方の光ガイド層
が少なくともIn原子を含む窒化物系III−V族化合物
半導体で構成されており、且つInGaN薄膜とGaN薄膜の超
格子構造となっていることを特徴とする。この場合、前
記光ガイド層でピット発生による光導波の散乱やMgの異
常拡散が抑制され、しきい値電流の増加が抑制される。
また、光強度分布の最大位置が前記光ガイド層に移行
し、基板側への光漏れを抑制でき且つ活性層の光学的劣
化を抑制することが可能になる。
【0019】
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)本発明に係る
第1の実施形態は、GaN系レーザ素子において、高光出
力動作時に実用に耐えうる信頼性を実現することを目的
とする。
【0020】以下、本発明の第1の実施形態による半導
体発光装置の詳細について図面を参照しながら説明す
る。
【0021】図1(a)〜(l)は本実施形態に係る半導
体発光装置の製造方法の工程順の断面構成を示してい
る。まず、2インチサイズのサファイアよりなる基板1
1の表面を酸溶液を用いて洗浄を行なう。その後、洗浄
した基板11をMOVPE装置(図示せず)の反応炉内のサ
セプターに保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反
応炉内を圧力が300Torr(1Torr=133.322Pa)の水素雰
囲気とし、温度を約1100℃にまで昇温して基板11
を加熱し表面のサーマルクリーニングを約10分間行な
う。
【0022】次に、図1(a)に示すように、反応炉を
約500℃にまで降温した後、基板11上に、供給量2
5mmol/minのトリメチルガリウム(TMG)と、供給量が
7.5L/minのアンモニア(NH3)ガスと、キャリアガス
として水素とを同時に供給することにより、厚さが約2
0nmのGaNよりなる低温バッファ層を成長させる。この
時、V族原料とIII族原料の供給比は6500である。続
いて、反応炉を約1000℃にまで昇温し、n型ドーパ
ントとしてシラン(SiH4)ガスも供給して、厚さが約4
mm でSi不純物濃度が約1×1018cm-3のn型GaNよりなる
n型コンタクト層12を成長させる。次に、トリメチル
アルミニウム(TMA)も供給しながら、厚さが約0.7mmで
Si不純物濃度が5×1017cm-3のn型Al0.07Ga0.93Nよりな
るn型クラッド層13を成長させる。続いて、厚さが約
100nmでSi不純物濃度が約1×1018cm-3のn型GaNより
なる第1の光ガイド層14を成長させた後、温度を約8
00℃にまで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変
更して、トリメチルインジウム(TMI)とTMGを供給して
厚さが約3nmのIn0.1Ga0.9Nよりなる歪量子井戸(3
層)と厚さが約9nmのGaNバリア層(2層)からなる多
重量子井戸活性層15を成長させる。その後、再び反応
炉内の温度を約1000℃にまで昇温しキャリアガスを
窒素から水素に戻して、p型ドーパントであるビスシク
ロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを供給し
ながら、厚さが約20nmでMg不純物濃度が5×1017cm-3
のp型 Al0.15Ga0.85N よりなるキャップ層16を成長さ
せる。次に、厚さが約150nmでMg不純物濃度が1×10
18cm-3のp型 GaNよりなる第2の光ガイド層17を成長
させる。続いて、厚さが約0.7mmでMg不純物濃度が5×10
17cm -3のp型Al0.07Ga0.93Nよりなるp型クラッド層1
8を成長させる。次に、厚さが約0.1mmでMg不純物濃度
が1×1018cm-3のp型GaNよりなるp型コンタクト層19
を成長させる。
【0023】成長終了後、図1(b)に示すように、反
応炉から基板11を取り出し、p型コンタクト層19の
表面を有機洗浄およびフッ酸系のウエットエッチングで
クリーニングした後、例えば、プラズマCVD法を用い
て、p型コンタクト層19の上に全面にわたって厚さが
約0.1mmの二酸化シリコン(SiO2)よりなる酸化膜2
0を堆積させる。
【0024】次に、図1(c)に示すように、スピナー
を用いて酸化膜20の上に全面にわたってレジスト膜2
1を塗布する。続いて、図1(d)に示すように、フォ
トリングラフィー法を用いて、レジスト膜21にマスク
幅が約2mmで約500mmピッチのストライプ状のレジス
トパターンを形成する。次に、図1(e)に示すよう
に、このレジストパターンをマスクとして酸化膜20に
対してフッ酸系の水溶液を用いたウェットエッチングを
行なって酸化膜20を除去することにより、ストライプ
状の酸化膜パターンを形成する。
【0025】続いて、図1(f)に示すように、有機洗
浄により酸化膜20上のレジスト21を除去した後、前
記酸化膜パターンが形成された基板11の表面をドライ
エッチングによってリッジ状に加工する。この際、p型
クラッド層18のドライエッチング残し膜厚は約30nm
とした。
【0026】次に、図1(g)に示すように、プラズマ
CVD法を用いて、n型電極を形成する箇所以外におい
て、厚さが約0.1mmのSiO2よりなる酸化膜22を堆積
させる。
【0027】続いて、図1(h)に示すように、前記酸化
膜パターンが形成された基板11の表面をドライエッチ
ングによって加工し、n型コンタクト層12を露出させ
る。
【0028】次に、図1(i)に示すように、SiO2より
なる酸化膜をドライエッチング側面に堆積させ、また、
リッジのp型コンタクト層19上の酸化膜22をフッ酸系
水溶液で選択的に除去する。
【0029】最後に、図1(j)に示すように、露出し
たn型コンタクト層12の上面にTi/Alよりなるn側電極
23を形成する。また、p型コンタクト層19の上面にN
i/Auよりなるp側電極24を形成する。さらに、発光素
子の共振器をへき開により形成し、その後、へき開した
共振器の片端面に反射率が90%のSiO2及び二酸化チタ
ン(TiO2)よりなる高反射コートを施す。また、共振器
長は750mm程度とした。
【0030】第1の実施形態は、レーザ素子特性に以下
に述べる大きな特徴を有している。
【0031】本実施形態により作製したレーザ素子は、
多重量子井戸活性層15を挟む第1の光ガイド層14と
第2の光ガイド層17との膜厚が非対称であり、第2の
光ガイド層17の方が膜厚が厚い構造になっている。こ
のため、電流注入により活性層15から発生した光の強
度分布は、第2の光ガイド層17側にピークをもつ形で
導波することになる。この様子を図2に示す。また、こ
のように光強度分布のピークをp側に移行することによ
り、n型コンタクト層12への光の漏れを抑制すること
ができ、しきい値電流の低減に寄与する。このような非
対称光ガイド構造を有するレーザ素子に室温で直流電流
を流すと連続発振に到り、しきい値電流は40mA、スロ
ープ効率は1W/Aになった。この電流―光出力特性を図3
に示す。
【0032】さらに、このレーザ素子を室温において光
出力30mWの一定光出力寿命試験をおこなった。図4に
結果を示すが、試験開始初期から400時間後において
も動作電流は非常に安定していることがわかる。
【0033】一方、比較試料として、図1のレーザ構造
において、第1の光ガイド層14および第2の光ガイド
層17の膜厚をともに約100nmに設計したレーザ素子
も試作した。この試作したレーザ構造の断面図を図5に
示す。このレーザ素子も室温連続発振に到り、しきい値
電流は45mA、スロープ効率は1W/Aであった。この電流
―光出力特性を図6に示す。このレーザ素子のように、
第1の光ガイド層14と第2の光ガイド層17が同じ膜
厚であった場合でも、活性層15の上にあるp型 AlGaN
キャップ層16により、光の強度分布は活性層15より
も第1の光ガイド層14側でピークをもつ非対称光ガイ
ド構造となる。しかしながら、図1の素子よりは活性層
近傍に光強度分布のピークが存在するために注入キャリ
アと光の相互作用が増大するが、n型コンタクト層12
に光漏れが発生するため、この試作レーザ素子のしきい
値電流は5mA程度高くなっている。次に、このレーザ素
子を室温においても光出力30mWの一定光出力寿命試験
をおこなった。図7に結果を示すが、試験開始直後から
劣化が始まり200時間後ですでに初期電流の2倍に達
していることがわかる。
【0034】図4および図7の信頼性試験の結果から、
GaN系レーザの劣化にはInGaN活性層の光密度が大きく影
響しており、非対称光ガイド構造にすることによりInGa
N活性層の光密度を低減でき、InGaN活性層の結晶性劣化
を抑制することができる。このため、高出力GaN系レー
ザの長寿命化には、光強度分布をp側に移行した非対称
光ガイド構造が必須であることになる。
【0035】(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。本実施
形態は、GaN系レーザ素子において、GaN系レーザ素子に
おいて、高光出力動作時に実用に耐えうる信頼性を実現
することを目的とする。
【0036】以下、本発明の第2の実施形態による半導
体発光装置の詳細について図面を参照しながら説明す
る。
【0037】図8は本実施形態に係る半導体発光装置の
断面構成を示している。以下に作製工程を順に示す。ま
ず、2インチサイズのサファイアよりなる基板51の表
面を酸溶液を用いて洗浄を行なう。その後、洗浄した基
板51をMOVPE装置(図示せず)の反応炉内のサセプタ
ーに保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内
を圧力が300Torrの水素雰囲気とし、温度を約110
0℃にまで昇温して基板51を加熱し表面のサーマルク
リーニングを約10分間行なう。
【0038】次に、反応炉を約500℃にまで降温した
後、基板51上に、供給量25mmol/minのトリメチルガ
リウム(TMG)と、供給量が7.5L/minのアンモニア(N
H3)ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給す
ることにより、厚さが約20nmのGaNよりなる低温バッ
ファ層を成長させる。この時、V族原料とIII族原料の供
給比は6500である。続いて、反応炉を約1000℃
にまで昇温し、n型ドーパントとしてシラン(SiH4)ガ
スも供給して、厚さが約4mm でSi不純物濃度が約1×10
18cm-3のn型GaNよりなるn型コンタクト層52を成長
させる。次に、トリメチルアルミニウム(TMA)も供給
しながら、厚さが約0.7mmでSi不純物濃度が5×1017cm-3
のn型Al0.07Ga0.93Nよりなるn型クラッド層53を成
長させる。続いて、厚さが約100nmでSi不純物濃度が
約1×1018cm-3のn型Al0.04Ga0.96Nよりなる第1の光ガ
イド層54を成長させた後、温度を約800℃にまで降
温し、キャリアガスを水素から窒素に変更して、トリメ
チルインジウム(TMI)とTMGを供給して厚さが約3nmの
In0.1Ga0.9Nよりなる歪量子井戸(3層)と厚さが約9n
mのGaNバリア層(2層)からなる多重量子井戸活性層5
5を成長させる。その後、再び反応炉内の温度を約10
00℃にまで昇温しキャリアガスを窒素から水素に戻し
て、p型ドーパントであるビスシクロペンタジエニルマ
グネシウム(Cp2Mg)ガスを供給しながら、厚さが約2
0nmでMg不純物濃度が5×1017cm-3のp型Al0.15Ga0.85N
よりなるキャップ層56を成長させる。次に、厚さが約
100nmでMg不純物濃度が1×1018cm-3のp型 GaNよりな
る第2の光ガイド層57を成長させる。続いて、厚さが
約0.7mmでMg不純物濃度が5×1017cm-3のp型Al0.07Ga0.
93Nよりなるp型クラッド層58を成長させる。次に、
厚さが約0.1mmでMg不純物濃度が1×1018cm-3のp型GaNよ
りなるp型コンタクト層59を成長させる。
【0039】その後のレーザ素子構造の作製手順は前記
の第1の実施形態と同様である。
【0040】第2の実施形態は、レーザ素子特性に以下
に述べる大きな特徴を有している。
【0041】本実施形態により作製したレーザ素子は、
多重量子井戸活性層55を挟む第1の光ガイド層54と
第2の光ガイド層57との屈折率が非対称であり、第2
の光ガイド層57の方が屈折率が高い構造になってい
る。このため、電流注入により活性層55から発生した
光の強度分布は、第2の光ガイド層57側にピークをも
つ形で導波することになる。この様子を図9に示す。ま
た、このように光強度分布のピークをp側に移行するこ
とにより、n型コンタクト層52への光の漏れを抑制す
ることができ、しきい値電流の低減に寄与する。このよ
うな非対称光ガイド構造を有するレーザ素子に室温で直
流電流を流すと連続発振に到り、しきい値電流は40m
A、スロープ効率は1W/Aになった。この電流―光出力特
性を図10に示す。さらに、このレーザ素子を室温にお
いて光出力30mWの一定光出力寿命試験をおこなった。
図11に結果を示すが、試験開始初期から400時間後
においても動作電流は非常に安定していることがわか
る。
【0042】一方、比較試料として、図8のレーザ構造
において、第1の光ガイド層54および第2の光ガイド
層57のをともにGaNとして屈折率を同じに設計したレ
ーザ素子も試作した(図5)。このレーザ素子も室温連
続発振に到り、しきい値電流は45mA、スロープ効率は
1W/Aであった。この電流―光出力特性を図6に示す。こ
のレーザ素子のように、第1の光ガイド層54と第2の
光ガイド層57が同じ屈折率であった場合でも、活性層
55の上にあるp型 AlGaNキャップ層56により、光の
強度分布は活性層55よりも第1の光ガイド層54側で
ピークをもつ非対称光ガイド構造となる。しかしなが
ら、図8の素子よりは活性層近傍に光強度分布のピーク
が存在するために注入キャリアと光の相互作用が増大す
るが、n型コンタクト層52に光漏れが発生するため、
この試作レーザ素子のしきい値電流は5mA程度高くなっ
ている。次に、このレーザ素子を室温においても光出力
30mWの一定光出力寿命試験をおこなった。図7に結果
を示すが、試験開始直後から劣化が始まり200時間後
ですでに初期電流の2倍に達していることがわかる。
【0043】図7および図11の信頼性試験の結果か
ら、GaN系レーザの劣化にはInGaN活性層の光密度が大き
く影響しており、非対称光ガイド構造にすることにより
InGaN活性層の光密度を低減でき、InGaN活性層の結晶性
劣化を抑制することができる。このため、高出力GaN系
レーザの長寿命化には、光強度分布をp側に移行した非
対称光ガイド構造が必須であることになる。
【0044】(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12を参照しながら説明する。本実
施形態は、GaN系レーザ素子において、高光出力動作時
に実用に耐えうる信頼性を実現することを目的とする。
【0045】以下、本発明の第3の実施形態による半導
体の製造方法の詳細について断面構造図(図12)を参
照しながら説明する。
【0046】まず、2インチサイズのサファイアよりな
る基板31の表面を酸溶液を用いて洗浄を行なう。その
後、洗浄した基板31をMOVPE装置(図示せず)の反応
炉内のサセプターに保持し、反応炉を真空排気する。続
いて、反応炉内を圧力が300Torrの水素雰囲気とし、
温度を約1100℃にまで昇温して基板31を加熱し表
面のサーマルクリーニングを約10分間行なう。
【0047】次に、反応炉を約500℃にまで降温した
後、基板31上に、供給量25mmol/minのトリメチルガ
リウム(TMG)と、供給量が7.5L/minのアンモニア(N
H3)ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給す
ることにより、厚さが約20nmのGaNよりなる低温バッ
ファ層を成長させる。この時、V族原料とIII族原料の供
給比は6500である。続いて、反応炉を約1000℃
にまで昇温し、n型ドーパントとしてシラン(SiH4)ガ
スも供給して、厚さが約4mm でSi不純物濃度が約1×10
18cm-3のn型GaNよりなるn型コンタクト層32を成長
させる。次に、トリメチルアルミニウム(TMA)も供給
しながら、厚さが約0.7mmでSi不純物濃度が5×1017cm-3
のn型Al0.07Ga0.93Nよりなるn型クラッド層33を成
長させる。続いて、厚さが約100nmでSi不純物濃度が
約1×1018cm-3のn型GaNよりなる第1の光ガイド層34
を成長させた後、温度を約800℃にまで降温し、キャ
リアガスを水素から窒素に変更して、トリメチルインジ
ウム(TMI)とTMGを供給して厚さが約3nmのIn0.1Ga0.9
Nよりなる歪量子井戸(3層)と厚さが約9nmのGaNバリ
ア層(2層)からなる多重量子井戸活性層35を成長さ
せる。その後、再び反応炉内の温度を約1000℃にま
で昇温しキャリアガスを窒素から水素に戻して、p型ド
ーパントであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム
(Cp2Mg)ガスを供給しながら、厚さが約20nmでMg不
純物濃度が5×1017cm-3のp型Al0.15Ga0.85N よりなるキ
ャップ層36を成長させる。次に、再び温度を約820
℃にまで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変更し
て、TMIとTMGを供給して厚さが約3nmのIn0.03Ga0.97N
よりなる歪量子井戸(10層)と厚さが約7nmのGaNバ
リア層(10層)からなる超格子光ガイド層37を成長
させる。その後、再び反応炉内の温度を約1000℃に
まで昇温しキャリアガスを窒素から水素に戻して、Cp2M
gを供給しながら厚さが約700nmでMg不純物濃度が5×
1017cm-3のp型Al0.07Ga 0.93Nよりなるp型クラッド層
38を成長させる。次に、厚さが約0.1mmでMg不純物濃
度が1×1018cm-3のp型GaNよりなるp型コンタクト層3
9を成長させる。
【0048】その後のレーザ素子構造の作製手順は前記
の第1の実施形態と同様である。
【0049】第3の実施形態は、レーザ素子特性に以下
に述べる大きな特徴を有している。
【0050】本実施形態により作製したレーザ素子は、
多重量子井戸活性層35を挟む第1の光ガイド層34と
第2の光ガイド層37との屈折率が非対称であり、第2
の光ガイド層37の方が屈折率が高い構造になってい
る。また、第2の光ガイド層37を温度を低下させて成
長させることにより、活性層35が高温にさらされる時
間が短くなり、相分離等の結晶性悪化が抑制される利点
がある。また、第2の光ガイド層37を超格子構造とす
る理由は、InGaNのバルク構造ではピットが発生し光導
波の散乱やMgの異常拡散が起こり、しきい値電流が増加
するためである。
【0051】この構造(図12)を有するレーザにおい
て、電流注入により活性層35から発生した光の強度分
布は、第2の光ガイド層37側にピークをもつ形で導波
することになる。この様子を図13に示す。また、この
ように光強度分布のピークをp側に移行することによ
り、n型コンタクト層32への光の漏れを抑制すること
ができ、しきい値電流の低減に寄与する。このような非
対称光ガイド構造を有するレーザ素子に室温で直流電流
を流すと連続発振に到り、しきい値電流は40mA、スロ
ープ効率は1W/Aになった。この電流―光出力特性を図1
4に示す。さらに、このレーザ素子を室温において光出
力30mWの一定光出力寿命試験をおこなった。図15に
結果を示すが、試験開始初期から400時間後において
も動作電流は非常に安定していることがわかる。
【0052】一方、比較試料として、図12のレーザ構
造において、第1の光ガイド層34および第2の光ガイ
ド層37のをともにGaNとして屈折率を同じに設計した
レーザ素子も試作した(図5)。このレーザ素子も室温
連続発振に到り、しきい値電流は45mA、スロープ効率
は1W/Aであった。この電流―光出力特性を図6に示す。
このレーザ素子のように、第1の光ガイド層24と第2
の光ガイド層27が同じ屈折率であった場合でも、活性
層35の上にあるp型 AlGaNキャップ層36により、光
の強度分布は活性層35よりも第1の光ガイド層34側
でピークをもつ非対称光ガイド構造となる。しかしなが
ら、図12の素子よりは活性層近傍に光強度分布のピー
クが存在するために注入キャリアと光の相互作用が増大
するが、n型コンタクト層32に光漏れが発生するた
め、この試作レーザ素子のしきい値電流は5mA程度高く
なっている。次に、このレーザ素子を室温においても光
出力30mWの一定光出力寿命試験をおこなった。図7に
結果を示すが、試験開始直後から劣化が始まり200時
間後ですでに初期電流の2倍に達していることがわか
る。
【0053】図7および図15の信頼性試験の結果か
ら、GaN系レーザの劣化にはInGaN活性層の光密度が大き
く影響しており、非対称光ガイド構造にすることにより
InGaN活性層の光密度を低減でき、InGaN活性層の結晶性
劣化を抑制することができる。このため、高出力GaN系
レーザの長寿命化には、光強度分布をp側に移行した非
対称光ガイド構造が必須であることになる。
【0054】
【発明の効果】本発明に係る第1の半導体発光装置は、
前記の目的を達成し、活性層の位置と光強度分布が最大
となる位置が異なることを特徴とする。
【0055】第1の半導体発光装置によると、光強度分
布の最大位置が活性層からはずれるため、活性層の光学
的劣化を抑制することが可能になる。
【0056】第2の半導体の製造方法によると、光ガイ
ド層の膜厚が互いに異なることにより、光強度分布の最
大位置が活性層からはずれるため、活性層の光学的劣化
を抑制することが可能になる。
【0057】本発明に係る第3の半導体発光装置は、前
記の目的を達成し、半導体発光装置を積層する基板から
離れた方の光ガイド層の膜厚が他方の光ガイド層よりも
厚いために、光強度分布の最大位置が基板から離れた方
の光ガイド層に移行し、基板側への光漏れを抑制でき且
つ活性層の光学的劣化を抑制することが可能になる。
【0058】第4の半導体発光装置によると、光ガイド
層の屈折率が互いに異なることにより、光強度分布の最
大位置が活性層からはずれるため、活性層の光学的劣化
を抑制することが可能になる。
【0059】本発明に係る第5の半導体発光装置は、前
記の目的を達成し、半導体発光装置を積層する基板から
離れた方の光ガイド層の屈折率が他方の光ガイド層より
も高いために、光強度分布の最大位置が基板から離れた
方の光ガイド層に移行し、基板側への光漏れを抑制でき
且つ活性層の光学的劣化を抑制することが可能になる。
【0060】第6の半導体発光装置によると、前記第5
の半導体発光装置において、半導体発光装置を積層する
基板に近い方の光ガイド層が少なくともAl原子を含む窒
化物系III−V族化合物半導体で構成されており、他
方の光ガイド層よりも屈折率が低いために、光強度分布
の最大位置が基板から離れた方の光ガイド層に移行し、
基板側への光漏れを抑制でき且つ活性層の光学的劣化を
抑制することが可能になる。
【0061】本発明に係る第7の半導体発光装置による
と、前記第5の半導体発光装置において、半導体発光装
置を積層する基板から離れた方の光ガイド層が少なくと
もIn原子を含む窒化物系III−V族化合物半導体で構
成されており、他方の光ガイド層よりも屈折率が高いた
めに、光強度分布の最大位置が基板から離れた方の光ガ
イド層に移行し、基板側への光漏れを抑制でき且つ活性
層の光学的劣化を抑制することが可能になる。
【0062】第8の半導体発光装置は、前記の目的を達
成し、前記第7の半導体製造方法において、半導体発光
装置を積層する基板から離れた方の光ガイド層が少なく
ともIn原子を含む窒化物系III−V族化合物半導体で
構成されており、且つそのIn組成が活性層に含まれるIn
組成よりも少ないことを特徴とする。この場合、活性層
から放射されたレーザ光は前記光ガイド層で吸収される
ことなく、光強度分布の最大位置が前記光ガイド層に移
行し、基板側への光漏れを抑制でき且つ活性層の光学的
劣化を抑制することが可能になる。
【0063】本発明に係る第9の半導体発光装置による
と、前記第7および第8の半導体発光装置において、半
導体発光装置を積層する基板から離れた方の光ガイド層
が少なくともIn原子を含む窒化物系III−V族化合物
半導体で構成されており、且つInGaN薄膜とGaN薄膜の超
格子構造となっていることを特徴とする。この場合、前
記光ガイド層でピット発生による光導波の散乱やMgの異
常拡散が抑制され、しきい値電流の増加が抑制される。
また、光強度分布の最大位置が前記光ガイド層に移行
し、基板側への光漏れを抑制でき且つ活性層の光学的劣
化を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置
の製造方法を示す工程順の構成断面図
【図2】本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置
の活性層付近の屈折率分布と光強度分布を示す図
【図3】本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置
の電流―光出力特性を示す図
【図4】本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置
の一定光出力寿命試験結果を示す図
【図5】従来の半導体発光装置の活性層付近の屈折率分
布と光強度分布を示す図
【図6】従来の半導体発光装置の電流―光出力特性を示
す図
【図7】従来の半導体発光装置の一定光出力寿命試験結
果を示す図
【図8】本発明の第2の実施形態に係る半導体発光装置
の構成断面図
【図9】本発明の第2の実施形態に係る半導体発光装置
の活性層付近の屈折率分布と光強度分布を示す図
【図10】本発明の第2の実施形態に係る半導体発光装
置の電流―光出力特性を示す図
【図11】本発明の第2の実施形態に係る半導体発光装
置の一定光出力寿命試験結果を示す図
【図12】本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装
置の構成断面図
【図13】本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装
置の活性層付近の屈折率分布と光強度分布を示す図
【図14】本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装
置の電流―光出力特性を示す図
【図15】本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装
置の一定光出力寿命試験結果を示す図
【符号の説明】
11 サファイア基板 12 n型GaNコンタクト層 13 n型AlGaNクラッド層 14 n型GaN光ガイド層 15 InGaN/GaN多重量子井戸活性層 16 p型AlGaNキャップ層 17 p型GaN光ガイド層 18 p型AlGaN第1クラッド層 19 p型AlGaNエッチング停止層 20 p型AlGaN第2クラッド層 21 p型GaNコンタクト層 22 SiO2酸化膜 23 レジスト膜 24 SiO2酸化膜 25 レジスト膜 26 n側電極 27 p側電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F045 AA04 AB14 AB17 AC08 AC12 AD09 AD14 AF09 BB04 BB16 CA12 DA53 DA55 DA64 5F073 AA04 AA74 AA83 CA07 CB05 CB10 CB22 DA05 DA32 EA24 EA28

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 In原子を含む窒化物系III−V族化
    合物半導体を活性層とする半導体発光装置であって、光
    を発する前記活性層の位置と光強度分布が最大となる位
    置が異なることを特徴とする窒化物系III−V族化合
    物半導体で構成される半導体発光装置。
  2. 【請求項2】 活性層となるIn原子を含む窒化物系I
    II−V族化合物半体の上および下に前記In原子を含む
    窒化物系III−V族化合物半導体よりも小さな屈折率
    を有する窒化物系III−V族化合物半導体を光ガイド
    層として積層し、この光ガイド層の膜厚が互いに異なる
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  3. 【請求項3】 活性層となるIn原子を含む窒化物系I
    II−V族化合物半導体の上および下に前記In原子を含
    む窒化物系III−V族化合物半導体よりも小さな屈折
    率を有する窒化物系III−V族化合物半導体を光ガイ
    ド層として積層し、半導体発光装置を積層する基板から
    離れた方の光ガイド層の膜厚が他方の光ガイド層よりも
    厚いことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装
    置。
  4. 【請求項4】 活性層となるIn原子を含む窒化物系I
    II−V族化合物半導体の上および下に前記In原子を含
    む窒化物系III−V族化合物半導体よりも小さな屈折
    率を有する窒化物系III−V族化合物半導体を光ガイ
    ド層として積層し、この光ガイド層の屈折率が互いに異
    なることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装
    置。
  5. 【請求項5】 活性層となるIn原子を含む窒化物系I
    II−V族化合物半導体の上および下に前記In原子を含
    む窒化物系III−V族化合物半導体よりも小さな屈折
    率を有する窒化物系III−V族化合物半導体を光ガイ
    ド層として積層し、半導体発光装置を積層する基板から
    離れた方の光ガイド層の屈折率が他方の光ガイド層より
    も高いことを特徴とする請求項4に記載の半導体発光装
    置。
  6. 【請求項6】 半導体発光装置を積層する基板に近い方
    の光ガイド層が少なくともAl原子を含む窒化物系III
    −V族化合物半導体で構成されており、他方の光ガイド
    層よりも屈折率が低いことを特徴とする請求項5に記載
    の半導体発光装置。
  7. 【請求項7】 半導体発光装置を積層する基板から離れ
    た方の光ガイド層が少なくともIn原子を含む窒化物系I
    II−V族化合物半導体で構成されており、他方の光ガ
    イド層よりも屈折率が高いことを特徴とする請求項5に
    記載の半導体発光装置。
  8. 【請求項8】 半導体発光装置を積層する基板から離れ
    た方の光ガイド層が少なくともIn原子を含む窒化物系I
    II−V族化合物半導体で構成されており、且つそのIn
    組成が活性層に含まれるIn組成よりも少ないことを特徴
    とする請求項7に記載の半導体発光装置。
  9. 【請求項9】 半導体発光装置を積層する基板から離れ
    た方の光ガイド層が少なくともIn原子を含む窒化物系I
    II−V族化合物半導体で構成されており、且つInGaN
    薄膜とGaN薄膜の超格子構造となっていることを特徴と
    する請求項7または8に記載の半導体発光装置。
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