JP2003218469A

JP2003218469A - 窒化物系半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2003218469A
Application number: JP2002012872A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Onomura; 正明小野村; Shinya Nunogami; 上真也布; Shinji Saito; 藤真司斎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高出力、長寿命の窒化物系半導体レーザ装置
を得る。また、波長４５０ｎｍ以上の長波長の窒化物系
半導体レーザ装置を得る。【解決手段】障壁層と井戸層とを交互に複数積層した
多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体レー
ザ装置において、障壁層の膜厚を薄くし、障壁層に所定
の濃度の第１導電型不純物を添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系半導体レー
ザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体照明や液晶プロジェクタなど
の光源のための可視光半導体発光装置のニーズが高まっ
ている。可視光半導体発光装置はこれまでのランプ光源
に比べて消費電力が少なく長寿命であるので、光利用効
率が高く電源交換の頻度が少なくなる。また、単色性に
優れ、小型でコンパクトなので、実用性でも魅力的であ
る。この可視光半導体発光装置としては、例えば、ＬＥ
Ｄ（半導体発光ダイオード素子）がある。ＬＥＤは、Ｒ
ＧＢ３原色の波長（Ｒ：赤６３０ｎｍ、Ｇ：緑５２０ｎ
ｍ、Ｂ：青４７０ｎｍ）が実現されており、多彩な色を
表現できる。

【０００３】しかしながら、ＬＥＤの発光効率は従来の
蛍光灯などに比べて未だに低く、固体照明光源として用
いるには不十分であり、誘導放出を利用して発光効率を
高めた半導体発光装置が不可欠になる。半導体レーザ装
置は誘導放出を利用しており、発光効率が高いので有望
である。一方、液晶プロジェクタの光源として用いる場
合、３原色の発光効率を高める他に集光性を高めること
が重要であり、集光性を高めるために点発光光源化が必
要である。ところが、上記のＬＥＤで構成するには光量
を稼ぐための発光源が大きくなりすぎるので集光が実質
的に困難になり光利用効率の低下を招いてしまう。従っ
て、より光利用効率を高めるために、発光効率が高い可
視光半導体レーザ装置は魅力的である。半導体レーザ装
置は、光利用効率の他に、小型化、低消費電力等の利点
もあり液晶プロジェクタの光源として期待できる。

【０００４】可視光半導体レーザ装置としては、赤色発
光のレーザ装置がすでに実用化されており、バーコード
リーダ、コンパクトディスク（CD）、DVDなどの光源と
して用いられている。赤色半導体レーザ装置では、当初
は、ＤＨ（Double Hetero-structure）構造が用いられ
ていた。このＤＨ構造は、比較的厚膜の活性層を、ｎ型
のクラッド層と、ｐ型のクラッド層と、で挟んだ構造で
ある。しかし、その後研究が進み、ＤＨ構造に代わっ
て、多重量子井戸構造が用いられるようになった。この
多重量子井戸構造は、活性層を、薄膜の量子井戸層と、
障壁層と、を交互に複数積層した構造にするものであ
る。このような多重量子井戸構造を用いることで、閾値
電流低下および発振波長制御をはじめとして、高単色
性、低電力駆動、高出力動作、高温動作化、長寿命化、
等さまざまな特性が向上した。これは、発振に寄与する
キャリア（電子、正孔）を縮退した量子準位に集中さ
せ、発光のためのエネルギー遷移の揺らぎを減らした効
果であり、いわゆる量子効果への期待はこの効果への期
待であるとも言える。半導体レーザ装置の量子効果をさ
らに高めるためには量子箱などのさらなる低次元化が望
ましい、というのが通常の技術者の常識である。

【０００５】一方では、紫外から可視光領域全体でのレ
ーザ発振が可能である窒化物系半導体材料を用い、既に
波長４００ｎｍ帯の青紫色窒化物半導体レーザ装置が実
現されている。この青紫色窒化物半導体レーザ装置は、
低閾値化、長寿命化、量産性などの課題があるものの、
赤色半導体レーザ装置に比べて波長が短いので、記録容
量の高い次世代のＤＶＤの光源として期待されている。
この窒化物半導体レーザ装置の場合、最初のレーザ発振
時から多重量子井戸構造が用いられており、赤色半導体
レーザ装置のようなDH構造ではレーザ発振の報告は皆無
である。そして、上記の量子効果を高めるために、障壁
層厚Ｌ_ｂを、井戸層厚Ｌ_ｗの２倍〜４倍程度の７〜１０
ｎｍ程度と厚くしている（図３参照）。

【０００６】しかし、現在、波長約４７０ｎｍの青色発
光、波長約５２０ｎｍの緑色発光、の半導体レーザ装置
は第２高調波発生装置との組み合わせを用いたものを除
けば実用化されていない。つまり、ＲＧＢ３原色のなか
で、Ｂ、Ｇの半導体レーザ装置は実質的に実用化されて
いない。このため、現在では、半導体レーザ装置を用い
て多彩な色を表現することはできず、半導体レーザ装置
を用いた表示用途は限られている。もっとも、上記の窒
化物系半導体混晶材料のバンドギャップエネルギーの理
論値によれば、ＲＧＢいずれについてもレーザ発振が可
能であると推測されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の通り、理論的な
推測に反し、波長約４７０ｎｍの青色発振、波長約５２
０ｎｍの緑色発振、の窒化物系半導体レーザ装置は未だ
に実用化されていない。この窒化物系半導体レーザ装置
では、波長３６０〜４５０ｎｍの波長範囲でのみレーザ
発振が実現されていた。また、上述のように、この短波
長窒化物系半導体レーザ装置でも、低閾値化、長寿命
化、量産化という課題があった。これらの主な原因は、
窒化物系半導体材料の結晶成長技術における問題である
と考えられている。

【０００８】本発明は、高出力、長寿命の窒化物半導体
レーザ装置を得ることを目的とする。

【０００９】また、本発明は、波長４５０ｎｍ以上の長
波長の窒化物半導体レーザ装置を得ることを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体レ
ーザ装置は、ｎ型の半導体からなるｎ型クラッド層と、
ｐ型の半導体からなるｐ型クラッド層と、前記ｎ型クラ
ッド層と前記ｐ型クラッド層との間に形成され、窒化物
系半導体からなり、前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型
クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さい量
子井戸層と、前記量子井戸層よりもバンドギャップエネ
ルギーが大きい障壁層と、を交互に複数積層した多重量
子井戸構造を有し、前記障壁層が、所定の濃度のｎ型不
純物が添加され膜厚が前記量子井戸層よりも薄い、活性
層と、を備えることを特徴とする。

【００１１】また、本発明の窒化物半導体レーザ装置
は、ｎ型の半導体からなるｎ型クラッド層と、ｐ型の半
導体からなるｐ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層と
前記ｐ型クラッド層との間に形成され、窒化物系半導体
からなり、前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型クラッド
層よりもバンドギャップエネルギーが小さい量子井戸層
と、前記量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが
大きい障壁層と、を交互に複数積層した多重量子井戸構
造を有し、前記井戸層の膜厚が２ｎｍ以上５ｎｍ以下で
あり、前記障壁層が、所定の濃度のｎ型不純物が添加さ
れ膜厚が２ｎｍ以上３ｎｍ以下である、活性層と、を備
えることを特徴とする。

【００１２】本発明者は、窒化物系半導体材料を用いた
可視光全域を凌駕する半導体レーザ装置を得るべく、結
晶成長技術開発と半導体レーザ積層構造開発のための様
々な実験を繰り返した。その結果、本発明者らは、障壁
層を薄膜にし、かつその障壁層にｎ型不純物を添加し、
さらには量子井戸層と障壁層の伝導帯におけるヘテロ障
壁高さを低くすることで、従来得られなかった窒化物系
半導体レーザによる青色、緑色、赤色などの可視光領域
全域でのレーザ発振が得られることを独自に知得するに
至った。また、本発明を従来の青紫色窒化物系半導体レ
ーザ装置に適用することで、さらなる高出力化、長寿命
化ができることを知得した。

【００１３】しかしながら、窒化物系半導体レーザ装置
の障壁層を薄膜化することは従来の技術常識に反するこ
とである。このため、障壁層を薄膜化することは、通常
の技術者にとって思いもよらぬことである。なぜなら、
障壁層を薄くすれば、発光に寄与するキャリアのエネル
ギー準位が揺らぎ、誘導放出が起きる反転分布が得にく
くなってしまうからであり、期待される単一エネルギー
準位へのキャリア閉じ込めを利用しようとする量子効果
を弱めることになるからである。さらに、量子井戸層と
障壁層の伝導帯におけるヘテロ障壁高さを低くすること
は、キャリア閉じ込め効果を下げオーバーフローを起こ
し漏洩電流増大による閾値増大につながると考えられて
きた。従って、量子井戸層と障壁層の伝導帯におけるヘ
テロ障壁高さを低くすることも期待される量子効果を弱
める原因になるとして敬遠されたきた。しかし、本発明
者は、上記のようにさまざまな実験を繰り返すうち、窒
化物系半導体レーザ装置おいては、量子井戸形成による
エネルギー準位の縮退効果を強めた方が良いという従来
の技術常識に疑問があると考えた。そして本発明者は、
実験により、従来の技術常識に反し、上述のように、障
壁層を薄くし、さらには量子井戸層と障壁層の伝導帯に
おけるヘテロ障壁高さを低くして、形成されるエネルギ
ー準位の縮退を解くことにより、反転分布を得やすく
し、窒化物系半導体レーザ装置の長波長化ができること
を独自に知得したのである。また、同様にして、短波長
の窒化物系半導体レーザ装置の高出力化、長寿命化がで
きることを知得したのである。

【００１４】本発明はこのことに着目してなされたもの
である。つまり、この方法は、従来の技術常識とは異な
った本発明者の独自の実験結果によって得られたもので
あり、本発明者の独自の知得に基づくものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照にしつつ本発明
の実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置について説明
する。以下、まず第１の実施の形態では高出力かつ長寿
命の波長約４０３ｎｍの紫色発光のレーザ装置について
説明し、次に第２の実施の形態では波長約４７０ｎｍの
青色発光のレーザ装置について説明し、次に第３の実施
の形態では波長約５２０ｎｍの緑色発光のレーザ装置に
ついて説明する。

【００１６】（第１の実施の形態）第１の実施の形態の
窒化物系半導体レーザ装置の特徴の１つは、図１から分
かるように、多重量子井戸活性層１４の障壁層厚を３０
ｎｍと薄くした点である。これにより、高出力化、長寿
命化ができる。

【００１７】図１は本発明の第１の実施の形態の窒化物
系半導体レーザ装置の概略断面図である。（０００１）
ｃ軸Ｇａ面を表面とするｎ型ＧａＮ半導体基板（Ｏドー
プ、５×１０^１８ｃｍ^−３、８０μｍ）１０上には、５
×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉがドープされたｎ型ＧａＮバ
ッファ層１１、変調ドープ超格子ｎ型クラッド層１２、
１×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉがドープされた膜厚０．１
μｍのｎ型ＧａＮ光導波層１３、多重量子井戸活性層１
４、１×１０^１８ｃｍ^−３のＭｇがドープされた膜厚
０．１μｍのｐ型ＧａＮ光導波層１５、変調ドープ超格
子ｐ型クラッド層１６、２×１０^１８ｃｍ^−３のＭｇが
ドープされた膜厚０．１μｍのｐ型ＧａＮ層１７、が順
次形成されている。この積層構造の図中上側の面は、膜
厚０．４μｍのＳｉＯ_２絶縁膜１９で覆われ、このＳｉ
Ｏ_２絶縁膜１９のｐ型ＧａＮ層１７上の部分にコンタク
トホールが形成され、このコンタクトホールを介して、
Ｐｔからなるｐ側電極１８、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる
ｐ側電極パット２０、が順次形成されている。ｎ型基板
１０の裏面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極２
１が形成されている。

【００１８】上記の基板１０上に形成された変調ドープ
超格子ｎ型クラッド層１２は、５×１０^１８ｃｍ^−３の
Ｓｉがドープされた膜厚２．５ｎｍのｎ型ＧａＮ層と、
アンドープの膜厚２．５ｎｍのＡｌ_０．１５Ｇａ
_０．８５Ｎ層と、を交互に３００周期積層した超格子構
造である。また、他方側のクラッド層である変調ドープ
超格子ｐ型クラッド層１６は、２×１０^２０ｃｍ^−３の
Ｍｇがドープされた膜厚２．５ｎｍのｐ型ＧａＮ層（キ
ャリア濃度＝２×１０^１８ｃｍ^−３）と、アンドープの
膜厚２．５ｎｍのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層と、を
交互に１５０周期積層した超格子構造である。活性層１
４は、上記のｎ型クラッド層１２と、ｐ型クラッド層１
６と、の間に形成されている。活性層１４は、ＩｎＧａ
Ｎからなり、電極２０、２１からの電流注入により発光
する。この活性層１４は、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ
からなる量子井戸層（井戸層）と、Ｉｎ_０．０４Ｇａ
_０．９６Ｎからなる障壁層と、を交互に３周期積層した
構造である（図２参照）。井戸層のバンドギャップエネ
ルギーはｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１６
よりも小さい。また、障壁層のバンドギャップエネルギ
ーは井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。
図１の装置の特徴の１つは、この障壁層が、１．０×１
０^１９ｃｍ^−３の濃度のＳｉ（シリコン、ｎ型不純物）
が添加され、膜厚が３．０ｎｍと薄くなるように構成さ
れている点である。井戸層厚は３．０ｎｍである。この
井戸層および障壁層からなる活性層１４は、電流注入に
より反転分布を形成し、波長４０３ｎｍのレーザ光を放
射する。そして、活性層１４の端面から出射される。こ
のレーザ光の出射端面には、図示しないが、ＺｒＯ
_２（屈折率ｎ _１、膜厚λ／４ｎ_１）とＳｉＯ_２（屈折率
ｎ_２、膜厚λ／４ｎ_２）と交互に多層に積層した光反射
コートを施している。

【００１９】次に、図１の半導体レーザの製造方法につ
いて記す。図１の半導体レーザは、従来と同様の成長装
置、成長方法を用いて、以下のように容易に形成でき
る。まず、鏡面のｎ型ＧａＮ半導体基板１０に有機金属
気相成長法（ＭＯＣＶＤ）でｎ型ＧａＮバッファ層１１
を２μｍ成長する。ここで、ｎ型ＧａＮバッファ層１１
をｎ型ＡｌＧａＮとし、そのＡｌ組成を０からｎクラッ
ド層１２の平均Ａｌ組成の間としても構わない。次い
で、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）でｎ型クラッド
層１２、ｎ型ＧａＮ光導波層１３、多重量子井戸活性層
１４、ｐ型ＧａＮ光導波層１５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層１６、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７まで、順次成長
する。ＭＯＣＶＤ成長工程において、ｎ型ＧａＮバッフ
ァ層１１からｎ型ＧａＮ光導波層１３までは、成長温度
を１０８０℃、キャリアガスを水素と窒素の混合ガス、
として連続成長し、次いで成長温度を８００℃まで降温
し、窒素雰囲気で多重量子井戸活性層１４を成長し、次
いで成長温度を１０８０℃まで再昇温し、ｐ型ＧａＮ光
導波層１５からｐ型ＧａＮコンタクト層１７までをｎ型
層と同様に連続成長する。次いで、電流注入と光閉じ込
めのためのリッジストライプを形成するために変調ドー
プ超格子構造ｐクラッド層１６の途中までドライエッチ
ング法で除去し、除去面にはＳｉＯ_２絶縁膜１９を形成
し、次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１５表面にはｐ側
電極１９を形成し、さらに配線のためのｐ側電極パッド
２０を形成し、ＭＯＣＶＤエピ成長を施していないｎ型
ＧａＮ基板１０の裏面は８０μｍ厚まで研磨し、Ｔｉ／
Ｐｔ／Ａｕ構造ｎ電極２１を形成する。次いで、共振器
長が０．５ｍｍになるようにウェハを劈開し、複数の発
光層を有するバーを形成する。次いで、特に図示しない
が、ＥＣＲ−ＣＶＤ（電子サイクロトロン共鳴ＣＶＤ）
法やスパッタ法などで光出射端面の膜厚にレーザ発振波
長の１／４波長厚のＺｒＯ_２／ＳｉＯ_２からなる高反射
コートを施す。さらにレーザバーを劈開法でチップ化
し、ＡｕＳｎ半田を用いてＡｌＮサブマウントチップに
熱融着する。

【００２０】以上説明した図１の窒化物系半導体レーザ
装置では、障壁層と井戸層とを交互に３周期積層した多
重量子井戸構造の活性層１４で、障壁層厚を３０ｎｍと
薄くし、この障壁層に１．０×１０^１９ｃｍ^−３のシリ
コンを添加したので、高出力化、長寿命化することがで
きる。これは、３層の活性層にキャリアを均一に注入で
きるようにすることで、３層の活性層が同時に発振利得
に到達することができるようになったためである。以
下、図２を参照にして、説明する。

【００２１】図２は、図１の窒化物系半導体レーザ装置
の活性層１４のエネルギーバンドを示す図である。図
中、右側はｎ型ＧａＮ光導波層１３を、中央は多重量子
井戸活性層１４を、左側はｐ型ＧａＮ光導波層１５を、
示している。図中、中央の多重量子井戸活性層１４で伝
導帯端のエネルギーレベルＥ_ｃと価電子帯端のエネルギ
ーレベルＥ_ｖのエネルギー幅が狭い部分が井戸層、Ｅ_ｃ
とＥ_ｖのエネルギー幅が広くなった部分が障壁層を、夫
々、示している。図中、量子井戸層は３層設けている。
井戸層厚Ｌ_ｗは３．０ｎｍ、障壁層厚Ｌ_ｂも３．０ｎｍ
である。この井戸層には、図１の素子の電極２０、２１
に電圧、電流を印加することにより、ｎ型ＧａＮ光導波
層１３側からは電子が、ｐ型ＧａＮ光導波層１５側から
は正孔が、それぞれ注入される。各井戸層では、伝導帯
端Ｅ_ｃ上には量子準位エネルギー帯Ａ_ｃが、価電子帯Ｅ
_ｖ下には量子準位エネルギー帯Ａ_ｖが、それぞれ形成さ
れる。図１の装置では、障壁層Ｌ_ｂを３．０ｎｍと薄膜
にしたので、図２に示すように、各井戸層の量子準位エ
ネルギー帯Ａ_ｃ、Ａ_ｖが広がる。これは各井戸層の波動
関数が重なって量子準位の縮退が解けたからである。こ
の井戸層と交互に積層された障壁層中には、１．０×１
０^１９ｃｍ^−３のＳｉが添加されている。このＳｉは障
壁層中にＳｉ準位Ｅ_Ｓｉを形成する。このため、各井戸
層間のトンネル確率が増大し、各井戸層にキャリアが均
一に注入される。この結果、３つの井戸層が共に同じ注
入キャリア濃度で発振利得が得られし、光出力を高くす
ることができる。このように、図１の装置は、障壁層に
Ｓｉ準位Ｅ_Ｓｉが形成されること、および各井戸層の波
動関数が重なって量子準位の縮退が解けたこと、により
各井戸層にキャリアが均一に注入され、高出力化ができ
ると解析される。また、各井戸層が均一に高効率で発光
するので、特定の井戸層が吸収損失になったりしないの
で、発振閾値が下がり、低消費電力駆動が可能になるの
で、長寿命化できると解析される。

【００２２】もっとも、従来の技術常識では、図２のよ
うに量子準位の縮退を解くと、閾値電流が上昇したり、
発光スペクトルが広がったりするなど、さまざまな特性
が悪化すると考えられている。このため、従来の窒化物
系半導体レーザ装置では、図３のように、障壁層厚Ｌ_ｂ
を、井戸層厚Ｌ_ｗの２倍〜４倍程度の１０ｎｍ程度と厚
くして、量子効果を高めていた。しかしながら、本発明
者の実験によれば、窒化物系半導体材料を用いたレーザ
装置では、上述のように、縮退を解いた方が反転分布が
得やすく、光出力が高くなり、寿命も長くなった。これ
は、窒化物系半導体レーザ装置では、活性層中に自発分
極やピエゾ分極による電界が生じやすいこと、窒素元素
の原子半径が極端に小さいことによるＩＩＩ族元素の偏
析や組成揺らぎ膜厚揺らぎが多いこと、などにより、量
子井戸活性層が不均一になり、レーザ発振のための反転
分布が形成しにくくなるからである。

【００２３】以下、図２、図３を参照にして説明する。
図３は、障壁層厚Ｌ_ｂを厚くした従来の窒化物半導体レ
ーザ装置のエネルギーバンド構造を示す図である。従来
の窒化物半導体レーザ装置の場合、他の材料系のレーザ
装置と同様に、図３のようにＡ_ｃ、Ａ_ｖで示す形成され
る量子準位は夫々単一のものでありエネルギーレベルの
揺らぎは小さくなるように設計される。このように量子
準位Ａ_ｃ、Ａ_ｖのエネルギー幅が狭くなれば、発光スペ
クトルが狭くなるなどの利点があるはずである。しか
し、実際に製造される窒化物半導体レーザ装置では、活
性層中に組成揺らぎ、膜厚揺らぎが発生しやすいために
量子準位のエネルギー幅が広がったり、ピエゾ分極や自
発分極により電界が生じ空間的に異なる位置に発光遷移
しやすくなったりする。また、従来の窒化物半導体レー
ザ装置における多重量子井戸構造活性層の場合、有効質
量が大きいことも原因となり、ｐ型クラッド層に近い量
子井戸層ほど正孔濃度が高く電子濃度が低く、逆にｎ型
クラッド層に近い量子井戸層ほど電子濃度が高く正孔濃
度が低くなり、夫々の量子井戸層の利得が不均一になっ
たりする。従って、実際に製造される従来の窒化物半導
体レーザ装置では、発光スペクトル幅が広がったり、閾
電流が増大したりする。つまり、設計段階で期待される
量子効果まで特性が向上しなくなる。逆に、障壁層厚を
薄くすると、図２に示すように、各量子井戸層に形成さ
れる波動関数は重なり合うようになるので、各量子準位
Ａ_ｃ、Ａ_ｖはエネルギーの幅を持つようになる。しかし
ながら、量子準位Ａ_ｃ、Ａ_ｖが幅広いエネルギー帯とな
ることで、夫々の量子井戸で形成される量子準位の揺ら
ぎは無視できるようになる。従って、活性層中に組成揺
らぎ、膜厚揺らぎが発生した場合や、ピエゾ分極や自発
分極により電界が生じた場合でさえ、複数の量子井戸に
均一にキャリアが注入されるようになる。このように、
本発明者は、窒化物系半導体レーザでは、他の材料系の
レーザ装置と異なり、隣あう量子井戸層と相互作用を受
けるように障壁層を薄くすることで、レーザ特性が良好
になることを見出した。

【００２４】図１の装置では、リッジ幅２μｍ、共振器
長０．５ｍｍの場合、閾値電流２５ｍＡ、発振波長は４
０３ｎｍ、動作電圧は４．２Ｖで室温連続発振した。そ
して５０ｍＷの高出力、８０℃の高温の条件で素子寿命
を測定したところ、５０００時間以上であった。

【００２５】次に、図１のレーザ装置の活性層１４にお
ける、井戸層の組成、障壁層の組成、井戸層厚Ｌ_ｗ、障
壁層厚Ｌ_ｂ、障壁層に添加するＳｉの濃度、について説
明する。すなわち、図１の装置では、井戸層の組成をＩ
ｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ、障壁層の組成をＩｎ
_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ、井戸層厚Ｌ_ｗを３．０ｎｍ、
障壁層厚Ｌ_ｂを３．０ｎｍ、障壁層に添加するＳｉの濃
度を１．０×１０^１９ｃｍ⁻ ^３、としたがこれらを他の
値にすることも可能なので、以下説明する。

【００２６】まず、本発明者は、図１の装置において、
井戸層および障壁層の組成を変化させずにヘテロ不連続
量を０．１０ｅＶに固定して（図２）、井戸層厚Ｌ_ｗ、
障壁層厚Ｌ_ｂを変化させて実験を行った。その結果、障
壁層厚Ｌ_ｂを約２．５ｎｍ〜３．０ｎｍと薄くし、井戸
層厚Ｌ_ｗを約２．５〜５．０ｎｍとすると高出力、長寿
命な素子が得られた。また、障壁層厚Ｌ_ｂを約２．５ｎ
ｍ〜５．０ｎｍ、井戸層厚Ｌ_ｗを約２．５〜５．０ｎｍ
とし、障壁層厚Ｌ_ｂを井戸層厚Ｌ_ｗ未満にすると、高出
力、長寿命な素子が得られた。

【００２７】この理由は次のように説明できる。すなわ
ち、井戸層厚Ｌ_ｗ、障壁層厚Ｌ_ｂが５．０ｎｍ以上の場
合は、量子準位の分裂は起きにくく、図２のようなエネ
ルギー幅を有する量子準位は得られにくい。このため、
量子準位Ａ_ｃの幅は狭く（図３参照）、量子準位Ａ_ｃの
上端がＳｉ準位Ｅ_Ｓｉよりも十分低く、前述の均一キャ
リア注入効果は現れない。しかし、井戸層厚Ｌ_ｗ、障壁
層厚Ｌ_ｂが５．０ｎｍ以下になると、量子準位の縮退が
解けだし、量子準位Ａ_ｃの上端と、Ｓｉ準位Ｅ _Ｓｉと、
の差が２５ｍｅＶ以下になり、室温でのトンネル効果が
顕著になる。この結果、本実施形態の均一キャリア注入
の効果が現れる。次に、井戸層厚Ｌ_ｗ、障壁層厚Ｌ_ｂが
ともに３．５ｎｍ以下になると、量子準位Ａ_ｃの上端
と、Ｓｉ準位Ｅ_Ｓｉと、の差が無くなるために、均一キ
ャリア注入の効果が増える。さらに、図１の素子のよう
に、井戸層厚Ｌ_ｗ、障壁層厚Ｌ_ｂがともに３．０ｎｍに
なると、図２に示すように、量子準位Ａ_ｃの上端がＳｉ
準位Ｅ_Ｓｉよりも高くなり、均一キャリア注入の効果が
絶大になる。

【００２８】次に、障壁層と活性層の組成について検討
する。本発明者の実験によれば、障壁層にＩｎ_ｂＧａ
_１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）を、井戸層にＩｎ_ｃＧａ_１−ｃ
Ｎ（０＜ｃ≦１、ｃ＞ｂ）を用いた場合、障壁層のＩｎ
組成ｂと、井戸層のＩｎ組成ｃと、の差を所定の範囲に
すると高出力化、長寿命化等の効果が得られた。本発明
者はさらに詳細に実験を行った結果、障壁層と井戸層と
の伝導帯Ｅ_ｃのヘテロ不連続量（図２）を０．０５ｅＶ
以上０．２０ｅＶ以下、好ましくは０．０７ｅＶ以上
０．１５ｅＶ以下にすると高出力化、長寿命化の効果が
得られた。これは、Ｉｎ組成の差が大きくなりすぎてヘ
テロ不連続量が大きくなりすぎると、隣り合う量子井戸
の量子準位が干渉しにくくなり、前述の均一キャリア注
入効果が得られなくなるからであると解析される。ま
た、Ｉｎ組成の差が小さくなりすぎてヘテロ不連続量が
小さくなりすぎると、エネルギー幅を有する量子準位が
形成されなくなるためである。このように、障壁層と活
性層の組成は、それらの伝導帯のヘテロ不連続量が０．
０５ｅＶ以上０．２０ｅＶ以下、好ましくは０．０７ｅ
Ｖ以上０．１５ｅＶ以下になるようにすると良い。

【００２９】次に、本発明者は、上記の範囲で井戸層お
よび障壁層の組成を変化させながら、井戸層厚Ｌ_ｗおよ
び障壁層厚Ｌ_ｂも変化させて詳細な実験を行った。その
結果、障壁層厚Ｌ_ｂ、井戸層厚Ｌ_ｗ、を図４に斜線で示
す範囲（点線の境界は含まない）にした場合には、高出
力化、長寿命化等の本実施形態の効果が得られた。すな
わち、図４に示すように、障壁層厚Ｌ_ｂを２．０ｎｍ以
上３．０ｎｍ以下と薄くし、井戸層厚Ｌ_ｗを２．０ｎｍ
以上５．０ｎｍ以下にした場合には、本実施形態の効果
が得られた。また、障壁層厚Ｌ_ｂを井戸層厚Ｌ_ｗよりも
薄くし、障壁層厚Ｌ_ｂおよび井戸層厚Ｌ_ｗを２．０ｎｍ
以上５．０ｎｍ以下にした場合にも、本実施形態の効果
が得られた。

【００３０】以下、図５を参照に説明する。図５は、図
１の窒化物半導体レーザ装置において、井戸層厚Ｌ_ｗと
障壁層厚Ｌ_ｂとの比を変化させた場合の、井戸層厚Ｌ_ｗ
に対する量子準位Ａ_ｃ、Ａ_ｖの変化を示す計算結果であ
る。図５（ａ）は伝導帯端Ｅ _ｃ側に形成される電子の量
子準位を、図５（ｂ）は価電子帯Ｅ_ｖ側に形成される正
孔の量子準位を、夫々示している。それぞれの図中、Ａ
_０．５は障壁層厚Ｌ_ｂを井戸層厚Ｌ_ｗの０．５倍にした
場合、Ａ_１．０は障壁層厚Ｌ_ｂを井戸層厚Ｌ_ｗの１．０
倍にした場合、Ａ_１．５は障壁層厚Ｌ_ｂを井戸層厚Ｌ_ｗ
の１．５倍にした場合、を示している。また、それぞれ
２本ずつのＡ_０．５、Ａ_１．０、Ａ_１． _５の線のうち、
図中上側の線は量子準位のエネルギー帯の上限を、図中
下側の線は量子準位のエネルギー帯の下限を、それぞれ
示す。この上限と下限の間の線は、縮退した量子準位の
エネルギーレベルを示す。例えば、図１の窒化物半導体
レーザ装置の伝導帯Ｅ_ｃにおける量子準位帯Ａ_ｃの幅
は、図４（ａ）で井戸層厚Ｌ _ｗが３．０ｎｍの場合の量
子準位帯Ａ_１．０の幅であり、約３０ｍｅＶである。ま
ず、図４（ａ）で、量子準位帯Ａ_０．５と、量子準位帯
Ａ_１．０と、量子準位帯Ａ_１．５と、を比較すると、井
戸層厚Ｌ_ｂに対する障壁層厚Ｌ_ｂの比を下げるにつれて
量子準位帯Ａ_ｃの幅が広くなることが分かる。つまり、
井戸層厚Ｌ_ｂに対する障壁層厚Ｌ_ｂの比を小さくする
と、量子準位のエネルギー幅が広がる。次に、量子準位
帯Ａ_１．０から、井戸層厚Ｌ_ｗ、障壁層厚Ｌ_ｂを５．０
ｎｍ以下にすると、縮退が解け、量子準位帯Ａ_ｃが広が
ることが分かる。次に、Ａ_０．５、Ａ_１．０から、井戸
層厚Ｌ_ｗおよび障壁層厚Ｌ_ｂを薄くするにつれて、量子
準位帯Ａ_ｃの幅が徐々に広がることが分かる。そして、
障壁層厚Ｌ_ｂを３．０ｎｍ以下にすると、量子効果が急
激に弱まる。このことから、障壁層厚Ｌ_ｂを３．０ｎｍ
以下にすると井戸層厚Ｌ_ｗの方がやや厚くても特性が良
くなると解析される（図３）。次に、井戸層厚Ｌ_ｗまた
は障壁層厚Ｌ_ｂが２．０ｎｍ未満になると、その幅が約
０．２ｅＶより大きくなる。ところが、前述のように、
本実施形態では障壁層と活性層の伝導帯端のヘテロ不連
続量（図２参照）は０．２ｅＶ以下である。このため、
井戸層厚Ｌ_ｗおよび障壁層厚Ｌ_ｂが２．０ｎｍ未満にな
ると、エネルギー帯Ａ_ｃの幅がヘテロ不連続量０．２ｅ
Ｖよりも大きくなり、エネルギー帯Ａ_ｃ端が障壁層のエ
ネルギーレベルを超えて、本実施形態の効果がなくな
る。このことから、井戸層厚Ｌ_ｗおよび障壁層厚Ｌ_ｂを
２．０ｎｍ以上にすると良いと解析される（図３）。な
お、価電子帯Ｅ_ｖについては、伝導帯Ｅ_ｃと基本的に同
一であり、詳細な説明は省略する。このようにして、主
に量子効果の強弱に起因して、図３の範囲が決まると解
析される。

【００３１】次に、本発明者は、障壁層に添加するＳｉ
の濃度を変化させて実験を行ったところ、濃度を５．０
×１０^１８ｃｍ^−３以上５．０×１０^１９以下、好まし
くは８．０×１０^１８ｃｍ^−３以上２．０×１０^１９以
下にすると、レーザ装置の特性が向上した。これは、Ｓ
ｉ濃度を低くしすぎると、障壁層のキャリア濃度が量子
井戸活性層のレーザ発振に必要な透明キャリア濃度に比
べて低くなってしまい、Ｓｉドープの準位を介したトン
ネル効果が十分に得られなくなってしまうからであると
解析されるが、一方で量子井戸層の歪量が大きすぎてピ
エゾ電界の発生、In元素の偏析、組成揺らぎが生じてし
まうことも原因である。窒化物半導体材料はGaAs系など
の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とは異なり、Ｖ族元素
である窒素の原子半径がＩＩＩ族構成元素に比べて非常
に小さいために通常のＭＯＣＶＤ法成長では結晶構造が
六方晶系になりやすく、特に原子半径の大きいIn元素を
含有する場合は組成揺らぎが起きやすいと考えられる。
ところが、Ｓｉ元素を上述の範囲でドープした場合は、
ＩＩＩ族構成元素とＶ族窒素元素の中間である原子半径
を有するＳｉ元素がＩＩＩ族サイトに取り込まれるため
に、Ｓｉドープ障壁層が歪を緩和し、組成揺らぎの少な
い量子井戸活性層が形成できることを見出した。特に、
後述するＩｎ組成を高くする必要のある青色発光や緑色
発光などの窒化物半導体レーザ装置の長波長化には、こ
のＳｉドープ障壁層による歪緩和効果が有用であること
もわかった。Ｓｉ元素を上述の範囲を超えて過剰にドー
プした場合は、Ｓｉ元素がＶ族窒素サイトに取り込まれ
るようになるために、結晶の歪量はさらに減り、且つ組
成揺らぎも低減されるが、過剰なＳｉはアクセプタ準位
を形成するために窒化物半導体レーザ装置の動作電圧が
上昇するという特性悪化が観測された。

【００３２】以上のように、図１のレーザ装置では、障
壁層と活性層の組成は、それらの伝導帯端のヘテロ不連
続量が０．０５ｅＶ以上０．２０ｅＶ以下、好ましくは
０．０７ｅＶ以上０．１５ｅＶ以下になるようにすると
良い。また、障壁層厚Ｌ_ｂ、井戸層厚Ｌ_ｗ、を図３に斜
線で示す範囲にすると良い。また、障壁層に添加するＳ
ｉの濃度を、５．０×１０^１８ｃｍ^−３以上５．０×１
０^１９ｃｍ^−３以下、好ましくは８．０×１０^１８ｃｍ
^−３以上２．０×１０^１９ｃｍ^−３以下にすると良い。

【００３３】以上説明した第１の実施の形態のレーザ装
置では、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１６との
間に活性層１４を形成し、基板１０に近い側をｎ型クラ
ッド層１２としたが、基板１０に近い側をｐ型クラッド
層としても、本実施形態と同様の効果を得ることができ
る。これは、ｐ側とｎ側を逆にしても、図２に示すバン
ド構造は基本的に同一だからである。なお、このように
ｐ側とｎ側を逆にする場合も、図２から分かるように、
障壁層に添加する不純物は、ｎ型不純物にする。

【００３４】（第２の実施の形態）第２の実施の形態の
窒化物系半導体レーザ装置は、図６で示すように、活性
層１４ａの井戸層にＩｎ_０．３５Ｇａ_０．６５Ｎを用い
て、波長４７０ｎｍ帯の青色発振をさせるためのもので
ある。

【００３５】図６は、本発明の第２の実施の形態の窒化
物系半導体レーザ装置の構造を示す断面模式図である。
図６の装置では、絶縁性のサファイア基板２２を用いて
いる。このサファイア基板２２上には、ＧａＮバッファ
層２３が形成され、ＧａＮバッファ層２３上の一部には
ストライプ状のＳｉＯ_２選択成長マスク２４が形成され
ている。この選択成長マスク２４に覆われていない部分
には、ｎ型ＧａＮ層２５ａが形成されている。そして、
このｎ型ＧａＮ層２５ａを核として、ｎ型ＧａＮコンタ
クト層２５ｂが形成されている。このｎ型ＧａＮコンタ
クト層２５ｂを形成する際には、横方向の成長速度を速
くしている。このため、図６の素子では、ｎ型ＧａＮコ
ンタクト層２５ｂの縦方向の転位が減少し、これにより
活性層１４への貫通転位が減少する。ｎ型ＧａＮコンタ
クト層２５ｂ上には、第１の実施の形態（図１）と同様
に、変調ドープ超格子ｎ型クラッド層１２、ｎ型ＧａＮ
光導波層１３、多重量子井戸活性層１４ａ、ｐ型ＧａＮ
光導波層１６、変調ドープ超格子ｐ型クラッド層１６、
ｐ型ＧａＮ層１７、ＳｉＯ_２絶縁膜１９、ｐ側電極１
８、ｐ側電極パット２０、が順次形成されている。ｎ側
電極２１は、積層体の一部をエッチングすることにより
露呈されたｎ型ＧａＮコンタクト層２５ｂ上に形成され
ている。図６のレーザ装置では、第１の実施の形態（図
１）と同様に、活性層１４ａを、Ｉｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ
（０≦ｂ＜１）からなる障壁層と、Ｉｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ
（０＜ｃ≦１、ｃ＞ｂ）からなる井戸層と、を交互に３
周期積層した多重量子井戸構造としている。ただし、図
６のレーザ装置では、井戸層にＩｎ組成が高いＩｎ
_０．３５Ｇａ_０．６５Ｎを用いている。このため、図６
のレーザ装置は波長４７０ｎｍの青色レーザ発振とな
る。

【００３６】図６のレーザ装置の特徴の１つは、上記の
活性層１４ａの井戸層厚Ｌ_ｗを３．５ｎｍ、障壁層厚Ｌ
_ｂを３．０ｎｍとし（図４参照）、障壁層に濃度１．５
×１０^１９ｃｍ^−３のＳｉを添加した点である。このよ
うにすることで、従来実質的に実現できなかった波長４
７０ｎｍの青色発光のレーザ装置を実現できる。この理
由について、本発明者は、窒化物系半導体レーザ装置に
おける前述の効果によると考えている。

【００３７】本発明者の実験によれば、図６のレーザ装
置では、障壁層と活性層の組成は、それらの伝導帯端の
ヘテロ不連続量が０．０５ｅＶ以上０．２０ｅＶ以下、
好ましくは０．０７ｅＶ以上０．１５ｅＶ以下になるよ
うにすると良い。また、障壁層厚Ｌ_ｂ、井戸層厚Ｌ_ｗ、
を図３に斜線で示す範囲にすると良い。また、障壁層に
添加するＳｉの濃度を、５．０×１０^１８ｃｍ^−３以上
５．０×１０^１９ｃｍ ^−３以下、好ましくは８．０×１
０^１８ｃｍ^−３以上２．０×１０^１９ｃｍ^−３以下にす
ると良い。

【００３８】本発明者の実験によれば、これらの条件を
みたす窒化物系半導体レーザ装置では、井戸層の組成を
変化させることで、紫色発振から緑色発振までの窒化物
系半導体レーザ装置を得ることができた。

【００３９】（第３の実施の形態）第３の実施の形態の
窒化物系半導体レーザ装置は、第１の実施の形態の装置
（図１）の活性層１４の組成を変えて、井戸層にＩｎ
_０．５Ｇａ_０．５Ｎを用い、中心発振波長５２０ｎｍ帯
の緑色とした装置である。また、活性層１４の障壁層厚
Ｌ_ｂ、井戸層厚Ｌ_ｗも第１の実施の形態と変えている。
活性層１４の組成、膜厚以外の構造は第１の実施の形態
と同様であり、詳細な説明は省略する。なお、以下の説
明では、図１と同一の符号を用いて説明する。

【００４０】図７は、第３の実施の形態の窒化物系半導
体レーザ装置のバンド構造を示す図である。本実施形態
の装置は、活性層１４の障壁層厚Ｌ_ｂが、ｐ型ＧａＮ光
導波層１５に近づくにつれて、すなわち図１中上側に近
づくにつれて、薄くなるようにしている。このようにす
ると、さらにレーザ装置の特性を向上させることができ
る。この理由は、ｐ型ＧａＮ光導波層１５側（図７中左
側）の障壁層厚Ｌ_ｂを薄くしたので、電子が注入されに
くいｐ型ＧａＮ光導波層１５側の井戸層への電子の注入
効率が上がったからであると解析される。また、ｎ型Ｇ
ａＮ光導波層１３側（図７中右側）の障壁層厚Ｌ_ｂを厚
くしているので、実効屈折率は増大する傾向にあり、光
閉じ込め効果は十分であると解析される。

【００４１】図７の装置でも、井戸層厚Ｌ_ｗと、障壁層
厚Ｌ_ｂの平均値と、を図３の範囲にすることで、特性の
良好な窒化物系半導体レーザ装置を得ることができる。

【００４２】以上説明した実施の形態では、基板として
ＧａＮ基板またはサファイア基板を用いた場合について
説明したが、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板の半導体基板、ま
たはＳｉＣ、ダイアモンドなどの単結晶基板、ＡｌＮな
どのセラミック基板などを用いることもできる。また、
レーザ構想においては、本実施形態の趣旨を逸脱しない
限り種々の適用が可能である。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、障壁層と井戸層とを交
互に複数積層した多重量子井戸構造の活性層を有する窒
化物系半導体レーザ装置において、障壁層の膜厚を薄く
し、障壁層に所定の濃度の第１導電型不純物を添加した
ので、高光出力、長寿命で且つ広波長範囲で発振波長制
御性が良く、また製造方法も容易な窒化物系半導体レー
ザが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の窒化物系半導体レ
ーザ装置の断面模式図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の窒化物系半導体レ
ーザ装置のバンド構造を示す図。

【図３】従来の多重量子井戸構造の窒化物系半導体レー
ザ装置のバンド構造を示す図。

【図４】本発明の実施の形態の窒化物系半導体レーザ装
置の井戸層厚Ｌ_ｗと障壁層厚Ｌ _ｂの範囲を示す図。

【図５】本発明の第１の実施の形態の窒化物系半導体レ
ーザ装置の量子準位を示す図。

【図６】本発明の第２の実施の形態の窒化物系半導体レ
ーザ装置の断面模式図。

【図７】本発明の第２の実施の形態の窒化物系半導体レ
ーザ装置のエネルギーバンド構造を示す図。

【符号の説明】

１２変調ドープ超格子構造ｎ型クラッド層１４、１４ａ多重量子井戸活性層１６変調ドープ超格子構造ｐ型クラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斎藤真司神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 5F073 AA07 AA13 AA45 AA55 AA74 AA77 AA83 AA89 BA09 CA02 CA07 CB02 CB05 CB07 CB13 CB19 CB20 DA05 DA11 DA33 DA35 EA07 EA24 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型の半導体からなるｎ型クラッド層と、ｐ型の半導体からなるｐ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に形成
され、窒化物系半導体からなり、前記ｎ型クラッド層お
よび前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギ
ーが小さい量子井戸層と、前記量子井戸層よりもバンド
ギャップエネルギーが大きい障壁層と、を交互に複数積
層した多重量子井戸構造を有し、前記障壁層が、所定の
濃度のｎ型不純物が添加され膜厚が前記量子井戸層より
も薄い、活性層と、を備えることを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項２】前記量子井戸層および前記障壁層の膜厚が
２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１
記載の窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項３】ｎ型の半導体からなるｎ型クラッド層と、ｐ型の半導体からなるｐ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に形成
され、窒化物系半導体からなり、前記ｎ型クラッド層お
よび前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギ
ーが小さい量子井戸層と、前記量子井戸層よりもバンド
ギャップエネルギーが大きい障壁層と、を交互に複数積
層した多重量子井戸構造を有し、前記井戸層の膜厚が２
ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、前記障壁層が、所定の濃度
のｎ型不純物が添加され膜厚が２ｎｍ以上３ｎｍ以下で
ある、活性層と、を備えることを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置。
【請求項４】前記障壁層に添加される前記ｎ型不純物が
シリコンであり、前記ｎ型不純物の前記所定の濃度が５
×１０^１８ｃｍ^−３以上５×１０^１９ｃｍ^−３以下であ
ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに
記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項５】前記量子井戸層と、前記障壁層と、の伝導
帯のエネルギーレベルのヘテロ不連続量が０．０５ｅＶ
以上０．２０ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１
乃至請求項４のいずれか記載の窒化物半導体レーザ装
置。
【請求項６】前記障壁層の膜厚が、前記ｎ型クラッド層
側から前記ｐ型クラッド層側に近づくほど薄いことを特
徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の窒化
物半導体レーザ装置。