JP2004289183A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくともn型コンタクト層を介して形成されたインジウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にp型窒化物半導体よりなるp型クラッド層とが順に積層された構造を有し、インジウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体からなる層と、n型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるn型の多層膜を光反射膜として備え、n型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなる。
【選択図】図2
Description
前記n型クラッド層と前記n型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるn型の多層膜を光反射膜として備え、
前記n型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなることを特徴とする。
前記第1のn型クラッド層と前記第2のn型クラッド層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるn型の多層膜を光反射膜として備え、
前記n型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなることを特徴とする。
ここで、本明細書において、外側とは活性層が形成されているクラッド層の反対側を意味するものであって、必ずしもクラッド層に接している必要はない。
すなわち、本発明に係る第3の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともn型窒化物半導体よりなるn型クラッド層と、そのn型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してp型窒化物半導体よりなるp型クラッド層と、p型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記p型クラッド層と前記p型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるp型の多層膜を光反射膜として備え、
前記p型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなることを特徴とする。
前記第1のp型クラッド層と前記第2のp型クラッド層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるp型の多層膜を光反射膜として備え、
前記p型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなることを特徴とする。
さらに、本発明の好ましい態様として、InGaNよりなる活性層のいずれかの主面側にInGaNのクラッド層を形成すると、活性層の結晶性、およびAlGaNクラッド層の結晶性も良くなり、結晶欠陥が少なくなり、レーザ素子の常温での発振、信頼性が向上する。本発明では活性層に接するクラッド層が格子整合していないにもかかわらず、レーザ発振できるのはこの構造の影響が大であると推察される。
このように短波長の半導体レーザ素子が実現できたことにより、コンパクトディスク(CD)の書き込み光源、読み取り光源、その他ディスプレイ用光源、照明用光源、植物育成用光源等、数多くのデバイスに適用可能となるので、その産業上の利用価値は多大なものがある。
また、図3は本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号は図2と同一部材を示している。図3では、n型コンタクト層3と第二のn型クラッド層4との間にn型多層膜44が形成され、第二のp型クラッド層8とp型コンタクト層9との間に互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体を交互に積層したp型の多層膜55が形成されている。図3のように光反射膜となるp型の多層膜55をp型層中にも形成すると、n型多層膜44をn型層中に形成した時よりもさらに効率的に活性層の光り閉じこめができるので、容易にレーザ発振しやすくなる。また図3も同様にn型多層膜44の形成位置は負電極が形成されるn型コンタクト層3のエッチング面の水平面、つまり最も基板1側に近いエッチング面の水平面よりもp型層側に近い位置に形成されている。
従来、窒化物半導体を用いてレーザ素子を実現する場合、活性層への光閉じこめはクラッド層と活性層との屈折率差の反射によって行われていた。しかしながら屈折率差は非常に少なく、多くても0.5以下である。このためほとんどの光はクラッド層を透過して広がってしまう。p型クラッド層を透過して広がった光は最終的には空気層に出るが、空気の屈折率は1であり、p型コンタクト層GaNの屈折率は2.5である。ここでの屈折率差は大きく、かなりの光は反射され活性層側に戻るので光の閉じこめ効果が大きい。半導体層の水平方向についても同様のことがいえる。しかし、n型クラッド層を透過した光は、n型クラッド層とn型コンタクト層との屈折率が小さく、界面で反射されずに、n型コンタクト層中に容易に拡散して行くので、光閉じこめ効果は少ない。従って活性層の発光が基板側に洩れていってしまいレーザ発振は起こらなかった。
図2を元に実施例1について説明する。まずTMG(トリメチルガリウム)とNH3とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板1のC面に500℃でGaNよりなるバッファ層2を500オングストロームの膜厚で成長させる。
図3を元に実施例2を説明する。これも実施例1と同様にして、サファイア基板1の上にGaNバッファ層2、Siドープn型GaNコンタクト層3を成長させる。コンタクト層3成長後、実施例1と同様にしてSiドープn型In0.01Ga0.95N層とSiドープAl0.2Ga0.9N層を交互に10層づつ積層したn型多層膜44を形成する。
次に、図3を元に実施例3を説明する。これも実施例1と同様にして、サファイア基板1の上にGaNバッファ層2、Siドープn型GaNコンタクト層3、Siドープn型Al0.3Ga0.7Nよりなる第二のクラッド層4を成長させる。
実施例1と同様にしてサファイア基板1の上にGaNよりなるバッファ層を成長させる。バッファ層成長後、Siドープn型GaNよりなるn型コンタクト層3を4μmの膜厚で成長させる。
第一のn型クラッド層5を形成しない他は、実施例2と同様にしてレーザ素子を作製したところ、しきい値電流密度2kA/cm2で発振波長390nmのレーザ発振が確認された。
第一のp型クラッド層7を形成しない他は、実施例2と同様にしてレーザ素子を作製したところ、しきい値電流密度1.5kA/cm2で発振波長390nmのレーザ発振が確認された。
実施例1において、活性層6を成長させる際、ノンドープIn0.05Ga0.95Nよりなる井戸層を25オングストローム、その上に同じく800℃にて、ノンドープIn0.01Ga0.99N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、最後に井戸層を積層して総厚1000オングストロームの活性層6を成長させた。後は実施例1と同様にしてレーザ素子としたところ、同じく、しきい値電流密度1.5kA/cm2で発振波長390nmのレーザ発振が確認された。
2・・・・バッファ層、
3・・・・n型コンタクト層、
4・・・・第二のn型クラッド層、
5・・・・第一のn型クラッド層、
6・・・・活性層、
7・・・・第一のp型クラッド層、
8・・・・第二のp型クラッド層、
9・・・・p型コンタクト層、
44・・・n型多層膜、
55・・・p型多層膜。
Claims (10)
- 少なくともn型コンタクト層を介して形成されたインジウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にp型窒化物半導体よりなるp型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記インジウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体からなる層と、前記n型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるn型の多層膜を光反射膜として備え、
前記n型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記インジウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項1記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 少なくともn型コンタクト層を介して形成されたアルミニウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にp型窒化物半導体よりなるp型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記アルミニウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体からなる層と、前記n型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるn型の多層膜を光反射膜として備え、
前記n型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記アルミニウムとガリウムとを含むn型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項3記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記n型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 少なくともn型クラッド層と、その上に、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にインジウムとガリウムとを含むp型窒化物半導体からなる層と、p型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記インジウムとガリウムとを含むp型窒化物半導体からなる層と前記p型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるp型の多層膜の光反射膜として備え、
前記p型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記インジウムとガリウムとを含むp型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項6に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 少なくともn型クラッド層と、その上に、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にアルミニウムとガリウムとを含むp型窒化物半導体からなる層と、p型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記アルミニウムとガリウムとを含むp型窒化物半導体からなる層と前記p型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる2種類の窒化物半導体が積層されてなるp型の多層膜の光反射膜として備え、
前記p型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはGaNからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記アルミニウムとガリウムとを含むp型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項8記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記p型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項6〜9のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
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