JP2005183964A - Ｉｉｉ−ｖ半導体レーザダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 利得が高くしきい値電流が低い、単一または結合量子井戸レーザダイオードを提供する。
【解決手段】 単一量子井戸窒化アルミニウムガリウム活性領域に隣接して、またはその近くに、一対のアンドープスペーサ層を設ける。様々な例示的実施形態で、単一量子井戸窒化アルミニウムガリウム活性領域とキャリア閉込め層との間に、アンドープスペーサ層を設ける。アンドープスペーサ層はレーザ装置のしきい値電流を低減し、出力特性を改善する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スペクトルの紫外線領域で発光する半導体レーザダイオードに関する。

近年、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、およびＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体が、紫色および青色発光半導体レーザの材料として大いに注目を浴びている。多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域でこれらの材料を使用する半導体レーザは、短波長レーザ源として設計される。したがって、該レーザの出力は小径に集光できる。この利点のため、該レーザは光ディスクのような高密度情報記憶装置用の光源として使用できることが期待されている。

ＵＶ半導体レーザは、コンパクトであり、消費電力が低く、および寿命が長いため、固体レーザまたはガスレーザでは実現できない他の用途にも適用可能である。

しかし、ＧａＮ材料システムにおいては、ＵＶレーザの実現に関して特有の問題が提起される。特に、例えば多重量子井戸デバイスのＩｎ（Ａｌ）ＧａＮ層および（Ｉｎ）ＡｌＧａＮ層内には大きな分極場が存在する。分極場は、上述の材料の焦電定数および圧電定数が大きいことに起因する。ヘテロ構造界面における分極電荷により、負電荷の電子を正電荷の正孔から空間的に分離する分極場が形成される。これによって、次に、波動関数の重なりが減少し、レーザ装置の光学利得が減少する傾向にある。

Ｉｎ（Ａｌ）ＧａＮ／（Ｉｎ）ＡｌＧａＮ多重量子井戸の場合、分極場により内部に一様でないキャリア分布が生じるだけでなく、量子井戸間にも一様でないキャリア分布が生じ、分極効果は特に有害である。

量子井戸（ＱＷ）間の（Ｉｎ）ＡｌＧａＮ障壁バンドギャップが高いと、キャリアが量子井戸間で容易に移動することが妨げられることによって、したがって量子井戸間のキャリアの一様分布達成が困難となることによって、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域における一様でないキャリア分布がさらに増大する。

キャリア分布が一様でないことにより、利得も一様でないものとなり、結果的にしきい値電流密度が高く、量子効率が低くなる。

活性領域においてキャリア分布が一様でないという問題は、単一量子井戸（ＳＱＷ）を構成することによって緩和することができ、これは、ＰＮ接合が量子井戸に直接配置されるためである。

あるいは、量子井戸をわずかに離間して配置する結合量子井戸（ＣＱＷ）手法を使用することもできる。この場合、量子井戸間に充分な結合を提供するために、量子井戸間の障壁はかなり薄く、かつ／または比較的低いバンドギャップエネルギを有する。

上述のような単一量子井戸または結合量子井戸デバイスの設計の一態様は、デバイスでの損失の原因となることなく、キャリアを活性領域に封じ込める、キャリア閉じ込め構造の設計である。

したがって、ＧａＮ材料システムの単一量子井戸または結合量子井戸構造を考案する必要性があり、これにより結果的にはしきい値電流動作が低減される。

本発明は、活性領域とキャリア閉込め層との間に設けられたアンドープスペーサ層を有する、単一量子井戸および結合量子井戸レーザダイオードを提供する。

本発明は、更に、キャリア閉込め層と同じ組成のアンドープスペーサ層を有する、単一または結合量子井戸レーザダイオードを提供する。

本発明は、更に、キャリア閉込め層とは異なる組成のアンドープスペーサ層を有する、単一または結合量子井戸レーザダイオードを提供する。

本発明に係る様々な例示的実施形態では、窒化（インジウム）アルミニウムガリウムのキャリア閉込め層を窒化インジウムガリウムの単一または結合量子井戸に隣接して使用し、必要な電子および正孔の閉込めを達成する、単一量子井戸または結合量子井戸レーザダイオード活性領域について記載する。電子および正孔の閉込め層は、電子および正孔の充分なキャリア閉込めを提供するために部分的にシリコンまたはマグネシウムをドープする。本発明に係る様々な例示的実施形態では、量子井戸に直接隣接する閉込め層の部分は、不純物散乱を低減しかつ単一量子井戸レーザダイオードの構造的劣化を防止するために、アンドープのまま残される。本発明に係る様々な例示的実施形態では、アンドープスペーサ層は、単一または結合量子井戸レーザダイオードの利得を増大し、しきい値電流を低減する。

本発明の請求項１に記載の発明は、ＩＩＩ−Ｖ半導体レーザダイオードであって、ｐ側およびｎ側を有する単一または多重量子井戸活性領域と、前記単一または多重量子井戸活性領域の前記ｎ側に設けられたｎ型キャリア閉込め層と、前記単一または多重量子井戸活性領域の前記ｐ側に設けられたｐ型キャリア閉込め層と、前記単一または多重量子井戸活性領域と前記ｎ型およびｐ型キャリア閉込め層との間に設けられたアンドープスペーサ層と、を備えることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ｎ型およびｐ型キャリア閉込め層ならびに前記アンドープスペーサ層の各々が、前記量子井戸活性領域のアルミニウム含有量より約１０％ないし約３０％高いアルミニウム含有量を有することを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記アンドープスペーサ層が前記ｎ型およびｐ型キャリア閉込め層の各々のアルミニウム含有量より約０％ないし約２０％低いアルミニウム含有量を有することを特徴とする。

本発明に係る装置、システム、および／または方法の様々な例示的実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

窒化ガリウムへテロ構造においてキャリアの拡散長は短いため、キャリアドナーサイトを量子井戸活性領域の間近に配置する必要があり、これによりキャリアは再結合する前に活性領域に到達する。しかし、正電荷のキャリア（すなわち正孔）を提供するＧａＮへテロ構造のマグネシウムドーピングのイオン化エネルギは非常に高い。例えば、Ｍｇアクセプタ濃度１ｃｍ³当たり原子約１０²⁰個に対し、１ｃｍ³当たり１０¹⁸個の正孔しか得られない。電荷キャリアを生成するためにドナー原子の１％しかイオン化されないので、利得を生じるのに充分なキャリア密度を生成するために、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ膜に非常に高いドーピングレベルを実現しなければならない。

しかし、１ｃｍ³当たり原子１０²⁰個を越えるドーピング濃度は、ドーパントがドープされた材料における０．１％以上の不純物（１０²⁰／１０²³）を構成するので、結晶格子を実質的に劣化させる可能性がある。ドープされた材料の格子に組み込まれたドーパント種の濃度が大きいことから結晶格子に歪みが生じ、結晶格子に欠陥が生じる。格子欠陥に起因して、吸収端がバンドギャップより下まで広がり、かつ非発光再結合が促進され、これが次に、ドープされた材料の固有損失を増大させる。

したがって、拡散長が短いため、ドナー原子を活性領域の近くに配置することが望ましいが、これらのドナー原子が、周囲の結晶格子および量子井戸の電子特性に対し悪影響を及ぼすため、デバイスの利得の低減を引き起こす。

本発明に係るレーザ装置の様々な例示的実施形態では、活性層付近または活性層に隣接する層はアンドープのままとされる。したがってこの層には格子欠陥が少なく、好ましくはかなり少なく、理想的には格子欠陥が無い。また、不純物散乱が低減され、好ましくはかなり低減され、理想的には除去される。その結果、アンドープスペーサ層を含まない先行技術の構造と比較して、利得が高く、しきい値電流が低い、単一または結合量子井戸レーザダイオードを得ることができる。

図１は、本発明に係るＩＩＩ−Ｖ窒化物レーザ装置１００の断面構造の一つの例示的実施形態を示す。この層構造は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いて製作することができる。ＩＩＩ−Ｖ窒化物レーザ装置１００は、例えばＣ面（０００１）またはＡ面（１１２０）方位サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板１１０上に成長され、該基板１１０上には一連の半導体層が例えばエピタキシャル堆積される。他の可能な基板材料として、例えば炭化ケイ素（例：６Ｈ‐ＳｉＣまたは４Ｈ‐ＳｉＣ）、ＧａＮ、ＡｌＧａＮもしくはＡｌＮ、またはシリコンが挙げられる。

サファイア、ＳｉＣ、またはシリコン基板の場合、一般的に低温核形成層１１９が最初に堆積される。核形成層はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＮとすることができ、一般的に約１０〜３０ｎｍの厚さであり、約５００℃ないし約７００℃の温度で堆積される。

第一のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１２０は基板１１０の上又は上方に形成される。第一のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１２０はｎ型（Ａｌ）ＧａＮシリコンドープバッファ層であり、ここでバッファ層は電流拡散層として働く。様々な例示的実施形態で、第一のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１２０は約１０¹⁶ｃｍ^-3ないし約１０²⁰ｃｍ^-3のｎドーピング濃度を有する。この例示的実施形態では、第一のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１２０は約１μｍから約１０μｍの厚さを有する。ＳｉをドープしたＡｌＧａＮ電流拡散層の場合、アルミニウム組成は一般的にクラッド層と同様であるか、またはそれよりわずかに低い。

第二のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１３０は第一のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１２０の上又は上方に形成される。第二のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１３０は第一のクラッド層である。様々な例示的実施形態で、第二のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１３０は、シリコンをドープされたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層であり、アルミニウム含有量は第三のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１４０（後述）より多い。第二のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１３０は約０．２μｍから約２μｍの厚さを有する。

第一の導波路層である第三のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１４０は、第二のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１３０の上又は上方に形成される。様々な例示的実施形態で、第三のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１４０はｎ型ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層であり、第三のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１４０の屈折率が第二のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１３０の屈折率より大きく、かつ活性領域１７０（後述）の窒化アルミニウムガリウム量子井戸の屈折率より小さくなるように、第三のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１４０のアルミニウム含有量が選択される。

第四のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１５０は第一の導波路層１４０の上方に形成される。第四のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１５０は第一のキャリア閉込め層として働く。第四のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１５０は量子井戸活性領域１７０より高いバンドギャップを有する。様々な例示的実施形態で、第四のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１５０と量子井戸活性領域１７０との間のバンドギャップ差は約０．５ｅＶである。様々な例示的実施形態で、第四のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１５０は、ｘ＝０．０５からｘ＝０．４の範囲のアルミニウム・モル分率でシリコンドーピングしたｎ型窒化アルミニウムガリウムであり、即ち、アルミニウム含有量は約５％ないし約４０％である。この例示的実施形態では、第四のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１５０の全体の厚さは通常約５ｎｍ乃至約１００ｎｍである。

第五のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１６０は第一の閉込め層１５０の上または上方に堆積される。第五のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１６０はアンドープ窒化（インジウム）アルミニウムガリウム・スペーサ層であり、約０ｎｍから約１０ｎｍの厚さとすることができる。ここで、用語「アンドープ」とは、層を意図的にドープしないことを意味する。窒化物材料は、例えばバックグラウンド・ドーピング（background doping）のために、主に酸素、シリコン、および炭素などがしばしば意図せずにドープされ、ｎ型であり、典型的なｎドーピングレベルは１０¹⁵ｃｍ^-3ないし１０¹⁷ｃｍ^-3である。しかし、上述のドーピングレベルは充分に低いので、格子の完全性またはレーザ装置１００の性能に影響を及ぼさない。アンドープスペーサ層１６０のアルミニウム含有量は、第一の閉込め層１５０より低いか又は等しい。様々な例示的実施形態で、アンドープスペーサ層１６０のアルミニウム含有量は、約５％ないし約４０％の範囲である。

上述の通り、量子井戸活性層１７０は第五のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１６０の上又は上方に形成される。様々な例示的実施形態で、量子井戸活性層１７０は単一の窒化インジウムガリウム量子井戸を使用して形成される。様々な例示的実施形態で、量子井戸は約１ｎｍから約２０ｎｍの厚さを有することができる。窒化アルミニウムガリウム量子井戸１７０は一般的にアンドープである。一般的に、窒化インジウムガリウム量子井戸１７０の組成は、バンドギャップエネルギが導波路層１４０およびクラッド層１３０より小さくなるように選択されることを理解する必要がある。３４０ｎｍで発光するレーザの量子井戸活性領域１７０の一つの例示的実施形態は、アルミニウム含有量約１２％の窒化アルミニウムガリウムの単一量子井戸を含む。一般的に、閉込め層１５０およびアンドープスペーサ層１６０各々のアルミニウム含有量は、量子井戸活性層１７０より約１０％ないし約３０％高い。

第六のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１８０は量子井戸活性層１７０の上又は上方に形成される。様々な例示的実施形態で、第六のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１８０はアンドープ窒化（インジウム）アルミニウムガリウムであり、約０ｎｍから約１０ｎｍの厚さとすることができる。アンドープスペーサ層１６０に関して上述した通り、用語「アンドープ」とは、層を意図的にドープしないことを意味する。窒化物材料はしばしば意図せずにドープされ（バックグラウンド・ドーピング、主に酸素またはシリコン）、ｎ型であり、典型的なｎドーピングレベルは１０¹⁵ｃｍ^-3ないし１０¹⁷ｃｍ^-3である。しかし、上述のドーピングレベルは充分に低いので、格子の完全性またはレーザ装置１００の性能に影響を及ぼさない。アンドープスペーサ層１８０のアルミニウム含有量は、第二の閉込め層１９０より低いか又は等しい。様々な例示的実施形態で、アンドープスペーサ層１８０のアルミニウム含有量は、約５％ないし約４０％の範囲である。

第七のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１９０はスペーサ層１８０の上又は上方に形成される。第七のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１９０もまた、第二のキャリア閉込め層として働く。第七のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１９０は、量子井戸活性領域１７０より高いバンドギャップを有する。様々な例示的実施形態で、量子井戸活性領域１７０と第二のキャリア閉込め層１９０との間のバンドギャップ差は約０．５ｅＶである。様々な例示的実施形態で、第七のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１９０は、ｘ＝０．０５からｘ＝０．４の範囲のアルミニウム・モル分率でマグネシウムをドープされたｐ型窒化アルミニウムガリウムである。この例示的実施形態で、第七のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１９０の全体の厚さは一般的に約５ｎｍから約２０ｎｍであり、第七のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１９０のｐドーピング濃度は一般的に約１０¹⁸ｃｍ^-3ないし約１０²¹ｃｍ^-3である。様々な例示的実施形態で、ドーピング濃度は約１×１０²⁰ｃｍ^-3である。

第八のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２００は、第七のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１９０の上又は上方に形成される。第八のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２００は第二の導波路層として働く。様々な例示的実施形態で、第八のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２００は、マグネシウムをドープされたｐ型窒化アルミニウムガリウム材料である。この例示的実施形態では、アルミニウム含有量は、第八のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２００の屈折率が第七のＩＩＩ−Ｖ窒化物層１９０の屈折率より大きく、かつ活性領域１７０の窒化アルミニウムガリウム量子井戸の屈折率より小さくなるように選択される。

第九のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２１０は第八のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２００の上又は上方に形成される。第九のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２１０は第二のクラッド層である。様々な例示的実施形態で、第九のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２１０はｐ型窒化アルミニウムガリウムのクラッド層である。様々な例示的実施形態で、第九のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２１０の厚さは約０．２μｍから約２μｍである。様々な例示的実施形態で、第九層のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２１０はｐ型窒化アルミニウムガリウム：マグネシウムを使用して形成され、アルミニウム含有量は第八のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２００より多い。

第十のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２０は第九のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２１０の上又は上方に形成される。第十のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２０はｐドープ窒化ガリウム：マグネシウム層２２０であり、低抵抗金属電極接点を提供する。様々な例示的実施形態で、第十のＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２０の厚さは約５ｎｍから約２００ｎｍである。第十の層２２０のｐドーピング濃度は約１０¹⁶ｃｍ^-3ないし約１０²¹ｃｍ^-3である。様々な例示的実施形態で、ドーピング濃度は約１×１０²⁰ｃｍ^-3である。

図２は、本発明に係る紫外線ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系二重量子井戸（ＤＱＷ）レーザダイオードの一例示的実施形態を示す。二重量子井戸活性層はアンドープスペーサ層の上又は上方に形成される。様々な例示的実施形態で、量子井戸活性層１７０は、（Ｉｎ）ＡｌＧａＮ障壁１７４によって分離された二つの窒化インジウムガリウム量子井戸１７２および１７６を使用して形成される。様々な例示的実施形態で、量子井戸の厚さは約１ｎｍから約２０ｎｍとすることができる。様々な例示的実施形態で、障壁の厚さは約１ｎｍから約１００ｎｍとすることができる。障壁層のアルミニウム組成は０％（ＧａＮ障壁）から４０％の範囲となる。障壁層のバンドギャップは一般的に、閉込め層およびスペーサ層のバンドギャップよりずっと小さい。

窒化インジウムガリウム量子井戸および障壁は一般的にアンドープである。しかし、一部の実施形態では、窒化インジウムガリウム量子井戸または障壁はＳｉドープされるかあるいは部分的にＳｉドープされる。ドープされる場合、典型的なＳｉドーピング濃度は約１０¹⁶から約１０²⁶ｃｍ^-3の間である。

目標とする発光波長に応じて、量子井戸は窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、または窒化インジウムアルミニウムガリウムを使用して形成することもできる。３４０ｎｍで発光するレーザの量子井戸活性領域の一例示的実施形態を図３に示す。該量子井戸活性領域は、アルミニウム含有量約１２％の窒化アルミニウムガリウムによって形成される。

一般的に、閉込め層およびアンドープスペーサ層各々のアルミニウム含有量は、量子井戸活性領域より約１０％ないし約３０％高くなる。

様々な例示的実施形態で、サファイア基板ウェハ１１０は標準仕様であり、一面におけるエピタキシャルポリッシュおよび約０．２５μｍから約０．４３μｍ（１０ミルないし１７ミル）の典型的厚さを含む。窒化ガリウム層、ＡｌＮ層、および窒化アルミニウムガリウム層の成長中の基板温度は一般的に、約１０００℃から約１３００℃である。加えて、反応炉の圧力は約５０Ｔｏｒｒから約７４０Ｔｏｒｒの間で制御することができる。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）による成長に用いる有機金属前躯物質として、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）およびＴＥＧａ（トリエチルガリウム）がＩＩＩ族元素に使用され、ＮＨ₃（アンモニア）は窒素源として使用される。水素および／または窒素は有機金属前躯物質ガスのキャリアガスとして使用される。ｎドーピングの場合、１００ｐｐｍのＳｉＨ₄がＨ₂中に希釈される。ｎ型ドーパントの例としてＳｉ、Ｏ、Ｓｅ、およびＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。ｐドーピングの場合、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）が使用される。ｐ型ドーパントの例としてＭｇ、Ｃａ、Ｃ、およびＢｅが挙げられるが、これらに限定されない。様々な例示的実施形態で、構造の全高は約１μｍないし約１０μｍである。

図３は、ＡｌＮ基板上に成長した紫外線ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系単一量子井戸レーザダイオードの一例示的実施形態３００を示す。ＡｌＮ基板１１０は核生成層を必要としない。

図４は、従来のＩｎＧａＮ単一量子井戸レーザダイオード４００の組成プロファイルを示す。図４および図５〜図９の組成プロファイルの下に配置された棒表示中のクロスハッチングは、組成プロファイルのアンドープ領域を示す。特に、この従来のＩｎＧａＮ単一量子井戸レーザダイオードは、単一量子井戸１７０とキャリア閉込め層１５０および１９０との間にアンドープスペーサ層を持たない。この従来のＩｎＧａＮ単一量子井戸レーザダイオード４００では、キャリア閉込め層１５０および１９０の各々の厚さは約５ｎｍと約５０ｎｍの間であり、一般的に約１０ｎｍと約２０ｎｍの間である。図４に示した例では、ＡｌＧａＮ構造４００は非対称であり、約２０％のアルミニウム含有量を有するｎ側キャリア閉込め層１５０および約３０％のアルミニウム含有量を有するｐ側キャリア閉込め層１９０を持つ。正孔有効質量（〜２＊ｍ₀、ここでｍ₀は電子の静止質量）は電子有効質量（〜０．２＊ｍ₀）よりずっと高いので、量子井戸の低い側（Ｓｉドープ）の障壁高さは、Ｍｇドープ側より幾らか低くすることができる。アルミニウム組成が高い場合は、良好なモルフォロジ（形態）のＡｌＧａＮ膜を成長させることが困難になり、格子不整合が増加するので、Ｓｉドープキャリア閉込め層のＡｌ組成が低いことは有利になり得る。しかし、キャリア閉込め層の組成プロファイルを対称的とすることも可能である。

この従来のＩｎＧａＮ単一量子井戸レーザダイオード４００では、電子および正孔閉込め層１５０および１９０はシリコンまたはマグネシウムを高濃度にドープして、電子および正孔の充分なキャリア閉込めを達成する。これらの層のドーピングレベルは、それぞれのキャリアに必要なバンドオフセットを与えるために、非常に高くする必要がある。図４に示すこの従来のＩｎＧａＮ単一量子井戸レーザダイオード４００では、ｐ側キャリア閉込め層１９０の典型的なｐドーピングレベルは約１×１０¹⁹ｃｍ^-3から約１×１０²⁰ｃｍ^-3の間であり、ｎ側キャリア閉込め層１５０の典型的なｎドーピングレベルは約１×１０¹⁸ｃｍ^-3から約１×１０¹⁹ｃｍ^-3の間である。しかし上述の通り、これら高ドーピングレベルは構造の劣化および不純物散乱を導く。

これらの影響を緩和するために、本発明に係るレーザ装置の例示的実施形態では、単一量子井戸活性領域１７０に隣接して、アンドープ材料の狭い領域を残し、アンドープスペーサ層１６０および１８０を形成する。図５は、本発明に係るこのレーザ装置５００の第一の例示的実施形態の組成プロファイルを示す。図５に示すように、アンドープスペーサ層１６０および１８０の組成は、総アルミニウム含有量に関しては、キャリア閉込め層１５０および１９０と同一であっても良い。しかし、ｐ側キャリア閉込め層１９０のアルミニウム含有量はｎ側キャリア閉込め層１５０のアルミニウム含有量とは異なることもあり、レーザ装置５００は非対称となる。図５に示すように、ｎ側キャリア閉込め層１５０のアルミニウム含有量は約２０％であり、一方、ｐ側キャリア閉込め層１９０のアルミニウム含有量は約３０％である。キャリア閉込め層１５０および１９０の外側にあるｎ側導波路層１４０およびｐ側導波路層２００は、６％のアルミニウム含有量を有する。

図５に示す単一量子井戸レーザダイオード構造５００と図４に示す従来の単一量子井戸レーザダイオード構造４００との間の一つの相違は、量子井戸活性領域１７０に隣接するアンドープスペーサ層１６０および１８０の存在である。しかし、アンドープスペーサ層１６０および１８０を有する結果、発振のしきい値電流が、図４に示した従来の量子井戸レーザダイオード構造４００より低くなる。図４の装置に示すようにスペーサが無い場合のしきい値電流密度は、５０ｋＡ／ｃｍ²より大きい。（図５の装置に示すように）３ｎｍ〜６ｎｍの範囲の薄いアンドープスペーサ層を挿入することにより、しきい値電流密度はおよそ５ｋＡ／ｃｍ²の最小値に達し、スペーサ層が無い場合より１桁低い。

アンドープスペーサ層１６０および１８０の組成は、キャリア閉込め層１５０および１９０とは異なっても良いことを理解すべきである。この状況を図６および図７に示す。量子井戸における分極場の大きさは、スペーサ層と量子井戸との界面の組成差に依存するので、量子井戸に近いスペーサ層の部分のＡｌ組成が低いと、量子井戸の分極場を低減するのに役立つ。アンドープスペーサ層の下および上のドープされた電流閉込め層は、キャリアリークを防止するために、より高いアルミニウム含有量を有する。さらに、Ａｌ含有量が低いことは、結果として、しばしばバックグラウンドの不純物濃度が低いことにもなる。

図６は、本発明に係る非対称な単一量子井戸レーザダイオード構造６００の第二の例示的実施形態の組成プロファイルの例示的実施形態を示す。この例示的実施形態では、ｐ側キャリア閉込め層１９０のアルミニウム含有量（約３０％）は、ｎ側キャリア閉込め層１５０のアルミニウム含有量（２０％）より高い。さらに、アンドープスペーサ層１６０および１８０のアルミニウム含有量は約１５％であり、ｎ側キャリア閉込め層１５０またはｐ側キャリア閉込め層１９０の何れのアルミニウム含有量とも異なる。電子および正孔波動関数が、ドープされた電流閉込め層内に著しく染み出すことなく、量子井戸内に充分に閉込められるように、アンドープスペーサ層のＡｌ含有量を充分な高さにする必要がある。

図７は、ｐ側キャリア閉込め層１９０のアルミニウム含有量（約３０％）がｎ側キャリア閉込め層１５０と同一である、本発明に係る対称な単一量子井戸レーザダイオード構造７００の第三の例示的実施形態の組成プロファイルの例示的実施形態を示す。図５および図６と同様に、キャリア閉込め層１５０および１９０の外側にあるｎ側導波路層１４０およびｐ側導波路層２００は、６％のアルミニウム含有量を有する。図６および図７の両方に示すように、一般的に、アンドープスペーサ層１６０および１８０のアルミニウム含有量は、キャリア閉込め層１５０および１９０より５％ないし２０％低い。

図８は、本発明に係るわずかに離間して配置された二重量子井戸レーザダイオード構造８００の別の例示的実施形態の組成プロファイルを示す。単一（ＩＮ）ＧａＮ量子井戸を使用する代わりに、活性領域には、ＡｌＧａＮ障壁層１７４によって分離された二つの量子井戸１７２および１７６が含まれる。障壁層１７４の厚さおよび組成は、量子井戸１７２および１７６の間で充分な結合が可能となるように選択されるので、量子井戸のキャリアは、量子井戸１７２および１７６間のトンネリングによって、またはキャリアが障壁１７４を超えることのできる熱活性化プロセスによってのいずれかで、容易に再分配することができる。この例では、ＡｌＧａＮ障壁の組成は８％であり、厚さは３ｎｍ〜６ｎｍ、量子井戸幅は４ｎｍである。多重量子井戸活性領域は、図８および図９に示すように、対称な閉込め構造または非対称な閉込め構造と共に使用することができる。

図９は、本発明に係るわずかに離間して配置された三重量子井戸レーザダイオード構造９００の別の例示的実施形態の組成プロファイルの例示的実施形態を示す。活性領域は、ＡｌＧａＮ障壁層１７９および１８１によって分離された三つの量子井戸１７３、１７５、および１７７を含む。活性領域の厚さは約２ｎｍから約２０ｎｍの間とすることができる。この場合も先と同様に、障壁層１７９または１８１の厚さおよび組成は、量子井戸１７３、１７５、および１７７の間で充分な結合が可能となるように選択される。ＡｌＧａＮ障壁層１７９および１８１はアンドープとするか、例えばＳｉを部分的にドープするか、または完全にドープするかの何れかとすることができる。図８および図９に示した例示的実施形態では、障壁厚さ３ｎｍ〜６ｎｍ、および量子井戸幅４ｎｍで、ＡｌＧａＮ障壁のＡｌ組成は８％である。一般的に、多重量子井戸間の障壁の厚さは、約１ｎｍから約１０ｎｍの間とすることができる。

アンドープスペーサ層１６０および１８０の厚さは、図１０に示すように、単一量子井戸レーザダイオード１００および５００〜７００の性能に著しく影響することを理解すべきである。図１０は、９ｎｍの固定幅を有する量子井戸活性領域１７０を持つＵＶ窒化インジウムガリウム単一量子井戸レーザダイオードの、しきい値電流密度対スペーサ層の厚さを示す。図１０に示すように、しきい値電流密度はスペーサ層１６０および１８０の厚さに強く依存する。この例示的実施形態では、スペーサ層の厚さが約０ｎｍから増加するにつれて、しきい値電流密度は急激に低下し、スペーサ層の厚さ約４ｎｍでしきい値電流密度が最低値およそ５ｋＡ／ｃｍ²に達する。４ｎｍ未満の厚さとなると、ドーパント誘発格子欠陥が単一量子井戸レーザダイオードの利得に影響するため、しきい値電流は急速に増加する。４ｎｍを超える厚さでは、キャリアの生成される位置が単一量子井戸活性領域から遠く離れすぎている。一般的に、アンドープスペーサ層の厚さが約２ｎｍと約２０ｎｍの間であると、単一量子井戸および多重量子井戸レーザ装置のしきい値電流密度を低減するのに有効である。

しきい値電流密度はさらに、表１に示すように、量子井戸活性領域１７０の厚さにも依存する。

表１は、インジウム含有量が非常に低い（Ｉｎの割合５％未満の）ＩｎＧａＮ量子井戸の場合に、約７ｎｍから約１０ｎｍの範囲に、発振に特に適している、特定の最適な量子井戸の厚さが存在することを示す。表１に示される通り、しきい値電流密度は上述の範囲外ではずっと高い。様々な例示的実施形態では、量子井戸が薄すぎる場合、すなわち厚さが約６ｎｍ未満である場合、レーザ動作を開始するにはモード利得が充分では無い。様々な例示的実施形態では、量子井戸が厚すぎる場合、すなわち厚さが約１０ｎｍより大きい場合、注入されたキャリアは残留分極場によって空間的に分離されることがあり、この場合も利得の低下およびレーザ閾値の増加が起こる。加えて、ＩｎＧａＮ膜は不正形に歪み、ＩｎＧａＮ膜が特定の臨界厚さを越えると部分的に弛むことがあり、これにより、構造的劣化および利得の低下が起こる。図１０および表１双方を参照すると、様々な例示的実施形態で、例示した特定の寸法の場合、最低しきい値電流の装置は９ｎｍの量子井戸の厚さおよび４ｎｍのアンドープスペーサ層の厚さを有し、そこから５ｋＡ／ｃｍ²のしきい値電流で発振を達成するデバイスが得られたことを示している。

図１１は、Ｉｎ_xＧａＮ単一量子井戸活性層１７０の様々な組成に対する高分解能レーザ発光スペクトルを示す。図１１に示す三つの発光ピークは、三つの異なるインジウム濃度ｘ＝０．７％、ｘ＝１．１％、およびｘ＝１．４％に対応する。図１１に示すように、発光波長はインジウム含有量の増加と共に増加する。

図１２は、図１１に示した中で最も高いインジウム含有量のＩｎＧａＮデバイス（ｘ＝１．４％）の光出力対電流特性を示す。この例示的実施形態では、最低（パルス）しきい値電流は５ｋＡ／ｃｍ²程度であり、単一量子井戸ＩｎＧａＮレーザダイオード構造の両ファセット（面）からの出力パワーは４００ｍＷもの高さになる。上述の結果が導かれた際の実験パラメータは、繰返し周波数１ｋＨｚで、電流パルス幅０．５マイクロ秒である。レーザ波長は３６９ｎｍであり、ストライプ幅およびキャビティ長は２０×７００μｍ²である。

本発明をＩｎＧａＮ単一および多重結合量子井戸へテロ構造を含む様々な例示的実施形態に関連して説明したが、本発明に係るレーザ装置の例示的実施形態はこの材料系に限定されない。表２は、本発明を適用することができる、ＡｌＧａＮおよびＩｎＡｌＧａＮ等の代替的材料系の一部の例を提示する。

発光波長をより短い波長にすることは、単一量子井戸活性領域のアルミニウム含有量を約１２％（３４０ｎｍの発光波長）から約５９％（２６５ｎｍの発光波長）に増加することによって、達成することができる。バンドギャップの高い単一量子井戸活性領域の場合、充分なキャリア閉込めを達成するために適宜にスペーサ層および閉込め層のアルミニウム含有量を調整する必要があることを理解すべきである。一般的に、閉込め層およびスペーサ層は、上述したスペーサ層および閉込め層に比較して約１０％ないし約３０％高いアルミニウム組成を有する。

本発明を上述のように概説した例示的実施形態に関連して説明したが、公知であるか、現在予見されないか、又は予見し得ないかに関係なく、様々な代替、変形、変更、改善、および／または実質的な均等物が、当該技術分野における少なくとも通常の技術を有する者には明らかであり得る。したがって、出願時の特許請求の範囲および補正がなされ得る特許請求の範囲は、公知または後に開発される全ての代替、変形、変更、改善、および／または実質的均等物を包含することを意図する。

本発明に係る紫外線ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系単一量子井戸レーザダイオードの層構造の第一の例示的実施形態の断面図である。 本発明に係る紫外線ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系二重量子井戸レーザダイオードの層構造の第一の例示的実施形態の断面図である。 本発明に係る紫外線ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系単一量子井戸レーザダイオードの層構造の第二の例示的実施形態の断面図である。 ＡｌＧａＮ閉込め構成およびスペーサ層構成を持つ従来のＵＶ窒化インジウムガリウム単一量子井戸活性領域の組成プロファイルである。 本発明に係る、隣接アンドープスペーサ層を持つＵＶ窒化インジウムガリウム単一量子井戸活性領域の第一の例示的実施形態の組成プロファイルである。 本発明に係る隣接アンドープスペーサ層を持つＵＶ窒化インジウムガリウム単一量子井戸活性領域の第二の例示的実施形態の組成プロファイルである。 本発明に係る隣接アンドープスペーサ層を持つＵＶ窒化インジウムガリウム単一量子井戸活性領域の第三の例示的実施形態の組成プロファイルである。 本発明に係る隣接アンドープスペーサ層を持つＵＶ窒化インジウムガリウム二重量子井戸活性領域の一つの例示的実施形態の組成プロファイルである。 本発明に係る隣接アンドープスペーサ層を持つＵＶ窒化インジウムガリウム三重量子井戸活性領域の一つの例示的実施形態の組成プロファイルである。 本発明に係るＵＶ窒化インジウムガリウム単一量子井戸レーザダイオードのしきい値電流密度対スペーサ層の厚さのグラフである。 本発明に係る種々のインジウム組成を持つ窒化インジウムガリウム単一量子井戸レーザダイオードの発光スペクトルを示すグラフである。 本発明に係るＵＶ単一量子井戸窒化インジウムガリウムレーザダイオードの光出力対電流特性を描画したグラフである。

Claims (3)

1. ｐ側およびｎ側を有する単一または多重量子井戸活性領域と、
   前記単一または多重量子井戸活性領域の前記ｎ側に設けられたｎ型キャリア閉込め層と、
   前記単一または多重量子井戸活性領域の前記ｐ側に設けられたｐ型キャリア閉込め層と、
   前記単一または多重量子井戸活性領域と前記ｎ型およびｐ型キャリア閉込め層との間に設けられたアンドープ・スペーサ層と、
   を備えたＩＩＩ−Ｖ半導体レーザダイオード。
2. 前記ｎ型およびｐ型キャリア閉込め層ならびに前記アンドープ・スペーサ層の各々が、前記量子井戸活性領域のアルミニウム含有量より約１０％ないし約３０％高いアルミニウム含有量を有する、請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ半導体レーザダイオード。
3. 前記アンドープ・スペーサ層が前記ｎ型およびｐ型キャリア閉込め層の各々のアルミニウム含有量より約０％ないし約２０％低いアルミニウム含有量を有する、請求項２に記載のＩＩＩ−Ｖ半導体レーザダイオード。

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