JP2006165519A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】活性層内に電子を閉じ込めるための電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することで、しきい電流が小さく、微分効率の高い、良好な特性を備える半導体発光素子を提供する。
【解決手段】活性層２０を構成するバリア層のうち、最もｐ側に位置するバリア層である最終バリア層１のバンドギャップを、バリア層２のバンドギャップより小さくする。最終バリア層１としてバリア層２と同じバンドギャップの材料を用いる場合に比べて電子障壁層３とのバンド不連続量（電子障壁）が大きくできる。その結果、電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
【選択図】図３
【解決手段】活性層２０を構成するバリア層のうち、最もｐ側に位置するバリア層である最終バリア層１のバンドギャップを、バリア層２のバンドギャップより小さくする。最終バリア層１としてバリア層２と同じバンドギャップの材料を用いる場合に比べて電子障壁層３とのバンド不連続量（電子障壁）が大きくできる。その結果、電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
【選択図】図３
Description
本発明は、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子に関するものである。
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた窒化物系半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。
これまでに報告されている窒化物系半導体レーザにおいては、その活性層構造として、２層以上のＩｎＧａＮからなるウエル層と、３層以上でそれよりもＩｎ組成比が小さい（通常０．０２程度）ＩｎＧａＮからなるバリア層とが交互に積層した多重量子井戸構造が用いられることが多い。
ここで、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体では、ヘテロ接合を形成したときの伝導帯のバンド不連続量と、価電子帯のバンド不連続量との比が２．５：７．５程度となり、伝導帯のバンド不連続量が非常に小さいことがわかってきている（Applied Physics Letter vol.70 (1997) p.2577参照）。このため、ウエル層からバリア層を越えて電子がオーバーフローしやすく、しきい電流の上昇、微分効率及び温度特性の劣化が問題になりやすい。
そこで、この問題を解決するために、バリア層のバンドギャップをできるだけ大きくして、伝導帯のバンド不連続量を大きくするといった方法が考えられる。これには、バリア層としてＩｎ組成比のできるだけ小さなＩｎＧａＮを用いるか、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなど、ＩｎＧａＮよりもバンドギャップの大きな材料（材質）を用いるとよい。
バリア層のバンドギャップを大きくすると、価電子帯のバンド不連続量は大きくなる。しかし、バリア層としてＩｎ組成比のできるだけ小さなＩｎＧａＮを用いるか、ＧａＮ、ＡｌＧａＮを用いると、これらの材料は、バンドギャップが大きいものほど、格子定数が小さくなるため、より大きな引っ張り歪みを受ける。そして歪を受けた半導体のバンド物性に従い、伝導帯のバンド不連続が大きくなるほどには、価電子帯のバンド不連続量が大きくなることはない。
その結果、正孔が２層以上のウエルに均一に注入されにくいという問題を引き起こすことなく、電子のオーバーフローの問題を解決することが可能と考えられる。
なお、本発明に関連する先行技術が特許文献１に開示されている。
しかしながら、発明者は、大きなバンドギャップを持つ材料をバリア層として用いた場合、ｐ側に最も近いバリア層である最終バリア層から、電子が電子障壁層を乗り越えてオーバーフローしやすくなる、といった新たな問題が発生することを、シミュレーション等で確認している。これは、大きなバンドギャップの材料をバリア層に用いたことで、最終バリア層と電子障壁層との間のバンド不連続量（電子障壁）が小さくなったために生じたものと考えられる。
さらに、ＧａＮ、ＡｌＧａＮよりもバンドギャップが小さなＩｎＧａＮのバリア層であっても、最終バリア層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子の割合は０ではなく、半導体発光素子のしきい電流、微分効率、及び温度特性等を劣化する要因となっている。
そこで、最終バリア層を省いて、ウエル層と電子障壁層を直接接合することで、最終バリア層がある場合よりも、電子障壁を高くしてオーバーフローする電子を低減する、といった方法が考えられる。
しかし、電子障壁層の成膜温度は、ウエル層の成膜温度よりも２００℃程度高い。そのため、ウエル層上に直接、電子障壁層を形成しようとすると、ウエル層形成後、ウエル層の表面を保護しないまま成膜温度を上昇する必要がある。そして、その間に、ウエル層表面部の結晶性が劣化することが知られている。
このような結晶性の劣化したウエル層を用いて半導体発光素子を作成すると、そのウエル層に閉じ込められる電子は、レーザ発振に寄与しないことになり、しきい電流や微分効率の悪化を招くといった問題を生じる。
そこで本発明の目的は、活性層内に電子を閉じ込めるための電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することで、しきい電流が小さく、微分効率の高い、良好な特性を備える半導体発光素子を提供することにある。
請求項１に記載の発明は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、前記複数のバリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層のバンドギャップが、前記最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、前記複数のバリア層は、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層を含み、前記最終バリア層は、前記ｎ型クラッド層側に配置された第１最終バリア層と、前記ｐ型クラッド層側に配置された第２最終バリア層と、を含み、前記第２最終バリア層のバンドギャップが、前記最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、前記複数のバリア層は、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層を含み、前記最終バリア層の材質はＩｎＧａＮであり、前記最終バリア層以外のバリア層の材質はＧａＮであることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、前記複数のバリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層が、複数の部分最終バリア層を含み、前記複数の部分最終バリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある第１部分最終バリア層のバンドギャップが、前記第１部分最終バリア層と隣接する部分最終バリア層のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、前記複数のバリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層は、複数の部分最終バリア層を含み、前記複数の部分最終バリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある第１部分最終バリア層の材質は、ＩｎＧａＮであり、前記第１部分最終バリア層と隣接する部分最終バリア層の材質は、バンドギャップが前記第１部分最終バリア層のバンドギャップより大きいＩｎＧａＮまたはＧａＮであることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層と交互に形成されたウエル層と、を有し、前記複数のバリア層よりもバンドギャップの大きい障壁層と、前記複数のバリア層と前記障壁層との間に前記障壁層に接するように設けられ、前記複数のバリア層よりもバンドギャップが小さく、且つ、前記ウエル層よりもバンドギャップが大きい第１の層と、を備えることを特徴とする。
請求項１４に記載の発明は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層と交互に形成されたウエル層と、を有し、前記複数のバリア層よりもバンドギャップが大きく、前記ｐ型クラッド層の前記活性層側に接して設けられる光導波層と、前記複数のバリア層と前記光導波層との間に前記光導波層に接するように設けられ、前記複数のバリア層よりもバンドギャップが小さく、且つ、前記ウエル層よりもバンドギャップが大きい第１の層と、を備えることを特徴とする。
請求項１５に記載の発明は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層と交互に形成されたウエル層と、を有し、前記複数のバリア層と前記ｐ型クラッド層とに間に前記ｐ型クラッド層に接するように設けられ、前記複数のバリア層よりもバンドギャップが小さく、且つ、前記ウエル層よりもバンドギャップが大きい第１の層を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、最終バリア層のバンドギャップを最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さくしている。そのため、例えばｐ型クラッド層との間に形成される電子障壁を、最終バリア層として、最終バリア層以外のバリア層を用いた場合よりも大きくすることできる。その結果、活性層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
また、ウエル層上に最終バリア層を形成しているので、ウエル層の結晶性が劣化するという問題もない。
請求項７に記載の発明によれば、第２最終バリア層のバンドギャップを最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さくしている。そのため、例えばｐ型クラッド層との間に形成される電子障壁を、最終バリア層として、最終バリア層以外のバリア層を用いた場合よりも大きくすることできる。その結果、活性層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
請求項９に記載の発明によれば、最終バリア層のバンドギャップを最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さくできる。そのため、例えばｐ型クラッド層との間に形成される電子障壁を、最終バリア層として、最終バリア層以外のバリア層を用いた場合よりも大きくすることできる。その結果、活性層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
請求項１０に記載の発明によれば、第１部分最終バリア層とｐ型クラッド層との間に形成される電子障壁を大きくできる。その結果、活性層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
請求項１２に記載の発明によれば、第１部分最終バリア層とｐ型クラッド層との間に形成される電子障壁を大きくできる。その結果、活性層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
請求項１３に記載の発明によれば、第１の層と障壁層との間に形成される電子障壁を大きくできる。その結果、活性層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
請求項１４に記載の発明によれば、第１の層と光導波層との間に形成される電子障壁を大きくできる。その結果、活性層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
請求項１５に記載の発明によれば、第１の層とｐ型クラッド層との間に形成される電子障壁を大きくできる。その結果、活性層から電子障壁を越えてオーバーフローする電子を低減することができる。
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ（半導体発光素子）の構造を示す断面図である。この窒化物系半導体レーザは、リッジ構造及びＳＣＨ構造を有するものである。
図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ（半導体発光素子）の構造を示す断面図である。この窒化物系半導体レーザは、リッジ構造及びＳＣＨ構造を有するものである。
図１に示すように、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザは、ＧａＮ基板４の一主面であるＧａ面上に、ｎ型ＧａＮバッファ層５を形成している。この層は、ＧａＮ基板４上の表面の凹凸を低減し、その上層をできるだけ平坦に積層するために形成されている。
そして、ｎ型ＧａＮバッファ層５上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層）６、ｎ側ガイド層としてのｎ型ＧａＮ光ガイド層７、活性層２０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３（電子障壁層，障壁層）、及びｐ側ガイド層としてのｐ型ＧａＮ光ガイド層９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層）１０、及びｐ型ＧａＮコンタクト層（ｐ型コンタクト層）１１が順次積層されている。
ここで、ｐ型ＧａＮ光ガイド層９は、後述する最終バリア層１及びバリア層２よりもバンドギャップが大きくなるように選ばれてる。また、ｐ型ＧａＮ光ガイド層９は、ｐ型クラッド層１０の活性層２０側に接して設けられている。
ｎ型ＧａＮバッファ層５は、厚さが例えば１μｍで、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６は、厚さが例えば１μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、Ａｌ組成比は例えば０．０７である。
活性層２０は、複数のバリア層と、前記複数のバリア層に挟まれて形成された複数のウエル層とを備え、多重量子井戸構造を構成している。ここで、複数のバリア層のうち、最もｐ型クラッド層１０側にあるバリア層が最終バリア層１に対応している。
図２は、活性層２０を構成する部分活性層８の断面図を示している。部分活性層８は、ＩｎxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．０２）からなるバリア層（最終バリア層１以外のバリア層）２と、ＩｎyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．１４）とからなるウエル層（井戸層）１８が交互に積層されている。そして、バリア層２の厚さは、例えば７ｎｍに形成され、ウエル層１８の厚さは、例えば３．５ｎｍに形成されている。
最終バリア層１は、厚さが２０ｎｍのアンドープＩｎzＧａ1-zＮにより形成されている。Ｉｎ組成比ｚは、例えば０．０４となっている。最終バリア層１のＩｎ組成比ｚは、他のバリア層２のＩｎ組成比ｘ（＝０．０２）よりも大きいので、バリア層２のバンドギャップに比べて、小さなバンドギャップとなっている。
以上から、Ｉｎ組成比ｘ，ｙ，ｚは、０＜ｘ＜ｚ＜ｙ＜１を満たしている。また、Ｉｎ組成比ｘ，ｙ，ｚは、（ｙ−ｚ）＞（ｚ−ｘ）の関係も満たしている。
さらに、最終バリア層１は、バリア層２、ウエル層１８と厚さが異なり、厚さが大きくなるように選ばれている。
なお、本実施の形態の例では、活性層２０の井戸数は３となっている。
なお、本実施の形態の例では、活性層２０の井戸数は３となっている。
ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３は、厚さが例えば１０ｎｍであり、Ａｌ組成比は例えば０．１８に形成されている。また、ｐ型ＧａＮ光ガイド層９は、厚さが例えば１００ｎｍである。そして、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、厚さが例えば４００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされ、Ａｌ組成比は例えば０．０７である。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１は、厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０、及びｐ型ＧａＮコンタクト層１１には例えば〈１−１００〉方向に向かって、エッチングによりリッジ１２が形成されている。リッジ１２の幅は、例えば２．２μｍである。
ここで、リッジ１２は、ＧａＮ基板４上に、ストライプ状に形成された数μｍ〜数十μｍ幅の高転位領域の間にある低欠陥領域に対応する位置に形成されている。そして、リッジ１２の側面部あるいは横底面部の表面保護、及び電気的絶縁のために、例えば厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜のような絶縁膜１４がリッジ１２を覆うように形成されている。
絶縁膜１４のうち、リッジ１２上部に形成された部分には、開口１５が設けられている。そして開口１５により、ｐ型電極１６と、ｐ型コンタクト層１１との電気的接触が図られている。
ｐ型電極１６は、例えばＰｄおよびＡｕ膜を順次積層した構造となっている。そして、ＧａＮ基板４の一主面であるＧａ面とは反対の側であるＮ面には、ｎ型電極１７が形成されている。ｎ型電極１７は、例えばＴｉおよびＡｕ膜を順次積層した構造となっている。
図３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの活性層２０近傍のバンド図である。図３に示すバンド図には、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの構成と対応する位置に、その構成と同一の符号を付している。図３から、最終バリア層１と電子障壁層３との間のバンド不連続量は、バリア層２と電子障壁層３との間のバンド不連続量に比べて大きくなることがわかる。
図３において、バリア層１，２はウエル層１８に隣接してウエル層１８よりもバンドギャップが大きい層であり、最終バリア層１は、ウエル層１８に接してウエル層１８よりもバンドギャップが大きい層で最もｐ側に存在する層である。本実施の形態１においては、この最終バリア層１のバンドギャップを、最終バリア層１以外のバリア層２のバンドギャップよりも小さくしている。この最終バリア層１は、後述する実施の形態２の図７で示すように、ウエル層１８よりもバンドギャップが大きい複数の層１３，１９で構成してもよい。
図３では、最終バリア層１として、最もｐ側のウエル層１８と障壁層３との間に、それら最もｐ側のウエル層１８および障壁層３に接するように、最もｐ側のウエル層１８よりもバンドギャップの大きい層を設けており、この最終バリア層１のバンドギャップが最終バリア層１以外のバリア層２よりもバンドギャップが小さくなっている。
なお、障壁層３を設けない場合には、最もｐ側のウエル層１８と光導波層との間に、ウエル層１８よりもバンドギャップが大きくバリア層２よりもバンドギャップが小さい最終バリア層を設けてもよいし、障壁層３および光導波層を設けない場合には、最もｐ側のウエル層１８とクラッド層１０との間に、ウエル層１８よりもバンドギャップが大きくバリア層２よりもバンドギャップが小さい最終バリア層を設けてもよい。
次に、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したＧａＮ基板４上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、例えば１０００℃の成長温度でｎ型ＧａＮバッファ層５を成長させる。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したＧａＮ基板４上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、例えば１０００℃の成長温度でｎ型ＧａＮバッファ層５を成長させる。
その後、同じくＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６、ｎ型ＧａＮ光ガイド層７、アンドープのＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎyＧａ1-yＮ多重量子井戸構造を備える部分活性層８、アンドープＩｎＧａＮからなる最終バリア層１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３およびｐ型ＧａＮ光ガイド層９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１を順次積層する。
ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６およびｎ型ＧａＮ光ガイド層７は１０００℃、部分活性層８からアンドープＩｎＧａＮ最終バリア層１までは７４０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３からｐ型ＧａＮコンタクト層１１は１０００℃とする。
以上の結晶成長が終了したウエハの全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりリッジ１２の形状に対応する所定形状のレジストパターン（不図示）を形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法によりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の層内までエッチングを行う。このエッチングにより、光導波構造となるリッジ１２を作製する。また、ＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再び基板全面にＣＶＤ法、真空蒸着法、若しくはスパッタリング法などにより、例えば厚さが０．２μｍのＳｉＯ2膜１４を形成する。そして、レジストパターンの除去と同時にリッジ１２上にあるＳｉＯ2膜を除去する、いわゆるリフトオフを行う。これにより、リッジ１２上の開口１５が形成される。
次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりＰｔおよびＡｕ膜を順次形成する。続いて、レジスト塗布後リソグラフィーにより、ｐ型電極１６を形成するためのレジストパターン形成する。続いてレジストパターンをマスクとして、ウエットエッチングあるいはドライエッチングにより、ｐ型電極１６を形成する。
その後、基板の裏面前面に、真空蒸着法によりＴｉおよびＡｌ膜を順次形成する。そしてｎ型電極１７をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
そして、この基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらにこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。以上により、図１に示す窒化物系半導体レーザが製造される。
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの特性について行ったシミュレーションの結果を説明する。
ここで用いた半導体レーザシミュレータとしては、例えばＣｒｏｓｓｌｉｇｈｔ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｉｎｃ．より発売されているＬＡＳＴＩＰ（ＬＡＳｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｇｒａｍ）という、マクスウエル方程式、ポアソン方程式、レート方程式等を用いたシミュレータを用いることができる。
図４は、シミュレーションに用いた窒化物系半導体レーザの構成を示す断面図である。図４に示すように、ＧａＮ基板４上に、ＧａＮバッファ層５、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６、厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層７が形成されている。
図４は、シミュレーションに用いた窒化物系半導体レーザの構成を示す断面図である。図４に示すように、ＧａＮ基板４上に、ＧａＮバッファ層５、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６、厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層７が形成されている。
そして、ｎ型ＧａＮ光ガイド層７上には、厚さ３．５ｎｍの３つのウエル層と、厚さ７．０ｎｍでバリア層からなる多重量子井戸構造の部分活性層８が形成されている。
さらに、厚さ２０ｎｍの最終バリア層１、厚さ２０ｎｍでＡｌ組成比０．２０のｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層９、厚さ４００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１が順に積層されている。リッジ１２の幅は、２．２μｍに形成されている。
以上の構造を備える窒化物系半導体レーザにおいて、最終バリア層１及びバリア層２全ての材質をＩｎ組成比０．０２のＩｎＧａＮとした場合と、Ｉｎ組成比０．０２のＩｎＧａＮよりもバンドギャップの大きなＧａＮとした場合、及びバリア層２全てをＧａＮとし、最終バリア層１のみＩｎ組成比０．０２のＩｎＧａＮとした場合についてシミュレーションを行った。
図５，６は、以上の条件の下でのシミュレーションによる計算結果を示している。図５は、注入した電子に対して電子障壁層３からオーバーフローして無効電流となる電子の割合を示す図である。また図６は、光出力−電流特性を示す図である。
図５及び図６中の「ａ」は、最終バリア層１及びバリア層２の全てをＩｎ組成比０．０２のＩｎＧａＮとした場合であり、「ｂ」は最終バリア層１及びバリア層２の全てをＧａＮとした場合である。そして、「ｃ」はバリア層２の全てをＧａＮとし、最終バリア層１のみＩｎ組成比０．０２のＩｎＧａＮとした場合である。
図５の「ｂ」に示すように、最終バリア層１及びバリア層２の全てにバンドギャップの大きな材料（ＧａＮ）を用いた場合には、電子障壁層３からｐ側に電子がオーバーフローする割合が増大する。そのため、図６の「ｂ」に示すように、しきい電流の上昇、微分効率の低下が見られる。
しかし、図５の「ｃ」に示すように、最終バリア層１にバリア層２よりバンドギャップの小さな材料（ＩｎＧａＮ：Ｉｎ組成比０．０２）を用いると、電子障壁層３からオーバーフローする電子の割合は、大幅に低減している。その結果、図６の「ｃ」に示すように、しきい電流は低減し、微分効率は上昇している。
また、バリア層２に、バンドギャップの大きなＧａＮを用いることで、ウエル層１８からバリア層２を越えてオーバーフローする電子を低減することができ、「ａ」の場合に比べて微分効率がさらに向上している。
このシミュレーション結果は、電子障壁層３からｐ側にオーバーフローする電子の割合が、最終バリア層１と電子障壁層３との間の伝導帯バンド不連続量でほぼ決定されることによる。そのため、最終バリア層１のバンドギャップをさらに小さくすれば、電子障壁層３からオーバーフローする電子の割合はさらに小さくすることができる。
このシミュレーション結果は、電子障壁層３からｐ側にオーバーフローする電子の割合が、最終バリア層１と電子障壁層３との間の伝導帯バンド不連続量でほぼ決定されることによる。そのため、最終バリア層１のバンドギャップをさらに小さくすれば、電子障壁層３からオーバーフローする電子の割合はさらに小さくすることができる。
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体発光素子は、最終バリア層１のバンドギャップをバリア層２のバンドギャップより小さくしている。
そのため、最終バリア層１として、バリア層２と同じ材料を用いるよりも、最終バリア層１と電子障壁層３との伝導帯バンド不連続量（電子障壁）が大きくなるので、電子障壁を越えてオーバーフローする電子を抑制することができる。
なお、図５，６においては、バリア層２の材料は、ＩｎＧａＮ、若しくはＧａＮとし、最終バリア層１の材料は、ＩｎＧａＮとしている。しかし、バリア層２がいかなる材料であっても、最終バリア層１としてバリア層２のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ材料を用いれば、電子障壁層３からの電子のオーバーフロー割合をより小さくすることが可能である。
また、本実施の形態では、最終バリア層１に接してｐ側にある層をＡｌＧａＮ電子障壁層３としたが、これが、よりＡｌ組成比の小さなＡｌＧａＮ、あるいはＧａＮよりなる光導波層９あるいはｐ型クラッド層１０であっても、同様の効果があることは言うまでもない。
即ち、ＡｌＧａＮ電子障壁層３や、光導波層９を持たない構造の窒化物系半導体レーザであっても、同様の効果を有する。
本実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザは、最終バリア層１がウエル層１８と接して設けられている。
ウエル層１８上に最終バリア層１を形成しているので、ウエル層１８の結晶性の劣化を防止できる。
また、最終バリア層１の厚みは、バリア層２、ウエル層１８と異なり厚く選ばれているので、電子障壁層３からの電子のオーバーフロー割合をより小さくできる。
＜実施の形態２＞
本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザは、実施の形態１において、最終バリア層１が複数の部分最終バリア層１３，１９（図１において図示せず）から構成されている。
本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザは、実施の形態１において、最終バリア層１が複数の部分最終バリア層１３，１９（図１において図示せず）から構成されている。
ここで、部分最終バリア層１３は、ｎ型クラッド層６側に配置された第１最終バリア層と呼ぶことができ、部分最終バリア層１９は、ｐ型クラッド層６側に配置された第２最終バリア層と呼ぶことができる。
部分最終バリア層１３は、例えば、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ組成比０．０２のＩｎＧａＮとし、部分活性層８上に形成されている。部分最終バリア層１３上には、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ組成比０．０４のＩｎＧａＮからなる部分最終バリア層１９が形成されている。
その他の構成は、実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザと同様であるので、重複する説明は省略する。
図７は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの活性層２０近傍のバンド図を示している。そして、図７に示すバンド図には、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの構成と対応する位置に、その構成と同一の符号を付している。
図７は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの活性層２０近傍のバンド図を示している。そして、図７に示すバンド図には、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの構成と対応する位置に、その構成と同一の符号を付している。
図７に示すように、本実施の形態に係る発明は、部分最終バリア層１９と電子障壁層３との伝導体におけるバンド不連続量を大きくしている。
すなわち、部分最終バリア層１９のバンドギャップを最終バリア層１以外のバリア層２のバンドギャップより小さくすることで、部分最終バリア層１９と電子障壁層３との伝導体におけるバンド不連続量を大きくしている。
電子障壁層３からｐ側にオーバーフローする電子の割合は、部分最終バリア層１９と電子障壁層３との伝導帯のバンド不連続量でほぼ決定される。
そのため、実施の形態１と同様にバリア層２に大きなバンドギャップの材料を用いても、電子障壁層３を乗り越えてオーバーフローする電子を抑制することができる。
本実施の形態２に係る半導体発光素子では、部分最終バリア層１９のバンドギャップが、部分最終バリア層１９と隣接する部分最終バリア層１３のバンドギャップより小さくなっている。
そのため、部分最終バリア層１３と電子障壁層３を接合するよりも、部分最終バリア層１９と電子障壁層３との伝導体におけるバンド不連続量を大きくできる。
その結果、電子障壁層３を乗り越えてオーバーフローする電子を抑制することができる。
本実施の形態２に係る半導体発光素子では、部分最終バリア層１９の材質は、ＩｎＧａＮであり、部分最終バリア層１９と隣接する部分最終バリア層１３の材質は、バンドギャップが部分最終バリア層１９のバンドギャップより大きいＩｎＧａＮまたはＧａＮとしている。
そのため、部分最終バリア層１３と電子障壁層３を接合するよりも、部分最終バリア層１９と電子障壁層３との伝導体におけるバンド不連続量を大きくできる。
その結果、電子障壁層３を乗り越えてオーバーフローする電子を抑制することができる。
なお、部分最終バリア層１３のバンドギャップは、最終バリア層１以外のバリア層２のバンドギャップと同一もしくは同程度としてもよい。
部分最終バリア層１３のバンドギャップをバリア層２のバンドギャップと同一若しくは同程度にすれば、全てのウエル層１８においてバンド形状がほぼ同一になるため、ウエル層１８に形成される量子準位をほぼ同一にすることができる。その結果、しきい電流を低減し、微分効率を向上することができる。
＜実施の形態３＞
本実施形態に係る窒化物系半導体レーザは、最終バリア層１が、ウエル層１８に近い側から電子障壁層３に近づくと伴に、Ｉｎ組成比が０．０２から０．０４へと連続的に増加するＩｎＧａＮから構成されている。
本実施形態に係る窒化物系半導体レーザは、最終バリア層１が、ウエル層１８に近い側から電子障壁層３に近づくと伴に、Ｉｎ組成比が０．０２から０．０４へと連続的に増加するＩｎＧａＮから構成されている。
その他の構成は、実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザと同様であるので、重複する説明は省略する。
図８は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの活性層２０近傍のバンド図である。図８に示すように、最終バリア層１のバンドギャップは、電子障壁層３に近づくに従って連続的に小さくなり、電子障壁層３に接する位置でのバンドギャップがバリア層２のバンドギャップよりも小さくなっている。
電子障壁層３からオーバーフローする電子の割合は、最終バリア層１と電子障壁層３とが接する位置での伝導帯のバンド不連続量でほぼ決定されるため、本実施の形態においても実施の形態１と同等の効果を得ることができる。
なお、最終バリア層１の材料は、ＩｎＧａＮに限るものではなく、電子障壁層３に接する位置で、バンドギャップがバンド層２のバンドギャップより小さくできるようなものであればよい。
なお、最終バリア層１の材料は、ＩｎＧａＮに限るものではなく、電子障壁層３に接する位置で、バンドギャップがバンド層２のバンドギャップより小さくできるようなものであればよい。
＜実施の形態４＞
本実施の形態においては、バリア層２としてＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を用いている。その他の構成は、実施の形態１〜３と同様であり、重複する説明は省略する。
本実施の形態においては、バリア層２としてＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を用いている。その他の構成は、実施の形態１〜３と同様であり、重複する説明は省略する。
バリア層２にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮを用いることで、バリア層２のバンドギャップをＩｎＧａＮを用いた場合より大きくすることができる。そのため、ウエル層１８からの電子のオーバーフローをさらに抑制することが可能となる。その結果、実施の形態１〜３に示したものに比べて、微分特性等の優れた窒化物系半導体発光素子を得ることができる。
＜実施の形態５＞
本実施の形態係る窒化物系半導体レーザは、実施の形態１〜３の窒化物系半導体レーザにおいて、バリア層２として、特にＧａＮを用いたものである。
本実施の形態係る窒化物系半導体レーザは、実施の形態１〜３の窒化物系半導体レーザにおいて、バリア層２として、特にＧａＮを用いたものである。
バリア層２にＧａＮを用いることで、ＩｎＧａＮを用いたものより、バンドギャップが大きく、かつ結晶品質のよいバリア層とすることができる。その結果、微分特性等の優れた窒化物系半導体レーザを得ることができる。
１ 最終バリア層、４ ＧａＮ基板、６ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、８ 部分活性層、１０ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１２ リッジ、１６ ｐ型電極、１７ ｎ型電極、２０ 活性層。
Claims (24)
- ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、
前記複数のバリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層のバンドギャップが、前記最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記最終バリア層は、複数の部分最終バリア層を有し、
前記複数の部分最終バリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側に位置する部分最終バリア層のバンドギャップが、前記最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。 - 前記複数の部分最終バリア層のうち、前記ウエル層に接する部分最終バリア層のバンドギャップが前記最終バリア層以外のバリア層と同一であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
- 前記最終バリア層のバンドギャップが、前記ｐ型クラッド層に近づくとともに、連続的に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記最終バリア層以外のバリア層の材質は、ＩｎＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の半導体発光素子。
- 前記最終バリア層以外のバリア層の材質は、ＧａＮであることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の半導体発光素子。
- ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、
前記複数のバリア層は、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層を含み、
前記最終バリア層は、前記ｎ型クラッド層側に配置された第１最終バリア層と、前記ｐ型クラッド層側に配置された第２最終バリア層と、を含み、
前記第２最終バリア層のバンドギャップが、前記最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第１最終バリア層のバンドギャップが、前記最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップと同程度であることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
- ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、
前記複数のバリア層は、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層を含み、
前記最終バリア層の材質はＩｎＧａＮであり、前記最終バリア層以外のバリア層の材質はＧａＮであることを特徴とする半導体発光素子。 - ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、
前記複数のバリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層が、複数の部分最終バリア層を含み、
前記複数の部分最終バリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある第１部分最終バリア層のバンドギャップが、前記第１部分最終バリア層と隣接する部分最終バリア層のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第１部分最終バリア層と隣接する部分最終バリア層のバンドギャップが、前記最終バリア層以外のバリア層のバンドギャップと同一であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
- ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層に挟まれて形成されたウエル層と、を有し、
前記複数のバリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある最終バリア層は、複数の部分最終バリア層を含み、
前記複数の部分最終バリア層のうち、最も前記ｐ型クラッド層側にある第１部分最終バリア層の材質は、ＩｎＧａＮであり、
前記第１部分最終バリア層と隣接する部分最終バリア層の材質は、バンドギャップが前記第１部分最終バリア層のバンドギャップより大きいＩｎＧａＮまたはＧａＮであることを特徴とする半導体発光素子。 - ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層と交互に形成されたウエル層と、を有し、
前記複数のバリア層よりもバンドギャップの大きい障壁層と、
前記複数のバリア層と前記障壁層との間に前記障壁層に接するように設けられ、前記複数のバリア層よりもバンドギャップが小さく、且つ、前記ウエル層よりもバンドギャップが大きい第１の層と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。 - ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層と交互に形成されたウエル層と、を有し、
前記複数のバリア層よりもバンドギャップが大きく、前記ｐ型クラッド層の前記活性層側に接して設けられる光導波層と、
前記複数のバリア層と前記光導波層との間に前記光導波層に接するように設けられ、前記複数のバリア層よりもバンドギャップが小さく、且つ、前記ウエル層よりもバンドギャップが大きい第１の層と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。 - ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有する、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数のバリア層と、前記バリア層と交互に形成されたウエル層と、を有し、
前記複数のバリア層と前記ｐ型クラッド層とに間に前記ｐ型クラッド層に接するように設けられ、前記複数のバリア層よりもバンドギャップが小さく、且つ、前記ウエル層よりもバンドギャップが大きい第１の層を備えることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第１の層は、前記ウエル層に接して設けられていることを特徴とする請求項１３から１５の何れかに記載の半導体発光素子。
- 前記複数のバリア層と前記第１の層との間に前記第１の層に接するように設けられ、前記第１の層よりもバンドギャップが大きく、又は小さく、且つ前記ウエル層よりもバンドギャップが大きい第２の層をさらに備えることを特徴とする請求項１３から１５の何れかに記載の半導体発光素子。
- 前記複数のバリア層の材質はＧａＮであり、前記第１の層の材質はＩｎＧａＮであることを特徴する請求項１３、１４、１５及び１７の何れかに記載の半導体発光素子。
- 前記バリア層の材質はＩｎxＧａ1-xＮであり、前記ウエル層の材質はＩｎyＧａ1-yＮであり、前記第１の層の材質はＩｎzＧａ1-zＮであり、Ｉｎ組成比ｘ，ｙ，ｚは、０＜ｘ＜ｚ＜ｙ＜１ を満たすことを特徴とする請求項１３、１４、１５及び１７の何れかに記載の半導体発光素子。
- 前記Ｉｎ組成比ｘ，ｙ，ｚは、（ｙ−ｚ）＞（ｚ−ｘ）を満たすことを特徴とする請求項１９に記載の半導体発光素子。
- 前記第１の層は、前記複数のバリア層及び前記複数のウエル層と厚さが異なることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の半導体発光素子。
- 前記第１の層は、前記複数のバリア層よりも厚さが大きいことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の半導体発光素子。
- 前記第２の層は、前記複数のバリア層とバンドギャップが同一であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子。
- 前記複数のバリア層の材質は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１３、１４、１５及び１７の何れかに記載の半導体発光素子。
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