JP2008244360A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】層に使用される材料の相分離の影響を少なくし、信頼性や発光効率の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物系化合物半導体からなる活性層１と、前記活性層１を挟み、超格子構造を含む窒化物系化合物半導体からなる上部光閉じ込め層２ｂおよび下部光閉じ込め層２ａと、前記上部光閉じ込め層２ｂの上部に配置される上部クラッド層３ｂと、前記下部光閉じ込め層２ａの下部に配置される下部クラッド層３ａとを有する半導体発光素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体を使用した半導体発光素子に関するものである。また本発明は特に、緑色領域の波長の光を発光する半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子に関するものである。

半導体レーザや発光ダイオードにおいて、近年窒化物系化合物半導体を使用することにより、青色領域の波長の光を発光する発光素子が実現するのに至っている。そのため、従来の赤色の波長の光を発光する発光素子とあわせて、可視光領域において短波長から長波長の波長の光を発光する発光素子が得られたことになる。しかしながら、光の三原色、赤、青、緑のうち、緑色領域の波長を発光する発光ダイオードは実用化されているものの、半導体レーザについては研究途上段階である。

ここで、特に緑色領域の波長の半導体レーザは、例えば光記録の分野において、青色領域の波長の半導体レーザとともに発振波長が短いので、記録光や再生光の短波長化は高密度化、大容量化に繋がる。そのため、青色、緑色を出射する半導体レーザは光源としての用途が期待されるところである。

半導体レーザの一つの例として、ＡｌＩｎＧａＰ系の半導体レーザが知られている。このＡｌＩｎＧａＰ系の半導体レーザは元来、近赤外、赤外領域の波長をカバーする半導体レーザであり、ＣＤやＤＶＤの光源などに広く利用されている。ＡｌＩｎＧａＰ系の半導体レーザに緑色領域の波長の発振を行わせるためには、理論上Ａｌの組成を上げればよい。

また、II−Ｖ族半導体も半導体レーザを作成する材料として注目が集められており、特にII−Ｖ族半導体としてＺｅＳｅをベースにした半導体レーザは、その組成を適切に調整することにより、緑色領域の波長の発振を行わせることができる。その他に、緑色領域の波長相当のバンドギャップを有するＺｅＴｅ基板を使用した半導体レーザ、もしくは、ＣｄＳｅを量子箱の材料として使用する半導体レーザも提案されている（非特許文献１，２）。

さらに、発光素子の活性層として、ＩｎＧａＮ層を用いた窒化物系化合物半導体を用いた発光素子の開発が進められており、特にＡｌＧａＮ層でＩｎＧａＮ活性層を挟み込んだ構造は、注入キャリアの閉じ込めや光の閉じ込めに有効であるため、高輝度あるいは短波長発光用の発光素子の構造として採用されている。

しかし、ＡｌＧａＮ層でＩｎＧａＮ活性層を挟み込んだ構造では、半導体材料としてＡｌが含まれるＡｌＧａＮ層が存在するが、ＡｌＧａＮ層を成長する際に、Ａｌの導入が困難な場合がある。すなわち、ＡｌＧａＮ層を成長する場合は、Ａｌは蒸気圧が極端に低いために拡散し難く、異常成長が起こりやすい。また、ＣＯＤを回避し、長寿命化を図るためには、発光素子に使用する窒化物形化合物半導体層から、Ａｌを排除することが望ましい。

そこで例えば、特許文献１に記載されている半導体レーザのように、活性層を構成する窒化物系化合物半導体の材料としてＩｎＧａＮを使用し、その他に、クラッド層を構成する窒化物系化合物半導体の材料としてＧａＮを使用する半導体レーザが開示されている。これにより、窒化物系化合物半導体の材料にＡｌを含ませる必要がなく、青、緑といった可視光の波長領域のレーザ光を室温で連続発振できるようにしている。

A. Waag, T. Litz, F. Fischer, H. -J. Lugauer, R. L. Gunshor and G. Landweh, "Beryllium-containing materials for II-VI Laser Diodes," in Physics and Simulation of Optoelectronic Devices V, eds. M. Osinsk and W. W. Chow, Proceedings of SPIE Vol. 2994 (1997) 32-43. S. -B. Che, I. Nomura, W. Shinozaki, A. Kikuchi, K. Shimomura and K. Kishino, "Wide bandgap over 3 eV and high p-doping BeZnTe grown on InP substrates by molecular beam epitaxy," J. Cryst. Growth 214/215 (2000) 321-324. 特開２００３−２１８４６８号公報

ＡｌＩｎＧａＰ系の半導体レーザにおいて、Ａｌの組成を上げることにより、緑色領域の波長の発振を行わせる場合、Ａｌ組成の増加により基板との格子定数差が大きくなり、結晶成長が困難になるという問題がある。ここで、結晶成長が困難となるということは、作製した半導体レーザの活性層に欠陥が入りやすく寿命などの信頼性の確保が難しくなることを意味する。

また、II−Ｖ族半導体を使用して発光素子を作製する場合、その半導体材料が本質的に柔らかい結晶であるため、特に発光素子が半導体レーザである場合は、連続発振を続けるのにしたがって、ダークライン等の欠陥が結晶中に入りやすくなる。そのため、発光素子の信頼性向上が難しいという問題がある。

さらに活性層を構成する窒化物系化合物半導体の材料としてＩｎＧａＮを使用した半導体レーザにおいては、ＩｎＧａＮを構成するＩｎＮの結晶およびＧａＮの結晶では、互いに大きな格子定数の差が存在する。そのため、ＩｎＧａＮ層を形成する場合は、ＩｎＮとＧａＮとの熱力学的性質の相違から、特にＩｎ組成が高い場合に、相分離が起こりやすい。相分離を防ぐために、ＩｎＧａＮ層を低温にて成膜する方法があるが、層の構成元素成分のマイグレーションが起り難いので成膜したＩｎＧａＮ層の結晶品質が低下するおそれがある。そのため、信頼性や発光効率の低下を招くという問題がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、特に活性層の窒化物系化合物半導体として例えばＩｎＧａＮを使用した半導体発光素子において、層に使用される材料の相分離の影響を少なくし、信頼性や発光効率の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光素子は、窒化物系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層を挟み、超格子構造を含む窒化物系化合物半導体からなる上部光閉じ込め層および下部光閉じ込め層と、前記上部光閉じ込め層の上部に配置される上部クラッド層と、前記下部光閉じ込め層の下部に配置される下部クラッド層とを有する。

特に、前記超格子を構成する窒化物系化合物半導体層の半導体材料には、Ｉｎが含まれる。

好ましくは、前記超格子は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる低ポテンシャル層と、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮからなる高ポテンシャル層（ｘ＞ｙ）により構成されている。そしてまた、前記低ポテンシャル層の厚さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記高ポテンシャル層の厚さが０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

好適には、前記ｘが０．１以上０．４以下である。そして、前記光閉じ込め層の厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

なお好ましくは、前記活性層は、Ｉｎ_zＧａ_1-zＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層により構成される量子井戸構造を有する。

好適には、前記ｚが０．３以上１．０以下である。そして、前記井戸層の厚さが１分子層以上２０分子層以下である。さらに好適には、前記量子井戸構造の量子井戸数が１以上６以下である。

本発明の半導体発光素子では層に使用される材料の相分離の影響が少なく、発光効率や信頼性が高い。そのため、特に長寿命な緑色の領域の波長の半導体レーザを実現することができる。

半導体を使用した発光素子は、通常キャリアの電子と正孔が再結合することにより光を発光する活性層と、その活性層を挟む上部光閉じ込め層および下部光閉じ込め層と、上部光閉じ込め層の上部に配置される上部クラッド層と、前記下部光閉じ込め層の下部に配置される下部クラッド層とを有している。ここで、本発明における特徴は、光閉じ込め層にある。

図１は、本発明の半導体発光素子の活性層付近のバンドダイアグラムを示したものである。図１には、活性層１と、活性層１を挟む一組の閉じ込め層２ａ，２ｂ（上部光閉じ込め層２ｂおよび下部光閉じ込め層２ａ）と、一組の閉じ込め層２ａ，２ｂを挟むクラッド層３ａ，３ｂ（上部光閉じ込め層２ｂの上部に配置される上部クラッド層３ｂと、前記下部光閉じ込め層２ａの下部に配置される下部クラッド層３ａ）のバンドダイアグラムが示されている。上記、活性層１、閉じ込め層２ａ，２ｂ、クラッド層３ａ，３ｂを構成するための半導体材料は窒化物系化合物半導体である。

また、閉じ込め層２ａ，２ｂは、低ポテンシャル層４ｌと高ポテンシャル層４ｈの周期構造からなる超格子を含んでいる。また、その超格子を構成する窒化物系化合物半導体層の半導体材料にはＩｎが含まれている。

具体的に、超格子の低ポテンシャル層４ｌを構成する半導体材料はＩｎ_xＧａ_1-xＮであり、高ポテンシャル層４ｈを構成する半導体材料はＩｎ_yＧａ_1-yＮとする。ここで、低ポテンシャル層４ｌのバンドギャップを高ポテンシャル層４ｈのバンドギャップよりも小さくするため、低ポテンシャル層４ｌのＩｎ組成ｘは、高ポテンシャル層４ｈのＩｎ組成ｙよりも大きい（ｘ＞ｙ）。

低ポテンシャル層４ｌ及び高ポテンシャル層４ｈの厚さは、これらの層で超格子を形成するために、量子効果が発現する程度の厚さとなることが必要である。すなわち、低ポテンシャル層４ｌ及び高ポテンシャル層４ｈの厚さの上限は１０ｎｍとなる。なお、低ポテンシャル層４ｌと高ポテンシャル層４ｈの厚さの下限も同様にして量子効果が発現する程度の厚さとなることが必要である。例えば、低ポテンシャル層４ｌ及び高ポテンシャル層４ｈの厚さの下限はそれぞれ、２ｎｍ及び０．５ｎｍとすることができる。

また、低ポテンシャル層４ｌ及び高ポテンシャル層４ｈの組み合わせにより形成されるミニバンドの量子準位ＱＬにより規定されるバンドギャップを活性層１により規定されるバンドギャップとクラッド層３により規定されるバンドギャップの中間となる要件を満たすように、低ポテンシャル層４ｌを構成する半導体材料はＩｎ_xＧａ_1-xＮのＩｎ組成ｘを規定する必要がある。すなわち、ミニバンドの量子準位ＱＬにより規定されるバンドギャップを活性層１により規定されるバンドギャップとクラッド層３により規定されるバンドギャップの中間とするためには、低ポテンシャル層４ｌを構成する半導体材料はＩｎ_xＧａ_1-xＮのＩｎ組成ｘを０．１以上０．４以下とする。

ここで、超格子により構成される光閉じ込め層２ａ，２ｂは超格子層を構成する半導体材料がＩｎ_xＧａ_1-xＮであるため、光閉じ込め層２ａ，２ｂにおける光閉じ込めの程度は、 その材料の屈折率及びクラッド層３ａ，３ｂを構成する半導体材料ＧａＮの屈折率から計算される。活性層１で発生した光を光閉じ込め層２ａ，２ｂによって効率的に閉じ込めるための光閉じ込め層２ａ，２ｂの厚さは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下と計算される。

このように、好適な光閉じ込め層２ａ，２ｂの厚さは５０ｎｍ以上２００ｎｍであり比較的厚く、ＩｎＧａＮ層単層のみで形成した場合は、その厚さのために層の形成中に格子緩和や相分離が発生しやすい。しかしながら、光閉じ込め層２ａ，２ｂは上記のように層厚の薄い低ポテンシャル層４ｌと高ポテンシャル層４ｈの組み合わせからなる超格子により構成されている。そのため、各ポテンシャル層４は上記のように原子層オーダの厚さとなるので、格子緩和や相分離が発生しにくい。

次に、活性層１は発光効率の向上のため、井戸層と障壁層により構成される量子井戸構造とすることが望ましい。この場合、井戸層を構成する半導体材料はＩｎ_zＧａ_1-zＮとし、障壁層を構成する半導体材料はＧａＮとすることができる。特に、発光素子が発光する波長を緑色領域とするためには、井戸層を構成する半導体材料Ｉｎ_zＧａ_1-zＮの組成ｚを０．３以上１．０以下とすればよい。

活性層１を量子井戸構造とした場合の井戸層の厚さは上記のポテンシャル層の厚さの場合と同様に量子効果が発現する１分子層以上２０分子層以下の厚さ以下とする。

図１のようなバンドダイアグラムを有する活性層１，光閉じ込め層２，クラッド層３を有する発光素子の一例の概念的な断面図を図２に示す。
図２に示された半導体発光素子５は基板６上に、下部クラッド層３ａ、下部光閉じ込め層２ａ、活性層１、上部光閉じ込め層２ｂ、上部クラッド層３ｂを積層した半導体積層構造を有している。そして、下部クラッド層３ａの一部の面が露出するようにしてその露出箇所に電極７ａを形成し、また、上部クラッド層３ｂの露出箇所に電極７ｂを形成する。

以上の構成からなる半導体発光素子５は光閉じ込め層２ａ，２ｂを構成する層に相分離しやすいＩｎＧａＮを使用しているにもかかわらず、光閉じ込め層２ａ，２ｂが薄いＩｎＧａＮ層を組み合わせた超格子を有した構造となっているので、ＩｎＧａＮ層の相分離が発生しにくく発光効率や信頼性が高い。

（実施例１）
図２は、本発明の実施例の１つにおける、半導体発光素子５としての半導体レーザの断面図を示したものである。
図２に示した半導体発光素子５は、サファイア（０００１）基板６上に、図示しないＡｌＮバッファ層を挟んだｎ−ＧａＮからなる厚さ３μｍの下部クラッド層３ａ、低ポテンシャル層をＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎとし高ポテンシャル層をＧａＮとする超格子からなる下部光閉じ込め層２ａ、井戸層をＩｎ_zＧａ_1-zＮとし障壁層をＧａＮとする量子井戸構造を有する活性層１、低ポテンシャル層をＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎとし高ポテンシャル層をＧａＮとする超格子からなる上部光閉じ込め層２ｂ、ｐ−ＧａＮからなる厚さ１μｍの上部クラッド層３ｂを順次積層した半導体積層構造を有している。なお、この半導体レーザは共振器長１ｍｍのメサを有するリッジ型のレーザであり、リッジ幅は２μｍとしている。

そして、下部クラッド層３ａの一部の面が露出するようにしてその露出箇所にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極７ａが形成され、また、上部クラッド層３ｂの露出箇所にＰｄ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極７ｂが形成されている。

下部クラッド層３ａ（ｃｌａｄ）、下部光閉じ込め層２ａ（ＯＣＬ）、活性層１（Ａｃｔ）、上部光閉じ込め層２ｂ（ＯＣＬ）、上部クラッド層３ｂ（ｃｌａｄ）を構成する半導体層の構成について以下の表１に示した。

まず、表１のように、クラッド層３ａ，３ｂはともにＧａＮからなっており、バンドギャップエネルギーＥは３．４２ｅＶである。そして、活性層１は、１分子層分（１ＭＬ）の厚さ０．５ｎｍのＩｎＮからなる一つの井戸層と、井戸層を挟みＧａＮからなる一組の障壁層により構成されている。ここで、１分子層分（１ＭＬ）の厚さ０．５ｎｍの井戸層の量子準位間エネルギー（Ｅ）を緑色領域に相当する波長のエネルギー（２．２３ｅＶ）と一致させるため、井戸層を構成する半導体材料をＩｎ_zＧａ_1-zＮのＩｎ組成ｚを図３の通りｚ＝１とする。

次に、低ポテンシャル層をＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎとし高ポテンシャル層をＧａＮとする超格子からなる光閉じ込め層２ａ，２ｂのミニバンドの量子準位ＱＬ間エネルギー（Ｅ）を、ＧａＮからなるクラッド層３ａ，３ｂのバンドギャップエネルギーＥの３．４２ｅＶと井戸層の量子準位間エネルギー（Ｅ）の２．２３ｅＶ（波長５５５ｎｍ相当）の中間とする必要がある。そのため、超格子の低ポテンシャル層を構成するＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの厚さを変化させる。図４に示したように、超格子の高ポテンシャル層を構成するＧａＮ層の厚さによらず、低ポテンシャル層を構成するＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの厚さを５ｎｍ程度にすればよいことがわかる。このとき、高ポテンシャル層を構成するＧａＮ層の厚さを５ｎｍとすると、光閉じ込め層２ａ，２ｂのミニバンドの量子準位ＱＬ間エネルギー（Ｅ）は２．８３ｅＶとなる。

次に、活性層１の井戸層における光閉じ込め係数の最適化を行うために、上記光閉じ込め層２ａ，２ｂの厚さの決定を行う。図５は光閉じ込め層の厚さに対する光閉じ込め係数の依存性を示したグラフであるが、閉じ込め係数は、光閉じ込め層２ａ，２ｂの厚さが８８ｎｍのときに最大となることが読み取れる。そのため、厚さがそれぞれ５ｎｍの低ポテンシャル層を構成するＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層と高ポテンシャル層を構成するＧａＮ層からなるペアが１０組の超格子からなる光閉じ込め層２ａ，２ｂとすればよいことがわかる。

以上のように、活性層１の井戸層における光閉じ込め係数の最適化を行った後、しきい値電流密度の低減のために、活性層１の井戸層数の最適化を行う。しきい値電流密度Ｊ_thは以下の式で計算することができる。

上記（数１）において、ｑは素電荷、ｄは井戸幅、Ｎ_wは井戸数、Ｎ_thはしきい値キャリア密度、τ_sはキャリア再結合時間である。緩和時間を０．１ｐｓとして、この（数１）に基づいて量子井戸数に対するしきい値電流密度の依存性を示したグラフを図６に示した。

この計算において、格子ひずみに伴うピエゾ電解の効果や、価電子帯のＬＨ，ＨＨの縮退などは考慮していない。そのため、ピエゾ分極、自発分極、正孔の有効質量の低下の影響は無視している。さらに、計算に使用したパラメータは文献（例えば、「半導体レーザ」伊賀健一著 オーム社）値である。
図６からわかるように井戸数が２のときにしきい値電流密度Ｊ_thが最小となるが、井戸数が１〜６であってもおおむね低しきい値電流密度を示すことを判読できる。

以上の構造からなる図２に示した半導体発光素子５としての半導体レーザの製造方法を以下に説明する。
まず、サファイア基板６上にＭＯＣＶＤ法(有機金属気相成長)により、成長温度１０３０℃で図示しないＡｌＮバッファ層を堆積する。その上にｎ型不純物としてＳｉ（ドーピングガスはＳｉＨ₄）を１×１０¹⁸ｃｍ^-3に同時にドーピングしながらｎ−ＧａＮからなる厚さ３μｍの下部クラッド層３ａを成長する。なお、基板６はサファイア基板に変えて、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＺｒＢ₂基板、Ｓｉ基板などであっても良い。

次に、下部光閉じ込め層２ａの成長を行う。すなわち、低ポテンシャル層として厚さ５ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、及び、高ポテンシャル層として厚さ５ｎｍのＧａＮ層からなる超格子を９ペア分成長する。

下部光閉じ込め層２ａの成長が終了後、量子井戸構造を構成する、障壁層として厚さ０．５ｎｍのＧａＮ層、井戸層として厚さ０．５ｎｍ（１分子層）のＩｎＮ層、障壁層として厚さ０．５ｎｍのＧａＮ層を順次成長する。

量子井戸構造を構成する層の成長が終了後、上部光閉じ込め層２ｂの成長を行う。すなわち、低ポテンシャル層として厚さ５ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、及び、高ポテンシャル層として厚さ５ｎｍのＧａＮ層からなる超格子を９ペア分成長する。

上部光閉じ込め層２ｂの成長が終了後、ｐ型不純物としてＭｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを使用）を１×１０¹⁹ｃｍ^-3に同時にドーピングしながらｐ−ＧａＮからなる厚さ１μｍの上部クラッド層３ｂを成長する。

以上のようにして、半導体発光素子５を構成するための半導体積層構造が完成する。その後、成長装置から基板６を取り出し、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を用いて、８００℃で３０分間のアニーリングを行い、半導体積層構造中におけるＭｇを活性化させる。

半導体積層構造の表面にパターニングを行い、ドライエッチング装置で、リッジ幅２μｍの半導体レーザのメサを形成する。さらに、半導体積層構造の表面側からｎ型電極７ａをｎ−ＧａＮからなる下部クラッド層３ａに形成するためのエッチングを行う。すなわち、ｎ型電極を下部クラッド層３ａの表面に直接形成するため、上記半導体積層構造の表面の一部箇所を下部クラッド層３ａが露出するまでエッチングする。

その後、半導体レーザのパッシベーション膜として、上記半導体積層構造の表面にＰＥＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長）によりＳｉＮ_x膜を１２０ｎｍ堆積する。そして、ｎ型電極７ａ及びｐ型電極７ｂの形状に合わせた開口をＳｉＮ_x膜上に形成する。

開口に対して形成後ＥＢ蒸着法により、上部クラッド層３ｂの露出箇所にＰｄ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極７ｂを形成する。そして、下部クラッド層３ａの露出箇所にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極７ａを形成する、なお、蒸着の方法として、抵抗加熱蒸着法やスパッタ法などにより蒸着しても良い。

その後、半導体レーザの共振器を形成するため、基板６をメサと垂直方向にへき開を行う。ここで、共振器長が１ｍｍとなるように、へき開を行う。さらに、個々の半導体レーザ素子に分離するため、メサを挟んだ箇所を単位としてメサと平行方向にダイシングを行う。必要に応じて、へき開面に誘電体反射膜を形成することにより、緑色半導体レーザが完成する。

（実施例２）
図２は、本発明の実施例の別の１つにおける、半導体発光素子５としての半導体レーザの断面図を示したものである。
図２に示した半導体発光素子５は、サファイア（０００１）基板６上に、図示しないＡｌＮバッファ層を挟んだｎ−ＧａＮからなる厚さ３μｍの下部クラッド層３ａ、低ポテンシャル層をＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎとし高ポテンシャル層をＧａＮとする超格子からなる下部光閉じ込め層２ａ、井戸層をＩｎ_zＧａ_1-zＮとし障壁層をＧａＮとする量子井戸構造を有する活性層１、低ポテンシャル層をＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎとし高ポテンシャル層をＧａＮとする超格子からなる上部光閉じ込め層２ｂ、ｐ−ＧａＮからなる厚さ１μｍの上部クラッド層３ｂを順次積層した半導体積層構造を有している。なお、この半導体レーザは共振器長１ｍｍのメサを有するリッジ型のレーザであり、リッジ幅は２μｍとしている。

また、下部クラッド層３ａの一部の面が露出するようにしてその露出箇所にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極７ａが形成され、また、上部クラッド層３ｂの露出箇所にＰｄ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極７ｂが形成されている。

下部クラッド層３ａ（ｃｌａｄ）、下部光閉じ込め層２ａ（ＯＣＬ）、活性層１（Ａｃｔ）、上部光閉じ込め層２ｂ（ＯＣＬ）、上部クラッド層３ｂ（ｃｌａｄ）を構成する半導体層の構成について以下の表２に示した。

まず、表２のように、クラッド層３ａ，３ｂはともにＧａＮからなっており、バンドギャップエネルギーＥは３．４２ｅＶである。そして、活性層１は、５分子層分（５ＭＬ）の厚さ５ｎｍのＩｎ_zＧａ_1-zＮからなる一つの井戸層と、井戸層を挟み厚さ５ｎｍのＧａＮからなる一組の障壁層により構成されている。ここで、５分子層分（５ＭＬ）の厚さ５ｎｍの井戸層の量子準位間エネルギー（Ｅ）を緑色領域に相当する波長のエネルギー（２．３４ｅＶ）と一致させるため、井戸層を構成する半導体材料をＩｎ_zＧａ_1-zＮのＩｎ組成ｚは０．３５としている（図３参照）。

次に、低ポテンシャル層をＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎとし高ポテンシャル層をＧａＮとする超格子からなる光閉じ込め層２ａ，２ｂのミニバンドの量子準位ＱＬ間エネルギー（Ｅ）を、ＧａＮからなるクラッド層３ａ，３ｂのバンドギャップエネルギーＥの３．４２ｅＶと井戸層の量子準位間エネルギー（Ｅ）の２．３４ｅＶ（波長５３０ｎｍ相当）の中間とする必要がある。そのため、超格子の低ポテンシャル層を構成するＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎの厚さを変化させる。図７に示したように、超格子の高ポテンシャル層を構成するＧａＮ層の厚さによらず、低ポテンシャル層を構成するＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎの厚さを１ｎｍ程度にすればよいことがわかる。ここで、高ポテンシャル層を構成するＧａＮ層の厚さを１ｎｍとすると、光閉じ込め層２ａ，２ｂのミニバンドの量子準位間エネルギー（Ｅ）は２．８１ｅＶとなる。

次に、活性層１の井戸層における光閉じ込め係数の最適化を行うために、上記光閉じ込め層２ａ，２ｂの厚さの決定を行う。図５は光閉じ込め層の厚さに対する光閉じ込め係数の依存性を示したグラフであるが、閉じ込め係数は、光閉じ込め層２ａ，２ｂの厚さが１１０ｎｍのときに最大となることが読み取れる。そのため、厚さがそれぞれ１ｎｍの低ポテンシャル層を構成するＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ層と高ポテンシャル層を構成するＧａＮ層からなるペアが５５組の超格子からなる光閉じ込め層２ａ，２ｂとすればよいことがわかる。

以上のように、活性層１の井戸層における光閉じ込め係数の最適化を行った後、しきい値電流密度の低減のために、活性層１の井戸層数の最適化を行うことができる。しきい値電流密度Ｊ_thは上記の（数１）により計算できる。この（数１）に基づいて量子井戸数に対するしきい値電流密度の依存性を示したグラフを図６に示した。図６からわかるように井戸数が４のときにしきい値電流密度Ｊ_thが最小となることがわかる。

本実施例２の半導体レーザの構造は、活性層１を構成するＩｎＧａＮ層及び光閉じ込め層２を構成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成、及び、活性層１の厚さと光閉じ込め層２の厚さが実施例１の半導体レーザの構造と異なるのみであり、他は共通している。したがって、製造方法は実施例１の半導体レーザの製造方法とまったく共通する。よって、実施例２の半導体レーザを製造する説明は省略する。

本発明の半導体発光素子の活性層近傍のバンドダイアグラムである。 本発明の半導体発光素子の断面図である。 ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造におけるＩｎ組成による量子準位エネルギーを示したグラフである。 Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ＧａＮ超格子においてＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層の厚さによるミニバンドの量子準位間エネルギーの依存性を示したグラフである。 光閉じ込め層の厚さに対する光閉じ込め係数の依存性を示したグラフである。 半導体発光素子としての半導体レーザにおける量子井戸数に対するしきい値電流密度の依存性を示したグラフである。 Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ／ＧａＮ超格子においてＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層の厚さによるミニバンドの量子準位間エネルギーの依存性を示したグラフである。

符号の説明

１…活性層， ２…光閉じ込め層， ３…クラッド層， ４…ポテンシャル層， ５…半導体発光素子， ６…基板， ７…電極

Claims (10)

1. 窒化物系化合物半導体からなる活性層と、
   前記活性層を挟み、超格子構造を含む窒化物系化合物半導体からなる上部光閉じ込め層および下部光閉じ込め層と、
   前記上部光閉じ込め層の上部に配置される上部クラッド層と、
   前記下部光閉じ込め層の下部に配置される下部クラッド層と
   を有する半導体発光素子。
2. 前記超格子を構成する窒化物系化合物半導体層の半導体材料には、Ｉｎが含まれる、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記超格子は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる低ポテンシャル層と、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮからなる高ポテンシャル層（ｘ＞ｙ）により構成されている、請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記低ポテンシャル層の厚さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記高ポテンシャル層の厚さが０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記ｘが０．１以上０．４以下である請求項３または請求項4に記載の半導体発光素子。
6. 前記光閉じ込め層の厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記活性層は、Ｉｎ_zＧａ_1-zＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層により構成される量子井戸構造を有する請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記ｚが０．３以上１．０以下である請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記井戸層の厚さが１分子層以上２０分子層以下である請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記量子井戸構造の量子井戸数が１以上６以下である請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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