JP2009059784A

JP2009059784A - 窒化物系半導体発光素子

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Publication number: JP2009059784A
Application number: JP2007224107A
Authority: JP
Inventors: Masataka Ota; 征孝太田; Yuzo Tsuda; 有三津田; Yukio Yamazaki; 幸生山崎
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-03-19
Also published as: US20090059984A1

Abstract

【課題】４３０ｎｍ以上の発光波長を有する窒化物系半導体発光素子の発光特性を改善する。
【解決手段】本発明による窒化物系半導体発光素子は、基板上に順次積層された１以上のｎ型窒化物系半導体層、量子井戸構造を有する活性層、および１以上のｐ型窒化物系半導体層を含み、活性層はＩｎＧａＮの井戸層とＧａＮまたはＩｎＧａＮの少なくとも一方を含む障壁層とを含みかつ４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の発光波長を有し、井戸層は１．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の小さな厚さを有し、障壁層は井戸層の歪に対する緩衝層とし作用し得るように井戸層に比べて１０倍より大きくて４５倍以下の厚さを有することを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は窒化物系半導体発光素子に関し、特に４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の発光波長を有する窒化物系半導体発光素子の発光特性の改善に関する。

近年では、窒化物系半導体を利用することによって、青色発光や緑色発光し得る半導体レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子の開発が活発に行われている。

青色発光や緑色発光し得る発光ダイオードは、既に実用化されている。また、光ディスクなどの光記録媒体の記録密度を向上させるために、４００ｎｍ程度の波長領域において青紫色発光し得る半導体レーザ素子も実用化されている。

他方、４００ｎｍより長い波長の純青色または緑色を発光し得る半導体レーザ素子は、ディスプレイ装置の光源、照明用途のための蛍光体励起光源、または医療用機器への応用などに対する期待から、その開発が進められている。

４００ｎｍから４８０ｎｍの範囲内の発光波長を有する窒化物系半導体レーザ素子では、量子井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を有する活性層（発光層）中において、井戸層としてＩｎＧａＮ層が主に用いられている。この場合、障壁層としては、井戸層に比べてＩｎ濃度の低いＩｎＧａＮ層またはＧａＮ層が好ましく用いられ得る。

青紫色光の波長より発光波長を大きくするためには、ＩｎＧａＮ井戸層におけるIII族元素中のＩｎ組成比を増大させなければならない。この理由は、Ｉｎ組成比の増大に伴ってＩｎＧａＮ井戸層のバンドギャップエネルギが小さくなり、それに伴って発光波長が大きくなるからである。しかし、ＩｎＧａＮ井戸層中のＩｎ組成比の増大に伴って、活性層の格子歪が増大してその結晶性が低下する。その結果として、レーザ素子の閾値電流が高まって、発光効率も低下し、そして信頼性も悪化するという問題が生じ得る。

したがって、４００ｎｍより長い波長の純青または緑の発光色を有する窒化物系半導体レーザ素子の開発を進めるには、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比を増大させて格子歪が大きくなる場合に、その井戸層の結晶性の低下を抑制することが望まれている。

例えば、特許文献１の特開２００１−４４５７０号公報は、４２０ｎｍ以上の発振波長を有する窒化物系半導体レーザ素子の発光特性および寿命の改善に関する発明を開示している。そして、特許文献１による窒化物系半導体レーザ素子においては、量子井戸構造を有する活性層中で障壁層の厚さが１０ｎｍ以上であって、井戸層の厚さに対する障壁層の厚さが３倍以上で１０倍以下であることを特徴としている。
特開２００１−４４５７０号公報（請求項１および５参照） M. Ogasawara, H. Sugiura, M. Mitsuhara, M. Yamamoto, and M. Nakao, J. Appl. Phys., vol. 84, (1998), 4775 M. J. Bergmann and H. C. Casey, Jr., J. Appl. Phys., vol. 84, (1998), 1196

しかし、特許文献１に開示された量子井戸構造の活性層は、４２０ｎｍよりさらに長い４３０ｎｍ以上の発光波長を有する窒化物系半導体発光素子の活性層には十分ではないと考えられる。

そこで、本発明は、４３０ｎｍ以上の発光波長を有する窒化物系半導体発光素子の発光特性をさらに改善することを目的としている。

本発明による窒化物系半導体発光素子は、基板上に順次積層された１以上のｎ型窒化物系半導体層、量子井戸構造を有する活性層、および１以上のｐ型窒化物系半導体層を含み、活性層はＩｎＧａＮの量子井戸層とＧａＮまたはＩｎＧａＮの少なくとも一方を含む障壁層とを含みかつ４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の発光波長を有し、井戸層は１．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の小さな厚さを有し、障壁層は井戸層の歪に対する緩衝層とし作用し得るように井戸層に比べて１０倍より大きくて４５倍以下の厚さを有することを特徴としている。

ここで、発光層の平均歪ε_aveは、非特許文献１のM. Ogasawara, H. Sugiura, M. Mitsuhara, M. Yamamoto, and M. Nakao, J. Appl. Phys., vol. 84, (1998), 4775 に開示されている次式（１）で表され得る。この式（１）において、ε_wは量子井戸層の歪、Ｌ_wは量子井戸層の厚さ、ε_bは障壁層の歪、そしてＬ_bは障壁層の厚さを表している。

式（１）から分かるように、井戸層の厚さＬ_wを１．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の範囲内に小さく設定することによって、井戸層に関する歪ε_wとＬ_wの積を低減させることができ（分子における第１項の数値を小さくでき）、発光層の平均歪ε_aveを小さくすることができる。また、井戸層の厚さＬ_wが小さい状況において、障壁層の厚さＬ_bを大きくすることによっても発光層の平均歪ε_aveを小さくすることができる。そして、井戸層に対する障壁層の厚の比率は、活性層への光閉じ込め効果（図４参照）およびキャリアの注入特性を考慮すれば、１０倍より大きくて４５倍以下であることが望まれる。

なお、量子井戸層の数は、２以上６以下の範囲内であることが好ましい。井戸層数が１の場合に比べて２以上の場合において、障壁層による歪緩和の効果が向上する（図５参照）。他方、井戸層数が７以上の場合、キャリア注入が不均一となることによる発光特性の低下が予測される。

障壁層の厚さは、井戸層に比べて１０倍より大きい条件下において、１２ｎｍより大きくて１００ｎｍ未満であることが好ましい。障壁層の厚さが１２ｎｍ以下であれば緩衝作用が不十分になる。他方、障壁層の厚さが１００ｎｍ以上であればキャリア注入が不均一になる可能性があり、また活性層への光閉じ込め係数が減少して発光効率が低下する可能性がある。

井戸層のIII族元素中のＩｎ組成比は、０．０５以上０．５０以下であることが好ましい。また、障壁層のIII族元素中のＩｎ組成比は、０．００以上０．２０以下に設定されることが好ましい。これらのＩｎ組成比の範囲内において、発光波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下に設定され得る。

障壁層は互いに異なるＩｎ組成比を有する複数の層を含むことができ、それら複数層のＩｎ組成比は井戸層のＩｎ組成比に比べて小さく設定される。例えば、ＧａＮ層を２つのＩｎＧａＮ層で挟んだ積層構造を有する障壁層は、単一のＧａＮ層を含む障壁層に比べて、発光層への光閉じ込め効率を改善させることができ、より効果的に歪を緩和させる観点からも好ましい。

１以上のｎ型窒化物系半導体層はｎ型クラッド層を含み、１以上のｐ型窒化物系半導体層はｐ型クラッド層を含み、これらのクラッド層においてIII族元素中のＡｌ組成比が０．０１以上０．１５以下であることが好ましい。クラッド層のＡｌ組成比が０．０１未満であれば、活性層に対する屈折率差が減少して光閉じ込め作用が低下し、発光素子の動作電流が増大する傾向になる。逆に、Ａｌ組成比が０．１５より大きければ、低抵抗の結晶が得られにくくなって発光素子の動作電圧が上昇する傾向になり、さらに転位が発生する可能性がある。

本発明によれば、４３０ｎｍ以上の発光波長を有する窒化物系半導体発光素子において、その発光層中の格子歪に起因する結晶欠陥を減少させることができ、その発光特性を改善することができる。また、その発光素子がレーザ素子の場合には、光閉じ込め係数を増大させることができ、それによっても発光特性を改善することができる。

本発明者らは、量子井戸構造の発光層においてＩｎＧａＮ井戸層中のＩｎ組成比を増大させた場合に発光効率が低下する原因として、格子歪の増大によって結晶欠陥密度が増大するであろうことを考えた。すなわち、結晶欠陥は非発光中心となり得るので、結晶欠陥密度が増大すれば発光効率が低下する。そこで、本発明による量子井戸構造の発光層においては、ＩｎＧａＮ井戸層中のＩｎ組成比を増大させる場合に、結晶欠陥密度の増大を抑制することが意図されている。

＜実施形態１＞
図１の模式的断面図は、本発明の実施形態１による窒化物系半導体発光素子の積層構造を示している。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に、厚さが適宜に拡大されて示されている。また、図面における同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表している。

図１の窒化物系半導体発光素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００上に順次積層されたｎ型ＧａＮ層１０１（厚さ０．５μｍ）、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）下部クラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ下部ガイド層１０３（厚さ０．１μｍ）、アンドープのＧａＮまたはＩｎＧａＮの下部隣接層１０４、活性層１０５、アンドープのＧａＮまたはＩｎＧａＮの上部隣接層１０６、第１の層としてのｎ型ＧａＮガイド層１０７（厚さ１０ｎｍ）、第２の層としてのアンドープＧａＮ層１０８（厚さ４０ｎｍ）、第３の層としてのｐ型Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層１０９（厚さ２０ｎｍ）、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）上部クラッド層１１０、およびＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１１１（厚さ０．１μｍ）を含んでいる。

なお、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）下部クラッド層１０２やｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）上部クラッド層１１０は、超格子構造を有していてもよい。ここで、クラッド層のＡｌ組成比ｘが０．０１未満に小さければ、その屈折率が増大して活性層に対する屈折率差が小さくなり、屈折率差による光閉じ込め作用が低下して、発光素子の動作電流が大きくなる。逆に、クラッド層のＡｌ組成比ｘが０．１５より大きければ、その電気抵抗が大きくなって、発光素子の動作電圧が高くなる。

図２の模式的断面図は、活性層１０５の量子井戸構造をより詳細に表している。この活性層１０５においては、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１３１の厚さが１．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の範囲内に小さくされ、III族元素中のＩｎ組成比が０．０５以上０．５０以下の範囲内であって、発光波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の範囲内にある。他方、アンドープ障壁層１３２はＧａＮとＩｎＧａＮの少なくとも一方を含んでいる。また、その障壁層１３２は、井戸層の歪を緩和させる緩衝層として作用するように、井戸層に比べて１０倍より大きくて４５倍以下の厚さを有している。

図２中の量子井戸構造においては、井戸層１３１と障壁層１３２が交互に積層され、その積層は井戸層から開始して井戸層で終了している。活性層１０５は井戸層数２〜６を含む多重量子井戸構造であり得て、最下段の井戸層が下部隣接層１０４上に接し、最上段の井戸層上に上部隣接層１０６が設けられている。なお、発光波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下に調整され、かつ井戸層に比べて障壁層のバンドギャップエネルギが大きくなるように調整される限りにおいて、井戸層や障壁層は上述の化合物半導体に限られず、ＩｎＡｌＧａＮまたは他の窒化物系半導体で形成されてもよい。

最下段や最上段の井戸層１３１に隣接する層（下部隣接層１０４、上部隣接層１０６）はＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成され、上述のようにアンドープ状態でなければならない。この理由は、活性層からその上下に隣接する層へキャリアが量子的に染み出すことがあり、上下に隣接する層が導電型不純物を含んでいれば染み出しキャリアをその層中に捕獲してキャリア注入効率を低下させるからである。

基板１００としては、その上に積層する窒化物系半導体層１０１−１１１に対する格子不整合を抑制する観点から上述のようにＧａＮ基板であることが最も好ましいが、これに代えてＡｌＧａＮ基板を用いることも可能である。ＧａＮ基板またはＡｌＧａＮ基板の主面としては、（０００１）面、（１０−１０）面、（１１−２０）面、（１１−２２）面等を用いることができる。なお、（１０−１０）面と（１１−２０）面は、窒化物系半導体における非極性面である。

図１に示されているような窒化物系半導体積層構造を有する発光素子は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などの公知の結晶成長方法を用いてその積層構造を形成し、さらに電極（図示せず）を蒸着するとによって作製され得る。

（実施例１）
本発明の実施例１は、上述の実施形態１に対応している。本実施例１の半導体発光素子は発光波長が４４５ｎｍの半導体レーザ素子であって、この素子の積層構造に関しても図１を参照することができる。

図１を参照して、本実施例１の窒化物系半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００上に順次積層されたＳｉドープｎ型ＧａＮ層１０１（厚さ０．５μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ下部クラッド層１０２（厚さ２．２μｍ）、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ下部ガイド層１０３（厚さ０．１μｍ）、アンドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ下部隣接層１０４（厚さ２０ｎｍ）、活性層１０５、アンドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ上部隣接層１０６（厚さ２０ｎｍ）、第１の層としてのｎ型ＧａＮガイド層１０７（厚さ１０ｎｍ）、第２の層としてのアンドープＧａＮ層１０８（厚さ４０ｎｍ）、第３の層としてのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層１０９（厚さ２０ｎｍ）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ上部クラッド層１１０（厚さ０．５５μｍ）、およびＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１１１（厚さ０．１μｍ）を含んでいる。

最下段や最上段の井戸層１３１に隣接する層（下部隣接層１０４、上部隣接層１０６）は、前述のようにアンドープ状態にされる。

図３の模式的断面図は、本実施例１における活性層１０５とそれに隣接する層をより詳細に示している。この活性層１０５は、交互に積層されたアンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１とアンドープＧａＮ障壁層１３２とが井戸層から開始して井戸層で終了する多重量子井戸構造を有し、井戸層数３を含んでいる。Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の厚さが２．５ｎｍでＧａＮ障壁層１３２の厚さが３２ｎｍに設定され、すなわち井戸層に比べて障壁層の厚さが１２．８倍に設定された。井戸層の厚さを小さな２．５ｎｍに設定し、かつ井戸層に比べて障壁層の厚さを１０倍より大きく設定することによって、発光層における結晶欠陥発生の抑制が確認された。

本実施例１の半導体レーザ素子においてエレクトロルミネッセンス測定を行った結果、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の層厚を２．５ｎｍにしかつその井戸層に比べてＧａＮ厚さを１倍以上１０倍以下に設定した素子に比べて、発光強度が数倍増強していることが確認された。すなわち、本実施例１の半導体レーザにおいては、高発光効率のレーザ特性の実現が可能となり、また閾値電流の低減、温度特性の改善、および寿命特性の向上も可能となる。

（実施例２）
本発明の実施例２も、実施例１と同様に上述の実施形態１に対応している。本実施例２では、実施例１のレーザ素子構造中の活性層１０５に関して、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の厚さを２．５ｎｍに設定し、ＧａＮ障壁層１３２の厚さをパラメータとして光閉じ込め係数の算出を行った。この算出方法は、非特許文献２のM. J. Bergmann and H. C. Casey, Jr., J. Appl. Phys., vol. 84, (1998), 1196 において開示されている。

図４のグラフは、井戸層に対する障壁層の厚さの比率と光閉じ込め係数との関係を示している。この図４から分かるように、井戸層に対する障壁層の厚さの比率を１０倍より大きくすることによって、１０倍の場合に比べて光閉じ込め係数を１０％程度上昇させることができ、高発光効率のレーザ素子の実現が可能となり、またその閾値電流の低減、温度特性改善、および寿命特性の向上も可能となる。他方、井戸層に対する障壁層の厚さの比率が４５倍より大きくなれば、１０倍以下の場合に比べても、逆に光閉じ込め係数が減少する。すなわち、障壁層は歪緩衝層としての観点からは大きい厚さを有することが好ましいが、光閉じ込め係数の観点からは井戸層に対する障壁層の厚さの比率が４５倍以下であることが望まれる。

（実施例３）
本発明の実施例３も、実施例１と同様に上述の実施形態１に対応している。本実施例３では、実施例１のレーザ素子構造中の活性層１０５に関して、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の厚さを２．５ｎｍに設定し、ＧａＮ障壁層１３２の厚さをパラメータとして、その活性層の平均歪の計算を行った。活性層の平均歪は、前述の式（１）で与えられ得る。

図５のグラフは、井戸層数と障壁層数を考慮して式（１）を発展させた式（２）による計算結果を示している。すなわち、式（１）は井戸層数が１でかつ障壁層数が１の場合を表しているが、式（２）内のＮ_qwは井戸層数を表している。

この式（２）は、井戸層数がＮ_qwでかつ障壁層数がＮ_qw＋１の多層量子井戸構造への応用を表している。すなわち、式（２）が適用される多層量子井戸構造は、障壁層から始まって障壁層で終るように障壁層／井戸層／障壁層／・・・／井戸層／障壁層の積層構造を有している。これがゆえに、井戸層数Ｎ_qwに比べて障壁層数は１層多いＮ_qw＋１になる。式（２）においては、井戸層数が１の時には井戸層の厚さはＬ_wであるが、井戸層数がＮ_qwの時には井戸層の総厚は井戸層数Ｎ_qwにＬ_wを掛けたＮ_qwＬ_wであるとして計算され、障壁層に関しても同様である。

なお、本実施例３では、量子井戸層数が２から６の範囲内で活性層の平均歪が計算された。図５において、白丸印、白三角印、黒三角印、黒逆三角印、および黒丸印は、それぞれ井戸層に比べて障壁層の厚さが５倍、１０倍、１５倍、３０倍、および４５倍の場合の計算結果を示している。

図５によれば、井戸層が単一の場合に比べて、井戸層が２以上の場合において井戸層に対する障壁層の厚さの倍率を１０より大きくなるように増大させることによって、活性層の平均歪の低減率が大きくなっている。他方、量子井戸層の数が７以上の場合、活性層内へのキャリア注入が不均一となることによる発光特性の低化が予測される。

図５から分かるように、井戸層に対する障壁層の厚さの倍率を１０より大きく設定することによって、量子井戸層数を６まで増やしても、それら井戸層の歪の影響を十分に抑えることが可能となる。すなわち、本実施例３によれば、井戸層数が２から６の範囲内において、高発光効率のレーザ素子の実現が可能となり、またその閾値電流の低減、温度特性の改善、および寿命特性の向上も可能となることが分かる。

なお、図５に示されているように、井戸層に対する障壁層の厚さの倍率を大きくするにしたがって活性層の平均歪が単調に減少する。すなわち、活性層の平均歪の観点からは井戸層に対する障壁層の厚さの倍率に上限はないが、前述の図４に示された光閉じ込め係数の観点からは、井戸層に対する障壁層の厚さの倍率が４５倍以下であることが望まれる。

（実施例４）
本発明の実施例４も、実施例１と同様に上述の実施形態１に対応している。実施例１に比べて、本実施例４によるレーザ素子構造は、ＧａＮ障壁層がＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層に変更されたことのみにおいて異なっていた。

図６の模式的断面図は、本実施例４における活性層１０５とそれに隣接する層をより詳細に示している。この活性層１０５は、アンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１とアンドープＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層１３２とが、井戸層から開始して井戸層で終了する多重量子井戸構造を有し、井戸層数３を含んでいる。Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の厚さが２．５ｎｍでＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層１３２の厚さが３２ｎｍに設定され、すなわち井戸層に比べて障壁層の厚さが１２．８倍に設定された。井戸層の厚さを小さな２．５ｎｍに設定し、かつ井戸層に比べて障壁層の厚さを１０倍より大きく設定することによって、発光層における結晶欠陥発生の抑制が確認された。

本実施例４の半導体レーザ素子においてエレクトロルミネッセンス測定を行った結果、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の層厚を２．５ｎｍにしかつその井戸層に比べてＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ厚さを１倍以上１０倍以下に設定した素子に比べて、発光強度が数倍増強していることが確認された。すなわち、本実施例４の半導体レーザにおいては、高発光効率のレーザ特性の実現が可能となり、また閾値電流の低減、温度特性の改善、および寿命特性の向上も可能となる。

（実施例５）
本発明の実施例５も、実施例４と同様に上述の実施形態１に対応している。本実施例５では、実施例４のレーザ素子構造中の活性層１０５に関して、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の厚さを２．５ｎｍに設定し、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層１３２の厚さをパラメータとして光閉じ込め係数の算出を行った。

本実施例５における計算結果は図４のグラフに類似しており、井戸層に対する障壁層の厚さの比率を１０倍より大きくすることによって、光閉じ込め係数を上昇させることができる。ただし、実施例１の場合のＧａＮ障壁層に比べて本実施例４におけるＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層の屈折率が高いので活性層１０５の屈折率が高くなり、ＧａＮ障壁層を用いた場合に比べて光閉じ込め効果が高くなる。その上で、さらに井戸層に対する障壁層の厚さの比率を１０倍より大きくすることによって、光閉じ込め係数を１０％程度まで上昇させることができる。その結果、本実施例４においてはさらに高発光効率のレーザ素子の実現が可能となり、またその閾値電流の低減、温度特性改善、および寿命特性の向上も可能となる。

＜実施形態２＞
本発明の実施形態２による窒化物系半導体発光素子は、実施形態１に比べて、活性層に変更が加えられることのみにおいて異なっている。

本実施形態２の活性層１０５においても、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１３１の厚さが１．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の範囲内に小さくされ、III族元素中のＩｎ組成比が０．０５以上０．５０以下の範囲内であって、発光波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の範囲内にある。また、その障壁層１３２は、井戸層の歪を緩和させる緩衝層として作用するように、井戸層に比べて１０倍より大きくて４５倍以下の厚さを有している。

しかし、本実施形態２による障壁層１３２は、互いに異なるＩｎ組成比を有する複数のＩｎＧａＮ層を含む積層構造を有し、それらのＩｎ組成比はIII元素中で０．００以上０．２０の範囲内の値を有している。

（実施例６）
本発明の実施例６は上記の実施形態２対応している。本実施例６の半導体発光素子も発光波長が４４５ｎｍの半導体レーザ素子であって、この素子の積層構造に関しても図１を参照することができる。

図１を参照して、本実施例６窒化物系半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００上に順次積層されたＳｉドープｎ型ＧａＮ層１０１（厚さ０．５μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ下部クラッド層１０２（厚さ２．２μｍ）、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ下部ガイド層１０３（厚さ０．１μｍ）、アンドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ下部隣接層１０４（厚さ２０ｎｍ）、活性層１０５、アンドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ上部隣接層１０６（厚さ２０ｎｍ）、第１の層としてのｎドープＧａＮガイド層１０７（厚さ１０ｎｍ）、第２の層としてのアンドープＧａＮ層１０８（厚さ４０ｎｍ）、第３の層としてのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層１０９（厚さ２０ｎｍ）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ上部クラッド層１１０（厚さ０．５５μｍ）、およびＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１１１（厚さ０．１μｍ）を含んでいる。

最下段や最上段の井戸層１３１に隣接する層（下部隣接層１０４、上部隣接層１０６）は、上述のようにアンドープ状態にされる。

図７の模式的断面図は、本実施例６における活性層１０５の量子井戸構造をより詳細に表している。この活性層１０５は、交互に積層されたアンドープＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１とアンドープ障壁層１３２とが井戸層から開始して井戸層で終了する量子井戸構造を有し、井戸層数３を含んでいる。そして、障壁層１３２は、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ／ＧａＮ／Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎの３層構造を有している。

Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の厚さは、２．５ｎｍに設定された。他方、障壁層１３２に含まれるＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ／ＧａＮ／Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎはそれぞれ１２ｎｍ／８ｎｍ／１２ｎｍの厚さに設定されて、総厚が３２ｎｍに設定された。すなわち、障壁層の総厚は、井戸層に比べて、１２．８倍に設定された。井戸層の厚さを小さな２．５ｎｍに設定し、かつ井戸層に比べて障壁層の厚さを１０倍より大きく設定することによって、発光層における結晶欠陥発生の抑制が確認された。

本実施例６の半導体レーザ素子においてエレクトロルミネッセンス測定を行った結果、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の層厚を２．５ｎｍにしかつその井戸層に比べてＧａＮ障壁層の厚さを１倍以上１０倍以下に設定した素子に比べて、発光強度が数倍増強していることが確認された。すなわち、本実施例６の半導体レーザ素子においても、高発光効率の実現が可能となり、また閾値電流の低減、温度特性の改善、および寿命特性の向上も可能となる。

（実施例７）
本発明の実施例７も、実施例６と同様に上述の実施形態２に対応している。本実施例７によるレーザ素子構造の活性層１０５においては、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１３１の厚さを２．５ｎｍに設定し、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ／ＧａＮ／Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎの３層からなる障壁層１３２の総厚をパラメータとして光閉じ込め係数の算出を行った。その計算結果は図４に類似した傾向を示し、井戸層に対する障壁層の厚さの比率を１０倍より大きくすることによって、１０倍の場合に比べて光閉じ込め係数を１０％程度上昇させることができ、高発光効率のレーザ素子の実現が可能となり、またその閾値電流の低減、温度特性改善、および寿命特性の向上も可能となる。

以上のように、本発明によれば、４３０ｎｍ以上の発光波長を有する窒化物系半導体発光素子において、その発光層中の格子歪に起因する結晶欠陥を減少させることができ、その発光効率を改善することができる。また、その発光素子がレーザ素子の場合には、光閉じ込め係数を増大させることができ、それによっても発光効率を改善することができる。

本発明による窒化物系半導体発光素子の一例を示す模式的断面図である。本発明による窒化物系半導体発光素子に含まれる活性層の量子井戸構造の一例を示す模式的断面図である。本発明による窒化物系半導体発光素子に含まれる活性層の量子井戸構造の他の例を示す模式的断面図である。量子井戸層に対する障壁層の厚さの比率と活性層への光閉じ込め効率との関係を示すグラフである。量子井戸層に対する障壁層の厚さの比率と活性層の平均歪との関係を示すグラフである。本発明による窒化物系半導体発光素子に含まれる活性層の量子井戸構造のさらに他の例を示す模式的断面図である。本発明による窒化物系半導体発光素子に含まれる活性層の量子井戸構造のさらに他の例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１００ｎ型ＧａＮ基板、１０１ｎ型ＧａＮ層、１０２ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）下部クラッド層、１０３ｎ型ＧａＮ下部ガイド層、１０４アンドープのＧａＮまたはＩｎＧａＮの下部隣接層、１０５活性層、１０６アンドープのＧａＮまたはＩｎＧａＮの上部隣接層、１０７第１の層としてのｎ型ＧａＮガイド層、１０８第２の層としてのアンドープＧａＮ層、１０９第３の層としてのｐ型Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層、１１０ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）上部クラッド層、１１１Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層、１３１量子井戸層、１３２障壁層。

Claims

基板上に順次積層された１以上のｎ型窒化物系半導体層、量子井戸構造を有する活性層、および１以上のｐ型窒化物系半導体層を含み、
前記活性層はＩｎＧａＮの量子井戸層とＧａＮまたはＩｎＧａＮの少なくとも一方を含む障壁層とを含みかつ４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の発光波長を有し、
前記井戸層は１．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の小さな厚さを有し、
前記障壁層は前記井戸層の歪に対する緩衝層とし作用し得るように前記井戸層に比べて１０倍より大きくて４５倍以下の厚さを有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
前記活性層は２以上６以下の前記井戸層を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記障壁層の厚さが１２ｎｍより大きくて１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記井戸層のIII族元素中のＩｎ組成比が０．０５以上０．５０以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
前記障壁層のIII族元素中のＩｎ組成比が０．００以上０．２０以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
前記障壁層は互いに異なるＩｎ組成比を有する複数の層を含み、それら複数層のＩｎ組成比は前記井戸層のＩｎ組成比に比べて小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
前記障壁層はＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項６に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記１以上のｎ型窒化物系半導体層はｎ型クラッド層を含み、前記１以上のｐ型窒化物系半導体層はｐ型クラッド層を含み、これらのクラッド層においてIII族元素中のＡｌ組成比が０．０１以上０．１５以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。