JP2009059797A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光波長４３０〜５８０ｎｍの窒化物半導体レーザ素子において、活性層への光閉じ込め効率が向上され、より高い発光効率を有する窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】ｎ型クラッド層と、Ｉｎ_eＧａ_fＮ（ｅ＋ｆ＝１）からなる井戸層および、障壁層から構成される活性層と、ｐ型クラッド層と、を含み、発光波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下である窒化物半導体レーザ素子であって、該ｎ型クラッド層と該活性層との間に、実質的に不純物を含まないＩｎ_aＧａ_bＮ（ａ＋ｂ＝１）の単層からなり、層厚が０．０２〜１．０μｍであるｎ側光ガイド層を備え、該ｎ側光ガイド層のＩｎ組成比ａは、該井戸層のＩｎ組成比より小さく、かつ０．００＜ａ≦０．１０を満足する窒化物半導体レーザ素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、動作波長が４３０〜５８０ｎｍである、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体からなる半導体レーザ素子に関し、より詳しくは、活性層への光閉じ込め効率が向上し、これにより高効率で動作可能な窒化物半導体レーザ素子に関する。

近年、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体は、青色や緑色の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材料として注目され、これを用いた青色や緑色の半導体発光素子の開発が活発に行なわれている。青色や緑色のＬＥＤは既に実用化されている。また、半導体レーザ素子についても、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、発光波長４００ｎｍ程度の光が得られる青紫色半導体レーザ素子が実用化されている。

４００ｎｍより長波長の発光波長を示す純青色または緑色半導体レーザ素子は、ディスプレイ装置の光源や、照明用途としての蛍光体励起光源、また医療用機器への応用に対する期待から、その開発が進められている。

ここで、本発明者らの知見によれば、発光波長が４００ｎｍ付近である場合には、クラッド層材料として用いられるＡｌを含む窒化物半導体（たとえばＡｌＧａＮ）とＧａＮとの間の屈折率差が大きいが、発光波長が４００ｎｍより長波長である純青色（４３０ｎｍ≦発光波長≦４８０ｎｍ）または緑色（４８０ｎｍ＜発光波長≦５８０ｎｍ）の領域では、この屈折率差が小さくなる。したがって、４００ｎｍ付近の発光波長を示す窒化物半導体レーザ素子構造において、発光波長のみを長波長化させた場合、活性層への光の閉じ込めが不十分となり、発光効率が低下する等のレーザ特性の低下が危惧される。純青色または緑色などの長波長帯にて、高性能レーザ素子を実現するためには，この屈折率差の低減が改善され、これにより活性層への光の閉じ込め率を向上させるための設計が必要となる。

活性層への光閉じ込め率の低下を抑制する方法としては、Ａｌを含む窒化物半導体により構成されるクラッド層のＡｌ混晶比を増やすことにより、該クラッド層と活性層との間の屈折率差を増大させる方法を挙げることができる。しかしながら、クラッド層のＡｌ混晶比を増加させると、クラッド層に結晶欠陥である転位が発生し、その上に積層する層の結晶品質の劣化を誘発し、また、レーザ素子抵抗が上昇するという問題が危惧される。

特許文献１には、発光波長が４００〜５４０ｎｍのレーザ素子において、クラッド層と光ガイド層との間の屈折率差を大きくするために、窒化物半導体層の多層構造からなるｐ側光ガイド層およびｎ側光ガイド層を、それぞれ活性層の両側に設けることが記載されており、具体的には、ＩｎＧａＮとＧａＮとの超格子構造からなる光ガイド層が開示されている。しかし、特許文献１に記載の光ガイド層は、多層構造であることから、これらの多層間で屈折率は平均化されてしまい、屈折率差が十分であるとはいえない。

また、特許文献２には、不純物ドープされたＩｎＧａＮまたはＧａＮ層からなる光ガイド層を備える窒化物半導体発光素子が記載されている。しかしながら、光ガイド層に不純物がドーピングされると、光の吸収が大きくなり、レーザ特性に悪影響を及ぼすという問題があった。
特開２０００−１９６２０１号公報 特開２００４−３１９９０号公報

上記したように、純青色または緑色窒化物半導体レーザ素子における高発光効率の実現のためには、活性層への光閉じ込め効率の向上をもたらす、新たなレーザ素子構造の構築が必要である。本発明の目的は、発光波長４３０〜５８０ｎｍの窒化物半導体レーザ素子において、活性層への光閉じ込め効率が向上され、より高い発光効率を有する窒化物半導体レーザ素子を提供することである。

本発明は、ｎ型クラッド層と、Ｉｎ_eＧａ_fＮ（ｅ＋ｆ＝１）からなる井戸層および、障壁層から構成される活性層と、ｐ型クラッド層と、を含み、発光波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下である窒化物半導体レーザ素子であって、該ｎ型クラッド層と該活性層との間に、実質的に不純物を含まないＩｎ_aＧａ_bＮ（ａ＋ｂ＝１）の単層からなり、層厚が０．０２〜１．０μｍであるｎ側光ガイド層を備え、該ｎ側光ガイド層のＩｎ組成比ａは、該井戸層のＩｎ組成比より小さく、かつ０．００＜ａ≦０．１０を満足する窒化物半導体レーザ素子を提供する。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、該活性層と該ｐ型クラッド層との間に、実質的に不純物を含まないＩｎ_cＧａ_dＮ（ｃ＋ｄ＝１）の単層からなり、層厚が０．０２〜１．０μｍであって、そのＩｎ組成比ｃが、該井戸層のＩｎ組成比より小さく、かつ０．００≦ｃ≦０．１０を満足する、ｐ側光ガイド層をさらに備えることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、該ｎ型クラッド層と該ｎ側光ガイド層との間、および／または、該ｐ側光ガイド層と該ｐ型クラッド層との間に、ＧａＮからなる層をさらに備えることが好ましい。

ｎ側光ガイド層のＩｎ組成比ａは、ｎ型クラッド層側から活性層側に向かうに従い大きくなることが好ましい。また、ｐ側光ガイド層のＩｎ組成比ｃは、活性層側からｐ型クラッド層側に向かうに従い小さくなることが好ましい。

本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｎ側光ガイド層の層厚は、ｐ側光ガイド層の層厚より大きいことが好ましい。

上記ｎ型クラッド層は、Ａｌを含む窒化物から構成され、そのＡｌ組成比は、層厚方向においてｎ側光ガイド層側に向かうに従い小さくなることが好ましい。

本発明の窒化物半導体レーザ素子において、井戸層の層厚は１〜４ｎｍであり、かつ、そのＩｎ組成比ｅは、０．０５≦ｅ≦０．５０であることが好ましい。

また、障壁層は、Ｉｎ_gＧａ_hＮ（ｇ＋ｈ＝１）からなり、そのＩｎ組成比ｇは、井戸層のＩｎ組成比ｅより小さく、かつ０．００≦ｇ≦０．２０を満足することが好ましい。障壁層は、Ｉｎ組成比ｇが異なる２以上のＩｎ_gＧａ_hＮ（ｇ＋ｈ＝１、０．００≦ｇ≦０．２０）層より構成されてもよい。障壁層は、Ｉｎ_gＧａ_hＮ（ｇ＋ｈ＝１、ｇ＞０．００）層から構成してもよいし、Ｉｎ_gＧａ_hＮ（ｇ＋ｈ＝１、ｇ＞０．００）層と、ＧａＮ層とを少なくとも有する構成としてもよい。

本発明によれば、発光波長が４３０〜５８０ｎｍである長波長帯窒化物半導体レーザ素子において、光閉じ込め効率を増大させることが可能となる。これにより、高効率動作が可能な、長波長帯窒化物半導体レーザ素子が提供される。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の好ましい一例を示す概略断面図である。図１に示される窒化物半導体発光素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１００の一方の主面上に、Ａｌを含む窒化物からなり、ｎ型不純物をドープさせたｎ型クラッド層１０１と、ＩｎＧａＮからなるｎ側光ガイド層１０２と、活性層１０３と、ｐ側光ガイド層１０４と、ｐ型不純物をドープさせたｐ型ＡｌＧａＮ層１０５と、Ａｌを含む窒化物からなり、ｐ型不純物をドープさせたｐ型クラッド層１０６と、ｐ型不純物をドープさせたＧａＮからなるコンタクト層１０７とをこの順で備える。

（活性層）
活性層１０３の構造を図２〜４を参照して詳細に説明する。図２〜４は、本発明において好ましく用いられる活性層の構造を示す概略断面図である。本発明において活性層１０３は、たとえば図２に示されるように、アンドープ型のＩｎ_eＧａ_fＮ（ｅ＋ｆ＝１）からなる井戸層２０１と、障壁層２０２とを交互に積層した多層量子井戸構造とすることができる。井戸層と障壁層の積層順序は特に制限されず、図２に示されるように、ｎ側光ガイド層１０２およびｐ側光ガイド層１０４に接する層が井戸層となるように積層してもよく、あるいは図３に示されるように、ｎ側光ガイド層１０２およびｐ側光ガイド層１０４に接する層が障壁層となるように積層してもよい。活性層１０３は、動作波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下となるように構成される。

ここで、井戸層の層厚を１ｎｍ以上４ｎｍ以下の範囲とし、かつそのＩｎ組成比ｅを０．０５≦ｅ≦０．５０とすることが好ましい。井戸層の層厚を当該範囲と小さくすることにより、活性層の歪を緩衝する事が出来る。歪は、材料固有の格子定数の違いから生じ、異種材料の界面に生じる。この歪を持つ層を積層する場合、その層厚が厚いほど、界面での歪が蓄積されていく事になる。即ち、高い歪を有する井戸層の層厚を薄くする方が、蓄積される歪の影響を抑制する事が出来る。上記の井戸層層厚に対応し、発光波長が４３０〜５８０ｎｍとなるよう、Ｉｎ組成比ｅを当該範囲内で調整する。

障壁層２０２は、動作波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下となり、障壁層のバンドギャップエネルギーが井戸層よりも大きくなるように構成される限り特に制限されないが、たとえば、アンドープ型のＩｎ_gＧａ_hＮ（ｇ＋ｈ＝１）層とすることができる。ここで、Ｉｎ組成比ｇは０であってもよく、したがって、障壁層２０２は、ＩｎＧａＮ層および／またはＧａＮ層とすることができる。井戸層へ効率的にキャリアを閉じ込め、また同様に光を閉じ込めるためには、障壁層のＩｎ組成比ｇは、井戸層のＩｎ組成比ｅより小さく、かつ０．００≦ｇ≦０．２０の範囲内であることが好ましい。

障壁層は、０．００≦ｇ≦０．２０を満たす範囲内において、Ｉｎ組成比ｇが異なる２以上のアンドープ型ＩｎＧａＮ層より構成されてもよい。また、たとえば図４に示されるように、アンドープ型ＩｎＧａＮ層とともに、アンドープ型ＧａＮ層を含んでいてもよい。これにより、活性層の歪が軽減され得る。図４は、アンドープ型のＩｎＧａＮ井戸層２０１と、アンドープ型のＩｎＧａＮ層２０２ａ／ＧａＮ層２０２ｂ／ＩｎＧａＮ層２０２ａより構成される障壁層とを交互に積層してなる３重量子井戸構造の活性層を示すものである。なお、障壁層は、動作波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下となり、障壁層のバンドギャップエネルギーが井戸層よりも大きくなるように構成される限り、上記したものに限るものではなく、たとえばＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）やＩｎＡｌＧａＮ等の窒化物半導体が用いられてもよい。

（光ガイド層）
ｎ型クラッド層１０１と活性層１０３との間に設けられたｎ側光ガイド層１０２は、実質的に不純物を含まないＩｎ_aＧａ_bＮ（ａ＋ｂ＝１）の単層からなる。「実質的に不純物を含まない」とは、積極的な導電性不純物の添加がない（アンドープ）ことを意味する。また、「単層」とは、多層構造を有しておらず、一つの層からなることを意味する。ただし、後述するように、その一つの層内において、Ｉｎ組成比が変化していてもよい。ｐ側光ガイド層１０４についても同様である。

ｎ側光ガイド層のＩｎ組成比ａは、上記井戸層のＩｎ組成比ｅより小さく、かつ０．００＜ａ≦０．１０の範囲内に調整される。これは、活性層に効率的にキャリアを閉じ込め、また、同様に光を閉じ込める事を目的とするためである。すなわち、ｎ側光ガイド層のＩｎ組成比ａが井戸層のＩｎ組成比ｅ以上であると、ｎ側光ガイド層にて、キャリアが捕獲される可能性や、光の強度分布に悪影響を与える可能性が生まれる。また、Ｉｎ組成比ａが０．１０を超えると、格子定数の違いによる歪が大きくなり、たとえば、２０ｎｍ程度まで厚く積層した場合、蓄積した歪による欠陥が危惧される。また、同様に結晶成長中に起こるＩｎ偏析の影響が大きくなり、非発光領域が増大し、発光効率の低下が危惧される。

また、ｎ側光ガイド層１０２の層厚は、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下の範囲内に調整される。層厚が０．０２μｍ未満では、光ガイドとしての効果としては不十分となり、また、１．０μｍを超えると、厚膜化による、蓄積歪が大きくなり、結晶品質劣化が危惧される。ｎ側光ガイド層１０２の層厚は、光の閉じ込め効果や結晶品質の観点から、より好ましくは０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である。以上のような構成のｎ側光ガイド層を設けることにより、発光波長４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の長波長帯窒化物半導体レーザ素子において、光閉じ込め効率を向上させることができ、これにより発光効率の高い窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。また、層構造全体の歪が低減されるため、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子の実現が期待される。さらに、ｎ側光ガイド層には、不純物がドープされていないため、光ガイド層による光の吸収が小さく、したがって、発光効率が低下する等のレーザ特性の低下を防止することができる。

本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、活性層１０３とｐ型クラッド層１０６との間に、実質的に不純物を含まない（アンドープ型の）Ｉｎ_cＧａ_dＮ（ｃ＋ｄ＝１）の単層からなるｐ側光ガイド層１０４をさらに有する。ここで、ｐ側光ガイド層のＩｎ組成比ｃは、ｎ側光ガイド層と同様の理由から、上記井戸層のＩｎ組成比ｅより小さく、かつ０．００≦ａ≦０．１０の範囲内に調整される。ｐ側光ガイド層の屈折率を、ｎ側光ガイド層よりも低くすると、光の分布をｎ側に偏らせる事ができる。すなわち、光の吸収の影響が大きいｐ側への光の分布を抑制する設計が可能となる。この様な理由から、ｎ側光ガイド層とは異なり、Ｉｎを含んでいない構成も可能であり、したがってｐ側光ガイド層は、ＩｎＧａＮまたはＧａＮの単層から構成される。また、ｐ側光ガイド層１０４の層厚は、ｎ側光ガイド層と同様の理由から、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下の範囲内に調整される。好ましくは０．０５μｍ以上０．５μｍ以下である。ｎ側光ガイド層とともに、活性層１０３とｐ型クラッド層１０６との間に、ｐ側光ガイド層を設けることにより、さらなる光閉じ込めの向上を図ることが可能となり、より発光効率の高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。さらに、ｐ側光ガイド層には、不純物がドープされていないため、光ガイド層による光の吸収が小さく、したがって、発光効率が低下する等のレーザ特性の低下を防止することができる。なお、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、必ずしもｐ側光ガイド層を有していなくてもよいが、当該理由からｐ側光ガイド層を設けることが好ましい。

図５は、ｎ側光ガイド層およびｐ側光ガイド層のＩｎ組成（％）と光閉じ込め係数比（計算値）との関係を示す図である。光閉じ込め係数比は、ｎ側光ガイド層およびｐ側光ガイド層をともにＧａＮ層（すなわち、Ｉｎ組成０％）としたときの値を１００として規格化したものである。当該計算結果より、ｎ側光ガイド層およびｐ側光ガイド層のＩｎ組成を３．０％まで上げる、すなわちＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層を用いることにより、屈折率の上昇によって、光閉じ込め係数を１０％以上向上させることがわかる。光閉じ込め係数の向上により、より高効率の動作が可能となり、また、素子構造が有する蓄積歪が低減されるため、素子の信頼性が向上する。

本発明においては、ｎ側光ガイド層１０２の層厚を、ｐ側光ガイド層１０４の層厚より大きくすることが好ましい。かかる構成により、光の電界分布を基板側にシフトさせることが可能となる。すなわち、光吸収が比較的大きいｐ型不純物をドープさせたｐ型ＡｌＧａＮ層１０５やｐ型不純物をドープさせたｐ型クラッド層１０６と光の電界分布との重なりが減少し、これらｐ型ドーピングされた層への光の染み出しが抑制されるため、光の損失が低減し、発光効率向上をもたらすことができる。

ｎ側光ガイド層のＩｎ組成比ａは、その層内において変化してもよい。Ｉｎ組成比ａは、たとえば図６に示されるＢあるいはＣのように、ｎ型クラッド層側から活性層側に向かうに従い小さくなってもよいし、または、図６に示されるＤあるいはＥのように、ｎ型クラッド層側から活性層側に向かうに従い大きくなってもよいが、後者がより好ましい。後者の構成によれば、ｎ型クラッド層とｎ側光ガイド層とのヘテロ界面における格子不整合に起因する欠陥を抑制することができ、結晶品質を向上させることができるためである。これにより、高効率動作が可能となり、また、高い信頼性を有する窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。

同様に、ｐ側光ガイド層のＩｎ組成比ｃは、その層内において変化してもよい。この場合、活性層側からｐ型クラッド層側に向かうに従い、Ｉｎ組成比ｃは小さくなることが好ましい。かかる構成によれば、ｐ側光ガイド層とｐ型クラッド層等とのヘテロ界面における格子不整合に起因する欠陥を抑制することができ、結晶品質を向上させることができるためである。これにより、高効率動作が可能となり、また、高い信頼性を有する窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。

ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５は、ｐ型不純物をドープさせたＡｌ_mＧａ_nＮ（ｍ＋ｎ＝１）からなる層であって、構造としては、活性層からのキャリアの漏れを抑制する障壁層として機能する。また、結晶成長の観点からは、活性層成長後の昇温時に、活性層のＩｎ原子の蒸発を抑制する蒸発防止層として機能する。Ａｌ組成比ｍは、特に制限されないが、キャリア漏れ抑制の障壁層としての観点からは、０．１０≦ｍ≦０．５０とすることが好ましい。層厚は、特に制限されず、たとえば０〜１００ｎｍ、好ましくは５〜３０ｎｍである。なお、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５は、適宜省略することが可能である。

ｎ型クラッド層１０１およびｐ型クラッド層１０６は、それぞれｎ型不純物、ｐ型不純物をドープさせた、Ａｌを含む窒化物からなる。Ａｌを含む窒化物としては、具体的には、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等を挙げることができる。ｎ型クラッド層１０１およびｐ型クラッド層１０６の層厚は特に制限されないが、０．１〜５．０μｍ程度とすることができる。

基板１００は、積層する窒化物半導体層に対する格子不整合を抑制する観点から、ＧａＮ基板とすることが好ましいが、ＡｌＧａＮ基板を用いることもできる。ＧａＮまたはＡｌＧａＮ基板の主面としては、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面のほか、｛１１−１２｝面等の非極性面を用いてもよい。

ここで、本発明の窒化物半導体レーザ素子においては、該レーザ素子を構成する層構造全体の蓄積歪ε（％）ができるだけ小さいことが望ましい。これにより、寿命特性が向上する等の信頼性の高いレーザ素子の実現が可能となる。具体的には、層構造全体の蓄積歪εは、±０．５％以下であることが望ましく、±０．２％以下であることがより望ましい。層構造全体の蓄積歪ε（％）は、窒化物半導体レーザ素子を構成する各層の歪ε_Aの総和であり、各層の歪ε_Aは、下記式（１）により計算される。
ε_A＝（ｄ_A−ｄ_GaN）×Ｌ_A×１００／ｄ_GaN （％） （１）
ここで、ｄ_Aはその層を形成する窒化物半導体の格子定数、ｄ_GaNはＧａＮの格子定数、Ｌ_Aはその層の層厚を示す。

したがって、上記望ましい蓄積歪εを実現するためには、各層の歪ε_Aをそれぞれできるだけ小さくすることが望ましい。このような観点からも、本発明においては、ｎ側光ガイド層をＩｎＧａＮより構成しており、また、ｐ側光ガイド層を設ける場合においては、ｐ側光ガイド層についても、ＩｎＧａＮより構成することが好ましい。さらに、ｎ型クラッド層および／またはｐ型クラッド層のＡｌ組成比はより小さいことが好ましい。具体的には、ｎ型クラッド層および／またはｐ型クラッド層がＡｌ_rＧａ_sＮ層（ｒ＋ｓ＝１）からなる場合、Ａｌ組成比ｒは、０．１５以下とすることが好ましい。一般に、Ａｌを含む窒化物半導体の＜１１−２０＞方向における格子定数は、ＧａＮの格子定数より小さくなり、Ｉｎを含む窒化物半導体の格子定数は、ＧａＮの格子定数より大きくなる。したがって、ｎ側光ガイド層およびｐ側光ガイド層をＩｎＧａＮ層とし、クラッド層のＡｌ組成比を低減することにより、ｎ側光ガイド層およびｐ側光ガイド層がクラッド層に対し、歪補償層として作用し、結果、層構造全体の蓄積歪εを低減することができる。また、上記式（１）からもわかるように、各層の歪ε_Aを小さくするためには、各層の層厚はできるだけ小さいことが好ましい。

次に、図１に示される窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明する。図１に示される窒化物半導体レーザ素子は、基本的には、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電極蒸着を行ない作製することができる。ここで、ｎ側光ガイド層およびｐ側光ガイド層については、その層厚を０．０７５μｍ以上とする場合には、ある層厚毎（たとえば、０．０２５μｍ毎）に、成長中断工程を導入する方法が好ましく用いられる。すなわち、Ｉｎおよび／またはＧａを含むＩＩＩ族原料とアンモニアガス、および窒素と水素とからなるキャリアガスを供給して、ｎ側光ガイド層またはｐ側光ガイド層を、ある層厚分だけ積層する工程を実施した（たとえば、層厚０．０２５μｍ）後、上記ＩＩＩ族原料の供給を停止するとともに、アンモニアガスおよび、窒素と水素とからなるキャリアガスを供給して成長中断工程を実施する。光ガイド層を積層する成長工程中に、水素をキャリアガスとして供給している。これは、光ガイド層を成長する際、厚いＩｎＧａＮ層（０．０２〜１．０μｍ）の結晶品質向上を目的としている。以上の工程を、たとえば３回繰り返すとことによって、層厚０．０７５μｍの厚いｎ側またはｐ側光ガイド層を得ることができる。

ＩｎＧａＮまたはＧａＮ単層からなる厚い光ガイド層（０．０２〜１．０μｍ）を積層するために、上記のような成長中断工程を設けることなく積層を行なうと、転位が発生したり、表面モフォロジーが悪化（平坦な表面が得られない）してしまうという問題があるが、上記のような製造方法を用いると、ＩｎＧａＮまたはＧａＮ単層からなる厚い光ガイド層であっても、平坦な表面が維持され、結晶性も良好となる。

＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の別の好ましい一例を示す概略断面図である。図７に示される窒化物半導体発光素子は、ｎ型不純物をドープさせたｎ型クラッド層７０１とＩｎＧａＮからなるｎ側光ガイド層７０２との間に、ＧａＮ層７１０を有すること以外は、上記第１の実施形態と同様である。ＧａＮ層７１０は、ｎ型クラッド層７０１およびＩｎＧａＮからなるｎ側光ガイド層７０２に接して形成される。ＧａＮ層７１０を設けることにより、光の電界分布を調整することがことが可能となり、基板側への光漏れを抑制し、活性層への光の閉じ込めを図ることができる。これにより、発光効率のより高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。

ＧａＮ層７１０の層厚は、基板への光の漏れや活性層への光と閉じ込めと言った、光の分布制御の観点から、０．０５〜１．０μｍとすることが好ましく、０．１〜０．５μｍとすることがより好ましい。また、ＧａＮ層は、導電性不純物がドープされていない（アンドープの）ＧａＮ層であってもよく、ｎ型不純物がドープされたＧａＮ層であってもよいが、導電性向上の理由から、ｎ型不純物がドープされている方が好ましい。発光効率をより高めることを目的として、ｐ側光ガイド層７０４とｐ型クラッド層７０６との間に、さらに同様のＧａＮ層を設けてもよい。この際、ｐ型ＡｌＧａＮ層７０５が設けられる場合には、ｐ側光ガイド層７０４とＧａＮ層の間、もしくは、ＧａＮ層とｐ型クラッド層７０５の間に設けることが出来る。キャリア漏れ抑制の観点から、ｐ側光ガイド層７０４とＧａＮ層の間の設ける方がより好ましい。

＜第３の実施形態＞
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、図１を参照して、ｎ型クラッド層１０１が下記に示すような組成傾斜構造を有する点を除いては、上記第１の実施形態と同様の構造である。すなわち、ｎ型クラッド層１０１は、その層厚方向において、ｎ側光ガイド層１０２に向かうに従い、Ａｌ組成比が小さくなるように構成される。このような組成傾斜構造とすることにより、ｎ型クラッド層とｎ側光ガイド層とのヘテロ界面における格子不整合に起因する欠陥を抑制することができ、結晶品質を向上させることができる。これにより、より高効率な動作が可能となり、また、高い信頼性を有する窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。

本実施形態においてｎ型クラッド層は、Ａｌ_rＧａ_sＮ層（ｒ＋ｓ＝１）とすることができる。ｎ型クラッド層の層厚は、特に制限されないが、たとえば０．１〜５．０μｍであり、好ましくは０．３〜３．０μｍである。Ａｌ組成比ｒは、０．００＜ｒ≦０．１０の範囲内で変化させることができる。なお、ｎ型クラッド層は、Ａｌ_rＧａ_sＮ層（ｒ＋ｓ＝１）に限定されるものではなく、たとえば超格子構造であってもよい。

本実施形態においては、ｎ型クラッド層を組成傾斜構造とするとともに、ｎ側光ガイド層１０２についても組成傾斜構造とすることが好ましい。ｎ側光ガイド層の組成傾斜構造は、上記したように、その層厚方向において、活性層に向かうに従いＩｎ組成比ａが大きくなる構造であることがより好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
以下の手順で、図１に示される窒化物半導体レーザ素子を作製した。本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、波長４４０〜４５０ｎｍで動作する。ｎ型ＧａＮ基板１００上に、ケイ素（Ｓｉ）をドープさせたＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎからなるｎ型クラッド層１０１（層厚２．５μｍ）、アンドープ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｎ側光ガイド層１０２（層厚０．１２５μｍ）、活性層１０３、アンドープ型のＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｐ側光ガイド層１０４（層厚７５ｎｍ）、マグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層１０５（層厚２０ｎｍ）、マグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎからなるｐ型クラッド層１０６（層厚０．５５μｍ）、およびマグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＧａＮコンタクト層１０７（層厚０．１μｍ）をこの順で形成した。ｎ側光ガイド層１０２およびｐ側光ガイド層１０４の形成にあたっては、０．０２５μｍ厚毎に成長中断を施し、層形成を行なった。活性層１０３は、図４に示されるような、Ｉｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなる井戸層（層厚３．０ｎｍ）と、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ（層厚６．０ｎｍ）／ＧａＮ（層厚４．０ｎｍ）／Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ（層厚６．０ｎｍ）の３層からなる障壁層とを交互に積層した３層量子井戸構造（活性層全体の層厚４１ｎｍ）とした。

＜実施例２＞
以下の手順で、図７に示される窒化物半導体レーザ素子を作製した。本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、波長４４０〜４５０ｎｍで動作する。ｎ型ＧａＮ基板７００上に、ケイ素（Ｓｉ）をドープさせたＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎからなるｎ型クラッド層７０１（層厚２．５μｍ）、ｎ型不純物がドープされたＧａＮ層７１０（層厚０．２μｍ）、アンドープ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｎ側光ガイド層７０２（層厚０．１２５μｍ）、活性層７０３、アンドープ型のＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｐ側光ガイド層７０４（層厚７５ｎｍ）、マグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層７０５（層厚２０ｎｍ）、マグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎからなるｐ型クラッド層７０６（層厚０．５５μｍ）、およびマグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＧａＮコンタクト層７０７（層厚０．１μｍ）をこの順で形成した。ｎ側光ガイド層７０２およびｐ側光ガイド層７０４の形成にあたっては、０．０２５μｍ厚毎に成長中断を施し、層形成を行なった。活性層７０３は、図４に示されるような、Ｉｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなる井戸層（層厚３．０ｎｍ）と、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ（層厚６．０ｎｍ）／ＧａＮ（層厚４．０ｎｍ）／Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ（層厚６．０ｎｍ）の３層からなる障壁層とを交互に積層した３層量子井戸構造（活性層全体の層厚４１ｎｍ）とした。ＧａＮ層７１０の導入により、基板側への光の漏れが抑制され、発光効率が向上した。

＜実施例３＞
Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層７０５とｐ型クラッド層７０６との間に、アンドープのＧａＮ層（層厚０．２μｍ）を形成したこと以外は、実施例２と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。当該ＧａＮ層の導入により、光の吸収が比較的大きいｐ型クラッド層７０６への光の漏れが抑制され、発光効率が向上した。

＜実施例４＞
以下の手順で、波長４４０〜４５０ｎｍで動作する窒化物半導体レーザ素子を作製した。図７を参照して説明する。ｎ型ＧａＮ基板７００上に、ケイ素（Ｓｉ）をドープさせたｎ型クラッド層７０１（層厚２．５μｍ）、ｎ型不純物がドープされたＧａＮ層７１０（層厚０．２μｍ）、アンドープ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｎ側光ガイド層７０２（層厚０．１２５μｍ）、活性層７０３、アンドープ型のＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｐ側光ガイド層７０４（層厚７５ｎｍ）、マグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層７０５（層厚２０ｎｍ）、マグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎからなるｐ型クラッド層７０６（層厚０．５５μｍ）、およびマグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＧａＮコンタクト層７０７（層厚０．１μｍ）をこの順で形成した。ｎ側光ガイド層７０２およびｐ側光ガイド層７０４の形成にあたっては、０．０２５μｍ厚毎に成長中断を施し、層形成を行なった。活性層７０３は、図４に示されるような、Ｉｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなる井戸層（層厚３．０ｎｍ）と、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ（層厚７．０ｎｍ）／ＧａＮ（層厚２．０ｎｍ）／Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ（層厚７．０ｎｍ）の３層からなる障壁層とを交互に積層した３層量子井戸構造（活性層全体の層厚４１ｎｍ）とした。

ここで、ｎ型クラッド層７０１の厚さ２．５μｍのうち、基板７００側の１．５μｍは、Ａｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎから構成し、ｎ型クラッド層７０１のうち、活性層７０３に近い側の１．０μｍについては、活性層７０３に向かうに従い、Ａｌ組成を６．０％（すなわち、Ａｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ）から０．０％（すなわち、ＧａＮ）へと減少する組成傾斜構造を導入した。また、ｎ側光ガイド層７０２については、ｎ型クラッド層７０１側から活性層７０３側に向かうに従い、Ｉｎ組成比が、図２のＥに示すような組成プロファイルにより、０．０％（Ｉｎ組成比ａ＝０）から３．０％（Ｉｎ組成比ａ＝０．０３）へと増加する組成傾斜構造を適用した。以上のような組成傾斜構造の適用により、寿命特性が改善した。これは、界面の歪が低減されたことに起因すると考えられる。

＜実施例５＞
以下の手順で、図１に示される窒化物半導体レーザ素子を作製した。本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、波長４４０〜４５０ｎｍで動作する。ｎ型ＧａＮ基板１００上に、ケイ素（Ｓｉ）をドープさせたＡｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｎ型クラッド層１０１（層厚２．５μｍ）、アンドープ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｎ側光ガイド層１０２（層厚０．１０μｍ）、活性層１０３、アンドープ型のＧａＮからなるｐ側光ガイド層１０４（層厚５０ｎｍ）、マグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ層１０５（層厚２０ｎｍ）、マグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＡｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなるｐ型クラッド層１０６（層厚０．５５μｍ）、およびマグネシウム（Ｍｇ）をドープさせたＧａＮコンタクト層１０７（層厚０．１μｍ）をこの順で形成した。ｎ側光ガイド層１０２の形成にあたっては、０．０２５μｍ厚毎に成長中断を施し、層形成を行なった。活性層１０３は、図８に示される構造を有する。すなわち、Ｉｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなる井戸層８０１（層厚３．０ｎｍ）と、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層８０２ａ（層厚６．０ｎｍ）／ＧａＮ層８０２ｂ（層厚４．０ｎｍ）／Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層８０２ｃ（層厚６．０ｎｍ）の３層からなる障壁層８０２とを交互に積層し、最下部および最上部にＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層８０３（層厚２５ｎｍ）を配した３層量子井戸構造とした。

＜比較例１＞
ｎ型クラッド層１０１およびｐ型クラッド層１０６をＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ｎより構成し、ｎ側光ガイド層１０２をアンドープ型のＧａＮより構成したこと以外は、実施例５と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。

図９および図１０は、それぞれ実施例５および比較例１の窒化物半導体レーザ素子における、上記式（１）に基づく蓄積歪εの計算結果を示すグラフであり、蓄積歪ε（％）を、合計層厚（ｎ型クラッド層からｐ型コンタクト層までの合計層厚）に対してプロットしたものである。ｎ側光ガイド層としてＩｎＧａＮ層を用い、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比を低くすることにより、蓄積歪εを−０．２％以下に抑制できることがわかった。光ガイド層をＩｎＧａＮにすることにより、ＧａＮに対して屈折率が上がるため、クラッド層のＡｌ組成比を低減することが可能である。具体的には、光閉じ込め係数をほぼ同等にした場合、クラッド層のＡｌ組成比を３．０％程度まで低減可能である。

実施例５および比較例１の窒化物半導体レーザ素子について寿命測定を行なったところ、実施例５の窒化物半導体レーザ素子は、寿命特性が改善されていることがわかった。これは、層構造全体が有する蓄積歪が低減したためであると考えられる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の窒化物半導体レーザ素子の好ましい一例を示す概略断面図である。 本発明において好ましく用いられる活性層の構造を示す概略断面図である。 本発明において好ましく用いられる活性層の構造を示す概略断面図である。 本発明において好ましく用いられる活性層の構造を示す概略断面図である。 ｎ側光ガイド層およびｐ側光ガイド層のＩｎ組成（％）と光閉じ込め係数比（計算値）との関係を示す図である。 ｎ側光ガイド層中のＩｎ組成プロファイルの例を示す図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の別の好ましい一例を示す概略断面図である。 実施例５に記載の窒化物半導体レーザ素子における活性層の構造を示す概略断面図である。 実施例５の窒化物半導体レーザ素子における、蓄積歪εの計算結果を示すグラフである。 比較例１の窒化物半導体レーザ素子における、蓄積歪εの計算結果を示すグラフである。

符号の説明

１００ 基板、１０１ ｎ型クラッド層、１０２ ｎ側光ガイド層、１０３ 活性層、１０４ ｐ側光ガイド層、１０５ ｐ型ＡｌＧａＮ層、１０６ ｐ型クラッド層、１０７ コンタクト層、２０１，８０１ 井戸層、２０２，８０２，８０３ 障壁層、７１０ ＧａＮ層。

Claims (12)

1. ｎ型クラッド層と、
   Ｉｎ_eＧａ_fＮ（ｅ＋ｆ＝１）からなる井戸層および、障壁層から構成される活性層と、
   ｐ型クラッド層と、を含み、発光波長が４３０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下である窒化物半導体レーザ素子であって、
   前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に、実質的に不純物を含まないＩｎ_aＧａ_bＮ（ａ＋ｂ＝１）の単層からなり、層厚が０．０２〜１．０μｍであるｎ側光ガイド層を備え、
   前記ｎ側光ガイド層のＩｎ組成比ａは、前記井戸層のＩｎ組成比ｅより小さく、かつ０．００＜ａ≦０．１０を満足する、窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、実質的に不純物を含まないＩｎ_cＧａ_dＮ（ｃ＋ｄ＝１）の単層からなり、層厚が０．０２〜１．０μｍであるｐ側光ガイド層をさらに備え、
   前記ｐ側光ガイド層のＩｎ組成比ｃは、前記井戸層のＩｎ組成比ｅより小さく、かつ０．００≦ｃ≦０．１０を満足する、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記ｎ型クラッド層と前記ｎ側光ガイド層との間に、ＧａＮからなる層をさらに備える請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記ｐ側光ガイド層と前記ｐ型クラッド層との間に、ＧａＮからなる層をさらに備える請求項２または３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記ｎ側光ガイド層のＩｎ組成比ａは、前記ｎ型クラッド層側から前記活性層側に向かうに従い大きくなる請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記ｐ側光ガイド層のＩｎ組成比ｃは、前記活性層側から前記ｐ型クラッド層側に向かうに従い小さくなる請求項２〜５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記ｎ側光ガイド層の層厚は、前記ｐ側光ガイド層の層厚より大きい請求項２〜６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記ｎ型クラッド層は、Ａｌを含む窒化物から構成され、
   そのＡｌ組成比は、層厚方向において前記ｎ側光ガイド層側に向かうに従い小さくなる請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記井戸層の層厚は１〜４ｎｍであり、かつ、
   前記井戸層のＩｎ組成比ｅは、０．０５≦ｅ≦０．５０である請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
10. 前記障壁層は、Ｉｎ_gＧａ_hＮ（ｇ＋ｈ＝１）からなり、
    前記障壁層のＩｎ組成比ｇは、前記井戸層のＩｎ組成比ｅより小さく、かつ０．００≦ｇ≦０．２０を満足する、請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
11. 前記障壁層は、Ｉｎ組成比ｇが異なる２以上のＩｎ_gＧａ_hＮ（ｇ＋ｈ＝１）層より構成され、
    前記障壁層のＩｎ組成比ｇは、０．００≦ｇ≦０．２０を満足する、請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
12. 前記障壁層は、Ｉｎ_gＧａ_hＮ（ｇ＋ｈ＝１、ｇ＞０．００）層と、ＧａＮ層とを少なくとも有する請求項１１に記載の窒化物半導体レーザ素子。

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