JP2009259953A

JP2009259953A - 窒化物半導体レーザ素子

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Publication number: JP2009259953A
Application number: JP2008105742A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ueda; 吉裕上田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】本発明は、窒化物半導体レーザの活性層において生じるＩｎ組成不均一を抑制し、非発光中心となる欠陥を低減させ、素子の寿命を改善する。
【解決手段】ｎ型窒化物半導体からなる第１の層と、ｐ型窒化物半導体からなる第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられる、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層とにより構成される多重量子井戸構造の発光層とを少なくとも備える窒化物半導体レーザ素子であって、井戸層および障壁層の少なくともいずれか一方に、ＧａＮからなる補償層を１層以上含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子に関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、４０５ｎｍ以上の波長域において好適な窒化物半導体レーザ素子である。

近年、窒化物系半導体レーザを用いた大容量記録を目的とした光ディスクシステムが実用段階に入っている。これら新規の光ディスクシステムにおいては、更なる書込み情報の高密度化（たとえば、２層ディスクへの対応）および正確な高速書込みを可能とするために、信頼性の高い高出力の青色発光半導体レーザが必要とされている。また、照明や、プロジェクタのディスプレイなどにおいても、窒化物系半導体を用いた発光素子が求められている。光ディスク用としては、波長４０５ｎｍ近傍の青紫色レーザが、ディスプレイ用として、４４５ｎｍ近傍の純青および５５０ｎｍ近傍の純緑レーザおよびＬＥＤ（発光ダイオード）が、照明やディスプレイ用としては、４０５ｎｍ近傍および４５０ｎｍ近傍のレーザおよびＬＥＤが適している。

従来の窒化物系半導体レーザ素子の構造は、一般に、図９に示す構造を有する。図９（ａ）は従来の窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示し、図９（ｂ）はその発光層の断面構造を拡大して示すものであり、図９（ｃ）は窒化物半導体レーザ素子の斜視図である。図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、基板９０１の上にｎ型ＧａＮ層９０２、光閉じ込め作用を担うｎ型ＡｌＧａＮクラッド層９０３、活性層９０５近傍へ光を分布させるｎ型ＧａＮ光ガイド層９０４、Ｉｎ組成比の異なるＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層９０５、活性層へのキャリア閉じ込めを向上させるｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層９０６、活性層９０５近傍へ光を分布させるｐ型ＧａＮ光ガイド層９０７、光閉じ込めの作用を担うｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９０８および、ｐ型ＧａＮコンタクト層９０９を順次エピタキシャル成長により積層させた構造を有する。また、通常、ＲＩＥなどのドライエッチングにより形成された、横方向に光を閉じ込めるためのリッジ９１０と、電流を注入するためのｎ型電極９１１およびｐ型電極９１２が真空蒸着される。このような断面構造のレーザ素子は、図９の奥行き方向に数百μｍの厚さで劈開され、劈開面が光共振器となる。劈開面には、表裏端面の反射率を向上させるための誘電体多層膜からなるＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜９１３およびＨＲ（ＨｉｇｈＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜９１４が真空蒸着により形成され、チップ化される。通常、チップは、放熱のため、熱伝導率の高いサブマウントにマウントされ、さらにステムに封入してレーザ素子が完成する。

上記高密度化、高速書込みなどの性能を向上させるために、上記構造からなる素子において、多重量子井戸構造の発光層がＩｎＧａＮからなり、ｐ型のＡｌＧａＮクラッド層を有するレーザ素子が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。また、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ））活性層の形成をＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成する際に、特定の成長温度条件としてＭＱＷ活性層のＩｎＧａＮの組成を層厚方向に変化させ、４５０ｎｍ近傍で発光するレーザ素子の性能を向上させる方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

一般に、ディスプレイ用素子や照明用光源などにおいては、青から緑にかけての比較的長波長で発光し、かつ高出力、高効率、長寿命であるという特性が求められる。そのため、これらの用途に半導体素子を適用する場合、光ディスク用光源の場合と比較して長波長で発光させるために、活性層のＩｎ組成比を高くする必要がある。また、高出力化および高効率化のため、活性層において非発光中心となる欠陥の低減および、駆動電圧の低減等が必要となる。

しかしながら、非特許文献１や特許文献１に提案されている従来のレーザ素子においては、Ｉｎ組成比の増加と共に活性層の品質が低下し、レーザ素子の出力や効率や寿命などに問題があった。これは、次のような事実によるものであることがわかっている。すなわち、可視光領域の発光波長を得るためにはＩｎを含む混晶が必要であり、発光波長が長くなるに従い、混晶におけるＩｎ組成比を高くする必要がある。しかしながら、窒化物系半導体は、ＧａＡｓなどの他のＩＩＩ−Ｖ族半導体と比べて、Ｖ族元素である窒素のイオン半径が特異的に小さいため、強いイオン結合性を有しており、結合の相手となるＩＩＩ族元素とのイオン半径の違いによって組成の不均一化を生じやすい傾向がある。そのため、ＧａやＡｌに比べてイオン半径の大きいＩｎの組成比が増加するに従い、混晶における空間的な組成の不均一化あるいは相分離を引き起こしやすくなる。このように活性層において、組成の不均一化あるいは相分離を生じると、発光波長の空間的な変動，欠陥の増加による非発光中心の増加による素子特性の低下を招くこととなる。
特開２００４−８７５６５号公報Ｓ．Ｎａｇａｈａｍａｅｔａｌ．、"Ｈｉｇｈ−ＰｏｗｅｒａｎｄＬｏｎｇ−ＬｉｆｅｔｉｍｅＩｎＧａＮＭｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−ＷｅｌｌＬａｓｅｒＤｉｏｄｅｓＧｒｏｗｎｏｎＬｏｗ−Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ−ＤｅｎｓｉｔｙＧａＮＳｕｂｓｔｒａｔｅｓ"、ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、日本、社団法人応用物理学会、２０００年７月、第３９巻、６４７−６５０頁

本発明は上記問題に鑑みなされたものであって、窒化物半導体レーザにおいて、特に４０５ｎｍより長い波長域に必要となる活性層のＩｎ組成の不均一あるいは相分離を低減し、高出力、高効率かつ長寿命である半導体レーザ素子を提供し、また、該半導体レーザ素子から構成される半導体装置、およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、ｎ型窒化物半導体からなる第１の層と、ｐ型窒化物半導体からなる第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられる、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層とにより構成される多重量子井戸構造の発光層とを少なくとも備える窒化物半導体レーザ素子であって、井戸層および障壁層の少なくともいずれか一方に、ＧａＮからなる補償層を１層以上含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子に関する。

上記補償層は、その厚さが１．５ｎｍ以下であることが好ましい。
上記井戸層に補償層を含む場合は、井戸層全体におけるＩｎ組成比が８％以上であることが好ましい。

また、上記井戸層におけるＩｎは、その組成が層厚方向において一定であることが好ましい。

また、上記井戸層に補償層を含む場合は、井戸層における欠陥密度を５．０×１０⁴ｃｍ^-2以下とすることができる。

本発明は、Ｉｎを組成として含む活性層にＧａＮからなる補償層を設けることにより、４０５ｎｍ以上の波長域で必要とされる高いＩｎ組成比を有する活性層を高品質で作製し、高出力かつ長期間にわたって安定動作する窒化物半導体レーザ素子を得ることを可能とする。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本発明の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。

＜窒化物半導体レーザ素子＞
本発明の代表的な窒化物半導体レーザ素子の構造を図１に示す。図１（ａ）は窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示し、図１（ｂ）はその発光層の断面構造を示すものであり、図１（ｃ）は窒化物半導体レーザ素子の斜視図である。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型窒化物半導体からなる第１の層と、ｐ型窒化物半導体からなる第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられる、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層とにより構成される多重量子井戸構造の発光層とを少なくとも備える。

上記ｎ型窒化物半導体からなる第１の層は、ＧａＮ基板上に設けられる層であり、図１（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層１０２と、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３と、ｎ型ＧａＮガイド層１０４とを備える。

また、上記ｐ型窒化物半導体からなる第２の層は、後述の発光層上に設けられ、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０６と、ｐ型ＧａＮガイド層１０７と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８と、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とを備える。

＜発光層＞
本発明における多重量子井戸活性層（単に活性層または発光層という）は、上記第１の層と第２の層との間に設けられ、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層とＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層とにより構成される多重量子井戸構造を有する層である。

上記発光層全体の厚みは特に限定されるものではないが、０．０１μｍ〜０．０４μｍとすることが好ましい。発光層の厚みが０．０１μｍ未満の場合は、発光層の体積不足により光学ゲイン（光増幅率）が低下して良好な発振状態が得られ難い傾向があり、０．０４μｍを超える場合は、発光層内に均一にキャリア注入することが難しくなる傾向がある。

上記発光層は、通常、ｎ型ＧａＮ光ガイド層上に、障壁層１０５ａ／井戸層１０５ｂ／障壁層１０５ａ／井戸層１０５ｂ／障壁層１０５ａのように、障壁層１０５ａと井戸層１０５ｂとがこの順で繰り返し形成され、所望の積層数を得るよう繰り返された後に発光層の最上面に障壁層１０５ａが形成されるが（たとえば、図１（ｂ）参照）、井戸層１０５ｂ／障壁層１０５ａ／井戸層１０５ｂ／障壁層１０５ａ／井戸層１０５ｂのように井戸層１０５ｂで始まって井戸層１０５ｂで終了する構造であってもよい。なお、上記構造は、単なる例示であって、積層数等はこれらの記載に限定されるものではない。

ここで、上記井戸層および障壁層の各厚みは、これらの層の繰り返しの数や、補償層厚みに依存するため、特に限定されるものではなく、後述のように井戸層全体に対するＩｎの組成比が特定の範囲を満たすように調整することが好ましい。

＜補償層＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子においては、上記障壁層および上記井戸層の少なくともいずれか一方に補償層を導入する。補償層はＧａＮからなる層であり、たとえば、当該組成を有する層を井戸層に導入した場合、井戸層内のキャリアは補償層をトンネル効果により通過することが可能であるため、井戸層全体として結合量子井戸とみなすことができる。そして、トンネル効果により結合が強固であるため、井戸層における量子準位は補償層の有無にかかわらずほとんど変化しないものとすることができる。また、障壁層についても同様に、補償層を設けた場合においても障壁層全体として結合量子井戸とみなすことができ、補償層の有無にかかわらず量子準位がほとんど変化しないものとすることができる。このように、発光層に補償層を導入した構造とすることで、４０５ｎｍ以上の波長域で必要となる高いＩｎ組成比を有する多重量子井戸活性層を高品質で作製することができるようになる。また、その結果、高出力かつ長期間にわたって安定動作する窒化物半導体レーザ素子を提供することが可能となる。

上記補償層は１層以上設ければよく、各層の厚みは特に限定されるものではないが、補償層は面内で均一な層の状態で井戸層を覆う状態が理想であり、０．３ｎｍ以上とすることが好ましく、０．５ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、補償層の各層の厚みは、有効なトンネル効果が得られる点から、１．５ｎｍ以下とすることが好ましい。

ここで、上記補償層が１層以上設ければよいとは、上記のように補償層を、障壁層と井戸層の少なくともいずれか一方に１層導入すればよく、２以上の層を導入してもよいことをいう。たとえば、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層中の障壁層１０５ａと井戸層１０５ｂの両方に１層ずつ導入してもよいし、複数導入してもよい。複数導入する場合、補償層の層数は、障壁層と井戸層において同一でもよく、互いに異なっていてもよい。なかでも、より高いＩｎ組成比が必要となる井戸層で組成変動の影響が顕著となるため、当該変動を抑制するためには、上記井戸層に補償層を設けることが好ましい。

本発明において、特に、上記井戸層に補償層を設ける場合、補償層を含む全井戸層全体の組成に対するＩｎの組成比が８％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましい。Ｉｎの組成比を８％以上とすることで、特に４５０ｎｍより長い波長域への適用を良好にすることができる。また、半導体レーザとして求められる波長の長波長の限界である５５０ｎｍ（緑色）を考慮するとＩｎの組成比は、その上限が３０％であることが好ましい。

また、高いＩｎ組成比であっても安定した発光層を提供するためには、本発明の井戸層においてＩｎの組成比が、井戸層全体の層厚み方向で均一であることが好ましく、井戸層に補償層を設けることで井戸層の厚みが大きい場合でも、この条件を満足する半導体レーザ素子を製作することができるようになる。

本発明においては、上記のように井戸層に補償層を設けることにより、上記ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層の欠陥密度を５．０×１０⁴ｃｍ^-2以下に抑制することができ、さらには３．９×１０⁴ｃｍ^-2以下に抑制することが可能である。欠陥密度が５．０×１０⁴ｃｍ^-2を超える場合は、高いＩｎ組成比を有する活性層を安定して製造することが困難になる傾向がある。欠陥密度の下限値は特に限定されるものではなく、望ましくはその値がゼロとなる場合である。

なお、上記欠陥密度とは、平均結晶欠陥密度をいい、種々のモードの転位や、その他の欠陥を含む結晶欠陥を、対象の素子形成面全体について測定した欠陥密度の平均値である。上記欠陥密度の測定は、表面を熱リン酸系のエッチング溶液によりエッチングし、形成された窪み（エッチピット）の密度を光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡を用いて計数することによるものであり、単位面積あたりの計数により表わされる。

＜絶縁膜＞
絶縁膜は電流狭窄のために設けられ、本発明における絶縁膜としては、たとえば、たとえばＳｉＯ₂やＺｒＯ₂からなる絶縁膜を用いることができる。

＜ＡＲコート膜＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子に適用されるＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜としては、特に限定されるものではなく、従来公知のコート膜を採用することができる。具体的には、たとえばＡｌ₂Ｏ₃からなる膜を例示することができる。

＜ＨＲコート膜＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子に適用されるＨＲ（ＨｉｇｈＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜についても、特に限定されるものではなく、従来公知のコート膜を適宜用いればよい。たとえば、ＳｉＯ₂およびＴｉＯ₂からなる積層構造を有する膜を用いることができる。なお、積層構造を、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂のように表記し、ＳｉＯ₂が最下層であることを示すものとする。

＜窒化物半導体レーザ素子の製造方法＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子における素子構造積層体は、従来公知の結晶成長により形成することができる。

上記素子構造積層体の結晶成長の原料としては、Ｖ族である窒素源としてＮＨ₃を用いることが好ましく、また、ＩＩＩ族であるＧａ、Ｉｎ、Ａｌのそれぞれの原料としてそれぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いることが好ましい。

素子構造積層体の各層の成長速度はＩＩＩ族原料の供給量により制御可能であり、混晶組成は２種以上のＩＩＩ族原料の供給比率で制御することが可能である。たとえば、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの混晶を成長させる場合、原理的には気相比２ＴＭＡ／（２ＴＭＡ＋ＴＭＧ）を０．０５とすればよい。実際には、気相中での反応および、原料利用効率などにより、目的とするＡｌ組成比に対して理論量よりも大きな気相比が必要となるが、原料利用効率などを鑑み適宜調節すればよい。また、たとえば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの混晶を得る場合には、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの原料供給条件に対して、気相比２ＴＭＡ／（２ＴＭＡ＋ＴＭＧ）を倍にすればよい。この場合も、実際の成長では、気相反応のため、理論量よりも大きな気相比が必要であり、上述のように適宜調節して所望の組成を形成させることができる。

なお、上記気相比の式においてＴＭＡ供給量を２倍とする理由は、ＴＭＡが２量体であることによる。一方、ＴＭＩの場合、気相比はＴＭＩ／（ＴＭＩ＋ＴＭＧ）で表される。また、気相比と混晶組成は比例の関係にあるが、通常は、混晶組成に対して切片を持つ。これは、ほとんどの場合、気相反応により混晶組成として取り込まれない原料が存在するためである。すなわち、所望の混晶組成を得るためには、理論気相反応により消費される量以上に原料を供給する必要がある。

ｎ型窒化物半導体中の不純物としては、通常Ｓｉが用いられ、その不純物濃度は１０¹⁸ｃｍ^-3のオーダーである。ｎ型窒化物半導体の不純物は、結晶成長したままの状態かつ、常温下でほぼ１００％活性化していることが知られており、ｎ型キャリア濃度はほぼ不純物濃度に等しい。ｎ型不純物としては、Ｓｉの他、Ｃ、ＧｅおよびＯを用いることができる。

また、ｐ型窒化物半導体中の不純物としては、通常Ｍｇが用いられるが、ＺｎあるいはＢｅでもよく、これらの混合でも構わない。Ｍｇは、通常ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）あるいはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ₂Ｍｇ）として結晶成長中に供給される。その不純物濃度は１０²¹ｃｍ^-3のオーダーである。ｐ型窒化物半導体中の不純物は、結晶成長したままではＨが結合して不活性化されているため、ｐ型化するために、結晶成長後に熱処理もしくは電子線処理を施す。一般的な活性化は、より生産に適した熱処理により行われ、その温度は７００℃〜９５０℃が好ましく、より好ましくは８００℃〜９００℃程度であり、３０分以内の時間保持することが好ましい。この熱処理の際の雰囲気は、Ｎ₂またはＮ₂とＯ₂の混合であることが好ましい。混合ガスを用いる場合のＯ₂濃度は、最大でも数％オーダーであり、５％以下であることが好ましい。このような条件で熱処理することによりｐ型の伝導性を示す素子を効率よく製造することができる。なお、この熱処理は後述の絶縁層やｐ型およびｎ型コンタクトを設けた後に実施することができる。

上記窒化物半導体の素子構造積層体の各層を、ＭＯＣＶＤ装置を用いてＧａＮ基板上に順に形成し、その後、ｐ型ガイド層とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層をＲＩＥなどのドライエッチングにより加工し、パターニングを有するリッジ部を形成する。その上に、電流狭窄のために、上述の絶縁膜を形成する。これらのドライエッチングおよび絶縁膜の形成は、従来公知の方法により形成させることができる。

その後、ｐ型コンタクトを形成し、ＧａＮ基板１０１の積層膜が成膜されていない面（裏面）を１００μｍ程度の膜厚になるまで研削、研磨する。このような研磨工程でＧａＮ基板１０１の裏面にできたダメージ層をＲＩＥなどの気相エッチングでエッチングし除去した後、たとえば、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ型コンタクトを電子ビーム（ＥＢ）蒸着により成膜する。その後、バー状に分割し、さらにＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜１１４と、ＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜１１５とを形成する。

その後、上述の熱処理によりｐ型窒化物半導体層におけるＭｇを活性化させて、本発明の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。

以下、実施形態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。

＜第１の実施形態＞：井戸層における補償層
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１（ａ）〜（ｃ）に示すレーザ素子の詳細を説明する。

図１（ｃ）は、本発明の実施形態１の半導体レーザ素子の斜視図であり、該図に示す窒化物半導体の素子構造積層体１１６は、光導波路のリッジ部１１０、Ａｌ₂Ｏ₃からなるＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜１１４、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂の９層膜からなるＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜１１５、ｐ型コンタクト１１２（ｐ型電極）（図示せず）、ｎ型コンタクト１１３（ｎ型電極）（図示せず）を備える。

第１の実施形態の窒化物半導体レーザ素子における素子構造積層体１１６に関して、図１（ａ）に示す断面構造を詳細に説明する。該素子構造積層体１１６は、厚さ１００μｍのＧａＮ基板１０１上に、層厚０．２μｍのｎ型ＧａＮ層１０２と、組成をＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎとした層厚２．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３と、層厚０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層１０４と、層厚８ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ障壁層／層厚４ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ井戸層の積層構造であって、障壁層が４層、井戸層が３層である積層構造からなるＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層１０５と、組成がＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎでその層厚が２０ｎｍであるｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０６と、層厚０．０８μｍのｐ型ＧａＮガイド層１０７と、組成がＡｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎで、層厚が０．５μｍであるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８と、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が順に積層されて形成される。

上述のように本発明においては、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層中の障壁層１０５ａと井戸層１０５ｂとの少なくともいずれかに補償層を導入するが、図１（ｂ）は、井戸層１０５ｂ中に補償層を備えた構造を例示したものである。

本実施形態において結晶成長の原料として、Ｖ族である窒素源としてＮＨ₃を用い、またＩＩＩ族であるＧａ、Ｉｎ、Ａｌそれぞれの原料としてそれぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いた。また、ｎ型窒化物半導体中の不純物としては、２×１０⁸ｃｍ^-3のＳｉを用い、ｐ型窒化物半導体中の不純物としては、１×１０²¹ｃｍ^-3のＣｐ₂Ｍｇを用いた。

上記窒化物半導体の素子構造積層体１１６を、ＭＯＣＶＤ装置を用いてＧａＮ基板上に図１（ａ）下方から示された順番で、ｎ型ＧａＮ層１０２からｐ型ＧａＮコンタクト層１０９までを順次成膜する。

なお、本実施形態では、活性層を構成するＩｎＧａＮ井戸層を成長する際、成長に要する時間を区切って、特定の時間、ＴＭＩの供給を停止することで、ＩｎＧａＮ中に１層または複数層のＧａＮ層を形成する。

具体的には、層厚８ｎｍのＧａＮ障壁層／層厚４ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層の積層構造であって、障壁層が４層、井戸層が３層からなる多重量子井戸活性層１０５を結晶成長させる際に、障壁層１０５ａは平均Ｉｎ組成比が５％となるようにＴＭＩの供給量を設定した。その際、ＴＭＩの寄与は高だか、混晶組成である５％にすぎないため、成長速度はＴＭＧ量により決定されている。本実施形態における障壁層の成長速度は、０．８ｎｍ／ｍｉｎとした。

次に、井戸層１０５ｂを成長する際の成長速度を、ＴＭＧ供給量を変えずに障壁層と同じ０．８ｎｍ／ｍｉｎとし、４ｎｍの井戸層を５分で成長させた。本実施形態では、井戸層の平均Ｉｎ組成比を８％とし、窒化物半導体レーザ素子への通電時、４０５ｎｍで発振する設計としている。井戸層形成の場合も、成長速度の９２％をＴＭＧが担っており、全体の成長速度はＴＭＧ供給量により決定される。従って、井戸層成長中にＴＭＩ供給を停止すれば、成長速度をほぼ一定に保ったまま任意の厚さに井戸層におけるＧａＮ補償層１０５ｃを成長することができる。本実施形態では、補償層の厚さを０．５ｎｍとし、図２に示す活性層のバンド構造を示すように、井戸層内に均等に１層（図２（ａ））、２層（図２（ｂ））および３層（図２（ｃ））導入した３種の素子を作製した。それぞれの場合で、補償層の位置は、補償層により分割された各井戸層を均等に２分、３分、４分する位置である。井戸層におけるＧａＮ補償層１０５ｃの層厚が０．５ｎｍと薄いため、井戸層内のキャリアは、補償層をトンネル効果により通過することができ、井戸層全体としてみれば、いわゆる結合量子井戸となっている。トンネルにより結合が強いため、量子順位は補償層の有無にかかわらずほとんど変化しないと考えられる。このことは、補償層によらず発振波長が変化しないことを意味する。Ｘ線回折により、井戸層の平均Ｉｎ組成比を求めたところ、８％であった。よって、発振波長４０５ｎｍの場合の井戸層の平均Ｉｎ組成比は８％が下限となる。より長波長で発振させる場合には、井戸層の平均Ｉｎ組成比を８％より高くする必要がある。例えば、純青（４５０ｎｍ）に対応する井戸層の平均Ｉｎ組成比は３０％程度である。

その後ｐ型ＧａＮガイド層１０７とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８はＲＩＥドライエッチングにより加工し、リッジ部１１０がパターニングされ、そのうえに電流狭窄のために図１（ａ）に示すようにパターニングされたＳｉＯ₂からなる絶縁膜１１１を形成する。

次いで、ｐ型コンタクト１１２を形成し、ＧａＮ基板１０１の積層膜が成膜されていない面（裏面）を１００μｍ程度の膜厚になるまで研削、研磨する。このような研磨工程でＧａＮ基板１０１の裏面にできたダメージ層をＲＩＥなどの気相エッチングでエッチングし除去したあと、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ型コンタクト１１３をＥＢ蒸着により成膜して、バー状に分割する。バー状に分割した後、光出射面にＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜１１４と、ＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜１１５とを形成する。

このようにして成長させた窒化物半導体レーザ素子の試料をＮ₂雰囲気にて９００℃で１０分間熱処理してＭｇを活性化した。なお、別途実験を行ったところ、ｐ型ＧａＮおよびｐ型ＡｌＧａＮ共に、７００℃〜９５０℃の範囲で３０分以内の熱処理を行なうことで、ｐ型の伝導性を示すことがわかっている。その際の反応雰囲気は、５％を上限にＯ₂を混合したＮ₂であった。

（デプスプロファイル）
熱処理後の試料の一部を切り出してオージェ電子分光（ＡＥＳ）により活性層のＩｎ濃度を測定したところ、図３に示すデプスプロファイルが得られた。

また、比較のため、井戸層内部に補償層を持たない従来構造の素子を同様の手順で作製し、活性層のＩｎ濃度を測定したところ、図４に示すデプスプロファイルを得た。

図３および図４の比較で、補償層を有する素子では、ＩｎＧａＮの深さ方向のＩｎ濃度が一定であるのに対して、従来構造ではＩｎＧａＮ井戸層１０５の上方に向かって徐々にＩｎ濃度が増加する傾向が伺える。これは、先に説明したように、イオン半径の大きいＩｎが組成変動を起こしやすいためであり、当初は微少領域で発生した組成変動が層厚の増加に従って拡大したことによると考えられる。本発明による井戸層におけるＧａＮ補償層１０５ｃは極めて薄いＧａＮであるため、適切な層厚の段階で導入することで、組成変動の拡大を防止する効果を発揮することがわかる。

（寿命評価）
以上の手法で結晶成長した試料を、通常のプロセスを経てチップ分割し、ステムにマウントして、光出力２００ｍＷ、８０℃の条下で寿命試験したところ、井戸層におけるＧａＮ補償層１０５ｃが１層の素子で５０００時間以上、２層の素子で６０００時間以上、３層の素子で６５００時間以上の寿命が得られた。発振波長は、すべての素子で４０５ｎｍであった。ここで、寿命は、駆動電流が初期値の１．３倍に達するまでの時間である。補償層の数に応じて寿命が延びる理由は、井戸層の層厚方向の組成変動が補償層の数に応じて低減するためであると考えられる。一方、従来素子では、同一条件下で３０００時間以下の寿命に止まった。これは、Ｉｎのデプスプロファイルに示されるように、井戸層の厚さ方向に組成変動が存在するため、井戸層の上方で過剰Ｉｎを起源とする非発光中心が生じ、発生した熱の影響を受けて劣化が進んだためと考えられる。

（欠陥密度評価）
上述の手順により結晶成長させ製作した、井戸層を均等に２分する位置に補償層を導入した本発明の窒素化物半導体レーザ素子と、従来構造の素子とについて欠陥密度の評価を行なった。井戸層内の補償層は、上記第３の実施形態と同様に井戸層を均等に２分する位置に導入した。欠陥密度は、熱リン酸系エッチング溶液によるＥＰＤ（エッチピットを走査型電子顕微鏡を用いてカウントし、単位面積当たりの密度を計算する）で評価した。

従来素子では、１×１０⁵〜４×１０⁵ｃｍ^-2程度の欠陥密度であるのに対して、本発明の補償層を導入した素子の欠陥密度は最大でも３．９×１０⁴ｃｍ^-2とほぼ一桁低い値を示した。従来素子との欠陥密度の差は、活性層構造の違いに起因しており、補償層により効果的に欠陥発生が抑制されていることが推測される。

なお、第１の実施形態においては、活性層をＩｎＧａＮからなる層としたが、補償層を備えることによる効果は、ＡｌＧａＩｎＮ活性層の場合も同様である。すなわち、Ａｌを加えた４元混晶であっても、Ｉｎが組成変動しやすい傾向は同じであり、補償層を設けることによりＩｎの組成比が高い場合であっても安定した活性層を提供する効果を有する。

＜第２の実施形態＞：障壁層における補償層
第１の実施形態と同様の手法で、図５（ａ）〜（ｃ）のエネルギーバンドの図に示すように、障壁層におけるＧａＮ補償層１０５ｄを１層、２層、３層をそれぞれ導入して３種の素子を作製した。

これらの素子について、上述の第１の実施形態と同様に寿命試験したところ、障壁層におけるＧａＮ補償層１０５ｄが１層の素子で５０００時間以上、２層の素子で５５００時間以上、３層の素子で５６００時間以上の寿命が得られた。発振波長は、すべての素子で４０５ｎｍであった。

補償層が障壁層中に設けられるか、井戸層中に設けられるかにより寿命への効果が異なる理由は、より高いＩｎ組成比が必要となる井戸層で組成変動の影響が顕著となるためである。そのため、本発明の補償層の効果は、高Ｉｎ組成比が必要とされる、長波長素子においてより顕著となる。例えば、固体照明用の励起光源である４５０ｎｍ（純青）から５５０ｎｍ（緑）の波長帯では、井戸層のＩｎ組成比として３０％以上が必要であり、本発明により井戸層中のＩｎ組成不均一を効果的に防止することができる。また、Ａｌを加えた４元混晶であっても、Ｉｎが組成変動しやすい傾向は同じであることから、たとえば、活性層の組成がＡｌＧａＩｎＮの場合も、補償層を設けることで同様の効果を奏する。

＜第３の実施形態＞：補償層層厚の影響
本実施形態では、井戸層中に導入する補償層の層厚を０．５ｎｍから３ｎｍまで変化させ、それぞれの寿命を確認した。

第１の実施形態と同様の手法で、活性層中の井戸層を均等に２分する位置（補償層により分割される各井戸層の厚みが等しくなる位置）に井戸層におけるＧａＮ補償層１０５ｃを１層導入して素子を作製した。井戸層におけるＧａＮ補償層１０５ｃの層厚は、０．５ｎｍ、１ｎｍ、１．５ｎｍ、２ｎｍ、２．５ｎｍ、３ｎｍとした。

図６に補償層の厚みに対する発振波長の変化を示す。該厚みが１．５ｎｍを超える領域では、発振波長が短波長側にシフトしており、井戸層中の量子順位が変化していることがわかる。波長シフトを押さえつつ、特性を改善するための補償層の厚みは１．５ｎｍ以下が好ましい。

次に、補償層の厚みに対する寿命試験の結果を図７に示す。補償層の厚みが１．５ｎｍを超える場合には、徐々に寿命が悪化する傾向が伺える。

また、図８に各素子の２００ｍＷ出力におけるスロープ効率を補償層の厚みに対してプロットした結果を示す。１．５ｎｍを超えるとスロープ効率が低下しており、同じ出力を得るための電流が増加することがわかる。これは、補償層の厚みが増加したことで活性層へのキャリア注入効率が変化したためと考えられる。１．５ｎｍを超える補償層の厚みでの寿命の変化は、注入電流の増加による発熱の影響である。

補償層を井戸層または補償層に設けることによる効果は、高Ｉｎ組成比が必要とされる長波長素子においてより顕著となる。そして、第２の実施形態における説明と同様、固体照明用の励起光源である４５０ｎｍ（純青）から５５０ｎｍ（緑）の波長帯では、井戸層のＩｎ組成比として３０％以上が必要であり、本発明により井戸層中のＩｎ組成不均一を効果的に防止することができることがわかる。また、上述の補償層を設けることによる効果は、ＡｌＧａＩｎＮ活性層の場合も同様である。つまり、Ａｌを加えた４元混晶であっても、Ｉｎが組成変動しやすい傾向は同じであるため、補償層を設けることによる効果が得られる。

以上のように本発明の実施形態について説明を行なったが、上述の各実施形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施形態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を示す図であり、（ａ）は窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示し、（ｂ）はその発光層の断面構造を示し、（ｃ）は窒化物半導体レーザ素子の斜視図である。本発明の実施形態１における窒化物半導体素子の活性層のエネルギーバンドを示す図であり、（ａ）は井戸層内に１層の補償層を設けた場合、（ｂ）は井戸層内に２層の補償層を設けた場合、（ｃ）は井戸層内に３層の補償層を設けた場合のエネルギーバンドを示す図である。本発明の窒化物半導体レーザにおける、活性層のＩｎ濃度のデプスプロファイルを示す図である。従来の窒化物半導体レーザにおける、活性層のＩｎ濃度のデプスプロファイルを示す図である。本発明の実施形態２における窒化物半導体素子の活性層のエネルギーバンドを示す図であり、（ａ）は障壁層内に１層の補償層を設けた場合、（ｂ）は障壁層内に２層の補償層を設けた場合、（ｃ）は障壁層内に３層の補償層を設けた場合のエネルギーバンドを示す図である。本発明における井戸層中の補償層の厚みと発振波長の関係を示す図である。本発明における井戸層中の補償層の厚みと素子寿命の関係を示す図である。本発明における井戸層中の補償層の厚みとスロープ効率の関係を示す図である。従来の窒化物半導体レーザ素子を示す図であり、（ａ）は従来の窒化物半導体レーザ素子の断面構造を示し、（ｂ）はその発光層の断面構造を示し、（ｃ）は従来の窒化物半導体レーザ素子の斜視図である。

符号の説明

１０１ＧａＮ基板、１０２ｎ型ＧａＮ層、１０３ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０４ｎ型ＧａＮガイド層、１０５ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層、１０５ａ障壁層、１０５ｂ井戸層、１０５ｃ井戸層におけるＧａＮ補償層、１０５ｄ障壁層におけるＧａＮ補償層、１０６ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層、１０７ｐ型ＧａＮガイド層、１０８ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０９ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１０リッジ部、１１１絶縁膜、１１２ｐ型コンタクト、１１３ｎ型コンタクト、１１４ＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜、１１５ＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜、１１６素子構造積層体。

Claims

ｎ型窒化物半導体からなる第１の層と、ｐ型窒化物半導体からなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられる、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層およびＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層により構成される多重量子井戸構造の発光層とを少なくとも備える窒化物半導体レーザ素子であって、
前記井戸層および前記障壁層の少なくともいずれか一方に、ＧａＮからなる補償層を１層以上含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
前記補償層は、その厚さが１．５ｎｍ以下である請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
前記井戸層は、前記補償層を含み、該井戸層全体におけるＩｎ組成比が８％以上である請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
前記井戸層におけるＩｎは、その組成が層厚方向において一定である請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
前記井戸層は、前記補償層を含み、該井戸層における欠陥密度が５．０×１０⁴ｃｍ^-2以下である請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。