JP2009302429A - 窒化物半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】長波長化のためにＩｎ組成の高い活性層を用いた場合でも、レーザ発振特性が良好である窒化物系青色半導体レーザ素子を提供すること。
【解決手段】本発明に係る窒化物半導体レーザは、ｃ面半導体基板１０１と、ｃ面半導体基板１０１上に形成された第１クラッド層１０２及び第２クラッド層１０６と、その間に設けられた量子井戸活性層１０４とを備えている。量子井戸活性層１０４は、Ｉｎ、Ｇａ及びＮを含む量子井戸層１２１と、量子井戸層１２１のｃ面半導体基板１０１側に形成された第１バリア層１２２と、量子井戸層１２１を介して当該第１バリア層１２２と対向して形成された第２バリア層１２３とを備え、量子井戸層１２１内のＩｎ組成は、第２バリア層１２３側から第１バリア層１２２に向けて高くなっており、第１バリア層１２２のバンドギャップよりも第２バリア層１２３のバンドギャップの方が大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物半導体レーザに関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）をベースとするＩＩＩ−Ｖ窒化物系半導体発光素子のうち、青紫色で発光する半導体レーザは、次世代の高密度光ディスク光源として実用化されている。今後、更に市場も拡大していくものと期待されている。一方、この材料系では、インジウムガリウム窒素（ＩｎＧａＮ）活性層のＩｎ組成を制御することにより、青色〜赤色にかけての可視波長領域での発光も可能である。そのため、高輝度発光ダイオード等も開発されている。近年では、高性能ディスプレイ等への応用に向けて可視光で発振する半導体レーザへの要求も高まっている。

ＧａＮ基板上に作製された一般的なリッジストライプ型の窒化物系半導体レーザ素子において、ディスプレイ用途の可視領域での発光を得るには、原理的にはＩｎＧａＮ量子井戸活性層のＩｎ組成を変更すればよい。例えば、波長約４５０ｎｍの純青色帯で発光させるためには、井戸層のＩｎ組成を約０．２程度以上に上げる必要がある。緑色帯で発光させるためには、更に高いＩｎ組成が必要となる。ここで、ＩｎＧａＮ量子井戸を活性層とするレーザ素子では、Ｉｎ組成の高濃度化により、以下の問題が生じる。

第１に、ＩｎＮとＧａＮでは格子定数差が約１１％と大きいことから、Ｉｎ組成の増加と共に圧縮歪が増大し、歪臨界膜厚が小さくなる。そのため、良好な結晶の活性層を作製することが困難となる。ある波長以上では、発光層として機能する層厚を得ることさえ困難になる。また、ＩｎＮとＧａＮでは原子間距離の差が大きいことからＩｎＧａＮ材料系では相分離が起こりやすく、Ｉｎ組成が高くなると、井戸層面内でＩｎの組成の均一性が悪化する。そのため、遷移エネルギー分布の広がりや結晶劣化の起点となる欠陥が発生しやすくなる。

第２に、通常用いられるｃ面基板上のＩｎＧａＮ材料では、圧縮歪に起因するピエゾ電界及び分極により量子井戸層に内部電界が生じ、量子井戸内の電子とホールの波動関数の空間的分離が生じる。Ｉｎ組成の増加によって圧縮歪が増大すると、このピエゾ電界が非常に大きくなる。そのため、波動関数の空間的分離が顕著になり、光学遷移確率の低下が大きな問題となる。

一般に、発光素子において光学遷移確率が低下すると、キャリアの発光再結合寿命が大きくなって非発光再結合の影響を受けやすくなるため、発光効率が低下する。発光ダイオードでは、良好な結晶品質により非発光再結合確率を極力小さくすれば、このような発光効率の低下はある程度抑えられる。一方、半導体レーザでは、発光効率低下を抑制しても、光学遷移確率減少による活性層利得の低下は避けられず、発振閾値の増大を招く。

このような光学遷移確率の低下を防ぐため、ｃ面基板の代わりにｍ面、ａ面といった非極性面を用いることが知られている。非極性面上では、ｃ面上のような内部電界が原理的に発生しないため、上記の内部電界による影響を排除できる。なお、実施の形態において後述するように本願の関連技術として、特許文献１を挙げることができる。
特表２００３−５２７７４５号公報

しかしながら、非極性面上の結晶成長には問題が多い。例えば、ｃ面基板上のように窒化物系結晶の成長技術が確立していないことや、大面積のバルクＧａＮ基板の作製が困難であることが挙げられる。また、結晶成長軸方向には電界が存在しないものの、成長面と平行な方向には電界が発生する。そのため、結晶の表面状態が不安定になりやすく、良好な結晶成長が困難である。また、Ｉｎの取込効率がｃ面上と比較して小さく、現状では、長波長域で発光する結晶を良好な品質で得るのは難しい。

一方、ｃ面上ＩｎＧａＮの場合、上述の通り、Ｉｎ組成の増加に伴って圧縮歪によるピエゾ電界が発生し、光学遷移確率が低下する。しかしながら、電界によって電子とホールの量子準位は各々電界のない場合よりも下がるため、遷移エネルギーは小さくなる。即ち、電界のない場合と比較して低いＩｎ組成で、長波長での発光が得られる。Ｉｎ組成が相対的に低いため、歪量が小さくでき、高Ｉｎ組成に起因する相分離も抑制できるなど、結晶成長上の利点が大きい。また、ｃ面上の結晶成長の方が、結晶成長技術が成熟しており、Ｉｎ組成の増加も比較的容易である。

また、非極性面上の結晶成長において、Ｉｎ組成を低くし、量子井戸の層厚を増加させて長波化を図ることも考えられるが、歪臨界膜厚を考慮すると、薄い量子井戸層に比べて結晶成長は更に困難となる。一方、ｃ面上の結晶成長の場合、厚膜の量子井戸層では、電界による長波長化の効果も大きくなるため、組成低減のメリットも大きくなる。

よって、結晶成長上の利点を活かすためには、ｃ面上で結晶成長させたＩｎＧａＮ量子井戸層において、内部電界による光学遷移確率を改善できる構造を実現することが好ましい。

以上のような課題を解決するために、本発明では、長波長化のためにＩｎ組成の高い活性層を用いた場合でも、レーザ発振特性が良好である窒化物系青色半導体レーザ素子を提供することを目的としている。

本発明に係る窒化物半導体レーザは、
ｃ面半導体基板と、
前記ｃ面半導体基板上に形成された第１及び第２クラッド層と、
前記第１及び第２クラッド層の間に設けられた量子井戸活性層とを備えた窒化物半導体レーザであって、
前記量子井戸活性層は、Ｉｎ、Ｇａ及びＮを含む量子井戸層と、当該量子井戸層の前記ｃ面半導体基板側に形成された第１バリア層と、前記量子井戸層を介して当該第１バリア層と対向して形成された第２バリア層とを備え、
前記量子井戸層内のＩｎ組成は、前記第２バリア層側から第１バリア層に向けて高くなっており、
前記第１バリア層のバンドギャップよりも第２バリア層のバンドギャップの方が大きいことを特徴とするものである。

本発明によれば、長波長化のためにＩｎ組成の高い活性層を用いた場合でも、レーザ発振特性が良好である窒化物系青色半導体レーザ素子を提供することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施の形態１
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置を示す断面図である。本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置は、リッジストライプ型である。この半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＮ基板１０１、基板１０１上に設けられたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２（第１クラッド層）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２上に順に設けられたＩｎＧａＮ下側光導波路層１０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０４、ＩｎＧａＮ上側光導波路層１０５、ＩｎＧａＮ上側光導波路層１０５上に設けられ、電流狭窄部を構成するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６（第２クラッド層）を備えている。

ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６とその上に設けられたｐ型ＧａＮコンタクト層１０７とはリッジストライプ形状に加工されており、このリッジストライプが電流狭窄部として機能する。また、このリッジストライプは、水平方向の屈折率導波機構としても機能する。リッジストライプの幅は、例えば２．０μｍである。また、コンタクト層１０７上にｐ側電極１０８が、ＧａＮ基板１０１の下部にｎ側電極１０９が設けられている。また、図１の半導体レーザ装置の表面は、リッジストライプ又は電極１０８が設けられた部分を除いて絶縁膜１１０で覆われている。

ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０４の詳細を図２に示す。ここで、量子井戸活性層１０４は２周期の量子井戸を含み、各量子井戸は、ＩｎＧａＮ井戸層１２１とこれを挟む基板側の第１バリア層１２２と表面側の第２バリア層１２３から構成されている。

ここで、量子井戸層１２１は、層厚が６．０ｎｍであり、Ｉｎ組成は第１バリア層１２２に隣接する部分で１３％、第２バリア層１２３に隣接する部分で２７％となるように層内で組成を変化させてある。また、第１バリア層１２２はＩｎ組成が５％のＩｎＧａＮで層厚は１０ｎｍである。また、第２バリア層はアルミニウム組成が１０％のＡｌＧａＮで層厚は５ｎｍである。

本構造において、量子井戸層１２１は、Ｉｎ組成が第１バリア層１２２に隣接する部分で高く第２バリア層１２３に隣接する部分で低くなるように層内で変化させてあり、かつ第１バリア層１２２よりも第２バリア層１２３のバンドギャップが大きいことを特徴としている。

図１に示した窒化物系半導体レーザ装置の製造方法につき、図３を用いて説明する。まず、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等を用いて、上記基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、下側光導波路層１０３、ＩｎＧａＮ１０４量子井戸活性層１０４、上側光導波路層１０５、ｐ型クラッド層１０６、コンタクト層１０７を順次積層する（工程１、図３（ａ））。ここで、Ｉｎ組成が層内で変化しているような量子井戸の成長方法としては、量子井戸層１２１の成長中に例えばトリメチルインジウムの流量を連続的に、或いは段階的に変化させて組成勾配をつける方法を用いることができる。

次に、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて幅２μｍ程度のストライプ状のエッチングマスクを形成し、塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、コンタクト層１０７及びｐ型クラッド層１０６の途中までエッチングを行う。これにより、幅２μｍ程度のリッジストライプが形成される。リッジ幅の値、及びｐ型クラッド層１０６のエッチング深さは、本発明とは直接関係しないが、半導体レーザ装置の水平横モード特性を始め、電流−光出力特性、電流−電圧特性に影響するので、要求されるデバイス特性等を考慮して、最適な値を選択する。（工程２、図３（ｂ））。

次に、素子全体にＣＶＤ法などを用いて、酸化シリコン膜等の絶縁膜１１０を形成する。そして、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて、ｐ側電極１０８形成部の絶縁膜１１０を除去する。その後、チタン及び金を蒸着し、適当な条件で加熱してアロイ処理を行うことにより、ｐ側電極１０８を形成する。また、基板１０１の裏面にもチタン及び金を蒸着し、適当な条件で加熱してアロイ処理を行うことにより、ｎ側電極１０９を形成する。最後に、劈開によりレーザミラー端面を形成する（工程３、図３（ｃ））。

ここで、本発明によって得られる利得改善効果について、比較例との対比により図を用いて説明する。まず、比較例の構造による窒化物半導体レーザ素子の層構造における利得低下について説明する。比較例と本発明とは、量子井戸活性層の構造が異なっている。

図４に、比較例の量子井戸活性層構造の詳細を示す。ここでは、量子井戸活性層は、２周期の量子井戸を含み、各量子井戸層はＩｎＧａＮ井戸層２１及びこれを挟む両側のバリア層２２から構成されている。ここで、量子井戸層２１は層厚が６．０ｎｍで、Ｉｎ組成は層内で一様に２０％となっている。

この量子井戸は、強いピエゾ電界の影響を受けて、ホールと電子の波動関数の空間的分布が分離している。この様子を図５に示す。図５（ａ）は、電子とホールの基底準位の波動関数分布を示したものであり、点線が量子井戸層２１の界面を表している。図５（ａ）を見ると、ホールの波動関数は量子井戸層２１内の基板側に大きく偏っており、電子の波動関数は表面側に偏り、かつ表面側バリア層２２に大きく浸み出していることが分かる。図５（ｂ）は、内部電界がかかった場合の量子井戸のバンド構造を模式的に示したものである。この場合に、ホールと電子の波動関数の基底準位における重なり積分、即ち光学遷移確率は電界のない場合の約３６％に低下しており、遷移エネルギー波長は約１１ｎｍ長波長化している。

このような通常の量子井戸構造における、内部電界による光学遷移確率低下の影響について説明する。図６は、Ｉｎ組成が約３０％のＩｎＧａＮ系量子井戸構造を例に取り、電界強度の変化に対し、ホールと電子の基底準位の波動関数の重なり積分の変化を示したものである。井戸層厚は、１．５ｎｍ、３．０ｎｍ、６．０ｎｍの場合についてそれぞれ実線、破線、点線で示してある。また、図７は同様に遷移エネルギー波長と電界強度との関係を示したものである。光学遷移確率は、ホールと電子の波動関数の重なりに依存する。よって、図６に見られるように、電界強度が大きくなると共に重なり積分が低下し、光学遷移確率が低下する。また、図７に見られるように遷移エネルギー波長は長波にシフトすることが分かる。ここで、量子井戸層が厚いほど、光学遷移確率低下、及び長波長化が顕著になる。

波動関数の重なり積分が低下するのは、ホールでは、主に波動関数の分布が基板側へ偏るためである。一方、電子では、主に波動関数が表面側バリア層の方にしみ出すためである。この違いは、ホールと電子との有効質量が大きく異なるためである（ホールの質量は電子の質量の数十〜１００倍）。また、量子井戸層が厚い場合、ホールの波動関数の偏りの影響が特に大きく、層厚が薄い場合や、伝導帯バンド不連続エネルギーが小さいような場合には電子の波動関数の浸み出しによる影響が大きい。

よって、このような波動関数の重なり積分の低下を解決するためには、ホールと電子の波動関数の変化に対し各々対策を施し、かつ、両者を適切に組み合わせる必要がある。

まず、ホールの波動関数の偏りを低減する手段の一つとしては、井戸層内のＩｎ組成勾配を設け、内部電界の存在下では擬似的にバンドが平坦化するような構造を用いることが有効である。例えば、特許文献１の図５Ｂには、価電子帯のバンドを擬似的に平坦化するために、井戸層内のＩｎ組成を基板側から表面側に向かって５％から１０％に勾配させた構造が開示されている。

しかし、このような構造では、価電子帯のバンドは平坦化できるものの、伝導帯のバンドには、組成勾配がない場合に価電子帯にかかるはずの電界が更に加わることとなる。そのため、価電子帯のバンドが完全に平坦化した場合には、伝導帯には組成勾配がない場合の約２倍の電界がかかることとなる。よって、電子の波動関数は表面側バリア層へ更に大きく浸み出すこととなってしまう。

これを解決する方法としては、波動関数が浸み出す側の表面側バリア層のポテンシャルを高くすることが有効である。例えば、表面側のバリア層のうち、井戸層に隣接する一部をバンドギャップの大きいＡｌＧａＮ層で構成することにより、井戸層と表面側バリア層との間の伝導帯バンド不連続エネルギーが大きくなる。これによって、電界の影響で下がってしまうポテンシャルエネルギーを高く戻すことができ、井戸層内に電子の波動関数を効果的に閉じ込めることができる。この場合、価電子帯においても井戸層と表面側バリア層との間のバンド不連続エネルギーが大きくなるが、ホールの有効質量は非常に大きいため、表面側バリア層の影響は殆ど受けない。

よって、量子井戸内に、Ｉｎ組成が基板側で小さく表面側で大きくなるような組成勾配を設け、かつ表面側のバリア層のバンドギャップを大きくすることにより、内部電界が存在する場合でも、光学遷移確率の低下を抑制できる。

ここで、このようなＩｎ組成勾配と非対称バリア構造の組合せは、理論上では逆向きにすることも可能である。即ち、基板側で大きく表面側で小さくなるような組成勾配を設けて伝導帯のバンドを平坦化し、基板側バリア層のバンドギャップを高くしてホールの閉じ込めを強くするような構造である。しかし、このような構造では光学遷移確率の改善効果は得られない。その理由は、ホールの有効質量が非常に大きいため、内部電界がかかった場合でも波動関数のバリア層への浸み出しは殆ど変化がなく、更にバリア層のバンドギャップを高くすることによる波動関数の重なり改善の効果は全く期待できないためである。本発明の構造は、圧縮歪による電界の向きに基づき、ホールと電子の有効質量の違いを利用して設計されたものである。そのため、このような逆向きの非対称構造では効果が得られない。

図２に示した本発明の構造では、価電子帯において、内部電界の影響をほぼ完全に打ち消すようにＩｎ組成勾配が設定されている。この場合の組成勾配の傾きは約２．３％／ｎｍとなっている。また、このような組成勾配をつけた場合にも、伝導帯における電子の波動関数が効率的に井戸層内に閉じ込められるように、表面側バリア層の構成が決定されている。

図２の構造において、図５の場合と同様な内部電界がかかった場合の、電子とホールの基底準位の波動関数の分布を図８（ａ）に示す。図８（ｂ）は、内部電界のかかった場合のバンド構造の模式図である。点線は第２バリア層が第１バリア層と同じ構造を用いた場合を参考のため示したものである。図８（ａ）に示すように、価電子帯のバンドが平坦化したことによりホールの波動関数の基板側への偏りが改善し、更に伝導帯の電子の波動関数の表面側バリア層への浸み出しが抑制されている。電子とホールの基底準位間の波動関数の重なり積分は、電界の存在しない場合の値を基準として、図４の従来構造において約３６％であったものが、約８７％に改善する。また、遷移エネルギー波長は、内部電界が存在しないと仮定した場合と比較して、約６ｎｍ長波長化している。図２の構造における平均のＩｎ組成は２０％であり、本構造では非極性面上のＩｎＧａＮ量子井戸と比較して、長波長化の効果が得られる。

また、図６に示すように、層厚が厚い量子井戸構造では、光学遷移確率の低下の影響が非常に大きい。前述したように、層厚の厚い量子井戸構造では、波動関数の重なり低下の要因は、ホールの波動関数の偏りの影響が大きい。そのため、井戸層内の組成勾配を設けることによって、価電子帯バンドが実効的にほぼ平坦に近い状態に設計しなければその効果を十分に上げることができない。

このような組成勾配を設定した上で、表面側バリア層の組成は、図８（ｂ）に示すように、電界がかかった状態における表面側バリア層の井戸層界面での伝導帯のポテンシャルエネルギーが、井戸層の基板側界面でのエネルギーよりも高くなるように設計する。図８（ｂ）の点線で示すように、基板側と表面側のバリア層が同じ組成である場合には、表面側バリア層の井戸層界面でのエネルギーが井戸層の基板側界面のエネルギーよりも低くなる。この状態では、有効質量の比較的小さい電子の波動関数は、容易に表面側の第２バリア層に浸み出す。このような電子の閉じ込めが弱い状態を改善するために、図２の構造では、Ａｌ組成が１０％であるＡｌＧａＮを表面側の第２バリア層に用いている。この構造によって、表面側バリア層の井戸層界面でのポテンシャルエネルギーを井戸層の基板側界面のポテンシャルエネルギーよりも約０．３ｅＶ高くすることができ、電子の波動関数を効果的に井戸層内へ閉じ込めることができる。

また、図７に見られるように、層厚が厚いほど長波長化できる。そのため、少ないＩｎ組成で長波長化したい場合には、層厚を約４ｎｍ以上として、価電子帯バンドが実効的にほぼ平坦になるような井戸層内の勾配を設けるように、本発明を適用すれば特に有効である。

以上の説明では、内部電界強度を一般的な報告に基づいて仮定し、波動関数に与える影響を見積もった。しかし、実際のＩｎＧａＮ量子井戸において、どの程度の大きさの電界がかかっているかは、素子作製の条件や組成・層厚の条件などにも影響され、正確な値を見積もることは現実的には困難である。よって、従来構造において、電界が存在しない場合の設計波長と実際の発光波長との比較等により電界強度の値を推測し、これに基づいて設計を行うことが望ましい。

また、内部電界強度では、キャリアが注入されるとキャリアの存在によって電界が遮蔽される効果があり、キャリア注入量に大きく依存する。よって、レーザ素子の動作レベルや量子井戸の構造・特性を考慮して、必要なキャリア密度をある程度見積もり、その注入キャリア密度における電界強度の影響を考慮して、最も波動関数の重なりが大きくなるような最適化の設計をすることが望ましい。

このようなキャリア密度や内部電界強度の見積もりを実験的に行うことは一般的には困難である。そこで、デバイスシミュレータ等を用いて数値計算によって設計を行うか、或いは本発明の思想に基づいて、非対称構造を有する量子井戸構造をいくつか実験的に作製し、この利得特性を測定することにより構造を最適化することが最も望ましい。また、所望の波長が決まっている場合には、歪などの結晶品質の観点も併せて最適化する必要があり、作製条件にも依存する可能性を考えるとこのような方法を用いることが望ましい。

但し、内部電界強度の値が正確に見積もれない場合であっても、ある程度影響がある可能性が高い場合には、適切な非対称構造を正確に決定できなくても、井戸内の組成勾配と非対称バリア構造による本発明の構造を適用することにより、光学遷移確率の低下を抑制できることは自明である。

実際に作製する井戸層内の組成勾配の大きさや勾配の傾きでは、各量子井戸構造において構造上、及び結晶作製上の観点から最適な値とすることが望ましい。前述のように、井戸層内に組成勾配を設ける理由は、価電子帯のバンドにかかる内部電界を擬似的に打ち消すことによってバンドを平坦化するためである。よって、層厚の厚い井戸層の場合は、ホールの波動関数の偏りが顕著であるから、可能な限り電界強度をほぼ打ち消すような勾配を設けることが望ましい。この場合、Ｉｎ組成が１５％以上の長波長発光を有する量子井戸構造では、内部電界強度はかなり大きくなるため、組成勾配の傾きは約２％／ｎｍ以上と大きくしなければならない。即ち、量子井戸層の厚さをｄ［ｎｍ］とすると、量子井戸層における第１バリア層との界面でのＩｎ組成と第２バリア層との界面でのＩｎ組成とが、２×ｄ［％］以上の差を有する必要がある。一方、層厚が比較的薄い井戸層の場合は、電子の波動関数の浸み出しによる影響が大きいため、組成勾配によって価電子帯の電界を完全に打ち消さなくても効果が得られる。これらの点に留意して、結晶作製上の問題が小さい範囲で、層厚及び組成勾配の大きさを決定すれば良い。

また、組成勾配を作製する方法についても、ここではＭＯＶＰＥ成長においてＩｎ供給量を連続的に変化させる手法について説明したが、更に高い組成勾配を設ける場合には他の方法を用いても構わない。組成は連続的に変化させても良いし、段階的に変化させても構わない。厳密には、組成が大きくなるほど電界強度は強くなるため、基板側の組成が低い部分では勾配も小さく、表面側の組成が高い部分ではそれに見合う勾配をつければ完全な平坦化効果が得られる。しかし、実際には量子井戸の厚さはそれほど大きくないため、急激な変化がない場合には、そのような小さい変化は波動関数に若干のずれができるのみで、全体の重なり積分への変化は殆どない。よって、重要なのは量子井戸層の基板側界面付近と表面側界面付近での組成が所要の大きさで異なることであり、その間のプロファイルでは、段階的であっても、或いは直線的でも、曲線的であっても問題はない。

また、例えば異なる組成のＩｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ／Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ１、ｘ２＜１）短周期超格子構造を用いてその周期を徐々に変化させて、実効的に組成勾配がつけられるようにしても構わない。この方法を用いれば、供給量を時間的に変化させる必要がなく、成長時間により組成勾配を形成できるため、量子井戸層が厚い場合に強い電界を打ち消すための、より大きい組成勾配を必要とする場合に有利である。また、組成を変化させる手法についても、Ｉｎ取込量を変化させるために、成長温度を変化させる手法を用いても構わないし、Ｉｎの表面偏析を促進するような成長条件を用いて、実質的に表面で組成が高くなるような勾配を設ける手法を用いても構わない。

電子の波動関数を井戸層内に有効に閉じ込めるための表面側バリア層では、前述したように、電界がかかった状態における表面側バリア層の井戸層界面での伝導帯のポテンシャルエネルギーが、少なくとも井戸層の基板側界面でのエネルギーよりも高くなるように設計することが必要であり、高ければ高いほど電子の閉じ込めの効果は大きくなる。

但し、通常は表面側バリア層材料のバンドギャップを高くすることによってこの構造を実現するため、伝導帯のポテンシャルエネルギーを必要以上に高くしようとすると、価電子帯のバンド不連続エネルギーも大きくなる。その場合、ホールの波動関数への影響は殆どないから光学遷移確率を悪化させる懸念はない。しかし、表面側のｐ型導電層、或いは多重量子井戸の場合に表面側に隣接する量子井戸層からのホール注入効率が劣化する可能性がある。また、バンドギャップの高い典型的な材料であるＡｌＧａＮは、ＧａＮに対し引張歪を持つため、ＩｎＧａＮ量子井戸層と共に用いると歪補償構造によって歪を安定化することもできるが、強い逆歪の材料を隣接させることによる結晶劣化の可能性も孕んでいる。よって、表面側バリア層の材料には、これらの懸念がない範囲で、電子の波動関数の閉じ込めを強くできるものを選ぶことが望ましい。即ち、一般的には電界がかかった状態における表面側バリア層の井戸層界面での伝導帯のポテンシャルエネルギーが、少なくとも井戸層の基板側界面でのエネルギーよりも高くなるように設計することが望ましい。更に、有効的に電子の閉じ込めを強くするためには、このエネルギー差が０．２ｅＶ以上となることが望ましい。但し、このような値は量子井戸層の厚さ、内部電界の大きさ等、即ち波動関数の浸み出しの程度に大きく依存するものであり、各構造において最適な設計を行うことが望ましい。表面側バリア層の材料としては、ここではＡｌＧａＮを用いたが、これに限定されない。例えば、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等、表面側のバリア層と井戸層との伝導帯ポテンシャル差が高く保たれるような材料であれば、どのようなものを用いても構わない。

また、この表面側バリア層の層厚については、電子の波動関数を井戸内に有効に閉じ込める機能を有する最小限の厚さに留めることが望ましい。その理由は、上記の通り表面側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エネルギーも増大し、ホールの輸送・注入効率を妨げる恐れがあり、その厚さが厚い程この影響は大きくなるためである。電子の波動関数を閉じ込める機能としては、その伝導帯におけるバンド不連続エネルギーが十分大きくなるように設計されていれば、薄い膜でも効果が得られる。例えば図８（ａ）を見ると、電子の波動関数は井戸層端から表面側へ向かって約２ｎｍの位置で既に大きく減衰している。よって、この表面側第２バリア層の厚さとしては、約２ｎｍ以上であることが望ましく、かつホールの輸送・注入効率を妨げない値として約１０ｎｍ以下であることが望ましい。この場合、第２バリア層では、このような厚さでは一般的に窒化物系レーザで用いられる電子のオーバーフロー防止層の機能を果たし得ないことに留意する必要がある。即ち、第２バリア層の機能は、電子の波動関数を有効に閉じ込めるためにあるものであり、キャリア注入を増していくと電子のオーバーフローが顕著に発生すると懸念される場合には、量子井戸構造の他に電子のオーバーフロー防止層を設ける必要がある。

一方、基板側バリア層の材料・組成、及び層厚に関しては、ここではＩｎ組成が５％のＩｎＧａＮ層を用いたが、特にこれに限定されず、結晶成長上や、光閉じ込め構造、量子井戸間のキャリア輸送等を考慮して、適当なものを選べば良い。結晶成長上の観点や、量子井戸間のキャリア輸送特にホール輸送について考慮すると、適当なＩｎ組成のＩｎＧａＮを選ぶことで、良好な結晶、及び井戸層間の価電子帯バンド不連続エネルギー（第２バリア層を除く部分）を小さくできるという利点が得られる。多重量子井戸構造における、量子井戸層間のバリア層に関しては、その量子井戸層の表面側に隣接する一部のみを第２バリア層とすれば良く、全体のバリア層構造では特に限定されない。

また、以上の説明では２周期の量子井戸における例を採用したが、量子井戸の周期数ではこれに限定されることなく、１周期或いは３周期以上の量子井戸においても適用が可能である。但し、３周期以上の量子井戸を用いる必要がある場合には、前述したように、表面側バリア層のバンドギャップ、及び層厚を必要以上に大きくすることによるホールの輸送効率の低下を避けるべきである点に留意する必要がある。

また、本実施の形態は、平均Ｉｎ組成が２０％と高い量子井戸における例を採用したが、量子井戸の組成及び発光波長域に関してもこれに限定されることなく、４０５ｎｍ帯、或いは４５０ｎｍ帯のレーザ等にも適用が可能である。具体的には、量子井戸層の平均Ｉｎ組成が１５％以上であれば、本発明は有効である。即ち、本発明が解決しうる課題である内部電界の影響による光学遷移確率の低下は、波長帯によってその影響の大小はあるものの、ｃ面上の一般的な窒化物半導体レーザに存在するものであるからである。内部電界による光学遷移確率の低下の影響は、Ｉｎ組成の増加よる歪量と共に電界強度が増大し、また光学遷移確率への影響は井戸層厚が大きい程顕著となる。従って、窒化物半導体レーザのうちでも、量子井戸層のＩｎ組成が高いほど、或いは井戸層厚が厚い構造ほど本発明の適用効果が大きい。

以上、示したように、図１の本発明による半導体レーザ装置では、ｃ面上ＩｎＧａＮ量子井戸における、内部電界による電子とホールの波動関数の分離の影響を抑制し、光学遷移確率を内部電界のない場合に近付けることが可能になる。これにより、青色帯の４５０ｎｍ以上の長波長でもレーザ発振動作に必要な光学利得を得ることが可能になる。

実施の形態２
次に、図９を用いて本発明による半導体レーザ装置の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態２において、実施の形態１と異なる部分は量子井戸活性層の構造であり、この詳細を図９に示す。

ここで、量子井戸活性層は、２周期の量子井戸を含み、各量子井戸は、ＩｎＧａＮ井戸層２２１とこれを挟む基板側の第１バリア層２２２と表面側の第２バリア層２２３から構成されている。また、量子井戸層２２１は、層厚が３．０ｎｍであり、Ｉｎ組成は第１バリア層に隣接する部分で３７％、第２バリア層に隣接する部分で２３％となるように層内で組成を変化させてある。また、第１バリア層２２２はＩｎ組成が５％のＩｎＧａＮで層厚は１０ｎｍである。また、第２バリア層２２３はアルミニウム組成が２０％のＡｌＧａＮで層厚は５ｎｍである。

本実施の形態では、量子井戸層２２１は、Ｉｎ組成に上記の勾配を設けることによって、価電子帯において実効的な内部電界強度が約１／２に低減するように構成されている。また、第２バリア層２２３にＡｌＧａＮバリアを用いることにより、電子の量子井戸層２２１への閉じ込めを強くするように構成されている。ここでは、実効的な電界強度を完全に打ち消すためには、量子井戸内で第１バリア層２２２に隣接する部分と第２バリア層２２３に隣接する部分とにおいて２０％以上の組成差を設けなければならない。しかしこのような組成差を設けるのは実際上困難であるため、ここでは組成勾配が５％／ｎｍ以下となるように設計を行った。量子井戸層の厚さｄ＝４［ｎｍ］未満の場合、前記量子井戸層における第１バリア層との界面でのＩｎ組成と第２バリア層との界面でのＩｎ組成とが、量子井戸層の厚さをｄ［ｎｍ］とすると、５×ｄ［％］以下の差を有する必要がある。

本実施の形態において、内部電界がかかった場合の、電子とホールの波動関数の分布を図１０（ａ）に示す。点線は量子井戸層２２１の界面を示している。また、図１０（ｂ）は、内部電界のかかった場合のバンド構造の模式図を示したものである。この場合の電子とホールの波動関数の重なり積分は、Ｉｎ組成３０％の均一組成の量子井戸における電界の存在しない場合の値を基準として、この対称量子井戸構造に内部電界がかかった構造において５１％であったものが、約７８％に改善する。

図６に示すように、層厚が比較的薄い量子井戸構造では、波動関数の重なり低下の要因は、電子の波動関数の表面側バリア層への浸み出しの影響が大きい。よって、本実施の形態に係る比較的薄い量子井戸構造では、実施の形態１に係る厚膜量子井戸のように、価電子帯バンドを実効的に平坦にする必要がない。即ち、本実施の形態では、表面側の第２バリア層２２３の伝導帯におけるポテンシャルエネルギーを高くすることによって、十分に光学遷移確率を改善することができる。

よって、比較的薄い井戸層を用いる場合には、厚い井戸層に比べて組成勾配を小さく設計することができる。従って、結晶成長上の問題等により、大きい組成勾配を設けることが困難である場合や、Ｉｎ組成が高く電界強度の影響が大きい場合には、井戸層を薄く設計し、組成勾配は素子作製上問題がない程度に留め、表面側のバリア層のバンドギャップを大きくすることによる光学遷移確率改善の効果を積極的に利用するような構造を採用することが望ましい。

以上、実施の形態１、２の説明を行った。しかし、本発明は、これら実施の形態に具体的に示した構成、方法に限定されるものではなく、発明の趣旨に沿うものであれば種々のバリエーションが考えられる。例えば、上記の実施の形態では、ｎ型ＧａＮ基板上の半導体レーザ装置を例に取ったが、サファイア基板、シリコン基板等ＧａＮ基板以外の基板上の半導体レーザ素子でも良い。また、上記の実施の形態では、リッジストライプ型の半導体レーザ構造について説明したが、インナーストライプ型の半導体レーザ装置や、面発光レーザ素子等、ＩｎＧａＮ量子井戸を活性層としてその導波路利得を用いる素子ならば、どのような構造に適用してもその効果は得られる。

実施の形態１に係る半導体レーザ素子の断面図である。 図１の半導体レーザ素子の活性層の断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造工程を示す模式図である。 比較例に係る窒化物系半導体レーザ素子の活性層の断面図である。 比較例での電子とホールの波動関数の分布を示す図である。 量子井戸における電界強度と、電子とホールの波動関数の重なり積分との関係を示す図である。 量子井戸における電界強度と、遷移エネルギー波長との関係を示す図である。 実施形態１に係る電子とホールの波動関数の分布を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の活性層の断面図である。 実施の形態２に係る電子とホールの波動関数の分布を示す図である。

符号の説明

１０１ ｎ型基板
１０２ ｎ型クラッド層
１０３ 下側光導波路層
１０４ 量子井戸活性層
１０５ 上側光導波路層
１０６ ｐ型クラッド層
１０７ コンタクト層
１０８ ｐ側電極
１０９ ｎ側電極
１１０ 絶縁膜
１２１、２２１ 量子井戸層
１２２、２２２ 第１バリア層
１２３、２２３ 第１バリア層

Claims (7)

1. ｃ面半導体基板と、
   前記ｃ面半導体基板上に形成された第１及び第２クラッド層と、
   前記第１及び第２クラッド層の間に設けられた量子井戸活性層とを備えた窒化物半導体レーザであって、
   前記量子井戸活性層は、Ｉｎ、Ｇａ及びＮを含む量子井戸層と、当該量子井戸層の前記ｃ面半導体基板側に形成された第１バリア層と、前記量子井戸層を介して当該第１バリア層と対向して形成された第２バリア層とを備え、
   前記量子井戸層内のＩｎ組成は、前記第２バリア層側から第１バリア層に向けて高くなっており、
   前記第１バリア層のバンドギャップよりも第２バリア層のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする窒化物半導体レーザ。
2. 前記量子井戸層のＩｎ組成が１５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ。
3. 前記量子井戸層の厚さをｄ［ｎｍ］とすると、前記量子井戸層における前記第１バリア層との界面でのＩｎ組成と前記第２バリア層との界面でのＩｎ組成とが、２×ｄ［％］以上の差を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ。
4. 前記量子井戸層の厚さｄ＝４［ｎｍ］以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
5. 前記量子井戸層の厚さｄ＝４［ｎｍ］未満であり、
   前記量子井戸層における前記第１バリア層との界面でのＩｎ組成と前記第２バリア層との界面でのＩｎ組成とが、５×ｄ［％］以下の差を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
6. 前記第２バリア層がＡｌ_ｙ１Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｙ１＜１、０≦ｘ１＜１）であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
7. 前記第２バリア層の厚さが、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。

Images