JP2011243831A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2011243831A
JP2011243831A JP2010116059A JP2010116059A JP2011243831A JP 2011243831 A JP2011243831 A JP 2011243831A JP 2010116059 A JP2010116059 A JP 2010116059A JP 2010116059 A JP2010116059 A JP 2010116059A JP 2011243831 A JP2011243831 A JP 2011243831A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
contact
well
type
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2010116059A
Other languages
English (en)
Inventor
Hitoshi Sato
仁 佐藤
Toru Takayama
徹 高山
Atsushi Higuchi
篤 樋口
Masatoshi Sasaki
正隼 佐々木
Isao Kidoguchi
勲 木戸口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2010116059A priority Critical patent/JP2011243831A/ja
Priority to US13/109,512 priority patent/US20110286487A1/en
Publication of JP2011243831A publication Critical patent/JP2011243831A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0421—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34326—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on InGa(Al)P, e.g. red laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3202—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures grown on specifically orientated substrates, or using orientation dependent growth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
    • H01S5/3436—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers based on InGa(Al)P

Abstract

【課題】半導体レーザの高温高出力動作時における動作電圧を低減する。
【解決手段】半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０上に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１１、ｎ型第１量子井戸へテロバリア層１１２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３、歪量子井戸活性層１１４（第１ガイド層１１４ｇ１、ＧａＩｎＰウェル層１１４ｗ１〜１１４ｗ３、ＡｌＧａＩｎＰバリア層１１４ｂ１、１１４ｂ２、第２ガイド層１１４ｇ２）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１５、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１１６、及び、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１７がこの順に形成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、高温高出力動作に適した低動作電圧を可能にする半導体レーザ装置に関する。
半導体レーザ装置（以下、半導体レーザ）は、様々な分野で幅広く使用されている。例えば、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザは、波長７８０ｎｍ帯の赤外レーザ光を得ることができ、また、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザは、波長６５０ｎｍ帯の赤色レーザ光を得ることができる。このため、それぞれの半導体レーザは、ＣＤ及びＤＶＤに代表される光ディスクシステムの分野において光源として広く使用されている。
また、近年の光ディスクシステムの大容量化の進展によりＣＤ又はＤＶＤよりもさらに大容量の記録を可能にするＢｌｕ−ｒａｙ（ＢＤ）光ディスクシステムの市場が立ち上がり、波長４０５ｎｍ帯の青紫レーザ光を得ることが可能な窒化物材料系の半導体レーザが実用化されている。
この中で、光ディスクシステムの光源となる半導体レーザには、記録速度の高倍速化による高出力動作、及び、８５℃以上でのさらなる高温動作が強く要望されている。記録再生可能な光ディスクシステムの光源となる高出力半導体レーザには、いずれの波長帯を問わず、高温高出力動作が要望されている。
高温高出力動作を阻害する大きな要因の一つとして動作電圧の増大がある。動作電圧が増大すると、素子の動作電力の増大を招き、ジュール発熱による温度上昇をもたらす。この結果、動作電流の更なる増大により、動作電圧が大きくなって素子の信頼性の低下という重大な支障をきたすことになる。また、半導体レーザを駆動するための駆動回路の駆動電圧にも上限値があるため、動作電圧の増大は、信頼性保証の観点からも、また駆動回路による動作制御保証の観点からも、重要である。
ここで、動作電圧の増大について、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色レーザを例にして説明する。ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザは、通常、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層、及び、禁制帯幅エネルギー（バンドギャップエネルギー）の小さなｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層が順次形成された構造を有する。
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層をｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層上に形成するのは、バンドギャップエネルギーがｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層よりも相対的に小さいｐ型ＧａＡｓ上に電極を形成した方が、金属電極との間で、低抵抗の接触抵抗が得られるためである。
この構造においては、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＡｓのバンドギャップエネルギーに差が存在するため、例えば、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＧａＡｓコンタクト層の界面には、図１に示すように、バンドギャップエネルギーの差による電位障壁（ヘテロスパイク）ΔＥｖが形成され、これが、ホールをｐ型クラッド層に注入する場合の電位障壁となる。このため、ホールをｐ型クラッド層に注入するために必要な印加電圧が増大し、素子の動作電圧が大きくなってしまう。
また、ｎ型ＧａＡｓバッファ層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の界面にも、図２に示すように、ヘテロスパイクΔＥｃが形成されるため、これが、ｎ型ＧａＡｓ基板から注入された電子をｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層に注入するための電位障壁となる。
通常、赤色半導体レーザでは、図３に示すように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＧａＡｓコンタクト層の間に、バンドギャップエネルギーがｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のバンドギャップエネルギーの大きさとｐ型ＧａＡｓコンタクト層のバンドギャップエネルギーの大きさとの間となるｐ型のＧａＩｎＰからなる中間層を設けている。このようにすると、ヘテロスパイクの大きさが２つに分割されて、個々のヘテロスパイクの大きさ（ΔＥｖ１及びΔＥｖ２）が小さくなるため、動作電圧に与える影響が低減される。
ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系材料の場合、この材料の原子組成は（ＡｌｘＧａ１− ｘ）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）と表すことができる。このとき、Ａｌ組成が０となるＧａＩｎＰのバンドギャップエネルギーは１．９１ｅＶであり、通常、クラッド層に用いられるＡｌ組成が０．７である（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐのバンドギャップエネルギーは２．３２ｅＶである。また、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは１．４２ｅＶである。
ｐ型のＧａＡｓ層とｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層を接合させると、価電子帯には、０．７ｅＶ程度のヘテロスパイクが生じる。また、ＧａＡｓとＧａＩｎＰを接合さると、価電子帯には、図１に示すヘテロスパイク（ΔＥｖ）の大きさとして、０．５ｅＶ程度のヘテロスパイクが生じる。従って、ｐ型のＧａＩｎＰからなる中間層を設けることにより、価電子帯の生じる個々のヘテロ障壁の大きさは低減されるが、依然としてｐ型ＧａＩｎＰとｐ型ＧａＡｓコンタクト層の間には、０．５ｅＶ程度の大きさのヘテロ障壁が残るため、動作電圧の増大につながっている。
これに対し、従来の第１の半導体発光装置に係る一実施例の構造（例えば特許文献１参照）では、図３０に示すように、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７１０とｐ−ＧａＡｓキャップ層７１３の界面にＧａＩｎＰ中間層７１１を挿入し、ＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層の界面にＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層７１２をさらに備えることにより、動作電圧の低減が行われている。
図３０に示す従来の第１の半導体発光装置は、ｎ−ＧａＡｓ（１５°ｏｆｆ）基板７０１、ｎ−Ｇａ０．５０８Ｉｎ０．４９２Ｐ中間層（０．２５μｍ）７０２、ｎ−（Ａｌ０．６８４Ｇａ０．３１６）０．５１１Ｉｎ０．４８９Ｐ第１Ｎクラッド層（２．６μｍ）７０３、ｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１１Ｉｎ０．４８９Ｐ第２Ｎクラッド層（０．２μｍ）７０４、（Ａｌ０．５４５Ｇａ０．４５５）０．５１１Ｉｎ０．４８９Ｐガイド層（３５ｎｍ）７０５、Ｇａ０．４４５Ｉｎ０．５５５Ｐ井戸層（５ｎｍ）７０６、（Ａｌ０．５４５Ｇａ０．４５５）０．５１１Ｉｎ０．４８９Ｐバリア層（６．３ｎｍ）７０７、ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１１Ｉｎ０．４８９Ｐ第１Ｐクラッド層（０．２７２μｍ）７０８、ｐ−Ｇａ０．６２３Ｉｎ０．３７７Ｐエッチングストップ層（１３ｎｍ）７０９、ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１１Ｉｎ０．４８９Ｐ第２Ｐクラッド層（１．２μｍ）７１０、ｐ−Ｇａ０．５０８Ｉｎ０．４９２Ｐ中間層（３５ｎｍ）７１１、ヘテロ界面中間層７１２、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層（０．５μｍ）７１３を備えている。なお、ヘテロ界面中間層７１２は、図３０における領域Ａの拡大図に示すように、ＧａＡｓ層７１６ａ、７１６ｂ、７１６ｃとＧａＩｎＰ層（１０ｎｍ）７１７で構成されている。ＧａＡｓ層は、厚さの異なる３層７１６ａ、７１６ｂ、７１６ｃで構成されており、この３層がそれぞれ７１７ＧａＩｎＰ層で挟まれた構造となっている。また、ＧａＡｓ層７１６ａは２．５ｎｍ、ＧａＡｓ層７１６ｂは４ｎｍ、ＧａＡｓ層７１６ｃは６ｎｍである。活性層は４つの井戸層より構成される４ＭＱＷ構造である。
このように、従来の第１の半導体発光装置は、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰより構成される量子井戸構造において、ＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層の間に、ＧａＩｎＰ中間層に近づくほど膜厚が薄くなるＧａＡｓ量子井戸構造からなるヘテロバリア中間層を備えている。
この場合、各ＧａＡｓ量子井戸層に形成される量子化されたエネルギー準位の大きさは、図４（ａ）に示すように、膜厚が薄いほど、ホールに対して高エネルギー側にシフトし、さらに、量子井戸内に形成されるエネルギー準位の数も小さくなっている。図において、ＨＨは、ヘビーホールの量子準位のエネルギーを表しており、ＬＨは、ライトホールの量子準位のエネルギーを表している。また、ＨＨ１、ＬＨ１は、それぞれヘビーホール及びライトホールに対する基底エネルギーを表しており、ＨＨ２、ＨＨ３等に含まれる数字は、高次準位のエネルギーレベルを表す数字である。具体的には、ＧａＡｓ井戸幅が、２．５ｎｍ、４ｎｍ、６ｎｍであるとすると、井戸幅２．５ｎｍの場合では、２つのヘビーホール量子準位と１つのライトホール量子準位が形成され、井戸幅４ｎｍでは、３つのヘビーホール量子準位と２つのライトホール量子準位が形成され、井戸幅６ｎｍでは、５つのヘビーホール量子準位と２つのライトホール量子準位が形成される。このため、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層内には合計１５の量子準位が形成される。
この場合、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層を接合した場合におけるバイアス電圧を加えない熱平衡状態の価電子帯バンド構造を図４（ｂ）に示している。
ｐ型ＧａＡｓキャップ側に正のバイアス電圧を印加していくと、ＧａＡｓキャップ層から供給されたホールは、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層に形成された量子準位を経て、ＧａＩｎＰ中間層へ伝達される。ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層では、図４（ｂ）に示すように複数の量子準位が形成されており、ＧａＡｓキャップ層でのホールのエネルギーが継承される。このため、比較的高次の量子準位にもホールが入りやすく、高次準位とＧａＩｎＰ中間層のエネルギー差が小さいので、ＧａＩｎＰ中間層へホールが容易に注入される。
このように、従来の第１の半導体発光装置によると、ｐ型半導体の構成層において、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、ＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層の界面のホールに対するヘテロバリアの影響が緩和される。その結果、低電圧からホールを注入することが可能となり、半導体レーザの動作電圧を低下させることが可能となる。
特開２００８−７８２５５号公報 特開平１１−２５１６８５号公報
ｐｎヘテロ接合を用いた半導体発光素子においては、上記従来の第１の半導体発光装置のように、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層の界面におけるヘテロスパイクによる動作電圧の増大を防止する技術が提案されている。しかしながら、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層のヘテロ界面に形成されるヘテロスパイクによる動作電圧の増大については、具体的に開示されていない。
ｎ型ＧａＡｓバッファ層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の界面には依然として０．４ｅＶ程度の大きなヘテロスパイクが存在し、この部分を電子が通過するためには、余分なバイアス電圧を付加することが必要である。このため、従来構造では、動作電圧の低減効果が不十分である。
また、上記従来の第１の半導体発光装置における量子井戸へテロバリア中間層を有する構造において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層から注入されたホールは、トンネル効果により、ＡｌＧａＩｎＰバリア層を通過し、第１のＧａＡｓウェル層７１６ｃに到達する。さらに、ＡｌＧａＩｎＰバリア層を通過し、第２及び第３のＧａＡｓウェル層７１６ｂ、７１６ａに到達する。このとき、第３のＧａＡｓウェル層７１６ａに分布するホールの内、最も高いエネルギー準位に存在するホールに対しては、ＧａＩｎＰ中間層７１６とのヘテロスパイクが小さくなるため、低い電圧であっても、このヘテロスパイクを超えることが可能となり、動作電圧を低減することが可能となる（図４（ａ）及び（ｂ）参照）。
このとき、第１〜第３のＧａＡｓウェル層７１６ｃ〜７１６ａの膜厚を徐々に薄くすることにより、第３のＧａＡｓウェル層７１６ａに存在するエネルギー準位の数を最も少なくし、且つ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくする。これにより、第３のＧａＡｓウェル層７１６ａに存在する高いエネルギーを有するホールの存在確率を高めている。
しかしながら、第３のＧａＡｓウェル層７１６ａには依然として低いエネルギー準位が存在し、この準位にもホールが存在する。このため、注入されたホールを効率良く、選択的に高いエネルギー準位に存在させることができない。その結果、ヘテロスパイクによる動作電圧の増大を効率良く防止することができない。
以上のように、従来の第１の半導体発光装置では、ヘテロスパイクによる動作電圧の低減効果が十分とは言えない。
また、窒化物系の青紫色レーザにおいては、ＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層はＩｎＧａＮ系材料からなる活性層からのレーザ発振光に対して透明である。このため、導波路の散乱光は電極に反射され再び導波路に帰還し、出射光強度に揺らぎが発生するため、雑音強度が増大したり、端面から放射されるレーザ光と干渉して、レーザ放射光の遠視野像（ＦＦＰ：ファーフィールドパターン）に乱れが生じたりする原因となる。青紫レーザを光ディスクシステムの光源として使用する場合、雑音強度の増大は、光ディスクの情報の記録再生品質の低下につながり、また、ＦＦＰの乱れは、レーザ出射光の光ピックアップシステムにおける光学系での光の利用効率の低下につながる。その結果、実用上、重大な支障をきたすことになる。
このような問題に対して、従来の第２の半導体発光装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。図３１に示すように、従来の第２の半導体発光装置では、ｎ型クラッド層８１５とｎ型ＧａＮコンタクト層８１２よりも吸収率の高いｎ型ＩｎＧａＮ光吸収層８１４が配置されている。これにより、光吸収層８１４でレーザ光が吸収されるため、面積の大きいｎ側電極８２６で反射した導波路の散乱光が活性層に帰還することが防止される。その結果、雑音強度の増大やＦＦＰの乱れを防止することが可能となる。なお、図３１に示す従来の第２の半導体発光装置は、その他の構成部分として、サファイア基板８１０、ＧａＮバッファ層８１１、ｎ−ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮ光導波モード制御層８１３、ｎ−ＧａＮ又はＩｎＧａＮガイド層８１６、ｎ−ＡｌＧａＮ薄膜障壁層８１７、ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ活性層８１８、ｐ−ＡｌＧａＮ薄膜障壁層８１９、ｐ−ＧａＮ又はＩｎＧａＮガイド層８２０、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８２１、ｐ−ＩｎＧａＮ光吸収層８２２、ｐ−ＧａＮコンタクト層８２３、ｐ−ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮ光導波モード制御層８２４、及びｐ型電極８２５を含んでいる。
ここで、図５（ａ）及び（ｂ）は、光吸収層８１４を基板となるＮ型ＧａＮ層とＮ型ＡｌＧａＮクラッド層の間に設けた場合と設けない場合における伝導帯のバンド構造を示している。
図５（ｂ）に示すように、光吸収層８１４とＮ型ＡｌＧａＮクラッド層８１５及びＮ型ＧａＮ層８１２の界面で形成されるスパイクが障害となるため、Ｎ型ＧａＮ層８１２から注入された電子をＮ型ＡｌＧａＮ層８１５に注入するためには、さらなる付加電圧が必要となり、動作電圧の増大を招いてしまう。例えば、ＩｎＧａＮ光吸収層のＩｎ組成を０．２とし、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層Ａｌ組成を０．１とすると、ΔＥｃは、光吸収層がない状態での０．１３ｅＶから０．６７ｅＶに増大してしまう。
その結果、窒化物材料を用いた半導体レーザでは、ｎ型クラッド層側に光吸収層を入れることにより、ＦＦＰに乱れや雑音強度を低減することができても、動作電圧が増大してしまうという問題が生じてしまう。
この動作電圧の増大は、赤外レーザ、赤色レーザ、青紫色レーザと発光色を問わず、素子の動作温度の上昇や動作電流値の増大につながり、その結果、信頼性や動作可能温度、動作可能光出力の低下につながる。
前記に鑑み、本発明の目的は、低動作電圧で高出力動作が可能な構造を備えた半導体レーザ装置を提供することである。
本発明の第１の側面の半導体発光素子は、第１導電型の半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層よりなる第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された第２導電型の半導体層よりなる第２クラッド層とを備えており、第１クラッド層と半導体基板との間に、第１導電型のバリア層と、２層以上の第１導電型のウェル層とからなる中間層をさらに備えており、第１クラッド層の禁制帯幅エネルギーＥ１及びウェル層の禁制帯幅エネルギーＥ２は、Ｅ１＞Ｅ２の関係を満足しており、ウェル層は、第１クラッド層に近い側の禁制帯幅エネルギーが前記基板に近い側の禁制帯幅エネルギーよりも大きい。
この構成により、第１クラッド層に近い側のウェル層に形成される電子の最大エネルギー準位の大きさが、半導体基板に近い側のウェル層に形成される電子の最大エネルギー準位のエネルギーの大きさよりも大きくすることが可能となる。その結果、半導体基板に近い側のウェル層に注入されたキャリアが、第１クラッド層に向かって伝導し、第１クラッド層に近い側のウェル層に到達したときに、電子の有するポテンシャルエネルギーが増大し、低いバイアス電圧の印加時においても電流を流すことが可能となり、動作電圧を低減することが可能となる。
本発明の第１の側面の半導体発光素子において、ウェル層の禁制帯幅エネルギーは、半導体基板側から第１クラッド層側に向かって単調に増大していることが好ましい。
このように、第１量子井戸へテロバリア中間層の複数のウェル層のバンドギャップエネルギーを第１クラッド層に近づく層につれて徐々に大きくすることにより、第１クラッド層に近づくにつれて各ウェル層に存在するエネルギー準位の数を最も少なくし、且つ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることがきる。
このため、第１クラッド層に最も近いコンタクトウェル層の最大エネルギー準位に存在する電子の存在確率を高め、且つ、ウェル層に形成されるエネルギー準位の最低エネルギーの大きさも増大させることが可能となる。また、第１クラッド層に向かって流れるキャリアは、各バリア層をトンネル効果で通過し、第１クラッド層に近づくに従って、ウェル層に存在するキャリアは、エネルギーのより高い準位に存在することができる。
したがって、第１クラッド層に近づくにつれて、注入されたキャリアを効率良く、選択的に高いエネルギー準位に存在させることができる。このため、低いバイアス電圧においてもキャリアはヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、動作電圧を効率良く低減することができる。
本発明の第１の側面の半導体発光素子において、バリア層の禁制帯幅エネルギーＥｃ１及びウェル層の禁制帯幅エネルギーＥｃ２は、Ｅ１≧Ｅｃ１＞Ｅｃ２≧Ｅ２の関係を満足していることが好ましい。
このようにすると、バリア層と第１クラッド層及び半導体基板側の層とのヘテロスパイクによる動作電圧の増大を防止することができる。
本発明の第１の側面の半導体発光素子において、ウェル層の膜厚は、半導体基板側から第１クラッド層側に向かって単調に減少していることが好ましい。
このように、ウェル層内に形成されるエネルギー準位を第１クラッド層に近いウェル層に対して徐々に大きくし、且つ、準位の数を減らすことが可能となる。
その結果、第１クラッド層に最も近いウェル層において最もエネルギー準位の大きな準位に存在するキャリアの数をより多くすることが可能となる。このため、バリア層と半導体基板側の層の界面のヘテロスパイクを、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、動作電圧がさらに低減される。
本発明の第１の側面の半導体発光素子において、バリア層の格子定数は、半導体基板の格子定数よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、バリア層には引っ張り歪が生じ、バリア層のバンドギャップエネルギーが増大する。このため、ウェル層に形成される量子準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。その結果、バリア層と半導体基板側の層の界面のヘテロスパイクを、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、動作電圧がさらに低減される。
本発明の第１の側面の半導体発光素子において、バリア層の格子定数は、近接するクラッド層の格子定数よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、バリア層には引っ張り歪が生じ、バリア層のバンドギャップエネルギーが増大する。このため、ウェル層に形成される量子準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。その結果、バリア層と半導体基板側の層の界面のヘテロスパイクを、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、動作電圧がさらに低減される。
本発明の第２の側面の半導体発光素子は、第１導電型のＧａＡｓ基板上に形成された第１導電型のＡｌＧａＩｎＰよりなる第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰよりなる第２クラッド層とを備えており、第１クラッド層とＧａＡｓ基板との間に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰバリア層（０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）と、２層以上のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）ウェル層とからなる多層構造の中間層をさらに備えており、各ウェル層のＡｌ組成ｙは、ＧａＡｓ基板側から第１クラッド層側に向かって単調に増大している。
このように、第１量子井戸へテロバリア中間層の複数のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）ウェル層のバンドギャップエネルギーを第１クラッド層側に近づくにつれて徐々に大きくすることにより、第１クラッド層に近づくにつれて各量子井戸へテロバリアウェル層に存在するエネルギー準位の数を最も少なくし、且つ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることがきる。
このため、第１クラッド層に最も近いＡｌｙＧａ１−ｙＡｓウェル層の最大エネルギー準位に存在する電子の存在確率を高め、且つ、ウェル層に形成されるエネルギー準位の最低エネルギーの大きさも増大させることが可能となる。また、ＧａＡｓ基板側の層に向かって流れるキャリアは、各（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰバリア層をトンネル効果で通過しＧａＡｓ基板側の層に近づくに従って、ウェル層に存在するキャリアは、エネルギーのより高い準位に存在することができる。
したがって、ＧａＡｓ基板側の層に近づくにつれて、注入されたキャリアを効率良く、選択的に高いエネルギー準位に存在させることができる。このため、低いバイアス電圧においてもキャリアはヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、動作電圧を効率良く低減することができる。
本発明の第２の側面の半導体発光素子において、ＧａＡｓ基板に最も近いウェル層のＡｌ組成は、０以上であって且つ０．１以下であり、第１クラッド層に最も近いコンタクトウェル層のＡｌ組成は、０．２以上であって且つ０．３以下であることが好ましい。
このように、ＧａＡｓ基板に最も近いウェル層のＡｌ組成を０以上であって且つ０．１以下とすることにより、ＧａＡｓ基板に最も近いウェル層に形成されるエネルギー準位の数を大きくでき、ＧａＡ基板からＧａＡｓコンタクト層に最も近いＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層へ、キャリアがＡｌＧａＡｓコンタクトバリア層を通過するトンネル確率を増大させることができる。
また、第１クラッド層に最も近いウェル層のＡｌ組成を０．３以上であって且つ０．４５以下とすることにより、ウェル層のエネルギー準位の大きさを、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層に近いウェル層ほど、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の伝導帯エネルギーの大きさに徐々に近づけることが可能となり、キャリアのポテンシャルエネルギーを効率良く高めることが可能となる。その結果、低いバイアス電圧においてもキャリアはクラッド層に流れることが可能となり、動作電圧を低減することが可能となる。
本発明の第２の側面の半導体発光素子において、ウェル層の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ６ｎｍ以下であり、バリア層の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ８ｎｍ以下であることが好ましい。
このようにすると、ウェル層において量子準位を制御性良く形成することが可能となり、また、バリア層をトンネル効果によりキャリアが通過する確率を高めることが可能となる。
本発明の第２の側面の半導体発光素子において、バリア層の格子定数は、ＧａＡｓ基板よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰバリア層に引っ張り歪を生じさせ、ヘテロバリア層のバンドギャップエネルギーを大きくし、各ウェル層に形成される最低エネルギー準位のエネルギー大きさを大きくすることが可能となる。このため、コンタクトウェル層の最も低いエネルギー準位に存在するキャリアのポテンシャルエネルギーを増大させることが可能となる。その結果、低いバイアス電圧においても電子がヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率をより増大させ、動作電圧をさらに効率良く低減することができる。
本発明の第３の側面の半導体発光素子は、第１導電型のＧａＮ基板上に形成された第１導電型のＡｌＧａＩｎＮ系材料よりなる第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＮ系材料よりなる第２クラッド層とを備えており、第１クラッド層とＧａＮ基板との間に、ＡｌｘｃＧａｙｃＩｎ１−ｘｃ−ｙｃＮバリア層（０≦ｘｃ＜１，０＜ｙｃ≦１、０≦１−ｘｃ−ｙｃ＜１）と、２層以上のＡｌｘｗＧａｙｗＩｎ１−ｘｗ−ｙｗＮウェル層（０≦ｘｗ＜１，０＜ｙｗ≦１、０≦１−ｘｗ−ｙｗ＜１）とからなる多層構造の第１量子井戸ヘテロバリア中間層をさらに備えており、ウェル層の各々の禁制帯幅エネルギーは、ＧａＮ基板側から第１クラッド層側に向かって単調に増大している。
このように、第１量子井戸へテロバリア中間層の複数のＡｌｘｗＧａｙｗＩｎ１−ｘｗ−ｙｗＮウェル層のバンドギャップエネルギーを第１層に近づく層につれて徐々に大きくすることにより、ＧａＮ基板に近づくにつれて各ウェル層に存在するエネルギー準位の数を最も少なくし、且つ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に大きくすることができる。
このため、ＧａＮ基板に最も近いＡｌｘｗＧａｙｗＩｎ１−ｘｗ−ｙｗＮウェル層の最大エネルギー準位に存在する電子の存在確率を高め、且つ、ウェル層に形成されるエネルギー準位の最低エネルギーの大きさも増大させることが可能となる。また、ＧａＮ基板側に向かって流れるキャリアは、各ＡｌｘｃＧａｙｃＩｎ１−ｘｃ−ｙｃＮバリア層をトンネル効果で通過し、ＧａＮ基板に近づくに従って、ウェル層に存在するキャリアは、エネルギーのより高い準位に存在することができる。
したがって、ＧａＮ基板に近づくにつれて、注入されたキャリアを効率良く、選択的に高いエネルギー準位に存在させることができる。このため、低いバイアス電圧においてもキャリアはヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、動作電圧を効率良く低減することができる。
本発明の第３の側面の半導体発光素子において、基板と第１量子井戸ヘテロバリア中間層との間に第１コンタクト層を備え、第１コンタクト層の禁制帯幅エネルギーは、活性層の禁制帯幅エネルギーよりも小さいことが好ましい。
このようにすると、第１コンタクト層は活性層から発光した光を吸収するため、発光した光がｎ型電極で反射して活性層に再び帰還することを防止でき、雑音強度の増大やＦＦＰの乱れを防止することが可能となる。
本発明の第３の側面の半導体発光素子において、ＧａＮ基板と第１コンタクト層との間に、ＡｌｘｓＧａｙｓＩｎ１−ｘｓ−ｙｓＮ基板側バリア層（０≦ｘｓ＜１，０＜ｙｓ≦１、０≦１−ｘｓ−ｙｓ＜１）と、２層以上のＡｌｘｗｓＧａｙｗｓＩｎ１−ｘｗｓ−ｙｗｓＮ基板側ウェル層（０≦ｘｗｓ＜１，０＜ｙｗｓ≦１、０≦１−ｘｗｓ−ｙｗｓ＜１）からなる多層構造の第２量子井戸ヘテロバリア中間層をさらに備えており、基板側ウェル層の各々の禁制帯幅エネルギーは、第１コンタクト層側からＧａＮ基板側に向かって単調に増大していることが好ましい。
このように、第２量子井戸へテロバリア中間層の複数のＡｌｘｗｓＧａｙｗｓＩｎ１−ｘｗｓ−ｙｗｓＮ基板側ウェル層のバンドギャップエネルギーを第１コンタクト層に近づく層につれて徐々に小さくすることにより、第１コンタクト層に近づくにつれて各基板側ウェル層に存在するエネルギー準位の数を最も多くし、且つ、最大のエネルギー準位の大きさを徐々に小さくすることがきる。
このため、ＧａＮ基板に最も近いＡｌｘｗｓＧａｙｗｓＩｎ１−ｘｗｓ−ｙｗｓＮ基板側ウェル層では、最大エネルギー準位に存在する電子の存在確率が高く、基板側ウェル層のバンドギャップエネルギーは第１コンタクト層に近づくにつれて単調に小さくできる。
また、第１コンタクト層に向かって流れるキャリアは、バンドギャップエネルギーの小さい第１コンタクト層に近づくに従って、ウェル層に存在するキャリアは、よりエネルギーの低い準位に存在することができる。
したがって、第１コンタクト層に近づくにつれて、注入されたキャリアは、各ウェル層の最低エネルギー状態の準位を介して基板側バリア層をトンネル効果により伝導し、バンドギャップエネルギーの小さい第１コンタクト層に到達することになる。
このため、低いバイアス電圧においてもキャリアは第２量子井戸へテロバリア中間層と第１コンタクト層間のヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、動作電圧を効率良く低減することができる。
本発明の第３の側面の半導体発光素子において、基板側ウェル層及びウェル層の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ６ｎｍ以下であり、基板側バリア層及びバリア層の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ８ｎｍ以下であることが好ましい。
このようにすると、基板側ウェル層及びウェル層において量子準位を制御性良く形成することが可能となり、また、基板側バリア層及びバリア層をトンネル効果によりキャリアが通過する確率を高めることが可能となる。
本発明の第３の側面の半導体発光素子において、ＡｌｘｃＧａｙｃＩｎ１−ｘｃ−ｙｃＮバリア層の格子定数が、ＧａＮ基板よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、バリア層には引っ張り歪が生じ、バリア層のバンドギャップエネルギーが増大する。このため、ウェル層に形成される量子準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。その結果、第１クラッド層と第１コンタクト層の間にあるヘテロスパイクを、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、動作電圧がさらに低減される。
本発明の第３の側面の半導体発光素子において、ＡｌｘｓＧａｙｓＩｎ１−ｘｓ−ｙｓＮ基板側バリア層の格子定数が、ＧａＮ基板よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、基板側バリア層には引っ張り歪が生じ、基板側バリア層のバンドギャップエネルギーが増大する。このため、基板側ウェル層に形成される量子準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。その結果、基板と第１コンタクト層の間にあるヘテロスパイクを、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、動作電圧がさらに低減される。
本発明の一側面の構造では、第１量子井戸へテロバリア中間層の複数のウェル層のバンドギャップエネルギーを半導体基板に近づくにつれて徐々に小さくすることにより、半導体基板に最も近いウェル層に存在するエネルギー準位の数を最も多くし、且つ、第１クラッド層に最も近いウェル層のエネルギー準位の大きさを大きくしながら、エネルギー準位の数を減らすことが可能となる。
このため、第１クラッド層に最も近い第１量子井戸へテロバリア中間層におけるウェル層の最大エネルギー準位に存在する電子の存在確率を高めることが可能となる。したがって、注入されたキャリアを効率良く、選択的に高いエネルギー準位に存在させることができる。その結果、低いバイアス電圧においてもホールは第１クラッド層と第１コンタクト層間のヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、動作電圧を効率よく低減することができる。
また、窒化物系発光素子において、第１コンタクト層のバンドギャップエネルギーを活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さくした場合、第１コンタクト層の成長方向に対して上下に２箇所へテロスパイクが形成される。この場合においても、第２量子井戸へテロバリア中間層をさらに備えることで、複数のウェル層のバンドギャップエネルギーを第１コンタクト層に近づく層につれて徐々に小さくすることにより、第１コンタクト層に最も近いウェル層に存在するエネルギー準位の数を最も多くし、且つ、第１クラッド層に最も近いウェル層のエネルギー準位の大きさを小さくすることができる。
このため、第１導電型の基板から注入されたキャリアは、基板と第１コンタクト層間に形成されるヘテロスパイク中に形成された量子井戸のエネルギー準位の最も低い順位を伝導する確率が増大し、低いバイアス電圧においてもホールはヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、動作電圧を効率良く低減することができる。
以上のように、本発明によると、第１導電型の基板と第１導電型の間に形成されるヘテロスパイクによる動作電圧の増大を抑制することが可能となり、低いバイアス電圧においてもホールはヘテロスパイクのエネルギー障壁を越える確率が増大し、動作電圧を効率良く低減することができる。
図１は、ｐ型ＧａＩｎＰ／ｐ型ＧａＡｓ接合構造における価電子帯バンド図である。 図２は、ｎ型ＧａＡｓ／ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ接合構造における伝導帯バンド図である。 図３は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ／ｐ型ＧａＩｎＰ／ｐ型ＧａＡｓ接合構造における伝導帯バンド図である。 図４（ａ）は、ｐ型ＧａＡｓコンタクトウェル層厚と形成される量子準位エネルギーとの関係図であり、図４（ｂ）は、従来の第１の半導体発光装置におけるｐ型ＧａＡｓコンタクト層／ｐ型ＧａＩｎＰ中間層接合界面近傍の価電子帯バンド図である。 図５（ａ）は、ｎ型ＧａＮ／ｎ型ＡｌＧａＮ接合構造における界面近傍伝導帯バンド図であり、図５（ｂ）は、ｎ型ＧａＮ／ｎ型ＩｎＧａＮ／ｎ型ＡｌＧａＮ接合構造における界面近傍伝導帯バンド図である。 図６（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザ装置の断面構造図であり、図６（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る量子井戸ヘテロバリア中間層の断面構造図である。 図７は、本発明の第１の実施形態におけるｎ型ＧａＡｓコンタクトウェル層厚と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図８（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層（厚さ４ｎｍ）を用いたときの伝導帯バンド図であり、図８（ｂ）は、ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層の厚さを６ｎｍ、４ｎｍ、２ｎｍと変化させたときの伝導帯バンド図である。 図９は、本発明の第１の実施形態におけるＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層（厚さ４ｎｍ）のＡｌ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態に係るＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層（厚さ４ｎｍ）で、Ａｌ組成を０．０５、０．２５、０．４５と変化させたときの伝導帯バンド図である。 図１１は、本発明の第１の実施形態に係るＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層（厚さ２ｎｍ）のＡｌ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図１２は、本発明の第１の実施形態に係るＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層の厚さを６ｎｍ、４ｎｍ、２ｎｍと変化させると共に、Ａｌ組成を０．０５、０．２５、０．４５と変化させたときの伝導帯バンド図である。 図１３（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの電流−電圧特性図であり、図１３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの電流−光出力特性図である。 図１４（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物系青紫レーザ装置の断面構造図であり、図１４（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る第１量子井戸ヘテロバリア中間層の断面構造図である。 図１５（ａ）は、本発明の第２の実施形態における、第１量子井戸へテロバリア中間層を用いない場合の伝導帯バンド図であり、図１５（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における、第１量子井戸へテロバリア中間層を用いた場合の伝導帯バンド図である。 図１６は、本発明の第２の実施形態における、Ａｌ組成０．１のＡｌＧａＮコンタクトバリア層において、ＡｌＧａＮコンタクトウェル層（厚さ４ｎｍ）のＡｌ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図１７は、本発明の第２の実施形態における、Ａｌ組成０．２のＡｌＧａＮコンタクトバリア層において、ＡｌＧａＮコンタクトウェル層（厚さ４ｎｍ）のＡｌ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図１８は、本発明の第２の実施形態における、Ａｌ組成０．１のＡｌＧａＮコンタクトバリア層において、ＡｌＧａＮコンタクトウェル層（厚さ２ｎｍ）のＡｌ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図１９は、本発明の第２の実施形態における、Ａｌ組成０．２のＡｌＧａＮコンタクトバリア層において、ＡｌＧａＮコンタクトウェル層（厚さ２ｎｍ）のＡｌ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図２０は、ｎ型ＧａＮ層／ｎ型第１量子井戸へテロ中間層／ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層接合構造における伝導帯バンド図である。 図２１（ａ）は、本発明の第３の実施形態における、多層構造の量子井戸へテロバリア中間層を用いない場合の伝導帯バンド図であり、図２１（ｂ）は、本発明の第３の実施形態における、多層構造の量子井戸へテロバリア中間層を用いた場合の伝導帯バンド図である。 図２２（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る窒化物系青紫レーザ装置の断面構造図であり、図２２（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る第１量子井戸ヘテロバリア中間層の断面構造図であり、図２２（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る第２量子井戸ヘテロバリア中間層の断面構造図である。 図２３は、本発明の第３の実施形態における、Ａｌ組成０．１のＡｌＧａＮコンタクトバリア層において、ＩｎＧａＮコンタクトウェル層（厚さ４ｎｍ）のＩｎ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図２４は、本発明の第３の実施形態における、Ａｌ組成０．２のＡｌＧａＮコンタクトバリア層において、ＩｎＧａＮコンタクトウェル層（厚さ２ｎｍ）のＩｎ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図２５は、本発明の第３の実施形態における、ＧａＮコンタクトバリア層において、ＩｎＧａＮコンタクトウェル層（厚さ４ｎｍ）のＩｎ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図２６は、本発明の第３の実施形態における、ＧａＮコンタクトバリア層において、ＩｎＧａＮコンタクトウェル層（厚さ２ｎｍ）のＩｎ組成と形成される量子準位エネルギーとの関係図である。 図２７は、本発明の第３の実施形態における、ｎ型ＧａＮ層／ｎ型第２量子井戸へテロ中間層／ｎ型第１コンタクト層／ｎ型第１量子井戸へテロ中間層／ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層接合構造における伝導帯バンド図である。 図２８は、本発明の第３の実施形態において、ｎ型第１量子井戸へテロ中間層を第１コンタクト層の一方にのみ備えた変形例を示す構造図である。 図２９は、本発明の第３の実施形態において、ｎ型第２量子井戸へテロ中間層を第１コンタクト層の一方にのみ備えた変形例を示す構造図である。 図３０は、従来の第１の半導体発光装置の断面構造図である。 図３１は、従来の第２の半導体発光装置の断面構造図である。
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、図面及び詳細な説明をもって本発明の技術的思想を明確に説明するものであり、当該技術分野におけるいずれの当業者であれば、本発明の好ましい実施例を理解した後に、本発明が開示する技術により、変更及び付加を加えることが可能であり、これは本発明の技術的思想及び範囲を逸脱するものではない。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の第１コンタクト層と第１導電型の第１クラッド層の界面に、バンドギャップエネルギーが第１導電型のクラッド層に近づくにつれて大きくなるウェル層を有する多層構造の量子井戸ヘテロバリア中間層を設けた構成にすることにより、低動作電圧で高出力動作が可能な構造を有する半導体レーザ装置を実現している。
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
図６（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構造図である。
図６（ａ）に示すように、（１００）面から［０１１］方向に１０°傾けた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１１０上には、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１１（０．２μｍ）と、ｎ型第１量子井戸へテロバリア層１１２と、ｎ型（ＡｌＸ２Ｇａ１‐Ｘ２）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐクラッド層１１３（２．０μｍ）と、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ（２０ｎｍ）第１ガイド層１１４ｇ１、［ＧａＩｎＰウェル層１１４ｗ１〜ｗ３＋（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐバリア層１１４ｂ１、１１４ｂ２］、及び（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ（２０ｎｍ）第２ガイド層１１４ｇ２からなる歪量子井戸活性層１１４と、ｐ型（ＡｌＸ１Ｇａ１‐Ｘ１）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐクラッド層１１５と、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ中間層１１６（５０ｎｍ）と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層（０．４μｍ）１１７とが形成されている。
このとき、ｐ型（ＡｌＸ１Ｇａ１‐Ｘ１）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐクラッド層１１５は、リッジ上部と活性層１１４までの距離を１．４μｍとし、リッジ下端部と活性層１１４との距離をｄｐ（０．２μｍ）としている。
ここで、活性層１１４に注入されたキャリアの熱によるオーバーフローの抑制を行うために、クラッド層のＡｌ組成ｘ１、ｘ２は、バンドギャップエネルギーが最も大きい０．７としている。
また、リッジ側面上に、ＳｉＮからなる誘電体の電流ブロック層（０．７μｍ）１１８が形成されている。この構造において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１７から注入された電流は電流ブロック層１１８によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部下方に位置する活性層１１４に集中して電流注入され、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が数十ｍＡの少ない注入電流により実現される。このとき生じた活性層１１４へ注入されたキャリアの再結合により発光した光は、活性層１１４に対して垂直な方向へは、クラッド層１１３、１１５により垂直方向の光閉じ込めが行われ、活性層１１４に対して平行な方向へは、電流ブロック層１１８がクラッド層よりも屈折率が低いため、電流ブロック層１１８による水平方向の光閉じ込めが生じる。また、電流ブロック層１１８はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光分布は電流ブロック層に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１０−３のオーダのΔｎを容易に得ることができる。さらに、その大きさはｄｐの大きさで、同じく１０−３のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザを得ることができる。
半導体レーザ素子を光ディスクシステムの記録再生の光源として用いる場合、レーザ出射光を光ディスク上に集光するためには、半導体レーザにおける光分布は単峰性の基本横モード発振動作を生じている必要がある。
高温、高出力状態まで安定した基本横モード発振を生じるためには、高次横モードをカットオフし、レーザ発振を生じないように導波路の構造を決めなければならない。このためには、Δｎを１０−３のオーダで精密に制御するのみならず、リッジ底部の幅を狭くし、高次横モードをカットオフ状態にする必要がある。
リッジ底部の幅は、高次横モード発振を抑制するために、３μｍ以下に狭くする必要がある。リッジ底部の幅を狭くすると、リッジ上面の幅もリッジのメサ形状に応じて狭くなる。リッジ上面の幅が狭くなり過ぎると、リッジ上部から素子に向かって注入される電流経路の幅が狭くなり、素子の直列抵抗（Ｒｓ）の増大を招き、動作電圧が増大してしまう。従って、安定な基本横モード発振を生じさせる目的でリッジ底部の幅を単純に狭くすると、Ｒｓの増大につながり、動作電圧が増大する。その結果、発熱の原因となり、高温高出力動作が困難になる。
そこで、本発明の第１の実施形態では、ｎ型ＧａＡｓ第１コンタクト層１１１（０．２μｍ）とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３（２．０μｍ）の間に、ｎ型量子井戸へテロバリア層１１２が設けられている。ｎ型量子井戸へテロバリア層１１２は、図６（ｂ）に示すように、３層のｎ型コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３と３層のｎ型コンタクトバリア層１１２ｂ１〜１１２ｂ３とから構成されている。コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３のそれぞれは、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓからなり、コンタクトバリア層１１２ｂ１〜１１２ｂ３は、ｎ型（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰからなっている。
ここで、量子井戸へテロバリア層１１２の電子に対する電気伝導について考察する。
素子にバイアス電圧を印加し、半導体レーザに電流が流れ出すと、第１コンタクト層１１１から注入された電子は、まず、コンタクトバリア層１１２ｂ１を介してコンタクトウェル層１１２ｗ１を通過する。このとき、コンタクトバリア層の膜厚を薄くし、電子がトンネル効果によりコンタクトバリア層１１２ｂ１を通過できるようにすることにより、電子はコンタクトバリア層１１２ｂ１と第１コンタクト層１１１の界面のヘテロ障壁にもかかわらず、低いバイアス電圧時においてもコンタクトウェル層１１２ｗ１に到達することができる。トンネル効果を生じさせるためには、コンタクトバリア層１１２ｂ１〜１１２ｂ３の厚さは電子の波動関数の波長程度以下の薄さである必要があり、８ｎｍ以下でなければならない。逆にコンタクトバリア層の膜厚を薄くし過ぎると、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３間の量子準位の結合が強くなり、ミニバンドが形成され、各コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３で形成される電子の量子準位が分裂し、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３内でエネルギーの低い状態に存在する電子の確率が増大することになる。このため、コンタクトウェル層１１２ｗ３からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３へ電子が伝導する場合に、依然として、大きなヘテロ障壁の影響を受ける電子の割合が増加し、動作電圧の低減効果が薄れてしまう。従って、高いトンネル確率と、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３間の電子の量子準位の結合によるミニバンドの形成を防ぐためには、コンタクトバリア層１１２ｂ１〜１１２ｂ３の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ８ｎｍ以下で形成する必要がある。本発明の第１の実施形態では、一例として、コンタクトバリア層１１２ｂ１〜１１２ｂ３の膜厚は６ｎｍとしている。
次に、コンタクトウェル層のバンドギャップエネルギーが電子の電気伝導に及ぼす影響について考察する。
ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層（厚さ４ｎｍ）を用いたときの伝導帯バンド図を図８（ａ）に示し、ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層の厚さを６ｎｍ、４ｎｍ、２ｎｍと変化させたときの伝導帯バンド図を図８（ｂ）に示す。
量子井戸へテロバリア層の各コンタクトウェル層を構成する材料が同一の場合、例えば、全てＧａＡｓで構成した場合、図７に示すコンタクトウェル層膜厚に対するエネルギーの計算結果より、コンタクトウェル層の厚さを２ｎｍ以下に薄膜化したとしても、伝導帯に形成される電子に対する量子準位は、コンタクトウェル層の伝導帯端エネルギーより０．１ｅＶ程度高エネルギー化されているに過ぎず、図８（ａ）に示すように、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の伝導帯端より０．０４ｅＶ程度のエネルギー障壁（ΔＥｃｑ）が存在する。
従って、図８（ｂ）に示すように、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３に近づくに連れて３層のＧａＡｓコンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の膜厚を６ｎｍから２ｎｍへと段階的に薄膜化したとしても、電子に対する量子準位の最低エネルギー大きさは高々０．０８ｅＶ程度しか増大しない。このため、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３に接するコンタクトウェル層１１２ｗ３において、最大エネルギーとなる電子のエネルギー準位とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端よりのエネルギーの大きさが０．０４ｅＶとなるようにヘテロ障壁の大きさが低減された電子の量子準位を形成したとしても、基底状態の量子準位には依然として電子が存在する。この結果、効率良く、ＧａＡｓコンタクト層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層間の全ての電子に対するヘテロ障壁の大きさを低減することができない。
そこで、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置では、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３をＡｌＧａＡｓで形成し、そのバンドギャップエネルギーがｎ型クラッド層１１３に近づくほど大きくなるようにＡｌ組成を徐々に変化させている。ここで、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の膜厚を量子効果が得ることが可能な４ｎｍとし、コンタクトバリア層１１２ｂ１〜１１２ｂ３をＡｌＧａＩｎＰとした場合に、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３のＡｌ組成を０から０．４５に変化させた場合のコンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３に形成される電子のエネルギー準位の大きさを図９に示している。図９は、図７と同様にエネルギーはｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端エネルギーからのエネルギーの大きさを表示している。
図９に示すように、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３のＡｌ組成を大きくするに従って、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３内に形成される電子の基底量子準位は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端エネルギーに近づいていくことが分かる。Ａｌ組成０．４５では、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端エネルギーとコンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３内に形成されるエネルギーの差は０．０２ｅＶまで低下する。コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３のＡｌ組成が０．４５以上となると、ＡｌＧａＡｓ材料のバンド構造は間接遷移型となり、ＡｌＧａＡｓの伝導帯のエネルギーの大きさは小さくなる。このため、Ａｌ組成が０．４５以上となると、これ以上Ａｌ組成を大きくしてもΔＥｃｑは逆に大きくなってしまう。従って、ＡｌＧａＡｓをコンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の材料として用いる場合、Ａｌ組成は０．４５以下の領域で使用しなくてはならない。
また、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１１に最も近いコンタクトウェル層１１２ｗ１のＡｌ組成を低くし、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３に近づくにつれてコンタクトウェル層１１２ｗ２、１１２ｗ３のＡｌ組成を大きくしてやれば、コンタクトウェル層１１２ｗ２、１１２ｗ３を伝導するに従って、コンタクトウェル層１１２ｗ２、１１２ｗ３に存在する電子のエネルギーを効率良くｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端エネルギーに近づけることが可能となる。
特に、ＧａＡｓコンタクト層１１１に最も近いコンタクトウェル層１１２ｂ１のＡｌ組成を、０以上で且つ０．１以下の範囲に設定すれば、図９に示すように、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３に形成される基底状態の電子のエネルギー準位は、ＧａＡｓコンタクト層１１１の伝電帯端に対して０．１ｅＶ程度近づく程度である。このため、ＧａＡｓコンタクト層１１１から注入された電子は大きなヘテロ障壁を感受することなくトンネル効果によりコンタクトウェル層１１２ｂ１に注入することができる。
また、ｎ型クラッド層１１３に最も近いコンタクトウェル層１１２ｂ３のＡｌ組成を０．３以上で且つ０．４５以下の範囲に設定すれば、コンタクトウェル層１１２ｂ３に存在する電子がｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３に伝導する場合に感受するヘテロ障壁の大きさを、図９に示すように、０．０４ｅＶ程度以下とすることができるため、コンタクトウェル層１１２ｂ３に存在する電子は大きなヘテロ障壁を感受することなくｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３に注入することができる。
具体的には、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置では、コンタクトウェル層として３層のコンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３を用いて形成され、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３に近づくにつれて、それぞれのＡｌ組成を０．０５、０．２５、０．４５と徐々に増加させている。
ここで、さらに前述の様に、コンタクトバリア層１１２ｂ１〜１１２ｂ３の膜厚をトンネル効果が得ることができる２ｎｍから８ｎｍ（第１の実施形態の一例としては４ｎｍとしている）とすれば、コンタクト層１１１から量子井戸へテロバリア層１１２ｂ１トンネル効果で通過する電子の割合が大きくなる。電子はコンタクトウェル層１１２ｂ１から１１２ｂ３へ、量子井戸へテロバリア層１１２をトンネル効果で伝導するに従い、図１０に示すように、効率良く、電子の高いエネルギー準位を介しての電気伝導が可能となる。この場合、コンタクトウェル層１１２ｂ３で形成される電子の最大エネルギー準位に対して、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端エネルギーからのエネルギーの大きさが０．０２ｅＶまで低減されるため、電子は低いバイアス電圧印加時においても、ＧａＡｓコンタクト層１１１からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３へ伝導することが可能となる。
図１１は、ＡｌＧａＡｓからなる量子井戸コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の厚さを２ｎｍとした場合に、Ａｌ組成を変化させた場合のエネルギー準位の大きさを示している。図１１でも、図７と同様に、エネルギーはｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端のエネルギーと量子準位エネルギーの差の大きさ（ΔＥｃｑ）を表示している。
図１１に示すように、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の膜厚を薄くすると、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３に形成される電子のエネルギー準位は大きくなり、膜厚を４ｎｍとした場合よりもΔＥｃｑが大きくなるため、コンタクトバリア層１１２ｂ１をトンネル効果により通過する電子の確率が低下する。また、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３とコンタクトバリア層１１２ｂ１〜１１２ｂ３の界面では界面層同士が混晶化した場合、さらにコンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の平均Ａｌ組成が大きくなり量子準位の数の減少につながり、電子のトンネル確率の低下が生じる恐れがある。
一方、図１１に示すように、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の膜厚を厚くすると、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３内に形成される電子の準位の数が多くなり、効率良く、高いエネルギー状態、すなわち、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１１の伝導帯端エネルギーに最も近いエネルギー準位に存在する電子の確率が低下してしまう。従って、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の膜厚は２ｎｍ以上、６ｎｍ以下で設定する必要がある。本発明の第１の実施形態では、一例として、コンタクトウェル層の膜厚は４ｎｍとしている。
また、コンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３の組成と膜厚は、図１２に示すように、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３に近づくにつれて、組成を徐々に大きくし、また、膜厚が徐々に厚くなるように変化させてもよい。具体的には、ＧａＡｓコンタクト層１１１に最も近いＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層１１２ｗ１の膜厚を６ｎｍ、Ａｌ組成を０．０５、ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層１１２ｗ２の膜厚を４ｎｍ、Ａｌ組成を０．２５、ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層１１２ｗ３の膜厚を２ｎｍ、Ａｌ組成を０．４５とすることにより、ＡｌＧａＡｓコンタクトウェル層１１２ｗ１〜１１２ｗ３に存在する電子のエネルギーを徐々にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３に近いコンタクトウェル層ほど、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端エネルギーに近づけることが可能となる。その結果、ＧａＡｓコンタクト層１１１から注入された電子を、コンタクトウェル層１１２ｗ３においてｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の伝導帯端エネルギーに最も近い量子準位エネルギーに効率良く存在させることが可能となり、動作電圧をさらに低減させることが可能となる。
図１３（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の電流−電圧特性を示している。本実施形態に係る半導体レーザ装置は、量子井戸へテロバリア層１１２を用いることにより、動作電圧を約０．１Ｖ低減させることが可能となった。また、図１３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の電流−光出力特性を示しており、具体的には、８５℃、５０ｎｓ、デューティ５０％の状態での高温パルス駆動における電流−光出力特性を示している。図１３（ｂ）に示すように、量子井戸へテロバリア層１１２を用いることにより、熱飽和レベルが２０ｍＷ程度改善していることが分かる。
以上説明したように、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、量子井戸へテロバリア層１１２をｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１１とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の間に備えることにより、ヘテロスパイクによる動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
また、上述では、本実施形態に係る半導体レーザ装置が、活性層としてＧａＩｎＰを含むＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる量子井戸活性層１１４を用いた赤色レーザである場合について説明したが、活性層としてＧａＡｓを含むＡｌＧａＡｓ系材料を用いた赤外レーザである場合についても、同様に、量子井戸へテロバリア層１１２をｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１１とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１３の間に備えることにより、ヘテロスパイクによる動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置では、第１導電型の第１クラッド層と第１導電型の基板の界面に、バンドギャップエネルギーが第１導電型のクラッド層に近づくにつれて大きくなるウェル層を有する多層構造の量子井戸ヘテロバリア中間層を設けた構成にすることにより、窒化物材料を用いたレーザにおいても、低動作電圧で高出力動作が可能な構造を有する半導体レーザ装置を実現するものである。
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１４（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構造を示している。
図１４（ａ）に示すように、ＧａＮ基板３００上には、ｎ型第１量子井戸へテロバリア層３０１と、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（膜厚２．５μｍ）３１２と、ｎ型ＡｌＧａＮガイド層（８６ｎｍ）３１３と、ＩｎＧａＮ系材料からなる量子井戸活性層３１４と、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（膜厚１０ｎｍ）３１５と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６、ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚０．１μｍ）３１７と、光分布に対して透明な第１の電流ブロック層３１８と、ｐ型電極３２０と、ｎ型電極３２１とが形成されている。リッジの幅（Ｗ）は１．４μｍである。
このとき、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６は、リッジ上部と活性層３１４までの距離が０．５μｍ、リッジ下端部と活性層との距離をｄｐ（０．１μｍ）としている。
ここで、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置では、活性層に注入されたキャリアが動作中の発熱により励起され、クラッド層に漏れ出すキャリアオーバーフローの抑制を行う目的で、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１５のＡｌ組成を０．１としている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６のＡｌ組成を大きくすると、活性層とクラッド層間のバンドギャップエネルギー差を大きくすることができるため、活性層に注入されたキャリアのキャリアオーバーフローを抑制することが可能となる。しかしながら、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ基板との熱膨張係数の差のために、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を大きくし過ぎると格子欠陥が生じ信頼性の低下につながる。従って、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成は０．２以下で素子を作製する必要がある。
また、リッジ側面上に、ＳｉＮからなる誘電体の電流ブロック層（０．１μｍ）３１８が形成されている。この構造において、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１７から注入された電流は電流ブロック層３１８によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部下方に位置する活性層３１４に集中して電流注入され、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が数十ｍＡの少ない注入電流により実現される。このとき生じた活性層３１４へ注入されたキャリアの再結合により発光した光は、活性層３１４に対して垂直な方向へは、クラッド層３１２、３１６により垂直方向の光閉じ込めが行われ、活性層３１４に対して平行な方向へは、電流ブロック層３１８がクラッド層よりも屈折率が低いため、水平方向の光閉じ込めが生じる。また、電流ブロック層３１８はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光分布は電流ブロック層に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１０ー３のオーダのΔｎを容易に得ることができる。さらに、その大きさをｄｐの大きさで、同じく１０ー３のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザを得ることができる。
半導体レーザ素子を光ディスクシステムの記録再生の光源として用いる場合、レーザ出射光を光ディスク上に回折限界まで集光するためには、半導体レーザにおける光分布は単峰性の基本横モード発振動作を生じている必要がある。
高温、高出力状態まで安定した基本横モード発振を生じるためには、高次横モードをカットオフし、レーザ発振を生じないように導波路の構造を決めなければならない。このためには、ΔＮを１０ー３のオーダで精密に制御するのみならず、リッジ底部の幅を狭くし、高次横モードをカットオフ状態にする必要がある。
リッジ底部の幅は、高次横モード発振を抑制するために、１．５μｍ以下に狭くする必要がある。リッジ底部の幅を狭くすると、リッジ上面の幅もリッジのメサ形状に応じて狭くなる。リッジ上面の幅が狭くなり過ぎると、リッジ上部から素子に向かって注入される電流経路の幅が狭くなり、素子の直列抵抗（Ｒｓ）の増大を招き、動作電圧が増大してしまう。従って、安定な基本横モード発振を生じされる目的でリッジ底部の幅を単純に狭くするとＲｓの増大につながり、動作電圧が増大する。その結果、発熱の原因となり高温高出力動作を困難にする。
そこで、本発明の第２の実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板３００とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２の間に、ｎ型第１量子井戸へテロバリア層３０１が設けられている。ｎ型第１量子井戸へテロバリア層３０１は、図１４（ｂ）に示すように、３層のｎ型コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３と３層のコンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３とから構成されている。コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮからなっている。
ここで、量子井戸へテロバリア層の構造について説明を行う。
第１量子井戸へテロバリア中間層３０１を用いない構造においては、ｎ型のＡｌＧａＮクラッド層３１２のＡｌ組成を０．１、０．２とした場合、ｎ型ＧａＮ基板３００との界面において、図１５（ａ）に示すように、電子に対してそれぞれ０．１２７ｅＶ、０．１６７ｅＶのヘテロ障壁が形成される。このヘテロ障壁のために、電流−電圧特性における立ち上がり電圧が増大するのみならず、直列抵抗（Ｒｓ）が増大し、動作電圧の増大につながってしまう。窒化物系半導体レーザは、材料物性上バンドギャップエネルギーが大きいために、元々動作電圧が高く、動作電圧の低減は非常に重要である。
そこで、本発明の第２の実施形態では、ｎ型のＡｌＧａＮクラッド層３１２とｎ型ＧａＮ基板３００との間に、３層のコンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３からなる量子井戸へテロバリア中間層３０１を設けている（図１５（ｂ）参照）。
ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を０．１とし、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３にＡｌ組成０．１のＡｌＧａＮを用い、さらに、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３に厚さ４ｎｍのＡｌＧａＮ層を用いた場合において、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成を０から０．０８まで変化させたときに、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３に形成される電子のエネルギー準位の計算結果を図１６に示している。なお、計算では、ＡｌＧａＮコンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の伝導帯端からの量子準位エネルギーの差を示している。
図１６に示す計算結果により、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成がｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成を０．０２、０．０５、０．０８と増大させていくことにより、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３内に形成される電子のエネルギー準位をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２の伝導帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の電子のエネルギー準位を０．０６３ｅＶ、０．０３８ｅＶ、０．０１ｅＶと０．０２ｅＶ程度の小さな間隔で順次近づけることが可能となる。このため、ｎ型ＧａＮ基板３００からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に向かって注入される電子のエネルギーレベルは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて効率良く増大し、第１量子井戸へテロバリア層３０１を介して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に到達する。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
また、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を０．２とし、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３にＡｌ組成０．２のＡｌＧａＮを用い、さらに、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３に厚さ４ｎｍのＡｌＧａＮ層を用い、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成を０から０．１６まで変化させたときにコンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３に形成される電子のエネルギー準位の計算結果を図１７に示している。なお、計算では、ＡｌＧａＮコンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の伝導帯端と量子準位エネルギーとの差を示している。
図１７に示す計算結果により、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成がｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成を０．０２５、０．０８、０．１６と増大させていくことにより、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３内に形成される電子のエネルギー準位をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２の伝導帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の電子のエネルギー準位を０．１８ｅＶ、０．１１５ｅＶ、０．０３ｅＶと０．０７ｅＶ程度の小さな間隔で順次近づけることが可能となる。このため、ｎ型ＧａＮ基板３００からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に向かって注入される電子のエネルギーレベルは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて効率良く増大し、第１量子井戸へテロバリア層３０１を介して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に到達する。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
また、ｎ型ＧａＮ基板３００に最も近いコンタクトウェル層３０１ｗ３のＡｌ組成を０以上で且つ０．０５以下とすることにより、このコンタクトウェル層３０１ｗ３で形成される電子の基底状態のエネルギー準位をｎ型ＧａＮの伝導帯の電子のエネルギーと近づけることができるため、コンタクトバリア層３０１ｂ３をトンネル効果で通過する確率が高まり、動作電圧の低減を行うことができる。
また、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２のＡｌ組成以下とすることにより、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３に形成されるホールのエネルギーを必要以上に高くすることを防止することができる。
コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の膜厚を２ｎｍとし、ＡｌＧａＮコンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３のＡｌ組成を０．１、０．２とした場合における、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３に形成される電子の量子準位エネルギーのＡｌＧａＮコンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成依存性の計算結果を図１８及び図１９に示している。なお、計算では、ＡｌＧａＮコンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の伝導帯端からの量子準位エネルギーの差を示している。
図１６〜図１９に示す計算結果により、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の膜厚を薄くすると、同じコンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成の状態と比較して、量子準位エネルギーはコンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の伝導帯のエネルギーに近づくことが分かる。コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３のＡｌ組成を０．０５、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３のＡｌ組成を０．２とした場合、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の膜厚を４ｎｍから２ｎｍへと薄くすると、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の伝導帯とコンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の基底量子準位とのエネルギー差は０．１６ｅＶから０．１ｅＶへ減少することが分かる。これは、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の膜厚を薄くすると、基底量子準位のエネルギーがｎ型ＧａＮの伝導帯エネルギーから、より大きくなり安いことを意味する。したがって、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の膜厚を余り薄くすると、ｎ型ＧａＮ基板からコンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３をトンネル効果で通過し、コンタクトウェル層３０１ｂ３〜３０１ｂ１に到達できる電子の確率が低下することになる。
また、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３とコンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の界面では界面層同士が混晶化した場合、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の平均Ａｌ組成がさらに大きくなり、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の基底量子準位エネルギーもさらに大きくなる結果、電子のトンネル確率がさらに低下する恐れがある。
また、逆にコンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の膜厚を厚くすると、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３内に形成される電子の量子準位エネルギーが小さくなり、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の伝導帯エネルギーとの差が大きくなる。このため、効率良く高いエネルギー状態、すなわち、ＡｌＧａＮ伝導帯端エネルギーに最も近いエネルギー準位に存在する電子の確率が低下してしまう。従って、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の膜厚は２ｎｍ以上で且つ６ｎｍ以下で設定する必要がある。本発明の第２の実施形態では、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の膜厚を４ｎｍとしている。
また、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３におけるトンネル効果を生じさせるためには、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の厚さは電子の波動関数の波長程度以下の薄さである必要があり、８ｎｍ以下でなければならない。逆に薄くし過ぎると、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３間の量子準位の結合が強くなり、ミニバンドが形成され、各コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３で形成される電子の量子準位が分裂し、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３内でエネルギーの低い状態に存在する電子の確率が増大することになる。このため、コンタクトウェル層３０１ｂ３からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２へ電子が伝導する場合に、依然として、大きなヘテロ障壁の影響を受ける電子の割合が増し、動作電圧の低減効果が薄れてしまう。従って、高いトンネル確率と、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３間の電子の量子準位の結合によるミニバンドの形成を防ぐためには、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の膜厚は２ｎｍ以上で且つ８ｎｍ以下で形成する必要がある。本発明の第２の実施形態では、コンタクトバリア層３０１ｂ１〜３０１ｂ３の膜厚を６ｎｍとしている。
以上のように、窒化物系の半導体レーザにおいても、ｎ型ＧａＮ基板３００とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２間に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に向かっていくに従いバンドギャップエネルギーギャップが増大するコンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３を有する第１量子井戸へテロバリア層３０１を備えている。これにより、ｎ型ＧａＮ基板３００とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２近傍の伝導帯のバンド構造は、図２０に示すような構造となり、電子は低いバイアス電圧印加時においても、ｎ型ＧａＮ基板３００からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２へ伝導することが可能となる。
また、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３の組成とバンドギャップエネルギーは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて、バンドギャップエネルギーを徐々に大きくし、また、膜厚を徐々に薄くなるように変化させてもよい。具体的には、ＡｌＧａＮコンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３は、ｎ型ＧａＮ基板３００に最も近い側から順に、膜厚を６ｎｍ、４ｎｍ、２ｎｍとし、Ａｌ組成を０．０２、０．０５、０．０８と変化させる。これにより、コンタクトウェル層３０１ｗ１〜３０１ｗ３に存在する電子の基底量子準位のエネルギーを、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近いコンタクトウェル層ほど、ＡｌＧａＮ伝導帯端エネルギーに徐々に近づけることが可能となる。その結果、ｎ型ＧａＮ基板３００から注入された電子を、コンタクトウェル層３０１ｗ１においてＡｌＧａＮ伝導帯端エネルギーに最も近い量子準位に効率良く存在させることが可能となり、動作電圧をさらに低減させることが可能となる。
また、本発明の第２の実施形態では、ｎ型クラッド層の材料がＡｌＧａＮ層である場合の例のみを示したが、クラッド層、コンタクトウェル層、コンタクトバリア層の材料としてＡｌＧａＩｎＮを用いることもできる。この場合、コンタクトウェル層には、ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいＡｌＧａＩｎＮ材料を用い、コンタクトバリア層には、クラッド層のバンドギャップエネルギー以下であり、且つ、コンタクトウェル層のバンドギャップエネルギーよりも大きなＡｌＧａＩｎＮ材料を用いても同様の効果を得ることができる。
また、コンタクトバリア層に引っ張り歪を生じさせるように組成を設定することにより、コンタクトバリア層のバンドギャップエネルギーが増大する。このため、コンタクトウェル層に形成される量子準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。その結果、コンタクトバリア層と中間層の界面のヘテロスパイクを、より低いバイアス電圧においても通過することが可能となり、動作電圧がさらに低減される。
また、本発明の第２の実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板上に量子井戸ヘテロバリア層を形成している場合を示したが、ｎ型ＧａＮ基板上にｎ型のＧａＮコンタクト層を形成し、その上に、量子井戸ヘテロバリア中間層を形成しても同様の効果を得ることができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置について説明する。
まず、窒化物系の青紫色レーザにおいては、ＧａＮ層やＡｌＧａＮ層は、ＩｎＧａＮ系材料からなる活性層からのレーザ発振光に対して透明であるため、導波路の散乱光は電極に反射され再び導波路に帰還し、出射光強度に揺らぎが発生し雑音強度の増大が生じたり、端面から放射されるレーザ光と干渉し、レーザ放射光のＦＦＰに乱れが生じたりする原因となる。青紫レーザを光ディスクシステムの光源として使用する場合、雑音強度の増大は、光ディスクの情報の記録再生品質の低下につながり、また、ＦＦＰの乱れはレーザ出射光の光ピックアップシステムにおける光学系での光の利用効率の低下につながるため、実用上重大な支障をきたすことになる。これを防止するために、基板とｎ型クラッド層の間にレーザ発振光を吸収する光吸収層を備えることにより、光吸収層でレーザ光が吸収される。このため、面積の大きいｎ型電極側で反射した導波路の散乱光が活性層に帰還することを防止できるので、雑音強度の増大やＦＦＰの乱れを防止することが可能となる。
しかしながら、光吸収層を単純に設ける場合、図２１（ａ）の伝導帯バンド構造図に示すように、光吸収層とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層及びｎ型ＧａＮ層の２つの界面で形成されるスパイクのせいで、Ｎ型ＧａＮ層から注入された電子をｎ型ＡｌＧａＮ層に注入するためには、付加電圧がさらに必要となる結果、動作電圧の増大を招いてしまう。例えば、ＩｎＧａＮ光吸収層のＩｎ組成を０．２とし、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を０．１とすると、ΔＥｃは、光吸収層がない状態での０．１３ｅＶから０．６７ｅＶに増大してしまう。また、ｎ型ＧａＮとＩｎＧａＮ光吸収層の界面のΔＥｃも、０．５４４ｅＶと増大する。
その結果、窒化物材料を用いた半導体レーザでは、ｎ型クラッド層側に光吸収層を入れることにより、ＦＦＰに乱れや雑音強度を低減することができても、動作電圧が増大してしまうという問題が生じてしまう。
そこで、本発明の第３の実施形態に係るレーザ装置は、第１導電型の第１クラッド層と第１導電型の基板の界面に、バンドギャップエネルギーが第１導電型のクラッド層に近づくにつれて大きくなるウェル層を有する多層構造の量子井戸ヘテロバリア中間層を設けることにより、窒化物材料を用いたレーザにおいても、低電圧で高出力動作が可能な構造を有する半導体レーザを得ることができるものである（図２１（ｂ）参照）。
図２２（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構造を示している。
図２２（ａ）に示すように、ＧａＮ基板３００上には、ｎ型第２量子井戸へテロバリア層３０３（図２２（ｃ）参照）と、光吸収性のｎ型ＩｎＧａＮ第１コンタクト層３０４と、ｎ型第１量子井戸ヘテロバリア層３０６（図２２（ｂ）参照）と、ＡｌＧａＮクラッド層（膜厚２．５μｍ）３１２と、ｎ型ＡｌＧａＮガイド層（８６ｎｍ）３１３と、ＩｎＧａＮ系材料からなる量子井戸活性層３１４と、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（膜厚１０ｎｍ）３１５と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６と、ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚０．１μｍ）３１７と、光分布に対して透明な第１電流ブロック層３１８と、ｐ型電極３２０と、ｎ型電極３２１とが形成されている。リッジの幅（Ｗ）は１．４μｍである。
ここで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６は、リッジ上部と活性層３１４までの距離を０．５μｍ、リッジ下端部と活性層との距離をｄｐ（０．１μｍ）としている。
この構造において、量子井戸活性層３１４から発光した光は光吸収性の第１コンタクト層３０４で吸収除去されるため、ｎ型電極３２１で反射したレーザ光や自然放出光が量子井戸活性層３１４に再入射する結果、ＦＦＰの乱れや光出力の雑音レベルの増大を防止することが可能となる。本実施形態では、第１コンタクト層をＩｎ組成０．２のＩｎＧａＮとして、４０５ｎｍ帯の活性層３１４からのレーザ発振光に対して光吸収性を持たせている。光吸収層の膜厚が薄いと光吸収効果が低減するので、その膜厚として最低１０ｎｍは必要である。また、光吸収層の膜厚が厚くなり過ぎると、ＧａＮ基板との格子不整のために格子欠陥が生じる。このため、光吸収層の膜厚は３０ｎｍ以下で形成する必要がある。本実施形態においては、第１コンタクト層３０４の膜厚を２０ｎｍとしていることにより、光吸収効果と共に格子欠陥の発生の抑制を両立させている。
ここで、第１量子井戸ヘテロバリア層３０６の構造について説明する。
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２のＡｌ組成を０．１とし、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３にＡｌ組成０．１のＡｌＧａＮを用い、さらに、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ層を用いた場合において、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０から０．１まで変化させたときに、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に形成される電子のエネルギー準位の計算結果を図２３に示している。なお、計算では、ＡｌＧａＮコンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯端からの量子準位エネルギーの差を示している。
図２３に示す計算結果により、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０．１、０．０５５、０．０１と減少させていくことにより、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内に形成される電子のエネルギー準位をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２の伝導帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の電子のエネルギー準位を０．３２ｅＶ、０．２０ｅＶ、０．１０ｅＶと０．１ｅＶ程度の小さな間隔で順次近づけることが可能となる。このため、ｎ型第１コンタクト層３０４からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に向かって注入される電子のエネルギーレベルは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層に近づくにつれて効率良く増大し、第１量子井戸へテロバリア中間層３０６を介して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に到達する。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
次に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２のＡｌ組成を０．１とし、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３にＡｌ組成０．１のＡｌＧａＮを用い、さらに、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に厚さ２ｎｍの薄いＩｎＧａＮ層を用いた場合において、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０から０．２まで変化させたときに、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に形成される電子のエネルギー準位の計算結果を図２４に示している。なお、計算では、ＡｌＧａＮコンタクトバリア層３１２の伝導帯端からの量子準位エネルギーの差を示している。
図２４に示す計算結果により、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０．１５、０．０７、０．０１と減少させていくことにより、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内に形成される電子のエネルギー準位をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２の伝導帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の電子のエネルギー準位を０．３２ｅＶ、０．１５ｅＶ、０．０６ｅＶと０．１ｅＶ程度の小さな間隔で順次近づけることが可能となる。このため、ｎ型第１コンタクト層３０４からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に向かって注入される電子のエネルギーレベルは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて効率良く増大し、第１量子井戸へテロバリア層３０６を介して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に到達する。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
ここで、ＩｎＧａＮコンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成は０．１５以下であることが好ましい。これは、Ｉｎ組成を０．１５以上に大きくするとＩｎＮとＧａＮの間の原子間隔が異なるため、ＩｎＧａＮ結晶自体に歪エネルギーが蓄積して、組成分離が生じ易くなるからである。組成分離が生じるとコンタクトウェル層のバンドギャップエネルギーに面内ばらつきが生じ、コンタクトウェル層内の電子の量子準位エネルギーを正確に制御することが困難になる。このため、電子の伝導性にばらつきが生じ、電子がコンタクトバリア層をトンネル効果で通過し、次のコンタクトウェル層に到達するに従い、電子のエネルギーを増大させるという所望の効果を得ることが困難になるからである。
上述した図２３及び図２４に示す計算結果により、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を薄くすると、同じコンタクトウェル層のＩｎ組成の状態と比較して、量子準位エネルギーはコンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯のエネルギーに近づくことが分かる。コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０．１、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３のＡｌ組成を０．１とした場合、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を４ｎｍから２ｎｍへと薄くすると、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯とコンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の基底量子準位とのエネルギー差は０．３２ｅＶから０．２ｅＶへ減少することがわかる。これは、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を薄くすると、基底量子準位のエネルギーがｎ型ＩｎＧａＮの伝導帯エネルギーから、より大きくなり易いことを意味する。したがって、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を余りに薄くすると、ｎ型第１コンタクト層３０４からコンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３をトンネル効果で通過してコンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に到達できる電子の確率が低下することになる。
また、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３とコンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の界面では界面層同士が混晶化した場合、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の平均Ａｌ組成が大きくなり、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の基底量子準位エネルギーがさらに大きくなる。その結果、電子のトンネル確率がさらに低下する恐れがある。
一方、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を逆に厚くすると、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内に形成される電子の量子準位エネルギーが小さくなり、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯エネルギーとの差が大きくなるため、効率良く高いエネルギー状態、すなわち、ＡｌＧａＮ伝導帯端エネルギーに最も近いエネルギー準位に存在する電子の確率が低下してしまう。従って、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚は２ｎｍ以上で且つ６ｎｍ以下で設定する必要がある。本実施形態では、一例として、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を２ｎｍとしている。また、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０．１５、０．０７、０．０１と減少させている。
また、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３におけるトンネル効果を生じさせるためには、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の厚さは電子の波動関数の波長程度以下の薄さである必要があり、８ｎｍ以下でなければならない。ただし、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の厚さを薄くし過ぎると、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３間の量子準位の結合が強くなり、ミニバンドが形成され、各コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３で形成される電子の量子準位が分裂し、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内でエネルギーの低い状態に存在する電子の確率が増大することになる。このため、コンタクトウェル層３０６ｗ１からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２へ電子が伝導する場合に、依然として、大きなヘテロ障壁の影響を受ける電子の割合が増し、動作電圧の低減効果が薄れてしまう。従って、高いトンネル確率と、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３間の電子の量子準位の結合によるミニバンドの形成を防ぐためには、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の膜厚は２ｎｍ以上で且つ８ｎｍ以下であることが必要である。本実施形態では、一例として、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の膜厚を４ｎｍとしている。
次に、第２量子井戸ヘテロバリア層３０３の構造について説明を行う。
基板側コンタクトバリア層３０３ｂ１〜３０３ｂ３にＧａＮを用い、さらに、基板側コンタクトウェル層３０３ｗ１〜３０３ｗ３に厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ層を用いた場合において、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０から０．１まで変化させたときに、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に形成される電子のエネルギー準位の計算結果を図２５に示している。なお、計算では、ＧａＮ基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯端からの量子準位エネルギーの差を示している。
図２５に示す計算結果により、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成がｎ型ＧａＮ基板３００に近づくにつれて、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０．１、０．０５、０．０１と減少させていくことにより、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内に形成される電子のエネルギー準位をｎ型ＧａＮ伝導帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の電子のエネルギー準位を０．２４ｅＶ、０．１０ｅＶ、０．０２ｅＶと０．１ｅＶ程度の小さな間隔で順次変化させることが可能となる。このため、ｎ型ＧａＮ基板３００から、ｎ型第１コンタクト層３０４に向かって注入される電子のエネルギーレベルは、低いエネルギーでも基板側コンタクトウェル層３０３ｗ３に到達し、基板側コンタクトウェル層３０３ｗ１に向かってトンネル効果により伝導する確率を増大させることができる。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
次に、基板側コンタクトバリア層３０３ｂ１〜３０３ｂ３にＧａＮを用い、さらに、基板側コンタクトウェル層３０３ｗ１〜３０３ｗ３に厚さ２ｎｍの薄いＩｎＧａＮ層を用いた場合において、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０から０．２まで変化させたときに、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に形成される電子のエネルギー準位の計算結果を図２６に示している。なお、計算では、ＧａＮ基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯端からの量子準位エネルギーの差を示している。
図２６に示す計算結果により、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成をｎ型ＧａＮ基板３００に近づくにつれて、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０．１５、０．０８、０．０２と減少させていくことにより、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内に形成される電子のエネルギー準位をｎ型ＧａＮ伝導帯端からのエネルギーに換算して、基底状態の電子のエネルギー準位を０．２５ｅＶ、０．１２ｅＶ、０．０２ｅＶと０．１ｅＶ程度の小さな間隔で順次変化させることが可能となる。このため、ｎ型ＧａＮ基板３００から、ｎ型第１コンタクト層３０４に向かって注入される電子のエネルギーレベルは、低いエネルギーでも基板側コンタクトウェル層３０３ｗ３に到達し、基板側コンタクトウェル層３０３ｗ１に向かってトンネル効果により伝導する確率を増大させることができる。その結果、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
ここで、ＩｎＧａＮ基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成は０．１５以下であることが好ましい。これは、Ｉｎ組成を０．１５以上に大きくするとＩｎＮとＧａＮの間の原子間隔が異なるため、ＩｎＧａＮ結晶自体に歪エネルギーが蓄積して、組成分離が生じ易くなるからである。組成分離が生じると基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のバンドギャップエネルギーに面内ばらつきが生じ、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内の電子の量子準位エネルギーを正確に制御することが困難になる。このため、電子の伝導性にばらつきが生じ、電子が基板側コンタクトバリア層３０６ｗ１〜３０６ｗ３をトンネル効果で通過し、次の基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に到達するに従い、電子のエネルギーを増大させるという所望の効果を得ることが困難になるからである。
上述した図２５及び図２６に示す計算結果より、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を薄くすると、同じ基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成の状態と比較して、量子準位エネルギーは基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯のエネルギーに近づくことが分かる。基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０．１、基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３がＧａＮの場合、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を４ｎｍから２ｎｍへと薄くすると、基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯とコンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の基底量子準位とのエネルギー差は０．２４ｅＶから０．１５ｅＶへ減少することがわかる。これは、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を薄くすると、基底量子準位のエネルギーがｎ型ＩｎＧａＮの伝導帯エネルギーから、より大きくなり易いことを意味する。したがって、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を余りに薄くすると、ｎ型ＧａＮ基板３００から基板側コンタクトバリア層３０６ｂ３〜３０６ｂ１をトンネル効果で通過してコンタクトウェル層３０３ｗ１に到達できる電子の確率が低下することになる。
また、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３と基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の界面では界面層同士が混晶化した場合、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の平均Ｇａ組成が大きくなり、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の基底量子準位エネルギーがさらに大きくなる結果、電子のトンネル確率がさらに低下する恐れがある。
一方、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を逆に厚くすると、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内に形成される電子の量子準位エネルギーが小さくなり、基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の伝導帯エネルギーとの差が大きくなるため、効率良く高いエネルギー状態、すなわち、ＧａＮ伝導帯端エネルギーに最も近いエネルギー準位に存在する電子の確率が低下してしまう。従って、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚は２ｎｍ以上で且つ６ｎｍ以下で設定する必要がある。本実施形態では、一例として、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を２ｎｍとしている。また、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成をｎ型第１コンタクト層３０４に近づくにつれて、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のＩｎ組成を０．０２、０．０８、０．１５と減少させている。
また、基板側コンタクトバリア層３０６ｗ１〜３０６ｗ３におけるトンネル効果を生じさせるためには、基板側コンタクトバリア層３０３ｂ１〜３０３ｂ３の厚さは電子の波動関数の波長程度以下の薄さである必要があり、８ｎｍ以下でなければならない。逆に薄くし過ぎると、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３間の量子準位の結合が強くなり、ミニバンドが形成され、各基板側コンタクトウェル層３０３ｗ１〜３０３ｗ３で形成される電子の量子準位が分裂し、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３内でエネルギーの低い状態に存在する電子の確率が増大することになる。このため、基板側コンタクトウェル層３０３ｗ１からｎ型第１コンタクト層３０４へ電子が伝導する場合に、依然として、大きなヘテロ障壁の影響を受ける電子の割合が増し、動作電圧の低減効果が薄れてしまう。従って、高いトンネル確率と、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３間の電子の量子準位の結合によるミニバンドの形成を防ぐためには、基板側コンタクトバリア層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚は２ｎｍ以上で且つ８ｎｍ以下で形成する必要がある。本実施形態では、一例として、基板側コンタクトバリア層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚を４ｎｍとしている。
以上のように、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、ｎ型第１コンタクト層３０４とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２間に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に向かっていくに従い、バンドギャップエネルギーギャップが増大するコンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３を有する第１量子井戸へテロバリア層３０６を備えていると共に、ｎ型ＧａＮ基板３００とｎ型第１コンタクト層３０４間に、ｎ型第１コンタクト層３０４に向かっていくに従い、バンドギャップエネルギーギャップが減少する基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３を有する第２量子井戸へテロバリア層３０３を備えている。これにより、光吸収性の第１コンタクト層を基板とｎ型クラッド層の間に備えた窒化物系の半導体レーザにおいても、ｎ型ＧａＮ基板３００とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２近傍の伝導帯のバンド構造は、図２７に示すような構造となり、電子は低いバイアス電圧印加時であっても、ｎ型ＧａＮ基板からｎ型のクラッド層へ伝導することが可能となる。
また、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の組成とバンドギャップエネルギーは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近づくにつれて、バンドギャップエネルギーを徐々に大きくし、また、膜厚を徐々に薄くなるように変化させてもよい。具体的には、ＩｎＧａＮコンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の膜厚をそれぞれ６ｎｍ、４ｎｍ、２ｎｍとし、Ｉｎ組成をそれぞれ０．１、０．０５５、０．０１と変化させることにより、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に存在する電子の基底量子準位のエネルギーを、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２に近いコンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３ほど、ＡｌＧａＮ伝導帯端エネルギーに徐々に近づけることが可能となる。その結果、ｎ型第１コンタクト層３０４から注入された電子を、コンタクトウェル層３０６ｗ１においてＡｌＧａＮ伝導帯端エネルギーに最も近い量子準位に効率良く存在させることが可能となり、動作電圧をさらに低減することが可能となる。
また、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の組成とバンドギャップエネルギーは、ｎ型第１コンタクト層３０４に近づくにつれて、バンドギャップエネルギーを徐々に小さくし、また、膜厚を徐々に厚くなるように変化させてもよい。具体的には、基板側ＩｎＧａＮコンタクトウェル層３０３ｗ１〜３０３ｗ３の膜厚を２ｎｍ、４ｎｍ、６ｎｍとし、Ｉｎ組成を０．０１、０．０５５、０．１と変化させることにより、基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に存在する電子の基底量子準位のエネルギーを、ｎ型第１コンタクト層３０４に近いコンタクトウェル層ほど、第１コンタクト層３０４の伝導帯端エネルギーに徐々に近づけることが可能となる。その結果、ｎ型基板３００から注入された電子を、コンタクトウェル層３０３ｗ１において第１コンタクト層３０４の伝導帯端エネルギーに最も近い量子準位に効率良く存在させることが可能となり、動作電圧をさらに低減することが可能となる。
また、本実施形態では、ｎ型クラッド層３１２の材料がＡｌＧａＮ層である場合のみについて説明したが、ｎ型クラッド層３１２の材料としてＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。また、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の材料がＡｌＧａＮ層である場合のみについて説明したが、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の材料としてＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。また、基板側コンタクトバリア層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の材料がＧａＮ層である場合のみについて説明したが、コンタクトバリア層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の材料としてＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。また、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３及び基板側コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３の材料がＩｎＧａＮ層である場合のみについて説明したが、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３及び基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３の材料としてＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。
この場合、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３には、ｎ型クラッド層３１２のバンドギャップエネルギーよりも小さいＡｌＧａＩｎＮ材料を用い、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３には、ｎ型クラッド層３１２のバンドギャップエネルギー以下であり、且つ、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３のバンドギャップエネルギーよりも大きなＡｌＧａＩｎＮ材料を用いても同様の効果を得ることができる。
また、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３及び基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３に引っ張り歪を生じさせるように組成を設定することにより、コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３及び基板側コンタクトバリア層３０６ｂ１〜３０６ｂ３のバンドギャップエネルギーが増大する。このため、コンタクトウェル層３０６ｗ１〜３０６ｗ３に形成される量子準位のエネルギーの大きさを大きくすることが可能となる。このため、第１コンタクト層３０４の界面に形成されるヘテロスパイクを、より低いバイアス電圧においても、通過することが可能となり、動作電圧がさらに低減される。
また、本実施形態では、一例として、ｎ型ＧａＮ基板３００上に第２量子井戸ヘテロバリア中間層３０３を形成している例について説明したが、ｎ型ＧａＮ基板３００上にｎ型のＧａＮ第１コンタクト層３０４を形成し、その上に、量子井戸ヘテロバリア層中間層３０３を形成する構成であっても、上述と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、一例として、第１コンタクト層３０４は、基板側及びｎ型クラッド層側の両側に、量子井戸ヘテロバリア中間層３０３及び３０６を備えた構造について説明したが、図２８及び図２９に示す構造のように、量子井戸ヘテロバリア中間層を第１コンタクト層３０４の基板側又はｎ型クラッド層側の一方の側に設ける構造であっても、ＦＦＰの乱れと光出力光における低雑音性及び動作電圧の低減を実現することができる。
また、以上の第１〜第３の実施形態において、第１量子井戸ヘテロバリア層の構成が、クラッド層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／第１コンタクト層からなる構成である場合について例として説明したが、クラッド層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／第１コンタクト層からなる構成である場合についても同様の効果を得ることが可能である。
また、第２量子井戸ヘテロバリア層の構成が、基板／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／第１コンタクト層からなる構成である場合について説明したが、基板／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／コンタクトウエル層／コンタクトバリア層／第１コンタクト層からなる構成である場合についても、上述と同様の効果を得ることが可能である。
また、本発明の第１〜第３の実施形態において、コンタクトウェル層及び基板側コンタクトウェル層の層数が３層である場合を例に説明したが、第１及び第２量子井戸ヘテロ中間層の合計膜厚が、量子井戸ヘテロ中間層が設けられていない状態における、第１コンタクト層とクラッド層及び基板の界面に形成されるヘテロスパイクの存在する膜厚（通常０．１μｍ以下）を越えない範囲内となるように、第１及び第２量子井戸ヘテロ中間層を形成することにより、ヘテロスパイクを電子がトンネル効果で伝導する効果により動作電圧を低減することが可能となる。
また、本発明の第１〜第３の実施形態において、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層の界面に形成されるヘテロスパイクによる動作電圧の増大を抑制するために、ｎ型半導体層にのみ量子井戸へテロバリア層を備えた構造を例に説明したが、さらに、ｐ型コンタクト層とｐ型クラッド層の間にｐ型の量子井戸へテロバリア層を同時に備えることにより、動作電圧をさらに低減できることは言うまでもない。
なお、以上で説明した本発明の各実施形態は、半導体レーザ装置の他に、発光ダイオード等の半導体デバイスに対して適用される場合であっても、同様の効果がもたらされることは言うまでもない。
本発明は、低動作電圧で高出力動作を可能とする半導体レーザ装置の構造にとって有用である。
１１０ ｎ型ＧａＡｓ基板
１１１ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１１２ ｎ型量子井戸へテロバリア層
１１２ｂ１〜ｂ３ ｎ型コンタクトバリア層
１１２ｗ１〜ｗ３ ｎ型コンタクトウェル層
１１３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１１４ 歪量子井戸活性層
１１４ｇ１ 第１ガイド層
１１４ｗ１〜ｗ３ ウェル層
１１４ｂ１〜ｂ２ バリア層
１１４ｇ２ 第２ガイド層
１１５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１１６ ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
１１７ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１８ 電流ブロック層
１２０ ｐ型電極
１２１ ｎ型電極
３００ ｎ型ＧａＮ基板
３０１ ｎ型第１量子井戸へテロバリア中間層
３０１ｂ１〜ｂ３ ｎ型コンタクトバリア層
３０１ｗ１〜ｗ３ ｎ型コンタクトウェル層
３０３ ｎ型第２量子井戸へテロバリア中間層
３０３ｂ１〜ｂ３ ｎ型基板側コンタクトバリア層
３０３ｗ１〜ｗ３ ｎ型基板側コンタクトウェル層
３０４ ｎ型第１コンタクト層
３０６ ｎ型第１量子井戸へテロバリア中間層
３０６ｂ１〜ｂ３ ｎ型コンタクトバリア層
３０６ｗ１〜ｗ３ ｎ型コンタクトウェル層
３１２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３１３ ｎ型ＡｌＧａＮガイド層
３１４ 活性層
３１５ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
３１６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３１７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１８ 電流ブロック層
３２０ ｎ型電極
３２１ ｐ型電極
７０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
７０２ ｎ−ＧａＩｎＰ中間層
７０３ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１Ｎクラッド層
７０４ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第２Ｎクラッド層
７０５ ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰガイド層
７０６ ｕｎ−ＧａＩｎＰ井戸層
７０７ ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰバリア層
７０８ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１Ｐクラッド層
７０９ ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層
７１０ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２Ｐクラッド層
７１１ ｐ−ＧａＩｎＰ中間層
７１２ ヘテロ界面中間層
７１３ ｐ−ＧａＡｓキャップ層
７１４ ＳｉＮ膜
７１５ａ ｐ側電極
７１５ｂ ｎ側電極
７１６ａ、７１６ｂ、７１６ｃ ヘテロ界面中間層を構成するＧａＡｓ層
７１７ ヘテロ界面中間層を構成するＧａＩｎＰ層
８１０ サファイア基板
８１１ ＧａＮバッファ層
８１２ ｎ−ＧａＮコンタクト層
８１３ ｎ−ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮ光導波モード制御層
８１４ ｎ−ＩｎＧａＮ光吸収層
８１５ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
８１６ ｎ−ＧａＮ又はＩｎＧａＮガイド層
８１７ ｎ−ＡｌＧａＮ薄膜障壁層
８１８ ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ活性層
８１９ ｐ−ＡｌＧａＮ薄膜障壁層
８２０ ｐ−ＧａＮ又はＩｎＧａＮガイド層
８２１ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
８２２ ｐ−ＩｎＧａＮ光吸収層
８２３ ｐ−ＧａＮコンタクト層
８２４ ｐ−ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮ光導波モード制御層
８２５ ｐ側電極
８２６ ｎ側電極
８２７ ｎ−ＧａＮ又はＡｌＧａＮ電流ブロック層

Claims (16)

  1. 第１導電型の半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層よりなる第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の上に形成された活性層と、
    前記活性層の上に形成された第２導電型の半導体層よりなる第２クラッド層と、
    前記第１クラッド層と前記基板との間に、第１導電型のバリア層と、２層以上の第１導電型のウェル層とからなる中間層をさらに備えており、
    前記第１クラッド層の禁制帯幅エネルギーＥ１及び前記ウェル層の禁制帯幅エネルギーＥ２は、Ｅ１＞Ｅ２の関係を満足しており、
    前記ウェル層は、前記第１クラッド層に近い側の禁制帯幅エネルギーが前記基板に近い側の禁制帯幅エネルギーよりも大きい、
    ことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記ウェル層の禁制帯幅エネルギーは、前記基板側から前記第１クラッド層側に向かって単調に増大している、
    することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記バリア層の禁制帯幅エネルギーＥｃ１及び前記ウェル層の禁制帯幅エネルギーＥｃ２は、Ｅ１≧Ｅｃ１＞Ｅｃ２≧Ｅ２の関係を満足している、
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
  4. 前記ウェル層の膜厚は、前記基板側から前記第１クラッド層側に向かって単調に減少している、
    ことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  5. 前記バリア層の格子定数は、前記半導体基板の格子定数よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  6. 前記バリア層の格子定数は、近接するクラッド層の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  7. 第１導電型のＧａＡｓ基板上に形成された第１導電型のＡｌＧａＩｎＰよりなる第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の上に形成された活性層と、
    前記活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰよりなる第２クラッド層と、
    前記第１クラッド層と前記ＧａＡｓ基板との間に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰバリア層（０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）と、２層以上のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）ウェル層とからなる多層構造の中間層をさらに備えており、
    前記各ウェル層のＡｌ組成ｙは、前記ＧａＡｓ基板側から前記第１クラッド層側に向かって単調に増大している、
    ことを特徴とする半導体発光素子。
  8. 前記ＧａＡｓ基板に最も近い前記ウェル層のＡｌ組成は、０以上であって且つ０．１以下であり、
    前記第１クラッド層に最も近い前記ウェル層のＡｌ組成は、０．２以上であって且つ０．３以下である、
    ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
  9. 前記ウェル層の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ６ｎｍ以下であり、
    前記バリア層の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ８ｎｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項７又は８記載の半導体発光素子。
  10. 前記バリア層の格子定数は、前記ＧａＡｓ基板よりも小さいことを特徴とする請求項７〜９のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  11. 第１導電型のＧａＮ基板上に形成された第１導電型のＡｌＧａＩｎＮ系材料よりなる第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の上に形成された活性層と、
    前記活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＮ系材料よりなる第２クラッド層とを備えており、
    前記第１クラッド層と前記基板との間に、ＡｌｘｃＧａｙｃＩｎ１−ｘｃ−ｙｃＮバリア層（０≦ｘｃ＜１，０＜ｙｃ≦１、０≦１−ｘｃ−ｙｃ＜１）と、２層以上のＡｌｘｗＧａｙｗＩｎ１−ｘｗ−ｙｗＮウェル層（０≦ｘｗ＜１，０＜ｙｗ≦１、０≦１−ｘｗ−ｙｗ＜１）とからなる多層構造の第１量子井戸ヘテロバリア中間層をさらに備えており、
    前記ウェル層の各々の禁制帯幅エネルギーは、前記ＧａＮ基板側から前記第１クラッド層側に向かって単調に増大している、
    ことを特徴とする半導体発光素子。
  12. 前記ＧａＮ基板と前記第１量子井戸ヘテロバリア中間層との間に第１コンタクト層を備え、前記第１コンタクト層の禁制帯幅エネルギーは、前記活性層の禁制帯幅エネルギーよりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
  13. 前記ＧａＮ基板と前記第１コンタクト層との間に、ＡｌｘｓＧａｙｓＩｎ１−ｘｓ−ｙｓＮ基板側バリア層（０≦ｘｓ＜１，０＜ｙｓ≦１、０≦１−ｘｓ−ｙｓ＜１）と、２層以上のＡｌｘｗｓＧａｙｗｓＩｎ１−ｘｗｓ−ｙｗｓＮ基板側ウェル層（０≦ｘｗｓ＜１，０＜ｙｗｓ≦１、０≦１−ｘｗｓ−ｙｗｓ＜１）からなる多層構造の第２量子井戸ヘテロバリア中間層をさらに備えており、
    前記基板側ウェル層の各々の禁制帯幅エネルギーは、前記第１コンタクト層側から前記ＧａＮ基板側に向かって単調に増大している、
    ことを特徴とする請求項１２記載の半導体発光素子。
  14. 前記基板側ウェル層及び前記ウェル層の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ６ｎｍ以下であり、
    前記基板側バリア層及び前記バリア層の膜厚は、２ｎｍ以上であって且つ８ｎｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項１１〜１３のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  15. 前記ＡｌｘｃＧａｙｃＩｎ１−ｘｃ−ｙｃＮバリア層の格子定数が、前記ＧａＮ基板よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子。
  16. 前記ＡｌｘｓＧａｙｓＩｎ１−ｘｓ−ｙｓＮ基板側バリア層の格子定数が、前記ＧａＮ基板よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子。
JP2010116059A 2010-05-20 2010-05-20 半導体レーザ装置 Withdrawn JP2011243831A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010116059A JP2011243831A (ja) 2010-05-20 2010-05-20 半導体レーザ装置
US13/109,512 US20110286487A1 (en) 2010-05-20 2011-05-17 Semiconductor laser device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010116059A JP2011243831A (ja) 2010-05-20 2010-05-20 半導体レーザ装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011243831A true JP2011243831A (ja) 2011-12-01

Family

ID=44972474

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010116059A Withdrawn JP2011243831A (ja) 2010-05-20 2010-05-20 半導体レーザ装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20110286487A1 (ja)
JP (1) JP2011243831A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022224591A1 (ja) * 2021-04-21 2022-10-27 浜松ホトニクス株式会社 面発光レーザ素子

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3013149B1 (fr) * 2013-11-12 2017-01-06 Commissariat Energie Atomique Cellule photovoltaique a hereojonction de silicium
US9331239B1 (en) * 2015-07-07 2016-05-03 Epistar Corporation Light-emitting device
US9847454B2 (en) * 2015-10-02 2017-12-19 Epistar Corporation Light-emitting device
CN108369974B (zh) * 2015-12-22 2021-05-18 苹果公司 用于减轻非辐射复合的led侧壁处理
CN111785806B (zh) * 2020-07-22 2021-12-21 扬州乾照光电有限公司 一种太阳能电池以及制作方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022224591A1 (ja) * 2021-04-21 2022-10-27 浜松ホトニクス株式会社 面発光レーザ素子

Also Published As

Publication number Publication date
US20110286487A1 (en) 2011-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3433038B2 (ja) 半導体発光装置
US7613220B2 (en) Two-wavelength semiconductor laser device and method for fabricating the same
JP5005300B2 (ja) 半導体レーザ装置
JPH11251685A (ja) 半導体レーザ
JP7046803B2 (ja) 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム
JP2011238678A (ja) 半導体発光装置
JP2011243831A (ja) 半導体レーザ装置
JP4295776B2 (ja) 半導体レーザ装置及びその製造方法
JP2011192816A (ja) 半導体発光素子
JP2003273467A (ja) 半導体レーザおよびその製造方法
JP2009302582A (ja) 二波長半導体レーザ装置
JP2007049088A (ja) 高出力赤色半導体レーザ
KR20050082251A (ko) 반도체 레이저 디바이스
JP2009277934A (ja) 半導体レーザ装置
JP2001144375A (ja) 半導体発光素子
JP2001298243A (ja) 半導体レーザ素子、半導体レーザ装置および光学式情報再生装置
JP5229128B2 (ja) 半導体発光素子
JPH1027940A (ja) 半導体レーザー装置
JP2010056331A (ja) 半導体レーザ装置およびその製造方法
JPWO2005124952A1 (ja) 半導体発光装置およびその製造方法
JP4544665B2 (ja) 半導体レーザ
JP3792434B2 (ja) 自励発振型半導体レーザ
JP2010021342A (ja) 半導体レーザ装置
JP2010016118A (ja) 半導体レーザ装置およびその製造方法
JPH09260725A (ja) 半導体発光素子

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20130806