JP2014508416A - インジウム含有クラッド層を有する半導体レーザ - Google Patents

Abstract

（ａ）ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮまたはＡｌＮの基板、（ｂ）基板に重ねて配置されたｎドープクラッド層、（ｃ）ｎドープクラッド層に重ねて配置されたｐドープクラッド層、（ｄ）ｎドープクラッド層とｐドープクラッド層の間に配置された少なくとも１つの活性層を有する、半導体レーザの実施形態。クラッド層の内の少なくとも一方は、全体構造の総格子不整合歪が４０ｎｍ％をこえないような組成を有する、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＮの超構造を含む。

Description

関連出願の説明

本出願は２０１１年２月２８日に出願された米国仮特許出願第６１/４４７２４５号の優先権の恩典を主張する。

本開示は全般には光電子半導体デバイスに関し、さらに詳しくはインジウム（Ｉｎ）含有クラッド層を有するＧａＮ系半導体レーザに関する。

ＧａＮ系レーザはＧａＮ基板の極性面上に成長させることが多く、このため発光に必要な電子−正孔再結合を妨げ得る強い内部電界が生じる。しかし、緑色スペクトル範囲において発光するＬＤ（レーザダイオード）のためのｃ−面高品質ＱＷ（量子井戸）上の成長は、ＱＷ構造及び成長許容範囲の要件が非常に厳しく（例えば許容範囲が狭く）、また独特な装置が必要であることから、挑戦的課題である。

ＧａＮ基板は、かなり弱い内部電界を生じ、より少ない結晶成長上の困難で発光波長を緑色領域まで拡げることができる、高濃度のインジウム（Ｉｎ）を含有する高品質活性領域（ｃ−面に沿ってスライスされた基板上の量子井戸に比較して高品質の量子井戸）を可能にする、半極性結晶面に沿ってスライスすることもできる。そのような基板は、バルク厚（例えば１００ｎｍより厚く、例えば１μｍ以上）のＡｌＧａＮあるいはＡｌＧａＩｎＮのｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層とともに用いて、緑色レーザを形成することができる。しかし、バルクＡｌＧａＮ層をそのようなクラッド層上に成長させるときに、それらのクラッド層は、クラッド層の歪−厚さ積が十分に高い場合に基板に貫通転位が存在すれば、滑りによって緩和する傾向がある。さらに、これらの層には歪を解放するためにクラックを生じる傾向がある。これは、層内に光を閉じ込めるに十分に厚い導波路を形成するための要件によって規定される、厚い層が必要であるためにおこる。クラッド層の歪−厚さ積が（層内に光を閉じ込めるために）臨界値をこえると、ミスフィット転位が生じるようである。

ＡｌＧａＩｎＮクラッド層は、インジウム原子が、緩和を防止し、したがってミスフィット転位を妨げる傾向がある、クラッド層と基板の間の良好な格子整合を可能にするから、半極性結晶面に沿ってスライスされたＧａＮ基板とともに用いることもできる。しかし、高伝導ｐ型バルクＡｌＧａＩｎＮクラッド層は、これらの層にインジウム（Ｉｎ）を導入するためには低成長温度（８００℃未満）が必要とされることから成長させることが困難である。さらに、それぞれの組成のバルクＡｌＧａＩｎＮ層に対する特定の成長条件が確立されなければならず、これには多くの成長実験が必要であり、これは製造コストに加わる。

本明細書に挙げられているかまたは説明されているいずれの参考文献も従来技術を構成するとは認められていない。出願人は挙げられたいずれの文献の正確性及び適切性にも異議を申し立てる権利を明白に保持する。

本開示の一実施形態は、
（ａ）ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮまたはＡｌＮの基板、
（ｂ）基板に重ねて配置されたｎドープクラッド層、
（ｃ）ｎドープクラッド層に重ねて配置されたｐドープクラッド層、
（ｄ）ｎドープクラッド層とｐドープクラッド層の間に配置された少なくとも１つの活性層、
を有し、
クラッド層の内の少なくとも一方はインジウムを含有し、四元／二元、三元／二元及び／または四元／三元のサブレイヤーの超構造を有する、
半導体レーザに関する。

いくつかの実施形態にしたがえば、
（ｉ）基板に対するクラッド層の超構造全体の総格子不整合歪は４０ｎｍ％をこえない、及び／または
（ii）少なくとも一方のクラッド層の下側に配置された半導体レーザ構造の総格子不整合歪は４０ｎｍ％をこえない、及び／または
（iii）いずれか高い側のクラッド層の下側に配置された半導体レーザ構造の総格子不整合歪は４０ｎｍ％をこえない、及び／または
（iv）半導体レーザ構造の総格子不整合歪は４０ｎｍ％をこえない。

例えば、一実施形態にしたがえば、レーザは、
（ａ）ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮまたはＡｌＮの基板、
（ｂ）基板に重ねて配置されたｎドープクラッド層、
（ｃ）ｎドープクラッド層に重ねて配置されたｐドープクラッド層、
（ｄ）ｎドープクラッド層とｐドープクラッド層の間に配置された少なくとも１つの活性層、
を有し、
クラッド層の内の少なくとも一方は、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＮの超構造を有し、これらの組成は超構造全体の総格子不整合歪が４０ｎｍ％をこえないように選ばれている。

本開示の別の実施形態は、
（ｉ）ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮまたはＡｌＮの基板、
（ii）基板に重ねて配置されたｎドープクラッド層、
（iii）ｎドープクラッド層に重ねて配置されたｐドープクラッド層、
（iv）ｎドープクラッド層とｐドープクラッド層の間に配置された少なくとも１つの活性層、
を有し、
クラッド層の内の少なくとも一方は、
（ａ）ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＮの、インジウムを含有する超格子構造、または
（ｂ）ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ三元／二元超構造、
を有する。

いくつかの実施形態にしたがえば、基板はＧａＮであり、クラッド層の内の少なくとも一方はインジウム含有周期構造（例えば四元／二元超構造）である。いくつかの実施形態にしたがえば、基板はＧａＮであり、ｎ型クラッド層はＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子構造である。

本開示の特定の実施形態はＧａＮ基板の(２０２１)結晶面上の成長に関し、この場合、ＧａＮ基板は(２０２１)結晶成長面を定めると言い表すことができる。

さらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者には、その説明から容易に明らかであろうし、あるいは記述及び添付される特許請求の範囲に、また
添付図面にも、説明されるように実施形態を実施することによって認められるであろう。

上記の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも例示に過ぎず、特許請求の範囲の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。

添付図面はさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は１つ以上の実施形態を示し、記述とともに様々な実施形態の原理及び動作の説明に役立つ。

図１は本発明のいくつかの実施形態にしたがうＧａＮレーザを簡略に示す。 図２は図１に示されるレーザのＲＳＭ（逆格子空間マップ）を示す。 図３はｐ側クラッド層厚が５５０ｎｍから９５０ｎｍのＧａＮレーザについての光モード強度とｐ−金属コンタクトのモード進入のグラフである。 図４は、ｐ側クラッド層厚が８５０ｎｍであり、ｎ側クラッド層がｎ型ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ超構造を含む、ＧａＮレーザの一実施形態についての光モード強度と屈折率プロファイルのグラフである。 図５Ａは図２の実施形態に対応する比較的厚いｐ−クラッド層をもつレーザ構造についての光損失を示す。 図５Ｂは同じく図２の実施形態に対応するＬＤ構造の性能（ＣＷ出力パワー）を示す。 図６Ａは厚さが比較的小さい（５９５ｎｍ）ｐ−クラッド層を有するレーザについての光損失を示す。 図６Ｂは図６Ａに関するレーザのＬＤ構造についての光出力パワー対電流のグラフを示す。 図７は対照がレーザのＲＳＭ（逆格子空間マップ）を示す。

開示される方法及び組成に用いることができるか、開示される方法及び組成とともに用いることができるか、開示される方法及び組成の作製に用いることができるか、または、開示される方法及び組成の製品である、材料、化合物、組成物または成分が開示される。上記及びその他の材料が本明細書に開示され、これらの材料の組合せ、サブセット、相互作用、グループ、等が開示される場合、様々な個々のまたは総括的な組合せ及び置換のそれぞれの特定の言及は明示的にはなされないが、それぞれは本明細書において特に考えられ、説明されることは当然である。したがって、一類の置換基Ａ，Ｂ及びＣが開示され、一類の置換基Ｄ，Ｅ及びＦと組合せ実施形態の一例、Ａ−Ｄも開示されていれば、それぞれは個々に及び総括的に考えられている。すなわち、この例において、組合せＡ−Ｅ，Ａ−Ｆ，Ｂ−Ｄ，Ｂ−Ｅ，Ｂ−Ｆ，Ｃ−Ｄ，Ｃ−Ｅ及びＣ−Ｆのそれぞれが具体的に考えられ、Ａ，Ｂ及びＣ，Ｄ，Ｅ及びＦ，及び組合せ例Ａ−Ｄの開示により開示されていると見なされるべきである。この概念は、開示される組成物の作製及び使用の方法における組成物のいずれの成分及び工程も含むがこれらには限定されない、本開示の実施形態の全てに適用される。すなわち、実施することができる様々な付加工程があれば、これらの付加工程のそれぞれは開示される方法のいずれの特定の実施形態あるいは実施形態の組合せとともに実施することができ、そのようの組合せのそれぞれは具体的に考えられ、開示されていると見なされるべきである。

さらに、範囲のそれぞれの端点は、他方の端点との関連においても、他方の端点とは独立にも、有意であることは理解されるであろう。

［定義］
超構造：超構造は、層厚が紫外から緑色の範囲の光の波長に比較して小さい（６０ｎｍ以下）、少なくとも２つの異なる材料の交互する層の構造である。超構造は周期的または非周期的であり得る。

超格子：超格子は、層厚が、４ｎｍ以下の層厚のように、材料内の電子及び正孔の波長と同等である、少なくとも２つの異なる材料の交互する層の構造（超構造）である。超格子構造は周期的または非周期的であり得る。

屈折率コントラスト：クラッド層と導波路層の間の屈折率コントラストは、動作波長λにおける、クラッド層の平均屈折率ｎ_ｃと導波路層の平均屈折率ｎ_ｗの間の差（すなわちΔ＝|ｎ_ｃ−ｎ_ｗ|）であり、λは約５３０ｎｍ（５００ｎｍ≦λ≦５６５ｎｍ）である。例えば、クラッド層の平均屈折率ｎ_ｃはΣｎ_ｉＬ_ｉ/ΣＬ_ｉであり、ここで、クラッド層は複数のサブレイヤーからなり、ｉはクラッド層内のサブレイヤー番号に対応する整数であり、ｎ_ｉは与えられたサブレイヤーの屈折率であり、Ｌ_ｉは与えられたサブレイヤーの厚さである。

半導体レーザのいくつかの実施形態は、
（ａ）ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮまたはＡｌＮの基板、
（ｂ）基板に重ねて配置されたｎドープクラッド層、
（ｃ）ｎドープクラッド層に重ねて配置されたｐドープクラッド層、及び
（ｄ）ｎドープクラッド層とｐドープクラッド層の間に配置された少なくとも１つの活性層、
を有する。クラッド層の内の少なくとも一方は、インジウムを含有し、交互する薄い（それぞれが６０ｎｍ以下の、例えば、５０ｎｍ，４５ｎｍ，４０ｎｍ，３５ｎｍ，３０ｎｍ，２５ｎｍ，２０ｎｍ，ないしさらに薄い）サブレイヤーの，周期的または非周期的な構造を形成する、構造を有する。例えば、クラッド層の内の少なくとも一方は、インジウム（Ｉｎ）を含有する、超構造及び／または超格子構造とすることができる。例えば、クラッド層の内の少なくとも一方は、インジウム（Ｉｎ）を含有する、四元／二元、三元／二元または四元／三元の超構造または超格子構造とすることができる。

これらの実施形態にしたがえば、クラッド層は以下のサブレイヤー対、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＮの内の少なくとも一方、あるいはこれらの対の組合せを含むことができる。

例えば、いくつかの実施形態において、クラッド層の内の少なくとも一方は、インジウムを含有する、四元／二元、四元／三元または三元／二元の超格子構造を有し、基板に対するこのクラッド層の全体構造の総格子不整合歪は４０ｎｍ％をこえない。少なくともいくつかの実施形態において、このクラッド層の全体構造の総格子不整合歪は３５ｎｍ％をこえない（例えば約３０ｎｍ％以下である）。

実施形態の内の少なくともいくつかにしたがえば、（基板に対する）レーザの全体構造の総格子不整合歪は４０ｎｍ％をこえないことが好ましい。少なくともいくつかの実施形態において、レーザの全体構造の総格子不整合歪は３５ｎｍ％をこえない（例えば約３０ｎｍ％以下である）。

また、実施形態の内の少なくともいくつかにしたがえば、与えられたいずれの層の下側に配置されたレーザ構造の総格子不整合歪も４０ｎｍ％をこえないことが好ましい。実施形態の内の少なくともいくつかにしたがえば、与えられたいずれかの層の下側に配置されたレーザ構造の総格子不整合歪も３５ｎｍ％をこえない（例えば約３０ｎｍ％以下である）ことが好ましい。

実施形態の内の少なくともいくつかにしたがえば、Ｉｎを含有し、交互する（例えば周期構造の）、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＮ（あるいはこれらの対の組合せ）を含む、クラッド層の内の少なくとも一方は、クラッド層の全体構造の総格子不整合歪が４０ｎｍ％をこえないような組成を有することが好ましい。

いくつかの実施形態にしたがえば、基板はＧａＮであり、少なくとも一方のクラッド層は超格子（ＳＬ）構造とすることができる四元／二元超構造である。例えば、いくつかの実施形態にしたがえば、基板がＧａＮであり、ｎ−クラッド層がＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子構造である。本開示の特定の実施形態の内の少なくともいくつかは、ＧａＮ基板の半極性面上、例えばＧａＮ基板の(２０２１)結晶面上の成長に関し、この場合ＧａＮ基板は(２０２１)結晶成長面を定めると言い表すことができる。あるいは、ＧａＮ基板の他の半極性面、例えば以下の結晶成長面(１１２２)，(１１２２)，(２０２１)，(２０２１)，(３０３１)，または(３０３１)にあるかまたはこれらの１０°以内にある、半極性面を用いることもできる。半導体レーザは、好ましくは５００ｎｍ≦λ≦５６５ｎｍ，さらに好ましくは５１０ｎｍ≦λ≦５４０ｎｍの、動作波長λにおいて発光するように構成される。

図１に示される実施形態を総合的に参照すれば、本開示にしたがう一例のＧａＮ端面発光レーザ１００は、必要に応じて設けられるバッファ層１５，活性領域２０，ｎ側導波路層３０，ｐ側導波路層４０，ｎ型クラッド層５０，及び（本明細書において、ｐドープクラッド層またはｐ側クラッド層とも称される）ｐ型クラッド層６０，及び必要に応じて設けられる正孔遮断層６５を有する。(２０２１)またはその他の半極性結晶成長面を定めることができる、ＧａＮ基板１０は、ほぼ１×１０^６/ｃｍ^２のオーダーの、すなわち、１×１０^５/ｃｍ^２より高いが１×１０^７/ｃｍ^２より低い、貫通転位密度を有することができる。あるいは、ＧａＮ基板１０は１×１０^２/ｃｍ^２と１×１０^５/ｃｍ^２の間の転位密度を有することができる。図１に示されるように、活性領域２０はｎ側導波路層３０とｐ側導波路層（ＷＧ）４０の間に挟み込まれ、ｎ側導波路層３０及びｐ側導波路層（ＷＧ）４０に実質的に平行に拡がる。（本明細書において、ｎドープクラッド層またはｎ側クラッド層とも称される）ｎ型クラッド層５０はｎ側導波路層（ＷＧ）３０とＧａＮ基板１０の間に挟み込まれる。ｐ型クラッド層６０はｐ側導波路層１０に重ねて形成される。本開示にしたがう、一例のＧａＮ端面光レーザ１００は、例えば、ｐ側導波路層４０とｐ型クラッド層６０の間及び／またはｎ側導波路層３０とｎ型クラッド層５０の間に配置することができる、少なくとも１つのスペーサ層８０，７０も有することができる。例えば、ＭＱＷ層２０とｐ側導波路層４０の間に、電子遮断層（ＥＢＬ）９０も存在し得る。最後に、図１の実施形態において、ｎ側スペーサ層７０はｎ型クラッド層５０とｎ側導波路層３０の間に配置され、ｐ側スペーサ層８０はｐ側導波路層４０とｐ型クラッド層６０の間に配置される。金属層１１（ｐ側）及び１４（ｎ側）がそれぞれ、ｐ型クラッド層６０の上側及び基板層１０の下側に存在する。

技術上十分に文書で説明されている、マシュー−ブレイクスリー(Matthew-Blakeslee)平衡理論は、ミスフィット転位の発生に対する、歪をもつヘテロエピタキシャル層の臨界厚の推定値を与える。理論によれば、ミスフィット転位発生による緩和は、層厚がマシュー−ブレイクスリー臨界層厚をこえるとおこる。この厚さと層内の歪の数学的積は本明細書において層の歪−厚さ積と称される。出願人等は層に対する歪厚さ積が４０ｎｍ％をこえるべきではないことが好ましく、３０ｎｍ％をこえるべきではないことがさらに好ましいことを見いだした。モード誘導には屈折率コントラストが高いほど望ましく、クラッド層がＡｌを含有していると、Ａｌ濃度が高くなるとともに、クラッド層と最近接導波路層の間の屈折率コントラストが高くなる。したがって、これらの実施形態の内の少なくともいくつかにしたがえば、クラッド層と最近接導波路層の間の平均屈折率コントラストは少なくとも０.０１（少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、好ましくは０.０２〜０.０３）であり、基板に対するレーザの全体構造の総格子不整合歪は４０ｎｍ％をこえない。レーザの全体構造の総格子不整合歪は３５ｎｍ％をこえないことが好ましく、３０ｎｍ％より大きくはないことがさらに好ましい。

例えば、ＧａＮ半導体レーザ１００の一実施形態は、ｎ型クラッド層５０として、交互する７.７ｎｍＡｌＧａＩｎＮサブレイヤーと２３ｎｍＧａＮサブレイヤーの（すなわち７.７ｎｍＡｌＧａＩｎＮ／２３ｎｍＧａＮの）超構造（ＳＳ）を、またｐ型クラッド層６０には、交互する２.５ｎｍＡｌＧａＮサブレイヤーと７.５ｎｍＧａＮサブレイヤーの（すなわち２.５ｎｍＡｌＧａＮ／７.５ｎｍＧａＮの）超構造（ＳＳ）を用いることができる。クラッド層５０，６０のＡｌＧａＩｎＮ組成は、例えば、３３６ｎｍにあるフォトルミネセンス発光ピークを与え、同時に、ａ−結晶方位に沿うＧａＮへの格子整合を与えるように、選ばれる。この実施形態において、導波路層３０及び４０は、交互する（それぞれ）２ｎｍ厚のＧａＩｎＮサブレイヤーと（それぞれ）４ｎｍ厚のＧａＮサブレイヤー（例えば、２ｎｍＧａ_０.８８Ｉｎ_０.１２Ｎ／４ｎｍＧａＮ）の超格子（ＳＬ）を含む。この実施形態に対し、クラッド層５０，６０と最近接導波路層３０及び４０の間の平均屈折率コントラストは約０.０２５である。

総合して、ｎ−クラッド層とｐ−クラッド層の平均屈折率は同じであってはならない。いくつかの設計に対し、ｎ−クラッド層の屈折率は（ＡｌＩｎＧａＮ材料内のＡｌＩｎＮの分率を高めることによって）低くなっていることが好ましい。ｎ−クラッド層により屈折率コントラストを強くすれば、基板への光モードの漏洩の最小化が可能になる。光漏洩の最小化により、光損失を最小化することができ、良好なファーフィールドパターンを保証することができる。

様々な実施形態は、以下の実施例によってさらに明確に説明されるであろう。

実施例１
ＧａＮ半導体レーザのこれらの実施形態例においては、ＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮの超構造（ＳＳ）及び／または超格子構造（ＳＬＳ）がｎ型クラッド層５０及びｐ型クラッド層６０に、ｎ型クラッド層５０とｐ型クラッド層６０の間に挟み込まれた多重量子井戸（ＭＱＷ）を有する活性層２０とともに、用いられる。これらの実施形態の活性層２０は、例えば、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＧＡＩｎＮを含む。さらに、これらの実施形態には、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ／ｎ−ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＧａＮまたはこれらの組合せを含む、ｎ側正孔遮断層６５及び，例えば、ｐ−ＡｌＧａＮまたはｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＩｎＮまたはｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＩｎＮを含む、ｐ側正孔遮断層９０も用いられる。

上で論じたように、構造１に対応する一例のＧａＮレーザはＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮ超構造（ＳＳ）を含むクラッド層を用いることができる。これは、ミスフィット転位形成を回避するための、面（基板面に平行な面）内の一方向における（基板に対する）格子整合及び直交方向（すなわち、その面内で、上記一方向に直交する方向）での歪最小化を可能にする。ＧａＮに（一方向において）格子整合されるＧａＮ及びＡｌＩｎＮのいかなる組成も、所望の屈折率（したがって導波路層との所望の屈折率コントラスト）を得るため、ＡｌＧａＩｎＮ含有クラッド層に用いられ得る。しかし、ＡｌＩｎＮ濃度が高くなるほど電気伝導度が低下する傾向があるから、低屈折率（すなわち、ＡｌＧａＮ濃度を高めるためのより多くのＡｌ）または高電気伝導度（すなわちＡｌＧａＮ濃度を低めるためのより少ないＡｌ）の間で選択することになろう。すなわち、屈折率コントラストと伝導度ｓの間のトレードオフのため、レーザに対する仕様要件に基づいて、屈折率コントラストと伝導度の最適な組合せの中から選択することができる。さらに、ＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮ超構造を含むクラッド層の平均屈折率はＧａＮサブレイヤー厚に対するＡｌＧａＩｎＮサブレイヤー厚の比の適切な選択によって制御することができる。クラッド層内のＧａＮサブレイヤー厚に対するＡｌＧａＩｎＮサブレイヤー厚の比は１：２〜１：４，例えば、１：２.５〜１：３.５または１．２８〜１．３６であることが好ましい。クラッド層を形成する超構造におけるＡｌＧａＩｎＮサブレイヤーとＧａＮサブレイヤーに対する厚さの例は、それぞれ約７〜１０ｎｍ（ＡｌＧａＩｎＮ）と約２０〜２４ｎｍ（ＧａＮ）、またはそれぞれ約２〜３ｎｍ（ＡｌＧａＩｎＮ）と約７〜１０ｎｍ（ＧａＮ）である。いくつかの実施形態において、ＡｌＧａＩｎＮ層の組成は室温（２２℃）において３３６ｎｍのフォトルミネセンス発光波長を与えるように選ばれる。しかし、フォトルミネセンス発光波長は、全体設計に依存して、より短くまたはより長く（例えば、３３０ｎｍ、３４０ｎｍまたは３５０ｎｍに）することができ、層厚及び層厚比は所望に応じて変えることができる。そのような超構造は成長パラメータにより大きな自由度を与え、これはクラッド層の結晶品質の向上に役立つ。（注：短いフォトルミネセンス（ＰＬ）発光波長は低屈折率に対応し、長いフォトルミネセンス発光波長は高屈折率に対応する。フォトルミネセンス発光波長はバンドギャップの指標であり−大きなバンドギャップは短いフォトルミネセンス発光波長に対応する−、屈折率はバンドギャップの関数であり、大きなバンドギャップは低屈折率に対応する。）したがって、フォトルミネセンス発光波長はクラッド層と導波路層の間に必要な屈折率コントラストに基づいて選ぶことができる。

さらに詳しくは、構造１にしたがう実施形態例の少なくともいくつかは以下に示される層を有する。

上の表において、‘ＴＨ’は与えられた層の総厚（すなわち、対応するサブレイヤーの厚さの総和）を表し、ｘは１未満の正整数であり、ｙは１未満の正整数またはゼロであって、ｐ^＋記号は、層にｐ側伝導度を与えるためにＭｇ，ＢｅまたはＺｎのようなアクセプタがヘビードープされていることを示す。例えば、Ｍｇが用いられれば、ｐ側コンタクト層１２内のＭｇの量は少なくとも１０^１８/ｃｍ^３（例えば、１０^１９/ｃｍ^３，１０^２０/ｃｍ^３）であることが好ましい。ｐ^＋＋記号は、ｐ^＋層に関わる層より強くアクセプタがヘビードープされていることを示す（＋符号は層が比較的高いｐ型ドーパント濃度を有することを意味する。＋符号が多くなるほど、他の層に対する、ｐ型ドーパントのレベルが高くなる）。ｎ側アクセプタドーパントの例には（例えば２×１０^１８〜５×１０^１８/ｃｍ^３の量の）Ｓｉ及び／またはＧｅがある。

少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、構造１にしたがうＧａＮレーザの実施例のクラッド層５０及び６０内のＡｌ，Ｉｎ及びＧａに対する濃度は、Ａｌが８〜８２モル％、Ｇａが０〜９０モル％、Ｉｎが２〜１８モル％である。例えば、いくつかの実施形態において、Ａｌの量は２０.８モル％、Ｇａの量は７４.６４モル％、Ｉｎの量は４.５６モル％である。別の実施形態において、Ａｌの量は８２モル％、Ｇａの量は０モル％（すなわちＧａは存在しない）、Ｉｎの量は約１８モル％である。クラッド層５０及び６０の構造が同じである必要はない（すなわち、層５０に対応するｘとｙの数値が層６０に対応するｘとｙの数値と同じである必要はない）ことに注意されたい。

以下の表１は構造１に対応する第１の実施形態例の構造パラメータを与える。この実施形態は図１に示される。

実施例２
これらの実施形態においては、ｎ側クラッド層５０に比較して、ｐ側クラッド層６０にはインジウムが全くまたはごく僅か（０.５モル％未満）しか用いられていない。このため、実施例２の実施形態は実施例１の実施形態より高い伝導度を与える。ｐ側のより高い伝導度は、その層にかけての電圧降下を低下させるから、有益である。（以下に示す）構造２は実施例２の実施形態の構造パラメータの例を与える。構造２の実施形態も図１に対応する。構造２にしたがう実施形態の例は、ｎ側（ｎ型クラッド層５０）にＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮ層（超構造または超格子構造）を用い、ｐ側（すなわちｐ型クラッド層６０）にＡｌＧａＮ／ＧａＮ層（超構造または超格子構造）を用いる。

先に説明した実施例１の実施形態におけるように、必要に応じて設けられる正孔遮断層６５，例えばｎ−ＡｌＧａＩｎＮまたはｎ−ＡｌＧａＮが実施例２の実施形態にも用いられる。構造２にしたがうＧａＮ系半導体レーザの実施形態例の少なくともいくつは以下に示される層を有する。

上の表において、‘ＴＨ’は与えられた層の総厚（すなわち、対応するサブレイヤーの厚さの総和）を表し、ｘは１未満の正整数であり、ｙは１未満の正整数またはゼロであって、ｐ^＋記号は、層にｐ側伝導度を与えるためにＭｇ，ＢｅまたはＺｎのようなアクセプタがヘビードープされていることを示す。

少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、構造２にしたがう実施例のクラッド層５０に対するＡｌ，Ｉｎ及びＧａについての範囲は、Ａｌが８〜８２モル％、Ｇａが０〜９０モル％、Ｉｎが２〜１８モル％である。例えば、いくつかの実施形態において、Ａｌの量は２０.８モル％、Ｇａの量は７４.６４モル％、Ｉｎの量は４.５６モル％である。別の実施形態において、クラッド層５０内の、Ａｌの量は８２モル％、Ｇａの量は０モル％（すなわちＧａは存在しない）、Ｉｎの量は約１８モル％である。

以下に示される表２Ａは構造２（第２の実施形態例）に対応する一実施形態例の構造パラメータを与える。

構造２に対応するＧａＮレーザはＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮ超構造（ＳＳ）を含む少なくとも一方のクラッド層、例えばｎ型クラッド層５０を用いることができる。これは、ミスフィット転位形成を回避するための、一方向における格子整合及び直交方向における歪最小化を可能にする。ＧａＮに（一方向において）格子整合されるＧａＮ及びＡｌＩｎＮのいかなる適する組成も、所望の屈折率を得るため、ＡｌＧａＩｎＮ含有クラッド層に用いられ得る。しかし、ＡｌＩｎＮ濃度が高くなるほど電気伝導度が低下する傾向があり、したがって、低屈折率をとるか、または高電気伝導度をとるかを選択しなければならないことになろう。ＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮ超構造を含むクラッド層の平均屈折率はＧａＮサブレイヤー厚に対するＡｌＧａＩｎＮサブレイヤー厚の比の選択によって制御することもできる。ｎ側クラッド層５０を形成する超構造におけるＡｌＧａＩｎＮサブレイヤーとＧａＮサブレイヤーに対する厚さの例は、それぞれ７〜１２ｎｍ（例えば１０ｎｍ）と１５〜２５ｎｍ（例えば２０ｎｍ）である。いくつかの実施形態において、ＡｌＧａＩｎＮ層の組成は室温（２２℃）において３３６ｎｍのフォトルミネセンス発光波長を与えるように選ばれる。しかし、フォトルミネセンス発光波長は、全体設計及び層厚に依存して、より短くまたはより長く（例えば、３３０ｎｍ、３４０ｎｍまたは３５０ｎｍに）することができ、層厚比は所望に応じて変えることができる。そのような超構造は成長パラメータにより大きな自由度を与え、これはクラッド層の結晶品質の向上に役立つ。しかし、出願人等はそのような超構造を有するｐ側クラッド層を伝導度を高レベルにしてつくることは困難であることを見いだしたから、構造２にしたがう実施例２の実施形態はｎ側にＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮ超構造、ｐ側にＡｌＧａＮ／ＧａＮ超構造を用いることが好ましい。いくつかの実施形態例において、ｐ側クラッド層の超構造は超格子（ＳＬ）構造である。実施例２の実施形態において、ｐ側クラッド層６０のＡｌＧａＮサブレイヤーとＧａＮサブレイヤーは超格子（ＳＬ）構造を形成し、ＡｌＧａＮサブレイヤーのＡｌ含有量は１０モル％以下（平均Ａｌ含有量が２〜９モル％）である。いくつかの実施形態において、ｐ側クラッド層６０の超格子構造の個々のサブレイヤーの厚さは約２〜５ｎｍ、例えば、それぞれ、２，２.５，３または４ｎｍである。しかし、Ａｌ含有量は、設計及びコヒーレンス性の要件に応じて、より多く、またはより少なく、することができる。ｐ側ＳＬ（ｐ側クラッド層６０）にはインジウムが存在しないから、ｐ側クラッド層６０は、良好なｐ側伝導度を得るため、より高い（８００℃より高い）温度、例えば８５０℃〜１１００℃（例えば９００〜１０００℃）で成長させることができる。一方の側だけに引張歪をもつＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子のｐ側クラッド層を有することにより、ＭＱＷ及び導波路層の圧縮歪がｐ側クラッド層の引張歪を補償するから正味の歪は低められ、ミスフィット転位の形成の回避が可能になる。図２は図１のＧａＮ半導体レーザに対応するレーザ構造のＲＳＭ（逆格子空間マップ）を示す。基板ピークを通る垂直線が層のピーク及びサテライトピークを通過し、全ての層が基板とコヒーレントであることを示していることが分かる。構造２に対応するＧａＮレーザにおいて、出願人等は、５００ｎｍより大きい（好ましくは５５０ｎｍ以上で２０００ｎｍ未満の）層厚を有する、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超構造のｐ側クラッド層６０を作製することが好ましいことを見いだした。ｐ側金属コンタクト層１１による吸収による光損失を最小限に抑えるかまたは回避するため、ｐ側クラッド層６０の厚さは７００ｎｍより大きいことが好ましく、８００ｎｍまたは８５０ｎｍより大きい（例えば約１μｍ厚である）ことがさらに好ましい。ｐ側クラッド層６０に対する代表的な厚さ範囲は７５０ｎｍ〜１２００ｎｍ、例えば８００ｎｍ〜１１００ｎｍである。

さらに詳しくは、紫色スペクトル範囲において発光するＧａＮ系ＬＤに対し、ｐ−クラッド層の幅（厚さ）は一般に（より小さい抵抗を与え、これがより小さい電圧降下をもたらすから）４００ｎｍ以下であることが知られている。しかし、出願人等は緑色スペクトル範囲で発光するレーザに対しては状況が異なることを見いだした。一般に、動作波長が長くなるほど、導波路層とクラッド層の間の屈折率コントラストが小さくなるから、光閉込めは弱くなる。これは金属層１１への光モード進入を強くし、よってこの金属層による光吸収による光損失を大きくする。

以下は所望の屈折率コントラストを得るための設計要件である。ＩｎＧａＮ導波路層及び量子井戸における緩和を回避するため、導波路層には限定されたインジウム含有量が用いられるべきである。特定のインジウム含有量は導波路の厚さに依存するが、平均Ｉｎモル濃度は１０モル％未満であることが好ましく、３〜６モル％であることが好ましい。

また、構造２の実施形態においては、ｐ側クラッド層６０内の平均Ａｌ濃度も限定される。クラッド層６０内の平均Ａｌ濃度が１０％より高いと、一般に、良好な材料品質及びｐ−伝導度を達成することは困難である。ｐ側クラッド層６０にＡｌが用いられる場合、平均Ａｌ濃度は２〜１０モル％であることが好ましく、２〜７モル％（例えば約４〜６モル％）であることがさらに好ましい。

出願人等は、ｐ側金属層１１への光進入を減じるための好ましい方法が、ｐ側クラッド層超構造（またはＳＬ）の層厚、すなわちクラッド層６０の層厚を大きくすることであることを見いだした。図３は、シミュレーションによる、構造２の実施例に対応する半導体ＧａＮレーザの９つの実施形態の光モード強度及びｐ側金属層１１への光モード進入（光モード進入は図３の垂直破線の左側の曲線部分に対応する）を示す。これらの実施形態は、５５０ｎｍから９５０ｎｍまで順次に大きくなるように変えられているｐ側クラッド層６０の厚さを除いて、相互に同様である（構造１に対応する実施形態についても同様の曲線を得ることができる）。さらに詳しくは、図３の垂直線はｐ−金属層１１とｐ^＋＋ＧａＮコンタクト層１２の間の界面に対応する。上述したように、垂直破線の左側への曲線は金属層１１への光モードの進入に対応する。９つの曲線の垂直線との交点はｐ側金属層１１とｐ^＋＋ＧａＮコンタクト層１２の間の界面におけるモード強度の大きさに対応する。好ましくは、この界面におけるモード強度は、１×１０^−３未満であり、２×１０^−３未満であることが好ましく、５×１０^−４以下、例えば２×１０^−４以下であることがさらに好ましい。図３はクラッド層厚の増大が金属層１１への光モード進入の低減に役立つことを示す。例えば、ｐ側の超格子クラッド層厚の５５０ｎｍから８５０ｎｍへの増大はｐ−金属層１１への光モード進入を実質的に低減し、したがってｐ−金属層１１における光損失を低減する。図５Ａに示されるように、ｐ側クラッド層６０の厚さが約８５０ｎｍである場合、他のｐ側層の上への金属層１１の付加（出願人等の実施例１及び２では金属層１１が層１２の上に配される）は非常に小さい（Δ＜３ｃｍ^−１，好ましくは＜２.５ｃｍ^−１）内部光損失しか生じさせない。クラッド層厚を、例えば９００ｎｍまたは９５０ｎｍまで（図３を見よ）あるいは、例えば１μｍまで（図示せず）大きくすることで、損失のさらなる低減が可能である。図５Ｂは比較的厚い（この実施例においては８５０ｎｍの）クラッド層６０により小さくされた光損失が、低閾電流の達成に有利であり、（パルス動作に加えて）ＣＷレーザ発振発生の達成にも有利に役立つことを示す（表２Ａの構造パラメータを有する２×７５０μｍストライプ素子の閾電流は、パルス動作の下で８０ｍＡであり、ＣＷ動作の下で１３０ｍＡである。ＬＤレーザ発振波長は５２２ｎｍである）。この高性能及び連続ＣＷ動作は比較的薄い（５５０ｎｍないしさらに薄い）ｐ−クラッド層では達成できない。金属層による光損失は、クラッド層厚が５５０ｎｍまで減じられると大きくなり、この層の厚さが５００ｎｍより小さい場合には一層大きくなる。したがって、ｐ側クラッド層６０には５００ｎｍ以上の厚さを用いることが好ましく、ｐ側クラッド層６０の厚さは少なくとも５５０ｎｍであることがさらに好ましく、７００ｎｍ以上（例えば７５０ｎｍ以上）であることがさらに一層好ましい。ｐ側クラッド層６０の厚さは８００ｎｍ以上であることが最も好ましい。ｎ側クラッド層５０の厚さは、例えば１〜２μｍとすることができる。

実施例３，表２Ｂ
この実施形態例は表２Ａに示される構造と同様の構造を有するが、ｐ側クラッド層６０が薄くなっている。この構造にしたがう一実施形態例の特定のパラメータが表２Ｂに与えられる。

実施例４，表２Ｃ
この実施形態例は表２Ｂに示される構造と同様の構造を有するが、ｐ側クラッド層６０が厚くなっており、ｎ−クラッド層５０内のサブレイヤーが厚くなっている。この構造にしたがう一実施形態例の特定のパラメータが表２Ｃに与えられる。この実施形態例のシミュレーションによる光モードプロファイル及び屈折率プロファイルが図４に示され、図４も良好な光閉込め構造を示す。

上に論じたように、長波長で発光するIII族元素窒化物ＬＤに対して、光閉込めは一般に、導波路層とクラッド層の間の屈折率が比較的小さいため、弱くなる。このため、ｐ側クラッド層の設計が不適切である（すなわち、屈折率コントラストが不十分である、及び／またはクラッド層の厚さが十分ではない）と、光モードはｐ側金属層に向けて強く進入する。表２Ｂに対応する実施例において、ｐ側クラッド層の厚さは表２Ａの実施形態のｐ側クラッド層の厚さより小さく、したがって、ｐ側金属層形成後の光損失は表２Ａに対応する実施形態が示す光損失よりも大きい。ｐ−クラッド層６０の厚さを８９５ｎｍから５９５ｎｍに減じると、結果として、レーザ発振の微分効率が低下し、閾電流レベルが高くなる。これは図６Ａ及び６Ｂで示される。

ｐ側クラッド層６０の厚さがさらに減じられると、ｐ−金属層形成後の光損失はｐ−金属膜形成前の光損失よりかなり大きくなる。

さらに詳しくは、図６Ａは、ｐ−クラッド層６０の厚さが比較的小さい（５９５ｎｍ）構造２の実施例に対する、構造のｐ側にｐ側金属層１１を被着する前の、及び構造の上部にｐ側金属層１１が付加されたときの、光損失を示す。ｐ−クラッド層６０の厚さが８９５ｎｍから５９５ｎｍに減じられた結果として、図６Ｂに示される光出力パワー対電流のグラフに見られるように、レーザ発振動作の微分効率が低下し、閾値電流が増大した。リッジ寸法が２×７５０μｍの素子の閾電流は、パルス動作の下で１４０ｍＡであり、ＣＷレーザ発振は達成されなかった。

比較例
表３は対照ＧａＮレーザの構造パラメータを与える。このレーザはｎ側クラッド層またはｐ側クラッド層のいずれにもインジウムを用いていない。表３の比較例はＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子（ＳＬ）構造のクラッド層を用いる。半極性基板上に緑色スペクトル範囲にあるレーザを作製するためにそのようなクラッド層が用いられる場合、ミスフィット転位発生を防止することは困難であり、この結果総歪−厚さ積が限界をこえるため、低品質のＭＱＷ（多重量子井戸）しか得られない（これはＡｌＧａＮがＧａＮに格子整合されないためにおこる。出願人等の実施形定例は格子定数をＧａＮの格子定数に近づけるため、インジウムを用いている）。

さらに詳しくは、半極性基板上の緑色波長範囲におけるレーザ発振を達成するため、表３の対照レーザ設計は、厚い、ｎ側ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ（ＳＬ）のクラッド層及びＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＳＬ層のｐ側クラッド層を用いる。この対照レーザ構造では、ミスフィット転位が生じ、ｎ側クラッド層の引張歪が入っているＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子（ＳＬ）構造の緩和による、ＭＱＷ活性領域の欠陥及び劣化がおこり得る。例えば、図７は、ｎ側ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層及びｐ側ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮクラッド層を用いる、表３のレーザ構造の逆格子空間マップ（ＲＳＭ）を示す。図７は層ピーク及びサテライトピークが基板ピークを通過する垂直線上に乗らないことを示す。これは、図１に対応するレーザの実施形態のそれとは異なり、表３の対照レーザ内の層の面内格子定数が基板の格子定数と異なることを示し、したがってクラッド層の緩和を示す。

別途に明白に言明されない限り、本明細書に述べられるいずれの方法もその工程が特定の順序で実施されることが必要であると解されるつもりは全く無い。したがって、方法請求項が、その工程がしたがうべき順序を挙げていないか、または工程が特定の順序に限定されるべきであることを特許請求項または説明の中で別途に特に言明していない場合は、いかなる特定の順序も推定されることは全く考えていない。

本発明の精神または範囲を逸脱することなく様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。本発明の精神または本質を組み入れている開示された実施形態の改変、組合せ、準組合せ及び変形が当業者に思い浮かび得るから、本発明は添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に全てが含まれると解されるべきである。

１０ 半極性ＧａＮ基板
１１ ｐ側金属層
１２ ｐ^＋＋ＧａＮコンタクト層
１４ ｎ側金属層
１５ バッファ層
２０ 活性領域（ＭＱＷ層）
３０ ｎ側導波路層
４０ ｐ側導波路層
５０ ｎ型クラッド層
６０ ｐ型クラッド層
６５ 正孔遮断層
７０ ｎ側スペーサ層
８０ ｐ側スペーサ層
９０ 電子遮断層
１００ ＧａＮ端面発光レーザ

Claims (6)

1. 半導体レーザにおいて、
   （ａ）ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮまたはＡｌＮの基板、
   （ｂ）前記基板に重ねて配置されたｎドープクラッド層、
   （ｃ）前記ｎドープクラッド層に重ねて配置されたｐドープクラッド層、及び
   （ｄ）前記ｎドープクラッド層と前記ｐドープクラッド層の間に配置された少なくとも１つの活性層、
   を有し、
   前記クラッド層の少なくとも一方がインジウムを含有し、四元／二元、三元／二元及び／または四元／三元のサブレイヤーの超構造を有する、
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. インジウムを含有し、四元／二元、三元／二元及び／または四元／三元のサブレイヤーの超構造を有する、前記少なくとも一方のクラッド層が、
   （ｉ）前記基板に対する前記クラッド層の超構造全体の総格子不整合歪が４０ｎｍ％をこえない、及び／または
   （ii）前記少なくとも一方のクラッド層の下側に配置された前記半導体レーザ構造の総格子不整合歪が４０ｎｍ％をこえない、及び／または
   （iii）いずれか高い側のクラッド層の下側に配置された前記半導体レーザ構造の総格子不整合歪が４０ｎｍ％をこえない、及び／または
   （iv）前記半導体レーザ構造の総格子不整合歪が４０ｎｍ％をこえない、
   ような形状寸法及び組成を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記少なくとも一方のクラッド層が超格子構造を有し、以下のサブレイヤー対、（ｉ）ＡｌＩｎＧａＮとＧａＮ，（ii）ＡｌＩｎＧａＮとＡｌＧａＮ，（iii）ＡｌＩｎＧａＮとＩｎＧａＮ，（iv）ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＮ，（ｖ）ＡｌＩｎＮ／ＧａＮまたはこれらの組合せの内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
4. 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
   （ｉ）インジウムを含有し、四元／二元、三元／二元及び／または四元／三元のサブレイヤーの超構造を有する、前記クラッド層の内の前記少なくとも一方が、ｎ型クラッド層である、及び／または
   （ii）前記ｐ型クラッド層及び前記ｎ型クラッド層がいずれもインジウムを含有する、
   ことを特徴とする半導体レーザ。
5. 前記少なくとも一方のクラッド層がＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ周期構造を有し、他方のクラッド層が（ｉ）ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子、または（ii）ＧａＮバルク材料であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
6. 前記基板がウルツァイト型結晶の半極性面を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。