JP2021090043A

JP2021090043A - ３族窒化物ベースレーザダイオード

Info

Publication number: JP2021090043A
Application number: JP2020183759A
Authority: JP
Inventors: ユーディンアレックス; Yudin Alex; ブスケヴァレリー; Bousquet Valerie; 谷　善彦; Yoshihiko Tani; 善彦谷; 彰宏栗栖; Akihiro Kurisu
Original assignee: Sharp Fukuyama Laser Co Ltd
Current assignee: Sharp Fukuyama Laser Co Ltd
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2021-06-10

Abstract

【課題】３族窒化物ベースレーザダイオードの性能を従来よりも向上させる。【解決手段】３族窒化物ベースのＬＤ（１００）における活性領域（１０４）は、第１ＱＷ層（１１５）と第２ＱＷ層（１１７）とを備える。第１ＱＷ層（１１５）は、第２ＱＷ層（１１７）に比べて、ＬＤ（１００）のｎ型半導体領域（１１２）に近接している。第２ＱＷ層（１１７）は、第１ＱＷ層（１１５）に比べて、ＬＤ（１００）のｐ型半導体領域（１１３）に近接している。第１ＱＷ層（１１５）の厚さ（Ｗ１）は、第２ＱＷ層（１１７）の厚さ（Ｗ２）に比べて小さい。【選択図】図２

Description

本発明の一態様は、３族窒化物ベースのレーザダイオード（以下、「３族窒化物ベースレーザダイオード」とも称する）に関する。

半導体発光素子（例：レーザダイオード）に関する様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、３族窒化物ベースレーザダイオードの性能を向上させるための技術の一例が開示されている。

米国特許公報「US 10,218,152 B1」

本発明の一態様は、３族窒化物ベースレーザダイオードの性能を従来よりも向上させることを目的とする。

（１）本発明の一実施形態は、３族窒化物ベースレーザダイオードであって、ｎ型３族窒化物ベース半導体領域と、ｐ型３族窒化物ベース半導体領域と、前記ｐ型３族窒化物ベース半導体領域と前記ｎ型３族窒化物ベース半導体領域との間に位置する３族窒化物ベース活性領域と、を備えており、前記３族窒化物ベース活性領域は、（ｉ）第１量子井戸層および第２量子井戸層と、（ｉｉ）前記第１量子井戸層と前記第２量子井戸層との間に位置するバリア層と、を有しており、前記第１量子井戸層は、前記第２量子井戸層に比べて、前記ｎ型３族窒化物ベース半導体領域に近接しており、前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層に比べて、前記ｐ型３族窒化物ベース半導体領域に近接しており、前記第１量子井戸層の厚さは、前記第２量子井戸層の厚さに比べて小さい、３族窒化物ベースレーザダイオードである。

（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、前記第１量子井戸層の厚さが、前記第２量子井戸層の厚さに比べて１ｎｍ以上小さい、３族窒化物ベースレーザダイオードである。

本発明の一態様によれば、３族窒化物ベースレーザダイオードの性能を従来よりも向上させることが可能となる。

実施形態１のＬＤの全体的な構成を示す図である。図１のＬＤにおける活性領域の構成を示す図である。図１のＬＤの性能評価結果の一例を示す図である。図１のＬＤの性能評価結果の別の例を示す図である。Ｗ１とＷＰＥとの関係の一例を示す図である。 ΔＷとＷＰＥとの関係の一例を示す図である。

〔実施形態１〕
以下、実施形態１のＬＤ（Laser Diode，レーザダイオード）１００について述べる。ＬＤ１００は、３族窒化物ベースレーザダイオードの一例である。なお、説明の便宜上、公知技術（例：特許文献１）と同様の事項については、適宜説明を省略する。

各図に示されている構成は、説明の便宜上のための単なる一例である。また、各部材の位置関係も、各図の例に限定されない。さらに、明細書中において以下に述べる各材料および各数値も、単なる一例である。本明細書では、２つの数ＡおよびＢに関する「Ａ〜Ｂ」という記載は、特に明示されない限り、「Ａ以上かつＢ以下」を意味するものとする。

（ＬＤ１００の全体的な構成）
図１は、ＬＤ１００の全体的な構成を示す図である。ＬＤ１００の各半導体層は、公知の成長プロセスによって製造されてよい。図１には、当該成長プロセスにおける各半導体層の成長方向が示されている。以下、成長方向を上方向とも称する。成長方向は、以下に述べる各層の厚さ方向でもある。

成長プロセスの例としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，有機金属化学気相成長法）またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy，分子線エピタキシー法）を挙げることができる。成長プロセスは、結晶品質に優れた半導体層を製造できるものであれば、任意の手法を利用できる。

ＬＤ１００の各層は、基板１１０上に堆積されている。基板１１０は、ＬＤ１００の各層を支持する支持部材として機能する。基板１１０の材料としては、ＧａＮ、Ｓｉ、またはＳｉＣが好適に用いられる。但し、基板１１０の材料は、これらの例に限定されない。

ＬＤ１００は、基板１１０から見た場合に上側に向かって、第１クラッド層１０１（下側クラッド層）、第１ガイド層１０２（下側ガイド層）、第２ガイド層１０３（中間ガイド層）、活性領域１０４（アクティブ領域とも称される）、第３ガイド層１０５（上側ガイド層）、キャリアブロック層１０６、第２クラッド層１０７（上側クラッド層）、コンタクト層１０８、および第２電極層１０９ａ（上側電極層）をこの順に備える。ＬＤ１００は、基板１１０の下側に、第１電極層１０９ｂ（下側電極層）を備える。ＬＤ１００は、第２クラッド層１０７と第２電極層１０９ａとの間に、絶縁層１１１を備える。

第１クラッド層１０１と第１ガイド層１０２と第２ガイド層１０３とを総称的に、ｎ型半導体領域１１２とも称する。ｎ型半導体領域１１２は、ｎ型半導体層と称されてもよい。また、第３ガイド層１０５とキャリアブロック層１０６と第２クラッド層１０７とを総称的に、ｐ型半導体領域１１３とも称する。ｐ型半導体領域１１３は、ｐ型半導体層と称されてもよい。活性領域１０４は、ｎ型半導体領域１１２とｐ型半導体領域１１３との間に配置されている。活性領域１０４の具体的な構成については後述する。

ｎ型半導体領域１１２およびｐ型半導体領域１１３はそれぞれ、ｎ型３族窒化物ベース半導体領域（３族窒化物ベースのｎ型半導体領域）およびｐ型３族窒化物ベース半導体領域（３族窒化物ベースのｐ型半導体領域）の一例である。活性領域１０４は、３族窒化物ベース活性領域（３族窒化物ベースの活性領域）の一例である。ｎ型半導体領域１１２、ｐ型半導体領域１１３、および活性領域１０４はそれぞれ、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ材料系によって製造されてよい。

ｎ型半導体領域１１２のドーパントとしては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓ、またはＳｅが好適に用いられる。また、ｐ型半導体領域１１３のドーパントとしては、Ｂｅ、Ｃｄ、またはＭｇが好適に用いられる。

後述の図２に示されるように、活性領域１０４は、複数のＱＷ（Quantum Well，量子井戸）層と、少なくとも１つのバリア層とを含む。活性領域１０４は、ｎ型半導体領域１１２とｐ型半導体領域１１３とに取り囲まれるように配置されている。キャリア再結合を局在化させるためには、このように活性領域１０４を設けることが特に好ましい。

活性領域１０４（より具体的には、ＱＷ層）は、エレクトロルミネッセンス（Electro-Luminescence，ＥＬ）によって光（以下、光Ｌ）を発する。このことから、活性領域１０４は、発光領域（あるいは、発光層）と称されてもよい。光Ｌの波長（以下、λ）は、発光プロセスにおいて電子（より厳密には、自由電子）とホール（正孔）とが再結合する時に、フォトン（光子）から発せられるエネルギーによって決定される。従って、再結合時における電子とホールとの間のエネルギー差を小さくすることで、λを長くできる。つまり、光Ｌを長波長化できる。一例として、光Ｌは、青色光または緑色光である。

ＬＤ１００に発振動作（lasing operation）を行わせるためには、活性領域１０４において、キャリア（電子およびホール）、および、発生した光子（換言すれば、発生した光Ｌ）を、それぞれ閉じ込めることが必要となる。活性領域１０４に対して、（ｉ）下方に第１ガイド層１０２および第２ガイド層１０３を、（ｉｉ）上方に第３ガイド層１０５を、それぞれ設けることにより、活性領域１０４の厚さ方向において、光Ｌを閉じ込めることができる。光Ｌを効果的に閉じ込めるために、第１ガイド層１０２、第２ガイド層１０３、および第３ガイド層１０５はそれぞれ、導波光の有効屈折率（effective index of the guided light）よりも高い屈折率を有するように構成されている。

より効果的に光Ｌを閉じ込めるために、活性領域１０４に対して、（ｉ）下方に第１クラッド層１０１が、（ｉｉ）上方に第２クラッド層１０７が、それぞれ設けられている。光Ｌを効果的に閉じ込めるために、第１クラッド層１０１および第２クラッド層１０７はそれぞれ、前記導波光の有効屈折率よりも低い屈折率を有するように構成されている。

ＩｎＮの屈折率は、ＧａＮの屈性率よりも比較的高い。このため、ＩｎＧａＮ材料の屈折率は、Ｉｎ（インジウム）の含有率の増加に伴って、線形的または非線形的に増加する。４５０ｎｍよりも長い波長範囲では、光の波長が長くなるにつれて、ＧａＮおよびＩｎＮのいずれにおいても、屈折率が低下することが知られている。その結果、光の波長が長くなるにつれて、ＧａＮとＩｎＮとの間の屈折率の差は減少する。このことから、所定のＩｎの含有率が選択された場合、光の波長が長くなるにつれて、ＧａＮとＩｎＧａＮとの間の屈折率の差は減少する。

ＡｌＮの屈折率は、ＧａＮの屈性率よりも比較的低い。このため、ＡｌＧａＮ材料の屈折率は、Ａｌの含有率の増加に伴って、線形的または非線形的に減少する。４５０ｎｍよりも長い波長範囲では、光の波長が長くなるにつれて、ＡｌＮの屈折率が増加する。その結果、光の波長が長くなるにつれて、ＧａＮとＡｌＮとの間の屈折率の差は減少する。このことから、所定のＡｌの含有率が選択された場合、光の波長が長くなるにつれて、ＧａＮとＡｌＧａＮとの間の屈折率の差は減少する。

キャリアブロック層１０６は、第３ガイド層１０５と第２クラッド層１０７との間に設けられている。キャリアブロック層１０６は、第３ガイド層１０５および第２クラッド層１０７に比べて、高いバンドギャップ（より厳密には、バンドギャップエネルギー）を有している。キャリアブロック層１０６は、第３ガイド層１０５から第２クラッド層１０７への電子の輸送を効果的に低減する。その一方で、キャリアブロック層１０６は、第２クラッド層１０７から第３ガイド層１０５への正孔の輸送に強い影響を及ぼさない。

第２クラッド層１０７は、成長後の加工（post-growth processing）によって形成された上部を有する。当該上部の形状は、一般的には、成長面に対して隆起（ridge）した形状である。第２クラッド層１０７の上部をリッジとも称する。このように、第２クラッド層１０７は、凸状の形状を有している。リッジは、当該リッジの短辺方向（例：以下に述べるｑ方向）への光の伝搬を制限する。

コンタクト層１０８は、第２クラッド層１０７に対する成長後の加工に先立ち、当該第２クラッド層１０７の上面に形成される。コンタクト層１０８の材料は、例えば、ｐ型ＧａＮである。コンタクト層１０８は、ＬＤ１００における電気的なコンタクトを助成するために設けられている。

第２電極層１０９ａは、コンタクト層１０８に接触している。第２電極層１０９ａによれば、コンタクト層１０８に対する電気的なコンタクトが可能となる。第２電極層１０９ａは、第２クラッド層１０７に対応する形状を有している。第１電極層１０９ｂは、基板１１０に接触している。第１電極層１０９ｂによれば、基板１１０に対する電気的なコンタクトが可能となる。

このように、第２電極層１０９ａおよび第１電極層１０９ｂによれば、ＬＤ１００を電気的に駆動することが可能となる。第２電極層１０９ａおよび第１電極層１０９ｂの材料としては、Ｐｄ、ＩＴＯ、ＩＺＯ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、またはＡｌが好適に用いられる。あるいは、これらの材料の組み合わせを、第２電極層１０９ａおよび第１電極層１０９ｂの材料として用いることもできる。但し、第２電極層１０９ａおよび第１電極層１０９ｂの材料は、これらの例に限定されない。

絶縁層１１１は、第２クラッド層１０７と第２電極層１０９ａとの間に介在している。絶縁層１１１の材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、またはＡｌ_２Ｏ_３が好適に用いられる。絶縁層１１１によれば、ＬＤ１００に対するホールの注入を、コンタクト層１０８（ｐ型ＧａＮ）によって規定された領域（すなわち、リッジの上面に対応する領域）のみにおいて行うことができる。

以下、説明の便宜上、図１の成長方向（紙面の縦方向）をｐ方向とも称する。これに対し、図１の水平方向（紙面の横方向）をｑ方向と称する。ｑ方向は、ｐ方向に垂直である。また、ｐ方向およびｑ方向に垂直な方向を、ｒ方向と称する。ｒ方向は、図１の紙面に直交する方向である。

ＬＤ１００には、２つの鏡面（不図示）が設けられている。鏡面は、（ｉ）リッジの長辺方向、および、（ｉｉ）活性領域、のそれぞれに垂直な方向に、半導体層を劈開（cleavage）することによって設けられてよい。つまり、鏡面は、ｒ方向に垂直な面に設けられてよい。あるいは、別の方法によって、鏡面が設けられてもよい。鏡面は、活性領域に平行な方向において光を制限する。２つの鏡面は、共同して光学キャビティを規定する。

鏡面に対して、例えば付加的な材料（例：ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、またはＡｌ_２Ｏ_３）を堆積させることによって処理が施されてもよい。当該処理により、鏡面の屈折率の特性を変化させることができる。その結果、発振によって生じたレーザ光（例：上述の光Ｌ）に対する当該鏡面の鏡面反射率（mirror reflectivity）を変化させることができる。光Ｌの一部は、鏡面を通過してＬＤ１００の外部へと出射される。この場合、エッジ発光（edge emitting）型のＬＤ１００を構成できる。エッジは、（ｉ）活性領域、および、（ｉｉ）リッジの長辺方向、のそれぞれに垂直な方向に規定される。つまり、エッジは、ｒ方向に垂直な面に設けられてよい。

また、ＬＤ１００の光学キャビティは、活性領域に平行な方向に規定されてもよい。この場合、垂直発光（vertical emitting）型のＬＤ１００を実現できる。垂直発光型のＬＤ１００は、ｐ方向に光Ｌを出射する。

（活性領域１０４）
図２は、活性領域１０４の構成を示す図である。活性領域１０４は、基板１１０（図２では不図示）から見た場合に上側に向かって、第１キャップ層１１４（下側キャップ層）、第１ＱＷ層１１５（下側ＱＷ層，第１量子井戸層）、バリア層１１６第２ＱＷ層１１７（上側ＱＷ層，第２量子井戸層）、および第２キャップ層１１８（上側キャップ層）をこの順に備える。バリア層１１６は、量子バリア（Quantum Barrier，ＱＢ）層とも称される。

図２に示される通り、第１ＱＷ層１１５は、第２ＱＷ層１１７に比べて、ｎ型半導体領域１１２に近接している。これに対して、第２ＱＷ層１１７は、第１ＱＷ層１１５に比べて、ｐ型半導体領域１１３に近接している。加えて、第１ＱＷ層１１５の厚さ（以下、Ｗ１）は、第２ＱＷ層１１７の厚さ（以下、Ｗ２）と異なっている。具体的には、図２に示される通り、Ｗ１＜Ｗ２であるように、第１ＱＷ層１１５および第２ＱＷ層１１７が製造されている。

以下、第１ＱＷ層１１５および第２ＱＷ層１１７を総称的に、ＱＷ層とも称する。実施形態１におけるＱＷ層は、組成式Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮによって表されるＩｎＧａＮ材料によって構成されている。ｘは、ＱＷ層におけるＩｎの含有率を示す。本発明の一態様では、０＜ｘ＜１である。つまり、本発明の一態様では、第１ＱＷ層１１５および第２ＱＷ層１１７はいずれも、Ｉｎを含む。

以下、区別のため、第１ＱＷ層１１５におけるＩｎの含有率をｘ１、第２ＱＷ層１１７におけるＩｎの含有率をｘ２として、それぞれ表す。すなわち、第１ＱＷ層１１５はＩｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎによって構成されており、第２ＱＷ層１１７はＩｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎによって構成されている。

ｘ１およびｘ２はそれぞれ、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。つまり、第１ＱＷ層１１５および第２ＱＷ層１１７はそれぞれ、同じ材料組成を有していてもよいし、異なる材料組成を有していてもよい。この点は、以下に述べる第１キャップ層１１４および第２キャップ層１１８についても同様である。

バリア層１１６は、第１ＱＷ層１１５と第２ＱＷ層１１７との間に設けられている。バリア層１１６は、ＱＷ層と概ね同様に、ＩｎＧａＮ材料によって構成されている。具体的には、バリア層１１６は、組成式Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮによって表されるＩｎＧａＮ材料によって構成されている。但し、ｙは、（ｉ）０≦ｙ＜１、かつ、（ｉｉ）ｙ＜ｘを満たす。

バリア層１１６は、Ｉｎを含まないことが好ましい。つまり、ｙ＝０であることが好ましい。この場合、バリア層１１６の結晶品質を改善できる。加えて、平坦な（smooth）表面を有するバリア層１１６を得ることができるので、高品質な第２ＱＷ層１１７（バリア層１１６に続いて製造される層）を製造し易くなる。つまり、第２ＱＷ層１１７の成長品質を改善できる。

第１キャップ層１１４および第２キャップ層１１８はそれぞれ、補助的なバリア層である。第１キャップ層は、第１ＱＷ層１１５とｎ型半導体領域１１２との間に設けられている。つまり、第１キャップ層１１４は、活性領域１０４におけるｎ型半導体領域１１２の側の最外層である。第１ＱＷ層１１５は、第１キャップ層とバリア層１１６との間に配置されている。第１キャップ層１１４と第１ＱＷ層１１５とバリア層１１６とを総称的に、第１ＱＷ構造と称してもよい。

これに対して、第２キャップ層１１８は、第２ＱＷ層１１７とｐ型半導体領域１１３との間に設けられている。つまり、第２キャップ層１１８は、活性領域１０４におけるｐ型半導体領域１１３の側の最外層である。第２ＱＷ層１１７は、バリア層１１６と第２キャップ層１１８との間に配置されている。バリア層１１６と第２ＱＷ層１１７と第２キャップ層１１８とを総称的に、第２ＱＷ構造と称してもよい。

以下、第１キャップ層１１４および第２キャップ層１１８を総称的に、キャップ層とも称する。実施形態１におけるキャップ層は、組成式Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮによって表されるＩｎＧａＮ材料によって構成されている。ｚは、キャップ層におけるＩｎの含有率を示す。第１キャップ層１１４および第２キャップ層１１８はいずれも、組成式Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮによって表されるＩｎＧａＮ材料によって構成されている。但し、ｚは、（ｉ）０≦ｚ＜１、かつ、（ｉｉ）ｚ＜ｘを満たす。

以下、区別のため、第１キャップ層１１４におけるＩｎの含有率をｚ１、第２キャップ層１１８におけるＩｎの含有率をｚ２として、それぞれ表す。すなわち、第１キャップ層１１４はＩｎ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎによって構成されており、第２キャップ層１１８はＩｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎによって構成されている。

第１キャップ層１１４および第２キャップ層１１８はいずれも、Ｉｎを含まないことが好ましい。つまり、ｚ１＝ｚ２＝０であることが好ましい。この場合、第１キャップ層１１４および第２キャップ層１１８のそれぞれの結晶品質を改善できる。加えて、平坦な表面を有する第１キャップ層１１４を得ることができるので、第１ＱＷ層１１５（第１キャップ層１１４に続いて製造される層）の成長品質を改善できる。同様に、平坦な表面を有する第２キャップ層１１８を得ることができるので、第２キャップ層１１８に続いて製造される層（例：第３ガイド層１０５）の成長品質を改善できる。

活性領域１０４（より具体的には、活性領域１０４の各層）には、ドーパントがドープされる場合がある。しかしながら、ドーパントは、活性領域１０４の結晶品質を低下させる場合があり、ＬＤ１００の性能に影響を及ぼしうる。従って、結晶品質の向上という観点からは、活性領域１０４には、ドーパントがドープされないことが好ましい。

但し、活性領域１０４にドーパントがドープされない場合、第１ＱＷ層１１５および第２ＱＷ層１１７へのキャリアの注入率が減少するため、ＬＤ１００の閾値電流が増加しうる。従って、閾値電流の低減という観点からは、活性領域１０４の各層のうちの１つ以上の層に、ドーパントがドープされてもよい。当該ドーパントは、ＳｉまたはＭｇであってよい。ＳｉまたはＭｇは、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ材料系において用いられるドーパントの典型例である。

（ＬＤ１００の性能評価の一例）
活性領域１０４におけるキャリアの輸送性能は、当該活性領域１０４の各層の厚さおよび組成に依存する。例えば、ＱＷ層およびバリア層の厚さを低減することにより、活性領域１０４におけるキャリアの輸送性能を改善できると考えられる。

上述の考え方に基づき、本願の発明者ら（以下、単に発明者ら）は、「Ｗ１を低減させることにより、第１ＱＷ層１１５から第２ＱＷ層１１７への電子の注入を改善する」という新たな技術的思想を見出した。ＬＤ１００における「Ｗ１＜Ｗ２」という構成は、当該技術的思想に基づいている。

発明者らは、ＬＤ１００について、
・ｎ型半導体領域１１２の全体の厚さ：１０００ｎｍ〜４０００ｎｍ；
・ｐ型半導体領域１１３の全体の厚さ：３００ｎｍ〜１０００ｎｍ；
・第２キャップ層１１８の厚さ：１．７ｎｍ；
・第２ＱＷ層１１７の厚さ（Ｗ２）：３．８ｎｍ；
・バリア層１１６の厚さ：５ｎｍ；
・第１キャップ層１１４の厚さ：２ｎｍ；
という仕様を設定した。

（実施例１）
発明者らは、上記仕様のもとで様々なＷ１を有するＬＤ１００を製造し、製造したＬＤ１００のそれぞれの性能評価を行った。実施例１では、ｘ１＝ｘ２＝０．１７として設定されている。すなわち、実施例１では、ＱＷ層の組成式は、Ｉｎ_０．１７Ｇａ_０．８３Ｎである。また、実施例１では、ｙ＝ｚ１＝ｚ２＝０である。すなわち、実施例１におけるバリア層およびキャップ層の組成式はいずれも、ＧａＮである。つまり、バリア層およびキャップ層はいずれも、Ｉｎを含まない。

（Ｗ１とＶｏｐとの関係）
図３の３００ａは、実施例１に対する性能評価によって得られた、Ｗ１とＬＤ１００の動作電圧（以下、Ｖｏｐ）との関係の一例を示すグラフである。動作電圧とは、所望の電流をＬＤ１００に流す場合に、当該ＬＤ１００に印加することが必要な電圧である。当該グラフの横軸および縦軸はそれぞれ、Ｗ１およびＶｏｐを示す。当該グラフでは、Ｖｏｐは、任意単位（arbitrary unit，a.u.）として示されている。

また、発明者らは、実施例１との対比のために、比較例としてのＬＤを製造した。当該比較例のＬＤは、従来のＬＤの一例である。便宜上、当該比較例を、比較例１とも称する。比較例１では、Ｗ１＝Ｗ２＝３．８ｎｍとして設定されている。但し、Ｗ１以外については、比較例１は、実施例１と同様である。

図３の３００ａのグラフでは、説明の便宜上、比較例におけるＶｏｐもプロットされている。この点については、以下に述べる各グラフについても同様である。図３の３００ａのグラフにおけるＶｏｐは、比較例１におけるＶｏｐの値（すなわち、Ｗ１＝３．８ｎｍにおける動作電圧の値）によって正規化されている。

図３の３００ａに示されるように、Ｗ１が小さくなるにつれて、Ｖｏｐが減少する傾向が確認された。当該傾向は、第１ＱＷ層１１５から第２ＱＷ層１１７への電子の注入が改善されていることを裏付けている。

（Ｗ１とＩｏｐとの関係）
図３の３００ｂは、実施例１に対する性能評価によって得られた、Ｗ１とＬＤ１００の動作電流（以下、Ｉｏｐ）との関係の一例を示すグラフである。動作電流とは、所望のパワーのレーザ光をＬＤ１００に出力させる場合に、当該ＬＤ１００に流すことが必要な電流である。当該グラフの縦軸は、Ｉｏｐを示す。当該グラフでは、Ｉｏｐは、任意単位として示されている。当該グラフにおけるＩｏｐは、比較例１におけるＩｏｐの値（すなわち、Ｗ１＝３．８ｎｍにおける動作電流の値）によって正規化されている。

図３の３００ｂに示されるように、Ｗ１が小さくなるにつれて、Ｉｏｐが増加する傾向が確認された。当該傾向は、上述の通り第１ＱＷ層１１５から第２ＱＷ層１１７への電子の注入が改善された結果、第２ＱＷ層１１７からｐ型半導体領域１１３に流入する電子の数が増加したことを裏付けている。

（Ｗ１とＷＰＥとの関係）
図３の３００ｃは、実施例１に対する性能評価によって得られた、Ｗ１とＬＤ１００の効率との関係の一例を示すグラフである。本例では、ＬＤ１００のウォールプラグ効率（Wall Plug Efficiency）（以下、ＷＰＥ）によって、ＬＤ１００の効率を評価した。当該グラフの縦軸は、ＷＰＥ（単位：％）を示す。

ＷＰＥは、以下の式（１）
ＷＰＥ＝Ｐ／（Ｉ×Ｖ） …（１）
によって定義される。ここで、
・Ｐ：レーザ光のパワー（単位：Ｗ）
・Ｉ：ＬＤ１００の電流（単位：Ａ）
・Ｖ：ＬＤ１００の電圧（単位：Ｖ）
である。

本例では、Ｐ＝１．６Ｗの場合について、それぞれのＷ１におけるＷＰＥを算出した。図３の３００ｃに示されるように、Ｗ１が小さくなるにつれて、ＷＰＥが増加する傾向が確認された。また、実施例１におけるＷＰＥの最大値は、３６％を超えることが確認された。他方、比較例１におけるＷＰＥ（Ｗ１＝３．８ｎｍにおけるＷＰＥ）は、３４．４％であった。このように、ＬＤ１００によれば、従来のＬＤに比べ、５％を超える効率向上を実現できることが確認された。

（ＬＤ１００の性能評価の別の例）
フォトルミネッセンス分光法（Photo-Luminescence Spectroscopy）は、エピタキシャル成長材料に対する評価方法の１つである。フォトルミネッセンス分光法において測定されたフォトルミネッセンスの相対強度（以下、相対ＰＬ強度）は、活性領域１０４の材料の相対的な結晶品質（crystal quality）を示す。

発明者らは、上述の図３の例と同様に、実施例１において様々なＷ１を有するＬＤ１００を製造し、製造したＬＤ１００のそれぞれについて相対ＰＬ強度を測定した。このように、発明者らは、ＬＤ１００に対し、図３の例とは別の性能評価をさらに行った。

図４は、実施例１に対する上記別の性能評価によって得られた、Ｗ１と相対ＰＬ強度との関係の一例を示すグラフである。当該グラフの縦軸「ＰＬＩ」は、相対ＰＬ強度を示す。図４に示されるように、Ｗ１が小さくなるにつれて、ＰＬＩが増加する傾向が確認された。

当該傾向は、Ｗ１が小さくなるにつれて、活性領域１０４の結晶品質が向上していることを示している。このように、ＬＤ１００における「Ｗ１＜Ｗ２」という構成によれば、活性領域１０４の結晶品質（より具体的には、第２ＱＷ層１１７の結晶品質）を向上させることができる。

活性領域１０４における欠陥は、当該活性領域１０４における非発光性再結合（non-radiative recombination）をもたらしうる。このため、当該欠陥の発生を防止することが好ましい。ＬＤ１００によれば、活性領域１０４の結晶品質を改善することにより、当該欠陥の発生を防止することが可能となる。

加えて、活性領域１０４の結晶品質を改善することにより、Ｖｏｐを低下させることもできる。さらに、活性領域１０４の結晶品質を改善することにより、ＬＤ１００の閾値電流（より具体的には、閾値電流密度）を低下させることもできる。ＬＤ１００の閾値電流を低下させることは、Ｉｏｐの低下をもたらす。

このことから、上述の図３の３００ｃに示されているＷＥＰの改善には、活性領域１０４の結晶品質の向上も寄与していると理解できる。以上のように、ＬＤ１００における「Ｗ１＜Ｗ２」という構成によれば、３族窒化物ベースレーザダイオードの性能を従来よりも向上させることが可能となる。

（実施例２）
発明者らは、さらなる検討のために、実施例１とはｘを相違させて、上述の仕様のもとで様々なＷ１を有するＬＤ１００を製造した。そして、発明者らは、製造したＬＤ１００のそれぞれの性能評価を行った。実施例２では、ｘ１＝ｘ２＝０．１４として設定されている。すなわち、実施例２では、ＱＷ層の組成式は、Ｉｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎである。

また、発明者らは、実施例２との対比のために、比較例としてのＬＤをさらに製造した。便宜上、当該比較例を、比較例２とも称する。比較例２においても、比較例１と同様に、Ｗ１＝Ｗ２＝３．８ｎｍとして設定されている。但し、Ｗ１以外については、比較例２は、実施例２と同様である。

（Ｗ１とＷＰＥとの関係の別の例）
発明者らは、実施例２についても、実施例１と同様に性能評価を行い、Ｗ１とＷＰＥとの関係について検討した。図５には、実施例２に対する性能評価によって得られた、Ｗ１とＷＰＥとの関係の一例が示されている。

図５のグラフでは、便宜上、実施例２における各データに加え、実施例１における各データ（図３の３００ｃと同様）が併記されている。図５に示されるように、実施例２に対する性能評価の結果からも、「Ｗ１＜Ｗ２」という構成によって、ＬＤ１００の効率を向上させることができることが裏付けられた。実施例２においても、３６％を超えるＷＰＥの最大値が得られた。

（ΔＷについて）
上述の通り、本発明の一態様に係るＬＤでは、Ｗ１＜Ｗ２である。すなわち、ΔＷ＝Ｗ２−Ｗ１＞０である。発明者らは、図５に示されるデータを用いて、ΔＷの好適な数値範囲について検討した。

図６には、実施例１および２に対する性能評価によって得られた、ΔＷとＷＰＥとの関係の一例が示されている。図６のグラフの横軸は、ΔＷである。図６のグラフは、図５のグラフの横軸（Ｗ１）を、ΔＷに置き換えることによって得られる。

上述の通り、ΔＷ＞０である場合（すなわち、Ｗ１＜Ｗ２である場合）には、ΔＷ＝０の場合（Ｗ１＝Ｗ２である場合）に比べて、高いＷＰＥが得られる。さらに、図６に示されるように、０〜２ｎｍ程度の範囲では、ΔＷの増加に伴い、ＷＰＥが増加する傾向が確認された。

以上のことから、発明者らは、一例として、「ΔＷ≧１ｎｍであることが好ましい」と結論付けた。このように、本発明の一態様に係るＬＤでは、Ｗ１は、Ｗ２に比べて１ｎｍ以上小さいことが好ましい。このようにΔＷを設定することにより、特に高いＷＰＥを実現できる。

但し、図６の例では、ΔＷが十分に大きい場合（例：ΔＷが２ｎｍ程度を超える場合）、ΔＷの増加に伴い、ＷＰＥがやや減少する傾向も確認された。このことから、ΔＷをあまり大きくしすぎる（Ｗ１をあまり小さくしすぎる）ことも好ましくないと考えられる。

〔付記事項〕
本発明の一態様は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の一態様の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成できる。

１００ＬＤ（３族窒化物ベースレーザダイオード）
１０４活性領域（３族窒化物ベース活性領域）
１１２ｎ型半導体領域（ｎ型３族窒化物ベース半導体領域）
１１３ｐ型半導体領域（ｐ型３族窒化物ベース半導体領域）
１１５第１ＱＷ層（第１量子井戸層）
１１６バリア層
１１７第２ＱＷ層（第２量子井戸層）
Ｗ１第１ＱＷ層の厚さ
Ｗ２第２ＱＷ層の厚さ
ΔＷＷ２とＷ１との差

Claims

３族窒化物ベースレーザダイオードであって、
ｎ型３族窒化物ベース半導体領域と、
ｐ型３族窒化物ベース半導体領域と、
前記ｐ型３族窒化物ベース半導体領域と前記ｎ型３族窒化物ベース半導体領域との間に位置する３族窒化物ベース活性領域と、を備えており、
前記３族窒化物ベース活性領域は、（ｉ）第１量子井戸層および第２量子井戸層と、（ｉｉ）前記第１量子井戸層と前記第２量子井戸層との間に位置するバリア層と、を有しており、
前記第１量子井戸層は、前記第２量子井戸層に比べて、前記ｎ型３族窒化物ベース半導体領域に近接しており、
前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層に比べて、前記ｐ型３族窒化物ベース半導体領域に近接しており、
前記第１量子井戸層の厚さは、前記第２量子井戸層の厚さに比べて小さい、３族窒化物ベースレーザダイオード。
前記第１量子井戸層の厚さは、前記第２量子井戸層の厚さに比べて１ｎｍ以上小さい、請求項１に記載の３族窒化物ベースレーザダイオード。