JP4097232B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラーディスプレー等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオ−ドや、光書き込みなどに用いられる可視光半導体レーザなどの半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カラーディスプレー等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオ−ドや光書き込みなどに用いられる可視光半導体レーザの材料として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料の研究開発が行なわれている。ＡｌＧａＩｎＰ系は、ＧａＡｓ基板に格子整合するIII−Ｖ族半導体の中でも最も大きい直接遷移型の材料であり、バンドギャップエネルギーは最大で約２．３ｅＶ(波長５４０ｎｍ)が得られる。
【０００３】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系は、ヘテロ接合を形成すると、伝導帯のバンドオフセット比が小さく、活性層(発光層)と活性層よりもバンドギャップの大きい材料からなるクラッド層との伝導帯側のバンド不連続(ΔＥc)が小さいので、注入キャリア(電子)が活性層からクラッド層にオーバーフローしやすく、半導体レーザの発振しきい値電流の温度依存性が大きく、温度特性が悪いなどの問題があった。
【０００４】
なお、この問題を解決するため、特開平４−１１４４８６号には、活性層とクラッド層の間に多重量子障壁(ＭＱＢ)構造を設け、注入キャリアを閉じ込める構造が提案されている。
【０００５】
また、半導体レーザを作製するためには、クラッド層を用い、キャリアと光を活性層に閉じ込める構造が必要であるが、通常のバルク活性層のダブルヘテロ(ＤＨ)構造では、上述の理由により、あまり大きなバンドギャップの材料を活性層に用いることができない。また、Ａｌの添加はバンドギャップを大きくする効果があるが、Ａｌが非常に活性なため、成長中雰囲気内や原料内のわずかな酸素等と結合しディープレベルを形成し発光効率の低下を招きやすいので、Ａｌ組成は小さい方が好ましい。基板にＧａＡｓを用い、ＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザでは、活性層に(Ａｌ0.19Ｇａ0.81)0.5Ｉｎ0.5Ｐを用いた構造で、発振波長６３２．７ｎｍでの室温連続発振が報告されている。そこで、発振波長を短波長化するために活性層を量子井戸(ＱＷ)構造とする方法が行なわれており、さらに低しきい値化するために、例えば特開平６−７７５９２号に示されているように量子井戸層に歪を加えた歪量子井戸構造の提案も行なわれている。
【０００６】
例えばHamadaらによる文献「Electronics Letter,Vol.28,No.19(1992)p1834」には、(Ａｌ0.08Ｇａ0.92)0.45Ｉｎ0.55Ｐを井戸層に用いた圧縮歪多重量子井戸活性層と多重量子障壁(ＭＱＢ)構造を組み合わせた素子で、発振波長６１５ｎｍでの室温連続発振が報告されている。しかしながら、この素子は、温度特性が非常に悪いので、実用的ではない。
【０００７】
このように、従来のＧａＡｓ基板格子整合系材料では、温度特性を良好なものにすることと短波長化に限界があり、発振波長が６００ｎｍ程度以下の短波長での室温連続発振は現在実現されていない。
【０００８】
なお、例えば特開平６−５３６０２号には、発振波長６００ｎｍ以下の短波長レーザを実現するために、基板にＧａＰ基板を用い、ＧａＰ基板上に、クラッド層としてＡｌyＧａ1-yＰ(０≦ｙ≦１)を用い、活性層として直接遷移型のＧａxＩｎ1-xＰ(０＜ｘ＜１)量子障壁層および量子井戸層を用い、活性層にはアイソエレクトロニックトラップ(Isoelectronic trap)の不純物としてＮをドープした素子が提案されている。
【０００９】
また、例えば特開平５−４１５６０号には、ＧａＡｓ基板上に(ＡｌＧａ)aＩｎ1-aＰ(０．５１＜ａ≦０．７３)からなるダブルヘテロ構造体を形成する際、ＧａＡｓ基板と上記ダブルヘテロ構造体との格子不整を解消するため、基板にＧａＡｓxＰ1-xバッファ層などを介して上記ダブルヘテロ構造体を形成する素子が提案されている。
【００１０】
しかしながら、これらの構造は、活性層のＡｌ含有量が少ない材料を用いて短波長化できるという利点があるものの、キャリアを充分に活性層に閉じ込めることができないという欠点がある。
【００１１】
図１(ａ)，(ｂ)には、特開平６−５３６０２号に提案されているＧａＰ基板上の素子のバンド構造の例が示されている。ヘテロ接合のラインアップは、文献「Appl. Phys. Lett. 60(5), 3, 1992 P630〜632 (Sandip Tiwari, David J. Frank)」を参照した。図１(ａ)は、ＧａＰをクラッド層、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐを活性層とした場合であり、この場合、伝導帯のエネルギー差(ΔＥc)は１００ｍｅＶ程度であるが、価電子帯のエネルギー差(ΔＥv)はほぼ０ｍｅＶ程度である。また、図１(ｂ)は、ＡｌＰをクラッド層、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐを活性層とした場合であり、この場合、価電子帯のエネルギー差(ΔＥv)は４７０ｍｅＶ程度であるが、伝導帯のエネルギー差(ΔＥc)は、逆に、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ活性層の方が１９０ｍｅＶ程度大きくなってしまう。また、クラッド層にＧａＰとＡｌＰとの混晶を用いると、伝導帯，価電子帯のいずれにも、キャリアの閉じ込め可能な材料を存在させることができるが、伝導帯のエネルギー差(ΔＥc)は１００ｍｅＶ以下となってしまい、キャリアを充分に活性層に閉じ込めることができない。なお、活性層のＧａ組成を減らしＡｌを添加することで、伝導帯のエネルギー差(ΔＥc)を大きくすることは可能であるが、この増加分は、わずかであり、また、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3ＰとＧａＰ基板との格子不整合度(すでに２．３％程度の格子不整合度が存在する)が、さらに増加してしまい、格子不整合に起因するミスフィット転位が発生しない臨界膜厚が薄くなってしまうので好ましくない。このことは、特開平５−４１５６０号に提案されている素子についても言えることである。
【００１２】
すなわち、これらの素子では、活性層にＡｌを含まない材料系でも短波長化できるという利点があるが、ヘテロ障壁ΔＥcおよびΔＥvをともに大きくできる材料系(例えばΔＥc≧１９０ｍｅＶ以上かつΔＥv≧６０ｍｅＶ以上の材料系)が存在しなかった。
【００１３】
さらに、特開平７−７２２３号には、可視発光素子をＳｉ基板またはＧａＰ基板上に得るために、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体材料，例えばＩｎＮＳｂ，ＡｌＮＳｂ系材料が提案されている。この場合、混晶のバンドギャップエネルギーは、それぞれＩｎＮとＩｎＳｂ、ＡｌＮとＡｌＳｂの間を直線で見積もっており、ＡｌＮ0.4Ｓｂ0.6でＳｉ基板に格子整合し、バンドギャップエネルギーはおよそ４ｅＶであるとして見積もられている。このような材料が存在し形成できれば、確かに紫外光までの発光素子が形成できる。しかしながら、このようなＶ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体材料は、ほとんどが非混和領域にあり通常の成長方法では結晶成長は困難であり、非平衡度の高い成長方法であるＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により形成できるものである。ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって形成できるとしても、現在Ｎ組成は１０％程度が限界であり、Ｎ組成が４０％の混晶は作製が非常に困難である。さらにこの材料系は、特開平６−３３４１６８号に示されているように、Ｎの電気陰性度が大きいために混晶のバンドギャップに大きなボーイングが生じる。つまりＩｎＳｂやＡｌＳｂにＮを添加していくとバンドギャップは小さい方に向かい、このため、Ｓｉ基板やＧａＰ基板等に格子整合する混晶では、ＩｎＳｂやＡｌＳｂのバンドギャップよりも大きくなるどころか逆に小さくなってしまう。従って、特開平７−７２２３号に提案されているような短波長発光素子は実現困難であると考えられる。すなわち、例えば特開平６−３７３５５号に提案されているように、混晶のバンドギャップに大きなボーイングが生じることを利用して、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＮＡｓ系材料で赤外光である１．５μｍ等の長波長発光素子を形成することはできるが、この逆の短波長発光素子を形成することはできない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、ヘテロ障壁ΔＥcおよびΔＥvをともにレーザ発振するために必要なほど大きくできる材料系を提案し、この材料系を用いて、温度特性の良好な赤色半導体レーザ，室温において６００ｎｍ以下の短波長で発振する可視半導体レーザや、高発光効率の可視発光ダイオードなどの半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の半導体レーザ素子は、半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対のクラッド層および前記バリア層には、ＡｌｂＧａ１−ｂＰ（０≦ｂ≦１）が用いられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項２記載の半導体レーザ素子は、半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層および一対の光ガイド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対の光ガイド層間に設けられ、前記一対の光ガイド層は、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対の光ガイド層および前記バリア層には、ＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ≦１）が用いられ、前記一対のクラッド層には、ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）が用いられていることを特徴としている。
【００３３】
請求項１記載の半導体レーザ素子は、半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対のクラッド層および前記バリア層には、ＡｌｂＧａ１−ｂＰ（０≦ｂ≦１）が用いられている。ＡｌｂＧａ１−ｂＰよりも伝導帯のエネルギーが充分小さくかつ価電子帯のエネルギーが大きく活性層となるような（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）材料は従来存在せず、Ｎを添加することでバンドギャップエネルギーは小さくなるが、伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなるので、任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成することが可能となる。このため、活性層よりバンドギャップが大きく屈折率の小さい組成を選んでクラッド層とすることで、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＮｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）を活性層として、この活性層にキャリアと光を閉じ込めることが可能となる。
【００３４】
また、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層のＮの濃度が５×１０１９ｃｍ−３程度以下ではアイソエレクトロニックトラップからの発光が支配的であるが、Ｎの濃度を１×１０２０ｃｍ−３以上とすることで、バンドギャップエネルギーが小さくなり、また、伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなる効果が充分に現われ、組成を選ぶことにより従来にはない任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成することができる。
また、上記Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層はＮの添加により格子定数が小さくなるので、ＧａＰ基板上に形成した場合、圧縮歪量を小さくできる。
【００４１】
また、請求項２記載の半導体レーザ素子は、光ガイド層としてＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ＜１）を用い、クラッド層としてＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）を用いているので、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＮｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）を活性層としたＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造の素子を形成できる。この場合、伝導帯，価電子帯ともに活性層とのヘテロ障壁を大きくできるＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ＜１）光ガイド層でキャリアの閉じ込めを行ない、屈折率の小さいＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）で光の閉じ込めを行なうことができる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
【００５２】
本願の発明者は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体層(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)を作製し、その特性を調べた。すなわち、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体層(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)を、ＭＯＣＶＤ法(有機金属気相成長法)やＭＢＥ法によるエピタキシャル成長により形成した。この場合、Ｎの原料も他の原料と同様に反応室に供給した。Ｐを含んだ混晶は、成長中にＰがエピタキシャル成長時に基板から抜けやすいので、成長雰囲気中のＰの分圧を高くできるＭＯＣＶＤ法が好ましい。また、Ｎの原料にはＮＨ3等が考えられるが、分解効率が極めて低い。このため、低温でも分解しやすい有機系窒素化合物を用いることが好ましい。さらに有機系窒素化合物はＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等も考えられるが、蒸気圧が低いためキャリアガスを多く必要とするので、蒸気圧の高いＤＭＨｙ((ＣＨ3)2ＮＮＨ2：ジメチルヒドラジン)やＴＢＡ((ＣＨ3)3ＣＮＨ2：ターシャリブチルアミン)であることが好ましい。
【００５３】
図２は(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰと(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰにＮを添加した(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zとを接合した場合のバンド構造を示す図である。近藤らによる文献「応用物理第６５巻第２号(1996) p148」には、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰのような従来からあるIII-Ｖ族半導体にＮを数％添加すると、バンドギャップは小さくなり(Ｅｇ1＞Ｅｇ2)、さらに伝導帯および価電子帯のエネルギーは小さくなることが示されている。すなわち、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰをクラッド層、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zを活性層としたヘテロ構造では、価電子帯のエネルギーＥvは、クラッド層よりも活性層の方が小さく、ホールを活性層に閉じ込めることができず、この構造のままでは発光素子には向かないことがわかる。
【００５４】
しかしながら、本願の発明者は、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰをクラッド層、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zを活性層としたヘテロ構造では、大きな伝導帯のバンド不連続(ΔＥc)が生じることに着目した。また、バンドギャップが充分大きいクラッド層を用いるなど、クラッド層と活性層の組成を適切に選べば、ホールをも活性層に閉じ込めることが可能になることを見出した。また、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zは、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰと(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮとの混晶であるので、格子定数はＮ組成の増加とともに小さくなることに着目した。
【００５５】
図３は本発明に係る半導体発光素子の第１の構成例を示す図である。図３を参照すると、この半導体発光素子は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体層(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)を活性層(発光可能な活性層)に用いている。
【００５６】
すなわち、この半導体発光素子は、面方位が(１００)面から［０１１］方向に１５°傾いているｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層１０３，(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99活性層１０４，ｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層１０５，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０６が、例えばＭＯＣＶＤ法により、順次に形成されたものとなっている。
【００５７】
ここで、この半導体発光素子は、クラッド層１０３，１０５，活性層１０４によるダブルヘテロ接合構造をもつ半導体レーザ素子として機能し、クラッド層１０３，１０５，活性層１０４に上記のような材料系が用いられる場合、クラッド層１０３，１０５および活性層１０４は、ＧａＡｓ基板１０１に格子整合している。
【００５８】
また、図３の半導体発光素子(半導体レーザ素子)では、コンタクト層１０６上に、さらに、絶縁膜であるＳｉＯ2１０７と、ｐ側電極１０８であるＡｕＺｎ／Ａｕとが形成され、また、素子の裏面には、ｎ側電極１０９であるＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕが形成されている。
【００５９】
なお、図３の例では、半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造のものとなっているが、もちろん他の構造を用いることもできる。
【００６０】
図４(ａ)，(ｂ)は図３の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。なお、図４(ａ)は活性層にＮ添加なしの(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｐを用いた場合、図４(ｂ)は活性層にＮ添加の(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99を用いた場合のバンド構造をそれぞれ示している。Ｉｎ組成がクラッド層は０．４９であるのに対し、活性層は０．５１となっているが、これは、Ｎ添加により格子定数が小さくなるために、Ｎ添加した状態で格子定数がＧａＡｓ基板と同じになるように調整しているためである。図４(ａ)から、Ｎ添加なしの場合でも、(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層の方が、(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｐ活性層よりもバンドギャップは大きいことがわかる。また、図４(ｂ)から、Ｎの添加により、バンドギャップはＥｇ1からＥｇ2(Ｅｇ1＞Ｅｇ2)と小さくなり、また、伝導帯のバンド不連続(ΔＥc)は、Ｎを添加する前のΔＥc1よりもＮを添加した後のΔＥc2の方が大きくなっていることがわかる。
【００６１】
このように活性層１０４を、Ｎ添加の(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99とすることで、伝導帯のバンド不連続(ΔＥc)が大きい素子を形成することができた。そして、この半導体発光素子の発振波長は室温で６５０ｎｍであった。これはＧａＡｓ基板に格子整合するＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐを活性層に用いた素子と同じ波長であった。このように、得たい発振波長に対応するバンドギャップより大きなバンドギャップがあり、かつ、ＧａＡｓより大きな格子定数である適切な組成の材料にＮを添加すると、ＧａＡｓ基板に格子整合し、かつ、得たい発振波長である発光素子を得ることができる。
【００６２】
図５には、比較のため、従来の一般的な構造である(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層，Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層によるバンド構造を示す。従来の一般的な構造である(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層，Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層によるバンド構造では、ΔＥcは略１８９ｍｅＶ、ΔＥvは約２２４ｍｅＶである。これに対し、図３の半導体発光素子では、ΔＥcが１８９ｍｅＶよりも充分大きくなるので、発振しきい値電流等の温度依存性は従来材料の素子より小さくなる。また、組成を適切に選べば、ΔＥcを３５０ｍｅＶ以上にすることも可能である。ただし、Ｎ添加後のΔＥvがホールを閉じ込めるのに必要な値以上(例えば６０ｍｅＶ)になるような材料(組成)である必要がある。
【００６３】
このように、本発明によれば、従来のＡｌＧａＩｎＰ系材料の素子より温度特性の良好な発光素子が得られる。なお、従来、発光効率向上のためにＧａＰやＧａＡｓＰにアイソエレクトロニックトラップの不純物としてＮをドープした発光ダイオードがある。Ｎの濃度は１×１０20ｃｍ-3以下となっている。本発明では１×１０20ｃｍ-3以上(Ｎ組成ｚを、ｚ≧約０．４％)にすることでバンドギャップエネルギーが小さくなり、また伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなる効果が充分に現われ、これらの作用効果を利用しているものである。
【００６４】
また、本発明では、活性層にＶ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体層(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)を用いたが(例えば、活性層には、(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99を用いたが)、必要に応じて、この組成を変えることができる。例えば、Ｖ族にＡｓが含まれていても良い。しかしながら、Ａｓの添加は波長を長くする効果があるので、短波長化するには(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ＜１)を用いることが好ましい。
【００６５】
また、図３の例では、半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、通常のダブルヘテロ接合構造のものとなっているが、活性層を量子井戸層とし、活性層と(ＡｌhＧａ1-h)0.51Ｉｎ0.49Ｐ(０＜ｈ≦１)クラッド層との間に、バンドギャップがクラッド層よりも小さく活性層よりも大きい(ＡｌaＧａ1-a)bＩｎ1-bＮcＰ1-c(０≦ａ≦１，０＜ｂ＜１，０≦ｃ＜１)ガイド層を用いた構造のものにすることもできる。
【００６６】
また、上述の例では、ＧａＡｓ基板として、その面方位が(１００)面から［０１１］方向に１５°傾いているものを用いたが、ＧａＡｓ基板としては、その面方位が、(１００)面から［０１１］方向に−５４．７゜から５４．７゜の範囲、または、(１００)面から［０１１］方向に１０゜から５４．７゜，−１０゜から−５４．７゜の範囲で傾いているものであれば良く、この範囲のものであれば、自然超格子の形成を抑制できるので、バンドギャップの減少を防ぐことができ、(１００)面上に形成する場合に比べて、短波長化に有利である。また、活性層には、ＧａＡｓ基板と同じ格子定数の材料を用いたが、歪を有していても、ミスフィット転位が発生する臨界膜厚以下の厚さであれば良い。
【００６７】
また、図３の例では、クラッド層１０３，１０５に(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐを用いたが、クラッド層１０３，１０５としてＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐを用いることもできる。
【００６８】
図６は本発明に係る半導体発光素子の第２の構成例を示す図である。図６の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、図３の半導体発光素子に対し、クラッド層２０３および２０５としてＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐを用いている点で相違している。なお、図６の半導体発光素子の活性層２０４には、ＧａＡｓ基板に格子整合する(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99を用いている。
【００６９】
図７(ａ)，(ｂ)は図６の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。なお、図７(ａ)は活性層にＮ添加なしの(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.49Ｉｎ0.51Ｐを用いた場合、図７(ｂ)は活性層にＮ添加の(Ａｌ0.5Ｇａ0. 5)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99を用いた場合のバンド構造をそれぞれ示している。図７(ａ)から、活性層にＮを添加する前の材料では、伝導帯のエネルギーＥcは、クラッド層よりも活性層の方が大きい(ΔＥcが負の値)ことがわかる。これに対し、図７(ｂ)から、活性層にＮを添加することで、バンドギャップは小さく(Ｅｇ1＞Ｅｇ2)なり、更に伝導帯及び価電子帯のエネルギーΔＥc，ΔＥvが小さくなることがわかる。すなわち、活性層の伝導帯側のエネルギーをクラッド層より小さくできることがわかる。実際、図６の半導体発光素子の発振波長は約６００ｎｍであった。
【００７０】
従来、活性層には(ＡｌaＧａ1-a)0.51Ｉｎ0.49Ｐ(０≦ａ＜１)が用いられ、クラッド層にはＧａＡｓ基板に格子整合する(ＡｌhＧａ1-h)0.51Ｉｎ0.49Ｐ(ａ＜ｈ≦１)が用いられているが、その中で、クラッド層にはｈ＝０．７の材料が良く用いられている。何故ならば、ｈ＞０．７の材料では間接遷移型になるので、伝導帯のバンド不連続(ΔＥc)は小さくなってしまい、ｈ＝０．７で最も大きなΔＥcとなるためである。
【００７１】
しかしながら、本発明では、Ｎの添加によりバンドギャップは小さくなるが、ΔＥcを大きく、ΔＥvを小さくすることができ、Ｎを添加する前の材料を必要に応じて選ぶことで任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成できる。このため、Ｎを添加する前の材料はΔＥcが小さく、ΔＥvが大きい材料が好ましい。
【００７２】
例えば、ＧａＩｎＰは、Ｇａの組成を大きくすると伝導帯のエネルギーが大きくなりΔＥcが小さくなる。また、ＡｌＩｎＰは、Ａｌ組成が０．５１以下のときに、Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐよりも伝導帯のエネルギーが大きくなりうる材料である。従って、これらの混晶を組み合わせた材料にＮを添加することで、任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成でき、このため、クラッド層にはバンドギャップの大きいＡｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐを用いるのが好ましい。ただし、Ｎ添加後のΔＥvがホールを閉じ込めるのに必要な値以上(例えば６０ｍｅＶ)になるような材料(組成)を用いる必要がある。
【００７３】
図８は本発明に係る半導体発光素子の第３の構成例を示す図である。図８の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、図６の半導体発光素子に対し、活性層とクラッド層との間に、ＧａＡｓ基板に格子整合する(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)からなるガイド層３０１，３０３及びバリア層３０２を設け、活性層を厚さ３ｎｍ程度の量子井戸層２０４(１０井戸層)として構成している点で、相違している。
【００７４】
ここで、ガイド層のバンドギャップは、活性層よりも大きく、クラッド層よりも小さい。実際、図８の半導体発光素子の発振波長は約５６０ｎｍであった。
【００７５】
上述の各構成例のように、本発明では、大きいバンドギャップの活性層を用いても従来無駄に大きかったΔＥvを小さくして、その分ΔＥcを大きくすることができるので、従来実現できなかった６００ｎｍ以下の短波長レーザを室温で発振させることができる。すなわち、従来、岸野らによる文献「1991 信学春季大 GC-1 pp4-437」には、ΔＥc＝１２０ｍｅＶ，ΔＥv＝３２０ｍｅＶであるＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層とＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ井戸層を用いた多重量子井戸構造とＭＱＢを用いて、発振波長６０８ｎｍでの室温パルス発振が報告されているが、本発明のように、ΔＥvが例えば６０ｍｅＶ、ΔＥcが１２０ｍｅＶであるＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層と(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)井戸層を用いれば、室温で発振波長を約５４０ｎｍ程度まで短かくすることができる。
【００７６】
図９は本発明に係る半導体発光素子の第４の構成例を示す図である。図９の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、ＧａＰ基板４０１上に形成されており、クラッド層４０３，４０６およびバリア層４０５(バリア層の厚さは２ｎｍ)にはＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐが用いられている。また、活性層には、厚さ３ｎｍのＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ｐ0.99井戸層４０４(１０井戸層)が用いられており、この井戸層４０４は、２．１％程度の圧縮歪を有している。なお、図９において、４０２はｎ−ＧａＰバッファ層、４０７はＧａＰコンタクト層、４０８は絶縁膜であるＳｉＯ2，４０９はｐ側電極、４１０はｎ側電極である。
【００７７】
なお、図９の例では、半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造のものとなっているが、もちろん他の構造を用いることもできる。
【００７８】
図１０は図９の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。なお、図１０(ａ)は活性層にＮ添加なしのＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐを用いた場合、図１０(ｂ)は活性層にＮ添加のＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ｐ0.99を用いた場合のバンド構造をそれぞれ示している。図１０(ａ)から、活性層にＮを添加していない場合には伝導帯のエネルギーは活性層の方が大きい(ΔＥcが負の値)ことがわかる。また、図１０(ｂ)から、活性層にＮを添加することで、活性層の伝導帯側のエネルギーＥcをクラッド層より小さくでき、活性層にキャリアを閉じ込めることができる。
【００７９】
図９の半導体発光素子の発振波長は、約５６０ｎｍであった。そして、活性層として、できるだけ格子定数の小さい(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１)にＮを添加した材料を用いると、同じバンドギャップの材料を得るためにＡｌ含有量を少なくできるという利点がある。
【００８０】
図１１は本発明に係る半導体発光素子の第５の構成例を示す図である。図１１の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、図９の半導体発光素子に対し、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｐをガイド層５０２，５０３およびバリア層４０５(バリア層の厚さは２ｎｍ)に用い、さらに、クラッド層５０１，５０４にＡｌＰを用いている点において、相違している。
【００８１】
図１２は図１１の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。図１２から、伝導帯のエネルギーはクラッド層よりもガイド層の方が大きくなっていることがわかる。すなわち、図１１の構造では、伝導帯側での活性層へのキャリア(電子)の閉じ込めは、ガイド層が行なう。そして、クラッド層を構成するＡｌＰの屈折率がガイド層を構成するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐよりも小さいので、図９の半導体発光素子に比べて光の閉じ込めを良好に行なうことが可能となる。これにより、しきい値電流を小さくできた。なお、組成は、光ガイド層がＡｌcＧａ1-cＰ(０≦ｃ＜１)であり、クラッド層がＡｌdＧａ1-dＰ(ｃ＜ｄ≦１)であれば、上述の組成に限らず、他の組成でも良い。
【００８２】
図１３は本発明に係る半導体発光素子の第６の構成例を示す図である。図１３の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ−Ｇａ0.72Ｉｎ0.28Ｐバッファ層６０４、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.72Ｉｎ0.28Ｐクラッド層６０５，６０７、Ｇａ0.70Ｉｎ0.30Ｎ0.01Ｐ0.99活性層６０６からなるダブルヘテロ接合構造が、格子緩和バッファ層であるＧａＡｓkＰ1-k(０＜ｋ＜１)を介して形成されている。
【００８３】
ここで、格子緩和バッファ層は、ＧａＡｓ基板６０１上に、ｋ＝０から０．６まで徐々に組成が変化する組成傾斜層６０２と、その上のｋ＝０．６の層６０３とからなっており、格子緩和バッファ層(６０２，６０３)全体の層厚は約４０μｍである。この場合、上記ダブルヘテロ接合構造は、ｋ＝０．６のＧａＡｓkＰ1-k上に形成される。そして、クラッド層６０５，６０７および活性層６０６は、ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4に対してほぼ格子整合している。なお、図１３において、６０８はＧａＡｓ0.6Ｐ0.4コンタクト層、６０９は絶縁膜であるＳｉＯ2、６１０はｐ側電極、６１１はｎ側電極である。
【００８４】
このように、図１３の素子では、格子緩和バッファ層(６０２，６０３)の存在により、ＧａＡｓ基板とダブルヘテロ接合構造部との格子不整合による歪は緩和され、このため、図９の素子に比べて活性層を厚く形成できる。
【００８５】
なお、図１３の例では、半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造のものとなっているが、もちろん他の構造を用いることもできる。
【００８６】
また、図１３の例では、素子が通常のダブルヘテロ接合構造をもつものとしたが、活性層を量子井戸層とし、活性層と(ＡｌsＧａ1-s)tＩｎ1-tＰ(０≦ｓ≦１、０．５＜ｔ≦１)クラッド層との間に、バンドギャップがクラッド層よりも小さく活性層よりも大きい(ＡｌeＧａ1-e)fＩｎ1-fＰ(ｅ＜ｓ≦１、ｔ＝ｆ)ガイド層を用いた構造のものにすることもできる。また、基板６０１として、ＧａＡｓkＰ1-k(０＜ｋ＜１)基板を用いることもでき、この場合にも、ＧａＡｓ基板を用いる場合と同様の効果が得られる。なお、ＧａＡｓkＰ1-k(０＜ｋ＜１)基板は、例えばＧａＡｓ上にＶＰＥ法によりＧａＡｓkＰ1-k(０＜ｋ＜１)を厚く成長し、その後、ＧａＡｓ基板をエッチングにより除去することで形成できる。
【００８７】
図１４は本発明に係る半導体発光素子の第７の構成例を示す図である。なお、図１４の例では、半導体発光素子は、発光ダイオードとして構成されている。図１４を参照すると、この半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板７０１上に形成されており、クラッド層７０３，７０５に、ＧａＡｓ基板７０１と格子整合するＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐが用いられ、また、活性層７０４にはＧａＡｓ基板７０１に格子整合する(Ａｌ0.6Ｇａ0.4)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99が用いられている。ここで、活性層には、ｎ型となる不純物のＳｅがドーピングされている。また、図１４において、７０２はｎ−ＧａＡｓバッファ層、７０６はＧａＡｓコンタクト層、７０７はｐ側電極、７０８はｎ側電極である。
【００８８】
図１４の発光ダイオードでは、発光中心波長は約５９０ｎｍであった。すなわち、黄色であった。また、活性層にＮを添加することで、従来に比べてΔＥcを大きくできるので、発光効率は非常に高かった。
【００８９】
なお、活性層にドーピングされるｎ型となる不純物としては、Ｓｅの他にＳ，Ｓｉを用いることができた。また、ｎ型だけでなくｐ型でも良く、不純物としてはＺｎ，Ｍｇ，Ｃ，Ｂｅなどを用いることができた。また、活性層の組成は必要な波長(色)に合わせて任意に選ぶことができる。また、活性層には量子井戸構造を用いても良く、例えば図８の組成の活性層を用いても、５６０ｎｍなど緑色の発光ダイオードを実現できる。
【００９０】
図１５は本発明に係る半導体発光素子の第８の構成例を示す図である。なお、図１５の例では、半導体発光素子は、発光ダイオードとして構成されている。図１５を参照すると、この半導体発光素子は、ＧａＰ基板８０１上に形成されており、クラッド層８０３，８０６およびバリア層８０５(バリア層の厚さは２ｎｍ)にはＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐが用いられ、活性層には厚さ３ｎｍのＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ｐ0.99井戸層８０４(１０井戸層)が用いられている。ここで、井戸層８０４は、１．７％程度の圧縮歪を有している。また、図１５において、８０２はｎ−ＧａＰバッファ層、８０７はＧａＰコンタクト層、８０８はｐ側電極、８０９はｎ側電極である。
【００９１】
図１５の構成例では、ＧａＰ基板上に直接遷移型材料によって圧縮歪量の小さい歪量子井戸活性層を形成できる。すなわち、Ｎを添加してしていない場合のＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｐは間接遷移型の材料であり、また、Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｎは直接遷移型の材料である。このため、Ｇａ0.75Ｉｎ0.25ＰにＮを添加すると、あるＮ組成のところで間接遷移型から直接遷移型に変わる。Ｎを添加する前の材料が間接遷移型と直接遷移型の境界付近の間接遷移型であれば、わずかのＮ組成で直接遷移型に変わる。このように、間接遷移型(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１)にＮを添加して直接遷移型にすることが可能である。これにより、図１５の構成例では、ＧａＰ基板上に直接遷移型材料によって圧縮歪量の小さい歪量子井戸活性層を形成できる。さらに、従来の直接遷移型材料よりもΓ帯のエネルギーの大きい材料にＮを添加しているので、短波長化が可能となる。
【００９２】
また、図１５の構成例は、発光ダイオードとなっているが、間接遷移型(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１)にＮを添加すると、直接遷移型にすることが可能となることから、間接遷移型(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１)にＮを添加するものを、半導体レーザの活性層として用いることもできる。また、間接遷移型の材料にＮを添加して直接遷移型とならない材料でも間接遷移のＸ帯またはＬ帯と直接遷移のΓ帯のエネルギー差を小さくできることから、直接遷移発光確率を増大させることが可能となり、発光ダイオードの発光効率を高くすることもできる。もちろん、本発明はＧａＰ基板上に形成する材料のみならず、ＧａＡｓ基板上の(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｚ＜１)等にも適用できる。
【００９３】
このように、図３〜図１５に示したような本発明の半導体発光素子では、活性層に(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１)を用いているので、Ｎ添加前の(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１)へのＮ添加により、バンドギャップは小さくなるが、ΔＥcを大きく，ΔＥvを小さくでき、Ｎを添加する前の材料を必要に応じて選ぶことで、任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成できる。これにより、活性層のバンドギャップが同じ材料で比較すると、キャリアのオーバーフローを低減でき、温度特性の良好な可視レーザや発光ダイオードを実現できる。また、従来よりバンドギャップの大きい材料を活性層に用いてもヘテロ障壁ΔＥcおよびΔＥvをともにレーザ発振するために必要なほど大きくできる。このため、室温で発振波長６００ｎｍ以下の半導体レーザを提供することができる。
【００９４】
従って、本発明におけるこれらの発光素子は、カラーディスプレー等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオード等や、光書き込み用等に用いられる可視光半導体レーザとして用いることができる。
【００９５】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の半導体レーザ素子によれば、半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対のクラッド層および前記バリア層には、ＡｌｂＧａ１−ｂＰ（０≦ｂ≦１）が用いられている。ＡｌｂＧａ１−ｂＰよりも伝導帯のエネルギーが充分小さくかつ価電子帯のエネルギーが大きく活性層となるような（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）材料は従来存在せず、Ｎを添加することでバンドギャップエネルギーは小さくなるが、伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなるので、任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成することが可能となる。このため、活性層よりバンドギャップが大きく屈折率の小さい組成を選んでクラッド層または光ガイド層とすることで、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＮｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）を活性層として、この活性層にキャリアと光を閉じ込めることが可能となる。
【００９６】
また、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層のＮの濃度が５×１０１９ｃｍ−３程度以下ではアイソエレクトロニックトラップからの発光が支配的であるが、Ｎの濃度を１×１０２０ｃｍ−３以上とすることで、バンドギャップエネルギーが小さくなり、また、伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなる効果が充分に現われ、組成を選ぶことにより従来にはない任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成することができる。
また、上記Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層はＮの添加により格子定数が小さくなるので、ＧａＰ基板上に形成した場合、圧縮歪量を小さくできる。
【０１０３】
また、請求項２記載の半導体レーザ素子によれば、光ガイド層としてＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ＜１）を用い、クラッド層としてＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）を用いているので、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＮｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）を活性層としたＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造の素子を形成できる。この場合、伝導帯，価電子帯ともに活性層とのヘテロ障壁を大きくできるＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ＜１）光ガイド層でキャリアの閉じ込めを行ない、屈折率の小さいＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）で光の閉じ込めを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＰ基板上に形成された従来の半導体発光素子のバンド構造の例を示す図である。
【図２】 (ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰと(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰにＮを添加した(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zとを接合した場合のバンド構造を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子の第１の構成例を示す図である。
【図４】図３の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。
【図５】従来の一般的な構造である(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層，Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層によるバンド構造を示す図である。
【図６】本発明に係る半導体発光素子の第２の構成例を示す図である。
【図７】図６の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。
【図８】本発明に係る半導体発光素子の第３の構成例を示す図である。
【図９】本発明に係る半導体発光素子の第４の構成例を示す図である。
【図１０】図９の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。
【図１１】本発明に係る半導体発光素子の第５の構成例を示す図である。
【図１２】図１１の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。
【図１３】本発明に係る半導体発光素子の第６の構成例を示す図である。
【図１４】本発明に係る半導体発光素子の第７の構成例を示す図である。
【図１５】本発明に係る半導体発光素子の第８の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２ バッファ層
１０３ クラッド層
１０４ 活性層
１０５ クラッド層
１０６ コンタクト層
１０７ 絶縁膜
１０８ ｐ側電極
１０９ ｎ側電極
２０３，２０５ クラッド層
２０４ 活性層
３０１，３０３ ガイド層
３０２ バリア層
４０１ ＧａＰ基板
４０２ バッファ層
４０３，４０６ クラッド層
４０５ バリア層
４０７ コンタクト層
４０８ 絶縁膜
４０９ ｐ側電極
４１０ ｎ側電極
５０１，５０４ クラッド層
５０２，５０３ ガイド層
６０１ ＧａＡｓ基板
６０２，６０３ 格子緩和バッファ層
６０４ バッファ層
６０５，６０７ クラッド層
６０６ 活性層
６０８ コンタクト層
６０９ 絶縁膜
６１１ ｎ側電極
６１０ ｐ側電極
７０１ ＧａＡｓ基板
７０２ バッファ層
７０３，７０５ クラッド層
７０４ 活性層
７０６ コンタクト層
７０７ ｐ側電極
７０８ ｎ側電極
８０１ ＧａＰ基板
８０２ バッファ層
８０３，８０６ クラッド層
８０５ バリア層
８０４ 活性層
８０７ コンタクト層
８０８ ｐ側電極
８０９ ｎ側電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラーディスプレー等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオ−ドや、光書き込みなどに用いられる可視光半導体レーザなどの半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カラーディスプレー等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオ−ドや光書き込みなどに用いられる可視光半導体レーザの材料として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料の研究開発が行なわれている。ＡｌＧａＩｎＰ系は、ＧａＡｓ基板に格子整合するIII−Ｖ族半導体の中でも最も大きい直接遷移型の材料であり、バンドギャップエネルギーは最大で約２．３ｅＶ(波長５４０ｎｍ)が得られる。
【０００３】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系は、ヘテロ接合を形成すると、伝導帯のバンドオフセット比が小さく、活性層(発光層)と活性層よりもバンドギャップの大きい材料からなるクラッド層との伝導帯側のバンド不連続(ΔＥc)が小さいので、注入キャリア(電子)が活性層からクラッド層にオーバーフローしやすく、半導体レーザの発振しきい値電流の温度依存性が大きく、温度特性が悪いなどの問題があった。
【０００４】
なお、この問題を解決するため、特開平４−１１４４８６号には、活性層とクラッド層の間に多重量子障壁(ＭＱＢ)構造を設け、注入キャリアを閉じ込める構造が提案されている。
【０００５】
また、半導体レーザを作製するためには、クラッド層を用い、キャリアと光を活性層に閉じ込める構造が必要であるが、通常のバルク活性層のダブルヘテロ(ＤＨ)構造では、上述の理由により、あまり大きなバンドギャップの材料を活性層に用いることができない。また、Ａｌの添加はバンドギャップを大きくする効果があるが、Ａｌが非常に活性なため、成長中雰囲気内や原料内のわずかな酸素等と結合しディープレベルを形成し発光効率の低下を招きやすいので、Ａｌ組成は小さい方が好ましい。基板にＧａＡｓを用い、ＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザでは、活性層に(Ａｌ0.19Ｇａ0.81)0.5Ｉｎ0.5Ｐを用いた構造で、発振波長６３２．７ｎｍでの室温連続発振が報告されている。そこで、発振波長を短波長化するために活性層を量子井戸(ＱＷ)構造とする方法が行なわれており、さらに低しきい値化するために、例えば特開平６−７７５９２号に示されているように量子井戸層に歪を加えた歪量子井戸構造の提案も行なわれている。
【０００６】
例えばHamadaらによる文献「Electronics Letter,Vol.28,No.19(1992)p1834」には、(Ａｌ0.08Ｇａ0.92)0.45Ｉｎ0.55Ｐを井戸層に用いた圧縮歪多重量子井戸活性層と多重量子障壁(ＭＱＢ)構造を組み合わせた素子で、発振波長６１５ｎｍでの室温連続発振が報告されている。しかしながら、この素子は、温度特性が非常に悪いので、実用的ではない。
【０００７】
このように、従来のＧａＡｓ基板格子整合系材料では、温度特性を良好なものにすることと短波長化に限界があり、発振波長が６００ｎｍ程度以下の短波長での室温連続発振は現在実現されていない。
【０００８】
なお、例えば特開平６−５３６０２号には、発振波長６００ｎｍ以下の短波長レーザを実現するために、基板にＧａＰ基板を用い、ＧａＰ基板上に、クラッド層としてＡｌyＧａ1-yＰ(０≦ｙ≦１)を用い、活性層として直接遷移型のＧａxＩｎ1-xＰ(０＜ｘ＜１)量子障壁層および量子井戸層を用い、活性層にはアイソエレクトロニックトラップ(Isoelectronic trap)の不純物としてＮをドープした素子が提案されている。
【０００９】
また、例えば特開平５−４１５６０号には、ＧａＡｓ基板上に(ＡｌＧａ)aＩｎ1-aＰ(０．５１＜ａ≦０．７３)からなるダブルヘテロ構造体を形成する際、ＧａＡｓ基板と上記ダブルヘテロ構造体との格子不整を解消するため、基板にＧａＡｓxＰ1-xバッファ層などを介して上記ダブルヘテロ構造体を形成する素子が提案されている。
【００１０】
しかしながら、これらの構造は、活性層のＡｌ含有量が少ない材料を用いて短波長化できるという利点があるものの、キャリアを充分に活性層に閉じ込めることができないという欠点がある。
【００１１】
図１(ａ)，(ｂ)には、特開平６−５３６０２号に提案されているＧａＰ基板上の素子のバンド構造の例が示されている。ヘテロ接合のラインアップは、文献「Appl. Phys. Lett. 60(5), 3, 1992 P630〜632 (Sandip Tiwari, David J. Frank)」を参照した。図１(ａ)は、ＧａＰをクラッド層、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐを活性層とした場合であり、この場合、伝導帯のエネルギー差(ΔＥc)は１００ｍｅＶ程度であるが、価電子帯のエネルギー差(ΔＥv)はほぼ０ｍｅＶ程度である。また、図１(ｂ)は、ＡｌＰをクラッド層、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐを活性層とした場合であり、この場合、価電子帯のエネルギー差(ΔＥv)は４７０ｍｅＶ程度であるが、伝導帯のエネルギー差(ΔＥc)は、逆に、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ活性層の方が１９０ｍｅＶ程度大きくなってしまう。また、クラッド層にＧａＰとＡｌＰとの混晶を用いると、伝導帯，価電子帯のいずれにも、キャリアの閉じ込め可能な材料を存在させることができるが、伝導帯のエネルギー差(ΔＥc)は１００ｍｅＶ以下となってしまい、キャリアを充分に活性層に閉じ込めることができない。なお、活性層のＧａ組成を減らしＡｌを添加することで、伝導帯のエネルギー差(ΔＥc)を大きくすることは可能であるが、この増加分は、わずかであり、また、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3ＰとＧａＰ基板との格子不整合度(すでに２．３％程度の格子不整合度が存在する)が、さらに増加してしまい、格子不整合に起因するミスフィット転位が発生しない臨界膜厚が薄くなってしまうので好ましくない。このことは、特開平５−４１５６０号に提案されている素子についても言えることである。
【００１２】
すなわち、これらの素子では、活性層にＡｌを含まない材料系でも短波長化できるという利点があるが、ヘテロ障壁ΔＥcおよびΔＥvをともに大きくできる材料系(例えばΔＥc≧１９０ｍｅＶ以上かつΔＥv≧６０ｍｅＶ以上の材料系)が存在しなかった。
【００１３】
さらに、特開平７−７２２３号には、可視発光素子をＳｉ基板またはＧａＰ基板上に得るために、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体材料，例えばＩｎＮＳｂ，ＡｌＮＳｂ系材料が提案されている。この場合、混晶のバンドギャップエネルギーは、それぞれＩｎＮとＩｎＳｂ、ＡｌＮとＡｌＳｂの間を直線で見積もっており、ＡｌＮ0.4Ｓｂ0.6でＳｉ基板に格子整合し、バンドギャップエネルギーはおよそ４ｅＶであるとして見積もられている。このような材料が存在し形成できれば、確かに紫外光までの発光素子が形成できる。しかしながら、このようなＶ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体材料は、ほとんどが非混和領域にあり通常の成長方法では結晶成長は困難であり、非平衡度の高い成長方法であるＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により形成できるものである。ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって形成できるとしても、現在Ｎ組成は１０％程度が限界であり、Ｎ組成が４０％の混晶は作製が非常に困難である。さらにこの材料系は、特開平６−３３４１６８号に示されているように、Ｎの電気陰性度が大きいために混晶のバンドギャップに大きなボーイングが生じる。つまりＩｎＳｂやＡｌＳｂにＮを添加していくとバンドギャップは小さい方に向かい、このため、Ｓｉ基板やＧａＰ基板等に格子整合する混晶では、ＩｎＳｂやＡｌＳｂのバンドギャップよりも大きくなるどころか逆に小さくなってしまう。従って、特開平７−７２２３号に提案されているような短波長発光素子は実現困難であると考えられる。すなわち、例えば特開平６−３７３５５号に提案されているように、混晶のバンドギャップに大きなボーイングが生じることを利用して、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＮＡｓ系材料で赤外光である１．５μｍ等の長波長発光素子を形成することはできるが、この逆の短波長発光素子を形成することはできない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、ヘテロ障壁ΔＥcおよびΔＥvをともにレーザ発振するために必要なほど大きくできる材料系を提案し、この材料系を用いて、温度特性の良好な赤色半導体レーザ，室温において６００ｎｍ以下の短波長で発振する可視半導体レーザや、高発光効率の可視発光ダイオードなどの半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の半導体レーザ素子は、半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対のクラッド層および前記バリア層には、ＡｌｂＧａ１−ｂＰ（０≦ｂ≦１）が用いられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項２記載の半導体レーザ素子は、半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層および一対の光ガイド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対の光ガイド層間に設けられ、前記一対の光ガイド層は、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対の光ガイド層および前記バリア層には、ＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ≦１）が用いられ、前記一対のクラッド層には、ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）が用いられていることを特徴としている。
【００３３】
請求項１記載の半導体レーザ素子は、半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対のクラッド層および前記バリア層には、ＡｌｂＧａ１−ｂＰ（０≦ｂ≦１）が用いられている。ＡｌｂＧａ１−ｂＰよりも伝導帯のエネルギーが充分小さくかつ価電子帯のエネルギーが大きく活性層となるような（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）材料は従来存在せず、Ｎを添加することでバンドギャップエネルギーは小さくなるが、伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなるので、任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成することが可能となる。このため、活性層よりバンドギャップが大きく屈折率の小さい組成を選んでクラッド層とすることで、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＮｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）を活性層として、この活性層にキャリアと光を閉じ込めることが可能となる。
【００３４】
また、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層のＮの濃度が５×１０１９ｃｍ−３程度以下ではアイソエレクトロニックトラップからの発光が支配的であるが、Ｎの濃度を１×１０２０ｃｍ−３以上とすることで、バンドギャップエネルギーが小さくなり、また、伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなる効果が充分に現われ、組成を選ぶことにより従来にはない任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成することができる。
また、上記Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層はＮの添加により格子定数が小さくなるので、ＧａＰ基板上に形成した場合、圧縮歪量を小さくできる。
【００４１】
また、請求項２記載の半導体レーザ素子は、光ガイド層としてＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ＜１）を用い、クラッド層としてＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）を用いているので、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＮｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）を活性層としたＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造の素子を形成できる。この場合、伝導帯，価電子帯ともに活性層とのヘテロ障壁を大きくできるＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ＜１）光ガイド層でキャリアの閉じ込めを行ない、屈折率の小さいＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）で光の閉じ込めを行なうことができる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
【００５２】
本願の発明者は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体層(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)を作製し、その特性を調べた。すなわち、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体層(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)を、ＭＯＣＶＤ法(有機金属気相成長法)やＭＢＥ法によるエピタキシャル成長により形成した。この場合、Ｎの原料も他の原料と同様に反応室に供給した。Ｐを含んだ混晶は、成長中にＰがエピタキシャル成長時に基板から抜けやすいので、成長雰囲気中のＰの分圧を高くできるＭＯＣＶＤ法が好ましい。また、Ｎの原料にはＮＨ3等が考えられるが、分解効率が極めて低い。このため、低温でも分解しやすい有機系窒素化合物を用いることが好ましい。さらに有機系窒素化合物はＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等も考えられるが、蒸気圧が低いためキャリアガスを多く必要とするので、蒸気圧の高いＤＭＨｙ((ＣＨ3)2ＮＮＨ2：ジメチルヒドラジン)やＴＢＡ((ＣＨ3)3ＣＮＨ2：ターシャリブチルアミン)であることが好ましい。
【００５３】
図２は(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰと(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰにＮを添加した(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zとを接合した場合のバンド構造を示す図である。近藤らによる文献「応用物理第６５巻第２号(1996) p148」には、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰのような従来からあるIII-Ｖ族半導体にＮを数％添加すると、バンドギャップは小さくなり(Ｅｇ1＞Ｅｇ2)、さらに伝導帯および価電子帯のエネルギーは小さくなることが示されている。すなわち、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰをクラッド層、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zを活性層としたヘテロ構造では、価電子帯のエネルギーＥvは、クラッド層よりも活性層の方が小さく、ホールを活性層に閉じ込めることができず、この構造のままでは発光素子には向かないことがわかる。
【００５４】
しかしながら、本願の発明者は、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰをクラッド層、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zを活性層としたヘテロ構造では、大きな伝導帯のバンド不連続(ΔＥc)が生じることに着目した。また、バンドギャップが充分大きいクラッド層を用いるなど、クラッド層と活性層の組成を適切に選べば、ホールをも活性層に閉じ込めることが可能になることを見出した。また、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zは、(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰと(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮとの混晶であるので、格子定数はＮ組成の増加とともに小さくなることに着目した。
【００５５】
図３は本発明に係る半導体発光素子の第１の構成例を示す図である。図３を参照すると、この半導体発光素子は、Ｖ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体層(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)を活性層(発光可能な活性層)に用いている。
【００５６】
すなわち、この半導体発光素子は、面方位が(１００)面から［０１１］方向に１５°傾いているｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２，ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層１０３，(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99活性層１０４，ｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層１０５，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０６が、例えばＭＯＣＶＤ法により、順次に形成されたものとなっている。
【００５７】
ここで、この半導体発光素子は、クラッド層１０３，１０５，活性層１０４によるダブルヘテロ接合構造をもつ半導体レーザ素子として機能し、クラッド層１０３，１０５，活性層１０４に上記のような材料系が用いられる場合、クラッド層１０３，１０５および活性層１０４は、ＧａＡｓ基板１０１に格子整合している。
【００５８】
また、図３の半導体発光素子(半導体レーザ素子)では、コンタクト層１０６上に、さらに、絶縁膜であるＳｉＯ2１０７と、ｐ側電極１０８であるＡｕＺｎ／Ａｕとが形成され、また、素子の裏面には、ｎ側電極１０９であるＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕが形成されている。
【００５９】
なお、図３の例では、半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造のものとなっているが、もちろん他の構造を用いることもできる。
【００６０】
図４(ａ)，(ｂ)は図３の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。なお、図４(ａ)は活性層にＮ添加なしの(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｐを用いた場合、図４(ｂ)は活性層にＮ添加の(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99を用いた場合のバンド構造をそれぞれ示している。Ｉｎ組成がクラッド層は０．４９であるのに対し、活性層は０．５１となっているが、これは、Ｎ添加により格子定数が小さくなるために、Ｎ添加した状態で格子定数がＧａＡｓ基板と同じになるように調整しているためである。図４(ａ)から、Ｎ添加なしの場合でも、(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層の方が、(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｐ活性層よりもバンドギャップは大きいことがわかる。また、図４(ｂ)から、Ｎの添加により、バンドギャップはＥｇ1からＥｇ2(Ｅｇ1＞Ｅｇ2)と小さくなり、また、伝導帯のバンド不連続(ΔＥc)は、Ｎを添加する前のΔＥc1よりもＮを添加した後のΔＥc2の方が大きくなっていることがわかる。
【００６１】
このように活性層１０４を、Ｎ添加の(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99とすることで、伝導帯のバンド不連続(ΔＥc)が大きい素子を形成することができた。そして、この半導体発光素子の発振波長は室温で６５０ｎｍであった。これはＧａＡｓ基板に格子整合するＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐを活性層に用いた素子と同じ波長であった。このように、得たい発振波長に対応するバンドギャップより大きなバンドギャップがあり、かつ、ＧａＡｓより大きな格子定数である適切な組成の材料にＮを添加すると、ＧａＡｓ基板に格子整合し、かつ、得たい発振波長である発光素子を得ることができる。
【００６２】
図５には、比較のため、従来の一般的な構造である(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層，Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層によるバンド構造を示す。従来の一般的な構造である(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層，Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層によるバンド構造では、ΔＥcは略１８９ｍｅＶ、ΔＥvは約２２４ｍｅＶである。これに対し、図３の半導体発光素子では、ΔＥcが１８９ｍｅＶよりも充分大きくなるので、発振しきい値電流等の温度依存性は従来材料の素子より小さくなる。また、組成を適切に選べば、ΔＥcを３５０ｍｅＶ以上にすることも可能である。ただし、Ｎ添加後のΔＥvがホールを閉じ込めるのに必要な値以上(例えば６０ｍｅＶ)になるような材料(組成)である必要がある。
【００６３】
このように、本発明によれば、従来のＡｌＧａＩｎＰ系材料の素子より温度特性の良好な発光素子が得られる。なお、従来、発光効率向上のためにＧａＰやＧａＡｓＰにアイソエレクトロニックトラップの不純物としてＮをドープした発光ダイオードがある。Ｎの濃度は１×１０20ｃｍ-3以下となっている。本発明では１×１０20ｃｍ-3以上(Ｎ組成ｚを、ｚ≧約０．４％)にすることでバンドギャップエネルギーが小さくなり、また伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなる効果が充分に現われ、これらの作用効果を利用しているものである。
【００６４】
また、本発明では、活性層にＶ族元素としてＮ(窒素)を含んだIII-Ｖ族混晶半導体層(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)を用いたが(例えば、活性層には、(Ａｌ0.2Ｇａ0.8)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99を用いたが)、必要に応じて、この組成を変えることができる。例えば、Ｖ族にＡｓが含まれていても良い。しかしながら、Ａｓの添加は波長を長くする効果があるので、短波長化するには(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ＜１)を用いることが好ましい。
【００６５】
また、図３の例では、半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、通常のダブルヘテロ接合構造のものとなっているが、活性層を量子井戸層とし、活性層と(ＡｌhＧａ1-h)0.51Ｉｎ0.49Ｐ(０＜ｈ≦１)クラッド層との間に、バンドギャップがクラッド層よりも小さく活性層よりも大きい(ＡｌaＧａ1-a)bＩｎ1-bＮcＰ1-c(０≦ａ≦１，０＜ｂ＜１，０≦ｃ＜１)ガイド層を用いた構造のものにすることもできる。
【００６６】
また、上述の例では、ＧａＡｓ基板として、その面方位が(１００)面から［０１１］方向に１５°傾いているものを用いたが、ＧａＡｓ基板としては、その面方位が、(１００)面から［０１１］方向に−５４．７゜から５４．７゜の範囲、または、(１００)面から［０１１］方向に１０゜から５４．７゜，−１０゜から−５４．７゜の範囲で傾いているものであれば良く、この範囲のものであれば、自然超格子の形成を抑制できるので、バンドギャップの減少を防ぐことができ、(１００)面上に形成する場合に比べて、短波長化に有利である。また、活性層には、ＧａＡｓ基板と同じ格子定数の材料を用いたが、歪を有していても、ミスフィット転位が発生する臨界膜厚以下の厚さであれば良い。
【００６７】
また、図３の例では、クラッド層１０３，１０５に(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐを用いたが、クラッド層１０３，１０５としてＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐを用いることもできる。
【００６８】
図６は本発明に係る半導体発光素子の第２の構成例を示す図である。図６の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、図３の半導体発光素子に対し、クラッド層２０３および２０５としてＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐを用いている点で相違している。なお、図６の半導体発光素子の活性層２０４には、ＧａＡｓ基板に格子整合する(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99を用いている。
【００６９】
図７(ａ)，(ｂ)は図６の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。なお、図７(ａ)は活性層にＮ添加なしの(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.49Ｉｎ0.51Ｐを用いた場合、図７(ｂ)は活性層にＮ添加の(Ａｌ0.5Ｇａ0. 5)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99を用いた場合のバンド構造をそれぞれ示している。図７(ａ)から、活性層にＮを添加する前の材料では、伝導帯のエネルギーＥcは、クラッド層よりも活性層の方が大きい(ΔＥcが負の値)ことがわかる。これに対し、図７(ｂ)から、活性層にＮを添加することで、バンドギャップは小さく(Ｅｇ1＞Ｅｇ2)なり、更に伝導帯及び価電子帯のエネルギーΔＥc，ΔＥvが小さくなることがわかる。すなわち、活性層の伝導帯側のエネルギーをクラッド層より小さくできることがわかる。実際、図６の半導体発光素子の発振波長は約６００ｎｍであった。
【００７０】
従来、活性層には(ＡｌaＧａ1-a)0.51Ｉｎ0.49Ｐ(０≦ａ＜１)が用いられ、クラッド層にはＧａＡｓ基板に格子整合する(ＡｌhＧａ1-h)0.51Ｉｎ0.49Ｐ(ａ＜ｈ≦１)が用いられているが、その中で、クラッド層にはｈ＝０．７の材料が良く用いられている。何故ならば、ｈ＞０．７の材料では間接遷移型になるので、伝導帯のバンド不連続(ΔＥc)は小さくなってしまい、ｈ＝０．７で最も大きなΔＥcとなるためである。
【００７１】
しかしながら、本発明では、Ｎの添加によりバンドギャップは小さくなるが、ΔＥcを大きく、ΔＥvを小さくすることができ、Ｎを添加する前の材料を必要に応じて選ぶことで任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成できる。このため、Ｎを添加する前の材料はΔＥcが小さく、ΔＥvが大きい材料が好ましい。
【００７２】
例えば、ＧａＩｎＰは、Ｇａの組成を大きくすると伝導帯のエネルギーが大きくなりΔＥcが小さくなる。また、ＡｌＩｎＰは、Ａｌ組成が０．５１以下のときに、Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐよりも伝導帯のエネルギーが大きくなりうる材料である。従って、これらの混晶を組み合わせた材料にＮを添加することで、任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成でき、このため、クラッド層にはバンドギャップの大きいＡｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐを用いるのが好ましい。ただし、Ｎ添加後のΔＥvがホールを閉じ込めるのに必要な値以上(例えば６０ｍｅＶ)になるような材料(組成)を用いる必要がある。
【００７３】
図８は本発明に係る半導体発光素子の第３の構成例を示す図である。図８の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、図６の半導体発光素子に対し、活性層とクラッド層との間に、ＧａＡｓ基板に格子整合する(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)からなるガイド層３０１，３０３及びバリア層３０２を設け、活性層を厚さ３ｎｍ程度の量子井戸層２０４(１０井戸層)として構成している点で、相違している。
【００７４】
ここで、ガイド層のバンドギャップは、活性層よりも大きく、クラッド層よりも小さい。実際、図８の半導体発光素子の発振波長は約５６０ｎｍであった。
【００７５】
上述の各構成例のように、本発明では、大きいバンドギャップの活性層を用いても従来無駄に大きかったΔＥvを小さくして、その分ΔＥcを大きくすることができるので、従来実現できなかった６００ｎｍ以下の短波長レーザを室温で発振させることができる。すなわち、従来、岸野らによる文献「1991 信学春季大 GC-1 pp4-437」には、ΔＥc＝１２０ｍｅＶ，ΔＥv＝３２０ｍｅＶであるＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層とＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ井戸層を用いた多重量子井戸構造とＭＱＢを用いて、発振波長６０８ｎｍでの室温パルス発振が報告されているが、本発明のように、ΔＥvが例えば６０ｍｅＶ、ΔＥcが１２０ｍｅＶであるＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層と(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１)井戸層を用いれば、室温で発振波長を約５４０ｎｍ程度まで短かくすることができる。
【００７６】
図９は本発明に係る半導体発光素子の第４の構成例を示す図である。図９の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、ＧａＰ基板４０１上に形成されており、クラッド層４０３，４０６およびバリア層４０５(バリア層の厚さは２ｎｍ)にはＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐが用いられている。また、活性層には、厚さ３ｎｍのＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ｐ0.99井戸層４０４(１０井戸層)が用いられており、この井戸層４０４は、２．１％程度の圧縮歪を有している。なお、図９において、４０２はｎ−ＧａＰバッファ層、４０７はＧａＰコンタクト層、４０８は絶縁膜であるＳｉＯ2，４０９はｐ側電極、４１０はｎ側電極である。
【００７７】
なお、図９の例では、半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造のものとなっているが、もちろん他の構造を用いることもできる。
【００７８】
図１０は図９の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。なお、図１０(ａ)は活性層にＮ添加なしのＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐを用いた場合、図１０(ｂ)は活性層にＮ添加のＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｎ0.01Ｐ0.99を用いた場合のバンド構造をそれぞれ示している。図１０(ａ)から、活性層にＮを添加していない場合には伝導帯のエネルギーは活性層の方が大きい(ΔＥcが負の値)ことがわかる。また、図１０(ｂ)から、活性層にＮを添加することで、活性層の伝導帯側のエネルギーＥcをクラッド層より小さくでき、活性層にキャリアを閉じ込めることができる。
【００７９】
図９の半導体発光素子の発振波長は、約５６０ｎｍであった。そして、活性層として、できるだけ格子定数の小さい(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１)にＮを添加した材料を用いると、同じバンドギャップの材料を得るためにＡｌ含有量を少なくできるという利点がある。
【００８０】
図１１は本発明に係る半導体発光素子の第５の構成例を示す図である。図１１の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、図９の半導体発光素子に対し、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｐをガイド層５０２，５０３およびバリア層４０５(バリア層の厚さは２ｎｍ)に用い、さらに、クラッド層５０１，５０４にＡｌＰを用いている点において、相違している。
【００８１】
図１２は図１１の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。図１２から、伝導帯のエネルギーはクラッド層よりもガイド層の方が大きくなっていることがわかる。すなわち、図１１の構造では、伝導帯側での活性層へのキャリア(電子)の閉じ込めは、ガイド層が行なう。そして、クラッド層を構成するＡｌＰの屈折率がガイド層を構成するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐよりも小さいので、図９の半導体発光素子に比べて光の閉じ込めを良好に行なうことが可能となる。これにより、しきい値電流を小さくできた。なお、組成は、光ガイド層がＡｌcＧａ1-cＰ(０≦ｃ＜１)であり、クラッド層がＡｌdＧａ1-dＰ(ｃ＜ｄ≦１)であれば、上述の組成に限らず、他の組成でも良い。
【００８２】
図１３は本発明に係る半導体発光素子の第６の構成例を示す図である。図１３の半導体発光素子(半導体レーザ素子)は、ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ−Ｇａ0.72Ｉｎ0.28Ｐバッファ層６０４、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.72Ｉｎ0.28Ｐクラッド層６０５，６０７、Ｇａ0.70Ｉｎ0.30Ｎ0.01Ｐ0.99活性層６０６からなるダブルヘテロ接合構造が、格子緩和バッファ層であるＧａＡｓkＰ1-k(０＜ｋ＜１)を介して形成されている。
【００８３】
ここで、格子緩和バッファ層は、ＧａＡｓ基板６０１上に、ｋ＝０から０．６まで徐々に組成が変化する組成傾斜層６０２と、その上のｋ＝０．６の層６０３とからなっており、格子緩和バッファ層(６０２，６０３)全体の層厚は約４０μｍである。この場合、上記ダブルヘテロ接合構造は、ｋ＝０．６のＧａＡｓkＰ1-k上に形成される。そして、クラッド層６０５，６０７および活性層６０６は、ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4に対してほぼ格子整合している。なお、図１３において、６０８はＧａＡｓ0.6Ｐ0.4コンタクト層、６０９は絶縁膜であるＳｉＯ2、６１０はｐ側電極、６１１はｎ側電極である。
【００８４】
このように、図１３の素子では、格子緩和バッファ層(６０２，６０３)の存在により、ＧａＡｓ基板とダブルヘテロ接合構造部との格子不整合による歪は緩和され、このため、図９の素子に比べて活性層を厚く形成できる。
【００８５】
なお、図１３の例では、半導体発光素子は、絶縁膜ストライプ構造のものとなっているが、もちろん他の構造を用いることもできる。
【００８６】
また、図１３の例では、素子が通常のダブルヘテロ接合構造をもつものとしたが、活性層を量子井戸層とし、活性層と(ＡｌsＧａ1-s)tＩｎ1-tＰ(０≦ｓ≦１、０．５＜ｔ≦１)クラッド層との間に、バンドギャップがクラッド層よりも小さく活性層よりも大きい(ＡｌeＧａ1-e)fＩｎ1-fＰ(ｅ＜ｓ≦１、ｔ＝ｆ)ガイド層を用いた構造のものにすることもできる。また、基板６０１として、ＧａＡｓkＰ1-k(０＜ｋ＜１)基板を用いることもでき、この場合にも、ＧａＡｓ基板を用いる場合と同様の効果が得られる。なお、ＧａＡｓkＰ1-k(０＜ｋ＜１)基板は、例えばＧａＡｓ上にＶＰＥ法によりＧａＡｓkＰ1-k(０＜ｋ＜１)を厚く成長し、その後、ＧａＡｓ基板をエッチングにより除去することで形成できる。
【００８７】
図１４は本発明に係る半導体発光素子の第７の構成例を示す図である。なお、図１４の例では、半導体発光素子は、発光ダイオードとして構成されている。図１４を参照すると、この半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板７０１上に形成されており、クラッド層７０３，７０５に、ＧａＡｓ基板７０１と格子整合するＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐが用いられ、また、活性層７０４にはＧａＡｓ基板７０１に格子整合する(Ａｌ0.6Ｇａ0.4)0.49Ｉｎ0.51Ｎ0.01Ｐ0.99が用いられている。ここで、活性層には、ｎ型となる不純物のＳｅがドーピングされている。また、図１４において、７０２はｎ−ＧａＡｓバッファ層、７０６はＧａＡｓコンタクト層、７０７はｐ側電極、７０８はｎ側電極である。
【００８８】
図１４の発光ダイオードでは、発光中心波長は約５９０ｎｍであった。すなわち、黄色であった。また、活性層にＮを添加することで、従来に比べてΔＥcを大きくできるので、発光効率は非常に高かった。
【００８９】
なお、活性層にドーピングされるｎ型となる不純物としては、Ｓｅの他にＳ，Ｓｉを用いることができた。また、ｎ型だけでなくｐ型でも良く、不純物としてはＺｎ，Ｍｇ，Ｃ，Ｂｅなどを用いることができた。また、活性層の組成は必要な波長(色)に合わせて任意に選ぶことができる。また、活性層には量子井戸構造を用いても良く、例えば図８の組成の活性層を用いても、５６０ｎｍなど緑色の発光ダイオードを実現できる。
【００９０】
図１５は本発明に係る半導体発光素子の第８の構成例を示す図である。なお、図１５の例では、半導体発光素子は、発光ダイオードとして構成されている。図１５を参照すると、この半導体発光素子は、ＧａＰ基板８０１上に形成されており、クラッド層８０３，８０６およびバリア層８０５(バリア層の厚さは２ｎｍ)にはＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐが用いられ、活性層には厚さ３ｎｍのＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.01Ｐ0.99井戸層８０４(１０井戸層)が用いられている。ここで、井戸層８０４は、１．７％程度の圧縮歪を有している。また、図１５において、８０２はｎ−ＧａＰバッファ層、８０７はＧａＰコンタクト層、８０８はｐ側電極、８０９はｎ側電極である。
【００９１】
図１５の構成例では、ＧａＰ基板上に直接遷移型材料によって圧縮歪量の小さい歪量子井戸活性層を形成できる。すなわち、Ｎを添加してしていない場合のＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｐは間接遷移型の材料であり、また、Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｎは直接遷移型の材料である。このため、Ｇａ0.75Ｉｎ0.25ＰにＮを添加すると、あるＮ組成のところで間接遷移型から直接遷移型に変わる。Ｎを添加する前の材料が間接遷移型と直接遷移型の境界付近の間接遷移型であれば、わずかのＮ組成で直接遷移型に変わる。このように、間接遷移型(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１)にＮを添加して直接遷移型にすることが可能である。これにより、図１５の構成例では、ＧａＰ基板上に直接遷移型材料によって圧縮歪量の小さい歪量子井戸活性層を形成できる。さらに、従来の直接遷移型材料よりもΓ帯のエネルギーの大きい材料にＮを添加しているので、短波長化が可能となる。
【００９２】
また、図１５の構成例は、発光ダイオードとなっているが、間接遷移型(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１)にＮを添加すると、直接遷移型にすることが可能となることから、間接遷移型(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１)にＮを添加するものを、半導体レーザの活性層として用いることもできる。また、間接遷移型の材料にＮを添加して直接遷移型とならない材料でも間接遷移のＸ帯またはＬ帯と直接遷移のΓ帯のエネルギー差を小さくできることから、直接遷移発光確率を増大させることが可能となり、発光ダイオードの発光効率を高くすることもできる。もちろん、本発明はＧａＰ基板上に形成する材料のみならず、ＧａＡｓ基板上の(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｚ＜１)等にも適用できる。
【００９３】
このように、図３〜図１５に示したような本発明の半導体発光素子では、活性層に(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-z(０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１)を用いているので、Ｎ添加前の(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰ(０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１)へのＮ添加により、バンドギャップは小さくなるが、ΔＥcを大きく，ΔＥvを小さくでき、Ｎを添加する前の材料を必要に応じて選ぶことで、任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成できる。これにより、活性層のバンドギャップが同じ材料で比較すると、キャリアのオーバーフローを低減でき、温度特性の良好な可視レーザや発光ダイオードを実現できる。また、従来よりバンドギャップの大きい材料を活性層に用いてもヘテロ障壁ΔＥcおよびΔＥvをともにレーザ発振するために必要なほど大きくできる。このため、室温で発振波長６００ｎｍ以下の半導体レーザを提供することができる。
【００９４】
従って、本発明におけるこれらの発光素子は、カラーディスプレー等に用いられる高輝度緑色〜赤色発光ダイオード等や、光書き込み用等に用いられる可視光半導体レーザとして用いることができる。
【００９５】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の半導体レーザ素子によれば、半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対のクラッド層および前記バリア層には、ＡｌｂＧａ１−ｂＰ（０≦ｂ≦１）が用いられている。ＡｌｂＧａ１−ｂＰよりも伝導帯のエネルギーが充分小さくかつ価電子帯のエネルギーが大きく活性層となるような（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）材料は従来存在せず、Ｎを添加することでバンドギャップエネルギーは小さくなるが、伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなるので、任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成することが可能となる。このため、活性層よりバンドギャップが大きく屈折率の小さい組成を選んでクラッド層または光ガイド層とすることで、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＮｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）を活性層として、この活性層にキャリアと光を閉じ込めることが可能となる。
【００９６】
また、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層のＮの濃度が５×１０１９ｃｍ−３程度以下ではアイソエレクトロニックトラップからの発光が支配的であるが、Ｎの濃度を１×１０２０ｃｍ−３以上とすることで、バンドギャップエネルギーが小さくなり、また、伝導帯，価電子帯のエネルギーがともに小さくなる効果が充分に現われ、組成を選ぶことにより従来にはない任意のバンドオフセット比のヘテロ接合を形成することができる。
また、上記Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層はＮの添加により格子定数が小さくなるので、ＧａＰ基板上に形成した場合、圧縮歪量を小さくできる。
【０１０３】
また、請求項２記載の半導体レーザ素子によれば、光ガイド層としてＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ＜１）を用い、クラッド層としてＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）を用いているので、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＮｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ＜１）を活性層としたＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造の素子を形成できる。この場合、伝導帯，価電子帯ともに活性層とのヘテロ障壁を大きくできるＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ＜１）光ガイド層でキャリアの閉じ込めを行ない、屈折率の小さいＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）で光の閉じ込めを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＰ基板上に形成された従来の半導体発光素子のバンド構造の例を示す図である。
【図２】 (ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰと(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＰにＮを添加した(ＡｌxＧａ1-x)yＩｎ1-yＮzＰ1-zとを接合した場合のバンド構造を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子の第１の構成例を示す図である。
【図４】図３の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。
【図５】従来の一般的な構造である(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層，Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層によるバンド構造を示す図である。
【図６】本発明に係る半導体発光素子の第２の構成例を示す図である。
【図７】図６の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。
【図８】本発明に係る半導体発光素子の第３の構成例を示す図である。
【図９】本発明に係る半導体発光素子の第４の構成例を示す図である。
【図１０】図９の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。
【図１１】本発明に係る半導体発光素子の第５の構成例を示す図である。
【図１２】図１１の半導体発光素子のクラッド層と活性層のバンド構造を説明するための図である。
【図１３】本発明に係る半導体発光素子の第６の構成例を示す図である。
【図１４】本発明に係る半導体発光素子の第７の構成例を示す図である。
【図１５】本発明に係る半導体発光素子の第８の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２ バッファ層
１０３ クラッド層
１０４ 活性層
１０５ クラッド層
１０６ コンタクト層
１０７ 絶縁膜
１０８ ｐ側電極
１０９ ｎ側電極
２０３，２０５ クラッド層
２０４ 活性層
３０１，３０３ ガイド層
３０２ バリア層
４０１ ＧａＰ基板
４０２ バッファ層
４０３，４０６ クラッド層
４０５ バリア層
４０７ コンタクト層
４０８ 絶縁膜
４０９ ｐ側電極
４１０ ｎ側電極
５０１，５０４ クラッド層
５０２，５０３ ガイド層
６０１ ＧａＡｓ基板
６０２，６０３ 格子緩和バッファ層
６０４ バッファ層
６０５，６０７ クラッド層
６０６ 活性層
６０８ コンタクト層
６０９ 絶縁膜
６１１ ｎ側電極
６１０ ｐ側電極
７０１ ＧａＡｓ基板
７０２ バッファ層
７０３，７０５ クラッド層
７０４ 活性層
７０６ コンタクト層
７０７ ｐ側電極
７０８ ｎ側電極
８０１ ＧａＰ基板
８０２ バッファ層
８０３，８０６ クラッド層
８０５ バリア層
８０４ 活性層
８０７ コンタクト層
８０８ ｐ側電極
８０９ ｎ側電極
Claims (2)
- 半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対のクラッド層および前記バリア層には、ＡｌｂＧａ１−ｂＰ（０≦ｂ≦１）が用いられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
- 半導体基板上に、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体層が活性層として用いられ、さらに一対のクラッド層および一対の光ガイド層が設けられている半導体レーザ素子において、前記活性層は、ＧａＰ基板上に形成されていて、前記一対の光ガイド層間に設けられ、前記一対の光ガイド層は、前記一対のクラッド層間に設けられており、前記活性層はＧａ ｙ Ｉｎ １−ｙ Ｎ ｚ Ｐ １−ｚ （０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる直接遷移材料の井戸層とバリア層とが交互に積層されたものであり、前記一対の光ガイド層および前記バリア層には、ＡｌｃＧａ１−ｃＰ（０≦ｃ≦１）が用いられ、前記一対のクラッド層には、ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（ｃ＜ｄ≦１）が用いられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
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