JP4245638B2 - 窒化物系半導体レーザ素子 - Google Patents

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Description

この発明は、窒化物系半導体レーザ素子に関し、特に、基板上に窒化物系半導体層が形成される窒化物系半導体レーザ素子に関する。
近年、窒化物系半導体レーザ素子は、次世代の大容量光ディスク用光源としての利用が期待されており、その開発が盛んに行われている。従来では、サファイア基板上に、窒化物系半導体各層を成長させることにより窒化物系半導体レーザ素子を形成する方法が知られている。この場合、サファイア基板と窒化物系半導体層との格子不整合を緩和するために、サファイア基板と窒化物系半導体層との間に低温バッファ層を形成する技術が知られている(たとえば、非特許文献1参照)。また、従来、活性層とクラッド層との間に光ガイド層を設けることによって、垂直方向の光の閉じ込めを強化する技術が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
図18は、従来の窒化物系半導体レーザ素子の一例を示した断面図であり、図19は、図18に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。まず、図18および図19を参照して、従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子では、図18に示すように、サファイア基板101上に、約20nmの膜厚を有するアンドープGaNからなる低温バッファ層102が形成されている。低温バッファ層102上には、約4μmの膜厚を有するSiがドープされたn型GaNからなるn型コンタクト層103が形成されている。このn型コンタクト層103は、一部領域が除去されることによって、露出された表面と凸部とを有する。そして、n型コンタクト層103の凸部上には、約50nmの膜厚を有するSiがドープされたn型In0.1Ga0.9Nからなるn型クラック防止層104が形成されている。n型クラック防止層104上には、約0.5μmの膜厚を有するSiがドープされたn型Al0.3Ga0.7Nからなるn型クラッド層105が形成されている。n型クラッド層105上には、発光層106が形成されている。
この発光層106は、図19に示すように、n型光ガイド層161と、n型光ガイド層161上に形成されたMQW(多重量子井戸)活性層162と、MQW活性層162上に形成されたp型キャップ層163と、p型キャップ層163上に形成されたp型光ガイド層164とから構成されている。n型光ガイド層161は、約100nmの膜厚を有するSiがドープされたn型GaNからなる。そして、MQW活性層162は、約20nmの膜厚を有するアンドープIn0.01Ga0.99Nからなる4つの障壁層162aと、約2.5nmの膜厚を有するSiがドープされたIn0.2Ga0.8Nからなる3つの井戸層162bとが交互に積層されている。また、p型キャップ層163は、約10nmの膜厚を有するMgがドープされたp型Al0.2Ga0.8Nからなる。このp型キャップ層163は、MQW活性層162のInが脱離するのを防止することによってMQW活性層162の結晶の劣化を防止する機能を有する。また、p型光ガイド層164は、約100nmの膜厚を有するMgがドープされたp型GaNからなる。
そして、図18に示すように、発光層106(p型光ガイド層164)上には、約0.5μmの膜厚を有するMgがドープされたp型Al0.3Ga0.7Nからなるp型クラッド層107が形成されている。このp型クラッド層107は、一部領域が除去されることによって、凸形状に形成されている。そして、p型クラッド層107の凸部上には、約0.5μmの膜厚を有するMgがドープされたp型GaNからなるp型コンタクト層108が形成されている。このp型コンタクト層108とp型クラッド層107の凸部とによって、リッジ部109が構成されている。
そして、n型コンタクト層103の露出している表面の一部領域上と、n型クラック防止層104、n型クラッド層105、発光層106およびp型コンタクト層108の側面上と、p型クラッド層107の表面上とに、約0.2μmの膜厚を有するSiO2膜からなる電流ブロック層110が形成されている。そして、p型コンタクト層108上には、p側オーミック電極111が形成されている。このp側オーミック電極111の表面上と電流ブロック層110の表面の一部領域上とを覆うように、p側パッド電極112が形成されている。また、n型コンタクト層103の露出している表面の一部領域上には、n側オーミック電極113が形成されている。n側オーミック電極113の上面上には、n側パッド電極114が形成されている。
ここで、図18に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子では、p側パッド電極112とn側パッド電極114との間に順方向に電圧を印加することによって、p側パッド電極112からp側オーミック電極111、窒化物系半導体各層(108〜103)およびn側オーミック電極113を介して、n側パッド電極114に電流が流れる。これにより、発光層106でレーザ光が発生する。この場合、発光層106内の光は、MQW活性層162とn型クラッド層105およびp型クラッド層107との間の屈折率差によって、垂直方向に閉じ込められる。
また、MQW活性層162とn型クラッド層105およびp型クラッド層107との間に、それぞれ、MQW活性層162とn型クラッド層105およびp型クラッド層107との中間の屈折率を有するn型光ガイド層161およびp型光ガイド層164を設けることによって、垂直方向の光の閉じ込めを強化することができるので、高密度の光を発光層106内に閉じ込めることができる。
また、従来では、窒化物系半導体レーザ素子の他の例として、n型SiCからなる基板上に、窒化物系半導体各層が形成された窒化物系半導体レーザ素子が知られている(たとえば、特許文献2参照)。また、GaAsやSiなどからなる基板上に、窒化物系半導体各層が形成された窒化物系半導体レーザ素子も知られている。
H.Amano他:Appl.Phys.Lett.48,353(1986) 特開平10-294529号公報 特開平11−340580号公報
図18に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子では、n型クラッド層105およびp型クラッド層107に用いられるAlGaNやMQW活性層162に用いられるInGaNは、Al組成およびIn組成を大きくすると結晶性が著しく劣化するという不都合があった。これにより、Al組成およびIn組成を大きくすることによって、MQW活性層162とn型クラッド層105およびp型クラッド層107との間の屈折率差を大きくするのは困難であった。このため、たとえ、MQW活性層162とn型クラッド層105およびp型クラッド層107との間に、n型光ガイド層161およびp型光ガイド層164を設けたとしても、光の閉じ込めは不十分になるという不都合があった。
上記のように、従来では、光の閉じ込めが不十分であるので、MQW活性層162を含む発光層106からn型クラッド層105およびp型クラッド層107に光がしみ出しやすい。そして、従来では、発光層106からしみ出した光の一部が透明なサファイア基板1に伝播することによって、レーザ光に悪影響を及ぼすと考えられる。具体的には、光強度の空間的分布が良好な単峰性にならないとともに、レーザ光自体が不安定になり、素子駆動中にレーザ光の形状やレーザ光のスポット位置が変化するという問題点があった。その結果、レーザ光の安定化を図るのが困難であった。
また、サファイア基板101とn型コンタクト層103との間の格子不整合を緩和するために設けられた低温バッファ層102自体に多量の転位が発生するため、低温バッファ層102において、光の散乱や吸収が発生するという不都合もあった。これによっても、レーザ光の安定化を図るのが困難であった。
また、図18に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子では、p型ドーパントとしてのMgやZnなどがドープされたAlを含むp型窒化物系半導体層は、膜厚を大きくすると、クラックなどが発生することにより結晶性が大幅に劣化する。このため、p型AlGaNからなるp型クラッド層107の膜厚は、数百nmに抑えておく必要があるので、発光層106とp側オーミック電極111との距離を大きくするのが困難であった。このように、従来では、発光層106とp側オーミック電極111との距離が小さいので、発光層106の近傍の大きい強度を有する光がp側オーミック電極111に吸収されるという不都合があった。また、この場合、窒化物系半導体レーザ光の発光波長は、赤外や赤色半導体レーザ光よりも波長が小さいので、窒化物系半導体レーザ光は、p側オーミック電極111によって、より吸収されやすいという不都合もあった。その結果、しきい値電流や動作電流が増大するという問題点もあった。
また、従来のGaAsやSiなどからなる基板を用いた窒化物系半導体レーザ素子では、GaAsやSiなどからなる基板は、活性層のバンドギャップ(MQW構造の場合は、井戸層の量子準位)よりも十分に小さいバンドギャップを有するので、サファイア基板の場合と異なり、発光層からしみ出した光を基板に吸収させることが可能である。しかしながら、GaAsやSiなどのバンドギャップは、発光波長のバンドギャップに対して小さすぎるため、GaAsやSiなどからなる基板での光吸収が過大になるという不都合がある。その結果、しきい値電流や動作電流が増大するという問題点がある。
また、上記特許文献2に開示されたSiCからなる基板を用いた従来の窒化物系半導体レーザ素子では、SiCからなる基板は、窒化物系半導体からなる活性層と同等のバンドギャップを有するとともに、光を吸収しにくい間接遷移型半導体であるので、発光層からしみ出した光を、基板で有効に吸収させるのが困難である。その結果、レーザ光が不安定になるという問題点がある。
また、MgやZnなどがドープされたp型窒化物系半導体は、n型ドーパントがドープされたn型窒化物系半導体に比べて深い不純物準位を有するので、p型窒化物系半導体層での光吸収が大きくなる。このため、基板側にp型窒化物系半導体各層を形成した場合に、発光層からしみ出した光を基板に効率的にしみ出させるのが困難であるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の1つの目的は、レーザ光の安定化を図るとともに、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
この発明のもう1つの目的は、上記の窒化物系半導体レーザ素子において、活性層で発生した光を基板側に優先的にしみ出させることである。
この発明の第1の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、不純物がドープされた窒化物系半導体、および、硼化物系材料のいずれか一方からなる基板と、基板上に形成されたn型クラッド層と、n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、活性層上に形成されたp型クラッド層と、p型クラッド層と活性層との間に形成され、第1の厚みを有するp側光ガイド層と、n型クラッド層と活性層との間に形成され、第1の厚みよりも小さい第2の厚みを有するn側光ガイド層とを備えている。
この第1の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、n型クラッド層と活性層との間に、p側光ガイド層の第1の厚みよりも小さい第2の厚みを有するn側光ガイド層を設けることによって、n側光ガイド層の光閉じ込め係数がp側光ガイド層の光閉じ込め係数よりも小さくなるので、活性層で発生した光を優先的にn側光ガイド層が形成される基板側にしみ出させることができる。これにより、基板側にしみ出された光を、不純物がドープされた窒化物系半導体からなる基板の不純物準位により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、硼化物系材料からなる基板の場合には、基板側にしみ出された光を、バンド内遷移(価電子帯内または伝導帯内の遷移)またはバンド間遷移(価電子帯から伝導帯への遷移)により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。
また、活性層で発生した光を優先的に基板側にしみ出させることができるので、基板と反対側のp側電極による光吸収を抑制することができる。これにより、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することができる。また、窒化物系半導体または硼化物系材料からなる基板は、GaAsやSiなどからなる基板と異なり、基板での光吸収が過大になることがないので、これによっても、しきい値電流や動作電流の増大を抑制することができる。また、p型クラッド層よりも浅い不純物準位を有するn型クラッド層を基板側に設けることによって、基板側にしみ出された光がn型クラッド層で吸収されるのを抑制することができるので、光を効率的に基板側にしみ出させることができる。
この発明の第2の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、不純物がドープされた窒化物系半導体、および、硼化物系材料のいずれか一方からなる基板と、基板上に形成されたn型クラッド層と、n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、活性層上に形成されたp型クラッド層と、活性層と、n型クラッド層およびp型クラッド層との間のうち、活性層とp型クラッド層との間にのみ形成された光ガイド層とを備えている。
この第2の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、活性層と、n型クラッド層およびp型クラッド層との間のうち、活性層とp型クラッド層との間にのみ光ガイド層を設けることによって、n側の光ガイド層が存在しないので、活性層で発生した光をより優先的に基板側にしみ出させることができる。これにより、基板側にしみ出された光を、不純物がドープされた窒化物系半導体からなる基板の不純物準位により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、硼化物系材料からなる基板の場合には、基板側にしみ出された光を、バンド内遷移(価電子帯内または伝導帯内の遷移)またはバンド間遷移(価電子帯から伝導帯への遷移)により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。
また、活性層で発生した光を優先的に基板側にしみ出させることができるので、基板と反対側のp側電極による光吸収を抑制することができる。これにより、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することができる。また、窒化物系半導体または硼化物系材料からなる基板は、GaAsやSiなどからなる基板と異なり、基板での光吸収が過大になることがないので、これによっても、しきい値電流や動作電流の増大を抑制することができる。また、p型クラッド層よりも浅い不純物準位を有するn型クラッド層を基板側に設けることによって、基板側にしみ出された光がn型クラッド層で吸収されるのを抑制することができるので、光を効率的に基板側にしみ出させることができる。
また、n側の光ガイド層を設けていないので、n型クラッド層と活性層との間でバンドギャップが段階的に変化しない。このため、活性層に注入された正孔は、n型クラッド層と活性層との間のバンドギャップ差を越えにくくなるので、正孔のn型クラッド層へのオーバーフローを抑制することができる。これにより、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、基板は、活性層で発生した光の一部を吸収する。このように構成すれば、基板側にしみ出された光を、容易に、不純物がドープされた窒化物系半導体からなる基板の不純物準位により吸収させることができる。この場合、好ましくは、基板にドープされた不純物は、酸素である。このように構成すれば、酸素によって基板に不純物準位を効果的に形成することができるので、基板にしみ出した光を有効に吸収することができる。これにより、レーザ光をより安定化することができる。また、硼化物系材料からなる基板の場合には、基板側にしみ出された光を、容易に、バンド内遷移(価電子帯内または伝導帯内の遷移)またはバンド間遷移(価電子帯から伝導帯への遷移)により吸収させることができる。
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、n型クラッド層は、アンドープである。なお、本発明の「アンドープ」は、不純物を意図的にドープしていないことを意味する。したがって、不純物が全くドープされていない場合のみならず、意図しないで不純物が少量混入している場合も、本発明の「アンドープ」に該当する。このように構成すれば、n型クラッド層上に形成される活性層の結晶性を向上させることができるので、発光効率を向上させることができる。また、n型クラッド層上にn側光ガイド層が形成される場合には、n側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、n側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、n型クラッド層に不純物準位が形成されないので、n型クラッド層での光吸収を抑制することができる。
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、n型クラッド層には、Geがドープされている。このように構成すれば、Geは、窒化物系半導体と格子定数が近いため、ドーピングによる歪みの発生を有効に低減することができる。これにより、n型クラッド層上に形成される活性層の結晶性を向上させることができるので、発光効率を向上させることができる。また、n型クラッド層上にn側光ガイド層が形成される場合には、n側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、n側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、Geのドーピング量を制御することにより、容易に、n型クラッド層の抵抗値を制御することができる。
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、基板とn型クラッド層との間に形成され、アンドープの窒化物系半導体からなる層をさらに備える。このように構成すれば、その層上に形成されるn型クラッド層の結晶性を向上させることができるので、n型クラッド層での光吸収を抑制することができる。また、アンドープの窒化物系半導体層上のn型クラッド層上にn側光ガイド層が形成される場合には、n側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、n側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、アンドープの窒化物系半導体からなる層を設けることによって、活性層と基板との距離を調整することができるので、基板における光吸収の量を容易に制御することができる。
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、基板とn型クラッド層との間に形成され、Geがドープされた窒化物系半導体からなる層をさらに備える。このように構成すれば、Geは、窒化物系半導体と格子定数が近いため、ドーピングによる歪みの発生を有効に低減することができる。これにより、Geがドープされた窒化物系半導体からなる層上に形成されるn型クラッド層の結晶性を向上させることができるので、n型クラッド層での光吸収を抑制することができる。また、Geがドープされた窒化物系半導体層上のn型クラッド層上にn側光ガイド層が形成される場合には、n側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、n側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、Geのドーピング量を制御することにより、容易に、Geがドープされた窒化物系半導体からなる層の抵抗値を制御することができる。
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、基板は、GaN基板およびZrB2基板のいずれかを含む。このように構成すれば、GaNまたはZrB2は、その上に形成されるn型クラッド層および活性層を構成する窒化物系半導体と格子定数が近いため、n型クラッド層および活性層の結晶性を向上させることができる。また、基板上にn側光ガイド層が形成される場合には、n側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、n側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。これにより、n型クラッド層およびn側光ガイド層による光吸収を抑制することができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、GaN基板またはZrB2基板は、GaAsやSiなどからなる基板と異なり、基板での光吸収が過大になることがないので、しきい値電流や動作電流の増大を抑制することができる。
以上のように、本発明によれば、レーザ光の安定化を図るとともに、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図であり、図2は、図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。まず、図1および図2を参照して、第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図1に示すように、酸素がドープされたn型GaN基板1の(0001)面上に、約1μmの膜厚を有するアンドープGaN層2が形成されている。なお、n型GaN基板1は、本発明の「窒化物系半導体からなる基板」の一例であり、アンドープGaN層2は、本発明の「アンドープの窒化物系半導体からなる層」の一例である。そして、アンドープGaN層2上には、約1μmの膜厚を有するアンドープAl0.07Ga0.93Nからなるアンドープのn型クラッド層3が形成されている。アンドープのn型クラッド層3上には、発光層4が形成されている。
ここで、第1実施形態では、図2に示すように、発光層4内に、n側の光ガイド層が設けられていない。すなわち、発光層4は、多重量子井戸構造を有するMQW活性層41と、MQW活性層41上に形成されたp側光ガイド層42と、p側光ガイド層42上に形成されたp型キャリアブロック層43とから構成されている。なお、MQW活性層41は、本発明の「活性層」の一例であり、p側光ガイド層42は、本発明の「光ガイド層」の一例である。
そして、MQW活性層41は、約3.5nmの膜厚を有するアンドープInXGa1-XNからなる3つの量子井戸層41aと、約20nmの膜厚を有するアンドープInYGa1-YNからなる3つの量子障壁層41bとが交互に積層されている。ここで、X>Yであり、X=0.15、Y=0.05である。また、p側光ガイド層42は、約0.1μmの膜厚を有するアンドープIn0.01Ga0.99Nからなる。そして、p型キャリアブロック層43は、約20nmの膜厚を有するMgがドープされたp型Al0.25Ga0.75Nからなる。そして、この発光層4において、p側光ガイド層42に閉じ込められる光エネルギの割合である光閉じ込め係数は、約0.35である。
また、図1に示すように、発光層4(p型キャリアブロック層43)上には、MgがドープされたAl0.07Ga0.93Nからなるp型クラッド層5が形成されている。このp型クラッド層5は、一部領域が除去されることによって、凸形状に形成されている。そして、p型クラッド層5の凸部の膜厚は、約0.35μmであり、凸部以外の領域の膜厚は、約0.05μmである。また、p型クラッド層5の凸部の幅は、約1.5μmである。そして、p型クラッド層5の凸部上には、約3nmの膜厚を有するMgがドープされたp型In0.01Ga0.99Nからなるp型コンタクト層6が形成されている。そして、p型クラッド層5の凸部とp型コンタクト層6とによって、電流通路となるリッジ部7が構成されている。このリッジ部7の側面上とp型クラッド層5の露出している表面上とには、約0.2μmの膜厚を有するSiO2膜からなる電流ブロック層8が形成されている。
そして、リッジ部7を構成するp型コンタクト層6上には、下層から上層に向かって、約1nmの膜厚を有するPt層と、約100nmの膜厚を有するPd層と、約240nmの膜厚を有するAu層と、約240nmの膜厚を有するNi層とからなるp側オーミック電極9が、ストライプ状(細長状)に形成されている。また、p側オーミック電極9の表面上と電流ブロック層8の表面の一部領域上とには、p側オーミック電極9の上面に接触するように、下層から上層に向かって、約100nmの膜厚を有するTi層と、約150nmの膜厚を有するPt層と、約3μmの膜厚を有するAu層とからなるp側パッド電極10が形成されている。
また、n型GaN基板1の裏面上には、n型GaN基板1に近い方から順に、約6nmの膜厚を有するAl層と、約2nmの膜厚を有するSi層と、約10nmの膜厚を有するNi層と、約100nmの膜厚を有するAu層とからなるn側オーミック電極11が形成されている。n側オーミック電極11の裏面上には、n側オーミック電極11に近い方から順に、約10nmの膜厚を有するNi層と、約700nmの膜厚を有するAu層とからなるn側パッド電極12が形成されている。
第1実施形態では、上記のように、MQW活性層41とp型クラッド層5との間にのみ光ガイド層(p側光ガイド層42)を設けることによって、n側の光ガイド層が存在しないので、MQW活性層41で発生した光を優先的にn型GaN基板1側にしみ出させることができる。これにより、n型GaN基板1側にしみ出された光を、酸素がドープされたn型GaN基板1の不純物準位により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、MQW活性層41で発生した光を優先的にn型GaN基板1側にしみ出させることができるので、n型GaN基板1と反対側のp側オーミック電極9による光吸収を抑制することができる。これにより、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することができる。また、n型GaN基板1は、GaAsやSiなどからなる基板と異なり、n型GaN基板1での光吸収が過大になることがないので、これによっても、しきい値電流や動作電流の増大を抑制することができる。また、n側の光ガイド層を設けていないので、アンドープのn型クラッド層3とMQW活性層41との間でバンドギャップが段階的に変化しない。このため、MQW活性層41に注入された正孔は、n型クラッド層3とMQW活性層41との間のバンドギャップ差を越えにくくなるので、正孔のn型クラッド層3へのオーバーフローを抑制することができる。これにより、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、酸素がドープされたn型GaN基板1を用いることによって、n型GaN基板1側にしみ出された光を、容易に、酸素がドープされたn型GaN基板1の不純物準位により吸収させることができる。また、不純物として酸素をドープすることによって、酸素によってn型GaN基板1に不純物準位を効果的に形成することができるので、n型GaN基板1にしみ出した光を有効に吸収することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、n型クラッド層3をアンドープにするとともに、そのアンドープのn型クラッド層3をアンドープGaN層2上に形成することによって、アンドープのn型クラッド層3の結晶性を向上させることができ、かつ、その上に形成されるMQW活性層41の結晶性も向上させることができる。これにより、n型クラッド層3での光吸収を抑制することができるとともに、MQW活性層41の発光効率を向上させることができる。また、アンドープのn型クラッド層3およびアンドープGaN層2には不純物準位が形成されないので、これによっても、n型クラッド層3での光吸収を抑制することができる。また、アンドープGaN層2での光吸収も抑制することができる。また、アンドープGaN層2の膜厚を調節することによって、発光層4とn型GaN基板1との距離を所定の距離(第1実施形態では、約2μm)に調整することができるので、n型GaN基板1における光吸収の量を容易に制御することができる。
また、第1実施形態では、n型GaN基板1の材料であるGaNの格子定数と、その上に形成されるアンドープのn型クラッド層3およびMQW活性層41を構成する窒化物系半導体の格子定数とが近いので、これによっても、n型クラッド層3およびMQW活性層41の結晶性を向上させることができる。
また、第1実施形態では、p側光ガイド層42をGaNの格子定数よりも大きい格子定数を有するIn0.01Ga0.99Nにすることによって、GaNよりも小さい格子定数を有するp型Al0.25Ga0.75Nからなるp型キャリアブロック層43およびp型Al0.07Ga0.93Nからなるp型クラッド層5に発生した格子歪を補償することができる。これにより、p型キャリアブロック層43およびp型クラッド層5の結晶性を向上させることができる。また、p型クラッド層5上に形成されるp型コンタクト層6の結晶性も向上させることができる。さらに、p側光ガイド層42をアンドープにすることによって、p側光ガイド層42には、不純物準位が形成されない。その結果、p側光ガイド層42、p型キャリアブロック層43、p型クラッド層5およびp型コンタクト層6での光吸収が抑制されるので、これによっても、MQW活性層41で発生した光を優先的にn型GaN基板1側にしみ出させることができる。
図3〜図8は、図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図1〜図8を参照して、第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
まず、図3に示すように、MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相堆積法)を用いて、n型GaN基板1上に、アンドープGaN層2、n型クラッド層3、発光層4、p型クラッド層5およびp型コンタクト層6を順次形成する。
具体的には、n型GaN基板1を約1150℃の成長温度に保持した状態で、酸素がドープされたn型GaN基板1の(0001)面上に、約1μmの膜厚を有するアンドープGaN層2を形成する。続いて、アンドープGaN層2上に、約1μmの膜厚を有するアンドープAl0.07Ga0.93Nからなるn型クラッド層3を形成する。
次に、図2に示したように、基板温度を約850℃の成長温度に保持した状態で、アンドープのn型クラッド層3上に、約3.5nmの膜厚を有するアンドープInXGa1-XNからなる3つの量子井戸層41aと、約20nmの膜厚を有するアンドープInYGa1-YNからなる3つの量子障壁層41bとを交互に成長させる。これにより、n型クラッド層3上に、MQW活性層41が形成される。続いて、MQW活性層41上に、約0.1μmの膜厚を有するアンドープIn0.01Ga0.99Nからなるp側光ガイド層42を成長させる。
次に、基板温度を約950℃の成長温度に保持した状態で、p側光ガイド層42上に、約20nmの膜厚を有するMgがドープされたp型Al0.25Ga0.75Nからなるp型キャリアブロック層43を成長させる。
次に、図3に示したように、基板温度を約1150℃の成長温度に保持した状態で、発光層4(p型キャリアブロック層43)上に、約0.35μmの膜厚を有するMgがドープされたp型Al0.07Ga0.93Nからなるp型クラッド層5を成長させる。続いて、p型クラッド層5上に、約3nmの膜厚を有するMgがドープされたp型In0.01Ga0.99Nからなるp型コンタクト層6を成長させる。
次に、図4に示すように、プラズマCVD法(Chemical Vapor Deposition:化学気相堆積法)を用いて、p型コンタクト層6上のほぼ全面に、約1μmの膜厚を有するSiO2膜13を形成する。さらに、SiO2膜13上に、フォトレジスト(図示せず)を塗布した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、約1.5μmの幅を有するストライプ状(細長状)のレジストパターン14を形成する。
次に、CF4ガスによるRIE法(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング法)を用いて、レジストパターン14をマスクとして、SiO2膜13をエッチングする。これにより、図5に示すように、約1.5μmの幅を有するストライプ状のSiO2膜13が形成される。この後、レジストパターン14を除去する。
次に、図6に示すように、Cl2ガスによるRIE法を用いて、SiO2膜13をマスクとして、p型コンタクト層6およびp型クラッド層5の一部領域をエッチング除去することにより、リッジ部7が形成される。このとき、p型クラッド層5の凸部以外の領域の膜厚が、約0.05μmになるように、エッチング深さを制御する。この後、HF系エッチャントを用いて、SiO2膜13を除去する。
次に、図7に示すように、プラズマCVD法を用いて、p型クラッド層5およびp型コンタクト層6の表面を覆うように、約0.2μmの膜厚を有するSiO2膜(図示せず)を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびCF4ガスによるRIE法を用いて、p型コンタクト層6の上面が露出するように、そのSiO2膜の一部を除去することによって、SiO2膜からなる電流ブロック層8が形成される。
次に、図8に示すように、真空蒸着法を用いて、p型コンタクト層6上に、下層から上層に向かって、約1nmの膜厚を有するPt層と、約100nmの膜厚を有するPd層と、約240nmの膜厚を有するAu層と、約240nmの膜厚を有するNi層とからなるp側オーミック電極9を、ストライプ状に形成する。そして、真空蒸着法を用いて、p側オーミック電極9の表面上と電流ブロック層8の表面の一部領域上とに、p側オーミック電極9の上面に接触するように、下層から上層に向かって、約100nmの膜厚を有するTi層と、約150nmの膜厚を有するPt層と、約3μmの膜厚を有するAu層とからなるp側パッド電極10を形成する。
最後に、図1に示したように、n型GaN基板1の裏面を研磨することによって、n型GaN基板1を所定の厚み(たとえば、約100μm)にする。この後、真空蒸着法を用いて、n型GaN基板1の裏面上に、n型GaN基板1に近い方から順に、約6nmの膜厚を有するAl層と、約2nmの膜厚を有するSi層と、約10nmの膜厚を有するNi層と、約100nmの膜厚を有するAu層とからなるn側オーミック電極11を形成する。そして、真空蒸着法を用いて、n側オーミック電極11の裏面上に、n側オーミック電極11に近い方から順に、約10nmの膜厚を有するNi層と、約700nmの膜厚を有するAu層とからなるn側パッド電極12を形成する。このようにして、第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
(第2実施形態)
図9は、本発明の第2実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図9を参照して、この第2実施形態では、上記第1実施形態の構成において、さらに、発光層4aのMQW活性層41の下面(基板側)に、n側光ガイド層44を設けた例について説明する。なお、その他の構成は、第1実施形態と同様である。
この第2実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図9に示すように、アンドープIn0.01Ga0.99Nからなるn側光ガイド層44上に、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有するMQW活性層41、p側光ガイド層42およびp型キャリアブロック層43が順次形成されている。そして、上記窒化物系半導体各層(41〜44)によって、第2実施形態による発光層4aが構成されている。
ここで、第2実施形態では、n側光ガイド層44は、約0.05μmの膜厚を有しており、p側光ガイド層42の膜厚(約0.1μm)よりも小さい。また、発光層4aにおいて、p側光ガイド層42の光閉じ込め係数は、約0.32となり、n側光ガイド層44の光閉じ込め係数は、約0.15となる。これにより、n側光ガイド層44の光閉じ込め係数(約0.15)は、p側光ガイド層42の光閉じ込め係数(約0.32)の1/2以下となる。
第2実施形態では、上記のように、アンドープのn型クラッド層3とMQW活性層41との間に、p側光ガイド層42の膜厚(約0.1μm)よりも小さい膜厚(約0.05μm)を有するn側光ガイド層44を設けることによって、n側光ガイド層44の光閉じ込め係数(約0.15)がp側光ガイド層の光閉じ込め係数(約0.32)よりも小さくなるので、MQW活性層41で発生した光を優先的にn側光ガイド層44が形成されるn型GaN基板1側にしみ出させることができる。これにより、n型GaN基板1側にしみ出された光を、酸素がドープされたn型GaN基板1の不純物準位により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、MQW活性層41で発生した光を優先的にn型GaN基板1側にしみ出させることができるので、n型GaN基板1と反対側のp側オーミック電極9による光吸収を抑制することができる。これによりしきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することができる。
また、n側光ガイド層44は、良好な結晶性を有するアンドープのn型クラッド層3上に形成されるので、n側光ガイド層44の結晶性を向上させることができ、かつ、その上に形成されるMQW活性層41の結晶性も向上させることができる。これにより、n側光ガイド層44での光吸収を抑制することができるとともに、MQW活性層41の発光効率を向上させることができる。
なお、第2実施形態のその他の効果は、第1実施形態と同様である。
(第3実施形態)
図10は、本発明の第3実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図10を参照して、この第3実施形態では、上記第1実施形態の構成において、さらに、発光層4bのMQW活性層41の下面(基板側)に、n型キャリアブロック層45を設けた例について説明する。なお、その他の構成は、第1実施形態と同様である。
この第3実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図10に示すように、約20nmの膜厚を有するアンドープAl0.25Ga0.75Nからなるn型キャリアブロック層45上に、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有するMQW活性層41、p側光ガイド層42およびp型キャリアブロック層43が順次形成されている。なお、n型キャリアブロック層45は、アンドープのn型クラッド層3の屈折率およびMQW活性層41の屈折率よりも小さい屈折率を有する。すなわち、n型キャリアブロック層45、n型クラッド層3およびMQW活性層41の屈折率の大小関係は、n型キャリアブロック層45<n型クラッド層3<MQW活性層41である。また、n型キャリアブロック層45は、アンドープのn型クラッド層3のバンドギャップおよびMQW活性層41のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。そして、上記窒化物系半導体各層(41〜43、45)によって、第3実施形態による発光層4bが構成されている。
第3実施形態では、上記のように、アンドープのn型クラッド層3とMQW活性層41との間に、アンドープのn型クラッド層3の屈折率よりも小さい屈折率を有するn型キャリアブロック層45を設けることによって、光がn型キャリアブロック層45よりも屈折率の大きいn型クラッド層3に閉じ込められようとするので、容易に、光をn型クラッド層3にしみ出させることができる。なお、n型キャリアブロック層45が設けられていなければ、n型クラッド層3の屈折率よりも大きい屈折率を有するMQW活性層41に光が強く閉じ込められるので、n型クラッド層3への光のしみ出しが小さくなる。このように、第1実施形態に比べて、MQW活性層41で発生した光をより優先的にn型GaN基板1側にしみ出させることができる。ただし、n型キャリアブロック層45がより大きい膜厚(たとえば、ミクロンオーダ)を有する場合では、キャリアブロック層は、屈折率の小さいクラッド層として機能する。この場合、活性層内に強く光が閉じ込められるので、上述した効果を得るのが困難になる。したがって、n型キャリアブロック層45は、小さい膜厚で形成するのが好ましい。
また、第3実施形態では、上記のように、n型クラッド層3とMQW活性層41との間に、n型クラッド層3のバンドギャップおよびMQW活性層41のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するn型キャリアブロック層45を設けることによって、n型クラッド層3とMQW活性層41との間のバンドギャップ差よりも、n型キャリアブロック層45とMQW活性層41との間のバンドギャップ差の方が大きいので、正孔のn型クラッド層3へのオーバーフローをより抑制することができる。
なお、第3実施形態のその他の効果は、第1実施形態と同様である。
(第4実施形態)
図11は、本発明の第4実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。図11を参照して、この第4実施形態では、上記第1〜第3実施形態と異なり、n型GaN基板1上に、Geがドープされたn型クラッド層21を形成した例について説明する。なお、その他の構成は、第1実施形態と同様である。
この第4実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図11に示すように、酸素がドープされたn型GaN基板1の(0001)面上に、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有するアンドープGaN層2が形成されている。
ここで、第4実施形態では、アンドープGaN層2上に、約1μmの膜厚を有するとともに、約1×1018cm-3のキャリア濃度を有するGeがドープされたn型Al0.07Ga0.93Nからなるn型クラッド層21が形成されている。このn型クラッド層21にドープされたGeは、Siの格子定数よりも大きく、かつ、窒化物系半導体の格子定数に近い格子定数を有する。
そして、n型クラッド層21上には、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有する発光層4、p型クラッド層5およびp型コンタクト層6が形成されている。また、リッジ部7の側面上とp型クラッド層5の露出している表面上とには、SiO2膜からなる電流ブロック層8が形成されている。そして、素子のn側およびp側には、それぞれ、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有するp側オーミック電極9、p側パッド電極10、n側オーミック電極11およびn側パッド電極12が形成されている。
第4実施形態では、上記のように、n型クラッド層21に窒化物系半導体と格子定数が近いGeをドープすることによって、n型ドーパントとして通常用いられるSiをドープする場合に比べて、ドーピングによる歪みの発生を有効に低減することができる。このため、n型クラッド層21の結晶性を向上させることができ、かつ、そのn型クラッド層21上に形成されるMQW活性層41の結晶性も向上させることができる。これにより、n型クラッド層21での光吸収を抑制することができるとともに、MQW活性層41の発光効率を向上させることができる。また、Geのドーピング量を制御することにより、容易に、n型クラッド層21の抵抗値を制御することができる。
なお、第4実施形態のその他の効果は、第1実施形態と同様である。
(第5実施形態)
図12は、本発明の第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。図12を参照して、この第5実施形態では、上記第1〜第4実施形態のリッジ部および電流ブロック層により電流狭窄を行う場合と異なり、イオン注入層31により電流狭窄を行う例について説明する。
この第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図12に示すように、酸素がドープされたn型GaN基板1の(0001)面上に、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有するアンドープGaN層2、n型クラッド層3、発光層4、p型クラッド層5およびp型コンタクト層6が順次形成されている。
そして、p型クラッド層5およびp型コンタクト層6には、炭素(C)がイオン注入されることにより形成された約0.32μmの注入深さを有するイオン注入層31が設けられている。そして、イオン注入された炭素濃度のピーク深さは、p型コンタクト層6の上面から約0.23μmのp型クラッド層5の領域内に位置する。また、ピーク深さにおけるピーク濃度は、約1×1020cm-3である。また、電流通路部32となるイオン注入されていない領域(非注入領域)は、約2.1μmの幅で形成されている。そして、このイオン注入層31は、多量のイオンが半導体中に注入されることによって、他の領域よりも結晶欠陥を多く含んでいる。これにより、イオン注入層31は、イオン注入層31に多く含まれる結晶欠陥により高抵抗となるので、電流狭窄層として機能するとともに、結晶欠陥に起因した光吸収が起こるので光吸収層としても機能する。
また、p型コンタクト層6の上面上には、開口部33aを有するZrO2からなる絶縁膜33が形成されている。この開口部33aの幅は、電流通路部32の幅よりも小さくなるように形成されている。そして、絶縁膜33の上面上には、絶縁膜33の開口部33aを介して、p型コンタクト層6の上面に接触するとともに、絶縁膜33の上面上に延びるように、p側オーミック電極34が形成されている。このp側オーミック電極34は、下層から上層に向かって、約1nmの膜厚を有するPt層と、約100nmの膜厚を有するPd層と、約240nmの膜厚を有するAu層と、約240nmの膜厚を有するNi層とからなる。そして、p側オーミック電極34の上面上には、下層から上層に向かって、約100nmの膜厚を有するTi層と、約150nmの膜厚を有するPt層と、約3μmの膜厚を有するAu層とからなるp側パッド電極35が形成されている。また、n型GaN基板1の裏面上には、n型GaN基板1に近い方から順に、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有するn側オーミック電極11およびn側パッド電極12が順次形成されている。
第5実施形態では、上記のように、イオン注入層31の光吸収層としての機能を利用することによって、光の横方向の閉じ込めを行うことができるので、レーザ光の横モードの安定化を図ることができる。さらに、第1実施形態と同様、発光層4で発生した光を優先的にn型GaN基板1側にしみ出させるとともに、n型GaN基板1側にしみ出された光を、n型GaN基板1の不純物準位により吸収させることによっても、レーザ光の安定化を図ることができる。その結果、上述した2つの効果が相乗的に作用するので、レーザ光の安定化をより図ることができる。
なお、第5実施形態のその他の効果は、第1実施形態と同様である。
図13〜図16は、図12に示した第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図12〜図16を参照して、第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
まず、図13に示すように、第1実施形態と同様の製造プロセスを用いて、酸素がドープされたn型GaN基板1の(0001)面上に、アンドープGaN層2からp型コンタクト層6までを順次形成する。次に、プラズマCVD法を用いて、p型コンタクト層6上の全面に、約1μmの膜厚を有するSiO2膜(図示せず)を形成した後、このSiO2膜を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることによって、約2.2μmの幅を有するストライプ状(細長状)のSiO2からなるイオン注入マスク層36を形成する。そして、イオン注入マスク層36およびp型コンタクト層6の表面を覆うように、SiO2からなるスルー膜37を形成する。
そして、図14に示すように、イオン注入マスク層36をマスクとして、スルー膜37を介して炭素のイオン注入を行うことによって、p型クラッド層5およびp型コンタクト層6に、約0.32μmの注入深さを有するイオン注入層31を形成する。これにより、イオン注入層31を電流狭窄層とするとともに、約2.1μmの幅を有する電流通過部32が形成される。ここで、Rp+ΔRpを注入深さ(イオン注入層31の厚み)と定義した。なお、Rpはピーク深さであり、ΔRpは飛程の標準偏差である。また、イオン注入時に、イオン注入マスク層36の下部に、イオンの横方向への広がり(ΔRl)が生じる。このとき、イオン注入時のイオン注入マスク層36の幅をWとすると、イオン注入マスク層36の下部のイオンが注入されない領域の幅Bは、B=W−2×ΔRlとなる。
この際、イオン注入層31において、電流狭窄だけでなく光の横方向の閉じ込めも十分に行うには、イオン注入された炭素の不純物濃度の極大値が約5×1019cm-3以上であることが好ましい。これにより、イオン注入層31には、電流通過部32よりも結晶欠陥が多くなるので、この多く含まれる結晶欠陥によって、光吸収を行うことができる。その後、CF4ガスによるドライエッチングを用いて、スルー膜37を除去する。
次に、図15に示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、p型コンタクト層6およびイオン注入マスク層36の表面を覆うように、約50nmの厚みを有するZrO2からなる絶縁膜33を素子の垂直方向から蒸着する。これにより、イオン注入マスク層36の側壁部には、絶縁膜33はほとんど形成されない。
次に、図16に示すように、フッ酸系エッチャントによるエッチングを行うことによって、イオン注入マスク層36と絶縁膜33の一部領域とを除去する。この場合、絶縁膜33は、ほとんどエッチングされないので、イオン注入マスク層36の側壁部に位置する絶縁膜33のみが完全に除去される。そして、イオン注入マスク層36は、イオン注入マスク層36の側壁部に位置する絶縁膜33が除去された後、完全に除去される。その結果、電流通路部32の上面上に開口部33aを有するZrO2からなる絶縁膜33が形成される。
最後に、図12に示したように、開口部33aを介してp型コンタクト層6の上面に接触するとともに、絶縁膜33の上面上に延びるように、下層から上層に向かって、約1nmの膜厚を有するPt層と、約100nmの膜厚を有するPd層と、約240nmの膜厚を有するAu層と、約240nmの膜厚を有するNi層とからなるp側オーミック電極34を形成する。そして、p側オーミック電極34上に、下層から上層に向かって、約100nmの膜厚を有するTi層と、約150nmの膜厚を有するPt層と、約3μmの膜厚を有するAu層とからなるp側パッド電極35を形成する。また、n型GaN基板1を所定の膜厚になるまで研磨した後、n型GaN基板1の裏面上に、n型GaN基板1に近い方から順に、n側オーミック電極11およびn側パッド電極12を順次形成する。このようにして、第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
(第1参考形態)
図17は、本発明の第1参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。図17を参照して、この第1参考形態では、上記第1〜第5実施形態のn型GaN基板に代えて、アンドープのZrB2基板51を用いた例について説明する。なお、その他の構成は、第1実施形態と同様である。
この第1参考形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図17に示すように、アンドープのZrB2基板51の(0001)面上に、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有する窒化物系半導体各層(アンドープGaN層2、n型クラッド層3、発光層4、p型クラッド層5およびp型コンタクト層6)が順次形成されている。このZrB2基板51の材料であるZrB2は、窒化物系半導体の格子定数に近い格子定数を有するとともに、六方晶系の結晶構造を有する。なお、ZrB2基板51は、本発明の「硼化物系材料からなる基板」の一例である。また、リッジ部7の側面上とp型クラッド層5の露出している表面上には、SiO2膜からなる電流ブロック層8が形成されている。そして、素子のn側およびp側には、それぞれ、第1実施形態と同様の膜厚および組成を有するp側オーミック電極9、p側パッド電極10、n側オーミック電極11およびn側パッド電極12が形成されている。
1参考形態では、上記のように、ZrB2基板51の材料であるZrB2の格子定数と窒化物系半導体の格子定数とが近いので、そのZrB2基板51上に形成される窒化物系半導体層の結晶性を向上させることができる。また、ZrB2基板51は、六方晶系の結晶構造を有するので、容易に、ZrB2基板51上に窒化物系半導体層を結晶成長させることができる。また、ZrB2基板51の格子定数と窒化物系半導体との格子定数差が小さいので、低温バッファ層を介して窒化物系半導体層を形成する必要がない。これにより、低温バッファ層自体の多量の転位に起因して発生する光の散乱や吸収も発生しない。さらに、半金属であるZrB2を材料とするZrB2基板51は、発光波長に対して小さすぎるバンドギャップを有する半導体(SiおよびGaAsなど)からなる基板と異なり、ZrB2基板51での光吸収が過大になるのを防止することができる。また、ZrB2基板51は、電気抵抗が小さいので、しきい値電流や動作電流が増大するのをより抑制することができる。
なお、第1参考形態のその他の効果は、第1実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第1〜第5実施形態および第1参考形態では、基板とn型クラッド層との間に、アンドープGaN層2を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、アンドープGaN層2に代えて、基板とn型クラッド層との間に、Geがドープされた窒化物系半導体からなる層を形成するようにしてもよい。このドーパントとしてのGeの格子定数は、窒化物系半導体の格子定数と近いため、ドーピングによる歪みの発生を有効に低減することができる。これにより、Geがドープされた窒化物系半導体層上に形成されるn型クラッド層および活性層の結晶性を向上させることができるので、n型クラッド層での光吸収を抑制することができるとともに、活性層の発光効率を向上させることができる。また、Geがドープされた窒化物系半導体層上のn型クラッド層上にn側光ガイド層が形成される場合には、n側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、n側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、Geのドーピング量を制御することにより、容易に、Geがドープされた窒化物系半導体からなる層の抵抗値を制御することができる。
また、上記第1〜第5実施形態および第1参考形態では、MOCVD法を用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させるようにしたが、本発明はこれに限らず、HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:ハライド気相成長法)、および、TMAl、TMGa、TMIn、NH3、SiH4、GeH4およびCp2Mgなどを原料ガスとして用いるガスソースMBE法(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシャル成長法)などを用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させるようにしてもよい。
また、上記第1〜第実施形態および第1参考形態では、活性層として多重量子井戸(MQW)構造を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、量子効果を有しない厚膜の単層または単一量子井戸構造であっても同様の効果を得ることができる。
また、上記第1〜第実施形態および第1参考形態では、基板と発光層との距離が約2μmになるように構成したが、本発明はこれに限らず、基板と発光層との距離が約0.5μm〜約4μmの範囲内であればよい。なお、基板と発光層との距離が約0.5μm以下の場合には、基板での光吸収が大きくなるので、しきい値電流や動作電流が増大する傾向がある。また、基板と発光層との距離が約4μm以上の場合には、基板での光吸収が小さくなるので、レーザ光の安定化が不十分になる傾向がある。
また、上記第1〜第5実施形態では、基板側にしみ出させた光を基板に吸収させるためには、基板のバンドギャップを活性層のバンドギャップと同等以下にする必要がある。また、基板に不純物が含まれる場合には、基板材料のバンドギャップから不純物準位のバンドギャップを除したバンドギャップが、活性層のバンドギャップと同等以下である必要がある。
また、上記第1〜第5実施形態では、酸素がドープされたn型GaN基板1を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、S、Se、Te、P、AsおよびSbなどがドープされた基板を用いるようにしてもよい。これによっても、基板側にしみ出された光を、不純物がドープされた基板の不純物準位により吸収させることができる。
また、上記第1〜第5実施形態では、窒化物系半導体の各層の表面が(0001)面になるように積層したが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の各層の表面が他の方向になるように積層してもよい。たとえば、窒化物系半導体の各層の表面が(1−100)や(11−20)面などの(H、K、−H−K、0)面になるように積層してもよい。この場合、MQW活性層内にピエゾ電場が発生しないので、井戸層のエネルギバンドの傾きに起因する正孔と電子との再結合確率の低下を抑制することができる。その結果、MQW活性層の発光効率を向上することができる。
また、上記第2実施形態では、n側光ガイド層44の光閉じ込め係数が約0.15になるようにしたが、本発明はこれに限らず、n側光ガイド層の光閉じ込め係数が約0.6以下になるようにすればよい。好ましくは、n側光ガイド層の光閉じ込め係数が、約0.2以下になるようにした方がよい。さらに、n側光ガイド層の光閉じ込め係数が、p側光ガイド層の光閉じ込め係数の1/2以下になるようにした方がよい。
また、上記第1参考形態では、ZrB2基板51を用いるようにしたが、これに限らず、他の硼化物系材料からなる基板を用いるようにしてもよい。たとえば、ZrB2以外の硼化物系材料として、TiB2などが考えられる。なお、TiB2は、ZrB2と同様、六方晶系の結晶構造を有するので、容易に、その上に六方晶の窒化物系半導体層を結晶成長させることができる。ただし、ZrB2の(0001)面は、GaNとの格子定数差が非常に小さいので、ZrB2からなる基板を用いた方が、より良好な結晶性を有する窒化物系半導体層を形成することができる。
また、上記第1参考形態では、アンドープのZrB2基板51を用いるようにしたが、これに限らず、Siや酸素などの不純物がドープされたZrB2基板を用いるようにしてもよい。この場合、基板側にしみ出された光を、不純物がドープされたZrB2基板の不純物準位により吸収させることができる。これにより、レーザ光をより安定化させることができる。
本発明の第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。 図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。 図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図1に示した第1実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第2実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。 本発明の第3実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。 本発明の第4実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。 図12に示した第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図12に示した第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図12に示した第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図12に示した第5実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第1参考形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。 従来の窒化物系半導体レーザ素子の一例を示した断面図である。 図18に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
符号の説明
1 n型GaN基板(窒化物系半導体からなる基板)
2 アンドープGaN層(アンドープの窒化物系半導体からなる層)
3 n型クラッド層(アンドープのn型クラッド層)
5 p型クラッド層
21 n型クラッド層
41 MQW活性層(活性層)
42 p側光ガイド層(光ガイド層)
44 n側光ガイド層
51 ZrB2基板(硼化物系材料からなる基板)

Claims (8)

  1. 不純物がドープされたGaNからなる基板と、
    前記基板上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
    前記活性層上に形成されたp型クラッド層と、
    前記活性層と、前記n型クラッド層および前記p型クラッド層との間のうち、前記活性層と前記p型クラッド層との間にのみ形成された光ガイド層とを備え、
    前記p型クラッド層は、GaNの格子定数より小さな格子定数を有するAlGaNからなり、
    前記光ガイド層は、GaNの格子定数より大きな格子定数を有するInGaNからなるとともに、
    前記p型クラッド層と前記光ガイド層との間に、GaNよりも小さい格子定数を有するキャリアブロック層を有する、窒化物系半導体レーザ素子。
  2. 不純物がドープされたGaNからなる基板と、
    前記基板上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
    前記活性層上に形成されたp型クラッド層と、
    前記活性層と、前記n型クラッド層および前記p型クラッド層との間のうち、前記活性層と前記p型クラッド層との間にのみ形成された光ガイド層と、
    前記n型クラッド層と前記活性層との間に、前記n型クラッド層の屈折率より小さな屈折率を有するn型キャリアブロック層とを備え、
    前記p型クラッド層と前記光ガイド層との間に、GaNよりも小さい格子定数を有するキャリアブロック層を有する、窒化物系半導体レーザ素子。
  3. 不純物がドープされたGaNからなる基板と、
    前記基板上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
    前記活性層上に形成されたp型クラッド層と、
    前記活性層と、前記n型クラッド層および前記p型クラッド層との間のうち、前記活性層と前記p型クラッド層との間にのみ形成された光ガイド層と、
    前記n型クラッド層と前記活性層との間に、前記n型クラッド層のバンドギャップおよび前記活性層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有するn型キャリアブロック層とを備え、
    前記p型クラッド層と前記光ガイド層との間に、GaNよりも小さい格子定数を有するキャリアブロック層を有する、窒化物系半導体レーザ素子。
  4. 不純物がドープされたGaNからなる基板と、
    前記基板上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
    前記活性層上に形成されたp型クラッド層と、
    前記活性層と、前記n型クラッド層および前記p型クラッド層との間のうち、前記活性層と前記p型クラッド層との間にのみ形成された光ガイド層と、
    前記p型クラッド層の電流通過部となる領域以外の領域上に形成されたイオン注入層とを備え、
    前記p型クラッド層と前記光ガイド層との間に、GaNよりも小さい格子定数を有するキャリアブロック層を有する、窒化物系半導体レーザ素子。
  5. 不純物がドープされたGaNからなる基板と、
    前記基板上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
    前記活性層上に形成されたp型クラッド層と、 前記p型クラッド層と前記活性層との間に形成され、第1の厚みを有するp側光ガイド層と、
    前記n型クラッド層と前記活性層との間に形成され、前記第1の厚みよりも小さい第2の厚みを有するn側光ガイド層とを備え、
    前記p型クラッド層は、GaNの格子定数より小さな格子定数を有するAlGaNからなり、
    前記p側光ガイド層は、GaNの格子定数より大きな格子定数を有するInGaNからなるとともに、
    前記p型クラッド層と前記p側光ガイド層との間に、GaNよりも小さい格子定数を有するキャリアブロック層を有する、窒化物系半導体レーザ素子。
  6. S、Se、Te、P、AsおよびSbのいずれかの不純物がドープされたGaNからなる基板と、
    前記基板上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
    前記活性層上に形成されたp型クラッド層と、
    前記p型クラッド層と前記活性層との間に形成され、第1の厚みを有するp側光ガイド層と、
    前記n型クラッド層と前記活性層との間に形成され、前記第1の厚みよりも小さい第2の厚みを有するn側光ガイド層とを備え、
    前記p型クラッド層と前記p側光ガイド層との間に、GaNよりも小さい格子定数を有するキャリアブロック層を有する、窒化物系半導体レーザ素子。
  7. S、Se、Te、P、AsおよびSbのいずれかの不純物がドープされたGaNからなる基板と、
    前記基板上に形成されたn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
    前記活性層上に形成されたp型クラッド層と、
    前記活性層と、前記n型クラッド層および前記p型クラッド層との間のうち、前記活性層と前記p型クラッド層との間にのみ形成された光ガイド層とを備え、
    前記p型クラッド層と前記光ガイド層との間に、GaNよりも小さい格子定数を有するキャリアブロック層を有する、窒化物系半導体レーザ素子。
  8. 前記基板の不純物準位により、前記活性層で発生した光を吸収させる、請求項1〜7に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
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