JP4315583B2 - Iii族窒化物系半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガイド層によって活性層にキャリアを閉じ込め、クラッド層によってガイド層及び活性層に光を閉じ込めるSCH構造を有する半導体レーザ素子がある。特に、(AlxGa1-x)1-yInyN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される如きIII族窒化物系半導体からなる半導体レーザ素子では、他の材料系からなる半導体レーザ素子に比べて、ガイド層及び活性層への光閉じ込めが困難である故に、レーザ素子を発振させるために必要な閾値電流密度が高く、また出射ビームの遠視野像が劣化する等の発光特性における問題が生じていた。
【0003】
図1に示すように、従来のIII族窒化物系半導体レーザ素子は、単結晶サファイアからなる基板1上に膜を多層に積層した構造を有していた。詳細には、基板1上に順に、GaN又はAlNを低温にて成膜したバッファ層2、GaNからなるn側下地層3、AlGaNからなるn側クラッド層4、GaNからなるn側ガイド層5、InGaNを主たる成分とする活性層6、AlGaNからなる電子バリア層7、GaNからなるp側ガイド層8、AlGaNからなるp側クラッド層9、GaNからなるp側コンタクト層10が積層している。なお、下地層3及びコンタクト層10の上には、絶縁層11の窓部を介して、n側電極12a及びp側電極12bが各々形成されている。ここで、バッファ層2は、サファイア基板1上に平滑な単結晶膜を形成するために設けられており、下地層3は、基板1のサファイアが導電性を有さないために設けられている。
【0004】
上記の如き構造の従来のIII族窒化物系半導体レーザ素子において、(1)クラッド層4の膜厚を増加させる、若しくは、(2)クラッド層4の屈折率を下げる、ことでSCH構造での光閉じ込め効率を向上させることが出来るのである。
前記(1)の方法において、GaNからなる下地層3の上にGaNよりも格子定数の小さいAlGaNからなるクラッド層4を形成した場合、クラッド層4の内部には引っ張り応力が発生し、クラックが形成され易くなる。特に、クラッド層4の膜厚が大きくなると、この傾向は顕著となる。かかるクラッド層4のクラックは、素子としての発光特性の劣化を引き起こすのである。
【0005】
そこで、上記下地層3とクラッド層4との間に格子不整合を緩和するための歪み緩和層(図示せず)を設けると、クラッド層4のクラックの発生を低減し、且つクラッド層4の膜厚を大きくすることが出来るのである。例えば、歪み緩和層は、厚さ0.1〜0.2μm程度のInGaN等からなる。しかしながら、格子不整合を緩和するための歪みエネルギーは、歪み緩和層中に転位として蓄えられて、歪み緩和層の結晶品質を大きく劣化させてしまうのである。さらに歪み緩和層中に新たに発生した転位の一部が貫通転位となって活性層にまで到達して、発光特性を劣化させてしまうのである。結果として、得られた素子では、発光特性の劣化及び導波損失の増加による閾値電流密度の上昇を招来するのである。
【0006】
さらに、前記(1)の方法では、クラッド層4の膜厚の増大と共に、当該層の成膜時間も増加して、製造コストを増加させるので好ましくない。
前記(2)の方法においては、AlGaNからなるクラッド層4のAl混晶比を高めてクラッド層4の屈折率を下げることができる。しかしながら、AlGaN中のAl混晶比が高くなると、AlGaN混晶の格子定数が小さくなる故、クラッド層4には、より大きな引っ張り応力が作用して、クラッド層4にはクラックが生じてしまうのである。
【0007】
一方、上記(1)及び(2)に対して、クラッド層4の屈折率を下げるのではなく、ガイド層5の屈折率を高めて光の閉じ込め効率を向上させる方法がある。例えば、Inは、わずかな量でも屈折率を大きく上昇させ得る。ガイド層5を屈折率の高いInGaNで形成すると、クラッド層4の厚さを増加させることなく、光閉じ込め効率を高めることができるのである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
InGaNを有機金属気相成長(MOCVD)法で形成すると、その表面には断面略V字状の逆円錐型の「くぼみ」が発生する。この「くぼみ」は、その下層の膜からの貫通転位の延長線上に発生し、堆積させるInGaNの膜厚の大きさに比例して成長する。ガイド層5は、活性層6への光閉じ込め効率を改善するために一定値以上の厚さを必要とするため、ガイド層5をInGaNとした場合、その成膜後の表面には、深さ及び開口ともに非常に大きな「くぼみ」が形成されてしまうのである。この大なる「くぼみ」は、その上に形成される活性層6が平坦に成膜された場合であっても、活性層6及びガイド層5を導波する光の散乱を引き起こして素子の発光特性を劣化させてしまうのである。それ故、ガイド層にInGaNを用いると、ガイド層の屈折率を高めることは出来るが、一方で、散乱損失を増加させて、閾値電流密度の上昇を招く結果となる。
【0009】
そこで、本発明の目的は、上記を鑑みて、製造コストを増加させることなく、発光特性の優れた半導体発光素子を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明による窒化物半導体発光素子は、n側AlGaNクラッド層、n側ガイド層、活性層、p側ガイド層、p側AlGaNクラッド層を含むIII族窒化物系半導体発光素子であって、前記p側ガイド層の屈折率が前記n側ガイド層の屈折率よりも大であり且つ前記p側ガイド層がIn y Ga 1-y N(0<y≦1)であることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明による半導体レーザ素子は、素子を構成する各層の材料成分比等が一部異なっているが、上記従来のIII族窒化物系半導体レーザ素子と同様の断面構造を
有している。
【0012】
そこで図1に従って、これを説明すると、サファイア基板1上には、AlNやGaN等からなる低温バッファ層2が積層し、この上にSi等をドーピングして導電性を付与したn側GaN下地層3が厚さ約4〜6μm程度に積層している。さらに、0.6μmの厚さを有し且つ混晶比x=0.06のn側AlxGal-xNクラッド層4、n側GaNガイド層5が積層した上に、発光層としてIny1Ga1-y1N(y1=0.08、30Å)/Iny2Ga1-y2N(y2=0.01、60Å)を5層積層したMQW活性層6が積層している。そして、0.02μmの厚さのAlxGal-xN電子バリア層7、マグネシウムをドーピングしてp型としたp側InyGa1-yNガイド層8、0.4μmの厚さを有し且つ混晶比x=0.06のp側AlxGal-xNクラッド層9及び0.1μmの厚さのp側コンタクト層10が積層している。なおp側コンタクト層10及びn側GaN下地層3上には、絶縁層11の窓を介して、それぞれp側電極12b及びn側電極12aが形成されている。
【0013】
本実施例の半導体レーザ素子においては、n側ガイド層がGaNからなっているので、n側ガイド層5の成膜後の表面には「くぼみ」が形成されることがないため、上述の散乱損失の問題を生じることがない。また、p側ガイド層8をInGaNとして屈折率を高めているので、光の閉じ込め効率を改善することができるのである。
【0014】
なお、InGaNにマグネシウムをドーピングすると「くぼみ」の発生が抑制される。ここで、p側ガイド層8には、p型ドーパントとしてマグネシウムがドーピングされている故、散乱損失を増加させるような「くぼみ」が形成されず、好ましいのである。
また、InyGa1-yNからなるp側ガイド層8は、In混晶比yを調整して屈折率の高低の制御を行うことができる。つまり、光の閉じ込めの状態の制御が可能となったのである。p側ガイド層8のIn混晶比yを高めると、p側ガイド層8の屈折率を上昇させることが出来る。ここでInyGa1-yNからなるp側ガイド層8において、厚さを0.05μm以上、In混晶比をy=0.005以上とすると、素子の発光特性が改善されて、好ましいのである。
【0015】
以下に本発明による半導体レーザ素子及び比較例の発光特性を計算によってシミュレーションした結果を説明する。
図2に示すように、n側ガイド層5及びp側ガイド層8の厚さを共に0.2μmとして、p側InyGa1-yNガイド層8の屈折率を変化させるべく、In混晶比yを変化させた場合の活性層への光の閉じこめ係数Γを求めた。
【0016】
In混晶比yの増加とともに、特にy=0.015近傍で急激にΓ値が上昇した後に、緩やかにΓ値は下降している。すなわち、p側ガイド層8及びn側ガイド層5の厚さが共に0.2μmである場合、y=0.015よりも大なるIn混晶比で、SCH構造での良好な光の閉じ込め効率が達成されるのである。
次に、図3乃至図6に示すように、n側ガイド層5及びp側ガイド層8の厚さを共に0.2μmとして、p側InyGa1-yNガイド層8の屈折率を変化させるべく、In混晶比yを0(比較例)、0.010、0.015(以上、本発明)と変化させた場合の素子の積層方向における光強度分布と遠視野像の強度分布を計算によって求めた。なお、図3乃至図5中における屈折率分布では、素子を構成する各層の屈折率を、図1において各層を表した番号と同じ番号を付して表している。
【0017】
まず、図3に示すように、比較例としてのIn混晶比がy=0の場合、すなわちp側ガイド層8がn側ガイド層5と同じ材料のGaNであって、ガイド層8の屈折率がn側ガイド層5及び下地層3の屈折率と同じである場合において、光の強度分布16は、n側ガイド層5及びp側ガイド層8を含む活性層6の近傍だけでなく、幅広く下地層3部分においても分布16a及び16bしている。
【0018】
また、図6(a)に示すように、このときの積層方向における遠視野像の光強度分布は、幅の狭い鋭いピークを複数有する多峰形であって好ましくない。遠視野像の光強度分布の形状は、素子内部の光強度分布の影響を強く受ける。つまり、活性層6近傍への光の閉じ込めが弱く、下地層3に光が漏れ出している場合においては、遠視野像は、上記の如き幅の狭い鋭いピークを伴った多峰形となるのである。一方、素子内部において活性層6近傍への光の閉じ込めが良好な場合では、遠視野像における上記の如き幅の狭い鋭いピークは相対的に小さくなって、幅の広い単一のピーク形状に近づくのである。
【0019】
次に、図4に示すように、In混晶比がy=0.010の場合、すなわち、p側ガイド層8の屈折率がn側ガイド層5の屈折率よりも僅かに高い場合においても、光の強度分布16は、下地層3の部分にピーク16aを形成して分布している。つまり下地層3部分に光が漏れ出しているのである。更に、この場合の遠視野像は、図6(b)に示すように、多峰形の遠視野像を形成しているが、図6(a)の場合と比べて、幅の広い単一のピーク形状に近づいている。すなわち、In混晶比y=0の場合と比較して、素子内部における光閉じ込め効率が向上したことが判る。
【0020】
さらに、図5に示すように、本発明によるIn混晶比がy=0.015の場合、すなわちp側ガイド層8の屈折率が図4における場合よりも、更に高い場合、光の強度分布16は、n側ガイド層5及びp側ガイド層8を含む活性層6の近傍に集中しており、活性層6で発光し、素子内部を導波する光が、活性層6の近傍に良好に閉じ込められていることが判る。このときの遠視野像は、図6(c)に示すように、幅の広い単一のピーク形状となって、幅の狭い鋭いピークが観察されなくなって、素子の発光特性として非常に好ましいのである。
【0021】
ここまでは、n側ガイド層5及びp側ガイド層8の厚さが共に0.2μmの場合であったが、次に、p側InyGa1-yNガイド層8のIn混晶比及びその膜厚を変化させて、下地層3部分への光の漏れ出し及び遠視野像の光強度分布を求めた。なお、n側ガイド層5はGaNであり、n側ガイド層5とp側ガイド層8は、常に同じ厚さを有している。つまりp側ガイド層8の膜厚が0.1μmであるときは、n側ガイド層5の膜厚も0.1μmである。
【0022】
図6に示すように、曲線17は、光の漏れ出しが無く、遠視野像が単峰形となって発光特性が最も好ましき(境界)条件を示している。曲線17は、In混晶比yとp側ガイド層t(μm)との間において、yt=0.003なる関係が成り立つことが判った。ここで図2を合わせて考慮すると、曲線17よりも混晶比yが低いと、急激に発光特性が劣化し、一方で、混晶比yが高い方向へ曲線17からはずれても発光特性の劣化は少ないのである。すなわち、曲線17で2分割される領域において、曲線17を含み且つ膜の厚さが大きく、混晶比yが大きい領域Aにおいて単峰形の遠視野像が得られて好ましいのである。
【0023】
ところで、図7に示すように、ガイド層5と活性層6との間に約500Å、好ましくは300ÅのInGaNからなる中間層13を設けてもよい。上述の如く、InGaNを有機金属気相成長(MOCVD)法によって約300Å以上の厚さに形成すると、その形成後の表面には「くぼみ」が発生する。係る「くぼみ」は、InGaN層よりも下層にある膜中から上部に向かって延びる貫通転位部分に発生することが知られている。例えば、図7に示すように、貫通転位を有する下地層3の上にn側クラッド層4及びn側ガイド層5を形成し、更にこの上から約500Å以下の厚さのInGaNからなる中間層13を形成すると、その表面には微細な「くぼみ」が生成するのである。中間層13の上に活性層6を成膜すると、活性層6は微細な「くぼみ」の上、すなわち下地層3からの貫通転位部分を避けるようにして成長する。活性層6を貫く貫通転位部分は、非発光再結合中心として作用するが、InGaN中間層13を挿入して貫通転位部分を避けて成長した活性層6では、非発光再結合による無効電流を低減できる。故に閾値電流密度の上昇を抑えることが出来て好ましいのである。なお、一定の大きさ以上の「くぼみ」は、活性層6の平坦性を阻害し、導波する光を散乱するので、好ましくない。
【0024】
更に、図6の点線17'は、上記の如き中間層13を設けたときの曲線17と同一条件(すなわち、発光特性が改善される境界条件)を満たす関係を示したものである。InGaN中間層13を設けない場合に比較して、同じガイド層8の厚さであれば、混晶比が下がる方向に広がるのである。
さらに、図8に示すように、n側GaN下地層3において、SiO2等からなるマスク層14をGaN下地層3の中間に形成してGaNの横方向成長を促進させてマスクの上部の半導体層における転位密度を低減するELO(Epitaxial Laterally Overgrowth)等の技術を用いて作成された厚膜下地上にレーザ構造体を作成する場合においても、遠視野像の優れたレーザ素子を得ることが出来ることも確認された。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、素子を構成する層の膜厚を大とせずに良好な発光特性の素子を得ることが出来るので、製造コストを増加させることもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 III族窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図2】クラッド層におけるIn混晶比と光閉じこめ係数との関係を示すグラフである。
【図3】比較例としての半導体レーザ素子(混晶比y=0)の積層方向における屈折率及び素子内の光強度(対数軸)分布を示す図(各軸は任意単位)である。
【図4】本発明としての半導体レーザ素子(混晶比y=0.010)の積層方向における屈折率及び素子内の光強度(対数軸)分布を示す図(各軸は任意単位)である。
【図5】本発明としての半導体レーザ素子(混晶比y=0.015)の積層方向(任意単位)における屈折率及び素子内の光強度(対数軸)分布を示す図(各軸は任意単位)である。
【図6】ガイド層の膜厚と混晶比を変化させたときの素子の発光特性を示すマトリクス図及び遠視野像の光強度分布を示す図である。
【図7】本発明による他のIII族窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図8】本発明による他のIII族窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【主要部分の符号の説明】
1 基板
2 バッファ層
3 下地層
4、9 クラッド層
5、8 ガイド層
6 活性層
7 電子バリア層
10 コンタクト層
11 絶縁層
12a n側電極
12b p側電極
13 中間層
14 マスク層
Claims (6)
- n側AlGaNクラッド層、n側ガイド層、活性層、p側ガイド層、p側AlGaNクラッド層を含むIII族窒化物系半導体発光素子であって、前記p側ガイド層の屈折率が前記n側ガイド層の屈折率よりも大であり且つ前記p側ガイド層がIn y Ga 1-y N(0<y≦1)であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
- 前記p側ガイド層は、厚さ0.05μm以上であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記p側ガイド層は、y=0.005以上のInyGa1-y Nからなることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記n側ガイド層は、GaNであることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記n側ガイド層と前記活性層との間にInGaNからなる中間層を有することを特徴とする請求項4記載の窒化物半導体素子
- 前記中間層は、厚さ500オングストローム以下であることを特徴とする請求項5記載の窒化物半導体レーザ素子。
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