JP4330319B2 - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自励発振特性を有する窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体レーザは発振波長が４００ｎｍ前後であり、光ディスクシステム用として開発が進められている。光ディスクシステムなどの光源として用いる場合、ディスク面からの反射光が半導体レーザに再結合して生じる戻り光雑音が問題になっている。一般的に半導体レーザのキャリア密度を過渡状態にして、発振スペクトルの利得集中を緩和することで可干渉性を下げることが知られており、注入電流を変調する高周波重畳や、半導体レーザ内部のキャリアと光子の相互作用を用いて自励発振を行なうとよい。特に高周波回路を用いないため、後者の自励発振素子の方がコスト面や使い勝手において有利である。
【０００３】
このような自励発振特性を有する窒化物半導体レーザはたとえば特開平９−１９１１６０号公報に紹介されている（特許文献１参照）。このレーザは、図１７に示すように光ディスク用低雑音半導体レーザであり、ＩｎＧａＮを構成元素とした可飽和吸収層を有することで安定な低雑音半導体レーザを提供しており、構造はつぎのとおりである。
【０００４】
図１７において７００はｎ型ＳｉＣ基板に、ｎ型ＡｌＮ層７０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層７０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層７０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層７０４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層７０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層７０７が順次形成されている。またｐ型ＧａＮ光ガイド層７０５にはＩｎＧａＮ可飽和吸収層７０８が設けられている。
【０００５】
また特開平９−１９１１６０号公報には、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層がｎ型ＧａＮガイド層７０３にあってもよいと記載している。窒化物半導体レーザでは基板と活性層の間（以下、「活性層下部層」という。）はｎ型であって、活性層上部層はｐ型であることが一般的である。可飽和吸収層にはｎ層中に設けるｎ型可飽和吸収層およびｐ層中に設けるｐ型可飽和吸収層がある。
【０００６】
ところで窒化物半導体レーザはＡｌとＧａを主に含有するクラッド層と、活性層はＩｎとＧａを主に含有する層からなり、レーザ光を吸収する可飽和吸収層もＩｎとＧａを主に含有する層からなる。ＡｌとＧａを含有する層、あるいはＧａを主に含有する層の成長温度はＩｎとＧａを主に含有する層に比べて、通常１００℃以上高く、場合によっては３００℃近く高い場合もある。そのため一連のエピタキシャル成長中の温度変化が大きい特徴がある。このような温度変化は活性層の状態を悪化させ、Ｉｎの偏析などを促進することがあるため、可飽和吸収層を設ける場合には成長手順に十分注意する必要がある。
【０００７】
活性層のＩｎの偏析が生じると、ゲインの悪化が生じるため自励発振しにくくなる。また、先例に従った構造では一部に自励発振しなくなるか、あるいは自励発振の観測される光出力が安定しない。さらに、特開平９−１９１１６０号公報においても、ＩｎＧａＮ活性層とＩｎＧａＮ可飽和吸収層の間にはＧａＮ層あるいはＡｌＧａＮ層が設けられるため、熱履歴による悪影響が生じやすい。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１９１１６０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光出力が安定で、良好な自励発振特性を備える窒化物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】
本発明は、ＩＩＩ族元素としてＡｌとＧａとを主に含有する窒化物半導体からなる下部クラッド層と、ＩＩＩ族元素としてＩｎとＧａとを主に含有する窒化物半導体を含む活性層とを基板上に順に設けた窒化物半導体レーザにおいて、下部クラッド層と活性層との間に、ＩＩＩ族元素としてＩｎとＧａとを主に含有する窒化物半導体からなる下部ガイド層を備え、該下部ガイド層は、活性層の側から順に第１の層と第２の層とを有し、該第２の層は可飽和吸収層として機能し、前記第２の層のＩｎの含有率は、前記第１の層のＩｎの含有率より大きく、かつ前記第２の層から活性層までの距離Ｌ１は、２０ｎｍ≦Ｌ１＜２００ｎｍであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体発光素子は、下部クラッド層と活性層との間に、ＩｎとＧａとを含有する窒化物半導体からなる下部ガイド層を備え、下部ガイド層は、活性層の側から順に第１の層と第２の層とを有し、第２の層は可飽和吸収層として機能し、第２の層のＩｎの含有率は、第１の層のＩｎの含有率より大きい。かかる構成により、活性層およびｎ型可飽和吸収層の特性を安定させ、自励発振特性を良化させることが可能となる。
【００１２】
良好な自励発振を得るためには可飽和吸収層が適当であること、活性層が適当であることが必要である。ここで適当な特性とは微分ゲインが大きく、かつキャリア寿命が最適であり、可飽和吸収層においては０．２ｎｓから１．０ｎｓ程度、活性層においては１．０ｎｓから３．０ｎｓである。これらの性質はＧａＡｓなどの他の材質の半導体レーザと大きく変わることはないが、このような特性を得るための成長方法および層構成において窒化物半導体で別途検討する必要がある。
【００１３】
活性層はＩｎとＧａを主に含有し、エピタキシャル成長温度はおよそ６５０℃〜８５０℃程度であり、一般的に活性層に隣接する層はＡｌとＧａ、あるいはＧａを主に含有し、エピタキシャル成長温度は９００℃以上であることが多く、本明細書においても１０７５℃で実施している。なお本明細書における「主に含有している」とは、記載された原料が少なくとも９９％含まれており、添加される不純物が異なっていてもよく、活性層に１％以下のＡｌが混在していてもよいことを意味する。
【００１４】
ところで活性層とは発光に寄与している層を示し、量子井戸では電子の広がりを考慮した層を示すことが本質的であるが、本明細書においては、特に記載しない限り井戸層のみであっても障壁層をも含んでいてもよい。またいくつかの量子井戸によって形成される多重量子井戸では両端に位置する井戸層から井戸層までであっても障壁層から障壁層までであってもよい。
【００１５】
活性層の特性を良好に保つためにはＧａ、あるいはＡｌとＧａを主に含有する層と格子定数の違いから生じる歪みの影響、および活性層成長後の温度変化、熱履歴の影響に注意する必要がある。一方、可飽和吸収層を良好に保つためには活性層に求められる条件に加えてキャリア寿命を短くする必要がある。
【００１６】
活性層の歪み削減には活性層下部層にバッファの役目をするガイド層を設けることが良く、ＩｎとＧａを主に含有する層であることが望ましい。特にガイド層内に活性層の井戸層のＩｎの含有率に近い層を挿入すると効果的である。また活性層成長後にはＡｌとＧａを主に含有するキャリアブロック層（Ａｌの含有率は０．１５以上、望ましくは０．２以上）があって、Ｇａを主に含有するｐ型ガイド層、ＡｌとＧａを主に含有するｐ型クラッド層、およびＧａを主に含有するｐ型コンタクト層が設けられる。これらの層は前述のように９００℃以上でエピタキシャル成長されることが多く、少なからず活性層の状態に変化を誘発すると考えられる。活性層などのＩｎを含有する窒化物層ではＩｎがエネルギー的に安定な偏析された状態になりやすく、活性層成長速度を適当にして層内でのＩｎの拡散を考慮したり、成長中に中断して積極的に偏析を調整したりする。一方、活性層成長後の温度変化も活性層の状態変化に寄与する虞があり、特に成長温度を激しく上下させるような工程は活性層の特性を維持するのが困難になるばかりでなく、悪化させる。
【００１７】
たとえばｐ型可飽和吸収層を挿入する場合には、ＩｎとＧａを主に含有する層であって、成長温度は６５０℃以上８５０℃以下である。ｐ型可飽和吸収層は、キャリアブロック層より上部に形成されるため活性層成長後にすくなくとも１回の降温過程が生じる。前述の理由によりｐ型可飽和吸収層を設ける窒化物半導体レーザにおいて、活性層を安定に成長することは非常に難しい。
【００１８】
本発明においてはｎ型可飽和吸収層を設ける窒化物半導体レーザであってｎ型可飽和吸収層近辺の層構造、ｎ型可飽和吸収層上部の層構造を詳細に検討することで良好な自励発振特性を得ることを可能とする。
【００１９】
具体的にはＧａＮ基板上にＡｌとＧａを主に含有するｎ型クラッド層があって、さらにＧａを主に含有するｎ型ガイド層が数十ｎｍ積層され、（ただしｎ型ガイド層は省略してあってもよい）、その後、成長温度を７３０℃程度に降温したのちＩｎとＧａを主に含有するｎ型可飽和吸収層を設ける。ｎ型可飽和吸収層の成長温度は６５０℃から８５０℃程度であればよい。ここで基板はＧａＮに限定されるものではなく、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｒＢ2などであってもよい。ただしこれらの基板であれば、それぞれｎ型クラッド層下部に適切な窒化物層が挿入される。
【００２０】
ｎ型可飽和吸収層成長から活性層成長までの過程において、極力成長温度変化を抑えることでｎ型可飽和吸収層のＩｎの偏析を防止できるため、ｎ型可飽和吸収層の微分ゲインは高く保たれる。そのため吸収により生成したキャリアに対応した吸収係数の変化を大きくできる。これによって窒化物半導体レーザは自励発振特性を得やすくなる。一方、ｎ型可飽和吸収層成長後の温度変化を極力抑え、ＩｎとＧａを主に含有する層を成長後に活性層を成長することによって、基板および活性層下部のＡｌとＧａを主に含有する層、あるいはＧａを主に含有する層から活性層がうけている歪みを緩和することができる。特にｎ型可飽和吸収層はＩｎの含有率が活性層とほぼ同様であって、活性層はより歪みの少ない条件で成長できる。
【００２１】
ところで活性層下部にＩｎの含有率が活性層とほぼ同様であって、レーザ光をほとんど吸収しない層をさらに設けると、より活性層のＩｎの偏析が緩和され、良好な自励発振特性が得られる。このような層はｎ型可飽和吸収層の上部でも下部でもよく、下部に設ける場合にはｎ型可飽和吸収層の特性向上も期待できる。
【００２２】
一方、ｎ型可飽和吸収層は吸収により生成したキャリアを速やかに緩和させることが望ましい。本発明においてはｎ型可飽和吸収層近辺に結晶性の悪い層を設けることで、吸収により生成したキャリアがトンネル効果により結晶性の悪い層から緩和することができる。具体的にはｎ型可飽和吸収層下部層において１００℃以上成長温度変化のある境界があって、境界よりも上層はｎ型可飽和吸収層とほぼ同様な成長温度からなる。ｎ型可飽和吸収層から１００℃以上高温成長された層は、ＡｌとＧａと主に含有する層とＧａを主に含有する層を示すものである。境界とｎ型可飽和吸収層との間隔を０ｎｍ〜２０ｎｍ、望ましくは２ｎｍ〜１０ｎｍとすることにより適当なキャリア寿命が期待される。本発明における窒化物半導体レーザでは、ｎ型可飽和吸収層に生成したホールおよびエレクトロンのうち、少数キャリアであるエレクトロンはトンネル効果により結晶性の悪い層、あるい境界から非輻射により緩和すると考えられる。
【００２３】
他方、ｎ型可飽和吸収層下部、あるいは上部におけるｎ型可飽和吸収層から０ｎｍ〜２０ｎｍ、望ましくは２ｎｍ〜１０ｎｍの位置で成長中断を行ない、さらに温度履歴を与えてもｎ型可飽和吸収層のキャリア寿命低減に効果が期待される。たとえばｎ型可飽和吸収層成長後に成長温度一定のまま、ＩｎとＧａを主に含有し、Ｉｎの含有率がｎ型可飽和吸収層よりも少ない層を上記の間隔分成長し、その後成長中断しながら基板温度を９００℃程度に上げ、再度７３０℃程度に降温する。その後ＩｎとＧａを主に含有し、Ｉｎの含有率がｎ型可飽和吸収層よりも少ない層を成長する。このような温度履歴の界面ではＩｎの偏析が起きやすく、結晶性が悪化するためにｎ型可飽和吸収層に生成したキャリアがトンネル効果により緩和しやすくなる。なお成長中断のみでも効果が期待できる。
【００２４】
また、前記活性層下部にＩｎの含有率が活性層とほぼ同様であって、レーザ光をほとんど吸収しない層をキャリアの緩和を促進する層として用いることもできる。このような用途に用いる場合には、不純物濃度を１×１０20ｃｍ-3以上にしたり、成長温度を下げるとよい。不純物濃度を高くすることで輻射遷移確率が高くなるが、前述のように過度に上げることで非輻射遷移確率の増加も期待される。一方不純物濃度を１×１０16ｃｍ-3以下にしても非輻射遷移確率の増加が期待され、ｎ型可飽和吸収層からトンネリングしたキャリアが緩和しやすくなる。
【００２５】
ところでｎ型可飽和吸収層から活性層までは成長温度変化を極力抑えているため、ＡｌとＧａを含有する層、あるいはＩｎが含まれなくＧａを主に含有する層を成長することが難しいため、窒化物半導体レーザに設けられる上下の電極から注入されるキャリアがｎ型可飽和吸収層に入ることを防止する必要がある。ＩｎとＧａを主に含有するｎ型の層におけるホールの移動度は低いため、ｎ型可飽和吸収層と活性層をすくなくとも２０ｎｍ以上離すとよい。ここで離間距離はｎ型可飽和吸収層の最上部の井戸層の層上部から活性層の最下部井戸層の最下部までの距離を示す。
【００２６】
さらに、活性層の特性改善のために活性層とキャリアブロック層の間にＩｎとＧａを主に含有するｐ型層があってもよく、活性層とほぼ同様の成長温度であることが望ましい。ｐ−ＩｎＧａＮ層を設けることで、活性層の光閉じ込め係数を大きくすることができる。本発明ではｎ側のみＩｎとＧａを主に含有するガイド層を設ける非対称ガイド層構造であるため、垂直方向の光分布の中心が活性層よりも基板側に移動しやすい。よって、活性層上部かつｐ型キャリアブロック層下部にＩｎとＧａを主に含有する層を設けると効果がある。この新たに挿入される層は望ましくはｐ型がよいが、ノンドープ層、あるいはｎ型であっても効果は期待できる。
【００２７】
なお本明細書内で「ｎ型可飽和吸収層から活性層までは成長温度変化を極力抑えている」とあるが、前述の成長中断時の温度変化は成長していないので矛盾していない。また、ｎ型可飽和吸収層の不純物濃度は一定であるが、不純物濃度を高くすると輻射遷移確率が増加するため良好な自励発振特性が得られる。
【００２８】
実施の形態１
図１（ａ）は実施の形態１における半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。基板側から説明すると、ｎ電極１、ｎ-ＧａＮ基板２、ｎ-ＧａＮ層３、ｎ‐ＡｌＧａＮクラッド層４、ｎ‐ＧａＮガイド層５、ｎ‐ＩｎＧａＮ第３の層６、ｎ‐ＩｎＧａＮ第２の層７、ｎ‐ＩｎＧａＮ第１の層８、ｎ‐ＩｎＧａＮ活性層９、ｐ‐ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０、ｐ‐ＧａＮガイド層１１、ｐ‐ＡｌＧａＮクラック層１２、ｐ‐ＧａＮコンタクト層１３、絶縁層１４、ｐ電極１５である。ｎ‐ＩｎＧａＮ活性層９は障壁層と井戸層からなり、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。図１（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。第３の層６と第１の層８のＩｎの含有率は同じにしている。
【００２９】
本明細書中で記載するエピタキシャル成長法とは、基板上に結晶膜を成長する方法であって、ＶＰＥ（気相エピタキシャル）法、ＣＶＤ（化学気相デポジション）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）法、Ｈａｌｉｄｅ−ＶＰＥ（ハロゲン化学気相エピタキシャル）法、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル）法、ＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシャル）法、ＧＳＭＢＥ（ガス原料分子線エピタキシャル）法、ＣＢＥ（化学ビームエピタキシャル）法を含む。
【００３０】
第２の層のＩｎの含有率を変更して自然放出光の半値全幅の変化を調べたところ、第２の層の実質的なバンドギャップＥｇ2が活性層の実質的なバンドギャップＥｇ0とほぼ同様のときもっとも半値全幅が狭くなることが分かる。実質的なバンドギャップはＰＬ（フォトルミネッセンス）測定で調べている。その結果活性層の特性向上に効果が見られる条件は
Ｅｇ0−０．３５ｅＶ≦Ｅｇ2≦Ｅｇ0＋０．３５ｅＶ
であればよい。
【００３１】
自然放出光の半値全幅と、第２の層のＩｎの含有率をＳＩＭＳにより測定して比較したところ、第２の層のＩｎの含有率をＩｎ(x)2、活性層のＩｎの含有率をＩｎ(x)0として、
Ｉｎ(x)0−０．１０≦Ｉｎ(x)2≦Ｉｎ(x)0＋０．１０
であれば活性層の特性向上に効果がある。
【００３２】
しかしながら良好な自励発振特性を維持するためには
Ｅｇ0−０．１５ｅＶ≦Ｅｇ2≦Ｅｇ0＋０．０２ｅＶ
であることが望ましく、レーザ光を適切に吸収することができる。第１の層８のＩｎの含有率をＩｎ(x)1、第３の層６のＩｎの含有率をＩｎ(x)3としたとき、
Ｉｎ(x)1＜Ｉｎ(x)2
Ｉｎ(x)3＜Ｉｎ(x)2
であると、良好な自励発振特性を維持する上で好ましい。
【００３３】
また、第１の層８の実質的なバンドギャップをＥｇ1、活性層の実質的なバンドギャップをＥｇ0として、活性層のキャリア閉じ込めのために
Ｅｇ1＞Ｅｇ0
であるとよい。
【００３４】
また実施の形態１における第２の層の層厚Ｌ2は
０．５ｎｍ≦Ｌ2≦５ｎｍ
であれば良好な自励発振特性が期待できる。第２の層が５ｎｍ以上ではエレクトロンとホールの空間的な分布の重なりが減るために、量子効果が弱まり微分ゲインが小さくなると考えられる。また０．５ｎｍ以下でＩｎＧａＮ層を形成すると、Ｉｎの原子半径がＧａおよびＮよりも大きいために平坦性が悪化し、微分ゲインが小さくなると考えられる。
【００３５】
次に第２の層の位置を変更する。第２の層の最上部（ｐ電極側）から活性層の最下部（ｎ電極側の井戸層の端）までの距離をＬ1として調べた。その結果
Ｌ1＜２０ｎｍ
では電流注入時に第２の層からの自然放出光（ＥＬ：エレクトロルミネッセンス）が観測された。通常、ｎ-ＩｎＧａＮ第３の層６およびｎ-ＩｎＧａＮ第１の層８においてホールの移動度は低いが、この範囲では注入されるホールが第２の層７に注入されてしまうようである。これにより閾値が上昇するため、Ｌ1は
Ｌ1≧２０ｎｍ
が望ましい。一方、第２の層と活性層の間隔を広くしていくと、第２の層の光閉じ込め係数が小さくなるため光子密度の時間的な変調作用が弱まり、自励発振しにくくなる。そのため
Ｌ1＜２００ｎｍ
であることが望ましい。
【００３６】
次にｎ-ＩｎＧａＮ第３の層６および、ｎ-ＩｎＧａＮ第１の層８の成長条件を検討する。第２の層７および活性層９の成長温度を固定してｎ-ＩｎＧａＮ下部第３の層６および、ｎ-ＩｎＧａＮ第１の層８の成長温度を変更した。下部ガイド層の成長開始から活性層の成長開始までの成長温度の変化をΔＴとして定義すると、温度差ΔＴが
ΔＴ＞８０℃
になると、自然放出光の半値全幅が増大し、図３のように４４０ｎｍ以上の発光成分がみられる。この成分は活性層のバンドテールか、Ｉｎの組成揺らぎの影響と考えている。また、発光強度が低下する。このため、
ΔＴ≦８０℃
が望ましい。
【００３７】
ここで言う下部ガイド層とは、下部グラッド層４と活性層９の間に挟まれた層であり、ｎ−ＧａＮガイド層を有するときは、ｎ−ＧａＮガイド層５と活性層９の間に挟まれた層である。また、ＩｎとＧａを主に含有する層であって、第３の層、第２の層、第１の層を含む。ただし、第３の層が省かれている場合には第２の層、第１の層が下部ガイド層である。
【００３８】
第２の層７および活性層９の成長温度を高くした場合、先の温度差の範囲内でも自然放出光の半値幅が増大することがわかる。検討したところ下部ガイド層の成長開始から活性層の成長開始までの各層の成長温度Ｔは
Ｔ≦８３０℃
であることが望ましい。ここで、成長温度とは、成長時のウェハの温度のことである。ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層などｎガイド層と基板の間の層構造が変わっても本発明の効果は期待できる。また、ｎ-ＩｎＧａＮ第３の層６、ｎ-ＩｎＧａＮｎ第２の層７、ｎ‐ＩｎＧａＮ第１の層８に含まれる不純物が異なっていても、ｎ型の特性であれば本発明の効果は期待できる。さらに、ｎ-ＩｎＧａＮ第３の層６およびｎ‐ＩｎＧａＮ第１の層８からＩｎを除いた場合でも、ｎ-ＩｎＧａＮ第２の層７により自然放出光の半値全幅、発光効率の向上が期待できるが、本発明の構造よりは悪化する。
【００３９】
実施の形態１ではＧａＮ基板を用いているが、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｒＢ2などの基板であってもその効果は期待できる。通常これらの基板を用いる場合には基板上にバッファ層があり、その上にＡｌとＧａとを含有するｎ型窒化物層を設ける。
【００４０】
次に第２の層７を多重量子井戸構造にすると、このように製作された窒化物半導体レーザは閾値以下で動作させたときの自然放出光スペクトルが単峰的であって、光出力５ｍＷでＲＩＮ＜‐１２５ｄＢ／Ｈｚが期待される。また自励発振特性が安定に得られる。図４は本構造におけるエネルギーレベルを示す図である。
【００４１】
多重量子井戸からなる第２の層４０７の実質的なバンドギャップＥｇ2`、井戸層のＩｎの含有率をＩｎ(x)2`とすると
Ｅｇ0−０．１５ｅＶ＜Ｅｇ2`＜Ｅｇ0＋０．０２ｅＶ
かつ
Ｉｎ(x)0−０．１０＜Ｉｎ(x)2`＜Ｉｎ(x)0＋０．１０
であって、第１の層４０８のバンドギャップＥｇ1、第３の層４０６のバンドギャップＥｇ3として、
Ｅｇ1＞Ｅｇ2`
Ｅｇ3＞Ｅｇ2`
であれば、良好な自励発振特性が得られる。ｎ型可飽和吸収層の最上部（ｐ電極側）から活性層の最下部（ｎ電極側の井戸層の端）までの距離をＬ1‘とすればＬ1‘＞２０ｎｍ
であるとよく、多重量子井戸のそれぞれの井戸層厚Ｌ2`は
０．５ｎｍ≦Ｌ2`≦５．０ｎｍ
であると、良好な自励発振特性が得られる点で望ましい。
【００４２】
本明細書における窒化物半導体レーザはリッジ構造を用いている。本構造ではリッジ部による電流狭窄と、作りつけの屈折率差により屈折率導波路構造をなしている。しかしながら、本発明の効果はリッジ構造に限ったものではなく、実施の形態１で記載している層構造であって、レーザ発振が得られていればよい。すなわち、図１において、ストライプ電極による利得導波路構造であったり、リッジ構造の絶縁層１４がＡｌとＧａ、あるいはＧａを主に含有する層からなる同一屈折率埋め込み構造であったり、ブロック構造であってもよく、公知の半導体レーザの光閉じ込め技術を適用することができる。ただし、第２の層の光閉じ込め係数が変化しないように各層の層厚を若干調整する必要があるが、実施の形態１で特に層厚を規定した層に関しては、その範囲に従うものとする。すなわち、第１の層８、第２の層７および第１の層６についてである。
【００４３】
またレーザ光の層構造に対して、水平方向の分布はリッジ幅に依存してあり、第２の層の可飽和吸収特性に影響する。しかしながら、前述のＬ2の範囲内にあれば最適な条件があり、本発明の効果は０．５μｍ〜８．０μｍ程度のリッジ幅（電流狭窄幅などを含む）であればよい。図５は半導体レーザをｐ電極上面から見た図である。図のようにリッジ幅が長手方向に少なくとも２通り以上ある、変調ストライプ構造であってもよい。このように可飽和吸収層を備える半導体レーザに変調ストライプ構造を設けると、リッジ幅が広い領域Ａと、リッジ幅が狭い領域Ｂがあって、領域Ａ下の可飽和吸収層における光子密度ＳA、領域Ｂ下の可飽和吸収層における光子密度ＳBとして
ＳA＞ＳB
であり、すなわち、領域Ａ下の可飽和吸収層は可飽和吸収しやすくなる。一方領域Ｂ下の可飽和吸収層は高出力まで可飽和吸収しにくいために、低出力から高出力まで自励発振する半導体レーザを得ることができる。
【００４４】
図６は半導体レーザを横方向から見た図である。図のように長手方向にリッジ脇の膜厚が少なくとも２通り以上ある半導体レーザであってもよい。リッジ脇の膜厚とはリッジ脇領域における活性層最上部から絶縁層までの距離である。このように製作された半導体レーザのうち、リッジ脇の膜厚が小さい領域Ｃと、リッジ脇の膜厚が大きい領域Ｄがあって、領域Ｃ下の可飽和吸収層における光子密度ＳC、領域Ｄ下の可飽和吸収層における光子密度ＳDとして
ＳC＞ＳD
であり、すなわち、領域Ｃ下の可飽和吸収層は可飽和吸収しやすくなる。一方領域Ｄ下の可飽和吸収層は高出力まで可飽和吸収しにくいために、低出力から高出力まで自励発振する半導体レーザを得ることができる。図５および図６に用いたレーザ構造はともにストライプ長手方向に光分布の異なる領域があって、それぞれの領域で可飽和吸収層の光子密度が異なる特徴をもっている。本特性を有する構造はすべて良好な自励発振レーザとして用いることができる。
【００４５】
実施の形態１の効果は多重量子井戸活性層の井戸層数が１から１０であって、ひとつの井戸幅が1から１０ｎｍであればよく、つぎに記載する実施の形態２〜１０においても同様である。
【００４６】
実施の形態２
実施の形態２では実施の形態１において、第２の層の近辺の成長条件を検討する。まず、実施の形態１において、図１に示すようにｎ−ＩｎＧａＮ第３の層６の層厚Ｌ3を２０ｎｍより厚くすると、製作された窒化物半導体レーザは自励発振するものの、自励発振の観測される光出力の範囲が狭くなる。このような現象を生じる理由はいくつか考えられるが、今回のケースにおいては第２の層７におけるキャリア寿命が長くなったのではないかと考えられる。すなわち、０＜Ｌ 3≦２０ｎｍであって、第３の層は上面は第２の層に隣接し、下面はＡｌとＧａを主に含む層、あるいはＧａを主に含む層と隣接していれば良好な自励発振が得られる。
【００４７】
ところでｎ−ＩｎＧａＮ第３の層６にはｐ型の不純物あわせて添加してもよい。これによりレーザ光を吸収して第２の層に生成したキャリアが第３の層にトンネリングしやすく、第２の層のキャリア寿命を短くすることができる。
【００４８】
実施の形態３
実施の形態３では実施の形態１におけるｎ−ＧａＮガイド層を省略した構造を検討する。図７（ａ）は半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。また図７（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。ｎ−ＧａＮガイド層は光の伝播モードに影響しており、活性層の閉じ込め係数を左右している。特にｎ−ＩｎＧａＮ第３の層７０６のＩｎの含有率、およびｎ−ＩｎＧａＮ第１の層７０８のＩｎ含有率が大きい場合には層構造にたいして垂直な光分布が基板側に移動しやすくなるため、ｎ−ＧａＮガイド層を薄くしたり省略するとよい。
【００４９】
このように製作された窒化物半導体レーザは閾値以下で動作させたときの自然放出光スペクトルが単峰的であって、光出力５ｍＷでＲＩＮ＜‐１２５ｄＢ／Ｈｚが期待される。また自励発振特性が安定に得られる。このように本発明で目的としている良好な雑音特性を得るには、ｎ−ＧａＮガイド層は省略してあってもよい。
【００５０】
実施の形態４
実施の形態４では実施の形態１におけるｎ−ＩｎＧａＮ第１の層のＩｎの含有率を変更した構造を検討する。図８（ａ）はｎ−ＩｎＧａＮ第１の層８０８のＩｎの含有率を下げた場合の半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図８（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。図９（ａ）はｎ−ＩｎＧａＮ第１の層９０８のＩｎの含有率を上げた場合の半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図９（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。図１０（ａ）はｎ−ＩｎＧａＮ第１の層１０８のＩｎの含有率が単一でなく、２つ以上のＩｎの含有率が異なる領域がある場合の半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図１０（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。図１１（ａ）はｎ−ＩｎＧａＮ第１の層１５８のＩｎの含有率が連続的に変化している場合の半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である図１１（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。
【００５１】
第１の層は活性層におけるキャリア閉じ込め効果を得るため、少なくとも
Ｅｇ0＜Ｅｇ1
であるが、望ましくは前記活性層の障壁層のＩｎの含有率Ｉｎ(x)0‘として
０＜Ｉｎ(x)0`−０．０２≦Ｉｎ(x)1≦Ｉｎ(x)0`＋０．０２
であるとよい。
【００５２】
このように製作された窒化物半導体レーザは閾値以下で動作させたときの自然放出光スペクトルが単峰的であって、光出力５ｍＷでＲＩＮ＜‐１２５ｄＢ／Ｈｚが期待される。ｎ−ＩｎＧａＮ第１の層は第２の層から活性層成長における成長過程において成長温度変化を極力抑えるためにＩｎをわずかに混晶させているため、その含有率は狭域に限定されるものではないが、上記範囲よりもＩｎの含有率が大きい場合には活性層へのキャリア閉じ込め効果が低下するため閾値上昇につながる。
【００５３】
実施の形態５
実施の形態５では実施の形態１における第３の層に、第３の層よりもＩｎの含有率が大きい第４の層を含有する場合を検討する。図１２（ａ）は半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図１２（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。
【００５４】
実施の形態１において第２の層は基板やｎ−ＡｌＧａＮクラッド層およびｎ−ＧａＮガイド層から活性層にかかる歪みを緩和する役割も果たしてあって、実施の形態５における第４の層２５０はその効果を助長するものである。また第４の層２５０を設けることにより、第２の層２５７にかかる歪みも緩和されるために、可飽和吸収層として機能する第２の層２５７は、微分ゲインが大きく、良好な自励発振特性をもたらす。なお第４の層２５０の実質的なバンドギャップは活性層の実質的なバンドギャップよりも大きく、レーザ光にたいする吸収係数は非常に小さい。
【００５５】
具体的には第４の層２５０の実質的なバンドギャップをＥｇ4、Ｉｎの含有率をＩｎ(x)4とした場合、
Ｅｇ0−０．０５ｅＶ＜Ｅｇ4
かつ
Ｉｎ(x)3＜Ｉｎ(x)4
かつ
Ｉｎ(x)0−０．１０＜Ｉｎ(x)4＜Ｉｎ(x)0＋０．１０
であればよい。
【００５６】
このように製作された窒化物半導体レーザは実施の形態１に対して、閾値以下の動作で観測される自然放出光の半値全幅の狭化を促進するものであり、安定な自励発振特性が期待される。なお、実施の形態５では第４の層２５０は単一量子井戸からなるが、多重量子井戸構造であったり、複数の実質的なバンドギャップの異なる層からなっていてもよく、その場合にはそれぞれの層が、Ｅｇ4とＩｎ(x)4からなる条件をみたしていればよい。
【００５７】
ところで、第４の層２５０は可飽和吸収層として機能している第２の層２５７の近傍に位置しているため、レーザ光を吸収して第２の層２５７に生成したキャリアが第４の層２５０へトンネリングすることが期待される。第４の層２５０のキャリア寿命が短い場合には、すなわち第２の層２５７のキャリア寿命を短くできるために、自励発振しやすくなる。
【００５８】
第４の層のキャリア寿命を短くする方法として、たとえば不純物の添加量を変更したり、成長温度を下げたりするとよい。第４の層の不純物を１×１０16ｃｍ-3以下にすると、第４の層の結晶性が低下し、非輻射再結合が増大するためキャリア寿命が短くなる。一方第４の層の不純物濃度を１×１０20ｃｍ-3以上にすると、輻射遷移確率が上がるほか、結晶性が低下し、総じてキャリア寿命が短くなる。このように第４の層と第２の層の不純物濃度を変えることで、第２の層のキャリア寿命を短くすることができるため、良好な自励発振特性が得られる。
【００５９】
第４の層のキャリア寿命を短くする方法として、たとえば第４の層の成長温度を第２の層の成長温度以下にするとよい。特に活性層の発光効率を高くするために条件出しされた成長温度に対して、少なくとも２０℃以上下げることで第４の層の結晶性が低下するため、キャリア寿命が短くなる。これにより第２の層のキャリア寿命を短くすることができるため、良好な自励発振特性が得られる。
【００６０】
第４の層のキャリア寿命を短くする方法として、ｎ型の不純物に加えて、ｐ型の不純物を同時に少量添加してあってもよい。これにより第４の層のキャリア寿命が短くなり、良好な自励発振特性が得られる。
【００６１】
実施の形態６
実施の形態６は実施の形態５における第４の層を可飽和吸収層として用いる場合について検討する。図１３は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。第４の層３５０を可飽和吸収層として用いることで、第２の層と合わせて吸収特性を制御しやすい。一方、第２の層と第４の層で吸収特性を変えることで、低出力から高出力まで自励発振する窒化物半導体レーザが得られる。なお、可飽和吸収層として機能する第４の層は、実施の形態１に記載の第２の層に従う。
【００６２】
実施の形態７
実施の形態７では実施の形態１における第１の層と、第２の層の間に、活性層側から順に、第１の層よりもＩｎの含有率が大きい第５の層を積層し、さらに第５の層および第２の層よりもＩｎの含有率が小さい第６の層を積層する場合について検討する。図１４（ａ）は半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図１４（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。
【００６３】
実施の形態１において第２の層は基板やｎ−ＡｌＧａＮクラッド層およびｎ−ＧａＮガイド層から活性層にかかる歪みを緩和する役割も果たしていて、実施の形態７における第５の層４７１はその効果を助長するものである。なお第５の層４７１の実質的なバンドギャップは活性層の実質的なバンドギャップよりも大きく、レーザ光にたいする吸収係数は非常に小さい。
【００６４】
具体的には第５の層４７１の実質的なバンドギャップをＥｇ5、Ｉｎの含有率をＩｎ(x)5とした場合、
Ｅｇ0−０．０５ｅＶ＜Ｅｇ5
かつ
Ｉｎ(x)1＜Ｉｎ(x)5
かつ
Ｉｎ(x)6＜Ｉｎ(x)5
かつ
Ｉｎ(x)0−０．１０＜Ｉｎ(x)5＜Ｉｎ(x)0＋０．１０
であればよい。
【００６５】
このように製作された窒化物半導体レーザは実施の形態１に対して、閾値以下の動作で観測される自然放出光の半値全幅の狭化を促進するものであり、安定な自励発振特性が期待される。なお、実施の形態７では第５の層４７１は単一量子井戸からなるが、多重量子井戸構造であったり、複数の実質的なバンドギャップの異なる層からなっていてもよく、その場合にはそれぞれの層がＥｇ5とＩｎ(x)5からなる条件をみたしていればよい。
【００６６】
次に第５の層の位置を変更する。第５の層の最上部（ｐ電極側）から活性層最下部（ｎ電極側の井戸層の端）までの距離をＬ5として調べると、
Ｌ5＜２０ｎｍ
では電流注入時に第５の層からの自然放出光（ＥＬ：エレクトロルミネッセンス）が観測される。通常、ｎ-ＩｎＧａＮ第１の層４５８においてホールの移動度は低いが、その範囲では注入されるホールが第５の層４７１に注入されてしまうようである。これにより閾値が上昇するため、前記Ｌ5は
Ｌ5≧２０ｎｍ
が望ましい。一方、第６の層４７２は、第５の層４７１および第２の層４５７よりもＩｎの含有率が少ないものが好ましい。このように製作された窒化物半導体レーザは実施の形態１に対して、より安定な自励発振特性が期待される。
【００６７】
ところで、第５の層４７１は可飽和吸収層として機能している第２の層４５７の近傍に位置しているため、レーザ光を吸収して第２の層４５７に生成したキャリアが第５の層４７１へトンネリングすることが期待される。第５の層４７１のキャリア寿命が短い場合には、すなわち第２の層４５７のキャリア寿命を短くできるために、自励発振しやすくなる。
【００６８】
第５の層のキャリア寿命を短くする方法として、たとえば不純物の添加量を変更したり、成長温度を下げたりするとよい。第５の層の不純物を１×１０16ｃｍ-3以下にすると、第５の層の結晶性が低下し、非輻射再結合が増大するためキャリア寿命が短くなる。一方第５の層の不純物濃度を１×１０20ｃｍ-3以上にすると、輻射遷移確率が上がるほか、結晶性が低下し、総じてキャリア寿命が短くなる。このように第５の層と第２の層の不純物濃度を変えることで、第２の層のキャリア寿命を短くすることができるため、良好な自励発振特性が得られる。
【００６９】
第５の層のキャリア寿命を短くする方法として、たとえば第５の層の成長温度を第２の層の成長温度以下に下げるとよい。特に活性層の発光効率を高くするために条件出しされた成長温度に対して、少なくとも２０℃以上下げることで第５の層の結晶性が低下するため、キャリア寿命が短くなる。これにより第２の層のキャリア寿命を短くすることができるため、良好な自励発振特性が得られる。
【００７０】
第５の層のキャリア寿命を短くする方法として、ｎ型の不純物に加えて、ｐ型の不純物を同時に少量添加してあってもよい。これにより第５の層のキャリア寿命が短くなり、良好な自励発振特性が得られる。
【００７１】
実施の形態８
実施の形態８は実施の形態７における第５の層を可飽和吸収層として用いる場合について検討する。図１５は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。第５の層５７１を可飽和吸収層として用いることで、第２の層５５７と合わせて吸収特性を制御しやすい。一方、第２の層５５７と第５の層５７１で吸収特性を変えることで、低出力から高出力まで自励発振する窒化物半導体レーザが得られる。なお、可飽和吸収層として機能する第５の層は実施の形態１に記載の第２の層に従う。
【００７２】
実施の形態９
実施の形態９は、実施の形態１において活性層とｐ型キャリアブロック層の間にｐ−ＩｎＧａＮ第７の層を設ける場合について検討する。すなわち、図１６に示すように、第７の層６７３を活性層６５９の上部に活性層６５９に隣接して成長させる。図１６（ａ）は半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図１６（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。
【００７３】
実施の形態１にしたがった構造では活性層下部のガイド層はＩｎとＧａを主に含有する層からなり、活性層上部のガイド層はＧａを主に含有する層からなるため、両者の屈折率が異なり、後者のガイド層のほうが低屈折率層になっている。このような非対称ガイド層によって垂直方向の光分布は基板側に引っ張られる。光分布の中心が活性層位置からずれると活性層の光閉じ込め係数が小さくなるため、発振閾値が上昇する。一方活性層下部に設けられたｎ型可飽和吸収層の光閉じ込め係数は大きくしやすいため光子密度の変調が大きくなると考えられる。実施の形態９では閾値上昇の問題を解決すべく、垂直方向の光分布の検討をした。その結果、上述したような第７の層６７３を設けることで、活性層６５９を垂直方向の光分布中心に近づけることが可能になり、閾値を低減できる。第７の層６７３はホールの移動度を高くする方がよく、Ｍｇなどのｐ型不純物を添加すると効果的である。しかしながら、第７の層６７３はｎ型あるいはノンドープ層であっても効果は期待できる。
【００７４】
一方、ｐ型キャリアブロック層成長後に、基板温度を下げ、ＩｎとＧａを含有するｐ型窒化物層を設けると、閾値以下で動作させたときの自然放出光の半値全幅が広がったり、単峰的なスペクトルにならず、閾値が上昇する。活性層成長後の温度履歴により活性層にＩｎの偏析が生じたためと思われる。
【００７５】
実施の形態１０
実施の形態１０は実施の形態１において、第２の層の近辺にあるｎ−ＩｎＧａＮ第３の層を成長する過程で、成長を中断して熱履歴を与える場合について検討する。
【００７６】
成長中断された層の表面（以下、「成長中断界面」という。）はＩｎが偏析しやすく、非輻射再結合確率が増加する。成長中断時の温度変化は降温後に昇温してもよく、昇温後に降温してもよく、いくつかの温度変化をともなってもよい。また前述の効果より悪くなるが、温度一定のまま中断してもよい。また中断時間は６０秒に限らない。成長中断時には少なくともＩＩＩ族原料がほとんど流れていなければよく、たとえば不純物原料は流してあっても、停止してあってもよい。またＶ族原料も流してあっても、停止してあってもよい。
【００７７】
次に第２の層と成長中断界面の距離Ｌ4について検討する。ここで言う距離とは成長中断後に積層され、第２の層に含まれる最も下部までの層厚である。その結果、Ｌ4は０ｎｍ〜２０ｎｍが望ましく、２ｎｍ〜１０ｎｍがより望ましい。また、成長中断界面は少なくとも１つあることが好ましい。
【００７８】
次に成長中断界面を第２の層の上部に設ける。その結果、同様な効果が期待され、ｎ型可飽和吸収層に含まれる最も上部から成長中断界面までの距離は０ｎｍ〜２０ｎｍが好ましく、２ｎｍ〜１０ｎｍがより好ましい。
【００７９】
実施の形態２〜１０においては実施の形態１に、それぞれ特徴ある構成になっているが、これらが複合されていてもそれぞれの効果が競合することはなく、本明細書に記載の効果が期待される。
【００８０】
【実施例】
実施例１
まず、ＭＯＣＶＤ装置にＧａＮ基板をセットし、Ｖ族原料のＮＨ3とＩＩＩ族原料のＴＭＧａを用いて、５５０℃の成長温度で、図１（ａ）に示すように、低温ＧａＮバッファ層を２５ｎｍ成長させた。次に、１０７５℃の成長温度で原料にＳｉＨ4を加え、ｎ−ＧａＮ基板２上にｎ−ＧａＮ層３（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）を３μｍ形成した。続いて、ＩＩＩ族原料のＴＭＡｌを用いて、０．９５μｍ厚のｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）、続いてｎ−ＧａＮガイド層５を０．０５μｍ成長させた。
【００８１】
その後、基板温度を７２５℃に下げ、ｎ-Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ第３の層６（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）を４ｎｍ成長させ、ほぼ温度一定のまま、ｎ-Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ第２の層７を４ｎｍ、つぎにｎ-Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ第１の層８（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）を４６ｎｍ成長させた。ｎ型可飽和吸収層成長後に１秒以上１８０秒以内の成長中断を行なっても良い。このことにより各層の平坦性の向上が期待できる。前記第２の層７は可飽和吸収層として機能した。
【００８２】
つづいて、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層により構成される活性層（多重量子井戸構造）９を井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長させた。障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に１秒以上１８０秒以内の成長中断を行なっても良い。このことにより各層の平坦性が向上し発光半値幅が減少する。
【００８３】
次に基板温度を再び１０５０℃まで昇温して、厚み１８ｎｍのｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０、０．１μｍのｐ−ＧａＮガイド層１１を成長させた。なお、ｐ型不純物としては、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3添加した。続いて基板温度を１０５０℃のままにして、０．５μｍのｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１２、０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層１３を成長させた。ｐ型不純物としては、同様にＭｇを１×１０20／ｃｍ3添加した。また、各層を構成する元素およびドープ元素の各原料には、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＴＭＩｎ、ＮＨ3、Ｃｐ２Ｍｇ、ＳｉＨ4を用いた。
【００８４】
ｐ−ＧａＮコンタクト層１３形成後、ドライエッチングによりリッジ構造を形成し、ＳｉＯ2からなる絶縁層１４上面にｐ電極１５（Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ）を形成した。その後、ＧａＮ基板２の裏面側から研磨もしくはエッチングにより基板の一部を除去しウェハの厚みを１２０μｍに調整した。ウェハの厚みは１００μｍ〜２００μｍ程度に薄く調整するのが好ましい。これは後の工程でウェハを分割し個々のレーザチップにするのを容易にするためである。特にレーザ端面ミラーも分割時に形成する場合には８０〜１５０μｍ程度に薄く調整することが望ましい。なお、研磨機のみでもよい。なお、ウェハの裏面は研磨機により磨かれているため平らであった。
【００８５】
研磨後、ＧａＮ基板２の裏面に薄い金属膜を蒸着し、ｎ電極１を得た。ｎ電極１はＨｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕの層構造よりなるものを用いた。このような薄い金属膜を膜厚の制御性よく形成するには真空蒸着法が適しており、本実施例においてもこの手法を用いた。ｐ、ｎの各電極特性向上のため金属膜形成後５００℃でアニールを行ない良好なオーミック電極を得た。なおアニールはｐ電極形成後、およびｎ電極形成後にそれぞれ行なってもよく、またｎ電極におけるＡｌ形成後に行なった後、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕを形成してもよい。
【００８６】
このように制作された半導体素子をつぎのように分割した。まず表面からダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れウェハに適宜力を入れ、スクライブラインに沿ってウェハを分割した。スクライブラインは裏面から入れてもよい。他の手法としてはワイヤソーもしくは薄板ブレードを用いて傷入れもしくは切断を行なうダイシング法、エキシマレーザなどのレーザ光の照射加熱とその後の急冷により照射部にクラックを生じさせ、これをスクライブラインとするレーザスクライビング法、高エネルギー密度のレーザ光を照射し、この部分を蒸発させて溝入れ加工を行なうレーザアブレーション法などを用いても同様にチップ分割可能であった。
【００８７】
分割後ファブリペロー共振器をなす端面に誘電体の多層膜を設けて反射率を変えた。このような反射膜はシステムに応じて形成されるものであり、一概に定まるものではないが、一般的に後面は８０％以上の後反射膜が望ましい。特に後面のさらに後ろに光出力を検出する受光素子が設けられていない場合には９０％以上の反射膜を設けるとよい。これにより半導体レーザ内の光子密度が向上するため発振閾値が低下する。このような高反射膜は低屈折率と高屈折率の材質を交互に４/λの層厚で形成すればよく、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2などがよく用いられている。ところで内部光子密度が上がりすぎるとｎ型可飽和吸収層が可飽和状態になりやすいために出射面側の端面の反射率を落としても良い。しかしながら高反射膜と比較して波長分散の少ない低反射膜を設計することは難しく、特に４０５ｎｍ近辺の波長においては上述の誘電体にＳｉＯやＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合体などを加えた少なくとも３つ以上の材質からなる多層膜を設けることで設計が容易になる。特に高出力時の自励発振特性を得るためには前面の反射膜を検討するとよい。一方で、低出力の雑音特性に注目すれば劈界面からなる端面の反射率２２％程度を若干高くすることも有益であって５０％以下の前面反射膜を設けるとよい。
【００８８】
次にダイボンディング法により、レーザチップをヒートシンク上にマウントし半導体レーザ装置を得た。チップはｎ電極側を接合面にするジャンクアップで強固に接着した。ここでいうヒートシンクはステムなどのことである。なお、ｐ電極側を接合面とするジャンクションダウンであってもよく、その場合にはｐ電極構造がＰｄ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕであったり、Ｐｄ／Ｍｏ／Ｎｉ／Ａｕなどであるとよい。
【００８９】
このように製作された窒化物半導体レーザの諸特性を調べた。窒化物半導体レーザの共振器長は５００μｍ、ストライプ幅１．５μｍとした。室温２５℃において閾値３５ｍＡで連続発振し、発振波長４０５±５ｎｍであった。ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）を調べた結果、積層面に対して水平方向、垂直方向ともに基本モードで発振していた。次に光帰還をともなう系で雑音測定を行なった。このような光帰還をともなう系は、一般的に光ディスクシステムなどの光情報記録装置で見られ、図２は擬似的にこれらの系を再現したものである。光帰還をともなう系では出射されたレーザ光が戻り光として再び半導体レーザに結合する現象に起因する雑音（通常戻り光雑音と呼ばれる。）が支配的であり、システムの雑音評価は相対強度雑音（ＲＩＮ）を用いた。一般的にＲＩＮ＜−１２５ｄＢ／Ｈｚが良好なシステムの基準となっている。
【００９０】
図２に示すように、半導体レーザ２０１から出射されたレーザ光はレンズ２０４でコリメートされ、ハーフミラー２０３で２ビームに分岐される。透過光はＮＤフィルター２０６、レンズ２０５を経て、反射鏡２０２に集光される。反射鏡は光ディスクなどと等価であり、反射率はＮＤフィルターで変更できる。反射光はこの光路を帰還し、半導体レーザ２０１に集光される。このように雑音測定器は光ディスクに半導体レーザを搭載したシステムを置き換えたものであり、戻り光雑音を含んだ相対強度雑音を測定できる。なお光出力は受光素子２０７で観測した。このような雑音測定器を用いて窒化物半導体レーザを評価した。その結果、光出力５ｍＷにおいてＲＩＮ＜‐１３０ｄＢ／Ｈｚが得られた。またレーザ光を高速のディテクターを用いて観測したところ、周期的に変動していた。
【００９１】
閾値以下で、本素子を動作させ自然放出光のスペクトルを観測した。自然放出光の半値全幅を調べたところ１４．５ｎｍであり、単峰的なスペクトル形状であった。たとえば活性層に歪みあるいは熱履歴によるＩｎの組成揺らぎなどがある場合、前述のような閾値以下で動作させたときの自然放出光のスペクトル形状が単峰的にならず、たとえば４２０ｎｍから４４０ｎｍ付近にサブピークが生じることがある。このような活性層においては、誘導放出への励起キャリアの結合が弱く、微分ゲインが小さくなると考えられる。活性層の微分ゲインが小さい場合には、レーザ発振している光子密度の時間微分が小さくなるために自励発振しにくくなり、自励発振時の光子密度の変調量が小さく、振動周波数が変化するなどの現象が想定される。システムを考慮した雑音では自励発振時の光子密度の変調量や振動周波数が適当な許容範囲を持つことは容易に考えられ、これらのパラメータが安定に成長できる構造が望ましい。
【００９２】
比較例１
実施の形態１においてｎ‐ＩｎＧａＮ第１の層８をｎ−ＧａＮに変更し、成長温度を１０５０℃とした。その結果、室温２５℃において４２ｍＡで連続発振し、閾値以下で動作させたところ自然放出光の半値全幅は１７ｎｍであった。またいくつかの素子で観測したところ自然放出光スペクトルが単峰的でないものも見られた。このように製作された窒化物半導体レーザの雑音特性にはばらつきが多く、雑音測定器で評価したところＲＩＮ＜‐１２５ｄＢ/Ｈｚを満足する素子の歩留りが低下した。
【００９３】
実施例２
実施例１において、ｎ−ＧａＮガイド層５の成長後、基板温度を７２５℃に下げ、ｎ-Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ第３の層（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）を１６ｎｍ成長したところで成長を中断して、基板温度を９００℃まで昇温し、すぐに７２５℃まで降温した。昇温開始から降温終了までの時間は約６０秒であった。その後、ｎ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎを４ｎｍ成長してｎ-Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ第３の層を２０ｎｍ得た以外は、実施例１と同様にして、発光素子を得た。得られた発光素子は実施例１と比較して、自励発振の見られる光出力の範囲が広くなった。第２の層７に生成したキャリアがトンネル効果により成長中断界面から緩和したものと考えられた。
【００９４】
今回開示された実施の形態および実施例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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。
【００９５】
【発明の効果】
光出力が安定で、良好な自励発振特性を有する窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の半導体発光素子を示す図である。
【図２】 雑音測定に使用する試験機を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態１の半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。
【図４】 本発明の実施の形態１の可飽和吸収層が多重量子井戸の場合のエネルギーレベルを示す図である。
【図５】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の一例を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の一例を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態３の半導体発光素子を示す図である。
【図８】 本発明の実施の形態４の半導体発光素子を示す図である。
【図９】 本発明の実施の形態４の半導体発光素子を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４の半導体発光素子を示す図である。
【図１１】 本発明の実施の形態４の半導体発光素子を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態５の半導体発光素子を示す図である。
【図１３】 本発明の実施の形態６の半導体発光素子を示す図である。
【図１４】 本発明の実施の形態７の半導体発光素子を示す図である。
【図１５】 本発明の実施の形態８の半導体発光素子を示す図である。
【図１６】 本発明の実施の形態９の半導体発光素子を示す図である。
【図１７】 従来の半導体発光素子を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ電極、２ ｎ−ＧａＮ基板、３ ｎ‐ＧａＮ層、４ ｎ‐ＡｌＧａＮクラッド層、５ ｎ‐ＧａＮガイド層、６ 第３の層、７ 第２の層、８ 第１の層、９ ｎ‐ＩｎＧａＮ活性層、１０ ｐ‐ＡｌＧａＮキャリアブロック層、１１ ｐ‐ＧａＮガイド層、１２ ｐ‐ＡｌＧａＮクラッド層、１３ ｐ‐ＧａＮコンタクト層、１４ 絶縁層、１５ ｐ電極、２５０ 第４の層、４７１ 第５の層、４７２ 第６の層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、自励発振特性を有する窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体レーザは発振波長が４００ｎｍ前後であり、光ディスクシステム用として開発が進められている。光ディスクシステムなどの光源として用いる場合、ディスク面からの反射光が半導体レーザに再結合して生じる戻り光雑音が問題になっている。一般的に半導体レーザのキャリア密度を過渡状態にして、発振スペクトルの利得集中を緩和することで可干渉性を下げることが知られており、注入電流を変調する高周波重畳や、半導体レーザ内部のキャリアと光子の相互作用を用いて自励発振を行なうとよい。特に高周波回路を用いないため、後者の自励発振素子の方がコスト面や使い勝手において有利である。
【０００３】
このような自励発振特性を有する窒化物半導体レーザはたとえば特開平９−１９１１６０号公報に紹介されている（特許文献１参照）。このレーザは、図１７に示すように光ディスク用低雑音半導体レーザであり、ＩｎＧａＮを構成元素とした可飽和吸収層を有することで安定な低雑音半導体レーザを提供しており、構造はつぎのとおりである。
【０００４】
図１７において７００はｎ型ＳｉＣ基板に、ｎ型ＡｌＮ層７０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層７０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層７０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層７０４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層７０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層７０７が順次形成されている。またｐ型ＧａＮ光ガイド層７０５にはＩｎＧａＮ可飽和吸収層７０８が設けられている。
【０００５】
また特開平９−１９１１６０号公報には、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層がｎ型ＧａＮガイド層７０３にあってもよいと記載している。窒化物半導体レーザでは基板と活性層の間（以下、「活性層下部層」という。）はｎ型であって、活性層上部層はｐ型であることが一般的である。可飽和吸収層にはｎ層中に設けるｎ型可飽和吸収層およびｐ層中に設けるｐ型可飽和吸収層がある。
【０００６】
ところで窒化物半導体レーザはＡｌとＧａを主に含有するクラッド層と、活性層はＩｎとＧａを主に含有する層からなり、レーザ光を吸収する可飽和吸収層もＩｎとＧａを主に含有する層からなる。ＡｌとＧａを含有する層、あるいはＧａを主に含有する層の成長温度はＩｎとＧａを主に含有する層に比べて、通常１００℃以上高く、場合によっては３００℃近く高い場合もある。そのため一連のエピタキシャル成長中の温度変化が大きい特徴がある。このような温度変化は活性層の状態を悪化させ、Ｉｎの偏析などを促進することがあるため、可飽和吸収層を設ける場合には成長手順に十分注意する必要がある。
【０００７】
活性層のＩｎの偏析が生じると、ゲインの悪化が生じるため自励発振しにくくなる。また、先例に従った構造では一部に自励発振しなくなるか、あるいは自励発振の観測される光出力が安定しない。さらに、特開平９−１９１１６０号公報においても、ＩｎＧａＮ活性層とＩｎＧａＮ可飽和吸収層の間にはＧａＮ層あるいはＡｌＧａＮ層が設けられるため、熱履歴による悪影響が生じやすい。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１９１１６０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光出力が安定で、良好な自励発振特性を備える窒化物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】
本発明は、ＩＩＩ族元素としてＡｌとＧａとを主に含有する窒化物半導体からなる下部クラッド層と、ＩＩＩ族元素としてＩｎとＧａとを主に含有する窒化物半導体を含む活性層とを基板上に順に設けた窒化物半導体レーザにおいて、下部クラッド層と活性層との間に、ＩＩＩ族元素としてＩｎとＧａとを主に含有する窒化物半導体からなる下部ガイド層を備え、該下部ガイド層は、活性層の側から順に第１の層と第２の層とを有し、該第２の層は可飽和吸収層として機能し、前記第２の層のＩｎの含有率は、前記第１の層のＩｎの含有率より大きく、かつ前記第２の層から活性層までの距離Ｌ１は、２０ｎｍ≦Ｌ１＜２００ｎｍであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体発光素子は、下部クラッド層と活性層との間に、ＩｎとＧａとを含有する窒化物半導体からなる下部ガイド層を備え、下部ガイド層は、活性層の側から順に第１の層と第２の層とを有し、第２の層は可飽和吸収層として機能し、第２の層のＩｎの含有率は、第１の層のＩｎの含有率より大きい。かかる構成により、活性層およびｎ型可飽和吸収層の特性を安定させ、自励発振特性を良化させることが可能となる。
【００１２】
良好な自励発振を得るためには可飽和吸収層が適当であること、活性層が適当であることが必要である。ここで適当な特性とは微分ゲインが大きく、かつキャリア寿命が最適であり、可飽和吸収層においては０．２ｎｓから１．０ｎｓ程度、活性層においては１．０ｎｓから３．０ｎｓである。これらの性質はＧａＡｓなどの他の材質の半導体レーザと大きく変わることはないが、このような特性を得るための成長方法および層構成において窒化物半導体で別途検討する必要がある。
【００１３】
活性層はＩｎとＧａを主に含有し、エピタキシャル成長温度はおよそ６５０℃〜８５０℃程度であり、一般的に活性層に隣接する層はＡｌとＧａ、あるいはＧａを主に含有し、エピタキシャル成長温度は９００℃以上であることが多く、本明細書においても１０７５℃で実施している。なお本明細書における「主に含有している」とは、記載された原料が少なくとも９９％含まれており、添加される不純物が異なっていてもよく、活性層に１％以下のＡｌが混在していてもよいことを意味する。
【００１４】
ところで活性層とは発光に寄与している層を示し、量子井戸では電子の広がりを考慮した層を示すことが本質的であるが、本明細書においては、特に記載しない限り井戸層のみであっても障壁層をも含んでいてもよい。またいくつかの量子井戸によって形成される多重量子井戸では両端に位置する井戸層から井戸層までであっても障壁層から障壁層までであってもよい。
【００１５】
活性層の特性を良好に保つためにはＧａ、あるいはＡｌとＧａを主に含有する層と格子定数の違いから生じる歪みの影響、および活性層成長後の温度変化、熱履歴の影響に注意する必要がある。一方、可飽和吸収層を良好に保つためには活性層に求められる条件に加えてキャリア寿命を短くする必要がある。
【００１６】
活性層の歪み削減には活性層下部層にバッファの役目をするガイド層を設けることが良く、ＩｎとＧａを主に含有する層であることが望ましい。特にガイド層内に活性層の井戸層のＩｎの含有率に近い層を挿入すると効果的である。また活性層成長後にはＡｌとＧａを主に含有するキャリアブロック層（Ａｌの含有率は０．１５以上、望ましくは０．２以上）があって、Ｇａを主に含有するｐ型ガイド層、ＡｌとＧａを主に含有するｐ型クラッド層、およびＧａを主に含有するｐ型コンタクト層が設けられる。これらの層は前述のように９００℃以上でエピタキシャル成長されることが多く、少なからず活性層の状態に変化を誘発すると考えられる。活性層などのＩｎを含有する窒化物層ではＩｎがエネルギー的に安定な偏析された状態になりやすく、活性層成長速度を適当にして層内でのＩｎの拡散を考慮したり、成長中に中断して積極的に偏析を調整したりする。一方、活性層成長後の温度変化も活性層の状態変化に寄与する虞があり、特に成長温度を激しく上下させるような工程は活性層の特性を維持するのが困難になるばかりでなく、悪化させる。
【００１７】
たとえばｐ型可飽和吸収層を挿入する場合には、ＩｎとＧａを主に含有する層であって、成長温度は６５０℃以上８５０℃以下である。ｐ型可飽和吸収層は、キャリアブロック層より上部に形成されるため活性層成長後にすくなくとも１回の降温過程が生じる。前述の理由によりｐ型可飽和吸収層を設ける窒化物半導体レーザにおいて、活性層を安定に成長することは非常に難しい。
【００１８】
本発明においてはｎ型可飽和吸収層を設ける窒化物半導体レーザであってｎ型可飽和吸収層近辺の層構造、ｎ型可飽和吸収層上部の層構造を詳細に検討することで良好な自励発振特性を得ることを可能とする。
【００１９】
具体的にはＧａＮ基板上にＡｌとＧａを主に含有するｎ型クラッド層があって、さらにＧａを主に含有するｎ型ガイド層が数十ｎｍ積層され、（ただしｎ型ガイド層は省略してあってもよい）、その後、成長温度を７３０℃程度に降温したのちＩｎとＧａを主に含有するｎ型可飽和吸収層を設ける。ｎ型可飽和吸収層の成長温度は６５０℃から８５０℃程度であればよい。ここで基板はＧａＮに限定されるものではなく、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｒＢ2などであってもよい。ただしこれらの基板であれば、それぞれｎ型クラッド層下部に適切な窒化物層が挿入される。
【００２０】
ｎ型可飽和吸収層成長から活性層成長までの過程において、極力成長温度変化を抑えることでｎ型可飽和吸収層のＩｎの偏析を防止できるため、ｎ型可飽和吸収層の微分ゲインは高く保たれる。そのため吸収により生成したキャリアに対応した吸収係数の変化を大きくできる。これによって窒化物半導体レーザは自励発振特性を得やすくなる。一方、ｎ型可飽和吸収層成長後の温度変化を極力抑え、ＩｎとＧａを主に含有する層を成長後に活性層を成長することによって、基板および活性層下部のＡｌとＧａを主に含有する層、あるいはＧａを主に含有する層から活性層がうけている歪みを緩和することができる。特にｎ型可飽和吸収層はＩｎの含有率が活性層とほぼ同様であって、活性層はより歪みの少ない条件で成長できる。
【００２１】
ところで活性層下部にＩｎの含有率が活性層とほぼ同様であって、レーザ光をほとんど吸収しない層をさらに設けると、より活性層のＩｎの偏析が緩和され、良好な自励発振特性が得られる。このような層はｎ型可飽和吸収層の上部でも下部でもよく、下部に設ける場合にはｎ型可飽和吸収層の特性向上も期待できる。
【００２２】
一方、ｎ型可飽和吸収層は吸収により生成したキャリアを速やかに緩和させることが望ましい。本発明においてはｎ型可飽和吸収層近辺に結晶性の悪い層を設けることで、吸収により生成したキャリアがトンネル効果により結晶性の悪い層から緩和することができる。具体的にはｎ型可飽和吸収層下部層において１００℃以上成長温度変化のある境界があって、境界よりも上層はｎ型可飽和吸収層とほぼ同様な成長温度からなる。ｎ型可飽和吸収層から１００℃以上高温成長された層は、ＡｌとＧａと主に含有する層とＧａを主に含有する層を示すものである。境界とｎ型可飽和吸収層との間隔を０ｎｍ〜２０ｎｍ、望ましくは２ｎｍ〜１０ｎｍとすることにより適当なキャリア寿命が期待される。本発明における窒化物半導体レーザでは、ｎ型可飽和吸収層に生成したホールおよびエレクトロンのうち、少数キャリアであるエレクトロンはトンネル効果により結晶性の悪い層、あるい境界から非輻射により緩和すると考えられる。
【００２３】
他方、ｎ型可飽和吸収層下部、あるいは上部におけるｎ型可飽和吸収層から０ｎｍ〜２０ｎｍ、望ましくは２ｎｍ〜１０ｎｍの位置で成長中断を行ない、さらに温度履歴を与えてもｎ型可飽和吸収層のキャリア寿命低減に効果が期待される。たとえばｎ型可飽和吸収層成長後に成長温度一定のまま、ＩｎとＧａを主に含有し、Ｉｎの含有率がｎ型可飽和吸収層よりも少ない層を上記の間隔分成長し、その後成長中断しながら基板温度を９００℃程度に上げ、再度７３０℃程度に降温する。その後ＩｎとＧａを主に含有し、Ｉｎの含有率がｎ型可飽和吸収層よりも少ない層を成長する。このような温度履歴の界面ではＩｎの偏析が起きやすく、結晶性が悪化するためにｎ型可飽和吸収層に生成したキャリアがトンネル効果により緩和しやすくなる。なお成長中断のみでも効果が期待できる。
【００２４】
また、前記活性層下部にＩｎの含有率が活性層とほぼ同様であって、レーザ光をほとんど吸収しない層をキャリアの緩和を促進する層として用いることもできる。このような用途に用いる場合には、不純物濃度を１×１０20ｃｍ-3以上にしたり、成長温度を下げるとよい。不純物濃度を高くすることで輻射遷移確率が高くなるが、前述のように過度に上げることで非輻射遷移確率の増加も期待される。一方不純物濃度を１×１０16ｃｍ-3以下にしても非輻射遷移確率の増加が期待され、ｎ型可飽和吸収層からトンネリングしたキャリアが緩和しやすくなる。
【００２５】
ところでｎ型可飽和吸収層から活性層までは成長温度変化を極力抑えているため、ＡｌとＧａを含有する層、あるいはＩｎが含まれなくＧａを主に含有する層を成長することが難しいため、窒化物半導体レーザに設けられる上下の電極から注入されるキャリアがｎ型可飽和吸収層に入ることを防止する必要がある。ＩｎとＧａを主に含有するｎ型の層におけるホールの移動度は低いため、ｎ型可飽和吸収層と活性層をすくなくとも２０ｎｍ以上離すとよい。ここで離間距離はｎ型可飽和吸収層の最上部の井戸層の層上部から活性層の最下部井戸層の最下部までの距離を示す。
【００２６】
さらに、活性層の特性改善のために活性層とキャリアブロック層の間にＩｎとＧａを主に含有するｐ型層があってもよく、活性層とほぼ同様の成長温度であることが望ましい。ｐ−ＩｎＧａＮ層を設けることで、活性層の光閉じ込め係数を大きくすることができる。本発明ではｎ側のみＩｎとＧａを主に含有するガイド層を設ける非対称ガイド層構造であるため、垂直方向の光分布の中心が活性層よりも基板側に移動しやすい。よって、活性層上部かつｐ型キャリアブロック層下部にＩｎとＧａを主に含有する層を設けると効果がある。この新たに挿入される層は望ましくはｐ型がよいが、ノンドープ層、あるいはｎ型であっても効果は期待できる。
【００２７】
なお本明細書内で「ｎ型可飽和吸収層から活性層までは成長温度変化を極力抑えている」とあるが、前述の成長中断時の温度変化は成長していないので矛盾していない。また、ｎ型可飽和吸収層の不純物濃度は一定であるが、不純物濃度を高くすると輻射遷移確率が増加するため良好な自励発振特性が得られる。
【００２８】
実施の形態１
図１（ａ）は実施の形態１における半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。基板側から説明すると、ｎ電極１、ｎ-ＧａＮ基板２、ｎ-ＧａＮ層３、ｎ‐ＡｌＧａＮクラッド層４、ｎ‐ＧａＮガイド層５、ｎ‐ＩｎＧａＮ第３の層６、ｎ‐ＩｎＧａＮ第２の層７、ｎ‐ＩｎＧａＮ第１の層８、ｎ‐ＩｎＧａＮ活性層９、ｐ‐ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０、ｐ‐ＧａＮガイド層１１、ｐ‐ＡｌＧａＮクラック層１２、ｐ‐ＧａＮコンタクト層１３、絶縁層１４、ｐ電極１５である。ｎ‐ＩｎＧａＮ活性層９は障壁層と井戸層からなり、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。図１（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。第３の層６と第１の層８のＩｎの含有率は同じにしている。
【００２９】
本明細書中で記載するエピタキシャル成長法とは、基板上に結晶膜を成長する方法であって、ＶＰＥ（気相エピタキシャル）法、ＣＶＤ（化学気相デポジション）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）法、Ｈａｌｉｄｅ−ＶＰＥ（ハロゲン化学気相エピタキシャル）法、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル）法、ＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシャル）法、ＧＳＭＢＥ（ガス原料分子線エピタキシャル）法、ＣＢＥ（化学ビームエピタキシャル）法を含む。
【００３０】
第２の層のＩｎの含有率を変更して自然放出光の半値全幅の変化を調べたところ、第２の層の実質的なバンドギャップＥｇ2が活性層の実質的なバンドギャップＥｇ0とほぼ同様のときもっとも半値全幅が狭くなることが分かる。実質的なバンドギャップはＰＬ（フォトルミネッセンス）測定で調べている。その結果活性層の特性向上に効果が見られる条件は
Ｅｇ0−０．３５ｅＶ≦Ｅｇ2≦Ｅｇ0＋０．３５ｅＶ
であればよい。
【００３１】
自然放出光の半値全幅と、第２の層のＩｎの含有率をＳＩＭＳにより測定して比較したところ、第２の層のＩｎの含有率をＩｎ(x)2、活性層のＩｎの含有率をＩｎ(x)0として、
Ｉｎ(x)0−０．１０≦Ｉｎ(x)2≦Ｉｎ(x)0＋０．１０
であれば活性層の特性向上に効果がある。
【００３２】
しかしながら良好な自励発振特性を維持するためには
Ｅｇ0−０．１５ｅＶ≦Ｅｇ2≦Ｅｇ0＋０．０２ｅＶ
であることが望ましく、レーザ光を適切に吸収することができる。第１の層８のＩｎの含有率をＩｎ(x)1、第３の層６のＩｎの含有率をＩｎ(x)3としたとき、
Ｉｎ(x)1＜Ｉｎ(x)2
Ｉｎ(x)3＜Ｉｎ(x)2
であると、良好な自励発振特性を維持する上で好ましい。
【００３３】
また、第１の層８の実質的なバンドギャップをＥｇ1、活性層の実質的なバンドギャップをＥｇ0として、活性層のキャリア閉じ込めのために
Ｅｇ1＞Ｅｇ0
であるとよい。
【００３４】
また実施の形態１における第２の層の層厚Ｌ2は
０．５ｎｍ≦Ｌ2≦５ｎｍ
であれば良好な自励発振特性が期待できる。第２の層が５ｎｍ以上ではエレクトロンとホールの空間的な分布の重なりが減るために、量子効果が弱まり微分ゲインが小さくなると考えられる。また０．５ｎｍ以下でＩｎＧａＮ層を形成すると、Ｉｎの原子半径がＧａおよびＮよりも大きいために平坦性が悪化し、微分ゲインが小さくなると考えられる。
【００３５】
次に第２の層の位置を変更する。第２の層の最上部（ｐ電極側）から活性層の最下部（ｎ電極側の井戸層の端）までの距離をＬ1として調べた。その結果
Ｌ1＜２０ｎｍ
では電流注入時に第２の層からの自然放出光（ＥＬ：エレクトロルミネッセンス）が観測された。通常、ｎ-ＩｎＧａＮ第３の層６およびｎ-ＩｎＧａＮ第１の層８においてホールの移動度は低いが、この範囲では注入されるホールが第２の層７に注入されてしまうようである。これにより閾値が上昇するため、Ｌ1は
Ｌ1≧２０ｎｍ
が望ましい。一方、第２の層と活性層の間隔を広くしていくと、第２の層の光閉じ込め係数が小さくなるため光子密度の時間的な変調作用が弱まり、自励発振しにくくなる。そのため
Ｌ1＜２００ｎｍ
であることが望ましい。
【００３６】
次にｎ-ＩｎＧａＮ第３の層６および、ｎ-ＩｎＧａＮ第１の層８の成長条件を検討する。第２の層７および活性層９の成長温度を固定してｎ-ＩｎＧａＮ下部第３の層６および、ｎ-ＩｎＧａＮ第１の層８の成長温度を変更した。下部ガイド層の成長開始から活性層の成長開始までの成長温度の変化をΔＴとして定義すると、温度差ΔＴが
ΔＴ＞８０℃
になると、自然放出光の半値全幅が増大し、図３のように４４０ｎｍ以上の発光成分がみられる。この成分は活性層のバンドテールか、Ｉｎの組成揺らぎの影響と考えている。また、発光強度が低下する。このため、
ΔＴ≦８０℃
が望ましい。
【００３７】
ここで言う下部ガイド層とは、下部グラッド層４と活性層９の間に挟まれた層であり、ｎ−ＧａＮガイド層を有するときは、ｎ−ＧａＮガイド層５と活性層９の間に挟まれた層である。また、ＩｎとＧａを主に含有する層であって、第３の層、第２の層、第１の層を含む。ただし、第３の層が省かれている場合には第２の層、第１の層が下部ガイド層である。
【００３８】
第２の層７および活性層９の成長温度を高くした場合、先の温度差の範囲内でも自然放出光の半値幅が増大することがわかる。検討したところ下部ガイド層の成長開始から活性層の成長開始までの各層の成長温度Ｔは
Ｔ≦８３０℃
であることが望ましい。ここで、成長温度とは、成長時のウェハの温度のことである。ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層などｎガイド層と基板の間の層構造が変わっても本発明の効果は期待できる。また、ｎ-ＩｎＧａＮ第３の層６、ｎ-ＩｎＧａＮｎ第２の層７、ｎ‐ＩｎＧａＮ第１の層８に含まれる不純物が異なっていても、ｎ型の特性であれば本発明の効果は期待できる。さらに、ｎ-ＩｎＧａＮ第３の層６およびｎ‐ＩｎＧａＮ第１の層８からＩｎを除いた場合でも、ｎ-ＩｎＧａＮ第２の層７により自然放出光の半値全幅、発光効率の向上が期待できるが、本発明の構造よりは悪化する。
【００３９】
実施の形態１ではＧａＮ基板を用いているが、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｒＢ2などの基板であってもその効果は期待できる。通常これらの基板を用いる場合には基板上にバッファ層があり、その上にＡｌとＧａとを含有するｎ型窒化物層を設ける。
【００４０】
次に第２の層７を多重量子井戸構造にすると、このように製作された窒化物半導体レーザは閾値以下で動作させたときの自然放出光スペクトルが単峰的であって、光出力５ｍＷでＲＩＮ＜‐１２５ｄＢ／Ｈｚが期待される。また自励発振特性が安定に得られる。図４は本構造におけるエネルギーレベルを示す図である。
【００４１】
多重量子井戸からなる第２の層４０７の実質的なバンドギャップＥｇ2`、井戸層のＩｎの含有率をＩｎ(x)2`とすると
Ｅｇ0−０．１５ｅＶ＜Ｅｇ2`＜Ｅｇ0＋０．０２ｅＶ
かつ
Ｉｎ(x)0−０．１０＜Ｉｎ(x)2`＜Ｉｎ(x)0＋０．１０
であって、第１の層４０８のバンドギャップＥｇ1、第３の層４０６のバンドギャップＥｇ3として、
Ｅｇ1＞Ｅｇ2`
Ｅｇ3＞Ｅｇ2`
であれば、良好な自励発振特性が得られる。ｎ型可飽和吸収層の最上部（ｐ電極側）から活性層の最下部（ｎ電極側の井戸層の端）までの距離をＬ1‘とすればＬ1‘＞２０ｎｍ
であるとよく、多重量子井戸のそれぞれの井戸層厚Ｌ2`は
０．５ｎｍ≦Ｌ2`≦５．０ｎｍ
であると、良好な自励発振特性が得られる点で望ましい。
【００４２】
本明細書における窒化物半導体レーザはリッジ構造を用いている。本構造ではリッジ部による電流狭窄と、作りつけの屈折率差により屈折率導波路構造をなしている。しかしながら、本発明の効果はリッジ構造に限ったものではなく、実施の形態１で記載している層構造であって、レーザ発振が得られていればよい。すなわち、図１において、ストライプ電極による利得導波路構造であったり、リッジ構造の絶縁層１４がＡｌとＧａ、あるいはＧａを主に含有する層からなる同一屈折率埋め込み構造であったり、ブロック構造であってもよく、公知の半導体レーザの光閉じ込め技術を適用することができる。ただし、第２の層の光閉じ込め係数が変化しないように各層の層厚を若干調整する必要があるが、実施の形態１で特に層厚を規定した層に関しては、その範囲に従うものとする。すなわち、第１の層８、第２の層７および第１の層６についてである。
【００４３】
またレーザ光の層構造に対して、水平方向の分布はリッジ幅に依存してあり、第２の層の可飽和吸収特性に影響する。しかしながら、前述のＬ2の範囲内にあれば最適な条件があり、本発明の効果は０．５μｍ〜８．０μｍ程度のリッジ幅（電流狭窄幅などを含む）であればよい。図５は半導体レーザをｐ電極上面から見た図である。図のようにリッジ幅が長手方向に少なくとも２通り以上ある、変調ストライプ構造であってもよい。このように可飽和吸収層を備える半導体レーザに変調ストライプ構造を設けると、リッジ幅が広い領域Ａと、リッジ幅が狭い領域Ｂがあって、領域Ａ下の可飽和吸収層における光子密度ＳA、領域Ｂ下の可飽和吸収層における光子密度ＳBとして
ＳA＞ＳB
であり、すなわち、領域Ａ下の可飽和吸収層は可飽和吸収しやすくなる。一方領域Ｂ下の可飽和吸収層は高出力まで可飽和吸収しにくいために、低出力から高出力まで自励発振する半導体レーザを得ることができる。
【００４４】
図６は半導体レーザを横方向から見た図である。図のように長手方向にリッジ脇の膜厚が少なくとも２通り以上ある半導体レーザであってもよい。リッジ脇の膜厚とはリッジ脇領域における活性層最上部から絶縁層までの距離である。このように製作された半導体レーザのうち、リッジ脇の膜厚が小さい領域Ｃと、リッジ脇の膜厚が大きい領域Ｄがあって、領域Ｃ下の可飽和吸収層における光子密度ＳC、領域Ｄ下の可飽和吸収層における光子密度ＳDとして
ＳC＞ＳD
であり、すなわち、領域Ｃ下の可飽和吸収層は可飽和吸収しやすくなる。一方領域Ｄ下の可飽和吸収層は高出力まで可飽和吸収しにくいために、低出力から高出力まで自励発振する半導体レーザを得ることができる。図５および図６に用いたレーザ構造はともにストライプ長手方向に光分布の異なる領域があって、それぞれの領域で可飽和吸収層の光子密度が異なる特徴をもっている。本特性を有する構造はすべて良好な自励発振レーザとして用いることができる。
【００４５】
実施の形態１の効果は多重量子井戸活性層の井戸層数が１から１０であって、ひとつの井戸幅が1から１０ｎｍであればよく、つぎに記載する実施の形態２〜１０においても同様である。
【００４６】
実施の形態２
実施の形態２では実施の形態１において、第２の層の近辺の成長条件を検討する。まず、実施の形態１において、図１に示すようにｎ−ＩｎＧａＮ第３の層６の層厚Ｌ3を２０ｎｍより厚くすると、製作された窒化物半導体レーザは自励発振するものの、自励発振の観測される光出力の範囲が狭くなる。このような現象を生じる理由はいくつか考えられるが、今回のケースにおいては第２の層７におけるキャリア寿命が長くなったのではないかと考えられる。すなわち、０＜Ｌ 3≦２０ｎｍであって、第３の層は上面は第２の層に隣接し、下面はＡｌとＧａを主に含む層、あるいはＧａを主に含む層と隣接していれば良好な自励発振が得られる。
【００４７】
ところでｎ−ＩｎＧａＮ第３の層６にはｐ型の不純物あわせて添加してもよい。これによりレーザ光を吸収して第２の層に生成したキャリアが第３の層にトンネリングしやすく、第２の層のキャリア寿命を短くすることができる。
【００４８】
実施の形態３
実施の形態３では実施の形態１におけるｎ−ＧａＮガイド層を省略した構造を検討する。図７（ａ）は半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。また図７（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。ｎ−ＧａＮガイド層は光の伝播モードに影響しており、活性層の閉じ込め係数を左右している。特にｎ−ＩｎＧａＮ第３の層７０６のＩｎの含有率、およびｎ−ＩｎＧａＮ第１の層７０８のＩｎ含有率が大きい場合には層構造にたいして垂直な光分布が基板側に移動しやすくなるため、ｎ−ＧａＮガイド層を薄くしたり省略するとよい。
【００４９】
このように製作された窒化物半導体レーザは閾値以下で動作させたときの自然放出光スペクトルが単峰的であって、光出力５ｍＷでＲＩＮ＜‐１２５ｄＢ／Ｈｚが期待される。また自励発振特性が安定に得られる。このように本発明で目的としている良好な雑音特性を得るには、ｎ−ＧａＮガイド層は省略してあってもよい。
【００５０】
実施の形態４
実施の形態４では実施の形態１におけるｎ−ＩｎＧａＮ第１の層のＩｎの含有率を変更した構造を検討する。図８（ａ）はｎ−ＩｎＧａＮ第１の層８０８のＩｎの含有率を下げた場合の半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図８（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。図９（ａ）はｎ−ＩｎＧａＮ第１の層９０８のＩｎの含有率を上げた場合の半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図９（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。図１０（ａ）はｎ−ＩｎＧａＮ第１の層１０８のＩｎの含有率が単一でなく、２つ以上のＩｎの含有率が異なる領域がある場合の半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図１０（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。図１１（ａ）はｎ−ＩｎＧａＮ第１の層１５８のＩｎの含有率が連続的に変化している場合の半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である図１１（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。
【００５１】
第１の層は活性層におけるキャリア閉じ込め効果を得るため、少なくとも
Ｅｇ0＜Ｅｇ1
であるが、望ましくは前記活性層の障壁層のＩｎの含有率Ｉｎ(x)0‘として
０＜Ｉｎ(x)0`−０．０２≦Ｉｎ(x)1≦Ｉｎ(x)0`＋０．０２
であるとよい。
【００５２】
このように製作された窒化物半導体レーザは閾値以下で動作させたときの自然放出光スペクトルが単峰的であって、光出力５ｍＷでＲＩＮ＜‐１２５ｄＢ／Ｈｚが期待される。ｎ−ＩｎＧａＮ第１の層は第２の層から活性層成長における成長過程において成長温度変化を極力抑えるためにＩｎをわずかに混晶させているため、その含有率は狭域に限定されるものではないが、上記範囲よりもＩｎの含有率が大きい場合には活性層へのキャリア閉じ込め効果が低下するため閾値上昇につながる。
【００５３】
実施の形態５
実施の形態５では実施の形態１における第３の層に、第３の層よりもＩｎの含有率が大きい第４の層を含有する場合を検討する。図１２（ａ）は半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図１２（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。
【００５４】
実施の形態１において第２の層は基板やｎ−ＡｌＧａＮクラッド層およびｎ−ＧａＮガイド層から活性層にかかる歪みを緩和する役割も果たしてあって、実施の形態５における第４の層２５０はその効果を助長するものである。また第４の層２５０を設けることにより、第２の層２５７にかかる歪みも緩和されるために、可飽和吸収層として機能する第２の層２５７は、微分ゲインが大きく、良好な自励発振特性をもたらす。なお第４の層２５０の実質的なバンドギャップは活性層の実質的なバンドギャップよりも大きく、レーザ光にたいする吸収係数は非常に小さい。
【００５５】
具体的には第４の層２５０の実質的なバンドギャップをＥｇ4、Ｉｎの含有率をＩｎ(x)4とした場合、
Ｅｇ0−０．０５ｅＶ＜Ｅｇ4
かつ
Ｉｎ(x)3＜Ｉｎ(x)4
かつ
Ｉｎ(x)0−０．１０＜Ｉｎ(x)4＜Ｉｎ(x)0＋０．１０
であればよい。
【００５６】
このように製作された窒化物半導体レーザは実施の形態１に対して、閾値以下の動作で観測される自然放出光の半値全幅の狭化を促進するものであり、安定な自励発振特性が期待される。なお、実施の形態５では第４の層２５０は単一量子井戸からなるが、多重量子井戸構造であったり、複数の実質的なバンドギャップの異なる層からなっていてもよく、その場合にはそれぞれの層が、Ｅｇ4とＩｎ(x)4からなる条件をみたしていればよい。
【００５７】
ところで、第４の層２５０は可飽和吸収層として機能している第２の層２５７の近傍に位置しているため、レーザ光を吸収して第２の層２５７に生成したキャリアが第４の層２５０へトンネリングすることが期待される。第４の層２５０のキャリア寿命が短い場合には、すなわち第２の層２５７のキャリア寿命を短くできるために、自励発振しやすくなる。
【００５８】
第４の層のキャリア寿命を短くする方法として、たとえば不純物の添加量を変更したり、成長温度を下げたりするとよい。第４の層の不純物を１×１０16ｃｍ-3以下にすると、第４の層の結晶性が低下し、非輻射再結合が増大するためキャリア寿命が短くなる。一方第４の層の不純物濃度を１×１０20ｃｍ-3以上にすると、輻射遷移確率が上がるほか、結晶性が低下し、総じてキャリア寿命が短くなる。このように第４の層と第２の層の不純物濃度を変えることで、第２の層のキャリア寿命を短くすることができるため、良好な自励発振特性が得られる。
【００５９】
第４の層のキャリア寿命を短くする方法として、たとえば第４の層の成長温度を第２の層の成長温度以下にするとよい。特に活性層の発光効率を高くするために条件出しされた成長温度に対して、少なくとも２０℃以上下げることで第４の層の結晶性が低下するため、キャリア寿命が短くなる。これにより第２の層のキャリア寿命を短くすることができるため、良好な自励発振特性が得られる。
【００６０】
第４の層のキャリア寿命を短くする方法として、ｎ型の不純物に加えて、ｐ型の不純物を同時に少量添加してあってもよい。これにより第４の層のキャリア寿命が短くなり、良好な自励発振特性が得られる。
【００６１】
実施の形態６
実施の形態６は実施の形態５における第４の層を可飽和吸収層として用いる場合について検討する。図１３は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。第４の層３５０を可飽和吸収層として用いることで、第２の層と合わせて吸収特性を制御しやすい。一方、第２の層と第４の層で吸収特性を変えることで、低出力から高出力まで自励発振する窒化物半導体レーザが得られる。なお、可飽和吸収層として機能する第４の層は、実施の形態１に記載の第２の層に従う。
【００６２】
実施の形態７
実施の形態７では実施の形態１における第１の層と、第２の層の間に、活性層側から順に、第１の層よりもＩｎの含有率が大きい第５の層を積層し、さらに第５の層および第２の層よりもＩｎの含有率が小さい第６の層を積層する場合について検討する。図１４（ａ）は半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図１４（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。
【００６３】
実施の形態１において第２の層は基板やｎ−ＡｌＧａＮクラッド層およびｎ−ＧａＮガイド層から活性層にかかる歪みを緩和する役割も果たしていて、実施の形態７における第５の層４７１はその効果を助長するものである。なお第５の層４７１の実質的なバンドギャップは活性層の実質的なバンドギャップよりも大きく、レーザ光にたいする吸収係数は非常に小さい。
【００６４】
具体的には第５の層４７１の実質的なバンドギャップをＥｇ5、Ｉｎの含有率をＩｎ(x)5とした場合、
Ｅｇ0−０．０５ｅＶ＜Ｅｇ5
かつ
Ｉｎ(x)1＜Ｉｎ(x)5
かつ
Ｉｎ(x)6＜Ｉｎ(x)5
かつ
Ｉｎ(x)0−０．１０＜Ｉｎ(x)5＜Ｉｎ(x)0＋０．１０
であればよい。
【００６５】
このように製作された窒化物半導体レーザは実施の形態１に対して、閾値以下の動作で観測される自然放出光の半値全幅の狭化を促進するものであり、安定な自励発振特性が期待される。なお、実施の形態７では第５の層４７１は単一量子井戸からなるが、多重量子井戸構造であったり、複数の実質的なバンドギャップの異なる層からなっていてもよく、その場合にはそれぞれの層がＥｇ5とＩｎ(x)5からなる条件をみたしていればよい。
【００６６】
次に第５の層の位置を変更する。第５の層の最上部（ｐ電極側）から活性層最下部（ｎ電極側の井戸層の端）までの距離をＬ5として調べると、
Ｌ5＜２０ｎｍ
では電流注入時に第５の層からの自然放出光（ＥＬ：エレクトロルミネッセンス）が観測される。通常、ｎ-ＩｎＧａＮ第１の層４５８においてホールの移動度は低いが、その範囲では注入されるホールが第５の層４７１に注入されてしまうようである。これにより閾値が上昇するため、前記Ｌ5は
Ｌ5≧２０ｎｍ
が望ましい。一方、第６の層４７２は、第５の層４７１および第２の層４５７よりもＩｎの含有率が少ないものが好ましい。このように製作された窒化物半導体レーザは実施の形態１に対して、より安定な自励発振特性が期待される。
【００６７】
ところで、第５の層４７１は可飽和吸収層として機能している第２の層４５７の近傍に位置しているため、レーザ光を吸収して第２の層４５７に生成したキャリアが第５の層４７１へトンネリングすることが期待される。第５の層４７１のキャリア寿命が短い場合には、すなわち第２の層４５７のキャリア寿命を短くできるために、自励発振しやすくなる。
【００６８】
第５の層のキャリア寿命を短くする方法として、たとえば不純物の添加量を変更したり、成長温度を下げたりするとよい。第５の層の不純物を１×１０16ｃｍ-3以下にすると、第５の層の結晶性が低下し、非輻射再結合が増大するためキャリア寿命が短くなる。一方第５の層の不純物濃度を１×１０20ｃｍ-3以上にすると、輻射遷移確率が上がるほか、結晶性が低下し、総じてキャリア寿命が短くなる。このように第５の層と第２の層の不純物濃度を変えることで、第２の層のキャリア寿命を短くすることができるため、良好な自励発振特性が得られる。
【００６９】
第５の層のキャリア寿命を短くする方法として、たとえば第５の層の成長温度を第２の層の成長温度以下に下げるとよい。特に活性層の発光効率を高くするために条件出しされた成長温度に対して、少なくとも２０℃以上下げることで第５の層の結晶性が低下するため、キャリア寿命が短くなる。これにより第２の層のキャリア寿命を短くすることができるため、良好な自励発振特性が得られる。
【００７０】
第５の層のキャリア寿命を短くする方法として、ｎ型の不純物に加えて、ｐ型の不純物を同時に少量添加してあってもよい。これにより第５の層のキャリア寿命が短くなり、良好な自励発振特性が得られる。
【００７１】
実施の形態８
実施の形態８は実施の形態７における第５の層を可飽和吸収層として用いる場合について検討する。図１５は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。第５の層５７１を可飽和吸収層として用いることで、第２の層５５７と合わせて吸収特性を制御しやすい。一方、第２の層５５７と第５の層５７１で吸収特性を変えることで、低出力から高出力まで自励発振する窒化物半導体レーザが得られる。なお、可飽和吸収層として機能する第５の層は実施の形態１に記載の第２の層に従う。
【００７２】
実施の形態９
実施の形態９は、実施の形態１において活性層とｐ型キャリアブロック層の間にｐ−ＩｎＧａＮ第７の層を設ける場合について検討する。すなわち、図１６に示すように、第７の層６７３を活性層６５９の上部に活性層６５９に隣接して成長させる。図１６（ａ）は半導体レーザ素子を共振器方向から見た断面図である。図１６（ｂ）は各層のエネルギーレベルを示す模式図である。
【００７３】
実施の形態１にしたがった構造では活性層下部のガイド層はＩｎとＧａを主に含有する層からなり、活性層上部のガイド層はＧａを主に含有する層からなるため、両者の屈折率が異なり、後者のガイド層のほうが低屈折率層になっている。このような非対称ガイド層によって垂直方向の光分布は基板側に引っ張られる。光分布の中心が活性層位置からずれると活性層の光閉じ込め係数が小さくなるため、発振閾値が上昇する。一方活性層下部に設けられたｎ型可飽和吸収層の光閉じ込め係数は大きくしやすいため光子密度の変調が大きくなると考えられる。実施の形態９では閾値上昇の問題を解決すべく、垂直方向の光分布の検討をした。その結果、上述したような第７の層６７３を設けることで、活性層６５９を垂直方向の光分布中心に近づけることが可能になり、閾値を低減できる。第７の層６７３はホールの移動度を高くする方がよく、Ｍｇなどのｐ型不純物を添加すると効果的である。しかしながら、第７の層６７３はｎ型あるいはノンドープ層であっても効果は期待できる。
【００７４】
一方、ｐ型キャリアブロック層成長後に、基板温度を下げ、ＩｎとＧａを含有するｐ型窒化物層を設けると、閾値以下で動作させたときの自然放出光の半値全幅が広がったり、単峰的なスペクトルにならず、閾値が上昇する。活性層成長後の温度履歴により活性層にＩｎの偏析が生じたためと思われる。
【００７５】
実施の形態１０
実施の形態１０は実施の形態１において、第２の層の近辺にあるｎ−ＩｎＧａＮ第３の層を成長する過程で、成長を中断して熱履歴を与える場合について検討する。
【００７６】
成長中断された層の表面（以下、「成長中断界面」という。）はＩｎが偏析しやすく、非輻射再結合確率が増加する。成長中断時の温度変化は降温後に昇温してもよく、昇温後に降温してもよく、いくつかの温度変化をともなってもよい。また前述の効果より悪くなるが、温度一定のまま中断してもよい。また中断時間は６０秒に限らない。成長中断時には少なくともＩＩＩ族原料がほとんど流れていなければよく、たとえば不純物原料は流してあっても、停止してあってもよい。またＶ族原料も流してあっても、停止してあってもよい。
【００７７】
次に第２の層と成長中断界面の距離Ｌ4について検討する。ここで言う距離とは成長中断後に積層され、第２の層に含まれる最も下部までの層厚である。その結果、Ｌ4は０ｎｍ〜２０ｎｍが望ましく、２ｎｍ〜１０ｎｍがより望ましい。また、成長中断界面は少なくとも１つあることが好ましい。
【００７８】
次に成長中断界面を第２の層の上部に設ける。その結果、同様な効果が期待され、ｎ型可飽和吸収層に含まれる最も上部から成長中断界面までの距離は０ｎｍ〜２０ｎｍが好ましく、２ｎｍ〜１０ｎｍがより好ましい。
【００７９】
実施の形態２〜１０においては実施の形態１に、それぞれ特徴ある構成になっているが、これらが複合されていてもそれぞれの効果が競合することはなく、本明細書に記載の効果が期待される。
【００８０】
【実施例】
実施例１
まず、ＭＯＣＶＤ装置にＧａＮ基板をセットし、Ｖ族原料のＮＨ3とＩＩＩ族原料のＴＭＧａを用いて、５５０℃の成長温度で、図１（ａ）に示すように、低温ＧａＮバッファ層を２５ｎｍ成長させた。次に、１０７５℃の成長温度で原料にＳｉＨ4を加え、ｎ−ＧａＮ基板２上にｎ−ＧａＮ層３（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）を３μｍ形成した。続いて、ＩＩＩ族原料のＴＭＡｌを用いて、０．９５μｍ厚のｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）、続いてｎ−ＧａＮガイド層５を０．０５μｍ成長させた。
【００８１】
その後、基板温度を７２５℃に下げ、ｎ-Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ第３の層６（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）を４ｎｍ成長させ、ほぼ温度一定のまま、ｎ-Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ第２の層７を４ｎｍ、つぎにｎ-Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ第１の層８（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）を４６ｎｍ成長させた。ｎ型可飽和吸収層成長後に１秒以上１８０秒以内の成長中断を行なっても良い。このことにより各層の平坦性の向上が期待できる。前記第２の層７は可飽和吸収層として機能した。
【００８２】
つづいて、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層により構成される活性層（多重量子井戸構造）９を井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長させた。障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に１秒以上１８０秒以内の成長中断を行なっても良い。このことにより各層の平坦性が向上し発光半値幅が減少する。
【００８３】
次に基板温度を再び１０５０℃まで昇温して、厚み１８ｎｍのｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０、０．１μｍのｐ−ＧａＮガイド層１１を成長させた。なお、ｐ型不純物としては、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3添加した。続いて基板温度を１０５０℃のままにして、０．５μｍのｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１２、０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層１３を成長させた。ｐ型不純物としては、同様にＭｇを１×１０20／ｃｍ3添加した。また、各層を構成する元素およびドープ元素の各原料には、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＴＭＩｎ、ＮＨ3、Ｃｐ２Ｍｇ、ＳｉＨ4を用いた。
【００８４】
ｐ−ＧａＮコンタクト層１３形成後、ドライエッチングによりリッジ構造を形成し、ＳｉＯ2からなる絶縁層１４上面にｐ電極１５（Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ）を形成した。その後、ＧａＮ基板２の裏面側から研磨もしくはエッチングにより基板の一部を除去しウェハの厚みを１２０μｍに調整した。ウェハの厚みは１００μｍ〜２００μｍ程度に薄く調整するのが好ましい。これは後の工程でウェハを分割し個々のレーザチップにするのを容易にするためである。特にレーザ端面ミラーも分割時に形成する場合には８０〜１５０μｍ程度に薄く調整することが望ましい。なお、研磨機のみでもよい。なお、ウェハの裏面は研磨機により磨かれているため平らであった。
【００８５】
研磨後、ＧａＮ基板２の裏面に薄い金属膜を蒸着し、ｎ電極１を得た。ｎ電極１はＨｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕの層構造よりなるものを用いた。このような薄い金属膜を膜厚の制御性よく形成するには真空蒸着法が適しており、本実施例においてもこの手法を用いた。ｐ、ｎの各電極特性向上のため金属膜形成後５００℃でアニールを行ない良好なオーミック電極を得た。なおアニールはｐ電極形成後、およびｎ電極形成後にそれぞれ行なってもよく、またｎ電極におけるＡｌ形成後に行なった後、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕを形成してもよい。
【００８６】
このように制作された半導体素子をつぎのように分割した。まず表面からダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れウェハに適宜力を入れ、スクライブラインに沿ってウェハを分割した。スクライブラインは裏面から入れてもよい。他の手法としてはワイヤソーもしくは薄板ブレードを用いて傷入れもしくは切断を行なうダイシング法、エキシマレーザなどのレーザ光の照射加熱とその後の急冷により照射部にクラックを生じさせ、これをスクライブラインとするレーザスクライビング法、高エネルギー密度のレーザ光を照射し、この部分を蒸発させて溝入れ加工を行なうレーザアブレーション法などを用いても同様にチップ分割可能であった。
【００８７】
分割後ファブリペロー共振器をなす端面に誘電体の多層膜を設けて反射率を変えた。このような反射膜はシステムに応じて形成されるものであり、一概に定まるものではないが、一般的に後面は８０％以上の後反射膜が望ましい。特に後面のさらに後ろに光出力を検出する受光素子が設けられていない場合には９０％以上の反射膜を設けるとよい。これにより半導体レーザ内の光子密度が向上するため発振閾値が低下する。このような高反射膜は低屈折率と高屈折率の材質を交互に４/λの層厚で形成すればよく、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2などがよく用いられている。ところで内部光子密度が上がりすぎるとｎ型可飽和吸収層が可飽和状態になりやすいために出射面側の端面の反射率を落としても良い。しかしながら高反射膜と比較して波長分散の少ない低反射膜を設計することは難しく、特に４０５ｎｍ近辺の波長においては上述の誘電体にＳｉＯやＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合体などを加えた少なくとも３つ以上の材質からなる多層膜を設けることで設計が容易になる。特に高出力時の自励発振特性を得るためには前面の反射膜を検討するとよい。一方で、低出力の雑音特性に注目すれば劈界面からなる端面の反射率２２％程度を若干高くすることも有益であって５０％以下の前面反射膜を設けるとよい。
【００８８】
次にダイボンディング法により、レーザチップをヒートシンク上にマウントし半導体レーザ装置を得た。チップはｎ電極側を接合面にするジャンクアップで強固に接着した。ここでいうヒートシンクはステムなどのことである。なお、ｐ電極側を接合面とするジャンクションダウンであってもよく、その場合にはｐ電極構造がＰｄ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕであったり、Ｐｄ／Ｍｏ／Ｎｉ／Ａｕなどであるとよい。
【００８９】
このように製作された窒化物半導体レーザの諸特性を調べた。窒化物半導体レーザの共振器長は５００μｍ、ストライプ幅１．５μｍとした。室温２５℃において閾値３５ｍＡで連続発振し、発振波長４０５±５ｎｍであった。ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）を調べた結果、積層面に対して水平方向、垂直方向ともに基本モードで発振していた。次に光帰還をともなう系で雑音測定を行なった。このような光帰還をともなう系は、一般的に光ディスクシステムなどの光情報記録装置で見られ、図２は擬似的にこれらの系を再現したものである。光帰還をともなう系では出射されたレーザ光が戻り光として再び半導体レーザに結合する現象に起因する雑音（通常戻り光雑音と呼ばれる。）が支配的であり、システムの雑音評価は相対強度雑音（ＲＩＮ）を用いた。一般的にＲＩＮ＜−１２５ｄＢ／Ｈｚが良好なシステムの基準となっている。
【００９０】
図２に示すように、半導体レーザ２０１から出射されたレーザ光はレンズ２０４でコリメートされ、ハーフミラー２０３で２ビームに分岐される。透過光はＮＤフィルター２０６、レンズ２０５を経て、反射鏡２０２に集光される。反射鏡は光ディスクなどと等価であり、反射率はＮＤフィルターで変更できる。反射光はこの光路を帰還し、半導体レーザ２０１に集光される。このように雑音測定器は光ディスクに半導体レーザを搭載したシステムを置き換えたものであり、戻り光雑音を含んだ相対強度雑音を測定できる。なお光出力は受光素子２０７で観測した。このような雑音測定器を用いて窒化物半導体レーザを評価した。その結果、光出力５ｍＷにおいてＲＩＮ＜‐１３０ｄＢ／Ｈｚが得られた。またレーザ光を高速のディテクターを用いて観測したところ、周期的に変動していた。
【００９１】
閾値以下で、本素子を動作させ自然放出光のスペクトルを観測した。自然放出光の半値全幅を調べたところ１４．５ｎｍであり、単峰的なスペクトル形状であった。たとえば活性層に歪みあるいは熱履歴によるＩｎの組成揺らぎなどがある場合、前述のような閾値以下で動作させたときの自然放出光のスペクトル形状が単峰的にならず、たとえば４２０ｎｍから４４０ｎｍ付近にサブピークが生じることがある。このような活性層においては、誘導放出への励起キャリアの結合が弱く、微分ゲインが小さくなると考えられる。活性層の微分ゲインが小さい場合には、レーザ発振している光子密度の時間微分が小さくなるために自励発振しにくくなり、自励発振時の光子密度の変調量が小さく、振動周波数が変化するなどの現象が想定される。システムを考慮した雑音では自励発振時の光子密度の変調量や振動周波数が適当な許容範囲を持つことは容易に考えられ、これらのパラメータが安定に成長できる構造が望ましい。
【００９２】
比較例１
実施の形態１においてｎ‐ＩｎＧａＮ第１の層８をｎ−ＧａＮに変更し、成長温度を１０５０℃とした。その結果、室温２５℃において４２ｍＡで連続発振し、閾値以下で動作させたところ自然放出光の半値全幅は１７ｎｍであった。またいくつかの素子で観測したところ自然放出光スペクトルが単峰的でないものも見られた。このように製作された窒化物半導体レーザの雑音特性にはばらつきが多く、雑音測定器で評価したところＲＩＮ＜‐１２５ｄＢ/Ｈｚを満足する素子の歩留りが低下した。
【００９３】
実施例２
実施例１において、ｎ−ＧａＮガイド層５の成長後、基板温度を７２５℃に下げ、ｎ-Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ第３の層（Ｓｉ不純物濃度１×１０18/ｃｍ3）を１６ｎｍ成長したところで成長を中断して、基板温度を９００℃まで昇温し、すぐに７２５℃まで降温した。昇温開始から降温終了までの時間は約６０秒であった。その後、ｎ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎを４ｎｍ成長してｎ-Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ第３の層を２０ｎｍ得た以外は、実施例１と同様にして、発光素子を得た。得られた発光素子は実施例１と比較して、自励発振の見られる光出力の範囲が広くなった。第２の層７に生成したキャリアがトンネル効果により成長中断界面から緩和したものと考えられた。
【００９４】
今回開示された実施の形態および実施例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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。
【００９５】
【発明の効果】
光出力が安定で、良好な自励発振特性を有する窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の半導体発光素子を示す図である。
【図２】 雑音測定に使用する試験機を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態１の半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。
【図４】 本発明の実施の形態１の可飽和吸収層が多重量子井戸の場合のエネルギーレベルを示す図である。
【図５】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の一例を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の一例を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態３の半導体発光素子を示す図である。
【図８】 本発明の実施の形態４の半導体発光素子を示す図である。
【図９】 本発明の実施の形態４の半導体発光素子を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４の半導体発光素子を示す図である。
【図１１】 本発明の実施の形態４の半導体発光素子を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態５の半導体発光素子を示す図である。
【図１３】 本発明の実施の形態６の半導体発光素子を示す図である。
【図１４】 本発明の実施の形態７の半導体発光素子を示す図である。
【図１５】 本発明の実施の形態８の半導体発光素子を示す図である。
【図１６】 本発明の実施の形態９の半導体発光素子を示す図である。
【図１７】 従来の半導体発光素子を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ電極、２ ｎ−ＧａＮ基板、３ ｎ‐ＧａＮ層、４ ｎ‐ＡｌＧａＮクラッド層、５ ｎ‐ＧａＮガイド層、６ 第３の層、７ 第２の層、８ 第１の層、９ ｎ‐ＩｎＧａＮ活性層、１０ ｐ‐ＡｌＧａＮキャリアブロック層、１１ ｐ‐ＧａＮガイド層、１２ ｐ‐ＡｌＧａＮクラッド層、１３ ｐ‐ＧａＮコンタクト層、１４ 絶縁層、１５ ｐ電極、２５０ 第４の層、４７１ 第５の層、４７２ 第６の層。
Claims (16)
- ＩＩＩ族元素としてＡｌとＧａとを主に含有する窒化物半導体からなる下部クラッド層と、ＩＩＩ族元素としてＩｎとＧａとを主に含有する窒化物半導体を含む活性層とを基板上に順に設けた窒化物半導体レーザにおいて、
下部クラッド層と活性層との間に、ＩＩＩ族元素としてＩｎとＧａとを主に含有する窒化物半導体からなる下部ガイド層を備え、
該下部ガイド層は、活性層の側から順に第１の層と第２の層とを有し、該第２の層は可飽和吸収層として機能し、前記第２の層のＩｎの含有率は、前記第１の層のＩｎの含有率より大きく、かつ前記第２の層から活性層までの距離Ｌ1は、２０ｎｍ≦Ｌ1＜２００ｎｍであることを特徴とする窒化物半導体レーザ。 - 前記下部ガイド層は、活性層の側から順に第１の層と、第２の層と、第３の層と、を有し、該第３の層のＩｎの含有率は、前記第２の層のＩｎの含有率より小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第３の層の厚さＬ3が、
０ｎｍ＜Ｌ3≦２０ｎｍ
であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記第２の層の厚さＬ2が、
０．５ｎｍ≦Ｌ2≦５．０ｎｍ
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記第１の層の実質的なバンドギャップは、活性層における実質的なバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記活性層は、量子井戸活性層であり、前記第２の層のＩｎの含有率をＩｎ(x)2とし、前記第２の層の実質的なバンドギャップをＥｇ2とし、前記活性層のＩｎの含有率をＩｎ(x)0とし、前記活性層の実質的なバンドギャップをＥｇ0とするとき、
Ｅｇ0−０．１５ｅＶ≦Ｅｇ2≦Ｅｇ0＋０．０２ｅＶ
であり、かつ
Ｉｎ(x)0−０．１０≦Ｉｎ(x)2≦Ｉｎ(x)0＋０．１０
であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記第３の層は、該第３の層よりもＩｎの含有率が大きい第４の層を有することを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第４の層は、可飽和吸収層として機能することを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第２の層は、多重量子井戸であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ。
- 多重量子井戸である前記第２の層の実質的なバンドギャップをＥｇ2`とし、多重量子井戸である第２の層における井戸層のＩｎの含有率をＩｎ(x)2`とし、
前記活性層のＩｎの含有率をＩｎ(x)0とし、前記活性層の実質的なバンドギャップＥｇ0とするとき、
Ｅｇ0−０．１５ｅＶ≦Ｅｇ2`≦Ｅｇ0＋０．０２ｅＶ
であり、かつ
Ｉｎ(x)0−０．１０≦Ｉｎ(x)2`≦Ｉｎ(x)0＋０．１０であることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記多重量子井戸における１つの井戸層の厚さＬ2`が、
０．５ｎｍ≦Ｌ2`≦５．０ｎｍ
であることを特徴とする請求項９または１０に記載の窒化物半導体レーザ。 - 第１の層と第２の層の間に、活性層の側から順に第５の層と第６の層とを有し、前記第５の層のＩｎの含有率は、前記第１の層のＩｎの含有率より大きく、前記第６の層のＩｎの含有率は、前記第５の層のＩｎの含有率および前記第２の層のＩｎの含有率より小さいことを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第５の層から前記活性層の基板側の井戸層までの距離Ｌ5が、
Ｌ5≧２０ｎｍ
であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記活性層の上部に該活性層に隣接して、ＩｎとＧａを主に含有する窒化物からなる第７の層を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第２の層と前記第４の層の不純物濃度が異なることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第２の層と前記第５の層の不純物濃度が異なることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体レーザ。
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