JP4698181B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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〔数1〕
Ew<Ecl、Enl、Eb、Enu、E1、E2、Ecu<E3 ・・・(1)
また、pドープ層には、若干ではあるがレーザ光を吸収してしまう性質があり、レーザ光の光分布が大きい活性層近傍にpドープ層を設けると導波損失を引き起こしてしまう。また、窒化物半導体は結晶構造がウルツァイトであって等方的でないため、結晶内部に電界が存在しており、活性層とのバンドギャップ差が大きな半導体層が活性層近傍に配されると、活性層のバンドが曲げられてしまい、バンドフラット状態を得ることができず、活性層におけるキャリアの再結合確率が低下する。
しかしながら、本発明にかかる上記構成であると、第3の層の下面と活性層の最上段に設けられた井戸層の上面との距離(L)が50nm以上であるため、顕著な導波損失を引き起こすことがなく、また活性層のバンドフラット状態を十分に得ることができる。他方、離間間隔(L)の上限が200nm以下であるため、pドープ上部クラッド層から活性層へのホール注入が距離的に困難となることもない。
また、この構成であると、nドープの第1の層を5nm以上の層厚とするため、当該層にn型の導電性を確立させることができ、活性層の上下をnドープ層で挟み込んで活性層をバンドフラット状態とすることができる。他方、層厚を50nm以下としてn型不純物の含有量を制限しているため、pドープ上部クラッド層から活性層へのホール注入が、当該第1の層によって電気的に阻害されることがない。
また、第1の層のバンドギャップエネルギーが上部隣接層のそれよりも大きいと、活性層へのキャリア注入効率が向上する。
〔数2〕
Ew<Egl<Ecl ・・・(2)
〔数3〕
Ew<Egu<Ecu ・・・(3)
〔数4〕
2D≦L ・・・(4)
図1は、本発明の参考の形態1におけるIII−V族系窒化物半導体レーザ素子の断面模式図である。図1で示すように、この窒化物半導体レーザ素子は、n型GaN基板100と、この基板の一方主面に接して設けられた、ケイ素(Si)をドープさせたnドープGaN層101(厚さ0.5μm)と、このGaN層101の上に接して設けられた、ケイ素をドープさせたnドープAl0.07Ga0.93N下部クラッド層102(厚さ2μm)と、この下部クラッド層102の上に接して設けられた、ケイ素をドープさせたnドープGaN下部ガイド層103(厚さ0.1μm)と、この下部ガイド層103の上に接して設けられた、導電性不純物をドープさせていないアンドープ型のGaN下部隣接層104(厚さ20nm)と、この下部隣接層104の上に接して設けられた活性層105(その詳細は後述する)と、この活性層105の上に接して設けられたアンドープ型のGaN上部隣接層106(厚さ20nm)と、この上部隣接層106の上に接して設けられた、第1の層としてのnドープGaN層107(厚さ20nm)と、この第1の層107の上に接して設けられた、第2の層としてのアンドープ型のGaN層108(厚さ30nm)と、この第2の層108の上に接して設けられた、第3の層としてのpドープAl0.2Ga0.8N層109(厚さ15nm)と、この第3の層の上に接して設けられた、マグネシウム(Mg)をドープさせたpドープAl0.1Ga0.9N上部クラッド層110(厚さ0.6μm)と、この上部クラッド層110の上に接して設けられた、マグネシウムをドープさせたpドープGaNコンタクト層111(厚さ0.1μm)と、このコンタクト層111の上に接して設けられたp側電極121と、上記基板の一方主面と反対側の基板裏面に設けられたn側電極120とを備えている。
〔数5〕
Ew<Enl、Eb、Enu、E1、E2<Ecl、Ecu<E3 ・・・(1)
〔数6〕
Ew<Egl<Ecl ・・・(2)
本実施例1は、上記構造からなるIII−V族系窒化物半導体レーザ素子である。このレーザ素子を大気圧(1.01325×105Pa)の室温(25℃)下にて駆動させたところ、閾値電流値が約30mAであり、スロープ効率が約1.7W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約100mAであった。
本比較例1は、第1の層107がアンドープ型であること以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例1にかかるレーザ素子は、作製した素子毎の特性値のばらつきが非常に大きく、最良の特性値が得られた素子であっても、閾値電流値が約35mA、スロープ効率が約1.4W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約120mA以上であった。また、エージング試験によって、試験開始から24時間後の駆動電流値が初期値から10mA以上も大幅に増大することが観察された。そして、試験時間をさらに延ばすと、駆動電流値の増大率は緩やかになるものの、駆動電流値の上昇が続き、安定した動作電流を得ることができなかった。
本比較例2は、第2の層108を有さず、第1の層107の上に接して第3の層109が設けられていること以外は上記実施例1と同様のレーザ素子であり、活性層の周辺が上述した従来の技術にかかるレーザ素子(図4参照)と実質的に同様の構造を有している。この比較例2にかかるレーザ素子は、閾値電流値が約35mA、スロープ効率が約1.0W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約160mAであった。また、エージング試験によって、試験開始から24時間後の駆動電流値が初期値から10mAも増大することが観察された。そして、試験時間をさらに延ばすと、駆動電流値の増大率は緩やかになるものの、駆動電流値の上昇が続き、安定した動作電流を得ることができなかった。
本比較例3は、第1の層107がアンドープ型であり、活性層105にn型不純物を濃度1×1017〜1×1018/cm3でドープさせたこと以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例3にかかるレーザ素子は、閾値電流値が約50mA、スロープ効率が約1.4W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約135mAであった。また、エージング試験によって、試験開始から24時間後の駆動電流値が初期値から15mA以上も増大することが観察された。そして、試験時間を延ばすと、さらなる駆動電流値の上昇が観察された。
本比較例4は、活性層105にn型不純物を濃度1×1017〜1×1018/cm3でドープさせたこと以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例4にかかるレーザ素子は、上記比較例3と同様の素子特性値を示すことが観察された。
本比較例5は、第1の層107と第2の層108とを有さず、上部隣接層106の上に接して第3の層109が設けられていること以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例5にかかるレーザ素子は、上記比較例1ほどではないものの、作製した素子毎の特性値のばらつきが大きく、最良の特性値が得られた素子であっても、閾値電流値が約35mA、スロープ効率が約1.0W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約120mA以上であった。また、エージング試験によって、試験開始から24時間後の駆動電流値が初期値から5〜10mAも増大することが観察された。
本比較例6は、第3の層109がアンドープ型であること以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例6にかかるレーザ素子の閾値電流値は約100mAであった。また、その他の素子特性に関しても、比較例中で最も悪い値を示した。
〔数7〕
2D≦L ・・・(4)
本実施の形態2は、第1の層107の組成がAl0.05Ga0.95Nであること以外は、上記参考の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。この構成であると、第1の層107のバンドギャップエネルギーが上部隣接層106のそれよりも大きくなり、活性層へのキャリア注入効率が向上するため、素子の閾値が参考の形態1よりもさらに引き下がる。
本実施の形態3は、活性層105中の障壁層132、上部隣接層106および下部隣接層104の組成がIn0.03Ga0.97Nであること以外は、上記参考の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。この構成であると、まず、第1の層107のバンドギャップエネルギーが上部隣接層106のそれよりも大きくなるため、活性層へのキャリア注入効率が向上する。さらに、井戸層131近傍の層の屈折率が増大するので、活性層への光閉じ込め係数が向上する。これにより、参考の形態1よりもさらに一層素子の閾値が引き下がる。
本実施の形態4は、第1の層107が少なくとも2層以上のnドープGaN層からなり、2のnドープGaN層の間にアンドープ型のGaN層が設けられていること以外は、上記参考の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。この構成であっても、上記参考の形態1と同様の優れた素子特性が発揮される。
本参考の形態5は、第3の層109と上部クラッド層110との間に、膜厚5〜30nmのGaNからなるpドープの上部ガイド層(p型不純物濃度:2×1018〜1×1020/cm3)が設けられており、当該上部ガイド層のバンドギャップエネルギーEguが以下の関係式(3)を満たすこと以外は、上記参考の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。
〔数8〕
Ew<Egu<Ecu ・・・(3)
本実施の形態6は、活性層105中の障壁層132が、GaN層とIn0.03Ga0.97N層とからなる2重構造、あるいは、In0.03Ga0.97N層とGaN層とIn0.03Ga0.97N層とからなる3重構造であること以外は、上記実施の形態3と同様の窒化物半導体レーザ素子である。
本参考の形態7は、第1の層107がIn0.03Ga0.97N層であること以外は、上記参考の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。この構成であっても、上記参考の形態1と同様の優れた素子特性が発揮される。
(1)本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子を構成する各窒化物半導体層は、上記参考の形態1,4,5,7、実施の形態2,3,6にて示した組成に限るものではなく、上述した相対的な物性関係を満たす限り、AlxGayInzN(式中のx、y、zは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1、を満たす実数)とすることができる。また、窒素元素のうち約10%以下(ただし、六方晶系であること)をヒ素(As)、リン(P)、アンチモン(Sb)のいずれかの元素で置換した組成としてもよい。
101 n型不純物をドープさせたGaN層
102 n型不純物をドープさせた下部クラッド層
103 n型不純物をドープさせたGaNガイド層
104 アンドープ型GaN下部隣接層
105 活性層
106 アンドープ型GaN上部隣接層
107 n型不純物をドープさせた第1の層
108 アンドープ型GaN第2の層
109 p型不純物をドープさせた第3の層
110 p型不純物をドープさせた上部クラッド層
111 p型不純物をドープさせたGaNコンタクト層
120 n型電極
121 p型電極
122 絶縁膜
131 アンドープ型InGaN井戸層
132 アンドープ型GaN障壁層
Claims (7)
- 基板と、
前記基板の上に設けられた、n型不純物がドープされた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に設けられた、導電性不純物がドープされていないアンドープ型の下部隣接層と、
前記下部隣接層の上に設けられた、アンドープ型の障壁層と当該障壁層を上下に挟むアンドープ型の井戸層とからなる量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層の上に設けられた、アンドープ型の上部隣接層と、
前記上部隣接層の上に接して設けられた、n型不純物がドープされた第1の層と、
前記第1の層の上に設けられた、アンドープ型の第2の層と、
前記第2の層の上に設けられた、p型不純物がドープされた第3の層と、
前記第3の層の上に設けられた、p型不純物がドープされた上部クラッド層と、
を備え、
前記量子井戸活性層中で最下段の井戸層が前記下部隣接層に接し、最上段の井戸層が前記上部隣接層と接している
III−V族系窒化物半導体レーザ素子であって、
前記下部クラッド層のバンドギャップエネルギーEclと、
前記下部隣接層のバンドギャップエネルギーEnlと、
前記量子井戸活性層の井戸層のバンドギャップエネルギーEwと、障壁層のバンドギャップエネルギーEbと、
前記上部隣接層のバンドギャップエネルギーEnuと、
前記第1の層のバンドギャップエネルギーE1と、
前記第2の層のバンドギャップエネルギーE2と、
前記第3の層のバンドギャップエネルギーE3と、
前記上部クラッド層のバンドギャップエネルギーEcuとが、
以下の関係式(1)を満たし、
前記量子井戸活性層中で最上段の井戸層と前記第3の層との距離Lが、50nm以上200nm以下であり、
前記上部隣接層が単層構造であり、
前記第1の層が、前記上部隣接層に接しており、且つ、前記第1の層の層厚が5nm以上50nm以下であり、
前記第1の層のバンドギャップエネルギーE1が、前記上部隣接層のバンドギャップエネルギーEnuより大きく、且つ、前記第2の層のバンドギャップエネルギーE2以下である、
ことを特徴とするIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
〔数1〕
Ew<Ecl、Enl、Eb、Enu、E1、E2、Ecu<E3 ・・・(1) - 前記下部クラッド層と前記下部隣接層との間に下部ガイド層がさらに設けられ、
当該下部ガイド層のバンドギャップエネルギーEglが以下の関係式(2)を満たす
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
〔数2〕
Ew<Egl<Ecl ・・・(2) - 前記第3の層と前記上部クラッド層との間に上部ガイド層がさらに設けられ、
当該上部ガイド層のバンドギャップエネルギーEguが以下の関係式(3)を満たす
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
〔数3〕
Ew<Egu<Ecu ・・・(3) - 前記距離Lと、前記量子井戸活性層中で最上段の井戸層と前記第1の層との距離Dとが、以下の関係式(4)を満たす
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
〔数4〕
2D≦L ・・・(4) - 前記下部隣接層または前記上部隣接層の層厚が0.5nm以上である
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第1の層にドープされたn型不純物がケイ素であり、前記第3の層にドープされたp型不純物がMgである
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第1の層がInx1Ga1−x1N(式中のx1は0≦x1≦0.5の範囲を満たす実数)からなり、
前記第2の層がInx2Aly2Ga1−(x2+y2)N(式中のx2は0≦x2≦0.5、y2は0≦y2≦0.5の範囲を満たす実数)からなり、
前記第3の層がAly3Ga1−y3N(式中のy3は0<y3≦1の範囲を満たす実数)からなる
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
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