JP4750238B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体発光素子に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（以下「ＧａＮ系半導体」ともいう）は、このＧａＮ系半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）が実用化され、また、このＧａＮ系半導体を用いたレーザダイオードも達成されたことで大きな注目を集め、光ディスク装置の光源をはじめとした応用が期待されている。
【０００３】
ＧａＮ半導体レーザは、例えば、ＧａＩｎＮからなる活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層により挟んだＤＨ構造（Double Heterostructure）を基本構造としている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、活性層より低屈折率かつ高バンドギャップであり、活性層で発生した光を閉じ込める役割を有すると共に、キャリアのオーバーフローを抑制する役割を有する。ＳＣＨ構造（Separate Confinement Heterostructure）のＧａＮ系半導体レーザでは、さらに、活性層とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層との間および活性層とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層との間に、それぞれｎ型ＧａＮ光導波層およびｐ型ＧａＮ光導波層が設けられる。これまでに室温連続発振が達成されているＧａＮ系半導体レーザの多くは、このＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＩｎＮＳＣＨ構造を有するものである。その中でも、発光波長が４００ｎｍ帯のものは、例えば、活性層はＩｎ組成が１５％程度のＧａＩｎＮにより構成され、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層はＡｌ組成が６〜８％程度のＡｌＧａＮにより構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＧａＮ系半導体レーザの動作電流および動作電圧は、既に実用化されているＡｌＧａＡｓ系半導体レーザやＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザのそれと比べて高く、実用上問題がある条件となっている。
【０００５】
ＧａＮ系半導体レーザの動作電流を低減するには閾値電流密度の低減を図ることが有効であり、これを実現する手法としては、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を大きくすることで、これらの低屈折率化および高バンドギャップ化を図り、光の閉じ込め率Γを大きくすると共に、キャリアのオーバーフローを抑制する方法が考えられる。しかしながら、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、バンドギャップが大きくなるに従ってキャリアが発生しにくくなる傾向がある。そのため、閾値電流密度を低減すべくｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を大きくした場合、このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の抵抗が大きくなり、素子の動作電圧が上昇してしまうという問題が生じる。
【０００６】
図８は、従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成と動作電圧との関係を示すグラフである。この測定に用いた試料は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＩｎＮ ＳＣＨ構造を有するリッジストライプ型のものであり、共振器長は１ｍｍ、ストライプ幅は３．５μｍである。図８において、動作電圧Ｖopは、室温において、試料を周波数１ｋＨｚ、デューティ比０．５％、電流１００ｍＡの条件でパルス駆動したときの電圧を示す。図８より、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成の増大に伴って、動作電圧Ｖopが上昇することがわかる。このような動作電圧の上昇は素子寿命を短くするばかりでなく、半導体レーザの高出力化の妨げにもなるため、動作電圧の上昇を抑制しつつ低閾値電流密度で発振可能なＧａＮ系半導体レーザの開発が望まれている。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、動作電圧をほとんど上昇させることなく、閾値電流密度を低減することのできる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、
活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層により挟んだ構造を有し、活性層、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体発光素子において、
ｐ型クラッド層が互いにバンドギャップの異なる２以上の半導体層により構成され、かつ、ｐ型クラッド層の活性層側の界面近傍の部分が他の部分に比べてバンドギャップの大きい半導体層により構成されている
ことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌからなる群より選ばれた少なくとも１種類のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によってはさらにＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなる。
【００１０】
この発明において、ｐ型クラッド層は、典型的には、互いに組成の異なるＢx Ａｌy Ｇａz Ｉｎ1-x-y-z Ｎ（ただし、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる２以上の半導体層により構成される。
【００１１】
この発明においては、ｐ型クラッド層のうち活性層側の界面近傍の部分を構成するバンドギャップの大きい半導体層は、ｐ型クラッド層への電子のオーバーフローを効果的に防止する観点から、好適には、ｐ型クラッド層の活性層側の界面から１００ｎｍ以内の位置に設けられ、より好適には、ｐ型クラッド層の活性層側の界面から５０ｎｍ以内の位置に設けられる。また、このバンドギャップの大きい半導体層の厚さは、電子のトンネリングを生じさせないようにし、かつ、この層による抵抗上昇を極力抑える観点から、好適には２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に選ばれる。
【００１２】
この発明において、ｐ型クラッド層は、単純な構造で、しかも電子のオーバーフローに関して高い防止効果が得られることから、典型的には、活性層側の第１の半導体層と第１の半導体層上の第２の半導体層とにより構成され、第１の半導体層のバンドギャップが第２の半導体層のバンドギャップより大きくされる。この際、第１の半導体層のバンドギャップは、この層をバリア層として機能させる観点から、ｐ型クラッド層の伝導帯に、電子のオーバーフローを抑制するのに十分な高さの障壁が形成されるように選ばれる。一方、バンドギャップの小さい第２の半導体層のバンドギャップは、垂直方向の光閉じ込めが大幅に悪化しない程度の屈折率を維持しつつ、動作電圧の上昇を抑制するために抵抗値が極力低くなるように選ばれる。
【００１３】
上述のように構成されたこの発明による半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層が互いにバンドギャップの異なる２以上の半導体層により構成され、ｐ型クラッド層の活性層側の界面近傍の部分が他の部分に比べてバンドギャップの大きい半導体層により構成されていることにより、ｎ型クラッド層の側からｐ型クラッド層の側へのキャリア（電子）のオーバーフローが防止され、注入電流のうち発光に寄与しないリーク電流の成分が低減されるので、閾値電流密度を低減することができる。この際、ｐ型クラッド層の他の部分は、活性層側の界面近傍の部分を構成する半導体層に比べてバンドギャップの小さい半導体層により構成することができるので、ｐ型クラッド層の抵抗上昇を抑制することができる。これにより、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、動作電圧をほとんど上昇させずに閾値電流密度を低減することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００１５】
図１は、この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの断面図である。このＧａＮ系半導体レーザは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＩｎＮ ＳＣＨ構造を有するリッジストライプ型のものである。また、活性層は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００１６】
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、例えば、ｃ面サファイア基板１上に低温成長によるアンドープのＧａＮバッファ層２を介して、アンドープのＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａＩｎＮを量子井戸層とするＭＱＷ構造の活性層７、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層８、ｐ型ＧａＮ光導波層９、後述する積層構造を有するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１が順次積層されている。
【００１７】
ＧａＮバッファ層２は厚さが例えば２００ｎｍである。ＧａＮ層３は厚さが例えば１μｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は厚さが例えば２μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は例えばｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる。このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は厚さが例えば１μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。ｎ型ＧａＮ光導波層６は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。活性層７のＧａＩｎＮ量子井戸層は例えばＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎからなる。この場合、半導体レーザの発光波長は４００ｎｍ程度である。また、この活性層７のＧａＩｎＮ量子井戸層は厚さが例えば３．５ｎｍである。
【００１８】
ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層８は例えばｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなる。このｐ型ＡｌＧａＮキャップ層８は厚さが例えば１０ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。ｐ型ＧａＮ光導波層９は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、互いにバンドギャップの異なる、したがって互いに組成の異なる２つのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層およびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１≦１）からなる。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は全体の厚さが例えば１μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の具体的な構成については、後に詳細に説明する。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００１９】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の上層部およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１は、一方向に延びる所定のリッジストライプ形状を有する。また、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、活性層７、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層８、ｐ型ＧａＮ光導波層９およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の下層部は所定のメサ形状を有する。リッジストライプ部におけるｐ型ＧａＮコンタクト層１１上には、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ／Ａｕ電極のようなｐ側電極１２が設けられている。また、メサ部に隣接するｎ型ＧａＮコンタクト層４上には、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極のようなｎ側電極１３が設けられている。このＧａＮ系半導体レーザは共振器長が例えば１ｍｍであり、リッジストライプ部の幅（ストライプ幅）が例えば３．５μｍである。
【００２０】
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザでは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０が互いにバンドギャップの異なるｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層およびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層により構成されているのが特徴的である。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、具体的には、例えば次のように構成されている。図２に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の詳細な構造を示す。また、図３は、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図であり、特にその伝導帯を示す。図３においてＥC は伝導帯下端を示す。
【００２１】
図２および図３に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいて、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、ｐ型ＧａＮ光導波層９に接するｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａと、このｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａ上のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂとにより構成されている。ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａは、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂよりＡｌ組成が大きく、したがって高バンドギャップである。
【００２２】
これらのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａおよびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂのうち、バンドギャップの大きいｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａは、ｎ型半導体層の側から移動してきた電子が、活性層７に注入されずにｐ型半導体層の側にオーバーフローするのを防止するバリア層としての役割を有する。一方、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2層１０ｂは、後述のようにｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の大部分を占めることから、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の抵抗および垂直方向の光導波に及ぼす影響は、このｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂによるものが支配的となる。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０を構成するこれらのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａおよびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの組成および厚さは、それぞれの層がその役割を十分に果たすことのできるように選定される。
【００２３】
まず、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの組成に関しては、垂直方向の光閉じ込めが大幅に悪化しない程度の屈折率を維持しつつ、抵抗値が極力低くなるように選ばれる。具体的には、Ｍｇドープのｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの場合、Ａｌ組成ｘ２は例えば０．０５≦ｘ２≦０．０８とすることが望ましい。このようにｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの組成を選定した上で、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１は、この層をバリア層として機能させるために、言い換えれば、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の伝導帯に、電子のオーバーフローを防止するのに十分な高さの障壁が形成されるように、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２よりも例えば０．０２以上大きくすることが望ましい。また、このｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの組成は、ｐ型ＧａＮ光導波層９およびｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの伝導帯のバンド不連続量が１００ｍｅＶ以上となるように選定される。この第１の実施形態におけるｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１およびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２の一例を挙げると、それぞれｘ１＝０．０８、ｘ２＝０．０６である。
【００２４】
また、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１は、この層をバリア層として機能させるために、少なくとも電子のトンネリングが生じない程度に厚くすることが求められる一方で、この層の抵抗による動作電圧の上昇を抑制するために、なるべく薄いことが求められる。具体的には、このｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１は、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で最適化することが望ましい。ここで、本発明者は、図１に示すと同様の構造を有するＧａＮ系半導体レーザにおいて、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０を構成するｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１およびｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２を、それぞれｘ１＝０．０８、ｘ２＝０．０６として、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１を３０ｎｍ、５０ｎｍ、８０ｎｍと変化させたときに、閾値電流および動作電圧がどの様に変化するかを調べた。図４は、この実験結果をまとめたものである。
【００２５】
図４より、閾値電流はｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１が大きいほど減少する傾向があり、動作電圧はｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａが厚さｔ１が小さいほど減少する傾向があることがわかる。したがって、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１およびｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２を、それぞれｘ１＝０．０８、ｘ２＝０．０６とした場合、動作電圧の上昇を抑えつつ、所定の閾値電流低減効果を得るためには、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１は、例えば５０ｎｍに選ばれる。
【００２６】
なお、別途行った実験によれば、閾値電流の低減効果は、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１が大きいほど高いことが確認されている。したがって、例えば、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａにおいてｘ１＝０．１１とした場合、同程度の効果を得るのに必要なｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１は、ｘ＝０．０８とした場合より小さくて済む。
【００２７】
上述のように構成されたこの第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザによれば、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０が互いにバンドギャップの異なるｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａとｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎクラッド層１０ｂ（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１≦１）とにより構成され、活性層７に近い側に設けられたバンドギャップの大きいｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａが電子のオーバーフローを防止するバリア層として機能することにより、従来に比べて閾値電流密度が低減される。しかも、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の他の部分は、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａに比べてバンドギャップの小さいｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂにより構成されているので、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０全体の抵抗上昇は抑えられている。
【００２８】
ここで、本発明によるｐ型クラッド層の構成を採用することによる閾値電流密度の低減効果について、実験結果に基づいて説明する。
【００２９】
図５に、従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成と閾値電流との関係を示す。図５において、実線のグラフは、従来のＧａＮ系半導体レーザの閾値電流の実測値を表す。この測定に用いた試料は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のバンドギャップ（組成）が一様であること以外は、図１に示すＧａＮ系半導体レーザと同様のレーザ構造を有するものであり、共振器長は１ｍｍとし、ストライプ幅は３．５μｍとした。破線のグラフは、リーク電流の成分が無い場合の閾値電流の理論値を表す。この閾値電流の理論値は、光閉じ込め率Γの逆数に比例する。また、空丸（○）は、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザ（ただし、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１＝０．０８、厚さｔ１＝５０ｎｍ、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２＝０．０６）の閾値電流の実測値を表す。
【００３０】
図５に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のバンドギャップが一様な従来のＧａＮ系半導体レーザでは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が小さく、したがってそのバンドギャップが小さくなる程、閾値電流が上昇する。ここで、実線のグラフおよび破線のグラフで囲まれた領域は、注入電流のうち発光に寄与しないリーク電流の成分に対応する。これに対して、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの閾値電流の実測値は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が０．０６である従来のＧａＮ系半導体レーザの閾値電流の理論値に近い値であることがわかる。このことより、本発明によるｐ型クラッド層の構成が採用されたこの第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいて、閾値電流（閾値電流密度）が従来のＧａＮ系半導体レーザに比べて低減されるのは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の活性層７側にバリア層としてのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａが設けられることによって、リーク電流の成分が低減されるためであることがわかる。
【００３１】
以上のように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザによれば、動作電圧をほとんど上昇させることなく、閾値電流密度を低減することが可能である。また、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザによれば、動作電圧の上昇が抑えられることにより、素子の長寿命化および高出力化を図ることができるという利点も合わせて得ることができる。
【００３２】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。図６は、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の詳細な構造を示す。また、図７は、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図であり、特にその伝導帯について示す。なお、図７においてＥC は伝導帯下端のエネルギーを示す。
【００３３】
図６および図７に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいて、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、ｐ型ＧａＮ光導波層９に接するｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂと、この上のｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａと、この上のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂとにより構成されている。すなわち、丁度、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０中の活性層７側の界面近傍の部分に、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎからなるバリア層が挿入された構造となっている。この場合、バリア層としてのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａは、好適には、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の活性層７側の界面から１００ｎｍ以下の位置に設けられることが望ましく、より好適にはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の活性層７側の界面から５０ｎｍ以下の位置に設けられることが望ましい。すなわち、ｐ型ＧａＮ光導波層９とｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａとの間のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの厚さｔ２は、好適には１００ｎｎ以下、より好適には５０ｎｍ以下とされる。
【００３４】
この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの上記以外の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００３５】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の利点を得ることができる。
【００３６】
以上この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００３７】
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造などはあくまで例にすぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、材料、構造などを用いてもよい。具体的には、例えば、上述の第１および第２の実施形態におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、互いにバンドギャップの異なる３以上のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層（ただし、０≦ｘ≦１）により構成されたものであってもよい。より具体的には、例えば、第１の実施形態におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、ｐ型ＧａＮ光導波層９に接するｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層と、この上のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層と、この上のｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎ層（ただし、０≦ｘ３＜ｘ２＜ｘ１≦１）とにより構成されたものであってもよい。なお、このようにｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０を互いにバンドギャップの異なる３以上のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層により構成する場合、典型的には、これらの層はバンドギャップの大きい順に積層されるが、動作電圧をほとんど上昇させることなく閾値電流密度を低減することが可能で、特に垂直方向の光の閉じ込めなどに悪影響を与えることのない場合は、これに限定されるものではない。また、第２の実施形態におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの上下で互いにバンドギャップ（組成）が異なるものであってもよい。
【００３８】
また、上述の第１および第２の実施形態において挙げたレーザ構造を形成する各半導体層の組成および厚さについても、必要に応じて例示したものと異なる組成および厚さとしてもよい。特に、上述の第１および第２の実施形態においては、典型な例として、ｐ型クラッド層をｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎにより構成しているが、このｐ型クラッド層は、Ｂx Ａｌy Ｇａz Ｉｎ1-x-y-z Ｎ（ただし、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるものであってもよい。
【００３９】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、この発明をリッジストライプ型のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は電極ストライプ型のＧａＮ系半導体レーザにも適用可能である。
【００４０】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、活性層７からみて基板側にｎ型半導体層が配置され、その反対側にｐ型半導体層が配置されているが、これは、活性層７からみて基板側にｐ型半導体層が配置され、その反対側にｎ型半導体層が配置されていてもよい。
【００４１】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明はＤＨ構造のＧａＮ系半導体レーザは勿論のこと、ＧａＮ系発光ダイオードにも適用可能である。また、活性層は単一量子井戸（ＳＱＷ）構造としてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層が互いにバンドギャップの異なる２以上の半導体層により構成され、ｐ型クラッド層の活性層側の界面近傍の部分が他の部分に比べてバンドギャップの大きい半導体層により構成されていることにより、ｎ型クラッド層の側からｐ型クラッド層の側へのキャリア（電子）のオーバーフローが防止され、注入電流のうち発光に寄与しないリーク電流の成分が低減されるので、閾値電流密度を低減することができる。この際、ｐ型クラッド層の他の部分は、活性層側の界面近傍の部分を構成する半導体層に比べてバンドギャップの小さい半導体層により構成することができるので、ｐ型クラッド層の抵抗上昇を抑制することができる。これにより、動作電圧をほとんど上昇させることなく、閾値電流密度を低減することが可能な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を得ることができる。また、動作電圧の上昇が抑えられることにより、素子の長寿命化および高出力化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの断面図である。
【図２】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の詳細な構造を示す断面図である。
【図３】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図４】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を構成するｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層の厚さを変化させたときの閾値電流および動作電圧の変化を説明するための図である。
【図５】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの閾値電流の実測値、ならびに、従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成と閾値電流の実測値および理論値との関係を示すグラフである。
【図６】 この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の詳細な構造を示す断面図である。
【図７】 この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図８】 従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成と動作電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・ｎ型ＧａＮ光導波層、７・・・活性層、９・・・ｐ型ＧａＮ光導波層、１０・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０ａ・・・ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層、１０ｂ・・・ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層、１１・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体発光素子に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（以下「ＧａＮ系半導体」ともいう）は、このＧａＮ系半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）が実用化され、また、このＧａＮ系半導体を用いたレーザダイオードも達成されたことで大きな注目を集め、光ディスク装置の光源をはじめとした応用が期待されている。
【０００３】
ＧａＮ半導体レーザは、例えば、ＧａＩｎＮからなる活性層をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層により挟んだＤＨ構造（Double Heterostructure）を基本構造としている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、活性層より低屈折率かつ高バンドギャップであり、活性層で発生した光を閉じ込める役割を有すると共に、キャリアのオーバーフローを抑制する役割を有する。ＳＣＨ構造（Separate Confinement Heterostructure）のＧａＮ系半導体レーザでは、さらに、活性層とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層との間および活性層とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層との間に、それぞれｎ型ＧａＮ光導波層およびｐ型ＧａＮ光導波層が設けられる。これまでに室温連続発振が達成されているＧａＮ系半導体レーザの多くは、このＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＩｎＮＳＣＨ構造を有するものである。その中でも、発光波長が４００ｎｍ帯のものは、例えば、活性層はＩｎ組成が１５％程度のＧａＩｎＮにより構成され、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層はＡｌ組成が６〜８％程度のＡｌＧａＮにより構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＧａＮ系半導体レーザの動作電流および動作電圧は、既に実用化されているＡｌＧａＡｓ系半導体レーザやＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザのそれと比べて高く、実用上問題がある条件となっている。
【０００５】
ＧａＮ系半導体レーザの動作電流を低減するには閾値電流密度の低減を図ることが有効であり、これを実現する手法としては、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を大きくすることで、これらの低屈折率化および高バンドギャップ化を図り、光の閉じ込め率Γを大きくすると共に、キャリアのオーバーフローを抑制する方法が考えられる。しかしながら、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、バンドギャップが大きくなるに従ってキャリアが発生しにくくなる傾向がある。そのため、閾値電流密度を低減すべくｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を大きくした場合、このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の抵抗が大きくなり、素子の動作電圧が上昇してしまうという問題が生じる。
【０００６】
図８は、従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成と動作電圧との関係を示すグラフである。この測定に用いた試料は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＩｎＮ ＳＣＨ構造を有するリッジストライプ型のものであり、共振器長は１ｍｍ、ストライプ幅は３．５μｍである。図８において、動作電圧Ｖopは、室温において、試料を周波数１ｋＨｚ、デューティ比０．５％、電流１００ｍＡの条件でパルス駆動したときの電圧を示す。図８より、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成の増大に伴って、動作電圧Ｖopが上昇することがわかる。このような動作電圧の上昇は素子寿命を短くするばかりでなく、半導体レーザの高出力化の妨げにもなるため、動作電圧の上昇を抑制しつつ低閾値電流密度で発振可能なＧａＮ系半導体レーザの開発が望まれている。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、動作電圧をほとんど上昇させることなく、閾値電流密度を低減することのできる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、
活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層により挟んだ構造を有し、活性層、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体発光素子において、
ｐ型クラッド層が互いにバンドギャップの異なる２以上の半導体層により構成され、かつ、ｐ型クラッド層の活性層側の界面近傍の部分が他の部分に比べてバンドギャップの大きい半導体層により構成されている
ことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌからなる群より選ばれた少なくとも１種類のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によってはさらにＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなる。
【００１０】
この発明において、ｐ型クラッド層は、典型的には、互いに組成の異なるＢx Ａｌy Ｇａz Ｉｎ1-x-y-z Ｎ（ただし、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる２以上の半導体層により構成される。
【００１１】
この発明においては、ｐ型クラッド層のうち活性層側の界面近傍の部分を構成するバンドギャップの大きい半導体層は、ｐ型クラッド層への電子のオーバーフローを効果的に防止する観点から、好適には、ｐ型クラッド層の活性層側の界面から１００ｎｍ以内の位置に設けられ、より好適には、ｐ型クラッド層の活性層側の界面から５０ｎｍ以内の位置に設けられる。また、このバンドギャップの大きい半導体層の厚さは、電子のトンネリングを生じさせないようにし、かつ、この層による抵抗上昇を極力抑える観点から、好適には２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に選ばれる。
【００１２】
この発明において、ｐ型クラッド層は、単純な構造で、しかも電子のオーバーフローに関して高い防止効果が得られることから、典型的には、活性層側の第１の半導体層と第１の半導体層上の第２の半導体層とにより構成され、第１の半導体層のバンドギャップが第２の半導体層のバンドギャップより大きくされる。この際、第１の半導体層のバンドギャップは、この層をバリア層として機能させる観点から、ｐ型クラッド層の伝導帯に、電子のオーバーフローを抑制するのに十分な高さの障壁が形成されるように選ばれる。一方、バンドギャップの小さい第２の半導体層のバンドギャップは、垂直方向の光閉じ込めが大幅に悪化しない程度の屈折率を維持しつつ、動作電圧の上昇を抑制するために抵抗値が極力低くなるように選ばれる。
【００１３】
上述のように構成されたこの発明による半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層が互いにバンドギャップの異なる２以上の半導体層により構成され、ｐ型クラッド層の活性層側の界面近傍の部分が他の部分に比べてバンドギャップの大きい半導体層により構成されていることにより、ｎ型クラッド層の側からｐ型クラッド層の側へのキャリア（電子）のオーバーフローが防止され、注入電流のうち発光に寄与しないリーク電流の成分が低減されるので、閾値電流密度を低減することができる。この際、ｐ型クラッド層の他の部分は、活性層側の界面近傍の部分を構成する半導体層に比べてバンドギャップの小さい半導体層により構成することができるので、ｐ型クラッド層の抵抗上昇を抑制することができる。これにより、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、動作電圧をほとんど上昇させずに閾値電流密度を低減することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００１５】
図１は、この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの断面図である。このＧａＮ系半導体レーザは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＧａＩｎＮ ＳＣＨ構造を有するリッジストライプ型のものである。また、活性層は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００１６】
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、例えば、ｃ面サファイア基板１上に低温成長によるアンドープのＧａＮバッファ層２を介して、アンドープのＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａＩｎＮを量子井戸層とするＭＱＷ構造の活性層７、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層８、ｐ型ＧａＮ光導波層９、後述する積層構造を有するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１が順次積層されている。
【００１７】
ＧａＮバッファ層２は厚さが例えば２００ｎｍである。ＧａＮ層３は厚さが例えば１μｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は厚さが例えば２μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は例えばｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる。このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は厚さが例えば１μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。ｎ型ＧａＮ光導波層６は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。活性層７のＧａＩｎＮ量子井戸層は例えばＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎからなる。この場合、半導体レーザの発光波長は４００ｎｍ程度である。また、この活性層７のＧａＩｎＮ量子井戸層は厚さが例えば３．５ｎｍである。
【００１８】
ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層８は例えばｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなる。このｐ型ＡｌＧａＮキャップ層８は厚さが例えば１０ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。ｐ型ＧａＮ光導波層９は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、互いにバンドギャップの異なる、したがって互いに組成の異なる２つのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層およびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１≦１）からなる。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は全体の厚さが例えば１μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の具体的な構成については、後に詳細に説明する。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００１９】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の上層部およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１は、一方向に延びる所定のリッジストライプ形状を有する。また、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、活性層７、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層８、ｐ型ＧａＮ光導波層９およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の下層部は所定のメサ形状を有する。リッジストライプ部におけるｐ型ＧａＮコンタクト層１１上には、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ／Ａｕ電極のようなｐ側電極１２が設けられている。また、メサ部に隣接するｎ型ＧａＮコンタクト層４上には、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極のようなｎ側電極１３が設けられている。このＧａＮ系半導体レーザは共振器長が例えば１ｍｍであり、リッジストライプ部の幅（ストライプ幅）が例えば３．５μｍである。
【００２０】
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザでは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０が互いにバンドギャップの異なるｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層およびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層により構成されているのが特徴的である。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、具体的には、例えば次のように構成されている。図２に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の詳細な構造を示す。また、図３は、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図であり、特にその伝導帯を示す。図３においてＥC は伝導帯下端を示す。
【００２１】
図２および図３に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいて、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、ｐ型ＧａＮ光導波層９に接するｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａと、このｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａ上のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂとにより構成されている。ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａは、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂよりＡｌ組成が大きく、したがって高バンドギャップである。
【００２２】
これらのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａおよびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂのうち、バンドギャップの大きいｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａは、ｎ型半導体層の側から移動してきた電子が、活性層７に注入されずにｐ型半導体層の側にオーバーフローするのを防止するバリア層としての役割を有する。一方、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2層１０ｂは、後述のようにｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の大部分を占めることから、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の抵抗および垂直方向の光導波に及ぼす影響は、このｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂによるものが支配的となる。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０を構成するこれらのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａおよびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの組成および厚さは、それぞれの層がその役割を十分に果たすことのできるように選定される。
【００２３】
まず、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの組成に関しては、垂直方向の光閉じ込めが大幅に悪化しない程度の屈折率を維持しつつ、抵抗値が極力低くなるように選ばれる。具体的には、Ｍｇドープのｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの場合、Ａｌ組成ｘ２は例えば０．０５≦ｘ２≦０．０８とすることが望ましい。このようにｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの組成を選定した上で、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１は、この層をバリア層として機能させるために、言い換えれば、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の伝導帯に、電子のオーバーフローを防止するのに十分な高さの障壁が形成されるように、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２よりも例えば０．０２以上大きくすることが望ましい。また、このｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの組成は、ｐ型ＧａＮ光導波層９およびｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの伝導帯のバンド不連続量が１００ｍｅＶ以上となるように選定される。この第１の実施形態におけるｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１およびｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２の一例を挙げると、それぞれｘ１＝０．０８、ｘ２＝０．０６である。
【００２４】
また、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１は、この層をバリア層として機能させるために、少なくとも電子のトンネリングが生じない程度に厚くすることが求められる一方で、この層の抵抗による動作電圧の上昇を抑制するために、なるべく薄いことが求められる。具体的には、このｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１は、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で最適化することが望ましい。ここで、本発明者は、図１に示すと同様の構造を有するＧａＮ系半導体レーザにおいて、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０を構成するｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１およびｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２を、それぞれｘ１＝０．０８、ｘ２＝０．０６として、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１を３０ｎｍ、５０ｎｍ、８０ｎｍと変化させたときに、閾値電流および動作電圧がどの様に変化するかを調べた。図４は、この実験結果をまとめたものである。
【００２５】
図４より、閾値電流はｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１が大きいほど減少する傾向があり、動作電圧はｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａが厚さｔ１が小さいほど減少する傾向があることがわかる。したがって、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１およびｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２を、それぞれｘ１＝０．０８、ｘ２＝０．０６とした場合、動作電圧の上昇を抑えつつ、所定の閾値電流低減効果を得るためには、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１は、例えば５０ｎｍに選ばれる。
【００２６】
なお、別途行った実験によれば、閾値電流の低減効果は、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１が大きいほど高いことが確認されている。したがって、例えば、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａにおいてｘ１＝０．１１とした場合、同程度の効果を得るのに必要なｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの厚さｔ１は、ｘ＝０．０８とした場合より小さくて済む。
【００２７】
上述のように構成されたこの第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザによれば、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０が互いにバンドギャップの異なるｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａとｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎクラッド層１０ｂ（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１≦１）とにより構成され、活性層７に近い側に設けられたバンドギャップの大きいｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａが電子のオーバーフローを防止するバリア層として機能することにより、従来に比べて閾値電流密度が低減される。しかも、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の他の部分は、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａに比べてバンドギャップの小さいｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂにより構成されているので、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０全体の抵抗上昇は抑えられている。
【００２８】
ここで、本発明によるｐ型クラッド層の構成を採用することによる閾値電流密度の低減効果について、実験結果に基づいて説明する。
【００２９】
図５に、従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成と閾値電流との関係を示す。図５において、実線のグラフは、従来のＧａＮ系半導体レーザの閾値電流の実測値を表す。この測定に用いた試料は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のバンドギャップ（組成）が一様であること以外は、図１に示すＧａＮ系半導体レーザと同様のレーザ構造を有するものであり、共振器長は１ｍｍとし、ストライプ幅は３．５μｍとした。破線のグラフは、リーク電流の成分が無い場合の閾値電流の理論値を表す。この閾値電流の理論値は、光閉じ込め率Γの逆数に比例する。また、空丸（○）は、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザ（ただし、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａのＡｌ組成ｘ１＝０．０８、厚さｔ１＝５０ｎｍ、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂのＡｌ組成ｘ２＝０．０６）の閾値電流の実測値を表す。
【００３０】
図５に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のバンドギャップが一様な従来のＧａＮ系半導体レーザでは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が小さく、したがってそのバンドギャップが小さくなる程、閾値電流が上昇する。ここで、実線のグラフおよび破線のグラフで囲まれた領域は、注入電流のうち発光に寄与しないリーク電流の成分に対応する。これに対して、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの閾値電流の実測値は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が０．０６である従来のＧａＮ系半導体レーザの閾値電流の理論値に近い値であることがわかる。このことより、本発明によるｐ型クラッド層の構成が採用されたこの第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいて、閾値電流（閾値電流密度）が従来のＧａＮ系半導体レーザに比べて低減されるのは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の活性層７側にバリア層としてのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａが設けられることによって、リーク電流の成分が低減されるためであることがわかる。
【００３１】
以上のように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザによれば、動作電圧をほとんど上昇させることなく、閾値電流密度を低減することが可能である。また、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザによれば、動作電圧の上昇が抑えられることにより、素子の長寿命化および高出力化を図ることができるという利点も合わせて得ることができる。
【００３２】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。図６は、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の詳細な構造を示す。また、図７は、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図であり、特にその伝導帯について示す。なお、図７においてＥC は伝導帯下端のエネルギーを示す。
【００３３】
図６および図７に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいて、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、ｐ型ＧａＮ光導波層９に接するｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂと、この上のｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａと、この上のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂとにより構成されている。すなわち、丁度、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０中の活性層７側の界面近傍の部分に、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎからなるバリア層が挿入された構造となっている。この場合、バリア層としてのｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａは、好適には、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の活性層７側の界面から１００ｎｍ以下の位置に設けられることが望ましく、より好適にはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０の活性層７側の界面から５０ｎｍ以下の位置に設けられることが望ましい。すなわち、ｐ型ＧａＮ光導波層９とｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａとの間のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０ｂの厚さｔ２は、好適には１００ｎｎ以下、より好適には５０ｎｍ以下とされる。
【００３４】
この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの上記以外の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００３５】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の利点を得ることができる。
【００３６】
以上この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００３７】
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造などはあくまで例にすぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、材料、構造などを用いてもよい。具体的には、例えば、上述の第１および第２の実施形態におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、互いにバンドギャップの異なる３以上のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層（ただし、０≦ｘ≦１）により構成されたものであってもよい。より具体的には、例えば、第１の実施形態におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、ｐ型ＧａＮ光導波層９に接するｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層と、この上のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層と、この上のｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎ層（ただし、０≦ｘ３＜ｘ２＜ｘ１≦１）とにより構成されたものであってもよい。なお、このようにｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０を互いにバンドギャップの異なる３以上のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層により構成する場合、典型的には、これらの層はバンドギャップの大きい順に積層されるが、動作電圧をほとんど上昇させることなく閾値電流密度を低減することが可能で、特に垂直方向の光の閉じ込めなどに悪影響を与えることのない場合は、これに限定されるものではない。また、第２の実施形態におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０は、ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０ａの上下で互いにバンドギャップ（組成）が異なるものであってもよい。
【００３８】
また、上述の第１および第２の実施形態において挙げたレーザ構造を形成する各半導体層の組成および厚さについても、必要に応じて例示したものと異なる組成および厚さとしてもよい。特に、上述の第１および第２の実施形態においては、典型な例として、ｐ型クラッド層をｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎにより構成しているが、このｐ型クラッド層は、Ｂx Ａｌy Ｇａz Ｉｎ1-x-y-z Ｎ（ただし、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるものであってもよい。
【００３９】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、この発明をリッジストライプ型のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は電極ストライプ型のＧａＮ系半導体レーザにも適用可能である。
【００４０】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、活性層７からみて基板側にｎ型半導体層が配置され、その反対側にｐ型半導体層が配置されているが、これは、活性層７からみて基板側にｐ型半導体層が配置され、その反対側にｎ型半導体層が配置されていてもよい。
【００４１】
また、上述の第１および第２の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明はＤＨ構造のＧａＮ系半導体レーザは勿論のこと、ＧａＮ系発光ダイオードにも適用可能である。また、活性層は単一量子井戸（ＳＱＷ）構造としてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による半導体発光素子によれば、ｐ型クラッド層が互いにバンドギャップの異なる２以上の半導体層により構成され、ｐ型クラッド層の活性層側の界面近傍の部分が他の部分に比べてバンドギャップの大きい半導体層により構成されていることにより、ｎ型クラッド層の側からｐ型クラッド層の側へのキャリア（電子）のオーバーフローが防止され、注入電流のうち発光に寄与しないリーク電流の成分が低減されるので、閾値電流密度を低減することができる。この際、ｐ型クラッド層の他の部分は、活性層側の界面近傍の部分を構成する半導体層に比べてバンドギャップの小さい半導体層により構成することができるので、ｐ型クラッド層の抵抗上昇を抑制することができる。これにより、動作電圧をほとんど上昇させることなく、閾値電流密度を低減することが可能な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を得ることができる。また、動作電圧の上昇が抑えられることにより、素子の長寿命化および高出力化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの断面図である。
【図２】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の詳細な構造を示す断面図である。
【図３】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図４】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を構成するｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層の厚さを変化させたときの閾値電流および動作電圧の変化を説明するための図である。
【図５】 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの閾値電流の実測値、ならびに、従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成と閾値電流の実測値および理論値との関係を示すグラフである。
【図６】 この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の詳細な構造を示す断面図である。
【図７】 この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図８】 従来のＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成と動作電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・ｎ型ＧａＮ光導波層、７・・・活性層、９・・・ｐ型ＧａＮ光導波層、１０・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０ａ・・・ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層、１０ｂ・・・ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層、１１・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層
Claims (8)
- 活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層により挟んだ構造を有し、上記活性層、上記ｎ型クラッド層および上記ｐ型クラッド層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、
上記活性層がＧａＩｎＮを量子井戸層とし、
上記活性層と上記ｐ型クラッド層との間にｐ型Ａｌ 0.2 Ｇａ 0.8 Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮキャップ層が設けられ、
上記ｐ型クラッド層が、互いにバンドギャップの異なるＢx Ａｌy Ｇａz Ｉｎ1-x-y-z Ｎ（ただし、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる２以上の半導体層により構成され、かつ、上記ｐ型クラッド層の上記活性層側の部分が他の部分に比べてバンドギャップの大きい上記半導体層により構成されている半導体発光素子。 - 上記ｐ型クラッド層が、上記活性層側のｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層と、このｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層上のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１≦１）とにより構成されている請求項１記載の半導体発光素子。
- 上記ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層の厚さが２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項２記載の半導体発光素子。
- 上記ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層のＡｌ組成ｘ１が上記ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層のＡｌ組成ｘ２よりも０．０２以上大きい請求項２記載の半導体発光素子。
- 活性層をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層により挟んだ構造を有し、上記活性層、上記ｎ型クラッド層および上記ｐ型クラッド層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、
上記活性層がＧａＩｎＮを量子井戸層とし、
上記活性層と上記ｐ型クラッド層との間にｐ型Ａｌ 0.2 Ｇａ 0.8 Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮキャップ層が設けられ、
上記ｐ型クラッド層が３層のｐ型ＡｌＧａＮ層により構成され、かつ、上記ｐ型クラッド層の２層目のｐ型ＡｌＧａＮ層が他のｐ型ＡｌＧａＮ層に比べてバンドギャップが大きい半導体発光素子。 - 上記３層のｐ型ＡｌＧａＮ層が上記活性層側のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層と、このｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層上のｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層と、このｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層上のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１≦１）とにより構成されている請求項５記載の半導体発光素子。
- 上記活性層側のｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層の厚さが１００ｎｍ以下である請求項６記載の半導体発光素子。
- 上記ｐ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層のＡｌ組成ｘ１が上記ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層のＡｌ組成ｘ２よりも０．０２以上大きい請求項６記載の半導体発光素子。
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