JP4962391B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、III族窒化物半導体レーザに関する。

非特許文献１には、ＧａＮ（１１−２２）基板上に作製されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造が示されている。上記の結晶面では共振器構造を形成できないので、光ポンピングによって量子井戸構造を発光させている。［−１−１２３］方向に沿って測定された発光は、［１−１００］方向に沿って測定された発光に比べてより低いエネルギでより低いポンピング閾値で生じる。オフ角は５６度である。

非特許文献２には、ｍ面上に作製されたレーザダイオードが記載されている。このレーザダイオードはＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有しており、発光波長は４００ｎｍである。ａ軸及びｃ軸に平行なストライプはＴＥモード動作であり、これらのレーザダイオードのうちｃ軸ストライプのレーザダイオードが低閾値電流密度を示す。

非特許文献３には、偏光度について理論的な計算が示されている。非特許文献４には、（１０−１１）面上にレーザダイオードを作製している。（１０−１１）面は、ＧａＮ基板のｃ面に対してオフ角７３度に相当する。
Applied Physics Letters、vol．91、pp.251197 Japanese Journal of Applied Physics、vol．46、No．9、2007、pp.L187-L180 Japanese Journal of Applied Physics、vol．46、No.33、2007、pp.L789 Japanese Journal of Applied Physics、vol．46、No.19、2007、pp.L444

ｃ面ＧａＮウエハ上に半導体レーザが作製されている。ピエゾ電界が実質的に零にできるので、非極性面（ａ面、ｍ面）ＧａＮウエハ上に半導体レーザを作製することが研究されている。また、ピエゾ電界の影響が残るけれども、半極性面ＧａＮウエハ上に半導体レーザを作製することに着目されている。

ｃ面ＧａＮウエハを用いる半導体レーザと異なって、非極性面及び半極性面を用いる半導体レーザは光学異方性を示すので、へき開端面を形成する方向が、半導体レーザに低いしきい値のために重要である。非特許文献２に示されるように、ｍ面ＧａＮ基板上の半導体レーザはａ軸方向に偏光するので、劈開はｃ面で行うことによって、遷移確率の高い成分をＴＥモードとして利用できる。しかしながら、非特許文献２のレーザ構造を非極性面から傾斜された半極性面に適用するとき、劈開のｃ面は導波方向に傾斜してしまい、共振器が得られない。非特許文献１及び２における偏光度は、０．７程度またはそれ以上である。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、半極性面を用いて低しきい値を提供できるIII族窒化物半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る発明は、III族窒化物半導体レーザである。III族窒化物半導体レーザは、（ａ）六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のａ軸の方向に該III族窒化物半導体のｃ面から１０度以上３０度以下の角度の傾斜を成す主面を有する半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｃ）前記半導体基板上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｄ）前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と、（ｅ）該六方晶系III族窒化物のｍ劈開面によって構成された一対の端面とを備える。

前記III族窒化物半導体レーザの導波方向に向いたＸ１軸、このＸ１軸に直交するＸ２軸、および前記Ｘ１軸及びＸ２軸に直交するＸ３軸からなる直交座標系において、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記Ｘ３軸の方向に配列されており、前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、前記多重量子井戸構造は、前記Ｘ３軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、前記多重量子井戸構造は、前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層の厚みの少なくともいずれかにおいて、当該III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが負になるように設けられており、前記偏光度Ｐは、前記ＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される。

このIII族窒化物半導体レーザによれば、ｃ面を用いる発光ではランダム偏光を示すけれども、ｃ面から傾斜した面における発光では光学的異方性が現れ、特に１０度以上３０度以下の角度の傾斜面では、量子閉じ込め性を強めることによって該半導体レーザのＬＥＤモードにおける光の偏光度を小さくでき、より好ましくは偏光度が負である。このとき、半導体レーザのＴＥモードに一致した光の偏光成分を大きくでき、半導体レーザのしきい値を下げることができる。つまり、上記の半極性面上の多重量子井戸構造では、量子閉じ込め性を強めることによって、ＬＥＤモードにおける偏光度を小さくして、ついには負値にすることができる。量子閉じ込め性を強めるためには、例えば井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギ差を大きくすることが好適であり、井戸層の厚みを小さくすることが好適である。

本発明のIII族窒化物半導体レーザでは、前記障壁層は、少なくともガリウム及びアルミニウムをIII族元素として含む窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、障壁層の窒化ガリウム系半導体がアルミニウムを含むので、井戸層と障壁層との間のバンドギャップ差を大きくすることができる。

本発明のIII族窒化物半導体レーザでは、前記障壁層はＡｌＧａＮからなることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、ＡｌＧａＮ障壁層を用いることによって、三元窒化ガリウム系半導体の障壁層と井戸層との間のバンドギャップ差を用いて大きくできる。このとき、量子閉じ込め効果を強めることができる。

本発明のIII族窒化物半導体レーザでは、前記障壁層はＩｎＡｌＧａＮからなることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層を用いることによって、井戸層と障壁層との間のバンドギャップ差を大きくできる。このとき、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層の格子定数とＩｎＡｌＧａＮ障壁層のバンドギャップとを独立して変更できるので、井戸層への圧縮歪みを増加すること無く量子閉じ込め効果を強めることができる。

本発明のIII族窒化物半導体レーザでは、前記活性層の前記多重量子井戸構造の発振波長は、３８０ｎｍ以上であり、４３０ｎｍ以下であり、前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差は、０．４ｅＶ以上であり、０．９ｅＶ以下であることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下の発振波長では、バンドギャップエネルギ差が０．４ｅＶ以上であるとき、量子閉じ込め効果を強めることができる。また、バンドギャップエネルギ差が０．９ｅＶを超えるとき、障壁層の結晶品質が低下する可能性がある。

本発明のIII族窒化物半導体レーザでは、前記活性層の前記多重量子井戸構造の発振波長は、５００ｎｍ以上であり、５５０ｎｍ以下であり、前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差は、０．９ｅＶ以上であり、１．４ｅＶ以下であることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の発振波長では、バンドギャップエネルギ差が０．９ｅＶ以上であるとき、量子閉じ込め効果を強めることができる。バンドギャップエネルギ差が１．４ｅＶを超えるとき、障壁層の結晶品質が低下する可能性がある。

本発明のIII族窒化物半導体レーザでは、前記端面と前記ｍ軸との角度は９１度から８９度の範囲にあることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、端面ミラーからなる好適な共振器が構成される。

本発明のIII族窒化物半導体レーザでは、前記半導体基板はＧａＮからなることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、高品質なＧａＮ結晶からなる基板を用いることができる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、半極性面を用いて低しきい値を示すIII族窒化物半導体レーザが提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。図１には、直交座標系Ｓが示されると共に、結晶座標系ＣＲが示される。III族窒化物半導体レーザ１１は、半導体基板１３と、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５と、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７と、活性層１９と、一対の端面２１（２１ａ、２１ｂ）とを備える。半導体基板１３は、六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、III族窒化物半導体は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等である。半導体基板１３は主面１３ａを有しており、主面１３ａは、III族窒化物半導体のｃ面（参照番号Ｃ）から１０度以上３０度以下の角度αの傾斜を成す。傾斜αは、III族窒化物半導体のｃ軸（結晶系座標系ＣＲのｃ軸）からａ軸（結晶系座標系ＣＲのａ軸）の方向に成されている。ベクトルＶ_Ｃは、六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸の示し、ベクトルＶ_Ｍは、III族窒化物半導体のｍ軸を示す。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７は、半導体基板１３上に設けられている。活性層１９は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７との間に設けられている。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５、活性層１９及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７は半導体基板１３の主面１３ａ上に搭載されている。III族窒化物半導体レーザ１１の一対の端面２１ａ、２１ｂは、III族窒化物のｍ軸（ベクトルＶ_Ｍの向き）に交差する。端面２１ａ、２１ｂはｍ劈開面から構成される。

活性層１９によって生成された光は、Ｘ１軸の方向に伝搬すると共に、端面２１ａ、２１ｂによって反射される。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５、活性層１９及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７はＸ３軸の方向に配列されている。

図２に示されるように、活性層１９は多重量子井戸構造２３を有する。この多重量子井戸構造２３は井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂを含み、井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂはＸ３軸の方向に交互に配列されている。井戸層２５ａはＩｎＧａＮからなり、井戸層２５ａはバンドギャップエネルギＥ_Ｗを有する。障壁層２５ｂは窒化ガリウム系半導体からなり、障壁層２５ｂはバンドギャップエネルギＥ_Ｂを有する。必要な場合には、活性層１９は第１及び第２の光ガイド層２７ａ、２７ｂを含むことができる。光ガイド層２７ａ、２７ｂはバンドギャップエネルギＥ_Ｇを有し、また障壁層２５ｂに接触している。光ガイド層２７ａは、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５と障壁層２５ｂとの間に設けられている。光ガイド層２７ｂは、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７と障壁層２５ｂとの間に設けられている。井戸層２５ａは障壁層２５ｂに接触している。井戸層２５ａと障壁層２５ｂとのバンドギャップエネルギ差は△Ｅである。多重量子井戸構造２３は、バンドギャップエネルギ差△Ｅ及び井戸層２５ａの厚みＤ_Ｗの少なくともいずれかを用いて、当該III族窒化物半導体レーザ１１のＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが負になるように構成されている。このために、バンドギャップエネルギ差△Ｅ及び井戸層２５ａの厚みＤ_Ｗの少なくともいずれかは、偏光度Ｐが負になるように規定される。

偏光度Ｐは、ＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される。

III族窒化物半導体レーザ１１に電流を注入していくと、レーザ発振に至る前に、III族窒化物半導体レーザ１１は発光ダイオード（ＬＥＤ）のように発光する。この発光は、レーザ光よりも広い発光スペクトルを有する。このときの発光をＬＥＤモードにおける発光と呼ぶ。さらに電流を印加すると、光出力が急激に増加する。これがレーザ発振である。しきい値とは、レーザ発振が生じる電流のことである。

このIII族窒化物半導体レーザ１１によれば、半導体レーザのＴＥモードに一致した光の偏光成分（成分Ｉ１を小さくして成分Ｉ２）を大きくすることによって、半導体レーザのしきい値を下げることができる。ｃ面を用いる半導体レーザの発光ではランダム偏光を示すけれども、ｃ面から傾斜した面（つまり、半極性面）における発光ではレーザ構造に光学的異方性が現れる。特に、１０度以上３０度以下の角度で傾斜した半極性面では、量子閉じ込め性を強めることによって該半導体レーザのＬＥＤモードにおける光の偏光度を小さくできる。このとき、より好ましくは偏光度が負である。つまり、上記の半極性面上の多重量子井戸構造２３では、量子閉じ込め性を強めることによって、ＬＥＤモードにおける偏光度を小さくなる。また、更に強い量子閉じ込め性によってついには負値になる。量子閉じ込め性を強めるためには、例えば井戸層２５ａと障壁層２５ｂとのバンドギャップエネルギ差△Ｅを大きくすることが好適であり、或いは、井戸層２５ａの厚みを薄くすることが好適である。

傾斜面の角度が１０度以上であるとき、ピエゾ電界低減の効果が顕著になるという技術的意義がある。傾斜面の角度が３０度以下であるとき、偏光度が正の方向に極端に大きくならず、発光層の構造によって偏光度を小さくする制御が可能という技術的意義がある。ＴＥモードに対応する成分がＬＥＤモードの発光で大きくなると好適な理由は、端面および導波路内におけるＴＥモードの反射率が高いからである。

III族窒化物半導体レーザ１１では、半導体基板１３はＧａＮからなることができる。高品質なＧａＮ結晶からなる半導体基板を用いることができる。端面２１（２１ａ、２１ｂ）は光共振器に含まれる。端面２１（２１ａ、２１ｂ）はｍ面での劈開によって形成されることができ、ｍ面の劈開面である。端面２１（２１ａ、２１ｂ）の法線（法線ベクトルＶ_Ｎ）とｍ軸との角度は−１度から＋１度の範囲にあることが好ましい。この範囲であれば、端面ミラーからなる好適な共振器が構成される。

再び図１を参照すると、III族窒化物半導体レーザ１１では、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５は、ｎ型クラッド層であることができる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７は、電子ブロック層３１、ｐ型クラッド層３３及びｐ型コンタクト層３５を含むことができる。ｐ型コンタクト層３５上には絶縁膜３７が設けられており、絶縁膜３７はｍ軸の方向に延びる開口３７ａが設けられている。開口３７ａには、ｐ型コンタクト層３５が現れている。ｐ型コンタクト層３５及び絶縁膜３７上には、第１の電極３９ａが設けられている。第１の電極３９ａは、開口３７ａを介してｐ型コンタクト層３５にオーミック接触を成す。半導体基板１３の裏面１３ｂ上には、第２の電極３９ｂが設けられている。第２の電極３９ｂは、導電性の半導体基板１３の裏面１３ｂにオーミック接触を成す。

III族窒化物半導体レーザ１１では、障壁層２５ｂは、少なくともガリウム及びアルミニウムをIII族元素として含む窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。障壁層２５ｂの窒化ガリウム系半導体がアルミニウムを含むので、井戸層２５ａと障壁層２５ｂとの間のバンドギャップ差△Ｅを大きくして量子閉じ込め性を増強できる。例えば、障壁層２５ｂはＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮからなることが好ましい。ＡｌＧａＮ障壁層を用いることによって、井戸層２５ａと障壁層２５ｂとの間のバンドギャップ差△ＥをＡｌ組成に応じて変更して量子閉じ込め性を増強できる。また、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層を用いることによって、井戸層２５ａと障壁層２５ｂとの間のバンドギャップ差△Ｅを調整して量子閉じ込め性を増強できる。このとき、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層の格子定数とＩｎＡｌＧａＮ障壁層のバンドギャップとを独立して変更できるので、井戸層２５ａへの圧縮歪みを不必要に増加すること無く、独立して量子閉じ込め効果を強めることができる。

（実施例１）
図３は、本実施の形態に係る半導体レーザに合わせた活性層の構造を有するＬＥＤエピタキシャル構造を示す。ＧａＮ半導体ウエハ４３を準備する。このＬＥＤエピタキシャル構造４１を有機金属気相成長法で作製する。ＧａＮ半導体ウエハ４３の主面４３ａは、ｃ面（参照符号Ｃ）を基準にして１８度の角度でａ軸の方向に傾斜している。

ＧａＮ半導体ウエハ４３を成長炉にセットした後に、アンモニア及び水素の雰囲気中で、摂氏１０５０度の温度で約１０分間の熱処理を行う。次いで、ＧａＮ半導体ウエハ４３上に、ｎ型ＧａＮ膜４５を成長する。ｎ型ＧａＮ膜４５にはｎ型ドーパント（例えばＳｉ）が添加されており、ｎ型ＧａＮ膜４５の膜厚は例えば２マイクロメートルである。

この後に、ｎ型ＧａＮ膜４５上に活性層４７を成長する。活性層４７は３８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲の波長の光を発光するように設けられる。ＩｎＧａＮ井戸層４７ａ及びＧａＮ系障壁層４７ｂを交互に成長する。ＩｎＧａＮ井戸層４７ａの厚さは例えば５ｎｍであり、ＧａＮ系障壁層４７ｂの厚さは例えば１５ｎｍである。井戸層４７ａのインジウム組成Ｘは、例えば３％以上３５％以下の範囲であり、井戸層４７ａの成膜温度は、摂氏６５０度から摂氏８８０度の範囲であることができる。井戸層４７ａの厚さＤ_Ｗは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であることができる。

活性層４７上には電子ブロック層４９を成長する。成長温度は、例えば摂氏１１００度である。電子ブロック層４９は、例えばｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎからなることができ、電子ブロック層４９には、ｐ型ドーパント（例えばＭｇ）が添加されている。電子ブロック層４９の膜厚は例えば２０ナノメートルである。次いで、電子ブロック層４９上にはｐ型コンタクト層５１を成長する。ｐ型コンタクト層５１は、例えばｐ型ＧａＮからなり、ｐ型コンタクト層５１にはｐ型ドーパント（例えばＭｇ）が添加されている。ｐ型コンタクト層５１の膜厚は例えば５０ナノメートルである。ｐ型コンタクト層５１上にＮｉ／Ａｕからなるｐ側電極５３ａを形成すると共に、ウエハ裏面４３ｂ上にＴｉ／Ａｌからなるｎ側電極５３ｂを形成する。ｐ側電極上には、パッド電極ＰＡＤを形成する。光Ｌは、ｐ側電極５３ａを通して出射される。

一例のＬＥＤ構造１１ａは、以下のものである。
ウエハ４３：ｎ型ＧａＮウエハ（オフ角：１８度）
ｎ型ＧａＮ膜４５：Ｓｉ添加ＧａＮ、２μｍ
井戸層４７ａ：アンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（インジウム組成Ｘは、ピーク波長に応じて変更された）、５ｎｍ
障壁層４７ｂ：アンドープＧａＮ、１５ｎｍ
電子ブロック層４９：ｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ、２０ｎｍ
ｐ型コンタクト層５１：ｐ型ＧａＮ、５０ｎｍ。

図４は、様々な井戸層と上記の構造からなるＬＥＤエピタキシャル構造におけるピーク波長及び偏光度Ｐの関係を示す。図４を参照すると、実施例Ｄ１〜Ｄ８と、参照例Ｒ１、Ｒ２が示されている。参照例Ｒ１は非特許文献１における偏光と波長を示しており、参照例Ｒ２は非特許文献２における偏光と波長を示している。参照例Ｒ１、Ｒ２における偏光度の値は正値であり、非常に大きい。
データ名、波長、 偏光度
Ｄ１、 ４０７ｎｍ、０．０５
Ｄ２、 ４６９ｎｍ、０．２９
Ｄ３、 ４７２ｎｍ、０．３３
Ｄ４、 ４９１ｎｍ、０．３４
Ｄ５、 ４９１ｎｍ、０．３６
Ｄ６、 ４９９ｎｍ、０．３２
Ｄ７、 ５０５ｎｍ、０．２９
Ｄ８、 ５４０ｎｍ、−０．０９。
既に説明したように、偏光度Ｐは、ＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される。偏光度の測定は、１０Ａ／ｃｍ^２以下の電流注入（または、これと同等のキャリア密度に相当する光励起によるキャリア注入）における、ＬＥＤ構造の上面からの出射光Ｌを測定する。これによって、高注入によるバンドフィリングの効果を避けて偏光度を測定できる。図４におけるデータＤ１〜Ｄ８では、電流５ｍＡをＬＥＤ構造に注入しており、この電流密度は１０Ａ／ｃｍ^２以下である。ｍ軸の方向の成分Ｉ１が、成分Ｉ２に比べて大きいときに、偏光度は正である。データ名Ｄ１〜Ｄ８で示されるＬＥＤ構造は参考例Ｒ１、Ｒ２のエピタキシャル構造と異なり、データ名Ｄ１〜Ｄ８で示されるＬＥＤ構造の偏光度Ｐは、参照例Ｒ１、Ｒ２偏光度に比べて非常に小さい。つまり、ｍ軸の方向の成分Ｉ１が、成分Ｉ２に比べて相対的に小さい。このとき、上記のエピタキシャル構造４１では、参照例Ｒ１、Ｒ２に比べて、ＴＥモードの成分、すなわち成分Ｉ２が、ｍ軸の方向の成分Ｉ１と成分Ｉ２の和に対して相対的に大きい。故に、レーザ発振のしきい値を低減するために好適である。

半導体レーザの障壁層４７ｂが、Ａｌを含む窒化ガリウム系半導体からなるとき、ＩｎＧａＮ井戸層に対して図４に示される実験結果Ａ１８に比べてさらにバンドオフセットを大きくできる。故に、活性層における量子閉じ込め性を強めることができる。これによって、偏光度Ｐを更に小さくでき、偏光度０．１以下のエピタキシャル構造を得ることができ、さらに負値の偏光度のエピタキシャル構造を得ることができる。

（実施例２）
図５は、実施例２における半導体レーザ１１ｂの構造を概略的に示す図面である。実施例２のＬＤ構造ＬＤ２は、以下のものである。
ウエハ４３：ｎ型ＧａＮウエハ（オフ角：１８度）
ｎ型クラッド膜５５：Ｓｉ添加Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ、２μｍ
光ガイド層５９ａ、５９ｂ：アンドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ、１００ｎｍ
活性層５７
井戸層５７ａ：アンドープＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ、３ｎｍ
障壁層５７ｂ：アンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ、１５ｎｍ
電子ブロック層６１：ｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ、２０ｎｍ
ｐ型クラッド層６３：ｐ型Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ、４００ｎｍ
ｐ型コンタクト層６５：ｐ型ＧａＮ、５０ｎｍ
アノード電極６７ａ：Ｎｉ／Ａｕ（パッド電極；Ｔｉ／Ａｌ）
カソード電極６７ｂ：Ｔｉ／Ａｌ
絶縁膜６９：幅１０μｍのストライプ開口を有するシリコン酸化膜（ウエットエッチングにより形成）。
井戸層５７ａのバンドギャップは３．０６ｅＶ（ＳＩ単位系に１ｅＶ＝１．６０２×１０^−１９Ｊ（ジュール）で換算可能）であり、障壁層５７ｂのバンドギャップは３．５４ｅＶである。バンドギャップ差△Ｅは０．４８ｅＶである。共振器長は８００マイクロメートルになるようにｍ面で劈開してゲインガイド型レーザを作製した。発振波長は４０５ｎｍであった。

実験例１のＬＤ構造ＬＤ＿１は、以下のものである。
活性層７１
井戸層７１ａ：アンドープＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ、３ｎｍ
障壁層７１ｂ：アンドープＧａＮ、１５ｎｍ。
井戸層７１ａのバンドギャップは３．０６ｅＶであり、障壁層７１ｂのバンドギャップは３．４ｅＶである。バンドギャップ差△Ｅは０．３４ｅＶである。

比較例１のＬＤ構造ＬＤ＿２Ｒは、以下のものである。
ウエハ４４：ｎ型ＧａＮウエハ（ｃ面）
ｎ型クラッド膜５６：Ｓｉ添加Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ、２μｍ
光ガイド層６０ａ、６０ｂ：アンドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ、１００ｎｍ
活性層５８
井戸層５８ａ：アンドープＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ、３ｎｍ
障壁層５８ｂ：アンドープＧａＮ、１５ｎｍ
電子ブロック層６２：ｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ、２０ｎｍ
ｐ型クラッド層６４：ｐ型Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ、４００ｎｍ
ｐ型コンタクト層６６：ｐ型ＧａＮ、５０ｎｍ。
井戸層５８ａのバンドギャップは３．０６ｅＶであり、障壁層５８ｂのバンドギャップは３．４ｅＶである。バンドギャップ差△Ｅは０．３４ｅＶである。

ＬＤ構造、しきい値電流、偏光度、 発振波長
ＬＤ２、 ２００ｍＡ、Ｐ＝−０．１、４０５ｎｍ
ＬＤ＿２Ｒ、２２０ｍＡ、Ｐ＝０、 ４０５ｎｍ
ＬＤ＿１ 、２６０ｍＡ、Ｐ＝０．０５、４０５ｎｍ
ｃ面上に作製されたＬＥＤ構造はランダム偏光であり、一方で実施例２のレーザ構造ＬＤ２では、ウエハのＧａＮの傾斜方向への偏光成分が大きい。このため、レーザ構造ＬＤ２では、ＴＥモードの対応する誘導放出の遷移確率が高いと考えられる。レーザ構造ＬＤ＿１では、量子閉じ込め性の強化がさらに為されることが好ましく、その結果、ＴＥモードの対応する誘導放出の遷移確率が相対的に低いと考えられる。

強い量子閉じ込め性を提供できる量子井戸構造と半極性の窒化ガリウム系半導体ウエハとを合わせることによって、ＬＥＤモードにおける偏光度を制御できる。強い量子閉じ込め性のために、井戸層の幅を小さくすること、III族元素としてＡｌを含む障壁層を用いることが好適である。

（実施例３）
図７に示されるように、実施例３のＬＤ構造ＬＤ３は、以下のものである。
活性層７３
井戸層７３ａ：アンドープＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ、３ｎｍ
障壁層７３ｂ：アンドープＩｎ_０．０２Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．８９Ｎ、１５ｎｍ。
実施例２と同じく、ＩｎＧａＮ井戸層７１ａのバンドギャップは３．０６ｅＶであり、ＩｎＡｌＧａＮ障壁層５７ｂのバンドギャップは３．５４ｅＶである。Ｉｎ_０．０２Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．８９ＮはＧａＮにほぼ格子整合する。バンドギャップ差△Ｅは０．４８ｅＶである。発振波長は４０５ｎｍであった。

ＬＤ構造、しきい値電流、偏光度、 発振波長
ＬＤ３、 １７０ｍＡ、Ｐ＝−０．１５、４０５ｎｍ
４元ＩｎＡｌＧａＮを用いることによって、バンドギャップを変更することなく、格子定数を変更することができる。アンドープＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ井戸層とアンドープＩｎ_０．０２Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．８９Ｎ障壁層との格子定数差は、アンドープＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ井戸層とアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ障壁層との格子定数差よりも小さい。故に、井戸層への歪み（ＡｌＧａＮでは圧縮歪み）が低減される。したがって、本実施例３によれば、井戸層への歪みを増加させること無く、量子閉じ込め性を向上できる。井戸層への歪みの増加は、本実施の形態においては所望の偏光度を得るために有効ではない。

以上説明したように、強い量子閉じ込め性を提供できる量子井戸構造と半極性の窒化ガリウム系半導体ウエハとを合わせることによって、半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度を調整できる。

活性層の多重量子井戸構造の発振波長は３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体レーザ１１、１１ｂ、１１ｃでは、井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギ差△Ｅが０．４ｅＶ以上０．９ｅＶ以下であることができる。３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下の発振波長では、バンドギャップエネルギ差△Ｅが０．４ｅＶ以上であるので、量子閉じ込め効果を強めることができる。バンドギャップエネルギ差が０．９ｅＶを超えるとき、障壁層の結晶品質が低下する可能性がある。また、井戸層の厚さは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であることができる。

活性層の多重量子井戸構造の発振波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であるIII族窒化物半導体レーザ１１、１１ｂ、１１ｃでは、井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギ差△Ｅが．９ｅＶ以上１．４ｅＶ以下であることができる。５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の発振波長では、バンドギャップエネルギ差△Ｅが０．９ｅＶ以上であるので、量子閉じ込め効果を強めることができる。バンドギャップエネルギ差が１．４ｅＶを超えるとき、障壁層の結晶品質が低下する可能性がある。また、井戸層の厚さは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であることができる。

Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ障壁層では、量子閉じ込め性を強化するために、アルミニウム組成Ｙは零より大きいことが好ましい。また、小さい偏光度による技術的な貢献を提供できるような結晶品質の障壁層を成長するためには、アルミニウム組成Ｙは約０．１５以下であることが好ましい。

Ｉｎ_ＵＡｌ_ＶＧａ_{１−Ｕ−Ｖ}Ｎ障壁層では、量子閉じ込め性を強化するために、アルミニウム組成Ｖは零より大きいことが好ましい。また、小さい偏光度による技術的な貢献を提供できるような結晶品質の障壁層を成長するためには、アルミニウム組成Ｖは約０．２５以下であることが好ましい。また、小さい偏光度による技術的な貢献を提供できるような結晶品質の障壁層を成長するためには、インジウム組成Ｖは約０．０１以上０．１以下であることが好ましい。

また、井戸層と障壁層との格子定数差に起因する歪みの増加を避けるために、障壁層とＧａＮの格子定数差△ｄは−０．８％以上であることが好ましく、＋０．８％以下であることが好ましい。例えば、ＧａＮとＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎとの格子定数差は−０．７５％である。ここで、格子定数差△ｄは、障壁層をＧａＮにコヒーレントに成長した場合の障壁層とＧａＮとのｃ軸格子定数差によって規定される。

半極性面の角度が１０度以上であるとき、ピエゾ電界低減の効果が顕著になる。角度が３０度以下であるとき、偏光度が正の方向に極端に大きくならず、発光層の構造によって偏光度を小さく制御することができる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

以上、いくつかの実施例を参照しながら、本発明の実施の形態を説明してきた。これらの実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザでは、多重量子井戸構造は、III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが０．１以下であり、望ましくは零以下であり、さらに好ましくは負値になるように構成される。バンドギャップエネルギ差△Ｅ及び井戸層厚みＤ_Ｗの少なくともいずれかを偏光度Ｐの値を負値にするように適切に有する量子井戸構造を設けることが重要である。偏光度Ｐが符号付きの数値で表される。小さい数値の偏光度のとき、レーザ発振に先立つＬＥＤモードの発光においてＴＥモードの成分を大きくできる。

図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。 図２は、図１に示されたIII族窒化物半導体レーザのバンド構造を概略的に示す図面である。 図３は、実施例１に従う構造を概略的に示す図面である。 図４は、発振波長と偏光度の関係を示す図面である。 図５は、実施例２に従う構造を概略的に示す図面である。 図６は、実施例２のための構造を概略的に示す図面である。 図７は、実施例３に従う構造を概略的に示す図面である。

符号の説明

１１、１１ｂ、１１ｃ…III族窒化物半導体レーザ、１３…半導体基板、１５…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１７…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、１９…活性層、２１（２１ａ、２１ｂ）…一対の端面、２３…多重量子井戸構造、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７ａ、２７ｂ…光ガイド層、△Ｅ…バンドギャップエネルギ差、Ｄ_Ｗ…井戸層厚み、Ｐ…偏光度、３１…電子ブロック層、３３…ｐ型クラッド層、３５…ｐ型コンタクト層、３９ａ…第１の電極、３７…絶縁膜、３７ａ…開口、３９ｂ…第２の電極

Claims (8)

1. III族窒化物半導体レーザであって、
   六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のａ軸の方向に該III族窒化物半導体のｃ面から１０度以上３０度以下の角度の傾斜を成す主面を有しＧａＮからなる半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
   前記半導体基板上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、
   前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた活性層と、
   該六方晶系III族窒化物のｍ劈開面によって構成された一対の端面と
   を備え、
   前記III族窒化物半導体レーザの導波方向に向いたＸ１軸、このＸ１軸に直交するＸ２軸、および前記Ｘ１軸及びＸ２軸に直交するＸ３軸からなる直交座標系において、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は、前記Ｘ３軸の方向に配列されており、
   前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、前記多重量子井戸構造は、前記Ｘ３軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、
   前記多重量子井戸構造は、Ｉｎ _Ｘ Ｇａ _１−Ｘ Ｎからなる前記井戸層とＡｌ _Ｕ Ｇａ _１−Ｕ Ｎ（０＜Ｕ≦０．１５）又はＩｎ _Ｖ Ａｌ _Ｗ Ｇａ _{１−Ｖ−Ｗ} Ｎ（０．０１≦Ｖ≦０．１、０＜Ｗ≦０．２５）からなる前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層の厚みの少なくともいずれかにおいて、当該III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが負になるように設けられており、
   前記井戸層の前記Ｉｎ _Ｘ Ｇａ _１−Ｘ Ｎのインジウム組成Ｘは、０．０３以上０．３５以下の範囲にあり、
   前記偏光度Ｐは、前記ＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
   Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
   によって規定される、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ。
2. 前記井戸層の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
3. 前記障壁層はＩｎＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
4. 前記障壁層はＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
5. 前記活性層の前記多重量子井戸構造の発振波長は、３８０ｎｍ以上であり、４３０ｎｍ以下であり、
   前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差は、０．４ｅＶ以上であり、０．９ｅＶ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
6. 前記活性層の前記多重量子井戸構造の発振波長は、５００ｎｍ以上であり、５５０ｎｍ以下であり、
   前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差は、０．９ｅＶ以上であり、１．４ｅＶ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
7. 前記端面と前記ｍ軸との角度は９１度から８９度の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
8. 前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層は電子ブロック層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を含み、
   当該III族窒化物半導体レーザは、
   前記ｐ型コンタクト層上に設けられた第１の電極と、
   前記半導体基板上に設けられた第２の電極と、
   を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
   

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