JP6706805B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本開示は、高出力の光源に関し、特に窒化物半導体よりなる発光素子に関する。
従来、大画面の画像を効率的に得るための一形態として、映像信号に応じた画像を形成する小型の液晶パネル等の空間光変調素子を、ランプなどの光源からの光で照明し、投射レンズによってその光学像をスクリーン上に拡大投射する投射型画像表示装置としてプロジェクタが広く用いられている。このようなプロジェクタなどの投射型画像表示装置においては、可視光の波長帯域で高い発光効率が得られる超高圧水銀ランプで光源を構成することが一般的である。
これに対して、昨今、プロジェクタの光源に高圧水銀ランプではなく、半導体素子であるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が用いられている。ＬＥＤプロジェクタは消費電力が低く、静音性が高く、ランプ寿命が長いといった特徴があり、本体サイズも小型になる。
しかしながら、ＬＥＤは発光層である活性層における自然放出光を利用しているために輝度が十分とはいえない。このため、光源にワット級（すなわち１Ｗ以上）の大出力が可能な半導体レーザにより蛍光体を励起し、可視域の光に対して十分な輝度を得ることが可能なレーザプロジェクタが注目されている。
一般式がＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される窒化物系材料を用いた半導体レーザ（窒化物系半導体レーザ）は、可視光から紫外光まで発光可能であり、上記レーザプロジェクタの光源として好適である。
例えば、窒化物系半導体レーザで青色、緑色光の光源を形成し、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いたレーザを赤色光源とすれば、小型低消費電力のレーザプロジェクタを実現することができる。
ここで、プロジェクタ光源に使用される半導体レーザには、ワット級の大出力動作のみならず、５０℃以上の高温動作時においても１００００時間以上の長期動作が要望されている。
これに対し、例えば、図１１に示す特許文献１にかかる従来の発明において発振波長４３０ｎｍ帯の窒化物系青色レーザに関する技術（第１の従来技術）が開示されている。
この従来の発明においては、ＧａＮ基板１０１上に、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎバッファ層１０２、ｎ型コンタクト層１０３、クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０５、ｎ型光ガイド層１０６、ｎ側第１窒化物半導体層１３１ｂ、多重量子井戸活性層１０７、ｐ型電子閉じ込め層１０８、ｐ側第１窒化物半導体層１３１ａ、ｐ型光ガイド層１０９、ｐ型クラッド層１１０、およびｐ型コンタクト層１１１よりなる積層構造にリッジストライプを形成することにより発振波長４４８ｎｍにおいてレーザ発振を得ている。ｎ型コンタクト層１０３は、ＳｉドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる。クラック防止層１０４は、Ｉｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなり厚さ０．１５μｍである。ｎ型クラッド層１０５は、厚さ２．５ｎｍのアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎと厚さ２．５ｎｍのＳｉドープＧａＮとからなる組み合わせを２００回繰り返した超格子である。ｎ型光ガイド層１０６は、アンドープのＧａＮからなり、厚さ０．１μｍである。ｎ側第１窒化物半導体層１３１ｂは、厚さ５０ｎｍのＳｉドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる。多重量子井戸活性層１０７は、厚さ１３ｎｍのアンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎの障壁層が３層とアンドープのＩｎ０．３２Ｇａ０．６８Ｎよりなる厚さ２．５ｎｍの井戸層が２層とからなる。ｐ型電子閉じ込め層１０８は、厚さ１０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層からなる。ｐ側第１窒化物半導体層１３１ａは、厚さ５０ｎｍのＭｇドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層からなる。ｐ型光ガイド層１０９は、厚さ０．１５μｍのアンドープのＧａＮからなる。ｐ型クラッド層１１０は、厚さ２．５ｎｍのアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎと厚さ２．５ｎｍのＭｇドープＧａＮとからなる組み合わせを９０回繰り返した厚さ０．４５μｍの超格子である。ｐ型コンタクト層１１１は、厚さ１５ｎｍのＭｇドープのｐ型ＧａＮ層からなる。
図１１に示す従来構造においては、ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１１０により、多重量子井戸活性層への垂直方向（本願において、基板の法線方向を垂直方向と呼ぶ。また、レーザ共振器端面に平行で基板の法線方向に垂直な方向を水平方向と呼ぶ。）の光閉じ込めを行い、ｐ型クラッド層１１０に形成したリッジにより水平方向の光閉じ込めを行い、レーザ発振を可能としている。
また、従来の発明においては、ｐ型電子閉じ込め層１０８とｐ型クラッド層１１０との間に備えた、厚さ５０ｎｍのＭｇドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層よりなる第１窒化物半導体層１３１ａと厚さ０．１５μｍのアンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９とにより、光分布の活性層への垂直方向の光閉じ込め率を増大している。
また、ｐ型電子閉じ込め層１０８により、活性層に注入した電子がｐ型クラッド層へ漏れるキャリアオーバーフローを低減している。
この構造において、量子井戸活性層に厚さ２．５ｎｍ、Ｉｎ組成０．３２のＩｎＧａＮウェル層を２層用いることで、温度特性の向上とレーザ発振しきい電流値の低減を図った波長４４８ｎｍの青色レーザを実現している。
なお、以下３元混晶であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）をＡｌＧａＮ、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）をＩｎＧａＮ、４元混晶であるＩｎｙＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）をＩｎＡｌＧａＮと表記することがある。
特開２００２−２７０９７１号公報 特開２００６−１６５４５３号公報
プロジェクタ光源に使用される半導体レーザ素子には、ワット級の大出力動作のみならず、５０℃以上の高温動作時においても１００００時間以上の長期動作が要望されている。従って、波長４４５ｎｍ帯の青色域、及び、波長５３０ｎｍ帯の緑色域において、高温、高出力動作可能な半導体レーザを実現する必要がある。
ここで、発振波長が４０５ｎｍの青紫色域から５３０ｎｍの青色域へと長波長化するに伴い、活性層に広く用いられるＩｎＧａＮ層と、クラッド層に広く用いられるＡｌＧａＮ層との屈折率差が小さくなる。このため、クラッド層にＡｌＧａＮ材料を用いた窒化物系レーザにおいては、波長４０５ｎｍ帯の青紫色レーザに対して長波長の発振波長４４５ｎｍ帯の青色レーザ、さらに長波長の発振波長５３０ｎｍ帯の緑色レーザのように、波長が長い発振波長域の窒化物レーザは、垂直方向の光閉じ込めが小さくなるという課題がある。
この課題を解決するためには、クラッド層に用いるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を０．１以上に高くすれば良いが、この場合、ＡｌＧａＮ層と活性層に用いるＩｎＧａＮ層の熱膨張係数の差が大きくなり、クラックや格子欠陥が発生してしまう。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、波長４４５ｎｍ帯のレーザにおいて、クラックの発生を抑制するためにＩｎＧａＮバッファ層を用いた構造において、ΔＮの低下、光閉じ込め係数の低下を抑制可能なレーザを実現することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示の発光素子は、ＧａＮ基板と、ＧａＮ基板上に形成された、第１導電型のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０.０１≦ｘ≦０．０３)よりなる第１歪補正層と、第１歪補正層の上に形成された、第１導電型のＩｎ１−ａ−ｂＧａａＡｌｂＮからなり、かつ（ａ／０．９８）＋（ｂ／０．８）≧１、（ａ／１．０２）＋（ｂ／０．８５）≦１、（ａ／１．０３）＋（ｂ／０．６８）≧１の関係を有する第１低屈折率層と、第１低屈折率層の上に形成された、第１導電型のＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０．０３≦ｚ≦０．０６）からなり、かつ第１低屈折率層よりも屈折率の高い第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成された活性層と、を備えている。
上記構成において、（ａ／０．９８）＋（ｂ／０．８）≧１、（ａ／１．０２）＋（ｂ／０．８５）≦１、（ａ／１．０３）＋（ｂ／０．６８）≧１の関係を有することにより、第１導電型のＩｎ１−ａ−ｂＧａａＡｌｂＮからなる第１低屈折率層は、Ａｌ組成が０．０６のＡｌＧａＮよりも屈折率が低く、かつ、ＧａＮとの格子定数の差を、Ａｌ組成が０．１のＡｌＧａＮとＧａＮとの間の格子定数の差よりも小さくすることができる。さらに第１導電型のＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる第１クラッド層のＡｌ組成ｚの範囲を、０．０３≦ｚ≦０．０６とすることで、第１低屈折率層の屈折率は、第１クラッド層の屈折率よりも低くすることが可能となる。その結果、垂直方向の光分布が、屈折率の低い第１低屈折率層で減衰するため、屈折率の高い第１歪補正層の影響を受けにくくなり、ΔＮの低下を抑制することができる。また、第１低屈折率層により、垂直方向の光分布のＧａＮ基板方向への拡がりが抑制されるため、光閉じ込め係数が小さくなるのを防止することができる。
本開示の発光素子は、さらに、活性層の上に形成され、第２導電型の ＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０≦ｔ≦１）からなり、かつＧａＮ基板より活性層へ向う方向に凸となるリッジ部を有する第２クラッド層と、を備えることが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、第１歪補正層のＩｎ組成ｘの範囲を、０．０１≦ｘ≦０．０３とすることが好ましい。この好ましい構成によれば、圧縮性の歪がかかる第１歪補正層の上に結晶成長した第１クラッド層、第２クラッド層で生じる引っ張り性の歪を補償できるため、ＧａＮ基板上に形成したダブルへテロ構造の全体の平均的な歪の大きさが低減し、クラックの発生を抑制することができる。
この結果、クラックの発生を抑制しつつ、ΔＮの低下、光閉じ込め係数の低下を抑制することができる。
本開示の発光素子は、さらに、第１歪補正層の層厚が０．１μｍ以上かつ０．２μｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、第１歪補正層で格子欠陥が生じるのを抑制でき、第１クラッド層および第２クラッド層で生じる引っ張り性の応力を補償でき、クラックの発生を抑制することができる。
本開示の発光素子は、さらに、第１低屈折率層は、第１導電型のＡｌｂＧａ１−ｂＮ （０．０６≦ｂ≦０．１)より形成されていることが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、第１低屈折率層の層厚は１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、第１低屈折率層の層厚を１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下とすることにより、発光素子の動作電圧の増大を防止でき、ΔＮの低下と光閉じ込め係数の低下とを抑制することができる。
本開示の発光素子の好ましい構成は、さらに、第１低屈折率層が、平均原子組成がＩｎ１−ａ−ｂＧａａＡｌｂＮの単一量子井戸構造または多重量子井戸である。
この好ましい構成とすることで、多重量子井戸低屈折率層を構成する各層の層厚を臨界層厚以下とすることで、第１低屈折率層での格子欠陥の発生を抑制することが可能となる。この結果、素子の長期動作における信頼性が向上する。
本開示の発光素子は、さらに、第１クラッド層において、ｚ≦０．０４であることが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、第１クラッド層において、層厚が１μｍ以下であり、かつ０．０３≦ｚ≦０．０４であることが好ましい。の好ましい構成によれば、層全体の平均歪を圧縮性の歪とすることが可能となる。この場合、活性層に注入されたキャリアのオーバーフローが抑制されるため、発光素子の高温動作特性が向上し、動作電流値が小さくなる。そのため、発光素子の長期動作に関する信頼性が向上する。
本開示の発光素子は、さらに、ＧａＮ基板と、第１歪補正層との間には、ＧａＮ基板より第１導電型のＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０＜ｓ≦０．０１）よりなる第２歪補正層を備えていることが好ましい。この好ましい構成とすること、すなわちＡｌｓＧａ１−ｓＮよりなる第２歪補正層のＡｌ組成を０．０１以下とすることにより、第２歪補正層の臨界層厚を３００ｎｍ以上とすることができ、ＧａＮ基板との格子不整合による格子欠陥の発生を抑制することが可能となる。
本開示の発光素子は、さらに、第２歪補正層と第１歪補正層との間に第１導電型のＧａＮよりなる中間層が順次形成されたことが好ましい。この好ましい構成によれば、第２歪補正層の上にＧａＮよりなる中間層を備えることにより結晶性を回復させることができる。そしてその上に第１歪補正層を形成することで、第１歪補正層を形成しても、引っ張り性の歪が生じる第２歪補正層と、圧縮性の歪が生じる第１歪補正層とで、歪を補償することができるため、中間層と第１歪補正層との界面での格子欠陥の発生を抑制することが可能となる。この結果、素子の長期動作信頼性の劣化を防止することが可能となる。
本開示の発光素子は、さらに、活性層と、第２クラッド層との間に、第２導電型のＡｌｈＧａ１−ｈＮ（０＜ｈ≦１）よりなる電子障壁層を備えることが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、電子障壁層は、圧縮歪を有することが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、第２クラッド層は、圧縮歪を有することが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、活性層は、ＩｎｆＧａ１−ｆＮ（０＜ｆ≦１）よりなるウェル層と、ＡｌｇＧａ１−ｇＮ（０≦ｇ≦１）よりなるバリア層とを少なくとも１層含む量子井戸であることが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、活性層は、ウェル層を少なくとも２層含む、多重量子井戸であることが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、活性層は、２重量子井戸または３重量子井戸であることが好ましい。
本開示の発光素子は、さらに、活性層の特性波長は４４５ｎｍ以上であることが好ましい。
本開示の発光素子により、波長４４５ｎｍ帯以上の長波長のレーザにおいて、クラックの発生を抑制するためにＩｎＧａＮバッファ層を用いた構造において、ΔＮの低下、光閉じ込め係数の低下を抑制できる。
この結果、長期信頼性動作に優れ、高温動作時において温度特性に優れた発光波長４４５ｎｍ帯以上の長波長帯のワット級の窒化物系ワット級レーザを実現できる。
図１は、本開示の第１の実施形態にかかる発光素子の層構造を示す断面図である。 図２は、同発光素子の、ＧａＮ基板１１の主面に垂直な方向の光分布を示す図である。 図３は、同発光素子に関するΔＮの、第１低屈折率層１３のＡｌ組成依存性を示すグラフ図である。 図４Ａは、同発光素子に関し、第１歪補正層１２のＩｎ組成が４％の場合におけるΔＮの第１低屈折率層１３の組成および層厚依存性を示す図である。 図４Ｂは、同発光素子に関し、第１歪補正層１２のＩｎ組成が３％の場合におけるΔＮの第１低屈折率層１３の組成および層厚依存性を示す図である。 図５は、同発光素子に関する積層方向の各点の平均歪量の計算結果を比較して示す図である。 図６は、同発光素子に関し、積層方向の各点の平均歪量の計算結果を比較して示す図である。 図７は、同発光素子に関し、第１低屈折率層１３をＩｎＧａＡｌＮとした場合における好ましい原子組成の範囲を示す図である。 図８は、本開示の第２の実施形態にかかる発光素子の層構造を示す断面図である。 図９は、同発光素子に関し、積層方向の各点の平均歪量の計算結果を比較して示す図である。 図１０は、同発光素子に関し、積層方向の各点の平均歪量の計算結果を比較して示す図である。 図１１は、第１の従来の発光素子の層構造を示す断面図である。 図１２は、第２の従来の発光素子の層構造を示す断面図である。
（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、背景技術の欄において記載した発光素子に関し、以下の問題が生じることを見出した。
プロジェクタ光源に使用される半導体レーザ素子には、ワット級の大出力動作のみならず、５０℃以上の高温動作時においても１００００時間以上の長期動作が要望されている。従って、波長４４５ｎｍ帯の青色域及び、波長５３０ｎｍ帯の緑色域において、高温、高出力動作可能な半導体レーザを実現する必要がある。
ここで、発振波長が４０５ｎｍの青紫色域から５３０ｎｍの青色域へと長波長化するに伴い、活性層に広く用いられるＩｎＧａＮ層と、クラッド層に広く用いられるＡｌＧａＮ層との屈折率差が小さくなる。このため、クラッド層にＡｌＧａＮ材料を用いた窒化物系レーザにおいては、波長４０５ｎｍ帯の青紫色レーザに対して長波長の発振波長４４５ｎｍ帯の青色レーザ、さらに長波長の発振波長５３０ｎｍ帯の緑色レーザのように、波長が長い発振波長域の窒化物レーザは、垂直方向の光閉じ込めが小さくなるという課題がある。
この課題を解決するためには、クラッド層に用いるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を０．１以上に高くすれば良いが、この場合、ＡｌＧａＮ層と活性層に用いるＩｎＧａＮ層の熱膨張係数の差が大きくなり、クラックや格子欠陥が発生してしまう。さらに、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層が高抵抗化し、素子の動作電圧が増大してしまう。このため、クラックの発生を抑制するためには、クラッド層にＡｌＧａＮ層を用いる場合、Ａｌ組成は０．１程度以上に高めることは困難である。また、Ａｌ組成が０．０５から０．１の間のＡｌＧａＮ層をクラッド層に用いたとしても、ｐ型ＡｌＧａＮ層の抵抗が高くなりやすく、動作電圧の増大を招いてしまう。動作電圧が増大すると素子がレーザ発振した場合における素子の自己発熱が増大し、温度特性が劣化してしまう。
また、波長４０５ｎｍ帯の青紫色レーザに対して、所望の発振波長を得るためには量子井戸活性層におけるＩｎＧａＮウェル層のＩｎ組成は０．０７程度であったが、発振波長４４５ｎｍ帯の青色レーザにおいてはＩｎＧａＮウェル層のＩｎ組成は０．１５程度以上が必要となる。さらに、発振波長５３０ｎｍ帯の緑色レーザにおいてはＩｎＧａＮウェル層のＩｎ組成が０．３程度以上である高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層が必要となる。ＩｎＧａＮ層において、Ｉｎ組成が高くなると、ＧａＮ基板との格子不整合が大きくなるのみならず、ＩｎＧａＮ層を構成するＩｎＮとＧａＮの安定なＩＩＩ族−Ｖ族原子間距離が異なるために結晶内部に蓄積される内部歪エネルギーが大きくなる。この内部歪エネルギーを低減するために、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層においてはＩｎ組成の高い領域と低い領域に組成が分離する組成分離が生じやすくなる。ＩｎＧａＮ層を成長する温度である８００℃付近の温度では、Ｉｎ組成が０．１５付近以上の高Ｉｎ組成となると熱力学的に不安定となり、組成分離が生じやすくなる。組成分離が生じると、ウェル層内でバンドギャップエネルギーの面内分布にバラツキが生じ、バンドギャップ波長の小さい部分はＩｎ組成が高く格子欠陥が生じやすいのみならず、レーザ発振光に対し、光吸収中心となり、発振しきい電流値や電流−光出力特性における外部微分効率（以下、スロープ効率）の低下を招くことになる。この結果、動作電流値が大きくなり、温度特性の劣化をもたらすことになり、実用上重大な支障をきたすことになる。
そこで、組成分離や格子不整合による格子欠陥の発生を抑制するために、高Ｉｎ組成のウェル層の層厚を３ｎｍ以下に薄くしてＩｎＧａＮウェル層の体積を小さくし、その上に成長する障壁層にはＧａＮないしは、ＧａＮとの格子不整合が小さいＩｎ組成０．０５程度以下のＩｎＧａＮ層を１０ｎｍ程度以上成長し結晶性の回復を行うことが効果的である。このような構成とすれば、薄いウェル層の上下が、ＧａＮ層ないし、ＧａＮ層に格子定数が近いＩｎＧａＮで挟まれる構造となり、ＩｎＧａＮ層に格子欠陥が生じる臨界層厚を超えることなく、ＩｎＧａＮウェル層の組成分離をある程度抑制することが可能となる。これは、障壁層とウェル層との界面で発生するウェル層と障壁層間の格子不整合による歪エネルギーにより高Ｉｎ組成層であっても、組成分離を生じない方が熱力学に安定となるためである。この様に、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮウェル層の層厚は３ｎｍ程度以下と薄くする必要がある。
この場合、ウェル層の厚さが薄いため活性層への光の閉じ込め係数がなおさら低下してしまうことになる。従って、光閉じ込め係数を増大させるためには、前述のように、クラッド層に用いるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を０．１以上に可能な限り高くすれば良いが、この場合、ＡｌＧａＮ層と活性層に用いるＩｎＧａＮ層の格子定数の差が大きくなり、クラックや格子欠陥が発生してしまう。
以上のように、波長４４５ｎｍ帯から５３０ｎｍ帯の窒化物系レーザにおいては、ＩｎＧａＮ活性層とＡｌＧａＮクラッドの屈折率差を大きくすることが困難であり、さらに、ウェル層の層厚は３ｎｍ以下の薄い層厚とする必要があるため、垂直方向の光閉じ込め係数が１％程度と非常に小さい値となってしまう。光閉じ込め係数が小さいと、活性層における動作キャリア密度が大きくなり、高温高出力動作時において、活性層からｐ型クラッド層へのキャリアのオーバーフローが増大し、温度特性の劣化や電流−光出力特性における光出力の熱飽和レベルの低下を招くことになる。
光の閉じ込め係数を増大させるべくＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を高くするとクラックや格子欠陥が生じやすく、素子の長期動作信頼性上、重大な支障をきたすことになる。
ここで、本発明では、基板の法線方向を垂直方向、共振器端面の面内において、基板の法線方向と垂直な方向を水平方向と呼ぶことにする。
クラックの発生を防止するためには、特許文献２に示す従来の構造（第２の従来技術）では、図１２に示すように、ＧａＮよりなるフリースタンディングの基板２０１と、基板上に形成されたｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．１）よりなる第１バッファ層２０２と、第１バッファ層上に形成されたｎ型ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．１）よりなる第２バッファ層２０３と、第２バッファ層上にｎ側クラッド層２０４、活性層２０６、ｐ側クラッド層２０９を順次備えた構造としている。この構成により、バッファ層の機能を、再成長界面からの転位の発生を抑制する第１バッファ層２０２と、クラックの発生を抑制する第２バッファ層２０３とに分けることで、フリースタンディングの基板２０１上に高品質のＡｌＧａＮ層を成長させ、電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができることが開示されている。
しかしながら、この構造において、第２バッファ層２０２は屈折率が他の層と比較して相対的に高いため、第２バッファ層２０２と活性層２０６間の層厚が薄いと、導波路に閉じ込められる光分布は屈折率の高い第２バッファ層２０２の影響を受け、第２バッファ層２０２のある基板側に垂直方向の光分布が偏ってしまう。
このようになると、リッジ内外の実効屈折率差（ΔＮ）が低下し、光分布の水平方向の閉じ込め機構が弱くなり、電流−光出力特性が非線形となるキンクが生じたり、動作電流値が高くなるという課題が生じる。この場合、垂直方向光分布が第２バッファ層２０２まで広がらないように、第２バッファ層２０２と活性層間２０６のｎ側クラッド層２０４の層厚を厚くするか、基板と活性層間のｎ側クラッド層のＡｌ組成を高くして垂直方向の光閉じ込めを強くすれば良いが、このようにすると、ｎ側クラッド層２０４での応力が大きくなり、クラックが生じやすくなる。あるいは、ｐ側クラッド層２０９のＡｌ組成をｎ側クラッド層２０４のＡｌ組成よりも低く設定し、ｐ側クラッド層２０９の屈折率を相対的にｎ側クラッド層２０４よりも高くして、垂直方向光分布を相対的にｐ型層寄りとする方法も考えられるが、活性層２０６における光閉じ込め係数が小さくなり、温度特性が劣化してしまう。
このため、ＩｎＧａＮバッファ層を用いた従来の波長４４５ｎｍ帯のレーザにおいては、ｎ側クラッド層の層厚が薄くして、ｎ側クラッド層でのクラックの発生を抑制すると、ΔＮの低下、光閉じ込め係数の低下を招き、電流−光出力特性が線形性に優れ、温度特性も優れたレーザを実現することが困難であった。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、波長４４５ｎｍ帯のレーザにおいて、クラックの発生を抑制するためにＩｎＧａＮバッファ層を用いた構造において、ΔＮの低下、光閉じ込め係数の低下を抑制可能なレーザを実現することを目的とする。
以下、本開示にかかる発明の実施の形態について図面を参照しながら、説明を行う。
（第１の実施形態）
（１−１ 素子構造）
本開示の第１の実施形態に係る発光素子の構造に関する断面図を図１に示す。図１に示す発光素子は、主面をｃ面（（０００１）面）とするＧａＮ基板１１上に、ＩｎＧａＮよりなり層厚が０．１μｍであるｎ型の第１歪補正層１２、層厚が０．０５μｍであるｎ型のＡｌＧａＮよりなる第１低屈折率層１３、ｎ型のＡｌＧａＮよりなる第１クラッド層１４、層厚が０．２μｍであるＮ型のＧａＮよりなる光ガイド層１５、ＩｎＧａＮ系材料からなる多重量子井戸の活性層１６、層厚が２０ｎｍであり、Ａｌ組成が０．２であるＡｌＧａＮよりなるｐ型の電子障壁層１７、ｐ型のＡｌＧａＮよりなる第２クラッド層１８、層厚が０．１μｍであるｐ型のＧａＮよりなるコンタクト層１９、発光光に対して透明なＳｉＯ２よりなる電流ブロック層２０、ｐ側電極２２、及び、ｎ側電極２１が形成されてなる。この発光素子は、半導体レーザ装置である。第２クラッド層１８にはリッジ１８ａが形成されているが、このリッジ１８ａの底部の幅（Ｗ）は８．０μｍである。また、リッジ１８ａは、ＧａＮ基板１１より離れるにつれて幅が狭くなっている。なお、ｐ側電極２２は、ＮｉとＰｔとＡｕとの積層構造よりなり、Ｎ側電極２１は、ＴｉとＡｌとの積層構造よりなる。
第２クラッド層１８は、リッジ１８ａの上部と活性層１６までの距離を０．７μｍとし、リッジ１８ａの下端部と活性層１６との距離をｄｐ（０．０５μｍ）としている。なお、ｎ型のドーパントとしてはＳｉが用いられており、ｎ型半導体層には１０１８ｃｍ−３程度のＳｉが添加されている。また、ｐ型のドーパントとしてはＭｇが用いられ、ｐ型半導体層には１０１９ｃｍ−３程度のＭｇが添加されている。
なお、電子障壁層１７は、活性層１６に閉じ込められた電子が第２クラッド層１８へあふれる（キャリアオーバーフロー）のを抑制するために設けられる。
本開示の第１の実施形態に係る発光素子は、リッジストライプの半導体レーザ装置であり、リッジ１８ａは図１の紙面に垂直な方向に沿って延び、その長さは１０００μｍである。また、発光素子の前端面(図示せず)には低反射率（ＡＲ）コートがなされ、後端面（図示せず）には高反射率（ＨＲ）コートがなされている。前端面及び後端面は、ともにリッジ１８ａの延びる方向に垂直であり、前端面と後端面との間で共振器を形成している。
本開示の第１の実施形態に係る発光素子の発光波長は、４４５ｎｍである。
（１−２ 第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＡｌ組成の検討）
ここで、第１クラッド層１４及び第２クラッド層１８のＡｌ組成を大きくすると、活性層１６と第１クラッド層１４との間の屈折率差、および活性層１６と第２クラッド層１８との間の屈折率差を大きくすることができ、活性層１６に垂直な方向に光を強く閉じ込めることが可能となり、発振しきい電流値を小さくすることが可能となる。しかしながらＡｌＧａＮとＧａＮとの格子定数の差のために、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＡｌ組成を大きくしすぎると格子欠陥が生じ信頼性の低下につながる。さらに、Ａｌ組成を高めると、ｐ型不純物の活性化率の低下により、第２クラッド層１８の抵抗が大きくなり、発光素子の直列抵抗の増大につながる。そのため、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＡｌ組成の上限は０．１以下、より好ましくは０．０５以下ということになる。
一方、波長４４５ｎｍ帯以上の長波長帯では、活性層１６とＡｌＧａＮ材料との間の屈折率差が小さくなり、垂直方向の光閉じ込め係数が低下する。このため、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＡｌ組成を可能な限り高めて、垂直方向の光閉じ込め係数を増大させる必要がある。特に波長４４５ｎｍ帯およびそれよりも長波長の領域では、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との屈折率を大きくすることが波長４０５ｎｍ帯よりも難しく、垂直方向光閉じ込め係数を大きくすることが困難である。垂直方向の光閉じ込め係数を大きくするためには、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＡｌ組成を０．０３以上にしなければならない。
従って、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＡｌ組成は０．０３以上とすることが好ましく、Ａｌ組成の上限として０．１以下、より好ましくは０．０５以下であることが好ましい。
（１−３ 活性層１６のウェル層数の検討）
発光素子の活性層１６として、ウェル（井戸）層が単一または複数である量子井戸構造が用いられる。波長が４４５ｎｍのレーザ発振を得るためには、ウェル層のＩｎ組成を０．１５程度とする必要がある。しかしながら、Ｉｎ組成が０．１５であるＩｎＧａＮとＧａＮと間の格子不整合は約１．６％であり、ウェル層厚を３ｎｍより厚くすると、ウェル層の臨界層厚を大きく上回り格子欠陥が生じてしまう。格子欠陥は、光吸収中心となり、発光素子の発振しきい電流値や動作電流値の増大を招き、信頼性の低下につながるため、極力その発生を抑制する必要がある。従って、ウェル層の厚さは３ｎｍ以下とするのが好ましい。
一方、ウェル層厚が薄いと、発光素子の垂直方向の光閉じ込め係数が低下する。そこで、ウェル層の層厚を多くする必要がある。ところが、ウェル層の層数が４層以上となると、各ウェル層の動作キャリア密度にばらつきが生じやすくなり、各ウェル層の最大利得を与える利得ピーク波長がばらついてしまう。この結果、発振しきい電流値が増大してしまう。また、ウェル層の間にある障壁層の層数も多くなるため、発光素子の直列抵抗の増大や、ピエゾ効果による障壁層の電位ポテンシャルの傾きの影響が増大し、動作電圧が増大してしまう。この結果、ウェル層数を多くしすぎると、発振しきい電流値が大きくなり、かつ動作電圧が高い発光素子となってしまう。この結果、発光素子の温度特性が劣化してしまう。
また、ウェル層数が１すなわち単一量子井戸構造では光閉じ込め係数が小さくなり、動作キャリア密度が増大するため、キャリアオーバーフローが増大し、電流―光出力特性において熱飽和する光出力が低下してしまう。従って、ウェル層厚が３ｎｍ以下の薄いウェル層であっても、ウェル層数は２層備えた２重量子井戸（Ｄｏｕｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ、ＤＱＷ)構造、または３層備えた３重量子井戸（Ｔｒｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ、ＴＱＷ）構造とする必要がある。
本開示の第１の実施形態の発光素子における活性層１６は、厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成０．１５のＩｎＧａＮよりなるウェル層を２層備え、バリア層としてＧａＮとした２重量子井戸構造としている。
（１−４ 第１歪補正層１２の導入）
波長４４５ｎｍ帯およびそれよりも長波長の領域では、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の屈折率を大きくすることが波長４０５ｎｍ帯よりも難しく、垂直方向光閉じ込め係数を大きくすることが困難である。垂直方向の光閉じ込め係数を大きくするためには、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＡｌ組成を０．０３以上にしなければならない。この場合、第１クラッド層１４の層厚が１．５μｍ程度となると、ＧａＮ基板１１と第１クラッド層１４との間の格子定数の差により、格子欠陥やクラックが発生しやすくなってしまう。
この問題を解決するために、本開示の第１の実施形態にかかる発光素子においては、ＧａＮ基板１１上にＩｎＧａＮからなる圧縮性の歪を有する第１歪補正層１２を備えている。この結果、第１クラッド層１４で生じる引っ張り性の歪を補償できるため、ＧａＮ基板１１上に結晶成長したエピタキシャル層全体の平均的な歪を小さくすることが可能となり、クラックや格子欠陥の発生を抑制することができる。
（１−５ ΔＮの検討）
しかしながら、第１歪補正層１２の屈折率は、第１クラッド層１４の屈折率よりも大きいため、垂直方向の光分布は、図２に示すように、第１歪補正層１２によりＧａＮ基板１１側へ広がりやすくなる。この結果、リッジ１８ａ内部の光分布及びリッジ外部の光分布の形状が同じ形状となり、リッジ１８ａ内外の実効屈折率差（ΔＮ)が低下してしまう。ΔＮが低下すると、リッジストライプの内外を導波する光分布が、リッジ１８ａの外側の活性層１６で受ける吸収損失の影響が大きくなり、発振しきい値が増大してしまう。さらに、ストライプ内外を導波可能な高次モードの最高次数が小さくなり、導波光のモード数が減るため、各次数のモード間の干渉の影響が大きくなり、電流−光出力特性が非線形性となるキンクが生じやすくなる。この結果、動作電流値が大きくなり、温度特性が低下する。これを防止するためには、３×１０−３以上の大きさのΔＮが必要である。なお、図２において、縦軸は活性層１６における光強度を１としたときの光強度（任意単位）の対数を示し、横軸はＧａＮ基板１１の表面より少し下側を原点として半導体層の積層方向に沿って測定した各半導体層の位置を表す。図２における番号は、各半導体層の存在位置を示している。図２の縦軸において１Ｅ−０５は、１×１０−５を表す。
逆に、ΔＮを大きくすると、リッジ内部の垂直方向の光分布を第２クラッド層１８寄りにする必要がある。この場合、ｐ型の不純物濃度を通常１×１０１８ｃｍ−３以上に大きくしているため、ｐ型不純物によるフリーキャリアの吸収損失の影響を受け、導波路損失が増大し、電流−光出力特性における単位電流あたりの光出力変化（スロープ効率）が低下し、温度特性が低下する。
従って、スロープ効率の低下を伴わずに、線形性の良好な電流−光出力特性を得るためには、ΔＮを３×１０−３から６×１０−３の範囲にする必要がある。
（１−６ 第１低屈折率層１３のＡｌ組成の検討）
前述のように、第１歪補正層１２の影響により、第１クラッド層１４の層厚が薄くなるとΔＮが低下する。ΔＮの低下を抑制するために、本発明の第１の実施の形態にかかる発光素子では、第１クラッド層１４よりも屈折率が小さい第１低屈折率層１３を備えている。
ここで、第１低屈折率層１３のΔＮに及ぼす影響を見積もるために、第１低屈折率層１３に厚さ０．１μｍのＡｌＧａＮを用いた場合における第１低屈折率層１３のＡｌ組成に対するΔＮの依存性の計算結果を図３に示す。計算では、第１クラッド層１４の層厚を１μｍ、１．５μｍ、２μｍとし、第１歪補正層１２のＩｎ組成を４％としている。
図３に示すように、第１クラッド層１４の層厚が薄くなるほどΔＮの低下が大きいことがわかる。特に、第１クラッド層１４の層厚が１μｍとなっても、ΔＮを３×１０−３以上とするためには、Ａｌ組成０．０５以上、つまり、第１クラッド層１４のＡｌ組成よりも少なとも０．０１５以上大きいＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層を用いる必要があることがわかる。さらに、ΔＮを３．５×１０−３以上とするためには、Ａｌ組成が０．０６以上、つまり、第１クラッド層１４のＡｌ組成よりも少なとも０．０２５以上大きいＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層を用いる必要があることがわかる。
図４Ａ、図４Ｂに、第１歪補正層のＩｎ組成をそれぞれ４％、３％とした場合におけるΔＮの第１低屈折率層１３の組成および層厚依存性の計算結果を示す。図４Ｂに示すように、第１歪補正層１２のＩｎ組成を３％とした場合は、ΔＮは、第１低屈折率層１３の組成、層厚にあまり依存しないが、第１歪補正層１２のＩｎ組成が４％の場合は、ΔＮは、第１低屈折率層１３の組成、層厚に大きく依存することがわかる。従って、ΔＮの第１歪補正層１２の影響を受けないようにするためには、第１歪補正層１２のＩｎ組成を３％以下とすればよいことがわかる。さらに、第１低屈折率層１３のＡｌ組成を０．０６から０．１、層厚を１０ｎｍから１００ｎｍまでの間に設定すれば、４×１０−３以上のΔＮを実現できることがわかる。本発明の第１の実施形態では、第１歪補正層１２のＩｎ組成を０．０２、第１低屈折率層１３の組成を、第１クラッド層１４のＡｌ組成より０．０２５高い０．０６、第１クラッド層１４の層厚を０．０５μｍとして、第１クラッド層１４の層厚が１μｍとなっても、ΔＮの防止を抑制可能としている。なお、第１低屈折率層１３のＡｌ組成が大きいほど第１低屈折率層１３の屈折率を小さくすることができるので活性層１６に対する光閉じ込め率を大きくすることができてΔＮを大きくすることができるが、反面ＧａＮ基板１１との格子定数差が大きくなるので第１低屈折率層１３の結晶性を悪化させることになる。そのため、第１低屈折率層１３のＡｌ組成は、０．１以下であることが好ましい。
すなわち、第１低屈折率層は、ｎ型のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０．０６≦ｂ≦０．１)より形成されていることが好ましい。
また、ΔＮの観点から、第１低屈折率層１３の層厚は、１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下であることが好ましい。
以上をまとめると、本開示の第１の実施形態にかかる発光素子の構造パラメータは、表１のようになる。
Figure 0006706805
なお、活性層１６として、ウェル層を層厚が３ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎとし、バリア層を層厚が３ｎｍのＧａＮとし、２重量子井戸構造を採用した。
第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＩｎ組成、Ａｌ組成および層厚をパラメータとして検討した。
（１−７ 第１歪補正層１２と歪の影響との関係）
次に、第１歪補正層１２が、発光素子の各層に及ぼす歪の影響について説明する。
図５および図６に、本開示の第１の実施形態にかかる発光素子の、積層方向に沿った各点の平均歪量の計算結果を比較して示す。なお、図５および図６において、活性層１６は積層方向に拡大している。
なお、検討した第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のパラメータは、表２、表３のようになる。なお、表２および表３に示す各層を除く層のパラメータは、表１に同じである。
Figure 0006706805
Figure 0006706805
本開示の第１の実施形態にかかる発光素子において、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合の構造とし、第１クラッド層１４の層厚を１μｍ、Ａｌ組成を０．０３５とし、第２クラッド層１８の層厚を０．７μｍ、Ａｌ組成を０．０３５とした場合に、第１歪補正層のＩｎ組成を０．０１、０．０２、０．０３とした場合における積層方向の各点の平均歪量の計算結果を図５の（ａ）に示す。積層方向のある点における平均歪量（Ｅｅｑｕ（Ｚ））とは、ＧａＮ基板１１上に形成された構造における積層方向のある点Ｚまでの各層の層厚を考慮した歪の平均値のことであり、（式１）で与えられる。
Figure 0006706805
ここで、ｅ(ｚ’)とは、Ｚ方向（積層方向）の点ｚ’における歪のことである。図５の（ａ）に示すように、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合、第１クラッド層１４には均一に８×１０−４程度の引っ張り性の歪がかかり、ＩｎＧａＮ系材料の圧縮性の歪のかかる活性層１６の領域で平均歪量が補償されて低減し、引っ張り性の歪の生じる第２クラッド層１８で再び引っ張り性の歪が増大していることがわかる。この計算結果から、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合、第１クラッド層１４に相対的に大きな歪がかかり、第１クラッド層１４にクラックや格子欠陥が生じやすいことがわかる。
本開示にかかる発光素子において、第１歪補正層１２の層厚を０．１μｍとし、第１低屈折率層１３の組成を第１クラッド層のＡｌ組成よりも０．０２５高い０．０６、第１低屈折率層１３の層厚を０．０５μｍ、第１クラッド層１４の層厚を１μｍとし、第２クラッド層１８の層厚を０．７μｍとした場合に、第１歪補正層１２のＩｎ組成を０．０１、０．０２、０．０３とした場合における積層方向の各点の平均歪量の計算結果を図５の（ｂ）に示す。
図５の（ｂ）に示すように、第１歪補正層１２により、第１クラッド層１４に生じる平均歪は、図５の（ａ）に示す発光素子に対し、第１クラッド層１４に生じる平均歪が低減されることがわかる。
これは、第１歪補正層１２の圧縮性の歪により、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪が補償されて低減するためである。この結果、第１歪補正層１２のＩｎ組成を０．０１から０．０３に設定することにより、第１クラッド層１４に生じる歪を低減することが可能であることがわかる。
図５の（ｃ）、図５の（ｄ）はそれぞれ、図５の（ａ）、図５の（ｂ）の発光素子に対し、第１クラッド層１４の層厚を１．５μｍとした場合の計算結果を示す。第１クラッド層１４の層厚を１．５μｍとしても、図５の（ｂ）に示す結果と同様に、第１歪補正層１２の圧縮性の歪により、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪が補償されて低減されることがわかる。
図５の（ａ）から図５の（ｄ）の結果より、第１クラッド層１４の層厚が１．０μｍから１．５μｍまでの範囲で、第１歪補正層１２のＩｎ組成を０．０１から０．０３までの間に設定することにより、第１クラッド層１４に生じる歪を低減することが可能であることがわかる。
本開示にかかる発光素子において、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合の構造とし、第１クラッド層１４の層厚を１μｍ、Ａｌ組成を０．０６とし、第２クラッド層１８の層厚を０．７μｍ、Ａｌ組成を０．０６とした場合に、第１歪補正層のＩｎ組成を０．０１、０．０２、０．０３とした場合における積層方向の各点の平均歪量の計算結果を図６の（ａ）に示す。
図６の（ａ）に示すように、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合、第１クラッド層１４には均一に１．４×１０−３程度の歪がかかり、ＩｎＧａＮ系材料の圧縮性の歪のかかる活性層１６の領域で平均歪量が補償されて低減し、引っ張り性の歪の生じる第２クラッド層１８で再び、引っ張り性の歪が増大していることがわかる。この計算結果から、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合、第１クラッド層１４に相対的に大きな歪がかかり、第１クラッド層１４にクラックや格子欠陥が生じやすいことがわかる。
本開示の第１の実施形態にかかる発光素子において、第１歪補正層１２の層厚を０．１μｍとし、第１低屈折率層１３の組成を第１クラッド層１４のＡｌ組成よりも０．０２５高い０．０８５、第１低屈折率層１３の層厚を０．０５μｍ、第１クラッド層１４の層厚を１μｍとし、第２クラッド層１８の層厚を０．７μｍとした場合に、第１歪補正層１２のＩｎ組成を０．０１、０．０２、０．０３とした場合における積層方向の各点の平均歪量の計算結果を図６の（ｂ）に示す。
図６の（ｂ）に示すように、第１歪補正層１２により、第１クラッド層１４に生じる平均歪は、図６の（ａ）に示す構造に対し、第１クラッド層１４に生じる平均歪が低減されることがわかる。
これは、第１歪補正層１２の圧縮性の歪により、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪が補償されて低減するためである。この結果、第１歪補正層１２のＩｎ組成を０．０１から０．０３までの間に設定することにより、第１クラッド層１４に生じる歪を低減することが可能であることがわかる。
図６の（ｃ）、図６の（ｄ）にはそれぞれ、図６の（ａ）、図６の（ｂ）の構造に対し、第１クラッド層１４の層厚を１．５μｍとした場合の計算結果を示す。第１クラッド層１４の層厚を１．５μｍとしても、図６の（ｂ）に示す結果と同様に、第１歪補正層１２の圧縮性の歪により、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪が補償されて低減されることがわかる。
図６の（ａ）から図６の（ｄ）の結果より、第１クラッド層１４の層厚が１．０μｍから１．５μｍの範囲で、第１歪補正層１２のＩｎ組成を０．０１から０．０３までの間に設定することにより、第１クラッド層１４に生じる歪を低減することが可能であることがわかる。
第１歪補正層１２の層厚を０．１μｍとしているが、この層厚を増加すれば、第１クラッド層１４で生じる引っ張り性の歪の補償効果が大きく、第１クラッド層１４で生じる引っ張り性の歪の低減効果が大きくなる。
しかしながら、第１歪補正層１２をあまりに厚くすると、第１歪補正層１２でＧａＮ基板１１との格子定数の差で生じる格子欠陥が発生し、結晶性が低下する。実際に、第１歪補正層１２の層厚が０．３μｍを超えると、第１歪補正層１２において格子欠陥が発生しやすくなる。
一方、第１歪補正層の層厚が０．１μｍより小さいと第１クラッド層１４および第２クラッド層１８で生じる引っ張り性の応力を補償する効果が小さくなる。
このため、第１歪補正層１２で格子欠陥を生じさせずに、第１クラッド層１４で生じる引っ張り性の歪の低減効果を得るためには、第１歪補正層１２の層厚を０．１μｍ以上かつ０．３μｍ以下の間に設定すればよい。
（１−８ 電子障壁層１７および第２クラッド層１８にかかる歪の検討）
発光素子が動作するとき、発光素子には熱が発生する。そのとき、活性層１６に注入される電子が熱により励起され、電子障壁層１７および第２クラッド層１８へ電子が流れ出す、いわゆるキャリアオーバーフローという現象が起きやすくなる。
ここで、電子障壁層１７および第２クラッド層１８に圧縮性の歪が付加されると、電子障壁層１７および第２クラッド層１８のバンドギャップエネルギーが大きくなり、電子障壁層１７および第２クラッド層１８の電子に対する障壁高さが高くなる。この電子に対する障壁高さが高くなることにより、キャリアオーバーフローを低減することができる。このため、発光素子の高温動作時の発振しきい値や動作電流値が低減し、発光素子の長期動作の信頼性を向上させることができる。
図５の（ｂ）に示すように、第１歪補正層１２の層厚が０．１μｍ、第１クラッド層１４の層厚が１μｍの場合、第１歪補正層１２の効果により、ＧａＮ基板１１上に形成した層全体の平均歪量は、ほぼ０となっている。このとき、電子障壁層１７および第２クラッド層１８には圧縮性の歪がかかることになる。すなわち、図５の（ｂ）に示す発光素子においては、キャリアオーバーフローを低減でき、結果として発光素子の長期動作の信頼性を向上させることができる。
なお、第１クラッド層１４は層全体に対し引っ張り歪を与えるので、図５の（ｂ）に示す発光素子について第１クラッド層１４の層厚を１μｍ以下とすることにより層全体の平均歪を圧縮性の歪とすることができ、電子障壁層１７および第２クラッド層１８に圧縮性の歪を付加することができる。
一方、図６の（ｂ）に示すように、第１クラッド層のＡｌ組成が０．０６の場合、層全体の平均歪は引っ張り歪となり、電子障壁層１７および第２クラッド層１８には引っ張り性の歪が付加されている。この場合は、発光素子のキャリアオーバーフローの低減には好ましくない。従って、層全体の平均歪を圧縮性の歪として電子障壁層１７および第２クラッド層１８に圧縮性の歪を付加するために、第１クラッド層のＡｌ組成を０．０４以下とするのが好ましい。
なお、上述のように、垂直方向の光閉じ込め係数を大きくするためには、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＡｌ組成を０．０３以上にすることが好ましいので、第１クラッド層のＡｌ組成としては、０．０３以上かつ０．０４以下であることが好ましいのである。
（１−９ 第１低屈折率層１３の材料の検討）
第１低屈折率層１３は、ＡｌＧａＮ材料に限らなくとも、Ａｌ組成が０．０６のＡｌＧａＮ層よりも小さい屈折率を有するＩｎＧａＡｌＮでああってもよい。
図７にＩｎ１−Ｘ−ＹＡｌＹＧａＸＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）に関する組成図を示す。ここでＸ＝ａ、Ｙ＝ｂとすると、図７において
Figure 0006706805
 で示す領域は、Ｉｎ１−ａ−ｂＡｌｂＧａａＮの屈折率がＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎの屈折率よりも小さくなる領域を表す。すなわち、（式２）の条件を満足すれば、第１低屈折率層１３の屈折率をＡｌ組成０．０５のＡｌＧａＮよりも小さくすることができる。この条件を満たす第１低屈折率層においては、ΔＮを大きくすることができる。
また、
Figure 0006706805
 を満たすＩｎ１−ａ−ｂＡｌｂＧａａＮは、ＧａＮと格子整合するので、
Figure 0006706805
Figure 0006706805
 で示す範囲（図７においてハッチングを付した領域）にａ、ｂを設定すれば、第１低屈折率層１３とＧａＮ基板１１との格子定数の差は、Ａｌ０．１Ｇａ０．９ＮとＧａＮ基板１１との格子定数の差よりも小さくすることができる。そのため、（式４）（式５）の条件を満たす第１低屈折率層１３において、格子欠陥の発生が抑制されるのである。
例えば、第１低屈折率層１３としてＩｎ０．０２Ａｌ０．１２Ｇａ０．８６Ｎを用いることができる。Ｉｎ０．０２Ａｌ０．１２Ｇａ０．８６Ｎは、（式１）を満たし、かつ（式２）をほぼ満たすので好適である。
また、第１低屈折率層１３として例えば厚さが５ｎｍのＩｎ０．０２Ａｌ０．１２Ｇａ０．８６Ｎを１層以上、厚さが３ｎｍのＩｎ０．０４Ａｌ０．２４Ｇａ０．７２Ｎを２層以上交互に形成し、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造としてもよい。なお、この単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を構成する各層の層厚は、上記に限られないことはいうまでもない。
以上をまとめると、本開示の発光素子は、以下のような構成が好ましいのである。
すなわち、発光素子として、ＧａＮ基板１１と、このＧａＮ基板１１上に形成された、第１導電型（ｎ型）のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１)よりなる第１歪補正層１２と、この第１歪補正層の上に形成された、第１導電型（ｎ型）のＩｎ１−ａ−ｂＧａａＡｌｂＮからなり、かつ（ａ／０．９８）＋（ｂ／０．８）≧１、（ａ／１．０２）＋（ｂ／０．８５）≦１および（ａ／１．０３）＋（ｂ／０．６８）≧ １の関係を有する第１低屈折率層１３と、を備えている。そして、この第１低屈折率層１３の上に形成された、第１導電型のＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０．０３≦ｚ≦０．０６）からなり、かつ第１低屈折率層よりも屈折率の高い第１クラッド層１４と、この第１クラッド層の上に形成された活性層１６と、を備えている。
なお、活性層１６の上に形成され、第２導電型（ｐ型）の ＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０≦ｔ≦１）からなり、かつＧａＮ基板１１より活性層へ向う方向に凸となるリッジ部１８ａを有する第２クラッド層１８を備えていてもよい。
なお、ここで第１低屈折率層１３として、平均の原子組成が上記（式３）〜（式５）を満たすＩｎ１−ａ−ｂＧａａＡｌｂＮ層を有する多層構造であってもよく、Ｉｎ１−ａ−ｂＧａａＡｌｂＮ層を薄くして量子効果を有する層としてもよい。また、第１低屈折率層として、単一量子井戸構造または２重以上の多重量子井戸構造であってもよい。
（第２の実施形態）
（２−１ 素子構造）
本開示の第２の実施形態に係る発光素子は、図８に示すように、図１に示す第１の実施形態に係る発光素子において、ＧａＮ基板１１と第１歪補正層１２との間に、第２歪補正層３２および中間層３３を備えた構造としている。この構造において、第２歪補正層３２はＡｌＧａＮ材料からなり、Ａｌ組成は０．０１以下のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層としている。また、中間層３３はＧａＮ層からなる。この中間層３３は、第２歪補正層３２上に直接第第１歪補正層１２を積層する場合よりも、第１歪補正層１２の基板１１側での界面で生じる応力を低減することができる。その結果、第２歪補正層３２上に直接第１歪補正層１２を形成した場合よりも、第１歪補正層１２で生じる格子欠陥の発生を抑制することができる。
第２の実施形態に係る発光素子の、第１歪補正層１２からコンタクト層１９に至るまでの各半導体層、電流ブロック層２０、ｎ側電極２１およびｐ側電極２２の構成は、第１の実施形態に係る発光素子と同じである。また、リッジストライプ構造についても第１の実施形態に係る発光素子と同じである。
すなわち、本開示の第２の実施形態に係る発光素子は、第１の実施形態に開示された発光素子に対し、さらに、ＧａＮ基板１１と、第１歪補正層１２との間に、ＧａＮ基板１１側より第１導電型（ｎ型）のＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０＜ｓ≦０．０１）よりなる第２歪補正層３２を備え、さらに第２歪補正層３２と第１歪補正層１２との間に第１導電型（ｎ型）のＧａＮよりなる中間層３３を有しているのである。
本開示の第２の実施形態にかかる発光素子の構造パラメータは、表４のようになる。
Figure 0006706805
図９および図１０に、本開示の第２の実施形態にかかる発光素子の、積層方向に沿った各点の平均歪量の計算結果を比較して示す。なお、図９および図１０において、活性層１６は積層方向に拡大している。なお、検討した第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のパラメータは、表５、表６のようになる。なお、表５および表６に示す各層を除く層のパラメータは、表４に同じである。
また、本開示の第２の実施形態に係る発光素子の発光波長は、４４５ｎｍである。
Figure 0006706805
Figure 0006706805
第２歪補正層３２、第１低屈折率層１３、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８のＩＮ組成、Ａｌ組成および層厚をパラメータとして検討した。
（２−２ 第１歪補正層１２と歪の影響との関係）
図９の（ａ）に、図８に示す本開示の第２の実施形態にかかる発光素子において、第２歪補正層３２、中間層３３、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合の構造とし、第１クラッド層１４の層厚を１μｍ、Ａｌ組成を０．０３５とし、ＡｌＧａＮ第２クラッド層１８の層厚を０．７μｍ、Ａｌ組成を０．０３５とした場合における積層方向の各点の平均歪量の計算結果を示す。
図９の（ａ）に示すように、第２歪補正層３２、中間層３３、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合、第１クラッド層１４には均一に８×１０−４程度の引っ張り性の歪がかかり、ＩｎＧａＮ系材料の圧縮性の歪のかかる活性層１６の領域で平均歪量が補償されて低減し、引っ張り性の歪の生じる第２クラッド層１８で再び引っ張り性の歪が増大していることがわかる。この計算結果から、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合、第１クラッド層１４に相対的に大きな歪がかかり、第１クラッド層１４にクラックや格子欠陥が生じやすいことがわかる。
図９の（ｂ）に、第２の実施形態にかかる構造において、第２歪補正層３２の層厚を１．０μｍ、Ａｌ組成を０．０１と０．００５、中間層３３の層厚を０．１μｍ、第１歪補正層１２の層厚を０．１μｍとし、第１低屈折率層１３の組成を第１クラッド層１４のＡｌ組成よりも０．０２５高い０．０６、第１低屈折率層１３の層厚を０．０５μｍ、第１クラッド層１４の層厚を１μｍとし、ＡｌＧａＮ第２クラッド層１８の層厚を０．７μｍとした場合に、第１歪補正層１２のＩｎ組成を０．０２とした場合における積層方向の各点の平均歪量の計算結果を示す。
図９（ｂ）に示すように、第２歪補正層３２のＡｌ組成が０．００５、０．０１のいずれの場合においても、第１クラッド層１４に生じる平均歪は、図５の（ｂ）に示す発光素子に対し、さらに低減されることがわかる。
より具体的に述べると、図９の（ｂ）に示す発光素子において層全体の歪は最大でも４×１０−４であり、図５の（ｂ）に示す発光素子と比べて１／５程度の歪量となっている。特に第１歪補正層１２および第１低屈折率層１３においては歪がほぼ０となっている。このことから、図９の（ｂ）に示す発光素子について、第１歪補正層１２および第１低屈折率層１３での格子欠陥の発生を抑制することができることがわかる。
また、図９の（ｂ）に示す発光素子において、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪量は図５の（ｂ）に示す発光素子における第１クラッド層１４の引っ張り性の歪量よりも小さい。
これらは、弱い引っ張り性の歪を有する第２歪補正層３２を用いることにより、第１歪補正層１２の圧縮性の歪、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪の平均歪が低減されるためである。
このことから、図９の（ｂ）に示す発光素子について、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３および第１クラッド層１４での格子欠陥の発生を抑制できることがわかる。
図９の（ｃ）、図９の（ｄ）にはそれぞれ、図９の（ａ）、図９の（ｂ）の構造に対し、第１クラッド層１４の層厚を１．５μｍとした場合の計算結果を示す。第１クラッド層１４の層厚を１．５μｍとしても、図９の（ｂ）に示す結果と同様に、弱い引っ張り性の歪を有する第２歪補正層３２を用いることにより、第１歪補正層１２の圧縮性の歪、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪の平均歪が低減されていることがわかる。
図９の（ｂ）、図９の（ｄ）に示す構造では、第１歪補正層１２の層厚を０．１μｍとしているが、この層厚が増加すれば、第１クラッド層１４で生じる引っ張り性の歪の補償効果が大きくなり、第１クラッド層１４で生じる引っ張り性の歪の低減効果が大きくなる。
しかしながら、第１歪補正層１２の層厚をあまりに厚くすると、第１歪補正層１２でＧａＮ基板１１との格子定数の差で生じる格子欠陥が発生し、結晶性が低下する。このため、第１歪補正層１２で格子欠陥を生じさせずに、第１クラッド層１４で生じる引っ張り性の歪の低減効果を得るためには、第１歪補正層１２の層厚を０．１μｍから０．３μｍまでの範囲に設定すればよい。
（２−３ 電子障壁層１７および第２クラッド層１８にかかる歪の検討）
図９の（ｂ）に示すように、第１歪補正層１２の層厚が０．１μｍ、第１クラッド層１４の層厚が１μｍの場合、第１歪補正層１２の効果により、ＧａＮ基板１１上に形成した層全体の平均歪量は、ほぼ０となっている。このとき、電子障壁層１７には圧縮性の歪が付加されることになる。すなわち、図９の（ｂ）に示す発光素子においては、キャリアオーバーフローを低減でき、結果として発光素子の長期動作信頼性を向上させることができる。
なお、第１クラッド層１４は層全体に対し引っ張り歪を与えるので、図９の（ｂ）に示す発光素子について第１クラッド層１４の層厚を１μｍ以下とすることにより層全体の平均歪を圧縮性の歪とすることができ、電子障壁層１７および第２クラッド層１８に圧縮性の歪を付加することができる。
一方、図１０の（ｂ）に示すように、第１クラッド層のＡｌ組成が０．０６の場合、層全体の平均歪は引っ張り歪となり、電子障壁層１７および第２クラッド層１８には引っ張り歪が生じている。この場合は、発光素子のキャリアオーバーフローの低減には好ましくない。従って、層全体の平均歪を圧縮性の歪として電子障壁層１７および第２クラッド層１８に圧縮性の歪を付加するために、第１クラッド層のＡｌ組成を０．０４以下とするのが好ましい。
（２−４ 第１クラッド層１４にかかる歪の検討）
図１０の（ａ）に、図８に示す本開示の第２の実施形態にかかる発光素子において、第２歪補正層３２、中間層３３、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合の構造とし、第１クラッド層１４の層厚を１μｍ、Ａｌ組成を０．０６とし第２クラッド層１８の層厚を０．７μｍ、Ａｌ組成を０．０６とした場合における積層方向の各点の平均歪量の計算結果を示す。
図１０の（ａ）に示すように、第２歪補正層３２、中間層３３、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合、Ｎ型第１クラッド層１４には均一に１．４×１０−３程度の引っ張り性の歪がかかり、ＩＮＧａＮ系材料の圧縮性の歪のかかる活性層１６の領域で平均歪量が補償されて低減し、引っ張り性の歪の生じる第２クラッド層１８で再び引っ張り性の歪が増大していることがわかる。この計算結果から、第１歪補正層１２、第１低屈折率層１３が無い場合、第１クラッド層１４に相対的に大きな歪がかかり、第１クラッド層１４にクラックや格子欠陥が生じやすいことがわかる。
図１０の（ｂ）に、本開示の第２の実施形態にかかる発光素子において、第２歪補正層３２の層厚を１．０μｍ、Ａｌ組成を０．０１と０．００５、中間層３３の層厚を０．１μｍ、第１歪補正層１２の層厚を０．１μｍとし、第１低屈折率層１３の組成を第１クラッド層１４のＡｌ組成よりも０．０２５高い０．０８５、第１低屈折率層１３の層厚を０．０５μｍ、第１クラッド層１４の層厚を１μｍとし、ＡｌＧａＮ第２クラッド層１８の層厚を０．７μｍとした場合に、第１歪補正層のＩｎ組成を０．０１、０．０２、０．０３とした場合における積層方向の各点の平均歪量の計算結果を示す。
図１０の（ｂ）に示すように、第２歪補正層３２のＡｌ組成が０．００５、０．０１のいずれの場合においても、第１クラッド層１４に生じる平均歪は、図６の（ｂ）に示す構造に対し、さらに低減されることがわかる。
これは、弱い引っ張り性の歪を有する第２歪補正層３２を用いることにより、第１歪補正層１２の圧縮性の歪、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪の平均歪が低減されるためである。
図１０の（ｃ）、図１０の（ｄ）にはそれぞれ、図１０の（ａ）、図１０の（ｂ）の構造に対し、第１クラッド層１４の層厚を１．５μｍとした場合の計算結果を示す。第１クラッド層１４の層厚を１．５μｍとしても、図１０の（ｂ）に示す結果と同様に、弱い引っ張り性の歪を有する第２歪補正層３２を用いることにより、第１歪補正層１２の圧縮性の歪、第１クラッド層１４の引っ張り性の歪の平均歪が低減されていることがわかる。
図９の（ａ）から図９の（ｄ）、図１０の（ａ）から図１０の（ｄ）の結果より、第１クラッド層と第２クラッド層のＡｌ組成が０．０３５から０．０６の範囲、第１クラッド層１４の層厚が１．０μｍから１．５μｍの範囲で、第２歪補正層３２のＡｌ組成を０．００５から０．０１に設定することにより、第１クラッド層１４に生じる歪を低減することが可能であることがわかる。
なお、上記第１および第２の実施形態において、活性層１６にあるウェル層のＩｎ組成や層厚は上記に限定されず、バリア層の組成や層厚も上記に限定されない。発光素子の発光波長に応じ、活性層１６にあるウェル層のＩｎ組成や層厚、バリア層の組成や層厚を適宜選択することができる。
特に、ウェル層のＩｎ組成を０．１５より大きくすることにより、発光波長を４４５ｎｍより大きくすることができ、青色や緑色といった発光を得ることができる。例えば、ウェル層にＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎを用いれば、発光波長を５３０ｎｍとすることができる。
また、上記第１および第２の実施形態において、第１クラッド層１４および第２クラッド層のＡｌ組成を等しくしているが、必ずしもその必要はなく、第１クラッド層１４と第２クラッド層のＡｌ組成が異なっていてもよい。
また、上記第１および第２の実施形態において、発光素子の層構造を、ＧａＮ基板１１のｃ面上に形成しているが、ｃ面上に限らず、ｃ面より傾いた面すなわちＧａＮのオフ基板の上に発光素子の層構造を形成してもよく、ｍ面、ｒ面またはａ面を主面とするＧａＮ基板の上に発光素子の層構造を形成してもよい。
上記第１及び第２の実施形態において、半導体レーザ素子関して議論したが、ＬＥＤ素子に対しても本開示に係る技術は適用可能であり、クラックや格子欠陥の発生が抑制された、青色や青色よりも長波長帯のＬＥＤ素子を実現することができる。
本開示に係る発明によれば、波長４４５ｎｍ帯以上の発光素子において、１ワット以上の超高出力動作可能な温度特性に優れ、長期信頼性を保証できるワット級の光源を実現する。特に、プロジェクタ光源用に用いられるワット級の光源に利用することができる。なお、プロジェクタ光源用に限らず、例えば車載ヘッドランプ用の光源としても利用することができるし、競技場の照明用光源としても利用することができる。
１１ ＧａＮ基板
１２ 第１歪補正層
１３ 第１低屈折率層
１４ 第１クラッド層
１５ 光ガイド層
１６ 活性層
１７ 電子障壁層
１８ 第２クラッド層
１９ コンタクト層
２０ 電流ブロック層
２１ ｎ側電極
２２ ｐ側電極
３２ 第２歪補正層
３３ 中間層

Claims (17)

  1. ＧａＮ基板と、
    前記ＧａＮ基板上に形成された、第１導電型のＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１)よりなる第１歪補正層と、
    前記第１歪補正層の上に形成された、第１導電型のＩｎ１−ａ−ｂＧａａＡｌｂＮからなり、かつ
    （ａ／０．９８）＋（ｂ／０．８）≧１
    （ａ／１．０２）＋（ｂ／０．８５）≦１
    （ａ／１．０３）＋（ｂ／０．６８）≧１
    の関係を有する第１低屈折率層と、
    前記第１低屈折率層の上に形成された、第１導電型のＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０．０３≦ｚ≦０．０６）からなり、かつ前記第１低屈折率層よりも屈折率の高い第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の上に形成された活性層と、
    前記ＧａＮ基板と、前記第１歪補正層との間に形成された、前記ＧａＮ基板より第１導電型の不純物濃度が高いＡｌ ｓ Ｇａ １−ｓ Ｎ（０＜ｓ≦０．０１）よりなる第２歪補正層と、を備えている、
    半導体レーザ装置。
  2. さらに、
    前記活性層の上に形成され、第２導電型の ＡｌｔＧａ1−ｔＮ（０≦ｔ≦１）からなり、かつ前記ＧａＮ基板より前記活性層へ向う方向に凸となるリッジ部を有する第２クラッド層と、を備えている、
    請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第１歪補正層のＩｎ組成ｘの範囲は、０．０１≦ｘ≦０．０３である、
    請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記第１歪補正層の層厚は、０．１μｍ以上かつ０．３μｍ以下である、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記第１低屈折率層は、第１導電型のＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０．０６≦ｂ≦０．１)より形成されている、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記第１低屈折率層の層厚は、１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下である、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記第１低屈折率層は、平均原子組成がＩｎ１−ａ−ｂＧａａＡｌｂＮの多重量子井戸である、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記第１クラッド層において、ｚ≦０．０４である、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記第１クラッド層において、層厚が１μｍ以下であり、かつ０．０３≦ｚ≦０．０４である、
    請求項８に記載の半導体レーザ装置。
  10. さらに、
    前記第２歪補正層と前記第１歪補正層との間に形成された、第１導電型のＧａＮよりなる中間層を備える、
    請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  11. さらに、
    前記活性層と、前記第２クラッド層との間に、第２導電型のＡｌｈＧａ１−ｈＮ（０＜ｈ≦１）よりなる電子障壁層を備える、
    請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  12. 前記ＧａＮ基板の上面と前記電子障壁層の上面との間に形成された層全体の平均歪は、圧縮性である、
    請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
  13. 前記ＧａＮ基板の上面と前記第２クラッド層の上面との間に形成された層全体の平均歪は、圧縮性である、
    請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
  14. 前記活性層は、ＩｎｆＧａ１−ｆＮ（０＜ｆ≦１）よりなるウェル層と、ＡｌｇＧａ１−ｇＮ（０≦ｇ≦１）よりなるバリア層とを少なくとも１層含む量子井戸である、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  15. 前記活性層は、ウェル層を少なくとも２層含む、多重量子井戸である、
    請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
  16. 前記活性層は、２重量子井戸または３重量子井戸である、
    請求項１５に記載の半導体レーザ装置。
  17. 前記活性層の特性波長は４４５ｎｍ以上である、
    請求項１４から１６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
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