JPH08111558A

JPH08111558A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JPH08111558A
Application number: JP24368194A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tanaka; 俊明田中; So Otoshi; 創大歳; Yoshihiro Ishitani; 善博石谷; Shigekazu Minagawa; 重量皆川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1994-10-07
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、青緑色から紫色に相当する
短波長半導体レーザを構成するGaInN/AlGaN材料系にお
いて、低閾値でかつ高効率のレーザ発振を可能とさせる
ことである。【構成】サファイア基板上１に、GaInN/AlGaN材料か
らなる歪多重量子井戸構造１２を作製する。このとき、
量子障壁層へのｐ型変調ドープでは量子井戸層との境界
領域両側1nmにはドーピングせず、量子障壁層中央部と
光分離閉じ込め層にはｐ型不純物を変調ドープして5×1
0¹⁸/cm³のキャリア濃度を発生させる。素子は劈開して
バー状に切り出し、共振器の前面と後面に高反射膜コー
ティングを施す。【効果】本発明により、ホールの有効質量が重い材料
系において、ＭＱＷ活性層に対するキャリア注入効率を
改善して発光効率を向上させることができた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理或は光応用
計測用に適した光源となる半導体レーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術では、可視発光材料のうちGa
InN/GaN材料を用いた青色発光ダイオードを構成する各
結晶成長層の詳細について、例えば公知例１）ジャパニ
ーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス19
93年,32巻,8頁(Jpn J. Appl. Phys., 32, L8−L11(199
3).)に述べられている。さらに発光活性層に対して不純
物をドープし不純物レベルを形成することにより発光ダ
イオードの発光強度を大きくさせることについて、例え
ば公知例２）ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス1993年,32巻,338頁(Jpn J. Appl. P
hys., 32, L338−L341(1993).)において述べられてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、窒
素系材料を用いて青色発光ダイオードに適する発光活性
層の構成や不純物ドープについて言及している例であ
る。しかしながら、素子の発光効率を向上させるため
に、発光活性層に対するキャリアの注入効率や閉じ込め
効果に関して詳細内容を述べていない。また、低閾値で
レーザ発振させかつ高効率の光出力動作を得るための明
確な対策を具体的に説明していない。

【０００４】本発明の目的は、青緑色から紫色に相当す
る短波長半導体レーザを構成するGaInN/AlGaN材料系に
おいて、低閾値でかつ高効率のレーザ発振を可能とさせ
ることである。本発明では、GaInN/AlGaNの周期的ヘテ
ロ構造から構成される多重量子井戸(ＭＱＷ)構造活性層
の構造設計について記述する。ＭＱＷ活性層における量
子障壁層に対してドープして形成される不純物準位と量
子井戸層における量子準位或は注入キャリア密度の高さ
を相互に位置づけることにより、キャリアの注入効率や
閉じ込め効果を向上させる。このことにより、レーザ発
振の低閾値かつ高効率動作を達成することを目標とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段を以下に説明する。

【０００６】本発明では、活性層をＭＱＷ構造とし、量
子障壁層に不純物を変調ドープする。不純物ドープによ
り発生したキャリアをトンネル効果により量子障壁層か
ら量子井戸層へ有効に注入できるようにする。このた
め、不純物準位と量子井戸層内に形成される量子準位の
関係を規定し、不純物準位のエネルギー高さを量子準位
よりも高く設定する。これは、量子井戸構造において量
子井戸層に用いる材料および組成と量子井戸幅、さらに
量子障壁層に用いる材料および組成を相互に決定するこ
とにより得られる。これらのことは、特に有効質量の重
いホールを有した材料、例えば窒素系材料では重要とな
る。

【０００７】

【作用】目的を達成するため、上記手段の作用について
説明する。

【０００８】活性層に対して注入されるキャリアについ
て考えた場合、その有効質量の重い材料系、例えばAlGa
InN材料系では、キャリアの注入効率を向上させる活性
層構造設計が必要となる。特に、周期的ヘテロ構造から
形成されるＭＱＷ構造では、各量子井戸層への均一なキ
ャリア注入を行う工夫が重要である。

【０００９】本発明では、活性層構造をＭＱＷ構造と
し、特に有効質量の重いホールを予め活性層内に発生さ
せ注入効率を向上させるために、ｐ型不純物をドープす
る。ここで、量子井戸層へ不純物ドープすると、量子井
戸層内へ注入されたキャリアが不純物散乱を受けるの
で、量子障壁層へ変調ドープする手法をとる。さらに、
ヘテロ界面での不純物拡散を考慮して、量子井戸層と隣
接した両側の境界領域へは不純物ドープせず、量子障壁
層の中央部にのみ不純物ドープする。一方、GaNでは、
ｐ型不純物が形成する伝導に寄与するレベルは１６０ｍ
ｅＶ以上と深い位置にあるため、キャリアの活性化率が
不十分である。そこで、量子井戸層内へホールの注入す
る効率を向上させるように、量子井戸層の構造設計が必
要となる。即ち、量子障壁層にドープしたキャリアがト
ンネル効果により量子井戸層へ効率よく注入されるよう
に、量子障壁層に形成される不純物準位を量子井戸層内
の量子準位よりも高く設定する。さらには、レーザが発
振するときに、量子準位に分布するキャリアのエネルギ
ー密度が最も大きくなる時に示すエネルギー高さと同じ
かそれよりも不純物準位が高く設定してあることが望ま
しい。これを実現するには、量子井戸構造において量子
井戸層のポテンシャル井戸の底の高さ、つまり量子井戸
層の材料組成と量子井戸幅、量子障壁層のエネルギー高
さ、つまり量子障壁層の材料および組成を規定すること
により達成される。例えば、GaInNを量子井戸層とし、G
aNを量子障壁層とした場合には、GaInN量子井戸層のIn
組成を０.２７以上に設定し、量子井戸幅を狭くするに
従って、In組成を大きく設定して量子準位のエネルギー
高さを調節することによる。

【００１０】以上により、有効質量の重い材料系におい
ても、各量子井戸層内に均一なキャリアの注入を効率よ
く行うことができ、低閾値動作や量子効率の向上が図ら
れる。

【００１１】

【実施例】

実施例１本発明の一実施例を図１，２により説明する。まず図１
において、(0001)面から１０°傾いた面を有するサファ
イア基板１を用いて、その上にアンドープGaNバッファ
層２(d=0.05μｍ)，ｎ型GaN光導波層３(d=5μｍ， N=5
×10¹⁷〜1×10¹⁸/cm³)，ｎ型AlGa₁N光導波層４(d=0.1μ
ｍ，N=2〜5×10¹⁷/cm³，y=0.15)，膜厚6nmのアンドープ
Ga_1αIn_αN(α=0.33)歪量子井戸層２層と，膜厚10nmの
アンドープGaN量子障壁層１層，及び量子井戸層両側に
設けた膜厚30nmのアンドープGaN光分離閉じ込め層から
構成される(多重量子井戸層周辺の伝導帯および価電子
帯バンド構造の概略は図２のようになり、該量子障壁層
全体と光分離閉じ込め層にはｐ型不純物を変調ドープし
て5×10¹⁸/cm³のキャリア濃度を発生させる)多重量子井
戸活性層５，ｐ型AlGa₁N光導波層６(d=0.1μｍ，N=3〜5
×10¹⁷/cm³，y=0.15)，ｐ型GaN光導波層７(d=1μｍ，N=
7〜9×10¹⁷/cm³)を有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法に
よりエピタキシャル成長した。この後、ホトリソグラフ
ィーによりSiO₂マスク（膜厚d=0.1μｍ)を形成し、ケミ
カルエッチングにより層５を０.２μｍ残すところまで
層６と層５をエッチング除去してリッジストライプを形
成する。次に、SiO₂マスクを残したまま、ｎ型GaN電流
狭窄層８(d=1μｍ，N=1×10¹⁸/cm³)を塩化水素を添加し
たＭＯＣＶＤ成長法により選択成長する。SiO₂マスクを
除去した後、ｐ型GaNコンタクト層９(d=2〜3μｍ，N=1
〜5×10¹⁸/cm³)を埋め込み成長した後、ｐ電極１０及び
ｎ電極１１を蒸着する。さらに、劈開してバー状の素子
に切り出し、図１の断面を有する素子を得る。次に、共
振器の前面と後面に高反射膜コーティングを施す。

【００１２】本実施例における素子では、波長範囲４１
０〜４３０ｎｍにおいて電流注入によるレーザ発振が可
能であった。また、量子障壁層にｐ型不純物をドーピン
グしない素子に比べて、内部量子効率は５倍以上の値を
得た。

【００１３】実施例２本発明の他実施例を図３，４により説明する。まず図３
において、実施例１と同様に素子を作製するが、量子障
壁層へのｐ型変調ドープでは概略を図４に示すように量
子井戸層との境界領域両側1nmにはドーピングせず、量
子障壁層中央部と光分離閉じ込め層にはｐ型不純物を変
調ドープして5×10¹⁸/cm³のキャリア濃度を発生させ
る。その他、実施例２と全く同様に素子を作製する。

【００１４】本実施例における素子でも、波長範囲４１
０〜４３０ｎｍにおいて電流注入によるレーザ発振が可
能であった。また、量子障壁層にｐ型不純物をドーピン
グしない素子に比べて、内部量子効率は実施例１よりも
大きく８倍以上の値を得た。

【００１５】実施例３本発明の他実施例を図５により説明する。まず図５にお
いて、(0001)面から４°傾いた面を有するｎ型αーSiC
基板１３を用いて、実施例２と同様に各結晶層を成長す
る。その後、成長層の上部にｐ電極１０と基板側下部に
ｎ電極１１を蒸着する。その他、実施例２と全く同様に
素子を作製する。

【００１６】本実施例における素子でも、実施例２と同
様な効果を得た。

【００１７】実施例４本発明の他実施例を図６より説明する。まず図６におい
て、(001)面から５４．７°傾いた(111)面を有するｎ型
βーSiC基板１４を用いて、実施例２と同様に各結晶層
を成長する。その後、成長層の上部にｐ電極１０と基板
側下部にｎ電極１１を蒸着する。その他、実施例２と全
く同様に素子を作製する。

【００１８】本実施例における素子でも、実施例２と同
様な効果を得た。

【００１９】

【発明の効果】本発明により、ホールの有効質量が重い
材料系において、ＭＱＷ活性層に対するキャリア注入効
率を改善して発光効率を向上させることができた。例え
ば、GaInN/AlGaN材料系において、電流注入により波長
範囲４１０〜４３０ｎｍでレーザ発振を可能とし、内部
量子効率は本発明で行ったｐ型不純物の変調ドープによ
り８倍以上に増大することが可能であった。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す素子構造断面図。

【図２】本発明の一実施例における多重量子井戸層内の
伝導帯および価電子帯バンド構造と量子障壁層へのｐ型
変調ドープを示す概略図。

【図３】本発明の他実施例を示す素子構造断面図。

【図４】本発明の他実施例における多重量子井戸層内の
伝導帯および価電子帯バンド構造と量子障壁層へのｐ型
変調ドープを示す概略図。

【図５】本発明の他実施例を示す素子構造断面図。

【図６】本発明の他実施例を示す素子構造断面図。

【符号の説明】

１．(0001)面から１０°オフした面を有するサファイア
基板２．GaNバッファ層３．ｎ型GaN光導波層４．ｎ型AlGaN光導波層５．GaInN量子井戸層とｐ型変調ドープGaN量子障壁層の
多重量子井戸活性層６．ｐ型AlGaN光導波層７．ｐ型GaN光導波層８．ｐ型GaN電流狭窄層９．ｐ型GaNコンタクト層１０．ｐ電極１１．ｎ電極１２．GaInN量子井戸層とｐ型変調ドープGaN量子障壁層
の多重量子井戸活性層１３．(0001)面から４°オフした面を有するｎ型α−Si
C基板１４．(001)面から５４．７°傾いた(111)面を有するｎ
型β−SiC基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者皆川重量東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けた禁制帯幅の大きな光導波層
とそれらに挾まれた禁制帯幅の小さな発光活性層を有し
た異種二重接合構造において、該発光活性層が量子障壁
層と量子井戸層により形成した単一量子井戸構造である
か又は量子障壁層と量子井戸層を周期的に繰り返した多
重量子井戸構造であり、該量子障壁層に対してｐ型或は
ｎ型を示す不純物をドープすることにより形成した不純
物準位を介して、該量子障壁層から該量子井戸層へキャ
リアが注入されることによりアシストされて、該量子井
戸層におけるキャリア密度が閾密度に到りレーザ発振を
引き起こすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】該量子障壁層に対してｐ型或はｎ型を示す
不純物をドープして形成した不純物準位に関して、該不
純物準位は少なくとも量子井戸層における伝導帯或いは
価電子帯の量子準位よりもエネルギーが高く、さらにレ
ーザ発振するときにおいて伝導帯或いは価電子帯の波数
ベクトル空間に分布するキャリアのエネルギー密度が最
も大きくなる時に示すエネルギー高さと同じか或いはそ
れよりも該不純物準位が高くなる位置に設定してあるこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】該発光活性層を構成する量子井戸構造は該
量子井戸層或は該量子障壁層に格子歪を導入した歪量子
井戸構造であり、上記第２項の条件を満足するように量
子井戸層に設定する量子準位の高さは該量子井戸層と該
量子障壁層を構成する組成や膜厚によって設計してある
ことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ素
子。
【請求項４】量子井戸構造活性層中の量子障壁層のみに
変調ドープすることを特徴とする請求項２又は３記載の
半導体レーザ素子。
【請求項５】量子井戸構造活性層中の量子障壁層に変調
ドープし、量子障壁層全体ではなく量子井戸層に隣接す
る領域には不純物をドープせず、量子障壁層の両端にス
ペーサを設けて中央部にのみ不純物をドープすることを
特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】該発光活性層を構成する量子井戸層内に蓄
積されるレーザ発振に必要なキャリア密度よりも、量子
障壁層に変調ドープした不純物によって発生するキャリ
ア濃度の方が相対的に高く、該量子障壁層にドープした
不純物が生ずる活性化したキャリア濃度は5×10¹⁸/cm³
以上に設定してあることを特徴とする請求項４又は５記
載の半導体レーザ素子。
【請求項７】該量子障壁層にドープして生じたキャリア
は、量子障壁層から量子井戸層へトンネル効果により透
過し注入されることを特徴とする請求項４乃至６のいず
れかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】該量子井戸層の膜厚を薄くするに従って該
量子障壁層に不純物ドープして生じるキャリア濃度を大
きく設定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれ
かに記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】多重量子井戸構造を有する活性層におい
て、周期的に設けた該量子井戸層に閉じ込められたキャ
リアの波動関数が互いに作用し合うように設定して該量
子井戸層内にミニバンド構造を形成することを特徴とす
る請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体レーザ素
子。
【請求項１０】該基板が立方晶系であるDiamond又はZin
c Blende構造を有する基板であるとき、基板面方位が(0
01)面から０°〜５４.７°の範囲に傾いており、該基板
が六方晶系であるWurzite構造を有する基板であると
き、基板面方位が(0001)C面から０°から５４.７°の範
囲に傾いていることを特徴とする請求項１乃至９のいず
れかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】該基板がGaAs, GaP,InP,Si,SiCに代表さ
れる半導体単結晶基板であるか或はAl₂O₃,MgO,ZnO,MnO,
GaN,AlNに代表されるセラミックス単結晶基板であるこ
とを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の半
導体レーザ素子。