JPH08228048A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
窒化物半導体レーザ素子Info
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- JPH08228048A JPH08228048A JP31784595A JP31784595A JPH08228048A JP H08228048 A JPH08228048 A JP H08228048A JP 31784595 A JP31784595 A JP 31784595A JP 31784595 A JP31784595 A JP 31784595A JP H08228048 A JPH08228048 A JP H08228048A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 窒化物半導体を用いたレーザ素子を実現し、
特に紫外〜緑色領域で発振する短波長レーザを実現す
る。 【解決手段】 基板１上に、少なくともｎ型窒化物半導
体よりなる第一のｎ型クラッド層５と、その第一のクラ
ッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半
導体よりなる活性層６と、その活性層に接してｐ型窒化
物半導体よりなる第一のｐ型クラッド層７とが順に積層
された構造を有し、さらにｐ型窒化物半導体側からエッ
チングされて同一面側に正、負一対の電極が取り出され
た構造を備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記
第一のｎ型クラッド層５の外側に、互いに組成の異なる
２種類の窒化物半導体層が積層されてなるｎ型の多層膜
４４を光反射膜として備え、さらにそのｎ型の多層膜
は、最も基板側に近いエッチング面（図６のＡ面）より
もｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成される。
特に紫外〜緑色領域で発振する短波長レーザを実現す
る。 【解決手段】 基板１上に、少なくともｎ型窒化物半導
体よりなる第一のｎ型クラッド層５と、その第一のクラ
ッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半
導体よりなる活性層６と、その活性層に接してｐ型窒化
物半導体よりなる第一のｐ型クラッド層７とが順に積層
された構造を有し、さらにｐ型窒化物半導体側からエッ
チングされて同一面側に正、負一対の電極が取り出され
た構造を備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記
第一のｎ型クラッド層５の外側に、互いに組成の異なる
２種類の窒化物半導体層が積層されてなるｎ型の多層膜
４４を光反射膜として備え、さらにそのｎ型の多層膜
は、最も基板側に近いエッチング面（図６のＡ面）より
もｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体（Ｉｎa'Ａ
ｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ、０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）よ
りなるレーザ素子に関する。
ｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ、０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）よ
りなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】紫外〜赤色に発振可能なレーザ素子の材
料として窒化物半導体（Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ、
０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）が知られている。我々は
この半導体材料を用いて、１９９３年１１月に光度１ｃ
ｄの青色ＬＥＤを発表し、１９９４年４月に光度２ｃｄ
の青緑色ＬＥＤを発表し、１９９４年１０月には光度２
ｃｄの青色ＬＥＤを発表した。これらのＬＥＤは全て製
品化されて、現在ディスプレイ、信号等の実用に供され
ている。
料として窒化物半導体（Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ、
０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）が知られている。我々は
この半導体材料を用いて、１９９３年１１月に光度１ｃ
ｄの青色ＬＥＤを発表し、１９９４年４月に光度２ｃｄ
の青緑色ＬＥＤを発表し、１９９４年１０月には光度２
ｃｄの青色ＬＥＤを発表した。これらのＬＥＤは全て製
品化されて、現在ディスプレイ、信号等の実用に供され
ている。
【０００３】図１に現在の青色、青緑色ＬＥＤの発光チ
ップの構造を示す。基本的にはサファイア基板１１の上
にｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２と、ｎ型Ａ
ｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層１３と、ｎ型ＩｎＧａ
Ｎよりなる活性層１４と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型
クラッド層１５と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１６とが順に積層された構造を有している。なおサフ
ァイア基板１１とｎ型コンタクト層１２との間にはＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＮよりなるバッファ層が形
成されているがこの図では特に図示していない。活性層
１４のｎ型ＩｎＧａＮはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパ
ントおよび／またはＺｎ、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがド
ープされており、ＬＥＤ素子の発光波長は、その活性層
のＩｎＧａＮのＩｎ組成比を変更するか、または活性層
にドープする不純物の種類を変更することで、紫外〜赤
色まで変化させることが可能となっている。
ップの構造を示す。基本的にはサファイア基板１１の上
にｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２と、ｎ型Ａ
ｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層１３と、ｎ型ＩｎＧａ
Ｎよりなる活性層１４と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型
クラッド層１５と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１６とが順に積層された構造を有している。なおサフ
ァイア基板１１とｎ型コンタクト層１２との間にはＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＮよりなるバッファ層が形
成されているがこの図では特に図示していない。活性層
１４のｎ型ＩｎＧａＮはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパ
ントおよび／またはＺｎ、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがド
ープされており、ＬＥＤ素子の発光波長は、その活性層
のＩｎＧａＮのＩｎ組成比を変更するか、または活性層
にドープする不純物の種類を変更することで、紫外〜赤
色まで変化させることが可能となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このようにダブルへテ
ロ構造で発光するＬＥＤが実現された現在、次の課題は
は窒化物半導体を用いた短波長レーザ素子の実現にあ
る。しかしながら窒化物半導体は未だレーザ発振するに
は至っていない。
ロ構造で発光するＬＥＤが実現された現在、次の課題は
は窒化物半導体を用いた短波長レーザ素子の実現にあ
る。しかしながら窒化物半導体は未だレーザ発振するに
は至っていない。
【０００５】従って本発明はその課題を解決するために
成されたものであって、その目的とするところは窒化物
半導体を用いたレーザ素子を実現することにあり、特に
紫外〜緑色領域で発振する短波長レーザを実現するにあ
る。
成されたものであって、その目的とするところは窒化物
半導体を用いたレーザ素子を実現することにあり、特に
紫外〜緑色領域で発振する短波長レーザを実現するにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】我々は、まず第一にダブ
ルへテロ構造となるように積層された窒化物半導体中の
所定の位置に活性層の発光を閉じこめられる光反射膜を
形成し、第二に活性層の結晶性を良くすることにより上
記問題が解決できることを新規に見いだし本発明を成す
に至った。即ち本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基
板上にｎ型窒化物半導体よりなる第一のクラッド層と、
その第一のクラッド層に接してインジウムとガリウムと
を含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接
してｐ型窒化物半導体よりなる第一のｐ型クラッド層と
が順に積層された構造を有し、さらにｐ型窒化物半導体
層側からエッチングされて同一面側に正、負一対の電極
が取り出された構造を備える窒化物半導体レーザ素子で
あって、前記第一のｎ型クラッド層の外側に、互いに組
成の異なる２種類の窒化物半導体層が積層されてなるｎ
型の多層膜を光反射膜として備え、さらにそのｎ型の多
層膜は、最も基板側に近いエッチング面の水平面よりも
ｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成されていることを
特徴とする。但し、外側とは活性層が形成されているク
ラッド層の反対側を意味するものであって、必ずしもク
ラッド層に接している必要はない。
ルへテロ構造となるように積層された窒化物半導体中の
所定の位置に活性層の発光を閉じこめられる光反射膜を
形成し、第二に活性層の結晶性を良くすることにより上
記問題が解決できることを新規に見いだし本発明を成す
に至った。即ち本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基
板上にｎ型窒化物半導体よりなる第一のクラッド層と、
その第一のクラッド層に接してインジウムとガリウムと
を含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接
してｐ型窒化物半導体よりなる第一のｐ型クラッド層と
が順に積層された構造を有し、さらにｐ型窒化物半導体
層側からエッチングされて同一面側に正、負一対の電極
が取り出された構造を備える窒化物半導体レーザ素子で
あって、前記第一のｎ型クラッド層の外側に、互いに組
成の異なる２種類の窒化物半導体層が積層されてなるｎ
型の多層膜を光反射膜として備え、さらにそのｎ型の多
層膜は、最も基板側に近いエッチング面の水平面よりも
ｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成されていることを
特徴とする。但し、外側とは活性層が形成されているク
ラッド層の反対側を意味するものであって、必ずしもク
ラッド層に接している必要はない。
【０００７】また本発明の第二は前記第一のｐ型クラッ
ド層の外側に、互いに組成の異なる２種類のｐ型窒化物
半導体層が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜とし
て備えることを特徴とする。
ド層の外側に、互いに組成の異なる２種類のｐ型窒化物
半導体層が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜とし
て備えることを特徴とする。
【０００８】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式的な断面図を図２に示す。１はサファイア基
板、２は基板と窒化物半導体層との格子不整号を緩和す
るバッファ層、３は負電極を形成するｎ型コンタクト
層、４は第二のｎ型クラッド層、５は第一のｎ型クラッ
ド層、６は活性層、７は第一のｐ型クラッド層、８は第
二のｐ型クラッド層、９は正電極を形成するｐ型コンタ
クト層をそれぞれ示している。さらに活性層６からの発
光が基板１側に広がらないように、この図では第一のｎ
型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との間に、活
性層６の光を反射するｎ型多層膜４４を形成している。
しかもｎ型多層膜４４の形成位置は最も基板１側に近い
エッチング面の水平面（図２では負電極が形成されるｎ
型コンタクト層３のエッチング面の水平面としてい
る。）よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成され
ている。ｎ型多層膜４４は互いに組成の異なる窒化物半
導体、つまり互いに屈折率の異なる２種類の窒化物半導
体が、例えばλ／４ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）で交互
に２層以上積層されて、活性層６の発光波長をｎ型多層
膜４４で反射して活性層６中に閉じこめる作用を有して
いる。
を示す模式的な断面図を図２に示す。１はサファイア基
板、２は基板と窒化物半導体層との格子不整号を緩和す
るバッファ層、３は負電極を形成するｎ型コンタクト
層、４は第二のｎ型クラッド層、５は第一のｎ型クラッ
ド層、６は活性層、７は第一のｐ型クラッド層、８は第
二のｐ型クラッド層、９は正電極を形成するｐ型コンタ
クト層をそれぞれ示している。さらに活性層６からの発
光が基板１側に広がらないように、この図では第一のｎ
型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との間に、活
性層６の光を反射するｎ型多層膜４４を形成している。
しかもｎ型多層膜４４の形成位置は最も基板１側に近い
エッチング面の水平面（図２では負電極が形成されるｎ
型コンタクト層３のエッチング面の水平面としてい
る。）よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成され
ている。ｎ型多層膜４４は互いに組成の異なる窒化物半
導体、つまり互いに屈折率の異なる２種類の窒化物半導
体が、例えばλ／４ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）で交互
に２層以上積層されて、活性層６の発光波長をｎ型多層
膜４４で反射して活性層６中に閉じこめる作用を有して
いる。
【０００９】また、図３は本発明の他の実施例に係るレ
ーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号
は図２と同一部材を示している。図３では、ｎ型コンタ
クト層３と第二のｎ型クラッド層４との間にｎ型多層膜
４４が形成され、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタ
クト層９との間に互いに組成の異なる２種類の窒化物半
導体を交互に積層したｐ型の多層膜５５が形成されてい
る。図３のように光反射膜となるｐ型の多層膜５５をｐ
型層中にも形成すると、ｎ型多層膜４４をｎ型層中に形
成した時よりもさらに効率的に活性層の光り閉じこめが
できるので、容易にレーザ発振しやすくなる。また図３
も同様にｎ型多層膜４４の形成位置は負電極が形成され
るｎ型コンタクト層３のエッチング面の水平面、つまり
最も基板１側に近いエッチング面の水平面よりもｐ型層
側に近い位置に形成されている。
ーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号
は図２と同一部材を示している。図３では、ｎ型コンタ
クト層３と第二のｎ型クラッド層４との間にｎ型多層膜
４４が形成され、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタ
クト層９との間に互いに組成の異なる２種類の窒化物半
導体を交互に積層したｐ型の多層膜５５が形成されてい
る。図３のように光反射膜となるｐ型の多層膜５５をｐ
型層中にも形成すると、ｎ型多層膜４４をｎ型層中に形
成した時よりもさらに効率的に活性層の光り閉じこめが
できるので、容易にレーザ発振しやすくなる。また図３
も同様にｎ型多層膜４４の形成位置は負電極が形成され
るｎ型コンタクト層３のエッチング面の水平面、つまり
最も基板１側に近いエッチング面の水平面よりもｐ型層
側に近い位置に形成されている。
【００１０】また、図４は本発明の他の実施例に係るレ
ーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号
は図２および図３と同一部材を示している。図４では、
第一のｎ型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との
間にｎ型多層膜４４が形成され、第一のｐ型クラッド層
７と第二のｐ型クラッド層８との間にｐ型の多層膜層５
５が形成されている。
ーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号
は図２および図３と同一部材を示している。図４では、
第一のｎ型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との
間にｎ型多層膜４４が形成され、第一のｐ型クラッド層
７と第二のｐ型クラッド層８との間にｐ型の多層膜層５
５が形成されている。
【００１１】また、図６も本願の他の実施例に係るレー
ザ素子の構造を示す模式的な断面図であるが、この図が
他の本発明のレーザ素子の構造と異なる点は、ｐ層側か
らのエッチングを深くして、エッチング面の水平面のｐ
型コンタクト層の深さが負電極の形成面よりも基板側に
あるところである。ｎ型多層膜４４の位置が、最も基板
側に近いエッチング面の水平面（Ａ面）よりもｐ型窒化
物半導体層に近い位置に形成されていることを示してい
る。ｎ型多層膜４４の位置の作用については後に詳しく
述べる。
ザ素子の構造を示す模式的な断面図であるが、この図が
他の本発明のレーザ素子の構造と異なる点は、ｐ層側か
らのエッチングを深くして、エッチング面の水平面のｐ
型コンタクト層の深さが負電極の形成面よりも基板側に
あるところである。ｎ型多層膜４４の位置が、最も基板
側に近いエッチング面の水平面（Ａ面）よりもｐ型窒化
物半導体層に近い位置に形成されていることを示してい
る。ｎ型多層膜４４の位置の作用については後に詳しく
述べる。
【００１２】このようにｎ型の多層膜４４は、第一のｎ
型クラッド層５、第二のｎ型クラッド層４の間、第二の
ｎ型クラッド層４とｎ型コンタクト層３との間、または
ｎ型コンタクト層内部（内部については実施例で説明す
る。）の内のいずれか一ヶ所に形成可能であり、またｐ
型多層膜５５を形成する場合には、請求項７にも記載の
ように第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層
８との間、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層
９との間、またはｐ型コンタクト層内部の内のいずれか
一ヶ所に形成可能である。
型クラッド層５、第二のｎ型クラッド層４の間、第二の
ｎ型クラッド層４とｎ型コンタクト層３との間、または
ｎ型コンタクト層内部（内部については実施例で説明す
る。）の内のいずれか一ヶ所に形成可能であり、またｐ
型多層膜５５を形成する場合には、請求項７にも記載の
ように第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層
８との間、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層
９との間、またはｐ型コンタクト層内部の内のいずれか
一ヶ所に形成可能である。
【００１３】次に前記ｎ型多層膜４４、ｐ型多層膜５５
を構成する２種類の窒化物半導体は、少なくとも一方が
インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａ
Ｎ｛例えばＩｎcＧａ1-cＮ（０≦c＜１）｝であること
が好ましい。なぜなら単一層を積層して多層膜とする場
合、その単一層の一方にＩｎcＧａ1-cＮ、ＧａＮを形成
することにより、ＧａＮ、ＩｎcＧａ1-cＮ層がバッファ
層のような作用をして、もう一方の単一層にクラックが
入るのを防止することができるからである。これはＩｎ
cＧａ1-cＮ層、ＧａＮ層の結晶がＡｌＧａＮに比べて柔
らかいことによるものである。これに対し多層膜を例え
ば互いにＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮ層で、例えば総膜
厚０．５μｍ以上となるように多層形成すると、多層膜
中にクラックが入り、素子作製が困難となる。
を構成する２種類の窒化物半導体は、少なくとも一方が
インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａ
Ｎ｛例えばＩｎcＧａ1-cＮ（０≦c＜１）｝であること
が好ましい。なぜなら単一層を積層して多層膜とする場
合、その単一層の一方にＩｎcＧａ1-cＮ、ＧａＮを形成
することにより、ＧａＮ、ＩｎcＧａ1-cＮ層がバッファ
層のような作用をして、もう一方の単一層にクラックが
入るのを防止することができるからである。これはＩｎ
cＧａ1-cＮ層、ＧａＮ層の結晶がＡｌＧａＮに比べて柔
らかいことによるものである。これに対し多層膜を例え
ば互いにＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮ層で、例えば総膜
厚０．５μｍ以上となるように多層形成すると、多層膜
中にクラックが入り、素子作製が困難となる。
【００１４】多層膜を構成する２種類の窒化物半導体の
好ましい組み合わせは、一方が前記のようにＩｎcＧａ
1-cＮ若しくはＧａＮよりなり、もう一方がアルミニウ
ムとガリウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ＡｌdＧ
ａ1-dＮ（０＜d＜１）｝で構成することが最良である。
なぜなら、ＩｎcＧａ1-cＮとＡｌdＧａ1-dＮとは屈折率
の差が大きいのでこれらの材料で多層膜を構成すること
により、発光波長に応じて反射率の大きい多層膜の設計
が可能であるからである。また、ＩｎcＧａ1-cＮがバッ
ファ層の作用をしているため、もう一方のＡｌdＧａ1-d
Ｎ層にクラックが入ることなく１０層以上積層可能とな
る。なお、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮの屈折率はそれぞ
れ、２．９、２．５、２．１５である。これらの混晶の
屈折率はベガードの法則に従うと仮定し、組成に比例す
るとして求めることができる。
好ましい組み合わせは、一方が前記のようにＩｎcＧａ
1-cＮ若しくはＧａＮよりなり、もう一方がアルミニウ
ムとガリウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ＡｌdＧ
ａ1-dＮ（０＜d＜１）｝で構成することが最良である。
なぜなら、ＩｎcＧａ1-cＮとＡｌdＧａ1-dＮとは屈折率
の差が大きいのでこれらの材料で多層膜を構成すること
により、発光波長に応じて反射率の大きい多層膜の設計
が可能であるからである。また、ＩｎcＧａ1-cＮがバッ
ファ層の作用をしているため、もう一方のＡｌdＧａ1-d
Ｎ層にクラックが入ることなく１０層以上積層可能とな
る。なお、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮの屈折率はそれぞ
れ、２．９、２．５、２．１５である。これらの混晶の
屈折率はベガードの法則に従うと仮定し、組成に比例す
るとして求めることができる。
【００１５】ここで、ＩｎcＧａ1-cＮのc値は０．５以
下、好ましくは０．３以下、最も好ましくは０．２以下
に調整することが望ましい。なぜなら、インジウムのモ
ル比が大きくなるに従って、ＩｎＧａＮの結晶性が悪く
なるからである。またＡｌdＧａ1-dＮのd値は０．６以
下、さらに好ましくは０．４以下にすることが望まし
い。０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にクラックが発生
しやすいからである。
下、好ましくは０．３以下、最も好ましくは０．２以下
に調整することが望ましい。なぜなら、インジウムのモ
ル比が大きくなるに従って、ＩｎＧａＮの結晶性が悪く
なるからである。またＡｌdＧａ1-dＮのd値は０．６以
下、さらに好ましくは０．４以下にすることが望まし
い。０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にクラックが発生
しやすいからである。
【００１６】次に、レーザ素子を実現するために結晶性
に優れた活性層が得られる素子構造について図面を元に
説明する。
に優れた活性層が得られる素子構造について図面を元に
説明する。
【００１７】活性層６｛例えば、ＩｎXＧａ1-XＮ（０＜
X＜１）｝はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンド
ープ（無添加）とすることにより強いバンド間発光が得
られ発光波長の半値幅が狭くなり、レーザ素子を実現す
る上で特に好ましい。特に好ましく活性層は単一量子井
戸（ＳＱＷ：single quantum well）構造若しくは多重
量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造とすると
非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷ
とはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が
得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層
を単一組成のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）で構成した
層であり、ＩｎXＧａ1-XＮの膜厚を１００オングストロ
ーム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下
とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。ま
たＭＱＷは組成比の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（この場合X
＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とす
る。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることによ
り量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの
発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前
記のように７０オングストローム以下が好ましい。多重
量子井戸構造では井戸層はＩｎXＧａ1-XＮで構成し、障
壁層は同じくＩｎYＧａ1-YＮ（Y＜X、この場合Y＝０を
含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸
層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長で
きるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚
は１５０オングストローム以下、さらに好ましくは１２
０オングストローム以下にすると高出力な発光素子が得
られる。また、活性層６にｎ型ドーパントおよび／また
はｐ型ドーパントをドープしてもよい。ｎ型ドーパント
をドープするとノンドープのものに比べてバンド間発光
強度をさらに強くすることができる。ｐ型ドーパントを
ドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約０．５
ｅＶ低エネルギー側にピーク波長を持っていくことがで
きるが、半値幅は広くなりレーザ発振が難しくなる傾向
にある。また、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントを同時
にドープすると、前述したｐ型ドーパントのみドープし
た活性層の発光強度をさらに大きくすることができるが
半値幅がやはり大きいのでレーザ発振が難しくなる傾向
にある。結晶性のよい活性層を成長させてレーザ素子と
するには、前記のようにノンドープで単一量子井戸構
造、若しくは多重量子井戸構造とすることが最も好まし
い。
X＜１）｝はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンド
ープ（無添加）とすることにより強いバンド間発光が得
られ発光波長の半値幅が狭くなり、レーザ素子を実現す
る上で特に好ましい。特に好ましく活性層は単一量子井
戸（ＳＱＷ：single quantum well）構造若しくは多重
量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造とすると
非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷ
とはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が
得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層
を単一組成のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）で構成した
層であり、ＩｎXＧａ1-XＮの膜厚を１００オングストロ
ーム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下
とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。ま
たＭＱＷは組成比の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（この場合X
＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とす
る。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることによ
り量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの
発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前
記のように７０オングストローム以下が好ましい。多重
量子井戸構造では井戸層はＩｎXＧａ1-XＮで構成し、障
壁層は同じくＩｎYＧａ1-YＮ（Y＜X、この場合Y＝０を
含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸
層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長で
きるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚
は１５０オングストローム以下、さらに好ましくは１２
０オングストローム以下にすると高出力な発光素子が得
られる。また、活性層６にｎ型ドーパントおよび／また
はｐ型ドーパントをドープしてもよい。ｎ型ドーパント
をドープするとノンドープのものに比べてバンド間発光
強度をさらに強くすることができる。ｐ型ドーパントを
ドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約０．５
ｅＶ低エネルギー側にピーク波長を持っていくことがで
きるが、半値幅は広くなりレーザ発振が難しくなる傾向
にある。また、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントを同時
にドープすると、前述したｐ型ドーパントのみドープし
た活性層の発光強度をさらに大きくすることができるが
半値幅がやはり大きいのでレーザ発振が難しくなる傾向
にある。結晶性のよい活性層を成長させてレーザ素子と
するには、前記のようにノンドープで単一量子井戸構
造、若しくは多重量子井戸構造とすることが最も好まし
い。
【００１８】活性層６は必ず活性層６よりもバンドギャ
ップの大きいクラッド層で挟まれる必要がある。図２で
は活性層６の第一の主面側に接して第一のｎ型クラッド
層５を形成し、活性層６の第二の主面側に接して第一の
ｐ型クラッド層７を形成している。第一のｎ型クラッド
層５、および第二のｐ型クラッド層７の半導体材料は活
性層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体であれ
ばどのような組成でも良いが、特に好ましくは、第一の
ｎ型クラッド層５をインジウムとガリウムを含む窒化物
半導体、またはＧａＮ｛例えば、ｎ型ＩｎYＧａ1-YＮ
（０≦Y＜１）｝で形成し、第一のｐ型クラッド層７を
同じくインジウムとガリウムを含む窒化物半導体、また
はＧａＮ｛例えば、ｎ型ＩｎZＧａ1-ZＮ（０≦Z＜
１）｝で形成する。但し、第一のｎ型クラッド層５と第
一のｐ型クラッド層をＩｎＧａＮで形成する場合にはい
ずれかのクラッド層を省略することも可能であるが、特
に好ましくは図２に示すように、活性層６の両面に形成
する。インジウムを含む第一のｎ型クラッド層５、およ
び第二のｐ型クラッド層７は結晶が柔らかいので、これ
らのクラッド層がクッションのようなバッファ層の作用
をして、これらのクラッド層の外側に、第二のｎ型クラ
ッド層４、第二のｐ型クラッド層８、ｎ型コンタクト層
３、ｐ型コンタクト層９等を形成した際に、これらの層
（３、４、８、９）中にクラックが入るのを防止するこ
とができる。バッファ層として作用するＩｎＧａＮクラ
ッド層の膜厚の好ましい範囲は、活性層６と第一のｎ型
クラッド層５、活性層６と第一のｐ型クラッド層７、第
一のｎ型クラッド層５と活性層６と第一のｐ型クラッド
層７の組み合わせにおいて、その組み合わせたＩｎＧａ
Ｎ層の総膜厚を３００オングストローム以上にすること
が好ましい。また、レーザ素子とした場合には第一のｎ
型クラッド層５を省略すれば、第二のｎ型クラッド層４
が第一のｎ型クラッド層５として作用し、また第一のｐ
型クラッド層７を省略すれば、同じく第二のｐ型クラッ
ド層８が第一のｐ型クラッド層７として作用する。
ップの大きいクラッド層で挟まれる必要がある。図２で
は活性層６の第一の主面側に接して第一のｎ型クラッド
層５を形成し、活性層６の第二の主面側に接して第一の
ｐ型クラッド層７を形成している。第一のｎ型クラッド
層５、および第二のｐ型クラッド層７の半導体材料は活
性層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体であれ
ばどのような組成でも良いが、特に好ましくは、第一の
ｎ型クラッド層５をインジウムとガリウムを含む窒化物
半導体、またはＧａＮ｛例えば、ｎ型ＩｎYＧａ1-YＮ
（０≦Y＜１）｝で形成し、第一のｐ型クラッド層７を
同じくインジウムとガリウムを含む窒化物半導体、また
はＧａＮ｛例えば、ｎ型ＩｎZＧａ1-ZＮ（０≦Z＜
１）｝で形成する。但し、第一のｎ型クラッド層５と第
一のｐ型クラッド層をＩｎＧａＮで形成する場合にはい
ずれかのクラッド層を省略することも可能であるが、特
に好ましくは図２に示すように、活性層６の両面に形成
する。インジウムを含む第一のｎ型クラッド層５、およ
び第二のｐ型クラッド層７は結晶が柔らかいので、これ
らのクラッド層がクッションのようなバッファ層の作用
をして、これらのクラッド層の外側に、第二のｎ型クラ
ッド層４、第二のｐ型クラッド層８、ｎ型コンタクト層
３、ｐ型コンタクト層９等を形成した際に、これらの層
（３、４、８、９）中にクラックが入るのを防止するこ
とができる。バッファ層として作用するＩｎＧａＮクラ
ッド層の膜厚の好ましい範囲は、活性層６と第一のｎ型
クラッド層５、活性層６と第一のｐ型クラッド層７、第
一のｎ型クラッド層５と活性層６と第一のｐ型クラッド
層７の組み合わせにおいて、その組み合わせたＩｎＧａ
Ｎ層の総膜厚を３００オングストローム以上にすること
が好ましい。また、レーザ素子とした場合には第一のｎ
型クラッド層５を省略すれば、第二のｎ型クラッド層４
が第一のｎ型クラッド層５として作用し、また第一のｐ
型クラッド層７を省略すれば、同じく第二のｐ型クラッ
ド層８が第一のｐ型クラッド層７として作用する。
【００１９】以上、ＩｎＧａＮよりなる第一のｎ型クラ
ッド層５、活性層６、第一のｐ型クラッド層７について
説明したが、これらのＩｎＧａＮのＩｎ組成比、つまり
X値、Y値、Z値は０．５以下、好ましくは０．３以下、
最も好ましくは０．２以下に調整することが望ましい。
なぜなら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、
ＩｎＧａＮの結晶性が悪くなり発光出力が低下する傾向
にあるからである。さらに、前記ＩｎXＧａ1-XＮ、Ｉｎ
YＧａ1-YＮ、ＩｎZＧａ1-ZＮとは、その式中においてＩ
ｎＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａの一部を微量
のＡｌで置換したＩｎＡｌＧａＮも前記式中に含まれる
ものとする。例えばＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1- a'-b'Ｎ式中で
b'値が０．１以下であれば第一のｎ型クラッド層、活性
層、第二のｐ型クラッド層の効果は変わることがない。
ただ、Ａｌを含有させると結晶が硬くなる傾向にあるの
で四元混晶の窒化物半導体よりも、Ａｌを含まない三元
混晶のＩｎＧａＮのみで活性層６、第一のｎ型クラッド
層５、第一のｐ型クラッド層７を構成するのがレーザ発
振しやすくなり最も良い。
ッド層５、活性層６、第一のｐ型クラッド層７について
説明したが、これらのＩｎＧａＮのＩｎ組成比、つまり
X値、Y値、Z値は０．５以下、好ましくは０．３以下、
最も好ましくは０．２以下に調整することが望ましい。
なぜなら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、
ＩｎＧａＮの結晶性が悪くなり発光出力が低下する傾向
にあるからである。さらに、前記ＩｎXＧａ1-XＮ、Ｉｎ
YＧａ1-YＮ、ＩｎZＧａ1-ZＮとは、その式中においてＩ
ｎＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａの一部を微量
のＡｌで置換したＩｎＡｌＧａＮも前記式中に含まれる
ものとする。例えばＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1- a'-b'Ｎ式中で
b'値が０．１以下であれば第一のｎ型クラッド層、活性
層、第二のｐ型クラッド層の効果は変わることがない。
ただ、Ａｌを含有させると結晶が硬くなる傾向にあるの
で四元混晶の窒化物半導体よりも、Ａｌを含まない三元
混晶のＩｎＧａＮのみで活性層６、第一のｎ型クラッド
層５、第一のｐ型クラッド層７を構成するのがレーザ発
振しやすくなり最も良い。
【００２０】次に、第一のｎ型クラッド層５の外側に接
して形成する第二のｎ型クラッド層４は、アルミニウム
とガリウムとを含むｎ型窒化物半導体｛例えば、ｎ型Ａ
ｌaＧａ1-aＮ（０＜a＜１）｝で形成することが好まし
く、また第一のｐ型クラッド層７の外側に接して形成す
る第二のｐ型クラッド層は、同じくアルミニウムとガリ
ウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ｐ型ＡｌbＧａ1-b
Ｎ（０＜b＜１）｝で形成することが好ましい。ここ
で、第二のｎ型クラッド層４と第二のｐ型クラッド層７
をＡｌＧａＮで形成する場合にはいずれかのクラッド層
を省略することも可能であるが、特に好ましくは図２に
示すように第一のｎ型クラッド層３に接して第二のｎ型
クラッド層４を形成すると共に、第一のｐ型クラッド層
７に接して第二のｐ型クラッド層８を両方形成する。但
し、第二のｎ型クラッド層４と第一のｎ型クラッド層５
とを同時に省略したり、また第一のｐ型クラッド層７と
第二のｐ型クラッド層８を同時に省略するとレーザ発振
することは困難である。
して形成する第二のｎ型クラッド層４は、アルミニウム
とガリウムとを含むｎ型窒化物半導体｛例えば、ｎ型Ａ
ｌaＧａ1-aＮ（０＜a＜１）｝で形成することが好まし
く、また第一のｐ型クラッド層７の外側に接して形成す
る第二のｐ型クラッド層は、同じくアルミニウムとガリ
ウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ｐ型ＡｌbＧａ1-b
Ｎ（０＜b＜１）｝で形成することが好ましい。ここ
で、第二のｎ型クラッド層４と第二のｐ型クラッド層７
をＡｌＧａＮで形成する場合にはいずれかのクラッド層
を省略することも可能であるが、特に好ましくは図２に
示すように第一のｎ型クラッド層３に接して第二のｎ型
クラッド層４を形成すると共に、第一のｐ型クラッド層
７に接して第二のｐ型クラッド層８を両方形成する。但
し、第二のｎ型クラッド層４と第一のｎ型クラッド層５
とを同時に省略したり、また第一のｐ型クラッド層７と
第二のｐ型クラッド層８を同時に省略するとレーザ発振
することは困難である。
【００２１】また、第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ
型クラッド層８は１０オングストローム〜０．５μｍの
膜厚で形成することが望ましい。さらにＡｌＧａＮのＡ
ｌ混晶比、つまりa値、b値は０．６以下、さらに好まし
くは０．４以下にする事が望ましい。なぜならＡｌＧａ
Ｎは結晶が硬く、０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にク
ラックが発生しやすいからである。これは前記ＩｎＧａ
Ｎによるバッファ層が作用しても０．６よりも大きいと
クラックが極端に発生しやすくなる。
型クラッド層８は１０オングストローム〜０．５μｍの
膜厚で形成することが望ましい。さらにＡｌＧａＮのＡ
ｌ混晶比、つまりa値、b値は０．６以下、さらに好まし
くは０．４以下にする事が望ましい。なぜならＡｌＧａ
Ｎは結晶が硬く、０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にク
ラックが発生しやすいからである。これは前記ＩｎＧａ
Ｎによるバッファ層が作用しても０．６よりも大きいと
クラックが極端に発生しやすくなる。
【００２２】また、前記ＡｌaＧａ1-aＮ、ＡｌbＧａ1-b
Ｎとは、その式中においてＡｌＧａＮの効果を変化させ
ない範囲でＧａの一部を微量のＩｎで置換したＩｎＡｌ
ＧａＮも前記式中に含まれるものとする。例えばＩｎa'
Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ式中でa'値が０．１以下であれば
ＡｌＧａＮの効果はほとんど変わることがない。但し、
微量のＩｎを含有させるとバンドギャップが小さくなる
ので、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第二のｐ型
クラッド層７よりもバンドギャップを大きくしなければ
ならない。また、Ｉｎを含有させると結晶性が悪くなり
発光出力が低下する傾向にあるので、四元混晶の窒化物
半導体よりも、Ｉｎを含まない三元混晶のＡｌＧａＮの
みで第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８
を構成するのが発光出力が大きくなり最も好ましい。こ
のように、Ａｌを含む層を第二のｎ型クラッド層４、お
よび前記第二のｐ型クラッド層８とすることにより、活
性層６、第一のｎ型クラッド層５、第一のｐ型クラッド
層７とのバンドオフセットを大きくできるので発光効率
を上げることができる。
Ｎとは、その式中においてＡｌＧａＮの効果を変化させ
ない範囲でＧａの一部を微量のＩｎで置換したＩｎＡｌ
ＧａＮも前記式中に含まれるものとする。例えばＩｎa'
Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ式中でa'値が０．１以下であれば
ＡｌＧａＮの効果はほとんど変わることがない。但し、
微量のＩｎを含有させるとバンドギャップが小さくなる
ので、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第二のｐ型
クラッド層７よりもバンドギャップを大きくしなければ
ならない。また、Ｉｎを含有させると結晶性が悪くなり
発光出力が低下する傾向にあるので、四元混晶の窒化物
半導体よりも、Ｉｎを含まない三元混晶のＡｌＧａＮの
みで第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８
を構成するのが発光出力が大きくなり最も好ましい。こ
のように、Ａｌを含む層を第二のｎ型クラッド層４、お
よび前記第二のｐ型クラッド層８とすることにより、活
性層６、第一のｎ型クラッド層５、第一のｐ型クラッド
層７とのバンドオフセットを大きくできるので発光効率
を上げることができる。
【００２３】活性層６と第一のクラッド層５、７の好ま
しい組み合わせは、第一のｎ型クラッド層をＩｎYＧａ
1-YＮ、活性層をＩｎXＧａ1-XＮ、第一のｐ型クラッド
層をＩｎZＧａ1-ZＮで形成することである。但し、前記
組み合わせにおいて、バンドギャップの関係からY＜X、
Z＜Xを満たしていることはいうまでもない。活性層はｎ
型若しくはノンドープの方がバンド間発光による半値幅
の狭い発光が得られるので好ましい。
しい組み合わせは、第一のｎ型クラッド層をＩｎYＧａ
1-YＮ、活性層をＩｎXＧａ1-XＮ、第一のｐ型クラッド
層をＩｎZＧａ1-ZＮで形成することである。但し、前記
組み合わせにおいて、バンドギャップの関係からY＜X、
Z＜Xを満たしていることはいうまでもない。活性層はｎ
型若しくはノンドープの方がバンド間発光による半値幅
の狭い発光が得られるので好ましい。
【００２４】さらに最も好ましい組み合わせとして、第
二のｎ型クラッド層をＡｌaＧａ1-aＮ、第一のｎ型クラ
ッド層をＩｎYＧａ1-YＮ、活性層をＩｎXＧａ1-XＮ、第
一のｐ型クラッド層をＩｎZＧａ1-ZＮ、第二のｐ型クラ
ッド層をＡｌbＧａ1-bＮで形成することを推奨する。こ
の組み合わせによると最も結晶性に優れた窒化物半導体
を積層したダブルへテロ構造となり、レーザ発振が可能
となる。
二のｎ型クラッド層をＡｌaＧａ1-aＮ、第一のｎ型クラ
ッド層をＩｎYＧａ1-YＮ、活性層をＩｎXＧａ1-XＮ、第
一のｐ型クラッド層をＩｎZＧａ1-ZＮ、第二のｐ型クラ
ッド層をＡｌbＧａ1-bＮで形成することを推奨する。こ
の組み合わせによると最も結晶性に優れた窒化物半導体
を積層したダブルへテロ構造となり、レーザ発振が可能
となる。
【００２５】次に、ｎ型コンタクト層３は望ましくは図
２に示すように、第二のｎ型クラッド層４に接してｎ型
コンタクト層３を形成し、第二のｐ型クラッド層８に接
してｐ型コンタクト層９を形成することが最も良い。ま
た、ｎ型コンタクト層３は、第二のｎ型クラッド層４、
若しくは第一のｎ型クラッド層５のいずれかに形成可能
であり、ｐ型コンタクト層９は第二のｐ型クラッド層
８、若しくは第一のｐ型クラッド層７のいずれかにも形
成可能である。つまり、第二のｎ型クラッド層４を省略
すれば、第一のｎ型クラッド層５に接して形成すること
ができ、ｐ型コンタクト層９も同様に第二のｐ型クラッ
ド層８を省略すれば第一のｐ型クラッド層７に接して形
成することができる。
２に示すように、第二のｎ型クラッド層４に接してｎ型
コンタクト層３を形成し、第二のｐ型クラッド層８に接
してｐ型コンタクト層９を形成することが最も良い。ま
た、ｎ型コンタクト層３は、第二のｎ型クラッド層４、
若しくは第一のｎ型クラッド層５のいずれかに形成可能
であり、ｐ型コンタクト層９は第二のｐ型クラッド層
８、若しくは第一のｐ型クラッド層７のいずれかにも形
成可能である。つまり、第二のｎ型クラッド層４を省略
すれば、第一のｎ型クラッド層５に接して形成すること
ができ、ｐ型コンタクト層９も同様に第二のｐ型クラッ
ド層８を省略すれば第一のｐ型クラッド層７に接して形
成することができる。
【００２６】さらにまた、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コ
ンタクト層９の半導体はＡｌ、Ｉｎを含まないＧａＮと
する必要がある。コンタクト層は電極を形成する層であ
るので、結晶性が良く、キャリア濃度が大きい層を形成
すれば電極材料とオーミックが得られやすくなる。その
ためにはＧａＮが最も好ましい。また、ｎ型コンタクト
層３とオーミックが得られやすい電極材料としてはＴｉ
とＡｌを含む金属が好ましく、ｐ型コンタクト層９とオ
ーミックが得られやすい電極材料にはＮｉとＡｕを含む
金属が好ましい。このように電極を形成すべき層として
ＧａＮよりなるコンタクト層を形成すると、低いしきい
値電圧でレーザ発振可能となる。
ンタクト層９の半導体はＡｌ、Ｉｎを含まないＧａＮと
する必要がある。コンタクト層は電極を形成する層であ
るので、結晶性が良く、キャリア濃度が大きい層を形成
すれば電極材料とオーミックが得られやすくなる。その
ためにはＧａＮが最も好ましい。また、ｎ型コンタクト
層３とオーミックが得られやすい電極材料としてはＴｉ
とＡｌを含む金属が好ましく、ｐ型コンタクト層９とオ
ーミックが得られやすい電極材料にはＮｉとＡｕを含む
金属が好ましい。このように電極を形成すべき層として
ＧａＮよりなるコンタクト層を形成すると、低いしきい
値電圧でレーザ発振可能となる。
【００２７】次に、本発明のレーザ素子の具体的な構造
を挙げると、利得導波型ストライプ型レーザとしては、
電極ストライプ型、メサストライプ型、ヘテロアイソレ
ーション型等を挙げることができる。またその他、作り
つけ導波機構をもつストライプ型レーザとして、埋め込
みヘテロ型、ＣＳＰ型、リブガイド型等を挙げることが
できる。これらの構造のレーザ素子に導波路として通常
数μｍから２０μｍ程度の幅の電極を最上層に形成し、
このストライプに沿って発振を起こさせる。発振するた
めの光共振面となる誘電体多層膜は、このストライプに
垂直な方向の窒化物半導体層表面に形成される。
を挙げると、利得導波型ストライプ型レーザとしては、
電極ストライプ型、メサストライプ型、ヘテロアイソレ
ーション型等を挙げることができる。またその他、作り
つけ導波機構をもつストライプ型レーザとして、埋め込
みヘテロ型、ＣＳＰ型、リブガイド型等を挙げることが
できる。これらの構造のレーザ素子に導波路として通常
数μｍから２０μｍ程度の幅の電極を最上層に形成し、
このストライプに沿って発振を起こさせる。発振するた
めの光共振面となる誘電体多層膜は、このストライプに
垂直な方向の窒化物半導体層表面に形成される。
【００２８】以上、レーザ素子の構造について説明した
が、次に製造方法について簡単に説明する。窒化物半導
体よりなるレーザ素子を製造するには、例えばＭＯＶＰ
Ｅ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長
法）、ＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の気相
成長法を用いて、基板上にＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ
（０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）をｎ型、ｐ型等の導電
型でダブルへテロ構造になるように積層することによっ
て得られる。基板１には例えばサファイア（Ｃ面、Ａ
面、Ｒ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−Ｓｉ
Ｃも含む）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル等が使
用でき、図２ではサファイア基板を示している。ｎ型の
窒化物半導体はノンドープの状態でも得られるが、Ｓ
ｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントを結晶成長中に半導体
層中に導入することによって得られる。またｐ型の窒化
物半導体層はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のｐ
型ドーパントを同じく結晶成長中に半導体層中に導入す
るか、または導入後４００℃以上でアニーリングを行う
ことにより得られる。バッファ層２は基板１と窒化物半
導体との格子不整号を緩和するために設けられ、例えば
ＭＯＶＰＥ法では５００℃前後の低温でＧａＮ、Ａｌ
Ｎ、ＧａＡｌＮ等が形成されることが多い。またＳｉ
Ｃ、ＺｎＯのような窒化物半導体と格子定数の近い基板
を使用する際にはバッファ層が形成されないこともあ
る。
が、次に製造方法について簡単に説明する。窒化物半導
体よりなるレーザ素子を製造するには、例えばＭＯＶＰ
Ｅ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長
法）、ＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の気相
成長法を用いて、基板上にＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ
（０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）をｎ型、ｐ型等の導電
型でダブルへテロ構造になるように積層することによっ
て得られる。基板１には例えばサファイア（Ｃ面、Ａ
面、Ｒ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−Ｓｉ
Ｃも含む）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル等が使
用でき、図２ではサファイア基板を示している。ｎ型の
窒化物半導体はノンドープの状態でも得られるが、Ｓ
ｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントを結晶成長中に半導体
層中に導入することによって得られる。またｐ型の窒化
物半導体層はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のｐ
型ドーパントを同じく結晶成長中に半導体層中に導入す
るか、または導入後４００℃以上でアニーリングを行う
ことにより得られる。バッファ層２は基板１と窒化物半
導体との格子不整号を緩和するために設けられ、例えば
ＭＯＶＰＥ法では５００℃前後の低温でＧａＮ、Ａｌ
Ｎ、ＧａＡｌＮ等が形成されることが多い。またＳｉ
Ｃ、ＺｎＯのような窒化物半導体と格子定数の近い基板
を使用する際にはバッファ層が形成されないこともあ
る。
【００２９】
【作用】従来、窒化物半導体を用いてレーザ素子を実現
する場合、活性層への光閉じこめはクラッド層と活性層
との屈折率差の反射によって行われていた。しかしなが
ら屈折率差は非常に少なく、多くても０．５以下であ
る。このためほとんどの光はクラッド層を透過して広が
ってしまう。ｐ型クラッド層を透過して広がった光は最
終的には空気層に出るが、空気の屈折率は１であり、ｐ
型コンタクト層ＧａＮの屈折率は２．５である。ここで
の屈折率差は大きく、かなりの光は反射され活性層側に
戻るので光の閉じこめ効果が大きい。半導体層の水平方
向についても同様のことがいえる。しかし、ｎ型クラッ
ド層を透過した光は、ｎ型クラッド層とｎ型コンタクト
層との屈折率が小さく、界面で反射されずに、ｎ型コン
タクト層中に容易に拡散して行くので、光閉じこめ効果
は少ない。従って活性層の発光が基板側に洩れていって
しまいレーザ発振は起こらなかった。
する場合、活性層への光閉じこめはクラッド層と活性層
との屈折率差の反射によって行われていた。しかしなが
ら屈折率差は非常に少なく、多くても０．５以下であ
る。このためほとんどの光はクラッド層を透過して広が
ってしまう。ｐ型クラッド層を透過して広がった光は最
終的には空気層に出るが、空気の屈折率は１であり、ｐ
型コンタクト層ＧａＮの屈折率は２．５である。ここで
の屈折率差は大きく、かなりの光は反射され活性層側に
戻るので光の閉じこめ効果が大きい。半導体層の水平方
向についても同様のことがいえる。しかし、ｎ型クラッ
ド層を透過した光は、ｎ型クラッド層とｎ型コンタクト
層との屈折率が小さく、界面で反射されずに、ｎ型コン
タクト層中に容易に拡散して行くので、光閉じこめ効果
は少ない。従って活性層の発光が基板側に洩れていって
しまいレーザ発振は起こらなかった。
【００３０】一方、本発明では、活性層よりも基板側の
ｎ型層中に光反射する多層膜を窒化物半導体で形成して
いるので、活性層の発光を活性層側に反射して活性層に
閉じこめることが可能となる。多層膜の反射率は膜厚を
制御して例えば５ペア以上積めば反射率は約８０％〜９
９％となり非常に高い反射率が得られ、活性層への光閉
じこめ効果は非常に大きいものがある。このため、活性
層よりも上のｐ層側にも多層膜を挿入した方が光閉じこ
め効果が大きくなることはいうまでもない。
ｎ型層中に光反射する多層膜を窒化物半導体で形成して
いるので、活性層の発光を活性層側に反射して活性層に
閉じこめることが可能となる。多層膜の反射率は膜厚を
制御して例えば５ペア以上積めば反射率は約８０％〜９
９％となり非常に高い反射率が得られ、活性層への光閉
じこめ効果は非常に大きいものがある。このため、活性
層よりも上のｐ層側にも多層膜を挿入した方が光閉じこ
め効果が大きくなることはいうまでもない。
【００３１】しかも、本発明は同一面側から正、負一対
の電極と取り出す、いわゆるフリップチップ方式であ
る。この場合、図２、図３、図４、図６に示すようにｎ
型層側に形成するｎ型多層膜４４は、最も基板側に近い
エッチング面の水平面よりもｐ型窒化物半導体層に近い
位置に形成する必要がある。なぜなら、ｎ型多層膜４４
を基板側に最も近いエッチング面の水平面よりも基板１
側に形成すると、第二のｎ型クラッド層４とｎ型コンタ
クト層３との屈折率差が小さいので、活性層６の発光が
活性層６よりも下のｎ型コンタクト層３中で広がってし
まい、光閉じこめができないからである。逆に基板側に
最も近いエッチング面よりも高い位置、つまりｐ型層に
近い位置にｎ型多層膜を形成すると、光はｎ型コンタク
ト層中に拡散されず活性層にほとんどの光が反射されて
閉じこめ可能となる。これは同一面側からな正、負の電
極を取り出すフリップチップ方式の窒化物半導体レーザ
特有の作用である。
の電極と取り出す、いわゆるフリップチップ方式であ
る。この場合、図２、図３、図４、図６に示すようにｎ
型層側に形成するｎ型多層膜４４は、最も基板側に近い
エッチング面の水平面よりもｐ型窒化物半導体層に近い
位置に形成する必要がある。なぜなら、ｎ型多層膜４４
を基板側に最も近いエッチング面の水平面よりも基板１
側に形成すると、第二のｎ型クラッド層４とｎ型コンタ
クト層３との屈折率差が小さいので、活性層６の発光が
活性層６よりも下のｎ型コンタクト層３中で広がってし
まい、光閉じこめができないからである。逆に基板側に
最も近いエッチング面よりも高い位置、つまりｐ型層に
近い位置にｎ型多層膜を形成すると、光はｎ型コンタク
ト層中に拡散されず活性層にほとんどの光が反射されて
閉じこめ可能となる。これは同一面側からな正、負の電
極を取り出すフリップチップ方式の窒化物半導体レーザ
特有の作用である。
【００３２】次に特に好ましい本発明のレーザ素子の構
造について述べる。従来の窒化物半導体のＬＥＤ素子は
ＩｎＧａＮよりなる活性層をＡｌＧａＮよりなるクラッ
ド層で挟んだ構造を有していた。一方、本発明ではこの
ＩｎＧａＮよりなる活性層を、その活性層よりもバンド
ギャップの大きいＩｎＧａＮで挟むことにより発光出力
が飛躍的に向上し、レーザ発振が可能となることを見い
だした。これは新たなＩｎＧａＮクラッド層がＩｎＧａ
Ｎ発光層とＡｌＧａＮクラッド層との間のバッファ層と
して働いているからである。ＩｎＧａＮは結晶の性質と
して柔らかい性質を有しており、ＡｌＧａＮクラッド層
とＩｎＧａＮとの格子定数不整と熱膨張係数差によって
生じる結晶欠陥を吸収する働きがあると考えられる。こ
のため新たに形成したＩｎＧａＮクラッド層が、これら
結晶欠陥を吸収してＩｎＧａＮ発光層の結晶欠陥が大幅
に減少するので、ＩｎＧａＮ発光層の結晶性が飛躍的に
良くなり、常温でレーザ発振可能となる。
造について述べる。従来の窒化物半導体のＬＥＤ素子は
ＩｎＧａＮよりなる活性層をＡｌＧａＮよりなるクラッ
ド層で挟んだ構造を有していた。一方、本発明ではこの
ＩｎＧａＮよりなる活性層を、その活性層よりもバンド
ギャップの大きいＩｎＧａＮで挟むことにより発光出力
が飛躍的に向上し、レーザ発振が可能となることを見い
だした。これは新たなＩｎＧａＮクラッド層がＩｎＧａ
Ｎ発光層とＡｌＧａＮクラッド層との間のバッファ層と
して働いているからである。ＩｎＧａＮは結晶の性質と
して柔らかい性質を有しており、ＡｌＧａＮクラッド層
とＩｎＧａＮとの格子定数不整と熱膨張係数差によって
生じる結晶欠陥を吸収する働きがあると考えられる。こ
のため新たに形成したＩｎＧａＮクラッド層が、これら
結晶欠陥を吸収してＩｎＧａＮ発光層の結晶欠陥が大幅
に減少するので、ＩｎＧａＮ発光層の結晶性が飛躍的に
良くなり、常温でレーザ発振可能となる。
【００３３】一方、従来のＩｎＧａＮ発光層をＡｌＧａ
Ｎクラッド層を挟んだ構造では、例えばＩｎＧａＮ発光
層の厚さを２００オングストローム未満にすると、Ａｌ
ＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮ発光層とにクラックが多
数生じる。これはＡｌＧａＮクラッド層が結晶の性質
上、非常に硬い性質を有しており、薄い膜厚のＩｎＧａ
Ｎ発光層のみではＡｌＧａＮクラッド層との界面から生
じる格子不整合と、熱膨張係数差から生じる歪をＩｎＧ
ａＮ発光層で弾性的に緩和できないことを示している。
このためＩｎＧａＮ発光層、ＡｌＧａＮクラッド層にク
ラックが生じ、また結晶欠陥が発光層に多数生じるの
で、出力の大幅な向上が望めないのである。
Ｎクラッド層を挟んだ構造では、例えばＩｎＧａＮ発光
層の厚さを２００オングストローム未満にすると、Ａｌ
ＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮ発光層とにクラックが多
数生じる。これはＡｌＧａＮクラッド層が結晶の性質
上、非常に硬い性質を有しており、薄い膜厚のＩｎＧａ
Ｎ発光層のみではＡｌＧａＮクラッド層との界面から生
じる格子不整合と、熱膨張係数差から生じる歪をＩｎＧ
ａＮ発光層で弾性的に緩和できないことを示している。
このためＩｎＧａＮ発光層、ＡｌＧａＮクラッド層にク
ラックが生じ、また結晶欠陥が発光層に多数生じるの
で、出力の大幅な向上が望めないのである。
【００３４】
【実施例】以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明
する。以下の実施例はＭＯＶＰＥ法による成長方法を示
している。
する。以下の実施例はＭＯＶＰＥ法による成長方法を示
している。
【００３５】［実施例１］図２を元に実施例１について
説明する。まずＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3
とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板１のＣ
面に５００℃でＧａＮよりなるバッファ層２を５００オ
ングストロームの膜厚で成長させる。
説明する。まずＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3
とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板１のＣ
面に５００℃でＧａＮよりなるバッファ層２を５００オ
ングストロームの膜厚で成長させる。
【００３６】次に温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧ、
ＮＨ3に加えＳｉＨ4ガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
よりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させ
る。
ＮＨ3に加えＳｉＨ4ガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
よりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させ
る。
【００３７】続いて、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルア
ルミニウム）を加え、同じく１０５０℃でＳｉドープｎ
型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層よりなる第二のｎ型クラッド層４
を０．１μｍの膜厚で成長させる。
ルミニウム）を加え、同じく１０５０℃でＳｉドープｎ
型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層よりなる第二のｎ型クラッド層４
を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００３８】次に温度を８００℃に下げ、原料ガスにＴ
ＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、Ｓｉ
Ｈ4を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりな
る薄膜を３８０オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて温度を１０５０℃に上げＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメ
チルアルミニウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉドー
プｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9Ｎよりなる薄膜を３９０オングス
トロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を２
０回繰り返し、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層と
ＳｉドープＡｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を交互に１０層づつ積層
したｎ型多層膜４４を形成する。
ＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、Ｓｉ
Ｈ4を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりな
る薄膜を３８０オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて温度を１０５０℃に上げＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメ
チルアルミニウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉドー
プｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9Ｎよりなる薄膜を３９０オングス
トロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を２
０回繰り返し、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層と
ＳｉドープＡｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を交互に１０層づつ積層
したｎ型多層膜４４を形成する。
【００３９】次に温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）、ＮＨ 3、ＳｉＨ4を用い、
Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型
クラッド層５を５００オングストロームの膜厚で成長さ
せる。
Ｉ（トリメチルインジウム）、ＮＨ 3、ＳｉＨ4を用い、
Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型
クラッド層５を５００オングストロームの膜厚で成長さ
せる。
【００４０】続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3を用い８０
０℃でノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層６
を３０オングストロームの膜厚で成長させる。
０℃でノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層６
を３０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４１】続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3に加え新た
にＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を
用い８００℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎより
なる第一のｐ型クラッド層７を５００オングストローム
の膜厚で成長させる。
にＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を
用い８００℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎより
なる第一のｐ型クラッド層７を５００オングストローム
の膜厚で成長させる。
【００４２】次に温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＡ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.
3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８を０．１μ
ｍの膜厚で成長させる。
ＭＡ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.
3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８を０．１μ
ｍの膜厚で成長させる。
【００４３】続いて１０５０℃でＴＭＧ、ＮＨ3、Ｃｐ2
Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタ
クト層９を０．５μｍの膜厚で成長させる。
Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタ
クト層９を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００４４】反応終了後、温度を室温まで下げてウェー
ハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハのアニ
ーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。次に最
上層のｐ型コンタクト層９の表面に所定の形状のマスク
を形成し、ｎ型コンタクト層３の表面が露出するまでエ
ッチングする。
ハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハのアニ
ーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。次に最
上層のｐ型コンタクト層９の表面に所定の形状のマスク
を形成し、ｎ型コンタクト層３の表面が露出するまでエ
ッチングする。
【００４５】次に、ｎ型コンタクト層３に５０μｍの幅
でＴｉとＡｌを含む負電極、ｐ型コンタクト層９に１０
μｍの幅でＮｉとＡｕを含む正電極をそれぞれ形成す
る。このように第二のｎ型クラッド層４の表面にｎ型多
層膜４４を形成すると、ｎ型コンタクト層３までエッチ
ングするので、自然に負電極を形成する水平面がｎ型多
層膜４４よりも下、つまり図２に示すように基板側とな
る。
でＴｉとＡｌを含む負電極、ｐ型コンタクト層９に１０
μｍの幅でＮｉとＡｕを含む正電極をそれぞれ形成す
る。このように第二のｎ型クラッド層４の表面にｎ型多
層膜４４を形成すると、ｎ型コンタクト層３までエッチ
ングするので、自然に負電極を形成する水平面がｎ型多
層膜４４よりも下、つまり図２に示すように基板側とな
る。
【００４６】次に、窒化物半導体層を形成していない方
のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍに
し、サファイア基板表面のＭ面（六方晶系において六角
柱の側面に相当する面）をスクライブした。スクライブ
後、ウェーハを７００μｍ角のチップに分割し、図５に
示すようなストライプ型のレーザチップを作製した。な
お図５は本実施例によるレーザ素子の斜視図を示してお
り、ストライプ状の正電極と直交した窒化物半導体層面
を光共振面としている。またこのレーザ素子は電極を除
いた表面をＳｉＯ2よりなる絶縁膜で被覆しているが、
図２および図５では絶縁膜は特に図示していない。
のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍに
し、サファイア基板表面のＭ面（六方晶系において六角
柱の側面に相当する面）をスクライブした。スクライブ
後、ウェーハを７００μｍ角のチップに分割し、図５に
示すようなストライプ型のレーザチップを作製した。な
お図５は本実施例によるレーザ素子の斜視図を示してお
り、ストライプ状の正電極と直交した窒化物半導体層面
を光共振面としている。またこのレーザ素子は電極を除
いた表面をＳｉＯ2よりなる絶縁膜で被覆しているが、
図２および図５では絶縁膜は特に図示していない。
【００４７】このチップをヒートシンクに設置し、それ
ぞれの電極をワイヤーボンドした後、常温でレーザ発振
を試みたところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で
発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
ぞれの電極をワイヤーボンドした後、常温でレーザ発振
を試みたところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で
発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００４８】［実施例２］図３を元に実施例２を説明す
る。これも実施例１と同様にして、サファイア基板１の
上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタ
クト層３を成長させる。コンタクト層３成長後、実施例
１と同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層と
ＳｉドープＡｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を交互に１０層づつ積層
したｎ型多層膜４４を形成する。
る。これも実施例１と同様にして、サファイア基板１の
上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタ
クト層３を成長させる。コンタクト層３成長後、実施例
１と同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層と
ＳｉドープＡｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を交互に１０層づつ積層
したｎ型多層膜４４を形成する。
【００４９】次にｎ型多層膜４４の上に、同様にしてＳ
ｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｎ型クラ
ッド層４と、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりな
る第一のｎ型クラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎよりなる活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇ
ａ0.99Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７、Ｍｇドープ
ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８
を順に成長させて積層する。
ｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｎ型クラ
ッド層４と、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりな
る第一のｎ型クラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎよりなる活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇ
ａ0.99Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７、Ｍｇドープ
ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８
を順に成長させて積層する。
【００５０】次に、温度を８００℃にしてＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01
Ｇａ0.95Ｎ層を３８０オングストローム成長させ、続い
て温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3、
Ｃｐ2Ｍｇガスを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9
Ｎ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、それ
ぞれ交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成す
る。
Ｉ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01
Ｇａ0.95Ｎ層を３８０オングストローム成長させ、続い
て温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3、
Ｃｐ2Ｍｇガスを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9
Ｎ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、それ
ぞれ交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成す
る。
【００５１】ｐ型多層膜５５形成後、そのｐ型多層膜５
５の表面にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタク
ト層９を成長させたウェーハを作製する。
５の表面にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタク
ト層９を成長させたウェーハを作製する。
【００５２】このウェーハを同様にしてエッチングを行
った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした
後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電
流密度１．０ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ
発振が確認された。
った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした
後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電
流密度１．０ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ
発振が確認された。
【００５３】［実施例３］次に、図３を元に実施例３を
説明する。これも実施例１と同様にして、サファイア基
板１の上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
コンタクト層３、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎより
なる第二のクラッド層４を成長させる。
説明する。これも実施例１と同様にして、サファイア基
板１の上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
コンタクト層３、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎより
なる第二のクラッド層４を成長させる。
【００５４】第二のクラッド層４、続いて温度を１０５
０℃に維持し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を３９０オング
ストロームの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型Ａ
ｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成
長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜
４４を形成する。
０℃に維持し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を３９０オング
ストロームの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型Ａ
ｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成
長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜
４４を形成する。
【００５５】次にｎ型多層膜４４の上に、同様にしてＳ
ｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型ク
ラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりな
る活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりな
る第一のｐ型クラッド層７を順に成長させて積層する。
ｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型ク
ラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりな
る活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりな
る第一のｐ型クラッド層７を順に成長させて積層する。
【００５６】次に温度を１０５０℃にして、Ｍｇドープ
ｐ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長さ
せ、続いてＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００
オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１
０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成する。
ｐ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長さ
せ、続いてＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００
オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１
０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成する。
【００５７】ｐ型多層膜５５形成後、同様にしてＭｇド
ープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド
層８と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層９を成長させたウェーハを作製する。
ープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド
層８と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層９を成長させたウェーハを作製する。
【００５８】このウェーハを同様にしてエッチングを行
った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした
後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電
流密度１．０ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ
発振が確認された。
った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした
後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電
流密度１．０ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ
発振が確認された。
【００５９】［実施例４］実施例１と同様にしてサファ
イア基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層を成長させ
る。バッファ層成長後、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる
ｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
イア基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層を成長させ
る。バッファ層成長後、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる
ｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００６０】次にｎ型コンタクト層３成長後、Ｓｉドー
プｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの
膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を３９
０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に
１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。但し、
最後のＳｉドープｎ型ＧａＮ層は１μｍの膜厚で成長さ
せる。このようにしてｎ型コンタクト層３の内部にｎ型
多層膜４４を形成する。
プｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの
膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を３９
０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に
１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。但し、
最後のＳｉドープｎ型ＧａＮ層は１μｍの膜厚で成長さ
せる。このようにしてｎ型コンタクト層３の内部にｎ型
多層膜４４を形成する。
【００６１】後は、実施例１と同様にして第二のｎ型ク
ラッド層４、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第一
のｐ型クラッド層７、第二のｐ型クラッド層８、ｐ型コ
ンタクト層９を順に積層したウェーハを作製する。
ラッド層４、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第一
のｐ型クラッド層７、第二のｐ型クラッド層８、ｐ型コ
ンタクト層９を順に積層したウェーハを作製する。
【００６２】このウェーハを同様にしてエッチングを行
うのであるが、エッチング深さを深くして、最初に形成
した４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエ
ッチングを行う。後は同様に電極を形成して図５に示す
ようなチップにした後、レーザ素子としたところ、同じ
くしきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０
ｎｍのレーザ発振が確認された。
うのであるが、エッチング深さを深くして、最初に形成
した４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエ
ッチングを行う。後は同様に電極を形成して図５に示す
ようなチップにした後、レーザ素子としたところ、同じ
くしきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０
ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６３】［実施例５］第一のｎ型クラッド層５を形
成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製
したところ、しきい値電流密度２ｋＡ／cm2で発振波長
３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製
したところ、しきい値電流密度２ｋＡ／cm2で発振波長
３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６４】［実施例６］第一のｐ型クラッド層７を形
成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製
したところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振
波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製
したところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振
波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６５】［実施例７］実施例１において、活性層６
を成長させる際、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりな
る井戸層を２５オングストローム、その上に同じく８０
０℃にて、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁
層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操
作を１３回繰り返し、最後に井戸層を積層して総厚１０
００オングストロームの活性層６を成長させた。後は実
施例１と同様にしてレーザ素子としたところ、同じく、
しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎ
ｍのレーザ発振が確認された。
を成長させる際、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりな
る井戸層を２５オングストローム、その上に同じく８０
０℃にて、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁
層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操
作を１３回繰り返し、最後に井戸層を積層して総厚１０
００オングストロームの活性層６を成長させた。後は実
施例１と同様にしてレーザ素子としたところ、同じく、
しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎ
ｍのレーザ発振が確認された。
【００６６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ素
子は活性層の発光を反射する多層膜層を最も基板側に近
いエッチング面の水平面よりもｐ型窒化物半導体層に近
い位置に形成しているため、発光を基板側に逃がさず効
率的に活性層の光閉じ込めを行うことができる。従っ
て、例えばストライプ型のレーザを作製した場合には容
易にレーザ発振可能となる。
子は活性層の発光を反射する多層膜層を最も基板側に近
いエッチング面の水平面よりもｐ型窒化物半導体層に近
い位置に形成しているため、発光を基板側に逃がさず効
率的に活性層の光閉じ込めを行うことができる。従っ
て、例えばストライプ型のレーザを作製した場合には容
易にレーザ発振可能となる。
【００６７】さらに、本発明の好ましい態様として、Ｉ
ｎＧａＮよりなる活性層のいずれかの主面側にＩｎＧａ
Ｎのクラッド層を形成すると、活性層の結晶性、および
ＡｌＧａＮクラッド層の結晶性も良くなり、結晶欠陥が
少なくなり、レーザ素子の常温での発振、信頼性が向上
する。本発明では活性層に接するクラッド層が格子整合
していないにもかかわらず、レーザ発振できるのはこの
構造の影響が大であると推察される。
ｎＧａＮよりなる活性層のいずれかの主面側にＩｎＧａ
Ｎのクラッド層を形成すると、活性層の結晶性、および
ＡｌＧａＮクラッド層の結晶性も良くなり、結晶欠陥が
少なくなり、レーザ素子の常温での発振、信頼性が向上
する。本発明では活性層に接するクラッド層が格子整合
していないにもかかわらず、レーザ発振できるのはこの
構造の影響が大であると推察される。
【００６８】このように短波長の半導体レーザ素子が実
現できたことにより、コンパクトディスク（ＣＤ）の書
き込み光源、読み取り光源、その他ディスプレイ用光
源、照明用光源、植物育成用光源等、数多くのデバイス
に適用可能となるので、その産業上の利用価値は多大な
ものがある。
現できたことにより、コンパクトディスク（ＣＤ）の書
き込み光源、読み取り光源、その他ディスプレイ用光
源、照明用光源、植物育成用光源等、数多くのデバイス
に適用可能となるので、その産業上の利用価値は多大な
ものがある。
【図１】 従来の一ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面
図。
図。
【図２】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す模式断面図。
示す模式断面図。
【図３】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。
を示す模式断面図。
【図４】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。
を示す模式断面図。
【図５】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す斜視図。
示す斜視図。
【図６】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。
を示す模式断面図。
１・・・・サファイア基板 ２・・・・バッファ層 ３・・・・ｎ型コンタクト層 ４・・・・第二のｎ型クラッド層 ５・・・・第一のｎ型クラッド層 ６・・・・活性層 ７・・・・第一のｐ型クラッド層 ８・・・・第二のｐ型クラッド層 ９・・・・ｐ型コンタクト層 ４４・・・ｎ型多層膜 ５５・・・ｐ型多層膜
Claims (7)
- 【請求項１】 基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体
よりなる第一のクラッド層と、その第一のクラッド層に
接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体より
なる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よ
りなる第一のｐ型クラッド層とが順に積層された構造を
有し、さらにｐ型窒化物半導体側からエッチングされて
同一面側に正、負一対の電極が取り出された構造を備え
る窒化物半導体レーザ素子であって、前記第一のｎ型ク
ラッド層の外側に、互いに組成の異なる２種類の窒化物
半導体層が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜とし
て備え、さらにそのｎ型の多層膜は、最も基板側に近い
エッチング面の水平面よりもｐ型窒化物半導体層に近い
位置に形成されていることを特徴とする窒化物半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項２】 前記第一のｐ型クラッド層の外側に、互
いに組成の異なる２種類の窒化物半導体層が積層されて
なるｐ型の多層膜を光反射膜として備えることを特徴と
する請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項３】 前記第一のｎ型クラッド層、前記第一の
ｐ型クラッド層の内のいずれか一方若しくは両方が、イ
ンジウムとガリウムとを含む窒化物半導体層またはＧａ
Ｎ層であることを特徴とする請求項１または請求項２に
記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記第一のｎ型クラッド層の外側に接し
てアルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体層
よりなる第二のｎ型クラッド層が形成されるか、または
前記第一のｐ型クラッド層の外側に接してアルミニウム
とガリウムとを含むｐ型窒化物半導体よりなる第二のｐ
型クラッド層が形成されていることを特徴とする請求項
１ないし請求項３の内のいずれか一項に記載の窒化物半
導体レーザ素子。 - 【請求項５】 前記第一のｎ型クラッド層若しくは前記
第二のｎ型クラッド層に接してｎ型ＧａＮよりなるｎ型
コンタクト層が形成されており、さらに前記第一のｐ型
クラッド層若しくは第二のｐ型クラッド層に接してｐ型
ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層が形成されていること
を特徴とする請求項１ないし請求項４の内のいずれか一
項に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項６】 前記ｎ型の多層膜は、第一のｎ型クラッ
ド層と第二のｎ型クラッド層との間か、第二のｎ型クラ
ッド層とｎ型コンタクト層との間か、またはｎ型コンタ
クト層内部の内のいずれか一ヶ所に形成されていること
を特徴とする請求項１、請求項３、請求項４または請求
項５の内のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素
子。 - 【請求項７】 前記ｐ型の多層膜は、第一のｐ型クラッ
ド層と第二のｐ型クラッド層との間か、第二のｐ型クラ
ッド層とｐ型コンタクト層との間か、またはｐ型コンタ
クト層内部の内のいずれか一ヶ所に形成されていること
を特徴とする請求項２、請求項３、請求項４または請求
項５の内のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31784595A JP3241250B2 (ja) | 1994-12-22 | 1995-12-06 | 窒化物半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-320099 | 1994-12-22 | ||
| JP32009994 | 1994-12-22 | ||
| JP31784595A JP3241250B2 (ja) | 1994-12-22 | 1995-12-06 | 窒化物半導体レーザ素子 |
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|---|---|---|---|
| JP2000158368A Division JP3593952B2 (ja) | 1994-12-22 | 2000-05-29 | 窒化物半導体レーザ素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08228048A true JPH08228048A (ja) | 1996-09-03 |
| JP3241250B2 JP3241250B2 (ja) | 2001-12-25 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
| JP (1) | JP3241250B2 (ja) |
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| JP2005045038A (ja) * | 2003-07-23 | 2005-02-17 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体発光素子 |
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| US8994064B2 (en) | 2011-09-03 | 2015-03-31 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Led that has bounding silicon-doped regions on either side of a strain release layer |
| WO2017069159A1 (ja) * | 2015-10-22 | 2017-04-27 | ウシオ電機株式会社 | 窒化物半導体発光素子 |
-
1995
- 1995-12-06 JP JP31784595A patent/JP3241250B2/ja not_active Expired - Fee Related
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