JPH09191160A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定な自励発振特性を有する半導体レーザを
提供する。 【解決手段】 ｎ型ＳｉＣ基板１０１上に、ｎ型ＧａＮ
層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３ｎ、ｎ型Ｇ
ａＮ型光ガイド層１０４ｎ、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層
１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０４ｐ、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎクラッド層１０３ｐ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０５
が順次形成されている。さらに、ｐ型光ガイド層１０４
ｐ中には、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層２００が形成されて
いる。この構造では、可飽和吸収層の体積を小さくする
と同時に光ガイド層中に可飽和吸収層を設けている。可
飽和吸収層の体積を小さくするほど、キャリア密度を容
易に上げることができ、飽和状態になりやすく、可飽和
吸収の効果が顕著となる。これにより、安定した自励発
振特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスクシステ
ムの光源などに用いられる自励発振型の半導体発光素子
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光情報処理分野においては、特に
波長が７８０ｎｍのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの光に
よる情報の記録・再生を行う方式が実用化され、コンパ
クトディスク等で広く普及するに至り、さらに最近にな
って、これらの光ディスク装置に益々記憶容量の増加が
求められるようになってきており、それに伴い短波長の
レーザの要望が強まってきている。

【０００３】ところで、半導体レーザは光ディスクの再
生時に、ディスク面からの反射光の帰還や温度の変化に
より強度雑音を発生し、信号の読取エラーを誘発する。
したがって光ディスクの光源用には強度雑音の少ないレ
ーザが不可欠となる。そのために、縦モードをマルチ化
することで、雑音を低減することが図られている。レー
ザが縦単一モードで発振しているときには、光の帰還や
温度変化等の外乱が入ると利得ピークの微少な変化によ
って、近接する縦モードが発振を開始し、元の発振モー
ドとの間で競合を起こし、これが雑音の原因となるから
である。そこで、縦モードをマルチ化すると、各モード
の強度変化が平均化され、しかも外乱によって変化しな
いので安定な低雑音特性を得ることができるようにな
る。

【０００４】従来の自励発振型の半導体レーザとして
は、特開平６−２６０７１６号公報に示されるものがあ
る。このレーザは、活性層のエネルギ−ギャップと吸収
層のエネルギ−ギャップをほぼ等しくすることによって
特性を改善したと報告がなされている。特に、歪量子井
戸活性層のエネルギ−ギャップと歪量子井戸可飽和吸収
層のそれがほぼ等しくなっている。この構成によって良
好な自励発振特性を得ようとしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光ディスクにさらに高
密度記録をするには、半導体レーザの短波長化が望まれ
る。それは波長を半分にすれば記録密度が４倍にもなる
からである。しかし、現在の青色の波長域を有する発光
素子（例えば、特開平４ー２４２９８５号公報、特開平
７−１６２０３８号公報）では、前述したように、低雑
音化の対策がなされておらず、このような半導体発光素
子を、光ディスクの再生に用いても、ディスク面からの
反射光の帰還や温度の変化により強度雑音を発生し、信
号の読取エラーを誘発し、実用に耐えないものでしかな
い。

【０００６】そこで本発明は、バンドギャップの大きい
窒化ガリウム系化合物半導体を用いて短波長化を図り、
さらに可飽和吸収層を設けることで、低雑音特性に有効
な自励発振特性をもつ半導体発光素子を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の半導体発光素子は、活性層に窒化ガリウム系
化合物半導体を用い、自励発振特性を有するものであ
る。また、可飽和吸収層と活性層との基底準位間のエネ
ルギ−ギャップを制御することにより、安定した自励発
振特性を有するものである。

【０００８】また、ＩｎＧａＮ活性層と、活性層を挟む
一対のＡｌＧａＩｎＮ光ガイド層と、光ガイド層を挟む
一対のＡｌＧａＩｎＮクラッド層と、光ガイド層または
クラッド層中に配置された可飽和吸収層とを備え、可飽
和吸収層は、活性層から光を吸収するとともに、光の吸
収量が飽和する特性をもつものである。

【０００９】本発明では、活性層に窒化ガリウム系化合
物半導体を用いることにより、発振波長を短波長化す
る。そして、可飽和吸収層を光ガイド層中またはクラッ
ド層中に配置することで、活性層からの光をこの可飽和
吸収層で吸収させることができ、さらに光の吸収も飽和
させることにより、自励発振を起こさせることができ
る。ここで「可飽和」とは、光を多く吸収すると、ある
量以上の光を吸収しなくなる、ということである。

【００１０】さらに、可飽和吸収層と活性層とのエネル
ギ−ギャップ差を、２０ｍｅＶから１８０ｍｅＶとする
ことで、可飽和吸収層がレーザ光を効率よく吸収すると
ともに、光の吸収も飽和するため、安定した自励発振が
得られることが明らかとなった。２０ｍｅＶより小さけ
れば自励発振は得られない。これはエネルギ−ギャップ
の差が小さいため、可飽和吸収層があまりレーザ光を吸
収しないためであると考えられる。また、エネルギ−ギ
ャップ差が１８０ｍｅＶを越えると、可飽和吸収層での
光吸収が大きくなりすぎ、可飽和吸収層が飽和特性を示
さなくなるので、自励発振が起こらない。したがって、
エネルギ−ギャップ差は２０〜１８０ｍｅＶがよいこと
がわかった。

【００１１】さらに詳しい検討では、エネルギ−ギャッ
プが、特に５０ｍｅＶ〜１００ｍｅＶの範囲では、可飽
和吸収層の飽和条件が最適となる。エネルギ−ギャップ
の差が１００ｍｅＶを越えると、可飽和吸収層での光吸
収がだんだん大きくなり、動作電流もやや大きくなる。
よってエネルギ−ギャップ差は１００ｍｅＶ以下であれ
ば好ましいといえる。５０〜１００ｍｅＶの範囲では、
半導体レーザの動作電流が大きくならない上に、温度変
化に対して安定な自励発振特性が得られる。

【００１２】また、可飽和吸収層の体積を小さくする
と、可飽和吸収層でのキャリア密度を容易に上げられ
る。活性層が放出したレーザ光を可飽和吸収層が吸収
し、電子とホールのペアを生じるが、可飽和吸収層の体
積が小さいと、単位体積あたりの光の吸収量が増加し、
このキャリア密度を容易に上げることができる。そして
飽和状態になりやすく、可飽和吸収の効果が顕著とな
る。したがって、強くて安定な自励発振特性を得ること
ができる。

【００１３】さらに半導体レーザは、この体積の小さい
可飽和吸収層を光ガイド層中に配置した構成にもでき
る。光ガイド層中に設ける理由は、可飽和吸収層を量子
井戸層のように体積を小さくした場合、膜厚が薄くなる
ため光の閉じ込め率が極端に減少し、その結果、安定な
自励発振でなくなる可能性もあるからである。そこで、
可飽和吸収層を光ガイド層中に配置して閉じ込め率を増
加させる。この構造を用いると、活性層への光閉じ込め
率が、０．５％以上の場合、可飽和吸収層への閉じ込め
率を、少なくとも１．２％程度以上にすると自励発振を
生じることが可能となる。可飽和吸収層を量子井戸にし
た場合、その膜厚が薄く、体積が小さくとも、光ガイド
層中に配置することにより、可飽和吸収層へ有効な光閉
じ込めができるので、この構造を導入することにより安
定した自励発振を実現できる。

【００１４】このように可飽和吸収層は光ガイド層中に
形成してもよいし、当然、クラッド層中に形成してもよ
い。どの位置に可飽和吸収層を設定するかは、可飽和吸
収層の体積および光閉じ込めを考慮して決めればよい。

【００１５】また、可飽和吸収層は、ｐ型光ガイド層、
ｐ型クラッド層、さらにはｎ型光ガイド層、ｎ型クラッ
ド層中に形成してもよい。

【００１６】本発明の説明で使用している「エネルギ−
ギャップ差」とは、基底準位間のエネルギー差をとって
いる。活性層が量子井戸層を含む場合は、伝導帯と価電
子帯の底ではなく、量子準位間のエネルギー差を言うの
で、バンドギャップの差よりも大きい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について
説明する。

【００１８】（実施の形態１）図１は本発明の半導体レ
ーザの構成断面図である。本実施例の半導体レーザの構
成は、（１００）面のｎ型ＳｉＣ基板１０１上に、シリ
コンをドーピングしたｎ型のＡｌＮバッファ層１０２、
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３ｎ、ｎ型ＧａＮ光ガイ
ド層１０４ｎ、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ量子井戸活性層１０
５（厚み１００Ａ）、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０４ｐ、
ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０３ｐ、ｐ型ＧａＮ
コンタクト層１０６が順次形成されている。ＡｌＧａＮ
層のｎ型のドーパントはＳｉであり、ｐ型のドーパント
はＭｇである。

【００１９】さらに、ｐ型クラッド層１０３ｐ中には、
ｐ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ可飽和吸収層１００が５０Ａ形成
されている。可飽和吸収層の格子定数はクラッド層より
も大きいが臨界膜厚以下に設定されているので、転位の
発生はない。コンタクト層上にはｐ型電極１１１として
Ｐｔが、ＳｉＣ基板１０１側にはｎ型電極１１０として
Ｉｎがそれぞれ形成されている。

【００２０】図１示すこのレーザ構造は、厚さ５００μ
ｍの（１００）ＳｉＣ基板上に、ＭＯＣＶＤ法により作
製する。ｎ型ＡｌＮバッファ層はＳｉドープで３μｍ成
長し、ｎ型クラッドもＳｉドープで０．５μｍ、ｎ型光
ガイド層もＳｉドープで０．１μｍの膜厚である。ｐ型
クラッド層およびｐ型光ガイド層もそれぞれ０．５μ
ｍ、０．１μｍの厚さであり、ドーパントはＭｇを用い
ている。

【００２１】可飽和吸収層は、ｐ型クラッド層中に形成
されている。活性層からのレーザ光は、活性層よりも４
０ｍｅＶエネルギーギャップの小さいこの可飽和吸収層
により、吸収される。可飽和吸収層は、レーザ光を効率
よく吸収するとともに、光の吸収も飽和するため、安定
した自励発振が得られるようになる。

【００２２】自励発振を安定に起こさせるための要点
は、活性層の量子井戸層と可飽和吸収層とのエネルギ−
ギャップ差である。図２にこのレーザ構造のバンドダイ
アグラムを示す。実施例１では、活性層より可飽和吸収
層のエネルギ−ギャップ差が４０ｍｅＶ小さく、安定し
た自励発振が得られる。ｐ型クラッド層１０３ｐ中に可
飽和吸収層１００がある。

【００２３】ここで活性層の量子井戸層と可飽和吸収層
とのエネルギ−ギャップ差とは、活性層に量子井戸層を
用い、可飽和吸収層も量子井戸構造となっているので、
その差は、レーザ発振前の基底準位のエネルギ−ギャッ
プ差としている。

【００２４】本発明の半導体レーザでは、可飽和吸収層
のドーピングレベルを５×１０17（ｃｍ-3）として、キ
ャリアの寿命時間を低減している。その結果、キャリア
の時間変化率に対する自然放出の寄与が増大し、自励発
振を容易に生じることができる。ドーピングは、５×１
０17（ｃｍ-3）以上あれば、キャリアの寿命時間を低減
する効果がある。

【００２５】さらに不純物濃度を上げ、１×１０18（ｃ
ｍー３）以上にすれば、キャリアの寿命がさらに短くな
り、安定した自励発振特性を得ることができる。可飽和
吸収層の不純物濃度を１×１０18（ｃｍ-3）以上にすれ
ば、可飽和吸収層と活性層とのエネルギーギャップ差
は、ゼロか、または、可飽和吸収層の方が小さければよ
い。

【００２６】さらに基板をシリコンカーバイドからサフ
ァイアにしたときの構造を図３に示す。サファイア基板
１０００を用いた場合は、ｎ型ＧａＮバッファ層１０２
からｐ型ＧａＮコンタクト層１０６までをＭＯＣＶＤ法
により成長させたあと、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６
表面の所定の位置にマスクを形成してエッチングし、ｎ
型電極を形成するためのｎ型ＧａＮコンタクト層１０９
を露出させる。

【００２７】その後、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６に
はｐ型電極１１１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０９には
ｎ型電極を形成してレーザが完成する。

【００２８】（実施の形態２）実施の形態１では、可飽
和吸収層をｐ型クラッド層中に形成していたが、この実
施例では、ｐ型光ガイド層１０４ｐ中に量子井戸の可飽
和吸収層２００を形成している。その構成とバンドギャ
ップエネルギー図とを図４、５に示す。

【００２９】図のように、この半導体レーザは、この体
積の小さい量子井戸の可飽和吸収層２００を、光ガイド
層１０４ｐ中に配置した構成にしている。光ガイド層中
に設ける理由は、前述した通りである。可飽和吸収層を
量子井戸にした場合、その膜厚が薄く、体積が小さくと
も、光ガイド層中に可飽和吸収層を設けることにより、
可飽和吸収層へ有効な光閉じ込めができるので、この構
造を導入することにより安定した自励発振を実現でき
る。

【００３０】実施の形態１、２では、活性層は単一の量
子井戸構造としたが、図６に示すように、ＧａＮからな
る障壁層と、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる井戸層との多
重量子井戸構造としてもよい。この方が活性層での発光
効率が大きくなり、高光出力のレーザとなる。井戸層に
は、障壁層には、また活性層にはＩｎxＧａ1-xＮ（０≦
ｘ≦１）、クラッド層にはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦
１）を用いたが、一般に窒化ガリウム系化合物半導体と
して、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を用いることができる。

【００３１】（実施の形態３）本実施の形態は、窒素ド
ープのｎ型ＳｉＣ基板上に、リッジ構造のレーザを形成
したものである。基板には、炭化珪素（ＳｉＣ）基板を
用いてい、ＳｉＣは、窒素ドーピングによりｎ型となっ
ているので、基板裏面に電極を形成できる。よって、電
極形成のために、基板上にエピタキシャル成長させた半
導体層をエッチングする必要はない。以下、ＳｉＣ基板
を用いたＧａＮ系半導体発光素子について説明する。

【００３２】図８に示すように、ｎ型ＳｉＣ基板７０２
上に、有機金属気相成長（MOVPE）法を用いて半導体層
の気相成長を行う。まず気相成長に先立ち、６ＨＳｉＣ
基板７０１を反応炉内のサセプター上に設置し、真空排
気した後、７０Torrの水素雰囲気において１０５０℃で
１５分間加熱し、基板表面のクリーニングを行う。ここ
で用いたＳｉＣ基板は（０００１）面の面方位から３．
５度、［１１−２０］方向に傾斜した基板である。

【００３３】次に基板温度を１０００℃に降温した後、
アンモニアを２．５L／分の流量で１分供給し、基板表
面を窒化した後、トリメチルアルミニウム（TMA）を１
０μモル／分、アンモニアを２．５L／分、モノシラン
（水素ベース５０ppm)を１０cc/分、キャリア水素を２L
／分それぞれ流してｎ型ＡｌＮバッファ層７０３を２０
０ｎｍ堆積する。バッファ層をｎ型としたのも、基板に
ｎ型電極を形成しても、電気抵抗が高くならないように
するためである。ｎ型ＡｌＮバッファ層は、１０００℃
の高温で堆積しているので、結晶欠陥が少なくほぼ単結
晶となっている。

【００３４】次に、トリメチルアルミニウム（TMA）の
流量を２μモル／分に変更すると同時に、さらにトリメ
チルガリウム（TMG）を２０μモル／分、モノシラン
（水素ベース５０ppm)を１０cc/分、追加して供給し、n
-Al0.1Ga0.9Nクラッド層７０４を堆積する。

【００３５】次に、TMAの供給のみを停止し、n-GaNガイ
ド層７０５ｎを堆積した後、TMG及びモノシランの供給
のみを停止し、アンモニアと水素の混合雰囲気中で７０
０℃に降温して一定温度になった後、トリメチルインジ
ウム（TMI）を２００μモル／分、TMGを２０μモル／分
供給して、アンドープIn0.05Ga0.95N井戸層７０５ｗを
３nm堆積する。ｎ―ＧａＮガイド層と同じ条件で、アン
ドープＧａＮ障壁層７０５ｂを３ｎｍ成長し、井戸層と
障壁層との繰り返しにより、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ
井戸層との多重量子井戸構造とする。

【００３６】多重量子井戸構造の最後の井戸層を形成し
たあと、TMGを２０μモル／分さらにシクロペンタジエ
ニルマグネシウム（Cp2Mg）を０．１μモル／分供給し
てp-GaNガイド層７０５ｐを堆積する。

【００３７】次に、さらにTMAを前記n-Al0.1Ga0.9Nクラ
ッド層と同流量で追加し、p-AlGaN第1のクラッド層７０
６ａを堆積し、基板温度を６００℃に下げ再びTMG、TMI
及びCp2Mgを供給してp-In0.1Ga0.9N可飽和吸収層７００
を成長させる。さらに、第1のクラッド層と同条件で、
ｐーＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第2のクラッド層７０６ｂを成長
させる。

【００３８】その後、ｐーＡｌＧａＮクラッド層上に、
ＳｉＯ2マスクを形成し、塩素ガスおよび水素ガスの混
合ガスをエッチングガスとして、ドライエッチングを行
う。ｐーＡｌＧａＮ第２のクラッド層７０６ｂは、ｐ−
ＩｎＧａＮ可飽和吸収層７００までエッチングするが、
ドライエッチングで第２のクラッド層７０６ｂをすべて
エッチング除去するのではなく、のこり０．２ミクロン
までで一旦ドライエッチングを停止し、ウエハをドライ
エッチング装置から取り出して、１００度に温めた濃り
ん酸に浸し、ドライエッチングで生じたダメージ層を含
む、残りの０．２ミクロンを除去する。このようにし
て、ｐーＡｌＧａＮ第２のクラッド層を、まずはドライ
エッチングで除去したあと、引き続いてウエットエッチ
ングで除去することで、リッジの両側の可飽和吸収層の
ダメージを防止できる。

【００３９】この可飽和吸収層７００はエッチングスト
ッパ層としても機能する。この層は、Ａｌを含んでいな
いので、濃りん酸にはエッチングされにくく、第２のク
ラッド層７０６ｂと可飽和吸収層７００との選択比をと
ることはできる。

【００４０】この後、ＳｉＯ2マスクをそのまま用い
て、ｎーAl0.2Ga0.8N電流ブロック層７０７を、第２の
クラッド層７０６ｂからなるリッジの両側に選択成長す
る。ｎーＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ電流ブロック層は、ｐーＡｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ第２のクラッド層、第１のクラッド層より
も、Ａｌの組成が大きく、屈折率は小さい。したがっ
て、よって、光は、屈折率の高いｐーＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層７０６ｂの下に閉じこもりやすく、屈折率導波
となり、安定した横モードが実現できる。また、レーザ
光は電流ブロック層での吸収もほとんどないため、高い
出力のレーザとしても有望である。

【００４１】ＳｉＯ2マスクを除去し、ｐ型ＧａＮガイ
ド層７０５ｐと同じ条件で、ｐ型ＧａＮキャップ層７０
８を成長し、さらに、ｐ型GaNコンタクト層７０９を堆
積する。ｐ型コンタクト層は、ｐ型キャップ層よりも、
高濃度に不純物をドーピングしており、その濃度は、１
×１０18cm-3である。

【００４２】ここでは、ｐ型コンタクト層７０９をｐ型
ＧａＮとしたが、ＧａＮよりバンドギャップの小さいＩ
ｎＧａＮを用いて、ｐ型電極とのオーミック接触を取り
易くすることもできる。そうするには、基板温度を６０
０℃にして、TMG、TMI及びCp2Mgを供給して、p-InGaNを
堆積する。p-GaNキャップ層７０８の堆積後に、バンド
ギャップの小さいp-InGaN７０９を堆積することによ
り、ｐ型電極（Ｐｔ）とのショットキー障壁を低減させ
ることができ、抵抗の低減が実現できる。

【００４３】p-InGaNは、ｐ−ＩｎＧａＮを堆積後、５
００℃の７０Ｔｏｒｒ減圧水素雰囲気中で熱処理を行う
ことにより実現できる。熱処理効果としては、減圧の水
素雰囲気であれば４００℃以上の熱処理でｐ型の活性化
ができ、窒素原子の解離を抑制することを考慮すると熱
処理温度は、好ましくは５００℃の低温がよい。最後に
アンモニアと水素の混合雰囲気で５００℃まで冷却し、
この温度でアンモニアの供給を停止し、水素雰囲気中で
５分間熱処理を行う。

【００４４】最後に、ｎ型ＳｉＣ基板７０２側にTiを用
いてｎ型電極７０１を、ｐ型コンタクト層７０９側に、
Ｐｔ電極を用いてｐ型電極１４１２を形成する。Ｐｔを
選んだ理由は、Ｐｔは仕事関数が大きく、ｐ型ＧａＮや
ｐ−ＩｎＧａＮのｐ型コンタクト層７０９との障壁を小
さくするためである。Ｐｔのほか、ＮｉとＰｔの組み合
わせでもよい。Ｎｉは剥がれにくく、密着性の高い金属
なので、この層を介してＰｔを積んだ方が電極の信頼性
も高くなる。

【００４５】以上のようにして完成したレーザ構造のウ
エハを、レーザバーにへきかいする。へき開前に、Ｓｉ
Ｃ基板はあらかじめ裏面から研磨され、２００ミクロン
になっている。へきかいするためには、ＳｉＣ基板は、
２００〜３００ミクロン程度にしておくのが好ましい。
３００ミクロンより大きいとへきかいのために大きな応
力が必要となり、また２００ミクロンより小さいと、へ
きかいする場所以外のところも割れてしまう可能性があ
るからである。

【００４６】へきかい時のへきかいの方向は、ＳｉＣ基
板はジャスト基板ではなく、傾斜基板を用いているの
で、応力をかける方向に注意する必要がある。

【００４７】図９において、共振器端面の結晶構造を模
式的にあらわした図である。Ａ−Ｂは基板表面であり、
階段状になっているのは原子ステップである。この基板
は、（０００１）面の面方位から３．５度、［１１−２
０］方向に傾斜していることがわかる。図１０は、この
レーザの構成斜視図であり、基板が面方位が（０００
１）面の面方位から３．５度、［１１−２０］方向に傾
斜している。すなわち、この基板は、図９、図１０に示
すように（０００１）面の面方位から[１１ー２０]方向
へ３．５度傾いているので、Ｂ方向からＡ方向に応力を
かけて結晶をへきかいする。その理由は、Ａから応力を
かけると、図９のようにＢ方向に向かっていた割れが途
中から（０００１）面方向に進んでしまい、へきかいに
よる不良となり、歩留まりを落とすからである。したが
って、へきかいはＢの方向からＡ方向に向かって行うの
である。これは、ＳｉＣ基板に限らず、ＧａＡｓ等の半
導体基板についての傾斜基板にいえることである。ジャ
スト面（ここでは、（０００１）面）と傾斜基板面との
角度が小さくなる方向（ここではＢ）から、傾斜してい
る方向に向かって応力をかけてへき開するのである。

【００４８】へきかいして端面を形成した後、共振器端
面をコーティングする。端面側から、λ／４の膜厚のＳ
ｉＯ2膜とλ／４の膜厚のＳｉＮ膜を１周期として、３
周期積層し、反射率を７０パーセントとした。ＳｉＯ膜
およびＳｉＮ膜の積層には、ＥＣＲスパッタ法を用い
た。

【００４９】完成したレーザ素子に電流注入を行いレー
ザ発振させると従来３０Ｖ程度であった動作電圧が５Ｖ
まで低減できた。

【００５０】本実施の形態のように、ｎ型ＳｉＣ基板７
０２上に、高温で堆積した低抵抗なｎ型ＡｌＮバッファ
層７０３を用いることによって、従来のようなｐ型コン
タクト層側からエッチングを行ってｎ側電極を形成する
必要がなく、導電型の基板裏面に電極を形成すればよ
い。

【００５１】基板としてＳｉＣ傾斜基板を用いた理由に
ついて説明する。本実施の形態では、ｎ型ＳｉＣ基板
を、（０００１）から［１１−２０］方向に３．５度傾
斜した研磨した基板を用いている。これは、ＳｉＣ上
に、特にAlGaN混晶を堆積する場合に、その表面の平坦
性を良好にするためである。図１１は、横軸にＡｌＧａ
ＮのＡｌの組成、縦軸にＡｌＧａＮの表面ラフネスをと
った結果である。点線は、（０００１）ジャスト基板を
用いた場合であり、実線は、３．５度の傾斜基板を用い
た場合である。縦軸の値が大きくなるほど、ラフネスが
大きくなり、表面の平坦性に欠けることになる。この実
験結果の比較により、傾斜基板を用いるとAl組成が３０
％程度に大きくなっても良好な表面が得られることがわ
かった。

【００５２】つぎに、傾斜角度を横軸に、表面ラフネス
を縦軸にとった結果を図１２に示す。表面ラフネスは、
傾斜角度がつくにしたがい小さくなり、１度から１８度
程度までは平坦性を保つことがわかった。特に傾斜角度
が、５度から１５度までが、次に示すｐ型ドーパントの
取り込まれ率もよいことがわかっている。

【００５３】さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ層を作製する場
合、（０００１）ジャスト基板を用いるとＡｌ組成の増
加にともないｐ型ドーパントであるMgの取り込まれ率が
低下し、素子の抵抗が高くなるということがわかった。
本実施の形態のように、傾斜基板を用いると図１３に示
すように、Ｍｇの取り込まれ率がジャスト基板より高く
なる。縦軸は、ドーパントであるＭｇのＡｌＧａＮへの
取り込まれ率を示し、横軸は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成を
示している。この図より、Ａｌ組成が増加するにしたが
い、ジャスト基板では、Ｍｇの取り込まれ率が低下する
が、傾斜基板を用いた場合は、取り込まれ率が低下しな
いことがわかった。この傾向は、ドーパントにＭｇを用
いた場合に限らず、Ｚｎ、Ｃ、Ｃａを用いても同様であ
る。

【００５４】これによりｐ型ドーパントの濃度を大きく
できるので、発光素子の動作電圧の低減が可能となる。

【００５５】なお、本実施例では、傾斜基板を用いてい
るが、もちろん（０００１）ジャスト基板を用いても、
ｎ型ＡｌＮバッファ層を用いることによって、抵抗を小
さくできるので、発光素子の動作電圧の低減には効果が
ある。

【００５６】この実施の形態では、可飽和吸収層とし
て、ｐ型ＩｎＧａＮ層を用いているが、ｎ型ＩｎＧａＮ
層を用いてもよい。この時の構造断面は、図１４に示す
ようになる。つまり、ｐーＡｌＧａＮクラッド層中に可
飽和吸収層が挿入されている。

【００５７】ｐ型可飽和吸収層に比べて、ｎ型可飽和吸
収層は、不純物濃度を1×１０20程度まで高くできるの
で、可飽和吸収層で吸収した光によるキャリアの寿命を
短くできるので、安定した自励発振特性を実現できる。
ｎ型可飽和吸収層に、１×１０18ｃｍ-3程度以上の不純
物をドーピングしたときは、可飽和吸収層と活性層のエ
ネルギーギャップ差は、０〜１８０meVであればよい。
このエネルギーギャップ量だけ、可飽和吸収層のエネル
ギーギャップが小さければよい。

【００５８】また、ｎ型のための不純物はシリコンを用
いるが、シリコンは、拡散度が小さく、不純物濃度の急
峻性を保ったままであり、長時間の使用にも十分耐えら
れる信頼性の高いデバイスとなる。

【００５９】さらにこの実施の形態では、第1のｐ型ク
ラッド層の屈折率が電流ブロック層よりも大きいという
屈折率導波型をとっているが、逆に、電流ブロック層を
屈折率が高い材料としたり、電流ブロック層にたとえ
ば、ＺｎＯのように３８０〜４５０ｎｍの光を吸収する
層を用いて、活性層の横方向に実効的に屈折率差を設け
て、リッジ直下の活性層に光を閉じ込める構造も考えら
れる。

【００６０】（実施の形態４）第４の実施の形態による
半導体レーザの構造断面を図１５（ａ）に示す。

【００６１】「０００１」から［１１−２０］方向に
３．５度傾斜したｎ型ＳｉＣ基板１５０２上に、ｎ型Ａ
ｌＮバッファ層１５０３（厚さ１００ｎｍ）、ｎ型Ａｌ
ｘＧａ１−ｘＮクラッド層１５０４（厚さ１μｍ）があ
る。ＡｌＮの組成比ｘが大きくなる程ＡｌＧａＮのエネ
ルギーギャップは大きくなり、屈折率は小さくなる。

【００６２】発振波長を決めると活性層１５０５（厚さ
５０ｎｍ）のＩｎ_zＧａ_1-zＮのＩｎＮの組成比ｚが決ま
り、それに対してｘの値を決めることになる。発振波長
を４１０ｎｍ（紫色）にするとｚ＝０．１５となり、ｘ
は０．１から０．２程度を用いることになる。

【００６３】活性層１０５の上にはｐ型ＡｌｙＧａ１−
ｙＮ第１のクラッド層１５０６（厚さ０．２μｍ）、ｐ
型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ可飽和吸収層１５００およびｎ型Ａ
ｌｕＧａ１−ｕＮ電流ブロック層１５０７があり、１５
０７には１から１０μｍの幅で可飽和吸収層１５００に
達する開口部が形成されている。ｎ型電流ブロック層１
５０７の厚さは０．７μｍである。電流はこのｎ型電流
ブロック層１５０７に阻まれて開口部のみに流れ、開口
部直下の活性層１５０５のみに流れるようにしている。

【００６４】開口部内とｎ型電流ブロック層上にはｐ型
ＡｌｖＧａ１−ｖＮ第２のクラッド層（狭窄層上の厚さ
０．５μｍ）がある。ここで、ｕ＞ｙ、ｖになるように
することによりブロック層１５０７の屈折率が、第１の
クラッド層１０６、第２クラッド層１０８の屈折率より
小さくなるので、活性層に平行方向に光が閉じ込められ
て屈折率差による光導波となり、収差のないレーザー光
が得られる。

【００６５】屈折率差は、開口部の幅も考慮して決定す
るが、本実施の形態のように、開口部幅が１〜８μｍで
あれば、開口部直下の活性層と、狭窄層下の活性層との
屈折率差（活性層の実効屈折率差）は、０．００３〜
０．０２の範囲にあることが好ましい。その理由は、屈
折率差が大きすぎると、高次のモードが立つようにな
り、また、屈折率差が小さすぎると、光が広がってしま
うからである。

【００６６】第2のｐ型クラッド層１５０８の上には、
ｐ型ＧａＮキャップ層１５０９（厚さ０．５μｍ）、１
×１０18／ｃｍ3以上の不純物濃度のｐ型ＧａＮコンタ
クト層１５１０（厚さ０．５μｍ）があり、電極１０１
と１１１がｎ側とｐ側に各々形成されている。電極材料
はｎ側がＴｉとＡｕで、ｐ側がＮｉとＡｕである。また
ｎ型層の不純物はＳｉ、ｐ型層の不純物はＭｇである。

【００６７】開口部の幅とｐ型クラッド層と狭窄層の屈
折率差が、活性層に閉じ込められる光の強度分布を決定
するので、適当な値に設定する必要がある。本実施例で
は開口部の幅は２μｍで狭窄層のＡｌＮ組成比はｕ＝
０．２５とした。また、ｙとｖの値はｘと同じ０．１５
である。

【００６８】このようにすることで、ｐクラッド層１５
０６、１５０８（Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ）と、ブロック層
１５０７（Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ）により、活性層に平行
方向のレーザ光が、屈折率分布で活性層に閉じ込められ
シングルモードとなり、しきい値電流が低く、収差のな
いレーザ光が得られるＧａＮ系半導体レーザー装置を実
現できる。

【００６９】本実施例では、（０００１）から［１１−
２０］方向に３．５度傾斜基板を用いている。これは、
ＳｉＣ上に、特にAlGaN混晶を堆積する場合に、その表
面の平坦性を良好にするためである。（０００１）ジャ
スト基板を用いた場合に比べて、傾斜基板を用いた場合
の方が、結晶表面の平坦性がよくなるからである。特に
傾斜角度が、３度から１２度までが、平坦性が格段によ
くなる。

【００７０】なお、本実施例では、傾斜基板を用いてい
るが、もちろん（０００１）ジャスト基板を用いてもよ
い。

【００７１】本発明の別の実施例ではブロック層１５０
７にＺｎＯを用いる。ＺｎＯはＧａＮと格子定数が近い
ので結晶成長を行うことが出来る。またＺｎＯは絶縁体
であること、さらに、活性層で発生する青色レーザー光
を吸収するので、活性層の平行方向に実効的に屈折率差
をつけることが出来る。この場合も、リッジ直下の活性
層とリッジの外側の活性層との屈折率差は、０．００３
〜０．０２の範囲にあることが好ましい。ＺｎＯ以外で
も、レーザー光を吸収して、活性層の平行方向に屈折率
差がつき、かつ、電流をブロックしてリッジに電流を流
すことのできるものであれば、狭窄層に用いることがで
きる。

【００７２】さらに、活性層のレーザ光を吸収するよう
に、活性層よりもバンドギャップの小さい層をブロック
層に用いて、活性層に平行方向に実効的に屈折率差をつ
けることもできる。例えば、活性層にＩｎaＧａ1-aＮ
（０＜ａ＜１）を用いたときに、この層よりもバンドギ
ャップの小さい層である、Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（０＜ａ＜ｂ
＜１）をブロック層に用いることにより、活性層の光を
吸収する層が実現できる。しかも、このブロック層の導
電型をｎ型とすることで、電流をリッジ部に集中させ、
活性層での電流広がりがないようにもすることができ
る。

【００７３】また活性層は、ＩｎＧａＮを用いた場合に
ついて説明しているが、図１５（ｂ）のように、ｎ型ク
ラッド層１５０４とｐ型第１のクラッド層１５０６との
間は、活性層１５０５として、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１
５０５ｎ、ＩｎＧａＮ井戸層１５０５ｎ、ＧａＮ障壁層
１５０５ｂとｐ型ＧａＮ層１５０５ｐとにより構成され
る多重量子井戸構造であってもよい。

【００７４】（実施の形態５）有機金属気相成長（MOVP
E）法を用いて結晶成長を行う。すなわち、まず気相成
長に先立ち、サファイアＣ面基板を反応炉内のサセプタ
ー上に設置し、真空排気した後７０Torrの水素雰囲気に
おいて１０５０℃で１５分間加熱し基板表面クリーニン
グを行う。

【００７５】次に６００℃まで冷却した後、アンモニア
を２．５L／分の流量で１分供給し、基板表面を窒化し
た後、トリメチルガリウム（TMG）を２０μモル／分、
アンモニアを２．５L／分、キャリア水素を２L／分流し
て多結晶状態のGaNバッファ層を５０nm堆積する。

【００７６】次にTMGの供給のみを停止し、温度を９５
０℃まで昇温した後、TMGを２０μモル／分供給してGaN
単結晶の核層を形成する。

【００７７】次にTMGを供給しながら基板温度を１０５
０℃、１０９０℃に段階的に昇温してGaN単結晶層を形
成する。次に、さらにモノシラン（水素ベース５０ppm)
を１０cc/分、トリメチルアルミニウム（TMA）を２μモ
ル／分追加して供給し、n-AlGaNクラッド層を堆積す
る。

【００７８】次に、TMG、TMA及びモノシランの供給のみ
を停止し、アンモニアと水素の混合雰囲気中で７００℃
に降温して一定温度になった後、トリメチルインジウム
（TMI）を２００μモル／分、TMGを２０μモル／分供給
して、InGaN混晶の活性層１６０５を１０nm堆積する。

【００７９】次に、TMA、TMGを前記と同流量で、さらに
シクロペンタジエニルマグネシウム（Cp2Mg）を０．１
μモル／分供給してp-AlGaN第1のｐ型クラッド層１６０
６ａを堆積した後、また活性層を堆積したのと同じ条件
で、次に、TMG及びCp2Mgの供給を停止し、基板温度を６
００℃に下げ再びTMG、TMI及びCp2Mgを供給してp-InGaN
可飽和吸収層を堆積する。ｐ型ＩｎＧａＮ可飽和吸収層
１６００を堆積する。Ｉｎ組成は、活性層よりも大きく
している。

【００８０】さらにこの可飽和吸収層の上に、第１のｐ
型クラッド層と同じ条件で、ｐーＡｌＧａＮクラッド層
１６０６ｂを堆積する。この後は、実施の形態３で述べ
たように、ＳｉＯ2マスクを形成してｐーＡｌＧａＮク
ラッド層からなるリッジ構造を形成する。エッチングに
ついては、実施の形態３で説明したのと同様である。

【００８１】このようにしてリッジを形成し、電流ブロ
ック層１６０７で埋め込んだあと、ＳｉＯマスクを除去
して、p-GaNキャップ層１６０８、ｐ型ＧａＮコンタク
ト層１６０９を堆積する。これにより、サファイア基板
を用いても、電流狭窄型のレーザ構造を作製することが
できる。

【００８２】（実施の形態６）サファイア基板を用い
て、第２のｐ型クラッド層に電流を通す開口部を設けた
レーザは図１７のようになる。

【００８３】基板１７０２としてＡｌ2Ｏ3（サファイ
ア）を用い、バッファ層１７０３にはＧａＮ層（厚さ１
００ｎｍ）を用いている。後の構成は、図１５を同じで
ある。

【００８４】ｎ型クラッド層１７０４を２μｍと厚く
し、リッジのない部分をｎ型クラッド層１７０４が厚さ
１μｍになるまでエッチングして露出させ、ｎ型電極１
７０１を形成している。活性層１７０５に平行方向の屈
折率差も、開口部の下が高くなっている。活性層に平行
方向の屈折率差は、０．００３〜０．０２の範囲にある
ことが好ましい。

【００８５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、窒化ガリ
ウム系化合物半導体を用いることにより、短波長の領域
で安定した自励発振特性を有する半導体発光素子を得る
ことができる。さらに可飽和吸収層を用いることによ
り、短波長の領域で、安定した自励発振特性を得ること
ができる。また可飽和吸収層と活性層とのエネルギーギ
ャップを制御することにより、確実に短波長域で自励発
振特性のレーザを実現できる。その結果、相対雑音強度
の低い半導体レーザを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の半導体レーザの構造断面図

【図２】第１の実施例のバンドギャップエネルギー図

【図３】第１の実施例で基板をサファイアにした場合の
構造断面図

【図４】第２の実施例の半導体レーザの構造断面図

【図５】第２の実施例のバンドギャップエネルギー図

【図６】他の実施例の半導体レーザの構造断面図

【図７】本発明の実施の形態の半導体レーザの構造断面
図

【図８】本発明の実施の形態の半導体レーザの製造工程
断面図

【図９】へき開方向を説明する断面図

【図１０】へき開方向を説明する断面図

【図１１】炭化珪素基板を用いた場合のＡｌＧａＮ表面
ラフネスとＡｌ組成との関係を示す図

【図１２】炭化珪素基板の傾斜角度とＡｌＧａＮ表面ラ
フネスとの関係を示す図

【図１３】炭化珪素基板を用いた場合のＡｌＧａＮ中の
Ｍｇの取り込まれ率とＡｌ組成との関係を示す図

【図１４】本発明の実施の形態の半導体レーザの構造断
面図

【図１５】本発明の実施の形態の半導体レーザの構造断
面図

【図１６】本発明の実施の形態の半導体レーザの構造断
面図

【図１７】本発明の実施の形態の半導体レーザの構造断
面図

【符号の説明】

１００ 可飽和吸収層 １０１ ｎ型ＳｉＣ基板 １０２ ｎ型ＧａＮバッファ層 １０３ｎ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 １０３ｐ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 １０４ｎ ｎ型ＧａＮ光ガイド層 １０４ｐ ｐ型ＧａＮ光ガイド層 １０５ ＩｎＧａＮ活性層 １０６ ＧａＮコンタクト層 ２００ 可飽和吸収層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 粂 雅博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 石橋 明彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】活性領域は、窒化ガリウム系化合物半導体
   により構成され、自励発振特性を有することを特徴とす
   る半導体発光素子。
2. 【請求項２】少なくとも活性層と、可飽和吸収層とを備
   え、前記活性層が窒化ガリウム系化合物半導体により構
   成され、自励発振特性を有することを特徴とする半導体
   発光素子。
3. 【請求項３】前記可飽和吸収層が窒化ガリウム系化合物
   半導体により構成され、自励発振特性を有することを特
   徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 【請求項４】前記可飽和吸収層の基底準位間のエネルギ
   −ギャップが、前記活性層の基底準位間のエネルギ−ギ
   ャップよりも、２０〜１８０ｍｅＶ小さいことを特徴と
   する請求項２または３に記載の半導体発光素子。
5. 【請求項５】前記活性層は井戸層を含み、前記井戸層お
   よび前記可飽和吸収層が、ともに量子井戸であることを
   特徴とする請求項２、３または４に記載の半導体発光素
   子。
6. 【請求項６】前記活性層が多重量子井戸構造であること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発
   光素子。
7. 【請求項７】少なくとも活性層と、前記活性層に隣接し
   た光ガイド層と、前記活性層および前記光ガイド層を挟
   む１対のクラッド層と、可飽和吸収層とを備え、前記可
   飽和吸収層は、前記少なくとも１つのクラッド層中、ま
   たは前記光ガイド層中に形成され、さらに前記活性層が
   窒化ガリウム系化合物半導体により構成され、自励発振
   特性を有することを特徴とする半導体発光素子。
8. 【請求項８】前記可飽和吸収層が窒化ガリウム系化合物
   半導体により構成され、自励発振特性を有することを特
   徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 【請求項９】前記可飽和吸収層の基底準位間のエネルギ
   −ギャップが、前記活性層の基底準位間のエネルギ−ギ
   ャップよりも、２０〜１８０ｍｅＶ小さいことを特徴と
   する請求項７または８に記載の半導体発光素子。
10. 【請求項１０】前記活性層は井戸層を含み、前記井戸層
    および前記可飽和吸収層が、ともに量子井戸であること
    を特徴とする請求項７、８または９に記載の半導体発光
    素子。
11. 【請求項１１】前記活性層が多重量子井戸構造であるこ
    とを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の半導
    体発光素子。
12. 【請求項１２】基板上に、ＩｎＧａＮ活性層と、前記活
    性層を挟む一対のＡｌＧａＩｎＮ光ガイド層と、前記光
    ガイド層を挟む一対のＡｌＧａＩｎＮクラッド層と、前
    記光ガイド層または前記クラッド層中に配置された可飽
    和吸収層とを備え、前記可飽和吸収層は、前記活性層か
    ら光を吸収するとともに、光の吸収量が飽和する特性を
    もつことを特徴とする半導体発光素子。
13. 【請求項１３】前記基板がシリコンカーバイドまたはサ
    ファイアであることを特徴とする請求項１２に記載の半
    導体発光素子。
14. 【請求項１４】活性層と、前記活性層上の第1のｐ型ク
    ラッド層と、前記ｐ型クラッド層に隣接した可飽和吸収
    層と、前記可飽和吸収層上に設けられた第２のｐ型クラ
    ッド層とを備え、前記第２のｐ型クラッド層はリッジ形
    状になっており、その両側には、ｎ型の電流ブロック層
    が設けられており、前記第２のｐ型クラッド層の屈折率
    が、前記電流ブロック層よりも大きいことを特徴とする
    半導体レーザ。
15. 【請求項１５】活性層と、前記活性層を挟むｐ型クラッ
    ド層およびｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層中に
    設けられた可飽和吸収層とを備え、前記ｐ型クラッド層
    はリッジ形状になっており、その両側には、ｎ型の電流
    ブロック層が設けられており前記ｐ型クラッド層の屈折
    率が、前記電流ブロック層よりも大きいことを特徴とす
    る半導体レーザ。
16. 【請求項１６】活性層と、前記活性層上の第1のｐ型ク
    ラッド層と、前記ｐ型クラッド層に隣接した可飽和吸収
    層と、前記可飽和吸収層上に設けられた電流ブロック層
    とを備え、前記電流ブロック層には、開口部があり、そ
    の開口部には、第２のｐ型クラッド層が設けられてお
    り、前記第２のｐ型クラッド層の屈折率が、前記電流ブ
    ロック層よりも大きいことを特徴とする半導体レーザ。
17. 【請求項１７】活性層と、前記活性層を挟むｐ型クラッ
    ド層およびｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層中に
    設けられた可飽和吸収層とを備え、前記電流ブロック層
    には開口部があり、その開口部には、第2のｐ型クラッ
    ド層が設けられており、前記第2のｐ型クラッド層の屈
    折率が、前記電流ブロック層よりも大きいことを特徴と
    する半導体レーザ。
18. 【請求項１８】傾斜基板のへき開方法において、基板の
    面方位がジャスト面の面方位から傾いている方向へ応力
    をかけて基板をへき開することを特徴とする傾斜基板の
    へき開方法。
19. 【請求項１９】面方位が[０００１]方向から[11-20]方
    向へ傾斜している結晶のへき開方法において、[１１−
    ２０]方向へ応力をかけることで前記結晶をへき開する
    ことを特徴とする結晶のへき開方法。
20. 【請求項２０】結晶が、ＳｉＣである請求項１９に記載
    のへき開方法。
21. 【請求項２１】面方位が[０００１]から[１１−２０]方
    向へ傾斜したＳｉＣ基板上に、半導体多層膜を堆積する
    工程と、前記基板を[１１−２０]方向へ応力をかけて前
    記基板をへき開する工程とを有する半導体発光素子の製
    造方法。