JPH09191160A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH09191160A JPH09191160A JP2752296A JP2752296A JPH09191160A JP H09191160 A JPH09191160 A JP H09191160A JP 2752296 A JP2752296 A JP 2752296A JP 2752296 A JP2752296 A JP 2752296A JP H09191160 A JPH09191160 A JP H09191160A
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
できるので、発光素子の動作電圧の低減が可能となる。
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。
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。
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。
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。
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。
半導体レーザの構造断面を図15(a)に示す。
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。
50nm)のInzGa1-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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
るが、もちろん(0001)ジャスト基板を用いてもよ
い。
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。
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、InbGa1-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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
構造断面図
図
断面図
ラフネスとAl組成との関係を示す図
フネスとの関係を示す図
Mgの取り込まれ率とAl組成との関係を示す図
面図
面図
面図
面図
Claims (21)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【請求項20】結晶が、SiCである請求項19に記載
のへき開方法。 - 【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。
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