JPH09266344A - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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JPH09266344A
JPH09266344A JP7379696A JP7379696A JPH09266344A JP H09266344 A JPH09266344 A JP H09266344A JP 7379696 A JP7379696 A JP 7379696A JP 7379696 A JP7379696 A JP 7379696A JP H09266344 A JPH09266344 A JP H09266344A
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JP
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layer
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semiconductor laser
gan
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JP7379696A
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English (en)
Inventor
Megumi Doumen
恵 堂免
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 活性層に窒化ガリウム系材料を用いる半導体
レーザに関し、しきい値電流密度を低減することを目的
とする。 【解決手段】 該活性層の膜厚を3nm以上6nm以下とす
るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザに係
り、特に、活性層に窒化ガリウム(GaN) 系材料を用いた
半導体レーザに関する。
【0002】近年、青色から近紫外領域に発振波長を有
する短波長半導体レーザの開発が進んでいる。短波長半
導体レーザの活性層材料としてZnSe系材料とGaN 系材料
が知られているが、このうちZnSe系材料を用いた半導体
レーザはこれまでに室温連続発振が確認されているもの
の劣化し易く信頼性に問題がある。GaN 系材料はLED等
のデバイス材料として従来から用いられており、これら
の実績からZnSe系材料に比べて信頼性の点で優れている
ことが実証されているが、半導体レーザへ適用するため
にはさらに特性の改善が必要である。
【0003】
【従来の技術】活性層にInP 系材料やGaAs系材料を用い
た量子井戸構造を有する半導体レーザについては従来か
ら数多くの研究開発が行われており、これによって積み
重ねられたデータに基づいて量子井戸構造の最適設計を
行うことも可能となっている。これらのデータによれ
ば、バンドギャップの大きな材料ほど電子や正孔の有効
質量が重くなるため光学利得等の量子効果があらわれる
活性層の膜厚が薄くなることが分かっている。
【0004】窒化ガリウム系材料を用いた半導体レーザ
については理論及び実験ともにデータが少なく設計理論
も未だ確立されていないが、InP 系材料やGaAs系材料に
ついての従来の理論や実験データを窒化ガリウム系材料
に当てはめ電子や正孔の有効質量の見積り値等から推定
すると、量子効果の生じる活性層膜厚は3nm以下になる
と考えられ、このことは活性層膜厚が3nmより薄くなっ
たときにフォトルミネッセンスが増加すること等の実験
結果からも確からしいと考えられている。従って、これ
までの半導体レーザの設計理論からすれば活性層に窒化
ガリウム系材料を用いた半導体レーザの活性層膜厚は3
nm以下とすることがよいと考えられ、実際にレーザ発振
の確認された活性層の膜厚は室温におけるパルス発振で
2.5 nmである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒化ガ
リウム系材料を用いた半導体レーザは電子や正孔の有効
質量が重い等の理由からInP 系材料やGaAs系材料を用い
た場合に比べてしきい値電流密度が大きくなり、前述の
室温におけるパルス発振が確認された例では 4kA/cm2
も達してしまうため室温連続発振は困難である。
【0006】そこで、本発明は活性層に窒化ガリウム系
材料を用いた半導体レーザのしきい値電流密度を低減す
ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決は、活性
層に窒化ガリウム系材料を用いた半導体レーザにおい
て、該活性層の膜厚を3nm以上6nm以下としたことを特
徴とする半導体レーザによって達成される。
【0008】一般に、半導体レーザのしきい値電流密度
thは共振器の所定のモードに対する活性層の光学利得
が共振器損失と一致したときのしきい値キャリヤ密度n
thを用いて次のようにあらわされる。
【0009】Jth=nth・d・e/τr ここで、dは活性層膜厚、eは電子電荷であり、また、
τr は活性層のキャリヤ密度がしきい値キャリヤ密度と
等しくなったときの発光再結合寿命である。上式によれ
ば、しきい値電流密度Jthはしきい値キャリヤ密度nth
が小さく発光再結合寿命τr が長いほど小さくなり、ま
た、活性層膜厚dが薄いほど小さくなるが、通常、しき
い値キャリヤ密度nth、発光再結合寿命τr 及び活性層
膜厚dは互いに依存して変化するため個々の値のみでし
きい値電流密度Jthの値は決まらない。そこで、しきい
値キャリヤ密度、発光再結合寿命及び活性層膜厚相互の
関係について以下に述べるような検討を行った。
【0010】図2は窒化ガリウム系半導体レーザとして
活性層In0.05Ga0.95N 、障壁層Al0. 05Ga0.95N を有する
半導体レーザにおける光学利得のキャリヤ密度依存性を
活性層膜厚をパラメータとして計算した結果を示したも
のである。同図において、光学利得が所定の共振器損
失、例えば2500cm-1と一致するときのキャリヤ密度がし
きい値キャリヤ密度を与える。また、光学利得が0とな
るときのキャリヤ密度、即ち、同図に示した曲線が横軸
と交わる点におけるキャリヤ密度は透明キャリヤ密度を
与える。微分利得は曲線の傾きで与えられる。
【0011】InP 系材料やGaAs系材料等の従来材料を用
いた半導体レーザでは活性層を薄くしていくと、透明キ
ャリヤ密度と微分利得は単調に増加する傾向を示すのに
対して、窒化ガリウム系材料を用いた場合には図2に見
られるように、活性層膜厚が10nmに達するまでは膜厚が
減少するとともに透明キャリヤ密度は殆ど変わらず微分
利得のみが僅かに増加する傾向を示し、活性層膜厚を10
nmよりさらに薄くしていくと、微分利得、透明キャリヤ
密度ともに単調に増加するようになる。
【0012】図3は発光再結合寿命のキャリヤ密度依存
性を計算した結果を示したものであり、パラメータとし
て活性層膜厚を用いている。活性層膜厚をバルクから薄
くしていった場合、発光再結合寿命は10nmまでは膜厚の
減少とともに短くなるが、さらに薄くすると逆に長くな
ることがわかる。従来材料で同様な計算を行った場合に
は発光再結合寿命のキャリヤ密度依存性は活性層膜厚に
よってあまり変化しないという結果が得られており、図
3に示した発光再結合寿命の大きな活性層膜厚依存性は
窒化ガリウム系材料に特有のものである。
【0013】一般にInP 系材料やGaAs系材料等の従来材
料では価電子帯のバンド端に近接して2つのバンドが存
在し、また、バンド構造が等方性を有している。これに
対して、窒化ガリウムは、価電子帯のバンド端に近接し
て3つのバンド(HH 、CH、LH) が存在しそれぞれの波動
関数の対称性が異なること、結晶構造が六方晶であるた
めバンド構造にc軸方向の異方性があること、さらに従
来材料に比べてバンドギャップが大きく電子や正孔の有
効質量が重い等の異なった材料物性を有しており、その
ため、擬フェルミレベルが上がりにくく、HHバンドとLH
バンドが通常の成長方向であるc軸方向では歪や量子効
果によっても分離しないこと、従来材料に比べて同一井
戸幅での量子効果が価電子帯のHH、LHバンドについては
小さく、また、伝導帯の量子効果も小さいこと等の従来
材料とは異なる特徴を示すことになる。図2及び図3の
結果はこれらの特徴に起因するものであり、窒化ガリウ
ム系材料以外の材料には見られないものである。例え
ば、図2に示した結果は次のように説明される。即ち、
活性層膜厚が10nmのとき、CHバンドはバンド端から離れ
始めフェルミレベルを上げるが、HH、LHバンドには量子
効果があらわれず、その結果、透明キャリヤ密度が殆ど
変化しないまま微分利得が増大することになる。活性層
膜厚を6nm程度にまで薄くするとCHバンドはバンド端か
ら充分に離れるものの、未だHH、LHバンドの量子化が充
分でないため微分利得に大きな変化はあらわれない。さ
らに、活性層膜厚が3nm程度になる量子効果が価電子帯
の全てのバンドであらわれる結果、透明キャリヤ密度と
微分利得はともに増加するようになる。
【0014】図2及び図3の結果は、しきい値キャリヤ
密度や発光再結合寿命が活性層膜に対して単調な依存性
を持たないことを示しており、このことは窒化ガリウム
系材料を用いた半導体レーザにおいて発振に最適な活性
層膜厚の範囲が存在することを示唆している。
【0015】図4は図2及び図3から求めたSQW構造
におけるモード利得の電流密度依存性を示したものであ
る。モード利得は活性層への光閉じ込め率と図2に示し
た光学利得との積であらわされ、レーザ発振に直接寄与
する利得である。しきい値電流密度は、図4においてモ
ード利得が共振器損失と一致したときの電流密度により
与えられる。比較のため、従来材料を用いたSQW構造
の半導体レーザについて図4と同様な計算を行った結果
を図6に示した。図6は活性層Ga0.5In0.5P 、障壁層Al
0.35Ga0.15In0.5Pを有する半導体レーザにおけるモード
利得の電流密度依存性を示したものである。同図から明
らかなように、従来材料ではモード利得の活性層膜厚依
存性が殆ど見られない。これは、従来材料では前述のよ
うに発光再結合寿命に活性層膜厚依存性がないこと、及
び活性層膜厚が減少した場合に量子効果が大きくなる傾
向と光閉じ込め率が小さくなる傾向とが相殺してモード
利得の変化が小さくなることによるものである。
【0016】図5は図4から求めたしきい値電流密度の
活性層膜厚依存性を示したものであり、しきい値利得を
パラメータとして用いている。ここで、しきい値利得は
共振器損失と一致するモード利得を示している。同図に
見られるように、しきい値電流密度は活性層膜厚を薄く
するとともにしきい値利得にかかわらず減少し3〜6nm
で最小となりさらに薄くすると逆に増加する傾向を示す
ことがわかる。以上の結果から、活性層膜厚を3nm以上
6nm以下に設定すれば、しきい値利得の値にかかわらず
しきい値電流密度を低い値に抑えることが可能となる。
【0017】以上は単一量子井戸構造の半導体レーザに
ついての結果であるが、複数の井戸層を有する多重量子
井戸構造についても同様な結果が得られる。また、活性
層及び障壁層を構成するIn、Alの組成が本実施例と多少
異なっている場合にも同様な結果が得られる。
【0018】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施例に係る半導
体レーザの断面図である。MgAl2O4 からなるスピネル基
板1上に、膜厚30nmのLT-GaNからなるバッファ層2、膜
厚1μm のAlGaN からなるバッファ層3、Siをドープし
たキャリヤ密度1×1018cm-3で膜厚2μm のn形Al0.1G
a0.9N からなる障壁層4、膜厚0.1 μm のGaN 層5、膜
厚5nmのIn0.05Ga0.95N からなる活性層6、Mgをドープ
したキャリヤ密度2×1017cm-3で膜厚1μm のp形Al
0.1Ga0.9N からなる障壁層7、Mgをドープしたキャリヤ
密度2×1017cm-3で膜厚0.2 μm のp形GaN からなるコ
ンタクト層8をこの順に成長させたものである。成長
後、リアクティブイオンエッチング法によって活性層6
の下までエッチングした後、n形Al0.1Ga0.9N からなる
障壁層4に膜厚1000ÅのTiからなる電極9を形成し、さ
らに、p形GaN からなるコンタクト層8に膜厚1000Åの
Niからなる電極10を形成する。
【0019】上記実施例ではIn0.05Ga0.95N からなる活
性層6の膜厚を5 nmとしており、これにより1000A/cm2
程度の低いしきい値電流密度が得られた。上記活性層膜
厚を3〜6nmの範囲で変えた場合にもほぼ同程度の値の
しきい値電流密度を得ることができる。
【0020】活性層材料として本実施例で示したInGaN
以外に、GaN 、AlGaN 、AlGaInN 等を用いても本実施例
とほぼ同様なしきい値電流密度の活性層膜厚依存性を得
ることができる。
【0021】本実施例では基板としてスピネル基板を用
いたが、その他にサファイヤ、SiC、GaN あるいはAlN
等を用いることもできる。また、本実施例では単一量子
井戸構造を有する半導体レーザについての結果を示した
が、複数の井戸層からなる多重量子井戸構造を有する半
導体レーザについてもほぼ同様な結果が得られる。
【0022】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば活性層に
窒化ガリウム系材料を用いた半導体レーザのしきい値電
流密度を低減することができるので短波長半導体レーザ
の実用化を図る上で有益である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す半導体レーザの断面図
【図2】 光学利得のキャリヤ密度依存性を示す図
【図3】 発光再結合寿命のキャリヤ密度依存性を示す
【図4】 モード利得の電流密度依存性を示す図
【図5】 しきい値電流密度の活性層膜厚依存性を示す
【図6】 従来材料のモード利得の電流密度依存性を示
す図
【符号の説明】
1 スピネル基板 6 活性
層 2、3 バッファ層 8 コン
タクト層 4、7 障壁層 9、10
電極 5 GaN 層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 活性層に窒化ガリウム系材料を用いる半
    導体レーザにおいて、 該活性層の膜厚を3nm以上6nm以下としたことを特徴と
    する半導体レーザ。
JP7379696A 1996-03-28 1996-03-28 半導体レーザ Pending JPH09266344A (ja)

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JP7379696A JPH09266344A (ja) 1996-03-28 1996-03-28 半導体レーザ

Applications Claiming Priority (1)

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JP7379696A JPH09266344A (ja) 1996-03-28 1996-03-28 半導体レーザ

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Family

ID=13528509

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7379696A Pending JPH09266344A (ja) 1996-03-28 1996-03-28 半導体レーザ

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100503693B1 (ko) * 1996-12-27 2005-11-14 프리스케일 세미컨덕터, 인크. 갈륨질화물성장방법

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