JPH098412A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体レーザのしきい値を低減する。発光ダ
イオードの発光効率を向上させる。 【構成】 （0001）方位サファイア基板１上に、Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ層２、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ
クラッド層３、ｎ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッ
ド層４、層厚５０ｎｍのアンドープＧａＮ活性層５、ｐ
型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層６、ｐ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層７を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層７上にｐ側電極８、ｎ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３上にｎ側電極９を形成す
る。上記の構成において、活性層５の膜厚を十分厚くす
るとともにこれに引っ張り歪が加わるようにする。ま
た、基板面に垂直方向に偏光された光を基板面に水平方
向に放射させる。
イオードの発光効率を向上させる。 【構成】 （0001）方位サファイア基板１上に、Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ層２、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ
クラッド層３、ｎ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッ
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型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層６、ｐ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層７を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層７上にｐ側電極８、ｎ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３上にｎ側電極９を形成す
る。上記の構成において、活性層５の膜厚を十分厚くす
るとともにこれに引っ張り歪が加わるようにする。ま
た、基板面に垂直方向に偏光された光を基板面に水平方
向に放射させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子に関し、特に、発振しきい値の低い窒化
ガリウム系化合物半導体レーザおよび動作電流が低くか
つ発光効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光ダ
イオードの構造に関するものである。
半導体発光素子に関し、特に、発振しきい値の低い窒化
ガリウム系化合物半導体レーザおよび動作電流が低くか
つ発光効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光ダ
イオードの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体は、緑青色
から紫外域にかけての光を発光できる材料として発光ダ
イオード、半導体レーザへの応用が期待され、従来より
様々な報告がなされてきた。従来技術１として、以下の
構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオードが報
告されている（例えば、S.Nakamura他、 Applied Physi
cs Letters, 64, 1687頁〜1689頁, 1994年）。図１６
は、従来技術１による発光ダイオードの層構造を示す断
面図である。
から紫外域にかけての光を発光できる材料として発光ダ
イオード、半導体レーザへの応用が期待され、従来より
様々な報告がなされてきた。従来技術１として、以下の
構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオードが報
告されている（例えば、S.Nakamura他、 Applied Physi
cs Letters, 64, 1687頁〜1689頁, 1994年）。図１６
は、従来技術１による発光ダイオードの層構造を示す断
面図である。
【０００３】従来技術１による発光ダイオードは、図１
６に示すように、（0001）方位サファイア基板５１上
に、ＧａＮバッファ層５２、ｎ型ＧａＮクラッド層５
３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５４、層厚５０
ｎｍのＺｎドープＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ活性層５５、ｐ型
Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５６、ｐ型ＧａＮキャッ
プ層５７を成長させ、ｐ型ＧａＮキャップ層５７上にｐ
側電極５８、ｎ型ＧａＮクラッド層５３上にｎ側電極５
９を設けた構造になっている。発光ダイオードからの出
射光６０はｐ側電極側から取り出される。
６に示すように、（0001）方位サファイア基板５１上
に、ＧａＮバッファ層５２、ｎ型ＧａＮクラッド層５
３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５４、層厚５０
ｎｍのＺｎドープＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ活性層５５、ｐ型
Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５６、ｐ型ＧａＮキャッ
プ層５７を成長させ、ｐ型ＧａＮキャップ層５７上にｐ
側電極５８、ｎ型ＧａＮクラッド層５３上にｎ側電極５
９を設けた構造になっている。発光ダイオードからの出
射光６０はｐ側電極側から取り出される。
【０００４】この構造の発光ダイオードでは、２０ｍＡ
の電流で１．５ｍＷの出力が得られている。Ｉｎ0.06Ｇ
ａ0.94Ｎ活性層５５における発光は、Ｚｎに関連した深
い準位からの発光であり、活性層材料のバンドギャップ
よりも０．５ｅＶ程度小さいエネルギーを持つ。（000
1）方位のサファイア基板５１を用いた場合は、この上
に積層した窒化ガリウム系化合物半導体は（0001）方位
のウルツ鉱型の結晶構造を持つ。また、サファイア基板
とＧａＮは１６％程度の大きい格子不整合があるが、Ｇ
ａＮバッファ層５２上に積層したｎ型ＧａＮクラッド層
５３は本来のＧａＮと同じ格子定数を持つため、ｎ型Ｇ
ａＮクラッド層５３はこの上に積層する半導体層に対し
て事実上の基板となる。従って、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ活
性層５５には０．７％程度の面内等方圧縮歪が加えられ
ている。但し、この従来技術１では、活性層における格
子歪は基本的な要件ではない。
の電流で１．５ｍＷの出力が得られている。Ｉｎ0.06Ｇ
ａ0.94Ｎ活性層５５における発光は、Ｚｎに関連した深
い準位からの発光であり、活性層材料のバンドギャップ
よりも０．５ｅＶ程度小さいエネルギーを持つ。（000
1）方位のサファイア基板５１を用いた場合は、この上
に積層した窒化ガリウム系化合物半導体は（0001）方位
のウルツ鉱型の結晶構造を持つ。また、サファイア基板
とＧａＮは１６％程度の大きい格子不整合があるが、Ｇ
ａＮバッファ層５２上に積層したｎ型ＧａＮクラッド層
５３は本来のＧａＮと同じ格子定数を持つため、ｎ型Ｇ
ａＮクラッド層５３はこの上に積層する半導体層に対し
て事実上の基板となる。従って、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ活
性層５５には０．７％程度の面内等方圧縮歪が加えられ
ている。但し、この従来技術１では、活性層における格
子歪は基本的な要件ではない。
【０００５】一方、窒化ガリウム系化合物半導体以外の
閃亜鉛鉱構造III −Ｖ属化合物半導体を用いた半導体レ
ーザにおいては、活性層における面内等方歪を積極的に
利用して発振しきい値の低減等の特性改善が行われてい
る。例えば、従来技術として(001) 方位ＩｎＰ基板上の
１．５μｍ帯ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸
半導体レーザにおいて、このような面内等方歪の利用が
図られている（例えば、P.J.A.Thijs 他、IEEE Journal
of Quantum Electronics vol.27, No.6, 1426頁〜1439
頁, 1991年）。
閃亜鉛鉱構造III −Ｖ属化合物半導体を用いた半導体レ
ーザにおいては、活性層における面内等方歪を積極的に
利用して発振しきい値の低減等の特性改善が行われてい
る。例えば、従来技術として(001) 方位ＩｎＰ基板上の
１．５μｍ帯ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸
半導体レーザにおいて、このような面内等方歪の利用が
図られている（例えば、P.J.A.Thijs 他、IEEE Journal
of Quantum Electronics vol.27, No.6, 1426頁〜1439
頁, 1991年）。
【０００６】図１７に、従来技術２の圧縮歪量子井戸半
導体レーザの層構造を、図１８に、従来技術３の引っ張
り歪量子井戸半導体レーザの層構造を、それぞれ示す。
図１７に示すように、従来技術２の半導体レーザは、(0
01) 方位ｎ型ＩｎＰ基板６１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド
層６２、１．３μｍ波長組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層６３、１．３μｍ波長組成のＩｎＧａＡｓＰバ
リア層６４とＩｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ量子井戸層６５とを
交互に４周期積層した多重量子井戸活性層、１．３μｍ
波長組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層６６、ｐ型
ＩｎＰクラッド層６７、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャ
ップ層６８を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ
キャップ層上にｐ側電極６９を、基板裏面にｎ側電極７
０を設けた構造となっている。基板を含めて、半導体層
は全て閃亜鉛鉱構造である。量子井戸層６５はＩｎＰ基
板６１より格子定数が大きく、１．２％の圧縮歪が加え
られている。
導体レーザの層構造を、図１８に、従来技術３の引っ張
り歪量子井戸半導体レーザの層構造を、それぞれ示す。
図１７に示すように、従来技術２の半導体レーザは、(0
01) 方位ｎ型ＩｎＰ基板６１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド
層６２、１．３μｍ波長組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層６３、１．３μｍ波長組成のＩｎＧａＡｓＰバ
リア層６４とＩｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ量子井戸層６５とを
交互に４周期積層した多重量子井戸活性層、１．３μｍ
波長組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層６６、ｐ型
ＩｎＰクラッド層６７、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャ
ップ層６８を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ
キャップ層上にｐ側電極６９を、基板裏面にｎ側電極７
０を設けた構造となっている。基板を含めて、半導体層
は全て閃亜鉛鉱構造である。量子井戸層６５はＩｎＰ基
板６１より格子定数が大きく、１．２％の圧縮歪が加え
られている。
【０００７】図１８に示すように、従来技術３の半導体
レーザは、(001) 方位ｎ型ＩｎＰ基板７１上に、ｎ型Ｉ
ｎＰクラッド層７２、１．１５μｍ波長組成のｎ型Ｉｎ
ＧａＡｓＰ光閉じ込め層７３、１．１５μｍ波長組成の
ＩｎＧａＡｓＰバリア層７４とＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ量
子井戸層７５とを交互に４周期積層した多重量子井戸活
性層、１．１５μｍ波長組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層７６、ｐ型ＩｎＰクラッド層７７、ｐ型Ｉｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層７８を順次成長させ、ｐ型
Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層７８上にｐ側電極７
９、基板裏面にｎ側電極８０を設けた構成になってい
る。基板を含めて、半導体層は全て閃亜鉛鉱構造であ
る。量子井戸層７５はＩｎＰ基板７１より格子定数が小
さく、１．６％の引っ張り歪が加えられている。
レーザは、(001) 方位ｎ型ＩｎＰ基板７１上に、ｎ型Ｉ
ｎＰクラッド層７２、１．１５μｍ波長組成のｎ型Ｉｎ
ＧａＡｓＰ光閉じ込め層７３、１．１５μｍ波長組成の
ＩｎＧａＡｓＰバリア層７４とＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ量
子井戸層７５とを交互に４周期積層した多重量子井戸活
性層、１．１５μｍ波長組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層７６、ｐ型ＩｎＰクラッド層７７、ｐ型Ｉｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層７８を順次成長させ、ｐ型
Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層７８上にｐ側電極７
９、基板裏面にｎ側電極８０を設けた構成になってい
る。基板を含めて、半導体層は全て閃亜鉛鉱構造であ
る。量子井戸層７５はＩｎＰ基板７１より格子定数が小
さく、１．６％の引っ張り歪が加えられている。
【０００８】図１９に、(001) 方位ＩｎＰ基板上に積層
した閃亜鉛鉱構造Ｉｎx Ｇａ1-x ＡｓのＩｎ組成ｘとΓ
点バンドエネルギーの関係を計算した結果を示す。Ｉｎ
組成ｘが０．５３の時にＩｎx Ｇａ1-x ＡｓはＩｎＰ基
板に格子整合する。ｘ＞０．５３の時、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ａｓには圧縮歪が、ｘ＜０．５３の時引っ張り歪がかか
り、原子軌道（１／√２）｜（ｐx ＋ｉｐy ）α〉と
（１／√２）｜（ｐx −ｉｐy ）β〉に由来するバンド
が縮退したヘビーホールバンドと、原子軌道（１／√
６）｜（ｐx ＋ｉｐy ）β〉−√（２／３）｜ｐz α〉
と−（１／√６）｜（ｐx −ｉｐy ）α〉−√（２／
３）｜ｐz β〉に由来するバンドが縮退したライトホー
ルバンドに価電子帯端が分裂する。
した閃亜鉛鉱構造Ｉｎx Ｇａ1-x ＡｓのＩｎ組成ｘとΓ
点バンドエネルギーの関係を計算した結果を示す。Ｉｎ
組成ｘが０．５３の時にＩｎx Ｇａ1-x ＡｓはＩｎＰ基
板に格子整合する。ｘ＞０．５３の時、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ａｓには圧縮歪が、ｘ＜０．５３の時引っ張り歪がかか
り、原子軌道（１／√２）｜（ｐx ＋ｉｐy ）α〉と
（１／√２）｜（ｐx −ｉｐy ）β〉に由来するバンド
が縮退したヘビーホールバンドと、原子軌道（１／√
６）｜（ｐx ＋ｉｐy ）β〉−√（２／３）｜ｐz α〉
と−（１／√６）｜（ｐx −ｉｐy ）α〉−√（２／
３）｜ｐz β〉に由来するバンドが縮退したライトホー
ルバンドに価電子帯端が分裂する。
【０００９】ｐx 、ｐy 、ｐz はそれぞれｘ、ｙ、ｚ方
向を向いたｐ型原子軌道を表す。ｘ、ｙ、ｚ方向はそれ
ぞれ＜１００＞、＜０１０＞、＜００１＞方向である。
α、βは異なるスピン状態を表す。従来技術２のように
圧縮歪を利用する場合は、価電子帯端はヘビーホールと
なり、ライトホールとヘビーホールの分裂の結果ヘビー
ホールの量子井戸面内状態密度が減少して、少ないホー
ル密度で利得が得られるために半導体レーザのしきい値
が低下する。一方、従来技術３のように引っ張り歪を利
用する場合は、価電子帯端はライトホールとなり、ライ
トホールの量子井戸面内状態密度は大きいが、ライトホ
ールと伝導帯の間のｚ方向の双極子モーメントがヘビー
ホールと伝導帯の間の双極子モーメントよりも３０％程
度大きいため、少ないホール密度で利得が得られ、半導
体レーザのしきい値が減少する。
向を向いたｐ型原子軌道を表す。ｘ、ｙ、ｚ方向はそれ
ぞれ＜１００＞、＜０１０＞、＜００１＞方向である。
α、βは異なるスピン状態を表す。従来技術２のように
圧縮歪を利用する場合は、価電子帯端はヘビーホールと
なり、ライトホールとヘビーホールの分裂の結果ヘビー
ホールの量子井戸面内状態密度が減少して、少ないホー
ル密度で利得が得られるために半導体レーザのしきい値
が低下する。一方、従来技術３のように引っ張り歪を利
用する場合は、価電子帯端はライトホールとなり、ライ
トホールの量子井戸面内状態密度は大きいが、ライトホ
ールと伝導帯の間のｚ方向の双極子モーメントがヘビー
ホールと伝導帯の間の双極子モーメントよりも３０％程
度大きいため、少ないホール密度で利得が得られ、半導
体レーザのしきい値が減少する。
【００１０】従来技術２、３のいずれの場合にも、量子
井戸に隣接するバリア層にｐドープすることによって、
電流未注入時のホール密度を高め、電流によるホール注
入量を減少させて発振しきい値を減少させることができ
る。但し、１．３μｍ以上の長波長で発振する半導体レ
ーザでは、オージェ効果による非発光再結合レート及び
価電子帯間光吸収が大きいのでｐドープの効果は小さい
か、発振しきい値をかえって上昇させる。従来技術２、
３は、発振しきい値の低い半導体レーザのみならず、動
作電流の低い発光ダイオードにも適用できる。
井戸に隣接するバリア層にｐドープすることによって、
電流未注入時のホール密度を高め、電流によるホール注
入量を減少させて発振しきい値を減少させることができ
る。但し、１．３μｍ以上の長波長で発振する半導体レ
ーザでは、オージェ効果による非発光再結合レート及び
価電子帯間光吸収が大きいのでｐドープの効果は小さい
か、発振しきい値をかえって上昇させる。従来技術２、
３は、発振しきい値の低い半導体レーザのみならず、動
作電流の低い発光ダイオードにも適用できる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従来技術１のように、
ドーピングによる活性層の深い準位からの発光を用いる
場合は、バンド間発光に比べて発光スペクトルが広く、
効率が低い。従って、従来技術１の構造を用いた場合レ
ーザ発振は困難である。窒化ガリウム系化合物半導体に
おいてもドーピングしないでバンド間発光を用いる場合
は、閃亜鉛鉱構造III −Ｖ属化合物半導体を用いた従来
技術２、３と同様にして、活性層における面内等方歪を
積極的に利用して半導体レーザの発振しきい値の低減、
あるいは発光ダイオードの動作電流の低減を図ることが
考えられる。
ドーピングによる活性層の深い準位からの発光を用いる
場合は、バンド間発光に比べて発光スペクトルが広く、
効率が低い。従って、従来技術１の構造を用いた場合レ
ーザ発振は困難である。窒化ガリウム系化合物半導体に
おいてもドーピングしないでバンド間発光を用いる場合
は、閃亜鉛鉱構造III −Ｖ属化合物半導体を用いた従来
技術２、３と同様にして、活性層における面内等方歪を
積極的に利用して半導体レーザの発振しきい値の低減、
あるいは発光ダイオードの動作電流の低減を図ることが
考えられる。
【００１２】しかしながら、窒化ガリウム系化合物半導
体は閃亜鉛鉱構造だけでなくウルツ鉱構造をとることが
でき、ウルツ鉱構造の方が安定である。また、スピン−
軌道相互作用分裂エネルギーは、ＧａＡｓ、ＩｎＰの場
合にはそれぞれ０．３４ｅＶ、０．１１ｅＶと比較的大
きいのに対して、ＧａＮの場合には０．０１１ｅＶと非
常に小さい。従って、窒化ガリウム系材料の場合は、面
内等方歪の効果はＧａＡｓ、ＩｎＰ系材料の場合とは異
なったものになると予想される。
体は閃亜鉛鉱構造だけでなくウルツ鉱構造をとることが
でき、ウルツ鉱構造の方が安定である。また、スピン−
軌道相互作用分裂エネルギーは、ＧａＡｓ、ＩｎＰの場
合にはそれぞれ０．３４ｅＶ、０．１１ｅＶと比較的大
きいのに対して、ＧａＮの場合には０．０１１ｅＶと非
常に小さい。従って、窒化ガリウム系材料の場合は、面
内等方歪の効果はＧａＡｓ、ＩｎＰ系材料の場合とは異
なったものになると予想される。
【００１３】本発明の目的は、発光効率の高いバンド間
発光を用い、かつ低い電流密度で大きい光出力の得られ
るウルツ鉱構造および閃亜鉛鉱構造の窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子を提供することにある。すなわち、
緑青色から紫外域での高効率の発光ダイオードおよび半
導体レーザを提供することである。
発光を用い、かつ低い電流密度で大きい光出力の得られ
るウルツ鉱構造および閃亜鉛鉱構造の窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子を提供することにある。すなわち、
緑青色から紫外域での高効率の発光ダイオードおよび半
導体レーザを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明によれば、基板面に垂直な方向が〈０００
１〉方位となるウルツ鉱構造または基板面に垂直な方向
が〈００１〉方位となる閃亜鉛鉱構造のＧａx Ａｌ1-x
Ｎ層（但し、０≦ｘ≦１）またはＩｎの組成比の低いＧ
ａy Ａｌz Ｉｎ1-y-z Ｎ層（但し、０≦ｙ，ｚ≦１、０
＜ｙ＋ｚ＜１）からなる量子井戸層が発光層となる窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記量子井
戸層は１０ｎｍ以上の膜厚を有するとともに引っ張り歪
が加えられており、かつ、光が基板面に平行方向取り出
されることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子、が提供される。
め、本発明によれば、基板面に垂直な方向が〈０００
１〉方位となるウルツ鉱構造または基板面に垂直な方向
が〈００１〉方位となる閃亜鉛鉱構造のＧａx Ａｌ1-x
Ｎ層（但し、０≦ｘ≦１）またはＩｎの組成比の低いＧ
ａy Ａｌz Ｉｎ1-y-z Ｎ層（但し、０≦ｙ，ｚ≦１、０
＜ｙ＋ｚ＜１）からなる量子井戸層が発光層となる窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記量子井
戸層は１０ｎｍ以上の膜厚を有するとともに引っ張り歪
が加えられており、かつ、光が基板面に平行方向取り出
されることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子、が提供される。
【００１５】
【作用】本発明者は、ウルツ鉱構造、閃亜鉛鉱構造窒化
ガリウム系化合物半導体について、バンド構造に対する
面内等方歪の効果を計算した。その結果、窒化ガリウム
系化合物半導体においては面内等方歪の効果がウルツ鉱
構造の場合は勿論閃亜鉛鉱構造のものにおいても他の閃
亜鉛鉱構造III −Ｖ属化合物半導体とは異なることを見
出した。そして、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
への面内等方歪の応用方法を見出した。窒化ガリウム系
化合物半導体については、面内等方歪のバンドに与える
影響についての報告は極めて少ないため、スピン−軌道
相互作用を取り入れた経験的強結合法を用いたバンド解
析により、面内等方歪の閃亜鉛鉱構造（cubic 構造）／
ウルツ鉱構造（hexagonal 構造）ＧａＮ（以下、それぞ
れｃ−ＧａＮ、ｈ−ＧａＮと記す）のバンド構造に与え
る影響を予測した。図９（ａ）は、（001)方位基板上の
ｃ−ＧａＮのΓ点バンドエネルギーと面内等方歪量の関
係を示す計算結果、図９（ｂ）は、（0001）方位基板上
のｈ−ＧａＮのΓ点バンドエネルギーと面内等方歪量の
関係を示す計算結果、をそれぞれ示す。バンドは価電子
帯端付近のものについてのみ示してあり、正の歪量は引
っ張り歪（基板の格子定数＞ＧａＮの格子定数）を表
し、負の歪量は圧縮歪（基板の格子定数＜ＧａＮの格子
定数）を表す。
ガリウム系化合物半導体について、バンド構造に対する
面内等方歪の効果を計算した。その結果、窒化ガリウム
系化合物半導体においては面内等方歪の効果がウルツ鉱
構造の場合は勿論閃亜鉛鉱構造のものにおいても他の閃
亜鉛鉱構造III −Ｖ属化合物半導体とは異なることを見
出した。そして、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
への面内等方歪の応用方法を見出した。窒化ガリウム系
化合物半導体については、面内等方歪のバンドに与える
影響についての報告は極めて少ないため、スピン−軌道
相互作用を取り入れた経験的強結合法を用いたバンド解
析により、面内等方歪の閃亜鉛鉱構造（cubic 構造）／
ウルツ鉱構造（hexagonal 構造）ＧａＮ（以下、それぞ
れｃ−ＧａＮ、ｈ−ＧａＮと記す）のバンド構造に与え
る影響を予測した。図９（ａ）は、（001)方位基板上の
ｃ−ＧａＮのΓ点バンドエネルギーと面内等方歪量の関
係を示す計算結果、図９（ｂ）は、（0001）方位基板上
のｈ−ＧａＮのΓ点バンドエネルギーと面内等方歪量の
関係を示す計算結果、をそれぞれ示す。バンドは価電子
帯端付近のものについてのみ示してあり、正の歪量は引
っ張り歪（基板の格子定数＞ＧａＮの格子定数）を表
し、負の歪量は圧縮歪（基板の格子定数＜ＧａＮの格子
定数）を表す。
【００１６】座標軸に関してはｘ、ｙ方向は基板面内に
あり、ｚ方向は基板面に垂直方向である。ｃ−ＧａＮ、
ｈ−ＧａＮ共通に引っ張り歪（＋歪）の場合にエネルギ
ーの高い２重縮退（スピン縮退）のバンド４５と、エネ
ルギーの低い近接した２つの２重縮退のバンド４６、４
７に分かれる。バンド４５は主に基板面に垂直方向を向
いたｐ型原子軌道から、バンド４６、４７は主に基板面
内方向を向いたｐ型原子軌道から、それぞれ構成され
る。
あり、ｚ方向は基板面に垂直方向である。ｃ−ＧａＮ、
ｈ−ＧａＮ共通に引っ張り歪（＋歪）の場合にエネルギ
ーの高い２重縮退（スピン縮退）のバンド４５と、エネ
ルギーの低い近接した２つの２重縮退のバンド４６、４
７に分かれる。バンド４５は主に基板面に垂直方向を向
いたｐ型原子軌道から、バンド４６、４７は主に基板面
内方向を向いたｐ型原子軌道から、それぞれ構成され
る。
【００１７】一方、圧縮歪（−歪）の場合は、エネルギ
ーの高い近接した２つの２重縮退のバンド４８、４９
と、エネルギーの低い２重縮退のバンド５０に分かれ
る。バンド４８、４９は主に基板面内方向を向いたｐ型
原子軌道から、バンド５０は主に基板面に垂直方向を向
いたｐ型原子軌道からそれぞれ構成される。面内等方歪
による価電子帯端の分裂状態は、図１９に示したＩｎx
Ｇａ1-x Ａｓの場合と大きく異なっていることが分か
る。これは、主にＧａＮにおいてスピン−軌道相互作用
分裂エネルギーが極めて小さいことによる。
ーの高い近接した２つの２重縮退のバンド４８、４９
と、エネルギーの低い２重縮退のバンド５０に分かれ
る。バンド４８、４９は主に基板面内方向を向いたｐ型
原子軌道から、バンド５０は主に基板面に垂直方向を向
いたｐ型原子軌道からそれぞれ構成される。面内等方歪
による価電子帯端の分裂状態は、図１９に示したＩｎx
Ｇａ1-x Ａｓの場合と大きく異なっていることが分か
る。これは、主にＧａＮにおいてスピン−軌道相互作用
分裂エネルギーが極めて小さいことによる。
【００１８】次に、価電子帯端の状態密度を見るため
に、ｃ−ＧａＮ、ｈ−ＧａＮのバンド構造（バンドエネ
ルギーと結晶波数の関係：Ｅ−ｋ関係）を計算した。ｃ
−ＧａＮについて、図１０（ａ）、（ｂ）に無歪の場合
の荷電子帯端付近での、それぞれΓ点からＸ点方向（ｚ
方向）、Γ点からＫ点方向（ｘ−ｙ面内）のＥ−ｋ関係
を示す。バンドの縮重度は図中の括弧内の数字で表して
ある。図１１（ａ）、（ｂ）は圧縮歪（１％）ｃ−Ｇａ
Ｎについての、図１２（ａ）（ｂ）は引っ張り歪（１
％）ｃ−ＧａＮについての図１０と同様のＥ−ｋ関係を
示す。図１０〜図１２より、バンドの縮重度、有効質量
（バンドの曲率）を考えれば、価電子帯頂上のΓ点付近
の状態密度が最も小さくなるのは、引っ張り歪の場合で
あることが分かる。
に、ｃ−ＧａＮ、ｈ−ＧａＮのバンド構造（バンドエネ
ルギーと結晶波数の関係：Ｅ−ｋ関係）を計算した。ｃ
−ＧａＮについて、図１０（ａ）、（ｂ）に無歪の場合
の荷電子帯端付近での、それぞれΓ点からＸ点方向（ｚ
方向）、Γ点からＫ点方向（ｘ−ｙ面内）のＥ−ｋ関係
を示す。バンドの縮重度は図中の括弧内の数字で表して
ある。図１１（ａ）、（ｂ）は圧縮歪（１％）ｃ−Ｇａ
Ｎについての、図１２（ａ）（ｂ）は引っ張り歪（１
％）ｃ−ＧａＮについての図１０と同様のＥ−ｋ関係を
示す。図１０〜図１２より、バンドの縮重度、有効質量
（バンドの曲率）を考えれば、価電子帯頂上のΓ点付近
の状態密度が最も小さくなるのは、引っ張り歪の場合で
あることが分かる。
【００１９】ｈ−ＧａＮについては、図１３（ａ）、
（ｂ）に無歪の場合の荷電子帯端付近での、それぞれΓ
点からＡ点方向（ｚ方向）、Γ点からＫ点方向（ｘ−ｙ
面内）のＥ−ｋ関係を示す。バンドの縮重度は図中の括
弧内の数字で表してある。図１４（ａ）、（ｂ）は圧縮
歪（１％）ｈ−ＧａＮについての、図１５（ａ）、
（ｂ）は引っ張り歪（１％）ｈ−ＧａＮについての、図
１３と同様のＥ−ｋ関係を示す。図１３〜図１５より、
ｃ−ＧａＮの場合と同様に、バンドの縮重度、有効質量
（バンドの曲率）を考えれば、価電子帯頂上のΓ点付近
の状態密度が最も小さくなるのは、引っ張り歪の場合で
あることが分かる。
（ｂ）に無歪の場合の荷電子帯端付近での、それぞれΓ
点からＡ点方向（ｚ方向）、Γ点からＫ点方向（ｘ−ｙ
面内）のＥ−ｋ関係を示す。バンドの縮重度は図中の括
弧内の数字で表してある。図１４（ａ）、（ｂ）は圧縮
歪（１％）ｈ−ＧａＮについての、図１５（ａ）、
（ｂ）は引っ張り歪（１％）ｈ−ＧａＮについての、図
１３と同様のＥ−ｋ関係を示す。図１３〜図１５より、
ｃ−ＧａＮの場合と同様に、バンドの縮重度、有効質量
（バンドの曲率）を考えれば、価電子帯頂上のΓ点付近
の状態密度が最も小さくなるのは、引っ張り歪の場合で
あることが分かる。
【００２０】また、ｃ−ＧａＮ、ｈ−ＧａＮに共通に、
引っ張り歪の場合はΓ点価電子帯端は主として基板面に
垂直方向（ｚ方向）を向いたｐ型原子軌道から構成され
る。このため、ｚ方向の双極子モーメントは従来技術３
の場合のｚ方向双極子モーメントよりもさらに大きくな
り、ｚ方向に偏光した光に対して大きな利得を生じる。
但し、ｃ−ＧａＮ、ｈ−ＧａＮに共通に、ＧａＮ層の層
厚が薄すぎると、ｚ方向の量子閉じ込め効果によって最
低次ホールサブバンドの原子軌道が基板面内（ｘ−ｙ方
向）に向いたｐ型原子軌道になるため、層厚をある程度
大きく設定する必要がある。これは、ｚ方向を向いたｐ
型原子軌道を持つバンドのｚ方向の有効質量が、ｘ−ｙ
面内方向を向いたりｐ型原子軌道を持つバンドのｚ方向
の有効質量よりも小さいためである。従って、基板面に
垂直方向の双極子モーメントを有効に利用するために
は、活性層として多重量子井戸を用いる場合にも、各量
子井戸層の層厚は１０ｎｍ以上とすることが望ましい。
また、本発明においては、発光層（量子井戸層）の層厚
が厚くなされたことにより、この層に加えられる引っ張
り歪は３％以内に抑えることが望ましい。
引っ張り歪の場合はΓ点価電子帯端は主として基板面に
垂直方向（ｚ方向）を向いたｐ型原子軌道から構成され
る。このため、ｚ方向の双極子モーメントは従来技術３
の場合のｚ方向双極子モーメントよりもさらに大きくな
り、ｚ方向に偏光した光に対して大きな利得を生じる。
但し、ｃ−ＧａＮ、ｈ−ＧａＮに共通に、ＧａＮ層の層
厚が薄すぎると、ｚ方向の量子閉じ込め効果によって最
低次ホールサブバンドの原子軌道が基板面内（ｘ−ｙ方
向）に向いたｐ型原子軌道になるため、層厚をある程度
大きく設定する必要がある。これは、ｚ方向を向いたｐ
型原子軌道を持つバンドのｚ方向の有効質量が、ｘ−ｙ
面内方向を向いたりｐ型原子軌道を持つバンドのｚ方向
の有効質量よりも小さいためである。従って、基板面に
垂直方向の双極子モーメントを有効に利用するために
は、活性層として多重量子井戸を用いる場合にも、各量
子井戸層の層厚は１０ｎｍ以上とすることが望ましい。
また、本発明においては、発光層（量子井戸層）の層厚
が厚くなされたことにより、この層に加えられる引っ張
り歪は３％以内に抑えることが望ましい。
【００２１】以上の結果により十分に層厚の大きい引っ
張り歪−ＧａＮを活性層に用い、かつｚ方向に偏光する
光を外部に取り出すようにすれば、価電子帯端状態密度
が最も小さくなること、双極子モーメントが大きいこ
と、の２つの効果により、半導体レーザの発振しきい値
を大きく低減することができる。また発光ダイオードの
場合は発光効率を大きく改善できる。但し、ｚ方向に偏
光する光を外部に取り出すためにはｘ−ｙ面内方向に光
を取り出す必要がある。
張り歪−ＧａＮを活性層に用い、かつｚ方向に偏光する
光を外部に取り出すようにすれば、価電子帯端状態密度
が最も小さくなること、双極子モーメントが大きいこ
と、の２つの効果により、半導体レーザの発振しきい値
を大きく低減することができる。また発光ダイオードの
場合は発光効率を大きく改善できる。但し、ｚ方向に偏
光する光を外部に取り出すためにはｘ−ｙ面内方向に光
を取り出す必要がある。
【００２２】ＧａＮ以外の窒化ガリウム系材料について
は、ＡｌＮはスピン−軌道相互作用分裂エネルギーがＧ
ａＮよりも小さいと予想され、ＧａＮと同様なバンド構
造になると予想されるため、上に述べたと同様の方法に
より同様の効果を得ることが期待できる。これは、Ｇａ
ＮとＡｌＮの混晶についても同様である。ＩｎＮは、ス
ピン軌道エネルギーが比較的大きい（０．０９Ｖ程度）
ため、ＧａＮとＧａＡｓの中間の特徴を持ったバンド構
造になると予想されるが、Ｉｎの混晶比が小さいＩｎＧ
ａＡｌＮでは、ＧａＮの場合と同様の方法により同様の
効果が期待できる。
は、ＡｌＮはスピン−軌道相互作用分裂エネルギーがＧ
ａＮよりも小さいと予想され、ＧａＮと同様なバンド構
造になると予想されるため、上に述べたと同様の方法に
より同様の効果を得ることが期待できる。これは、Ｇａ
ＮとＡｌＮの混晶についても同様である。ＩｎＮは、ス
ピン軌道エネルギーが比較的大きい（０．０９Ｖ程度）
ため、ＧａＮとＧａＡｓの中間の特徴を持ったバンド構
造になると予想されるが、Ｉｎの混晶比が小さいＩｎＧ
ａＡｌＮでは、ＧａＮの場合と同様の方法により同様の
効果が期待できる。
【００２３】以上の結果より、窒化ガリウム系化合物半
導体を発光層とする場合に、面内等方歪の利用の方法が
ＩｎＰ、ＧａＡｓ系材料における方法と異なっているこ
とが分かる。さらに、上記の引っ張り歪の利用に加え
て、ｐ型ドーピングによって発光層に予めホールを蓄積
しておけば、従来技術２、３と同様にして半導体レーザ
の発振しきい値をさらに下げることができる。但し、こ
の場合は、発光層をバリア層と量子井戸層を交互に積層
した多重量子井戸にして、バリア層のみにｐ型ドープす
る。
導体を発光層とする場合に、面内等方歪の利用の方法が
ＩｎＰ、ＧａＡｓ系材料における方法と異なっているこ
とが分かる。さらに、上記の引っ張り歪の利用に加え
て、ｐ型ドーピングによって発光層に予めホールを蓄積
しておけば、従来技術２、３と同様にして半導体レーザ
の発振しきい値をさらに下げることができる。但し、こ
の場合は、発光層をバリア層と量子井戸層を交互に積層
した多重量子井戸にして、バリア層のみにｐ型ドープす
る。
【００２４】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。なお、以下の実施例においては、窒化ガリ
ウム系半導体レーザについて説明を行う。 ［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例を示す
半導体レーザの断面図である。図１に示されるように、
本実施例の半導体レーザは、（0001）方位サファイア基
板１上に、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ層２、ｎ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３、ｎ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇ
ａ0.79Ｎクラッド層４、層厚５０ｎｍのアンドープＧａ
Ｎ活性層５、ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド
層６、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層７を順次成長
させ、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層７上にｐ側電
極８、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３上にｎ側電
極９を形成して構成したものである。
て説明する。なお、以下の実施例においては、窒化ガリ
ウム系半導体レーザについて説明を行う。 ［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例を示す
半導体レーザの断面図である。図１に示されるように、
本実施例の半導体レーザは、（0001）方位サファイア基
板１上に、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ層２、ｎ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３、ｎ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇ
ａ0.79Ｎクラッド層４、層厚５０ｎｍのアンドープＧａ
Ｎ活性層５、ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド
層６、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層７を順次成長
させ、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層７上にｐ側電
極８、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３上にｎ側電
極９を形成して構成したものである。
【００２５】半導体レーザからの出射光１０は基板１面
に平行な方向から取り出される。この半導体レーザで
は、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３が事実上の基
板となり、活性層５には０．７％程度の引っ張り歪が加
えられている。この時のＧａＮ活性層５周辺のΓ点での
バンド構造を図２に示す。価電子帯端は主に基板１面に
垂直方向を向いたｐ型原子軌道に由来するバンド１１で
あり、サファイア基板１面に平行方向を向いたｐ型原子
軌道に由来するバンド１２、１３とΓ点において５０ｍ
ｅＶ程度離れている。
に平行な方向から取り出される。この半導体レーザで
は、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３が事実上の基
板となり、活性層５には０．７％程度の引っ張り歪が加
えられている。この時のＧａＮ活性層５周辺のΓ点での
バンド構造を図２に示す。価電子帯端は主に基板１面に
垂直方向を向いたｐ型原子軌道に由来するバンド１１で
あり、サファイア基板１面に平行方向を向いたｐ型原子
軌道に由来するバンド１２、１３とΓ点において５０ｍ
ｅＶ程度離れている。
【００２６】本実施例の半導体レーザでは、(0001)方位
ウルツ鉱構造ＧａＮを発光層とし、面内等方引っ張り歪
を用いることによって、発光層の価電子帯端のバンドが
Γ点において主として基板面に垂直方向を向いたｐ型原
子軌道から構成されるようにし、かつ光を基板面に平行
な方向から取り出すようにしたので、価電子帯端のホー
ル状態密度が減少し、利用できる双極子モーメントが大
きくなるために、発振しきい値を低減することができ
る。
ウルツ鉱構造ＧａＮを発光層とし、面内等方引っ張り歪
を用いることによって、発光層の価電子帯端のバンドが
Γ点において主として基板面に垂直方向を向いたｐ型原
子軌道から構成されるようにし、かつ光を基板面に平行
な方向から取り出すようにしたので、価電子帯端のホー
ル状態密度が減少し、利用できる双極子モーメントが大
きくなるために、発振しきい値を低減することができ
る。
【００２７】［第２の実施例］図３は、本発明の第２の
実施例を示す半導体レーザの断面図である。図３に示さ
れるように、本実施例の半導体レーザは、（0001）方位
サファイア基板１上に、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ層
２、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３、ｎ型Ｉｎ
0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層４、層厚１０ｎｍの
ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎバリア層１４と層厚１
５ｎｍのアンドープＧａＮ量子井戸層１５を交互に５周
期積層した多重量子井戸活性層１６、ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ
0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層６、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ
キャップ層７を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ
キャップ層７上にｐ側電極８、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ
クラッド層３上にｎ側電極９を形成して構成したもので
ある。
実施例を示す半導体レーザの断面図である。図３に示さ
れるように、本実施例の半導体レーザは、（0001）方位
サファイア基板１上に、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ層
２、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層３、ｎ型Ｉｎ
0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層４、層厚１０ｎｍの
ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎバリア層１４と層厚１
５ｎｍのアンドープＧａＮ量子井戸層１５を交互に５周
期積層した多重量子井戸活性層１６、ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ
0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層６、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ
キャップ層７を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ
キャップ層７上にｐ側電極８、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ
クラッド層３上にｎ側電極９を形成して構成したもので
ある。
【００２８】この半導体レーザではｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ
0.94Ｎクラッド層３が事実上の基板となり、量子井戸層
１５には０．７％程度の引っ張り歪が加えられている。
この時の活性層１６のΓ点でのバンド構造を図４に示
す。量子井戸層１５の価電子帯端は主に基板１面に垂直
方向を向いたｐ型原子軌道に由来するバンド１７であ
り、基板１面に平行方向を向いたｐ型原子軌道に由来す
るバンド１８、１９とΓ点において５０ｍｅＶ程度離れ
ている。更に、量子閉じ込め効果によりバンド１７に由
来するサブバンド２０とバンド１８、１９に由来するサ
ブバンド２１、２２が形成される。
0.94Ｎクラッド層３が事実上の基板となり、量子井戸層
１５には０．７％程度の引っ張り歪が加えられている。
この時の活性層１６のΓ点でのバンド構造を図４に示
す。量子井戸層１５の価電子帯端は主に基板１面に垂直
方向を向いたｐ型原子軌道に由来するバンド１７であ
り、基板１面に平行方向を向いたｐ型原子軌道に由来す
るバンド１８、１９とΓ点において５０ｍｅＶ程度離れ
ている。更に、量子閉じ込め効果によりバンド１７に由
来するサブバンド２０とバンド１８、１９に由来するサ
ブバンド２１、２２が形成される。
【００２９】バンド１７のｚ方向の有効質量はバンド１
８、１９のものよりも数倍小さいので、サブバンド２
０、２１の間隔はバンド１７、１８の間隔５０ｍｅＶよ
りも小さくなるが、量子井戸層１５の層厚が１５ｎｍと
大きいのでその小さくなる量は小さい。また、バリア層
１４にはｐドープされているので、ホールが量子井戸層
１５に蓄積される。
８、１９のものよりも数倍小さいので、サブバンド２
０、２１の間隔はバンド１７、１８の間隔５０ｍｅＶよ
りも小さくなるが、量子井戸層１５の層厚が１５ｎｍと
大きいのでその小さくなる量は小さい。また、バリア層
１４にはｐドープされているので、ホールが量子井戸層
１５に蓄積される。
【００３０】本実施例の半導体レーザでは、第１の実施
例の活性層が量子井戸とバリア層を交互に積層した多重
量子井戸となっており、発光層が量子井戸であり、かつ
バリア層のみにｐ型ドープが施されている。このように
構成されているため、第１の実施例の効果に加えて、予
め電流注入以前のホール濃度を高く設定しておくことが
できさらに発振しきい値を下げることができる。
例の活性層が量子井戸とバリア層を交互に積層した多重
量子井戸となっており、発光層が量子井戸であり、かつ
バリア層のみにｐ型ドープが施されている。このように
構成されているため、第１の実施例の効果に加えて、予
め電流注入以前のホール濃度を高く設定しておくことが
できさらに発振しきい値を下げることができる。
【００３１】［第３の実施例］図５は、本発明の第３の
実施例を示す半導体レーザの断面図である。図５に示さ
れるように、本実施例の半導体レーザは、（001)方位ｎ
型ＧａＡｓ基板２３上に、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ
層２４、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２５、ｎ型
Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層２６、層厚５０
ｎｍのアンドープＧａＮ活性層２７、ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ
0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層２８、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94
Ｎキャップ層２９を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ
0.94Ｎキャップ層２９上にｐ側電極３０、基板裏面にｎ
側電極３１を形成して構成したものである。半導体レー
ザからの出射光３２はＧａＡｓ基板２３の主面に平行な
方向から取り出される。
実施例を示す半導体レーザの断面図である。図５に示さ
れるように、本実施例の半導体レーザは、（001)方位ｎ
型ＧａＡｓ基板２３上に、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ
層２４、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２５、ｎ型
Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層２６、層厚５０
ｎｍのアンドープＧａＮ活性層２７、ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ
0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層２８、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94
Ｎキャップ層２９を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ
0.94Ｎキャップ層２９上にｐ側電極３０、基板裏面にｎ
側電極３１を形成して構成したものである。半導体レー
ザからの出射光３２はＧａＡｓ基板２３の主面に平行な
方向から取り出される。
【００３２】（001)方位閃亜鉛鉱型基板上に窒化ガリウ
ム系材料を形成すると、基板面に垂直方向で〈00１〉方
位となる窒化ガリウム系材料を得ることができる。この
半導体レーザではｎ型ＩｎＧａＮクラッド層２５が事実
上の基板となり、ＧａＮ活性層２７には０．７％程度の
引っ張り歪が加えられている。この時のＧａＮ活性層２
７付近のΓ点でのバンド構造を図６に示す。価電子帯端
は基板２３面に垂直方向を向いたｐ型原子軌道に由来す
るバンド３３であり、ＧａＡｓ基板２３面に平行方向を
向いたｐ型原子軌道に由来するバンド３４、３５とΓ点
において７０ｍｅＶ程度離れている。
ム系材料を形成すると、基板面に垂直方向で〈00１〉方
位となる窒化ガリウム系材料を得ることができる。この
半導体レーザではｎ型ＩｎＧａＮクラッド層２５が事実
上の基板となり、ＧａＮ活性層２７には０．７％程度の
引っ張り歪が加えられている。この時のＧａＮ活性層２
７付近のΓ点でのバンド構造を図６に示す。価電子帯端
は基板２３面に垂直方向を向いたｐ型原子軌道に由来す
るバンド３３であり、ＧａＡｓ基板２３面に平行方向を
向いたｐ型原子軌道に由来するバンド３４、３５とΓ点
において７０ｍｅＶ程度離れている。
【００３３】この実施例の半導体レーザでは、閃亜鉛鉱
構造ＧａＮを発光層として面内等方引っ張り歪を用いる
ことによって、発光層の価電子帯端のバンドがΓ点にお
いて主として基板面に垂直方向を向いたｐ型原子軌道か
ら構成されるようにし、かつ光を基板面に平行な方向か
ら取り出すようにしたので、価電子帯端のホール状態密
度が減少し、利用できる双極子モーメントが大きくなる
ために、発振しきい値を低減することができる。
構造ＧａＮを発光層として面内等方引っ張り歪を用いる
ことによって、発光層の価電子帯端のバンドがΓ点にお
いて主として基板面に垂直方向を向いたｐ型原子軌道か
ら構成されるようにし、かつ光を基板面に平行な方向か
ら取り出すようにしたので、価電子帯端のホール状態密
度が減少し、利用できる双極子モーメントが大きくなる
ために、発振しきい値を低減することができる。
【００３４】［第４の実施例］図７は、本発明の第４の
実施例を示す半導体レーザの断面図である。図７に示さ
れるように、本実施例の半導体レーザは、（001)方位ｎ
型ＧａＡｓ基板２３上に、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ
層２４、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２５、ｎ型
Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層２６、層厚１０
ｎｍのｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎバリア層３６と
層厚１５ｎｍのアンドープＧａＮ量子井戸層３７を交互
に５周期積層した多重量子井戸活性層３８、ｐ型Ｉｎ
0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層２８、ｐ型Ｉｎ0.06
Ｇａ0.94Ｎキャップ層２９を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層２９上にｐ側電極３０、基板
裏面ｎ側電極３１を形成して構成したものである。半導
体レーザからの出射光３２はＧａＡｓ基板２３の主面に
平行な方向から取り出される。
実施例を示す半導体レーザの断面図である。図７に示さ
れるように、本実施例の半導体レーザは、（001)方位ｎ
型ＧａＡｓ基板２３上に、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ
層２４、ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層２５、ｎ型
Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層２６、層厚１０
ｎｍのｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎバリア層３６と
層厚１５ｎｍのアンドープＧａＮ量子井戸層３７を交互
に５周期積層した多重量子井戸活性層３８、ｐ型Ｉｎ
0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層２８、ｐ型Ｉｎ0.06
Ｇａ0.94Ｎキャップ層２９を順次成長させ、ｐ型Ｉｎ
0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層２９上にｐ側電極３０、基板
裏面ｎ側電極３１を形成して構成したものである。半導
体レーザからの出射光３２はＧａＡｓ基板２３の主面に
平行な方向から取り出される。
【００３５】この半導体レーザではｎ型ＩｎＧａＮクラ
ッド層２５が事実上の基板となり、活性層３７には０．
７％程度の圧縮歪が加えられている。この時の活性層３
８付近のΓ点でのバンド構造を図８に示す。ＧａＮ量子
井戸層３７の価電子帯端は基板２３面に垂直方向を向い
たｐ型原子軌道に由来するバンド３９であり、基板２３
面に平行方向を向いたｐ型原子軌道に由来するバンド４
０、４１とΓ点において７０ｍｅＶ程度離れている。更
に、量子閉じ込め効果によりバンド３９に由来するサブ
バンド４２とバンド４０、４１に由来するサブバンド４
３、４４が形成される。
ッド層２５が事実上の基板となり、活性層３７には０．
７％程度の圧縮歪が加えられている。この時の活性層３
８付近のΓ点でのバンド構造を図８に示す。ＧａＮ量子
井戸層３７の価電子帯端は基板２３面に垂直方向を向い
たｐ型原子軌道に由来するバンド３９であり、基板２３
面に平行方向を向いたｐ型原子軌道に由来するバンド４
０、４１とΓ点において７０ｍｅＶ程度離れている。更
に、量子閉じ込め効果によりバンド３９に由来するサブ
バンド４２とバンド４０、４１に由来するサブバンド４
３、４４が形成される。
【００３６】バンド３９のｚ方向の有効質量はバンド４
０、４１のものよりも数倍小さいので、サブバンド４
２、４３の間隔はバンド３９、４０の間隔７０ｍｅＶよ
りも小さくなるが、量子井戸層３７の層厚が１５ｎｍと
大きいのでその小さくなる量は小さい。また、バリア層
３６にはｐドープされているので、ホールが量子井戸層
１５に蓄積される。本実施例の半導体レーザでは、先の
第３の実施例の半導体レーザにおける活性層が量子井戸
層とバリア層を交互に積層した多重量子井戸となってお
り、発光層が量子井戸層であり、かつバリア層のみがｐ
型にドープされている。このように構成された本実施例
の半導体レーザでは、第３の実施例の効果に加えて、予
め電流注入以前のホール濃度を高く設定しておくことが
できさらに発振しきい値を下げることができる。
０、４１のものよりも数倍小さいので、サブバンド４
２、４３の間隔はバンド３９、４０の間隔７０ｍｅＶよ
りも小さくなるが、量子井戸層３７の層厚が１５ｎｍと
大きいのでその小さくなる量は小さい。また、バリア層
３６にはｐドープされているので、ホールが量子井戸層
１５に蓄積される。本実施例の半導体レーザでは、先の
第３の実施例の半導体レーザにおける活性層が量子井戸
層とバリア層を交互に積層した多重量子井戸となってお
り、発光層が量子井戸層であり、かつバリア層のみがｐ
型にドープされている。このように構成された本実施例
の半導体レーザでは、第３の実施例の効果に加えて、予
め電流注入以前のホール濃度を高く設定しておくことが
できさらに発振しきい値を下げることができる。
【００３７】［実施例の拡張］以上好ましい実施例につ
いて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載された要旨から逸脱
しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。
例えば、実施例では、発光層をＧａＮにより構成してい
たが、これに代えＩｎ組成比の小さいＩｎＮ、ＧａＮ、
ＡｌＮの混晶を用いてもよい。また、本発明は、半導体
レーザに限るものではなく、動作電流が低くても光出力
が大きい窒化ガリウム系半導体発光ダイオードを得るた
めにも用いることができる。
いて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載された要旨から逸脱
しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。
例えば、実施例では、発光層をＧａＮにより構成してい
たが、これに代えＩｎ組成比の小さいＩｎＮ、ＧａＮ、
ＡｌＮの混晶を用いてもよい。また、本発明は、半導体
レーザに限るものではなく、動作電流が低くても光出力
が大きい窒化ガリウム系半導体発光ダイオードを得るた
めにも用いることができる。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子は、量子井戸層である
発光層を十分の厚さの（0001）または(001）方位の層と
するとともに面内等方引っ張り歪を加え、かつ光を基板
面に平行方向から取り出すようにしたものであるので、
荷電子帯端のホールの状態密度を減少させることができ
るとともに大きい双極子モーメントを利用することがで
きるようになる。したがって、本発明によれば、半導体
レーザのきい値を低減することができ、また、発光ダイ
オードの発光効率を向上させることができる。
ガリウム系化合物半導体発光素子は、量子井戸層である
発光層を十分の厚さの（0001）または(001）方位の層と
するとともに面内等方引っ張り歪を加え、かつ光を基板
面に平行方向から取り出すようにしたものであるので、
荷電子帯端のホールの状態密度を減少させることができ
るとともに大きい双極子モーメントを利用することがで
きるようになる。したがって、本発明によれば、半導体
レーザのきい値を低減することができ、また、発光ダイ
オードの発光効率を向上させることができる。
【図１】本発明の第１の実施例の半導体レーザの断面
図。
図。
【図２】第１の実施例の半導体レーザの活性層付近のΓ
点バンド構造を示す図。
点バンド構造を示す図。
【図３】本発明の第２の実施例の半導体レーザの断面
図。
図。
【図４】第２の実施例の半導体レーザの活性層付近のΓ
点バンド構造を示す図。
点バンド構造を示す図。
【図５】本発明の第３の実施例の半導体レーザの断面
図。
図。
【図６】第３の実施例の半導体レーザの活性層付近のΓ
点バンド構造を示す図。
点バンド構造を示す図。
【図７】本発明の第４の実施例の半導体レーザの断面
図。
図。
【図８】第４の実施例の半導体レーザの活性層付近のΓ
点バンド構造を示す図。
点バンド構造を示す図。
【図９】閃亜鉛鉱構造およびウルツ鉱構造ＧａＮにおけ
る面内等方歪量とΓ点バンドエネルギーの関係を示す特
性曲線図。
る面内等方歪量とΓ点バンドエネルギーの関係を示す特
性曲線図。
【図１０】閃亜鉛鉱構造無歪ＧａＮのバンド構造（エネ
ルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
ルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
【図１１】閃亜鉛鉱構造１％圧縮歪ＧａＮのバンド構造
（エネルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
（エネルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
【図１２】閃亜鉛鉱構造１％引っ張り歪ＧａＮのバンド
構造（エネルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
構造（エネルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
【図１３】ウルツ鉱構造無歪ＧａＮのバンド構造（エネ
ルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
ルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
【図１４】ウルツ鉱構造１％圧縮歪ＧａＮのバンド構造
（エネルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
（エネルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
【図１５】ウルツ鉱構造１％引っ張り歪ＧａＮのバンド
構造（エネルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
構造（エネルギー−波数関係）を示す特性曲線図。
【図１６】従来技術１の発光ダイオードの断面図。
【図１７】従来技術２の半導体レーザの断面図。
【図１８】従来技術３の半導体レーザの断面図。
【図１９】ＩｎＰ基板上のＩｎx Ｇａ1-x Ａｓにおける
Ｉｎ組成ｘとΓ点バンドエネルギーの関係を示す特性曲
線図。
Ｉｎ組成ｘとΓ点バンドエネルギーの関係を示す特性曲
線図。
１、５１ （0001）方位サファイア基板 ２、２４ Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎバッファ層 ３、２５ ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層 ４、２６ ｎ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層 ５、２７ アンドープＧａＮ活性層 ６、２８ ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎクラッド層 ７、２９ ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎキャップ層 ８、３０、５８、６９、７９ ｐ側電極 ９、３１、５９、７０、８０ ｎ側電極 １０、３２ 半導体レーザからの出射光 １１、１７、３３、３９、４５、５０ 基板面に垂直方
向を向いたｐ型原子軌道に由来するバンド １２、１３、１８、１９、３４、３５、４０、４１、４
６、４７、４８、４９基板面内方向を向いたｐ型原子軌
道に由来するバンド １４、３６ ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎバリア層 １５、３７ アンドープＧａＮ量子井戸層 １６、３８ 多重量子井戸活性層 ２０、４２ 基板面に垂直方向を向いたｐ型原子軌道に
由来するバンドから形成されるサブバンド ２１、２２、４３、４４ 基板面内方向を向いたｐ型原
子軌道に由来するバンドから形成されるサブバンド ２３ （001)方位ｎ型ＧａＡｓ基板 ５２ ＧａＮバッファ層 ５３ ｎ型ＧａＮクラッド層 ５４ ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層 ５５ ＺｎドープＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ活性層 ５６ ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層 ５７ ｐ型ＧａＮキャップ層 ６０ 発光ダイオードからの出射光 ６１、７１ （001)方位ｎ型ＩｎＰ基板 ６２、７２ ｎ型ＩｎＰクラッド層 ６３ １．３μｍ波長組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ
込め層 ６４ １．３μｍ波長組成のＩｎＧａＡｓＰバリア層 ６５ Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ量子井戸層 ６６ １．３μｍ波長組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ
込め層 ６７、７７ ｐ型ＩｎＰクラッド層 ６８、７８ ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層 ７３ １．１５μｍ波長組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層 ７４ １．１５μｍ波長組成のＩｎＧａＡｓＰバリア層 ７５ Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ量子井戸層 ７６ １．１５μｍ波長組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層
向を向いたｐ型原子軌道に由来するバンド １２、１３、１８、１９、３４、３５、４０、４１、４
６、４７、４８、４９基板面内方向を向いたｐ型原子軌
道に由来するバンド １４、３６ ｐ型Ｉｎ0.06Ａｌ0.15Ｇａ0.79Ｎバリア層 １５、３７ アンドープＧａＮ量子井戸層 １６、３８ 多重量子井戸活性層 ２０、４２ 基板面に垂直方向を向いたｐ型原子軌道に
由来するバンドから形成されるサブバンド ２１、２２、４３、４４ 基板面内方向を向いたｐ型原
子軌道に由来するバンドから形成されるサブバンド ２３ （001)方位ｎ型ＧａＡｓ基板 ５２ ＧａＮバッファ層 ５３ ｎ型ＧａＮクラッド層 ５４ ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層 ５５ ＺｎドープＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ活性層 ５６ ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層 ５７ ｐ型ＧａＮキャップ層 ６０ 発光ダイオードからの出射光 ６１、７１ （001)方位ｎ型ＩｎＰ基板 ６２、７２ ｎ型ＩｎＰクラッド層 ６３ １．３μｍ波長組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ
込め層 ６４ １．３μｍ波長組成のＩｎＧａＡｓＰバリア層 ６５ Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ量子井戸層 ６６ １．３μｍ波長組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ
込め層 ６７、７７ ｐ型ＩｎＰクラッド層 ６８、７８ ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層 ７３ １．１５μｍ波長組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層 ７４ １．１５μｍ波長組成のＩｎＧａＡｓＰバリア層 ７５ Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ量子井戸層 ７６ １．１５μｍ波長組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層
Claims (6)
- 【請求項１】 基板面に垂直な方向が〈０００１〉方位
となるウルツ鉱構造または基板面に垂直な方向が〈００
１〉方位となる閃亜鉛鉱構造のＧａx Ａｌ1-x Ｎ層（但
し、０≦ｘ≦１）またはＩｎの組成比の低いＧａy Ａｌ
z Ｉｎ1-y-zＮ層（但し、０≦ｙ，ｚ≦１、０＜ｙ＋ｚ
＜１）からなる量子井戸層を発光層とする窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子において、前記量子井戸層は１
０ｎｍ以上の膜厚を有するとともに引っ張り歪が加えら
れており、かつ、光が基板面に平行方向に取り出される
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子。 - 【請求項２】 出射光が基板面に垂直方向に偏光してい
ることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記量子井戸層に加えられる引っ張り歪
は、３％以下であることを特徴とする請求項１記載の窒
化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項４】 ＩｎＡｌＧａＮにより、クラッド層また
はクラッド層および多重量子井戸バリア層が形成されて
いることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子。 - 【請求項５】 前記多重量子井戸バリア層にはｐ型不純
物がドープされていることを特徴とする請求項４記載の
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 【請求項６】 （０００１）面を主面とするサファイア
基板上または（００１）面を主面とするＧａＡｓ基板上
に、ＩｎＧａＮバッファ層、ＩｎＧａＮ外側クラッド層
が形成され、その上に上記クラッド層および活性層が形
成されていることを特徴とする請求項４記載の窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17157595A JP2839077B2 (ja) | 1995-06-15 | 1995-06-15 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| US08/662,697 US5793054A (en) | 1995-06-15 | 1996-06-13 | Gallium nitride type compound semiconductor light emitting element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17157595A JP2839077B2 (ja) | 1995-06-15 | 1995-06-15 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH098412A true JPH098412A (ja) | 1997-01-10 |
| JP2839077B2 JP2839077B2 (ja) | 1998-12-16 |
Family
ID=15925695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17157595A Expired - Lifetime JP2839077B2 (ja) | 1995-06-15 | 1995-06-15 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5793054A (ja) |
| JP (1) | JP2839077B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000036620A (ja) * | 1998-06-05 | 2000-02-02 | Hewlett Packard Co <Hp> | 窒化物エピタキシのための多層インジウム含有窒化物緩衝層 |
| US6670647B1 (en) | 1999-08-31 | 2003-12-30 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor light emitting element, display device and optical information reproduction device using the same, and fabrication method of semiconductor light emitting element |
| US6861663B2 (en) | 1999-03-31 | 2005-03-01 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Group III nitride compound semiconductor light-emitting device |
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