JPH10321965A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH10321965A JPH10321965A JP5077498A JP5077498A JPH10321965A JP H10321965 A JPH10321965 A JP H10321965A JP 5077498 A JP5077498 A JP 5077498A JP 5077498 A JP5077498 A JP 5077498A JP H10321965 A JPH10321965 A JP H10321965A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＧａＮ系材料を用いた半導体レーザにおい
て、低しきい値でのレーザ発振を可能にする。 【解決手段】 活性層２６にキャリアの量子閉じ込め構
造を有する半導体レーザにおいて、量子閉じ込め構造
は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを量子井戸層２６１に有し、Ｉ
ｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを障壁層２６２に有する量子井戸構造
であり、量子井戸層２６１の厚さを１ｎｍと薄く設定
し、量子閉じ込め構造中の励起子の結合エネルギーを、
バルク中でのそれよりも十分大きくしてＬＯフォノンエ
ネルギーに略一致させた。
て、低しきい値でのレーザ発振を可能にする。 【解決手段】 活性層２６にキャリアの量子閉じ込め構
造を有する半導体レーザにおいて、量子閉じ込め構造
は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを量子井戸層２６１に有し、Ｉ
ｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを障壁層２６２に有する量子井戸構造
であり、量子井戸層２６１の厚さを１ｎｍと薄く設定
し、量子閉じ込め構造中の励起子の結合エネルギーを、
バルク中でのそれよりも十分大きくしてＬＯフォノンエ
ネルギーに略一致させた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
係わり、特に短波長の光が発光可能なＧａＮ系やＺｎＳ
ｅ系において高効率の発光を可能にする半導体発光素子
に関する。
係わり、特に短波長の光が発光可能なＧａＮ系やＺｎＳ
ｅ系において高効率の発光を可能にする半導体発光素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ディスプレイや次世代ＤＶＤへの
応用を目指した青色光源として、ＺｎＳｅ系やＧａＮ系
の半導体発光素子の開発が盛んである。特に、ＧａＮ系
の半導体レーザは紫外光までの短波長化が可能であるた
め、ＤＶＤの高密度書き込み，読み出し用光源として期
待されている。
応用を目指した青色光源として、ＺｎＳｅ系やＧａＮ系
の半導体発光素子の開発が盛んである。特に、ＧａＮ系
の半導体レーザは紫外光までの短波長化が可能であるた
め、ＤＶＤの高密度書き込み，読み出し用光源として期
待されている。
【０００３】しかしながら、この種の材料系では次のよ
うな問題があった。即ち、ＺｎＳｅやＧａＮ等の材料系
では、正孔のみならず電子の有効質量も大きく、レーザ
動作に必要なキャリアの反転分布が生じにくい。このた
め、発振しきい値が、ＧａＡｓやＩｎＰ等の材料系を使
った、より長波長でのレーザに比べ本質的に高いという
問題があった。また、ＰＬピーク波長付近では光損失が
極めて大きく、半導体レーザの発振しきい値は高かっ
た。
うな問題があった。即ち、ＺｎＳｅやＧａＮ等の材料系
では、正孔のみならず電子の有効質量も大きく、レーザ
動作に必要なキャリアの反転分布が生じにくい。このた
め、発振しきい値が、ＧａＡｓやＩｎＰ等の材料系を使
った、より長波長でのレーザに比べ本質的に高いという
問題があった。また、ＰＬピーク波長付近では光損失が
極めて大きく、半導体レーザの発振しきい値は高かっ
た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｚｎ
ＳｅやのＧａＮ等の材料系は、正孔，電子の有効質量が
大きく、反転分布が生じにくいため、発振しきい値が従
来の材料系に比べ本質的に高いという問題があった。さ
らに、ＰＬピーク波長付近では光損失が大きく、発振し
きい値が高いという問題があった．本発明は、上記の事
情を考慮して成されたもので、その目的とするところ
は、ＺｎＳｅやＧａＮ等の材料系を用いても低しきい値
でのレーザ発振を得ることのできる半導体発光素子を提
供することにある。
ＳｅやのＧａＮ等の材料系は、正孔，電子の有効質量が
大きく、反転分布が生じにくいため、発振しきい値が従
来の材料系に比べ本質的に高いという問題があった。さ
らに、ＰＬピーク波長付近では光損失が大きく、発振し
きい値が高いという問題があった．本発明は、上記の事
情を考慮して成されたもので、その目的とするところ
は、ＺｎＳｅやＧａＮ等の材料系を用いても低しきい値
でのレーザ発振を得ることのできる半導体発光素子を提
供することにある。
【０００５】
（構成）上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち本発明は、活性層の少なく
とも一部にキャリアの量子閉じ込め構造を有する半導体
発光素子において、前記量子閉じ込め構造中の励起子の
結合エネルギー若しくは不純物の束縛エネルギーを、Ｌ
Ｏフォノンエネルギーの正の整数倍に概略一致させてな
ることを特徴とする。
な構成を採用している。即ち本発明は、活性層の少なく
とも一部にキャリアの量子閉じ込め構造を有する半導体
発光素子において、前記量子閉じ込め構造中の励起子の
結合エネルギー若しくは不純物の束縛エネルギーを、Ｌ
Ｏフォノンエネルギーの正の整数倍に概略一致させてな
ることを特徴とする。
【０００６】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦
１）を量子井戸層に有し、Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ（０≦ｙ＜
ｘ）を障壁層に有するものであり、量子井戸層の厚さを
１．５ｎｍ以下に設定したこと。 (2) 量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦
１）を量子井戸層に有し、Ａｌy Ｇａ1-y Ｎ（０＜ｙ≦
１）を障壁層に有するものであり、量子井戸層の厚さを
２．５ｎｍ以下に設定したこと。
は次のものがあげられる。 (1) 量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦
１）を量子井戸層に有し、Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ（０≦ｙ＜
ｘ）を障壁層に有するものであり、量子井戸層の厚さを
１．５ｎｍ以下に設定したこと。 (2) 量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦
１）を量子井戸層に有し、Ａｌy Ｇａ1-y Ｎ（０＜ｙ≦
１）を障壁層に有するものであり、量子井戸層の厚さを
２．５ｎｍ以下に設定したこと。
【０００７】(3) 量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｎ（０＜ｘ≦１）とＩｎy Ｇａ1-yＮ（０≦ｙ＜ｘ）と
の組み合わせで量子箱を構成したものであり、この量子
箱の大きさを１０ｎｍ以下に設定したこと。 (4) 量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦
１）とＡｌy Ｇａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）との組み合わせ
で量子箱を構成したものであり、この量子箱の大きさを
１５ｎｍ以下に設定したこと。
Ｎ（０＜ｘ≦１）とＩｎy Ｇａ1-yＮ（０≦ｙ＜ｘ）と
の組み合わせで量子箱を構成したものであり、この量子
箱の大きさを１０ｎｍ以下に設定したこと。 (4) 量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦
１）とＡｌy Ｇａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）との組み合わせ
で量子箱を構成したものであり、この量子箱の大きさを
１５ｎｍ以下に設定したこと。
【０００８】また本発明は、基板上にＩｎx Ｇａy Ａｌ
1-x-y Ｎ（０＜ｘ，ｙ≦１）結晶系からなる層を少なく
とも含む多層構造を形成した半導体発光素子において、
前記多層構造の内部に回折格子を配置すると共に、発振
波長がＰＬピーク波長よりも長波長側となるように該回
折格子の周期を設定してなることを特徴とする。
1-x-y Ｎ（０＜ｘ，ｙ≦１）結晶系からなる層を少なく
とも含む多層構造を形成した半導体発光素子において、
前記多層構造の内部に回折格子を配置すると共に、発振
波長がＰＬピーク波長よりも長波長側となるように該回
折格子の周期を設定してなることを特徴とする。
【０００９】さらに本発明は、基板上にＩｎx Ｇａy Ａ
ｌ1-x-y Ｎ（０＜ｘ，ｙ≦１）結晶系からなる層を少な
くとも含む多層構造を形成し、活性層の少なくとも一部
にキャリアの量子閉じ込め構造を有する半導体発光素子
において、前記量子閉じ込め構造中の励起子の結合エネ
ルギー若しくは不純物の束縛エネルギーを、ＬＯフォノ
ンエネルギーの正の整数倍に概略一致させ、かつ前記多
層構造の内部に回折格子を配置すると共に、発振波長が
ＰＬピーク波長よりも長波長側となるように該回折格子
の周期を設定してなることを特徴とする。
ｌ1-x-y Ｎ（０＜ｘ，ｙ≦１）結晶系からなる層を少な
くとも含む多層構造を形成し、活性層の少なくとも一部
にキャリアの量子閉じ込め構造を有する半導体発光素子
において、前記量子閉じ込め構造中の励起子の結合エネ
ルギー若しくは不純物の束縛エネルギーを、ＬＯフォノ
ンエネルギーの正の整数倍に概略一致させ、かつ前記多
層構造の内部に回折格子を配置すると共に、発振波長が
ＰＬピーク波長よりも長波長側となるように該回折格子
の周期を設定してなることを特徴とする。
【００１０】ここで、望ましくは、発振波長とＰＬピー
ク波長との波長差を、エネルギー換算でＬＯフォノンエ
ネルギーの正の整数倍に概略一致させたことを特徴とす
る。 （作用）本発明によれば、量子閉じ込め構造を活性層に
有する半導体発光素子において、量子閉じ込め構造中の
励起子の結合エネルギーをＬＯフォノンのエネルギーの
整数倍に概略一致させるが、このことは重要な意味を持
つ。これを、以下に説明する。
ク波長との波長差を、エネルギー換算でＬＯフォノンエ
ネルギーの正の整数倍に概略一致させたことを特徴とす
る。 （作用）本発明によれば、量子閉じ込め構造を活性層に
有する半導体発光素子において、量子閉じ込め構造中の
励起子の結合エネルギーをＬＯフォノンのエネルギーの
整数倍に概略一致させるが、このことは重要な意味を持
つ。これを、以下に説明する。
【００１１】従来のＧａＮ系ＬＥＤやレーザでは、図７
に示すように、励起子の結合エネルギーがＬＯフォノン
のエネルギーより小さい関係にあった。そのため、量子
井戸中にキャリアを注入すると、基底準位間での発光が
まずメインに生じる。さらに注入キャリアの数を増して
いくと、キャリアはバンドに詰まってくるためフェルミ
準位が上昇していく。そして、やがてキャリアは大きな
エネルギーを持つためＬＯフォノンを放出して励起子準
位に入れるようになる。
に示すように、励起子の結合エネルギーがＬＯフォノン
のエネルギーより小さい関係にあった。そのため、量子
井戸中にキャリアを注入すると、基底準位間での発光が
まずメインに生じる。さらに注入キャリアの数を増して
いくと、キャリアはバンドに詰まってくるためフェルミ
準位が上昇していく。そして、やがてキャリアは大きな
エネルギーを持つためＬＯフォノンを放出して励起子準
位に入れるようになる。
【００１２】励起子準位に入ったキャリアは発光再結合
するが、励起子準位のエネルギー広がりは少ないため効
果的に発光し、非常に大きなレーザゲインが得られる。
そして、共振器の損失にゲインが上回り発振に至る。こ
のように従来の構成では最初に注入したキャリアは殆ど
無駄になっていたわけである。
するが、励起子準位のエネルギー広がりは少ないため効
果的に発光し、非常に大きなレーザゲインが得られる。
そして、共振器の損失にゲインが上回り発振に至る。こ
のように従来の構成では最初に注入したキャリアは殆ど
無駄になっていたわけである。
【００１３】このような状況を反映して発光スペクトル
の電流注入による変化は、図８に示すようになる。低電
流注入の領域では、４０５ｎｍ付近にピークを有する発
光（ＰＬピーク波長）が見られている。さらに電流注入
すると、４１７ｎｍ付近にピークが現れるが、これはＬ
Ｏフォノンを放出して励起子準位に落ち込んだキャリア
の発光によるものである。そして、このピークが成長し
発振に至る。つまり、４０５ｎｍ付近の発光は発振には
寄与しない無駄なものである。
の電流注入による変化は、図８に示すようになる。低電
流注入の領域では、４０５ｎｍ付近にピークを有する発
光（ＰＬピーク波長）が見られている。さらに電流注入
すると、４１７ｎｍ付近にピークが現れるが、これはＬ
Ｏフォノンを放出して励起子準位に落ち込んだキャリア
の発光によるものである。そして、このピークが成長し
発振に至る。つまり、４０５ｎｍ付近の発光は発振には
寄与しない無駄なものである。
【００１４】そこで本発明のように、量子閉じ込め構造
を活性層に有する半導体発光素子において、量子閉じ込
め構造中の励起子の結合エネルギーをＬＯフォノンのエ
ネルギーの整数倍に概略一致させておくことが、大きな
意味を持つ。
を活性層に有する半導体発光素子において、量子閉じ込
め構造中の励起子の結合エネルギーをＬＯフォノンのエ
ネルギーの整数倍に概略一致させておくことが、大きな
意味を持つ。
【００１５】このような本発明の構成では、図１に示す
ように、最初から注入されたキャリアがＬＯフォノンを
放出して励起子準位に入れる。励起子準位に入ったキャ
リアは効果的に発光し、直ぐに非常に大きなレーザゲイ
ンが得られ、発振させることが可能となる。
ように、最初から注入されたキャリアがＬＯフォノンを
放出して励起子準位に入れる。励起子準位に入ったキャ
リアは効果的に発光し、直ぐに非常に大きなレーザゲイ
ンが得られ、発振させることが可能となる。
【００１６】ここで、量子閉じ込め構造中の励起子の結
合エネルギーをＬＯフォノンのエネルギーの整数倍に概
略一致させるとは、室温のエネルギーｋＴ程度の違いが
あつても十分な効果が得られることを意味している。こ
のため、発光スペクトルも図５に示すように単峰性のス
ペクトルであり、これが成長して発振に至る。
合エネルギーをＬＯフォノンのエネルギーの整数倍に概
略一致させるとは、室温のエネルギーｋＴ程度の違いが
あつても十分な効果が得られることを意味している。こ
のため、発光スペクトルも図５に示すように単峰性のス
ペクトルであり、これが成長して発振に至る。
【００１７】実際にこのような構成にするには、様々な
方法が考えられるが、量子井戸の幅を狭くして励起子の
結合エネルギーを増加させることが簡便である。図６に
示すように、理想的には励起子のボーア半径に比べて量
子井戸幅が非常に狭くなると、最大でバルクの時の４倍
まで励起子結合エネルギーが大きくなることが知られて
いる。このことをＧａＮ系に適用すると、図６に示すよ
うに、障壁層がＩｎＧａＮの場合には量子井戸の幅を
１．５ｎｍ以下にすれば良い。ＡｌＧａＮにした場合
は、量子井戸の幅を２．５ｎｍ以下にすれば良い。
方法が考えられるが、量子井戸の幅を狭くして励起子の
結合エネルギーを増加させることが簡便である。図６に
示すように、理想的には励起子のボーア半径に比べて量
子井戸幅が非常に狭くなると、最大でバルクの時の４倍
まで励起子結合エネルギーが大きくなることが知られて
いる。このことをＧａＮ系に適用すると、図６に示すよ
うに、障壁層がＩｎＧａＮの場合には量子井戸の幅を
１．５ｎｍ以下にすれば良い。ＡｌＧａＮにした場合
は、量子井戸の幅を２．５ｎｍ以下にすれば良い。
【００１８】また、ＩｎＧａＮの量子箱を利用しても同
様の効果が得られる。この場合は、ＩｎＧａＮ障壁の場
合、箱の大きさが１０ｎｍ以下であれば良く、ＡｌＧａ
Ｎ障壁の場合は箱の大きさが１５ｎｍ以下であれば良
い。
様の効果が得られる。この場合は、ＩｎＧａＮ障壁の場
合、箱の大きさが１０ｎｍ以下であれば良く、ＡｌＧａ
Ｎ障壁の場合は箱の大きさが１５ｎｍ以下であれば良
い。
【００１９】また本発明は、回折格子を設けると共にそ
の周期をＰＬピーク波長の長波長側で発振するように設
定したが、このことは重要な意味を持つ。本発明者らの
鋭意研究によれば、ＰＬピーク波長においては光損失が
非常に大きく、これが発振を妨げている原因となってい
ることが分かった。そのため、最初から光損失の少ない
ＰＬピーク波長の長波長側で発振するように回折格子の
周期を設定した分布帰還型或いは分布ブラッグ反射型レ
ーザの構成にすることにより、しきい値を著しく低減す
ることが可能である。さらにこの場合、低しきい値で単
一縦モードが容易に得られるため情報処理に応用する場
合には、色収差が小さくビームを絞り込むことが容易と
いった効果もある。
の周期をＰＬピーク波長の長波長側で発振するように設
定したが、このことは重要な意味を持つ。本発明者らの
鋭意研究によれば、ＰＬピーク波長においては光損失が
非常に大きく、これが発振を妨げている原因となってい
ることが分かった。そのため、最初から光損失の少ない
ＰＬピーク波長の長波長側で発振するように回折格子の
周期を設定した分布帰還型或いは分布ブラッグ反射型レ
ーザの構成にすることにより、しきい値を著しく低減す
ることが可能である。さらにこの場合、低しきい値で単
一縦モードが容易に得られるため情報処理に応用する場
合には、色収差が小さくビームを絞り込むことが容易と
いった効果もある。
【００２０】また、量子閉じ込め構造中の励起子の結合
エネルギーをＬＯフォノンのエネルギーの整数倍に概略
一致させる構成と、回折格子を設けると共にその周期を
ＰＬピーク波長の長波長側で発振するように設定する構
成とを組み合わせて使用する場合には、これらの相乗効
果によって、より低しきい値での発振が可能となる。
エネルギーをＬＯフォノンのエネルギーの整数倍に概略
一致させる構成と、回折格子を設けると共にその周期を
ＰＬピーク波長の長波長側で発振するように設定する構
成とを組み合わせて使用する場合には、これらの相乗効
果によって、より低しきい値での発振が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。 （第１の実施形態）図２は、本発明の第１の実施形態に
係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
形態によって説明する。 （第１の実施形態）図２は、本発明の第１の実施形態に
係わる半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【００２２】図中２１はサファイア基板であり、この基
板２１上に、アンドープＧａＮバッファ層２２，ｎ型Ｇ
ａＮコンタクト層２３，ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッ
ド層２４，アンドープのＧａＮ光ガイド層２５，活性層
２６，ｐ型ＧａＮ光ガイド層２７，ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ
0.85Ｎクラッド層２８，及びｐ型ＧａＮコンタクト層２
９が、ＭＯＣＶＤ法で成長形成されている。ここで、活
性層２６は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸）２６１と
Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（障壁）２６２を交互に複数層積層
してなる量子井戸構造を有しており、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85
Ｎ量子井戸２６１の厚さは１ｎｍ程度、Ｉｎ0.05Ｇａ
0.95Ｎ（障壁）２６２の厚さは５ｎｍ程度となるように
した。
板２１上に、アンドープＧａＮバッファ層２２，ｎ型Ｇ
ａＮコンタクト層２３，ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッ
ド層２４，アンドープのＧａＮ光ガイド層２５，活性層
２６，ｐ型ＧａＮ光ガイド層２７，ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ
0.85Ｎクラッド層２８，及びｐ型ＧａＮコンタクト層２
９が、ＭＯＣＶＤ法で成長形成されている。ここで、活
性層２６は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸）２６１と
Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（障壁）２６２を交互に複数層積層
してなる量子井戸構造を有しており、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85
Ｎ量子井戸２６１の厚さは１ｎｍ程度、Ｉｎ0.05Ｇａ
0.95Ｎ（障壁）２６２の厚さは５ｎｍ程度となるように
した。
【００２３】コンタクト層２９からクラッド層２４まで
一部エッチングされ、コンタクト層２３の表面の一部が
露出している。そして、露出したコンタクト層２３の表
面にｎ側電極２１１が形成され、コンタクト層２９の上
にはｐ側電極２１２が形成されている。ｐ側電極２１２
は１０μｍ幅のストライプ状に形成され、これにより電
流を狭窄している。
一部エッチングされ、コンタクト層２３の表面の一部が
露出している。そして、露出したコンタクト層２３の表
面にｎ側電極２１１が形成され、コンタクト層２９の上
にはｐ側電極２１２が形成されている。ｐ側電極２１２
は１０μｍ幅のストライプ状に形成され、これにより電
流を狭窄している。
【００２４】このように構成された半導体レーザのしき
い電流密度を調べたところ２ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来
の２０ｋＡ／ｃｍ2 以上に比べて格段に減少しているこ
とが分った。これは、励起子のボーア半径（約３ｎｍ）
に比べ井戸幅が十分薄くなり（１ｎｍ）、励起子エネル
ギーがバルク中でのそれ（約３０ｍｅＶ）よりも２倍以
上大きくなり、ＬＯフォノンエネルギー（約９０ｍｅ
Ｖ）に近くなったために効率的な発光が生じたためと考
えられる。
い電流密度を調べたところ２ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来
の２０ｋＡ／ｃｍ2 以上に比べて格段に減少しているこ
とが分った。これは、励起子のボーア半径（約３ｎｍ）
に比べ井戸幅が十分薄くなり（１ｎｍ）、励起子エネル
ギーがバルク中でのそれ（約３０ｍｅＶ）よりも２倍以
上大きくなり、ＬＯフォノンエネルギー（約９０ｍｅ
Ｖ）に近くなったために効率的な発光が生じたためと考
えられる。
【００２５】このように本実施形態によれば、活性層の
量子井戸構造における量子井戸幅を１ｎｍと狭くして励
起子の結合エネルギーをＬＯフォノンエネルギーと同程
度まで大きくしている。このため、注入されたキャリア
が最初からＬＯフォノンを放出して励起子準位に入るこ
とになるので、最初に注入したキャリアが無駄になるこ
ともなく、これによりＧａＮ系を用いた半導体レーザの
低しきい値発振を可能にすることができる。
量子井戸構造における量子井戸幅を１ｎｍと狭くして励
起子の結合エネルギーをＬＯフォノンエネルギーと同程
度まで大きくしている。このため、注入されたキャリア
が最初からＬＯフォノンを放出して励起子準位に入るこ
とになるので、最初に注入したキャリアが無駄になるこ
ともなく、これによりＧａＮ系を用いた半導体レーザの
低しきい値発振を可能にすることができる。
【００２６】（第２の実施形態）図３は、本発明の第２
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面
図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面
図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
【００２７】本実施形態が先に説明した第１の実施形態
と異なる点は、活性層３６の構成にある。即ち、本実施
形態の活性層３６は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸）
３６１とＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（障壁）３６２を交互に複
数層積層した量子井戸構造となっている。活性層３６の
Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸３６１の厚さは１．５ｎｍ
程度、Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（障壁）２６２の厚さは５ｎ
ｍ程度となるようにした。これ以外の各層２１〜２９及
び電極２１１，２１２は、第１の実施形態と同様であ
る。
と異なる点は、活性層３６の構成にある。即ち、本実施
形態の活性層３６は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸）
３６１とＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（障壁）３６２を交互に複
数層積層した量子井戸構造となっている。活性層３６の
Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸３６１の厚さは１．５ｎｍ
程度、Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（障壁）２６２の厚さは５ｎ
ｍ程度となるようにした。これ以外の各層２１〜２９及
び電極２１１，２１２は、第１の実施形態と同様であ
る。
【００２８】本実施形態の半導体レーザのしきい電流密
度は３ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来の２０ｋＡ／ｃｍ2 以
上に比べて格段に減少していることが分った。この場合
も第１の実施形態と同様に、活性層３６の量子井戸構造
における井戸幅を十分薄くしていることから、バルク中
での励起子エネルギーがＬＯフォノンエネルギーに近く
なったために効率的な発光が生じたためと考えられる。
度は３ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来の２０ｋＡ／ｃｍ2 以
上に比べて格段に減少していることが分った。この場合
も第１の実施形態と同様に、活性層３６の量子井戸構造
における井戸幅を十分薄くしていることから、バルク中
での励起子エネルギーがＬＯフォノンエネルギーに近く
なったために効率的な発光が生じたためと考えられる。
【００２９】（第３の実施形態）図４は、本発明の第３
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面
図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す断面
図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
【００３０】本実施形態が先に説明した第１の実施形態
と異なる点は、活性層４６の構成にある。即ち、本実施
形態の活性層４６は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子箱）４
６１，ＩｎＧａＮ（中間組成）４６２，及びＩｎ0.1 Ｇ
ａ0.9 Ｎ（障壁）４６３からなる量子箱構造となってい
る。Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子箱４６１の大きさは１０ｎ
ｍ程度となるようにした。これ以外の各層２１〜２９及
び電極２１１，２１２は、第１の実施形態と同様であ
る。
と異なる点は、活性層４６の構成にある。即ち、本実施
形態の活性層４６は、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子箱）４
６１，ＩｎＧａＮ（中間組成）４６２，及びＩｎ0.1 Ｇ
ａ0.9 Ｎ（障壁）４６３からなる量子箱構造となってい
る。Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子箱４６１の大きさは１０ｎ
ｍ程度となるようにした。これ以外の各層２１〜２９及
び電極２１１，２１２は、第１の実施形態と同様であ
る。
【００３１】本実施形態の半導体レーザのしきい電流密
度は５ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来の２０ｋＡ／ｃｍ2 以
上に比べて格段に減少していることが分った。また、図
には示していないが、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／Ａｌ0.1 Ｇ
ａ0.9 Ｎからなる量子箱でＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子箱の
大きさを１５ｎｍ程度とした場合も、レーザのしきい電
流密度は５ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来の２０ｋＡ／ｃｍ
2 以上に比べて格段に減少していることが分った。
度は５ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来の２０ｋＡ／ｃｍ2 以
上に比べて格段に減少していることが分った。また、図
には示していないが、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／Ａｌ0.1 Ｇ
ａ0.9 Ｎからなる量子箱でＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子箱の
大きさを１５ｎｍ程度とした場合も、レーザのしきい電
流密度は５ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来の２０ｋＡ／ｃｍ
2 以上に比べて格段に減少していることが分った。
【００３２】（第４の実施形態）図９は、本発明の第４
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す斜視
図である。なお、図９中の５１〜５９及び５１１，５１
２は図２の２１〜２９及び２１１，２１２に相当してい
る。
の実施形態に係わる半導体レーザの素子構造を示す斜視
図である。なお、図９中の５１〜５９及び５１１，５１
２は図２の２１〜２９及び２１１，２１２に相当してい
る。
【００３３】図中５１はサファイア基板であり、この基
板５１上に、アンドープＧａＮバッファ層５２、ｎ型Ｇ
ａＮコンタクト層５３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッ
ド層５４、アンドープのＧａＮ光ガイド層５５、Ｉｎ
0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸）／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（障
壁）からなる量子井戸活性層５６、ｐ型ＧａＮ光ガイド
層５７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５８、及び
ｐ型ＧａＮコンタクト層５９が、ＭＯＣＶＤ法で成長形
成されている。なお、活性層５６のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ
量子井戸の幅は１ｎｍ程度となるようにした。
板５１上に、アンドープＧａＮバッファ層５２、ｎ型Ｇ
ａＮコンタクト層５３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッ
ド層５４、アンドープのＧａＮ光ガイド層５５、Ｉｎ
0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸）／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（障
壁）からなる量子井戸活性層５６、ｐ型ＧａＮ光ガイド
層５７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５８、及び
ｐ型ＧａＮコンタクト層５９が、ＭＯＣＶＤ法で成長形
成されている。なお、活性層５６のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ
量子井戸の幅は１ｎｍ程度となるようにした。
【００３４】ここで、本実施形態が今までの実施形態と
異なるのはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５８の表面に回折
格子６００が設けてある点である。この回折格子６００
は、例えば次のようにして形成される。
異なるのはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５８の表面に回折
格子６００が設けてある点である。この回折格子６００
は、例えば次のようにして形成される。
【００３５】ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５８の表面にホ
トレジスト溶液をスピン塗布し、６０ｎｍの厚さのホト
レジスト膜（図示せず）を形成する。次いで、電子ビー
ム直接描画法により、周期が７７ｎｍの一次の回折格子
を描画する。ホトレジスト膜を現像後、この回折格子の
ホトレジストパターンをウェットエッチングにより半導
体表面に転写する。そして、形成された回折格子３００
上に、再びＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層
５９を成長させる。
トレジスト溶液をスピン塗布し、６０ｎｍの厚さのホト
レジスト膜（図示せず）を形成する。次いで、電子ビー
ム直接描画法により、周期が７７ｎｍの一次の回折格子
を描画する。ホトレジスト膜を現像後、この回折格子の
ホトレジストパターンをウェットエッチングにより半導
体表面に転写する。そして、形成された回折格子３００
上に、再びＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層
５９を成長させる。
【００３６】上記のように形成された半導体積層構造体
は、コンタクト層５９からクラッド層５５まで一部エッ
チングされ、コンタクト層５３の表面の一部が露出さ
れ、この露出した部分にｎ側電極５１１がストライプ状
に形成されている。そして、コンタクト層５９上にはｐ
側電極５１２が１０μｍ幅のストライプ状に形成され、
これにより電流を狭窄している。
は、コンタクト層５９からクラッド層５５まで一部エッ
チングされ、コンタクト層５３の表面の一部が露出さ
れ、この露出した部分にｎ側電極５１１がストライプ状
に形成されている。そして、コンタクト層５９上にはｐ
側電極５１２が１０μｍ幅のストライプ状に形成され、
これにより電流を狭窄している。
【００３７】こうして得られた分布帰還型半導体レーザ
の発振波長は４１０ｎｍ、しきい値電流は８ｍＡで、安
定に縦単一モードで発振した。回折格子として２次或い
はより高次のものを用いることも可能であった。また、
回折格子に位相シフト或いは等価位相シフトを導入する
ことにより、単一縦モードの歩留まりを改善することも
可能であった。
の発振波長は４１０ｎｍ、しきい値電流は８ｍＡで、安
定に縦単一モードで発振した。回折格子として２次或い
はより高次のものを用いることも可能であった。また、
回折格子に位相シフト或いは等価位相シフトを導入する
ことにより、単一縦モードの歩留まりを改善することも
可能であった。
【００３８】また本実施形態では、先の第１の実施形態
と同様に活性層の量子井戸構造における量子井戸の幅を
１ｎｍと狭くしているので、励起子の結合エネルギーは
ＬＯフォノンエネルギーと同程度まで大きくなり、これ
により第１の実施形態と同様の効果も得られる。
と同様に活性層の量子井戸構造における量子井戸の幅を
１ｎｍと狭くしているので、励起子の結合エネルギーは
ＬＯフォノンエネルギーと同程度まで大きくなり、これ
により第１の実施形態と同様の効果も得られる。
【００３９】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。量子閉じ込め構造における量子井
戸，量子箱，及び障壁の材料は仕様に応じて適宜変更可
能である。例えば、量子井戸又は量子箱はＩｎx Ｇａ
1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）で、障壁はＩｎy Ｇａ1-y Ｎ（０
≦ｙ＜ｘ）又はＡｌy Ｇａ1-y Ｎ（０＜ｙ≦１）とすれ
ばよい。
されるものではない。量子閉じ込め構造における量子井
戸，量子箱，及び障壁の材料は仕様に応じて適宜変更可
能である。例えば、量子井戸又は量子箱はＩｎx Ｇａ
1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）で、障壁はＩｎy Ｇａ1-y Ｎ（０
≦ｙ＜ｘ）又はＡｌy Ｇａ1-y Ｎ（０＜ｙ≦１）とすれ
ばよい。
【００４０】量子閉じ込め構造における量子井戸の幅や
量子箱の大きさも、仕様に応じて適宜変更可能である。
量子井戸の幅は障壁層がＩｎＧａＮの場合には１．５ｎ
ｍ以下、障壁層がＡｌＧａＮの場合は２．５ｎｍ以下に
すれば前述したしきい値低下の十分な効果が得られる。
さらに、量子箱の大きさは、障壁層がＩｎＧａＮ場合は
１０ｎｍ以下、障壁層がＡｌＧａＮ障壁の場合は１５ｎ
ｍ以下にすれば前述したしきい値低下の十分な効果が得
られる。
量子箱の大きさも、仕様に応じて適宜変更可能である。
量子井戸の幅は障壁層がＩｎＧａＮの場合には１．５ｎ
ｍ以下、障壁層がＡｌＧａＮの場合は２．５ｎｍ以下に
すれば前述したしきい値低下の十分な効果が得られる。
さらに、量子箱の大きさは、障壁層がＩｎＧａＮ場合は
１０ｎｍ以下、障壁層がＡｌＧａＮ障壁の場合は１５ｎ
ｍ以下にすれば前述したしきい値低下の十分な効果が得
られる。
【００４１】また、実施形態では材料系としてＧａＮ系
を用いたが、ＺｎＳｅ系を用いても同様の効果が得られ
る。さらに、励起子準位に相当するエネルギー準位を有
する不純物や欠陥を量子閉じ込め構造中に導入したり、
不純物に束縛された励起子を利用しても同様の効果が得
られる。また、同一基板上に複数の光素子や電子素子を
集積化した光電子集積回路にすることも可能である。そ
の他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して
実施することができる。
を用いたが、ＺｎＳｅ系を用いても同様の効果が得られ
る。さらに、励起子準位に相当するエネルギー準位を有
する不純物や欠陥を量子閉じ込め構造中に導入したり、
不純物に束縛された励起子を利用しても同様の効果が得
られる。また、同一基板上に複数の光素子や電子素子を
集積化した光電子集積回路にすることも可能である。そ
の他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して
実施することができる。
【００４２】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、量
子閉じ込め構造を活性層に有する半導体発光素子におい
て、量子閉じ込め構造中の励起子の結合エネルギーをＬ
Ｏフォノンのエネルギーの整数倍に概略一致させること
により、ＺｎＳｅやＧａＮ等の材料系を用いても低しき
い値でのレーザ発振を得ることができ、従来得られなか
った低しきい値の短波長帯レーザを簡便な方法で実現す
ることができる。その結果、表示装置や光情報処理シス
テムで用いる光素子を低コストで得られるのみならず、
その信頼性は高く、本発明の有用性は大である。
子閉じ込め構造を活性層に有する半導体発光素子におい
て、量子閉じ込め構造中の励起子の結合エネルギーをＬ
Ｏフォノンのエネルギーの整数倍に概略一致させること
により、ＺｎＳｅやＧａＮ等の材料系を用いても低しき
い値でのレーザ発振を得ることができ、従来得られなか
った低しきい値の短波長帯レーザを簡便な方法で実現す
ることができる。その結果、表示装置や光情報処理シス
テムで用いる光素子を低コストで得られるのみならず、
その信頼性は高く、本発明の有用性は大である。
【００４３】また、回折格子を設けると共にその周期を
ＰＬピーク波長の長波長側で発振するように設定するこ
とにより、最初から光損失の少ない波長領域で発振させ
ることができ、これによってもしきい値を低減すること
が可能である。
ＰＬピーク波長の長波長側で発振するように設定するこ
とにより、最初から光損失の少ない波長領域で発振させ
ることができ、これによってもしきい値を低減すること
が可能である。
【図１】本発明による半導体レーザの原理を説明するた
めの図。
めの図。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図３】第２の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図４】第３の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す断面図。
造を示す断面図。
【図５】第１の実施形態による半導体レーザの発光スペ
クトルを示す図。
クトルを示す図。
【図６】励起子結合エネルギーの井戸層厚依存性を示す
図。
図。
【図７】従来の半導体レーザの動作原理を説明するため
の図。
の図。
【図８】従来の半導体レーザの発光スペクトルを示す
図。
図。
【図９】第４の実施形態に係わる半導体レーザの素子構
造を示す斜視図。
造を示す斜視図。
２１，５１…サファイア基板 ２２，５２…アンドープＧａＮバッファ層 ２３，５３…ｎ型ＧａＮコンタクト層 ２４，５４…ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層 ２５，５５…アンドープのＧａＮ光ガイド層 ２６，５６…ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる量子井戸
層 ２７，５７…ｐ型ＧａＮ光ガイド層 ２８，５８…ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層 ２９，５９…ｐ型ＧａＮコンタクト層 ３６…ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる量子井戸層 ５６…ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる量子箱構造 ２１１，５１１…ｎ側電極 ２１２，５１２…ｐ側電極 ２６１…Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸） ２６２…Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（障壁） ３６１…Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸） ３６２…Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（障壁） ４６１…Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子箱） ４６２…ＩｎＧａＮ（中間組成） ４６３…Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（障壁） ６００…回折格子
層 ２７，５７…ｐ型ＧａＮ光ガイド層 ２８，５８…ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層 ２９，５９…ｐ型ＧａＮコンタクト層 ３６…ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる量子井戸層 ５６…ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる量子箱構造 ２１１，５１１…ｎ側電極 ２１２，５１２…ｐ側電極 ２６１…Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸） ２６２…Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（障壁） ３６１…Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子井戸） ３６２…Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（障壁） ４６１…Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ（量子箱） ４６２…ＩｎＧａＮ（中間組成） ４６３…Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（障壁） ６００…回折格子
Claims (8)
- 【請求項１】活性層の少なくとも一部にキャリアの量子
閉じ込め構造を有する半導体発光素子において、 前記量子閉じ込め構造中の励起子の結合エネルギー若し
くは不純物の束縛エネルギーを、ＬＯフォノンエネルギ
ーの正の整数倍に概略一致させてなることを特徴とする
半導体発光素子。 - 【請求項２】前記量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｎ（０＜ｘ≦１）を量子井戸層に有し、Ｉｎy Ｇａ1-y
Ｎ（０≦ｙ＜ｘ）を障壁層に有するものであり、量子井
戸層の厚さを１．５ｎｍ以下に設定したことを特徴とす
る請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】前記量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｎ（０＜ｘ≦１）を量子井戸層に有し、Ａｌy Ｇａ1-y
Ｎ（０＜ｙ≦１）を障壁層に有するものであり、量子井
戸層の厚さを２．５ｎｍ以下に設定したことを特徴とす
る請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】前記量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｎ（０＜ｘ≦１）とＩｎy Ｇａ1-yＮ（０≦ｙ＜ｘ）と
の組み合わせで量子箱を構成したものであり、この量子
箱の大きさを１０ｎｍ以下に設定したことを特徴とする
請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項５】前記量子閉じ込め構造は、Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｎ（０＜ｘ≦１）とＡｌy Ｇａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）と
の組み合わせで量子箱を構成したものであり、この量子
箱の大きさを１５ｎｍ以下に設定したことを特徴とする
請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項６】基板上にＩｎx Ｇａy Ａｌ1-x-y Ｎ（０＜
ｘ，ｙ≦１）結晶系からなる層を少なくとも含む多層構
造を形成した半導体発光素子において、 前記多層構造の内部に回折格子を配置すると共に、発振
波長がＰＬピーク波長よりも長波長側となるように該回
折格子の周期を設定してなることを特徴とする半導体発
光素子。 - 【請求項７】基板上にＩｎx Ｇａy Ａｌ1-x-y Ｎ（０＜
ｘ，ｙ≦１）結晶系からなる層を少なくとも含む多層構
造を形成し、活性層の少なくとも一部にキャリアの量子
閉じ込め構造を有する半導体発光素子において、 前記量子閉じ込め構造中の励起子の結合エネルギー若し
くは不純物の束縛エネルギーを、ＬＯフォノンエネルギ
ーの正の整数倍に概略一致させ、かつ前記多層構造の内
部に回折格子を配置すると共に、発振波長がＰＬピーク
波長よりも長波長側となるように該回折格子の周期を設
定してなることを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項８】前記発振波長とＰＬピーク波長との波長差
を、エネルギー換算でＬＯフォノンエネルギーの正の整
数倍に概略一致させたことを特徴とする請求項６又は７
記載の半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05077498A JP3515361B2 (ja) | 1997-03-14 | 1998-03-03 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6120097 | 1997-03-14 | ||
| JP9-61200 | 1997-03-14 | ||
| JP05077498A JP3515361B2 (ja) | 1997-03-14 | 1998-03-03 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10321965A true JPH10321965A (ja) | 1998-12-04 |
| JP3515361B2 JP3515361B2 (ja) | 2004-04-05 |
Family
ID=26391248
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05077498A Expired - Fee Related JP3515361B2 (ja) | 1997-03-14 | 1998-03-03 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3515361B2 (ja) |
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| JPH09331116A (ja) * | 1996-04-11 | 1997-12-22 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体発光素子 |
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-
1998
- 1998-03-03 JP JP05077498A patent/JP3515361B2/ja not_active Expired - Fee Related
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