JPWO2005022711A1 - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
ｐ型クラッド層（１１１）をＩｎｃＧａ１−ｃＮにより構成する。Ｉｎの混晶比ｃは活性層（１０８）のＩｎ混晶比より小さくする。また、活性層（１０８）とｐ型クラッド層（１１１）の間に格子緩和層（１１２）を設ける。格子緩和層（１１２）は、ｐ型クラッド層（１１１）を結晶性よく成長させるために設けられている。格子緩和層は隣接する層と格子定数の異なる窒化物半導体よりなり、５００〜６００℃の低温で５〜１０ｎｍ程度成長するものとする。挿入する位置はｐ型光ガイド層／クラッド層の界面でもよく、ｐ型クラッド層の途中でもよい。挿入する窒化物半導体はＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられ、このうち、特にＩｎＧａＮが好ましい。
Description
本発明は、インジウムを含む窒化物半導体により構成された活性層を有する発光素子およびその製造方法に関する。
ＤＶＤ等の高密度記録装置用の光源として研究が進められてきた青紫色（４０５ｎｍ）半導体レーザは、窒化物半導体ＡｌＩｎＧａＮを用いて既にその実用化が現実のものとなった。図４に非特許文献１で報告している青紫色レーザの断面構造図を示す。この構造のレーザは、室温において２ｍＷ出力で１万時間以上の連続発振寿命が報告されている。その構成はＧａＮ基板上、あるいは異種基板上に形成されたダブルヘテロ構造からなり、一般的にＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸を用いた活性層を有し、それをＧａＮによるｎ型、ｐ型光ガイド層とＡｌＧａＮを含むｎ型、ｐ型クラッド層で挟んだ構造が用いられている。
一方、可視〜赤外の長波長領域における発光素子としてはＶ族元素として燐や砒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が従来用いられてきたが、ＡｌＩｎＧａＮ系半導体は活性層のＩｎ組成比を大きくすることによって発光波長を赤外まで長波化すること可能であることから、燐や砒素を含まない発光素子材料として注目されている。そのためＡｌＩｎＧａＮを用いた長波長領域の発光素子に関しても研究が進められている。
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３６（１９９７），Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔｃ．，ｐｐ．Ｌ１５６８−１５７１ 特開２００３−１５２２１９号公報 特開平９−２８３７９９号公報 特開２０００−２３６１４２号公報 特開平８−３１６５２８号公報
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３６（１９９７），Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔｃ．，ｐｐ．Ｌ１５６８−１５７１
こうしたＡｌＩｎＧａＮ系長波長領域の発光素子については、発光ダイオード（ＬＥＤ）がすでに開発されている。特許文献１および特許文献２には、そうした長波長の発光ダイオード（ＬＥＤ）の例が示されている。
しかしながら、ＡｌＩｎＧａＮ系長波長半導体レーザについては、未だ実用段階の素子は得られていない。半導体レーザの場合、活性層のＩｎ組成比を大きくして発光波長を長波化すると、発光効率が顕著に低下するという課題がある。これは、Ｉｎ組成比を大きくするとＧａＮやＡｌＧａＮとの格子不整合が大きくなり、結晶性の良い活性層を得ることが困難になることによる。
また、半導体レーザの設計にあたっては、活性層上部の光閉じ込め効率をより向上させる必要があり、上部クラッド層の厚みを充分に確保することが望まれる。ところがこのようにした場合、上部クラッド層形成工程等において活性層が長時間高温処理を受けることになり、活性層の品質劣化が顕著となりやすい。特にインジウムを含む半導体では、インジウムの蒸発により組成が変動する等の問題が生じやすい。
以上のように、インジウムを含む活性層を備えた半導体レーザの設計にあっては、良好な品質の活性層を安定的に形成することが重要な技術的課題となる。
こうした半導体レーザ特有の課題に対する有効な解決策は、発光ダイオードに関する先述の特許文献１、２には何ら記載されていない。
また、特許文献１記載のＬＥＤは活性層インジウム組成が０．１５と低組成であるから、上記したような活性層の品質劣化の課題が生じない。
一方、特許文献２記載のＬＥＤは活性層インジウム組成が０．９、クラッド層インジウム組成が０．２である。インジウム組成が０．９のＩｎＧａＮの成長温度は、通常、４００〜５００℃程度であり、インジウム組成が０．２のＩｎＧａＮの成長温度は、通常、７００〜８００℃程度であるので、このＬＥＤの活性層は、クラッド層形成工程で活性層成長時よりも２００℃以上高い温度で熱処理を受けることになり、その工程で物性が大きく変動し、設計通りの発光特性を得ることが困難となる。
一方、特許文献２記載のＬＥＤは活性層インジウム組成が０．９、クラッド層インジウム組成が０．２である。インジウム組成が０．９のＩｎＧａＮの成長温度は、通常、４００〜５００℃程度であり、インジウム組成が０．２のＩｎＧａＮの成長温度は、通常、７００〜８００℃程度であるので、このＬＥＤの活性層は、クラッド層形成工程で活性層成長時よりも２００℃以上高い温度で熱処理を受けることになり、その工程で物性が大きく変動し、設計通りの発光特性を得ることが困難となる。
一方、長波長半導体レーザに関する技術として、特許文献３には、光ガイド層がＩｎＧａＮ、クラッド層がＧａＮ、コンタクト層がＧａＮからなるＳＣＨ構造、すなわちＡｌを使わない素子構造の半導体レーザが記載されている。同文献によれば、Ａｌを使わないことで活性層とクラッド層の格子定数差が小さくなるため、結晶性の良いＩｎＧａＮ活性層が成長できることが示されている。
また特許文献４には、クラッドにはＡｌＧａＮを用いるものの光ガイド層にはＩｎＧａＮを用いた構造が報告されている。同文献によると、ＩｎＧａＮはＡｌＧａＮに比べて結晶が柔らかいので、ＩｎＧａＮ光ガイド層が緩衝層の役目を果たし、Ｉｎ組成の大きなＩｎＧａＮ活性層を結晶性良く成長することができると記載されている。このように活性層をＩｎＧａＮ光ガイド層で挟んだ構造では、確かに活性層の格子歪みを減らすことできるが、さらにＩｎ組成比が大きくなるとＧａＮ、ＡｌＧａＮクラッド層との格子定数差が大きくなってしまい、活性層の結晶性が悪化する。くわえてＩｎ組成比が大きくなるとＩｎｘＧａ１−ｘＮの分解温度はＧａＮ及びＡｌＧａＮに比べて極めて低くなるため、良質なＩｎｘＧａ１−ｘＮ活性層を成長させたとしても、その上層に位置する光ガイド層やクラッド層の高温成長中に活性層の結晶性が劣化する傾向があり、上記従来技術はなお改善の余地を有していた。
本発明はこれらの課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、インジウム含有半導体からなる活性層を有する発光素子、特に長波長領域の発光を示す発光素子において、その発光特性等を安定的に向上させることにある。
また本発明の別な目的は、上記発光素子において、活性層上に形成された上部クラッド層の品質を向上させ、発光特性等を安定的に向上させることにある。
インジウム含有窒化物半導体からなる活性層を有する発光素子において、充分な発光特性が得られない理由は、活性層形成後、その上部の半導体層を形成する工程で活性層の品質劣化が起こることによるものと考えられる（実施例７にて後述）。
こうした課題に対し、本発明は以下の第一の解決手段を提供する。
第一の手段は、活性層およびクラッド層をともにインジウム含有半導体で構成した場合において、これらの層のインジウム組成差あるいは成長温度の差を一定値以下にするものである。窒化物半導体のなかでもＩｎＮは分解温度が低いために、Ｉｎを多く取り込むためには低温での結晶成長が必要となる。青紫色レーザの活性層に用いられているＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎでさえ８００℃程度で成長されており、光ガイド層やクラッド層に用いられているＧａＮやＡｌＧａＮの成長温度に比べると１００〜２００℃程度低い。発光波長をより長波化するためには活性層のＩｎ含有量を増やす必要があるが、その場合活性層の成長温度はますます低温に制限される。だが、その上にＧａＮやＡｌＧａＮによる光ガイド層およびクラッド層を９００〜１０００℃で成長させると、これらの層の成長中に活性層が分解してしまい、発光効率が低下してしまう。これに対し本発明では、活性層およびクラッド層のインジウム組成差あるいは成長温度の差を一定値以下とすることにより、活性層の品質劣化を抑制している。
このように、活性層の品質劣化を抑制するためには、上部クラッド層をインジウム含有半導体で構成することが有効である。あるいは、上部クラッド層を、低温成長可能な半導体で構成することが有効である。しかし、このようにした場合、今度はクラッド層自体の結晶品質の低下が問題となる。たとえばＩｎＧａＮにより上部クラッド層を構成した場合、ＧａＮやサファイア等の基板材料との格子定数の相違に起因して膜中に多くの欠陥が生じ、クラッド層としての機能が充分に得られないことがある。そこで本発明は、上部クラッド層をインジウム含有半導体等により構成した場合に生じる課題を解決すべく、以下の第二の手段を提供する。すなわち、第二の手段は、活性層とクラッド層の間に、格子緩和層を介在させることである。一般にＧａＮの上に格子定数の異なるＩｎＧａＮを成長させるような場合には格子緩和層を設け、そこで格子歪を緩和させることが行われる。しかし、半導体レーザの設計にあっては、厚い上部クラッド層を活性層よりも後に成長する必要があり、ここではやはり格子歪が原因で結晶性が悪化する。発明者らは実験により、活性層を成長させた後に格子緩和層を設けることで、上部クラッド層を結晶性良く成長できることを見出した。格子緩和層とは、下地となる半導体層と、その上に結晶成長させた半導体層との間の格子歪みを緩和する層である。格子緩和層自体は秩序性の低い膜であり、そうした構造により半導体層間の歪みを緩和する。こうした層を設けることにより、上部クラッド層をインジウム含有半導体等により構成した場合にも、当該クラッド層の結晶品質を良好に維持し、優れた発光特性を安定的に示す素子を提供することができる。
以下、本発明の構成をより具体的に説明する。
本発明によれば、基板と、該基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、を備え、前記活性層および前記上部クラッド層は、いずれもインジウムを含む窒化物半導体からなり、前記活性層のインジウム組成をｘ、前記上部クラッド層のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．３以上であり、（ｘ−ｙ）が０．４以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。
本発明では、活性層インジウム組成を０．３以上としている。このような長波長発光組成とした場合、その上部の半導体層成長時における活性層の品質劣化が顕在化する。本発明によれば、活性層と上部クラッド層とのインジウム組成差を０．４以下としている。実施例にて後述するように、このような組成差であれば、両者の成長温度を１００℃以内とする条件にて好適に層構造を形成することができ、インジウムを含む活性層の品質を劣化することなく上部クラッド層を形成することができ、安定的に長波長領域の発光を示す発光素子を実現できる。
ここで、活性層および上部クラッドとのインジウム組成差を０．２以下とする構成、または両者の成長温度を７０℃以内とする構成を採用すれば、高温熱履歴による活性層の品質低下を、より一層効果的に抑制することができる。特に、発光素子の寿命を安定的に向上させることができる。
なお、活性層のインジウム組成とは、量子井戸構造の場合、井戸層のインジウム組成を意味するものとする。
また本発明によれば、基板と、該基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、を備え、前記活性層および前記上部クラッド層は、いずれもインジウムを含む窒化物半導体からなり、前記活性層の成長温度をＴ２（℃）、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をＴ１（℃）としたとき、Ｔ１−Ｔ２が１００℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。
また本発明によれば、基板上に下部クラッド層を形成する工程と、前記下部クラッド層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、前記活性層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる上部クラッド層を形成する工程と、を含み、前記活性層の成長温度をＴ２（℃）、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をＴ１（℃）としたとき、Ｔ１−Ｔ２が１００℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、活性層および上部クラッド層の成長温度の差が１００℃以下であるため、高温の熱履歴による活性層の品質低下を抑制しつつ上部クラッド層を形成することができ、安定的に長波長領域の発光を示す発光素子を実現できる。
また本発明によれば、基板と、該基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、を備え、前記活性層はインジウムを含む窒化物半導体からなり、前記活性層と前記上部クラッド層との間、または前記上部クラッド層中に格子緩和層を設けたことを特徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。
また本発明によれば、基板上に下部クラッド層を形成する工程と、前記下部クラッド層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、前記活性層の上部に、６００℃以下の温度で格子緩和層を形成する工程と、前記格子緩和層の上部に上部クラッド層を形成する工程と、を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法が提供される。
本発明では、活性層上に格子緩和層を設けているため、クラッド層の結晶品質が向上する。この結果、良好な光閉じ込め構造が実現される。格子緩和層は、たとえばインジウムを含む半導体により構成することが好ましい。また、上部クラッド層の品質が向上するため、当該クラッド層の厚みを比較的薄くすることができ、結果として活性層の品質を向上させることができる。ここで、上部クラッド層はインジウムを含む窒化物半導体からなるものとしてもよい。こうすることにより、活性層の品質劣化をより確実に抑制することができる。
本発明において、格子緩和層は、６００℃以下の温度で形成された低温成長層とすることができる。また、格子緩和層は、ＩｎＧａＮからなるものとすることができる。こうすることにより格子緩和効果をより確実に得ることができ、活性層上部の半導体層の品質を一層効果的に向上させることができる。格子緩和層の厚みは、たとえば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。こうすることにより、半導体層構造の結晶品質を確実に向上させることができる。
本発明において、上部クラッド層のインジウム組成比が前記活性層のインジウム組成比よりも小さいものとすることができる。ここで、活性層の上部の半導体層が、いずれも活性層よりインジウム組成比の小さい半導体からなるものとしてもよい。
上部クラッド層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなるものとしてもよい。こうすることにより、活性層の品質劣化をより確実に抑制することができる。上部クラッド層の構造は、超格子構造Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ／Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，ｙ１≠ｙ２）としてもよく、この場合クラッドのＩｎ組成ｙとは平均組成を意味する。なお、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなる上部クラッド層の厚みは、たとえば０．４μｍ以上１．０μｍ以下とすることが好ましい。こうすることにより、上部クラッド層の品質を安定的に向上させ、発光特性等を安定的に向上させることができる。
なお、上部クラッド層の構造は、超格子構造ではなく、バルクＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなるものとすれば、より安定的な光閉じ込め効果が得られることがある。
また、活性層の上部に位置する半導体層を、すべてインジウムを含む窒化物半導体により構成してもよい。本発明において、光閉じこめのための十分な屈折率差も重要である。こうした観点からは、たとえば活性層および上部クラッド層のインジウム組成の差が０．１以上とすることが好ましい。
本発明において、活性層の上部に設けられ、インジウムを含む窒化物半導体により構成されたコンタクト層と、該コンタクト層と接して設けられた電極とをさらに備える構成とすることもできる。
本発明の発光素子は、半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子に適用することができるが、特に半導体レーザに適用した場合、効果的である。前述した半導体レーザ特有の課題を効果的に解決することができるからである。
上部クラッド層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなるものとしてもよい。こうすることにより、活性層の品質劣化をより確実に抑制することができる。上部クラッド層の構造は、超格子構造Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ／Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，ｙ１≠ｙ２）としてもよく、この場合クラッドのＩｎ組成ｙとは平均組成を意味する。なお、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなる上部クラッド層の厚みは、たとえば０．４μｍ以上１．０μｍ以下とすることが好ましい。こうすることにより、上部クラッド層の品質を安定的に向上させ、発光特性等を安定的に向上させることができる。
なお、上部クラッド層の構造は、超格子構造ではなく、バルクＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなるものとすれば、より安定的な光閉じ込め効果が得られることがある。
また、活性層の上部に位置する半導体層を、すべてインジウムを含む窒化物半導体により構成してもよい。本発明において、光閉じこめのための十分な屈折率差も重要である。こうした観点からは、たとえば活性層および上部クラッド層のインジウム組成の差が０．１以上とすることが好ましい。
本発明において、活性層の上部に設けられ、インジウムを含む窒化物半導体により構成されたコンタクト層と、該コンタクト層と接して設けられた電極とをさらに備える構成とすることもできる。
本発明の発光素子は、半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子に適用することができるが、特に半導体レーザに適用した場合、効果的である。前述した半導体レーザ特有の課題を効果的に解決することができるからである。
本発明によれば、インジウム含有半導体からなる活性層を有する発光素子、特に長波長領域の発光を示す発光素子において、その発光特性等を安定的に向上させることができる。
また本発明によれば、上記発光素子において、活性層上に形成された上部クラッド層の品質を向上させ、発光特性等を安定的に向上させることができる。
また本発明によれば、上記発光素子において、活性層上に形成された上部クラッド層の品質を向上させ、発光特性等を安定的に向上させることができる。
以上、本発明の構成および好ましい態様について説明したが、上記構成を適宜組合せてもよい。たとえば、上述の第一の手段と第二の手段とを組み合わせて素子を構成することもできる。
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
図１は本発明の素子構造の一実施形態を示した模式的な断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の図を示している。本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子では、この図のようにサファイア基板１０１上にＧａＮ膜１０２、ＳｉＯ２マスク１０３、ｎ型ＧａＮを成長させたＥＬＯＧ基板１０４上に、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０５、ｎ型クラッド層１０６、ｎ型光ガイド層１０７、ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる活性層１０８、ｐ型キャップ層１０９、ｐ型光ガイド層１１０、ｐ型クラッド層１１１、格子緩和層１１２、ｐ型コンタクト層１１３が順に形成され、リッジストライプとなったｐ型コンタクト層１１３上にｐ電極１１４、ｐ側層からエッチングすることによって露出されたｎ型ＥＬＯＧ基板１０４上にｎ電極１１５が形成されている。
ｎ型光ガイド層１０７およびｐ型光ガイド層１１０はそれぞれの導電型を示す不純物をドープしたＩｎｂＧａ１−ｂＮとする。Ｉｎの混晶比ｂは、活性層中のＩｎＧａＮからなる井戸層のＩｎ混晶比より小さくする。
ｐ型クラッド層１１１は、その導電型を示す不純物をドープしたＩｎｃＧａ１−ｃＮからなる。Ｉｎの混晶比ｃは活性層１０８のＩｎ混晶比より小さくする。一方、ｎ型クラッド層１０６は、活性層１０８よりも前に成長させるため、成長温度を比較的高くすることも可能であり、ＩｎＧａＮに限らずＧａＮ等を用いることもできる。ただし、活性層１０８の品質を向上させる観点から、上記ｐ型クラッドと同じ組成のＩｎＧａＮとするほうがより望ましい。
格子緩和層１１２は、ｐ型クラッド層１１１を結晶性よく成長させるために設けられている。格子緩和層は隣接する層と格子定数の異なる窒化物半導体よりなり、６００℃以下、好ましくは４００〜６００℃の低温で１０〜１００ｎｍ程度成長するものとする。挿入する位置は活性層の上部とすることが好ましい。たとえば、活性層と上部クラッド層との間、あるいは上部クラッド層中とすることが好ましい。このような位置に配置することにより、活性層へ転位が導入することを抑制できるからである。格子緩和層１１２に用いられる材料としてはＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられ、このうち、インジウムを含む材料、特にＩｎＧａＮが好ましい。この場合、Ｉｎ組成は、たとえば０．１以上０．７以下とすることが好ましい。格子緩和効果が確実に得られるからである。なお、この格子緩和層は適宜省略することもできる。
活性層１０８は量子井戸構造からなる。ＩｎａＧａ１−ａＮ井戸層のＩｎ混晶比ａを大きくすることで、長波長で発振する窒化物半導体レーザ素子を得ることができるが、その場合、障壁層に関してもＩｎ混晶比を変えることが望ましい。障壁層のＩｎ混晶比はミニバンド形成のために十分なエネルギーギャップ差を得られるように選択すべきだが、井戸層とのＩｎ混晶比がなるべく近いほうが格子不整合が小さくなるため活性層の結晶性が良くなり、発光効率の増大や発振閾値の低減が期待できる。
活性層の井戸層に含まれるＩｎの混晶比を０．４４とした場合、この井戸層とのバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶとなる障壁層のＩｎ混晶比は０．３４となる。
活性層の井戸層に含まれるＩｎの混晶比を０．４４とした場合、この井戸層とのバンドギャップエネルギーの差が０．３ｅＶとなる障壁層のＩｎ混晶比は０．３４となる。
本実施形態において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるＩｎの混晶比ｘは、以下に示すバンドギャップエネルギーとの関係式、
Ｅｇ＝ｘ＊０．７７＋（１−ｘ）＊３．４２−１．４３＊（１−ｘ）＊ｘ
を用いて概算された値である。例えば、波長が６５０ｎｍでのフォトンエネルギー（Ｅｇ）は１．９１ｅＶであり、上記関係式からｘの値として０．４４を算出し、井戸層のＩｎ混晶比としている。
Ｅｇ＝ｘ＊０．７７＋（１−ｘ）＊３．４２−１．４３＊（１−ｘ）＊ｘ
を用いて概算された値である。例えば、波長が６５０ｎｍでのフォトンエネルギー（Ｅｇ）は１．９１ｅＶであり、上記関係式からｘの値として０．４４を算出し、井戸層のＩｎ混晶比としている。
ｐ型キャップ層１０９は、ｐ型の導電性を示す不純物をドープしたＩｎｄＧａ１−ｄＮからなる。Ｉｎの混晶比ｄは、上記ｐ型クラッド層のＩｎ混晶比より小さくする。このｐ型キャップ層はＧａＮあるいはＡｌＧａＮを用いてもよいが、活性層の熱分解を押さえるためにはＩｎＧａＮであることが望ましい。また、このｐ側キャップ層は省略が可能である。
ｐ型コンタクト層１１３は、ｐ型の導電性を示す不純物をドープしたＧａＮもしくはＩｎＧａＮからなる。ＧａＮを用いた方が電極材料と好ましいオーミックが得られやすいが、ＩｎＧａＮを用いた方が活性層の熱分解をおさえられ、閾値電流を低減できる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。なお、各実施例において、各半導体層の形成には有機金属化学気相成長装置（以下ＭＯＣＶＤ）を用いた。Ｖ族元素供給源としてアンモニアを、ＩＩＩ族元素供給源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いた。
［実施例１］
図１は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。まず、サファイア基板１０１上ＧａＮ膜１０２をＭＯＣＶＤにより成長する。その後、ＧａＮ膜１０２上に、ストライプ状のＳｉＯ２膜（マスク）１０３を［１，−１，０，０］方向に形成し、その上にＳｉを添加したｎ型ＧａＮをＭＯＣＶＤ成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のＧａＮを形成し、ｎ型ＧａＮ−ＥＬＯＧ基板１０４を作製する。
この基板上に引き続き、８００℃でＳｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ（厚さ０．６μｍ）からなるｎ型クラッド層１０６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１０７を成長させた後、温度を７００℃にしてＩｎ０．４４Ｇａ０．５６Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造の活性層１０８を成長させる。続いて温度を７５０℃にしてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１０９、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光ガイド層１１０を成長させる。その後一旦温度を５００℃に下げてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ１０ｎｍ）からなるｐ型格子緩和層１１２を成長し、再び温度を７５０℃に上げてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ（厚さ０．６μｍ）からなるｐ型クラッド層１１１、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１３を順に成長する。その後に、ドライエッチングなどにより図１に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１１４とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着する。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
図１は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。まず、サファイア基板１０１上ＧａＮ膜１０２をＭＯＣＶＤにより成長する。その後、ＧａＮ膜１０２上に、ストライプ状のＳｉＯ２膜（マスク）１０３を［１，−１，０，０］方向に形成し、その上にＳｉを添加したｎ型ＧａＮをＭＯＣＶＤ成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のＧａＮを形成し、ｎ型ＧａＮ−ＥＬＯＧ基板１０４を作製する。
この基板上に引き続き、８００℃でＳｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ（厚さ０．６μｍ）からなるｎ型クラッド層１０６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１０７を成長させた後、温度を７００℃にしてＩｎ０．４４Ｇａ０．５６Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造の活性層１０８を成長させる。続いて温度を７５０℃にしてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１０９、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光ガイド層１１０を成長させる。その後一旦温度を５００℃に下げてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ１０ｎｍ）からなるｐ型格子緩和層１１２を成長し、再び温度を７５０℃に上げてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ（厚さ０．６μｍ）からなるｐ型クラッド層１１１、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１３を順に成長する。その後に、ドライエッチングなどにより図１に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１１４とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着する。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハのサファイア基板を研磨して７０μｍとした後、レーザストライプに垂直な方向で基板側からバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図１に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は３００〜５００μｍとすることが望ましい。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度５ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧６Ｖで、発振波長がほぼ６５０ｎｍの連続発振が確認され、室温で１０００時間以上の寿命を示した。
本実施例では、活性層より上層に位置する半導体層のすべてを、活性層よりもＩｎ組成比の小さいＩｎＧａＮとした。また、活性層１０８とｐ型クラッド層１１１との間に低温成長層であるｐ型格子緩和層１１２を設けている。こうした構成とすることにより、長波長でも良好で安定したレーザ素子を得ることができた。
［実施例２］
図２は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。この半導体レーザ素子はＧａＮ基板を用いる点で実施例１の素子と相違する。
図２は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。この半導体レーザ素子はＧａＮ基板を用いる点で実施例１の素子と相違する。
この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。まず、基板としてはｎ型低転位ＧａＮ基板２０１を用い、この基板上に８００℃でＳｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層（厚さ１．５μｍ）からなるｎ型クラッド層１０６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１０７を成長させた後、温度を７００℃にしてアンドープＩｎ０．４４Ｇａ０．５６Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造を有する活性層１０８、７５０℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１０９、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１６μｍ）からなるｐ型光ガイド層１１０を成長する。その後、ｐ型光ガイド層１１０上にＳｉＯ２マスク（厚さ０．３μｍ）２０２をスパッタにより形成し、エッチングにより幅２μｍのストライプ状に開口部を作製する。さらにこの開口部に引き続き、ｐ型格子緩和層１１２としてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５００℃の低温で１０ｎｍ成長した後、温度を７５０℃に上げてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層（厚さ０．６μｍ）からなるｐ型クラッド層１１１、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１３を選択成長することによりリッジ構造を形成する。その上にＳｉＯ２マスクを形成してエッチングによりストライプ部分に開口部を設けた後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１１４を蒸着する。その後ｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面を研磨してＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着する。以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図２に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は５００〜８００μｍとすることが望ましい。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度４ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧７Ｖで、発振波長がほぼ６５０ｎｍの連続発振が確認され、室温で１０００時間以上の寿命を示した。
本実施例では、活性層より上層に位置する半導体層のすべてを、活性層よりもＩｎ組成比の小さいＩｎＧａＮとした。また、活性層１０８とｐ型クラッド層１１１との間に低温成長層であるｐ型格子緩和層１１２を設けている。また、ＧａＮ基板を用い、その上に半導体レーザ構造を形成している。こうした構成とすることにより、長波長でも良好で安定したレーザ素子を得ることができた。
［実施例３］
図３は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。実施例１〜２ではＩｎＧａＮからなる格子緩和層を用いたが、本実施例ではＧａＮからなる格子緩和層を用いる。
図３は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。実施例１〜２ではＩｎＧａＮからなる格子緩和層を用いたが、本実施例ではＧａＮからなる格子緩和層を用いる。
この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。まず、基板としてはｎ型低転位ＧａＮ基板２０１を用い、この基板上に８００℃でＳｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層（厚さ１．５μｍ）からなるｎ型クラッド層１０６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１０７を成長させた後、温度を７００℃にしてアンドープＩｎ０．４４Ｇａ０．５６Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造を有する活性層１０８、７５０℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１０９、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１６μｍ）からなるｐ型光ガイド層１１０を成長する。その後、ｐ型光ガイド層１１０上にＳｉＯ２マスク（厚さ０．３μｍ）２０２をスパッタにより形成し、エッチングにより幅２μｍのストライプ状に開口部を作製する。さらにこの開口部に引き続き、ｐ型格子緩和層１２０としてＭｇドープｐ型ＧａＮ層を５００℃の低温で１０ｎｍ成長した後、温度を７５０℃に上げてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層（厚さ０．６μｍ）からなるｐ型クラッド層１１１、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１３を選択成長することによりリッジ構造を形成する。その上にＳｉＯ２マスクを形成してエッチングによりストライプ部分に開口部を設けた後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１１４を蒸着する。その後ｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面を研磨してＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着する。以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図３に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は５００〜８００μｍとすることが望ましい。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度４ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧７Ｖで、発振波長がほぼ６５０ｎｍの連続発振が確認され、室温で１０００時間以上の寿命を示した。
［実施例４］
本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造を図２に示す。断面構造は概略実施例２と類似しているが、実施例２ではｎ型クラッド層をＩｎＧａＮにより構成しているのに対し本実施例ではＧａＮを用いる。
本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造を図２に示す。断面構造は概略実施例２と類似しているが、実施例２ではｎ型クラッド層をＩｎＧａＮにより構成しているのに対し本実施例ではＧａＮを用いる。
この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。基板としてはｎ型低転位ＧａＮ基板２０１を用い、この基板上に８００℃でＳｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０５を成長した後、温度を９００℃に上げてＳｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ１．５μｍ）からなるｎ型クラッド層１０６を成長し、その後温度を７５０℃に下げてＳｉドープｎ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１０７を成長させる。続いて温度を７００℃にしてアンドープＩｎ０．４４Ｇａ０．５６Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造を有する活性層１０８を成長し、７５０℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１０９、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１６μｍ）からなるｐ型光ガイド層１１０を成長する。
その後、ｐ型光ガイド層１１０上にＳｉＯ２マスク（厚さ０．３μｍ）２０２をスパッタにより形成し、エッチングにより幅２μｍのストライプ状に開口部を作製する。さらにこの開口部に引き続き、ｐ型格子緩和層１１２としてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５００℃の低温で１０ｎｍ成長した後、温度を７５０℃に上げてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層（厚さ０．６μｍ）からなるｐ型クラッド層１１１、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１３を選択成長することによりリッジ構造を形成する。その上にＳｉＯ２マスクを形成してエッチングによりストライプ部分に開口部を設けた後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１１４を蒸着する。その後ｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面を研磨してＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着する。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図２に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は５００〜８００μｍとすることが望ましい。得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度６ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧７Ｖで、発振波長がほぼ６５０ｎｍの連続発振が確認され、室温で１０００時間以上の寿命を示した。
本実施例ではｎ型クラッド層をＩｎＧａＮではなくＧａＮにより構成しているが、このように活性層１０８よりも基板側にＩｎＧａＮ以外の半導体層を設けても、活性層１０８上部の層がＩｎＧａＮにより構成されていれば、良好な素子性能が得られる。
［実施例５］
本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造を図２に示す。断面構造は概略実施例２と類似しているが、実施例２ではｐ型コンタクト層をＩｎＧａＮにより構成しているのに対し本実施例ではＧａＮを用いる。
本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造を図２に示す。断面構造は概略実施例２と類似しているが、実施例２ではｐ型コンタクト層をＩｎＧａＮにより構成しているのに対し本実施例ではＧａＮを用いる。
この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。基板としてはｎ型低転位ＧａＮ基板２０１を用い、この基板上に８００℃でＳｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層（厚さ１．５μｍ）からなるｎ型クラッド層１０６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１０７を成長させた後、温度を７００℃にしてアンドープＩｎ０．４４Ｇａ０．５６Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造を有する活性層１０８、７５０℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１０９、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．３１Ｇａ０．６９Ｎ（厚さ０．１６μｍ）からなるｐ型光ガイド層１１０を成長する。その後、ｐ型光ガイド層１１０上にＳｉＯ２マスク（厚さ０．３μｍ）２０２をスパッタにより形成し、エッチングにより幅２μｍのストライプ状に開口部を作製する。さらにこの開口部に引き続き、ｐ型格子緩和層１１２としてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を５００℃の低温で１０ｎｍ成長した後、温度を７５０℃に上げてＭｇドープｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層（厚さ０．６μｍ）からなるｐ型クラッド層１１１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１３を選択成長することによりリッジ構造を形成する。その上にＳｉＯ２マスクを形成してエッチングによりストライプ部分に開口部を設けた後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１１４を蒸着する。その後ｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面を研磨してＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着する。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４４であり、（ｘ−ｙ）が０．１７である。
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図２に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は５００〜８００μｍとすることが望ましい。得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度６ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧６Ｖで、発振波長がほぼ６５０ｎｍの連続発振が確認され、室温で１０００時間以上の寿命を示した。
本実施例ではｐ型コンタクト層をＩｎＧａＮではなくＧａＮにより構成しているが、このように活性層１０８から離れた位置にある薄い膜がＩｎＧａＮ以外の半導体により構成されていても、活性層１０８上部の層の大部分がＩｎＧａＮにより構成されていれば、良好な素子性能が得られる。
［実施例６］
本実施例では、ＩｎＧａＮからなる量子井戸活性層のＰＬ（フォトルミネッセンス）特性を評価した。評価にあたっては、ＧａＮ基板上に量子井戸活性層を形成した構造体を測定試料とした。実施例２と同様の構造、形成方法で量子井戸層を形成した。成長温度は７００℃である。井戸層および障壁層の組成および膜厚は以下のとおりである。
本実施例では、ＩｎＧａＮからなる量子井戸活性層のＰＬ（フォトルミネッセンス）特性を評価した。評価にあたっては、ＧａＮ基板上に量子井戸活性層を形成した構造体を測定試料とした。実施例２と同様の構造、形成方法で量子井戸層を形成した。成長温度は７００℃である。井戸層および障壁層の組成および膜厚は以下のとおりである。
アンドープＩｎ０．４４Ｇａ０．５６Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）
アンドープＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）
成長後、温度を上げずに室温まで冷却して得られたものを試料１とする。一方、成長後、いったん９００℃１０分の熱処理を加えた後、室温まで冷却して得られたものを試料２とする。
アンドープＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）
成長後、温度を上げずに室温まで冷却して得られたものを試料１とする。一方、成長後、いったん９００℃１０分の熱処理を加えた後、室温まで冷却して得られたものを試料２とする。
試料１および２についてＰＬ特性を評価した。図５はその結果を示す図である。図５中、ａが試料１、ｂが試料２にそれぞれ対応する。試料１は長波長領域で良好な発光が観測されたのに対し、試料２では長波長領域と短波長領域の両方の発光が観測された。
図６および図７は、これらの試料のＣＬ（カソードルミネッセンス像）観測結果を示す図である。ここでは、赤色発光および青色発光を観測するための複数のフィルタを用意し、これら通して観察することで発光状態を観測した。図６は試料１に対応するもので、５００ｎｍ以上の赤色発光のみが観測された。図７は試料２に対応するもので、５００ｎｍ未満の青色発光および５００ｎｍ以上の赤色発光が観測された。
本実施例の結果から、成長温度７００℃で形成されたＩｎＧａＮ活性層を、その後、９００℃で熱処理すると、活性層の性状が変化し、目的とする発光特性が得られないことが確認された。
［実施例７］
本実施例では、ＩｎＧａＮ活性層のインジウム組成比と、その活性層を形成するのに好適な成長温度との関係を検討した例を示す。
本実施例では、ＩｎＧａＮ活性層のインジウム組成比と、その活性層を形成するのに好適な成長温度との関係を検討した例を示す。
図８は、ＩｎＧａＮ活性層におけるインジウム組成比とバンドギャップエネルギーＥｇとの関係を示す図である。
図９は、ＩｎＧａＮ活性層成長温度と、ＰＬ測定により得られたＰＬピークエネルギーとの関係を示す図である。ＰＬピークエネルギーは、理想的にはバンドギャップＥｇと一致する。
図８のグラフから、以下の近似式が得られる。
Ｅ＝−２．９ｘ＋３．２
ＥはＥｇ、すなわちバンドギャップエネルギーを示す。
ｘはＩｎ組成比を示す。
Ｅ＝−２．９ｘ＋３．２
ＥはＥｇ、すなわちバンドギャップエネルギーを示す。
ｘはＩｎ組成比を示す。
一方、図９のグラフから、以下の近似式が得られる。
Ｅ＝０．０１２Ｔｓ−６．４２
Ｔｓは成長温度である。
Ｅ＝０．０１２Ｔｓ−６．４２
Ｔｓは成長温度である。
以上から、
Ｔｓ＝−２４０ｘ＋８００ ・・・式（Ａ）
なる関係式が得られる。なお、上記取扱では、バンドギャップエネルギーおよびＰＬピークエネルギーをいずれもＥとして同一に取り扱った。
Ｔｓ＝−２４０ｘ＋８００ ・・・式（Ａ）
なる関係式が得られる。なお、上記取扱では、バンドギャップエネルギーおよびＰＬピークエネルギーをいずれもＥとして同一に取り扱った。
上記式（Ａ）より、ＩｎＧａＮ活性層のインジウム組成比と、その活性層を形成するのに好適な成長温度との関係は、以下のようになる。
インジウム組成０．２：成長温度 約７５０℃
インジウム組成０．４：成長温度 約７００℃
インジウム組成０．６：成長温度 約６５０℃
ＩｎＧａＮ活性層を好適に形成するには、その上部に位置するクラッド層等の成長温度を低くすることが重要となる。具体的には、（活性層成長温度＋１００℃）を超えない温度とすることが好ましい。こうすることにより、熱履歴による活性層の品質劣化を効果的に抑制できる。これを式（Ａ）を用いて組成に換算すると、組成比で０．４１、すなわち、活性層インジウム組成比とクラッド層インジウム組成比との差が０．４１以下であることに対応する。したがって、活性層および上部クラッド層のインジウム組成の差は、０．４１以下とすることが好ましく、こうすることにより、安定した長波長発光を実現することができる。
［実施例８］
活性層１０８およびｐ型クラッド層１１１の材料および成長温度を以下のように変更したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。
（ｉ）活性層１０８
構造：Ｉｎ０．４７Ｇａ０．５３Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とＩｎ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造
成長温度：６８０℃
（ｉｉ）ｐ型クラッド層１１１
構造：Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（厚さ０．６μｍ）
成長温度：７８０℃
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４７であり、（ｘ−ｙ）が０．４である。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度６．５ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧７Ｖで、発振波長がほぼ６８０ｎｍの連続発振が確認された。
［実施例９］
活性層１０８およびｐ型クラッド層１１１の材料および成長温度を以下のように変更したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。
（ｉ）活性層１０８
構造：Ｉｎ０．４７Ｇａ０．５３Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とＩｎ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造
成長温度：６８０℃
（ｉｉ）ｐ型クラッド層１１１
構造：Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ（厚さ０．６μｍ）
成長温度：７８０℃
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４７であり、（ｘ−ｙ）が０．４３である。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度１０ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧９Ｖで、発振波長がほぼ６８０ｎｍの連続発振が確認された。実施例１と比較して若干閾値電流密度が高めの値となった。実施例１の構造の方が、ワイヤーボンディング時における活性層等の膜質低下がより効果的に抑制されたためと考えられる。
上記実施例８、９の比較からわかるように、（ｘ−ｙ）が０．４を超える場合に比べ、（ｘ−ｙ）が０．４以下とした場合、閾値電流密度が改善される。この傾向は、ｘを０．３以上の範囲内で行った幾つかの実験結果でも同様であった。
以上、図面を参照して本発明の実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、レーザ素子の構造は、上述の実施例で示したリッジ型のものに限定されず、たとえば、レーザ構造中に電流ブロック層を設けたインナーストライプ型のものを用いてもよい。
また、レーザ構造中、格子緩和層１１２を設けない構成としてもよい。
インジウム組成０．４：成長温度 約７００℃
インジウム組成０．６：成長温度 約６５０℃
ＩｎＧａＮ活性層を好適に形成するには、その上部に位置するクラッド層等の成長温度を低くすることが重要となる。具体的には、（活性層成長温度＋１００℃）を超えない温度とすることが好ましい。こうすることにより、熱履歴による活性層の品質劣化を効果的に抑制できる。これを式（Ａ）を用いて組成に換算すると、組成比で０．４１、すなわち、活性層インジウム組成比とクラッド層インジウム組成比との差が０．４１以下であることに対応する。したがって、活性層および上部クラッド層のインジウム組成の差は、０．４１以下とすることが好ましく、こうすることにより、安定した長波長発光を実現することができる。
［実施例８］
活性層１０８およびｐ型クラッド層１１１の材料および成長温度を以下のように変更したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。
（ｉ）活性層１０８
構造：Ｉｎ０．４７Ｇａ０．５３Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とＩｎ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造
成長温度：６８０℃
（ｉｉ）ｐ型クラッド層１１１
構造：Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（厚さ０．６μｍ）
成長温度：７８０℃
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４７であり、（ｘ−ｙ）が０．４である。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度６．５ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧７Ｖで、発振波長がほぼ６８０ｎｍの連続発振が確認された。
［実施例９］
活性層１０８およびｐ型クラッド層１１１の材料および成長温度を以下のように変更したこと以外は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。
（ｉ）活性層１０８
構造：Ｉｎ０．４７Ｇａ０．５３Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とＩｎ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸構造
成長温度：６８０℃
（ｉｉ）ｐ型クラッド層１１１
構造：Ｍｇドープｐ型Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ（厚さ０．６μｍ）
成長温度：７８０℃
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層１０８のインジウム組成（量子井戸層のインジウム組成）をｘ、ｐ型クラッド層１１１のインジウム組成をｙとしたとき、ｘが０．４７であり、（ｘ−ｙ）が０．４３である。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、室温において閾値電流密度１０ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧９Ｖで、発振波長がほぼ６８０ｎｍの連続発振が確認された。実施例１と比較して若干閾値電流密度が高めの値となった。実施例１の構造の方が、ワイヤーボンディング時における活性層等の膜質低下がより効果的に抑制されたためと考えられる。
上記実施例８、９の比較からわかるように、（ｘ−ｙ）が０．４を超える場合に比べ、（ｘ−ｙ）が０．４以下とした場合、閾値電流密度が改善される。この傾向は、ｘを０．３以上の範囲内で行った幾つかの実験結果でも同様であった。
以上、図面を参照して本発明の実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、レーザ素子の構造は、上述の実施例で示したリッジ型のものに限定されず、たとえば、レーザ構造中に電流ブロック層を設けたインナーストライプ型のものを用いてもよい。
また、レーザ構造中、格子緩和層１１２を設けない構成としてもよい。
Claims (24)
- 基板と、
該基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、
前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、
を備え、
前記活性層および前記上部クラッド層は、いずれもインジウムを含む窒化物半導体からなり、
前記活性層のインジウム組成をｘ、前記上部クラッド層のインジウム組成をｙとしたとき、
ｘが０．３以上であり、（ｘ−ｙ）が０．４以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の成長温度をＴ２（℃）、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をＴ１（℃）としたとき、
Ｔ１−Ｔ２が１００℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層と前記上部クラッド層との間、または前記上部クラッド層中に格子緩和層を設けたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層は、６００℃以下の温度で形成された低温成長層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層は、インジウムを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層の厚みが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層のインジウム組成比が前記活性層のインジウム組成比よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の上部に設けられ、インジウムを含む窒化物半導体により構成されたコンタクト層と、
該コンタクト層と接して設けられた電極と
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の上部に位置する半導体層が、いずれもインジウムを含む窒化物半導体により構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１０項に記載の窒化物半導体発光素子において、
ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなる前記上部クラッド層の厚みが、０．４μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板と、
該基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、
前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、
を備え、
前記活性層および前記上部クラッド層は、いずれもインジウムを含む窒化物半導体からなり、
前記活性層の成長温度をＴ２（℃）、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をＴ１（℃）としたとき、
Ｔ１−Ｔ２が１００℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板と、
該基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、
前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、
を備え、
前記活性層はインジウムを含む窒化物半導体からなり、
前記活性層と前記上部クラッド層との間、または前記上部クラッド層中に格子緩和層を設けたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層はインジウムを含む窒化物半導体からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層は、６００℃以下の温度で形成された低温成長層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層は、インジウムを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層の厚みが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１２項または１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層のインジウム組成比が前記活性層のインジウム組成比よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１２項または１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の上部に設けられ、インジウムを含む窒化物半導体により構成されたコンタクト層と、
該コンタクト層と接して設けられた電極と
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１２項または１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の上部に位置する半導体層が、いずれもインジウムを含む窒化物半導体により構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１２項または１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第１２項または１３項に記載の窒化物半導体発光素子において、
ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなる前記上部クラッド層の厚みが、０．４μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる上部クラッド層を形成する工程と、
を含み、
前記活性層の成長温度をＴ２（℃）、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をＴ１（℃）としたとき、
Ｔ１−Ｔ２が１００℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層の上部に、６００℃以下の温度で格子緩和層を形成する工程と、
前記格子緩和層の上部に上部クラッド層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
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| WO2005022711A1 (ja) | 2005-03-10 |
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