TWI418106B - 半導體發光元件 - Google Patents

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Description

半導體發光元件
本發明係有關於一種使用氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射及發光二極體等的半導體發光元件。
近年來，做為可發出光碟之高密度化需要的從藍色區域至紫色區域的光線之半導體雷射，盛行研究開發使用AlGaInN等的氮化物III－V族化合物半導體的氮化物半導體雷射，其已經被實用化。
在目前為止被提出的氮化物半導體雷射中，其活性層構造係使用交互積層由InGaN構成的井層(InGaN井層)與具有In組成比較該井層小的值(通常約0.02)之InGaN構成的障壁層(InGaN障壁層)之多重量子井構造。具有上述多重量子井構造的活性層之半導體雷射係例如在專利文獻1中揭示的氮化鎵半導體發光元件。
[專利文獻1]特開平10－261838號公報
有關InGaN井層的In組成比(表示Inx Ga( 1 － x ) 中的”x”)係使用根據振盪波長與井層的厚度(井厚)等的各種值，在振盪波長為405nm、井厚為5.0nm的情況中係0.12左右。不過，實際上，眾所周知此In組成比具有根據井層的層方向(與成長方向垂直的方向)的位置而不同的值，亦即In組成比沿著井層的層方向大幅地變動。該變動的大小小至數nm、大至數百nm。
此等元素組成比的變動並未出現於通常被使用於GaAs系LD的井層之GaAs、AlGaAs、AlGaP、AlGaInP等材料，及通常被使用於InP系LD的井層之InGaAs及InGaAsP等材料。
如此，在具有透過InGaN井層與InGaN障壁層構成的多重量子井構造的活性層之半導體雷射等的半導體發光元件中，在InGaN井層的層方向上發生In組成比的變動。因此，有無法得到具有足夠高的微分效率的半導體發光元件的問題。
為了解決上述問題，本發明之目的在於得到使用具有比以前高的微分效率之氮化物III－V族化合物半導體的半導體發光元件。
本發明之申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件係使用具有包含至少2個井層的多重量子井構造之活性層的氮化物III－V族化合物半導體，前述至少2個井層包含至少2個InGaN井層，並將表示在發光時之元件的全部波導光中，前述至少2個InGaN井層上的光之比例的光侷限係數(%)設定為1.5以上、3.0以下。
本發明之申請專利範圍第4項所述的半導體發光元件係使用利用氮化物III－V族化合物半導體的半導體發光元件，具有包含至少2個井層的多重量子井構造的活性層，將表示在前述至少2個井層上的光的比例之光侷限係數(%)設定為1.5以上、3.0以下。
在本發明之申請專利範圍第1項及第5項所述的半導體發光元件中，透過將表示在至少2個InGaN井層上的光的比例之光侷限係數設定為1.5以上、3.0以下，例如在前端面上具有10%的反射率，在後端面上具有95%的反射率時，達到可將臨界值電流控制於實用的位準，並可得到1.6W/A以上的高微分效率的效果。
在本發明之申請專利範圍第4項所述的半導體發光元件中，透過將表示在至少2個InGaN井層上的光的比例之光侷限係數設定為1.5以上、3.0以下，例如在前端面上具有10%的反射率，在後端面上具有95%的反射率時，達到可將臨界值電流控制於實用的位準，並可得到1.6W/A以上的高微分效率的效果。
 <發明原理> (問題的檢討)
InGaN材料的能隙具有隨著In組成比變大而變小的負關聯性。因此，成為習知的問題之原因的InGaN井層的層方向中之In組成比的變動的存在係表示在井層內的能隙根據層方向的位置而不同。
圖1係表示InGaN井層中的層方向之In組成比的變動造成的能隙之狀態的說明圖。如該圖所示，在In組成比大的區域31，能隙相對地變小，在In組成比小的區域32，能隙相對地變大。
圖2係顯示InGaN井層中的增益區域與吸收區域的存在之說明圖。如該圖所示，在InGaN井層注入電子與電洞，使雷射開始振盪時，在能隙小的區域載子多，在能隙大的區域載子少。這是在InGaN井層內載子擴散的結果產生的現象。
通常，在做為半導體雷射的增益區域的井層中，根據載子密度的大小決定增益的大小。亦即，載子密度比一特定值(被稱為透明化載子密度的值)高的區域成為增益區域，在載子密度比透明化載子密度小的區域中，增益為負，也就是成為光的吸收區域。
考慮上述，在使用InGaN材料做為井層的氮化物III－V族化合物半導體雷射中，如圖2所示，即使在開始振盪時，透過加到增益區域上，存在載子密度比透明化載子密度小的光之吸收區域，推測在該吸收區域中發生光的吸收。
另一方面，若前端面反射率為Rf，後端面反射率為Rr，共振器長度為L，內部量子效率為η i，內部損失為α i，在半導體雷射中之前端面與後端面的微分效率的和之總微分效率η total係以下式(1)表示。
因為在InGaN井層上存在前述之光的吸收係表示內部損失α i大，內部損失α i的增加表示總微分效率η total減少。如此，在使用氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射中，在井層中的In組成比變動導致而發生的在井層中的光吸收，成為實現高的總微分效率η total的障礙。
在目前為止提出的氮化物III－V族化合物的半導體雷射中，為了增大從前面得到的微分效率，大多在前面施加約10%的低反射率鍍膜，在後面施加約95%的高反射率鍍膜。但不限於此，由於前述In組成比的變動導致的障礙，前端面的微分效率變成比1.6W/A小，目前沒有對具有其以上的微分效率之半導體雷射的報告。
(問題之解決的檢討)
在使用氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射中，為了得到高微分效率，必須減低In組成比的變動導致而發生的在InGaN井層內的光吸收。
因為在InGaN井層內的光吸收係比例於井層的光侷限係數Γ(發光時的半導體雷射的全部波導光中之在井層內的光的比例)，為了減低在井層內的光吸收，減低此光侷限係數Γ是有效的。
不過，因為雷射光的增益，亦即模式增益也比例於光侷限係數Γ，當光侷限係數Γ減小時，模式增益變小，振盪需要的載子密度(臨界值載子密度)變大，而發生光輸出－電流特性中之振盪臨界值(臨界值電流)增大的問題。因為此問題，在使用習知的氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射中，一般是使對井層的光侷限係數Γ為3.5~4.5%前後加以設計、製作。
即使在前述之使用GaAs材料、InP材料的雷射中，因為發生上述同樣的問題，使在井層的光侷限係數Γ變得非常小是不好的，且事實上未被實行。
如上所述，當以對井層的光侷限係數Γ在3.5%~4.5%前後為適當的技術常識控制時，本案之發明人進一步減小光侷限係數Γ，試驗地製作使用氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射，並檢討提升微分效率的可能性。
圖3係顯示對於臨界值電流的光侷限係數Γ的依存性(以下，略記為「Γ依存性」時)的圖式。圖4係顯示從前端面射出的雷射光之微分效率的Γ依存性的圖式。又，圖4係顯示實施在前端面具有10%的反射率、在後端面具有95%的反射率的鍍膜時的Γ依存性的圖式。
在此，關於在對光的進行方向垂直的二次元面上的雷射層構造，在由其折射率模擬光強度分布之後，透過計算對相當於井層的區域中之光強度的全部之比例，求得對井層的光侷限係數Γ。多重量子井構造中的光侷限係數Γ係表示複數井層各自的光侷限係數Γ的和。
製作的半導體雷射的活性層係呈現具有膜厚分別為5nm的2個井層之2重量子井構造。傳統上，對此構造中的井層之光侷限係數Γ因為係約3.7%，此時，臨界值電流變成30mA以下(參照圖3)，微分效率變成1.5W/A以下(參照圖4)。
不過，當檢討光侷限係數Γ為3.0%以下的區域時，具有由於圖3所示的臨界值電流的Γ依存性，臨界值電流的劣化(上升)較小，及由於圖4所示的微分效率的Γ依存性，微分效率大幅地改善(上升)的特性。
在使用氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射中，舉出下列幾點做為具有上述特性的理由。一般，在光侷限係數Γ的減少造成模式增益的減少時，因為對其補償的井層之增益變成必要，為了振盪，對井層的載子注入量的增大(臨界值載子密度增大)變成必要，在此材料中，相對於載子濃度變化量的井之光增益變化量的比例(微分增益)非常大，因為可以小量的載子注入量完成，而可想見其不大幅地產生臨界值電流的增大。
如前所述，透過在井層內產生In組成比的變動，InGaN井層具有與其他材料相比在井層內的光吸收變成非常大的性質，此性質被視為光侷限係數Γ減低時微分效率大幅改善的理由。
又透過光侷限係數Γ的減低造成的光吸收量減低，減低振盪時需要的模式增益，這某程度減少臨界值電流的增大，這被視為是根據Γ依存性的臨界值電流的增大不增大太多的理由。
由圖3及圖4所示的Γ依存性，當光侷限係數Γ變成比1.5%小時，臨界值電流大幅地增大，且微分效率的改善量也變小。因此，推斷最好是以約1.5%做為光侷限係數Γ的下限。
由圖4所示的Γ依存性，當光侷限係數Γ為3.0%以下時，得到微分效率為1.6W/A以上。再者，透過使光侷限係數Γ為2.6%以下，以得到1.7W/A以上的微分效率。
因此，在具有包含2個InGaN井層的2重量子井構造的活性層之半導體雷射中，就微分效率為1.6W/A以上，臨界值電流變成實用的位準而言，有使井層的光侷限係數Γ為1.5~3.0的範圍之必要，就微分效率為1.7W/A以上，臨界值電流變成實用的位準而言，有使井層的光侷限係數Γ為1.5~2.6的範圍之必要。
在使用目前被提出的氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射中，因為從前端面射出的雷射光之微分效率的值比1.6W/A小，透過本發明，而可得到以往不可能得到的微分效率。
若可提高微分效率，因為可減低輸出相同的光輸出需要的電流值，雷射驅動電路的負荷減輕，消耗電力造成之發熱量的減輕等，其優點相當大。
圖5及圖6係分別顯示具有僅以膜厚5nm的1個井層構成的活性層的半導體雷射中的臨界值電流及微分效率的Γ依存性的說明圖。
如圖所示，隨著光侷限係數Γ的減少，臨界值電流的劣化(上升)程度顯著，微分效率的改善(上升)效果不大被顯示。這可由與構成活性層的井層的數目為2個時的半導體雷射中的臨界值電流及微分效率的Γ依存性(圖3及圖4)的比較明白。
具有僅以1個井層構成的活性層的半導體雷射中的臨界值電流及微分效率的Γ依存性具有上述性質，在井層為1個的情況中，對於井內的載子，位能障壁僅有1個，溢流的結果，因為在井內未再結合的電子漏出，而對光輸出沒有貢獻。
在1個井層的情況中，在得到跟具有與其相同的厚度之2個井層的情況相同的光侷限係數Γ時，使井層的膜厚變厚成與在2個井層的情況中井層膜厚的和大約相同，或者，必須使垂直方向的光分佈，亦即近場圖形，成為盡可能被集中於井附近之形狀。
不過，在井層的膜厚變厚的情況中，透過使井層的量子效果變小，產生臨界值電流的增大等的缺點，當垂直方向的近場圖形變小時，遠場圖形變大，而成為不適於光學讀取的特性。
因為在構成此種活性層的井層的數目為”1”的情況中，發生各種問題，為了得到本發明之效果，井層的數目最好是2以上。在井層的數目比3多的情況中，不發生上述的井的數目為”1”的情況之問題，因為在通常的設計中，透過使井層的體積變大，及使活性層附近的折射率變大的2個效果，光侷限係數Γ強烈地傾向於變大，經由使用本發明，減低光吸收的效果變得更大。
<實施例1>
圖7係顯示本發明之實施例1的使用氮化物III-V族化合物半導體的半導體雷射(半導體發光元件)的構造之截面圖。本實施例之半導體雷射具有脊狀構造及SCH(Separate Confinement Heterostructure)構造。
如該圖所示，實施例1的半導體雷射係在GaN基板1的一主面之Ga面上形成n型GaN緩衝層2。n型GaN緩衝層2被用以減低GaN基板1的一主面的凹凸，以盡可能平坦地積層其上層。
在n型GaN緩衝層2上，依序積層Al組成比為0.07的n型AlGaN包覆層3、Al組成比為0.045的n型AlGaN包覆層4、Al組成比為0.015的n型AlGaN包覆層5。此外，在n型AlGaN包覆層5上依序積層n型GaN光導層6、n型InGaN-SCH層7。可考慮例如以In組成比0.02的未摻雜的結構做為n型InGaN-SCH層7。
然後，在n型InGaN-SCH層7形成活性層8。例如，活性層8係如圖所示，呈現依In組成比0.12之未摻雜的InGaN井層8a、In組成比0.02之InGaN障壁層8b、及In組成比0.12之未摻雜的InGaN井層8c的順序積層的2重量子井構造。
此外，在活性層8上，依序積層p型InGaN-SCH層9、p型AlGaN電子障壁層10、p型GaN光導層11。可考慮例如以In組成比0.02的未摻雜的結構做為p型InGaN-SCH層9。並可考慮例如以Al組成比0.2的結構做為p型AlGaN電子障壁層10。
在p型GaN光導層11上形成Al組成比0.07的p型AlGaN包覆層12。此p型AlGaN包覆層12具有部分突出的脊狀部12a。在p型AlGaN包覆層12的脊狀部12a上形成p型GaN接觸層13。透過脊狀部12a及脊狀部12a上的p型GaN接觸層13形成脊樑14，此脊樑14係在p型GaN光導層11上積層p型AlGaN包覆層12及p型GaN接觸層13後，透過例如向(1－100)方向施加蝕刻處理而形成。此脊樑14被形成在GaN基板1上，以位於被形成為長條狀的數μ m~數十μ m寬的高差排區域之間的低缺陷區域上。
在成為GaN基板1的一主面之Ga面的相對側方向之做為另一主面的N面上，形成n型電極18。舉例而言，此n型電極18係依序積層鈦(Ti)及Au膜的構造。
p型AlGaN包覆層12的脊狀部12a以外的表面上，在脊樑14(p型AlGaN包覆層12及p型GaN接觸層13)的側面上形成絕緣膜15，覆蓋p型GaN接觸層13及絕緣膜15，形成p型電極17。絕緣膜15係為了保護及電氣絕緣脊狀部12a之側面部及未形成脊狀部12a的p型AlGaN包覆層12的表面而被設置。
舉例而言，n型GaN緩衝層2的膜厚為1 μ m，並摻雜矽(Si)以做為n型不純物。n型AlGaN包覆層3、4及5的膜厚分別為0.4 μ m、1.0 μ m及0.3 μ m，並摻雜Si以做為n型不純物。
n型InGaN－SCH層7及p型InGaN－SCH層9的膜厚均為30nm，2重量子井構造的活性層8中，舉例而言，2個InGaN井層8a、8c的膜厚均為5.0nm，InGaN障壁層8b的膜厚為8.0nm，p型AlGaN電子障壁層10的膜厚為20nm，並摻雜鎂(Mg)以做為p型不純物。又，舉例而言，p型GaN光導層11的膜厚係100nm。
舉例而言，做為p側包覆層的p型AlGaN包覆層12的膜厚係500nm，並摻雜Mg以做為p型不純物。P型GaN接觸層13的膜厚為20nm，並摻雜Mg以做為p型不純物。
絕緣膜15係以膜厚為200nm的SiO2 膜形成，p型電極17變成依序積層例如鈀(Pd)及金(Au)膜的構造。
表1係表示構成實施例1的半導體雷射的各層中之材料、膜厚及折射率n。表1的最左欄顯示的層No.係表示對應於圖7所示之構造的各層的符號號碼。
圖9係顯示Alx Ga( 1 － x ) N層的折射率n之Al組成比依存性的圖式。圖10係顯示Inx Ga( 1 － x ) N層的折射率n之In組成比依存性的圖式。圖9及圖10中顯示的Al組成比依存性及In組成比依存性係表示振盪波長為405nm的情況。
表1顯示的n型AlGaN包覆層3~5等的AlGaN層的折射率n係根據圖9所示的Al組成比依存性算出，n型InGaN－SCH層7的InGaN層的折射率n係根據圖10所示的In組成比依存性算出。這些是適當的結果，使得由構成半導體雷射的各層之折射率n求得近場圖形及遠場圖形的模擬結果與雷射的遠場圖形的實驗結果可在任一結構中一致，其精度非常的高。
關於構成活性層8的InGaN井層8a、8c，由於係2重量子井構造，因為能隙構造與大塊結晶不同，In組成比與折射率n的關係係取跟圖10不同的值。然後，根據遠場圖形的實測值而決定該值為「2.765」。井層的折射率n係透過井構造與膜厚而改變，由於能隙與振盪波長的關係不會根據井層的In組成比的不同而受到大幅的變化，在一般使用的In組成比約0.05~0.2、厚度約為2~10nm的範圍內，不會有大幅影響光侷限係數Γ的計算之實質的變化。如此，關於井層的折射率n，若在上述範圍內，為「2.765」在精度上沒有問題。
圖9及圖10所示的折射率n的Al組成比依存性、In組成比依存性係隨著振盪波長而變化，而傾向於振盪波長越短，折射率n越大，且振盪波長越長，折射率n越小。因為該變化適用於構成雷射的全部的層，該變化量相對於該材料的Al組成比及In組成比呈現相同程度的值。
例如，振盪波長為410nm的情況，與使用振盪波長405nm的值計算的情況相比，實際的折射率n變小。此情況中，在光侷限層(n型GaN光導層6、n型InGaN－SCH層7、活性層8、p型InGaN－SCH層9、p型AlGaN電子障壁層10及p型GaN光導層11)上之折射率發生對活性層8的光侷限係數Γ變小的效果，另一方面，因為p型及n型包覆層的折射率也變小，對包覆層的光滲漏變小。亦即，發生對活性層8的光侷限係數Γ變大的效果。因此，由於這些效果相反，結果對井層的光侷限係數Γ實質上沒有變化。
由於上述理由，對井層的光侷限係數Γ，只要振盪波長為405nm附近，經由振盪波長沒有大幅的變化。亦即，即使在振盪波長不為405nm的情況中，經由根據圖9及圖10所示的Al組成比依存性及In組成比依存性算出折射率n，可求得大致上正確之對InGaN井層的光侷限係數Γ。實際上，使用考慮振盪波長的變化之折射率n的計算之結果也支持上述考量。
根據以上的檢證結果，進行實施例1之半導體雷射的光侷限係數Γ的模擬。結果，光侷限係數Γ(InGaN井層8a、8c的光侷限係數的和)係2.50%，變成較習知的約3.7%小。
表2係表示構成對應於實施例1的習知例的半導體雷射的各層之材料、膜厚及折射率n的表。表2的最左欄顯示的層No.係表示對應於圖7所示之構造的各層的符號號碼。
圖11係顯示測定來自實施例1的半導體雷射之前端面的光輸出的結果的圖式。圖11所示的光輸出變化L1係指示在施加鍍膜以在本發明之實施例1的半導體雷射的前端面具有10%的反射率、在後端面具有95%的反射率時，測定來自前端面的光輸出之結果。光輸出變化L2係顯示在將習知的半導體雷射上設定同樣的前端面及後端面的反射率時，測定來自前端面的光輸出之結果。
參照圖11，相對於如光輸出變化L2所示，習知構造的微分效率(相對於操作電流之來自前端面的光輸出的比例)係1.5W/A，如光輸出變化L1所示，實施例1的微分效率大幅地提升為1.95W/A。結果，光輸出為150mW時的操作電流值在以往必須為130mA，在實施例1中以110mA即可成功完成。
此結果，如前所述，係視透過減低對井層的光侷限係數Γ，減少在井層的光吸收為原因。
圖12係顯示在實施例1中的脊樑中央部之垂直方向的折射率與光電場強度分布的模擬結果的說明圖。光電場強度分布係由在對於光的進行方向垂直的二次元面上的雷射層構造進行模擬，計算2次元的光電場強度分布，以顯示該脊樑中央部的分布。光電極強度的平方為光強度。
在實施例1的雷射構造中，使用3層構造的n型AlGaN包覆層3~5，做為n型的AlGaN包覆層，透過在n型AlGaN包覆層3、4及5中，將Al組成比設定為0.07、0.045及0.015，而在n型AlGaN包覆層3~5間設定不同的Al組成比。
如圖12所示，將光導入折射率較高的Al組成比為0.015的n型AIGaN包覆層5，因為對此n型AIGaN包覆層5的光強度變大，光的強度中心(峰值位置)從活性層8移動至n側(n型AlGaN包覆層3~5側)，結果使在活性層8的井層之光侷限係數Γ變小。
Al組成比為0.07的n型AlGaN包覆層3係被設置以抑制光分布滲出於GaN基板1的層，n型AlGaN包覆層3的有無幾乎不會影響在活性層8的井層之光侷限係數Γ。
上述實施例1係經由使用AlGaN做為n型及p型包覆層，以得到能隙變大且結晶性良好的層。
在此，關於n型AlGaN包覆層的Al組成比，Al組成比越大，結晶性越差，且信賴性大幅地劣化。此外，因為折射率變小，光電場難以延伸至n側，結果光電場易於集中在活性層周邊，使得減低井層中的光侷限係數Γ變得困難。相反地，在Al組成比小的情況中，由於折射率變大，因為光電場大幅地延伸到n側至必要以上，使得光侷限係數Γ變得太小。
由上述，n型AlGaN包覆層或n型包覆層係複數的情況中，關於該至少1層，Al組成比係0.005以上、0.08以下，更好的是0.005以上、0.06以下，較好的是0.005以上、0.04以下。
此外，當n型包覆層的折射率比p型包覆層大時，因為光電場被拖引至n層側，n型包覆層內的光侷限量增大，可容易地減低光侷限係數Γ。此時，使n型層為複數的包覆層，且關於其中的1層，經由具有比p型包覆層高的折射率也可得到同樣的效果。
實施例1係在使用具有包含至少2個井層的多重量子井構造的活性層之氮化物III－V族化合物半導體的半導體發光元件中，使上述複數井層的組成相同，包括被設置在活性層8的下層之第1導電型的第1包覆層(n型AlGaN包覆層4、5)及被設置在活性層8的上層之第2導電型的第2包覆層(p型AlGaN包覆層12)，以使得在該複數井層內之最靠近基板(GaN基板)側的井層(InGaN井層8a)的光侷限係數比距基板側最遠的井層(InGaN井層8c)的光侷限係數大，並以第1包覆層的折射率比第2包覆層的折射率大做為一特徵。
亦即，在被侷限於圖8所示的活性層8的光中，具有與構成該活性層8之相同組成的複數InGaN井層8a、8c各自分配的光的量之對象未被確保，特別是在靠近基板側的InGaN井層8a與距基板側最遠的InGaN井側8c上其量明顯不同。
這係透過將被侷限於圖12所示的活性層8的光，導入至靠近被設置於GaN基板1側的折射率比p型AlGaN包覆層12大的n型AlGaN包覆層4、5的InGaN井層8a而發生。換言之，被侷限於靠近被設置在GaN基板1側之折射率大的n型AlGaN包覆層4、5的InGaN井層8a的光，變成比被侷限於靠近被設置在遠離GaN基板1側之折射率小的p型AlGaN包覆層12的InGaN井層8c的光大。
亦即，InGaN井層8a的光侷限係數變成比InGaN井層8c的光侷限係數大。結果，因為可減低對p型電極17的光強度，而得到可改善該元件具有之微分效率的特殊效果。以下，詳細說明此點。
一般而言，在半導體雷射中，相對於被設置在基板側的電極(第1電極)及活性層的距離，被設置在基板相對側之電極(第2電極)與活性層的距離相當小。例如，在氮化物半導體雷射中，活性層與第2電極間的距離一般大多約為400nm，若考慮在使用InP或GaAs材料等的其他材料之半導體雷射中，此距離約為2 μ m以上，則其係被非常小地設定。這是因為此距離越大，結晶的串聯電阻變得越大，特別由於氮化物半導體的結晶之電阻非常高，故此距離被取得很小。
如此，因為活性層與第2電極間的距離近，在第2電極內，與第1電極相比，存在無法忽視的光電場，故存在若干光吸收。因此，光的強度中心(峰值位置)從活性層8移動至第2電極側，結果使光電場進一步延伸至第2電極側，光吸收進一步變大，而使得發生振盪臨界值的增大及發光效率的低下等的特性上之問題的可能性高。
考慮此等理由，在實施例1中，做為減小光侷限係數Γ的方法係使光電場延伸至第1電極的n型電極18側，而不是使光電場延伸至第2電極的p型電極17側。亦即，透過使被設置在活性層8的下方之GaN基板1側的n型AlGaN包覆層5、4的折射率比被設置在活性層8的上方之GaN基板1的相對側的p型AlGaN包覆層12的折射率大，使光的強度中心被移動至第1電極的n型電極18側，結果可減低第2電極的p型電極17上的光強度，達到可緩和上述特性上的問題之發生的效果。
(製造方法)
其次，參照圖7說明實施例1的半導體雷射的製造方法。首先，在透過熱清除等將表面洗淨的GaN基板1上，透過有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)法，以例如1000℃的成長溫度，成長n型GaN緩衝層2。
其後，經由MOCVD法，依序積層n型AlGaN包覆層3~5、n型GaN光導層6、未摻雜的n型InGaN－SCH層7、由未摻雜的InGaN井層8a、8c及InGaN障壁層8b構成的2重量子井構造的活性層8、未摻雜的p型InGaN－SCH層9、p型AlGaN電子障壁層10及p型GaN光導層11、p型AlGaN包覆層12及p型GaN接觸層13。
在此，這些層的成長溫度，例如，n型AlGaN包覆層3~5及n型GaN光導層6係1000℃，未摻雜n型InGaN－SCH層7~未摻雜p型InGaN－SCH層9係780℃，p型AlGaN電子障壁層10~p型GaN接觸層13係1000℃。
在完成以上的結晶成長的晶圓的前面上，塗佈光阻(在圖7中未顯示)，透過微影術形成對應於平台部的形狀之預定形狀的光阻圖案。以此光阻圖案做為罩幕，例如，透過RIE(Reactive Ion Etching)，對p型GaN接觸層13及p型AlGaN包覆層12進行蝕刻，以僅剩下p型AlGaN包覆層12的一部分。結果，由光阻圖案下方的p型AlGaN包覆層12的脊狀部12a及p型GaN接觸層13形成脊樑14。
其次，殘留被用以做為罩幕的光阻圖案，再次於晶圓的整個面上，使用CVD法、真空蒸鍍法、濺鍍法等，形成絕緣膜15，例如厚為0.2 μ m的SiO2 膜。再進行所謂的剝離，以在除去光阻圖案時，一併除去形成於光阻圖案上的絕緣膜15。結果，在脊樑14上設置開口部16。
其次，在晶圓的整個面上透過真空蒸鍍法依序形成鉑(Pt)及Au之後，再塗佈光阻，並透過微影術形成光阻圖案，然後，透過施加濕蝕刻或乾蝕刻，如圖7所示，形成p型電極17(圖案)。
其後，在GaN基板1的裏面的整個面上，經由真空蒸鍍法，依序形成Ti及Al膜，以得到n型電極18，再進行用以對n型電極18歐姆接觸的合金處理(熱處理)。
此後，透過(沿著第1方向)劈開此基板，加工為條狀，並形成兩個共振器的端面，在這些共振器的端面上施加端面鍍膜後，透過將此條(沿著與上述第1方向垂直的方向)劈開等而晶片化。經由上述，製造實施例1的半導體雷射。
相對於實施例1的構造，當然也可想到提供使被設置在活性層的上層(基板的相對側)之第2包覆層的折射率比被設置在活性層的下層(基板側)之第1包覆層的折射率大的構造。在上述構造的情況中，光的強度中心從活性層8移動至第2包覆層(第2電極)側，結果可使在活性層的井層內的光侷限係數Γ變小。
<實施例2>
表3係表示構成實施例2的半導體雷射的各層中之材料、膜厚及折射率n。表3的最左欄顯示的層No.係表示對應於圖7所示之構造的各層的符號號碼。
如表3所示，在實施例2中，在以3個井層及2個障壁層之3重量子井構造實現活性層8的構造一點上與實施例1不同。3個井層的In組成比、膜厚及2個障壁層的膜厚也都與實施例1不同。
在實施例2的半導體雷射中，若對光侷限係數Γ進行與實施例1相同的模擬，得到的光侷限係數Γ(3個InGaN井層的光侷限係數的和)係2.58%。
在施加鍍膜以使得在雷射的前端面上具有10%的反射率、在後端面上具有95%的反射率之後，實際測定前端面的微分效率之結果，係從習知的1.5W/A大幅地改善為1.95W/A。
實施例2的半導體雷射，因為僅其層構造不同，而係與實施例1同樣地被製造，故省略其說明。
<實施例3>
圖13係顯示本發明之實施例3的使用氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射的構造之截面圖。如該圖所示，除了將3層的n型AlGaN包覆層3~5置換成1層的n型AlGaN包覆層20，及將p型AlGaN包覆層12置換成p型AlGaN包覆層21一點外，與圖7所示的實施例1的層構造相同。
表4係表示構成實施例3的半導體雷射的各層中之材料、膜厚及折射率n。表4的最左欄顯示的層No.係表示對應於圖13所示之構造的各層的符號號碼。
如表4所示，在實施例3中，透過將p型的AlGaN包覆層21及n型AlGaN包覆層20的Al組成比，設定為比習知的p型的AlGaN包覆層及n型AlGaN包覆層小的「0.03」，使各自的折射率n比習知大。結果，對n型AlGaN包覆層20及p型的AlGaN包覆層21的光滲出變大，使得對井層的光侷限係數Γ減小。
在實施例3的半導體雷射中，若對光侷限係數Γ進行與實施例1相同的模擬，得到的光侷限係數Γ(2個InGaN井層8a、8c的光侷限係數的和)係2.62%。
在施加鍍膜以使得在雷射的前端面上具有10%的反射率、在後端面上具有95%的反射率之後，實際測定前端面的微分效率之結果，係從習知的1.5W/A大幅地改善為1.95W/A。
實施例3的半導體雷射，因為僅其層構造不同，而係與實施例1同樣地被製造，故省略其說明。
1．．．GaN基板
2．．．n型GaN緩衝層
6．．．n型GaN光導層
3~5,20．．．n型AlGaN包覆層
8．．．活性層
7．．．n型InGaN－SCH層
8a,8c．．．InGaN井層
8b．．．InGaN障壁層
11．．．p型GaN光導層
9．．．p型InGaN－SCH層
13．．．p型GaN接觸層
10．．．p型AlGaN電子障壁層
14．．．脊樑
12,21．．．p型AlGaN包覆層
15．．．絕緣膜
16．．．開口部
17．．．p型電極
18．．．n型電極
圖1係表示InGaN井層中的層方向之In組成比的變動造成的能隙之狀態的說明圖。
圖2係顯示InGaN井層中的增益區域與吸收區域的存在之說明圖。
圖3係顯示對於臨界值電流的光侷限係數Γ的依存性的圖式。
圖4係顯示對於從前端面射出的雷射光之微分效率的光侷限係數Γ的依存性的圖式。
圖5係分別顯示具有僅以膜厚為5nm的1個井層構成的活性層的半導體雷射中的臨界值電流之Γ依存性的說明圖。
圖6係分別顯示具有僅以膜厚為5nm的1個井層構成的活性層的半導體雷射中的微分效率之Γ依存性的說明圖。
圖7係顯示本發明之實施例1的使用氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射的構造之截面圖。
圖8係顯示圖7所示之活性層的內部構造之截面圖。
圖9係顯示Alx Ga( 1 － x ) N層的折射率n之Al組成比依存性的圖式。
圖10係顯示Inx Ga( 1 － x ) N層的折射率n之In組成比依存性的圖式。
圖11係顯示測定來自實施例1的半導體雷射之前端面的光輸出的結果的圖式。
圖12係顯示在實施例1中的脊樑中央部之垂直方向的折射率與光電場強度分布的模擬結果的說明圖。
圖13係顯示本發明之實施例3的使用氮化物III－V族化合物半導體的半導體雷射的構造之截面圖。

Claims (9)

  1. 一種半導體發光元件，具有包含至少2個井層的多重量子井構造的活性層的氮化物III-V族化合物半導體，其特徵在於：前述至少2個井層包含至少2個InGaN井層，並將表示在發光時之元件的全部波導光中，前述至少2個InGaN井層上的光之比例的光侷限係數(%)設定為1.5以上、3.0以下；前述至少2個InGaN井層的In組成比係0.05以上、0.2以下；被設置在前述活性層的下層之第1導電型的第1包覆層及被設置在前述活性層的上層之第2導電型的第2包覆層均包含至少1個AlxGa1-xN層(0<x≦1)；以及包含於前述第1包覆層的至少1個AlxGa1-xN層的Al組成比係0.005以上、0.08以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中，將前述光侷限係數設定為2.7以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體發光元件，其中：透過使前述第1及第2包覆層中，一方的折射率比他方之包覆層的折射率高，使發光時的元件的光輸出之峰值位置從活性層向一方的包覆層的方向移動。
  4. 一種半導體發光元件，使用氮化物III-V族化合物半導體， 其特徵在於：具有包含至少2個井層的多重量子井構造的活性層；其中將表示在前述至少2個井層上的光的比例之光侷限係數(%)設定為1.5以上、3.0以下；前述至少2個井層包含至少2個InGaN井層；前述至少2個InGaN井層的In組成比係0.05以上、0.2以下；被設置在前述活性層的下層之第1導電型的第1包覆層及被設置在前述活性層的上層之第2導電型的第2包覆層均包含至少1個AlxGa1-xN層(0<x≦1)；以及包含於前述第1包覆層的至少1個AlxGa1-xN層的Al組成比係0.005以上、0.08以下。
  5. 如申請專利範圍第1、2或4項所述的半導體發光元件，其中，前述活性層係形成於基板的上方；前述半導體發光元件係使第1包覆層的折射率比第2包覆層的折射率大。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中，包含於前述第1包覆層的至少1個AlxGa1-xN層的Al組成比係0.005以上、0.06以下。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中，包含於前述第1包覆層的至少1個AlxGa1-xN層的Al組成比係0.005以上、0.04以下。
  8. 一種半導體發光元件，具有包含至少2個井層的多 重量子井構造的活性層的氮化物III-V族化合物半導體，其特徵在於：前述至少2個井層包含至少2個InGaN井層，並將表示在發光時之元件的全部波導光中，前述至少2個InGaN井層上的光之比例的光侷限係數(%)設定為1.5以上、3.0以下；前述至少2個InGaN井層的In組成比係0.05以上、0.2以下；前述半導體發光元件包括：第1導電型的第1之AlGaN包覆層，被設置於前述活性層的下層；及第2導電型的第2之AlGaN包覆層，被設置於前述活性層的上層；將前述第1及第2之AlGaN包覆層中的至少一方的包覆層的Al組成比設定為0.03以下。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的半導體發光元件，其中，將前述第1及第2之AlGaN包覆層二者的組成比設定0.03以下。
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