WO1998039827A1 - Element electroluminescent semi-conducteur a base de nitrure de gallium muni d'une zone active presentant une structure de multiplexage a puits quantique et un dispostif semi-conducteur a sources de lumiere utilisant le laser - Google Patents

Element electroluminescent semi-conducteur a base de nitrure de gallium muni d'une zone active presentant une structure de multiplexage a puits quantique et un dispostif semi-conducteur a sources de lumiere utilisant le laser Download PDF

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Toshiyuki Okumura
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Definitions

  • Gallium nitride based semiconductor light emitting device having multiple quantum well structure active layer and semiconductor laser light source device
  • the present invention relates to a gallium nitride-based semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser device and a semiconductor diode device, and a semiconductor laser light source device, and more particularly to a light emitting device having a multiple quantum well structure active layer made of a nitride semiconductor.
  • Gallium nitride based semiconductors have been used as semiconductor materials for semiconductor laser devices (LD) and light emitting diode devices (LED) having emission wavelengths in the ultraviolet to green wavelength region.
  • LD semiconductor laser devices
  • LED light emitting diode devices
  • a blue LD using this gallium nitride-based semiconductor is described in, for example, Applied Physics Letters, vol. 69, No. 10, p. 1477-1479, and a cross-sectional view thereof is shown in FIG.
  • FIG. 20 is an enlarged view of a portion E in FIG.
  • 101 sapphire substrate 102 is a GaN buffer layer, 103 is n-GaN contactor coat layer, 104 n- I n 0. 05 G a 0. 95 N layer, 105 is n- A 1 0. 05 G a 0. 95 n clad layer, 106 is n-GaN guide layer, 107 I n. . 2 GaQ. 8 N quantum well layer and I n 0. 05 G a 0 .
  • Multiquantum well structure active layer consisting of a 95 N barrier layer, 108 p-A l. . 2 Ga. . 8 N layer, 1 09 p-G aN guide layer, 110 is p- A 1 0. 05 Ga 0 .
  • the multiple quantum well structure active layer 107 W 95 N clad layer, 111 p-G aN contactor coat layer, 112 p-side electrode, 113 is an n-side electrode, and 114 is a SiO 2 insulating film.
  • the multiple quantum well structure active layer 107 W the multiple quantum well structure active layer 107 W
  • the 95 N barrier layer 118 is composed of four layers, that is, a total of nine layers, and the quantum well layers and the barrier layers are formed alternately.
  • the quantum well structure active layer is composed of three 4 nm-thick quantum well layers and an 8 nm-thick barrier layer, which are alternately stacked. It is described that it is composed of two layers, that is, five layers in total.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-316528 also discloses a blue LD using a gallium nitride-based semiconductor, and this conventional blue LD also has a five-layer structure similar to that shown in FIGS. An active layer having a multiple quantum well structure having the above quantum well layers is used.
  • the sapphire substrate 121, 122 is G a N buffer layer, 1 23 n-GaN contactor coat layer, 124 n- Al 0. 3 G a 0 . 7 N second clad layer, 125 an n -.... I n 0 01 G a 0 99 n first clad layer, 126 31 111 thick I n c fl5 Ga Q 95 n single quantum well structure active layer, 127 p-I n. . 01 G 0.
  • 99 N first clad layer, 128 is p- A l 0. 3 Ga 0 . 7 N second clad layer, 129 p-GaN contactor coat layer, 130 p-side electrode, 131 This is the n-side electrode.
  • an active layer having only one quantum well layer is used in a blue LED using a gallium nitride-based semiconductor.
  • the oscillation threshold current value of a blue LD is as high as 100 mA or more, and it is necessary to drastically reduce the oscillation threshold current value for practical use for information processing of optical disks and the like.
  • LD for optical discs
  • blue LEDs have already been put into practical use, in order to provide blue LED elements for a wider range of uses, such as large color displays that can display brightly even at a wide viewing angle, The realization of LEDs with even higher brightness by improving the light output is desired.
  • the peak value of the emission wavelength greatly changes as the injection current increases.
  • increasing the forward current from 0.1 mA to 20 mA shifts the peak emission wavelength by 7 nm. This is particularly remarkable in an LED device having a long emission wavelength, and in a gallium nitride-based green LED, the peak value of the emission wavelength shifts by 20 nm.
  • the shift of the peak wavelength causes a problem that the color tone of the image changes depending on the brightness of the image. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and solves the problem of the above-mentioned gallium nitride-based semiconductor light emitting device, and provides a semiconductor laser device having good laser oscillation characteristics, and a high light output.
  • the main purpose is to provide a gallium nitride based semiconductor light emitting device capable of realizing the obtained light emitting diode device.
  • a further object of the present invention is to provide a light emitting diode without wavelength shift due to current injection.
  • a gallium nitride-based semiconductor light-emitting device includes a semiconductor substrate and a nitride semiconductor containing at least indium and gallium.
  • An active layer having a quantum well structure, a first cladding layer and a second cladding layer sandwiching the active layer, wherein the active layer is formed between two quantum well layers and the quantum well layer And one barrier layer sandwiched between them.
  • the active layer forms an oscillation section of the semiconductor laser device.
  • a semiconductor laser light source device can be realized.
  • the gallium nitride semiconductor light emitting device is used as a semiconductor light emitting diode
  • the active layer forms a light emitting portion of the semiconductor light emitting diode.
  • the InGaN material used as the quantum well layer has a large effective mass for both electrons and holes and a large number of crystal defects.
  • the mobility is greatly reduced, and electrons and holes are not uniformly distributed in all the quantum well layers of the multiple quantum well structure active layer.
  • electrons are injected only into about two quantum well layers on the n-type cladding layer side where electrons are injected, and holes can be injected only into about two quantum well layers on the p-type cladding layer side where holes are injected. Not injected.
  • the number of quantum well layers in the active layer made of a nitride semiconductor containing at least indium and gallium is set to be two, electrons and holes are made uniform in all quantum well layers. It was distributed to. As a result, the luminous efficiency was improved and the oscillation threshold current value could be reduced. Furthermore, since the electrons and holes are effectively injected into the quantum well layer in which the electrons and holes have disappeared by the recombination, the density of the electrons and holes existing in the quantum well layer due to the injection of the high-frequency current is increased. Is also modulated, and as a result, the light output can also be modulated.
  • the thickness of the quantum well layer is preferably 1 O nm or less.
  • the thickness of the barrier layer is preferably 10 nm or less.
  • blue LEDs With regard to blue LEDs, the current-light output characteristics of devices currently in practical use tend to saturate as current is injected, as shown in Figure 9.
  • a conventional blue LED there is only one quantum well active layer. Both electrons and holes exist in this single quantum well layer, but when the injection amount is increased, the effective mass of electrons and holes of the InGaN semiconductor material forming the quantum well layer increases. Due to the large size, the distribution of injected electrons and holes in the momentum space increases, and the luminous efficiency decreases. Therefore, as in the present invention, by setting the number of quantum well layers in a multiple quantum well structure active layer made of a nitride semiconductor containing at least indium and gallium to two, the injected electrons and holes are reduced to two quantum wells.
  • the quantum well structure active layer of the conventional device described in Applied Physics Letters, vol. 69, No. 20, p. 3034 to 3036 described above has three quantum well layers.
  • the thickness of the barrier layer is as thick as 8 nm, there is almost no overlap between the wave functions of electrons and holes between the quantum well layers. Thus, little movement of electrons or holes between the quantum well layers caused a more uneven distribution of electrons and holes.
  • the thickness of the barrier layer is set to 4 nm or less, even if there are three or four quantum well layers, it is possible to ensure that the electron and hole wave functions overlap between the quantum well layers. There was found.
  • the problem of wavelength shift due to current injection can be solved simultaneously by reducing the thickness of the barrier layer to 4 nm or less.
  • the cause of such a wavelength shift is considered as follows.
  • electrons are Since the effective mass of holes and holes is large, the electron-hole plasma effect becomes remarkable, and the energy band edge deformation due to this effect increases, and the shift of the peak value of the emission wavelength due to current injection increases. Therefore, as in the present invention, the injected electrons and holes are equally divided into the quantum well layers, and the density of the electrons and holes existing per one quantum well layer is reduced. It is thought that the wavelength shift due to current injection was reduced as a result of suppressing the electron-hole plasma effect.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of a portion A in FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the dependency of the threshold current value on the number of quantum well layers and the dependency of the maximum modulation frequency of the injection current on the number of quantum well layers that can modulate the optical output in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the dependency of the maximum frequency of the injection current on the thickness of the barrier layer in which the optical output can be modulated in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a semiconductor laser device and a drive circuit according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a semiconductor laser device and a drive circuit according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view showing a semiconductor light emitting diode device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an enlarged sectional view of a portion B in FIG.
  • FIG. 9 is a graph showing respective current-light output characteristics of the semiconductor light emitting diode device according to the fourth embodiment of the present invention and a conventional semiconductor light emitting diode device.
  • FIG. 10 is a sectional view showing a semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a portion C of FIG. 10 in an enlarged manner.
  • FIG. 12 is a graph showing the dependency of the threshold current value on the number of quantum well layers and the dependency of the maximum modulation frequency of the injection current, which can modulate the optical output, on the number of quantum well layers in the fifth embodiment.
  • Fig. 13 is a graph showing the dependence of the maximum frequency of the injection current on the barrier layer thickness of the gallium nitride-based semiconductor laser device with two, three, and four quantum well layers that can modulate the optical output.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing a semiconductor laser device and a drive circuit according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing a semiconductor laser device and a drive circuit according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a sectional view showing a semiconductor light emitting diode device according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view showing a portion D in FIG.
  • FIG. 18 is a graph showing current-light output characteristics of the semiconductor light emitting diode device according to the eighth embodiment of the present invention and a conventional semiconductor light emitting diode device.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing a structure example of a conventional blue LD.
  • FIG. 20 is an enlarged cross-sectional view showing a portion E in FIG.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a structural example of a conventional blue LED. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a sectional view showing a gallium nitride-based semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of a portion A in FIG.
  • a quantum well structure active layer is formed from two quantum well layers and one barrier layer interposed therebetween.
  • the sapphire substrate 1 having a c-plane as a surface, 2 G a N buffer layer, 3 n-G aN contactor coat layer, 4 is n- A l ⁇ Gao. 9 N clad layer, 5 n-G aN guide layer, I n 0 of the two-layer 6. 2 G a 0. 8 n quantum well layers 14 and one layer of I r .osG a 0. multi consisting 95 n barrier layer 15.
  • weight quantum well structure active layer 7 A 1 QjGao.sN evaporation prevention layer, 8 is p-GaN GUIDE layer, 9 p- A 1 a 0 9 N clad layer, is 10 p-GaN Con evening click
  • the reference numeral 11 denotes a 13-side electrode
  • 12 denotes an 11-side electrode
  • 13 denotes a SiO 2 insulating film.
  • the quantum well structure active layer 6 composed of a plurality of layers is depicted as a single layer. The same applies to FIGS. 7, 10 and 16 showing cross sections of other embodiments.
  • the surface of the sapphire substrate 1 may have another plane orientation such as an a-plane, an r-plane, or an m-plane.
  • a sapphire substrate not only a sapphire substrate but also a SiC substrate, a spinel substrate, a MgO substrate, a Si substrate, or a GaAs substrate can be used.
  • the SiC substrate has an advantage that it is easier to cleave than the sapphire substrate, so that the laser resonator end face can be easily formed by the cleavage.
  • the buffer layer 2 may be made of any other material, for example, GaN, as long as the GaN-based semiconductor can be epitaxially grown thereon. A 1 N or A 1 GaN ternary mixed crystal may be used.
  • the n-type cladding layer 4 and the ⁇ -type cladding layer 9 are n-A1. .! G a.
  • An A 1 G aN ternary mixed crystal having an A 1 composition other than 9 N may be used.
  • the A1 composition when the A1 composition is increased, the energy gap difference and the refractive index difference between the active layer and the cladding layer increase, and the carrier light is effectively confined in the active layer, further reducing the oscillation threshold current and reducing the temperature. The characteristics can be improved. Also, if the A1 composition is reduced to such an extent that the confinement of carriers and light is maintained, the mobility of the carrier in the cladding layer increases, and thus there is an advantage that the device resistance of the semiconductor laser device can be reduced.
  • these cladding layers may be quaternary or more mixed crystal semiconductors containing trace amounts of other elements, even if the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 9 do not have the same mixed crystal composition. I do not care.
  • the guide layers 5 and 8 are made of a material whose energy gap has a value between the energy gap of the quantum well layer forming the multiple quantum well structure active layer 6 and the energy gap of the cladding layers 4 and 9. If so, other materials, such as ternary mixed crystals such as InGaN and A1Gan, and quaternary mixed crystals such as InGaA1N, may be used without being limited to GaN. Further, it is not necessary to dope the donor or the sceptor over the entire guide layer, and only a part of the multiple quantum well structure active layer 6 side may be non-doped, and further, the entire guide layer may be non-doped. In this case, there is an advantage that the number of carriers existing in the guide layer is reduced, light absorption by free carriers is reduced, and the oscillation threshold current can be further reduced.
  • the two In D. 2 Gan. 8 N quantum well layers 14 and the one Ir. Os G ao. 95 N barrier layer 15 that constitute the active layer 6 of the multiple quantum well structure depend on the required laser oscillation wavelength. If it is desired to increase the oscillation wavelength, the In composition of the quantum well layer 14 is increased, and if it is desired to shorten the oscillation wavelength, the In composition of the quantum well layer 14 is increased. W
  • the quantum well layer 14 and the barrier layer 15 may be a quaternary or more mixed crystal semiconductor containing a small amount of another element, for example, Al in the InGaN ternary mixed crystal. Further, the barrier layer 15 may simply use GaN.
  • FIGS. 1-10 a method for manufacturing the gallium nitride-based semiconductor laser will be described with reference to FIGS.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • HDVPE high vacuum chemical vapor deposition
  • vapor phase growth methods such as (a dry dry vapor phase growth method) can also be used.
  • a GaN buffer was used at a growth temperature of 550 ° C using trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) as raw materials.
  • Layer 2 is grown to a thickness of 35 nm, and then the growth temperature is increased to 1050 ° C.
  • TMG trimethylgallium
  • NH 3 ammonia
  • SiH 4 silane gas
  • n— G aN Contact layer 3 is grown.
  • trimethylaluminum (TMA) was added to the raw material, and the growth temperature was kept at 1050 ° C.
  • ao.gN cladding layer 4 is grown. Subsequently, the TMA is removed from the raw material, and a 0.05 m thick Si n-GaN guide layer 5 having a thickness of 0.05 m is grown at a growth temperature of 1050 ° C.
  • the growth temperature was reduced to 750 ° C, and InQ. 2 Ga was used using TMG, NH 3 , and trimethyl indium (TMI) as raw materials.
  • . 8 N quantum well layer (thickness 5 nm) 14, I n 0 . 05 G a 0. 95 N barrier layer (thickness 5 nm) 15, I n 0 . 2 G a. . 8 N quantum well layer (5 nm thick) 14 is grown sequentially to form a multiple quantum well structure active layer (total thickness 15 nm) 6.
  • TMG, TMA and NH 3 as raw materials, the growth temperature remains at 750 ° C A 1 with a thickness of 10 nm. 2 G a. . 8 N evaporation barrier layer 7 is grown.
  • the growth temperature was raised again to 1050 ° C, and a Mg dope with a thickness of 0.05 im was obtained using TMG, NH 3 , and cyclopentagenenyl magnesium (Cp 2 Mg) as raw materials.
  • Cp 2 Mg cyclopentagenenyl magnesium
  • Grow GaN guide layer 8 Subsequently, TMA is added to the raw material, and a 0.7 m-thick Mg-doped p-AldGao.gN clad layer 9 is grown at a growth temperature of 1050 ° C.
  • the wafer is annealed in a nitrogen gas atmosphere at 800 ° C. to lower the resistance of the Mg-doped p-type layer.
  • etching is performed from the outermost surface of the p-GaN contact layer 10 in a 200-m wide stripe shape until the n-GaN contact layer 3 is exposed.
  • a p-type ridge structure is formed on the outermost surface of the remaining p-GaN contact layer 10 in the form of a stripe having a width of 5 m. — Etch the GaN contact layer 10 and p-A 10., Gao. 9 N cladding layer 9.
  • a 200 nm thick SiO 2 insulating film 13 is formed on the side surfaces of the ridge R and on the surface of the p-type layer other than the ridge R.
  • a P-side electrode 11 made of nickel and gold is formed on the surfaces of the SiO 2 insulating film 13 and the p-GaN contact layer 10, and titanium and titanium are formed on the surface of the n-GaN contact layer 3 exposed by etching.
  • An n-side electrode 12 made of aluminum is formed to complete a gallium nitride LD.
  • the wafer is cleaved in the direction perpendicular to the ridge stripe to The resonator end face is formed and further divided into individual chips. Then, each chip is mounted on a stem, and each electrode and a lead terminal are connected by wire bonding to complete a gallium nitride based semiconductor laser device.
  • the blue LD device fabricated as described above has laser characteristics of an oscillation wavelength of 430 nm and an oscillation threshold current of 4 O mA, and has a high frequency of over 30 O MHz and a maximum frequency of about 1 GHz. It was confirmed that the light output was sufficiently modulated by the current injection. As a result, when the blue LD element of the present embodiment was used for an optical disk, a data read error could be prevented, and a blue LD element usable for an optical disk could be realized.
  • Figure 3 shows the changes in the threshold current value and the maximum modulation frequency of the injection current that can modulate the optical output when the number of quantum well layers is changed from 1 to 5 in the gallium nitride based semiconductor laser device.
  • the structure of each semiconductor laser is the same as that of the gallium nitride semiconductor according to the first embodiment of the present invention except that the number of quantum well layers is different and the number of barrier layers is different according to the number of quantum well layers. Same as the laser element.
  • the ones whose oscillation threshold current is low and whose optical output can be sufficiently modulated by injection of a high-frequency current of 300 MHz or more, for example, about 1 GHz at the maximum frequency can be obtained. Only the gallium nitride based semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention having two quantum well layers is provided.
  • the quantum well layer 14 and the barrier layer 15 constituting the multi-quantum well structure active layer 6 have a thickness of 5 nm, but these layers do not need to have the same thickness. They can be different. Further, if the thickness of each of the quantum well layer 14 and the barrier layer 15 is set to 10 nm or less to uniformly inject electrons and holes into the two quantum well layers, the present embodiment is not limited to this embodiment. The same effect can be obtained with other layer thicknesses.
  • Figure 4 shows the change in the maximum modulation frequency of the injection current that can modulate the optical output when the thickness of the barrier layer is changed in a gallium nitride semiconductor laser device with two quantum well layers. A graphical representation is shown.
  • the structure of the semiconductor laser at this time is the same as that of the gallium nitride based semiconductor laser device according to the first embodiment except that the thickness of the barrier layer is different. From this figure, it can be seen that if the layer thickness of the barrier layer is 10 nm or less, the optical output can be sufficiently modulated even when a high-frequency current of 300 MHz or more and a maximum of about 1 GHz is injected. This is also the case with the quantum well layer.If the thickness of the quantum well layer is 1 Onm or less, the optical output is sufficiently modulated even when a high frequency current of 300 MHz or more and a maximum of about 1 GHz is injected. It was confirmed that it would be.
  • the A 10. 2 Ga D. 8 N evaporation inhibiting layer 7 in contact with the multi-quantum well structure active layer 6, which rises quantum well layer 14 at a growth temperature This is to prevent evaporation during the operation. Therefore, any material that protects the quantum well layer 14 can be used as the evaporation prevention layer 7, and an A 1 GaN ternary mixed crystal GaN having another A 1 composition may be used. Also, may be doped with Mg to the evaporation inhibiting layer 7, this case is holes are easily injected from the p-G.AN guide layer 8 and p- A 1 an. 9 N clad layer 9 There is an advantage.
  • the quantum well layer 14 does not evaporate without forming the evaporation prevention layer 7, and thus, even if the evaporation prevention layer 7 is not particularly formed, The properties of the gallium nitride based semiconductor laser device are not impaired.
  • the ridge stripe structure is formed to narrow the injection current.
  • another current narrowing method such as an electrode stripe structure may be used.
  • the laser cavity end face is formed by cleavage.
  • dry etching is performed. Can form a resonator end face.
  • the n-side electrode 12 is formed on the surface of the n-GaN contact layer 3 exposed by etching, but has n-type conductivity. If SiC, Si, GaAs, or the like is used for the substrate, the n-side electrode 12 may be formed on the back surface of the substrate. The configuration of the p-type and the n-type may be reversed.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a semiconductor laser device and a drive circuit according to the second embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser device 16 shown in FIG. 5 uses the gallium nitride-based semiconductor laser device having two quantum well layers obtained in the first embodiment of the present invention.
  • the high-frequency drive circuit 17 is constructed using ordinary semiconductor components, and is a semiconductor laser drive circuit for modulating the injection current to the semiconductor laser 16 at a high frequency and modulating the optical output. is there.
  • the modulation frequency of the injection current is set to 30 OMHz.
  • the maximum modulation frequency of the injection current is 1 GHz or more, and the light output is sufficiently modulated even at a frequency of 30 MHz.
  • the modulation frequency of the injection current is set to 30 OMHz. However, a frequency that can reduce the coherency of the laser light and reduce noise due to return light of the laser light from the disk surface. Then, the nitride semiconductor laser may be driven at another modulation frequency up to a maximum frequency of about 1 GHz.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a semiconductor laser device and a drive circuit according to a third embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser device 18 shown in FIG. 6 uses a gallium nitride semiconductor laser device having two quantum well layers obtained in the first embodiment of the present invention, but has a ridge structure.
  • the stripe width w see Figure 1
  • the depth at which the p-A1 ⁇ Gao.gN cladding layer 9 is etched light can be injected even when a constant current that is not modulated is injected.
  • It is a self-excited oscillation type semiconductor laser whose output is modulated.
  • 3 zm striped width w, and a p-A 1 a e. 9 N residual thickness d see FIG.
  • the stripe width and the remaining film thickness at the time of etching are not limited to the values in this specific example, but the stripe width is 1 to 5 m, and the remaining film thickness of the p-type cladding layer 9 is May be 0.05 to 0.5 m.
  • the modulation frequency of the optical output in the self-pulsation type gallium nitride based semiconductor laser device manufactured as described above was 80 OMHz.
  • the number of quantum well layers is two, so that the density of electrons and holes existing in the quantum well layer is easily modulated. Therefore, not only the light output is modulated by modulating the injection current by modulating the density of electrons and holes, but also the density of the electrons and holes is modulated by the unmodulated c and constant current injection.
  • the self-excited oscillation type semiconductor laser whose optical output is modulated can be easily manufactured, and the optical output can be modulated at a high frequency.
  • the constant current drive circuit 19 is configured using ordinary semiconductor components, and is a semiconductor laser drive circuit for injecting a constant current.
  • this embodiment is used as a light source for an optical disc, the light output of the semiconductor laser is sufficiently changed. Because of this adjustment, the coherency of the laser light could be reduced, and noise due to the return light of the laser light from the disk surface could be reduced. As a result, data can be read from the optical disk without error.
  • the gallium nitride based semiconductor laser device 18 used in the third embodiment has a stripe width w for forming a ridge structure and a depth for etching the p-Al ⁇ Gao.gN cladding layer 9.
  • a self-pulsation type semiconductor laser was obtained.
  • a saturable absorption layer (not shown) was provided near the active layer as used in a normal GaAs semiconductor laser.
  • a self-excited oscillation type semiconductor laser may be installed.
  • FIG. 5 is a sectional view showing a gallium nitride based semiconductor light emitting diode device according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is an enlarged sectional view of a portion B in FIG.
  • a sapphire substrate having a surface of c-plane 21, 22 is a GaN buffer layer
  • 23 is n- G aN contactor coat layer
  • 24 is n- A l 0.
  • 25 is n- G aN guide layer
  • N barrier layer 35. 27 A 1 D. 2 Ga. . 8 N evaporation preventing layer 28 is p-GaN guide layer, 29 p-A 1 a. . 9 N clad layer, 30 p-GaN contactor coat layer, 31 the side electrode, 32 is an n-side electrode.
  • the surface of the sapphire substrate 21 may have another plane orientation such as a plane, r plane, or m plane.
  • a sapphire substrate not only a sapphire substrate but also a SiC substrate, a spinel substrate, a MgO substrate, or a Si substrate can be used.
  • the SiC substrate it is easier to cleave than the sapphire substrate, and therefore, there is an advantage that the work of dividing the LED element into chips can be easily performed.
  • buffer The layer 22 is not limited to GaN as long as a gallium nitride semiconductor can be epitaxially grown thereon, using another material such as A 1 N or A 1 G a N ternary mixed crystal. Is also good.
  • the n-type cladding layer 24 and the p-type cladding layer 29 are n-A1. .! G a.
  • An A 1 G a N ternary mixed crystal having an A 1 composition other than 9 N or simply G a N may be used.
  • the A1 composition when the A1 composition is increased, the energy gap difference between the active layer and the cladding layer is increased, and the carrier is effectively confined in the active layer, thereby improving the temperature characteristics.
  • the A1 composition is reduced to such an extent that the confinement of the carrier is maintained, the mobility of the carriers in the cladding layer is increased, so that there is an advantage that the element resistance of the light emitting diode element can be reduced.
  • these cladding layers may be quaternary or higher mixed crystal semiconductors containing trace amounts of other elements, and the composition of the mixed crystals in the n-type cladding layer 24 and the p-type cladding layer 29 is not the same. It does not matter.
  • the energy gap of the guide layers 25 and 28 has a value between the energy gap of the quantum well layer constituting the multiple quantum well structure active layer 26 and the energy gap of the cladding layers 24 and 29.
  • Such materials are not limited to G a N.
  • Other materials for example, ternary mixed crystals such as In G a N, A 1 G a N ⁇ quaternary mixed crystals such as In g a A 1 N Crystals or the like may be used.
  • the guide layers 25 and 28 also have the advantage that electrons and holes can be easily injected from the n-type cladding layer 24 and the p-type cladding layer 29 into the multi-quantum well structure active layer 26, respectively. But especially guide layer 25, Even if the layer 28 is not provided, the LED element characteristics are not significantly deteriorated, so the guide layers 25 and 28 may be omitted.
  • the multiple quantum well structure active layer 26 a two-layer I n fl. 2 Ga G. 8 N I r .osGao of the quantum well layer 34 and the first layer. 95 N barrier layer 35, depending on the required emission wavelength In order to increase the emission wavelength, the In composition of the quantum well layer 34 is increased, and to shorten the emission wavelength, the In composition of the quantum well layer 34 is decreased.
  • the quantum well layer 34 and the barrier layer 35 may be a quaternary or more mixed crystal semiconductor containing a small amount of another element, for example, Al in InGaN ternary mixed crystal. Further, the barrier layer 35 may simply use GaN.
  • a method for manufacturing the gallium nitride based semiconductor light emitting diode will be described with reference to FIGS.
  • the following description shows the case where MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) is used, but any growth method that can epitaxially grow GaN, such as MBE (molecular beam epitaxy) or HDVP Other vapor phase epitaxy methods such as E (hydride vapor phase epitaxy) can also be used.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • HDVP vapor phase epitaxy
  • E hydrogen vapor phase epitaxy
  • the growth temperature was lowered to 750 ° C, and TMG, NH 3 , and TMI were used as raw materials.
  • the growth temperature is 750 ° A 1 0 thickness 10 nm remain C. 2 G an,.
  • the growth temperature is raised again to 1050 ° C., and a 0.05- ⁇ m-thick Mg-doped p-GaN guide layer 28 is grown using TMG, NH 3 , and C p 2 Mg as raw materials. .
  • the TMA added to the raw material continues further, the growth temperature for growing 105 0 ° while a thickness of C 0, 3 111 of 1 ⁇ 8 doped p- A 1 o.iG ao. 9 N clad layer 29.
  • the wafer is annealed in a nitrogen gas atmosphere at 800 ° C. to lower the resistance of the Mg-doped p-type layer.
  • an n-GaN contact layer 23 is formed in a predetermined region from the outermost surface of the p-GaN contact layer 30 for manufacturing an L.ED element. Etch until exposed. Subsequently, a P-side electrode 31 made of nickel and gold is formed on the surface of the p-GaN contact layer 30, and an n-side electrode 32 made of titanium and aluminum is formed on the surface of the n-GaN contact layer 23 exposed by etching. To complete the gallium nitride LED wafer.
  • each chip is mounted on a stem, and each electrode and a lead terminal are connected by wire bonding to complete a gallium nitride based semiconductor light emitting diode device.
  • the blue LED device fabricated as described above exhibited emission characteristics of a light emission wavelength of 430 nm and a light output of 6 mW at a forward current of 2 OmA. Also, as shown in Fig. 9, the current-light output characteristics did not saturate the light output even at a high injection current, and the characteristics were improved compared to the conventional LED device.
  • the quantum well layer 34 and the barrier layer 35 constituting the multiple quantum well structure active layer 26 have a thickness of 3 nm and 5 nm, respectively. If the thickness of each of the quantum well layer 34 and the barrier layer 35 is set to 10 nm or less in order to uniformly inject electrons and holes into the quantum well layer, the same applies to other layer thicknesses without being limited to this embodiment. The effect is obtained.
  • the A 1 o.aGao.sN evaporation prevention layer 27 is formed so as to be in contact with the multiple quantum well structure active layer 26. This is because while the quantum well layer 34 increases the growth temperature. This is to prevent evaporation. Therefore, any material that protects the quantum well layer 34 can be used as the evaporation prevention layer 27, and an A 1 GaN ternary mixed crystal GaN having another A 1 composition may be used.
  • the evaporation preventing layer 27 may be doped with Mg. In this case, the P-GaN guide layer 28 or p-A1a is used. . 9 From N cladding layer 29; E has the advantage that holes are easily injected.
  • the quantum well layer 34 does not evaporate without forming the evaporation prevention layer 27, and therefore, even if the evaporation prevention layer 27 is not formed, the nitride of the present embodiment can be used. The characteristics of the gallium-based semiconductor light emitting diode element are not impaired.
  • FIG. 10 is a sectional view showing a gallium nitride based semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is an enlarged sectional view of a portion C in FIG.
  • This gallium nitride based semiconductor laser device is the same as the gallium nitride based semiconductor laser device according to the first embodiment, except for the structure of the multiple quantum well structure active layer 46. Therefore, the layers other than the multiple quantum well structure active layer 46 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. It goes without saying that the various modifications and alternatives described in the first embodiment and the effects obtained therefrom also apply to the present embodiment.
  • a multiple quantum well structure active layer 46, and an I n fl. 2 Ga 0. 8 N quantum well layer 54 and the third layer I n 0. 05 Ga 0. 95 N barrier layer 55 of the 4-layer It is formed by being alternately laminated.
  • Each barrier layer 55 has a thickness of 4 nm or less.
  • the composition of the four I nm GamN quantum well layers 54 and the three I no.05 G a .95N barrier layers 55 constituting the multi-quantum well active layer 46 can be set according to the required laser oscillation wavelength. If it is desired to increase the oscillation wavelength, the In composition of the quantum well layer 54 is increased, and if it is desired to shorten the oscillation wavelength, the In composition of the quantum well layer 54 is decreased.
  • the quantum well layer 54 and the barrier layer 55 may be a quaternary or higher mixed crystal semiconductor containing a small amount of another element, for example, Al in InGaN ternary mixed crystal. Further, the barrier layer 55 may simply use GaN.
  • the number of layers of the quantum well layer 54 may be two or three. However, the thickness of the barrier layer 55 is set to 4 nm or less for any material and number of quantum well layers, so that the wave functions of electrons and holes overlap between the quantum wells.
  • a GaN buffer was used at a growth temperature of 550 ° C using trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) as raw materials.
  • TMG trimethylgallium
  • NH 3 ammonia
  • the growth temperature was raised to 1050 ° C, and a 3 ⁇ m thick Si-doped n-GaN contact layer 3 was formed using TMG, NH 3 , and silane gas (SiH 4 ) as raw materials. Grow. Then, trimethylaluminum (TMA) was added to the raw material, and the Si-doped n-A1a with a thickness of 0 was maintained at a growth temperature of 1050 ° C. . 9 N cladding layer 4 is grown. Subsequently, a 3i-doped n-GaN guide layer 5 having a thickness of 0.05 ⁇ 01 is grown at a growth temperature of 1050 ° C., excluding TMA from the raw material.
  • TMA trimethylaluminum
  • the growth temperature lowered to 750 ° C, using TMG and NH 3, and Torimechirui Njiumu a (TMI) as a raw material, I n Q. 2 Ga () . 8 N quantum well layer (thickness 3 nm) 54 and I n 0. 05 G a 0 . 95 n barrier layer repeatedly (thickness 2 nm) 3 times alternating growth of 55, finally I no.2G a o.8N quantum well layer (thickness 3 nm) 54 An active layer with a multiple quantum well structure (total thickness 18 nm) 46 is formed by growing only one layer. Using TMG and TMA and NH 3 as a raw material continues further, the growth temperature for growing A 1 0. 2 G a 0 . 8 N evaporation inhibiting layer 7 having a thickness of 10 nm remains 750 ° C.
  • the growth temperature was increased again to 1050 ° C, and Mg-doped p-G with a thickness of 0.05 zm was obtained using TMG, NH 3 , and cyclopentagenenyl magnesium (Cp 2 Mg) as raw materials.
  • the aN guide layer 8 is grown.
  • TMA is added to the raw material to grow a 0.7- / zm-thick Mg-doped p-A1Q.iGao.gN cladding layer 9 at a growth temperature of 1050 ° C.
  • the wafer is annealed in a nitrogen gas atmosphere at 800 ° C, Reduce the resistance of the Mg-doped p-type layer.
  • etching is performed from the outermost surface of the p-GaN contact layer 10 in the form of a 200 / m-wide stripe until the n-GaN contact layer 3 is exposed. Do.
  • a p-GaN stripe is formed on the outermost surface of the remaining p-GaN contact layer 10 in the form of a stripe having a width of 5 m.
  • GaN contact layer 10 ⁇ ⁇ — A lo ⁇ Gao. 9 N clad layer 9 is etched.
  • a 200 nm thick SiO 2 insulating film 13 is formed on the side surfaces of the ridge and on the surface of the p-type layer other than the ridge.
  • a ⁇ -side electrode 11 made of nickel and gold is formed on the surface of this SiO 2 insulating film 13 and the surface of the p-GaN contact layer 10, and is formed on the surface of the n-GaN contact layer 3 exposed by etching.
  • An n-side electrode 12 made of titanium and aluminum is formed to complete a gallium nitride LD wafer.
  • the wafer is cleaved in a direction perpendicular to the ridge stripe to form a laser cavity end face, and further divided into individual chips.
  • each chip is mounted on a stem, and each electrode is connected to a lead terminal by wire bonding to complete a gallium nitride based semiconductor laser device.
  • the blue LD device fabricated as described above has a laser characteristic of an oscillation wavelength of 430 nm and an oscillation threshold current of 4 OmA, and the optical output is modulated by injecting a high-frequency current from 300 MHz to 1 GHz.
  • a blue LD element of the present embodiment was used for an optical disk, it was possible to prevent data reading errors and to realize a blue LD element usable for an optical disk.
  • Fig. 12 shows the structure of the quantum well layer in the gallium nitride based semiconductor laser device.
  • the structure of each semiconductor laser is the same as the gallium nitride based semiconductor laser device according to the present embodiment except that the number of quantum well layers is different and the number of barrier layers is different depending on the number of quantum well layers. is there.
  • the quantum well layer whose oscillation threshold current is low and whose optical output can be sufficiently modulated even when a high-frequency current of about 300 MHz to about 1 GHz is injected.
  • the quantum well layer 54 and the barrier layer 55 constituting the multi-quantum well structure active layer 46 have a thickness of 3 nm and 2 nm, respectively. If the thickness of the layer 54 is 10 nm or less and the thickness of the barrier layer 55 is 4 nm or less and electrons and holes are uniformly injected into each quantum well layer, the present invention is not limited to this embodiment. The same effect can be obtained with other layer thicknesses.
  • Fig. 13 shows the injection current that can modulate the optical output when the barrier layer thickness is changed in gallium nitride based semiconductor laser devices with two, three, and four quantum well layers.
  • the structure of the semiconductor laser at this time is the same as that of the gallium nitride based semiconductor laser device according to the present embodiment except that the thickness of the barrier layer is different. From this figure, it can be seen that if the thickness of the barrier layer is 4 nm or less, the optical output can be sufficiently modulated even with injection of a high-frequency current of at least 300 MHz to 1 GHz. You. Similarly, in the case of the quantum well layer thickness, if the well layer thickness is set to 1 O nm or less, it is confirmed that the optical output can be sufficiently modulated even by injecting a high-frequency current of about 1 GHz. Was.
  • FIG. 14 shows a semiconductor laser device and a drive circuit according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. The semiconductor laser device 66 shown in FIG. 14 uses the gallium nitride-based semiconductor laser device having four quantum well layers obtained in the fifth embodiment of the present invention.
  • the high-frequency drive circuit 17 has the same configuration as that used in the second embodiment.
  • the semiconductor laser drive circuit for modulating the injection current into the semiconductor laser 66 at a high frequency and modulating the optical output is used. It is.
  • the modulation frequency of the injection current is set to 30 MHz.
  • the maximum modulation frequency of the injection current is 1 GHz or higher, and the optical output is sufficiently modulated even at the frequency of 30 MHz.
  • the optical output of the semiconductor laser is sufficiently modulated, so that the coherence of the laser light can be reduced. Noise could be reduced. As a result, data can be read from the optical disk without error.
  • the modulation frequency of the injection current is set to 30 OMHz. However, a frequency that can reduce the coherency of the laser light and reduce noise due to return light of the laser light from the disk surface.
  • the nitride semiconductor laser may be driven at another modulation frequency from 30 O MHz to a maximum of 1 GHz.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing a semiconductor laser element and a constant current drive circuit according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser device 68 shown in FIG. 15 uses the gallium nitride-based semiconductor laser device having four quantum well layers obtained in the fifth embodiment of the present invention, but has a ridge structure.
  • the width of the stripe and the depth of etching the p-A la .i G ao .s N cladding layer 9 the light output is modulated even if a constant current that is not modulated is injected.
  • the self-excited oscillation type semiconductor laser is used.
  • the stripe width is 3 am, p—A1a.
  • the remaining film thickness when etching the 9 N cladding layer 9 was set to 0.
  • the stripe width and the remaining film thickness after etching are not limited to the values of the present embodiment, and the stripe width is 1 to 5 / zm, and the p-type cladding layer has an etching width of 1 to 5 / zm.
  • the remaining film thickness may be from 0.05 to 0.5 jum.
  • the modulation frequency of the optical output in the self-pulsation type gallium nitride based semiconductor laser device manufactured as described above was 80 OMHz.
  • the number of quantum well layers is set to 2 or more and 4 or less, and the thickness of the barrier layer is set to 4 nm or less, so that electrons and holes existing in the quantum well layer are reduced. Density is easily modulated. Therefore, not only the light output is modulated by modulating the injection current by modulating the electron and hole densities, but also the electron and hole densities are modulated by unmodulated L and constant current injection. Thus, a self-excited oscillation type semiconductor laser whose optical output is modulated can be easily manufactured, and the optical output can be modulated at a high frequency.
  • the constant current drive circuit 19 is the same as that used in the third embodiment, and is a semiconductor laser drive circuit for injecting a constant current.
  • the optical output of the semiconductor laser is sufficiently modulated, so that the coherence of the laser light can be reduced, and the noise due to the return light of the laser light from the disk surface can be reduced. Can be reduced. As a result, it became possible to read data from the optical disk without error.
  • the stripe width at the time of forming the lid structure and the depth at which the p-A 1 ao. 9 N cladding layer 9 is etched are adjusted.
  • the self-oscillation type semiconductor laser Although a saturable absorber layer (not shown) is installed near the active layer as used in ordinary GaAs-based semiconductor lasers, a self-excited oscillation type semiconductor laser is used. No problem.
  • FIG. 16 is a sectional view showing a gallium nitride-based semiconductor light emitting diode device according to an eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is an enlarged sectional view of a portion D in FIG.
  • This gallium nitride based semiconductor light emitting diode device is the same as the gallium nitride based semiconductor light emitting diode device of the fourth embodiment except for the structure of the multiple quantum well structure active layer 76.
  • the same reference numerals as those used in FIGS. 7 and 8 are used for the layers of FIG. It goes without saying that the various modifications and alternatives described in the fourth embodiment and the effects obtained therefrom also apply to the present embodiment.
  • a multiple quantum well structure active layer 76 a third layer 1 (). 2 0 & 0 . 8 N quantum well layer 84 and are alternately and I r .05G ao .95N barrier layer 85 of the two layers They are formed in layers.
  • the thickness of each barrier layer 85 is less than 4 nm.
  • Three layers of In which constitute the multiple quantum well structure active layer 76. . 2 Ga. . 8 N quantum well layers 84 and two layers of I r. Gan. 95 N barrier layer 85 may be set to its composition depending on the emission wavelength required, if you want to increase the emission wavelength of the quantum well layers 84 When it is desired to increase and shorten the In composition, the In composition of the quantum well layer 84 is reduced. Further, the quantum well layer 84 and the barrier layer 85 may be a quaternary or higher mixed crystal semiconductor containing a small amount of another element, for example, Al in InGaN ternary mixed crystal. Further, the barrier layer 85 may simply use GaN. Furthermore, the number of quantum well layers may be two or four. However, the thickness of the barrier layer 85 is set to 4 nm or less for any material and the number of quantum well layers. The overlap between the wave functions of electrons and holes is made to occur.
  • FIGS. 1-10 a method of manufacturing the gallium nitride based semiconductor light emitting diode will be described with reference to FIGS.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • Other vapor growth methods, such as and HD VPE (Hydrogen Vapor Deposition) can also be used.
  • the Ga N buffer layer 22 at a growth temperature 550 ° C is 35 nm grown.
  • the growth temperature is raised to 1050 ° C., and a 3 zm-thick Si-doped n-GaN contact layer 23 is grown using TMG, NH 3 , and SiH 4 as raw materials.
  • TMA was added to the raw material, and the Si-doped n-A1 with a thickness of 0.3 ⁇ m was kept at the growth temperature of 1050 ° C. .! G a 0. 9 N is grown clad layer 2 4.
  • the TMA is removed from the raw material, and a 0.05 im thick Si-doped n—GaN guide layer 25 is grown at a growth temperature of 1050 ° C. 0
  • the growth temperature lowered to 750 ° C, using TMG and NH 3, and the TM I raw material, I no. 2 G a e . 8 N quantum well layer (thickness 3 nm) 84 and I n 0. 05 G a 0. 95 n barrier layer repeatedly (thickness 4 nm) 85 2 times the alternate growth of the last I n 0. 2 Gan. 8 n quantum well layer (thickness 3 nm) 84 to grow one layer
  • Evaporation prevention layer 27 is grown.
  • the growth temperature was increased again to 1050 ° C, and TMG and NH 3 , and C Using p 2 Mg as a raw material, a 0.05-tm thick Mg-doped p-GaN guide layer 28 is grown.
  • the TMA added to the raw material continues further, the growth temperature for growing 10 50 ° Mg de one flop p-A 1 0 thickness 0. 3 m remain C. I G a Q. 9 N clad layer 29 .
  • the growth temperature remains at 10
  • a gallium nitride based epitaxial wafer is completed by growing a doped p-GaN contact layer 30.
  • the wafer is annealed in a nitrogen gas atmosphere at 800 ° C. to lower the resistance of the Mg-doped p-type layer.
  • the n-GaN contact layer 23 is exposed from a top surface of the p-GaN contact layer 30 to a predetermined region for manufacturing an LED element by using ordinary photolithography and dry etching techniques. Etching is performed until. Subsequently, a ⁇ -side electrode 31 made of nickel and gold is formed on the surface of the ⁇ -GaN contact layer 30, and an n-side electrode made of titanium and aluminum is formed on the surface of the n-GaN contact layer 23 exposed by etching. Form 32 to complete the gallium nitride LED wafer.
  • each chip is mounted on a stem, and each electrode and a lead terminal are connected by wire bonding to complete a gallium nitride-based semiconductor light emitting diode device.
  • the blue LED device fabricated as described above had a light emission characteristic of a light emission wavelength of 430 nm and a light output of 6 mW at a forward current of 20 mA.
  • the current-light output characteristics did not saturate the light output even at a high injection current, and the characteristics were improved as compared with conventional LED elements.
  • the wavelength shift due to current injection has also been improved, and the shift amount of about 7 nm in the conventional blue LED element has been reduced to 2 nm in the present invention.
  • the quantum well The layer thicknesses of the layer 84 and the barrier layer 85 were set to 3 nm and 4 nm, respectively.These layer thicknesses were set such that the quantum well layer 84 had a thickness of 10 nm or less and the barrier layer 85 had a thickness of 10 nm or less. If the thickness is set to 4 nm or less and electrons and holes are uniformly injected into each quantum well layer, the same effect can be obtained with other layer thicknesses regardless of this embodiment. Industrial applicability
  • the gallium nitride-based semiconductor light-emitting device of the present invention is used as a semiconductor laser device used for information processing of an optical disk or the like, or as a semiconductor light-emitting diode device for a large power display device or the like. Further, if it is combined with a drive circuit for injecting a current into a semiconductor laser element, it can be used, for example, as a semiconductor laser light source device for reading data from an optical disc.

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Description

明 細 書 多重量子井戸構造活性層を有する窒化ガリウム系半導体発光素子 及び半導体レーザ光源装置
技冊方野
本発明は半導体レーザ素子や半導体ダイォード素子等の窒化ガリゥム系 半導体発光素子、 及び半導体レーザ光源装置に関し、 特に、 窒化物半導体 よりなる多重量子井戸構造活性層を備えた発光素子に関する。 背景技術
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体レーザ素子 （LD) や発光ダイオード素子 （LED)等の半導体材料として、 窒化ガリウム系 半導体 （G a I n A 1 N) が用いられている。 この窒化ガリウム系半導体 を用いた青色 LDは、 例えば、 Applied Physics Letters, vol.69, No.10, p. 1477~1479に記載されており、 その断面図を図 19に示す。 図 20は図 1 9の E部の拡大図である。
図 19において、 101はサファイア基板、 102は GaNバッファ層、 103は n— GaNコンタク ト層、 104は n— I n 0.05 G a 0.95N層、 105は n— A 10.05G a0.95Nクラッ ド層、 106は n— GaNガイ ド 層、 107は I n。.2GaQ.8N量子井戸層と I n 0.05G a 0.95N障壁層と からなる多重量子井戸構造活性層、 108は p— A l。.2Ga。.8N層、 1 09は p— G aNガイ ド層、 110は p— A 10.05Ga0.95Nクラッ ド層、 111は p— G aNコンタク ト層、 112は p側電極、 113は n側電極、 114は S i 02絶縁膜である。 ここで、 多重量子井戸構造活性層 107 W
は、 図 20に示されるように、 3 nm厚の I n Q .2G a。 .8N量子井戸層 1 17が 5層、 6 nm厚の I n。 .。5G a。 .95N障壁層 118が 4層、の合計 9層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。
また、 Applied Physics Letters, vol.69， No.20， p.3034~3036には、 量子 井戸構造活性層を、 交互に積層された 4 n m厚の量子井戸層 3層と 8 n m 厚の障壁層 2層の合計 5層で構成することが記載されている。
この他、 特開平 8— 316528にも同様に窒化ガリウム系半導体を用 いた青色 LDが記載されているが、 この従来技術の青色 LDも、 図 19, 20に示したものと同様に、 5層以上の量子井戸層を持つ多重量子井戸構 造活性層を用いている。
一方、 窒化ガリウム系半導体を用いた青色 LEDは、 例えば、 前記の特 開平 8— 316528に記載されており、 その断面図を図 21に示す。 図 21において、 121はサファイア基板、 122は G a Nバッファ層、 1 23は n— GaNコンタク ト層、 124は n— Al 0.3G a 0.7N第 2クラッ ド層、 125は n— I n0.01G a0.99N第 1クラッ ド層、 126は31 111 厚の I nc.fl5GaQ.95N単一量子井戸構造活性層、 127は p— I n。 .01 G 0.99N第 1クラッ ド層、 128は p— A l 0.3Ga0.7N第 2クラッ ド 層、 129は p— GaNコンタク ト層、 130は p側電極、 131は n側 電極である。 このように窒化ガリウム系半導体を用いた青色 LEDでは、 1層のみの量子井戸層を有する活性層が用いられていた。
しかしながら従来の前記青色 L D及び青色 L E D素子はそれぞれ以下の ような問題点があった。
まず、 青色 LDに関しては、 発振閾値電流値が 100mA以上と高く、 光ディスク等の情報処理用として実用に供するためには大幅に発振閾値電 流値を低減する必要がある。 さらに光ディスク用として LDを用いる場合、 データの読み出し時における雑音によるデータの読み出しエラーを防止す るために周波数 3 0 0 MH z程度の高周波電流を L Dに注入し、 光出力を 同じ周波数で変調する必要があるが、 従来の青色 L Dでは高周波電流を注 入しても光出力が変調されないため、 データの読み出しエラ一を生じると いう問題があった。
また、 青色 L E Dに関しては、 すでに実用化されているものの、 例えば、 広い視野角でも明るく表示できる大型カラーディスプレー等のように、 さ らに広範囲にわたる用途に青色 L E D素子を供していくためには、 光出力 の向上によるより一層高輝度な L E Dの実現が望まれている。
さらに、 従来の窒化ガリウム系 L E D素子では、 注入電流を増すに従つ て発光波長のピーク値が大きく変動するという問題がある。 例えば、 窒化 ガリウム系青色 L E Dでは、 順方向電流を 0. 1 mAから 2 0 mAまで増 大すると発光波長のピーク値が 7 n mもシフトしてしまう。 これは発光波 長が長い L E D素子で特に顕著であり、 窒化ガリゥム系緑色 L E Dでは、 発光波長のピーク値が 2 0 n mもシフトしてしまう。 このような素子を力 ラーディスプレーに用いると、 このピーク波長のシフ トのため、 画像の明 る.さによって画像の色合いが変化してしまうという問題を生じていた。 発明の開示
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、 前記窒化ガリ ゥム系半導体発光素子における課題を解決して、 良好なレーザ発振特性を 有する半導体レーザ素子、 及び、 高い光出力が得られる発光ダイオード素 子を実現できる窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することを主たる目 的とする。
本発明のさらなる目的は、 電流注入による波長シフ卜がない発光ダイォ 一ド素子を実現できる窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することであ 本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、 半導体基 板と、 少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量子 井戸構造を有する活性層と、 上記活性層を挟み込む第 1のクラッ ド層およ び第 2のクラッド層とを備え、 前記活性層は、 2つの量子井戸層と、 前記 量子井戸層の間に挟まれた 1つの障壁層とからなる。
この窒化ガリゥム系半導体発光素子を半導体レーザ素子として用いる場 合には、 前記活性層はこの半導体レーザ素子の発振部を形成する。 そして、 この半導体レーザ素子に電流を注入する駆動回路をさらに設けることによ り、 半導体レーザ光源装置が実現できる。 一方、 前記窒化ガリウム系半導 体発光素子を半導体発光ダイォード素子として用いる場合には、 前記活性 層はこの半導体発光ダイォード素子の発光部を形成する。
このような本発明を見出すにあたって、 本発明者は従来素子における前 記課題の原因について詳細に調査を行い、 以下のことが判明した。
まず 青色 L Dに関しては、 量子井戸層として用いられる I n G a N材 料は、 電子 ·正孔ともにその有効質量が大きいことと多数の結晶欠陥が存 在していることにより電子や正孔の移動度が大幅に低下し、 多重量子井戸 構造活性層のすベての量子井戸層に電子と正孔とが均一に分布しなくなる。 即ち、 電子を注入する n型クラッ ド層側の量子井戸層 2層程度にしか電子 は注入されず、 正孔を注入する p型クラッ ド層側の量子井戸層 2層程度に しか正孔は注入されない。 従って、 量子井戸層が 5層以上の多重量子井戸 構造活性層では、 電子と正孔とが同一の量子井戸層内に存在する割合が小 さいため、 電子と正孔の再結合による発光の効率が低下し、 レーザ発振の 閾値電流値を増大させてしまっている。 またこのように電子や正孔の移動度が小さいため量子井戸層の間での電 子や正孔の移動が遅くなり、 再結合によつて電子 ·正孔が消滅した量子井 戸層内へ新たに電子と正孔が注入されず、 クラッ ド層に近接する量子井戸 層に注入された電子 ·正孔がそのままその量子井戸層に存在し続けること になる。 従って、 注入電流を変調しても量子井戸層内に存在する電子と正 孔の密度が変調されないことになり、 このため高周波電流を注入しても光 出力が変調されなくなつていた。
従って本発明の一実施形態では、 少なくともインジウムとガリウムを含 む窒化物半導体よりなる活性層における量子井戸層の層数を 2とすること によって、 すべての量子井戸層に電子と正孔とを均一に分布させるように した。 この結果、 発光効率が向上して発振閾値電流値を低減させることが できた。 さらに、 再結合によって電子 ·正孔が消滅した量子井戸層内への 電子と正孔の注入が効果的に行われるので、 高周波電流の注入により量子 井戸層内に存在する電子と正孔の密度も変調され、その結果、光出力も変調 されることが可能となった。
このようにすべての量子井戸層に電子と正孔とを均一に分布させるにあ たっては、 量子井戸層の層厚が厚すぎると、 均一に電子と正孔を分布させ ることが阻害されてしまうため、 量子井戸層の厚さは 1 O n m以下である ことが好ましい。
さらに同様に、障壁層の層厚が厚すぎると、均一に電子と正孔を分布させ ることが阻害されてしまうため、障壁層の厚さは 1 0 n m以下であること が好ましい。
—方青色 L E Dに関しては、 現在実用化されている素子の電流—光出力 特性は、 図 9に示されるように電流を注入していくにつれて飽和する傾向 がある。 従来の青色 L E Dでは量子井戸活性層は 1層のみであり、 注入さ れた電子と正孔はともにこの 1層の量子井戸層に存在するが、 注入量を増 大すると、 量子井戸層を形成する I n G a N半導体材料の電子， 正孔の有 効質量が大きいため、 注入された電子や正孔の運動量空間内で分布が大き くなり、 発光効率が低下してしまう。 そこで本発明のように、 少なくとも インジウムとガリウムを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造活性 層における量子井戸層の層数を 2とすることによって、 注入された電子と 正孔は 2つの量子井戸層に分割されるため、 量子井戸層 1層当りに存在す る電子と正孔の密度が低減され、 運動量空間内で電子や正孔の分布を低減 できた。 その結果、電流一光出力特性における飽和する傾向は改善され、光 出力の向上によるより高輝度な窒化ガリウム系 L E D素子が実現された。 さらに、 本発明者が行った別の調査、 実験の結果、 障壁層の厚さが 4 n m以下であれば、 量子井戸層の数を 4まで増やしても、 L Dについても L E Dについても以上と同様の結果が得られることがわかった。 前記した文 献 Applied Physics Letters, vol. 69, No. 20, p. 3034~3036に記載された従来 素子の量子井戸構造活性層は 3つの量子井戸層を有するものであるが、 I n G a N材料の電子や正孔の有効質量が大きい上、 障壁層の層厚が 8 n m と厚いため、 量子井戸層間で電子や正孔の波動関数の重なりがほとんど無 くなつてしまう。 従つて量子井戸層間での電子や正孔の移動がほとんど生 じないため、 電子と正孔の不均一な分布がよりいつそう引き起こされてし まっていた。 しかし、 障壁層の厚さを 4 n m以下にすることにより、 量子 井戸層が 3層または 4層あっても、 量子井戸層間において電子と正孔の波 動関数を確実に重ならせることができることが判明した。
また電流注入による波長シフ卜の問題も、 障壁層の厚さを 4 n m以下に することにより同時に解決されることが分かった。 このような波長シフト の原因は次のように考えられる。 すなわち I n G a N材料においては電子 や正孔の有効質量が大きいため、 電子—正孔プラズマ効果が顕著になり、 この効果によるエネルギーバンド端の変形が大きくなつて電流注入による 発光波長のピーク値のシフトが大きくなっている。 従って、 本発明のよう に、 注入された電子と正孔が各量子井戸層に均等に分割されるようにして、 量子井戸層 1層当りに存在する電子と正孔の密度を低減することにより、 電子一正孔プラズマ効果を抑制した結果、 電流注入による波長シフ トも低 減されたと考えられる。
本発明のさらなる目的、 特徴および利点は、 添付の図面を参照しながら 行う幾つかの実施形態の詳細な説明から理解できよう。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の第 1実施形態に係る半導体レーザ素子を示す断面図であ る。
図 2は図 1の A部を拡大した断面図である。
図 3は第 1実施形態における閾値電流値の量子井戸層数依存性、 及び光 出力の変調可能な、 注入電流の最大変調周波数の量子井戸層数依存性を示 すグラフ図である。
図 4は第 1実施形態における光出力の変調可能な、 注入電流の最大周波 数の障壁層の厚さ依存性を示すグラフ図である。
図 5は本発明の第 2実施形態に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示す 回路図である。
図 6は本発明の第 3実施形態に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示す 回路図である。
図 7は本発明の第 4実施形態に係る半導体発光ダイォード素子を示す断 面図である。 図 8は図 7の B部を拡大した断面図である。
図 9は本発明の第 4実施形態に係る半導体発光ダイォード素子と従来の 半導体発光ダイォード素子の、 それぞれの電流—光出力特性を示すグラフ である。
図 1 0は本発明の第 5の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す断面図 である。 図 1 1は図 1 0の C部を拡大して示す断面図である。
図 1 2は第 5実施形態における閾値電流値の量子井戸層数依存性、 及び 光出力の変調可能な、 注入電流の最大変調周波数の量子井戸層数依存性を 示すグラフ図である。
図 1 3は量子井戸層数が 2層、 3層、 4層である窒化ガリウム系半導体 レーザ素子の、 光出力の変調可能な、 注入電流の最大周波数の障壁層の厚 さ依存性を示すグラフ図である。
図 1 4は本発明の第 6実施形態に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示 す回路図である。
図 1 5は本発明の第 7実施形態に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示 す回路図である。
図 1 6は本発明の第 8実施形態に係る半導体発光ダイ'ォード素子を示す 断面図である。
図 1 7は図 1 6の D部を拡大して示す断面図である。
図 1 8は本発明の第 8実施形態に係る半導体発光ダイォード素子と従来 の半導体発光ダイォード素子の、 それぞれの電流—光出力特性を示すグラ フである。
図 1 9は従来の青色 L Dの構造例を示す断面図である。
図 2 0は図 1 9の E部を拡大して示す断面図である。
図 2 1は従来の青色 L E Dの構造例を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施形態を添付の図面に基づき説明する。
(第 1実施形態）
図 1は本発明の第 1実施形態に係る窒化ガリゥム系半導体レーザ素子を 示す断面図であり、 図 2は図 1中の A部を拡大した断面図である。 この実 施形態は 2つの量子井戸層とこれらの間に挟まれた 1つの障壁層とから量 子井戸構造活性層を形成するものである。
図 1， 2において、 1は c面を表面として有するサファイア基板、 2は G a Nバッファ層、 3は n— G aNコンタク ト層、 4は n— A l ^Gao .9Nクラッ ド層、 5は n— G aNガイ ド層、 6は 2層の I n 0.2G a 0.8N 量子井戸層 14と 1層の I r .osG a0.95N障壁層 15とからなる多重量 子井戸構造活性層、 7は A 1 QjGao.sN蒸発防止層、 8は p— GaNガ イ ド層、 9は p— A 1 a0 9Nクラッ ド層、 10は p— GaNコン夕 ク ト層、 11は13側電極、 12は11側電極、 13は S i 02 絶縁膜である。 なお、 図面を簡単にするため、 図 1においては、 複数層からなる前記量子 井戸構造活性層 6を単層のように描いている。 他の実施形態の断面を示す 図 7， 10, 16においても同様である。
本実施形態において、 サファイア基板 1の表面は a面、 r面、 m面等の 他の面方位であっても構わない。 また、 サファイア基板に限らず S i C基 板、 スピネル基板、 MgO基板、 S i基板、 または G a A s基板も用いる ことが出来る。 特に S i C基板の場合はサファイア基板に比べて劈開しや すいため、 劈開によるレーザ共振器端面の形成が容易であるという利点が ある。 バッファ層 2はその上に窒化ガリウム系半導体をェピタキシャル成 長させることが出来るものであれば G a Nにこだわらず他の材料、 例えば A 1 Nや A 1 GaN3元混晶を用いてもよい。
n型クラッ ド層 4及び ρ型クラッ ド層 9は、 n— A 1。 .！ G a。 .9N以外 の A 1組成を持つ A 1 G aN3元混晶でもよい。 この場合 A 1組成を大き くすると活性層とクラッ ド層とのエネルギーギヤップ差及び屈折率差が大 きくなり、 キヤリァゃ光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値 電流の低減及び、 温度特性の向上が図れる。 またキャリアや光の閉じ込め が保持される程度で A 1組成を小さく していくと、 クラッ ド層におけるキヤ リアの移動度が大きくなるため、 半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくで きる利点がある。 さらにこれらのクラッ ド層は微量に他の元素を含んだ 4 元以上の混晶半導体でもよく、 n型クラッ ド層 4と p型クラッ ド層 9とで 混晶の組成が同一でなくても構わない。
ガイ ド層 5と 8は、 そのエネルギーギャップが、 多重量子井戸構造活性 層 6を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッ ド層 4、 9のェ ネルギーギヤップの間の値を持つような材料であれば G a Nにこだわらず 他の材料、 例えば I nGaN、 A 1 G a N等の 3元混晶ゃ I nG aA 1 N 等の 4元混晶等を用いてもよい。 またガイ ド層全体にわたってドナー又は ァ.クセプターをドーピングする必要はなく、 多重量子井戸構造活性層 6側 の一部のみをノンドープとしてもよく、 さらにはガイ ド層全体をノンドー プとしてもよい。 この場合、 ガイ ド層に存在するキャリアが少なくなり、 自由キャリアによる光の吸収が低減されて、 さらに発振閾値電流が低減で きるという利点がある。
多重量子井戸構造活性層 6を構成する 2層の I nD.2Gan.8N量子井戸 層 14と 1層の I r .osG ao .95N障壁層 15は、 必要なレーザ発振波長 に応じてその組成を設定すればよく、 発振波長を長く したい場合は量子井 戸層 14の I n組成を大きく し、 短く したい場合は量子井戸層 14の I n W
組成を小さくする。 また量子井戸層 14と障壁層 15は、 I nGaN3元 混晶に微量に他の元素、 例えば A l、 を含んだ 4元以上の混晶半導体でも よい。さらに障壁層 15は単に G a Nを用いてもよい。
次に、 図 1と図 2を参照して、 前記窒化ガリウム系半導体レーザの作製 方法を説明する。 以下の説明では MOCVD法 （有機金属気相成長法） を 用いた場合を示しているが、 G aNをェピタキシャル成長できる成長法で あればよく、 MBE法 （分子線ェピタキシャル成長法） や HDVPE (ノヽ ィ ドライ ド気相成長法） 等の他の気相成長法を用いることもできる。
まず所定の成長炉内に設置された、 c面を表面として有するサファイア 基板 1上に、 トリメチルガリウム （TMG) とアンモニア （NH3) を原 料に用いて、 成長温度 550°Cで G aNバッファ層 2を 35 nm成長させ 次に成長温度を 1050°Cまで上昇させて、 TMGと NH3 、 及びシラ ンガス （S i H4) を原料に用いて、 厚さ 3 zmの S i ド一プ n— G aN コンタク ト層 3を成長する。 さらに続けてトリメチルアルミニウム （TM A) を原料に加え、 成長温度は 1050°Cのままで厚さ 0.7 mの S i ドープ n— A 1
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ao.gNクラッ ド層 4を成長する。 続けて、 TMAを 原料から除いて、成長温度は 1050°Cのままで厚さ 0.05 mの S i ド ープ n— GaNガイ ド層 5を成長する。
次に、 成長温度を 750°Cに下げ、 TMGと NH3、 及びトリメチルイ ンジゥム （TMI ) を原料に用いて、 I nQ.2Ga。.8N量子井戸層 （厚さ 5 nm) 14、 I n 0.05G a 0.95N障壁層 （厚さ 5 nm) 15、 I n0.2 G a。.8N量子井戸層 （厚さ 5 nm) 14を順次成長することにより多重 量子井戸構造活性層 （トータルの厚さ 15 nm) 6を作成する。 さらに続 けて TMGと TMAと NH3 を原料に用いて、 成長温度は 750°Cのまま で厚さ 10 nmの A 1。 .2G a。 .8N蒸発防止層 7を成長する。
次に、 再び成長温度を 1050°Cに上昇して、 TMGと NH3、 及びシ クロペンタジェニルマグネシウム （Cp2Mg) を原料に用いて、 厚さ 0. 05 imのMgド一プ p— GaNガイ ド層 8を成長する。 さらに続けて T MAを原料に加え、 成長温度は 1050°Cのままで厚さ 0.7 mの Mg ドープ p— A l dGao.gNクラッ ド層 9を成長する。 続けて、 TMAを 原料から除いて、 成長温度は 1050°Cのままで厚さ 0.2 £111の^[2ド ープ p— GaNコンタク ト層 10を成長して、 窒化ガリウム系ェピタキシャ ルウェハーを完成する。
その後、 このウェハーを 800°Cの窒素ガス雰囲気中でァニールして、 Mgドープの p型層を低抵抗化する。
さらに通常のフォ トリソグラフィ一とドライエッチング技術を用いて、 200 m幅のストライプ状に p— G a Nコンタク ト層 10の最表面から、 n— GaNコンタク ト層 3が露出するまでエッチングを行う。 次に、 前記 と同様のフォ トリソグラフィ一とドライエッチング技術を用いて、 残った p— GaNコンタク ト層 10の最表面に、 5 m幅のストライプ状にリッ ジ.構造を形成するように p— GaNコンタク ト層 10、 及び p— A 10 . , Gao.9Nクラッ ド層 9をエッチングする。
続いて、 リッジ Rの側面とリッジ R以外の p型層表面に厚さ 200 nm の S i 02 絶縁膜 13を形成する。 この S i 02 絶縁膜 13と p— GaN コンタク ト層 10の表面にニッケルと金からなる P側電極 11を形成し、 エッチングにより露出した n— G a Nコンタク ト層 3の表面にチタンとァ ルミニゥムからなる n側電極 12を形成して、 窒化ガリウム系 LDゥ. 一を完成する。
その後、 このウェハーをリッジストライプに垂直な方向に劈開してレ' ザの共振器端面を形成し、 さらに個々のチップに分割する。 そして、 各チッ プをステムにマウントし、 ワイヤ一ボンディングにより各電極とリ一ド端 子とを接続して、 窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
以上のようにして作製された青色 L D素子は、 発振波長 4 3 0 n m、 発 振閾値電流 4 O mAというレーザ特性が得られ、 3 0 O MH z以上、 最大 周波数で 1 G H z程度の高周波電流の注入により光出力も十分変調される ことが確認された。 この結果、 光ディスク用として本実施形態の青色 L D 素子を用いると、 データの読み出しエラーを防止することができ、 光ディ スク用として使用可能な青色 L D素子が実現できた。
図 3には、 窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、 量子井戸層の層 数を 1から 5まで変化させたときの、 閾値電流値と、 光出力の変調が可能 な注入電流の最大変調周波数の変化を表すグラフ図が示されている。 各半 導体レーザの構造は、 量子井戸層の層数が異なること、 及び量子井戸層数 に応じて障壁層の層数が異なること以外は、 本発明の第 1実施形態に係る 窒化ガリウム系半導体レーザ素子と同じである。 この図からわかるように、 発振閾値電流が低く、 かつ、 3 0 0 MH z以上、 例えば最大周波数で 1 G H.z程度の高周波電流の注入でも光出力が十分変調されることが可能なも のは、 量子井戸層数が 2である本発明の第 1の実施形態に係る窒化ガリゥ ム系半導体レーザ素子のみである。
なお、 本実施形態では、 多重量子井戸構造活性層 6を構成する量子井戸 層 1 4と障壁層 1 5の層厚をともに 5 n mとしたが、 これらの層厚が同一 である必要はなく、 異なっていても構わない。 また 2層の量子井戸層に均 —に電子 ·正孔を注入するために、 量子井戸層 1 4と障壁層 1 5の各層厚 を 1 0 n m以下とすれば、 本実施形態にこだわらず、 他の層厚でも同等の 効果が得られる。 図 4には、 量子井戸層数が 2層である窒化ガリゥム系半導体レーザ素子 において、 障壁層の層厚を変化させたときの光出力の変調が可能な注入電 流の最大変調周波数の変化を表すグラフ図が示されている。 このときの半 導体レーザの構造は、 障壁層の層厚が異なること以外は第 1実施形態に係 る窒化ガリウム系半導体レーザ素子と同じである。 この図から、 障壁層の 層厚を 10 nm以下とすれば、 300MHz以上、 最大 1 GHz程度の高 周波電流の注入でも光出力が十分変調されることが可能であることがわか る。 また、 これは量子井戸層の場合も同様の結果であり、 量子井戸層の層 厚を 1 Onm以下とすれば、 300MHz以上、 最大 1 GHz程度の高周 波電流の注入でも光出力が十分変調されることが確認された。
また本実施形態では、 多重量子井戸構造活性層 6に接するように A 10 . 2GaD.8N蒸発防止層 7を形成しているが、 これは量子井戸層 14が成長 温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。 従って、 量子井戸層 14を保護するものであれば蒸発防止層 7として用いることが でき、 他の A 1組成を有する A 1 G aN3元混晶ゃ G aNを用いてもよい。 また、 この蒸発防止層 7に Mgをドーピングしてもよく、 この場合は p— G.aNガイ ド層 8や p— A 1 an.9Nクラッ ド層 9から正孔が注入さ れ易くなるという利点がある。 さらに、 量子井戸層 14の I n組成が小さ い場合は蒸発防止層 7を形成しなくても量子井戸層 14は蒸発しないため、 特に蒸発防止層 7を形成しなくても、 本実施形態の窒化ガリゥム系半導体 レーザ素子の特性は損なわれない。
本実施形態では、 リッジストライプ構造を形成して注入電流の狭窄を行つ ているが、 電極ストライプ構造等の他の電流狭窄の手法を用いてもよい。 また、 本実施形態では劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、 サファイア基板は硬くて劈開しにくい場合があるので、 ドライエッチング により共振器端面を形成することもできる。
さらに本実施形態では絶縁体であるサファイアを基板として用いたため、 エッチングにより露出した n— G a Nコンタク ト層 3の表面に n側電極 1 2を形成しているが、 n型導電性を有する S i C、 S i、 G a A s等を基 板に用いれば、 この基板の裏面に n側電極 1 2を形成してもよい。 また、 p型と n型の構成を逆にしても構わない。
(第 2実施形態）
図 5は本発明の第 2実施形態に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示す 回路図である。 図 5中に示される半導体レーザ素子 1 6は、 本発明の第 1 実施形態で得られた量子井戸層数が 2層である窒化ガリゥム系半導体レー ザ素子を用いている。 高周波駆動回路 1 7は、 通常の半導体部品を用いて 構成されるものであり、 高い周波数で半導体レーザ 1 6への注入電流を変 調し、 光出力を変調させるための半導体レーザの駆動回路である。 本実施 形態では、 注入電流の変調周波数を 3 0 O MH zとした。 第 1実施形態で 得られた窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、 注入電流の最大変調周波 数は 1 G H z以上のものが得られており、 3 0 O MH zの周波数でも光出 力を十分変調させることができた。 本実施形態を光ディスク用の光源とし て用いると、 半導体レーザの光出力が十分変調されているのでレーザ光の コヒーレント性を低下させることができ、 ディスク面からのレーザ光の戻 り光による雑音を低減することができた。 その結果、 エラー無しで光ディ スクからのデータの読み出しを行うことが可能となった。
なお、 本実施形態では、 注入電流の変調周波数を 3 0 O MH zとしたが、 レーザ光のコヒーレント性を低下させて、 ディスク面からのレーザ光の戻 り光による雑音を低減できるような周波数であれば、 最大周波数 1 G H z 程度まで、 他の変調周波数で窒化物半導体レーザを駆動しても構わない。 (第 3実施形態）
図 6は本発明の第 3実施形態に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示す 回路図である。 図 6中に示される半導体レーザ素子 1 8は、 本発明の第 1 実施形態で得られた量子井戸層数が 2層である窒化ガリゥム系半導体レー ザ素子を用いているが、 リッジ構造を形成する際のストライプ幅 w (図 1 参照） と、 p— A 1 ^ G a o . g Nクラッ ド層 9をエッチングする深さとを 調整することによって、 変調されていない一定電流を注入しても光出力が 変調されている自励発振型の半導体レーザとなっている。 ここでは、 スト ライプ幅 wを 3 z m、 p— A 1 a e .9 Nクラッ ド層 9のエッチングの 際の残し膜厚 d (図 1参照） を 0. 2 / mとした。 なお、 これらのストラ イブ幅とエッチングの際の残し膜厚とは本具体例の値に限定されるもので はなく、 ストライプ幅として 1乃至 5 m、 p型クラッ ド層 9の残し膜厚 としては 0. 0 5乃至 0. 5 mであればよい。 このように作製された自 励発振型の窒化ガリウム系半導体レーザ素子における光出力の変調周波数 は、 8 0 O MH zであった。
第 3実施形態に係る窒化ガリゥム系半導体レーザ素子では、 量子井戸層 数を 2層としたことにより、 量子井戸層内に存在する電子と正孔の密度が 変調されやすくなつている。 従って、 注入電流を変調して電子と正孔の密 度を変調することによって光出力を変調するだけでなく、 変調されていな c、一定電流の注入でも電子と正孔の密度が変調されて光出力が変調される 自励発振型の半導体レーザの作製も容易にでき、 高い周波数で光出力が変 調されることが可能となった。
定電流駆動回路 1 9は、 通常の半導体部品を用いて構成されるものであ り、 一定電流を注入するための半導体レーザの駆動回路である。 本実施形 態を光ディスク用の光源として用いると、 半導体レーザの光出力が十分変 調されているのでレーザ光のコヒーレント性を低下させることができて、 ディスク面からのレーザ光の戻り光による雑音を低減することができた。 その結果、 エラー無しで光ディスクからのデータの読み出しを行うことが 可能となった。
なお、 本第 3実施形態で用いた窒化ガリウム系半導体レーザ素子 18は、 リッジ構造を形成する際のストライプ幅 wと、 p— A l ^G ao.gNクラッ ド層 9をエッチングする深さとを調整することによって自励発振型の半導 体レーザとしたが、 通常の G a A s系半導体レーザ等で用いられているよ うに、 活性層の近傍に可飽和吸収層 （図示せず） を設置して自励発振型の 半導体レーザとしても構わない。
(第 4実施形態）
図 Ίは本発明の第 4実施形態に係る窒化ガリゥム系半導体発光ダイォー ド素子を示す断面図であり、図 8は図 Ί中の B部を拡大した断面図である。 この図において、 21は c面を表面として有するサファイア基板、 22 は GaNバッファ層、 23は n— G aNコンタク ト層、 24は n— A l 0. iGao.gNクラッ ド層、 25は n— G aNガイ ド層、 26は 2層の I n0. 2Q a。.8N量子井戸層 34と 1層の I r .osG a0.95N障壁層 35とから なる多重量子井戸構造活性層、 27は A 1 D.2Ga。.8N蒸発防止層、 28 は p— GaNガイ ド層、 29は p— A 1 a。.9Nクラッ ド層、 30は p— GaNコンタク ト層、 31は 側電極、 32は n側電極である。
本実施形態において、 サファイア基板 21の表面は a面、 r面、 m面等 の他の面方位であっても構わない。 また、 サファイア基板に限らず S i C 基板、 スピネル基板、 MgO基板、 または S i基板も用いることが出来る。 特に S i C基板の場合はサファイア基板に比べて劈開しやすいため、 LE D素子をチップ分割する作業が容易に行えるという利点がある。 バッファ 層 2 2はその上に窒化ガリゥム系半導体をェピタキシャル成長させること が出来るものであれば G a Nにこだわらず他の材料、 例えば A 1 Nや A 1 G a N 3元混晶を用いてもよい。
n型クラッ ド層 2 4及び p型クラッ ド層 2 9は、 n— A 1。 .！ G a。 .9N 以外の A 1組成を持つ A 1 G a N 3元混晶や、 単に G a Nを用いてもよい。 この場合 A 1組成を大きくすると活性層とクラッ ド層とのエネルギーギヤッ プ差が大きくなり、 キヤリァが活性層に有効に閉じ込められて温度特性の 向上が図れる。 またキヤリアの閉じ込めが保持される程度で A 1組成を小 さくしていくと、 クラッ ド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、 発光ダイォード素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。 さらにこれら のクラッ ド層は微量に他の元素を含んだ 4元以上の混晶半導体でもよく、 n型クラッ ド層 2 4と p型クラッ ド層 2 9とで混晶の組成が同一でなくて も構わない。
ガイ ド層 2 5と 2 8は、 そのエネルギーギャップが、 多重量子井戸構造 活性層 2 6を構成する量子井戸層のエネルギーギヤップとクラッ ド層 2 4、 2 9のエネルギーギヤップの間の値を持つような材料であれば G a Nにこ だ.わらず他の材料、 例えば I n G a N、 A 1 G a N等の 3元混晶ゃ I n G a A 1 N等の 4元混晶等を用いてもよい。 またガイ ド層全体にわたってド ナ一又はァクセプターをドーピングする必要はなく、 多重量子井戸構造活 性層 2 6側の一部のみをノンドープとしてもよく、 さらにはガイ ド層全体 をノンドープとしてもよい。 この場合、 ガイ ド層に存在するキャリアが少 なくなり、 自由キャリアによる光の吸収が低減されて、 さらに光出力が向 上するという利点がある。 また、 ガイ ド層 2 5、 2 8には、 n型クラッ ド 層 2 4と p型クラッ ド層 2 9からそれぞれ電子と正孔を多重量子井戸構造 活性層 2 6へ注入しやすくするという利点があるが、 特にガイ ド層 2 5、 28を設けなくても L E D素子特性が大きく悪化することはないので、 ガ イ ド層 25、 28はなくても構わない。
多重量子井戸構造活性層 26を構成する、 2層の I nfl.2GaG.8N量子 井戸層 34と 1層の I r .osGao .95N障壁層 35は、 必要な発光波長に 応じてその組成を設定すればよく、 発光波長を長く したい場合は量子井戸 層 34の I n組成を大きく し、 短く したい場合は量子井戸層 34の I n組 成を小さくする。 また量子井戸層 34と障壁層 35は、 I nGaN3元混 晶に微量に他の元素、 例えば Al、 を含んだ 4元以上の混晶半導体でもよ い。 さらに障壁層 35は単に GaNを用いてもよい。
次に、 図 7と図 8を参照して前記窒化ガリウム系半導体発光ダイォード の作製方法を説明する。 以下の説明では MOCVD法 （有機金属気相成長 法） を用いた場合を示しているが、 GaNをェピタキシャル成長できる成 長法であればよく、 MBE法 （分子線ェピタキシャル成長法） や HDVP E (ハイ ドライ ド気相成長法)等の他の気相成長法を用いることもできる。 まず所定の成長炉内に設置された、 c面を表面として有するサファイア 基板 21上に、 TMGと NH3 を原料に用いて、 成長温度 550°Cで G a Nバッファ層 22を 35 nm成長させる。
次に成長温度を 1050°Cまで上昇させて、 TMGと NH3 、 及び S i H4 を原料に用いて、 厚さ 3^mの S i ドープ n— GaNコンタク ト層 2 3を成長する。 さらに続けて TMAを原料に加え、 成長温度は 1050°C のままで厚さ 0. 3 の S i ドープ n— A 1。 .！ G a fl .9Nクラッ ド層 2 4を成長する。 続けて、 TMAを原料から除いて、 成長温度は 1050°C のままで厚さ 0.05 mの S i ドープ n— GaNガイ ド層 25を成長す る
次に、 成長温度を 750°Cに下げ、 TMGと NH3 、 及び TM Iを原料 に用いて、 I no.2G a Q.8N量子井戸層 （厚さ 3nm) 34、 I n0.o5G a0.95N障壁層 （厚さ 5nm) 35、 I n。 .2G a fl .8N量子井戸層 （厚さ 3nm) 34を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層 （トー夕 ルの厚さ 11 nm) 26を作成する。 さらに続けて TMGと TMAと NH 3 を原料に用いて、 成長温度は 750°Cのままで厚さ 10 nmの A 10.2 G an.8N蒸発防止層 27を成長する。
次に、 再び成長温度を 1050°Cに上昇して、 TMGと NH3 、 及び C p2Mgを原料に用いて、 厚さ 0.05〃mの Mgドープ p— G aNガイ ド 層 28を成長する。 さらに続けて TMAを原料に加え、 成長温度は 105 0°Cのままで厚さ 0, 3 111の1^8 ドープ p— A 1 o.iG ao.9Nクラッ ド 層 29を成長する。 続けて、 TMAを原料から除いて、 成長温度は 105 0°Cのままで厚さ 0.2 111の1^8 ドープ p— GaNコンタク ト層 30を 成長して、 窒化ガリウム系ェピタキシャルウェハーを完成する。
その後、 このウェハーを 800°Cの窒素ガス雰囲気中でァニールして、 Mgドープの p型層を低抵抗化する。
さらに通常のフォ トリソグラフィ一とドライエッチング技術を用いて、 L.ED素子作製のために所定の領域に、 p— GaNコンタク ト層 30の最 表面から、 n— G a Nコンタク ト層 23が露出するまでエッチングを行う。 続いて、 p— GaNコンタク ト層 30の表面にニッケルと金からなる P 側電極 31を形成し、 エッチングにより露出した n— GaNコンタク ト層 23の表面にチタンとアルミニウムからなる n側電極 32を形成して、 窒 化ガリウム系 LEDウェハーを完成する。
その後、 このウェハーを個々のチップに分割する。 そして、 各チップを ステムにマウントし、 ワイヤ一ボンディングにより各電極とリード端子と を接続して、 窒化ガリゥム系半導体発光ダイォード素子を完成する。 以上のようにして作製された青色 LED素子は、 順方向電流 2 OmAで、 発光波長 430 nm ·光出力 6 mWという発光特性が得られた。 また図 9 に示されるように、 電流一光出力特性は高い注入電流においても光出力は 飽和することはなく、 従来の L E D素子に比べて特性が改善された。
なお、 本実施形態では、 多重量子井戸構造活性層 26を構成する量子井 戸層 34と障壁層 35の層厚をそれぞれ 3 nm及び 5 nmとしたが、 これ らの層厚は、 2層の量子井戸層に均一に電子 ·正孔を注入するために、 量 子井戸層 34と障壁層 35の各層厚を 10 n m以下とすれば、 本実施形態 にこだわらず、 他の層厚でも同等の効果が得られる。
また本実施形態では、 多重量子井戸構造活性層 26に接するように A 1 o.aGao.sN蒸発防止層 27を形成しているが、 これは量子井戸層 34が 成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。 従つ て、 量子井戸層 34を保護するものであれば蒸発防止層 27として用いる ことができ、 他の A 1組成を有する A 1 GaN3元混晶ゃ GaNを用いて もよい。 また、 この蒸発防止層 27に Mgをドーピングしてもよく、 この 場合は P— G aNガイ ド層 28や p—A 1 a。.9Nクラッ ド層 29か ら； E孔が注入され易くなるという利点がある。 さらに、 量子井戸層 34の I n組成が小さい場合は蒸発防止層 27を形成しなくても量子井戸層 34 は蒸発しないため、 特に蒸発防止層 27を形成しなくても、 本実施形態の 窒化ガリウム系半導体発光ダイォ一ド素子の特性は損なわれない。
(第 5実施形態）
図 10は本発明の第 5実施形態に係る窒化ガリゥム系半導体レーザ素子 を示す断面図であり、 図 11は図 10中の C部を拡大した断面図である。 この窒化ガリゥム系半導体レーザ素子は、 多重量子井戸構造活性層 46の 構造以外は、 第 1実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子と同じ であるため、 多重量子井戸構造活性層 46以外の層については図 10, 1 1で使用したのと同じ参照番号を用いて、 詳細な説明を省略する。なお、第 1実施形態で説明した種々の変形や代替物およびそれらから得られる効果 等については、本実施形態についてもはてはまることは言うまでもない。 本実施形態では、多重量子井戸構造活性層 46は、 4層の I nfl.2Ga0.8 N量子井戸層 54と 3層の I n0.05Ga0.95N障壁層 55とが交互に積層 されて形成されている。 各障壁層 55の厚さは 4 nm以下である。
多重量子井戸構造活性層 46を構成する 4層の I nmGamN量子井 戸層 54と 3層の I no.05G a o .95N障壁層 55は、 必要なレーザ発振波 長に応じてその組成を設定すればよく、 発振波長を長く したい場合は量子 井戸層 54の I n組成を大きく し、 短く したい場合は量子井戸層 54の I n組成を小さくする。 また量子井戸層 54と障壁層 55は、 I nGaN3 元混晶に微量に他の元素、 例えば Al、 を含んだ 4元以上の混晶半導体で もよい。 さらに障壁層 55は単に GaNを用いてもよい。 さらに、 量子井 戸層 54の層数は 2層または 3層でも構わない。 ただし障壁層 55の層厚 は、 いずれの材料 ·量子井戸層数においても 4 nm以下に設定し、 量子井 戸肩間で電子や正孔の波動関数の重なりが生じるようにしておく。
次に、 図 10と図 11を参照して前記窒化ガリウム系半導体レーザの作 製方法を説明する。 以下の説明では MOCVD法 （有機金属気相成長法） を用いた場合を示しているが、 G aNをェピタキシャル成長できる成長法 であればよく、 MBE法 （分子線ェピタキシャル成長法） や HDVPE (ハ ィ ドライ ド気相成長法） 等の他の気相成長法を用いることもできる。
まず所定の成長炉内に設置された、 c面を表面として有するサファイア 基板 1上に、 トリメチルガリウム （TMG) とアンモニア （NH3) を原 料に用いて、 成長温度 550°Cで G aNバッファ層 2を 35 nm成長させ る o
次に成長温度を 1050°Cまで上昇させて、 TMGと NH3、 及びシラ ンガス （S i H4) を原料に用いて、 厚さ 3〃mの S i ドープ n— G aN コンタク ト層 3を成長する。 さらに続けてトリメチルアルミニウム （TM A) を原料に加え、 成長温度は 1050°Cのままで厚さ 0. の S i ドープ n— A 1 a。.9Nクラッ ド層 4を成長する。 続けて、 TMAを 原料から除いて、成長温度は 1050°Cのままで厚さ 0. 05〃01の3 i ドープ n— GaNガイ ド層 5を成長する。
次に、 成長温度を 750°Cに下げ、 TMGと NH3、 及びトリメチルイ ンジゥム （TMI) を原料に用いて、 I n Q.2Ga().8N量子井戸層 （厚さ 3 nm) 54と I n 0.05G a 0.95N障壁層 （厚さ 2 nm) 55の交互成長 を 3回繰り返し、 最後に I no.2G a o.8N量子井戸層 （厚さ 3nm) 54 を 1層だけ成長することにより多重量子井戸構造活性層 （トータルの厚さ 18 nm) 46を作成する。 さらに続けて TMGと TMAと NH3を原料 に用いて、 成長温度は 750°Cのままで厚さ 10 nmの A 10.2G a 0.8N 蒸発防止層 7を成長する。
^に、 再び成長温度を 1050°Cに上昇して、 TMGと NH3、 及びシ クロペンタジェニルマグネシウム （Cp2Mg) を原料に用いて、 厚さ 0. 05 zmの Mgドープ p— G aNガイ ド層 8を成長する。 さらに続けて T MAを原料に加え、 成長温度は 1050°Cのままで厚さ 0. 7 /zmの Mg ドープ p— A 1 Q.iG ao.gNクラッ ド層 9を成長する。 続けて、 TMAを 原料から除いて、 成長温度は 1050°Cのままで厚さ 0. 2/zmの Mgド ープ p— GaNコンタク ト層 10を成長して、 窒化ガリウム系ェピタキシャ ルウェハーを完成する。
その後、 このウェハーを 800°Cの窒素ガス雰囲気中でァニールして、 Mgドープの p型層を低抵抗化する。
さらに通常のフォ トリソグラフィ一とドライエッチング技術を用いて、 200 / m幅のストライプ状に p— G a Nコンタク ト層 10の最表面から、 n— GaNコンタク ト層 3が露出するまでエッチングを行う。 次に、 前記 と同様のフォ トリソグラフィ一とドライエッチング技術を用いて、 残った p— GaNコンタク ト層 10の最表面に、 5^m幅のストライプ状にリッ ジ構造を形成するように p— GaNコンタク ト層 10 · ρ— A l o^Gao .9Nクラッ ド層 9をエッチングする。
続いて、 リッジの側面とリッジ以外の p型層表面に厚さ 200 nmの S i 02絶縁膜 13を形成する。 この S i 02絶縁膜 13と p— GaNコンタ ク ト層 10の表面にニッケルと金からなる ρ側電極 11を形成し、 エッチ ングにより露出した n— G a Nコンタク ト層 3の表面にチタンとアルミ二 ゥムからなる n側電極 12を形成して、 窒化ガリゥム系 LDウェハーを完 成する。
その後、 このウェハーをリッジストライプに垂直な方向に劈開してレー ザの共振器端面を形成し、 さらに個々のチップに分割する。 そして、 各チッ プをステムにマウントし、 ワイヤーボンディングにより各電極とリード端 子とを接続して、 窒化ガリゥム系半導体レーザ素子を完成する。
以上のようにして作製された青色 LD素子は、 発振波長 430 nm,発 振閾値電流 4 OmAというレーザ特性が得られ、 300MHz以上 1GH z程度までの高周波電流の注入により光出力も変調されることが確認され た。 この結果、 光ディスク用として本実施例の青色 LD素子を用いると、 データの読み出しエラ一を防止することができ、 光ディスク用として使用 可能な青色 L D素子が実現できた。
図 12には、 窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、 量子井戸層の 層数を 1から 5まで変化させたときの、 閾値電流値と、 光出力の変調が可 能な注入電流の最大変調周波数の変化を表すグラフ図が示されている。 各 半導体レーザの構造は、 量子井戸層の層数が異なること、 及び量子井戸層 数に応じて障壁層の層数が異なること以外は本実施形態に係る窒化ガリウ ム系半導体レーザ素子と同じである。 この図からわかるように、 発振閾値 電流が低く、 かつ、 3 0 0 MH z以上 1 G H z程度までの高周波電流の注 入でも光出力が十分変調されることが可能なものは、 量子井戸層数が 2以 上 4以下である本発明の窒化ガリウム系半導体レーザ素子のみである。 なお本実施形態では、 多重量子井戸構造活性層 4 6を構成する量子井戸 層 5 4と障壁層 5 5の層厚をそれぞれ 3 n mと 2 n mとしたが、 これらの 層厚は、 量子井戸層 5 4の層厚を 1 0 n m以下とし障壁層 5 5の層厚を 4 n m以下として、 各量子井戸層に均一に電子 ·正孔を注入するようにすれ ば、 本実施例にこだわらず、 他の層厚でも同等の効果が得られる。 図 1 3 には、 量子井戸層数が 2層、 3層、 4層である窒化ガリウム系半導体レー ザ素子において、 障壁層の層厚を変化させたときの光出力の変調が可能な 注入電流の最大変調周波数の変化を表すグラフ図が示されている。 このと きの半導体レーザの構造は、 障壁層の層厚が異なること以外は本実施形態 に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子と同じである。 この図から、 障壁 層の層厚を 4 n m以下とすれば、 3 0 0 MH z以上 1 G H z程度までの高 周波電流の注入でも光出力が十分変調されることが可能であることがわか る。 また、 量子井戸層厚の場合も同様に、 井戸層厚を 1 O n m以下とすれ ば、 1 G H z程度の高周波電流の注入でも光出力が十分変調されることが 可能であることが確認された。
(第 6実施形態）
図 1 4は本発明の第 6実施形態に係る半導体レーザ素子と駆動回路を示 す回路図である。 図 1 4中に示される半導体レーザ素子 6 6は、 本発明の 第 5実施形態で得られた量子井戸層数が 4層である窒化ガリゥム系半導体 レーザ素子を用いている。 高周波駆動回路 1 7は第 2実施形態で使用した ものと同様の構成のものであり、 高い周波数で半導体レーザ 6 6への注入 電流を変調し、 光出力を変調させるための半導体レーザの駆動回路である。 本実施形態では、 注入電流の変調周波数を 3 0 O MH zとした。 第 5実施 形態で得られた窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、 注入電流の最大変 調周波数は 1 G H z以上のものが得られており、 3 0 O MH zの周波数で も光出力を十分変調させることができた。 本実施形態を光ディスク用の光 源として用いると、 半導体レーザの光出力が十分変調されているのでレー ザ光のコヒ一レント性を低下させることができ、 ディスク面からのレーザ 光の戻り光による雑音を低減することができた。 その結果、 エラー無しで 光ディスクからのデータの読み出しを行うことが可能となった。
なお、 本実施形態では、 注入電流の変調周波数を 3 0 O MH zとしたが、 レーザ光のコヒーレント性を低下させて、 ディスク面からのレーザ光の戻 り光による雑音を低減できるような周波数であればよく、 3 0 O MH z以 上最大 1 G H zまでの他の変調周波数で窒化物半導体レーザを駆動しても 構わない。
(第 7実施形態）
図 1 5は本発明の第 7実施形態に係る半導体レ一ザ素子と定電流駆動回 路を示す回路図である。 図 1 5中に示される半導体レーザ素子 6 8は、 本 発明の第 5実施形態で得られた量子井戸層数が 4層である窒化ガリゥム系 半導体レーザ素子を用いているが、 リッジ構造を形成する際のストライプ 幅と、 p—A l a . i G a o . s Nクラッ ド層 9をエッチングする深さとを調整 することによって、 変調されていない一定電流を注入しても光出力が変調 されている自励発振型の半導体レーザとなっている。 ここでは、 ストライ プ幅を 3 a m、 p— A 1 a。. 9Nクラッ ド層 9のエッチングの際の残 し膜厚を 0. とした。 なおこれらのストライプ幅とエッチングの残 し膜厚とは、 本実施形態の値に限定されるものではなく、 ストライプ幅と しては 1〜5 /z m、 p型クラッ ド層のエッチングの際の残し膜厚としては 0. 0 5〜0 . 5 ju mであればよい。 このようにして作製された自励発振 型の窒化ガリゥム系半導体レーザ素子における光出力の変調周波数は、 8 0 O MH zであった。
本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、 量子井戸層数を 2 以上 4以下とし、 障壁層の層厚を 4 n m以下に設定したことにより、 量子 井戸層内に存在する電子と正孔の密度が変調されやすくなつている。 従つ て、 注入電流を変調して電子と正孔の密度を変調することによって光出力 を変調するだけでなく、 変調されていな L、一定電流の注入でも電子と正孔 の密度が変調されて光出力が変調される自励発振型の半導体レーザの作製 も容易にでき、 高い周波数で光出力が変調されることが可能となった。 定電流駆動回路 1 9は、 第 3実施形態で使用したものと同様のものであ り.、 一定電流を注入するための半導体レーザの駆動回路である。 本発明を 光ディスク用の光源として用いると、 半導体レーザの光出力が十分変調さ れているのでレーザ光のコヒーレント性を低下させることができて、 ディ スク面からのレーザ光の戻り光による雑音を低減することができた。 その 結果、 エラー無しで光ディスクからのデータの読み出しを行うことが可能 となった。
なお、 本実施形態で用いた窒化ガリウム系半導体レーザ素子 1 8は、 リッ ジ構造を形成する際のストライプ幅と、 p— A 1 a o . 9 Nクラッ ド層 9をエッチングする深さとを調整することによって自励発振型の半導体レ 一ザとしたが、 通常の G a A s系半導体レーザ等で用いられているように、 活性層の近傍に可飽和吸収層 （図示せず） を設置して自励発振型の半導体 レーザとしても構わない。
(第 8実施形態）
図 16は本発明の第 8実施形態に係る窒化ガリゥム系半導体発光ダイォ 一ド素子を示す断面図であり、 図 17は図 16中の D部を拡大した断面図 である。 この窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子は、 多重量子井戸 構造活性層 76の構造以外は、 第 4実施形態の窒化ガリゥム系半導体発光 ダイォ一ド素子と同じであるため、 多重量子井戸構造活性層 76以外の層 については図 7， 8で使用したのと同じ参照番号を用いて、 詳細な説明を 省略する。 なお、 第 4実施形態で説明した種々の変形や代替物およびそれ から得られる効果等については、 本実施形態についてもはてはまることは 言うまでもない。
本実施形態では、 多重量子井戸構造活性層 76は、 3層の 1 1 ().20&0 .8N量子井戸層 84と 2層の I r .05G a o .95N障壁層 85とが交互に積 層されて形成されている。 各障壁層 85の厚さは 4 nm以下である。
多重量子井戸構造活性層 76を構成する、 3層の I n。.2Ga。.8N量子 井戸層 84と 2層の I r . Gan .95N障壁層 85は、 必要な発光波長に 応じてその組成を設定すればよく、 発光波長を長くしたい場合は量子井戸 層 84の I n組成を大きく し、 短くしたい場合は量子井戸層 84の I n組 成を小さくする。 また量子井戸層 84と障壁層 85は、 I nGaN3元混 晶に微量に他の元素、 例えば Al、 を含んだ 4元以上の混晶半導体でもよ い。 さらに障壁層 85は単に G a Nを用いてもよい。 さらに、 量子井戸層 の層数は 2層または 4層でも構わない。 ただし障壁層 85の層厚は、 いず れの材料 ·量子井戸層数においても 4 nm以下に設定し、 量子井戸層間で 電子や正孔の波動関数の重なりが生じるようにしておく。
次に、 図 16と図 17を参照して前記窒化ガリウム系半導体発光ダイォ ードの作製方法を説明する。 以下の説明では MOCVD法 （有機金属気相 成長法） を用いた場合を示しているが、 G a Nをェピタキシャル成長でき る成長法であればよく、 MBE法 （分子線ェピタキシャル成長法） や HD VPE (ハイ ドライ ド気相成長法） 等の他の気相成長法を用いることもで さる。
まず所定の成長炉内に設置された、 c面を表面として有するサファイア 基板 21上に、 TMGと NH3 を原料に用いて、 成長温度 550°Cで Ga Nバッファ層 22を 35 nm成長させる。
次に成長温度を 1050°Cまで上昇させて、 TMGと NH3、 及び S i H4を原料に用いて、 厚さ 3 zmの S i ドープ n— GaNコンタク ト層 2 3を成長する。 さらに続けて TMAを原料に加え、 成長温度は 1050°C のままで厚さ 0. 3〃mの S i ドープ n— A 1。 .！ G a 0.9Nクラッ ド層 2 4を成長する。 続けて、 TMAを原料から除いて、 成長温度は 1050°C のままで厚さ 0. 05 imの S i ドープ n— G aNガイ ド層 25を成長す 0
次に、 成長温度を 750°Cに下げ、 TMGと NH3、 及び TM Iを原料 に用いて、 I no.2G ae.8N量子井戸層 （厚さ 3nm) 84と I n0.05G a0.95N障壁層 （厚さ 4nm) 85の交互成長を 2回繰り返し、 最後に I n0.2Gan.8N量子井戸層 （厚さ 3nm) 84を 1層だけ成長することに より多重量子井戸構造活性層 （トータルの厚さ 17nm) 76を作成する < さらに続けて TMGと TMAと NH3 を原料に用いて、 成長温度は 750 °Cのままで厚さ 10 nmの A 1 β .2G a fl .8N蒸発防止層 27を成長する。 次に、 再び成長温度を 1050°Cに上昇して、 TMGと NH3、 及び C p2Mgを原料に用いて、 厚さ 0. 05； t mの Mgドープ p— G aNガイ ド層 28を成長する。 さらに続けて TMAを原料に加え、 成長温度は 10 50°Cのままで厚さ 0. 3 mの Mgド一プ p— A 10. i G a Q .9Nクラッ ド層 29を成長する。 続けて、 TMAを原料から除いて、 成長温度は 10 50°Cのままで厚さ 0.
Figure imgf000032_0001
ド一プ p— GaNコンタク ト層 30 を成長して、 窒化ガリウム系ェピタキシャルウェハーを完成する。
その後、 このウェハ一を 800°Cの窒素ガス雰囲気中でァニールして、 Mgドープの p型層を低抵抗化する。
さらに通常のフォ トリソグラフィ一とドライエッチング技術を用いて、 LED素子作製のために所定の領域に、 p— GaNコンタク ト層 30の最 表面から、 n— G a Nコンタク ト層 23が露出するまでエッチングを行う。 続いて、 ρ— GaNコンタク ト層 30の表面にニッケルと金からなる ρ 側電極 31を形成し、 エッチングにより露出した n— G a Nコンタク ト層 23の表面にチタンとアルミニウムからなる n側電極 32を形成して、 窒 化ガリウム系 LEDウェハーを完成する。
その後、 このウェハ一を個々のチップに分割する。 そして、 各チップを ステムにマウントし、 ワイヤーボンディングにより各電極とリ一ド端子と を接続して、 窒化ガリゥム系半導体発光ダイォ一ド素子を完成する。
以上のようにして作製された青色 LED素子は、 順方向電流 20mAで、 発光波長 430nm*光出力 6mWという発光特性が得られた。 また図 1 8に示されるように、 電流一光出力特性は高い注入電流においても光出力 は飽和することはなく、 従来の LED素子に比べて特性が改善された。 さ らに、 電流注入による波長シフトも改善され、 従来の青色 LED素子で約 7 nmのシフト量が、 本発明では 2 nmに低減された。
なお、 本実形態では、 多重量子井戸構造活性層 76を構成する量子井戸 層 8 4と障壁層 8 5の層厚をそれぞれ 3 n m及び 4 n mとしたが、 これら の層厚は、 量子井戸層 8 4の層厚を 1 0 n m以下とし障壁層 8 5の層厚を 4 n m以下として、 各量子井戸層に均一に電子 ·正孔を注入するようにす れば、 本実施形態にこだわらず、 他の層厚でも同等の効果が得られる。 産業上の利用可能性
本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子は、 光ディスク等の情報処理用 として使用される半導体レーザ素子や、 大型力ラ一表示装置等のための半 導体発光ダイォ一ド素子として用いられるものであり、 さらに半導体レー ザ素子に電流を注入するための駆動回路と組合わせれば、 たとえば光ディ スクのデータ読み出し用の半導体レーザ光源装置としても用いられる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 半導体基板 （1， 21) と、 少なくともインジウムとガリウムを含む 窒化物半導体からなる量子井戸構造を有する活性層 （6, 26, 46, 76) と、 上記活性層を挟み込む第 1のクラッド層 （5, 25) および第 2のク ラッ ド層 （9, 29) とを備え、
前記活性層 （6, 26, 46, 76) は、 2つの量子井戸層 （14, 34) と、 前記量子井戸層の間に挟まれた 1つの障壁層 （15, 35, 55, 85) とを備えることを特徴とする窒化ガリゥム系半導体発光素子。
2. 前記活性層 （6， 26) は、 前記 2つの量子井戸層 （14， 34) と、 前記量子井戸層の間に挟まれた 1つの障壁層 （15, 35) のみからなる ことを特徴とする請求項 1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
3. 前記障壁層 （15, 35) の層厚は 1 Onm以下であることを特徴と する請求項 2に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
4. 前記障壁層 （15, 35) の層厚は 4nm以下であることを特徴とす る請求項 1乃至 3のいずれか 1つに記載の窒化ガリゥム系半導体発光素子 c
5. 各量子井戸層 （14， 34) の厚さが 1 Onm以下であることを特徴 とする請求項 1乃至 4の 、ずれか 1つに記載の窒化ガリゥム系半導体発光 茶子。
6. 前記活性層 （46， 76) は 1つまたは 2つの付加量子井戸層 （54, 84) と、 この付加量子井戸層 （54, 84) と交互に積層されたこの付 加量子井戸層と同数の障壁層 （55， 85) とをさらに備えており、 この 活性層 （46, 76) 中の各障壁層 （55, 85) は 4 nm以下の層厚を有 することを特徴とする請求項 1， 3, 4, 5のいずれか 1つに記載の窒化 ガリウム系半導体発光素子。
7. 前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体レーザ素子であり、 前記 活性層（6， 46) はこの半導体レーザ素子の発振部を形成することを特徴 とする請求項 1乃至 6のいずれか 1つに記載の窒化ガリゥム系半導体発光 素子。
8. 前記半導体レーザ素子は自励発振型半導体レーザ素子であることを特 徴とする請求項 7に記載の窒化ガリゥム系半導体発光素子。
9. 前記窒化ガリウム系半導体発光素子は半導体発光ダイォ一ド素子であ り.、 前記活性層 （26, 76) はこの半導体発光ダイォ一ド素子の発光部 を形成することを特徴とする請求項 1乃至 6のいずれか 1つに記載の窒化 ガリウム系半導体発光素子。
10. 請求項 7に記載の半導体レーザ素子と、 この半導体レーザ素子に電 流を注入する駆動回路（17, 19) とを備えたことを特徴とする半導体レ 一ザ光源装置。
11. 前記電流は変調された電流であり、 その電流の変調周波数が、 30 OMH z以上であることを特徴とする請求項 10に記載の半導体レーザ光
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