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JP2005302784A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子及びその製造方法 Download PDF

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JP2005302784A JP2004112338A JP2004112338A JP2005302784A JP 2005302784 A JP2005302784 A JP 2005302784A JP 2004112338 A JP2004112338 A JP 2004112338A JP 2004112338 A JP2004112338 A JP 2004112338A JP 2005302784 A JP2005302784 A JP 2005302784A
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Abstract

【課題】３元ＩｎＧａＮよりなるＭＱＷ活性層を用いたＧａＮ系半導体発光素子における漏れ電流の増大を防止し、高出力動作可能かつ、長期信頼性を有する発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の半導体発光素子は、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第１導電型クラッド層(110)と、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料よりなるバリア層及びＩｎ1-xＧａxＮ（０≦ｘ≦１）系材料よりなる井戸層から構成される量子井戸活性層(115)と、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第２導電型クラッド層(120)とを備え、前記各層の構成成分のモル分率が相分離を最小限に抑えるよう（ｘ＋１．２ｙ）が１±０．１の範囲に選択されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子の構造及びプロセスに関し、特にレーザダイオードに使用されるＩＩＩ族窒化物材料を主要成分とする半導体発光素子及びその製造方法に関する。
青色レーザ光源は、ディスク記憶装置、ＤＶＤ等、次世代の高密度光デバイスには必須の技術である。図１１は、従来技術の半導体レーザ装置の断面図を示す（非特許文献１参照）。サファイア基板５上に、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという）緩衝層１０、ｎ型ＧａＮ層１５がこの順に形成され、さらに、０．１μｍ厚の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）層２０からなるパターンが形成され、さらにＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に１２μｍの周期性で４μｍ幅のストライプ状のウィンドウ２５が形成されている。この上に、ｎ型ＧａＮ層３０、ｎ型窒化インジウムガリウム（Ｉｎ0.1Ｇａ00.9Ｎ）層３５、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（（Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ））／ＧａＮ）変調ドープ歪層超格子（以下、ＭＤ−ＳＬＳという）クラッド層４０、及びｎ型ＧａＮクラッド層４５が順次形成されている。さらに、（Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ／Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ）多重量子井戸（以下、ＭＱＷという）活性層５０が形成され、その上にｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層５５、ｐ型ＧａＮクラッド層６０、ｐ型Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ＧａＮ ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５、及びｐ型ＧａＮクラッド層７０が形成されている。
ｐ型ＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５には、リッジストライプ構造が形成されて、リッジ導波構造内を伝搬する光分布を水平横方向に閉じ込めるようになっている。ｐ型ＧａＮクラッド層７０の上及びｎ型ＧａＮクラッド層３０の上には、電極（図示せず）が形成されて電流を注入するようになっている。
図１１に示す構造において、ｎ型ＧａＮクラッド層４５及びｐ型ＧａＮクラッド層６０は光導波層である。ｎ型ＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０及びｐ型ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５は、ＭＱＷ層５０の活性領域に注入されたキャリアと光を閉じ込めるクラッド層として作用する。ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層３５は、厚いＡｌＧａＮ膜を成長させた場合のクラックの発生を防止する緩衝層として作用する。
図１１に示す構造の半導体レーザでは、電極を通じてＭＱＷ活性層５０内にキャリアが注入され、波長４００ｎｍ帯の光が放出される。リッジストライプ領域の下方ではリッジストライプ領域外よりも実効屈折率が大きいので、ｐ型ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５に形成されたリッジ導波構造によって、光分布が活性層内の水平横方向に閉じ込められる。
他方、活性層の屈折率は、ｎ型ＧａＮクラッド層４５及びｐ型ＧａＮクラッド層６０の屈折率、さらに、ｎ型ＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、及びｐ型ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６０の屈折率よりも大きいので、ｎ型ＧａＮクラッド層４５、ｎ型ＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型ＧａＮクラッド層６０、及びｐ型ＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５により、光分布が活性層内の垂直方向に閉じ込められ、前記の作用とあいまって基本横モード発振が得られる。
Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、ＭＲＳブリティン（ＭＲＳ ＢＵＬＬＥＴＩＮ）第２３冊５号３７〜４３ページ、１９９８年
しかし、図１１に示す構造の場合、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＧａＮの格子定数が互いに異なるため、ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層３５、（Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ／Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ）ＭＱＷ活性層５０、ｎ型（Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ＧａＮ）ＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型（Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ＧａＮ）ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５、及びｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層５５の全体の厚さが臨界厚を越えたときは、常に歪のエネルギーを解放させる手段として、格子欠陥が発生する。格子欠陥は、レーザ光の吸収中心として作用するので、発光効率の低下と閾値電流の上昇を引き起こし、その影響は格子欠陥密度が１０8／ｃｍ3以上で顕著となる。
しかし、上記のように臨界厚を超えたときは１０8／ｃｍ3より小さい桁まで欠陥密度を低減させることは困難である。その結果、１００００時間以上の長期信頼性を保証するレーザを実現することが難しくなる。
特に、ウェル層、バリア層からなるＭＱＷ活性層を全てＩｎＧａＮ材料で構成した場合、活性層はＧａＮと格子定数が異なるために、発光層となる活性層自体が臨界膜厚を超え、活性層内に格子欠陥が生じる可能性があり、その場合の信頼性低下はより深刻である。
さらに、半導体レーザの高温、高出力動作を実現するためには、ウェル層とバリア層のバンドギャップ差をできるだけ大きくし、誘導放出により発光再結合する前に、ウェル層に一旦注入されたキャリアが熱エネルギーによりウェル外に漏れることを防ぐ必要がある。
また、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮから構成される窒化物混晶半導体を考えると、ＩｎＮ−ＧａＮ間、ＩｎＮ−ＡｌＮ間及び、ＧａＮ−ＡｌＮ間の格子不整合は、それぞれ１１．３％、１３．９％及び２．３％である。この場合、ＩｎＮ、ＧａＮ及びＡｌＮ間で原子間距離が互いに異なっていることから、例えばＩｎＧａＡｌＮ層の格子定数がＧａＮと同じなるように組成を設定してやっても、ＩｎＧａＡｌＮ層を構成する各原子間において、原子間隔や結合角の大きさが２元化合物半導体の場合における理想状態の大きさと異なるため、内部歪エネルギーがＩｎＧａＡｌＮ層内に蓄積する。
内部歪エネルギーを低減するために、ＩｎＧａＡｌＮ系材料では相分離が発生する組成範囲が存在する。相分離が生じると、ＩｎＧａＡｌＮ層内にＩｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子がそれぞれ不均一に分布することになり、各構成層内の原子モル分率に従って均一に分布されないことになる。このことは、相分離が起こった層のバンドギャップエネルギー分布や屈折率分布も不均一になることを意味する。相分離された結果、形成される組成不均一領域は、光吸収中心として作用するか、又は導波光の散乱を発生させる。このため相分離が生じると、半導体レーザの駆動電流が上昇し、それによって半導体レーザの寿命を短縮させることになる。
上記理由より、窒化物系半導体レーザでは、材料の性質として格子欠陥や相分離が生じやすいため、従来の３元ＩｎＧａＮよりなるＭＱＷ活性層を用いた場合、漏れ電流が大きくなるという課題がある。その結果、１００ｍＷ以上の高出力動作可能かつ、長期信頼性を有する高出力の半導体レーザを得ることが困難であった。
上記課題を解決するため、本発明の半導体発光素子は、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第１導電型の第１クラッド層と、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料よりなるバリア層及びＩｎ1-xＧａxＮ（０≦ｘ≦１）系材料よりなる井戸層から構成される量子井戸活性層と、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第２導電型の第２クラッド層とを備えた半導体発光素子であって、前記各層の構成成分のモル分率が相分離を最小限に抑えるよう（ｘ＋１．２ｙ）が１±０．１の範囲に選択されていることを特徴とする。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第１導電型の第１クラッド層と、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料よりなるバリア層とＩｎ1-xＧａxＮ（０≦ｘ≦１）系材料よりなる井戸層から構成される量子井戸活性層と、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第２導電型の第２クラッド層とを備えた半導体発光素子の製造方法であって、前記各層の５００℃以上１０００℃以下の範囲であり、かつ前記各層の構成成分のモル分率とが相分離を最小限に抑えるよう（ｘ＋１．２ｙ）が１±０．１の範囲に選択されていることを特徴とする。
本発明の半導体発光素子によれば、ＩｎＧａＡｌＮ系材料よりなるクラッド層、バリア層を、基板材料と格子整合させるような原子組成とすことにより、基板との格子不整による格子欠陥の発生を抑えることができる。
また、半導体レーザを構成する各層の原子組成を相分離の生じない原子組成範囲で形成すれば、組成分離の発生も抑えることができ、導波路損失の増大を抑えることができる。
さらに、バリア層のバンドギャップもＡｌを含むＩｎＧａＡｌＮ系材料で形成すば、ＩｎＧａＮからなるバリア層よりもバンドギャップを大きくすることができ、漏れ電流を低減することが可能となる。また、ウェル層に３元系ＩｎＧａＮを用いることによりＩｎＧａＡｌＮより成る４元系材料を用いるよりも原子の組成比を制御しやすいため発振波長の制御が容易になり、所望の発振波長を再現性よく得ることができる。
この結果、発光効率を大幅に向上させることができ、高出力動作に適した青色から緑色域の窒化物系半導体レーザを得ることができる。
また、結晶成長温度及び各層の構成成分のモル分率を調整することにより、相分離を生じないＩｎＧａＡｌＮ系材料を得ることができ、高品質のＩｎＧａＡｌＮ系材料を得ることができる。
本発明において、前記第１クラッド層、前記バリア層、前記井戸層、前記第２クラッド層において、（ｘ＋１．２ｙ）が１±０．１の範囲に選択されている。このように、Ｇａモル分率及びＡｌモル分率を特定の比率に調整することにより、半導体レーザを構成する各層の格子定数をほぼ一定にすることができ、格子欠陥の発生を抑えることができ、特に比率を規定することで、半導体レーザを構成する各層の格子定数をほぼＧａＮの格子定数に等しくすることができ、ＧａＮ層上に半導体レーザを形成する場合、格子欠陥を低減することができる。（ｘ＋１．２ｙ）が０．９未満ではＩｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層の格子定数がＧａＮに比べて１％以上大きくなり、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層に大きな圧縮歪みが生じＩｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層に格子欠陥が生じやすくなるという不都合があり、（ｘ＋１．２ｙ）が１．１を超えた場合はＩｎＧａＡｌＮの格子定数がＧａＮの格子定数より１％以上小さくなり、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層に大きな引っ張り歪みが生じるためＩｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層に格子欠陥が生じやすくなるという不都合がある。
さらに、０≦ｘ＋ｙ≦１ かつ １≦ｘ／０．８＋ｙ／０．８９の関係が成り立つことが好ましい。前記結晶成長温度が約５００℃から約１０００℃の範囲にあることがさらに好ましい。前記第２クラッド層が、少なくともリッジ構造を有することが好ましい。これにより、導波路を伝播する光分布が安定な基本横モード発振を得ることができる。
また、クラッド層は組成分離を最小限に抑えることが可能となり、導波路損失の低減を行うことができ、また、発光部となる活性層に注入キャリアの閉じ込めと活性層での光密度が最大となるような導波路を得ることができる。
（実施の形態１）
（半導体発光素子の構造）
図１に、本発明の第１の実施形態における半導体発光素子の断面図を示す。図１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１００の上に、ｎ型ＧａＮ第１クラッド層１０５（約０．５μｍ厚）、ｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.75Ａｌ0.2Ｎ第２クラッド層１１０（約１．５μｍ厚）、Ｉｎ0.02Ｇａ0.85Ａｌ0.13Ｎからなる４つの障壁層（各３．５ｎｍ厚）とその間に挟まれたＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ からなる３つの量子井戸層（各３．５ｎｍ厚）とから構成された多重量子井戸活性層１１５が形成されている。
さらに、その上にｐ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.75Ａｌ0.2Ｎ第３クラッド層１２０（約１．５μｍ厚）、ｐ型ＧａＮ第４クラッド層１２５（約０．５μｍ厚）が形成されている。
ｐ型ＧａＮ第４クラッド層１２５上には、１個のストライプ状ウィンドウ領域１３５（３．０μｍ幅）を有するＳｉＯ2層１３０が形成されている。
ｎ型ＧａＮ基板１００上には第１の電極１４０が形成されており、ＳｉＯ2層１３０及びウィンドウ領域１３５の上には第２の電極１４５が形成されている。
活性層１１５から４０５ｎｍの波長領域を有する青色光を放出させるために、井戸層のＩｎＮモル分率、ＧａＮモル分率がそれぞれ０．１２及び０．８８に設定している。
本実施の形態では、上記した半導体層のうち４元系材料で構成される層のそれぞれにおいて、格子欠陥の発生を回避するため、Ｇａ組成ｘ及びＡｌ組成ｙとして、ｘ＋１．２ｙが一定の値にほぼ等しくなるように設定して、様々な構成層の格子定数を互いに一致させている。この一定値は、１±０．１と設定すれば、ＧａＮと格子定数を互いによく一致させられるが、さらに望ましくは１±０．０５と設定するのがよい。
上記において井戸層に３元系のＩｎＧａＮを用いているのは、ＩｎＧａＡｌＮ系材料を用いるよりも原子組成比を制御しやすく、発振波長をより精密に制御することが可能だからである。
また、各層の材料を適切に選択することにより、ｎ型第２クラッド層１１０及びｐ型第３クラッド層１２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層１１５のバンドギャップエネルギーより大きくすることができる。これにより、ｎ型第２クラッド層１１０及びｐ型第３クラッド層１２０からの注入キャリアが活性層１１５内に閉じ込められ、キャリアが再結合して紫外光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッド層１１０及びｐ型第３クラッド層１２０の屈折率が多重量子井戸活性層１１５の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
電極１４５からの注入電流は閉じ込められてウィンドウ領域１３５を流れるので、ウィンドウ領域１３５下方の活性層１１５内の領域が強く活性化される。これにより、ウィンドウ領域６ａ下方の活性層内の局部モード利得がＳｉＯ2層下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。したがって、上記した半導体積層構造内に、レーザ発振をもたらす利得導波による導波路が形成される。
図２に、本実施形態におけるレーザダイオードの電流−光出力特性を示す。レーザダイオードはデューティサイクル１％のパルス電流で駆動される。
図２に示すように、本実施形態のレーザダイオードにおいて、閾値電流密度は５．０ｋＡ／ｃｍ2と十分に低い値が得られており、高出力レーザの実現が可能となった。
（半導体発光素子の製造方法）
本実施の形態では、上記の半導体レーザの製造方法について説明する。図３Ａないし図３Ｄは、第１の実施形態にかかる半導体レーザダイオードの製造工程の概要を示した図である。図３Ａないし図３Ｄから得られる構造は、図１に示すものと類似しているので、可能な場合には同じ参照番号を使用することとする。
最初に図３Ａに示すように、ｎ型ＧａＮ基板１００が設けられており、その上には、ｎ型ＧａＮ第１クラッド層１０５を成長させる。第１クラッド層１０５は通常約０．５μｍ厚である。その後、通常約１．５μｍ厚のｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.75Ａｌ0.2Ｎ第２クラッド層１１０が形成される。
次に、３５オングストローム厚のＩｎ0.02Ｇａ0.85Ａｌ0.13Ｎ材料からなる４つの障壁層と、それぞれ約３５オングストローム厚の３層のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量子井戸活性層１１５が形成される。
その後、約１．５μｍ厚のｐ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.75Ａｌ0.2Ｎ材料からなる第３クラッド層１２０が形成され、さらに、約０．５μｍ厚のｐ型ＧａＮからなる第４クラッド層１２５が形成される。通常、各層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法又は分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法のいずれか、又は各方法を併用して形成される。
その後、図３Ｂに示すように、ｐ型ＧａＮ第４クラッド層１２５上に、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）法によってＳｉＯ2層１３０が形成される。次に、フォトリソグラフィとエッチング又は他の適切な方法とを用いて、図３Ｃに示すように、ウィンドウ領域１３５が形成される。ウィンドウ領域１３５は、ストライプ状であってもよい。
最後に、図３Ｄに示すように、蒸着又は他の適切な方法により、ｎ型ＧａＮ基板１００とＳｉＯ2層１３０上にそれぞれ第１の電極１４０と第２の電極１４５が形成される。
（第２の実施形態）
（半導体レーザの構造）
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態における半導体発光素子について説明する。図４では、第１の実施形態と同じ構成要素は同じ参照番号で示した。ｎ型ＧａＮ基板１００の上に、約０．５μｍ厚のｎ型ＧａＮからなる第１クラッド層１０５、約１．５μｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.75Ａｌ0.2Ｎ材料からｎ型第２クラッド層１１０、３５オングストローム厚のＩｎ0.02Ｇａ0.85Ａｌ0.13Ｎ材料からなる４つの障壁層と３対の形で構成される３５オングストローム厚のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ材料からなる３つの量子井戸層とから構成された多重量子井戸活性層１１５がこの順に形成されている。さらに、その上に約１．５μｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.75Ａｌ0.2Ｎ材料からなる第３のｐ型クラッド層１２０、約０．５μｍ厚のｐ型ＧａＮ第４クラッド層１２５が形成されており、ｐ型第３クラッド層１２０及びｐ型第４クラッド層１２５が部分的に除去されてリッジ構造５００が形成されている。また、リッジ構造５００の少なくとも側面部及び、リッジ構造５００以外に残存する第３クラッド層１２０の露出部分とを覆うようにＳｉＯ2層１３０が形成されている。第３クラッド層１２０及び第４クラッド層１２５の上方には、それぞれＳｉＯ2層１３０を介して、約２．０μｍ幅のストライプ状のウィンドウ領域１３５が形成されている。
また、第１の実施形態と同様に、ｎ型ＧａＮ基板１００上には第１の電極１４０が形成され、ＳｉＯ2層１３０上には第２の電極１４５が形成されている。
第１の実施形態と同様に、活性層１４から４０５ｎｍ領域の波長を有する青色光を放出させるために、井戸層内のＩｎＮ、ＧａＮのモル分率がそれぞれ０．１２、０．８８に設定されている。また、４元系材料であるＩｎＧａＡｌＮの各構成層の格子定数を一致させて格子欠陥を回避するため、全ての層のＧａ組成ｘ及びＡｌ組成ｙは、（ｘ＋１．２ｙ）が一定の値にほぼ等しいという条件を満たしており、ＧａＮと各層との格子定数がほぼ等しくなるようにするためには、（ｘ＋１．２ｙ）は、１±０．１、さらに望ましくは１±０．０５と設定するのがよい。
比較のために、ｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.75Ａｌ0.2Ｎ第２クラッド層、及びｐ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.75Ａｌ0.2Ｎ第３クラッド層のＧａ及びＡｌ組成が下表のように設定され、その他の構成層のＡｌ及びＧａ組成は第ニの実施の形態と同一となるレーザの作成を行い、ＣＷ、６０℃、３０ｍＷにて信頼性評価を行った結果を示す。動作電流値が信頼性評価開始時に比べて２０％以上増大した時間を素子の寿命とし、１０００時間以上の寿命の有り、及び無しにて、信頼性ＯＫ、及びＮＧ判定を行っている。結果は、下表に示すように、（ｘ＋１．２ｙ）が１±０．１以内の場合、信頼性はＯＫとなり、この範囲外の素子の信頼性はＮＧとなっている。これは、（ｘ＋１．２ｙ）が０．９未満ではＩｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層の格子定数がＧａＮに比べて１％以上大きくなり、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層に大きな圧縮歪みが生じＩｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層に格子欠陥が生じやすくなり、（ｘ＋１．２ｙ）が１．１を超えた場合はＩｎＧａＡｌＮの格子定数がＧａＮの格子定数より１％以上小さくなり、Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層に大きな引っ張り歪みが生じるためＩｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ層に格子欠陥が生じる結果、動作電流値の増大をもたらしたと考えられる。
下記表１にクラッド層のＡｌ、及びＧａ組成を変えた場合の信頼性評価結果を示す。
Figure 2005302784
本実施形態によれば、クラッド層のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値に維持され、紫外光の放出が可能になっている。また、各層の屈折率の関係は第１の実施形態に関連して述べたとおりであり、光分布を横方向に閉じ込められるようになっている。
第１の実施形態の動作と同様に、ＳｉＯ2層１３０によって活性層１１５に電流が注入される領域が制限され、活性層１１５におけるウィンドウ領域１３５の下方領域が強く励起される。
その結果、ウィンドウ領域１３５下方の活性層内の局部モード利得がＳｉＯ2層１３０下方の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジ構造５００の外側と比較して、その内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることとあいまって、実効的な屈折率の差（Δｎ）が得られる。
したがって、第２の実施形態によれば、実屈折率導波機構を有する半導体レーザ構造が得られることとなり、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
図５は第２の実施形態にかかるレーザダイオードの電流−光出力特性をグラフ形式で示した図である。レーザダイオードは持続波電流で駆動される。閾値電流は３０ｍＡであることが分かる。また、１００ｍＷ以上の高出力動作を得ることができた。
このように本実施形態によれば、バリア層にバンドギャップの大きなＩｎＧａＡｌＮよりなるバリア層を用いて漏れ電流を低減すると共に、各層の相分離を生じさせないようにしたので、特にクラッド層での導波損失を小さくすることができ、高出力動作時においても熱飽和せず、温度特性が改善され、高出力のレーザを実現できる。
（半導体レーザの製造方法）
図６Ａないし図７Ｂに、第２の実施形態における半導体レーザの主要製造工程の概要を示す。まず、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ｎ型ＧａＮ基板１００上に、第１及び第２クラッド層１０５、１１０及び３対の多重量子井戸活性層１１５を形成する。この形成方法は第１の実施形態で開示したのと同様である。その後、第３クラッド層１２０及び第４クラッド層１２５が形成された後、さらにリソグラフィーとエッチングにより、それらの一部が除去されてリッジ構造５００が形成される。
その後、図６Ｃ、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第３クラッド層１２０及び第４クラッド層１２５の上に、通常はＣＶＤ法によりＳｉＯ2層１３０が形成され、その後、第１の実施形態で示したのと同様に、ウィンドウ領域１３５が形成される。その後、電極１４０、１４５が蒸着又は他の適切な方法により形成される。
図８は、様々な成長温度に対するＩｎＧａＡｌＮ系材料の構成成分の相分離領域を示している。図８において、実線で示した曲線は、様々な温度に関して組成的に不安定な領域（相分離領域）と安定した領域との間の境界を示している。例えば、ＩｎＮ−ＡｌＮ間を結ぶ直線（三角形で示した相図の一辺をなす。）と曲線で示した境界線とで囲まれた領域は、ＩｎＡｌＮにおける相分離領域を示している。３元系材料であるＩｎＡｌＮ及びＩｎＧａＮは、ＩｎＮ−ＡｌＮ間及びＩｎＮ−ＧａＮ間の格子不整合が大きいために相分離領域が大きいことが分かる。他方、ＧａＡｌＮは、約１０００℃で結晶成長を行った場合でも、ＡｌＮとＧａＮとの間の格子不整合が小さいため、ＧａＮ−ＡｌＮ間を結ぶ直線と曲線とで閉領域を構成しない、すなわち、相分離領域がないことが分かる。
また、図８から予測されるように、結晶成長温度がさらに低温、例えば約５００℃から約１０００℃の範囲内にあるとき、Ｉｎ組成、Ｇａ組成及びＡｌ組成の相分離が有意には発生しないＩｎＧａＡｌＮ材料系が存在することが分かる。
約１０００℃より低い結晶成長温度で、ＩｎＧａＡｌＮ内での相分離を回避するためのＧａ組成びＡｌ組成の組成選択領域は、図９に示した斜線領域であり、２つの領域を分離する境界は、Ｇａ組成をｘ、Ａｌ組成をｙとしたとき、下記式１で表される関係によって近似的に定義されることがわかった。
ｘ／０．８＋ｙ／０．８９＝１ （式１）
したがって、これまでに開示した第１の実施形態及び第２の実施形態において、レーザの半導体材料からなる各構成層におけるＧａ組成ｘ及びＡｌ組成ｙが、下記式２の関係を満たし、各構成層の結晶成長を、約５００℃から約１０００℃までの温度範囲で行うことによって、半導体レーザ内のＩｎＧａＡｌＮ系材料からなる構成層内で相分離現象を回避することができる。
０≦ｘ＋ｙ≦１ かつ １≦ｘ／０．８＋ｙ／０．８９ （式２）
その結果、所望の原子モル分率に従って各構成層内にＩｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子をほぼ均一に分布させることが可能となり、バンドギャップエネルギー分布や屈折率分布を均一にすることができる。これにより、光吸収中心密度を低減でき、又は導波光の散乱を防止させることができ、ひいてはクラッド層、バリア層での導波路損失を低減することが可能となる。
また、ＩｎＧａＮ系材料からなるウェル層においては、図９に示すように、Ｉｎ組成は０．２以下であれば相分離を生じないことが分かる。
一方、青色発光させるためのバンドギャップ設計から考えると、ウェル層のＩｎ組成は０．２以下である必要がある。
従って、Ｉｎ組成０．２以下であるＩｎＧａＮをウェル層に用いれば、相分離を生じず、均一性に優れた層成長が実現でき、良好な青色発光を実現することができる。
なお、青色発光させる場合は、４元系のＩｎＧａＡｌＮ系材料を用いるよりも、組成制御の容易なＩｎＧａＮをウェル層に用いるほうが発振波長の制御性を高めるために、有効である。
図１０は、約１０００℃より低い成長温度において、ＩｎＧａＡｌＮ系材料の相分離現象を回避するためのＧａ組成ｘ及びＡｌ組成ｙの組成選択領域を示す。図１０において、ｘ＋１．２ｙ＝１となる直線を太線で示している。この線上にあるＩｎＧａＡｌＮ系材料の格子定数はＧａＮの格子定数に等しくなる。したがって、ＧａＮ基板上に形成されたレーザにおけるＩｎＧａＡｌＮ系材料で構成される層に関しては、ｘ＋１．２ｙがほぼ１に等しく、かつ（式２）で示される関係を満たすことによって、ＧａＮ基板上に、欠陥密度が低く、相分離が全くないか非常に少ない半導体レーザを製造することができる。
また、第１及び第２の実施形態において、活性層のバリア層として、ＧａＮと格子整合するＩｎＧａＡｌＮ系材料を用いているためウェル層への格子欠陥の発生を抑えることができる。
よって、上記の実施形態で、クラッド層として４元系のＩｎＧａＡｌＮ系材料を用いた例を示したが、ＧａＮと格子定数の差が比較的小さいＡｌＧａＮからなる３元系材料としてもよい。
また、本発明は、第１及び第２の実施形態で開示した各層の膜厚や組成、製法、レーザの構造等に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内であれば自由に選択できる。
また、上記の実施形態では詳述していないが、本発明は端面放射型の半導体レーザに限らず、面発光型の半導体レーザに適用してもよく、また、発光ダイオード等に適用しても、その効果を奏する。
本発明に係る半導体発光素子は、ＧａＮ系半導体レーザ、特に高出力用として特に有用である。
本発明の第１の実施形態における半導体レーザの断面構造模式図。 本発明の第１の実施形態における半導体レーザの光−電流特性を示したグラフ。 Ａ−Ｄは本発明の第１の実施形態における半導体レーザの製造工程の概略断面図。 本発明の第２の実施形態における半導体レーザの断面構造模式図。 本発明の第２の実施形態における半導体レーザの光−電流特性を示したグラフ。 Ａ−Ｃは本発明の第２の実施形態における半導体レーザの製造工程の概略断面図。 Ａ−Ｂは本発明の第２の実施形態における半導体レーザの製造工程の概略断面図。 本発明の第２の実施形態における成長温度に対するＩｎＧａＡｌＮ系材料の構成成分の相分離領域の変化を示したグラフ。 同、相分離を回避するためのＩｎＧａＡｌＮ系材料におけるＧａ組成とＡｌ組成の組成選択領域を示したグラフ。 同、相分離を回避し、かつＧａＮと格子整合するためのＩｎＧａＡｌＮ系材料におけるＧａ組成とＡｌ組成の組成選択領域を示したグラフ。 従来の技術における半導体レーザの断面構造模式図。
符号の説明
５ サファイア基板
１０ ＧａＮ緩衝層
１５ ｎ型ＧａＮ層
２０ ＳｉＯ2層
２５ ストライプ状のウィンドウ
３０ ｎ型ＧａＮ層
３５ ｎ型ＩｎＧａＮ層
４０ ｎ型窒化ＧａＮ／ＡｌＮ変調ドープ歪層超格子クラッド層
４５ ｎ型ＧａＮクラッド層
５０ ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層
５５ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
６０ ｐ型ＧａＮクラッド層
６５ ｐ型ＧａＮ／ＡｌＮ変調ドープ歪層超格子クラッド層
７０ ｐ型ＧａＮクラッド層
１００ ｎ型ＧａＮ基板
１０５ ｎ型ＧａＮ第１クラッド層
１１０ 第２クラッド層
１１５ 多重量子井戸活性層
１２０ ｐ型第３クラッド層
１２５ ｐ型ＧａＮ第４クラッド層
１３０ ＳｉＯ2層
１３５ ストライプ状ウィンドウ領域
１４０ 第１の電極
１４５ 第２の電極

Claims (8)

  1. Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第１導電型の第１クラッド層と、
    Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料よりなるバリア層及びＩｎ1-xＧａxＮ（０≦ｘ≦１）系材料よりなる井戸層から構成される量子井戸活性層と、
    Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第２導電型の第２クラッド層とを備えた半導体発光素子であって、
    前記各層の構成成分のモル分率（ｘ＋１．２ｙ）が１±０．１の範囲に選択されていることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記第１クラッド層、前記バリア層、前記井戸層、前記第２クラッド層において、
    （ｘ＋１．２ｙ）が１±０．０５である請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記第２クラッド層が、少なくともリッジ構造を有する請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
  4. Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第１導電型の第１クラッド層と、
    Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料よりなるバリア層とＩｎ1-xＧａxＮ（０≦ｘ≦１）系材料よりなる井戸層から構成される量子井戸活性層と、
    Ｉｎ1-x-yＧａxＡｌyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）系材料からなる第２導電型の第２クラッド層とを備えた半導体発光素子の製造方法であって、
    前記各層の５００℃以上１１００℃以下の範囲であり、かつ前記各層の構成成分のモル分率（ｘ＋１．２ｙ）が１±０．１の範囲に選択されていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  5. 前記第１クラッド層、前記バリア層、前記井戸層、前記第２クラッド層において、
    （ｘ＋１．２ｙ）が１±０．０５である請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
  6. 前記第１クラッド層、前記バリア層、前記井戸層、前記第２クラッド層において、
    ０≦ｘ＋ｙ≦１ かつ １≦ｘ／０．８＋ｙ／０．８９
    の関係が成り立つ請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記結晶成長温度が７００℃以上１１００℃以下の範囲にある請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記第２クラッド層が、少なくともリッジ構造を有する請求項４〜７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
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