JP2000223790A - 窒化物系半導体レーザ装置 - Google Patents
窒化物系半導体レーザ装置Info
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】プロセスの再現性にも優れ、低しきい値・低動
作電圧・高信頼性で動作が可能など特性の良い窒化物系
半導体レーザ装置を提供することにある。 【解決手段】基板上に構成された少なくともAlxGa1-xN/
AlyGa1-yN(0 ＜x ≦1,0 ≦y ＜1)からなる多重量子井戸
構造、あるいは超格子構造を有する窒化物系半導体レー
ザ装置において障壁層となるAlxGa1-xN 層の一部あるい
は全部の層、または井戸側層となるAlyGa1-yN において
Ａｌ組成が一様ではなく階段状あるいはグレーデッド状
に形成された窒化物半導体レーザ装置
作電圧・高信頼性で動作が可能など特性の良い窒化物系
半導体レーザ装置を提供することにある。 【解決手段】基板上に構成された少なくともAlxGa1-xN/
AlyGa1-yN(0 ＜x ≦1,0 ≦y ＜1)からなる多重量子井戸
構造、あるいは超格子構造を有する窒化物系半導体レー
ザ装置において障壁層となるAlxGa1-xN 層の一部あるい
は全部の層、または井戸側層となるAlyGa1-yN において
Ａｌ組成が一様ではなく階段状あるいはグレーデッド状
に形成された窒化物半導体レーザ装置
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体材料
を用いた半導体レーザに関する。
を用いた半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高密度光ディスクシステム等への
応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が進めら
れている。この種のレーザーでは記録密度を高めるため
に発振波長を短くすることが要求されている。短波長の
半導体レーザとしてＩｎＧａＡｌＰ材料による６００ｎ
ｍ帯光源は、ディスクの読み込み、書き込みのどちらも
可能なレベルにまで特性改善され、すでに実用化されて
いる。
応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が進めら
れている。この種のレーザーでは記録密度を高めるため
に発振波長を短くすることが要求されている。短波長の
半導体レーザとしてＩｎＧａＡｌＰ材料による６００ｎ
ｍ帯光源は、ディスクの読み込み、書き込みのどちらも
可能なレベルにまで特性改善され、すでに実用化されて
いる。
【０００３】さらなる記録密度向上を目指して青色体半
導体レーザの開発が盛んに行われている。すでにII-VI
族系による半導体レーザは発振動作が確認されている
が、信頼性が１００時間程度にリミットされるなど実用
化への障壁は多く、また波長も４８０ｎｍ以下は作るこ
とが困難であるなど、次世代の光ディスクシステム等へ
の応用には材料的なリミットが数多く存在する。
導体レーザの開発が盛んに行われている。すでにII-VI
族系による半導体レーザは発振動作が確認されている
が、信頼性が１００時間程度にリミットされるなど実用
化への障壁は多く、また波長も４８０ｎｍ以下は作るこ
とが困難であるなど、次世代の光ディスクシステム等へ
の応用には材料的なリミットが数多く存在する。
【０００４】一方、ＧａＮ系型半導体レーザは、３５０
ｎｍ以下まで短波長が可能で、信頼性に関してもＬＥＤ
において１万時間以上の信頼性が確認されるなど有望で
あり盛んに研究、開発が行われている。また、一部で
は、室温での電流注入によるレーザ発振も確認された。
このようにＧａＮ系は材料的に次世代の光ディスクシス
テム光源必要な条件を満たす優れた材料である。
ｎｍ以下まで短波長が可能で、信頼性に関してもＬＥＤ
において１万時間以上の信頼性が確認されるなど有望で
あり盛んに研究、開発が行われている。また、一部で
は、室温での電流注入によるレーザ発振も確認された。
このようにＧａＮ系は材料的に次世代の光ディスクシス
テム光源必要な条件を満たす優れた材料である。
【０００５】また、半導体レーザを、光ディスクシステ
ム等へ応用可能にするためには、レーザの発振ビーム特
性が重要となる。発振ビーム特性を向上させるために
は、発光部に接合平面に平行方向に横モード制御構造を
形成することが必須となる。横モード制御構造は通常異
なる屈折率を有する半導体層で埋め込むメサ構造などの
方法で作り付けることができる。
ム等へ応用可能にするためには、レーザの発振ビーム特
性が重要となる。発振ビーム特性を向上させるために
は、発光部に接合平面に平行方向に横モード制御構造を
形成することが必須となる。横モード制御構造は通常異
なる屈折率を有する半導体層で埋め込むメサ構造などの
方法で作り付けることができる。
【０００６】メサ構造の、安定した基本横モード特性を
得るためには十分に厚いクラッド層、リッジ幅を狭くす
るなどが必要となるが、クラッド層として用いるＡｌＧ
ａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいため厚くすると
クラックが入るという問題があった。またＡｌＧａＮ層
は抵抗率が小さくできないため電圧を低くできないとう
いう問題があった。
得るためには十分に厚いクラッド層、リッジ幅を狭くす
るなどが必要となるが、クラッド層として用いるＡｌＧ
ａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいため厚くすると
クラックが入るという問題があった。またＡｌＧａＮ層
は抵抗率が小さくできないため電圧を低くできないとう
いう問題があった。
【０００７】このためクラッド層として、薄膜(2nm厚程
度) ＧａＮと１５％程度のＡｌ組成の薄膜(2nm厚程度)
ＡｌＧａＮとの超格子構造とすることで、クラックが防
止でき、電圧も低くできることが提案されている。この
構造では、クラッド層を超格子構造としているので、歪
に対する臨界膜厚が増大し、クラックが入りにくい。
度) ＧａＮと１５％程度のＡｌ組成の薄膜(2nm厚程度)
ＡｌＧａＮとの超格子構造とすることで、クラックが防
止でき、電圧も低くできることが提案されている。この
構造では、クラッド層を超格子構造としているので、歪
に対する臨界膜厚が増大し、クラックが入りにくい。
【０００８】また、このような構造では、図１（ａ）に
示ように、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮ障壁層を
ｎ型にドーピングし、ＧａＮ井戸層をアンドープとする
超格子構造では、ヘテロ界面に大きなバンドベンデング
が生じ、２次元電子ガスが溜まる。超格子は薄く設計さ
れており、隣どうしの２次元電子ガスがカップリングあ
るいはトンネリングし合い、抵抗率の高いＡｌＧａＮを
介さずにキャリヤの輸送をエピ層の上下（図では左右）
方向に円滑にすることができ、クラッド層の抵抗を低く
することが可能となる。ｐ型の場合も略同様である。
示ように、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮ障壁層を
ｎ型にドーピングし、ＧａＮ井戸層をアンドープとする
超格子構造では、ヘテロ界面に大きなバンドベンデング
が生じ、２次元電子ガスが溜まる。超格子は薄く設計さ
れており、隣どうしの２次元電子ガスがカップリングあ
るいはトンネリングし合い、抵抗率の高いＡｌＧａＮを
介さずにキャリヤの輸送をエピ層の上下（図では左右）
方向に円滑にすることができ、クラッド層の抵抗を低く
することが可能となる。ｐ型の場合も略同様である。
【０００９】しかしながら、本発明者の研究によりば、
サファイヤ基板上に超格子を形成した場合、状況は大き
く変化することが判明した。窒化物半導体材料による超
格子構造は、他の半導体材料の超格子構造に比べて、歪
によるピエゾ効果や自発分極の影響で非常に大きな内部
電界が発生していることが理論的、実験的にも明らかと
なった。
サファイヤ基板上に超格子を形成した場合、状況は大き
く変化することが判明した。窒化物半導体材料による超
格子構造は、他の半導体材料の超格子構造に比べて、歪
によるピエゾ効果や自発分極の影響で非常に大きな内部
電界が発生していることが理論的、実験的にも明らかと
なった。
【００１０】図１（ｂ）に示すように、窒化物系半導体
材料を用いた超格子構造では、障壁層、井戸層とも電界
の影響で三角ポテンシャルになっておりキャリヤ注入に
必須な２次元電子ガスを形成するのに十分なバント゛ベン
デングが得られなく、そのためレーザの動作電圧も５Ｖ
以下に低くすることは極めて困難である。このような２
次元電子ガスが形成されない要因以外にも３角ポテンシ
ャルにより実効的に高いヘテロバリヤが形成され、種々
の電圧降下の要因を誘起していた。
材料を用いた超格子構造では、障壁層、井戸層とも電界
の影響で三角ポテンシャルになっておりキャリヤ注入に
必須な２次元電子ガスを形成するのに十分なバント゛ベン
デングが得られなく、そのためレーザの動作電圧も５Ｖ
以下に低くすることは極めて困難である。このような２
次元電子ガスが形成されない要因以外にも３角ポテンシ
ャルにより実効的に高いヘテロバリヤが形成され、種々
の電圧降下の要因を誘起していた。
【００１１】またさらなる光デスクへの記録密度向上の
ためには光源の短波長化をさらに進める必要があるが、
有望となるＧａＮ／ＡｌＧａＮを量子井戸とする活性層
をレーザに用いた場合においても、このような三角ポテ
ンシャルは井戸部にも形成され、キャリヤ再結合のペア
リングを著しく悪化させていた。
ためには光源の短波長化をさらに進める必要があるが、
有望となるＧａＮ／ＡｌＧａＮを量子井戸とする活性層
をレーザに用いた場合においても、このような三角ポテ
ンシャルは井戸部にも形成され、キャリヤ再結合のペア
リングを著しく悪化させていた。
【００１２】このように従来の窒化物系半導体材料の超
格子構造では動作電圧が低くモード特性も良好な横モー
ド制御半導体レーザ装置を製作することは著しく困難で
あり、信頼性特性（特に高温での）も損なわれていた。
格子構造では動作電圧が低くモード特性も良好な横モー
ド制御半導体レーザ装置を製作することは著しく困難で
あり、信頼性特性（特に高温での）も損なわれていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の窒化物系半導体材料を用いた超格子構造を有する横モ
ード制御半導体レーザ装置では自発分極、ピエゾ効果に
より電圧の低く発光特性も良好にすることが非常に困難
であるという問題点があった。
の窒化物系半導体材料を用いた超格子構造を有する横モ
ード制御半導体レーザ装置では自発分極、ピエゾ効果に
より電圧の低く発光特性も良好にすることが非常に困難
であるという問題点があった。
【００１４】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、プロセスの再現性にも優れ、工程が易しく、歩留ま
りも高い低しきい値・低動作電圧で基本横モード動作が
可能な、特性の良い窒化物半導体レーザ装置を提供する
ことを目的とする。
で、プロセスの再現性にも優れ、工程が易しく、歩留ま
りも高い低しきい値・低動作電圧で基本横モード動作が
可能な、特性の良い窒化物半導体レーザ装置を提供する
ことを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、窒化物系半導体からなる活性層と、前記
活性層を挟むように形成されたクラッド層とを具備し、
前記活性層は、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN
0＜x ≦1,0 ≦y ＜1)からなる超格子構造からなり、前
記障壁層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部
の層、あるいは前記井戸層（AlyGa1-yN 0≦y ＜1 ）の
一部あるいは全部の層のＡｌ組成が階段状あるいはグレ
ーデッド状に変化していることを特徴する窒化物系半導
体レーザ装置を提供する。
に、本発明は、窒化物系半導体からなる活性層と、前記
活性層を挟むように形成されたクラッド層とを具備し、
前記活性層は、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN
0＜x ≦1,0 ≦y ＜1)からなる超格子構造からなり、前
記障壁層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部
の層、あるいは前記井戸層（AlyGa1-yN 0≦y ＜1 ）の
一部あるいは全部の層のＡｌ組成が階段状あるいはグレ
ーデッド状に変化していることを特徴する窒化物系半導
体レーザ装置を提供する。
【００１６】また、本発明は、窒化物系半導体からなる
活性層と、前記活性層を挟むように形成されたクラッド
層とを具備し、前記クラッド層は、障壁層／井戸層（Al
xGa1-xN/AlyGa1-yN 0＜x ≦1,0 ≦y ＜1)からなる超格
子構造からなり、前記障壁層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）
の一部あるいは全部の層、あるいは前記井戸層（AlyGa1
-yN 0≦y ＜1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が
階段状あるいはグレーデッド状に変化していることを特
徴する窒化物系半導体レーザ装置を提供する。
活性層と、前記活性層を挟むように形成されたクラッド
層とを具備し、前記クラッド層は、障壁層／井戸層（Al
xGa1-xN/AlyGa1-yN 0＜x ≦1,0 ≦y ＜1)からなる超格
子構造からなり、前記障壁層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）
の一部あるいは全部の層、あるいは前記井戸層（AlyGa1
-yN 0≦y ＜1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が
階段状あるいはグレーデッド状に変化していることを特
徴する窒化物系半導体レーザ装置を提供する。
【００１７】また、本発明は、前記障壁層あるいは井戸
層のＡｌ組成は単調に増加あるいは減少していることを
特徴とする窒化物系半導体レーザ装置を提供する。基板
上に構成された少なくともAlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0 ＜x
≦1,0 ≦y ＜1)からなる超格子構造で、Ａｌ組成が一様
ではなく階段状あるいはグレーデッド状に形成すること
で、超格子構造のバンド構造を詳細に設計し、ピエゾ電
界・自発分極の影響を防ぎ電圧が低く、また発光層とし
ても発光効率や利得の高い窒化物半導体レーザ装置を提
供できる。
層のＡｌ組成は単調に増加あるいは減少していることを
特徴とする窒化物系半導体レーザ装置を提供する。基板
上に構成された少なくともAlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0 ＜x
≦1,0 ≦y ＜1)からなる超格子構造で、Ａｌ組成が一様
ではなく階段状あるいはグレーデッド状に形成すること
で、超格子構造のバンド構造を詳細に設計し、ピエゾ電
界・自発分極の影響を防ぎ電圧が低く、また発光層とし
ても発光効率や利得の高い窒化物半導体レーザ装置を提
供できる。
【００１８】また、本発明は、プロセスの再現性にも優
れ、工程が易しく、歩留まりも高い低しきい値・低動作
電圧で基本横モード動作が可能となる。特に窒化物半導
体レーザ装置の特性のうち、低動作電圧化、横モード特
性の安定化のみならず、信頼性も向上することができ
る。
れ、工程が易しく、歩留まりも高い低しきい値・低動作
電圧で基本横モード動作が可能となる。特に窒化物半導
体レーザ装置の特性のうち、低動作電圧化、横モード特
性の安定化のみならず、信頼性も向上することができ
る。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を用いて詳細
に説明する。図２は本発明の第１の実施例に係わる青色
窒化物半導体レーザ装置の概略構成を説明するための断
面図である。
に説明する。図２は本発明の第１の実施例に係わる青色
窒化物半導体レーザ装置の概略構成を説明するための断
面図である。
【００２０】各窒化物層はすべてＭＯＣＶＤ（有機金属
気相成長法）により成長を行った。成長条件に関して、
圧力は常圧、バッファー層以外のGaN 、AlGaN 層は基本
的には窒素、水素、アンモニアを混合した雰囲気で１０
００℃から１１００℃の範囲、活性層を含む成長は窒素
とアンモニア雰囲気で、７００℃から８５０℃の範囲と
した。
気相成長法）により成長を行った。成長条件に関して、
圧力は常圧、バッファー層以外のGaN 、AlGaN 層は基本
的には窒素、水素、アンモニアを混合した雰囲気で１０
００℃から１１００℃の範囲、活性層を含む成長は窒素
とアンモニア雰囲気で、７００℃から８５０℃の範囲と
した。
【００２１】図１中１１はサファイヤ基板であり、１２
は低温成長（５５０℃）のGaN バッファー層（０．０３
μｍ）である。１４は高温成長（１１００℃）のGaN
で、ラテラル成長用のＳｉＯ2 ストライプ１０を介して
下部はアンドープ、上はn −ＧａＮコンタクト層とし
た。１３はn 側電極である。
は低温成長（５５０℃）のGaN バッファー層（０．０３
μｍ）である。１４は高温成長（１１００℃）のGaN
で、ラテラル成長用のＳｉＯ2 ストライプ１０を介して
下部はアンドープ、上はn −ＧａＮコンタクト層とし
た。１３はn 側電極である。
【００２２】１５はトータル厚さ１．０μｍのｎ−Ａｌ
ＧａＮ/ ｕｎ−ＧａＮの超格子構造からなるｎ型クラッ
ド層、１６は多重量子井戸構造（MQW ）、光ガイド層を
含む活性層部であり、厚さ０．１μｍのＧａＮからなる
光ガイド層を有し、井戸層は４ｎｍ厚のＩｎ0.13 Ｇａ
0.87 Ｎ４層からなり、バリヤ層は厚さ８ｎｍのＩｎ0.
０３ Ｇａ0.９７ Ｎから構成される。
ＧａＮ/ ｕｎ−ＧａＮの超格子構造からなるｎ型クラッ
ド層、１６は多重量子井戸構造（MQW ）、光ガイド層を
含む活性層部であり、厚さ０．１μｍのＧａＮからなる
光ガイド層を有し、井戸層は４ｎｍ厚のＩｎ0.13 Ｇａ
0.87 Ｎ４層からなり、バリヤ層は厚さ８ｎｍのＩｎ0.
０３ Ｇａ0.９７ Ｎから構成される。
【００２３】１７はトータル厚さ１．０μｍのｐ−Ａｌ
ＧａＮ/ ｕｎ−ＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド
層、２０は厚さ０．５μｍP −ＧａＮコンタクト層（Ｍ
ｇドープ）で、最表面はさらにＭｇを高濃度化してい
る。２１はＳｉＯ2 狭窄層、２２はｐ型電極、２３は電
極パッドである。
ＧａＮ/ ｕｎ−ＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド
層、２０は厚さ０．５μｍP −ＧａＮコンタクト層（Ｍ
ｇドープ）で、最表面はさらにＭｇを高濃度化してい
る。２１はＳｉＯ2 狭窄層、２２はｐ型電極、２３は電
極パッドである。
【００２４】図３に、この窒化物半導体レーザ装置の超
格子構造のバンド図を示す。ここではｎ側の伝導帯側を
示す。障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、障壁層のみ５
×１０18ｃｍ-3のｎ型にドープしている。障壁層のＡｌ
組成を基板側から表面側に向って１５％から２０％にグ
レーデッドに変化させることでＧａＮ側のバンドベンデ
ングを急峻化させ２次元電子ガスの形成を確実にさせて
いる。
格子構造のバンド図を示す。ここではｎ側の伝導帯側を
示す。障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、障壁層のみ５
×１０18ｃｍ-3のｎ型にドープしている。障壁層のＡｌ
組成を基板側から表面側に向って１５％から２０％にグ
レーデッドに変化させることでＧａＮ側のバンドベンデ
ングを急峻化させ２次元電子ガスの形成を確実にさせて
いる。
【００２５】本実施例ではリッジ幅は３μｍの場合、し
きい値３５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は４００
ｎｍ、動作電圧は４．０Ｖであった。ビーム特性は単峰
であり、非点隔差は５μｍと十分小さな値が得られた。
最高光出力は連続発振で４０ｍＷまで得られ、信頼性に
関しても５０Ｃで２０００時間以上安定に動作した。こ
れらの特性は基板は下のままヒートシンクにボンデング
した構造で得られた。雑音特性に関してももどり光の存
在下でも10-13 dB/Hz 以下の特性が得られた。素子の歩
留まりは極めて高く、９０％の素子で、上記した横モー
ド特性が得られた。
きい値３５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は４００
ｎｍ、動作電圧は４．０Ｖであった。ビーム特性は単峰
であり、非点隔差は５μｍと十分小さな値が得られた。
最高光出力は連続発振で４０ｍＷまで得られ、信頼性に
関しても５０Ｃで２０００時間以上安定に動作した。こ
れらの特性は基板は下のままヒートシンクにボンデング
した構造で得られた。雑音特性に関してももどり光の存
在下でも10-13 dB/Hz 以下の特性が得られた。素子の歩
留まりは極めて高く、９０％の素子で、上記した横モー
ド特性が得られた。
【００２６】図４は本発明の第２の実施例に係わる青色
窒化物半導体レーザ装置の概略構成を説明するための断
面図である。本実施例では１４のｎ−ＧａＮ層より上部
に位置する各窒化物層はすべて第１の実施例と同様ＭＯ
ＣＶＤ（有機金属気相成長法）により成長を行った。成
長条件等も同様である。第１の実施例との違いは基板と
してハイドライド気相成長装置により成長したｎ型Ｇａ
Ｎ基板２４を用いていることである。ＧａＮ基板成長時
にもラテラル成長技術を取り込んでおり、転位密度を１
０4 ｃｍ-2以下に抑制している。
窒化物半導体レーザ装置の概略構成を説明するための断
面図である。本実施例では１４のｎ−ＧａＮ層より上部
に位置する各窒化物層はすべて第１の実施例と同様ＭＯ
ＣＶＤ（有機金属気相成長法）により成長を行った。成
長条件等も同様である。第１の実施例との違いは基板と
してハイドライド気相成長装置により成長したｎ型Ｇａ
Ｎ基板２４を用いていることである。ＧａＮ基板成長時
にもラテラル成長技術を取り込んでおり、転位密度を１
０4 ｃｍ-2以下に抑制している。
【００２７】図５に、この窒化物半導体レーザ装置の超
格子構造のバンド図を示す。ここでもｎ側の伝導帯側を
示す。障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、井戸層、障壁
層の両方を３×１０18ｃｍ-3のｎ型にドープしている。
ここでは障壁層のＡｌ組成を表面側から基板側に向って
１２％から１５％にグレーデッドに変化させて、障壁層
のバンドにスパイクやベンデングが極力発生しないよう
にした。この例では２次元電子ガスによる効果を必ずし
も積極的に活用したものではなく、通常のキャリヤ伝導
を用いたケースであるが、電圧は第１の実施例と同様に
低減できた。このレーザを接合面をヒートシンクにマウ
ントしたところ、しきい電流値やビーム特性は第１の実
施構造と同様であったが、最高連続発振温度は１００℃
まで高くすることができた。信頼性試験も高温で試すこ
とがか可能となり、５０℃で１００００時間以上安定に
動作するのを確認した。横モード特性も第１の実施例と
同様、安定した特性が歩留まり良く得られた。
格子構造のバンド図を示す。ここでもｎ側の伝導帯側を
示す。障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、井戸層、障壁
層の両方を３×１０18ｃｍ-3のｎ型にドープしている。
ここでは障壁層のＡｌ組成を表面側から基板側に向って
１２％から１５％にグレーデッドに変化させて、障壁層
のバンドにスパイクやベンデングが極力発生しないよう
にした。この例では２次元電子ガスによる効果を必ずし
も積極的に活用したものではなく、通常のキャリヤ伝導
を用いたケースであるが、電圧は第１の実施例と同様に
低減できた。このレーザを接合面をヒートシンクにマウ
ントしたところ、しきい電流値やビーム特性は第１の実
施構造と同様であったが、最高連続発振温度は１００℃
まで高くすることができた。信頼性試験も高温で試すこ
とがか可能となり、５０℃で１００００時間以上安定に
動作するのを確認した。横モード特性も第１の実施例と
同様、安定した特性が歩留まり良く得られた。
【００２８】図６は本発明の第３の実施例に係わる青色
窒化物半導体レーザ装置の概略構成を説明するための断
面図である。本実施例では、ＧａＮ基板を用いるのは第
２の実施例と同様であるが、構造上の違いはメサを形成
後、再成長により選択成長でn-InGaN 吸収層（光導波
層）１８を形成し、その後コンタクト層２０を成長する
点である。
窒化物半導体レーザ装置の概略構成を説明するための断
面図である。本実施例では、ＧａＮ基板を用いるのは第
２の実施例と同様であるが、構造上の違いはメサを形成
後、再成長により選択成長でn-InGaN 吸収層（光導波
層）１８を形成し、その後コンタクト層２０を成長する
点である。
【００２９】図７に、この窒化物半導体レーザ装置の超
格子構造のバンド図を示す。ここでもｎ側の伝導帯側を
示す。障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、障壁層のみ５
×１０18ｃｍ-3のｎ型にドープしている。ここでは井戸
層のＡｌ組成を基板側から表面側に向って０％から５％
にグレーデッドに変化させることでＧａＮ側のバンド底
を擬似フラット化し、２次元電子ガスの形成を確実にさ
せた。
格子構造のバンド図を示す。ここでもｎ側の伝導帯側を
示す。障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、障壁層のみ５
×１０18ｃｍ-3のｎ型にドープしている。ここでは井戸
層のＡｌ組成を基板側から表面側に向って０％から５％
にグレーデッドに変化させることでＧａＮ側のバンド底
を擬似フラット化し、２次元電子ガスの形成を確実にさ
せた。
【００３０】図８には、別の実施例として、窒化物半導
体レーザ装置の活性層（ＭＱＷ）のバンド図を示した。
障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、どちらもアンドープ
である。本レーザは350nm で発振する紫外レーザであり
井戸層はＧａＮベースであるが、図８のように井戸層の
Ａｌ組成を基板側から表面側に向って０％から５％添加
していくグレーデッド構造とすることでＧａＮ側のバン
ド底をフラット化し、発光特性（しきい値）を改善し
た。
体レーザ装置の活性層（ＭＱＷ）のバンド図を示した。
障壁層、井戸層とも厚さは２ｎｍ、どちらもアンドープ
である。本レーザは350nm で発振する紫外レーザであり
井戸層はＧａＮベースであるが、図８のように井戸層の
Ａｌ組成を基板側から表面側に向って０％から５％添加
していくグレーデッド構造とすることでＧａＮ側のバン
ド底をフラット化し、発光特性（しきい値）を改善し
た。
【００３１】本実施例ではリッジ幅は３μｍの場合、し
きい値６５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は３５０
ｎｍ、動作電圧は４．５Ｖであった。ビーム特性は単峰
であり、非点隔差は５μｍと十分小さな値が得られた。
最高光出力は連続発振で１０ｍＷまで得られ、信頼性に
関しても４０Ｃで１０００時間以上安定に動作した。
きい値６５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は３５０
ｎｍ、動作電圧は４．５Ｖであった。ビーム特性は単峰
であり、非点隔差は５μｍと十分小さな値が得られた。
最高光出力は連続発振で１０ｍＷまで得られ、信頼性に
関しても４０Ｃで１０００時間以上安定に動作した。
【００３２】本発明では、ｐ型の場合も価電子帯側のバ
ンドを考慮して同様に設計実施した。超格子の場合の電
圧降下は主にピエゾ電界・自発分極の影響と見ており、
基板−表面側の電界効果方向も図示した通りであるが、
Ａｌ組成によっては組成グレーデッド化の方向を逆にさ
せても効果がある場合があった。
ンドを考慮して同様に設計実施した。超格子の場合の電
圧降下は主にピエゾ電界・自発分極の影響と見ており、
基板−表面側の電界効果方向も図示した通りであるが、
Ａｌ組成によっては組成グレーデッド化の方向を逆にさ
せても効果がある場合があった。
【００３３】また上記実施例では主に組成はグレーデッ
ドとしたが階段状に段階的に変化させてもよい。また、
発光層としてＩｎＧａＮを用いる場合も井戸層あるいは
障壁層をグレーデッド化してしきい値等低減できる。
ドとしたが階段状に段階的に変化させてもよい。また、
発光層としてＩｎＧａＮを用いる場合も井戸層あるいは
障壁層をグレーデッド化してしきい値等低減できる。
【００３４】なお本発明は本実施例に限られるものでは
なく、半導体層、基板としてＳｉＣなども適用可能で、
II-VI 族化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅなどを用いても良
い。構造もレーザのしきい値に悪影響を与えないもので
あれば種々の適用が可能である。その他、導波路構造、
受光素子、トランジスターなどの光デバイス分野へも適
用が可能である。
なく、半導体層、基板としてＳｉＣなども適用可能で、
II-VI 族化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅなどを用いても良
い。構造もレーザのしきい値に悪影響を与えないもので
あれば種々の適用が可能である。その他、導波路構造、
受光素子、トランジスターなどの光デバイス分野へも適
用が可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、超
格子層は低抵抗化することができ、プロセスの再現性に
も優れ、工程が易しく、歩留まりも高い低しきい値・低
動作電圧で基本横モード動作が可能な、特性の良いナイ
トライド系横モード制御型構造レーザを提供する。特に
半導体レーザの特性においては低動作電圧化、横モード
特性の安定化のみならず、信頼性も向上せしめる大きな
作用がある。その有用性は絶大である。
格子層は低抵抗化することができ、プロセスの再現性に
も優れ、工程が易しく、歩留まりも高い低しきい値・低
動作電圧で基本横モード動作が可能な、特性の良いナイ
トライド系横モード制御型構造レーザを提供する。特に
半導体レーザの特性においては低動作電圧化、横モード
特性の安定化のみならず、信頼性も向上せしめる大きな
作用がある。その有用性は絶大である。
【図１】 従来背景を示す図、
【図２】 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザ
装置の断面図
装置の断面図
【図３】 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザ
装置の超格子構造のバンド図
装置の超格子構造のバンド図
【図４】 本発明の第２の実施例の窒化物半導体レーザ
装置の断面図
装置の断面図
【図５】 本発明の第２の実施例の窒化物半導体レーザ
装置の超格子構造のバンド図
装置の超格子構造のバンド図
【図６】 本発明の第３の実施例の窒化物半導体レーザ
装置の断面図
装置の断面図
【図７】 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザ
装置の超格子構造のバンド図
装置の超格子構造のバンド図
【図８】 本発明の別の実施例の窒化物半導体レーザ装
置の超格子構造のバンド図
置の超格子構造のバンド図
１１…サファイヤ基板 １２…バッファー層 １３…ｎ側電極 １４…ｎ−ＧａＮコンタクト層 １５…ｎ−ＡｌＧａＮ／GaN 超格子クラッド層 １６…多重量子井戸構造（MQW ）光ガイド層を含む活性
層部 １７…ｐ−ＡｌＧａＮ／GaN 超格子クラッド層 １８…InGaN 吸収層（光導波層） ２０…ｐ−ＧａＮコンタクト層 ２１…ＳｉＯ2 狭窄層 ２２…ｐ型電極 ２３…電極パッド １０…ＳｉＯ2 ストライプマスク ２４…ｎ−ＧａＮ基板
層部 １７…ｐ−ＡｌＧａＮ／GaN 超格子クラッド層 １８…InGaN 吸収層（光導波層） ２０…ｐ−ＧａＮコンタクト層 ２１…ＳｉＯ2 狭窄層 ２２…ｐ型電極 ２３…電極パッド １０…ＳｉＯ2 ストライプマスク ２４…ｎ−ＧａＮ基板
Claims (3)
- 【請求項１】窒化物系半導体からなる活性層と、 前記活性層を挟むように形成されたクラッド層とを具備
し、 前記活性層は、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN
0＜x ≦1,0 ≦y ＜1)からなる超格子構造からなり、前
記障壁層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）の一部あるいは全部
の層、あるいは前記井戸層（AlyGa1-yN 0≦y ＜1 ）の
一部あるいは全部の層のＡｌ組成が階段状あるいはグレ
ーデッド状に変化していることを特徴する窒化物系半導
体レーザ装置 - 【請求項２】窒化物系半導体からなる活性層と、 前記活性層を挟むように形成されたクラッド層とを具備
し、 前記クラッド層は、障壁層／井戸層（AlxGa1-xN/AlyGa1
-yN 0＜x ≦1,0 ≦y＜1)からなる超格子構造からな
り、前記障壁層（AlxGa1-xN 0＜x ≦1 ）の一部あるい
は全部の層、あるいは前記井戸層（AlyGa1-yN 0≦y ＜
1 ）の一部あるいは全部の層のＡｌ組成が階段状あるい
はグレーデッド状に変化していることを特徴する窒化物
系半導体レーザ装置 - 【請求項３】前記障壁層あるいは井戸層のＡｌ組成は単
調に増加あるいは減少していることを特徴とする請求項
１あるいは請求項２記載の窒化物系半導体レーザ装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2133399A JP3678399B2 (ja) | 1999-01-29 | 1999-01-29 | 窒化物系半導体レーザ装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2133399A JP3678399B2 (ja) | 1999-01-29 | 1999-01-29 | 窒化物系半導体レーザ装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000223790A true JP2000223790A (ja) | 2000-08-11 |
| JP3678399B2 JP3678399B2 (ja) | 2005-08-03 |
Family
ID=12052215
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2133399A Expired - Fee Related JP3678399B2 (ja) | 1999-01-29 | 1999-01-29 | 窒化物系半導体レーザ装置 |
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| JP (1) | JP3678399B2 (ja) |
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-
1999
- 1999-01-29 JP JP2133399A patent/JP3678399B2/ja not_active Expired - Fee Related
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