【発明の名称】窒化物半導体レーザ素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】インジウムを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記活性層の１つの井戸層においてＩｎ組成の多い領域とＩｎ組成の少ない領域とを有し、かつ前記井戸層中にｎ型不純物及びｐ型不純物のうちの少なくとも一方がドープされて、
かつ前記活性層に接して、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体からなる第１のｐ型層を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】インジウムを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記井戸層はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）よりなり、単一の井戸層幅にバンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領域を有し、
かつ前記井戸層中にｎ型不純物及びｐ型不純物のうちの少なくとも一方がドープされていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】インジウムを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記井戸層表面に凹凸を有し、
かつ前記井戸層中にｎ型不純物及びｐ型不純物のうちの少なくとも一方がドープされていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】前記凹凸の差は１０オングストローム以上７０オングストローム以下であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】前記活性層に接して、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体からなる第１のｐ型層を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】前記第１のｐ型層は１０オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚であることを特徴とする請求項１または５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】前記第１のｐ型層は、ＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１）よりなる第２のｐ型層を介して成長させる、Ａｌを含むｐ型窒化物半導体よりなる第３のｐ型層よりも膜厚が薄く形成されていることを特徴とする請求項１、５または６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】前記第２のｐ型層は１００オングストローム〜０．５μｍの膜厚で、前記第３のｐ型層は０．１μｍ〜１μｍの膜厚であることを特徴とする請求項１または５乃至７の内のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】前記活性層には、前記ｎ型不純物としてＳｉが、１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３の範囲の濃度でドープされていることを特徴とする請求項１または５乃至８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】前記活性層には、前記ｐ型不純物としてＭｇが、１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３の範囲の濃度でドープされていることを特徴とする請求項１または５乃至９のいずれかに１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】共振器長を６００μｍとすることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
活性層にＳｉがドープされたレーザ素子が、特開平７−２９７４９４号公報に記載されている。この公報にはＧａＮよりなる膜厚の厚い活性層にＳｉをドープして閾値電流を低下させることが開示されている。
【０００３】
しかし、前記公報のように、単一層の膜厚が例えば０．１μｍ以上もある厚膜の活性層を有する素子構造では出力が弱く、レーザ発振させるのは非常に困難である。また活性層を単一膜厚が１００オングストーム近辺にある井戸層と障壁層とを積層した多重量子井戸構造の活性層を有するレーザ素子が、例えば特開平８−６４９０９号公報に記載されている。この公報には、井戸層にＺｎがドープされた多重量子井戸構造の活性層を有するレーザ素子が記載されており、井戸層に極微量のＺｎをドープすることにより、価電子帯近くにアクセプター的な不純物準位を形成して、閾値電流を低下させることが示されている。さらにまた、特開平６−２６８２５７号公報にはＩｎＸＧａ１−ＸＮよりなる井戸層と、ＩｎＹＧａ１−ＹＮよりなる障壁層とを積層した多重量子井戸構造の活性層を有する発光素子が示されており、さらにこの公報には活性層にｎ型不純物、またはｐ型不純物をドープしても良いことが記載されている。
【０００４】
このように活性層にｎ型、ｐ型不純物をドープして、バンドギャップ内に不純物準位を形成することにより、発光素子の発光出力を高めたり、レーザ素子の閾値電流を低下させることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本出願人は最近窒化物半導体により、パルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ３５ （１９９６） ｐｐ．Ｌ７４−７６）。発表したレーザ素子はいわゆる電極ストライプ型のレーザ素子であり、ノンドープＩｎＧａＮが積層された多重量子井戸構造の活性層を有するものである。
【０００６】
しかしながら、前記窒化物半導体レーザは未だパルス発振でしかなく、しかも閾値電流は１〜２Ａもある。窒化物半導体で連続発振させるためには、閾値電流をさらに低下させる必要がある。
【０００７】
従って、本発明の目的とするところは、窒化物半導体よりなるレーザ素子の発光出力を高め、さらに閾値電流を小さくして、室温での連続発振を目指すことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
インジウムを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記活性層の１つの井戸層においてＩｎ組成の多い領域とＩｎ組成の少ない領域とを有し、かつ前記井戸層中にｎ型不純物及びｐ型不純物のうちの少なくとも一方がドープされて、
かつ前記活性層に接して、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体からなる第１のｐ型層を有することを特徴とする。
【０００９】
インジウムを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記井戸層はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）よりなり、単一の井戸層幅にバンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領域を有し、
かつ前記井戸層中にｎ型不純物及びｐ型不純物のうちの少なくとも一方がドープされていることを特徴とする。またさらに前記活性層に接して、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体からなる第１のｐ型層を有することを特徴とする。
【００１０】
インジウムを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記井戸層表面に凹凸を有し、
かつ前記井戸層中にｎ型不純物及びｐ型不純物のうちの少なくとも一方がドープされていることを特徴とする。またさらに前記活性層に接して、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体からなる第１のｐ型層を有することを特徴とする。
【００１１】
前記凹凸の差は１０オングストローム以上７０オングストローム以下であることを特徴とする。
【００１２】
前記第１のｐ型層は１０オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚であることを特徴とする。
【００１３】
前記第１のｐ型層は、ＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１）よりなる第２のｐ型層を介して成長させる、Ａｌを含むｐ型窒化物半導体よりなる第３のｐ型層よりも膜厚が薄く形成されていることを特徴とする。
【００１４】
前記第２のｐ型層は１００オングストローム〜０．５μｍの膜厚で、前記第３のｐ型層は０．１μｍ〜１μｍの膜厚であることを特徴とする。
【００１５】
前記活性層には、前記ｎ型不純物としてＳｉが、１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３の範囲の濃度でドープされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【００１６】
前記活性層には、前記ｐ型不純物としてＭｇが、１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３の範囲の濃度でドープされていることを特徴とする。
【００１７】
共振器長を６００μｍとすることを特徴とする。
【００１８】
また、活性層にはｎ型不純物がドープされており、そのｎ型不純物が１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３の濃度でドープされていることが望ましく、さらに好ましくは、ｎ型不純物は少なくとも井戸層にドープされていることが望ましい。
【００１９】
また、活性層にはｐ型不純物がドープされており、そのｐ型不純物が１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３の濃度でドープされていることが望ましく、さらに好ましくは、ｐ型不純物は少なくとも井戸層にドープされていることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。基本的な構造としては、基板１の上に、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４、不純物がドープされた多重量子井戸構造を有する活性層５、第１のｐ型層６、第２のｐ型層７、第３のｐ型層８、ｐ型コンタクト層９が順に積層された電極ストライプ型の構造を有しており、ｎ型コンタクト層にはストライプ状の負電極、ｐ型コンタクト層には正電極が設けられている。
【００２１】
このレーザ素子を各パルス電流を流した際のスペクトルを図３に示す。図３において（ａ）は２８０ｍＡ（閾値直後）、（ｂ）は２９５ｍＡ、（ｃ）は３２０ｍＡ、（ｄ）は３４０ｍＡでの発光スペクトルを示している。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は発振時のスペクトルを示している。
【００２２】
（ａ）は発振直後のスペクトルを示し、この状態ではおよそ４０４．２ｎｍ付近にある主発光ピークの前後に小さな発光ピークが多数（ファブリペローモード）出現してレーザ発振直後の状態であることが分かる。これがいわゆる縦モードのスペクトルである。電流値を上げると（ｂ）に示すように、そのスペクトルがシングルモードとなって４０４．２ｎｍ付近のレーザ発振を示す。次からが本発明の特徴であり、さらに電流を増加させると、（ｃ）に示すように、４０３．３ｎｍ（３．０７５ｅＶ）、４０３．６ｎｍ（３．０７２ｅＶ）、４０３．９ｎｍ（３．０７０ｅＶ）、４０４．２ｎｍ（３．０６８ｅＶ）、４０４．４ｎｍ（３．０６６ｅＶ）というように、主発光ピークの他に、強度の大きな発光ピークが１ｍｅＶ〜１００ｍｅＶの間隔で不規則に出現する。さらに（ｄ）では前記ピークの他に、また新たなピークがはっきりと出現しており。これらのスペクトル間隔は一定ではなく明らかに縦モードのスペクトルと異なる。
【００２３】
一般に、半導体レーザの場合、レーザ発振すると、レーザ光の縦モードによる小さな発光ピークが主発光ピークの前後に多数出現する。この場合の発光スペクトルは、ほぼ等間隔の発光ピークよりなっている。赤色半導体レーザでは、その発光ピークの間隔はおよそ０．２ｎｍである。青色半導体レーザではおよそ０．０５ｎｍ（１ｍｅＶ）以下である（但し、青色半導体レーザの縦モードは共振器長が６００μｍにおいて、本出願人により初めて計測された。）。つまり、図３（ａ）、（ｂ）の状態では通常のレーザ素子の挙動を示している。しかし、本発明のレーザ素子の場合、（ｃ）、（ｄ）に示すように、明らかに従来のレーザ素子の縦モードによる発光ピークとは異なった等間隔でないピークが多数出現している。これは図３の電流値による各スペクトルを比較しても分かる。本発明のレーザ素子では、このような発光スペクトルが出現することにより、出力が高くなる。
【００２４】
なぜ、このようなピークが発生するとレーザ素子の出力が高くなるのかは定かではないが、例えば次のようなことが考えられる。活性層が量子井戸構造の場合、井戸層の膜厚は１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下に調整される。一方、障壁層も１５０オングストローム以下、好ましくは１００オングストローム以下に調整される。本発明の発光素子では、このような単一膜厚が数十オングストロームの薄膜を積層した場合、井戸層、障壁層共、均一な膜厚で成長しておらず、凹凸のある層が幾重にも重なり合った状態となっている。図２は図１のレーザ素子において活性層５とクラッド層との界面の状態を拡大して示す模式的な断面図である。図２に示すように、このような凹凸のある活性層を、活性層よりもバンドギャップの大きいクラッド層で挟むダブルヘテロ構造を実現すると、活性層に注入された電子とホールとが、凹部にも閉じ込められるようになって、クラッド層の縦方向と共に縦横の両方向に閉じ込められる。このため、キャリアが約１０〜７０オングストローム凹凸差がある３次元のＩｎＧａＮよりなる量子箱、あるいは量子ディスクに閉じ込められたようになって、従来の量子井戸構造とは違った、量子効果が出現する。従って、多数の量子準位に基づく発光が室温でも観測されるようになり、発光スペクトルの１ｍｅＶ〜１００ｍｅＶの間隔で多数の発光ピークが観測される。また、他の理由としては、三次元のＩｎＧａＮよりなる小さな量子箱にキャリアが閉じ込められるので、エキシトン効果が顕著に現れてきて多数の発光ピークが観測される。
【００２５】
また、このようにＩｎＧａＮ井戸層に多数の凹凸が発生する理由の一つとして、Ｉｎ組成の面内不均一が考えられる。即ち、単一井戸層内において、Ｉｎ組成の大きい領域と、少ない領域とができるために、井戸層表面に多数の凹凸が発生するのである。ＩｎＧａＮは混晶を成長させにくい材料であり、ＩｎＮとＧａＮとが相分離する傾向にある。このためＩｎ組成の不均一な領域ができる。そして、このＩｎ組成の高い領域に電子と正孔とが局在して、エキシトン発光、あるいはバイエキシトン発光して、レーザの出力が向上し、多数のピークができる。特にレーザ素子ではこのバイエキシトンレーザ発振することにより、量子ディスク、量子箱と同等になって多数のピークが出現し、この多数のピークによりレーザ素子の閾値が下がり、出力が向上する。なおエキシトンとは電子と正孔とが弱いクーロン力でくっついてペアになったものである。
【００２６】
さらに、活性層中にｎ型不純物及び／又はｐ型不純物をドープすることにより、閾値電流を低下させることができる。これらの不純物をドープすることにより、活性層のＩｎ組成の多い領域に局在化しているエキシトンが、今度はそれよりもさらに深い不純物の準位に局在化するようになって、エキシトン発光の効果が顕著となることにより、閾値の低下が起きる。
【００２７】
本発明のレーザ素子の活性層について述べたことを、図６のエネルギーバンド図でわかりやすく示す。図６Ａは多重量子井戸構造の活性層のエネルギーバンドを示しており、図６Ｂは、図６Ａの単一井戸層のエネルギーバンドを拡大して示すものである。前記したように、井戸層においてＩｎ組成の面内不均一があるということは、Ｂに示すように単一のＩｎＧａＮ井戸層幅にバンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領域が存在する。従って、伝導帯にある電子は一度、Ｉｎ組成の大きいＩｎＧａＮ領域に落ちて、そこから価電子帯にある正孔と再結合することによりｈνのエネルギーを放出する。このことは、電子と正孔とが井戸層幅のＩｎ組成の多い領域に局在化して、局在エキシトンを形成し、レーザの閾値の低下を助ける。閾値が下がり、出力が高くなるのはこの局在エキシトンの効果によるものである。さらに、この井戸層にＳｉ等のｎ型不純物、Ｚｎ等のｐ型不純物をドープすることにより、伝導帯と価電子帯との間にさらに不純物レベルの準位ができる。図６ＢではＳｉと、Ｚｎとでもってその準位を示している。不純物をドープすると不純物レベルのエネルギー準位が形成される。そのため電子はより深い準位へ落ち、正孔はｐ型不純物のレベルに移動して、そこで電子と正孔とが再結合して、ｈν’のより小さいエネルギーを放出する。このことは電子と正孔とがさらに局在化することを意味し、この局在したエキシトン効果によりレーザの閾値が下がるのである。多数のピークが出現するのは、この局在エキシトンに加えて、三次元的に閉じ込められた量子箱の効果により多数の量子準位間の発光が出てくるからである。
【００２８】
ｎ型不純物には、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｓを挙げることができる。ｐ型不純物には、例えばＺｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ等を挙げることができる。これらの不純物を活性層中、特に好ましくは井戸層中にドープすることにより、量子準位間に、不純物レベルの発光を起こさせ、バンド間のエネルギー準位を小さくして、閾値を低下させることができる。なお、ｎ型不純物、ｐ型不純物両方をドープしてもよいことは言うまでもない。
【００２９】
特に好ましくはｎ型不純物、中でもＳｉ、Ｇｅをドープすることにより、発光強度を強めると共に、閾値電流を低下させることができる。図４は井戸層にドープしたＳｉ濃度と、閾値電流の低下率の割合を示す図である。具体的には平均膜厚３０オングストロームのＩｎＧａＮよりなる井戸層と、平均膜厚７０オングストローム障壁とを５層積層した多重量子井戸構造の活性層を有するレーザ素子において、前記井戸層中にＳｉをドープした際のレーザ素子の閾値の低下の割合を示しており、図に示す各点は実際のＳｉ濃度を示している。この図に示すようにＳｉをドープすることにより、閾値電流を最大で５０％近く低下させることができる。従って、好ましいＳｉ濃度は、１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３の範囲にあり、さらに好ましくは５×１０１８／ｃｍ３〜２×１０２１／ｃｍ３、最も好ましくは１×１０１９／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３である。なおこの図はＳｉについて示したものであるが、他のｎ型不純物、Ｇｅ、Ｓｎ等に対しても同様の傾向があることを確認した。
【００３０】
図５は井戸層にドープしたＭｇ濃度と、閾値電流の低下率の割合を示す図である。これも同じく平均膜厚３０オングストロームのＩｎＧａＮよりなる井戸層と、平均膜厚７０オングストローム障壁とを５層積層した多重量子井戸構造の活性層を有するレーザ素子において、前記井戸層中にＭｇをドープした際のレーザ素子の閾値の低下の割合を示しており、図に示す各点は実際のＭｇ濃度を示している。この図に示すように、Ｍｇをドープすることにより、閾値電流を２５％近く低下させることができる。好ましいＭｇ濃度は、１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２２／ｃｍ３の範囲にあり、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３〜２×１０２１／ｃｍ３、最も好ましくは１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３である。なお、この図はＭｇについて示したものであるが、他のｐ型不純物、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ等に対しても同様の傾向があることを確認した。
【００３１】
【実施例】
以下、ＭＯＶＰＥ法を用いて、図１に示す構造のレーザ素子を得る方法を説明する。図１は本発明のレーザ素子の一構造を示すものであって、本発明のレーザ素子はこの構造に限定されるものではない。なお本発明において示すＩｎＸＧａ１−ＸＮ、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ等の一般式は、単に窒化物半導体の組成式を示しているに過ぎず、異なる層が同一の式で示されていても、それらの層が同一の組成を示すものでは決してない。
【００３２】
［実施例１］
サファイアのＡ面を主面とする基板１を用意し、この基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応容器内に設置した後、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）と、アンモニアを用い、温度５００℃でサファイア基板１の表面にＧａＮよりなるバッファ層２を２００オングストロームの膜厚で成長させる。基板１にはＡ面の他にＣ面、Ｒ面等の面方位を有するサファイアが使用でき、サファイアの他、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の単結晶よりなる、公知の基板が用いられる。バッファ層２は基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するために設けられ、通常、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等が１０００オングストローム以下の膜厚で成長されるが、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子整合した基板を用いる場合、成長方法、成長条件等の要因によっては成長されないこともあるので、省略することもできる。但し、サファイア、スピネルのように、窒化物半導体と格子定数が異なる基板を用いる場合、特開平４−２９７０２３号公報に記載されるように、２００℃以上、９００℃以下の温度でバッファ層２を成長させると、次に高温で成長させる窒化物半導体層の結晶性が飛躍的に良くなる。
【００３３】
続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ４（シラン）ガスを用いて、ＳｉドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００３４】
ｎ型コンタクト層３は光閉じ込め層としても作用する。ｎ型コンタクト層３をＡｌとＧａとを含むｎ型窒化物半導体、好ましくはｎ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）とすることにより、活性層との屈折率差が大きくでき、光閉じ込め層としてのクラッド層、及び電流を注入するコンタクト層として作用する。さらに、このコンタクト層をＡｌＹＧａ１−ＹＮとすることにより、活性層の発光をｎ型コンタクト層内で広がりにくくできるので、閾値が低下する。ｎ型コンタクト層３をＡｌＹＧａ１−ＹＮとする場合、基板側のＡｌ混晶比が小さく、活性層側のＡｌ混晶比が大きい構造、即ち組成傾斜構造とすることが望ましい。前記構造とすることにより、結晶性の良いｎ型コンタクト層が得られるので、結晶性の良いｎ型コンタクト層の上に積層する窒化物半導体の結晶性も良くなるため、素子全体の結晶性が良くなり、ひいては閾値の低下、素子の信頼性が格段に向上する。また活性層側のＡｌ混晶比が大きいために、活性層との屈折率差も大きくなり光閉じ込め層として有効に作用する。また、このｎ型コンタクト層３をＧａＮとしてもよい。ＧａＮの場合、ｎ電極とのオーミック特性については非常に優れている。コンタクト層をＧａＮとすると、ＧａＮコンタクト層と、活性層との間にＡｌＧａＮよりなる光閉じ込め層を設ける必要がある。このｎ型コンタクト層３の膜厚は０．１μｍ以上、５μｍ以下に調整することが望ましい。０．１μｍ以下であると、光閉じ込め層として作用しにくく、また、電極を同一面側に設ける場合に、精密なエッチングレートの制御をせねばならないので不利である。一方、５μｍよりも厚いと、結晶中にクラックが入りやすくなる傾向にある。
【００３５】
続いて、温度を１０５０℃に保持し、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用いて、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型クラッド層４を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３６】
このｎ型クラッド層４はｎ層側の光ガイド層、および活性層にＩｎＧａＮを成長させる際のバッファ層として作用し、ｎ型ＧａＮの他、ｎ型ＩｎＧａＮを成長させることもできる。バッファ層と成長させる場合には０．０５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。また、前記のようにコンタクト層２をＧａＮで成長させた場合、このｎ型クラッド層４は、光閉じ込め層として作用させるためにＡｌＧａＮで成長させる必要がある。ＡｌＧａＮ層の場合、膜厚は０．０１μｍ〜０．５μｍの膜厚で成長させることが望ましい。０．０１μｍより薄いと光閉じ込め層として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと結晶中にクラックが入りやすい傾向にある。
【００３７】
次に、温度を７５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用いてＳｉをドープした活性層５を成長させる。活性層５は、まずＳｉを１×１０２０／ｃｍ３の濃度でドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にシランガスを止めて、ＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、ノンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を１３回繰り返し、最後に井戸層を成長させ総膜厚０．１μｍの多重量子井戸構造よりなる活性層５を成長させる。
【００３８】
活性層５は、少なくとも井戸層がＩｎを含む窒化物半導体を含む多重量子井戸構造とする。多重量子井戸構造とは、井戸層と障壁層とを積層したものであり、本発明の場合、井戸層がＩｎを含む窒化物半導体で構成されていれば、障壁層は井戸層よりもバンドギャップが大きければ特にＩｎを含む必要はない。好ましくは、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）よりなる井戸層と、ＩｎＸ’Ｇａ１−Ｘ’Ｎ（０≦Ｘ’＜１、Ｘ’＜Ｘ）よりなる障壁層とを積層した構造とする。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良い物が得られるので、発光出力が向上する。また障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくして、井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸層（その逆でもよい。）となるように積層して多重量子井戸構造を構成する。井戸層の膜厚は７０オングストローム以下、さらに望ましくは５０オングストローム以下に調整することが好ましい。また障壁層の厚さも１５０オングストローム以下、さらに望ましくは１００オングストローム以下の厚さに調整することが望ましい。井戸層が７０オングストロームよりも厚いか、または障壁層が１５０オングストロームよりも厚いと、レーザ素子の出力が低下する傾向にある。このように活性層をＩｎＧａＮを積層したＭＱＷとすると、量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力なＬＤを実現することができる。特に好ましい態様として、両方の層をＩｎＧａＮとすると、ＩｎＧａＮは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ結晶に比べて結晶が柔らかい。そのため第１のｐ型層であるＡｌＧａＮの厚さを厚くできるのでレーザ発振が実現できる。またｎ型不純物は本実施例のように井戸層にドープしてもよいし、また障壁層にドープしてもよく、さらに井戸層、障壁層両方にドープしてもよい。
【００３９】
活性層５の膜厚は、ｎ型コンタクト層３をＡｌＹＧａ１−ＹＮとした場合、２００オングストローム以上、さらに好ましくは３００オングストローム以上の膜厚で成長させることが望ましい。なぜなら、ＭＱＷよりなる活性層を厚く成長させることにより、活性層の最外層近辺が光ガイド層として作用する。つまり、ｎ型コンタクト層３と第３のｐ型層８とが光閉じ込め層として作用し、活性層の最外層近傍が光ガイド層として作用する。活性層の膜厚の上限は特に限定するものではないが、通常は０．５μｍ以下に調整することが望ましい。
【００４０】
次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、ｐ型不純物としてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第１のｐ型層６を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４１】
第１のｐ型層６はＡｌを含むｐ型の窒化物半導体で構成し、好ましくは三元混晶若しくは二元混晶のＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）を成長させることが望ましい。さらに、このＡｌＧａＮは後に述べる第３のｐ型層８よりも膜厚を薄く形成することが望ましく、好ましくは１０オングストローム以上、０．５μｍ以下に調整する。この第１のｐ型層６を活性層５に接して形成することにより、素子の出力が格段に向上する。これは、第１のｐ型層６成長時に、活性層のＩｎＧａＮが分解するのを抑える作用があるためと推察されるが、詳しいことは不明である。第１のｐ型層６は好ましく１０オングストローム〜０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましいが、省略することもできる。
【００４２】
次に、温度を１０５０℃にし、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなる第２のｐ型層７を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４３】
この第２のｐ型層７はｐ層側の光ガイド層若しくはバッファ層として作用し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１）を成長させる。第２のｐ型層７は、活性層の膜厚が薄い場合に成長させると光ガイド層として作用する。また第１のｐ型層６がＡｌＧａＮ等よりなるので、この層がバッファ層のような作用をして、次に成長させる第３のｐ型層８をクラック無く結晶性良く成長できる。つまり、ＡｌＧａＮの上に直接バンドギャップが大きいＡｌＧａＮを積層すると、後から成長させたバンドギャップが大きいＡｌＧａＮにクラックが入りやすくなるので、この第２のｐ型層７を介することによりクラックを入りにくくしている。第２のｐ型層７は、通常１００オングストローム〜０．５μｍ程度の膜厚で成長させることが望ましいが、省略することもできる。
【００４４】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物としてＣｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる第３のｐ型層８を０．３μｍの膜厚で成長させる。
【００４５】
第３のｐ型層８は、Ａｌを含む窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）を成長させる。第３のｐ型層８は、光閉じ込め層として作用し、０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体とすることにより、好ましく光閉じ込め層として作用する。この第３のｐ型層も活性層５をＩｎを含む窒化物半導体としているために、成長可能となる。つまり、ＩｎＧａＮを含む活性層が緩衝層のような作用をするために、ＡｌＧａＮを厚膜で成長させやすくなる。逆にＡｌを含む窒化物半導体層の上に、直接光閉じ込め層となるような厚膜で、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させることは難しい傾向にある。
【００４６】
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００４７】
ｐ型コンタクト層９は電流を注入する層であり、ｐ型の窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成することができ、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮ、その中でもＭｇをドープしたｐ型ＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られて、正電極と良好なオーミック接触が得られ、しきい値電流を低下させることができる。正電極の材料としてはＮｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の比較的仕事関数の高い金属又は合金がオーミックが得られやすい。
【００４８】
以上のようにして窒化物半導体を積層したウェーハを反応容器から取り出し、図１に示すように最上層のｐ型コンタクト層９より選択エッチングを行い、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させ、露出したｎ型コンタクト層３と、ｐ型コンタクト層９との表面にそれぞれストライプ状の電極を形成した後、サファイア基板のＲ面からウェーハを劈開して、バー状にし、さらにストライプ状の電極に直交する方向にレーザの共振面を形成し、共振器長は６００μｍとする。後は、常法に従い、共振面に誘電体多層膜よりなる反射鏡を形成した後、ストライプ状の電極に平行な位置でウェーハを分割してレーザチップとする。このレーザチップをヒートシンクに設置し、順方向電流３２０ｍＡのパルス発振を試みたところ、図３（ｃ）に示すような不規則な位置に発光ピークを有するレーザ発振を示し、活性層に不純物をドープしていないレーザ素子に比較して、閾値電流は５０％低下し、出力は３０％向上した。
【００４９】
［実施例２］
実施例１の活性層を成長させる工程において、不純物ガスとしてシランガスの代わりにジエチルジンクを用いて、Ｚｎを１×１０１９／ｃｍ３の濃度でドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を２５オングストローム、ノンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させて、同じく総膜厚０．１μｍの多重量子井戸構造よりなる活性層５を成長させる他は、同様にして、共振器長６００μｍのレーザ素子を得たところ、活性層に不純物をドープしていないレーザ素子に比較して、閾値電流は２５％低下し、出力は１０％向上した。
【００５０】
［実施例３］
実施例１の活性層を成長させる工程において、不純物ガスとしてシランガス、およびジエチルジンクを用いて、Ｓｉを１×１０２０／ｃｍ３、及びＺｎを１×１０１９／ｃｍ３の濃度でドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を２５オングストローム、ノンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させて、同じく総膜厚０．１μｍの多重量子井戸構造よりなる活性層５を成長させる他は、同様にして、共振器長６００μｍのレーザ素子を得たところ、活性層に不純物をドープしていないレーザ素子に比較して、閾値電流は６０％低下し、出力は３５％向上した。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ素子は、活性層の１つの井戸層においてＩｎ組成の多い領域とＩｎ組成の少ない領域とを有することにより発光出力が向上する。さらに、活性層中にｎ型不純物、ｐ型不純物がドープされていることにより、発光出力を低下させることなく閾値を低下させることができる。このため、発光出力が高く閾値の低いレーザ素子を実現することができる。また、本発明のレーザ素子を埋め込みへテロ型、屈折率導波型、実効屈折率導波型等の横モードの安定化を図るレーザ素子とすることにより、さらに閾値電流が下がる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】図１のレーザ素子の活性層付近を拡大して示す模式断面図。
【図３】本発明のレーザ素子にパルス電流を流した際の発光スペクトルを各電流値で比較して示す図。
【図４】活性層にドープしたＳｉ濃度と、レーザ素子の閾値電流の低下率との関係を示す図。
【図５】活性層にドープしたＭｇ濃度と、レーザ素子の閾値電流の低下率との関係を示す図。
【図６】本発明のレーザ素子の井戸層のエネルギーバンド図。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・バッファ層
３・・・ｎ型コンタクト層
４・・・ｎ型クラッド層
５・・・活性層
６・・・第１のｐ型層
７・・・第２のｐ型層
８・・・第３のｐ型層
９・・・ｐ型コンタクト層Patent application title: Nitride semiconductor laser device
[Claim of claim]
1. A nitride semiconductor having an active layer of a multiple quantum well structure in which a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and a barrier layer made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the well layer are stacked. In the laser element
In one well layer of the active layer, a region having a large In composition and a region having a small In composition are provided, and at least one of an n-type impurity and a p-type impurity is doped in the well layer,
And a first p-type layer made of a p-type nitride semiconductor containing Al in contact with the active layer.
2. A nitride semiconductor having an active layer of a multiple quantum well structure in which a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and a barrier layer made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the well layer are stacked. In the laser element,
The well layer is In X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), and having different band gap InGaN regions in a single well layer width,
And the well layer is doped with at least one of an n-type impurity and a p-type impurity.
3. A nitride semiconductor having an active layer of a multiple quantum well structure in which a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and a barrier layer made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the well layer are stacked. In the laser element,
Unevenness on the surface of the well layer,
And the well layer is doped with at least one of an n-type impurity and a p-type impurity.
4. The nitride semiconductor laser device according to claim 3, wherein the difference between the asperities is 10 angstroms or more and 70 angstroms or less.
5. The nitride film according to any one of claims 2 to 4, further comprising a first p-type layer formed of a p-type nitride semiconductor containing Al in contact with the active layer. Semiconductor laser element.
6. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the first p-type layer has a thickness of 10 angstroms or more and 0.5 μm or less.
7. The first p-type layer is formed of In Y Ga 1-Y That the film thickness is thinner than the third p-type layer made of p-type nitride semiconductor containing Al, which is grown through the second p-type layer consisting of N (0 ≦ Y <1) A nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that.
8. The second p-type layer has a thickness of 100 angstroms to 0.5 μm, and the third p-type layer has a thickness of 0.1 μm to 1 μm. Or the nitride semiconductor laser device according to any one of 5 to 7.
9. The active layer is made of 1 × 10 6 of Si as the n-type impurity. 18 / Cm 3 ~ 1 x 10 22 / Cm 3 The nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 or 5, wherein the nitride semiconductor laser device is doped at a concentration in the range of
10. The active layer is made of 1 × 10 6 Mg as the p-type impurity. 17 / Cm 3 ~ 1 x 10 22 / Cm 3 The nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 or 5, wherein the nitride semiconductor laser device is doped at a concentration in the range of
11. The nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 10, wherein a resonator length is 600 μm.
Detailed Description of the Invention
[0001]
Field of the Invention
The present invention relates to nitride semiconductors (In X Al Y Ga 1-X-Y The present invention relates to a laser device including N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, and X + Y ≦ 1).
[0002]
[Prior Art]
A laser device in which the active layer is doped with Si is described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-297494. This publication discloses that Si is doped into a thick active layer made of GaN to reduce the threshold current.
[0003]
However, in the device structure having a thick active layer having a single layer thickness of, for example, 0.1 μm or more as in the above publication, the output is weak, and it is very difficult to cause laser oscillation. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-64909 discloses a laser device having an active layer of a multiple quantum well structure in which a well layer and a barrier layer having a single film thickness in the vicinity of 100 ang storm are stacked. . This publication describes a laser device having an active layer of a multiple quantum well structure in which the well layer is doped with Zn, and by doping the well layer with a very small amount of Zn, an acceptor like near the valence band is obtained. It has been shown that the threshold current is lowered by forming the impurity level. Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 6-268257 discloses In. X Ga 1-X N well layers and In Y Ga 1-Y A light emitting device having an active layer of a multiple quantum well structure in which a barrier layer of N is stacked is shown, and further, in this publication, the active layer may be doped with an n-type impurity or a p-type impurity Have been described.
[0004]
It is known that the light emission output of the light emitting element can be increased or the threshold current of the laser element can be reduced by thus doping the active layer with n-type and p-type impurities to form impurity levels in the band gap. It is done.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the present applicant recently announced 410 nm laser oscillation at room temperature in pulsed current with a nitride semiconductor (for example, Jpn. J. Appl. Phys. Vol 35 (1996) pp. L 74-76). The disclosed laser device is a so-called electrode stripe type laser device having an active layer of a multiple quantum well structure in which non-doped InGaN is stacked.
[0006]
However, the nitride semiconductor laser is still only pulse oscillation, and has a threshold current of 1 to 2 A. In order to continuously oscillate with a nitride semiconductor, it is necessary to further reduce the threshold current.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to increase the light emission output of a laser device made of a nitride semiconductor and further reduce the threshold current to aim at continuous oscillation at room temperature.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In a nitride semiconductor laser device having an active layer of a multiple quantum well structure in which a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and a barrier layer made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the well layer are stacked.
In one well layer of the active layer, a region having a large In composition and a region having a small In composition are provided, and at least one of an n-type impurity and a p-type impurity is doped in the well layer,
And a first p-type layer formed of a p-type nitride semiconductor containing Al in contact with the active layer.
[0009]
In a nitride semiconductor laser device having an active layer of a multiple quantum well structure in which a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and a barrier layer made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the well layer are stacked.
The well layer is In X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), and having different band gap InGaN regions in a single well layer width,
And the well layer is doped with at least one of an n-type impurity and a p-type impurity. Furthermore, a first p-type layer made of a p-type nitride semiconductor containing Al is provided in contact with the active layer.
[0010]
In a nitride semiconductor laser device having an active layer of a multiple quantum well structure in which a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and a barrier layer made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the well layer are stacked.
Unevenness on the surface of the well layer,
And the well layer is doped with at least one of an n-type impurity and a p-type impurity. Furthermore, a first p-type layer made of a p-type nitride semiconductor containing Al is provided in contact with the active layer.
[0011]
The unevenness difference is characterized by being 10 angstroms or more and 70 angstroms or less.
[0012]
The first p-type layer has a film thickness of 10 angstroms or more and 0.5 μm or less.
[0013]
The first p-type layer is In Y Ga 1-Y That the film thickness is thinner than the third p-type layer made of p-type nitride semiconductor containing Al, which is grown through the second p-type layer consisting of N (0 ≦ Y <1) It features.
[0014]
The second p-type layer has a thickness of 100 angstroms to 0.5 μm, and the third p-type layer has a thickness of 0.1 μm to 1 μm.
[0015]
The active layer is made of 1 × 10 6 of Si as the n-type impurity. 18 / Cm 3 ~ 1 x 10 22 / Cm 3 The nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 4, wherein the nitride semiconductor laser device is doped at a concentration in the range of
[0016]
The active layer is made of 1 × 10 6 Mg as the p-type impurity. 17 / Cm 3 ~ 1 x 10 22 / Cm 3 Doped at a concentration in the range of
[0017]
A resonator length is set to 600 μm.
[0018]
In addition, the n-type impurity is doped in the active layer, and the n-type impurity is 1 × 10 18 / Cm 3 ~ 1 x 10 22 / Cm 3 Preferably, the n-type impurity is doped at least in the well layer.
[0019]
Further, the active layer is doped with p-type impurities, and the p-type impurities are 1 × 10 17 / Cm 3 ~ 1 x 10 22 / Cm 3 Preferably, the p-type impurity is doped at least in the well layer.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to an embodiment of the present invention. As a basic structure, a buffer layer 2, an n-type contact layer 3, an n-type cladding layer 4, an active layer 5 having a multiple quantum well structure doped with an impurity, a first p-type layer on a substrate 1 6 has a structure of an electrode stripe type in which a second p-type layer 7, a third p-type layer 8, and a p-type contact layer 9 are sequentially stacked, and a stripe-shaped negative electrode is formed on the n-type contact layer. The positive electrode is provided in the p-type contact layer.
[0021]
The spectrum when this pulsed laser current is applied to this laser element is shown in FIG. In FIG. 3, (a) shows an emission spectrum at 280 mA (immediately after threshold), (b) at 295 mA, (c) at 320 mA, and (d) at 340 mA. (B), (c) and (d) show the spectrum at the time of oscillation.
[0022]
(A) shows the spectrum immediately after oscillation. In this state, many small emission peaks (Fabry-Perot mode) appear before and after the main emission peak around 404.2 nm, which indicates that the state is immediately after laser oscillation. . This is the so-called longitudinal mode spectrum. When the current value is increased, as shown in (b), the spectrum becomes single mode and exhibits laser oscillation around 404.2 nm. The following is the feature of the present invention, and when the current is further increased, as shown in (c), 403.3 nm (3.075 eV), 403.6 nm (3.072 eV), 403.9 nm (3.070 eV) In addition to the main emission peak, emission peaks with large intensity appear irregularly at intervals of 1 meV to 100 meV, such as 40) 4.2 nm (3.068 eV) and 404.4 nm (3.066 eV). Further, in (d), another peak appears clearly in addition to the above peak. These spectral intervals are not constant and are clearly different from the longitudinal mode spectrum.
[0023]
Generally, in the case of a semiconductor laser, when laser oscillation is performed, many small emission peaks due to the longitudinal mode of the laser light appear before and after the main emission peak. The emission spectrum in this case consists of emission peaks at approximately equal intervals. In a red semiconductor laser, the spacing between the emission peaks is about 0.2 nm. The wavelength is about 0.05 nm (1 meV) or less for a blue semiconductor laser (However, the longitudinal mode of the blue semiconductor laser was measured by the applicant for the first time at a cavity length of 600 μm). That is, in the state of FIGS. 3A and 3B, the behavior of the normal laser device is shown. However, in the case of the laser device of the present invention, as shown in (c) and (d), a large number of unequally spaced peaks clearly different from the emission peak due to the longitudinal mode of the conventional laser device appear. This can be seen by comparing each spectrum according to the current value in FIG. In the laser device of the present invention, the appearance of such an emission spectrum makes the output high.
[0024]
It is not clear why the power of the laser device is increased when such a peak occurs, but, for example, the following may be considered. When the active layer has a quantum well structure, the thickness of the well layer is adjusted to 100 angstrom or less, preferably 70 angstrom or less, and most preferably 50 angstrom or less. On the other hand, the barrier layer is also adjusted to 150 angstroms or less, preferably 100 angstroms or less. In the light emitting device of the present invention, when such thin films having a single film thickness of several tens of angstroms are stacked, both the well layer and the barrier layer are not grown with uniform film thickness, and several layers with unevenness are formed. Also in the overlapping state. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged state of the interface between the active layer 5 and the cladding layer in the laser device of FIG. As shown in FIG. 2, when a double hetero structure is realized in which the active layer having such irregularities is sandwiched between cladding layers having a larger band gap than the active layer, electrons and holes injected into the active layer form recesses. As well as being confined, it is confined in both longitudinal and transverse directions along with the longitudinal direction of the cladding layer. For this reason, carriers are confined in a three-dimensional InGaN quantum box or a quantum disk having an unevenness difference of about 10 to 70 angstroms, and a quantum effect appears unlike the conventional quantum well structure. . Therefore, light emission based on multiple quantum levels is observed even at room temperature, and multiple light emission peaks are observed at intervals of 1 meV to 100 meV of the light emission spectrum. Another reason is that carriers are confined in a small quantum box made of three-dimensional InGaN, so that the exciton effect appears notably and a number of light emission peaks are observed.
[0025]
In addition, in-plane nonuniformity of the In composition can be considered as one of the reasons why a large number of irregularities are generated in the InGaN well layer. That is, in the single well layer, since a region having a large In composition and a small region can be formed, a large number of irregularities are generated on the surface of the well layer. InGaN is a material which is difficult to grow mixed crystals, and InN and GaN tend to be phase separated. As a result, nonuniform regions of the In composition are formed. Then, electrons and holes are localized in the region where the In composition is high, and exciton light or biexciton light is emitted, so that the output of the laser is improved and many peaks are generated. In particular, in the laser device, by performing biexciton laser oscillation, a large number of peaks appear equivalent to the quantum disk and the quantum box, and the large number of peaks lowers the threshold of the laser device and improves the output. The exciton is a pair of electrons and holes attached together by weak Coulomb force.
[0026]
Furthermore, the threshold current can be reduced by doping the active layer with n-type impurities and / or p-type impurities. By doping these impurities, excitons localized in the In-rich region of the active layer are now localized to a deeper impurity level than that of The remarkable effect causes a decrease in threshold.
[0027]
What has been said about the active layer of the laser device of the present invention is clearly shown in the energy band diagram of FIG. FIG. 6A shows the energy band of the active layer of the multiple quantum well structure, and FIG. 6B is an enlarged view of the energy band of the single well layer of FIG. 6A. As described above, the in-plane nonuniformity of the In composition in the well layer means that, as shown in B, InGaN regions having different band gaps exist in the width of a single InGaN well layer. Therefore, the electrons in the conduction band once fall into the InGaN region with a large In composition, and from there recombine with the holes in the valence band to release the energy of hv. This localizes the electrons and holes to the In-rich region of the well layer width to form localized excitons and helps to lower the threshold of the laser. The lower threshold and higher output are due to the effect of this localized exciton. Further, by doping the well layer with an n-type impurity such as Si or a p-type impurity such as Zn, a level of an impurity level can be further generated between the conduction band and the valence band. In FIG. 6B, the levels are indicated by Si and Zn. When an impurity is doped, an energy level at the impurity level is formed. As a result, the electrons fall to deeper levels, and the holes move to the p-type impurity level, where the electrons and holes recombine to release smaller energy of hv '. This means that electrons and holes are further localized, and the localized exciton effect lowers the threshold of the laser. A large number of peaks appear because, in addition to the localized excitons, emission between multiple quantum levels is generated by the effect of the three-dimensionally confined quantum box.
[0028]
Examples of n-type impurities include Si, Ge, Sn, Se, and S. Examples of p-type impurities include Zn, Cd, Mg, Be, Ca and the like. By doping these impurities in the active layer, particularly preferably in the well layer, light emission at the impurity level is caused between quantum levels, the energy level between bands is reduced, and the threshold is lowered. Can. Needless to say, both n-type and p-type impurities may be doped.
[0029]
Particularly preferably, by doping an n-type impurity, in particular, Si or Ge, the emission intensity can be enhanced and the threshold current can be reduced. FIG. 4 is a view showing the ratio of the concentration of Si doped in the well layer and the rate of reduction of the threshold current. Specifically, in a laser device having an active layer of a multiple quantum well structure in which a well layer made of InGaN having an average film thickness of 30 angstroms and five barrier layers having an average film thickness of 70 angstroms are stacked, It shows the rate of decrease of the threshold of the laser element at the time of the test, and each point shown in the figure shows the actual Si concentration. By doping Si as shown in this figure, the threshold current can be reduced by at most 50%. Therefore, the preferred Si concentration is 1 × 10 18 / Cm 3 ~ 1 x 10 22 / Cm 3 And more preferably 5 × 10 18 / Cm 3 ~ 2 x 10 21 / Cm 3 , Most preferably 1 x 10 19 / Cm 3 ~ 1 x 10 21 / Cm 3 It is. Although this figure is shown for Si, it was confirmed that the same tendency was observed for other n-type impurities, Ge, Sn, etc.
[0030]
FIG. 5 is a diagram showing the ratio of the concentration of Mg doped in the well layer and the reduction rate of the threshold current. Also in the laser device having an active layer of a multiple quantum well structure in which five well layers of InGaN having an average film thickness of 30 angstroms and an average film thickness of 70 angstroms are stacked, Mg is doped in the well layers. The rate of decrease of the threshold value of the laser element at that time is shown, and each point shown in the figure shows the actual Mg concentration. As shown in this figure, it is possible to reduce the threshold current by nearly 25% by doping Mg. The preferred Mg concentration is 1 x 10 17 / Cm 3 ~ 1 x 10 22 / Cm 3 And more preferably 1 × 10 18 / Cm 3 ~ 2 x 10 21 / Cm 3 , Most preferably 1 x 10 18 / Cm 3 ~ 1 x 10 21 / Cm 3 It is. In addition, although this figure is shown about Mg, it confirmed that it had the same tendency also to other p-type impurities, Zn, Cd, Be, etc.
[0031]
【Example】
Hereinafter, a method of obtaining the laser device having the structure shown in FIG. 1 will be described using the MOVPE method. FIG. 1 shows one structure of the laser device of the present invention, and the laser device of the present invention is not limited to this structure. Note that In shown in the present invention X Ga 1-X N, Al Y Ga 1-Y The general formula such as N merely indicates the composition formula of the nitride semiconductor, and even if different layers are shown by the same formula, these layers never show the same composition.
[0032]
Example 1
After preparing the substrate 1 whose main surface is sapphire A surface and installing the substrate 1 in the reaction vessel of the MOVPE apparatus, TMG (trimethylgallium) and ammonia are used as source gases, and a sapphire substrate at a temperature of 500 ° C. A buffer layer 2 of GaN is grown to a thickness of 200 angstroms on the surface of No. 1. As the substrate 1, sapphire having a plane orientation such as C plane or R plane other than A plane can be used, and in addition to sapphire, spinel 111 plane (MgAl 2 O 4 A known substrate made of a single crystal such as SiC, MgO, Si, ZnO, or GaN is used. The buffer layer 2 is provided to ease lattice mismatch between the substrate and the nitride semiconductor, and usually GaN, AlN, AlGaN, etc. are grown with a film thickness of 1000 angstroms or less. When a close substrate or a lattice-matched substrate is used, it may not be grown because it may not be grown depending on factors such as the growth method and growth conditions. However, when using a substrate having a lattice constant different from that of the nitride semiconductor, such as sapphire and spinel, as described in JP-A-4-297023, buffer layer 2 is formed at a temperature of 200 ° C. or more and 900 ° C. or less. When grown, the crystallinity of the nitride semiconductor layer to be grown next at a high temperature is dramatically improved.
[0033]
Subsequently, the temperature is raised to 1050 ° C., and TMG, TMA (trimethylaluminum), ammonia, and SiH as donor impurities are used as source gases. 4 Using a (silane) gas, the n-type contact layer 3 made of Si-doped Al0.3Ga0.7N is grown to a thickness of 4 μm.
[0034]
The n-type contact layer 3 also acts as a light confinement layer. By making the n-type contact layer 3 an n-type nitride semiconductor containing Al and Ga, preferably n-type AlYGa1-YN (0 <Y <1), the difference in refractive index with the active layer can be increased, and light confinement is achieved. It acts as a cladding layer as a layer and a contact layer for injecting current. Furthermore, this contact layer is made of Al Y Ga 1-Y By setting it as N, the light emission of the active layer can be hardly spread in the n-type contact layer, so that the threshold value is lowered. n-type contact layer 3 is made of Al Y Ga 1-Y In the case of N, it is desirable to have a structure in which the Al mixed crystal ratio on the substrate side is small and the Al mixed crystal ratio on the active layer side is large, that is, the composition gradient structure. With the above structure, the n-type contact layer with good crystallinity can be obtained, and the crystallinity of the nitride semiconductor stacked on the n-type contact layer with good crystallinity also becomes good. This improves the threshold value and improves the reliability of the device. In addition, since the Al mixed crystal ratio on the active layer side is large, the difference in refractive index with the active layer is also large, and it effectively functions as a light confinement layer. Also, the n-type contact layer 3 may be made of GaN. In the case of GaN, the ohmic characteristics with the n electrode are very excellent. If the contact layer is GaN, it is necessary to provide an optical confinement layer of AlGaN between the GaN contact layer and the active layer. It is desirable to adjust the film thickness of the n-type contact layer 3 to 0.1 μm or more and 5 μm or less. If the thickness is 0.1 μm or less, it is difficult to act as a light confinement layer, and in the case where the electrodes are provided on the same side, precise control of the etching rate is required, which is disadvantageous. On the other hand, if the thickness is more than 5 μm, the crystal tends to be easily cracked.
[0035]
Subsequently, the temperature is maintained at 1050 ° C., and TMG, ammonia and silane gas are used as source gases to grow an n-type cladding layer 4 of Si-doped n-type GaN with a film thickness of 500 angstroms.
[0036]
The n-type cladding layer 4 acts as a light guide layer on the n-layer side and a buffer layer when growing InGaN on the active layer, and can grow n-type InGaN in addition to n-type GaN. In the case of growing a buffer layer, it is desirable to grow the film to a thickness of 0.05 μm or less. When the contact layer 2 is grown with GaN as described above, the n-type cladding layer 4 needs to be grown with AlGaN in order to function as a light confinement layer. In the case of the AlGaN layer, it is desirable to grow the film thickness of 0.01 μm to 0.5 μm. When the thickness is smaller than 0.01 μm, the layer tends to act as an optical confinement layer, and when the thickness is larger than 0.5 μm, cracks tend to be formed in the crystal.
[0037]
Next, the temperature is set to 750 ° C., and TMG, TMI (trimethylindium), ammonia as a source gas, and a silane gas as an impurity gas are used to grow an active layer 5 doped with Si. First, active layer 5 is made of 1 × 10 10 Si. 20 / Cm 3 A well layer of In 0.2 Ga 0.8 N doped at a concentration of 50 nm is grown to a thickness of 25 angstroms. Next, the silane gas is stopped, and a barrier layer of non-doped In0.01Ga0.95N is grown to a film thickness of 50 angstroms at the same temperature only by changing the molar ratio of TMI. This operation is repeated 13 times, and finally a well layer is grown to grow an active layer 5 having a multiple quantum well structure with a total film thickness of 0.1 μm.
[0038]
The active layer 5 has a multiple quantum well structure in which at least a well layer includes a nitride semiconductor containing In. The multiple quantum well structure is a stack of a well layer and a barrier layer. In the case of the present invention, if the well layer is made of a nitride semiconductor containing In, the barrier layer has a band gap more than the well layer. In particular, it is not necessary to include In if. Preferably, In X Ga 1-X A well layer of N (0 <X ≦ 1), In X ' Ga 1-X ' It is set as the structure which laminated | stacked the barrier layer which consists of N (0 <= X '<1, X'<X). Since the ternary mixed crystal InGaN can provide a material with better crystallinity than the quaternary mixed crystal, the light emission output is improved. Further, the barrier layer has a band gap energy larger than that of the well layer, and is stacked to be well + barrier + well +... + Barrier + well layer (or vice versa) to form a multiple quantum well structure. Do. The thickness of the well layer is preferably adjusted to 70 angstroms or less, more preferably 50 angstroms or less. The thickness of the barrier layer is also preferably adjusted to a thickness of 150 angstroms or less, more preferably 100 angstroms or less. If the well layer is thicker than 70 angstroms or the barrier layer is thicker than 150 angstroms, the output of the laser device tends to be reduced. As described above, when the active layer is an MQW in which InGaN is stacked, a high output LD between about 365 nm and 660 nm can be realized by light emission between quantum levels. In a particularly preferred embodiment, when both layers are InGaN, InGaN has a softer crystal than GaN and AlGaN crystals. Therefore, since the thickness of the first p-type layer of AlGaN can be increased, laser oscillation can be realized. The n-type impurity may be doped in the well layer as in this embodiment, or may be doped in the barrier layer, or may be doped in both the well layer and the barrier layer.
[0039]
The film thickness of the active layer 5 is set to Al for the n-type contact layer 3 Y Ga 1-Y In the case of N, it is desirable to grow a film thickness of 200 angstroms or more, more preferably 300 angstroms or more. This is because by growing the active layer made of MQW thick, the vicinity of the outermost layer of the active layer acts as a light guide layer. That is, the n-type contact layer 3 and the third p-type layer 8 act as a light confinement layer, and the vicinity of the outermost layer of the active layer acts as a light guide layer. The upper limit of the film thickness of the active layer is not particularly limited, but in general, it is desirable to adjust to 0.5 μm or less.
[0040]
Next, using TMG, TMA, ammonia as the source gas, and Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) as the p-type impurity, the first p-type layer 6 made of Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N is 100 angstrom Grow with film thickness.
[0041]
The first p-type layer 6 is composed of a p-type nitride semiconductor containing Al, preferably ternary mixed crystal or binary mixed crystal Al Y Ga 1-Y It is desirable to grow N (0 <Y ≦ 1). Further, it is desirable that the thickness of this AlGaN be smaller than that of the third p-type layer 8 described later, and it is preferably adjusted to 10 angstroms or more and 0.5 μm or less. By forming the first p-type layer 6 in contact with the active layer 5, the output of the device is remarkably improved. This is presumed to have the effect of suppressing the decomposition of InGaN in the active layer during the growth of the first p-type layer 6, but the details are unknown. The first p-type layer 6 is preferably grown to a thickness of 10 angstroms to 0.5 μm or less, but may be omitted.
[0042]
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., and TMG, ammonia and Cp 2 Mg are used to grow a second p-type layer 7 of Mg-doped p-type GaN with a film thickness of 500 angstroms.
[0043]
The second p-type layer 7 acts as a light guide layer or buffer layer on the p-layer side, preferably binary mixed crystal or ternary mixed crystal In Y Ga 1-Y Grow N (0 ≦ Y <1). The second p-type layer 7 acts as a light guide layer when grown when the thickness of the active layer is thin. Further, since the first p-type layer 6 is made of AlGaN or the like, this layer acts like a buffer layer, and the third p-type layer 8 to be grown next can be grown with good crystallinity without cracking. That is, when AlGaN having a large band gap is directly stacked on AlGaN, the crack is likely to be generated in the later grown AlGaN having a large band gap, so the crack is hard to be generated by interposing the second p-type layer 7 doing. It is desirable to grow the second p-type layer 7 to a film thickness of about 100 angstroms to about 0.5 μm, but it can be omitted.
[0044]
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., the third p-type layer 8 made of Mg-doped Al 0.3 Ga 0.7 N is formed to a thickness of 0.3 μm by using TMG, TMA, ammonia as a source gas, and Cp 2 Mg as an acceptor impurity. Grow on.
[0045]
The third p-type layer 8 is made of a nitride semiconductor containing Al, preferably binary mixed crystal or ternary mixed crystal Al Y Ga 1-Y Grow N (0 <Y ≦ 1). The third p-type layer 8 acts as a light confining layer and is preferably grown to a thickness of 0.1 μm to 1 μm, preferably by forming an Al-containing p-type nitride semiconductor such as AlGaN. Act as a confinement layer. This third p-type layer can also be grown because the active layer 5 is a nitride semiconductor containing In. That is, it becomes easy to grow AlGaN with a thick film because the active layer containing InGaN acts like a buffer layer. Conversely, it tends to be difficult to grow an Al-containing nitride semiconductor as a thick film that can be a direct light confinement layer on the Al-containing nitride semiconductor layer.
[0046]
Subsequently, using TMG, ammonia and Cp 2 Mg at 1050 ° C., a p-type contact layer 9 of Mg-doped p-type GaN is grown to a thickness of 0.5 μm.
[0047]
The p-type contact layer 9 is a layer for injecting a current, and a p-type nitride semiconductor (In X Al Y Ga 1-X-Y N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) In particular, when p-type GaN doped with InGaN, GaN, and Mg among them is used, a p-type layer having the highest carrier concentration is obtained. Good ohmic contact with the positive electrode can be obtained, and the threshold current can be reduced. As a material of the positive electrode, a metal or alloy having a relatively high work function such as Ni, Pd, Ir, Rh, Pt, Ag, Au or the like can easily obtain an ohmic contact.
[0048]
The wafer on which the nitride semiconductor is stacked as described above is taken out of the reaction vessel, and selective etching is performed from the p-type contact layer 9 of the uppermost layer as shown in FIG. 1 to expose the surface of the n-type contact layer 3 Striped electrodes are formed on the surfaces of the n-type contact layer 3 and the p-type contact layer 9, respectively, and then the wafer is cleaved from the R surface of the sapphire substrate to make it into a bar shape. Form a resonant surface of the laser in the direction shown, and the resonator length is 600 .mu.m. After that, a reflecting mirror made of a dielectric multilayer film is formed on the resonant surface according to a conventional method, and then the wafer is divided at a position parallel to the striped electrodes to form a laser chip. When this laser chip was placed on a heat sink and pulse oscillation of forward current 320 mA was tried, laser oscillation having a light emission peak at an irregular position as shown in FIG. 3 (c) was shown, and the active layer was doped with impurities. The threshold current is reduced by 50% and the output is improved by 30% as compared with the laser device which is not used.
[0049]
Example 2
In the step of growing the active layer of Example 1, diethyl zinc is used as impurity gas instead of silane gas, and Zn is made 1 × 10 6 19 / Cm 3 And a barrier layer of non-doped In0.01Ga0.95N are grown to a film thickness of 50 angstroms, and a multiple quantum well having a total film thickness of 0.1 μm as well. A laser device having a cavity length of 600 μm was similarly obtained except that the active layer 5 having a structure was grown, and the threshold current was lowered by 25% as compared with the laser device in which the active layer was not doped with impurities. And the output improved by 10%.
[0050]
[Example 3]
In the step of growing the active layer of Example 1, a silane gas as impurity gas and diethyl zinc are used to make Si 1 × 10 5 20 / Cm 3 , And Zn 1 × 10 19 / Cm 3 And a barrier layer of non-doped In0.01Ga0.95N are grown to a film thickness of 50 angstroms, and a multiple quantum well having a total film thickness of 0.1 μm as well. A laser device having a cavity length of 600 μm was similarly obtained except that the active layer 5 having a structure was grown, and the threshold current was reduced by 60% as compared with the laser device in which the active layer was not doped with impurities. And the output improved 35%.
[0051]
【Effect of the invention】
As described above, in the laser device of the present invention, the light emission output is improved by having the region with a large In composition and the region with a small In composition in one well layer of the active layer. Furthermore, by doping the n-type impurity and the p-type impurity in the active layer, the threshold can be reduced without reducing the light emission output. For this reason, it is possible to realize a laser element having a high light emission output and a low threshold. In addition, the threshold current may be further lowered by using the laser device of the present invention as a laser device for stabilizing a transverse mode such as a hetero type, refractive index guided type, or effective refractive index guided type. .
Brief Description of the Drawings
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a laser device according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view showing the vicinity of an active layer of the laser device of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing emission spectra when pulse current is applied to the laser device of the present invention in comparison with each current value.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the concentration of Si doped in the active layer and the reduction rate of the threshold current of the laser element.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the Mg concentration doped in the active layer and the reduction rate of the threshold current of the laser element.
FIG. 6 is an energy band diagram of the well layer of the laser device of the present invention.
[Description of the code]
1 ... substrate
2 ・ ・ ・ Buffer layer
3 ・ ・ ・ n-type contact layer
4 · · · n-type cladding layer
5 ・ ・ ・ Active layer
6 ··· First p-type layer
7 ··· Second p-type layer
8 ・ ・ ・ third p-type layer
9 ・ ・ ・ p-type contact layer