JP7295371B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。

特許文献１及び２には、それぞれ、井戸層と、障壁層と、その間に配置された中間層とから形成された活性領域を含む窒化物半導体発光素子が記載されている。窒化物半導体発光素子は、例えば半導体レーザ素子である。

特開２００４－３５６２５６号公報 特開２０１１－１５１２７５号公報

半導体レーザ素子において、レーザ発振する電流である閾値電流の更なる低減が求められている。

本願は、以下の発明を含む。
第１導電型の第１窒化物半導体層と、
第２導電型の第２窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層との間に配置された、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性領域と、を備え、
前記活性領域は、前記第１窒化物半導体層の側から順に、第１障壁層と、中間層と、井戸層と、第２障壁層と、を有し、
前記中間層の格子定数は、前記第１障壁層及び前記第２障壁層の格子定数よりも大きく、且つ、前記井戸層の格子定数よりも小さく、
前記中間層の膜厚は、前記井戸層の膜厚よりも厚く、
前記井戸層と前記第２障壁層とは接しているか、又は、前記井戸層と前記第２障壁層との距離が前記第１障壁層と前記井戸層との距離よりも小さい、半導体レーザ素子。

このような構成を有することにより、半導体レーザ素子の閾値電流を低減させることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の活性領域のバンドギャップエネルギーを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の模式的な上面図である。 活性領域の変形例１を模式的に示す図である。 活性領域の変形例２を模式的に示す図である。 活性領域の変形例３を模式的に示す図である。 実施例１～４及び比較例１、２の半導体レーザ素子の閾値電流密度を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

（半導体レーザ素子１００）
図１は本発明の一実施形態の半導体レーザ素子１００の模式的な断面図であり、半導体レーザ素子１００の共振器方向と垂直な方向における断面を示す。半導体レーザ素子１００は、第１導電型の第１窒化物半導体層（第３ｎ型半導体層２３）と、第２導電型の第２窒化物半導体層（第２ｐ型半導体層４３）と、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層との間に配置された活性領域３と、を有する。より具体的には、半導体レーザ素子１００は、基板１の上に、ｎ型窒化物半導体層を有するｎ側領域２と、活性領域３と、ｐ型窒化物半導体層を有するｐ側領域４と、がこの順に設けられている。ｐ側領域４の表面にはリッジ４ａが設けられている。活性領域３のうちリッジ４ａの直下の部分及びその近傍が導波路領域である。リッジ４ａの上面とリッジ４ａの側面から連続するｐ側領域４の表面には絶縁膜５が設けられている。基板１はｎ型であり、その下面にはｎ電極８が設けられている。また、ｐ側領域４表面のリッジ４ａに接してｐ電極６が設けられ、さらにその上にｐ側パッド電極７が設けられている。

（基板１）
基板１には、例えばＧａＮやＡｌＮ等からなる窒化物半導体基板を用いることができる。また、窒化物半導体基板以外の基板を用いてもよい。このような基板としては、例えば、サファイアなどの絶縁性基板、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＧａＡｓなどの半導体基板、ガラスなどの上に窒化物半導体を成長させたテンプレート基板などが挙げられる。また、後述するピエゾ電界は、基板１を成長基板としてその上に成長される半導体層の成長方向が＋ｃ軸である場合に特に発生しやすい。したがって、基板１が成長基板である場合には、窒化物半導体が＋ｃ軸成長するように、基板１は＋ｃ面を主面とするＧａＮ基板又はｃ面を主面とするサファイア基板等を用いることが好ましい。ここで＋ｃ面又はｃ面を主面とするとは、厳密にこれらの面であるもののほかに、１度以下のオフ角を有するものを含んでよい。さらには、サファイア基板よりもＧａＮ基板を用いる方がその上に成長される窒化物半導体層の転位密度を低減することができ、後述する中間層３２を厚膜で設け易いと考えられるため、好ましい。

（ｎ側領域２）
ｎ側領域２は、窒化物半導体からなる単層又は多層構造で形成することができる。ｎ側領域２に含まれるｎ型半導体層としては、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。ｎ側領域２は、例えば、基板１側から順に、第１ｎ型半導体層２１、第２ｎ型半導体層２２、第３ｎ型半導体層２３（ｎ型窒化物半導体層）、第４ｎ型半導体層２４を有する。ｎ側領域２にはこれら以外の層が配置されてもよく、また、一部の層を省略してもよい。

第１～第４ｎ型半導体層２１～２４は、ｎ型不純物を含有する。第１ｎ型半導体層２１は、例えばＡｌＧａＮからなる。第２ｎ型半導体層２２は、例えばＩｎＧａＮからなる。第３ｎ型半導体層（ｎ型窒化物半導体層）２３は、例えば第１ｎ型半導体層２１よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなる。第３ｎ型半導体層２３は、ｎ側領域２において最大のバンドギャップエネルギーを有してよい。第３ｎ型半導体層２３はｎ側クラッド層（第１クラッド層）として機能させることができる。第３ｎ型半導体層２３の膜厚は、例えば０．７～１．２μｍ程度である。第４ｎ型半導体層２４は、例えばＧａＮからなる。第４ｎ型半導体層２４の膜厚は、例えば第３ｎ型半導体層２３の膜厚よりも小さい。

ｎ側組成傾斜層２５は、例えば基板１側をＧａＮとし活性領域３側をＩｎＧａＮとして徐々に組成が変化した層である。ｎ側組成傾斜層２５の膜厚は、５０ｎｍ～５００ｎｍとすることができる。ｎ側組成傾斜層２５は、ｎ型不純物を含有することが好ましい。組成傾斜層は、少しずつ組成を変えた層の積層構造であるため、その積層構造中のヘテロ界面には負の固定電荷が発生し、それによって生じるバンドスパイクがキャリア注入障壁となる。ｎ側組成傾斜層２５にｎ型不純物を含有させることで、そのバンドスパイクを緩和することができる。

第３ｎ型半導体層２３と第４ｎ型半導体層２４とｎ側組成傾斜層２５は、第３ｎ型半導体層２３から井戸層３３に向かって格子定数が徐々に増加する関係であることが好ましい。これにより、井戸層３３にかかる歪を緩和することができ、ピエゾ電界の影響を低減することができる。ｎ側光ガイド層（第１光ガイド層）として機能する層としては、例えば第４ｎ型半導体層２４及び／又はｎ側組成傾斜層２５が挙げられる。第４ｎ型半導体層２４は省略してもよい。後述する活性領域３中の障壁層の膜厚が薄い場合はｎ側組成傾斜層２５も障壁層の機能を有する場合がある。

（活性領域３）
活性領域３は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する。図２は、半導体レーザ素子１００の活性領域３のバンドギャップエネルギーを模式的に示す図である。図２に示す活性領域３は単一量子井戸構造である。図２に示すように、活性領域３は、第１窒化物半導体層の側から順に、第１障壁層３１と、中間層３２と、井戸層３３と、第２障壁層３４と、を有することができる。活性領域３にはこれら以外の層が配置されてもよく、また、一部の層を省略してもよい。中間層３２の格子定数は、第１障壁層３１及び第２障壁層３４の格子定数よりも大きく、且つ、井戸層３３の格子定数よりも小さい。中間層３２の膜厚は、井戸層３３の膜厚よりも厚い。図２では井戸層３３と第２障壁層３４とは接している。井戸層３３と第２障壁層３４との間に別の層を配置してもよいが、この場合、井戸層３３と第２障壁層３４との距離が第１障壁層３１と井戸層３３との距離よりも小さくなるように別の層を配置する。

活性領域３の中の井戸層３３として、例えばＩｎＧａＮが用いられる。活性領域３を挟む第３ｎ型半導体層２３及び第２ｐ型半導体層４３としては、それぞれ例えばＡｌＧａＮ及びＧａＮが用いられる。このように格子定数の異なる半導体層が積層されていることにより、活性領域３、特に井戸層３３に例えば圧縮歪がかかる。井戸層３３に歪が加わることでピエゾ電界が発生する。ピエゾ電界が発生することによりホールの波動関数と電子の波動関数とが空間的に分離され、キャリアの再結合確率が低下する。これにより、半導体レーザ素子の発光効率が低下し、半導体レーザ素子がレーザ発振するための閾値電流が上昇する。

そこで、本実施形態では、中間層３２を設ける。第１障壁層３１と井戸層３３の間の格子定数を有する中間層３２を設けることにより、井戸層３３にかかる歪を緩和させることができる。加えて、中間層３２を設けることにより、第２導電型のキャリア（例えばホール）の波動関数のピークを第１障壁層３１の側に近づけることができる。これらによって、キャリアの再結合確率を上昇させることができる。したがって、半導体レーザ素子１００の発光効率を上昇させることができ、閾値電流を低減させることができる。中間層３２が薄すぎると波動関数のピークを第１障壁層３１の側に近付ける効果が弱まるため、中間層３２の膜厚は井戸層３３の膜厚よりも厚いことが好ましい。また、閾値電流が上昇すると閾値電流密度も上昇するが、閾値電流密度が高いほどキャリアが活性領域３からオーバーフローする確率が増大すると考えられる。閾値電流を低減させることで、オーバーフローの確率を低減させ、これによって光出力の温度特性を向上させることが可能である。本明細書において、光出力の温度特性とは、常温時の光出力に対する高温時の光出力の割合を指す。

井戸層３３と第２障壁層３４とは接しているか、又は、そうでない場合は、井戸層３３と第２障壁層３４との距離が第１障壁層３１と井戸層３３との距離よりも小さいことが好ましい。仮に第２障壁層３４と井戸層３３との間にも中間層３２のような層を設けると第１導電型のキャリア（電子）の波動関数のピークが第２障壁層３４の側に近づき、第２導電型のキャリア(正孔)の波動関数のピークが第１障壁層３１の側に近づく。これにより、波動関数の空間的重なりが減り、発光効率が下がってしまう。したがって、上述の構成とすることが好ましい。さらには、井戸層３３と第２障壁層３４との間に別の層を設ける場合は、その別の層の膜厚が中間層３２として機能しない程度に薄いことが好ましい。具体的には、井戸層３３と第２障壁層３４との間の距離が井戸層３３の膜厚よりも小さいことが好ましい。また、井戸層３３と第２障壁層３４との間に設ける別の層は、井戸層３３と第２障壁層３４との間の格子定数及びバンドギャップエネルギーを有する層とする。

活性領域３を構成する各層は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮのような二元系又は三元系の化合物半導体からなることが好ましい。ＡｌＩｎＧａＮのような四元系化合物半導体であれば、その組成比を調整することで、バンドギャップエネルギー差は大きいが格子定数差は小さい積層構造を形成することができる。しかし、四元系化合物半導体よりも二元系又は三元系の化合物半導体の方が設計値に近い組成比を製造しやすい。このため、活性領域３は二元系又は三元系の化合物半導体で構成することが好ましい。そしてこの場合は各層の格子定数差が大きくなりやすいため、歪を緩和可能な中間層３２を設けることがより好ましい。

活性領域３が多重量子井戸構造である場合は、図４に示すように、井戸層３３を複数配置し、それらの間に中間障壁層３７を配置する。この場合、活性領域３は、すべての井戸層３３とそれを挟む層の関係が、図２に示す第１障壁層３１と中間層３２と井戸層３３と第２障壁層３４のような関係となるようにすればよい。中間層３２は、組成傾斜層であってもよくそうでなくてもよい。図２に示す活性領域３は単一量子井戸構造である。単一量子井戸構造であれば、井戸層３３の発光が別の井戸層で吸収されることが無いため光損失を小さくすることができ、また、障壁層３１の数が少ないため活性領域３の次に成長させる層（例えばｐ側領域４の層）の結晶性を向上させることができる。一方で、単一量子井戸構造は多重量子井戸構造よりも光閉じ込め係数が低くなる場合があり、この場合はこれによって閾値電流が上昇するが、中間層３２を設けることで閾値電流を低減することができる。また、多重量子井戸構造の場合は中間層３２を複数設けることになるため各中間層３２の膜厚を大きくすると井戸層３３の結晶性の悪化が懸念される。このため、単一量子井戸構造の方が中間層３２の膜厚増大による閾値電流の低減の効果が得られやすい可能性がある。

（第１障壁層３１）
第１障壁層３１としては、井戸層３３よりバンドギャップエネルギーが大きい材料を用い、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、又はＡｌＧａＮを用いることができる。発振波長４３０ｎｍ以上である場合など井戸層３３のＩｎ組成比が比較的大きい場合は、それとの格子定数差が大きくなりすぎないようにＩｎ_ａＧａ_１－ａＮ（０≦ａ＜１）が好ましい。井戸層３３の結晶性を向上するためには第１障壁層３１はＧａＮであることが好ましい。第１障壁層３１の膜厚は、１原子層以上とすることができ、また、２０ｎｍ以下とすることができる。

（中間層３２）
中間層３２は、膜厚が厚いほど井戸層３３への歪の緩和の効果が大きいと考えられる。このため、中間層３２の膜厚は井戸層３３の膜厚の１．５倍以上であることがより好ましい。後述する図７に示すように、中間層３２の膜厚が井戸層３３の膜厚未満の範囲では膜厚増による閾値電流密度の変化度合が大きく、井戸層３３の膜厚よりも厚い範囲では閾値電流密度の変化度合が緩やかであるという傾向がみられた。得られる半導体レーザ素子１００の品質を安定させるためには閾値電流密度の変化度合が緩やかである範囲の膜厚を採用することが好ましいと考えられる。このため、この観点からも、中間層３２の膜厚は井戸層３３の膜厚の１．５倍以上であることが好ましい。また、図７から、中間層３２の膜厚は３ｎｍ以上であることが好ましいといえる。一方で、膜厚が厚いほどキャリア（例えばホール）のオーバーフローの確率が上昇すると考えられる。このため、中間層３２の膜厚は井戸層３３の膜厚の６倍未満であることが好ましく、３倍以下であることがより好ましい。また、図７から、中間層３２の膜厚は１３ｎｍ未満であることが好ましく、６ｎｍ以下であることがより好ましいといえる。

中間層３２としては、第１障壁層３１と井戸層３３の間の格子定数を有する材料を用いることができる。このような材料としては、第１障壁層３１よりもＩｎ組成比が高く、且つ、井戸層３３よりもＩｎ組成比が低いＩｎ_ｂＧａ_１－ｂＮ（ａ＜ｂ＜１）が挙げられる。第１障壁層３１がＧａＮである場合はそのＩｎ組成比は０％である。中間層３２がＩｎ_ｂＧａ_１－ｂＮである場合、そのＩｎ組成比ｂが井戸層３３に近いほど、井戸層３３への歪の緩和の効果が大きくなるがキャリアのオーバーフローの確率は上昇すると考えられる。このため、中間層３２のＩｎ組成比ｂは、井戸層３３のＩｎ組成比ｃと第１障壁層３１のＩｎ組成比ａとの合計値の半分以下とすることが好ましい。中間層３２のＩｎ組成比ｂは井戸層３３のＩｎ組成比ｃの半分以下としてもよい。中間層３２のＩｎ組成比ｂは、例えば５～１５％とすることができる。図２において中間層３２は第１障壁層３１と接している。

中間層３２は井戸層３３とｎ側領域２の間に配置することが好ましい。これは、窒化物半導体においては電子よりもホールの方が移動し難いためである。中間層３２を井戸層３３のｎ側領域２の側に配置することで、効率的に、井戸層３３にかかる歪を緩和することができ、また、キャリアの再結合確率を上昇させることができる。また、各半導体層として窒化物半導体を用いる場合、ｎ側領域２、活性領域３、ｐ側領域４の順に成長させる傾向があり、井戸層３３の成長前に中間層３２を成長させることが井戸層３３の歪緩和に有利であると考えられる。

中間層３２はアンドープでもよいが、第１導電型の不純物（例えばｎ型不純物）を含有していてもよい。第１導電型の不純物を含有することにより、キャリア（例えばホール）のオーバーフローの確率を低減することができる。また、中間層３２がアンドープでなく不純物を含有する場合は、膜厚を厚くするほど結晶性が悪化しやすい。したがって、中間層３２が不純物を含有する場合は特に、その膜厚を上述のとおり１３ｎｍ未満とすることが好ましい。ｎ型不純物やｐ型不純物としては、ｎ側領域２及びｐ側領域４で挙げたものと同様の材料を用いることができる。例えばｎ型不純物を含有させる場合、電子キャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^３以上が好ましく、さらには１×１０^１９ｃｍ^３以上が好ましい。また、１×１０^２０ｃｍ^３以下が好ましく、さらには６×１０^１９ｃｍ^３以下が好ましい。このような範囲とすることでより効率的にホールのオーバーフローの確率を低減することが可能である。

図５に示すように、中間層３２は、組成傾斜層としてもよい。中間層３２を第１障壁層３１から井戸層３３に向かって格子定数が増大する（Ｉｎ_ｂＧａ_１－ｂＮの場合はＩｎ組成比ｂが増大する）組成傾斜層とすることで、井戸層３３の歪の緩和効果がより大きくなると考えられる。図４では、中間層３２の最も第１障壁層３１に近い部分のＩｎ組成比ｂは第１障壁層３１のＩｎ組成比ａ（０％）よりも大きいが、第１障壁層３１と同じであってもよい。

なお、本明細書において、組成傾斜層とは、複数の層が積層された多層構造であって、総体として組成傾斜している層を指す。例えばＩｎ_ＸＧａ_１－ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる組成傾斜層の場合は、これを構成する各層が、膜厚２５ｎｍ以下、且つ、隣接する層とのＩｎ組成比の差が０．５％以下であるものを指す。さらには、各層の膜厚は２０ｎｍ以下であることが好ましい。各層の膜厚の下限値は例えば１原子層である。隣接する層とのＩｎ組成比の差は０．１％以下であることが好ましい。その下限値は例えば０．００７％程度である。このような範囲とすることにより組成傾斜層において生じる歪みを低減することができる。また、組成傾斜層のＩｎ組成比や格子定数等を他の層のそれらと比較する場合は、組成傾斜層の平均値を用いる。例えばＩｎ組成比が７％から１０％まで徐々に変化する組成傾斜層の場合は、その平均値８．５％を組成傾斜層のＩｎ組成比として他の層との大小関係を比較する。

中間層３２は、井戸層３３に隣接することから、コア・クラッド構造のコア層としての役割を兼ねるとも考えられる。このことから、中間層３２を設けることで光閉じ込め係数が向上することも期待できる。光閉じ込め係数が向上すれば、発光効率が向上し、閾値電流の低減が可能である。

（井戸層３３）
井戸層３３は、Ｉｎ_ｃＧａ_１－ｃＮ（ｂ＜ｃ＜１）とすることができる。井戸層３３のＩｎ組成比ｃは、例えば１７％以上とすることができる。半導体レーザ素子１００の発振波長が長波になるほど、井戸層３３のＩｎ組成比ｃが大きくなり、活性領域３の外側の層との格子定数差が大きくなる。このため、ピエゾ電界の影響をより顕著に受けやすくなる。したがって、半導体レーザ素子１００の発振波長が４３０ｎｍ以上である場合に特に、中間層３２を設けることが好ましい。発振波長４３０ｎｍ以上の半導体レーザ素子とする場合の井戸層３３のＩｎ組成比ｃは、全体の層構造によって多少増減するが、例えば１０％以上である。井戸層３３のＩｎ組成比ｃは、例えば５０％以下とすることができる。このとき、半導体レーザ素子の発振波長は６００ｎｍ以下程度であると考えられる。井戸層３３の膜厚は、例えば２～４ｎｍとすることができる。井戸層３３は、結晶性向上や光吸収低減の観点から、アンドープであることが好ましい。

（第２障壁層３４）
第２障壁層３４は、井戸層３３よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。第２障壁層３４は、例えばＩｎ_ｄＧａ_１－ｄＮ（０≦ｄ＜ｂ）である。第２障壁層３４の組成及び膜厚の範囲は、上述の第１障壁層３１と同様のものを採用することができる。第２障壁層３４にｎ型不純物を含有させると、光吸収やホールのトラップの虞があるため、また、ｐ型不純物であるＭｇは光吸収を生じさせるため、第２障壁層３４はアンドープとすることが好ましい。例えば第２障壁層３４はアンドープのＧａＮからなる。

（その他の層）
図２において、第１障壁層３１は、活性領域３の最も外側、すなわちｎ側領域２に最も近い位置に配置されているが、第１障壁層３１のｎ側領域２の側に別の層を配置してもよい。例えば図６に示すように、第１障壁層３１の膜厚を５ｎｍ以下とし、第１障壁層３１のｎ側領域２の側に、第１障壁層３１よりも格子定数が大きく且つ膜厚が厚いＩｎＧａＮ層３５を配置してもよい。このようなＩｎＧａＮ層３５を設けることにより、井戸層３３への歪を緩和することができる。このＩｎＧａＮ層３５の膜厚は３０ｎｍ以下とすることができる。ＩｎＧａＮ層３５を設ける場合、その基板１側にさらにＧａＮ層３６を設けてもよい。ＧａＮ層３６の膜厚は５ｎｍ以下とすることができる。後述するように、中間層３２は井戸層３３とｎ側領域２の間に配置することが好ましいため、第１障壁層３１も井戸層３３とｎ側領域２の間に配置することが好ましい。第１障壁層３１が量子井戸構造の障壁層として機能するためには井戸層３３の近傍に配置されていることが好ましく、例えば第１障壁層３１は井戸層３３からの距離が２０ｎｍ以下となる位置に配置されることが好ましい。

図２では井戸層３３と中間層３２とが接しているが、井戸層３３と中間層３２との間に薄膜層（第１薄膜層）を設けてもよい。中間層３２の効果を得るためには中間層３２を井戸層３３の近くに配置することが好ましいため、第１薄膜層は中間層３２の効果を阻害しない程度の膜厚で設ける。例えば、第１薄膜層の膜厚を井戸層３３の膜厚以下とすることができ、また、２ｎｍ以下とすることができる。換言すれば、井戸層３３と中間層３２との間の距離は井戸層３３の膜厚以下とすることができ、また、２ｎｍ以下とすることができる。第１薄膜層は、中間層３２から井戸層３３に向かって格子定数が増大する組成を有する組成傾斜層としてもよい。これにより、井戸層３３にかかる歪を緩和することができる。第１薄膜層は、組成傾斜層でなくてもよい。この場合、中間層３２と井戸層３３の間の格子定数及びバンドギャップエネルギーを有する層として設けることができる。

図２では第２障壁層３４は井戸層３３と接しているが、第２障壁層３４と井戸層３３との間に薄膜層（第２薄膜層）を設けてもよい。第２薄膜層は、第２障壁層３４と井戸層３３との間の格子定数及びバンドギャップエネルギーを有する層とすることができる。第２薄膜層は、中間層３２のような機能を有しない程度の厚みとすることが好ましい。第２薄膜層の膜厚は、井戸層３３の膜厚未満とすることができる。第２薄膜層の膜厚は例えば２ｎｍ以下とすることができる。

（ｐ側領域４）
ｐ側領域４は、窒化物半導体層からなる単層又は多層構造で形成することができる。ｐ側領域４に含まれるｐ型窒化物半導体層としては、Ｍｇ等のｐ型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。ｐ側領域４は、例えば、活性領域３側から順に、ｐ側組成傾斜層４１、第１ｐ型半導体層４２、第２ｐ型半導体層４３（ｐ型窒化物半導体層）、第３ｐ型半導体層４４を有する。ｐ側領域４にはこれら以外の層が配置されてもよく、また、一部の層を省略してもよい。半導体レーザ素子１００にはリッジ４ａが設けられており、活性領域３のうちリッジ４ａの直下の部分及びその近傍が導波路領域である。リッジ４ａは形成しなくてもよい。

ｐ側組成傾斜層４１は、例えば活性領域３側をＩｎＧａＮとし第１ｐ型半導体層４２側をＧａＮとして徐々に組成が変化した層である。第２障壁層３４と同様の理由から、ｐ側組成傾斜層４１はアンドープであることが好ましい。ｐ側組成傾斜層４１の膜厚は、５０ｎｍ～５００ｎｍとすることができる。ｐ側組成傾斜層４１は、ｐ側組成傾斜層４１の活性領域３側の界面及び第１ｐ型半導体層４２側の界面を除くすべての領域に亘って、およそ０．００４ｅＶ／ｎｍ以上のバンドオフセットが存在しないことが好ましい。急峻なバンドオフセットが存在するとホールがトラップされることがあるが、このような範囲内であればホールがトラップされる確率を低減することができる。ｐ側組成傾斜層４１が（Ｉｎ）ＧａＮである場合は、ＩｎＧａＮのＩｎ組成比になおすと０．１％／ｎｍ以上の急峻な組成比変動が存在しないことが好ましい。活性領域３中の障壁層の膜厚が薄い場合はｐ側組成傾斜層４１も障壁層の機能を有する場合がある。

第１～第３ｐ型半導体層４２～４４は、ｐ型不純物を含有する。第１ｐ型半導体層４２は、例えばＡｌＧａＮからなる。第１ｐ型半導体層４２は、例えば電子ブロック層として機能する。第１ｐ型半導体層４２は、ｐ側領域４中で最も高いバンドギャップエネルギーを有し、且つｐ側組成傾斜層４１よりも膜厚が小さい層として設けてよい。第２ｐ型半導体層４３（本実施形態ではこの層をｐ型窒化物半導体層とする）は、例えばＡｌＧａＮからなる。第２ｐ型半導体層４３は、ｐ側領域４中で電子ブロック層に次いで高いバンドギャップエネルギーを有してよい。第１ｐ型半導体層４２と第２ｐ型半導体層４３の間にアンドープ又は第２ｐ型半導体層４３の半導体層を配置してもよい。アンドープ層と第２ｐ型半導体層４３との膜厚の大小関係は、第２ｐ型半導体層４３の方が厚くてもよいが、ｐ側領域４における光吸収を低減するためにアンドープ層と第２ｐ型半導体層４３を同程度の膜厚としてもよい。アンドープ層と第２ｐ型半導体層４３は例えば同じ組成の層である。第３ｐ型半導体層４４は、例えばＧａＮからなり、ｐ型コンタクト層として機能する。ｐ側光ガイド層（第２光ガイド層）として機能する層としては、例えばｐ側組成傾斜層４１及び／又はｐ型半導体層４３が挙げられる。第２ｐ型半導体層４３はｐ側クラッド層（第２クラッド層）として機能する層であってもよいが、後述するｐ電極６としてＩＴＯ等のクラッド層の機能を備える材料を用いる場合は、ｐ電極６をクラッド層とし、ｐ側領域４内にクラッド層を設けなくてもよい。

（その他の部材）
半導体レーザ素子１００は、ｐ側領域４の表面の一部に設けられた絶縁膜５を有することができる。絶縁膜５は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ等の酸化物又は窒化物等の単層膜又は積層膜によって形成することができる。絶縁膜５の膜厚は、１０～５００ｎｍ程度とすることができる。ｐ電極６は、例えばリッジ４ａの上面に設けられる。ｐ側パッド電極７は、ｐ電極６に接触して設けられる。ｐ側パッド電極７はｐ電極６よりも大面積であり、ｐ側パッド電極７にワイヤ等が接続される。ｎ電極８は、例えばｎ型の基板１の下面のほぼ全域に設けられる。各電極の材料としては、例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属又は合金、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎから選択される少なくとも１種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。導電性酸化物としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）等が挙げられる。各電極の厚みは、例えば、０．１～２μｍ程度が挙げられる。なお、本明細書において、活性領域３からみてｐ側領域４が位置する側を上方とし、ｎ側領域２が位置する側を下方とする。そして、上面及び下面とは、このような上下方向における面を指す。

図３に、半導体レーザ素子１００の模式的な上面図を示す。図３に示すように、ｐ電極６を光出射端面及び光反射端面から離間した位置に設けることが好ましい。これにより、各端面及びその近傍における電流集中を緩和することができる。加えて、上面視において、光出射端面及び光反射端面のそれぞれからの距離が、ｐ側パッド電極７の方がｐ電極６よりも小さくなるように各電極を設けることが好ましい。これにより、ｐ側パッド電極７によって光出射端面及び光反射端面及びその近傍に生じる熱を放散することができる。これらの構成により、半導体レーザ素子１００が頓死する確率を低減することができる。光出射端面の方が光反射端面よりも発熱しやすいため、ｐ電極６は光出射端面からの距離の方を光反射端面からの距離よりも大きくすることが好ましい。

また、図１及び図３に示すように、絶縁膜５は、ｐ電極６の一部を被覆してもよい。絶縁膜５は開口５ａを有し、その開口５ａを介してｐ電極６はｐ側パッド電極７と接続されている。このような構成により、ｐ側パッド電極７から注入される電流が絶縁膜５で遮られる。このため、絶縁膜５による被覆領域を調整することにより、電流注入領域を調整することができる。図３に示すように、光出射端面の側の被覆領域を光反射端面の側の被覆領域よりも大きくすることで、光出射端面の側の電流注入量を低減することができ、光反射端面の側の発熱を低減することができる。且つ、ｐ電極６の端は光注入領域の端よりも光反射端面に近い位置にあるため、ｐ電極６による放熱は期待できる。光出射端面及び光反射端面には、誘電体多層膜等の反射膜を形成してもよい。ｐ電極６の幅はリッジ４ａの上面の幅と同じであってもよい。

［実施例１］
実施例１として、以下に示す半導体レーザ素子を作製した。

＋ｃ面を主面とするＧａＮ基板（基板１）上に、ｎ側領域２を成長させた。ｎ側領域２は、ＧａＮ基板側から順に以下の層を有する。
膜厚１．５μｍのＳｉドープしたＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層（第１ｎ型半導体層２１）、
膜厚１５０ｎｍのＳｉドープしたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層（第２ｎ型半導体層２２）、
膜厚１μｍのＳｉドープしたＡｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層（第３ｎ型半導体層２３）、
膜厚３００ｎｍのＳｉドープしたＧａＮ層（第４ｎ型半導体層２４）、
膜厚２５０ｎｍのＳｉドープの組成傾斜層（ｎ側組成傾斜層２５）。
ｎ側組成傾斜層２５は、成長の始端をＧａＮとし、成長の終端をＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎとして、組成傾斜がほぼ直線状となるようにＩｎ組成を実質的に単調増加させて成長させた。
次に、活性領域３を成長させた。活性領域３は、ｎ側領域２の側から順に以下の層を有する。
膜厚１ｎｍのＳｉドープしたＧａＮ層、
膜厚８ｎｍのＳｉドープしたＩｎＧａＮ層、
膜厚１ｎｍのＳｉドープしたＧａＮ層（第１障壁層３１）、
膜厚３ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ組成傾斜層（中間層３２）、
膜厚２．２５ｎｍのアンドープのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層（井戸層３３）、
膜厚１ｎｍのアンドープのＧａＮ層（第２障壁層３４）。
中間層３２は、成長の始端をＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎとし、成長の終端をＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとして、組成傾斜がほぼ直線状となるようにＩｎ組成を実質的に単調増加させて成長させた。
次に、ｐ側領域４を成長させた。ｐ側領域４は、活性領域３の側から順に以下の層を有する。
膜厚２５０ｎｍのアンドープの組成傾斜層（ｐ側組成傾斜層４１）、
膜厚１０ｎｍのＭｇをドープした高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層（第１ｐ型半導体層４２）、
膜厚３００ｎｍのＭｇを一部にドープした低Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層（第２ｐ型半導体層４３）、
膜厚１５ｎｍの最後に、ＭｇをドープしたＧａＮ層（第３ｐ型半導体層４４）。
ｐ側組成傾斜層４１は、成長の始端をＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎとし、成長の終端をＧａＮとして、組成傾斜がほぼ直線状となるようにＩｎ組成を実質的に単調減少させて成長させた。

そして、以上の層が形成されたエピタキシャルウエハーをＭＯＣＶＤ炉内より取り出し、リッジ、ｎ電極、ｐ電極等を形成し、個片化して半導体レーザ素子を得た。半導体レーザ素子は、リッジ幅を４５μｍ、共振器長を１２００μｍとした。

［実施例２～４］
実施例２～４として、中間層３２の膜厚が異なる以外は実施例１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。実施例２では中間層３２の膜厚を４ｎｍとし、実施例３では中間層３２の膜厚を６．５ｎｍとし、実施例４では中間層３２の膜厚を１３ｎｍとした。実施例２～４の中間層３２は実施例１の中間層３２と同様に組成傾斜層であり、その成長始端の組成と成長終端の組成は実施例１と同じとした。

［比較例１］
比較例１として、中間層３２を設けない以外は実施例１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。

［比較例２］
比較例２として、中間層３２の膜厚が異なる以外は実施例１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。比較例２では中間層３２の膜厚を１ｎｍとした。

（閾値電流密度、相対光出力）
実施例１～４及び比較例１、２の半導体レーザ素子は、いずれも、同じ条件で複数個作成した。そして、それぞれ閾値電流密度と相対光出力とを測定し、各実施例及び各比較例における中央値を各実施例及び各比較例の閾値電流密度及び相対光出力の値とした。なお、各実施例及び各比較例のいずれも、半導体レーザ素子の発振波長の中央値は４５５ｎｍ程度であった。また、ここでの相対光出力とは、環境温度８０℃で測定した光出力を環境温度２５℃で測定した光出力で割った数値を指す。相対光出力の数値が大きいほど光出力温度特性が良好であるといえる。

図７に、実施例１～４及び比較例１、２の半導体レーザ素子の閾値電流密度を示す。閾値電流密度が小さいほど閾値電流が低いといえる。図７に示す結果から、中間層を設けることにより閾値電流密度が低減されることがわかった。図７に示すように、閾値電流密度は、中間層の膜厚が井戸層の膜厚と同程度になるまでは急激に減少し、それ以上の膜厚では緩やかに減少している。この結果から、中間層の膜厚を井戸層の膜厚よりも厚くすることで低い閾値電流の半導体レーザ素子を安定して得ることができるといえる。一方で、中間層の膜厚が１３ｎｍまで厚くなると閾値電流密度はやや高い値となった。これは、中間層が厚くなることによりホールがオーバーフローする確率が上昇したためと考えられる。

また、相対光出力については、比較例１（０ｎｍ）が７０％であり、比較例２（１ｎｍ）が７２％であり、実施例１（３ｎｍ）が７４％であり、実施例２（４ｎｍ）が７４％であり、実施例３（６．５ｎｍ）が７２％であり、実施例４（１３ｎｍ）が６９％であった。なお、これらの数値は小数点以下を四捨五入した数値である。このように、相対光出力は、中間層を設けることで概ね上昇したが、膜厚が１３ｎｍの場合は中間層を設けない場合よりも低い値となった。これは、閾値電流密度が低いほどレーザ発振で固定されるホールの量が少なくなることは相対光出力が上昇する方向に働くが、中間層の膜厚が厚くなるほどホールがｎ側領域の側に染み出しやすくなることは相対光出力が低下する方向に働くためであると考えられる。これらの結果から、中間層の膜厚は厚すぎないことが好ましいといえる。

本発明に係る半導体レーザ素子は、光ディスク用光源の他、プロジェクタやテレビ用光源といったディスプレイ用光源や、医療用光源、照明用光源等に利用することができる。

１００ 半導体レーザ素子
１ 基板
２ ｎ側領域
２１ 第１ｎ型半導体層
２２ 第２ｎ型半導体層
２３ 第３ｎ型半導体層（ｎ型窒化物半導体層）
２４ 第４ｎ型半導体層
２５ ｎ側組成傾斜層
３ 活性領域
３１ 第１障壁層
３２ 中間層
３３ 井戸層
３４ 第２障壁層
３５ ＩｎＧａＮ層
３６ ＧａＮ層
３７ 中間障壁層
４ ｐ側領域
４１ ｐ側組成傾斜層
４２ 第１ｐ型半導体層
４３ 第２ｐ型半導体層（ｐ型窒化物半導体層）
４４ 第３ｐ型半導体層
４ａ リッジ
５ 絶縁膜
５ａ 開口
６ ｐ電極
７ ｐ側パッド電極
８ ｎ電極

Claims (11)

1. 第１導電型の第１窒化物半導体層と、
   第２導電型の第２窒化物半導体層と、
   前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層との間に配置された、単一量子井戸構造の活性領域と、を備え、
   前記第１窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体層であり、
   前記第２窒化物半導体層は、ｐ型窒化物半導体層であり、
   前記活性領域は、前記第１窒化物半導体層の側から順に、第１障壁層と、中間層と、井戸層と、第２障壁層と、を有し、
   前記第１障壁層は２０ｎｍ以下であり、
   前記中間層の格子定数は、前記第１障壁層及び前記第２障壁層の格子定数よりも大きく、且つ、前記井戸層の格子定数よりも小さく、
   前記中間層の膜厚は、前記井戸層の膜厚よりも厚く、
   前記井戸層と前記第２障壁層とは接しているか、又は、前記井戸層と前記第２障壁層との距離が前記第１障壁層と前記井戸層との距離よりも小さい、半導体レーザ素子。
2. 前記中間層の膜厚は１３ｎｍ未満である請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記中間層の膜厚は３ｎｍ以上である請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記第１障壁層はＩｎ_ａＧａ_１－ａＮ（０≦ａ＜１）であり、
   前記中間層はＩｎ_ｂＧａ_１－ｂＮ（ａ＜ｂ＜１）であり、
   前記井戸層はＩｎ_ｃＧａ_１－ｃＮ（ｂ＜ｃ＜１）であり、
   前記第２障壁層はＩｎ_ｄＧａ_１－ｄＮ（０≦ｄ＜ｂ）である請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記中間層のＩｎ組成比ｂは、前記井戸層のＩｎ組成比ｃの半分以下である請求項４に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記中間層は、前記第１障壁層から前記井戸層に向かって格子定数が増大する組成を有する組成傾斜層である請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記半導体レーザ素子は、第１クラッド層と、第２クラッド層と、第１光ガイド層と、第２光ガイド層と、を備え、
   前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に前記活性領域が配置され、
   前記第１クラッド層と前記活性領域との間に、前記第１光ガイド層が配置され、
   前記第２クラッド層と前記活性領域との間に、前記第２光ガイド層が配置されている請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記第１窒化物半導体層は、前記第１クラッド層又は前記第１光ガイド層であり、
   前記第２窒化物半導体層は、前記第２クラッド層又は前記第２光ガイド層である請求項７に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記半導体レーザ素子は、基板を備え、
   前記基板の側から順に、前記第１窒化物半導体層と、前記活性領域と、前記第２窒化物半導体層と、が配置されている請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記第２障壁層がアンドープである請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
11. 前記井戸層がＩｎＧａＮからなる請求項１～１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

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