窒化物半導体レーザ素子
【課題】 窒化物半導体を用いたレーザ素子を実現する。
【解決手段】 少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたインジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有し、インジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる。
【解決手段】 少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたインジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有し、インジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ、０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）よりなるレーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外〜赤色に発振可能なレーザ素子の材料として窒化物半導体（Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ、０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）が知られている。我々はこの半導体材料を用いて、１９９３年１１月に光度１ｃｄの青色ＬＥＤを発表し、１９９４年４月に光度２ｃｄの青緑色ＬＥＤを発表し、１９９４年１０月には光度２ｃｄの青色ＬＥＤを発表した。これらのＬＥＤは全て製品化されて、現在ディスプレイ、信号等の実用に供されている。
【０００３】
図１に現在の青色、青緑色ＬＥＤの発光チップの構造を示す。基本的にはサファイア基板１１の上にｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層１３と、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる活性層１４と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層１５と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１６とが順に積層された構造を有している。なおサファイア基板１１とｎ型コンタクト層１２との間にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＮよりなるバッファ層が形成されているがこの図では特に図示していない。活性層１４のｎ型ＩｎＧａＮはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントおよび／またはＺｎ、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがドープされており、ＬＥＤ素子の発光波長は、その活性層のＩｎＧａＮのＩｎ組成比を変更するか、または活性層にドープする不純物の種類を変更することで、紫外〜赤色まで変化させることが可能となっている。
【特許文献１】特開平６−２６０６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようにダブルへテロ構造で発光するＬＥＤが実現された現在、次の課題はは窒化物半導体を用いた短波長レーザ素子の実現にある。しかしながら窒化物半導体は未だレーザ発振するには至っていない。
【０００５】
従って本発明はその課題を解決するために成されたものであって、その目的とするところは窒化物半導体を用いたレーザ素子を実現することにあり、特に紫外〜緑色領域で発振する短波長レーザを実現するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
我々は、まず第一にダブルへテロ構造となるように積層された窒化物半導体中の所定の位置に活性層の発光を閉じこめられる光反射膜を形成し、第二に活性層の結晶性を良くすることにより上記問題が解決できることを新規に見いだし本発明を成すに至った。即ち本発明の第１の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｎ型クラッド層と前記ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成してもよい。
【０００９】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成してもよい。
【００１０】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなる第２のｎ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体よりなる第１のｎ型クラッド層と、その第１のｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１のｎ型クラッド層と前記第２のｎ型クラッド層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第１のｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００１３】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第２のｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【００１４】
また、本発明はｐ型クラッド層の外側に、互いに組成の異なる２種類のｐ型窒化物半導体層が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備えることを特徴とする。
ここで、本明細書において、外側とは活性層が形成されているクラッド層の反対側を意味するものであって、必ずしもクラッド層に接している必要はない。
すなわち、本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００１７】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【００１８】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなる第１のｐ型クラッド層と、第２のｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１のｐ型クラッド層と前記第２のｐ型クラッド層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第１のｐ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００２１】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第２のｐ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明した本発明のレーザ素子は活性層の発光を反射する多層膜層を備えているため、発光を基板側に逃がさず効率的に活性層の光閉じ込めを行うことができる。従って、例えばストライプ型のレーザを作製した場合には容易にレーザ発振可能となる。
さらに、本発明の好ましい態様として、ＩｎＧａＮよりなる活性層のいずれかの主面側にＩｎＧａＮのクラッド層を形成すると、活性層の結晶性、およびＡｌＧａＮクラッド層の結晶性も良くなり、結晶欠陥が少なくなり、レーザ素子の常温での発振、信頼性が向上する。本発明では活性層に接するクラッド層が格子整合していないにもかかわらず、レーザ発振できるのはこの構造の影響が大であると推察される。
このように短波長の半導体レーザ素子が実現できたことにより、コンパクトディスク（ＣＤ）の書き込み光源、読み取り光源、その他ディスプレイ用光源、照明用光源、植物育成用光源等、数多くのデバイスに適用可能となるので、その産業上の利用価値は多大なものがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図を図２に示す。１はサファイア基板、２は基板と窒化物半導体層との格子不整号を緩和するバッファ層、３は負電極を形成するｎ型コンタクト層、４は第二のｎ型クラッド層、５は第一のｎ型クラッド層、６は活性層、７は第一のｐ型クラッド層、８は第二のｐ型クラッド層、９は正電極を形成するｐ型コンタクト層をそれぞれ示している。さらに活性層６からの発光が基板１側に広がらないように、この図では第一のｎ型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との間に、活性層６の光を反射するｎ型多層膜４４を形成している。しかもｎ型多層膜４４の形成位置は最も基板１側に近いエッチング面の水平面（図２では負電極が形成されるｎ型コンタクト層３のエッチング面の水平面としている。）よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成されている。ｎ型多層膜４４は互いに組成の異なる窒化物半導体、つまり互いに屈折率の異なる２種類の窒化物半導体が、例えばλ／４ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）で交互に２層以上積層されて、活性層６の発光波長をｎ型多層膜４４で反射して活性層６中に閉じこめる作用を有している。
また、図３は本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号は図２と同一部材を示している。図３では、ｎ型コンタクト層３と第二のｎ型クラッド層４との間にｎ型多層膜４４が形成され、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層９との間に互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体を交互に積層したｐ型の多層膜５５が形成されている。図３のように光反射膜となるｐ型の多層膜５５をｐ型層中にも形成すると、ｎ型多層膜４４をｎ型層中に形成した時よりもさらに効率的に活性層の光り閉じこめができるので、容易にレーザ発振しやすくなる。また図３も同様にｎ型多層膜４４の形成位置は負電極が形成されるｎ型コンタクト層３のエッチング面の水平面、つまり最も基板１側に近いエッチング面の水平面よりもｐ型層側に近い位置に形成されている。
【００２４】
また、図４は本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号は図２および図３と同一部材を示している。図４では、第一のｎ型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との間にｎ型多層膜４４が形成され、第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８との間にｐ型の多層膜層５５が形成されている。
【００２５】
また、図６も本願の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であるが、この図が他の本発明のレーザ素子の構造と異なる点は、ｐ層側からのエッチングを深くして、エッチング面の水平面のｐ型コンタクト層の深さが負電極の形成面よりも基板側にあるところである。ｎ型多層膜４４の位置が、最も基板側に近いエッチング面の水平面（Ａ面）よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成されていることを示している。ｎ型多層膜４４の位置の作用については後に詳しく述べる。
【００２６】
このようにｎ型の多層膜４４は、第一のｎ型クラッド層５、第二のｎ型クラッド層４の間、第二のｎ型クラッド層４とｎ型コンタクト層３との間、またはｎ型コンタクト層内部（内部については実施例で説明する。）の内のいずれか一ヶ所に形成可能であり、またｐ型多層膜５５を形成する場合には、請求項７にも記載のように第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８との間、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層９との間、またはｐ型コンタクト層内部の内のいずれか一ヶ所に形成可能である。
【００２７】
次に前記ｎ型多層膜４４、ｐ型多層膜５５を構成する２種類の窒化物半導体は、少なくとも一方がインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮ｛例えばＩｎcＧａ1-cＮ（０≦c＜１）｝であることが好ましい。なぜなら単一層を積層して多層膜とする場合、その単一層の一方にＩｎcＧａ1-cＮ、ＧａＮを形成することにより、ＧａＮ、ＩｎcＧａ1-cＮ層がバッファ層のような作用をして、もう一方の単一層にクラックが入るのを防止することができるからである。これはＩｎcＧａ1-cＮ層、ＧａＮ層の結晶がＡｌＧａＮに比べて柔らかいことによるものである。これに対し多層膜を例えば互いにＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮ層で、例えば総膜厚０．５μｍ以上となるように多層形成すると、多層膜中にクラックが入り、素子作製が困難となる。
【００２８】
多層膜を構成する２種類の窒化物半導体の好ましい組み合わせは、一方が前記のようにＩｎcＧａ1-cＮ若しくはＧａＮよりなり、もう一方がアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ＡｌdＧａ1-dＮ（０＜d＜１）｝で構成することが最良である。なぜなら、ＩｎcＧａ1-cＮとＡｌdＧａ1-dＮとは屈折率の差が大きいのでこれらの材料で多層膜を構成することにより、発光波長に応じて反射率の大きい多層膜の設計が可能であるからである。また、ＩｎcＧａ1-cＮがバッファ層の作用をしているため、もう一方のＡｌdＧａ1-dＮ層にクラックが入ることなく１０層以上積層可能となる。なお、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮの屈折率はそれぞれ、２．９、２．５、２．１５である。これらの混晶の屈折率はベガードの法則に従うと仮定し、組成に比例するとして求めることができる。
【００２９】
ここで、ＩｎcＧａ1-cＮのc値は０．５以下、好ましくは０．３以下、最も好ましくは０．２以下に調整することが望ましい。なぜなら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、ＩｎＧａＮの結晶性が悪くなるからである。またＡｌdＧａ1-dＮのd値は０．６以下、さらに好ましくは０．４以下にすることが望ましい。０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にクラックが発生しやすいからである。
【００３０】
次に、レーザ素子を実現するために結晶性に優れた活性層が得られる素子構造について図面を元に説明する。
【００３１】
活性層６｛例えば、ＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）｝はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンドープ（無添加）とすることにより強いバンド間発光が得られ発光波長の半値幅が狭くなり、レーザ素子を実現する上で特に好ましい。特に好ましく活性層は単一量子井戸（ＳＱＷ：single quantum well）構造若しくは多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造とすると非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層を単一組成のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）で構成した層であり、ＩｎXＧａ1-XＮの膜厚を１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。またＭＱＷは組成比の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（この場合X＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることにより量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように７０オングストローム以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎXＧａ1-XＮで構成し、障壁層は同じくＩｎYＧａ1-YＮ（Y＜X、この場合Y＝０を含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚は１５０オングストローム以下、さらに好ましくは１２０オングストローム以下にすると高出力な発光素子が得られる。また、活性層６にｎ型ドーパントおよび／またはｐ型ドーパントをドープしてもよい。ｎ型ドーパントをドープするとノンドープのものに比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができる。ｐ型ドーパントをドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低エネルギー側にピーク波長を持っていくことができるが、半値幅は広くなりレーザ発振が難しくなる傾向にある。また、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントを同時にドープすると、前述したｐ型ドーパントのみドープした活性層の発光強度をさらに大きくすることができるが半値幅がやはり大きいのでレーザ発振が難しくなる傾向にある。結晶性のよい活性層を成長させてレーザ素子とするには、前記のようにノンドープで単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造とすることが最も好ましい。
【００３２】
活性層６は必ず活性層６よりもバンドギャップの大きいクラッド層で挟まれる必要がある。図２では活性層６の第一の主面側に接して第一のｎ型クラッド層５を形成し、活性層６の第二の主面側に接して第一のｐ型クラッド層７を形成している。第一のｎ型クラッド層５、および第二のｐ型クラッド層７の半導体材料は活性層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体であればどのような組成でも良いが、特に好ましくは、第一のｎ型クラッド層５をインジウムとガリウムを含む窒化物半導体、またはＧａＮ｛例えば、ｎ型ＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Y＜１）｝で形成し、第一のｐ型クラッド層７を同じくインジウムとガリウムを含む窒化物半導体、またはＧａＮ｛例えば、ｎ型ＩｎZＧａ1-ZＮ（０≦Z＜１）｝で形成する。但し、第一のｎ型クラッド層５と第一のｐ型クラッド層をＩｎＧａＮで形成する場合にはいずれかのクラッド層を省略することも可能であるが、特に好ましくは図２に示すように、活性層６の両面に形成する。インジウムを含む第一のｎ型クラッド層５、および第二のｐ型クラッド層７は結晶が柔らかいので、これらのクラッド層がクッションのようなバッファ層の作用をして、これらのクラッド層の外側に、第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層９等を形成した際に、これらの層（３、４、８、９）中にクラックが入るのを防止することができる。バッファ層として作用するＩｎＧａＮクラッド層の膜厚の好ましい範囲は、活性層６と第一のｎ型クラッド層５、活性層６と第一のｐ型クラッド層７、第一のｎ型クラッド層５と活性層６と第一のｐ型クラッド層７の組み合わせにおいて、その組み合わせたＩｎＧａＮ層の総膜厚を３００オングストローム以上にすることが好ましい。また、レーザ素子とした場合には第一のｎ型クラッド層５を省略すれば、第二のｎ型クラッド層４が第一のｎ型クラッド層５として作用し、また第一のｐ型クラッド層７を省略すれば、同じく第二のｐ型クラッド層８が第一のｐ型クラッド層７として作用する。
【００３３】
以上、ＩｎＧａＮよりなる第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第一のｐ型クラッド層７について説明したが、これらのＩｎＧａＮのＩｎ組成比、つまりX値、Y値、Z値は０．５以下、好ましくは０．３以下、最も好ましくは０．２以下に調整することが望ましい。なぜなら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、ＩｎＧａＮの結晶性が悪くなり発光出力が低下する傾向にあるからである。さらに、前記ＩｎXＧａ1-XＮ、ＩｎYＧａ1-YＮ、ＩｎZＧａ1-ZＮとは、その式中においてＩｎＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａの一部を微量のＡｌで置換したＩｎＡｌＧａＮも前記式中に含まれるものとする。例えばＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ式中でb'値が０．１以下であれば第一のｎ型クラッド層、活性層、第二のｐ型クラッド層の効果は変わることがない。ただ、Ａｌを含有させると結晶が硬くなる傾向にあるので四元混晶の窒化物半導体よりも、Ａｌを含まない三元混晶のＩｎＧａＮのみで活性層６、第一のｎ型クラッド層５、第一のｐ型クラッド層７を構成するのがレーザ発振しやすくなり最も良い。
【００３４】
次に、第一のｎ型クラッド層５の外側に接して形成する第二のｎ型クラッド層４は、アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体｛例えば、ｎ型ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜a＜１）｝で形成することが好ましく、また第一のｐ型クラッド層７の外側に接して形成する第二のｐ型クラッド層は、同じくアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ｐ型ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b＜１）｝で形成することが好ましい。ここで、第二のｎ型クラッド層４と第二のｐ型クラッド層７をＡｌＧａＮで形成する場合にはいずれかのクラッド層を省略することも可能であるが、特に好ましくは図２に示すように第一のｎ型クラッド層３に接して第二のｎ型クラッド層４を形成すると共に、第一のｐ型クラッド層７に接して第二のｐ型クラッド層８を両方形成する。但し、第二のｎ型クラッド層４と第一のｎ型クラッド層５とを同時に省略したり、また第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８を同時に省略するとレーザ発振することは困難である。
【００３５】
また、第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８は１０オングストローム〜０．５μｍの膜厚で形成することが望ましい。さらにＡｌＧａＮのＡｌ混晶比、つまりa値、b値は０．６以下、さらに好ましくは０．４以下にする事が望ましい。なぜならＡｌＧａＮは結晶が硬く、０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にクラックが発生しやすいからである。これは前記ＩｎＧａＮによるバッファ層が作用しても０．６よりも大きいとクラックが極端に発生しやすくなる。
【００３６】
また、前記ＡｌaＧａ1-aＮ、ＡｌbＧａ1-bＮとは、その式中においてＡｌＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａの一部を微量のＩｎで置換したＩｎＡｌＧａＮも前記式中に含まれるものとする。例えばＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ式中でa'値が０．１以下であればＡｌＧａＮの効果はほとんど変わることがない。但し、微量のＩｎを含有させるとバンドギャップが小さくなるので、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第二のｐ型クラッド層７よりもバンドギャップを大きくしなければならない。また、Ｉｎを含有させると結晶性が悪くなり発光出力が低下する傾向にあるので、四元混晶の窒化物半導体よりも、Ｉｎを含まない三元混晶のＡｌＧａＮのみで第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８を構成するのが発光出力が大きくなり最も好ましい。このように、Ａｌを含む層を第二のｎ型クラッド層４、および前記第二のｐ型クラッド層８とすることにより、活性層６、第一のｎ型クラッド層５、第一のｐ型クラッド層７とのバンドオフセットを大きくできるので発光効率を上げることができる。
【００３７】
活性層６と第一のクラッド層５、７の好ましい組み合わせは、第一のｎ型クラッド層をＩｎYＧａ1-YＮ、活性層をＩｎXＧａ1-XＮ、第一のｐ型クラッド層をＩｎZＧａ1-ZＮで形成することである。但し、前記組み合わせにおいて、バンドギャップの関係からY＜X、Z＜Xを満たしていることはいうまでもない。活性層はｎ型若しくはノンドープの方がバンド間発光による半値幅の狭い発光が得られるので好ましい。
【００３８】
さらに最も好ましい組み合わせとして、第二のｎ型クラッド層をＡｌaＧａ1-aＮ、第一のｎ型クラッド層をＩｎYＧａ1-YＮ、活性層をＩｎXＧａ1-XＮ、第一のｐ型クラッド層をＩｎZＧａ1-ZＮ、第二のｐ型クラッド層をＡｌbＧａ1-bＮで形成することを推奨する。この組み合わせによると最も結晶性に優れた窒化物半導体を積層したダブルへテロ構造となり、レーザ発振が可能となる。
【００３９】
次に、ｎ型コンタクト層３は望ましくは図２に示すように、第二のｎ型クラッド層４に接してｎ型コンタクト層３を形成し、第二のｐ型クラッド層８に接してｐ型コンタクト層９を形成することが最も良い。また、ｎ型コンタクト層３は、第二のｎ型クラッド層４、若しくは第一のｎ型クラッド層５のいずれかに形成可能であり、ｐ型コンタクト層９は第二のｐ型クラッド層８、若しくは第一のｐ型クラッド層７のいずれかにも形成可能である。つまり、第二のｎ型クラッド層４を省略すれば、第一のｎ型クラッド層５に接して形成することができ、ｐ型コンタクト層９も同様に第二のｐ型クラッド層８を省略すれば第一のｐ型クラッド層７に接して形成することができる。
【００４０】
さらにまた、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層９の半導体はＡｌ、Ｉｎを含まないＧａＮとする必要がある。コンタクト層は電極を形成する層であるので、結晶性が良く、キャリア濃度が大きい層を形成すれば電極材料とオーミックが得られやすくなる。そのためにはＧａＮが最も好ましい。また、ｎ型コンタクト層３とオーミックが得られやすい電極材料としてはＴｉとＡｌを含む金属が好ましく、ｐ型コンタクト層９とオーミックが得られやすい電極材料にはＮｉとＡｕを含む金属が好ましい。このように電極を形成すべき層としてＧａＮよりなるコンタクト層を形成すると、低いしきい値電圧でレーザ発振可能となる。
【００４１】
次に、本発明のレーザ素子の具体的な構造を挙げると、利得導波型ストライプ型レーザとしては、電極ストライプ型、メサストライプ型、ヘテロアイソレーション型等を挙げることができる。またその他、作りつけ導波機構をもつストライプ型レーザとして、埋め込みヘテロ型、ＣＳＰ型、リブガイド型等を挙げることができる。これらの構造のレーザ素子に導波路として通常数μｍから２０μｍ程度の幅の電極を最上層に形成し、このストライプに沿って発振を起こさせる。発振するための光共振面となる誘電体多層膜は、このストライプに垂直な方向の窒化物半導体層表面に形成される。
【００４２】
以上、レーザ素子の構造について説明したが、次に製造方法について簡単に説明する。窒化物半導体よりなるレーザ素子を製造するには、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の気相成長法を用いて、基板上にＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ（０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）をｎ型、ｐ型等の導電型でダブルへテロ構造になるように積層することによって得られる。基板１には例えばサファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣも含む）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル等が使用でき、図２ではサファイア基板を示している。ｎ型の窒化物半導体はノンドープの状態でも得られるが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントを結晶成長中に半導体層中に導入することによって得られる。またｐ型の窒化物半導体層はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のｐ型ドーパントを同じく結晶成長中に半導体層中に導入するか、または導入後４００℃以上でアニーリングを行うことにより得られる。バッファ層２は基板１と窒化物半導体との格子不整号を緩和するために設けられ、例えばＭＯＶＰＥ法では５００℃前後の低温でＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等が形成されることが多い。またＳｉＣ、ＺｎＯのような窒化物半導体と格子定数の近い基板を使用する際にはバッファ層が形成されないこともある。
【００４３】
（作用）
従来、窒化物半導体を用いてレーザ素子を実現する場合、活性層への光閉じこめはクラッド層と活性層との屈折率差の反射によって行われていた。しかしながら屈折率差は非常に少なく、多くても０．５以下である。このためほとんどの光はクラッド層を透過して広がってしまう。ｐ型クラッド層を透過して広がった光は最終的には空気層に出るが、空気の屈折率は１であり、ｐ型コンタクト層ＧａＮの屈折率は２．５である。ここでの屈折率差は大きく、かなりの光は反射され活性層側に戻るので光の閉じこめ効果が大きい。半導体層の水平方向についても同様のことがいえる。しかし、ｎ型クラッド層を透過した光は、ｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層との屈折率が小さく、界面で反射されずに、ｎ型コンタクト層中に容易に拡散して行くので、光閉じこめ効果は少ない。従って活性層の発光が基板側に洩れていってしまいレーザ発振は起こらなかった。
【００４４】
一方、本発明では、活性層よりも基板側のｎ型層中に光反射する多層膜を窒化物半導体で形成しているので、活性層の発光を活性層側に反射して活性層に閉じこめることが可能となる。多層膜の反射率は膜厚を制御して例えば５ペア以上積めば反射率は約８０％〜９９％となり非常に高い反射率が得られ、活性層への光閉じこめ効果は非常に大きいものがある。このため、活性層よりも上のｐ層側にも多層膜を挿入した方が光閉じこめ効果が大きくなることはいうまでもない。
【００４５】
しかも、本発明は同一面側から正、負一対の電極と取り出す、いわゆるフリップチップ方式である。この場合、図２、図３、図４、図６に示すようにｎ型層側に形成するｎ型多層膜４４は、最も基板側に近いエッチング面の水平面よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成する必要がある。なぜなら、ｎ型多層膜４４を基板側に最も近いエッチング面の水平面よりも基板１側に形成すると、第二のｎ型クラッド層４とｎ型コンタクト層３との屈折率差が小さいので、活性層６の発光が活性層６よりも下のｎ型コンタクト層３中で広がってしまい、光閉じこめができないからである。逆に基板側に最も近いエッチング面よりも高い位置、つまりｐ型層に近い位置にｎ型多層膜を形成すると、光はｎ型コンタクト層中に拡散されず活性層にほとんどの光が反射されて閉じこめ可能となる。これは同一面側から正、負の電極を取り出すフリップチップ方式の窒化物半導体レーザ特有の作用である。
【００４６】
次に特に好ましい本発明のレーザ素子の構造について述べる。従来の窒化物半導体のＬＥＤ素子はＩｎＧａＮよりなる活性層をＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟んだ構造を有していた。一方、本発明ではこのＩｎＧａＮよりなる活性層を、その活性層よりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＮで挟むことにより発光出力が飛躍的に向上し、レーザ発振が可能となることを見いだした。これは新たなＩｎＧａＮクラッド層がＩｎＧａＮ発光層とＡｌＧａＮクラッド層との間のバッファ層として働いているからである。ＩｎＧａＮは結晶の性質として柔らかい性質を有しており、ＡｌＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮとの格子定数不整と熱膨張係数差によって生じる結晶欠陥を吸収する働きがあると考えられる。このため新たに形成したＩｎＧａＮクラッド層が、これら結晶欠陥を吸収してＩｎＧａＮ発光層の結晶欠陥が大幅に減少するので、ＩｎＧａＮ発光層の結晶性が飛躍的に良くなり、常温でレーザ発振可能となる。
【００４７】
一方、従来のＩｎＧａＮ発光層をＡｌＧａＮクラッド層を挟んだ構造では、例えばＩｎＧａＮ発光層の厚さを２００オングストローム未満にすると、ＡｌＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮ発光層とにクラックが多数生じる。これはＡｌＧａＮクラッド層が結晶の性質上、非常に硬い性質を有しており、薄い膜厚のＩｎＧａＮ発光層のみではＡｌＧａＮクラッド層との界面から生じる格子不整合と、熱膨張係数差から生じる歪をＩｎＧａＮ発光層で弾性的に緩和できないことを示している。このためＩｎＧａＮ発光層、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックが生じ、また結晶欠陥が発光層に多数生じるので、出力の大幅な向上が望めないのである。
【実施例】
【００４８】
以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。以下の実施例はＭＯＶＰＥ法による成長方法を示している。
【００４９】
［実施例１］
図２を元に実施例１について説明する。まずＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板１のＣ面に５００℃でＧａＮよりなるバッファ層２を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５０】
次に温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧ、ＮＨ3に加えＳｉＨ4ガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５１】
続いて、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加え、同じく１０５０℃でＳｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層よりなる第二のｎ型クラッド層４を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５２】
次に温度を８００℃に下げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる薄膜を３８０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて温度を１０５０℃に上げＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9Ｎよりなる薄膜を３９０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を２０回繰り返し、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層とＳｉドープＡｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００５３】
次に温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５４】
続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3を用い８００℃でノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層６を３０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５５】
続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3に加え新たにＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い８００℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５６】
次に温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５７】
続いて１０５０℃でＴＭＧ、ＮＨ3、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。
【００５８】
反応終了後、温度を室温まで下げてウェーハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハのアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。次に最上層のｐ型コンタクト層９の表面に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型コンタクト層３の表面が露出するまでエッチングする。
【００５９】
次に、ｎ型コンタクト層３に５０μｍの幅でＴｉとＡｌを含む負電極、ｐ型コンタクト層９に１０μｍの幅でＮｉとＡｕを含む正電極をそれぞれ形成する。このように第二のｎ型クラッド層４の表面にｎ型多層膜４４を形成すると、ｎ型コンタクト層３までエッチングするので、自然に負電極を形成する水平面がｎ型多層膜４４よりも下、つまり図２に示すように基板側となる。
【００６０】
次に、窒化物半導体層を形成していない方のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍにし、サファイア基板表面のＭ面（六方晶系において六角柱の側面に相当する面）をスクライブした。スクライブ後、ウェーハを７００μｍ角のチップに分割し、図５に示すようなストライプ型のレーザチップを作製した。なお図５は本実施例によるレーザ素子の斜視図を示しており、ストライプ状の正電極と直交した窒化物半導体層面を光共振面としている。またこのレーザ素子は電極を除いた表面をＳｉＯ2よりなる絶縁膜で被覆しているが、図２および図５では絶縁膜は特に図示していない。
【００６１】
このチップをヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンドした後、常温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６２】
［実施例２］
図３を元に実施例２を説明する。これも実施例１と同様にして、サファイア基板１の上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層３を成長させる。コンタクト層３成長後、実施例１と同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層とＳｉドープＡｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００６３】
次にｎ型多層膜４４の上に、同様にしてＳｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｎ型クラッド層４と、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８を順に成長させて積層する。
【００６４】
次に、温度を８００℃にしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層を３８０オングストローム成長させ、続いて温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇガスを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成する。
【００６５】
ｐ型多層膜５５形成後、そのｐ型多層膜５５の表面にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を成長させたウェーハを作製する。
【００６６】
このウェーハを同様にしてエッチングを行った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．０ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６７】
［実施例３］
次に、図３を元に実施例３を説明する。これも実施例１と同様にして、サファイア基板１の上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層３、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のクラッド層４を成長させる。
【００６８】
第二のクラッド層４、続いて温度を１０５０℃に維持し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００６９】
次にｎ型多層膜４４の上に、同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７を順に成長させて積層する。
【００７０】
次に温度を１０５０℃にして、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成する。
【００７１】
ｐ型多層膜５５形成後、同様にしてＭｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を成長させたウェーハを作製する。
【００７２】
このウェーハを同様にしてエッチングを行った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．０ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７３】
［実施例４］
実施例１と同様にしてサファイア基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層を成長させる。バッファ層成長後、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００７４】
次にｎ型コンタクト層３成長後、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。但し、最後のＳｉドープｎ型ＧａＮ層は１μｍの膜厚で成長させる。このようにしてｎ型コンタクト層３の内部にｎ型多層膜４４を形成する。
【００７５】
後は、実施例１と同様にして第二のｎ型クラッド層４、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第一のｐ型クラッド層７、第二のｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９を順に積層したウェーハを作製する。
【００７６】
このウェーハを同様にしてエッチングを行うのであるが、エッチング深さを深くして、最初に形成した４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングを行う。後は同様に電極を形成して図５に示すようなチップにした後、レーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７７】
［実施例５］
第一のｎ型クラッド層５を形成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製したところ、しきい値電流密度２ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７８】
［実施例６］
第一のｐ型クラッド層７を形成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製したところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７９】
［実施例７］
実施例１において、活性層６を成長させる際、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる井戸層を２５オングストローム、その上に同じく８００℃にて、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ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、最後に井戸層を積層して総厚１０００オングストロームの活性層６を成長させた。後は実施例１と同様にしてレーザ素子としたところ、同じく、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】従来の一ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図３】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図５】本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す斜視図。
【図６】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・・サファイア基板、
２・・・・バッファ層、
３・・・・ｎ型コンタクト層、
４・・・・第二のｎ型クラッド層、
５・・・・第一のｎ型クラッド層、
６・・・・活性層、
７・・・・第一のｐ型クラッド層、
８・・・・第二のｐ型クラッド層、
９・・・・ｐ型コンタクト層、
４４・・・ｎ型多層膜、
５５・・・ｐ型多層膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ、０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）よりなるレーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外〜赤色に発振可能なレーザ素子の材料として窒化物半導体（Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ、０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）が知られている。我々はこの半導体材料を用いて、１９９３年１１月に光度１ｃｄの青色ＬＥＤを発表し、１９９４年４月に光度２ｃｄの青緑色ＬＥＤを発表し、１９９４年１０月には光度２ｃｄの青色ＬＥＤを発表した。これらのＬＥＤは全て製品化されて、現在ディスプレイ、信号等の実用に供されている。
【０００３】
図１に現在の青色、青緑色ＬＥＤの発光チップの構造を示す。基本的にはサファイア基板１１の上にｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層１３と、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる活性層１４と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層１５と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１６とが順に積層された構造を有している。なおサファイア基板１１とｎ型コンタクト層１２との間にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＮよりなるバッファ層が形成されているがこの図では特に図示していない。活性層１４のｎ型ＩｎＧａＮはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントおよび／またはＺｎ、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがドープされており、ＬＥＤ素子の発光波長は、その活性層のＩｎＧａＮのＩｎ組成比を変更するか、または活性層にドープする不純物の種類を変更することで、紫外〜赤色まで変化させることが可能となっている。
【特許文献１】特開平６−２６０６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようにダブルへテロ構造で発光するＬＥＤが実現された現在、次の課題はは窒化物半導体を用いた短波長レーザ素子の実現にある。しかしながら窒化物半導体は未だレーザ発振するには至っていない。
【０００５】
従って本発明はその課題を解決するために成されたものであって、その目的とするところは窒化物半導体を用いたレーザ素子を実現することにあり、特に紫外〜緑色領域で発振する短波長レーザを実現するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
我々は、まず第一にダブルへテロ構造となるように積層された窒化物半導体中の所定の位置に活性層の発光を閉じこめられる光反射膜を形成し、第二に活性層の結晶性を良くすることにより上記問題が解決できることを新規に見いだし本発明を成すに至った。即ち本発明の第１の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｎ型クラッド層と前記ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成してもよい。
【０００９】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成してもよい。
【００１０】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなる第２のｎ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体よりなる第１のｎ型クラッド層と、その第１のｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１のｎ型クラッド層と前記第２のｎ型クラッド層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第１のｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００１３】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第２のｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【００１４】
また、本発明はｐ型クラッド層の外側に、互いに組成の異なる２種類のｐ型窒化物半導体層が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備えることを特徴とする。
ここで、本明細書において、外側とは活性層が形成されているクラッド層の反対側を意味するものであって、必ずしもクラッド層に接している必要はない。
すなわち、本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００１７】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【００１８】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなる第１のｐ型クラッド層と、第２のｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１のｐ型クラッド層と前記第２のｐ型クラッド層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第１のｐ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００２１】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第２のｐ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明した本発明のレーザ素子は活性層の発光を反射する多層膜層を備えているため、発光を基板側に逃がさず効率的に活性層の光閉じ込めを行うことができる。従って、例えばストライプ型のレーザを作製した場合には容易にレーザ発振可能となる。
さらに、本発明の好ましい態様として、ＩｎＧａＮよりなる活性層のいずれかの主面側にＩｎＧａＮのクラッド層を形成すると、活性層の結晶性、およびＡｌＧａＮクラッド層の結晶性も良くなり、結晶欠陥が少なくなり、レーザ素子の常温での発振、信頼性が向上する。本発明では活性層に接するクラッド層が格子整合していないにもかかわらず、レーザ発振できるのはこの構造の影響が大であると推察される。
このように短波長の半導体レーザ素子が実現できたことにより、コンパクトディスク（ＣＤ）の書き込み光源、読み取り光源、その他ディスプレイ用光源、照明用光源、植物育成用光源等、数多くのデバイスに適用可能となるので、その産業上の利用価値は多大なものがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図を図２に示す。１はサファイア基板、２は基板と窒化物半導体層との格子不整号を緩和するバッファ層、３は負電極を形成するｎ型コンタクト層、４は第二のｎ型クラッド層、５は第一のｎ型クラッド層、６は活性層、７は第一のｐ型クラッド層、８は第二のｐ型クラッド層、９は正電極を形成するｐ型コンタクト層をそれぞれ示している。さらに活性層６からの発光が基板１側に広がらないように、この図では第一のｎ型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との間に、活性層６の光を反射するｎ型多層膜４４を形成している。しかもｎ型多層膜４４の形成位置は最も基板１側に近いエッチング面の水平面（図２では負電極が形成されるｎ型コンタクト層３のエッチング面の水平面としている。）よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成されている。ｎ型多層膜４４は互いに組成の異なる窒化物半導体、つまり互いに屈折率の異なる２種類の窒化物半導体が、例えばλ／４ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）で交互に２層以上積層されて、活性層６の発光波長をｎ型多層膜４４で反射して活性層６中に閉じこめる作用を有している。
また、図３は本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号は図２と同一部材を示している。図３では、ｎ型コンタクト層３と第二のｎ型クラッド層４との間にｎ型多層膜４４が形成され、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層９との間に互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体を交互に積層したｐ型の多層膜５５が形成されている。図３のように光反射膜となるｐ型の多層膜５５をｐ型層中にも形成すると、ｎ型多層膜４４をｎ型層中に形成した時よりもさらに効率的に活性層の光り閉じこめができるので、容易にレーザ発振しやすくなる。また図３も同様にｎ型多層膜４４の形成位置は負電極が形成されるｎ型コンタクト層３のエッチング面の水平面、つまり最も基板１側に近いエッチング面の水平面よりもｐ型層側に近い位置に形成されている。
【００２４】
また、図４は本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号は図２および図３と同一部材を示している。図４では、第一のｎ型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との間にｎ型多層膜４４が形成され、第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８との間にｐ型の多層膜層５５が形成されている。
【００２５】
また、図６も本願の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であるが、この図が他の本発明のレーザ素子の構造と異なる点は、ｐ層側からのエッチングを深くして、エッチング面の水平面のｐ型コンタクト層の深さが負電極の形成面よりも基板側にあるところである。ｎ型多層膜４４の位置が、最も基板側に近いエッチング面の水平面（Ａ面）よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成されていることを示している。ｎ型多層膜４４の位置の作用については後に詳しく述べる。
【００２６】
このようにｎ型の多層膜４４は、第一のｎ型クラッド層５、第二のｎ型クラッド層４の間、第二のｎ型クラッド層４とｎ型コンタクト層３との間、またはｎ型コンタクト層内部（内部については実施例で説明する。）の内のいずれか一ヶ所に形成可能であり、またｐ型多層膜５５を形成する場合には、請求項７にも記載のように第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８との間、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層９との間、またはｐ型コンタクト層内部の内のいずれか一ヶ所に形成可能である。
【００２７】
次に前記ｎ型多層膜４４、ｐ型多層膜５５を構成する２種類の窒化物半導体は、少なくとも一方がインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮ｛例えばＩｎcＧａ1-cＮ（０≦c＜１）｝であることが好ましい。なぜなら単一層を積層して多層膜とする場合、その単一層の一方にＩｎcＧａ1-cＮ、ＧａＮを形成することにより、ＧａＮ、ＩｎcＧａ1-cＮ層がバッファ層のような作用をして、もう一方の単一層にクラックが入るのを防止することができるからである。これはＩｎcＧａ1-cＮ層、ＧａＮ層の結晶がＡｌＧａＮに比べて柔らかいことによるものである。これに対し多層膜を例えば互いにＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮ層で、例えば総膜厚０．５μｍ以上となるように多層形成すると、多層膜中にクラックが入り、素子作製が困難となる。
【００２８】
多層膜を構成する２種類の窒化物半導体の好ましい組み合わせは、一方が前記のようにＩｎcＧａ1-cＮ若しくはＧａＮよりなり、もう一方がアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ＡｌdＧａ1-dＮ（０＜d＜１）｝で構成することが最良である。なぜなら、ＩｎcＧａ1-cＮとＡｌdＧａ1-dＮとは屈折率の差が大きいのでこれらの材料で多層膜を構成することにより、発光波長に応じて反射率の大きい多層膜の設計が可能であるからである。また、ＩｎcＧａ1-cＮがバッファ層の作用をしているため、もう一方のＡｌdＧａ1-dＮ層にクラックが入ることなく１０層以上積層可能となる。なお、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮの屈折率はそれぞれ、２．９、２．５、２．１５である。これらの混晶の屈折率はベガードの法則に従うと仮定し、組成に比例するとして求めることができる。
【００２９】
ここで、ＩｎcＧａ1-cＮのc値は０．５以下、好ましくは０．３以下、最も好ましくは０．２以下に調整することが望ましい。なぜなら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、ＩｎＧａＮの結晶性が悪くなるからである。またＡｌdＧａ1-dＮのd値は０．６以下、さらに好ましくは０．４以下にすることが望ましい。０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にクラックが発生しやすいからである。
【００３０】
次に、レーザ素子を実現するために結晶性に優れた活性層が得られる素子構造について図面を元に説明する。
【００３１】
活性層６｛例えば、ＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）｝はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンドープ（無添加）とすることにより強いバンド間発光が得られ発光波長の半値幅が狭くなり、レーザ素子を実現する上で特に好ましい。特に好ましく活性層は単一量子井戸（ＳＱＷ：single quantum well）構造若しくは多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造とすると非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層を単一組成のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）で構成した層であり、ＩｎXＧａ1-XＮの膜厚を１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。またＭＱＷは組成比の異なるＩｎXＧａ1-XＮ（この場合X＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることにより量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように７０オングストローム以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎXＧａ1-XＮで構成し、障壁層は同じくＩｎYＧａ1-YＮ（Y＜X、この場合Y＝０を含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚は１５０オングストローム以下、さらに好ましくは１２０オングストローム以下にすると高出力な発光素子が得られる。また、活性層６にｎ型ドーパントおよび／またはｐ型ドーパントをドープしてもよい。ｎ型ドーパントをドープするとノンドープのものに比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができる。ｐ型ドーパントをドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低エネルギー側にピーク波長を持っていくことができるが、半値幅は広くなりレーザ発振が難しくなる傾向にある。また、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントを同時にドープすると、前述したｐ型ドーパントのみドープした活性層の発光強度をさらに大きくすることができるが半値幅がやはり大きいのでレーザ発振が難しくなる傾向にある。結晶性のよい活性層を成長させてレーザ素子とするには、前記のようにノンドープで単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造とすることが最も好ましい。
【００３２】
活性層６は必ず活性層６よりもバンドギャップの大きいクラッド層で挟まれる必要がある。図２では活性層６の第一の主面側に接して第一のｎ型クラッド層５を形成し、活性層６の第二の主面側に接して第一のｐ型クラッド層７を形成している。第一のｎ型クラッド層５、および第二のｐ型クラッド層７の半導体材料は活性層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体であればどのような組成でも良いが、特に好ましくは、第一のｎ型クラッド層５をインジウムとガリウムを含む窒化物半導体、またはＧａＮ｛例えば、ｎ型ＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Y＜１）｝で形成し、第一のｐ型クラッド層７を同じくインジウムとガリウムを含む窒化物半導体、またはＧａＮ｛例えば、ｎ型ＩｎZＧａ1-ZＮ（０≦Z＜１）｝で形成する。但し、第一のｎ型クラッド層５と第一のｐ型クラッド層をＩｎＧａＮで形成する場合にはいずれかのクラッド層を省略することも可能であるが、特に好ましくは図２に示すように、活性層６の両面に形成する。インジウムを含む第一のｎ型クラッド層５、および第二のｐ型クラッド層７は結晶が柔らかいので、これらのクラッド層がクッションのようなバッファ層の作用をして、これらのクラッド層の外側に、第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層９等を形成した際に、これらの層（３、４、８、９）中にクラックが入るのを防止することができる。バッファ層として作用するＩｎＧａＮクラッド層の膜厚の好ましい範囲は、活性層６と第一のｎ型クラッド層５、活性層６と第一のｐ型クラッド層７、第一のｎ型クラッド層５と活性層６と第一のｐ型クラッド層７の組み合わせにおいて、その組み合わせたＩｎＧａＮ層の総膜厚を３００オングストローム以上にすることが好ましい。また、レーザ素子とした場合には第一のｎ型クラッド層５を省略すれば、第二のｎ型クラッド層４が第一のｎ型クラッド層５として作用し、また第一のｐ型クラッド層７を省略すれば、同じく第二のｐ型クラッド層８が第一のｐ型クラッド層７として作用する。
【００３３】
以上、ＩｎＧａＮよりなる第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第一のｐ型クラッド層７について説明したが、これらのＩｎＧａＮのＩｎ組成比、つまりX値、Y値、Z値は０．５以下、好ましくは０．３以下、最も好ましくは０．２以下に調整することが望ましい。なぜなら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、ＩｎＧａＮの結晶性が悪くなり発光出力が低下する傾向にあるからである。さらに、前記ＩｎXＧａ1-XＮ、ＩｎYＧａ1-YＮ、ＩｎZＧａ1-ZＮとは、その式中においてＩｎＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａの一部を微量のＡｌで置換したＩｎＡｌＧａＮも前記式中に含まれるものとする。例えばＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ式中でb'値が０．１以下であれば第一のｎ型クラッド層、活性層、第二のｐ型クラッド層の効果は変わることがない。ただ、Ａｌを含有させると結晶が硬くなる傾向にあるので四元混晶の窒化物半導体よりも、Ａｌを含まない三元混晶のＩｎＧａＮのみで活性層６、第一のｎ型クラッド層５、第一のｐ型クラッド層７を構成するのがレーザ発振しやすくなり最も良い。
【００３４】
次に、第一のｎ型クラッド層５の外側に接して形成する第二のｎ型クラッド層４は、アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体｛例えば、ｎ型ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜a＜１）｝で形成することが好ましく、また第一のｐ型クラッド層７の外側に接して形成する第二のｐ型クラッド層は、同じくアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ｐ型ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b＜１）｝で形成することが好ましい。ここで、第二のｎ型クラッド層４と第二のｐ型クラッド層７をＡｌＧａＮで形成する場合にはいずれかのクラッド層を省略することも可能であるが、特に好ましくは図２に示すように第一のｎ型クラッド層３に接して第二のｎ型クラッド層４を形成すると共に、第一のｐ型クラッド層７に接して第二のｐ型クラッド層８を両方形成する。但し、第二のｎ型クラッド層４と第一のｎ型クラッド層５とを同時に省略したり、また第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８を同時に省略するとレーザ発振することは困難である。
【００３５】
また、第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８は１０オングストローム〜０．５μｍの膜厚で形成することが望ましい。さらにＡｌＧａＮのＡｌ混晶比、つまりa値、b値は０．６以下、さらに好ましくは０．４以下にする事が望ましい。なぜならＡｌＧａＮは結晶が硬く、０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にクラックが発生しやすいからである。これは前記ＩｎＧａＮによるバッファ層が作用しても０．６よりも大きいとクラックが極端に発生しやすくなる。
【００３６】
また、前記ＡｌaＧａ1-aＮ、ＡｌbＧａ1-bＮとは、その式中においてＡｌＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａの一部を微量のＩｎで置換したＩｎＡｌＧａＮも前記式中に含まれるものとする。例えばＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ式中でa'値が０．１以下であればＡｌＧａＮの効果はほとんど変わることがない。但し、微量のＩｎを含有させるとバンドギャップが小さくなるので、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第二のｐ型クラッド層７よりもバンドギャップを大きくしなければならない。また、Ｉｎを含有させると結晶性が悪くなり発光出力が低下する傾向にあるので、四元混晶の窒化物半導体よりも、Ｉｎを含まない三元混晶のＡｌＧａＮのみで第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８を構成するのが発光出力が大きくなり最も好ましい。このように、Ａｌを含む層を第二のｎ型クラッド層４、および前記第二のｐ型クラッド層８とすることにより、活性層６、第一のｎ型クラッド層５、第一のｐ型クラッド層７とのバンドオフセットを大きくできるので発光効率を上げることができる。
【００３７】
活性層６と第一のクラッド層５、７の好ましい組み合わせは、第一のｎ型クラッド層をＩｎYＧａ1-YＮ、活性層をＩｎXＧａ1-XＮ、第一のｐ型クラッド層をＩｎZＧａ1-ZＮで形成することである。但し、前記組み合わせにおいて、バンドギャップの関係からY＜X、Z＜Xを満たしていることはいうまでもない。活性層はｎ型若しくはノンドープの方がバンド間発光による半値幅の狭い発光が得られるので好ましい。
【００３８】
さらに最も好ましい組み合わせとして、第二のｎ型クラッド層をＡｌaＧａ1-aＮ、第一のｎ型クラッド層をＩｎYＧａ1-YＮ、活性層をＩｎXＧａ1-XＮ、第一のｐ型クラッド層をＩｎZＧａ1-ZＮ、第二のｐ型クラッド層をＡｌbＧａ1-bＮで形成することを推奨する。この組み合わせによると最も結晶性に優れた窒化物半導体を積層したダブルへテロ構造となり、レーザ発振が可能となる。
【００３９】
次に、ｎ型コンタクト層３は望ましくは図２に示すように、第二のｎ型クラッド層４に接してｎ型コンタクト層３を形成し、第二のｐ型クラッド層８に接してｐ型コンタクト層９を形成することが最も良い。また、ｎ型コンタクト層３は、第二のｎ型クラッド層４、若しくは第一のｎ型クラッド層５のいずれかに形成可能であり、ｐ型コンタクト層９は第二のｐ型クラッド層８、若しくは第一のｐ型クラッド層７のいずれかにも形成可能である。つまり、第二のｎ型クラッド層４を省略すれば、第一のｎ型クラッド層５に接して形成することができ、ｐ型コンタクト層９も同様に第二のｐ型クラッド層８を省略すれば第一のｐ型クラッド層７に接して形成することができる。
【００４０】
さらにまた、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層９の半導体はＡｌ、Ｉｎを含まないＧａＮとする必要がある。コンタクト層は電極を形成する層であるので、結晶性が良く、キャリア濃度が大きい層を形成すれば電極材料とオーミックが得られやすくなる。そのためにはＧａＮが最も好ましい。また、ｎ型コンタクト層３とオーミックが得られやすい電極材料としてはＴｉとＡｌを含む金属が好ましく、ｐ型コンタクト層９とオーミックが得られやすい電極材料にはＮｉとＡｕを含む金属が好ましい。このように電極を形成すべき層としてＧａＮよりなるコンタクト層を形成すると、低いしきい値電圧でレーザ発振可能となる。
【００４１】
次に、本発明のレーザ素子の具体的な構造を挙げると、利得導波型ストライプ型レーザとしては、電極ストライプ型、メサストライプ型、ヘテロアイソレーション型等を挙げることができる。またその他、作りつけ導波機構をもつストライプ型レーザとして、埋め込みヘテロ型、ＣＳＰ型、リブガイド型等を挙げることができる。これらの構造のレーザ素子に導波路として通常数μｍから２０μｍ程度の幅の電極を最上層に形成し、このストライプに沿って発振を起こさせる。発振するための光共振面となる誘電体多層膜は、このストライプに垂直な方向の窒化物半導体層表面に形成される。
【００４２】
以上、レーザ素子の構造について説明したが、次に製造方法について簡単に説明する。窒化物半導体よりなるレーザ素子を製造するには、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の気相成長法を用いて、基板上にＩｎa'Ａｌb'Ｇａ1-a'-b'Ｎ（０≦a'、０≦b'、a'＋b'≦１）をｎ型、ｐ型等の導電型でダブルへテロ構造になるように積層することによって得られる。基板１には例えばサファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣも含む）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル等が使用でき、図２ではサファイア基板を示している。ｎ型の窒化物半導体はノンドープの状態でも得られるが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントを結晶成長中に半導体層中に導入することによって得られる。またｐ型の窒化物半導体層はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のｐ型ドーパントを同じく結晶成長中に半導体層中に導入するか、または導入後４００℃以上でアニーリングを行うことにより得られる。バッファ層２は基板１と窒化物半導体との格子不整号を緩和するために設けられ、例えばＭＯＶＰＥ法では５００℃前後の低温でＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等が形成されることが多い。またＳｉＣ、ＺｎＯのような窒化物半導体と格子定数の近い基板を使用する際にはバッファ層が形成されないこともある。
【００４３】
（作用）
従来、窒化物半導体を用いてレーザ素子を実現する場合、活性層への光閉じこめはクラッド層と活性層との屈折率差の反射によって行われていた。しかしながら屈折率差は非常に少なく、多くても０．５以下である。このためほとんどの光はクラッド層を透過して広がってしまう。ｐ型クラッド層を透過して広がった光は最終的には空気層に出るが、空気の屈折率は１であり、ｐ型コンタクト層ＧａＮの屈折率は２．５である。ここでの屈折率差は大きく、かなりの光は反射され活性層側に戻るので光の閉じこめ効果が大きい。半導体層の水平方向についても同様のことがいえる。しかし、ｎ型クラッド層を透過した光は、ｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層との屈折率が小さく、界面で反射されずに、ｎ型コンタクト層中に容易に拡散して行くので、光閉じこめ効果は少ない。従って活性層の発光が基板側に洩れていってしまいレーザ発振は起こらなかった。
【００４４】
一方、本発明では、活性層よりも基板側のｎ型層中に光反射する多層膜を窒化物半導体で形成しているので、活性層の発光を活性層側に反射して活性層に閉じこめることが可能となる。多層膜の反射率は膜厚を制御して例えば５ペア以上積めば反射率は約８０％〜９９％となり非常に高い反射率が得られ、活性層への光閉じこめ効果は非常に大きいものがある。このため、活性層よりも上のｐ層側にも多層膜を挿入した方が光閉じこめ効果が大きくなることはいうまでもない。
【００４５】
しかも、本発明は同一面側から正、負一対の電極と取り出す、いわゆるフリップチップ方式である。この場合、図２、図３、図４、図６に示すようにｎ型層側に形成するｎ型多層膜４４は、最も基板側に近いエッチング面の水平面よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成する必要がある。なぜなら、ｎ型多層膜４４を基板側に最も近いエッチング面の水平面よりも基板１側に形成すると、第二のｎ型クラッド層４とｎ型コンタクト層３との屈折率差が小さいので、活性層６の発光が活性層６よりも下のｎ型コンタクト層３中で広がってしまい、光閉じこめができないからである。逆に基板側に最も近いエッチング面よりも高い位置、つまりｐ型層に近い位置にｎ型多層膜を形成すると、光はｎ型コンタクト層中に拡散されず活性層にほとんどの光が反射されて閉じこめ可能となる。これは同一面側から正、負の電極を取り出すフリップチップ方式の窒化物半導体レーザ特有の作用である。
【００４６】
次に特に好ましい本発明のレーザ素子の構造について述べる。従来の窒化物半導体のＬＥＤ素子はＩｎＧａＮよりなる活性層をＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟んだ構造を有していた。一方、本発明ではこのＩｎＧａＮよりなる活性層を、その活性層よりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＮで挟むことにより発光出力が飛躍的に向上し、レーザ発振が可能となることを見いだした。これは新たなＩｎＧａＮクラッド層がＩｎＧａＮ発光層とＡｌＧａＮクラッド層との間のバッファ層として働いているからである。ＩｎＧａＮは結晶の性質として柔らかい性質を有しており、ＡｌＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮとの格子定数不整と熱膨張係数差によって生じる結晶欠陥を吸収する働きがあると考えられる。このため新たに形成したＩｎＧａＮクラッド層が、これら結晶欠陥を吸収してＩｎＧａＮ発光層の結晶欠陥が大幅に減少するので、ＩｎＧａＮ発光層の結晶性が飛躍的に良くなり、常温でレーザ発振可能となる。
【００４７】
一方、従来のＩｎＧａＮ発光層をＡｌＧａＮクラッド層を挟んだ構造では、例えばＩｎＧａＮ発光層の厚さを２００オングストローム未満にすると、ＡｌＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮ発光層とにクラックが多数生じる。これはＡｌＧａＮクラッド層が結晶の性質上、非常に硬い性質を有しており、薄い膜厚のＩｎＧａＮ発光層のみではＡｌＧａＮクラッド層との界面から生じる格子不整合と、熱膨張係数差から生じる歪をＩｎＧａＮ発光層で弾性的に緩和できないことを示している。このためＩｎＧａＮ発光層、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックが生じ、また結晶欠陥が発光層に多数生じるので、出力の大幅な向上が望めないのである。
【実施例】
【００４８】
以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。以下の実施例はＭＯＶＰＥ法による成長方法を示している。
【００４９】
［実施例１］
図２を元に実施例１について説明する。まずＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板１のＣ面に５００℃でＧａＮよりなるバッファ層２を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５０】
次に温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧ、ＮＨ3に加えＳｉＨ4ガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５１】
続いて、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加え、同じく１０５０℃でＳｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層よりなる第二のｎ型クラッド層４を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５２】
次に温度を８００℃に下げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる薄膜を３８０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて温度を１０５０℃に上げＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9Ｎよりなる薄膜を３９０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を２０回繰り返し、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層とＳｉドープＡｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００５３】
次に温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５４】
続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3を用い８００℃でノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層６を３０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５５】
続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3に加え新たにＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い８００℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５６】
次に温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５７】
続いて１０５０℃でＴＭＧ、ＮＨ3、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。
【００５８】
反応終了後、温度を室温まで下げてウェーハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハのアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。次に最上層のｐ型コンタクト層９の表面に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型コンタクト層３の表面が露出するまでエッチングする。
【００５９】
次に、ｎ型コンタクト層３に５０μｍの幅でＴｉとＡｌを含む負電極、ｐ型コンタクト層９に１０μｍの幅でＮｉとＡｕを含む正電極をそれぞれ形成する。このように第二のｎ型クラッド層４の表面にｎ型多層膜４４を形成すると、ｎ型コンタクト層３までエッチングするので、自然に負電極を形成する水平面がｎ型多層膜４４よりも下、つまり図２に示すように基板側となる。
【００６０】
次に、窒化物半導体層を形成していない方のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍにし、サファイア基板表面のＭ面（六方晶系において六角柱の側面に相当する面）をスクライブした。スクライブ後、ウェーハを７００μｍ角のチップに分割し、図５に示すようなストライプ型のレーザチップを作製した。なお図５は本実施例によるレーザ素子の斜視図を示しており、ストライプ状の正電極と直交した窒化物半導体層面を光共振面としている。またこのレーザ素子は電極を除いた表面をＳｉＯ2よりなる絶縁膜で被覆しているが、図２および図５では絶縁膜は特に図示していない。
【００６１】
このチップをヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンドした後、常温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６２】
［実施例２］
図３を元に実施例２を説明する。これも実施例１と同様にして、サファイア基板１の上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層３を成長させる。コンタクト層３成長後、実施例１と同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層とＳｉドープＡｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００６３】
次にｎ型多層膜４４の上に、同様にしてＳｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｎ型クラッド層４と、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８を順に成長させて積層する。
【００６４】
次に、温度を８００℃にしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ層を３８０オングストローム成長させ、続いて温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇガスを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9Ｎ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成する。
【００６５】
ｐ型多層膜５５形成後、そのｐ型多層膜５５の表面にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を成長させたウェーハを作製する。
【００６６】
このウェーハを同様にしてエッチングを行った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．０ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６７】
［実施例３］
次に、図３を元に実施例３を説明する。これも実施例１と同様にして、サファイア基板１の上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層３、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のクラッド層４を成長させる。
【００６８】
第二のクラッド層４、続いて温度を１０５０℃に維持し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００６９】
次にｎ型多層膜４４の上に、同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７を順に成長させて積層する。
【００７０】
次に温度を１０５０℃にして、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成する。
【００７１】
ｐ型多層膜５５形成後、同様にしてＭｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を成長させたウェーハを作製する。
【００７２】
このウェーハを同様にしてエッチングを行った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．０ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７３】
［実施例４］
実施例１と同様にしてサファイア基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層を成長させる。バッファ層成長後、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００７４】
次にｎ型コンタクト層３成長後、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。但し、最後のＳｉドープｎ型ＧａＮ層は１μｍの膜厚で成長させる。このようにしてｎ型コンタクト層３の内部にｎ型多層膜４４を形成する。
【００７５】
後は、実施例１と同様にして第二のｎ型クラッド層４、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第一のｐ型クラッド層７、第二のｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９を順に積層したウェーハを作製する。
【００７６】
このウェーハを同様にしてエッチングを行うのであるが、エッチング深さを深くして、最初に形成した４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングを行う。後は同様に電極を形成して図５に示すようなチップにした後、レーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７７】
［実施例５］
第一のｎ型クラッド層５を形成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製したところ、しきい値電流密度２ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７８】
［実施例６］
第一のｐ型クラッド層７を形成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製したところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７９】
［実施例７］
実施例１において、活性層６を成長させる際、ノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる井戸層を２５オングストローム、その上に同じく８００℃にて、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ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、最後に井戸層を積層して総厚１０００オングストロームの活性層６を成長させた。後は実施例１と同様にしてレーザ素子としたところ、同じく、しきい値電流密度１．５ｋＡ／cm2で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】従来の一ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図３】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図５】本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す斜視図。
【図６】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・・サファイア基板、
２・・・・バッファ層、
３・・・・ｎ型コンタクト層、
４・・・・第二のｎ型クラッド層、
５・・・・第一のｎ型クラッド層、
６・・・・活性層、
７・・・・第一のｐ型クラッド層、
８・・・・第二のｐ型クラッド層、
９・・・・ｐ型コンタクト層、
４４・・・ｎ型多層膜、
５５・・・ｐ型多層膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたインジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記インジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、前記ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記インジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたアルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、前記ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項３記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
少なくともｎ型クラッド層と、その上に、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にインジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層と、ｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記インジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層と前記ｐ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜の光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記インジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
少なくともｎ型クラッド層と、その上に、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にアルミニウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層と、ｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記アルミニウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層と前記ｐ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜の光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記アルミニウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項８記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項６〜９のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１】
少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたインジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記インジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、前記ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記インジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたアルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、その上にインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層と、前記ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項３記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
少なくともｎ型クラッド層と、その上に、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にインジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層と、ｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記インジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層と前記ｐ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜の光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記インジウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
少なくともｎ型クラッド層と、その上に、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その上にアルミニウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層と、ｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記アルミニウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層と前記ｐ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜の光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記アルミニウムとガリウムとを含むｐ型窒化物半導体からなる層は、前記活性層に接している請求項８記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項６〜９のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００４−２８９１８３（Ｐ２００４−２８９１８３Ａ）
【公開日】平成１６年１０月１４日（２００４．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０４８６２（Ｐ２００４−２０４８６２）
【出願日】平成１６年７月１２日（２００４．７．１２）
【分割の表示】特願２０００−１５８３６８（Ｐ２０００−１５８３６８）の分割
【原出願日】平成７年１２月６日（１９９５．１２．６）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１６年１０月１４日（２００４．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１２日（２００４．７．１２）
【分割の表示】特願２０００−１５８３６８（Ｐ２０００−１５８３６８）の分割
【原出願日】平成７年１２月６日（１９９５．１２．６）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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