JP3754226B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等のIII 族窒化物半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）を用いた半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光素子は、可視から紫外に渡る領域の光を発生する発光素子として応用が期待されている。このような半導体発光素子は、サファイア、炭化ケイ素等の基板の（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）により作製されている。
【０００３】
一般に、基板上にｎ型の半導体層、発光層およびｐ型の半導体層が順に積層されてなるＧａＮ系半導体発光素子においては、ｐ型の半導体層中にｎ型の電流ブロック層が形成される。この電流ブロック層により、半導体発光素子の横モード制御が行われる。
【０００４】
図７は従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の一例を示す模式的断面図である。
図７に示す半導体レーザ素子２００においては、サファイア基板８１上にアンドープのＡｌＧａＮからなるバッファ層８２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層８３、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−光クラッド層８４、ｎ−ＧａＮからなるｎ−光ガイド層８５、発光層８６、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−キャップ層８７、ｐ−ＧａＮからなるｐ−光ガイド層８８および開口部を有するｎ−電流ブロック層８９が順に形成されている。ｎ−電流ブロック層８９の開口部内にｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−光クラッド層９０が形成されている。ｐ−光クラッド層９０上およびｎ−電流ブロック層８９上には、ｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層９１が形成されている。
【０００５】
ｐ−コンタクト層９１からｎ−コンタクト層８３までの一部領域がエッチングされ、露出したｎ−コンタクト層８３上にｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−コンタクト層９１上にｐ電極５１が形成されている。
【０００６】
半導体レーザ素子２００において、ｐ電極５１から注入された電流はｎ−電流ブロック層８９において狭窄される。それにより、ｎ−電流ブロック層８９の開口部が電流注入領域になるとともに、電流注入領域下の発光層８６の領域に発光部が形成される。
【０００７】
電流ブロック層８９を構成する材料としては、ｎ−ＡｌＧａＮ、ｎ−ＩｎＧａＮ等が挙げられる。
【０００８】
ｎ−ＡｌＧａＮから構成されるｎ−電流ブロック層８９は、Ａｌを含有するため屈折率が小さい。屈折率の小さいｎ−電流ブロック層８９下の発光層８６の領域においては、開口部下の発光層８６の領域に比べて実効屈折率が小さくなる。このように屈折率の分布が生じるため、発光層８６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。以上のような屈折率の差により光の閉じ込めが行われる素子構造は、実屈折率導波構造と呼ばれる。
【０００９】
一方、ｎ−ＩｎＧａＮから構成されるｎ−電流ブロック層８９は、発光層８６よりもバンドギャップが小さいため、発光層８６において発生した高次モードの光がｎ−電流ブロック層８９により吸収される。それにより、電流ブロック層８９の開口部下の発光層８６の領域に光が集中し、発光層８６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。以上のような光の吸収により光の閉じ込めが行われる素子構造は、損失導波構造と呼ばれる。
【００１０】
以上のように、ｎ−電流ブロック層８９による電流狭窄および発光層８６における光の閉じ込めにより、半導体レーザ素子２００において横モード制御が行われる。
【００１１】
ｎ−ＡｌＧａＮから構成されるｎ−電流ブロック層８９を有する半導体レーザ素子２００においては、通常、ｎ−電流ブロック層８９の電子濃度を１０19〜１０20ｃｍ-3と非常に高くすることによりｎ−電流ブロック層８９における電流の漏れを抑制し、無効電流の低減を図る。
【００１２】
また、半導体レーザ素子２００における横モード制御の効果を大きくするためには、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−電流ブロック層８９のＡｌ組成を大きくすることが好ましい。Ａｌ組成を大きくすることによりｎ−電流ブロック層８９の屈折率がより小さくなるため、発光層８６の水平方向における屈折率の差が大きくなる。それにより、光の閉じ込めが効果的に行われる。
【００１３】
Ａｌ組成の大きなｎ−電流ブロック層８９においては、格子定数がｎ−コンタクト層８３よりも小さくなるため、引張り歪みによるピエゾ効果の結果として電界（ピエゾ電界）が生じる。しかしながら、ｎ−電流ブロック層８９に高濃度の電子が注入されているため、電子の移動によりピエゾ電界が低減される。それにより、ピエゾ効果によるエネルギーバンドの曲がりが抑制される。
【００１４】
図８はｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−電流ブロック層８９を有する半導体レーザ素子２００のＢ−Ｂ線断面におけるエネルギーバンド構造を示す模式図である。なお、図８はｐ電極５１とｎ電極５０との間に印加される正バイアスが０の場合について示している。
【００１５】
図８に示すように、ｎ−電流ブロック層８９においては高濃度の電子によりピエゾ効果が抑制されるため、ｎ−電流ブロック層８９のエネルギーバンドは平坦である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、半導体レーザ素子２００のｐ電極５１とｎ電極５０との間に正バイアスを印加した場合、図中の矢印で示すように、ｐ−コンタクト層９１側の擬フェルミ準位が下降するとともにｎ−コンタクト層８３側の擬フェルミ準位が上昇する。それにより、ｎ−電流ブロック層８９のエネルギーバンドが右上がりに傾く。さらに高い正バイアスを印加すると、ｎ−電流ブロック層８９のエネルギーバンドの傾きが大きくなるため、ｎ−電流ブロック層８９の厚さが小さいと、トンンネル効果により、正孔がｎ−電流ブロック層８９を通ってｐ−コンタクト層９１からｐ−光ガイド層８８へ移動することが可能となる。その結果、発光に寄与しない無効電流が増加する。また、ｎ−電流ブロック層８９中の準位に落ちた正孔が望ましい発光とは異なる再結合を起こすため、無効電流が増加する。
【００１７】
このような無効電流は、ｎ−電流ブロック層８９の厚さを大きくすることにより抑制することが可能である。しかしながら、Ａｌ組成の大きなｎ−電流ブロック層８９を厚く成長させた場合、ｎ−コンタクト層８３に対する格子不整合による歪みのためにクラックが発生する。したがって、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−電流ブロック層８９の厚みを大きくすることは困難である。
【００１８】
ある程度厚さの小さなｎ−電流ブロック層８９であっても横モード制御を行うことは可能である。しかしながら、厚さの小さなｎ−電流ブロック層８９においては、前述のトンネル効果による電流の漏れを抑制することが困難であるため、無効電流が増加する。それにより、半導体レーザ素子２００の動作電流およびしきい値電流が上昇し、発光効率が低下する。
【００１９】
一方、ｎ−ＩｎＧａＮからなるｎ−電流ブロック層を有する損失導波構造の半導体レーザ素子においても、ｎ−ＡｌＧａＮからなる電流ブロック層８９を有する半導体レーザ素子２００と同様、ｎ−電流ブロック層の厚さが小さい場合には無効電流が増加するため、半導体レーザ素子の動作電流およびしきい値電流が上昇し、発光効率が低下する。
【００２０】
本発明の目的は、無効電流の低減化が図られた動作電流およびしきい値電流が低くかつ発光効率の高い半導体発光素子を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層、発光層および第２導電型の第２の半導体層を順に含み、電流注入領域を除いて第２の半導体層中に第１導電型の電流ブロック層が設けられ、第1の半導体層と第２の半導体層との間への正バイアスの印加により電流注入領域を通して発光層に電流が注入される半導体発光素子において、電流ブロック層が正バイアスと逆向きの電界を内在すると共に、電流ブロック層は、第１の電流ブロック層と、該第１の電流ブロック層上に積層され当該第１の電流ブロック層よりも高いキャリア濃度を有し、且つ第２の半導体層よりも高いキャリア濃度を有する第２の電流ブロック層を有するものである。
【００２２】
本発明に係る半導体発光素子においては、電流ブロック層が正バイアスと逆向きの電界を内在するため、第１の半導体層と第２の半導体層との間に正バイアスを印加した場合、印加した正バイアスは電流ブロック層に内在する電界を低減させる。それにより、電流ブロック層内の電位勾配が消失または減少するため、電流ブロック層においてトンネル効果による電流の漏れがなくなり、電流が確実に阻止される。それにより、本発明に係る半導体発光素子においては、発光に寄与しない無効電流が減少し、動作電流およびしきい値電流の低減化が図られるため、発光効率の高い半導体発光素子が得られる。
【００２３】
また、電流の漏れによるビームの広がりが防止されるため、望ましいビームプロファイルを有しかつ信頼性の高い半導体発光素子が得られる。
【００２４】
第１の電流ブロック層は、ピエゾ効果により正バイアスと逆向きの電界を内在してもよい。
【００２５】
電流ブロック層が引張り歪みまたは圧縮歪みを受けると、ピエゾ効果により、電流ブロック層に電界が発生する。このピエゾ効果による電界が正バイアスと逆向きになるように電流ブロック層の組成を設定することにより、電流ブロック層に正バイアスと逆向きの電界を内在させることが可能となる。
【００２６】
電流ブロック層は、ガリウムおよびアルミニウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体により構成されてもよく、また、第１の半導体層、発光層および第２の半導体層は、ガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む窒化物系半導体により構成されてもよい。このような窒化物系半導体においては、ピエゾ効果による電界が顕著に現れる。
【００２７】
第１の電流ブロック層のキャリア濃度が１×１０１９ｃｍ−３よりも低いことが好ましい。
【００２８】
電流ブロック層のキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3よりも高い場合、ピエゾ効果による電界が減少するため、正バイアスの印加時に電流ブロック層内に電位勾配が発生する。これに対し、電流ブロック層のキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3よりも低い場合、電流ブロック層がピエゾ効果による正バイアスと逆向きの電界を内在することが可能となるため、正バイアスの印加時に電流ブロック層内の電位勾配が減少または消失する。
【００２９】
第１の電流ブロック層の屈折率は電流注入領域の屈折率よりも小さくてもよい。
この場合、第１の電流ブロック層下の発光層の実効屈折率が、電流注入領域下の発光層の実効屈折率に比べて小さくなる。このような発光層における屈折率の差により、発光層において水平方向の光閉じ込めが行われる。したがって、実屈折率導波構造を有する半導体発光素子が実現される。
【００３０】
第１の電流ブロック層は、アルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体からなり、前記電流ブロック層の表面が窒素で終端し、かつアルミニウム組成が０．１よりも大きくてもよい。
【００３１】
この場合、電流ブロック層がアルミニウムを含むため、電流ブロック層の屈折率を小さくすることが可能となる。それにより、実屈折率導波構造を有する半導体発光素子が実現される。
【００３２】
また、電流ブロック層のアルミニウム組成が０．１よりも大きくかつ電流ブロック層の表面が窒素で終端しているため、電流ブロック層は正バイアスと逆向きの電界を内在する。
【００３３】
第１の電流ブロック層は、アルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体からなり、前記第１の電流ブロック層の表面がガリウムおよびアルミニウムで終端し、かつアルミニウム組成が０．１よりも小さくてもよい。
【００３４】
この場合、電流ブロック層がアルミニウムを含むため、電流ブロック層の屈折率を小さくすることが可能となる。それにより、実屈折率導波構造を有する半導体発光素子が実現される。
【００３５】
また、電流ブロック層のアルミニウム組成が０．１よりも小さくかつ電流ブロック層の表面がガリウムおよびアルミニウムのIII 族元素で終端しているため、電流ブロック層は正バイアスと逆向きの電界を内在する。
【００３６】
第１の半導体層、発光層、第２の半導体層および電流ブロック層はサファイア基板上に形成されてもよい。
【００３７】
サファイア基板上に形成されたアルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体は、サファイア基板よりも格子定数が大きいため、圧縮歪みを受ける。したがって、サファイア基板上に形成されたアルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体から構成される電流ブロック層においては、ピエゾ効果により電界が発生する。それにより、電流ブロック層が正バイアスと逆向きの電界を内在する。
【００４６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００４７】
図１に示す半導体レーザ素子１００においては、サファイア基板１のｃ（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）によりアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなるバッファ層２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層３、ｎ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｎ−光クラッド層４、ｎ−ＧａＮからなるｎ−光ガイド層５、発光層６、ｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−キャップ層７、ｐ−ＧａＮからなるｐ−光ガイド層８およびストライプ状の開口部を有するｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎからなるｎ−電流ブロック層９が順に形成されている。ｎ−電流ブロック層９の開口部内には、ｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−光クラッド層１０が形成されている。ｐ−光クラッド層１０上およびｎ−電流ブロック層９上には、ｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１１が形成されている。
【００４８】
ｐ−コンタクト層１１からｎ−コンタクト層３までの一部領域がエッチングされ、露出したｎ−コンタクト層３上に、厚さ５００ｎｍのＡｕ膜、厚さ２００ｎｍのＡｌ膜および厚さ１００ｎｍのＴｉ膜を積層してなるｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−コンタクト層１１上に、厚さ５００ｎｍのＡｕ膜および厚さ４００ｎｍのＰｔ膜を積層してなるｐ電極５１が形成されている。このように、半導体レーザ素子１００はセルフアライン構造を有する。なお、各層２〜１１の膜厚およびキャリア濃度は表１に示す通りである。
【００４９】
【表１】
【００５０】
発光層６は、ｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ１５ｎｍの４層の量子障壁層とＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎからなる厚さ２０ｎｍの３層の量子井戸層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。
【００５１】
半導体レーザ素子１００において、ｐ電極５１から注入された電流はｎ−電流ブロック層９において狭窄される。それにより、ｎ−電流ブロック層９の開口部が電流注入領域になるとともに、電流注入領域下の発光層６の領域に発光部が形成される。
【００５２】
一方、ｎ−電流ブロック層９はｐ−光クラッド層１０に比べて屈折率が小さいため、ｎ−電流ブロック層９下の発光層６の領域の実効屈折率が、電流注入領域下の発光層６の領域の実効屈折率に比べて小さくなる。それにより、発光層６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。このように、半導体レーザ素子１００は実屈折率導波構造の半導体レーザ素子である。
【００５３】
半導体レーザ素子１００においては、以上のようなｎ−電流ブロック層９による電流狭窄および発光層６における光の閉じ込めにより、横モード制御が行われる。
【００５４】
ｎ−電流ブロック層９のＡｌ組成は０．１より大きい。また、ｎ−電流ブロック層９の表面はＮで終端されている。このようなｎ−電流ブロック層９はｎ−コンタクト層３よりも格子定数が小さいため、引張り歪みを受ける。それにより、ｎ−電流ブロック層９においてピエゾ効果による電界が発生する。ここで、サファイア基板１側の電位が低くｐ電極５１側の電位が高い電界を正のピエゾ電界と呼ぶ。ｎ−電流ブロック層９の電子濃度が、従来の半導体レーザ素子の電流ブロック層の電子濃度よりも低い１×１０17ｃｍ-3であるため、電子の移動によりピエゾ電界が低減されることはなく、ｎ−電流ブロック層９は正のピエゾ電界を内在する。
【００５５】
図２は半導体レーザ素子１００のＡ−Ａ線断面におけるエネルギーバンド構造を示す模式図である。なお、図２はｐ電極５１とｎ電極５０との間に印加される正バイアスが０の場合を示している。
【００５６】
図２に示すように、ｎ−電流ブロック層９は正のピエゾ電界を内在するため、エネルギーバンドの曲がりが生じており、エネルギーバンドが右下がりに傾いている。
【００５７】
半導体レーザ素子１００に正バイアスを印加した場合、図中の矢印で示すように、ｐ−コンタクト層１１側の擬フェルミ準位が下降するとともにｎ−コンタクト層３側の擬フェルミ準位が上昇する。それにより、ｎ−電流ブロック層９のエネルギーバンドが平坦化し、正のピエゾ電界が低減する。このように、正のピエゾ電界を内在するｎ−電流ブロック層９においては、印加された正バイアスがピエゾ電界を打ち消すのに用いられる。
【００５８】
半導体レーザ素子１００においては、正バイアスの印加時に、上記のようにｎ−電流ブロック層９のエネルギーバンドが平坦化するので、ｐ−コンタクト層１１からｎ−電流ブロック層９を通してトンネル効果によりｐ−光ガイド層８へ正孔が移動することが抑制され、ｎ−電流ブロック層９における電流の漏れが防止される。また、ｐ−コンタクト層１１からｎ−電流ブロック層９の準位へ正孔が落ちることにより望ましい発光とは異なる再結合を起こすことが防止される。したがって、無効電流が低減し、半導体レーザ素子１００の動作電流およびしきい値電流が低減されるため、発光効率の高い半導体レーザ素子が得られる。
【００５９】
また、電流の漏れによるビームの広がりが防止されるため、望ましいビームプロファイルを有しかつ信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。
【００６０】
図３はアンドープのＡｌＧａＮの（０００１）面におけるＡｌ組成とピエゾ電界との関係を示す図である。なお、図３はＡｌＧａＮの表面がＮで終端されている場合のピエゾ電界を示す。
【００６１】
図３に示すように、ＡｌＧａＮのＡｌ組成によってピエゾ電界の大きさおよび符号が変化する。ＡｌＧａＮのＡｌ組成が０．１を超える場合、正のピエゾ電界が生じる。一方、Ａｌ組成が０．１よりも小さい場合、負のピエゾ電界が生じる。
【００６２】
例えばＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成が０．２である場合、７×１０7 Ｖ／ｍの正のピエゾ電界が生じる。したがって、このようなＡｌ組成のＡｌＧａＮからなる厚さ５００ｎｍの電流ブロック層は３５Ｖの正のピエゾ電界を内在する。これに対し、通常の半導体レーザ素子の動作時に印加される正バイアスは１０Ｖ以下であるため、電流ブロック層内の正のピエゾ電界が完全に打ち消されて逆向きの電界が発生するまでには至らない。したがって、電流ブロック層においてトンネル効果による電流が流れることはなく、電流が確実に遮断され、無効電流が低減する。
【００６３】
一方、Ａｌ組成が０．１よりも小さく負のピエゾ電界を内在する電流ブロック層においては、図２に示すエネルギーバンドと逆の右上がりのエネルギーバンドとなる。このような負のピエゾ電界を内在する電流ブロック層を有する半導体レーザ素子に正バイアスを印加した場合、電流ブロック層のエネルギーバンドの傾きがさらに大きくなるため、トンネル効果が発生して無効電流が増加する。したがって、電流ブロック層のＡｌ組成は正のピエゾ電界が発生する範囲、すなわち０．１よりも大きい範囲とする。
【００６４】
なお、図３においてはアンドープのＡｌＧａＮの場合について示したが、ｎ−ＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成とピエゾ電界との間についても、図中の直線の傾きが小さくなる点を除いて、図３に示すアンドープのＡｌＧａＮと同様の関係が成り立つ。したがって、ｎ−電流ブロック層９におけるＡｌ組成は０．１よりも大きくする。
【００６５】
また、ｎ−電流ブロック層９が内在するピエゾ電界は、ｎ−電流ブロック層９の表面を構成する材料によって変化する。本実施例のように、サファイア基板１上にＭＯＣＶＤ法により形成されたＡｌＧａＮの表面はＮで終端される。これに対して、サファイア基板１上にＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）により形成されたＡｌＧａＮの表面はＧａおよびＡｌで終端される。この場合には、ＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成とピエゾ電界との間には図３に示す関係と逆の関係が成り立つ。すなわち、Ａｌ組成を０．１よりも大きくした場合に負のピエゾ電界が発生し、Ａｌ組成を０．１よりも小さくした場合に正のピエゾ電界が発生する。したがって、ｎ−電流ブロック層９がＧａで終端する場合においては、Ａｌ組成を０．１よりも小さくする。それにより、ｎ−電流ブロック層９が正のピエゾ電界を内在するため、無効電流の低減を図ることが可能となる。
【００６６】
なお、ｎ−電流ブロック層９の面方位は、歪みにより電位勾配の発生する面方位であれば（０００１）面以外であってもよい。ｎ−電流ブロック層９の面方位が［１００］軸を面内に含む面方位以外であれば、いかなる面方位においても歪みにより電位勾配が法線方向に発生する。つまり、ｎ−電流ブロック層９の面方位が一般式（ＨＫＬ０）面（Ｈ、ＫおよびＬは、Ｈ＋Ｋ＋Ｌ＝０の関係を満足しかつＨ＝Ｋ＝Ｌ＝０を除く任意の数）で表される面方位（例えば（１-1００）面または（１１-2０）面）以外であれば、いかなる面方位においても電位勾配が発生する。なお、ｎ−電流ブロック層９の法線方向に電位勾配を発生させるピエゾ効果が最も大きいことから、ｎ−電流ブロック層９は（０００１）面を主面とすることが好ましい。
【００６７】
図４は本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００６８】
図４に示す半導体レーザ素子１１０においては、半導体レーザ素子１００と同様、サファイア基板１上に各層２〜８が形成されている。
【００６９】
ｐ−光ガイド層８上にｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−光クラッド層１０ａが形成され、このｐ−光クラッド層１０ａがエッチングされてリッジ部が形成されている。さらに、ｐ−光クラッド層１０ａ上に、ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.9 Ｎからなりリッジ部の上面に開口部を有するｎ−電流ブロック層９ａが形成され、開口部内のｐ−光クラッド層１０ａ上およびｎ−電流ブロック層９ａ上にｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１１ａが形成されている。ｐ−コンタクト層１１ａのｎ−電流ブロック層９上の領域上に、ＳｉＯ2 からなる厚さ５００ｎｍの絶縁膜２０が形成されている。
【００７０】
ｐ−コンタクト層１１ａからｎ−コンタクト層３までの一部領域がエッチングされ、ｎ−コンタクト層３上にｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−コンタクト層１１ａ上にｐ電極５１が形成されている。このように半導体レーザ素子１１０はリッジ導波型構造を有する。
【００７１】
なお、半導体レーザ素子１１０の各層９ａ，１０ａ，１１ａの膜厚およびキャリア濃度は、表１に示す半導体レーザ素子１００の各層９，１０，１１と同様である。ただし、この場合におけるｐ−光クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａの厚さは、リッジ部の両側の平坦部の厚さとする。
【００７２】
半導体レーザ素子１１０において、ｐ電極５１から注入された電流は、絶縁膜２０およびｎ−電流ブロック層９ａにおいて狭窄される。それにより、リッジ部に電流注入領域が形成されるとともに、電流注入領域下の発光層６の領域に発光部が形成される。
【００７３】
また、ｎ−電流ブロック層９ａの屈折率がｐ−光クラッド層１０ａに比べて小さいため、発光層６の水平方向において実効屈折率に差が生じる。それにより、発光層６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。
【００７４】
以上のようなｎ−電流ブロック層９ａによる電流狭窄および発光層６における光の閉じ込めにより、半導体レーザ素子１１０において横モード制御が行われる。
【００７５】
また、半導体レーザ素子１１０のｎ−電流ブロック層９ａは、Ａｌ組成が０．１より大きくかつ電子濃度が１×１０17ｃｍ-3であり、表面がＮで終端されている。このため、ｎ−電流ブロック層９ａは正のピエゾ電界を内在する。したがって、半導体レーザ素子１１０に印加された正バイアスはｎ−電流ブロック層９ａのピエゾ電界を打ち消すのに用いられる。それにより、半導体レーザ素子１１０において無効電流が低減され、動作電流およびしきい値電流が低減されるため、発光効率の向上が図られる。
【００７６】
図５は本発明の実施例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００７７】
図５に示す半導体レーザ素子１２０は、以下の点を除いて、半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００７８】
半導体レーザ素子１２０においては、ｎ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｎ−光クラッド層４ａの厚さが、後述するように半導体レーザ素子１００のｎ−光クラッド層４と異なる。また、ｐ−光ガイド層８上に開口部を有するｎ−電流ブロック層１９が形成されており、このｎ−電流ブロック層１９は、ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎからなるｎ−第１電流ブロック層１９ａおよびｎ−第２電流ブロック層１９ｂが順に積層されてなる。ｎ−第２電流ブロック層１９ｂ上および開口部内のｐ−光ガイド層８上にｐ−Ａｌ0.Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−光クラッド層１０ｂが形成され、ｐ−光クラッド層１０ｂ上にｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１１ｂが形成されている。
【００７９】
なお、ｎ−光クラッド層４ａ、ｎ−第１およびｎ−第２電流ブロック層１９ａ，１９ｂ、ｐ−光クラッド層１０ｂおよびｐ−コンタクト層１１ｂの膜厚およびキャリア濃度は表２に示す通りである。
【００８０】
【表２】
【００８１】
半導体レーザ素子１３０は半導体レーザ素子１００と同様のセルフアライン型構造を有しており、ｎ−電流ブロック層１９により横モード制御が行われる。
【００８２】
１×１０17ｃｍ-3の低電子濃度のｎ−第１電流ブロック層１９ａは、半導体レーザ素子１００のｎ−電流ブロック層９と同様、Ａｌ組成が０．１よりも大きくかつ表面がＮで終端されている。このため、ｎ−第１電流ブロック層１９ａは正のピエゾ電界を内在する。したがって、半導体レーザ素子１２０においても、半導体レーザ素子１００と同様、印加した正バイアスがピエゾ電界を打ち消すのに用いられるため、無効電流が低減される。それにより、半導体レーザ素子１２０において動作電流およびしきい値電流が低減し、発光効率の向上が図られる。
【００８３】
一方、半導体レーザ素子１２０においては、ｎ−第２電流ブロック層１９ｂとｐ−光クラッド層１０ａとのｐｎ接合の界面近傍に空乏層が形成される。この場合、ｎ−第２電流ブロック層１９ｂの電子濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、ｐ−光クラッド層１０ａの正孔濃度よりも高い。このため、空乏層はｐ−光クラッド層１０ｂ側に形成される。
【００８４】
空乏層がｎ−電流ブロック層側に形成された場合、ｐ−光クラッド層中の正孔が空乏層を経てｎ−電流ブロック層中へ拡散する。このため、無効電流が増加する。一方、半導体レーザ素子１２０のように、ｐ−光クラッド層１０ｂ側に空乏層が形成された場合、ｐ−光クラッド層１０ｂからｎ−第２電流ブロック層１９ｂへの正孔の拡散を防止することが可能となるため、無効電流が低減される。したがって、ｎ−第１電流ブロック層１９ａ上に高電子濃度層であるｎ−第２電流ブロック層１９ｂが積層された半導体レーザ素子１２０においては、動作電流およびしきい値電流をさらに低減することが可能となるため、発光効率がより向上する。
【００８５】
なお、半導体レーザ素子１２０においては、低電子濃度のｎ−第１電流ブロック層１９ａ上に高電子濃度のｎ−第２電流ブロック層１９ｂを積層した場合を示したが、高電子濃度のｎ−電流ブロック層上に低電子濃度のｎ−電流ブロック層を積層してもよい。
【００８６】
また、ｎ−第１およびｎ−第２電流ブロック層が異なる材料により構成されてもよい。この場合、例えば低電子濃度のｎ−第１電流ブロック層の材料としてｎ−ＡｌＧａＮを用い、半導体レーザ素子の横モード制御に悪影響を与えない場合には、高電子濃度のｎ−第２電流ブロック層の材料としてｎ−ＧａＮを用いてもよい。なお、ｎ−ＧａＮはＡｌを含まないため、電流ブロック層の歪みを増加させない。
【００８７】
図６本発明の第３の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００８８】
図６に示す半導体レーザ素子１３０は、キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＳｉＣからなる厚さ３００μｍの６Ｈ−ＳｉＣ基板３１上に、ｎ−Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなるｎ−バッファ層３２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮ層３３、ｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなるｎ−光クラッド層３４、ｎ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｎ−光ガイド層３５、ｎ−ＧａＮからなる発光層３６、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ−キャップ層３７、ｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−光ガイド層３８、ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなるｐ−光クラッド層４０が順に形成されている。ｐ−光クラッド層４０がエッチングされてリッジ部が形成されている。さらに、ｐ−光クラッド層４０上に、ｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなりリッジ部の上面に開口部を有するｎ−電流ブロック層３９が形成され、開口部内のｐ−光クラッド層４０上およびｎ−電流ブロック層３９上にｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層４１が形成されている。ｐ−コンタクト層４１のｎ−電流ブロック層３９上の領域上に、ＳｉＯ2 からなる厚さ８００ｎｍの絶縁膜４２が形成されている。
【００８９】
６Ｈ−ＳｉＣ基板３１の裏面にｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−コンタクト層４１上にｐ電極５１が形成されている。このように、半導体レーザ素子１３０は、半導体レーザ素子１００と同様、リッジ導波型構造を有する。なお、各層３２〜４１の膜厚およびキャリア濃度は表３に示す通りである。
【００９０】
【表３】
【００９１】
半導体レーザ素子１３０において、ｐ電極５１から注入された電流は絶縁膜４２およびｎ−電流ブロック層３９において狭窄される。それにより、リッジ部に電流注入領域が形成されるとともに、電流注入領域下の発光層３６の領域に発光部が形成される。
【００９２】
また、ｎ−電流ブロック層３９は、発光層３６よりもバンドギャップが小さいため、発光層３６において発生した高次モードの光がｎ−電流ブロック層３９により吸収される。それにより、ｎ−電流ブロック層３９の開口部下の発光層３６の領域に光が集中し、発光層３６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。このように半導体レーザ素子１３０は損失導波構造を有する。
【００９３】
以上のようなｎ−電流ブロック層３９による電流狭窄および発光層３６における光の閉じ込めにより、半導体レーザ素子１３０において横モード制御が行われる。
【００９４】
なお、サファイア基板上にｎ−電流ブロック層３９を形成した場合、ｎ−電流ブロック層３９はｐ−光クラッド層４０よりも格子定数が大きいため、圧縮歪みを受ける。それにより、ｎ−電流ブロック層３９において負のピエゾ電界が発生する。したがって、サファイア基板上に形成されたｎ−電流ブロック層３９のエネルギーバンドは、図２に示すｎ−電流ブロック層９とは逆で右上がりに傾く。このため、半導体レーザ素子１３０においては、６Ｈ−ＳｉＣ基板３１上にｎ−電流ブロック層３９が形成されている。この場合、ｎ−ＧａＮ電流ブロック層３９の格子定数は６Ｈ−ＳｉＣ基板３１よりも格子定数が小さいため、ｎ−電流ブロック層３９は引張り歪みを受ける。それにより、ｎ−電流ブロック層３９において正のピエゾ電界が発生する。この場合、ｎ−電流ブロック層３９の電子濃度が１×１０17と低いため、ｎ−電流ブロック層３９は正のピエゾ電界を内在する。したがって、ｎ−電流ブロック層３９のエネルギーバンドは、図２に示すｎ−電流ブロック層９と同様、右下がりに傾いている。
【００９５】
正のピエゾ電界を内在するｎ−電流ブロック層３９においては、図１のｎ−電流ブロック層９と同様、印加した正バイアスがピエゾ電界を打ち消すのに用いられるため、無効電流が低減される。それにより、半導体レーザ素子１３０において動作電流およびしきい値電流が低減し、発光効率の向上が図られる。
【００９６】
なお、上記の実施例の半導体レーザ素子１００，１１０，１２０，１３０においては、各層がＧａ、ＡｌおよびＩｎを含む窒化物系半導体から構成される場合について説明したが、各層がＢを含んでもよい。
【００９７】
また、本発明はＧａＮ系以外の半導体レーザ素子においても適用可能であり、さらに発光ダイオード等の半導体レーザ素子以外の半導体発光素子においても適用可能である。
【００９８】
【実施例】
［参考例１］
アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなり電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ−電流ブロック層９を有する図１に示す半導体レーザ素子１００を作製した。なお、このｎ−電流ブロック層９にはｎ型の不純物を意図的にはドープしていないが、ＡｌＧａＮがｎ型になりやすい性質を有するため、ｎ−電流ブロック層９の電子濃度は１×１０１７ｃｍ−３程度となっている。
【００９９】
半導体レーザ素子１００を用いて、出力を４ｍＷとした際の動作電流および２Ｖの電圧を印加した際の電流値を測定した結果、それぞれ３００ｍＡおよび１．５ｍＡであった。
【０１００】
なお、比較のため、ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎからなり電子濃度が３×１０19ｃｍ-3のｎ−電流ブロック層９を有する点を除いて半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する半導体レーザ素子を作製し、上記と同様の測定を行った結果、動作電流は３３５ｍＡであり、電流値は３．５ｍＡであった。
【０１０１】
［参考例２］
アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなり電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ−電流ブロック層９ａを有する図４に示す半導体レーザ素子１１０を作製した。
【０１０２】
半導体レーザ素子１１０を用いて、出力を４ｍＷとした際の動作電流および２Ｖの電圧を印加した際の電流値を測定した結果、それぞれ２９０ｍＡおよび１．２ｍＡであった。
【０１０３】
なお、比較のため、ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.1 からなり電子濃度が３×１０19ｃｍ-3のｎ−電流ブロック層９ａを有する点を除いて半導体レーザ素子１１０と同様の構造を有する半導体レーザ素子を作製し、上記と同様の測定を行った結果、動作電流は３２８ｍＡであり、電流値は３ｍＡであった。
【０１０４】
［実施例］
アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなり電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ−第１電流ブロック層１９ａを有する図５に示す半導体レーザ素子１２０を作製した。
【０１０５】
半導体レーザ素子１２０を用いて、出力を４ｍＷとした際の動作電流および２Ｖの電圧を印加した際の電流値を測定した結果、それぞれ２８０ｍＡおよび０．７ｍＡであった。
【０１０６】
［参考例３］
ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなり電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ−電流ブロック層３９を有する図６に示す半導体レーザ素子１３０を作製した。
【０１０７】
半導体レーザ素子１３０を用いて、５Ｖの電圧を印加した際の電流値を測定した結果、３．４ｍＡであった。
【０１０８】
なお、比較のため、電子濃度が５×１０19ｃｍ-3のｎ−電流ブロック層３９を有する点を除いて半導体レーザ素子１３０と同様の構造を有する半導体レーザ素子を作製し、上記と同様の測定を行った結果、電流値は４．０ｍＡであった。
【０１０９】
以上の実施例で示すように、１×１０17ｃｍ-3のｎ−電流ブロック層９，９ａ，１９ａ，３９を有する本発明に係る半導体レーザ素子１００，１１０，１２０，１３０においては、無効電流を低減することが可能となるため、半導体レーザ素子１００，１１０，１２０，１３０の発光効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図２】 図１の半導体レーザ素子のＡ−Ａ線断面におけるエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【図３】 アンドープのＡｌＧａＮの（０００１）面におけるＡｌ組成とピエゾ電界との関係を示す図である。
【図４】 本発明の第２の参考例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図５】 本発明の実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図６】 本発明の第３の参考例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図７】 従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図８】 図７の半導体レーザ素子のＢ−Ｂ線断面におけるエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１，８１ サファイア基板
２，３２，８２ バッファ層
３，３３，８３ ｎ−コンタクト層
４，３４，８４ ｎ−光クラッド層
５，３５，８５ ｎ−光ガイド層
６，３６，８６ 発光層
７，３７，８７ ｐ−キャップ層
８，３８，８８ ｐ−光ガイド層
９，９ａ，１９，３９，８９ 電流ブロック層
１０，１０ａ，１０ｂ，４０，９０ ｐ−クラッド層
１１，１１ａ，１１ｂ，４１，９１ ｐ−コンタクト層
１９ａ ｎ−第１電流ブロック層
１９ｂ ｎ−第２電流ブロック層
２０，４２ 絶縁膜
３１ ＳｉＣ基板
５０ ｎ電極
５１ ｐ電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等のIII 族窒化物半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）を用いた半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光素子は、可視から紫外に渡る領域の光を発生する発光素子として応用が期待されている。このような半導体発光素子は、サファイア、炭化ケイ素等の基板の（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）により作製されている。
【０００３】
一般に、基板上にｎ型の半導体層、発光層およびｐ型の半導体層が順に積層されてなるＧａＮ系半導体発光素子においては、ｐ型の半導体層中にｎ型の電流ブロック層が形成される。この電流ブロック層により、半導体発光素子の横モード制御が行われる。
【０００４】
図７は従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の一例を示す模式的断面図である。
図７に示す半導体レーザ素子２００においては、サファイア基板８１上にアンドープのＡｌＧａＮからなるバッファ層８２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層８３、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−光クラッド層８４、ｎ−ＧａＮからなるｎ−光ガイド層８５、発光層８６、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−キャップ層８７、ｐ−ＧａＮからなるｐ−光ガイド層８８および開口部を有するｎ−電流ブロック層８９が順に形成されている。ｎ−電流ブロック層８９の開口部内にｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−光クラッド層９０が形成されている。ｐ−光クラッド層９０上およびｎ−電流ブロック層８９上には、ｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層９１が形成されている。
【０００５】
ｐ−コンタクト層９１からｎ−コンタクト層８３までの一部領域がエッチングされ、露出したｎ−コンタクト層８３上にｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−コンタクト層９１上にｐ電極５１が形成されている。
【０００６】
半導体レーザ素子２００において、ｐ電極５１から注入された電流はｎ−電流ブロック層８９において狭窄される。それにより、ｎ−電流ブロック層８９の開口部が電流注入領域になるとともに、電流注入領域下の発光層８６の領域に発光部が形成される。
【０００７】
電流ブロック層８９を構成する材料としては、ｎ−ＡｌＧａＮ、ｎ−ＩｎＧａＮ等が挙げられる。
【０００８】
ｎ−ＡｌＧａＮから構成されるｎ−電流ブロック層８９は、Ａｌを含有するため屈折率が小さい。屈折率の小さいｎ−電流ブロック層８９下の発光層８６の領域においては、開口部下の発光層８６の領域に比べて実効屈折率が小さくなる。このように屈折率の分布が生じるため、発光層８６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。以上のような屈折率の差により光の閉じ込めが行われる素子構造は、実屈折率導波構造と呼ばれる。
【０００９】
一方、ｎ−ＩｎＧａＮから構成されるｎ−電流ブロック層８９は、発光層８６よりもバンドギャップが小さいため、発光層８６において発生した高次モードの光がｎ−電流ブロック層８９により吸収される。それにより、電流ブロック層８９の開口部下の発光層８６の領域に光が集中し、発光層８６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。以上のような光の吸収により光の閉じ込めが行われる素子構造は、損失導波構造と呼ばれる。
【００１０】
以上のように、ｎ−電流ブロック層８９による電流狭窄および発光層８６における光の閉じ込めにより、半導体レーザ素子２００において横モード制御が行われる。
【００１１】
ｎ−ＡｌＧａＮから構成されるｎ−電流ブロック層８９を有する半導体レーザ素子２００においては、通常、ｎ−電流ブロック層８９の電子濃度を１０19〜１０20ｃｍ-3と非常に高くすることによりｎ−電流ブロック層８９における電流の漏れを抑制し、無効電流の低減を図る。
【００１２】
また、半導体レーザ素子２００における横モード制御の効果を大きくするためには、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−電流ブロック層８９のＡｌ組成を大きくすることが好ましい。Ａｌ組成を大きくすることによりｎ−電流ブロック層８９の屈折率がより小さくなるため、発光層８６の水平方向における屈折率の差が大きくなる。それにより、光の閉じ込めが効果的に行われる。
【００１３】
Ａｌ組成の大きなｎ−電流ブロック層８９においては、格子定数がｎ−コンタクト層８３よりも小さくなるため、引張り歪みによるピエゾ効果の結果として電界（ピエゾ電界）が生じる。しかしながら、ｎ−電流ブロック層８９に高濃度の電子が注入されているため、電子の移動によりピエゾ電界が低減される。それにより、ピエゾ効果によるエネルギーバンドの曲がりが抑制される。
【００１４】
図８はｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−電流ブロック層８９を有する半導体レーザ素子２００のＢ−Ｂ線断面におけるエネルギーバンド構造を示す模式図である。なお、図８はｐ電極５１とｎ電極５０との間に印加される正バイアスが０の場合について示している。
【００１５】
図８に示すように、ｎ−電流ブロック層８９においては高濃度の電子によりピエゾ効果が抑制されるため、ｎ−電流ブロック層８９のエネルギーバンドは平坦である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、半導体レーザ素子２００のｐ電極５１とｎ電極５０との間に正バイアスを印加した場合、図中の矢印で示すように、ｐ−コンタクト層９１側の擬フェルミ準位が下降するとともにｎ−コンタクト層８３側の擬フェルミ準位が上昇する。それにより、ｎ−電流ブロック層８９のエネルギーバンドが右上がりに傾く。さらに高い正バイアスを印加すると、ｎ−電流ブロック層８９のエネルギーバンドの傾きが大きくなるため、ｎ−電流ブロック層８９の厚さが小さいと、トンンネル効果により、正孔がｎ−電流ブロック層８９を通ってｐ−コンタクト層９１からｐ−光ガイド層８８へ移動することが可能となる。その結果、発光に寄与しない無効電流が増加する。また、ｎ−電流ブロック層８９中の準位に落ちた正孔が望ましい発光とは異なる再結合を起こすため、無効電流が増加する。
【００１７】
このような無効電流は、ｎ−電流ブロック層８９の厚さを大きくすることにより抑制することが可能である。しかしながら、Ａｌ組成の大きなｎ−電流ブロック層８９を厚く成長させた場合、ｎ−コンタクト層８３に対する格子不整合による歪みのためにクラックが発生する。したがって、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−電流ブロック層８９の厚みを大きくすることは困難である。
【００１８】
ある程度厚さの小さなｎ−電流ブロック層８９であっても横モード制御を行うことは可能である。しかしながら、厚さの小さなｎ−電流ブロック層８９においては、前述のトンネル効果による電流の漏れを抑制することが困難であるため、無効電流が増加する。それにより、半導体レーザ素子２００の動作電流およびしきい値電流が上昇し、発光効率が低下する。
【００１９】
一方、ｎ−ＩｎＧａＮからなるｎ−電流ブロック層を有する損失導波構造の半導体レーザ素子においても、ｎ−ＡｌＧａＮからなる電流ブロック層８９を有する半導体レーザ素子２００と同様、ｎ−電流ブロック層の厚さが小さい場合には無効電流が増加するため、半導体レーザ素子の動作電流およびしきい値電流が上昇し、発光効率が低下する。
【００２０】
本発明の目的は、無効電流の低減化が図られた動作電流およびしきい値電流が低くかつ発光効率の高い半導体発光素子を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層、発光層および第２導電型の第２の半導体層を順に含み、電流注入領域を除いて第２の半導体層中に第１導電型の電流ブロック層が設けられ、第1の半導体層と第２の半導体層との間への正バイアスの印加により電流注入領域を通して発光層に電流が注入される半導体発光素子において、電流ブロック層が正バイアスと逆向きの電界を内在すると共に、電流ブロック層は、第１の電流ブロック層と、該第１の電流ブロック層上に積層され当該第１の電流ブロック層よりも高いキャリア濃度を有し、且つ第２の半導体層よりも高いキャリア濃度を有する第２の電流ブロック層を有するものである。
【００２２】
本発明に係る半導体発光素子においては、電流ブロック層が正バイアスと逆向きの電界を内在するため、第１の半導体層と第２の半導体層との間に正バイアスを印加した場合、印加した正バイアスは電流ブロック層に内在する電界を低減させる。それにより、電流ブロック層内の電位勾配が消失または減少するため、電流ブロック層においてトンネル効果による電流の漏れがなくなり、電流が確実に阻止される。それにより、本発明に係る半導体発光素子においては、発光に寄与しない無効電流が減少し、動作電流およびしきい値電流の低減化が図られるため、発光効率の高い半導体発光素子が得られる。
【００２３】
また、電流の漏れによるビームの広がりが防止されるため、望ましいビームプロファイルを有しかつ信頼性の高い半導体発光素子が得られる。
【００２４】
第１の電流ブロック層は、ピエゾ効果により正バイアスと逆向きの電界を内在してもよい。
【００２５】
電流ブロック層が引張り歪みまたは圧縮歪みを受けると、ピエゾ効果により、電流ブロック層に電界が発生する。このピエゾ効果による電界が正バイアスと逆向きになるように電流ブロック層の組成を設定することにより、電流ブロック層に正バイアスと逆向きの電界を内在させることが可能となる。
【００２６】
電流ブロック層は、ガリウムおよびアルミニウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体により構成されてもよく、また、第１の半導体層、発光層および第２の半導体層は、ガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む窒化物系半導体により構成されてもよい。このような窒化物系半導体においては、ピエゾ効果による電界が顕著に現れる。
【００２７】
第１の電流ブロック層のキャリア濃度が１×１０１９ｃｍ−３よりも低いことが好ましい。
【００２８】
電流ブロック層のキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3よりも高い場合、ピエゾ効果による電界が減少するため、正バイアスの印加時に電流ブロック層内に電位勾配が発生する。これに対し、電流ブロック層のキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3よりも低い場合、電流ブロック層がピエゾ効果による正バイアスと逆向きの電界を内在することが可能となるため、正バイアスの印加時に電流ブロック層内の電位勾配が減少または消失する。
【００２９】
第１の電流ブロック層の屈折率は電流注入領域の屈折率よりも小さくてもよい。
この場合、第１の電流ブロック層下の発光層の実効屈折率が、電流注入領域下の発光層の実効屈折率に比べて小さくなる。このような発光層における屈折率の差により、発光層において水平方向の光閉じ込めが行われる。したがって、実屈折率導波構造を有する半導体発光素子が実現される。
【００３０】
第１の電流ブロック層は、アルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体からなり、前記電流ブロック層の表面が窒素で終端し、かつアルミニウム組成が０．１よりも大きくてもよい。
【００３１】
この場合、電流ブロック層がアルミニウムを含むため、電流ブロック層の屈折率を小さくすることが可能となる。それにより、実屈折率導波構造を有する半導体発光素子が実現される。
【００３２】
また、電流ブロック層のアルミニウム組成が０．１よりも大きくかつ電流ブロック層の表面が窒素で終端しているため、電流ブロック層は正バイアスと逆向きの電界を内在する。
【００３３】
第１の電流ブロック層は、アルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体からなり、前記第１の電流ブロック層の表面がガリウムおよびアルミニウムで終端し、かつアルミニウム組成が０．１よりも小さくてもよい。
【００３４】
この場合、電流ブロック層がアルミニウムを含むため、電流ブロック層の屈折率を小さくすることが可能となる。それにより、実屈折率導波構造を有する半導体発光素子が実現される。
【００３５】
また、電流ブロック層のアルミニウム組成が０．１よりも小さくかつ電流ブロック層の表面がガリウムおよびアルミニウムのIII 族元素で終端しているため、電流ブロック層は正バイアスと逆向きの電界を内在する。
【００３６】
第１の半導体層、発光層、第２の半導体層および電流ブロック層はサファイア基板上に形成されてもよい。
【００３７】
サファイア基板上に形成されたアルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体は、サファイア基板よりも格子定数が大きいため、圧縮歪みを受ける。したがって、サファイア基板上に形成されたアルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体から構成される電流ブロック層においては、ピエゾ効果により電界が発生する。それにより、電流ブロック層が正バイアスと逆向きの電界を内在する。
【００４６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００４７】
図１に示す半導体レーザ素子１００においては、サファイア基板１のｃ（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）によりアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなるバッファ層２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層３、ｎ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｎ−光クラッド層４、ｎ−ＧａＮからなるｎ−光ガイド層５、発光層６、ｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−キャップ層７、ｐ−ＧａＮからなるｐ−光ガイド層８およびストライプ状の開口部を有するｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎからなるｎ−電流ブロック層９が順に形成されている。ｎ−電流ブロック層９の開口部内には、ｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−光クラッド層１０が形成されている。ｐ−光クラッド層１０上およびｎ−電流ブロック層９上には、ｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１１が形成されている。
【００４８】
ｐ−コンタクト層１１からｎ−コンタクト層３までの一部領域がエッチングされ、露出したｎ−コンタクト層３上に、厚さ５００ｎｍのＡｕ膜、厚さ２００ｎｍのＡｌ膜および厚さ１００ｎｍのＴｉ膜を積層してなるｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−コンタクト層１１上に、厚さ５００ｎｍのＡｕ膜および厚さ４００ｎｍのＰｔ膜を積層してなるｐ電極５１が形成されている。このように、半導体レーザ素子１００はセルフアライン構造を有する。なお、各層２〜１１の膜厚およびキャリア濃度は表１に示す通りである。
【００４９】
【表１】
発光層６は、ｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ１５ｎｍの４層の量子障壁層とＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎからなる厚さ２０ｎｍの３層の量子井戸層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。
【００５１】
半導体レーザ素子１００において、ｐ電極５１から注入された電流はｎ−電流ブロック層９において狭窄される。それにより、ｎ−電流ブロック層９の開口部が電流注入領域になるとともに、電流注入領域下の発光層６の領域に発光部が形成される。
【００５２】
一方、ｎ−電流ブロック層９はｐ−光クラッド層１０に比べて屈折率が小さいため、ｎ−電流ブロック層９下の発光層６の領域の実効屈折率が、電流注入領域下の発光層６の領域の実効屈折率に比べて小さくなる。それにより、発光層６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。このように、半導体レーザ素子１００は実屈折率導波構造の半導体レーザ素子である。
【００５３】
半導体レーザ素子１００においては、以上のようなｎ−電流ブロック層９による電流狭窄および発光層６における光の閉じ込めにより、横モード制御が行われる。
【００５４】
ｎ−電流ブロック層９のＡｌ組成は０．１より大きい。また、ｎ−電流ブロック層９の表面はＮで終端されている。このようなｎ−電流ブロック層９はｎ−コンタクト層３よりも格子定数が小さいため、引張り歪みを受ける。それにより、ｎ−電流ブロック層９においてピエゾ効果による電界が発生する。ここで、サファイア基板１側の電位が低くｐ電極５１側の電位が高い電界を正のピエゾ電界と呼ぶ。ｎ−電流ブロック層９の電子濃度が、従来の半導体レーザ素子の電流ブロック層の電子濃度よりも低い１×１０17ｃｍ-3であるため、電子の移動によりピエゾ電界が低減されることはなく、ｎ−電流ブロック層９は正のピエゾ電界を内在する。
【００５５】
図２は半導体レーザ素子１００のＡ−Ａ線断面におけるエネルギーバンド構造を示す模式図である。なお、図２はｐ電極５１とｎ電極５０との間に印加される正バイアスが０の場合を示している。
【００５６】
図２に示すように、ｎ−電流ブロック層９は正のピエゾ電界を内在するため、エネルギーバンドの曲がりが生じており、エネルギーバンドが右下がりに傾いている。
【００５７】
半導体レーザ素子１００に正バイアスを印加した場合、図中の矢印で示すように、ｐ−コンタクト層１１側の擬フェルミ準位が下降するとともにｎ−コンタクト層３側の擬フェルミ準位が上昇する。それにより、ｎ−電流ブロック層９のエネルギーバンドが平坦化し、正のピエゾ電界が低減する。このように、正のピエゾ電界を内在するｎ−電流ブロック層９においては、印加された正バイアスがピエゾ電界を打ち消すのに用いられる。
【００５８】
半導体レーザ素子１００においては、正バイアスの印加時に、上記のようにｎ−電流ブロック層９のエネルギーバンドが平坦化するので、ｐ−コンタクト層１１からｎ−電流ブロック層９を通してトンネル効果によりｐ−光ガイド層８へ正孔が移動することが抑制され、ｎ−電流ブロック層９における電流の漏れが防止される。また、ｐ−コンタクト層１１からｎ−電流ブロック層９の準位へ正孔が落ちることにより望ましい発光とは異なる再結合を起こすことが防止される。したがって、無効電流が低減し、半導体レーザ素子１００の動作電流およびしきい値電流が低減されるため、発光効率の高い半導体レーザ素子が得られる。
【００５９】
また、電流の漏れによるビームの広がりが防止されるため、望ましいビームプロファイルを有しかつ信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。
【００６０】
図３はアンドープのＡｌＧａＮの（０００１）面におけるＡｌ組成とピエゾ電界との関係を示す図である。なお、図３はＡｌＧａＮの表面がＮで終端されている場合のピエゾ電界を示す。
【００６１】
図３に示すように、ＡｌＧａＮのＡｌ組成によってピエゾ電界の大きさおよび符号が変化する。ＡｌＧａＮのＡｌ組成が０．１を超える場合、正のピエゾ電界が生じる。一方、Ａｌ組成が０．１よりも小さい場合、負のピエゾ電界が生じる。
【００６２】
例えばＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成が０．２である場合、７×１０7 Ｖ／ｍの正のピエゾ電界が生じる。したがって、このようなＡｌ組成のＡｌＧａＮからなる厚さ５００ｎｍの電流ブロック層は３５Ｖの正のピエゾ電界を内在する。これに対し、通常の半導体レーザ素子の動作時に印加される正バイアスは１０Ｖ以下であるため、電流ブロック層内の正のピエゾ電界が完全に打ち消されて逆向きの電界が発生するまでには至らない。したがって、電流ブロック層においてトンネル効果による電流が流れることはなく、電流が確実に遮断され、無効電流が低減する。
【００６３】
一方、Ａｌ組成が０．１よりも小さく負のピエゾ電界を内在する電流ブロック層においては、図２に示すエネルギーバンドと逆の右上がりのエネルギーバンドとなる。このような負のピエゾ電界を内在する電流ブロック層を有する半導体レーザ素子に正バイアスを印加した場合、電流ブロック層のエネルギーバンドの傾きがさらに大きくなるため、トンネル効果が発生して無効電流が増加する。したがって、電流ブロック層のＡｌ組成は正のピエゾ電界が発生する範囲、すなわち０．１よりも大きい範囲とする。
【００６４】
なお、図３においてはアンドープのＡｌＧａＮの場合について示したが、ｎ−ＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成とピエゾ電界との間についても、図中の直線の傾きが小さくなる点を除いて、図３に示すアンドープのＡｌＧａＮと同様の関係が成り立つ。したがって、ｎ−電流ブロック層９におけるＡｌ組成は０．１よりも大きくする。
【００６５】
また、ｎ−電流ブロック層９が内在するピエゾ電界は、ｎ−電流ブロック層９の表面を構成する材料によって変化する。本実施例のように、サファイア基板１上にＭＯＣＶＤ法により形成されたＡｌＧａＮの表面はＮで終端される。これに対して、サファイア基板１上にＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）により形成されたＡｌＧａＮの表面はＧａおよびＡｌで終端される。この場合には、ＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成とピエゾ電界との間には図３に示す関係と逆の関係が成り立つ。すなわち、Ａｌ組成を０．１よりも大きくした場合に負のピエゾ電界が発生し、Ａｌ組成を０．１よりも小さくした場合に正のピエゾ電界が発生する。したがって、ｎ−電流ブロック層９がＧａで終端する場合においては、Ａｌ組成を０．１よりも小さくする。それにより、ｎ−電流ブロック層９が正のピエゾ電界を内在するため、無効電流の低減を図ることが可能となる。
【００６６】
なお、ｎ−電流ブロック層９の面方位は、歪みにより電位勾配の発生する面方位であれば（０００１）面以外であってもよい。ｎ−電流ブロック層９の面方位が［１００］軸を面内に含む面方位以外であれば、いかなる面方位においても歪みにより電位勾配が法線方向に発生する。つまり、ｎ−電流ブロック層９の面方位が一般式（ＨＫＬ０）面（Ｈ、ＫおよびＬは、Ｈ＋Ｋ＋Ｌ＝０の関係を満足しかつＨ＝Ｋ＝Ｌ＝０を除く任意の数）で表される面方位（例えば（１-1００）面または（１１-2０）面）以外であれば、いかなる面方位においても電位勾配が発生する。なお、ｎ−電流ブロック層９の法線方向に電位勾配を発生させるピエゾ効果が最も大きいことから、ｎ−電流ブロック層９は（０００１）面を主面とすることが好ましい。
【００６７】
図４は本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００６８】
図４に示す半導体レーザ素子１１０においては、半導体レーザ素子１００と同様、サファイア基板１上に各層２〜８が形成されている。
【００６９】
ｐ−光ガイド層８上にｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−光クラッド層１０ａが形成され、このｐ−光クラッド層１０ａがエッチングされてリッジ部が形成されている。さらに、ｐ−光クラッド層１０ａ上に、ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.9 Ｎからなりリッジ部の上面に開口部を有するｎ−電流ブロック層９ａが形成され、開口部内のｐ−光クラッド層１０ａ上およびｎ−電流ブロック層９ａ上にｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１１ａが形成されている。ｐ−コンタクト層１１ａのｎ−電流ブロック層９上の領域上に、ＳｉＯ2 からなる厚さ５００ｎｍの絶縁膜２０が形成されている。
【００７０】
ｐ−コンタクト層１１ａからｎ−コンタクト層３までの一部領域がエッチングされ、ｎ−コンタクト層３上にｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−コンタクト層１１ａ上にｐ電極５１が形成されている。このように半導体レーザ素子１１０はリッジ導波型構造を有する。
【００７１】
なお、半導体レーザ素子１１０の各層９ａ，１０ａ，１１ａの膜厚およびキャリア濃度は、表１に示す半導体レーザ素子１００の各層９，１０，１１と同様である。ただし、この場合におけるｐ−光クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａの厚さは、リッジ部の両側の平坦部の厚さとする。
【００７２】
半導体レーザ素子１１０において、ｐ電極５１から注入された電流は、絶縁膜２０およびｎ−電流ブロック層９ａにおいて狭窄される。それにより、リッジ部に電流注入領域が形成されるとともに、電流注入領域下の発光層６の領域に発光部が形成される。
【００７３】
また、ｎ−電流ブロック層９ａの屈折率がｐ−光クラッド層１０ａに比べて小さいため、発光層６の水平方向において実効屈折率に差が生じる。それにより、発光層６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。
【００７４】
以上のようなｎ−電流ブロック層９ａによる電流狭窄および発光層６における光の閉じ込めにより、半導体レーザ素子１１０において横モード制御が行われる。
【００７５】
また、半導体レーザ素子１１０のｎ−電流ブロック層９ａは、Ａｌ組成が０．１より大きくかつ電子濃度が１×１０17ｃｍ-3であり、表面がＮで終端されている。このため、ｎ−電流ブロック層９ａは正のピエゾ電界を内在する。したがって、半導体レーザ素子１１０に印加された正バイアスはｎ−電流ブロック層９ａのピエゾ電界を打ち消すのに用いられる。それにより、半導体レーザ素子１１０において無効電流が低減され、動作電流およびしきい値電流が低減されるため、発光効率の向上が図られる。
【００７６】
図５は本発明の実施例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００７７】
図５に示す半導体レーザ素子１２０は、以下の点を除いて、半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００７８】
半導体レーザ素子１２０においては、ｎ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｎ−光クラッド層４ａの厚さが、後述するように半導体レーザ素子１００のｎ−光クラッド層４と異なる。また、ｐ−光ガイド層８上に開口部を有するｎ−電流ブロック層１９が形成されており、このｎ−電流ブロック層１９は、ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎからなるｎ−第１電流ブロック層１９ａおよびｎ−第２電流ブロック層１９ｂが順に積層されてなる。ｎ−第２電流ブロック層１９ｂ上および開口部内のｐ−光ガイド層８上にｐ−Ａｌ0.Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−光クラッド層１０ｂが形成され、ｐ−光クラッド層１０ｂ上にｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１１ｂが形成されている。
【００７９】
なお、ｎ−光クラッド層４ａ、ｎ−第１およびｎ−第２電流ブロック層１９ａ，１９ｂ、ｐ−光クラッド層１０ｂおよびｐ−コンタクト層１１ｂの膜厚およびキャリア濃度は表２に示す通りである。
【００８０】
【表２】
半導体レーザ素子１３０は半導体レーザ素子１００と同様のセルフアライン型構造を有しており、ｎ−電流ブロック層１９により横モード制御が行われる。
【００８２】
１×１０17ｃｍ-3の低電子濃度のｎ−第１電流ブロック層１９ａは、半導体レーザ素子１００のｎ−電流ブロック層９と同様、Ａｌ組成が０．１よりも大きくかつ表面がＮで終端されている。このため、ｎ−第１電流ブロック層１９ａは正のピエゾ電界を内在する。したがって、半導体レーザ素子１２０においても、半導体レーザ素子１００と同様、印加した正バイアスがピエゾ電界を打ち消すのに用いられるため、無効電流が低減される。それにより、半導体レーザ素子１２０において動作電流およびしきい値電流が低減し、発光効率の向上が図られる。
【００８３】
一方、半導体レーザ素子１２０においては、ｎ−第２電流ブロック層１９ｂとｐ−光クラッド層１０ａとのｐｎ接合の界面近傍に空乏層が形成される。この場合、ｎ−第２電流ブロック層１９ｂの電子濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、ｐ−光クラッド層１０ａの正孔濃度よりも高い。このため、空乏層はｐ−光クラッド層１０ｂ側に形成される。
【００８４】
空乏層がｎ−電流ブロック層側に形成された場合、ｐ−光クラッド層中の正孔が空乏層を経てｎ−電流ブロック層中へ拡散する。このため、無効電流が増加する。一方、半導体レーザ素子１２０のように、ｐ−光クラッド層１０ｂ側に空乏層が形成された場合、ｐ−光クラッド層１０ｂからｎ−第２電流ブロック層１９ｂへの正孔の拡散を防止することが可能となるため、無効電流が低減される。したがって、ｎ−第１電流ブロック層１９ａ上に高電子濃度層であるｎ−第２電流ブロック層１９ｂが積層された半導体レーザ素子１２０においては、動作電流およびしきい値電流をさらに低減することが可能となるため、発光効率がより向上する。
【００８５】
なお、半導体レーザ素子１２０においては、低電子濃度のｎ−第１電流ブロック層１９ａ上に高電子濃度のｎ−第２電流ブロック層１９ｂを積層した場合を示したが、高電子濃度のｎ−電流ブロック層上に低電子濃度のｎ−電流ブロック層を積層してもよい。
【００８６】
また、ｎ−第１およびｎ−第２電流ブロック層が異なる材料により構成されてもよい。この場合、例えば低電子濃度のｎ−第１電流ブロック層の材料としてｎ−ＡｌＧａＮを用い、半導体レーザ素子の横モード制御に悪影響を与えない場合には、高電子濃度のｎ−第２電流ブロック層の材料としてｎ−ＧａＮを用いてもよい。なお、ｎ−ＧａＮはＡｌを含まないため、電流ブロック層の歪みを増加させない。
【００８７】
図６本発明の第３の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００８８】
図６に示す半導体レーザ素子１３０は、キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＳｉＣからなる厚さ３００μｍの６Ｈ−ＳｉＣ基板３１上に、ｎ−Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなるｎ−バッファ層３２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮ層３３、ｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなるｎ−光クラッド層３４、ｎ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｎ−光ガイド層３５、ｎ−ＧａＮからなる発光層３６、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ−キャップ層３７、ｐ−Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなるｐ−光ガイド層３８、ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなるｐ−光クラッド層４０が順に形成されている。ｐ−光クラッド層４０がエッチングされてリッジ部が形成されている。さらに、ｐ−光クラッド層４０上に、ｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなりリッジ部の上面に開口部を有するｎ−電流ブロック層３９が形成され、開口部内のｐ−光クラッド層４０上およびｎ−電流ブロック層３９上にｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層４１が形成されている。ｐ−コンタクト層４１のｎ−電流ブロック層３９上の領域上に、ＳｉＯ2 からなる厚さ８００ｎｍの絶縁膜４２が形成されている。
【００８９】
６Ｈ−ＳｉＣ基板３１の裏面にｎ電極５０が形成されている。また、ｐ−コンタクト層４１上にｐ電極５１が形成されている。このように、半導体レーザ素子１３０は、半導体レーザ素子１００と同様、リッジ導波型構造を有する。なお、各層３２〜４１の膜厚およびキャリア濃度は表３に示す通りである。
【００９０】
【表３】
半導体レーザ素子１３０において、ｐ電極５１から注入された電流は絶縁膜４２およびｎ−電流ブロック層３９において狭窄される。それにより、リッジ部に電流注入領域が形成されるとともに、電流注入領域下の発光層３６の領域に発光部が形成される。
【００９２】
また、ｎ−電流ブロック層３９は、発光層３６よりもバンドギャップが小さいため、発光層３６において発生した高次モードの光がｎ−電流ブロック層３９により吸収される。それにより、ｎ−電流ブロック層３９の開口部下の発光層３６の領域に光が集中し、発光層３６において水平方向の光の閉じ込めが行われる。このように半導体レーザ素子１３０は損失導波構造を有する。
【００９３】
以上のようなｎ−電流ブロック層３９による電流狭窄および発光層３６における光の閉じ込めにより、半導体レーザ素子１３０において横モード制御が行われる。
【００９４】
なお、サファイア基板上にｎ−電流ブロック層３９を形成した場合、ｎ−電流ブロック層３９はｐ−光クラッド層４０よりも格子定数が大きいため、圧縮歪みを受ける。それにより、ｎ−電流ブロック層３９において負のピエゾ電界が発生する。したがって、サファイア基板上に形成されたｎ−電流ブロック層３９のエネルギーバンドは、図２に示すｎ−電流ブロック層９とは逆で右上がりに傾く。このため、半導体レーザ素子１３０においては、６Ｈ−ＳｉＣ基板３１上にｎ−電流ブロック層３９が形成されている。この場合、ｎ−ＧａＮ電流ブロック層３９の格子定数は６Ｈ−ＳｉＣ基板３１よりも格子定数が小さいため、ｎ−電流ブロック層３９は引張り歪みを受ける。それにより、ｎ−電流ブロック層３９において正のピエゾ電界が発生する。この場合、ｎ−電流ブロック層３９の電子濃度が１×１０17と低いため、ｎ−電流ブロック層３９は正のピエゾ電界を内在する。したがって、ｎ−電流ブロック層３９のエネルギーバンドは、図２に示すｎ−電流ブロック層９と同様、右下がりに傾いている。
【００９５】
正のピエゾ電界を内在するｎ−電流ブロック層３９においては、図１のｎ−電流ブロック層９と同様、印加した正バイアスがピエゾ電界を打ち消すのに用いられるため、無効電流が低減される。それにより、半導体レーザ素子１３０において動作電流およびしきい値電流が低減し、発光効率の向上が図られる。
【００９６】
なお、上記の実施例の半導体レーザ素子１００，１１０，１２０，１３０においては、各層がＧａ、ＡｌおよびＩｎを含む窒化物系半導体から構成される場合について説明したが、各層がＢを含んでもよい。
【００９７】
また、本発明はＧａＮ系以外の半導体レーザ素子においても適用可能であり、さらに発光ダイオード等の半導体レーザ素子以外の半導体発光素子においても適用可能である。
【００９８】
【実施例】
［参考例１］
アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなり電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ−電流ブロック層９を有する図１に示す半導体レーザ素子１００を作製した。なお、このｎ−電流ブロック層９にはｎ型の不純物を意図的にはドープしていないが、ＡｌＧａＮがｎ型になりやすい性質を有するため、ｎ−電流ブロック層９の電子濃度は１×１０１７ｃｍ−３程度となっている。
【００９９】
半導体レーザ素子１００を用いて、出力を４ｍＷとした際の動作電流および２Ｖの電圧を印加した際の電流値を測定した結果、それぞれ３００ｍＡおよび１．５ｍＡであった。
【０１００】
なお、比較のため、ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎからなり電子濃度が３×１０19ｃｍ-3のｎ−電流ブロック層９を有する点を除いて半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する半導体レーザ素子を作製し、上記と同様の測定を行った結果、動作電流は３３５ｍＡであり、電流値は３．５ｍＡであった。
【０１０１】
［参考例２］
アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなり電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ−電流ブロック層９ａを有する図４に示す半導体レーザ素子１１０を作製した。
【０１０２】
半導体レーザ素子１１０を用いて、出力を４ｍＷとした際の動作電流および２Ｖの電圧を印加した際の電流値を測定した結果、それぞれ２９０ｍＡおよび１．２ｍＡであった。
【０１０３】
なお、比較のため、ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.1 からなり電子濃度が３×１０19ｃｍ-3のｎ−電流ブロック層９ａを有する点を除いて半導体レーザ素子１１０と同様の構造を有する半導体レーザ素子を作製し、上記と同様の測定を行った結果、動作電流は３２８ｍＡであり、電流値は３ｍＡであった。
【０１０４】
［実施例］
アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなり電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ−第１電流ブロック層１９ａを有する図５に示す半導体レーザ素子１２０を作製した。
【０１０５】
半導体レーザ素子１２０を用いて、出力を４ｍＷとした際の動作電流および２Ｖの電圧を印加した際の電流値を測定した結果、それぞれ２８０ｍＡおよび０．７ｍＡであった。
【０１０６】
［参考例３］
ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなり電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ−電流ブロック層３９を有する図６に示す半導体レーザ素子１３０を作製した。
【０１０７】
半導体レーザ素子１３０を用いて、５Ｖの電圧を印加した際の電流値を測定した結果、３．４ｍＡであった。
【０１０８】
なお、比較のため、電子濃度が５×１０19ｃｍ-3のｎ−電流ブロック層３９を有する点を除いて半導体レーザ素子１３０と同様の構造を有する半導体レーザ素子を作製し、上記と同様の測定を行った結果、電流値は４．０ｍＡであった。
【０１０９】
以上の実施例で示すように、１×１０17ｃｍ-3のｎ−電流ブロック層９，９ａ，１９ａ，３９を有する本発明に係る半導体レーザ素子１００，１１０，１２０，１３０においては、無効電流を低減することが可能となるため、半導体レーザ素子１００，１１０，１２０，１３０の発光効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図２】 図１の半導体レーザ素子のＡ−Ａ線断面におけるエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【図３】 アンドープのＡｌＧａＮの（０００１）面におけるＡｌ組成とピエゾ電界との関係を示す図である。
【図４】 本発明の第２の参考例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図５】 本発明の実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図６】 本発明の第３の参考例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図７】 従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図８】 図７の半導体レーザ素子のＢ−Ｂ線断面におけるエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１，８１ サファイア基板
２，３２，８２ バッファ層
３，３３，８３ ｎ−コンタクト層
４，３４，８４ ｎ−光クラッド層
５，３５，８５ ｎ−光ガイド層
６，３６，８６ 発光層
７，３７，８７ ｐ−キャップ層
８，３８，８８ ｐ−光ガイド層
９，９ａ，１９，３９，８９ 電流ブロック層
１０，１０ａ，１０ｂ，４０，９０ ｐ−クラッド層
１１，１１ａ，１１ｂ，４１，９１ ｐ−コンタクト層
１９ａ ｎ−第１電流ブロック層
１９ｂ ｎ−第２電流ブロック層
２０，４２ 絶縁膜
３１ ＳｉＣ基板
５０ ｎ電極
５１ ｐ電極
Claims (9)
- 第１導電型の第１の半導体層、発光層および第２導電型の第２の半導体層を順に含み、電流注入領域を除いて前記第２の半導体層中に第１導電型の電流ブロック層が設けられ、前記第1の半導体層と前記第２の半導体層との間への正バイアスの印加により前記電流注入領域を通して前記発光層に電流が注入される半導体発光素子において、前記電流ブロック層が前記正バイアスと逆向きの電界を内在すると共に、前記電流ブロック層は、第１の電流ブロック層と、該第１の電流ブロック層上に積層され当該第１の電流ブロック層よりも高いキャリア濃度を有し、且つ前記第２の半導体層よりも高いキャリア濃度を有する第２の電流ブロック層を有することを特徴とする半導体発光素子。
- 前記第１の電流ブロック層は、ピエゾ効果により前記正バイアスと逆向きの電界を内在することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記電流ブロック層は、ガリウムおよびアルミニウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体により構成されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
- 前記第１の半導体層、前記発光層および前記第２の半導体層は、ガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む窒化物系半導体により構成されることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
- 前記第１の電流ブロック層のキャリア濃度が１×１０１９ｃｍ−３よりも低いことを特徴とする請求項３または請求項４記載の半導体発光素子。
- 前記第１の電流ブロック層の屈折率は前記電流注入領域の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記第１の電流ブロック層は、アルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体からなり、前記電流ブロック層の表面が窒素で終端し、かつアルミニウム組成が０．１より大きいことを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
- 前記第１の電流ブロック層は、アルミニウムおよびガリウムを含む窒化物系半導体からなり、前記第１の電流ブロック層の表面がガリウムおよびアルミニウムで終端し、かつアルミニウム組成が０．１よりも小さいことを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
- 前記第１の半導体層、前記発光層、前記第２の半導体層および前記電流ブロック層はサファイア基板上に形成されたことを特徴とする請求項７または８記載の半導体発光素子。
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