JPH09116225A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH09116225A JPH09116225A JP27232195A JP27232195A JPH09116225A JP H09116225 A JPH09116225 A JP H09116225A JP 27232195 A JP27232195 A JP 27232195A JP 27232195 A JP27232195 A JP 27232195A JP H09116225 A JPH09116225 A JP H09116225A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】窒化ガリウム系化合物半導体レーザでは、価電
子帯の状態密度低減と遷移確率増大によるしきい値キャ
リア密度の低減が必要であった。 【解決手段】面方位が（１−１００）面、あるいは（１
１−２０）面、あるいはこれと等価な面である基体結晶
上に二軸性の引っ張り歪をもつ量子井戸活性層を成長
し、共振器を［０００１］方向に垂直な方向に作製す
る。 【効果】本発明によれば、価電子帯上部の状態密度を低
減し、かつ、遷移確率を増大できる。これにより、しき
い値電流密度を低減できるため、窒化ガリウム系化合物
半導体レーザを実現できる。
子帯の状態密度低減と遷移確率増大によるしきい値キャ
リア密度の低減が必要であった。 【解決手段】面方位が（１−１００）面、あるいは（１
１−２０）面、あるいはこれと等価な面である基体結晶
上に二軸性の引っ張り歪をもつ量子井戸活性層を成長
し、共振器を［０００１］方向に垂直な方向に作製す
る。 【効果】本発明によれば、価電子帯上部の状態密度を低
減し、かつ、遷移確率を増大できる。これにより、しき
い値電流密度を低減できるため、窒化ガリウム系化合物
半導体レーザを実現できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化ガリウム系化合
物半導体を用いた発光素子に関する。
物半導体を用いた発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移
型を有するワイドギャップ半導体であり、青色から紫外
域までの発光素子を構成する材料として盛んに研究され
ている。現在、この材料を用いた発光素子としてサファ
イア基板上に構成したＺｎドープＩｎＧａＮ層を発光層
とするダブルヘテロ構造の高輝度青色ＬＥＤが知られて
いる(S. Nakamura et al., Appl. Phys. Lett., 64(199
4) 1687)。また、ＺｎＯ基板上に構成し格子歪による欠
陥を減少した窒化ガリウム系発光素子が特開平５−２０
６５１３公報に開示されている。しかし、これまで電流
注入による窒化ガリウム系化合物半導体レーザは実現さ
れていなかった。
ＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移
型を有するワイドギャップ半導体であり、青色から紫外
域までの発光素子を構成する材料として盛んに研究され
ている。現在、この材料を用いた発光素子としてサファ
イア基板上に構成したＺｎドープＩｎＧａＮ層を発光層
とするダブルヘテロ構造の高輝度青色ＬＥＤが知られて
いる(S. Nakamura et al., Appl. Phys. Lett., 64(199
4) 1687)。また、ＺｎＯ基板上に構成し格子歪による欠
陥を減少した窒化ガリウム系発光素子が特開平５−２０
６５１３公報に開示されている。しかし、これまで電流
注入による窒化ガリウム系化合物半導体レーザは実現さ
れていなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】窒化ガリウム系化合物
半導体において電流注入によるレーザ発振が困難である
のは、この材料系の価電子帯の状態密度が大きく、しき
い値キャリア密度が高いことに起因する。図５にウルツ
鉱型ＧａＮの歪の無い場合のΓ点付近の価電子帯上部の
バンド構造を示す。
半導体において電流注入によるレーザ発振が困難である
のは、この材料系の価電子帯の状態密度が大きく、しき
い値キャリア密度が高いことに起因する。図５にウルツ
鉱型ＧａＮの歪の無い場合のΓ点付近の価電子帯上部の
バンド構造を示す。
【０００４】因みに、Γ点は結晶内部の電子の波数ベク
トルｋ（図５の横軸の波数に相当）が「０」となる点で
ある。さて、ウルツ鉱型半導体では、結晶場とスピン軌
道相互作用によりΓ点のエネルギーは三つにスプリット
する。この三つのバンドをΓ点の波動関数の状態で、便
宜的に、それぞれｈｈ（ｈｅａｖｙ ｈｏｌｅ）１、ｈ
ｈ２、ｌｈ（ｌｉｇｈｔ ｈｏｌｅ）と呼ぶことにす
る。ＧａＮの価電子帯上部の状態密度はＧａＡｓ等の一
般的なＩＩＩ−Ｖ族半導体と比較して大きいため、レー
ザ発振を与えるしきい値キャリア密度が増大し、電流注
入によるレーザ発振は困難であった。またウルツ鉱型半
導体では、ｈｈ１とｈｈ２の波動関数の性質が同じであ
るため、歪を加えてもｈｈ１、ｈｈ２のエネルギースプ
リットはほとんど変化しない。このため、ウルツ鉱型半
導体では圧縮歪による状態密度の低減も期待できなかっ
た。
トルｋ（図５の横軸の波数に相当）が「０」となる点で
ある。さて、ウルツ鉱型半導体では、結晶場とスピン軌
道相互作用によりΓ点のエネルギーは三つにスプリット
する。この三つのバンドをΓ点の波動関数の状態で、便
宜的に、それぞれｈｈ（ｈｅａｖｙ ｈｏｌｅ）１、ｈ
ｈ２、ｌｈ（ｌｉｇｈｔ ｈｏｌｅ）と呼ぶことにす
る。ＧａＮの価電子帯上部の状態密度はＧａＡｓ等の一
般的なＩＩＩ−Ｖ族半導体と比較して大きいため、レー
ザ発振を与えるしきい値キャリア密度が増大し、電流注
入によるレーザ発振は困難であった。またウルツ鉱型半
導体では、ｈｈ１とｈｈ２の波動関数の性質が同じであ
るため、歪を加えてもｈｈ１、ｈｈ２のエネルギースプ
リットはほとんど変化しない。このため、ウルツ鉱型半
導体では圧縮歪による状態密度の低減も期待できなかっ
た。
【０００５】本発明は窒化ガリウム系化合物半導体の引
っ張り歪による価電子帯上部の状態密度の低減と光学遷
移確率の増大により、レーザ発振に必要なしきい値キャ
リア密度を低減し、電流注入による窒化ガリウム系半導
体レーザを実現することを目的とする。
っ張り歪による価電子帯上部の状態密度の低減と光学遷
移確率の増大により、レーザ発振に必要なしきい値キャ
リア密度を低減し、電流注入による窒化ガリウム系半導
体レーザを実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化ガリウム系
半導体発光素子は、ウルツ鉱構造をもつ第一の結晶の
（１−１００）面上に二軸性の引っ張り歪をもつ量子井
戸活性層を成長し、導波路を第１の結晶の［０００１］
軸に垂直な方向、すなわち［１１−２０］方向に作製す
ることを特徴とする。また、第一の結晶の（１１−２
０）面上に二軸性の引っ張り歪をもつ活性層を成長し、
導波路を［０００１］軸に垂直な方向、すなわち［１−
１００］方向に作製することによっても同様の効果を得
ることができる。また、上記の第一の結晶の面方位が
（１−１００）あるいは（１１−２０）から１０度以内
のずれを有する面である場合にも同様の効果を得ること
ができる。換言すれば、本発明による半導体発光素子
は、（１）活性層を構成する結晶のｃ軸が素子が形成さ
れる基板の表面に対して略平行であり、且つ（２）活性
層の井戸層には引っ張り歪が加えられているという構造
的な特徴を有する。
半導体発光素子は、ウルツ鉱構造をもつ第一の結晶の
（１−１００）面上に二軸性の引っ張り歪をもつ量子井
戸活性層を成長し、導波路を第１の結晶の［０００１］
軸に垂直な方向、すなわち［１１−２０］方向に作製す
ることを特徴とする。また、第一の結晶の（１１−２
０）面上に二軸性の引っ張り歪をもつ活性層を成長し、
導波路を［０００１］軸に垂直な方向、すなわち［１−
１００］方向に作製することによっても同様の効果を得
ることができる。また、上記の第一の結晶の面方位が
（１−１００）あるいは（１１−２０）から１０度以内
のずれを有する面である場合にも同様の効果を得ること
ができる。換言すれば、本発明による半導体発光素子
は、（１）活性層を構成する結晶のｃ軸が素子が形成さ
れる基板の表面に対して略平行であり、且つ（２）活性
層の井戸層には引っ張り歪が加えられているという構造
的な特徴を有する。
【０００７】例えばウルツ鉱型ＧａＮに２％の二軸性引
っ張り歪を加えた場合のΓ点付近の価電子帯上部のバン
ド構造は図６のようになる。図５と比較すると、引っ張
り歪を印加することによりｚ軌道からなるｌｈバンドが
上側にシフトしｃ軸すなわち［０００１］軸に平行な方
向の価電子帯上部の状態密度が大幅に低減することがわ
かる。即ち、ｃ軸に平行な方向の波数（横軸）に対する
エネルギ（縦軸）の変化が急となり、状態密度が低減し
ている。したがって、量子井戸活性層を［０００１］軸
に垂直な方向、すなわち（１−１００）面あるいは（１
１−２０）面、またはこれと等価な面上に構成し、引っ
張り歪を印加した構造とすることにより価電子帯の状態
密度を低減することができる。
っ張り歪を加えた場合のΓ点付近の価電子帯上部のバン
ド構造は図６のようになる。図５と比較すると、引っ張
り歪を印加することによりｚ軌道からなるｌｈバンドが
上側にシフトしｃ軸すなわち［０００１］軸に平行な方
向の価電子帯上部の状態密度が大幅に低減することがわ
かる。即ち、ｃ軸に平行な方向の波数（横軸）に対する
エネルギ（縦軸）の変化が急となり、状態密度が低減し
ている。したがって、量子井戸活性層を［０００１］軸
に垂直な方向、すなわち（１−１００）面あるいは（１
１−２０）面、またはこれと等価な面上に構成し、引っ
張り歪を印加した構造とすることにより価電子帯の状態
密度を低減することができる。
【０００８】また、（１−１００）面あるいは（１１−
２０）面上に量子井戸を形成すると量子井戸面内の異方
性により光学遷移確率は偏光方向依存性をもつ。例え
ば、面方位が（１−１００）である量子井戸のΓ点にお
ける遷移行列要素の偏光依存性は、（０００１）面に構
成した無歪の量子井戸の場合と比較すると表１のように
なる。表１は、ＧａＮ量子井戸におけるバンド端での光
学行列要素の計算結果を示す。
２０）面上に量子井戸を形成すると量子井戸面内の異方
性により光学遷移確率は偏光方向依存性をもつ。例え
ば、面方位が（１−１００）である量子井戸のΓ点にお
ける遷移行列要素の偏光依存性は、（０００１）面に構
成した無歪の量子井戸の場合と比較すると表１のように
なる。表１は、ＧａＮ量子井戸におけるバンド端での光
学行列要素の計算結果を示す。
【０００９】
【表１】
【００１０】表１より、（１−１００）面上の引っ張り
歪量子井戸では導波路を［０００１］と垂直な方向、す
なわち[１１−２０]方向に形成すれば、遷移確率を２倍
程度大きくできることがわかる（表中のエネルギ値は光
学遷移の生じ易さを示し、大きいほど遷移確率は高
い）。これにより、利得が増大し、発振に必要なしきい
値キャリア密度が低減され、窒化ガリウム系半導体レー
ザを実現できる。
歪量子井戸では導波路を［０００１］と垂直な方向、す
なわち[１１−２０]方向に形成すれば、遷移確率を２倍
程度大きくできることがわかる（表中のエネルギ値は光
学遷移の生じ易さを示し、大きいほど遷移確率は高
い）。これにより、利得が増大し、発振に必要なしきい
値キャリア密度が低減され、窒化ガリウム系半導体レー
ザを実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の第一の実施例を図１を用
いて説明する。
いて説明する。
【００１２】図示のように、この多重量子井戸レーザ
は、（１−１００）面ｎ型ＺｎＯ基板１上に、基板１と
格子整合するＩｎＧａＮバッファ層２、Ｓｉをドープし
たｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層３、アンドープ多重量子井戸か
らなる活性層４、Ｍｇをドープしたｐ−ＩｎＧａＡｌＮ
層５が順次積層されて構成される。これらの各層はガス
ソース分子線成長法によりエピタキシャル成長される。
バッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層３、ｐ−ＩｎＧａ
ＡｌＮ層５の膜厚はそれぞれ、２μｍ、０．１５μｍ、
０．１５μｍである。アンドープ多重量子井戸活性層４
は、拡大して示したように、Ｉｎ0.2Ｇａ0.6Ａｌ0.2Ｎ
障壁層（膜厚８ｎｍ）６とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層（膜
厚４ｎｍ）７が交互に積層形成された二重量子井戸構造
を有する。ここで井戸層７の組成比は、ＺｎＯの格子定
数をａとしたとき、これからの格子定数のずれΔａ／ａ
が−１．８％となるように設定されており、二軸性の引
っ張り歪が印加されている。以上のようにして得られた
ウエハーの基板１の裏面にｎ側Ｉｎ電極８、ｐ型ＩｎＧ
ａＡｌＮ層５にＡｌ電極９を蒸着したのち、（１１−２
０）面でへき開し［１１−２０］方向（図１の活性層４
の側面側）に長さ約８００μｍの共振器を形成し半導体
レーザを作製する。本半導体レーザは室温においてしき
い値電流約５０ｍＡで連続発振した。発振波長は約４２
０ｎｍであった。
は、（１−１００）面ｎ型ＺｎＯ基板１上に、基板１と
格子整合するＩｎＧａＮバッファ層２、Ｓｉをドープし
たｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層３、アンドープ多重量子井戸か
らなる活性層４、Ｍｇをドープしたｐ−ＩｎＧａＡｌＮ
層５が順次積層されて構成される。これらの各層はガス
ソース分子線成長法によりエピタキシャル成長される。
バッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層３、ｐ−ＩｎＧａ
ＡｌＮ層５の膜厚はそれぞれ、２μｍ、０．１５μｍ、
０．１５μｍである。アンドープ多重量子井戸活性層４
は、拡大して示したように、Ｉｎ0.2Ｇａ0.6Ａｌ0.2Ｎ
障壁層（膜厚８ｎｍ）６とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層（膜
厚４ｎｍ）７が交互に積層形成された二重量子井戸構造
を有する。ここで井戸層７の組成比は、ＺｎＯの格子定
数をａとしたとき、これからの格子定数のずれΔａ／ａ
が−１．８％となるように設定されており、二軸性の引
っ張り歪が印加されている。以上のようにして得られた
ウエハーの基板１の裏面にｎ側Ｉｎ電極８、ｐ型ＩｎＧ
ａＡｌＮ層５にＡｌ電極９を蒸着したのち、（１１−２
０）面でへき開し［１１−２０］方向（図１の活性層４
の側面側）に長さ約８００μｍの共振器を形成し半導体
レーザを作製する。本半導体レーザは室温においてしき
い値電流約５０ｍＡで連続発振した。発振波長は約４２
０ｎｍであった。
【００１３】本実施例において、ＺｎＯ基板の面方位を
（１１−２０）面とし、共振器を［１−１００］方向に
形成した半導体レーザを同様に作製したところ、しきい
値電流、発振波長はほぼ同等のものが得られた。また、
本実施例において、ＺｎＯ基板の面方位を（１−１０
０）面から［０００１］方向に１０度傾斜した面とし、
共振器を［１１−２０］方向に形成した半導体レーザを
同様に作製したところ、しきい値電流、発振波長はほぼ
同等のものが得られた。
（１１−２０）面とし、共振器を［１−１００］方向に
形成した半導体レーザを同様に作製したところ、しきい
値電流、発振波長はほぼ同等のものが得られた。また、
本実施例において、ＺｎＯ基板の面方位を（１−１０
０）面から［０００１］方向に１０度傾斜した面とし、
共振器を［１１−２０］方向に形成した半導体レーザを
同様に作製したところ、しきい値電流、発振波長はほぼ
同等のものが得られた。
【００１４】次に本発明第二の実施例を図２を用いて説
明する。
明する。
【００１５】図示のように、（１−１００）面ｎ型Ｚｎ
Ｏ基板１上に成長したＩｎ1-xＧａxＮの組成ｘが０．８
から０．５まで連続的に変化するＩｎＧａＮ組成傾斜層
１１上に、組成傾斜層１１に格子整合するＩｎ0.5Ｇａ
0.5Ｎバッファ層１２、Ｓｉをドープしたｎ−ＩｎＧａ
ＡｌＮ層１３、アンドープ多重量子井戸からなる活性層
１４、Ｍｇをドープしたｐ−ＩｎＧａＡｌＮ層１５が順
次積層されて構成される。これらの各層はガスソース分
子線成長法によりエピタキシャル成長される。バッファ
層１２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層１３、ｐ−ＩｎＧａＡｌ
Ｎ層１５の膜厚はそれぞれ、２μｍ、０．１５μｍ、
０．１５μｍである。アンドープ多重量子井戸活性層１
４は、拡大して示したように、Ｉｎ0.35Ｇａ0.5Ａｌ
0.15Ｎ障壁層（膜厚５ｎｍ）１６とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井
戸層（膜厚３ｎｍ）１７が交互に積層形成された二重量
子井戸構造を有する。ここで井戸層１７の組成比は、Ｉ
ｎ0.5Ｇａ0.5Ｎバッファ層の格子定数をａとしたとき、
これからの格子定数のずれΔａ／ａが−２．０％となる
ように設定されており、二軸性の引っ張り歪が印加され
ている。以上のようにして得られたウエハーの基板１の
裏面にｎ側Ｉｎ電極８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層５にＡｌ
電極９を蒸着したのち、（１１−２０）面でへき開し
［１１−２０］方向に長さ約８００μｍの共振器を形成
し半導体レーザを作製する。本半導体レーザは室温にお
いてしきい値電流約６０ｍＡで連続発振した。発振波長
は約４５０ｎｍであった。
Ｏ基板１上に成長したＩｎ1-xＧａxＮの組成ｘが０．８
から０．５まで連続的に変化するＩｎＧａＮ組成傾斜層
１１上に、組成傾斜層１１に格子整合するＩｎ0.5Ｇａ
0.5Ｎバッファ層１２、Ｓｉをドープしたｎ−ＩｎＧａ
ＡｌＮ層１３、アンドープ多重量子井戸からなる活性層
１４、Ｍｇをドープしたｐ−ＩｎＧａＡｌＮ層１５が順
次積層されて構成される。これらの各層はガスソース分
子線成長法によりエピタキシャル成長される。バッファ
層１２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層１３、ｐ−ＩｎＧａＡｌ
Ｎ層１５の膜厚はそれぞれ、２μｍ、０．１５μｍ、
０．１５μｍである。アンドープ多重量子井戸活性層１
４は、拡大して示したように、Ｉｎ0.35Ｇａ0.5Ａｌ
0.15Ｎ障壁層（膜厚５ｎｍ）１６とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井
戸層（膜厚３ｎｍ）１７が交互に積層形成された二重量
子井戸構造を有する。ここで井戸層１７の組成比は、Ｉ
ｎ0.5Ｇａ0.5Ｎバッファ層の格子定数をａとしたとき、
これからの格子定数のずれΔａ／ａが−２．０％となる
ように設定されており、二軸性の引っ張り歪が印加され
ている。以上のようにして得られたウエハーの基板１の
裏面にｎ側Ｉｎ電極８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層５にＡｌ
電極９を蒸着したのち、（１１−２０）面でへき開し
［１１−２０］方向に長さ約８００μｍの共振器を形成
し半導体レーザを作製する。本半導体レーザは室温にお
いてしきい値電流約６０ｍＡで連続発振した。発振波長
は約４５０ｎｍであった。
【００１６】上記の実施例では量子井戸層としてＩｎＧ
ａＮ、基板としてＺｎＯを用いたが、本発明の発光素子
に使用される構成はこれに限定されず、例えば図３〜図
４に示す構成とすることができる。
ａＮ、基板としてＺｎＯを用いたが、本発明の発光素子
に使用される構成はこれに限定されず、例えば図３〜図
４に示す構成とすることができる。
【００１７】図３に示した半導体レーザは、ｎ型ＺｎＯ
基板１の（１−１００）面上に、基板１と格子整合する
ＩｎＧａＮバッファ層２が成長され、このバッファ層２
上にｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層３、アンドープ単一量子井戸
活性層２１、ｐ−ＩｎＧａＡｌＮクラッド層５が順次積
層されて構成されている。これらの各層はガスソース分
子線成長法によりエピタキシャル成長される。ここで量
子井戸活性層２１は、拡大して示したように、ＧａＮ
0.95Ａｓ0.05井戸層（膜厚５ｎｍ）２２がＩｎ0.2Ｇａ
0.6Ａｌ0.2Ｎ障壁層（膜厚１０ｎｍ）２３にはさまれた
単一量子井戸構造を有する。ここで井戸層２２の組成比
は、ＺｎＯの格子定数をａとしたとき、これからの格子
定数のずれΔａ／ａが−１．８％となるように設定され
ており、二軸性の引っ張り歪が印加されている。以上の
ようにして得られたウエハーの基板１の裏面にｎ側Ｉｎ
電極８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層５にＡｌ電極９を蒸着し
たのち、（１１−２０）面でへき開し［１１−２０］方
向に長さ約８００μｍの共振器を形成し半導体レーザを
作製する。本半導体レーザは室温においてしきい値電流
約５０ｍＡで連続発振した。発振波長は約４５０ｎｍで
あった。
基板１の（１−１００）面上に、基板１と格子整合する
ＩｎＧａＮバッファ層２が成長され、このバッファ層２
上にｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層３、アンドープ単一量子井戸
活性層２１、ｐ−ＩｎＧａＡｌＮクラッド層５が順次積
層されて構成されている。これらの各層はガスソース分
子線成長法によりエピタキシャル成長される。ここで量
子井戸活性層２１は、拡大して示したように、ＧａＮ
0.95Ａｓ0.05井戸層（膜厚５ｎｍ）２２がＩｎ0.2Ｇａ
0.6Ａｌ0.2Ｎ障壁層（膜厚１０ｎｍ）２３にはさまれた
単一量子井戸構造を有する。ここで井戸層２２の組成比
は、ＺｎＯの格子定数をａとしたとき、これからの格子
定数のずれΔａ／ａが−１．８％となるように設定され
ており、二軸性の引っ張り歪が印加されている。以上の
ようにして得られたウエハーの基板１の裏面にｎ側Ｉｎ
電極８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ層５にＡｌ電極９を蒸着し
たのち、（１１−２０）面でへき開し［１１−２０］方
向に長さ約８００μｍの共振器を形成し半導体レーザを
作製する。本半導体レーザは室温においてしきい値電流
約５０ｍＡで連続発振した。発振波長は約４５０ｎｍで
あった。
【００１８】図４に示した半導体レーザは、サファイア
基板３１の（１−１００）面上に、ＩｎＧａＮバッファ
層２が成長され、このバッファ層２上にｎ−ＩｎＧａＡ
ｌＮ層３、アンドープ多重量子井戸活性層４、ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｌＮクラッド層５が順次積層されて構成されてい
る。これらの各層は有機金属気相成長法によりエピタキ
シャル成長される。ここで量子井戸活性層４は、拡大し
て示したように、Ｉｎ0.2Ｇａ0.6Ａｌ0.2Ｎ障壁層（膜
厚８ｎｍ）６とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層（膜厚４ｎｍ）
７が交互に２周期積層形成された多重量子井戸構造を有
する。ここで井戸層７の組成比は、ＩｎＧａＮバッファ
層の格子定数をａとしたとき、これからの格子定数のず
れΔａ／ａが−１．８％となるように設定されており、
二軸性の引っ張り歪が印加されている。以上のようにし
て得られたウエハーのｐ−ＩｎＧａＡｌＮクラッド層５
と量子井戸活性層４の一部をエッチングにより取り除
き、ｎ−ＩｎＧａＡｌＮクラッド層３を露出させ、ｐ−
クラッド層とｎ−クラッド層にＡｌ電極９を蒸着したの
ち、（１１−２０）面でへき開し［１１−２０］方向に
長さ約８００μｍの共振器を形成し半導体レーザを作製
する。本半導体レーザは室温においてしきい値電流約７
０ｍＡで連続発振した。発振波長は約４２０ｎｍであっ
た。
基板３１の（１−１００）面上に、ＩｎＧａＮバッファ
層２が成長され、このバッファ層２上にｎ−ＩｎＧａＡ
ｌＮ層３、アンドープ多重量子井戸活性層４、ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｌＮクラッド層５が順次積層されて構成されてい
る。これらの各層は有機金属気相成長法によりエピタキ
シャル成長される。ここで量子井戸活性層４は、拡大し
て示したように、Ｉｎ0.2Ｇａ0.6Ａｌ0.2Ｎ障壁層（膜
厚８ｎｍ）６とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層（膜厚４ｎｍ）
７が交互に２周期積層形成された多重量子井戸構造を有
する。ここで井戸層７の組成比は、ＩｎＧａＮバッファ
層の格子定数をａとしたとき、これからの格子定数のず
れΔａ／ａが−１．８％となるように設定されており、
二軸性の引っ張り歪が印加されている。以上のようにし
て得られたウエハーのｐ−ＩｎＧａＡｌＮクラッド層５
と量子井戸活性層４の一部をエッチングにより取り除
き、ｎ−ＩｎＧａＡｌＮクラッド層３を露出させ、ｐ−
クラッド層とｎ−クラッド層にＡｌ電極９を蒸着したの
ち、（１１−２０）面でへき開し［１１−２０］方向に
長さ約８００μｍの共振器を形成し半導体レーザを作製
する。本半導体レーザは室温においてしきい値電流約７
０ｍＡで連続発振した。発振波長は約４２０ｎｍであっ
た。
【００１９】なお、本発明は、実施例に示したレーザ構
造に限らず、さまざまな半導体レーザ、例えば分布帰還
型レーザ、ブラッグ反射型レーザ、波長可変レーザ、外
部共振器付きレーザにも適用できる。
造に限らず、さまざまな半導体レーザ、例えば分布帰還
型レーザ、ブラッグ反射型レーザ、波長可変レーザ、外
部共振器付きレーザにも適用できる。
【００２０】
【発明の効果】以上のように、本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子は、面方位が（１−１００）面、
あるいは（１１−２０）面である基体結晶上に二軸性の
引っ張り歪をもつ量子井戸活性層を成長し、導波路を
［０００１］方向に垂直な方向に作製しているので、価
電子帯上部の状態密度を小さく、かつ、遷移確率を増大
できる。これにより、利得が増大し、しきい値電流密度
を低減できるため、窒化ガリウム系化合物半導体レーザ
を実現できる。
化合物半導体発光素子は、面方位が（１−１００）面、
あるいは（１１−２０）面である基体結晶上に二軸性の
引っ張り歪をもつ量子井戸活性層を成長し、導波路を
［０００１］方向に垂直な方向に作製しているので、価
電子帯上部の状態密度を小さく、かつ、遷移確率を増大
できる。これにより、利得が増大し、しきい値電流密度
を低減できるため、窒化ガリウム系化合物半導体レーザ
を実現できる。
【００２１】
【図１】本発明実施例の半導体レーザの構成図。
【図２】本発明実施例の半導体レーザの構成図。
【図３】本発明実施例の半導体レーザの構成図。
【図４】本発明実施例の半導体レーザの構成図。
【図５】歪の無い場合のウルツ鉱型ＧａＮの価電子帯上
部のエネルギー分散を示す図。。
部のエネルギー分散を示す図。。
【図６】２％二軸性引っ張り歪を印加した場合のウルツ
鉱型ＧａＮの価電子帯上部のエネルギー分散を示す図。
鉱型ＧａＮの価電子帯上部のエネルギー分散を示す図。
１…（１−１００）面ｎ型ＺｎＯ基板、２…ＩｎＧａＮ
バッファ層、３…ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層、４…アンドー
プ多重量子井戸活性層、５…ｐ−ＩｎＧａＡｌＮ層、６
…Ｉｎ0.2Ｇａ0.6Ａｌ0.2Ｎ障壁層、７…Ｉｎ0.1Ｇａ
0.9Ｎ井戸層、８…Ｉｎ電極、９…Ａｌ電極、１１…Ｉ
ｎＧａＮ組成傾斜層、１２…Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｎバッファ
層、１３…ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層、１４…アンドープ多
重量子井戸活性層、１５…ｐ−ＩｎＧａＡｌＮ層、１６
…Ｉｎ0.35Ｇａ0.5Ａｌ0.15Ｎ障壁層、１７…Ｉｎ0.2Ｇ
ａ0.8Ｎ井戸層、２１…アンドープ単一量子井戸活性
層、２２…ＧａＮ0.95Ａｓ0.05井戸層、２３…Ｉｎ0.2
Ｇａ0.6Ａｌ0.2Ｎ障壁層、３１…サファイア基板。
バッファ層、３…ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層、４…アンドー
プ多重量子井戸活性層、５…ｐ−ＩｎＧａＡｌＮ層、６
…Ｉｎ0.2Ｇａ0.6Ａｌ0.2Ｎ障壁層、７…Ｉｎ0.1Ｇａ
0.9Ｎ井戸層、８…Ｉｎ電極、９…Ａｌ電極、１１…Ｉ
ｎＧａＮ組成傾斜層、１２…Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｎバッファ
層、１３…ｎ−ＩｎＧａＡｌＮ層、１４…アンドープ多
重量子井戸活性層、１５…ｐ−ＩｎＧａＡｌＮ層、１６
…Ｉｎ0.35Ｇａ0.5Ａｌ0.15Ｎ障壁層、１７…Ｉｎ0.2Ｇ
ａ0.8Ｎ井戸層、２１…アンドープ単一量子井戸活性
層、２２…ＧａＮ0.95Ａｓ0.05井戸層、２３…Ｉｎ0.2
Ｇａ0.6Ａｌ0.2Ｎ障壁層、３１…サファイア基板。
フロントページの続き (72)発明者 田中 俊明 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 渡辺 明禎 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (6)
- 【請求項１】少なくとも化合物半導体で構成され、ウル
ツ鉱構造をもつ第一の結晶上に、第一導電型及び第二導
電型の二層のクラッド層と、上記クラッド層に挟まれた
量子井戸活性層をエピタキシャル成長してなる半導体発
光素子であって、上記量子井戸活性層が（１−１００）
面から１０度以内のずれを有する面、あるいはこれと等
価な面上に形成されており、上記量子井戸活性層の井戸
層が、二軸性応力の無い状態での格子定数が上記第一の
結晶の格子定数より小さい材料で構成されていることを
特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】少なくとも化合物半導体で構成され、ウル
ツ鉱構造をもつ第一の結晶上に、第一導電型及び第二導
電型の二層のクラッド層と、上記クラッド層に挟まれた
量子井戸活性層をエピタキシャル成長してなる半導体発
光素子であって、上記量子井戸活性層が（１１−２０）
面から１０度以内のずれを有する面、あるいはこれと等
価な面上に形成されており、上記量子井戸活性層の井戸
層が、二軸性応力の無い状態での格子定数が上記第一の
結晶の格子定数より小さい材料で構成されていることを
特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１〜２項に記載の半導体
発光素子において、［０００１］方向と垂直な方向に導
波路が形成されていることを特徴とする半導体発光素
子。 - 【請求項４】特許請求の範囲第１〜３項に記載の半導体
発光素子において、上記量子井戸活性層がＩｎxＧａyＡ
ｌ1-x-yＮzＡｓ1-z（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｚ
≦１）で構成されていることを特徴とする半導体発光素
子。 - 【請求項５】特許請求の範囲第１〜４項記載の半導体発
光素子において、上記第一の結晶がＺｎＯ基板上にエピ
タキシャル成長されていることを特徴とする半導体発光
素子。 - 【請求項６】特許請求の範囲第１〜５項記載の半導体発
光素子において、発振波長が３５０ｎｍ〜５５０ｎｍで
あることを特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27232195A JPH09116225A (ja) | 1995-10-20 | 1995-10-20 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27232195A JPH09116225A (ja) | 1995-10-20 | 1995-10-20 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09116225A true JPH09116225A (ja) | 1997-05-02 |
Family
ID=17512259
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27232195A Pending JPH09116225A (ja) | 1995-10-20 | 1995-10-20 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09116225A (ja) |
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-
1995
- 1995-10-20 JP JP27232195A patent/JPH09116225A/ja active Pending
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