JP4508662B2

JP4508662B2 - 窒化ガリウム系半導体発光素子

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Inventors: 善彦谷; 茂稔伊藤
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Description

本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子に係り、特に、量子井戸構造を有する活性層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子の改善に関する。

可視光短波長領域の発光素子として、化合物半導体を利用した発光素子が知られている。そして、化合物半導体発光素子の中でも、窒化ガリウム系半導体発光素子は直接遷移型であって発光効率が高く、かつ光の３原色の一つである青色を発光し得ることから、昨今では特に注目を集めている。そのような窒化ガリウム系半導体発光素子において、図８に示すようなエネルギバンド構造を有するレーザ素子が提案されている（特開２００２−２６１３９５号公報参照）。

図８の模式的エネルギバンド図において、縦軸方向は電子エネルギレベルを表し、横軸方向は半導体積層方向の位置を表している。この図に示された従来のレーザ素子は多重量子井戸構造を有する活性層６を含み、その多重量子井戸構造は４層のＩｎＧａＮ障壁層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと３層のＩｎＧａＮ量子井戸層８ａ、８ｂ、８ｃとを含んでいる。また、図８のレーザ素子は、ｎ型ＧａＮ層１０、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１１、ｐ型ＧａＮガイド層１２、およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１３をも含んでいる。通常、窒化ガリウム系半導体層をｐ型導電性にするためにはＭｇがドーパントとして用いられており、図８の構造においては、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１１から右側の層にＭｇがドープされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１１のＡｌ組成比は通常０．１５から０．３程度に設定され、ｐ層領域への電子キャリアの漏れを防止する効果を生じさせている。

なお、図８の構造に限らず、通常Ｍｇはキャリアブロック層１１から右側の層にドープされる。また、ＩｎＧａＮ障壁層のＩｎ組成比は、０．０２に設定されている。図８の構造によれば、ＡｌＧａＮキャリアブロック層１１と量子井戸層８ｃとの間で、ＩｎＧａＮ障壁層７ｄとＧａＮ層１０とが中間層として作用する。なお、本願明細書において、「中間層」とは、ＡｌＧａＮキャリアブロック層１１と最終量子井戸層８ｃとの間に介在する全ての層を意味するものとする。すなわち、顕著な光吸収作用を有するＭｇドープ層１１−１３がその中間層によって活性層６から遠ざけられているので、活性層６からＭｇドープ領域１１−１３への光の染み出しが低減され、レーザ素子の良好な光出力特性（ＳＥ）が得られる。
特開２００２−２６１３９５号公報

上述の中間層による光出力特性改善効果の程度はその中間層の厚さに依存し、中間層を厚くするほどその改善効果を高めることができる。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、中間層が４０ｎｍ以上に厚くなれば、図９に示されているように温度特性Ｔ₀は逆に悪化することが明らかとなった。この図９のグラフにおいて、横軸は中間層厚（ｎｍ）を表し、縦軸は３０℃から８０℃への温度変化に対する温度特性Ｔ₀（Ｋ）を表している。

ここで、温度特性Ｔ₀は、次式（１）から求められる。

Ｉ_th＝Ｉ₀・ｅｘｐ(Ｔ／Ｔ₀）・・・（１）
この式において、Ｉ_thは温度Ｔ（Ｋ）におけるレーザ素子の閾値電流を表し、Ｉ₀は定数を表わしている。そして、或るレーザ素子について異なる２つの温度Ｔのそれぞれにおいて閾値電流Ｉ_thを測定すれば、式（１）から、そのレーザ素子の温度特性Ｔ₀を求めることができる。

なお、式（１）から理解されるように、レーザ素子の温度特性Ｔ₀の値が大きいほど温度Ｔの一定変化量に対する閾値電流Ｉ_thの変化量が小さいくなり、そのレーザ素子の温度特性が優れていることになる。

図９から分かるように、中間層厚が４０ｎｍ以上に厚くなれば、温度特性Ｔ₀の値が低下することになる。すなわち、図８に示された従来の発光素子構造では、中間層の厚さを４０ｎｍ以上に増大させてさらなる光出力特性の改善と温度特性Ｔ₀の低下防止との両立を図ることは不可能である。

このような従来技術における状況に鑑み、本発明は、良好な光出力特性と共に良好な温度特性Ｔ₀を有する窒化ガリウム系発光素子を提供することを目的としている。

本発明によれば、窒化ガリウム系半導体発光素子は量子井戸層とキャリアブロック層を含み、それらの量子井戸層とキャリアブロック層との間に中間層をさらに含み、その中間層は量子井戸層に接する側から順に第１のＩｎＧａＮ層、第２のＩｎＧａＮ層、およびＧａＮ層を含んでいて４０ｎｍ以上で１５０ｎｍ以下の総厚を有し、第１および第２のＩｎＧａＮ層の合計厚さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、第２のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比が０．０２５以上０．０４以下であり、第１のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比が第２のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比よりも低いことを特徴としている。

なお、中間層は、７０ｎｍ以上の総厚を有することが好ましい。また、中間層に含まれる第２のＩｎＧａＮ層はｎ型不純物がドープされ、ＧａＮ層はノンドープであることが好ましい。

発光素子はリッジ構造を有し、そのリッジ構造の底面部が中間層中に位置していることが好ましい。また、発光素子は基板上に形成されていてかつリッジ構造を有し、そのリッジ構造の底面部が中間層よりも基板側に位置していてもよい。

発光素子の中間層に含まれるＧａＮ層は、ランピング成長によって好ましく形成することができる。

以上のような窒化ガリウム系半導体発光素子用いることによって、安定で優れた記録再生性能を有する光ディスク装置を提供することができる。

本発明によれば、窒化ガリウム系半導体発光素子において、良好な温度特性Ｔ₀を維持しつつ光出力特性を改善することができる。そして、そのように改善された窒化ガリウム系発光素子を用いることによって、光ディスク装置の高温条件における特性を改善することができる。

本発明者らは、図８に示された従来技術における前述の課題を解決するために詳細な検討を行った。その結果、中間層の厚さがＴ₀に影響を及ぼすメカニズムが、以下のように明らかにされた。

まず、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１１は、活性層６からｐ層領域への電子キャリアの漏れを防止する効果を有しており、中間層の厚さに関わらず常にその効果を保っている。しかしながら、ＩｎＧａＮ障壁層７ｄとＧａＮ層１０との間において、伝導帯側の電子キャリアに対するエネルギ差が非常に小さいので、温度上昇に伴って電子キャリアが活性層６から中間層へ漏れ出してしまう。したがって、中間層の厚さが増すにしたがって、活性層６から中間層へ漏れ出す電子キャリア量も増える。その結果として、活性層６中の電子キャリア密度が低下して、発光素子の温度特性Ｔ₀が悪化することが明らかとなった。

また、中間層はｎ型として形成されるので、ホールキャリアはこのｎ型中間層中を小数キャリアとして拡散により移動しなければならない。したがって、ｎ型中間層の厚さが増すにしたがって、その中間層中のホールキャリアの拡散距離が増大して電子キャリアとの再結合確率が高まる結果として、Ｔ₀が低下することが明らかとなった。すなわち、中間層の厚さを増すことによって、電子キャリアおよびホールキャリアの両観点からＴ₀の低下を招いていることが明らかとなった。

本発明者らは、上述のようなＴ₀の低下のメカニズムに鑑みて、引き続いてさらに詳細な検討を行った結果、Ｔ₀の低下を防止しつつ発光特性をさらに改善し得る発光素子構造を見出すことができた。

図８に類似している図１は、本発明の一実施形態による発光素子に関するエネルギバンド図を模式的に示している。この図１の発光素子は、活性層６中の最終障壁層７ｄとＧａＮ層１０との間に付加的なＩｎＧａＮ層９をさらに含んでいることのみにおいて、図８の従来の発光素子と異なっている。

図２のグラフは、図１の発光素子において付加的ＩｎＧａＮ層９のＩｎ組成比がＴ₀特性に及ぼす影響を示している。すなわち、このグラフの横軸は付加的ＩｎＧａＮ層９中のＩｎ組成比を表し、縦軸はＴ₀（Ｋ）特性を表している。図２のグラフにおけるＴ₀は式（１）を利用して算出されており、その算出のために３０℃と８０℃の温度Ｔにおいて発光素子の閾値電流Ｉ_thが測定された。なお、その測定においては、付加的ＩｎＧａＮ層９のＩｎ組成比は種々に変えられたが、ＩｎＧａＮ障壁層７ｄの厚さは１０ｎｍに、付加的ＩｎＧａＮ層９の厚さは２０ｎｍに、そしてＧａＮ層１０の厚さは４０ｎｍにそれぞれの一定値に設定されていた。

図２から分かるように、付加的ＩｎＧａＮ層９のＩｎ組成比を０．０２５以上にすることによって、発光素子のＴ₀特性を改善することができる。

図２に類似している図３のグラフは、図１の発光素子において最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９との合計厚さがＴ₀特性に及ぼす影響を示している。すなわち、このグラフの横軸は、最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９との合計厚さ（ｎｍ）を表している。この図３のグラフを得るための測定においては、最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９との合計厚さは種々に変えられたが、ＧａＮ層１０の厚さは４０ｎｍに設定され、付加的ＩｎＧａＮ層９のＩｎ組成比は０．０２５に設定されていた。

図３から分かるように、最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９との合計厚さを５０ｎｍ以下にすることによって、発光素子の良好なＴ₀特性を得ることができる。なお、図３に示されたＴ₀特性は、最終障壁層７ｄのＩｎ組成比の変化にほとんど影響されることはなかった。また、最終障壁層７ｄとＩｎＧａＮ層９との厚さの組み合わせは任意であり、その合計厚さが５０ｎｍ以下である限りにおいて良好なＴ₀特性を得ることができる。

図４のグラフは、図１の発光素子においてＧａＮ層１０の厚さがＴ₀特性に及ぼす影響を示している。すなわち、このグラフの横軸は、ＧａＮ層１０の厚さ（ｎｍ）を表している。この図４のグラフを得るための測定においては、ＧａＮ層１０の厚さは種々に変えられたが、最終障壁層７ｄのＩｎ組成比は０．０２５に設定され、最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９との合計厚さは５０ｎｍに設定されていた。

図４から分かるように、ＧａＮ層１０の厚さが１００ｎｍ以下であれば、発光素子の良好なＴ₀特性を得ることができる。

すなわち、付加的ＩｎＧａＮ層９のＩｎ組成比を０．０２５以上とすることでＧａＮ層１０との間の伝導帯側の電子キャリアに対するエネルギ差を十分に大きくすることができ、高温時に活性層６から電子キャリアが中間層へ漏れ出すことを効果的に防ぐことができる。なお、最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９との合計厚さが５０ｎｍを超えた場合、これらの最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９へ電子キャリアが多く漏れ出し、活性層６中のキャリア密度が顕著に低下する。

したがって、付加的ＩｎＧａＮ層９のＩｎ組成を０．０２５以上にし、かつ最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９との合計厚さを５０ｎｍ以下にすることによって、高温時における活性層６中の電子キャリア密度の低下を効果的に防ぐことができる。また、中間層の厚さを１５０ｎｍ以下にすることによって、ホールキャリアの注入効率を良好に保つことができる。

以上から分かるように、付加的ＩｎＧａＮ層９のＩｎ組成比を０．０２５以上にして、最終障壁層７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９との合計厚さを５０ｎｍ以下とし、かつ中間層の厚さを１５０ｎｍ以下とすることによって、電子キャリアおよびホールキャリアの両方に関して生じていた問題を同時に解決することでき、発光素子の良好なＴ₀特性を得るとともに良好な光出力特性を得ることができる。また、そのような条件を満たすことによって、発光素子の高温における寿命試験においても、良好な寿命特性を得ることができる。

なお、中間層の総厚を７０ｎｍ以上にすれば、ＡｌＧａＮキャリアブロック層１１が活性層６に及ぼす歪の影響を特に効果的に取り除くことができ、また活性層６へのＭｇの拡散をも効果的に抑えることができるので好ましい。

図５のグラフは、ＩｎＧａＮ障壁層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９とのＩｎ組成比が活性層６のＰＬ（フォトルミネッセンス）発光強度に及ぼす影響を示している。すなわち、このグラフの横軸はＩｎＧａＮ障壁層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９とのＩｎ組成比を表し、縦軸はＰＬ発光強度（ａ．ｕ．：任意単位）を表している。なお、このＰＬ発光強度が高いことは、活性層６の結晶性が高いことを意味している。

図５から分かるように、ＩｎＧａＮ障壁層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９とにおけるＩｎ組成比を０．０２５から０．０４の範囲内に設定することによって、特に良好な結晶性を有する活性層６を得ることができる。これによって、発光素子において、特に良好な寿命特性を得ることもできる。

また、付加的ＩｎＧａＮ層９にＳｉを不純物としてドープしかつＧａＮ層１０をノンドープにすることによって、最終障壁層７ｄおよび付加的ＧａＮ層９との間の伝導帯側の電子キャリアに対するエネルギ差をさらに大きくすることができ、Ｔ₀特性をさらに改善できるので好ましい。なお、本発明の効果はＩｎＧａＮ障壁層のＩｎ組成比に影響を受けず、したがってそのＩｎ組成比を自由に選択することができる。

ただし、ＩｎＧａＮ障壁層のＩｎ組成を大きくし過ぎれば、活性層６の光閉じ込めが大きくなり過ぎて、発光素子の寿命試験において端面劣化を起こしやすくなる。したがって、特に３０ｍＷを超えるハイパワー出力条件での発光素子仕様が求められる場合には、活性層から光を部分的に漏らすように、ＩｎＧａＮ障壁層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄのＩｎ組成比を付加的ＩｎＧａＮ層９に比べて低くすることが好ましい。

図６は、図１のエネルギバンド図に表された窒化ガリウム系半導体レーザ素子における半導体積層構造を示す模式的断面図である。この半導体レーザ素子は、サファイア基板１のｃ面上に順次積層されたＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9クラッド層４、ｎ型ＧａＮガイド層５、４層のＩｎ_0.025Ｇａ_0.975Ｎ障壁層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと３層のＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ量子井戸層８ａ、８ｂ、８ｃとを含む多重量子井戸構造を有する活性層６、付加的Ｉｎ_0.04ＧａＮ_0.96層９、ｎ型ＧａＮ層１０、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１１、ｐ型ＧａＮガイド層１２、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１３、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１４を含んでいる。ここで、Ｉｎ_0.025Ｇａ_0.975Ｎ障壁層７ｄの厚さは１０ｎｍであって、付加的Ｉｎ_0.04ＧａＮ_0.96層９の厚さは２０ｎｍであり、ｎ型ＧａＮ層１０の厚さは５０ｎｍである。

また、図６のレーザ素子は、ｐ側電極１５、ｎ側電極１６、およびＳｉＯ₂絶縁膜１７をも含んでいる。このレーザ素子の共振器長は５００μｍで、その共振器における前面反射率が２０％であって、後面反射率が９０％である。

なお、図６の発光素子において、サファイア基板１の主面としては、ｃ面以外に、ａ面、ｒ面、またはｍ面等の他の面方位を利用することもできる。また、サファイア基板１の代わりに、ＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、またはＧａＡｓ基板をも用いることができる。特に、ＳｉＣ基板は、サファイア基板に比べて劈開しやすいので、劈開によるレーザ共振器端面の形成が容易になるという利点をもたらす。バッファ層２としては、その上に窒化ガリウム系半導体層をエピタキシャル成長させ得るものであればＧａＮに限られず、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶などの他の材料を用いてもよい。また、サファイア基板１およびＧａＮバッファ層２は、ＧａＮ基板で置き換えることも可能である。さらに、成長させられる窒化ガリウム系半導体層中のクラック発生を防止することを目的として、その窒化ガリウム系半導体層と基板との間にＩｎＧａＮ層を挿入してもよい。

ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層１３は、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ以外のＡｌ組成比を持つＡｌＧａＮ３元混晶であってもよい。また、これらのクラッド層は少量の他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体であってもよく、さらに、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層１３とはそれらの混晶組成比が同一でなくてもよい。

ガイド層５、１２の材料としてはＧａＮに限られず、活性層６中の量子井戸層のエネルギギャップとクラッド層４、１３のエネルギギャップとの中間のエネルギギャップを有する材料であれば、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の３元混晶、ＩｎＧａＡｌＮ等の４元混晶などの他の材料を用いてもよい。

活性層６の多重量子井戸構造に含まれる３層のＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ量子井戸層８ａ、８ｂ、８ｃに関しては、望まれるレーザ発振波長に応じてその組成比を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合にはＩｎ組成比を大きくし、短くしたい場合にはＩｎ組成比を小さくすればよい。

図６の窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を利用して作製することができる。しかし、レーザ素子の作製方法としては、ＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させ得る方法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。

まず、所定の結晶成長炉内に設置されたサファイア基板１のｃ面上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ₃）を原料に用いて、基板温度５５０℃でＧａＮバッファ層２を厚さ３５ｎｍに成長させる。

次に、基板温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧ、ＮＨ₃、およびシランガス（ＳｉＨ₄）を用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層３を成長させる。続いて、原料ガスにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加えて、基板温度は１０５０℃のままで、厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４を成長させる。さらに、ＴＭＡを原料ガスから除いて、基板温度は１０５０℃のままで、厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮガイド層５を成長させる。

その後、基板温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧ、ＮＨ₃、およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料に用いて、Ｉｎ_0.025Ｇａ_0.975Ｎ障壁層７とＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ量子井戸層８を交互に成長させることによって多重量子井戸構造の活性層６を形成する。障壁層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの各々は厚さ１０ｎｍに成長させられ、量子井戸層８ａ、８ｂ、８ｃの各々は厚さ５ｎｍに成長させられる。

次に、基板温度７５０℃のままで、付加的Ｉｎ_0.04ＧａＮ_0.96層９を厚さ２０ｎｍに成長させ、ＧａＮ層１０を厚さ５０ｎｍに成長させる。続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ₃、およびシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いて、基板温度は７５０℃のままで、厚さ１０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１１を成長させる。

さらに、基板温度を１０５０℃に再び上げて、ＴＭＧ、ＮＨ₃、およびシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮガイド層１２を成長させる。

ここで、ｎ型ＧａＮ層１０、ｐ型キャリアブロック層１１、およびｐ型ガイド層１２は、次のような成長方法によっても形成することができる。すなわち、ＴＭＧとＮＨ₃を原料ガスに用い、その原料ガスの供給量を一定にしたままで基板温度を活性層の成長温度７５０℃から１０５０℃にまで連続的に上昇させながら、ｎ型ＧａＮ層１０を成長させる。このような成長方法は、本願明細書において、「ランピング成長」と称される。続いて、基板成長温度１０５０℃のままで、厚さ１０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１１を成長させ、引き続いてＴＭＧ、ＮＨ₃、およびシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮガイド層１２を成長させる。この場合、ランピング成長によってｎ型ＧａＮ層１０の結晶性を改善し得るので、中間層におけるホールの再結合確率を下げることができ、発光素子のＴ₀特性とＳＥ特性をさらに改善できるので好ましい。

さらに続けて、ＴＭＡを原料ガスに加えて、基板温度は１０５０℃のままで、厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１３を成長させる。そして、ＴＭＡを原料ガスから除いて、基板温度は１０５０℃のままで、厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４を成長させ、これによって窒化ガリウム系エピタキシャルウエハを完成させる。続いて、このウエハを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。

さらに、通常のフォトリソグラフィとドライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライプ状にｐ型ＧａＮコンタクト層１４の最表面から、ｎ型ＧａＮコンタクト層３が部分的に露出するまでエッチングを行う。続いて、同様のフォトリソグラフィとドライエッチング技術を用いて、２μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４とｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１３を部分的にエッチングする。

次に、リッジの側面上とリッジの両側で露出されているｐ型クラッド層１３の表面上に、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ₂絶縁膜１７を形成する。このＳｉＯ₂絶縁膜１７とｐ型ＧａＮコンタクト層１４を覆うように、ニッケルと金からなるｐ側電極１５を形成する。また、エッチングにって露出したｎ型ＧａＮコンタクト層３の表面上に、チタンとアルミニウムからなるｎ側電極１６を形成する。これによって、窒化ガリウム系ＬＤ（レーザダイオード）ウエハが完成する。

その後、このウエハをリッジストライプに垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のレーザチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングによって各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子が完成する。

以上のようにして作製された窒化ガリウム系半導体発光素子において、従来よりも優れた光出力特性とともに良好なＴ₀特性を得ることができる。

なお、上述の実施形態では井戸層数が３にされたが、本発明の発光素子においてその井戸層数は適宜に変更し得ることは言うまでもない。また、本発明の発光素子におけるリッジ構造は、上述のようにフォトリソグラフィとエッチングを利用して形成する方法に限られず、例えば周知の選択成長法（特開２０００−５８４６１号公報参照）を利用して形成されてもよいことも言うまでもない。

さらに、上述の実施形態ではリッジ構造を形成するに際してｐ型ＧａＮコンタクト層１４とｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１３とを部分的にエッチングしたが、そのエッチング深さは自由に選択することができる。特に、最終井戸層８ｃとキャリアブロック層１１との間のいずれかの位置にリッジの底面が一致するよう設定することによって、リッジ両脇部への電流漏れ量を減らすことができて、さらに良好なＴ₀特性を得ることができる。また、その場合に、最終井戸層８ｃにまでエッチングが達していないので、エッチングによるダメージが活性層に及ぶことがなく、良好なリーク防止と高い素子歩留まりが得られる。他方、リッジの底面が最終井戸層８ｃよりも深くなるよう設定すれば、リッジの両脇部への電流漏れ量をさらに減らすことができ、特に良好なＴ₀特性を得ることができる。

図７では、本発明によって得られる窒化物半導体発光素子を含む光ディスク装置における光ピックアップの主要光学部品が、模式的な斜視図で示されている。この光ピックアップにおいて、窒化物半導体発光素子１８から出射した光は、トラッキングビーム生成用の回折格子１９によって、２つのトラッキング用副ビームと信号読み出し用主ビームとの３つの光ビームに分けられる。そして、これらのビームは、ホログラム素子２０を０次回折光として透過し、コリメートレンズ２１で平行光に変換された後に、対物レンズ２２にてディスク盤２３上に集光される。

この集光された光は、ディスク盤２３上に形成されたピットによって強度変調されて反射され、対物レンズ２２およびコリメートレンズ２１を透過した後に、ホログラム素子２０により１次回折され、この１次回折光成分がＤ１からＤ５までの５分割の受光面からなる分割型受光素子２４上に入射させられる。そして、これら５分割の受光面からの電気的出力を加減算することによって、信号読み出し用とトラッキング用の電気信号を得ることができる。

このような光ピックアップを有する光ディスク装置において、本発明によって光出力特性および温度特性Ｔ₀が改善された窒化物半導体発光素子を使用すれば、特に高温度動作保証を必要とする光ディスク装置において良好な特性を発揮させることができる。

なお、本発明による発光素子は、図７に示された光学系を有する光ピックアップへの適用に限られず、他の種々の光学系を有する光ピックアップを含む光ディスク装置に適応可能であることは言うまでもない。

上述のように、本発明によれば、良好な光出力特性および良好な温度特性Ｔ₀を有する窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することができる。また、そのような発光素子を利用することによって、高温条件においても良好な特性を有する光ディスク装置を提供することができる。

本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子に関する模式的なエネルギバンド図である。図１の窒化ガリウム系半導体発光素子における付加的ＩｎＧａＮ層９のＩｎ組成比が温度特性Ｔ₀に及ぼす影響を示すグラフである。図１の窒化ガリウム系半導体発光素子における最終層障壁層厚７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９の合計厚さが温度特性Ｔ₀に及ぼす影響を示すグラフである。図１の窒化ガリウム系半導体発光素子におけるＧａＮ層１０の厚さが温度特性Ｔ₀に及ぼす影響を示すグラフである。図１の窒化ガリウム系半導体発光素子におけるＩｎＧａＮ障壁層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと付加的ＩｎＧａＮ層９とのＩｎ組成比が活性層６のＰＬ発光強度に及ぼす影響を示すグラフである。図１のエネルギバンド図に表された窒化ガリウム系半導体レーザ素子における半導体積層構造を示す模式的断面図である。本発明によって得られる窒化物半導体発光素子を含む光ディスク装置における光ピックアップの主要光学部品を示す模式的な斜視図である。従来の窒化ガリウム系半導体発光素子のエネルギバンド図である。図８の窒化ガリウム系半導体発光素子におけるＧａＮ層１０の厚さが温度特性Ｔ₀に及ぼす影響を示すグラフである。

符号の説明

１ｃ面を主面として有するサファイア基板、２ＧａＮバッファ層、３ｎ型ＧａＮコンタクト層、４ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、５ｎ型ＧａＮガイド層、６多重量子井戸構造の活性層、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄＩｎ_0.025Ｇａ_0.975Ｎ障壁層、８ａ、８ｂ、８ｃＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ量子井戸層、９付加的Ｉｎ_0.04ＧａＮ_0.96層、１０ｎ型ＧａＮ層、１１ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層、１２ｐ型ＧａＮガイド層、１３ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１４ｐ型ＧａＮコンタクト層、１５ｐ側電極、１６ｎ側電極、１７ＳｉＯ₂絶縁膜、１８窒化物半導体発光素子、１９トラッキングビーム生成用の回折格子、２０ホログラム素子、２１コリメートレンズ、２２対物レンズ、２３光ディスク、２４分割型受光素子。

Claims

量子井戸層とキャリアブロック層を含み、
前記量子井戸層と前記キャリアブロック層との間に中間層をさらに含み、
前記中間層は前記量子井戸層に接する側から順に第１のＩｎＧａＮ層、第２のＩｎＧａＮ層、およびＧａＮ層を含み、
前記中間層は４０ｎｍ以上で１５０ｎｍ以下の総厚を有し、
前記第１のＩｎＧａＮ層と前記第２のＩｎＧａＮ層との合計厚さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記第２のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比が０．０２５以上０．０４以下であり、
前記第１のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比が前記第２のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比よりも低いことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
前記中間層の総厚が７０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
前記第２のＩｎＧａＮ層にｎ型不純物がドープされており、前記ＧａＮ層がノンドープであることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
前記発光素子はリッジ構造を有し、そのリッジ構造の底面部が前記中間層中に位置することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
前記発光素子は基板上に形成されていてかつリッジ構造を有し、そのリッジ構造の底面部が前記中間層よりも前記基板側に位置することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
請求項１から５のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体発光素子を製造するための方法であって、前記ＧａＮ層はランピング成長により形成されることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
請求項１から５のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体発光素子を含むことを特徴とする光ディスク装置。