专利名称：半导体发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器或发光二极管等半导体发光元件。
背景技术：
近年，作为光盘高密度化所需的、能够发射从蓝色区域达到紫外线区域光的半导体激光器，积极研究开发利用AlGaInN等氮化物类III-V族化合物半导体的氮化物类半导体激光器，并已实用化。
迄今已公开的氮化物类半导体激光器中，作为活性层结构，采用将由InGaN构成的阱层(InGaN阱层)和由所用In组分比(通常0.02左右)小于该阱层的InGaN构成阻挡层(InGaN阻挡层)交互层叠的多重量子阱结构。作为设有上述的多重量子阱结构的活性层的半导体激光器，例如有日本专利文献特开平10-261838号公报中公开的氮化镓类半导体发光元件。
发明内容
基于振荡波长或阱层的厚度(阱厚)等，InGaN阱层的In组分比(是指InxGa(1-x)中的“x”)可采用各式各样的值，但在振荡波长405nm、阱厚5.0nm时，成为0.12左右。但是，实际上该In组分比因阱层在层方向(与生长方向垂直的方向)的位置不同而取不同值，即，一般知道沿着阱层的层方向其In组分比有大波动。该波动之大小在最小时可达数nm、最大可达数百μm。
这种元素组分比的波动在常用于GaAs类LD的阱层的GaAs、AlGaAs、AlGaP、AlGaInP等材料或常用于InP类LD的阱层的InGaAs或InGaAsP等材料上不出现。
这样，在设有由InGaN阱层和InGaN阻挡层构成的多重量子阱结构的活性层的半导体激光器等半导体发光元件中，在InGaN阱层的层方向In组分比发生波动。因此，存在不能得到具有充分高的微分效率的半导体发光元件的问题。
本发明为解决上述问题构思而成，旨在得到采用具有比以往更高的微分效率的氮化物类III-V族化合物半导体的半导体发光元件。
本发明权利要求1所述的半导体发光元件，采用设有包括至少两个阱层的多重量子阱结构的活性层的氮化物类III-V族化合物半导体，所述至少两个阱层包括至少两个InGaN阱层，在发光时的元件的全部导波光中，将表示所述至少两个InGaN阱层中的光的比例的光封闭系数(％)设定为1.5以上、3.0以下。
本发明权利要求4所述的半导体发光元件，采用利用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体发光元件，且设有包括至少两个阱层的多重量子阱结构的活性层，将表示所述至少两个阱层中的光的比例的光封闭系数(％)设定为1.5以上、3.0以下。
在本发明权利要求1和权利要求5所述的半导体发光元件中，将表示至少两个InGaN阱层中的光的比例的光封闭系数设定为1.5以上、3.0以下，例如，使其前端面具有10％、后端面具有95％的反射率时，具有将阈值电流抑制到实用电平的同时能够得到1.6W/A以上的高微分效率的效果。
在本发明权利要求4所述的半导体发光元件中，通过将表示至少两个阱层中的光的比例的光封闭系数设定为1.5以上、3.0以下，例如，使其前端面具有10％、后端面具有95％的反射率时，具有将阈值电流抑制到实用电平的同时能够得到1.6W/A以上的高微分效率的效果。
图1是表示InGaN阱层上的层方向的In组分比之波动的带隙状态的说明图。
图2是表示InGaN阱层上增益区和吸收区的存在的说明图。
图3是表示阈值电流对光封闭系数Γ的依存性的图表。
图4是表示由前端面射出的激光的微分效率对光封闭系数Γ的依存性的图表。
图5是分别表示在设有仅由5nm膜厚的一个阱层构成的活性层的半导体激光器中阈值电流对Γ依存性的说明图。
图6是分别表示在设有仅由5nm膜厚的一个阱层构成的活性层的半导体激光器中微分效率对Γ依存性的说明图。
图7是表示本发明实施例1的使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器的结构的剖视图。
图8是表示图7所示的活性层内部结构的剖视图。
图9是表示AlxGa(1-x)N层的折射率n对Al组分比依存性的图表。
图10是表示AlxGa(1-x)N层的折射率n对In组分比依存性的图表。
图11是表示测定实施例1的来自半导体激光器前端面的光输出的结果的图表。
图12是表示实施例1中的脊中央部、垂直方向的折射分布与光电场强度分布之模拟结果的说明图。
图13是表示本发明实施例3的使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器的结构的剖视图。
(符号说明)1GaN衬底，2n型GaN缓冲层，3～5、20n型AlGaN包层，6n型GaN光引导层，7n型InGaN-SCH层，8活性层，8a、8c InGaN阱层，8b InGaN阻挡层，9p型InGaN-SCH层，10p型AlGaN电子势垒层，11p型GaN光引导层，12、21p型AlGaN包层，13p型GaN接触层，14脊，15绝缘膜，16开口部，17p型电极，18n型电极。
具体实施例方式
<发明原理>
(对问题的探讨)InGaN材料的带隙具有In组分比越大就越变小的负的相关。因而，成为以往问题之原因的InGaN阱层的层方向上的In组分比之波动表示阱层内带隙因层方向的位置不同而异。
图1是表示InGaN阱层中层方向上的In组分比之波动的带隙状态的说明图。如该图所示，In组分比大区域31中带隙相对较小，In组分比小区域32中带隙相对较大。
图2是表示InGaN阱层中增益区和吸收区之存在的说明图。如该图所示，电子和孔穴注入InGaN阱层，激光振荡时，带隙较小的区域中载流子多，而带隙较大的区域中载流子较少。这是InGaN阱层内载流子扩散的结果产生的现象。
通常，在成为半导体激光器增益区的阱层中，根据载流子密度的大小来确定增益之大小。即，载流子密度高于某一定值(称为透明化载流子密度的值)的区域成为增益区，但载流子密度小于透明化载流子密度的区域中，其增益为负值，即成为光的吸收区。
考虑以上各方面，将InGaN材料用作阱层的氮化物类III-V族化合物半导体激光器中，如图2所示，推测到振荡时除增益区外还存在其载流子密度小于透明化载流子密度的光的吸收区，从而在该吸收区中发生光吸收。
另一方面，半导体激光器中的前端面和后端面的微分效率之和即综合微分效率ηtotal，在设前端面反射率为Rf、后端面反射率为Rr、谐振器长度为L、内部量子效率为ηi、内部损耗为αi时，由以下式(1)表示。
ηtotal=ηi·In(1Rf·Rr)2·αi·L+In(1Rf·Rr)---(1)]]>
因而，InGaN阱层上存在上述那样的光吸收，这表示内部损耗αi大，因此表示按内部损耗αi增加量，综合微分效率ηtotal减少。这样，可知使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器中，因阱层中的In组分比波动而发生的阱层内光吸收成为实现高综合微分效率ηtotal的障碍。
在迄今已公开的氮化物类III-V族化合物的半导体激光器中，为使从前面获得的微分效率大，往往对前面实施10％左右的低反射率涂敷，对后面实施95％左右的高反射率涂敷。尽管如此，根据上述的In组分比之波动造成的障碍，前端面的微分效率成为小于1.6W/A，还有公开具有这以上微分效率的半导体激光器。
(关于解决问题的探讨)减小使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器中，因In组分比的波动而发生的InGaN阱层内光吸收，对获得高微分效率来说是不可欠缺的。
InGaN阱层内的光吸收与阱层的光封闭系数Γ(发光时半导体激光器的全部导波光中，阱层内光的比例)成比例，因此为减小阱层内光吸收，其有效方法是减小该光封闭系数Γ。
但是，激光的增益，即模式增益也与光封闭系数Γ成比例，因此一旦减小光封闭系数Γ，模式增益就变小，振荡所需的载流子密度(阈值载流子密度)变大，存在光输出-电流特性上的振荡阈值(阈值电流)增大的问题。基于这种问题，传统的使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器一般设计并作成为对阱层的光封闭系数Γ为3.5～4.5％前后。
在迄今使用GaAs类材料或InP类材料的激光器中，极端减小阱层上的光封闭系数Γ也会发生与上述同样的问题而不理想，实际上并不进行。
如上所述，一般对阱层的光封闭系数Γ在3.5～4.5％前后时合适，在这样的技术基础下，本发明人试制进一步减小光封闭系数Γ的、使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器，并探讨提高微分效率的可能性。
图3是表示阈值电流对光封闭系数Γ的依存性(以下简称为“Γ依存性”)的图表。图4是表示由前端面出射的激光对微分效率的Γ依存性的图表。还有，图4是表示使前端面具有10％、后端面具有95％的反射率地进行涂敷时的Γ依存性的图表。
这里，对阱层的光封闭系数Γ通过对光行进方向垂直的二维面上的激光器层结构，用其折射率将光强度分布模拟后，计算与阱层相当的区域上的光强度对全体的比例来求得。还有，多重量子阱结构中的光封闭系数Γ指的是多个阱层各自的光封闭系数之和。
制作出的半导体激光器的活性层表示设有各自具有5nm膜厚的两个阱层的2重量子阱结构。以往，这种结构上的对阱层的光封闭系数Γ约3.7％左右，因此这时阈值电流成为30mA以下(参照图3)，微分效率成为1.5W/A以下(参照图4)。
但是，就光封闭系数Γ在3.0％以下的区域进行探讨时，得到如下特性基于图3所示的阈值电流的Γ依存性，阈值电流的劣化(上升)较小，而基于图4所示的微分效率的Γ依存性，微分效率得到显著改善(上升)。
在使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器中，具有上述特性的理由如以下一般，因光封闭系数Γ的减少而模式增益减少时，需要为补偿该减少部分的阱层的增益，因此为了振荡，需要增大对阱层的载流子注入量(阈值载流子密度增大)，但该材料类中，阱的光增益变化量对载流子浓度变化量的比例(微分增益)非常大，可用小量的载流子注入量完成，因此认为不发生大的阈值电流的增大。
另外，如上所述，通过在阱层内发生的In组分比的波动，InGaN阱层具有阱层内光吸收非常大于其它材料类的性质，认为该性质是在减小光封闭系数Γ时显著改善微分效率原因。
另外，根据光封闭系数Γ的减小造成的光吸收量的减小，振荡所需的模式增益减小，这在一定程度上抵消阈值电流增大造成的影响，认为这是基于Γ依存性的阈值电流的增大并不大的原因。
由图3和图4所示的Γ依存性可知当光封闭系数Γ小于1.5％时，阈值电流显著增大，而微分效率的改善量变小。因而，判定光封闭系数Γ的下限最好为1.5％左右。
另外，由图4所示微分效率的Γ依存性可知当光封闭系数Γ在3.0％以下时，可获得的微分效率为1.6W/A以上。还有，通过将光封闭系数Γ设为2.6％以下，得到1.7W/A以上的微分效率。
因而，在设有包含两个InGaN阱层的2重量子阱结构的活性层的半导体激光器中，为使微分效率为1.6W/A以上且阈值电流成为实用电平的阱层的光封闭系数Γ必须在1.5～3.0的范围，并且，为使微分效率为1.7W/A以上且阈值电流成为实用电平的阱层的光封闭系数Γ必须在1.5～2.6的范围。
迄今已公开的使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器中，由前端面出射的激光的微分效率的值小于1.6W/A，因此可知根据本发明能够得到以前未能得到的微分效率。
如果能够提高微分效率，就能将相同光输出所需的电流值抑制较低，因此具有减轻激光器驱动电路的负载、因消耗功率减小而来的发热量的减小等许多优点。
图5和图6是分别表示在设有仅用膜厚5nm的一个阱层构成的活性层的半导体激光器中阈值电流和微分效率对Γ依存性的说明图。
如这些图所示，伴随光封闭系数Γ减少的阈值电流的劣化(上升)程度明显，且并未发挥出微分效率的改善(上升)效果。这种情况通过与构成活性层的阱层数为两个时半导体激光器上的阈值电流和微分效率的Γ依存性(图3和图4)的比较得知。
设有仅用一个阱层构成的活性层的半导体激光器中阈值电流和微分效率的Γ依存性具有上述性质的原因可认为当阱层为一个时，对于阱内载流子只有一个势垒，溢流的结果，阱内不再耦合而电子泄漏，因此对光输出不起作用。
另外，在一个阱层的场合，要得到与具有与该阱层相同厚度的两个阱层时同样的光封闭系数Γ时，需要使阱层的膜厚达到与两个阱层时的阱层膜厚之和大致相同的厚度，或尽量使垂直方向的光分布、即近场图像集中于阱附近的方式。
但是，将阱层的膜厚增厚时，阱层的量子效应变小，从而发生阈值电流增大等缺点，如果垂直方向的近场图像变小，远场图像就会变大，具有不适合用于光读写的特性。
考虑到构成这种活性层的阱层数为“1”时发生各种问题，认为获得本发明的效果的阱层数最好为2以上。另外，阱层数多过“3”时，不发生上述阱数为“1”时问题，而且在通常的设计中，基于阱层体积变大、且活性层附近的折射率变大的两个效果，具有很强的光封闭系数Γ变大的倾向，因此利用本发明而来的光吸收的减小效果往往进一步增大。
<实施例1>
图7是表示本发明实施例1的使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器(半导体发光元件)的结构的剖视图。本实施例的半导体激光器中设有脊结构和SCH(Separate ConfinementHeterostructure)结构。
如该图所示，实施例1的半导体激光器在GaN衬底1的一方主面即Ga面上形成n型GaN缓冲层2。使用n型GaN缓冲层2的目的在于减少GaN衬底上一方主面的凹凸，并使其上层尽量平坦地层叠。
n型GaN缓冲层2上依次层叠了Al组分比为0.07的n型AlGaN包层3、Al组分比为0.045的n型AlGaN包层4及Al组分比为0.015的n型AlGaN包层5。还有，n型AlGaN包层5上依次层叠n型GaN光引导层6、n型InGaN-SCH层7。n型InGaN-SCH层7可考虑例如In组分比为0.02且不掺杂的结构。
然后，在n型InGaN-SCH层7上形成活性层8。如图8所示，活性层8采用例如In组分比为0.12且不掺杂的InGaN阱层8a、In组分比为0.02的InGaN阻挡层8b及In组分比为0.12且不掺杂的InGaN阱层8c按该顺序层叠的2重量子阱结构。
还有，活性层8上依次层叠p型InGaN-SCH层9、p型AlGaN电子势垒层10、p型GaN光引导层11。p型InGaN-SCH层9可考虑例如In组分比为0.02且不掺杂的结构，p型AlGaN电子势垒层10可考虑例如Al组分比为0.2的结构。
p型GaN光引导层11上形成Al组分比为0.07的p型AlGaN包层12。该p型AlGaN包层12设有一部分突出的脊部12a。p型AlGaN包层12的脊部12a上形成p型GaN接触层13。由脊部12a及脊部12a上的p型GaN接触层13形成脊14，该脊14在p型GaN光引导层11上层叠p型AlGaN包层12及p型GaN接触层13后，例如按(1-100)方向进行蚀刻处理来形成。该脊14形成为位于GaN衬底1上以条状形成的数μm～数十μm宽的高转移区域之间的低缺陷区上。
另外，在与成为GaN衬底1的一方主面的Ga面相反侧方向的成为另一主面的N面上形成n型电极18。该n型电极18采用例如将钛(Ti)和Au膜依次层叠的结构。
p型AlGaN包层12的脊部12a以外的表面上，在脊14(脊部12a及p型GaN接触层13)侧面形成绝缘膜15，并形成p型电极17来覆盖p型GaN接触层13及绝缘膜15。绝缘膜15为脊部12a的侧面部及未形成脊部12a的p型AlGaN包层12的表面保护和电绝缘而设。
n型GaN缓冲层2的膜厚例如为1μm、作为n型杂质掺杂例如硅(Si)。n型AlGaN包层3、4及5的各膜厚为例如0.4μm、1.0μm及0.3μm，且作为n型杂质掺杂例如Si。
n型InGaN-SCH层7和p型InGaN-SCH层9的膜厚均为30nm，2重量子阱结构的活性层8中，例如两个InGaN阱层8a、8c的膜厚均为5.0nm，InGaN阻挡层8b的膜厚为8.0nm，p型AlGaN电子势垒层10的膜厚为例如20nm，作为p型杂质掺杂例如镁(Mg)。另外，p型GaN光引导层11的膜厚为例如100nm。
作为p侧包层的p型AlGaN包层12的膜厚为例如500nm，作为p型杂质掺杂例如Mg，且作为p型杂质掺杂例如Mg。p型GaN接触层13的膜厚为例如20nm，且作为p型杂质掺杂例如Mg。
绝缘膜15由膜厚为200nm的SiO2膜形成，p型电极17采用例如依次层叠钯(Pd)和金(Au)膜的结构。
表1是表示构成实施例1的半导体激光器的各层中的材料、膜厚及折射率n的表。在表1的最左栏表示的层No.是指图7所示结构的各层对应的编号。
表1
图9是表示AlxGa(1-x)N层的折射率n对Al组分比依存性的图表。图10是表示InxGa(1-x)N层的折射率n对In组分比依存性的图表。还有，图9和图10所示的Al组分比依存性和In组分比依存性表示振荡波长为405nm的场合。
表1所示的n型AlGaN包层3～5等的AlGaN层的折射率n基于图9所示的Al组分比依存性算出，n型InGaN-SCH层7等的InGaN层的折射率n，基于图10所示的In组分比依存性算出。这些是表示从构成半导体激光器的各层折射率n求出近场图像和远场图像的模拟结果和使激光器的远场图像的实验结果在任何结构上均能一致地拟合的结果，其精度非常高。
构成活性层8的InGaN阱层8a、8c采用2重量子阱结构，因此带隙结构与块晶不同，从而In组分比与折射率n的关系采用与图10不同的值。因此，将远场图像的测量值确定为原来的“2.765”。阱层的折射率n随着阱结构或膜厚而变化，但带隙与振荡波长之间的关系，不会因阱层的In组分比的不同而有大变化，因此一般采用的In组分比0.05～0.2左右、厚度2～10nm左右的范围内，对光封闭系数Γ的计算影响越大就越没有实质的变化。因此，阱层的折射率n如果在上述范围内就取“2.765”也不影响精度。
另外，图9和图10所示的折射率n对Al组分比依存性、In组分比依存性因振荡波长不同而变化，具有振荡波长越短折射率n变化越大、振荡波长越长折射率n变化越小的倾向。但是，其变化在构成激光器的全部层上均适合，因此该变化量采用相对该材料的Al组分比或In组分比相同程度的值。
例如，振荡波长为410nm时，与利用振荡波长为405nm的值计算的场合相比，实际折射率n变小。这时，发生光封闭层(n型GaN光引导层6、n型InGaN-SCH层7、活性层8、p型InGaN-SCH层9、p型AlGaN电子势垒层10及p型GaN光引导层11)上的折射率使对活性层8的光封闭系数Γ变小的效果，另一方面，p型和n型包层的折射率也变小，因此漏到光封闭层的光减小。即，发生使对活性层8的光封闭系数Γ增大的效果。因而，通过这些效果相反的情况，结果上使对阱层的光封闭系数Γ基本不变化。
根据上述理由，对阱层的光封闭系数Γ，只要振荡波长在405nm附近，就不会随振荡波长大变化。即，振荡波长不同于405nm时，也基于图9和图10所示的Al组分比依存性与In组分比依存性算出折射率n，从而能够求得大致准确的对InGaN阱层的光封闭系数Γ。实际上，利用考虑了振荡波长变化的折射率n的计算结果也支持上述构思。
根据以上验证结果，进行了实施例1的半导体激光器的光封闭系数Γ的模拟。结果，光封闭系数Γ(InGaN阱层8a、8c的光封闭系数之和)为2.50％，比以往约3.7％还小。
表2是表示构成与实施例1对应的传统例的半导体激光器各层中的材料、膜厚及折射率n的表。还有，在表2的最左栏表示的层No.是指图7所示结构的各层对应的编号。
表2
图11是表示测定来自实施例1的半导体激光器前端面的光输出的结果的图表。图11所示的光输出变化L1表示测定本发明实施例1的半导体激光器经涂敷而使激光器前端面具有10％、后端面具有95％的反射率时的，来自前端面的光输出的结果。还有，光输出变化L2表示将传统半导体激光器的前端面和后端面的反射率设定同样值时的，测定来自前端面的光输出的结果。
参照图11，如光输出变化L2所示，传统结构的微分效率(来自前端面的光输出对工作电流之比例)为1.5W/A，而如光输出变化L1所示，实施例1的微分效率显著提高到1.95W/A。结果，光输出150mW时的工作电流值以往必须为130mA，但实施例1中用110mA即可。
如上所述，认为该结果是因为减小对阱层的光封闭系数Γ而阱层上的光吸收减少。
图12是表示实施例1中的脊中央部、垂直方向的折射率分布和光电场强度分布的模拟结果的说明图。光电场强度分布中，从与光的行进方向垂直的二维面上的激光器层结构计算进行模拟的二维的光电场强度分布，并示出其脊中央部的分布。还有，光电极强度之平方就是光强度。
实施例1的激光器结构中，作为n型AlGaN包层，采用3层结构的n型AlGaN包层3～5，n型AlGaN包层3、4及5中，将Al组分比设定为0.07、0.045及0.015，从而使n型AlGaN包层3～5层间设定不同的Al组分比。
如图12所示，光被引入到折射率较高的Al组分比为0.015的n型AlGaN包层5中，由于对该n型AlGaN包层5的光强度变大，光的强度中心(峰值位置)比活性层8还向n侧(n型AlGaN包层3～5侧)移位，结果得知活性层8的阱层内的光封闭系数Γ变小。
还有，Al组分比为0.07的n型AlGaN包层3是为抑制光分布渗出到GaN衬底1而设的层，有无n型AlGaN包层3对活性层8的阱层上的光封闭系数Γ几乎不产生影响上述的实施例1中，作为n型和p型包层采用AlGaN，起到带隙大且得到结晶性良好的层的效果。
这里，n型AlGaN包层的Al组分比越大结晶性就越差，使可靠性劣化大。还有，由于折射率较大，光电场难以向n侧扩展，结果在活性层周围容易集中光电场，且难以减小阱层上的光封闭系数Γ。相反，当Al组分比小时，折射率变大，因此光电场比需要以上向n侧扩展，从而使光封闭系数Γ变得过小。
基于以上理由，有n型AlGaN包层或多个n型包层时，优选使至少一层的Al组分比在0.005以上、0.08以下，更优选0.005以上、0.06以下，进一步优选0.005以上、0.04以下。
还有，若设n型包层的折射率大于p型包层，则光电场引向n层侧，n型包层内的光封闭量增大，因此能容易减小光封闭系数Γ。这时，将n型层设成多个包层，使其中一层具有高于p型包层的折射率也能得到同样的效果。
实施例1的特征在于在使用设有至少包括两个阱层的多重量子阱结构的活性层的氮化物类III-V族化合物半导体的半导体发光元件中，将上述多个阱层的组分设成相同，并使该多个阱层内最靠近衬底(GaN衬底1)侧的阱层(InGaN阱层8a)的光封闭系数大于从衬底侧最远的阱层(InGaN阱层8c)的光封闭系数地、具备设于活性层8底层的第一导电型的第一包层(n型AlGaN包层4、5)和设于活性层8顶层的第二导电型的第二包层(p型AlGaN包层12)，使第一包层的折射率大于第二包层的折射率。
即，在图8所示活性层8内被封闭的光中，其构成活性层8的具有相同组分的多个InGaN阱层8a、8c分别分配的光量的对象性并未确定，尤其在靠近衬底侧的InGaN阱层8a和从衬底侧最远的InGaN阱层8c中明显看出其光量的不同。
这是由于如图12所示封闭在活性层8中的光被引向设于GaN衬底1侧的折射率大于p型AlGaN包层12的靠近n型AlGaN包层4、5的InGaN阱层而发生。换言之，封闭在设于GaN衬底侧折射率较大的靠近n型AlGaN包层4、5的InGaN阱层8a中的光，大于封闭在设于远离GaN衬底1侧的靠近折射率小的p型AlGaN包层12的InGaN包层8c中的光。
即，InGaN阱层8a的光封闭系数大于InGaN阱层8c的光封闭系数。结果，能够减小达到p型电极17的光强度，因此得到可改善元件所具有的微分效率的特别效果。以下，就该方面进行详述。
一般，半导体激光器中，与设于衬底侧的电极(第一电极)和活性层之间的距离相比，设于与衬底相反侧的电极(第二电极)与活性层之间的距离极小。例如，氮化物类半导体激光器中，一般往往设活性层与第二电极之间的距离为400nm左右。在采用其它材料类即InP类或GaAs材料的半导体激光器中，若考虑该距离为2μm以上的情况，则设定为非常小。这是由于该距离越大，结晶的串联电阻值就越大，尤其根据氮化物类半导体结晶的电阻非常高的情况，该距离取较小值。
这样，由于活性层与第二电极之间的距离近，在第二电极内存在与第一电极相比不能忽略的光电场，存在一些光吸收。但是，光的强度中心(峰值位置)比活性层8更向第二电极侧移位，结果，使光电场进一步向第二电极侧扩展，这导致进一步增大光吸收，发生振荡阈值的增大或发光效率的减小等特性上的问题的可能性高。
考虑这些理由，实施例1中作为减小光封闭系数Γ的方法，与使光电场向第二电极即p型电极17侧扩展不同的是使光电场向第一电极即n型电极18侧扩展。即，通过使设于活性层8下方即GaN衬底1侧的n型AlGaN包层5、4的折射率大于设于活性层8上方即GaN衬底1相反侧的p型AlGaN包层12的折射率，使光强度中心向第一电极即n型电极18侧移位，结果，能够减小加到第二电极即p型电极17的光强度，起到可缓和发生上述特性上的问题的效果。
(制造方法)接着，参照图7，就实施例1的半导体激光器的制造方法进行说明。首先，在预先通过热清洗等来进行表面清洗的GaN衬底1上，通过有机金属化学气相生长(MOCVD)法，例如在1000℃的生长温度下使n型GaN缓冲层2生长。
然后，用MOCVD法，依次层叠n型AlGaN包层3～5、n型GaN光引导层6、不掺杂的n型InGaN-SCH层7、由不掺杂的InGaN阱层8a、8c及InGaN阻挡层8b构成的2重量子阱结构的活性层8、不掺杂的p型InGaN-SCH层9、p型AlGaN电子势垒层10及p型GaN光引导层11、p型AlGaN包层12及p型GaN接触层13。
这里，这些层的生长温度例如在n型AlGaN包层3～5及n型GaN光引导层6的场合为1000℃、不掺杂n型InGaN-SCH层7～不掺杂p型InGaN-SCH层9的场合为780℃、p型AlGaN电子势垒层10～p型GaN接触层13的场合为1000℃。
在以上的结晶生长结束的晶片前面涂敷抗蚀剂(图7中未示)，通过蚀刻法形成与台部形状对应的预定形状的抗蚀剂图案。以该抗蚀剂图案作为掩模，例如用RIE(Reactiv Ion Etching)法对p型GaN接触层13及p型AIGaN包层12进行蚀刻，仅残留p型AlGaN包层12的一部分。结果，由抗蚀剂图案下的p型AlGaN包层12的脊部12a及p型GaN接触层13形成脊14。
接着，以留下用作掩模的抗蚀剂图案的状态下，利用CVD法、真空蒸镀法、溅镀法等，再在晶片整个面形成例如厚度为0.2μm的SiO2膜即绝缘膜15，并在除去抗蚀剂图案时一并除去抗蚀剂图案上形成的绝缘膜15，进行所谓剥离。结果在脊14上设有开口部16。
接着，对晶片整个面例如用真空蒸镀法依次形成铂(Pt)及Au后，涂敷抗蚀剂且通过蚀刻法形成抗蚀剂图案后，如图7所示，通过湿蚀刻或干蚀刻来形成p型电极17(图案)。
然后，对GaN衬底1的整个背面，用真空蒸镀法依次形成Ti和Al膜，从而得到n型电极18，进行使n型电极18欧姆接触的合金处理(热处理)。
然后，用(沿第一方向)劈开等方法将该衬底加工成棒状，形成两谐振器端面，再对该谐振器端面实施涂敷后，用(沿着与第一方向垂直的方向)劈开等方法将该棒晶片化。从而，制造出实施例1的半导体激光器。
还有，显然可考虑与实施例1的结构相反地，使设于活性层顶层(与衬底的相反侧)第二包层的折射率大于设于活性层底层(衬底侧)的第一包层的折射率的结构。在上述结构中，光强度中心比活性层8还向第二包层(第二电极)侧移位，结果能够减小活性层的阱层内的光封闭系数Γ。
<实施例2>
表3是表示构成实施例2的半导体激光器各层中的材料、膜厚及折射率n的表。还有，在表3的最左栏表示的层No.是指图7所示结构的各层对应的编号。
表3
如表3所示，与实施例1的不同点在于实施例2中，活性层8的结构采用三个阱层和两个阻挡层来构成的3重量子阱结构。另外，三个阱层的In组分比、膜厚、两个阻挡层的膜厚均与实施例1不同。
在实施例2的半导体激光器中对于光封闭系数Γ，进行与实施例1同样的模拟，得知光封闭系数Γ(三个InGaN阱层的光封闭系数之和)为2.58％。
另外，经涂敷使激光器的前端面具有10％、后端面具有95％的反射率后，测量前端面的微分效率，结果得到1.95W/A，可知比以往的1.5W/A得到显著改善。
还有，实施例2的半导体激光器仅在其层结构上不同，与实施例1同样制造，因此省略说明图。
<实施例3>
图13是表示本发明实施例3的使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体激光器的结构的剖视图。如该图所示，与图7所示的实施例1的层结构相比，其不同点仅在于三层的n型AlGaN包层3～5被置换为一层的n型AlGaN包层20，且p型AlGaN包层12被置换为p型AlGaN包层21。
表4是表示构成实施例3的半导体激光器各层中的材料、膜厚及折射率n的表。在表4的最左栏所示的层No.是指图13所示结构的各层对应的编号。
表4
如表4所示，实施例3中，将p型AlGaN包层21和n型AlGaN包层20的Al组分比设定为比传统的p型AlGaN包层和n型AlGaN包层小的“0.03”，从而使各折射率n大于以往。结果，增大对n型AlGaN包层20和p型AlGaN包层21的光渗出，结果减小对阱层的光封闭系数Γ。
在实施例3的半导体激光器中对于光封闭系数Γ，进行与实施例1同样的模拟，得知光封闭系数Γ(两个InGaN阱层8a、8c的光封闭系数之和)为2.62％。
另外，经涂敷使激光器的前端面具有10％、后端面具有95％的反射率后，测量前端面的微分效率，结果得到1.95W/A，可知比以往的1.5W/A得到显著改善。
还有，实施例3的半导体激光器仅在其层结构上不同，与实施例1同样制造，因此省略说明图。
权利要求
1.一种半导体发光元件，采用设有包括至少两个阱层的多重量子阱结构的活性层的氮化物类III-V族化合物半导体，其特征在于所述至少两个阱层包括至少两个InGaN阱层，在发光时的元件的全部导波光中，将表示所述至少两个InGaN阱层中的光的比例的光封闭系数设定为1.5％以上、3.0％以下。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于将所述光封闭系数设定为2.7％以下。
3.如权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于包括设于所述活性层的底层的第一导电型的第一包层；以及设于所述活性层的顶层的第二导电型的第二包层，使所述第一和第二包层中一方的折射率高于另一方包层的折射率，从而使发光时的元件光输出的峰值位置从活性层向一方包层方向错开。
4.一种使用氮化物类III-V族化合物半导体的半导体发光元件，其特征在于设有包括至少两个阱层的多重量子阱结构的活性层，将表示所述至少两个阱层中的光的比例的光封闭系数设定为1.5％以上、3.0％以下。
5.如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于所述至少两个阱层包括至少两个InGaN层。
6.如权利要求1、2、4或5所述的半导体发光元件，其特征在于所述活性层形成在衬底上方；所述半导体发光元件包括，设于所述活性层的底层的第一导电型的第一包层；以及设于所述活性层的顶层的第二导电型的第二包层，使第一包层的折射率大于第二包层的折射率。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于设于所述活性层的底层的第一导电型的第一包层和设于所述活性层的顶层的第二导电型的第二包层，均包含至少一个AlxGa1-xN层，其中，0＜x≤1。
8.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于所述第一包层包含的至少一个AlxGa1-xN层的Al组分比为0.005以上、0.08以下。
9.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于所述第一包层包含的至少一个AlxGa1-xN层的Al组分比为0.005以上、0.06以下。
10.如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于所述第一包层包含的至少一个AlxGa1-xN层的Al组分比为0.005以上、0.04以下。
11.如权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于包括设于所述活性层的底层的第一导电型的第一AlGaN包层；以及设于所述活性层的顶层的第二导电型的第二AlGaN包层，将所述第一和第二AlGaN包层中至少一方包层的Al组分比设定为0.03以下。
12.如权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于将所述第一和第二AlGaN包层的Al组分比均设定为0.03以下。
全文摘要
在设有包含分别具有5nm膜厚的两个InGaN阱层的2重量子阱结构的活性层的半导体激光器中，光封闭系数Γ在3.0％以下区域中阈值电流的劣化较小，具有微分效率显著改善的特性。另一方面，光封闭系数Γ小于1.5％时，阈值电流显著增大，且微分效率的改善量也小。因而，其光封闭系数Γ的下限最好为1.5％左右，若光封闭系数Γ在3.0％以下，则得到的微分效率为1.6W/A以上，且通过设光封闭系数Γ为2.6％以下，得到1.7W/A以上的微分效率。从而得到具有高微分效率的使用氮化物类III－V族化合物的半导体发光元件。
文档编号B82Y20/00GK1825723SQ200610008808
公开日2006年8月30日 申请日期2006年2月14日 优先权日2005年2月25日
发明者藏本恭介 申请人:三菱电机株式会社