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JP3925066B2 - Nitride semiconductor laser device - Google Patents

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JP3925066B2
JP3925066B2 JP2000297665A JP2000297665A JP3925066B2 JP 3925066 B2 JP3925066 B2 JP 3925066B2 JP 2000297665 A JP2000297665 A JP 2000297665A JP 2000297665 A JP2000297665 A JP 2000297665A JP 3925066 B2 JP3925066 B2 JP 3925066B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなるレーザ素子に関し、特に自励発振を制御し、垂直方向のFFPと自励発振パワーとの両者を最適にするレーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体発光素子は、各分野での応用が期待されており、近年盛んに研究開発が進められている。特に窒化物半導体系のレーザダイオード(LD)については、種々の研究開発が活発に行われ、実用可能なLDも開発されている。
【0003】
窒化物半導体レーザ素子は、活性層を光閉じ込め層(クラッド層)で挟んだ層構成を有する。活性層で自然発光した光がp側及びn側のクラッド層間で全反射しながら、活性層を有する導波層(光ガイド層)内で増幅され、この増幅された光を誘導放出光として活性層端面(共振面)から放出する。
【0004】
本発明者は、窒化物半導体基板上に活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製し、世界で初めて室温での連続発振1万時間以上を達成したことを発表した(ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-1571, Part2, No.12A, 1 December 1997)。
【0005】
特性の良い半導体レーザを実現するには、活性層に効率よく電流を注入すると共に、光を活性層内に閉じ込める必要がある。例えば、InGaN系レーザダイオードの構造として、多重量子井戸構造のInGaN発光層に光ガイド層としてGaN、クラッド層としてAlGaN/GaNの超格子構造を用いた分離閉じ込め型レーザを発表している(応用物理第68巻7号(1999)795頁)。この例では、垂直方向のFFPに周期的なリップルが観測されており、その理由としてAlGaN/GaNクラッド層による光閉じ込めが不十分なため、一部のレーザビームがGaNコンタクト層にまで漏れることが挙げられている。この対策として、クラッド層のAl組成比を増やすか、厚さを増すかして光の閉じ込めを強くする必要性を挙げている。一般に半導体レーザはダブルヘテロ構造によりキャリア閉じ込め効果を得て効率的に反転分布を得ると共に、放射された光をガイド層の中に閉じ込め、誘導放出を生じさせて光の閉じ込めを得る。これを実現するため活性層物質の光の屈折率はクラッド層物質の屈折率よりも高く設計される。
【0006】
また半導体レーザは、閾値電流密度を引き下げる必要がある。このためにも光の閉じ込めを強化することが一般に行われている。例えば特開平11−238945号公報には、クラッド層の光閉じ込め効果を向上させることにより、窒化物半導体レーザ素子のレーザ光をシングルモード化すると共に、発振閾値を低下させたレーザ素子を得る方法が記載される。この方法は、n側クラッド層をAlを含む窒化物半導体層を有する超格子で構成し、そのn側クラッド層全体の厚さが0.5μm以上で、かつそのn側クラッド層に含まれるAl平均組成を百分率(%)で表した際に、n側クラッド層全体の厚さ(μm)とAl平均組成(%)との積が4.4以上となるように構成されている。また前記n側とp側のクラッド層との間にある活性層を含んだ窒化物半導体層の厚さを200オングストローム以上、1.0μm以下の範囲に調整することにより、コア部分に光を閉じ込めてレーザ光の垂直横モードをシングルモード化している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光の閉じ込めを強化する構造とすると活性層の光密度が大きくなるため、自励発振が起こりやすくなる傾向を示す。自励発振とは、レーザに加える電流値を上昇させたとき、一定であるべき出力波形が振動しはじめる状態をいう。これを防止するには、光の密度を下げる方法が挙げられる。ただ、レーザ発振を実現するには、光の閉じ込めが必要になる。このように光の閉じ込めと自励発振の防止はトレードオフの関係にあり、光の閉じ込めが強固であれば自励発振が生じるという問題が生じていた。
【0008】
本発明は、このような問題点を解決するためものである。本発明の重要な目的は、従来と逆の発想で光の閉じ込めを意図的に弱め光が漏れる構造とすることで、自励発振の発生を制御でき、かつ垂直方向のFFPを小さくすることのできる窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するために本発明の窒化物半導体レーザ素子は以下の構成を備える。
【0010】
本発明に記載される窒化物半導体レーザ素子は、Alの平均組成を0.02〜0.04とするn側とp側クラッド層の間にpおよびn側光ガイド層と、InGaNを含む活性層が形成されており、pおよびn側光ガイド層は、少なくともAlを含む窒化物半導体層を有しており、かつpおよびn側光ガイド層中に含まれるAlの平均組成をクラッド層のAl平均組成よりも小さい値とし、その膜厚をそれぞれ0.1μm〜0.2μmとし、クラッド層で挟まれたコア部分の膜厚を200オングストローム以上、1.0μm以下とし、レーザ素子のリッジストライプをp側光ガイド層の領域まで形成することを特徴とする。
【0011】
このように本発明は、光ガイド層にAlを混入させてAlの比率を上げることにより光の閉じ込めを弱めて、閾値電流密度が大きくしないで自励発振を防止することができる。
【0012】
ラッド層中に含まれるAlの比率を下げることにより光の閉じ込めを弱めて、閾値電流密度が大きくしないで自励発振を防止することができる。
【0013】
n側クラッド層の全体の膜厚を1μm〜2μmとすることにより漏れ光の影響のリップルを防止することができる。
【0014】
さらにまpおよびn側クラッド層を構成する超格子がAlxGa1-xN/GaNの超格子とできる。
【0015】
本発明の窒化物半導体レーザ素子では、従来と逆の発想で光の閉じ込めを弱くし、光がしみ出すような状態として光の密度を下げることにより、自励発振を抑制するものである。これを実現するために本発明は、クラッド層および光ガイド層のそれぞれの屈折率を近づける構造としている。例えば、閾値電流密度が大きくならない程度にp、nクラッド層中のAlの混晶比を小さくし、あるいはp、n光ガイド層中のAlの混晶比を大きくする。この構造により、自励発振が生じる電流値を大きくすることができ、自励発振の発生を抑えることができる。
【0016】
さらに垂直方向のNFP幅は大きくなり、その結果、垂直方向のFFP幅を小さくできるというメリットもある。NFPとは、ニヤー・フィールド・パターン(Near Field Pattern)、近視野像と呼ばれるもので、垂直、水平の両横モードについて反射面上に現れるレーザ光の強度分布像をいう。一方FFPとは、ファー・フィールド・パターン(Far Field Pattern)、あるいは遠視野像とも呼ばれ、反射面から十分遠方に放射されたレーザ光の強度分布像をいう。NFPは発振領域内の光強度分布を表し、FFPは光の波面および位相も含めた光波の性質を表すといえる。FFPは放射光の広がりを示すものであるから、FFP幅が小さいと、FFPθ角度が収束して広がりが少なくなり、使用者はレーザの扱いが容易となる。このように本発明の窒化物半導体レーザ素子は、自励発振を抑えることに加えてFFPの小さい取り扱い容易なレーザとできるメリットもある。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための窒化物半導体レーザ素子を例示するものであって、本発明は窒化物半導体レーザ素子を以下のものに特定しない。
【0018】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。
【0019】
本明細書において説明するn型層の一般式AlXGa1-XN、p型層のAlXGa1-XN等の組成比X値は単に一般式を示しているに過ぎず、n型層のXとp型層のXとが同一の値を示すものではない。また同様に他の一般式で使用するY値についても、同一の一般式が同一の値を示すものではない。
【0020】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、クラッド層とは、屈折率が活性層の井戸層よりも小さい窒化物半導体を含む光閉じ込め層である。また超格子とは、単一層の膜厚が100オングストローム以下で、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造を指し、好ましくは70オングストローム以下、さらに好ましくは40オングストローム以下の膜厚の窒化物半導体層を積層する。具体的な構成としては、例えばAlXGa1-XN(0<X<1)層と、そのAlXGa1-XN層と組成が異なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子とし、例えばAlXGa1-XN/GaN、AlXGa1-XN/AlYGa1-YN(0<Y<1、Y<X)、AlXGa1-XN/InZGa1-ZN(0<Z<1)等の3元混晶と3元混晶、若しくは3元混晶と2元混晶との組み合わせで超格子とすることができる。その中でも最も好ましくはAlXGa1-XNとGaNとからなる超格子とする。
【0021】
また、活性層の発光を閉じ込めるためn側クラッド層を上記構成とするならば、p側クラッド層をn側クラッド層と同じ構成とすることも可能である。但し、p側クラッド層を請求項1のような構成とする場合、p側クラッド層の膜厚をn側クラッド層よりも薄くすることが望ましい。なぜなら、p側クラッド層の3族元素に対するAl平均組成を大きくするか、若しくは膜厚を厚くすると、AlGaN層の抵抗値が大きくなる傾向にあり、AlGaNの抵抗値が大きくなると、閾値が高くなる傾向にあるからである。
【0022】
p側クラッド層をAlを含む窒化物半導体を有する超格子とする場合(但し、この場合、光の漏れは関係なく、単にキャリア閉じ込めとしてのクラッド層として作用させる場合を含む。)、n側クラッド層全体の厚さがそのp側クラッド層全体の厚さよりも厚いことが望ましい。p側クラッド層を構成する窒化物半導体層も、n側クラッド層と同様に、例えばAlXGa1-XN(0<X<1)層と、そのAlXGa1-XN層と組成が異なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子とし、AlXGa1-XN/GaN、AlXGa1-XN/AlYGa1-YN(0<Y<1、Y<X)、AlXGa1-XN/InZGa1-ZN(0<Z<1)等の3元混晶と3元混晶、若しくは3元混晶と2元混晶との組み合わせで超格子とし、その中でも最も好ましくはAlXGa1-XNとGaNとからなる超格子とする。
【0023】
本発明の超格子におけるAl平均組成は、以下のような算出方法で求めるものとする。例えば25オングストロームのAl0.5Ga0.5Nと、25オングストロームのGaNとを200ペア(1.0μm)積層した超格子の場合、1ペアが50オングストローム、Alを含む層の3族元素に対するAl混晶比が0.5であるため、0.5・(25μm/50μm)=0.25となり、超格子全体の3族元素におけるAl平均組成は25%である。一方、膜厚が異なる場合、Al0.5Ga0.5Nを40オングストロームと、GaNを20オングストロームとで積層した場合、膜厚の加重平均を行い、0.5(40/60)=0.333となり、Al平均組成は33.3%とする。即ち、Alを含む単一窒化物半導体層の3族元素に対するAl混晶比を、その窒化物半導体層が超格子1ペアの膜厚に占める割合に乗じたものを本発明における超格子のAl平均組成とする。またAlを両方含む場合も同様であり、例えばAl0.1Ga0.9N20オングストローム、Al0.2Ga0.8N30オングストロームの場合も、0.1(20/50)+0.2(30/50)=0.16、即ち16%をAl平均組成とする。なお以上の例はAlGaN/GaN、AlGaN/AlGaNについて説明したが、AlGaN/InGaNについても同じ算出方法を適用するものとする。従って、n側クラッド層を成長させる場合には、以上の算出方法に基づいて成長方法を設計できる。また、n側クラッド層のAl平均組成は、SIMS(二次イオン質量分析装置)、オージェ等の分析装置を用いても検出できる。
【0024】
【実施例】
図1は本発明の一実施例に係るレーザ素子の要部を示す模式的な断面図であり、リッジストライプに垂直な方向で切断した際の断面を示している。以下、必要に応じてこの図を参照しながら実施例について説明する。
【0025】
[実施例1]
以下、実施例1として作成したレーザ素子を順に説明する。
(下地層)
2インチφ、C面を主面とするサファイアよりなる異種基板をMOVPE反応容器内にセットし、温度を500℃にして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaNよりなるバッファ層(図示せず)を200オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を1050℃にして、同じくGaNよりなる下地層を4μmの膜厚で成長させる。この下地層は保護膜を部分的に表面に形成して、次に窒化物半導体基板の選択成長を行うための下地層として作用する。下地層はAl混晶比X値が0.5以下のAlXGa1-XN(0≦X≦0.5)を成長させることが望ましい。0.5を超えると、結晶欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなってしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。また膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、10μm以下の膜厚に調整することが望ましい。基板はサファイアの他、SiC、ZnO、スピネル、GaAs等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いることができる。
【0026】
(保護膜)
下地層成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、CVD装置によりストライプ幅10μm、ストライプ間隔(窓部)2μmのSiO2よりなる保護膜を1μmの膜厚で形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、窓部よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少ない第2の窒化物半導体層が成長しやすい。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素(SiOX)、窒化ケイ素(SiXY)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、1200℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度600℃〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有している。
【0027】
(窒化物半導体基板)
保護膜形成後、ウェーハを再度MOVPEの反応容器内にセットし、温度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaNよりなる窒化物半導体基板を20μmの膜厚で成長させる。成長後の窒化物半導体基板の表面において、保護膜のストライプ中央部と、窓部のストライプ中央部に当たる部分には、結晶欠陥がほとんど表出していないが、成長初期においては、多くの結晶欠陥が窓部上部に発生する傾向にある。従って、後に続くレーザ素子のリッジ形成時に、リッジストライプがこの結晶欠陥に係らないようにすることにより、活性層に結晶欠陥が転位せず、素子の信頼性が向上する。窒化物半導体基板はハライド気相成長法(HVPE)を用いて成長させることができるが、このようにMOVPE法により成長させることもできる。窒化物半導体基板はIn、Alを含まないGaNを成長させることが最も好ましく、成長時のガスとしては、TMGの他、トリエチルガリウム(TEG)等の有機ガリウム化合物を用い、窒素源はアンモニア、若しくはヒドラジンを用いることが最も望ましい。また、このGaN基板にSi、Ge等のn型不純物をドープしてキャリア濃度を適当な範囲に調整してもよい。特に異種基板、下地層、保護膜を除去する場合には、窒化物半導体基板がコンタクト層となるため、この窒化物半導体基板にn型不純物をドープすることが望ましい。
【0028】
(n側コンタクト層11)
次に、アンモニアとTMG、不純物ガスとしてシランガスを用い、第2の窒化物半導体層の上にSiを3×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層11を5μmの膜厚で成長させる。また異種基板〜保護膜を除去して、窒化物半導体基板に電極を設ける場合には省略することもできる。このn側コンタクト層11は高温で成長させるバッファ層であり、例えばサファイア、SiC、スピネルのように窒化物半導体体と異なる材料よりなる基板の上に、900℃以下の低温において、GaN、AlN等を、0.5μm以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別される。
【0029】
(クラック防止層12)
次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を800℃にしてIn0.06Ga0.94Nよりなるクラック防止層12を0.15μmの膜厚で成長させる。このクラック防止層は省略可能である。
【0030】
(n側クラッド層13=超格子層)
続いて、1050℃でTMA、TMG、アンモニア、シランガスを用い、Siを1×1019/cm3ドープしたn型Al0.08Ga0.92Nよりなる第1の層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてシランガス、TMAを止め、アンドープのGaNよりなる第2の層を25オングストロームの膜厚で成長させる。そして第1層+第2層+第1層+第2層+・・・というように超格子層を構成し、総膜厚1.2μmの超格子よりなるn側クラッド層13を成長させる。この超格子よりなるn側クラッド層は3族元素に対するAl平均組成が4.0%となる。なおn側クラッド層に、バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。
【0031】
(n側光ガイド層14)
続いて、シランガスを止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn側光ガイド層14を0.1μmの膜厚で成長させる。このn側光ガイド層は、活性層の光ガイド層として作用し、GaN、InGaNを成長させることが望ましく、通常100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは200オングストローム〜1μmの膜厚で成長させることが望ましい。
【0032】
(活性層15)
次に、TMG、TMI、アンモニアを用い活性層14を成長させる。活性層は温度を800℃に保持して、アンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を40オングストロームの膜厚で成長させる。次にTMIのモル比を変化させるのみで同一温度で、アンドープIn0.01Ga0.95Nよりなる障壁層を100オングストロームの膜厚で成長させる。井戸層と障壁層とを順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚440オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またn型不純物及び/又はp型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。
【0033】
(p側キャップ層16)
次に、温度を1050℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、p側光ガイド層17よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層16を300オングストロームの膜厚で成長させる。このp型キャップ層16は0.1μm以下の膜厚で形成することにより素子の出力が向上する傾向にある。膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【0034】
(p側光ガイド層17)
続いてCp2Mg、TMAを止め、1050℃で、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層16よりも小さい、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層17を0.1μmの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、n型光ガイド層14と同じくGaN、InGaNで成長させることが望ましい。
【0035】
(p側クラッド層18=超格子)
続いて、1050℃でMgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.08Ga0.92Nよりなる第3の層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTMAのみを止め、アンドープGaNよりなる第4の層を25オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側クラッド層18を成長させる。このp側クラッド層もAl平均組成が4.0%となる。なお、p側クラッド層も少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。
【0036】
ここで、クラッド層で挟まれたコア部分(導波部分)の膜厚について述べる。コア部分とは、n側光ガイド層14、活性層15、p側キャップ層16、及びp側光ガイド層17を合わせた領域、即ちn側クラッド層と、p側クラッド層との間にある活性層を含む窒化物半導体層を指し、活性層の発光を導波する領域である。窒化物半導体レーザ素子の場合、FFPが単一ビームとならないのは、先にも述べたように、クラッド層から漏れた発光がn側のコンタクト層内で導波してマルチモードになるからである。その他、コア内で共振することによってマルチモードになる場合がある。本発明ではまずn側のクラッド層の膜厚を厚くして、Al平均組成を大きくすることにより、屈折率差を設け、コア内の光をクラッド層で閉じ込めるものである。しかし、コア内でマルチモードができると、FFPは乱れる。そのため、本発明のn側クラッド層との関係において、コア内でマルチモードにならないようにするために、このコア部分の厚さも調整する方が望ましい。コア部分にマルチモードが発生しないようにするための好ましい厚さとしては、200オングストローム以上、1.0μm以下、さらに望ましくは500オングストローム〜0.8μm、最も望ましくは0.1μm〜0.5μmの範囲に調整することが望ましい。200オングストロームよりも薄いと、コア部分から光が漏れだし、閾値が上昇する傾向にある。また1.0μmよりも厚いとマルチモードになりやすい傾向にある。
【0037】
(p側コンタクト層19)
最後に、1050℃で、p側クラッド層18の上に、Mgを2×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層18を150オングストロームの膜厚で成長させる。p側コンタクト層19はp型のInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすれば、p電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。
【0038】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中700℃でアニーリングを行い、p型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させる。
【0039】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、RIE装置により最上層のp側コンタクト層18と、p側クラッド層17とをエッチングして、図1に示すように4μmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。リッジストライプを形成する場合、そのリッジストライプは、窒化物半導体基板の表面に結晶欠陥が現れていない位置に形成する。図1の場合結晶欠陥は、成長初期にストライプ状の窓部中央部に多く現れる傾向にある。このように結晶欠陥がほとんどない位置にストライプを形成すると、結晶欠陥が活性層まで伸びてこなくなる傾向にあるため、素子の長寿命とすることができ、信頼性が向上する。
【0040】
次にリッジ表面にマスクを形成し、RIEにてエッチングを行い、n側コンタクト層11の表面を露出させる。露出させたこのn側コンタクト層11はn電極23を形成するためのコンタクト層としても作用する。
【0041】
次にp側コンタクト層19のリッジ最表面にNiとAuよりなるp電極をストライプ状に形成し、一方、TiとAlよりなるn電極を先ほど露出させたn側コンタクト層11の表面にストライプ状に形成した後、図1に示すようにp電極と、n電極との間に露出した窒化物半導体層の表面にSiO2よりなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜を介してp電極と電気的に接続したpパッド電極を形成する。
【0042】
以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウェーハのサファイア基板を研磨して70μmとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断してレーザ素子とする。
【0043】
このレーザ素子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ディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において連続発振を示し、単レーザ光のFFPは単一で、その形状も楕円形で形の良いものが得られていた。
【0044】
[実施例2]
実施例1において、n側クラッド層13を成長させる際に、Siドープn型Al0.06Ga0.94N25オングストロームと、アンドープGaN25オングストロとを積層し、総膜厚1.0μmの超格子よりなるn側クラッド層13を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。なおn側クラッド層はAl平均組成が3%である。このレーザ素子も実施例1とほぼ同等の特性を有していた。
【0045】
[実施例3]
実施例1において、n側クラッド層18を成長させる際に、Siドープn型Al0.07Ga0.93N層25オングストロームと、アンドープGaN層25オングストロームとを、総膜厚1.4μmで成長させる他は同様にして、レーザ素子を作製した。n側クラッド層は、Al平均組成が3.5%である。このレーザ素子は閾値の低下と寿命の向上が確認できる特性を示した。
【0046】
また本発明は、光ガイド層とクラッド層の屈折率の差を近づけることにより、光閉じこめ効果を弱めるものである。したがって、クラッド層中のAl混晶比を下げる手法以外にも、例えばガイド層中にAlを混入してAl混晶比を上げる手法によっても実現できる。この手法は、上述した実施例とほぼ同様の手順を用いて行うことができる。
【0047】
【発明の効果】
以上のように本発明は、従来と逆の発想で光の封じ込めを弱める構造とすることで、光の密度を低くし、自励発振を抑えることに成功した。すなわち従来であれば光の閉じ込めを目的としていたが、この方法では光の密度が高くなり自励発振が起こりやすい状態となっていた。本発明では逆に、Alの混晶比を調節して光の閉じ込めを意図的に弱め、光が漏れる構造とすることで、自励発振の発生を制御でき、かつ垂直方向のFFPを小さくする特徴を実現した。
【0048】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、クラッド層と光ガイド層の屈折率の差を近づけることにより光の閉じ込め効果を抑える構造とした。光閉じ込め効果は、クラッド層、光ガイド層のそれぞれの屈折率ncとngの差によって変わってくる。例えばnの差が大きいほど閉じ込め効果が大きくなる。逆にnの差が小さいほど閉じ込め効果は小さくなり、光の密度も抑えることができる。ただ、あまり差を近づけるとレーザとして発振しなくなる。本発明はAlの混晶比を最適値とすることにより、レーザ発振を維持しかつ閾値電流密度が大きくならない程度にAlの混晶比を小さくして、自励発振を抑制すると共にFFPを小さくした信頼性の高い半導体レーザとすることができる。
【0049】
また、本発明は漏れ光の影響によるリップルを防止するために、n側クラッド層の厚みを1μm〜2μmとしている。p電極とn電極が同一面側に形成される場合、活性層で発光した光がn型クラッド層から漏れだし、大きい屈折率を有するn型コンタクト層内をこの漏れ光が導波してn型コンタクト層の端面から放出される現象が生じる。詳しい原理は明らかでないが、共振面から放出される主レーザ光にこの弱い光が重なると、主レーザ光にリップルが乗り、FFPが小さなマルチモードとなってしまうと思われる。レーザ光を良好に機能させるためには、リップルがFFPに乗ることを抑制することが望ましい。
【0050】
本発明の構造を利用すると、アスペクト比を小さくする効果があり、自励発振を生じる出力パワーを大きくすることも可能である。このため高出力の安定したLDを作成することが可能となり、DVD書き込みに使用するレーザとして使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の要部構造を示す斜視図
【符号の説明】
11・・・n側コンタクト層
12・・・クラック防止層
13・・・n側クラッド層
14・・・n側光ガイド層
15・・・活性層
16・・・p側キャップ層
17・・・p側光ガイド層
18・・・p側クラッド層
19・・・p側コンタクト層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser element made of a nitride semiconductor (In X Al Y Ga 1-XY N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and in particular controls self-oscillation, and controls vertical FFP and self-oscillation. The present invention relates to a laser element that optimizes both the excitation oscillation power.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor light-emitting elements are expected to be applied in various fields, and research and development have been actively promoted in recent years. In particular, various research and development have been actively conducted on nitride semiconductor laser diodes (LDs), and practical LDs have also been developed.
[0003]
The nitride semiconductor laser device has a layer structure in which an active layer is sandwiched between optical confinement layers (cladding layers). Light spontaneously emitted from the active layer is totally reflected between the p-side and n-side clad layers and is amplified in the waveguide layer (light guide layer) having the active layer, and the amplified light is activated as stimulated emission light. It emits from the layer end face (resonant face).
[0004]
The present inventor has produced a nitride semiconductor laser device including an active layer on a nitride semiconductor substrate, and has achieved the world's first continuous oscillation of 10,000 hours or more at room temperature (ICNS'97 Proceedings, October 27-31, 1997, P444-446, and Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp. L1568-1571, Part 2, No. 12A, 1 December 1997).
[0005]
In order to realize a semiconductor laser with good characteristics, it is necessary to efficiently inject current into the active layer and confine light in the active layer. For example, as an InGaN-based laser diode structure, a separate confinement type laser using a multi-quantum well structure InGaN light-emitting layer with a GaN light guide layer and an AlGaN / GaN superlattice structure as a cladding layer has been announced (Applied Physics) 68 (7) (1999) 795). In this example, periodic ripples are observed in the FFP in the vertical direction. This is because the light confinement by the AlGaN / GaN cladding layer is insufficient, so that a part of the laser beam leaks to the GaN contact layer. Are listed. As a countermeasure, the necessity of increasing the light confinement by increasing the Al composition ratio of the cladding layer or increasing the thickness is cited. In general, a semiconductor laser obtains a carrier confinement effect by a double heterostructure and efficiently obtains an inversion distribution, and confines emitted light in a guide layer to cause stimulated emission to obtain light confinement. In order to realize this, the refractive index of light of the active layer material is designed to be higher than the refractive index of the cladding layer material.
[0006]
In addition, the semiconductor laser needs to reduce the threshold current density. For this purpose, it is a common practice to enhance light confinement. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-238945 discloses a method of obtaining a laser element in which the laser light of a nitride semiconductor laser element is made into a single mode and the oscillation threshold value is lowered by improving the light confinement effect of the cladding layer. be written. In this method, the n-side cladding layer is composed of a superlattice having a nitride semiconductor layer containing Al, the entire thickness of the n-side cladding layer is 0.5 μm or more, and Al contained in the n-side cladding layer When the average composition is expressed as a percentage (%), the product of the thickness (μm) of the entire n-side cladding layer and the Al average composition (%) is 4.4 or more. In addition, by adjusting the thickness of the nitride semiconductor layer including the active layer between the n-side and p-side cladding layers to a range of 200 angstroms or more and 1.0 μm or less, light is confined in the core portion. The vertical and transverse modes of the laser beam are converted to single mode.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, a structure that enhances the light confinement tends to cause self-excited oscillation because the light density of the active layer increases. Self-excited oscillation refers to a state in which the output waveform that should be constant starts to oscillate when the current value applied to the laser is increased. In order to prevent this, there is a method of reducing the light density. However, light confinement is required to realize laser oscillation. Thus, the confinement of light and the prevention of self-excited oscillation are in a trade-off relationship, and there is a problem that self-excited oscillation occurs if the confinement of light is strong.
[0008]
The present invention is intended to solve such problems. An important object of the present invention is to control the generation of self-oscillation and to reduce the vertical FFP by intentionally weakening the confinement of light with a concept opposite to the conventional one and leaking light. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device that can be used.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the nitride semiconductor laser device of the present invention has the following configuration.
[0010]
Nitride semiconductor laser device described in this onset Ming includes p and n-side optical guide layer between the n-side and p-side cladding layer and the average composition of the 0.02 to 0.04 Al, the InGaN An active layer is formed, the p and n side light guide layers have a nitride semiconductor layer containing at least Al, and the average composition of Al contained in the p and n side light guide layers is a cladding layer The thickness of the core portion sandwiched between the cladding layers is 200 angstroms or more and 1.0 um or less, and the ridge of the laser device is set to a value smaller than the average Al composition. The stripe is formed up to the region of the p-side light guide layer.
[0011]
As described above, the present invention can prevent self-oscillation without increasing the threshold current density by weakening the light confinement by mixing Al in the light guide layer and increasing the Al ratio.
[0012]
Weakening the confinement of light by reducing the ratio of Al contained in the clad layer can be a threshold current density to prevent self-oscillation without significantly.
[0013]
The total thickness of the or n-side cladding layer can be prevented ripple more leakage light impact on the 1μm~2μm and child.
[0014]
Superlattice constituting the Saranima was p and the n-side cladding layer may be a superlattice of Al x Ga 1-x N / GaN.
[0015]
In the nitride semiconductor laser device of the present invention, self-excited oscillation is suppressed by weakening light confinement and reducing the light density so that light oozes out in the opposite concept. In order to realize this, the present invention has a structure in which the refractive indexes of the cladding layer and the light guide layer are made close to each other. For example, the Al mixed crystal ratio in the p and n cladding layers is reduced to such an extent that the threshold current density does not increase, or the Al mixed crystal ratio in the p and n light guide layers is increased. With this structure, the current value at which self-oscillation occurs can be increased, and the occurrence of self-oscillation can be suppressed.
[0016]
Further, the NFP width in the vertical direction is increased, and as a result, there is an advantage that the FFP width in the vertical direction can be reduced. NFP is called a near field pattern or near-field image, and refers to an intensity distribution image of laser light that appears on the reflection surface in both vertical and horizontal transverse modes. On the other hand, FFP is also called a far field pattern or far-field image, and refers to an intensity distribution image of laser light emitted sufficiently far from the reflecting surface. It can be said that NFP represents the light intensity distribution in the oscillation region, and FFP represents the properties of the light wave including the wave front and phase of the light. Since FFP indicates the spread of the emitted light, if the FFP width is small, the FFP θ angle converges and the spread decreases, and the user can easily handle the laser. As described above, the nitride semiconductor laser device of the present invention has an advantage that it can be an easily handled laser with a small FFP in addition to suppressing self-excited oscillation.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiment described below exemplifies a nitride semiconductor laser element for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention does not specify the nitride semiconductor laser element as follows.
[0018]
Further, in this specification, in order to facilitate understanding of the scope of claims, the numbers corresponding to the members shown in the embodiments are referred to as “claims column” and “means for solving the problems”. It is added to the members shown in the column. However, the members shown in the claims are not limited to the members in the embodiments.
[0019]
The composition ratio X values of the general formula Al X Ga 1-X N of the n-type layer, a p-type layer Al X Ga 1-X N and the like described herein are merely illustrates the general formula, n X of the mold layer and X of the p-type layer do not show the same value. Similarly, for the Y values used in other general formulas, the same general formula does not indicate the same value.
[0020]
In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the clad layer is an optical confinement layer including a nitride semiconductor having a refractive index smaller than that of the active well layer. Superlattice refers to a multilayer film structure in which nitride semiconductor layers having a single layer thickness of 100 angstroms or less and different compositions are laminated, preferably 70 angstroms or less, more preferably 40 angstroms or less. A nitride semiconductor layer is stacked. As a specific configuration, for example, a superlattice in which an Al X Ga 1-X N (0 <X <1) layer and another nitride semiconductor layer having a composition different from that of the Al X Ga 1-X N layer are stacked. and, for example, Al X Ga 1-X N / GaN, Al X Ga 1-X N / Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, Y <X), Al X Ga 1-X N / In Z A superlattice can be formed by a combination of a ternary mixed crystal and a ternary mixed crystal such as Ga 1-Z N (0 <Z <1) or a ternary mixed crystal and a binary mixed crystal. Of these, a superlattice composed of Al x Ga 1-x N and GaN is most preferred.
[0021]
Further, if the n-side cladding layer has the above-described configuration in order to confine light emission from the active layer, the p-side cladding layer can have the same configuration as the n-side cladding layer. However, when the p-side cladding layer is configured as in claim 1, it is desirable that the thickness of the p-side cladding layer is smaller than that of the n-side cladding layer. This is because when the Al average composition for the group 3 element of the p-side cladding layer is increased or the film thickness is increased, the resistance value of the AlGaN layer tends to increase, and the threshold value increases as the resistance value of AlGaN increases. This is because there is a tendency.
[0022]
When the p-side cladding layer is a superlattice having a nitride semiconductor containing Al (however, in this case, the leakage of light is not involved, and the case where it merely acts as a cladding layer as carrier confinement) is used. It is desirable that the thickness of the entire layer is greater than the thickness of the entire p-side cladding layer. Similar to the n-side cladding layer, the nitride semiconductor layer constituting the p-side cladding layer is composed of, for example, an Al x Ga 1 -XN (0 <X <1) layer and its Al x Ga 1-x N layer. A superlattice obtained by stacking other nitride semiconductor layers different from each other in Al x Ga 1-x N / GaN, Al x Ga 1-x N / Al y Ga 1-y N (0 <Y <1, Y < X), the combination of the Al X Ga 1-X N / in Z Ga 1-Z N (0 <Z <1) 3 -element mixed crystal and ternary mixed crystal such as, or ternary mixed crystal and the binary mixed crystal And a superlattice composed of Al x Ga 1-x N and GaN is most preferred.
[0023]
The Al average composition in the superlattice of the present invention is determined by the following calculation method. For example, in the case of a superlattice obtained by laminating 200 pairs (1.0 μm) of 25 Å Al 0.5 Ga 0.5 N and 25 Å GaN, one pair is 50 Å, the Al mixed crystal ratio with respect to the group III element of the layer containing Al Therefore, 0.5 · (25 μm / 50 μm) = 0.25, and the Al average composition in the group 3 element of the entire superlattice is 25%. On the other hand, when the film thicknesses are different, when Al 0.5 Ga 0.5 N is laminated at 40 angstroms and GaN is laminated at 20 angstroms, the weighted average of the film thicknesses is obtained and 0.5 (40/60) = 0.333, The Al average composition is 33.3%. That is, the superlattice Al in the present invention is obtained by multiplying the Al mixed crystal ratio of the single nitride semiconductor layer containing Al to the Group 3 element by the ratio of the nitride semiconductor layer to the thickness of one pair of superlattices. Average composition. The same applies to the case where both Al are included. For example, 0.1 (20/50) +0.2 (30/50) = 0.16 in the case of Al 0.1 Ga 0.9 N20 angstrom and Al 0.2 Ga 0.8 N30 angstrom. In other words, 16% is Al average composition. In the above example, AlGaN / GaN and AlGaN / AlGaN have been described. However, the same calculation method is applied to AlGaN / InGaN. Therefore, when growing the n-side cladding layer, the growth method can be designed based on the above calculation method. Further, the Al average composition of the n-side cladding layer can be detected using an analyzer such as SIMS (secondary ion mass spectrometer) or Auger.
[0024]
【Example】
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a laser device according to an embodiment of the present invention, and shows a cross section when cut in a direction perpendicular to a ridge stripe. Hereinafter, examples will be described with reference to this figure as necessary.
[0025]
[Example 1]
Hereinafter, the laser element produced as Example 1 will be described in order.
(Underlayer)
A heterogeneous substrate made of sapphire with a 2-inch φ, C-plane as the main surface is set in a MOVPE reaction vessel, the temperature is set to 500 ° C., trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ) is used, and a buffer made of GaN A layer (not shown) is grown to a thickness of 200 angstroms. After the growth of the buffer layer, the temperature is set to 1050 ° C., and an underlying layer made of GaN is grown to a thickness of 4 μm. This underlayer functions as an underlayer for forming a protective film partially on the surface and then performing selective growth of the nitride semiconductor substrate. The underlayer is preferably grown with Al x Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 0.5) having an Al mixed crystal ratio X value of 0.5 or less. If it exceeds 0.5, the crystal itself tends to crack rather than a crystal defect, so that the crystal growth itself tends to be difficult. Further, it is desirable to grow the film thickness to be thicker than the buffer layer and adjust the film thickness to 10 μm or less. In addition to sapphire, a substrate made of a material different from a nitride semiconductor, such as SiC, ZnO, spinel, GaAs, or the like, which is known for growing a nitride semiconductor, can be used.
[0026]
(Protective film)
After the underlayer growth, the wafer is taken out from the reaction vessel, a striped photomask is formed on the surface of the underlayer, and a protective film made of SiO 2 having a stripe width of 10 μm and a stripe interval (window portion) of 2 μm is formed by a CVD apparatus. It is formed with a film thickness of 1 μm. The shape of the protective film may be any shape such as a stripe shape, a dot shape, or a grid pattern, but the second nitride semiconductor layer with fewer crystal defects is formed by increasing the area of the protective film than the window portion. Easy to grow. Examples of the material for the protective film include silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (Si x N y ), titanium oxide (TiO x ), zirconium oxide (ZrO x ) and other oxides, nitrides, and multilayer films thereof. In addition, a metal having a melting point of 1200 ° C. or higher can be used. These protective film materials withstand the nitride semiconductor growth temperature of 600 ° C. to 1100 ° C., and have a property that the nitride semiconductor does not grow or hardly grow on the surface thereof.
[0027]
(Nitride semiconductor substrate)
After forming the protective film, the wafer is set again in the MOVPE reaction vessel, the temperature is set to 1050 ° C., and a nitride semiconductor substrate made of undoped GaN is grown to a thickness of 20 μm using TMG and ammonia. In the surface of the nitride semiconductor substrate after the growth, there are almost no crystal defects appearing in the central portion of the protective film and the central portion of the window portion, but many crystal defects are present in the initial stage of the growth. It tends to occur in the upper part of the window. Therefore, by preventing the ridge stripe from being related to the crystal defect when the ridge is formed in the subsequent laser element, the crystal defect is not dislocated in the active layer, and the reliability of the element is improved. The nitride semiconductor substrate can be grown using halide vapor phase epitaxy (HVPE), but can also be grown by MOVPE. The nitride semiconductor substrate is most preferably grown with GaN containing no In or Al. As the gas during growth, an organic gallium compound such as triethylgallium (TEG) is used in addition to TMG, and the nitrogen source is ammonia, or Most preferably, hydrazine is used. Further, the carrier concentration may be adjusted to an appropriate range by doping this GaN substrate with n-type impurities such as Si and Ge. In particular, when removing the heterogeneous substrate, the underlayer, and the protective film, the nitride semiconductor substrate serves as a contact layer, and therefore it is desirable to dope the nitride semiconductor substrate with n-type impurities.
[0028]
(N-side contact layer 11)
Next, an n-side contact layer 11 made of GaN doped with Si 3 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 5 μm on the second nitride semiconductor layer using ammonia, TMG, and silane gas as an impurity gas. Let Further, when the heterogeneous substrate to the protective film are removed and the electrode is provided on the nitride semiconductor substrate, it can be omitted. The n-side contact layer 11 is a buffer layer grown at a high temperature. For example, GaN, AlN, etc. at a low temperature of 900 ° C. or lower on a substrate made of a material different from a nitride semiconductor body such as sapphire, SiC, spinel. Is distinguished from a buffer layer that is directly grown at a film thickness of 0.5 μm or less.
[0029]
(Crack prevention layer 12)
Next, a crack prevention layer 12 made of In 0.06 Ga 0.94 N is grown to a thickness of 0.15 μm using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia at a temperature of 800 ° C. This crack prevention layer can be omitted.
[0030]
(N-side cladding layer 13 = superlattice layer)
Subsequently, a first layer made of n-type Al 0.08 Ga 0.92 N doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si at 1050 ° C. using TMA, TMG, ammonia, and silane gas is grown to a thickness of 25 Å. Subsequently, the silane gas and TMA are stopped, and a second layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 25 Å. Then, a superlattice layer is formed as first layer + second layer + first layer + second layer +..., And an n-side cladding layer 13 made of a superlattice having a total film thickness of 1.2 μm is grown. The n-side cladding layer made of this superlattice has an Al average composition of 4.0% with respect to Group 3 elements. In addition, when a superlattice in which nitride semiconductors having different band gap energies are stacked on the n-side cladding layer, the crystallinity tends to be improved when so-called modulation doping is performed by doping a large amount of impurities into one of the layers. However, both may be doped in the same way.
[0031]
(N-side light guide layer 14)
Subsequently, the silane gas is stopped, and an n-side light guide layer 14 made of undoped GaN is grown at 1050 ° C. to a thickness of 0.1 μm. This n-side light guide layer acts as a light guide layer of the active layer, and it is desirable to grow GaN and InGaN, and it is usually desirable to grow with a film thickness of 100 Å to 5 μm, more preferably 200 Å to 1 μm. .
[0032]
(Active layer 15)
Next, the active layer 14 is grown using TMG, TMI, and ammonia. The active layer is maintained at a temperature of 800 ° C., and a well layer made of undoped In 0.2 Ga 0.8 N is grown to a thickness of 40 Å. Next, a barrier layer made of undoped In 0.01 Ga 0.95 N is grown to a thickness of 100 Å at the same temperature only by changing the TMI molar ratio. A well layer and a barrier layer are stacked in order, and finally an active layer having a multi-quantum well structure (MQW) having a total thickness of 440 Å is grown by ending with the barrier layer. The active layer may be undoped as in this embodiment, or may be doped with n-type impurities and / or p-type impurities. Impurities may be doped into both the well layer and the barrier layer, or one of them may be doped.
[0033]
(P-side cap layer 16)
Next, the temperature is increased to 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used, and the band gap energy is larger than that of the p-side light guide layer 17. Mg is 1 × 10 20 / A p-side cap layer 16 made of cm 3 doped p-type Al 0.3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 300 Å. When the p-type cap layer 16 is formed with a film thickness of 0.1 μm or less, the output of the element tends to be improved. The lower limit of the film thickness is not particularly limited, but it is desirable to form the film with a film thickness of 10 angstroms or more.
[0034]
(P-side light guide layer 17)
Subsequently, Cp 2 Mg and TMA are stopped, and a p-side light guide layer 17 made of undoped GaN having a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer 16 at 1050 ° C. is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a light guide layer of the active layer, and is preferably grown by GaN and InGaN, similarly to the n-type light guide layer 14.
[0035]
(P-side cladding layer 18 = superlattice)
Subsequently, a third layer made of p-type Al 0.08 Ga 0.92 N doped with 1 × 10 20 / cm 3 Mg at 1050 ° C. was grown to a thickness of 25 Å, and then only TMA was stopped, and undoped GaN A fourth layer is grown to a thickness of 25 Å, and a p-side cladding layer 18 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.6 μm is grown. This p-side cladding layer also has an Al average composition of 4.0%. In addition, when the p-side cladding layer is also made of a superlattice in which at least one of the nitride semiconductor layers containing Al is included and nitride semiconductor layers having different band gap energies are stacked, impurities are highly doped in any one of the layers. When so-called modulation doping is performed, the crystallinity tends to be improved, but both may be doped in the same manner.
[0036]
Here, the film thickness of the core portion (waveguide portion) sandwiched between the clad layers will be described. The core portion is a region where the n-side light guide layer 14, the active layer 15, the p-side cap layer 16, and the p-side light guide layer 17 are combined, that is, between the n-side cladding layer and the p-side cladding layer. A nitride semiconductor layer including an active layer, which is a region that guides light emission of the active layer. In the case of a nitride semiconductor laser element, the FFP does not become a single beam because, as described above, the light emitted from the cladding layer is guided in the n-side contact layer and becomes multimode. is there. In addition, there is a case where a multimode is caused by resonance in the core. In the present invention, first, the thickness of the n-side cladding layer is increased to increase the Al average composition, thereby providing a refractive index difference and confining light in the core with the cladding layer. However, if multi-mode is possible in the core, FFP will be disturbed. Therefore, in relation to the n-side cladding layer of the present invention, it is desirable to adjust the thickness of the core portion so as not to be multimode in the core. A preferable thickness for preventing multimode from occurring in the core portion is 200 angstrom or more and 1.0 μm or less, more desirably 500 angstrom to 0.8 μm, most desirably 0.1 μm to 0.5 μm. It is desirable to adjust to. If it is thinner than 200 angstroms, light leaks from the core part and the threshold tends to increase. If it is thicker than 1.0 μm, it tends to be multimode.
[0037]
(P-side contact layer 19)
Finally, a p-side contact layer 18 made of p-type GaN doped with 2 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the p-side cladding layer 18 at a temperature of 1050 ° C. to a thickness of 150 Å. The p-side contact layer 19 can be composed of p-type In X Al Y Ga 1-XY N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1). The most favorable ohmic contact with the electrode is obtained.
[0038]
The wafer on which the nitride semiconductor is grown as described above is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the layer doped with the p-type impurity.
[0039]
After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, and the uppermost p-side contact layer 18 and p-side cladding layer 17 are etched by an RIE apparatus to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm as shown in FIG. . When forming a ridge stripe, the ridge stripe is formed at a position where no crystal defect appears on the surface of the nitride semiconductor substrate. In the case of FIG. 1, many crystal defects tend to appear at the center of the stripe-shaped window at the initial stage of growth. When stripes are formed at positions where there are almost no crystal defects in this way, the crystal defects tend not to extend to the active layer, so that the device can have a long life and reliability is improved.
[0040]
Next, a mask is formed on the ridge surface, and etching is performed by RIE to expose the surface of the n-side contact layer 11. The exposed n-side contact layer 11 also functions as a contact layer for forming the n-electrode 23.
[0041]
Next, a p-electrode made of Ni and Au is formed in a stripe shape on the ridge outermost surface of the p-side contact layer 19, while a stripe-like shape is formed on the surface of the n-side contact layer 11 where the n-electrode made of Ti and Al is exposed. 1, an insulating film made of SiO 2 is formed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p-electrode and the n-electrode as shown in FIG. 1, and the p-electrode is electrically connected to the p-electrode through the insulating film. Connected p-pad electrodes are formed.
[0042]
As described above, after polishing the sapphire substrate of the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed to 70 μm, the substrate is cleaved in a bar shape from the substrate side in a direction perpendicular to the stripe-shaped electrode, A resonator is manufactured. A dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 is formed on the resonator surface, and finally a bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser element.
[0043]
When this laser element was placed on a heat sink and each electrode was wire-bonded and laser oscillation was attempted at room temperature, it showed continuous oscillation at room temperature. The single laser beam had a single FFP and its shape was elliptical. A good shape was obtained.
[0044]
[Example 2]
In Example 1, when the n-side cladding layer 13 is grown, an n-side cladding made of a superlattice having a total thickness of 1.0 μm is formed by stacking Si-doped n-type Al 0.06 Ga 0.94 N25 angstroms and undoped GaN 25 angstroms A laser device was fabricated in the same manner except that the layer 13 was grown. The n-side cladding layer has an Al average composition of 3%. This laser element also had almost the same characteristics as in Example 1.
[0045]
[Example 3]
In Example 1, when the n-side cladding layer 18 is grown, the Si-doped n-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 25 Å and the undoped GaN layer 25 Å are grown in a total thickness of 1.4 μm. Thus, a laser element was produced. The n-side cladding layer has an Al average composition of 3.5%. This laser device showed characteristics that a decrease in threshold and an improvement in life could be confirmed.
[0046]
The present invention also weakens the light confinement effect by bringing the difference in refractive index between the light guide layer and the cladding layer closer. Therefore, in addition to the method of lowering the Al mixed crystal ratio in the cladding layer, for example, it can be realized by a method of increasing the Al mixed crystal ratio by mixing Al in the guide layer. This method can be performed using a procedure substantially similar to that of the above-described embodiment.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has succeeded in reducing the light density and suppressing the self-excited oscillation by adopting a structure that weakens the light containment with the idea opposite to the conventional one. That is, in the past, the purpose was to confine light, but with this method, the light density was high and self-oscillation was likely to occur. In the present invention, conversely, by adjusting the Al mixed crystal ratio to intentionally weaken the light confinement and make the light leak, the self-excited oscillation can be controlled and the FFP in the vertical direction can be reduced. Realized the features.
[0048]
The nitride semiconductor laser device of the present invention has a structure that suppresses the light confinement effect by bringing the difference in refractive index between the cladding layer and the light guide layer closer. Optical confinement effect, the cladding layer, varies by each of the difference in refractive index n c and n g of the optical guide layer. For example, the greater the difference in n, the greater the confinement effect. Conversely, the smaller the difference of n, the smaller the confinement effect and the light density can be suppressed. However, if the difference is too close, the laser will not oscillate. In the present invention, by setting the Al mixed crystal ratio to an optimum value, laser oscillation is maintained and the Al mixed crystal ratio is reduced to such an extent that the threshold current density does not increase, thereby suppressing self-excited oscillation and reducing FFP. And a highly reliable semiconductor laser.
[0049]
In the present invention, the thickness of the n-side cladding layer is set to 1 μm to 2 μm in order to prevent ripples due to the influence of leaked light. When the p-electrode and the n-electrode are formed on the same surface side, the light emitted from the active layer leaks from the n-type cladding layer, and the leaked light is guided through the n-type contact layer having a large refractive index. A phenomenon of emission from the end face of the mold contact layer occurs. Although the detailed principle is not clear, when this weak light overlaps the main laser light emitted from the resonance surface, it is considered that the main laser light is rippled and the FFP becomes a small multimode. In order for the laser beam to function well, it is desirable to suppress the ripple from riding on the FFP.
[0050]
Utilizing the structure of the present invention has the effect of reducing the aspect ratio, and it is also possible to increase the output power that causes self-excited oscillation. For this reason, it becomes possible to produce a stable LD with high output, and it can be used as a laser used for DVD writing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing the main structure of a laser device according to an embodiment of the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... n side contact layer 12 ... crack prevention layer 13 ... n side clad layer 14 ... n side light guide layer 15 ... active layer 16 ... p side cap layer 17 ... p-side light guide layer 18... p-side cladding layer 19... p-side contact layer

Claims (1)

Alの平均組成を0.02〜0.04とするn側とp側クラッド層の間にpおよびn側光ガイド層と、InGaNを含む活性層が形成されており、
pおよびn側光ガイド層は、少なくともAlを含む窒化物半導体層を有しており、
かつpおよびn側光ガイド層中に含まれるAlの平均組成をクラッド層のそれよりも小さい値とし、その膜厚をそれぞれ0.1μm〜0.2μmとし、
クラッド層で挟まれたコア部分の膜厚を200オングストローム以上、1.0μm以下とし、
レーザ素子のリッジストライプをp側光ガイド層の領域まで形成してなる
ことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
Between the n-side and the p-side cladding layer with an average composition of Al of 0.02 to 0.04, a p- and n-side light guide layer and an active layer containing InGaN are formed,
The p and n side light guide layers have a nitride semiconductor layer containing at least Al,
And the average composition of Al contained in the p and n side light guide layers is a value smaller than that of the clad layer, and the film thicknesses are 0.1 μm to 0.2 μm, respectively.
The thickness of the core portion sandwiched between the clad layers is 200 angstroms or more and 1.0 μm or less,
A nitride semiconductor laser element, wherein a ridge stripe of the laser element is formed up to a region of the p-side light guide layer.
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