CN103493316A - 氮化物半导体激光器及外延基板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种缩小光封闭性的降低且可实现驱动电压的下降的氮化物半导体激光器。在半导体区域（19）中，发光层（13）的活性层（25）、第一包覆区域（21）及第二包覆区域（23）设置在主面（17a）上。第二包覆区域（23）包含第一p型III族氮化物半导体层（27）及第二p型III族氮化物半导体层（29）。第一p型III族氮化物半导体层（27）由InAlGaN层构成，第二p型III族氮化物半导体层（29）由与该InAlGaN层不同的半导体构成。该InAlGaN层内含各向异性的应变。第一p型III族氮化物半导体层（27）设置在第二p型III族氮化物半导体层（29）与活性层（25）之间。第二p型III族氮化物半导体层（29）的比电阻（ρ29）低于第一p型III族氮化物半导体层（27）的比电阻（ρ27）。

Description

氮化物半导体激光器及外延基板
技术领域
本发明涉及氮化物半导体激光器及用于氮化物半导体激光器的外延基板。
背景技术
专利文献1公开一种氮化物半导体激光器元件。氮化物半导体激光器元件可提高导引层及活性层等的结晶性，并且发出长波长的激光。此外，专利文献2公开一种氧化物半导体激光器元件。该氧化物半导体激光器元件具有较窄的辐射角及较低的振荡阈值电流的元件特性，且波导模式的稳定性优异。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-299532号公报
专利文献2：日本特开2005-39107号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1中，p型包覆层由具有AlaGa1-aN(0≤a＜1)的第一氮化物半导体构成，且以该AlaGa1-aN的Al组成随着接近活性层而变少的方式使组成倾斜。活性层为包含InbGa1-bN(0≤b＜1)而成的量子阱构造，p型导引层以In的组成随着接近活性层而变多的方式使组成倾斜。因此，p型导引层的折射率随着接近活性层而变大，其结果，光从活性层向包覆层扩散。此外，p型包覆层的折射率也随着接近活性层而变大，从而传播光在包覆层透出。
在专利文献2中，在n型ZnO单晶基板上设置有n型包覆层及非掺杂量子阱活性层。n型包覆层由具有厚度为1μm的n型Mg0.08Zn0.92O第一包覆层及厚度为0.1μm的n型Mg0.1Zn0.9O第二包覆层(低折射率)的两层构成。折射率较低的第二包覆层比第一包覆层更接近非掺杂量子阱活性层。在该氧化物半导体激光器元件中，使波导模式稳定化。然而，专利文献2是涉及与III族氮化物不同的半导体的激光器元件，此外，完全未涉及电气特性的改善。接近活性层的MgZnO层的折射率小于远离活性层的MgZnO层的折射率。
本发明的目的在于，提供一种缩小光封闭的降低且可实现驱动电压的下降的氮化物半导体激光器。此外，本发明的目的在于，提供一种用于该氮化物半导体激光器的外延基板。
为解决课题的手段
本发明的一个方面的氮化物半导体激光器包括：(a)具有由氮化镓类半导体构成的主面的导电性的支撑基体；(b)设置在所述主面上的活性层；及(c)设置在所述主面上的p型包覆区域。所述主面相对于与在所述氮化镓类半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交的基准面而倾斜，所述活性层设置在所述支撑基体与所述p型包覆区域之间，所述p型包覆区域包含第一p型III族氮化物半导体层及第二p型III族氮化物半导体层，所述第一p型III族氮化物半导体层由InAlGaN层构成，所述第二p型III族氮化物半导体层由与该InAlGaN层的材料不同的半导体构成，所述InAlGaN层内含各向异性的应变，所述第一p型III族氮化物半导体层设置在所述第二p型III族氮化物半导体层与所述活性层之间，所述第二p型III族氮化物半导体层的比电阻低于所述第一p型III族氮化物半导体层的比电阻。
根据该氮化物半导体激光器，由于p型包覆区域包含材料彼此不同的第一及第二p型III族氮化物半导体层，因此第一及第二p型III族氮化物半导体层的各个并非组成倾斜，而可使p型包覆区域成为光封闭性优异的区域。此外，该第一p型III族氮化物半导体层设置在第二p型III族氮化物半导体层与活性层之间。空穴在比电阻比第一p型III族氮化物半导体层低的第二p型III族氮化物半导体层中传导后，到达第一p型III族氮化物半导体层。
此外，由于第一p型III族氮化物半导体层的InAlGaN层内含各向异性的应变，因此与在c面上生长的InAlGaN相比，该InAlGaN层中的空穴具有较小的有效质量。因此，虽第一p型III族氮化物半导体层的InAlGaN层的比电阻高于第二p型III族氮化物半导体层的比电阻，但由有效质量较小的空穴担负InAlGaN层中的传导。因此，在来自第二p型III族氮化物半导体层的空穴到达第一p型III族氮化物半导体层并在此处进行传导时，InAlGaN层的动态电阻成为比来自第一p型III族氮化物半导体层的比电阻所期待的值优异的电阻。其结果，正向驱动电压下降。
本发明的另一个方面的用于氮化物半导体激光器的外延基板包括：(a)具有由氮化镓类半导体构成的主面的导电性的基板；（b）设置在所述主面上的活性层；及（c）设置在所述主面上的p型包覆区域。所述主面相对于与在所述氮化镓类半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交的基准面而倾斜，所述活性层设置在所述基板与所述p型包覆区域之间，所述p型包覆区域包含第一p型III族氮化物半导体层及第二p型III族氮化物半导体层，所述第一p型III族氮化物半导体层由InAlGaN层构成，所述第二p型III族氮化物半导体层由与该InAlGaN层的材料不同的半导体构成，所述InAlGaN层内含各向异性的应变，所述第一p型III族氮化物半导体层设置在所述第二p型III族氮化物半导体层与所述活性层之间，所述第二p型III族氮化物半导体层的比电阻低于所述第一p型III族氮化物半导体层的比电阻。
根据该外延基板，由于p型包覆区域包括由彼此不同的材料构成的第一及第二p型III族氮化物半导体层，因此第一及第二p型III族氮化物半导体层的各个不含组成倾斜，因此可使p型包覆区域的光封闭成为优异的区域。此外，该第一p型III族氮化物半导体层设置在第二p型III族氮化物半导体层与活性层之间。p型包覆区域的空穴在比电阻比第一p型III族氮化物半导体层低的第二p型III族氮化物半导体层中传导后，到达第一p型III族氮化物半导体层。
此外，由于第一p型III族氮化物半导体层的InAlGaN层内含各向异性的应变，因此与在c面上生长的InAlGaN相比，该InAlGaN层中的空穴具有较小的有效质量。因此，虽第一p型III族氮化物半导体层的InAlGaN层的比电阻高于第二p型III族氮化物半导体层的比电阻，但由有效质量较小的空穴担负InAlGaN层中的传导。因此，在空穴从第二p型III族氮化物半导体层到达第一p型III族氮化物半导体层并在此处进行传导时，InAlGaN层的动态电阻成为比从第一p型III族氮化物半导体层的比电阻所期待的值更优异的电阻。其结果，使用该外延基板的氮化物半导体激光器的正向驱动电压会下降。
在本发明的上述方面中，优选为所述第一p型III族氮化物半导体层的带隙能大于所述第二p型III族氮化物半导体层的带隙能。根据上述方面，可使p侧区域的光封闭变得良好。
在本发明的上述方面的发明中，优选为所述第一p型III族氮化物半导体层的带隙为3.47电子伏特以上且3.63电子伏特以下。根据上述方面，第一p型III族氮化物半导体层比第二p型III族氮化物半导体层更接近活性层，所述带隙值可使GaN系发光元件实现良好的光封闭。
在本发明的上述方面的发明中，优选为所述p型包覆区域的厚度为300nm以上且1000nm以下，且所述第一及第二p型III族氮化物半导体层分别具有厚度d1及d2，所述第二p型III族氮化物半导体层的厚度d2满足0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6。
根据上述方面，在第二p型III族氮化物半导体层的厚度具有上述范围的值时，第二p型III族氮化物半导体层与具有剩余厚度的第一p型III族氮化物半导体层一起可提供良好的光封闭及较低的驱动电压。例如，具有上述范围的厚度的第二p型III族氮化物半导体层因其低比电阻而对驱动电压的下降有益，此外，具有上述范围的剩余厚度的第一p型III族氮化物半导体层因其较低的有效质量而对驱动电压的下降有益。分别具有上述范围内的厚度的第一及第二p型III族氮化物半导体层比用于与电极形成良好的接触所需的接触层的厚度厚。
在本发明的上述方面的发明中，优选为在所述第一及第二p型III族氮化物半导体层中添加镁(Mg)，且所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度小于所述第二p型III族氮化物半导体层的镁浓度。
根据上述方面，接近活性层的第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度小于第二p型III族氮化物半导体层的镁浓度，因此可抑制因掺杂物的光吸收引起的吸收损失的增大、及因掺杂物的离子散射引起的迁移率的下降。
在本发明的上述方面的发明中，所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度可为8×1017cm-3以上。在镁浓度为该范围时，第一p型III族氮化物半导体层的比电阻变低。此外，所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度可为2×1019cm-3以下。在镁浓度超过该范围时，因掺杂物的光吸收引起的吸收损失会对阈值电流的增大产生显著影响。此外，因掺杂物的离子散射引起的迁移率的下降变得明显。
在本发明的上述方面的发明中，优选为所述支撑基体的所述主面与所述基准轴所成的角度为10度以上且80度以下、或100度以上且170度以下。根据上述方面，在支撑基体或基板的主面的倾斜为该角度范围时，空穴的有效质量充分变小，有效地显现出包含第一及第二p型III族氮化物半导体层的p型包覆区域的效果。
在本发明的上述方面的发明中，优选为所述支撑基体的所述主面与所述基准轴所成的角度为63度以上且80度以下、或100度以上且117度以下。此外，此时，优选为所述氮化镓类半导体的c轴朝向从该c轴向所述氮化镓类半导体的m轴的方向倾斜。根据上述方面，在支撑基体或基板的主面的倾斜为该角度范围时，用于InAlGaN层的生长的基底的半极性面在该InAlGaN生长中的铟取入上优异。因优异的In取入，可生长结晶性良好的InAlGaN，从而容易将电气传导良好的InAlGaN层提供给两层包覆区域。
本发明的上述方面的发明可进一步包括：p型接触区域，其以与所述p型包覆区域形成结的方式设置；及电极，其以与所述p型接触区域形成结的方式设置。所述p型接触区域的厚度可小于300nm，所述p型包覆区域的带隙能可为所述p型接触区域的带隙能以上。根据上述方面，从带隙能较小且受体(acceptor)的活化能较小的p型接触区域向低比电阻的第二p型III族氮化物半导体层供给空穴，从而对驱动电压的下降有益。
本发明的上述方面的发明可进一步包括：p型接触区域，其以与所述p型包覆区域形成结的方式设置；及电极，其以与所述p型接触区域形成结的方式设置。所述p型接触区域的厚度可小于300nm，所述p型包覆区域的p型掺杂物浓度可低于所述p型接触区域的p型掺杂物浓度。根据上述方面，从p型接触区域向低比电阻的第二p型III族氮化物半导体层供给空穴，从而对驱动电压的下降有益。此外，可降低电极的接触电阻。
在本发明的上述方面的发明中，优选为所述第二p型III族氮化物半导体层为内含应变的InAlGaN层及内含应变的AlGaN层中的任一个。
根据上述方面，在第二p型III族氮化物半导体层包含AlGaN层时，该AlGaN层与InAlGaN层形成结，此外，内含各向异性的应变。通过该应变，可使第二p型III族氮化物半导体层的AlGaN层中的空穴的有效质量变小。因此，可使空穴向第一p型III族氮化物半导体层的流入变得容易。
此外，根据上述方面，在第二p型III族氮化物半导体层包含InAlGaN层时，该InAlGaN层与基底的InAlGaN层形成结，此外，内含各向异性的应变。通过该应变，可使第二p型III族氮化物半导体层的InAlGaN层中的空穴的有效质量变小。此外，可与第一及第二p型III族氮化物半导体层间的晶格匹配独立地将所期望的带隙提供给第二p型III族氮化物半导体层。
在本发明的上述方面的发明中，所述第二p型III族氮化物半导体层可由GaN层构成。根据上述方面，可获得基于GaN的较低的比电阻与基于InAlGaN层的较小的有效质量的技术贡献。
在本发明的上述方面的发明中，优选为所述活性层以产生480nm以上且550nm以下的光的方式设置。根据上述方面，可在上述波长范围内提供良好的光封闭及较低的驱动电压。
在本发明的上述方面的发明中，优选为所述c轴朝向从该c轴向所述氮化镓类半导体的m轴的方向倾斜，且所述活性层包含InGaN层。根据上述方面，在活性层的发光中，选择可实现低阈值的激光器振荡的带间跃迁。
本发明的上述方面的发明可进一步包括：n侧InGaN光导层，其设置在所述活性层与所述支撑基体之间；及p侧InGaN光导层，其设置在所述活性层与所述p型包覆层之间。优选为所述n侧InGaN光导层的厚度大于所述p侧InGaN光导层的厚度。
根据上述方面，由于使n侧InGaN光导层的厚度大于p侧InGaN光导层的厚度，因此在包含活性层的光波导路径上传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也可将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
本发明的上述方面的发明可进一步包括：n侧InGaN光导层，其设置在所述活性层与所述支撑基体之间；及p侧InGaN光导层，其设置在所述活性层与所述p型包覆层之间。优选为所述n侧InGaN光导层的铟组成大于所述p侧InGaN光导层的铟组成。
根据上述方面，由于使n侧InGaN光导层的铟组成大于p侧InGaN光导层的铟组成，因此在包含活性层的光波导路径上传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也可将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
本发明的上述方面的发明可进一步包括：n侧InGaN光导层，其设置在所述活性层与所述支撑基体之间；及p侧InGaN光导层，其设置在所述活性层与所述p型包覆层之间。优选为所述n侧InGaN光导层的铟组成为0.04以上。
根据上述方面，由于n侧及p侧InGaN光导层的铟组成均为0.04以上，因此可使这些InGaN光导层的折射率变高。因此，可将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
本发明的上述方面的发明可进一步包括：n侧InGaN光导层，其设置在所述活性层与所述支撑基体之间；及p侧InGaN光导层，其设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，所述n侧InGaN光导层的厚度与所述n侧InGaN光导层的铟组成之积大于所述p侧InGaN光导层的厚度与所述p侧InGaN光导层的铟组成之积，所述n侧InGaN光导层的厚度与所述n侧InGaN光导层的铟组成之积为2以上且10以下，这里，所述n侧InGaN光导层的厚度的单位以nm表示，所述n侧InGaN光导层的铟组成以相对于III族构成元素的摩尔比表示。
根据上述方面，由于使n侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积大于p侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积，因此在包含活性层的光波导路径上传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，从而即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也可将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
在本发明的上述方面的发明中，所述支撑基体为GaN基板，所述GaN基板的c轴的晶格常数D1(GaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D1(GaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D1(GaN)n，所述InAlGaN层的c轴的晶格常数D1(InAlGaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D1(InAlGaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D1(InAlGaN)n，所述InAlGaN层的晶格失配度R1p是通过(D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p而规定的，所述晶格失配度R1p为-0.15%以上且+0.2%以下。
根据上述方面，失配位错(misfit disloeations)不会进入具有较大带隙的第一p型III族氮化物半导体层。意图使与晶格匹配相关的两个晶轴中的c轴的晶格常数进行晶格匹配，而另一轴(a轴或m轴)发生应变。通过该各向异性的应变，显现出上述有效质量下降的效果。
在本发明的上述方面的发明中，所述支撑基体为GaN基板，所述c轴向所述氮化镓类半导体的a轴及m轴中的任一晶轴倾斜，所述GaN基板的c轴的晶格常数D1(GaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D1(GaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D1(GaN)n，所述InAlGaN层的c轴的晶格常数D1(InAlGaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D1(InAlGaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D1(InAlGaN)n，所述InAlGaN层的晶格失配度R1p是通过(D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p而规定的，所述晶格失配度R1p为-0.15%以上且0%以下，关于所述a轴及m轴中的任意另一晶轴，所述InAlGaN层的晶格失配度R2p是通过(D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p而规定的，所述晶格失配度R2p满足0%以上且0.2%以下，所述D2(InAlGaN)p与所述D1(InAlGaN)p正交，所述D2(GaN)p与所述D1(GaN)p正交。
根据上述方面，不使与晶格匹配相关的两个晶轴中的任一晶轴进行晶格匹配。即，两个晶轴均在较小的某种程度的范围内发生应变。在带隙较大的InAlGaN中进行与晶轴的一个相关的晶格匹配时，有另一个的晶格失配度变大且第一p型III族氮化物半导体层的InAlGaN发生缓和的可能性。在使用这样的InAlGaN时，两晶轴均不进行晶格匹配，但为了避免缓和，对InAlGaN提供晶格失配度较低的组成较为有效。通过与两轴相关的应变，可提供上述有效质量下降。
发明效果
如以上所说明，根据本发明的一个方面，提供一种缩小光封闭性的降低且可实现驱动电压的下降的氮化物半导体激光器。此外，根据本发明的另一个方面，提供一种用于该氮化物半导体激光器的外延基板。
附图说明
图1是概略性地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光器的构造的图。
图2是表示p型包覆区域的比电阻、带隙Eg及p型掺杂物浓度的关系的图。
图3是表示p型包覆区域的第一及第二p型III族氮化物半导体层的可实现的构造的图。
图4是概略性地表示在实施例1中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。
图5是表示制作实施例1的III族氮化物半导体激光器的步骤流程的图。
图6是表示实施例1的半导体激光器LD1与半导体激光器LC1的驱动特性(I-V曲线)的图。
图7是概略性地表示在实施例2中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。
图8是表示在实施例3中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。
图9是表示在实施例4中制作的III族氮化物半导体激光器的特性的图。
具体实施方式
接着，参照附图说明本发明的氮化物半导体激光器、外延基板、及制造氮化物半导体激光器及外延基板的方法的实施方式。在可能的情况下，对相同的部分标示相同的标号。
图1是概略性地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光器的构造的图。III族氮化物半导体激光器11具有增益导引型的构造，但本发明的实施方式并不限定于增益导引型的构造，例如也可具有脊型构造。III族氮化物半导体激光器11包含支撑基体17及半导体区域19。用于III族氮化物半导体激光器11的外延基板EP包含基板来代替支撑基体17，且具有半导体叠层来代替半导体区域19。该半导体叠层的层构造与半导体区域19的层构造相同。外延基板EP不包含电极。
接着，对III族氮化物半导体激光器11进行说明，该记述也适用于用于III族氮化物半导体激光器11的外延基板EP。支撑基体17具有导电性，该导电性为例如在该半导体激光器11中流通电流所需的程度的值。支撑基体17具有主面17a及背面17b。主面17a由氮化镓类半导体构成，例如由六方晶类GaN构成。在优选的实施例中，支撑基体17可由六方晶类III族氮化物半导体构成，进而可由氮化镓类半导体构成。主面17a相对于与在氮化镓类半导体的c轴方向(c轴向量VC的方向)上延伸的基准轴正交的基准面(例如，代表性的c面Sc)而倾斜。此外，主面17a表示半极性。半导体区域19设置在支撑基体17的主面17a上。
半导体区域19包含发光层13、第一包覆区域21、及第二包覆区域23。发光层13可包含活性层25，活性层25设置在主面17a上。第一包覆区域(n型包覆区域)21及第二包覆区域(p型包覆区域)23设置在主面17a上。活性层25设置在支撑基体17与第二包覆区域23之间。第一包覆区域21由一个或多个氮化镓类半导体层构成，例如由n型GaN、n型AlGaN、n型InAlGaN等构成。第二包覆区域23包含第一p型III族氮化物半导体层27、及第二p型III族氮化物半导体层29。第一p型III族氮化物半导体层27由InAlGaN层构成，该InAlGaN层内含各向异性的应变。第二p型III族氮化物半导体层29由与该InAlGaN层的材料不同的半导体构成，例如可由构成元素相同而组成不同的材料或构成元素数不同的材料构成。在第二包覆区域23中，第二p型III族氮化物半导体层29由p型氮化镓类半导体构成，例如由p型GaN、p型AlGaN、p型InAlGaN等构成。第一p型III族氮化物半导体层27设置在第二p型III族氮化物半导体层29与活性层25之间。第二p型III族氮化物半导体层29的比电阻ρ29低于第一p型III族氮化物半导体层27的比电阻ρ27。
根据该氮化物半导体激光器11，由于第二包覆区域23包含材料彼此不同的第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29，因此第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29的各个并非组成倾斜，可使第二包覆区域23成为光封闭性优异的区域。此外，该第一p型III族氮化物半导体层27设置在第二p型III族氮化物半导体层29与活性层25之间。空穴在比电阻比第一p型III族氮化物半导体层27低的第二p型III族氮化物半导体层29中传导后到达第一p型III族氮化物半导体层27。
此外，由于第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN层内含各向异性的应变，因此与在c面上生长的InAlGaN相比，该InAlGaN层中的空穴具有较小的有效质量。因此，虽第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN层的比电阻高于第二p型III族氮化物半导体层29的比电阻，但由有效质量较小的空穴担负InAlGaN层中的传导，因此在空穴到达第一p型III族氮化物半导体层27并在此处进行传导时，InAlGaN层的动态电阻成为比从第一p型III族氮化物半导体层27的比电阻所期待的值优异的电阻。其结果，正向驱动电压下降。
因此，根据本实施方式，提供一种缩小光封闭性的降低且可实现驱动电压的下降的氮化物半导体激光器11，此外，提供一种用于该氮化物半导体激光器11的外延基板EP。
图2是表示p型包覆区域的两层包覆层的应变、比电阻、带隙Eg及p型掺杂物浓度的关系的图。参照图2的(a)部分，表示应变及比电阻的关系。获得两层包覆层的比电阻及有效质量引起的电气传导的技术贡献，并且通过两层包覆层的采用也确保光封闭。
在III族氮化物半导体激光器元件11中，半导体区域19包含与由六方晶类III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX所规定的m-n面交叉的第一端面28a及第二端面28b。此外，电极15设置在半导体区域19上，电极41设置在支撑基体17的背面17b上。
第一包覆层21、第二包覆层23及活性层25沿半极性的主面17a的法线轴NX排列。活性层25设置在第一包覆层21与第二包覆层23之间。活性层25包含氮化镓类半导体层，该氮化镓类半导体层例如为阱层25a。活性层25包括由氮化镓类半导体构成的障壁层25b，阱层25a及障壁层25b交替地排列。阱层25a例如由InGaN等构成，障壁层25b例如由GaN、InGaN等构成。活性层25可包含以通过半极性面的利用而产生波长为430nm以上且570nm以下的光的方式设置的量子阱构造。此外，半导体激光器元件11有利于波长为480nm以上且550nm以下的光的产生。在上述波长范围内，可提供良好的光封闭及较低的驱动电压。
参照图1，描绘有正交坐标***S及结晶坐标***CR。法线轴NX朝向正交坐标***S的Z轴的方向。主面17a与由正交坐标***S的X轴及Y轴所规定的特定平面平行地延伸。此外，在图1中，描绘有代表性的c面Sc。在图1所示的实施例中，支撑基体17的III族氮化物半导体的c轴向III族氮化物半导体的m轴的方向相对于法线轴NX以有限的角度ALPHA倾斜。
III族氮化物半导体激光器11进一步包括绝缘膜31及p型接触区域33。p型接触区域33设置在p型包覆区域23上。p型包覆区域23的带隙能为p型接触区域33的带隙能以上。此外，第二p型III族氮化物半导体层29的p型掺杂物浓度低于p型接触区域33的p型掺杂物浓度。绝缘膜31覆盖半导体区域19(p型接触区域33)的表面19a。绝缘膜31具有开口31a，开口31a在半导体区域19的表面19a与上述m-n面的交叉线LIX的方向上延伸，例如形成条纹形状。电极15经由开口31a而与半导体区域19的表面19a(例如p型接触区域33)形成接触，并在上述交叉线LIX的方向上延伸。在III族氮化物半导体激光器11中，激光器波导路径包含第一包覆层21、第二包覆层23及活性层25，此外，在上述交叉线LIX的方向上延伸。
在III族氮化物半导体激光器11中，第一端面28a及第二端面28b与由六方晶类III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX所规定的m-n面交叉。III族氮化物半导体激光器元件11的激光器共振器包含第一及第二端面28a、28b，激光器波导路径从第一及第二端面28a、28b中的一方向另一方延伸。第一及第二端面28a、28b不同于c面、m面或a面等至此为止的解理面。根据该III族氮化物半导体激光器11，构成激光器共振器的第一及第二端面28a、28b与m-n面交叉。激光器波导路径在m-n面与半极性面17a的交叉线的方向上延伸。III族氮化物半导体激光器11具有可实现低阈值电流的激光器共振器，在活性层25的发光中，选择可实现低阈值的激光器振荡的带间跃迁。
此外，如图1所示，可在第一及第二端面28a、28b的各个端面设置介电质多层膜43a、43b。也可对端面28a、28b应用端面涂敷。可通过端面涂敷来调整反射率。
III族氮化物半导体激光器元件11包含n侧光导区域35及p侧光导区域37。n侧光导区域35可包含一个或多个n侧光导层。p侧光导区域37可包含一个或多个p侧光导层。n侧光导区域35例如包含n侧第一光导层35a及n侧第二光导层35b，且n侧光导区域35例如由GaN、InGaN等构成。p侧光导区域37包含p侧第一光导层37a及p侧第二光导层37b，且p侧光导区域37例如由GaN、InGaN等构成。电子阻挡层39例如设置在p侧第一光导层37a与p侧第二光导层37b之间。
对第二包覆区域23进行说明。参照图1的(b)部分，第一p型III族氮化物半导体层27具有单一的带隙能E1，第二p型III族氮化物半导体层29具有单一的带隙能E2。优选为带隙能E1大于带隙能E2。由于第一p型III族氮化物半导体层27的折射率n1小于第二p型III族氮化物半导体层29的折射率n2，因此可使p侧区域的光封闭变得良好。
在第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29中，添加p型掺杂物例如镁(Mg)，优选为第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度小于第二p型III族氮化物半导体层29的镁浓度。由于第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度小于第二p型III族氮化物半导体层29的镁浓度，因此可抑制因掺杂物的光吸收引起的吸收损失的增大、及因掺杂物离子的离子散射引起的迁移率的下降。
通过使第一p型III族氮化物半导体层27的带隙能E1大于第二p型III族氮化物半导体层29的带隙能E2，提高光封闭性。此外，通过使第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度小于第二p型III族氮化物半导体层29的镁浓度，减小第一p型III族氮化物半导体层27的吸收损失的增大与迁移率的降低。
例如，第一p型III族氮化物半导体层27的带隙优选为3.47电子伏特以上且3.63电子伏特以下。带隙Eg的范围相当于波长342nm～357nm。若为该范围，则可获得有利于封闭波长为480nm～550nm的光的折射率。在该元件中，第一p型III族氮化物半导体层27比第二p型III族氮化物半导体层29更接近活性层25，从而上述带隙值可使GaN系发光元件实现良好的光封闭。
此外，例如第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度可为8×1017cm-3以上。在镁浓度为该范围时，第一p型III族氮化物半导体层27的比电阻变低。此外，第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度可为2×1019cm-3以下。在镁浓度为该范围时，因离子散射引起的迁移率降低并不大，且不会对因吸收损失引起的阈值电流的增大产生显著影响。
第二p型III族氮化物半导体层29的镁浓度可为7×1018cm-3以上。在镁浓度为该范围时，可使自由霍尔浓度变高。此外，第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度可为5×1019cm-3以下。在镁浓度超过该范围时，结晶性容易恶化，难以结晶性良好地生长具有足以进行光封闭的膜厚的包覆层。
参照图2的(b)部分，表示应变、比电阻及带隙Eg的关系。通过两层包覆层的采用而获得由比电阻及有效质量所引起的电气传导的技术贡献，并且基于带隙Eg(折射率)的分布也确保光封闭。
参照图2的(c)部分，表示p型包覆区域的应变、比电阻、带隙Eg及p型掺杂物浓度的关系。通过两层包覆层的采用而获得由比电阻及有效质量所引起的电气传导的技术贡献，并且基于带隙Eg(折射率)的分布而确保光封闭，进而基于Mg掺杂物浓度分布而抑制阈值电流的增加，实现驱动电压的下降。
对第一p型III族氮化物半导体层27赋予高带隙及低掺杂物浓度。除此之外，难以对第一p型III族氮化物半导体层27赋予较低的比电阻。其原因在于，在提高第一p型III族氮化物半导体层27的空穴密度时，增加p型掺杂物浓度而降低比电阻会增加因p型掺杂物离子引起的载流子散射。
虽第一p型III族氮化物半导体层27的比电阻较高，但由于内含压缩应变的InAlGaN层的迁移率较高，因此可通过动态地提高空穴浓度而降低动态电阻。提高空穴浓度可通过如下方式实现：在激光器驱动时，从比电阻较低的第二p型III族氮化物半导体层29向第一p型III族氮化物半导体层27流入空穴。在激光器驱动时，第一p型III族氮化物半导体层27的空穴浓度变高，电阻降低。
如以上说明，通过使第一p型III族氮化物半导体层27的p型掺杂物浓度低于第二p型III族氮化物半导体层29的p型掺杂物浓度，使因p型掺杂物引起的离子散射下降。这对迁移率的提高较为有效。该p型掺杂物浓度下降还使第一p型III族氮化物半导体层27的光吸收下降。
图3是表示p型包覆区域的第一及第二p型III族氮化物半导体层的可实现的构造的图。认为在设置于半极性面上的InAlGaN不发生缓和而内含各向异性的应变时，通过该应变而解除价带的退化，空穴的有效质量变小。
如图3的(a)部分所示，在第二p型III族氮化物半导体层29由GaN构成时，与三元类或四元类氮化物半导体相比，容易减小第二p型III族氮化物半导体层29的比电阻。即，可获得基于GaN的较低的比电阻与基于InAlGaN层的较小的有效质量的技术贡献。
如图3的(b)部分所示，第二p型III族氮化物半导体层29由AlGaN构成，且该AlGaN内含各向异性的应变。由此，使从第二p型III族氮化物半导体层29向第一p型III族氮化物半导体层27的空穴流入变得容易。
在第二p型III族氮化物半导体层29包含内含应变的AlGaN层时，该AlGaN层与基底的InAlGaN层27形成结，此外，内含各向异性的应变。通过该应变，可使第二p型III族氮化物半导体层29的AlGaN层中的空穴的有效质量变小。因此，可使空穴向第一p型III族氮化物半导体层27的流入变得容易。
如图3的(c)部分所示，第二p型III族氮化物半导体层29由InAlGaN构成，且与基底的InAlGaN层27形成结，在该InAlGaN内含各向异性的应变时，第二p型III族氮化物半导体层29中的空穴的有效质量也变小。该有效质量下降在使从第二p型III族氮化物半导体层29向第一p型III族氮化物半导体层27的空穴流入变得容易的方面较为有效。即，可获得InAlGaN层的较低的比电阻与基于InAlGaN层的较小的有效质量的技术贡献。
在四元类氮化物半导体中，与三元类氮化物半导体相比，可彼此独立地决定带隙及晶格常数。其对晶格失配的调整有益。为了使带隙Eg变大，需要提高InAlGaN的Al组成及In组成，且在第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN中晶格匹配较为复杂。设置在半极性面上的InAlGaN无法使c轴的倾斜方向(以下，记为「偏离方向」)与垂直于该偏离方向的方向的两者同时相对于GaN进行晶格匹配。其原因在于，晶格常数的比c/a在GaN、AlN、InN的各者中不同。因InAlGaN的缓和，会变得无法获得有效质量的下降效果。
第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29均由InAlGaN构成的构造与其它两个构造相比，在光封闭及驱动电压的下降的方面较佳。
在图3的(a)部分、(b)部分及(c)部分所示的p型包覆区域中，在第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29的界面，未形成有引起缓和的程度的实质性的失配位错。此外，虽第二包覆区域23在发光层13上生长，但在第二包覆区域23与发光层13的界面，未形成有引起缓和的程度的实质性的失配位错。
支撑基体17上的半导体区域19包含在支撑基体17的主面17a的法线轴NX的方向上排列的多个III族氮化物半导体层(21、13、23、33)。在半导体区域19内，存在这些III族氮化物半导体层所形成的多个结(界面)，在这些界面，未形成有引起缓和的程度的失配位错。因此，在支撑基体17的主面17a例如由GaN构成时，半导体区域19的III族氮化物半导体层的各者内含对应于其晶格常数与GaN的晶格常数的差异的应变。
如上述说明，由于设置在半极性面上的InAlGaN的晶格常数的比c/a在GaN、AlN、InN的各个中不同，所以无法使c轴的倾斜方向(即，偏离方向)与垂直于该偏离方向的方向的两者同时相对于GaN进行晶格匹配。对于这一点，以GaN基板上的InAlGaN为例进行说明。
(晶格匹配的方式1)
在支撑基体17为GaN基板时，该GaN基板的c轴的晶格常数D1(GaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D1(GaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D1(GaN)n。第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN层的c轴的晶格常数D1(InAlGaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D1(InAlGaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D1(InAlGaN)n。在将InAlGaN层的晶格失配度R1p以(D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p规定时，该晶格失配度R1p为-0.15%以上且+0.2%以下。
在该构造中，失配位错不会进入具有较大带隙的第一p型III族氮化物半导体层27中。上述条件意图使与晶格匹配相关的两个晶轴中的c轴的晶格常数进行晶格匹配，且第一p型III族氮化物半导体层27的另一轴(a轴或m轴)发生应变。通过该各向异性的应变，可达成上述有效质量的下降效果。
(晶格匹配的方式2)
在支撑基体17为GaN基板时，与该GaN基板的c轴正交的晶轴(a轴或m轴)的晶格常数D2(GaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D2(GaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D2(GaN)n。与第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN层的c轴正交的晶轴的晶格常数D2(InAlGaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D2(InAlGaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D2(InAlGaN)n。在将InAlGaN层的晶格失配度R2p以(D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p规定时，该晶格失配度R2p为-0.15%以上且+0.2%以下。另外，在偏离方向准确地为a轴或者m轴时，D2(GaN)n与D2(InAlGaN)n为零。在偏离方向稍微从a轴或者m轴偏移时，D2(GaN)n与D2(InAlGaN)n为接近零的非常小的值。
在该构造中，失配位错不会进入具有较大带隙的第一p型III族氮化物半导体层27中。意图使与关于晶格匹配的两个晶轴中的c轴正交的晶格常数进行晶格匹配，且第一p型III族氮化物半导体层27已在c轴方向上发生应变。通过该各向异性的应变，可达成上述有效质量的下降效果。
(晶格匹配的方式3)
支撑基体17为GaN基板，该GaN基板的c轴向GaN基板的a轴及m轴中的任一晶轴(此处为m轴)倾斜。GaN基板的c轴的晶格常数D1(GaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D1(GaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D1(GaN)n。第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN层的c轴的晶格常数D1(InAlGaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D1(InAlGaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D1(InAlGaN)n。该InAlGaN层的晶格失配度R1p以(D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p规定。该晶格失配度R1p为-0.15%以上且0%以下。在c轴向m轴的方向倾斜的方式中，关于a轴，第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN层的晶格失配度R2p以(D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p规定。该晶格失配度R2p满足0%以上且0.2%以下。此处，D2(InAlGaN)p与D1(InAlGaN)p正交，D2(GaN)p与D1(GaN)p正交。
在该构造中，不使与晶格匹配相关的两个晶轴中的任一晶轴进行晶格匹配。即，两个晶轴均在较小的某种程度的范围内发生应变。在具有较大带隙的第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN中进行与一个晶轴相关的晶格匹配时，有另一个晶格失配度变大，第二p型III族氮化物半导体层29的InAlGaN发生缓和的可能性。在使用这样的InAlGaN时，两晶轴均不进行晶格匹配，但为了避免缓和，向InAlGaN提供降低晶格失配度的组成较为有效。通过与两轴相关的各向异性的应变，可提供上述有效质量下降。
包覆区域以在内侧的光波导路径内封闭光的方式发挥作用。在第二包覆区域23(p型包覆区域)由两个半导体层构成时，尽管仅通过该p型包覆区域的一个半导体层无法提供充分的光封闭，但第二包覆区域23的两个半导体层的总厚度厚至足以进行光封闭的程度，从而通过这两层提供充分的光封闭。
例如，第二包覆区域23的厚度d23优选为300nm以上且1000nm以下。在第二包覆区域23的厚度d23为300nm以上时，对发光层13的光封闭变得良好，抑制光向p型接触区域33及电极15的泄漏。此外，在第二包覆区域23的厚度d23为1000nm以下时，伴随串联电阻成分增加的驱动电压的增加得到抑制。
第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29分别具有厚度d1及d2。第二p型III族氮化物半导体层29的厚度d2优选为满足0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6。在第二p型III族氮化物半导体层29的厚度d2具有上述范围的值时，第二p型III族氮化物半导体层29与具有剩余厚度d1的第一p型III族氮化物半导体层27一起可提供良好的光封闭及较低的驱动电压。例如，具有上述范围的厚度d2的第二p型III族氮化物半导体层29因其较低的比电阻而对驱动电压的下降有益，此外，具有上述范围的剩余厚度的第一p型III族氮化物半导体层27因其较低的有效质量而对驱动电压的下降有益。分别具有上述范围内的厚度的第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29比用于与电极15形成良好的接触所需的接触区域33的厚度大。
第一p型III族氮化物半导体层27的厚度小于基于其材料的临界膜厚。由此，可避免第一p型III族氮化物半导体层27发生缓和。此外，第二p型III族氮化物半导体层29的厚度小于基于其材料的临界膜厚。由此，可避免第二p型III族氮化物半导体层29发生缓和。
如上述说明，支撑基体17(外延基板EP的基板)的主面17a表示半极性。主面(外延基板EP的基板主面)17a与基准轴Cx所成的角度ALPHA优选为10度以上且80度以下、或100度以上且170度以下。在支撑基体17的主面17a的倾斜为该角度范围时，空穴的有效质量充分变小，从而有效地显现出包含第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29的p型包覆区域23的效果。
此外，主面17a与基准轴Cx所成的角度ALPHA优选为63度以上且80度以下、或100度以上且117度以下。在主面17a的倾斜为该角度范围时，用于InAlGaN层的生长的基底的半极性面(即，主面17a)在该InAlGaN生长中的铟取入上优异。因优异的In取入，可生长良好的结晶性的InAlGaN，容易向两层包覆构造提供电气传导良好的InAlGaN层。此时，c轴优选在从该c轴向氮化镓类半导体的m轴的方向上倾斜。
再次参照图1，p型接触区域33以与第二包覆区域23形成结的方式设置，电极15以与p型接触区域33形成结的方式设置。p型接触区域33的厚度例如小于300nm，p型接触区域33的厚度例如可为10nm以上。
在第二包覆区域23中，第二p型III族氮化物半导体层29的带隙能E2优选为p型接触区域33的带隙能Ec以上。根据该构造，从带隙能较小且受体的活化能较小的p型接触区域33向比电阻较低的第二p型III族氮化物半导体层29供给空穴，从而对驱动电压的下降有益。
此外，在第二包覆区域23中，优选为p型接触区域33的p型掺杂物浓度高于第二包覆区域23的p型掺杂物浓度。根据该构造，从掺杂物浓度较高的p型接触区域33向比电阻较低的第二p型III族氮化物半导体层29供给空穴，从而对驱动电压的下降有益。此外，可降低电极的接触电阻。
(实施例1)
图4是概略性地表示在实施例1中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。该III族氮化物半导体激光器依照图5所示的步骤流程而制作。
在步骤S101中，准备具有半极性主面的III族氮化物基板。在本实施例中，准备具有向m轴方向以75度的角度倾斜的半极性主面的GaN基板51。该半极性主面的面方位与(20-21)面对应。在该GaN基板51的半极性主面上，生长具有在振荡波长为520nm带进行动作的LD构造LD1的半导体区域。
在步骤S102中，在生长炉内配置GaN基板51后，进行GaN基板51的前处理(热清洗)。该前处理是在包含氨及氢的环境中，在摄氏1050度的热处理温度、10分钟的处理时间的条件下进行。
在该前处理后，在步骤S103中，以摄氏1050度的生长温度在GaN基板51上生长n型GaN层53等氮化镓类半导体层。n型GaN层53的厚度例如为500nm。在步骤S104中，在该氮化镓类半导体层上生长n型包覆区域。n型包覆区域包含例如以摄氏840度的生长温度生长的InAlGaN层55。该n型包覆区域的厚度例如为2μm。n型InAlGaN层55内含各向异性的应变。在步骤S105中，生长n型包覆区域上的n侧光导层。在本实施例中，n侧光导层包含例如以摄氏840度的生长温度生长的n型InGaN层57。n型InGaN层57的厚度例如为200nm。n型InGaN层57内含压缩应变。
在步骤S106中，在n侧光导层上生长活性层59。活性层59包含障壁层及阱层。在本实施例中，障壁层包含例如以摄氏840度的生长温度生长的GaN层59a，该GaN层59a的厚度例如为15nm。阱层包含例如以摄氏790度的生长温度生长的In0.3Ga0.7N层59b，InGaN层59b的厚度例如为3nm。该InGaN层59b内含压缩应变。
在步骤S107中，生长活性层59上的p侧光导层。在本实施例中，p侧光导层包含例如以摄氏840度的生长温度生长的InGaN层61。p侧InGaN层61的厚度例如为200nm。p侧InGaN层61内含压缩应变。
在步骤S108中，在p侧光导层上生长电子阻挡层。在本实施例中，电子阻挡层包含例如以摄氏1000度的生长温度生长的p型Al0.12Ga0.88N层63。Al0.12Ga0.88N层63的厚度例如为20nm。Al0.12Ga0.88N层63内含拉伸应变。
在步骤S109中，在电子阻挡层上生长p型包覆区域65。p型包覆区域65的生长是在步骤S110中，首先在电子阻挡层上生长第一包覆层。第一包覆层为p型In0.03Al0.14Ga0.83N层67。该p型In0.03Al0.14Ga0.83N层67例如以摄氏840度的生长温度生长。该p型In0.03Al0.14Ga0.83N层67的厚度例如为200nm。p型In0.03Al0.14Ga0.83N层67与电子阻挡层形成结，此外，内含各向异性的应变。
在p型包覆区域的生长中，接着在步骤S111中，在第一包覆层上共格(coherent)地生长第二包覆层。第二包覆层使p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69生长。该p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69例如以摄氏840度的生长温度生长。该p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69的厚度例如为200nm。p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69与第一包覆层形成结，此外，内含各向异性的应变。
在本实施例中，第一包覆层的In0.03Al0.14Ga0.83N的比电阻例如为50Ω·cm，第二包覆层的In0.02Al0.07Ga0.91N的比电阻例如为8Ω·cm。第一包覆层的Mg浓度例如为6×1018cm-3，第二包覆层的Mg浓度例如为1×1019cm-3。第一包覆层的带隙能例如为3.54电子伏特(eV)，第二包覆层的比电阻例如为3.48eV。1eV以1.602×10-19焦耳换算。第一包覆层的InAlGaN关于a轴方向与GaN大致晶格匹配，关于c轴的倾斜方向相对于GaN具有-0.24%的晶格失配度。第二包覆层的InAlGaN关于a轴方向相对于GaN具有+0.05%的晶格失配度，关于c轴的倾斜方向具有-0.08%的晶格失配度。
在步骤S112中，在p型包覆区域65上生长p型接触层71。在本实施例中，p型接触层71包含例如以摄氏1000度的生长温度生长的GaN层。p型接触层71的厚度例如为50nm。通过这些步骤，制作外延基板EP1。
在步骤S113中，在p型接触层71上使绝缘膜成膜，此外，在该绝缘膜上，通过湿式蚀刻而形成在激光器波导路径的方向上延伸的条纹窗，从而形成保护绝缘层73。条纹窗的宽度例如为10μm。在p型接触层71及保护绝缘层73上形成阳极电极75，且在GaN基板的背面形成阴极电极。阳极电极75经由条纹窗与p型接触层71形成接触。阳极电极75包括由Ni/Au构成的奥姆电极及由Ti/Au构成的焊垫电极，且它们通过蒸镀而形成。阴极电极77包括由Ti/Al构成的奥姆电极及由Ti/Au构成的焊垫电极，且它们通过蒸镀而形成。通过这些步骤，从外延基板EP1制作基板制品。
在步骤S114中，从基板制品制作激光棒。激光棒的共振器长度为600μm。在激光棒的激光器端面上，成膜介电质多层膜。介电质多层膜由例如SiO2/TiO2的多层膜构成。
与上述LD构造的制作不同地，制作包括由单一的p型包覆层(p型In0.03Al0.14Ga0.83N层，厚度为400nm)构成的p包覆区域的LD构造LC1。LD构造LC1除了p型包覆区域的构造外，具有与LD构造LD1相同的构造。
图6是表示实施例1的半导体激光器LD1与半导体激光器LC1的驱动特性(I-V曲线)的图。实施例1的半导体激光器LD1的I-V曲线位于半导体激光器LC1的I-V曲线的下侧，其表示半导体激光器LD1的驱动电压下降。半导体激光器LD1的驱动电压Vf(驱动电流600mA下的电压)例如为7.3伏特，半导体激光器LC1的驱动电压Vf例如为8.4伏特。实施例1的半导体激光器LD1与半导体激光器LC1的阈值电流均为约600mA～约700mA，两者未见显著差异。参照图6，表示实施例1的半导体激光器LD1的两层包覆层的构造可降低驱动电压(Vf)，而不会恶化光封闭。
在通过剖面TEM(Transmission Electron Microscope，穿透式电子显微镜)法观察实施例1的外延基板时，在半导体激光器LD1的电子阻挡层与第一包覆层的界面、第二包覆层与接触层的界面、第一及第二包覆层的界面中的任一界面处均未发现失配位错。因此，电子阻挡层以及第一及第二包覆层中的任一个均内含应变。
根据发明人的见解，作为在包覆层中使用的半导体的比电阻，50Ω·cm的值是比较大的值。然而，激光器动作时的驱动电压(Vf)得以降低。认为其原因在于，内含各向异性的应变的In0.03Al0.14Ga0.83N的有效质量在半极性面中得以降低，流入In0.03Al0.14Ga0.83N的空穴有效地进行传导。此外，能够以良好的结晶质量生长该In0.03Al0.14Ga0.83N可获得提供均匀的铟取入的半极性面的技术贡献，在c面中不能获得。
认为在该半极性面上的包含内含各向异性的应变的InAlGaN层、及比电阻比该层的比电阻小的氮化镓类半导体层的p型包覆区域中，通过基于低比电阻的传导与基于高迁移率的传导的组合，明显地发挥对低驱动电压的技术贡献。
(实施例2)
图7是概略性地表示在实施例2中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。实施例2的半导体激光器LD2生长p型GaN层68来代替半导体激光器LD1中的第二包覆层的InAlGaN层69。第二包覆层的p型GaN层68的比电阻例如为3Ω·cm，p型GaN层68的Mg浓度例如为1×1019cm-3。半导体激光器LD2的驱动电压Vf比半导体激光器LD1的驱动电压Vf下降0.8伏特。半导体激光器LD2的阈值电流为约800mA～约900mA。
(实施例3)
图8是概略性地表示在实施例3中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。参照图8的(a)部分、(b)部分及(c)部分，p型包覆区域包含与发光层形成结的p型InAlGaN层、及与该p型InAlGaN层形成结的GaN层。
通过从在第二包覆层中使用了p型GaN层的实施例2中的光导层变更该光导层的构造，可获得阈值电流下降的效果。如图8的(a)部分所示，优选为将p侧及n侧的光导层的InGaN的铟组成设为大于0.03的值，例如设为0.04以上。根据该实施例，由于n侧及p侧InGaN光导层的铟组成均为上述值以上，因此可使这些InGaN光导层的折射率变高。因此，可将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
在另一实施例中，如图8的(b)部分所示，优选为n侧InGaN光导层的铟组成大于p侧InGaN光导层的铟组成。另外，这里n侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积为8，p侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积为4，n侧InGaN光导层的值较大。根据该实施例，由于使n侧InGaN光导层的铟组成大于p侧InGaN光导层的铟组成，因此在包含活性层的光波导路径上进行传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也可将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。在该构造中，即使是在p型包覆区域的折射率稍微高的情况下，也可实现充分的光封闭。与使光导层的铟组成变大的构造相比，将非对称的铟组成用于p侧及n侧的光导层可扩大关于从设计值的偏差的容许范围。
在又一其他的实施例中，如图8的(c)部分所示，优选为n侧InGaN光导层的厚度大于p侧InGaN光导层的厚度。另外，此处n侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积为7.5，p侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积为4.5，n侧InGaN光导层的值较大。根据该实施例，由于使n侧InGaN光导层的厚度大于p侧InGaN光导层的厚度，在包含活性层的光波导路径上进行传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也可将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
对于实施例3，以第二包覆层为GaN层为例进行说明，但第二包覆层为AlGaN或InAlGaN时也可获得相同的技术贡献。
以实施例3的图8的(c)部分的构造为基础，制作使p型包覆区域的p型InAlGaN层与p型GaN层的膜厚比发生变化的LD。图9是表示在实施例4中制作的III族氮化物半导体激光器的特性的图。图9的(a)部分表示阈值电流Ith的膜厚比d2/(d1+d2)依存性。根据图9的(a)部分，可知随着膜厚比的增加，阈值电流Ith上升。认为其原因在于，因膜厚比的增加而光封闭恶化，及Mg浓度较高的p型GaN层的比率增加而吸收损失增加。若膜厚比为0.6以下，则阈值电流Ith相对于膜厚比为零的上升率可抑制为1成以下。此外，图9的(b)部分表示驱动电压Vf(驱动电流为600mA)的膜厚比d2/(d1+d2)依存性。根据图9的(b)部分，可知随着膜厚比的增加而Vf下降。该效果也显现在仅稍微包含p型GaN层时，若膜厚比为0.2以上，则可获得明显的Vf下降效果。认为这是将用于向具有较小有效质量的p型InAlGaN层注入空穴的p型GaN层进行了组合的效果。
本发明并不限定于在本实施方式中所公开的特定的构成。
产业上的可利用性
如以上说明，根据本发明的实施方式，提供一种缩小光封闭性的降低且可实现驱动电压的下降的氮化物半导体激光器。此外，根据本发明的实施方式，提供一种用于该氮化物半导体激光器的外延基板。
标号说明
11……III族氮化物半导体激光器元件、13……发光层、15……电极、17……支撑基体、17a……支撑基体主面、17b……支撑基体背面、19……半导体区域、19a……半导体区域表面、21……第一包覆层、23……第二包覆层、25……活性层、25a……阱层、25b……障壁层、28a、28b……端面、ALPHA……角度、Sc……c面、NX……法线轴、31……绝缘膜、31a……绝缘膜开口、35……n侧光导区域、37……p侧光导区域、39……电子阻挡层、41……电极、43a、43b……介电质多层膜、51……基板、51a……半极性主面、53……缓冲层、55……n型包覆区域、57……InGaN层、59……活性层、61……InGaN层、63……电子阻挡层、65……p型包覆区域、67……p型In0.03Al0.14Ga0.83N层、69……p型In0.02Al0.07Ga0.91N层、71……p型接触层。

Claims (21)

1.一种氮化物半导体激光器，包括：
导电性的支撑基体，具有由氮化镓类半导体构成的主面；
活性层，设置在所述主面上；及
p型包覆区域，设置在所述主面上，
所述主面相对于与在所述氮化镓类半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交的基准面而倾斜，
所述活性层设置在所述支撑基体与所述p型包覆区域之间，
所述p型包覆区域包含第一p型III族氮化物半导体层及第二p型III族氮化物半导体层，
所述第一p型III族氮化物半导体层由InAlGaN层构成，
所述第二p型III族氮化物半导体层由与该InAlGaN层的材料不同的半导体构成，
所述InAlGaN层内含各向异性的应变，
所述第一p型III族氮化物半导体层设置在所述第二p型III族氮化物半导体层与所述活性层之间，
所述第二p型III族氮化物半导体层的比电阻低于所述第一p型III族氮化物半导体层的比电阻。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第一p型III族氮化物半导体层的带隙能大于所述第二p型III族氮化物半导体层的带隙能。
3.如权利要求1或2所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第一p型III族氮化物半导体层的带隙为3.47电子伏特以上且3.63电子伏特以下。
4.如权利要求1至3中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
在所述第一p型III族氮化物半导体层及第二p型III族氮化物半导体层中添加镁(Mg)，
所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度小于所述第二p型III族氮化物半导体层的镁浓度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度为8×1017cm-3以上且2×1019cm-3以下。
6.如权利要求1至5中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述p型包覆区域的厚度为300nm以上且1000nm以下；
所述第一p型III族氮化物半导体层及第二p型III族氮化物半导体层分别具有厚度d1及d2，所述第二p型III族氮化物半导体层的厚度满足0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6。
7.如权利要求1至6中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述支撑基体的所述主面与所述基准轴所成的角度为10度以上且80度以下、或100度以上且170度以下。
8.如权利要求1至7中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述支撑基体的所述主面与所述基准轴所成的角度为63度以上且80度以下、或100度以上且117度以下。
9.如权利要求1至8中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，进一步包括：
p型接触区域，设置在所述p型包覆区域上；及
电极，以与所述p型接触区域形成结的方式设置，
所述p型接触区域的厚度小于300nm，
所述p型包覆区域的带隙能为所述p型接触区域的带隙能以上。
10.如权利要求1至9中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，进一步包括：
p型接触区域，设置在所述p型包覆区域上；及
电极，以与所述p型接触区域形成结的方式设置，
所述第二p型III族氮化物半导体层的p型掺杂物浓度低于所述p型接触区域的p型掺杂物浓度。
11.如权利要求1至10中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第二p型III族氮化物半导体层为内含应变的InAlGaN层及内含应变的AlGaN层中的任一个。
12.如权利要求1至10中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第二p型III族氮化物半导体层由GaN层构成。
13.如权利要求1至12中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述活性层以产生480nm以上且550nm以下的光的方式设置。
14.如权利要求1至13中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，进一步包括：
n侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述支撑基体之间；及
p侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，
所述n侧InGaN光导层的厚度大于所述p侧InGaN光导层的厚度。
15.如权利要求1至14中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，进一步包括：
n侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述支撑基体之间；
p侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，
所述n侧InGaN光导层的铟组成大于所述p侧InGaN光导层的铟组成。
16.如权利要求1至15中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，进一步包括：
n侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述支撑基体之间；及
p侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，
所述n侧InGaN光导层的铟组成为0.04以上。
17.如权利要求1至16中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，进一步包括：
n侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述支撑基体之间；及
p侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，
所述n侧InGaN光导层的厚度与所述n侧InGaN光导层的铟组成之积大于所述p侧InGaN光导层的厚度与所述p侧InGaN光导层的铟组成之积，
所述n侧InGaN光导层的厚度与所述n侧InGaN光导层的铟组成之积为2以上且10以下，这里，所述n侧InGaN光导层的厚度的单位以nm表示，所述n侧InGaN光导层的铟组成以相对于III族构成元素的摩尔比表示。
18.如权利要求1至17中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述c轴向所述氮化镓类半导体的a轴及m轴中的任一晶轴倾斜，
所述支撑基体为GaN基板，所述GaN基板的c轴的晶格常数D1(GaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D1(GaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D1(GaN)n，
所述InAlGaN层的c轴的晶格常数D1(InAlGaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D1(InAlGaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D1(InAlGaN)n，
所述InAlGaN层的晶格失配度R1p是通过(D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p而规定的，
所述晶格失配度R1p为-0.15%以上且+0.2%以下。
19.如权利要求1至17中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述c轴向所述氮化镓类半导体的a轴及m轴中的任一晶轴倾斜，
所述支撑基体为GaN基板，与所述GaN基板的c轴正交的晶轴的晶格常数D2(GaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D2(GaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D2(GaN)n，
与所述InAlGaN层的c轴正交的晶轴的晶格常数D2(InAlGaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D2(InAlGaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D2(InAlGaN)n，
所述InAlGaN层的晶格失配度R2p是通过(D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p而规定的，
所述晶格失配度R2p为-0.15%以上且+0.2%以下。
20.如权利要求1至17中任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述c轴向所述氮化镓类半导体的a轴及m轴中的任一晶轴倾斜，
所述支撑基体为GaN基板，
所述GaN基板的c轴的晶格常数D1(GaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D1(GaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D1(GaN)n，
所述InAlGaN层的c轴的晶格常数D1(InAlGaN)包含平行于所述支撑基体的所述主面的成分D1(InAlGaN)p及垂直于所述支撑基体的所述主面的成分D1(InAlGaN)n，
所述InAlGaN层的晶格失配度R1p是通过(D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p而规定的，
所述晶格失配度R1p为-0.15%以上且0%以下，
关于所述a轴及m轴中的任意另一晶轴，所述InAlGaN层的晶格失配度R2p是通过(D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p而规定的，
所述晶格失配度R2p满足0%以上且0.2%以下，
所述D2(InAlGaN)p与所述D1(InAlGaN)p正交，
所述D2(GaN)p与所述D1(GaN)p正交。
21.一种外延基板，用于氮化物半导体激光器，所述外延基板包括：
基板，具有由氮化镓类半导体构成的主面；
活性层，设置在所述主面上；及
p型包覆区域，设置在所述主面上，
所述主面相对于与在所述氮化镓类半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交的基准面而倾斜，
所述活性层设置在所述基板与所述p型包覆区域之间，
所述p型包覆区域包含第一p型III族氮化物半导体层及第二p型III族氮化物半导体层，
所述第一p型III族氮化物半导体层由InAlGaN层构成，
所述第二p型III族氮化物半导体层由与该InAlGaN层的材料不同的半导体构成，
所述InAlGaN层内含各向异性的应变，
所述第一p型III族氮化物半导体层设置在所述第二p型III族氮化物半导体层与所述活性层之间，
所述第二p型III族氮化物半导体层的比电阻低于所述第一p型III族氮化物半导体层的比电阻。
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