JP2007096171A - Nitride system semiconductor laser element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物系半導体レーザ素子に関し、特に、窒化物系半導体からなる層を備えた窒化物系半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a nitride-based semiconductor laser device, and more particularly to a nitride-based semiconductor laser device including a layer made of a nitride-based semiconductor.
近年、コンピュータ技術やディジタル通信技術の著しい進展に対応して、現行のＤＶＤ（ディジタル多用途ディスク）システムに比べ、処理可能な情報量が格段に多い次世代ＤＶＤシステムの開発・商品化が進められている。このシステムの中で最も重要となるデバイスは、現行のＤＶＤ用光源（波長：〜６６０ｎｍの赤色半導体レーザ素子）よりも波長の短い青紫色光（波長：〜４００ｎｍ）を出射する青紫色半導体レーザ素子である。この青紫色半導体レーザ素子は、再生用から記録用へ、さらに、２層ディスクへの記録用および高速記録用へと、出射しうる光出力の高出力化の要望が極めて強く、盛んに開発が行われている。この青紫色レーザ素子の高出力化には、しきい値電流の低減および動作電圧の低減が重要となる。 In recent years, the development and commercialization of next-generation DVD systems, which can process much more information than the current DVD (Digital Versatile Disc) system, have been promoted in response to remarkable progress in computer technology and digital communication technology. ing. The most important device in this system is a blue-violet semiconductor laser element that emits blue-violet light (wavelength: ~ 400 nm) having a shorter wavelength than the current DVD light source (wavelength: ~ 660 nm red semiconductor laser element). It is. This blue-violet semiconductor laser device has been actively developed due to the strong demand for high output light output from reproduction to recording, recording to a double-layer disc, and high-speed recording. Has been done. In order to increase the output of this blue-violet laser element, it is important to reduce the threshold current and the operating voltage.
しかしながら、青紫色半導体レーザ素子に使用される窒化物系半導体は、ｐ型層のキャリア濃度を高くするのが困難であるという不都合があるとともに、電気抵抗が高くなるという不都合がある。このため、しきい値電流の低減および動作電圧の低減が困難であるという問題点がある。 However, the nitride-based semiconductor used in the blue-violet semiconductor laser device has the disadvantage that it is difficult to increase the carrier concentration of the p-type layer and that the electrical resistance is increased. For this reason, there is a problem that it is difficult to reduce the threshold current and the operating voltage.
一方、上記不都合を解消するためには、ｐ型層を適正に形成する必要がある。そこで、従来、ｐ型層を適正に形成することによって、高出力で青紫色レーザ光の出射が可能な窒化物系半導体素子が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。 On the other hand, in order to eliminate the inconvenience, it is necessary to appropriately form the p-type layer. Therefore, conventionally, a nitride-based semiconductor element capable of emitting blue-violet laser light with high output by appropriately forming a p-type layer has been proposed (for example, see Patent Document 1).
図１２は、上記特許文献１に開示された従来の窒化物系半導体レーザ素子の一例を示した断面図である。図１２を参照して、従来の窒化物系導体素子では、ＧａＮ基板１０１上に、ＧａＮからなるｎ側バッファ層１０２が形成されている。ｎ側バッファ層１０２上には、歪み超格子からなるｎ側クラッド層１０３が形成されている。このｎ側クラッド層１０３は、Ｓｉがドープされたｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなる第１の層と、アンドープのＧａＮからなる第２の層とが交互にそれぞれ１００層ずつ積層されて構成されている。ｎ側クラッド層１０３上には、アンドープのＧａＮからなるｎ側光ガイド層１０４が形成されている。ｎ側光ガイド層１０４上には、ＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有する活性層１０５が形成されている。この活性層１０５は、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる３つの井戸層と、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる２つの障壁層とが交互に積層されて構成されている。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of a conventional nitride-based semiconductor laser device disclosed in
また、活性層１０５上には、Ｍｇがドープされたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるｐ側キャップ層１０６が形成されている。このｐ側キャップ層１０６は、ｐ側光ガイド層１０７よりもバンドギャップが大きくなるように構成されている。ｐ側キャップ層１０６上には、ＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ側光ガイド層１０７が形成されている。また、ｐ側光ガイド層１０７上には、凸部を有する歪み超格子層からなるｐ側クラッド層１０８が形成されている。また、ｐ側クラッド層１０８は、Ｍｇがドープされたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなる層と、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる層とが、交互にそれぞれ１００回積層されて構成されている。
A p-
また、ｐ側クラッド層１０８の凸部の上面上には、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる第１ｐ側コンタクト層１０９が形成されている。この第１ｐ側コンタクト層１０９は、ｐ側クラッド層１０８よりもＭｇのドーピング量が少なくなるように構成されている。また、第１ｐ側コンタクト層１０９上には、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる第２ｐ側コンタクト層１１０が形成されている。そして、ｐ側クラッド層１０８の凸部と、第１ｐ側コンタクト層１０９および第２コンタクト１１０とによって、電流通路となるリッジ部１１１が構成されている。
A first p-
第２ｐ側コンタクト層１１０上には、ｐ側電極１１２が形成されている。また、図１２に示すように、ｐ側クラッド層１０８の平坦部の上面上、リッジ部１１１の側面上およびｐ側電極１１２の側面上には、絶縁膜１１３が形成されている。そして、絶縁膜１１３上およびｐ側電極１１２上には、ｐ型電極１１２と電気的に接続されたｐ側パッド電極１１４が形成されている。また、ＧａＮ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１１５が形成されている。
A p-
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の一例による窒化物系半導体素子では、ｐ側キャップ層１０６のバンドギャップがｐ側光ガイド層１０７のバンドギャップよりも大きいため、ｐ側キャップ層１０６が正孔の移動に対して障壁となる。このため、窒化物系半導体素子駆動の際に、ｐ側キャップ層１０６上に形成された抵抗率の低いｐ側光ガイド層１０７において、電流が横方向に広がりやすくなるので、電流狭窄が不十分となる不都合がある。その結果、電流密度が低下して発振特性が劣化するので、しきい値電流を小さくするのが困難であるという問題点がある。
However, in the nitride-based semiconductor device according to the conventional example disclosed in
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、しきい値電流を小さくするとともに、動作電圧を低くすることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor capable of reducing the threshold current and the operating voltage. It is to provide a laser element.
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、窒化物系半導体からなる活性層と、活性層上に形成され、活性層よりもバンドギャップの大きい窒化物系半導体材料からなる第１アンドープ層と、第１アンドープ層上に形成され、活性層と第１アンドープ層との中間のバンドギャップを有する窒化物系半導体材料からなるとともに、ｐ型不純物を含む第１ｐ型層と、第１ｐ型層上に形成され、第１アンドープ層と第１ｐ型層との中間のバンドギャップを有する窒化物系半導体材料からなるとともに、第１ｐ型層よりも少ない量のｐ型不純物を含む第２ｐ型層とを備える。 To achieve the above object, a nitride-based semiconductor laser device according to a first aspect of the present invention includes an active layer made of a nitride-based semiconductor, and a nitride formed with a band gap larger than that of the active layer. A first undoped layer made of a material-based semiconductor material; and a nitride-based semiconductor material formed on the first undoped layer and having an intermediate band gap between the active layer and the first undoped layer and containing a p-type impurity A first p-type layer and a nitride-based semiconductor material formed on the first p-type layer and having an intermediate band gap between the first undoped layer and the first p-type layer, and having a smaller amount than the first p-type layer and a second p-type layer containing a p-type impurity.
この第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、窒化物系半導体からなる第１ｐ型層のｐ型不純物の量を、窒化物系半導体からなる第２ｐ型層のｐ型不純物の量よりも多くすることによって、第１ｐ型層中のｐ型不純物濃度を高くすることができるので、第１ｐ型層中のキャリア濃度を高くすることができる。このため、活性層への正孔の供給を増加することができるので、窒化物系半導体レーザ素子のしきい値電流を小さくすることができる。また、第１ｐ型層を第１アンドープ層上に形成するとともに、第１ｐ型層のｐ型不純物の量を、第２ｐ型層のｐ型不純物の量よりも多くすることによって、ｐ型不純物は散乱源として機能するので、正孔の移動度を下げることができる。このため、第１ｐ型層の抵抗率を上げることができるので、正孔に対して障壁として作用するバンドギャップの大きい材料からなる第１アンドープ層上に形成された第１ｐ型層中での電流の横方向への広がりを抑制することができる。すなわち、抵抗率ρは、素電荷をｅ、キャリア濃度をｎ、移動度をμとした場合、以下の式（１）で表され、移動度μが小さくなると、抵抗率ρが大きくなる。 In the nitride-based semiconductor laser device according to the first aspect, as described above, the amount of the p-type impurity in the first p-type layer made of the nitride-based semiconductor is set to the p-type of the second p-type layer made of the nitride-based semiconductor. By increasing the amount of impurities, the p-type impurity concentration in the first p-type layer can be increased, so that the carrier concentration in the first p-type layer can be increased. For this reason, since the supply of holes to the active layer can be increased, the threshold current of the nitride semiconductor laser element can be reduced. Further, by forming the first p-type layer on the first undoped layer and increasing the amount of the p-type impurity in the first p-type layer more than the amount of the p-type impurity in the second p-type layer, the p-type impurity is reduced. Since it functions as a scattering source, the mobility of holes can be lowered. For this reason, since the resistivity of the first p-type layer can be increased, the current in the first p-type layer formed on the first undoped layer made of a material having a large band gap that acts as a barrier against holes is used. Can be prevented from spreading in the lateral direction. That is, the resistivity ρ is expressed by the following formula (1), where e is the elementary charge, n is the carrier concentration, and μ is the mobility, and the resistivity ρ increases as the mobility μ decreases.
ρ＝１／ｅｎμ・・・・・（１）
第１ｐ型層の抵抗率ρが大きい場合、第１アンドープ層を厚み方向に流れる時の抵抗値に対して、第１ｐ型層を横方向に流れる時の抵抗値の方が大きくなる。このため、第１アンドープ層上に形成された第１ｐ型層中での電流の横方向への広がりを有効に抑制することができるので、電流狭窄を十分に行うことができる。その結果、電流密度の低下を抑制することによって、発振特性の劣化を抑制することができるので、しきい値電流を小さくすることができる。なお、ｐ型不純物の量が多くなると、キャリア濃度ｎも多くなる一方、窒化物系半導体では、キャリア濃度ｎの増加の割合に対して、正孔の移動度μの減少の割合の方が大きくなる特徴がある。このため、窒化物系半導体では、キャリア濃度ｎを増加させると、抵抗率ρが大きくなるという特徴がある。また、第１ｐ型層を、第１アンドープ層上に形成するとともに、第１ｐ型層のバンドギャップを第２ｐ型層のバンドギャップよりも小さくすることによって、バンドギャップが小さい方が、キャリア濃度を容易に高くすることができるので、これによっても、第１ｐ型層のキャリア濃度を、第２ｐ型層のキャリア濃度より高くすることができる。このため、活性層への正孔の供給をより増加することができるので、しきい値電流をより小さくすることができる。また、第２ｐ型層を、第１ｐ型層上に形成し、第１アンドープ層と第１ｐ型層との中間のバンドギャップを有する材料からなるとともに、第１ｐ型層よりも少ない量のｐ型不純物を含むように構成することによって、ｐ型不純物による結晶歪みの導入を少なくすることができるので、結晶品質の劣化を抑制することができる。すなわち、バンドギャップが大きい層ほど、ｐ型不純物による歪みが導入されやすいため、第２ｐ型層のｐ型不純物の量を第１ｐ型層のｐ型不純物の量と実質的に同程度とすると、第２ｐ型層の結晶歪みが第１ｐ型層に比べて大きくなり、第２ｐ型層の結晶の劣化を招く。このため、結晶歪みの原因となるｐ型不純物の量を第１ｐ型層よりも少なくすることによって、第２ｐ型層の結晶歪みを第１ｐ型層の結晶歪みと実質的に同程度にすることができる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子の各層の結晶品質の劣化を抑制することができるので、電気抵抗を低減して動作電圧を低くすることができる。
ρ = 1 / enμ (1)
When the resistivity ρ of the first p-type layer is large, the resistance value when flowing in the lateral direction through the first p-type layer is larger than the resistance value when flowing through the first undoped layer in the thickness direction. For this reason, since the spread of the current in the lateral direction in the first p-type layer formed on the first undoped layer can be effectively suppressed, the current can be sufficiently confined. As a result, by suppressing the decrease in current density, it is possible to suppress the deterioration of oscillation characteristics, so that the threshold current can be reduced. As the amount of p-type impurity increases, the carrier concentration n also increases. On the other hand, in the nitride semiconductor, the rate of decrease in hole mobility μ is larger than the rate of increase in carrier concentration n. There is a characteristic. For this reason, the nitride-based semiconductor is characterized in that the resistivity ρ increases as the carrier concentration n is increased. In addition, the first p-type layer is formed on the first undoped layer, and the band gap of the first p-type layer is made smaller than the band gap of the second p-type layer. Since it can be easily increased, the carrier concentration of the first p-type layer can also be made higher than the carrier concentration of the second p-type layer. For this reason, since the supply of holes to the active layer can be further increased, the threshold current can be further reduced. In addition, the second p-type layer is formed on the first p-type layer, is made of a material having a band gap intermediate between the first undoped layer and the first p-type layer, and has a smaller amount of p-type than the first p-type layer. By including the impurities, it is possible to reduce the introduction of crystal distortion due to the p-type impurities, so that it is possible to suppress deterioration of crystal quality. That is, as the band gap is larger, distortion due to the p-type impurity is more easily introduced. Therefore, when the amount of the p-type impurity in the second p-type layer is substantially the same as the amount of the p-type impurity in the first p-type layer, The crystal distortion of the second p-type layer is larger than that of the first p-type layer, and the crystal of the second p-type layer is deteriorated. For this reason, the amount of p-type impurities causing crystal distortion is made smaller than that of the first p-type layer, thereby making the crystal distortion of the second p-type layer substantially the same as that of the first p-type layer. Can do. As a result, deterioration of the crystal quality of each layer of the nitride-based semiconductor laser device can be suppressed, so that the electrical resistance can be reduced and the operating voltage can be lowered.
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層と第１アンドープ層との間に形成され、活性層と第１ｐ型層との中間のバンドギャップを有する窒化物系半導体材料からなる第２アンドープ層をさらに備える。このように構成すれば、第２アンドープ層の厚みを制御することによって、活性層と第１アンドープ層との距離を制御することができるので、活性層と第１アンドープ層との距離によってレーザ光の広がり角を制御することができる。また、このように構成すれば、第２アンドープ層と活性層との間に、正孔に対して障壁となるバンドギャップの大きい層が存在しないので、第２アンドープ層の抵抗率が小さい場合でも、第２アンドープ層における電流の横方向への広がりを少なくすることができる。 The nitride semiconductor laser device according to the first aspect is preferably a nitride semiconductor formed between the active layer and the first undoped layer and having an intermediate band gap between the active layer and the first p-type layer. A second undoped layer made of a material is further provided. With this configuration, the distance between the active layer and the first undoped layer can be controlled by controlling the thickness of the second undoped layer, and therefore, the laser beam can be controlled according to the distance between the active layer and the first undoped layer. Can be controlled. Also, with this configuration, there is no layer with a large band gap that acts as a barrier against holes between the second undoped layer and the active layer, so even when the resistivity of the second undoped layer is small. The spread of current in the second undoped layer in the lateral direction can be reduced.
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１アンドープ層、第１ｐ型層および第２ｐ型層は、ＡｌＧａＮ層からなるとともに、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比を制御することによって、第１アンドープ層、第１ｐ型層および第２ｐ型層のバンドギャップが制御されている。このように構成すれば、第１アンドープ層、第１ｐ型層および第２ｐ型層のそれぞれのＡｌ組成比を変えることによって、第１アンドープ層、第１ｐ型層および第２ｐ型層のそれぞれのバンドギャップを容易に制御することができる。 In the nitride-based semiconductor laser device according to the first aspect, preferably, the first undoped layer, the first p-type layer, and the second p-type layer are formed of an AlGaN layer and by controlling an Al composition ratio of the AlGaN layer. The band gaps of the first undoped layer, the first p-type layer, and the second p-type layer are controlled. If comprised in this way, each band of a 1st undoped layer, a 1st p-type layer, and a 2nd p-type layer is changed by changing each Al composition ratio of a 1st undoped layer, a 1st p-type layer, and a 2nd p-type layer. The gap can be easily controlled.
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、Ｉｎを含む材料からなる。このように構成すれば、Ｉｎを含む材料からなる窒化物系半導体層は、Ｉｎを含まない材料からなる窒化物系半導体層よりもバンドギャップが小さいので、Ｉｎを含む材料からなる活性層のバンドギャップを、Ｉｎを含まない材料からなる第１アンドープ層、第１ｐ型層および第２ｐ型層のそれぞれのバンドギャップよりも容易に小さくすることができる。 In the nitride semiconductor laser element according to the first aspect, the active layer is preferably made of a material containing In. According to this structure, since the nitride-based semiconductor layer made of a material containing In has a smaller band gap than the nitride-based semiconductor layer made of a material not containing In, the band of the active layer made of the material containing In The gap can be easily made smaller than the respective band gaps of the first undoped layer, the first p-type layer, and the second p-type layer made of a material not containing In.
上記Ｉｎを含む活性層からなる窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１アンドープ層は、活性層からのＩｎの脱離を抑制するためのキャップ層である。このように構成すれば、活性層上に形成する第１ｐ型層および第２ｐ型層の成長時に、活性層からＩｎが脱離するのを容易に抑制することができるので、活性層の劣化を抑制することができる。 In the nitride-based semiconductor laser device including the active layer containing In, preferably, the first undoped layer is a cap layer for suppressing desorption of In from the active layer. With this configuration, it is possible to easily suppress the separation of In from the active layer during the growth of the first p-type layer and the second p-type layer formed on the active layer. Can be suppressed.
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１ｐ型層および第２ｐ型層のｐ型不純物は、Ｍｇである。このように構成すれば、Ｍｇ量を増加させることによって容易に第１ｐ型層のキャリア濃度を増加させることができるので、活性層への正孔の供給を容易に増加させることができる。また、このように構成すれば、Ｍｇを散乱源として機能させることができるので、正孔の移動度を容易に下げることができる。 In the nitride semiconductor laser element according to the first aspect, the p-type impurity of the first p-type layer and the second p-type layer is preferably Mg. With this configuration, the carrier concentration of the first p-type layer can be easily increased by increasing the amount of Mg, and therefore the supply of holes to the active layer can be easily increased. Also, with this configuration, Mg can function as a scattering source, so that the hole mobility can be easily lowered.
上記第１ｐ型層および第２ｐ型層のｐ型不純物がＭｇである窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１ｐ型層のｐ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上である。このように構成すれば、第１ｐ型層の抵抗率を上昇させることができるので、第１ｐ型層中での電流の横方向への広がりを有効に抑制することができる。また、このように構成すれば、第１ｐ型層中のキャリア濃度を増加させることができるので、活性層への正孔の供給を容易に増加させることができる。 In the nitride-based semiconductor laser device in which the p-type impurity of the first p-type layer and the second p-type layer is Mg, the p-type impurity concentration of the first p-type layer is preferably 1 × 10 19 cm −3 or more. . If comprised in this way, since the resistivity of a 1st p-type layer can be raised, the spread to the horizontal direction of the electric current in a 1st p-type layer can be suppressed effectively. Moreover, if comprised in this way, since the carrier concentration in a 1st p-type layer can be increased, supply of the hole to an active layer can be increased easily.
上記第１ｐ型層および第２ｐ型層のｐ型不純物がＭｇである窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１ｐ型層の膜厚は、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。このように構成すれば、第１ｐ型層の膜厚を５ｎｍ以上にすることによって、第１ｐ型層の膜厚が５ｎｍよりも小さい場合と異なり、活性層に正孔を十分に供給することができるので、しきい値電流を小さくすることができる。また、このように構成すれば、第１ｐ型層の膜厚を２０ｎｍ以下にすることによって、第１ｐ型層の膜厚が２０ｎｍよりも大きい場合と異なり、第１ｐ型層でのレーザ光の吸収を抑制することができるので、しきい値電流を小さくすることができるとともに、抵抗率の増加を抑制することができる。これにより、窒化物系半導体レーザ素子の動作電圧を低くすることができる。
In the nitride-based semiconductor laser device in which the p-type impurity of the first p-type layer and the second p-type layer is Mg, the thickness of the first p-type layer is preferably 5 nm or more and 20 nm or less. If comprised in this way, by making the film thickness of a 1st p-type layer into 5 nm or more, unlike the case where the film thickness of a 1st p-type layer is smaller than 5 nm, a hole can fully be supplied to an active layer. Therefore, the threshold current can be reduced. Also, with this configuration, by making the thickness of the first p-
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１ｐ型層は、ＡｌＧａＮ層からなるとともに、第１ｐ型層のＡｌ組成比は、３％以上である。このように３％以上のＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮからなる第１ｐ型層を用いれば、第１ｐ型層に所定量のｐ型不純物を導入することによって、第１ｐ型層の抵抗値を容易に上げることができるので、第１ｐ型層中での電流の横方向への広がりを容易に抑制することができる。 In the nitride semiconductor laser element according to the first aspect, preferably, the first p-type layer is made of an AlGaN layer, and the Al composition ratio of the first p-type layer is 3% or more. Thus, if the first p-type layer made of AlGaN having an Al composition ratio of 3% or more is used, the resistance value of the first p-type layer can be easily reduced by introducing a predetermined amount of p-type impurity into the first p-type layer. Since the current can be increased, the spread of the current in the first p-type layer in the lateral direction can be easily suppressed.
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１ｐ型層の抵抗率は、第２ｐ型層の抵抗率より高い。このように構成すれば、第１ｐ型層中の電流の横方向への広がりを有効に抑制することができるとともに、第１ｐ型層および第２ｐ型層の両方の抵抗率を高くする場合に比べて、第１ｐ型層および第２ｐ型層の全体での抵抗率を低くすることができるので、動作電圧を低くすることができる。 In the nitride semiconductor laser element according to the first aspect, preferably, the resistivity of the first p-type layer is higher than the resistivity of the second p-type layer. If comprised in this way, while the spreading | diffusion of the electric current in a 1st p-type layer can be suppressed effectively, compared with the case where the resistivity of both a 1st p-type layer and a 2nd p-type layer is made high. Thus, the resistivity of the entire first p-type layer and the second p-type layer can be lowered, so that the operating voltage can be lowered.
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１ｐ型層の正孔の移動度は、第２ｐ型層の正孔の移動度よりも小さい。このように構成すれば、第１ｐ型層の抵抗率を第２ｐ型層の抵抗率よりも容易に高くすることができるので、第１ｐ型層において、電流の横方向の広がりを容易に抑制することができる。 In the nitride-based semiconductor laser device according to the first aspect, preferably, the mobility of holes in the first p-type layer is smaller than the mobility of holes in the second p-type layer. With this configuration, the resistivity of the first p-type layer can be easily made higher than the resistivity of the second p-type layer, so that the lateral spread of the current is easily suppressed in the first p-type layer. be able to.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。図２は、図１に示した一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の活性層の構造を示した断面図である。図３は、図１に示した一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の平面図である。図４および図５は、図１に示した一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の各層の特性を示した概略図である。まず、図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a nitride-based semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the active layer of the nitride-based semiconductor laser device according to the embodiment shown in FIG. FIG. 3 is a plan view of the nitride-based semiconductor laser device according to the embodiment shown in FIG. 4 and 5 are schematic diagrams showing the characteristics of the respective layers of the nitride-based semiconductor laser device according to the embodiment shown in FIG. First, the structure of a nitride-based semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１に示すように、約１００μｍの厚みを有するＯ（酸素）がドープされたｎ型ＧａＮ基板１上に、約０．２μｍ〜約１μｍの厚みを有するＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型ＧａＮ層２が形成されている。ｎ型ＧａＮ層２上には、約１μｍ〜約２μｍの厚みを有するＳｉがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層３が形成されている。ｎ型クラッド層３上には、ＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有する活性層４が形成されている。この活性層４は、図２に示すように、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる４つの障壁層４ａと、約３ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有するアンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる３つの井戸層４ｂとが交互に積層されて構成されている。また、活性層４上には、約３０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなるとともに、活性層４よりもバンドギャップが大きい光ガイド層５が形成されている。なお、光ガイド層５は、本発明の「第２アンドープ層」の一例である。
In the nitride semiconductor laser device according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, a thickness of about 0.2 μm to about 1 μm is formed on an n-
また、図１に示すように、光ガイド層５上には、約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの厚みを有するアンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるとともに、活性層４よりバンドギャップが大きいキャップ層６が形成されている。このキャップ層６は、活性層４からＩｎの脱離を抑制する機能を有している。なお、キャップ層６は、本発明の「第１アンドープ層」の一例である。キャップ層６上には、ｐ型不純物であるＭｇがドープされたＡｌ組成比が３％以上であるＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎからなるとともに、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有する第１ｐ型クラッド層７が形成されている。なお、第１ｐ型クラッド層７は、本発明の「第１ｐ型層」の一例である。
Further, as shown in FIG. 1, the
ここで、本実施形態では、図４および図５に示すように、上記した光ガイド層５は、活性層４と第１ｐ型クラッド層７との中間のバンドギャップを有するように構成されている。また、光ガイド層５は、活性層４と第１ｐ型クラッド層７との間に形成されているので、光ガイド層５の膜厚を制御することによって、図５に示すように、活性層４とキャップ層６との間の距離Ａを制御することが可能である。これにより、レーザ光の広がり角を制御することが可能になる。また、第１ｐ型クラッド層７は、図４および図５に示すように、活性層４とキャップ層６との中間のバンドギャップを有するように構成されている。さらに、第１ｐ型クラッド層７のｐ型不純物であるＭｇのドーピング量（Ｍｇ不純物濃度）は、第２ｐ型クラッド層８のｐ型不純物であるＭｇのドーピング量よりも多くなるように構成されている。これにより、図４に示すように、第１ｐ型クラッド層７の抵抗率が、第２ｐ型クラッド層８の抵抗率よりも大きくなるように構成されている。
Here, in this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the
また、図１に示すように、第１ｐ型クラッド層７上には、凸部を有するとともに、ｐ型不純物であるＭｇがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる第２ｐ型クラッド層８が形成されている。なお、第２ｐ型クラッド層８は、本発明の「第２ｐ型層」の一例である。この第２ｐ型クラッド層８の凸部の厚みは、約４００ｎｍ〜約６００ｎｍである。また、第２ｐ型クラッド層８の凸部以外の平坦部の厚みは、約２５ｎｍ〜約８０ｎｍである。
Further, as shown in FIG. 1, a second p-type cladding made of Al 0.05 Ga 0.95 N having a convex portion and doped with Mg as a p-type impurity is formed on the first p-
また、本実施形態では、第２ｐ型クラッド層８は、図４および図５に示すように、キャップ層６と第１ｐ型クラッド層７との中間のバンドギャップを有するように構成されている。また、第２ｐ型クラッド層８のｐ型不純物であるＭｇのドーピング量は、第１ｐ型クラッド層７のｐ型不純物であるＭｇのドーピング量よりも少なくなるように構成されている。
In the present embodiment, the second p-
また、図１に示すように、第２ｐ型クラッド層８の凸部の上面上には、約２ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有するアンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるコンタクト層９が形成されている。そして、第２ｐ型クラッド層８の凸部と、コンタクト層９とによって電流通路となるリッジ部１０が構成されている。このリッジ部１０の根元部は、約１．４μｍの幅を有している。また、コンタクト層９上には、コンタクト層９側から、約２ｎｍの厚みを有するＰｔ層と、約１０ｎｍの厚みを有するＰｄ層とが積層されたｐ側電極１１が形成されている。また、図１に示すように、第２ｐ型クラッド層８の平坦部の上面上、リッジ部１０の側面およびｐ側電極１１の側面には、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの厚みを有する電流ブロック層として機能するＳｉＯ２からなる絶縁膜１２が形成されている。そして、絶縁膜１２上およびｐ側電極１１上には、ｐ側電極１１と電気的に接続されたｐ側パッド電極１３が形成されている。このｐ側パッド電極１３は、ｐ側電極１１および絶縁膜１２側から、約１０ｎｍの厚みを有するＴｉ層と、約５００ｎｍの厚みを有するＡｕ層とが積層されて構成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面には、ｎ型ＧａＮ基板１側から、約１０ｎｍの厚みを有するＴｉ層と、約２ｎｍの厚みを有するＰｔ層と、約５００ｎｍの厚みを有するＡｕ層とからなるｎ側電極１４が形成されている。
Further, as shown in FIG. 1, a
また、図３に示すように、本実施形態による窒化物系半導体レーザ素子は、リッジ部１０の延びる方向と平行な方向に約６００μｍの長さ（Ｌ１）を有している。また、窒化物系半導体レーザ素子のレーザ光を出射する劈開面（共振器面）には、約３０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる低反射率膜１６が形成されている。また、窒化物系半導体レーザ素子のレーザ光を出射する一方の劈開面と反対側の劈開面（共振器面）には、ＳｉＯ２からなる５つの膜１７ａと、ＴｉＯ２からなる５つの膜１７ｂとが交互に積層された、多層膜からなる約０．６μｍの厚み（Ｌ２）を有する高反射率膜１７が形成されている。
As shown in FIG. 3, the nitride-based semiconductor laser device according to the present embodiment has a length (L1) of about 600 μm in a direction parallel to the direction in which the
図６は、図１に示した一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の第１ｐ型クラッド層の膜厚としきい値電流および直列抵抗との関係を示した相関図である。具体的には、図６に示す相関図は、第１ｐ型クラッド層７と第２ｐ型クラッド層８の凸部との合計の膜厚を一定（約５００ｎｍ）として、第１ｐ型クラッド層７の膜厚を変化させた時の、第１ｐ型クラッド層７の膜厚と窒化物系半導体レーザ素子のしきい値電流（Ｉｔｈ）および直列抵抗（Ｒｓ）との関係を示している。また、図６の相関図の横軸は、第１ｐ型クラッド層７の膜厚（ｎｍ）を示しており、縦軸はしきい値電流（相対値）および直列抵抗（相対値）を示している。
FIG. 6 is a correlation diagram showing the relationship between the film thickness of the first p-type cladding layer, the threshold current, and the series resistance of the nitride-based semiconductor laser device according to the embodiment shown in FIG. Specifically, the correlation diagram shown in FIG. 6 shows that the total film thickness of the first p-
図６に示した測定結果から、第１ｐ型クラッド層７が形成されていない場合（第１ｐ型クラッド層７の膜厚が０ｎｍの場合）に比べて、第１ｐ型クラッド層７を形成した場合の方がしきい値電流が低下することが確認された。また、しきい値電流の値は、第１ｐ型クラッド層７の膜厚が１０ｎｍの時に最低となるとともに、第１ｐ型クラッド層７の膜厚を１０ｎｍよりも厚くしていくと、しきい値電流が上昇する傾向が見られた。また、第１ｐ型クラッド層７の膜厚を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲とすると、第１ｐ型クラッド層７の膜厚が１０ｎｍの時のしきい値電流が最低の値に対して、しきい値電流の差が５％以内となることが判明した。
From the measurement results shown in FIG. 6, when the first p-
一方、第１ｐ型クラッド層７の膜厚を増加させると、それに伴って、直列抵抗の値が単調に増加することがわかる。この場合でも、第１ｐ型クラッド層７の膜厚を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲とすると、直列抵抗の値が最も低い第１ｐ型クラッド層７の膜厚が０ｎｍのときの値に対して、直列抵抗の差が５％以内となる。
On the other hand, it can be seen that when the thickness of the first p-
図７は、図１に示した一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子のＭｇ不純物濃度と抵抗率との関係を示した相関図である。具体的には、図７に示した相関図は、第１ｐ型クラッド層７と同様のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比およびドープするｐ型不純物としてのＭｇのドーピング量を変化させた時のＡｌＧａＮ層の抵抗率の変化を示している。また、図７の相関図の横軸は、ＡｌＧａＮ中のＭｇ不純物濃度（ｃｍ−３）を示しており、縦軸はＡｌＧａＮの抵抗率（相対値）を示している。
FIG. 7 is a correlation diagram showing the relationship between the Mg impurity concentration and the resistivity of the nitride-based semiconductor laser device according to the embodiment shown in FIG. Specifically, the correlation diagram shown in FIG. 7 shows that the AlGaN layer has the same Al composition ratio as that of the first p-
なお、Ｍｇ不純物濃度の測定は、ＣＡＭＥＣＡ製ＩＭＳ−６Ｆ型の二次イオン質量分析装置を用いて、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に基づいて、１次イオン種は、Ｏ２＋、１次加速電圧は、７．５ＫＶ、１次電流は、３０ｎＡ、検出イオンは、２４Ｍｇ＋、定量分析標準試料は、２４Ｍｇ＋イオン注入ＧａＮ（注入エネルギー：２４０ＫｅＶ、ドーズ量：２×１０１４ｃｍ−３）の測定条件で行った。 The measurement of the Mg impurity concentration is based on secondary ion mass spectrometry (SIMS) using an IMS-6F type secondary ion mass spectrometer manufactured by CAMECA, and the primary ion species is O 2+ , primary. The acceleration voltage is 7.5 KV, the primary current is 30 nA, the detected ions are 24 Mg + , and the quantitative analysis standard sample is 24 Mg + ion-implanted GaN (injection energy: 240 KeV, dose: 2 × 10 14 cm − 3 ) The measurement conditions were used.
図７に示した測定結果から、Ｍｇ不純物濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内の時に、抵抗率の最低値が得られた。これは、Ｍｇ不純物濃度が少なすぎる場合（たとえば、約１×１０１８ｃｍ−３）には、キャリア濃度が少なくなることによって、抵抗率が上昇するとともに、Ｍｇ不純物濃度が多すぎる場合（たとえば、約５×１０１９ｃｍ−３）には、活性化率の低下により正孔の移動度が低下して、抵抗率が上昇するためであると考えられる。また、Ｍｇ不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上の範囲では、Ｍｇ不純物濃度の増加に伴って、抵抗率が大きくなることが確認できた。また、Ａｌ組成比を大きくするのに伴って、抵抗率が上昇する傾向が見られる。これは、Ａｌ組成比を大きくすると活性化率が低下し、正孔の移動度が低下するためであると考えられる。また、Ａｌ組成比を３％以上とするとともに、Ｍｇ不純物濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上とすることによって、抵抗値の上昇が著しく大きくなることが確認できた。 From the measurement results shown in FIG. 7, when the Mg impurity concentration is in the range of 5 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less, the minimum value of resistivity was obtained. This is because, when the Mg impurity concentration is too low (for example, about 1 × 10 18 cm −3 ), the carrier concentration is decreased, so that the resistivity is increased and the Mg impurity concentration is too high (for example, About 5 × 10 19 cm −3 ) is considered to be because the mobility of holes decreases due to a decrease in the activation rate, and the resistivity increases. In addition, it was confirmed that the resistivity increases as the Mg impurity concentration increases in the range where the Mg impurity concentration is 1 × 10 19 cm −3 or more. Further, as the Al composition ratio increases, the resistivity tends to increase. This is considered to be because when the Al composition ratio is increased, the activation rate decreases and the hole mobility decreases. Moreover, it was confirmed that the increase in the resistance value was remarkably increased by setting the Al composition ratio to 3% or more and setting the Mg impurity concentration to 1 × 10 19 cm −3 or more.
本実施形態では、上記のように、ＡｌＧａＮからなる第１ｐ型クラッド層７のＭｇ不純物濃度を、ＡｌＧａＮからなる第２ｐ型クラッド層８のＭｇ不純物濃度よりも多くすることによって、第１ｐ型クラッド層７中のＭｇ不純物濃度を高くすることができるので、第１ｐ型クラッド層７中のキャリア濃度を高くすることができる。このため、活性層４への正孔の供給を増加することができるので、窒化物系半導体レーザ素子のしきい値電流を小さくすることができる。
In the present embodiment, as described above, the first p-
また、本実施形態では、第１ｐ型クラッド層７をキャップ層６上に形成するとともに、第１ｐ型クラッド層７のＭｇ不純物濃度を、第２ｐ型クラッド層８のＭｇ不純物濃度よりも多くすることによって、Ｍｇ不純物は散乱源として機能するので、正孔の移動度を下げることができる。このため、第１ｐ型クラッド層７の抵抗率を上げることができるので、正孔に対して障壁として作用するバンドギャップの大きい材料からなるキャップ層６上に形成された第１ｐ型クラッド層７中での電流の横方向への広がりを抑制することができる。
In the present embodiment, the first p-
すなわち、抵抗率ρは、素電荷をｅ、キャリア濃度をｎ、移動度をμとした場合、以下の式（２）で表され、移動度μが小さくなると、抵抗率ρが大きくなる。 That is, the resistivity ρ is expressed by the following formula (2), where e is the elementary charge, n is the carrier concentration, and μ is the mobility, and the resistivity ρ increases as the mobility μ decreases.
ρ＝１／ｅｎμ・・・・・（２）
第１ｐ型クラッド層７の抵抗率ρが大きい場合、キャップ層６を厚み方向に流れる時の抵抗値に対して、第１ｐ型クラッド層７を横方向に流れる時の抵抗値の方が大きくなる。このため、キャップ層６上に形成された第１ｐ型クラッド層７中での電流の横方向への広がりを有効に抑制することができるので、電流狭窄を十分に行うことができる。その結果、電流密度の低下を抑制することによって、発振特性の劣化を抑制することができるので、しきい値電流を小さくすることができる。なお、Ｍｇ不純物の量が多くなると、キャリア濃度ｎも多くなる一方、窒化物系半導体では、キャリア濃度ｎの増加の割合に対して、正孔の移動度μの減少の割合の方が大きくなる特徴がある。このため、窒化物系半導体では、キャリア濃度ｎを増加させると、抵抗率ρが大きくなるという特徴がある。また、第１ｐ型クラッド層７を、キャップ層６上に形成するとともに、第１ｐ型クラッド層７のバンドギャップを第２ｐ型クラッド層８のバンドギャップよりも小さくすることによって、バンドギャップが小さい方が、キャリア濃度を容易に高くすることができるので、これによっても、第１ｐ型クラッド層７のキャリア濃度を、第２ｐ型クラッド層８のキャリア濃度より高くすることができる。このため、活性層４への正孔の供給をより増加することができるので、しきい値電流をより小さくすることができる。
ρ = 1 / enμ (2)
When the resistivity ρ of the first p-
また、本実施形態では、第２ｐ型クラッド層８を、第１ｐ型クラッド層７上に形成し、キャップ層６と第１ｐ型クラッド層７との中間のバンドギャップを有する材料からなるとともに、第１ｐ型クラッド層７よりも少ない量のＭｇ不純物濃度を含むように構成することによって、Ｍｇ不純物濃度による結晶歪みの導入を少なくすることができるので、結晶品質の劣化を抑制することができる。すなわち、バンドギャップが大きい層ほど、Ｍｇ不純物濃度による歪みが導入されやすいため、第２ｐ型クラッド層８のＭｇ不純物濃度を第１ｐ型クラッド層７のＭｇ不純物濃度と実質的に同程度とすると、第２ｐ型クラッド層８の結晶歪みが第１ｐ型クラッド層７に比べて大きくなり、第２ｐ型クラッド層８の結晶の劣化を招く。このため、結晶歪みの原因となるＭｇ不純物の濃度を第１ｐ型クラッド層７よりも少なくすることによって、第２ｐ型クラッド層８の結晶歪みを第１ｐ型クラッド層７の結晶歪みと実質的に同程度にすることができる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子の各層の結晶品質の劣化を抑制することができるので、電気抵抗を低減して動作電圧を低くすることができる。
In the present embodiment, the second p-
また、本実施形態では、活性層４とキャップ層６との間に形成され、活性層４と第１ｐ型クラッド層７との中間のバンドギャップを有するＧａＮからなる光ガイド層５を備えることによって、光ガイド層５の厚みを制御することにより、活性層４とキャップ層６との距離（図５のＡ）を制御することができるので、活性層４とキャップ層６との距離Ａによってレーザ光の広がり角を制御することができる。また、光ガイド層５と活性層４との間に、正孔に対して障壁となるバンドギャップの大きい層が存在しないので、光ガイド層５の抵抗率が小さい場合でも、光ガイド層５における電流の横方向への広がりを少なくすることができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、キャップ層６、第１ｐ型クラッド層７および第２ｐ型クラッド層８を、ＡｌＧａＮ層から構成することによって、キャップ層６、第１ｐ型クラッド層７および第２ｐ型クラッド層８のそれぞれのＡｌ組成比を変えることによって、キャップ層６、第１ｐ型クラッド層７および第２ｐ型クラッド層８のそれぞれのバンドギャップを容易に制御することができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、活性層４を、Ｉｎを含む材料（Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ）から構成することによって、Ｉｎを含む材料からなる窒化物系半導体層は、Ｉｎを含まない材料からなる窒化物系半導体層よりもバンドギャップが小さいので、Ｉｎを含む材料からなる活性層４のバンドギャップを、Ｉｎを含まない材料からなるキャップ層６、第１ｐ型クラッド層７および第２ｐ型クラッド層８のそれぞれのバンドギャップよりも容易に小さくすることができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、第１ｐ型クラッド層７のｐ型不純物をＭｇとすることによって、Ｍｇ量を増加させることにより、容易に第１ｐ型クラッド層７のキャリア濃度を増加させることができるので、活性層４への正孔の供給を容易に増加させることができる。また、Ｍｇを散乱源として機能させることができるので、正孔の移動度を容易に下げることができる。
In the present embodiment, since the p-type impurity of the first p-
また、本実施形態では、第１ｐ型クラッド層７のｐ型不純物濃度を、１×１０１９ｃｍ−３以上とすることによって、第１ｐ型クラッド層７の抵抗率を上昇させることができるので、第１ｐ型クラッド層７中での電流の横方向への広がりを有効に抑制することができる。また、第１ｐ型クラッド層７中のキャリア濃度を増加させることができるので、活性層４への正孔の供給を容易に増加させることができる。
In the present embodiment, the resistivity of the first p-
また、本実施形態では、第１ｐ型クラッド層７の膜厚を、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることによって、第１ｐ型クラッド層７の膜厚を５ｎｍ以上にすることによって、第１ｐ型クラッド層７の膜厚が５ｎｍよりも小さい場合と異なり、活性層４に正孔を十分に供給することができるので、しきい値電流を小さくすることができる。また、第１ｐ型クラッド層７の膜厚を２０ｎｍ以下にすることによって、第１ｐ型クラッド層７の膜厚が２０ｎｍよりも大きい場合と異なり、第１ｐ型クラッド層７でのレーザ光の吸収を抑制することができるので、しきい値電流を小さくすることができるとともに、抵抗率の増加を抑制することができる。これにより、窒化物系半導体レーザ素子の動作電圧を低くすることができる。
In the present embodiment, the first p-
また、本実施形態では、第１ｐ型クラッド層７のＡｌ組成比を、３％以上とすることによって、第１ｐ型クラッド層７に所定量のｐ型不純物を導入することにより、第１ｐ型クラッド層７の抵抗値を容易に上げることができるので、第１ｐ型クラッド層７中での電流の横方向への広がりを容易に抑制することができる。
In the present embodiment, by setting the Al composition ratio of the first p-
図８〜図１１は、図１に示した一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１〜図３および図８〜図１１参照して、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。 8 to 11 are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of the nitride-based semiconductor laser device according to the embodiment shown in FIG. Next, with reference to FIGS. 1-3 and FIGS. 8-11, the manufacturing process of the nitride-type semiconductor laser element by one Embodiment of this invention is demonstrated.
まず、図８に示すように、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、約０．３°のオフ角を有するｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型クラッド層３、活性層４、光ガイド層５、キャップ層６、第１ｐ型クラッド層７、第２ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９を順次成長させる。
First, as shown in FIG. 8, an n-
具体的には、約４００μｍの厚みを有するＯ（酸素）がドープされたＧａＮからなるｎ型ＧａＮ基板１を約１１５０℃の成長温度に保持した状態で、ＮＨ３雰囲気において、ｎ型不純物であるＳｉの原料であるＳｉＨ４（シラン）と、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）からなる原料ガスとを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）Ｇａ面上に、約０．２μｍ〜約１μｍの厚みを有するとともに、約１×１０１８ｃｍ−３のドーピング量を有するＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型ＧａＮ層２を成長させる。次に、ＮＨ３雰囲気において、ｎ型不純物であるＳｉの原料であるＳｉＨ４（シラン）と、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）からなる原料ガスとを用いて、ｎ型ＧａＮ層２上に、約１μｍ〜約２μｍの厚みを有するとともに、約３×１０１８ｃｍ−３のドーピング量を有するＳｉがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層３を成長させる。
Specifically, it is an n-type impurity in an NH 3 atmosphere in a state where an n-
その後、図２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１の温度を約８５０℃に保持した状態で、ＮＨ３雰囲気において、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）からなる原料ガスを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１上に、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる４つの障壁層４ａと、約３ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有するアンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる３つの井戸層４ｂとが交互に積層されたＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有する活性層４を成長させる。次に、図８に示すように、ＮＨ３雰囲気において、ＴＭＧａからなる原料ガスを用いて、活性層４上に、約３０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる光ガイド層５を成長させる。そして、ＮＨ３雰囲気において、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスを用いて、光ガイド層５上に、約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの厚みを有するアンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層６を成長させる。
Thereafter, as shown in FIG. 2, the n-
次に、ｎ型ＧａＮ基板１の温度を約１１５０℃に保持した状態で、ＮＨ３雰囲気において、ｐ型不純物であるＭｇの原料であるＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスを用いて、キャップ層６上に、約５ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有するｐ型不純物であるＭｇがドープされたＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎからなる第１ｐ型クラッド層７を成長させる。
Next, in a state where the temperature of the n-
ここで、本実施形態では、第１ｐ型クラッド層７にドープするｐ型不純物であるＭｇのドーピング量を、１×１０１９ｃｍ−３以上とする。
Here, in this embodiment, the doping amount of Mg, which is a p-type impurity doped into the first p-
続けて、第１ｐ型クラッド層７上に、約４００ｎｍ〜約６００ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる第２ｐ型クラッド層８を成長させる。この第２ｐ型クラッド層８にドープするｐ型不純物であるＭｇのドーピング量は、第１ｐ型クラッド層７にドープするｐ型不純物であるＭｇのドーピング量よりも少なくする。その後、ｎ型ＧａＮ基板１の温度を約８５０℃に保持した状態で、ＮＨ３雰囲気において、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスを用いて、第２ｐ型クラッド層８上に、約２ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有するアンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるコンタクト層９を成長させる。
Subsequently, a second p-
次に、図９に示すように、真空蒸着法を用いて、コンタクト層９上に、コンタクト層９側から、約２ｎｍの厚みを有するＰｔ層と、約１０ｎｍの厚みを有するＰｄ層とからなるｐ側電極１１を形成した後、ｐ側電極１１の上面上の所定領域にレジスト膜１５を形成する。そして、レジスト膜１５をマスクとして、ｐ側電極１１を、約１．４μｍの幅のストライプ状（細長状）の部分を残してエッチングにより除去する。その後、レジスト膜１５をマスクとして、塩素系ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を用いて、コンタクト層９および第２ｐ型クラッド層８の一部をエッチングする。これにより、図１０に示すように、コンタクト層９と第２ｐ型クラッド層８の凸部とからなるリッジ部１０が形成される。そして、レジスト膜１５（図９参照）を除去した後、プラズマＣＶＤ法を用いて、第２ｐ型クラッド層８の平坦部の上面上、リッジ部１０の側面上およびｐ側電極１１の上面上に、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの厚みを有する電流ブロック層として機能するＳｉＯ２からなる絶縁膜１２を形成するとともに、ｐ側電極１１の上面上の絶縁膜１２のみを除去する。
Next, as shown in FIG. 9, a Pt layer having a thickness of about 2 nm and a Pd layer having a thickness of about 10 nm are formed on the
この後、図１１に示すように、真空蒸着法を用いて、ｐ側電極１１および絶縁膜１２上に、下層から上層に向かって、約１０ｎｍの厚みを有するＴｉ層と、約５００ｎｍの厚みを有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極１３を形成する。そして、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側を研磨することにより、ｎ型ＧａＮ基板１の厚みを約１００μｍの厚みとする。その後、真空蒸着法を用いて、図１に示したように、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側から、約１０ｎｍの厚みを有するＴｉ層と、約２ｎｍの厚みを有するＰｔ層と、約５００ｎｍの厚みを有するＡｕ層とからなるｎ側電極１４を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 11, a Ti layer having a thickness of about 10 nm and a thickness of about 500 nm are formed on the p-
次に、図３に示したように、上記の方法により形成された窒化物系半導体レーザ素子を、リッジ部１０がストライプ状に延びる方向と垂直な方向に、約６００μｍの長さ（Ｌ１）で劈開する。そして、真空蒸着法を用いて、レーザ光を出射する劈開面に、約３０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる低反射率膜１６を形成する。また、真空蒸着法を用いて、レーザ光を出射する劈開面と反対側の劈開面に、ＳｉＯ２からなる５つの膜１７ａと、ＴｉＯ２からなる５つの膜１７ｂとを交互に積層することにより、約０．６μｍの厚み（Ｌ２）を有する多層膜からなる高反射率膜１７を形成する。これにより、レーザ光を出射する劈開面における反射率は１０％、レーザ光を出射する劈開面と反対側の劈開面における反射率は９５％となるように形成される。このようにして、図１に示した本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
Next, as shown in FIG. 3, the nitride-based semiconductor laser device formed by the above method has a length (L1) of about 600 μm in a direction perpendicular to the direction in which the
上記の製造プロセスにより実際に本実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を作製して、特性を測定した。その結果、しきい値電流（Ｉｔｈ）が約２５ｍＡ、電流−光出力特性の傾きに当たるスロープ効率（ＳＥ）が約１．８Ｗ／Ａ、５０ｍＷ出射時の動作電流（Ｉｏｐ）が約５４ｍＡ、その時の動作電圧（Ｖｏｐ）が約４．４Ｖという良好な結果が得られた。 The nitride semiconductor laser device according to the present embodiment was actually manufactured by the above manufacturing process, and the characteristics were measured. As a result, the threshold current (I th ) is about 25 mA, the slope efficiency (SE) corresponding to the slope of the current-light output characteristic is about 1.8 W / A, the operating current (I op ) when emitting 50 mW is about 54 mA, A good result was obtained that the operating voltage (V op ) at that time was about 4.4V.
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiment but by the scope of claims for patent, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent are included.
たとえば、上記実施形態では、ｎ型クラッド層とキャップ層との間に、本発明の第２アンドープ層の一例としての光ガイド層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型クラッド層とキャップ層との間以外に光ガイド層を形成してもよい。また、光ガイド層を形成することなく、窒化物系半導体レーザ素子を形成してもよい。 For example, in the above embodiment, an example in which the light guide layer as an example of the second undoped layer of the present invention is formed between the n-type clad layer and the cap layer is shown, but the present invention is not limited to this, A light guide layer may be formed other than between the n-type cladding layer and the cap layer. Further, a nitride semiconductor laser element may be formed without forming the light guide layer.
また、上記実施形態では、光ガイド層をＧａＮで形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、光ガイド層をＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮなどで形成するようにしてもよい。 In the above embodiment, an example in which the light guide layer is formed of GaN has been described. However, the present invention is not limited to this, and the light guide layer may be formed of InGaN, AlGaN, AlInGaN, or the like.
また、上記実施形態では、ＡｌＧａＮからなる第１ｐ型クラッド層および第２ｐ型クラッド層にドープする不純物としてＭｇを用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、Ｍｇ以外のｐ型不純物を第１ｐ型クラッド層および第２ｐ型クラッド層にドープするようにしてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the example which used Mg as an impurity doped to the 1st p-type clad layer and 2nd p-type clad layer which consist of AlGaN was shown, this invention is not limited to this, p-type impurities other than Mg May be doped into the first p-type cladding layer and the second p-type cladding layer.
また、上記実施形態では、第１ｐ型クラッド層の膜厚を、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とした例を示したが、本発明はこれに限らず、第１ｐ型クラッド層の膜厚を、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲外の膜厚としてもよい。 In the above embodiment, the example in which the film thickness of the first p-type cladding layer is 5 nm or more and 20 nm or less is shown. However, the present invention is not limited to this, and the film thickness of the first p-type cladding layer is 5 nm or more and 20 nm. It is good also as a film thickness outside the following ranges.
また、上記実施形態では、キャップ層、第１ｐ型クラッド層および第２ｐ型クラッド層をＡｌＧａＮとする例を示したが、本発明はこれに限らず、キャップ層、第１ｐ型クラッド層および第２ｐ型クラッド層をＡｌＧａＮ以外の窒化物系半導体から構成するようにしてもよい。 In the above embodiment, the cap layer, the first p-type cladding layer, and the second p-type cladding layer are made of AlGaN. However, the present invention is not limited to this, and the cap layer, the first p-type cladding layer, and the second p-type cladding layer are used. The mold cladding layer may be made of a nitride-based semiconductor other than AlGaN.
１ ｎ型ＧａＮ基板
２ ｎ型ＧａＮ層
３ ｎ型クラッド層
４ 活性層
５ 光ガイド層（第２アンドープ層）
６ キャップ層（第１アンドープ層）
７ 第１ｐ型クラッド層（第１ｐ型層）
８ 第２ｐ型クラッド層（第２ｐ型層）
９ コンタクト層
１０ リッジ部
１１ ｐ側電極
１２ 絶縁膜
１３ ｐ側パッド電極
１４ ｎ側電極
１６ 低反射率膜
１７ 高反射率膜
1 n-type GaN substrate 2 n-type GaN layer 3 n-
6 Cap layer (first undoped layer)
7 First p-type cladding layer (first p-type layer)
8 Second p-type cladding layer (second p-type layer)
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記活性層上に形成され、前記活性層よりもバンドギャップの大きい窒化物系半導体材料からなる第１アンドープ層と、
前記第１アンドープ層上に形成され、前記活性層と前記第１アンドープ層との中間のバンドギャップを有する窒化物系半導体材料からなるとともに、ｐ型不純物を含む第１ｐ型層と、
前記第１ｐ型層上に形成され、前記第１アンドープ層と前記第１ｐ型層との中間のバンドギャップを有する窒化物系半導体材料からなるとともに、前記第１ｐ型層よりも少ない量のｐ型不純物を含む第２ｐ型層とを備えた、窒化物系半導体レーザ素子。 An active layer made of a nitride-based semiconductor;
A first undoped layer made of a nitride-based semiconductor material formed on the active layer and having a larger band gap than the active layer;
A first p-type layer formed on the first undoped layer, made of a nitride-based semiconductor material having an intermediate band gap between the active layer and the first undoped layer, and containing a p-type impurity;
A nitride-based semiconductor material formed on the first p-type layer and having an intermediate band gap between the first undoped layer and the first p-type layer and having a smaller amount of p-type than the first p-type layer A nitride-based semiconductor laser device comprising a second p-type layer containing an impurity.
11. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the mobility of holes in the first p-type layer is smaller than the mobility of holes in the second p-type layer.
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