JP3593952B2

JP3593952B2 - Nitride semiconductor laser device

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Publication number: JP3593952B2
Application number: JP2000158368A
Authority: JP
Inventors: 修二中村; 成人岩佐; 慎一長濱
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: JP2001007444A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_ａ’Ａｌ_ｂ’Ｇａ_{１−ａ’−ｂ’}Ｎ、０≦ａ’、０≦ｂ’、ａ’＋ｂ’≦１）よりなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外〜赤色に発振可能なレーザ素子の材料として窒化物半導体（Ｉｎ_ａ’Ａｌ_ｂ’Ｇａ_{１−ａ’−ｂ’}Ｎ、０≦ａ’、０≦ｂ’、ａ’＋ｂ’≦１）が知られている。我々はこの半導体材料を用いて、１９９３年１１月に光度１ｃｄの青色ＬＥＤを発表し、１９９４年４月に光度２ｃｄの青緑色ＬＥＤを発表し、１９９４年１０月には光度２ｃｄの青色ＬＥＤを発表した。これらのＬＥＤは全て製品化されて、現在ディスプレイ、信号等の実用に供されている。
【０００３】
図１に現在の青色、青緑色ＬＥＤの発光チップの構造を示す。基本的にはサファイア基板１１の上にｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層１３と、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる活性層１４と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層１５と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１６とが順に積層された構造を有している。なおサファイア基板１１とｎ型コンタクト層１２との間にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＮよりなるバッファ層が形成されているがこの図では特に図示していない。活性層１４のｎ型ＩｎＧａＮはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントおよび／またはＺｎ、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがドープされており、ＬＥＤ素子の発光波長は、その活性層のＩｎＧａＮのＩｎ組成比を変更するか、または活性層にドープする不純物の種類を変更することで、紫外〜赤色まで変化させることが可能となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようにダブルへテロ構造で発光するＬＥＤが実現された現在、次の課題はは窒化物半導体を用いた短波長レーザ素子の実現にある。しかしながら窒化物半導体は未だレーザ発振するには至っていない。
【０００５】
従って本発明はその課題を解決するために成されたものであって、その目的とするところは窒化物半導体を用いたレーザ素子を実現することにあり、特に紫外〜緑色領域で発振する短波長レーザを実現するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
我々は、まず第一にダブルへテロ構造となるように積層された窒化物半導体中の所定の位置に活性層の発光を閉じこめられる光反射膜を形成し、第二に活性層の結晶性を良くすることにより上記問題が解決できることを新規に見いだし本発明を成すに至った。即ち本発明の第１の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、少なくともｎ型コンタクト層を介して形成されたｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記ｎ型クラッド層と前記ｎ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成してもよい。
【０００９】
本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成してもよい。
【００１０】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなる第２のｎ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体よりなる第１のｎ型クラッド層と、その第１のｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記第１のｎ型クラッド層と前記第２のｎ型クラッド層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第１のｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００１３】
本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第２のｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【００１４】
また、本発明はｐ型クラッド層の外側に、互いに組成の異なる２種類のｐ型窒化物半導体層が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備えることを特徴とする。
ここで、本明細書において、外側とは活性層が形成されているクラッド層の反対側を意味するものであって、必ずしもクラッド層に接している必要はない。
すなわち、本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００１７】
本発明に係る第３の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【００１８】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子は、少なくともｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなる第１のｐ型クラッド層と、第２のｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１のｐ型クラッド層と前記第２のｐ型クラッド層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第１のｐ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなる層で構成することができる。
【００２１】
本発明に係る第４の窒化物半導体レーザ素子においては、前記第２のｐ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなる層で構成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図を図２に示す。１はサファイア基板、２は基板と窒化物半導体層との格子不整号を緩和するバッファ層、３は負電極を形成するｎ型コンタクト層、４は第二のｎ型クラッド層、５は第一のｎ型クラッド層、６は活性層、７は第一のｐ型クラッド層、８は第二のｐ型クラッド層、９は正電極を形成するｐ型コンタクト層をそれぞれ示している。さらに活性層６からの発光が基板１側に広がらないように、この図では第一のｎ型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との間に、活性層６の光を反射するｎ型多層膜４４を形成している。しかもｎ型多層膜４４の形成位置は最も基板１側に近いエッチング面の水平面（図２では負電極が形成されるｎ型コンタクト層３のエッチング面の水平面としている。）よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成されている。ｎ型多層膜４４は互いに組成の異なる窒化物半導体、つまり互いに屈折率の異なる２種類の窒化物半導体が、例えばλ／４ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）で交互に２層以上積層されて、活性層６の発光波長をｎ型多層膜４４で反射して活性層６中に閉じこめる作用を有している。
【００２３】
また、図３は本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号は図２と同一部材を示している。図３では、ｎ型コンタクト層３と第二のｎ型クラッド層４との間にｎ型多層膜４４が形成され、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層９との間に互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体を交互に積層したｐ型の多層膜５５が形成されている。図３のように光反射膜となるｐ型の多層膜５５をｐ型層中にも形成すると、ｎ型多層膜４４をｎ型層中に形成した時よりもさらに効率的に活性層の光り閉じこめができるので、容易にレーザ発振しやすくなる。また図３も同様にｎ型多層膜４４の形成位置は負電極が形成されるｎ型コンタクト層３のエッチング面の水平面、つまり最も基板１側に近いエッチング面の水平面よりもｐ型層側に近い位置に形成されている。
【００２４】
また、図４は本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、同一符号は図２および図３と同一部材を示している。図４では、第一のｎ型クラッド層５と第二のｎ型クラッド層４との間にｎ型多層膜４４が形成され、第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８との間にｐ型の多層膜層５５が形成されている。
【００２５】
また、図６も本願の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であるが、この図が他の本発明のレーザ素子の構造と異なる点は、ｐ層側からのエッチングを深くして、エッチング面の水平面のｐ型コンタクト層の深さが負電極の形成面よりも基板側にあるところである。ｎ型多層膜４４の位置が、最も基板側に近いエッチング面の水平面（Ａ面）よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成されていることを示している。ｎ型多層膜４４の位置の作用については後に詳しく述べる。
【００２６】
このようにｎ型の多層膜４４は、第一のｎ型クラッド層５、第二のｎ型クラッド層４の間、第二のｎ型クラッド層４とｎ型コンタクト層３との間、またはｎ型コンタクト層内部（内部については実施例で説明する。）の内のいずれか一ヶ所に形成可能であり、またｐ型多層膜５５を形成する場合には、請求項７にも記載のように第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８との間、第二のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層９との間、またはｐ型コンタクト層内部の内のいずれか一ヶ所に形成可能である。
【００２７】
次に前記ｎ型多層膜４４、ｐ型多層膜５５を構成する２種類の窒化物半導体は、少なくとも一方がインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮ｛例えばＩｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０≦ｃ＜１）｝であることが好ましい。なぜなら単一層を積層して多層膜とする場合、その単一層の一方にＩｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ、ＧａＮを形成することにより、ＧａＮ、Ｉｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ層がバッファ層のような作用をして、もう一方の単一層にクラックが入るのを防止することができるからである。これはＩｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ層、ＧａＮ層の結晶がＡｌＧａＮに比べて柔らかいことによるものである。これに対し多層膜を例えば互いにＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮ層で、例えば総膜厚０．５μｍ以上となるように多層形成すると、多層膜中にクラックが入り、素子作製が困難となる。
【００２８】
多層膜を構成する２種類の窒化物半導体の好ましい組み合わせは、一方が前記のようにＩｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ若しくはＧａＮよりなり、もう一方がアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体｛例えば、Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０＜ｄ＜１）｝で構成することが最良である。なぜなら、Ｉｎ_ｃＧａ_１−ｃＮとＡｌ_ｄＧａ_１−ｄＮとは屈折率の差が大きいのでこれらの材料で多層膜を構成することにより、発光波長に応じて反射率の大きい多層膜の設計が可能であるからである。また、Ｉｎ_ｃＧａ_１−ｃＮがバッファ層の作用をしているため、もう一方のＡｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ層にクラックが入ることなく１０層以上積層可能となる。なお、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮの屈折率はそれぞれ、２．９、２．５、２．１５である。これらの混晶の屈折率はベガードの法則に従うと仮定し、組成に比例するとして求めることができる。
【００２９】
ここで、Ｉｎ_ｃＧａ_１−ｃＮのｃ値は０．５以下、好ましくは０．３以下、最も好ましくは０．２以下に調整することが望ましい。なぜなら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、ＩｎＧａＮの結晶性が悪くなるからである。またＡｌ_ｄＧａ_１−ｄＮのｄ値は０．６以下、さらに好ましくは０．４以下にすることが望ましい。０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にクラックが発生しやすいからである。
【００３０】
次に、レーザ素子を実現するために結晶性に優れた活性層が得られる素子構造について図面を元に説明する。
【００３１】
活性層６｛例えば、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）｝はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンドープ（無添加）とすることにより強いバンド間発光が得られ発光波長の半値幅が狭くなり、レーザ素子を実現する上で特に好ましい。特に好ましく活性層は単一量子井戸（ＳＱＷ：ｓｉｎｇｌｅｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ）構造若しくは多重量子井戸（ＭＱＷ：ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ）構造とすると非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層を単一組成のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）で構成した層であり、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮの膜厚を１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。またＭＱＷは組成比の異なるＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（この場合Ｘ＝０、Ｘ＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることにより量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように７０オングストローム以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮで構成し、障壁層は同じくＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（Ｙ＜Ｘ、この場合Ｙ＝０を含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚は１５０オングストローム以下、さらに好ましくは１２０オングストローム以下にすると高出力な発光素子が得られる。また、活性層６にｎ型ドーパントおよび／またはｐ型ドーパントをドープしてもよい。ｎ型ドーパントをドープするとノンドープのものに比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができる。ｐ型ドーパントをドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低エネルギー側にピーク波長を持っていくことができるが、半値幅は広くなりレーザ発振が難しくなる傾向にある。また、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントを同時にドープすると、前述したｐ型ドーパントのみドープした活性層の発光強度をさらに大きくすることができるが半値幅がやはり大きいのでレーザ発振が難しくなる傾向にある。結晶性のよい活性層を成長させてレーザ素子とするには、前記のようにノンドープで単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造とすることが最も好ましい。
【００３２】
活性層６は必ず活性層６よりもバンドギャップの大きいクラッド層で挟まれる必要がある。図２では活性層６の第一の主面側に接して第一のｎ型クラッド層５を形成し、活性層６の第二の主面側に接して第一のｐ型クラッド層７を形成している。第一のｎ型クラッド層５、および第二のｐ型クラッド層７の半導体材料は活性層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体であればどのような組成でも良いが、特に好ましくは、第一のｎ型クラッド層５をインジウムとガリウムを含む窒化物半導体、またはＧａＮ｛例えば、ｎ型Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１）｝で形成し、第一のｐ型クラッド層７を同じくインジウムとガリウムを含む窒化物半導体、またはＧａＮ｛例えば、ｎ型Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１）｝で形成する。但し、第一のｎ型クラッド層５と第一のｐ型クラッド層をＩｎＧａＮで形成する場合にはいずれかのクラッド層を省略することも可能であるが、特に好ましくは図２に示すように、活性層６の両面に形成する。インジウムを含む第一のｎ型クラッド層５、および第二のｐ型クラッド層７は結晶が柔らかいので、これらのクラッド層がクッションのようなバッファ層の作用をして、これらのクラッド層の外側に、第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層９等を形成した際に、これらの層（３、４、８、９）中にクラックが入るのを防止することができる。バッファ層として作用するＩｎＧａＮクラッド層の膜厚の好ましい範囲は、活性層６と第一のｎ型クラッド層５、活性層６と第一のｐ型クラッド層７、第一のｎ型クラッド層５と活性層６と第一のｐ型クラッド層７の組み合わせにおいて、その組み合わせたＩｎＧａＮ層の総膜厚を３００オングストローム以上にすることが好ましい。また、レーザ素子とした場合には第一のｎ型クラッド層５を省略すれば、第二のｎ型クラッド層４が第一のｎ型クラッド層５として作用し、また第一のｐ型クラッド層７を省略すれば、同じく第二のｐ型クラッド層８が第一のｐ型クラッド層７として作用する。
【００３３】
以上、ＩｎＧａＮよりなる第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第一のｐ型クラッド層７について説明したが、これらのＩｎＧａＮのＩｎ組成比、つまりＸ値、Ｙ値、Ｚ値は０．５以下、好ましくは０．３以下、最も好ましくは０．２以下に調整することが望ましい。なぜなら、インジウムのモル比が大きくなるに従って、ＩｎＧａＮの結晶性が悪くなり発光出力が低下する傾向にあるからである。さらに、前記Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ、Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮとは、その式中においてＩｎＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａの一部を微量のＡｌで置換したＩｎＡｌＧａＮも前記式中に含まれるものとする。例えばＩｎ_ａ’Ａｌ_ｂ’Ｇａ_{１−ａ’−ｂ’}Ｎ式中でｂ’値が０．１以下であれば第一のｎ型クラッド層、活性層、第二のｐ型クラッド層の効果は変わることがない。ただ、Ａｌを含有させると結晶が硬くなる傾向にあるので四元混晶の窒化物半導体よりも、Ａｌを含まない三元混晶のＩｎＧａＮのみで活性層６、第一のｎ型クラッド層５、第一のｐ型クラッド層７を構成するのがレーザ発振しやすくなり最も良い。
【００３４】
次に、第一のｎ型クラッド層５の外側に接して形成する第二のｎ型クラッド層４は、アルミニウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体｛例えば、ｎ型Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）｝で形成することが好ましく、また第一のｐ型クラッド層７の外側に接して形成する第二のｐ型クラッド層は、同じくアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体｛例えば、ｐ型Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ＜１）｝で形成することが好ましい。ここで、第二のｎ型クラッド層４と第二のｐ型クラッド層７をＡｌＧａＮで形成する場合にはいずれかのクラッド層を省略することも可能であるが、特に好ましくは図２に示すように第一のｎ型クラッド層３に接して第二のｎ型クラッド層４を形成すると共に、第一のｐ型クラッド層７に接して第二のｐ型クラッド層８を両方形成する。但し、第二のｎ型クラッド層４と第一のｎ型クラッド層５とを同時に省略したり、また第一のｐ型クラッド層７と第二のｐ型クラッド層８を同時に省略するとレーザ発振することは困難である。
【００３５】
また、第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８は１０オングストローム〜０．５μｍの膜厚で形成することが望ましい。さらにＡｌＧａＮのＡｌ混晶比、つまりａ値、ｂ値は０．６以下、さらに好ましくは０．４以下にする事が望ましい。なぜならＡｌＧａＮは結晶が硬く、０．６より大きいとＡｌＧａＮ層にクラックが発生しやすいからである。これは前記ＩｎＧａＮによるバッファ層が作用しても０．６よりも大きいとクラックが極端に発生しやすくなる。
【００３６】
また、前記Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮとは、その式中においてＡｌＧａＮの効果を変化させない範囲でＧａの一部を微量のＩｎで置換したＩｎＡｌＧａＮも前記式中に含まれるものとする。例えばＩｎ_ａ’Ａｌ_ｂ’Ｇａ_{１−ａ’−ｂ’}Ｎ式中でａ’値が０．１以下であればＡｌＧａＮの効果はほとんど変わることがない。但し、微量のＩｎを含有させるとバンドギャップが小さくなるので、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第二のｐ型クラッド層７よりもバンドギャップを大きくしなければならない。また、Ｉｎを含有させると結晶性が悪くなり発光出力が低下する傾向にあるので、四元混晶の窒化物半導体よりも、Ｉｎを含まない三元混晶のＡｌＧａＮのみで第二のｎ型クラッド層４、第二のｐ型クラッド層８を構成するのが発光出力が大きくなり最も好ましい。このように、Ａｌを含む層を第二のｎ型クラッド層４、および前記第二のｐ型クラッド層８とすることにより、活性層６、第一のｎ型クラッド層５、第一のｐ型クラッド層７とのバンドオフセットを大きくできるので発光効率を上げることができる。
【００３７】
活性層６と第一のクラッド層５、７の好ましい組み合わせは、第一のｎ型クラッド層をＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ、活性層をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ、第一のｐ型クラッド層をＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮで形成することである。但し、前記組み合わせにおいて、バンドギャップの関係からＹ＜Ｘ、Ｚ＜Ｘを満たしていることはいうまでもない。活性層はｎ型若しくはノンドープの方がバンド間発光による半値幅の狭い発光が得られるので好ましい。
【００３８】
さらに最も好ましい組み合わせとして、第二のｎ型クラッド層をＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ、第一のｎ型クラッド層をＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ、活性層をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ、第一のｐ型クラッド層をＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ、第二のｐ型クラッド層をＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮで形成することを推奨する。この組み合わせによると最も結晶性に優れた窒化物半導体を積層したダブルへテロ構造となり、レーザ発振が可能となる。
【００３９】
次に、ｎ型コンタクト層３は望ましくは図２に示すように、第二のｎ型クラッド層４に接してｎ型コンタクト層３を形成し、第二のｐ型クラッド層８に接してｐ型コンタクト層９を形成することが最も良い。また、ｎ型コンタクト層３は、第二のｎ型クラッド層４、若しくは第一のｎ型クラッド層５のいずれかに形成可能であり、ｐ型コンタクト層９は第二のｐ型クラッド層８、若しくは第一のｐ型クラッド層７のいずれかにも形成可能である。つまり、第二のｎ型クラッド層４を省略すれば、第一のｎ型クラッド層５に接して形成することができ、ｐ型コンタクト層９も同様に第二のｐ型クラッド層８を省略すれば第一のｐ型クラッド層７に接して形成することができる。
【００４０】
さらにまた、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層９の半導体はＡｌ、Ｉｎを含まないＧａＮとする必要がある。コンタクト層は電極を形成する層であるので、結晶性が良く、キャリア濃度が大きい層を形成すれば電極材料とオーミックが得られやすくなる。そのためにはＧａＮが最も好ましい。また、ｎ型コンタクト層３とオーミックが得られやすい電極材料としてはＴｉとＡｌを含む金属が好ましく、ｐ型コンタクト層９とオーミックが得られやすい電極材料にはＮｉとＡｕを含む金属が好ましい。このように電極を形成すべき層としてＧａＮよりなるコンタクト層を形成すると、低いしきい値電圧でレーザ発振可能となる。
【００４１】
次に、本発明のレーザ素子の具体的な構造を挙げると、利得導波型ストライプ型レーザとしては、電極ストライプ型、メサストライプ型、ヘテロアイソレーション型等を挙げることができる。またその他、作りつけ導波機構をもつストライプ型レーザとして、埋め込みヘテロ型、ＣＳＰ型、リブガイド型等を挙げることができる。これらの構造のレーザ素子に導波路として通常数μｍから２０μｍ程度の幅の電極を最上層に形成し、このストライプに沿って発振を起こさせる。発振するための光共振面となる誘電体多層膜は、このストライプに垂直な方向の窒化物半導体層表面に形成される。
【００４２】
以上、レーザ素子の構造について説明したが、次に製造方法について簡単に説明する。窒化物半導体よりなるレーザ素子を製造するには、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の気相成長法を用いて、基板上にＩｎ_ａ’Ａｌ_ｂ’Ｇａ_{１−ａ’−ｂ’}Ｎ（０≦ａ’、０≦ｂ’、ａ’＋ｂ’≦１）をｎ型、ｐ型等の導電型でダブルへテロ構造になるように積層することによって得られる。基板１には例えばサファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣも含む）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル等が使用でき、図２ではサファイア基板を示している。ｎ型の窒化物半導体はノンドープの状態でも得られるが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントを結晶成長中に半導体層中に導入することによって得られる。またｐ型の窒化物半導体層はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃ等のｐ型ドーパントを同じく結晶成長中に半導体層中に導入するか、または導入後４００℃以上でアニーリングを行うことにより得られる。バッファ層２は基板１と窒化物半導体との格子不整号を緩和するために設けられ、例えばＭＯＶＰＥ法では５００℃前後の低温でＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等が形成されることが多い。またＳｉＣ、ＺｎＯのような窒化物半導体と格子定数の近い基板を使用する際にはバッファ層が形成されないこともある。
【００４３】
（作用）
従来、窒化物半導体を用いてレーザ素子を実現する場合、活性層への光閉じこめはクラッド層と活性層との屈折率差の反射によって行われていた。しかしながら屈折率差は非常に少なく、多くても０．５以下である。このためほとんどの光はクラッド層を透過して広がってしまう。ｐ型クラッド層を透過して広がった光は最終的には空気層に出るが、空気の屈折率は１であり、ｐ型コンタクト層ＧａＮの屈折率は２．５である。ここでの屈折率差は大きく、かなりの光は反射され活性層側に戻るので光の閉じこめ効果が大きい。半導体層の水平方向についても同様のことがいえる。しかし、ｎ型クラッド層を透過した光は、ｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層との屈折率が小さく、界面で反射されずに、ｎ型コンタクト層中に容易に拡散して行くので、光閉じこめ効果は少ない。従って活性層の発光が基板側に洩れていってしまいレーザ発振は起こらなかった。
【００４４】
一方、本発明では、活性層よりも基板側のｎ型層中に光反射する多層膜を窒化物半導体で形成しているので、活性層の発光を活性層側に反射して活性層に閉じこめることが可能となる。多層膜の反射率は膜厚を制御して例えば５ペア以上積めば反射率は約８０％〜９９％となり非常に高い反射率が得られ、活性層への光閉じこめ効果は非常に大きいものがある。このため、活性層よりも上のｐ層側にも多層膜を挿入した方が光閉じこめ効果が大きくなることはいうまでもない。
【００４５】
しかも、本発明は同一面側から正、負一対の電極と取り出す、いわゆるフリップチップ方式である。この場合、図２、図３、図４、図６に示すようにｎ型層側に形成するｎ型多層膜４４は、最も基板側に近いエッチング面の水平面よりもｐ型窒化物半導体層に近い位置に形成する必要がある。なぜなら、ｎ型多層膜４４を基板側に最も近いエッチング面の水平面よりも基板１側に形成すると、第二のｎ型クラッド層４とｎ型コンタクト層３との屈折率差が小さいので、活性層６の発光が活性層６よりも下のｎ型コンタクト層３中で広がってしまい、光閉じこめができないからである。逆に基板側に最も近いエッチング面よりも高い位置、つまりｐ型層に近い位置にｎ型多層膜を形成すると、光はｎ型コンタクト層中に拡散されず活性層にほとんどの光が反射されて閉じこめ可能となる。これは同一面側から正、負の電極を取り出すフリップチップ方式の窒化物半導体レーザ特有の作用である。
【００４６】
次に特に好ましい本発明のレーザ素子の構造について述べる。従来の窒化物半導体のＬＥＤ素子はＩｎＧａＮよりなる活性層をＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟んだ構造を有していた。一方、本発明ではこのＩｎＧａＮよりなる活性層を、その活性層よりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＮで挟むことにより発光出力が飛躍的に向上し、レーザ発振が可能となることを見いだした。これは新たなＩｎＧａＮクラッド層がＩｎＧａＮ発光層とＡｌＧａＮクラッド層との間のバッファ層として働いているからである。ＩｎＧａＮは結晶の性質として柔らかい性質を有しており、ＡｌＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮとの格子定数不整と熱膨張係数差によって生じる結晶欠陥を吸収する働きがあると考えられる。このため新たに形成したＩｎＧａＮクラッド層が、これら結晶欠陥を吸収してＩｎＧａＮ発光層の結晶欠陥が大幅に減少するので、ＩｎＧａＮ発光層の結晶性が飛躍的に良くなり、常温でレーザ発振可能となる。
【００４７】
一方、従来のＩｎＧａＮ発光層をＡｌＧａＮクラッド層を挟んだ構造では、例えばＩｎＧａＮ発光層の厚さを２００オングストローム未満にすると、ＡｌＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮ発光層とにクラックが多数生じる。これはＡｌＧａＮクラッド層が結晶の性質上、非常に硬い性質を有しており、薄い膜厚のＩｎＧａＮ発光層のみではＡｌＧａＮクラッド層との界面から生じる格子不整合と、熱膨張係数差から生じる歪をＩｎＧａＮ発光層で弾性的に緩和できないことを示している。このためＩｎＧａＮ発光層、ＡｌＧａＮクラッド層にクラックが生じ、また結晶欠陥が発光層に多数生じるので、出力の大幅な向上が望めないのである。
【００４８】
【実施例】
以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。以下の実施例はＭＯＶＰＥ法による成長方法を示している。
【００４９】
［実施例１］
図２を元に実施例１について説明する。まずＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ_３とを用い、反応容器にセットしたサファイア基板１のＣ面に５００℃でＧａＮよりなるバッファ層２を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５０】
次に温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧ、ＮＨ_３に加えＳｉＨ_４ガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５１】
続いて、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を加え、同じく１０５０℃でＳｉドープｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ層よりなる第二のｎ型クラッド層４を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５２】
次に温度を８００℃に下げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ_３、ＳｉＨ４を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９５Ｎよりなる薄膜を３８０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて温度を１０５０℃に上げＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．９Ｎよりなる薄膜を３９０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を２０回繰り返し、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９５Ｎ層とＳｉドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．９Ｎ層を交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００５３】
次に温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を用い、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５４】
続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を用い８００℃でノンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる活性層６を３０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５５】
続いてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３に加え新たにＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い８００℃でＭｇドープｐ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５６】
次に温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５７】
続いて１０５０℃でＴＭＧ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００５８】
反応終了後、温度を室温まで下げてウェーハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハのアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。次に最上層のｐ型コンタクト層９の表面に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型コンタクト層３の表面が露出するまでエッチングする。
【００５９】
次に、ｎ型コンタクト層３に５０μｍの幅でＴｉとＡｌを含む負電極、ｐ型コンタクト層９に１０μｍの幅でＮｉとＡｕを含む正電極をそれぞれ形成する。このように第二のｎ型クラッド層４の表面にｎ型多層膜４４を形成すると、ｎ型コンタクト層３までエッチングするので、自然に負電極を形成する水平面がｎ型多層膜４４よりも下、つまり図２に示すように基板側となる。
【００６０】
次に、窒化物半導体層を形成していない方のサファイア基板面を研磨して基板の厚さを９０μｍにし、サファイア基板表面のＭ面（六方晶系において六角柱の側面に相当する面）をスクライブした。スクライブ後、ウェーハを７００μｍ角のチップに分割し、図５に示すようなストライプ型のレーザチップを作製した。なお図５は本実施例によるレーザ素子の斜視図を示しており、ストライプ状の正電極と直交した窒化物半導体層面を光共振面としている。またこのレーザ素子は電極を除いた表面をＳｉＯ_２よりなる絶縁膜で被覆しているが、図２および図５では絶縁膜は特に図示していない。
【００６１】
このチップ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ドした後、常温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６２】
［実施例２］
図３を元に実施例２を説明する。これも実施例１と同様にして、サファイア基板１の上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層３を成長させる。コンタクト層３成長後、実施例１と同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９５Ｎ層とＳｉドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．９Ｎ層を交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００６３】
次にｎ型多層膜４４の上に、同様にしてＳｉドープｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなる第二のｎ型クラッド層４と、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８を順に成長させて積層する。
【００６４】
次に、温度を８００℃にしてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９５Ｎ層を３８０オングストローム成長させ、続いて温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇガスを用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．９Ｎ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成する。
【００６５】
ｐ型多層膜５５形成後、そのｐ型多層膜５５の表面にＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を成長させたウェーハを作製する。
【００６６】
このウェーハを同様にしてエッチングを行った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００６７】
［実施例３］
次に、図３を元に実施例３を説明する。これも実施例１と同様にして、サファイア基板１の上にＧａＮバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層３、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなる第二のクラッド層４を成長させる。
【００６８】
第二のクラッド層４、続いて温度を１０５０℃に維持し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。
【００６９】
次にｎ型多層膜４４の上に、同様にしてＳｉドープｎ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎよりなる第一のｎ型クラッド層５、ノンドープｎ型Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる活性層６、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層７を順に成長させて積層する。
【００７０】
次に温度を１０５０℃にして、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＭｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｐ型多層膜５５を形成する。
【００７１】
ｐ型多層膜５５形成後、同様にしてＭｇドープｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層８と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を成長させたウェーハを作製する。
【００７２】
このウェーハを同様にしてエッチングを行った後、電極を形成して図５に示すようなチップにした後、同様のレーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．０ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７３】
［実施例４］
実施例１と同様にしてサファイア基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層を成長させる。バッファ層成長後、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００７４】
次にｎ型コンタクト層３成長後、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層を４００オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を３９０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ交互に１０層づつ積層したｎ型多層膜４４を形成する。但し、最後のＳｉドープｎ型ＧａＮ層は１μｍの膜厚で成長させる。このようにしてｎ型コンタクト層３の内部にｎ型多層膜４４を形成する。
【００７５】
後は、実施例１と同様にして第二のｎ型クラッド層４、第一のｎ型クラッド層５、活性層６、第一のｐ型クラッド層７、第二のｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９を順に積層したウェーハを作製する。
【００７６】
このウェーハを同様にしてエッチングを行うのであるが、エッチング深さを深くして、最初に形成した４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングを行う。後は同様に電極を形成して図５に示すようなチップにした後、レーザ素子としたところ、同じくしきい値電流密度１．５ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７７】
［実施例５］
第一のｎ型クラッド層５を形成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製したところ、しきい値電流密度２ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７８】
［実施例６］
第一のｐ型クラッド層７を形成しない他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製したところ、しきい値電流密度１．５ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００７９】
［実施例７］
実施例１において、活性層６を成長させる際、ノンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる井戸層を２５オングストローム、その上に同じく８００℃にて、ノンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を１３回繰り返し、最後に井戸層を積層して総厚１０００オングストロームの活性層６を成長させた。後は実施例１と同様にしてレーザ素子としたところ、同じく、しきい値電流密度１．５ｋＡ／ｃｍ^２で発振波長３９０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ素子は活性層の発光を反射する多層膜層を備えているため、発光を基板側に逃がさず効率的に活性層の光閉じ込めを行うことができる。従って、例えばストライプ型のレーザを作製した場合には容易にレーザ発振可能となる。
【００８１】
さらに、本発明の好ましい態様として、ＩｎＧａＮよりなる活性層のいずれかの主面側にＩｎＧａＮのクラッド層を形成すると、活性層の結晶性、およびＡｌＧａＮクラッド層の結晶性も良くなり、結晶欠陥が少なくなり、レーザ素子の常温での発振、信頼性が向上する。本発明では活性層に接するクラッド層が格子整合していないにもかかわらず、レーザ発振できるのはこの構造の影響が大であると推察される。
【００８２】
このように短波長の半導体レーザ素子が実現できたことにより、コンパクトディスク（ＣＤ）の書き込み光源、読み取り光源、その他ディスプレイ用光源、照明用光源、植物育成用光源等、数多くのデバイスに適用可能となるので、その産業上の利用価値は多大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の一ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図３】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図５】本発明の一実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す斜視図。
【図６】本発明の他の実施の形態に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・サファイア基板、
２・・・・バッファ層、
３・・・・ｎ型コンタクト層、
４・・・・第二のｎ型クラッド層、
５・・・・第一のｎ型クラッド層、
６・・・・活性層、
７・・・・第一のｐ型クラッド層、
８・・・・第二のｐ型クラッド層、
９・・・・ｐ型コンタクト層、
４４・・・ｎ型多層膜、
５５・・・ｐ型多層膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor (In _{a '} Al _{b '} Ga _{1-a'-b '} N, 0 ≦ a ′, 0 ≦ b ′, a ′ + b ′ ≦ 1).
[0002]
[Prior art]
As a material for a laser device capable of emitting ultraviolet to red light, a nitride semiconductor (In _{a '} Al _{b '} Ga _{1-a'-b '} N, 0 ≦ a ′, 0 ≦ b ′, a ′ + b ′ ≦ 1) are known. Using this semiconductor material, we announced a blue LED with a luminance of 1 cd in November 1993, a blue-green LED with a luminance of 2 cd in April 1994, and a blue LED with a luminance of 2 cd in October 1994. Announced. These LEDs have all been commercialized and are currently being put to practical use in displays, signals, and the like.
[0003]
FIG. 1 shows a structure of a light emitting chip of a current blue and blue-green LED. Basically, an n-type contact layer 12 of n-type GaN, an n-type cladding layer 13 of n-type AlGaN, an active layer 14 of n-type InGaN, and a p-type layer of p-type AlGaN on a sapphire substrate 11. It has a structure in which a mold clad layer 15 and a p-type contact layer 16 made of p-type GaN are sequentially stacked. Although a buffer layer made of GaN, AlGaN, or AlN is formed between the sapphire substrate 11 and the n-type contact layer 12, it is not shown in FIG. The n-type InGaN of the active layer 14 is doped with an n-type dopant such as Si, Ge and S and / or a p-type dopant such as Zn and Mg, and the emission wavelength of the LED element is determined by the In composition of InGaN of the active layer. By changing the ratio or changing the type of the impurity doped into the active layer, it is possible to change from ultraviolet to red.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
At present, as described above, an LED emitting light in a double hetero structure has been realized, and the next problem is to realize a short wavelength laser device using a nitride semiconductor. However, nitride semiconductors have not yet achieved laser oscillation.
[0005]
Accordingly, the present invention has been made in order to solve the problem, and an object of the present invention is to realize a laser device using a nitride semiconductor, particularly a short wavelength oscillating in an ultraviolet to green region. The realization of a laser.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
We first form a light-reflecting film that can confine the light emission of the active layer at a predetermined position in the nitride semiconductor laminated so as to have a double heterostructure, and secondly, to improve the crystallinity of the active layer. The present inventors have newly found that the above problem can be solved by improving the present invention, and have accomplished the present invention. That is, the first nitride semiconductor laser device of the present invention has an n-type clad layer made of an n-type nitride semiconductor formed on a substrate via at least an n-type contact layer, and is in contact with the n-type clad layer. In the nitride semiconductor laser device having a structure in which an active layer made of a nitride semiconductor containing indium and gallium and a p-type clad layer made of a p-type nitride semiconductor are sequentially stacked on the active layer, the n An n-type multilayer film formed by laminating two types of nitride semiconductors having different compositions from each other between the mold cladding layer and the n-type contact layer as a light reflection film;
At least one nitride semiconductor layer of the n-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing indium and gallium or GaN.
[0007]
In the first nitride semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the other nitride semiconductor layer of the n-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.
[0008]
In the first nitride semiconductor laser device according to the present invention, the n-type cladding layer may be composed of a nitride semiconductor containing indium and gallium or a layer made of GaN.
[0009]
In the first nitride semiconductor laser device according to the present invention, the n-type cladding layer may be constituted by a layer made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.
[0010]
A second nitride semiconductor laser device according to the present invention includes a second n-type clad layer made of at least an n-type nitride semiconductor, a first n-type clad layer made of an n-type nitride semiconductor, and a first n-type clad layer made of the n-type nitride semiconductor. Having an active layer made of a nitride semiconductor containing indium and gallium in contact with the n-type cladding layer and a p-type cladding layer made of a p-type nitride semiconductor in contact with the active layer. In the semiconductor laser device, an n-type multilayer film in which two kinds of nitride semiconductors having different compositions are stacked between the first n-type cladding layer and the second n-type cladding layer is formed by light. Provided as a reflective film,
At least one nitride semiconductor layer of the n-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing indium and gallium or GaN.
[0011]
In the second nitride semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the other nitride semiconductor layer of the n-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.
[0012]
In the second nitride semiconductor laser device according to the present invention, the first n-type cladding layer may be formed of a nitride semiconductor containing indium and gallium or a layer made of GaN.
[0013]
In the second nitride semiconductor laser device according to the present invention, the second n-type cladding layer may be constituted by a layer made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.
[0014]
Further, the present invention is characterized in that a p-type multilayer film formed by laminating two types of p-type nitride semiconductor layers having different compositions from each other is provided as a light reflection film outside the p-type cladding layer.
Here, in the present specification, “outside” means the opposite side of the clad layer on which the active layer is formed, and does not necessarily need to be in contact with the clad layer.
That is, the third nitride semiconductor laser device according to the present invention provides an n-type clad layer made of at least an n-type nitride semiconductor and an active layer made of a nitride semiconductor containing indium and gallium in contact with the n-type clad layer. A nitride semiconductor laser device having a structure in which a layer, a p-type cladding layer made of a p-type nitride semiconductor in contact with the active layer, and a p-type contact layer are sequentially stacked.
A light-reflecting film comprising a p-type multilayer film formed by laminating two kinds of nitride semiconductors having different compositions from each other between the p-type cladding layer and the p-type contact layer;
At least one nitride semiconductor layer of the p-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing indium and gallium or GaN.
[0015]
In the third nitride semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the other nitride semiconductor layer of the p-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.
[0016]
In the third nitride semiconductor laser device according to the present invention, the n-type cladding layer can be formed of a nitride semiconductor containing indium and gallium or a layer made of GaN.
[0017]
In the third nitride semiconductor laser device according to the present invention, the n-type cladding layer may be constituted by a layer made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.
[0018]
A fourth nitride semiconductor laser device according to the present invention comprises an n-type clad layer made of at least an n-type nitride semiconductor, and an active layer made of a nitride semiconductor containing indium and gallium in contact with the n-type clad layer. A nitride semiconductor laser device having a structure in which a first p-type cladding layer made of a p-type nitride semiconductor in contact with the active layer and a second p-type cladding layer are sequentially stacked;
A light-reflecting film comprising a p-type multilayer film formed by laminating two kinds of nitride semiconductors having different compositions from each other between the first p-type cladding layer and the second p-type cladding layer;
At least one nitride semiconductor layer of the p-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing indium and gallium or GaN.
[0019]
In the fourth nitride semiconductor laser device according to the present invention, the other nitride semiconductor layer of the p-type multilayer film is preferably made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.
[0020]
In the fourth nitride semiconductor laser device according to the present invention, the first p-type cladding layer may be composed of a nitride semiconductor containing indium and gallium or a layer made of GaN.
[0021]
In the fourth nitride semiconductor laser device according to the present invention, the second p-type cladding layer can be constituted by a layer made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of the laser device according to one embodiment of the present invention. 1 is a sapphire substrate, 2 is a buffer layer for alleviating lattice irregularity between the substrate and the nitride semiconductor layer, 3 is an n-type contact layer forming a negative electrode, 4 is a second n-type cladding layer, 5 is a first , An active layer, 7 a first p-type cladding layer, 8 a second p-type cladding layer, and 9 a p-type contact layer for forming a positive electrode. In this figure, the light of the active layer 6 is reflected between the first n-type cladding layer 5 and the second n-type cladding layer 4 so that the light emitted from the active layer 6 does not spread to the substrate 1 side. An n-type multilayer film 44 is formed. In addition, the formation position of the n-type multilayer film 44 is more p-type nitride than the horizontal surface of the etching surface closest to the substrate 1 side (in FIG. 2, the horizontal surface of the etching surface of the n-type contact layer 3 where the negative electrode is formed). It is formed at a position near the semiconductor layer. In the n-type multilayer film 44, two or more nitride semiconductors having different compositions, that is, two types of nitride semiconductors having different refractive indices are alternately laminated at, for example, λ / 4n (λ: wavelength, n: refractive index). Thus, it has the function of reflecting the emission wavelength of the active layer 6 by the n-type multilayer film 44 and confining it in the active layer 6.
[0023]
FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention, and the same reference numerals indicate the same members as in FIG. In FIG. 3, an n-type multilayer film 44 is formed between the n-type contact layer 3 and the second n-type cladding layer 4, and is formed between the second p-type cladding layer 8 and the p-type contact layer 9. A p-type multilayer film 55 is formed by alternately stacking two types of nitride semiconductors having different compositions. When the p-type multilayer film 55 serving as the light reflecting film is formed also in the p-type layer as shown in FIG. 3, the light emission of the active layer is more efficiently performed than when the n-type multilayer film 44 is formed in the n-type layer. Since the laser can be confined, laser oscillation easily occurs. Similarly, in FIG. 3, the formation position of the n-type multilayer film 44 is located closer to the p-type layer than the horizontal surface of the etching surface of the n-type contact layer 3 where the negative electrode is formed, that is, the horizontal surface of the etching surface closest to the substrate 1. It is formed at a close position.
[0024]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention, and the same reference numerals denote the same members as in FIGS. In FIG. 4, an n-type multilayer film 44 is formed between the first n-type cladding layer 5 and the second n-type cladding layer 4, and the first p-type cladding layer 7 and the second p-type cladding layer 8, a p-type multilayer film layer 55 is formed.
[0025]
FIG. 6 is also a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present application. This drawing is different from the structure of the laser device of the present invention in that the structure is different from the p-layer side. The depth of the p-type contact layer in the horizontal plane of the etching surface is closer to the substrate than the surface on which the negative electrode is formed. This shows that the position of the n-type multilayer film 44 is formed at a position closer to the p-type nitride semiconductor layer than to the horizontal plane (A plane) of the etching surface closest to the substrate side. The function of the position of the n-type multilayer film 44 will be described later in detail.
[0026]
As described above, the n-type multilayer film 44 is formed between the first n-type cladding layer 5 and the second n-type cladding layer 4, between the second n-type cladding layer 4 and the n-type contact layer 3, or It can be formed in any one of the insides of the n-type contact layer (the inside will be described in the embodiment). When the p-type multilayer film 55 is formed, it is also described in claim 7. Whichever is between the first p-type cladding layer 7 and the second p-type cladding layer 8, between the second p-type cladding layer 8 and the p-type contact layer 9, or inside the p-type contact layer. It can be formed in one place.
[0027]
Next, at least one of the two types of nitride semiconductors constituting the n-type multilayer film 44 and the p-type multilayer film 55 is a nitride semiconductor containing indium and gallium or GaN {for example, In. _c Ga _1-c It is preferable that N (0 ≦ c <1)}. This is because when a single layer is laminated to form a multilayer film, one of the single layers has In _c Ga _1-c By forming N and GaN, GaN, In _c Ga _1-c This is because the N layer acts like a buffer layer and can prevent the other single layer from cracking. This is In _c Ga _1-c This is because the crystals of the N layer and the GaN layer are softer than AlGaN. On the other hand, if the multilayer film is formed of, for example, AlGaN layers having different Al compositions so as to have a total film thickness of, for example, 0.5 μm or more, cracks occur in the multilayer film, and it becomes difficult to manufacture an element.
[0028]
A preferred combination of the two types of nitride semiconductors constituting the multilayer film is one of which is In as described above. _c Ga _1-c A nitride semiconductor made of N or GaN and the other containing aluminum and gallium {for example, Al _d Ga _1-d N (0 <d <1)} is best. Because In _c Ga _1-c N and Al _d Ga _1-d This is because N has a large difference in the refractive index, so that a multilayer film having a large reflectance can be designed according to the emission wavelength by forming a multilayer film with these materials. Also, In _c Ga _1-c Since N acts as a buffer layer, the other Al _d Ga _1-d Ten or more layers can be stacked without cracks in the N layer. The refractive indexes of InN, GaN, and AlN are 2.9, 2.5, and 2.15, respectively. Assuming that the refractive index of these mixed crystals obeys Vegard's law, it can be determined as being proportional to the composition.
[0029]
Where In _c Ga _1-c It is desirable to adjust the c value of N to 0.5 or less, preferably 0.3 or less, and most preferably 0.2 or less. This is because as the molar ratio of indium increases, the crystallinity of InGaN deteriorates. Al _d Ga _1-d It is desirable that the d value of N be 0.6 or less, more preferably 0.4 or less. If it is larger than 0.6, cracks tend to occur in the AlGaN layer.
[0030]
Next, an element structure for obtaining an active layer having excellent crystallinity for realizing a laser element will be described with reference to the drawings.
[0031]
Active layer 6 {for example, In _X Ga _1-X N (0 <X <1)} may be either n-type or p-type. Particularly, when it is non-doped (no addition), a strong interband emission is obtained, the half-value width of the emission wavelength is narrowed, and a laser element is realized. It is particularly preferable in terms of performing. Particularly preferably, when the active layer has a single quantum well (SQW: single quantum well) structure or a multiple quantum well (MQW: multi quantum well) structure, a light-emitting element having an extremely high output can be obtained. SQW and MQW refer to the structure of an active layer in which light emission between quantum levels by non-doped InGaN is obtained. _X Ga _1-X N (0 ≦ X <1) _X Ga _1-X By setting the thickness of N to 100 Å or less, more preferably 70 Å or less, strong light emission between quantum levels can be obtained. In addition, MQW has different composition ratios of In _X Ga _1-X A multilayer film is formed by laminating a plurality of thin films of N (including X = 0 and X = 1 in this case). As described above, by using SQW and MQW for the active layer, light emission of about 365 nm to 660 nm can be obtained by quantum level emission. As described above, the thickness of the well layer of the quantum structure is preferably 70 Å or less. In the multiple quantum well structure, the well layer is formed of In. _X Ga _1-X N, and the barrier layer is also In _Y Ga _1-Y It is desirable to configure N (Y <X, including Y = 0 in this case). Particularly preferably, when the well layer and the barrier layer are formed of InGaN, they can be grown at the same temperature, so that an active layer having good crystallinity can be obtained. When the thickness of the barrier layer is 150 Å or less, more preferably 120 Å or less, a high-output light-emitting element can be obtained. Further, the active layer 6 may be doped with an n-type dopant and / or a p-type dopant. Doping with an n-type dopant can further increase the inter-band emission intensity as compared with non-doped one. By doping with a p-type dopant, the peak wavelength can be brought to a lower energy side by about 0.5 eV than the peak wavelength of interband emission, but the half width tends to be wide and laser oscillation tends to be difficult. Further, when the p-type dopant and the n-type dopant are simultaneously doped, the emission intensity of the active layer doped with only the p-type dopant can be further increased, but laser oscillation tends to be difficult because the half width is still large. In order to form a laser element by growing an active layer having good crystallinity, it is most preferable to use a non-doped single quantum well structure or a multiple quantum well structure as described above.
[0032]
The active layer 6 must be sandwiched between cladding layers having a band gap larger than that of the active layer 6. In FIG. 2, a first n-type cladding layer 5 is formed in contact with the first main surface side of the active layer 6, and a first p-type cladding layer 7 is formed in contact with the second main surface side of the active layer 6. Has formed. The semiconductor material of the first n-type clad layer 5 and the second p-type clad layer 7 may have any composition as long as it is a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the active layer. The n-type cladding layer 5 is made of a nitride semiconductor containing indium and gallium, or GaN {for example, n-type In _Y Ga _1-Y N (0 ≦ Y <1)}, and the first p-type cladding layer 7 is also made of a nitride semiconductor containing indium and gallium, or GaN {for example, n-type In _Z Ga _1-Z N (0 ≦ Z <1)}. However, when the first n-type cladding layer 5 and the first p-type cladding layer are formed of InGaN, any one of the cladding layers can be omitted, but particularly preferably, as shown in FIG. , On both surfaces of the active layer 6. Since the first n-type cladding layer 5 containing indium and the second p-type cladding layer 7 have soft crystals, these cladding layers act as a buffer layer such as a cushion, and the outside of these cladding layers is formed. When the second n-type cladding layer 4, the second p-type cladding layer 8, the n-type contact layer 3, the p-type contact layer 9 and the like are formed, these layers (3, 4, 8, 9) It is possible to prevent cracks from entering. The preferred ranges of the thickness of the InGaN cladding layer acting as a buffer layer are as follows: the active layer 6 and the first n-type cladding layer 5, the active layer 6 and the first p-type cladding layer 7, and the first n-type cladding layer 5. In the combination of the active layer 6 and the first p-type cladding layer 7, the combined InGaN layer preferably has a total thickness of 300 Å or more. In the case of a laser device, if the first n-type cladding layer 5 is omitted, the second n-type cladding layer 4 acts as the first n-type cladding layer 5 and the first p-type cladding layer 5 If the layer 7 is omitted, the second p-type cladding layer 8 also functions as the first p-type cladding layer 7.
[0033]
The first n-type clad layer 5, the active layer 6, and the first p-type clad layer 7 made of InGaN have been described above. However, the In composition ratio of these InGaN, that is, the X value, the Y value, and the Z value are 0. It is desirably adjusted to 0.5 or less, preferably 0.3 or less, and most preferably 0.2 or less. This is because, as the molar ratio of indium increases, the crystallinity of InGaN deteriorates and the light emission output tends to decrease. Further, the In _X Ga _1-X N, In _Y Ga _1-Y N, In _Z Ga _1-Z N means that InAlGaN in which a part of Ga is replaced with a small amount of Al within a range that does not change the effect of InGaN in the formula is also included in the formula. For example, In _{a '} Al _{b '} Ga _{1-a'-b '} If the b ′ value in the N type is 0.1 or less, the effects of the first n-type cladding layer, the active layer, and the second p-type cladding layer do not change. However, since the crystal tends to be hardened when Al is contained, the active layer 6 and the first n-type cladding layer 5 are made of only the ternary mixed crystal InGaN containing no Al than the quaternary mixed crystal nitride semiconductor. It is best to form the first p-type cladding layer 7 because laser oscillation easily occurs.
[0034]
Next, the second n-type cladding layer 4 formed in contact with the outside of the first n-type cladding layer 5 is made of an n-type nitride semiconductor containing aluminum and gallium {for example, n-type Al _a Ga _1-a N (0 <a <1)}, and the second p-type cladding layer formed in contact with the outside of the first p-type cladding layer 7 is also a nitride containing aluminum and gallium. Semiconductors, for example, p-type Al _b Ga _1-b N (0 <b <1)} is preferable. Here, when the second n-type cladding layer 4 and the second p-type cladding layer 7 are formed of AlGaN, any one of the cladding layers can be omitted, but particularly preferred is shown in FIG. As described above, the second n-type cladding layer 4 is formed in contact with the first n-type cladding layer 3, and the second p-type cladding layer 8 is formed in contact with the first p-type cladding layer 7. However, if the second n-type cladding layer 4 and the first n-type cladding layer 5 are omitted at the same time, or if the first p-type cladding layer 7 and the second p-type cladding layer 8 are omitted at the same time, laser oscillation will occur. It is difficult to do.
[0035]
The second n-type cladding layer 4 and the second p-type cladding layer 8 are desirably formed to a thickness of 10 Å to 0.5 μm. Further, it is desirable that the Al mixed crystal ratio of AlGaN, that is, the a value and the b value be 0.6 or less, more preferably 0.4 or less. This is because AlGaN has a hard crystal, and if it is larger than 0.6, cracks easily occur in the AlGaN layer. This is because even if the buffer layer of InGaN acts, if it is larger than 0.6, cracks are extremely likely to occur.
[0036]
In addition, the Al _a Ga _1-a N, Al _b Ga _1-b N means that InAlGaN in which a part of Ga is replaced with a small amount of In as long as the effect of AlGaN is not changed in the formula. For example, In _{a '} Al _{b '} Ga _{1-a'-b '} If the value of a 'is less than 0.1 in the N formula, the effect of AlGaN hardly changes. However, if a small amount of In is contained, the band gap becomes small. Therefore, the band gap must be made larger than that of the first n-type clad layer 5, the active layer 6, and the second p-type clad layer 7. In addition, when In is contained, the crystallinity is deteriorated and the light emission output tends to be reduced. Therefore, the second n-type is composed of only the ternary mixed AlGaN containing no In than the quaternary mixed nitride nitride semiconductor. It is most preferable to form the clad layer 4 and the second p-type clad layer 8 because the light emission output is increased. As described above, by forming the layer containing Al as the second n-type cladding layer 4 and the second p-type cladding layer 8, the active layer 6, the first n-type cladding layer 5, and the first p-type cladding layer 5 are formed. Since the band offset with the mold cladding layer 7 can be increased, the luminous efficiency can be increased.
[0037]
A preferred combination of the active layer 6 and the first cladding layers 5 and 7 is that the first n-type cladding layer is made of In. _Y Ga _1-Y N, active layer In _X Ga _1-X N, the first p-type cladding layer is In _Z Ga _1-Z N. However, it goes without saying that Y <X and Z <X are satisfied in the above combination from the relation of the band gap. The active layer is preferably n-type or non-doped because light emission with a narrow half width due to inter-band light emission can be obtained.
[0038]
As a most preferred combination, the second n-type cladding layer is made of Al _a Ga _1-a N, the first n-type cladding layer is In _Y Ga _1-Y N, active layer In _X Ga _1-X N, the first p-type cladding layer is In _Z Ga _1-Z N, the second p-type cladding layer is Al _b Ga _1-b It is recommended to form with N. According to this combination, a double hetero structure in which nitride semiconductors having the highest crystallinity are stacked is obtained, and laser oscillation becomes possible.
[0039]
Next, as shown in FIG. 2, the n-type contact layer 3 is desirably in contact with the second n-type cladding layer 4 to form the n-type contact layer 3, and is in contact with the second p-type cladding layer 8 to form a p-type contact layer. It is best to form the mold contact layer 9. The n-type contact layer 3 can be formed on either the second n-type cladding layer 4 or the first n-type cladding layer 5, and the p-type contact layer 9 can be formed on the second p-type cladding layer 8. Alternatively, it can be formed on any of the first p-type cladding layers 7. That is, if the second n-type cladding layer 4 is omitted, the second n-type cladding layer 8 can be formed in contact with the first n-type cladding layer 5. Then, it can be formed in contact with the first p-type cladding layer 7.
[0040]
Furthermore, the semiconductor of the n-type contact layer 3 and the p-type contact layer 9 needs to be GaN that does not contain Al and In. Since the contact layer is a layer for forming an electrode, forming a layer having good crystallinity and a high carrier concentration makes it easier to obtain an electrode material and ohmic. For that purpose, GaN is most preferable. Further, a metal containing Ti and Al is preferable as an electrode material that can easily obtain an ohmic contact with the n-type contact layer 3, and a metal containing Ni and Au is preferable as an electrode material that can easily obtain an ohmic contact with the p-type contact layer 9. When a contact layer made of GaN is formed as a layer on which an electrode is to be formed, laser oscillation can be performed with a low threshold voltage.
[0041]
Next, as a specific structure of the laser device of the present invention, examples of gain waveguide type stripe lasers include an electrode stripe type, a mesa stripe type, and a hetero isolation type. In addition, examples of a stripe type laser having a built-in waveguide mechanism include a buried hetero type, a CSP type, a rib guide type, and the like. An electrode having a width of about several μm to about 20 μm is formed on the uppermost layer as a waveguide in a laser device having such a structure, and oscillation is caused along the stripe. A dielectric multilayer film serving as an optical resonance surface for oscillation is formed on the surface of the nitride semiconductor layer in a direction perpendicular to the stripes.
[0042]
The structure of the laser device has been described above. Next, the manufacturing method will be briefly described. In order to manufacture a laser device made of a nitride semiconductor, for example, a vapor growth method such as MOVPE (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam vapor deposition), or HDVPE (hydride vapor deposition) is used. And In on the substrate _{a '} Al _{b '} Ga _{1-a'-b '} It is obtained by laminating N (0 ≦ a ′, 0 ≦ b ′, a ′ + b ′ ≦ 1) so as to have a double hetero structure with a conductivity type such as n-type or p-type. For the substrate 1, for example, sapphire (including C-plane, A-plane, and R-plane), SiC (including 6H-SiC, 4H-SiC), ZnO, Si, GaAs, spinel, and the like can be used. Is shown. An n-type nitride semiconductor can be obtained even in a non-doped state, but can be obtained by introducing an n-type dopant such as Si, Ge, or S into a semiconductor layer during crystal growth. Also, for the p-type nitride semiconductor layer, a p-type dopant such as Mg, Zn, Cd, Ca, Be, or C is also introduced into the semiconductor layer during the crystal growth, or annealing is performed at 400 ° C. or more after the introduction. Is obtained by The buffer layer 2 is provided to alleviate lattice irregularities between the substrate 1 and the nitride semiconductor. For example, GaN, AlN, GaAlN, etc. are often formed at a low temperature of about 500 ° C. by MOVPE. When a substrate having a lattice constant similar to that of a nitride semiconductor such as SiC or ZnO is used, the buffer layer may not be formed.
[0043]
(Action)
Conventionally, when a laser device is realized using a nitride semiconductor, light confinement in the active layer has been performed by reflection of a difference in refractive index between the cladding layer and the active layer. However, the refractive index difference is very small, at most 0.5 or less. Therefore, most of the light is transmitted through the cladding layer and spreads. The light transmitted through the p-type cladding layer and finally spreads out to the air layer. The refractive index of air is 1, and the refractive index of the p-type contact layer GaN is 2.5. Here, the difference in the refractive index is large, and considerable light is reflected and returns to the active layer side, so that the light confinement effect is large. The same can be said for the horizontal direction of the semiconductor layer. However, light transmitted through the n-type cladding layer has a small refractive index between the n-type cladding layer and the n-type contact layer, and is easily reflected in the n-type contact layer without being reflected at the interface. The confinement effect is small. Therefore, light emission of the active layer leaked to the substrate side, and laser oscillation did not occur.
[0044]
On the other hand, in the present invention, since the multilayer film that reflects light in the n-type layer on the substrate side of the active layer is formed of a nitride semiconductor, light emitted from the active layer is reflected on the active layer side and confined in the active layer. It becomes possible. If the reflectivity of the multilayer film is controlled to a thickness of, for example, 5 pairs or more, the reflectivity becomes about 80% to 99%, a very high reflectivity is obtained, and the effect of confining light to the active layer is very large. is there. For this reason, it goes without saying that the light confinement effect becomes larger when the multilayer film is inserted also on the p layer side above the active layer.
[0045]
In addition, the present invention is a so-called flip-chip system in which a pair of positive and negative electrodes is taken out from the same surface side. In this case, as shown in FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, and FIG. 6, the n-type multilayer film 44 formed on the n-type layer side is more p-type nitride semiconductor layer than the horizontal plane of the etching surface closest to the substrate side. It must be formed at a close position. This is because if the n-type multilayer film 44 is formed closer to the substrate 1 than the horizontal surface of the etching surface closest to the substrate, the difference in the refractive index between the second n-type cladding layer 4 and the n-type contact layer 3 is small. This is because light emission of the layer 6 spreads in the n-type contact layer 3 below the active layer 6, and light cannot be confined. Conversely, when the n-type multilayer film is formed at a position higher than the etching surface closest to the substrate side, that is, at a position near the p-type layer, light is not diffused into the n-type contact layer and most of the light is reflected by the active layer. It becomes possible to confine it. This is a function unique to the flip-chip type nitride semiconductor laser in which the positive and negative electrodes are taken out from the same surface side.
[0046]
Next, a particularly preferred structure of the laser device of the present invention will be described. A conventional nitride semiconductor LED element has a structure in which an active layer made of InGaN is sandwiched between cladding layers made of AlGaN. On the other hand, in the present invention, it has been found that by sandwiching the active layer made of InGaN with InGaN having a band gap larger than that of the active layer, the light emission output is drastically improved and laser oscillation becomes possible. This is because the new InGaN cladding layer functions as a buffer layer between the InGaN light emitting layer and the AlGaN cladding layer. InGaN has a soft property as a crystal, and is considered to have a function of absorbing crystal defects caused by a lattice constant irregularity and a difference in thermal expansion coefficient between the AlGaN cladding layer and InGaN. As a result, the newly formed InGaN cladding layer absorbs these crystal defects and greatly reduces the crystal defects of the InGaN light emitting layer, so that the crystallinity of the InGaN light emitting layer is significantly improved, and laser oscillation can be performed at room temperature. Become.
[0047]
On the other hand, in a conventional structure in which an InGaN light emitting layer sandwiches an AlGaN cladding layer, for example, if the thickness of the InGaN light emitting layer is less than 200 Å, many cracks occur in the AlGaN cladding layer and the InGaN light emitting layer. This is because the AlGaN cladding layer has a very hard property due to the crystal nature, and the lattice mismatch caused by the interface with the AlGaN cladding layer and the strain caused by the difference in the thermal expansion coefficient are caused only by the thin InGaN light emitting layer. Cannot be elastically relaxed by the InGaN light emitting layer. For this reason, cracks occur in the InGaN light emitting layer and the AlGaN cladding layer, and a large number of crystal defects occur in the light emitting layer, so that a significant improvement in output cannot be expected.
[0048]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples. The following example shows a growth method by the MOVPE method.
[0049]
[Example 1]
Embodiment 1 will be described with reference to FIG. First, TMG (trimethylgallium) and NH ₃ Then, a buffer layer 2 made of GaN is grown on the C-plane of the sapphire substrate 1 set in the reaction vessel at 500 ° C. with a thickness of 500 Å.
[0050]
Next, the temperature is increased to 1050 ° C., and TMG, NH ₃ In addition to SiH ₄ Using a gas, an n-type contact layer 3 made of Si-doped n-type GaN is grown to a thickness of 4 μm.
[0051]
Subsequently, TMA (trimethylaluminum) was added to the source gas, and the Si-doped n-type Al _0.3 Ga _0.7 A second n-type cladding layer 4 composed of an N layer is grown to a thickness of 0.1 μm.
[0052]
Next, the temperature was lowered to 800 ° C., and TMG, TMI (trimethylindium), NH ₃ , SiH4 and Si-doped n-type In _0.01 Ga _0.95 A thin film of N is grown to a thickness of 380 Å. Subsequently, the temperature was raised to 1050 ° C., and TMG, TMA (trimethylaluminum), NH ₃ , SiH ₄ Using Si-doped n-type Al _0.2 Ga _0.9 A thin film of N is grown to a thickness of 390 angstroms. These operations are repeated 20 times, and the Si-doped n-type In _0.01 Ga _0.95 N layer and Si-doped Al _0.2 Ga _0.9 An n-type multilayer film 44 in which N layers are alternately laminated by 10 layers is formed.
[0053]
Next, the temperature was lowered to 800 ° C., and TMG, TMI (trimethylindium), NH ₃ , SiH ₄ Using Si-doped n-type In _0.01 Ga _0.99 A first n-type cladding layer 5 made of N is grown to a thickness of 500 Å.
[0054]
Then TMG, TMI, NH ₃ Non-doped In at 800 ° C. _0.05 Ga _0.95 An active layer 6 of N is grown to a thickness of 30 angstroms.
[0055]
Then TMG, TMI, NH ₃ In addition to Cp ₂ Mg-doped p-type In at 800 ° C. using Mg (cyclopentadienyl magnesium) _0.01 Ga _0.99 A first p-type cladding layer 7 made of N is grown to a thickness of 500 Å.
[0056]
Next, the temperature was increased to 1050 ° C., and TMG, TMA, NH ₃ , Cp ₂ Using Mg, Mg-doped p-type Al _0.3 Ga _0.7 A second p-type cladding layer 8 made of N is grown to a thickness of 0.1 μm.
[0057]
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, NH ₃ , Cp ₂ Using Mg, a p-type contact layer 9 made of Mg-doped p-type GaN is grown to a thickness of 0.5 μm.
[0058]
After completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, the wafer is taken out of the reaction vessel, and the wafer is annealed at 700 ° C. to further reduce the resistance of the p-type layer. Next, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 9, and etching is performed until the surface of the n-type contact layer 3 is exposed.
[0059]
Next, a negative electrode containing Ti and Al with a width of 50 μm is formed on the n-type contact layer 3, and a positive electrode containing Ni and Au with a width of 10 μm is formed on the p-type contact layer 9. When the n-type multilayer film 44 is formed on the surface of the second n-type cladding layer 4 as described above, the etching is performed up to the n-type contact layer 3, so that the horizontal plane where the negative electrode is formed is naturally lower than the n-type multilayer film 44. That is, it is on the substrate side as shown in FIG.
[0060]
Next, the surface of the sapphire substrate on which the nitride semiconductor layer is not formed is polished to a thickness of 90 μm, and the M surface of the sapphire substrate surface (the surface corresponding to the side surface of the hexagonal prism in the hexagonal system) is removed. Scribed. After scribing, the wafer was divided into chips of 700 μm square to produce a stripe-type laser chip as shown in FIG. FIG. 5 is a perspective view of the laser device according to the present embodiment, and a nitride semiconductor layer surface orthogonal to the stripe-shaped positive electrode is set as an optical resonance surface. The surface of this laser element excluding electrodes is made of SiO. ₂ 2 and 5, the insulating film is not particularly shown.
[0061]
After placing this chip on a heat sink and wire bonding each electrode, laser oscillation was attempted at room temperature. The threshold current density was 1.5 kA / cm. ² As a result, laser oscillation having an oscillation wavelength of 390 nm was confirmed.
[0062]
[Example 2]
A second embodiment will be described with reference to FIG. As in the first embodiment, the GaN buffer layer 2 and the Si-doped n-type GaN contact layer 3 are grown on the sapphire substrate 1. After the growth of the contact layer 3, Si-doped n-type In _0.01 Ga _0.95 N layer and Si-doped Al _0.2 Ga _0.9 An n-type multilayer film 44 in which N layers are alternately laminated by 10 layers is formed.
[0063]
Next, the Si-doped n-type Al _0.3 Ga _0.7 A second n-type cladding layer 4 made of N, _0.01 Ga _0.99 N-type first n-type cladding layer 5 made of N, non-doped n-type In _0.05 Ga _0.95 N active layer 6, Mg-doped p-type In _0.01 Ga _0.99 First p-type cladding layer 7 made of N, Mg-doped p-type Al _0.3 Ga _0.7 A second p-type cladding layer 8 made of N is sequentially grown and laminated.
[0064]
Next, the temperature is raised to 800 ° C., and TMG, TMI, NH ₃ , Cp ₂ Using Mg, Mg-doped p-type In _0.01 Ga _0.95 An N layer is grown at 380 Å, followed by a temperature of 1050 ° C. and TMG, TMA, NH ₃ , Cp ₂ Mg-doped p-type Al using Mg gas _0.2 Ga _0.9 An N layer is grown to a thickness of 390 angstroms, and a p-type multilayer film 55 is formed by alternately stacking 10 layers each.
[0065]
After the formation of the p-type multilayer film 55, a wafer in which a p-type contact layer 9 made of Mg-doped p-type GaN is grown on the surface of the p-type multilayer film 55 is produced.
[0066]
After the wafer was etched in the same manner, electrodes were formed into chips as shown in FIG. 5, and then the same laser element was obtained. The threshold current density was also 1.0 kA / cm. ² As a result, laser oscillation having an oscillation wavelength of 390 nm was confirmed.
[0067]
[Example 3]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. As in the first embodiment, a GaN buffer layer 2, a Si-doped n-type GaN contact layer 3, a Si-doped n-type Al _0.3 Ga _0.7 A second cladding layer 4 of N is grown.
[0068]
The second cladding layer 4, followed by maintaining the temperature at 1050 ° C., growing a Si-doped n-type GaN layer to a thickness of 390 Å, followed by a Si-doped n-type Al _0.2 Ga _0.8 An N layer is grown to a thickness of 400 angstroms, and an n-type multilayer film 44 is formed by alternately stacking 10 layers each.
[0069]
Next, on the n-type multilayer film 44, Si-doped n-type In _0.01 Ga _0.99 N-type first n-type cladding layer 5 made of N, non-doped n-type In _0.05 Ga _0.95 N active layer 6, Mg-doped p-type In _0.01 Ga _0.99 A first p-type cladding layer 7 made of N is sequentially grown and laminated.
[0070]
Next, at a temperature of 1050 ° C., a Mg-doped p-type GaN layer is grown to a thickness of 390 Å, followed by Mg-doped p-type Al. _0.2 Ga _0.8 An N layer is grown to a thickness of 400 angstroms, and a p-type multilayer film 55 is formed by alternately stacking 10 layers each.
[0071]
After the formation of the p-type multilayer film 55, the Mg-doped p-type Al _0.3 Ga _0.7 A wafer is formed on which a second p-type cladding layer 8 made of N and a p-type contact layer 9 made of Mg-doped p-type GaN are grown.
[0072]
After the wafer was etched in the same manner, electrodes were formed into chips as shown in FIG. 5, and then the same laser element was obtained. The threshold current density was also 1.0 kA / cm. ² As a result, laser oscillation having an oscillation wavelength of 390 nm was confirmed.
[0073]
[Example 4]
A buffer layer made of GaN is grown on the sapphire substrate 1 in the same manner as in the first embodiment. After the growth of the buffer layer, an n-type contact layer 3 made of Si-doped n-type GaN is grown to a thickness of 4 μm.
[0074]
Next, after growing the n-type contact layer 3, the Si-doped n-type Al _0.2 Ga _0.8 An N layer is grown to a thickness of 400 angstroms, and then a Si-doped n-type GaN layer is grown to a thickness of 390 angstroms, thereby forming an n-type multilayer film 44 in which ten layers are alternately stacked. However, the last Si-doped n-type GaN layer is grown to a thickness of 1 μm. Thus, the n-type multilayer film 44 is formed inside the n-type contact layer 3.
[0075]
Thereafter, in the same manner as in Example 1, the second n-type cladding layer 4, the first n-type cladding layer 5, the active layer 6, the first p-type cladding layer 7, the second p-type cladding layer 8, A wafer in which the p-type contact layers 9 are sequentially stacked is manufactured.
[0076]
This wafer is etched in the same manner, but the etching depth is increased until the 4 μm n-type GaN contact layer formed first is exposed. After that, electrodes were formed in the same manner to form a chip as shown in FIG. 5, and then a laser device was obtained. The threshold current density was also 1.5 kA / cm. ² As a result, laser oscillation having an oscillation wavelength of 390 nm was confirmed.
[0077]
[Example 5]
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 2 except that the first n-type cladding layer 5 was not formed. The threshold current density was 2 kA / cm. ² As a result, laser oscillation having an oscillation wavelength of 390 nm was confirmed.
[0078]
[Example 6]
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 2 except that the first p-type cladding layer 7 was not formed. The threshold current density was 1.5 kA / cm. ² As a result, laser oscillation having an oscillation wavelength of 390 nm was confirmed.
[0079]
[Example 7]
In Example 1, when the active layer 6 is grown, the non-doped In _0.05 Ga _0.95 A well layer made of N is 25 angstroms, and further, at 800.degree. _0.01 Ga _0.99 A barrier layer made of N is grown to a thickness of 50 Å. This operation was repeated 13 times, and finally, the active layer 6 having a total thickness of 1000 Å was grown by laminating the well layers. After that, when a laser device was formed in the same manner as in Example 1, the threshold current density was 1.5 kA / cm ² As a result, laser oscillation having an oscillation wavelength of 390 nm was confirmed.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, since the laser device of the present invention includes the multilayer film layer that reflects the light emitted from the active layer, the light can be efficiently confined in the active layer without allowing the emitted light to escape to the substrate side. Therefore, for example, when a stripe type laser is manufactured, laser oscillation can be easily performed.
[0081]
Further, as a preferred embodiment of the present invention, when an InGaN cladding layer is formed on any one of the principal surfaces of the InGaN active layer, the crystallinity of the active layer and the crystallinity of the AlGaN cladding layer are improved, and crystal defects are reduced. As a result, the oscillation and reliability of the laser element at room temperature are improved. In the present invention, it is presumed that the laser oscillation can be greatly affected by this structure even though the cladding layer in contact with the active layer is not lattice-matched.
[0082]
The realization of such a short-wavelength semiconductor laser device makes it applicable to many devices such as a compact disk (CD) writing light source, a reading light source, a display light source, an illumination light source, and a plant growing light source. Therefore, its industrial utility value is enormous.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of one conventional LED element.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 .... Sapphire substrate,
2 .... buffer layer,
3 ... n-type contact layer,
4... Second n-type cladding layer
5 first n-type clad layer,
6. Active layer,
7. First p-type clad layer,
8... Second p-type cladding layer
9 ... p-type contact layer,
44 ... n-type multilayer film,
55 ... p-type multilayer film.

Claims

少なくともｎ型窒化物半導体よりなる第２のｎ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体よりなる第１のｎ型クラッド層と、その第１のｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１のｎ型クラッド層と前記第２のｎ型クラッド層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｎ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｎ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。At least a second n-type cladding layer made of an n-type nitride semiconductor, a first n-type cladding layer made of an n-type nitride semiconductor, and indium and gallium in contact with the first n-type cladding layer In a nitride semiconductor laser device having a structure in which an active layer made of a nitride semiconductor and a p-type clad layer made of a p-type nitride semiconductor are sequentially stacked on the active layer,
An n-type multilayer film formed by laminating two types of nitride semiconductors having different compositions from each other between the first n-type cladding layer and the second n-type cladding layer as a light reflection film;
At least one nitride semiconductor layer of the n-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing indium and gallium or GaN.

前記ｎ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。The n-type nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the other of the nitride semiconductor layer of the multilayer film is characterized by comprising a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.

前記第１のｎ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。The first n-type clad layer, a nitride semiconductor laser device according to claim 1 or 2, characterized in that a nitride semiconductor or GaN containing indium and gallium.

前記第２のｎ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。4. The nitride semiconductor laser device according to claim 1 , wherein the second n-type cladding layer is made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium. 5.

少なくともｎ型窒化物半導体よりなるｎ型クラッド層と、そのｎ型クラッド層に接してインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体よりなる活性層と、その活性層に接してｐ型窒化物半導体よりなる第１のｐ型クラッド層と、第２のｐ型クラッド層とが順に積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記第１のｐ型クラッド層と前記第２のｐ型クラッド層との間に、互いに組成の異なる２種類の窒化物半導体が積層されてなるｐ型の多層膜を光反射膜として備え、
前記ｐ型の多層膜の少なくとも一方の窒化物半導体層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。An n-type clad layer made of at least an n-type nitride semiconductor, an active layer made of a nitride semiconductor containing indium and gallium in contact with the n-type clad layer, and a p-type nitride semiconductor made in contact with the active layer In a nitride semiconductor laser device having a structure in which a first p-type cladding layer and a second p-type cladding layer are sequentially stacked,
A light-reflecting film comprising a p-type multilayer film formed by laminating two kinds of nitride semiconductors having different compositions from each other between the first p-type cladding layer and the second p-type cladding layer;
At least one nitride semiconductor layer of the p-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing indium and gallium or GaN.

前記ｐ型の多層膜の他方の窒化物半導体層はアルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項５記載の窒化物半導体レーザ素子。6. The nitride semiconductor laser device according to claim 5, wherein the other nitride semiconductor layer of the p-type multilayer film is made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.

前記第１のｐ型クラッド層は、インジウムとガリウムとを含む窒化物半導体またはＧａＮからなることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。It said first p-type cladding layer, a nitride semiconductor laser device according to claim 5 or claim 6, characterized in that a nitride semiconductor or GaN containing indium and gallium.

前記第２のｐ型クラッド層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項５〜７のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride semiconductor laser device according to any one of claims 5 to 7 , wherein the second p-type cladding layer is made of a nitride semiconductor containing aluminum and gallium.