CN103855604B - 半导体激光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体激光元件，能够在使用了由氮化物半导体构成的基板的半导体激光元件中良好地限制光来降低FFP的脉动。半导体激光元件在由GaN构成的基板之上具有由氮化物半导体构成且折射率高于基板的发光层，在基板与发光层之间从基板的一侧起依次具有：由AlGaN构成的第一氮化物半导体层；由Al组成比大于第一氮化物半导体层的AlGaN构成的第二氮化物半导体层；由InGaN构成的第三氮化物半导体层；和由Al组成比大于第一氮化物半导体层的AlGaN构成、且膜厚大于第二氮化物半导体层的第四氮化物半导体层。

Description

半导体激光元件
技术领域
本发明涉及半导体激光元件。
背景技术
在基板之上层叠了氮化物半导体层的半导体激光元件中，通过利用折射率小于活性层的层来夹着活性层，由此限制光（例如专利文献1以及2）。
专利文献1：JP特开2003－060314号公报
专利文献2：JP特开2007－214557号公报
在这样的使用了由氮化物半导体构成的基板的半导体激光元件中，要求FFP（farfield pattern：远场图）的脉动的进一步降低。这样的脉动因基板中的光的泄漏而引起，为了降低脉动，只要降低在基板中漏掉的光即可。
发明内容
本发明的实施方式的半导体激光元件，
在由GaN构成的基板之上具有由氮化物半导体构成且折射率高于基板的发光层，
在基板与发光层之间，从基板的一侧起依次具有：
由AlGaN构成的第一氮化物半导体层；
由Al组成比大于第一氮化物半导体层的AlGaN构成的第二氮化物半导体层；
由InGaN构成的第三氮化物半导体层；和
由Al组成比大于第一氮化物半导体层的AlGaN构成、且膜厚大于第二氮化物半导体层的第四氮化物半导体层。
此外，本发明的另一实施方式的半导体激光元件，
在由AlGaN构成的基板之上具有由氮化物半导体构成且折射率高于基板的发光层，
在基板与发光层之间，从基板的一侧起依次具有：
由AlGaN构成的第一氮化物半导体层；
由Al组成比大于第一氮化物半导体层的AlGaN构成的第二氮化物半导体层；
由InGaN构成的第三氮化物半导体层；和
由Al组成比大于第一氮化物半导体层的AlGaN构成、且膜厚大于第二氮化物半导体层的第四氮化物半导体层。
根据本发明，在使用了由氮化物半导体构成的基板的半导体激光元件中，能够良好地限制光，来降低FFP的脉动。
附图说明
图1是说明本发明的一实施方式的示意性截面图。
图2是表示第一～第四氮化物半导体层的折射率的示意图。
图3是说明本发明的一实施方式中的变形例的示意性截面图。
图4是表示实施例1的半导体激光元件的折射率和电场强度之间的模拟结果的图表。
图5是表示比较例1的半导体激光元件的折射率和电场强度之间的模拟结果的图表。
图6是表示实施例1以及比较例1的半导体激光元件的折射率和电场强度之间的模拟结果的图表。
图7是表示实施例1的半导体激光元件的垂直方向FFP⊥的图表。
图8是表示比较例1的半导体激光元件的垂直方向FFP⊥的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对本申请发明的实施方式进行说明。其中，以下所示的实施方式例示用于使本发明的技术思想具体化的方法，并不将本发明特定为以下的实施方式。而且，在以下的说明中，相同的名称、标号表示相同或相同性质的部件，并适当地省略详细说明。
图1是说明本发明的一实施方式的示意性截面图，表示与半导体激光元件100的谐振器方向垂直的方向上的截面。半导体激光元件100在由氮化物半导体构成的基板1之上具有由氮化物半导体构成的发光层。半导体激光元件100从基板1的一侧起依次设有n侧氮化物半导体层2、活性层3、和p侧氮化物半导体层4。活性层3例如诸如图2所示那样交替配置有势垒层3b、3c、3d和阱层（发光层）3a。在p侧氮化物半导体层4的表面设有隆起物4a，在与隆起物4a对应的活性层3及其附近形成有波导区域。在隆起物4a的侧面和从隆起物4a的侧面连续的p侧氮化物半导体层4的表面设有第一绝缘膜5a，在第一绝缘膜5a上设有对第一绝缘膜5a的一部分进行覆盖的第二绝缘膜5b。在p侧氮化物半导体层4的表面设有p电极6以及焊盘电极7，在基板1的背面设有n电极8。
在包含发光层的活性层3与基板1之间，从基板1的一侧起依次包括：第一氮化物半导体层21、第二氮化物半导体层22、第三氮化物半导体层23、和第四氮化物半导体层24。图2是表示各层的折射率的示意图。另外，图2的示意图用于说明折射率，与后述的实施例1相比，在层构成、膜厚方面有一部分不同。此外，省略了p侧氮化物半导体层4以及第五、第六氮化物半导体层25、26。
如图2所示，关于折射率，第一～第四氮化物半导体层21～24均低于发光层3a，其中第三氮化物半导体层23具有最高的折射率。而且，第二氮化物半导体层22以及第四氮化物半导体层24的折射率低于第一氮化物半导体层21的折射率。此外，基板1的折射率低于发光层3a的折射率、且高于第一氮化物半导体层21的折射率。
在图4中示出了后述的实施例1的半导体激光元件中的折射率与电场强度之间的模拟结果。图4中的n侧氮化物半导体层2的层结构与图3所示的层结构相对应，图4中的横轴利用将半导体层的最上面（p电极侧）设为0nm时的层叠方向上的膜厚来表示，即利用将半导体层的最上面（p电极侧）设为0nm时的深度方向的位置较之于此位置而处于上方的半导体层的膜的厚度来表示，数字越大则越靠近基板。右侧的纵轴表示折射率，左侧的纵轴表示电场强度。关于电场强度，将最大值设为1，利用相对值来表示。电场强度与光的强度相对应，基板中的电场强度的降低表示漏至基板的光的降低。即，如果基板中的电场强度变低，则表示漏至基板的光被降低。另外，如后所述，在实施例1的半导体激光元件中，因为与基板相接地设置的第六氮化物半导体层26是具有与基板相同的折射率的层，所以第六氮化物半导体层26与基板之间的电场强度差极小，如果在第六氮化物半导体层26中电场强度有所降低，则同样地能够认为在基板中电场强度被降低。
在本实施方式中，在基板1之上设有第一氮化物半导体层21，在该第一氮化物半导体层21与发光层之间按照特定顺序还设有第二～第四氮化物半导体层22～24。在如以上那样构成的实施方式的半导体激光元件中，成为图2所示那样的折射率分布。在以上的构成中，来自包含发光层的活性层3的光，由于活性层3与由AlGaN构成的低折射率的第四氮化物半导体层24之间的折射率差而被限制，进而由于由InGaN构成的第三氮化物半导体层23与由AlGaN构成的第二氮化物半导体层22之间的折射率差而被限制。因为第三氮化物半导体层23是由InGaN构成的高折射率的层，所以第三氮化物半导体层23内的电场强度的衰减小，光易于滞留。这通过以下的理由能够得到理解，即：在图4的表示电场强度的图表中，在与第三氮化物半导体层23对应的部分，图表的倾斜度变小。这样，通过将第三氮化物半导体层23设置在第二氮化物半导体层22的发光层侧，从而由于第三氮化物半导体层23与第二氮化物半导体层22之间的折射率差，可以有效地限制光。换言之，能够增大因设置第二氮化物半导体层22而带来的光的限制量。此外，如图4所示，即便是在活性层3与第四氮化物半导体层24之间例如设置了与活性层3之间的折射率差小的由InGaN构成的第五氮化物半导体层25的情况，活性层3与第五氮化物半导体层25之间的折射率差也小，所以来自包含发光层的活性层3的光，由于第五氮化物半导体层25与第四氮化物半导体层24之间的折射率差而被限制。如以上，根据包含按照特定顺序被设置的第二～第四氮化物半导体层22～24的本实施方式的构成，因为可有效地衰减到达基板的电场强度，所以能够降低向基板1漏光，能够降低FFP的脉动。
在本实施方式中，将第四氮化物半导体层24的膜厚设得大于第二氮化物半导体层22的膜厚，在第四氮化物半导体层24与第二氮化物半导体层22之间配置第三氮化物半导体层23。如上述，虽然利用第三氮化物半导体层23是光易于滞留的层的性质，能够降低FFP的脉动，但是，另一方面，如果将第三氮化物半导体层23配置在活性层（发光层）的近旁，则电场强度的峰值位置向第三氮化物半导体层23侧移动，即电场强度的峰值位置向基板1侧移动。除此之外，由于第三氮化物半导体层23处于电场强度的峰值的近旁，因此第三氮化物半导体层23中的电场强度变得极大。因而，存在FFP的对称性会瓦解的顾虑。
因此，在本实施方式中，将第四氮化物半导体层24的膜厚设得大于第二氮化物半导体层22，在这两个层之间配置第三氮化物半导体层23。由此，能够获得第二氮化物半导体层22所带来的光限制效应，并且能够防止第三氮化物半导体层23向活性层（发光层）的过度接近，能够抑制电场强度峰值位置向基板1侧的移动。由此，能够有效地降低FFP的脉动，并且能够维持FFP的对称性。除此之外，由于第四氮化物半导体层24为低折射率的层，因此能够使电场强度衰减至到达第三氮化物半导体层23为止，能够防止第三氮化物半导体层23中的电场强度的过度集中。为了抑制电场强度峰值位置向基板1侧的移动，也优选该点。
此外，由于如果电场强度的峰值位置向基板1侧移动，则峰值位置距发光层的偏离量会变大，发光层中的电场强度会变小，因此有时会引起阈值的上升、量子效率的下降。在本实施方式中，因为通过上述的构成能够抑制电场强度峰值位置向基板1侧的移动，所以能够抑制阈值的上升、量子效率的下降。
此外，在层叠半导体层之前的基板1表面，于加工时产生的擦痕等损伤层、因表面汚染所带来的杂质等通常是存在的。如果在这样的基板1上直接层叠Al组成比大的AlGaN，则由于伴随着Al组成比的增加而AlGaN的表面迁移会下降，因此易于受到基板1表面所存在的损伤层、杂质的影响，表面平坦性恶化。这样的表面平坦性的恶化，会给在其上生长的层带来影响，从而引起激光元件的量子效率的下降、可靠性的下降、成品率的下降。因此，在本实施方式中，在作为低折射率的AlGaN层的第二氮化物半导体层22、即作为Al组成比大的AlGaN层的第二氮化物半导体层22的基板1侧，设置作为Al组成比小于第二氮化物半导体层22的AlGaN层的第一氮化物半导体层21。由此，能够缓解因基板1表面的擦痕、杂质等给第二氮化物半导体层22带来的影响，能够抑制持续地给其上的发光层侧的层带来的影响，因而能够抑制激光元件的量子效率的下降、可靠性的下降、成品率的下降。
此外，如果基板1与第二氮化物半导体层22的晶格常数差大，则易产生裂缝。为此，在本实施方式中，在由GaN构成的基板1与由Al组成比大的AlGaN构成的第二氮化物半导体层22之间，设置作为具有基板1的晶格常数与第二氮化物半导体层22的晶格常数之间的晶格常数的、Al组成比小的AlGaN层的第一氮化物半导体层21。由此，能够抑制裂缝的产生。在基板1为AlGaN的情况下也同样。也就是说，通过在由Al组成比小的AlGaN构成的基板1与由Al组成比高的AlGaN构成的第二氮化物半导体层22之间，设置由Al组成比大于基板1且小于第二氮化物半导体层22的AlGaN构成的第一氮化物半导体层21，从而能够抑制裂缝的产生。
图5是关于比较例1的半导体激光元件来表示折射率以及电场强度的模拟结果的图。比较例1除了调换实施例1中的第三氮化物半导体层23和第二氮化物半导体层22的配置之外，其余与实施例1相同。此外，图6是将图4所示的实施例1的折射率以及电场强度、和图5所示的比较例1的折射率以及电场强度示出在一个图中的图表。在图6中，粗线为实施例1，细线为比较例1。电场强度与发光强度相对应，基板中的电场强度的降低表示漏至基板的光的降低。另外，在实施例1以及比较例1的半导体激光元件中，因为第六氮化物半导体层26是和与基板相接地设置的基板相同折射率的层，所以能够将第六氮化物半导体层26中的电场强度的降低视作基板中的电场强度的降低。
另外，在实施例1以及比较例1中，p侧氮化物半导体层4从活性层侧起具备：Al组成比较大的掺杂Mg的AlGaN层、GaN层、Al组成比较大的掺杂Mg的AlGaN层、掺杂Mg的AlGaN／AlGaN超晶格层、掺杂Mg的GaN层。
在图6中用虚线圆圈包围示出的部分是第六氮化物半导体层26中的电场强度。关注此处可知，通过设为实施例1的构成，从而与比较例1的情况相比，第六氮化物半导体层26中的电场强度降低。第六氮化物半导体层26中的电场强度的降低即是基板中的电场强度的降低，对应于漏至基板的光的降低。由此，通过设为实施例1的构成，从而能够使漏至基板的光较之于比较例1而有所降低。对其详细进行说明，如下所述。
如图4～6所示，在低折射率的第二氮化物半导体层22以及第四氮化物半导体层24中电场强度衰减；其衰减曲线的倾斜度（即衰减率）在实施例1的激光元件与比较例1的激光元件之间没有差异。此外，在高折射率的第三氮化物半导体层23中电场强度停滞这一趋势，在实施例1以及比较例1的激光元件中均存在。即，在第三氮化物半导体层23中，在实施例1的情况下衰减曲线的倾斜度（衰减率）变小，在比较例1的情况下反而增加。但是，关于实施例1的激光元件，因为第二氮化物半导体层22被配置在第三氮化物半导体层23的基板1侧，所以由此能够使滞留于第三氮化物半导体层23的电场强度衰减变大。因此，实施例1的激光元件与比较例1相比，能够直至到达基板1为止降低电场强度，可以降低向基板的漏光。此外，在实施例1中，将在第三氮化物半导体层23的发光层侧所设的第四氮化物半导体层24的膜厚设得厚于第二氮化物半导体层22，电场强度的峰值位置几乎未发生移动，被维持在与比较例1大致相同的位置。
以下，对各部件进行详细叙述。
（基板1）
作为基板1而使用GaN或AlGaN。典型地使用GaN。在使用GaN或AlGaN这样的氮化物半导体基板的情况下，较之于使用蓝宝石基板那样的异种基板的情况，由于形成在基板上的氮化物半导体层与基板之间的折射率差小，因此氮化物半导体层与基板之间的折射率差所引起的光的反射少，光易于逃至基板。因此，在本实施方式中，通过设置第一～第四氮化物半导体层21～24，从而能够将光限制在氮化物半导体层内，抑制光向基板的泄漏，降低脉动。
此外，在作为基板而使用GaN基板或AlGaN基板的情况下，在将振荡波长（峰值波长）设为480nm以上等使之长波长化后的半导体激光元件中，基板对来自发光层的光的吸收量下降，逃至基板的光未被基板吸收，易于向元件外取出。这是基于以下理由。也就是说，在发光层的带隙能大（在InGaN发光层的情况下In组成比小）、且与基板之间的带隙能差小的情况下，来自发光层的光易被基板吸收，即便光逃至基板，也被基板吸收，难以向元件外取出。但是，越是发光层的带隙能小（在InGaN发光层的情况下In组成比大）、且与基板之间的带隙能差大，则来自发光层的光越难以被基板吸收，逃至基板的光未被基板吸收，易于向元件外取出。
由此，在振荡波长为480nm以上的半导体激光元件中，在使用GaN基板或AlGaN基板的情况下，作为脉动应对策略，降低光向基板的泄漏尤为重要，所以优选设置本实施方式的第一～第四氮化物半导体层21～24。此外，例如若发光层为InGaN，则作为基板而使用GaN的情形较之于使用AlGaN的情形，基板与发光层之间的带隙能更接近。也就是说，在使用GaN基板的情况下，通过振荡波长是否为480nm以上，基板中的来自发光层的光的吸收量易于发生变化。因而，优选在使用GaN基板的情况下设置本实施方式的第一～第四氮化物半导体层21～24。另外，振荡波长除了峰值波长之外，还可以是主波长。
此外，基板1的厚度通常要厚于包含发光层以及第一～第四氮化物半导体层21～24的半导体层叠部。因而，光向基板1的泄漏易影响到FFP，如本实施方式那样通过降低光向基板1的泄漏，从而能够降低FFP的脉动。基板1的厚度具体而言优选设为30μm以上，更优选设为50μm以上。此外，优选将基板1的厚度的上限设为能裂开的程度的厚度，具体而言优选设为150μm以下，更优选设为100μm以下。
（第一～第四氮化物半导体层21～24）
在图1所示的半导体激光元件中，在基板1上，从基板1的一侧起，第一～第四氮化物半导体层21～24彼此相接地依次设置。第一、第二氮化物半导体层21、22由AlGaN构成，与基板1相比，为低折射率。Al组成比越大，则AlGaN越为低折射率。构成第二氮化物半导体层22的AlGaN设为Al组成比大于构成第一氮化物半导体层21的AlGaN的情形，将第二氮化物半导体层22设为低折射率的层。具体而言，第二氮化物半导体层22设为AlXGa1－XN（0＜X＜1）。第二氮化物半导体层22优选为AlXGa1－XN（0.04＜X≤0.1），更优选为AlXGa1－XN（0.06≤X≤0.1）。第一氮化物半导体层21为AlYGa1－YN（0＜Y＜X），优选为AlYGa1－YN（0＜Y≤0.04）。这样的组成范围，在半导体激光元件的振荡波长为480nm以上的情况下尤为优选，更优选为用于使480～550nm的峰值波长的激光进行振荡的半导体激光元件，进一步优选为使505～550nm的峰值波长的激光进行振荡的半导体激光元件。此外，第四氮化物半导体层24的材料能够使用组成范围与第二氮化物半导体层22相同的AlGaN。而且，第四氮化物半导体层24以及第二氮化物半导体层22能够设为由组成实质上相同的AlGaN构成的层。
如果利用单层来设置在第二、第四氮化物半导体层22、24中所使用的那样的Al组成比大的AlGaN层以获得充分的光限制效应，则需要设得厚到某种程度，但是这样一来便易于产生裂缝。如本实施方式那样通过分成第四氮化物半导体层24以及第二氮化物半导体层22这两个层进行设置，从而能够利用较薄的薄膜来获得充分的光限制效应。典型的是，关于用于获得同等程度的光限制效应的膜厚，第四氮化物半导体层24以及第二氮化物半导体层22的合计膜厚是与利用单层进行设置的情况同等程度或者比其小的膜厚。因而，能够良好地限制光，并且能够抑制裂缝的产生。
此外，由Al组成比大的AlGaN构成的第二氮化物半导体层22，如果增大其膜厚，则易于产生裂缝。然而，如果是在由InGaN构成的第三氮化物半导体层23之上所设的第四氮化物半导体层24，则即便是设为Al组成比与第二氮化物半导体层22同等程度大的AlGaN的情况，也不会使裂缝产生地增大膜厚。由此，为了降低脉动以及抑制裂缝的产生，优选将第四氮化物半导体层24的膜厚设得大于第二氮化物半导体层22的膜厚，优选第四氮化物半导体层24与第二氮化物半导体层22同样地设为Al组成比大于第一氮化物半导体层21的AlGaN。
进而，通过将被两层AlGaN层夹着的第三氮化物半导体层设为InGaN，从而能够缓解AlGaN层的应力，能够进一步抑制裂缝的产生。第三氮化物半导体层23为InZGa1－ZN（0＜Z＜1），优选设为InZGa1－ZN（0.02≤Z≤0.06）。关于这样的组成范围，在利用上述的组成范围的AlXGa1－XN来构成第二、第四氮化物半导体层22、24的情况下尤为适用。此外，在构成活性层3的阱层3a（发光层）为InaGa1－aN（0＜a＜1）、且配置在最靠基板侧的势垒层3b为InbGa1－bN（0≤b＜a）的情况下，第三氮化物半导体层23优选设为InZGa1－ZN（b≤Z＜a）。
在半导体激光元件具有后述的量子阱结构的活性层3的情况下，第一、第二、第四氮化物半导体层21、22、24是折射率至少低于发光层（阱层3a）的层。为了获得光限制效应，优选是折射率低于势垒层3b～3d的层。在存在多个势垒层的情况下，优选与最靠基板侧的势垒层3b相比而为低折射率，更优选的是，较之于势垒层3b～3d的任何层而为低折射率。此外，也能将第二、第四氮化物半导体层22、24设为这样的低折射率的层，而将第一氮化物半导体层21设为折射率与势垒层3b～3d同等程度或比其高的层。此外，第三氮化物半导体层23能够设为折射率高于基板1、且折射率低于发光层3a的层，也可设为折射率高于势垒层3b～3d的层。
将第一～第四氮化物半导体层21～24设为用于限制光的层，为了获得相应效果，优选将第一～第四氮化物半导体层21～24设为具有某种程度的厚度的层，具体而言优选分别大于10nm。而且，第二氮化物半导体层22优选为100nm以上的膜厚，能够设为1μm以下的膜厚。在使用上述组成范围的AlGaN的情况下，通过设为这样的膜厚范围，从而能够抑制裂缝的产生。更优选设为300nm以上且800nm以下。第四氮化物半导体层24的膜厚能够在与第二氮化物半导体层22相同的膜厚范围内进行设定。通过设为这样的膜厚范围，从而在采用与第二氮化物半导体层22相同的组成范围而设为Al组成比高的AlGaN层的情况下能够抑制裂缝的产生，故优选设为这样的膜厚范围。此外，第四氮化物半导体层24的膜厚优选大于第二氮化物半导体层22的膜厚，其膜厚的差例如能够设为10nm以上，还能够设为200nm以上。
优选第一氮化物半导体层21的膜厚大于第二、第四氮化物半导体层22、24之中的至少一方的膜厚。由于第一氮化物半导体层21较之于第二氮化物半导体层22而为高折射率，因此优选将第一氮化物半导体层21的膜厚设得大于第二氮化物半导体层22的膜厚，以使光的限制作用得以提升。相对于第四氮化物半导体层24也同样，通过将第一氮化物半导体层21的膜厚设得大于第四氮化物半导体层24的膜厚，从而能够使光的限制作用得以提升，故优选这样设定。更优选将第一氮化物半导体层21的膜厚设为大于合计第二、第四氮化物半导体层22、24的膜厚所得的合计膜厚的膜厚。第一氮化物半导体层21的膜厚优选为100nm以上，更优选为500nm以上，进一步优选为1μm以上。此外，第一氮化物半导体层21的膜厚优选为5μm以下，更优选为3μm以下。
第三氮化物半导体层23优选具有大到光易于滞留的程度的膜厚，具体而言优选为50nm以上，更优选为100nm以上，能够设为1μm以下。通过将光滞留在第三氮化物半导体层23中，从而通过和与该层相接的第二氮化物半导体层22之间的折射率差，能够有效地限制光。此外，为了避免光在第三氮化物半导体层23中的过度集中，第三氮化物半导体层23的膜厚优选至少小于第二氮化物半导体层22的膜厚，更优选小于第一、第二、第四氮化物半导体层21、22、24的任何一者的膜厚。具体而言，能够设为300nm以下。
也能够在第一～第四氮化物半导体层21～24与活性层3之间、或第一～第四氮化物半导体层21～24与基板1之间设置其他层。图3是说明本实施方式中的变形例的示意性截面图。如图3所示，半导体激光元件也可在第四氮化物半导体层24与活性层3（发光层3a）之间设置第五氮化物半导体层25，此外也可在第一氮化物半导体层21与基板1之间设置第六氮化物半导体层26。第五氮化物半导体层25能够与活性层3之中最靠基板侧的势垒层3b相接地设置，能够设为带隙能大于该势垒层的层。第六氮化物半导体层26能够设为与基板1相同的组成。
如上述，通过使用本实施方式的构成来抑制裂缝的产生，从而还存在采用基板的范围变宽的优点。作为由GaN等氮化物半导体构成的基板，例如公知高位错密度区域和低位错密度区域同时混在的基板，然而如果是这样的基板之中高位错密度区域呈条纹状分布的基板，则即便产生了裂缝，通过高位错密度区域也阻止了裂缝的进展，因此对成品率的影响小。但是，在使用高位错密度区域呈点状分布的基板、或者不存在高位错密度区域的基板的情况下，由于要么基板中的高位错密度区域的比例小要么不存在，因此裂缝易于向宽范围进展。通过抑制裂缝的产生，从而即便在使用了这样的基板的情况下，也可维持与使用了高位错密度区域呈条纹状分布的基板的情况同等程度的成品率。
（n侧氮化物半导体层2、p侧氮化物半导体层4）
p侧氮化物半导体层4包含含有Mg等p型杂质的p型氮化物半导体层，n侧氮化物半导体层2包含含有Si等n型杂质的n型氮化物半导体层。第一～第四氮化物半导体层21～24如上所述那样优选具有某种程度的厚度，因此例如在作为n侧氮化物半导体层2进行设置的情况下，优选是含有Si等n型杂质的n型氮化物半导体层。
（活性层3）
活性层3是包含发光层的层，优选设为具备阱层（发光层）和夹着该阱层的势垒层这样的量子阱结构，例如诸如图2所示那样能够设为多个势垒层3b、3c、3d和多个阱层3a被交替地层叠的多重量子阱结构。作为阱层，能够使用InaGa1－aN（0＜a＜1），作为势垒层，能够使用带隙能大于阱层的InGaN、GaN、或AlGaN等。
本实施方式的半导体激光元件的振荡波长优选为480nm以上，更优选设为480～550nm，进一步优选设为505～550nm。作为使峰值波长为480nm以上的激光进行振荡的激光元件的阱层，优选使用InaGa1－aN（0.18≤a＜1），作为使峰值波长为480～550nm的激光进行振荡的激光元件的阱层，优选使用InaGa1－aN（0.18≤a≤0.35），作为使峰值波长为505～550nm的激光进行振荡的激光元件的阱层，优选使用InaGa1－aN（0.2≤a≤0.35）。此时，作为势垒层，优选使用InbGa1－bN（0≤b＜0.18）。
如果半导体激光元件的振荡波长变长，则由于折射率的波长分散而导致难以限制光。与氮化物半导体的波长相对的折射率的变化为正态分布情形，其峰值位置因组成而不同，因与相同波段中的波长相对的折射率的变化程度因组成而不同。例如，无论是GaN还是Al0.1Ga0.9N，与500nm的波长相对的折射率均小于与400nm的波长相对的折射率，但是GaN的减少程度较大。也就是说，从400nm到500nm，GaN的折射率减少得较大，Al0.1Ga0.9N的折射率减少得较小。因为GaN的折射率大于Al0.1Ga0.9N，所以波长变得越长，GaN与Al0.1Ga0.9N之间的折射率差越缩小，与500nm的波长相对的情况下的折射率差变得小于与400nm的波长相对的情况。
由于这样的折射率的波长分散，因此振荡波长变得越长，则越难以增大各层之间的折射率差，存在光限制变弱的趋势。由此，本实施方式的构成尤其优选用于振荡波长为480nm以上的半导体激光元件，更优选用于振荡波长为480～550nm的半导体激光元件，进一步优选用于振荡波长为505～550nm的半导体激光元件。
此外，在使用这样的由In组成比大的InGaN构成的阱层的情况下，能够在该阱层与主要的势垒层（例如膜厚为几nm程度的GaN层）之间设置具有这些层之间的晶格常数的、In组成比小的InGaN。该InGaN的厚度例如为几埃程度。此外，在阱层的基板侧设置Si掺杂层（例如膜厚为10nm程度的掺杂Si的GaN层）的情况下，能够在该Si掺杂层的基板1侧设置相同组成的未掺杂层（例如膜厚为几nm程度的GaN层）。该未掺杂层也可被Si掺杂层夹着。例如，在基板1上形成n型氮化物半导体层之后，能够使几百nm的In0.03Ga0.97N、1nm程度的掺杂Si的GaN、几个nm的GaN、10nm程度的掺杂Si的GaN、几埃的In0.15Ga0.85N、几nm的In0.25Ga0.75N（阱层）、几埃的In0.15Ga0.85N、几nm的GaN按照该顺序来形成。
（实施例1）
作为实施例1，制作了在n型GaN基板上具有发光层、且使峰值波长约505nm的激光进行振荡的半导体激光元件。在下表面（n型GaN基板的背面）设有n电极，在上表面设有p电极。实施例1的半导体激光元件从基板1的一侧起依次具备：掺杂Si的GaN层（第六氮化物半导体层26）、约2000nm的掺杂Si的Al0.018Ga0.982N层（第一氮化物半导体层21）、约400nm的掺杂Si的Al0.08Ga0.92N层（第二氮化物半导体层22）、约150nm的掺杂Si的In0.05Ga0.95N层（第三氮化物半导体层23）、约600nm的掺杂Si的Al0.08Ga0.92N层（第四氮化物半导体层24）、掺杂Si的GaN层（第五氮化物半导体层25）、掺杂Si的InGaN势垒层、掺杂Si的GaN势垒层、In0.25Ga0.75N阱层（发光层）、GaN势垒层、In0.25Ga0.75N阱层（发光层）、InGaN势垒层、掺杂Mg的AlGaN层、GaN层、掺杂Mg的AlGaN层、掺杂Mg的AlGaN／AlGaN超晶格层、掺杂Mg的GaN层。
在图4以及图5中示出实施例1以及比较例1的半导体激光元件的折射率与电场强度之间的模拟结果。比较例1的半导体激光元件除了调换第二氮化物半导体层与第三氮化物半导体层的位置之外，其余与实施例1相同。另外，由于是几nm～十几nm程度的薄膜，因此在图4以及图5中难以进行判别，但是阱层（发光层）为两层，在最表面（膜厚为0nm的附近）存在掺杂Mg的GaN层。如图4以及图5所示，关于在第一氮化物半导体层21之下所设置的第六氮化物半导体层26中的电场强度，在实施例1的情况下约2×10－7，在比较例1的情况下约4.7×10－7。通过设为实施例1的结构，从而能够将第六氮化物半导体层26中的电场强度设为比较例1的一半以下，能够降低光向基板的逃逸。
另外，在实施例1以及比较例1的激光元件中，第六氮化物半导体层26是与GaN基板的上表面相接地设置的GaN层，即，是和与基板相接的基板相同折射率的层。因而，第六氮化物半导体层26所引起的电场强度的变化极小，能够将第六氮化物半导体层26中的电场强度的降低视作基板中的电场强度的降低。
此外，测定了实施例1以及比较例1的半导体激光元件中的半导体层层叠方向的FFP、即相对于活性层3（发光层）而言垂直方向的FFP。将实施例1的半导体激光元件中的垂直方向FFP示出在图7中，将比较例1的半导体激光元件中的垂直方向FFP示出在图8中。在图7以及图8中，左侧为p电极侧，右侧为GaN基板侧。在比较例1的半导体激光元件中，虽然在20度附近确认出较大的脉动，但是通过设为实施例1的半导体激光元件，从而已降低了脉动。
标号说明
100 半导体激光元件
1 基板
2 n侧氮化物半导体层
21 第一氮化物半导体层
22 第二氮化物半导体层
23 第三氮化物半导体层
24 第四氮化物半导体层
25 第五氮化物半导体层
26 第六氮化物半导体层
3 活性层
3a 阱层（发光层）
3b、3c、3d 势垒层（barrier layer）
4 p侧氮化物半导体层
4a 隆起物
5a 第一绝缘膜
5b 第二绝缘膜
6 p电极
7 焊盘电极
8 n电极

Claims (12)

1.一种半导体激光元件，使峰值波长为480nm～550nm的激光进行振荡，且在由GaN构成的基板之上具有由氮化物半导体构成且折射率高于所述基板的发光层，所述半导体激光元件的特征在于，
在所述基板与所述发光层之间，从所述基板的一侧起依次具有：
由AlGaN构成的第一氮化物半导体层；
由Al组成比大于所述第一氮化物半导体层的AlGaN构成的第二氮化物半导体层；
由InGaN构成，膜厚为100nm以上的第三氮化物半导体层；和
由Al组成比大于所述第一氮化物半导体层的AlGaN构成、且膜厚大于所述第二氮化物半导体层的第四氮化物半导体层。
2.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第二氮化物半导体层以及所述第四氮化物半导体层的膜厚为100nm以上。
3.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一氮化物半导体层的膜厚为100nm以上。
4.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一氮化物半导体层的膜厚大于所述第二氮化物半导体层以及所述第四氮化物半导体层的膜厚。
5.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一氮化物半导体层的膜厚大于所述第二氮化物半导体层和所述第四氮化物半导体层的合计膜厚。
6.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述发光层为阱层，所述半导体激光元件还具有夹着所述阱层的势垒层，
所述第一氮化物半导体层、所述第二氮化物半导体层以及所述第四氮化物半导体层的折射率低于所述势垒层的折射率。
7.一种半导体激光元件，使峰值波长为480nm～550nm的激光进行振荡，且在由AlGaN构成的基板之上具有由氮化物半导体构成且折射率高于所述基板的发光层，所述半导体激光元件的特征在于，
在所述基板与所述发光层之间，从所述基板的一侧起依次具有：
由Al组成比大于所述基板的AlGaN构成的第一氮化物半导体层；
由Al组成比大于所述第一氮化物半导体层的AlGaN构成的第二氮化物半导体层；
由InGaN构成，膜厚为100nm以上的第三氮化物半导体层；和
由Al组成比大于所述第一氮化物半导体层的AlGaN构成、且膜厚大于所述第二氮化物半导体层的第四氮化物半导体层。
8.根据权利要求7所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第二氮化物半导体层以及所述第四氮化物半导体层的膜厚为100nm以上。
9.根据权利要求7所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一氮化物半导体层的膜厚为100nm以上。
10.根据权利要求7所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一氮化物半导体层的膜厚大于所述第二氮化物半导体层以及所述第四氮化物半导体层的膜厚。
11.根据权利要求7所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一氮化物半导体层的膜厚大于所述第二氮化物半导体层和所述第四氮化物半导体层的合计膜厚。
12.根据权利要求7所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述发光层为阱层，所述半导体激光元件还具有夹着所述阱层的势垒层，
所述第一氮化物半导体层、所述第二氮化物半导体层以及所述第四氮化物半导体层的折射率低于所述势垒层的折射率。
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