CN103999305A - 氮化物半导体激光器以及外延基板 - Google Patents

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Abstract

提供能够缩小光封闭性的降低并且降低驱动电压的氮化物半导体激光器。在半导体区域(19)中，发光层(13)的活性层(25)、第一包覆区域(21)以及第二包覆区域(23)设置在主面(17a)上。第二包覆区域(23)包括第一p型III族氮化物半导体层(27)以及第二p型III族氮化物半导体层(29)。第一p型III族氮化物半导体层(27)由AlGaN层构成，第二p型III族氮化物半导体层(29)由与该AlGaN层不同的半导体构成。该AlGaN层内含各向异性的应变。第一p型III族氮化物半导体层(27)设置在第二p型III族氮化物半导体层(29)与活性层(25)之间。第二p型III族氮化物半导体层(29)的电阻率(ρ29)低于第一p型III族氮化物半导体层(27)的电阻率(ρ27)。

Description

氮化物半导体激光器以及外延基板
技术领域
本发明涉及氮化物半导体激光器以及用于氮化物半导体激光器的外延基板。
背景技术
专利文献1公开氮化物半导体发光元件。此外，专利文献2公开氮化物半导体激光器元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-192865号公报
专利文献2：日本特开2010-129676号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1公开在氮化物半导体发光元件中GaN与InAlGaN的晶格常数的关系。此外，专利文献2的氮化物半导体激光器元件包括具有8nm～20nm的范围的厚度以及10％～25％的范围的Al组成的p型AlGaN层和具有3％～5％的范围的Al组成的p型AlGaN包覆层。p型AlGaN层以及p型AlGaN包覆层相互接触，在p型AlGaN包覆层上接触p型GaN接触层。
例如，在专利文献2的氮化物半导体激光器元件中，p型AlGaN包覆层的Al组成小于另一个p型AlGaN层的Al组成。该另一个p型AlGaN层为了提供电子障壁而具有大的Al组成。此外，由于Al组成互不相同的AlGaN层相互接触，所以高Al组成的AlGaN层内含大的应变。
本发明的目的在于，提供能够缩小光封闭性的降低并且降低驱动电压的氮化物半导体激光器。此外，本发明的目的在于，提供用于该氮化物半导体激光器的外延基板。
本发明的氮化物半导体激光器包括：(a)具有由氮化镓类半导体构成的主面的导电性的支撑基体；(b)设置在所述主面上的活性层；(c)设置在所述所述支撑基体的所述主面上的p型氮化物半导体区域。所述支撑基体的所述主面相对于与在所述氮化镓类半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交的基准面倾斜，所述活性层设置在所述支撑基体与所述p型氮化物半导体区域之间，所述p型氮化物半导体区域包括p型包覆区域，所述p型包覆区域包括第一p型III族氮化物半导体层以及第二p型III族氮化物半导体层，所述第一p型III族氮化物半导体层设置在所述第二p型III族氮化物半导体层与所述活性层之间，所述第一p型III族氮化物半导体层由AlGaN层构成，所述第二p型III族氮化物半导体层由与所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层不同的材料构成，所述AlGaN层内含各向异性的应变，所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层的带隙在所述p型包覆区域中最大，所述第二p型III族氮化物半导体层的电阻率低于所述第一p型III族氮化物半导体层的电阻率。
根据该氮化物半导体激光器，由于p型包覆区域包括互不相同的材料的第一及第二p型III族氮化物半导体层，所以第一及第二p型III族氮化物半导体层的各个不使用组成倾斜，就能够使p型包覆区域成为光封闭性优异的区域。此外，该第一p型III族氮化物半导体层设置在第二p型III族氮化物半导体层与活性层之间。空穴在低于第一p型III族氮化物半导体层的电阻率的第二p型III族氮化物半导体层中传导后到达第一p型III族氮化物半导体层。
此外，由于第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层的带隙在p型包覆区域中最大，所以能够在第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层中增大p型包覆区域中的应变。由于在第一p型III族氮化物半导体层中设置p型包覆区域中的带隙的最大，所以能够将大的各向异性的应变提供给AlGaN层。
由于第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层内含各向异性的应变，所以与在c面上生长的AlGaN相比，该AlGaN层中的空穴具有较小的有效质量。因此，虽然第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层的电阻率高于第二p型III族氮化物半导体层的电阻率，但由有效质量较小的空穴担负InAlGaN层中的传导。因此，在来自第二p型III族氮化物半导体层的空穴到达第一p型III族氮化物半导体层并在此处进行传导时，AlGaN层中的动态电阻成为比从第一p型III族氮化物半导体层的电阻率所期待的值优异的电阻。其结果，正向驱动电压下降。
本发明的用于氮化物半导体激光器的外延基板包括：(a)具有由氮化镓类半导体构成的主面的基板；(b)设置在所述主面上的p型氮化物半导体区域。所述主面相对于与在所述氮化镓类半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交的基准面倾斜，所述活性层设置在所述支撑基体与所述p型氮化物半导体区域之间，所述p型氮化物半导体区域包括p型包覆区域，所述p型包覆区域包括第一p型III族氮化物半导体层以及第二p型III族氮化物半导体层，所述第一p型III族氮化物半导体层设置在所述第二p型III族氮化物半导体层与所述活性层之间，所述第一p型III族氮化物半导体层由AlGaN层构成，所述第二p型III族氮化物半导体层与所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层不同，所述AlGaN层内含各向异性的应变，所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层的带隙在所述p型包覆区域中最大，所述第二p型III族氮化物半导体层的电阻率低于所述第一p型III族氮化物半导体层的电阻率。
根据该外延基板，由于p型包覆区域包括互不相同的材料的第一及第二p型III族氮化物半导体层，所以第一及第二p型III族氮化物半导体层的各个不使用组成倾斜，就能够在p型包覆区域中提供优异的光封闭性。此外，由于该第一p型III族氮化物半导体层设置在第二p型III族氮化物半导体层与活性层之间，所以空穴在低于第一p型III族氮化物半导体层的电阻率的第二p型III族氮化物半导体层中传导后到达第一p型III族氮化物半导体层。
此外，由于第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层的带隙在p型包覆区域中最大，所以能够在第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层中增大p型包覆区域中的应变。由于在第一p型III族氮化物半导体层中设置p型包覆区域中的带隙的最大，所以能够将大的各向异性的应变提供给AlGaN层。
由于第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层内含各向异性的应变，所以与在c面上生长的AlGaN相比，该AlGaN层中的空穴具有较小的有效质量。因此，虽然第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层的电阻率高于第二p型III族氮化物半导体层的电阻率，但由有效质量较小的空穴担负InAlGaN层中的传导。因此，在来自第二p型III族氮化物半导体层的空穴到达第一p型III族氮化物半导体层并在此处进行传导时，AlGaN层中的动态电阻成为比从第一p型III族氮化物半导体层的电阻率所期待的值优异的电阻。其结果，正向驱动电压下降。
本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板还可以包括设置在所述支撑基体的所述主面与所述活性层之间的n型包覆区域。优选地，所述n型包覆区域包括InAlGaN层，所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层的Al组成低于所述n型包覆区域的所述InAlGaN层的Al组成。
根据该发明，由于n型包覆区域包括InAlGaN层，所以在n型包覆区域的InAlGaN层中内含的应变小于在第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层中内含的应变。因此，能够抑制n型包覆区域的InAlGaN层的松弛，其结果，能够防止由n型包覆区域的InAlGaN层的松弛引起而第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层的应变降低。
优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述第一p型III族氮化物半导体层的带隙能大于所述第二p型III族氮化物半导体层的带隙能。
根据该发明，能够良好地进行p侧区域中的光封闭。
优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述第一p型III族氮化物半导体层的带隙是3.47电子伏特以上且3.63电子伏特以下。
根据该发明，第一p型III族氮化物半导体层比第二p型III族氮化物半导体层接近活性层，上述带隙值能够对GaN类发光元件进行良好的光封闭。
在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，优选在所述第一以及第二p型III族氮化物半导体层中添加镁(Mg)，所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度小于所述第二p型III族氮化物半导体层的镁浓度。
根据该发明，由于接近活性层的第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度小于第二p型III族氮化物半导体层的镁浓度，所以能够抑制由掺杂物的光吸收所引起的吸收损失的增大以及由掺杂物的离子散射所引起的迁移率的降低。
在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，优选所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度为8×1017cm-3以上。在镁浓度为该范围时，第一p型III族氮化物半导体层的电阻率降低。此外，优选所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度为2×1019cm-3以下。在镁浓度超过该范围时，由掺杂物的光吸收所引起的吸收损失显著地影响阈值电流的增大。此外，由掺杂物的离子散射所引起的迁移率的降低变得明显。
优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述p型包覆区域的厚度为300nm以上且1000nm以下，所述第一以及第二p型III族氮化物半导体层分别具有厚度d1以及d2，所述第二p型III族氮化物半导体层的厚度满足0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6。
根据该发明，在第二p型III族氮化物半导体层的厚度具有上述范围的值时，第二p型III族氮化物半导体层与具有剩余的厚度的第一p型III族氮化物半导体层一同，能够提供良好的光封闭以及低的驱动电压。例如，具有上述范围的厚度的第二p型III族氮化物半导体层根据其低电阻率，此外，具有上述范围的剩余的厚度的第一p型III族氮化物半导体层根据其低的有效质量，对驱动电压的降低产生贡献。分别具有上述范围内的厚度的第一以及第二p型III族氮化物半导体层比与电极构成良好的接触所需的接触层的厚度厚。
优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述支撑基体的所述主面与所述基准轴所构成的角度为10度以上80度以下或者100度以上170度以下。
根据该发明，在支撑基体或者基板的主面的倾斜为该角度范围时，空穴的有效质量变得充分小，有效地发现包括第一以及第二p型III族氮化物半导体层的p型包覆区域的效果。
优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述支撑基体的所述主面与所述基准轴所构成的角度为63度以上80度以下或者100度以上117度以下。
根据该发明，在支撑基体或者基板的主面的倾斜为该角度范围时，用于InAlGaN层的生长的基底的半极性面在该InAlGaN生长中的铟取入上优异。因优异的In取入，能够生长结晶性良好的InAlGaN，从而容易将电气传导良好的InAlGaN层提供给n型以及p型包覆区域。
本发明的氮化物半导体激光器还可以包括对所述p型氮化物半导体区域构成接触的电极。此外，优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述p型氮化物半导体区域包括设置在所述p型包覆区域上且用于与电极构成结的p型接触区域，所述p型接触区域的厚度小于300nm，所述p型包覆区域的带隙能为所述p型接触区域的带隙能以上。
根据该发明，p型接触区域设置为具有能够电极与构成欧姆性的接触的载流子浓度。对低电阻率的第二p型III族氮化物半导体层提供来自带隙能小且受体的活化能小的p型接触区域的空穴，对驱动电压的降低产生贡献。
本发明的氮化物半导体激光器还可以包括对所述p型氮化物半导体区域构成接触的电极。此外，优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述p型氮化物半导体区域包括设置在所述p型包覆区域上且用于与电极构成结的p型接触区域，所述第二p型III族氮化物半导体层的p型掺杂物浓度低于所述p型接触区域的p型掺杂物浓度。
根据该发明，p型接触区域设置为具有能够电极与构成欧姆性的接触的载流子浓度。从p型接触区域对低电阻率的第二p型III族氮化物半导体层提供空穴，对驱动电压的降低产生贡献。此外，能够降低电极的接触电阻。
优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述第二p型III族氮化物半导体层的电阻率小于所述p型接触区域的电阻率。
根据该发明，p型接触区域在比第二p型III族氮化物半导体层薄时，减小元件电阻的增加，另一方面，从p型接触区域对低电阻率的第二p型III族氮化物半导体层提供空穴，对驱动电压的降低产生贡献。进一步，从第二p型III族氮化物半导体层对内含各向异性的应变的第一p型III族氮化物半导体层提供空穴。
优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述第二p型III族氮化物半导体层包括内含应变的InAlGaN层。
根据该发明，在第二p型III族氮化物半导体层包括InAlGaN层时，该InAlGaN层对基底的AlGaN层构成结，此外，内含各向异性的应变。通过该应变，能够减小第二p型III族氮化物半导体层的InAlGaN层中的空穴的有效质量。此外，能够与第一及第二p型III族氮化物半导体层间的晶格匹配独立地将所期望的带隙提供给第二p型III族氮化物半导体层。
在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述第二p型III族氮化物半导体层可以由GaN层构成。
根据该发明，能够获得基于GaN的低的电阻率和基于AlGaN层的小的有效质量的技术性贡献。
优选在本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板中，所述活性层设置为产生480nm以上且550nm以下的光。
根据该发明，能够在上述波长范围内提供良好的光封闭及低的驱动电压。
本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板还可以包括：设置在所述活性层与所述支撑基体之间的n侧InGaN光导层；以及设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间的p侧InGaN光导层。优选所述n侧InGaN光导层的厚度大于所述p侧InGaN光导层的厚度。
根据该发明，由于使n侧InGaN光导层的厚度大于p侧InGaN光导层的厚度，所以在包含活性层的光波导路径上传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也能够将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板还可以包括：设置在所述活性层与所述支撑基体之间的n侧InGaN光导层；以及设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间的p侧InGaN光导层。优选所述n侧InGaN光导层的铟组成大于所述p侧InGaN光导层的铟组成。
根据该发明，由于使n侧InGaN光导层的铟组成大于p侧InGaN光导层的铟组成，所以在包含活性层的光波导路径上传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也可将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板还可以包括：设置在所述活性层与所述支撑基体之间的n侧InGaN光导层；以及设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间的p侧InGaN光导层。优选所述n侧InGaN光导层的铟组成为0.04以上。
根据该发明，由于n侧及p侧InGaN光导层的铟组成均为0.04以上，所以能够提高这些InGaN光导层的折射率。因此，能够将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板还可以包括：设置在所述活性层与所述支撑基体之间的n侧InGaN光导层；以及设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间的p侧InGaN光导层。优选所述n侧InGaN光导层的厚度与所述n侧InGaN光导层的铟组成之积大于所述p侧InGaN光导层的厚度与所述p侧InGaN光导层的铟组成之积，所述n侧InGaN光导层的厚度与所述n侧InGaN光导层的铟组成之积为2以上且10以下，其中，所述n侧InGaN光导层的厚度的单位以nm表示，所述n侧InGaN光导层的铟组成以相对于III族构成元素的摩尔比表示。
根据该发明，由于使n侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积大于p侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积，所以在包含活性层的光波导路径上传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，从而即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也能够将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
本发明的氮化物半导体激光器以及外延基板还可以包括设置在所述支撑基体的所述主面与所述n侧InGaN光导层之间的氮化物半导体层。所述n侧InGaN光导层设置在所述氮化物半导体层与所述活性层之间，所述n侧InGaN光导层与所述氮化物半导体层的界面中的失配位错(misfit disloeations)密度为5×103cm-1以上且1×105cm-1以下的范围。
根据该发明，由于设置在氮化物半导体层与活性层之间的InGaN光导层对氮化物半导体层松弛，所以在第一p型III族氮化物半导体层的AlGaN层中能够增强各向异性的应变。
根据参照附图而进行的本发明的优选的实施方式的以下的详细的记述，更容易明白本发明的上述目的以及其他的目的、特征以及优点。
发明效果
如以上所说明，根据本发明，提供能够缩小光封闭性的降低并且降低驱动电压的氮化物半导体激光器。此外，根据本发明，提供用于该氮化物半导体激光器的外延基板。
附图说明
图1是概略性地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光器的构造的图。
图2是表示用于本实施方式的III族氮化物半导体激光器的p型包覆区域的电阻率、带隙Eg及p型掺杂物浓度的关系的图。
图3是表示在本实施方式的III族氮化物半导体激光器中p型包覆区域的第一及第二p型III族氮化物半导体层的可应用的构造的图。
图4是概略性地表示在实施例1中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。
图5是表示制作实施例1的III族氮化物半导体激光器的步骤流程的图。
图6是表示实施例1的半导体激光器LD1与半导体激光器LC1的驱动特性(I-V曲线)的图。
图7是概略性地表示在实施例2中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。
图8是概略性地表示在实施例3中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。
具体实施方式
通过参照作为例示而示出的附图，考虑以下的详细的记述，能够容易理解本发明的知识。接着，参照附图说明本发明的氮化物半导体激光器、外延基板以及制造氮化物半导体激光器及外延基板的方法的实施方式。在可能的情况下，对相同的部分赋予相同的标号。
图1是概略性地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光器的构造的图。III族氮化物半导体激光器11包含支撑基体17及半导体区域19。用于III族氮化物半导体激光器11的外延基板EP包含基板来代替支撑基体17，且具有半导体叠层来代替半导体区域19。该半导体叠层的层构造与半导体区域19的层构造相同。外延基板EP不包含电极。另外，虽然III族氮化物半导体激光器11具有增益引导型的构造，但本发明的实施方式并不限定于增益引导型的构造，本实施方式能够应用于例如具有脊型构造的III族氮化物半导体激光器。
接着，对III族氮化物半导体激光器11进行说明，但该记述也适用于用于III族氮化物半导体激光器11的外延基板EP。支撑基体17具有导电性，该导电性为例如在该半导体激光器11中流通电流所需的程度的值。支撑基体17具有主面17a及背面17b。主面17a由氮化镓类半导体构成，例如由六方晶类GaN构成。在相应的实施例中，支撑基体17能够由六方晶类III族氮化物半导体构成，进而能够由氮化镓类半导体构成。主面17a相对于与在氮化镓类半导体的c轴方向(c轴向量VC的方向)上延伸的基准轴正交的基准面(例如，代表性的c面Sc)而倾斜。此外，主面17a表示半极性。半导体区域19设置在支撑基体17的主面17a上。
半导体区域19包括发光层13、n型氮化物半导体区域15a以及p型氮化物半导体区域15b。发光层13、n型氮化物半导体区域15a以及p型氮化物半导体区域15b设置在支撑基体17的主面17a上。n型氮化物半导体区域15a由一个或者多个氮化镓类半导体层构成，例如能够由n型GaN、n型AlGaN、n型InAlGaN等构成。n型氮化物半导体区域15a能够包括第一包覆区域21，在本实施例中，n型氮化物半导体区域15a是第一包覆区域21，接下来的说明参照第一包覆区域21来代替n型氮化物半导体区域15a而进行。此外，p型氮化物半导体区域15b由多个氮化镓类半导体层构成，例如能够由p型GaN、p型InGaN、p型AlGaN、p型InAlGaN等构成。p型氮化物半导体区域15b包括第二包覆区域23。半导体区域19包括发光层13、第一包覆区域21、第二包覆区域23。发光层13能够包括活性层25，活性层25设置在主面17a上。第一包覆区域(例如n型包覆区域)21以及第二包覆区域(例如p型包覆区域)23设置在主面17a上。活性层25设置在支撑基体17与p型氮化物半导体区域15b以及第二包覆区域23之间。第一包覆区域21能够由一个或者多个氮化镓类半导体层构成。第一包覆区域21优选例如由n型InAlGaN构成，此外，能够由n型GaN、n型AlGaN等构成。第二包覆区域23由多个氮化镓类半导体层构成，在本实施例中，能够包括第一p型III族氮化物半导体层27以及第二p型III族氮化物半导体层29。第一p型III族氮化物半导体层27由AlGaN层构成，该AlGaN层内含各向异性的应变。各向异性地发生应变的AlGaN层中，将c轴向主面17a投射的轴方向的晶格失配度与垂直于c轴且位于主面17a内的轴方向的晶格失配度不同。第二p型III族氮化物半导体层29由与该AlGaN层的材料不同的半导体构成，例如能够由构成元素不同的材料构成。在第二包覆区域23中，第二p型III族氮化物半导体层29由p型氮化镓类半导体构成，例如由p型GaN、p型InAlGaN等构成。第一p型III族氮化物半导体层27设置在第二p型III族氮化物半导体层29与活性层25之间。第二p型III族氮化物半导体层29的电阻率ρ29低于第一p型III族氮化物半导体层27的电阻率ρ27。第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层的带隙大于第二p型III族氮化物半导体层29的带隙，并且，在p型包覆区域23中最大。
根据该氮化物半导体激光器11，由于第二包覆区域23包括互不相同的材料的第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29，所以第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29的各个并不组成倾斜，能够使第二包覆区域23成为光封闭性优异的区域。此外，该第一p型III族氮化物半导体层27设置在第二p型III族氮化物半导体层29与活性层25之间。空穴在低于第一p型III族氮化物半导体层27的电阻率的第二p型III族氮化物半导体层29中传导后到达第一p型III族氮化物半导体层27。
此外，由于第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层的带隙E1在p型包覆区域23中最大，所以能够在第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层中增大p型包覆区域23中的应变。因此，AlGaN层能够内含大的各向异性的应变。
此外，由于第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层内含各向异性的应变，所以与在c面上生长的AlGaN相比，该AlGaN层中的空穴具有较小的有效质量。因此，虽然第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层的电阻率高于第二p型III族氮化物半导体层29的电阻率，但由有效质量较小的空穴担负AlGaN层中的传导，所以在空穴到达第一p型III族氮化物半导体层27并在层27进行传导时，AlGaN层中的动态电阻成为比从第一p型III族氮化物半导体层27的电阻率所期待的值小的电阻。其结果，正向驱动电压下降。
因此，根据本实施方式，提供能够缩小光封闭性的降低并且降低驱动电压的氮化物半导体激光器11，此外，提供用于该氮化物半导体激光器11的外延基板EP。
图2是表示p型包覆区域中的两个包覆层27、29中的应变、电阻率、带隙Eg及p型掺杂物浓度的关系的图。参照图2的(a)部分，表示应变及电阻率的关系。获得由两层包覆层的电阻率及有效质量所产生的电气传导的技术贡献，并且通过采用两层包覆层也确保光封闭。
参照图1，在III族氮化物半导体激光器元件11中，半导体区域19包括与由六方晶类III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX所规定的m-n面交叉的第一端面28a及第二端面28b。此外，电极39设置在半导体区域19上，电极41设置在支撑基体17的背面17b上。
第一包覆层21、第二包覆层23及活性层25沿半极性的主面17a的法线轴NX排列。活性层25设置在第一包覆层21与第二包覆层23之间。活性层25包含氮化镓类半导体层，该氮化镓类半导体层例如为阱层25a。活性层25包括由氮化镓类半导体构成的障壁层25b，阱层25a及障壁层25b交替地排列。阱层25a例如由InGaN等构成，障壁层25b例如由GaN、InGaN等构成。活性层25能够包含以通过半极性面的利用而产生波长为430nm以上且570nm以下的光的方式设置的量子阱构造。此外，半导体激光器元件11有利于波长为480nm以上且550nm以下的光的产生。在上述波长范围内，能够提供良好的光封闭及较低的驱动电压。
描绘有正交坐标系S及结晶坐标系CR。法线轴NX朝向正交坐标系S的Z轴的方向。主面17a与由正交坐标系S的X轴及Y轴所规定的预定的平面平行地延伸。此外，在图1中，描绘有代表性的c面Sc。在图1所示的实施例中，支撑基体17的III族氮化物半导体的c轴向III族氮化物半导体的m轴的方向相对于法线轴NX以有限的角度ALPHA倾斜。
III族氮化物半导体激光器11进一步包括绝缘膜31及p型接触区域33。p型接触区域33设置在p型包覆区域23上。p型包覆区域23的带隙能为p型接触区域33的带隙能以上。此外，第二p型III族氮化物半导体层29的p型掺杂物浓度低于p型接触区域33的p型掺杂物浓度。绝缘膜31覆盖半导体区域19(p型接触区域33)的表面19a。绝缘膜31具有开口31a，开口31a在半导体区域19的表面19a与上述m-n面的交叉线LIX的方向上延伸，例如形成条纹形状。电极39经由开口31a对半导体区域19的表面19a(例如p型接触区域33)构成接触，并在上述交叉线LIX的方向上延伸。在III族氮化物半导体激光器11中，激光器波导路径包含第一包覆层21、第二包覆层23及活性层25，此外，在上述交叉线LIX的方向上延伸。
在III族氮化物半导体激光器11中，第一端面28a及第二端面28b与由六方晶类III族氮化物半导体的m轴及法线轴NX所规定的m-n面交叉。III族氮化物半导体激光器元件11的激光谐振器包含第一及第二端面28a、28b，激光器波导路径从第一及第二端面28a、28b中的一方向另一方延伸。第一及第二端面28a、28b与c面、m面或a面等至此为止的解理面不同。根据该III族氮化物半导体激光器11，构成激光谐振器的第一及第二端面28a、28b与m-n面交叉。激光器波导路径在m-n面与半极性面17a的交叉线的方向上延伸。III族氮化物半导体激光器11具有可实现低阈值电流的激光谐振器，在活性层25的发光中，选择可实现低阈值的激光器振荡的带间跃迁。
此外，如图1所示，能够在第一及第二端面28a、28b中分别设置电介质多层膜43a、43b。也能够对端面28a、28b应用端面涂敷。能够通过端面涂敷来调整反射率。
III族氮化物半导体激光器元件11包含n侧光导区域35及p侧光导区域37。n侧光导区域35能够包含一个或多个n侧光导层。p侧光导区域37能够包含一个或多个p侧光导层。n侧光导区域35例如包含n侧第一光导层35a及n侧第二光导层35b，且n侧光导区域35例如由GaN、InGaN等构成。p侧光导区域37包含p侧第一光导层37a及p侧第二光导层37b，且p侧光导区域37例如由GaN、InGaN等构成。
对第二包覆区域23进行说明。参照图1的(b)部分，第一p型III族氮化物半导体层27具有单一的带隙能E1，第二p型III族氮化物半导体层29具有单一的带隙能E2。优选为带隙能E1大于带隙能E2。由于第一p型III族氮化物半导体层27的折射率n1小于第二p型III族氮化物半导体层29的折射率n2，所以能够良好地进行p侧区域的光封闭。
在第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29中，添加p型掺杂物例如镁(Mg)，优选为第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度小于第二p型III族氮化物半导体层29的镁浓度。由于第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度小于第二p型III族氮化物半导体层29的镁浓度，所以能够抑制由掺杂物的光吸收所引起的吸收损失的增大以及由掺杂物离子的离子散射所引起的迁移率的下降。
通过使第一p型III族氮化物半导体层27的带隙能E1大于第二p型III族氮化物半导体层29的带隙能E2，能够提高光封闭性。此外，通过使第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度小于第二p型III族氮化物半导体层29的镁浓度，减小第一p型III族氮化物半导体层27的吸收损失的增大与迁移率的降低。
例如，第一p型III族氮化物半导体层27的带隙优选为3.47电子伏特以上且3.63电子伏特以下。带隙Eg的范围相当于波长342nm～357nm。若为该范围，则能够获得为封闭波长为480nm～550nm的光所对应的折射率。在该元件中，第一p型III族氮化物半导体层27比第二p型III族氮化物半导体层29更接近活性层25，从而上述带隙值能够使GaN类发光元件实现良好的光封闭。
此外，例如第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度可以为8×1017cm-3以上。在镁浓度为该范围时，第一p型III族氮化物半导体层27的电阻率降低。此外，第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度可以为2×1019cm-3以下。在镁浓度为该范围时，由离子散射所引起的迁移率降低并不大，且不会对由吸收损失所引起的阈值电流的增大产生显著影响。
第二p型III族氮化物半导体层29的镁浓度可以为7×1018cm-3以上。在镁浓度为该范围时，能够提高自由霍尔浓度。此外，第一p型III族氮化物半导体层27的镁浓度可以为5×1019cm-3以下。在镁浓度超过该范围时，结晶性容易恶化，难以结晶性良好地生长具有足以进行光封闭的膜厚的包覆层。
参照图2的(b)部分，表示应变、电阻率及带隙Eg的关系。通过采用两层包覆层而获得由电阻率及有效质量所产生的电气传导的技术贡献，并且基于带隙Eg(折射率)的分布也确保光封闭。
参照图2的(c)部分，表示p型包覆区域的应变、电阻率、带隙Eg及p型掺杂物浓度的关系。通过采用两层包覆层而获得由电阻率及有效质量所产生的电气传导的技术贡献，并且基于带隙Eg(折射率)的分布而确保光封闭，进而基于Mg掺杂物浓度分布而抑制阈值电流的增加，实现驱动电压的下降。
对第一p型III族氮化物半导体层27赋予高带隙及低掺杂物浓度。除此之外，难以对第一p型III族氮化物半导体层27赋予较低的电阻率。其原因在于，在提高第一p型III族氮化物半导体层27的空穴密度时，增加p型掺杂物浓度而降低电阻率会增加由p型掺杂物离子所引起的载流子散射。
虽然第一p型III族氮化物半导体层27的电阻率高，但由于内含各向异性的压缩应变的AlGaN层的迁移率高，所以能够通过动态地提高空穴浓度而降低动态电阻。提高空穴浓度可通过如下方式实现：在激光器驱动时，从电阻率较低的第二p型III族氮化物半导体层29向第一p型III族氮化物半导体层27流入空穴。在激光器驱动时，在空穴的有效质量小的第一p型III族氮化物半导体层27中能够增大空穴浓度，电阻降低。
如以上说明，通过使第一p型III族氮化物半导体层27的p型掺杂物浓度低于第二p型III族氮化物半导体层29的p型掺杂物浓度，降低由p型掺杂物所引起的离子散射。这对提高迁移率有效。该p型掺杂物浓度降低还降低第一p型III族氮化物半导体层27的光吸收。
图3是表示p型包覆区域中的第一及第二p型III族氮化物半导体层的可实现的构造的图。第二p型III族氮化物半导体层29在第一p型III族氮化物半导体层27构成结30a。在该实施例中，第一p型III族氮化物半导体层27在基底的光导层构成结30b。第二p型III族氮化物半导体层29在接触层33构成结30c。认为在设置于半极性面上的AlGaN不发生松弛而内含各向异性的应变时，通过该应变而解除价带的退化，空穴的有效质量减小。第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN中的Al组成例如可以为0.02以上且0.1以下。第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN的厚度例如可以为100nm以上且500nm以下。在第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN的厚度为该范围时，能够不发生松弛而提供良好的光封闭。
如图3的(a)部分所示，在第二p型III族氮化物半导体层29由GaN构成时，与三元类或四元类氮化物半导体相比，容易减小第二p型III族氮化物半导体层29的电阻率。即，根据该方式，能够获得基于GaN的低的电阻率和基于InAlGaN层的小的有效质量的技术贡献。
如图3的(b)部分所示，第二p型III族氮化物半导体层29由InAlGaN构成，且在基底的AlGaN层27构成结30a。在第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层内含各向异性的应变时，由各向异性的应变引起而第二p型III族氮化物半导体层29中的空穴的有效质量也减小。该有效质量减小在从第二p型III族氮化物半导体层29容易对第一p型III族氮化物半导体层27流入空穴的方面有效。即，能够获得InAlGaN层的低的电阻率和基于AlGaN层的小的有效质量的技术贡献。
如图3的(c)部分所示，第二p型III族氮化物半导体层29由InAlGaN以及GaN中的至少任一个构成，该AlGaN层27内含各向异性的应变。因此，容易地实现从第二p型III族氮化物半导体层29对第一p型III族氮化物半导体层27的空穴流入。
在四元类氮化物半导体中，与三元类氮化物半导体相比，能够相互独立地决定带隙及晶格常数。其对晶格失配的调整有益。为了增大带隙Eg，需要提高InAlGaN的Al组成及In组成，在InAlGaN中晶格匹配较为复杂。设置在半极性面上的InAlGaN无法使c轴的倾斜方向(以下，记为“偏离方向”)与垂直于该偏离方向的方向的两者同时相对于GaN进行晶格匹配。其原因在于，晶格常数的比c/a在GaN、AlN、InN中分别不同。因InAlGaN的松弛，会变得无法获得有效质量的下降效果。
在图3的(a)部分、(b)部分及(c)部分所示的p型包覆区域中，在第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29的界面，未形成有引起松弛的程度的实质性的失配位错。此外，虽然第二包覆区域23在发光层13上生长，但在第二包覆区域23与发光层13的界面，未形成有引起松弛的程度的实质性的失配位错。
在第一p型III族氮化物半导体层27由AlGaN构成的构造中，在散射因子方面，三元构成元素的氮化物小于四元构成元素的氮化物。此外，在与具有某一带隙的InAlGaN相同的带隙的AlGaN中，由于能够使该AlGaN的Al组成低于该InAlGaN的Al组成，且能够使AlGaN的生长温度高于InAlGaN的生长温度，所以在AlGaN生长中氧气的取入小于InAlGaN的生长。因此，能够降低由氧气等杂质所引起的载流子散射。例如，AlGaN中的氧气浓度可以为3×1017(3E+17)cm-3以下。根据这些理由，能够将AlGaN的迁移率提高至与InAlGaN相同程度以上。
支撑基体17上的半导体区域19包含在支撑基体17的主面17a的法线轴NX的方向上排列的多个III族氮化物半导体层(21、13、23、33)。在半导体区域19内，存在这些III族氮化物半导体层所形成的多个结(界面)，在一实施例中，在这些界面，未形成有引起松弛的程度的失配位错。因此，在支撑基体17的主面17a例如由GaN构成时，半导体区域19的III族氮化物半导体层分别内含对应于其晶格常数与GaN的晶格常数的差异的应变。
(晶格匹配的方式1)
在支撑基体17为GaN基板时，该GaN基板的c轴的晶格常数D1(GaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D1(GaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D1(GaN)n。第二p型III族氮化物半导体层29的InAlGaN层的c轴的晶格常数D1(InAlGaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D1(InAlGaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D1(InAlGaN)n。在将InAlGaN层的晶格失配度R1p以(D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p规定时，该晶格失配度R1p为-0.15％以上且+0.2％以下。
在该构造中，失配位错不会进入具有大到能够构成包覆的程度的带隙的第二p型III族氮化物半导体层29中。上述条件意图使与晶格匹配相关的两个晶轴中的c轴的晶格常数进行晶格匹配，且第二p型III族氮化物半导体层29的另一轴(a轴或m轴)发生应变。通过该各向异性的应变，能够达成上述有效质量的下降效果。
(晶格匹配的方式2)
在支撑基体17为GaN基板时，与该GaN基板的c轴正交的晶轴(a轴或m轴)的晶格常数D2(GaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D2(GaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D2(GaN)n。与第二p型III族氮化物半导体层29的InAlGaN层的c轴正交的晶轴的晶格常数D2(InAlGaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D2(InAlGaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D2(InAlGaN)n。在将InAlGaN层的晶格失配度R2p以(D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p规定时，该晶格失配度R2p为-0.15％以上且+0.2％以下。另外，在偏离方向准确地为a轴或者m轴时，D2(GaN)n与D2(InAlGaN)n为零。在偏离方向稍微从a轴或者m轴偏移时，D2(GaN)n与D2(InAlGaN)n为接近零的非常小的值。
在该构造中，虽然包覆区域具有大的带隙，但失配位错不会进入第二p型III族氮化物半导体层29与下侧的AlGaN层27的界面。意图使关于晶格匹配的两个晶轴中的与c轴正交的晶格常数进行晶格匹配，且第二p型III族氮化物半导体层29已在c轴方向上发生应变。通过该各向异性的应变，能够达成上述有效质量的下降效果。
(晶格匹配的方式3)
支撑基体17为GaN基板，该GaN基板的c轴向GaN基板的a轴及m轴中的任一晶轴(此处为m轴)倾斜。GaN基板的c轴的晶格常数D1(GaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D1(GaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D1(GaN)n。第二p型III族氮化物半导体层29的InAlGaN层的c轴的晶格常数D1(InAlGaN)包含平行于支撑基体17的主面17a的成分D1(InAlGaN)p、及垂直于支撑基体17的主面17a的成分D1(InAlGaN)n。该InAlGaN层的晶格失配度R1p以(D1(InAlGaN)p-D1(GaN)p)/D1(GaN)p规定。该晶格失配度R1p为-0.15％以上且0％以下。在c轴向m轴的方向倾斜的方式中，关于a轴，第一p型III族氮化物半导体层27的InAlGaN层的晶格失配度R2p以(D2(InAlGaN)p-D2(GaN)p)/D2(GaN)p规定。该晶格失配度R2p满足0％以上且0.2％以下。其中，D2(InAlGaN)p与D1(InAlGaN)p正交，D2(GaN)p与D1(GaN)p正交。
在该构造中，不使与晶格匹配相关的两个晶轴中的任一个晶轴进行晶格匹配。即，两个晶轴均在较小的某种程度的范围内发生应变。在具有大到能够构成包覆的程度的带隙的第二p型III族氮化物半导体层29的InAlGaN中进行与另一个晶轴相关的晶格匹配时，有另一个晶格失配度变大，第二p型III族氮化物半导体层29的InAlGaN发生松弛的可能性。在使用这样的InAlGaN时，两晶轴均不进行晶格匹配，但为了避免松弛，向InAlGaN提供降低晶格失配度的组成较为有效。通过与两轴相关的各向异性的应变，能够提供上述有效质量下降。
包覆区域以在内侧的光波导路径内封闭光的方式发挥作用。在第二包覆区域23(p型包覆区域)由两个半导体层构成时，尽管仅通过该p型包覆区域的一个半导体层无法提供充分的光封闭，但第二包覆区域23的两个半导体层的总厚度厚至足以进行光封闭的程度，从而通过这两层提供充分的光封闭。
例如，第二包覆区域23的厚度d23(参照图1)优选为300nm以上且1000nm以下。在第二包覆区域23的厚度d23为300nm以上时，对发光层13的光封闭变得良好，抑制光向p型接触区域33及电极39的泄漏。此外，在第二包覆区域23的厚度d23为1000nm以下时，伴随串行电阻成分增加的驱动电压的增加得到抑制。
第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29分别具有厚度d1及d2。第二p型III族氮化物半导体层29的厚度d2优选为满足0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6。在第二p型III族氮化物半导体层29的厚度d2具有上述范围的值时，第二p型III族氮化物半导体层29能够与具有剩余厚度d1的第一p型III族氮化物半导体层27一起提供良好的光封闭及低的驱动电压。例如，具有上述范围的厚度d2的第二p型III族氮化物半导体层29因其低的电阻率而对驱动电压的下降产生贡献，此外，具有上述范围的剩余厚度的第一p型III族氮化物半导体层27因其较低的有效质量而对驱动电压的下降产生贡献。分别具有上述范围内的厚度的第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29比用于与电极39构成良好的接触所需的接触区域33的厚度大。
第一p型III族氮化物半导体层27的厚度小于基于其材料的临界膜厚。由此，能够避免第一p型III族氮化物半导体层27发生松弛。此外，第二p型III族氮化物半导体层29的厚度小于基于其材料的临界膜厚。由此，能够避免第二p型III族氮化物半导体层29发生松弛。
如上述说明，支撑基体17(外延基板EP的基板)的主面17a表示半极性。主面(外延基板EP的基板主面)17a与基准轴Cx所构成的角度ALPHA优选为10度以上且80度以下或者100度以上且170度以下。在支撑基体17的主面17a的倾斜为该角度范围时，空穴的有效质量变得充分小，从而有效地表现出包含第一及第二p型III族氮化物半导体层27、29的p型包覆区域23的效果。
此外，主面17a与基准轴Cx所构成的角度ALPHA优选为63度以上且80度以下或者100度以上且117度以下。在主面17a的倾斜为该角度范围时，用于应用于包覆的InAlGaN层的生长的基底的半极性面(即，主面17a)在该InAlGaN生长中的铟取入上优异。因优异的In取入，能够生长良好的结晶性的InAlGaN，容易向n型以及p型包覆构造提供电气传导良好的InAlGaN层。此时，c轴优选在从该c轴向氮化镓类半导体的m轴的方向上倾斜。
再次参照图1，p型接触区域33设置为对第二包覆区域23构成结，电极15设置为对p型接触区域33构成结。p型接触区域33的厚度例如小于300nm，p型接触区域33的厚度例如可以为10nm以上。p型接触区域33的p型掺杂物浓度例如为5×1020(5E+20)cm-3以下，p型接触区域33的p型掺杂物浓度例如可以为1×1019(1E+19)cm-3以上。
优选为第二p型III族氮化物半导体层29的电阻率小于p型接触区域33的电阻率。此时，在p型接触区域33比第二p型III族氮化物半导体层29薄时，减小元件电阻的增加，另一方面，空穴从p型接触区域33提供给低电阻率的第二p型III族氮化物半导体层29，对驱动电压的降低产生贡献。进而，对内含各向异性的应变的第一p型III族氮化物半导体层27从第二p型III族氮化物半导体层29提供空穴。
在第二包覆区域23中，第二p型III族氮化物半导体层29的带隙能E2优选为p型接触区域33的带隙能Ec以上。根据该构造，从带隙能小且受体的活化能小的p型接触区域33向电阻率低的第二p型III族氮化物半导体层29提供空穴，从而对驱动电压的下降产生贡献。
在设置于支撑基体17的主面17a与InGaN光导层35之间的n型氮化物半导体区域15a中，InGaN光导层35设置在n型氮化物半导体区域15a与活性层13之间。在某一实施例中，InGaN光导层35与n型氮化物半导体区域15a的界面(图1所示的界面20a)中的失配位错密度优选为5×103cm-1以上且1×105cm-1以下的范围。在该方式中，由于设置在n型氮化物半导体区域15a与活性层13之间的InGaN光导层33对于n型氮化物半导体区域15a发生松弛，所以在第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层中能够增强各向异性的应变。即使将失配位错导入到n侧第一光导层35a与n侧第二光导层35b的界面，也能够获得同样的效果。
在一实施例中，优选n型包覆区域21包括InAlGaN层，第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层的Al组成低于n型包覆区域21的InAlGaN层的Al组成。在该方式中，由于n型包覆区域21包括InAlGaN层，能够使在n型包覆区域21的InAlGaN层中内含的应变小于在第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层中内含的应变。因此，能够抑制n型包覆区域21的InAlGaN层的松弛，其结果，能够防止由n型包覆区域21的InAlGaN层的松弛所引起而第一p型III族氮化物半导体层27的AlGaN层的应变降低。
(实施例1)
图4是概略性地表示在实施例1中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。该III族氮化物半导体激光器依照图5所示的步骤流程而制作。
在步骤S101中，准备具有半极性主面的III族氮化物基板。在本实施例中，准备具有向m轴方向以75度的角度倾斜的半极性主面的GaN基板51。该半极性主面的面取向与(20-21)面对应。在该GaN基板51的半极性主面上，生长具有在振荡波长为520nm带进行动作的LD构造LD1的半导体区域。
在步骤S102中，在生长炉内配置GaN基板51后，进行GaN基板51的前处理(热清洗)。该前处理在包含氨及氢的环境中，在摄氏1050度的热处理温度、10分钟的处理时间的条件下进行。
在该前处理后，在步骤S103中，以摄氏1050度的生长温度在GaN基板51上生长n型GaN层53等氮化镓类半导体层。n型GaN层53的厚度例如为500nm。在步骤S104中，在该氮化镓类半导体层上生长n型包覆区域。n型包覆区域包含例如以摄氏840度的生长温度生长的InAlGaN层55。该n型包覆区域的厚度例如为2μm。n型InAlGaN层55内含各向异性的应变。在步骤S105中，生长n型包覆区域上的n侧光导层。在本实施例中，n侧光导层包含例如以摄氏840度的生长温度生长的n型InGaN层57。n型InGaN层57的厚度例如为200nm。n型InGaN层57内含压缩应变。
在下一个步骤中，在n侧光导层上生长活性层59。活性层59包含障壁层及阱层。在本实施例中，在步骤S106中生长障壁层，在步骤S107中生长阱层。障壁层包含例如以摄氏840度的生长温度生长的GaN层59a，该GaN层59a的厚度例如为15nm。阱层包含例如以摄氏790度的生长温度生长的In0.3Ga0.7N层59b，InGaN层59b的厚度例如为3nm。该InGaN层59b内含压缩应变。
在步骤S108中，在活性层59上生长p侧光导层61。在本实施例中，p侧光导层61包含例如以摄氏840度的生长温度生长的InGaN层61。p侧InGaN层61的厚度例如为200nm。p侧InGaN层61内含压缩应变。
在步骤S109中，在p侧光导层61上生长p型包覆区域65。p型包覆区域65的生长在步骤S110中，首先以在p侧光导层构成结的方式生长第一包覆层。第一包覆层为p型Al0.05Ga0.95N层67。该p型Al0.05Ga0.95N层67例如以摄氏840度的生长温度生长。该p型In0.03Al0.14Ga0.83N层67的厚度例如为200nm。p型In0.03Al0.14Ga0.83N层67在p侧光导层构成结，此外，内含各向异性的应变。p型Al0.05Ga0.95N层67的电阻率例如为25Ωcm。p型Al0.05Ga0.95N层67的带隙能为3.54eV。p型Al0.05Ga0.95N层67的Mg浓度例如为3×1018cm-3。
在p型包覆区域65的生长中，接着在步骤S111中，以在第一包覆层构成结的方式共格(coherent)地生长第二包覆层。在第二包覆层的生长中，生长p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69。该p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69例如以摄氏840度的生长温度生长。该p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69的厚度例如为200nm。p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69在第一包覆层构成结，此外，内含各向异性的应变。第一包覆层的InAlGaN关于a轴方向相对于GaN具有-0.1％的晶格失配度，关于c轴的倾斜方向相对于GaN具有-0.2％的晶格失配度。第二包覆层的InAlGaN关于a轴方向与GaN大致晶格匹配，关于c轴的倾斜方向具有-0.08％的晶格失配度。
在本实施例中，p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69的电阻率例如为8Ωcm。p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69的带隙能为3.48eV，该值小于p型Al0.05Ga0.95N层67的值。p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69的Mg浓度例如为1×1019cm-3，该值大于p型Al0.05Ga0.95N层67的值。1eV以1.602×10-19焦耳换算。
在步骤S112中，在p型包覆区域65上生长具有构成欧姆性的结的掺杂物浓度以及厚度的p型接触层71。在本实施例中，p型接触层71包含例如以摄氏1000度的生长温度生长的GaN层。p型接触层71的厚度例如为50nm。p型接触层71的p型GaN的电阻率例如为10Ω·cm，p型接触层71的Mg浓度例如为1×1020cm-3。通过这些步骤，制作外延基板EP1。
在步骤S113中，在p型接触层71上使绝缘膜成膜，此外，在该绝缘膜上，通过湿式蚀刻而形成在激光器波导路径的方向上延伸的条纹窗，从而形成保护绝缘层73。条纹窗的宽度例如为10μm。在p型接触层71及保护绝缘层73上形成阳极电极75，且在GaN基板的背面形成阴极电极77。阳极电极75经由条纹窗在p型接触层71构成接触。阳极电极75包括由Ni/Au构成的欧姆电极及由Ti/Au构成的焊垫电极，且它们通过蒸镀而形成。直到基板厚度成为80μm左右为止研磨基板之后，形成阴极电极77。阴极电极77包括由Ti/Al构成的欧姆电极及由Ti/Au构成的焊垫电极，且它们通过蒸镀而形成。通过这些步骤，从外延基板EP1制作基板制品。
在步骤S114中，从基板制品制作激光棒。激光棒的谐振器长度为600μm。在激光棒的激光器端面上，成膜电介质多层膜。电介质多层膜由例如SiO2/TiO2的多层膜构成。
与上述LD构造的制作不同地，制作包括由单一的p型包覆层(p型In0.03Al0.14Ga0.83N层，厚度为400nm)构成的p包覆区域的LD构造LC1。LD构造LC1除了p型包覆区域的构造外，具有与LD构造LD1相同的构造。
图6是表示实施例1的半导体激光器LD1与半导体激光器LC1的驱动特性(I-V曲线)的图。图6表示包括具有单一的组成的单一的p型AlGaN包覆层(p型Al0.05Ga0.95N层，厚度为400nm)的半导体激光器LC1的驱动特性C(LC1)、包括包含各向异性的应变的p型AlGaN包覆层(p型Al0.05Ga0.95N层，厚度为200nm)和包含各向异性的应变的p型InAlGaN包覆层(p型In0.02Al0.07Ga0.91N层，厚度为200nm)的半导体激光器LD1的驱动特性C(LD1)。若将驱动特性C(LD1)与驱动特性C(LC1)进行比较，与驱动特性C(LC1)的正向驱动电压Vf(LC1)相比，驱动特性C(LD1)的正向驱动电压Vf(LD1)降低。该Vf的降低不能仅根据使用了电阻率低于p型AlGaN的p型InAlGaN的效果来说明，表示还有追加的作用。这是因为如下原因：两者的微分电阻dV/dJ都是2E-4Ωcm2左右，比从p型AlGaN包覆层的电阻率设想的值还低一位。此外，根据使用了剖面TEM(Transmission ElectronMicroscope，穿透式电子显微镜)的观察，在p侧光导层与p型包覆区域的界面、p型包覆区域与p型接触层的界面、这两个包覆区域的界面的任一处均未发现失配位错。
虽然上述半导体激光器LD1以及半导体激光器LC1的p型包覆区域中的第一层的p型Al0.05Ga0.95N层的电阻率(25Ωcn)都比较高，但图6的J-V曲线表示在半导体激光器LD1中驱动时动态的电阻降低。其理由之一在于，存在与在半极性上内含各向异性的应变的AlGaN层中载流子的有效质量降低，从第二层的、载流子浓度大的p型InAlGaN包覆层(或者p型GaN)流入的载流子有效率地流过有关的可能性。认为根据由多个层(例如两层)构成的包覆区域的内含各向异性的应变的AlGaN层和在该AlGaN层构成结且具有大的空穴浓度的其他p型包覆层(即，低的电阻率)的组合，更明显地提供这个效果。
(实施例2)
图7是概略性地表示在实施例2中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。实施例2的半导体激光器LD2生长p型GaN层68来代替半导体激光器LD1中的第二包覆层的InAlGaN层69。第二包覆层的p型GaN层68的电阻率例如为3Ω·cm，p型GaN层68的Mg浓度例如为1×1019cm-3。在以12kA/cm2的注入电流与实施例1的半导体激光器LD1进行比较时，半导体激光器LD2的驱动电压Vf比半导体激光器LD1的驱动电压Vf下降0.4伏特。
(实施例3)
图8是概略性地表示在实施例3中制作的III族氮化物半导体激光器的构造的图。参照图8的(a)部分、(b)部分及(c)部分，p型包覆区域包含在发光层构成结的p型InAlGaN包覆层、及在该p型InAlGaN包覆层构成结的p型GaN包覆层。
通过从在第二包覆层中使用了p型GaN层的实施例2中的光导层变更该光导层的构造，能够获得阈值电流下降的效果。如图8的(a)部分所示，优选为将p侧及n侧的光导层的InGaN的铟组成设为大于0.03的值，例如设为0.04以上。根据该实施例，由于n侧及p侧InGaN光导层的铟组成均为上述值以上，因此能够提高这些InGaN光导层的折射率。因此，能够将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
在另一实施例中，如图8的(b)部分所示，优选为n侧InGaN光导层的铟组成大于p侧InGaN光导层的铟组成。另外，这里n侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积为8，p侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积为4，n侧InGaN光导层的值较大。根据该实施例，由于使n侧InGaN光导层的铟组成大于p侧InGaN光导层的铟组成，所以在包含活性层的光波导路径上进行传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也能够将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。在该构造中，即使是在p型包覆区域的折射率稍微高的情况下，也能够实现充分的光封闭。与增大光导层的铟组成的构造相比，将非对称的铟组成用于p侧及n侧的光导层可扩大关于离设计值的偏差的容许范围。
在再其他的实施例中，如图8的(c)部分所示，优选为n侧InGaN光导层的厚度大于p侧InGaN光导层的厚度。另外，这里，n侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积为7.5，p侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积为4.5，n侧InGaN光导层的值较大。根据该实施例，由于使n侧InGaN光导层的厚度大于p侧InGaN光导层的厚度，在包含活性层的光波导路径上进行传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也能够将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
根据该实施例，优选n侧InGaN光导层的厚度与n侧InGaN光导层的铟组成之积大于p侧InGaN光导层的厚度与p侧InGaN光导层的铟组成之积，n侧InGaN光导层的厚度与n侧InGaN光导层的铟组成之积为2以上且10以下。其中，n侧InGaN光导层的厚度的单位以nm表示，n侧InGaN光导层的铟组成以相对于III族构成元素的摩尔比表示。根据该实施例，由于使n侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积大于p侧InGaN光导层的厚度与铟组成之积，在包含活性层的光波导路径上进行传播的光的电场分布的峰值靠近n型区域，即使是在为了低驱动电压而p型包覆区域的折射率比光封闭所期望的值稍微高时，也能够将光波导路径整体上良好的光封闭提供给发光元件。
对于实施例3，以第二包覆层为GaN层为例进行说明，但第二包覆层为InAlGaN时也能够获得相同的技术贡献。
(实施例4)
在图8的构造中，n侧光导层位于活性层下，p侧光导层位于活性层上。在图8的(a)部分的构造中，n侧光导层的组成以及厚度分别与p侧光导层的组成以及厚度相同，夹着活性层的两个光导层构造对称。夹着活性层的两个光导层可以在膜厚和/或组成上具有互不相同的构造、即具有非对称的构造。图8的(b)部以及(c)部表示夹着活性层的两个光导层在膜厚或者组成上具有互不相同的构造、即具有非对称的构造。这样的非对称的InGaN光导构造能够使n侧InGaN层向c轴的倾斜方向松弛。通过该松弛，能够增强AlGaN包覆层的应变中的各向异性，能够进一步改善AlGaN包覆层中的迁移率。在该构造中，失配位错导入到n侧InGaN层与其基底氮化物层的界面。在该失配位错的密度为5×103cm-1～1×105cm-1的范围内时，由于该界面从阱层偏离，所以对于发光特性的恶劣影响小。
在优选的实施方式中，图示并说明了本发明的原理，但本领域技术人员应该认识本发明能够在配置以及细节中进行变更而不脱离这样的原理。本发明并不限定于在本实施方式中公开的特定的结构。
产业上的可利用性
如以上所说明，根据本实施方式，提供能够缩小光封闭性的降低并且降低驱动电压的氮化物半导体激光器。此外，根据本实施方式，提供用于该氮化物半导体激光器的外延基板。因此，对从权利要求范围及其精神的范围而来的全部修正以及变形请求权利。
标号说明
11…III族氮化物半导体激光器元件、13…发光层、15a、15b…氮化物半导体区域、17…支撑基体、17a…支撑基体主面、17b…支撑基体背面、19…半导体区域、19a…半导体区域表面、21…第一包覆层、23…第二包覆层、25…活性层、25a…阱层、25b…障壁层、28a、28b…端面、ALPHA…角度、Sc…c面、NX…法线轴、31…绝缘膜、31a…绝缘膜开口、35…n侧光导区域、37…p侧光导区域、39…电极、41…电极、43a、43b…电介质多层膜、51…基板、51a…半极性主面、53…缓冲层、55…n型包覆区域、57…InGaN层、59…活性层、61…InGaN层、65…p型包覆区域、67…p型Al0.05Ga0.95N层、69…p型In0.02Al0.07Ga0.91N层69、71…p型接触层。

Claims (25)

1.一种氮化物半导体激光器，包括：
导电性的支撑基体，具有由氮化镓类半导体构成的主面；
活性层，设置在所述主面上；以及
p型氮化物半导体区域，设置在所述主面上，
所述主面相对于与在所述氮化镓类半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交的基准面倾斜，
所述活性层设置在所述支撑基体与所述p型氮化物半导体区域之间，
所述p型氮化物半导体区域包括p型包覆区域，
所述p型包覆区域包括第一p型III族氮化物半导体层以及第二p型III族氮化物半导体层，
所述第一p型III族氮化物半导体层设置在所述第二p型III族氮化物半导体层与所述活性层之间，
所述第一p型III族氮化物半导体层由AlGaN层构成，
所述第二p型III族氮化物半导体层由与所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层不同的材料构成，
所述AlGaN层内含各向异性的应变，
所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层的带隙在所述p型包覆区域中最大，
所述第二p型III族氮化物半导体层的电阻率低于所述第一p型III族氮化物半导体层的电阻率。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体激光器，其中，
还包括设置在所述支撑基体的所述主面与所述活性层之间的n型包覆区域，
所述n型包覆区域包括InAlGaN层，
所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层的Al组成低于所述n型包覆区域的所述InAlGaN层的Al组成。
3.如权利要求1或2所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第一p型III族氮化物半导体层的带隙能大于所述第二p型III族氮化物半导体层的带隙能。
4.如权利要求1至3的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第一p型III族氮化物半导体层的带隙为3.47电子伏特以上且3.63电子伏特以下。
5.如权利要求1至4的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
在所述第一p型III族氮化物半导体层以及第二p型III族氮化物半导体层中添加镁(Mg)，
所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度小于所述第二p型III族氮化物半导体层的镁浓度。
6.如权利要求1至5的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第一p型III族氮化物半导体层的镁浓度为8×1017cm-3以上且2×1019cm-3以下。
7.如权利要求1至6的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述p型包覆区域的厚度为300nm以上且1000nm以下，
所述第一p型III族氮化物半导体层以及第二p型III族氮化物半导体层分别具有厚度d1以及d2，所述第二p型III族氮化物半导体层的厚度满足0.2≤d2/(d1+d2)≤0.6。
8.如权利要求1至7的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述支撑基体的所述主面与所述基准轴所构成的角度为10度以上80度以下或者100度以上170度以下。
9.如权利要求1至8的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述支撑基体的所述主面与所述基准轴所构成的角度为63度以上80度以下或者100度以上117度以下。
10.如权利要求1至9的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
还包括与所述p型氮化物半导体区域构成接触的电极，
所述p型氮化物半导体区域包括p型接触区域，该p型接触区域设置在所述p型包覆区域上且用于与所述电极构成结，
所述p型接触区域的厚度小于300nm，
所述p型包覆区域的带隙能为所述p型接触区域的带隙能以上。
11.如权利要求1至10的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
还包括与所述p型氮化物半导体区域构成接触的电极，
所述p型氮化物半导体区域包括p型接触区域，该p型接触区域设置在所述p型包覆区域上且用于与所述电极构成结，
所述第二p型III族氮化物半导体层的p型掺杂物浓度低于所述p型接触区域的p型掺杂物浓度。
12.如权利要求11所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第二p型III族氮化物半导体层的电阻率小于所述p型接触区域的电阻率。
13.如权利要求1至12的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第二p型III族氮化物半导体层包括内含应变的InAlGaN层。
14.如权利要求1至12的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述第二p型III族氮化物半导体层包括GaN层。
15.如权利要求1至14的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
所述活性层设置为产生480nm以上且550nm以下的光。
16.如权利要求1至15的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，还包括：
n侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述支撑基体之间；以及
p侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，
所述n侧InGaN光导层的厚度大于所述p侧InGaN光导层的厚度。
17.如权利要求1至16的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，还包括：
n侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述支撑基体之间；以及
p侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，
所述n侧InGaN光导层的铟组成大于所述p侧InGaN光导层的铟组成。
18.如权利要求1至17的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，还包括：
n侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述支撑基体之间；以及
p侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，
所述n侧InGaN光导层的铟组成为0.04以上。
19.如权利要求1至18的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，还包括：
n侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述支撑基体之间；以及
p侧InGaN光导层，设置在所述活性层与所述p型包覆区域之间，
所述n侧InGaN光导层的厚度与所述n侧InGaN光导层的铟组成之积大于所述p侧InGaN光导层的厚度与所述p侧InGaN光导层的铟组成之积，
所述n侧InGaN光导层的厚度与所述n侧InGaN光导层的铟组成之积为2以上且10以下，其中，所述n侧InGaN光导层的厚度的单位以nm表示，所述n侧InGaN光导层的铟组成以相对于III族构成元素的摩尔比表示。
20.如权利要求16至19的任一项所述的氮化物半导体激光器，其中，
还包括设置在所述支撑基体的所述主面与所述n侧InGaN光导层之间的氮化物半导体层，
所述n侧InGaN光导层设置在所述氮化物半导体层与所述活性层之间，
所述n侧InGaN光导层与所述氮化物半导体层的界面中的失配位错密度在5×103cm-1以上且1×105cm-1以下的范围内。
21.一种外延基板，用于氮化物半导体激光器，所述外延基板包括：
基板，具有由氮化镓类半导体构成的主面；
活性层，设置在所述主面上；以及
p型氮化物半导体区域，设置在所述主面上，
所述主面相对于与在所述氮化镓类半导体的c轴方向上延伸的基准轴正交的基准面倾斜，
所述活性层设置在所述支撑基体与所述p型氮化物半导体区域之间，
所述p型氮化物半导体区域包括p型包覆区域，
所述p型包覆区域包括第一p型III族氮化物半导体层以及第二p型III族氮化物半导体层，
所述第一p型III族氮化物半导体层设置在所述第二p型III族氮化物半导体层与所述活性层之间，
所述第一p型III族氮化物半导体层由AlGaN层构成，
所述第二p型III族氮化物半导体层与所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层不同，
所述AlGaN层内含各向异性的应变，
所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层的带隙在所述p型包覆区域中最大，
所述第二p型III族氮化物半导体层的电阻率低于所述第一p型III族氮化物半导体层的电阻率。
22.如权利要求21所述的外延基板，其中，
还包括设置在所述基板的所述主面与所述活性层之间的n型包覆区域，
所述n型包覆区域包括InAlGaN层，
所述第一p型III族氮化物半导体层的所述AlGaN层的Al组成低于所述n型包覆区域的所述InAlGaN层的Al组成。
23.如权利要求22所述的外延基板，其中，
还包括设置在所述活性层与所述基板之间的InGaN光导层，
所述InGaN光导层与所述n型包覆区域的界面中的失配位错密度在5×103cm-1以上且1×105cm-1以下的范围内。
24.如权利要求21至23的任一项所述的外延基板，其中，
所述p型氮化物半导体区域包括设置在所述p型包覆区域上的p型接触区域，
所述p型接触区域的厚度小于300nm，
所述p型包覆区域的带隙能为所述p型接触区域的带隙能以上。
25.如权利要求21至24的任一项所述的外延基板，其中，
所述p型氮化物半导体区域包括设置在所述p型包覆区域上的p型接触区域，
所述第二p型III族氮化物半导体层的p型掺杂物浓度低于所述p型接触区域的p型掺杂物浓度。
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