CN110574245A - 氮化物系发光装置 - Google Patents

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Abstract

氮化物系发光装置(半导体激光装置(51a))具备：氮化物系半导体发光元件(半导体激光元件(11))，其在AlxGa1‑xN(0≤x≤1)基板(GaN基板(101))上具有从AlxGa1‑xN基板侧依次层叠了第一包层(103)、第一光导层(105)、量子阱活性层(106)、第二光导层(107)及第二包层(109)的多层构造；以及底座基板(122)，其用于安装氮化物系半导体发光元件，氮化物系半导体发光元件安装于底座基板(122)使得多层构造与底座基板(122)对置，底座基板(122)由金刚石形成，在氮化物系半导体发光元件中，在AlxGa1‑xN基板侧形成有凹型的翘曲。

Description

氮化物系发光装置
技术领域
本公开涉及氮化物系发光装置。
背景技术
目前，作为车辆用的前照灯光源，广泛使用卤素灯、HID(高亮度放电)前照灯、LED(发光二极管)灯。
对于卤素灯，在封入到灯泡内部的氮、氩等惰性气体添加微量的卤素气体，对内部的灯丝进行通电，利用白炽化时的发光，一直以来被广泛使用。HID灯与卤素灯不同，不具有灯丝，灯泡不会用尽，只要能够放电即可发光。HID灯通常价格比卤素灯高，但具有低消耗电力、高亮度、长寿命这样的优点。LED灯的寿命长，更换工作也只是电子管的更换，消耗电力比HID低，发热量也低。但是，LED灯的明亮度比HID差，因此，在当前状况下，作为前照灯，主要使用HID灯，在雾灯、车辆的装饰光源等使用了LED灯。
另外，最近，作为发光强度比LED高的发光元件，通过使用LD(激光二极管)来提高发光强度的激光前照灯光源受到关注。作为前照灯光源所使用的发光元件，例如期望超高输出蓝色半导体激光器，该超高输出蓝色半导体激光器在波长450nm段中，即便以85℃的高温状态进行瓦特级的高输出动作，也能够进行几千小时以上的长期动作。
为了实现这样的发光元件，需要尽量地抑制激光振荡动作中的发光元件的因自身发热引起的温度上升。
为了抑制因自身发热引起的温度上升，重点在于降低半导体激光元件的热阻。
在专利文献1所记载的半导体激光装置中，如图53所示，为了降低半导体激光元件的热阻，将半导体激光元件接合朝下(junction down)地安装于热传导率高的金刚石底座基板(参照专利文献1)。
另外，从延长元件的动作寿命这一观点出发，如图54所示，公开了如下技术：在安装半导体激光元件的底座基板上形成凹凸，将安装后的形状控制为半导体激光元件的基板侧为凸(参照专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2013/175697号
专利文献2：日本特开2003-31895号公报
发明内容
发明要解决的课题
在波长450nm段的蓝色激光器中，为了得到该波段的激光振荡，需要将成为发光层的量子阱层所使用的InGaN层的In组成增大到0.18(18％)左右。
通常，氮化物系半导体激光器所使用的氮化物材料由混晶半导体形成，该混晶半导体通过将InN、GaN及AlN中的至少两种混合而形成。这里，InN、GaN及AlN的晶格常数分别为及此时，将InN与GaN混合而形成的InGaN的晶格常数比GaN大，因此，相对于GaN产生晶格失配。具体而言，蓝色激光器的发光层所使用的In组成0.19的InGaN量子阱层与GaN基板的晶格失配成为2.1％的大值。
与此相对，在Blu-ray(注册商标)用光盘系统用途的以往的波长405nm段的蓝紫段激光器中，量子阱所使用的InGaN的In组成为0.07(7％)左右。在该情况下，与GaN基板的晶格失配为0.74％的值。因此，在波长450nm段的蓝色激光器中，与以往的波长405nm段蓝紫色激光器相比，在量子阱层产生的应力增大几倍。应力的增大不仅产生晶格缺陷，在氮化物材料这样的纤锌矿(WZ)型晶体构造的晶体中，成为因晶体内部的压电效应而产生电场的原因。这样的因压电效应产生的电场妨碍到电流向活性层的注入。其结果是，可能产生动作电压的增大、发光效率的下降等现象。
为了实现高温高输出动作，进行将成为发光层的量子阱活性层安装到靠近用于安装半导体激光元件的底座基板这一侧的接合朝下安装，由此，在降低热阻、抑制半导体激光元件的温度上升的方面是有效的。在该情况下，量子阱活性层与底座之间的距离接近，因此，由于底座材料与半导体激光元件的热膨胀系数之差引起的在量子阱活性层产生的应力变大。
另外，在用于进行瓦特级动作的氮化物系半导体激光元件中，需要在谐振器端面附近区域的量子阱活性层形成电流非注入窗区域，来抑制谐振器端面处的因非发光再耦合产生的发热所引起的活性层的带隙能量的缩小，抑制谐振器端面被自身的光破坏的COD(Catastrophic Optical Damage，灾难性光学损伤)的发生。
这里，在由量子阱活性层的应力产生的压电电场在注入到半导体激光元件的电流容易向谐振器端面方向流动这样的朝向上产生的情况下，电流容易泄漏到上述的电流非注入窗区域，因此，容易产生非发光再耦合。其结果是，导致半导体激光元件的COD等级的下降。
因此，在波长450nm段的半导体激光元件中，为了在以85℃的高温状态进行瓦特级的高输出动作的情况下进行几千小时以上的长期动作保证，仅通过降低热阻来抑制半导体激光元件的温度上升不一定足够。即，除了抑制半导体激光元件的温度上升之外，需要通过控制在成为发光层的量子阱活性层产生的应力来抑制电流向谐振器端面附近的电流非注入窗区域的扩散，提高向被注入电流的量子阱活性层的电流注入效率。
因此，本公开的目的在于，能够同时实现量子阱活性层的温度上升的降低以及向量子阱活性层的电流注入效率提高的氮化物系发光装置。
用于解决课题的手段
本公开的一方式的氮化物系发光装置备：氮化物系半导体发光元件，其在AlxGa1- xN(0≤x≤1)基板上具有从所述AlxGa1-xN基板侧依次层叠了第一导电型的第一包层、第一光导层、量子阱活性层、第二光导层及第二导电型的第二包层的多层构造；以及底座基板，其用于安装所述氮化物系半导体发光元件，所述氮化物系半导体发光元件安装于所述底座基板使得所述多层构造与所述底座基板对置，所述底座基板由金刚石形成，在所述氮化物系半导体发光元件的所述AlxGa1-xN基板侧形成有凹型的翘曲。
发明效果
根据本公开，能够提供同时实现量子阱活性层的温度上升的降低以及向量子阱活性层的电流注入效率提高的氮化物系发光装置。
附图说明
图1A是示出实施方式1的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图1B是示出实施方式1的半导体激光元件中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
图1C是示出实施方式1的半导体激光元件的谐振器端附近的结构的示意性剖视图。
图2是示出量子阱活性层的能带构造的图。
图3A是示出实施方式1的半导体激光装置的一例的外观的示意性侧视图。
图3B是示出实施方式1的半导体激光装置的另一例的外观的示意性侧视图。
图4是示出底座基板由金刚石形成时的剪切应力及压电电场的谐振器长度方向上的分布的图表。
图5是示出底座基板由金刚石形成时的剪切应力及压电电场的谐振器长度方向上的分布的图表。
图6是示出底座基板由AlN(氮化铝)形成时的剪切应力及压电电场的谐振器长度方向上的分布的图表。
图7A是对翘曲ΔR的定义进行说明的概要图。
图7B是示出多层构造的平均形变与翘曲ΔR的关系的图表。
图8A是示出实施方式1的多层构造中的晶格失配(形变)的膜厚方向上的分布的一例的图表。
图8B是图8A中的量子阱活性层部分的放大图。
图8C是示出实施方式1的多层构造的成长层方向上的平均形变εtave的分布的一例的图表。
图9A是示出考虑了压电效应的情况下的在量子阱活性层得到的增益的波长及载流子浓度依赖性的计算结果的图表。
图9B是示出未考虑压电效应的情况下的在量子阱活性层中得到的增益的波长及载流子浓度依赖性的计算结果的图表。
图9C是示出注入到增益的量子阱活性层的载流子浓度依赖性的计算结果的图表。
图10是示出在量子阱层产生的压电电场的阻挡层的In组成依赖性的图表。
图11是示出对半导体激光元件的100mA动作时的动作电压的阻挡层的In组成依赖性进行计算而得到的结果的图表。
图12是示出实施方式1的半导体激光元件的压电电场与增益的关系的图。
图13是示出实施方式1的半导体激光元件的增益的载流子浓度依赖性的图表。
图14A是示出实施方式1的半导体激光元件中的量子阱活性层106附近区域的费米能级(费米能量)与传导带能量的关系的图表。
图14B是示出实施方式1的半导体激光元件中的量子阱活性层106附近区域的费米能级与价电子带能量的关系的图表。
图14C是示出根据实施方式1的半导体激光元件中的量子阱活性层106附近区域的费米能级与传导带能量的关系而决定的电子及空穴的浓度分布的图表。
图15是示出实施方式1的半导体激光元件的各光导层中的载流子浓度与阻挡层及各光导层的In组成的关系的图。
图16A是示出实施方式2的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图16B是示出实施方式2的半导体激光元件中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
图16C是示出实施方式2的变形例的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图16D是示出实施方式1的变形例的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图17A是示出实施方式1的多层构造中的晶格失配(形变)的膜厚方向上的分布的另一例的图表。
图17B是示出实施方式1的多层构造的成长层方向上的平均形变的分布的另一例的图表。
图18A是示出实施方式2的多层构造中的晶格失配(形变)的膜厚方向上的分布的另一例的图表。
图18B是示出实施方式2的多层构造的成长层方向上的平均形变的分布的另一例的图表。
图19A是示出比较例的多层构造的平均形变εtave与第一光导层及第二光导层的合计厚度的关系的图表。
图19B是示出实施方式2的多层构造的平均形变εtave与第一光导层及第二光导层的合计厚度的关系的一例的图表。
图19C是示出实施方式2的多层构造的平均形变εtave与第一光导层及第二光导层的合计厚度的关系的另一例的图表。
图20是示出实施方式2的多层构造整体的平均形变εtave与构成缓冲层102的InGaN层及AlGaN层的各膜厚的关系的图表。
图21A是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的25℃时的x轴方向的剪切应力分布的图。
图21B是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的25℃时的x轴方向的压电电场分布的图。
图21C是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的25℃时的x轴方向的压电电位分布的图。
图22A是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝上地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的25℃时的x轴方向的剪切应力分布的图。
图22B是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝上地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的25℃时的x轴方向的压电电场分布的图。
图22C是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝上地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的25℃时的x轴方向的压电电位分布的图。
图23A是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的150℃时的x轴方向的剪切应力分布的图。
图23B是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的150℃时的x轴方向的压电电场分布的图。
图23C是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的150℃时的x轴方向的压电电位分布的图。
图24A是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝上地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的150℃时的x轴方向的剪切应力分布的图。
图24B是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝上地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的150℃时的x轴方向的压电电场分布的图。
图24C是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝上地安装于底座基板的情况下的、量子阱层中的150℃时的x轴方向的压电电位分布的图。
图25A是示出将实施方式2的半导体激光元件安装于由金刚石形成的底座基板的情况下的25℃及85℃时的电流-光输出特性的测定结果的图表。
图25B是示出将实施方式2的半导体激光元件安装于由SiC形成的底座基板的情况下的25℃及85℃时的电流-光输出特性的测定结果的图表。
图26A是示出实施方式3的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图26B是示出实施方式3的半导体激光元件中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
图27A是示出使第三光导层的In组成变化为0％的情况下的量子阱活性层中的量子阱层的25℃时的剪切应力的x轴方向分布的图表。
图27B是示出使第三光导层的In组成变化为1％的情况下的量子阱活性层中的量子阱层的25℃时的剪切应力的x轴方向分布的图表。
图27C是示出使第三光导层的In组成变化为2％的情况下的量子阱活性层中的量子阱层的25℃时的剪切应力的x轴方向分布的图表。
图28是示出在实施方式3的量子阱活性层中产生的压电电位与x轴方向位置的关系的图表。
图29A是示出实施方式4的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图29B是示出实施方式4的半导体激光元件中的量子阱活性层的结构的示意性剖视图。
图30A是示出实施方式5的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图30B是示出实施方式5的半导体激光元件中的量子阱活性层的结构的示意性剖视图。
图31A是示出实施方式6的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图31B是示出实施方式6的半导体激光元件中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
图32A是示出将实施方式3的半导体激光元件的分离槽宽度D从2μm变化到24μm的情况下的25℃时的在量子阱层中产生的剪切应力的计算结果的图。
图32B是示出将实施方式3的半导体激光元件的分离槽宽度D从2μm变化到24μm的情况下的25℃时的在量子阱层中产生的压电电场的计算结果的图。
图32C是示出将实施方式3的半导体激光元件的分离槽宽度D从2μm变化到24μm的情况下的25℃时的在量子阱层中产生的压电电位的计算结果的图。
图33A是示出将实施方式3的半导体激光元件的分离槽宽度D从2μm变化到24μm的情况下的150℃时的在量子阱层中产生的剪切应力的计算结果的图。
图33B是示出将实施方式3的半导体激光元件的分离槽宽度D从2μm变化到24μm的情况下的150℃时的在量子阱层中产生的压电电场的计算结果的图。
图33C是示出将实施方式3的半导体激光元件的分离槽宽度D从2μm变化到24μm的情况下的150℃时的在量子阱层中产生的压电电位的计算结果的图。
图34是示出实施方式7的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图35是示出实施方式7的变形例的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图36是示出实施方式8的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图37是示出实施方式8的变形例的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图38A是示出在主面为C面的GaN基板上形成了具备Al组成为0的第一包层及第二包层的多层构造的情况下的量子阱活性层附近的能带构造的图。
图38B是示出在主面为半极性面的GaN基板上形成了具备Al组成为0的第一包层及第二包层的多层构造的情况下的量子阱活性层附近的能带构造的图。
图38C是示出在主面为无极性面的GaN基板上形成了具备Al组成为0的第一包层及第二包层的多层构造的情况下的量子阱活性层附近的能带构造的图。
图39A是示出在C面上形成了多层构造的半导体激光元件中的100mA动作时的动作电压的各包层的Al组成依赖性的图表。
图39B是示出在半极性面上形成了多层构造的半导体激光元件中的100mA动作时的动作电压的各包层的Al组成依赖性的图表。
图39C是示出在无极性面上形成了多层构造的半导体激光元件中的100mA动作时的动作电压的各包层的Al组成依赖性的图表。
图40是示出多层构造的平均形变εtave的各包层的Al组成依赖性的图表。
图41是示出形成在激光元件的中央部附近的侧壁上的焊料材料的溢出的图。
图42是示出将实施方式1的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的紧前面的状态的示意性剖视图。
图43是示出将实施方式9的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的紧前面的状态的示意性剖视图。
图44是示出实施方式9的半导体激光装置的构造的示意性剖视图。
图45A是示出实施方式9的变形例的半导体激光元件的结构的示意性剖视图。
图45B是示出实施方式1、实施方式9或实施方式9的变形例的半导体激光元件的P侧多层电极的基板法线方向观察下的形状的一例的示意性俯视图。
图45C是示出实施方式1、实施方式9或实施方式9的变形例的半导体激光元件的P侧多层电极的基板法线方向观察下的形状的另一例的示意性俯视图。
图45D是示出实施方式1、实施方式9或实施方式9的变形例的半导体激光元件的P侧多层电极的基板法线方向观察下的形状的又一例的示意性俯视图。
图45E是示出实施方式1、实施方式9或实施方式9的变形例的半导体激光元件的N侧电极的基板法线方向观察下的形状的一例的示意性俯视图。
图45F是示出实施方式1、实施方式9或实施方式9的变形例的半导体激光元件的N侧电极的基板法线方向观察下的形状的另一例的示意性俯视图。
图45G是示出实施方式1、实施方式9或实施方式9的变形例的半导体激光元件的N侧电极的基板法线方向观察下的形状的又一例的示意性俯视图。
图46是示出实施方式10的底座基板的形状的立体图。
图47是示出安装在实施方式10的底座基板上的电极的构造的图。
图48A是示出在接合层未形成于倾斜部的底座基板上安装了半导体激光元件的半导体激光装置的构造的示意性剖视图。
图48B是示出在接合层形成于倾斜部的底座基板上安装了半导体激光元件的半导体激光装置的构造的示意性剖视图。
图49A是示出在接合层未形成于倾斜部的底座基板上安装了形成有电流非注入窗区域的半导体激光元件的半导体激光装置的构造的示意性剖视图。
图49B是示出在接合层形成于倾斜部的底座基板上安装了形成有电流非注入窗区域的半导体激光元件的半导体激光装置的构造的示意性剖视图。
图50是示出实施方式11的光模块的一例的构造的图。
图51是示出实施方式12的光模块的一例的构造的剖视图。
图52是示出实施方式13的光源的结构的一例的剖视图。
图53是示出以往的半导体发光装置的结构的一例的剖视图。
图54是示出以往的半导体发光装置的结构的另一例的剖视图。
具体实施方式
(成为本公开的基础的见解)
在说明本公开的实施方式之前，对成为本公开的基础的见解进行说明。
如上所述，作为前照灯的光源所使用的发光元件，期望超高输出的蓝色半导体激光装置，该超高输出的蓝色半导体激光装置在波长450nm段中，即便在以85℃的高温进行瓦特级的高输出动作的情况下，也能够进行几千小时以上的长期动作。若能够利用这样的超高输出的蓝色半导体激光器来激励荧光体而得到黄色光，则作为照射光整体，能够得到白色的超高输出光源。
为了实现这样的高可靠性的超高输出的蓝色半导体激光装置，需要尽量抑制激光振荡动作中的半导体激光元件的温度上升。为此，将半导体激光元件接合朝下地安装于高散热性的底座来减小半导体激光元件的热阻是非常有效的。以下，使用附图对以往的半导体发光装置的结构性进行说明。图53是示出以往的半导体发光装置的结构的一例的剖视图。图54是示出以往的半导体发光装置的结构的另一例的剖视图。图53及图54分别示出在专利文献1及专利文献2中公开的半导体发光装置的结构。
例如，在专利文献1的半导体发光装置300中，如图53所示，公开了将氮化物发光元件310接合朝下地安装到由金刚石构成的底座基板311上来降低元件的热阻的方法。金刚石的热传导率为1000W/m·K左右以上，与其他用于底座的材料例如SiC(热传导率200W/m·K左右)、AlN(热传导率150W/m·K左右)等相比非常大，适于实现高散热性。
然而，已知在使用以GaN晶体的(0001)面(C面)为主面的GaN基板的情况下，由于GaN是纤锌矿(WZ)型晶体构造，因此，起因于其原子排列，作为物性而具有压电性(压电效应)。在该情况下，当向晶体施加应力时，在晶体中产生与该应力相应的极化所引起的压电电场。
另外，如上所述，在用于进行瓦特级动作的氮化物系半导体激光元件中，需要通过在谐振器端面附近区域的量子阱活性层形成电流非注入窗区域，来抑制谐振器端面处的因非发光再耦合产生的发热所引起的量子阱活性层的带隙能量的缩小。由此能够抑制COD的发生。
然而，由量子阱活性层的应力产生的压电电场有时可能在注入到半导体激光元件的电流容易向谐振器端面方向流动这样的朝向上产生。在该情况下，电流容易泄漏到上述的电流非注入窗区域，因此，容易产生非发光再耦合。其结果是，产生发热，导致半导体激光元件的COD等级的下降。
在以85℃的高温状态进行瓦特级的高输出动作中的半导体激光元件中，电流注入的大小成为几A以上，因此，需要将在量子阱活性层中产生的压电电场的朝向控制为注入到半导体激光元件的电流难以向谐振器端面方向流动的朝向。由此若不极力抑制向谐振器端面方向的泄漏电流的产生，则即便在谐振器端面附近形成电流非注入窗区域，伴随着COD等级的下降，半导体激光元件也可能劣化。
关于将压电电场的朝向控制为注入到半导体激光元件的电流难以向谐振器端面方向流动的朝向的方法，专利文献1中未作任何公开。
另外，在专利文献2的半导体发光装置400中，如图54所示，公开了将GaN基板401上的发光元件402以元件的GaN基板401侧成为凸形状的方式接合朝下地安装到凸状形状的底座基板410上的结构。由此，来抑制在活性层中产生的应力，抑制活性层的劣化。
然而，关于控制谐振器方向的应力、以及将在活性层中产生的压电电场的朝向控制为注入到元件的电流难以向谐振器端面方向流动的朝向的方法，专利文献2中未作任何公开。
此外，在将金刚石用作底座基板的情况下，由于金刚石非常硬，因此，专利文献2所公开的将凸状的平滑的弯曲形状形成于金刚石底座在加工方面是非常困难的，导致成本的增大。此外，若不高精度地控制元件向底座的安装位置，则产生发光面倾斜这样的课题。
如以上那样，为了在瓦特级的半导体激光装置中抑制成为劣化的主要原因的COD等级的下降，在谐振器端面附近区域形成不注入电流的电流非注入窗区域是有效的。在该情况下，为了减小电流从注入电流的区域向电流非注入窗区域的泄漏，不仅需要尽量降低动作中的元件温度来抑制动作电流本身的增大，还需要将在活性层中产生的压电电场的朝向控制为电流难以向谐振器端面方向流动的方向。
因此，本公开的目的在于，提供一种低消耗电力的瓦特级超高输出半导体激光装置，即便在85℃的高温动作中，半导体激光元件的温度上升也较小，向电流非注入窗区域的泄漏电流少，能够进行长期高输出动作。
本公开的一方式的氮化物系发光装置具备：氮化物系半导体发光元件，其在AlxGa1-xN(0≤x≤1)基板上具有从所述AlxGa1-xN基板侧依次层叠了第一导电型的第一包层、第一光导层、量子阱活性层、第二光导层及第二导电型的第二包层的多层构造；以及底座基板，其用于安装所述氮化物系半导体发光元件，所述氮化物系半导体发光元件安装于所述底座基板使得所述多层构造与所述底座基板对置，所述底座基板由金刚石形成，在所述氮化物系半导体发光元件的所述AlxGa1-xN基板侧形成有凹型的翘曲。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述AlxGa1-xN基板是GaN基板。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述多层构造相对于所述AlxGa1-xN基板具有压缩性的平均形变。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述第一光导层及所述第二光导层的至少一方包括In。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述第一光导层及第二光导层的In组成分别为6％以下。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，在所述AlxGa1-xN基板与所述第一包层之间还具备缓冲层，该缓冲层包括相对于所述AlxGa1-xN基板具有压缩性的平均形变的氮化物半导体层。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述缓冲层包括In。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述缓冲层还包括AlGaN层。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述量子阱活性层由量子阱层和阻挡层构成，所述阻挡层的In组成为所述第一光导层及所述第二光导层的In组成以上。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，在所述第二包层形成有脊。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，在所述脊的所述第二光导层侧具备包括In的层或者由GaN构成的层。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述GaN基板也可以具有无极性或半极性的面方位，所述多层构造中的Al组成为1％以下。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，所述多层构造不包括Al。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，在所述多层构造与所述底座基板之间，从所述第二包层侧依次具备第一阻挡层、第一焊盘电极层、第二阻挡层及接合层，所述第二阻挡层的短边方向的宽度比所述第一阻挡层的短边方向的宽度窄。
另外，在本公开的一方式的氮化物系发光装置中也可以为，在所述多层构造与所述底座基板之间从所述第二包层侧具备第一阻挡层、第一焊盘电极层、第二阻挡层及接合层，所述接合层在所述第二阻挡层与所述第一阻挡层之间进入到比所述第二阻挡层的端部靠内侧的位置。
另外，本公开的一方式的氮化物系发光装置具备：
氮化物系半导体发光元件，其在AlxGa1-xN基板上具有从所述AlxGa1-xN基板侧依次层叠了第一导电型的第一包层、第一光导层、量子阱活性层、第二光导层及第二导电型的第二包层的多层构造；以及底座基板，其用于安装所述氮化物系半导体发光元件，所述多层构造相对于所述AlxGa1-xN基板具有压缩性的平均形变，所述氮化物系半导体发光元件安装于所述底座基板使得所述多层构造与所述底座基板对置，所述底座基板由金刚石形成。
另外，本公开的一方式的氮化物系发光装置具备：
氮化物系半导体发光元件，其在AlxGa1-xN基板上具有从所述AlxGa1-xN基板侧依次层叠了第一导电型的第一包层、第一光导层、量子阱活性层、第二光导层及第二导电型的第二包层的多层构造；以及底座基板，其用于安装所述氮化物系半导体发光元件，所述多层构造相对于所述AlxGa1-xN基板具有5.2×10-4以下的拉伸性或压缩性的平均形变，所述AlxGa1-xN基板的厚度为75μm以上且95μm以下，所述氮化物系半导体发光元件安装于所述底座基板使得所述多层构造与所述底座基板对置，所述底座基板由金刚石形成。
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。需要说明的是，以下所说明的实施方式均示出本公开的一具体例。因此，以下的实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接方式以及工序及工序的顺序等是一例，并非意在限定本公开。因此，关于以下的实施方式中的构成要素中的在示出本公开的最上位概念的独立权利要求中未记载的构成要素，作为任意的结构要素来说明。
另外，各图是示意图，并非是严格上的图示。需要说明的是，在各图中，针对实质上相同的结构标注相同的标记，省略或简化重复的说明。
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。
(实施方式1)
对实施方式1的氮化物系发光装置进行说明。首先，关于在实施方式1的氮化物系发光装置中使用的作为氮化物系半导体发光元件的一例的半导体激光元件11，使用附图来说明。
图1A是示出实施方式1的半导体激光元件11的结构的示意性剖视图。图1A示出与半导体激光元件11的谐振器长度方向垂直的剖面。图1B是示出实施方式1的半导体激光元件11中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。图1C是示出实施方式1的半导体激光元件11的谐振器端附近的结构的示意性剖视图。在图1C中示出形成了电流非注入窗区域的部分处的剖面。
如图1A所示，半导体激光元件11是氮化物系半导体发光元件，该氮化物系半导体发光元件在GaN基板101上具有从GaN基板101侧依次层叠了第一导电型的第一包层103、第一光导层105、量子阱活性层106、第二光导层107及第二导电型的第二包层109的多层构造。在实施方式1中，半导体激光元件11还具备N型GaN层104、电子障壁层108、接触层110、电流阻隔层112、P侧欧姆电极113、P侧第一紧贴层114、第一阻挡层115、焊盘电极116以及N侧电极117。
GaN基板101是成为半导体激光元件11的基体的AlxGa1-xN(0≤x≤1)基板的一例。
第一包层103是配置于GaN基板101的上方的第一导电型的包层。在本实施方式中，第一包层103由N型AlGaN形成。第一包层103的膜厚没有特别限定，但在实施方式1中为1.2μm。
N型GaN层104是配置在第一包层103的上方且对在量子阱活性层106中产生的光进行引导的第一导电型的光导层的一例。在本实施方式中，N型GaN层104由N型GaN形成。N型GaN层104的膜厚没有特别限定，但在实施方式1中为100nm。
第一光导层105是配置在第一包层103与量子阱活性层106之间且对在量子阱活性层106中产生的光进行引导的层。在本实施方式中，第一光导层105由无掺杂的InGaN形成。第一光导层105的膜厚没有特别限定，但在实施方式1中为200nm。
量子阱活性层106是在半导体激光元件11中产生光的无掺杂的多重量子阱活性层。对量子阱活性层106的构造后述。
第二光导层107是配置在第二包层109与量子阱活性层106之间且对在量子阱活性层106中产生的光进行引导的层。在本实施方式中，第二光导层107由无掺杂的InGaN形成。第二光导层107的膜厚没有特别限定，但在实施方式1中为180nm。
电子障壁层108是用于抑制注入到量子阱活性层106的电子漏出的层。电子障壁层108抑制注入到量子阱活性层106的电子被第二包层109热激励而漏出的载流子溢出，实现温度特性的提高。在本实施方式中，电子障壁层108的结构由Al组成为0.3(30％)且膜厚为5nm的AlGaN构成。
第二包层109是配置在量子阱活性层106的上方的第二导电型的包层。在本实施方式中，第二包层109由P型AlGaN形成。第二包层109的膜厚没有特别限定，但在实施方式1中为660nm。
接触层110是形成欧姆接触的层。在本实施方式中，接触层110由P型GaN形成。接触层110的膜厚没有特别限定，但在实施方式1中为0.1μm。
电流阻隔层112是限制电流的路径的层。电流阻隔层112由相对于光分布透明的材料形成，即，由相对于在量子阱活性层106中产生的光实质上不吸收的透明材料形成。在实施方式1中，电流阻隔层112由SiO2形成。电流阻隔层112的膜厚没有特别限定，但在实施方式1中为0.2μm。
P侧欧姆电极113是形成欧姆接触的层。P侧欧姆电极113例如具有膜厚为40nm的Pd层和膜厚为35nm的Pt层。
P侧第一紧贴层114是配置在P侧欧姆电极113与第一阻挡层115之间的层。P侧第一紧贴层114例如由膜厚为10nm的Ti形成。
第一阻挡层115是配置在P侧第一紧贴层114与焊盘电极116之间的层。第一阻挡层115例如由膜厚为10nm的Pt形成。
焊盘电极116是配置在第一阻挡层115的上方的焊盘状的电极。焊盘电极116例如由膜厚为0.6μm的Au、膜厚为35nm的Pt以及膜厚为1μm的Au形成。
N侧电极117是形成于GaN基板101的下表面、即与形成有第一包层103的主面相反的一侧的面的电极。N侧电极117例如由膜厚为10nm的Ti、膜厚为35nm的Pt以及膜厚为2μm的Au形成。
另外，如图1A所示，在半导体激光元件11的第二包层109形成有宽度W的脊。脊的宽度W没有特别限定，但在实施方式1中为30μm。
此时，将脊下端部与量子阱活性层106的距离dp设为0.2μm。
为了在85℃以上的环境温度下的高温动作时也得到几瓦特的光输出，半导体激光元件11的谐振器长度为1200μm。另外，如图1C所示，在谐振器前后面的谐振器端面附近的脊部的P型GaN接触层110上，相对于距谐振器端的距离为30μm以下的区域而形成由SiO2构成的绝缘膜(厚度为0.2μm)，形成电流非注入窗区域。在半导体激光元件11不具备电流非注入窗区域的情况下，当量子阱活性层106的动作载流子密度增大时，由于非发光再耦合而产生发热，带隙能量变小。此时，光吸收也增大，光输出越发下降，半导体激光元件的发热增大，最终，谐振器端面被破坏，发生COD。另一方面，通过在半导体激光元件11的谐振器端面附近形成电流非注入窗区域，能够抑制向激光谐振器端面注入电流，因此，能够抑制端面附近处的量子阱活性层中的动作载流子密度增大。因此，能够抑制半导体激光元件11的量子阱活性层中的温度上升而抑制COD的发生。
这里，当增大由N型AlGaN构成的第一包层103及由P型AlGaN构成的第二包层109的Al组成时，能够增大量子阱活性层106与各包层之间的折射率差。由此，能够在量子阱活性层沿垂直方向(基板法线方向)较强地封入光，因此，能够减小振荡阈值电流值。然而，由于由AlGaN层构成的各包层与GaN基板101的热膨胀系数之差，当过于增大由AlGaN构成的各包层的Al组成时，产生晶格缺陷、裂纹等，导致可靠性的下降。
另外，由于由AlGaN构成的各包层的带隙能量与Al组成的增大一同变大，因此，当提高Al组成时，带来动作电压的增大。因此，需要使由AlGaN构成的各包层的Al组成成为0.05(5％)以下来制作半导体激光元件11。
在实施方式1中，为了在增大向垂直方向的活性层的光封入系数的同时降低晶格缺陷及裂纹产生、抑制动作电压，将由AlGaN构成的各包层的Al组成设为3.5％。
另外，为了得到波长450nm的激光振荡，实施方式1中的量子阱活性层106具有DQW(Double Quantum Well，双量子阱)构造。以下，使用图1B对量子阱活性层106的构造进行说明。如图1B所示，量子阱活性层106具有DQW构造，该DQW构造具备两层厚度为In组成为0.18(18％)的由InGaN构成的量子阱层106b及106d。量子阱活性层106还具备由InGaN构成的阻挡层106a、106c及106e。阻挡层106a、106c及106e的厚度分别例如为3nm、7nm及3nm。量子阱层106b及106d之间的阻挡层106c的厚度越厚，越抑制量子阱层106b及106d彼此的波动函数的耦合。为了将波动函数的耦合抑制为某种程度，量子阱层间的阻挡层的膜厚为5nm以上即可，阻挡层106a、106c及106e的厚度的组合例如分别也可以为7nm、7nm及5nm，也可以为5nm、5nm及3nm，也可以为5nm、7nm及5nm，也可以为10nm、10nm及8nm，也可以为15nm、15nm及13nm等。
图2是示出量子阱活性层的能带构造的图。在图2中示出量子阱层的In组成为0.145(14.5％)、阻挡层的In组成为0.008(0.8％)的情况下的能带构造。图2的图表(a)示出忽视了压电效应的情况下的传导带的能带构造与封入到量子阱层的电子的波动函数，图2的图表(b)示出忽视了压电效应的情况下的价电子带的能带构造与封入到量子阱层的空穴的波动函数。另外，图2的图表(c)示出考虑了压电效应的情况下的传导带的能带构造与封入到量子阱层的电子的波动函数，图2的图表(d)示出考虑了压电效应的情况下的价电子带的能带构造与封入到量子阱层的空穴的波动函数。
在量子阱层中，由于压电效应而产生压电电场，量子阱层106b、106d的能带构造产生使由P型AlGaN构成的第二包层109侧的电位变低这样的倾斜度。在该情况下，电子的波动函数成为向由P型AlGaN构成的第二包层109侧扩散的形状。反之，空穴的波动函数成为偏向由N型AlGaN构成的第一包层103侧扩散的形状。
其结果是，电子的波动函数与空穴的波动函数的分布的重叠积分变小，导致电子与空穴的相互作用的下降，量子阱的增益变小，因此，振荡阈值增大。
为了抑制电子的波动函数向由P型AlGaN构成的第二包层109侧的扩散，在第二光导层107的带隙能量比阻挡层106e的带隙能量大的情况下，减薄阻挡层106e的厚度而使第二光导层107接近量子阱活性层即可。通过这种方式，电子的量子能级的能量与第二光导层107的传导带能量之差变大，因此，电子的波动函数向由P型AlGaN构成的第二包层109侧的衰减变大。
另外，在与由N型AlGaN层构成的第一包层103最近的阻挡层106a的区域，空穴的波动函数容易向第一包层103侧扩散，导致电子的波动函数与空穴的波动函数的分布的重叠积分的下降。为了抑制空穴的波动函数向第一包层103侧的扩散，在第一光导层105的带隙能量比阻挡层106a的带隙能量大的情况下，减薄阻挡层106a的厚度而使第一光导层105接近量子阱活性层即可。
这里，量子阱层106b、106d中的重空穴及轻空穴的有效质量与电子的有效质量相比，分别大了8倍及1.6倍左右，因此，重空穴的波动函数向第一包层103侧的扩散小于阻挡层106e中的电子的波动函数向第二包层侧的扩散。
另外，在量子阱层间的阻挡层106c中，存在从量子阱层106b向由P型AlGaN构成的第二包层109侧扩散的电子波动函数、以及从量子阱层106d向由N型AlGaN构成的第一包层103侧扩散的重空穴及轻空穴的波动函数。其结果是，抑制了量子阱层间的阻挡层106c中的电子与空穴的相互作用的下降。
因此，无论有无量子阱层间的波动函数的耦合的影响，在第一光导层105及第二光导层107的带隙能量大于阻挡层106a及阻挡层106e的带隙能量的情况下，若至少使与由P型AlGaN构成的第二包层109最近的阻挡层的厚度比量子阱层间的阻挡层的厚度薄，则就能够抑制因电子与空穴的波动函数的相互作用的下降而引起的量子阱的增益下降，降低振荡阈值。此外，若使与由N型AlGaN构成的第一包层103最近的阻挡层的厚度比量子阱层间的阻挡层的厚度薄，则能够进一步抑制因电子与空穴的波动函数的相互作用的下降而引起的量子阱的增益下降，降低振荡阈值。
在量子阱层间的阻挡层的厚度为5nm以下的情况下，量子阱层间的波动函数的耦合的影响变大。在该情况下，如前所述，在量子阱层间的区域中，存在向第二包层109侧扩散的电子波动函数、以及从量子阱层106d向第一包层103侧扩散的重空穴及轻空穴的波动函数，抑制了量子阱层间的阻挡层106c中的电子与空穴的相互作用的下降。因此，即便在量子阱层问的阻挡层的厚度为5nm以下的情况下，若将阻挡层106a、106c及106e的厚度的组合例如设为3nm、3nm及1nm或者5nm、5nm及3nm，则电子的波动函数向第二包层109侧的扩散变小，能够降低与量子阱间的耦合所引起的增益下降相伴的振荡阈值的增大。
此外，若将阻挡层106a、106c及106e的厚度的组合例如设为1nm、3nm及1nm或者3nm、5nm及3nm，则能够抑制空穴的波动函数向第一包层103侧的扩散以及电子的波动函数向第二包层109的扩散。其结果是，能够进一步降低与量子阱间的耦合所引起的增益下降相伴的振荡阈值的增大。
即便在量子阱层为三层以上的情况下，在第一光导层105及第二光导层107的带隙能量比阻挡层的带隙能量大的情况下，若至少使与由P型AlGaN构成的第二包层109最近的阻挡层的厚度比量子阱层间的阻挡层的厚度薄，则也能够抑制因电子与空穴的波动函数的相互作用的下降而引起的量子阱的增益下降，降低振荡阈值。此外，若使与由N型AlGaN构成的第一包层103最近的阻挡层的厚度比量子阱层间的阻挡层的厚度薄，则能够进一步抑制因电子与空穴的波动函数的相互作用的下降而引起的量子阱的增益下降，降低振荡阈值。
为了得到450nm段的激光振荡光，量子阱层的In组成需要为15％左右。在该情况下，与GaN的晶格失配成为1.7％以上，当过于加厚其膜厚时，产生晶格缺陷。反之，当过于减薄其膜厚时，向量子阱层的垂直方向的光封入系数变小，振荡阈值、动作载流子密度变高，因此，导致高温动作时的泄漏电流的增大。因此，为了在抑制晶格缺陷的产生的同时充分地增大向量子阱层的垂直方向(层叠方向、即图1A的y轴方向)的光封入系数，量子阱层的膜厚也可以为以上且以下的范围。在实施方式1中将量子阱层的膜厚设为
另外，当第一光导层105及第二光导层107的In组成较小时，向量子阱活性层106的垂直方向的光封入变小，振荡阈值及动作载流子密度变高。其结果是，高温动作时的泄漏电流增大。因此，第一光导层105及第二光导层107中的至少一方也可以包括In。由此，能够抑制泄漏电流。
另外，反之，当第一光导层105及第二光导层107的In组成较大时，由于与GaN的晶格失配的增大而容易产生晶格缺陷。因此，为了在不产生晶格缺陷的状态下增大向量子阱层的垂直方向的光封入系数，第一光导层105、第二光导层的In组成也可以为0.025(2.5％)以上且0.07(7％)以下来进行制作。在实施方式1中，将第一光导层105及第二光导层107的In组成设为0.03(3％)从而兼顾抑制晶格缺陷的产生与增大向量子阱层的垂直方向的光封入系数。
另外，如图1A所示，在半导体激光元件11的脊侧面上形成有由SiO2构成的电介质的电流阻隔层112。在该构造中，从由P型GaN构成的接触层110注入的电流通过电流阻隔层112仅缩窄到脊部，集中于位于脊底部下方的量子阱活性层106而被注入。由此，激光振荡所需的载流子的反转分布状态通过百mA左右的注入电流来实现。通过由注入到量子阱活性层106的电子和正孔构成的载流子的再耦合而发出的光在与量子阱活性层106垂直的方向(图1A的y轴方向)上由第一光导层105、第二光导层107、第一包层103及第二包层109封入。另一方面，在与量子阱活性层106平行的方向(图1A的与y轴垂直的方向。以下称为水平方向。)上，电流阻隔层112的折射率比各包层的折射率低，因此，光被封入。另外，由于电流阻隔层112相对于激光振荡光是透明的，因此，没有光吸收，能够实现低损耗的波导路。另外，在波导路传播的光分布能够较大地渗入到电流阻隔层，因此，能够容易得到适于高输出动作的1×10-3级的ΔN(脊内外的垂直方向有效折射率之差)，进一步，通过调整电流阻隔层112与量子阱活性层106之间的距离dp的大小，能够同样以10-3级精密地控制光分布的大小。因此，能够在精密地控制光分布的同时，得到低动作电流的高输出的半导体激光元件11。在实施方式1中，通过将ΔN设为5×10-3而进行水平方向的光的封入。
另外，在上述的半导体激光元件11的构造中，通过使第一光导层105、第二光导层107、阻挡层106a、106c及106e的In组成变化，能够控制形成在GaN基板101上的多层构造整体所产生的应力的平均值，从而控制晶体成长后的GaN基板101的翘曲的朝向。
具体而言，例如当提高第一光导层105及第二光导层107的In组成时，InGaN层的晶格常数大于GaN基板101的晶格常数，因此，多层构造的晶格常数的平均值大于GaN基板101的晶格常数。因此，多层构造在以整体进行平均时被GaN基板101压缩。即，多层构造在GaN基板101的作用下受到压缩性的应力。进一步换言之，多层构造相对于GaN基板101具有压缩性的平均形变。其结果是，关于在晶体成长后在GaN基板101上产生的翘曲，使用附图进行说明。
图3A及图3B分别是示出实施方式1的半导体激光装置51a及51b的外观的示意性侧视图。
图3A所示的半导体激光装置51a是具备氮化物系半导体发光元件和用于安装氮化物系半导体发光元件的底座基板122的氮化物系发光装置的一例。半导体激光装置51a具备半导体激光元件11作为氮化物系半导体发光元件。在半导体激光装置51a中，半导体激光元件11安装于底座基板122使得多层构造与底座基板122对置。另外，底座基板122由金刚石形成。需要说明的是，在实施方式1中，半导体激光元件11隔着由AuSn焊料等构成的接合层121而安装于底座基板122。这里，半导体激光元件11的多层构造相对于GaN基板101具有压缩性的平均形变。另一方面，图3B所示的半导体激光装置51b在半导体激光元件11的多层构造相对于GaN基板101具有拉伸性的平均形变这一方面与图3A所示的半导体激光装置51a不同，其他方面一致。
在半导体激光元件11的多层构造相对于GaN基板101具有压缩性的平均形变的情况下，如图3A所示，在半导体激光元件11中，向GaN基板101侧形成凹型的翘曲。在图3A中，示出图1A所示的半导体激光元件11以GaN基板101的上表面(外侧面)侧相对于谐振器方向(z轴方向)成为凹形状的方式接合朝下地安装于底座基板的状态。这里，以ΔR示出半导体激光元件11的谐振器方向中央部处的翘曲的大小(距离)。将GaN基板101的上侧面成为凹型的情况下的ΔR设为负值，将GaN基板101的上侧面成为凸型的情况下的ΔR设为正值。
反之，当减小第一光导层105及第二光导层107的In组成时，由N型AlGaN构成的第一包层103及由P型AlGaN构成的第二包层109的晶格常数比GaN基板101的晶格常数小，因此，多层构造相对于GaN基板101具有拉伸性的平均形变。其结果是，如图3B所示，晶体成长后的GaN基板101的翘曲在GaN基板101朝上时成为凸型。这里，图3B示出图1A所示的半导体激光元件11以GaN基板101侧相对于谐振器方向成为凸形状的方式接合朝下地安装于底座基板的状态。
在GaN基板101的C面上形成了氮化物层的情况下，由于伴随着晶格失配而产生的形变，在产生晶格失配的界面处产生压电极化电荷。其结果是，在GaN基板101的法线方向(图3A及图3B的y轴方向)上产生压电电场，成长层方向的能带构造发生变化。此外，在元件构造中产生了作为旋转(扭转)的应力的剪切应力的情况下，由于剪切应力(图3A及图3B的zy面内的旋转的应力)而在与成长层平行的方向(图3A及图3B中的z方向)上也产生压电电场。由该剪切应力引起的与成长层平行的方向(z方向)的压电电场使z轴方向的能带构造变化，因此，对谐振器方向上的电流的注入容易度的分布产生影响。
这里，在半导体激光元件11的谐振器方向上产生了剪切应力的情况下，在半导体激光元件11产生翘曲，存在半导体激光元件11的谐振器方向的翘曲与剪切应力相互成比例这样的紧密关系。
因此，通过模拟来估计出在针对图1A所示的构造的元件而将其接合朝下地安装于各种底座基板材料并使翘曲的大小(ΔR)以0.5μm间隔从-1μm变化到1μm的情况下、在量子阱活性层106的量子阱层106b、106d中产生的剪切应力的大小。使用附图对其结果进行说明。
图4、图5及图6分别是示出底座基板122由金刚石、SiC(碳化硅)及AlN(氮化铝)形成的情况下的剪切应力及压电电场的谐振器长度方向上的分布的图表。SiC及AlN在半导体激光元件的安装时的散热性高，作为热传导率高的底座基板材料而被广泛使用。
在图4～图6的图表(a)、(b)及(c)中分别示出温度为25℃的情况下的相对于谐振器方向的剪切应力、压电电场、由压电电场产生的压电电位(压电电压)的大小的分布。将半导体激光元件11的谐振器长度转设为1200μm，将谐振器方向中央部的位置的坐标设为0μm。
同样，在图4～图6的图表(d)、(e)及(f)中分别示出温度为150℃的情况下的相对于谐振器方向的剪切应力、压电电场、由压电电场产生的压电电位的大小的分布。
同样，在图4～图6的图表(g)、(h)及(i)中分别示出温度为200℃的情况下的相对于谐振器方向的剪切应力、压电电场、由压电电场产生的压电电位的大小的分布。
关于压电电位的大小，将谐振器方向中央部处的压电电位设为0V。在由氮化物系材料构成的瓦特级的超高输出半导体激光装置中，例如在以3W进行动作的情况下，谐振器端面处的量子阱活性层中的光密度为几十MW/cm2而成为非常大的值。因此，为了防止端面处的COD的发生，在端面形成电流非注入窗区域，以抑制端面附近区域处的非发光再耦合，抑制COD等级的下降。因此，需要抑制注入电流向电流非注入窗区域的泄漏。然而，在谐振器方向的压电电位分布中，谐振器端面附近区域可能比谐振器方向中央部低。在该情况下，电流容易向电流非注入窗区域泄漏，容易产生非发光再耦合，其结果是，产生发热，导致COD等级的下降。
因此，在以85℃的高温状态进行瓦特级的高输出动作中的半导体激光元件中，电流注入的大小成为几A以上的大电流。因此，将在量子阱活性层中产生的压电电场的朝向控制为注入到半导体激光元件的电流难以向谐振器端面方向流动的朝向，由此，若不极力抑制向谐振器端面方向的泄漏电流的产生，则即便在谐振器端面形成了电流非注入窗区域，由于COD等级的下降，也会产生元件的劣化。
另外，在以环境温度85℃使半导体激光元件动作的情况下，半导体激光元件的量子阱活性层的温度通过半导体激光元件的电力消耗相伴的发热而上升到150℃左右的高温状态。因此，必须将压电电位形成为，不仅在室温中，在150℃以上的高温状态下，也要避免电流向电流非注入窗区域泄漏。
这里，在底座基板122使用了金刚石的情况下，如图4所示，可知谐振器端面附近的压电电位形成得比谐振器方向中央部的压电电位高。另一方面，在底座使用了SiC及AlN的情况下，如图5及图6分别所示，谐振器端面附近的压电电位形成得比谐振器方向中央部的压电电位低。
这被认为是因为，SiC的热膨胀系数为6.6×10-6，AlN的热膨胀系数为4.15×10-6，与此相对，金刚石的热膨胀系数为1.1×10-6，与GaN的热膨胀系数5.59×10-6相比相对小。这样，针对在由热膨胀系数小的金刚石形成的底座基板122上安装半导体激光元件11的情况下产生的热残留应力来进行说明。
在作为接合层121而使用AuSn焊料且以300℃左右的高温状态在底座基板122上安装半导体激光元件11时，由于由金刚石形成的底座基板122与半导体激光元件11的热膨胀系数之差引起的热残留应力的影响与使用由SiC或AlN形成的底座基板的情况相比而变大。因此，在由金刚石形成的底座基板122上安装了半导体激光元件11的情况下，半导体激光元件11的谐振器方向(z轴方向)上的拉伸性的应力与在由SiC或AlN形成的底座基板安装半导体激光元件11的情况相比而变大。此时，yz面内的剪切应力在谐振器端面处的压电电位与谐振器方向中央部相比相对变高的方向上形成。由此，在使用由金刚石形成的底座基板122的情况下，在从25℃到150℃的高温状态为止，使谐振器端面附近区域的压电电位相对于谐振器方向中央部提高的效果变得最高。尤其是根据发明人的解析可清楚，该效果在半导体激光元件11的GaN基板101相对于多层构造朝上的状态下使谐振器方向的翘曲成为凹型的形状的情况下变大。另外，在使用了由金刚石形成的底座基板122的情况下，若GaN基板101的翘曲ΔR为0.5μm以下，则即便在200℃的高温状态下，也具有使谐振器端面附近区域的压电电位相对于谐振器方向中央部提高的效果。
因此，若将金刚石用于底座基板122且以在GaN基板101朝上时ΔR成为0.5μm以下的方式安装半导体激光元件11，则能够使谐振器端面附近区域的压电电位相对于谐振器方向中央部提高。此外，若将金刚石用于底座基板122且以在GaN基板101朝上时ΔR小于0μm(凹形状)的方式安装半导体激光元件11，则能够使谐振器端面附近区域的压电电位相对于谐振器方向中央部更进一步提高。
另一方面，当将SiC用于底座基板时，如图5的图表(c)、(f)及(i)所示，可知难以使谐振器端面附近区域的压电电位相对于谐振器方向中央部提高。
另外，当将AlN用于底座基板时，如图6的图表(c)、(f)及(i)所示，可知为了使谐振器端面附近区域的压电电位相对于谐振器方向中央部提高，需要将ΔR控制为-1μm以下的范围。
针对谐振器长度为1200μm的元件，为了将半导体激光元件11的翘曲ΔR控制为-1μm以下的形状，需要使半导体激光元件的多层构造中使用的InGaN层(例如第一光导层105、第二光导层107)中的In组成变得非常大，或者使其膜厚变得非常厚。在该情况下，在第一光导层105、第二光导层107容易产生因晶格失配引起的晶格缺陷，因此，从半导体激光元件11的可靠性的观点出发，不优选使翘曲ΔR在负方向上减小到所需以上。
另外，金刚石的热传导率为1000W/m·K左右，与SiC的热传导率(200W/m·K左右)、AlN的热传导率(150W/m·K左右)等相比而非常大。这样，在由金刚石形成的底座基板122上以接合朝下的状态且以ΔR成为0.5μm以下、优选成为0μm以下的方式安装的情况下，能够实现高散热性，并且能够使谐振器端面附近区域的压电电位相对于谐振器方向中央部提高。这样的安装方式被认为非常适合作为能够在高温高输出动作的状态下保证长期可靠性的氮化物系蓝色半导体激光元件的安装方式。
接着，针对如上所述将ΔR设为0.5μm以下且优选为负的状态(在GaN基板101朝上时成为凹形状)的方法进行说明。
由于InN的晶格常数比GaN的晶格常数大，因此，在InGaN层中，当提高In组成时，压缩性的形变变大。因此，例如，在图1A所示的构造中提高由InGaN构成的第一光导层105及第二光导层107的In组成时，形成在GaN基板101上的多层构造的平均形变中的压缩性的形变提高，当将基板朝上时，具有成为凹形状的趋势。因此，若尽量提高包括In的层的In组成，则能够减小ΔR，成为负的状态。
这里，平均形变(εave)由下述的式1定义。
[式1]
这里，ε(y)是成长层方向(位置y)的各层的相对于GaN基板101的晶格失配(形变)的大小，T是形成在GaN基板101上的多层构造中的从GaN基板101起的沿成长层方向的距离(即，多层构造的膜厚)。另外，当将GaN的晶格常数设为Ls、将成长层方向的各位置处的晶格常数设为Ly时，晶格失配由下述的式2给出。
(Ls-Ly)/Ls-1 式2
此时，εave(T)示出在GaN基板101上的多层构造中从GaN基板101到膜厚T的位置为止的平均形变的大小。因此，在T是多层构造整体的膜厚的情况下，εave(T)是指多层构造整体的平均的晶格失配的大小(多层构造整体的平均形变：εtave)。另外，根据式2，在受到压缩性的形变的层中，形变取负值。
这里，使用附图对翘曲ΔR与平均形变εtave的关系进行说明。图7A是对翘曲ΔR的定义进行说明的概要图。图7B是示出多层构造的平均形变与翘曲ΔR的关系的图表。在图7B中示出使GaN基板101的厚度以10μm间隔从65μm变化到105μm的情况下的、翘曲ΔR的多层构造整体的平均形变依赖性的计算结果。
如图7A所示，在将GaN基板101相对于构成多层构造的晶体成长层而配置在上方时，在GaN基板101的上表面为凹状态的情况下，翘曲ΔR定义为负。
如图7B所示，可知半导体激光元件11的翘曲ΔR几乎不依赖于GaN基板101的厚度，在使多层构造整体的平均形变εtave为-1.5×10-4以下而成为压缩性的情况下，成为负值(在GaN基板101朝上时为凹形状)。另外，可知当GaN基板101的厚度较薄时，翘曲的变化程度相对于平均形变εtave而变大。这是因为，当GaN基板101的厚度较薄时，半导体激光元件11整体的翘曲容易受到多层构造的平均形变εtave的影响。这里，在GaN基板101的厚度较薄的情况下，在晶体成长后的晶片状态下的加工工艺时容易破裂。防止当GaN基板101的厚度过厚时，难以劈开用于制作激光元件的谐振器端面的晶片。因此，为了容易劈开且防止其他的半导体激光元件11的加工工艺时的晶片的破损，GaN基板101的厚度为75μm以上且95μm以下，优选可以为85μm±5μm的范围。在该情况下，若控制为0以下的大小使得多层构造整体的平均形变εtave成为压缩性，则ΔR也成为0.1μm以下的值。另外，可知在将平均形变εtave设为-1.5×10-4以下的情况下，ΔR成为负值(在GaN基板101侧朝上时为凹形状)。若ΔR为0.1μm以下，则根据图4所示的结果，即便量子阱活性层106成为200℃以上的高温状态，谐振器端部的压电电位也相对于谐振器方向中央部的压电电位稳定地提高，能够降低电流向电流非注入窗区域的泄漏。
这里，使用附图对图1A所示的实施方式1的多层构造的平均形变εtave进行说明。图8A是示出实施方式1的多层构造中的晶格失配(形变)的膜厚方向上的分布的一例的图表。图8B是图8A中的量子阱活性层106部分的放大图。图8C是示出实施方式1的多层构造的成长层方向上的平均形变εtave的分布的一例的图表。在图8A～图8C中示出将多层构造中的阻挡层106a、106c及106e的In组成设为0.8％、将由InGaN构成的第一光导层105及由InGaN构成的第二光导层107的膜厚分别设为185nm及100nm、将In组成设为0.03(3％)的情况下的形变。在该多层构造的情况下，可知整体上的平均形变εtave的大小成为1.9×10-4，成为拉伸性的平均形变。因此，在该多层构造的结构中，层整体的平均形变成为拉伸性，晶体成长后的元件的翘曲ΔR成为正。因此，为了使多层构造整体的平均形变成为压缩性，需要提高包括In组成的层的In组成，或者加厚其膜厚。这里，在图1A所示的构造中，作为包括In的层，成为进行其In组成的研究的对象的是第一光导层105、第二光导层107、阻挡层106a、106c及106e。
然而，当提高包括In的层的In组成时，与GaN基板101的晶格失配变大，因此，容易产生晶格缺陷。此外，由于异质界面处的压电极化电荷变大，因此，能带构造发生变化，与此相伴地产生动作电压变高这样的问题。因此，在In组成的设定时需要注意。以下，使用图2来详细进行说明。
如图2所示，由于压电效应，波动函数偏向量子阱层的端。注入到量子阱层的电子与空穴的波动函数的重叠积分越大，电子及空穴的相互作用越大。因此，当在电子及空穴的波动函数中产生偏置时，相互作用变小，因此，针对相同的注入电流得到的量子阱活性层106中的放大增益(以下成为“增益”)下降。与此相伴，振荡阈值电流值增大。
接下来，使用附图对在量子阱活性层中得到的增益进行说明。图9A是示出考虑了压电效应的情况下的在量子阱活性层中得到的增益的波长及载流子浓度依赖性的计算结果的图表。图9B是示出未考虑压电效应的情况下的在量子阱活性层中得到的增益的波长及载流子浓度依赖性的计算结果的图表。图9C是示出注入到增益的量子阱活性层的载流子浓度依赖性的计算结果的图表。图9C中分别示出考虑了压电效应的情况下(有压电电场)及未考虑压电效应的情况下(无压电电场)的增益。如图9A～图9C所示，可知增益由于压电效应而变小。
其原因是因为，如图2的图表(c)所示，量子阱层的能带构造由于压电效应而倾斜，波动函数在量子阱层内产生偏置。因此，为了抑制该波动函数的偏置，减小在量子阱层中产生的压电电场的绝对值即可。
这里，使用附图对量子阱层中的压电电场与阻挡层的In组成的关系进行说明。图10是示出在量子阱层中产生的压电电场的阻挡层的In组成依赖性的图表。图10中示出在使用具有2％～7％的In组成的第一光导层及第二光导层的多个情况下计算压电电场的阻挡层的In组成依赖性而得到的结果。
如图10所示，可知在量子阱层中产生的压电电场不依赖于由InGaN构成的各光导层的In组成。另一方面，可知当增大阻挡层的In组成时，在量子阱层中产生的压电电场的绝对值变小。因此，可知为了抑制因压电效应引起的活性层的增益的下降，最好增大阻挡层的In组成。
然而，当提高阻挡层的In组成时，在与光导层的界面处产生的压电极化电荷变大，导致动作电压的增大。图11是示出对半导体激光元件的100mA动作时的动作电压的阻挡层的In组成依赖性进行计算而得到的结果的图表。图11中示出在使用2％～7％的In组成的第一光导层及第二光导层的多个情况下计算动作电压的阻挡层的In组成依赖性而得到的结果。根据图11所示的结果可知，当将由InGaN构成的各光导层的In组成设为0.06(6％)以上时，动作电压增大，当将阻挡层的In组成设为0.06(6％)以上时，动作电压的增大变得显著。因此，可知为了抑制动作电压的增大，将各光导层的In组成设为0.06(6％)以下，进一步优选为0.05(5％)以下，将阻挡层的In组成设为0.06(6％)以下即可。另外，可知在将阻挡层的In组成设为0.01(1％)以上时，在引导层的In组成为0.03(3％)的情况下动作电压变得最小。动作电压的增大导致半导体激光元件的动作中的自身发热的增大，因此，动作电压需要变得尽量小。
接下来，使用附图对压电电场与增益的关系进行说明。
图12是示出实施方式1的半导体激光元件11的压电电场与增益的关系的图。在图12的图表(a)及(b)中，分别示出将阻挡层的In组成分别设为0.8％及4％的情况下的传导带的能带构造。需要说明的是，在图12的图表(a)及(b)中也一并示出电子波动函数及能量能级。另外，在图12的图表(c)及(d)中分别示出将阻挡层的In组成设为0.8％及4％的情况下的增益的波长依赖性。在图12的图表(c)及(d)中，示出使向量子阱活性层的注入载流子密度作为参数而变化的多个情况下的增益的波长依赖性。可知在将阻挡层的In组成设为4％的情况下，在量子阱层中产生的压电电场较小，针对相同的注入载流子的增益也较大。其结果是，能够减小振荡阈值电流值，因此，能够降低半导体激光元件的消耗电力。
接下来，使用附图对增益的载流子浓度依赖性进行说明。图13是示出实施方式1的半导体激光元件11的增益的载流子浓度依赖性的图表。在图13中示出将阻挡层的In组成设为0％、3％、6％的情况下的针对波长450nm的增益的计算结果。在实施方式1中，谐振器长度为1200μm，在前端面及后端面，以反射率分别成为16％及95％的方式对端面实施了涂覆。该情况下的谐振器的反射镜损耗为7.8cm-1，当加上波导路损耗约5cm-1时，谐振器的全部损耗成为约12.8cm-1。在实施方式1的半导体激光元件中，量子阱活性层厚度为左右而非常薄，因此，向DQW活性层的光封入系数通常为1％到2％左右的较小值。在该情况下，激光振荡所需的增益为640cm-1到1280cm-1。需要说明的是，在图13中，以虚线在800cm-1处示出激光振荡所需的增益。
如图13所示，可知激光振荡所需的量子阱活性层的增益在640cm-1到1280cm-1左右，当将阻挡层的In组成从0％提高到6％时，能够以较小的注入载流子密度得到激光振荡。然而，如上所述，当增大阻挡层的In组成时，动作电压趋向于增大。因此，为了在不导致动作电压的大幅增大的状态下进行振荡阈值的降低且提高多层构造的平均形变εtave的压缩性，在实施方式1中，将阻挡层的In组成设为4％。
接着，使用附图对由InGaN构成的第一光导层105及第二光导层107的In组成对波导路损耗造成的影响进行说明。图14A是示出实施方式1的半导体激光元件11中的量子阱活性层106附近区域的费米能级(费米能量)与传导带能量的关系的图表。图14B是示出实施方式1的半导体激光元件11中的量子阱活性层106附近区域的费米能级与价电子带能量的关系的图表。图14C是示出根据实施方式1的半导体激光元件11中的量子阱活性层106附近区域的费米能级与传导带能量的关系而决定的电子及空穴的浓度分布的图表。
在图14A～图14C中，示出将第一光导层105及第二光导层107的In组成设为3％、将阻挡层的In组成设为5％的情况下的、100mA动作时的成长层方向上的各分布的计算结果。图14A的ΔEc及图14B的ΔEv分别示出传导带能量与费米能量之差(传导带的能量-费米能量)、价电子带能量与费米能量之差(费米能量-价电子带的能量)。当ΔEc较小时，示出在传导带存在平均能量高的电子，示出在传导带存在的电子浓度多。同样，当ΔEv较小时，可能存在于传导带的空穴浓度增加。
如上所述，当各光导层的In组成增大时，多层构造的平均形变εtave中的压缩性提高，能够将ΔR控制为负的方向。然而，当各光导层的In组成增大时，其带隙能量变小，在半导体激光元件的动作中，在各光导层产生的电子及空穴的自由载流子增大，因此，导致波导路损耗的增大。
在图14C所示的状态下，示出在第一光导层105中存在平均为1.2×1017cm-3的电子和6×1016cm-3的空穴，在第二光导层107中存在平均为9×1016cm-3的空穴和1.8×1017cm-3的电子。在该动作状态下，产生与该载流子浓度相当的自由载流子损耗。存在于各光导层的电子及空穴的浓度受到各光导层及阻挡层的带隙的影响，因此，在光导层及阻挡层的带隙的设定、即In组成的设定中需要注意。
这里，使用附图对各光导层中的载流子浓度与阻挡层及各光导层的In组成的关系进行说明。图15是示出实施方式1的半导体激光元件的各光导层中的载流子浓度与阻挡层及各光导层的In组成的关系的图。在图15的图表(a)及(b)中，分别示出在100mA动作时存在于第一光导层105的电子浓度及空穴浓度的阻挡层的In组成依赖性。在图15的图表(c)及(d)中，分别示出在100mA动作时存在于第二光导层107的电子浓度及空穴浓度的阻挡层的In组成依赖性。在各图表中，示出针对使各光导层的In组成变化的多个情况而计算出的载流子浓度的阻挡层的In组成依赖性。另外，第一光导层105与第二光导层107的In组成相同。
另外，在图15的各图表中，示出存在于各光导层的电子及空穴浓度的平均值。
如图15所示，可知当增大各光导层的In组成时，存在于各光导层的电子及空穴的浓度增大。这被认为是因为，伴随着In组成的增大，各光导层的带隙能量变小，由此ΔEc、ΔEv变小。尤其是在将各光导层的In组成设为6％以上时，存在于光导层的电子及空穴浓度接近1×1018cm-3，作为自由载流子损耗，与光导层的In组成为2％以上的状态相比增大了0.5cm-1左右。因此，引起电流-光输出特性中的斜率效率(ΔP/ΔI)的下降。这里，ΔP是光输出的变化，ΔI是注入电流量的变化。因此，为了将存在于各光导层的电子及空穴浓度控制为1×1018cm-3以下，需要将各光导层的In组成设定为6％以下，进一步优选设定为5％以下。若将各光导层的In组成设为5％以下，则能够更加稳定地将存在于各光导层的电子及空穴浓度抑制为1×1018cm-3以下。
另外，根据图15所示的计算结果可知，当阻挡层的In组成增大时，存在于各光导层的电子及空穴浓度减少。这是因为，当提高阻挡层的In组成时，在各光导层与量子阱层之间产生的压电极化电荷容易分散到各光导层与阻挡层的界面及阻挡层与量子阱层的界面，因此，如图12的图表(a)及(b)及图14A所示，在处于各光导层与量子阱层之间的阻挡层106a及106e的界面处产生的压电电场变小。其结果是，伴随着阻挡层的In组成增大，ΔEc及ΔEv增大，因此，认为存在于各光导层的电子及空穴的浓度减少。
因此，可知为了同时实现(1)抑制在光导层中产生的自由载流子损耗发生、(2)不导致动作电压的增大、及(3)抑制在量子阱活性层中产生的压电电场、增大量子阱层的增益并降低振荡阈值这三个课题，将光导层及阻挡层的In组成设为6％以下、进一步优选为5％以下，并且将阻挡层的In组成设为光导层的In组成以上即可。另外，为了增大光分布的垂直方向的封入系数，需要使各光导层的In组成为2.5％以上。此外，若将各光导层的In组成设为3％以上，则在高温高输出动作时也能够抑制载流子溢出的发生。
因此，在图1A所示的实施方式1的多层构造中，将第一光导层的In组成设为3％，将膜厚设为200nm，将第二光导层的In组成设为3％，将膜厚设为180nm，将阻挡层106a、106c及106e的In组成设为4％。由此多层构造整体的平均形变εtave为-1×10-5而成为压缩性。
在该情况下，当使用由金刚石形成的底座基板时，ΔR成为0.1μm以下，根据图4所示的结果，即便在量子阱活性层106成为200℃以上的高温状态，谐振器端部的压电电位相对于谐振器方向中央部的压电电位也稳定地提高，能够防止电流向电流非注入窗区域的泄漏。
另外，当将第一光导层的In组成设为3％、将膜厚设为175nm、将第二光导层的In组成设为3％、将膜厚设为98nm、将阻挡层106a、106c及106e的In组成设为4％时，多层构造整体的平均形变εtave成为2.5×10-4。
根据图4的图表(i)所示的结果，在量子阱活性层106成为200℃的高温状态的情况下，在ΔR为0.5μm以上的状态下谐振器方向的量子阱活性层中的压电电位分布大致固定，向电流非注入窗区域的电流的泄漏防止效果消失。因此，若将ΔR设为0.25μm以下，则直至200℃的高温状态都能够确保向电流非注入窗区域的电流的泄漏防止。
在该情况下，根据图7B所示的结果，若在GaN基板101的厚度为105μm的情况下将多层构造整体的平均形变εtave设为6.2×10-4以下，在GaN基板101的厚度为95μm的情况下将多层构造整体的平均形变εtave设为5.2×10-4以下，在GaN基板101的厚度为85μm的情况下将多层构造整体的平均形变εtave设为4.2×10-4以下，在GaN基板101的厚度为75μm的情况下将多层构造整体的平均形变εtave设为3.2×10-4以下，在GaN基板101的厚度为65μm的情况下将多层构造整体的平均形变εtave设为2.2×10-4以下，则分别能够将ΔR设为0.25μm以下。
因此，若在GaN基板101的厚度为95μm以下的情况下将多层构造整体的平均形变εtave设为5.2×10-4以下，则即便成为200℃以上的高温，也能够确保向电流非注入窗区域的电流的泄漏防止。
另外，根据图4的图表(i)所示的结果可知，在ΔR为0.25μm以下的情况下，即便为200℃的高温状态，关于谐振器方向的量子阱活性层106中的压电电位的形成，在距谐振器方向的中心位置的距离为300μm的距离中，也逐渐开始形成比谐振器中央部高的电位。谐振器方向的电位差是对在谐振器方向上形成的压电电场相对于谐振器方向进行积分后的大小，因此，谐振器方向的距离越长，在谐振器方向上形成的压电电场的影响变得越大。
因此，若在谐振器长度为600μm以上且GaN基板101的厚度为95μm以下的情况下将多层构造整体的平均形变εtave设为5.2×10-4以下，则即便在成为200℃以上的高温的情况下，相较于谐振器中央部也能够提高电流非注入窗区域的压电电位，能够确保向电流非注入窗区域的电流的泄漏防止效果。
这里，当使半导体激光元件进行高输出动作时，谐振器端面处的光密度提高，容易发生谐振器端面被半导体激光元件自身的激光破坏的COD(Catastrophic OpticalDamage，灾难性光学损伤)，半导体激光元件的可靠性下降。
与此相对，根据本实施方式，由于长谐振器化，不仅降低半导体激光元件的热阻，还增大向电流非注入区域的泄漏电流防止效果。其结果是，即便增大半导体激光元件的光输出，也能够进一步抑制COD的发生。
因此，在本实施方式所示的构造中，增加谐振器长度不仅能够提高散热性，还能够提高抑制COD的发生的效果。
另一方面，若长谐振器化，则导致半导体激光元件的大型化，导致制作成本的增大，因此，谐振器长度相对于所希望的高输出最好尽量短。
例如，若将谐振器长度设为1200μm、1500μm及2000μm，则分别可得到在85℃时进行3W以上、3.5W以上且4W以下及4W以上且4.5W以下的高输出动作中能够实现长期可靠性动作的半导体激光元件。若将谐振器长度设为2000μm以上，则可得到在85℃时进行4.5W以上的高输出动作中能够实现长期可靠性动作的半导体激光元件。
这里，在实施方式1的构造中，将电子障壁层108的结构设为Al组成为0.3(30％)且膜厚为5nm的AlGaN层，但当提高Al组成时，带隙能量变大，因此针对传导带中的电子的能量障壁变大，能够抑制泄漏电流的发生。然而，当过于提高电子障壁层108的Al组成或过于加厚其膜厚时，在多层构造整体的平均形变中，拉伸性的形变变大，εtave增大。因此，为了在增大针对电子的能量障壁的同时抑制拉伸性的形变的增大，在电子障壁层108中也可以构成为，最大Al组成成为30％以上，在赋予最大Al组成的电子障壁层108的从成长膜厚方向的位置X起的±1nm以内的区域，其Al组成与最大Al组成大致相同，在其外侧的区域，随着远离位置X而减少了Al组成。另外，也可以将电子障壁层108的厚度设为7nm以下。
具体而言，电子障壁层108的构造也可以依次形成厚度为2nm且Al组成为0.02(2％)的第一区域、Al组成从Al组成0.02(2％)增大到Al组成0.36(36％)且厚度为3nm的第二区域、厚度从0nm到2nm并且Al组成为0.36(36％)且组成固定的第三区域。根据该结构，能够形成由Al组成为0.36(36％)的最大Al组成形成的针对电子的电位障壁，同时，能够降低电子障壁层108的平均Al组成，抑制拉伸性的形变的增大。
通过在电子障壁层108的结构中形成Al组成相对低的组成固定的第一区域，从而在之后形成的电子障壁层的第二区域中的Al组成分布的控制性提高。即，通过形成第一区域，容易将第二区域中的Al组成分布控制为所希望的分布。
另外，在电子障壁层108的结构中，若最大Al组成为0.3(30％)以上，则能够得到同样的效果。然而，当将最大Al组成设为0.4(40％)以上时，针对空穴的电位障壁也变大，导致动作电压的增大。因此，电子障壁层的最大Al组成优选为0.3(30％)以上且0.4(40％)以下。
另外，当提高第一区域的Al组成时，电子障壁层108整体上的平均Al组成变大，但若第一区域的Al组成为0.1(10％)以下，则能够使电子障壁层的平均Al组成降低到最大Al组成的约一半以下。
在该情况下，ΔR成为0.2μm以下，根据图4所示的结果，即便量子阱活性层106成为200℃以上的高温状态，谐振器端部的压电电位相对于谐振器方向中央部的压电电位也稳定地提高，能够防止向电流非注入窗区域的电流的泄漏。
另外，若进一步提高多层构造整体的平均形变εtave的压缩性，例如将第一光导层的In组成设为4％、将膜厚设为200nm、将第二光导层的In组成设为4％、将膜厚设为180nm、将阻挡层106a、106c及106e的In组成设为5％即可。由此，能够使多层构造整体的平均形变εtave成为-1.8×10-4，因此，能够以ΔR成为负的方式提高压缩性。
另外，通过代替GaN基板101而使用AlGaN基板，能够减小基板的晶格常数。因此，能够提高层叠在基板上的多层构造的平均晶格形变的压缩性。其结果是，与在GaN基板上形成了多层构造的情况相比，容易将ΔR更小地控制为0.25μm以下的范围，能够增大向电流非注入窗区域的电流的泄漏防止效果。
(实施方式2)
对实施方式2的半导体激光元件进行说明。实施方式2的半导体激光元件在GaN基板101与第一包层103之间具备缓冲层这一方面，与实施方式1的半导体激光元件11不同，其他方面一致。以下，使用附图，以与实施方式1的半导体激光元件11的不同点为中心对实施方式2的半导体激光元件进行说明。
图16A是示出实施方式2的半导体激光元件12的结构的示意性剖视图。图16A示出与半导体激光元件12的谐振器长度方向垂直的剖面。图16B是示出实施方式2的半导体激光元件12中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
如图16A所示，实施方式2的半导体激光元件12与实施方式1的半导体激光元件11同样地，是在GaN基板101上具有从GaN基板101侧依次层叠了第一导电型的第一包层103、第一光导层105、量子阱活性层106、第二光导层107及第二导电型的第二包层109的多层构造的氮化物系半导体发光元件。另外，如图16B所示，量子阱活性层106与实施方式1的量子阱活性层106同样地具备量子阱层106b及106d和阻挡层106a、106c及106e。
半导体激光元件12还在GaN基板101上具备缓冲层102。即，半导体激光元件12在GaN基板101与第一包层103之间具备缓冲层102。
半导体激光元件12与实施方式1的半导体激光元件11同样地还具备N型GaN层104、电子障壁层108、接触层110、电流阻隔层112、P侧欧姆电极113、P侧第一紧贴层114、第一阻挡层115、焊盘电极116以及N侧电极117。
在本实施方式中，第一包层103的膜厚为1.5μm。另外，N侧电极117由膜厚为40nm的Pd、膜厚为35nm的Pt、以及膜厚为1μm的Au形成，焊盘电极116由膜厚为1μm的Au形成。脊的宽度W与实施方式1的半导体激光元件11同样地为30μm，将脊下端部与量子阱活性层106的距离dp设为0.2μm。
半导体激光元件12的谐振器长度与实施方式1的半导体激光元件11同样地为1200μm，在谐振器前后面的谐振器端面附近形成有电流非注入窗区域。
在实施方式2中也与实施方式1同样地，为了在增大垂直方向的向活性层的光封入系数的同时，防止晶格缺陷、裂纹产生、动作电压增大而将由AlGaN构成的各包层的Al组成设为3.5％。
另外，实施方式2中的量子阱活性层106与实施方式1同样，如图16B所示采用DQW构造，该DQW构造具备两层厚度为In组成为0.18(18％)的由InGaN构成的量子阱层106b、106d。量子阱活性层106还具备由InGaN构成的阻挡层106a、106c及106e。阻挡层106a、106c及106e的厚度分别为3nm、7nm及3nm。
另外，与实施方式1同样，通过使第一光导层105及第二光导层107的In组成为3％，使阻挡层106a、106c及106e的In组成为4％，能够同时实现光分布的垂直方向的封入系数的增大、在光导层中产生的自由载流子损耗发生的抑制、动作电压的增大抑制、在量子阱活性层中产生的压电电场的抑制、量子阱活性层中的增益的增大。
如上所述，在实施方式2的半导体激光元件12中，在GaN基板101与第一包层之间具备缓冲层102。缓冲层102是相对于GaN基板101具有压缩性的形变的包括氮化物半导体层的形变控制层。通过半导体激光元件12具备缓冲层102，能够使在GaN基板101上成长的多层构造整体的平均形变更加成为压缩性，在GaN基板101朝上的情况下，能够将GaN基板101的翘曲控制为凹形状(ΔR＜0)。缓冲层102的结构只要具有压缩性的形变即可，没有特别限定。缓冲层102也可以包括In。由此，缓冲层102相对于GaN基板101具有压缩性的形变。另外，缓冲层102还可以包括AlGaN层。在实施方式2中，缓冲层102是将Al组成为1％且膜厚为300nm的AlGaN层300nm和In组成为4％且膜厚为200nm的InGaN层200nm依次形成的层叠膜。
另外，在实施方式2的半导体激光元件12中，电极构造不局限于图16A所示的构造。以下，使用附图对实施方式2的半导体激光元件的电极构成的变形例进行说明。
图16C是示出实施方式2的变形例的半导体激光元件12a的结构的示意性剖视图。图16D是示出实施方式1的变形例的半导体激光元件11a的结构的示意性剖视图。
作为电极的结构，如图16C所示，也可以在脊上部不形成由Ti构成的P侧第一紧贴层114。通过采用这样的结构，能够减小半导体激光元件12a的阻力，进而能够得到低电压动作的半导体激光元件12a。另外，图16C所示的电极结构也可以如图16D所示的半导体激光元件11a那样应用于实施方式1的半导体激光元件11。由此，与半导体激光元件12a同样地，能够得到比半导体激光元件11更低的低电压动作的半导体激光元件11a。
这里，使用附图对实施方式2的多层构造的平均形变进行说明。在说明实施方式2的多层构造的平均形变之前，首先，使用附图对实施方式1的多层构造的平均形变的另一例进行说明。
图17A是示出实施方式1的多层构造中的晶格失配(形变)的膜厚方向上的分布的另一例的图表。图17B是示出实施方式1的多层构造的成长层方向上的平均形变的分布的另一例的图表。在图17A及图17B中，作为用于在图1A所示的多层构造中估计多层构造整体的平均形变εtave的一例子，而示出将阻挡层的In组成设为4％、将第一光导层105、第二光导层的膜厚都设为200nm、将In组成设为0.05(5％)的情况下的形变及平均形变。在该情况下，可知多层构造整体中的平均形变εtave的大小成为-2.4×10-4，成为压缩性的平均形变。因此，通过该多层构造，元件的翘曲的方向成为ΔR为负的方向。
接下来，使用附图对实施方式2的多层构造的平均形变进行说明。图18A是示出实施方式2的多层构造中的晶格失配(形变)的膜厚方向上的分布的另一例的图表。图18B是示出实施方式2的多层构造的成长层方向上的平均形变的分布的另一例的图表。具体而言，图18A及图18B所示的多层构造在图17A及图17B的计算中使用的多层构造的基础上还具有追加了缓冲层102的结构。缓冲层102从GaN基板101侧依次具备Al组成为1％且膜厚为300nm的AlGaN层102b、以及In组成为4％且膜厚为200nm的InGaN层102a。如图16A所示，缓冲层102配置在GaN基板101与第一包层103之间。通过将缓冲层102配置在GaN基板101与第一包层103之间，能够增大缓冲层102与量子阱活性层106之间的距离，因此，能够充分地抑制缓冲层102中的光强度。因此，能够充分地抑制缓冲层102对光分布造成的影响。另外，通过将缓冲层102像这样的配置，能够将多层构造整体的平均形变控制为压缩性。
这里，示出了缓冲层102由两个层形成的例子，但缓冲层102是配置在GaN基板101与第一包层103之间且平均形变为压缩性的层即可，也可以由三层以上的多层或者单层构成。
如图18A所示，缓冲层102的尤其是InGaN层102a具有压缩性的形变。因此，如图18B所示，多层构造整体上的平均形变εtave的大小成为-4.6×10-4，在图18B所示的例子中，可知平均形变εtave相比图17B所示的例子在压缩性方面更强。因此，通过具备缓冲层102，能够将半导体激光元件的翘曲的方向控制为ΔR更小地成为负的方向。
此外，通过使用缓冲层102，即便第一光导层105及第二光导层107的In组成为3％左右的值，通过使多层构造整体的平均形变εtave成为压缩性，优选为-1.5×10-4以下，也能够将半导体激光元件的翘曲控制为GaN基板101侧为凹。在该情况下，通过将第一光导层105及第二光导层107的In组成设为3％左右，能够进一步抑制各光导层中的晶格缺陷的产生及自由载流子损耗的发生。
接下来，使用附图对第一光导层105及第二光导层107的合计膜厚(以下也称为合计厚度。)以及各光导层的In组成与平均形变的关系进行说明。
图19A是示出比较例的多层构造的平均形变εtave与第一光导层105及第二光导层107的合计厚度的关系的图表。在图19A中，示出从图16A所示的实施方式2的半导体激光元件12的多层构造去除了缓冲层102的结构的多层构造中的平均形变εtave的计算结果。
图19B是示出实施方式2的多层构造的平均形变εtave与第一光导层105及第二光导层107的合计厚度的关系的一例的图表。在图19B中，示出在图16A所示的实施方式2的半导体激光元件12的多层构造中、在Al组成为1％且膜厚为300nm的AlGaN层102b上形成了In组成为4％且膜厚为200nm的InGaN层102a来作为缓冲层102的情况下的计算结果。
在像这样交替地形成了拉伸性与压缩性的层的形变补偿型的缓冲层102中，在相邻的两个层中容易发生转移的朝向相反，因此，能够抑制晶格缺陷的产生。
图19C是示出实施方式2的多层构造的平均形变εtave与第一光导层105及第二光导层107的合计厚度的关系的另一例的图表。在图19C中，示出在图16A所示的实施方式2的半导体激光元件12的多层构造中、形成了In组成为4％且膜厚为200nm的InGaN层来作为缓冲层102的情况下的平均形变εtave的计算结果。
另外，在图19A～图19C中，示出使各光导层的In组成从1％变化到7％的多个情况下的平均形变εtave。
如图19A所示可知，在不具备缓冲层102的多层构造中，为了使多层构造整体的平均形变εtave成为0以下或者-1.5×10-4以下，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为3％的情况下，各光导层的合计厚度分别需要为460nm以上或610nm以上。同样可知，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为4％的情况下，它们的合计厚度分别需要为350nm以上或460nm以上。另外，同样可知，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为5％的情况下，它们的合计厚度分别需要为280nm以上或360nm以上。
这里，在将各光导层中使用的InGaN层的In组成设为3％以上而成长为合计500nm以上时，在晶体成长中容易产生晶格缺陷或凹坑，可能成为半导体激光元件的特性的劣化原因。与此相对，在图19B所示的例子中，可知为了使多层构造整体的平均形变εtave成为0以下或者-1.5×10-4以下，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为3％的情况下，它们的合计厚度分别为220nm以上或380nm以上即可。同样可知，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为4％的情况下，它们的合计厚度分别为200nm以上或280nm以上即可。另外，同样可知，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为5％的情况下，它们的合计厚度分别为130nm以上或220nm以上即可。
其结果是，即便使用In组成为3％以上的第一光导层及第二光导层，也能够减小所需的各光导层的合计厚度，因此，能够稳定地得到晶格缺陷及凹坑被降低的良好的晶体。
与此相对，在图19C所示的例中，可知为了使多层构造整体的平均形变εtave成为0以下或-1.5×10-4以下，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为3％的情况下，它们的合计厚度分别为200nm以上或340nm以上即可。其结果是，在In组成为3％的光导层中也能够稳定地得到良好的晶体。同样可知，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为4％的情况下，它们的合计厚度分别为160nm以上或250nm以上即可。另外，同样可知，在第一光导层105及第二光导层107的In组成为5％的情况下，它们的合计厚度分别需要为120nm以上或200nm以上即可。
根据这些结果，若使用缓冲层102，则能够减小在使用了In组成为3％以上的光导层的情况下所需的光导层的合计厚度，因此，能够稳定地得到良好的晶体。
如以上那样，若使用作为压缩性的形变控制层的缓冲层102，则能够降低为了使平均形变εtave成为0以下或-1.5×1-4以下而需要的各光导层的膜厚，能够抑制晶体成长中的晶格缺陷及凹坑的产生。
接着，针对在将第一光导层105及第二光导层107的In组成都设为3％且将它们的合计厚度设为250nm的情况下、为了使平均形变εtave成为0以下或-1.5×10-4以下而需要的缓冲层102的结构进行了研究。
为了得到良好的温度特性，量子阱活性层的光封入系数需要为1.2％以上，作为实现这一系数的波导路构造，需要将第一光导层105及第二光导层107的In组成都设为3％以上，将它们的合计厚度设为250nm以上。若进一步增大各光导层的In组成或合计厚度，则能够增大向量子阱活性层的光封入系数。另外，通过增大In组成来提高各光导层的压缩性，因此，压缩性的形变也能够增大。
如上所述，在图19B等所示的例子中，采用了在Al组成为1％的AlGaN层102b上形成了InGaN层102a的形变补偿型的缓冲层102。通过将AlGaN层102b及InGaN层102a的组成及膜厚设定为这两层的平均形变成为压缩性而形成压缩性的缓冲层102。在Al组成过小的情况下，形变补偿效果变小，反之在Al组成过大时，由于与GaN基板101的晶格失配而容易产生晶格缺陷。在实施方式2的多层构造中，通过将AlGaN层102b的Al组成设为0.5％以上且1％以下，能够兼顾形变补偿效果与晶格缺陷的抑制。在实施方式2的多层构造中，将缓冲层102中的AlGaN层102b的Al组成设为1％。在Al组成为1％以下的AlGaN层的情况下，即便成长到膜厚2μm左右时，也能够抑制晶格缺陷的产生。
接着，使用附图对构成缓冲层102的各层的膜厚与平均形变εtave的关系进行说明。图20是示出实施方式2的多层构造整体的平均形变εtave与构成缓冲层102的InGaN层102a及AlGaN层102b的各膜厚的关系的图表。在图20的图表(a)、(b)、(c)及(d)中，分别示出将构成缓冲层102的InGaN层102a的In组成设为2％、3％、4％及5％且相对于各种AlGaN层厚计算多层构造整体的平均形变εtave的InGaN层厚依赖性而得到的结果。在图20的各图表中，示出使AlGaN层厚按照50nm从0nm变化到200nm的各情况下的计算结果。
如图20的图表(a)所示，为了使具备In组成为2％的InGaN层102a的多层构造整体的平均形变εtave成为0以下，在AlGaN层厚为0nm的情况(即，不具有AlGaN层的情况)下，InGaN层厚需要为320nm以上。同样可知，在AlGaN层厚为500nm的情况下，InGaN层厚需要为350nm以上，在AlGaN层厚为1000nm的情况下，InGaN层厚需要为420nm以上，在AlGaN层厚为1500nm的情况下，InGaN层厚需要为480nm以上，在AlGaN层厚为2000nm的情况下，InGaN层厚需要为500nm以上。
另外，可知为了使多层构造整体的平均形变εtave成为-1.5×10-4以下，在AlGaN层厚为0nm的情况下，InGaN层厚也需要为500nm以上。
如图20的图表(b)所示，为了使具备In组成为3％的InGaN层102a的多层构造整体的平均形变εtave成为0以下，在AlGaN层厚为0nm的情况下，InGaN层厚需要为220nm以上。同样可知，在AlGaN层厚为500nm的情况下，InGaN层厚需要为260nm以上，在AlGaN层厚为1000nm的情况下，InGaN层厚需要为280nm以上，在AlGaN层厚为1500nm的情况下，InGaN层厚需要为320nm以上，在AlGaN层厚为2000nm的情况下，InGaN层厚需要为340nm以上。
另外，可知为了使多层构造整体的平均形变εtave成为-1.5×10-4以下，在AlGaN层厚为0nm的情况下，InGaN层厚需要为370nm以上，在AlGaN层厚为500nm的情况下，InGaN层厚需要为430nm以上，在AlGaN层厚为1000nm的情况下，InGaN层厚需要为490nm以上。
如图20的图表(c)所示，为了使具备In组成为4％的InGaN层102a的多层构造整体的平均形变εtave成为0以下，在AlGaN层厚为0nm的情况下，InGaN层厚需要为160nm以上要。同样可知，在AlGaN层厚为500nm的情况下，InGaN层厚需要为180nm以上，在AlGaN层厚为1000nm的情况下，InGaN层厚需要为200nm以上，在AlGaN层厚为1500nm的情况下，InGaN层厚需要为230nm以上，在AlGaN层厚为2000nm的情况下，InGaN层厚需要为260nm以上。
另外，为了使多层构造整体的平均形变εtave成为-1.5×10-4以下，在AlGaN层厚为0nm的情况下，InGaN层厚需要为260nm以上。同样可知，在AlGaN层厚为500nm的情况下，InGaN层厚需要为300nm以上，在AlGaN层厚为1000nm的情况下，InGaN层厚需要为350nm以上。可知在AlGaN层厚为1500nm的情况下，InGaN层厚需要为395nm以上，在AlGaN层厚为2000nm的情况下，InGaN层厚需要为440nm以上。
如图20的图表(d)所示，为了使多层构造整体的平均形变εtave成为0以下，在AlGaN层厚为0nm的情况下，InGaN层厚需要为130nm以上。同样可知，在AlGaN层厚为500nm的情况下，InGaN层厚需要为160nm以上，在AlGaN层厚为1000nm的情况下，InGaN层厚需要为180nm以上，在AlGaN层厚为1500nm的情况下，InGaN层厚需要为195nm以上，在AlGaN层厚为2000nm的情况下，InGaN层厚需要为210nm以上。
另外，为了使多层构造整体的平均形变εtave成为-1.5×10-4以下，在AlGaN层厚为0nm的情况下，InGaN层厚需要为220nm以上。同样可知，在AlGaN层厚为500nm的情况下，InGaN层厚需要为260nm以上，在AlGaN层厚为1000nm的情况下，InGaN层厚需要为300nm以上。另外可知，在AlGaN层厚为1500nm的情况下，InGaN层厚需要为330nm以上，在AlGaN层厚为2000nm的情况下，InGaN层厚需要为360nm以上。
在图20的各图表所示的各个计算结果中，通过将InGaN层厚设为500nm以下，能够抑制InGaN层中的凹坑及晶格缺陷的产生。若将InGaN层厚设为400nm以下，能够进一步抑制晶格缺陷及凹坑的产生。
另外，若将AlGaN层的膜厚设为1μm以下、将Al组成设为1％以下、并且将InGaN层的膜厚设为490nm以下、将In组成设为3％以上且5％以下，则能够使多层构造整体的平均形变εtave成为-1.5×10-4以下。
在图16A所示的实施方式2的多层构造中，通过将第一光导层105的In组成设为3％、将膜厚设为185nm、将第二光导层107的In组成设为3％、将膜厚设为100nm，将阻挡层的In组成设为4％，并且，将缓冲层102设为在Al组成为1％且膜厚为1000nm的AlGaN层上形成In组成为4％且膜厚为350nm的InGaN层的结构，从而使多层构造整体的平均形变εtave成为-1.8×10-4。
在该多层构造中，各光导层中的In组成为3％，因此，能够实现如下的全部六个课题：(1)抑制在光导层中产生的自由载流子损耗发生；(2)不导致动作电压的增大；(3)抑制在量子阱活性层中产生的压电电场，使量子阱活性层中的增益增大；(4)使垂直方向的光封入系数成为1.2％以上；(5)减小振荡阈值；及(6)抑制由于谐振器方向上的由压电电场产生的压电电位的影响而使电流向谐振器端面的电流非注入窗区域泄漏，抑制COD等级的下降。
另外，缓冲层102中的AlGaN层102b及InGaN层102a也可以分别分割为多层构造，形成多层构造或超晶格构造，使得它们的合计厚度成为根据上述计算结果得到的合适的合计厚度。例如，在Al组成为1％且膜厚为1000nm的AlGaN层上形成了In组成为4％且膜厚为350nm的InGaN层的缓冲层的压缩性的形变与由如下的多层构造构成的缓冲层的压缩性的形变是同等的，该多层构造通过将由AlGaN层100nm及InGaN层35nm构成的对层叠十个周期而成。
另外，在图16A所示的实施方式2的多层构造中，通过将第一光导层105的In组成设为3％、将膜厚设为175nm、将第二光导层107的In组成设为3％、将膜厚设为98nm、将阻挡层的In组成设为4％、并且将缓冲层102设为在Al组成为1％且膜厚为400nm的AlGaN层上形成In组成为3％且膜厚为100nm的InGaN层的结构，从而能够使多层构造整体的平均形变εtave成为1.3×10-4。
在该情况下，当使用由金刚石形成的底座基板时ΔR成为0.2μm以下，根据图4所示的结果，即便量子阱活性层106成为200℃以上的高温状态，谐振器端部的压电电位相对于谐振器方向中央部的压电电位也稳定地变高，能够抑制电流向电流非注入窗区域的泄漏。
以上针对抑制由于谐振器方向上的由压电电场产生的压电电位的影响而使电流向谐振器端面的电流非注入窗区域泄漏的方法进行了说明。基于压电效应的压电电位的形成不仅存在于谐振器方向，也存在于水平方向(图16A中的x方向)。这是因为在图lA、图16A所示的构造中，在第二包层109形成有脊，在脊上存在具有比GaN系材料大的热膨胀系数4.2×10-6的Au。因此，在将半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下，由于Au与GaN材料的热膨胀系数之差，在x方向上也产生应力，在与谐振器方向垂直的平面内(xy面内)产生剪切应力。
该xy面内的剪切应力使x方向的压电电场与压电电位产生，对量子阱活性层106的x轴方向上的能带构造造成影响。以下，使用附图对在与实施方式2的半导体激光装置的谐振器方向垂直的平面内产生的剪切应力等进行说明。
图21A、图21B及图21C分别是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下的、量子阱层106b及106d中的25℃时的x轴方向的剪切应力分布、压电电场分布及压电电位分布的图。
图22A、图22B及图22C分别是示出将实施方式2的半导体激光元件接合朝上地安装于底座基板的情况下的、量子阱层106b及106d中的25℃时的x轴方向的剪切应力分布、压电电场分布及压电电位分布的图。
图23A、图23B及图23C分别是将实施方式2的半导体激光元件接合朝下地安装与底座基板的情况下的、量子阱层106b及106d中的150℃时的x轴方向的剪切应力分布、压电电场分布及压电电位分布。
图24A、图24B及图24C分别是将实施方式2的半导体激光元件接合朝上地安装于底座基板的情况下的、量子阱层106b及106d中的150℃时的x轴方向的剪切应力分布、压电电场分布及压电电位分布。
在图21A～图24C的各图中，示出使用了各个由金刚石、AlN及SiC形成的底座基板的情况下的计算结果。另外，将脊的x轴方向上的中央部设为距离为0μm的中心。
如图21A及图23A所示，在接合朝下地安装的情况下，在安装于金刚石底座时以及在安装于AlN、SiC底座基板时，x方向的剪切应力以及基于该剪切应力的x方向的压电电场的朝向成为反向。这被认为是因为，如上所述，SiC的热膨胀系数为6.6×10-6，AlN的热膨胀系数为4.15×10-6，与此相对，金刚石的热膨胀系数为1.1×10-6，与GaN的热膨胀系数5.59×10-6相比也相对小。在该情况下，在将AuSn焊料用作接合层121且以300℃左右的高温状态安装于底座基板时，由金刚石形成的底座基板的热膨胀系数较小，因此，在使温度下降到25℃的情况下，因与半导体激光元件的热膨胀系数之差而引起的热残留应力的影响与使用由SiC或AlN形成的底座基板的情况相比而变大。因此，在由金刚石形成的底座基板上安装了半导体激光元件的情况下，半导体激光元件的x轴方向上的拉伸性的应力与在由SiC或AlN形成的底座基板上安装半导体激光元件的情况相比而变大。此时，xy面内的剪切应力在脊的外侧与脊部相比压电电位相对变高的方向上形成。由此，在使用由金刚石形成的底座基板的情况下，从25℃到150℃的高温状态，如图21C及图23C所示，可知在脊外形成基于压电效应的电位障壁，具有抑制电流向脊外的泄漏的效果。在将SiC或AlN用于底座基板的情况下，当半导体激光元件成为150℃的高温状态时，抑制注入的电流向脊外泄漏的压电电位几乎消失，与使用金刚石底座基板的情况相比，可知导致泄漏电流的增大。在以85℃的环境温度使用了半导体激光元件的情况下，半导体激光元件的包括量子阱活性层的波导路由于自身发热的影响而成为150℃以上的高温状态。因此，即便在150℃以上的高温状态下，通过形成用于抑制电流向脊外的泄漏的压电电位，不仅能够抑制动作电流值的增大及光输出的热饱和，也能够降低动作电流本身，因此，也能够降低电流向谐振器端面附近的电流非注入窗区域的泄漏。
关于抑制电流向该脊外泄漏的压电电位的形成，如图22C及图24C所示，即便将金刚石用于底座基板，在接合朝上安装中也未发现。这被认为是因为，在接合朝上安装中，量子阱活性层106与底座基板的间隔较大，难以出现与底座基板材料的热膨胀系数之差。
这样，可知在将脊型的半导体激光元件接合朝下地安装的情况下，新增加抑制电流向脊外泄漏的效果，与SiC及AlN相比，能够得到由于热传导率高而产生的高散热性的效果以上的低动作电流化的效果。
另外，抑制电流向脊外泄漏的压电电位的形成是由于由金刚石形成的底座基板与作为半导体激光元件的结构材料的氮化物材料、主要是由Au构成的电极材料的热膨胀系数之差而形成的，因此，电流阻隔层112的材料不局限于SiO2，也可以是相对于激光振荡光透明的绝缘物、例如ZrO2、Al2O3、Ta2O5、TiO2、SiN等材料、或者AlN这样的半导体材料。AlN的热传导率为150W/m·K左右，比金刚石的热传导率小，但例如与SiO2(热传导率为1.38W/m·K左右)、ZrO2(热传导率为4W/m·K左右)、Al2O3(热传导率为20W/m·K左右)等氧化物材料及氮化硅(SiN；热传导率为20W/m·K左右)的热传导率相比而较高。因此，为了得到高散热性而使用由AlN构成的电流阻隔层112是有效的。
这里，使用附图对使用由金刚石形成的底座基板的效果进行说明。图25A及图25B分别是示出将实施方式2的半导体激光元件安装于由金刚石及SiC形成的底座基板的情况下的25℃及85℃时的电流-光输出特性的测定结果的图表。
根据图25A及图25B可知，使用由金刚石形成的底座基板的情况与使用由SiC形成的底座基板的情况相比，振荡阈值电流较低，斜率效率较高。尤其是可知在使用由金刚石形成的底座基板的情况下，即便在85℃的高温状态下注入3A的大电流，在电流-光输出特性中也几乎不产生热饱和的趋势。这被认为是因为，如上所述，由金刚石形成的底座基板所带来的高散热性的效果、以及伴随着还为了抑制电流向脊外泄漏而形成压电电位而带来的无效电流的产生抑制效果。
(实施方式3)
对实施方式3的半导体激光元件进行说明。实施方式3的半导体激光元件在具备第三光导层及第三包层这一方面与实施方式1的半导体激光元件11不同，其他方面一致。以下，使用附图，以与实施方式1的半导体激光元件11的不同点为中心对实施方式3的半导体激光元件进行说明。
图26A是示出实施方式3的半导体激光元件13的结构的示意性剖视图。图26A示出与半导体激光元件13的谐振器长度方向垂直的剖面。图26B是示出实施方式3的半导体激光元件13中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
如图26A所示，实施方式3的半导体激光元件13与实施方式1的半导体激光元件11同样地，是在GaN基板101上具有从GaN基板101侧依次层叠了第一导电型的第一包层103、第一光导层105、量子阱活性层106、第二光导层107及第二导电型的第二包层109的多层构造的氮化物系半导体发光元件。另外，如图26B所示，量子阱活性层106与实施方式1的量子阱活性层106同样地具备量子阱层106b及106d和阻挡层106a、106c及106e。
半导体激光元件13与实施方式1的半导体激光元件11同样地还具备N型GaN层104、电子障壁层108、接触层110、电流阻隔层112、P侧欧姆电极113、P侧第一紧贴层114、第一阻挡层115、焊盘电极116以及N侧电极117。
如图26A所示，半导体激光元件13还在第二包层109上具备第三光导层130及第三包层131。在半导体激光元件13中，第二包层109由P型AlGaN形成，膜厚为0.2μm。
第三光导层130是由P型的InGaN形成的膜厚为0.2μm的层。
第三包层131是由P型的AlGaN形成的膜厚为0.2μm的层。第三包层131的Al组成与第二包层109同样地是0.035(3.5)。
在半导体激光元件13中也与实施方式1的半导体激光元件11同样地形成有脊，但在半导体激光元件13中，如图26A所示，脊形成于第三光导层130及第三包层131。脊的下端部配置于第二包层109的上表面。
在半导体激光元件13中，通过具备第三光导层130，能够控制为与活性层水平的方向(图26A中的x方向)的量子阱活性层106中的剪切应力变大。由于InGaN的晶格常数比GaN的晶格常数大，因此，第三光导层130将使脊部沿水平方向伸长的朝向的应力附加于脊附近区域。其结果是，量子阱活性层106的剪切应力分布受到影响，能够增大该剪切应力。这里，使用附图对量子阱活性层106中的剪切应力进行说明。
图27A、图27B及图27C分别是示出使第三光导层130的In组成变化为0％(即，第三光导层130由GaN形成)、1％及2％的情况下的量子阱活性层106中的量子阱层106b及106d的25℃时的剪切应力的x轴方向分布的图表。距离成为0μm的位置为脊的x轴方向上的中央部。如图27A、图27B及图27C所示，可知当将第三光导层130的In组成增大为0％、1％及2％时，剪切应力的峰值的绝对值变大，剪切应力变强。这是因为，当增大In组成时，第三光导层130的晶格失配变大，使脊下端部向脊外侧的方向沿水平方向扩散的朝向的应力变大。其结果是，在量子阱活性层106所产生的应力中，xy面内的旋转性的应力成分变强，剪切应力的峰值的绝对值变大。使用附图对通过该剪切应力而在量子阱活性层106中产生的压电电位进行说明。
图28是示出在实施方式3的量子阱活性层106中产生的压电电位与x轴方向位置的关系的图表。在图28中示出使第三光导层130的In组成变化为0％、1％及2％的情况下的各压电电位。如图28所示，基于脊内外的压电电位而产生的电位障壁伴随着In组成的增大而增大，能够增大注入电流向脊外产生泄漏的抑制效果。其结果是，能够得到在高温高输出动作中更加优异的半导体激光元件13。
通过形成用于抑制电流向脊外泄漏的压电电位，不仅能够抑制动作电流值的增大及光输出的热饱和，还能够降低动作电流本身，因此，能够降低电流向谐振器端面附近的电流非注入窗区域的泄漏。
这里，在脊波导路中产生的剪切应力产生于热膨胀系数或晶格常数不同的材料的边界处。因此，在脊下端部的电流阻隔层112的附近区域(图26A中的区域A1及区域A2)，剪切应力成为最大。因此，通过第三光导层130形成于脊下端部，且在该区域附加由于InGaN层的晶格失配而产生的应力，从而能够进一步增强剪切应力。另一方面，当过于加厚第三光导层130的膜厚时，第三光导层130的折射率比第二包层109及第三包层131的折射率高，因此，光分布的向量子阱活性层106的垂直方向的封入效果下降，导致光封入系数的下降。在实施方式3的半导体激光元件中，通过第三光导层130的膜厚为0.1μm以上且0.2μm以下，能够兼顾压电电位的增大效果与光封入效果。
另外，即便将第三光导层130设为GaN，与在该区域为AlGaN层的情况下产生的拉伸性的应力相比，拉伸性的应力变小，因此，也具有提高压电电位的效果。因此，若将第三光导层130的In组成设为0％到2％，则与脊部的P型层全部由AlGaN层形成的情况相比，能够提高注入电流向脊外产生泄漏的抑制效果。在实施方式3中，将第三光导层130的In组成设为1％。将膜厚设为0.2μm。
(实施方式4)
对实施方式4的半导体激光元件进行说明。实施方式4的半导体激光元件在脊的下端部配置在第三光导层的成长膜厚方向内这一方面与实施方式3的半导体激光元件13不同，其他方面一致。以下，使用附图，以与实施方式3的半导体激光元件13的不同点为中心对实施方式4的半导体激光元件进行说明。
图29A是示出实施方式4的半导体激光元件14的结构的示意性剖视图。图29A示出与半导体激光元件14的谐振器长度方向垂直的剖面。图29B是示出实施方式4的半导体激光元件14中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
如图29A所示，实施方式4的半导体激光元件14与实施方式3的半导体激光元件13同样地是具有在GaN基板101上从GaN基板101侧依次层叠了第一导电型的第一包层103、第一光导层105、量子阱活性层106、第二光导层107及第二导电型的第二包层109的多层构造的氮化物系半导体发光元件。另外，如图29B所示，量子阱活性层106与实施方式1的量子阱活性层106同样地具备量子阱层106b及106d和阻挡层106a、106c及106e。
半导体激光元件14与实施方式3的半导体激光元件13同样地还具备N型GaN层104、电子障壁层108、接触层110、电流阻隔层112、P侧欧姆电极113、P侧第一紧贴层114、第一阻挡层115、焊盘电极116以及N侧电极117。
半导体激光元件14还在第二包层109上具备第三光导层130及第三包层131。
如图29A所示，实施方式4的多层构造在图26A所示的实施方式3的多层构造中，脊下端部配置在膜厚为0.2μm的由P型InGaN构成的第三光导层130的成长膜厚方向内。即，脊下端部配置在第三光导层130的膜厚方向(图29A的y轴方向)的两端之间。实施方式3的多层构造的其他结构与实施方式3的多层构造相同。
在这样的半导体激光元件14中，若存在于脊下端部的脊内区域的第三光导层130的膜厚为0.1μm以上且0.2μm以下，则也能够得到与实施方式3所示的半导体激光元件13同样的效果。
(实施方式5)
对实施方式5的半导体激光元件进行说明。实施方式5的半导体激光元件在具备缓冲层这一方面，与实施方式3的半导体激光元件13不同，其他方面一致。以下，使用附图，以与实施方式3的半导体激光元件13的不同点为中心对实施方式5的半导体激光元件进行说明。
图30A是示出实施方式5的半导体激光元件15的结构的示意性剖视图。图30A示出与半导体激光元件15的谐振器长度方向垂直的剖面。图30B是示出实施方式5的半导体激光元件15中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
如图30A所示，实施方式5的半导体激光元件15在实施方式3的半导体激光元件13的基础上还具备缓冲层102。另外，如图30B所示，半导体激光元件15的量子阱活性层106与半导体激光元件13同样地具备量子阱层106b及106d和阻挡层106a、106c及106e。
在该结构中，若第三光导层130的膜厚为0.1μm以上且0.2μm以下，则也能够得到与实施方式3的半导体激光元件13同样的效果。另外，也能够得到与实施方式2的半导体激光元件12同样的效果。
(实施方式6)
对实施方式6的半导体激光元件进行说明。实施方式6的半导体激光元件在具备缓冲层这一方面，与实施方式4的半导体激光元件14不同，其他方面一致。以下，使用附图，以与实施方式4的半导体激光元件14的不同点为中心对实施方式6的半导体激光元件进行说明。
图31A是示出实施方式6的半导体激光元件16的结构的示意性剖视图。图31A示出与半导体激光元件16的谐振器长度方向垂直的剖面。图31B是示出实施方式6的半导体激光元件16中的量子阱活性层106的结构的示意性剖视图。
如图31A所示，实施方式6的半导体激光元件16在实施方式4的半导体激光元件14的基础上还具备缓冲层102。另外，如图31B所示，半导体激光元件16的量子阱活性层106与半导体激光元件13同样地具备量子阱层106b及106d和阻挡层106a、106c及106e。
在该结构中，若第三光导层130的膜厚为0.1μm以上且0.2μm以下，则也能够得到与实施方式4的半导体激光元件14同样的效果。另外，也能够得到与实施方式2的半导体激光元件12同样的效果。
在以上所述的实施方式3～6的半导体激光元件中，如上所述，在脊波导路中产生的剪切应力产生于热膨胀系数或晶格常数不同的材料的边界处。因此，在脊下端部的电流阻隔层112的附近区域(图26A中的区域A1及区域A2)，剪切应力成为最大。
在脊型的激光器的情况下，剪切应力在图26A中的区域B1及B2也产生，对量子阱活性层106中的x方向剪切应力分布也产生影响。在区域B1产生的剪切应力与在区域A1产生的剪切应力彼此的剪切应力的旋转朝向相反。另外，在区域B2产生的剪切应力与在区域A2产生的剪切应力彼此的剪切应力的旋转朝向相反。因此，当脊两侧的分离槽宽度D(参照图26A)较窄时，区域B1及B2的剪切应力抵消区域A1及A2的剪切应力，在量子阱活性层中产生的剪切应力的绝对值变小。其结果是，在将半导体激光元件接合朝下地安装于由金刚石形成的底座基板的情况下，沿x轴方向形成的压电电位会变小。
这里，使用附图对剪切应力与分离槽宽度D的关系进行说明。图32A、图32B及图32C分别是示出将实施方式3的半导体激光元件13的分离槽宽度D从2μm变化到24μm的情况下的25℃时的在量子阱层106b及106d中产生的剪切应力、压电电场及压电电位的计算结果的图。需要说明的是，在图32C中，以虚线示出分离槽区域到达芯片的两端的情况、即分离槽宽度为最大的情况下的压电电位。如图32C所示，可知当分离槽宽度D较小时，压电电位变小，在6μm以上，脊的端部(图32C的距离为-15μm及+15μm的位置)处的压电电位的大小大致固定。另外，形成在分离槽内的电位障壁的宽度与分离槽宽度的减少一同变窄，因此，为了形成5μm以上的电位障壁宽度而将分离槽宽度设为6μm以上。
图33A、图33B及图33C分别是示出使实施方式3的半导体激光元件13的分离槽宽度D从2μm变化到24μm的情况下的150℃时的在量子阱层106b及106d中产生的剪切应力、压电电场及压电电位的计算结果的图。与25℃的情况同样地，可知当分离槽宽度D较小时，压电电位变小，在6μm以上，脊的端部(图33C的距离为-15μm及+15μm的位置)处的压电电位的大小大致固定。另外，形成在分离槽内的电位障壁的宽度与分离槽宽度的减少一同变窄，因此，为了形成5μm以上的电位障壁宽度，将分离槽宽度设为6μm以上。
根据该结果，在将半导体激光元件接合朝下地安装于由金刚石形成的底座基板的情况下，若不将分离槽宽度形成为6μm以上，则沿x轴方向形成的压电电位变小，抑制注入到脊的电流向脊外泄漏的泄漏抑制效果变小。
另外，当分离槽宽度D过宽时，在接合朝下安装时，安装的载荷集中于脊部，脊区域可能会破损。另外，在脊正下方的量子阱活性层中可能产生晶格缺陷。在实施方式3～6的半导体激光元件中，通过将分离槽宽度D设为15μm以内，能够降低这样的脊的破损。
因此，通过将分离槽宽度D设为6μm以上且15μm以下，能够抑制在将半导体激光元件接合朝下地安装于由金刚石形成的底座基板时的脊的破损和脊区域的晶格缺陷产生，同时得到抑制注入到脊的电流向脊外泄漏的泄漏抑制效果。
在本公开的各实施方式中，均是通过将分离槽宽度D设为7μm，来抑制在接合朝下地安装于由金刚石形成的底座基板时的脊的破损及脊区域的晶格缺陷产生，同时得到抑制注入到脊的电流向脊外泄漏的泄漏抑制效果。
(实施方式7)
对实施方式7的半导体激光元件进行说明。在以上说明的各实施方式的半导体激光元件中，采用了在(0001)C面的GaN基板上制作出多层构造的结构。像这样在C面上形成了氮化物层的情况下，在存在晶格失配的异质界面处产生压电极化电荷，在相对于GaN基板的主面的法线方向上，例如如图2的图表(c)所示那样产生C轴方向((0001)方向)的压电电场，引起动作电压的增大。为了抑制这样的C轴方向的压电电场的产生并实现动作电压的降低，实施方式7的半导体激光元件在由GaN{11-22}面构成的半极性面上制作出多层构造。以下，使用附图对实施方式7的半导体激光元件进行说明。
图34是示出实施方式7的半导体激光元件17的结构的示意性剖视图。
如图34所示，实施方式7的半导体激光元件17在GaN基板140的方面与实施方式1的半导体激光元件11不同，其他方面一致。如上所述，实施方式7的GaN基板140的主面是由{11-22}面构成的半极性面。
这里，上述各实施方式的GaN基板101所具有的C面被称为极性面，是压电极化的影响最大的面。但是，与C面垂直的{10-10}面(M面)、{11-20}(A面)等的面不发生极化，被称为无极性面。通过使用具有这样的面的GaN基板，由可能能够抑制因半导体激光元件中的压电极化引起的发光效率的下降。另外，关于C面以外的面且从无极性面倾斜的面，例如{20-21}面或{11-22}面等，被称为半极性面，能够减小压电极化。
形成在GaN基板140上的多层构造与实施方式1所示的多层构造在第一包层163、电子障壁层168及第二包层169的方面不同，其他方面一致。
半导体激光元件17具备电子障壁层168，但也可以不必具备电子障壁层168。另外，由N型AlGaN构成的第一包层163及由P型AlGaN构成的第二包层169的Al组成也可以为1％左右以下或0％(GaN)。即，多层构造中的Al组成也可以为1％以下。在实施方式8中叙述其原因。
另外，实施方式7的半导体激光元件17还可以具备压缩性的缓冲层102。图35是示出实施方式7的变形例的半导体激光元件17a的结构的示意性剖视图。如图35所示，半导体激光元件17a具备压缩性的缓冲层102。
(实施方式8)
对实施方式8的半导体激光元件进行说明。为了抑制在实施方式7中叙述的C轴方向的压电电场的产生并实现动作电压的降低，实施方式8的半导体激光元件在由GaN{10-10}面(M面)构成的无极性面上制作出多层构造这一方面与上述的各实施方式的半导体激光元件不同。以下，使用附图，以与上述各实施方式的半导体激光元件的不同点为中心对实施方式8的半导体激光元件进行说明。
图36是示出实施方式8的半导体激光元件18的结构的示意性剖视图。图37是示出实施方式8的变形例的半导体激光元件18a的结构的示意性剖视图。
如图36所示，实施方式8的半导体激光元件18具备主面为{10-10}面(M面)的GaN基板141。形成在GaN基板141上的多层构造与实施方式1所示的多层构造在第一包层163、电子障壁层168及第二包层169的方面不同，其他方面一致。
另外，半导体激光元件18也可以具备压缩性的缓冲层102。如图37所示，实施方式8的变形例的半导体激光元件18a具备缓冲层102。
半导体激光元件18具备电子障壁层168，但也可以不必具备电子障壁层168。另外，第一包层163及第二包层169的Al组成也可以为1％左右以下或0％(GaN)。即，多层构造中的Al组成也可以为1％以下。对其原因后述。
通过在半极性面或无极性的GaN基板上形成多层构造，能够降低或消除在相对于GaN基板的法线方向上产生的压电电场，能够降低动作电压。这是由于AlGaN及InGaN与GaN的晶格常数不同，因此，虽然由于晶格失配而在异质界面处产生了压电极化电荷，但抑制或防止了其产生。因此，在形成于C面上的情况下产生的能带构造的在相对于GaN基板的法线方向上的变形得以抑制，能够实现低电压化。因此，在量子阱活性层中产生的图2的图表(c)所示的C轴方向((0001)方向)的压电电场得以抑制或消失，因此，能带构造成为图2的图表(a)所示的状态。其结果是，在量子阱活性层中，如图9B所示，能够以较少的注入载流子密度得到较高的增益，能够降低振荡阈值电流值及动作中的动作载流子密度。因此，高温高输出动作中的动作载流子密度变小，抑制了热激励后的载流子从量子阱活性层向各包层泄漏的载流子溢出的发生。其结果是，无需在各包层使用AlGaN来增大向量子阱活性层的光封入，以及无需使用电子障壁层168来抑制载流子溢出的发生。因此，如上所述，半导体激光元件18也可以不具备电子障壁层168，第一包层163及第二包层169的Al组成也可以为1％左右以下或0％(GaN)。即，多层构造中的Al组成也可以为1％以下。
另外，当使用半极性或无极性的GaN基板时，在量子阱层与阻挡层的界面处产生的压电极化电荷变小或消失，因此，即便将量子阱活性层的量子阱层的层数从DQW构造例如增加到四层，也不会导致动作电压的增大，能够增大向量子阱层整体的垂直方向光封入系数。
其结果是，若增加量子阱层的层数，则量子阱层中的动作载流子密度变小，能够进一步抑制载流子溢出的发生。
当像这样将AlGaN层用于多层构造时，AlGaN层相对于GaN基板产生拉伸性的形变，因此，在多层构造整体的平均形变εtave中向增强拉伸性的方向起作用。其结果是，半导体激光元件的翘曲向在基板朝上时成为凸形状(ΔR＞0)的方向起作用。因此，为了使半导体激光元件的翘曲形成为在GaN基板朝上时成为凹形状(ΔR＜0)的方向的形状，最好降低或不使用包括Al的层的Al组成。
这里，使用附图对多层构造中的能带构造与GaN基板的主面的极性的关系进行说明。图38A是示出在主面为C面的GaN基板上形成了具备Al组成为0的第一包层163及第二包层169的多层构造的情况下的量子阱活性层166附近的能带构造的图。
另外，图38B是示出在主面为半极性面的GaN基板上形成了具备Al组成为0的第一包层163及第二包层169的多层构造的情况下的量子阱活性层166附近的能带构造的图。
另外，图38C是示出在主面为无极性面的GaN基板上形成了具备Al组成为0的第一包层163及第二包层169的多层构造的情况下的量子阱活性层166附近的能带构造的图。
这里，量子阱活性层166的量子阱层的层数为四层。各量子阱层的In组成为18％，且膜厚为另外，各阻挡层的膜厚从端起依次为3nm、7nm、7nm、7nm及3nm。另外，电子障壁层168的Al组成也为0(即，为GaN)。
如图38A所示，在C面上形成多层构造时，在量子阱活性层166的量子阱层中较大地产生压电电场。由此，产生动作电压的增大、以及因波动函数的偏置引起的增益下降。
与此相对，如图38B所示，当在半极性面上形成多层构造时，在量子阱活性层166的量子阱层中产生的压电电场的大小变小。由此，抑制了动作电压的增大、以及因波动函数的偏置引起的增益下降。
另外，如图38C所示，当在无极性面上形成多层构造时，在量子阱活性层的量子阱层中产生的压电电场消失。由此，抑制了动作电压的增大，防止了因波动函数的偏置引起的增益下降。
由此，若在主面为半极性面或无极性面的GaN基板上形成多层构造，则能够以较少的注入电流从各量子阱层得到较高的增益，因此，能够得到低电压且低动作电流的半导体激光元件。
另外，在使用作为接合层的AuSn焊料，将在GaN基板朝上时为凹形状的半导体激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下，以300℃左右的高温状态进行安装。当从该状态将温度下降到25℃时，焊料层及P侧的电极与热膨胀系数相应地收缩。因此，表示半导体激光元件的凹形状的ΔR与安装前相比而变小。
防止，在使用AuSn焊料、将在GaN基板朝上时为凸形状的激光元件接合朝下地安装于底座基板的情况下，也同样地以300℃左右的高温状态进行安装。当从该状态将温度下降到25℃时，焊料层、P型层侧的电极与热膨胀系数相应地收缩，因此，表示元件的凸形状的ΔR与安装前相比而变大。
这里，在量子阱活性层中产生的图3A及图3B的z轴方向的压缩性的形变为凹形状的情况下，量子阱活性层被进一步拉伸，因此，压缩性的形变变小。因此，在GaN基板朝上时为凹形状的情况下，在量子阱活性层中产生的压缩性的应力具有变小的趋势，有利于抑制晶格缺陷的产生。
当使用半极性基板或无极性基板时，即便不使用AlGaN层，也能够以较少的注入电流从各量子阱层得到较高的增益，因此，能够得到低电压且低动作电流的激光元件。此外，在多层构造中，若在AlGaN包层中不使用Al，则即便在多层构造中不使用压缩性的缓冲层，多层构造整体的平均形变εtave也容易成为压缩性，能够在GaN基板朝上时成为凹形状(ΔR＜0)。在该情况下，若增加量子阱活性层的量子阱层的层数，则该效果变大。因此，与多层构造的平均形变εtave成为压缩性同时地，能够降低在量子阱中产生的压缩形变，能够抑制晶格缺陷的产生。因此，能够实现适于长期动作的可靠性高的半导体激光元件。
这里，使用附图对半导体激光元件的动作电压与各包层的Al组成及量子阱层数的关系进行说明。
图39A、图39B及图39C分别是示出在C面上、半极性面上及无极性面上形成了多层构造的半导体激光元件中的100mA动作时的动作电压的各包层的Al组成依赖性的图表。在图39A～图39C中，示出具有与图34所示的半导体激光元件同样的构造的半导体激光元件的动作电压。另外，在图39A～图39C中，示出将量子阱层数从两层变化到四层的情况下的计算结果。电子障壁层的Al组成在各计算中与各包层的Al组成相同。量子阱层数为三层的情况下的阻挡层的膜厚从GaN基板侧依次为3nm、7nm、7nm及3nm。
如图39A所示，可知在C面上形成多层构造的情况下，当增加量子阱层数时，在基板法线方向的压电电场的作用下动作电压较大地增大。
与此相对，如图39B及图39C所示，可知在半极性或无极性基板上形成多层构造的情况下，即便增加量子阱层数，也抑制了动作电压的增大。尤其是可知即便将量子阱层数从两层增加到三层，也大致抑制了动作电压的增大。在量子阱层数为三层的情况下，与量子阱层数为三层的情况相比，能够将向量子阱活性层的垂直方向的封入系数增大到大致1.5倍，因此，能够降低量子阱活性层中的动作载流子密度。
另外，可知当使用半极性或无极性基板时，即便将各包层的Al组成增加到1％，也抑制了动作电压的增大。因此，可知在半极性或无极性基板中，即便将各包层的Al组成设为0％(GaN)以上且1％以下，动作电压也几乎不增大。
接下来，使用附图对多层构造的平均形变εtave与各包层的Al组成及量子阱层数的关系进行说明。图40是示出多层构造的平均形变εtave的各包层的Al组成依赖性的图表。在图40中，示出在图34所示的构造中将阻挡层的In组成设为4％、将第一光导层105及第二光导层107的In组成设为3％、将第一光导层105与第二光导层107的合计厚度设为300nm的情况下的多层构造整体的平均形变εtave的计算结果。在图40中，示出针对一层～五层的量子阱层数进行了计算的结果。在计算中，由AlGaN构成的第一包层163及第二包层169的Al组成与电子障壁层168的Al组成相同。
如图40所示，可知当将量子阱层数从一层增加到五层时，平均形变εtave的压缩性提高。尤其是可知在Al组成为1％以下时，平均形变εtave成为-2×10-4以下，得到ΔR为负的状态。
因此，当使用半极性基板或无极性基板时，即便使用Al组成为1％以下的包层或使用不包括Al的层，也能够以较少的注入电流量从各量子阱层得到较高的增益。因此，能够得到低电压且低动作电流的激光元件。此外，在多层构造中，若将各包层的Al组成设为1％以下，能够不使用压缩性的缓冲层而使多层构造整体的平均形变εtave成为压缩性，因此，能够在GaN基板朝上时成为凹形状(ΔR＜0)。在该情况下，若增加量子阱活性层的量子阱层数，则该效果变大。因此，能够在使多层构造的平均形变εtave成为压缩性的同时，降低在量子阱层中产生的压缩形变，能够抑制晶格缺陷的产生。因此，能够实现适于长期动作的可靠性高的激光元件。
(实施方式9)
对实施方式9进行说明。在实施方式9中，针对将实施方式1的半导体激光元件11安装于底座基板122的方式进行说明。
在将基板侧朝上时成为凹形状的半导体激光元件11接合朝下地安装于底座基板的情况下，由于谐振器方向中央部为凹形状，因此，多层构造的底座基板侧端部在谐振器方向中央部为凸形状。因此，在安装时，在底座基板中的与谐振器方向中央部附近对应的部分处最先集中载荷。因此，如图41所示，在激光元件的中央部附近的侧壁容易发生形成接合层的焊料的溢出。
使用附图对该状态详细进行说明。图42是示出将实施方式1的半导体激光元件11接合朝下地安装于底座基板122的紧前面的状态的示意性剖视图。在图42中示出与半导体激光元件11的谐振器方向垂直的剖面。另外，图42中与安装时的状态配合地示出实施方式1的半导体激光元件11的剖视图，图42所示的半导体激光元件11的剖视图相对于图1A所示的剖视图在上下方向上反转。
如图42所示，形成在半导体激光元件11的第一阻挡层115上的焊盘电极116具备由膜厚为0.6μm的Au构成的第一焊盘电极201、由膜厚为35nm的Pt构成的第二阻挡层202、以及由膜厚为1.0μm的Au构成的第二焊盘电极203。另外，P侧第一紧贴层114、第一阻挡层115、第一焊盘电极201、第二阻挡层202及第二焊盘电极203形成P侧多层电极118。
另外，在图42中示出由金刚石形成的底座基板122和形成在该底座基板122上的接合层121等的结构。另外，在底座基板122下形成由Ti、Pt及Au构成的下部紧贴金属层207。
在底座基板122上，从底座基板122侧依次形成由Ti、Pt及Au构成的上部紧贴金属层206、由Pt构成的底座阻挡层205、以及由AuSn构成的接合层121。
在该状态下，设为由AuSn构成的接合层121的熔融温度即300℃的高温状态，向半导体激光元件11施加载荷而使半导体激光元件11与底座基板122紧贴。像这样将半导体激光元件11安装于底座基板122。
在安装后的状态下，由Au构成的第二焊盘电极203与由AuSn构成的接合层121发生化学反应，实质上第二焊盘电极203整体成为AuSn层。另外，由Pt构成的第二阻挡层202作为障壁发挥功能，使得由Au构成的第一焊盘电极201与由AuSn构成的接合层121不发生化学反应，第一焊盘电极201在安装后也以Au的状态存在。
此时，如上所述，在将GaN基板101侧朝上时成为凹形状的半导体激光元件11接合朝下地安装于底座基板的情况下，由于谐振器方向中央部为凹形状，因此，在安装时，在底座基板的谐振器方向中央部附近最先集中载荷。因此，容易产生形成谐振器方向中央部的由AuSn构成的接合层121的材料沿着半导体激光元件11的侧壁溢出并覆盖侧壁的情况。在该情况下，第一包层103与第二包层109因AuSn而短路，因此，当对半导体激光元件11通电时，会产生不经由半导体激光元件11的PN结的漏电流。当产生这样的漏电流时，产生振荡阈值电流值及动作电流值的增大这样的课题。
因此，为了抑制像这样AuSn覆盖半导体激光元件11的侧壁，使用附图对半导体激光元件的结构进行说明。图43是示出将实施方式9的半导体激光元件11a接合朝下地安装于底座基板122的紧前面的状态的示意性剖视图。在图43中示出与半导体激光元件11a的谐振器方向垂直的剖面。
如图43所示，实施方式9的半导体激光元件11a在焊盘电极116a的第二阻挡层202a的结构这一方面与实施方式1的半导体激光元件11不同，其他方面一致。第二阻挡层202a的短边方向的宽度比第一阻挡层115的短边方向的宽度窄。即，第二阻挡层202a与第一阻挡层115相比，与谐振器方向及层叠方向垂直的方向的宽度小。使用附图，对在将这样的半导体激光元件11a接合朝下地安装于底座基板122的情况下形成的半导体激光装置的构造进行说明。
图44是示出实施方式9的半导体激光装置59的构造的示意性剖视图。在图44中示出与半导体激光装置59的谐振器方向垂直的剖面。
图44所示的半导体激光装置59是具备半导体激光元件11a和底座基板122的氮化物系发光装置的一例。在半导体激光装置59中，半导体激光元件11a以多层构造与底座基板122对置的方式安装于底座基板122。
如图44所示，由AuSn构成的接合层121与未被第二阻挡层202a覆盖的区域的第一焊盘电极201发生化学反应，第一焊盘电极201的一部分成为AuSn，AuSn朝向激光元件的中心(即，图44的水平方向的中心)扩散。其结果是，接合层121与第一焊盘电极201的接合部的接合层表面成为在第一焊盘电极201外缘部向中心侧弯曲进入的形状。即，接合层121在第二阻挡层202a与第一阻挡层之间，进入到比第二阻挡层202a的端部靠内侧的位置。进一步换言之，接合层121的一部分在第二阻挡层202a与第一阻挡层115之间，配置在比第二阻挡层202a的端部靠内侧的位置。
因此，接合层121向半导体激光元件lla的侧壁扩散的情况得以抑制，能够抑制侧壁上的因短路引起的漏电流的产生。
另外，半导体激光元件的电极的结构不局限于图43等所示的结构。以下，使用附图对半导体激光元件的电极的结构的变形例进行说明。图45A是示出实施方式9的变形例的半导体激光元件11b的结构的示意性剖视图。如图45A所示，本变形例的半导体激光元件11b在电极中的P侧第一紧贴层114a的结构这一方面与半导体激光元件11a不同，其他方面一致。如图45A所示，由Ti构成的P侧第一紧贴层114a未形成于脊上部。根据这样的结构，能够减小半导体激光元件11b的阻力，进而能够得到低电压动作的半导体激光元件。
另外，在实施方式9的半导体激光装置59中，焊盘电极116膜厚为0.6μm的由Au构成的第一焊盘电极201、膜厚为35nm的由Pt构成的第二阻挡层202a以及膜厚为1.0μm的由Au构成的第二焊盘电极203的合计厚度约为1.6μm，由AuSn构成的接合层121的厚度为1.6μm。当它们的合计厚度过厚时，底座基板122与半导体激光元件11a的距离变大，因此，抑制了由于底座基板122比氮化物系发光元件及Au等金属材料的热膨胀系数小而引起的压电电位的形成。另外，当该合计厚度过薄时，半导体激光元件11a与底座基板122的胶粘强度会变弱。因此，第一焊盘电极201、第二阻挡层202a及第二焊盘电极203与接合层121的合计厚度也可以为3μm以上且5μm以下。此外，第一焊盘电极201、第二阻挡层202a及第二焊盘电极203的合计厚度与接合层121的厚度也可以大致相同。这是因为，在将第一焊盘电极201、第二阻挡层202a及第二焊盘电极203与接合层121的合计厚度设为3μm以上且5μm以下的情况下，当接合层121过厚时，在安装时，容易产生接合层材料向半导体激光元件11a的侧壁部的溢出，反之当接合层121较薄时，胶粘强度下降。因此，在实施方式9中，接合层121的厚度为1.6μm。
这样，第一焊盘电极201、第二阻挡层202a及第二焊盘电极203的合计厚度以及接合层121的厚度也可以都为1.5μm以上且2.5μm以下。由此，能够同时实现用于抑制胶粘强度的下降、抑制接合层向元件侧壁的溢出、抑制由于接合朝下地安装于金刚石底座基板而引起的向谐振器端面附近的电流非注入窗区域的泄漏电流、以及抑制向脊外的泄漏电流的压电电场的形成。
以上的效果不仅在目前为止进行了说明的实施方式1及实施方式9的半导体激光元件中能够得到，在实施方式2～8的半导体激光元件中也能够得到。
另外，由于由金刚石形成的底座基板的热传导率高，因此，在安装时容易传导热的接合层材料即由AuSn构成的焊料容易在短时间内熔融而向侧壁方向溢出。其结果是，与使用了由SiC或AlN形成的底座基板的情况相比，即便是在GaN基板侧朝上时为平坦或凸形状的半导体激光元件、或者多层构造整体的平均形变εtave为0或拉伸性的半导体激光元件，在安装时，焊料也容易沿着半导体激光元件的侧壁溢出。在该情况下，如上所述，焊料可能覆盖半导体激光元件的侧壁而产生漏电流。为了解决该课题，使用实施方式9的半导体激光元件11a所具备的第二阻挡层的结构是有效的。
另外，在电流阻隔层112上将从GaN基板101到量子阱活性层106的方向设为上方向时，如图45A所示，形成有由P侧第一紧贴层114a、第一焊盘电极201、第二阻挡层202a及第二焊盘电极203构成的P侧多层电极118a。
这里，使用附图对P侧多层电极118及118a的形状进行说明。图45B～图45D是示出实施方式1、实施方式9或实施方式9的变形例的半导体激光元件的P侧多层电极118的基板法线方向观察下的形状的例子的示意性俯视图。需要说明的是，在图45B～图45D中示出P侧多层电极118，但P侧多层电极118a也具有同样的形状。
如图45B所示，在P侧多层电极118为长方形的情况下，在P侧多层电极118的角落部Ra～角落部Rd容易集中应力，容易成为电极剥落的起点。当P侧多层电极118的各角落部剥落时，不仅阻碍电流的均匀注入，还导致散热性的下降，因此，会导致半导体激光装置的动作特性及可靠性的下降。
因此，为了抑制电极剥落的产生，图45C及图45D所示的P侧多层电极118具有将长方形的四个角部切掉而成的形状。换言之，在P侧多层电极118的角落部Ra～角落部Rd，P侧多层电极118的外周形成为位于比P侧多层电极118的平行于于谐振器的边的延长线与平行于谐振器端面的边的延长线的交点靠内侧的位置。在本实施方式中，在长边方向及短边方向上分别距长方形的顶点10μm以上且30μm以下左右的距离处，设置有不形成电极的角落部Re～角落部Rh，该长方形的顶点由P侧多层电极118的平行于谐振器方向的边及其延长线(长边)与平行于谐振器端面的边及其延长线(短边)形成。
其结果是，能够抑制在P侧多层电极118形成应力集中的区域，抑制电极剥落的产生。在图45C及图45D所示的P侧多层电极118中，在谐振器方向及半导体激光元件的宽度方向上分别距上述长方形的顶点20μm的距离处未形成电极。换言之，P侧多层电极118具有从长方形状的电极的四个角落部Re～角落部Rh切掉三角形状的区域而成的形状。
如图45C所示，谐振器端面侧的P侧多层电极118端的位置也可以与谐振器端面相同，但根据与谐振器形成时的解理精度的关系，也可以如图45D那样配置在与谐振器端面分离的位置。换言之，在P侧多层电极118端与谐振器端面也可以形成间隙。
当该间隙过小时，不受P侧多层电极118的影响而解理，在解理工序的加工精度上变得困难。在解理位置处可能包括P侧多层电极118端的一部分。在该情况下，P侧多层电极118端可能对解理的方向产生影响。即，产生解理方向在解理工序的中途从所希望的方向偏移的情况。反之，当上述间隙过大时，谐振器端面附近区域处的散热性下降，因此，最好在谐振器端面与P侧多层电极118端之间形成1μm以上且20μm以下左右的间隙。在图45D所示的例子中，形成有10μm的间隙。
另外，对于从基板法线方向观察N侧电极117的形状，可以说与P侧多层电极118是同样的。图45E～图45G是示出实施方式1、实施方式9或实施方式9的变形例的半导体激光元件的N侧电极117的基板法线方向观察下的形状的例子的示意性俯视图。
如图45E所示，在将N侧电极117的形状设为长方形的情况下，在角落部Ra～角落部Rd容易集中应力，容易成为电极剥落的起点。当N侧电极117的各角落部剥落时，不仅阻碍到电流的均匀注入，还导致散热性的下降，因此，会导致半导体激光装置的动作特性及可靠性的下降。
因此，为了抑制电极剥落的产生，图45F、图45G所示的N侧电极117具有将长方形的四个角部切掉而成的形状。换言之，在N侧电极117的角落部Ra～角落部Rd，N侧电极117的外周形成为位于比N侧电极117的平行于谐振器的边的延长线与平行于谐振器端面的边的延长线的交点靠内侧的位置。在本实施方式中，在长边方向、短边方向上分别距长方形的顶点10μm以上且30μm以下左右的距离处，设置有不形成电极的角落部Re～角落部Rh，该长方形的顶点由N侧电极117的平行于谐振器方向的边及其延长线(长边)与平行于谐振器端面的边及其延长线(短边)形成。在图45F及图45G所示的N侧电极117中，在谐振器方向及半导体激光元件的宽度方向上分别距上述长方形的顶点20μm的距离处未形成电极。换言之，N侧电极117具有在四个角落部Re～角落部Rh从长方形状的电极切掉三角形状的区域而成的形状。
其结果是，能够抑制在N侧电极117形成应力集中的区域，能够抑制电极剥落的产生。
如图45F所示，谐振器端面处的N侧电极117端的位置也可以与谐振器端面相同，但根据与谐振器形成时的解理精度的关系，也可以如图45G那样配置在与谐振器端面分离的位置。换言之，在N侧电极117端与谐振器端面之间也可以形成间隙。
当该间隙过小时，不受N侧电极117的影响而解理，在解理工序的加工精度上变得困难。在解理位置处可能包括N侧电极117端的一部分。在该情况下，N侧电极117端可能对解理的方向产生影响。即，产生解理方向在解理工序的中途从所希望的方向偏移的情况。反之，当上述间隙过大时，谐振器端面附近区域处的散热性下降，因此，最好在谐振器端面与N侧电极117端之间形成1μm以上且20μm以下左右的间隙。在图45G所示的例子中，形成有10μm的间隙。
另外，在图45F及图45G所示的构造中，N侧电极117在半导体激光元件的宽度方向上也形成在比半导体激光元件端部靠内侧的区域。这是为了在将半导体激光装置沿谐振器方向分离的元件分离工序中容易进行分离。在该情况下，半导体激光元件的宽度方向上的N侧电极117与半导体激光元件端部的间隔为1μm以上且20μm以下即可。在图45F及图45G所示的例子中，形成有10μm的间隙。
另外，在以接合朝下进行安装的情况下，对P侧多层电极118赋予因与底座材料的热膨胀系数之差引起的热残留应力。因此，为了防止因P侧多层电极118的安装时的应力引起的电极剥落的产生，采用图45C及图45D所示的、将应力容易集中的电极的角部切掉而成的形状的电极图案是有效的。
(实施方式10)
对实施方式10的半导体激光装置进行说明。
首先，对上述的由金刚石形成的底座基板的形状进行说明。由于底座基板本身较硬，因此，难以将金刚石的晶片割开分离。因此，为了形成底座基板，需要通过向形成为晶片状的金刚石照射激光而使其熔融。在该情况下，当从晶片的上表面照射比较强的激光并通过激光而熔融至晶片的下表面附近为止时，容易割开晶片。然而，晶片的熔融后的部分变质为导电性的碳，因此，当将熔融后的部分用于底座基板的侧壁时，无法确保底座基板的绝缘性。因此，在向晶片照射激光而使其熔融的情况下，使其熔融至其膜厚的一半左右的深度。由此，能够将晶片的分割面中的被碳化的部分抑制为膜厚的一半左右。
在向晶片照射激光的情况下，激光的强度在激光的中心部分较强，因此，晶片中的被照射激光的中心部分的部分熔融得较深，被照射激光的外缘附近的部分熔融得较浅。因此，通过上述那样的方法而形成的底座基板的侧壁倾斜至厚度方向的一半左右的深度。
如以上那样，通过形成底座基板，能够兼顾底座基板从晶片状态起的分离性与底座基板的绝缘性。以下，使用附图对底座基板的形状等进行说明。
图46是示出实施方式10的底座基板122的形状的立体图。如图46所示，实施方式10的底座基板122的形状不为长方体，在侧壁(主面以外的面)具有厚度H1的倾斜部和厚度H2的垂直部。侧壁的倾斜部是由相对于底座基板122的主面的法线倾斜了角度θ的面构成的部分，侧壁的垂直部是由与该法线平行的面形成的部分。
倾斜部的厚度H1可以是底座基板的厚度的一半左右，例如是从底座基板整体的厚度的一半起的±50μm的范围即可。
另外，侧壁的倾斜角度θ也可以为以8°为中心的2.5°以上且15°以下的范围。这是因为，当倾斜角度θ过大时，底座基板122的散热路径变得过小，反之，当倾斜角度θ过小时，如后所述，难以在侧壁的倾斜部形成电极。
接下来，使用附图对形成于底座基板122的电极进行说明。图47是示出在实施方式10的底座基板122上形成的电极的构造的图。在图47中，示出形成有电极的底座基板122的剖视图(a)及(c)以及俯视图(b)。剖视图(a)及(c)分别示出俯视图(b)所示的A-A剖面及C-C剖面。
如图47的剖视图(c)所示，在底座基板122的上表面上，以覆盖侧壁的倾斜部的方式形成有上部紧贴金属层206、底座阻挡层205及接合层121。另外，如图47的俯视图(b)所示，在比上部紧贴金属层206靠内侧的区域形成有底座阻挡层205，在进一步稍靠内侧的区域形成有接合层121。通过像这样图案化，能够在半导体激光元件的安装时进行安装位置的识别。另外，能够抑制接合层121向底座阻挡层205外较大地扩散。
另外，在以接合朝下进行了安装的情况下，来自半导体激光元件中的前端面(谐振器的出射侧端面)的出射光的出射图案可能因从底座基板向前端面侧溢出的AuSn等接合层材料而发生紊乱。为了抑制这样的激光的出射图案的紊乱，在半导体激光元件的前端面从底座基板的端部突出的状态下安装半导体激光元件是有效的。
如图47的剖视图(c)所示，通过在底座基板122的倾斜部也形成上部紧贴金属层206及接合层121，在以将激光器的前端面从底座基板的端部突出的状态进行了安装的情况下，能够以覆盖突出部分的焊盘电极的方式固接形成接合层121。由此，能够提高突出部分的散热性。以下，使用附图对这样的安装方式进行说明。
图48A是示出在接合层121未形成于倾斜部的底座基板122上安装了半导体激光元件的半导体激光装置60a的构造的示意性剖视图。图48B是示出在接合层121形成于倾斜部的底座基板122上安装了半导体激光元件的半导体激光装置60b的构造的示意性剖视图。需要说明的是，在图48A及图48B中示出与半导体激光装置的谐振器方向及多层构造的层叠方向平行的剖面。
如图48A所示，在底座基板122的侧壁未形成底座阻挡层205、上部紧贴金属层206及接合层121的情况下，焊盘电极116中的前端面侧(图48A的左侧)的突出部分未被接合层121覆盖。
另一方面，如图48B所示，通过在底座基板122的侧壁形成底座阻挡层205、上部紧贴金属层206及接合层121，能够以覆盖焊盘电极116中的前端面侧(图48B的左侧)的突出部分的方式使接合层121固接。由此，能够提高半导体激光元件的前端面部的散热性。由于半导体激光元件的前端面部的光密度非常高，最容易引起发热，因此，如图48B所示，使接合层121固接于焊盘电极116对于防止COD等级的下降来说是非常有效的。
尤其是该效果在将电流非注入窗区域形成于谐振器端面附近的情况下，对于防止COD等级的下降来说能够得到更进一步的效果。以下，使用附图对具备该电流非注入窗区域的情况进行说明。
图49A是示出在接合层121未形成于倾斜部的底座基板122上安装了形成有电流非注入窗区域210的半导体激光元件的半导体激光装置60c的构造的示意性剖视图。图49B是示出在接合层121形成于倾斜部的底座基板122上安装了形成有电流非注入窗区域210的半导体激光元件的半导体激光装置60c的构造的示意性剖视图。
电流非注入窗区域210是在半导体激光元件的谐振器端面附近的接触层上形成了用于使电流不注入的由SiO2构成的绝缘膜的区域。通过具有这样的电流非注入窗区域210，从而降低半导体激光元件的端面附近的量子阱活性层106中的动作载流子密度，抑制因俄歇非发光再耦合引起的发热。在该状态下，通过如图49B所示的半导体激光装置60d那样以覆盖半导体激光元件的焊盘电极116的前端面侧(图49B的左侧)的突出部分的方式使接合层固接，能够进一步提高电流非注入窗区域210中的散热性。因此，能够抑制半导体激光装置60d的COD等级的下降。
另外，即便是GaN基板101侧朝上时为平坦或凸形状的半导体激光装置、或者多层构造整体的平均形变εtave为0或拉伸性的激光装置，通过使用实施方式10所示的结构，也能够提高半导体激光装置的前端面部的散热性。其结果是，能够抑制半导体激光装置的COD等级的下降。
(实施方式11)
对实施方式11的光模块进行说明。
以上所述的本公开的半导体激光元件通过安装在由金刚石形成的底座基板上而起到抑制电流向电流非注入窗区域泄漏的泄漏电流抑制效果，此外，在为脊型激光器的情况下，起到抑制电流向脊外泄漏的效果。另外，由于由金刚石形成的底座基板的热膨胀系数比氮化物材料及Au等金属材料的热膨胀系数小，因此，如图4、图21C及图23C所示，示出与在150℃的高温下使用时相比，在25℃的室温的环境下使用时，这些效果提高。
因此，若在接近于室温状态的环境条件下使用半导体激光元件，则与在由SiC或AlN等形成的底座基板上安装的半导体激光元件相比，能够提高半导体激光元件的劣化的抑制效果及动作电流值的抑制效果。
以下，使用附图对能够提高本公开的半导体激光元件的效果的实施方式进行说明。
图50是示出实施方式11的光模块240的一例的构造的图。在图50中示出实施方式11的光模块240的后视图(a)、主视图(b)及剖视图(c)。后视图(a)示出光模块240的光出射侧的背侧的外观。主视图(b)示出光模块240的光出射侧的外观。剖视图(c)示出通过光模块240的光轴的剖面。
光模块240具备安装有上述各实施方式的半导体激光元件及底座基板的CAN封装221、以及内置有水冷机构的金属基台220。
在金属基台220上内置有用于使冷却金属基台220用的制冷剂循环的管224。根据该结构，能够将金属基台220确保为与室温环境同等或接近室温环境的状态的温度。其结果是，能够使半导体激光装置在接近室温状态的环境条件下动作，由在由SiC或AlN等形成的底座基板上安装的半导体激光元件相比，能够提高半导体激光元件的劣化的抑制效果及动作电流值的抑制效果。
(实施方式12)
对实施方式12的光模块进行说明。实施方式12的光模块在具备光纤这一方面与实施方式11的光模块240不同，其他方面一致。以下，使用附图对实施方式12的光模块进行说明。
图51是示出实施方式12的光模块的一例的构造的剖视图。在图51中，示出通过实施方式12的光模块的光轴的剖面。
实施方式12的光模块在实施方式11的光模块240的基础上还集成有光纤226。通过采用该结构，能够使半导体激光元件与实施方式11同样地在接近室温的环境下动作，同时，能够使瓦特级的450nm段蓝色激光容易传递至需要该激光的位置。实施方式12的光模块例如能够用作加工用激光源。
另外，通过在光纤226的出射部附近例如配置产生黄色光的荧光体、或者产生红色光、绿色光的荧光体，能够实现白色光源。
(实施方式13)
对实施方式13的光源进行说明。实施方式13的光源是将从半导体激光元件出射的蓝色激光转换成白色光而出射的光源。以下，使用附图对实施方式13的光源进行说明。
图52是示出实施方式13的光源250的结构的一例的剖视图。
如图52所示，实施方式13的光源250具备实施方式11的光模块240的CAN封装221及金属基台220。光源250还具备透镜227、反射镜228、台座229以及荧光体230。在光源250中将这些构成要素集成化。通过采用该结构，能够使光源250的半导体激光元件在接近室温的环境下动作，并且，能够利用透镜227使瓦特级的450nm段蓝色激光在荧光体230聚光。
在该结构中，能够通过向荧光体照射450nm段的蓝色激光来激励荧光体。因此，通过由荧光体产生黄色光或红色光及绿色光，能够作为整体上出射白色光的光源来使用。
在该情况下，不仅具有由于使用接合朝下地安装在由金刚石形成的底座基板上的半导体激光元件而带来的劣化抑制效果，由于还在接近室温的环境温度下使用荧光体，因此能够抑制因发热引起的荧光体的劣化。因此，能够实现长期可靠性优异的白色光源。
以上，关于本公开的氮化物系发光装置，基于各实施方式进行了说明，但本公开不局限于上述各实施方式。
例如，对各实施方式实施本领域技术人员想到的各种变形而得到的方式、或者通过在不脱离本公开的主旨的范围内任意组合各实施方式及变形例中的构成要素及功能而实现的方式也包含在本公开中。
在各实施方式中，作为制作半导体激光元件的基板，示出了基板的主面为(0001)C面、半极性面及无极性面的例子，但也可以为基板的主面从(0001)C面倾斜的偏离基板(オフ基板)。通过使用偏离基板，能够降低在量子阱活性层中产生的C轴方向的压电效应，因此，能够降低动作电压。
产业上的可利用性
本公开的氮化物系发光装置例如能够作为即便在85℃的环境下进行3瓦特以上的超高输出动作时也具有优异的温度特性及长期可靠性的车载前照灯用光源来利用。
附图标记说明：
11、11a、11b、12、12a、13、14、15、16、17、17a、18、18a 半导体激光元件；
51a、51b、59、60a、60b、60c、60d 半导体激光装置；
101、140、141、401 GaN基板；
102 缓冲层；
102a InGaN层；
102b AlGaN层；
103、163 第一包层；
104 N型GaN层；
105 第一光导层；
106、166 量子阱活性层；
106a、106c、106e 阻挡层；
106b、106d 量子阱层；
107 第二光导层；
108、168 电子障壁层；
109、169 第二包层；
110 接触层；
112 电流阻隔层；
113 P侧欧姆电极；
114、114a P侧第一紧贴层；
115 第一阻挡层；
116、116a 焊盘电极；
117 N侧电极；
118、118a P侧多层电极；
121 接合层；
122、311、410 底座基板；
130 第三光导层；
131 第三包层；
201 第一焊盘电极；
202、202a 第二阻挡层；
203 第二焊盘电极；
205 底座阻挡层；
206 上部紧贴金属层；
207 下部紧贴金属层；
210 电流非注入窗区域；
220 金属基台；
221 CAN封装；
224 管；
226 光纤；
227 透镜；
228 反射镜；
229 台座；
230 荧光体；
240 光模块；
250 光源；
300、400 半导体发光装置；
310 氮化物发光元件；
402 发光元件。

Claims (17)

1.一种氮化物系发光装置，具备：
氮化物系半导体发光元件，其在AlxGa1-xN基板上具有从所述AlxGa1-xN基板侧依次层叠了第一导电型的第一包层、第一光导层、量子阱活性层、第二光导层及第二导电型的第二包层的多层构造，其中，0≤x≤1；以及
底座基板，其用于安装所述氮化物系半导体发光元件，
所述氮化物系半导体发光元件安装于所述底座基板使得所述多层构造与所述底座基板对置，
所述底座基板由金刚石形成，
在所述氮化物系半导体发光元件中，在所述AlxGa1-xN基板侧形成有凹型的翘曲。
2.根据权利要求1所述的氮化物系发光装置，其中，
所述AlxGa1-xN基板是GaN基板。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物系发光装置，其中，
所述多层构造相对于所述AlxGa1-xN基板具有压缩性的平均形变。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的氮化物系发光装置，其中，
所述第一光导层及所述第二光导层中的至少一方包括In。
5.根据权利要求4所述的氮化物系发光装置，其中，
所述第一光导层及第二光导层的In组成分别为6％以下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的氮化物系发光装置，其中，
在所述AlxGa1-xN基板与所述第一包层之间还具备缓冲层，该缓冲层包括相对于所述AlxGa1-xN基板具有压缩性的平均形变的氮化物半导体层。
7.根据权利要求6所述的氮化物系发光装置，其中，
所述缓冲层包括In。
8.根据权利要求6或7所述的氮化物系发光装置，其中，
所述缓冲层还包括AlGaN层。
9.根据权利要求4或5所述的氮化物系发光装置，其中，
所述量子阱活性层由量子阱层和阻挡层构成，所述阻挡层的In组成为所述第一光导层及所述第二光导层的In组成以上。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的氮化物系发光装置，其中，
在所述第二包层形成有脊。
11.根据权利要求10所述的氮化物系发光装置，其中，
在所述脊的所述第二光导层侧具备包括In的层或者由GaN构成的层。
12.根据权利要求2所述的氮化物系发光装置，其中，
所述GaN基板具有无极性或半极性的面方位，
所述多层构造中的Al组成为1％以下。
13.根据权利要求12所述的氮化物系发光装置，其中，
所述多层构造不包括Al。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的氮化物系发光装置，其中，
在所述多层构造与所述底座基板之间，从所述第二包层侧依次具备第一阻挡层、第一焊盘电极层、第二阻挡层及接合层，
所述第二阻挡层的短边方向的宽度比所述第一阻挡层的短边方向的宽度窄。
15.根据权利要求1至10中任一项所述的氮化物系发光装置，其中，
在所述多层构造与所述底座基板之间从所述第二包层侧具备第一阻挡层、第一焊盘电极层、第二阻挡层及接合层，
所述接合层在所述第二阻挡层与所述第一阻挡层之间且进入到比所述第二阻挡层的端部靠内侧的位置。
16.一种氮化物系发光装置，具备：
氮化物系半导体发光元件，其在AlxGa1-xN基板上具有从所述AlxGa1-xN基板侧依次层叠了第一导电型的第一包层、第一光导层、量子阱活性层、第二光导层及第二导电型的第二包层的多层构造，其中，0≤x≤1；以及
底座基板，其用于安装所述氮化物系半导体发光元件，
所述多层构造相对于所述AlxGa1-xN基板具有压缩性的平均形变，
所述氮化物系半导体发光元件安装于所述底座基板使得所述多层构造与所述底座基板对置，
所述底座基板由金刚石形成。
17.一种氮化物系发光装置，具备：
氮化物系半导体发光元件，其在AlxGa1-xN基板上具有从所述AlxGa1-xN基板侧依次层叠了第一导电型的第一包层、第一光导层、量子阱活性层、第二光导层及第二导电型的第二包层的多层构造，其中，0≤x≤1；以及
底座基板，其用于安装所述氮化物系半导体发光元件，
所述多层构造相对于所述AlxGa1-xN基板具有5.2×10-4以下的拉伸性或压缩性的平均形变，
所述AlxGa1-xN基板的厚度为75μm以上且95μm以下，
所述氮化物系半导体发光元件安装于所述底座基板使得所述多层构造与所述底座基板对置，
所述底座基板由金刚石形成。
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