CN113644551A - 半导体激光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体激光元件，具备：第一导电型的第一氮化物半导体层；第二导电型的第二氮化物半导体层；单量子阱结构的有源区域，其配置在所述第一氮化物半导体层与所述第二氮化物半导体层之间。所述有源区域从所述第一氮化物半导体层一侧依次具有第一屏障层、中间层、阱层、以及第二屏障层，所述中间层的晶格常数比所述第一屏障层及所述第二屏障层的晶格常数大、且比所述阱层的晶格常数小，所述阱层与所述第二屏障层相接，作为所述阱层，使用InGaN，所述第二屏障层是未掺杂层。

Description

半导体激光元件
本申请是申请日为2019年8月29日、申请号为201910807471.6、发明名称为“半导体激光元件”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体激光元件。
背景技术
在专利文献1及2中各自描述了一种氮化物半导体发光元件，其包括由阱层、屏障层、以及配置在其间的中间层形成的有源区域。氮化物半导体发光元件例如为半导体激光元件。
发明所要解决的技术问题
在半导体激光元件中，要求进一步减小激光振荡的电流即阈值电流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2004-356256号公报
专利文献2：(日本)特开2011-151275号公报
发明内容
用于解决技术问题的技术方案
本申请包括如下的发明。
半导体激光元件具备：
第一导电型的第一氮化物半导体层；
第二导电型的第二氮化物半导体层；
单量子阱结构的有源区域，其配置在所述第一氮化物半导体层与所述第二氮化物半导体层之间；
所述有源区域从所述第一氮化物半导体层一侧依次具有第一屏障层、中间层、阱层、以及第二屏障层，
所述中间层的晶格常数比所述第一屏障层及所述第二屏障层的晶格常数大、且比所述阱层的晶格常数小，
所述阱层与所述第二屏障层相接，
作为所述阱层，使用InGaN，所述第二屏障层是未掺杂层。
发明的效果
通过具有上述结构，能够减小半导体激光元件的阈值电流。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的半导体激光元件的示意性剖视图。
图2是示意性地表示本发明的一个实施方式的半导体激光元件的有源区域的带隙能量的图。
图3是本发明的一个实施方式的半导体激光元件的示意性俯视图。
图4是示意性地表示有源区域的第一变形例的图。
图5是示意性地表示有源区域的第二变形例的图。
图6是示意性地表示有源区域的第三变形例的图。
图7是表示第一～第四实施例以及第一、第二比较例的半导体激光元件的阈值电流密度的曲线图。
附图标记说明
100 半导体激光元件；1 基板；2 n侧区域；21 第1n型半导体层；22 第2n型半导体层；23 第3n型半导体层(n型氮化物半导体层)；24 第4n型半导体层；25 n侧成分梯度层；3有源区域；31 第一屏障层；32 中间层；33 阱层；34 第二屏障层；35 InGaN层；36 GaN层；37中间屏障层；4 p侧区域；41 p侧成分梯度层；42 第1p型半导体层；43 第2p型半导体层(p型氮化物半导体层)；44 第3p型半导体层；4a 脊；5 绝缘膜；5a 开口；6 p电极；7 p侧焊盘电极；8 n电极。
具体实施方式
下面，参照附图，针对本发明的实施方式进行说明。但是，如下所示的实施方式只例举用于使本发明的技术思想具体化的方法，并非将本发明指定为如下的实施方式。此外在如下的说明中，对于相同的名称、标记，表示相同或相同性质的部件，适当省略详细的说明。
(半导体激光元件100)
图1是本发明的一个实施方式的半导体激光元件100的示意性剖视图，表示半导体激光元件100的与谐振器方向垂直的方向的剖面。半导体激光元件100具有：第一导电型的第一氮化物半导体层(第3n型半导体层23)、第二导电型的第二氮化物半导体层(第2p型半导体层43)、以及配置在第一氮化物半导体层与第二氮化物半导体层之间的有源区域3。更具体而言，半导体激光元件100在基板1之上依次设有具有n型氮化物半导体层的n侧区域2、有源区域3、以及具有p型氮化物半导体层的p侧区域4。在p侧区域4的表面设有脊4a。有源区域3之中脊4a的正下方的部分及其附近为波导区域。在与脊4a的上表面和脊4a的侧面连续的p侧区域4的表面设有绝缘膜5。基板1为n型，在其下表面设有n电极8。另外，与p侧区域4表面的脊4a相接而设有p电极6，进而在其上设有p侧焊盘电极7。
(基板1)
基板1例如可以使用由GaN及AlN等形成的氮化物半导体基板。另外，也可以使用氮化物半导体基板以外的其它基板。作为上述基板，例如举例为蓝宝石等绝缘性基板、SiC、Si、ZnO、Ga2O3、以及GaAs等半导体基板、使氮化物半导体在玻璃等之上生长的模板基板等。另外，在将基板1作为生长基板而在其上生长的半导体层的生长方向为+c轴的情况下特别容易产生后面叙述的压电电场。因此，在基板1为生长基板的情况下，基板1优选使用将+c面作为主表面的GaN基板或者将c面作为主表面的蓝宝石基板等，以使氮化物半导体在+c轴生长。在此，将+c面或者c面作为主表面，除了严格意义上的上述表面以外，还包括具有1度以下的偏角的表面。此外，认为与蓝宝石基板相比，使用GaN基板能够减小在其上生长的氮化物半导体层的位错密度，容易以厚膜设置后面叙述的中间层32，因而优选之。
(n侧区域2)
n侧区域2可以以由氮化物半导体形成的单层或者多层结构形成。作为n侧区域2所含有的n型半导体层，可以举例为由含有Si、Ge等n型杂质的氮化物半导体形成的层。n侧区域2例如从基板1侧依次具有第1n型半导体层21、第2n型半导体层22、第3n型半导体层23(n型氮化物半导体层)、以及第4n型半导体层24。在n侧区域2也可以配置除上述层以外的其它的层，另外，也可以省略一部分层。
第一～第4n型半导体层21～24含有n型杂质。第1n型半导体层21例如由AlGaN形成。第2n型半导体层22例如由InGaN形成。第3n型半导体层(n型氮化物半导体层)23例如由带隙能量比第1n型半导体层21大的AlxGa1-xN(0≤x＜1)形成。第3n型半导体层23也可以在n侧区域2具有最大的带隙能量。第3n型半导体层23可以作为n侧包覆层(第一包覆层)发挥作用。第3n型半导体层23的膜厚例如为0.7～1.2μm左右。第4n型半导体层24例如由GaN形成。第4n型半导体层24的膜厚例如比第3n型半导体层23的膜厚小。
n侧成分梯度层25是例如使基板1侧为GaN、有源区域3侧为InGaN、成分逐渐变化的层。n侧成分梯度层25的膜厚可以为50nm～500nm。n侧成分梯度层25优选含有n型杂质。因为成分梯度层为成分渐变的层的层压结构，所以，在该层压结构中的异质界面产生负固定电荷，使由此而产生的带尖峰成为载流子注入屏障。通过在n侧成分梯度层25中含有n型杂质，能够缓和该带尖峰。
第3n型半导体层23、第4n型半导体层24、以及n侧成分梯度层25优选为晶格常数从第3n型半导体层23向阱层33逐渐增加的关系。由此，能够缓和施加于阱层33的形变，能够减小压电电场的影响。作为用作n侧光导层(第一光导层)的层，例如举例为第4n型半导体层24和/或n侧成分梯度层25。也可以省略第4n型半导体层24。在后面叙述的有源区域3中的屏障层的膜厚较薄的情况下，n侧成分梯度层25有时也具有屏障层的功能。
(有源区域3)
有源区域3具有单量子阱结构或者多量子阱结构。图2是示意性地表示半导体激光元件100的有源区域3的带隙能量的图。图2所示的有源区域3为单量子阱结构。如图2所示，有源区域3可以从第一氮化物半导体层一侧依次具有第一屏障层31、中间层32、阱层33、以及第二屏障层34。在有源区域3也可以配置除上述层以外的其它的层，另外，也可以省略一部分层。中间层32的晶格常数比第一屏障层31及第二屏障层34的晶格常数大、且比阱层33的晶格常数小。中间层32的膜厚比阱层33的膜厚厚。在图2中阱层33与第二屏障层34相接。虽然在阱层33与第二屏障层34之间也可以配置其它的层，但在该情况下，使阱层33与第二屏障层34的距离比第一屏障层31与阱层33的距离小地配置其它的层。
作为有源区域3之中的阱层33，例如可以使用InGaN。作为隔着有源区域3的第3n型半导体层23及第2p型半导体层43，各自例如可以使用AlGaN及GaN。通过这样层压晶格常数不同的半导体层，向有源区域3、特别是阱层33施加例如压缩形变。通过向阱层33施加形变，产生压电电场。通过产生压电电场，空穴的波函数与电子的波函数在空间上分离，降低载流子的复合概率。由此，半导体激光元件的发光效率降低，用于使半导体激光元件激光振荡的阈值电流上升。
因此，在本实施方式中，设有中间层32。通过设置具有第一屏障层31与阱层33之间的晶格常数的中间层32，能够缓和施加于阱层33的形变。除此以外，通过设置中间层32，能够使第二导电型的载流子(例如空穴)的波函数的峰值与第一屏障层31一侧接近。由此，能够使载流子的复合概率上升。因此，能够使半导体激光元件100的发光效率上升，并能够使阈值电流减小。当中间层32过薄时，波函数的峰值与第一屏障层31一侧接近的效果减弱，所以，优选中间层32的膜厚比阱层33的膜厚厚。另外，虽然当阈值电流上升时阈值电流密度也上升，但认为阈值电流密度越高则载流子从有源区域3溢出的概率增大。通过使阈值电流减小，能够使溢出的概率减小，并由此而使光输出的温度特性提高。在本说明书中，光输出的温度特性是指高温时的光输出相对于常温时的光输出的比例。
阱层33与第二屏障层34相接，或者在并非如此的情况下优选阱层33与第二屏障层34的距离比第一屏障层31与阱层33的距离小。当假设在第二屏障层34与阱层33之间也设有中间层32这样的层时，第一导电型的载流子(电子)的波函数的峰值接近第二屏障层34一侧，第二导电型的载流子(空穴)的波函数的峰值接近第一屏障层31一侧。由此，波函数在空间上的重叠减少，发光效率降低。因此，优选为上述结构。此外，在阱层33与第二屏障层34之间设有其它的层的情况下，优选该其它的层的膜厚薄至不会作为中间层32发挥作用的程度。具体而言，优选阱层33与第二屏障层34之间的距离比阱层33的膜厚小。另外，设置在阱层33与第二屏障层34之间的其它的层为具有阱层33与第二屏障层34之间的晶格常数及带隙能量的层。
构成有源区域3的各层优选由GaN或者InGaN这样的二元或者三元化合物半导体形成。当为AlInGaN这样的四元化合物半导体时，通过调整其成分比，能够形成带隙能量差大、而晶格常数差小的层压结构。但是，与四元化合物半导体相比，二元或者三元化合物半导体容易制造与设计值接近的成分比。因此，有源区域3优选由二元或者三元化合物半导体构成。而且在该情况下，因为各层的晶格常数差容易增大，所以优选设置能够缓和形变的中间层32。
如图4所示，在有源区域3为多量子阱结构的情况下，配置多个阱层33，并在其间配置中间屏障层37。在该情况下，有源区域3的所有阱层33与隔着阱层的层的关系可以为图2所示的第一屏障层31、中间层32、阱层33、以及第二屏障层34这样的关系。中间层32可以为成分梯度层，也可以并非如此。图2所示的有源区域3为单量子阱结构。当为单量子阱结构时，阱层33的发光不会由其它的阱层吸收，所以能够减少光损耗，另外，因为屏障层31的数量少，所以能够使有源区域3之后生长的层(例如p侧区域4的层)的结晶度提高。另一方面，单量子阱结构的光限制系数有时比多量子阱结构低，虽然在该情况下阈值电流由此而上升，但通过设置中间层32，能够减小阈值电流。另外，在多量子阱结构的情况下，因为设有多个中间层32，所以，当增大各中间层32的膜厚时，可能使阱层33的结晶度恶化。因此，单量子阱结构具有容易获得因中间层32的膜厚增大而实现的减小阈值电流的效果的可能性。
(第一屏障层31)
作为第一屏障层31，使用带隙能量比阱层33大的材料，例如可以使用InGaN、GaN、或者AlGaN。在振荡波长为430nm以上的情况等阱层33的In成分比相对较大的情况下，为了使与之的晶格常数差不会过大而优选InaGa1-aN(0≤a＜1)。为了提高阱层33的结晶度，第一屏障层31优选为GaN。第一屏障层31的膜厚可以为一个原子层以上，另外，可以为20nm以下。
(中间层32)
中间层32被认为膜厚越厚、则缓和对阱层33的形变的效果越大。因此，中间层32的膜厚优选为阱层33的膜厚的1.5倍以上。如后面叙述的图7所示，可见具有如下的倾向，即在中间层32的膜厚不足阱层33的膜厚的范围内，因膜厚增大而引起的阈值电流密度的变化幅度增大，在比阱层33的膜厚厚的范围内，阈值电流密度的变化幅度减缓。为了使得到的半导体激光元件100的质量稳定，认为优选采用阈值电流密度的变化幅度减缓的范围内的膜厚。因此，从该角度出发，也优选中间层32的膜厚为阱层33的膜厚的1.5倍以上。另外，根据图7，可以说优选中间层32的膜厚为3nm以上。另一方面，认为膜厚越厚，则载流子(例如空穴)溢出的概率越上升。因此，中间层32的膜厚优选为不足阱层33的膜厚的6倍，更优选为3倍以下。另外，根据图7，可以说中间层32的膜厚优选为不足13nm，更优选为6nm以下。
作为中间层32，可以使用具有第一屏障层31与阱层33之间的晶格常数的材料。作为上述材料，举例为In成分比比第一屏障层31高、且In成分比比阱层33低的InbGa1-bN(a＜b＜1)。在第一屏障层31为GaN的情况下其In成分比为0％。认为在中间层32为InbGa1-bN的情况下，其In成分比b与阱层33越接近，则缓和对阱层33的形变的效果越大，但载流子溢出的概率上升。因此，中间层32的In成分比b优选为阱层33的In成分比c和第一屏障层31的In成分比a的合计值的一半以下。中间层32的In成分比b也可以为阱层33的In成分比c的一半以下。中间层32的In成分比b例如可以为5～15％。在图2中，中间层32与第一屏障层31相接。
中间层32优选配置在阱层33与n侧区域2之间。这是因为在氮化物半导体中空穴比电子难以移动。通过将中间层32配置在阱层33的n侧区域2的一侧，能够有效地缓和施加于阱层33的形变，另外，能够使载流子的复合概率上升。另外，在作为各半导体层而使用氮化物半导体的情况下，倾向于按照n侧区域2、有源区域3、p侧区域4的顺序生长，认为在阱层33的生长前使中间层32生长对于缓和阱层33的形变有利。
中间层32虽然可以为未掺杂，但也可以含有第一导电型的杂质(例如n型杂质)。通过含有第一导电型的杂质，能够减小载流子(例如空穴)溢出的概率。另外，在中间层32不是未掺杂、而是含有杂质的情况下，越增厚膜厚，则结晶度越容易恶化。因此，在中间层32含有杂质的情况下，特别优选使其膜厚如上所述不足13nm。作为n型杂质或p型杂质，可以使用与在n侧区域2及p侧区域4举例的材料相同的材料。例如在含有n型杂质的情况下，电子载流子浓度优选为1×1018cm3以上，进而优选为1×1019cm3以上。另外，优选为1×1020cm3以下，进而优选为6×1019cm3以下。通过为上述范围，能够更有效地减小空穴溢出的概率。
如图5所示，中间层32也可以为成分梯度层。认为通过使中间层32为晶格常数从第一屏障层31向阱层33增大(在InbGa1-bN的情况下In成分比b增大)的成分梯度层，缓和阱层33的形变的效果更大。在图4中，虽然中间层32的与第一屏障层31最接近的部分的In成分比b比第一屏障层31的In成分比a(0％)大，但也可以与第一屏障层31相同。
需要说明的是，在本说明书中，成分梯度层是层压了多个层的多层结构，是指作为总体而成分梯度的层。例如在由InXGa1-XN(0≤X＜1)形成的成分梯度层的情况下，是指构成该成分梯度层的各层的膜厚为25nm以下、且与邻接的层的In成分比之差为0.5％以下。此外，各层的膜厚优选为20nm以下。各层的膜厚的下限值例如为一个原子层。与邻接的层的In成分比之差优选为0.1％以下。其下限值例如为0.007％左右。通过为上述范围，能够减小在成分梯度层产生的形变。另外，在将成分梯度层的In成分比及晶格常数等与其它的层的In成分比及晶格常数相比较的情况下，使用成分梯度层的平均值。例如在In成分比从7％至10％逐渐变化的成分梯度层的情况下，将该平均值8.5％作为成分梯度层的In成分比，比较与其它的层的大小关系。
中间层32因为与阱层33邻接，所以认为也兼而具有作为芯/包覆层结构的芯层的作用。由此，通过设置中间层32，也能够期待提高光限制系数。当光限制系数提高，则能够提高发光效率，减小阈值电流。
(阱层33)
阱层33可以为IncGa1-cN(b＜c＜1)。阱层33的In成分比c例如可以为17％以上。半导体激光元件100的振荡波长越长，阱层33的In成分比c越大，与有源区域3的外侧的层的晶格常数差越大。因此，更加显著地容易受到压电电场的影响。因此，在半导体激光元件100的振荡波长为430nm以上的情况下特别优选设置中间层32。振荡波长为430nm以上的半导体激光元件的情况下的阱层33的In成分比c根据整体的层结构略微增加或减少，例如为10％以上。阱层33的In成分比c例如可以为50％以下。此时，认为半导体激光元件的振荡波长为600nm以下程度。阱层33的膜厚例如可以为2～4nm。从提高结晶度及减少光吸收的角度出发，阱层33优选为未掺杂。
(第二屏障层34)
第二屏障层34具有比阱层33大的带隙能量。第二屏障层34例如为IndGa1-dN(0≤d＜b)。第二屏障层34的成分及膜厚的范围可以采用与上述的第一屏障层31相同的成分及膜厚的范围。当第二屏障层34含有n型杂质时，可能存在光吸收及空穴捕获的风险，另外，p型杂质即Mg产生光吸收，所以第二屏障层34优选为未掺杂。例如第二屏障层34由未掺杂的GaN形成。
(其它的层)
在图2中，第一屏障层31配置在有源区域3的最外侧、即与n侧区域2最接近的位置，但也可以在第一屏障层31的n侧区域2一侧配置其它的层。例如如图6所示，也可以使第一屏障层31的膜厚为5nm以下，在第一屏障层31的n侧区域2的一侧配置晶格常数比第一屏障层31大且膜厚较厚的InGaN层35。通过设置上述InGaN层35，能够缓和对阱层33的形变。该InGaN层35的膜厚可以为30nm以下。在设有InGaN层35的情况下，也可以在其基板1侧进一步设置GaN层36。GaN层36的膜厚可以为5nm以下。如下所述，因为中间层32优选设置在阱层33与n侧区域2之间，所以第一屏障层31也优选配置在阱层33与n侧区域2之间。为了使第一屏障层31作为量子阱结构的屏障层来发挥作用，优选配置在阱层33的附近，例如第一屏障层31优选配置在与阱层33的距离为20nm以下的位置。
虽然在图2中阱层33与中间层32相接，但也可以在阱层33与中间层32之间设置薄膜层(第一薄膜层)。为了获得中间层32的效果，优选将中间层32配置在阱层33附近，所以第一薄膜层以不会妨碍中间层32的效果的程度的膜厚进行设置。例如，可以使第一薄膜层的膜厚为阱层33的膜厚以下，另外，可以为2nm以下。换言之，阱层33与中间层32之间的距离可以为阱层33的膜厚以下，另外，可以为2nm以下。第一薄膜层也可以为具有晶格常数从中间层32向阱层33增大的成分的成分梯度层。由此，能够缓和施加于阱层33的形变。第一薄膜层也可以不是成分梯度层。在该情况下，可以作为具有中间层32与阱层33之间的晶格常数及带隙能量的层进行设置。
虽然在图2中第二屏障层34与阱层33相接，但也可以在第二屏障层34与阱层33之间设置薄膜层(第二薄膜层)。第二薄膜层可以为具有第二屏障层34与阱层33之间的晶格常数及带隙能量的层。第二薄膜层优选为不具有中间层32这样的功能的程度的厚度。第二薄膜层的膜厚可以为不足阱层33的膜厚。第二薄膜层的膜厚例如可以为2nm以下。
(p侧区域4)
p侧区域4可以利用由氮化物半导体层形成的单层或者多层结构来形成。作为在p侧区域4所含有的p型氮化物半导体层，可以举例为由含有Mg等p型杂质的氮化物半导体形成的层。p侧区域4例如从有源区域3侧依次具有p侧成分梯度层41、第1p型半导体层42、第2p型半导体层43(p型氮化物半导体层)、以及第3p型半导体层44。在p侧区域4也可以配置除上述层以外的其它的层，另外，也可以省略一部分的层。在半导体激光元件100设置脊4a，有源区域3之中脊4a的正下方的部分及其附近为波导区域。也可以不形成脊4a。
p侧成分梯度层41是例如使有源区域3侧为InGaN、使第1p型半导体层42侧为GaN、成分逐渐变化的层。根据与第二屏障层34相同的原因，p侧成分梯度层41优选为未掺杂。p侧成分梯度层41的膜厚可以为50nm～500nm。p侧成分梯度层41优选遍及p侧成分梯度层41的除了有源区域3侧的界面及第1p型半导体层42侧的界面以外的所有区域，不存在大约0.004eV/nm以上的带偏移。当陡峭的带偏移存在时，空穴有时被捕获，但当在上述范围内时，能够减小空穴被捕获的概率。在p侧成分梯度层41为(In)GaN的情况下，优选当校正为InGaN的In成分比时，不存在0.1％/nm以上的陡峭的成分比变化。在有源区域3中的屏障层的膜厚较薄的情况下，有时p侧成分梯度层41也具有屏障层的功能。
第一～第3p型半导体层42～44含有p型杂质。第1p型半导体层42例如由AlGaN形成。第1p型半导体层42例如作为电子阻挡层而发挥作用。第1p型半导体层42也可以作为在p侧区域4中具有最高的带隙能量、且膜厚比p侧成分梯度层41小的层进行设置。第2p型半导体层43(在本实施方式中将该层作为p型氮化物半导体层)例如由AlGaN形成。第2p型半导体层43也可以在p侧区域4中具有仅次于电子阻挡层的高带隙能量。也可以在第1p型半导体层42与第2p型半导体层43之间配置未掺杂或者第2p型半导体层43的半导体层。在未掺杂层与第2p型半导体层43的膜厚的大小关系中，虽然第2p型半导体层43可以较厚，但为了减少p侧区域4的光吸收，也可以使未掺杂层与第2p型半导体层43为相同程度的膜厚。未掺杂层与第2p型半导体层43例如为相同成分的层。第3p型半导体层44例如由GaN形成，作为p型接触层而发挥作用。作为用作p侧光导层(第二光导层)的层，例如举例为p侧成分梯度层41和/或p型半导体层43。第2p型半导体层43虽然可以是作为p侧包覆层(第二包覆层)而发挥作用的层，但在作为后面叙述的p电极6而使用具有ITO等的包覆层的功能的材料的情况下，使p电极6为包覆层，在p侧区域4内可以不设置包覆层。
(其它的部件)
半导体激光元件100可以具有在p侧区域4的表面的一部分设置的绝缘膜5。绝缘膜5例如可以由Si、Al、Zr、Ti、Nb、Ta等的氧化物或者氮化物等的单层膜或者层压膜来形成。绝缘膜5的膜厚可以为10～500nm左右。p电极6例如设置在脊4a的上表面。p侧焊盘电极7与p电极6接触而设置。p侧焊盘电极7具有比p电极6大的面积，在p侧焊盘电极7连接有引线等。n电极8例如设置在n型基板1的下表面的大致整个区域。作为各电极的材料，例如举例为Ni、Rh、Cr、Au、W、Pt、Ti、Al等的金属或者合金、含有从Zn、In、Sn中选择的至少一种的导电性氧化物等的单层膜或者多层膜。作为导电性氧化物，举例为ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟)、IZO(Indium ZincOxide：氧化铟锌)、GZO(Gallium-doped Zinc Oxide：氧化锌掺杂镓)等。各电极的厚度例如举例为0.1～2μm左右。需要说明的是，在本说明书中，从有源区域3观察，将p侧区域4所处的一侧作为上方，将n侧区域2所处的一侧作为下方。而且，上表面及下表面是指上述上下方向的面。
图3表示半导体激光元件100的示意性俯视图。如图3所示，优选将p电极6设置在与光射出端面及光反射端面分离的位置。由此，能够缓和各端面及其附近的电流集中。除此以外，在俯视中，优选使p侧焊盘电极7分别与光射出端面及光反射端面的距离比p电极6与上述各端面的距离小地设置各电极。由此，可以利用p侧焊盘电极7散发在光射出端面及光反射端面及其附近产生的热。利用上述结构，能够减小半导体激光元件100失效(頓死)的概率。因为光射出端面比光反射端面容易发热，所以，优选使p电极6与光射出端面的距离比与光反射端面的距离大。
另外，如图1及图3所示，绝缘膜5也可以覆盖p电极6的一部分。绝缘膜5具有开口5a，p电极6经由其开口5a，与p侧焊盘电极7连接。利用上述结构，从p侧焊盘电极7注入的电流被绝缘膜5阻挡。因此，通过调整由绝缘膜5覆盖的区域，能够调整电流注入区域。如图3所示，通过使光射出端面的一侧的覆盖区域比光反射端面的一侧的覆盖区域大，能够减少光射出端面的一侧的电流注入量，并能够减少光反射端面的一侧的发热。并且，因为p电极6的端部位于比光注入区域的端部更接近于光反射端面的位置，所以能够期待利用p电极6进行散热。在光射出端面及光反射端面也可以形成电解质多层膜等反射膜。p电极6的宽度也可以与脊4a的上表面的宽度相同。
[第一实施例]
作为第一实施例，制作了如下所示的半导体激光元件。
在以+c面为主表面的GaN基板(基板1)上使n侧区域2生长。n侧区域2从GaN基板侧依次具有如下的层。
膜厚为1.5μm的掺杂Si的Al0.02Ga0.98N层(第1n型半导体层21)；
膜厚为150nm的掺杂Si的In0.05Ga0.95N层(第2n型半导体层22)；
膜厚为1μm的掺杂Si的Al0.07Ga0.93N层(第3n型半导体层23)；
膜厚为300nm的掺杂Si的GaN层(第4n型半导体层24)；
膜厚为250nm的掺杂Si的成分梯度层(n侧成分梯度层25)。
n侧成分梯度层25使生长的起始端为GaN，使生长的终端为In0.05Ga0.95N，以成分梯度为大致直线状的方式使In成分实际上单调增加地生长。
接着，使有源区域3生长。有源区域3从n侧区域2一侧依次具有如下的层。
膜厚为1nm的掺杂Si的GaN层；
膜厚为8nm的掺杂Si的InGaN层；
膜厚为1nm的Si掺杂的GaN层(第一屏障层31)；
膜厚为3nm的未掺杂的InGaN成分梯度层(中间层32)；
膜厚为2.25nm的未掺杂的In0.2Ga0.8N层(阱层33)；
膜厚为1nm的未掺杂的GaN层(第二屏障层34)。
中间层32使生长的起始端为In0.07Ga0.93N，使生长的终端为In0.1Ga0.9N，以成分梯度为大致直线状的方式使In成分实际上单调增加地生长。
接着，使p侧区域4生长。p侧区域4从有源区域3一侧依次具有如下的层。
膜厚为250nm的未掺杂的成分梯度层(p侧成分梯度层41)；
膜厚为10nm的掺杂Mg的高Al成分比的AlGaN层(第1p型半导体层42)；
膜厚为300nm的一部分掺杂Mg的低Al成分比的AlGaN层(第2p型半导体层43)；
最后，膜厚为15nm的掺杂Mg的GaN层(第3p型半导体层44)。
p侧成分梯度层41使生长的起始端为In0.05Ga0.95N，使生长的终端为GaN，使In成分实际上单调减少来生长，以使成分梯度为大致直线状。
然后，从MOCVD炉内取出形成有以上的层的外延晶片，形成脊、n电极、以及p电极等，使之单片化，从而得到半导体激光元件。半导体激光元件使脊宽度为45μm，使谐振器长为1200μm。
[第二～第四实施例]
作为第二～第四实施例，除了中间层32的膜厚不同以外、其它都与第一实施例相同地制作了半导体激光元件。在第二实施例中，使中间层32的膜厚为4nm，在第三实施例中，使中间层32的膜厚为6.5nm，在第四实施例中，使中间层32的膜厚为13nm。第二～第四实施例的中间层32与第一实施例的中间层32同样地成为成分梯度层，其生长起始端的成分和生长终端的成分与第一实施例相同。
[第一比较例]
作为第一比较例，除了不设置中间层32以外，其它都与第一实施例相同地制作了半导体激光元件。
[第二比较例]
作为第二比较例，除了中间层32的膜厚不同以外，其它都与第一实施例相同地制作了半导体激光元件。在第二比较例中，使中间层32的膜厚为1nm。
(阈值电流密度、相对光输出)
第一～第四实施例以及第一、第二比较例的半导体激光元件都是在相同的条件下作成了多个。然后，测量各个半导体激光元件的阈值电流密度与相对光输出，将各实施例及各比较例的中央值作为各实施例及各比较例的阈值电流密度及相对光输出的值。需要说明的是，各实施例及各比较例的半导体激光元件的振荡波长的中央值都为455nm左右。另外，在此提及的相对光输出，是指环境温度80℃下测量的光输出除以环境温度25℃下测量的光输出后的数值。可以说相对光输出的数值越大，则光输出温度特性越良好。
图7表示第一～第四实施例以及第一、第二比较例的半导体激光元件的阈值电流密度。可以说阈值电流密度越小则阈值电流越低。根据图7所示的结果，可知通过设置中间层，能够减小阈值电流密度。如图7所示，阈值电流密度在中间层的膜厚达到与阱层的膜厚相同的程度为止急剧减小，在上述膜厚以上的膜厚下缓慢地减小。根据该结果，可以说通过使中间层的膜厚比阱层的膜厚厚，能够稳定地得到阈值电流较低的半导体激光元件。另一方面，当中间层的膜厚增厚至13nm时，阈值电流密度成为稍高的值。这是由于中间层增厚，空穴溢出的概率上升而导致。
另外，关于相对光输出，第一比较例(0nm)为70％，第二比较例(1nm)为72％，第一实施例(3nm)为74％，第二实施例(4nm)为74％，第三实施例(6.5nm)为72％，第四实施例(13nm)为69％。需要说明的是，上述数值是将小数点以下四舍五入后的数值。这样，虽然通过设置中间层而大概使相对光输出上升，但在膜厚为13nm的情况下，与不设置中间层的情况相比，为较低的值。这是因为阈值电流密度越低则通过激光振荡固定的空穴的量越少是发生在相对光输出上升的方向上，但中间层的膜厚越厚则空穴越容易向n侧区域一侧渗出是发生在相对光输出降低的方向上。根据上述结果，可以说优选中间层的膜厚不要过厚。
工业实用性
本发明的半导体激光元件除了可以应用在用于光盘的光源以外，还可以应用在用于投影仪及电视的光源之类的用于显示装置的光源、用于医疗的光源、以及用于照明的光源等。

Claims (10)

1.一种半导体激光元件，其特征在于，具备：
第一导电型的第一氮化物半导体层；
第二导电型的第二氮化物半导体层；
单量子阱结构的有源区域，其配置在所述第一氮化物半导体层与所述第二氮化物半导体层之间；
所述有源区域从所述第一氮化物半导体层一侧依次具有第一屏障层、中间层、阱层、以及第二屏障层，
所述中间层的晶格常数比所述第一屏障层及所述第二屏障层的晶格常数大、且比所述阱层的晶格常数小，
所述阱层与所述第二屏障层相接，
作为所述阱层，使用InGaN，所述第二屏障层是未掺杂层。
2.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述中间层的膜厚不足13nm。
3.如权利要求1或2所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述中间层的膜厚为3nm以上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一屏障层为InaGa1-aN(0≤a＜1)，
所述中间层为InbGa1-bN(a＜b＜1)，
所述阱层为IncGa1-cN(b＜c＜1)，
所述第二屏障层为IndGa1-dN(0≤d＜b)。
5.如权利要求4所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述中间层的In成分比为阱层的In成分比的一半以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述中间层为具有晶格常数从所述第一屏障层向所述阱层增大的成分的成分梯度层。
7.如权利要求1～6中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述半导体激光元件具有：第一包覆层、第二包覆层、第一光导层、以及第二光导层，
在所述第一包覆层与所述第二包覆层之间配置有所述有源区域，
在所述第一包覆层与所述有源区域之间配置有所述第一光导层，
在所述第二包覆层与所述有源区域之间配置有所述第二光导层。
8.如权利要求7所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一氮化物半导体层为所述第一包覆层或者所述第一光导层，
所述第二氮化物半导体层为所述第二包覆层或者所述第二光导层。
9.如权利要求1～8中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一氮化物半导体层为n型氮化物半导体层，
所述第二氮化物半导体层为p型氮化物半导体层。
10.如权利要求1～9中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述半导体激光元件具备基板，
从所述基板一侧依次配置有所述第一氮化物半导体层、所述有源区域、以及所述第二氮化物半导体层。
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