JP2003218468A - Semiconductor laser element and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor laser element and manufacturing method therefor

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JP2003218468A
JP2003218468A JP2002009291A JP2002009291A JP2003218468A JP 2003218468 A JP2003218468 A JP 2003218468A JP 2002009291 A JP2002009291 A JP 2002009291A JP 2002009291 A JP2002009291 A JP 2002009291A JP 2003218468 A JP2003218468 A JP 2003218468A
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JP
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layer
semiconductor laser
active layer
laser device
composition
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Application number
JP2002009291A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Okuyama
浩之 奥山
Masato Doi
正人 土居
Tsuyoshi Biwa
剛志 琵琶
Toyoji Ohata
豊治 大畑
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a GaN semiconductor laser element that has no occasion to introduce Al and continuously oscillates a laser beam in a wavelength region of visible light such as blue and green at a room temperature. <P>SOLUTION: This semiconductor laser element comprises at least a cladding layer, a guiding layer and an active layer. The cladding layer consists of GaN, and the guiding layer and the active layer consist of InGaN. An In composition of the active layer is higher than that of the guiding layer, and further the In composition of the active layer is 20 atom % or more. A blue semiconductor laser element is provided by making an energy difference between band gaps of the cladding layer and the active layer 0.5 eV or more, the In composition of the active layer 20-30 atom % and a thickness of the active layer 1-10 nm. A green semiconductor laser element is provided by making the In composition of the active layer 30-50 atom %, and the thickness of the active layer 1-10 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体から
なる半導体レーザ素子及びその製造方法に関するもので
あり、GaNとInGaNを組み合わせた新規な構成を
有する半導体レーザ素子及びその製造方法に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser device made of a nitride semiconductor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor laser device having a novel structure in which GaN and InGaN are combined and a method for manufacturing the same. .

【0002】[0002]

【従来の技術】GaN系化合物半導体は、半導体レーザ
用の半導体材料として注目を集めており、様々な観点か
らデバイス設計、試作が進められている。GaN系半導
体レーザ素子の発振波長は、青、緑などの短波長領域で
あり、例えば光記録の分野において、記録光や再生光の
短波長化は高密度化、大容量化に繋がることから、光源
としての用途が期待されるところである。
2. Description of the Related Art GaN-based compound semiconductors have attracted attention as semiconductor materials for semiconductor lasers, and device design and trial manufacture have been advanced from various viewpoints. The oscillation wavelength of the GaN-based semiconductor laser device is in the short wavelength region such as blue and green. For example, in the field of optical recording, shortening the wavelength of recording light or reproducing light leads to higher density and higher capacity. It is expected to be used as a light source.

【0003】上記GaN系化合物半導体を用いた半導体
レーザ素子としては、InGaN層を用いたダブルへテ
ロ構造の半導体レーザ素子が開発されており、AlGa
N層でInGaN層を挟み込んだ構造は、注入キャリア
の閉じ込めや光の閉じ込めに有効であるため、高輝度あ
るいは短波長発光用の半導体レーザ素子の構造として採
用されている。例えば、InGaN活性層の上下に隣接
してGaNガイド層を設け、さらにこのGaNガイド層
の外側に隣接してAlGaNクラッド層を配した半導体
レーザ素子においては、InGaN活性層の屈折率をn
、GaNガイド層の屈折率をn、AlGaNクラッ
ド層の屈折率をnとするとき、n>n>nが成
り立つように設定すれば、最も屈折率の高いInGaN
活性層に沿った屈折率導波モードによりレーザ発光が生
ずる。
As a semiconductor laser device using the GaN compound semiconductor, a semiconductor laser device having a double hetero structure using an InGaN layer has been developed.
The structure in which the InGaN layer is sandwiched by N layers is effective for confining injected carriers and light, and is therefore adopted as a structure of a semiconductor laser device for high-luminance or short-wavelength light emission. For example, in a semiconductor laser device in which a GaN guide layer is provided above and below the InGaN active layer and an AlGaN clad layer is provided adjacent to the outside of this GaN guide layer, the refractive index of the InGaN active layer is n.
1 , where n 2 is the refractive index of the GaN guide layer and n 3 is the refractive index of the AlGaN cladding layer, InGaN having the highest refractive index can be obtained by setting n 1 > n 2 > n 3.
Laser emission occurs due to the index guided mode along the active layer.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にGaN系半導体レーザにおいては、クラッド層にAl
GaNを使用しているが、Alの導入は技術上難しい点
がある。例えば、Alは蒸気圧が極端に低いために拡散
し難く、選択成長の際に異常成長が起こりやすい。カタ
ストロフィックオプティカルダメージ(COD)を回避
し、長寿命化を図るためには、Alフリーとすることが
望まれる。
By the way, as described above, in the GaN-based semiconductor laser, the cladding layer is made of Al.
Although GaN is used, introduction of Al is technically difficult. For example, Al has a very low vapor pressure and is difficult to diffuse, and abnormal growth tends to occur during selective growth. In order to avoid catastrophic optical damage (COD) and to prolong the life, Al-free is desired.

【0005】本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案
されたものであり、Alを導入する必要のない新規なG
aN系半導体レーザ素子を提供することを目的とし、さ
らにはその製造方法を提供することを目的とする。ま
た、本発明は、青、緑といった可視光の波長領域のレー
ザ光を室温で連続発振することができ、製造上も簡単な
GaN系半導体レーザ素子を提供することを目的とし、
その製造方法を提供することを目的とする。さらに本発
明は、活性層のIn組成や厚さを調節することで発光波
長を変えることが可能なGaN系半導体レーザ素子を提
供することを目的とし、その製造方法を提供することを
目的とする。
The present invention has been proposed in view of the above-mentioned conventional circumstances, and is a novel G that does not require the introduction of Al.
It is an object of the present invention to provide an aN-based semiconductor laser device, and further to provide a manufacturing method thereof. Another object of the present invention is to provide a GaN-based semiconductor laser device that is capable of continuously oscillating laser light in the visible light wavelength region such as blue and green at room temperature and is simple to manufacture.
It is an object to provide a manufacturing method thereof. A further object of the present invention is to provide a GaN-based semiconductor laser device capable of changing the emission wavelength by adjusting the In composition and thickness of the active layer, and an object thereof is to provide a manufacturing method thereof. .

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、種々の検
討を重ねた結果、青、緑といった可視光の波長領域の半
導体レーザでは、クラッド層にGaNを用いてもクラッ
ド層と活性層の間のバンドギャップエネルギー差を十分
室温発振できるとの知見を得るに至った。
As a result of various studies, the inventors of the present invention have found that in a semiconductor laser in the visible wavelength region such as blue and green, even if GaN is used for the cladding layer, the cladding layer and the active layer We have obtained the knowledge that the band gap energy difference between the two can oscillate at room temperature.

【0007】本発明は、前記知見に基づいて完成された
ものであり、本発明の半導体レーザ素子は、少なくとも
クラッド層、ガイド層及び活性層を有し、クラッド層が
GaNにより構成されるとともに、ガイド層及び活性層
がInGaNにより構成され、活性層のIn組成がガイ
ド層のIn組成よりも高く、且つ活性層のIn組成が2
0原子%以上であることを特徴とするものである。ま
た、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、クラッド
層、ガイド層、活性層、ガイド層、及びクラッド層を順
次積層形成する半導体レーザ素子の製造方法において、
上記各クラッド層をGaNを用いて形成するとともに、
上記各ガイド層及び活性層をInGaNを用いて形成
し、活性層のIn組成がガイド層のIn組成よりも高
く、且つ活性層のIn組成が20原子%以上となるよう
にIn組成を調節することを特徴とするものである。
The present invention has been completed based on the above findings. A semiconductor laser device of the present invention has at least a clad layer, a guide layer and an active layer, and the clad layer is made of GaN. The guide layer and the active layer are made of InGaN, the In composition of the active layer is higher than the In composition of the guide layer, and the In composition of the active layer is 2
It is characterized by being 0 atomic% or more. The method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor laser device in which a clad layer, a guide layer, an active layer, a guide layer, and a clad layer are sequentially laminated.
While forming each of the clad layers using GaN,
Each of the guide layers and the active layer is formed using InGaN, and the In composition is adjusted so that the In composition of the active layer is higher than that of the guide layer and the In composition of the active layer is 20 atomic% or more. It is characterized by that.

【0008】本発明の半導体レーザ素子は、クラッド層
にAlGaNを用いておらず、Alフリーである。した
がって、Alの導入に起因するカタストロフィックオプ
ティカルダメージ(COD)が回避され、異常成長など
の問題が解消される。また、GaNによりクラッド層を
形成する方が製造上も簡単である。さらに、本発明の半
導体レーザ素子の構造を採用した場合、In組成のみで
バンドギャップを変えることができ、活性層のIn組成
と厚さを調節することにより発光波長が調節される。
The semiconductor laser device of the present invention does not use AlGaN for the cladding layer and is Al-free. Therefore, catastrophic optical damage (COD) due to the introduction of Al is avoided, and problems such as abnormal growth are solved. Further, it is easier to manufacture the clad layer with GaN. Further, when the structure of the semiconductor laser device of the present invention is adopted, the band gap can be changed only by the In composition, and the emission wavelength can be adjusted by adjusting the In composition and the thickness of the active layer.

【0009】例えば、クラッド層のバンドギャップと活
性層のバンドギャップのエネルギー差を0.5eV以上
とし、活性層のIn組成を20〜30原子%、活性層厚
を1〜10nmとすることにより、発光波長が460n
m〜490nmの青色半導体レーザ素子となる。また、
クラッド層のバンドギャップと活性層のバンドギャップ
のエネルギー差を0.5eV以上とし、活性層のIn組
成を30〜50原子%、活性層厚を1〜10nmとする
ことにより、発光波長が500nm〜550nmの緑色
半導体レーザ素子となる。
For example, the energy difference between the bandgap of the cladding layer and the bandgap of the active layer is 0.5 eV or more, the In composition of the active layer is 20 to 30 atomic%, and the active layer thickness is 1 to 10 nm. The emission wavelength is 460n
It becomes a blue semiconductor laser device of m to 490 nm. Also,
The energy difference between the bandgap of the cladding layer and the bandgap of the active layer is 0.5 eV or more, the In composition of the active layer is 30 to 50 atomic%, and the active layer thickness is 1 to 10 nm. It becomes a 550 nm green semiconductor laser device.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した半導体レ
ーザ素子及びその製造方法について、図面を参照しなが
ら詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a semiconductor laser device to which the present invention is applied and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings.

【0011】本発明の半導体レーザは、基板上にクラッ
ド層をGaNで構成し、ガイド層をInGaN、活性層
をInGaNとした半導体レーザであり、活性層のIn
組成はガイド層のIn組成より高く設定されている。活
性層のIn組成は20原子%以上である。窒化物半導体
レーザでは、通常、クラッド層にAlGaNを使用して
いるが、青、緑といった可視光の波長領域の半導体レー
ザでは、クラッド層にGaNを用いてもクラッド層と活
性層の間のバンドギャップエネルギー差を十分室温発振
できる。Alの導入は技術上難しい点もあり、本発明の
ようにGaNでクラッド層を形成する方が製造上簡単で
ある。
The semiconductor laser of the present invention is a semiconductor laser in which the cladding layer is made of GaN on the substrate, the guide layer is InGaN, and the active layer is InGaN.
The composition is set higher than the In composition of the guide layer. The In composition of the active layer is 20 atomic% or more. In a nitride semiconductor laser, AlGaN is usually used for the clad layer, but in a semiconductor laser in the visible wavelength region such as blue and green, even if GaN is used for the clad layer, the band between the clad layer and the active layer is increased. The gap energy difference can be sufficiently oscillated at room temperature. Since introducing Al is technically difficult, it is easier to manufacture the clad layer with GaN as in the present invention.

【0012】また、上記構造においては、Inの組成の
みでバンドギャップを変えるため、その組成変化が段階
的にも徐々に変化するようにもできる。したがって、こ
れまでのAlGaN/GaN/InGaN構造に比較し
て、技術上、さらには特性上、種々のメリットを有す
る。
Further, in the above structure, since the band gap is changed only by the composition of In, the composition change can be changed gradually or stepwise. Therefore, compared to the AlGaN / GaN / InGaN structure which has been used so far, it has various merits in terms of technology and characteristics.

【0013】例えば、上記バンドギャップのエネルギー
差を0.5eV以上とするのは、次のような理由によ
る。例えば、これまでのAlGaN/GaN/InGa
N(活性層)からなる半導体レーザ素子では、図1に示
すように、バンドギャップのエネルギー差が大きくなる
に伴ってしきい値電流密度Jthが低下しており、バンド
ギャップのエネルギー差が0.5eVで連続発振(CW
発振)が起こっている。このような結果に基づいて、こ
こでは上記バンドギャップのエネルギー差を0.5eV
以上とする。
For example, the band gap energy difference is set to 0.5 eV or more for the following reason. For example, conventional AlGaN / GaN / InGa
In the semiconductor laser device made of N (active layer), as shown in FIG. 1, the threshold current density Jth decreases as the energy difference in the band gap increases, and the energy difference in the band gap becomes 0. Continuous oscillation at 5 eV (CW
Oscillation) is occurring. Based on these results, here, the energy difference of the band gap is 0.5 eV.
That is all.

【0014】特に、第一の最適値として、例えば、クラ
ッド層のバンドギャップと活性層のバンドギャップのエ
ネルギー差を0.5eV以上とし、活性層のIn組成を
20〜30原子%、活性層厚を1〜10nmとすること
により、発光波長が460nm〜490nmの青色半導
体レーザ素子とすることができる。室温連続発振するた
めには、活性層とクラッド層の間で0.5eV以上のバ
ンドギャップエネルギー差が必要になってくる。ここ
で、Inの組成と活性層の厚さを調節して上記波長に作
製すると青色半導体レーザになり、産業上の応用範囲が
大きく広がるが、本発明の半導体レーザ素子ではAlを
用いていないことから、全体的なバンドギャップを上げ
ることができない。そのため、第一の最適値として上記
の数値範囲を採用する。
Particularly, as the first optimum value, for example, the energy difference between the bandgap of the cladding layer and the bandgap of the active layer is 0.5 eV or more, the In composition of the active layer is 20 to 30 atomic%, and the active layer thickness is Is set to 1 to 10 nm, whereby a blue semiconductor laser device having an emission wavelength of 460 nm to 490 nm can be obtained. For continuous oscillation at room temperature, a bandgap energy difference of 0.5 eV or more is required between the active layer and the cladding layer. Here, if the composition of In and the thickness of the active layer are adjusted to produce the above wavelength, a blue semiconductor laser is obtained, and the industrial application range is greatly expanded. However, the semiconductor laser device of the present invention does not use Al. Therefore, the overall bandgap cannot be increased. Therefore, the above numerical range is adopted as the first optimum value.

【0015】図2は、InGaNにおけるIn組成とバ
ンドギャップエネルギーEg(eV)との関係を示すも
のである。InGaNにおいては、In組成を増やすに
伴ってバンドギャップエネルギーEgが低下するが、I
n組成が20原子%となったところでIn0原子%(す
なわちGaN)とのバンドギャップエネルギー差が0.
5eVを大きく越える。したがって、活性層のIn組成
を20原子%以上に設定する。また、活性層の膜厚に関
しては、図3に示すように、10nmを越えると発光強
度(PL強度)が低下することから、10nm以下に設
定する。
FIG. 2 shows the relationship between the In composition in InGaN and the band gap energy Eg (eV). In InGaN, the band gap energy Eg decreases as the In composition increases, but I
When the n composition becomes 20 atomic%, the band gap energy difference from In0 atomic% (that is, GaN) is 0.
Greatly exceeds 5 eV. Therefore, the In composition of the active layer is set to 20 atomic% or more. Further, as shown in FIG. 3, the thickness of the active layer is set to 10 nm or less because the emission intensity (PL intensity) decreases when it exceeds 10 nm.

【0016】同様に、第二の最適値として、クラッド層
のバンドギャップと活性層のバンドギャップのエネルギ
ー差を0.5eV以上とし、活性層のIn組成を30〜
50原子%、活性層厚を1〜10nmとすることによ
り、発光波長が500nm〜550nmの緑色半導体レ
ーザ素子とすることができる。先の青色半導体レーザの
場合と同様、Inの組成と活性層の厚さを調節するだけ
で緑色半導体レーザになり得ることから、産業上の応用
範囲が大きく広がる。また、この条件ではクラッド層の
バンドギャップと活性層のバンドギャップのエネルギー
差を0.5eV以上とすることは容易である。
Similarly, as a second optimum value, the energy difference between the band gap of the cladding layer and the band gap of the active layer is 0.5 eV or more, and the In composition of the active layer is 30 to 30.
By setting the atomic layer thickness to 50 atomic% and the active layer thickness to 1 to 10 nm, a green semiconductor laser device having an emission wavelength of 500 nm to 550 nm can be obtained. As in the case of the blue semiconductor laser, the green semiconductor laser can be obtained by simply adjusting the In composition and the thickness of the active layer, so that the industrial application range is greatly expanded. Further, under this condition, it is easy to set the energy difference between the band gap of the cladding layer and the band gap of the active layer to 0.5 eV or more.

【0017】さらに、上記活性層において、In/(I
n+Ga)を0.9以上に設定することが望ましい。I
n/(In+Ga)を0.9以上に設定することによ
り、しきい値電流密度を下げることができる。
Further, in the active layer, In / (I
It is desirable to set n + Ga) to 0.9 or more. I
The threshold current density can be reduced by setting n / (In + Ga) to 0.9 or more.

【0018】なお、いずれの場合にも、ガイド層のIn
組成は、例えば2〜10原子%とすればよく、またガイ
ド層の厚さは、例えば10nm以上、100nm以下に
設定すればよい。ガイド層においては、屈折率差Δnが
数%で光閉じ込めが十分と言われている。さらに、クラ
ッド層ともその程度の差が必要である。このような観点
から、ガイド層のIn組成を上記範囲に設定する。ガイ
ド層のIn組成を2原子%以上とすることで、屈折率差
Δnを数%以上にすることができる。さらに、ガイド層
の膜厚10〜100nmでも欠陥が入らない組成とし
て、ガイド層のIn組成を10原子%以下とする。逆
に、上記In組成2〜10原子%において、ガイド層の
厚さが10〜100nmであれば、臨界膜厚以下であ
り、欠陥は入らない。
In any case, In of the guide layer
The composition may be, for example, 2 to 10 atomic%, and the thickness of the guide layer may be set to, for example, 10 nm or more and 100 nm or less. In the guide layer, it is said that the optical confinement is sufficient because the refractive index difference Δn is several%. Furthermore, the degree of difference is also required for the clad layers. From such a viewpoint, the In composition of the guide layer is set within the above range. By setting the In composition of the guide layer to 2 atomic% or more, the refractive index difference Δn can be set to several% or more. Further, the In composition of the guide layer is set to 10 atomic% or less so that the defect does not occur even when the film thickness of the guide layer is 10 to 100 nm. On the contrary, when the thickness of the guide layer is 10 to 100 nm in the above In composition of 2 to 10 atomic%, the thickness is below the critical film thickness and no defects are introduced.

【0019】本発明の半導体レーザ素子は、上記活性
層、ガイド層、クラッド層の他、電極や電極と接するコ
ンタクト層などを有しており、通常の半導体レーザ素子
と同様の構成を有する。ここで、コンタクト層は、In
GaN:Mgにより構成されていることが好ましい。本
発明の半導体レーザ素子では、全層Alを使用しておら
ず、また長波の発光であることから、InGaNであっ
ても光を遮る問題が少ない。
The semiconductor laser device of the present invention has the above-mentioned active layer, guide layer, clad layer, electrodes, contact layers in contact with the electrodes, and the like, and has the same structure as a normal semiconductor laser device. Here, the contact layer is In
It is preferably composed of GaN: Mg. In the semiconductor laser device of the present invention, since Al is not used for all layers and long-wave light is emitted, even if it is InGaN, there is little problem of blocking light.

【0020】また、本発明は、種々の構造の半導体レー
ザ素子に適用することが可能である。例えば、いわゆる
プレーナ型構造であってもよいし、縦構造、選択成長構
造、あるいはこれらの組み合わせなど、種々の構造を採
用することが可能である。特に、選択成長により形成さ
れた(1−101)面(いわゆるS面)上に上記各層を
形成すれば、特性に優れた半導体レーザ素子を実現する
ことができる。
Further, the present invention can be applied to semiconductor laser devices having various structures. For example, a so-called planar structure may be used, or various structures such as a vertical structure, a selective growth structure, or a combination thereof can be adopted. In particular, if the above layers are formed on the (1-101) plane (so-called S plane) formed by selective growth, a semiconductor laser device having excellent characteristics can be realized.

【0021】上記半導体レーザ素子を作製するには、基
板上にクラッド層、ガイド層、活性層、ガイド層、クラ
ッド層を順次積層形成すれば良く、さらに、電極やコン
タクト層を積層形成すればよい。例えば選択成長構造と
する場合には、窒化物により形成された(1−101)
面上に上記クラッド層、ガイド層及び活性層を順次成長
させればよい。(1−101)面は、選択成長により選
択マスク上に窒化物を成長することにより形成すること
ができ、選択成長した傾斜面がS面となる。あるいは、
サファイア基板上に成長した窒化物を加工して種結晶と
し、この種結晶に窒化物を成長して得られた成長面上に
上記クラッド層、ガイド層及び活性層を順次成長させて
もよい。
To manufacture the above semiconductor laser device, a clad layer, a guide layer, an active layer, a guide layer, and a clad layer may be sequentially laminated on the substrate, and further, an electrode and a contact layer may be laminated. . For example, in the case of a selective growth structure, it is formed of nitride (1-101)
The clad layer, the guide layer and the active layer may be sequentially grown on the surface. The (1-101) plane can be formed by growing a nitride on a selective mask by selective growth, and the inclined surface that has been selectively grown becomes the S plane. Alternatively,
The nitride grown on the sapphire substrate may be processed into a seed crystal, and the cladding layer, the guide layer, and the active layer may be sequentially grown on the growth surface obtained by growing the nitride on the seed crystal.

【0022】上記のようにクラッド層、ガイド層、活性
層、ガイド層、及びクラッド層を順次積層形成するに際
して、各クラッド層をGaNを用いて形成するととも
に、各ガイド層及び活性層をInGaNを用いて形成
し、活性層のIn組成がガイド層のIn組成よりも高
く、且つ活性層のIn組成が20原子%以上となるよう
にIn組成を調節する。
When the clad layer, the guide layer, the active layer, the guide layer, and the clad layer are sequentially laminated as described above, each clad layer is formed using GaN, and each guide layer and the active layer is formed of InGaN. The In composition of the active layer is adjusted so that the In composition of the active layer is higher than that of the guide layer and the In composition of the active layer is 20 atomic% or more.

【0023】例えば、青色半導体レーザ素子とする場合
には、活性層のIn組成を20〜30原子%、活性層厚
を1〜10nmとし、発光波長が460nm〜490n
mとなるようにする。緑色半導体レーザ素子とする場合
には、活性層のIn組成を30〜50原子%、活性層厚
を1〜10nmとし、発光波長が500nm〜550n
mとなるようにする。いずれの場合にも、ガイド層のI
n組成は例えば2〜10原子%とする。
For example, in the case of a blue semiconductor laser device, the In composition of the active layer is 20 to 30 atomic%, the thickness of the active layer is 1 to 10 nm, and the emission wavelength is 460 nm to 490 n.
to be m. In the case of a green semiconductor laser device, the In composition of the active layer is 30 to 50 atomic%, the active layer thickness is 1 to 10 nm, and the emission wavelength is 500 nm to 550 n.
to be m. In either case, the guide layer I
The n composition is, for example, 2 to 10 atomic%.

【0024】次に、本発明を適用した半導体レーザ素子
の具体的構造について説明する。先ず、図4は、本発明
をプレーナ構造の半導体レーザ素子に適用したプレーナ
構造青色半導体レーザ素子の一例を示すものである。
Next, a specific structure of the semiconductor laser device to which the present invention is applied will be described. First, FIG. 4 shows an example of a blue semiconductor laser device having a planar structure in which the present invention is applied to a semiconductor laser device having a planar structure.

【0025】このプレーナ構造青色半導体レーザ素子
は、基板1上にクラッド層2、ガイド層3、活性層4、
ガイド層5、クラッド層6を積層してなるものである。
そして、最上層のクラッド層6上にはコンタクト層7が
形成され、さらに、絶縁膜8を介してp電極9が積層さ
れており、絶縁膜8に形成された開口部を介して上記p
電極9は上記コンタクト層8と接続されている。また、
上記各層は、クラッド層2が露出するまで部分的にエッ
チングされており、露出されたクラッド層2上にn電極
10が形成されている。
This planar structure blue semiconductor laser device comprises a cladding layer 2, a guide layer 3, an active layer 4,
The guide layer 5 and the clad layer 6 are laminated.
Then, a contact layer 7 is formed on the uppermost clad layer 6, and a p-electrode 9 is laminated via an insulating film 8, and the p-electrode 9 is formed through an opening formed in the insulating film 8.
The electrode 9 is connected to the contact layer 8. Also,
Each of the above layers is partially etched until the cladding layer 2 is exposed, and the n-electrode 10 is formed on the exposed cladding layer 2.

【0026】基板1には、例えばサファイア基板、また
はバルクのGaN基板などを用いる。サファイア基板を
用いる場合には、窒化ガリウム系化合物半導体材料を成
長させる際に多く利用されているC面を主面としたサフ
ァイア基板が好適である。この場合の基板の主面として
のC面は、5〜6°の範囲で傾いた面方位を含むもので
ある。この他、SiC、ZnS、ZnO、AlN、In
AlGaN、Si、LiMgO、LiGaO、GaA
s、MgAlなどからなる基板も用いることが可
能であり、これらの材料からなる六方晶系基板または立
方晶系基板が好ましく、六方晶系基板がより好ましい。
As the substrate 1, for example, a sapphire substrate or a bulk GaN substrate is used. When a sapphire substrate is used, a sapphire substrate having a C-plane as a main surface, which is often used when growing a gallium nitride-based compound semiconductor material, is suitable. In this case, the C plane as the main surface of the substrate includes a plane orientation inclined in the range of 5 to 6 °. In addition, SiC, ZnS, ZnO, AlN, In
AlGaN, Si, LiMgO, LiGaO 2 , GaA
It is also possible to use a substrate made of s, MgAl 2 O 4 or the like, and a hexagonal crystal substrate or a cubic crystal substrate made of these materials is preferable, and a hexagonal crystal substrate is more preferable.

【0027】クラッド層2は、n型GaN層により形成
される。GaN層は、ノンドープでも結晶中に形成され
る窒素空孔のためn型となる性質があるが、通常、S
i、Ge、Seなどのドナー不純物を結晶成長中にドー
プすることでキャリア濃度の好ましいn型とすることが
できる。また、GaN層に形成される転位などを抑制す
る目的で、上記基板1上には予め温度を変化させて(例
えば低温で)バッファ層を形成しておいてもよい。この
バッファ層は、低温(例えば500℃)で薄い(例えば
20〜30nm程度)GaN層を成長して形成すること
ができる。
The cladding layer 2 is formed of an n-type GaN layer. The GaN layer has the property of becoming n-type even if it is undoped because of the nitrogen vacancies formed in the crystal.
By doping donor impurities such as i, Ge, and Se during crystal growth, an n-type having a preferable carrier concentration can be obtained. Further, in order to suppress dislocations and the like formed in the GaN layer, a buffer layer may be formed on the substrate 1 by changing the temperature in advance (for example, at a low temperature). This buffer layer can be formed by growing a thin (for example, about 20 to 30 nm) GaN layer at a low temperature (for example, 500 ° C.).

【0028】また、基板1上に一旦GaN層を形成し、
その上に開口部が形成された選択マスクを形成し、Ga
N層を選択成長により形成することによっても上記転位
を抑制することが可能である。選択成長によりGaN層
を形成することにより、貫通転位の密度を抑制すること
が可能であり、結晶質の高いGaN層を形成することが
可能である。さらには、GaN層上に成長させる結晶層
の転位密度も低減することができる。
Further, once a GaN layer is formed on the substrate 1,
A selection mask having an opening formed thereon is formed, and Ga is
The dislocation can also be suppressed by forming the N layer by selective growth. By forming the GaN layer by selective growth, it is possible to suppress the density of threading dislocations, and it is possible to form a GaN layer having high crystallinity. Furthermore, the dislocation density of the crystal layer grown on the GaN layer can also be reduced.

【0029】本例では、基板1上にバッファ層(図示は
省略する。)を温度を変化させて成長し、その上にGa
N:Siをクラッド層2として4μmの厚さに1000
℃で成長した。
In this example, a buffer layer (not shown) is grown on the substrate 1 while changing the temperature, and Ga is grown thereon.
N: Si is used as the cladding layer 2 and has a thickness of 4 .mu.m.
It was grown at ℃.

【0030】上記クラッド層2上には、n型のガイド層
3が形成される。本例では、上記クラッド層2上にIn
GaN:Siをガイド層3として成長させた。このn型
のガイド層3を構成するInGaN:SiのIn組成は
10原子%とした。クラッド層2を構成するGaNのバ
ンドギャップ3.4eVに比較して、そのバンドギャッ
プは3.1eVである。なお、ガイド層3であるInG
aN:Siを成長する際の成長温度は、ここでは800
℃とし、またその膜厚は50nmとした。
An n-type guide layer 3 is formed on the clad layer 2. In this example, In is formed on the cladding layer 2.
GaN: Si was grown as the guide layer 3. The In composition of InGaN: Si forming the n-type guide layer 3 was 10 atomic%. The bandgap of the GaN forming the cladding layer 2 is 3.1 eV as compared with the bandgap of 3.4 eV. The guide layer 3 of InG
The growth temperature for growing aN: Si is 800 here.
C. and the film thickness was 50 nm.

【0031】さらに、上記ガイド層3上に活性層4を形
成した。活性層4は、成長温度700℃でInGaN
(In組成25原子%)を3nm成長した。この活性層
4は、上記ガイド層3や後述のガイド層5よりもIn組
成が高く、20原子%を越えている。
Further, an active layer 4 was formed on the guide layer 3. The active layer 4 is made of InGaN at a growth temperature of 700 ° C.
(In composition 25 atomic%) was grown to 3 nm. The active layer 4 has a higher In composition than the guide layer 3 and the guide layer 5 described later, and exceeds 20 atomic%.

【0032】上記活性層4上には、p型のガイド層5、
p型のクラッド層6が順次積層形成されている。窒化物
半導体をp型とするには、結晶中にMg、Zn、C、B
e、Ca、Baなどのアクセプター不純物をドープする
ことによって得られるが、高キャリア濃度のp層を得る
ためには、アクセプター不純物をドープした後、窒素、
アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で400℃以上でアニ
ーリングを行うことが好ましい。また、電子線照射など
により活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射
などで活性化する方法もある。
On the active layer 4, a p-type guide layer 5,
The p-type clad layer 6 is sequentially laminated. To make the nitride semiconductor p-type, Mg, Zn, C, B
Although it can be obtained by doping an acceptor impurity such as e, Ca, or Ba, in order to obtain a p-layer having a high carrier concentration, after the acceptor impurity is doped, nitrogen,
Annealing is preferably performed at 400 ° C. or higher in an atmosphere of an inert gas such as argon. There is also a method of activation by electron beam irradiation or the like, and a method of activation by microwave irradiation or light irradiation.

【0033】本例では、p型のガイド層5としてInG
aN:Mgを上記活性層4上に成長した。このInGa
N:MgのIn組成は10原子%である。なお、このp
型のガイド層5の形成に際して、不純物の活性層4への
混入を防ぐため、Mgのドーピングは活性層4から幾分
離すことが好ましく、これにより比較的特性が良くな
る。
In this example, InG is used as the p-type guide layer 5.
aN: Mg was grown on the active layer 4. This InGa
The In composition of N: Mg is 10 atomic%. In addition, this p
When forming the guide layer 5 of the mold, it is preferable to separate Mg doping from the active layer 4 in order to prevent impurities from being mixed into the active layer 4, which results in relatively good characteristics.

【0034】次いで、上記p型のガイド層5上にp型の
クラッド層6を積層形成する。p型のクラッド層6は、
GaN:Mgを成長温度を上記p型のガイド層5である
InGaNの成長時からそれほど高めないようにして成
長する。厚さは、例えば0.5μmである。
Next, a p-type clad layer 6 is laminated on the p-type guide layer 5. The p-type clad layer 6 is
GaN: Mg is grown so that the growth temperature is not so raised from the time of growing InGaN which is the p-type guide layer 5. The thickness is, for example, 0.5 μm.

【0035】さらに、コンタクト層7として、InGa
N:Mgをp型クラッド層6上に成長する。このコンタ
クト層7のIn組成は例えば10原子%である。このコ
ンタクト層7上にSiOなどからなる絶縁膜8を形成
し、ストライプ部分を絶縁し、さらにp電極9を蒸着形
成する。p電極9は、Al、Ag、Au、Ti、Pt、
Pdなどの金属薄膜、またはこれらの金属薄膜を組み合
わせた積層構造とすることができる。本例では、Pd/
Pt/Auの組み合わせとした。
Further, as the contact layer 7, InGa
N: Mg is grown on the p-type cladding layer 6. The In composition of the contact layer 7 is, for example, 10 atom%. An insulating film 8 made of SiO 2 or the like is formed on the contact layer 7, the stripe portion is insulated, and a p-electrode 9 is formed by vapor deposition. The p electrode 9 is made of Al, Ag, Au, Ti, Pt,
A metal thin film such as Pd, or a laminated structure in which these metal thin films are combined can be used. In this example, Pd /
The combination was Pt / Au.

【0036】また、n電極を接続するために、上記積層
体をエッチングし、n型のクラッド層2を一部露呈さ
せ、その上にn電極10を形成する。n電極10は、T
i/Pt/Auの組み合わせとし、これを蒸着形成し
た。最後に、これを劈開し、共振器形成のための端面を
形成し、半導体レーザ素子を完成する。
Further, in order to connect the n-electrodes, the above-mentioned laminated body is etched to partially expose the n-type cladding layer 2, and the n-electrode 10 is formed thereon. The n-electrode 10 is T
A combination of i / Pt / Au was formed, and this was formed by vapor deposition. Finally, this is cleaved to form an end face for forming a resonator, and a semiconductor laser device is completed.

【0037】上記構造の半導体レーザ素子は、活性層4
のIn組成が20〜30原子%(25原子%)、活性層
厚が1〜10nm(3nm)であり、発光波長が460
nm〜490nmの青色半導体レーザ素子となる。ま
た、この構造で、活性層4の成長温度を約50℃低温化
し、さらにIn組成を30原子%以上に増やすことによ
り、発光波長が500nm〜550nmの緑色半導体レ
ーザ素子となる。
The semiconductor laser device having the above structure has the active layer 4
Has an In composition of 20 to 30 atomic% (25 atomic%), an active layer thickness of 1 to 10 nm (3 nm), and an emission wavelength of 460.
It becomes a blue semiconductor laser element of nm to 490 nm. Further, with this structure, by lowering the growth temperature of the active layer 4 by about 50 ° C. and further increasing the In composition to 30 atomic% or more, a green semiconductor laser device having an emission wavelength of 500 nm to 550 nm is obtained.

【0038】次に、第2の例として、(1−101)面
(いわゆるS面)上に各層を成長したS面青色半導体レ
ーザ素子について説明する。S面青色半導体レーザ素子
は、選択成長した窒化物半導体の傾斜面(S面)上にク
ラッド層、ガイド層、活性層を積層形成したものであ
る。
Next, as a second example, an S-plane blue semiconductor laser device in which each layer is grown on the (1-101) plane (so-called S-plane) will be described. The S-plane blue semiconductor laser device is formed by laminating a cladding layer, a guide layer, and an active layer on the inclined surface (S-plane) of the selectively grown nitride semiconductor.

【0039】S面青色半導体レーザ素子は、図5に示す
ように、基板11上に下地層12を形成し、この下地層
12上にマスク層13を介して窒化物半導体、例えばG
aN:Siを選択成長させて傾斜面(S面)を有する3
角柱状の選択成長層14を形成し、この上にn型クラッ
ド層15、n型ガイド層16、活性層17、p型ガイド
層18、p型クラッド層19、コンタクト層20及びp
電極21を積層形成することにより構成される。また、
下地層12のうち、上記選択成長層14が形成されてい
ない領域には、n電極22が形成されている。このn電
極22形成領域においては、上記マスク層13は除去さ
れて下地層12が露呈しており、n電極22は下地層1
2と直接接続されている。
In the S-plane blue semiconductor laser device, as shown in FIG. 5, an underlayer 12 is formed on a substrate 11, and a nitride semiconductor such as G is formed on the underlayer 12 via a mask layer 13.
aN: Si is selectively grown and has an inclined surface (S surface) 3
A prismatic selective growth layer 14 is formed, and an n-type cladding layer 15, an n-type guide layer 16, an active layer 17, a p-type guide layer 18, a p-type cladding layer 19, a contact layer 20 and a p-layer.
It is configured by stacking the electrodes 21. Also,
An n electrode 22 is formed in a region of the underlayer 12 where the selective growth layer 14 is not formed. In the region where the n-electrode 22 is formed, the mask layer 13 is removed to expose the underlying layer 12, and the n-electrode 22 serves as the underlying layer 1.
It is directly connected to 2.

【0040】ここで用いられる基板11は、S面または
S面に等価な面を有する結晶層を形成し得るものであれ
ば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示する
と、基板として用いることができるのは、サファイア
(Al、A面、R面、C面を含む。)SiC(6
H、4H、3Cを含む。)GaN、Si、ZnS、Zn
O、AlN、LiMgO、GaAs、MgAl
InAlGaNなどからなる基板であり、好ましくはこ
れらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板で
あり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サ
ファイヤ基板を用いる場合では、窒化ガリウム(Ga
N)系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用
されているC面を主面としたサファイヤ基板を用いるこ
とができる。この場合の基板主面としてのC面は、5〜
6°の範囲で傾いた面方位を含むものである。
The substrate 11 used here is not particularly limited as long as it can form a crystal layer having an S-plane or a plane equivalent to the S-plane, and various substrates can be used. For example, the substrate that can be used is sapphire (including Al 2 O 3 , A plane, R plane, and C plane) SiC (6
H, 4H and 3C are included. ) GaN, Si, ZnS, Zn
O, AlN, LiMgO, GaAs, MgAl 2 O 4 ,
A substrate made of InAlGaN or the like, preferably a hexagonal substrate or a cubic substrate made of these materials, more preferably a hexagonal substrate. For example, when using a sapphire substrate, gallium nitride (Ga
It is possible to use a sapphire substrate having a C-plane as the main surface, which is often used when growing a N) -based compound semiconductor material. In this case, the C plane as the main surface of the substrate is 5 to
It includes the plane orientation inclined in the range of 6 °.

【0041】この基板11上に形成される結晶層である
選択成長層14は、基板の主面に対して傾斜したS面ま
たは該S面に実質的に等価な面を有している。この選択
成長層14は後述のS面または該S面に実質的に等価な
面に平行な面にクラッド層やガイド層、活性層を形成可
能な材料層であれば良く、特に限定されるものではない
が、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好
ましい。このような選択成長層14としては、例えばI
II族系化合物半導体やBeMgZnCdS系化合物半
導体を用いることができ、更には窒化ガリウム(Ga
N)系化合物半導体、窒化アルミニウム(AlN)系化
合物半導体、窒化インジウム(InN)系化合物半導
体、窒化インジウムガリウム(InGaN)系化合物半
導体、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系化合
物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガ
リウム系化合物半導体が好ましい。なお、本発明におい
て、InGaN、AlGaN、GaNなどは必ずしも、
3元混晶のみ、2元混晶のみの窒化物半導体を指すので
はなく、例えばInGaNでは、InGaNの作用を変
化させない範囲での微量のAl、その他の不純物を含ん
でいても本発明の範囲であることはいうまでもない。ま
た、S面に実質的に等価な面とは、S面に対して5〜6
°の範囲で傾いた面方位を含むものである。
The selective growth layer 14, which is a crystal layer formed on the substrate 11, has an S plane inclined with respect to the main surface of the substrate or a plane substantially equivalent to the S plane. The selective growth layer 14 may be a material layer capable of forming a clad layer, a guide layer, and an active layer on a surface parallel to an S surface or a surface substantially equivalent to the S surface described later, and is not particularly limited. However, among them, it is preferable to have a wurtzite crystal structure. As such a selective growth layer 14, for example, I
Group II compound semiconductors and BeMgZnCdS compound semiconductors can be used, and gallium nitride (Ga
N) -based compound semiconductors, aluminum nitride (AlN) -based compound semiconductors, indium nitride (InN) -based compound semiconductors, indium gallium nitride (InGaN) -based compound semiconductors, aluminum gallium nitride (AlGaN) -based compound semiconductors are preferably formed. In particular, gallium nitride-based compound semiconductors are preferable. In the present invention, InGaN, AlGaN, GaN, etc. are not necessarily
The present invention is not limited to ternary mixed crystal only and binary mixed crystal only nitride semiconductors. For example, in the case of InGaN, even if a trace amount of Al and other impurities are contained within a range that does not change the action of InGaN, the scope of the present invention. Needless to say. Further, a surface substantially equivalent to the S surface is 5 to 6 with respect to the S surface.
It includes the plane orientation inclined in the range of °.

【0042】この選択成長層14の成長方法としては、
種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属
化合物気相成長法(MOCVD(MOVPE)法)や分
子線エピタキシー法(MBE法)などの気相成長法や、
ハイドライド気相成長法(HVPE法)などを用いるこ
とができる。その中でもMOVPE法によると、迅速に
結晶性の良いものが得られる。MOVPE法では、Ga
ソースとしてTMG(トリメチルガリウム)、TEG
(トリエチルガリウム)、AlソースとしてはTMA
(トリメチルアルミニウム)、TEA(トリエチルアル
ミニウム)、Inソースとしては、TMI(トリメチル
インジウム)、TEI(トリエチルインジウム)などの
アルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはア
ンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、
不純物ソースとしてはSiであればシランガス、Geで
あればゲルマンガス、MgであればCp2Mg(シクロ
ペンタジエニルマグネシウム)、ZnであればDEZ
(ジエチルジンク)などのガスが使用される。MOCV
D法では、これらのガスを例えば600℃以上に加熱さ
れた基板11の表面に供給して、ガスを分解することに
より、InAlGaN系化合物半導体をエピタキシャル
成長させることができる。
As a method of growing the selective growth layer 14,
Various vapor phase epitaxy methods can be mentioned, for example, vapor phase epitaxy methods such as organometallic compound vapor phase epitaxy method (MOCVD (MOVPE) method) and molecular beam epitaxy method (MBE method),
A hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method) or the like can be used. Among them, according to the MOVPE method, a material having good crystallinity can be obtained quickly. In the MOVPE method, Ga
TMG (trimethylgallium) as source, TEG
(Triethylgallium), TMA as Al source
Alkyl metal compounds such as TMI (trimethylindium) and TEI (triethylindium) are often used as (trimethylaluminum), TEA (triethylaluminum), and In sources, and gases such as ammonia and hydrazine are used as nitrogen sources. It Also,
As the impurity source, Si is silane gas, Ge is germane gas, Mg is Cp2Mg (cyclopentadienyl magnesium), and Zn is DEZ.
A gas such as (diethyl zinc) is used. MOCV
In the D method, these gases are supplied to the surface of the substrate 11 heated to, for example, 600 ° C. or higher to decompose the gases, so that the InAlGaN-based compound semiconductor can be epitaxially grown.

【0043】選択成長層14を形成する前に、下地層1
2を基板11上に形成することが好ましい。この下地層
12は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミ二ウム層から
なり、下地層12は低温バッファ層と高温バッファ層と
の組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶
種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地
層12も選択成長層14と同様に、種々の気相成長法で
形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法
(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE
法)、ハイドライド気相成長法(HVPE法)などの気
相成長法を用いることができる。選択成長層14の成長
を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析
出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種
層を含んでからその上に基板11と異なる面を成長する
ことで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、
選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないと
バッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層
から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても
良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層
を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を
成長させることができることになる。バッファ層は基板
と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もあ
る。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、
格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が
形成されない場合もある。たとえば、SiC上にはAl
Nを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、S
i基板上にはAlN、GaNをやはり低温にしないでバ
ッファ層として成長することもあり、それでも良質のG
aNを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構
造であっても良く、GaN基板を使用しても良い。
Before forming the selective growth layer 14, the underlayer 1
2 is preferably formed on the substrate 11. The underlayer 12 is composed of, for example, a gallium nitride layer or an aluminum nitride layer, and the underlayer 12 is composed of a combination of a low temperature buffer layer and a high temperature buffer layer or a combination of a buffer layer and a crystal seed layer functioning as a crystal seed. May be Like the selective growth layer 14, the underlayer 12 can also be formed by various vapor phase epitaxy methods, for example, a metal organic compound vapor phase epitaxy method (MOCVD method) and a molecular beam epitaxy method (MBE).
Method), a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE method), or the like. When the growth of the selective growth layer 14 is started from the low temperature buffer layer, polycrystals are likely to be deposited on the mask, which becomes a problem. Therefore, a crystal having a better crystallinity can be grown by including a crystal seed layer and then growing a surface different from the substrate 11 thereon. Also,
In order to perform crystal growth using selective growth, it is necessary to form from the buffer layer if there is no crystal seed layer, but if selective growth is performed from the buffer layer, growth is hindered. Is more likely to occur. Therefore, by using the crystal seed layer, it is possible to grow the crystal with good selectivity in the region where the growth is required. The buffer layer also has the purpose of alleviating the lattice mismatch between the substrate and the nitride semiconductor. Therefore, a substrate having a lattice constant close to that of the nitride semiconductor,
The buffer layer may not be formed in some cases when the substrates having the same lattice constant are used. For example, Al on SiC
A buffer layer may be added without lowering the temperature of N.
In some cases, AlN and GaN may grow as a buffer layer on the i substrate without being kept at a low temperature.
aN can be formed. Further, the structure may be such that no buffer layer is provided, and a GaN substrate may be used.

【0044】そして、本例においては、S面またはS面
に実質的に等価な面を形成するために、選択成長法を用
いる。S面はC+面の上に選択成長した際に見られる安
定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指
数では(1−101)である。C面にC+面とC−面が
存在するのと同様に、S面についてはS+面とS−面が
存在するが、本明細書においては、特に断らない場合
は、C+面GaN上にS+面を成長しており、これをS
面として説明している。なお、S面についてはS+面が
安定面である。またC+面の面指数は(0001)であ
る。このS面については、前述のように窒化ガリウム系
化合物半導体で選択成長層14を構成した場合には、S
面上、GaからNへのボンド数が2または3とC−面の
次に多くなる。ここでC−面はC+面の上には事実上得
ることができないので、S面でのボンド数は最も多いも
のとなる。例えば、C面を主面に有するサファイア基板
に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の
表面はC+面になるが、選択成長を利用することでS面
を形成することができ、C面に平行な面では脱離しやす
い傾向をもつNのボンドがGaから一本のボンドで結合
しているのに対し、傾いたS面では少なくとも一本以上
のボンドで結合することになる。従って、実効的にV/
III 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上
に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基
板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減
にも有利となる。
Then, in this example, the selective growth method is used to form the S-plane or a plane substantially equivalent to the S-plane. The S-plane is a stable plane that can be seen when selectively grown on the C + plane, is a plane that is relatively easy to obtain, and has a hexagonal plane index of (1-101). Similar to the C + and C− planes on the C plane, there are S + and S− planes on the S plane, but in the present specification, unless otherwise specified, S + on the C + plane GaN. The surface is growing, and this is S
It is described as a surface. Regarding the S surface, the S + surface is the stable surface. The surface index of the C + surface is (0001). Regarding the S-plane, when the selective growth layer 14 is made of a gallium nitride-based compound semiconductor as described above,
On the surface, the number of bonds from Ga to N is 2 or 3, which is the second largest after the C-plane. Here, since the C-plane cannot be practically obtained on the C + plane, the number of bonds on the S-plane becomes the largest. For example, when a nitride is grown on a sapphire substrate having a C-plane as the main surface, the surface of the wurtzite type nitride is generally the C + plane, but the S-plane can be formed by using selective growth. , The bond of N, which tends to be easily detached on the plane parallel to the C-plane, is bonded by one bond from Ga, whereas it is bonded by at least one bond on the inclined S-plane. . Therefore, effectively V /
The III ratio is increased, which is advantageous for improving the crystallinity of the laminated structure. Further, when grown in a direction different from that of the substrate, dislocations extending upward from the substrate may be bent, which is also advantageous in reducing defects.

【0045】具体的な選択成長法としては、選択的に前
記下地層12上に、または前記下地層12形成前に形成
されたマスク層13の開口された部分を利用して行われ
る。マスク層13は例えば酸化シリコン層或いは窒化シ
リコン層によって構成することができる。本例では、マ
スク層13に形成された開口部はスリット状であり、こ
のスリットに沿って3角柱状の選択成長層14が成長さ
れ、両側傾斜面がS面とされている。
A specific selective growth method is carried out selectively on the underlying layer 12 or by utilizing the opened portion of the mask layer 13 formed before the underlying layer 12 is formed. The mask layer 13 can be composed of, for example, a silicon oxide layer or a silicon nitride layer. In this example, the opening formed in the mask layer 13 has a slit shape, the triangular columnar selective growth layer 14 is grown along the slit, and the inclined surfaces on both sides are S surfaces.

【0046】本発明者らの行った実験において、カソー
ドルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測
してみると、S面の結晶は良質でありC+面に比較して
発光効率が高くなっていることが示されている。特にI
nGaN活性層の成長温度は700〜800℃であるた
め、アンモニアの分解効率が低く、よりN種が必要とさ
れる。またAFMで表面を見たところステップが揃って
InGaN取り込みに適した面が観測された。さらにそ
の上、Mgドープ層の成長表面は一般にAFMレベルで
の表面状態が悪いが、S面の成長によりこのMgドープ
層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がか
なり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミ
ネッセンスマッピングを行うと、0. 5〜1μm程度の
分解能で測定することができるが、C+面の上に成長し
た通常の方法では、1μmピッチ程度のむらが存在し、
選択成長でS面を得た試料については均一な結果が得ら
れた。また、SEMで見た斜面の平坦性もC+面より滑
らかに成っている。
In the experiment conducted by the present inventors, when the hexagonal truncated pyramid shape grown by using cathode luminescence is observed, the crystal of the S plane is of good quality and the luminous efficiency is higher than that of the C + plane. Has been shown. Especially I
Since the growth temperature of the nGaN active layer is 700 to 800 ° C., the decomposition efficiency of ammonia is low and more N species are required. Also, when the surface was observed with an AFM, the steps were aligned and a surface suitable for incorporation of InGaN was observed. Furthermore, it is known that the growth surface of the Mg-doped layer generally has a poor surface condition at the AFM level, but the growth of the S-plane also causes the Mg-doped layer to grow in a good surface condition and the doping conditions are considerably different. . Further, when microphotoluminescence mapping is performed, it is possible to measure with a resolution of about 0.5 to 1 μm, but in a normal method grown on the C + plane, there is unevenness of about 1 μm pitch,
Uniform results were obtained for the samples obtained by S-plane by selective growth. Further, the flatness of the slope viewed by SEM is smoother than that of the C + surface.

【0047】また、選択成長マスクを用いて選択成長す
る場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する
際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネル
エピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大し
た形状にすることが可能である。このようなマイクロチ
ャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通
転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかってい
る。
Further, in the case of selective growth using a selective growth mask, there is no lateral growth when growing only on the opening of the selective mask. Therefore, lateral growth is performed using microchannel epitaxy. It is possible to make the shape larger than the window region. It is known that the lateral growth using such microchannel epitaxy makes it easier to avoid threading dislocations and reduces dislocations.

【0048】本例では、下地層12となるGaN:Si
を1〜2μmの厚さに1000°で成長した。その上に
フォトリソグラフィー技術を用いてSiOからなる選
択マスク(マスク層13)を形成した。この例では、マ
スク層13に10μm幅のストライプ状の開口部を形成
し、その上にさらに選択成長層14を選択成長した。選
択成長層14の構成材料は、GaN:Siである。選択
成長したGaN:Siは、上部が屋根のような構造に成
長し、断面三角形の三角柱状を呈している。
In this example, GaN: Si to be the base layer 12
Were grown to a thickness of 1-2 μm at 1000 °. A selective mask (mask layer 13) made of SiO 2 was formed thereon by using a photolithography technique. In this example, a 10 μm wide stripe-shaped opening is formed in the mask layer 13, and the selective growth layer 14 is further selectively grown on the opening. The constituent material of the selective growth layer 14 is GaN: Si. The selectively grown GaN: Si grows in a roof-like structure at the top and has a triangular prism shape with a triangular cross section.

【0049】さらに、上記選択成長した選択成長層14
のS面上に、成長条件を変えてGaN:Siを成長し、
これをn型クラッド層15とした。上記n型クラッド層
15上には、さらにn型ガイド層16が形成される。本
例では、上記n型クラッド層15上にInGaN:Si
をn型ガイド層16として成長させた。このn型ガイド
層16を構成するInGaN:SiのIn組成は10原
子%とした。n型クラッド層15を構成するGaNのバ
ンドギャップ3.4eVに比較して、そのバンドギャッ
プは3.1eVである。なお、n型ガイド層16である
InGaN:Siを成長する際の成長温度は、ここでは
800℃とし、またその膜厚は50nmとした。
Further, the selectively grown layer 14 that has been selectively grown.
GaN: Si is grown on the S-plane of
This was used as the n-type cladding layer 15. An n-type guide layer 16 is further formed on the n-type cladding layer 15. In this example, InGaN: Si is formed on the n-type cladding layer 15.
Was grown as the n-type guide layer 16. The In composition of InGaN: Si forming the n-type guide layer 16 was 10 atomic%. The bandgap of the n-type cladding layer 15 is 3.1 eV as compared with the bandgap of GaN which is 3.4 eV. The growth temperature for growing the InGaN: Si that is the n-type guide layer 16 was 800 ° C. here, and the film thickness thereof was 50 nm.

【0050】さらに、上記n型ガイド層16上に活性層
17を形成した。活性層17は、成長温度700℃でI
nGaN(In組成25原子%)を3nm成長した。こ
の活性層17は、上記n型ガイド層16や後述のp型ガ
イド層18よりもIn組成が高く、20原子%を越えて
いる。
Further, an active layer 17 was formed on the n-type guide layer 16. The active layer 17 has a growth temperature of 700 ° C.
nGaN (In composition: 25 atomic%) was grown to 3 nm. The active layer 17 has a higher In composition than the n-type guide layer 16 and a p-type guide layer 18 described later, and exceeds 20 atomic%.

【0051】上記活性層17上には、p型ガイド層1
8、p型クラッド層19が順次積層形成されている。窒
化物半導体をp型とするには、結晶中にMg、Zn、
C、Be、Ca、Baなどのアクセプター不純物をドー
プすることによって得られるが、高キャリア濃度のp層
を得るためには、アクセプター不純物をドープした後、
窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で400℃以上
でアニーリングを行うことが好ましい。また、電子線照
射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、
光照射などで活性化する方法もある。
A p-type guide layer 1 is formed on the active layer 17.
8 and the p-type clad layer 19 are sequentially laminated. To make the nitride semiconductor p-type, Mg, Zn,
It can be obtained by doping an acceptor impurity such as C, Be, Ca, and Ba. In order to obtain a p-layer having a high carrier concentration, after doping the acceptor impurity,
Annealing is preferably performed at 400 ° C. or higher in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon. There is also a method of activation by electron beam irradiation, microwave irradiation,
There is also a method of activation by light irradiation.

【0052】本例では、p型ガイド層18としてInG
aN:Mgを上記活性層17上に成長した。このInG
aN:MgのIn組成は10原子%である。なお、この
p型ガイド層18の形成に際して、不純物の活性層17
への混入を防ぐため、Mgのドーピングは活性層17か
ら幾分離すことが好ましく、これにより比較的特性が良
くなる。
In this example, InG is used as the p-type guide layer 18.
aN: Mg was grown on the active layer 17. This InG
The In composition of aN: Mg is 10 atomic%. When forming the p-type guide layer 18, the impurity active layer 17 is formed.
In order to prevent contamination with Mg, it is preferable that the Mg doping be separated from the active layer 17 to some extent, which results in relatively good characteristics.

【0053】次いで、上記p型ガイド層18上にp型ク
ラッド層19を積層形成する。p型クラッド層19は、
GaN:Mgを成長温度を上記p型ガイド層18である
InGaNの成長時からそれほど高めないようにして成
長する。厚さは、例えば0.5μmである。
Next, a p-type clad layer 19 is laminated on the p-type guide layer 18. The p-type clad layer 19 is
GaN: Mg is grown so that the growth temperature is not so raised from the time of growing InGaN that is the p-type guide layer 18. The thickness is, for example, 0.5 μm.

【0054】さらに、コンタクト層20として、InG
aN:Mgをp型クラッド層19上に成長する。このコ
ンタクト層20のIn組成は例えば10原子%である。
このコンタクト層20上に、さらにp電極21を蒸着形
成する。p電極21は、Al、Ag、Au、Ti、P
t、Pdなどの金属薄膜、またはこれらの金属薄膜を組
み合わせた積層構造とすることができる。本例では、P
d/Pt/Auの組み合わせとした。
Further, as the contact layer 20, InG is used.
aN: Mg is grown on the p-type cladding layer 19. The In composition of the contact layer 20 is, for example, 10 atom%.
On the contact layer 20, a p electrode 21 is further formed by vapor deposition. The p electrode 21 is made of Al, Ag, Au, Ti, P
A metal thin film of t, Pd or the like, or a laminated structure in which these metal thin films are combined can be used. In this example, P
The combination was d / Pt / Au.

【0055】また、n電極を接続するために、上記マス
ク層13をフッ酸系エッチャントによりエッチングし、
下地層12を一部露呈させ、その上にn電極22を形成
する。n電極22は、Ti/Pt/Auの組み合わせと
し、これを蒸着形成した。最後に、これを劈開し、共振
器形成のための端面を形成し、半導体レーザ素子を完成
する。
In order to connect the n-electrode, the mask layer 13 is etched with a hydrofluoric acid-based etchant,
The underlying layer 12 is partially exposed, and the n electrode 22 is formed thereon. The n-electrode 22 was a combination of Ti / Pt / Au and was formed by vapor deposition. Finally, this is cleaved to form an end face for forming a resonator, and a semiconductor laser device is completed.

【0056】上記構造のS面青色半導体レーザ素子は、
活性層17のIn組成が20〜30原子%(25原子
%)、活性層厚が1〜10nm(3nm)であり、発光
波長が460nm〜490nmの青色半導体レーザ素子
となる。また、この構造で、活性層17の成長温度を約
50℃低温化し、さらにIn組成を30原子%以上に増
やすことにより、発光波長が500nm〜550nmの
緑色半導体レーザ素子となる。
The S-plane blue semiconductor laser device having the above structure is
The blue semiconductor laser device has an In composition of the active layer 17 of 20 to 30 atomic% (25 atomic%), an active layer thickness of 1 to 10 nm (3 nm), and an emission wavelength of 460 nm to 490 nm. Further, with this structure, by lowering the growth temperature of the active layer 17 by about 50 ° C. and further increasing the In composition to 30 atomic% or more, a green semiconductor laser device having an emission wavelength of 500 nm to 550 nm is obtained.

【0057】最後に、上記S面青色半導体レーザの変形
例に相当する特殊S面青色半導体レーザ素子について説
明する。本例も、先のS面青色半導体レーザ素子と同
様、選択成長した窒化物半導体の傾斜面(S面)上にク
ラッド層、ガイド層、活性層を積層形成するものである
が、n電極の取り出し構造が先のS面青色半導体レーザ
素子とは異なっている。
Finally, a special S-plane blue semiconductor laser device corresponding to a modification of the S-plane blue semiconductor laser will be described. Also in this example, similar to the S-plane blue semiconductor laser device, the cladding layer, the guide layer, and the active layer are laminated on the inclined surface (S-plane) of the selectively grown nitride semiconductor. The take-out structure is different from that of the S-plane blue semiconductor laser device.

【0058】特殊S面青色半導体レーザ素子は、図6に
示すように、基板31上に窒化物半導体、例えばGa
N:Siを選択成長させて傾斜面(S面)を有する3角
柱状の選択成長層32を形成し、この上にn型クラッド
層33、n型ガイド層34、活性層35、p型ガイド層
36、p型クラッド層37、コンタクト層38及びp電
極39を積層形成することにより構成される。
As shown in FIG. 6, the special S-plane blue semiconductor laser device has a nitride semiconductor such as Ga on a substrate 31.
N: Si is selectively grown to form a triangular column-shaped selective growth layer 32 having an inclined surface (S surface), on which an n-type cladding layer 33, an n-type guide layer 34, an active layer 35, a p-type guide are formed. The layer 36, the p-type cladding layer 37, the contact layer 38, and the p-electrode 39 are laminated and formed.

【0059】本例では、基板31にはサファイア基板、
またはバルクのGaN基板を用いる。その上に必要に応
じてバッファ層などを温度を変化させて成長し、さらに
下地層となるGaN:Siを1〜2μmの厚さに100
0°で成長した。その上にフォトリソグラフィー技術を
用いてSiOからなる選択マスクを形成した。選択マ
スクは、10μm幅のストライプ以外の部分をマスクし
たもので、GaNを開口部を全てエッチングする。その
上にさらに選択成長層32を選択成長した。選択成長層
32の構成材料は、GaN:Siである。選択成長した
GaN:Siは、上部が屋根のような構造に成長し、断
面三角形の三角柱状を呈している。
In this example, the substrate 31 is a sapphire substrate,
Alternatively, a bulk GaN substrate is used. If necessary, a buffer layer or the like is grown while changing the temperature, and GaN: Si serving as an underlayer is further grown to a thickness of 1 to 2 μm.
Grew at 0 °. A selective mask made of SiO 2 was formed thereon by using a photolithography technique. The selection mask masks the portion other than the 10 μm-wide stripe, and the GaN is etched at all openings. A selective growth layer 32 was further selectively grown thereon. The constituent material of the selective growth layer 32 is GaN: Si. The selectively grown GaN: Si grows in a roof-like structure at the top and has a triangular prism shape with a triangular cross section.

【0060】さらに、上記選択成長した選択成長層32
のS面上に、成長条件を変えてGaN:Siを成長し、
これをn型クラッド層33とした。上記n型クラッド層
33上には、さらにn型ガイド層34が形成される。本
例では、上記n型クラッド層33上にInGaN:Si
をn型ガイド層34として成長させた。このn型ガイド
層34を構成するInGaN:SiのIn組成は10原
子%とした。n型クラッド層33を構成するGaNのバ
ンドギャップ3.4eVに比較して、そのバンドギャッ
プは3.1eVである。なお、n型ガイド層34である
InGaN:Siを成長する際の成長温度は、ここでは
800℃とし、またその膜厚は50nmとした。
Further, the selectively grown layer 32 that has been selectively grown.
GaN: Si is grown on the S-plane of
This was used as the n-type cladding layer 33. An n-type guide layer 34 is further formed on the n-type cladding layer 33. In this example, InGaN: Si is formed on the n-type cladding layer 33.
Was grown as an n-type guide layer 34. The In composition of InGaN: Si forming the n-type guide layer 34 was 10 atomic%. The bandgap of the n-type cladding layer 33 is 3.1 eV as compared with the bandgap of GaN which is 3.4 eV. The growth temperature for growing InGaN: Si, which is the n-type guide layer 34, was 800 ° C. here, and the film thickness thereof was 50 nm.

【0061】さらに、上記n型ガイド層34上に活性層
35を形成した。活性層35は、成長温度700℃でI
nGaN(In組成25原子%)を3nm成長した。こ
の活性層35は、上記n型ガイド層34や後述のp型ガ
イド層36よりもIn組成が高く、20原子%を越えて
いる。
Further, an active layer 35 was formed on the n-type guide layer 34. The active layer 35 has a growth temperature of 700 ° C.
nGaN (In composition: 25 atomic%) was grown to 3 nm. The In composition of the active layer 35 is higher than that of the n-type guide layer 34 and a p-type guide layer 36 described later, and exceeds 20 atomic%.

【0062】上記活性層35上には、p型ガイド層3
6、p型クラッド層37が順次積層形成されている。窒
化物半導体をp型とするには、結晶中にMg、Zn、
C、Be、Ca、Baなどのアクセプター不純物をドー
プすることによって得られるが、高キャリア濃度のp層
を得るためには、アクセプター不純物をドープした後、
窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で400℃以上
でアニーリングを行うことが好ましい。また、電子線照
射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、
光照射などで活性化する方法もある。
The p-type guide layer 3 is formed on the active layer 35.
6 and the p-type clad layer 37 are sequentially laminated. To make the nitride semiconductor p-type, Mg, Zn,
It can be obtained by doping an acceptor impurity such as C, Be, Ca, and Ba. In order to obtain a p-layer having a high carrier concentration, after doping the acceptor impurity,
Annealing is preferably performed at 400 ° C. or higher in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon. There is also a method of activation by electron beam irradiation, microwave irradiation,
There is also a method of activation by light irradiation.

【0063】本例では、p型ガイド層36としてInG
aN:Mgを上記活性層35上に成長した。このInG
aN:MgのIn組成は10原子%である。なお、この
p型ガイド層36の形成に際して、不純物の活性層35
への混入を防ぐため、Mgのドーピングは活性層35か
ら幾分離すことが好ましく、これにより比較的特性が良
くなる。
In this example, InG is used as the p-type guide layer 36.
aN: Mg was grown on the active layer 35. This InG
The In composition of aN: Mg is 10 atomic%. When the p-type guide layer 36 is formed, the impurity active layer 35 is formed.
In order to prevent the impurities from being mixed into the active layer 35, it is preferable that the Mg doping be separated from the active layer 35, which results in relatively good characteristics.

【0064】次いで、上記p型ガイド層36上にp型ク
ラッド層37を積層形成する。p型クラッド層37は、
GaN:Mgを成長温度を上記p型ガイド層36である
InGaNの成長時からそれほど高めないようにして成
長する。厚さは、例えば0.5μmである。
Next, a p-type clad layer 37 is laminated on the p-type guide layer 36. The p-type clad layer 37 is
GaN: Mg is grown so that the growth temperature is not raised so much from the time of growing InGaN which is the p-type guide layer 36. The thickness is, for example, 0.5 μm.

【0065】さらに、コンタクト層38として、InG
aN:Mgをp型クラッド層37上に成長する。このコ
ンタクト層38のIn組成は例えば10原子%である。
このコンタクト層38上に、さらにp電極39を蒸着形
成する。p電極39は、Al、Ag、Au、Ti、P
t、Pdなどの金属薄膜、またはこれらの金属薄膜を組
み合わせた積層構造とすることができる。本例では、P
d/Pt/Auの組み合わせとした。
Further, as the contact layer 38, InG is used.
aN: Mg is grown on the p-type cladding layer 37. The In composition of the contact layer 38 is, for example, 10 atom%.
A p-electrode 39 is further vapor-deposited on the contact layer 38. The p electrode 39 is made of Al, Ag, Au, Ti, P
A metal thin film of t, Pd, or the like, or a laminated structure in which these metal thin films are combined can be used. In this example, P
The combination was d / Pt / Au.

【0066】本例の半導体レーザ素子は、n電極を取る
構造が先の例とは異なる。具体的には、サファイアなど
からなる基板31のGaN以外の部分に予め導電性Ti
などを成膜しておき、InGaN:Mgまで成長した後
にTi上の部分をエッチングし、そこだけ導通を取れば
よい。あるいは、このストライプ部分を全てポリイミド
などに埋め込み、転写して裏面側にn電極を形成すれば
よい。転写の際にはエキシマレーザなどを裏面から照射
しレーザアブレーションにより基板から剥離するが、裏
面からエキシマレーザが照射され剥離により露出する部
分がn層であるので、この部分に注意深くTi/Pt/
Auなどを蒸着すればよい。
The semiconductor laser device of this example is different from the previous example in the structure of taking the n-electrode. Specifically, conductive Ti is previously formed on a portion other than GaN of the substrate 31 made of sapphire or the like.
It is sufficient to form a film such as the above, grow InGaN: Mg, and then etch the portion on Ti to establish conduction only there. Alternatively, the stripe portion may be entirely embedded in polyimide or the like and transferred to form the n-electrode on the back surface side. At the time of transfer, the back surface is irradiated with an excimer laser or the like and peeled from the substrate by laser ablation. However, since the part exposed by the excimer laser from the back surface and exposed by the peeling is the n layer, the Ti / Pt /
Au or the like may be vapor-deposited.

【0067】上記構造の特殊S面青色半導体レーザ素子
も、活性層17のIn組成が20〜30原子%(25原
子%)、活性層厚が1〜10nm(3nm)であり、発
光波長が460nm〜490nmの青色半導体レーザ素
子となる。また、この構造で、活性層17の成長温度を
約50℃低温化し、さらにIn組成を30原子%以上に
増やすことにより、発光波長が500nm〜550nm
の緑色半導体レーザ素子となる。
The special S-plane blue semiconductor laser device having the above structure also has an In composition of the active layer 17 of 20 to 30 atomic% (25 atomic%), an active layer thickness of 1 to 10 nm (3 nm), and an emission wavelength of 460 nm. It becomes a blue semiconductor laser device of ˜490 nm. With this structure, the growth temperature of the active layer 17 is lowered by about 50 ° C., and the In composition is further increased to 30 atomic% or more, whereby the emission wavelength is 500 nm to 550 nm.
It becomes a green semiconductor laser device.

【0068】[0068]

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、Alを導入する必要のない新規なGaN系
半導体レーザ素子を提供することができ、Alを導入す
ることによる不都合を解消することができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a novel GaN-based semiconductor laser device that does not require the introduction of Al, and the disadvantages of introducing Al are encountered. It can be resolved.

【0069】また、本発明の半導体レーザ素子は、青、
緑といった可視光の波長領域のレーザ光を室温で連続発
振することができ、これまでで最も強い発光素子(光
源)となり得る。したがって、本発明の半導体レーザ素
子は、フルカラーディスプレイなどに応用することが可
能である。本発明の半導体レーザ素子は、GaNを用い
たレーザ素子であるが、GaN系材料は比較的耐久性が
あり、ハイパワー化も容易である。
The semiconductor laser device of the present invention is blue,
Laser light in the visible light wavelength range such as green can be continuously oscillated at room temperature, and it can be the strongest light emitting element (light source) to date. Therefore, the semiconductor laser device of the present invention can be applied to a full-color display or the like. The semiconductor laser device of the present invention is a laser device using GaN, but the GaN-based material is relatively durable and can easily be made high power.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】AlGaN/GaN/InGaN(活性層)か
らなる半導体レーザ素子におけるバンドギャップのエネ
ルギー差としきい値電流密度Jの関係を示す特性図であ
る。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing a relationship between a bandgap energy difference and a threshold current density J in a semiconductor laser device made of AlGaN / GaN / InGaN (active layer).

【図2】InGaNにおけるIn組成とバンドギャップ
エネルギーEgの関係を示す特性図である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between In composition and bandgap energy Eg in InGaN.

【図3】活性層膜厚と発光強度の関係を示す特性図であ
る。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between active layer thickness and emission intensity.

【図4】本発明を適用したプレーナ型半導体レーザ素子
の一例を示す概略斜視図である。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing an example of a planar semiconductor laser device to which the present invention is applied.

【図5】本発明を適用したS面半導体レーザ素子の一例
を示す概略斜視図である。
FIG. 5 is a schematic perspective view showing an example of an S-plane semiconductor laser device to which the present invention is applied.

【図6】本発明を適用した特殊S面半導体レーザ素子の
一例を示す概略斜視図である。
FIG. 6 is a schematic perspective view showing an example of a special S-plane semiconductor laser device to which the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11,31 基板、2,15,33 n型クラッド
層、3,16,34 n型ガイド層、4,17,35
活性層、5,18,36 p型ガイド層、6,19,3
7 p型クラッド層、7,20,38 コンタクト層、
9,21,39p電極、10,22 n電極
1,11,31 substrate, 2,15,33 n-type clad layer, 3,16,34 n-type guide layer, 4,17,35
Active layer, 5,18,36 p-type guide layer, 6,19,3
7 p-type clad layer, 7, 20, 38 contact layer,
9,21,39p electrode, 10,22n electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 琵琶 剛志 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 大畑 豊治 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 5F073 AA04 AA45 AA73 AA89 BA06 CA07 CB10 DA05 EA07    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Takeshi Biwa             6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Soni             -Inside the corporation (72) Inventor Toyoji Ohata             6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Soni             -Inside the corporation F term (reference) 5F073 AA04 AA45 AA73 AA89 BA06                       CA07 CB10 DA05 EA07

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくともクラッド層、ガイド層及び活
性層を有し、クラッド層がGaNにより構成されるとと
もに、ガイド層及び活性層がInGaNにより構成さ
れ、活性層のIn組成がガイド層のIn組成よりも高
く、且つ活性層のIn組成が20原子%以上であること
を特徴とする半導体レーザ素子。
1. A cladding layer, a guide layer, and an active layer, at least the cladding layer is made of GaN, the guide layer and the active layer are made of InGaN, and the In composition of the active layer is the In composition of the guide layer. And the In composition of the active layer is 20 atomic% or more.
【請求項2】 クラッド層のバンドギャップと活性層の
バンドギャップのエネルギー差が0.5eV以上である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ素子。
2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the energy difference between the band gap of the cladding layer and the band gap of the active layer is 0.5 eV or more.
【請求項3】 上記活性層のIn組成が20〜30原子
%、活性層厚が1〜10nmであり、発光波長が460
nm〜490nmであることを特徴とする請求項2記載
の半導体レーザ素子。
3. The active layer has an In composition of 20 to 30 atomic%, an active layer thickness of 1 to 10 nm, and an emission wavelength of 460.
The semiconductor laser device according to claim 2, wherein the semiconductor laser device has a wavelength of nm to 490 nm.
【請求項4】 上記ガイド層のIn組成が2〜10原子
%であることを特徴とする請求項3記載の半導体レーザ
素子。
4. The semiconductor laser device according to claim 3, wherein the In composition of the guide layer is 2 to 10 atomic%.
【請求項5】 上記活性層のIn組成が30〜50原子
%、活性層厚が1〜10nmであり、発光波長が500
nm〜550nmであることを特徴とする請求項2記載
の半導体レーザ素子。
5. The In composition of the active layer is 30 to 50 atomic%, the thickness of the active layer is 1 to 10 nm, and the emission wavelength is 500.
The semiconductor laser device according to claim 2, wherein the semiconductor laser device has a thickness of nm to 550 nm.
【請求項6】 上記ガイド層のIn組成が2〜10原子
%であることを特徴とする請求項5記載の半導体レーザ
素子。
6. The semiconductor laser device according to claim 5, wherein the In composition of the guide layer is 2 to 10 atom%.
【請求項7】 上記活性層において、In/(In+G
a)≧0.9であることを特徴とする請求項1記載の半
導体レーザ素子。
7. In / (In + G) in the active layer
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a) ≧ 0.9.
【請求項8】 電極と接するコンタクト層を有し、当該
コンタクト層がInGaN:Mgにより構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ素子。
8. The semiconductor laser device according to claim 1, further comprising a contact layer in contact with the electrode, the contact layer being composed of InGaN: Mg.
【請求項9】 上記ガイド層の厚さが10nm以上、1
00nm以下であることを特徴とする請求項1記載の半
導体レーザ素子。
9. The thickness of the guide layer is 10 nm or more, 1
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device has a thickness of 00 nm or less.
【請求項10】 窒化物半導体からなる結晶層の(1−
101)面上に上記各層が結晶成長されていることを特
徴とする請求項1記載の半導体レーザ素子。
10. A crystal layer of (1-
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein each of the layers is crystal-grown on the (101) plane.
【請求項11】 上記結晶層は選択成長により形成され
ていることを特徴とする請求項10記載の半導体レーザ
素子。
11. The semiconductor laser device according to claim 10, wherein the crystal layer is formed by selective growth.
【請求項12】 クラッド層、ガイド層、活性層、ガイ
ド層、及びクラッド層を順次積層形成する半導体レーザ
素子の製造方法において、 上記各クラッド層をGaNを用いて形成するとともに、
上記各ガイド層及び活性層をInGaNを用いて形成
し、活性層のIn組成がガイド層のIn組成よりも高
く、且つ活性層のIn組成が20原子%以上となるよう
にIn組成を調節することを特徴とする半導体レーザ素
子の製造方法。
12. A method of manufacturing a semiconductor laser device in which a clad layer, a guide layer, an active layer, a guide layer, and a clad layer are sequentially laminated, wherein each clad layer is formed of GaN, and
Each of the guide layers and the active layer is formed using InGaN, and the In composition is adjusted so that the In composition of the active layer is higher than that of the guide layer and the In composition of the active layer is 20 atomic% or more. A method of manufacturing a semiconductor laser device, comprising:
【請求項13】 クラッド層のバンドギャップと活性層
のバンドギャップのエネルギー差が0.5eV以上とな
るようにすることを特徴とする請求項12記載の半導体
レーザ素子の製造方法。
13. The method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 12, wherein the energy difference between the band gap of the cladding layer and the band gap of the active layer is 0.5 eV or more.
【請求項14】 上記活性層のIn組成を20〜30原
子%、活性層厚を1〜10nmとし、発光波長が460
nm〜490nmの青色半導体レーザ素子とすることを
特徴とする請求項13記載の半導体レーザ素子の製造方
法。
14. The active layer has an In composition of 20 to 30 atomic%, an active layer thickness of 1 to 10 nm, and an emission wavelength of 460.
14. The method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 13, wherein the blue semiconductor laser device has a wavelength of nm to 490 nm.
【請求項15】 上記ガイド層のIn組成を2〜10原
子%とすることを特徴とする請求項14記載の半導体レ
ーザ素子の製造方法。
15. The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 14, wherein the In composition of the guide layer is 2 to 10 atom%.
【請求項16】 上記活性層のIn組成を30〜50原
子%、活性層厚を1〜10nmとし、発光波長が500
nm〜550nmの緑色半導体レーザ素子とすることを
特徴とする請求項13記載の半導体レーザ素子の製造方
法。
16. The active layer has an In composition of 30 to 50 atomic%, an active layer thickness of 1 to 10 nm, and an emission wavelength of 500.
14. The method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 13, wherein the green semiconductor laser device has a wavelength of nm to 550 nm.
【請求項17】 上記ガイド層のIn組成を2〜10原
子%とすることを特徴とする請求項16記載の半導体レ
ーザ素子の製造方法。
17. The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 16, wherein the In composition of the guide layer is 2 to 10 atomic%.
【請求項18】 窒化物により形成された(1−10
1)面上に上記クラッド層、ガイド層及び活性層を順次
成長させることを特徴とする請求項12記載の半導体レ
ーザ素子の製造方法。
18. A nitride formed of (1-10)
13. The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 12, wherein the clad layer, the guide layer and the active layer are sequentially grown on the surface 1).
【請求項19】 選択成長により選択マスク上に窒化物
を成長し、その選択成長した成長面上に上記クラッド
層、ガイド層及び活性層を順次成長させることを特徴と
する請求項18記載の半導体レーザ素子の製造方法。
19. The semiconductor according to claim 18, wherein nitride is grown on the selective mask by selective growth, and the cladding layer, the guide layer and the active layer are sequentially grown on the selectively grown growth surface. Laser element manufacturing method.
【請求項20】 サファイア基板上に成長した窒化物を
加工して種結晶とし、この種結晶に窒化物を成長して得
られた成長面上に上記クラッド層、ガイド層及び活性層
を順次成長させることを特徴とする請求項18記載の半
導体レーザ素子の製造方法。
20. A nitride grown on a sapphire substrate is processed to form a seed crystal, and the cladding layer, the guide layer and the active layer are sequentially grown on the growth surface obtained by growing the nitride on the seed crystal. 19. The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 18, wherein the method is performed.
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