JP2004259997A

JP2004259997A - GaN GROUP COMPOUND SEMICONDUCTOR LASER ELEMENT

Info

Publication number: JP2004259997A
Application number: JP2003049772A
Authority: JP
Inventors: Jun Komiyama; 純小宮山; Yoshihisa Abe; 芳久阿部; Shunichi Suzuki; 俊一鈴木; Hideo Nakanishi; 秀夫中西
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a GaN group compound semiconductor laser element capable of continuously carrying out oscillation at room temperature. <P>SOLUTION: The GaN group compound semiconductor laser element comprises a GaN, InGaN, AlGaN, or AlInGaN semiconductor, and has a structure wherein an active layer 5 with a single quantum well or multiple quantum well structure is sandwiched between a first clad layer 4 made of an n-type Al<SB>X</SB>Ga<SB>1-X</SB>N (0.5<X≤1) semiconductor with greater band gap and smaller refractive index than those of the active layer and a second clad layer 6 made of a p-type Al<SB>Y</SB>Ga<SB>1-Y</SB>N (0.5<Y≤1) semiconductor, and the ratio of a difference between the refractive index of the active layer and the refractive index of the clad layers to the refractive index of the active layer is 7% or over with respect to the wavelength of laser. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、短波長のレーザー光を発振するＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物半導体レーザー素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップ半導体であるため、紫外線から赤色までの発光素子の材料として知られており、最近、この材料で高輝度の青色ＬＥＤ（発光ダイオード）、緑色ＬＥＤが実現され、次の目標としてレーザー素子の実現が望まれている。
【０００３】
従来、ＧａＮ系化合物半導体レーザー素子としては、閾値電流を下げるため、ｎ型ＧａＮ層の表面に導波路として少なくともｎ型ＧａＮ系化合物半導体よりなるｎクラッド層と、ｎ型あるいはｐ型のＧａＮ系化合物半導体よりなる活性層と、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体よりなるｐクラッド層とが順にストライプ形状で積層されて成るダブルヘテロ構造のレーザー素子であり、前記導波路のストライブ幅が５０μｍ以下であるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０７−１７６８２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子では、閾値電流を低くして室温での連続発振が望まれているものの、現状の閾値電流は実用に供するには未だ高い。
【０００６】
そこで、本発明は、室温での連続発振を可能とし得るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の提供を課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有する活性層が、この活性層よりもバンドギャップが大きく、かつ，屈折率が小さいｎ型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）半導体からなる第１のクラッド層及びｐ型Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０．５＜Ｙ≦１）半導体からなる第２のクラッド層で挾み込まれる構造を備え、活性層とクラッド層との屈折率差の割合がレーザー波長において７％以上であることを特徴とする。
【０００８】
ここで、活性層とクラッド層との屈折率差の割合の値Ｐは、次式で算出されるものをいう。
【数１】

【０００９】
又、第２のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子は、第１のものにおいて、前記活性層と両クラッド層との間にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、屈折率が活性層より小さく、かつ、両クラッド層より大きい光導波層が介在されていることを特徴とする。
【００１０】
一方、前記第１のクラッド層は、ｎ型ＡｌＮ半導体からなり、かつ、第２のクラッド層は、ｐ型ＡｌＮ半導体からなることが好ましい。
又、前記活性層とクラッド層との屈折率差の割合は、レーザー波長において１０％以上であることが好ましい。
【００１１】
【作用】
本発明の第１のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子においては、閾値電流が、１０ｍＡ台と従来の１／５程度になる。
【００１２】
又、第２のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子においては、第１のものによる作用の他、さらに閾値電流が５ｍＡ台と従来の１／１０程度となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の実施の形態の一例を示す概念的な断面図である。
【００１４】
図中１はＳｉ（シリコン）単結晶からなる基板で、この基板１上にはｃ−ＢＰ（立方晶リン化ホウ素）単結晶からなる厚さ１〜１００ｎｍ程度のバッファ（緩衝）層２を介在してｎ型のｃ−ＧａＮ（立方晶窒化ガリウム）単結晶膜からなる厚さ０．１〜１０μｍ程度の第１のコンタクト層３が形成されている。
なお、基板１は、Ｓｉ単結晶からなるものに限らず、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等からなるものであってもよく、又、バッファ層は、ｃ−ＢＰ単結晶層からなるものに限らず、基材１の材料に応じて、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）等からなるものであってもよい。
【００１５】
第１のコンタクト層３上には、ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）半導体からなる厚さ０．０１〜５μｍ程度の第１のクラッド層４、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ（窒化アルミニウムインジウムガリウム）半導体からなり、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有する厚さ０．０１〜０．１μｍ程度の活性層５及びｐ型Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０．５＜Ｙ≦１）半導体からなる厚さ０．０１〜５μｍ程度の第２のクラッド層６を順次積層し、活性層５を第１、第２のクラッド層４，６で挾み込む構造の導波路が形成されている。
この導波路の第１、第２のクラッド層４，６は、活性層５よりもバンドギャップＥｇ（活性層：２．６〜４．５ｅＶ，クラッド層：４．６〜６．２ｅＶ）が大きく、かつ、屈折率ｎ（活性層：２．８〜２．５、クラッド層：２．３〜２．１）が小さいものであり、又、活性層５とクラッド層４，６との屈折率差の値は、レーザー波長において７％以上、好ましくは１０％以上とされている。
【００１６】
そして、導波路の第２のクラッド層６上には、ｐ型のｃ−ＧａＮ単結晶膜からなる厚さ０．０１〜１μｍ程度の第２のコンタクト層７が形成されており、この第２のコンタクト層７上には、Ａｕ（金）からなる電極８が形成されている一方、第１のコンタクト層３上には、Ａｌ（アルミニウム）からなる電極９が形成されているものである。
【００１７】
ここで、第１のクラッド層４の組成を変えて屈折率ｎを測定したところ、図２に示すように、Ｘを０．５から１へ変化させることにより、すなわち、ＡｌＧａＮ三元混晶からＡｌＮ二元混晶とすることにより、レーザー波長における屈折率ｎが２．３程度から２．１程度に小さくなった。
したがって、活性層５とクラッド層４，６との屈折率差の割合が７％以上となり、閾値電流を１０ｍＡ台と従来の１／５程度とすることができ、室温での連続発振が実現可能であることが分かる。
【００１８】
なお、上述した実施の形態においては、導波路の活性層５を第１、第２のクラッド層４，６で直に挾み込む構造とする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、活性層５と第１、第２のクラッド層４，６との間に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ半導体からなり、屈折率が活性層５より小さく、かつ、両クラッド層４，６より大きい厚さ０．０１〜１μｍ程度の第１、第２の光導波層１０，１１を介在させるようにしてもよい。
このようにすることにより、光の閉込め作用強化となるので、閾値電流をさらに低減（１／１０程度）できる。
又、導波路における活性層５を挟み込む第１、第２のクラッド層４，６及び第１、第２のコンタクト層３，７におけるｐ型、ｎ型の関係は、上下の位置を入れ換えてもよい。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子によれば、閾値電流が１０ｍＡ台と従来の１／５程度となるので、室温での連続発振を可能とすることができる。
【００２０】
又、第２のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子によれば、第１のものによる作用効果の他、光の閉込め作用強化となるので、閾値電流をさらに低減（１／１０程度）できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の実施の形態の一例を示す概念的な断面図である。
【図２】図１のＧａＮ系化合物半導体レーザー素子における第１のクラッド層の組成を変えた場合の屈折率の説明図である（第２のグラッド層の場合も同様であり、又、活性層にＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮを用いる場合も同様であるが、活性層をＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮに限定するものではない）。
【図３】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体レーザー素子の実施の形態の他の例を示す概念的な断面図である
【符号の説明】
１基板
２バッファ層
３第１のコンタクト層
４第１のクラッド層
５活性層
６第２のクラッド層
７第２のコンタクト層
８電極
９電極
１０第１の光導波層
１１第２の光導波層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a GaN (gallium nitride) -based compound semiconductor laser device that oscillates short-wavelength laser light.
[0002]
[Prior art]
A GaN-based compound semiconductor is a direct transition type wide bandgap semiconductor, and is therefore known as a material for light-emitting elements from ultraviolet to red. Recently, high-brightness blue LEDs (light-emitting diodes) and green LEDs have been developed using this material. The realization of a laser device is desired as the next goal.
[0003]
Conventionally, as a GaN-based compound semiconductor laser device, an n-cladding layer made of at least an n-type GaN-based compound semiconductor as a waveguide on the surface of an n-type GaN layer, A laser device having a double hetero structure in which an active layer made of a semiconductor and a p-cladding layer made of a p-type GaN-based compound semiconductor are sequentially laminated in a stripe shape, wherein the stripe width of the waveguide is 50 μm or less. Is disclosed (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-07-176826 [0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional GaN-based compound semiconductor laser device, although it is desired to reduce the threshold current and continuously oscillate at room temperature, the current threshold current is still high for practical use.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a GaN-based compound semiconductor laser device capable of continuous oscillation at room temperature.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a first GaN-based compound semiconductor laser device according to the present invention comprises a GaN, InGaN, AlGaN or AlInGaN semiconductor, and has an active layer having a single quantum well or a multiple quantum well structure. A first cladding layer made of an n-type Al _X Ga _1-X N (0.5 <X ≦ 1) semiconductor having a larger band gap and a smaller refractive index, and a p-type Al _Y Ga _1-Y N ( 0.5 <Y ≦ 1) a structure sandwiched by a second cladding layer made of a semiconductor, wherein the ratio of the refractive index difference between the active layer and the cladding layer is 7% or more at the laser wavelength. I do.
[0008]
Here, the value P of the ratio of the refractive index difference between the active layer and the cladding layer is calculated by the following equation.
(Equation 1)

[0009]
Further, the second GaN-based compound semiconductor laser element according to the first aspect, comprises a GaN, InGaN, AlGaN or AlInGaN semiconductor between the active layer and both cladding layers, has a smaller refractive index than the active layer, and An optical waveguide layer larger than both clad layers is interposed.
[0010]
On the other hand, it is preferable that the first cladding layer is made of an n-type AlN semiconductor, and the second cladding layer is made of a p-type AlN semiconductor.
Further, the ratio of the difference in the refractive index between the active layer and the cladding layer is preferably 10% or more at the laser wavelength.
[0011]
[Action]
In the first GaN-based compound semiconductor laser device of the present invention, the threshold current is on the order of 10 mA, which is about 1/5 of the conventional value.
[0012]
In addition, in the second GaN-based compound semiconductor laser device, in addition to the action of the first device, the threshold current is further reduced to about 5/10, which is on the order of 5 mA.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual sectional view showing an example of an embodiment of a GaN-based compound semiconductor laser device according to the present invention.
[0014]
In the drawing, reference numeral 1 denotes a substrate made of a single crystal of Si (silicon), and a buffer (buffer) layer 2 of a single crystal of c-BP (cubic boron phosphide) having a thickness of about 1 to 100 nm is interposed on the substrate 1. Then, a first contact layer 3 having a thickness of about 0.1 to 10 μm made of an n-type c-GaN (cubic gallium nitride) single crystal film is formed.
The substrate 1 is not limited to a single crystal of Si, but may be a single crystal of sapphire, SiC (silicon carbide), ZnO (zinc oxide), or the like. The material is not limited to a layer and may be made of AlN (aluminum nitride), GaN (gallium nitride), AlGaN (aluminum gallium nitride), or the like, depending on the material of the base material 1.
[0015]
On the first contact layer 3, a first cladding layer 4 of n-type Al _X Ga _1-X N (0.5 <X ≦ 1) semiconductor having a thickness of about 0.01 to 5 μm, GaN, InGaN (Indium gallium nitride), AlGaN or AlInGaN (aluminum indium gallium nitride) semiconductor, active layer 5 having a single quantum well or multiple quantum well structure and having a thickness of about 0.01 to 0.1 μm, and p-type Al _Y Ga _A second cladding layer 6 made of _1-YN (0.5 <Y ≦ 1) semiconductor and having a thickness of about 0.01 to 5 μm is sequentially laminated, and the active layer 5 is formed into a first cladding layer 4 and a second cladding layer 4. A waveguide having a structure sandwiched by 6 is formed.
The first and second cladding layers 4 and 6 of this waveguide have a larger band gap Eg (active layer: 2.6 to 4.5 eV, cladding layer: 4.6 to 6.2 eV) than the active layer 5. And the refractive index n (active layer: 2.8 to 2.5, clad layer: 2.3 to 2.1) is small, and the refractive index between the active layer 5 and the clad layers 4 and 6 is small. The difference value is 7% or more, preferably 10% or more at the laser wavelength.
[0016]
Then, on the second cladding layer 6 of the waveguide, a second contact layer 7 made of a p-type c-GaN single crystal film and having a thickness of about 0.01 to 1 μm is formed. An electrode 8 made of Au (gold) is formed on the contact layer 7, while an electrode 9 made of Al (aluminum) is formed on the first contact layer 3.
[0017]
Here, when the refractive index n was measured while changing the composition of the first cladding layer 4, as shown in FIG. 2, by changing X from 0.5 to 1, that is, from the AlGaN ternary mixed crystal, The AlN binary mixed crystal reduced the refractive index n at the laser wavelength from about 2.3 to about 2.1.
Therefore, the ratio of the refractive index difference between the active layer 5 and the cladding layers 4 and 6 is 7% or more, the threshold current can be reduced to about 10 mA, which is about 10 mA, and continuous oscillation at room temperature can be realized. It turns out that it is.
[0018]
In the above-described embodiment, the case where the active layer 5 of the waveguide is directly sandwiched between the first and second cladding layers 4 and 6 has been described. However, the present invention is not limited to this. Instead, as shown in FIG. 3, between the active layer 5 and the first and second cladding layers 4 and 6, the active layer 5 is made of a GaN, InGaN, AlGaN or AlInGaN semiconductor, has a lower refractive index than the active layer 5, and Alternatively, the first and second

optical waveguide layers

10 and 11 having a thickness of about 0.01 to 1 μm larger than the cladding layers 4 and 6 may be interposed.
By doing so, the effect of confining light is enhanced, so that the threshold current can be further reduced (about 1/10).
Further, the relationship between the p-type and the n-type in the first and second cladding layers 4 and 6 and the first and

second contact layers

3 and 7 sandwiching the active layer 5 in the waveguide can be changed even if the upper and lower positions are exchanged. Good.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the first GaN-based compound semiconductor laser device of the present invention, since the threshold current is on the order of 10 mA, which is about 1/5 of the conventional value, continuous oscillation can be performed at room temperature. .
[0020]
Further, according to the second GaN-based compound semiconductor laser device, in addition to the effect of the first device, the effect of confining light is enhanced, so that the threshold current can be further reduced (about 1/10).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual sectional view showing an example of an embodiment of a GaN-based compound semiconductor laser device according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a refractive index when the composition of a first cladding layer in the GaN-based compound semiconductor laser device of FIG. 1 is changed (the same applies to the case of a second cladding layer; _Al Although the case of using the _{X Ga 1-X} N is the same, is not intended to limit the active layer to the _Al _{X Ga 1-X} N) on.
FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view showing another example of the embodiment of the GaN-based compound semiconductor laser device according to the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Buffer layer 3 First contact layer 4 First cladding layer 5 Active layer 6 Second cladding layer 7 Second contact layer 8 Electrode 9 Electrode 10 First optical waveguide layer 11 Second optical waveguide layer

Claims

An active layer made of a GaN, InGaN, AlGaN or AlInGaN semiconductor and having a single quantum well or multiple quantum well structure has an n-type Al _X Ga _1-X having a larger band gap and a smaller refractive index than this active layer. (0.5 <X ≦ 1) A structure sandwiched between a first cladding layer made of a semiconductor and a second cladding layer made of a p-type Al _Y Ga _1-Y N (0.5 <Y ≦ 1) semiconductor Wherein the ratio of the difference in the refractive index between the active layer and the cladding layer is 7% or more at the laser wavelength.

An optical waveguide layer made of a GaN, InGaN, AlGaN or AlInGaN semiconductor, having a refractive index smaller than that of the active layer, and larger than both clad layers is interposed between the active layer and both clad layers. 2. The GaN-based compound semiconductor laser device according to claim 1,

3. The GaN-based compound semiconductor laser device according to claim 1, wherein the first cladding layer is made of an n-type AlN semiconductor, and the second cladding layer is made of a p-type AlN semiconductor.

4. The GaN-based compound semiconductor laser device according to claim 1, wherein a ratio of a refractive index difference between the active layer and the cladding layer is 10% or more at a laser wavelength.