JP2005101536A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents

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真吾 枡井
Tomonori Morizumi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor laser element for oscillating in a short wavelength range. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor laser element comprises, on a substrate: an n-type cladding layer and an n-type optical-guide layer both composed of a nitride semiconductor containing Al; an active layer composed of a nitride semiconductor containing In and Al and having a quantum-well structure with a well layer; and a p-type optical-guide layer and a p-type cladding layer both composed of a nitride semiconductor containing Al, wherein the well layer of the active layer is composed of Al<SB>x</SB>In<SB>y</SB>Ga<SB>1-x-y</SB>N (0.02≤x≤0.05, 0.005≤y≤0.03, x+y<1); a first barrier layer and a second barrier layer, which interpose the active layer, are composed of Al<SB>u</SB>Ga<SB>1-u</SB>N (0.10≤u≤0.17); and the film thickness of the well layer is larger than those of the barrier layers. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、紫外域から赤色に至るまで、幅広い波長域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、DVDなど、大容量・高密度の情報記録・再生録画が可能な光ディスクシステムへの利用にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源等として期待されている。
また、窒化物半導体レーザ素子において、365nm以下の波長域での発光、発振がさらに重要となっている。これは、365nm以下の短波長化により、環境に無害である窒化物半導体レーザ素子が水銀ランプなどの代替製品あるいはそれらの応用製品として実用化が可能となるからである。
Today, semiconductor lasers using nitride semiconductors are considered capable of oscillating in a wide wavelength range from the ultraviolet to the red, and their application range is high-capacity and high-density information recording and playback such as DVDs. It is expected not only for use in an optical disc system capable of recording, but also as a light source for laser printers, optical networks, and the like.
Further, in the nitride semiconductor laser element, light emission and oscillation in a wavelength region of 365 nm or less are more important. This is because a nitride semiconductor laser element which is harmless to the environment can be put into practical use as an alternative product such as a mercury lamp or an application product thereof by shortening the wavelength to 365 nm or less.

窒化物半導体レーザ素子等において、短波長の発光を得るには、活性層におけるIn混晶比を変化させることが考えられる。しかしながら、GaNのバンドギャップである波長370nm以下では、InGaNを発光層に用いることが困難となる。また、波長が短くなると、導波路内のガイド層で光の吸収による損失が発生し、閾値電流が高くなる。
このような窒化物半導体素子の短波長化への試みとして、AlInGaN等の量子井戸構造を用いるものがある。これにより、理論上は、井戸層におけるAl組成比を変化させることで、所望の発光波長のレーザ素子や発光素子が得られる。
特開平10−270756号公報
In order to obtain light having a short wavelength in a nitride semiconductor laser element or the like, it is conceivable to change the In mixed crystal ratio in the active layer. However, it is difficult to use InGaN for the light emitting layer at a wavelength of 370 nm or less, which is the band gap of GaN. Further, when the wavelength is shortened, a loss due to light absorption occurs in the guide layer in the waveguide, and the threshold current increases.
As an attempt to shorten the wavelength of such a nitride semiconductor device, there is one using a quantum well structure such as AlInGaN. Thus, theoretically, by changing the Al composition ratio in the well layer, a laser element or a light emitting element having a desired emission wavelength can be obtained.
JP-A-10-270756

しかしながら、上記特許文献1に示すようなAlInGaNなどのAlを含む窒化物半導体をレーザ素子に用いる場合においては、他のAlを含まない窒化物半導体に比べて、クラックが発生しやすくなる。このクラックの発生を防止しなければ、窒化物半導体素子として動作しないものとなる。そのため、Alを含有させる短波長化とクラック発生防止とは排他的な関係であった。さらに、短波長化において、GaNは365nmに光の吸収端を有し、それよりも10nmほど波長の長い領域でも高い吸収係数を有することから、この370m以下の短波長域でのレーザ素子や発光素子への使用が困難となる。   However, in the case where a nitride semiconductor containing Al such as AlInGaN as shown in Patent Document 1 is used for a laser element, cracks are likely to occur compared to other nitride semiconductors not containing Al. If the generation of this crack is not prevented, it will not operate as a nitride semiconductor device. For this reason, the shortening of the wavelength containing Al and the prevention of crack generation have an exclusive relationship. Furthermore, in order to shorten the wavelength, GaN has a light absorption edge at 365 nm, and since it has a high absorption coefficient even in a region having a wavelength as long as 10 nm, laser elements and light emission in this short wavelength region of 370 m or less. Use in an element becomes difficult.

加えて、レーザ素子における活性層は、その素子特性が結晶性に大きく依存することから、活性層の上下に配置される導電型層の結晶性が素子特性向上に極めて重要な要因となる。通常、窒化物半導体発光素子は、基板上にn型層、活性層、p型層の順に積層された構造を有している。そのため、基板上のn型層及び活性層上のp型層における結晶性を良好なものとする必要がある。   In addition, since the element characteristics of the active layer in the laser element greatly depend on the crystallinity, the crystallinity of the conductive type layers disposed above and below the active layer is an extremely important factor for improving the element characteristics. Usually, a nitride semiconductor light emitting device has a structure in which an n-type layer, an active layer, and a p-type layer are stacked in this order on a substrate. Therefore, it is necessary to improve the crystallinity in the n-type layer on the substrate and the p-type layer on the active layer.

そこで、本発明は、紫外から青色、例えば、発振波長が350nm以上367nm以下、特に352nm以上365nm以下の窒化物半導体レーザ素子において、窒化物半導体の結晶性を良好なものとし、クラックの発生を抑制したレーザ素子であって、閾値電流密度を低減させた素子構造を形成することを目的とする。   Therefore, the present invention improves the crystallinity of a nitride semiconductor and suppresses the generation of cracks in a nitride semiconductor laser element having an ultraviolet to blue color, for example, an oscillation wavelength of 350 nm to 367 nm, particularly 352 nm to 365 nm. An object of the present invention is to form an element structure having a reduced threshold current density.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、下記の構成により本発明の目的を達成することができる。
(1)本発明の第1の窒化物半導体レーザ素子は、基板上にAlを含む窒化物半導体からなるn型クラッド層とn型光ガイド層、InとAlとを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造をした活性層、及びAlを含む窒化物半導体からなるp型光ガイド層とp型クラッド層とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、前記活性層の井戸層が、AlxInyGa1-x-yN(0.02≦x≦0.05、0.005≦y≦0.03、x+y<1)からなり、該活性層を挟んだ第1の障壁層及び第2の障壁層がAluGa1-uN(0.10≦u≦0.17)からなり、前記井戸層の膜厚が前記障壁層の膜厚よりも厚膜である。
The nitride semiconductor laser device of the present invention can achieve the object of the present invention with the following configuration.
(1) A first nitride semiconductor laser element according to the present invention includes an n-type cladding layer and an n-type light guide layer made of a nitride semiconductor containing Al on a substrate, and a well made of a nitride semiconductor containing In and Al. In a nitride semiconductor laser device including an active layer having a quantum well structure having a layer, a p-type light guide layer made of a nitride semiconductor containing Al, and a p-type cladding layer, the well layer of the active layer is made of Al x In y Ga 1-xy N (0.02 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.03, x + y <1), the first barrier layer and the second layer sandwiching the active layer The barrier layer is made of Al u Ga 1-u N (0.10 ≦ u ≦ 0.17), and the thickness of the well layer is larger than that of the barrier layer.

活性層の井戸層が、4元混晶であれば理論上は短波長域での発光は可能であるが、これでは活性層の周辺からクラックが発生する。そのため、本発明では前記井戸層をAlxInyGa1-x-yN(0.02≦x≦0.05、0.005≦y≦0.03、x+y<1)からなる構成とすることにより、該井戸層の上下層におけるクラックの発生を抑制する。特に4元混晶において、Inを0.005から0.03の範囲とすることで該井戸層を中心に歪みが緩和される。また、4元混晶の井戸層を上記範囲にした場合であっても、その上下に積層される障壁層との整合性によっては結晶性を低下させてしまう。そこで、本発明は前記井戸層を挟んだ障壁層をAluGa1-uN(0.10≦u≦0.17)からなる構成とすることで井戸層と障壁層と良好な整合性を保つことができ結晶性の低下を防ぐことができる。 If the well layer of the active layer is a quaternary mixed crystal, it is theoretically possible to emit light in a short wavelength region, but in this case, a crack is generated from the periphery of the active layer. Therefore, in the present invention, the well layer is made of Al x In y Ga 1-xy N (0.02 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.03, x + y <1). The generation of cracks in the upper and lower layers of the well layer is suppressed. In particular, in a quaternary mixed crystal, by setting In to the range of 0.005 to 0.03, the strain is relieved around the well layer. Even if the quaternary mixed crystal well layer is in the above range, the crystallinity is lowered depending on the consistency with the barrier layers stacked above and below the well layer. In view of this, the present invention achieves good alignment between the well layer and the barrier layer by forming the barrier layer sandwiching the well layer from Al u Ga 1-u N (0.10 ≦ u ≦ 0.17). It is possible to keep the crystallinity from being lowered.

井戸層と障壁層を上記混晶比で積層する場合には、井戸層の膜厚を障壁層よりも厚くすることで、効果的に活性層の周辺でのクラックの発生が抑制できる。前記活性層は単一量子井戸層について述べたが、多重量子井戸層としてもよく、最終層は井戸層で形成しても障壁層で形成してもよい。
(2)上記構成において、前記n型及びp型クラッド層が、AlcGa1-cN(0.07≦c≦0.10)からなる第1層と、AldGa1-dN(0.11≦d≦0.14)からなる第2層よりなる超格子層であることが好ましい。
When the well layer and the barrier layer are stacked at the above mixed crystal ratio, the occurrence of cracks around the active layer can be effectively suppressed by making the well layer thicker than the barrier layer. Although the active layer has been described as a single quantum well layer, it may be a multiple quantum well layer, and the final layer may be formed of a well layer or a barrier layer.
(2) In the above configuration, the n-type and p-type cladding layers include a first layer made of Al c Ga 1-c N (0.07 ≦ c ≦ 0.10), and Al d Ga 1-d N ( It is preferable that the superlattice layer is a second layer composed of 0.11 ≦ d ≦ 0.14).

前述した条件で活性層を結晶性よく成長させた場合であっても、その下層で、すでにクラックが発生していればレーザ素子とすることはできない。また、前記活性層の上に成長する上層についても同様である。特に発振波長を365nm以下とする窒化物半導体レーザ素子においては、活性層と、その上下層との相性であったり、これらの上下層の結晶性が素子特性に顕著な差として現れる。そこで、前記n型及びp型クラッド層を、Al混晶を上記範囲とした第1層と第2層からなる超格子層とすることでクラッド層内でのクラック発生を抑制することができる。   Even when the active layer is grown with good crystallinity under the conditions described above, a laser element cannot be formed if a crack has already occurred in the lower layer. The same applies to the upper layer grown on the active layer. In particular, in a nitride semiconductor laser element with an oscillation wavelength of 365 nm or less, the compatibility between the active layer and its upper and lower layers, and the crystallinity of these upper and lower layers appear as a significant difference in element characteristics. Therefore, by forming the n-type and p-type cladding layers as superlattice layers composed of the first layer and the second layer in which the Al mixed crystal is in the above range, generation of cracks in the cladding layer can be suppressed.

(3)上記構成において、前記n型及びp型光ガイド層が、AlcGa1−cN(0.055≦c≦0.075)からなることが好ましい。これによって、ガイド層内及びガイド層とこの層に接した層との界面でのクラック発生を抑制することができる。
(4)上記構成において、前記活性層とp型光ガイド層との間に、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいAlを含む窒化物半導体層を介していることが好ましい。該Alを含む窒化物半導体層は、p型キャリア閉込め層として機能する。
(3) In the above configuration, the n-type and p-type light guide layers are preferably made of AlcGa1-cN (0.055 ≦ c ≦ 0.075). As a result, the generation of cracks in the guide layer and at the interface between the guide layer and the layer in contact with this layer can be suppressed.
(4) In the above configuration, it is preferable that a nitride semiconductor layer containing Al having a larger band gap energy than the active layer is interposed between the active layer and the p-type light guide layer. The nitride semiconductor layer containing Al functions as a p-type carrier confinement layer.

(5)上記構成において、前記基板は、少なくとも光導波路領域の直下は低転位領域としていることが好ましい。前記基板に結晶欠陥の少ない下地層を備えていることで、該下地層の上に成長させる活性層には、下からの転位の伝播が少なく、レーザ素子の寿命特性は大幅に向上する。活性層を成長させるのに結晶欠陥の少ない下地層の面積は、光導波路の狭範囲が低転位領域であればよい。また前記基板を用いることで基板と窒化物半導体層との界面でのクラック発生も抑制することができる。   (5) In the above configuration, it is preferable that the substrate has a low dislocation region at least immediately below the optical waveguide region. By providing the substrate with an underlayer with few crystal defects, the active layer grown on the underlayer has less dislocation propagation from below, and the lifetime characteristics of the laser device are greatly improved. The area of the base layer with few crystal defects for growing the active layer may be a low dislocation region in the narrow range of the optical waveguide. Further, by using the substrate, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the interface between the substrate and the nitride semiconductor layer.

(6)上記構成において、前記基板は、異種基板の表面上に周期的なストライプ状、格子状又は島状の第1の窒化物半導体層と、該第1の窒化物半導体層の上面、及び/又は側面を核として成長することで前記異種基板の全面を覆う第2の窒化物半導体層とを備えていることが好ましい。このような基板であれば、低転位領域を広範囲で形成するのみならず、第1の窒化物半導体層同士の間に空洞を形成することができ、これにより基板の反りを緩和してクラックの発生を抑制することができる。   (6) In the above configuration, the substrate includes a periodic stripe-shaped, lattice-shaped, or island-shaped first nitride semiconductor layer on a surface of a heterogeneous substrate, an upper surface of the first nitride semiconductor layer, and It is preferable that the second nitride semiconductor layer cover the entire surface of the heterogeneous substrate by growing using the side surface as a nucleus. With such a substrate, not only can a low dislocation region be formed in a wide range, but also a cavity can be formed between the first nitride semiconductor layers, thereby reducing the warpage of the substrate and reducing cracks. Occurrence can be suppressed.

(7)上記構成において、前記第2の窒化物半導体層には低転位領域が形成されていることが好ましい。これにより、レーザ素子の寿命特性は大幅に向上する。
(8)上記構成において、前記基板の低転位領域における転位数が1×107個/cm2以下であることが好ましい。基板の結晶性はその上に成長させる各層に引き継がれるが、前記低転位領域における転位数が1×107個/cm2以下であれば、この上に成長させる各層の結晶性が安定する。
(7) In the above structure, it is preferable that a low dislocation region is formed in the second nitride semiconductor layer. As a result, the life characteristics of the laser element are greatly improved.
(8) In the above configuration, the number of dislocations in the low dislocation region of the substrate is preferably 1 × 10 7 pieces / cm 2 or less. The crystallinity of the substrate is inherited by each layer grown on it, but if the number of dislocations in the low dislocation region is 1 × 10 7 / cm 2 or less, the crystallinity of each layer grown thereon is stabilized.

前記基板としては、窒化物半導体と異なる材質からなる異種基板を用いることができる。C面、R面及びA面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル(MgA124)のような絶縁性基板、窒化物半導体と格子整合する酸化物基板、その他にはSi、SiC等の導電性基板である。好ましくは、前記異種基板上に結晶欠陥の少ない窒化物半導体を成長させた擬似窒化物半導体基板や、窒化物バルク単結晶からウェハ加工した窒化物半導体基板を用いる。窒化物半導体基板や導電性の基板を用いれば、同一面上に電極を形成したレーザ素子構造に限定されずに、対向電極構造とすることができる。 As the substrate, a heterogeneous substrate made of a material different from the nitride semiconductor can be used. Insulating substrate such as sapphire, spinel (MgA1 2 O 4 ) whose principal surface is C-plane, R-plane or A-plane, oxide substrate lattice-matched with nitride semiconductor, and others such as Si, SiC, etc. This is a conductive substrate. Preferably, a pseudo-nitride semiconductor substrate in which a nitride semiconductor with few crystal defects is grown on the heterogeneous substrate, or a nitride semiconductor substrate in which a wafer is processed from a nitride bulk single crystal is used. If a nitride semiconductor substrate or a conductive substrate is used, a counter electrode structure can be obtained without being limited to a laser element structure in which electrodes are formed on the same surface.

また、窒化物半導体の内部に微細なクラックの発生を防止するために、異種基板にはオフアングル角を以下に示す範囲で形成する。サファイアのC面がステップ状にオフアングルされ、オフアングル角θが0.01°〜0.3°の範囲のものが好ましい。オフアングル角θが0.01°未満であると横方向に成長させる窒化物半導体の内部に微細なクラックが発生しやすくなる傾向があり、一方オフ角が0.3°を超えると、選択成長の窒化物半導体の面状態がステップ状になり、その上に素子構造を成長させるとステップが若干強調され、素子のショート及び閾値(Ith)の上昇を招き易くなる傾向がある。このような微細なクラックは、寿命特性の低下を引き起こす原因となる可能性がある。従って、上記のようにオフアングルされた基板を用いることが、微細なクラックの発生を防止する点で好ましい。   Further, in order to prevent the occurrence of fine cracks in the nitride semiconductor, the off-angle angle is formed in the following range on the dissimilar substrate. It is preferable that the C-plane of sapphire is off-angled stepwise and the off-angle angle θ is in the range of 0.01 ° to 0.3 °. If the off-angle angle θ is less than 0.01 °, fine cracks tend to occur inside the nitride semiconductor grown in the lateral direction, while if the off-angle angle exceeds 0.3 °, selective growth occurs. When the surface state of the nitride semiconductor becomes step-like and the device structure is grown thereon, the step is slightly emphasized, and the device tends to be short-circuited and the threshold value (Ith) is easily increased. Such fine cracks may cause a decrease in life characteristics. Therefore, it is preferable to use the off-angled substrate as described above in terms of preventing the occurrence of fine cracks.

(9)上記構成において、前記基板がAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる基板であることが好ましい。その他には、前記基板の上にHVPE法又はMOCVD法でGaN層を積層し、異種基板等を除去してGaN層のみとしたGaN基板、NH3流体中でGaN種結晶上に単結晶GaNを再結晶させて形成したGaN基板等を用いることもできる。
(10)さらに、前記窒化物半導体レーザ素子が一対の共振器面を有し、該共振器面の光出射端面に、誘電体多層膜が形成されていてもよい。
(9) In the above configuration, the substrate is preferably a substrate made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). In addition, a GaN layer is laminated on the substrate by HVPE method or MOCVD method, a heterogeneous substrate is removed and only the GaN layer is removed, and single crystal GaN is formed on a GaN seed crystal in NH 3 fluid. A GaN substrate formed by recrystallization can also be used.
(10) Further, the nitride semiconductor laser element may have a pair of resonator surfaces, and a dielectric multilayer film may be formed on a light emitting end surface of the resonator surface.

(11)前記誘電体多層膜は、光出射端面側から少なくとも5λ/4n以上の膜厚の酸化シリコン膜とλ/4nの膜厚の酸化ジルコニウム膜との積層膜により形成することができる。
(12)本発明の第2の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、Alを含む窒化物半導体からなるn型クラッド層とn型光ガイド層、InとAlとを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造をした活性層、及びAlを含む窒化物半導体からなるp型光ガイド層とp型クラッド層とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、前記窒化物半導体レーザ素子が一対の共振器面を有し、該共振器面の光出射端面に、光出射端面側から少なくとも5λ/4n以上の膜厚の酸化シリコン膜とλ/4nの膜厚の酸化ジルコニウム膜との積層膜からなる誘電体多層膜が形成されてなる。
(11) The dielectric multilayer film can be formed of a laminated film of a silicon oxide film having a thickness of at least 5λ / 4n and a zirconium oxide film having a thickness of λ / 4n from the light emitting end face side.
(12) A second nitride semiconductor laser element of the present invention is formed on a substrate with an n-type cladding layer and an n-type light guide layer made of a nitride semiconductor containing Al, and a nitride semiconductor containing In and Al. A nitride semiconductor laser device comprising an active layer having a quantum well structure having a well layer, a p-type light guide layer made of a nitride semiconductor containing Al, and a p-type cladding layer, wherein the pair of nitride semiconductor laser devices is a pair A laminated film of a silicon oxide film having a thickness of at least 5λ / 4n or more and a zirconium oxide film having a thickness of λ / 4n from the light emitting end face side on the light emitting end face of the resonator face A dielectric multilayer film is formed.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、365nm以下の短波長域において、レーザ発振可能な活性層、導波路構造を形成している。特に、AlInGaNの井戸層において、上記構成とすることによりAl組成比を変化させて所望の発光波長の禁制帯幅を形成して、短波長域の発光素子、レーザ素子を得ることができる。   The nitride semiconductor laser device of the present invention forms an active layer and a waveguide structure capable of laser oscillation in a short wavelength region of 365 nm or less. In particular, in the AlInGaN well layer, by adopting the above-described configuration, the forbidden band width of a desired emission wavelength can be formed by changing the Al composition ratio, and a light emitting element and a laser element in a short wavelength region can be obtained.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、例えば、典型的には図1に示すようなレーザ素子が挙げられる。なお、図1は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
サファイア等の異種基板101上にバッファ層(図示せず)を介して、ラテラル成長を利用した下地層102を形成し、その上に、n型不純物をドープした窒化物半導体層からなるn型コンタクト層103、n型不純物をドープしたIngGa1-gN(0.05≦g≦0.2)よりなるクラック防止層104、超格子層のn型クラッド層105、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層(AlGaN)からなるn型ガイド層106、AlInGaNからなる井戸層を備えた量子井戸構造の活性層107、p型不純物をドープしたAldGa1-dN(0<d≦1)からなる少なくとも1層以上のp型電子閉込め層(省略可能)108、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層(AlGaN)からなるp型ガイド層109、超格子層のp型クラッド層110、p型不純物をドープした窒化物半導体層からなるp型コンタクト層111を積層したリッジ形状のストライプを有する窒化物半導体レーザ素子である。
A typical example of the nitride semiconductor laser element of the present invention is a laser element as shown in FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor laser element according to an embodiment of the present invention.
An underlayer 102 using lateral growth is formed on a heterogeneous substrate 101 such as sapphire via a buffer layer (not shown), and an n-type contact made of a nitride semiconductor layer doped with an n-type impurity thereon. Layer 103, crack preventing layer 104 made of In g Ga 1-g N (0.05 ≦ g ≦ 0.2) doped with n-type impurities, superlattice layer n-type cladding layer 105, and bandgap than cladding layer An n-type guide layer 106 made of a low-energy nitride semiconductor layer (AlGaN), an active layer 107 having a quantum well structure having a well layer made of AlInGaN, Al d Ga 1-d N doped with p-type impurities (0 < at least one p-type electron confinement layer (can be omitted) consisting of d ≦ 1), and a nitride semiconductor layer (AlGaN) having a smaller band gap energy than the cladding layer A p-type guide layer 109, a p-type cladding layer 110 of a superlattice layer, and a p-type contact layer 111 made of a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity. It is.

また、リッジの側面には第2の保護膜(埋め込み層)162が形成されている。
リッジ形状のストライプの最上層であるp型コンタクト層111上にはp電極120が形成されており、n型コンタクト層103上にn電極121が形成されている。
さらに、pパッド電極122及びnパッド電極123の形成面を除いて、p電極120及びn電極121上から側面には積層膜164が形成されている。これらのp電極120及びn電極121上にはそれぞれpパッド電極122、nパッド電極123が形成されている。
A second protective film (buried layer) 162 is formed on the side surface of the ridge.
A p-electrode 120 is formed on the p-type contact layer 111 that is the uppermost layer of the ridge-shaped stripe, and an n-electrode 121 is formed on the n-type contact layer 103.
Furthermore, a laminated film 164 is formed on the side surfaces of the p electrode 120 and the n electrode 121 except for the formation surface of the p pad electrode 122 and the n pad electrode 123. A p pad electrode 122 and an n pad electrode 123 are formed on the p electrode 120 and the n electrode 121, respectively.

また、図1には示されていないが、共振器面の光出射面側には、後述する無機材料により形成される保護膜が形成され、その上に、誘電体多層膜が形成されている。
(基板101)
本発明の窒化物半導体レーザ素子に用いる基板としては、窒化物半導体と異なる異種基板を用いてもよいし、窒化物半導体基板を用いてもよい。異種基板としては、例えば、C面、R面及びA面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル(MgA124)のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Si及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で、従来から知られている基板材料を用いることができる。なかでも、サファイア、スピネルが挙げられる。基板は、少なくともその表面が、0.01〜0.3°程度のオフアングル角、さらにステップ状のオフアングル角を有しているものであってもよい。これにより、素子を構成する窒化物半導体層、活性層の内部において、微細なクラックの発生を防止することができる。
Although not shown in FIG. 1, a protective film made of an inorganic material to be described later is formed on the light emitting surface side of the resonator surface, and a dielectric multilayer film is formed thereon. .
(Substrate 101)
As a substrate used for the nitride semiconductor laser device of the present invention, a different type substrate different from the nitride semiconductor may be used, or a nitride semiconductor substrate may be used. Examples of the heterogeneous substrate include, for example, an insulating substrate such as sapphire, spinel (MgA1 2 O 4 ) having any one of the C-plane, R-plane, and A-plane, SiC (including 6H, 4H, and 3C), A nitride semiconductor such as an oxide substrate lattice-matched with ZnS, ZnO, GaAs, Si, and a nitride semiconductor can be grown, and a conventionally known substrate material can be used. Among them, sapphire and spinel are mentioned. The substrate may have at least a surface having an off-angle angle of about 0.01 to 0.3 ° and a step-like off-angle angle. Thereby, generation | occurrence | production of a fine crack can be prevented inside the nitride semiconductor layer and active layer which comprise an element.

なお、窒化物半導体基板(例えば、GaN基板など)を用いる場合には、下地層(ラテラル成長を行うための保護層等を含む)、nコンタクト層等は、必ずしも形成する必要はなく、省略することができる。
(下地層102)
異種基板101上にはバッファ層(図示せず)を介して窒化物半導体からなる下地層102を形成することが好ましい。
When a nitride semiconductor substrate (for example, a GaN substrate) is used, the underlying layer (including a protective layer for performing lateral growth), the n contact layer, and the like are not necessarily formed and are omitted. be able to.
(Underlayer 102)
A base layer 102 made of a nitride semiconductor is preferably formed on the heterogeneous substrate 101 through a buffer layer (not shown).

バッファ層としては、例えばInαAlβGa1-α-βN(0≦α、0≦β、α+β≦1)等(例えば、AlN、GaN、AlGaN、InGaN等、好ましくはGaN)を300℃以上900℃以下の温度で、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームで成長させてなるものが挙げられる。このバッファ層は、異種基板と高温成長の窒化物半導体層との格子定数不正を緩和し、転位の発生を防止するのに好ましい。 As the buffer layer, for example, InαAlβGa 1- α - βN (0 ≦ α, 0 ≦ β, α + β ≦ 1) or the like (for example, AlN, GaN, AlGaN, InGaN, etc., preferably GaN) is 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. Examples include those grown at a film thickness of several tens of angstroms to several hundreds of angstroms. This buffer layer is preferable for alleviating the lattice constant irregularity between the heterogeneous substrate and the high-temperature-grown nitride semiconductor layer and preventing the occurrence of dislocations.

バッファ層を成長した後、第1の窒化物半導体層を部分的に成長させ、さらに、この第1の窒化物半導体層を成長核として第2の窒化物半導体層を成長させることにより、ラテラル成長を利用した転位が低減した下地層102を形成することが好ましい。下地層は、一般式AlxGa1-xN(0≦x≦1)で表される窒化物半導体であることが好ましく、膜厚は3〜30μmであることが好ましい。また、ラテラル成長した領域(低転位領域)は、転位数が1×107個/cm2以下、好ましくは1×106個/cm2以下と少ないか、部分的に少ない領域を有しているものが適当である。さらに、この下地層は、例えば、1×1016〜5×1021cm-3程度の範囲でn型不純物(例えば、Si、Sn、Ge、Se、C、Ti等)が含有されていてもよい。 After growing the buffer layer, the first nitride semiconductor layer is partially grown, and further, the second nitride semiconductor layer is grown using the first nitride semiconductor layer as a growth nucleus, thereby lateral growth. It is preferable to form the base layer 102 in which dislocations are reduced by using. The underlayer is preferably a nitride semiconductor represented by the general formula Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), and preferably has a thickness of 3 to 30 μm. Further, the laterally grown region (low dislocation region) has a dislocation number as small as 1 × 10 7 pieces / cm 2 or less, preferably 1 × 10 6 pieces / cm 2 or less, or a region with a small amount. What you have is appropriate. Further, even if this underlayer contains an n-type impurity (for example, Si, Sn, Ge, Se, C, Ti, etc.) in the range of about 1 × 10 16 to 5 × 10 21 cm −3, for example. Good.

部分的(選択的)に第1の窒化物半導体層を形成するためには、フォトリソグラフィ技術を用いて、所定の形状を有するフォトマスクを作製し、そのフォトマスクを介して、所定の形状を有する保護膜を形成する。保護膜の形状を、例えばドット、ストライプ、碁盤面状、メッシュ形状、網目状等の形状で形成することで、第1の窒化物半導体層をエッチングして所望のパターンとすることができる。なお、保護膜は、例えば、酸化ケイ素(SiOX)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化ケイ素(SiXY)、窒化チタン等の窒化物、窒化酸化ケイ素、またはこれらの多層膜の他、タングステン、チタン、タンタル等の1200℃以上の融点を有する高融点金属等が挙げられる。 In order to form the first nitride semiconductor layer partially (selectively), a photomask having a predetermined shape is produced using photolithography technology, and the predetermined shape is formed through the photomask. A protective film is formed. By forming the protective film in a shape such as a dot, stripe, grid surface, mesh, or mesh, the first nitride semiconductor layer can be etched into a desired pattern. The protective film may be, for example, an oxide such as silicon oxide (SiO x ), titanium oxide (TiO x ), zirconium oxide (ZrO x ), nitride such as silicon nitride (Si x N y ) or titanium nitride, nitriding In addition to silicon oxide or these multilayer films, refractory metals having a melting point of 1200 ° C. or higher, such as tungsten, titanium, and tantalum, can be given.

また、第1の窒化物半導体層をストライプ形状に形成する場合のストライプ幅Aと核が形成されていない部分(窓部)の幅Bとの関係は、幅Aは2〜200μm、好ましくは15〜100μmであり、幅Bは2〜200μm、好ましくは2〜100μmである。また、選択成長して得られる窒化物半導体上にレーザ素子構造を形成し、p型窒化物半導体層の最上層にリッジ形状のストライプを形成する場合、リッジ形状のストライプが、低転位領域上に形成されていることが好ましい。これによって、寿命特性等に優れた窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。   In addition, when the first nitride semiconductor layer is formed in a stripe shape, the relation between the stripe width A and the width B of the portion where no nucleus is formed (window portion) is 2 to 200 μm, preferably 15 ˜100 μm and width B is 2 to 200 μm, preferably 2 to 100 μm. When a laser element structure is formed on a nitride semiconductor obtained by selective growth and a ridge-shaped stripe is formed on the uppermost layer of the p-type nitride semiconductor layer, the ridge-shaped stripe is formed on the low dislocation region. Preferably it is formed. As a result, a nitride semiconductor laser device having excellent lifetime characteristics and the like can be realized.

なお、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成中又は後に、異種基板を除去してもよい。
また、窒化物半導体基板としては、後述する窒化物半導体からなる基板が挙げられる。
In the case of using a heterogeneous substrate, after growing a nitride semiconductor serving as an underlayer before forming the device structure on the heterogeneous substrate, the heterogeneous substrate is removed by a method such as polishing, and a single substrate of nitride semiconductor The element structure may be formed as follows, and the heterogeneous substrate may be removed during or after the element structure is formed.
Examples of the nitride semiconductor substrate include a substrate made of a nitride semiconductor described later.

(窒化物半導体層)
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、窒化物半導体としては、III−V族窒化物半導体(InαAlβGa1-α-βN、0≦α、0≦β、α+β≦1)であり、層によっては、更にIII族元素としてBを用いたり、V族元素としてNの一部をP、Asで置換した、混晶とすることができる。なお、Alを含む窒化物半導体はβ>0であり、Inを含む窒化物半導体はα>0である。 窒化物半導体は、MOVPE(有機金属気相成長法)、HVPE(ハライド気相成長法)、MBE(分子線気相成長法)等、当該分野で公知のいずれの方法によっても形成することができる。
(Nitride semiconductor layer)
In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the nitride semiconductor is a group III-V nitride semiconductor (InαAlβGa 1- βN, 0 ≦ α, 0 ≦ β, α + β ≦ 1). Furthermore, a mixed crystal can be obtained in which B is used as a group III element or a part of N is substituted with P or As as a group V element. Note that a nitride semiconductor containing Al is β> 0, and a nitride semiconductor containing In is α> 0. The nitride semiconductor can be formed by any method known in the art, such as MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy), HVPE (halide vapor phase epitaxy), MBE (molecular beam vapor phase epitaxy). .

窒化物半導体層に用いるn型不純物としては、Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI族元素を用いることができ、好ましくはSi、Ge、Snを、さらに最も好ましくはSiを用いる。また、p型不純物としては、特に限定されないが、Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Caなどが挙げられ、好ましくはMgが用いられる。これにより、各導電型の窒化物半導体層を形成し、後述する各導電型層を構成する。   As the n-type impurity used in the nitride semiconductor layer, a group IV or group VI element such as Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr, or the like can be used, preferably Si, Ge, Sn, Most preferably, Si is used. The p-type impurity is not particularly limited, and examples thereof include Be, Zn, Mn, Cr, Mg, and Ca, and Mg is preferably used. Thereby, each conductivity type nitride semiconductor layer is formed, and each conductivity type layer mentioned below is constituted.

なお、本発明においては、クラッド層等をn型層及びp型層と記載しているが、からなずしも、それらの全ての層にn型不純物又はp型不純物が含まれていなくてもよく、活性層からn型層側に配置する層をn型層、活性層からp型層側に配置する層をp型層と記載する場合もある。
まず、下地層102の上に、AldGa1-dN(0<d≦0.5)からなるn型コンタクト層103を成長させる。n型不純物のドープ量としては、5×1017/cm3〜5×1018/cm3であることが好ましい。n型コンタクト層の膜厚としては、0.5〜10μm、好ましくは2〜5μmである。なお、後工程において、このn型コンタクト層にn電極121が形成される。
In the present invention, the clad layer and the like are described as an n-type layer and a p-type layer. However, all the layers do not contain an n-type impurity or a p-type impurity. In some cases, a layer disposed on the n-type layer side from the active layer is referred to as an n-type layer, and a layer disposed on the p-type layer side from the active layer is referred to as a p-type layer.
First, an n-type contact layer 103 made of Al d Ga 1-d N (0 <d ≦ 0.5) is grown on the base layer 102. The doping amount of the n-type impurity is preferably 5 × 10 17 / cm 3 to 5 × 10 18 / cm 3 . The thickness of the n-type contact layer is 0.5 to 10 μm, preferably 2 to 5 μm. In the subsequent process, an n-electrode 121 is formed on the n-type contact layer.

続いて、クラック防止層104をn型コンタクト層103上に成長させる。クラック防止層104としては、SiドープのIngGa1-gN(0.05≦g≦0.20)を成長させ、好ましくはgが0.08〜0.12のIngGa1-gNを成長させる。このクラック防止層は、省略することができるが、クラック防止層をn型コンタクト層上に形成すると、窒化物半導体素子内でクラックの発生を防止することができる。特に365nm以下の短波長レーザ素子においては、活性層付近でのクラックが発生しやすいため、上記に示すInの範囲でクラック防止層を形成することが好ましい。Siのドープ量としては、5×1017/cm3〜5×1019/cm3である。クラック防止層の膜厚としては、結晶性を損なわない程度の厚みであり、例えば具体的には0.10〜0.20μmである。 Subsequently, a crack prevention layer 104 is grown on the n-type contact layer 103. As the crack prevention layer 104, Si-doped In g Ga 1-g N (0.05 ≦ g ≦ 0.20) is grown, and preferably In g Ga 1-g with g of 0.08 to 0.12. Grow N. Although this crack prevention layer can be omitted, when the crack prevention layer is formed on the n-type contact layer, the occurrence of cracks in the nitride semiconductor element can be prevented. In particular, in a short-wavelength laser element of 365 nm or less, since a crack is likely to occur near the active layer, it is preferable to form a crack prevention layer in the range of In shown above. The doping amount of Si is 5 × 10 17 / cm 3 to 5 × 10 19 / cm 3 . The thickness of the crack prevention layer is a thickness that does not impair the crystallinity, and specifically, for example, 0.10 to 0.20 μm.

次に、n型クラッド層105をクラック防止層104上に成長させる。n型クラッド層105は、第1層としてAlaGa1-aN(0.07≦a≦0.10)、第2層としてAlbGa1-bN(0.11≦b≦0.14)からなる超格子層であることが好ましい。第1層及び第2層は、単一層の膜厚が100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、さらに好ましくは40オングストローム以下、好ましくは10オングストローム以上の層を積層することにより構成することができる。このような超格子層とすることにより、Alを含有しているにもかかわらず、クラックの発生を防止でき結晶性を良好にすることができる。なお、n型クラッド層の総膜厚としては、0.45〜0.65μmであることが好ましい。 Next, an n-type cladding layer 105 is grown on the crack prevention layer 104. The n-type cladding layer 105 includes Al a Ga 1-a N (0.07 ≦ a ≦ 0.10) as a first layer and Al b Ga 1-b N (0.11 ≦ b ≦ 0. A superlattice layer consisting of 14) is preferred. The first layer and the second layer can be formed by stacking layers having a single layer thickness of 100 angstroms or less, preferably 70 angstroms or less, more preferably 40 angstroms or less, preferably 10 angstroms or more. By using such a superlattice layer, the occurrence of cracks can be prevented and the crystallinity can be improved despite containing Al. The total film thickness of the n-type cladding layer is preferably 0.45 to 0.65 μm.

また、平均組成がAleGa1-eN(0.07≦e≦0.14)として形成されることが好ましい。Alの平均組成がこの範囲であると、クラックを抑制でき、且つ充分にレーザ導波路との屈折率の差を得ることができ、好ましい。n型不純物のドープ量は、1×1017/cm3〜5×1018/cm3であることが好ましい。n型不純物がこの範囲でドープされていると抵抗率を低くでき、且つ結晶性を損なわない。 The average composition is preferably formed as Al e Ga 1-e N (0.07 ≦ e ≦ 0.14). If the average composition of Al is within this range, cracks can be suppressed, and a sufficient difference in refractive index from the laser waveguide can be obtained. The doping amount of the n-type impurity is preferably 1 × 10 17 / cm 3 to 5 × 10 18 / cm 3 . When the n-type impurity is doped in this range, the resistivity can be lowered and the crystallinity is not impaired.

n型ガイド層106をn型クラッド層105上に成長させる。n型ガイド層106としては、AlcGa1-cN(0.055≦c≦0.075)が挙げられる。n型ガイド層の膜厚としては、0.05〜0.25μm、好ましくは0.14〜0.16μmとする。この膜厚で成長させるとクラックが発生せずに、閾値(Ith)が低下するため好ましい。
活性層107をn型ガイド層106上に成長させる。活性層107としては、井戸層が、AlxInyGa1-x-yN(0.02≦x≦0.05、0.005≦y≦0.03、x+y<1)からなる。また、活性層を挟んだn層側に形成される第1の障壁層及びp層側に形成される第2の障壁層がAluGa1-uN(0.10≦u≦0.17)からなる。なお、井戸層の膜厚は障壁層の膜厚よりも厚膜であることが好ましい。また、活性層を構成する井戸層及び障壁層のいずれか一方または両方に不純物をドープしてもよい。好ましくは障壁層に不純物をドープさせると、しきい値が低下するため好ましい。井戸層の膜厚としては、50〜150オングストローム、好ましくは90〜110オングストロームである。障壁層の膜厚としては、第1の障壁層が30〜150オングストローム、好ましくは60〜80オングストロームである。第2の障壁層は10〜150オングストローム、好ましくは30〜60オングストロームである。活性層を上記範囲で形成すれば、活性層付近でのクラックの発生を抑制することができる。
An n-type guide layer 106 is grown on the n-type cladding layer 105. Examples of the n-type guide layer 106 include Al c Ga 1-c N (0.055 ≦ c ≦ 0.075). The thickness of the n-type guide layer is 0.05 to 0.25 μm, preferably 0.14 to 0.16 μm. It is preferable to grow with this film thickness because cracks do not occur and the threshold value (I th ) decreases.
An active layer 107 is grown on the n-type guide layer 106. As the active layer 107, the well layer is made of Al x In y Ga 1-xy N (0.02 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.03, x + y <1). In addition, the first barrier layer formed on the n layer side with the active layer interposed therebetween and the second barrier layer formed on the p layer side are formed of Al u Ga 1-u N (0.10 ≦ u ≦ 0.17). ). The well layer is preferably thicker than the barrier layer. Further, impurities may be doped into one or both of the well layer and the barrier layer constituting the active layer. Preferably, the barrier layer is preferably doped with an impurity because the threshold value is lowered. The thickness of the well layer is 50 to 150 angstroms, preferably 90 to 110 angstroms. Regarding the thickness of the barrier layer, the first barrier layer is 30 to 150 angstroms, preferably 60 to 80 angstroms. The second barrier layer is 10 to 150 angstroms, preferably 30 to 60 angstroms. If the active layer is formed in the above range, the occurrence of cracks in the vicinity of the active layer can be suppressed.

活性層の多重量子井戸構造は、障壁層から始まり井戸層で終わっても、障壁層から始まり障壁層で終わっても、井戸層から始まり障壁層で終わっても、また井戸層から始まり井戸層で終わってもよい。好ましくは障壁層から始まり、井戸層と障壁層とのペアを1〜5回繰り返してなるものがしきい値を低くし、寿命特性を向上させるのに好ましい。
p型キャリア閉込め層108を活性層107上に成長させる。p型キャリア閉込め層108は活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいAlを含む窒化物半導体層である。p型キャリア閉込め層108としては、MgドープのAldGa1-dN(0<d≦1)からなる少なくとも1層以上を成長させてなるものである。好ましくはdが0.1〜0.5、さらに好ましくはdが0.25〜0.35の範囲である。なぜなら、dが0.1未満であるとレーザ素子において、十分な電子閉込め層として機能せず、0.25以上であると十分に電子閉込め(キャリアの閉込め)がなされ、キャリアのオーバーフローを抑えるからである。
The multi-quantum well structure of the active layer starts with a barrier layer and ends with a well layer, starts with a barrier layer and ends with a barrier layer, starts with a well layer and ends with a barrier layer, and starts with a well layer and ends with a well layer. It may end. It is preferable to start with a barrier layer and repeat a pair of a well layer and a barrier layer 1 to 5 times to lower the threshold value and improve the life characteristics.
A p-type carrier confinement layer 108 is grown on the active layer 107. The p-type carrier confinement layer 108 is a nitride semiconductor layer containing Al having a larger band gap energy than the active layer. The p-type carrier confinement layer 108 is formed by growing at least one layer made of Mg-doped Al d Ga 1-d N (0 <d ≦ 1). Preferably d is in the range of 0.1 to 0.5, and more preferably d is in the range of 0.25 to 0.35. This is because if d is less than 0.1, the laser element does not function as a sufficient electron confinement layer, and if it is 0.25 or more, sufficient electron confinement (carrier confinement) is made, resulting in carrier overflow. It is because it suppresses.

加えて0.35以下であるとクラックの発生を低く抑えて成長させることができ、良好な結晶性で成長できる。p型キャリア閉込め層の膜厚は、10〜200オングストローム、好ましくは50〜150オングストロームである。膜厚が上記範囲であると、活性層108内の電子を良好に閉込めることができ、クラックの発生も抑制できる。またバルク抵抗も低く抑えることができ好ましい。p型電子閉込め層109のMgのドープ量は、1×1019/cm3〜1×1021/cm3である。ドープ量がこの範囲であると、バルク抵抗を低下させることに加えて、後述のアンドープで成長させるp型ガイド層へMgが良好に拡散され、薄膜層であるp型ガイド層にMgを1×1016/cm3〜1×1018/cm3の範囲で含有させることができる。p型電子閉込め層109は、低温、例えば900〜1000℃程度の活性層を成長させる温度と同様の温度で成長させると活性層の分解を防止することができ好ましい。 In addition, when it is 0.35 or less, it is possible to grow while suppressing the generation of cracks, and it is possible to grow with good crystallinity. The thickness of the p-type carrier confinement layer is 10 to 200 angstroms, preferably 50 to 150 angstroms. When the film thickness is in the above range, electrons in the active layer 108 can be confined well, and the generation of cracks can also be suppressed. Further, the bulk resistance is preferably low. The doping amount of Mg in the p-type electron confinement layer 109 is 1 × 10 19 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 . When the doping amount is within this range, in addition to lowering the bulk resistance, Mg is well diffused into a p-type guide layer grown by undoped described later, and 1 × Mg is added to the p-type guide layer which is a thin film layer. 10 16 / cm 3 can be contained in a range of ~1 × 10 18 / cm 3. The p-type electron confinement layer 109 is preferably grown at a low temperature, for example, a temperature similar to the temperature at which the active layer is grown at about 900 to 1000 ° C., because it can prevent decomposition of the active layer.

また、p型電子閉込め層は、低温成長の層と、高温、例えば、活性層の成長温度より100℃程度の温度で成長させる層との2層から構成されていてもよい。このように、2層で構成されていると、低温成長の層が活性層の分解を防止し、高温成長の層がバルク抵抗を低下させるので、全体的に良好となる。p型電子閉込め層が2層から構成される場合の各層の膜厚は、特に限定されないが、低温成長層は10〜50オングストローム、高温成長層は50〜150オングストロームが好ましい。ここで、キャリアを閉込め層は、単一膜で形成して良く、組成が異なる多層膜で形成してもよい。   The p-type electron confinement layer may be composed of two layers, a low temperature growth layer and a high temperature layer, for example, a layer grown at a temperature about 100 ° C. higher than the growth temperature of the active layer. Thus, when it is composed of two layers, the low temperature growth layer prevents the active layer from being decomposed, and the high temperature growth layer reduces the bulk resistance. The thickness of each layer when the p-type electron confinement layer is composed of two layers is not particularly limited, but the low temperature growth layer is preferably 10 to 50 Å, and the high temperature growth layer is preferably 50 to 150 Å. Here, the carrier confinement layer may be formed of a single film or a multilayer film having a different composition.

このp型電子閉込め層は、キャリアを活性層若しくは井戸層内に閉込めるもので、レーザ素子、高出力の発光素子などにおいて、素子駆動などによる温度上昇、電流密度増大によって、キャリアが活性層をオーバーフローすることを防ぐことが可能となり、活性層内にキャリアが効率的に注入される構造とできる。
次に、p型ガイド層109をp型電子閉込め層108上に成長させる。p型ガイド層109としては、AlcGa1-cN(0.055≦c≦0.075)からなる窒化物半導体層が挙げられる。p型ガイド層の膜厚は、0.05〜0.25μm、好ましくは0.14〜0.16μmである。この範囲であるとしきい値が低くなり好ましい。また上記したように、p型ガイド層はアンドープ層として成長させるが、p型電子閉込め層にドープされているMgが拡散して、1×1016/cm3〜1×1018/cm3の範囲でMgが含有される。また、n型ガイド層とp型ガイド層との膜厚が上下非対称であっても、上記膜厚範囲であれば、クラックの発生を抑制することができる。
This p-type electron confinement layer is for confining carriers in an active layer or well layer. In a laser element, a high-power light-emitting element, etc., the carrier is activated by an increase in temperature and current density due to element driving. It is possible to prevent the carrier from overflowing, and the carrier can be efficiently injected into the active layer.
Next, the p-type guide layer 109 is grown on the p-type electron confinement layer 108. An example of the p-type guide layer 109 is a nitride semiconductor layer made of Al c Ga 1-c N (0.055 ≦ c ≦ 0.075). The thickness of the p-type guide layer is 0.05 to 0.25 μm, preferably 0.14 to 0.16 μm. Within this range, the threshold value is preferably lowered. As described above, the p-type guide layer is grown as an undoped layer, but Mg doped in the p-type electron confinement layer is diffused to 1 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 18 / cm 3. Mg is contained in the range. Moreover, even if the film thicknesses of the n-type guide layer and the p-type guide layer are asymmetric in the vertical direction, the occurrence of cracks can be suppressed within the above film thickness range.

p型クラッド層110をp型ガイド層109に成長させる。p型クラッド層110は、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造であることが好ましい。例えば、第1層としてAlaGa1-aN(0.07≦a≦0.10)、第2層としてAlbGa1-bN(0.11≦b≦0.14)からなる超格子層が挙げられる。p型不純物のドープ量は、1×1017/cm3〜1×1019/cm3であることが好ましい。p型不純物がこの範囲でドープされていると結晶性を損なわない程度のドープ量で且つバルク抵抗が低くなり好ましい。このような多層膜は、単一層の膜厚が100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、さらに好ましくは40オングストローム以下、好ましくは10オングストローム以上の層を積層することにより構成することができる。p型クラッド層が超格子構造で形成されることにより、クラックの発生を抑制して365nm発振のレーザ素子を実現することができる。p型クラッド層110の総膜厚としては、0.4〜0.55μmであり、この範囲であると順方向電圧(Vf)を低減するために好ましい。またp型クラッド層の全体のAlの平均組成は、0.07〜0.14である。この値は、クラックの発生を抑制し、且つレーザ導波路との屈折率差を得るのに好ましい。 A p-type cladding layer 110 is grown on the p-type guide layer 109. The p-type cladding layer 110 preferably has a multilayer structure in which nitride semiconductor layers having different compositions are stacked. For example, the first layer is made of Al a Ga 1-a N (0.07 ≦ a ≦ 0.10), and the second layer is made of Al b Ga 1-b N (0.11 ≦ b ≦ 0.14). A lattice layer is mentioned. The doping amount of the p-type impurity is preferably 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 . It is preferable that the p-type impurity is doped in this range because the doping amount is such that the crystallinity is not impaired and the bulk resistance is lowered. Such a multilayer film can be formed by stacking layers having a single layer thickness of 100 angstroms or less, preferably 70 angstroms or less, more preferably 40 angstroms or less, preferably 10 angstroms or more. By forming the p-type cladding layer with a superlattice structure, it is possible to realize a 365 nm oscillation laser element while suppressing the occurrence of cracks. The total film thickness of the p-type cladding layer 110 is 0.4 to 0.55 μm, and this range is preferable for reducing the forward voltage (Vf). The average composition of Al in the entire p-type cladding layer is 0.07 to 0.14. This value is preferable for suppressing the occurrence of cracks and obtaining a difference in refractive index from the laser waveguide.

p型コンタクト層111をp型クラッド層110上に成長させる。p型コンタクト層は、MgドープのGaNからなる窒化物半導体層を成長させてなるものが好ましい。膜厚は10〜200オングストローム程度が適当である。Mgのドープ量は1×1019/cm3〜1×1022/cm3である。このよう膜厚とMgのドープ量を調整することにより、p型コンタクト層のキャリア濃度が上昇し、p電極120とのオーミックがとりやすくなる。 A p-type contact layer 111 is grown on the p-type cladding layer 110. The p-type contact layer is preferably formed by growing a nitride semiconductor layer made of Mg-doped GaN. A film thickness of about 10 to 200 angstroms is appropriate. The doping amount of Mg is 1 × 10 19 / cm 3 to 1 × 10 22 / cm 3 . By adjusting the film thickness and the Mg doping amount in this way, the carrier concentration of the p-type contact layer is increased, and an ohmic contact with the p-electrode 120 is easily obtained.

(リッジの形成)
このように窒化物半導体を積層した後、リッジを形成する。リッジ形状のストライプは、p型コンタクト層からエッチングされてp型コンタクト層よりも下側(基板側)まで、少なくともp型クラッド層までエッチングされており、活性層よりも上にリッジストライプを形成することが適当である。例えば、図1に示すようなp型コンタクト層からp型ガイド層の途中までエッチングしてなるストライプなどが挙げられる。
(Ridge formation)
After the nitride semiconductors are stacked in this way, a ridge is formed. The ridge-shaped stripe is etched from the p-type contact layer to the lower side (substrate side) than the p-type contact layer, and at least to the p-type cladding layer, and the ridge stripe is formed above the active layer. Is appropriate. For example, a stripe formed by etching from the p-type contact layer to the middle of the p-type guide layer as shown in FIG.

ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のp型コンタクト層のほぼ全面にCVD装置により、Si酸化物(主としてSiO2)よりなる保護膜を0.5μmの膜厚で形成し、その後、保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、例えば、RIE装置によりCHF3ガスを用いたフォトリソグラフィ技術により、ストライプ状の保護膜を形成する。この保護膜をマスクとして用いて、例えば、SiCl4ガスにより半導体層をエッチングする。 In order to form a stripe-shaped waveguide region, a protective film made of Si oxide (mainly SiO 2 ) is formed with a film thickness of 0.5 μm on almost the entire surface of the uppermost p-type contact layer by a CVD apparatus. Thereafter, a mask having a predetermined shape is formed on the protective film, and a stripe-shaped protective film is formed by, for example, a photolithography technique using CHF 3 gas with an RIE apparatus. Using this protective film as a mask, the semiconductor layer is etched by, for example, SiCl 4 gas.

リッジの幅は1〜15μm、好ましくは1.5〜5.0μmの範囲である。
(第1の絶縁膜の形成)
SiO2マスクを残存させた状態で、p型半導体層表面に第1の絶縁膜を形成する。この第1の絶縁膜は、n電極の形成面をマスクして半導体層の全面に設けてもよい。また、後に分割され易いように絶縁膜を形成しない部分を設けることが好ましい。第1の絶縁膜としては、レーザ導波路領域の屈折率より小さい値を有する材質であって、屈折率が約1.6〜2.3付近の値を有する、Si、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物や、BN、AlN等が挙げられ、好ましくは、Zr及びHfの酸化物のいずれか1種以上の元素、BN、特に好ましくは、ZrO2またはSiO2である。
The width of the ridge is in the range of 1 to 15 μm, preferably 1.5 to 5.0 μm.
(Formation of first insulating film)
A first insulating film is formed on the surface of the p-type semiconductor layer with the SiO 2 mask remaining. The first insulating film may be provided on the entire surface of the semiconductor layer by masking the n electrode formation surface. Further, it is preferable to provide a portion where an insulating film is not formed so that it can be easily divided later. The first insulating film is made of a material having a value smaller than the refractive index of the laser waveguide region, and has a refractive index of about 1.6 to 2.3, Si, V, Zr, Nb, Examples include oxides containing at least one element selected from the group consisting of Hf and Ta, BN, AlN, and the like. Preferably, any one or more elements of Zr and Hf oxides, BN, particularly preferable Is ZrO 2 or SiO 2 .

第1の絶縁膜を形成した後、バッファード液に浸漬して、リッジストライプの上面に形成したSiO2を溶解除去し、リフトオフ法によりSiO2と共に、p型コンタクト層上(更にはn型コンタクト層上)にある第1の絶縁膜を除去する。これにより、リッジの上面は露出され、リッジの側面は第1の絶縁膜で覆われた構造となる。
次いで、ウェハを600℃で熱処理する。第1の絶縁膜として、SiO2以外の材料膜を形成した場合、第1の絶縁膜を形成した後に、300℃以上、好ましくは400℃以上、窒化物半導体の分解温度以下(1200℃)で熱処理することにより、第1の絶縁膜が後工程のマスク(主としてSiO2等)の溶解材料に対して溶解しにくくすることができる。
After forming the first insulating film, it is immersed in a buffered solution to dissolve and remove the SiO 2 formed on the upper surface of the ridge stripe, and on the p-type contact layer together with SiO 2 by the lift-off method (and also the n-type contact). The first insulating film on the layer is removed. Thereby, the upper surface of the ridge is exposed and the side surface of the ridge is covered with the first insulating film.
The wafer is then heat treated at 600 ° C. In the case where a material film other than SiO 2 is formed as the first insulating film, after the first insulating film is formed, it is 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, and below the decomposition temperature of the nitride semiconductor (1200 ° C.). By performing the heat treatment, the first insulating film can be hardly dissolved in the dissolved material of the mask (mainly SiO 2 or the like) in the subsequent process.

(電極の形成)
次に、p型コンタクト層111上のリッジ凸部及び第1の絶縁膜上にp電極120をスパッタにより形成する。p電極120は、例えば、金属層の多層構造とすることが好ましく、具体的には、Ni/Auが挙げられる。
また、n型コンタクト層104上面にもオーミックを取るn電極121を形成する。n電極121はTi/Alからなり、リッジと平行で、かつ、同程度の長さのストライプ状に形成されている。なお、n電極は必ずしもn型コンタクト層の上面に形成する必要はなく、例えば、用いた基板が導電性を有し、オーミックコンタクト性を確保することができれば、基板の下面側(素子構造とは反対側)に形成してもよい。
(Formation of electrodes)
Next, a p-electrode 120 is formed on the ridge protrusion on the p-type contact layer 111 and the first insulating film by sputtering. The p electrode 120 preferably has, for example, a multilayer structure of metal layers, and specifically includes Ni / Au.
In addition, an n-electrode 121 that takes ohmic contact is also formed on the upper surface of the n-type contact layer 104. The n-electrode 121 is made of Ti / Al, and is formed in a stripe shape parallel to the ridge and having the same length. Note that the n-electrode is not necessarily formed on the upper surface of the n-type contact layer. For example, if the substrate used has conductivity and can ensure ohmic contact, the lower surface side of the substrate (what is the element structure? You may form in the other side.

p電極120とn電極121とを形成した後、酸素及び/又は窒素の混合雰囲気中で熱処理を行う。その温度は、1000℃以下、好ましくは800℃以下、さらに好ましくは600℃以下である。
(第2絶縁膜の形成)
次いで、リッジ上のp電極120上の全面と、n電極121の上部の一部を覆うレジストを形成し、その上に、SiO2からなる第2の絶縁膜162をほぼ全面に形成する。その後、リフトオフ法を行うことにより、p電極120の上面全面とn電極121の一部が露出された第2の絶縁膜162が形成される。
After the p-electrode 120 and the n-electrode 121 are formed, heat treatment is performed in a mixed atmosphere of oxygen and / or nitrogen. The temperature is 1000 ° C. or lower, preferably 800 ° C. or lower, more preferably 600 ° C. or lower.
(Formation of second insulating film)
Next, a resist that covers the entire surface of the p-electrode 120 on the ridge and a part of the upper portion of the n-electrode 121 is formed, and a second insulating film 162 made of SiO 2 is formed on the entire surface. Thereafter, by performing a lift-off method, a second insulating film 162 in which the entire upper surface of the p-electrode 120 and a part of the n-electrode 121 are exposed is formed.

なお、後の分割を考慮して、分割位置を挟んで幅10μm程度のストライプ状の範囲には、第2の絶縁膜162、さらにp及びn電極120、121を形成しないようにしてもよい。
(パッド電極の形成)
次に、上記の電極を覆うように積層膜164を、例えば、SiO2、TiO2等の積層膜で形成する。なお、この積層膜164は、単一の層として形成されていてもよい。その後、パッド電極122、123を形成する。パッド電極122、123は、第2の絶縁膜162を覆うように形成することが好ましい。このパッド電極は、p電極及びn電極にそれぞれストライプ状に接している。パッド電極はNi、Ti、Au、Pt等の金属からなる積層体とすることが好ましい。
In consideration of the subsequent division, the second insulating film 162 and the p and n electrodes 120 and 121 may not be formed in a stripe-shaped range having a width of about 10 μm across the division position.
(Pad electrode formation)
Next, the laminated film 164 is formed of a laminated film such as SiO 2 or TiO 2 so as to cover the electrodes. The laminated film 164 may be formed as a single layer. Thereafter, pad electrodes 122 and 123 are formed. The pad electrodes 122 and 123 are preferably formed so as to cover the second insulating film 162. The pad electrode is in contact with the p electrode and the n electrode in a stripe shape. The pad electrode is preferably a laminated body made of a metal such as Ni, Ti, Au, or Pt.

(チップ化)
次いで、窒化物半導体が成長したサファイア基板を研磨して約200μmの膜厚になるよう調整後、基板裏面にスクライブ溝を形成し、窒化物半導体層側からブレーキングして、劈開することでバー状のレーザとする。あるいは、サファイア基板を研磨又は除去しないで、RIE等のエッチングによりバー状のレーザとしてもよい。窒化物半導体層の劈開面又はエッチング面は、窒化物半導体のM面(1−100面)となっており、この面を共振器面とする。
(Chip)
Next, the sapphire substrate on which the nitride semiconductor has grown is polished and adjusted to a film thickness of about 200 μm, and then a scribe groove is formed on the back surface of the substrate, braking from the nitride semiconductor layer side, and cleaving. Laser. Alternatively, a bar-shaped laser may be formed by etching such as RIE without polishing or removing the sapphire substrate. The cleavage surface or etching surface of the nitride semiconductor layer is an M surface (1-100 surface) of the nitride semiconductor, and this surface is a resonator surface.

共振器面には、絶縁膜を被覆することが好ましい。絶縁膜としては、保護膜として機能するもの及び/又は反射率制御膜として機能するもの等が挙げられる。この絶縁膜としては、例えば、誘電体多層膜が適当である。
誘電体多層膜は、基本的に互いに反射率の異なる無機材料を交互に積層してなり、例えばλ/4n(λ:波長、n:屈折率)の厚さで交互に積層することにより反射率を変化させることができる。誘電体多層膜の各薄膜の種類、厚さ等は発振させようとする窒化物半導体レーザ素子の波長に応じてそれらの無機材料を適宜選択することにより設計可能である。例えば、その無機材料としては、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Ti及びこれらの酸化物、窒化物(例えば、AlN、AlGaN、BN等)又はフッ化物等の化合物が、活性層で発生する光を効率よく共振させる点から、適当である。特に、高屈折率の材料としてTiO2、ZrO2、HfO2、Sc23、Y23、MgO、Al23、Si34又はThO2の1種又は2種以上、低屈折率の材料としてSiO2、ThF4、LaF3、MgF2、LiF、NaF又はNa3AlF6の1種又は2種以上が挙げられ、これら高屈折率の材料と、低屈折率の材料とを適宜組み合わせて用いることが好ましい。
The resonator surface is preferably covered with an insulating film. Examples of the insulating film include a film that functions as a protective film and / or a film that functions as a reflectance control film. As this insulating film, for example, a dielectric multilayer film is suitable.
The dielectric multilayer film is basically formed by alternately laminating inorganic materials having different reflectances. For example, the dielectric multilayer film is alternately laminated with a thickness of λ / 4n (λ: wavelength, n: refractive index). Can be changed. The type and thickness of each thin film of the dielectric multilayer film can be designed by appropriately selecting those inorganic materials according to the wavelength of the nitride semiconductor laser element to be oscillated. For example, as the inorganic material, Si, Mg, Al, Hf, Nb, Zr, Sc, Ta, Ga, Zn, Y, B, Ti and oxides and nitrides thereof (for example, AlN, AlGaN, BN, etc.) ) Or a compound such as fluoride is suitable from the viewpoint of efficiently resonating light generated in the active layer. In particular, one or more of TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , MgO, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 or ThO 2 as a high refractive index material, low Examples of the refractive index material include one or more of SiO 2 , ThF 4 , LaF 3 , MgF 2 , LiF, NaF or Na 3 AlF 6. These high refractive index materials, low refractive index materials, Are preferably used in appropriate combination.

絶縁膜は、発振する波長に応じて数十Å〜数μmの厚さで1層〜数十層積層することにより形成することができる。   The insulating film can be formed by laminating one to several tens of layers with a thickness of several tens to several μm depending on the wavelength of oscillation.

なかでも、窒化物半導体で、紫外又は近紫外から青色に発振する半導体レーザ素子の場合、その共振器面に形成する誘電体多層膜は、SiO2、TiO2、ZrO2から選択された少なくとも2種類以上が好ましく、SiO2及びZrO2の組み合わせがより好ましい。これら3種類、特にこれら2種類の酸化物は360nm〜460nmの範囲で光吸収が少なく、窒化物半導体と非常に良く密着して剥がれを防止することができる。さらにこの範囲の波長の光が連続的に長時間照射されても劣化することがなく、半導体レーザ素子の発熱に対して非常に耐熱性に優れており、環境雰囲気の種類にかかわらず高寿命を確保することができる。 Among them, a nitride semiconductor, a semiconductor when the laser element, a dielectric multilayer film formed on the cavity end face is at least 2 selected from SiO 2, TiO 2, ZrO 2 which oscillates blue from outside the ultraviolet or near ultraviolet More than one kind is preferable, and a combination of SiO 2 and ZrO 2 is more preferable. These three types, particularly these two types of oxides, have little light absorption in the range of 360 nm to 460 nm, and can adhere very well to the nitride semiconductor to prevent peeling. Furthermore, it does not deteriorate even when light of a wavelength in this range is continuously irradiated for a long time, and it has excellent heat resistance against the heat generated by the semiconductor laser device, and has a long life regardless of the type of environmental atmosphere. Can be secured.

SiO2及びZrO2を組み合わせて用いる場合、まず、窒化物半導体には、窒化物半導体との密着性が良好な膜を保護膜として形成することが好ましい。例えば、保護膜としてはZrO2が挙げられる。なお、窒化物半導体と直接接する絶縁膜、特に誘電体多層膜が、この窒化物半導体と良好な密着性を有する場合には、保護膜は設けなくてもよい。これにより、窒化物半導体(特にGaN系半導体等)との密着性をより確保することができる。例えば、ZrO2の上に、SiO2とZrO2とを交互に積層することが適当である。この場合の膜厚は、上述したように、例えば、λ/4nとすることが適当であるが、特に、SiO2の膜厚を5λ/4n以上とするのが好ましく、5λ/4nとすることがより好ましい。なお、このような絶縁膜の多層構造において、SiO2が2層以上積層される場合には、最も窒化物半導体に近い側のみを5λ/4nの膜厚とすればよい。 When using a combination of SiO 2 and ZrO 2 , it is preferable to first form a film having good adhesion to the nitride semiconductor as a protective film on the nitride semiconductor. For example, ZrO 2 can be used as the protective film. When the insulating film that is in direct contact with the nitride semiconductor, particularly the dielectric multilayer film, has good adhesion to the nitride semiconductor, the protective film may not be provided. Thereby, the adhesiveness with a nitride semiconductor (especially GaN-type semiconductor etc.) can be ensured more. For example, on the ZrO 2, it is appropriate to laminating a SiO 2 and ZrO 2 are alternately. As described above, the film thickness in this case is suitably, for example, λ / 4n. In particular, the film thickness of SiO 2 is preferably 5λ / 4n or more, and is preferably 5λ / 4n. Is more preferable. Note that in such a multilayer structure of insulating films, when two or more layers of SiO 2 are stacked, only the side closest to the nitride semiconductor may have a thickness of 5λ / 4n.

これらの絶縁膜は、蒸着又はスパッタ法等の公知の方法により形成することができる。共振器面の出射端面とその反対面においては、必ずしも同じ材料、同じ積層構造、同じ膜厚で形成しなくてもよい。
なお、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、フェイスアップ実装(すなわち基板側をサブマウント基板に対向させる)、フェイスダウン実装(すなわちリッジ側をサブマウント基板に対向させる)のいずれで実装してもよい。前者の場合、パッド電極の上に、ワイヤボンディング等が施され、外部と接続される。また、後者の場合、p電極及びn電極の上には、外部電極等と接続させるためのメタライズ層(バンプ:Ag、Au、Sn、In、Bi、Cu、Zn等)がそれぞれ形成され、このメタライズ層がサブマウント上に設けられた正負一対の外部電極とそれぞれ接続される。さらにサブマウント基板(外部電極)に対してワイヤなどが配線される。フェイスダウン実装する場合には、発熱するリッジ側がサブマウント基板近傍に位置するために放熱性を向上させることができる。
These insulating films can be formed by a known method such as vapor deposition or sputtering. It is not always necessary to form the same material, the same laminated structure, and the same film thickness on the emission end face of the resonator face and the opposite face.
The nitride semiconductor laser device of the present invention can be mounted by either face-up mounting (that is, the substrate side is opposed to the submount substrate) or face-down mounting (that is, the ridge side is opposed to the submount substrate). Good. In the former case, wire bonding or the like is performed on the pad electrode and connected to the outside. In the latter case, metallized layers (bumps: Ag, Au, Sn, In, Bi, Cu, Zn, etc.) are formed on the p electrode and the n electrode, respectively. The metallized layer is connected to a pair of positive and negative external electrodes provided on the submount. Further, a wire or the like is wired to the submount substrate (external electrode). In the case of face-down mounting, the heat dissipation can be improved because the heat generating ridge side is located in the vicinity of the submount substrate.

以下、実施例として、図1に示すようなレーザ素子構造について説明する。
(実施例1)
まず、異種基板として、ステップ状にオフアングルされたC面を主面とし、オフアングル角θ=0.02°、ステップ段差およそ20オングストローム、テラス幅Wおよそ800オングストロームであり、オリフラ面をA面とし、ステップがA面に垂直であるサファイア基板を用意する。
Hereinafter, a laser element structure as shown in FIG. 1 will be described as an example.
(Example 1)
First, as a dissimilar substrate, the C-plane that is off-angled stepwise is the main surface, the off-angle angle θ = 0.02 °, the step difference is about 20 angstroms, the terrace width W is about 800 angstroms, and the orientation flat surface is the A-plane. Then, a sapphire substrate whose step is perpendicular to the A plane is prepared.

このサファイア基板を反応容器内にセットし、温度を510℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)とを用い、サファイア基板101上にGaNよりなる低温成長のバッファ層102を200オングストロームの膜厚で成長させる。   The sapphire substrate is set in a reaction vessel, the temperature is set to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethylgallium) are used as a source gas, and a low-temperature growth buffer layer made of GaN on the sapphire substrate 101 102 is grown to a thickness of 200 Angstroms.

バッファ層成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させ、1050℃になったら、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、アンドープのGaNからなるGaN層を2.5μmの膜厚で成長させる。得られたGaN層を、ストライプ幅4μm、窓部の幅16μmに加工する。
その後、ストライプ形状に加工されたGaN層上に、アンドープのGaNよりなる第1の窒化物半導体層(図示せず)を3μm程度、その上に、第2の窒化物半導体層を15μm程度、成長させ、平坦化して、下地層102を形成する。
After the buffer layer growth, only TMG is stopped, the temperature is raised to 1050 ° C., and when it reaches 1050 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a GaN layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 2.5 μm. . The obtained GaN layer is processed to have a stripe width of 4 μm and a window width of 16 μm.
Thereafter, a first nitride semiconductor layer (not shown) made of undoped GaN is grown on the GaN layer processed into a stripe shape by about 3 μm, and a second nitride semiconductor layer is grown by about 15 μm on the first nitride semiconductor layer. Then, the base layer 102 is formed by planarization.

次に、下地層102の上に、温度を1100℃にして、TMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニアを用い、Al0.02Ga0.98Nからなるバッファ層(図示せず)を0.5μmの膜厚で成長させる。この層は、AlGaNのn型コンタクト層と、GaNからなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。 Next, a buffer layer (not shown) made of Al 0.02 Ga 0.98 N is formed on the base layer 102 at a temperature of 1100 ° C. using TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), and ammonia. The film is grown with a thickness of 5 μm. This layer functions as a buffer layer between the AlGaN n-type contact layer and the nitride semiconductor substrate made of GaN.

得られたバッファ層の上にTMG、TMA、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、1100℃でSiドープしたAl0.02Ga0.98Nよりなるn型コンタクト層103を4μmの膜厚で成長させる。
次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を920℃にしてSiを5×1018/cm3ドープしたIn0.10Ga0.90Nよりなるクラック防止層104を0.15μmの膜厚で成長させる。
An n-type contact layer 103 made of Al 0.02 Ga 0.98 N doped with Si at 1100 ° C. is grown to a thickness of 4 μm on the obtained buffer layer using TMG, TMA, ammonia, and silane gas as an impurity gas.
Next, a crack prevention layer 104 made of In 0.10 Ga 0.90 N doped with Si at 5 × 10 18 / cm 3 at a temperature of 920 ° C. using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia is formed to a thickness of 0.15 μm. Grow in.

温度を1000℃にして、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAl0.13Ga0.87NよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、続いて、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたAl0.09Ga0.91NよりなるB層を25Åの膜厚で成長させる。そして、A層、B層を交互に積層する操作をそれぞれ120回繰り返してA層とB層を積層し、総膜厚0.6μmの多層膜(超格子構造)よりなるn型クラッド層105を成長させる。このとき、クラッド層のAlの平均組成は0.110とする。 The temperature is set to 1000 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, an A layer made of undoped Al 0.13 Ga 0.87 N is grown to a thickness of 25 mm, and silane gas is used as an impurity gas. A B layer made of Al 0.09 Ga 0.91 N doped with 5 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 25 mm. Then, the operation of alternately laminating the A layer and the B layer is repeated 120 times to laminate the A layer and the B layer, and the n-type cladding layer 105 made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 0.6 μm is formed. Grow. At this time, the average composition of Al in the cladding layer is 0.110.

クラッド層105の上に、同様の温度で、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、Al0.065Ga0.935Nからなる膜厚0.15μmのn型光ガイド層106で成長させる。
次に、温度を970℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG、TMAを用い、SiドープのAl0.15Ga0.85Nよりなる障壁層、その上に、アンドープのIn0.02Al0.03Ga0.95Nよりなる井戸層、アンドープのAl0.15Ga0.85Nよりなる障壁層を、第1の障壁層/井戸層/第2の障壁層の順に積層し、活性層107を形成する。この時、第1の障壁層を70Å、第2の障壁層を50Å、井戸層を100Åとし、総膜厚約220Åの量子井戸構造とする。
On the cladding layer 105, TMG and ammonia are used as source gases at the same temperature, and an n-type light guide layer 106 made of Al 0.065 Ga 0.935 N and having a thickness of 0.15 μm is grown.
Next, the temperature is set to 970 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and TMA are used as source gases, a barrier layer made of Si-doped Al 0.15 Ga 0.85 N, and an undoped In 0.02 Al 0.03 Ga 0.95 A well layer made of N and a barrier layer made of undoped Al 0.15 Ga 0.85 N are stacked in the order of the first barrier layer / well layer / second barrier layer to form the active layer 107. At this time, the first barrier layer is 70 mm, the second barrier layer is 50 mm, the well layer is 100 mm, and the quantum well structure has a total film thickness of about 220 mm.

活性層107の上に、同様の温度で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1019/cm3ドープしたAl0.3Ga0.7Nよりなるp型電子閉込め層108を13nmの膜厚で成長させる。
温度を1000℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、Al0.065Ga0.935Nからなる膜厚0.15μmのp型光ガイド層109を成長させる。このp型光ガイド層109は、p型電子閉込め層108、後述するp型クラッド層110等の隣接層からのMgの拡散により、Mgがドープされるため、アンドープで形成しても、Mgドープ層とできる。
On the active layer 107, TMA, TMG, and ammonia were used as source gases, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) was used as an impurity gas, and Mg was doped at 1 × 10 19 / cm 3 at the same temperature. A p-type electron confinement layer 108 made of Al 0.3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 13 nm.
The temperature is set to 1000 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a 0.15 μm thick p-type light guide layer 109 made of Al 0.065 Ga 0.935 N is grown. The p-type light guide layer 109 is doped with Mg by diffusion of Mg from adjacent layers such as the p-type electron confinement layer 108 and the p-type cladding layer 110 described later. It can be a doped layer.

続いて、1000℃でアンドープAl0.13Ga0.87NよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、次にCp2Mgを用いて、MgドープAl0.09Ga0.91NよりなるB層を25Åの膜厚で成長させ、A層、B層を交互に積層する操作を90回繰り返して総膜厚0.45μmの超格子層よりなるp型クラッド層110を成長させる。
最後に、1000℃で、p型クラッド層110の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp型コンタクト層111を150Åの膜厚で成長させる。p型コンタクト層111はp型のInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはp型不純物をドープしたGaN又はAl組成比0.3以下のAlGaNとすれば、p電極120と最も好ましいオーミック接触が得られる。p型コンタクト層111はその上に電極を形成するので、1×1017/cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。1×1017/cm3よりも低いと、電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をGaNとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p型層を更に低抵抗化する。
Subsequently, an A layer made of undoped Al 0.13 Ga 0.87 N is grown to a thickness of 25 mm at 1000 ° C., and then a B layer made of Mg doped Al 0.09 Ga 0.91 N is grown to a thickness of 25 mm using Cp 2 Mg. The p-type cladding layer 110 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.45 μm is grown by repeating the operation of alternately stacking the A layer and the B layer 90 times.
Finally, a p-type contact layer 111 made of p-type GaN doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3 is grown on the p-type cladding layer 110 at a temperature of 1000 ° C. to a thickness of 150 mm. The p-type contact layer 111 can be composed of p-type In X Al Y Ga 1-XY N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), preferably GaN or Al composition doped with p-type impurities If the AlGaN ratio is 0.3 or less, the most preferable ohmic contact with the p-electrode 120 can be obtained. Since the p-type contact layer 111 forms an electrode thereon, it is desirable to have a high carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more. If it is lower than 1 × 10 17 / cm 3, it tends to be difficult to obtain a preferable ohmic with the electrode. Furthermore, when the composition of the contact layer is GaN, a preferable ohmic with the electrode material is easily obtained. After the reaction is completed, the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.

このようにして窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層111の表面にSiO2からなるエッチング用マスクを形成する。このマスクを所定の形状に加工し、Cl2ガスを用いたRIE(反応性イオンエッチング)によってp型半導体層、活性層、n型半導体層の一部を順次エッチングし、n電極を形成するn型コンタクト層の表面を露出させる。また、この際、n電極を形成する領域のみならず、後工程において窒化物半導体素子に劈開又は分割する位置及び/又はその周辺を含む領域においても、n型コンタクト層の表面を露出されておく。 After the nitride semiconductor is grown in this way to form a laminated structure, the wafer is taken out from the reaction vessel, and an etching mask made of SiO 2 is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 111. The mask is processed into a predetermined shape, and a p-type semiconductor layer, an active layer, and a part of the n-type semiconductor layer are sequentially etched by RIE (reactive ion etching) using Cl 2 gas to form an n electrode. Expose the surface of the mold contact layer. At this time, the surface of the n-type contact layer is exposed not only in the region where the n-electrode is formed, but also in the region including the position and / or the periphery where the nitride semiconductor element is cleaved or divided in a later step. .

次に、上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のp型コンタクト層(上部コンタクト層)111のほぼ全面に、PVD装置により、Si酸化物(主として、SiO2)よりなる第1の保護膜を0.5μmの膜厚で形成する。次いで、第1の保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置により、CF4ガスを用い、フォトリソグラフィ技術により、第1の保護膜をストライプ幅1.6μmとする。続いて、第1の保護膜をマスクとして用いて、p型コンタクト層111およびp型クラッド層110、p型光ガイド層109の一部をエッチングして、p型光ガイド層109の膜厚が0.1μmとなる深さまでエッチングすることにより、リッジストライプを形成する。 Next, a ridge stripe is formed as the above-described stripe-shaped waveguide region. First, a first protective film made of Si oxide (mainly SiO 2 ) is formed to a thickness of 0.5 μm on almost the entire surface of the uppermost p-type contact layer (upper contact layer) 111 by a PVD apparatus. . Next, a mask having a predetermined shape is formed on the first protective film, and the first protective film is formed with a stripe width of 1. with a RIE (reactive ion etching) apparatus using CF 4 gas and photolithography. 6 μm. Subsequently, using the first protective film as a mask, the p-type contact layer 111, the p-type cladding layer 110, and a part of the p-type light guide layer 109 are etched, so that the film thickness of the p-type light guide layer 109 is increased. A ridge stripe is formed by etching to a depth of 0.1 μm.

リッジストライプ形成後、第1の保護膜の上から、Zr酸化物(主としてZrO2)よりなる第2の保護膜162を、第1の保護膜の上と、エッチングにより露出されたp型光ガイド層109との上に0.2μmの膜厚で連続して形成する。
第2の保護膜162形成後、ウェハを600℃で熱処理する。このようにSiO2以外の材料を第2の保護膜162として形成した場合、第2の保護膜162成膜後に、300℃以上、好ましくは400℃以上、窒化物半導体の分解温度以下(1200℃)で熱処理することにより、第2の保護膜162が第1の保護膜の溶解材料(フッ酸)に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えることがさらに望ましい。
After the ridge stripe is formed, the second protective film 162 made of Zr oxide (mainly ZrO 2 ) is formed on the first protective film, and the p-type light guide exposed by etching on the first protective film. It is continuously formed on the layer 109 with a thickness of 0.2 μm.
After the formation of the second protective film 162, the wafer is heat-treated at 600 ° C. When a material other than SiO 2 is formed as the second protective film 162 in this way, after the second protective film 162 is formed, it is 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, and below the decomposition temperature of the nitride semiconductor (1200 ° C. ), The second protective film 162 becomes difficult to dissolve in the dissolved material (hydrofluoric acid) of the first protective film, and it is more desirable to add this step.

次に、ウェハをフッ酸に浸漬し、第1の保護膜をリフトオフ法により除去する。これにより、p型コンタクト層111の上に設けられていた第1の保護膜が除去されて、p型コンタクト層が露出される。以上のようにして、図1に示すように、リッジストライプの側面及びそれに連続する平面(p型光ガイド層109の露出面)に第2の保護膜(埋込層)162を形成する。   Next, the wafer is immersed in hydrofluoric acid, and the first protective film is removed by a lift-off method. As a result, the first protective film provided on the p-type contact layer 111 is removed, and the p-type contact layer is exposed. As described above, as shown in FIG. 1, the second protective film (embedded layer) 162 is formed on the side surface of the ridge stripe and on the plane continuous therewith (exposed surface of the p-type light guide layer 109).

このように、p型コンタクト層112の上に設けられた第1の保護膜が除去された後、図1に示すように、その露出したp型コンタクト層111の表面にNi/Au(100Å/1500Å)よりなるp電極120を形成する。但し、p電極120はストライプ幅を100μmとして、図1に示すように、第2の保護膜162の上に渡って形成する。
このp電極120の形成の前又は後に、既に露出させたn型コンタクト層103の表面に、Ti/Al(100Å/5000Å)よりなるストライプ状のn電極121をストライプと平行な方向で形成する。
Thus, after the first protective film provided on the p-type contact layer 112 is removed, as shown in FIG. 1, Ni / Au (100 Å / 100 mm) is formed on the exposed surface of the p-type contact layer 111. A p-electrode 120 made of 1500 Å) is formed. However, the p-electrode 120 is formed over the second protective film 162 with a stripe width of 100 μm, as shown in FIG.
Before or after the formation of the p-electrode 120, a striped n-electrode 121 made of Ti / Al (100Å / 5000Å) is formed in a direction parallel to the stripe on the surface of the n-type contact layer 103 that has already been exposed.

次に、p電極120及びn電極121に取り出し電極を設けるため、所望の領域をマスクし、SiO2とTiO2とよりなる積層膜164を設ける。この際、活性層107の幅(共振器方向に垂直な方向の幅)は160μmであり、対になる共振器面(反射面側)及び共振器面(光出射面側)にもSiO2とTiO2よりなる積層膜164が設けられる。
その後、p電極120上にRhO−Pt−Au(3000Å−1500Å−6000Å)よりなるパッド電極122を設ける。n電極121上にNi−Ti−Au(1000Å−1000Å−8000Å)よりなるパッド電極123を設ける。
Next, in order to provide an extraction electrode on the p-electrode 120 and the n-electrode 121, a desired region is masked and a laminated film 164 made of SiO 2 and TiO 2 is provided. At this time, the width of the active layer 107 (width in the direction perpendicular to the resonator direction) is 160 μm, and SiO 2 and the resonator surface (reflecting surface side) and the resonator surface (light emitting surface side) are paired. A laminated film 164 made of TiO 2 is provided.
Thereafter, a pad electrode 122 made of RhO—Pt—Au (3000 to 1500 to 6000) is provided on the p electrode 120. A pad electrode 123 made of Ni—Ti—Au (1000 Å−1000 Å−8000 Å) is provided on the n electrode 121.

以上のようにして、n電極121とp電極120とを形成した後、ウェハのサファイア基板101を研磨して200μmとした後、上述した共振器面(光出射面側)の表面、つまり、ストライプ状のp及びn電極120、121に垂直な方向の面をエッチングすることにより、積層膜164を除去するとともに、共振面(1−100面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M面)を形成する。   After forming the n electrode 121 and the p electrode 120 as described above, the sapphire substrate 101 of the wafer is polished to 200 μm, and then the surface of the above-described resonator surface (light emitting surface side), that is, a stripe The stacked film 164 is removed by etching the surface in the direction perpendicular to the p- and n-electrodes 120 and 121, and the resonance surface (1-100 surface, surface corresponding to the side surface of the hexagonal column crystal = M surface) ).

最後に、p電極に平行な方向で、ウェハをチップ状に切断してレーザ素子(共振器長は650μm)を得た。
得られたレーザ素子は、波長365nmで室温にて連続発振する窒化物半導体素子が得られた。25℃で発振波長が365nmのCW(Continuous Wave)、3mWのAPC駆動時において、2000時間以上の寿命特性を示した。
(実施例2)
異種基板として、実施例1と同様のサファイア基板を用意する。
Finally, the wafer was cut into chips in a direction parallel to the p-electrode to obtain a laser element (resonator length: 650 μm).
The obtained laser device was a nitride semiconductor device that continuously oscillates at a wavelength of 365 nm at room temperature. When CW (Continuous Wave) with an oscillation wavelength of 365 nm at 25 ° C. and APC driving with 3 mW were performed, a lifetime characteristic of 2000 hours or more was exhibited.
(Example 2)
A sapphire substrate similar to that in Example 1 is prepared as a different substrate.

このサファイア基板を反応容器内にセットし、温度を510℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)とを用い、サファイア基板101上にGaNよりなる低温成長のバッファ層102を200オングストロームの膜厚で成長させる。   The sapphire substrate is set in a reaction vessel, the temperature is set to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethylgallium) are used as a source gas, and a low-temperature growth buffer layer made of GaN on the sapphire substrate 101 102 is grown to a thickness of 200 Angstroms.

バッファ層成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させ、1050℃になったら、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、アンドープのGaNからなるGaN層を2.5μmの膜厚で成長させる。得られたGaN層を、ストライプ幅4μm、窓部の幅16μmに加工する。
その後、ストライプ形状に加工されたGaN層上に、アンドープのGaNよりなる第1の窒化物半導体層(図示せず)を3μm程度、その上に、第2の窒化物半導体層を15μm程度、成長させ、平坦化して、下地層102を形成する。
After the buffer layer growth, only TMG is stopped, the temperature is raised to 1050 ° C., and when it reaches 1050 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a GaN layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 2.5 μm. . The obtained GaN layer is processed to have a stripe width of 4 μm and a window width of 16 μm.
Thereafter, a first nitride semiconductor layer (not shown) made of undoped GaN is grown on the GaN layer processed into a stripe shape by about 3 μm, and a second nitride semiconductor layer is grown by about 15 μm on the first nitride semiconductor layer. Then, the base layer 102 is formed by planarization.

次に、下地層102の上に、温度を1100℃にして、TMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニアを用い、Al0.02Ga0.98Nからなるバッファ層(図示せず)を0.5μmの膜厚で成長させる。
得られたバッファ層の上にTMG、TMA、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、1100℃でSiドープしたAl0.02Ga0.98Nよりなるn型コンタクト層103を4μmの膜厚で成長させる。
Next, a buffer layer (not shown) made of Al 0.02 Ga 0.98 N is formed on the base layer 102 at a temperature of 1100 ° C. using TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), and ammonia. The film is grown with a thickness of 5 μm.
An n-type contact layer 103 made of Al 0.02 Ga 0.98 N doped with Si at 1100 ° C. is grown to a thickness of 4 μm on the obtained buffer layer using TMG, TMA, ammonia, and silane gas as an impurity gas.

次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を920℃にしてSiを5×1018/cm3ドープしたIn0.10Ga0.90Nよりなるクラック防止層104を0.15μmの膜厚で成長させる。
温度を1000℃にして、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAl0.13Ga0.87NよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、続いて、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたAl0.09Ga0.91NよりなるB層を25Åの膜厚で成長させる。そして、A層、B層を交互に積層する操作をそれぞれ120回繰り返してA層とB層を積層し、総膜厚0.6μmの多層膜(超格子構造)よりなるn型クラッド層105を成長させる。このとき、クラッド層のAlの平均組成は0.110とする。
Next, a crack prevention layer 104 made of In 0.10 Ga 0.90 N doped with Si at 5 × 10 18 / cm 3 at a temperature of 920 ° C. using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia is formed to a thickness of 0.15 μm. Grow in.
The temperature is set to 1000 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, an A layer made of undoped Al 0.13 Ga 0.87 N is grown to a thickness of 25 mm, and silane gas is used as an impurity gas. A B layer made of Al 0.09 Ga 0.91 N doped with 5 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 25 mm. Then, the operation of alternately laminating the A layer and the B layer is repeated 120 times to laminate the A layer and the B layer, and the n-type cladding layer 105 made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 0.6 μm is formed. Grow. At this time, the average composition of Al in the cladding layer is 0.110.

クラッド層105の上に、同様の温度で、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、Al0.065Ga0.935Nからなる膜厚0.15μmのn型光ガイド層106で成長させる。
次に、温度を970℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG、TMAを用い、SiドープのAl0.15Ga0.85Nよりなる障壁層、その上に、アンドープのIn0.02Al0.03Ga0.95Nよりなる井戸層、アンドープのAl0.15Ga0.85Nよりなる障壁層を、第1の障壁層/井戸層/第2の障壁層の順に積層し、活性層107を形成する。この時、第1の障壁層を70Å、第2の障壁層を50Å、井戸層を100Åとし、総膜厚約220Åの量子井戸構造とする。
On the cladding layer 105, TMG and ammonia are used as source gases at the same temperature, and an n-type light guide layer 106 made of Al 0.065 Ga 0.935 N and having a thickness of 0.15 μm is grown.
Next, the temperature is set to 970 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and TMA are used as source gases, a barrier layer made of Si-doped Al 0.15 Ga 0.85 N, and an undoped In 0.02 Al 0.03 Ga 0.95 A well layer made of N and a barrier layer made of undoped Al 0.15 Ga 0.85 N are stacked in the order of the first barrier layer / well layer / second barrier layer to form the active layer 107. At this time, the first barrier layer is 70 mm, the second barrier layer is 50 mm, the well layer is 100 mm, and the quantum well structure has a total film thickness of about 220 mm.

活性層107の上に、同様の温度で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1019/cm3ドープしたAl0.3Ga0.7Nよりなるp型電子閉込め層108を13nmの膜厚で成長させる。
温度を1000℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、Al0.065Ga0.935Nからなる膜厚0.15μmのp型光ガイド層109を成長させる。このp型光ガイド層109は、p型電子閉込め層108、後述するp型クラッド層110等の隣接層からのMgの拡散により、Mgがドープされるため、アンドープで形成しても、Mgドープ層とできる。
On the active layer 107, TMA, TMG, and ammonia were used as source gases, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) was used as an impurity gas, and Mg was doped at 1 × 10 19 / cm 3 at the same temperature. A p-type electron confinement layer 108 made of Al 0.3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 13 nm.
The temperature is set to 1000 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a 0.15 μm thick p-type light guide layer 109 made of Al 0.065 Ga 0.935 N is grown. The p-type light guide layer 109 is doped with Mg by diffusion of Mg from adjacent layers such as the p-type electron confinement layer 108 and the p-type cladding layer 110 described later. It can be a doped layer.

続いて、1000℃でアンドープAl0.13Ga0.87NよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、次にCp2Mgを用いて、MgドープAl0.09Ga0.91NよりなるB層を25Åの膜厚で成長させ、A層、B層を交互に積層する操作を90回繰り返して総膜厚0.45μmの超格子層よりなるp型クラッド層110を成長させる。
最後に、1000℃で、p型クラッド層110の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp型コンタクト層111を150Åの膜厚で成長させる。p型コンタクト層111は1×1017/cm3以上の高キャリア濃度を有する。反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p型層を更に低抵抗化する。
Subsequently, an A layer made of undoped Al 0.13 Ga 0.87 N is grown to a thickness of 25 mm at 1000 ° C., and then a B layer made of Mg doped Al 0.09 Ga 0.91 N is grown to a thickness of 25 mm using Cp 2 Mg. The p-type cladding layer 110 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.45 μm is grown by repeating the operation of alternately stacking the A layer and the B layer 90 times.
Finally, a p-type contact layer 111 made of p-type GaN doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3 is grown on the p-type cladding layer 110 at a temperature of 1000 ° C. to a thickness of 150 mm. The p-type contact layer 111 has a high carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more. After the reaction is completed, the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.

このようにして窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層111の表面にSiO2からなるエッチング用マスクを形成する。このマスクを所定の形状に加工し、Cl2ガスを用いたRIEによってp型半導体層、活性層、n型半導体層の一部を順次エッチングし、n電極を形成するn型コンタクト層の表面を露出させる。また、この際、n電極を形成する領域のみならず、後工程において窒化物半導体素子に劈開又は分割する位置及び/又はその周辺を含む領域においても、n型コンタクト層の表面を露出されておく。 After the nitride semiconductor is grown in this way to form a laminated structure, the wafer is taken out from the reaction vessel, and an etching mask made of SiO 2 is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 111. The mask is processed into a predetermined shape, and the p-type semiconductor layer, the active layer, and a part of the n-type semiconductor layer are sequentially etched by RIE using Cl 2 gas, and the surface of the n-type contact layer for forming the n-electrode is formed. Expose. At this time, the surface of the n-type contact layer is exposed not only in the region where the n-electrode is formed, but also in the region including the position and / or the periphery where the nitride semiconductor element is cleaved or divided in a later step. .

次に、上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のp型コンタクト層(上部コンタクト層)111のほぼ全面に、PVD装置により、Si酸化物(主として、SiO2)よりなる第1の保護膜を0.5μmの膜厚で形成する。次いで、第1の保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置により、CF4ガスを用い、フォトリソグラフィ技術により、第1の保護膜をストライプ幅1.6μmとする。続いて、第1の保護膜をマスクとして用いて、p型コンタクト層111およびp型クラッド層110、p型光ガイド層109の一部をエッチングして、p型光ガイド層109の膜厚が0.1μmとなる深さまでエッチングすることにより、リッジストライプを形成する。 Next, a ridge stripe is formed as the above-described stripe-shaped waveguide region. First, a first protective film made of Si oxide (mainly SiO 2 ) is formed to a thickness of 0.5 μm on almost the entire surface of the uppermost p-type contact layer (upper contact layer) 111 by a PVD apparatus. . Next, a mask having a predetermined shape is formed on the first protective film, and the first protective film is formed with a stripe width of 1. with a RIE (reactive ion etching) apparatus using CF 4 gas and photolithography. 6 μm. Subsequently, using the first protective film as a mask, the p-type contact layer 111, the p-type cladding layer 110, and a part of the p-type light guide layer 109 are etched, so that the film thickness of the p-type light guide layer 109 is increased. A ridge stripe is formed by etching to a depth of 0.1 μm.

リッジストライプ形成後、第1の保護膜の上から、Zr酸化物(主としてZrO2)よりなる第2の保護膜162を、第1の保護膜の上と、エッチングにより露出されたp型光ガイド層109との上に0.2μmの膜厚で連続して形成する。
第2の保護膜162形成後、ウェハを600℃で熱処理する。
次に、ウェハをフッ酸に浸漬し、第1の保護膜をリフトオフ法により除去する。これにより、p型コンタクト層111の上に設けられていた第1の保護膜が除去されて、p型コンタクト層が露出される。以上のようにして、図1に示すように、リッジストライプの側面及びそれに連続する平面(p型光ガイド層109の露出面)に第2の保護膜(埋込層)162を形成する。
After the ridge stripe is formed, the second protective film 162 made of Zr oxide (mainly ZrO 2 ) is formed on the first protective film, and the p-type light guide exposed by etching on the first protective film. It is continuously formed on the layer 109 with a thickness of 0.2 μm.
After the formation of the second protective film 162, the wafer is heat-treated at 600 ° C.
Next, the wafer is immersed in hydrofluoric acid, and the first protective film is removed by a lift-off method. As a result, the first protective film provided on the p-type contact layer 111 is removed, and the p-type contact layer is exposed. As described above, as shown in FIG. 1, the second protective film (embedded layer) 162 is formed on the side surface of the ridge stripe and on the plane continuous therewith (exposed surface of the p-type light guide layer 109).

このように、p型コンタクト層112の上に設けられた第1の保護膜が除去された後、図1に示すように、その露出したp型コンタクト層111の表面にNi/Au(100Å/1500Å)よりなるp電極120を形成する。但し、p電極120はストライプ幅を100μmとして、図1に示すように、第2の保護膜162の上に渡って形成する。
このp電極120の形成の前又は後に、既に露出させたn型コンタクト層103の表面に、Ti/Al(100Å/5000Å)よりなるストライプ状のn電極121をストライプと平行な方向で形成する。
Thus, after the first protective film provided on the p-type contact layer 112 is removed, as shown in FIG. 1, Ni / Au (100 Å / 100 mm) is formed on the exposed surface of the p-type contact layer 111. A p-electrode 120 made of 1500 Å) is formed. However, the p-electrode 120 is formed over the second protective film 162 with a stripe width of 100 μm, as shown in FIG.
Before or after the formation of the p-electrode 120, a striped n-electrode 121 made of Ti / Al (100Å / 5000Å) is formed in a direction parallel to the stripe on the surface of the n-type contact layer 103 that has already been exposed.

次に、p電極120及びn電極121に取り出し電極を設けるため、所望の領域をマスクし、SiO2とTiO2とよりなる積層膜164を設ける。この際、活性層107の幅(共振器方向に垂直な方向の幅)は160μmであり、対になる共振器面(反射面側)及び共振器面(光出射面側)にもSiO2とTiO2よりなる積層膜164が設けられる。
その後、p電極120上にRhO−Pt−Au(3000Å−1500Å−6000Å)よりなるパッド電極122を設ける。n電極121上にNi−Ti−Au(1000Å−1000Å−8000Å)よりなるパッド電極123を設ける。
Next, in order to provide an extraction electrode on the p-electrode 120 and the n-electrode 121, a desired region is masked and a laminated film 164 made of SiO 2 and TiO 2 is provided. At this time, the width of the active layer 107 (width in the direction perpendicular to the resonator direction) is 160 μm, and SiO 2 and the resonator surface (reflecting surface side) and the resonator surface (light emitting surface side) are paired. A laminated film 164 made of TiO 2 is provided.
Thereafter, a pad electrode 122 made of RhO—Pt—Au (3000 to 1500 to 6000) is provided on the p electrode 120. A pad electrode 123 made of Ni—Ti—Au (1000 Å−1000 Å−8000 Å) is provided on the n electrode 121.

以上のようにして、n電極121とp電極120とを形成した後、ウェハのサファイア基板101を研磨して200μmとした後、上述した共振器面(光出射面側)の表面、つまり、ストライプ状のp及びn電極120、121に垂直な方向の面をエッチングすることにより、積層膜164を除去するとともに、共振面(1−100面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M面)を形成する。   After forming the n electrode 121 and the p electrode 120 as described above, the sapphire substrate 101 of the wafer is polished to 200 μm, and then the surface of the above-described resonator surface (light emitting surface side), that is, a stripe The stacked film 164 is removed by etching the surface in the direction perpendicular to the p- and n-electrodes 120 and 121, and the resonance surface (1-100 surface, surface corresponding to the side surface of the hexagonal column crystal = M surface) ).

得られたレーザ素子において、少なくとも、主レーザ光の出射面側に、活性層で発光する光を効率よく共振させ、特に反対面側の共振器面が、光出射面側の共振器面と屈折率差を有するように、スパッタ装置を用いて、ZrO2からなる保護膜を形成し、次いでSiO2とZrO2とを積層して誘電体多層膜(図示せず)を形成した。
ここで、保護膜、誘電体多層膜を構成するSiO2膜とZrO2膜との膜厚は、それぞれ活性層からの発光波長に応じて好ましい厚さに設定することができる。例えば、誘電体多層膜におけるZrO2膜をλ/4n、SiO2膜を5λ/4nとした。
In the obtained laser device, the light emitted from the active layer is efficiently resonated at least on the emission surface side of the main laser beam, and the resonator surface on the opposite surface side is particularly refracted from the resonator surface on the light emission surface side. A protective film made of ZrO 2 was formed using a sputtering apparatus so as to have a rate difference, and then a dielectric multilayer film (not shown) was formed by laminating SiO 2 and ZrO 2 .
Here, the film thicknesses of the SiO 2 film and the ZrO 2 film constituting the protective film and the dielectric multilayer film can be set to preferable thicknesses according to the emission wavelength from the active layer. For example, the ZrO 2 film in the dielectric multilayer film is λ / 4n, and the SiO 2 film is 5λ / 4n.

最後に、p電極に平行な方向で、ウェハをチップ状に切断してレーザ素子(共振器長は650μm)を得た。
得られたレーザ素子は、実施例1と同様の効果が得られたとともに、光吸収が少なく、窒化物半導体と非常に良く密着して剥がれを防止できることが確認された。さらに、光が連続的に長時間照射されても劣化することがなく、半導体レーザ素子の発熱に対して非常に耐熱性に優れており、環境雰囲気の種類にかかわらず高寿命を確保することができることがわかった。
(実施例3)
基板としてn−GaN基板を用い、このGaN基板上に、任意にクラック防止層を形成し、さらにその上にn型クラッド層を形成する以外は、実施例1と同様の構成のレーザ素子を得た。ここで、GaN基板の不純物は酸素及び/又はシリコンとした。
Finally, the wafer was cut into chips in a direction parallel to the p-electrode to obtain a laser element (resonator length: 650 μm).
It was confirmed that the obtained laser device had the same effect as in Example 1, had little light absorption, and adhered very well to the nitride semiconductor to prevent peeling. Furthermore, it does not deteriorate even if light is continuously irradiated for a long time, and it has excellent heat resistance against the heat generated by the semiconductor laser element, and can ensure a long life regardless of the type of environmental atmosphere. I knew it was possible.
(Example 3)
A laser device having the same configuration as in Example 1 is obtained except that an n-GaN substrate is used as a substrate, a crack prevention layer is arbitrarily formed on the GaN substrate, and an n-type cladding layer is further formed thereon. It was. Here, the impurity of the GaN substrate was oxygen and / or silicon.

得られたレーザー素子は、実施例1と同様の効果が得られることが確認された。   It was confirmed that the obtained laser element had the same effect as in Example 1.

本発明は、発光ダイオード素子(LED)、レーザダイオード素子(LD)、スーパーフォトルミネセンスダイオード等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられるIII−V族窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子に関し、紫外から青色、特に発光波長が365nm以下である窒化物半導体発光素子に関する。   The present invention is used for light-emitting elements such as light-emitting diode elements (LEDs), laser diode elements (LD) and superphotoluminescence diodes, light-receiving elements such as solar cells and optical sensors, or electronic devices such as transistors and power devices. The present invention relates to a nitride semiconductor device using a group III-V nitride semiconductor, and relates to a nitride semiconductor light-emitting device having an ultraviolet to blue color, particularly an emission wavelength of 365 nm or less.

本発明の一実施形態に係るレーザ素子構造を説明する模式断面図である。It is a schematic cross section explaining a laser device structure according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るレーザ素子における25℃、CW2mW時の発振スペクトルである。It is an oscillation spectrum at 25 degreeC and CW2mW in the laser element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るレーザ素子における25℃、CW2mW時のI−L、I−V特性である。It is IL and IV characteristics at 25 ° C. and CW of 2 mW in the laser device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るレーザ素子における25℃、CW3mW時の通電試験結果である。It is an energization test result in 25 degreeC and CW3mW in the laser element which concerns on one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101・・・基板、102・・・バッファ層、103・・・n型コンタクト層、104・・・クラック防止層、105・・・n型クラッド層、106・・・n型光ガイド層、107・・・活性層、108・・・p型電子閉込め層、109・・・p型光ガイド層、110・・・p型クラッド層、111・・・p型コンタクト層、120・・・p電極、121・・・n電極、122・・・pパッド電極、123・・・nパッド電極、162・・・第2の保護膜(埋込層)、164・・・積層膜



DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... Buffer layer, 103 ... N-type contact layer, 104 ... Crack prevention layer, 105 ... N-type cladding layer, 106 ... N-type light guide layer, 107 ... Active layer, 108 ... p-type electron confinement layer, 109 ... p-type light guide layer, 110 ... p-type cladding layer, 111 ... p-type contact layer, 120 ... p Electrode, 121... N electrode, 122... P pad electrode, 123... N pad electrode, 162... Second protective film (embedded layer), 164.



Claims (12)

基板上に、Alを含む窒化物半導体からなるn型クラッド層とn型光ガイド層、InとAlとを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造をした活性層、及びAlを含む窒化物半導体からなるp型光ガイド層とp型クラッド層とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
前記活性層の井戸層が、AlxInyGa1-x-yN(0.02≦x≦0.05、0.005≦y≦0.03、x+y<1)からなり、該活性層を挟んだ第1の障壁層及び第2の障壁層がAluGa1-uN(0.10≦u≦0.17)からなり、
前記井戸層の膜厚が前記障壁層の膜厚よりも厚膜であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
An active layer having a quantum well structure having an n-type cladding layer and an n-type light guide layer made of a nitride semiconductor containing Al, a well layer made of a nitride semiconductor containing In and Al, and Al on the substrate In a nitride semiconductor laser device including a p-type light guide layer and a p-type cladding layer made of a nitride semiconductor,
The well layer of the active layer is made of Al x In y Ga 1-xy N (0.02 ≦ x ≦ 0.05, 0.005 ≦ y ≦ 0.03, x + y <1), and sandwiches the active layer The first barrier layer and the second barrier layer are made of Al u Ga 1-u N (0.10 ≦ u ≦ 0.17),
The nitride semiconductor laser device, wherein the well layer is thicker than the barrier layer.
前記n型及びp型クラッド層が、AlaGa1-aN(0.07≦a≦0.10)からなる第1層と、AlbGa1-bN(0.11≦b≦0.14)からなる第2層よりなる超格子層であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体レーザ素子。 The n-type and p-type cladding layers are a first layer made of Al a Ga 1-a N (0.07 ≦ a ≦ 0.10), and Al b Ga 1-b N (0.11 ≦ b ≦ 0). 14. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor laser device is a superlattice layer composed of a second layer composed of .14). 前記n型及びp型光ガイド層が、AlcGa1-cN(0.055≦c≦0.075)からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。 3. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the n-type and p-type light guide layers are made of Al c Ga 1-c N (0.055 ≦ c ≦ 0.075). 4. 前記活性層とp型光ガイド層との間に、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいAlを含む窒化物半導体層を介していることを特徴とする請求項1乃至3記載の窒化物半導体レーザ素子。 4. The nitride semiconductor laser according to claim 1, wherein a nitride semiconductor layer containing Al having a band gap energy larger than that of the active layer is interposed between the active layer and the p-type light guide layer. element. 前記基板は、少なくとも光導波路領域の直下は低転位領域としていることを特徴とする請求項1乃至4記載の窒化物半導体レーザ素子。 5. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the substrate has a low dislocation region at least immediately below the optical waveguide region. 前記基板は、異種基板の表面上に周期的なストライプ状、格子状又は島状をした第1の窒化物半導体層と、該第1の窒化物半導体層の上面、及び/又は側面を核として成長することで前記異種基板の全面を覆う第2の窒化物半導体層とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The substrate includes a first nitride semiconductor layer having a periodic stripe shape, a lattice shape, or an island shape on a surface of a different substrate, and an upper surface and / or a side surface of the first nitride semiconductor layer as a nucleus. The nitride semiconductor laser element according to claim 1, further comprising a second nitride semiconductor layer that covers the entire surface of the different substrate by growing. 前記第2の窒化物半導体層には低転位領域が形成されていることを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The nitride semiconductor laser element according to claim 6, wherein a low dislocation region is formed in the second nitride semiconductor layer. 前記基板の低転位領域における転位数が1×107個/cm2以下であることを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体レーザ素子。 8. The nitride semiconductor laser device according to claim 7, wherein the number of dislocations in the low dislocation region of the substrate is 1 × 10 7 pieces / cm 2 or less. 前記基板がAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる基板であることを特徴とする請求項1乃至8に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the substrate is a substrate made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). 前記窒化物半導体レーザ素子が一対の共振器面を有し、該共振器面の光出射端面に、誘電体多層膜が形成されてなる請求項1乃至9に記載の窒化物半導体レーザ素子。 10. The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the nitride semiconductor laser element has a pair of resonator surfaces, and a dielectric multilayer film is formed on a light emitting end surface of the resonator surface. 前記誘電体多層膜が、光出射端面側から少なくとも5λ/4n以上の膜厚の酸化シリコン膜とλ/4nの膜厚の酸化ジルコニウム膜との積層膜により形成されてなる請求項10に記載の窒化物半導体レーザ素子。 11. The dielectric multilayer film according to claim 10, wherein the dielectric multilayer film is formed of a laminated film of a silicon oxide film having a thickness of at least 5λ / 4n or more and a zirconium oxide film having a thickness of λ / 4n from the light emitting end face side. Nitride semiconductor laser device. 基板上に、Alを含む窒化物半導体からなるn型クラッド層とn型光ガイド層、InとAlとを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造をした活性層、及びAlを含む窒化物半導体からなるp型光ガイド層とp型クラッド層とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
前記窒化物半導体レーザ素子が一対の共振器面を有し、該共振器面の光出射端面に、光出射端面側から少なくとも5λ/4n以上の膜厚の酸化シリコン膜とλ/4nの膜厚の酸化ジルコニウム膜との積層膜からなる誘電体多層膜が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子。

An active layer having a quantum well structure having an n-type cladding layer and an n-type light guide layer made of a nitride semiconductor containing Al, a well layer made of a nitride semiconductor containing In and Al, and Al on the substrate In a nitride semiconductor laser device including a p-type light guide layer and a p-type cladding layer made of a nitride semiconductor,
The nitride semiconductor laser element has a pair of resonator surfaces, and a silicon oxide film having a thickness of at least 5λ / 4n or more from the light emitting end surface side and a film thickness of λ / 4n on the light emitting end surface of the resonator surface. A nitride semiconductor laser element in which a dielectric multilayer film composed of a laminated film with a zirconium oxide film is formed.

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