JP2005340625A - Nitride semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に係り、特にレーザ発振時の発光出力の揺れ(キンク)を軽減するための構造に関するもので、例えば光ディスク装置の光ヘッド用光源、LDディスプレイ、医療用光源、バイオ用光源、印刷用光源、光学モジュールなどに使用されるものである。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser element, and more particularly to a structure for reducing fluctuation (kink) of light emission output during laser oscillation. For example, a light source for an optical head of an optical disk device, an LD display, a medical light source, It is used for bio light sources, printing light sources, optical modules, and the like.
GaN系の窒化物レーザダイオード(LD)は、例えば光ディスクに高密度で情報を読み出し/書き込みを行う光源として有望とされている。例えば、発光波長が400nm帯(青紫色を含む380nm〜420nm)の短波長LDは、次世代光ディスク用、次世代DVD用のピックアップ光源として有望視されている。また、発光波長が440nm帯(青色〜緑色を含む420nm〜550nm)の長波長LDは、画像表示を行うLDディスプレイ、医療用光源、バイオ、印刷用光源、光学モジュールなどとして有望視されている。上記LDには、LDのアレイを用いることができる。 A GaN-based nitride laser diode (LD) is considered promising as a light source for reading / writing information on an optical disk at a high density, for example. For example, a short wavelength LD having an emission wavelength of 400 nm band (380 nm to 420 nm including blue-violet) is promising as a pickup light source for next generation optical disks and next generation DVDs. In addition, a long wavelength LD having an emission wavelength of 440 nm band (420 nm to 550 nm including blue to green) is promising as an LD display for displaying images, a medical light source, a bio light source, a printing light source, an optical module, and the like. An LD array can be used as the LD.
なお、一般に、LD共振器のレーザミラーとして誘電体多層膜を設ける点が特許文献1に開示されている。
本願発明者は、前記したような例えば400nm帯や440nm帯の窒化物半導体レーザ素子の製品化に際して、電流Iと発光出力Lとの関係(I−L特性)、特にレーザ発振時に発生する発光出力の揺れ(キンク)について波長依存性を検討した。その結果、図8に示すように、波長が長くなるにつれてキンクが次第に大きくなることが判明した。このようなキンクが大きいと、半導体レーザ素子を連続発振で動作させる場合には問題にならないが、半導体レーザ素子をパルス発振で動作させたり、直接変調で高速動作させる場合に支障が生じる。 The inventor of the present application, for example, in commercializing a nitride semiconductor laser element of the 400 nm band or the 440 nm band as described above, the relationship between the current I and the light emission output L (IL characteristics), particularly the light emission output generated during laser oscillation. The wavelength dependence of the kink was investigated. As a result, as shown in FIG. 8, it has been found that the kink gradually increases as the wavelength increases. When such a kink is large, there is no problem when the semiconductor laser element is operated by continuous oscillation, but there is a problem when the semiconductor laser element is operated by pulse oscillation or when it is operated at high speed by direct modulation.
さらに、本願発明者は、440nm帯の窒化物半導体レーザ素子のキンクに関して実験を重ねた結果、キンクは、発光出力の大きさ、レーザミラーの反射率に依存することを見い出した。 Furthermore, as a result of repeated experiments on the kinks of the 440 nm band nitride semiconductor laser element, the inventor of the present application has found that the kinks depend on the magnitude of the light emission output and the reflectance of the laser mirror.
本発明は上記の知見によりなされたもので、キンクを大幅に低減させることが可能になり、高出力時の信頼性と低出力時の使い易さを両立させ得る大きなダイナミックレンジを有する窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on the above knowledge, and it is possible to significantly reduce kinks, and a nitride semiconductor having a large dynamic range that can achieve both high output reliability and ease of use at low output. An object is to provide a laser element.
本発明の窒化物半導体レーザ素子の第1の態様は、窒化物半導体からなる第1導電型の半導体層、活性層および第2導電型の半導体層が積層された積層半導体層と、前記活性層と該活性層を挟む第1導電型の半導体層および第2導電型の半導体層からなるレーザ光の導波路領域に対してほぼ垂直な端面に位置するフロント側のレーザミラーおよびリア側のレーザミラーを具備する窒化物半導体レーザ素子であって、前記活性層は、InxAlyGa1−x−yN(0.05≦x≦0.25、0≦y≦0.95、0.05≦x+y≦1)であり、前記フロント側のレーザミラーの反射率は60%以下であることを特徴とする。 ここで、フロント側のレーザミラーは、導波路領域の一端面に、レーザ光に対する屈折率が互いに異なる第1の透光性膜および第2の透光性膜が積層されてなる積層膜が形成される構造と、導波路領域の一端面に保護膜として第1の透光性膜からなる単層膜が形成される構造がある。フロント側のレーザミラーに積層膜を用いる場合、第1の透光性膜としてZrO2 膜、第2の透光性膜としてSiO2 膜を用い、第1の透光性膜と第2の透光性膜を1.5〜2.5ペア積層することで実現可能である。フロント側のレーザミラーに単層膜を用いる場合、第1の透光性膜として、Al2 O3 膜、Nb2 O5 膜、HfOx膜、MgO膜、Ta2 O5 膜、SiON膜、AlOxNy膜、GaOx膜のいずれか1つを用いることで、フロント側のレーザミラーの反射率が20%以下となるように実現可能である。 According to a first aspect of the nitride semiconductor laser device of the present invention, a first semiconductor layer of a first conductivity type made of a nitride semiconductor, an active layer, a stacked semiconductor layer in which a second conductivity type semiconductor layer is stacked, and the active layer A front-side laser mirror and a rear-side laser mirror located on an end surface substantially perpendicular to the waveguide region of the laser beam comprising the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer sandwiching the active layer The active layer is formed of In x Al y Ga 1-xy N (0.05 ≦ x ≦ 0.25, 0 ≦ y ≦ 0.95, 0.05). ≦ x + y ≦ 1), and the reflectance of the front side laser mirror is 60% or less. Here, the front-side laser mirror is formed with a laminated film in which a first translucent film and a second translucent film having different refractive indexes with respect to the laser beam are laminated on one end face of the waveguide region. And a structure in which a single layer film made of a first light-transmitting film is formed as a protective film on one end face of the waveguide region. When using a multilayer laser mirror film on the front side, ZrO 2 film as the first transparent film, the SiO 2 film used as the second transparent film, the first transparent film and the second magnetic This can be realized by laminating 1.5 to 2.5 pairs of optical films. When a single layer film is used for the front-side laser mirror, the first light-transmitting film is an Al 2 O 3 film, an Nb 2 O 5 film, an HfO x film, an MgO film, a Ta 2 O 5 film, an SiON film, By using any one of the AlO x N y film and the GaO x film, it is possible to realize the reflectance of the front side laser mirror to be 20% or less.
本発明の窒化物半導体レーザ素子の第2の態様は、窒化物半導体からなる第1導電型の半導体層、活性層および第2導電型の半導体層が積層された積層半導体層と、前記活性層と該活性層を挟む第1導電型の半導体層および第2導電型の半導体層からなるレーザ光の導波路領域に対してほぼ垂直な端面に位置するフロント側のレーザミラーおよびリア側のレーザミラーとを具備する窒化物半導体レーザ素子であって、前記活性層は、InxAlyGa1−x−yN(0.05≦x≦0.25、0≦y≦0.95、0.05≦x+y≦1)であり、前記フロント側のレーザミラーは、Al2 O3 膜、Nb2 O5 膜、HfOx膜、MgO膜、Ta2 O5 膜、SiON膜、AlOxNy膜、GaOx膜のいずれか1つからなる単層膜が前記導波路領域の一端面に形成されてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the nitride semiconductor laser element of the present invention, there is provided a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor, an active layer, a stacked semiconductor layer in which a second conductive semiconductor layer is stacked, and the active layer. A front-side laser mirror and a rear-side laser mirror located on an end surface substantially perpendicular to the waveguide region of the laser beam comprising the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer sandwiching the active layer a nitride semiconductor laser device having a preparative, the active layer, in x Al y Ga 1- x-y N (0.05 ≦ x ≦ 0.25,0 ≦ y ≦ 0.95,0. 05 ≦ x + y ≦ 1), and the laser mirror on the front side includes an Al 2 O 3 film, an Nb 2 O 5 film, an HfO x film, an MgO film, a Ta 2 O 5 film, an SiON film, and an AlO x N y film. , a single-layer film made from one of GaO x layer is said electrically Characterized by comprising formed on one end surface of the road area.
なお、前記各態様において、リア側レーザミラーは、導波路領域の一端面に、レーザ光に対する屈折率が互いに異なる第1の透光性膜および第2の透光性膜を積層することで実現可能であり、リア側レーザミラーの反射率を90%以上とすることが好ましい。この場合、第1の透光性膜としてZrO2 膜、第2の透光性膜としてSiO2 膜を用い、第1の透光性膜と第2の透光性膜を4.5〜6.5ペア積層することで実現可能である。 In each of the above embodiments, the rear-side laser mirror is realized by laminating a first light-transmitting film and a second light-transmitting film having different refractive indexes with respect to laser light on one end face of the waveguide region. It is possible, and it is preferable that the reflectance of the rear side laser mirror be 90% or more. In this case, ZrO 2 film as the first transparent film, the SiO 2 film used as the second transparent film, the first transparent film and the second transparent film 4.5 to 6 It can be realized by stacking 5 pairs.
また、前記各態様において、活性層は、青紫色〜緑色を含む波長領域の範囲内で発光が可能なものであり、光の波長換算で、420nm以上、550nm以下のエネルギーバンドギャップを有するものである。 Moreover, in each said aspect, an active layer can light-emit within the range of the wavelength range containing blue purple-green, and has an energy band gap of 420 nm or more and 550 nm or less in conversion of the wavelength of light. is there.
本発明の窒化物半導体レーザ素子の第1の態様によれば、青紫色〜緑色を含む波長領域の範囲内で発光が可能な窒化物半導体レーザ素子において、フロント側のレーザミラーとして、レーザ光に対する屈折率が互いに異なる第1の透光性膜および第2の透光性膜を導波路領域の一端面に積層し、または、第1の透光性膜の単層膜を導波路領域の一端面に形成し、フロント側のレーザミラーの反射率を60%以下、好ましくは20%以下にすることによって、キンクを大幅に低減させることが可能になり、高出力時の信頼性と低出力時の使い易さを両立させ得る大きなダイナミックレンジを持たせることができる。
According to the first aspect of the nitride semiconductor laser device of the present invention, in the nitride semiconductor laser device capable of emitting light in the wavelength range including blue-violet to green, the front-side laser mirror serves as a laser beam. A first light-transmitting film and a second light-transmitting film having different refractive indexes are laminated on one end face of the waveguide region, or a single-layer film of the first light-transmitting film is formed on one end of the waveguide region. By forming it on the end face and making the reflectance of the laser mirror on the
本発明の窒化物半導体レーザ素子の第2の態様によれば、青紫色〜緑色を含む波長領域の範囲内で発光が可能な窒化物半導体レーザ素子において、フロント側のレーザミラーとして、Al2 O3 膜、Nb2 O5 膜、HfOx膜、MgO膜、Ta2 O5 膜、SiON膜、AlOxNy膜、GaOx膜のいずれか1つからなる単層膜を用いることによって、キンクを大幅に低減させることが可能になり、高出力時の信頼性と低出力時の使い易さを両立させ得る大きなダイナミックレンジを持たせることができる。 According to the second aspect of the nitride semiconductor laser element of the present invention, in the nitride semiconductor laser element capable of emitting light in the wavelength range including blue-violet to green, as the front side laser mirror, Al 2 O By using a single layer film composed of any one of three films, Nb 2 O 5 film, HfO x film, MgO film, Ta 2 O 5 film, SiON film, AlO x N y film, and GaO x film, Can be drastically reduced, and a large dynamic range that can achieve both high output reliability and low output ease of use can be provided.
<第1の実施形態>
第1の実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、光の波長換算で420nm以上、550nm以下のエネルギーバンドギャップを有する活性層を含む積層半導体層と、レーザ光の導波路領域に対してほぼ垂直な端面に位置するフロント側レーザミラー(以下、出射側ミラーと記す)およびリア側レーザミラー(以下、反射側ミラーと記す)とを有する。ここで、活性層は、420nm〜550nmの範囲内の青色、青緑色、緑色などの発光が可能な組成を有する。そして、出射側ミラーの反射率が60%以下、より好ましくは20%以下となるように構成され、反射側ミラーの反射率が60%以上、より好ましくは90%以上となるように構成されている。
<First Embodiment>
The nitride semiconductor laser device according to the first embodiment is substantially perpendicular to a laminated semiconductor layer including an active layer having an energy band gap of 420 nm or more and 550 nm or less in terms of light wavelength, and a waveguide region of the laser light. It has a front side laser mirror (hereinafter referred to as an emission side mirror) and a rear side laser mirror (hereinafter referred to as a reflection side mirror) located on the end face. Here, the active layer has a composition capable of emitting light such as blue, blue-green, and green within a range of 420 nm to 550 nm. The output side mirror has a reflectance of 60% or less, more preferably 20% or less, and the reflection side mirror has a reflectance of 60% or more, more preferably 90% or more. Yes.
図1(a)は、第1の実施形態の窒化物半導体レーザ素子の一部であってレーザ光の共振方向に垂直な方向(共振面に平行な方向)に切断した際の断面構造の一例を模式的に示す。本例では、第1導電型をn型、第2導電型をp型で示している。 FIG. 1A is an example of a cross-sectional structure that is a part of the nitride semiconductor laser device of the first embodiment and is cut in a direction perpendicular to the resonance direction of laser light (a direction parallel to the resonance surface). Is shown schematically. In this example, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.
図1(a)において、それぞれ窒化物半導体からなる第1導電型(n型)の半導体層、活性(Act) 層15、第2導電型(p型)の半導体層は、基板(図示せず)上に積層成長された積層半導体層を形成している。
In FIG. 1A, a first conductivity type (n-type) semiconductor layer, an active (Act)
n型の半導体層は、n側コンタクト層(n-Contact 層)11、クラック防止層(Crack-Barrier 層)12、n側クラッド層(n-Clad層)13、n側光ガイド層(n-Guide 層)14が積層されている。p型の半導体層は、p側電子閉じ込め層(p-Cap 層)16、p側光ガイド層(p-Guide 層)17、p側クラッド層(p-Clad層)18、p側コンタクト層(p-Contact 層)19が積層されている。 The n-type semiconductor layer includes an n-side contact layer (n-contact layer) 11, a crack prevention layer (Crack-Barrier layer) 12, an n-side cladding layer (n-Clad layer) 13, an n-side light guide layer (n-contact layer). Guide layer) 14 is laminated. The p-type semiconductor layer includes a p-side electron confinement layer (p-Cap layer) 16, a p-side light guide layer (p-Guide layer) 17, a p-side cladding layer (p-Clad layer) 18, a p-side contact layer ( p-Contact layer) 19 is laminated.
なお、n側コンタクト層11は、前記積層半導体層を成長させるためにGaN系基板を用いた場合には、その一部を用いてもよい。また、p側コンタクト層19、p側クラッド層18およびp側光ガイド層17の一部は、約2μmのストライプ幅を有するリッジストライプを形成するようにエッチングされている。リッジ形状とされることにより、Act 層15の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化し易く、閾値が低下し易い。
The n-
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、Act 層15をn-Guide 層14、p-Cap 層16、p-Guide 層17で挟んだ分離光閉じ込め型(SCH;Separate Confinement Heterostructure)構造を有する。このSCH構造は、Act 層15よりバンドギャップの大きい光ガイド層をAct 層15の両側に備えることで光の導波路を構成するものである。さらに、SCH構造の両側にn-Clad層13、p-Clad層18を有する。これらのn-Clad層13、p-Clad層18には、屈折率の低い窒化物半導体層を設けて光閉じ込め効果およびキャリア閉じ込め効果を持たせている。また、前記各層の間に応力緩衝層を有する構造としてもよい。
The nitride semiconductor laser device of this embodiment has a separated light confinement (SCH) structure in which an
なお、窒化物半導体レーザ素子の各半導体層を形成する窒化物半導体の一般式は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)である。n型の窒化物半導体は、n型不純物として、Si、Ge、O等のいずれか1つ以上を含有している。p型の窒化物半導体は、p型不純物として、Mg、Zn等を含有している。 The general formula of the nitride semiconductor forming each semiconductor layer of the nitride semiconductor laser element is In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). The n-type nitride semiconductor contains any one or more of Si, Ge, O, etc. as an n-type impurity. A p-type nitride semiconductor contains Mg, Zn or the like as a p-type impurity.
前記Act 層15は、InxAlyGa1−x−yN(0.05≦x≦0.25、0≦y≦0.95、0.05≦x+y≦1)であり、Inの含有量を制御することで420nmから470nm、さらに550nmまでの発光が可能である。Act 層15は、多重量子井戸構造または単一量子井戸構造を有し、多重量子井戸構造で形成すると発光効率が向上する。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2〜8回繰り返してなるものであって、障壁層で終わる構成である。井戸層と障壁層とのペアを2〜3回繰り返してなるものが閾値電流を低下させて寿命特性を向上させるのに好ましい。
The Act layer 15 is In x Al y Ga 1-x -y N (0.05 ≦ x ≦ 0.25,0 ≦ y ≦ 0.95,0.05 ≦ x + y ≦ 1), contains the In By controlling the amount, light emission from 420 nm to 470 nm and further to 550 nm is possible. The
図1(b)は、図1(a)中のAct 層15の断面構造の一例を模式的に示している。本例のAct 層15は、第1の障壁(1st Barrier )層151、第1の井戸(1st Well)層152、中間障壁(Middle Barrier)層153、第2の井戸(2nd Well)層154、最終障壁(Last Barrier)層155が積層された多重量子井戸構造を有する。
FIG. 1B schematically shows an example of a cross-sectional structure of the
さらに、図1(a)、(b)中には示されていないが、Act 層15とそれを挟むn型の半導体層およびp型の半導体層からなるレーザ光の導波路領域に対して略垂直な端面に出射側ミラーおよび反射側ミラーが形成されており、各レーザミラーは導波路領域とともにレーザ共振器を形成している。レーザ光出力をモニターする場合には、モニター光を取り出す反射側ミラーはモニター側ミラーと称する。
Further, although not shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the waveguide layer of laser light composed of the
導波路領域は、光を伝搬する領域であり、平面ストライプ状に形成される。ここで、伝搬された光がレーザ共振器で共振することにより増幅されてレーザ発振する。また、導波路領域に電流を効率良く注入することができるように電流狭窄領域の断面形状は突状(リッジ状)をしていることが好ましい。 The waveguide region is a region that propagates light and is formed in a planar stripe shape. Here, the propagated light is amplified by the resonance of the laser resonator, and laser oscillation occurs. Further, it is preferable that the cross-sectional shape of the current confinement region is a protrusion (ridge shape) so that current can be efficiently injected into the waveguide region.
前記各レーザミラーは、導波路領域の一端面側に、レーザ光に対する屈折率が互いに異なる少なくとも2種類の透光性膜が積層状態で所定のペア数だけ配置される場合と、1種類の透光性膜(例えばAl2 O3 膜、Nb2 O5 膜、HfOx膜のいずれか1つ)が配置される場合がある。この場合、各透光性膜は、それぞれの内部におけるレーザ光波長のm/4n(n:1以上の整数,m:奇数)の厚さを有し、導波路領域の一端面(結晶劈開面)に接する透光性膜は、結晶劈開面の光学損傷を保護し、発光出力の劣化、寿命を改善する役割も有する。 Each of the laser mirrors has a case where at least two types of translucent films having different refractive indexes with respect to laser light are arranged in a laminated state on the one end surface side of the waveguide region in a predetermined number of pairs, and one type of translucent film. A photo film (for example, any one of an Al 2 O 3 film, an Nb 2 O 5 film, and an HfO x film) may be disposed. In this case, each translucent film has a thickness of m / 4n (n: integer of 1 or more, m: odd number) of the wavelength of the laser beam inside thereof, and one end face (crystal cleavage plane) of the waveguide region The translucent film in contact with () also protects optical damage of the crystal cleavage plane, and also has a role of improving the light emission output and improving the lifetime.
さらに、図1(a)、(b)中には示されていないが、p側コンタクト層19の表面にオーミックにコンタクトするように第1電極(p電極、正電極)が形成され、n側コンタクト層11に電気的に接続されるように第2電極(n電極、負電極)が形成される。
Further, although not shown in FIGS. 1A and 1B, a first electrode (p electrode, positive electrode) is formed so as to make ohmic contact with the surface of the p-
上記p電極と導波路領域とを上面から見た場合の両者の平面的な配置関係は、図7(a)に示すように、p電極21の一端が導波路領域の一端面(結晶劈開面)Aに一致している構造と、図7(b)に示すように、p電極21の一端が導波路領域の一端面(結晶劈開面)から0.1〜5μm程度離れている構造がある。p電極21の一端が導波路領域の一端面Aに一致している構造は、p電極21にAuを用いない場合に採用され、COD(Catastrophic Optical Damage) レベルが向上する。この場合、p電極21にAuを用いたとしても、その膜厚が薄い(10〜300nm程度)場合には、CODレベルが向上する。
When the p electrode and the waveguide region are viewed from above, the planar arrangement relationship between them is that, as shown in FIG. 7A, one end of the
これに対して、p電極21の一端が導波路領域の一端面Aから離れている構造は、p電極21にAuを用いることに制約を受けない。この場合、導波路領域においてp電極21の一端と導波路領域の一端面Aとの間の部分は、キャリアが直接に注入されないので、吸収領域となってしまい、発熱によりバンドギャップが低下し、CODにより結晶破壊が発生し易い。しかし、図7(b)に示す構造は、前記したようにp電極21の一端が導波路領域の一端面(結晶劈開面)から近い(0.1〜5μm程度離れている)ので、問題がなく、図7(a)に示す構造と同等の特性が得られる。
On the other hand, the structure in which one end of the
表1は、図1(a)、(b)に示した窒化物半導体レーザ素子の各層の膜厚、Inの混晶比xあるいはAlの混晶比yの最小値(Minimum) 、標準値、最大値(Maximum) の一例を示している。(表1)
膜厚 ‖ 混晶比(InxまたはAly)
Minimum Maximum ‖ Minimum Maximum
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――
n-Contact 2 μm 4 μm 7.5 μm ‖ y=0.010 y=0.02 y=0.045
Crack-Barrier 90 nm 150 nm 250 nm ‖ x=0.014 x=0.03 x=0.06
n-Clad 0.8 μm 1.3 μm 2.2 μm ‖ y=0.035 y=0.059 y=0.100
n-Guide 200 nm 315 nm 520 nm ‖ − − −
1st Barrier 20 nm 40 nm 150 nm ‖ x=0.02 x=0.04 x=0.075
1st Well 1.7 nm 3 nm 6.7 nm ‖ x=0.06 x=0.10 x=0.18
Middle Barrier 8 nm 14 nm 24 nm ‖ x=0.02 x=0.04 x=0.075
2nd Well 1.7 nm 3 nm 6.7 nm ‖ x=0.06 x=0.10 x=0.18
Last Barrier 20 nm 40 nm 200 nm ‖ x=0.02 x=0.04 x=0.075
p-Cap 5.3 nm 10 nm 18 nm ‖ y=0.14 y=0.25 y=0.45
p-Guide 200 nm 315 nm 520 nm ‖ − − −
p-Clad 270 nm 450 nm 750 nm ‖ y=0.027 y=0.046 y=0.100
p-Contact 6.7 nm 15 nm 30 nm ‖ − − −
表1において、Crack-Barrier 層、1st Barrier 層、1st Well層、Middle Barrier層、2nd Well層およびLast Barrier層はInxを含む層である。n-Contact 層、n-Clad層、p-Cap 層およびp-Clad層はAlyを含む層である。n-Guide 層、p-Guide 層およびp-Contact 層はGaN層である。
Table 1 shows the film thickness of each layer of the nitride semiconductor laser element shown in FIGS. 1A and 1B, the minimum value (Minimum), the standard value of the mixed crystal ratio x of In or the mixed crystal ratio y of Al. An example of the maximum value (Maximum) is shown. (Table 1)
Film thickness 混 Mixed crystal ratio (In x or Al y )
Minimum Maximum ‖ Minimum Maximum
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――
n-
Crack-Barrier 90
n-Clad 0.8 μm 1.3 μm 2.2 μm ‖ y = 0.035 y = 0.059 y = 0.100
n-
1st Well 1.7 nm 3 nm 6.7 nm ‖ x = 0.06 x = 0.10 x = 0.18
2nd Well 1.7 nm 3 nm 6.7 nm ‖ x = 0.06 x = 0.10 x = 0.18
p-Cap 5.3
p-
p-Clad 270 nm 450 nm 750 nm ‖ y = 0.027 y = 0.046 y = 0.100
p-Contact 6.7
In Table 1, the Crack-Barrier layer, the 1st Barrier layer, the 1st Well layer, the Middle Barrier layer, the 2nd Well layer and the Last Barrier layer are layers containing In x . n-the Contact layer, n-Clad layer, p-Cap layer and p-Clad layer is a layer containing Al y. The n-Guide layer, p-Guide layer and p-Contact layer are GaN layers.
Crack-Barrier 層は、膜厚が130〜170nm、Inの混晶比xが0.02〜0.04である。1st Barrier 層およびLast Barrier層は、膜厚が30〜100nm、Inの混晶比xが0.03〜0.05である。Middle Barrier層は、膜厚が12〜16nm、Inの混晶比xが0.03〜0.05である。1st Well層および2nd Well層は、膜厚が2.5〜4.5nm、Inの混晶比xが0.09〜0.12である。 The Crack-Barrier layer has a film thickness of 130 to 170 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.02 to 0.04. The 1st Barrier layer and the Last Barrier layer have a film thickness of 30 to 100 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.03 to 0.05. The Middle Barrier layer has a film thickness of 12 to 16 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.03 to 0.05. The 1st Well layer and the 2nd Well layer have a film thickness of 2.5 to 4.5 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.09 to 0.12.
n-Contact 層は、膜厚が3〜5μm、Alの混晶比yが0.015〜0.03である。n-Clad層は、膜厚が1.2〜1.5μm、Alの混晶比yが0.050〜0.070である。p-Cap 層は、膜厚が8〜12nm、Alの混晶比yが0.20〜0.30である。p-Clad層は、膜厚が400〜500nm、Alの混晶比yが0.040〜0.070である。n-Guide 層およびp-Guide 層は、膜厚が300〜350nmであり、p-Contact 層は、膜厚が10〜20nmである。 The n-Contact layer has a thickness of 3 to 5 μm and an Al mixed crystal ratio y of 0.015 to 0.03. The n-Clad layer has a film thickness of 1.2 to 1.5 μm and an Al mixed crystal ratio y of 0.050 to 0.070. The p-Cap layer has a thickness of 8 to 12 nm and an Al mixed crystal ratio y of 0.20 to 0.30. The p-Clad layer has a film thickness of 400 to 500 nm and an Al mixed crystal ratio y of 0.040 to 0.070. The n-Guide layer and the p-Guide layer have a thickness of 300 to 350 nm, and the p-Contact layer has a thickness of 10 to 20 nm.
図2(a)、(b)は、図1(a)、(b)に示した窒化物半導体レーザ素子のレーザミラーの断面構造の二例を模式的に示す。 FIGS. 2A and 2B schematically show two examples of the cross-sectional structure of the laser mirror of the nitride semiconductor laser element shown in FIGS. 1A and 1B.
図2(a)に示すレーザミラーは、導波路領域の一端面側から順に、レーザ光に対して第1の屈折率n1 を有する第1の透光性膜1と、それよりも屈折率が相対的に低い第2の屈折率n2 を有する第2の透光性膜2とが積層されて形成されている。この場合、使用する透光性膜の材質に応じて、第1の透光性膜1と第2の透光性膜2とからなるペアが1ペア、あるいは1.5〜6.5ペアだけ例えばスパッタ装置により交互に積層されている。第1の透光性膜1としては、ZrO2 (酸化ジルコニウム)膜、Al2 O3 (アルミナ)膜、Nb2 O5 (酸化ニオブ)膜、HfOx膜、MgO膜、Ta2 O5 膜、SiON膜、AlOxNy膜、GaOx膜などが挙げられ、第2の透光性膜2としてはSiO2 (酸化シリコン)膜などが挙げられる。
The laser mirror shown in FIG. 2A has a first light-transmitting
このような構造により、各透光性膜1、2の界面でレーザ光の反射と透過を繰り返すので、積層数を増すほど反射率は100%に近付き、積層数を減らすと反射率は低下する。 図2(b)に示すレーザミラーは、導波路領域の一端面に、前述したような第1の透光性膜1からなる単層膜が形成されている。
With such a structure, reflection and transmission of laser light are repeated at the interface between the
本実施形態では、出射側ミラーの反射率が75%以下、好ましくは60%以下、より好ましくは20%以下となるように構成されており、反射側ミラーの反射率が75%以上、好ましくは85%以上、よりより好ましくは90%以上となるように構成されている。 In the present embodiment, the reflectance of the exit side mirror is 75% or less, preferably 60% or less, more preferably 20% or less, and the reflectance of the reflection side mirror is 75% or more, preferably It is configured to be 85% or more, more preferably 90% or more.
表2は、図2に示したレーザミラーの第1の透光性膜1としてZrO2 膜、Nb2 O5 膜、Al2 O3 膜のいずれか1つ、第2の透光性膜2としてSiO2 膜を用いた場合について、第1の透光性膜1と第2の透光性膜2の材質および膜厚と、第1の透光性膜と第2の透光性膜とからなるペアの数(Pair数)と、レーザミラーの反射率との関係を調べた結果の一例を示している。
Table 2 shows that the first
(表2)
タイプ 材質 膜厚 Pair数 反射率
―――――――――――――――――――――――――――――――――
(A) SiO2 /ZrO2 73nm/49nm 6.5 Pair 98.5%
(B) SiO2 /ZrO2 73nm/49nm 5.5 Pair 97 %
(C) SiO2 /ZrO2 73nm/49nm 4.5 Pair 93 %
(D) SiO2 /ZrO2 73nm/49nm 3.5 Pair 85 %
(E) SiO2 /ZrO2 73nm/49nm 2.5 Pair 71 %
(F) SiO2 /ZrO2 73nm/49nm 1.5 Pair 49 %
(G) Nb2 O5 89nm 単層 18 %
(H) Al2 O3 138nm 単層 18 %
(I) Al2 O3 167nm 単層 11 %
(J) Al2 O3 約69nm 単層 0 %
(K) HfO2 約52nm 単層 11 %
表2から分かるように、一例として、第1の透光性膜1としてZrO2 膜(49nm)、第2の透光性膜2としてSiO2 膜(73nm)を用いる場合、透光性膜のPair数を4.5〜6.5の範囲に設定することによって、レーザミラーの反射率を90%以上(例えば93〜98.5%)に設定することが可能であり、Pair数を3.5に設定することによって、レーザミラーの反射率を85%、ペア数を1.5〜2.5の範囲で設定することによって、反射率を75%以下(例えば49〜71%)に設定することが可能である。
(Table 2)
Type Material Film thickness Number of Pairs Reflectivity ―――――――――――――――――――――――――――――――――
(A) SiO 2 / ZrO 2 73 nm / 49 nm 6.5 Pair 98.5%
(B) SiO 2 / ZrO 2 73 nm / 49 nm 5.5 Pair 97%
(C) SiO 2 / ZrO 2 73 nm / 49 nm 4.5 Pair 93%
(D) SiO 2 / ZrO 2 73 nm / 49 nm 3.5
(E) SiO 2 / ZrO 2 73 nm / 49 nm 2.5
(F) SiO 2 / ZrO 2 73 nm / 49 nm 1.5
(G) Nb 2 O 5 89
(H) Al 2 O 3 138
(I) Al 2 O 3 167
(J) Al 2 O 3 about 69
(K) HfO 2 about 52
As can be seen from Table 2, as an example, when a ZrO 2 film (49 nm) is used as the first
他の例として、第1の透光性膜1としてNb2 O5 膜(89nm)の単層膜を用いる場合、レーザミラーの反射率を18%に設定することが可能である。上記Nb2 O5 膜の膜厚を厚くしても、レーザミラーの反射率はあまり変化させることができない。なお、第2の透光性膜2としてSiO2 膜(73nm)を付加してもよい。
As another example, when a single layer film of Nb 2 O 5 film (89 nm) is used as the first
さらに他の例として、第1の透光性膜1としてAl2 O3 膜(138nm)の単層膜を用いる場合、レーザミラーの反射率を18%に設定することが可能である。なお、第2の透光性膜2としてSiO2 膜(73nm)を付加してもよい。上記Al2 O3 膜の膜厚を変化させると、レーザミラーの反射率を18%〜0%まで変化させることが可能である。例えば、第1の透光性膜1としてAl2 O3 膜(167nm)の単層膜を用いる場合、レーザミラーの反射率を11%に設定することが可能である。また、第1の透光性膜1としてAl2 O3 膜(約69nm)の単層膜を用いる場合、レーザミラーの反射率を0%に設定することが可能である。さらに他の例として、第1の透光性膜1としてHfO2 膜(約52nm)の単層膜を用いる場合、レーザミラーの反射率を11%に設定することが可能である。なお、前記第1の透光性膜1の単層膜は、出射端面の保護膜として用いることができる。
As yet another example, when an Al 2 O 3 film (138 nm) single-layer film is used as the first light-transmitting
表3は、図1(a)、(b)に示した窒化物半導体レーザ素子の出射側ミラーの透光性膜の材質およびPair数とモニター側ミラーの透光性膜の材質およびPair数との組み合わせについて実現に適した数例を示している。 Table 3 shows the light-transmitting film material and Pair number of the emission-side mirror of the nitride semiconductor laser element shown in FIGS. 1A and 1B, and the light-transmitting film material and Pair number of the monitor-side mirror. Several examples suitable for realization are shown.
(表3)
タイプ 出射側ミラーの材質 Pair数 モニター側ミラーの材質 Pair数
――――――――――――――――――――――――――――――――――
(1) SiO2 /ZrO2 3.5 Pair SiO2 /ZrO2 4.5 Pair
(2) SiO2 /ZrO2 2.5 Pair SiO2 /ZrO2 4.5 Pair
(3) SiO2 /ZrO2 2.5 Pair SiO2 /ZrO2 5.5 Pair
(4) SiO2 /ZrO2 2.5 Pair SiO2 /ZrO2 6.5 Pair
(5) Al2 O3 単層 SiO2 /ZrO2 4.5 Pair
(6) Al2 O3 単層 SiO2 /ZrO2 5.5 Pair
(7) Al2 O3 単層 SiO2 /ZrO2 6.5 Pair
表3から分かるように、反射側ミラーとしてZrO2 膜/SiO2 膜からなるペアを4.5〜6.5ペアの範囲に設定することによってその反射率を90%以上(例えば93〜98.5%)に設定することが可能である。
(Table 3)
Type Outgoing mirror material Number of pairs Monitor side mirror material Number of pairs ――――――――――――――――――――――――――――――――――
(1) SiO 2 / ZrO 2 3.5 Pair SiO 2 / ZrO 2 4.5 Pair
(2) SiO 2 / ZrO 2 2.5 Pair SiO 2 / ZrO 2 4.5 Pair
(3) SiO 2 / ZrO 2 2.5 Pair SiO 2 / ZrO 2 5.5 Pair
(4) SiO 2 / ZrO 2 2.5 Pair SiO 2 / ZrO 2 6.5 Pair
(5) Al 2 O 3 single layer SiO 2 / ZrO 2 4.5 Pair
(6) Al 2 O 3 single layer SiO 2 / ZrO 2 5.5 Pair
(7) Al 2 O 3 single layer SiO 2 / ZrO 2 6.5 Pair
As can be seen from Table 3, by setting the ZrO 2 film / SiO 2 film pair as the reflection side mirror in the range of 4.5 to 6.5 pairs, the reflectance is 90% or more (for example, 93 to 98. 5%).
この場合、出射側ミラーとしてZrO2 膜とSiO2 膜からなるペアを1.5ペアに設定することによって、その反射率を60%以下(例えば49%)に設定することが可能である。 In this case, the reflectance can be set to 60% or less (for example, 49%) by setting the pair of the ZrO 2 film and the SiO 2 film to 1.5 pairs as the output side mirror.
また、出射側ミラーとしてNb2 O5 膜(またはAl2 O3 膜)の単層膜を用いることによってその反射率を20%以下(例えば18%)に設定することが可能である。なお、第2の透光性膜2としてSiO2 膜(73nm)を付加してもよい。
Further, by using a single layer film of Nb 2 O 5 film (or Al 2 O 3 film) as the exit side mirror, the reflectance can be set to 20% or less (for example, 18%). An SiO 2 film (73 nm) may be added as the second
図3(a)は、図1(a)、(b)に示した440nm帯の窒化物半導体レーザ素子について出射側ミラーの反射率を変えてI−L特性を測定した結果の一例を示す。図3(b)は、同図(a)の一部を取り出して拡大して示す特性図である。 FIG. 3A shows an example of the result of measuring the IL characteristics of the nitride semiconductor laser element in the 440 nm band shown in FIGS. 1A and 1B by changing the reflectance of the output side mirror. FIG. 3B is a characteristic diagram illustrating a part of FIG.
図3(a)、(b)から分かるように、出射側ミラーの反射率が85%の場合には、閾値電流が38mA程度であり、70mA程度の電流で発光出力10mW程度まで立ち上がる。出射側ミラーの反射率が71%の場合には、閾値電流が40mA程度であり、80mA程度の電流で発光出力25mW程度まで立ち上がる。出射側ミラーの反射率が49%の場合には、閾値電流が52mA程度であり、100mA程度の電流で発光出力50mW程度まで立ち上がる。出射側ミラーの反射率が18%の場合には、閾値電流が60mA程度であり、100mA程度の電流で発光出力60mW程度まで立ち上がる。 As can be seen from FIGS. 3A and 3B, when the reflectivity of the output side mirror is 85%, the threshold current is about 38 mA, and the light emission output rises to about 10 mW with a current of about 70 mA. When the reflectance of the output side mirror is 71%, the threshold current is about 40 mA, and the light emission output rises to about 25 mW with a current of about 80 mA. When the reflectance of the output side mirror is 49%, the threshold current is about 52 mA, and the light emission output rises to about 50 mW with a current of about 100 mA. When the reflectance of the output side mirror is 18%, the threshold current is about 60 mA, and the light emission output rises to about 60 mW with a current of about 100 mA.
図3(c)は、図1(a)、(b)に示した440nm帯の窒化物半導体レーザ素子について出射側ミラーの反射率を11%、0%にした場合のI−L特性を測定した結果の一例を示す。出射端面保護膜としてHfO2 膜(約52nm)の単層膜を用いた場合(出射側ミラーの反射率は11%)、130mA程度の電流で発光出力が急激に立ち上がる。また、出射端面保護膜としてAl2 O3 膜(約69nm)の単層膜を用いた場合(出射側ミラーの反射率は0%)、電流の増加につれて発光出力が緩やかに増加する。 FIG. 3C shows the IL characteristics when the reflectivity of the exit side mirror is set to 11% and 0% for the 440 nm band nitride semiconductor laser device shown in FIGS. 1A and 1B. An example of the results is shown. When a single-layer film of HfO 2 film (about 52 nm) is used as the output end face protective film (the output side mirror has a reflectance of 11%), the light emission output rises sharply at a current of about 130 mA. Further, when a single layer film of an Al 2 O 3 film (about 69 nm) is used as the output end face protective film (the reflectivity of the output side mirror is 0%), the light emission output gradually increases as the current increases.
図4は、図1(a)、(b)に示した440nm帯の窒化物半導体レーザ素子について出射側ミラーの反射率とキンクとの関係を測定した結果の一例(実線)と、400nm帯の窒化物半導体レーザ素子について出射側ミラーの反射率とキンクとの関係を測定した結果の一例(点線)とを対比して示す。 FIG. 4 shows an example (solid line) of the measurement result of the relationship between the reflectivity of the exit side mirror and the kink for the nitride semiconductor laser element in the 440 nm band shown in FIGS. An example of the result of measuring the relationship between the reflectivity of the exit mirror and the kink for the nitride semiconductor laser element (dotted line) is shown in comparison.
図4中に実線で示すように、出射側ミラーの反射率を85%から18%まで下げていく(発光出力を増加させていく)につれて、キンクが180程度から120程度まで大きく低減(150%程度)し、出射側ミラーの反射率を60%以下にするとキンクが150程度以下に低減し、出射側ミラーの反射率を20%以下にするとキンクが120程度に低減することが判明した。つまり、440nm帯の窒化物半導体レーザ素子の出射側ミラーの反射率を60%以下に低下させた場合には、キンクの波長依存性は従来よりも小さくなることが判明した。 As shown by the solid line in FIG. 4, as the reflectivity of the exit side mirror is lowered from 85% to 18% (the light emission output is increased), the kink is greatly reduced from about 180 to about 120 (150%). It was found that the kink is reduced to about 150 or less when the reflectance of the exit side mirror is 60% or less, and the kink is reduced to about 120 when the reflectance of the exit side mirror is 20% or less. In other words, it has been found that when the reflectance of the output side mirror of the nitride semiconductor laser element in the 440 nm band is reduced to 60% or less, the wavelength dependence of the kink is smaller than that of the conventional one.
上記したように本実施形態の440nm帯の窒化物半導体レーザ素子によれば、出射側ミラーの反射率を低下させる(発光出力を増加させる)ことによってキンクを大幅に低減させることが可能になり、高出力時の信頼性と低出力時の使い易さを両立させ得る大きなダイナミックレンジを持たせることができる。したがって、例えば光ディスク装置の光ヘッド(ピックアップ)に搭載される半導体レーザ素子に適用してパルス電流により直接変調を行う用途とか、LDディスプレイの高速走査を行うためにパルス電流により高速に直接変調を行う用途に好適である。 As described above, according to the nitride semiconductor laser element of the 440 nm band of the present embodiment, it becomes possible to greatly reduce the kink by reducing the reflectance of the emission side mirror (increasing the light emission output), It can have a large dynamic range that can achieve both high output reliability and low output ease of use. Therefore, for example, it is applied to a semiconductor laser element mounted on an optical head (pickup) of an optical disk device and directly modulated by a pulse current, or directly modulated at a high speed by a pulse current to perform high-speed scanning of an LD display. Suitable for use.
因みに、図4中に点線で示すように、400nm帯の窒化物半導体レーザ素子では、出射側ミラーの反射率を85%から18%まで下げていくと、キンクは115程度から105程度まで低減する。つまり、400nm帯の窒化物半導体レーザ素子では、440nm帯の窒化物半導体レーザ素子と比べて、キンクは出射側ミラーの反射率に依存する割合が低い。 Incidentally, as shown by the dotted line in FIG. 4, in the 400 nm band nitride semiconductor laser device, the kink is reduced from about 115 to about 105 when the reflectance of the output side mirror is lowered from 85% to 18%. . In other words, in the 400 nm band nitride semiconductor laser element, the ratio of the kink depending on the reflectance of the output side mirror is lower than that in the 440 nm band nitride semiconductor laser element.
以上述べたように、本実施形態の440nm帯の窒化物半導体レーザ素子の出射側ミラーの反射率を所定値以下に低下させるためには、出射側ミラーの透光性多層膜のペア数を減らたり、出射側ミラーに透光性単層膜を用いたり、透光性膜の材質や膜厚を選定することが有効である。 As described above, in order to reduce the reflectivity of the exit side mirror of the nitride semiconductor laser element of the 440 nm band according to the present embodiment to a predetermined value or less, the number of pairs of the translucent multilayer film of the exit side mirror is reduced. It is effective to use a translucent single layer film for the output side mirror, or to select the material and film thickness of the translucent film.
以下、図1(a)に示した窒化物半導体レーザ素子の各構成要素について詳細に説明する。 Hereinafter, each component of the nitride semiconductor laser device shown in FIG. 1A will be described in detail.
窒化物半導体層を成長させるための基板は、単一の半導体のみから形成された単体基板であることが好ましいが、単体基板に半導体とは異なる異種材料(サファイア、SiC、Si、スピネル、SiO2 、SiN等)を全体的、または部分的に備えている導電性または絶縁性の基板を用いることも可能である。単体基板の半導体は、化合物半導体であって、III-V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等である。具体例としては、GaN系化合物半導体、GaAs系化合物半導体、ZnO系化合物半導体等がある。GaN系化合物半導体は、III 族元素であるB、Ga、Al、In等とV族元素であるNとの化合物であるGaN、AlN、その他に3元や4元の混晶化合物であるAlGaNやInAlGaNなどがあり、n型不純物やp型不純物を含有するものを含む。 The substrate for growing the nitride semiconductor layer is preferably a single substrate made of only a single semiconductor, but the single substrate is made of a different material (sapphire, SiC, Si, spinel, SiO 2) different from the semiconductor. It is also possible to use a conductive or insulating substrate that is entirely or partially provided with SiN, etc.). The semiconductor of the single substrate is a compound semiconductor, such as a III-V group compound semiconductor or a II-VI group compound semiconductor. Specific examples include a GaN-based compound semiconductor, a GaAs-based compound semiconductor, and a ZnO-based compound semiconductor. GaN-based compound semiconductors include GaN, AlN, which are compounds of Group III elements B, Ga, Al, In, etc. and Group V elements, N, AlGaN, which is a ternary or quaternary mixed crystal compound, InAlGaN and the like include those containing n-type impurities and p-type impurities.
基板として窒化物半導体基板を用いれば、窒化物半導体層と格子不整合等の問題を生じない。また、第1の主面と第2の主面を有する導電性基板を用いる場合には、第1の主面側に半導体層、電極が順に形成され、第2の主面側に電極が形成された対向電極構造を有する窒化物半導体レーザ素子を実現でき、大電流の投入が可能となり、高出力発振が可能となる。 If a nitride semiconductor substrate is used as the substrate, problems such as lattice mismatch with the nitride semiconductor layer do not occur. When a conductive substrate having a first main surface and a second main surface is used, a semiconductor layer and an electrode are sequentially formed on the first main surface side, and an electrode is formed on the second main surface side. The nitride semiconductor laser device having the counter electrode structure can be realized, a large current can be input, and high output oscillation is possible.
窒化物半導体基板の作製方法には様々なものがある。例えば窒化物半導体と異なる材料の異種基板上に、ELOG(エピタキシャル横方向成長)法、選択成長法などにより、転位を低減させた窒化物半導体層を成長した後、成長基板として用いた異種基板を除去して、単体の窒化物半導体基板を取り出す。異種基板の除去方法としては、研磨、研削、エッチング、レーザ照射等を用いる。また、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、その他には高圧法、フラックス法で形成されるバルク単結晶を窒化物半導体基板として用いても良い。前記気相成長法とは、MOCVD(有機金属化学気相成長)法やHVPE(ハライド気相エピタキシャル成長)法等である。 There are various methods for manufacturing a nitride semiconductor substrate. For example, after growing a nitride semiconductor layer with reduced dislocations on a heterogeneous substrate of a material different from that of a nitride semiconductor by an ELOG (epitaxial lateral growth) method, a selective growth method, etc., the heterogeneous substrate used as the growth substrate is grown. After removing, the single nitride semiconductor substrate is taken out. As a method for removing the foreign substrate, polishing, grinding, etching, laser irradiation, or the like is used. Further, a bulk single crystal formed by a hydrothermal synthesis method in which crystals are grown in a supercritical fluid, or a high pressure method or a flux method may be used as the nitride semiconductor substrate. Examples of the vapor deposition method include MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method and HVPE (halide vapor phase epitaxial growth) method.
窒化物半導体基板の作製方法の一具体例を説明すると、サファイアやSiC、GaAs等の異種基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を成長する。この時、バッファ層の成長温度は900℃以下とする。次に、異種基板上に窒化物半導体を50μm以上の厚膜で成長する。その後、異種基板を研磨、電磁波照射(エキシマレーザー照射等)、またはCMP(化学的機械研磨)等により除去することにより、窒化物半導体基板を得ることができる。この場合、窒化物半導体基板として、2軸結晶法による(0002)回折X線ロッキングカーブの半値幅(Full Width at Half Maximum)が100arcsec以下、好ましくは60arcsec以下のものを得ることができる。 A specific example of a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate will be described. A buffer layer made of a nitride semiconductor is grown on a heterogeneous substrate such as sapphire, SiC, or GaAs. At this time, the growth temperature of the buffer layer is set to 900 ° C. or lower. Next, a nitride semiconductor is grown in a thick film of 50 μm or more on a heterogeneous substrate. Thereafter, the nitride semiconductor substrate can be obtained by removing the heterogeneous substrate by polishing, electromagnetic wave irradiation (excimer laser irradiation, etc.), CMP (chemical mechanical polishing), or the like. In this case, a nitride semiconductor substrate having a full width at half maximum of a (0002) diffraction X-ray rocking curve by a biaxial crystal method of 100 arcsec or less, preferably 60 arcsec or less can be obtained.
ここで、上記したように作製された窒化物半導体基板の成長面を第1の主面と称し、異種基板を除去することで露出した露出面側を第2の主面と称する。窒化物半導体基板の第1の主面は、C面、A面またはM面等の結晶成長面の他に、(000−1)面を有するものであってもよい。窒化物半導体基板の第2の主面は、(000−1)面であることが好ましく、その他には(0001)面を備えているものであってもよい。なお、本明細書において、面指数を表す括弧内のバー(−)は、後ろの数字の上に付すべきバーを表すものとする。また窒化物半導体基板の外周形状は特に限定されず、ウェハー状であっても、矩形状等であってもよい。 Here, the growth surface of the nitride semiconductor substrate manufactured as described above is referred to as a first main surface, and the exposed surface side exposed by removing the heterogeneous substrate is referred to as a second main surface. The first main surface of the nitride semiconductor substrate may have a (000-1) plane in addition to a crystal growth plane such as a C plane, an A plane, or an M plane. The second main surface of the nitride semiconductor substrate is preferably a (000-1) plane, and may be provided with a (0001) plane in addition. In the present specification, a bar (-) in parentheses representing an area index represents a bar to be added on the back number. The outer peripheral shape of the nitride semiconductor substrate is not particularly limited, and may be a wafer shape, a rectangular shape, or the like.
窒化物半導体基板の一例として、転位が面内で周期的に分布しているもの、例えばELOG法を用いて低転位密度領域と高転位密度領域が交互にストライプ状に形成されたものがある。このような窒化物半導体基板であれば内部に発生する応力を緩和させる作用が働くので、基板上に応力緩和層を形成することなく窒化物半導体素子を膜厚5μm以上で積層することが可能となる。前記ELOG法の具体例として、基板に凹凸を形成した後で窒化物半導体を再成長させる方法がある。前記低転位密度領域および高転位密度領域がストライプ状に形成されたものは、連続的に形成されている場合に限らず、破線状(間欠的)に形成されている場合を含む。前記低転位密度領域とは、単位面積当たりの転位数が1×107 /cm2 以下、好ましくは1×106 /cm2 以下である。前記高転位密度領域とは、前記低転位密度領域よりも転位密度が高い領域であればよい。これらの転位測定はCL観察やTEM観察等で行う。転位密度が1×106 /cm2 以下、好ましくは5×105 /cm2 以下の低転位領域の上部にリッジを形成した導波路領域を有する半導体レーザ素子は、寿命特性を向上させることができる。 An example of a nitride semiconductor substrate is one in which dislocations are periodically distributed in the plane, for example, one in which low dislocation density regions and high dislocation density regions are alternately formed in stripes by using the ELOG method. Since such a nitride semiconductor substrate works to relieve stress generated inside, it is possible to stack nitride semiconductor elements with a film thickness of 5 μm or more without forming a stress relaxation layer on the substrate. Become. As a specific example of the ELOG method, there is a method in which a nitride semiconductor is regrown after forming irregularities on a substrate. The case where the low dislocation density region and the high dislocation density region are formed in a stripe shape includes not only the case where the low dislocation density region and the high dislocation density region are formed continuously, but also the case where the low dislocation density region and the high dislocation density region are formed in a broken line shape (intermittently). In the low dislocation density region, the number of dislocations per unit area is 1 × 10 7 / cm 2 or less, preferably 1 × 10 6 / cm 2 or less. The high dislocation density region may be a region having a dislocation density higher than that of the low dislocation density region. These dislocations are measured by CL observation, TEM observation, or the like. A semiconductor laser device having a waveguide region in which a ridge is formed above a low dislocation region having a dislocation density of 1 × 10 6 / cm 2 or less, preferably 5 × 10 5 / cm 2 or less can improve life characteristics. it can.
窒化物半導体基板の他の例として、第1の主面上に、第1のn型不純物を含有している第1の領域と、この第1の領域とは異なるn型不純物を含有している第2の領域とを有するものがある。このような異なるn型不純物を含有した第1の領域および第2の領域を形成するためには、窒化物半導体基板の作製時に、窒化物半導体基板の第1の主面にn型不純物をドープしながら窒化物半導体を成長させることで第1の領域を形成し、第1の領域以外の表面に第1の領域とは異なるn型不純物をイオン注入することで第2の領域を形成する。第2の領域の形成方法の他の例としては、窒化物半導体基板の表面に凹部を形成した後、この凹部を第1の領域とは異なるn型不純物をドープしながら再成長させる。 As another example of the nitride semiconductor substrate, a first region containing a first n-type impurity and an n-type impurity different from the first region are included on the first main surface. And a second region. In order to form the first region and the second region containing different n-type impurities, the first main surface of the nitride semiconductor substrate is doped with the n-type impurities during the production of the nitride semiconductor substrate. The first region is formed by growing the nitride semiconductor while the second region is formed by ion-implanting an n-type impurity different from the first region into the surface other than the first region. As another example of the method of forming the second region, after forming a recess on the surface of the nitride semiconductor substrate, the recess is regrown while doping an n-type impurity different from that of the first region.
また、窒化物半導体基板の表面にオフ角を形成したり、エッチング等で研削することで表面に新たに露出した面を形成してもよい。前記オフ角は、0.02°以上90°以下、好ましくは0.05°以上5°以下である。 Further, an off-angle may be formed on the surface of the nitride semiconductor substrate, or a newly exposed surface may be formed by grinding by etching or the like. The off angle is not less than 0.02 ° and not more than 90 °, preferably not less than 0.05 ° and not more than 5 °.
窒化物半導体基板に含有されているn型不純物の不純物濃度は、1×1017cm-3〜1×1020cm-3である。窒化物半導体基板の膜厚は、50μm以上1mm以下とするが、好ましくは50μm以上500μm以下とする。この範囲であれば、ウェハ上に窒化物半導体レーザ素子を形成した後に劈開を再現性よく実施することができる。また、窒化物半導体基板の膜厚が50μm未満であれば、デバイス工程でのハンドリングが困難となる。 The impurity concentration of the n-type impurity contained in the nitride semiconductor substrate is 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 . The thickness of the nitride semiconductor substrate is 50 μm or more and 1 mm or less, preferably 50 μm or more and 500 μm or less. Within this range, the cleavage can be performed with good reproducibility after the nitride semiconductor laser element is formed on the wafer. Moreover, if the thickness of the nitride semiconductor substrate is less than 50 μm, handling in the device process becomes difficult.
窒化物半導体基板の第1の主面は、基板の表面をウェットエッチング、ドライエッチング、またはCMP処理をすることで、任意の凹凸部を形成することができる。ドライエッチングとしては、RIE(反応性イオンエッチング)、RIBE(反応性イオンビームエッチング)、ECR(電子サイクロトロン共鳴)、ICP(高周波誘導結合プラズマ)、FIB(収束イオンビーム)等がある。上記したように部分的に結晶成長面が異なる表面を有する窒化物半導体基板は、基板に発生する応力や歪みを解消するので好ましく、具体的には、第1の主面を(0001)面とし、その他には(0001)面と異なる結晶成長面である(000−1)面や(11−20)面、(10−15)面、(10−14)面、(11−24)面を有するものである。 The first main surface of the nitride semiconductor substrate can be formed with any uneven portion by subjecting the surface of the substrate to wet etching, dry etching, or CMP treatment. Examples of dry etching include RIE (reactive ion etching), RIBE (reactive ion beam etching), ECR (electron cyclotron resonance), ICP (high frequency inductively coupled plasma), FIB (focused ion beam), and the like. A nitride semiconductor substrate having a surface with partially different crystal growth surfaces as described above is preferable because it eliminates stress and strain generated in the substrate. Specifically, the first main surface is the (0001) plane. In addition, the (000-1) plane, (11-20) plane, (10-15) plane, (10-14) plane, (11-24) plane, which are crystal growth planes different from the (0001) plane, It is what you have.
窒化物半導体基板の第2の主面は、少なくとも2以上の異なる結晶成長面を有し、具体的には、(000−1)面や(0001)面、(11−20)面、(10−15)面、(10−14)面、(11−24)面等を有することが好ましい。このような窒化物半導体基板であれば、基板上に成長させた窒化物半導体素子は、素子内にかかる応力を抑制しており、劈開時におけるダメージに耐えることが可能である。 The second main surface of the nitride semiconductor substrate has at least two or more different crystal growth surfaces. Specifically, the (000-1) plane, the (0001) plane, the (11-20) plane, (10 It is preferable to have a −15) plane, a (10-14) plane, a (11-24) plane, and the like. With such a nitride semiconductor substrate, the nitride semiconductor element grown on the substrate suppresses stress applied to the element and can withstand damage during cleavage.
前記n側クラッド層13、p側クラッド層17は単一層構造、2層構造、または組成比が互いに異なる2層からなる超格子構造であっても構わない。n側クラッド層13の総膜厚としては0.4〜10μmであり、p側クラッド層17の総膜厚としては0.2〜8μm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、n側クラッド層13、p側クラッド層17全体のAlの平均組成は、0.02〜0.1である。この値は、クラックの発生を抑制し、且つ、レーザ光導波路との屈折率差を得るのに好ましい。
The n-
前記n型不純物のドープ量は、1×1017/cm3 〜5×1019/cm3 である。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。また、前記p型不純物のドープ量は、1×1019/cm3 〜1×1021/cm3 である。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。 The doping amount of the n-type impurity is 1 × 10 17 / cm 3 to 5 × 10 19 / cm 3 . When the n-type impurity is doped in this range, the resistivity can be lowered and the crystallinity is not impaired. The doping amount of the p-type impurity is 1 × 10 19 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 . When the p-type impurity is doped in this range, the crystallinity is not impaired.
前記n型不純物としてはSi、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、Cd等が挙げられ、p型不純物としてはMgの他にBe、Zn、Mn、Ca、Sr等が挙げられる。不純物の濃度は、5×1016/cm3 以上1×1021/cm3 以下の範囲でドープされることが好ましい。不純物の濃度が1×1021/cm3 よりも多いと、窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、出力が低下する傾向がある。これは変調ドープの場合も同様である。
Examples of the n-type impurity include Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr, and Cd. Examples of the p-type impurity include Be, Zn, Mn, Ca, and Sr in addition to Mg. The impurity concentration is preferably in the range of 5 × 10 16 /
窒化物半導体基板上には下地層を介してn側クラッド層13を成長させることもできる。前記下地層は、AlaGa1−aN(0≦a≦0.5)である。これにより、窒化物半導体層の表面上に発生する転位(貫通転位等)やピットを低減させることができる。前記下地層は単一層構造、または多層積層構造である。n側クラッド層13は単一層であれば、一般式はAlxGa1−xN(0≦x≦0.2)であって、膜厚は0.5〜5μmである。多層で成長させるには、超格子構造としては第1の層であるAlxGa1−xN(0≦x≦0.1)と第2の層であるAlyGa1−yN(0.01≦y≦1)との積層構造とする。
On the nitride semiconductor substrate, the n-
窒化物半導体基板の第2の主面にn電極を形成する際、第2の主面にCVDやスパッタ、蒸着等により形成する。このn電極は、少なくともTi、Ni、Au、Pt、Al、Pd、W、Rh、Ag、Mo、V、Hfからなる群より選ばれる少なくとも1つを有する。n電極を多層構造とする場合には、多層構造の最上層はPtまたはAuであると、電極からの放熱性を向上させることが可能となるので好ましい。窒化物半導体基板の第2の主面に形成する電極の材料にこれらの材料を選択することによって、特に窒化物半導体からなる基板と電極とのオーミック特性が得られる。また、窒化物半導体からなる基板と電極との密着性も良くウェハーからバー化またはチップ化するための劈開工程で電極が剥がれることを抑制する効果を有する。n電極の膜厚としては1000nm以下、好ましくは600nm以下とする。n電極を多層構造とする場合には、具体的には第1の層をV、またはTi、Mo、W、Hf等とする。ここで、第1の層の膜厚は50nm以下とする。第1の層をWとすれば、30nm以下とすることが良好なオーミック特性を得ることができるので好ましい。第1の層をVとすれば、耐熱性が向上するので好ましい。ここで、Vの膜厚は5nm以上30nm以下、好ましくは7nm以上20nmとすることで良好なオーミック特性を得ることができる。 When forming the n-electrode on the second main surface of the nitride semiconductor substrate, it is formed on the second main surface by CVD, sputtering, vapor deposition or the like. The n electrode has at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Au, Pt, Al, Pd, W, Rh, Ag, Mo, V, and Hf. When the n-electrode has a multilayer structure, it is preferable that the uppermost layer of the multilayer structure is Pt or Au because heat dissipation from the electrode can be improved. By selecting these materials as the materials of the electrodes formed on the second main surface of the nitride semiconductor substrate, the ohmic characteristics between the substrate and the electrode made of a nitride semiconductor can be obtained. Further, the adhesion between the substrate made of a nitride semiconductor and the electrode is good, and it has the effect of suppressing the electrode from peeling off in the cleavage step for forming a bar or chip from the wafer. The thickness of the n electrode is 1000 nm or less, preferably 600 nm or less. When the n-electrode has a multilayer structure, specifically, the first layer is made of V, Ti, Mo, W, Hf, or the like. Here, the thickness of the first layer is 50 nm or less. If the first layer is W, it is preferable that the thickness is 30 nm or less because good ohmic characteristics can be obtained. If the first layer is V, the heat resistance is improved, which is preferable. Here, favorable ohmic characteristics can be obtained by setting the film thickness of V to 5 nm to 30 nm, preferably 7 nm to 20 nm.
前記n電極がTi/Alであれば膜厚は1000nm以下であって、例えば膜厚は10nm/500nmとなる。n電極として、窒化物半導体基板の第2の主面側からTi/Pt/Auの順に積層すれば膜厚は6nm/100nm/300nmである。n電極として、窒化物半導体基板の第2の主面側からTi/Mo/Pt/Auとすれば、例えばTi(6nm)/Mo(50nm)/Pt(100nm)/Au(210nm)となる。n電極として、Ti/Hf/Pt/Auとすれば、例えばTi(6nm)/Hf(6nm)/Pt(100nm)/Au(300nm)となり、Ti/Mo/Ti/Pt/Auとすれば、Ti(6nm)/Mo(50nm)/Ti(50nm)/Pt(100nm)/Au(210nm)の順に積層することができる。n電極として、W/Pt/Au、W/Al/W/Au等とすれば、上記特性を示す。n電極の多層構造の他の例として、窒化物半導体基板の第2の主面側からHf/Al、Ti/W/Pt/Au、Ti/Pd/Pt/Au、Pd/Pt/Au、Ti/W/Ti/Pt/Au、Mo/Pt/Au、Mo/Ti/Pt/Au、W/Pt/Au、V/Pt/Au、V/Mo/Pt/Au、V/W/Pt/Au、Cr/Pt/Au、Cr/Mo/Pt/Au、Cr/W/Pt/Au等がある。n電極22を形成した後、300℃以上でアニールしてもよい。
If the n-electrode is Ti / Al, the film thickness is 1000 nm or less, for example, the film thickness is 10 nm / 500 nm. If the n-electrode is laminated in the order of Ti / Pt / Au from the second main surface side of the nitride semiconductor substrate, the film thickness is 6 nm / 100 nm / 300 nm. If the n-electrode is Ti / Mo / Pt / Au from the second main surface side of the nitride semiconductor substrate, for example, Ti (6 nm) / Mo (50 nm) / Pt (100 nm) / Au (210 nm). If the n electrode is Ti / Hf / Pt / Au, for example, Ti (6 nm) / Hf (6 nm) / Pt (100 nm) / Au (300 nm), and Ti / Mo / Ti / Pt / Au, Ti (6 nm) / Mo (50 nm) / Ti (50 nm) / Pt (100 nm) / Au (210 nm) can be laminated in this order. If the n electrode is W / Pt / Au, W / Al / W / Au, etc., the above characteristics are exhibited. As another example of the multilayer structure of the n-electrode, Hf / Al, Ti / W / Pt / Au, Ti / Pd / Pt / Au, Pd / Pt / Au, Ti from the second main surface side of the nitride semiconductor substrate / W / Ti / Pt / Au, Mo / Pt / Au, Mo / Ti / Pt / Au, W / Pt / Au, V / Pt / Au, V / Mo / Pt / Au, V / W / Pt / Au Cr / Pt / Au, Cr / Mo / Pt / Au, Cr / W / Pt / Au, and the like. After forming the n-
n電極は、矩形状に形成される。n電極は、窒化物半導体基板の第2の主面側に、後工程である窒化物半導体基板をバー化するためのスクライブ工程においてスクライブラインとなる領域を除く範囲にパターン形成される。さらに、n電極上にそれと同様のパターン形状でメタライズ電極(省略可能)が形成されると、スクライブし易くなり、劈開性が向上する。メタライズ電極としてはTi−Pt−Au−(Au/Sn)、Ti−Pt−Au−(Au/Si)、Ti−Pt−Au−(Au/Ge)、Ti−Pt−Au−In、Au/Sn、In、Au/Si、Au/Ge等を用いることができる。 The n electrode is formed in a rectangular shape. The n-electrode is patterned on the second main surface side of the nitride semiconductor substrate in a range excluding a region that becomes a scribe line in a scribe process for forming the nitride semiconductor substrate in a subsequent process into a bar. Furthermore, when a metallized electrode (which can be omitted) is formed on the n-electrode in the same pattern shape, scribing is facilitated and cleavage is improved. As metallized electrodes, Ti-Pt-Au- (Au / Sn), Ti-Pt-Au- (Au / Si), Ti-Pt-Au- (Au / Ge), Ti-Pt-Au-In, Au / Sn, In, Au / Si, Au / Ge, or the like can be used.
また、窒化物半導体基板の第2の主面には段差を形成してもよい。段差を形成することで、第2の主面を(000−1)面とすれば、(000−1)面以外の傾斜面を露出することができる。例えば(000−1)面以外の面を意味する面指数等は一面に指定されず、(10−15)、(10−14)、(11−24)面等である。(000−1)面以外の傾斜面は、n極性を示す面における表面積の0. 5%以上であることが好ましい。より好ましくは1%以上20%以下である。 Further, a step may be formed on the second main surface of the nitride semiconductor substrate. By forming the step, if the second main surface is the (000-1) plane, an inclined surface other than the (000-1) plane can be exposed. For example, a plane index or the like that means a plane other than the (000-1) plane is not specified as one plane, and is a (10-15), (10-14), (11-24) plane, or the like. The inclined surface other than the (000-1) surface is preferably 0.5% or more of the surface area of the surface exhibiting n polarity. More preferably, it is 1% or more and 20% or less.
ここで、段差とは界面段差が0.1μm以上であって、段差形状はテーパー形状や逆テーパー形状である。また、段差の平面形状のパターンはストライプ状、格子状、島状、円状や多角形状、矩形状、くし形状、メッシュ形状から選ばれる凸部および/または凹部を有する。例えば、円状の凸部を形成すれば、円状凸部の直径幅は5μm以上とする。また、凹部溝部の幅は少なくとも3μm以上の領域を有すると電極の剥がれ等がなくなり好ましい。(000−1)面以外の傾斜面を露出するには、オフ角を0.2〜90°の範囲で形成してもよい。窒化物半導体基板の第2の主面はn電極を形成する面であるので、(000−1)面、および(000−1)面以外の面を有することでオーミック特性を向上させることができる。これにより、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子が得られる。 Here, the step is an interface step of 0.1 μm or more, and the step shape is a taper shape or a reverse taper shape. Further, the planar pattern of the steps has a convex portion and / or a concave portion selected from a stripe shape, a lattice shape, an island shape, a circular shape, a polygonal shape, a rectangular shape, a comb shape, and a mesh shape. For example, if a circular convex part is formed, the diameter width of the circular convex part shall be 5 micrometers or more. Further, it is preferable that the recess groove has a width of at least 3 μm because the electrode does not peel off. In order to expose an inclined surface other than the (000-1) plane, the off angle may be formed in a range of 0.2 to 90 °. Since the second main surface of the nitride semiconductor substrate is a surface on which an n-electrode is formed, the ohmic characteristics can be improved by having a surface other than the (000-1) surface and the (000-1) surface. . Thereby, a highly reliable nitride semiconductor laser device can be obtained.
なお、本発明の実施に際し、窒化物半導体基板や窒化物半導体層はMOVPE(有機金属気相成長)法、MOCVD法、HVPE(ハライド気相成長)法、MBE(分子線気相成長)法等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。 In carrying out the present invention, the nitride semiconductor substrate and the nitride semiconductor layer are formed by MOVPE (metal organic chemical vapor deposition), MOCVD, HVPE (halide vapor deposition), MBE (molecular beam vapor deposition), etc. All known methods for growing nitride semiconductors can be applied.
以下、本発明の窒化物半導体レーザ素子の実施例を数例示すが、本発明はこれらに限定されない。また、実施例の全図を通して同一部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。 Hereinafter, although several examples of the nitride semiconductor laser device of the present invention will be shown, the present invention is not limited to these. The same reference numerals are given to the same parts throughout the drawings of the embodiments, and detailed description thereof is omitted.
[実施例1]
図5は、実施例1の440nm帯の窒化物半導体レーザ素子の断面構造を模式的に示す。ここでは、一対の電極がチップの上下両面に分離されて形成された対向電極構造を示している。
[Example 1]
FIG. 5 schematically shows a cross-sectional structure of the 440 nm band nitride semiconductor laser device of the first embodiment. Here, a counter electrode structure is shown in which a pair of electrodes are formed separately on the upper and lower surfaces of the chip.
実施例1の440nm帯の窒化物半導体レーザ素子は、光の波長換算で420nm以上、550nm以下のエネルギーバンドギャップを有する活性層を含むリッジ導波路構造と、導波路領域に対してほぼ垂直な端面に位置する出射側ミラーおよび反射側ミラーとを有する。 The 440 nm band nitride semiconductor laser device of Example 1 has a ridge waveguide structure including an active layer having an energy band gap of 420 nm or more and 550 nm or less in terms of light wavelength, and an end face substantially perpendicular to the waveguide region And an output side mirror and a reflection side mirror.
この半導体レーザ素子の構造は、導電性を有する窒化物半導体基板(例えばGaN基板)10の第1の主面上に、窒化物半導体層として、n-Contact 層11、Crack-Barrier 層12、n-Clad層13、n-Guide 層14、Act 層15、p-Cap 層16、p-Guide 層17、p-Clad層18、p-Contact 層19が積層成長により形成されている。n-Contact 層11、Crack-Barrier 層12、n-Clad層13、n-Guide 層14はn型不純物がドープされており、p-Cap 層16、p-Guide 層17、p-Clad層18、p-Contact 層19はp型不純物がドープされている。Act 層15は、本例ではn型不純物がドープされている。
This semiconductor laser device has a structure in which an n-
p-Contact 層19およびp-Cladp層18の上面部には、平面がストライプ状、断面が突状(リッジ状)の電流狭窄領域(リッジ部)が形成されており、このリッジ部を含む導波路領域に対して略垂直な端面に共振面が形成されている。なお、p-Guide 層17の一部まで掘り下げてリッジ部を形成してもよい。
On the upper surface portions of the p-
そして、リッジ部の側面およびp-Cladp層18の表面を覆う埋め込み絶縁膜(例えば厚さ50nmのZrO2 膜)20と、リッジ部の上面にオーミックにコンタクトし、かつ、リッジ部の表面および埋め込み絶縁膜上の一部を覆うp電極21と、保護絶縁膜(例えば厚さ500nmのSiO2 膜)24と、pパッド電極23が形成されている。保護絶縁膜24は、p電極21の側端部上から埋め込み絶縁膜20上、p型の半導体層18、17、16、活性層15、n型の半導体層14、13、12、11の各側面を覆うように形成されている。p電極21上から保護絶縁膜24の一部上まで覆うようにパッド電極23が形成されている。さらに、GaN基板10の第2の主面(裏面側)はラッピングおよび研磨が施され、所定の厚さに(放熱性を高めるために薄く)調整された後にn電極22が形成されている。
Then, a buried insulating film (for example, a ZrO 2 film having a thickness of 50 nm) 20 covering the side surface of the ridge portion and the surface of the p-
本実施例1では、Act 層15の両側にn-Guide 層14、p-Guide 17を形成したSCH構造を有し、さらに、SCH構造の両側にn-Clad層13、p-Clad層18を有する。これらのn-Clad層13、p-Clad層18として、屈折率の低い窒化物半導体層を設けて光閉じ込め機能およびキャリア閉じ込め効果を持たせている。なお、各層の間に応力緩衝層を有する構造としてもよい。
In Example 1, the
Act 層15は、例えば図1(b)に示したように、1st Barrier 層151、1st Well層152、Middle Barrier層153、2nd Well層154、Last Barrier層155が積層された多重量子井戸構造を有する。
For example, as shown in FIG. 1B, the
表4は、図5に示した窒化物半導体レーザ素子の各層の膜厚、Inの混晶比xあるいはAlの混晶比yの一例を示している。 Table 4 shows an example of the thickness of each layer of the nitride semiconductor laser element shown in FIG. 5, the mixed crystal ratio x of In, or the mixed crystal ratio y of Al.
(表4)
膜厚 ‖ 混晶比(InxまたはAly)
―――――――――――――――――――――――――――――
n-Contact 4 μm ‖ y=0.02
Crack-Barrier 150 nm ‖ x=0.03
n-Clad 1.3 μm ‖ y=0.059
n-Guide 315 nm ‖ −
1st Barrier 40 nm ‖ x=0.035
1st Well 3 nm ‖ x=0.10
Middle Barrier 14 nm ‖ x=0.035
2nd Well 3 nm ‖ x=0.10
Last Barrier 40 nm ‖ x=0.035
p-Cap 10 nm ‖ y=0.25
p-Guide 315 nm ‖ −
p-Clad 450 nm ‖ y=0.046
p-Contact 15 nm ‖ −
表4において、Crack-Barrier 層、1st Barrier 層、1st Well層、Middle Barrier層、2nd Well層およびLast Barrier層はInxを含む層であり、n-Contact 層、n-Clad層、p-Cap 層およびp-Clad層はAlyを含む層である。n-Guide 層、p-Guide 層およびp-Contact 層はGaN層である。
(Table 4)
Film thickness 混 Mixed crystal ratio (In x or Al y )
―――――――――――――――――――――――――――――
n-
Crack-
n-Clad 1.3 μm ‖ y = 0.059
n-Guide 315 nm ‖ −
1st Well 3 nm ‖ x = 0.10
2nd Well 3 nm ‖ x = 0.10
p-
p-Guide 315 nm ‖ −
p-Clad 450 nm ‖ y = 0.046
p-
In Table 4, Crack-Barrier layer, 1st Barrier layer, 1st Well layer, Middle Barrier layer, 2nd Well layer and Last Barrier layer are layers containing In x , n-Contact layer, n-Clad layer, p-Cap layer and p-Clad layer is a layer containing Al y. The n-Guide layer, p-Guide layer and p-Contact layer are GaN layers.
Crack-Barrier 層は、膜厚が150nm、Inの混晶比xが0.03である。1st Barrier 層およびLast Barrier層は、膜厚が40nm、Inの混晶比xが0.035である。Middle Barrier層は、膜厚が14nm、Inの混晶比xが0.035である。1st Well層および2nd Well層は、膜厚が3nm、Inの混晶比xが0.10である。 The Crack-Barrier layer has a thickness of 150 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.03. The 1st Barrier layer and the Last Barrier layer have a film thickness of 40 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.035. The Middle Barrier layer has a film thickness of 14 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.035. The 1st Well layer and the 2nd Well layer have a film thickness of 3 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.10.
n-Contact 層は、膜厚が4μm、Alの混晶比yが0.02である。n-Clad層は、膜厚が1.3μm、Alの混晶比yが0.059である。p-Cap 層は、膜厚が10nm、Alの混晶比yが0.25である。p-Clad層は、膜厚が450nm、Alの混晶比yが0.046である。n-Guide 層およびp-Guide 層は、膜厚が315nmであり、p-Contact 層は、膜厚が15nmである。 The n-Contact layer has a film thickness of 4 μm and an Al mixed crystal ratio y of 0.02. The n-Clad layer has a film thickness of 1.3 μm and an Al mixed crystal ratio y of 0.059. The p-Cap layer has a thickness of 10 nm and an Al mixed crystal ratio y of 0.25. The p-Clad layer has a thickness of 450 nm and an Al mixed crystal ratio y of 0.046. The n-Guide layer and the p-Guide layer have a film thickness of 315 nm, and the p-Contact layer has a film thickness of 15 nm.
図5に示した窒化物半導体レーザ素子のレーザミラーの断面構造の一例は、図2(a)あるいは図2(b)を参照して前述したようなものである。本実施例1では、出射側ミラーは、導波路領域の一端面側から順に、レーザ光に対して第1の屈折率n1 を有する第1の透光性膜1と、それよりも屈折率が低い第2の屈折率n2 を有する第2の透光性膜2とが1.5ペアだけ積層されて形成されている。ここでは、表2中のタイプ(F)に示すように、第1の透光性膜1としてZrO2 膜(49nm)、第2の透光性膜2としてSiO2 膜(73nm)で形成している。この場合、表2を参照して前述したように出射側ミラーの反射率は49%である。これに対して、反射側ミラーは、導波路領域の他端面側から順に、第1の透光性膜1と第2の透光性膜2とが4.5ペアだけ積層されて形成されている。ここでは、第1の透光性膜1としてZrO2 膜(49nm)、第2の透光性膜2としてSiO2 膜(73nm)で形成している。この場合、表2を参照して前述したように反射側ミラーの反射率は93%である。
An example of the cross-sectional structure of the laser mirror of the nitride semiconductor laser device shown in FIG. 5 is as described above with reference to FIG. 2 (a) or 2 (b). In the first embodiment, the output side mirror has a first light-transmitting
本実施例1によれば、図3(a)、(b)を参照して前述したように、閾値電流が52mA程度、100mA程度の電流で発光出力50mW程度まで立ち上がるI−L特性を有する440nm帯の窒化物半導体レーザ素子が得られる。そして、図4を参照して前述したように、キンクが140程度まで低減するという効果が得られる。 According to the first embodiment, as described above with reference to FIGS. 3A and 3B, the threshold current is 440 nm having an IL characteristic that rises to a light emission output of about 50 mW with a current of about 52 mA and about 100 mA. A band nitride semiconductor laser device is obtained. And as mentioned above with reference to FIG. 4, the effect that a kink reduces to about 140 is acquired.
[実施例2]
窒化物半導体レーザ素子の実施例2は、前述した実施例1において、n-Clad層13およびp-Clad層18の混晶比と、n-Guide 層14、p-Cap 層16、p-Guide 層17およびp-Clad層18の膜厚を変更し、その他は同様の条件で窒化物半導体レーザ素子を形成したものである。
[Example 2]
Example 2 of the nitride semiconductor laser device is the same as Example 1 described above except that the mixed crystal ratio of the n-
表5は、図5に示した窒化物半導体レーザ素子の各層の膜厚、Inの混晶比xあるいはAlの混晶比yの一例を示している。 Table 5 shows an example of the thickness of each layer of the nitride semiconductor laser element shown in FIG. 5, the mixed crystal ratio x of In, or the mixed crystal ratio y of Al.
(表5)
膜厚 ‖ 混晶比(InxまたはAly)
―――――――――――――――――――――――――――――
n-Contact 4 μm ‖ y=0.02
Crack-Barrier 150 nm‖ X=0.03
n-Clad 1.3 μm‖ y=0.062
n-Guide 330 nm‖ −
1st Barrier 40 nm‖ X=0.035
1st Well 3 nm‖ X=0.10
Middle Barrier 14 nm ‖ X=0.035
2nd Well 3 nm ‖ X=0.10
Last Barrier 40 nm ‖ X=0.035
p-Cap 8 nm ‖ y=0.25
p-Guide 330 nm ‖ −
p-Clad 500 nm‖ y=0.055
p-Contact 15 nm ‖ −
表5に示すように、Crack-Barrier 層は、膜厚が150nm、Inの混晶比xが0.03である。1st Barrier 層およびLast Barrier層は、膜厚が40nm、Inの混晶比xが0.035である。Middle Barrier層は、膜厚が14nm、Inの混晶比xが0.035である。1st Well層および2nd Well層は、膜厚が3nm、Inの混晶比xが0.10である。n-Contact 層は、膜厚が4μm、Alの混晶比yが0.02である。n-Clad層は、膜厚が1.3μm、Alの混晶比yが0.062である。p-Cap 層は、膜厚が8nm、Alの混晶比yが0.25である。p-Clad層は、膜厚が500nm、Alの混晶比yが0.055である。n-Guide 層およびp-Guide 層は、膜厚が330nmであり、p-Contact 層は、膜厚が15nmである。
(Table 5)
Film thickness 混 Mixed crystal ratio (In x or Al y )
―――――――――――――――――――――――――――――
n-
Crack-
n-Clad 1.3 μm‖ y = 0.062
n-Guide 330 nm‖ −
1st Well 3 nm‖ X = 0.10
2nd Well 3 nm ‖ X = 0.10
p-
p-Guide 330 nm ‖ −
p-Clad 500 nm‖ y = 0.055
p-
As shown in Table 5, the Crack-Barrier layer has a thickness of 150 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.03. The 1st Barrier layer and the Last Barrier layer have a film thickness of 40 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.035. The Middle Barrier layer has a film thickness of 14 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.035. The 1st Well layer and the 2nd Well layer have a film thickness of 3 nm and an In mixed crystal ratio x of 0.10. The n-Contact layer has a film thickness of 4 μm and an Al mixed crystal ratio y of 0.02. The n-Clad layer has a film thickness of 1.3 μm and an Al mixed crystal ratio y of 0.062. The p-Cap layer has a thickness of 8 nm and an Al mixed crystal ratio y of 0.25. The p-Clad layer has a thickness of 500 nm and an Al mixed crystal ratio y of 0.055. The n-Guide layer and the p-Guide layer have a thickness of 330 nm, and the p-Contact layer has a thickness of 15 nm.
本実施例2によっても、実施例1とほぼ同等の特性を有する窒化物半導体レーザ素子が得られる。 Also according to the second embodiment, a nitride semiconductor laser device having substantially the same characteristics as the first embodiment can be obtained.
[実施例3]
実施例3は、前述した実施例1あるいは実施例2において、出射側ミラーの第1の透光性膜1として表2中のタイプ(H)に示すようにAl2 O3 膜(89nm)を用い、その他は同様の条件で窒化物半導体レーザ素子を形成した(第2の透光性膜2は用いない)ものである。この場合、表2を参照して前述したように出射側ミラーの反射率は18%である。
[Example 3]
In Example 3, an Al 2 O 3 film (89 nm) as shown in the type (H) in Table 2 is used as the first
本実施例3によれば、実施例1よりも出射側ミラーの反射率が低く、発光出力が高く、図3(a)、(b)を参照して前述したように、閾値電流が60mA程度、100mA程度の電流で発光出力60mW程度まで立ち上がるI−L特性を有する440nm帯の窒化物半導体レーザ素子が得られる。そして、図4を参照して前述したように、キンクが120程度まで大きく低減するという効果が得られる。 According to the third embodiment, the output side mirror has a lower reflectance and a higher light emission output than the first embodiment, and the threshold current is about 60 mA as described above with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b). Thus, a 440 nm band nitride semiconductor laser device having IL characteristics that rises to a light emission output of about 60 mW with a current of about 100 mA can be obtained. And as mentioned above with reference to FIG. 4, the effect that a kink reduces greatly to about 120 is acquired.
なお、本実施例3において、出射側ミラーの第1の透光性膜1に対して、第2の透光性膜2としてSiO2 膜(73nm)を積層するように変更してもよい。
In Example 3, the first
[実施例1の半導体レーザ素子の製造方法]
(基板) MOCVD反応装置内において、サファイアまたはGaAs基板を配置して、温度を500℃にする。次に、トリエチルガリウム(TEG)及び/又はトリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3 )を用い、GaNよりなるバッファ層を20nmの膜厚で成長させる。バッファ層を成長した後、温度を1050℃にして、同じくGaNよりなる下地層を4μmの膜厚で成長させる。 下地層を成長した後、ウェハーを反応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、CVD装置によりストライプ幅10〜300μm、ストライプ間隔(窓部)5〜300μmのSiO2 よりなる保護膜を形成する。
[Method of Manufacturing Semiconductor Laser Element of Example 1]
(Substrate) In a MOCVD reactor, a sapphire or GaAs substrate is placed and the temperature is set to 500 ° C. Next, a buffer layer made of GaN is grown to a thickness of 20 nm using triethylgallium (TEG) and / or trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ). After growing the buffer layer, the temperature is set to 1050 ° C., and an underlying layer made of GaN is grown to a thickness of 4 μm. After growing the underlayer, the wafer is taken out of the reaction vessel, a striped photomask is formed on the surface of the underlayer, and a
保護膜を形成した後、ウェハーをHVPE(ハイドライド気相成長法)装置に移送し、原料にGaメタル、HClガス、およびアンモニアを用い、n型不純物としてSiおよび/またはOをドーピングしながらGaNよりなる窒化物半導体を400μmの膜厚で成長させる。このようにHVPE法で保護膜の上に窒化物半導体を成長させながら100μm以上のGaN厚膜を成長させると、結晶欠陥は二桁以上少なくなる。そして、異種基板等を研磨、研削、CMPまたはレーザ照射等により剥離することでGaN基板10が得られる。このGaN基板10は、膜厚が400μm程度であり、少なくとも導波路形成予定領域下においては転位密度が5×106 /cm2 以下である。
After forming the protective film, the wafer is transferred to an HVPE (hydride vapor phase epitaxy) apparatus, Ga metal, HCl gas, and ammonia are used as raw materials, and GaN is doped with Si and / or O as n-type impurities. The resulting nitride semiconductor is grown to a thickness of 400 μm. As described above, when a GaN thick film of 100 μm or more is grown while growing a nitride semiconductor on the protective film by the HVPE method, crystal defects are reduced by two orders of magnitude or more. Then, the
(n-Contact 層11) 基板上にGaN層を成長させる際、さらに、中間層11aを成長させ、最上層には、1050℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TEG及び/又はTMG、アンモニア、シランガスを用い、SiをドープしたAl0.02Ga0.98Nよりなるn-Contact 層11を成長させる。
(N-Contact layer 11) When a GaN layer is grown on the substrate, an
(Crack-Barrier 層12) 次に、温度を800℃にして、原料ガスにTEG及び/又はTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用い、SiをドープしたIn0.03Ga0.97NよりなるCrack-Barrier 層12を膜厚150nmとなるように成長させる。
(Crack-Barrier layer 12) Next, the temperature is set to 800 ° C., and TEG and / or TMG, TMI, ammonia, silane gas is used as a source gas, and a crack-
(n-Clad層13) 次に、1050℃でTMA、TEG及び/又はTMG、アンモニア、シランガスを用い、SiをドープしたAl0.059 Ga0.941 Nよりなるn-Clad層13を膜厚1.3μmとなるように成長させる。なお、このn-Clad層13は超格子構造とすることもできる。
(N-Clad layer 13) Next, an n-
(n-Guide 層14) 次に、シランガスを止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn-Guide 層14を膜厚315nmとなるように成長させる。
(N-Guide Layer 14) Next, the silane gas is stopped, and an n-
(Act 層15) 次に、TEG及び/又はTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用いてAct 層15を成長させる。この際、温度を800℃に保持して、まず、SiをドープしたIn0.035 Ga0.965 Nよりなる1st Barrier 層151を膜厚40nmとなるように成長させる。続いて、同一温度で、In0.10Ga0.90Nよりなる1st Well層152を膜厚3nmとなるように成長させる。このような障壁層と井戸層とを2回交互に積層する。この際、1st Well層152を成長させた後、SiをドープしたIn0.035 Ga0.965 NよりなるMiddle Barrier層153を膜厚14nmとなるように成長させる。続いて、In0.10Ga0.90Nよりなる2nd Well層154を膜厚3nmとなるように成長させる。この後、SiをドープしたIn0.035 Ga0.965 NよりなるLast Barrier層155を膜厚40nmとなるように成長させることにより、総膜厚100nmの多重量子井戸構造のAct 層15を得る。
(Act layer 15) Next, the
(p-Cap 層16) 次に、温度を1050℃に上げ、TEG及び/又はTMG、TMA、アンモニア、Cp2 Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、MgをドープしたAl0.25Ga0.75Nよりなるp-Cap 層16を膜厚10nmとなるように成長させる。なお、このp-Cap 層16は省略可能である。
(P-Cap layer 16) Next, the temperature was raised to 1050 ° C., and TEG and / or TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) was used, and Mg doped Al 0.25 Ga 0.75 N A p-
(p-Guide 層17) 続いて、Cp2 Mg、TMAを止め、1050℃で、前述したp-Cap 層16よりもバンドギャップエネルギーが小さいアンドープGaNよりなるp-Guide 層17を膜厚315nmとなるように成長させる。
(P-Guide layer 17) Subsequently, Cp 2 Mg and TMA were stopped, and a p-
(p-Clad層18) 続いて、1050℃で、MgをドープしたAl0.046 Ga0.954 Nよりなる層を膜厚2.5nmだけ成長させ、続いて、Cp2 Mg、TMAを止め、アンドープGaNよりなる層を膜厚2.5nmだけ成長させる。このようなペアを90回成長させ、総膜厚450nmの超格子構造のp-Clad層18を成長させる。
(P-Clad layer 18) Subsequently, at 1050 ° C., a layer made of Al 0.046 Ga 0.954 N doped with Mg is grown to a thickness of 2.5 nm, then Cp 2 Mg and TMA are stopped, and from undoped GaN Is grown by a thickness of 2.5 nm. Such a pair is grown 90 times to grow a p-
(p-Contact 19) 最後に、1050℃で、p-Clad層18の上に、MgをドープしたGaNよりなるp-Contact 層19を膜厚15nmとなるように成長させる。
(P-Contact 19) Finally, at 1050 ° C., the p-
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェハーを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型半導体層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェハーを反応容器から取り出す。 After the reaction is completed, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type semiconductor layer. After annealing, the wafer is removed from the reaction vessel.
次に、応力緩和の目的のために、n側半導体層をエッチングにより露出させる。n側半導体層の露出面は特に限定するのもではないが、例えばContact 層11の一部まで露出する。この際、エッチングは、RIE法を用い、Cl2 、CCl4 、SiCl4 、BCl3 のような塩素系のガスによりエッチングする。そして、最上層のp-Contact 19の表面にSiO2 等よりなる保護膜(図示せず)をストライプ状に形成する。この保護膜は、ストライプ状の電流狭窄領域であるリッジ部を形成するためのパターン形状をしており、この保護膜をマスクとしてRIE法でエッチングすることにより、ストライプ状のリッジ部を形成する。リッジストライプを形成する場合、特にAct 層15よりも上にあるAlを含むp型半導体層以上の層をリッジ形状とすることにより、Act 層15の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやすく、閾値が低下し易い。リッジ部の幅は1.0μm〜50.0μmとする。リッジ部のストライプ方向の長さは300μm〜1000μmである。レーザ光をシングルモードとする場合には、リッジ部の幅は1.0μm〜2.0μmとするのが好ましい。リッジ部の幅を10μm以上とすれば、200mW以上の出力が可能となる。リッジ部の高さは、p-Guide 層17を露出する範囲であればよい。その理由は、大電流を流す場合にはリッジ部以下では電流が急激に横方向に広がるので、リッジ部を形成するためのエッチング深さはp-Guide 層17まであるのが好ましい。
Next, the n-side semiconductor layer is exposed by etching for the purpose of stress relaxation. Although the exposed surface of the n-side semiconductor layer is not particularly limited, for example, a part of the
次に、リッジ部の側面およびp-Clad層18の表面を保護するために埋め込み絶縁膜20で覆う。この埋め込み絶縁膜20は、窒化物半導体層よりも屈折率が小さく、絶縁性の材料から選ばれるものである。具体例としては、ZrO2 、SiO2 、その他にはV、Nb、Hf、Ta等の酸化物である。
Next, the buried insulating
次に、p-Contact 層19の表面にp電極21を形成する。好ましくは、p-Contact 層19および埋め込み絶縁膜20の一部上にp電極21を多層構造で形成する。この際、p電極21を例えばNiとAuからなる2層構造とする場合には、先ず、p-Contact 層19上にNiを5nm〜20nmの膜厚で形成し、次に、Auを50nm〜300nmの膜厚で形成する。また、p電極21を3層構造とする場合にはNi/Au/Pt、Ni/Au/Pd等があり、NiとAuは2層構造と同じ膜厚であればよく、最終層となるPtやPdは50nm〜500nmである。なお、p電極21を形成する際、図7(a)、(b)に示したように、p電極の一端を導波路領域の一端面に一致させて形成する場合と、p電極の一端を導波路領域の一端面から少し離して形成する場合がある。
Next, a p-
上記したようにp電極21を形成した後、オーミックアニールを行う。詳細な条件としては、アニール温度を300℃以上、好ましくは500℃以上とする。また、アニールを行う雰囲気は、窒素および/または酸素を含有する条件とする。
After the p-
この後、p電極21の一部(側端部)上および埋め込み絶縁膜20上および前工程で露出した半導体層の側面に、SiO2 からなる保護絶縁膜24を0.5μmの膜厚となるようにスパッタリング成膜により形成する。
Thereafter, a protective insulating
次に、p電極21上および保護絶縁膜24の一部上にpパッド電極23を形成する。このpパッド電極23は、Ni、Ti、Au、Pt、Pd、W等の金属からなる積層体とすることが好ましく、例えばp電極21側からW/Pd/Au、またはNi/Ti/Auの順に連続して形成する。pパッド電極23の膜厚は特に限定されないが、最終層のAuの膜厚を100nm以上とする。pパッド電極23は、p電極21の表面積よりも広い面積で形成されており、放熱性が向上し、ワイヤーボンディングが容易になっている。また、pパッド電極23は、p電極21よりも膜厚が厚く形成されており、p電極21の剥がれを防止する役割も有する。その後、GaN基板10の第2の主面の一部または全面に、V(10nm)/Pt(200nm)/Au(300nm)よりなるn電極22を形成する。
Next, the
次に、上記したようにp電極21、n電極22およびpパッド電極23を形成したウェハーをリッジストライプに垂直な方向でバー状に劈開する。ここで、共振面は、M面(1−100面、六角柱状の結晶の側面に相当する面)やA面(11−20面)である。ウェハーをバー状に分割する劈開方法としては、ブレードブレイク、ローラーブレイク、またはプレスブレイク等がある。
Next, the wafer on which the
この場合、ウェハーの分割工程を2段階で行うことによって、共振面を歩留まり良く形成することが好ましい。先ず、ウェハー状のGaN基板10の第1の主面側、または第2の主面側からスクライブにより予め劈開補助溝を形成する。劈開補助溝は、深さを10μmとし、共振面と平行方向に50μm、垂直方向に15μmの幅とし、ウェハーの全面、若しくはバーを形成するためにウェハーの両端に形成する。好ましくは、劈開補助溝をバーを形成する劈開方向に破線状に間隔をあけて形成する。これによって、劈開方向が屈曲することを抑制することができる。また、GaN基板10の第1の主面、および/または第2の主面に予め劈開補助溝を形成することで、容易にウェハーをバー状に劈開することができる。劈開補助溝をGaN基板10の第2の主面に有することによって、第2の主面(裏面)に形成したn電極22の剥がれ防止効果がある。
In this case, it is preferable to form the resonance surface with a high yield by performing the wafer dividing process in two stages. First, a cleavage assisting groove is formed in advance by scribing from the first main surface side or the second main surface side of the wafer-
前記した劈開補助線を用いてGaN基板10のn電極22の形成面側からウェハーをバー状に劈開することによって、共振器長300〜1000μmの共振器を作製した後、共振器の反射面側および/または出射面側にレーザミラーを形成する。レーザミラーは、SiO2 やZrO2 、TiO2 、Al2 O3 、Nb2 O5 等からなる誘電体積層膜である。レーザミラーは、共振面の反射面側および出射面側に形成することが好ましい。劈開によって形成された共振面であれば、再現性よく形成することができる。なお、出射面側のレーザミラーとして、Al2 O3 膜、Nb2 O5 膜、HfOx膜、MgO膜、Ta2 O5 膜、SiON膜、AlOxNy膜、GaOx膜のいずれか1つからなる単層膜を用いると、反射率を低くすることができる。
A resonator having a resonator length of 300 to 1000 μm is fabricated by cleaving the wafer into a bar shape from the surface on which the n-
さらに、前記したようにバー状に劈開され、レーザミラーが形成された窒化物半導体基板を、リッジストライプに平行(p電極21に平行)な方向分割してチップ化する。このチップの形状は矩形状であって、矩形状の共振面の幅は500μm以下、好ましくは400μm以下とする。ここで、窒化物半導体レーザ素子の共振面側の左右の角には凹部溝を有する。凹部溝は、深さが10μmであって、共振面と平行方向に30μm、垂直方向に10μmの幅である。 Further, as described above, the nitride semiconductor substrate cleaved in a bar shape and formed with the laser mirror is divided into chips parallel to the ridge stripe (parallel to the p-electrode 21). The shape of the chip is rectangular, and the width of the rectangular resonance surface is 500 μm or less, preferably 400 μm or less. Here, the left and right corners on the resonance surface side of the nitride semiconductor laser element have concave grooves. The concave groove has a depth of 10 μm and a width of 30 μm in the direction parallel to the resonance surface and 10 μm in the vertical direction.
このように作製された窒化物半導体レーザ素子チップのn電極22側をヒートシンク上に設置し、p電極21にワイヤーボンディング接続を行い、室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長435〜465nm、閾値電流密度2.9kA/cm2 において室温で良好な連続発振を示す。さらに、前記したように共振面を劈開により形成しても、劈開傷がなく、光出力が連続動作(CW)で50mW、動作温度が25℃の状態で寿命が1万時間と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができる。
When the n-
このような特性を有する窒化物半導体レーザ素子は、光学モジュール、医療用、バイオ、印刷用、露光用等の光源として使用可能である。 The nitride semiconductor laser element having such characteristics can be used as a light source for optical modules, medical use, biotechnology, printing, exposure, and the like.
なお、前記pパッド電極23は、単にp電極21と電気的に接続するだけでよい。パッド電極23は、p電極20よりも膜厚を厚くして、p電極21の剥離を防止すると共に、表面積をp電極21よりも大きくしてあるので、p電極21側でpパッド電極23にワイヤーボンディング接続を行うことを容易にすると共に、p電極21側をヒートシンク、サブマウントのような放熱体に接続する際に、接着面積を大きくして放熱性を向上させることが可能になる。
The
[実施例4]
図6は、窒化物半導体レーザ素子の実施例4の断面構造の一例を模式的に示している。
[Example 4]
FIG. 6 schematically shows an example of a cross-sectional structure of the nitride semiconductor laser device according to the fourth embodiment.
図6の窒化物半導体レーザ素子は、前述した実施例1の窒化物半導体レーザ素子と比べて、p電極21側をヒートシンクへの実装面とするために、pパッド電極23上に外部電極等と接続させるためのメタライズ層(バンプ)(図示せず)を形成したフェイスダウン構造を有する点が異なり、その他は同じである。ここで、pパッド電極23をメタライズ層と併用してもよい。メタライズ層は、Ag、Au、Sn、In、Bi、Cu、Zn等の材料からなる。基板として、GaN基板10を用いることでフェイスダウン構造の窒化物半導体レーザ素子を再現性よく提供することができる。本実施例4によれば、放熱性がよく、信頼性が向上する。
The nitride semiconductor laser device of FIG. 6 has an external electrode or the like on the
[実施例5]
窒化物半導体レーザ素子の実施例5は、GaN基板10の第1の主面側にn電極22を配設した(つまり、p電極21およびn電極22をチップの同一面側に配置した)ものである。この場合、前述した実施例1と比べて、n-Contact 層11の一部を露出させるようにエッチングし、その露出上面の一部にn電極22を形成し、露出上面の残部に保護絶縁膜を形成している。p電極21とn電極22を同一面側に形成した後、ウェハーを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、GaN基板10の裏面をラッピングし、基板の厚さを100μmとする。この後、細かい研磨剤で1μmポリシングして基板裏面を鏡面状とする。このように基板の厚さを100μm以下に薄くすることによって、窒化物半導体レーザ素子の放熱性が高まる。この後、GaN基板10の研磨面側をスクライブして、リッジストライプに垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器長650μmの共振器を作製する。さらに、共振器面にSiO2 とZrO2 よりなる透光性積層膜を形成し、最後にリッジストライプに平行な方向で、バーを切断してLDチップとする。
[Example 5]
In the fifth embodiment of the nitride semiconductor laser device, the
このように同一面側電極構造を有するLDチップを、ヒートシンク上にフェースアップ状態(GaN基板10がヒートシンクに対向した状態)で設置し、p電極21およびn電極22にそれぞれ金線よりなるワイヤーをボンディング接続する。このワイヤーボンディング時の位置は、リッジストライプの真上を避けてリッジストライプの位置から離れた位置とすることにより、リッジ部に衝撃を与えないので、リッジ部の結晶が破壊されることはない。
Thus, the LD chip having the same-surface electrode structure is placed on the heat sink in a face-up state (the
[その他の実施例]
その他の実施例としては、前述した各実施例においてp-Contact 層19上にのみp電極21を形成するように変更したものがある。この構造によれば、埋め込み絶縁膜20とp電極21が密着していないので、埋め込み絶縁膜20とp電極21との界面でp電極21が剥がれることがなくなる。
[Other Examples]
As another embodiment, there is a modification in which the p-
また、本発明は、前記したようなストライプ状のリッジ構造導波路を有する窒化物半導体レーザ素子とは構造を異にする電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子にも適用可能である。電流狭窄層とは、選択的に電流を流す機能を有する層であり、具体的な組成としてはAlNである。電流狭窄層はAct 層15とp-Contact 層19との間にあればよく、好ましくはp-Guide 層17に形成されている。電流狭窄層同士の間隔は0.5μm〜3μmである。電流狭窄層の膜厚は10nm〜1μmである。
The present invention is also applicable to a nitride semiconductor laser element having a current confinement layer having a structure different from that of the nitride semiconductor laser element having a stripe-shaped ridge structure waveguide as described above. The current confinement layer is a layer having a function of selectively flowing a current, and a specific composition is AlN. The current confinement layer may be provided between the
1…第1の透光性膜、2…第2の透光性膜、10…窒化物半導体基板(GaN基板)、11…n側コンタクト層(n-Contact 層)、12…クラックバリア層(Crack-Barrier 層)、13…n側クラッド(n-Clad層)、14…n側光ガイド層(n-Guide 層)、15…活性層(Act 層)、151…第1の障壁層(1st Barrier 層)、152…第1の井戸層(1st Well層)、153…中間障壁層(Middle Barrier層)、154…第2の井戸層(2nd Well層)、155…最終障壁層(Last Barrier層)、16…p側電子閉じ込め層(p-Cap 層)、17…p側光ガイド層(p-Guide 層)、18…p側クラッド層(p-Clad層)、19…p側コンタクト層(p-Contact 層)、20…埋め込み絶縁膜、21…第1電極(n電極)、22…第2電極(p電極)、23…パッド電極、24…保護絶縁膜。
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