JP2006049622A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III-V nitride semiconductor laser element wherein a stimulation threshold value is stably low and a drive current is not secularly increased even when the element is continuously driven at a high output of 100 mW or over. <P>SOLUTION: A band gap energy Ecl of a lower clad layer (102), the band gap energy Enl of a lower adjacent layer (104), the band gap energy Ew of the well layer of a quantum well active layer (105), the band gap energy Eb of a barrier layer, the band gap energy Enu of an upper adjacent layer (106), the band gap energy E1 of a first layer (107), the band gap energy E2 of a second layer (108), the band gap energy E3 of a third layer (109), and the band gap energy Ecu of an upper clad layer (110) hold a relation of Ew < Ecl, Enl, Eb, Enu, E1, E2, Ecu <E3. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、III−V族系窒化物半導体からなる半導体レーザ素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser device made of a III-V group nitride semiconductor.

III−V族系窒化物半導体レーザ素子を用いた短波長光源は、光記録媒体を対象とした情報の読み出しレートや書き込みレートを向上させる技術として注目されている。また、その発光輝度を向上させるための技術開発が盛んであり、窒化物半導体レーザ素子の活性層を、1以上の井戸層と障壁層が積層された量子井戸構造とする技術が検討されている。   A short wavelength light source using a group III-V nitride semiconductor laser element has attracted attention as a technique for improving the information reading rate and writing rate for an optical recording medium. In addition, the development of technology for improving the light emission luminance is active, and a technology for making the active layer of a nitride semiconductor laser element a quantum well structure in which at least one well layer and a barrier layer are stacked is being studied. .

量子井戸構造とする利点は、活性層における電子やホールの状態密度関数ρを人工的に狭く制御できることにあり、これによって、バルク型のような量子井戸構造でない活性層構造とした場合に比してレーザ素子の発振閾値が大幅に引き下がるため、素子の発光輝度が飛躍的に向上すると考えられている。   The advantage of the quantum well structure is that the state density function ρ of electrons and holes in the active layer can be controlled artificially narrowly. This makes it possible to achieve an active layer structure that is not a quantum well structure such as a bulk type. Therefore, it is considered that the emission luminance of the element is drastically improved because the oscillation threshold value of the laser element is greatly reduced.

ところで、このような量子井戸構造の活性層をもつ半導体レーザ素子では、活性層に近接して設けられた半導体層中のp型不純物が活性層内に拡散して、素子の発振閾値を上昇させてしまうという問題がある。そこで、このようなp型不純物の活性層への拡散防止を目的として、図4に示すように、活性層407とp型窒化物半導体層(p型光ガイド層409)との間にn型窒化物半導体層(拡散防止層414)を設ける技術がある(例えば、特許文献1参照。)。   By the way, in a semiconductor laser device having an active layer having such a quantum well structure, p-type impurities in a semiconductor layer provided close to the active layer are diffused into the active layer to raise the oscillation threshold of the device. There is a problem that it ends up. Therefore, for the purpose of preventing the diffusion of such p-type impurities into the active layer, as shown in FIG. 4, the n-type is interposed between the active layer 407 and the p-type nitride semiconductor layer (p-type light guide layer 409). There is a technique of providing a nitride semiconductor layer (diffusion prevention layer 414) (see, for example, Patent Document 1).

特開平10−200214号公報(第2頁)JP-A-10-200214 (2nd page)

しかしながら、この特許文献1に記載の技術を用いて窒化物半導体レーザ素子を作製しても、素子の発振閾値を十分に安定して引き下げることができず、また、100mW以上の高出力で連続駆動させた場合に駆動電流が経時的に上昇してしまうため動作寿命が短いという課題がある。   However, even if a nitride semiconductor laser device is manufactured using the technique described in Patent Document 1, the oscillation threshold value of the device cannot be lowered sufficiently stably, and it is continuously driven at a high output of 100 mW or more. In this case, there is a problem that the operating current is short because the driving current increases with time.

本発明は、窒化物半導体レーザ素子における上記課題を解決するものであり、発振閾値が安定して低く、また、100mW以上の高出力にて連続駆動させても駆動電流が経時上昇しないIII−V族系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 solves the above-described problems in a nitride semiconductor laser device. The oscillation threshold is stable and low, and the drive current does not increase with time even when continuously driven at a high output of 100 mW or more. An object of the present invention is to provide a group-based nitride semiconductor laser device.

上記課題を解決するために、本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子は、基板と、前記基板の上に設けられた、n型不純物がドープされた下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に設けられた、導電性不純物がドープされていないアンドープ型の下部隣接層と、前記下部隣接層の上に設けられた、アンドープ型の障壁層と当該障壁層を上下に挟むアンドープ型の井戸層とからなる量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層の上に設けられた、アンドープ型の上部隣接層と、前記上部隣接層の上に設けられた、n型不純物がドープされた第1の層と、前記第1の層の上に設けられた、アンドープ型の第2の層と、前記第2の層の上に設けられた、p型不純物がドープされた上部クラッド層とを備え、前記量子井戸活性層中で最下段の井戸層が前記下部隣接層に接し、最上段の井戸層が前記上部隣接層と接しているIII−V族系窒化物半導体レーザ素子であって、前記下部クラッド層のバンドギャップエネルギーEclと、前記下部隣接層のバンドギャップエネルギーEnlと、前記量子井戸活性層の井戸層のバンドギャップエネルギーEwと、障壁層のバンドギャップエネルギーEbと、前記上部隣接層のバンドギャップエネルギーEnuと、前記第1の層のバンドギャップエネルギーE1と、前記第2の層のバンドギャップエネルギーE2と、前記第3の層のバンドギャップエネルギーE3と、前記上部クラッド層のバンドギャップエネルギーEcuとが、以下の関係式(1)を満たすことを特徴とする。
〔数1〕
Ew<Ecl、Enl、Eb、Enu、E1、E2、Ecu<E3 ・・・(1)
In order to solve the above problems, a III-V nitride semiconductor laser device according to the present invention includes a substrate, a lower cladding layer doped with an n-type impurity provided on the substrate, and the lower cladding. An undoped lower adjacent layer not doped with a conductive impurity provided on the layer, an undoped barrier layer provided on the lower adjacent layer, and an undoped type sandwiching the barrier layer vertically A quantum well active layer composed of a plurality of well layers; an undoped upper adjacent layer provided on the quantum well active layer; and an n-type impurity provided on the upper adjacent layer. A first layer; an undoped second layer provided on the first layer; and an upper cladding layer doped with a p-type impurity provided on the second layer; A lowermost layer in the quantum well active layer A group III-V nitride semiconductor laser device in which a door layer is in contact with the lower adjacent layer and an uppermost well layer is in contact with the upper adjacent layer, and the band gap energy Ecl of the lower cladding layer, The band gap energy Enl of the lower adjacent layer, the band gap energy Ew of the well layer of the quantum well active layer, the band gap energy Eb of the barrier layer, the band gap energy Enu of the upper adjacent layer, and the first layer The band gap energy E1 of the second layer, the band gap energy E2 of the second layer, the band gap energy E3 of the third layer, and the band gap energy Ecu of the upper cladding layer are expressed by the following relational expression (1). It is characterized by satisfying.
[Equation 1]
Ew <Ecl, Enl, Eb, Enu, E1, E2, Ecu <E3 (1)

なお、上記『ドープ』とは、導電性不純物の半導体結晶中への意図的な添加を意味し、ドープされた半導体層とは、導電性不純物が意図的に添加されている半導体層を意味する。   The above “dope” means intentional addition of conductive impurities into the semiconductor crystal, and the doped semiconductor layer means a semiconductor layer to which conductive impurities are intentionally added. .

また、上記『アンドープ型』とは、導電性不純物を意図的に添加していない半導体結晶の状態を意味するものであり、C、H、O、Clなどの不純物や、導電性にほとんど影響を与えない程度(濃度が約5×1016/cm3未満)の導電性制御不純物が、結晶成長時に不可避的に混入したような半導体結晶であってもこれに含まれる。 The “undoped type” means a state of a semiconductor crystal to which no conductive impurities are intentionally added, and has almost no influence on impurities such as C, H, O, Cl, and conductivity. Even a semiconductor crystal in which a conductivity control impurity of such a level that the concentration is not given (less than about 5 × 10 16 / cm 3 ) is inevitably mixed during crystal growth is included.

本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子にかかる上記構成であると、第3の層のバンドギャップエネルギーを、活性層中の井戸層よりも大幅に高く設定しているため、活性層に注入される電子のオーバーフローを防止し、活性層へのキャリアの注入効率を向上させて、素子の発振閾値を引き下げることができる。   Since the band gap energy of the third layer is set to be significantly higher than that of the well layer in the active layer in the above-described configuration according to the III-V group nitride semiconductor laser device of the present invention, the active layer It is possible to prevent overflow of electrons injected into the semiconductor layer, improve carrier injection efficiency into the active layer, and lower the oscillation threshold of the device.

さらに、上記構成であると、活性層をアンドープ型としているため、不純物の添加に起因した結晶性の低下が引き起こされることがない。これにより、活性層の耐久性が高くなるため、100W以上の高出力なレーザ発振によって光エネルギー密度を増大させても、結晶性が急激に劣化して駆動電流値が経時上昇することがない。   Furthermore, with the above structure, since the active layer is an undoped type, a decrease in crystallinity due to the addition of impurities is not caused. Thereby, since the durability of the active layer is increased, even if the light energy density is increased by high-power laser oscillation of 100 W or more, the crystallinity is not rapidly deteriorated and the drive current value does not increase with time.

また、上記構成であると、第3の層中にp型不純物がドーピングされているため、第3の層の導電性が高い。これにより、pドープ上部クラッド層から活性層への正孔(ホール)注入が円滑になる、すなわち活性層へのキャリアの注入効率が向上するため、素子の発振閾値が引き下がる。   In the above structure, since the third layer is doped with p-type impurities, the conductivity of the third layer is high. This facilitates the injection of holes from the p-doped upper cladding layer into the active layer, that is, improves the efficiency of carrier injection into the active layer, thereby lowering the oscillation threshold of the device.

また、上記構成であると、n型不純物がドープされた第1の層を、pドープの第3の層と活性層との間に設けることにより、素子中のpn接合位置が安定して、結晶成長時に発生しうる成長条件の摂動への耐性が高くなるため、素子を歩留まりよく作製することができる。   Also, with the above configuration, by providing the first layer doped with n-type impurities between the p-doped third layer and the active layer, the pn junction position in the element is stabilized, Since resistance to perturbations of growth conditions that can occur during crystal growth is increased, devices can be manufactured with high yield.

上記本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記下部クラッド層と前記下部隣接層との間に下部ガイド層が設けられ、当該下部ガイド層のバンドギャップエネルギーEglが以下の関係式(2)を満たす構成とすることができる。また、上記本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記第3の層と前記上部クラッド層との間に上部ガイド層が設けられ、当該上部ガイド層のバンドギャップエネルギーEguが以下の関係式(3)を満たす構成とすることができる。
〔数2〕
Ew<Egl<Ecl ・・・(2)
〔数3〕
Ew<Egu<Ecl ・・・(3)
In the III-V nitride semiconductor laser element of the present invention, a lower guide layer is further provided between the lower cladding layer and the lower adjacent layer, and a band gap energy Egl of the lower guide layer is as follows. It can be set as the structure which satisfy | fills relational expression (2). In the III-V nitride semiconductor laser element of the present invention, an upper guide layer is further provided between the third layer and the upper clad layer, and the band gap energy Egu of the upper guide layer is provided. Can satisfy the following relational expression (3).
[Equation 2]
Ew <Egl <Ecl (2)
[Equation 3]
Ew <Egu <Ecl (3)

これらの構成であると、光ガイド層を設けることで活性層の光閉じ込め係数が増加するため、素子の発振閾値をさらに引き下げることができる。   With these configurations, since the light confinement coefficient of the active layer is increased by providing the light guide layer, the oscillation threshold of the element can be further reduced.

上記本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記量子井戸活性層中で最上段の井戸層と前記第3の層との距離Lが、50nm以上200nm以下である構成とすることができる。また、前記距離Lと、前記量子井戸活性層中で最上段の井戸層と前記第1の層との距離Dとが、以下の関係式(4)を満たす構成とすることができる。
〔数4〕
2D≦L ・・・(4)
The III-V group nitride semiconductor laser device of the present invention further has a configuration in which the distance L between the uppermost well layer and the third layer in the quantum well active layer is 50 nm or more and 200 nm or less. can do. The distance L and the distance D between the uppermost well layer and the first layer in the quantum well active layer may satisfy the following relational expression (4).
[Equation 4]
2D ≦ L (4)

pドープ層には、若干ではあるがレーザ光を吸収してしまう性質があり、レーザ光の光分布が大きい活性層近傍にpドープ層を設けると導波損失を引き起こしてしまう。また、窒化物半導体は結晶構造がウルツァイトであって等方的でないため、結晶内部に電界が存在しており、活性層とのバンドギャップ差が大きな半導体層が活性層近傍に配されると、活性層のバンドが曲げられてしまい、バンドフラット状態を得ることができず、活性層におけるキャリアの再結合確率が低下する。   The p-doped layer has a property of absorbing laser light to some extent, and if a p-doped layer is provided in the vicinity of the active layer where the light distribution of the laser light is large, waveguide loss is caused. Further, since the nitride semiconductor has a wurtzite crystal structure and is not isotropic, an electric field exists inside the crystal, and when a semiconductor layer having a large band gap difference from the active layer is arranged in the vicinity of the active layer, The band of the active layer is bent, a band flat state cannot be obtained, and the carrier recombination probability in the active layer is lowered.

しかしながら、本発明にかかる上記構成であると、第3の層の下面と活性層の最上段に設けられた井戸層の上面との距離(L)が50nm以上であるため、顕著な導波損失を引き起こすことがなく、また活性層のバンドフラット状態を十分に得ることができる。他方、離間間隔(L)の上限が200nm以下であるため、pドープ上部クラッド層から活性層へのホール注入が距離的に困難となることもない。   However, in the above configuration according to the present invention, since the distance (L) between the lower surface of the third layer and the upper surface of the well layer provided at the uppermost stage of the active layer is 50 nm or more, significant waveguide loss And a sufficient band flat state of the active layer can be obtained. On the other hand, since the upper limit of the separation interval (L) is 200 nm or less, hole injection from the p-doped upper cladding layer to the active layer does not become difficult in terms of distance.

上記本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記第1の層の層厚が5nm以上50nm以下である構成とすることができる。   The III-V group nitride semiconductor laser device of the present invention may be configured such that the thickness of the first layer is not less than 5 nm and not more than 50 nm.

この構成であると、nドープの第1の層を5nm以上の層厚とするため、当該層にn型の導電性を確立させることができ、活性層の上下をnドープ層で挟み込んで活性層をバンドフラット状態とすることができる。他方、層厚を50nm以下としてn型不純物の含有量を制限しているため、pドープ上部クラッド層から活性層へのホール注入が、当該第1の層によって電気的に阻害されることがない。   With this configuration, since the n-doped first layer has a thickness of 5 nm or more, n-type conductivity can be established in the layer, and the active layer is sandwiched between the n-doped layers and activated. The layer can be in a band flat state. On the other hand, since the layer thickness is 50 nm or less and the content of n-type impurities is limited, hole injection from the p-doped upper cladding layer to the active layer is not electrically inhibited by the first layer. .

上記本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記下部隣接層または前記上部隣接層の層厚が0.5nm以上である構成とすることができる。   The III-V group nitride semiconductor laser device of the present invention may be configured such that the lower adjacent layer or the upper adjacent layer has a layer thickness of 0.5 nm or more.

活性層の上下0.5nm程度の範囲ではキャリアが量子的に染み出すことがあるが、本発明にかかる上記構成であると、活性層の上下に接して設けられている下部隣接層または上部隣接層の層厚を0.5nm以上として、導電性不純物をドープさせた半導体層を活性層から0.5nm以上離して設けているため、このような染み出しキャリアが捕縛されてキャリアの注入効率が低下することがない。   In the range of about 0.5 nm above and below the active layer, carriers may leak out in a quantum manner, but with the above configuration according to the present invention, the lower adjacent layer or the upper adjacent layer provided in contact with the upper and lower sides of the active layer Since the layer thickness of the layer is 0.5 nm or more and the semiconductor layer doped with the conductive impurity is provided at a distance of 0.5 nm or more from the active layer, such a seepage carrier is trapped and the carrier injection efficiency is increased. There is no decline.

本発明によると、III−V族系窒化物半導体レーザ素子中のpn接合位置が安定し、さらに、活性層の結晶性が低下しにくく、キャリアの注入効率が向上するため、レーザ素子の発振閾値を安定して引き下げることができ、また、100mW以上の高出力にて連続駆動させた場合であっても駆動電流が経時上昇することがない。   According to the present invention, the pn junction position in the III-V group nitride semiconductor laser element is stabilized, the crystallinity of the active layer is hardly lowered, and the carrier injection efficiency is improved. The driving current does not increase with time even when continuously driven at a high output of 100 mW or more.

本発明の窒化物半導体レーザ素子かかる最良の形態について、実施の形態1〜8に基づき説明する。   The best mode of the nitride semiconductor laser device of the present invention will be described based on the first to eighth embodiments.

〈実施の形態1〉
図1は、本発明の実施の形態1におけるIII−V族系窒化物半導体レーザ素子の断面模式図である。図1で示すように、この窒化物半導体レーザ素子は、n型GaN基板100と、この基板の一方主面に接して設けられた、ケイ素(Si)をドープさせたnドープGaN層101(厚さ0.5μm)と、このGaN層101の上に接して設けられた、ケイ素をドープさせたnドープAl0.07Ga0.93N下部クラッド層102(厚さ2μm)と、この下部クラッド層102の上に接して設けられた、ケイ素をドープさせたnドープGaN下部ガイド層103(厚さ0.1μm)と、この下部ガイド層103の上に接して設けられた、導電性不純物をドープさせていないアンドープ型のGaN下部隣接層104(厚さ20nm)と、この下部隣接層104の上に接して設けられた活性層105(その詳細は後述する)と、この活性層105の上に接して設けられたアンドープ型のGaN上部隣接層106(厚さ20nm)と、この上部隣接層106の上に接して設けられた、第1の層としてのnドープGaN層107(厚さ20nm)と、この第1の層107の上に接して設けられた、第2の層としてのアンドープ型のGaN層108(厚さ30nm)と、この第2の層108の上に接して設けられた、第3の層としてのpドープAl0.2Ga0.8N層109(厚さ15nm)と、この第3の層の上に接して設けられた、マグネシウム(Mg)をドープさせたpドープAl0.1Ga0.9N上部クラッド層110(厚さ0.6μm)と、この上部クラッド層110の上に接して設けられた、マグネシウムをドープさせたpドープGaNコンタクト層111(厚さ0.1μm)と、このコンタクト層111の上に接して設けられたp側電極121と、上記基板の一方主面と反対側の基板裏面に設けられたn側電極120とを備えている。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a group III-V nitride semiconductor laser element according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, this nitride semiconductor laser device includes an n-type GaN substrate 100 and an n-doped GaN layer 101 (thickness) doped with silicon (Si) provided in contact with one main surface of the substrate. 0.5 μm), a silicon-doped n-doped Al 0.07 Ga 0.93 N lower cladding layer 102 (thickness 2 μm) provided on and in contact with the GaN layer 101, and the lower cladding layer 102 An n-doped GaN lower guide layer 103 (thickness 0.1 μm) doped with silicon, which is provided in contact with the electrode, and a conductive impurity which is provided in contact with the lower guide layer 103 and is not doped. An undoped GaN lower adjacent layer 104 (thickness 20 nm), an active layer 105 (details will be described later) provided in contact with the lower adjacent layer 104, and a contact with the active layer 105 An undoped GaN upper adjacent layer 106 (thickness 20 nm) provided on the upper adjacent layer 106, and an n-doped GaN layer 107 (thickness 20 nm) as a first layer provided on the upper adjacent layer 106. The undoped GaN layer 108 (thickness 30 nm) as the second layer provided in contact with the first layer 107 and the second layer 108 provided in contact with the first layer 107. A p-doped Al 0.1 Ga 0.9 doped with magnesium (Mg) provided on and in contact with the p-doped Al 0.2 Ga 0.8 N layer 109 (thickness 15 nm) as the third layer. N upper clad layer 110 (thickness 0.6 μm), p-doped GaN contact layer 111 (thickness 0.1 μm) doped with magnesium provided on and in contact with upper clad layer 110, and this contact A p-side electrode 121 provided over and in contact with the 111, and an n-side electrode 120 provided on the back surface of the substrate on one main surface opposite to the substrate.

また、上部クラッド層110とコンタクト層111は、共振器方向に延伸したストライプ状のリッジストライプ型導波路をなしている。そして、当該リッジストライプ構造以外の部分が絶縁膜122で埋め込まれて、電流狭窄が実現されている。なお、リッジストライプの幅は1.6μmであり、共振器長は600μmである。また、素子の前面にはAR(anti−reflective)コーティングが、後面にはHR(hydroreflective)コーティングが施されている。   The upper cladding layer 110 and the contact layer 111 form a striped ridge stripe waveguide extending in the resonator direction. Then, a portion other than the ridge stripe structure is buried with the insulating film 122 to realize current confinement. The width of the ridge stripe is 1.6 μm and the resonator length is 600 μm. Further, an AR (anti-reflective) coating is applied to the front surface of the element, and an HR (hydroreflective) coating is applied to the rear surface.

上述したそれぞれのnドープ層にドープさせたケイ素の濃度は、5×1016〜5×1018/cm3の範囲にあり、pドープ層にドープさせたマグネシウムの濃度は2×1018〜2×1020/cm3の範囲にある。 The concentration of silicon doped in each n-doped layer described above is in the range of 5 × 10 16 to 5 × 10 18 / cm 3 , and the concentration of magnesium doped in the p-doped layer is 2 × 10 18 to 2 It is in the range of × 10 20 / cm 3 .

本実施例1で、第1の層107にドープさせるケイ素濃度は5×1017/cm3であるが、5×1016〜5×1018/cm3の範囲で濃度を変更してもよく、1×1017/cm3〜2×1018/cm3の範囲とすることが好ましい。また、上記第3の層109にドープさせたマグネシウム濃度は1×1020/cm3であるが、5×1019〜2×1020/cm3の範囲で濃度を変更してもよい。このようなドーピング濃度範囲であると、ドープさせた導電性不純物によって層自体の導電型を確立することができ、素子におけるpn接合位置が十分に安定する一方、不純物含有に起因する層の結晶性低下が引き起こされず、活性層への有効なキャリア注入も阻害されることがない。 In Example 1, the silicon concentration doped in the first layer 107 is 5 × 10 17 / cm 3 , but the concentration may be changed in the range of 5 × 10 16 to 5 × 10 18 / cm 3. A range of 1 × 10 17 / cm 3 to 2 × 10 18 / cm 3 is preferable. The magnesium concentration doped in the third layer 109 is 1 × 10 20 / cm 3 , but the concentration may be changed in the range of 5 × 10 19 to 2 × 10 20 / cm 3 . In such a doping concentration range, the conductivity type of the layer itself can be established by the doped conductive impurity, and the pn junction position in the element is sufficiently stabilized, while the crystallinity of the layer due to the impurity inclusion The decrease is not caused and effective carrier injection into the active layer is not inhibited.

なお、n型不純物としては、上記ケイ素(Si)に限らず、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、硫黄(S)、酸素(O)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)等のIV族、もしくはVI族元素を用いることができるが、不純物含有による窒化物半導体層の結晶性低下を比較的起こしにくい、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)のいずれかを選択することが好ましい。   The n-type impurity is not limited to the silicon (Si), but is a group IV such as germanium (Ge), tin (Sn), sulfur (S), oxygen (O), titanium (Ti), zirconium (Zr), etc. Alternatively, a group VI element can be used, but one of silicon (Si), germanium (Ge), and tin (Sn) is selected which is relatively less likely to cause a decrease in crystallinity of the nitride semiconductor layer due to impurities. Is preferred.

最下段や最上段の井戸層131に隣接する層(下部隣接層104、上部隣接層106)は、上記のようにアンドープ型とする必要がある。これは、活性層からその上下に隣接する層へとキャリアが量子的に染み出すことがあり、上下に隣接する層が導電性不純物を含有していると染み出しキャリアをその層中に捕縛してしまい、キャリア注入効率を低下させるためである。また、この染み出しの範囲は約0.5nmであるため、下部隣接層104や上部隣接層106の層厚をそれぞれ少なくとも約0.5nmに、好ましくは1nm程度以上に設定した。   The layers adjacent to the lowermost layer and the uppermost well layer 131 (the lower adjacent layer 104 and the upper adjacent layer 106) need to be undoped as described above. This is because carriers may ooze out from the active layer to the layers adjacent to the top and bottom, and if the layers adjacent to the top and bottom contain conductive impurities, the carriers ooze out and are trapped in the layer. This is to reduce the carrier injection efficiency. Further, since the extent of this bleeding is about 0.5 nm, the layer thicknesses of the lower adjacent layer 104 and the upper adjacent layer 106 are set to at least about 0.5 nm, preferably about 1 nm or more, respectively.

第1の層107と第2の層108との組成は、上記GaNに限るものではないが、上記構造のようにこれら2層の組成を一致させると、積層による層間の格子歪みが発生しにくくなるため、電気的特性のばらつきが少なくなり、かつ層の結晶性が高くなる結果、素子の動作寿命を向上できるので好ましい。   The composition of the first layer 107 and the second layer 108 is not limited to the above GaN, but if the composition of these two layers is matched as in the above structure, the lattice distortion between the layers due to stacking is less likely to occur. Therefore, the variation in electrical characteristics is reduced, and the crystallinity of the layer is increased. As a result, the operating life of the element can be improved, which is preferable.

基板としては、積層する窒化物半導体層に対する格子不整合を抑制する側面から上記のようにGaN基板とすることが最も好ましいが、これに代えて、AlGaN、SiC、スピネル、Ga23、サファイアまたはZrB2等からなる基板を用いてもよい。 The substrate is most preferably a GaN substrate as described above from the side face that suppresses lattice mismatch with respect to the nitride semiconductor layer to be laminated, but instead, AlGaN, SiC, spinel, Ga 2 O 3 , sapphire Alternatively, a substrate made of ZrB 2 or the like may be used.

下部クラッド層102や上部クラッド層110は超格子構造であってもよい。また、その組成としては上記に限定するものではなく、例えば0.05以上0.15以下の範囲でxが規定されるAlxGa1-xNとすることができる。なお、xをこのような範囲に規定する理由としては、xが0.05未満であると、活性層との屈折率差が減少し、光閉じ込めが悪化し、動作電流が増大してしまうことがあげられる。また、xが0.15以上であると、低抵抗の結晶が得られにくく、動作電圧が上昇してしまうことがあげられる。 The lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 110 may have a superlattice structure. Further, the composition is not limited to the above, and for example, Al x Ga 1-x N in which x is defined in the range of 0.05 or more and 0.15 or less can be used. The reason for defining x in such a range is that if x is less than 0.05, the refractive index difference from the active layer decreases, optical confinement deteriorates, and the operating current increases. Is given. Further, when x is 0.15 or more, it is difficult to obtain a low-resistance crystal, and the operating voltage increases.

ここで、活性層105の詳しい構造について、活性層とその近傍層にかかる素子構造を示す図2を参照しながら説明する。この活性層105は、アンドープ型のIn0.15Ga0.85N井戸層131(厚さ4nm)とアンドープ型のGaN障壁層132(厚さ8nm)とが、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層の順で積層されてなる井戸数3の多重量子井戸構造であり、最下段の井戸層が下部隣接層104の上に接して、また、最上段の井戸層の上に接して上部隣接層106が設けられている。 Here, a detailed structure of the active layer 105 will be described with reference to FIG. 2 showing an element structure relating to the active layer and its neighboring layers. This active layer 105 is composed of an undoped In 0.15 Ga 0.85 N well layer 131 (thickness 4 nm) and an undoped GaN barrier layer 132 (thickness 8 nm), a well layer, a barrier layer, a well layer, a barrier layer, A multi-quantum well structure having three wells stacked in order of well layers, with the lowermost well layer in contact with the lower adjacent layer 104 and the uppermost well layer in contact with the upper adjacent layer A layer 106 is provided.

なお、障壁層のバンドギャップエネルギーが井戸層よりも大きくなるように調整する限り、井戸層や障壁層は上記組成に限るものではなく、InxGa1-xN(0≦x<1)、AlxGa1-xN(0≦x<1)、InGaAlN、GaN1-xAsx(0<x<1)、GaN1-xx(0<x<1)またはこれらの化合物などからなる窒化物半導体としてもよい。 As long as the band gap energy of the barrier layer is adjusted to be larger than that of the well layer, the well layer and the barrier layer are not limited to the above composition, and InxGa 1 -xN (0 ≦ x <1), AlxGa 1 -x N (0 ≦ x <1 ), InGaAlN, GaN 1-x As x (0 <x <1), GaN 1-x P x (0 <x <1) or a nitride semiconductor made of these compounds It is good.

また、活性層をこのような多重量子井戸構造(MQW構造)とすると、素子の発振閾値が引き下がるため好ましいが、1の障壁層が最下段の井戸層の上に接し、かつ上部隣接層106の下に接して設けた単一量子井戸構造(SQW構造)とすることを排除するものではない。   In addition, it is preferable that the active layer has such a multiple quantum well structure (MQW structure) because the oscillation threshold of the device is lowered, but one barrier layer is in contact with the lowermost well layer and the upper adjacent layer 106 It does not exclude the single quantum well structure (SQW structure) provided in contact with the bottom.

図3は、本実施の形態1にかかる窒化物半導体レーザ素子の活性層周辺における各層のバンドギャップエネルギーを示す分布図である。本発明の半導体レーザ素子では、この図3で示すように、下部クラッド層102のバンドギャップエネルギーEclと、下部隣接層104のバンドギャップエネルギーEnlと、井戸層131のバンドギャップエネルギーEwと、障壁層132のバンドギャップエネルギーEbと、上部隣接層106のバンドギャップエネルギーEnuと、第1の層107のバンドギャップエネルギーE1と、第2の層108のバンドギャップエネルギーE2と、第3の層109のバンドギャップエネルギーE3と、上部クラッド層110のバンドギャップエネルギーEcuとが、以下の関係式(1)を満たしている。
〔数5〕
Ew<Enl、Eb、Enu、E1、E2<Ecl、Ecu<E3 ・・・(1)
FIG. 3 is a distribution diagram showing the band gap energy of each layer around the active layer of the nitride semiconductor laser device according to the first embodiment. In the semiconductor laser device of the present invention, as shown in FIG. 3, the band gap energy Ecl of the lower cladding layer 102, the band gap energy Enl of the lower adjacent layer 104, the band gap energy Ew of the well layer 131, and the barrier layer 132, the band gap energy Enu of the upper adjacent layer 106, the band gap energy E1 of the first layer 107, the band gap energy E2 of the second layer 108, and the band of the third layer 109. The gap energy E3 and the band gap energy Ecu of the upper cladding layer 110 satisfy the following relational expression (1).
[Equation 5]
Ew <Enl, Eb, Enu, E1, E2 <Ecl, Ecu <E3 (1)

また、下部ガイド層103のバンドギャップエネルギーEglと、井戸層131のバンドギャップエネルギーEwと、下部クラッド層102のバンドギャップエネルギーEclとが以下の関係式(2)を満たしている。
〔数6〕
Ew<Egl<Ecl ・・・(2)
Further, the band gap energy Egl of the lower guide layer 103, the band gap energy Ew of the well layer 131, and the band gap energy Ecl of the lower cladding layer 102 satisfy the following relational expression (2).
[Equation 6]
Ew <Egl <Ecl (2)

上記構造のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子を、有機金属気相成長法(MOCVD法)などの公知の結晶成長方法や、フォトレジストマスクを用いたエッチング処理によるリッジストライプ構造の形成方法を用いて作製した。   A III-V group nitride semiconductor laser device having the above-described structure is formed by a known crystal growth method such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or a method of forming a ridge stripe structure by etching using a photoresist mask. It was made using.

[実施例1]
本実施例1は、上記構造からなるIII−V族系窒化物半導体レーザ素子である。このレーザ素子を大気圧(1.01325×105Pa)の室温(25℃)下にて駆動させたところ、閾値電流値が約30mAであり、スロープ効率が約1.7W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約100mAであった。
[Example 1]
Example 1 is a group III-V nitride semiconductor laser device having the above structure. When this laser element was driven at room temperature (25 ° C.) under atmospheric pressure (1.01325 × 10 5 Pa), the threshold current value was about 30 mA, and the slope efficiency was about 1.7 W / A. The drive current value was about 100 mA when the output was 120 mW.

また、60℃の雰囲気下にて、パルス条件をデューティー30%とし、高出力である120mWに設定したエージング試験を行ったところ、当該試験開始から24時間経った後でも駆動電流値の増大はほとんど観察されず、5mA以下の増加量に抑えられていた。そして、試験開始から1000時間経っても、そこからさらに駆動電流値が上昇することはなかった。   In addition, when an aging test was performed in an atmosphere of 60 ° C. with a pulse condition of 30% and a high output of 120 mW, the drive current value hardly increased even after 24 hours from the start of the test. It was not observed and was suppressed to an increase of 5 mA or less. And even if 1000 hours passed from the start of the test, the drive current value did not increase further from there.

本実施例1にかかるこのような素子特性値は、結晶成長毎にウエハ内でばらつくこと無く、作製した全ての素子において安定して得られた。   Such element characteristic values according to Example 1 were stably obtained in all manufactured elements without variation in the wafer every crystal growth.

[比較例1]
本比較例1は、第1の層107がアンドープ型であること以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例1にかかるレーザ素子は、作製した素子毎の特性値のばらつきが非常に大きく、最良の特性値が得られた素子であっても、閾値電流値が約35mA、スロープ効率が約1.4W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約120mA以上であった。また、エージング試験によって、試験開始から24時間後の駆動電流値が初期値から10mA以上も大幅に増大することが観察された。そして、試験時間をさらに延ばすと、駆動電流値の増大率は緩やかになるものの、駆動電流値の上昇が続き、安定した動作電流を得ることができなかった。
[Comparative Example 1]
This comparative example 1 is a laser element similar to that of the above-described example 1 except that the first layer 107 is an undoped type. The laser element according to Comparative Example 1 has a very large variation in the characteristic value of each manufactured element, and the threshold current value is about 35 mA and the slope efficiency is about 1 even if the element has the best characteristic value. The drive current value was about 120 mA or more when the output was 120 mW. Moreover, it was observed by the aging test that the drive current value after 24 hours from the start of the test greatly increased by 10 mA or more from the initial value. When the test time was further extended, the increase rate of the drive current value became moderate, but the drive current value continued to increase, and a stable operating current could not be obtained.

[比較例2]
本比較例2は、第2の層108を有さず、第1の層107の上に接して第3の層109が設けられていること以外は上記実施例1と同様のレーザ素子であり、活性層の周辺が上述した従来の技術にかかるレーザ素子(図4参照)と実質的に同様の構造を有している。この比較例2にかかるレーザ素子は、閾値電流値が約35mA、スロープ効率が約1.0W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約160mAであった。また、エージング試験によって、試験開始から24時間後の駆動電流値が初期値から10mAも増大することが観察された。そして、試験時間をさらに延ばすと、駆動電流値の増大率は緩やかになるものの、駆動電流値の上昇が続き、安定した動作電流を得ることができなかった。
[Comparative Example 2]
The present comparative example 2 is the same laser element as in the first embodiment except that the second layer 108 is not provided and the third layer 109 is provided on and in contact with the first layer 107. The periphery of the active layer has substantially the same structure as the above-described laser element according to the prior art (see FIG. 4). The laser element according to Comparative Example 2 had a threshold current value of about 35 mA, a slope efficiency of about 1.0 W / A, and a drive current value of about 160 mA when the output was 120 mW. Further, it was observed by the aging test that the drive current value 24 hours after the start of the test increased by 10 mA from the initial value. When the test time was further extended, the increase rate of the drive current value became moderate, but the drive current value continued to increase, and a stable operating current could not be obtained.

[比較例3]
本比較例3は、第1の層107がアンドープ型であり、活性層105にn型不純物を濃度1×1017〜1×1018/cm3でドープさせたこと以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例3にかかるレーザ素子は、閾値電流値が約50mA、スロープ効率が約1.4W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約135mAであった。また、エージング試験によって、試験開始から24時間後の駆動電流値が初期値から15mA以上も増大することが観察された。そして、試験時間を延ばすと、さらなる駆動電流値の上昇が観察された。
[Comparative Example 3]
The present comparative example 3 is the same as the first embodiment except that the first layer 107 is undoped and the active layer 105 is doped with n-type impurities at a concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 18 / cm 3. The same laser element. The laser element according to Comparative Example 3 had a threshold current value of about 50 mA, a slope efficiency of about 1.4 W / A, and a drive current value of about 135 mA when the output was 120 mW. In addition, it was observed by the aging test that the drive current value 24 hours after the start of the test increased by 15 mA or more from the initial value. And when test time was extended, the raise of the further drive current value was observed.

[比較例4]
本比較例4は、活性層105にn型不純物を濃度1×1017〜1×1018/cm3でドープさせたこと以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例4にかかるレーザ素子は、上記比較例3と同様の素子特性値を示すことが観察された。
[Comparative Example 4]
The present comparative example 4 is a laser device similar to that of the first embodiment except that the active layer 105 is doped with an n-type impurity at a concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 18 / cm 3 . It was observed that the laser element according to Comparative Example 4 exhibited the same element characteristic values as in Comparative Example 3 above.

[比較例5]
本比較例5は、第1の層107と第2の層108とを有さず、上部隣接層106の上に接して第3の層109が設けられていること以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例5にかかるレーザ素子は、上記比較例1ほどではないものの、作製した素子毎の特性値のばらつきが大きく、最良の特性値が得られた素子であっても、閾値電流値が約35mA、スロープ効率が約1.0W/Aであり、出力を120mW時としたときの駆動電流値が約120mA以上であった。また、エージング試験によって、試験開始から24時間後の駆動電流値が初期値から5〜10mAも増大することが観察された。
[Comparative Example 5]
The present comparative example 5 does not have the first layer 107 and the second layer 108, and is the same as the example 1 except that the third layer 109 is provided on and in contact with the upper adjacent layer 106. The same laser element. Although the laser device according to Comparative Example 5 is not as large as Comparative Example 1 above, the variation in the characteristic value of each manufactured element is large, and the threshold current value is about even if the element has the best characteristic value. 35 mA, the slope efficiency was about 1.0 W / A, and the drive current value was about 120 mA or more when the output was 120 mW. Moreover, it was observed by the aging test that the drive current value 24 hours after the start of the test increased by 5 to 10 mA from the initial value.

[比較例6]
本比較例6は、第3の層109がアンドープ型であること以外は上記実施例1と同様のレーザ素子である。この比較例6にかかるレーザ素子の閾値電流値は約100mAであった。また、その他の素子特性に関しても、比較例中で最も悪い値を示した。
[Comparative Example 6]
The comparative example 6 is a laser element similar to the above-described example 1 except that the third layer 109 is an undoped type. The threshold current value of the laser element according to Comparative Example 6 was about 100 mA. Further, the other element characteristics showed the worst values among the comparative examples.

以上より、比較例1〜6では閾値電流値が約35mA以上となるのに対し、実施例1では30mAにまで引き下げられることが判った。さらに、各比較例のスロープ効率が約1.4W/A以下となるのに対し、実施例1では1.7W/Aにまで向上できることが判った。また、各比較例では出力を120mW時としたときの駆動電流値が約120mA以上となるのに対し、実施例1では100mAとより低電流で駆動できることが判った。   From the above, it was found that in Comparative Examples 1 to 6, the threshold current value was about 35 mA or more, whereas in Example 1, it was lowered to 30 mA. Further, it was found that the slope efficiency of each comparative example is about 1.4 W / A or less, whereas in Example 1, the slope efficiency can be improved to 1.7 W / A. Further, in each comparative example, the driving current value when the output was 120 mW was about 120 mA or more, whereas in Example 1, it was found that the driving could be performed at a lower current of 100 mA.

また、各比較例ではエージング試験から24時間後に駆動電流値が5mAよりも大きく増加してしまうのに対し、実施例1ではその上昇が5mA以下に抑えられ、その後1000時間経ってもそれ以上はほとんど上昇しないことが判った。   Further, in each comparative example, the drive current value increases more than 5 mA after 24 hours from the aging test, whereas in Example 1, the increase is suppressed to 5 mA or less, and even after 1000 hours, no more than that. It turns out that it hardly rises.

また、各比較例では作製した素子特性のばらつきが大きくなるのに対し、実施例1では結晶成長毎にウエハ内でばらつくこと無く、作製した全ての素子において安定して得られることが判った。   In addition, it was found that, in each comparative example, the variation in the characteristics of the manufactured elements was large, whereas in Example 1, all the manufactured elements were stably obtained without variation in the wafer for each crystal growth.

これらのことから、本実施の形態1にかかる窒化物半導体レーザ素子であると、発振閾値が安定して低く、また、連続駆動させても駆動電流が経時的に上昇しないことが判った。   From these facts, it was found that in the nitride semiconductor laser device according to the first embodiment, the oscillation threshold is stably low, and the drive current does not increase with time even when continuously driven.

ここでさらに、各比較例と実施例1とを詳細に比較し、本実施の形態1において、前述の優れた素子特性が得られた理由について考察する。   Here, each comparative example and Example 1 are compared in detail, and the reason why the above-described excellent device characteristics are obtained in the first embodiment will be considered.

まず、活性層にn型不純物がドーピングされている比較例3や比較例4では、その閾値電流値が約50mAであり、実施例1(約30mA)よりも大幅に増加していた。また、エージング試験の開始後24時間には、これらの比較例3や4では15mA以上も駆動電流値が増大しており、実施例1(約5mA以下)と比べてエージング特性が不安定であった。これらのことから、レーザ素子の駆動閾値を引き下げ、またエージング特性を向上させるには、障壁層や井戸層は、いずれも不純物がドープされていないアンドープ層とすることが重要と考えられる。   First, in Comparative Example 3 and Comparative Example 4 in which the active layer is doped with n-type impurities, the threshold current value is about 50 mA, which is significantly higher than Example 1 (about 30 mA). In addition, in 24 hours after the start of the aging test, the driving current value increased by 15 mA or more in Comparative Examples 3 and 4, and the aging characteristics were unstable compared to Example 1 (about 5 mA or less). It was. For these reasons, in order to lower the drive threshold of the laser element and improve the aging characteristics, it is considered important that both the barrier layer and the well layer are undoped layers that are not doped with impurities.

これら比較例3や比較例4の素子特性が実施例1よりも劣る理由としては、活性層に不純物がドーピングされることで、アンドープ型の場合と比べて活性層の結晶性が低下することがあげられる。また、本発明のようにレーザの高出力化を目的の1つとした場合にはレーザ光のエネルギー密度が当然に高くなるが、このように活性層の結晶性が低下していると、連続駆動に対して駆動電流値が増大してしまう等の素子特性の劣化が顕著に生じることがあげられる。   The reason why the device characteristics of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 are inferior to that of Example 1 is that the active layer is doped with impurities, and the crystallinity of the active layer is reduced as compared with the undoped type. can give. Further, when one of the purposes is to increase the output of the laser as in the present invention, the energy density of the laser beam is naturally increased. However, if the crystallinity of the active layer is reduced in this way, continuous driving is performed. On the other hand, the deterioration of element characteristics such as an increase in the drive current value occurs.

次に、比較例6と実施例1とに基づいて考察する。Al0.2Ga0.8Nからなる第3の層109をアンドープ型とした比較例6では、その閾値電流値が約100mAであり、実施例1(約30mA)と比べると閾値電流値の激しい増大が観察された。このことから、当該第3の層にp型不純物をドーピングさせておくことが重要と考えられる。 Next, consideration will be given based on Comparative Example 6 and Example 1. In Comparative Example 6 in which the third layer 109 made of Al 0.2 Ga 0.8 N is an undoped type, the threshold current value is about 100 mA, and a drastic increase in the threshold current value is observed compared to Example 1 (about 30 mA). It was done. For this reason, it is considered important to dope the third layer with p-type impurities.

この比較例6の素子特性が実施例1よりも劣る理由としては、この第3の層は、活性層中の井戸層よりも大幅に高いバンドギャップエネルギーに設定することで、活性層に注入される電子のオーバーフローを防止しているが、これと同時に、pドープ上部クラッド層よりもバンドギャップエネルギーを高く設定しているため、当該第3の層中にp型不純物がドーピングされて導電性が高められていない状態では、pドープ上部クラッド層から活性層への正孔(ホール)注入が困難になることがあげられる。   The reason why the device characteristics of Comparative Example 6 are inferior to those of Example 1 is that the third layer is injected into the active layer by setting the band gap energy to be significantly higher than that of the well layer in the active layer. At the same time, the band gap energy is set to be higher than that of the p-doped upper cladding layer, so that the third layer is doped with p-type impurities and becomes conductive. If the height is not increased, it is difficult to inject holes from the p-doped upper cladding layer into the active layer.

次に、比較例1と実施例1とに基づいて考察する。第1の層107をアンドープ型とした比較例1では、素子特性のばらつきが激しく、最良の特性を示したものであっても実施例1よりも劣る特性値を示した。これらのことから、第1の層にはn型不純物をドーピングしておくことが重要と考えられる。   Next, consideration will be given based on Comparative Example 1 and Example 1. In Comparative Example 1 in which the first layer 107 was an undoped type, the device characteristics varied greatly, and even if the best characteristics were shown, the characteristic values were inferior to those of Example 1. For these reasons, it is considered important that the first layer is doped with an n-type impurity.

この比較例1の素子特性が激しくばらつく理由としては、第1の層をアンドープ型とすることで、素子中で最近接するpドープ層とnドープ層が、互いに大きく離れて配置している第3の層109とnドープGaNガイド層103になってしまい、素子構造的に、素子中のpn接合位置が決まりにくくなる。この場合、pn接合の位置がいずれにあるかにより活性層の動作に大きな影響を与えるため、結晶成長時に発生しうる通常レベルの成長条件の摂動であっても、素子特性の決定に対して非常に大きな影響を及ぼしてしまうことがあげられる。   The reason why the device characteristics of Comparative Example 1 vary greatly is that the first layer is an undoped type, and the p-doped layer and the n-doped layer that are closest to each other in the device are arranged far apart from each other. Layer 109 and the n-doped GaN guide layer 103, and the pn junction position in the device is difficult to be determined in terms of the device structure. In this case, since the operation of the active layer is greatly affected by the position of the pn junction, even if perturbation of the normal level growth conditions that may occur during crystal growth, it is extremely difficult to determine the device characteristics. Can have a major impact on

なお、本発明者らがさらに検討したところ、第1の層をpドープ型とすることによりpドープ層とnドープ層とを近接させた場合には、スロープ効率が1.0W/A以下にまで悪化することが判った。これは、pドープ層には若干ではあるがレーザ光を吸収してしまう性質があり、レーザ光の光分布が大きい活性層近傍にpドープ層を設けると導波損失となるためである。   In addition, when the present inventors further examined, when the p-doped layer and the n-doped layer are brought close to each other by making the first layer p-type, the slope efficiency is 1.0 W / A or less. It turned out to get worse. This is because the p-doped layer has the property of absorbing laser light to a slight extent, and if a p-doped layer is provided near the active layer where the light distribution of the laser light is large, waveguide loss occurs.

次に、比較例5と実施例1とに基づいて考察する。第1の層107と第2の層108とを設けず、上部隣接層106の上に接して第3の層109を設けた比較例5では、比較例1ほどではないものの、その素子特性のばらつきが激しく、最良の特性を示したものであっても実施例1よりも劣る特性値を示し、特にスロープ効率の悪化(1.0W/A)が顕著であった。これらのことから、第1の層107と第2の層108とを設け、第3の層109を活性層から少なくとも50nm以上離して配置することが重要と考えられる。   Next, consideration will be given based on Comparative Example 5 and Example 1. In Comparative Example 5 in which the first layer 107 and the second layer 108 are not provided, and the third layer 109 is provided on and in contact with the upper adjacent layer 106, the device characteristics are not as high as those in Comparative Example 1. Even if the characteristics were severely varied and the best characteristics were exhibited, the characteristic values were inferior to those of Example 1, and the slope efficiency (1.0 W / A) was particularly deteriorated. For these reasons, it is considered important to provide the first layer 107 and the second layer 108 and dispose the third layer 109 at least 50 nm away from the active layer.

この比較例5のスロープ効率が特に悪化した理由としては、活性層105と第3の層109との近接配置による悪作用、すなわち、上述したような、レーザ光の光分布が大きい活性層近傍にpドープ層を設けることに起因した導波損失があげられる。また、窒化物半導体は結晶構造がウルツァイトであって等方的でないため、結晶内部に電界が存在しており、活性層とのバンドギャップ差が大きな第3の層が活性層近傍に配されると、活性層のバンドが曲げられてしまい、活性層がバンドフラット状態を得られない結果、活性層におけるキャリアの再結合確率が低下することもあげられる。   The reason why the slope efficiency of the comparative example 5 is particularly deteriorated is that an adverse effect due to the close arrangement of the active layer 105 and the third layer 109, that is, near the active layer where the light distribution of the laser beam is large as described above. Waveguide loss due to the provision of the p-doped layer is raised. In addition, since the nitride semiconductor has a wurtzite crystal structure and is not isotropic, an electric field exists inside the crystal, and a third layer having a large band gap difference from the active layer is arranged near the active layer. As a result, the band of the active layer is bent, and the active layer cannot obtain a band flat state. As a result, the probability of carrier recombination in the active layer decreases.

なお、活性層がアンドープ型であると特にこのような悪作用を受けやすく、また、この第3の層109のようにAl原子を含む窒化物半導体と、この活性層105のようにIn原子を含む窒化物半導体とが接合すると、大きなバンド曲がりが生じてしまうため、上述のように第3の層109の下面と活性層の最上段に配された井戸層の上面との距離(L)を少なくとも50nm以上として、この悪作用を低減させることが重要である。また、この離間間隔(L)は200nm以下とすることが好ましい。これは200nmよりも離して両層を配置すると、pドープ上部クラッド層110から活性層へのホール注入が距離的に困難となるためである。   The active layer is particularly susceptible to such adverse effects when it is an undoped type, and a nitride semiconductor containing Al atoms as in the third layer 109 and In atoms as in the active layer 105 are used. When the nitride semiconductor is included, a large band bending occurs. Therefore, as described above, the distance (L) between the lower surface of the third layer 109 and the upper surface of the well layer disposed on the uppermost stage of the active layer is set. It is important to reduce this adverse effect by setting it to at least 50 nm or more. Further, the separation interval (L) is preferably 200 nm or less. This is because hole injection from the p-doped upper cladding layer 110 to the active layer becomes difficult in terms of distance if both layers are arranged apart from 200 nm.

さらに、レーザ素子におけるスロープ効率の悪化は、低出力レーザとする場合にはその影響は低いが、本発明のように100mW以上もの高出力を得ることを目的とする場合には非常に大きな問題となる。それゆえ、本実施の形態1のように、pドープ層と活性層との距離を十分にとりつつ、それらの間にnドープの第1の層107を配して活性層の上下をnドープ層で挟み込む素子構造とすることによって、アンドープ型の活性層を採用しながらも、活性層をバンドフラット状態とすることが好ましい。   Further, the deterioration of the slope efficiency in the laser element is less affected when a low-power laser is used, but it is a very big problem when the purpose is to obtain a high output of 100 mW or more as in the present invention. Become. Therefore, as in the first embodiment, a sufficient distance between the p-doped layer and the active layer is provided, and the n-doped first layer 107 is disposed between them, and the n-doped layer is formed above and below the active layer. By adopting an element structure sandwiched between the two, it is preferable that the active layer be in a band flat state while an undoped active layer is employed.

ここで、活性層の上下をnドープ層で挟み込むことによって活性層をバンドフラット状態とするには、少なくともnドープの第1の層107を5nm以上の層厚として、第1の層にn型の導電性を確立させる必要がある。他方、pドープ上部クラッド層110から活性層へのホール注入を電気的に阻害させないためには、第1の層107の層厚を50nm以下としてn型不純物の含有量を制限しておく必要がある。   Here, in order to put the active layer in a band flat state by sandwiching the upper and lower sides of the active layer with the n-doped layer, at least the n-doped first layer 107 has a thickness of 5 nm or more, and the n-type is formed in the first layer. It is necessary to establish the conductivity. On the other hand, in order not to electrically inhibit hole injection from the p-doped upper cladding layer 110 to the active layer, it is necessary to limit the content of the n-type impurity by setting the thickness of the first layer 107 to 50 nm or less. is there.

さらに、活性層105と第1の層107との間に上部隣接層106に加えて別のアンドープ型の窒化物半導体層を設けたり、上部隣接層106の層厚を変更したりしてもよいが、上下をnドープ層で挟み込むことによって活性層のバンドフラット状態を得るには、第1の層107の下面と活性層の最上段に配された井戸層の上面との距離(D)と、第3の層109の下面と活性層の最上段に配された井戸層の上面との距離(L)とが以下の関係式(4)を満たすようにして、第1の層を配することが好ましい。
〔数7〕
2D≦L ・・・(4)
Further, another undoped nitride semiconductor layer may be provided between the active layer 105 and the first layer 107 in addition to the upper adjacent layer 106, or the layer thickness of the upper adjacent layer 106 may be changed. However, in order to obtain a band flat state of the active layer by sandwiching the upper and lower sides with n-doped layers, the distance (D) between the lower surface of the first layer 107 and the upper surface of the well layer disposed on the uppermost stage of the active layer is The first layer is disposed such that the distance (L) between the lower surface of the third layer 109 and the upper surface of the well layer disposed on the uppermost stage of the active layer satisfies the following relational expression (4): It is preferable.
[Equation 7]
2D ≦ L (4)

なお、当該D値としては、60nm以下が好ましく、30nm以下がより好ましい。ただし、上述したように、活性層から量子的に染み出してくるキャリアが捕縛されてしまうことを避けるためには、この上部隣接層106の層厚は少なくとも約0.5nm以上とする必要がある。   The D value is preferably 60 nm or less, and more preferably 30 nm or less. However, as described above, the layer thickness of the upper adjacent layer 106 needs to be at least about 0.5 nm or more in order to avoid the trapping of the carriers exuding quantum from the active layer. .

次に、比較例2と実施例1とに基づいて考察する。第2の層108を設けず、第1の層107の上に接して第3の層109を設けた比較例2では、特にスロープ効率の悪化(1.0W/A)が顕著であった。このことから、nドープの第1の層107とpドープの第3の層109との間に、アンドープ型の第2の層108を設けることが重要と考えられる。   Next, consideration will be given based on Comparative Example 2 and Example 1. In Comparative Example 2 in which the second layer 108 was not provided and the third layer 109 was provided on and in contact with the first layer 107, the slope efficiency was particularly deteriorated (1.0 W / A). Therefore, it is considered important to provide the undoped second layer 108 between the n-doped first layer 107 and the p-doped third layer 109.

この比較例2のスロープ効率が特に悪化した理由としては、nドープの第1の層107とpドープの第3の層109とが接して配置されることにより、それらの界面付近において多くのレーザ光が吸収されてしまうことがあげられる。   The reason why the slope efficiency of Comparative Example 2 is particularly deteriorated is that the n-doped first layer 107 and the p-doped third layer 109 are arranged in contact with each other, so that many lasers are near the interface between them. The light is absorbed.

以上説明したように、nドープのクラッド層、アンドープ型の活性層、nドープの第1の層、アンドープ型の第2の層、バンドギャップエネルギーの大きいpドープの第3の層、pドープのクラッド層がこの順に積層され、活性層と第3の層との離間間隔が50nm〜200nmである本実施の形態1にかかる窒化物半導体レーザ素子であると、発振閾値が低く、スロープ効率が高く、エージング特性に優れた素子を安定して得ることができるため、100mW以上の高出力で単一横モード発振可能なレーザ素子が実現する。   As described above, the n-doped cladding layer, the undoped active layer, the n-doped first layer, the undoped second layer, the p-doped third layer having a large band gap energy, and the p-doped In the nitride semiconductor laser device according to the first embodiment in which the cladding layers are stacked in this order and the separation distance between the active layer and the third layer is 50 nm to 200 nm, the oscillation threshold is low and the slope efficiency is high. Since an element excellent in aging characteristics can be stably obtained, a laser element capable of single transverse mode oscillation with a high output of 100 mW or more is realized.

〈実施の形態2〉
本実施の形態2は、第1の層107の組成がAl0.05Ga0.95Nであること以外は、上記実施の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。この構成であると、第1の層107のバンドギャップエネルギーが上部隣接層106のそれよりも大きくなり、活性層へのキャリア注入効率が向上するため、素子の閾値が実施の形態1よりもさらに引き下がる。
<Embodiment 2>
The second embodiment is a nitride semiconductor laser element similar to the first embodiment except that the composition of the first layer 107 is Al 0.05 Ga 0.95 N. With this configuration, the band gap energy of the first layer 107 is larger than that of the upper adjacent layer 106 and the carrier injection efficiency into the active layer is improved, so that the threshold value of the element is further increased than in the first embodiment. Pull down.

ここで、当該第1の層の組成は上記Al0.05Ga0.95Nに限らず、AlxGa1-xN(式中のxは、0<x<1の範囲を満たす実数)で表されるAl原子を含有した組成とすることができるが、第1の層のバンドギャップエネルギーが第2の層のそれよりも大きくなると、このエネルギーギャップを超えられない正孔(ホール)が第2の層中にたまり、活性層へのホールの注入効率が低下してしまうため、第1の層のバンドギャップエネルギーが第2の層のそれ以下となる範囲でそれぞれの組成比を調整しておくことが好ましい。 Here, the composition of the first layer is not limited to Al 0.05 Ga 0.95 N, but is represented by Al x Ga 1-x N (where x is a real number that satisfies the range 0 <x <1). Although the composition can include an Al atom, when the band gap energy of the first layer is larger than that of the second layer, holes that cannot exceed this energy gap are generated in the second layer. Since the efficiency of hole injection into the active layer is reduced, the composition ratio of the first layer may be adjusted in a range where the band gap energy of the first layer is lower than that of the second layer. preferable.

〈実施の形態3〉
本実施の形態3は、活性層105中の障壁層132、上部隣接層106および下部隣接層104の組成がIn0.03Ga0.97Nであること以外は、上記実施の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。この構成であると、まず、第1の層107のバンドギャップエネルギーが上部隣接層106のそれよりも大きくなるため、活性層へのキャリア注入効率が向上する。さらに、井戸層131近傍の層の屈折率が増大するので、活性層への光閉じ込め係数が向上する。これにより、実施の形態1よりもさらに一層素子の閾値が引き下がる。
<Embodiment 3>
The third embodiment is a nitride semiconductor similar to the first embodiment except that the composition of the barrier layer 132, the upper adjacent layer 106, and the lower adjacent layer 104 in the active layer 105 is In 0.03 Ga 0.97 N. It is a laser element. With this configuration, first, the band gap energy of the first layer 107 is larger than that of the upper adjacent layer 106, so that the carrier injection efficiency into the active layer is improved. Furthermore, since the refractive index of the layer near the well layer 131 is increased, the optical confinement factor in the active layer is improved. As a result, the threshold value of the element is further lowered than in the first embodiment.

なお、当該障壁層132、上部隣接層106および下部隣接層104の組成は上記In0.03Ga0.97Nに限るものではなく、InxGa1-xN(式中のxは、0<x≦0.5の範囲を満たす実数)で表されるものとしてもよいが、屈折率を大きくして、活性層への光閉じ込めを効率化させるには、xの値を0.001以上とすることが好ましい。他方、xの値は井戸層のIn組成よりも0.05以上小さい値とすることが望ましい。これは、xがこの範囲を超えると、井戸層へのキャリアの閉じ込めが不十分になるおそれがあるためである。 The composition of the barrier layer 132, the upper adjacent layer 106, and the lower adjacent layer 104 is not limited to In 0.03 Ga 0.97 N, but In x Ga 1-x N (where x is 0 <x ≦ 0 However, in order to increase the refractive index and increase the efficiency of light confinement in the active layer, the value of x should be 0.001 or more. preferable. On the other hand, the value of x is desirably 0.05 or more smaller than the In composition of the well layer. This is because if x exceeds this range, the confinement of carriers in the well layer may be insufficient.

〈実施の形態4〉
本実施の形態4は、第1の層107が少なくとも2層以上のnドープGaN層からなり、2のnドープGaN層の間にアンドープ型のGaN層が設けられていること以外は、上記実施の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。この構成であっても、上記実施の形態1と同様の優れた素子特性が発揮される。
<Embodiment 4>
The fourth embodiment is the same as the first embodiment except that the first layer 107 includes at least two n-doped GaN layers and an undoped GaN layer is provided between the two n-doped GaN layers. This is the same nitride semiconductor laser element as in the first embodiment. Even with this configuration, excellent element characteristics similar to those of the first embodiment are exhibited.

なお、当該2層以上のnドープ層やアンドープ型の層の組成は、それらのバンドギャップエネルギーを井戸層よりも大きく、第3の層よりも小さく規定する限り、上記GaNに限るものではなく、AlxGayInzN(式中のx、y、zは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1を満たす実数)で表されるものとしてもよい。 The composition of the two or more n-doped layers and undoped layers is not limited to the GaN as long as their band gap energy is defined larger than the well layer and smaller than the third layer, Al x Ga y In z N (where x, y, and z are real numbers satisfying 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) Good.

〈実施の形態5〉
本実施の形態5は、第3の層109と上部クラッド層110との間に、膜厚5〜30nmのGaNからなるpドープの上部ガイド層(p型不純物濃度:2×1018〜1×1020/cm3)が設けられており、当該上部ガイド層のバンドギャップエネルギーEguが以下の関係式(3)を満たすこと以外は、上記実施の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。
〔数8〕
Ew<Egu<Ecl ・・・(3)
<Embodiment 5>
In the fifth embodiment, a p-doped upper guide layer (p-type impurity concentration: 2 × 10 18 to 1 ×) made of GaN having a thickness of 5 to 30 nm is provided between the third layer 109 and the upper cladding layer 110. 10 20 / cm 3 ), and the nitride semiconductor laser element is the same as that of the first embodiment except that the band gap energy Egu of the upper guide layer satisfies the following relational expression (3). .
[Equation 8]
Ew <Egu <Ecl (3)

この構成であると、活性層の光閉じ込め係数を増加させ、素子の発振閾値をさらに引き下げることができる。   With this configuration, the optical confinement coefficient of the active layer can be increased, and the oscillation threshold of the device can be further reduced.

なお、本実施の形態5は、このpドープガイド層を、第2の層よりもエネルギーギャップが小さくなく、p型クラッド層よりもエネルギーギャップが小さい層とする限り、上記膜厚5〜30nmのGaNからなる層とした場合と同様に優れた素子特性が発揮される。   In the fifth embodiment, the p-doped guide layer has a thickness of 5 to 30 nm as long as the energy gap is not smaller than that of the second layer and is smaller than that of the p-type cladding layer. Excellent device characteristics are exhibited as in the case of a layer made of GaN.

〈実施の形態6〉
本実施の形態6は、活性層105中の障壁層132が、GaN層とIn0.03Ga0.97N層とからなる2重構造、あるいは、In0.03Ga0.97N層とGaN層とIn0.03Ga0.97N層とからなる3重構造であること以外は、上記実施の形態3と同様の窒化物半導体レーザ素子である。
<Embodiment 6>
In the sixth embodiment, the barrier layer 132 in the active layer 105 has a double structure including a GaN layer and an In 0.03 Ga 0.97 N layer, or an In 0.03 Ga 0.97 N layer, a GaN layer, and In 0.03 Ga 0.97 N. The nitride semiconductor laser element is the same as that of the third embodiment except that it has a triple structure composed of layers.

この構成であると、活性層への光閉じ込め係数が上記実施の形態3と同程度にまで向上する。さらに、GaN層を介装させることにより、InGaN層を連続して積層させた場合に発生するメモリー効果に起因した組成ずれを抑制できるため、活性層中にInGaN層を含ませつつも、素子特性のばらつきをさらに少なくする、すなわち作製歩留まりを向上させることができる。   With this configuration, the optical confinement factor in the active layer is improved to the same level as in the third embodiment. Furthermore, by interposing the GaN layer, it is possible to suppress the compositional deviation caused by the memory effect that occurs when the InGaN layer is continuously stacked. Therefore, the device characteristics are included while including the InGaN layer in the active layer. Can be further reduced, that is, the production yield can be improved.

〈実施の形態7〉
本実施の形態7は、第1の層107がIn0.03Ga0.97N層であること以外は、上記実施の形態1と同様の窒化物半導体レーザ素子である。この構成であっても、上記実施の形態1と同様の優れた素子特性が発揮される。
<Embodiment 7>
The seventh embodiment is a nitride semiconductor laser element similar to that of the first embodiment except that the first layer 107 is an In 0.03 Ga 0.97 N layer. Even with this configuration, excellent element characteristics similar to those of the first embodiment are exhibited.

ここで、当該第1の層の組成は上記In0.03Ga0.97Nに限らず、InxGa1-xN(式中のxは、0<x<1の範囲を満たす実数)で表されるIn原子を含有した組成とすることができるが、第1の層のバンドギャップエネルギーが上部隣接層のそれよりも小さくなると、電子が第1の層中にたまりやすくなり、活性層へのキャリアの注入効率が低下してしまうため、第1の層のバンドギャップエネルギーが上部隣接層のそれ以上となる範囲でそれぞれの組成比を調整しておくことが好ましい。 Here, the composition of the first layer is not limited to In 0.03 Ga 0.97 N, but is represented by In x Ga 1-x N (where x is a real number satisfying a range of 0 <x <1). Although the composition can include In atoms, if the band gap energy of the first layer is smaller than that of the upper adjacent layer, electrons are likely to accumulate in the first layer, and carriers of the active layer Since the injection efficiency is lowered, it is preferable to adjust the respective composition ratios in a range where the band gap energy of the first layer is higher than that of the upper adjacent layer.

〈その他の事項〉
(1)本発明のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子を構成する各窒化物半導体層は、上記実施の形態1〜7にて示した組成に限るものではなく、上述した相対的な物性関係を満たす限り、AlxGayInzN(式中のx、y、zは、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1、を満たす実数)とすることができる。また、窒素元素のうち約10%以下(ただし、六方晶系であること)をヒ素(As)、リン(P)、アンチモン(Sb)のいずれかの元素で置換した組成としてもよい。
<Other matters>
(1) Each nitride semiconductor layer constituting the III-V group nitride semiconductor laser element of the present invention is not limited to the composition shown in the first to seventh embodiments, but the relative physical properties described above. As long as the relationship is satisfied, Al x Ga y In z N (where x, y, and z are real numbers satisfying 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) and can do. Further, a composition in which about 10% or less (but hexagonal) of nitrogen element is substituted with any element of arsenic (As), phosphorus (P), and antimony (Sb) may be used.

ここで、nドープの第1の層107、アンドープの第2の層108、pドープの第3の層109をInxGa1-xN(式中のxは、0<x≦1を満たす実数)とすると、一般的な活性層の組成であるInGaNから、元素比率を変えるだけで連続的に各層を形成できるため、界面でのキャリア再結合の影響を抑えることができる。 Here, the n-doped first layer 107, the undoped second layer 108, and the p-doped third layer 109 are In x Ga 1-x N (wherein x satisfies 0 <x ≦ 1). (Real number), each layer can be formed continuously by simply changing the element ratio from InGaN, which is a general active layer composition, so that the influence of carrier recombination at the interface can be suppressed.

他方、これらの層をAlxGa1-xN(式中のxは、0≦x≦1を満たす実数)とすると、その組成をInxGa1-xN(式中のxは、0<x≦1を満たす実数)とした場合よりも各層の成長条件がさらに安定する。その結果、個々の素子におけるバンドギャップや電気的特性の制御性が一層高まり、かつウエハ内での面内分布を均一化するため、素子の製造歩留まりを一層向上することができる。また、pドープのクラッド層の組成がAlGaN系であり、活性層の組成がInGaN系であることが多いため、pドープのクラッド層との格子定数差から生じる格子歪みを緩和することができる。 On the other hand, when these layers are Al x Ga 1-x N (where x is a real number satisfying 0 ≦ x ≦ 1), the composition is In x Ga 1-x N (where x is 0). The growth conditions of each layer are more stable than in the case of <a real number satisfying x ≦ 1). As a result, the controllability of the band gap and electrical characteristics of each device is further improved, and the in-plane distribution in the wafer is made uniform, so that the device manufacturing yield can be further improved. In addition, since the composition of the p-doped cladding layer is AlGaN-based and the composition of the active layer is often InGaN-based, lattice distortion caused by the difference in lattice constant from the p-doped cladding layer can be reduced.

(2)上記実施の形態1では、第2の層108のバンドギャップエネルギーE2よりも上部クラッド層110のバンドギャップエネルギーEcuが大きい分布図(図3)を示したが、上述したように第3の層によって活性層に注入される電子のオーバーフローを防止できる限り、活性層周辺における各層のバンドギャップエネルギーの分布はこれに限るものではなく、例えばE2がEcuよりも大きいようなエネルギー分布としてもよい。   (2) In the first embodiment, the distribution diagram (FIG. 3) in which the band gap energy Ecu of the upper cladding layer 110 is larger than the band gap energy E2 of the second layer 108 is shown. As long as it is possible to prevent overflow of electrons injected into the active layer by this layer, the distribution of the band gap energy of each layer around the active layer is not limited to this. For example, the energy distribution may be such that E2 is larger than Ecu. .

(3)上部クラッド層110の半導体組成をAlpGa1-pN(式中のpは、0<p≦1を満たす実数)とし、第3の層109の半導体組成をAlqGa1-qN(式中のqは、0<q≦1を満たす実数)とする場合には、これらのパラメータpとqが、q≧p+0.05の関係を満たすことが好ましい。これは、第3の層によって活性層に注入される電子のオーバーフローを防止するには、第3の層においてpクラッド層よりもAl原子の含有率を大きくする必要があり、この含有率差を0.05以上とすると高温下での駆動電流値の上昇を十分に抑制できるためである。 (3) The semiconductor composition of the upper cladding layer 110 is Al p Ga 1-p N (where p is a real number satisfying 0 <p ≦ 1), and the semiconductor composition of the third layer 109 is Al q Ga 1− When qN (where q is a real number satisfying 0 <q ≦ 1), these parameters p and q preferably satisfy the relationship q ≧ p + 0.05. In order to prevent overflow of electrons injected into the active layer by the third layer, it is necessary to increase the content of Al atoms in the third layer as compared to the p-cladding layer. This is because if it is 0.05 or more, an increase in the drive current value at a high temperature can be sufficiently suppressed.

また、qの絶対値としては0.1〜0.3が好ましい。これは、Al組成比を0.3以下とすると駆動電圧値が低減する傾向があり、0.1以上とすると高温にしたときの駆動電流値の上昇が抑制される傾向があることによる。   Further, the absolute value of q is preferably 0.1 to 0.3. This is because when the Al composition ratio is 0.3 or less, the drive voltage value tends to decrease, and when the Al composition ratio is 0.1 or more, an increase in the drive current value when the temperature is increased tends to be suppressed.

(4)本発明にかかる活性層は、多重量子井戸構造あるいは単一量子井戸構造をとる限り、井戸層の数を1〜10層の範囲で変更することができ、2〜4層で十分な長寿命を発揮できることを確認している。なお、低閾値でのレーザ発振に十分な利得を得るためには、活性層の総厚を10〜70nmの範囲としておくことが好ましい。   (4) As long as the active layer according to the present invention has a multiple quantum well structure or a single quantum well structure, the number of well layers can be changed in the range of 1 to 10 layers, and 2 to 4 layers are sufficient. It has been confirmed that long life can be demonstrated. In order to obtain a sufficient gain for laser oscillation at a low threshold, the total thickness of the active layer is preferably set in the range of 10 to 70 nm.

また、障壁層のバンドギャップエネルギーを隣接する井戸層よりも大きくして、井戸層に注入されたキャリアを十分に閉じ込めることができる限り、活性層中に含まれる複数の障壁層のバンドギャップエネルギーは互いに異なっていてもよい。   In addition, as long as the band gap energy of the barrier layer is made larger than that of the adjacent well layer and carriers injected into the well layer can be sufficiently confined, the band gap energy of the plurality of barrier layers included in the active layer is They may be different from each other.

以上説明したように、本発明によると、III−V族系窒化物半導体レーザ素子中のpn接合位置が安定し、また、活性層の結晶性が低下しにくく、キャリアの注入効率が向上するため、レーザ素子の発振閾値を安定して引き下げることができ、また、100mW以上の高出力にて連続駆動させても駆動電流が経時上昇することがない。よって、レーザ素子の長寿命化にも利用できるので、その産業上の利用可能性は大きい。   As described above, according to the present invention, the position of the pn junction in the group III-V nitride semiconductor laser element is stabilized, the crystallinity of the active layer is hardly lowered, and the carrier injection efficiency is improved. The oscillation threshold of the laser element can be stably reduced, and the drive current does not increase with time even when continuously driven at a high output of 100 mW or more. Therefore, since it can be used for extending the life of the laser element, its industrial applicability is great.

図1は、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子の断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor laser device which is an example of the present invention. 図2は、図1で示された窒化物半導体レーザ素子の活性層周辺のより詳しい構造を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a more detailed structure around the active layer of the nitride semiconductor laser device shown in FIG. 図3は、図1で示された窒化物半導体レーザ素子の活性層周辺における各層のバンドギャップエネルギーを示す分布図である。FIG. 3 is a distribution diagram showing the band gap energy of each layer around the active layer of the nitride semiconductor laser device shown in FIG. 図4は、従来の技術にかかる窒化物半導体レーザ素子の断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor laser device according to the prior art.

符号の説明Explanation of symbols

100 n型GaN基板
101 n型不純物をドープさせたGaN層
102 n型不純物をドープさせた下部クラッド層
103 n型不純物をドープさせたGaNガイド層
104 アンドープ型GaN下部隣接層
105 活性層
106 アンドープ型GaN上部隣接層
107 n型不純物をドープさせた第1の層
108 アンドープ型GaN第2の層
109 p型不純物をドープさせた第3の層
110 p型不純物をドープさせた上部クラッド層
111 p型不純物をドープさせたGaNコンタクト層
120 n型電極
121 p型電極
122 絶縁膜
131 アンドープ型InGaN井戸層
132 アンドープ型GaN障壁層
100 n-type GaN substrate 101 GaN layer doped with n-type impurities 102 lower clad layer doped with n-type impurities 103 GaN guide layer doped with n-type impurities 104 undoped GaN lower adjacent layer 105 active layer 106 undoped type GaN upper adjacent layer 107 first layer doped with n-type impurity 108 undoped GaN second layer 109 third layer doped with p-type impurity 110 upper cladding layer doped with p-type impurity 111 p-type GaN contact layer doped with impurities 120 n-type electrode 121 p-type electrode 122 insulating film 131 undoped InGaN well layer 132 undoped GaN barrier layer

Claims (9)

基板と、
前記基板の上に設けられた、n型不純物がドープされた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に設けられた、導電性不純物がドープされていないアンドープ型の下部隣接層と、
前記下部隣接層の上に設けられた、アンドープ型の障壁層と当該障壁層を上下に挟むアンドープ型の井戸層とからなる量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層の上に設けられた、アンドープ型の上部隣接層と、
前記上部隣接層の上に設けられた、n型不純物がドープされた第1の層と、
前記第1の層の上に設けられた、アンドープ型の第2の層と、
前記第2の層の上に設けられた、p型不純物がドープされた上部クラッド層と
を備え、
前記量子井戸活性層中で最下段の井戸層が前記下部隣接層に接し、最上段の井戸層が前記上部隣接層と接している
III−V族系窒化物半導体レーザ素子であって、
前記下部クラッド層のバンドギャップエネルギーEclと、
前記下部隣接層のバンドギャップエネルギーEnlと、
前記量子井戸活性層の井戸層のバンドギャップエネルギーEwと、障壁層のバンドギャップエネルギーEbと、
前記上部隣接層のバンドギャップエネルギーEnuと、
前記第1の層のバンドギャップエネルギーE1と、
前記第2の層のバンドギャップエネルギーE2と、
前記第3の層のバンドギャップエネルギーE3と、
前記上部クラッド層のバンドギャップエネルギーEcuとが、
以下の関係式(1)を満たす
ことを特徴とするIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
〔数1〕
Ew<Ecl、Enl、Eb、Enu、E1、E2、Ecu<E3 ・・・(1)
A substrate,
A lower clad layer provided on the substrate and doped with an n-type impurity;
An undoped lower adjacent layer not doped with a conductive impurity provided on the lower cladding layer; and
A quantum well active layer formed on the lower adjacent layer and comprising an undoped barrier layer and an undoped well layer sandwiching the barrier layer vertically;
An undoped upper adjacent layer provided on the quantum well active layer;
A first layer provided on the upper adjacent layer and doped with an n-type impurity;
An undoped second layer provided on the first layer;
An upper cladding layer provided on the second layer and doped with a p-type impurity;
A group III-V nitride semiconductor laser device in which the lowest well layer in the quantum well active layer is in contact with the lower adjacent layer, and the uppermost well layer is in contact with the upper adjacent layer,
Band gap energy Ecl of the lower cladding layer;
The band gap energy Enl of the lower adjacent layer;
The band gap energy Ew of the well layer of the quantum well active layer, the band gap energy Eb of the barrier layer,
The band gap energy Enu of the upper adjacent layer;
Band gap energy E1 of the first layer;
The band gap energy E2 of the second layer;
The band gap energy E3 of the third layer;
The band gap energy Ecu of the upper cladding layer is
The III-V group nitride semiconductor laser element satisfying the following relational expression (1).
[Equation 1]
Ew <Ecl, Enl, Eb, Enu, E1, E2, Ecu <E3 (1)
前記下部クラッド層と前記下部隣接層との間に下部ガイド層がさらに設けられ、
当該下部ガイド層のバンドギャップエネルギーEglが以下の関係式(2)を満たす
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
〔数2〕
Ew<Egl<Ecl ・・・(2)
A lower guide layer is further provided between the lower cladding layer and the lower adjacent layer;
The III-V group nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the band gap energy Egl of the lower guide layer satisfies the following relational expression (2).
[Equation 2]
Ew <Egl <Ecl (2)
前記第3の層と前記上部クラッド層との間に上部ガイド層がさらに設けられ、
当該上部ガイド層のバンドギャップエネルギーEguが以下の関係式(3)を満たす
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
〔数3〕
Ew<Egu<Ecl ・・・(3)
An upper guide layer is further provided between the third layer and the upper cladding layer;
The III-V group nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the band gap energy Egu of the upper guide layer satisfies the following relational expression (3).
[Equation 3]
Ew <Egu <Ecl (3)
前記量子井戸活性層中で最上段の井戸層と前記第3の層との距離Lが、50nm以上200nm以下である
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
The III-V group nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein a distance L between the uppermost well layer and the third layer in the quantum well active layer is 50 nm or more and 200 nm or less. .
前記距離Lと、前記量子井戸活性層中で最上段の井戸層と前記第1の層との距離Dとが、以下の関係式(4)を満たす
ことを特徴とする請求項4記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
〔数4〕
2D≦L ・・・(4)
5. The III according to claim 4, wherein the distance L and the distance D between the uppermost well layer and the first layer in the quantum well active layer satisfy the following relational expression (4): -Group V nitride semiconductor laser element.
[Equation 4]
2D ≦ L (4)
前記第1の層の層厚が5nm以上50nm以下である
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
The group thickness of the first layer is 5 nm or more and 50 nm or less. The group III-V nitride semiconductor laser element according to claim 1.
前記下部隣接層または前記上部隣接層の層厚が0.5nm以上である
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
2. The group III-V nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein a thickness of the lower adjacent layer or the upper adjacent layer is 0.5 nm or more.
前記第1の層にドープされたn型不純物がケイ素であり、前記第3の層にドープされたp型不純物がMgである
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。
The group III-V nitride according to claim 1, wherein the n-type impurity doped in the first layer is silicon, and the p-type impurity doped in the third layer is Mg. Semiconductor laser element.
前記第1の層がInx1Ga1-x1N(式中のx1は0≦x1≦0.5の範囲を満たす実数)からなり、
前記第2の層がInx2Aly2Ga1-(x2+y2)N(式中のx2は0≦x2≦0.5、y2は0≦y2≦0.5の範囲を満たす実数)からなり、
前記第3の層がAly3Ga1-y3N(式中のy3は0<y3≦1の範囲を満たす実数)からなる
ことを特徴とする請求項1記載のIII−V族系窒化物半導体レーザ素子。

The first layer is made of In x1 Ga 1-x1 N (wherein x1 is a real number satisfying a range of 0 ≦ x1 ≦ 0.5);
Wherein the second layer In x2 Al y2 Ga 1- (x2 + y2) N consists (x2 in the formula 0 ≦ x2 ≦ 0.5, y2 is a real number satisfying a range of 0 ≦ y2 ≦ 0.5) ,
3. The group III-V nitride semiconductor according to claim 1, wherein the third layer is made of Al y3 Ga 1-y3 N (wherein y3 is a real number satisfying a range of 0 <y3 ≦ 1). Laser element.

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