JP2008300418A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents

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JP2008300418A JP2007142048A JP2007142048A JP2008300418A JP 2008300418 A JP2008300418 A JP 2008300418A JP 2007142048 A JP2007142048 A JP 2007142048A JP 2007142048 A JP2007142048 A JP 2007142048A JP 2008300418 A JP2008300418 A JP 2008300418A
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Yoshihiro Ueda
吉裕 上田
Kunihiro Takatani
邦啓 高谷
Shigetoshi Ito
茂稔 伊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-reliability nitride semiconductor laser element by controlling an impurity density in a p-type layer of the nitride semiconductor laser element, and reducing the drive voltage of the semiconductor element. <P>SOLUTION: A nitride semiconductor laser element comprises a first layer, comprising an n-type nitride semiconductor, a second layer comprising a p-type nitride semiconductor, and a light-emitting layer between the first layer and the second layer. The light-emitting layer has a quantum well structure, comprising a well layer constituted of AlGaInN and a barrier layer constituted of AlGaN, and the p-type impurity density of the second layer is changed in the second layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、さらに詳細には、p型層の不純物濃度プロファイルを制御することにより、駆動電圧を低減した高出力かつ長期間にわたって安定動作する窒化物半導体レーザ素子に関するものである。   The present invention relates to a nitride semiconductor laser device, and more particularly, to a nitride semiconductor laser device that operates stably at high output for a long period of time with reduced driving voltage by controlling the impurity concentration profile of a p-type layer. It is.

近年、窒化物系半導体レーザ素子を用い、大容量記録を目的とした光ディスクシステムが実用段階に入っている。これらの新規のディスクは、さらなる高密度化(二層ディスク対応)および高速書込みを可能とするために、信頼性の高い高出力青色発光半導体レーザ素子が必要とされている。従来、InGaNからなる多重量子井戸構造の発光層を有し、p型のAlGaNクラッド層を有する青色発光半導体レーザ素子が知られている(非特許文献1参照)。   In recent years, an optical disk system using a nitride-based semiconductor laser element and intended for large-capacity recording has entered a practical stage. These new discs require highly reliable high-power blue-emitting semiconductor laser devices in order to enable higher density (corresponding to double-layer discs) and high-speed writing. Conventionally, a blue light emitting semiconductor laser element having a light emitting layer of InGaN and having a multiple quantum well structure and a p-type AlGaN cladding layer is known (see Non-Patent Document 1).

この青色発光半導体レーザ素子は、基板の上に、順に、n型GaN層、光閉じ込め作用を担うn型AlGaNクラッド層、発光層近傍へ光を分布させるn型GaN光ガイド層、In組成の異なるInGaNの多重量子井戸構造を有する発光層、発光層へのキャリア閉じ込めを向上させるp型AlGaNキャリアブロック層、発光層近傍へ光を分布させるp型GaN光ガイド層、光閉じ込め作用を担うp型AlGaNクラッド層およびp型GaNコンタクト層を、エピタキシャル成長により積層させた構造を有する。   This blue light-emitting semiconductor laser device has an n-type GaN layer, an n-type AlGaN clad layer responsible for optical confinement, an n-type GaN light guide layer that distributes light in the vicinity of the light-emitting layer, and different In compositions on the substrate. A light-emitting layer having an InGaN multiple quantum well structure, a p-type AlGaN carrier block layer that improves carrier confinement in the light-emitting layer, a p-type GaN light guide layer that distributes light in the vicinity of the light-emitting layer, and p-type AlGaN responsible for light confinement It has a structure in which a cladding layer and a p-type GaN contact layer are laminated by epitaxial growth.

また、通常、RIEなどのドライエッチングにより形成され、横方向に光を閉じ込めるためのリッジ部を有し、電流狭窄のために絶縁膜が形成される。さらに、電流を注入するためのn型電極とp型電極が真空蒸着される。このような構造の素子は、数百μmの厚さで劈開され、劈開面が光共振器となる。劈開面には、表裏端面の反射率を向上させるための誘電体多層膜からなるAR(Anti-Reflection)コート膜およびHR(Hi-Reflection)コート膜が真空蒸着により形成され、チップ化される。通常、チップは、放熱のため、熱伝導率の高いサブマウントに積層され、さらにステムに封入してレーザ素子が完成する。   Further, it is usually formed by dry etching such as RIE, has a ridge portion for confining light in the lateral direction, and an insulating film is formed for current confinement. Further, an n-type electrode and a p-type electrode for injecting current are vacuum deposited. The element having such a structure is cleaved with a thickness of several hundred μm, and the cleaved surface becomes an optical resonator. On the cleaved surface, an AR (Anti-Reflection) coat film and an HR (Hi-Reflection) coat film made of a dielectric multilayer film for improving the reflectance of the front and back end faces are formed by vacuum deposition to form a chip. Usually, the chip is stacked on a submount having high thermal conductivity for heat dissipation, and further sealed in a stem to complete a laser device.

しかしながら、従来の青色発光半導体レーザ素子の駆動電圧は、赤色あるいは赤外領域の半導体レーザ素子に比べて高いことから、素子駆動中の投入電力が高くなり、熱的ダメージが大きく、高出力動作および信頼性に課題があった。
JPN.J.APPl.Phys.2000年.Vol.39.PP.L647−L650
However, since the driving voltage of the conventional blue light emitting semiconductor laser device is higher than that of the semiconductor laser device in the red or infrared region, the input power during driving of the device is high, the thermal damage is large, the high output operation and There was a problem with reliability.
JPN. J. et al. APPl. Phys. 2000. Vol. 39. PP. L647-L650

窒化物半導体レーザ素子において駆動電圧が高くなる主な原因は、低抵抗かつ結晶品質の良いp型窒化物半導体が得られないことにある。通常、窒化物半導体のp型不純物としては、Mg、Zn、Beが好適であり、中でもMgが最も良く用いられる。ところが、窒化物半導体に取り込まれたMgは、その結合手を水素によって不活性化されており、結晶成長したままでは、高抵抗であり、p型の伝導性を示さない。そのため、通常は、Mgドープ膜を熱処理あるいは電子線照射処理をすることで、Mgと水素の結合を切断して、Mgを活性化させp型膜を得ている。p型化処理をした場合でも、不純物の活性化率は数%のオーダーであり、結晶中に取り込まれたMg原子濃度に比較して、著しく低いp型キャリア濃度しか得られない。そのため、必要とされるMgは、1020〜1021cm-3と母体結晶の組成に近い濃度に達する。 In the nitride semiconductor laser element, the main cause of the high drive voltage is that a p-type nitride semiconductor having low resistance and good crystal quality cannot be obtained. Usually, Mg, Zn, and Be are suitable as the p-type impurity of the nitride semiconductor, and Mg is most often used. However, Mg taken into the nitride semiconductor has its bonds inactivated by hydrogen, and has a high resistance and does not exhibit p-type conductivity as it grows. For this reason, usually, the Mg-doped film is subjected to heat treatment or electron beam irradiation treatment to break the bond between Mg and hydrogen to activate Mg to obtain a p-type film. Even when the p-type treatment is performed, the impurity activation rate is on the order of several percent, and only a significantly lower p-type carrier concentration can be obtained as compared with the concentration of Mg atoms taken into the crystal. Therefore, the required Mg reaches a concentration close to the composition of the host crystal, 10 20 to 10 21 cm −3 .

低抵抗p型膜を得るためには、結晶中のMg原子濃度を上げるか、または活性化率を大きく向上させる必要がある。しかし、通常、活性化率は数%のオーダーであり、さらなる向上は極めて困難であり、結晶成長条件あるいは熱処理条件を工夫したとしても、活性化率を10%のオーダーとすることは実現していない。また、Mg濃度を上げる場合には、1022cm-3以上が必要となるため、母体結晶の結晶性が悪化し、光吸収または欠陥の増加により返って素子特性の悪化に繋がる。上記のMgドープにおける問題点は、ZnまたはBeを用いた場合でも同様であり、p型窒化物半導体膜において本質的な問題である。また、組成としてAlを含むAlGaNの場合には、バンドギャップが広いため、p型不純物順位が深くなり、p型化に関してGaNよりさらに不利である。 In order to obtain a low resistance p-type film, it is necessary to increase the Mg atom concentration in the crystal or to greatly increase the activation rate. However, the activation rate is usually on the order of several percent, and further improvement is extremely difficult, and even if the crystal growth conditions or heat treatment conditions are devised, it has been realized that the activation rate is on the order of 10%. Absent. Further, when the Mg concentration is increased, 10 22 cm −3 or more is required, so that the crystallinity of the host crystal is deteriorated, which is caused by light absorption or an increase in defects, leading to deterioration of device characteristics. The problem with the above Mg doping is the same even when Zn or Be is used, and is an essential problem in the p-type nitride semiconductor film. Further, in the case of AlGaN containing Al as a composition, the band gap is wide, so that the p-type impurity order is deepened, which is more disadvantageous than GaN in terms of p-type conversion.

上記の理由により、従来の窒化物半導体レーザ素子では、p型層における抵抗およびコンタクト抵抗が高く、素子の駆動電圧が高くなる。そのため、駆動時の素子への投入電力も高くなり、高抵抗であるp型層での熱損失が大きく、非特許文献1に開示された従来の素子は、特に高出力駆動時において信頼性に問題がある。本発明が解決しようとする課題は、窒化物半導体レーザ素子のp型層における不純物濃度を制御して半導体素子の駆動電圧を低減し、高い信頼性の窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。   For the above reasons, in the conventional nitride semiconductor laser element, the resistance in the p-type layer and the contact resistance are high, and the drive voltage of the element is high. Therefore, the input power to the element during driving is also high, and the heat loss in the p-type layer having high resistance is large, and the conventional element disclosed in Non-Patent Document 1 is particularly reliable during high output driving. There's a problem. The problem to be solved by the present invention is to provide a highly reliable nitride semiconductor laser device by controlling the impurity concentration in the p-type layer of the nitride semiconductor laser device to reduce the driving voltage of the semiconductor device. .

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、n型窒化物半導体からなる第1の層と、p型窒化物半導体からなる第2の層と、第1の層と第2の層の間に発光層を備え、発光層は、AlGaInNからなる井戸層と、AlGaNからなる障壁層とで構成される量子井戸構造を有し、第2の層は、p型不純物濃度が第2の層内で変化していることを特徴とする。p型不純物は、Mg,ZnもしくはBeまたはこれらの混合物が好ましい。また、第2の層が複数の層により構成され、第2の層のうち発光層側に位置する層であって、少なくとも1対の隣接する層の境界領域におけるp型不純物濃度が、第2の層の他の領域におけるp型不純物濃度より低い態様が好適である。さらに、第2の層が複数の層により構成され、第2の層のうち発光層側に位置する層のAl組成比が、第2の層の他の領域におけるAl組成比より高い態様が好ましい。   The nitride semiconductor laser device of the present invention includes a first layer made of an n-type nitride semiconductor, a second layer made of a p-type nitride semiconductor, and a light emitting layer between the first layer and the second layer. The light emitting layer has a quantum well structure composed of a well layer made of AlGaInN and a barrier layer made of AlGaN, and the second layer has a p-type impurity concentration that changes in the second layer. It is characterized by. The p-type impurity is preferably Mg, Zn, Be, or a mixture thereof. The second layer is composed of a plurality of layers, and is a layer located on the light emitting layer side of the second layer, and the p-type impurity concentration in the boundary region of at least one pair of adjacent layers is the second level. A mode in which the concentration is lower than the p-type impurity concentration in other regions of the layer is preferable. Further, it is preferable that the second layer is composed of a plurality of layers, and the Al composition ratio of the second layer located on the light emitting layer side is higher than the Al composition ratio in other regions of the second layer. .

半導体素子の駆動電圧を低減し、高い信頼性の窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。   A driving voltage of the semiconductor element can be reduced, and a highly reliable nitride semiconductor laser element can be provided.

本発明は、n型の第1の層と、p型の第2の層と、第1の層と第2の層の間に発光層を有する窒化物半導体レーザ素子であって、発光層は、AlGaInNからなる井戸層と、AlGaNからなる障壁層とで構成される量子井戸構造を有し、第2の層は、p型不純物濃度が第2の層内で変化していることを特徴とする。p型窒化物半導体からなる第2の層において、p型不純物濃度のプロファイル制御することにより、p型層における電気抵抗を低くし、半導体レーザ素子の駆動電圧を下げることができる。   The present invention relates to a nitride semiconductor laser device having an n-type first layer, a p-type second layer, and a light emitting layer between the first layer and the second layer, the light emitting layer comprising: , Having a quantum well structure composed of a well layer made of AlGaInN and a barrier layer made of AlGaN, and the second layer is characterized in that the p-type impurity concentration is changed in the second layer. To do. By controlling the profile of the p-type impurity concentration in the second layer made of the p-type nitride semiconductor, the electrical resistance in the p-type layer can be lowered and the driving voltage of the semiconductor laser element can be lowered.

具体的には、第2の層が複数の層により構成され、第2の層のうち発光層側に位置する層であって、少なくとも1対の隣接する層の境界領域におけるp型不純物濃度を、第2の層の他の領域におけるp型不純物濃度より低く制御することにより、隣接する層のヘテロ接合におけるバンド不連続を軽減し、電気抵抗を低下させることができ、素子の駆動電圧を下げることができる。このため、駆動時の素子への投入電力も低くなり、低抵抗であるp型層での熱損失が小さく、非特許文献1に開示された従来の素子と比較して、特に高出力駆動時における信頼性を高めることができる。   Specifically, the second layer is composed of a plurality of layers, and is a layer located on the light emitting layer side of the second layer, and the p-type impurity concentration in the boundary region between at least one pair of adjacent layers is set. By controlling the concentration lower than the p-type impurity concentration in the other region of the second layer, band discontinuity at the heterojunction of the adjacent layer can be reduced, the electrical resistance can be lowered, and the drive voltage of the element is lowered. be able to. For this reason, the input electric power to the element at the time of driving is also reduced, the heat loss in the p-type layer having a low resistance is small, and compared with the conventional element disclosed in Non-Patent Document 1, especially at the time of high output driving Reliability can be improved.

かかる観点から、第2の層のうち発光層側に位置する層であって、少なくとも1対の隣接する層の境界領域におけるp型不純物濃度を、第2の層の他の領域におけるp型不純物濃度の10%以下に低減する態様が好ましく、8%以下に低減する態様がより好ましい。また、隣接する層の境界領域におけるp型不純物濃度を低減する層は、活性層からの光吸収をできるだけ低減し、素子特性をより改善できる点で、第2の層のうち発光層側に位置する層とする態様が好ましい。   From this point of view, the p-type impurity concentration in the boundary region between at least one pair of adjacent layers is a layer located on the light-emitting layer side of the second layer, and the p-type impurity in the other region of the second layer. The aspect which reduces to 10% or less of a density | concentration is preferable, and the aspect which reduces to 8% or less is more preferable. In addition, the layer for reducing the p-type impurity concentration in the boundary region between adjacent layers is located on the light emitting layer side of the second layer in that the light absorption from the active layer can be reduced as much as possible and the device characteristics can be further improved. The aspect which makes it a layer to perform is preferable.

また、活性層に注入されるキャリアのオーバーフローを防止する観点から、第2の層が複数の層により構成され、第2の層のうち発光層側に位置する層のAl組成比が、第2の層の他の領域におけるAl組成比より高い態様が好ましい。   Further, from the viewpoint of preventing overflow of carriers injected into the active layer, the second layer is composed of a plurality of layers, and the Al composition ratio of the layer located on the light emitting layer side of the second layer is the second layer. An aspect higher than the Al composition ratio in the other region of this layer is preferable.

実施の形態1
本実施の形態で製造する窒化物半導体レーザ素子の構造を図1に示す。図1(a)は、断面図であり、図1(b)は、斜視図である。この窒化物半導体レーザ素子116は、n電極113、p電極112、光導波路であるリッジ部110を備え、また劈開面には、Al23からなるARコート膜114と、SiO2/TiO2の9層膜からなるHRコート膜115を有する。厚さ100μmのGaN基板101上に、n型窒化物半導体からなる第1の層と、発光層と、p型窒化物半導体からなる第2の層を形成する。すなわち、基板101上に、層厚0.2μmのn型GaN層102と、層厚2.5μmのn型Al0.05Ga0.95Nクラッド103と、層厚0.1μmのn型GaNガイド層104と、層厚4nmのAlGaInNからなる3層の井戸層および層厚8nmのAlGaNからなる4層の障壁層により構成される多重量子井戸発光層105を形成する。
Embodiment 1
The structure of the nitride semiconductor laser device manufactured in this embodiment is shown in FIG. FIG. 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a perspective view. The nitride semiconductor laser element 116 includes an n-electrode 113, a p-electrode 112, and a ridge portion 110 that is an optical waveguide, and an AR coating film 114 made of Al 2 O 3 and a SiO 2 / TiO 2 film on the cleavage plane. The HR coat film 115 is formed of the nine-layer film. On the GaN substrate 101 having a thickness of 100 μm, a first layer made of an n-type nitride semiconductor, a light emitting layer, and a second layer made of a p-type nitride semiconductor are formed. That is, an n-type GaN layer 102 having a layer thickness of 0.2 μm, an n-type Al 0.05 Ga 0.95 N cladding 103 having a layer thickness of 2.5 μm, and an n-type GaN guide layer 104 having a layer thickness of 0.1 μm are formed on the substrate 101. Then, a multiple quantum well light emitting layer 105 composed of three well layers made of AlGaInN having a thickness of 4 nm and four barrier layers made of AlGaN having a thickness of 8 nm is formed.

つぎに、層厚20nmのp型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層106と、層厚0.08μmのp型GaNガイド層107と、層厚0.5μmのp型Al0.062Ga0.938Nクラッド層108と、層厚0.1μmのp型GaNコンタクト層109が順に積層される。多重量子井戸発光層105は、通常、障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層の順序で形成されるが、井戸層/障壁層/井戸層/障壁層・・・/井戸層のように井戸層で始まって井戸層で終了する構造であってもよい。 Next, a p-type Al 0.3 Ga 0.7 N carrier blocking layer 106 having a layer thickness of 20 nm, a p-type GaN guide layer 107 having a layer thickness of 0.08 μm, and a p-type Al 0.062 Ga 0.938 N cladding layer 108 having a layer thickness of 0.5 μm. Then, a p-type GaN contact layer 109 having a layer thickness of 0.1 μm is sequentially stacked. The multi-quantum well light emitting layer 105 is usually formed in the order of barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer, but well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. ../ A structure that starts with a well layer and ends with a well layer, such as a well layer, may be used.

n型の不純物としては、通常Siが用いられ、不純物濃度は1018cm-3のオーダーである。n型窒化物半導体の不純物は、結晶成長したままの状態かつ、常温下でほぼ100%活性化していることが知られており、n型キャリア濃度はほぼ不純物濃度に等しい。n型不純物としては、Siのほかに、C、GeまたはOを用いることができる。また、p型の不純物としては、Mgが好適であり、ZnまたはBeを用いることもでき、これらの混合物も好ましく使用される。Mgは、通常、Cp2Mg(Bis-Cyclopentadienyl Mg)あるいはEtCp2Mg(Ethyl-Bis-Cyclopentadienyl Mg)として、結晶成長中に供給される。 As the n-type impurity, Si is usually used, and the impurity concentration is on the order of 10 18 cm −3 . It is known that the impurity of the n-type nitride semiconductor is almost 100% activated at room temperature with the crystal grown, and the n-type carrier concentration is substantially equal to the impurity concentration. In addition to Si, C, Ge, or O can be used as the n-type impurity. As the p-type impurity, Mg is suitable, Zn or Be can be used, and a mixture thereof is also preferably used. Mg is usually supplied during crystal growth as Cp 2 Mg (Bis-Cyclopentadienyl Mg) or EtCp 2 Mg (Ethyl-Bis-Cyclopentadienyl Mg).

p型窒化物半導体中の不純物は、結晶成長したままではHが結合して不活性化されているため、p型化するために、結晶成長後に熱処理または電子線処理が施される。一般には、活性化は熱処理により行なわれ、その温度は800℃〜900℃程度で最大30分程度までの時間保持される。その際の雰囲気はN2またはN2とO2の混合ガスであり、混合ガスを用いる場合のO2濃度は最大でも数%オーダーである。p型ガイド層107とp型クラッド108はRIEなどのドライエッチングにより加工され、電流狭窄のために絶縁膜111によりパターニングされる。 Since impurities in the p-type nitride semiconductor are inactivated by H bonding when the crystal is grown, heat treatment or electron beam treatment is performed after the crystal growth in order to make it p-type. In general, activation is performed by heat treatment, and the temperature is about 800 ° C. to 900 ° C. and is maintained for a maximum of about 30 minutes. The atmosphere at that time is N 2 or a mixed gas of N 2 and O 2 , and the O 2 concentration when using the mixed gas is on the order of several percent at the maximum. The p-type guide layer 107 and the p-type cladding 108 are processed by dry etching such as RIE, and are patterned by the insulating film 111 for current confinement.

窒化物半導体の積層体は、GaN基板101上に、MOCVD装置により、図1に示す順番でn型GaN層102からp型GaNコンタクト層109までを順次成膜する。その後、RIE、ICPなどのドライエッチングによりリッジ部110がパターニングされ、電流狭窄のために、主に、SiO2、ZrO2などからなる絶縁膜111を形成する。その後、p電極112を形成し、つぎに、GaN基板101の積層膜が形成されていない面を100μm程度の膜厚になるまで研削、研磨する。研磨工程でGaN基板101の裏面にできたダメージ層をRIEなどの気相エッチングで除去した後、Ti/Alからなるn電極113をEB蒸着により形成する。その後、バー状に分割し、光出射面にARコート膜114を形成する。 The nitride semiconductor laminate is sequentially formed on the GaN substrate 101 by the MOCVD apparatus from the n-type GaN layer 102 to the p-type GaN contact layer 109 in the order shown in FIG. Thereafter, the ridge 110 is patterned by dry etching such as RIE or ICP, and an insulating film 111 mainly made of SiO 2 , ZrO 2 or the like is formed for current confinement. Thereafter, the p-electrode 112 is formed, and then the surface of the GaN substrate 101 on which the laminated film is not formed is ground and polished until the film thickness is about 100 μm. After the damaged layer formed on the back surface of the GaN substrate 101 in the polishing step is removed by vapor phase etching such as RIE, an n electrode 113 made of Ti / Al is formed by EB vapor deposition. Thereafter, it is divided into bars, and an AR coating film 114 is formed on the light exit surface.

本実施の形態では、p型層にMgをドーピングする際、Cp2Mgを原料として用いたが、EtCp2Mgも同様に用いることができる。常温で固体であるCp2Mgは、MOCVD成長する際のキャリアガス中に昇華させるため、50℃程度以上に保持する必要がある。Cp2Mgを充填したシリンダ内にH2キャリアを導入し、昇華によってキャリア中に混合されたCp2Mgは、結晶成長される基板101上に輸送され、1000℃程度以上の温度下でHと結合したMgに分解し、結晶成長するGaNまたはAlGaNと共にp型不純物として結晶中に取り込まれる。 In this embodiment, when doping the Mg into the p-type layer, Cp 2 Mg is used as a raw material, but EtCp 2 Mg can be used in the same manner. Cp 2 Mg, which is solid at room temperature, needs to be maintained at about 50 ° C. or higher in order to sublimate into the carrier gas during MOCVD growth. Cp 2 Mg and H 2 introduced carrier within the filled cylinders, have been Cp 2 Mg are mixed in a carrier by sublimation is transported on the substrate 101 by crystal growth, and H at a temperature of above about 1000 ° C. It decomposes into bonded Mg and is taken into the crystal as p-type impurities together with GaN or AlGaN that grows.

GaNまたはAlGaN中に取り込まれるMgの濃度は、原料を充填したシリンダの温度と、シリンダ内に導入するキャリアガス流量によって制御可能である。また、母体結晶の成長速度によっても制御可能である。通常、シリンダ温度が高いほど、また、キャリア流量が多いほど高濃度にMgをドーピングすることが可能である。さらに、母体結晶を成長する際のV族原料であるNH3の流量を変えることによっても、Mg濃度を制御可能である。 The concentration of Mg taken into GaN or AlGaN can be controlled by the temperature of the cylinder filled with the raw material and the flow rate of the carrier gas introduced into the cylinder. It can also be controlled by the growth rate of the host crystal. Usually, the higher the cylinder temperature and the higher the carrier flow, the higher the concentration of Mg. Furthermore, the Mg concentration can also be controlled by changing the flow rate of NH 3 which is a group V raw material when growing the base crystal.

本実施の形態では、第2の層のうち発光層側に位置し、隣接するキャリアブロック層106とp型ガイド層107の境界領域と、p型ガイド層107とp型クラッド層108の境界領域において、NH3流量を変えることにより、それぞれの境界領域におけるMg濃度を、第2の層の他の領域におけるMg濃度より低く調整し、第2の層内において、p型不純物濃度を変化させた。キャリアブロック層106が18nmまで成長された時点で、NH3流量を3倍に増加させて残りの2nmを成長し、続いて、NH3流量を増加させた状態を保ってp型ガイド層107を0.008μmの厚さに成長する。続いて、NH3流量を通常の状態にまで減らして0.064μm成長する。その後、再びNH3流量を3倍に増加させてp型ガイド層107の残り0.008μmを成長する。NH3の流量を3倍に増加させた状態で、引き続きp型クラッド層108を0.05μm成長させる。 In the present embodiment, the boundary region between the adjacent carrier block layer 106 and the p-type guide layer 107 and the boundary region between the p-type guide layer 107 and the p-type cladding layer 108 are located on the light emitting layer side of the second layer. In FIG. 2, the Mg concentration in each boundary region was adjusted to be lower than the Mg concentration in other regions of the second layer by changing the NH 3 flow rate, and the p-type impurity concentration was changed in the second layer. . When the carrier block layer 106 is grown to 18 nm, the NH 3 flow rate is increased by a factor of three to grow the remaining 2 nm, and then the p-type guide layer 107 is maintained while the NH 3 flow rate is increased. Grows to a thickness of 0.008 μm. Subsequently, the NH 3 flow rate is reduced to a normal state to grow 0.064 μm. Thereafter, the NH 3 flow rate is again increased three times to grow the remaining 0.008 μm of the p-type guide layer 107. Subsequently, the p-type cladding layer 108 is grown by 0.05 μm with the NH 3 flow rate increased three times.

以降は、通常のNH3流量に戻し、p型クラッド層108およびp型コンタクト層109を成長させる。以上のp型層の成長を通してCp2Mgの供給量は一定値を保った。本実施の形態における結晶成長時のアンモニア流量の経時変化を図2に示す。このようにして成長させた窒化物半導体レーザ素子の試料を、N2雰囲気において900℃で10分間熱処理してMgを活性化した。別途、行なった実験により、p型GaNおよびp型AlGaNは共に、700℃〜950℃の範囲で30分以内の熱処理を行なうことにより、p型の伝導性を示すことがわかった。その際の雰囲気は、5%を上限にO2を混合したN2であった。 Thereafter, the normal NH 3 flow rate is restored and the p-type cladding layer 108 and the p-type contact layer 109 are grown. Through the above growth of the p-type layer, the supply amount of Cp 2 Mg was kept constant. FIG. 2 shows the change over time in the ammonia flow rate during crystal growth in the present embodiment. The nitride semiconductor laser device sample thus grown was heat-treated at 900 ° C. for 10 minutes in an N 2 atmosphere to activate Mg. Separately from experiments, it was found that both p-type GaN and p-type AlGaN exhibit p-type conductivity by performing a heat treatment within a range of 700 ° C. to 950 ° C. within 30 minutes. The atmosphere at that time was N 2 mixed with O 2 with an upper limit of 5%.

熱処理後、窒化物半導体レーザ素子の一部を切り出してSIMS(二次イオン質量分析計)によりMg濃度を測定した結果、図3に示すような、p型層におけるMg濃度のプロファイルが得られた。比較のため、通常の方法で成長した従来品のMg濃度を図3に示す。通常のNH3流量で成長したキャリアブロック層106、p型ガイド層107およびp型クラッド層108のそれぞれのMg濃度は、約1020cm-3で一定していた。これに対して、キャリアブロック層106とp型ガイド層107の境界領域と、p型ガイド層107とp型クラッド層108の境界領域においては、NH3流量を3倍とした結果、Mg濃度が約1019cm-3に低下した。また、図3に示すように、Mg濃度の変化は急激ではなく、比較的緩やかに変化していることが特徴的であった。これは、NH3の流量を変えてドーピング濃度を制御する場合の特徴である。これに対して、たとえばCp2Mg量を変えてMg濃度を制御する場合は、Mg濃度の変化が急峻である。 After the heat treatment, a part of the nitride semiconductor laser device was cut out and the Mg concentration was measured by SIMS (secondary ion mass spectrometer). As a result, a profile of Mg concentration in the p-type layer as shown in FIG. 3 was obtained. . For comparison, FIG. 3 shows the Mg concentration of a conventional product grown by a normal method. The Mg concentration of each of the carrier block layer 106, the p-type guide layer 107 and the p-type cladding layer 108 grown at a normal NH 3 flow rate was constant at about 10 20 cm −3 . On the other hand, in the boundary region between the carrier block layer 106 and the p-type guide layer 107 and the boundary region between the p-type guide layer 107 and the p-type cladding layer 108, as a result of triple the NH 3 flow rate, the Mg concentration is It decreased to about 10 19 cm −3 . Further, as shown in FIG. 3, the change in Mg concentration was not abrupt but characteristically changed relatively slowly. This is a characteristic when the doping concentration is controlled by changing the flow rate of NH 3 . On the other hand, for example, when the Mg concentration is controlled by changing the amount of Cp 2 Mg, the change in the Mg concentration is steep.

以上の手法で結晶成長した試料を、通常のプロセスを経てチップ分割し、ステムにマウントして特性を評価した。その結果、本発明の素子では、光出力200mW時の駆動電圧が4.5Vであり、従来構造の素子の5.5Vに比べて低い電圧となった。また、Cp2Mgの流量を変えてMg濃度プロファイルを同様に制御した試料を、同様にマウントして特性を確認した結果、光出力200W時の駆動電圧は4.9Vであった。したがって、NH3の流量を変えてMgの濃度プロファイルを制御する方法は、Cp2Mgの流量を変えてMg濃度プロファイルを制御する方法より、顕著な電圧低減効果が見られた。NH3の流量を変える方法では、境界領域でのMg濃度の変化が緩やかであるため、GaN−AlGaNまたはAlGaN−GaNのヘテロ境界領域でのバンド不連続を緩和する程度が大きいためであると考えられる。 The sample grown by the above method was divided into chips through a normal process and mounted on a stem to evaluate the characteristics. As a result, in the device of the present invention, the driving voltage at an optical output of 200 mW was 4.5V, which was lower than the 5.5V of the device having the conventional structure. In addition, a sample in which the Mg concentration profile was similarly controlled by changing the flow rate of Cp 2 Mg was mounted in the same manner, and the characteristics were confirmed. As a result, the driving voltage at an optical output of 200 W was 4.9 V. Therefore, the method of controlling the Mg concentration profile by changing the flow rate of NH 3 showed a remarkable voltage reduction effect than the method of controlling the Mg concentration profile by changing the flow rate of Cp 2 Mg. In the method of changing the flow rate of NH 3 , the change in Mg concentration in the boundary region is gradual, so that the degree of relaxation of the band discontinuity in the hetero boundary region of GaN-AlGaN or AlGaN-GaN is large. It is done.

つぎに、本発明の素子を、光出力200mWで80℃の条件下、寿命試験を行なった。その結果、5000時間以上の寿命を有することがわかった。従来構造の素子では、駆動電圧が高く、投入電力が大きいため、熱の影響により、3000時間以下の寿命である。したがって、長寿命化を図ることができた。   Next, the life test of the device of the present invention was conducted under the condition of 80 ° C. with an optical output of 200 mW. As a result, it was found to have a lifetime of 5000 hours or more. The element having a conventional structure has a high driving voltage and a large input power, and therefore has a life of 3000 hours or less due to heat. Therefore, it was possible to extend the life.

実施の形態2
本実施の形態では、p型不純物としてMgの代わりにZnを用いた以外は、実施の形態1と同様にして、NH3の流量を変えてZn濃度を制御し、半導体レーザ素子を製造した。得られたレーザ素子を同様にマウントし、特性を確認した結果、光出力200W時の駆動電圧は4.8Vであった。したがって、従来構造の素子より、駆動電圧が低減できたが、実施の形態1におけるMgの濃度プロファイルを制御した素子より駆動電圧が高い結果となった。これは、ZnとMgのボーア半径がMg>Znであるため、Znの方がMgより価電子の束縛エネルギーが大きくなり、エネルギーバンドで価電子帯上端を基準に取ったときの禁制帯中のエネルギー順位がZn>Mgとなるためであると考えられる。さらに、実施の形態1と同様に、光出力200mWで80℃の条件下、寿命試験を行なった結果、4000時間の寿命が確認された。Mgより信頼性が低い理由は、母体結晶中において、MgよりZnの方が拡散しているためと考えられる。
Embodiment 2
In the present embodiment, a semiconductor laser device was manufactured by controlling the Zn concentration by changing the NH 3 flow rate in the same manner as in the first embodiment except that Zn was used as the p-type impurity instead of Mg. The obtained laser element was mounted in the same manner and the characteristics were confirmed. As a result, the driving voltage at an optical output of 200 W was 4.8V. Therefore, although the driving voltage could be reduced as compared with the element having the conventional structure, the driving voltage was higher than that of the element controlling the Mg concentration profile in the first embodiment. This is because, since the Bohr radius of Zn and Mg is Mg> Zn, Zn has higher binding energy of valence electrons than Mg, and is in the forbidden band when taking the upper end of the valence band in the energy band as a reference. This is probably because the energy ranking is Zn> Mg. Further, as in the first embodiment, a life test was performed under the conditions of an optical output of 200 mW and 80 ° C. As a result, a life of 4000 hours was confirmed. The reason why the reliability is lower than that of Mg is considered to be that Zn is diffused more than Mg in the host crystal.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

大容量記録を目的とした光ディスクシステムに好適であり、高密度化および高速書込みが可能な信頼性の高い高出力青色発光半導体レーザ素子を提供することができる。   It is suitable for an optical disk system for large-capacity recording, and can provide a highly reliable high-power blue light emitting semiconductor laser element capable of high density and high speed writing.

実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す図であり、(a)は、断面図であり、(b)は、斜視図である。2A and 2B are diagrams showing the structure of the nitride semiconductor laser device according to the first embodiment, where FIG. 3A is a cross-sectional view, and FIG. 実施の形態1における結晶成長時のアンモニア流量の変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a change in the ammonia flow rate during crystal growth in the first embodiment. 実施の形態1における窒化物半導体レーザ素子のp型層における、Mg濃度のプロファイルを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a profile of Mg concentration in the p-type layer of the nitride semiconductor laser element in the first embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

101 基板、102 n型GaN層、103 n型AlGaNクラッド層、104 n型GaNガイド層、105 多重量子井戸発光層、106 p型AlGaNキャリアブロック層、107 p型GaNガイド層、108 p型AlGaNクラッド層、109 p型GaNコンタクト層、110 リッジ部、111 絶縁膜、112 p電極、113 n電極、114 ARコート膜、115 HRコート膜、116 窒化物半導体レーザ素子。   101 substrate, 102 n-type GaN layer, 103 n-type AlGaN cladding layer, 104 n-type GaN guide layer, 105 multiple quantum well light emitting layer, 106 p-type AlGaN carrier block layer, 107 p-type GaN guide layer, 108 p-type AlGaN cladding Layer, 109 p-type GaN contact layer, 110 ridge portion, 111 insulating film, 112 p electrode, 113 n electrode, 114 AR coat film, 115 HR coat film, 116 nitride semiconductor laser element.

Claims (4)

n型窒化物半導体からなる第1の層と、p型窒化物半導体からなる第2の層と、第1の層と第2の層の間に発光層を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記発光層は、AlGaInNからなる井戸層と、AlGaNからなる障壁層とで構成される量子井戸構造を有し、
前記第2の層は、p型不純物濃度が第2の層内で変化していることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
A nitride semiconductor laser device having a first layer made of an n-type nitride semiconductor, a second layer made of a p-type nitride semiconductor, and a light emitting layer between the first layer and the second layer. ,
The light emitting layer has a quantum well structure including a well layer made of AlGaInN and a barrier layer made of AlGaN,
The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the second layer has a p-type impurity concentration changed in the second layer.
前記p型不純物が、Mg,ZnもしくはBeまたはこれらの混合物であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。   2. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the p-type impurity is Mg, Zn, Be, or a mixture thereof. 前記第2の層が複数の層により構成され、第2の層のうち発光層側に位置する層であって、少なくとも1対の隣接する層の境界領域におけるp型不純物濃度が、第2の層の他の領域におけるp型不純物濃度より低いことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The second layer is composed of a plurality of layers, and is a layer located on the light emitting layer side of the second layer, and the p-type impurity concentration in the boundary region of at least one pair of adjacent layers is The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the nitride semiconductor laser element is lower than a p-type impurity concentration in another region of the layer. 前記第2の層が複数の層により構成され、第2の層のうち発光層側に位置する層のAl組成比が、第2の層の他の領域におけるAl組成比より高いことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。   The second layer is composed of a plurality of layers, and the Al composition ratio of the second layer located on the light emitting layer side is higher than the Al composition ratio in other regions of the second layer. The nitride semiconductor laser device according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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