JP2009071127A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、より詳細には、窒化物半導体層の歪及び偏光を利用した窒化物半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser device, and more particularly to a nitride semiconductor laser device utilizing strain and polarization of a nitride semiconductor layer.
窒化物半導体レーザ素子は、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス等の多くの分野で広く使用されている。特に、III−Ｖ族窒化物系半導体材料（例えば、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））からなる窒化物半導体レーザ素子は、高出力化が実現され、光ディスクへの高速書き込み、レーザディスプレイへの応用等、新たな技術分野に実用されている。 Nitride semiconductor laser devices are widely used in many fields such as electronics and optoelectronics. In particular, a nitride semiconductor laser element made of a III-V nitride semiconductor material (for example, Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1)) has high output. It has been realized and used in new technical fields such as high-speed writing on optical discs and application to laser displays.
このような窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板のＣ面（０００１）上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層、ｎ型ＧａＮからなる光ガイド層、ＩｎＧａＮを含む量子井戸構造からなる活性層、アンドープＧａＮキャップ層、ｐ型ＧａＮからなる光ガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層、絶縁層等が順次積層され、ｐ型クラッド層表面にリッジストライプ構造が形成されている。リッジストライプ構造によって、利得分布により導波モードが形成され、注入される電流の増加に伴って活性層内のキャリア密度が上昇し、その値がしきい値に達するとレーザ発振が得られる。 Such a nitride semiconductor laser device has an n-type cladding layer made of n-type AlGaN, a light guide layer made of n-type GaN, and a quantum well structure containing InGaN on the C-plane (0001) of the n-type GaN substrate. An active layer, an undoped GaN cap layer, a light guide layer made of p-type GaN, a p-type clad layer made of p-type AlGaN, an insulating layer, and the like are sequentially laminated, and a ridge stripe structure is formed on the surface of the p-type clad layer. A waveguide mode is formed by the gain distribution due to the ridge stripe structure, and the carrier density in the active layer increases as the injected current increases. When the value reaches the threshold value, laser oscillation is obtained.
しかし、ＧａＮ基板のＣ面上にＩｎＧａＮ活性層を形成すると、ＧａＮとＩｎＧａＮとの格子定数が異なるため、結晶構造に歪みが生じ、内部電界、つまりピエゾ電界を発生させ、バンド構造が変化するため、電子と正孔の再結合効率が下がり、結果として半導体レーザの外部量子効率を低下させる一因となる。この現象は、長波長（例えば、青緑色〜緑色の波長）の窒化物半導体レーザ素子を作製する上で特に顕著に現れる。 However, when an InGaN active layer is formed on the C-plane of a GaN substrate, the lattice constants of GaN and InGaN differ, so the crystal structure is distorted, generating an internal electric field, that is, a piezoelectric field, and changing the band structure. As a result, the recombination efficiency of electrons and holes is lowered, and as a result, the external quantum efficiency of the semiconductor laser is lowered. This phenomenon is particularly prominent when a nitride semiconductor laser device having a long wavelength (for example, a blue-green to green wavelength) is manufactured.
内部電界はＣ軸方向に沿って発生することから、ＧａＮ基板上に成長させる窒化物半導体層の成長軸をＣ軸方向から傾いた方向に設定すれば、成長軸方向へ及ぼす内部電界の影響を弱めることができることが知られている（非特許文献１及び２）。
そこで、ＧａＮ結晶のＣ面に垂直なＡ面又はＭ面とよばれる非極性面、あるいはＣ面に対して傾斜した半極性面とよばれる面を成長面とし、それぞれの面の法線方向を成長軸として窒化物半導体レーザ素子を作製する研究が進められている（特許文献１）。
Therefore, a nonpolar plane called A plane or M plane perpendicular to the C plane of the GaN crystal, or a plane called semipolar plane inclined with respect to the C plane is used as the growth plane, and the normal direction of each plane is defined as the growth plane. Research for producing a nitride semiconductor laser element as a growth axis is underway (Patent Document 1).
しかし、いずれの従来技術においても、４００ｎｍ程度以上においても内部電界の影響を受けていると考えられ、さらに、４８０ｎｍ程度以上の長波長の窒化物半導体レーザ素子を実現するに至っておらず、より一層の研究が求められている。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、窒化物半導体レーザ素子における内部電界を最小限に止め、高い発光効率を有する長波長の窒化物半導体レーザ素子を実現することを目的とする。
However, in any of the prior arts, it is considered that the influence of the internal electric field is exerted at about 400 nm or more, and a nitride semiconductor laser element having a long wavelength of about 480 nm or more has not been realized. Research is required.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a long-wavelength nitride semiconductor laser element having high emission efficiency by minimizing the internal electric field in the nitride semiconductor laser element.
本発明者らは、窒化物半導体層において発生する内部電界と歪との関係を鋭意研究することにより、ＧａＮ基板上に対してコヒーレントに、歪んで成長させた窒化物半導体層からなる活性層について、Ｃ面と成長面とのなす角度（crystal angle）θが高角度になるほど無偏光から直線偏光に変化すること、活性層における偏光は種々の物理的影響を受けるが、なかでも、歪による影響が最も大きいこと、つまり、歪が偏光を支配するという事実を見出し、さらに特定の下地層の組成、成長面と、特定の活性層の組成との組み合わせによって内部電界の影響を最小限に止め、歪を制御することにより偏光度を制御することが可能となり、これによって、特定の共振器面、特に劈開によって容易に作製することができる共振器面と組み合わせて有効に活性層からの光を共振させ、効率的に光を取り出すことができることを突き止め、本発明の完成に至った。 The inventors of the present invention have studied about the relationship between the internal electric field generated in the nitride semiconductor layer and the strain, and thereby the active layer composed of the nitride semiconductor layer grown in a strained manner coherently on the GaN substrate. The higher the angle between the C-plane and the growth plane (crystal angle θ), the more the light changes from non-polarized light to linearly-polarized light, and the polarization in the active layer is affected by various physical effects. Is found to be the largest, that is, the fact that the strain dominates the polarization, and further the influence of the internal electric field is minimized by the combination of the composition of the specific underlayer, the growth surface, and the composition of the specific active layer, By controlling the distortion, it becomes possible to control the degree of polarization, which makes it effective in combination with a specific resonator surface, particularly a resonator surface that can be easily fabricated by cleavage. Is resonated light from sexual layer, effectively ascertained that light can be extracted, thereby completing the present invention.
すなわち、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）からなる層を含む活性層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体層の成長面として、Ｃ面｛０００１｝とのなす角度がθ°である面を含み、かつ
前記窒化物半導体層及び活性層が、
ｘ＞（5.3049−0.09971θ＋0.0005496θ2）ｙ＋（−0.74714＋0.01998θ−0.00012855θ2) （ａ）
を満足する組成であることを特徴とする。
That is, the nitride semiconductor laser device of the present invention is
A nitride semiconductor layer including a layer made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1);
A nitride semiconductor laser device comprising: an active layer including a layer made of In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) formed on the nitride semiconductor layer;
The growth surface of the nitride semiconductor layer includes a surface whose angle formed with a C plane {0001} is θ °, and the nitride semiconductor layer and the active layer include
x> (5.3049−0.09971θ + 0.0005496θ 2 ) y + (− 0.74714 + 0.01998θ−0.00012855θ 2 ) (a)
The composition satisfies the above.
この窒化物半導体レーザ素子は、前記窒化物半導体層及び活性層が、さらに、
ｘ＞（4.5855−0.08047θ＋0.00041867θ2）ｙ＋（−0.02198＋0.00185θ−0.000008861θ2） （ｂ）
を満足するか、さらに、
ｘ＞（4.2757−0.07337θ＋0.0003752θ2）ｙ＋（0.5307−0.01131θ＋0.00007588θ2） （ｃ）
を満足することが好ましい。
前記θは３０°以上であることが好ましい。
In the nitride semiconductor laser element, the nitride semiconductor layer and the active layer are further
x> (4.5855−0.08047θ + 0.00041867θ 2 ) y + (− 0.02198 + 0.00185θ−0.000008861θ 2 ) (b)
Or even satisfy
x> (4.2757−0.07337θ + 0.0003752θ 2 ) y + (0.5307−0.01131θ + 0.00007588θ 2 ) (c)
Is preferably satisfied.
The θ is preferably 30 ° or more.
また、本発明の別の窒化物半導体レーザ素子は、
ＩｎzＡｌ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなる層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）からなる層を含む活性層とを備えることを特徴とする。
Another nitride semiconductor laser element of the present invention is
A nitride semiconductor layer including a layer made of In z Al 1-z N (0 <z ≦ 1);
And an active layer including a layer made of In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) formed on the nitride semiconductor layer.
この窒化物半導体レーザ素子では、前記窒化物半導体層及び活性層が、さらに、
ｙ＜(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ2)ｚ＋(0.22495＋0.00464θ＋0.000075524θ2) （Ａ）
を満足するか、さらに、
ｙ＜（0.69294−0.00728θ−0.000084122θ2)ｚ＋(0.09778＋0.00695θ＋0.00006299θ2) （Ｂ）
を満足するか、さらに、
ｙ＜(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ2)ｚ+(−0.0718＋0.01059θ＋0.000042061θ2) （Ｃ）
を満足することが好ましい。
In the nitride semiconductor laser element, the nitride semiconductor layer and the active layer are further
y <(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ 2 ) z + (0.22495 + 0.00464θ + 0.000075524θ 2 ) (A)
Or even satisfy
y <(0.69294−0.00728θ−0.000084122θ 2 ) z + (0.09778 + 0.00695θ + 0.00006299θ 2 ) (B)
Or even satisfy
y <(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ 2 ) z + (− 0.0718 + 0.01059θ + 0.000042061θ 2 ) (C)
Is preferably satisfied.
また、前記窒化物半導体層の成長面として、Ｃ面｛０００１｝とのなす角度がθ°である面を含み、該θは３０°以上であることが好ましい。 In addition, the growth surface of the nitride semiconductor layer includes a surface having an angle of θ ° with the C-plane {0001}, and the θ is preferably 30 ° or more.
さらに、上述した窒化物半導体レーザ素子は、前記窒化物半導体層は無歪の層であり、前記活性層は前記窒化物半導体層に対してコヒーレント成長してなる層であるか、
前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる層を含む窒化物半導体層は、成長面内の格子定数が無歪のＡｌxＧａ1-xＮと一致するか、
前記ＩｎzＡｌ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなる層を含む窒化物半導体層は、成長面内の格子定数が無歪のＩｎzＡｌ1-zＮと一致することが好ましい。
また、前記窒化物半導体層は、ＩｎzＡｌ1-zＮ（０＜ｚ≦０．７）であることが好ましい。
さらに、前記θが、Ｃ面｛０００１｝と｛１０−１３｝面とのなす角度以上であることが好ましい。
また、前記窒化物半導体層の成長面が、｛１１−２ｎ｝面（ただし、ｎは整数）又は｛１−１０ｍ｝面（ただし、ｍは整数）であることが好ましい。
Furthermore, in the nitride semiconductor laser element described above, the nitride semiconductor layer is an unstrained layer, and the active layer is a layer formed by coherent growth with respect to the nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor layer including a layer made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) has a lattice constant in the growth plane that matches that of unstrained Al x Ga 1-x N,
The nitride semiconductor layer including the layer made of In z Al 1 -z N (0 <z ≦ 1) preferably has a lattice constant in the growth plane that matches that of unstrained In z Al 1 -z N.
The nitride semiconductor layer is preferably In z Al 1-z N (0 <z ≦ 0.7).
Furthermore, it is preferable that the θ is equal to or larger than an angle formed by the C plane {0001} and the {10-13} plane.
The growth surface of the nitride semiconductor layer is preferably a {11-2n} plane (where n is an integer) or a {1-10m} plane (where m is an integer).
本発明のさらに別の窒化物半導体レーザ素子は、
｛１１−２ｎ｝面（ただし、ｎは整数）を成長面とし、Ａｌを含有する層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたＩｎを含有する活性層とを備え、
Ｍ面｛１−１００｝を共振器面とすることを特徴とする。
Still another nitride semiconductor laser device of the present invention is
A nitride semiconductor layer including a layer containing Al and having a {11-2n} plane (where n is an integer);
An active layer containing In formed on the nitride semiconductor layer,
The M plane {1-100} is a resonator plane.
この窒化物半導体レーザ素子では、窒化物半導体層は、｛１１−２４｝、｛１１−２２｝面又はＡ面｛１１−２０｝を成長面とすることが好ましい。 In this nitride semiconductor laser element, the nitride semiconductor layer preferably has a {11-24}, {11-22} plane or A-plane {11-20} as the growth plane.
さらに本発明の更なる別の窒化物半導体レーザ素子は、
｛１−１０ｍ｝面（ただし、ｍは整数）を成長面とし、Ａｌを含有する層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたＩｎを含有する活性層とを備え、
Ａ面｛１１−２０｝面を共振器面とすることを特徴とする。
Still another nitride semiconductor laser element of the present invention is
A nitride semiconductor layer including a layer containing Al and a {1-10m} plane (where m is an integer);
An active layer containing In formed on the nitride semiconductor layer,
The A plane {11-20} plane is a resonator plane.
この窒化物半導体レーザ素子では、窒化物半導体層は、[１−１０３｝、｛１−１０２｝、｛１−１０１｝面又はＭ面｛１−１００｝を成長面とすることが好ましい。 In this nitride semiconductor laser element, the nitride semiconductor layer preferably has a [1-103}, {1-102}, {1-101} plane or M plane {1-100} as a growth plane.
また、上述した窒化物半導体レーザ素子では、
窒化物半導体層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）又はＩｎzＡｌ1-zＮ（０＜ｚ≦１）であることが好ましい。
さらに、活性層は、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）であることが好ましい。
また、窒化物半導体レーザ素子の発振波長が４００ｎｍ以上において、前記窒化物半導体層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．３≦ｘ≦１）であるか、窒化物半導体レーザ素子の発振波長が５００ｎｍ以上において、前記窒化物半導体層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）であることが好ましい。
In the nitride semiconductor laser element described above,
The nitride semiconductor layer is preferably Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) or In z Al 1-z N (0 <z ≦ 1).
Furthermore, the active layer is preferably In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1).
In addition, when the oscillation wavelength of the nitride semiconductor laser element is 400 nm or more, the nitride semiconductor layer is Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ x ≦ 1) or the oscillation wavelength of the nitride semiconductor laser element Is 500 nm or more, the nitride semiconductor layer is preferably Al x Ga 1-x N (0.5 ≦ x ≦ 1).
さらに、窒化物半導体層は、Ａｌを含有する第１層と、その上にコヒーレント成長した第２層との積層構造であることが好ましい。
また、活性層は、Ｉｎの組成比が０．１〜０．５５であることが好ましい。
さらに、劈開により形成される共振器面を備えてなることが好ましい。
Furthermore, the nitride semiconductor layer preferably has a stacked structure of a first layer containing Al and a second layer coherently grown thereon.
The active layer preferably has an In composition ratio of 0.1 to 0.55.
Furthermore, it is preferable to have a resonator surface formed by cleavage.
本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子（以下、単に「レーザ素子」と記すことがある）における内部電界を最小限に止め、高い発光効率を有する長波長のレーザ素子を実現することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize a long-wavelength laser element having high emission efficiency by minimizing the internal electric field in a nitride semiconductor laser element (hereinafter sometimes simply referred to as “laser element”). It becomes.
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、少なくとも特定の窒化物半導体層と、その上に形成された特定の活性層とを含んで構成される。
例えば、典型的には図１に示すように、主として、基板１０（例えば、窒化物半導体基板）の第１主面上に、特定の窒化物半導体層として第１窒化物半導体層１１、活性層１２及び第２窒化物半導体層１３が順に積層されており、第２窒化物半導体層１３の表面にはリッジ１４が形成されている。
また、少なくとも窒化物半導体層及び活性層の積層構造で互いに対向する端面には、共振器面が設けられ、共振器が形成されている。共振器面には保護膜が形成されており、さらに、埋込膜１５、ｐ電極１６、第２保護膜１７、ｐパッド電極１８等が適宜形成され、窒化物半導体基板１０の第１主面に対向する第２主面にｎ電極１９が形成されている。
The nitride semiconductor laser device of the present invention includes at least a specific nitride semiconductor layer and a specific active layer formed thereon.
For example, typically, as shown in FIG. 1, a first
In addition, at least the end faces facing each other in the laminated structure of the nitride semiconductor layer and the active layer are provided with a resonator surface to form a resonator. A protective film is formed on the resonator surface, and further, a buried
なお、本発明のレーザ素子では、リッジに代えて、例えば、窒化物半導体層に電流狭窄層を形成した構成でもよい。つまり、第１窒化物半導体層の上に、幅０．３〜２０μｍ程度のストライプ状の開口を有した膜厚０．０１μｍ〜５μｍ程度の絶縁層による電流狭窄層を配置し、この電流狭窄層の開口に露出した第１窒化物半導体層上に活性層を配置するような構成でもよい。
また、本発明のレーザ素子は、図２に示すように、窒化物半導体基板１０の第１主面側にｎ電極１９が形成されていてもよい。
In the laser device of the present invention, for example, a current confining layer may be formed in the nitride semiconductor layer instead of the ridge. That is, a current confinement layer made of an insulating layer having a thickness of about 0.01 μm to 5 μm having a stripe-shaped opening having a width of about 0.3 to 20 μm is disposed on the first nitride semiconductor layer. The active layer may be arranged on the first nitride semiconductor layer exposed in the opening.
In the laser device of the present invention, an n-
本発明においては、窒化物半導体層は、レーザ素子の下地層として機能する層を意味し、その機能は果たす限り、基板として形成されていてもよいし、基板の上に形成された単層又は積層構造によるクラッド層、ガイド層等であってもよい。つまり、基板、クラッド層、活性層の順に積層したものにおけるクラッド層、あるいは基板、クラッド層、ガイド層、活性層の順に積層したものにおけるクラッド層又はガイド層等としてもよい。 In the present invention, the nitride semiconductor layer means a layer that functions as a base layer of a laser element, and may be formed as a substrate, or a single layer or a single layer formed on the substrate as long as the function is fulfilled. A clad layer, a guide layer, or the like having a laminated structure may be used. That is, a clad layer in which the substrate, the clad layer, and the active layer are laminated in this order, or a clad layer or a guide layer in which the substrate, the clad layer, the guide layer, and the active layer are laminated in this order may be used.
窒化物半導体層として、その組成は特に限定されるものではなく、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）又はＩｎzＡｌ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなる層を含んで構成されていればよい。このような組成の層を用いることにより、その上に形成される活性層における歪を制御することが可能となり、内部電界を低減することができる。特に、前者の場合、得ようとするレーザ素子の発振波長が４００ｎｍ程度以上においてはｘが０．３〜１の範囲、発振波長が５００ｎｍ程度以上においてはｘが０．５〜１の範囲であることが適している。一方、後者の場合、結晶成長を考慮すると、ｚは０．７程度以下であることが好ましい。
この窒化物半導体層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）又はＩｎzＡｌ1-zＮ（０＜ｚ≦１）自体が無歪で形成されていることが好ましい。ここで無歪とは、ｘ又はｚの組成に対応して、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＮが本来有する物質固有の格子定数と一致している状態を意味する。このように無歪とすることにより、その上に形成される活性層に対して歪を内在させることができ、偏光を制御することが可能となる。
The composition of the nitride semiconductor layer is not particularly limited, and a layer made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) or In z Al 1-z N (0 <z ≦ 1) is used. What is necessary is just to be comprised including. By using a layer having such a composition, it becomes possible to control the strain in the active layer formed thereon, and the internal electric field can be reduced. In particular, in the former case, when the oscillation wavelength of the laser element to be obtained is about 400 nm or more, x is in the range of 0.3 to 1, and when the oscillation wavelength is about 500 nm or more, x is in the range of 0.5 to 1. Is suitable. On the other hand, in the latter case, z is preferably about 0.7 or less in consideration of crystal growth.
The nitride semiconductor layer is preferably formed of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) or In z Al 1-z N (0 <z ≦ 1) without distortion. Here, “no strain” means a state corresponding to the lattice constant inherent to the substance inherent in AlGaN or InAlN corresponding to the composition of x or z. By making no strain in this way, strain can be inherent in the active layer formed thereon, and polarization can be controlled.
窒化物半導体層は、基板として又は基板上に形成された層として機能する場合、いずれにおいても、上述したように、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＮが本来有する物質固有の格子定数と一致する状態を引き継ぐことができる限り、その上にいかなる半導体層が形成されていてもよい。例えば、窒化物半導体層として、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＮのように、Ａｌを含有する第１層と、その上にコヒーレント成長した第２層との積層構造が挙げられる。
ここで、第２層は、Ａｌを含有する層（組成が同じで、比が異なる層及び組成が異なる層の双方を含む）又はＡｌを含有しない層のいずれであってもよい。
また、コヒーレント成長とは、第１層と第２層との間の格子定数の差異がわずかであることに起因して、半導体の原子配列が伸縮し、結晶欠陥を生じずに結晶成長すること、いいかえると、第１層と第２層との界面で結晶の面が途切れない、あるいは両者の間で格子緩和が全くされていない又はわずかの格子緩和が行われているのみである状態を意味する。なお、格子緩和が行われる程度は、例えば、２０％程度以下、１５％程度以下、１０％程度以下が挙げられ、その程度をより小さくすることにより寿命等の特性を向上させることができる。
When the nitride semiconductor layer functions as a substrate or a layer formed on the substrate, in any case, as described above, it can take on a state that matches the lattice constant inherent to the substance inherent in AlGaN or InAlN. As long as it is, any semiconductor layer may be formed thereon. For example, the nitride semiconductor layer may be a stacked structure of a first layer containing Al and a second layer coherently grown thereon, such as AlGaN or InAlN.
Here, the second layer may be either a layer containing Al (including both layers having the same composition and different ratios and layers having different compositions) or a layer not containing Al.
In addition, coherent growth refers to crystal growth without causing crystal defects due to expansion and contraction of the atomic arrangement of the semiconductor due to a slight difference in lattice constant between the first layer and the second layer. In other words, it means that the crystal plane is not interrupted at the interface between the first layer and the second layer, or there is no lattice relaxation between them or only a slight lattice relaxation is performed. To do. Note that the degree of lattice relaxation is, for example, about 20% or less, about 15% or less, and about 10% or less, and by reducing the degree, characteristics such as lifetime can be improved.
例えば、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる層を含む窒化物半導体層は、成長面内の格子定数が無歪のＡｌxＧａ1-xＮと同程度であることが好ましい。また、ＩｎzＡｌ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなる層を含む窒化物半導体層は、成長面内の格子定数が無歪のＩｎzＡｌ1-zＮと同程度であることが好ましい。ここで無歪とは、ＡｌＮ、ＧａＮ又はＩｎＮ等を基準にｘ又はｚの比によって算出される値と一致することを意味する。また、無歪と同程度とは、本来の格子定数の±１０％程度以内、±５％程度以内、±２％程度以内、±１％程度以内を意味する。 For example, a nitride semiconductor layer including a layer made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) has a lattice constant in the growth plane comparable to that of unstrained Al x Ga 1-x N. Is preferred. In addition, the nitride semiconductor layer including a layer made of In z Al 1 -z N (0 <z ≦ 1) has a lattice constant in the growth plane comparable to that of strain-free In z Al 1 -z N. Is preferred. Here, the term “no strain” means that it matches the value calculated by the ratio of x or z with reference to AlN, GaN, InN or the like. Further, the same level as no strain means within about ± 10%, within about ± 5%, within about ± 2%, or within about ± 1% of the original lattice constant.
また、本発明のレーザ素子においては、上述した特定の組成の窒化物半導体層に代えて又は特定の組成に加えて、活性層を成長させる成長面が、Ｃ面｛０００１｝とのなす角度がθである面を含むことが好ましい。この場合、この窒化物半導体層が面一であって、その全面がＣ面｛０００１｝に対して角度θ°で交差する面を有するものであってもよいし、特開２００６−１２８６６１号公報等に記載されたように、基板の主面上に所定形状の開口を有する選択成長マスクを形成し、その上に窒化物半導体層を形成することにより、Ｃ面｛０００１｝に対して角度θ°で交差する成長面をその一部にもたせるものであってもよい。 Further, in the laser device of the present invention, the angle formed by the growth plane for growing the active layer with the C plane {0001} instead of the nitride semiconductor layer having the specific composition described above or in addition to the specific composition is It is preferable to include a plane that is θ. In this case, the nitride semiconductor layer may be flush, and the entire surface may have a plane that intersects the C plane {0001} at an angle θ °, or Japanese Patent Laying-Open No. 2006-128661. As described above, an angle θ with respect to the C plane {0001} is formed by forming a selective growth mask having an opening of a predetermined shape on the main surface of the substrate and forming a nitride semiconductor layer thereon. A part of the growth plane intersecting at a degree may be provided.
ここで、Ｃ面｛０００１｝とのなす角度θは、特に限定されるものではないが、意図する偏光を得るために、０°より大きく、９０°以下であることが適している。また、用いる窒化物半導体層のより安定した結晶面を利用するとともに、偏光した光をより効率的にレーザ光として利用するために、３０°以上であることが好ましい。この角度は、例えば、Ｃ面｛０００１｝と｛１０−１３｝面とのなす角度に対応し、この角度以上であることが好ましい。
さらに、窒化物半導体層の安定した結晶面を利用するという観点から、窒化物半導体層の成長面として、例えば、｛１１−２ｎ｝面（ただし、ｎは整数）、｛１−１０ｍ｝面（ただし、ｍは整数）が例示される。なお、ｎ及びｍはそれぞれ０〜４であることが好ましい。
Here, the angle θ formed with the C plane {0001} is not particularly limited, but in order to obtain the intended polarized light, it is suitable that the angle θ is larger than 0 ° and not larger than 90 °. Further, in order to use a more stable crystal plane of the nitride semiconductor layer to be used and to use polarized light more efficiently as laser light, the angle is preferably 30 ° or more. This angle corresponds to, for example, the angle formed by the C plane {0001} and the {10-13} plane, and is preferably equal to or greater than this angle.
Further, from the viewpoint of utilizing a stable crystal plane of the nitride semiconductor layer, for example, a {11-2n} plane (where n is an integer), {1-10m} plane ( However, m is an integer). In addition, it is preferable that n and m are 0-4, respectively.
これらの面のＣ面｛０００１｝とのなす角度θは、それぞれ以下のとおりである。
｛１１−２４｝面（約３９°）、
｛１１−２２｝面（約５８°）、
Ａ面｛１１−２０｝（９０°）、
｛１−１０３｝面（約３２°）、
｛１−１０２｝面（約４３°）、
｛１−１０１｝面（約６２°）、
Ｍ面｛１−１００｝（９０°）。
なお、本明細書においては、面指数を表す括弧内のバー（−）は、直後の数字の上に付すべきバーを表すものとする。また、中カッコで示す面指数は、それに等価な面の全てを包含することを意味する。具体的には、｛１−１００｝面は、（０１−１０）、（１０−１０）、（１−１００）、（０−１１０）、（−１０１０）、（−１１００）を示す。
特に、本発明のレーザ素子では、Ｃ面｛０００１｝とのなす角度θは、上述した範囲において、窒化物半導体層及び活性層の組成に応じて、後述する値をとることが好ましい。
The angles θ between these planes and the C plane {0001} are as follows.
{11-24} plane (about 39 °),
{11-22} plane (about 58 °),
A surface {11-20} (90 °),
{1-103} plane (about 32 °),
{1-102} plane (about 43 °),
{1-101} plane (about 62 °),
M plane {1-100} (90 °).
In the present specification, a bar (-) in parentheses representing an area index represents a bar to be added on the immediately following number. In addition, the face index indicated by the curly braces means that all faces equivalent to it are included. Specifically, the {1-100} plane indicates (01-10), (10-10), (1-100), (0-110), (-1010), (-1100).
In particular, in the laser element of the present invention, it is preferable that the angle θ formed with the C plane {0001} takes a value described later in accordance with the composition of the nitride semiconductor layer and the active layer within the above-described range.
本発明における窒化物半導体層は、当該分野で公知の方法、例えば、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。また、市販の基板を窒化物半導体層として用いてもよい。窒化物半導体層が基板自体でない場合には、支持基板上に形成されたものであってもよい。この場合の支持基板は、絶縁性基板（サファイア基板等）であってもよいし、導電性基板（ＧａＮ基板等）であってもよい。支持基板としては、例えば、第１主面及び／又は第２主面に０〜１０°程度のオフ角を有するものであってもよい。 The nitride semiconductor layer in the present invention is formed by a method known in the art, for example, MOVPE (metal organic chemical vapor deposition), MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor deposition), MBE ( It can be formed by vapor phase growth method such as molecular beam epitaxy method), hydrothermal synthesis method for crystal growth in supercritical fluid, high pressure method, flux method, melting method and the like. A commercially available substrate may be used as the nitride semiconductor layer. When the nitride semiconductor layer is not the substrate itself, it may be formed on the support substrate. In this case, the support substrate may be an insulating substrate (such as a sapphire substrate) or a conductive substrate (such as a GaN substrate). As the support substrate, for example, the first main surface and / or the second main surface may have an off angle of about 0 to 10 °.
なお、窒化物半導体層としては、III族元素としてＢが一部に置換されたものを用いてもよいし、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。また、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＣｄなどのＩＶ族元素又はＶＩ族元素等のいずれか１つ以上を含有していてもよい。あるいは、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等を含有していてもよい。不純物は、例えば、５×１０16／ｃｍ3〜１×１０21／ｃｍ3程度の濃度範囲が挙げられる。 The nitride semiconductor layer may be a group III element in which B is partially substituted, or a group V element in which N is partially substituted with P and As. Good. Moreover, as an n-type impurity, you may contain any one or more of IV group elements or VI group elements, such as Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr, and Cd. Or you may contain Mg, Zn, Be, Mn, Ca, Sr etc. as a p-type impurity. Examples of the impurity include a concentration range of about 5 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 .
本発明におけるレーザ素子の活性層は、上述した窒化物半導体層の成長面上に形成されているものであり、レーザ素子の発振波長として長波長のものを得るという観点から、Ｉｎを含有する半導体層であることが適している。特に、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）からなる層を含むことが好ましく、Ｉｎを含有しない半導体層が含まれる場合には、活性層全体の平均組成が上記のように表せるものであればよい。この場合、Ｉｎの組成、つまりｙは、０．１〜０．５５程度であることが好ましい。Ｉｎの組成を、例えば、０．３〜０．５５と増大することにより、今まで実現されていなかった４８０ｎｍ程度〜６５０ｎｍ程度の発振波長のレーザ素子を得ることができる。また、Ｉｎの組成を０．１程度以上とすることにより、現状で得られているレーザ素子に比較して、活性層における歪により生じる内部電界を低減させるとともに、偏光を効率的に利用することが可能となり、例えば、低しきい値電流等のより高い特性を得ることが可能となる。 The active layer of the laser element in the present invention is formed on the growth surface of the nitride semiconductor layer described above, and from the viewpoint of obtaining a long wavelength as the oscillation wavelength of the laser element, a semiconductor containing In A layer is suitable. In particular, it is preferable to include a layer made of In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1). When a semiconductor layer not containing In is included, the average composition of the entire active layer can be expressed as described above. Anything is acceptable. In this case, the composition of In, that is, y is preferably about 0.1 to 0.55. By increasing the In composition to, for example, 0.3 to 0.55, a laser element having an oscillation wavelength of about 480 nm to about 650 nm, which has not been realized so far, can be obtained. In addition, by making the In composition about 0.1 or more, the internal electric field generated by the strain in the active layer can be reduced and polarized light can be used efficiently compared to the laser element obtained at present. For example, higher characteristics such as a low threshold current can be obtained.
特に、Ｉｎの組成であるｙと、上述したＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる層を含んで構成される窒化物半導体層のＡｌの組成であるｘと、この窒化物半導体層の成長面のＣ面｛０００１｝とのなす角度θとの間には、以下の関係が成立することが好ましい。
ｘ＞（5.3049−0.09971θ＋0.0005496θ2）ｙ＋（−0.74714＋0.01998θ−0.00012855θ2) （ａ）
ｘ＞（4.5855−0.08047θ＋0.00041867θ2）ｙ＋（−0.02198＋0.00185θ−0.000008861θ2） （ｂ）
ｘ＞（4.2757−0.07337θ＋0.0003752θ2）ｙ＋（0.5307−0.01131θ＋0.00007588θ2） （ｃ）
このような式を満足する値ｘ、ｙ及びθをとることにより、活性層における歪、ひいては偏光度Ｐを制御することが可能となり、所望の偏光度Ｐの光を効率的にレーザ発振に利用することが可能となる。
In particular, y which is the composition of In, x which is the composition of Al of the nitride semiconductor layer including the layer made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) described above, and this nitridation The following relationship is preferably established between the angle θ formed by the C plane {0001} of the growth surface of the physical semiconductor layer.
x> (5.3049−0.09971θ + 0.0005496θ 2 ) y + (− 0.74714 + 0.01998θ−0.00012855θ 2 ) (a)
x> (4.5855−0.08047θ + 0.00041867θ 2 ) y + (− 0.02198 + 0.00185θ−0.000008861θ 2 ) (b)
x> (4.2757−0.07337θ + 0.0003752θ 2 ) y + (0.5307−0.01131θ + 0.00007588θ 2 ) (c)
By taking values x, y, and θ that satisfy such an expression, it becomes possible to control the strain in the active layer, and thus the degree of polarization P, and efficiently use light of the desired degree of polarization P for laser oscillation. It becomes possible to do.
なお、本発明では、偏光度Ｐは、無偏光の場合０であり、直線偏光の場合±１である。また、図３に示すように、窒化物半導体層の（１１−２２）面を成長面とする場合、例えば、［１−１００］へ直線偏光していれば＋１、それに垂直な［−１−１２３］に直線偏光していれば−１と定義する。 In the present invention, the degree of polarization P is 0 for non-polarized light and ± 1 for linearly polarized light. Also, as shown in FIG. 3, when the (11-22) plane of the nitride semiconductor layer is used as the growth plane, for example, +1 is linearly polarized to [1-100], and [-1- 123] is defined as −1.
一般に、偏光を決定する要因である半導体中の電子状態を記述する式として、シュレディンガー方程式がある。また、この方程式を解く手法として、ｋｐ摂動法とよばれる方法（PHYSICAL REVIEW B, Volume 59, NUMBER 7 pp4725-4737に記載）がある。このｋｐ摂動法における上記論文中の式（１）の行列を対角化することが、シュレディンガー方程式を解くことと等価であり、
Ｐ＝（Ｍｙ’2−Ｍｘ’2）／（Ｍｙ’2＋Ｍｘ’2） （ｄ）
として偏光度Ｐを求めることができる。
In general, there is a Schrodinger equation as an equation that describes an electronic state in a semiconductor that is a factor that determines polarization. As a method for solving this equation, there is a method called a kp perturbation method (described in PHYSICAL REVIEW B, Volume 59, NUMBER 7 pp4725-4737). Diagonalizing the matrix of equation (1) in the above paper in this kp perturbation method is equivalent to solving the Schrodinger equation,
P = (My ′ 2 −Mx ′ 2 ) / (My ′ 2 + Mx ′ 2 ) (d)
The degree of polarization P can be obtained as
つまり、発光に寄与する電子状態に着目し、上述した式（１）の光学遷移行列要素Ｍｘ’及びＭｙ’を求める。これらの光学遷移行列要素Ｍｘ’及びＭｙ’は、ある方向ｘ’又はｙ’（ｘ’とｙ’とは直交）に偏光した光の放出しやすさを意味する。ｙ’方向に偏光していれば、ｘ’方向での遷移はなく、Ｍｘ’＝０であり、Ｐ＝１となり、逆にｘ’方向に偏光していれば、Ｍｙ’＝０であり、ｐ＝−１となり、どちらにも同じように偏光していれば、Ｍｘ’＝Ｍｙ’により、Ｐ＝０となる。 That is, paying attention to the electronic state contributing to light emission, the optical transition matrix elements Mx ′ and My ′ of the above-described formula (1) are obtained. These optical transition matrix elements Mx 'and My' mean the ease of emitting light polarized in a certain direction x 'or y' (x 'and y' are orthogonal). If it is polarized in the y ′ direction, there is no transition in the x ′ direction, Mx ′ = 0 and P = 1, and conversely if it is polarized in the x ′ direction, My ′ = 0. If p = −1 and both are similarly polarized, M = 0 ′ = My ′ and P = 0.
このようなことから、上述した式（ａ）においては、偏光度Ｐ＜０．５となる。これによって、所定の方向に活性層からの光を偏光させることができるため、半導体レーザにおける内部電界を低減することができ、しきい値電流の低減、ひいては発光効率の向上を図ることができる。
また、上述した式（ｂ）を満足することにより、偏光度Ｐ＜０を実現することができる。これによって、活性層からの光が無偏光であるために光の利用という点では、従来のレーザ素子と同様であるが、活性層における歪を制御して、内部電界を低減することができ、しきい値電流の低減、ひいては発光効率のより一層の向上を図ることができる。
さらに、上述した式（ｃ）を満足することにより、偏光度Ｐ＜−０．５を実現することができる。これによって、活性層からの光を、最も光が取り出しやすい方向に偏光させることができ、さらに、劈開によって形成しやすい共振器面からレーザ光を取り出すことができる方向のみに偏光させることができる。その結果、内部電界及びしきい値電流の低減とともに、非常に発光効率を増大させることが可能となる。
For this reason, in the above-described equation (a), the degree of polarization P <0.5. Accordingly, light from the active layer can be polarized in a predetermined direction, so that the internal electric field in the semiconductor laser can be reduced, and the threshold current can be reduced, and the luminous efficiency can be improved.
Moreover, the degree of polarization P <0 can be realized by satisfying the above-described equation (b). Thereby, since the light from the active layer is non-polarized light, the use of light is the same as that of the conventional laser element, but the strain in the active layer can be controlled to reduce the internal electric field, It is possible to reduce the threshold current and thereby further improve the light emission efficiency.
Furthermore, the degree of polarization P <−0.5 can be realized by satisfying the above-described formula (c). Thereby, the light from the active layer can be polarized in the direction in which the light is most easily extracted, and further, can be polarized only in the direction in which the laser light can be extracted from the resonator surface that is easily formed by cleavage. As a result, it is possible to greatly increase the luminous efficiency as well as to reduce the internal electric field and the threshold current.
例えば、上述した式（１）及び式（ｄ）を利用して求められた偏光度Ｐは、例えば、図４の（Ａ）〜（Ｄ）に示すグラフにおける曲線で表される。つまり、ＩｎyＧａ1-yＮからなる活性層におけるＩｎ組成をそれぞれ０．１、０．１５、０．３５及び０．５５とした場合、ＡｌxＧａ1-xＮからなる窒化物半導体層の組成及び窒化物半導体の成長面とＣ面｛０００１｝とのなす角度θとを変動させることによって、偏光度Ｐを種々の値に調整することができる。なお、図４の（Ａ）〜（Ｄ）において、０で表される曲線は式（ｂ）に対応し（ただし、不等号は等号となる、以下同じ）、−０．４と−０．６との曲線の間の略−０．５付近は、式（ｃ）に対応し、０．４と０．６との曲線の間の略０．５で表される付近は、式（ａ）に対応することは、上述したとおりである。 For example, the degree of polarization P obtained using the above-described formulas (1) and (d) is represented by, for example, curves in the graphs shown in (A) to (D) of FIG. That is, when the In composition in the active layer made of In y Ga 1-y N is 0.1, 0.15, 0.35, and 0.55, respectively, the nitride semiconductor layer made of Al x Ga 1-x N The degree of polarization P can be adjusted to various values by changing the composition and the angle θ formed by the nitride semiconductor growth surface and the C-plane {0001}. 4A to 4D, the curve represented by 0 corresponds to the formula (b) (note that the inequality sign is an equal sign, the same applies hereinafter), and −0.4 and −0. The vicinity of approximately −0.5 between the curves of 6 corresponds to the expression (c), and the vicinity of approximately 0.5 between the curves of 0.4 and 0.6 corresponds to the expression (a ) Is as described above.
図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、上述した式（ａ）〜（ｃ）を具体的に表すとともに、説明を簡単にするために、特定の活性層の組成での偏光度Ｐ、窒化物半導体層の組成及びθの変化を示しているが、種々の活性層の組成においても、上述した式（ａ）〜（ｃ）に従って、同様に偏光度Ｐ、窒化物半導体層の組成及びθを決定することができる。 4A to 4D specifically represent the above-described formulas (a) to (c), and in order to simplify the explanation, the degree of polarization P and nitridation at a specific active layer composition are illustrated. Although the composition of the oxide semiconductor layer and the change in θ are shown, the polarization degree P, the composition of the nitride semiconductor layer, and θ are similarly determined in various active layer compositions according to the above-described formulas (a) to (c). Can be determined.
さらに具体的に、結晶性が安定である代表的な結晶面（つまり、特定のθを示す成長面）を有するＡｌxＧａ1-xＮからなる窒化物半導体層とＩｎyＧａ1-yＮからなる活性層との組成を示す。
偏光度Ｐを所定の値よりも小さい値にしようとする場合、ｘ＞ａｙ＋ｂの関係を満たすように設定すればよい。ここでａ及びｂは、上述した式（ａ）〜式（ｃ）から算出した値であって、以下の表１に示すとおりである。
More specifically, a nitride semiconductor layer made of Al x Ga 1-x N having a typical crystal plane with stable crystallinity (that is, a growth plane exhibiting a specific θ) and In y Ga 1-y N The composition with an active layer consisting of
When the degree of polarization P is to be made smaller than a predetermined value, it may be set so as to satisfy the relationship x> ay + b. Here, a and b are values calculated from the above-described formulas (a) to (c), as shown in Table 1 below.
例えば、[１１−２２]面を窒化物半導体層の成長面として、０未満の偏光度Ｐを得ようとする場合には、窒化物半導体層と活性層との組成を、ｘ＞１．３３３ｙ＋０．０５３を満たすようなｘ、ｙ、つまり、各層の組成を選択すればよい。
For example, when the [11-22] plane is used as the growth plane of the nitride semiconductor layer and the degree of polarization P is less than 0, the composition of the nitride semiconductor layer and the active layer is set to x> 1.333
また、本発明のレーザ素子では、Ｉｎの組成であるｙと、上述したＩｎzＡｌ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなる層を含んで構成される窒化物半導体層のＩｎの組成であるｚと、この窒化物半導体層の成長面のＣ面｛０００１｝とのなす角度θとの間には、以下の関係が成立することが好ましい。
ｙ＜(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ2)ｚ＋(0.22495＋0.00464θ＋0.000075524θ2)
（Ａ）
ｙ＜（0.69294−0.00728θ−0.000084122θ2)ｚ＋(0.09778＋0.00695θ＋0.00006299θ2) （Ｂ）
ｙ＜(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ2)ｚ+(−0.0718＋0.01059θ＋0.000042061θ2) （Ｃ）
このような式を満足する値ｚ、ｙ及びθをとることにより、活性層における歪、ひいては偏光度Ｐを制御することが可能となり、所望の偏光度Ｐの光を効率的にレーザ発振に利用することが可能となる。
In the laser device of the present invention, the composition of In in the nitride semiconductor layer including y, which is the composition of In, and the layer composed of In z Al 1-z N (0 <z ≦ 1) described above. And the angle θ formed by the C plane {0001} of the growth surface of the nitride semiconductor layer, the following relationship is preferably established.
y <(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ 2 ) z + (0.22495 + 0.00464θ + 0.000075524θ 2 )
(A)
y <(0.69294−0.00728θ−0.000084122θ 2 ) z + (0.09778 + 0.00695θ + 0.00006299θ 2 ) (B)
y <(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ 2 ) z + (− 0.0718 + 0.01059θ + 0.000042061θ 2 ) (C)
By taking values z, y, and θ that satisfy these equations, it is possible to control the strain in the active layer, and thus the degree of polarization P, and efficiently use light of the desired degree of polarization P for laser oscillation. It becomes possible to do.
このようなことから、上述した式（Ａ）においては、偏光度Ｐ＜０．５となる。これによって、所定の方向に活性層からの光を偏光させることができ、半導体レーザにおける内部電界を低減することができ、しきい値電流の低減、ひいては発光効率の向上を図ることができる。
また、上述した式（Ｂ）を満足することにより、偏光度Ｐ＜０を実現することができる。これによって、活性層からの光が無偏光であるために光の利用という点では、従来のレーザ素子と同様であるが、活性層における歪を制御して、内部電界を低減することができ、しきい値電流の低減、ひいては発光効率のより一層の向上を図ることができる。
さらに、上述した式（Ｃ）を満足することにより、偏光度Ｐ＜−０．５を実現することができる。これによって、活性層からの光を最も光が取り出しやすい方向に向けることができ、さらに、劈開によって形成しやすい共振器面からレーザ光を取り出すことができる方向のみに偏光させることができる。その結果、内部電界及びしきい値電流の低減とともに、非常に発光効率を増大させることが可能となる。
For this reason, in the above-described formula (A), the degree of polarization P <0.5. Thereby, the light from the active layer can be polarized in a predetermined direction, the internal electric field in the semiconductor laser can be reduced, the threshold current can be reduced, and the emission efficiency can be improved.
Moreover, the degree of polarization P <0 can be realized by satisfying the above-described formula (B). Thereby, since the light from the active layer is non-polarized light, the use of light is the same as that of the conventional laser element, but the strain in the active layer can be controlled to reduce the internal electric field, It is possible to reduce the threshold current and thereby further improve the light emission efficiency.
Furthermore, the degree of polarization P <−0.5 can be realized by satisfying the above-described formula (C). As a result, the light from the active layer can be directed in the direction in which the light is most easily extracted, and can be polarized only in the direction in which the laser light can be extracted from the resonator surface that is easily formed by cleavage. As a result, it is possible to greatly increase the luminous efficiency as well as to reduce the internal electric field and the threshold current.
例えば、この場合の偏光度Ｐは、例えば、図５の（Ａ）〜（Ｄ）に示すグラフにおける曲線で表される。つまり、ＩｎyＧａ1-yＮからなる活性層におけるＩｎ組成をそれぞれ０．１、０．１５、０．３５及び０．５５とした場合、ＩｎzＡｌ1-zＮからなる窒化物半導体層の組成及び窒化物半導体の成長面とＣ面｛０００１｝とのなす角度θとを変動させることによって、偏光度Ｐを種々の値に調整することができる。
なお、図５の（Ａ）〜（Ｄ）において、０で表される曲線は式（Ｂ）に対応し（ただし、不等号は等号となる、以下同じ）、−０．４と−０．６との曲線の間の略−０．５で表される付近は、式（Ｃ）に対応し、０．４と０．６との曲線の間の略０．５で表される曲線は、式（Ａ）に対応することは、上述したとおりである。
For example, the polarization degree P in this case is represented by a curve in a graph shown in FIGS. That is, when the In composition in the active layer made of In y Ga 1-y N is 0.1, 0.15, 0.35, and 0.55, respectively, the nitride semiconductor layer made of In z Al 1-z N The degree of polarization P can be adjusted to various values by changing the composition and the angle θ formed by the nitride semiconductor growth surface and the C-plane {0001}.
5A to 5D, the curve represented by 0 corresponds to the formula (B) (note that the inequality sign is an equal sign, the same applies hereinafter), and −0.4 and −0. The neighborhood represented by approximately -0.5 between the curves of 6 corresponds to the formula (C), and the curve represented by approximately 0.5 between the curves of 0.4 and 0.6 is Corresponding to the formula (A) is as described above.
図５の（Ａ）〜（Ｄ）は、上述した式（Ａ）〜（Ｃ）を具体的に表すとともに、説明を簡単にするために、特定の活性層の組成での偏光度Ｐ、窒化物半導体層の組成及びθの変化を示しているが、種々の活性層の組成においても、上述した式（Ａ）〜（Ｃ）に従って同様に、偏光度Ｐ、窒化物半導体層の組成及びθを決定することができる。 5A to 5D specifically represent the above-described formulas (A) to (C), and in order to simplify the explanation, the degree of polarization P and nitridation at a specific active layer composition In the composition of various active layers, the polarization degree P, the composition of the nitride semiconductor layer, and θ are similarly shown in the various active layer compositions according to the above formulas (A) to (C). Can be determined.
さらに具体的に、結晶性が安定である代表的な結晶面（つまり、特定のθを示す成長面）を有するＩｎzＡｌ1-zＮからなる窒化物半導体層とＩｎyＧａ1-yＮからなる活性層との組成は、偏光度Ｐを所定の値よりも小さい値にしようとする場合、ｙ＜Ａｚ＋Ｂの関係を満たすように設定すればよい。ここでＡ及びＢは、上述した式（Ａ）〜式（Ｃ）から算出した値であって、以下の表２に示すとおりである。 More specifically, a nitride semiconductor layer made of In z Al 1-z N having a typical crystal plane (that is, a growth plane exhibiting a specific θ) with stable crystallinity and In y Ga 1-y N The composition with the active layer may be set so as to satisfy the relationship y <Az + B when the degree of polarization P is to be smaller than a predetermined value. Here, A and B are values calculated from the above-mentioned formulas (A) to (C), as shown in Table 2 below.
例えば、[１１−２２]面を窒化物半導体層の成長面として、０未満の偏光度Ｐを得ようとする場合には、窒化物半導体層と活性層との組成を、ｙ＜−０．０１ｚ＋０．７１を満たすようなｚ、ｙ、つまり、各層の組成を選択すればよい。 For example, when the [11-22] plane is used as the growth plane of the nitride semiconductor layer and the degree of polarization P is less than 0, the composition of the nitride semiconductor layer and the active layer is set to y <−0. Z and y satisfying 01z + 0.71, that is, the composition of each layer may be selected.
なお、活性層は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。
活性層が、量子井戸構造である場合、井戸層と障壁層とが１以上の対で交互に形成される層を意味し、本発明では、井戸層又は障壁層のいずれが窒化物半導体層に接触してもよい。窒化物半導体層、井戸層及び障壁層、あるいは窒化物半導体層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層・・・の順に積層されることが好ましい。
また、活性層は、上述した窒化物半導体層に対してコヒーレント成長してなる層であることが好ましい。
Note that the active layer may have either a multiple quantum well structure or a single quantum well structure.
When the active layer has a quantum well structure, it means a layer in which well layers and barrier layers are alternately formed in one or more pairs, and in the present invention, either the well layer or the barrier layer is a nitride semiconductor layer. You may touch. It is preferable that the nitride semiconductor layer, the well layer and the barrier layer, or the nitride semiconductor layer, the well layer, the barrier layer, the well layer, the barrier layer,.
The active layer is preferably a layer formed by coherent growth with respect to the nitride semiconductor layer described above.
本発明のレーザ素子では、少なくとも窒化物半導体層及び活性層の積層構造における互いに対向する端面には共振器面が設けられている。特に、本発明のレーザ素子では、特定の組成を有する窒化物半導体層と活性層との組み合わせにより、活性層に内在する歪を制御することができ、これによって、活性層から発せられる光に偏光を与え、その方向を制御することができる。その結果、窒化物半導体層の成長面として所定の面を選択することによって、劈開によって得ることが容易な共振器面に垂直に光を共振させることができ、効率的に光を取り出すことが可能となる。 In the laser device of the present invention, a resonator surface is provided at least on the end surfaces facing each other in the laminated structure of the nitride semiconductor layer and the active layer. In particular, in the laser element of the present invention, the strain inherent in the active layer can be controlled by the combination of the nitride semiconductor layer having a specific composition and the active layer, thereby polarizing the light emitted from the active layer. And control its direction. As a result, by selecting a predetermined surface as the growth surface of the nitride semiconductor layer, light can resonate perpendicularly to the resonator surface that can be easily obtained by cleavage, and light can be extracted efficiently. It becomes.
共振器面としては、特に、結晶性が安定である面が好ましく、さらに、劈開によって形成することができる面であることが好ましい。なお、共振器面は、劈開のみならず、ＲＩＥ等によるドライエッチング等によって形成することができる。
このような共振器面としては、例えば、Ｍ面｛１−１００｝、Ａ面｛１１−２０｝面、Ｃ面｛０００１｝、Ｒ面｛１−１０２｝面等が挙げられる。なかでも、Ｍ面又はＡ面が好ましく、特に、窒化物半導体層の成長面が｛１１−２ｎ｝面（ただし、ｎは整数）である場合にはそれに直交するＭ面が、成長面が｛１−１０ｍ｝面（ただし、ｍは整数）である場合にはそれに直交するＡ面が好ましい。これらを組み合わせることにより、歪を制御して偏光を所望の方向に変化させることができ、活性層からの光の略全てをレーザ発振に利用することができるとともに、内部電界を最小限にとどめて、発光効率の向上、しきい値電流の低下等を可能にすることができる。
The resonator surface is particularly preferably a surface with stable crystallinity, and more preferably a surface that can be formed by cleavage. The resonator surface can be formed not only by cleavage but also by dry etching or the like by RIE or the like.
Examples of such a resonator plane include an M plane {1-100}, an A plane {11-20} plane, a C plane {0001}, an R plane {1-102} plane, and the like. In particular, the M plane or the A plane is preferable. In particular, when the growth surface of the nitride semiconductor layer is a {11-2n} plane (where n is an integer), the M plane orthogonal to the growth plane is { When it is a 1-10 m} plane (where m is an integer), the A plane orthogonal to it is preferred. By combining these, the strain can be controlled to change the polarization in a desired direction, and almost all of the light from the active layer can be used for laser oscillation, and the internal electric field can be minimized. It is possible to improve the light emission efficiency, lower the threshold current, and the like.
また、共振器面に形成される保護膜は、例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ等の酸化物、窒化物（例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＢＮ等）又はフッ化物等が挙げられる。また、窒化物半導体と格子定数が近い（例えば、窒化物半導体との格子定数の差が１５％以下）ものであれば、結晶性の良好な保護膜を形成することができる。保護膜は、レーザ光の取り出し面である共振器面の出射側のみならず、反射側に形成していてもよく、両者において、材料、膜厚等を異ならせてもよい。保護膜の膜厚は、例えば、５０Å〜１０００Å程度が挙げられる。 The protective film formed on the resonator surface is, for example, Si, Mg, Al, Hf, Nb, Zr, Sc, Ta, Ga, Zn, Y, B, Ti, or other oxides or nitrides (for example, AlN, AlGaN, GaN, BN, etc.) or fluoride. In addition, when the lattice constant is close to that of the nitride semiconductor (for example, the difference in lattice constant from the nitride semiconductor is 15% or less), a protective film with good crystallinity can be formed. The protective film may be formed not only on the emission side of the resonator surface, which is the laser light extraction surface, but also on the reflection side, and the material, film thickness, etc. may be different between the two. The thickness of the protective film is, for example, about 50 to 1000 mm.
本発明のレーザ素子において、活性層の上に形成される、表面にリッジを有する窒化物半導体層は、特に限定されることなく、一般式ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される半導体によって形成することができる。また、これに加えて、上述したように、その一部が、Ｂ、Ｐ、Ａｓ等で置換されたものであってもよい。さらに、適当なｎ型又はｐ型不純物を含有することが好ましい。このような窒化物半導体層は、上述したような公知の方法によって形成することができる。
リッジは、光導波路領域として機能するものであり、その幅は１．０μｍ〜３０．０μｍ程度とすることが好ましい。その高さ（エッチングの深さ）は、例えば、０．１〜２μｍが挙げられる。また、共振器方向の長さは２００μｍ〜５０００μｍ程度になるように設定することが好ましい。
In the laser device of the present invention, is formed on the active layer, a nitride semiconductor layer having a ridge on the surface is not particularly limited, the general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). In addition to this, as described above, a part thereof may be substituted with B, P, As or the like. Furthermore, it is preferable to contain an appropriate n-type or p-type impurity. Such a nitride semiconductor layer can be formed by a known method as described above.
The ridge functions as an optical waveguide region, and its width is preferably about 1.0 μm to 30.0 μm. The height (etching depth) is, for example, 0.1 to 2 μm. The length in the resonator direction is preferably set to be about 200 μm to 5000 μm.
通常、窒化物半導体層の表面及びリッジの側面にわたって、埋込膜が形成されている。
埋込膜は、窒化物半導体層よりも屈折率が小さな絶縁材料によって形成されていることが好ましい。埋込膜は、例えば、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎ等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等の絶縁膜又は誘電体膜の単層又は積層構造によって形成することができる。このように、リッジの側面から、リッジの両側の窒化物半導体表面にわたって保護膜が形成されていることにより、窒化物半導体層、特にｐ側半導体層に対する屈折率差を確保して、活性層からの光の漏れを制御することができ、リッジ内に効率的に光閉じ込めができるとともに、リッジ基底部近傍における絶縁性をより確保することができ、リーク電流の発生を回避することができる。
Usually, a buried film is formed over the surface of the nitride semiconductor layer and the side surface of the ridge.
The buried film is preferably formed of an insulating material having a refractive index smaller than that of the nitride semiconductor layer. The buried film is, for example, an oxide film such as Zr, Si, V, Nb, Hf, Ta, Al, Ce, In, Sb, Zn, an insulating film such as nitride, oxynitride, or a single layer of dielectric film Alternatively, it can be formed by a laminated structure. As described above, the protective film is formed from the side surface of the ridge to the surface of the nitride semiconductor on both sides of the ridge, thereby ensuring a difference in refractive index from the nitride semiconductor layer, particularly the p-side semiconductor layer, from the active layer. The light leakage can be controlled, the light can be efficiently confined in the ridge, the insulation in the vicinity of the ridge base portion can be further secured, and the occurrence of the leakage current can be avoided.
埋込膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法の２種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。 The buried film can be formed by a method known in the art. For example, evaporation method, sputtering method, reactive sputtering method, ECR plasma sputtering method, magnetron sputtering method, ion beam assisted evaporation method, ion plating method, laser ablation method, CVD method, spray method, spin coating method, dip method or Various methods such as a method of combining two or more of these methods or a method of combining these methods and oxidation treatment (heat treatment) can be used.
ｐ電極は、窒化物半導体層及び埋込膜上に形成されることが好ましい。ｐ電極が最上層の窒化物半導体層及び保護膜上に連続して形成されていることにより、保護膜の剥がれを防止することができる。特に、リッジ側面までｐ電極を形成することにより、リッジ側面に形成された埋込膜について有効に剥がれを防止することができる。 The p-electrode is preferably formed on the nitride semiconductor layer and the buried film. Since the p-electrode is continuously formed on the uppermost nitride semiconductor layer and the protective film, the protective film can be prevented from peeling off. In particular, by forming the p-electrode up to the ridge side surface, the embedded film formed on the ridge side surface can be effectively prevented from peeling off.
ｐ電極及びｎ電極は、例えば、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム、ＩＴＯ等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。ｐ電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５００〜５０００Å程度が適当である。電極は、活性層に電流を注入できるように形成されていればよく、さらにこの電極上にパッド電極等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。 The p electrode and the n electrode are, for example, a single layer film or a multilayer film of a metal or an alloy such as palladium, platinum, nickel, gold, titanium, tungsten, copper, silver, zinc, tin, indium, aluminum, iridium, rhodium, ITO, etc. Can be formed. The film thickness of the p-electrode can be appropriately adjusted depending on the material used and the like, for example, about 500 to 5000 mm is appropriate. The electrode may be formed so that a current can be injected into the active layer, and one or more conductive layers such as a pad electrode may be formed on the electrode.
以下に、本発明のレーザ素子及びその製造方法の一例を説明するが、本発明はこの例に限定されるものではない。
実施の形態１
この実施の形態１のレーザ素子は、（１１−２２）面のＧａＮ基板上に、本発明の窒化物半導体層としてｎ側クラッド層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎよりなる層（膜厚３μｍ、無歪）、ｎ側光ガイド層としてＧａＮ層（０．２５μｍの膜厚、クラッド層に対してコヒーレント成長）がこの順で積層されている。
その上に、ＳｉドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎよりなる障壁層（１００Åの膜厚）とアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層（７０Åの膜厚）とが２回交互に積層され、最後に障壁層が積層されて、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層（総膜厚４４０Å）が積層され、さらにその上に、ｐ側キャップ層（１００Å）、ｐ側光ガイド層（０．１４５μｍ）、ｐ側クラッド層（総膜厚０．４５μｍ）、ｐ側コンタクト層（１５０Åの膜厚）が積層されて構成されている。
また、このような構成において、Ｍ面によって共振器面が形成されている。
Hereinafter, an example of the laser element and the manufacturing method thereof of the present invention will be described, but the present invention is not limited to this example.
In the laser element of the first embodiment, a layer made of Al 0.5 Ga 0.5 N as an n-side cladding layer as a nitride semiconductor layer of the present invention (film thickness: 3 μm, no distortion) on a (11-22) plane GaN substrate. ), A GaN layer (thickness of 0.25 μm, coherent growth with respect to the cladding layer) is laminated in this order as the n-side light guide layer.
On top of that, a barrier layer made of Si-doped In 0.02 Ga 0.98 N (thickness of 100 Å) and a well layer made of undoped In 0.2 Ga 0.8 N (thickness of 70 Å) are alternately laminated twice, and finally the barrier layer The layers are stacked, and an active layer (total thickness 440 mm) of a multiple quantum well structure (MQW) is stacked, and further, a p-side cap layer (100 mm), a p-side light guide layer (0.145 μm), A p-side cladding layer (total film thickness 0.45 μm) and a p-side contact layer (film thickness of 150 mm) are laminated.
Further, in such a configuration, a resonator surface is formed by the M surface.
このレーザ素子は、以下の方法で製造することができる。
まず、（１１−２２）面を主面とするＧａＮ基板を準備する。この（１１−２２）面を主面とするＧａＮ基板は、Ｃ面（０００１）ＧａＮ基板から所望の角度に研磨することやワイヤーソーでカッティングして新たに面出しすること等で形成することができる。このＧａＮ（１１−２２）面基板上では、その上に形成する半導体層の成長面が（１１−２２）面となる。
このＧａＮ（１１−２２）面基板の成長面上に、１１００℃でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニア、シランガスを用い、本発明における窒化物半導体層として、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎよりなる層を膜厚３μｍで成長させ、ｎ側クラッド層を形成する。このｎ側クラッド層は、基板と異なる組成比であるが、比較的厚膜で形成するために、面内の格子定数は、無歪Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ本来の物質固有の格子定数と概一致する。
This laser element can be manufactured by the following method.
First, a GaN substrate having a (11-22) plane as a main surface is prepared. The GaN substrate having the (11-22) plane as a main surface can be formed by polishing the C-plane (0001) GaN substrate to a desired angle, cutting with a wire saw, and newly forming a surface. it can. On the GaN (11-22) plane substrate, the growth plane of the semiconductor layer formed thereon becomes the (11-22) plane.
On the growth surface of the GaN (11-22) substrate, TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), ammonia, and silane gas are used at 1100 ° C., and Al 0.5 Ga 0.5 N is used as the nitride semiconductor layer in the present invention. The layer formed is grown to a thickness of 3 μm to form an n-side cladding layer. This n-side cladding layer has a composition ratio different from that of the substrate, but since it is formed with a relatively thick film, the in-plane lattice constant is approximately the same as the inherent lattice constant of the unstrained Al 0.5 Ga 0.5 N material. To do.
続いて、シランガスを止め、１０００℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層を０．２５μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層にｎ型不純物をドープしてもよい。この光ガイド層は、その直下のクラッド層に対してコヒーレント成長しており、結晶緩和がほとんど起こらない膜厚及び組成とする。 Subsequently, the silane gas is stopped and an n-side light guide layer made of undoped GaN is grown at 1000 ° C. to a thickness of 0.25 μm. The n-side light guide layer may be doped with n-type impurities. The optical guide layer is coherently grown with respect to the cladding layer immediately below the optical guide layer, and has a film thickness and composition that hardly causes crystal relaxation.
次に、温度を９００℃にして、ＳｉドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎよりなる障壁層を１００Åの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を７０Åの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを２回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚４４０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。 Next, the temperature is set to 900 ° C., a barrier layer made of Si-doped In 0.02 Ga 0.98 N is grown to a thickness of 100 、, and then a well layer made of undoped In 0.2 Ga 0.8 N is grown to a thickness of 70 膜 at the same temperature. Grow with thickness. A barrier layer and a well layer are alternately stacked twice, and finally, an active layer having a total quantum film thickness of 440 mm is grown by ending with the barrier layer.
温度を１０００℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなるｐ側キャップ層を１００Åの膜厚で成長させる。なお、このｐ側キャップ層は省略可能である。
続いて、Ｃｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０００℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１０よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層を０．１４５μｍの膜厚で成長させる。
The temperature was raised to 1000 ° C., TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) was used, and the band gap energy was larger than that of the p-side light guide layer, and Mg was doped at 1 × 10 20 / cm 3 . A p-side cap layer made of p-type Al 0.25 Ga 0.75 N is grown to a thickness of 100 mm. This p-side cap layer can be omitted.
Subsequently, Cp 2 Mg and TMA are stopped, and a p-side light guide layer made of undoped GaN having a band gap energy smaller than that of the p-
次に、１０００℃でアンドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止め、アンドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層を成長させる。
最後に、１０００℃で、ｐ側クラッド層の上に、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。
このようにして窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ2よりなるマスクを形成して、共振器面に平行な方向における幅が８００μｍのストライプ状の構造を形成する。この部分がレーザ素子の共振器本体となる。
Next, a layer made of undoped Al 0.10 Ga 0.90 N is grown to a thickness of 25 mm at 1000 ° C., then Cp 2 Mg and TMA are stopped, and a layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 25 mm, A p-side cladding layer made of a superlattice layer having a thickness of 0.45 μm is grown.
Finally, a p-side contact layer made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the p-side cladding layer at 1000 ° C. to a thickness of 150 mm.
The wafer on which the nitride semiconductor is grown in this way is taken out of the reaction vessel, a mask made of SiO 2 is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer, and the width in the direction parallel to the resonator surface is 800 μm. A stripe structure is formed. This part becomes the resonator body of the laser element.
次に、ｐ側コンタクト層の表面にストライプ状のＳｉＯ2よりなるマスクを形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、ストライプ状の光導波路領域であるリッジを形成する。
このリッジの側面をＺｒＯ2からなる埋込膜１５で保護する。
次いで、ｐ側コンタクト層及び埋込膜１５の上の表面にＮｉ（１００Å）／Ａｕ（１０００Å）／Ｐｔ（１０００Å）よりなるｐ電極を形成する。ｐ電極を形成した後、Ｓｉ酸化膜（ＳｉＯ2）からなる第２保護膜１７を埋込膜の上及び半導体層の側面に０．５μｍの膜厚で、スパッタリングにより成膜する。ｐ電極を形成した後、６００℃でオーミックアニールを行う。
Next, a mask made of striped SiO 2 is formed on the surface of the p-side contact layer, and etched by SiCl 4 gas using RIE (reactive ion etching) to form a ridge that is a striped optical waveguide region. Form.
The side surface of this ridge is protected by a buried
Next, a p-electrode made of Ni (100 Å) / Au (1000 Å) / Pt (1000 Å) is formed on the surface above the p-side contact layer and the buried
次に、ｐ電極上に連続して、Ｎｉ（８０Å）／Ｐｄ（２０００Å）／Ａｕ（８０００Å）よりなるｐパッド電極１８を形成する。
その後、ＧａＮ基板１０の厚みが８０μｍになるように窒化物半導体層の成長面である第１主面と反対側の面である第２主面側から研磨を行う。
研磨した第２主面に、Ｔｉ（１５０Å）／Ｐｔ（２０００Å）／Ａｕ（３０００Å）よりなるｎ電極１９を形成する。
Next, a p-
Thereafter, polishing is performed from the second main surface side, which is the surface opposite to the first main surface, which is the growth surface of the nitride semiconductor layer, so that the thickness of the
An n-
ｎ電極１９とｐ電極１６及びｐパッド電極１８とを形成したウェハ状のＧａＮ基板１０の第２主面側に凹部溝をけがきによって形成する。次に、この凹部溝を劈開補助線としてＧａＮ基板のｎ電極の形成面側からバー状に劈開し、劈開面（Ｍ面（１−１００））を共振器面とする。
その後、ｐ電極に平行な方向で、バーをチップ幅２００μｍにチップ化することで半導体レーザ素子とする。
続いて、共振器面に酸化膜か窒化膜を単一膜か多層膜で形成する。ここでは、Ａｌ2Ｏ3からなる保護膜を共振器面のフロント側に形成する。また、共振器面のリア側にはＡｌ2Ｏ3、（ＳｉＯ2/ＺｒＯ2）からなる保護膜を形成する。
A concave groove is formed by scribing on the second main surface side of the wafer-
Thereafter, a bar is formed into a chip with a chip width of 200 μm in a direction parallel to the p-electrode to obtain a semiconductor laser element.
Subsequently, an oxide film or a nitride film is formed as a single film or a multilayer film on the resonator surface. Here, a protective film made of Al 2 O 3 is formed on the front side of the resonator surface. A protective film made of Al 2 O 3 and (SiO 2 / ZrO 2 ) is formed on the rear side of the resonator surface.
実施の形態２
ＧａＮ基板として、｛１１−２４｝面（約３９°）、（１１−２２）面以外の｛１１−２２｝面（約５８°）を成長面とするＧａＮ基板を、主面が（０００１）面であるＧａＮ基板を準備して、それぞれ所望の角度が主面となるように加工する以外、上記と同様の方法によってレーザ素子を作製することができる。
なお、加工方法は特に限定されるものではなく、研磨やワイヤーソーを併用して行う。
Embodiment 2
As a GaN substrate, a GaN substrate having a {11-22} plane (about 58 °) other than the {11-24} plane (about 39 °) and the (11-22) plane as a growth plane, the main surface of which is (0001) A laser element can be manufactured by the same method as described above except that a GaN substrate as a surface is prepared and processed so that each of the surfaces has a desired angle.
In addition, a processing method is not specifically limited, It grind | polishes and performs it using a wire saw together.
実施の形態３
また、Ａ面｛１１−２０｝（９０°）、Ｍ面｛１−１００｝（９０°）を成長面とするＧａＮ基板は（０００１）面ＧａＮ基板を劈開することにより形成する以外、上記と同様の方法によってレーザ素子を作製することができる。
Embodiment 3
A GaN substrate having an A plane {11-20} (90 °) and an M plane {1-100} (90 °) as a growth plane is formed by cleaving the (0001) plane GaN substrate, and A laser element can be manufactured by a similar method.
実施の形態４
基板として、実施の形態１のＧａＮ基板上にＡｌＮ層を５μｍ以上の膜厚で形成したテンプレート基板を用いる以外、上記と同様の方法によってレーザ素子を作製することができる。
Embodiment 4
As a substrate, a laser element can be manufactured by the same method as described above except that a template substrate in which an AlN layer is formed with a film thickness of 5 μm or more on the GaN substrate of
実施の形態５
ＧａＮ基板として、｛１−１０３｝面（約３２°）、｛１−１０２｝面（約４３°）、｛１−１０１｝面（約６２°）を成長面とするＧａＮ基板を、主面が（０００１）面であるＧａＮ基板を準備して、それぞれ所望の角度が主面となるように加工し、共振器面をＡ面とする以外、上記と同様の方法によってレーザ素子を作製することができる。
Embodiment 5
As a GaN substrate, a GaN substrate having a {1-103} plane (about 32 °), a {1-102} plane (about 43 °), and a {1-101} plane (about 62 °) as a growth surface is used as a main surface. A GaN substrate having a (0001) plane is prepared and processed so that each of the desired angles becomes the principal plane, and a laser element is fabricated by the same method as described above except that the cavity plane is the A plane. Can do.
実施の形態６
本発明における窒化物半導体層として、Ｉｎ0.5Ａｌ0.5Ｎよりなる層を膜厚３μｍで成長させる以外、実施の形態１〜３のそれぞれと同様の方法によってレーザ素子素子を作製することができる。
Embodiment 6
As the nitride semiconductor layer in the present invention, a laser element can be manufactured by the same method as in each of
上述した説明から、４００ｎｍ帯の、例えば、(１１−２２)−ＩｎＧａＮレーザ素子を作製するためには、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85ＮをＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎ上にコヒーレント成長させたり（図４（Ｂ）参照）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85ＮをＡｌＮ上にコヒーレント成長させればよく（図５（Ｂ）参照）、５００ｎｍ帯の(１１−２２)−ＩｎＧａＮレーザ素子を作るために、Ｉｎ0.35Ｇａ0.65ＮをＡｌ0.60Ｇａ0.40Ｎにコヒーレント成長させたり（図４（Ｃ）参照）、Ｉｎ0.35Ｇａ0.65ＮをＡｌＮにコヒーレント成長させればよい（図５（Ｃ）参照）ことが分かる。
つまり、図４（Ａ）〜（Ｄ）及び図５（Ａ）〜（Ｄ）によって、θが３０°程度以上、特に４０°程度以上、さらに５０°程度以上においては、偏光特性に大きな差はなく、（１１−２２)面だけでなく、無極性面でも同様の偏光特性が成立するといえる。
従って、得られる半導体レーザ素子は、活性層の内部に歪が内在するとともに、偏光方向を制御することができるために、劈開が容易なＭ面又はＡ面を共振器面とすることができる。
From the above description, in order to fabricate a 400 nm band (11-22) -InGaN laser device, for example, In 0.15 Ga 0.85 N is coherently grown on Al 0.40 Ga 0.60 N (FIG. 4B). In 0.15 Ga 0.85 N may be coherently grown on AlN (see FIG. 5B), and In 0.35 Ga 0.65 N is used to make a (11-22) -InGaN laser device in the 500 nm band. It can be seen that coherent growth may be performed on Al 0.60 Ga 0.40 N (see FIG. 4C) or In 0.35 Ga 0.65 N may be coherently grown on AlN (see FIG. 5C).
That is, according to FIGS. 4A to 4D and FIGS. 5A to 5D, when θ is about 30 ° or more, particularly about 40 ° or more, and further about 50 ° or more, there is a large difference in polarization characteristics. In addition, it can be said that the same polarization characteristic is established not only in the (11-22) plane but also in the nonpolar plane.
Therefore, since the obtained semiconductor laser element has strain inside the active layer and the polarization direction can be controlled, the M plane or the A plane that can be easily cleaved can be used as the resonator plane.
本発明は、特に安定で、高出力を可能とする窒化物半導体レーザ、例えば、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、露光用途、測定、バイオ関連の励起用光源等における窒化物半導体レーザ素子に利用することができる。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser that is particularly stable and capable of high output, for example, a nitride semiconductor laser element for optical disc applications, optical communication systems, printing machines, exposure applications, measurement, bio-related excitation light sources, etc. Can be used.
１０ 基板
１１ 第１窒化物半導体層
１２ 活性層
１３ 第２窒化物半導体層
１４ リッジ
１５ 埋込膜
１６ ｐ電極
１７ 第２保護膜
１８ ｐ側パッド電極
１９ ｎ電極
10
Claims (26)
該窒化物半導体層上に形成されたＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）からなる層を含む活性層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体層の成長面として、Ｃ面｛０００１｝とのなす角度がθ°である面を含み、かつ
前記窒化物半導体層及び活性層が、
ｘ＞（5.3049−0.09971θ＋0.0005496θ2）ｙ＋（−0.74714＋0.01998θ−0.00012855θ2) （ａ）
を満足する組成であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 A nitride semiconductor layer including a layer made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1);
A nitride semiconductor laser device comprising: an active layer including a layer made of In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) formed on the nitride semiconductor layer;
The growth surface of the nitride semiconductor layer includes a surface whose angle formed with a C plane {0001} is θ °, and the nitride semiconductor layer and the active layer include
x> (5.3049−0.09971θ + 0.0005496θ 2 ) y + (− 0.74714 + 0.01998θ−0.00012855θ 2 ) (a)
A nitride semiconductor laser device having a composition satisfying
ｘ＞（4.5855−0.08047θ＋0.00041867θ2）ｙ＋（−0.02198＋0.00185θ−0.000008861θ2） （ｂ）
を満足する請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The nitride semiconductor layer and the active layer further include
x> (4.5855−0.08047θ + 0.00041867θ 2 ) y + (− 0.02198 + 0.00185θ−0.000008861θ 2 ) (b)
The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein:
ｘ＞（4.2757−0.07337θ＋0.0003752θ2）ｙ＋（0.5307−0.01131θ＋0.00007588θ2） （ｃ）
を満足する請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The nitride semiconductor layer and the active layer further include
x> (4.2757−0.07337θ + 0.0003752θ 2 ) y + (0.5307−0.01131θ + 0.00007588θ 2 ) (c)
The nitride semiconductor laser device according to claim 2, wherein:
該窒化物半導体層上に形成されたＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）からなる層を含む活性層とを備えることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 A nitride semiconductor layer including a layer made of In z Al 1-z N (0 <z ≦ 1);
A nitride semiconductor laser device comprising: an active layer including a layer made of In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) formed on the nitride semiconductor layer.
ｙ＜(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ2)ｚ＋(0.22495＋0.00464θ＋0.000075524θ2) （Ａ）
を満足する請求項５に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The nitride semiconductor layer and the active layer further include
y <(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ 2 ) z + (0.22495 + 0.00464θ + 0.000075524θ 2 ) (A)
The nitride semiconductor laser device according to claim 5, wherein:
ｙ＜（0.69294−0.00728θ−0.000084122θ2)ｚ＋(0.09778＋0.00695θ＋0.00006299θ2) （Ｂ）
を満足する請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The nitride semiconductor layer and the active layer further include
y <(0.69294−0.00728θ−0.000084122θ 2 ) z + (0.09778 + 0.00695θ + 0.00006299θ 2 ) (B)
The nitride semiconductor laser device according to claim 6, wherein:
ｙ＜(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ2)ｚ+(−0.0718＋0.01059θ＋0.000042061θ2) （Ｃ）
を満足する請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The nitride semiconductor layer and the active layer further include
y <(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ 2 ) z + (− 0.0718 + 0.01059θ + 0.000042061θ 2 ) (C)
The nitride semiconductor laser device according to claim 7, wherein:
該窒化物半導体層上に形成されたＩｎを含有する活性層とを備え、
Ｍ面｛１−１００｝を共振器面とすることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 A nitride semiconductor layer including a layer containing Al and having a {11-2n} plane (where n is an integer);
An active layer containing In formed on the nitride semiconductor layer,
A nitride semiconductor laser device having an M plane {1-100} as a resonator plane.
該窒化物半導体層上に形成されたＩｎを含有する活性層とを備え、
Ａ面｛１１−２０｝面を共振器面とすることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 A nitride semiconductor layer including a layer containing Al and a {1-10m} plane (where m is an integer);
An active layer containing In formed on the nitride semiconductor layer,
A nitride semiconductor laser device, wherein the A-plane {11-20} plane is a resonator plane.
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