JP2009277724A - 窒化物半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る窒化物半導体レーザは、第1導電型窒化ガリウム系半導体層2と、第2導電型窒化ガリウム系半導体層13と、発光層7と、第1光ガイド層5と、第2光ガイド層9とを備え、発光層7は、バンドギャップEWを有する井戸層35と、バンドギャップEBを有する障壁層34とを含む量子井戸構造を有し、第1光ガイド層5、第2光ガイド層9、及び障壁層34の少なくともいずれかは、バンドギャップEYを有する窒化ガリウム系半導体層からなる第1光吸収層31を含み、第1光吸収層31のバンドギャップEYはバンドギャップEWよりも大きく、EYはEBよりも小さく、EYとEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さいことを特徴とする。
【選択図】図3
Description
M. Kubota et. al."Continuous-Wave Operation of Blue Laser Diodes Based on Nonpolarm-Plane Gallium Nitride",Applied Physics Express 1 011102, 2008, p.011102-1-011102-3 K. Kojima, et. al. "Gain suppression phenomena observed in InXGa1-XNquantum well laser diodes emitting at 470 nm", Applied Physics Letters 89, 241127, 2006,p.241127-1-241127-3 S. Nagahama et. al. "Characteristics of InGaN Laser diodes in the pure blue region", Applied Physics Letters,Volume79, Number 13, 2001, p.1948-1950 S. Nagahama et. al. "Wavelength Dependence of InGaN Laser Diode Characteristics", Japanese Journal ofApplied Physics, Vol.40, 2001, p.3075-3081 M. Yamada et. al. "Phosphor Free High-Luminous-Efficiency White Light-Emitting DiodesComposed of InGaN Multi-Quantum Well", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.41, 2002, p.246-248
第1光ガイド層5は、発光層7と下部クラッド層2との間に設けられている。また、第1光ガイド層5は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。下部クラッド層2及び第1光ガイド層5は、発光層7で生じた光を発光層7付近に閉じ込めるために利用される。
障壁層34aは、第1光吸収層31と、第1InGaN障壁部33xと、第2InGaN障壁部33yと、を含んでいる。第1InGaN障壁部33xと、第2InGaN障壁部33yは、互いに隣り合う2つの井戸層35間において、それぞれ第1光吸収層31と一方の井戸層35の間、及び第1光吸収層31と他方の井戸層35の間に設けられている。
即ち、第1InGaN障壁部33xは、第1光吸収層31と井戸層35との間に設けられている。また、第2InGaN障壁部33yは、第1光吸収層31と別の井戸層との間に設けられている。第1光吸収層31は窒化ガリウム系半導体で形成されている。第1InGaN障壁部33x、第2InGaN障壁部33yは窒化ガリウム系半導体で形成されている。井戸層35は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。
実施例1の窒化物半導体レーザの製造方法を説明する。図7は実施例1の窒化物半導体レーザ40aの断面構造を示す模式図である。まず、工程S101において、c面GaNのストライプコアウェハ1を準備した。
下部クラッド層2:n型Al0.04Ga0.96N、2300nm、成長温度摂氏1150度。
下部光ガイド層3:n型GaN、50nm、成長温度摂氏1150度。
第1光ガイド層5:第3InGaNガイド部5a、第2光吸収層5bを積層。
第3InGaNガイド部5a:アンドープIn0.05Ga0.95N、50nm、成長温度摂氏840度。
第2光吸収層5b:In0.20Ga0.80N、1.5nm、成長温度摂氏780度。
発光層7:障壁層34a、34bと井戸層35を交互に成長。
障壁層34b:In0.05Ga0.95N、7nm、成長温度摂氏840度。
井戸層35:In0.23Ga0.77N、3nm、成長温度摂氏780度。
障壁層34a:第1InGaN障壁部33x、第1光吸収層31、及び第2InGaN障壁部33yを順に積層。
第1InGaN障壁部33x:In0.05Ga0.95N、7nm、成長温度摂氏840度。
第1光吸収層31:In0.20Ga0.80N、1.5nm、成長温度摂氏780度。
第2InGaN障壁部33y:In0.05Ga0.95N、7nm、成長温度摂氏840度。
光ガイド層9:第3光吸収層9bと第4InGaNガイド部9aを順に積層。
第3光吸収層9b:In0.20Ga0.80N、1.5nm、成長温度摂氏780度。
第4InGaNガイド部9a:In0.20Ga0.80N、1.5nm、成長温度摂氏780度。
上部光ガイド層11:アンドープGaN、50nm、成長温度摂氏1100度。
電子ブロック層12:p型Al0.18Ga0.82N、20nm、成長温度摂氏1100度。
上部クラッド層13:p型Al0.06Ga0.94N、400nm、成長温度摂氏1100度。
上部コンタクト層15:p型GaN、50nm、成長温度摂氏1100度において成長。
(実施例2)
発光層7:障壁層34と井戸層35を交互に成長。
障壁層34:In0.05Ga0.95N、15nm、成長温度摂氏840度。
井戸層35:In0.23Ga0.77N、3nm、成長温度摂氏780度。
図9は実施例3の窒化物半導体レーザ40cの断面構造を示す模式図である。実施例3では、半導体層が成長するウェハの構造が、実施例1と異なる。実施例3はウェハの構造以外は実施例1と同じである。工程S101において、ストライプコアのないc面In0.20Ga0.80Nウェハ1を準備した。
図10は比較例1の窒化物半導体レーザ40dの断面構造を示す模式図である。比較例1は、発光層7、光ガイド層5、及び光ガイド層9の構造において、実施例1と異なる。比較例1は、これらの層以外の構造は実施例1と同じである。比較例1の発光層7、光ガイド層5、及び光ガイド層9を以下のような構造とした。
光ガイド層5:アンドープIn0.05Ga0.95N、50nm、成長温度摂氏840度。
発光層7:障壁層33と井戸層35を交互に成長。
障壁層33:In0.05Ga0.95N、15nm、成長温度摂氏840度。
井戸層35:In0.23Ga0.77N、3nm、成長温度摂氏780度。
光ガイド層9:アンドープIn0.05Ga0.95N、50nm、成長温度摂氏840度。
実施例1:波長λX=480nm、レーザ発振波長=470nm、レーザ発振閾値電流=500mA
実施例2:波長λX=480nm、レーザ発振波長=470nm、レーザ発振閾値電流=500mA
実施例3:波長λX=530nm、レーザ発振波長=520nm、レーザ発振閾値電流=1000mA
比較例1:波長λX=480nm、レーザ発振波長=442nm、レーザ発振閾値電流=300mA
Claims (24)
- 窒化物半導体レーザであって、
第1導電型窒化ガリウム系半導体層と、
第2導電型窒化ガリウム系半導体層と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられた第1光ガイド層と、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられた第2光ガイド層と、
を備え、
前記発光層は、バンドギャップEWを有する井戸層と、バンドギャップEBを有する障壁層と、を含む量子井戸構造を有し、
前記第1光ガイド層、前記第2光ガイド層、及び前記障壁層の少なくともいずれかは、バンドギャップEYを有する窒化ガリウム系半導体層からなる第1光吸収層を含み、
前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYは前記バンドギャップEWよりも大きく、
前記バンドギャップEYは前記バンドギャップEBよりも小さく、
前記バンドギャップEYと前記バンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さいことを特徴とする窒化物半導体レーザ。 - 前記発光層は、エネルギーEXに対応する波長で当該窒化物半導体レーザのLEDモードにおける発光スペクトルがピーク強度を有するように設けられており、
前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYは前記エネルギーEXよりも大きく、
前記バンドギャップEYと前記エネルギーEXとの差は0よりも大きく、
前記差は0.09eVよりも小さい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。 - 前記第1光ガイド層、及び前記第2光ガイド層のうち少なくともいずれかには、前記第1光吸収層が設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記発光層の前記井戸層はInGaNからなることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第1光ガイド層は、前記第1光吸収層と、前記第1光吸収層と前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第1InGaNガイド部とを含み、
前記第1InGaNガイド部のバンドギャップは、前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYより大きいことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記第2光ガイド層は、前記第1光吸収層と、前記第1光吸収層と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第2InGaNガイド部とを含み、
前記第2InGaNガイド部のバンドギャップは、前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYより大きいことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記障壁層には、前記第1光吸収層が設けられていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記発光層は、別の井戸層を更に含み、
前記障壁層は、前記第1光吸収層と、第1及び第2InGaN障壁部とを含み、
前記第1InGaN障壁部は、前記第1光吸収層と前記井戸層との間に設けられており、
前記第2InGaN障壁部は、前記第1光吸収層と前記別の井戸層との間に設けられており、
前記第1及び第2InGaN障壁部のバンドギャップEBは、前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYより大きいことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記第1光ガイド層は、第2光吸収層と、前記第2光吸収層と前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第3InGaNガイド部とを含み、
前記第2光吸収層は、バンドギャップEY2を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、
前記第2光吸収層の前記バンドギャップEY2は前記バンドギャップEWよりも大きく、
前記第2光吸収層の前記バンドギャップEY2と前記バンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さく、
前記第3InGaNガイド部のバンドギャップは、前記第2光吸収層の前記バンドギャップEY2より大きいことを特徴とする請求項8に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記第2光ガイド層は、第3光吸収層と、前記第3光吸収層と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第4InGaNガイド部とを含み、
前記第3光吸収層は、バンドギャップEY3を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、
前記第3光吸収層の前記バンドギャップEY3は前記バンドギャップEWよりも大きく、
前記第3光吸収層の前記バンドギャップEY3と前記バンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さく、
前記第4InGaNガイド部のバンドギャップは、前記第3光吸収層の前記バンドギャップEY3より大きいことを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記第1光吸収層はInGaNからなることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第1光吸収層はInAlGaNからなることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層は、AlGaNからなり、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層は、AlGaNからなることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記第1光吸収層は、1×1018cm―3以上のn型又はp型のドーパントを含むことを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 窒化物半導体基板をさらに備え、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層、前記発光層、前記第1光ガイド層、及び前記第2光ガイド層は、前記窒化物半導体基板の主面上に設けられていることを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記窒化物半導体基板は、所定の貫通転位密度よりも小さい貫通転位密度を有する第1領域と、前記所定の貫通転位密度よりも大きい貫通転位密度を有する第2領域と、からなり、前記第1領域及び前記第2領域は、前記窒化物半導体基板の裏面から前記主面まで延びており、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層、前記発光層、前記第1光ガイド層、及び前記第2光ガイド層は、前記主面の前記第1領域上に設けられており、
前記第2領域は、前記第1領域に沿って延びており、
当該窒化物半導体レーザの共振器は、前記第2領域に沿って延びていることを特徴とする請求項15に記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記共振器は、前記窒化物半導体基板の[10−10]方向に延びていることを特徴とする請求項16に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記所定の貫通転位密度は、1×107cm―2未満であることを特徴とする請求項16又は請求項17に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記窒化物半導体基板はGaN基板であることを特徴とする請求項15〜請求項18のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記窒化物半導体基板はInGaN基板であることを特徴とする請求項15〜請求項18のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記窒化物半導体基板の前記主面は、半極性を有することを特徴とする請求項15〜請求項20のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記窒化物半導体基板の前記主面は、無極性面であることを特徴とする請求項15〜請求項20のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 当該窒化物半導体レーザのレーザ発振波長は、425nm以上であることを特徴とする請求項1〜請求項22のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 当該窒化物半導体レーザのレーザ発振波長は、460nm以上であることを特徴とする請求項23に記載の窒化物半導体レーザ。
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