JP2010016261A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor laser element which can drive in lower output, higher in luminous efficiency, and emits light of long wavelength of about 440-550 nm. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor laser element is characterized by including at least a first n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a second n-type nitride semiconductor layer on a substrate from the side of the substrate in this order. The nitride semiconductor laser element is constructed in such a manner that the substrate or the first n-type nitride semiconductor layer contacts with a first electrode, the second n-type nitride semiconductor layer contacts with a second electrode, the first electrode is an anode electrode, and the second electrode is a cathode electrode. It is preferable to provide a conductive oxide layer to the second n-type nitride semiconductor layer on the opposite side to the active layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、光記憶メディア、照明およびディスプレイに用いられる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 used for optical storage media, illumination, and displays.

近年、半導体レーザや発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)に用いられる発光素子として、青色または紫色の光を発する窒化物系半導体を発光層に用いた発光素子が検討されている。   In recent years, a light-emitting element using a nitride-based semiconductor that emits blue or violet light as a light-emitting layer has been studied as a light-emitting element used in a semiconductor laser or a light emitting diode (LED).

このうち半導体レーザに用いられる窒化物半導体レーザ素子は、製造プロセスおよび素子構造の両面から改善が進み、歩留りの改善等を通じて製造プロセス面での問題はほぼ解消されたものと考えられている。しかしながら、素子構造においては未だ改善途上にあり、より低出力で駆動でき、かつ高い発光効率を示す発光素子の開発が進められている。   Of these, nitride semiconductor laser elements used in semiconductor lasers are considered to have improved from both the manufacturing process and the element structure, and problems in the manufacturing process have been substantially solved through improvements in yield and the like. However, the device structure is still under improvement, and development of a light emitting device that can be driven at a lower output and that exhibits high light emission efficiency is underway.

従来の窒化物半導体レーザ素子は、n型GaN基板上にn型GaNバッファ層、n型AlGaNクラッド層、n型GaNガイド層、InGaN多重量子井戸活性層、p型AlGaN電流ブロック層、p型GaNガイド層、p型AlGaNクラッド層およびp型GaNコンタクト層をn型GaN基板側からこの順に形成され、上記InGaN多重量子井戸活性層を挟んで上下にn型AlGaNクラッド層およびp型AlGaNクラッド層を設けることによって、InGaN多重量子井戸活性層で発光した光を素子の外側に漏らさずに素子内に閉じ込め、素子内に光導波路を形成するという構造であった。   A conventional nitride semiconductor laser device includes an n-type GaN buffer layer, an n-type AlGaN cladding layer, an n-type GaN guide layer, an InGaN multiple quantum well active layer, a p-type AlGaN current blocking layer, and a p-type GaN on an n-type GaN substrate. A guide layer, a p-type AlGaN clad layer, and a p-type GaN contact layer are formed in this order from the n-type GaN substrate side, and an n-type AlGaN clad layer and a p-type AlGaN clad layer are arranged vertically above and below the InGaN multiple quantum well active layer. By providing, the light emitted from the InGaN multiple quantum well active layer was confined in the device without leaking outside the device, and an optical waveguide was formed in the device.

しかし、p型AlGaNクラッド層の屈折率がp型GaNコンタクト層の屈折率に比べて十分低くないために、InGaN多重量子井戸活性層で発光した光の一部がp型GaNコンタクト層側に漏れてしまい、発光素子内に十分に導波されずに発光効率(電流―光変換効率:SE Slope Efficiency)が低下するという問題があった。   However, since the refractive index of the p-type AlGaN cladding layer is not sufficiently lower than the refractive index of the p-type GaN contact layer, part of the light emitted from the InGaN multiple quantum well active layer leaks to the p-type GaN contact layer side. As a result, there is a problem in that light emission efficiency (current-light conversion efficiency: SE Slope Efficiency) is lowered without being sufficiently guided in the light emitting element.

そこで、上記問題を解決するため、特許文献1にはp型AlGaNクラッド層のドーパントにMgを用いることによって、p型AlGaNクラッド層の屈折率を低屈折率化し、もって光の漏れを防止する発光素子が提案されている。   Therefore, in order to solve the above problem, Patent Document 1 discloses light emission that uses Mg as a dopant of the p-type AlGaN cladding layer to lower the refractive index of the p-type AlGaN cladding layer, thereby preventing light leakage. Devices have been proposed.

特許文献1に記載されている窒化物半導体レーザ素子910の層構造は、図13に示されるように、厚さ400μmのn型GaN基板911上にn型GaN基板側から順に、厚さ2.5μmのn型Al0.05Ga0.95Nクラッド層913と、厚さ0.2μmのn型GaNガイド層914と、厚さ0.152μmのInGaN多重量子井戸活性層923と、厚さ0.012μmのp型Al0.15Ga0.85Nキャリアブロック層922と、厚さ0.2μmのp型GaNガイド層921と、厚さ0.6μmのp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層924と、厚さ0.2μmのp型GaNコンタクト層924aと、p電極940とをこの順に含み、さらにp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層924の表面は、誘導結合プラズマ(ICP:Inductive Coupled Plasma)エッチングによって、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層924の一部までエッチングされ、このエッチングされた部分に、厚さ200nmのSiO2層と厚さ50nmのTiO2層とからなるSiO2膜925とp電極940とが形成され、またn型GaN基板911の下面にn電極941が形成される。なお、p型Al0.15Ga0.85Nキャリアブロック層922、p型GaNガイド層921、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層924およびp型GaNコンタクト層924aのことをあわせてp型窒化物半導体層920という。
特開2002−124737号公報
As shown in FIG. 13, the layer structure of the nitride semiconductor laser element 910 described in Patent Document 1 has a thickness of 2. on an n-type GaN substrate 911 having a thickness of 400 μm in order from the n-type GaN substrate side. 5 μm n-type Al 0.05 Ga 0.95 N cladding layer 913, 0.2 μm thick n-type GaN guide layer 914, 0.152 μm thick InGaN multiple quantum well active layer 923, and 0.012 μm thick p layer Type Al 0.15 Ga 0.85 N carrier block layer 922, p-type GaN guide layer 921 having a thickness of 0.2 μm, p-type Al 0.05 Ga 0.95 N clad layer 924 having a thickness of 0.6 μm, and 0.2 μm in thickness A p-type GaN contact layer 924a and a p-electrode 940 are included in this order, and the surface of the p-type Al 0.05 Ga 0.95 N clad layer 924 is inductively coupled plasma (ICP) etched. The p-type Al 0.05 Ga 0.95 N clad layer 924 is etched to a part, and an SiO 2 film 925 comprising a 200 nm thick SiO 2 layer and a 50 nm thick TiO 2 layer is formed in the etched portion. A p-electrode 940 is formed, and an n-electrode 941 is formed on the lower surface of the n-type GaN substrate 911. The p-type nitride semiconductor layer 920 includes the p-type Al 0.15 Ga 0.85 N carrier block layer 922, the p-type GaN guide layer 921, the p-type Al 0.05 Ga 0.95 N clad layer 924, and the p-type GaN contact layer 924a. That's it.
JP 2002-124737 A

特許文献1に記載されている発明によれば、従来のp型AlGaNクラッド層を低屈折率化でき、光の漏れを効果的に防止することができる点で優れていたが、同時にこのMgでドープしたp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層924を用いた素子は、発光効率を高効率に得るという点で以下のような2つの問題を有していた。 According to the invention described in Patent Document 1, the conventional p-type AlGaN cladding layer was excellent in that the refractive index could be lowered and light leakage could be effectively prevented. The element using the doped p-type Al 0.05 Ga 0.95 N clad layer 924 has the following two problems in terms of obtaining high luminous efficiency.

この素子の1つ目の問題は、p型窒化物半導体層920のドーパントに含まれるMgによってInGaN多重量子井戸活性層923で発光した光が強く吸収されてしまい、半導体レーザの発光効率が低下するという問題である。   The first problem of this element is that light emitted from the InGaN multiple quantum well active layer 923 is strongly absorbed by Mg contained in the dopant of the p-type nitride semiconductor layer 920, and the emission efficiency of the semiconductor laser is reduced. It is a problem.

通常発光ダイオードに用いられる素子であれば、光を素子内に閉じ込める必要がないのでp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層は含まれずp型窒化物半導体層も薄いため、たとえp型窒化物半導体層にMgが含まれていても、光吸収する層厚自体が薄くあまり問題とはならなかった。しかし、半導体レーザに用いられる素子は、素子内の導波路で光を共振させるためp型窒化物半導体層に含まれるMgの光吸収が非常に大きな問題となる。 In the case of an element normally used for a light emitting diode, it is not necessary to confine light in the element, and therefore, the p-type Al 0.05 Ga 0.95 N cladding layer is not included and the p-type nitride semiconductor layer is also thin. Even when Mg was contained in the layer, the thickness of the light-absorbing layer itself was small, and it was not a problem. However, since an element used in a semiconductor laser resonates light through a waveguide in the element, light absorption of Mg contained in the p-type nitride semiconductor layer becomes a very big problem.

さらに、もう1つの問題は、600〜800℃程度の比較的低温でp型窒化物半導体層920を形成すると、p型窒化物半導体層920が高抵抗化し、駆動電圧が高くなってしまい、もって半導体レーザの発光効率が低下するという問題である。   Furthermore, another problem is that when the p-type nitride semiconductor layer 920 is formed at a relatively low temperature of about 600 to 800 ° C., the resistance of the p-type nitride semiconductor layer 920 becomes high and the driving voltage becomes high. This is a problem that the light emission efficiency of the semiconductor laser is lowered.

つまり、p型窒化物半導体層920は1000℃以上の高温で成膜すれば、高抵抗化はされにくい傾向にあるが、1000℃以上の高温に熱するとInGaN多重量子井戸活性層923に含まれる結晶が熱によるダメージで結晶劣化を起こしてしまうため、600〜800℃程度で成膜する必要があった。このためp型窒化物半導体層920が高抵抗化してしまう問題を避けることができなかった。   That is, if the p-type nitride semiconductor layer 920 is formed at a high temperature of 1000 ° C. or higher, it tends to be difficult to increase the resistance, but if heated to a high temperature of 1000 ° C. or higher, it is included in the InGaN multiple quantum well active layer 923. Since crystals deteriorate due to heat damage, it was necessary to form a film at about 600 to 800 ° C. For this reason, the problem that the p-type nitride semiconductor layer 920 is increased in resistance cannot be avoided.

これは、440〜550nm程度の比較的長波長でレーザを発振させようとすると、InGaN多重量子井戸活性層923に含まれる井戸層のIn組成xを0.15以上0.3以下と比較的大きくする必要があるが、上記In組成xの場合、その後にp型窒化物半導体層920を作製する際の熱が大きく影響し、熱ダメージを受けやすくなる。このため、440〜550nm程度の比較的長波長でレーザを発振させようとすると、この熱ダメージが非常に問題であった。   This is because when the laser is oscillated at a relatively long wavelength of about 440 to 550 nm, the In composition x of the well layer included in the InGaN multiple quantum well active layer 923 is relatively large, from 0.15 to 0.3. However, in the case of the above In composition x, heat at the time of manufacturing the p-type nitride semiconductor layer 920 is greatly affected, and is easily damaged by heat. For this reason, when trying to oscillate a laser with a relatively long wavelength of about 440 to 550 nm, this thermal damage is a serious problem.

そこで、本発明は上記のような現状を鑑みてなされたものであって、より低出力で駆動でき、かつ発光効率のより高く、しかも440〜550nm程度の長波長の光を発光する窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above situation, and is a nitride semiconductor that can be driven at a lower output, has higher luminous efficiency, and emits light having a long wavelength of about 440 to 550 nm. The object is to provide a laser element.

本発明者は、上記課題を解決すべく種々の検討を重ねた結果、p型窒化物半導体層を第二n型窒化物半導体層に代えることが上記目的に対して最も効果的であると考え、この知見の下、更に鋭意検討を重ねることによりついに本発明を完成したものである。   As a result of various studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor considers that the replacement of the p-type nitride semiconductor layer with the second n-type nitride semiconductor layer is most effective for the above purpose. Based on this finding, the present invention was finally completed by further intensive studies.

本発明によれば、より低出力で駆動でき、かつ発光効率のより高く、しかも440〜550nm程度の長波長の光を発光する窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor laser device that can be driven at a lower output, has higher luminous efficiency, and emits light having a long wavelength of about 440 to 550 nm.

すなわち、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、少なくとも、第一n型窒化物半導体層、p型窒化物半導体層、活性層および第二n型窒化物半導体層を基板側からこの順に含むことを特徴とする。   That is, the nitride semiconductor laser device of the present invention includes at least the first n-type nitride semiconductor layer, the p-type nitride semiconductor layer, the active layer, and the second n-type nitride semiconductor layer on the substrate from the substrate side. It is characterized by including in order.

上記基板または上記第一n型窒化物半導体層は、第一電極と接し、上記第二n型窒化物半導体層は、第二電極と接し、上記第一電極はアノード電極であり、第二電極はカソード電極であることが好ましい。   The substrate or the first n-type nitride semiconductor layer is in contact with the first electrode, the second n-type nitride semiconductor layer is in contact with the second electrode, the first electrode is an anode electrode, and the second electrode Is preferably a cathode electrode.

また、上記第二n型窒化物半導体層に対し上記活性層とは反対側に、導電性酸化物層を設けることが好ましい。また、基板または第一n型窒化物半導体層は、第一電極と接し、上記導電性酸化物層は、第二電極と接し、上記第一電極は、アノード電極であり、上記第二電極は、カソード電極であることが好ましい。また、上記活性層は、InxGa1-xN(0≦x≦1)からなる井戸層を含み、該井戸層のIn組成xは、0.15以上0.30以下であることが好ましい。 Moreover, it is preferable to provide a conductive oxide layer on the opposite side of the second n-type nitride semiconductor layer from the active layer. The substrate or the first n-type nitride semiconductor layer is in contact with the first electrode, the conductive oxide layer is in contact with the second electrode, the first electrode is an anode electrode, and the second electrode is A cathode electrode is preferable. The active layer includes a well layer made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), and the In composition x of the well layer is preferably 0.15 or more and 0.30 or less. .

図1は本発明の代表的な窒化物半導体レーザ素子10の概略断面図である。図1に示されるように、本発明の窒化物半導体レーザ素子10は、基板11上に第一クラッド層13と第一n型ガイド層14とからなる第一n型窒化物半導体層12、AlyGa1-yN中間層30、p型ガイド層21とp型キャリアブロック層22とからなるp型窒化物半導体層20、活性層23、第二n型ガイド層16と第二クラッド層17とn型コンタクト層18とからなる第二n型窒化物半導体層15、電流狭窄絶縁膜25および第二電極40を有し、これらの層とは反対側の基板面には第一電極41を有する構造をしている。以下にこの構造に含まれる各層を説明する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a typical nitride semiconductor laser device 10 of the present invention. As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor laser device 10 of the present invention includes a first n-type nitride semiconductor layer 12 comprising a first cladding layer 13 and a first n-type guide layer 14 on a substrate 11, Al y Ga 1-y N intermediate layer 30, p-type nitride semiconductor layer 20 composed of p-type guide layer 21 and p-type carrier block layer 22, active layer 23, second n-type guide layer 16 and second cladding layer 17 And the n-type contact layer 18, the second n-type nitride semiconductor layer 15, the current confinement insulating film 25, and the second electrode 40, and the first electrode 41 is provided on the substrate surface opposite to these layers. It has a structure. Each layer included in this structure will be described below.

<第一n型窒化物半導体層>
本発明の窒化物半導体レーザ素子10に含まれる第一n型窒化物半導体層12は、基板11上にある層であって、基板と接している、もしくは基板上にバッファ層や薄いアンドープ層(0.5μm以下)を挟んで形成されているn型の半導体層である。例えば第一クラッド層13と第一n型ガイド層14である。この第一n型窒化物半導体層12に用いられる材料は、ドーパントにSiを用いたAlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z<1;x+y+z=1)を挙げることができる。また、第一n型窒化物半導体層12は、600〜800℃程度の比較的低温で形成することができる点、p型窒化物半導体層20と比べて低抵抗の層を形成することができる点、p型窒化物半導体層20と比べて結晶性の高い窒化物半導体を形成しやすい点等に特徴がある。
<First n-type nitride semiconductor layer>
The first n-type nitride semiconductor layer 12 included in the nitride semiconductor laser element 10 of the present invention is a layer on the substrate 11 and is in contact with the substrate, or a buffer layer or a thin undoped layer (on the substrate). An n-type semiconductor layer formed with a thickness of 0.5 μm or less. For example, the first cladding layer 13 and the first n-type guide layer 14. The material used for the first n-type nitride semiconductor layer 12 is Al x Ga y In z N using Si as a dopant (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1; 0 ≦ z <1; x + y + z = 1). Further, the first n-type nitride semiconductor layer 12 can be formed at a relatively low temperature of about 600 to 800 ° C., and a layer having a lower resistance than the p-type nitride semiconductor layer 20 can be formed. This is characterized in that a nitride semiconductor having higher crystallinity than the p-type nitride semiconductor layer 20 can be easily formed.

また、第一n型窒化物半導体層12の基板11と接する面とは逆側の面の一部をp型クラッド層に代えることもできる。ただし、p型クラッド層を厚さ2μmよりも厚くすると、p型クラッド層に含まれるMgによる光吸収が大きくなるため好ましくなく、発光効率の観点からp型クラッド層に代える層厚は2μm以下が好ましい。以下に第一n型窒化物半導体層12に含まれる第一クラッド層13および第一n型ガイド層14を説明する。   Also, a part of the surface of the first n-type nitride semiconductor layer 12 opposite to the surface in contact with the substrate 11 can be replaced with a p-type cladding layer. However, it is not preferable to make the p-type cladding layer thicker than 2 μm because the light absorption by Mg contained in the p-type cladding layer is increased, and from the viewpoint of light emission efficiency, the layer thickness to replace the p-type cladding layer is 2 μm or less. preferable. Hereinafter, the first cladding layer 13 and the first n-type guide layer 14 included in the first n-type nitride semiconductor layer 12 will be described.

(I)第一クラッド層
本発明の第一n型窒化物半導体層12に含まれる第一クラッド層13は、活性層23で発光した光のうち窒化物半導体成長面に対して垂直方向に広がる光を活性層周辺の素子内部に閉じ込める役割を果たす層であって、窒化物半導体層中を導波した光が分布している層である。活性層23で発光した光を素子内部に効果的に閉じ込めるためには、第一クラッド層13の屈折率は、活性層23および第一n型ガイド層14の屈折率より低い屈折率であることが望ましい。
(I) First Cladding Layer The first cladding layer 13 included in the first n-type nitride semiconductor layer 12 of the present invention extends in the direction perpendicular to the nitride semiconductor growth surface in the light emitted from the active layer 23. The layer plays a role of confining light inside the device around the active layer, and is a layer in which light guided in the nitride semiconductor layer is distributed. In order to effectively confine the light emitted from the active layer 23 inside the device, the refractive index of the first cladding layer 13 should be lower than that of the active layer 23 and the first n-type guide layer 14. Is desirable.

第一クラッド層13に用いられる材料としては、AlxGayInzN(0≦x<1;0≦y<1;0≦z<1;x+y+z=1)からなるn型窒化物半導体を挙げることができるが、第一クラッド層13をより低屈折率化するという観点から、特にAlyGa1-yN(0≦y≦0.1)を用いることが好ましい。一般にAlxGayInzNからなる窒化物半導体はInを含むほど屈折率は高くなり、Alを含むほど屈折率が低くなる傾向にあるからである。また、第一クラッド層13の層厚は、0.1μm以上10μm以下とすることができる。また、第一クラッド層の結晶構造は、AlGaNとGaNとの超格子構造であってもよいし、組成の異なるAlpGa1-pNとAlqGa1-qNとの超格子構造であってもよい。 As a material used for the first cladding layer 13, an n-type nitride semiconductor made of Al x Ga y In z N (0 ≦ x <1; 0 ≦ y <1; 0 ≦ z <1; x + y + z = 1) is used. In particular, Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.1) is preferably used from the viewpoint of lowering the refractive index of the first cladding layer 13. This is because, in general, a nitride semiconductor made of Al x Ga y In z N tends to have a higher refractive index as it contains In, and lower as it contains Al. The layer thickness of the first cladding layer 13 can be 0.1 μm or more and 10 μm or less. The crystal structure of the first cladding layer may be a superlattice structure of AlGaN and GaN, or a superlattice structure of Al p Ga 1-p N and Al q Ga 1-q N having different compositions. There may be.

(II)第一n型ガイド層
本発明の第一n型窒化物半導体層12に含まれる第一n型ガイド層14に用いられる材料としては、AlyGa1-yN、AlxGayInzN、GaN等を挙げることができる。また、第一n型ガイド層14の層厚は、0.1μm以上10μm以下とすることができる。
(II) First n-type Guide Layer Materials used for the first n-type guide layer 14 included in the first n-type nitride semiconductor layer 12 of the present invention include Al y Ga 1-y N, Al x Ga y. In z N, GaN, etc. can be mentioned. The layer thickness of the first n-type guide layer 14 can be set to 0.1 μm or more and 10 μm or less.

<p型窒化物半導体層>
本発明の窒化物半導体レーザ素子10に含まれるp型窒化物半導体層20は、p型ガイド層21とp型キャリアブロック層22とを含む層である。本発明の特徴は、活性層23の下側にp型窒化物半導体層が設けられ、第一n型窒化物半導体層とpn接合を有していることである。活性層23を成膜する前にp型窒化物半導体層20を設けることによって、活性層23成膜後の昇温を抑えることができ、活性層23の熱分解を効果的に防止することができる。このp型ガイド層21は0.01μm以上1μm以下の層厚であることが好ましく、p型キャリアブロック層22は1nm以上1000nm以下の層厚であることが好ましい。
<P-type nitride semiconductor layer>
The p-type nitride semiconductor layer 20 included in the nitride semiconductor laser device 10 of the present invention is a layer including a p-type guide layer 21 and a p-type carrier block layer 22. A feature of the present invention is that a p-type nitride semiconductor layer is provided below the active layer 23 and has a pn junction with the first n-type nitride semiconductor layer. By providing the p-type nitride semiconductor layer 20 before forming the active layer 23, the temperature rise after the formation of the active layer 23 can be suppressed, and the thermal decomposition of the active layer 23 can be effectively prevented. it can. The p-type guide layer 21 preferably has a thickness of 0.01 to 1 μm, and the p-type carrier block layer 22 preferably has a thickness of 1 to 1000 nm.

本発明のように活性層23を成膜する前にp型窒化物半導体層20を成膜すれば、活性層23の熱ダメージを気にすることなく、最適な成長温度および成膜条件でp型窒化物半導体層20を作製することができる。低抵抗のp型窒化物半導体層は高品質な結晶性が求められるが、従来の一般的な窒化物半導体レーザ、さらには、高In組成の活性層を有する長波長発光デバイスは、活性層成長後にp型窒化物半導体層を成膜するため、あまり高温で成膜することができなかった。しかしながら、本発明では1125℃程度の高温でp型窒化物半導体層を成膜することができるので、結晶性の高い非常に低抵抗なp型窒化物半導体層20を作製することができ、より高キャリア密度、光吸収の少ないp型窒化物半導体層20を作製することができる。このようにして良好に活性層に効率よくホールを注入することができるようになり、信頼性およびレーザ発振後の発光効率(スロープ効率)を改善する。   If the p-type nitride semiconductor layer 20 is formed before forming the active layer 23 as in the present invention, the p-type nitride semiconductor layer 20 is formed at the optimum growth temperature and film formation conditions without worrying about thermal damage of the active layer 23. The type nitride semiconductor layer 20 can be produced. A low-resistance p-type nitride semiconductor layer is required to have high quality crystallinity. However, a conventional general nitride semiconductor laser, and a long wavelength light emitting device having an active layer with a high In composition, are grown with an active layer. Since a p-type nitride semiconductor layer was formed later, it could not be formed at a very high temperature. However, in the present invention, since the p-type nitride semiconductor layer can be formed at a high temperature of about 1125 ° C., the p-type nitride semiconductor layer 20 having a high crystallinity and a very low resistance can be manufactured. The p-type nitride semiconductor layer 20 with high carrier density and low light absorption can be produced. In this way, holes can be efficiently injected into the active layer, and the reliability and light emission efficiency (slope efficiency) after laser oscillation are improved.

また、p型窒化物半導体層20のドーパントに用いられるMgは深いエネルギー準位を形成することから、p型窒化物半導体層20は高抵抗になりやすく、特にAlを含むp型窒化物半導体層20は特に高抵抗になりやすい。このため、p型窒化物半導体層20の厚みを厚くするほど、直列抵抗が大きくなるため駆動電圧が上がり、発光効率を低下させてしまう。したがって、p型窒化物半導体層20はなるべく薄膜で成膜することが好ましい。   Further, Mg used as the dopant of the p-type nitride semiconductor layer 20 forms a deep energy level, and thus the p-type nitride semiconductor layer 20 tends to have a high resistance, and in particular, the p-type nitride semiconductor layer containing Al. 20 tends to be particularly high resistance. For this reason, as the thickness of the p-type nitride semiconductor layer 20 is increased, the series resistance increases, so that the drive voltage increases and the light emission efficiency decreases. Therefore, the p-type nitride semiconductor layer 20 is preferably formed as thin as possible.

<pn接合>
本発明の窒化物半導体レーザ素子10は、活性層23にpn接合が含まれている以外に、基板11と活性層23との間にもpn接合が含まれていることを特徴とする。たとえば図1において第一n型ガイド層14とp型ガイド層21の間にpn接合が含まれている。このpn接合の方向は、活性層のpn接合に順方向にバイアスしたとき、すなわち第一電極41に正のバイアス、第二電極40に負のバイアスを印加したときに、基板11と活性層23との間にあるpn接合に逆方向にバイアスする方向にpn接合が設けられる。ここで、レーザ発振させる場合には、第一電極41に正のバイアスを印加させ、第二電極40に負のバイアスを印加させることになる。
<Pn junction>
The nitride semiconductor laser device 10 of the present invention is characterized in that a pn junction is included between the substrate 11 and the active layer 23 in addition to a pn junction included in the active layer 23. For example, in FIG. 1, a pn junction is included between the first n-type guide layer 14 and the p-type guide layer 21. The direction of the pn junction is that when the forward bias is applied to the pn junction of the active layer, that is, when a positive bias is applied to the first electrode 41 and a negative bias is applied to the second electrode 40, the substrate 11 and the active layer 23 A pn junction is provided in the direction of biasing in the reverse direction to the pn junction between the two. Here, when laser oscillation is performed, a positive bias is applied to the first electrode 41 and a negative bias is applied to the second electrode 40.

ただし、基板11と活性層23との間にあるpn接合に逆方向にバイアスするようにpn接合が設けられている場合、pn接合界面の空乏層の幅が広がってしまうためトンネル電流が流れにくい。しかし、以下の(I)(II)に示す方法をとることによって、もってトンネル電流を流しやすくすることができる。   However, when a pn junction is provided so as to bias the pn junction between the substrate 11 and the active layer 23 in the reverse direction, the width of the depletion layer at the pn junction interface widens, so that a tunnel current hardly flows. . However, by adopting the methods shown in the following (I) and (II), the tunnel current can be easily passed.

(I)1つ目の方法は、図2に示されるように、第一n型ガイド層14とp型ガイド層21との間にあるpn接合の界面近傍に、Siのドーピング量を多くしたn+ドープ層14aと、Mgのドーピング量を多くしたp+ドープ層21aとを設けるという方法である。このようにpn接合の界面近傍にn+ドープ層14aおよびp+ドープ層21aを設けることによって、第一n型ガイド層14とp型ガイド層21との間の空乏層の幅が狭くなり、トンネル電流が流れやすくなる。このようにn+ドープ層14aおよびp+ドープ層21aを設ける場合、n+ドープ層14aにおけるキャリア濃度およびp+ドープ層21aにおけるキャリア濃度は、いずれも5×1018/cm3以上であることが好ましい。また、このn+ドープ層14aおよびp+ドープ層21aの層厚は、pn接合界面の数原子程度であってもよいし、10〜30nm程度の厚さであってもよい。 (I) In the first method, as shown in FIG. 2, the Si doping amount is increased in the vicinity of the pn junction interface between the first n-type guide layer 14 and the p-type guide layer 21. This is a method of providing an n + doped layer 14a and a p + doped layer 21a with an increased Mg doping amount. Thus, by providing the n + doped layer 14a and the p + doped layer 21a in the vicinity of the interface of the pn junction, the width of the depletion layer between the first n-type guide layer 14 and the p-type guide layer 21 is reduced, and the tunnel current is reduced. Becomes easier to flow. When the n + doped layer 14a and the p + doped layer 21a are provided in this manner, the carrier concentration in the n + doped layer 14a and the carrier concentration in the p + doped layer 21a are preferably 5 × 10 18 / cm 3 or more. The layer thickness of the n + doped layer 14a and the p + doped layer 21a may be about several atoms at the pn junction interface, or may be about 10 to 30 nm.

<AlyGa1-yN中間層>
(II)もう1つの方法は、図1に示されるように第一n型ガイド層14とp型ガイド層21との間にAlyGa1-yN中間層30を設けるという方法である。このようにpn接合の界面にAlyGa1-yN中間層30を設けることによって、c面の窒化物半導体で格子不整合による格子歪が起こり、この格子歪からピエゾ電界による自発分極が発生し、伝導帯のバンドエネルギー、価電子帯のバンドエネルギーを歪ませる効果がある。この歪みによって空乏層の幅が狭くなり、逆方向にバイアスしたときにトンネル電流が流れやすくなる。ここで、この格子不整合による格子歪には、圧縮応力の方向による歪みと引っ張り応力の方向による歪みとの2種類の歪みがあるが、この2種の歪みのうち、空乏層の幅を狭くするように歪ませる方の歪みを適宜選択する必要がある。本発明においては、たとえばAlNを用いることによって、格子不整合による格子歪から空乏層の幅を狭くでき、トンネル電流を流しやすくできる。
<Al y Ga 1-y N intermediate layer>
(II) Another method is to provide an Al y Ga 1-y N intermediate layer 30 between the first n-type guide layer 14 and the p-type guide layer 21 as shown in FIG. By providing the Al y Ga 1-y N intermediate layer 30 at the interface of the pn junction in this way, lattice strain due to lattice mismatch occurs in the c-plane nitride semiconductor, and spontaneous polarization due to piezoelectric field is generated from this lattice strain. In addition, there is an effect of distorting the band energy of the conduction band and the band energy of the valence band. Due to this strain, the width of the depletion layer becomes narrow, and a tunnel current easily flows when biased in the reverse direction. Here, there are two types of lattice strain due to lattice mismatch, strain due to the direction of compressive stress and strain due to the direction of tensile stress. Of these two strains, the width of the depletion layer is narrow. Therefore, it is necessary to appropriately select the distortion to be distorted. In the present invention, for example, by using AlN, the width of the depletion layer can be narrowed from the lattice distortion due to lattice mismatch, and the tunnel current can be easily passed.

また、AlyGa1-yN中間層30の層厚は、0.5〜100nmとすることができる。また、AlyGa1-yN中間層30には、AlyGa1-yN(0≦y≦1)を好適に用いることができ、AlNを用いることが特に好ましい。本発明においてpn接合には、上記に示したAlyGa1-yN中間層が形成されていても良いし、AlN、InGaN、InN、AlInGaN等の窒化物半導体が0.5〜100nmの厚さで形成されていても良い。AlyGa1-yN中間層は、n型伝導またはp型伝導を示すように不純物がドーピングされていてもよいし、アンドープであってもよい。 The layer thickness of the Al y Ga 1-y N intermediate layer 30 can be set to 0.5 to 100 nm. Further, Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) can be suitably used for the Al y Ga 1-y N intermediate layer 30, and it is particularly preferable to use AlN. In the present invention, the above-described Al y Ga 1-y N intermediate layer may be formed in the pn junction, and nitride semiconductors such as AlN, InGaN, InN, and AlInGaN have a thickness of 0.5 to 100 nm. It may be formed. The Al y Ga 1-y N intermediate layer may be doped with impurities so as to exhibit n-type conduction or p-type conduction, or may be undoped.

<第二n型窒化物半導体層>
本発明の窒化物半導体レーザ素子10に含まれる第二n型窒化物半導体層15は、活性層23からみて基板11とは反対側に位置することを特徴とする。
<Second n-type nitride semiconductor layer>
The second n-type nitride semiconductor layer 15 included in the nitride semiconductor laser device 10 of the present invention is characterized in being located on the side opposite to the substrate 11 when viewed from the active layer 23.

従来の窒化物半導体レーザ素子は、活性層23を形成した後に1000℃を超える高温でp型窒化物半導体層を成膜すると、Inを含む活性層が分解するという問題があった。ところが、本発明によればInを含む活性層を形成した後にp型窒化物半導体層を成膜することなく、Inの熱分解が起こりにくい600〜800℃程度の比較的低温で第二n型窒化物半導体層を成膜できることから、In組成xが0.15〜0.4程度の活性層を含んでいても熱分解を生じることなく窒化物半導体レーザ素子を製造できる。   The conventional nitride semiconductor laser device has a problem that when the p-type nitride semiconductor layer is formed at a high temperature exceeding 1000 ° C. after the active layer 23 is formed, the active layer containing In is decomposed. However, according to the present invention, without forming a p-type nitride semiconductor layer after forming an active layer containing In, the second n-type is formed at a relatively low temperature of about 600 to 800 ° C. where thermal decomposition of In hardly occurs. Since a nitride semiconductor layer can be formed, a nitride semiconductor laser element can be manufactured without causing thermal decomposition even if an active layer having an In composition x of about 0.15 to 0.4 is included.

また、従来の窒化物半導体レーザ素子910に用いられるp型窒化物半導体層920は、本質的に低抵抗となりにくいことから直列抵抗が高くなり窒化物半導体レーザ素子の駆動電圧が増大しやすいという問題もあった。しかし、本発明のように活性層23の上に低抵抗な第二n型窒化物半導体層15を用いれば第二n型窒化物半導体層15の導電性の高さから、窒化物半導体レーザ素子10の駆動電圧も低くすることができる。また、第二n型窒化物半導体層15の上に後述する導電性酸化物層をさらに設けた場合でも、電気抵抗はそれほど増大しないため窒化物半導体レーザ素子10の駆動電圧は導電性酸化物層を設けなかった場合とほとんど変わらない。   In addition, since the p-type nitride semiconductor layer 920 used in the conventional nitride semiconductor laser element 910 is essentially less likely to have a low resistance, the series resistance is increased and the driving voltage of the nitride semiconductor laser element is likely to increase. There was also. However, if the second n-type nitride semiconductor layer 15 having a low resistance is used on the active layer 23 as in the present invention, the nitride semiconductor laser element can be obtained due to the high conductivity of the second n-type nitride semiconductor layer 15. The driving voltage of 10 can also be lowered. Even when a conductive oxide layer, which will be described later, is further provided on the second n-type nitride semiconductor layer 15, the electrical resistance does not increase so much, so that the drive voltage of the nitride semiconductor laser element 10 is set to the conductive oxide layer. It is almost the same as the case where no is provided.

さらに、従来の窒化物半導体レーザ素子910は、p型窒化物半導体層920上にp電極940を作製していたため、1つの窒化物半導体レーザ素子の両端にp電極940とn電極941とを有していた。しかし、本発明によればp電極940を作製する必要がなく、窒化物半導体レーザ素子の両端をn電極のみで作製することができ、しかも2つのn電極は同一の材料でも成膜できることから、電極の蒸着する際の生産性を向上できるとともに、コストダウンも可能となる。なお、この2つのn電極に用いられる材料は、同一の材料に限られるものではなく、別々の材料を用いてもよい。   Further, since the conventional nitride semiconductor laser element 910 has the p-electrode 940 formed on the p-type nitride semiconductor layer 920, the p-type 940 and the n-electrode 941 are provided at both ends of one nitride semiconductor laser element. Was. However, according to the present invention, it is not necessary to produce the p-electrode 940, both ends of the nitride semiconductor laser element can be produced only by the n-electrode, and the two n-electrodes can be formed from the same material. Productivity during electrode deposition can be improved and costs can be reduced. The materials used for the two n-electrodes are not limited to the same material, and different materials may be used.

本発明の窒化物半導体レーザ素子10に用いられる第二n型窒化物半導体層15は、第二n型ガイド層16と第二クラッド層17とn型コンタクト層18とのうちのいずれか1層以上を含む層であり、このような第二n型窒化物半導体層15に用いられる材料としては、ドーパントにSiを用いたAlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z≦1;x+y+z=1)、すなわちn型窒化物半導体を挙げることができる。 The second n-type nitride semiconductor layer 15 used in the nitride semiconductor laser device 10 of the present invention is any one of the second n-type guide layer 16, the second cladding layer 17, and the n-type contact layer 18. Examples of the material used for the second n-type nitride semiconductor layer 15 include Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1) using Si as a dopant. 1; 0 ≦ z ≦ 1; x + y + z = 1), that is, an n-type nitride semiconductor.

また、第二n型窒化物半導体層15はレーザーアブレーション(PLD:Pulsed Laser Deposition)によって成膜することもできる。PLD法は高エネルギー紫外線レーザによる原料の昇華を利用した成長手法であり、昇華した材料の作り出す局所的な強い非平衡場により窒素ガスが解離・反応するため、III族窒化物半導体の低温・窒素雰囲気中で成長させることができる。PLD法では、KrFエキシマレーザーをエネルギー密度3J/cm2、繰り返し周波数10〜15Hzで原料となるターゲット(Ga、Al、In、AlN、GaN、InNなど)に照射する。このレーザ照射によりターゲット原料は瞬間的に昇華し、プルームと呼ばれる一種のプラズマ状態となって雰囲気ガス分子(窒素ガス、酸素ガス等)との衝突を繰り返した後、基板上へ到達して薄膜を形成する。窒素源として窒素ガスを10-5〜10-1Torrの圧力で導入する。この方法によれば、室温で高品質な窒化物半導体を作製でき、熱による活性層のダメージを著しく低減することできる。 The second n-type nitride semiconductor layer 15 can also be formed by laser ablation (PLD: Pulsed Laser Deposition). The PLD method is a growth method that uses sublimation of raw materials by a high-energy ultraviolet laser. Nitrogen gas dissociates and reacts due to a strong local non-equilibrium field created by the sublimated material. Can be grown in an atmosphere. In the PLD method, a target (Ga, Al, In, AlN, GaN, InN, etc.) as a raw material is irradiated with a KrF excimer laser at an energy density of 3 J / cm 2 and a repetition frequency of 10 to 15 Hz. The target material is instantly sublimated by this laser irradiation, becomes a kind of plasma called plume, and repeatedly collides with atmospheric gas molecules (nitrogen gas, oxygen gas, etc.), then reaches the substrate and forms a thin film. Form. Nitrogen gas is introduced as a nitrogen source at a pressure of 10 −5 to 10 −1 Torr. According to this method, a high-quality nitride semiconductor can be produced at room temperature, and damage to the active layer due to heat can be significantly reduced.

また、第二n型窒化物半導体層15は、パルススパッタ(PSD:Pulsed Sputter Deposition)法によって成膜することもできる。活性層を成膜した後、第二n型窒化物半導体層をPSD法で成膜することにより、第二n型窒化物半導体層15をよりいっそう低温で成膜することができ、もって活性層23への熱ダメージを著しく低減することができる。PSD法によって全ての第二n型窒化物半導体層を成膜してもよいし、一部のみを成膜してもよい。   The second n-type nitride semiconductor layer 15 can also be formed by pulse sputtering (PSD: Pulsed Sputter Deposition). After the active layer is formed, the second n-type nitride semiconductor layer 15 can be formed at a lower temperature by forming the second n-type nitride semiconductor layer by the PSD method. The heat damage to 23 can be remarkably reduced. All the second n-type nitride semiconductor layers may be formed by the PSD method, or only a part thereof may be formed.

(I)第二n型ガイド層
本発明の第二n型窒化物半導体層15に含まれる第二n型ガイド層16は、第二クラッド層17と接する層である。この第二n型ガイド層16に用いられる材料としては、AlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z≦1;x+y+z=1)を挙げることができる。また、第二n型ガイド層16の層厚は、0.01μm以上1μm以下とすることができるが、後述するリッジストライプ部70の形成に際して一部がエッチング等の方法により取り除かれ、図1に示すように第二n型ガイド層のエッチングにより除去された部分の層厚はdとなる。
(I) Second n-type Guide Layer The second n-type guide layer 16 included in the second n-type nitride semiconductor layer 15 of the present invention is a layer in contact with the second cladding layer 17. Examples of the material used for the second n-type guide layer 16 include Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1; 0 ≦ z ≦ 1; x + y + z = 1). . The layer thickness of the second n-type guide layer 16 can be 0.01 μm or more and 1 μm or less, but a part of the second n-type guide layer 16 is removed by etching or the like when forming a ridge stripe portion 70 described later. As shown, the layer thickness of the portion removed by etching of the second n-type guide layer is d.

(II)第二クラッド層
本発明の第二n型窒化物半導体層15に含まれる第二クラッド層17は、活性層23で発光した光のうち窒化物半導体成長面に対して垂直方向に広がる光を活性層23付近の半導体内部に閉じ込める役割を果たしている層である。この第二クラッド層17は、活性層23および第二n型ガイド層16の屈折率より低い屈折率を有していることが好ましい。本発明においては、高抵抗で知られるp型AlGaNクラッド層を用いずに、第二クラッド層17で光閉じ込めを行なうため、従来の窒化物半導体レーザ素子よりも駆動電圧を低減することができる。ここで、第二クラッド層17に用いられる材料としては、AlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z<1;x+y+z=1)、AlyGa1-yN(0≦y≦0.1)、GaN等を挙げることができるが、第二クラッド層17をより低屈折率化するという観点から、AlyGa1-yN(0≦y≦0.1)を用いることがより好ましい。また第二クラッド層17にGaN材料を用いる場合、活性層23との屈折率差が十分でなく、光閉じ込め効果が弱くなることが懸念されるため、第二クラッド層17の代わりに後述する導電性酸化物層を用いることもできるし、第二クラッド層17の上にさらに導電性酸化物層を含むこともできる。
(II) Second Cladding Layer The second cladding layer 17 included in the second n-type nitride semiconductor layer 15 of the present invention spreads in the direction perpendicular to the nitride semiconductor growth surface in the light emitted from the active layer 23. This layer serves to confine light inside the semiconductor near the active layer 23. The second cladding layer 17 preferably has a refractive index lower than that of the active layer 23 and the second n-type guide layer 16. In the present invention, since the optical confinement is performed in the second cladding layer 17 without using the p-type AlGaN cladding layer known for its high resistance, the driving voltage can be reduced as compared with the conventional nitride semiconductor laser element. Here, as a material used for the second cladding layer 17, Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1; 0 ≦ z <1; x + y + z = 1), Al y Ga 1 -y N (0 ≦ y ≦ 0.1), GaN, and the like can be mentioned. From the viewpoint of lowering the refractive index of the second cladding layer 17, Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ More preferably, 0.1) is used. Further, when a GaN material is used for the second cladding layer 17, there is a concern that the refractive index difference with the active layer 23 is not sufficient and the optical confinement effect is weakened. A conductive oxide layer can also be used, and a conductive oxide layer can be further included on the second cladding layer 17.

また、第二クラッド層17の結晶構造は、AlGaNとGaNとの超格子構造であってもよいし、組成の異なるAlpGa1-pNとAlqGa1-qNとの超格子構造であってもよい。また、第二クラッド層17の層厚は0.01μm以上10μm以下であることが好ましく、0.2μm以上8μm以下であることがより好ましい。 The crystal structure of the second cladding layer 17 may be a superlattice structure of AlGaN and GaN, or a superlattice structure of Al p Ga 1-p N and Al q Ga 1-q N having different compositions. It may be. The layer thickness of the second cladding layer 17 is preferably 0.01 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 0.2 μm or more and 8 μm or less.

(III)n型コンタクト層
本発明の第二n型窒化物半導体層15に含まれるn型コンタクト層18は、第二クラッド層17と第二電極40との間に位置する層である。このn型コンタクト層18の層厚は、0.01μm以上1μm以下とすることができる。
(III) n-type Contact Layer The n-type contact layer 18 included in the second n-type nitride semiconductor layer 15 of the present invention is a layer located between the second cladding layer 17 and the second electrode 40. The layer thickness of the n-type contact layer 18 can be 0.01 μm or more and 1 μm or less.

<基板>
本発明の窒化物半導体レーザ素子の基板11に用いられる材料としては、結晶構造が六方晶形の結晶構造を有する材料を特に好ましく用いることができ、このような材料としてたとえば、窒化物半導体基板、サファイア基板、SiC基板等を挙げることができる。また、基板11と基板11上に形成される窒化物半導体層との格子整合性を高めるという観点から、基板11には窒化物半導体基板を用いることが好ましく、特にn型の窒化物半導体基板を用いることが好ましい。
<Board>
As a material used for the substrate 11 of the nitride semiconductor laser device of the present invention, a material having a crystal structure with a hexagonal crystal structure can be particularly preferably used. Examples of such a material include a nitride semiconductor substrate and sapphire. A substrate, a SiC substrate, etc. can be mentioned. Further, from the viewpoint of enhancing lattice matching between the substrate 11 and the nitride semiconductor layer formed on the substrate 11, a nitride semiconductor substrate is preferably used as the substrate 11, and an n-type nitride semiconductor substrate is particularly preferable. It is preferable to use it.

また、窒化物半導体基板を用いる場合、その窒化物半導体基板の組成は、AlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z<1;x+y+z=1)を有するものを用いることができ、具体的にはGaN、AlGaN、AlN、InGaN等を用いることができる。また、この窒化物半導体基板の六方晶形が保たれる範囲であれば、窒化物半導体基板に含まれるN元素の一部を、As、PまたはSbからなる群より選択された少なくとも1種の元素に置換することもできる。ここで、「N元素の一部」とは、窒化物半導体基板AlxGayInzNに含まれるNのうち、10%以下のNのことをいう。 Further, when a nitride semiconductor substrate is used, the composition of the nitride semiconductor substrate is Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1; 0 ≦ z <1; x + y + z = 1). In particular, GaN, AlGaN, AlN, InGaN, or the like can be used. If the hexagonal crystal shape of the nitride semiconductor substrate is maintained, at least one element selected from the group consisting of As, P, or Sb may be used as a part of the N element contained in the nitride semiconductor substrate. Can also be substituted. Here, “a part of the N element” means 10% or less of N in N contained in the nitride semiconductor substrate Al x Ga y In z N.

このような基板の層厚は、10μm以上1000μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは100μm以上800μm以下であり、理想的には200μm以上600μm以下である。   The layer thickness of such a substrate is preferably 10 μm or more and 1000 μm or less, more preferably 100 μm or more and 800 μm or less, and ideally 200 μm or more and 600 μm or less.

<活性層>
本発明の窒化物半導体レーザ素子10に用いられる活性層23は、バリア層と井戸層とを交互に積層した積層体を有し、さらにこの積層体を緩衝層によって、両側から挟んだ構造をした多重量子井戸活性層構造であり、600〜800℃の温度で成膜することが好ましい。バリア層には、InxGa1-xNが用いられ、井戸層はバリア層よりIn組成の高い、InxGa1-xNが用いられる。また、活性層23の層厚は、上述のバリア層と井戸層との層厚の合計で表すことができ、0.01μm以上1μm以下であることが好ましい。
<Active layer>
The active layer 23 used in the nitride semiconductor laser device 10 of the present invention has a laminated body in which barrier layers and well layers are alternately laminated, and further has a structure in which this laminated body is sandwiched by buffer layers from both sides. It is a multiple quantum well active layer structure, and it is preferable to form a film at a temperature of 600 to 800 ° C. In x Ga 1-x N is used for the barrier layer, and In x Ga 1-x N having a higher In composition than the barrier layer is used for the well layer. The layer thickness of the active layer 23 can be represented by the total thickness of the barrier layer and the well layer described above, and is preferably 0.01 μm or more and 1 μm or less.

また、本発明の活性層とp型窒化物半導体層との間および活性層と第二n型窒化物半導体層との間に、AlxGayInzN(0≦x<1;0≦y≦1;0≦z<1;x+y+z=1)からなる緩衝層を設けることが好ましい。この緩衝層の組成は、InxGa1-xN(In組成x:0≦x≦0.1)であることが好ましい。また、In組成の多い(In組成0.15以上0.3以下)活性層23を成膜する際に緩衝層を形成すると、井戸層の結晶性を向上させることができる。これは、井戸層にかかる格子不整合から引き起こされる大きな歪を緩衝層によって軽減することができるためと考えられる。 Further, between the active layer and the p-type nitride semiconductor layer of the present invention and between the active layer and the second n-type nitride semiconductor layer, Al x Ga y In z N (0 ≦ x <1; 0 ≦ It is preferable to provide a buffer layer of y ≦ 1; 0 ≦ z <1; x + y + z = 1). The composition of the buffer layer is preferably In x Ga 1-x N (In composition x: 0 ≦ x ≦ 0.1). Further, when the buffer layer is formed when forming the active layer 23 having a large In composition (In composition 0.15 or more and 0.3 or less), the crystallinity of the well layer can be improved. This is presumably because a large strain caused by lattice mismatch applied to the well layer can be reduced by the buffer layer.

ここで、緩衝層の層厚は、1nm以上0.4μm以下が好ましい。また、活性層とp型窒化物半導体層の間に設けられる緩衝層は、ノンドープまたはp型ドーピングであることが好ましく、活性層と第二n型窒化物半導体層との間に設けられる緩衝層は、ノンドープまたはn型ドーピングであることが好ましい。ただし、緩衝層を設けなくても本発明の効果と同様の効果を得ることができる。   Here, the thickness of the buffer layer is preferably 1 nm or more and 0.4 μm or less. The buffer layer provided between the active layer and the p-type nitride semiconductor layer is preferably non-doped or p-type doped, and the buffer layer provided between the active layer and the second n-type nitride semiconductor layer. Is preferably non-doped or n-type doped. However, the same effects as those of the present invention can be obtained without providing a buffer layer.

また、活性層23に用いられる材料は、アルミニウム、インジウムおよびガリウムからなる群から選択された少なくとも1種の3族元素と5族元素である窒素との化合物を用いることが好ましく、組成式で表すとAlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z≦1;x+y+z=1)となる。すなわち、後述する実施例には、InxGa1-xNを用いた活性層のみを説明しているが、これに限られるものではなく活性層にAlを含めた混晶を用いることもできる。 The material used for the active layer 23 is preferably a compound of at least one group 3 element selected from the group consisting of aluminum, indium, and gallium and nitrogen, which is a group 5 element, represented by a composition formula. And Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1; 0 ≦ z ≦ 1; x + y + z = 1). That is, although only the active layer using In x Ga 1-x N is described in the examples described later, the present invention is not limited to this, and a mixed crystal containing Al in the active layer can also be used. .

また、活性層23に含まれる、バリア層および井戸層は、いずれもノンドープInxGa1-xN(0<x≦1)からなる層である。このバリア層の層厚は1nm以上100nm以下であることが好ましく、1nm以上40nm以下が特に好ましい。1nmより薄いとキャリアのバリア層としての効果を得られないため好ましくなく、40nmより厚いと、井戸層間の距離が離れすぎてしまい、井戸層にキャリアが不均一に注入される可能性があるため好ましくない。 Further, the barrier layer and the well layer included in the active layer 23 are both layers made of non-doped In x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1). The thickness of the barrier layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and particularly preferably 1 nm or more and 40 nm or less. If it is thinner than 1 nm, it is not preferable because the effect as a barrier layer of carriers cannot be obtained. If it is thicker than 40 nm, the distance between well layers is too far, and carriers may be injected unevenly into the well layer. It is not preferable.

また、井戸層の層厚は0.5nm以上10nm以下が好ましい。0.5nmより薄いと、井戸層が均一に形成されないため好ましくなく、10nmより厚くなると、格子不整合による歪からInの凝集が起こりやすくなるため好ましくない。更に井戸層数は1層から3層程度を形成することが好ましい。また、本発明の窒化物半導体レーザ素子から発振されるレーザ光の波長は活性層23の井戸層の混晶比によって、たとえば440nm〜550nmの範囲で適宜調節することができる。また、活性層23に含まれる井戸層のIn組成xは、0.15〜0.3であることが好ましい。活性層のIn組成xが0.15の時、レーザの発振波長は440nm程度となり、In組成xが0.3の時、レーザの発振波長は550nm程度となる。なお、In組成が増加すると線形的に発振波長も長波長化する。   Further, the thickness of the well layer is preferably 0.5 nm or more and 10 nm or less. If it is thinner than 0.5 nm, the well layer is not formed uniformly, and it is not preferable. If it is thicker than 10 nm, it is not preferable because In aggregation is likely to occur due to strain due to lattice mismatch. Furthermore, it is preferable to form about 1 to 3 well layers. Further, the wavelength of the laser light oscillated from the nitride semiconductor laser element of the present invention can be appropriately adjusted within a range of 440 nm to 550 nm, for example, depending on the mixed crystal ratio of the well layer of the active layer 23. Further, the In composition x of the well layer included in the active layer 23 is preferably 0.15 to 0.3. When the In composition x of the active layer is 0.15, the laser oscillation wavelength is about 440 nm. When the In composition x is 0.3, the laser oscillation wavelength is about 550 nm. As the In composition increases, the oscillation wavelength also increases linearly.

本発明の窒化物半導体レーザ素子において、活性層23と第二n型ガイド層16との間に、キャリアブロック層(図示せず)を設けることが好ましい。活性層23を成膜した後に低温で第二n型ガイド層16を成膜すると、第二n型ガイド層16の結晶性が粗悪になるため活性層23(特にIn組成の大きい井戸層)を十分に保護できない場合がある。しかしながら、活性層23と第二n型ガイド層16との間にキャリアブロック層を設けることによって、活性層23からオーバーフローした電子のキャリアブロックを行なうことができるし、活性層23をより保護することもできる。このキャリアブロック層の層厚はたとえば10nmとすることができる。   In the nitride semiconductor laser device of the present invention, it is preferable to provide a carrier block layer (not shown) between the active layer 23 and the second n-type guide layer 16. If the second n-type guide layer 16 is formed at a low temperature after forming the active layer 23, the crystallinity of the second n-type guide layer 16 becomes poor, so that the active layer 23 (especially a well layer having a large In composition) is formed. In some cases, it cannot be adequately protected. However, by providing a carrier block layer between the active layer 23 and the second n-type guide layer 16, it is possible to carry out carrier block of electrons overflowing from the active layer 23, and to further protect the active layer 23. You can also. The thickness of the carrier block layer can be set to 10 nm, for example.

このキャリアブロック層に用いられる材料としては、たとえばAlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z<1;x+y+z=1)、AlpGa1-pN(0<p≦1)等を用いることができる。ここで、キャリアブロック層にAlpGa1-pNを用いる場合、Al組成pは0より大きいことが好ましいが、Al組成pを大きくしすぎると格子不整合によるクラックが生じることから好ましくない。このようなAl組成pとしてはたとえば0.18程度とすることができる。なお、キャリアブロック層は、n型にドーピングされていることが好ましいが、ノンドープであってもよい。 As a material used for this carrier block layer, for example, Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1; 0 ≦ z <1; x + y + z = 1), Al p Ga 1-p N (0 <p ≦ 1) or the like can be used. Here, when Al p Ga 1-p N is used for the carrier block layer, the Al composition p is preferably larger than 0. However, if the Al composition p is too large, cracks due to lattice mismatching are not preferable. Such an Al composition p can be set to about 0.18, for example. The carrier block layer is preferably n-type doped, but may be non-doped.

また、格子不整合から生じるクラックを緩和するという観点と、さらに低温で成膜できるという観点とからすれば、キャリアブロック層に用いられる材料にはAlxGayInzN(0<x<1;0<y<1;0<z<1;x+y+z=1)を用いることが好ましい。この場合、In組成zが0より大きく0.3より小さいことが好ましく、0.3より大きくなると層分離を起こしてしまうという問題、およびキャリアブロック層の再蒸発が起こるという問題があるため好ましくない。また、Al組成xは0より大きいことが好ましく、たとえば0.18程度とすることができる。 Further, from the viewpoint of alleviating cracks caused by lattice mismatch and from the viewpoint of being able to form a film at a lower temperature, the material used for the carrier block layer may be Al x Ga y In z N (0 <x <1). 0 <y <1; 0 <z <1; x + y + z = 1) is preferably used. In this case, it is preferable that the In composition z is larger than 0 and smaller than 0.3, and if it exceeds 0.3, there is a problem that layer separation occurs and a problem that re-evaporation of the carrier block layer occurs. . The Al composition x is preferably larger than 0, and can be about 0.18, for example.

また、緑色光や赤色光のような可視光の中では長波長領域の光を発する窒化物半導体レーザ素子を製造するためには、活性層のIn組成xが0.15〜0.3の高いIn含有量の活性層が必要とされる。しかし、In組成xが0.15〜0.3程度の高いIn組成の活性層は赤色や緑色の光を発光する活性層の熱分解温度はかなり低いため、従来の製造方法のように活性層を成膜した後に1000℃以上の高温状態でp型窒化物半導体層を成膜すると、活性層が熱によるダメージで結晶劣化を起こすことから、緑色光や赤色光を発する窒化物半導体レーザ素子の製造が困難であった。このInを含む窒化物半導体結晶の熱分解温度の低さを表す例として、たとえばInNは600〜700℃で熱分解が起こる程度にInを含む活性層の熱分解温度は低い。   Further, in order to manufacture a nitride semiconductor laser device that emits light in a long wavelength region in visible light such as green light and red light, the In composition x of the active layer is as high as 0.15 to 0.3. An active layer with an In content is required. However, an active layer having a high In composition with an In composition x of about 0.15 to 0.3 has a considerably low thermal decomposition temperature of the active layer emitting red or green light. When the p-type nitride semiconductor layer is formed at a high temperature of 1000 ° C. or higher after the film is formed, the active layer causes crystal degradation due to heat damage. Therefore, the nitride semiconductor laser element that emits green light or red light is used. Manufacturing was difficult. As an example showing the low thermal decomposition temperature of a nitride semiconductor crystal containing In, for example, the thermal decomposition temperature of an active layer containing In is so low that InN undergoes thermal decomposition at 600 to 700 ° C.

ところが、本発明で作製された窒化物半導体レーザ素子10は、活性層23を成膜した後、p型窒化物半導体層を成膜することなく、600〜900℃程度の比較的低温で第二n型窒化物半導体層15を成膜し、この後の製造過程においても900℃を超える温度に昇温することがないので、In組成xは、0.15以上を含む活性層を用いても熱分解することなく窒化物半導体レーザ素子を製造することができるし、In組成xは、0.2以上を含む活性層であっても熱分解することなく窒化物半導体レーザ素子を製造することもできる。   However, the nitride semiconductor laser device 10 manufactured according to the present invention is formed at a relatively low temperature of about 600 to 900 ° C. without forming the p-type nitride semiconductor layer after forming the active layer 23. Since the n-type nitride semiconductor layer 15 is formed and the temperature is not raised to a temperature exceeding 900 ° C. in the subsequent manufacturing process, an active layer containing 0.15 or more of the In composition x may be used. A nitride semiconductor laser device can be manufactured without thermal decomposition, and a nitride semiconductor laser device can also be manufactured without thermal decomposition even if the In composition x is an active layer containing 0.2 or more. it can.

<基板の主面>
本発明に用いられる基板11の主面には、c面{0001}、A面{11−20}、R面{1−102}、M面{1−100}、{1−101}面および{11−22}面から選択された少なくとも1つの面を用いることができる。この基板上に形成されるp型窒化物半導体層を低抵抗にするという観点から、c面を主面とする基板を用いることが好ましい。
<Main surface of substrate>
The principal surface of the substrate 11 used in the present invention includes c-plane {0001}, A-plane {11-20}, R-plane {1-102}, M-plane {1-100}, {1-101} plane, and At least one surface selected from the {11-22} surfaces can be used. From the viewpoint of reducing the resistance of the p-type nitride semiconductor layer formed on this substrate, it is preferable to use a substrate having a c-plane as a main surface.

なお、結晶面を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。   In addition, when expressing a crystal plane, it should be expressed by adding a bar on a required number. However, because there are restrictions on expression means, in this specification, the required number Instead of the expression with a bar, the symbol “-” is added in front of the required number.

また、基板の主面に対するオフ角度が0.1〜2°であれば、その表面モフォロジーが良好であるため面内の層厚分布を小さくすることができる。したがって、たとえば基板の主面がM面{1−100}の場合、M面内のc軸方向のオフ角度が0.1〜2°に傾いていれば、表面モフォロジーが良好であるため面内の層厚分布を小さくすることができる。   Moreover, if the off angle with respect to the main surface of the substrate is 0.1 to 2 °, the surface morphology is good, so that the in-plane layer thickness distribution can be reduced. Therefore, for example, when the main surface of the substrate is the M plane {1-100}, if the off-angle in the c-axis direction in the M plane is inclined by 0.1 to 2 °, the surface morphology is good and the in-plane The layer thickness distribution can be reduced.

ここで、基板の主面に対するオフ角度が0.1°未満であれば、面内の層厚分布が大きくなる虞があり好ましくない。また、基板の主面に対するオフ角度が2°より大きくなると、表面のステップ形状が顕著になり、面内の層厚分布が大きくなる虞があり好ましくない。   Here, if the off angle with respect to the main surface of the substrate is less than 0.1 °, the in-plane layer thickness distribution may increase, which is not preferable. Further, when the off angle with respect to the main surface of the substrate is larger than 2 °, the step shape of the surface becomes remarkable, and the in-plane layer thickness distribution may be increased, which is not preferable.

<導電性酸化物層>
本発明の窒化物半導体レーザ素子に用いられる導電性酸化物層は、窒化物半導体層上に形成される層であって、高屈折率を有する材料からなる層である。また、導電性酸化物層に用いられる材料としては、錫ドープ酸化インジウム(ITO:Indium Tin Oxide)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(ZnO:Al)、ガリウムドープ酸化亜鉛(ZnO:Ga)フッ素ドープ酸化錫(SnO2:F)、ニオビウム(Nb)がドープされた二酸化チタン、β−Ga23等の導電性酸化物もしくは分子線エピキタシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法または有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法で作製されたn型の酸化亜鉛(ZnO)を挙げることができる。
<Conductive oxide layer>
The conductive oxide layer used in the nitride semiconductor laser device of the present invention is a layer formed on the nitride semiconductor layer and made of a material having a high refractive index. In addition, as a material used for the conductive oxide layer, tin-doped indium oxide (ITO), aluminum-doped zinc oxide (ZnO: Al), gallium-doped zinc oxide (ZnO: Ga) fluorine-doped tin oxide ( SnO 2 : F), titanium dioxide doped with niobium (Nb), conductive oxide such as β-Ga 2 O 3 or molecular beam epitaxy (MBE) method or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) An n-type zinc oxide (ZnO) produced by the Metal Organic Chemical Vapor Deposition method can be mentioned.

また、この導電性酸化物層は、EB蒸着法、スパッタ成膜法、MBE法、MOCVD法等によって成膜することができ、これらの方法を用いれば300℃以下の比較的低温で導電性酸化物層を成膜することができる。このことから活性層23の熱分解を避けつつ、導電性酸化物層を成膜することができるというメリットがある。   The conductive oxide layer can be formed by EB vapor deposition, sputter deposition, MBE, MOCVD, etc., and these methods can be used to conduct conductive oxidation at a relatively low temperature of 300 ° C. or lower. A physical layer can be formed. Therefore, there is an advantage that the conductive oxide layer can be formed while avoiding thermal decomposition of the active layer 23.

また、GaNを用いる第二クラッド層17は、AlGaNを用いる第二クラッド層の屈折率と比べて屈折率が高くなるため、第二クラッド層17の光閉じ込め効果が弱くなる。このような場合に、第二クラッド層17の上にさらに導電性酸化物層を設ければ、第二クラッド層17と導電性酸化物層との屈折率差がより大きくなり、第二クラッド層17の光閉じ込め効果を上げることができると考えられる。また、第二クラッド層17の代わりに導電性酸化物層を用いることもできる。   Moreover, since the refractive index of the second cladding layer 17 using GaN is higher than that of the second cladding layer using AlGaN, the light confinement effect of the second cladding layer 17 is weakened. In such a case, if a conductive oxide layer is further provided on the second cladding layer 17, the refractive index difference between the second cladding layer 17 and the conductive oxide layer becomes larger, and the second cladding layer It is thought that the light confinement effect of 17 can be improved. Further, a conductive oxide layer can be used instead of the second cladding layer 17.

<電流狭窄絶縁膜>
本発明の窒化物半導体レーザ素子に用いられる電流狭窄絶縁膜25は、第二n型ガイド層16と第二クラッド層17とに接触するように設けられる膜であって、絶縁性を有する膜である。
<Current confinement insulating film>
The current confinement insulating film 25 used in the nitride semiconductor laser device of the present invention is a film provided so as to be in contact with the second n-type guide layer 16 and the second cladding layer 17 and having an insulating property. is there.

この電流狭窄絶縁膜25に用いられる材料としては、たとえば、シリコンの酸化物、アルミニウムの酸化物、ジルコニアの酸化物、チタンの酸化物、タンタルの酸化物、シリコンの酸窒化物、アルミニウムの酸窒化物、ジルコニアの酸窒化物、チタンの酸窒化物、タンタルの酸窒化物、シリコンの窒化物、アルミニウムの窒化物、ノンドープAlN、ノンドープAlGaN、ノンドープInAlN、p型AlN、p型AlGaN、p型InAlN等の材料のうちから選択された少なくとも1種を挙げることができる。ただし、p型AlN、p型AlGaNまたはp型InAlNを用いる場合、これらに含まれるMgが光吸収するため、Mgのドープ量が少ない方が好ましく、ノンドープであることがより好ましい。   Examples of the material used for the current confinement insulating film 25 include silicon oxide, aluminum oxide, zirconia oxide, titanium oxide, tantalum oxide, silicon oxynitride, and aluminum oxynitride. , Zirconia oxynitride, titanium oxynitride, tantalum oxynitride, silicon nitride, aluminum nitride, non-doped AlN, non-doped AlGaN, non-doped InAlN, p-type AlN, p-type AlGaN, p-type InAlN And at least one selected from materials such as However, when p-type AlN, p-type AlGaN, or p-type InAlN is used, Mg contained therein absorbs light, so that the smaller the amount of Mg doped, the more preferably non-doped.

また、電流狭窄絶縁膜25は、従来より公知の方法で成膜することができ、たとえばEB蒸着法、スパッタ法、MOCVD法、MBE法等によって成膜することができる。また、電流狭窄絶縁膜25は、単層構造に限られるものではなく多層構造であってもよい。   The current confinement insulating film 25 can be formed by a conventionally known method, and can be formed by, for example, an EB vapor deposition method, a sputtering method, an MOCVD method, an MBE method, or the like. The current confinement insulating film 25 is not limited to a single layer structure, and may have a multilayer structure.

電流狭窄絶縁膜25の層厚は、6〜1000nmであることが好ましく、6〜500nmであることがより好ましい。層厚が6nm未満の場合は面内に均一な膜を形成しにくいため、電流がリークして電流狭窄絶縁膜25としての役目を果たさなくなる虞があることから好ましくなく、また層厚が1000nmより厚くなると、後述する実施の形態2の窒化物半導体レーザ素子2010の構成において、電流狭窄絶縁膜2025の後に形成される第二n型ガイド層2016、第二クラッド層2017およびn型コンタクト層2018を再成長させた際に電流狭窄絶縁膜2025のストライプ部が埋まりきらなくなるという問題があるため、好ましくない。   The layer thickness of the current confinement insulating film 25 is preferably 6 to 1000 nm, and more preferably 6 to 500 nm. If the layer thickness is less than 6 nm, it is difficult to form a uniform film in the surface, which is not preferable because current leaks and may not serve as the current confinement insulating film 25, and the layer thickness is less than 1000 nm. When the thickness is increased, the second n-type guide layer 2016, the second cladding layer 2017, and the n-type contact layer 2018 formed after the current confinement insulating film 2025 in the configuration of the nitride semiconductor laser element 2010 according to the second embodiment to be described later are used. This is not preferable because there is a problem that the stripe portion of the current confinement insulating film 2025 is not completely filled when it is regrown.

<第一電極>
本発明の窒化物半導体レーザ素子に用いられる第一電極41は、基板11に接触するように設けられる層であって、外部接続用のためのアノード電極である。第一電極41に用いられる材料としては、従来より公知のものを用いることができ、たとえばTi、Al、Mo、Pt、Au、Hf等を用いることができる。また、第一電極41は、単層構造に限られるものではなく多層構造であってもよい。
<First electrode>
The first electrode 41 used in the nitride semiconductor laser device of the present invention is a layer provided in contact with the substrate 11 and is an anode electrode for external connection. As the material used for the first electrode 41, conventionally known materials can be used, and for example, Ti, Al, Mo, Pt, Au, Hf, and the like can be used. The first electrode 41 is not limited to a single layer structure, and may have a multilayer structure.

<第二電極>
本発明の窒化物半導体レーザ素子10に用いられる第二電極40は、窒化物半導体レーザ素子の端面のうち、第一電極41とは反対側の面に設けられており、外部接続用のためのカソード電極である。第二電極40に用いられる材料としては、従来より公知のものを用いることができ、たとえばTi、Al、Mo、Pt、Au、Hf等を用いることができる。また第二電極40は、単層構造に限られるものではなく多層構造であってもよい。
<Second electrode>
The second electrode 40 used in the nitride semiconductor laser element 10 of the present invention is provided on the surface opposite to the first electrode 41 among the end faces of the nitride semiconductor laser element, and is used for external connection. It is a cathode electrode. As the material used for the second electrode 40, conventionally known materials can be used, and for example, Ti, Al, Mo, Pt, Au, Hf, and the like can be used. The second electrode 40 is not limited to a single layer structure, and may have a multilayer structure.

<リッジストライプ部>
本発明の窒化物半導体レーザ素子10に形成されるリッジストライプ部70は、第二n型ガイド層16および第二クラッド層17の一部がエッチングにより除去されて、ストライプ状のリッジストライプ部70が共振器長方向に延伸するように形成されている。リッジストライプ部のストライプの幅は、用途によって異なるため明確に定義することはできないが、たとえば照明用途に用いられるブロードエリアに使用する場合、ストライプ幅は2〜100μm程度とすることができる。また窒化物半導体レーザ素子として使用する場合ストライプ幅は1.2〜2.4μmの範囲であることが好ましい。また、共振器長は300μmから1.8mmの範囲であることが好ましい。
<Ridge stripe part>
In the ridge stripe portion 70 formed in the nitride semiconductor laser device 10 of the present invention, a part of the second n-type guide layer 16 and the second cladding layer 17 is removed by etching, and the striped ridge stripe portion 70 is formed. It is formed to extend in the resonator length direction. The width of the stripe in the ridge stripe portion cannot be clearly defined because it varies depending on the application. For example, when used in a broad area used for illumination, the stripe width can be about 2 to 100 μm. When used as a nitride semiconductor laser element, the stripe width is preferably in the range of 1.2 to 2.4 μm. The resonator length is preferably in the range of 300 μm to 1.8 mm.

従来の窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、p型窒化物半導体層で形成されていたため、高抵抗になりやすく、駆動電圧が上がるという問題があった。しかし、本発明のリッジストライプ部70は、n型窒化物半導体層で電流狭窄部を形成することから、より低抵抗にすることができ、駆動電圧を下げることができる。また本構造をとることによって、第二n型窒化物半導体層と第二電極との間のコンタクト抵抗は、p型窒化物半導体層とp型電極とのコンタクト抵抗よりも低抵抗化が可能であるため、さらに駆動電圧を下げることができる。   Since the ridge stripe portion of the conventional nitride semiconductor laser element is formed of the p-type nitride semiconductor layer, there is a problem that the resistance tends to be high and the drive voltage increases. However, since the ridge stripe portion 70 of the present invention forms a current confinement portion with an n-type nitride semiconductor layer, the resistance can be further reduced and the drive voltage can be lowered. Further, by adopting this structure, the contact resistance between the second n-type nitride semiconductor layer and the second electrode can be made lower than the contact resistance between the p-type nitride semiconductor layer and the p-type electrode. Therefore, the drive voltage can be further reduced.

本構造をとることによって、従来のようにp電極とp型窒化物半導体層とのコンタクトがなく、しかも窒化物半導体レーザ素子全体に占める、p型窒化物半導体層の割合を小さくできる構造が容易に作製できるというメリットがある。   By adopting this structure, there is no contact between the p-electrode and the p-type nitride semiconductor layer as in the prior art, and a structure that can reduce the proportion of the p-type nitride semiconductor layer in the entire nitride semiconductor laser device is easy. There is an advantage that it can be manufactured.

以下に本発明の好ましい実施の形態1を図3を用いて説明し、実施の形態2を図4を用いて説明するが、本発明は実施の形態1および2に示される窒化物半導体レーザ素子の構造に限られるものではない。   A preferred embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIG. 3, and a second embodiment will be described with reference to FIG. 4. The present invention is a nitride semiconductor laser device shown in the first and second embodiments. It is not limited to the structure.

<実施の形態1>
図3に本発明の窒化物半導体レーザ素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。本発明の窒化物半導体レーザ素子1010は、窒化物半導体基板1011上に、n型AlyGa1-yNからなる第一クラッド層1013、n型GaNからなる第一n型ガイド層1014、p型GaNからなるp型ガイド層1021、p型AlyGa1-yNからなるp型キャリアブロック層1022、AlpInqGarN(0≦p≦1、0≦q<1、0≦r<1)からなる活性層1023、n型GaNからなる第二n型ガイド層1016およびn型AlyGa1-yNからなる第二クラッド層1017を、MOCVD成膜装置を用いてこの順に形成し、その後、リッジストライプ部1070を形成するために、フォトリソグラフィ工程等によってマスクが形成されていない部分を第二n型ガイド層1016の途中までエッチングにより除去し、リッジストライプ部1070を形成する。そして、電流狭窄絶縁膜1025をEB蒸着法により形成し、ストライプ状のマスクとマスク上の電流狭窄絶縁膜1025とをリフトオフ法により除去し、第二電極1040および第一電極1041を形成する。
<Embodiment 1>
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a preferred example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. A nitride semiconductor laser device 1010 according to the present invention includes a first cladding layer 1013 made of n - type Al y Ga 1-y N, a first n-type guide layer 1014 made of n-type GaN, p on a nitride semiconductor substrate 1011. p-type carrier blocking layer 1022 made of p-type guide layer 1021, p-type Al y Ga 1-y N formed of the mold GaN, Al p In q Ga r N (0 ≦ p ≦ 1,0 ≦ q <1,0 ≦ An active layer 1023 made of r <1), a second n-type guide layer 1016 made of n-type GaN, and a second cladding layer 1017 made of n-type Al y Ga 1-y N were used in this order using the MOCVD film forming apparatus. After that, in order to form the ridge stripe portion 1070, the portion where the mask is not formed is removed by etching to the middle of the second n-type guide layer 1016 by a photolithography process or the like. To form a di-stripe portion 1070. Then, the current confinement insulating film 1025 is formed by the EB vapor deposition method, and the stripe-shaped mask and the current confinement insulating film 1025 on the mask are removed by the lift-off method, whereby the second electrode 1040 and the first electrode 1041 are formed.

上記のようにして得られた、窒化物半導体ウエハの窒化物半導体基板1011を研削、研磨工程して100μm程度に薄くして、ダイヤモンド針でスクライブし、バー状にへき開した。さらに、へき開されて形成された端面にたとえば厚さ30nm程度のAlOx1-x(0≦x≦1)からなる端面コート膜を形成する。これは、高出力動作時の端面の光学的破壊を抑制するためである。また、この端面コート膜上に、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム窒化物、シリコン酸窒化物、アルミニウム酸窒化物等から選択された少なくとも1種からなる層を反射率調整用に形成する。このように実施の形態1の窒化物半導体レーザ素子は、端面光出射型の窒化物半導体レーザである。 The nitride semiconductor substrate 1011 of the nitride semiconductor wafer obtained as described above was ground and polished to a thickness of about 100 μm, scribed with a diamond needle, and cleaved into a bar shape. Further, an end face coat film made of AlO x N 1-x (0 ≦ x ≦ 1) having a thickness of, for example, about 30 nm is formed on the end face formed by cleaving. This is to suppress optical destruction of the end face during high output operation. Further, on this end face coat film, silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, titanium oxide, niobium oxide, silicon nitride, aluminum nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride A layer made of at least one selected from the above is formed for adjusting the reflectance. Thus, the nitride semiconductor laser device of the first embodiment is an end face light emission type nitride semiconductor laser.

また、上記エッチングによって残された第二n型ガイド層1016の層厚dは、0より大きく0.5μm以下であることが好ましい。この第二n型ガイド層1016の層厚dが0.5μmより大きいと電流がリッジストライプの外に広がってしまうため、好ましくない。   The layer thickness d of the second n-type guide layer 1016 left by the etching is preferably larger than 0 and not larger than 0.5 μm. If the layer thickness d of the second n-type guide layer 1016 is larger than 0.5 μm, the current spreads outside the ridge stripe, which is not preferable.

<実施の形態2>
図4に本発明の窒化物半導体レーザ素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体レーザ素子2010の層構造は、窒化物半導体基板2011上に、第一クラッド層2013、第一n型ガイド層2014、p型ガイド層2021、p型キャリアブロック層2022、活性層2023までをMOCVD法により作製した後に、この窒化物半導体ウエハをMOCVD装置から取り出し、電流狭窄絶縁膜2025をスパッタ装置により成膜する。
<Embodiment 2>
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a preferred example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. The nitride semiconductor laser element 2010 has a layer structure in which a first cladding layer 2013, a first n-type guide layer 2014, a p-type guide layer 2021, a p-type carrier block layer 2022, and an active layer 2023 are formed on a nitride semiconductor substrate 2011. Then, the nitride semiconductor wafer is taken out of the MOCVD apparatus, and a current confinement insulating film 2025 is formed by a sputtering apparatus.

その後、フォトリソプロセスによって電流狭窄絶縁膜2025上にレジストを塗り、幅1〜3μm程度のストライプ状にレジストを加工し、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)による気相エッチングを行ない、電流狭窄絶縁膜2025をストライプ状に除去してからレジストを除去して、再びMOCVD装置に導入し、第二n型ガイド層2016、第二クラッド層2017およびn型コンタクト層2018を窒化物半導体基板2011側からこの順にMOCVD法によって成膜し、さらに、第一電極2041、第二電極2040を形成する。   Thereafter, a resist is applied on the current confinement insulating film 2025 by a photolithographic process, the resist is processed into a stripe shape having a width of about 1 to 3 μm, and gas phase etching is performed by inductively coupled plasma (ICP) to provide current confinement insulation. After removing the film 2025 in the form of stripes, the resist is removed, and the film is again introduced into the MOCVD apparatus, and the second n-type guide layer 2016, the second cladding layer 2017, and the n-type contact layer 2018 are formed from the nitride semiconductor substrate 2011 side. A film is formed in this order by the MOCVD method, and further, a first electrode 2041 and a second electrode 2040 are formed.

実施の形態2の窒化物半導体レーザ素子2010は、電流狭窄絶縁層を埋め込み式の形で備えているという点で実施の形態1と異なり、この点を特徴とする。活性層より上に形成された第二n型ガイド層2016、第二クラッド層2017およびn型コンタクト層2018は低抵抗であるため、キャリアが窒化物半導体層の表面に平行方向に容易に拡散しやすく、電流狭窄を行うことが難しい。このため、活性層2023の直上で電流狭窄絶縁膜2025を形成することにより、キャリアを有効に閉じ込めることができることから非常に好ましい構造である。電流狭窄絶縁膜2025は、活性層2023中の一番最後に形成された井戸層からの距離は、3nm以上0.5μm以下が好ましい。この距離が3nm未満では、電流狭窄絶縁膜2025を形成するプロセスを行う段階で、活性層2023の井戸層を保護できず、活性層にダメージが入ってしまうため好ましくない。また、この距離が0.5μmより大きくなると、電流狭窄を有効に行えなくなるため、好ましくない。   The nitride semiconductor laser element 2010 according to the second embodiment is different from the first embodiment in that the current confinement insulating layer is provided in a buried form, and this is a feature. Since the second n-type guide layer 2016, the second cladding layer 2017, and the n-type contact layer 2018 formed above the active layer have low resistance, carriers easily diffuse in the parallel direction to the surface of the nitride semiconductor layer. It is easy and current confinement is difficult. For this reason, since the current confinement insulating film 2025 is formed immediately above the active layer 2023, carriers can be effectively confined, which is a very preferable structure. The distance between the current confinement insulating film 2025 and the last well layer formed in the active layer 2023 is preferably 3 nm or more and 0.5 μm or less. If the distance is less than 3 nm, the well layer of the active layer 2023 cannot be protected at the stage of performing the process of forming the current confinement insulating film 2025, and the active layer is damaged, which is not preferable. Further, if this distance is larger than 0.5 μm, it is not preferable because current confinement cannot be effectively performed.

このように埋め込み式の形で電流狭窄絶縁膜2025を形成することで、容易に電流狭窄絶縁構造を作製できるというメリットがある。電流狭窄絶縁膜2025は活性層の上に形成されていても良いし、活性層上に形成されるAlγGa1-γNからなるキャリアブロック層の上に電流狭窄絶縁膜2025を形成してもよい。 Thus, by forming the current confinement insulating film 2025 in a buried form, there is an advantage that a current confinement insulating structure can be easily manufactured. The current confinement insulating film 2025 may be formed on the active layer, or the current confinement insulating film 2025 is formed on the carrier block layer made of Al γ Ga 1-γ N formed on the active layer. Also good.

また、実施の形態1では、リッジストライプ部1070から注入された電子が第二n型ガイド層1016で拡散するのを防ぐために、第二n型ガイド層1016のエッチング量を調整し、第二n型ガイド層1016の層厚を正確に制御する必要がある。しかし、実施の形態2においては、活性層2023の直上に電流狭窄絶縁膜2025を設けていることから、このような層厚制御をしなくてもよく、この点に本実施の形態のメリットがある。   In the first embodiment, in order to prevent the electrons injected from the ridge stripe portion 1070 from diffusing in the second n-type guide layer 1016, the etching amount of the second n-type guide layer 1016 is adjusted, and the second n-type guide layer 1016 is adjusted. The layer thickness of the mold guide layer 1016 needs to be accurately controlled. However, in the second embodiment, since the current confinement insulating film 2025 is provided immediately above the active layer 2023, such a layer thickness control is not necessary, and this point has the merit of the present embodiment. is there.

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, this invention is not limited to this.

(実施例1)
図5に、実施例1の窒化物半導体レーザ素子110の好ましい一例の模式的な断面図を示す。実施例1の窒化物半導体レーザ素子110は、厚さ400μmで2インチのウエハのn型GaNからなる窒化物半導体基板111上に、厚さ2.5μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第一クラッド層113、厚さ0.1μmのn型GaNからなる第一n型ガイド層114、厚さ0.2μmのp型GaNからなるp型ガイド層121、厚さ0.01μmのp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型キャリアブロック層122、厚さ0.152μmのAlpInqGarN(0≦p≦1、0≦q≦1、0≦r≦1)からなる活性層123、厚さ0.2μmのn型GaNからなる第二n型ガイド層116および厚さ0.6μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第二クラッド層117を、MOCVD成膜装置を用いてこの順に形成した。ここで、第二n型ガイド層116と第二クラッド層117とをあわせて第二n型窒化物半導体層115という。なお、第一クラッド層113から活性層123の窒化物半導体基板111に近い側のノンドープGaN層までを1125℃で成膜し、残りの層を850℃で成膜した。
Example 1
FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a preferred example of the nitride semiconductor laser element 110 of the first embodiment. The nitride semiconductor laser device 110 according to the first embodiment is a first semiconductor layer made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N with a thickness of 2.5 μm on a nitride semiconductor substrate 111 made of n-type GaN with a thickness of 400 μm and 2 inches. One cladding layer 113, a first n-type guide layer 114 made of n-type GaN having a thickness of 0.1 μm, a p-type guide layer 121 made of p-type GaN having a thickness of 0.2 μm, and a p-type Al having a thickness of 0.01 μm 0.1 Ga 0.9 p-type carrier block layer 122 composed of N, having a thickness of 0.152μm Al p in q Ga r N (0 ≦ p ≦ 1,0 ≦ q ≦ 1,0 ≦ r ≦ 1) composed of the active layer 123 Then, a second n-type guide layer 116 made of n-type GaN having a thickness of 0.2 μm and a second clad layer 117 made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 0.6 μm are formed by using a MOCVD film forming apparatus. Formed in order. Here, the second n-type guide layer 116 and the second cladding layer 117 are collectively referred to as a second n-type nitride semiconductor layer 115. The first cladding layer 113 to the non-doped GaN layer closer to the nitride semiconductor substrate 111 of the active layer 123 were formed at 1125 ° C., and the remaining layers were formed at 850 ° C.

その後、リッジストライプ部170を形成するために、フォトリソグラフィ工程によって第二クラッド層117上にストライプ状のマスクを形成し、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング法を用いて、マスクが形成されていない部分を第二n型ガイド層116の途中までエッチングにより除去し、幅1.6μmのリッジストライプ部170を形成した。そして、厚さ200nmのSiO2と厚さ50nmのTiO2とからなる電流狭窄絶縁膜125をEB蒸着法により形成し、ストライプ状のマスクとマスク上の電流狭窄絶縁膜125をリフトオフ法により除去し、その後窒化物半導体基板111に接するように厚さ30nmのハフニウム層と厚さ200nmのアルミニウム層と厚さ30nmのモリブデン層と厚さ50nmの白金と厚さ200nmの金との5層からなる第一電極141を形成した。さらに、EB蒸着法によって第二電極140を形成した。 Thereafter, in order to form the ridge stripe portion 170, a striped mask is formed on the second cladding layer 117 by a photolithography process, and the mask is formed by using an inductively coupled plasma (ICP) etching method. The part which is not formed is removed by etching to the middle of the second n-type guide layer 116 to form a ridge stripe part 170 having a width of 1.6 μm. Then, the current confinement insulating film 125 made of SiO 2 and a thickness of 50 nm TiO 2 Metropolitan of thickness 200nm was formed by EB vapor deposition method, a current constriction insulating film 125 on the stripe-shaped mask and the mask is removed by lift-off Then, a fifth layer consisting of a hafnium layer having a thickness of 30 nm, an aluminum layer having a thickness of 200 nm, a molybdenum layer having a thickness of 30 nm, platinum having a thickness of 50 nm, and gold having a thickness of 200 nm is in contact with the nitride semiconductor substrate 111. One electrode 141 was formed. Furthermore, the second electrode 140 was formed by EB vapor deposition.

ここで、本実施例に用いられる活性層123は、厚さ60nmのノンドープGaN層、厚さ10nmのノンドープIn0.04Ga0.96Nからなるバリア層、厚さ4nmのノンドープIn0.25Ga0.75Nからなる井戸層、厚さ10nmのノンドープIn0.04Ga0.96Nからなるバリア層、厚さ4nmのノンドープIn0.25Ga0.75Nからなる井戸層および厚さ60nmのノンドープGaN層を窒化物半導体基板側からこの順に含むAlGaInN多重井戸活性層構造に作製したものであった。 Here, the active layer 123 used in this example includes a non-doped GaN layer having a thickness of 60 nm, a barrier layer made of non-doped In 0.04 Ga 0.96 N having a thickness of 10 nm, and a well made of non-doped In 0.25 Ga 0.75 N having a thickness of 4 nm. AlGaInN including a 10 nm thick non-doped In 0.04 Ga 0.96 N barrier layer, a 4 nm thick non-doped In 0.25 Ga 0.75 N well layer, and a 60 nm thick non-doped GaN layer in this order from the nitride semiconductor substrate side It was produced in a multi-well active layer structure.

上記のようにして得られた、窒化物半導体ウエハの窒化物半導体基板111を研削、研磨工程して100μm程度に薄くして、ダイヤモンド針でスクライブし、バー状にへき開し、このへき開されて形成された端面に厚さ30nm程度のAlOx1-x(0≦x≦1)からなる端面コート膜を形成し、この端面コート膜上にさらに酸化アルミニウム膜を反射率調整用に形成した。このような窒化物半導体レーザ素子の光出射側の端面の反射率は10%であり、光反射側の反射率は95%であった。このように実施例1のレーザは、端面光出射型の窒化物半導体レーザである。 The nitride semiconductor substrate 111 of the nitride semiconductor wafer obtained as described above is ground and polished to a thickness of about 100 μm, scribed with a diamond needle, cleaved into a bar shape, and formed by cleavage. An end face coat film made of AlO x N 1-x (0 ≦ x ≦ 1) having a thickness of about 30 nm was formed on the end face, and an aluminum oxide film was further formed on the end face coat film for reflectance adjustment. The reflectance of the end surface on the light emitting side of such a nitride semiconductor laser element was 10%, and the reflectance on the light reflecting side was 95%. Thus, the laser of Example 1 is an end face light emission type nitride semiconductor laser.

このようにして作製した窒化物半導体レーザ素子の発振閾値と発振後の平均発光効率(スロープ効率)を求めたところ、実施例1の窒化物半導体レーザ素子20個の平均発振閾値は30mAであり、平均発光効率は1.65W/Aであった。ここで、発振閾値とは窒化物半導体レーザ素子の駆動電流の低さを表す値で、値が小さいほど駆動電流が小さい発光素子であることを示す。また、発光効率とは、窒化物半導体レーザ素子の電流注入量に対して素子外部に取り出すことができる光子の割合を表す値であって、値が大きいほど優れた発光素子であることを示す。   When the oscillation threshold value of the nitride semiconductor laser device thus fabricated and the average emission efficiency (slope efficiency) after oscillation were determined, the average oscillation threshold value of the 20 nitride semiconductor laser devices of Example 1 was 30 mA. The average luminous efficiency was 1.65 W / A. Here, the oscillation threshold is a value representing the low driving current of the nitride semiconductor laser device, and the smaller the value is, the light emitting device having a smaller driving current. The luminous efficiency is a value that represents the ratio of photons that can be extracted outside the element with respect to the current injection amount of the nitride semiconductor laser element, and the larger the value, the better the light emitting element.

また、比較のために特許文献1に示された窒化物半導体レーザ素子を同一の方法で作製し、上記と同様の方法で平均発振閾値と平均発光効率とを求めたところ、特許文献1の窒化物半導体レーザ素子20個の平均発振閾値は38mAであり、平均発光効率は1.35W/Aであった。以上のことから、実施例1で作製された窒化物半導体レーザ素子は特許文献1の窒化物半導体レーザ素子に比べ、平均発振閾値と平均発光効率の特性を大きく向上することができた。これは、実施例1においてはMgをドープしたp型AlGaNクラッドがなくなり、光吸収が抑制され内部ロス(αi)が低減したためと考えられる。   For comparison, the nitride semiconductor laser element disclosed in Patent Document 1 was manufactured by the same method, and the average oscillation threshold and the average light emission efficiency were determined by the same method as described above. The average oscillation threshold of the 20 semiconductor laser elements was 38 mA, and the average light emission efficiency was 1.35 W / A. From the above, the nitride semiconductor laser device fabricated in Example 1 was able to greatly improve the characteristics of the average oscillation threshold and the average light emission efficiency as compared with the nitride semiconductor laser device of Patent Document 1. This is considered to be because in Example 1, the p-type AlGaN cladding doped with Mg disappeared, the light absorption was suppressed, and the internal loss (αi) was reduced.

(実施例2)
図6に本発明の実施例2で作製した窒化物半導体レーザ素子210の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物半導体レーザ素子210は実施例1と類似の構造をしており、実施例1の窒化物半導体レーザ素子110における第一クラッド層113の一部と第一n型ガイド層114の全部とをp型クラッド層213aに置き代えている点と、第二クラッド層217と第二電極240との間に、n型コンタクト層218を設けた点とが異なっており、これらの点を特徴とする。また、実施例2の窒化物半導体レーザ素子210の活性層223の構造は実施例1のそれと同一の構造であるが、井戸層のIn組成を0.15とし、発振波長が450nmとなっている点で異なっている。
(Example 2)
FIG. 6 is a schematic perspective view of the nitride semiconductor laser element 210 manufactured in Example 2 of the present invention. The nitride semiconductor laser element 210 of this example has a structure similar to that of Example 1, and a part of the first cladding layer 113 and the first n-type guide layer 114 in the nitride semiconductor laser element 110 of Example 1 are used. In that the p-type cladding layer 213a is replaced with the n-type contact layer 218 between the second cladding layer 217 and the second electrode 240. It is characterized by. Further, the structure of the active layer 223 of the nitride semiconductor laser element 210 of Example 2 is the same as that of Example 1, but the In composition of the well layer is 0.15 and the oscillation wavelength is 450 nm. It is different in point.

実施例2の窒化物半導体レーザ素子210は、実施例1と同様のMOCVD装置によって、厚さ400μmのn型GaN基板からなる窒化物半導体基板211上に、厚さ2.3μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第一クラッド層213、厚さ0.2μmのp型Al0.03Ga0.97Nからなるp型クラッド層213a、厚さ0.2μmのp型ガイド層221、厚さ0.01μmのp型キャリアブロック層222、厚さ0.152μmの活性層223、厚さ0.2μmの第二n型ガイド層216、厚さ0.6μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第二クラッド層217および厚さ0.2μmのGaNからなるn型コンタクト層218をこの順に形成し、その後、実施例1と同様の方法によって、電流狭窄絶縁膜225、第一電極241および第二電極240を形成した。 The nitride semiconductor laser element 210 of Example 2 is formed on an n-type Al 0.05 .mu.m thickness of 2.3 .mu.m on a nitride semiconductor substrate 211 made of an n-type GaN substrate of 400 .mu.m thickness by the same MOCVD apparatus as in Example 1. FIG. First clad layer 213 made of Ga 0.95 N, p-type Al 0.03 having a thickness of 0.2 μm, p-type clad layer 213 a made of Ga 0.97 N, p-type guide layer 221 having a thickness of 0.2 μm, and having a thickness of 0.01 μm p-type carrier blocking layer 222, active layer 223 having a thickness of 0.152 μm, second n-type guide layer 216 having a thickness of 0.2 μm, and a second cladding layer made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 0.6 μm. 217 and an n-type contact layer 218 made of GaN having a thickness of 0.2 μm are formed in this order. 240 was formed.

実施例2のように、第一クラッド層213の一部と第一n型ガイド層の全部とをp型クラッド層213aに代えることによっても、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   As in Example 2, the average oscillation threshold and the average luminous efficiency are good by replacing part of the first cladding layer 213 and the entire first n-type guide layer with the p-type cladding layer 213a. The same effect as in Example 1 was obtained.

(実施例3)
図7に本発明の実施例3で作製した窒化物半導体レーザ素子310の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物半導体レーザ素子310は、実施の形態2で示した窒化物半導体レーザ素子のように電流狭窄絶縁層を埋め込み式の形で備えている。また、実施例3の窒化物半導体レーザ素子310の活性層323の構造は実施例1のそれと同一の構造であるが、井戸層のIn組成を0.20としている点で異なっている。
(Example 3)
FIG. 7 is a schematic perspective view of the nitride semiconductor laser element 310 manufactured in Example 3 of the present invention. The nitride semiconductor laser device 310 of this example includes a current confinement insulating layer in a buried form like the nitride semiconductor laser device shown in the second embodiment. Further, the structure of the active layer 323 of the nitride semiconductor laser device 310 of the third embodiment is the same as that of the first embodiment, but is different in that the In composition of the well layer is 0.20.

実施例3の窒化物半導体レーザ素子310の層構造は、図7に示されるように、厚さ400μmのn型GaNからなる窒化物半導体基板311上に、厚さ2.5μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第一クラッド層313、厚さ0.1μmのn型GaNからなる第一n型ガイド層314、厚さ0.2μmのGaNからなるp型ガイド層321、厚さ0.01μmのAl0.1Ga0.9Nからなるp型キャリアブロック層322および厚さ0.152μmのAlxGa1-xInNからなる活性層323をMOCVD法により作製し、この窒化物半導体ウエハをMOCVD装置から取り出し、厚さ500nmのSiO2からなる電流狭窄絶縁膜325をスパッタ装置により成膜した。 As shown in FIG. 7, the layer structure of the nitride semiconductor laser device 310 of Example 3 is formed on an n-type Al 0.05 having a thickness of 2.5 μm on a nitride semiconductor substrate 311 made of n-type GaN having a thickness of 400 μm. First cladding layer 313 made of Ga 0.95 N, first n-type guide layer 314 made of n-type GaN having a thickness of 0.1 μm, p-type guide layer 321 made of GaN having a thickness of 0.2 μm, thickness of 0.01 μm A p-type carrier block layer 322 made of Al 0.1 Ga 0.9 N and an active layer 323 made of Al x Ga 1-x InN having a thickness of 0.152 μm were formed by MOCVD, and this nitride semiconductor wafer was taken out from the MOCVD apparatus A current confinement insulating film 325 made of SiO 2 having a thickness of 500 nm was formed by a sputtering apparatus.

その後、フォトリソプロセスによってSiO2上にレジストを塗り、幅2μm程度のストライプ状にレジストを加工し、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)による気相エッチングを行ない、SiO2をストライプ状に除去し、レジストを除去して、再びMOCVD装置に導入し、厚さ0.2μmのGaNからなる第二n型ガイド層316、厚さ0.6μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第二クラッド層317、厚さ0.2μmのn型GaNからなるn型コンタクト層318を窒化物半導体基板311側からこの順にMOCVD法によって成膜し、さらに、第一電極341、第二電極340を形成した。 After that, a resist is applied onto SiO 2 by a photolithographic process, the resist is processed into a stripe shape having a width of about 2 μm, and gas phase etching by inductively coupled plasma (ICP) is performed to remove SiO 2 in a stripe shape. Then, the resist is removed and introduced into the MOCVD apparatus again, the second n-type guide layer 316 made of GaN having a thickness of 0.2 μm, and the second cladding layer made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 0.6 μm. An n-type contact layer 318 made of n-type GaN having a thickness of 317 and a thickness of 0.2 μm was formed by MOCVD in this order from the nitride semiconductor substrate 311 side, and a first electrode 341 and a second electrode 340 were further formed.

実施例1で示された理由と同じ理由で、実施例3で作製された窒化物半導体レーザ素子310は、活性層323を成膜したあと、p型窒化物半導体層を1000℃以上の高温で成膜する必要がないため、活性層323の井戸層のIn組成xが0.15以上程度の高い組成を必要とする活性層を有する窒化物半導体レーザ素子も製造することができる。この実施例3で作製された窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   For the same reason as described in the first embodiment, the nitride semiconductor laser device 310 manufactured in the third embodiment has a p-type nitride semiconductor layer formed at a high temperature of 1000 ° C. or higher after the active layer 323 is formed. Since it is not necessary to form a film, it is possible to manufacture a nitride semiconductor laser element having an active layer that requires a high composition in which the In composition x of the well layer of the active layer 323 is about 0.15 or more. The nitride semiconductor laser element fabricated in this Example 3 also had a better average oscillation threshold and average emission efficiency than the conventional example, and the same effects as in Example 1 were obtained.

(実施例4)
実施例4の窒化物半導体レーザ素子410の層構造は実施例3と類似の構造をしているが、実施例3の窒化物半導体レーザ素子における第二クラッド層およびn型コンタクト層の代わりにインジウムスズ酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)からなる導電性酸化物層424を用いている点において異なり、この点を特徴としている。また、実施例4の窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造は実施例1のそれと同一の構造であるが、井戸層のIn組成を0.27とし、発振波長は520nmとなっている点で異なっている。
Example 4
The layer structure of the nitride semiconductor laser device 410 of the fourth embodiment is similar to that of the third embodiment, but indium instead of the second cladding layer and the n-type contact layer in the nitride semiconductor laser device of the third embodiment. It is different in that a conductive oxide layer 424 made of tin oxide (ITO: Indium Tin Oxide) is used. The structure of the active layer of the nitride semiconductor laser device of Example 4 is the same as that of Example 1, except that the In composition of the well layer is 0.27 and the oscillation wavelength is 520 nm. Is different.

実施例4の窒化物半導体レーザ素子410の層構造は、図8に示されるように、厚さ400μmのn型GaNからなる窒化物半導体基板411上に、厚さ2.5μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第一クラッド層413、厚さ0.1μmのn型GaNからなる第一n型ガイド層414、厚さ0.2μmのGaNからなるp型ガイド層421、厚さ0.01μmのAl0.1Ga0.9Nからなるp型キャリアブロック層422および厚さ0.152μmのAlxGa1-xInNからなる活性層423までをMOCVD法により作製した後に、この窒化物半導体ウエハをMOCVD装置から取り出し、厚さ500nmのSiO2からなる電流狭窄絶縁膜425をスパッタ装置により成膜した。 As shown in FIG. 8, the layer structure of the nitride semiconductor laser device 410 of Example 4 is a n-type Al 0.05 layer having a thickness of 2.5 μm on a nitride semiconductor substrate 411 made of n-type GaN having a thickness of 400 μm. A first cladding layer 413 made of Ga 0.95 N, a first n-type guide layer 414 made of n-type GaN having a thickness of 0.1 μm, a p-type guide layer 421 made of GaN having a thickness of 0.2 μm, and a thickness of 0.01 μm After forming the p-type carrier block layer 422 made of Al 0.1 Ga 0.9 N and the active layer 423 made of Al x Ga 1-x InN having a thickness of 0.152 μm by the MOCVD method, the nitride semiconductor wafer is formed into an MOCVD apparatus. The current confinement insulating film 425 made of SiO 2 having a thickness of 500 nm was formed by a sputtering apparatus.

その後、実施例3と同様の方法によってSiO2からなる電流狭窄絶縁膜425を形成した後に、再びMOCVD装置に導入し、厚さ0.2μmのGaNからなる第二n型ガイド層416をMOCVD法によって成膜し、厚さ0.3μmのインジウムスズ酸化物からなる導電性酸化物層424をスパッタ成膜法によって成膜し、最後に第一電極441、第二電極440を形成した。 Thereafter, a current confinement insulating film 425 made of SiO 2 is formed by the same method as in Example 3, and then introduced again into the MOCVD apparatus, and the second n-type guide layer 416 made of GaN having a thickness of 0.2 μm is formed by the MOCVD method. A conductive oxide layer 424 made of indium tin oxide having a thickness of 0.3 μm was formed by a sputtering film formation method, and finally a first electrode 441 and a second electrode 440 were formed.

このように、第二クラッド層およびn型コンタクト層の代わりに導電性酸化物層424を用いることによって、活性層423上に第二クラッド層を形成する必要がなくなるため、さらに低抵抗化が可能となった。実施例4で作製された窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   As described above, by using the conductive oxide layer 424 instead of the second cladding layer and the n-type contact layer, it is not necessary to form the second cladding layer on the active layer 423, and thus the resistance can be further reduced. It became. The nitride semiconductor laser device fabricated in Example 4 also had a better average oscillation threshold and average emission efficiency than the conventional example, and the same effects as in Example 1 were obtained.

(実施例5)
本実施例では、電気伝導性のないサファイア基板上に実施例1で示した窒化物半導体基板を作製した。本実施例の窒化物半導体レーザ素子510は、サファイア基板から見て同一方向に第一電極541と第二電極540とが形成されており、第一n型窒化物半導体層上に第一電極541を設けていることを特徴とする。
(Example 5)
In this example, the nitride semiconductor substrate shown in Example 1 was fabricated on a sapphire substrate having no electrical conductivity. In the nitride semiconductor laser element 510 of this embodiment, the first electrode 541 and the second electrode 540 are formed in the same direction as viewed from the sapphire substrate, and the first electrode 541 is formed on the first n-type nitride semiconductor layer. It is characterized by providing.

本実施例の窒化物半導体レーザ素子510は図9に示されるように、サファイア基板501上に、厚さ5μmのGaNからなるバッファ層502を成膜し、バッファ層502上にn型AlyGa1-yNからなる第一クラッド層513、n型GaNからなる第一n型ガイド層514、p型GaNからなるp型ガイド層521、p型AlyGa1-yNからなるp型キャリアブロック層522、AlpInqGarN(0≦p<1、0≦q<1、0≦r<1)からなる活性層523、n型GaNからなる第二n型ガイド層516およびn型AlyGa1-yNからなる第二クラッド層517を、MOCVD成膜装置を用いてこの順に形成し、その後、リッジストライプ部を形成するために、フォトリソグラフィ工程等によってマスクが形成されていない部分を第二n型ガイド層516の途中までエッチングにより除去し、リッジストライプ部を形成した。 As shown in FIG. 9, the nitride semiconductor laser element 510 of the present embodiment has a buffer layer 502 made of GaN having a thickness of 5 μm formed on a sapphire substrate 501, and n-type Al y Ga on the buffer layer 502. A first cladding layer 513 made of 1-yN, a first n-type guide layer 514 made of n-type GaN, a p-type guide layer 521 made of p-type GaN, and a p - type carrier made of p - type Al y Ga 1-y N blocking layer 522, Al p In q Ga r n (0 ≦ p <1,0 ≦ q <1,0 ≦ r <1) composed of the active layer 523, n-type GaN consisting second n-type guide layer 516 and the n A second cladding layer 517 made of type Al y Ga 1-y N is formed in this order using a MOCVD film forming apparatus, and then a mask is formed by a photolithography process or the like to form a ridge stripe portion. Absent Minute up to the middle of the second n-type guide layer 516 is removed by etching to form a ridge stripe portion.

そして、電流狭窄絶縁膜525をEB蒸着法により形成し、ストライプ状のマスクとマスク上の電流狭窄絶縁膜525をリフトオフ法により除去し、第二電極540を形成した。また、第一クラッド層513の途中まで上記で示したフォトリソグラフィ工程によりエッチングにより除去して、更に、エッチングにより露出した第一クラッド層513上に第一電極541を形成した。このように、第一n型窒化物半導体層上に第一電極541を設けることによっても、従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。なお、本実施例では基板にサファイア基板を用いているが、SiC、GaN、ZnO、Si等の基板を用いても同様の効果を得ることができる。   Then, the current confinement insulating film 525 was formed by the EB vapor deposition method, the stripe-shaped mask and the current confinement insulating film 525 on the mask were removed by the lift-off method, and the second electrode 540 was formed. Further, the first electrode 541 was formed on the first clad layer 513 that was removed by etching through the photolithography process described above until the middle of the first clad layer 513 and was further exposed by the etching. Thus, also by providing the first electrode 541 on the first n-type nitride semiconductor layer, the average oscillation threshold and the average light emission efficiency are good as compared with the conventional example, and the same effect as in Example 1 is obtained. It was. In this embodiment, a sapphire substrate is used as the substrate, but the same effect can be obtained even if a substrate of SiC, GaN, ZnO, Si or the like is used.

(実施例6)
図10に本発明の実施例6で作製した窒化物半導体レーザ素子の模式的な斜視図を示す。実施例6の窒化物半導体レーザ素子は、実施例1の窒化物半導体レーザ素子と類似の構造をしており、実施例1〜5は第一n型ガイド層および第二n型ガイド層の材料にGaNを用い、第一クラッド層および第二クラッド層の材料にInGaNを用いていたが、実施例6においては第一n型ガイド層および第二n型ガイド層の材料にInGaNを用い、第一クラッド層および第二クラッド層の材料にGaNを用いることを特徴としている。このように、第一n型ガイド層および第二n型ガイド層にInGaNを用い、第一クラッド層および第二クラッド層にGaNを用いることによっても、実施例1と同様の効果を得ることができる。また、実施例6の窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造は実施例1のそれと同一の構造であるが、井戸層のIn組成を0.30とした。
(Example 6)
FIG. 10 is a schematic perspective view of the nitride semiconductor laser device manufactured in Example 6 of the present invention. The nitride semiconductor laser device of Example 6 has a similar structure to the nitride semiconductor laser device of Example 1, and Examples 1 to 5 are materials for the first n-type guide layer and the second n-type guide layer. GaN was used for the first clad layer and the second clad layer. In Example 6, InGaN was used for the first n-type guide layer and the second n-type guide layer. GaN is used as the material of the first cladding layer and the second cladding layer. Thus, the same effect as in Example 1 can be obtained by using InGaN for the first n-type guide layer and the second n-type guide layer and using GaN for the first cladding layer and the second cladding layer. it can. The structure of the active layer of the nitride semiconductor laser device of Example 6 is the same as that of Example 1, but the In composition of the well layer was set to 0.30.

実施例6の窒化物半導体レーザ素子610の層構造は、図10に示されるように、実施例1と同様のMOCVD装置によって、厚さ400μmのn型GaN基板からなる窒化物半導体基板611上に、厚さ4.5μmのn型GaNからなる第一クラッド層613、厚さ0.1μmのn型InGaNからなる第一n型ガイド層614、厚さ0.2μmのp型InGaNからなるp型ガイド層621、厚さ0.01μmのp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型キャリアブロック層622、厚さ0.152μmのAlpInqGarN(0≦p≦1、0≦q≦1、0≦r≦1)からなる活性層623、厚さ0.2μmのn型InGaNからなる第二n型ガイド層616、厚さ1μmのn型GaNからなる第二クラッド層617および厚さ0.2μmのn型GaNからなるn型コンタクト層618をこの順に形成し、その後、実施例1と同様の方法によって、電流狭窄絶縁膜625、第一電極641および第二電極640を形成した。 As shown in FIG. 10, the layer structure of the nitride semiconductor laser element 610 of Example 6 is formed on a nitride semiconductor substrate 611 made of an n-type GaN substrate having a thickness of 400 μm by the same MOCVD apparatus as that of Example 1. A first cladding layer 613 made of n-type GaN having a thickness of 4.5 μm, a first n-type guide layer 614 made of n-type InGaN having a thickness of 0.1 μm, and a p-type made of p-type InGaN having a thickness of 0.2 μm. guide layer 621, p-type carrier block layer 622 made of thick 0.01 [mu] m p-type Al 0.1 Ga 0.9 N, a thickness of 0.152μm Al p in q Ga r N (0 ≦ p ≦ 1,0 ≦ q ≦ 1, 0 ≦ r ≦ 1), a second n-type guide layer 616 made of n-type InGaN having a thickness of 0.2 μm, a second cladding layer 617 made of n-type GaN having a thickness of 1 μm, and a thickness 0.2 μm n-type G An n-type contact layer 618 made of aN was formed in this order, and then a current confinement insulating film 625, a first electrode 641, and a second electrode 640 were formed by the same method as in Example 1.

このように第一クラッド層613および第二クラッド層617の材料にGaNを用い、第一n型ガイド層614および第二n型ガイド層616の材料にInGaNを用いる窒化物半導体レーザ素子であっても、従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   Thus, a nitride semiconductor laser device using GaN as the material of the first cladding layer 613 and the second cladding layer 617 and InGaN as the material of the first n-type guide layer 614 and the second n-type guide layer 616, However, compared with the conventional example, the average oscillation threshold and the average luminous efficiency were good, and the same effect as in Example 1 was obtained.

(実施例7)
実施例1〜6によって製造された窒化物半導体レーザ素子はn型GaN基板の主面はc面{0001}を用いていたが、実施例7で作製した窒化物半導体レーザ素子は、n型GaN基板の主面にM面{1−100}の基板を用いることを特徴としている。また、実施例7の窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造は実施例1のそれと同一の構造であるが、井戸層のIn組成を0.30とした。本実施例では、基板が主面に対してオフ角度を0.2°で作製したところ、面内の膜厚ばらつきは、50nm程度であり、従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。また、基板の主面に対するオフ角度は、0°より大きく2°以下の範囲であれば、面内の膜厚ばらつきが50nm程度と良好であった。
(Example 7)
The nitride semiconductor laser elements manufactured in Examples 1-6 used the c-plane {0001} as the main surface of the n-type GaN substrate, but the nitride semiconductor laser elements manufactured in Example 7 were n-type GaN. A feature is that a M-plane {1-100} substrate is used as the main surface of the substrate. Further, the structure of the active layer of the nitride semiconductor laser device of Example 7 is the same as that of Example 1, but the In composition of the well layer was set to 0.30. In this example, when the substrate was fabricated with an off angle of 0.2 ° with respect to the main surface, the in-plane film thickness variation was about 50 nm, and the average oscillation threshold and the average luminous efficiency were higher than in the conventional example. It was good and the same effect as Example 1 was acquired. In addition, when the off angle with respect to the main surface of the substrate is in the range of greater than 0 ° and less than or equal to 2 °, the in-plane film thickness variation was good at about 50 nm.

(実施例8)
図11に本発明の実施例8で作製した窒化物半導体レーザ素子の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物半導体レーザ素子810の構造は実施例3の窒化物半導体レーザ素子の構造と類似しているが、n型GaN基板の主面にM面{1−100}を用いている点と、活性層823上に、n型Al0.12Ga0.88Nからなるn型キャリアブロック層816aが形成されている点とが実施例3と異なり、この点を本実施例の特徴としている。また、実施例8の窒化物半導体レーザ素子810の活性層823の構造は実施例1の構造と同一であるが、井戸層のIn組成を0.22としている点で異なっている。
(Example 8)
FIG. 11 is a schematic perspective view of the nitride semiconductor laser device manufactured in Example 8 of the present invention. The structure of the nitride semiconductor laser device 810 of this example is similar to the structure of the nitride semiconductor laser device of Example 3, but an M-plane {1-100} is used for the main surface of the n-type GaN substrate. This is different from the third embodiment in that an n-type carrier block layer 816a made of n-type Al 0.12 Ga 0.88 N is formed on the active layer 823, and this is a feature of this embodiment. The structure of the active layer 823 of the nitride semiconductor laser element 810 of Example 8 is the same as that of Example 1, except that the In composition of the well layer is 0.22.

このように活性層823上にn型キャリアブロック層816aを作製することにより、キャリアの熱によるオーバーフローを低減でき、温度特性を改善できるだけでなく、活性層823上の面内平坦性が向上し、800℃程度の比較的低温で成膜を行ったときの結晶性が良くなるというメリットがある。   By forming the n-type carrier block layer 816a on the active layer 823 in this way, overflow due to carrier heat can be reduced, temperature characteristics can be improved, and in-plane flatness on the active layer 823 can be improved. There is an advantage that crystallinity is improved when film formation is performed at a relatively low temperature of about 800 ° C.

実施例8の窒化物半導体レーザ素子810の層構造は、図11に示されるように、厚さ400μmのn型GaNからなる窒化物半導体基板811上に、厚さ2.5μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第一クラッド層813、厚さ0.1μmのn型GaNからなる第一n型ガイド層814、厚さ0.2μmのp型GaNからなるp型ガイド層821、厚さ0.01μmのp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型キャリアブロック層822、厚さ0.152μmのAlxGa1-xInNからなる活性層823までをMOCVD法により作製した後に、このウエハをMOCVD装置から取り出し、厚さ500nmのSiO2からなる電流狭窄絶縁膜825をスパッタ装置により成膜した。その後、実施例3と同様の方法でSiO2をストライプ状に除去した。更に、レジストを除去して、再びMOCVD装置に導入し、厚さ0.2μmのn型Al0.12Ga0.88Nからなるn型キャリアブロック層816a、厚さ0.2μmのGaNからなる第二n型ガイド層816、厚さ0.6μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなる第二クラッド層817および厚さ0.2μmのn型GaNからなるn型コンタクト層818を窒化物半導体基板811側からこの順にMOCVD法によって成膜し、さらに、第一電極840、第二電極841を形成した。 As shown in FIG. 11, the layer structure of the nitride semiconductor laser element 810 of Example 8 is a n-type Al 0.05 layer having a thickness of 2.5 μm on a nitride semiconductor substrate 811 made of n-type GaN having a thickness of 400 μm. First cladding layer 813 made of Ga 0.95 N, first n-type guide layer 814 made of n-type GaN having a thickness of 0.1 μm, p-type guide layer 821 made of p-type GaN having a thickness of 0.2 μm, thickness 0 After the p-type carrier block layer 822 made of .01 μm p-type Al 0.1 Ga 0.9 N and the active layer 823 made of Al x Ga 1-x InN having a thickness of 0.152 μm are formed by MOCVD, this wafer is MOCVDed The current confinement insulating film 825 made of SiO 2 having a thickness of 500 nm was formed by a sputtering apparatus. Thereafter, SiO 2 was striped in the same manner as in Example 3. Further, the resist is removed, and the resist is again introduced into the MOCVD apparatus, and an n-type carrier block layer 816a made of n-type Al 0.12 Ga 0.88 N having a thickness of 0.2 μm and a second n-type made of GaN having a thickness of 0.2 μm. A guide layer 816, a second cladding layer 817 made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 0.6 μm, and an n-type contact layer 818 made of n-type GaN having a thickness of 0.2 μm are formed from the nitride semiconductor substrate 811 side. A film was formed in order by MOCVD, and a first electrode 840 and a second electrode 841 were further formed.

実施例8で作製した窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   The nitride semiconductor laser device fabricated in Example 8 also had a better average oscillation threshold and average emission efficiency than the conventional example, and the same effects as in Example 1 were obtained.

(実施例9)
実施例9は実施例6の窒化物半導体レーザ素子においてn型コンタクト層の代わりに錫ドープ酸化インジウムからなる導電性酸化物層を用いることを特徴としている。なお、活性層は実施例6と同一のものを用いている。
Example 9
Example 9 is characterized in that a conductive oxide layer made of tin-doped indium oxide is used in place of the n-type contact layer in the nitride semiconductor laser element of Example 6. Note that the same active layer as in Example 6 is used.

すなわち、実施例6と同一の方法で第二クラッド層まで作製し、その後300℃程度の比較的低温で厚さ0.2μmの錫ドープ酸化インジウムからなる導電性酸化物層を形成した。導電性酸化物層を成膜することによって、実施例9の窒化物半導体発光素子を作製した。実施例9で作製した窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   That is, the second clad layer was formed by the same method as in Example 6, and then a conductive oxide layer made of tin-doped indium oxide having a thickness of 0.2 μm was formed at a relatively low temperature of about 300 ° C. A nitride semiconductor light emitting device of Example 9 was fabricated by forming a conductive oxide layer. The nitride semiconductor laser element fabricated in Example 9 also had a better average oscillation threshold and average emission efficiency than the conventional example, and the same effects as in Example 1 were obtained.

(実施例10)
実施例10の窒化物半導体レーザ素子の層構造は実施例8と類似の構造をしているが、第一n型ガイド層とp型ガイド層との間にp+GaN層およびn+GaN層を設けている点において異なり、この点を特徴としている。
(Example 10)
The layered structure of the nitride semiconductor laser device of Example 10 is similar to that of Example 8, except that a p + GaN layer and an n + GaN layer are provided between the first n-type guide layer and the p-type guide layer. It is different in point and is characterized by this point.

このように、第一n型ガイド層とp型ガイド層との間にp+GaN層およびn+GaN層を設けることによって、第一n型ガイド層とp型ガイド層との間の空乏層が狭くなり、もってpn接合の抵抗値が小さくなりトンネル電流が流れやすくなるというメリットがある。このように実施例10で作製された窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   Thus, by providing the p + GaN layer and the n + GaN layer between the first n-type guide layer and the p-type guide layer, the depletion layer between the first n-type guide layer and the p-type guide layer becomes narrower, Therefore, there is an advantage that the resistance value of the pn junction is reduced and the tunnel current easily flows. Thus, the nitride semiconductor laser device fabricated in Example 10 also had a better average oscillation threshold and average emission efficiency than the conventional example, and the same effects as in Example 1 were obtained.

(実施例11)
実施例11の窒化物半導体レーザ素子の層構造は実施例8と類似の構造をしているが、第一n型ガイド層とp型ガイド層との間にAlyGa1-yN中間層を設けている点において異なり、この点を特徴としている。
(Example 11)
The layer structure of the nitride semiconductor laser device of Example 11 is similar to that of Example 8, but the Al y Ga 1-y N intermediate layer is interposed between the first n-type guide layer and the p-type guide layer. It is different in that it is provided with this feature.

このように、第一n型ガイド層とp型ガイド層との間にAlyGa1-yN中間層を設けることによって、空乏層の幅が小さくなりトンネル電流が流れやすくなるというメリットがある。 Thus, by providing the Al y Ga 1-y N intermediate layer between the first n-type guide layer and the p-type guide layer, there is an advantage that the width of the depletion layer is reduced and the tunnel current can easily flow. .

本実施例のpn接合付近のバンドエネルギーダイヤグラムを図12に示す。図12において、横軸はPN接合部からの距離を表しており、横軸の500の位置がAlyGa1-yN中間層とp型ガイド層との界面であり、2.5nmのAlyGa1-yN中間層が形成された場合を示している。なお、横軸の単位はnmである。左側の縦軸は、エネルギー(eV)を表しており、右側の縦軸はキャリア濃度(/cm3)の分布を表している。また、p型ガイド層からpn接合までのp型キャリア密度51の分布を表す曲線と、第一n型ガイド層からpn接合までのn型キャリア密度52の分布を表す曲線とから、窒化物半導体レーザ素子の空乏層の幅60を求めることができ、この空乏層の幅60が大きくなるほど、トンネル電流が流れにくいことを示している。 FIG. 12 shows a band energy diagram near the pn junction of this example. In FIG. 12, the horizontal axis represents the distance from the PN junction, and the position 500 on the horizontal axis is the interface between the Al y Ga 1-y N intermediate layer and the p-type guide layer, and the 2.5 nm Al The case where the yGa1 -yN intermediate layer is formed is shown. The unit of the horizontal axis is nm. The left vertical axis represents energy (eV), and the right vertical axis represents the carrier concentration (/ cm 3 ) distribution. Further, from the curve representing the distribution of the p-type carrier density 51 from the p-type guide layer to the pn junction and the curve representing the distribution of the n-type carrier density 52 from the first n-type guide layer to the pn junction, the nitride semiconductor The width 60 of the depletion layer of the laser element can be obtained, and the tunnel current hardly flows as the width 60 of the depletion layer increases.

また、本実施例の窒化物半導体レーザ素子のpn接合付近のバンドエネルギーダイヤグラムにおいて、伝導帯バンドエネルギー53の変移と、価電子帯バンドエネルギー54の変移とが図12のように表され、このフェルミエネルギー55が一致した平衡状態を示している。この実施例11の窒化物半導体レーザ素子の空乏層の幅は、2.5nmとなり、これは実施例10の窒化物半導体レーザ素子の空乏層の幅の10分の1程度の幅となっていることがわかった。以上のことから、第一n型ガイド層とp型ガイド層との間にAlyGa1-yN中間層を設けることによって、空乏層の幅が大幅に狭くなり、素子を低抵抗化することができ、もって、トンネル電流が流れやすくなることがわかった。 Further, in the band energy diagram in the vicinity of the pn junction of the nitride semiconductor laser device of this example, the transition of the conduction band energy 53 and the transition of the valence band energy 54 are expressed as shown in FIG. An equilibrium state in which the energy 55 coincides is shown. The width of the depletion layer of the nitride semiconductor laser element of Example 11 is 2.5 nm, which is about one tenth of the width of the depletion layer of the nitride semiconductor laser element of Example 10. I understood it. From the above, by providing the Al y Ga 1-y N intermediate layer between the first n-type guide layer and the p-type guide layer, the width of the depletion layer is greatly reduced, and the resistance of the device is reduced. As a result, it was found that the tunnel current easily flows.

このように実施例11で作製された窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   Thus, the nitride semiconductor laser device fabricated in Example 11 also had better average oscillation threshold and average emission efficiency than the conventional example, and the same effects as in Example 1 were obtained.

(実施例12)
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、実施例1の窒化物半導体レーザの構造と同じであるが、基板にGaAs基板を用いたGaAs系半導体レーザであることを特徴とする。すなわち、GaAs基板上に厚さ0.5μmのn型GaAsバッファ層、厚さ2.0μmのIn0.49(Ga0.3Al0.70.51Pからなる第一クラッド層、厚さ50nmの(Al0.50Ga0.50)InPからなるp型ガイド層、GaInPからなる井戸層(4層、厚さ6nm)と(Al0.50Ga0.50)InPからなるバリア層(3層、厚さ5nm)とからなる活性層、厚さ50nmの(Al0.50Ga0.50)InPからなるn型ガイド層、n型のIn0.49(Ga0.3Al0.70.51Pからなる第二クラッド層、厚さ0.4μmのn型GaAsコンタクト層を形成した。
Example 12
The nitride semiconductor laser device of the present embodiment has the same structure as that of the nitride semiconductor laser of Embodiment 1, but is a GaAs semiconductor laser using a GaAs substrate as a substrate. That is, an n-type GaAs buffer layer having a thickness of 0.5 μm on a GaAs substrate, a first clad layer made of In 0.49 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.51 P having a thickness of 2.0 μm, and (Al 0.50 Ga 0.50 having a thickness of 50 nm). ) Active layer consisting of a p-type guide layer made of InP, a well layer made of GaInP (4 layers, thickness 6 nm) and a barrier layer (3 layers, thickness 5 nm) made of (Al 0.50 Ga 0.50 ) InP, thickness An n-type guide layer made of 50 nm (Al 0.50 Ga 0.50 ) InP, a second clad layer made of n-type In 0.49 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.51 P, and an n-type GaAs contact layer having a thickness of 0.4 μm were formed. .

その後に上述したような一般的なプロセスを用いて、InGaAlPからなるn型ガイド層までエッチングにより除去し、リッジストライプ形状の端面出射型のGaAs系赤色半導体レーザを作製した。リッジストライプ部の両脇には、電流狭窄絶縁膜が形成されている。p型のドーパント材料として、MgもしくはZn、Beが用いられる。このように、GaAs系半導体レーザにおいても好適に用いられる。また、n型ZnO、p型ZnOを用いた、若しくはGaNとZnOを組み合わせることで作製された半導体レーザを用いてもよい。   Thereafter, the n-type guide layer made of InGaAlP was removed by etching using a general process as described above, and a ridge-stripe edge-emitting GaAs red semiconductor laser was fabricated. A current confinement insulating film is formed on both sides of the ridge stripe portion. Mg, Zn, or Be is used as the p-type dopant material. Thus, it can be suitably used also in a GaAs semiconductor laser. A semiconductor laser using n-type ZnO, p-type ZnO, or a combination of GaN and ZnO may be used.

(実施例13)
本実施例の窒化物半導体レーザ素子の構造は、実施例4の窒化物半導体レーザ素子と活性層まで構造が同じで、活性層を成膜した後活性層上にキャリアブロック層が形成されていることを特徴とする。以下に実施例13の窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
(Example 13)
The structure of the nitride semiconductor laser device of this example is the same as that of the nitride semiconductor laser device of Example 4 up to the active layer, and after forming the active layer, a carrier block layer is formed on the active layer. It is characterized by that. A method for manufacturing the nitride semiconductor laser element of Example 13 will be described below.

実施例4と同様の方法で活性層までを成膜した後、厚さ20nmのn型Al0.12Ga0.88Nからなるキャリアブロック層を形成し、その後、窒化物半導体ウエハをMOCVD装置から取り出し、厚さ500nmのSiO2からなる電流狭窄絶縁膜をスパッタ装置により成膜した。その後、実施例4と同様の方法によってSiO2からなる電流狭窄絶縁膜を形成した後に、再びMOCVD装置に導入し、キャリアブロック層上に厚さ0.2μmのn型ZnOからなる第二n型ガイド層を形成した。その後、厚さ0.3μmのインジウムスズ酸化物からなる導電性酸化物層をスパッタ成膜法によって成膜し、最後に第一電極、第二電極を形成した。 After forming up to the active layer by the same method as in Example 4, a carrier block layer made of n-type Al 0.12 Ga 0.88 N having a thickness of 20 nm is formed. Thereafter, the nitride semiconductor wafer is taken out from the MOCVD apparatus, and the thickness is increased. A current confinement insulating film made of SiO 2 having a thickness of 500 nm was formed by a sputtering apparatus. Thereafter, a current confinement insulating film made of SiO 2 is formed by the same method as in Example 4, and then introduced again into the MOCVD apparatus, and the second n-type made of n-type ZnO having a thickness of 0.2 μm is formed on the carrier block layer. A guide layer was formed. Thereafter, a conductive oxide layer made of indium tin oxide having a thickness of 0.3 μm was formed by sputtering, and finally a first electrode and a second electrode were formed.

本実施例のように、窒化物半導体層上にn型ZnOを、スパッタ法、MBE法、MOCVD法、PLD法等で形成しても、従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例1と同様の効果が得られた。   Even if n-type ZnO is formed on the nitride semiconductor layer by sputtering, MBE, MOCVD, PLD, etc. as in this embodiment, the average oscillation threshold and the average luminous efficiency are better than the conventional examples. Thus, the same effect as in Example 1 was obtained.

(比較例1)
比較例1の窒化物半導体レーザ素子は、実施例7で作製した窒化物半導体レーザ素子は、n型GaN基板の主面がM面{1−100}の基板を用い、基板が主面に対してオフ角度を0°で作製したところ、実施例7の窒化物系半導体レーザ素子は面内の膜厚ばらつきは50nm程度であったが、比較例1の窒化物系半導体レーザ素子の面内の膜厚ばらつきは、200〜300nm程度であり、実施例1と同様の効果は得られなかった。
(Comparative Example 1)
The nitride semiconductor laser element of Comparative Example 1 is the same as that of the nitride semiconductor laser element manufactured in Example 7, except that the main surface of the n-type GaN substrate is an M-plane {1-100} substrate. When the off-angle was manufactured at 0 °, the nitride semiconductor laser element of Example 7 had an in-plane film thickness variation of about 50 nm, but the nitride semiconductor laser element of Comparative Example 1 had an in-plane thickness variation of about 50 nm. The film thickness variation was about 200 to 300 nm, and the same effect as in Example 1 was not obtained.

なお、本明細書中で窒化物半導体レーザ素子と表現しているが、この窒化物半導体レーザ素子は半導体レーザに用いられる素子のみに限られず、発光ダイオードに用いられる窒化物半導体発光ダイオード素子も含まれる。   In addition, although expressed as a nitride semiconductor laser element in this specification, this nitride semiconductor laser element is not limited to an element used for a semiconductor laser, but also includes a nitride semiconductor light emitting diode element used for a light emitting diode. It is.

今回開示された実施の形態および実施例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。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. 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.

本発明によれば、より低出力で駆動でき、かつ発光効率のより高く、しかも440〜550nm程度の長波長の光を発光する窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor laser device that can be driven at a lower output, has higher luminous efficiency, and emits light having a long wavelength of about 440 to 550 nm.

本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子のpn接合部分を表した拡大模式的な断面図である。It is an expanded typical sectional view showing the pn junction part of the nitride semiconductor laser element of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子の活性層のpn接合とは別のpn接合にAlN中間層を形成したときのエネルギーバンドダイヤグラムである。It is an energy band diagram when an AlN intermediate layer is formed in a pn junction different from the pn junction of the active layer of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 従来の窒化物半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a conventional nitride semiconductor laser element.

符号の説明Explanation of symbols

10,110,210,310,410,510,610,810,910,1010,2010 窒化物半導体レーザ素子、11 基板、501 サファイア基板、502 バッファ層、111,211,311,411,611,811,1011,2011 窒化物半導体基板、12 第一n型窒化物半導体層、13,113,213,313,413,513,613,813,1013,2013 第一クラッド層、14,114,314,414,514,614,814,1014,2014 第一n型ガイド層、14a n+ドープ層、15,115 第二n型窒化物半導体層、16,116,216,316,416,516,616,816,1016,2016 第二n型ガイド層、17,117,217,317,517,617,817,1017,2017 第二クラッド層、18,218,318,618,818,2018 n型コンタクト層、20 p型窒化物半導体層、21,121,221,321,421,521,621,821,1021,2021 p型ガイド層、21a p+ドープ層、22,122,222,322,422,522,622,822,1022,2022 p型キャリアブロック層、23,123,223,323,423,523,623,823,1023,2023 活性層、424 導電性酸化物層、25,125,225,325,425,525,625,825,1025,2025 電流狭窄絶縁膜、30 AlyGa1-yN中間層、40,140,240,340,440,540,640,840,1040,2040 第二電極、41,141,241,341,441,541,641,841,1041,2041 第一電極、51 p型キャリア密度、52 n型キャリア密度、53 伝導帯バンドエネルギー、54 価電子帯バンドエネルギー、55 フェルミエネルギー、60 空乏層の幅、70,170,1070 リッジストライプ部、213a p型クラッド層、816a n型キャリアブロック層、911 n型GaN基板、913 n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層、914 n型GaNガイド層、920 p型窒化物半導体層、921 p型GaNガイド層、922 p型Al0.15Ga0.85Nキャリアブロック層、923 InGaN多重量子井戸活性層、924 p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層、924a p型GaNコンタクト層、925 SiO2膜、940 p電極、941 n電極。 10, 110, 210, 310, 410, 510, 610, 810, 910, 1010, 2010 Nitride semiconductor laser element, 11 substrate, 501 sapphire substrate, 502 buffer layer, 111, 211, 311, 411, 611, 811 1011, 1011 nitride semiconductor substrate, 12 first n-type nitride semiconductor layer, 13, 113, 213, 313, 413, 513, 613, 813, 1013, 2013 first cladding layer, 14, 114, 314, 414 514, 614, 814, 1014, 2014 1st n-type guide layer, 14a n + doped layer, 15, 115 2nd n-type nitride semiconductor layer, 16, 116, 216, 316, 416, 516, 616, 816, 1016 , 2016 second n-type guide layer, 17, 117, 217, 317, 517, 617 817, 1017, 2017 Second clad layer, 18, 218, 318, 618, 818, 2018 n-type contact layer, 20 p-type nitride semiconductor layer, 21, 121, 221, 321, 421, 521, 621, 821, 1021, 2021 p-type guide layer, 21a p + doped layer, 22, 122, 222, 322, 422, 522, 622, 822, 1022, 2022 p-type carrier block layer, 23, 123, 223, 323, 423, 523 623,823,1023,2023 active layer, 424 a conductive oxide layer, 25,125,225,325,425,525,625,825,1025,2025 current narrowing insulating film, 30 Al y Ga 1-y N intermediate Layer, 40, 140, 240, 340, 440, 540, 640, 840, 1040, 204 0 second electrode, 41, 141, 241, 341, 441, 541, 641, 841, 1041, 2041 first electrode, 51 p-type carrier density, 52 n-type carrier density, 53 conduction band energy, 54 valence band Band energy, 55 Fermi energy, 60 depletion layer width, 70, 170, 1070 ridge stripe, 213a p-type cladding layer, 816a n-type carrier block layer, 911 n-type GaN substrate, 913 n-type Al 0.05 Ga 0.95 N cladding Layer, 914 n-type GaN guide layer, 920 p-type nitride semiconductor layer, 921 p-type GaN guide layer, 922 p-type Al 0.15 Ga 0.85 N carrier block layer, 923 InGaN multiple quantum well active layer, 924 p-type Al 0.05 Ga 0.95 N clad layer, 924a p-type GaN contact layer, 925 SiO 2 , 940 p electrode, 941 n electrode.

Claims (5)

基板上に、少なくとも、第一n型窒化物半導体層、p型窒化物半導体層、活性層および第二n型窒化物半導体層を前記基板側からこの順に備える、窒化物半導体レーザ素子。   A nitride semiconductor laser device comprising, on a substrate, at least a first n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, an active layer, and a second n-type nitride semiconductor layer in this order from the substrate side. 前記基板または前記第一n型窒化物半導体層は、第一電極と接し、
前記第二n型窒化物半導体層は、第二電極と接し、
前記第一電極は、アノード電極であり、
前記第二電極は、カソード電極である、請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
The substrate or the first n-type nitride semiconductor layer is in contact with the first electrode;
The second n-type nitride semiconductor layer is in contact with the second electrode;
The first electrode is an anode electrode;
The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the second electrode is a cathode electrode.
前記第二n型窒化物半導体層に対し前記活性層とは反対側に、導電性酸化物層を備える、請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。   The nitride semiconductor laser element according to claim 1, further comprising a conductive oxide layer on a side opposite to the active layer with respect to the second n-type nitride semiconductor layer. 前記基板または前記第一n型窒化物半導体層は、第一電極と接し、
前記導電性酸化物層は、第二電極と接し、
前記第一電極は、アノード電極であり、
前記第二電極は、カソード電極である、請求項3に記載の窒化物半導体レーザ素子。
The substrate or the first n-type nitride semiconductor layer is in contact with the first electrode;
The conductive oxide layer is in contact with the second electrode;
The first electrode is an anode electrode;
The nitride semiconductor laser element according to claim 3, wherein the second electrode is a cathode electrode.
前記活性層は、InxGa1-xNからなる井戸層を含み、
前記井戸層のIn組成xは、0.15以上0.30以下である、請求項1〜4に記載の窒化物半導体レーザ素子。
The active layer includes a well layer made of In x Ga 1-x N;
The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein an In composition x of the well layer is 0.15 or more and 0.30 or less.
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