JP2019204847A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents

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Abstract

To provide a nitride semiconductor laser element which enables the achievement of a high output.SOLUTION: A nitride semiconductor laser element 1 comprises a nitride semiconductor laminate film 12 which includes a lower guide layer 122a formed by AlGaN, a luminescent layer 121 having a well layer 121a formed by AlGaN, an upper guide layer 122b formed by AlGaN, and a composition-changing layer 123 of which the Al composition ratio of AlGaN continuously or stepwisely decreases further at greater distances from the upper guide layer 122b. Supposing that a minimum value of x3 of AlGaN is y, a maximum value is z, a film thickness of the lower guide layer 122a is T1, a film thickness of the luminescent layer 121 is T2, and a film thickness of the upper guide layer 122b is T3, the nitride semiconductor laminate film 12 has a composition that satisfies a relation given by x2<x1<y and -1<x1-y<0.2, and it has a film thickness that satisfies a relation given by 40 nm<T1+T2+T3<600 nm.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、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.

特許文献1には、窒化物系半導体レーザ素子が開示されている。特許文献1には、p型クラッド層内の活性層側の領域の屈折率をp型クラッド層内の活性層側とは反対側の領域の屈折率よりも低くすることによって、閾値電流が低減するとともにスロープ効率が向上し、窒化物系半導体レーザ素子の高出力化が可能になることが記載されている。窒化物系半導体レーザ素子の高出力化は、際限なく求められる課題である。   Patent Document 1 discloses a nitride semiconductor laser element. In Patent Document 1, the threshold current is reduced by making the refractive index of the active layer side region in the p-type cladding layer lower than the refractive index of the region opposite to the active layer side in the p-type cladding layer. In addition, it is described that the slope efficiency is improved and the output power of the nitride semiconductor laser element can be increased. Increasing the output of the nitride-based semiconductor laser device is an infinite demand.

特開2011−210951号公報JP 2011-210951 A

本発明の目的は、高出力化を図ることができる窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device capable of achieving high output.

上記目的を達成するために、本発明の一態様による窒化物半導体レーザ素子は、Alx1Ga(1−x1)Nで形成された下部ガイド層、前記下部ガイド層の上に積層されてAlx2Ga(1−x2)Nで形成された井戸層を有する発光層、前記発光層の上に積層されてAlx1Ga(1−x1)Nで形成された上部ガイド層、及び前記上部ガイド層の上にAlx3Ga(1−x3)Nを積層して形成されて前記上部ガイド層から離れるほど前記Alx3Ga(1−x3)NのAl組成が連続的又は階段状に減少する組成変化層を含む窒化物半導体積層膜と、前記窒化物半導体積層膜に電流を注入するp型電極及びn型電極を備え、前記Alx3Ga(1−x3)Nのx3の最小値をy、最大値をzとし、前記下部ガイド層の膜厚をT1とし、前記発光層の膜厚をT2とし、前記上部ガイド層の膜厚をT3とすると、前記窒化物半導体積層膜は、0≦x1≦1、0≦x2≦1、0≦x3≦1、x2<x1<z及び−1<x1−y<0.2の関係を満たす組成を有し、40nm<T1+T2+T3<600nmの関係を満たす膜厚を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a nitride semiconductor laser device according to an aspect of the present invention includes a lower guide layer formed of Al x1 Ga (1-x1) N, and is stacked on the lower guide layer to form Al x2. A light emitting layer having a well layer formed of Ga (1-x2) N, an upper guide layer stacked on the light emitting layer and formed of Al x1 Ga (1-x1) N, and the upper guide layer Al x3 Ga (1-x3) the higher is formed by laminating the N away from the upper guide layer Al x3 Ga (1-x3) composition change layer Al composition decreases continuously or stepwise in N above A nitride semiconductor multilayer film, a p-type electrode and an n-type electrode for injecting current into the nitride semiconductor multilayer film, wherein x is the minimum value of x 3 of Al x3 Ga (1-x3) N, and y is the maximum value. Z and the lower guide layer When the film thickness is T1, the light emitting layer is T2, and the upper guide layer is T3, the nitride semiconductor multilayer film has 0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ x2 ≦ 1, 0 ≦. It has a composition satisfying the relationship of x3 ≦ 1, x2 <x1 <z and −1 <x1-y <0.2, and has a film thickness satisfying the relationship of 40 nm <T1 + T2 + T3 <600 nm.

また、上記目的を達成するために、本発明の他の態様による窒化物半導体レーザ素子は、下部ガイド層、前記下部ガイド層の上に積層されて井戸層を有する発光層、前記発光層の上に積層された上部ガイド層及び前記上部ガイド層の上に積層されて組成が連続的又は階段状に膜厚方向に変化させた組成変化層を有する窒化物半導体積層膜と、前記窒化物半導体積層膜に電流を注入するp型電極及びn型電極とを備え、前記下部ガイド層の屈折率をn1、バンドギャップをE1、膜厚をT1とし、前記井戸層の屈折率をn2、バンドギャップをE2とし、前記発光層の膜厚をT2とし、前記上部ガイド層の屈折率をn3、バンドギャップをE3、膜厚をT3とし、前記組成変化層の屈折率及びバンドギャップが変化する範囲をn4からn5及びE4からE5とし、前記組成変化層の膜厚をTcとすると、前記窒化物半導体積層膜は、n4<n1、−0.5<E5−E1<1.3の関係を満たす組成と、40nm<T1+T2+T3<600nmの関係を満たす膜厚とを有し、前記組成変化層は、前記上部ガイド層から離れるほど屈折率が連続的又は階段状に大きくなることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a nitride semiconductor laser device according to another aspect of the present invention includes a lower guide layer, a light emitting layer stacked on the lower guide layer and having a well layer, and an upper surface of the light emitting layer. A nitride semiconductor multilayer film having an upper guide layer laminated on the upper guide layer and a composition change layer laminated on the upper guide layer and having a composition changed continuously or stepwise in a film thickness direction, and the nitride semiconductor multilayer A p-type electrode and an n-type electrode for injecting a current into the film; the refractive index of the lower guide layer is n1, the band gap is E1, the film thickness is T1, the refractive index of the well layer is n2, and the band gap is E2, the thickness of the light emitting layer is T2, the refractive index of the upper guide layer is n3, the band gap is E3, the film thickness is T3, and the range in which the refractive index and band gap of the composition change layer changes is n4. To n5 and 4 to E5, and the film thickness of the composition change layer is Tc, the nitride semiconductor multilayer film has a composition satisfying the relationship of n4 <n1, −0.5 <E5-E1 <1.3, and 40 nm < The composition change layer has a film thickness satisfying a relationship of T1 + T2 + T3 <600 nm, and the refractive index increases continuously or stepwise as the distance from the upper guide layer increases.

本発明の各態様によれば、高出力化を図ることができる。   According to each aspect of the present invention, high output can be achieved.

本発明の第1実施形態及び第2実施形態による窒化物半導体レーザ素子1の概略構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser element 1 according to first and second embodiments of the present invention. FIG. 本発明の第1実施形態及び第2実施形態による窒化物半導体レーザ素子1の概略構成を示す要部側面図である。1 is a side view of a main part showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser device 1 according to a first embodiment and a second embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子1に備えられた発光層121及びガイド層122のそれぞれの膜厚の合計膜厚(T1+T2+T3)とガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 2 is a diagram for explaining a nitride semiconductor laser device 1 according to a first embodiment of the present invention, and is a total thickness (T1 + T2 + T3) of respective thicknesses of a light emitting layer 121 and a guide layer 122 provided in the nitride semiconductor laser device 1; ) And the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122. FIG. 本発明の第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1を説明する図であって、上部ガイド層122bのAl組成比x1と組成変化層123のAl組成比の最大値zとの差と、ガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 6 is a diagram for explaining a nitride semiconductor laser device 1 according to the first embodiment of the present invention, in which the difference between the Al composition ratio x1 of the upper guide layer 122b and the maximum value z of the Al composition ratio of the composition change layer 123 is determined; 6 is a graph showing a simulation result of a relationship with an optical confinement coefficient Γ of a layer 122. 本発明の第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子1に備えられたガイド層122及び発光層121の合計膜厚T1+T2+T3と窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jthとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。1 is a diagram for explaining a nitride semiconductor laser device 1 according to a first embodiment of the present invention, in which a total thickness T1 + T2 + T3 of a guide layer 122 and a light emitting layer 121 provided in the nitride semiconductor laser device 1 and a nitride semiconductor laser device are provided. It is a graph which shows the simulation result of the relationship with the threshold current density Jth of 1. 本発明の第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子1に備えられた組成変化層123の領域123dから窒化物半導体積層膜12の最上端までの距離T4に対するガイド層122及び発光層121の合計膜厚の比率と、ガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。1 is a diagram for explaining a nitride semiconductor laser device 1 according to a first embodiment of the present invention, from a region 123d of a composition change layer 123 provided in the nitride semiconductor laser device 1 to an uppermost end of the nitride semiconductor multilayer film 12. FIG. 6 is a graph showing a simulation result of the relationship between the ratio of the total film thickness of the guide layer 122 and the light emitting layer 121 to the distance T4 and the light confinement coefficient Γ of the guide layer 122. 本発明の第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1を説明する図であって、下部クラッド層13のAl組成比x4と組成変化層123のAl組成比x3の最小値yとの差y−x4と、ガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 2 is a diagram for explaining a nitride semiconductor laser device 1 according to a first embodiment of the present invention, in which the difference y− between the Al composition ratio x4 of the lower cladding layer 13 and the minimum value y of the Al composition ratio x3 of the composition change layer 123 is illustrated. 7 is a graph showing a simulation result of a relationship between x4 and a light confinement coefficient Γ of a guide layer 122. 本発明の第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子1に備えられた組成変化層123の領域123dから窒化物半導体積層膜12の最上端までの距離T4に対するガイド層122及び発光層121の合計膜厚の比率と、窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jthとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。1 is a diagram for explaining a nitride semiconductor laser device 1 according to a first embodiment of the present invention, from a region 123d of a composition change layer 123 provided in the nitride semiconductor laser device 1 to an uppermost end of the nitride semiconductor multilayer film 12. FIG. 6 is a graph showing a simulation result of the relationship between the ratio of the total film thickness of the guide layer 122 and the light emitting layer 121 to the distance T4 and the threshold current density Jth of the nitride semiconductor laser device 1. 本発明の第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子1に備えられた窒化物半導体層14の膜厚T5と窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jthとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。1 is a diagram for explaining a nitride semiconductor laser device 1 according to a first embodiment of the present invention, in which a film thickness T5 of a nitride semiconductor layer 14 provided in the nitride semiconductor laser device 1 and a threshold value of the nitride semiconductor laser device 1 are illustrated. It is a graph which shows the simulation result of the relationship with current density Jth.

〔第1実施形態〕
本発明の第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子について図1から図9を用いて説明する。まず、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子1の概略構成について図1を用いて説明する。図1では、窒化物半導体レーザ素子1が模式的に図示されている。図1では、理解を容易にするため、窒化物半導体レーザ素子1を構成する各層の厚さや大きさの相対関係が実際の寸法とは異ならせて図示されている。
[First Embodiment]
The nitride semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the schematic configuration of the nitride semiconductor laser element 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a nitride semiconductor laser device 1 is schematically illustrated. In FIG. 1, for easy understanding, the relative relationships between the thicknesses and sizes of the layers constituting the nitride semiconductor laser element 1 are shown different from the actual dimensions.

図1に示すように、窒化物半導体レーザ素子1は、基板11と、基板11の上方に配置された窒化物半導体積層膜12と、窒化物半導体積層膜12に電流を注入するp型電極15及びn型電極16とを備えている。窒化物半導体積層膜12は、下部ガイド層122aと、下部ガイド層122aの上に積層されて井戸層121aを有する発光層121と、発光層121の上に積層された上部ガイド層122bと、上部ガイド層122bの上に積層された組成変化層123とを含んでいる。   As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor laser device 1 includes a substrate 11, a nitride semiconductor multilayer film 12 disposed above the substrate 11, and a p-type electrode 15 that injects current into the nitride semiconductor multilayer film 12. And an n-type electrode 16. The nitride semiconductor multilayer film 12 includes a lower guide layer 122a, a light emitting layer 121 stacked on the lower guide layer 122a and having a well layer 121a, an upper guide layer 122b stacked on the light emitting layer 121, and an upper portion And a composition change layer 123 laminated on the guide layer 122b.

窒化物半導体レーザ素子1は、下部ガイド層122aの下層に形成された下部クラッド層13と、組成変化層123の上層に形成された窒化物半導体層14とを備えている。組成変化層123及び窒化物半導体層14によって上部クラッド層が構成される。p型電極15は、窒化物半導体層14上に形成され、n型電極16は、下部クラッド層13上に形成されている。図示は省略するが、窒化物半導体レーザ素子1と、窒化物半導体レーザ素子1を覆うパッケージとによってパッケージ化されたレーザダイオードが構成される。このパッケージは、金や鉛が母体となる支持体が主構造となり、発光層121から出射される光が入射する領域にガラスで形成された窓を有している。発光層121は、波長360nm以下の紫外光を発光可能である。   The nitride semiconductor laser device 1 includes a lower cladding layer 13 formed below the lower guide layer 122a and a nitride semiconductor layer 14 formed above the composition change layer 123. The composition change layer 123 and the nitride semiconductor layer 14 constitute an upper cladding layer. The p-type electrode 15 is formed on the nitride semiconductor layer 14, and the n-type electrode 16 is formed on the lower cladding layer 13. Although illustration is omitted, a laser diode packaged by the nitride semiconductor laser element 1 and a package covering the nitride semiconductor laser element 1 is configured. This package mainly has a support body made of gold or lead as a base, and has a window made of glass in a region where light emitted from the light emitting layer 121 is incident. The light emitting layer 121 can emit ultraviolet light having a wavelength of 360 nm or less.

下部ガイド層122a、発光層121、上部ガイド層122b及び組成変化層123は、この順に基板11の上方で積層されている。下部ガイド層122a及び上部ガイド層122bによってガイド層122が構成されている。下部クラッド層13、窒化物半導体積層膜12及び窒化物半導体層14によって窒化物積層体10が構成されている。   The lower guide layer 122a, the light emitting layer 121, the upper guide layer 122b, and the composition change layer 123 are stacked above the substrate 11 in this order. The lower guide layer 122a and the upper guide layer 122b constitute a guide layer 122. The lower cladding layer 13, the nitride semiconductor multilayer film 12, and the nitride semiconductor layer 14 constitute a nitride multilayer body 10.

基板11は、薄板の四角形状を有している。基板11は、下部クラッド層13、窒化物半導体積層膜12及び窒化物半導体層14が積層される積層面11Sを有している。積層面11Sは、窒化物積層体10と接触する平面である。窒化物積層体10は、側壁が積層面11Sに対してほぼ直交するように基板11上に形成されている。なお、基板11の側壁と窒化物積層体10の側壁とが面一に形成されていてもよい。窒化物積層体10のうち下部クラッド層13が積層面11Sに接触して形成されている。基板11は、基板単体の構造を有していてもよく、基板上に半導体が積層された積層構造を有していてもよい。基板11における積層構造として例えば、サファイア基板上にAlN薄膜が積層された構造、サファイア基板上にAlN薄膜及びn型AlGaN薄膜が積層された構造などが挙げられる。   The substrate 11 has a thin quadrangular shape. The substrate 11 has a laminated surface 11S on which the lower cladding layer 13, the nitride semiconductor laminated film 12, and the nitride semiconductor layer 14 are laminated. The stacked surface 11 </ b> S is a flat surface in contact with the nitride stacked body 10. The nitride laminate 10 is formed on the substrate 11 so that the side wall is substantially orthogonal to the laminate surface 11S. Note that the side wall of the substrate 11 and the side wall of the nitride laminate 10 may be formed flush with each other. The lower cladding layer 13 of the nitride laminate 10 is formed in contact with the laminate surface 11S. The substrate 11 may have a single substrate structure, or may have a stacked structure in which semiconductors are stacked on the substrate. Examples of the laminated structure of the substrate 11 include a structure in which an AlN thin film is laminated on a sapphire substrate, and a structure in which an AlN thin film and an n-type AlGaN thin film are laminated on a sapphire substrate.

下部ガイド層122aは、例えばAlx1Ga(1−x1)Nで形成されている。下部ガイド層122aの組成を決定するx1は、0以上1以下(0≦x1≦1)の範囲の値のいずれかであってもよい。 The lower guide layer 122a is made of, for example, Al x1 Ga (1-x1) N. X1 that determines the composition of the lower guide layer 122a may be any value in the range of 0 to 1 (0 ≦ x1 ≦ 1).

上部ガイド層122bは、例えばAlx1Ga(1−x1)Nで形成されている。上部ガイド層122bの組成を決定するx1は、0以上1以下(0≦x1以下1)の範囲の値のいずれかであってもよい。上部ガイド層122b及び下部ガイド層122aは、Al組成(すなわちx1の値)が同じであっても異なっていてもよいが、効率良く光を閉じ込めるためには同じであることが好ましい。 The upper guide layer 122b is made of, for example, Al x1 Ga (1-x1) N. X1 that determines the composition of the upper guide layer 122b may be any value in the range of 0 or more and 1 or less (0 ≦ x1 or less 1). The upper guide layer 122b and the lower guide layer 122a may have the same or different Al composition (that is, the value of x1), but are preferably the same in order to efficiently confine light.

発光層121に設けられた井戸層121aは、例えばAlx2Ga(1−x2)Nで形成されている。本実施形態では、発光層121は、例えばAlGaNで形成された障壁層を有し、井戸層121a及び障壁層が1つずつ交互に積層された多重量子井戸((MQW:Multiple Quantum Well)構造を有している。窒化物半導体レーザ素子1は、発光層121を多重量子井戸構造とすることにより、発光層121の発光効率や発光強度の向上が図られている。 The well layer 121a provided in the light emitting layer 121 is made of, for example, Al x2 Ga (1-x2) N. In the present embodiment, the light emitting layer 121 has a barrier layer made of, for example, AlGaN, and has a multiple quantum well (MQW) structure in which the well layers 121a and the barrier layers are alternately stacked one by one. In the nitride semiconductor laser device 1, the light emitting layer 121 has a multiple quantum well structure, so that the light emission efficiency and light emission intensity of the light emitting layer 121 are improved.

発光層121は、例えば「障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層」という二重量子井戸構造を有していてもよい。これら井戸層のそれぞれの膜厚は例えば3nmであってよく、これらの障壁層のそれぞれの膜厚は例えば10nmであってよく、発光層121の膜厚は36nmであってもよい。以下、発光層121に含まれる2つの井戸層を総称して「井戸層121a」と称する。したがって、発光層121の膜厚T2は、複数の井戸層121a及び複数の障壁層のそれぞれの膜厚を合わせた膜厚を指す。井戸層121aの組成を決定するx2は、0以上1以下(0≦x2≦1)の範囲の値のいずれかであってもよい。   The light emitting layer 121 may have, for example, a double quantum well structure of “barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer”. The thickness of each of these well layers may be 3 nm, for example, the thickness of each of these barrier layers may be 10 nm, for example, and the thickness of the light emitting layer 121 may be 36 nm. Hereinafter, the two well layers included in the light emitting layer 121 are collectively referred to as a “well layer 121a”. Therefore, the thickness T2 of the light emitting layer 121 indicates the total thickness of the plurality of well layers 121a and the plurality of barrier layers. X2 that determines the composition of the well layer 121a may be any value in the range of 0 to 1 (0 ≦ x2 ≦ 1).

ガイド層122は、発光層121で発光した光が出射される側に出射側端面122Saを有している。ガイド層122の出射側端面122Saはハーフミラーを構成し、出射側端面122Saに対向するガイド層122の対向端面122Sbはミラーを構成している。ガイド層122は、発光層121で発光した光を、下部クラッド層13および上部クラッド層123との屈折率差により閉じ込める。   The guide layer 122 has an emission side end face 122Sa on the side from which the light emitted from the light emitting layer 121 is emitted. The exit end face 122Sa of the guide layer 122 constitutes a half mirror, and the opposing end face 122Sb of the guide layer 122 facing the exit side end face 122Sa constitutes a mirror. The guide layer 122 confines the light emitted from the light emitting layer 121 due to a difference in refractive index between the lower cladding layer 13 and the upper cladding layer 123.

ガイド層122は、窒化物半導体レーザ素子1の外部空間を満たす空気とガイド層122との屈折率差を利用して、出射側端面122Saでハーフミラーを構成し、対向端面122Sbでミラーを構成してもよい。また、ガイド層122は、出射側端面122Sa及び対向端面122Sbでの反射率を向上させるため、出射側端面122Sa及び対向端面122Sbのそれぞれの表面に誘電体多層膜が形成され、出射側端面122Saでハーフミラーを構成し、対向端面122Sbでミラーを構成してもよい。   The guide layer 122 uses the refractive index difference between the air that fills the external space of the nitride semiconductor laser element 1 and the guide layer 122 to form a half mirror at the exit-side end surface 122Sa and a mirror at the opposing end surface 122Sb. May be. Further, the guide layer 122 has a dielectric multilayer film formed on each surface of the emission side end surface 122Sa and the opposite end surface 122Sb in order to improve the reflectance at the emission side end surface 122Sa and the opposite end surface 122Sb. A half mirror may be configured, and the mirror may be configured with the opposed end surface 122Sb.

組成変化層123は、リッジ構造を有している。すなわち、組成変化層123は、上部ガイド層122bに接触していない側の表面(上部側表面)の一部が土手状に上方に突出する形状を有している。組成変化層123は、この突出部分をほぼ中央に有しているが、中央ではなくn型電極16が配置されている側に片寄らせて突出部分を有していてもよい。突起部分がn型電極16に近付くことによって、窒化物積層体10中を流れる電流経路が短くなるので、窒化物積層体10中に形成される電流経路の抵抗値を下げることができる。発光層122と組成傾斜層123の間に窒化物半導体層を有していても良い。例えば、発光効率を向上させるために「電子ブロック層」と呼ばれる障壁層を有していても良い。また、リッジ構造の底は必ずしも組成傾斜層で形成されている必要はなく、例えば上記電子ブロック層や、あるいは組成傾斜層上の窒化物半導体層でも良い。また、リッジ構造はなくてもよい。   The composition change layer 123 has a ridge structure. That is, the composition change layer 123 has a shape in which a part of the surface (upper surface) that is not in contact with the upper guide layer 122b protrudes upward in a bank shape. The composition change layer 123 has this projecting portion at substantially the center, but it may have a projecting portion that is offset toward the side where the n-type electrode 16 is disposed instead of the center. Since the projecting portion approaches the n-type electrode 16, the current path flowing in the nitride laminate 10 is shortened, so that the resistance value of the current path formed in the nitride laminate 10 can be lowered. A nitride semiconductor layer may be provided between the light emitting layer 122 and the composition gradient layer 123. For example, a barrier layer called an “electron blocking layer” may be provided to improve luminous efficiency. Further, the bottom of the ridge structure is not necessarily formed by a composition gradient layer, and may be, for example, the electron block layer or a nitride semiconductor layer on the composition gradient layer. Further, the ridge structure may not be provided.

組成変化層123は、上部ガイド層122bから離れるほどAlx3Ga(1−x3)NのAl組成が連続的又は階段状に減少するようになっている。組成変化層123の組成を決定するx3は、0以上1以下(0≦x3≦1)の範囲で変化してよい。したがって、組成変化層123は、x3が0より大きく1より小さい範囲内で変化してAlx3Ga(1−x3)Nのみで形成される構造、x3が0より大きく1以下の範囲で変化してAlN及びAlx3Ga(1−x3)Nで形成される構造、x3が0以上1より小さい範囲で変化してAlx3Ga(1−x3)N及びGaNで形成される構造、及びx3が0以上1以下の範囲で変化してAlN、Alx3Ga(1−x3)N及びGaNで形成される構造のいずれかの構造を有する。 The composition change layer 123 is configured such that the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N decreases continuously or stepwise as the distance from the upper guide layer 122 b increases. X3 that determines the composition of the composition change layer 123 may vary in the range of 0 to 1 (0 ≦ x3 ≦ 1). Therefore, the composition change layer 123 has a structure in which x3 changes within a range greater than 0 and less than 1 and is formed of only Al x3 Ga (1-x3) N, and changes in a range where x3 is greater than 0 and less than or equal to 1. A structure formed of AlN and Al x3 Ga (1-x3) N, a structure formed of Al x3 Ga (1-x3) N and GaN by changing x3 in a range of 0 or more and less than 1, and x3 It changes in the range of 0 or more and 1 or less, and has one of the structures formed of AlN, Al x3 Ga (1-x3) N and GaN.

組成変化層123におけるAlの組成変化率は、0.1%/nmより大きくなっている。ここで、Alの組成変化率とは、AlGaN中でのAl及びGaのモル数の合計に対するAlのモル数であるAlの組成比率が変化する割合をいう。組成変化率をこの範囲に規定することで、後述する分極ドーピングによるホール発生量を多くすることができる。これにより、効率良く発光層121へホールを輸送することができ、発光効率の高い窒化物半導体レーザ素子1及び窒化物半導体レーザ素子1を備えるレーザダイオードを作製できる。組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nのx3の最小値をy、最大値をzとすると、ガイド層122側の組成変化層123の下部領域123aがAlGa(1−z)Nで形成され、窒化物半導体層14側の組成変化層123の上部領域123bがAlGa(1−y)Nで形成されている。組成変化層123の下部領域123a及び上部領域123bの間の中間領域123cは、下部領域123aから上部領域123bに向かってAlx3Ga(1−x3)NのAl組成比、すなわちx3の値が連続的又は階段状に小さくなるAlx3Ga(1−x3)Nで形成されていてもよい。また、中間領域123cは、下部領域123aにおけるAlx3Ga(1−x3)NのAl組成比と上部領域123bにおけるAlx3Ga(1−x3)NのAl組成比との間の一の組成比、すなわちAlx3Ga(1−x3)Nのx3がy及びzの間の一の値のAlx3Ga(1−x3)Nで形成されていてもよい。また、本実施形態における組成変化層123は、下部領域123a、上部領域123b及び中間領域123cの3層構造を有しているが、中間領域123cを有さずに下部領域123a及び上部領域123bの2層構造を有していてもよい。この場合、組成変化層123は、Alx3Ga(1−x3)Nの組成を2段階に変化させた構造を有する。 The Al composition change rate in the composition change layer 123 is greater than 0.1% / nm. Here, the Al composition change rate refers to the rate at which the Al composition ratio, which is the number of moles of Al, with respect to the total number of moles of Al and Ga in AlGaN changes. By defining the composition change rate within this range, the amount of holes generated by polarization doping described later can be increased. Thereby, holes can be efficiently transported to the light emitting layer 121, and a nitride semiconductor laser element 1 having high luminous efficiency and a laser diode including the nitride semiconductor laser element 1 can be manufactured. When the minimum value of x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is y and the maximum value is z, the lower region 123a of the composition change layer 123 on the guide layer 122 side is Al z Ga (1 -Z) The upper region 123b of the composition change layer 123 on the nitride semiconductor layer 14 side is formed of Al y Ga (1-y) N. In the intermediate region 123c between the lower region 123a and the upper region 123b of the composition change layer 123, the Al composition ratio of Al x3 Ga (1-x3) N, that is, the value of x3 is continuous from the lower region 123a toward the upper region 123b. Alternatively, it may be formed of Al x3 Ga (1-x3) N that decreases in a stepwise or stepwise manner. Further, the intermediate region 123c is one composition ratio between the Al composition ratio of Al x3 Ga (1-x3) N in the lower region 123a and the Al composition ratio of Al x3 Ga (1-x3) N in the upper region 123b. , i.e. Al x3 Ga (1-x3) x3 of N may be formed by Al x3 Ga (1-x3) N single value between y and z. In addition, the composition change layer 123 in the present embodiment has a three-layer structure of the lower region 123a, the upper region 123b, and the intermediate region 123c, but does not have the intermediate region 123c and includes the lower region 123a and the upper region 123b. It may have a two-layer structure. In this case, the composition change layer 123 has a structure in which the composition of Al x3 Ga (1-x3) N is changed in two stages.

本実施形態では、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nのx3の最小値yは、0.2以上0.8以下(0.2≦y≦0.8)であってもよい。また、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nのx3の最大値zは、最小値yの値よりも大きいことを前提に、0.3以上1以下(0.3≦z≦1)であってもよい。Alx3Ga(1−x3)Nのx3の最小値y及び最大値zの少なくとも一方がこの範囲の値となるように制御して組成変化層123を形成することにより、分極ドーピングによる組成変化層123内の正孔密度が向上する。さらに、Alx3Ga(1−x3)Nのx3の最小値y及び最大値zの少なくとも一方がこの範囲の値となるように制御して組成変化層123を形成することにより、組成変化層123の屈折率を利用して発光層121で発光した光をガイド層122に閉じ込める効果が向上する。このように、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nのx3の最小値y及び最大値zを最適化することにより、分極ドーピングによる組成変化層123内の正孔密度の向上とガイド層122の光閉じ込め効果の向上の両立を図ることができる。これにより、窒化物半導体レーザ素子1は、高出力化を図ることができる。 In this embodiment, the minimum value y of x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is 0.2 or more and 0.8 or less (0.2 ≦ y ≦ 0.8). May be. Further, assuming that the maximum value z of x 3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is larger than the value of the minimum value y, it is 0.3 to 1 (0.3 ≦ 1). z ≦ 1). The composition change layer 123 is formed by polarization doping by forming the composition change layer 123 while controlling at least one of the minimum value y and the maximum value z of x 3 of Al x3 Ga (1-x3) N to be a value in this range. The hole density in 123 is improved. Furthermore, the composition change layer 123 is formed by forming the composition change layer 123 by controlling at least one of the minimum value y and the maximum value z of x 3 of Al x3 Ga (1-x3) N to be a value within this range. This improves the effect of confining the light emitted from the light emitting layer 121 in the guide layer 122 by using the refractive index. Thus, by optimizing the minimum value y and the maximum value z of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123, the hole density in the composition change layer 123 due to polarization doping can be reduced. Both improvement and improvement of the light confinement effect of the guide layer 122 can be achieved. Thereby, the nitride semiconductor laser device 1 can achieve high output.

窒化物半導体レーザ素子1は、組成変化層123を有することにより、窒化物半導体積層膜12における急峻な組成変化を抑制し、三次元成長による薄膜の平坦性の悪化を抑制できる。   By including the composition change layer 123, the nitride semiconductor laser element 1 can suppress abrupt composition change in the nitride semiconductor multilayer film 12, and suppress deterioration of flatness of the thin film due to three-dimensional growth.

窒化物半導体積層膜12は、以下の式(1)から式(5)の関係を満たす組成を有している。
0≦x1≦1 ・・・(1)
0≦x2≦1・・・(2)
0≦x3≦1 ・・・(3)
x2<x1<z ・・・(4)
−1<x1−y<0.2 ・・・(5)
The nitride semiconductor multilayer film 12 has a composition that satisfies the relationship of the following formulas (1) to (5).
0 ≦ x1 ≦ 1 (1)
0 ≦ x2 ≦ 1 (2)
0 ≦ x3 ≦ 1 (3)
x2 <x1 <z (4)
-1 <x1-y <0.2 (5)

式(4)の関係を満たすことで、下部クラッド層13から注入されたキャリアを窒化物半導体層14側まで抜けることなく閉じ込めることができる。また式(5)の関係を満たすことで、発光層121で発光した光が窒化物半導体層14側へ抜けることなくガイド層122に閉じ込めることができる(詳細は後述する)。   By satisfying the relationship of the formula (4), carriers injected from the lower cladding layer 13 can be confined without escaping to the nitride semiconductor layer 14 side. Further, by satisfying the relationship of the formula (5), the light emitted from the light emitting layer 121 can be confined in the guide layer 122 without passing to the nitride semiconductor layer 14 side (details will be described later).

井戸層121aがAlx2Ga(1−x2)Nで形成されている場合において、井戸層121a及び組成変化層123は、以下の式(6)の関係を満たす組成を有している。
x2<y・・・(6)
式(6)の関係を満たすことで、組成変化層123において発光層121よりもバンドギャップが小さい領域が無くなり、発光層121での発光が組成変化層123で吸収されることを抑制できる(詳細は後述する)。
In the case where the well layer 121a is formed of Al x2 Ga (1-x2) N, the well layer 121a and the composition change layer 123 have a composition that satisfies the relationship of the following formula (6).
x2 <y (6)
By satisfying the relationship of Expression (6), there is no region having a band gap smaller than that of the light emitting layer 121 in the composition changing layer 123, and light emission from the light emitting layer 121 can be suppressed from being absorbed by the composition changing layer 123 (details). Will be described later).

紫外光の波長領域におけるAlGaN内のAl組成と屈折率との関係は、Al組成が低いと屈折率が高くなり、Al組成が高いと屈折率が低くなることが知られている。このため、発光層121が発光する光の波長領域(すなわち紫外光の波長領域)における組成変化層123内の屈折率は、下部領域123aの方が上部領域123bよりも低くなる。これにより、組成変化層123は、ガイド層122で閉じ込めている光が窒化物半導体層14に染み出す量を低減できる。その結果、窒化物半導体レーザ素子1は、光閉じ込め効率を向上させることができ、高出力のレーザ素子を実現できる。   Regarding the relationship between the Al composition in AlGaN and the refractive index in the wavelength region of ultraviolet light, it is known that the refractive index increases when the Al composition is low, and the refractive index decreases when the Al composition is high. For this reason, the refractive index in the composition change layer 123 in the wavelength region of light emitted from the light emitting layer 121 (that is, the wavelength region of ultraviolet light) is lower in the lower region 123a than in the upper region 123b. Thereby, the composition change layer 123 can reduce the amount of the light confined in the guide layer 122 to the nitride semiconductor layer 14. As a result, the nitride semiconductor laser element 1 can improve the optical confinement efficiency, and can realize a high-power laser element.

下部ガイド層122a、上部ガイド層122b及び井戸層121aは、以下の式(7)の関係を満たす組成を有していてもよい。
0.05≦x1−x2≦0.2 ・・・(7)
The lower guide layer 122a, the upper guide layer 122b, and the well layer 121a may have a composition that satisfies the relationship of the following formula (7).
0.05 ≦ x1-x2 ≦ 0.2 (7)

下部ガイド層122a、上部ガイド層122b及び井戸層121aが式(7)の関係を満たす組成を有することにより、クラッド層からガイド層へ注入されたキャリアを効率よく発光層の井戸層へ閉じ込めることが可能となる。これにより、発光効率の高いレーザ素子が作製可能となる。   Since the lower guide layer 122a, the upper guide layer 122b, and the well layer 121a have a composition satisfying the relationship of the formula (7), carriers injected from the cladding layer into the guide layer can be efficiently confined in the well layer of the light emitting layer. It becomes possible. This makes it possible to manufacture a laser element with high emission efficiency.

下部ガイド層122a、上部ガイド層122b及び組成変化層123は、以下の式(8)の関係を満たす組成を有していてもよい。
0.05≦z−x1≦0.3 ・・・(8)
The lower guide layer 122a, the upper guide layer 122b, and the composition change layer 123 may have a composition that satisfies the relationship of the following formula (8).
0.05 ≦ z−x1 ≦ 0.3 (8)

下部ガイド層122a、上部ガイド層122b及び組成変化層123が式(8)の関係を満たす組成を有することにより、発光層121で発光した光をガイド層122で閉じ込める効率の向上と、発光層121へのキャリア(電子及び正孔)の注入効率の向上との両立を図ることができる。   Since the lower guide layer 122a, the upper guide layer 122b, and the composition change layer 123 have a composition satisfying the relationship of the formula (8), the efficiency of confining the light emitted from the light emitting layer 121 by the guide layer 122 and the light emitting layer 121 are improved. It is possible to achieve both improvement in the efficiency of injecting carriers (electrons and holes) into the substrate.

下部クラッド層13は、n型のAlx4Ga(1−x4)Nを有している。本実施形態における下部クラッド層13は、全体がn型のAlx4Ga(1−x4)N、すなわちn型の半導体で形成されている。下部クラッド層13及び組成変化層123は、以下の式(9)の関係を満たす組成を有している。
0≦x4−y<0.4 ・・・(9)
The lower cladding layer 13 includes n-type Al x4 Ga (1-x4) N. The lower cladding layer 13 in the present embodiment is entirely formed of n-type Al x4 Ga (1-x4) N, that is, an n-type semiconductor. The lower cladding layer 13 and the composition change layer 123 have compositions that satisfy the relationship of the following formula (9).
0 ≦ x4-y <0.4 (9)

式(9)の関係を満たすことにより、組成変化層123及び窒化物半導体層14で構成される上部クラッド層と、下部クラッド層13との屈折率差が小さくなり、発光層121からの発光が当該上部クラッド層及び下部クラッド層13のどちらかに偏ることを抑制することができる。これにより、当該上部クラッド層及び下部クラッド層13への光の染み出しを抑制し、当該上部クラッド層中及び下部クラッド層13中での光の吸収を抑制することができるので、窒化物半導体レーザ素子1の発光出力の向上を実現できる。   By satisfying the relationship of Expression (9), the difference in refractive index between the upper cladding layer composed of the composition change layer 123 and the nitride semiconductor layer 14 and the lower cladding layer 13 becomes small, and light emission from the light emitting layer 121 occurs. The bias to either the upper cladding layer or the lower cladding layer 13 can be suppressed. Thus, the light leakage into the upper cladding layer and the lower cladding layer 13 can be suppressed, and the light absorption in the upper cladding layer and the lower cladding layer 13 can be suppressed. The light emission output of the element 1 can be improved.

また、下部クラッド層13を構成するAlx4Ga(1−x4)Nの組成を決定するx4と、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nの組成を決定するx3の最大値のzとの差は、0以上かつ0.4より小さくてもよい。この場合、x4の値がzの値より大きくてもよく、zの値がx4の値よりも大きくてもよい。これにより、下部クラッド層13の屈折率と組成変化層123の屈折率との差が0.4よりも小さくなるので、発光層121からの発光の偏りを抑制して、窒化物半導体レーザ素子1の発光出力の向上を実現できる。 In addition, x4 that determines the composition of Al x4 Ga (1-x4) N constituting the lower cladding layer 13 and the maximum of x3 that determines the composition of Al x3 Ga (1-x3) N that constitutes the composition change layer 123. The difference from the value z may be greater than or equal to 0 and less than 0.4. In this case, the value of x4 may be larger than the value of z, and the value of z may be larger than the value of x4. As a result, the difference between the refractive index of the lower cladding layer 13 and the refractive index of the composition change layer 123 becomes smaller than 0.4, so that the bias of light emission from the light emitting layer 121 is suppressed, and the nitride semiconductor laser device 1. The light emission output can be improved.

下部クラッド層13は、基板11よりも一回り小さい大きさ又は同じ大きさに形成されている。これにより、下部クラッド層13の周囲には、積層面11Sが露出される。下部クラッド層13は、ガイド層122が積層される第一領域131と、積層面11Sからの高さが第一領域131よりも低い第二領域132とを有している。下部クラッド層13は、第一領域131及び第二領域132の境界に段差を有している。第二領域132上には、n型電極16が形成されている。n型電極16は、発光層121に注入される電流の負極側の電極となる。下部クラッド層13には、n型電極16を介して電子が供給される。   The lower cladding layer 13 is formed to be slightly smaller than or the same size as the substrate 11. Thereby, the laminated surface 11S is exposed around the lower cladding layer 13. The lower cladding layer 13 includes a first region 131 where the guide layer 122 is stacked, and a second region 132 whose height from the stacked surface 11S is lower than that of the first region 131. The lower cladding layer 13 has a step at the boundary between the first region 131 and the second region 132. An n-type electrode 16 is formed on the second region 132. The n-type electrode 16 serves as an electrode on the negative electrode side of the current injected into the light emitting layer 121. Electrons are supplied to the lower cladding layer 13 through the n-type electrode 16.

下部クラッド層13、下部ガイド層122a及び上部ガイド層122bは、以下の式(10)の関係を満たす組成を有していてもよい。
0.05≦x4−x1≦0.3 ・・・(10)
The lower cladding layer 13, the lower guide layer 122a, and the upper guide layer 122b may have a composition that satisfies the relationship of the following formula (10).
0.05 ≦ x4-x1 ≦ 0.3 (10)

下部クラッド層13、下部ガイド層122a及び上部ガイド層122bが式(10)の関係を満たす組成を有することにより、発光層121で発光した光をガイド層122で閉じ込める効率の向上と、発光層121へのキャリア(電子及び正孔)の注入効率の向上との両立を図ることができる。   Since the lower cladding layer 13, the lower guide layer 122 a, and the upper guide layer 122 b have a composition that satisfies the relationship of Expression (10), the efficiency of confining the light emitted from the light emitting layer 121 by the guide layer 122 is improved, and the light emitting layer 121 is used. It is possible to achieve both improvement in the efficiency of injecting carriers (electrons and holes) into the substrate.

窒化物半導体層14は、p型のAlx5Ga(1−x5)Nで形成されている。窒化物半導体層14を構成するAlx5Ga(1−x5)Nは、以下の式(11)の関係を満たす組成を有している。
0≦x5≦y・・・(11)
The nitride semiconductor layer 14 is made of p-type Al x5 Ga (1-x5) N. Al x5 Ga (1-x5) N constituting the nitride semiconductor layer 14 has a composition satisfying the relationship of the following formula (11).
0 ≦ x5 ≦ y (11)

窒化物半導体層14は、組成変化層123の突出部分の上に形成されている。このため、組成変化層123及び窒化物半導体層14で構成される上部クラッド層は、リッジ構造を有する。窒化物半導体層14上には、p型電極15が形成されている。窒化物半導体層14は、組成変化層123及び窒化物半導体層14によって構成される上部クラッド層においてp型電極15とのコンタクト層として機能する。p型電極15は、発光層121に注入される電流の正極側の電極となる。窒化物半導体層14には、p型電極15を介して正孔が供給される。   The nitride semiconductor layer 14 is formed on the protruding portion of the composition change layer 123. For this reason, the upper cladding layer composed of the composition change layer 123 and the nitride semiconductor layer 14 has a ridge structure. A p-type electrode 15 is formed on the nitride semiconductor layer 14. The nitride semiconductor layer 14 functions as a contact layer with the p-type electrode 15 in the upper cladding layer formed by the composition change layer 123 and the nitride semiconductor layer 14. The p-type electrode 15 becomes an electrode on the positive electrode side of the current injected into the light emitting layer 121. Holes are supplied to the nitride semiconductor layer 14 through the p-type electrode 15.

上部クラッド層がリッジ構造を有すると、レーザ発振に必要な反転分布を形成するための閾値電流を下げることができる。また、共振方向と垂直な水平方向の光の閉じ込めも実現できるために、レーザ発振を単一モードへ制御することができる。窒化物半導体レーザ素子1におけるリッジ構造は、図1に示すように組成変化層123の一部を突出させた突出部分とこの突出部分の上に配置された窒化物半導体層14とp型電極15とで構成されてもよい。また、窒化物半導体レーザ素子1におけるリッジ構造は、上部ガイド層122b上の一部に形成された土手状の組成変化層123と、組成変化層123の上に形成された窒化物半導体層14と、窒化物半導体層14の上に配置されたp型電極15とで構成されてもよい。窒化物半導体レーザ素子1は、このようなリッジ構造を有することにより、上部クラッド層における電流の経路を電極直下の領域に制限できる。これにより、上部クラッド層中での水平方向の電流拡散が抑制されるので、発光層121内に流れる電流を上部クラッド層の突出部分(本実施形態では組成変化層123の突出部分)直下に集中させることができる。その結果、この突出部分の領域において効率よく反転分布状態を形成することができ、レーザ発振の閾値を低く保つことが可能になる。   When the upper cladding layer has a ridge structure, the threshold current for forming an inversion distribution necessary for laser oscillation can be lowered. Further, since confinement of light in the horizontal direction perpendicular to the resonance direction can be realized, laser oscillation can be controlled to a single mode. As shown in FIG. 1, the ridge structure in the nitride semiconductor laser device 1 has a protruding portion in which a part of the composition change layer 123 protrudes, the nitride semiconductor layer 14 disposed on the protruding portion, and the p-type electrode 15. And may be configured. The ridge structure in the nitride semiconductor laser device 1 includes a bank-like composition change layer 123 formed on a part of the upper guide layer 122b, and a nitride semiconductor layer 14 formed on the composition change layer 123. The p-type electrode 15 may be formed on the nitride semiconductor layer 14. Since the nitride semiconductor laser element 1 has such a ridge structure, the current path in the upper clad layer can be limited to a region directly under the electrode. As a result, current diffusion in the horizontal direction in the upper cladding layer is suppressed, so that the current flowing in the light emitting layer 121 is concentrated directly below the protruding portion of the upper cladding layer (in this embodiment, the protruding portion of the composition change layer 123). Can be made. As a result, an inversion distribution state can be efficiently formed in the region of the protruding portion, and the laser oscillation threshold value can be kept low.

発光層121に反転分布状態の領域が形成された後に、窒化物半導体層14に注入されたホールと下部クラッド層13に注入された電子が発光層121で再結合することにより、発光層121で光が生じる。ガイド層122より組成変化層123及び下部クラッド層13の屈折率が大きい。このため、発光層121で発光した光は、ガイド層122と接する組成変化層123及び下部クラッド層13の表面で反射されるので、ガイド層122に閉じ込められる。ガイド層122の出射側端面122Saと対向端面122Sbがミラー(反射鏡)としての機能を発揮するので、発光層121で発光した光は、ガイド層122内で増幅されながら往復して誘導放出を生じてレーザ発振が生じる。ガイド層122内で増幅された光がガイド層122内での光学ロスより大きくなると、窒化物半導体積層膜12から外部に光が出射される。   After the inversion distribution region is formed in the light emitting layer 121, the holes injected into the nitride semiconductor layer 14 and the electrons injected into the lower cladding layer 13 are recombined in the light emitting layer 121. Light is generated. The refractive index of the composition change layer 123 and the lower cladding layer 13 is larger than that of the guide layer 122. Therefore, the light emitted from the light emitting layer 121 is reflected by the surface of the composition change layer 123 and the lower cladding layer 13 that are in contact with the guide layer 122, and is confined in the guide layer 122. Since the emission-side end surface 122Sa and the opposed end surface 122Sb of the guide layer 122 exhibit a function as a mirror (reflecting mirror), the light emitted from the light-emitting layer 121 reciprocates while being amplified in the guide layer 122 to generate stimulated emission. Laser oscillation occurs. When the light amplified in the guide layer 122 becomes larger than the optical loss in the guide layer 122, the light is emitted from the nitride semiconductor multilayer film 12 to the outside.

窒化物半導体層14は、式(11)の関係を満たすことを前提に、Alx5Ga(1−x5)Nのx5の値は、0以上0.2以下(0≦x5≦0.2)であってもよい。窒化物半導体層14がAlx5Ga(1−x5)N(但し0≦x5≦0.2)で形成されていると、窒化物半導体層14とp型電極15とのコンタクト抵抗が低減される。これにより、窒化物半導体レーザ素子1は、低消費電力化を図ることができる。本実施形態では、窒化物半導体層14は、例えばGaN(x5=0)で形成されている。 On the premise that the nitride semiconductor layer 14 satisfies the relationship of the formula (11), the value of x 5 of Al x5 Ga (1-x5) N is 0 or more and 0.2 or less (0 ≦ x5 ≦ 0.2). It may be. When the nitride semiconductor layer 14 is formed of Al x5 Ga (1-x5) N (where 0 ≦ x5 ≦ 0.2), the contact resistance between the nitride semiconductor layer 14 and the p-type electrode 15 is reduced. . Thereby, the nitride semiconductor laser device 1 can achieve low power consumption. In the present embodiment, the nitride semiconductor layer 14 is made of, for example, GaN (x5 = 0).

次に、窒化物半導体レーザ素子1を構成する各層の厚さについて図2から図9を用いて説明する。   Next, the thickness of each layer constituting the nitride semiconductor laser element 1 will be described with reference to FIGS.

図2に示すように、下部ガイド層122aの膜厚をT1とし、発光層121の膜厚をT2とし、上部ガイド層122bの膜厚をT3とすると、窒化物半導体積層膜12は、以下の式(12)の関係を満たす膜厚を有している。
40nm<T1+T2+T3<600nm ・・・(12)
As shown in FIG. 2, when the film thickness of the lower guide layer 122a is T1, the film thickness of the light emitting layer 121 is T2, and the film thickness of the upper guide layer 122b is T3, the nitride semiconductor multilayer film 12 has the following structure: It has a film thickness satisfying the relationship of Expression (12).
40 nm <T1 + T2 + T3 <600 nm (12)

窒化物半導体積層膜12が式(12)に示す範囲の膜厚を有することにより、窒化物半導体レーザ素子1は高出力化を図ることができる。   Since the nitride semiconductor multilayer film 12 has a film thickness in the range shown in Formula (12), the nitride semiconductor laser device 1 can achieve high output.

ここで、ガイド層122の光閉じ込め係数Γ及び窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jthについて、図2を参照しつつ図3から図9を用いて説明する。図3から図8には、シミュレーションソフトSiLENSe Laser Editionを用いて計算を行ったグラフが図示されている。   Here, the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 and the threshold current density Jth of the nitride semiconductor laser device 1 will be described with reference to FIGS. 3 to 9 with reference to FIG. FIGS. 3 to 8 show graphs calculated using the simulation software SiLENSe Laser Edition.

このシミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子の積層構造は、図1及び図2に示す窒化物半導体レーザ素子1と同様である。より具体的には、基板11は、厚さ2μmのAIN基板とし、下部クラッド層13は、Alx4Ga(1−x4)NのAl組成が60%(すなわちx4=0.6)で、不純物としてSiを3×1018cm−3含む、1μmのn型半導体層とした。また、下部ガイド層122a及び上部ガイド層122bは、Alx1Ga(1−x1)NのAl組成が50%(すなわちx1=0.5)の層で厚さは適宜変更した。また、発光層121は、「障壁層/井戸層121a/障壁層/井戸層121a/障壁層」という二重量子井戸構造とし、井戸層121aは、Alx2Ga(1−x2)NのAl組成が30%(すなわちx2=0.3)の厚さ3nmの層とし、障壁層は、AlGaNのAl組成が50%の厚さ10nmの層とした。組成変化層123の組成は適宜変更し、厚さは150nmあるいは300nmとし、不純物としてMgを3×1019cm−3含む構造とした。また、窒化物半導体層14は、Alx5Ga(1−x5)NのAl組成が0%(すなわちx5=0)の層、つまりGaNで形成された層で不純物を3×1020cm−3含む層とし、厚さは適宜変更した。また、各層における、電子移動度は100mc・Vsとし、正孔移動度は10cm・Vsとした。転位密度は1×10cm−2とした。さらに、成長面は0001面とした。 The laminated structure of the nitride semiconductor laser element which is a hypothesis of this simulation is the same as that of the nitride semiconductor laser element 1 shown in FIGS. More specifically, the substrate 11 is an AIN substrate having a thickness of 2 μm, and the lower cladding layer 13 has an Al composition of Al x4 Ga (1-x4) N of 60% (that is, x4 = 0.6), and an impurity. As a 1 μm n-type semiconductor layer containing 3 × 10 18 cm −3 of Si. Further, the lower guide layer 122a and the upper guide layer 122b are layers in which the Al composition of Al x1 Ga (1-x1) N is 50% (that is, x1 = 0.5), and the thicknesses thereof are appropriately changed. The light emitting layer 121 has a double quantum well structure of “barrier layer / well layer 121a / barrier layer / well layer 121a / barrier layer”, and the well layer 121a has an Al composition of Al x2 Ga (1-x2) N. The barrier layer was a 10 nm thick layer with an Al composition of 50%. The composition of the composition change layer 123 is changed as appropriate, the thickness is set to 150 nm or 300 nm, and Mg is included as an impurity at 3 × 10 19 cm −3 . In addition, the nitride semiconductor layer 14 is a layer in which the Al composition of Al x5 Ga (1-x5) N is 0% (that is, x5 = 0), that is, a layer formed of GaN, and impurities are 3 × 10 20 cm −3. The thickness was appropriately changed. In each layer, the electron mobility was 100 mc 2 · Vs, and the hole mobility was 10 cm 2 · Vs. The dislocation density was 1 × 10 9 cm −2 . Furthermore, the growth surface was 0001.

また、このシミュレーションにおいて、下部クラッド層13の膜厚を1000nmとした。下部ガイド層122a及び上部ガイド層122bの膜厚を適宜変化させた。2つの井戸層121aは、ノンドープの窒化物層とし、膜厚を3nmとした。3つの障壁層は、ノンドープの窒化物層とし、膜厚を10.0nmとした。組成変化層123の膜厚を300nmとした。窒化物半導体層14の膜厚を10nmとした。   In this simulation, the thickness of the lower cladding layer 13 was set to 1000 nm. The film thicknesses of the lower guide layer 122a and the upper guide layer 122b were appropriately changed. The two well layers 121a are non-doped nitride layers and have a thickness of 3 nm. The three barrier layers were non-doped nitride layers, and the film thickness was 10.0 nm. The film thickness of the composition change layer 123 was 300 nm. The film thickness of the nitride semiconductor layer 14 was 10 nm.

図3に示すグラフの横軸は発光層121及びガイド層122のそれぞれの膜厚を合わせた合計膜厚T1+T2+T3[nm]を示し、当該グラフの縦軸はガイド層122の光閉じ込め係数Γを示している。以下、「発光層121及びガイド層122のそれぞれの膜厚を合わせた合計膜厚」を「発光層121及びガイド層122の合計膜厚」と略記する場合があり、「T1+T2+T3」を「ΣT」と称する場合がある。光閉じ込め係数は、光分布のうち、井戸層121aの領域を積分した値を、当該光分布の全積分値で除した値で算出される。   The horizontal axis of the graph shown in FIG. 3 indicates the total film thickness T1 + T2 + T3 [nm], which is the sum of the thicknesses of the light emitting layer 121 and the guide layer 122, and the vertical axis of the graph indicates the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122. ing. Hereinafter, the “total film thickness of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 combined” may be abbreviated as “total film thickness of the light emitting layer 121 and the guide layer 122”, and “T1 + T2 + T3” may be referred to as “ΣT”. May be called. The light confinement coefficient is calculated by a value obtained by dividing the value of the well distribution 121a in the light distribution by the total integrated value of the light distribution.

図3中に示す網掛け付四角印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から0%に変化させた場合(すなわちy=0かつz=0.8)の上部ガイド層122bの膜厚T3とガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図3中に示す網掛け付菱形印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から20%に変化させた場合(すなわちy=0.2かつz=0.8)の上部ガイド層122bの膜厚T3とガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。 The shaded square marks in FIG. 3 are obtained when the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 0% (that is, y = 0 and z = 0.8) shows the relationship between the film thickness T3 of the upper guide layer 122b and the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122. The hatched rhombus marks shown in FIG. 3 are obtained when the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 20% (that is, y = 0.2 and The relationship between the film thickness T3 of the upper guide layer 122b at z = 0.8) and the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 is shown.

図3中に示す白抜き菱形印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から30%に変化させた場合(すなわちy=0.3かつz=0.8)の上部ガイド層122bの膜厚T3とガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図3中に示す白抜き丸印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から40%に変化させた場合(すなわちy=0.4かつz=0.8)の上部ガイド層122bの膜厚T3とガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図3中に示す白抜き三角印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から50%に変化させた場合(すなわちy=0.5かつz=0.8)の上部ガイド層122bの膜厚T3とガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図3中に示す×印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から70%に変化させた場合(すなわちy=0.7かつz=0.8)の上部ガイド層122bの膜厚T3とガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図3中に示す+印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%で一定にしたアルミニウム単体層の場合の上部ガイド層122bの膜厚T3とガイド層122の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。 The white diamonds in FIG. 3 indicate the case where the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 30% (ie, y = 0.3 and z = 0.8) The relationship between the film thickness T3 of the upper guide layer 122b and the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 is shown. The white circles in FIG. 3 indicate the case where the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 40% (ie, y = 0.4 and z = 0.8) The relationship between the film thickness T3 of the upper guide layer 122b and the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 is shown. The white triangles shown in FIG. 3 indicate the case where the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 50% (ie, y = 0.5 and z = 0.8) The relationship between the film thickness T3 of the upper guide layer 122b and the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 is shown. 3 indicates the case where the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 70% (that is, y = 0.7 and z = 0). 8) shows the relationship between the film thickness T3 of the upper guide layer 122b and the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122. 3 indicates the film thickness T3 of the upper guide layer 122b in the case of a single aluminum layer in which the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is constant at 80%. The relationship with the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 is shown.

図3には、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の80%から0%への変化が「Al80%→0%」と表され、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%一定にしたことが「Al80%単膜」表されている。また、図3には、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の80%から20%、30%、40%、50%及び70%へのそれぞれ変化が、0%に変化させた場合と同様の表記で表されている。 In FIG. 3, the change from 80% to 0% of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is expressed as “Al80% → 0%”. The fact that the Al composition of the Al x3 Ga (1-x3) N constituting it is made 80% constant is expressed as “Al 80% single film”. Further, in FIG. 3, the change in Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 from 80% to 20%, 30%, 40%, 50% and 70%, respectively, It is expressed in the same notation as in the case of changing to 0%.

図4に示すグラフの横軸は、上部ガイド層122bを構成するAlx1Ga(1−x1)Nの組成を決定するx1から組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nの組成を決定するx3の最小値yを減算した差分x1−y示している。当該グラフの縦軸は、ガイド層122の光閉じ込め係数Γを示している。図4は、窒化物半導体レーザ素子1に備えられた発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTが336nmにおけるガイド層122の光閉じ込め係数Γの差分x1−y依存性を示すグラフである。 The horizontal axis of the graph shown in FIG. 4 indicates that Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 from x1 that determines the composition of Al x1 Ga (1-x1) N constituting the upper guide layer 122b. The difference x1-y is obtained by subtracting the minimum value y of x3 that determines the composition. The vertical axis of the graph indicates the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122. FIG. 4 is a graph showing the difference x1-y dependency of the light confinement coefficient Γ of the guide layer 122 when the total thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 provided in the nitride semiconductor laser device 1 is 336 nm.

発光層121及びガイド層122が70nm以上850nm以下(70nm≦T1+T2+T3≦850nm)の合計膜厚ΣTを有していると、図3に示すように、ガイド層122の光閉じ込め係数Γが高くなる。特に、窒化物半導体積層膜12がAl組成を80%から40%、50%又は70%のいずれかに変化させた組成変化層123を有する場合には、Al組成を80%から0%又は20%のいずれかに変化させた組成変化層123を有する場合よりも、ガイド層122の光閉じ込め係数Γが高くなる。光閉じ込め係数Γは、発光層121で発光した光がガイド層122に閉じ込められる割合である。このため、ガイド層122から組成変化層123、窒化物半導体層14及び下部クラッド層13への光漏れが抑制される。これにより、窒化物半導体レーザ素子1は、高出力化を図ることができる。   When the light emitting layer 121 and the guide layer 122 have a total film thickness ΣT of 70 nm or more and 850 nm or less (70 nm ≦ T1 + T2 + T3 ≦ 850 nm), the light confinement coefficient Γ of the guide layer 122 increases as shown in FIG. In particular, when the nitride semiconductor multilayer film 12 has the composition change layer 123 in which the Al composition is changed from 80% to 40%, 50%, or 70%, the Al composition is changed from 80% to 0% or 20%. %, The optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 becomes higher than that in the case of having the composition change layer 123 changed to any one of%. The light confinement coefficient Γ is a ratio at which light emitted from the light emitting layer 121 is confined in the guide layer 122. For this reason, light leakage from the guide layer 122 to the composition change layer 123, the nitride semiconductor layer 14, and the lower cladding layer 13 is suppressed. Thereby, the nitride semiconductor laser device 1 can achieve high output.

また、窒化物半導体積層膜12が組成変化層123のAl組成を80%から30%に変化させた構造を有し、かつ発光層121及びガイド層122が536nmの合計膜厚ΣTを有する場合には、窒化物半導体レーザ素子1のレーザ発振が確認できなかった。このように窒化物半導体レーザ素子1のレーザ発振が確認できなかったのは、下部クラッド層13の構造と、組成変化層123及び窒化物半導体層14によって構成される上部クラッド層の構造とが非対称であるために、下部クラッド層13側に光が漏れているためである。また、窒化物半導体レーザ素子1は、発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTが上述の式(12)の関係を満たしていても、組成変化層123のAl組成が上述の式(5)の関係を満たさない場合にはレーザ発振しない。   Further, when the nitride semiconductor multilayer film 12 has a structure in which the Al composition of the composition change layer 123 is changed from 80% to 30%, and the light emitting layer 121 and the guide layer 122 have a total film thickness ΣT of 536 nm. The laser oscillation of the nitride semiconductor laser element 1 could not be confirmed. Thus, the laser oscillation of the nitride semiconductor laser device 1 could not be confirmed because the structure of the lower cladding layer 13 and the structure of the upper cladding layer constituted by the composition change layer 123 and the nitride semiconductor layer 14 are asymmetric. This is because light leaks to the lower cladding layer 13 side. Further, in the nitride semiconductor laser element 1, even if the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 satisfies the relationship of the above formula (12), the Al composition of the composition change layer 123 is the above formula (5). The laser does not oscillate when the relationship of) is not satisfied.

また、窒化物半導体積層膜12がAl組成を80%から40%、50%又は70%のいずれかに変化させた組成変化層123を有する場合には、上部ガイド層122bの膜厚に対するガイド層122の光閉じ込め係数Γの特性がほぼ同じになる。このため、組成変化層123におけるAl組成の80%からの変化にばらつきがあっても、40%から70%の範囲内へのばらつきであれば、ガイド層122の光閉じ込め係数Γはほぼ同じ値となる。このため、窒化物半導体レーザ素子1の出力の個体差のばらつきが低減される。発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTは、式(12)を満たしていてもよく、70nm以上かつ600nmより小さくてもよい。   When the nitride semiconductor multilayer film 12 includes the composition change layer 123 in which the Al composition is changed from 80% to 40%, 50%, or 70%, the guide layer with respect to the film thickness of the upper guide layer 122b. The characteristics of the optical confinement coefficient Γ of 122 are almost the same. For this reason, even if there is variation in the Al composition in the composition change layer 123 from 80%, the light confinement coefficient Γ of the guide layer 122 is approximately the same value if the variation is within the range of 40% to 70%. It becomes. For this reason, the dispersion | variation in the individual difference of the output of the nitride semiconductor laser element 1 is reduced. The total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 may satisfy the formula (12), and may be 70 nm or more and smaller than 600 nm.

光閉じ込め係数が0.020以下であると、下部クラッド層13への光の漏れが多くなる。このため、光閉じ込め係数Γは、0.020より高いとよい。組成変化層123のAl組成の変化が80%から30%であり、発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTが536nmであり、かつ光閉じ込め係数Γが0.019である場合に、窒化物半導体レーザ素子1がレーザ発振しなかったことからも、光閉じ込め係数Γが0.020より高いとよいことが示されている。   If the optical confinement factor is 0.020 or less, light leakage to the lower cladding layer 13 increases. For this reason, the optical confinement coefficient Γ is preferably higher than 0.020. When the change in the Al composition of the composition change layer 123 is 80% to 30%, the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is 536 nm, and the optical confinement coefficient Γ is 0.019, nitriding The fact that the semiconductor laser device 1 does not oscillate also indicates that the optical confinement coefficient Γ is preferably higher than 0.020.

また、窒化物半導体積層膜12が組成変化層123のAl組成を80%から50%に変化させる構造を有し、かつ発光層121及びガイド層122が836nmの合計膜厚ΣTの構造を有する場合には、窒化物半導体レーザ素子1のレーザ発振が確認できなかった。このように窒化物半導体レーザ素子1のレーザ発振が確認できなかったのは、下部クラッド層13の構造と、組成変化層123及び窒化物半導体層14によって構成される上部クラッド層の構造とが非対称であるために、下部クラッド層13側に光が漏れているためである。   Further, when the nitride semiconductor multilayer film 12 has a structure that changes the Al composition of the composition change layer 123 from 80% to 50%, and the light emitting layer 121 and the guide layer 122 have a structure with a total film thickness ΣT of 836 nm. The laser oscillation of the nitride semiconductor laser element 1 could not be confirmed. Thus, the laser oscillation of the nitride semiconductor laser device 1 could not be confirmed because the structure of the lower cladding layer 13 and the structure of the upper cladding layer constituted by the composition change layer 123 and the nitride semiconductor layer 14 are asymmetric. This is because light leaks to the lower cladding layer 13 side.

ところで、上述のとおり、図3に示す各特性が得られたシミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子の積層構造において、ガイド層122を構成するAlx1Ga(1−x1)Nのx1は0.5であり、井戸層121aを構成するAlx2Ga(1−x2)Nのx2は0.3である。また、図3中にプロットされたそれぞれの組成変化層123のAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の最大値zは0.8(Al組成比80%)である。このため、図3に示す全ての特性は、上述の式(4)(x2<x1<z)を満たしている。したがって、式(4)の関係を満たすことによって、ガイド層122の光閉じ込め係数Γが向上し、ガイド層122から組成変化層123、窒化物半導体層14及び下部クラッド層13への光漏れが抑制される。 Incidentally, as described above, in the laminated structure of the nitride semiconductor laser device, which is a hypothesis of simulation in which each characteristic shown in FIG. 3 is obtained, x1 of Al x1 Ga (1-x1) N constituting the guide layer 122 is 0. .5, and x2 of Al x2 Ga (1-x2) N constituting the well layer 121a is 0.3. Moreover, the maximum value z of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N of each composition change layer 123 plotted in FIG. 3 is 0.8 (Al composition ratio 80%). For this reason, all the characteristics shown in FIG. 3 satisfy the above-described formula (4) (x2 <x1 <z). Therefore, satisfying the relationship of Expression (4) improves the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 and suppresses light leakage from the guide layer 122 to the composition change layer 123, the nitride semiconductor layer 14, and the lower cladding layer 13. Is done.

また、図3中の白抜き丸印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の最小値yが0.4(Al組成比40%)の場合の特性を示し、図3中の白抜き三角印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の最小値yが0.5(Al組成比50%)の場合の特性を示している。このため、図3中の白抜き丸印の特性及び白抜き三角印の特性は、上述の式(5)(−1<x1−y<0.2)を満たしている。したがって、式(4)の関係を満たすことによって、ガイド層122の光閉じ込め係数Γが向上し、ガイド層122から組成変化層123、窒化物半導体層14及び下部クラッド層13への光漏れが抑制される。 Also, the white circles in FIG. 3 indicate characteristics when the minimum value y of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is 0.4 (Al composition ratio 40%). The white triangle mark in FIG. 3 indicates the case where the minimum value y of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is 0.5 (Al composition ratio 50%). The characteristics are shown. For this reason, the characteristics of the white circles and the characteristics of the white triangles in FIG. 3 satisfy the above-described formula (5) (−1 <x1−y <0.2). Therefore, satisfying the relationship of Expression (4) improves the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 and suppresses light leakage from the guide layer 122 to the composition change layer 123, the nitride semiconductor layer 14, and the lower cladding layer 13. Is done.

図3中の網掛け付四角印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の最小値yが0(Al組成比0%)の場合の特性を示し、図3中に示す網掛け付菱形印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の最小値が0.2(Al組成比20%)の場合の特性を示し、図3中に示す白抜き菱形印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の最小値が0.3(Al組成比30%)の場合の特性を示している。このため、図3中の網掛け付四角印、網掛け付菱形印及び白抜き菱形印は、上述の式(6)(x2<y)を満たさない場合の特性を示している。一方、図3中の残余の特性は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成の最小値が0.4(Al組成比40%)以上であって0.3(Al組成比30%)よりも大きい場合の特性であり、上述の式(6)(x2<y)の関係を満たす場合の特性である。このように、式(6)の関係を満たすことによって、光閉じ込め係数Γがより一層向上し、ガイド層122から組成変化層123、窒化物半導体層14及び下部クラッド層13への光漏れがより一層抑制される。なお、組成変化層123をAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から0%、10%及び20%にそれぞれ変化させた場合には、レーザ発振が生じなかった。 The shaded square marks in FIG. 3 indicate characteristics when the minimum value y of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is 0 (Al composition ratio 0%). The hatched rhombus marks shown in FIG. 3 indicate the characteristics when the minimum value of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is 0.2 (Al composition ratio 20%). The white diamonds shown in FIG. 3 are characteristics when the minimum value of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is 0.3 (Al composition ratio 30%). Is shown. For this reason, the shaded square mark, the shaded diamond mark, and the open diamond mark in FIG. 3 indicate characteristics when the above formula (6) (x2 <y) is not satisfied. On the other hand, the remaining characteristics in FIG. 3 indicate that the minimum value of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is 0.4 (Al composition ratio 40%) or more and 3 (Al composition ratio 30%), and is a characteristic when the relationship of the above formula (6) (x2 <y) is satisfied. Thus, by satisfying the relationship of Expression (6), the optical confinement coefficient Γ is further improved, and light leakage from the guide layer 122 to the composition change layer 123, the nitride semiconductor layer 14, and the lower cladding layer 13 is further increased. It is further suppressed. Note that when the composition change layer 123 was changed from 80% to 0%, 10%, and 20% in the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N, laser oscillation did not occur.

図4に示すように、ガイド層122の光閉じ込め係数Γは、差分x1−yが0.5から0.2の範囲で急激に増加し、差分x1−yが0.2よりも小さい範囲において0.026で一定となる。このように、発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTが式(12)の関係を満たす範囲(図4では、336nm)の膜厚であり、差分x1−yが0.2よりも小さい(すなわち式(5)の関係を満たす)と、ガイド層122の光閉じ込め係数Γの向上及び安定化を図ることができる。なお、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成のx3の最小値yの最大値が1であるので、上部ガイド層122bを構成するAlx1Ga(1−x1)NのAl組成のx1が最小値の0の場合に、式(5)における「−1<x1−y」の関係を満たす。 As shown in FIG. 4, the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 increases rapidly when the difference x1-y is in the range of 0.5 to 0.2, and in the range where the difference x1-y is smaller than 0.2. It becomes constant at 0.026. Thus, the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is a film thickness in a range (336 nm in FIG. 4) that satisfies the relationship of Expression (12), and the difference x1-y is smaller than 0.2. (That is, satisfying the relationship of Expression (5)), the light confinement coefficient Γ of the guide layer 122 can be improved and stabilized. In addition, since the maximum value of the minimum value y of x3 of the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is 1, Al x1 Ga (1-x1) constituting the upper guide layer 122b. ) When x1 of the Al composition of N is 0, which is the minimum value, the relationship of “−1 <x1-y” in the formula (5) is satisfied.

図5に示すグラフの横軸は発光層121及びガイド層122のそれぞれの膜厚を合わせた合計膜厚ΣT[nm]を示し、当該グラフの縦軸は窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jth[kA/cm]を示している。図5中に示す白抜き菱形印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から30%に変化させた場合(すなわちy=0.3かつz=0.8)の発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTと窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jth[kA/cm]との関係を示している。図5中に示す白抜き丸印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から40%に変化させた場合(すなわちy=0.4かつz=0.8)の発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTと窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jth[kA/cm]との関係を示している。図5中に示す白抜き三角印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から50%に変化させた場合(すなわちy=0.5かつz=0.8)の発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTと窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jth[kA/cm]との関係を示している。図5中に示す×印は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)NのAl組成を80%から70%に変化させた場合(すなわちy=0.7かつz=0.8)の上部ガイド層122bの膜厚T3と窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jth[kA/cm]との関係を示している。図5では、組成変化層123におけるAl組成の変化が図3と同様の表記で表されている。 The horizontal axis of the graph shown in FIG. 5 indicates the total film thickness ΣT [nm] of the light emitting layer 121 and the guide layer 122, and the vertical axis of the graph indicates the threshold current density of the nitride semiconductor laser device 1. Jth [kA / cm 2 ] is shown. The white diamonds in FIG. 5 indicate the case where the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 30% (ie, y = 0.3 and z = 0.8) is a relationship between the total thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 and the threshold current density Jth [kA / cm 2 ] of the nitride semiconductor laser device 1. The white circles in FIG. 5 indicate the case where the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 40% (ie, y = 0.4 and z = 0.8) is a relationship between the total thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 and the threshold current density Jth [kA / cm 2 ] of the nitride semiconductor laser device 1. The white triangles shown in FIG. 5 indicate the case where the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 50% (ie, y = 0.5 and z = 0.8) is a relationship between the total thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 and the threshold current density Jth [kA / cm 2 ] of the nitride semiconductor laser device 1. 5 indicates the case where the Al composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123 is changed from 80% to 70% (that is, y = 0.7 and z = 0). 8) shows the relationship between the film thickness T3 of the upper guide layer 122b and the threshold current density Jth [kA / cm 2 ] of the nitride semiconductor laser device 1. In FIG. 5, the change in the Al composition in the composition change layer 123 is represented by the same notation as in FIG.

窒化物半導体積層膜12が式(12)に示す範囲の膜厚を有していることを前提とし、発光層121及びガイド層122が70nm以上330nm以下(70nm≦T1+T2+T3≦330nm)の合計膜厚ΣTを有していると、図5に示すように、閾値電流密度Jthが低くなる。このため、窒化物半導体レーザ素子1は、組成変化層123を有することにより、駆動電流を低減できるので、高出力化を図ることができる。   On the premise that the nitride semiconductor multilayer film 12 has a film thickness in the range shown in Formula (12), the total thickness of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is 70 nm to 330 nm (70 nm ≦ T1 + T2 + T3 ≦ 330 nm). When ΣT is provided, the threshold current density Jth becomes low as shown in FIG. For this reason, since the nitride semiconductor laser element 1 has the composition change layer 123, the drive current can be reduced, so that the output can be increased.

窒化物半導体レーザ素子1は、閾値電流密度Jthが高いとレーザ発振するより先に発熱による素子破壊が起きてしまう。そこで、窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jthは、1000kA/cm以下であってよく、また300kA/cm以下であってもよく、さらに200kA/cm以下であってもよい。上述のとおり、図5に示す特性を得るためのシミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子1の積層構造では、発光層121の膜厚T2を36nmと仮定している。このため、発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTが40nmより小さい構造の窒化物半導体レーザ素子1を作製することができない。図5に示すように、発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTが70nmより小さくなると、窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jthは増加傾向にある。発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTが70nmから40nmまでの範囲での窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jthの増加率は、発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTが40nmにおいて閾値電流密度Jthが1000kA/cmを超える程には大きくない。このため、窒化物半導体レーザ素子1は、式(12)の関係を満たすことによって、レーザ発振するより先に発熱による素子破壊が起きることを防止できる。 In the nitride semiconductor laser element 1, if the threshold current density Jth is high, element destruction due to heat generation occurs before laser oscillation occurs. Therefore, the threshold current density Jth of the nitride semiconductor laser element 1 may be 1000 kA / cm 2 or less, 300 kA / cm 2 or less, and further 200 kA / cm 2 or less. As described above, in the laminated structure of the nitride semiconductor laser element 1 that is a simulation hypothesis for obtaining the characteristics shown in FIG. 5, the film thickness T2 of the light emitting layer 121 is assumed to be 36 nm. Therefore, the nitride semiconductor laser element 1 having a structure in which the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is smaller than 40 nm cannot be manufactured. As shown in FIG. 5, when the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is smaller than 70 nm, the threshold current density Jth of the nitride semiconductor laser device 1 tends to increase. The increase rate of the threshold current density Jth of the nitride semiconductor laser device 1 in the range where the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is in the range from 70 nm to 40 nm is that the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is The threshold current density Jth at 40 nm is not so large as to exceed 1000 kA / cm 2 . For this reason, the nitride semiconductor laser element 1 can prevent element destruction due to heat generation before laser oscillation by satisfying the relationship of the expression (12).

また例えば、発光層121が5nm以上50nm以下(20nm≦T2≦50nm)の膜厚T2を有し、かつ窒化物半導体積層膜12が式(12)に示す範囲の膜厚を有しているとする。この場合、発光効率が向上し、窒化物半導体層14へのキャリア漏れが抑制されるので、窒化物半導体レーザ素子1の高出力化を図ることができる。   Further, for example, when the light emitting layer 121 has a film thickness T2 of 5 nm or more and 50 nm or less (20 nm ≦ T2 ≦ 50 nm), and the nitride semiconductor multilayer film 12 has a film thickness in the range shown in Formula (12). To do. In this case, the light emission efficiency is improved and the carrier leakage to the nitride semiconductor layer 14 is suppressed, so that the output of the nitride semiconductor laser device 1 can be increased.

組成変化層123は、例えば0よりも大きく500nmよりも小さい膜厚Tc(0<Tc<500nm)を有している。また、組成変化層123の膜厚Tcが500nm以上になると、上部領域123bを含むAl組成の低組成領域(例えば、0≦x3<x1)の絶対膜厚が大きくなるため、発光層121で発光した光が上記低組成領域で吸収される量が多く、内部ロスの増大によりレーザ発振が抑制される。また、組成変化層123の分極ドーピング効果を得るためには、組成変化層123の膜厚Tcは0nmよりも大きい必要がある。さらに、組成変化層123の膜厚Tcが500nm以上になると、組成変化層123の抵抗が高くなり、窒化物半導体レーザ素子1の駆動電圧が高くなるので好ましくない。このため、組成変化層123の膜厚Tcは、少なくとも0よりも大きく500nmより小さい範囲であるとよい。   The composition change layer 123 has a film thickness Tc (0 <Tc <500 nm) that is greater than 0 and less than 500 nm, for example. Further, when the film thickness Tc of the composition change layer 123 is 500 nm or more, the light emitting layer 121 emits light because the absolute film thickness of the low composition region (eg, 0 ≦ x3 <x1) including the upper region 123b increases. A large amount of the absorbed light is absorbed in the low composition region, and laser oscillation is suppressed by an increase in internal loss. In order to obtain the polarization doping effect of the composition change layer 123, the film thickness Tc of the composition change layer 123 needs to be larger than 0 nm. Furthermore, when the film thickness Tc of the composition change layer 123 is 500 nm or more, the resistance of the composition change layer 123 is increased, and the driving voltage of the nitride semiconductor laser device 1 is increased. For this reason, the film thickness Tc of the composition change layer 123 is preferably in the range of at least larger than 0 and smaller than 500 nm.

また、組成変化層123は、例えば0nm以上500nm以下の膜厚Tc(0nm≦Tc≦500nm)を有していてもよい。組成変化層123の膜厚Tcは、100nmよりも大きく300nm以下(0nm<Tc≦300nm)であってもよい。組成変化層123の膜厚Tcをこの範囲の厚さにすることにより、窒化物半導体レーザ素子1の光閉じ込め効率及び内部効率ηiの向上による閾値電流密度Jthの低減と、分極ドーピングによる組成変化層123内の正孔密度の向上との両立を図ることができる。これにより、窒化物半導体レーザ素子1は、高出力化を図ることができる。   The composition change layer 123 may have a film thickness Tc (0 nm ≦ Tc ≦ 500 nm) of, for example, 0 nm or more and 500 nm or less. The film thickness Tc of the composition change layer 123 may be greater than 100 nm and 300 nm or less (0 nm <Tc ≦ 300 nm). By setting the film thickness Tc of the composition change layer 123 within this range, the threshold current density Jth is reduced by improving the optical confinement efficiency and the internal efficiency ηi of the nitride semiconductor laser device 1, and the composition change layer by polarization doping. The improvement of the hole density in 123 can be achieved at the same time. Thereby, the nitride semiconductor laser device 1 can achieve high output.

組成変化層123におけるAl組成が下部ガイド層122aのAl組成と同じAl組成になる領域123dから窒化物半導体積層膜12の最上端までの距離をT4とすると、窒化物半導体積層膜12は、以下の式(13)の関係を満たす積層構造を有している。
0.6<(T1+T2+T3)/T4<3.5 ・・・(13)
ここで、窒化物半導体積層膜12の最上端は、窒化物半導体層14に接する組成変化層123の表面である。
When the distance from the region 123d where the Al composition in the composition change layer 123 is the same as the Al composition of the lower guide layer 122a to the uppermost end of the nitride semiconductor multilayer film 12 is T4, the nitride semiconductor multilayer film 12 is It has the laminated structure which satisfy | fills the relationship of Formula (13).
0.6 <(T1 + T2 + T3) / T4 <3.5 (13)
Here, the uppermost end of the nitride semiconductor multilayer film 12 is the surface of the composition change layer 123 in contact with the nitride semiconductor layer 14.

窒化物半導体積層膜12が式(13)の関係を満たす積層構造を有することにより、発光層121で発光した光がガイド層122から窒化物半導体層14に抜けてしまう、すなわち染み出してしまうことが抑制される。領域123dから窒化物半導体積層膜12の最上端までの距離T4は、式(13)の関係を満たした上で、例えば0より大きく200nmよりも小さく(0<T4<200nm)てもよい。これにより、発光層121で発光した光がガイド層122から窒化物半導体層14に染み出してしまうことがさらに抑制される。また、領域123dから窒化物半導体積層膜12の最上端までの距離T4は、式(13)の関係を満たした上で、例えば0より大きく100nmよりも小さく(0<T4<100nm)てもよい。これにより、発光層121で発光した光がガイド層122から窒化物半導体層14に染み出してしまうことが、より一層抑制される。その結果、窒化物半導体レーザ素子1は、閾値電流密度Jthが低減され、高出力化を図ることができる。   When the nitride semiconductor multilayer film 12 has a laminated structure that satisfies the relationship of the formula (13), the light emitted from the light emitting layer 121 escapes from the guide layer 122 to the nitride semiconductor layer 14, that is, oozes out. Is suppressed. The distance T4 from the region 123d to the uppermost end of the nitride semiconductor multilayer film 12 may satisfy, for example, the relationship of Expression (13) and may be greater than 0 and smaller than 200 nm (0 <T4 <200 nm), for example. This further suppresses the light emitted from the light emitting layer 121 from leaking from the guide layer 122 to the nitride semiconductor layer 14. Further, the distance T4 from the region 123d to the uppermost end of the nitride semiconductor multilayer film 12 may satisfy, for example, the relationship of the expression (13) and may be larger than 0 and smaller than 100 nm (0 <T4 <100 nm). . Thereby, it is further suppressed that the light emitted from the light emitting layer 121 exudes from the guide layer 122 to the nitride semiconductor layer 14. As a result, the nitride semiconductor laser element 1 can reduce the threshold current density Jth and increase the output.

ここで、組成変化層123の領域123dから窒化物半導体積層膜12の最上端までの距離T4と、発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTとの関係について図2を参照しつつ図6から図8を用いて説明する。図6に示すグラフの横軸は、距離T4に対する発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTの比率ΣT/T4(T1+T2+T3/T4)を示し、当該グラフの縦軸はガイド層122の光閉じ込め係数Γを示している。図7に示すグラフの横軸は、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nの組成を決定するx3の最小値yから下部クラッド層13を構成するAlx4Ga(1−x4)Nの組成を決定するx4を減算した差分y−x4を示している。当該グラフの縦軸は、ガイド層122の光閉じ込め係数Γを示している。図8に示すグラフの横軸は、距離T4に対する合計膜厚ΣTの比率ΣT/T4を示し、当該グラフの縦軸は窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jth[kA/cm]を示している。 Here, the relationship between the distance T4 from the region 123d of the composition change layer 123 to the uppermost end of the nitride semiconductor multilayer film 12 and the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 will be described with reference to FIG. Will be described with reference to FIG. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 6 indicates the ratio ΣT / T4 (T1 + T2 + T3 / T4) of the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 with respect to the distance T4, and the vertical axis of the graph indicates the optical confinement of the guide layer 122. The coefficient Γ is shown. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 7 indicates the Al x4 Ga (1-) that forms the lower cladding layer 13 from the minimum value y of x3 that determines the composition of Al x3 Ga (1-x3) N that constitutes the composition change layer 123. x4) A difference y-x4 obtained by subtracting x4 that determines the composition of N is shown. The vertical axis of the graph indicates the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 8 indicates the ratio ΣT / T4 of the total film thickness ΣT with respect to the distance T4, and the vertical axis of the graph indicates the threshold current density Jth [kA / cm 2 ] of the nitride semiconductor laser device 1. ing.

図6から図8に示す特性を得るためのシミュレーションには、シミュレーションソフトSiLENSe Laser Editionを用いた。また、シミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子の積層構造は、図3から図5に示す特性を得るための積層構造と同様である。但し、図6及び図8では、下部ガイド層122aの膜厚T1及び上部ガイド層122bの膜厚T3の値を適宜変更し、発光層121T2及び組成変化層123の領域123dから窒化物半導体積層膜12の最上端までの距離T4の値を固定した。また、図7では、発光層121及びガイド層122の合計膜厚ΣTの値を336nmと固定し、かつ組成変化層123のAl組成を80%から30%に変化させた。図6中に示す白抜き菱形印及び白抜き丸印が示す特性における組成変化層123の組成は、図3中に示す白抜き菱形印及び白抜き丸印が示す特性における組成変化層123の組成とそれぞれ同一であるため、説明は省略する。また、図8中に示す白抜き菱形印及び白抜き丸印が示す特性における組成変化層123の組成は、図5中に示す白抜き菱形印及び白抜き丸印が示す特性における組成変化層123の組成とそれぞれ同一であるため、説明は省略する。   Simulation software SiLENSe Laser Edition was used for the simulation to obtain the characteristics shown in FIGS. Further, the nitride semiconductor laser device stack structure, which is a hypothesis of simulation, is the same as the stack structure for obtaining the characteristics shown in FIGS. However, in FIGS. 6 and 8, the values of the thickness T1 of the lower guide layer 122a and the thickness T3 of the upper guide layer 122b are appropriately changed, and the nitride semiconductor multilayer film is changed from the region 123d of the light emitting layer 121T2 and the composition change layer 123. The value of the distance T4 to the top end of 12 was fixed. In FIG. 7, the value of the total film thickness ΣT of the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is fixed at 336 nm, and the Al composition of the composition change layer 123 is changed from 80% to 30%. The composition of the composition change layer 123 in the characteristics shown by the white diamonds and white circles shown in FIG. 6 is the composition of the composition change layer 123 in the characteristics shown by the white diamonds and white circles shown in FIG. Since they are the same as each other, the description is omitted. Further, the composition of the composition change layer 123 in the characteristics shown by the white diamonds and white circles shown in FIG. 8 is the composition change layer 123 in the characteristics shown by the white diamonds and white circles shown in FIG. Since the composition of each is the same, description thereof is omitted.

組成変化層123と発光層121及びガイド層122とが0.6以上3.4以下の、距離T4に対する合計膜厚ΣTの比率ΣT/T4(0.6≦(T1+T2+T3)/T4≦3.9)を有していると、図6に示すように、ガイド層122の光閉じ込め係数Γが0.020よりも大きくなる。このため、窒化物半導体レーザ素子1は、式(13)の関係を満たすことにより、ガイド層122から組成変化層123、窒化物半導体層14及び下部クラッド層13への光漏れが抑制される。これにより、窒化物半導体レーザ素子1は、高出力化を図ることができる。   The ratio ΣT / T4 (0.6 ≦ (T1 + T2 + T3) /T4≦3.9) of the total film thickness ΣT with respect to the distance T4 in which the composition change layer 123, the light emitting layer 121, and the guide layer 122 are 0.6 or more and 3.4 or less. ), The optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 becomes larger than 0.020 as shown in FIG. For this reason, in the nitride semiconductor laser element 1, light leakage from the guide layer 122 to the composition change layer 123, the nitride semiconductor layer 14, and the lower cladding layer 13 is suppressed by satisfying the relationship of Expression (13). Thereby, the nitride semiconductor laser device 1 can achieve high output.

また、窒化物半導体積層膜12がAl組成を80%から40%、50%又は70%のいずれかに変化させた組成変化層123を有する場合には、比率ΣT/T4に対するガイド層122の光閉じ込め係数Γの特性がほぼ同じになる。このため、組成変化層123におけるAl組成の80%からの変化にばらつきがあっても、40%から70%の範囲内へのばらつきであれば、ガイド層122の光閉じ込め係数Γはほぼ同じ値となる。このため、窒化物半導体レーザ素子1の出力の個体差のばらつきが低減される。   When the nitride semiconductor multilayer film 12 has the composition change layer 123 in which the Al composition is changed from 80% to 40%, 50%, or 70%, the light of the guide layer 122 with respect to the ratio ΣT / T4 The characteristics of the confinement factor Γ are almost the same. For this reason, even if there is variation in the Al composition in the composition change layer 123 from 80%, the light confinement coefficient Γ of the guide layer 122 is approximately the same value if the variation is within the range of 40% to 70%. It becomes. For this reason, the dispersion | variation in the individual difference of the output of the nitride semiconductor laser element 1 is reduced.

図7に示すように、ガイド層122の光閉じ込め係数Γは、差分z−x4が0から0.1の範囲で急激に増加し、差分z−x4が0.2よりも大きい範囲において0.026で一定となる。このように、下部クラッド層13を構成するAlx4Ga(1−x4)Nの組成を決定するx4と、組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nの組成を決定するx3の最大値zとの差分z−x4が0以上かつ0.4より小さい場合に、ガイド層122の光閉じ込め係数Γが向上する。特に、差分z−x4が0.2以上の場合、ガイド層122の光閉じ込め係数Γの安定化を図ることができる。 As shown in FIG. 7, the optical confinement factor Γ of the guide layer 122 increases rapidly when the difference z−x4 is in the range of 0 to 0.1, and is 0. 0 in the range where the difference z−x4 is larger than 0.2. It becomes constant at 026. As described above, x4 for determining the composition of Al x4 Ga (1-x4) N constituting the lower cladding layer 13 and x3 for determining the composition of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 123. When the difference z−x4 with respect to the maximum value z is 0 or more and less than 0.4, the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 is improved. In particular, when the difference z−x4 is 0.2 or more, the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 can be stabilized.

また、組成変化層123と発光層121及びガイド層122との比が0.6以上3.3以下の、距離T4に対する合計膜厚ΣTの比率ΣT/T4(0.6≦(T1+T2+T3)/T4≦3.3)を有していると、図8に示すように、閾値電流密度Jthが300kA/cmよりも低くなる。このため、窒化物半導体レーザ素子1は、組成変化層123と発光層121及びガイド層122とが式(13)の関係を満たす比率ΣT/T4を有することにより、駆動電流を低減できるので、高出力化を図ることができる。また、組成変化層123がAl組成を80%から30%に変化させる構造を有し、かつ窒化物積層体10が4.1の比率ΣT/T4の構造を有する場合、窒化物半導体レーザ素子1はレーザ発振しなかった。 Further, the ratio ΣT / T4 (0.6 ≦ (T1 + T2 + T3) / T4) of the total film thickness ΣT with respect to the distance T4 in which the ratio of the composition change layer 123 to the light emitting layer 121 and the guide layer 122 is 0.6 or more and 3.3 or less. If it has ≦ 3.3), the threshold current density Jth is lower than 300 kA / cm 2 as shown in FIG. For this reason, the nitride semiconductor laser element 1 has a ratio ΣT / T4 in which the composition change layer 123, the light emitting layer 121, and the guide layer 122 satisfy the relationship of Expression (13), so that the drive current can be reduced. Output can be achieved. Further, when the composition change layer 123 has a structure in which the Al composition is changed from 80% to 30%, and the nitride laminate 10 has a structure of a ratio ΣT / T4 of 4.1, the nitride semiconductor laser element 1 Did not oscillate.

次に、窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jthと窒化物半導体層14の膜厚との関係について図2を参照しつつ図9を用いて説明する。図9に示すグラフの横軸は、窒化物半導体層14の膜厚T5(nm)を示し、当該グラフの縦軸は、窒化物半導体レーザ素子1の閾値電流密度Jth(kA/cm)を示している。 Next, the relationship between the threshold current density Jth of the nitride semiconductor laser element 1 and the film thickness of the nitride semiconductor layer 14 will be described with reference to FIG. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 9 indicates the film thickness T5 (nm) of the nitride semiconductor layer 14, and the vertical axis of the graph indicates the threshold current density Jth (kA / cm 2 ) of the nitride semiconductor laser device 1. Show.

図9に示す特性を得るためのシミュレーションには、シミュレーションソフトSiLENSe Laser Editionを用いた。また、シミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子の積層構造は、図1及び図2に示す窒化物半導体レーザ素子1と同様である。より具体的には、基板11は厚さ2μmのAlNとし、下部クラッド層は、Alx4Ga(1−x4)NのAl組成が60%(すなわちx4=0.6)の層とした。また、下部ガイド層122a及び上部ガイド層122bは、Alx1Ga(1−x1)NのAl組成が50%(すなわちx1=0.5)の層とした。また、発光層121は、「障壁層/井戸層121a/障壁層/井戸層121a/障壁層」という二重量子井戸構造とし、井戸層121aは、Alx2Ga(1−x2)NのAl組成が30%(すなわちx3=0.3)の層とし、障壁層は、AlGaNのAl組成が50%の層とした。また、窒化物半導体層14は、Alx5Ga(1−x5)NのAl組成が0%(すなわちx3=0)の層、つまりGaNで形成された層とした。 Simulation software SiLENSe Laser Edition was used for the simulation to obtain the characteristics shown in FIG. The laminated structure of the nitride semiconductor laser element, which is a hypothesis for simulation, is the same as that of the nitride semiconductor laser element 1 shown in FIGS. More specifically, the substrate 11 was made of AlN having a thickness of 2 μm, and the lower cladding layer was made of a layer having an Al composition of Al x4 Ga (1-x4) N of 60% (that is, x4 = 0.6). Further, the lower guide layer 122a and the upper guide layer 122b are layers in which the Al composition of Al x1 Ga (1-x1) N is 50% (that is, x1 = 0.5). The light emitting layer 121 has a double quantum well structure of “barrier layer / well layer 121a / barrier layer / well layer 121a / barrier layer”, and the well layer 121a has an Al composition of Al x2 Ga (1-x2) N. Is 30% (ie, x3 = 0.3), and the barrier layer is a layer in which the Al composition of AlGaN is 50%. The nitride semiconductor layer 14 is a layer in which the Al composition of Al x5 Ga (1-x5) N is 0% (that is, x3 = 0), that is, a layer formed of GaN.

また、このシミュレーションにおいて、下部クラッド層13の第一領域131及び第二領域132は、それぞれ不純物としてシリコン(Si)を3.0×1018cm−3の濃度のn型の窒化物層とし、それぞれの膜厚を1000nmとした。下部ガイド層122a及び上部ガイド層122bは、それぞれノンドープの窒化物層とし、それぞれの膜厚を150nmとした。2つの井戸層121aは、ノンドープの窒化物層とし、膜厚を2.5nmとした。3つの障壁層は、ノンドープの窒化物層とし、膜厚を10.0nmとした。組成変化層123は、不純物としてマグネシウム(Mg)を3.0×1019cm−3の濃度のp型の窒化物層とし、膜厚を150nmとした。窒化物半導体層14は、不純物としてマグネシウム(Mg)を3.0×1020cm−3の濃度のp型の窒化物層とし、膜厚を0nmから30nmの範囲で変化させた。また、各層における、電子移動度は100mc・Vsとし、正孔移動度は10cm・Vsとした。転位密度は1×10cm−2とした。さらに、成長面は0001面とした。 In this simulation, each of the first region 131 and the second region 132 of the lower cladding layer 13 is an n-type nitride layer having a concentration of 3.0 × 10 18 cm −3 of silicon (Si) as an impurity, Each film thickness was 1000 nm. The lower guide layer 122a and the upper guide layer 122b are non-doped nitride layers, respectively, and have a thickness of 150 nm. The two well layers 121a are non-doped nitride layers and have a thickness of 2.5 nm. The three barrier layers were non-doped nitride layers, and the film thickness was 10.0 nm. The composition change layer 123 is a p-type nitride layer having a concentration of 3.0 × 10 19 cm −3 of magnesium (Mg) as an impurity and has a thickness of 150 nm. The nitride semiconductor layer 14 was a p-type nitride layer having a concentration of 3.0 × 10 20 cm −3 of magnesium (Mg) as an impurity, and the film thickness was changed in the range of 0 nm to 30 nm. In each layer, the electron mobility was 100 mc 2 · Vs, and the hole mobility was 10 cm 2 · Vs. The dislocation density was 1 × 10 9 cm −2 . Furthermore, the growth surface was 0001.

また、このシミュレーションにおいて、レーザ特性は、ガイド層122の長さを1000μmとし、リッジ幅(すなわち窒化物半導体層14の幅)を4μmとし、出射側端面122Saでの反射率を0.2とし、対向端面122Sbでの反射率を0.9とした。   In this simulation, the laser characteristics are such that the length of the guide layer 122 is 1000 μm, the ridge width (that is, the width of the nitride semiconductor layer 14) is 4 μm, the reflectance at the emission side end face 122Sa is 0.2, The reflectance at the facing end surface 122Sb was set to 0.9.

窒化物半導体層14の膜厚T5は、0より大きく30nmより小さくなっている。本実施形態では、窒化物半導体層14は、例えばp型のGaN(Alx5Ga(1−x5)Nにおいてx5=0)で形成されている。窒化物半導体レーザ素子1は、発光層121で発光した光をガイド層122内で導波するために組成変化層123及び窒化物半導体層14で構成される上部クラッド層を必要とする。また、窒化物半導体層14の膜厚T5が30nmよりも大きくなると、窒化物半導体層14が発光層121で発光した光を吸収してしまう。窒化物半導体層14による光の吸収は、窒化物半導体層14がAlx5Ga(1−x5)NよりもGaNで形成されている場合に顕著になる。このため、窒化物半導体層14の膜厚T5は、少なくとも0以上30nmより小さい範囲であるとよい。窒化物半導体層14の膜厚T5をこの範囲の厚さとすることにより、閾値電流密度Jthを低減することができる。また、窒化物半導体層14の膜厚T5が30nmの構造においては、窒化物半導体レーザ素子1はレーザ発振しなかった。 The thickness T5 of the nitride semiconductor layer 14 is larger than 0 and smaller than 30 nm. In the present embodiment, the nitride semiconductor layer 14 is formed of, for example, p-type GaN (x5 = 0 in Al x5 Ga (1-x5) N). The nitride semiconductor laser device 1 requires an upper cladding layer composed of the composition change layer 123 and the nitride semiconductor layer 14 in order to guide the light emitted from the light emitting layer 121 in the guide layer 122. Further, when the thickness T5 of the nitride semiconductor layer 14 is larger than 30 nm, the nitride semiconductor layer 14 absorbs light emitted from the light emitting layer 121. Absorption of light by the nitride semiconductor layer 14 becomes significant when the nitride semiconductor layer 14 is formed of GaN rather than Al x5 Ga (1-x5) N. For this reason, the film thickness T5 of the nitride semiconductor layer 14 is preferably in the range of at least 0 and less than 30 nm. By setting the film thickness T5 of the nitride semiconductor layer 14 within this range, the threshold current density Jth can be reduced. Further, the nitride semiconductor laser element 1 did not oscillate in the structure in which the thickness T5 of the nitride semiconductor layer 14 was 30 nm.

次に、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子1の製造方法について説明する。窒化物半導体レーザ素子1を形成するために、厚さが例えば50μmより長く10000μmより短い範囲内の所定厚さのウェハを準備する。窒化物半導体レーザ素子1は、このウェハ上に、最終的に下部クラッド層13となる窒化物半導体層、最終的に下部ガイド層122aとなる窒化物半導体層、最終的に発光層121となる窒化物半導体層、最終的に上部ガイド層122bとなる窒化物半導体層、最終的に組成変化層123となる窒化物半導体層及び最終的に窒化物半導体層14となる窒化物半導体層を積層した窒化物半導体積層物を形成する。次に、p型電極15及びn型電極16を形成する。その後、半導体積層物の一部を所定形状にドライエッチング及びウェットエッチングすることにより、ウェハ上に複数の窒化物積層体10を形成する。その後、ウェハを所定位置で切断して窒化物積層体10を個片化することにより、窒化物半導体レーザ素子1が完成する。さらにその後、窒化物半導体レーザ素子1をパッケージで覆って固定することによりパッケージ化されたレーザダイオードが完成する。   Next, the method for manufacturing the nitride semiconductor laser element 1 according to the present embodiment will be explained. In order to form the nitride semiconductor laser element 1, a wafer having a predetermined thickness in a range longer than 50 μm and shorter than 10000 μm, for example, is prepared. The nitride semiconductor laser device 1 includes a nitride semiconductor layer that finally becomes the lower cladding layer 13, a nitride semiconductor layer that finally becomes the lower guide layer 122a, and a nitride that finally becomes the light emitting layer 121 on the wafer. A nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor layer that finally becomes the upper guide layer 122b, a nitride semiconductor layer that finally becomes the composition change layer 123, and a nitride semiconductor layer that finally becomes the nitride semiconductor layer 14 A physical semiconductor laminate is formed. Next, the p-type electrode 15 and the n-type electrode 16 are formed. Thereafter, a plurality of nitride laminates 10 are formed on the wafer by dry etching and wet etching a part of the semiconductor laminate in a predetermined shape. Thereafter, the nitride semiconductor laser device 1 is completed by cutting the wafer at a predetermined position to separate the nitride laminate 10 into individual pieces. After that, the packaged laser diode is completed by covering and fixing the nitride semiconductor laser element 1 with a package.

最終的に組成変化層123となる窒化物半導体層を形成する際に、膜厚方向に組成を制御して、例えばAlx3Ga(1−x3)Nの組成が連続的又は段階的に変化する窒化物半導体層を形成する。 When forming the nitride semiconductor layer that finally becomes the composition change layer 123, the composition is controlled in the film thickness direction so that, for example, the composition of Al x3 Ga (1-x3) N changes continuously or stepwise. A nitride semiconductor layer is formed.

窒化物積層体10は、ドライエッチング及びウェットエッチングではなく、窒化物半導体積層物を劈開することによって形成されてもよい。   The nitride laminate 10 may be formed by cleaving the nitride semiconductor laminate instead of dry etching and wet etching.

以上説明したように、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子1は、閾値電流密度Jthを低減させることによって、高出力化を図ることができる。また、窒化物半導体レーザ素子1は、ガイド層122の光閉じ込め係数Γを向上させて、内部ロス(すなわちガイド層122中の光学ロス)を抑制することができる。また、窒化物半導体レーザ素子1は、ガイド層122の光閉じ込め係数Γを向上させて、外部微分量子効率の向上を図ることができる。ここで、外部微分量子効率は、レーザの発光効率(%)のことであり、レーザ光子数を投入電子数で除す(レーザ光子数/投入電子数)ことにより求められる。さらに、窒化物半導体レーザ素子1は、ガイド層122の光閉じ込め係数Γを向上させて、スロープ効率の向上を図ることができる。ここで、スロープ効率は、発光出力(W)を投入電流(A)で除す(発光出力/投入電流)ことにより求められる。   As described above, the nitride semiconductor laser element 1 according to the present embodiment can achieve high output by reducing the threshold current density Jth. In addition, the nitride semiconductor laser element 1 can improve the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 and suppress internal loss (that is, optical loss in the guide layer 122). In addition, the nitride semiconductor laser element 1 can improve the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122 and improve the external differential quantum efficiency. Here, the external differential quantum efficiency is the light emission efficiency (%) of the laser, and is obtained by dividing the number of laser photons by the number of input electrons (the number of laser photons / the number of input electrons). Furthermore, the nitride semiconductor laser device 1 can improve the slope efficiency by improving the optical confinement coefficient Γ of the guide layer 122. Here, the slope efficiency is obtained by dividing the light emission output (W) by the input current (A) (light emission output / input current).

〔第2実施形態〕
本発明の第2実施形態による窒化物半導体レーザ素子について図1及び図2を用いて説明する。本実施形態による窒化物半導体レーザ素子は、上記第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1と外観構成は同様であるため、同一の符号を用いて説明する。
[Second Embodiment]
A nitride semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Since the nitride semiconductor laser device according to the present embodiment has the same external configuration as the nitride semiconductor laser device 1 according to the first embodiment, the description will be made using the same reference numerals.

図1に示すように、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子1は、上記第1実施形態による窒化物半導体レーザ素子1と同様に、基板11と、基板11の上方に設けられた窒化物半導体積層膜12と、窒化物半導体積層膜12に電流を注入するp型電極15及びn型電極16とを備えている。窒化物半導体積層膜12は、下部ガイド層122aと、下部ガイド層122aの上に積層されて井戸層121aを有する発光層121と、発光層121の上に積層された上部ガイド層122bと、上部ガイド層122bの上に積層されて組成が連続的又は階段状に膜厚方向に変化させた組成変化層123とを有している。組成変化層123は、上部ガイド層122bから離れるほど屈折率が連続的又は階段状に大きくなる。   As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor laser element 1 according to the present embodiment is similar to the nitride semiconductor laser element 1 according to the first embodiment described above, and includes a substrate 11 and a nitride semiconductor provided above the substrate 11. The stacked film 12 includes a p-type electrode 15 and an n-type electrode 16 that inject current into the nitride semiconductor stacked film 12. The nitride semiconductor multilayer film 12 includes a lower guide layer 122a, a light emitting layer 121 stacked on the lower guide layer 122a and having a well layer 121a, an upper guide layer 122b stacked on the light emitting layer 121, and an upper portion The composition change layer 123 is laminated on the guide layer 122b and the composition is changed continuously or stepwise in the film thickness direction. The refractive index of the composition change layer 123 increases continuously or stepwise as the distance from the upper guide layer 122b increases.

本実施形態による窒化物半導体レーザ素子1は、下部ガイド層122aの下層に形成された下部クラッド層13と、組成変化層123の上層に形成された窒化物半導体層14とを備えている。p型電極15は、窒化物半導体層14上に形成され、n型電極16は、下部クラッド層13上に形成されている。図示は省略するが、窒化物半導体レーザ素子1と、窒化物半導体レーザ素子1を覆うパッケージとによってパッケージ化されたレーザダイオードが構成される。   The nitride semiconductor laser device 1 according to the present embodiment includes the lower cladding layer 13 formed in the lower layer of the lower guide layer 122a and the nitride semiconductor layer 14 formed in the upper layer of the composition change layer 123. The p-type electrode 15 is formed on the nitride semiconductor layer 14, and the n-type electrode 16 is formed on the lower cladding layer 13. Although illustration is omitted, a laser diode packaged by the nitride semiconductor laser element 1 and a package covering the nitride semiconductor laser element 1 is configured.

下部ガイド層122aの屈折率をn1、バンドギャップをE1とし、井戸層121aの屈折率をn2、バンドギャップをE2とし、上部ガイド層122bの屈折率をn3、バンドギャップをE3とし、組成変化層123の屈折率及びバンドギャップが変化する範囲をn4からn5及びE4からE5とすると、窒化物半導体積層膜12は、以下の式(14)及び式(15)の関係を満たす組成を有している。
n4<n1 ・・・(14)
−0.5<E5−E1<1.3 ・・・(15)
The refractive index of the lower guide layer 122a is n1, the band gap is E1, the refractive index of the well layer 121a is n2, the band gap is E2, the refractive index of the upper guide layer 122b is n3, and the band gap is E3. When the refractive index and the band gap range of 123 are changed from n4 to n5 and from E4 to E5, the nitride semiconductor multilayer film 12 has a composition satisfying the relationship of the following expressions (14) and (15). Yes.
n4 <n1 (14)
-0.5 <E5-E1 <1.3 (15)

式(14)の関係を満たすことにより、発光層121での発光を上部ガイド層122bと組成変化層123との界面の屈折率差を利用して光を反射させて、ガイド層122内に光を閉じ込めることができる。また、式(15)の関係を満たすことにより、発光層121での発光が組成変化層123のバンドギャップが最も小さい領域で吸収される影響を低く抑制することができ、内部ロスを低減させてレーザ発振の閾値を下げることができる。なお、組成変化層123は、屈折率がn4の部分でのバンドギャップがE4であり、屈折率がn5の部分でのバンドギャップがE5である。   By satisfying the relationship of the formula (14), the light emitted from the light emitting layer 121 is reflected by using the refractive index difference at the interface between the upper guide layer 122b and the composition change layer 123, and the light is reflected in the guide layer 122. Can be trapped. Further, by satisfying the relationship of the formula (15), it is possible to suppress the influence of the light emission in the light emitting layer 121 being absorbed in the region where the band gap of the composition change layer 123 is the smallest, thereby reducing the internal loss. The threshold for laser oscillation can be lowered. In the composition change layer 123, the band gap at the portion where the refractive index is n4 is E4, and the band gap at the portion where the refractive index is n5 is E5.

図2に示すように、下部ガイド層122aの膜厚をT1とし、発光層の膜厚をT2とし、上部ガイド層122bの膜厚をT3とし、組成変化層123の膜厚をTcとすると、窒化物半導体積層膜12は、以下の式(16)の関係を満たす膜厚を有している。
40nm<T1+T2+T3<600nm ・・・(16)
As shown in FIG. 2, when the thickness of the lower guide layer 122a is T1, the thickness of the light emitting layer is T2, the thickness of the upper guide layer 122b is T3, and the thickness of the composition change layer 123 is Tc, The nitride semiconductor multilayer film 12 has a thickness that satisfies the relationship of the following formula (16).
40 nm <T1 + T2 + T3 <600 nm (16)

本実施形態では、発光層121は、単一量子井戸の構成を有しているため、井戸層121aの膜厚が発光層121の膜厚でもある。このため、窒化物半導体積層膜12は、式(16)の関係を満たす膜厚を有する。窒化物半導体積層膜12が式(16)に示す範囲の膜厚を有することにより、窒化物半導体レーザ素子1は高出力化を図ることができる。
る。
In the present embodiment, since the light emitting layer 121 has a single quantum well configuration, the thickness of the well layer 121 a is also the thickness of the light emitting layer 121. For this reason, the nitride semiconductor multilayer film 12 has a film thickness that satisfies the relationship of Expression (16). Since the nitride semiconductor multilayer film 12 has a film thickness in the range indicated by the formula (16), the nitride semiconductor laser device 1 can achieve high output.
The

以上説明したように、上記第1実施形態及び第2実施形態による窒化物半導体レーザ素子1は、上部ガイド層122bから離れるほど組成変化層123を構成するAlx3Ga(1−x3)Nの組成を決定するx3が最大値zから最小値yに変化させるようになっている。窒化物半導体レーザ素子1は、組成変化層123の当該組成構造を前提とし、ガイド層122の膜厚が適切に設定されている。また、窒化物半導体レーザ素子1は、組成変化層123全体でガイド層よりもAl組成が大きくなっている。上記第1実施形態及び第2実施形態による窒化物半導体レーザ素子1は、分極ドーピングを行うために組成変化層123を有し、この分極ドーピングの効果を保持しつつ、ガイド層122に光を閉じ込めることができる。 As described above, in the nitride semiconductor laser element 1 according to the first and second embodiments, the composition of Al x3 Ga (1-x3) N that constitutes the composition change layer 123 is further away from the upper guide layer 122b. X3 for determining the value is changed from the maximum value z to the minimum value y. The nitride semiconductor laser element 1 is based on the composition structure of the composition change layer 123, and the thickness of the guide layer 122 is appropriately set. Further, the nitride semiconductor laser element 1 has an Al composition larger than that of the guide layer in the entire composition change layer 123. The nitride semiconductor laser device 1 according to the first embodiment and the second embodiment includes the composition change layer 123 for performing polarization doping, and confines light in the guide layer 122 while maintaining the effect of this polarization doping. be able to.

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されない。各実施形態を組み合わせることを妨げず、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, this invention is not limited to this embodiment. It is obvious that various modifications or modifications can be conceived by those skilled in the art without departing from the combination of the embodiments and within the scope of the claims. It is understood that it belongs to the technical scope of the invention.

1 窒化物半導体レーザ素子
10 窒化物積層体
11 基板
11S 積層面
12 窒化物半導体積層膜
13 下部クラッド層
14 窒化物半導体層
15 p型電極
16 n型電極
121 発光層
121a 井戸層
122 ガイド層
122a 下部ガイド層
122b 上部ガイド層
122Sa 出射側端面
122Sb 対向端面
123 組成変化層
123a 下部領域
123b 上部領域
123c 中間領域
123d 領域
131 第一領域
132 第二領域
T1,T2、T3,Tc 膜厚
T4 距離
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nitride semiconductor laser element 10 Nitride laminated body 11 Substrate 11S Laminated surface 12 Nitride semiconductor laminated film 13 Lower clad layer 14 Nitride semiconductor layer 15 P-type electrode 16 N-type electrode 121 Light emitting layer 121a Well layer 122 Guide layer 122a Lower part Guide layer 122b Upper guide layer 122Sa Emission side end face 122Sb Opposing end face 123 Composition change layer 123a Lower area 123b Upper area 123c Intermediate area 123d Area 131 First area 132 Second areas T1, T2, T3, Tc Film thickness T4 Distance

Claims (8)

Alx1Ga(1−x1)Nで形成された下部ガイド層、前記下部ガイド層の上に積層されてAlx2Ga(1−x2)Nで形成された井戸層を有する発光層、前記発光層の上に積層されてAlx1Ga(1−x1)Nで形成された上部ガイド層、及び前記上部ガイド層の上にAlx3Ga(1−x3)Nを積層して形成されて前記上部ガイド層から離れるほど前記Alx3Ga(1−x3)NのAl組成が連続的又は階段状に減少する組成変化層を含む窒化物半導体積層膜と、
前記窒化物半導体積層膜に電流を注入するp型電極及びn型電極と
を備え、
前記Alx3Ga(1−x3)Nのx3の最小値をy、最大値をzとし、
前記下部ガイド層の膜厚をT1とし、前記発光層の膜厚をT2とし、前記上部ガイド層の膜厚をT3とすると、
前記窒化物半導体積層膜は、
0≦x1≦1、0≦x2≦1、0≦x3≦1、x2<x1<z及び−1<x1−y<0.2の関係を満たす組成を有し、
40nm<T1+T2+T3<600nmの関係を満たす膜厚を有する
窒化物半導体レーザ素子。
A light emitting layer having a lower guide layer formed of Al x1 Ga (1-x1) N, a well layer formed on the lower guide layer and formed of Al x2 Ga (1-x2) N, and the light emitting layer And an upper guide layer made of Al x1 Ga (1-x1) N, and an upper guide layer formed by laminating Al x3 Ga (1-x3) N on the upper guide layer. A nitride semiconductor multilayer film including a composition change layer in which the Al composition of the Al x3 Ga (1-x3) N decreases continuously or stepwise as the distance from the layer increases;
A p-type electrode and an n-type electrode for injecting current into the nitride semiconductor multilayer film,
The minimum value of x3 of the Al x3 Ga (1-x3) N is y, and the maximum value is z,
When the thickness of the lower guide layer is T1, the thickness of the light emitting layer is T2, and the thickness of the upper guide layer is T3,
The nitride semiconductor multilayer film is
0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ x2 ≦ 1, 0 ≦ x3 ≦ 1, x2 <x1 <z and -1 <x1-y <0.2
A nitride semiconductor laser device having a film thickness satisfying a relationship of 40 nm <T1 + T2 + T3 <600 nm.
前記組成変化層におけるAl組成が前記下部ガイド層のAl組成と同じAl組成になる領域から前記窒化物半導体積層膜の最上端までの距離をT4とすると、
前記窒化物半導体積層膜は、0.6<(T1+T2+T3)/T4<3.5の関係を満たす積層構造を有する
請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
When the distance from the region where the Al composition in the composition change layer is the same as the Al composition of the lower guide layer to the uppermost end of the nitride semiconductor multilayer film is T4,
The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the nitride semiconductor multilayer film has a multilayer structure that satisfies a relationship of 0.6 <(T1 + T2 + T3) / T4 <3.5.
前記組成変化層におけるAlの組成変化率は、0.1%/nmより大きい
請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein a composition change rate of Al in the composition change layer is greater than 0.1% / nm.
前記井戸層が前記Alx2Ga(1−x2)Nで形成されている場合において、
前記井戸層及び前記組成変化層は、x2<yの関係を満たす組成を有する
請求項1から3までのいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
In the case where the well layer is formed of the Al x2 Ga (1-x2) N,
The nitride semiconductor laser element according to any one of claims 1 to 3, wherein the well layer and the composition change layer have a composition satisfying a relationship of x2 <y.
前記下部ガイド層の下層に形成されてn型のAlx4Ga(1−x4)Nを有する下部クラッド層を備え、
前記Alx4Ga(1−x4)Nの組成を決定するx4と、前記Alx3Ga(1−x3)Nの組成を決定するx3の最大値のzとの差は、0以上かつ0.4より小さい
請求項1から4までのいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
A lower clad layer formed under the lower guide layer and having n-type Al x4 Ga (1-x4) N;
The difference between x4 that determines the composition of the Al x4 Ga (1-x4) N and the maximum z of x3 that determines the composition of the Al x3 Ga (1-x3) N is 0 or more and 0.4 The nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 4, wherein the nitride semiconductor laser device is smaller.
前記組成変化層の上層に積層されてAlx5Ga(1−x5)Nで形成された窒化物半導体層を備え、
前記Alx5Ga(1−x5)Nは、0≦x5≦yの関係を満たす組成を有し、
前記窒化物半導体層の膜厚は、0nm以上かつ30nmより小さい
請求項1から5までのいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
A nitride semiconductor layer formed of Al x5 Ga (1-x5) N and laminated on the composition change layer;
The Al x5 Ga (1-x5) N has a composition satisfying a relationship of 0 ≦ x5 ≦ y,
The nitride semiconductor laser element according to any one of claims 1 to 5, wherein the nitride semiconductor layer has a thickness of 0 nm or more and less than 30 nm.
前記発光層は、波長360nm以下の紫外光を発光可能である
請求項1から6までのいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
The nitride semiconductor laser element according to any one of claims 1 to 6, wherein the light emitting layer can emit ultraviolet light having a wavelength of 360 nm or less.
下部ガイド層、前記下部ガイド層の上に積層されて井戸層を有する発光層、前記発光層の上に積層された上部ガイド層及び前記上部ガイド層の上に積層されて組成が連続的又は階段状に膜厚方向に変化させた組成変化層を有する窒化物半導体積層膜と、
前記窒化物半導体積層膜に電流を注入するp型電極及びn型電極と
を備え、
前記下部ガイド層の屈折率をn1、バンドギャップをE1、膜厚をT1とし、
前記井戸層の屈折率をn2、バンドギャップをE2とし、
前記発光層の膜厚をT2とし、
前記上部ガイド層の屈折率をn3、バンドギャップをE3、膜厚をT3とし、
前記組成変化層の屈折率及びバンドギャップが変化する範囲をn4からn5及びE4からE5とし、
前記組成変化層の膜厚をTcとすると、
前記窒化物半導体積層膜は、
n4<n1、−0.5<E5−E1<1.3の関係を満たす組成と、
40nm<T1+T2+T3<600nmの関係を満たす膜厚と
を有し、
前記組成変化層は、前記上部ガイド層から離れるほど屈折率が連続的又は階段状に大きくなる
窒化物半導体レーザ素子。
A lower guide layer, a light emitting layer stacked on the lower guide layer and having a well layer, an upper guide layer stacked on the light emitting layer, and a continuous or staircase composition stacked on the upper guide layer A nitride semiconductor multilayer film having a composition change layer that is changed in the film thickness direction,
A p-type electrode and an n-type electrode for injecting current into the nitride semiconductor multilayer film,
The refractive index of the lower guide layer is n1, the band gap is E1, the film thickness is T1,
The refractive index of the well layer is n2, the band gap is E2,
The film thickness of the light emitting layer is T2,
The refractive index of the upper guide layer is n3, the band gap is E3, the film thickness is T3,
The ranges in which the refractive index and band gap of the composition change layer change are n4 to n5 and E4 to E5,
When the film thickness of the composition change layer is Tc,
The nitride semiconductor multilayer film is
a composition satisfying the relationship of n4 <n1, -0.5 <E5-E1 <1.3,
And a film thickness satisfying a relationship of 40 nm <T1 + T2 + T3 <600 nm,
The nitride semiconductor laser element, wherein a refractive index of the composition change layer increases continuously or stepwise as the distance from the upper guide layer increases.
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