JP2020021959A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は車載ヘッドランプやプロジェクタ光源等に用いられる半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device used for a vehicle-mounted head lamp, a projector light source, and the like.
従来、GaNやAlGaNといったIII族窒化物半導体よりなる半導体発光素子として例えば特許文献1に記載されている半導体レーザ素子が知られている。この従来の半導体発光素子について、図10を用いて説明する。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a semiconductor light emitting device made of a group III nitride semiconductor such as GaN or AlGaN, for example, a semiconductor laser device described in
従来の半導体発光素子は、GaNよりなる基板101の上にAl0.05Ga0.95Nよりなるバッファ層102、Al0.05Ga0.95Nよりなるn型コンタクト層103、In0.06Ga0.94Nよりなるクラック防止層104が形成されている。その上にAl0.05Ga0.95Nよりなる層とGaNよりなる層とを交互に形成してなるn型クラッド層105、GaNよりなるn型光ガイド層106が形成されている。その上にアンドープのIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層とアンドープのIn0.32Ga0.68Nよりなる井戸層とを交互に形成してなる活性層107、Al0.3Ga0.7Nよりなるp型電子閉込層108が形成されている。そしてその上にGaNよりなるp型光ガイド層109、Al0.05Ga0.95Nよりなる層とGaNよりなる層とを交互に形成してなるp型クラッド層110、GaNよりなるp型コンタクト層111が順次形成されている。そしてp型コンタクト層111からp型光ガイド層109の途中に至り、p型光ガイド層109の残し厚みが0.1μmになるまでエッチングされて形成されたリッジ構造の側面およびp型光ガイド層109の上面にはZr酸化物よりなる保護膜162が形成されている。そしてp型コンタクト層111および第2の保護膜162の上にはNi/Auよりなるp電極120が形成されている。さらにn型コンタクト層103が一部露出するまでエッチングされ、n型コンタクト層103の表面にはTi/Alよりなるn電極121が形成され、n電極121、p電極120およびn型コンタクト層103を覆うようにSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜164が形成されている。そして誘電体多層膜164のp型コンタクト層111側の開口部にはp電極120に接するようにパッド電極122が設けられ、誘電体多層膜164のn電極121にある開口部にはパッド電極123が設けられている。
Conventional semiconductor light emitting element, a buffer layer 102 made of Al 0.05 Ga 0.95 N on the substrate 101 made of GaN, Al 0.05 Ga 0.95 n-
このような従来の半導体発光素子では、基板101とn型クラッド層105及びp型クラッド層110との間の格子不整の抑制と、基板101に対して垂直方向の光閉じ込めとの両立が難しいことが問題となっていた。
In such a conventional semiconductor light emitting device, it is difficult to achieve both suppression of lattice irregularity between the substrate 101 and the n-
すなわち、上記従来の半導体発光素子において、垂直方向の光閉じ込めを大きくしようとする場合、n型クラッド層105や、p型クラッド層110の屈折率を下げる必要があるため、例えばAl組成を増やす必要がある。その一方で、n型クラッド層105やp型クラッド層110のAl組成を増やすと、基板101との間の格子不整が大きくなってしまう。格子不整が大きくなると格子欠陥が発生しやすくなり発光効率の低下につながる。そのため、n型クラッド層105や、p型クラッド層110のAl組成をあまりに大きくすることができないため、Al組成が10%以下の低いAl組成のAlGaNを用いる。この場合、n型、p型クラッド層と活性層間の屈折率差が小さくなり、光分布は活性層の上下に大きく広がりやすく、リッジ導波路の頂上に形成される電極や、基板に導波光の裾野が到達し吸収損失が生じやすくなる。このような導波光の光吸収を低減するためには、クラッド層厚を厚くすることにより、光分布の裾野が、リッジ上に形成される電極や、基板に到達しないようにすることが必要となる。しかしながら、リッジ型の導波路が形成されるp型クラッド層110の厚さが厚くなると、素子の直列抵抗が増大し動作電圧が大きくなる。このことから、レーザ発振動作時における発熱が大きくなり光出力が熱飽和しやすくなってしまう。その結果として、基板101とn型クラッド層105及びp型クラッド層110との間の格子不整の抑制と、p型クラッド層110の厚さの増大の防止、垂直方向の光閉じ込めをすべて満足させることが難しくなっていた。
That is, in the above-described conventional semiconductor light emitting device, when light confinement in the vertical direction is to be increased, it is necessary to reduce the refractive index of the n-
そこで本発明は、リッジが形成される導電型のクラッド層厚が薄くても、リッジ上の電極での吸収損失を低減しつつ、基板と第1クラッド層及び第2クラッド層との間の格子不整の抑制と、垂直方向の光閉じ込めをすべて満足させることを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a grid between the substrate and the first and second cladding layers while reducing the absorption loss at the electrode on the ridge, even if the thickness of the conductive cladding layer on which the ridge is formed is small. The objective is to suppress irregularities and satisfy all vertical light confinement.
上記課題を解決するために本発明の半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された、Alを有するIII族窒化物半導体よりなる一導電形の第1のクラッド層と、第1のクラッド層の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる活性層と、を有する。そして活性層の上に形成された、Alを有するIII族窒化物半導体よりなる逆導電形の第2のクラッド層と、第2のクラッド層上に形成された導電性化合物層と、導電性化合物を上面とし、第2のクラッド層を下面とするリッジ構造と、を有する。そして第2のクラッド層のAl組成は、第1のクラッド層のAl組成よりも小さく、導電性化合物層の屈折率は、第2のクラッド層の屈折率よりも小さいものである。 In order to solve the above problems, a semiconductor light emitting device of the present invention includes a substrate, a one-conductivity-type first cladding layer formed of a group III nitride semiconductor having Al, and formed on the substrate. An active layer made of a group III nitride semiconductor formed on the cladding layer. A second clad layer of a reverse conductivity type made of a group III nitride semiconductor having Al formed on the active layer; a conductive compound layer formed on the second clad layer; And a ridge structure having the second clad layer as a lower surface. The Al composition of the second cladding layer is smaller than the Al composition of the first cladding layer, and the refractive index of the conductive compound layer is smaller than the refractive index of the second cladding layer.
この構成により、第2のクラッド層のAl組成は、第1のクラッド層のAl組成よりも小さいことにより第1クラッド層よりも第2クラッド層が相対的に屈折率が高くなるので光分布が第2クラッド層にかたよる形状となる。また、導電性化合物の屈折率が第2のクラッド層の屈折率よりも小さいので、リッジ直下での光分布は第1のクラッド層と第2のクラッド層との間に分布することになり、活性層への光分布の垂直方向の光閉じ込め係数が増大する。これらのことにより、リッジ内外の実効屈折率差(ΔN)が増大する。 With this configuration, since the Al composition of the second cladding layer is smaller than the Al composition of the first cladding layer, the refractive index of the second cladding layer becomes relatively higher than that of the first cladding layer, so that the light distribution is reduced. The shape depends on the second clad layer. Further, since the refractive index of the conductive compound is smaller than the refractive index of the second cladding layer, the light distribution immediately below the ridge is distributed between the first cladding layer and the second cladding layer, The light confinement coefficient in the vertical direction of the light distribution to the active layer increases. As a result, the effective refractive index difference (ΔN) inside and outside the ridge increases.
本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造は、2次以上の高次横モードを伝播することが好ましい。この好ましい構成によれば、異なる次数同士の横モードが干渉し、光分布の結合が生じて、光分布の変形が生じてもその影響が小さくなり、大きな非線形を有するキンクが生じにくくなる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the ridge structure propagates a second-order or higher-order transverse mode. According to this preferred configuration, even if transverse modes of different orders interfere with each other and light distribution is coupled to each other, and even if the light distribution is deformed, its influence is reduced, and a kink having a large nonlinearity is less likely to be generated.
本発明の半導体発光素子は、さらに前端面と後端面とで形成される導波路を有し、リッジ構造は前端面と後端面との間に形成され、かつリッジ構造の側面に含まれ、かつ前端面から後端面へ向かう方向と導波路の方向とは、所定の角度をなすことが好ましい。この好ましい構成によれば、導波路がテーパを有するので空間的ホールバーニングが生じにくくなる。 The semiconductor light emitting device of the present invention further has a waveguide formed by a front end face and a rear end face, the ridge structure is formed between the front end face and the rear end face, and is included in a side face of the ridge structure, and It is preferable that the direction from the front end face to the rear end face and the direction of the waveguide form a predetermined angle. According to this preferred configuration, since the waveguide has a taper, spatial hole burning hardly occurs.
本発明の半導体発光素子は、さらに前端面の反射率をRf、後端面の反射率をRr、前端面におけるリッジの幅をWf、後端面におけるリッジの幅をWrとしたとき、Rf<RrかつWf>Wrであることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, when the reflectance of the front end face is Rf, the reflectance of the rear end face is Rr, the width of the ridge on the front end face is Wf, and the width of the ridge on the rear end face is Wr, Rf <Rr and It is preferable that Wf> Wr.
本発明の半導体発光素子は、さらに前端面から後端面へ向かう方向と導波路の方向とのなす角度は、0.05°以上かつ0.15°以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、さらに空間的ホールバーニングが生じにくくなる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the angle formed between the direction from the front end face to the rear end face and the direction of the waveguide is preferably 0.05 ° or more and 0.15 ° or less. According to this preferred configuration, spatial hole burning is more unlikely to occur.
本発明の半導体発光素子は、さらに第2クラッド層の膜厚が0.3μm以上かつ0.6μm以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、第2クラッド層の膜厚が0.3μm以上であることで活性層の光閉じ込め率を大きくできるとともに、第2のクラッド層の層厚が0.6μm以下であるので、半導体発光素子の直列抵抗を小さくすることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the thickness of the second cladding layer is preferably 0.3 μm or more and 0.6 μm or less. According to this preferred configuration, the light confinement ratio of the active layer can be increased by the thickness of the second cladding layer being 0.3 μm or more, and the layer thickness of the second cladding layer is 0.6 μm or less. In addition, the series resistance of the semiconductor light emitting device can be reduced.
本発明の半導体発光素子は、さらに導電性化合物層がインジウムとスズとを含む酸化物よりなり、かつ厚さが0.15μm以上かつ0.3μm以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、導波路損失を小さくでき、ΔNおよび光閉じ込め係数を大きくすることができるとともに、半導体発光素子の電気抵抗を低減することができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the conductive compound layer is preferably made of an oxide containing indium and tin, and has a thickness of 0.15 μm or more and 0.3 μm or less. According to this preferred configuration, the waveguide loss can be reduced, ΔN and the optical confinement coefficient can be increased, and the electrical resistance of the semiconductor light emitting device can be reduced.
本発明の半導体発光素子は、さらに第1のクラッド層はAlX1Ga1−X1Nよりなり、第2のクラッド層はAlX2Ga1−X2Nよりなり、X1−X2≧0.02、X1≦0.1、0.03≦X2≦0.07の関係を満たすことが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the first cladding layer is made of Al X1 Ga 1-X1 N, the second cladding layer is made of Al X2 Ga 1-X2 N, and X1-X2 ≧ 0.02, X1 It is preferable to satisfy the relationship of ≦ 0.1, 0.03 ≦ X2 ≦ 0.07.
本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造の外側における第2のクラッド層の層厚は、0nmより大きく50nm以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、リッジ構造の内側と外側とにおいて実効屈折率差を大きくとることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the thickness of the second cladding layer outside the ridge structure is more than 0 nm and 50 nm or less. According to this preferred configuration, it is possible to increase the effective refractive index difference between the inside and the outside of the ridge structure.
本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造の側面には第2のクラッド層よりも屈折率の小さい電流ブロック層が形成されていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that a current blocking layer having a lower refractive index than the second cladding layer is formed on the side surface of the ridge structure.
本発明の半導体発光素子によれば、III族窒化物を用いた半導体レーザ、特に発振波長が530nm帯の緑色半導体レーザにおいても、光閉じ込め係数とΔNが大きく、格子欠陥の発生が抑制され、導波路損失の小さいレーザを実現することができる。このため、温度特性に優れ、長期信頼性動作可能な半導体レーザを実現することが可能となる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, even in a semiconductor laser using a group III nitride, particularly a green semiconductor laser having an oscillation wavelength of 530 nm, the optical confinement coefficient and ΔN are large, and the generation of lattice defects is suppressed. A laser with a small wave path loss can be realized. Therefore, it is possible to realize a semiconductor laser having excellent temperature characteristics and capable of operating for a long period of time.
(第1の実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態における半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。なお、以下においてAlGaNとはAlxGa1−xN(0<x<1)のことであり、InGaNとはInyGa1−yN(0<y<1)のことである。また、InAlGaNとはInzAltGa1−z−tN(0<z<1、0<t<1)のことである。組成を表すx、y、z、tは半導体発光素子の層構造により適宜決めることができる。
(First Embodiment)
Hereinafter, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the AlGaN below is that of Al x Ga 1-x N ( 0 <x <1), and InGaN is that of In y Ga 1-y N ( 0 <y <1). In addition, the InAlGaN is that In z Al t Ga 1-z -t N of (0 <z <1,0 <t <1). X, y, z, and t representing the composition can be appropriately determined depending on the layer structure of the semiconductor light emitting device.
(1)半導体発光素子の構造
本実施の形態の半導体発光素子は、図1に示すごとく、GaNからなる基板11と、基板11の上に設けられたAlGaNからなるn型の第1クラッド層12、第1クラッド層12の上に設けられたn型のGaNからなる光ガイド層13、光ガイド層13の上に設けられた量子井戸構造の活性層14とを備えている。そして、活性層14の上に設けられたp型のAlGaNからなる電子障壁層15、AlGaNからなるp型の第2クラッド層16、p型の第2クラッド層16の上方に設けられたp型のGaNからなるp型コンタクト層17を備えている。さらに、p型コンタクト層17上に設けられた酸化インジウム錫(Indium Tin Oxide、以下ITOという)よりなる導電性酸化物層18を備えている。さらに、p型の第2クラッド層16にはリッジ23が形成され、リッジ23の側壁にはSiO2よりなる電流ブロック層20が備えられており、電流ブロック層20及び、導電性酸化物層18上には、p型電極22が備えられている。また、基板11の裏面には、n型電極21が設けられている。
(1) Structure of Semiconductor Light-Emitting Element As shown in FIG. 1, a semiconductor light-emitting element of the present embodiment has a substrate 11 made of GaN and an n-type
なお、上記においてn型の半導体層についてはSiがドープされており、p型の半導体層についてはMgがドープされている。 In the above description, the n-type semiconductor layer is doped with Si, and the p-type semiconductor layer is doped with Mg.
活性層14としては、厚さ3nm、In組成が0.3のInGaNからなる井戸層と厚さ7.5nmのGaNからなる量子障壁層を用いた多重量子井戸構造としている。井戸数としては、可能な限り多い方が、活性層への垂直方向の光閉じ込め係数を増大できるので有利であるが、4層以上に多くなると各量子井戸層の動作キャリア密度が均一にならないため発光効率の低下を招いてしまう。本実施の形態では、井戸層の層数は3層としている。この結果、各井戸での動作キャリア密度を均一にしつつ、光閉じ込め係数の増大を実現できる。また、量子障壁層としてGaNを用いて、In組成の高いInGaN井戸層で生じる格子不整による格子欠陥の発生を、井戸層の上下をGaNで挟むことにより抑制している。
The
本実施の形態の半導体発光素子について、図1の紙面に垂直な方向を共振器の方向とし、共振器の方向に垂直な2枚の面を端面としている。すなわち、本実施の形態の半導体発光素子は、半導体レーザである。なお、2枚の端面のうち前端面および後端面はAlN膜とAl2O3膜との多層膜によってコーティングされており、それぞれ反射率が前端面について5%、後端面について95%である。すなわち、前端面の反射率を後端面の反射率よりも小さくしている。 In the semiconductor light emitting device of the present embodiment, the direction perpendicular to the plane of FIG. 1 is defined as the direction of the resonator, and two surfaces perpendicular to the direction of the resonator are defined as end faces. That is, the semiconductor light emitting device of the present embodiment is a semiconductor laser. The front end face and the rear end face of the two end faces are coated with a multilayer film of an AlN film and an Al 2 O 3 film, and the reflectivity is 5% for the front end face and 95% for the rear end face, respectively. That is, the reflectance of the front end face is made smaller than the reflectance of the rear end face.
本実施の形態における半導体発光素子の発光波長は、530nmである。 The emission wavelength of the semiconductor light emitting device in this embodiment is 530 nm.
なお、本実施の形態における半導体発光素子は、基板11の上方からみたとき、リッジ23の2つの側壁が共振器の方向に平行である場合のストライプ構造の半導体レーザ素子である。
The semiconductor light emitting device in the present embodiment is a semiconductor laser device having a stripe structure in which two side walls of the
本実施の形態の半導体発光素子について、第1クラッド層12のAl組成をX1、第2クラッド層16のAl組成をX2とする。また、図1に示すようにリッジ23の幅をW、第2クラッド層16についてリッジ内部24での厚さをM2、リッジ23の高さをH、リッジ外部25における第2クラッド層16の層厚をdpとする。また、リッジ内部24とリッジ外部25との実効屈折率差をΔNとする。なお、リッジ23はエッチング(通常はドライエッチング)を施すことにより作成される。すなわち、リッジ外部25における第2クラッド層16は、エッチングを施すことによりリッジ内部24における第2クラッド層16より薄くすることから、dpはリッジ外部25における第2クラッド層16の、エッチング残し厚みということもできる。
In the semiconductor light emitting device of the present embodiment, the Al composition of the
なお、図1より明らかなようにM2とHとdpとの間には、以下の(数1)に示す関係式が成立する。
(数1) M2=H+dp
(2)検討
本願発明者は、導電性酸化物層18を用いた本実施の形態の半導体発光素子について、X1、X2、W、M2、H、ΔN、dpおよびお導電性酸化物層18の厚さがどのような値が望ましいかについて検討した。その検討結果について以下に説明する。
As is clear from FIG. 1, the following relational expression (Equation 1) holds between M2, H, and dp.
(Equation 1) M2 = H + dp
(2) Examination The inventor of the present application has proposed that the semiconductor light emitting device of this embodiment using the
(2−1)dpについて
層厚dpの大きさについて説明すると、dpが大きいとΔNが小さくなるため、dpは可能な限り小さいほうが好ましい。しかしながら、dpをあまりに小さくするとエッチング、特にドライエッチングを施した際のエッチング深さのウェハ面内のばらつきにより、ドライエッチングによる結晶構造の損傷の影響が活性層14に達することになり、長期信頼性保証を阻害する要因となる。このため、dpとして0nmから50nmまでの範囲になるようにエッチングの制御を行う。
(2-1) dp To explain the magnitude of the layer thickness dp, if dp is large, ΔN becomes small, so that dp is preferably as small as possible. However, if the dp is too small, the influence of the damage of the crystal structure due to the dry etching reaches the
dpが0nmから50nmに変化してもM2は不変であるため、垂直方向の光閉じ込め係数や、p型コンタクト層17やp型電極22において光分布に生じる導波路損失にほとんど変化はない。
Even if dp changes from 0 nm to 50 nm, M2 remains unchanged, so that the light confinement coefficient in the vertical direction and the waveguide loss that occurs in the light distribution in the p-
一方、dpが0nmから50nmに変化した場合、リッジ外部25における実効屈折率が変化することになるのでΔNは変化することになる。本実施の形態の場合は電流ブロック層20として屈折率の低いSiO2を用いているので、dpが増加すればリッジ外部25における実効屈折率が増加することになる。すなわち、dpの増加によりΔNが小さくなる。
On the other hand, when dp changes from 0 nm to 50 nm, ΔN changes because the effective refractive index outside the
後述するが、ΔNは、2次以上の高次横モードを安定してレーザ発振させるためにはできるだけ高いほうが良い。したがって、最もΔNが小さくなるdpが50nmの場合について、導波路損失の大きな増大を招かずに、可能な限り大きなΔNを得ることできるようにX1、X2を決めることにする。50nmより小さいdpにおいてはよりΔNが大きくなる。そこで、以下の説明ではdpを50nmとしている。 As will be described later, ΔN should be as high as possible in order to stably oscillate the laser in the second or higher-order transverse mode. Therefore, when dp at which ΔN becomes smallest is 50 nm, X1 and X2 are determined so as to obtain as large ΔN as possible without causing a large increase in waveguide loss. At dp smaller than 50 nm, ΔN becomes larger. Therefore, in the following description, dp is set to 50 nm.
(2−2)半導体発光素子にかかる応力について
電流ブロック層20にSiO2(熱膨張係数:0.6×10−6/K〜0.9×10−6/K)を用いた場合には熱膨張係数が、GaN(熱膨張係数:5.6×10−6/K)やAlN(熱膨張係数:4.2×10−6/K)と比べて小さくなるため、電流ブロック層20とリッジ23との間には熱膨張係数の差に起因する応力が発生する。このため電流ブロック層20と活性層14との間の第2クラッド層16にはリッジ23の下端部の両側の領域で、活性層14に平行な面内で圧縮性の応力が発生し、結晶構造に歪が生じる。結晶構造が歪むとその部分の屈折率が変化する。一般にIII族窒化物半導体は圧縮性の応力がかかると屈折率が増加する。そのため、リッジ23の下端近傍領域の第2クラッド層16の屈折率は圧縮性の応力のためにその大きさが増大するように変化してしまう。この結果、ΔNが低下してしまう。
(2-2) SiO 2 on stress applied to the semiconductor light-emitting device to the current blocking layer 20 (thermal expansion coefficient: 0.6 × 10 -6 /K~0.9×10 -6 / K) in the case of using the Since the thermal expansion coefficient is smaller than that of GaN (thermal expansion coefficient: 5.6 × 10 −6 / K) or AlN (thermal expansion coefficient: 4.2 × 10 −6 / K), the current blocking layer 20 A stress is generated between the
さらに、リッジ23の下端両側の活性層14におけるバンドギャップエネルギーが小さくなるため、リッジ23に注入した電流は、リッジ23の両側領域を流れやすくなる。このため、リッジ23の直下の活性層に電流が均一に注入されなくなり、スロープ効率の低下につながる。このため、リッジ23の下端部の両側に生じる電流ブロック層20と第2クラッド層16の熱膨張係数の差に基づく歪を可能な限り低減する必要がある。
Further, the band gap energy in the
本願発明者は、図1に示す半導体発光素子について第2クラッド層16のリッジ内部24での厚さM2とリッジ内部24とリッジ外部25とにおける第2クラッド層16にかかる応力との関係について検討した。図2にその検討結果を示す。図2において、横軸はリッジ23の中央を原点とし、GaN基板11に平行で、かつ端面に平行な方向として第2クラッド層16の位置を表し、縦軸は所定の位置での第2クラッド層16にかかる応力の大きさを任意単位にて表したものである。縦軸において0より大きければ第2クラッド層16には圧縮応力がかかり、0より小さければ第2クラッド層16には引張応力がかかることになる。なお、検討した半導体発光素子については、リッジ幅Wを16μmとした。またM2として0.3μm、0.6μm、0.8μmの3つについて検討した。
The inventors of the present application examined the relationship between the thickness M2 of the
図2に示すように、M2が大きいすなわちリッジ23の高さHが高いほどリッジ内部24における圧縮応力が大きいことがわかった。特にリッジ内部24の、リッジ外部25との境界近傍において圧縮応力が顕著に大きいことがわかった。また、M2が大きいほどリッジ内部24の圧縮応力の分布が不均一であることがわかった。このことから、リッジ23の高さHが高いほどリッジ内部24の、リッジ外部25との境界近傍において圧縮応力が顕著に大きくなり、そこでのバンドギャップが小さくなり、リッジ内部24においてリッジ外部25との境界近傍により電流が流れる。そしてリッジ23に均一に電流を流すことが困難であることがわかる。またこのことからリッジ23の高さHが高いほどリッジ23に流れる電流について電流の通り道が狭くなり、半導体発光素子の電気抵抗が大きくなることがわかる。
As shown in FIG. 2, it was found that the larger the M2, that is, the higher the height H of the
すなわち、リッジ23の下端部の両側の領域に生じる応力の低減と、半導体発光素子の電気抵抗の低減のためにリッジ23の高さHを小さくする必要がある。
That is, it is necessary to reduce the height H of the
なお、図2よりM2を0.8μmから0.3μmに低減させると、リッジ23の下端部両側の活性層に生じる歪はほぼ半減し、また応力分布が平坦となっていることがわかる。すなわち、M2≦0.3μmであれば半導体発光素子の電気抵抗を小さくすることができる。
It is understood from FIG. 2 that when M2 is reduced from 0.8 μm to 0.3 μm, the strain generated in the active layers on both sides of the lower end of the
(2−3)ΔNについて
リッジ内部24とリッジ外部25との実効屈折率差ΔNについて説明する。
(2-3) ΔN The effective refractive index difference ΔN between the ridge inside 24 and the ridge outside 25 will be described.
ΔNが小さい場合、リッジ幅Wを広げても2次以上の横モードに対する水平横方向の光分布(水平横モード)の閉じ込め機構が弱く、基本(0次)横モードと1次横モードでのみ動作しやすくなる。この結果、横モード間の干渉による相互作用が大きくなり、光分布形状が大きく変化し、電流−光出力特性が非線形を示すキンクが生じ、光出力が不安定になりやすい。 When ΔN is small, the confinement mechanism of the horizontal lateral light distribution (horizontal lateral mode) with respect to the second or higher lateral mode is weak even if the ridge width W is widened, and only in the basic (0th) lateral mode and the first lateral mode. It becomes easy to operate. As a result, the interaction due to the interference between the transverse modes is increased, the light distribution shape is largely changed, a kink in which the current-light output characteristic is nonlinear occurs, and the light output is likely to be unstable.
一方、2次以上の横モードが発振すると、異なる次数同士の横モードが干渉し、光分布の結合が生じて、光分布の変形が生じても、その影響が小さくなり、大きな非線形を有するキンクが生じにくくなるため、電流−光出力特性の線形性が向上する。 On the other hand, when the transverse mode of the second or higher order oscillates, the transverse modes of different orders interfere with each other, coupling of the light distribution occurs, and even if the light distribution is deformed, the effect is reduced and a kink having a large nonlinearity is obtained. Is less likely to occur, so that the linearity of the current-light output characteristics is improved.
すなわち、キンクを生じにくくして電流−光出力特性の線形性を向上させるためには、2次以上の横モードが発振する半導体発光素子が望ましいことになる。 In other words, a semiconductor light emitting device that oscillates in a second-order or higher transverse mode is desirable in order to improve the linearity of the current-light output characteristics by preventing the occurrence of kink.
プロジェクタ光源等に用いられる半導体発光素子には数100mW以上の高出力動作が求められている。これに対し、高出力レーザにおいては、共振器端面における光密度を低減し、端面がレーザ自らの光で溶融破壊されるCOD(Catastrophic Optical Damage)の発生を抑制するために、リッジ幅Wが5μm以上のいわゆるワイドストライプ構造を用いる。このようなワイドストライプ構造に対して2次横モード光をリッジ内部に閉じ込め、レーザ発振させるためにはΔNの値としては、少なくとも2.5×10−3が必要である。なお、ΔNをさらに大きくすれば2次以上の高次横モードの水平方向の光閉じ込め率が大きくなり、2次以上の高次横モードを含むレーザ発振を安定して生じるようになる。 A semiconductor light emitting element used for a projector light source or the like is required to have a high output operation of several hundred mW or more. On the other hand, in the high-power laser, the ridge width W is 5 μm in order to reduce the light density at the cavity facet and to suppress the occurrence of COD (Catastrophic Optical Damage) in which the facet is melted and destroyed by the laser's own light. The above-mentioned wide stripe structure is used. In order to confine the secondary transverse mode light within the ridge and cause laser oscillation in such a wide stripe structure, the value of ΔN needs to be at least 2.5 × 10 −3 . If ΔN is further increased, the light confinement rate in the horizontal direction of the second-order or higher-order transverse mode is increased, and laser oscillation including the second-order or higher-order transverse mode is stably generated.
(2−4)光閉じ込め係数について
また、半導体発光素子、特に波長が530nmあたりに発光波長を有する半導体発光素子において良好な温度特性を得るためには、活性層14に対する垂直方向の光閉じ込め係数は大きいほうがよく、少なくとも1%の光閉じ込め係数(垂直方向)を有していることが必要である。なお、以下垂直方向の光閉じ込め係数のことを垂直横モード閉じ込め係数という。
(2-4) Regarding Light Confinement Coefficient In order to obtain good temperature characteristics in a semiconductor light emitting device, in particular, a semiconductor light emitting device having an emission wavelength around 530 nm, the light confinement coefficient in the vertical direction to the
(2−5)X1、X2それぞれの値について
次に、第1クラッド層12のAl組成X1と第2クラッド層16のAl組成X2それぞれの値について説明する。
(2-5) Values of X1 and X2 Next, the values of the Al composition X1 of the
第1クラッド層12のAl組成X1を大きくすると第1クラッド層12の屈折率が低くなり、活性層14との屈折率差を大きくすることができ垂直方向の光閉じ込め係数を大きくすることができる。光閉じ込め係数を大きくすると、活性層への注入電流が少ない状態でも大きな利得を得ることが可能となるため、発振しきい電流値や、活性層での動作キャリア密度が小さくなる。そのため、高温動作時において、活性層に注入されたキャリアが熱的に励起されてクラッド層に漏れ出すキャリアのオーバーフローを抑制することができる。このため、垂直方向の光閉じ込め係数の増大は、高温高出力動作時においても、電流−光出力特性における熱飽和する光出力を増大させ、動作電流値の低い温度特性に優れたレーザの実現に効果的である。
When the Al composition X1 of the
しかしながらX1を大きくしすぎると、GaNよりなる基板11とAlGaNよりなる第1クラッド層12との間の格子定数の差と熱膨張係数の差がともに大きくなるため、格子欠陥やクラックの発生につながる。このため、X1≦0.1とする必要がある。
However, if X1 is too large, both the difference in lattice constant and the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 11 made of GaN and the
また、第2クラッド層16のAl組成X2もX1と同様に大きくすると活性層への垂直方向光閉じ込め係数の増大につながる。しかし、大きくしすぎるとp型不純物であるMgの活性化率が低下し、第2クラッド層16の電気抵抗が増大し、半導体発光素子の電気抵抗の増大につながる。半導体発光素子の電気抵抗の増大は、半導体発光素子のレーザ発振動作中における自己発熱が増大し、電流−光出力特性における熱飽和する光出力レベルの低下につながる。そこで、垂直方向に光閉じ込め係数の増大効果を得つつ、第2クラッド層16の抵抗を増大させないためには、X2≦0.07とする必要がある。
Further, if the Al composition X2 of the
なお、X2を小さくしていくと、垂直方向の光分布は第2クラッド層16に寄っていくため、ΔNは増大する。しかしながら、X2を小さくしすぎると、あまりに光分布が第2クラッド層16寄りとなり、p型コンタクト層17および第2クラッド層16での不純物によるフリーキャリア吸収損失と、p型電極22における吸収損失が増大し、導波路損失が増大してしまう。導波路損失が増大すると電流−光出力特性におけるレーザ発振後の、注入電流量の変化に対する光出力の変化の割合(スロープ効率)の低下につながり、高温動作時における熱飽和する光出力レベルの低下につながる。したがって、X2の値としては、導波路損失の大きな増大を抑制するために0.03以上とする必要がある。
When X2 is reduced, ΔN increases because the light distribution in the vertical direction approaches the
(2−6)X1とX2との関係について
図1に示すような半導体発光素子においては、リッジ外部25において第2クラッド層16が薄くなっているために、リッジ外部25における活性層14に垂直である方向の光分布(垂直横モード)は、第1クラッド層12側にかたよる。なお、リッジ内部24においては、垂直横モードは活性層14に対しほぼ対称となる。
(2-6) Relationship between X1 and X2 In the semiconductor light emitting device as shown in FIG. 1, since the
ここで、第1クラッド層12のAl組成X1が第2クラッド層16のAl組成X2よりも大きい場合、第1クラッド層12の屈折率が第2クラッド層16の屈折率よりも小さくなるので、リッジ外部25における実効屈折率はリッジ内部24における実効屈折率よりもさらに小さくすることができる。すなわち、ΔNを大きくすることができ、水平横モードの光閉じ込め率を大きくすることができる。
Here, when the Al composition X1 of the
そこで本願発明者は、図1に示す半導体発光素子について、X1、X2をパラメータとし、N2=0.3μmとしてΔNを求めた。なお、Wを6μm、導電性酸化物層18の層厚を0.17μmとして検討した。その結果を図3に示す。図3において、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%とあるのは垂直横モード閉じ込め係数のことであり、1.5×10−3、2×10−3、2.5×10−3、3×10−3、3.5×10−3とあるのはΔNのことである。また、6cm−1や10cm−1のようにcm−1が付されている曲線は、半導体発光素子の導波路損失を表す。また、図3において導波路損失は実線で示し、垂直横モード閉じ込め係数は一点鎖線で示し、実効屈折率差(ΔN)は破線で示している。
Therefore, the inventor of the present application obtained ΔN for the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 with X1 and X2 as parameters and N2 = 0.3 μm. Note that the study was performed with W being 6 μm and the thickness of the
図3に示すように、ΔNが2.5×10−3以上となるX1とX2との関係は、X1≦0.1かつX2≦0.07では、
(数2) X1−X2≧0.02
の領域、すなわち図3においては直線ABの右側の領域である。
As shown in FIG. 3, the relationship between X1 and X2 in which ΔN is 2.5 × 10 −3 or more is such that when X1 ≦ 0.1 and X2 ≦ 0.07,
(Equation 2) X1−X2 ≧ 0.02
, That is, the area on the right side of the straight line AB in FIG.
以上をまとめると、図1に示す半導体発光素子について、ΔNが2.5×10−3以上となり、かつ垂直方向に光閉じ込め係数の増大効果を得つつ半導体発光素子の電気抵抗を小さくするためには、
(数2) X1−X2≧0.02
(数3) X1≦0.1
(数4) 0.03≦X2≦0.07
が必要となる。
In summary, in order to reduce the electric resistance of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 in terms of ΔN being 2.5 × 10 −3 or more and obtaining the effect of increasing the light confinement coefficient in the vertical direction, Is
(Equation 2) X1−X2 ≧ 0.02
(Equation 3) X1 ≦ 0.1
(Equation 4) 0.03 ≦ X2 ≦ 0.07
Is required.
(2−8)導電性酸化物層18の層厚の検討
次に、導電性酸化物層18の効果および導電性酸化物層18の層厚の条件を調べるために、M2を変化させたときの半導体発光素子の特性について説明する。
(2-8) Examination of Layer Thickness of
導電性酸化物層18の厚さを0.17μm、Wを6μm、M2として0.2μm〜0.6μmと変化させた場合の半導体発光素子の特性を図4A〜図4Eに示す。また、比較として導電性酸化物層18がない場合すなわち図1に示す半導体発光素子から導電性酸化物層18を除去した半導体発光素子について、M2として0.2μm〜0.6μmと変化させたときの半導体発光素子の特性を図5A〜図5Eに示す。図4A〜図4E、図5A〜図5EとM2の値および導電性酸化物層18の有無との関係は、表1のようになる。
FIGS. 4A to 4E show the characteristics of the semiconductor light emitting device when the thickness of the
なお、図4A〜図4E、図5A〜図5Eにおいて、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%とあるのは垂直横モード閉じ込め係数のことであり、1.5×10−3、2×10−3、2.5×10−3、3×10−3等とあるのはΔNのことである。また、6cm−1や10cm−1のようにcm−1が付されている曲線は、半導体発光素子の導波路損失を表す曲線である。 In FIGS. 4A to 4E and FIGS. 5A to 5E, 1%, 1.1%, 1.2%, 1.3%, and 1.4% are the vertical and transverse mode confinement coefficients. , 1.5 × 10 −3 , 2 × 10 −3 , 2.5 × 10 −3 , 3 × 10 −3, etc. are ΔN. Moreover, the curve cm -1 are assigned as 6 cm -1 and 10 cm -1 is a curve representing the waveguide loss in the semiconductor light emitting element.
また、図4、図5において、導波路損失は実線で示し、垂直横モード閉じ込め係数は一点鎖線で示し、実効屈折率差(ΔN)は破線で示している。また、これらの図において斜線パターンで示した領域(ハッチング領域)は、(数2)から(数4)を満足し、光閉じ込め係数が1%以上、かつΔNが2.5×10−3以上の領域を示している。 4 and 5, the waveguide loss is indicated by a solid line, the vertical transverse mode confinement coefficient is indicated by a dashed line, and the effective refractive index difference (ΔN) is indicated by a broken line. In these figures, the hatched area (hatched area) satisfies (Equation 2) to (Equation 4), the light confinement coefficient is 1% or more, and ΔN is 2.5 × 10 −3 or more. Are shown.
図4A〜図4Eに示すように、M2を0.3μm以上とすれば、(数1)から(数3)を満足し、垂直横モード閉じ込め係数が1%以上、ΔNが2.5×10−3以上の領域が存在することがわかる。また、M2が大きいほど(数1)から(数3)を満足する領域でのΔNが大きくなり、一方で導波路損失が小さくなることがわかる。M2が0.8μm以上となるとリッジ高さHが高くなり、活性層に生じる歪や、素子の抵抗が大きくなってしまう。半導体発光素子の直列抵抗の増大を招かないためには、M2≦0.6μmとすればよい。 As shown in FIGS. 4A to 4E, when M2 is 0.3 μm or more, (Equation 1) to (Equation 3) are satisfied, the vertical / transverse mode confinement coefficient is 1% or more, and ΔN is 2.5 × 10 It can be seen that there is a region of −3 or more. Also, it can be seen that as M2 increases, ΔN in the region satisfying (Equation 1) to (Equation 3) increases, while the waveguide loss decreases. When M2 is 0.8 μm or more, the ridge height H increases, and the strain generated in the active layer and the resistance of the element increase. In order not to increase the series resistance of the semiconductor light emitting element, it is sufficient to set M2 ≦ 0.6 μm.
したがって、図2および図4A〜図4Eに示した結果より、リッジ下端部の両側の活性層の歪の発生を抑制し、1%以上の光閉じ込め係数かつ2.5×10−3以上のΔNを得るためには、(数1)から(数3)を満足し、M2が0.3μm以上かつ0.6μm以下であればよいことがわかる。この場合、導波路損失は最大で12.5cm−1となることがわかる。 Therefore, from the results shown in FIG. 2 and FIGS. 4A to 4E, the generation of distortion in the active layers on both sides of the lower end of the ridge is suppressed, and the optical confinement coefficient of 1% or more and ΔN of 2.5 × 10 −3 or more It can be seen that in order to obtain, (Equation 1) to (Equation 3) should be satisfied, and M2 should be 0.3 μm or more and 0.6 μm or less. In this case, it can be seen that the waveguide loss is 12.5 cm -1 at the maximum.
(2−9)導電性酸化物層18の効果の検討
次に、導電性酸化物層18の効果について検討する。図5A〜図5Eにおいて、(数2)から(数4)を満足する領域で、1%以上の光閉じ込め係数、2.5×10−3以上のΔN、導波路損失が12.5cm−1以下である範囲をハッチング領域で示す。導電性酸化物層18を備えない半導体発光素子に関するこの領域は、導電性酸化物層18を備えた半導体発光素子での図4A〜図4Eに示す領域よりも非常に小さくなっている。これは、導電性酸化物層18にITOを用いた場合、屈折率が2.02と小さいために、垂直方向の光分布が、導電性酸化物層18で急激に減衰し、p型コンタクト層17における光分布の割合は小さくなり、導波路損失が低減するためである。この効果はM2が小さいほど大きく、図4Dと図5D、図4Cと図5C及び図4Bと図5Bとを比べれば、M2が同一であっても導波路損失は相対的に小さくなっていることがわかる。このように導電性酸化物層18を備えることにより、1%以上の光閉じ込め係数、2.5×10−3以上のΔNと、12.5cm−1以下の導波路損失を同時に実現することが可能となる。この結果、高温動作時においても、熱飽和しない高出力特性を実現することが可能となる。また、リッジ23の下端部の両側の活性層14における歪が小さいため、活性層14におけるバンドギャップの面内分布を低減できるだけでなく、活性層14での格子欠陥の発生も抑制できる。そのため、長期にわたって高出力動作可能な信頼性の高い530nm帯の窒化物系レーザを実現可能となる。
(2-9) Examination of Effect of
特に、M2が0.4μm以下の領域でも、1%以上の光閉じ込め係数、2.5×10−3以上のΔNと、12.5cm−1以下の低導波路損失を同時に実現でき、さらに、リッジ23の下端部の両側の活性層における歪を低減することが可能となる。この結果、半導体発光素子の電気抵抗がさらに小さくなる。また、活性層14での格子欠陥の発生もより抑制できるため、長期にわたって高出力動作可能である、信頼性のより高い半導体レーザ素子が得られるのである。
In particular, even in the region where M2 is 0.4 μm or less, a light confinement coefficient of 1% or more, a ΔN of 2.5 × 10 −3 or more, and a low waveguide loss of 12.5 cm −1 or less can be simultaneously realized. It is possible to reduce distortion in the active layers on both sides of the lower end of the
(2−10)導電性酸化物層18の層厚について
また、ITOを導電性酸化物層18として用いた場合に最低限必要な導電性酸化物層18の厚さについて説明する。図6A、図6Bに本実施の形態における半導体発光素子においてITOの膜厚を変化させた場合の、導波路損失およびΔNの検討結果を示す。図6A、図6Bいずれも横軸が導電性酸化物層18の厚さ、縦軸は図6Aについては導波路損失、図6BについてはΔNを表す。図6A、図6Bに示すように導電性酸化物層18の厚さを0μmから0.15μmへと厚くしていくと導波路損失が小さくなり、一方ΔNは増大していくことがわかる。つまり、厚さ0.15μm以上の導電性酸化物層18をp型コンタクト層17の上に形成することにより、導波路損失の低減効果だけでなく、ΔNも増大させ、2次以上の高次横モード発振を安定化させる効果があることがわかる。
(2-10) Regarding Layer Thickness of
ITO膜の厚さが0.15μm以上となると、導波路損失、ΔN、光閉じ込め係数はすべてほぼ一定となることがわかる。従って、ITOを導電性酸化物層18とした構造では、導電性酸化膜層厚を0.15μm以上とすればよいことがわかる。ITO膜を厚くし過ぎると、ITO膜の持つ電気抵抗により半導体発光素子の電気抵抗が増大することが考えられるので、ITO膜の厚さは0.3μm以下とすることが好ましい。
It can be seen that when the thickness of the ITO film is 0.15 μm or more, the waveguide loss, ΔN, and light confinement coefficient are all substantially constant. Therefore, in the structure in which ITO is used as the
(2−11)まとめ
Al組成が0.1のAlGaNの屈折率2.36よりも屈折率の小さい導電性酸化物層18をp型コンタクト層17上に形成し、第2クラッド層16の層厚(M2)を0.3μmから0.6μmとし、(数2)から(数4)を満たす構造について検討した。ストライプ幅Wが5μm以上として高次横モードがカットオフされていない場合において、上記構造は、導電性酸化物層18を用いない構造と比較して、リッジ23の高さを低くしても導波路損失が低減される。そしてΔNの増大効果による安定した2次以上の高次横モード発振を実現し、低リッジによるリッジ下端部両側近傍領域の歪を低減できることがわかる。
(2-11) Summary A
歪の低減は、ΔNの低下の防止につながる。この結果、電流−光出力特性におけるキンクの抑制、スロープ効率の増大、高温動作時における熱飽和する光出力レベルの向上が実現する。それだけでなく、リッジ23の直下の活性層14の面内歪が低減され、活性層14のバンドギャップエネルギーのばらつきが抑制可能となり、半導体発光素子の発光効率の低下と格子欠陥の増殖が抑制され、長期動作信頼性を向上させることが可能となる。また、第2クラッド層16の厚さ(M2)を0.3μm以上かつ0.5μm以下とすれば、半導体発光素子の電気抵抗を低減できるため、さらなる高温高出力動作特性を得るためにはより好ましい。
Reduction of distortion leads to prevention of reduction of ΔN. As a result, the kink in the current-light output characteristics is suppressed, the slope efficiency is increased, and the light output level at which the heat is saturated at the time of high-temperature operation is improved. In addition, the in-plane distortion of the
(3)本実施の形態の半導体発光素子の一例
次に、上記において検討した、本実施の形態の半導体発光素子の一例について簡単に述べる。
(3) Example of Semiconductor Light-Emitting Element of Present Embodiment Next, an example of the semiconductor light-emitting element of the present embodiment studied above will be briefly described.
本実施の形態にかかる半導体発光素子において、X1を0.09、X2を0.05、M2を0.4μmとした。本実施の形態の半導体発光素子の層構造について、表2にまとめる。なお、表2において屈折率は、発光波長である530nmに対する値である。 In the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, X1 was 0.09, X2 was 0.05, and M2 was 0.4 μm. Table 2 summarizes the layer structure of the semiconductor light emitting device of the present embodiment. In Table 2, the refractive index is a value with respect to the emission wavelength of 530 nm.
上記表2に示す半導体発光素子においては、導波路損失は8.0cm−1、光閉じ込め係数は1.4%、ΔNは3.6×10−3となった。また、発光波長は530nmであり、緑色のレーザ発振が得られた。 In the semiconductor light emitting device shown in Table 2, the waveguide loss was 8.0 cm −1 , the light confinement coefficient was 1.4%, and the ΔN was 3.6 × 10 −3 . The emission wavelength was 530 nm, and green laser oscillation was obtained.
(第2の実施の形態)
(1)テーパストライプ構造について
第1の実施形態にかかる半導体発光素子は、基板11の上方からみたとき、リッジ23の2つの側壁が共振器の方向に平行である場合のストライプ構造の半導体レーザ素子である。
(Second embodiment)
(1) Tapered Stripe Structure The semiconductor light emitting device according to the first embodiment has a stripe structure in which the two side walls of the
本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光素子は、いわゆるテーパストライプ構造の半導体発光素子である。なお、半導体発光素子を構成する各半導体層および導電性酸化物層18の積層構造、ならびに電極の構造は、第1の実施の形態と同様である。また、端面反射率についても第1の実施の形態と同様である。
The semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention is a semiconductor light emitting device having a so-called tapered stripe structure. The laminated structure of each semiconductor layer and the
ここで、図7に示すようにリッジ側壁に沿う方向と共振器の方向となす角をθとする。この角度θがテーパ角である。実施の形態1で説明したテーパ角θが0°のストライプ構造の半導体レーザ素子では、端面反射率の低い前端面側の導波路における活性層内の光密度が大きくなる。このため、前端面側の活性層14に注入された電子、正孔が誘導放出により単位時間に消費される数が多くなり、前端面側の活性層14の動作キャリア密度が大きくなるキャリアの空間的ホールバーニング(Spatial Hole Burning、略してSHB)が発生する。ここでテーパ角θを大きくしていくと前端面側のリッジ幅が大きくなるため、共振器方向に垂直な水平横方向の光分布の幅が広くなって光密度が減少していく。従って、テーパ角θの増大に伴い、前端面側で単位時間当たりに消費される電子、正孔の数は減少する。逆に後端面側では、テーパ角の増大に伴い、水平横方向の光分布の幅が狭くなり光密度が増大するため、後端面側で単位時間当たりに消費される電子、正孔の数は増大する。この結果、テーパ角を大きくしすぎると、後端面側の活性層14における動作キャリア密度が小さくなりSHBが発生する。SHBの度合いが大きくなると活性層14における動作キャリア濃度が大きい側の活性層14では、電子や正孔が熱的に励起されて活性層から第1クラッド層12または第2クラッド層16に漏れ出すキャリア(キャリアオーバーフロー)が増大し、光出力の熱飽和レベルが低下する。
Here, as shown in FIG. 7, the angle between the direction along the ridge side wall and the direction of the resonator is θ. Is the taper angle. In the semiconductor laser device having a stripe structure in which the taper angle θ is 0 ° described in the first embodiment, the light density in the active layer in the waveguide on the front end face side with low end face reflectivity increases. For this reason, the number of electrons and holes injected into the
また、共振器方向に対してSHBが生じると、活性層14の内部にて、最も大きな増幅利得を得る波長にばらつきが生じてしまい、発振しきい電流値の増大につながる。発振しきい電流値が増大すると高温動作時におけるキャリアオーバーフローが増大し、温度特性の劣化につながる。さらに、テーパ角θが大きいと導波路を伝播する導波光に伝播損失が生じてしまう。このため、テーパ角θは0.1°±0.05°以内の範囲(0.05°以上、0.15°以下)に設定することが好ましい。この場合、リッジ23の下の活性層14においてSHBの発生が抑制され、キャリアオーバーフローの発生が抑制される。さらに、動作キャリア濃度の均一性が向上し、活性層14において最も大きな増幅利得が得られる波長が均一となるため、スロープ効率と、温度特性が向上し、さらなる高温高出力動作が可能となる。
Also, when SHB occurs in the direction of the resonator, the wavelength at which the largest amplification gain is obtained in the
また、後端面側のリッジ幅Wrが狭くなると、より高次の水平横モードは導波することができず、カットオフされるため発振可能な水平横モードの数が少なくなってしまう。高次横モードがカットオフされていない場合、同時に発振可能な高次横モードの次数が小さくなると、レーザ発振中に横モード同士が結合した場合に共振器方向の光分布形状の変形が大きく、電流−光出力特性には大きな非線形性が生じてしまい、温度特性が低下する。これを防止するためには、Wrは最低3次モード以上の高次横モードが導波する幅である必要がある。高次横モードがカットオフされない広いストライプ幅の場合、電流―光出力特性において、キンクによる大きな非線形性を生じさせないためには、3次モード以上が導波可能であることが効果的である。例えば、3次横モードまで導波可能な導波路の場合、導波可能な最高次数である3次モードの実効屈折率はリッジ外の領域の実効屈折率とほぼ同一となるため、水平方向に対し、光分布はリッジ外に大きく裾野がある広がりの大きい形状となる。この場合、3次横モードはリッジ外への光分布のしみ出しが大きいので、レーザ発振させるためには、大きな電流注入量が必要である。このため、3次モードの発振しきい電流値は基本(0次)横モード、1次横モード及び2次横モードと比較して相対的に高くなり、3次モードが導波可能であっても実質レーザ発振するのは基本横モードから2次横モードまでの3種のモードとなる。最低3種の次数の横モードが同時にレーザ発振すれば、横モード間の干渉による相互作用を相対的に小さくでき、横モード同士が干渉し結合しても、光分布形状の変化を小さくできる。そのため、電流−光出力特性にキンクが生じて、非線形を低減できるため、光出力を安定化することができる。 Further, when the ridge width Wr on the rear end face side is reduced, higher-order horizontal and transverse modes cannot be guided, but are cut off, so that the number of oscillatable horizontal and transverse modes decreases. If the higher-order transverse mode is not cut off, if the order of the higher-order transverse modes that can oscillate at the same time becomes smaller, the deformation of the light distribution shape in the resonator direction becomes larger when the transverse modes are coupled during laser oscillation, A large nonlinearity occurs in the current-light output characteristics, and the temperature characteristics deteriorate. In order to prevent this, Wr needs to have a width at which a higher-order transverse mode of at least the third-order mode is guided. In the case of a wide stripe width in which the high-order transverse mode is not cut off, it is effective that the third-order mode or higher can be guided in order to prevent a large nonlinearity due to kink in the current-light output characteristics. For example, in the case of a waveguide that can guide up to the third transverse mode, the effective refractive index of the third order mode, which is the highest order that can be guided, is almost the same as the effective refractive index of the region outside the ridge, so On the other hand, the light distribution has a large spread with a large tail outside the ridge. In this case, since the tertiary transverse mode greatly exudes the light distribution outside the ridge, a large amount of current injection is required to cause laser oscillation. Therefore, the oscillation threshold current value of the third-order mode is relatively higher than the fundamental (0-order) transverse mode, the first-order transverse mode, and the second-order transverse mode, and the third-order mode can be guided. The three types of modes from the fundamental transverse mode to the secondary transverse mode cause substantial laser oscillation. If at least three types of transverse modes are simultaneously laser-oscillated, the interaction due to the interference between the transverse modes can be relatively reduced, and even if the transverse modes interfere with each other and couple, the change in the light distribution shape can be reduced. Therefore, a kink occurs in the current-light output characteristic, and the nonlinearity can be reduced, so that the light output can be stabilized.
このようなテーパ形状を有する導波路を、本実施の形態にかかる半導体発光素子に対して形成すれば、リッジ23の高さを低くできるため半導体発光素子の電気抵抗がいっそう低くなり、高温高出力動作に有利である。また、リッジ23の高さを低くしても導電性酸化物層18を用いることは、図6Bに示すようにΔNを増大する効果がある。そのため、Wrを狭くしても3次以上の高次横モードがカットオフされないので、電流−光出力における非線形性の大きなキンクの発生を防止することができる。本実施の形態の場合、Wrは最低4μmあれば良い。このΔNを増大させる効果は、導電性酸化物層18への光分布のしみ出しが大きいほど効果があるため、第2クラッド層厚(M2)が小さくなるほど有利である。M2が0.3μm以上、0.5μm以下の範囲で導波路形状をテーパ形状とすれば、よりいっそう素子の直列抵抗が低減し、スロープ効率と、温度特性が向上し、電流−光出力特性において非線形性の大きなキンクの発生を抑制しつつ、さらなる高温高出力動作が可能となる。
If a waveguide having such a tapered shape is formed for the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, the height of the
(2)本実施の形態の半導体発光素子の一例およびその特性
本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光素子において、X1は0.05、X2は0.09、第2クラッド層厚0.4μm、共振器長を600μmとしている。この半導体発光素子にかかる各層のパラメータについて表2と同様である。なお、リッジ23の幅は、後端面側において6μmで前端面側へ向けて広くなっている。リッジ23側面のテーパ角θは、θ=0.1°である。
(2) One Example of Semiconductor Light-Emitting Element of this Embodiment and Its Characteristics In the semiconductor light-emitting element according to the second embodiment of the present invention, X1 is 0.05, X2 is 0.09, and the second cladding layer thickness is 0. .4 μm, and the resonator length is 600 μm. Table 2 shows the parameters of each layer according to the semiconductor light emitting device. In addition, the width of the
この半導体発光素子の導波路損失は7.9cm−1、光閉じ込め係数は1.45%、ΔNは3.7×10−3である。 The semiconductor light emitting device has a waveguide loss of 7.9 cm −1 , an optical confinement coefficient of 1.45%, and ΔN of 3.7 × 10 −3 .
本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光素子の電流−光出力特性を図8Aに示す。また、本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光素子の構造から、厚さ0.17μmの導電性酸化物層18をなくした構造を有する半導体発光素子の電流−光出力特性を比較例として図8Bに示す。この比較例にかかる半導体発光素子の導波路損失は13.5cm−1、光閉じ込め係数は1.4%、ΔNは3.3×10−3である。なお、半導体発光素子の素子温度について、25℃の場合と50℃の場合とについて検討した。
FIG. 8A shows a current-light output characteristic of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. In addition, the current-light output characteristics of a semiconductor light emitting device having a structure in which the
図8Aと図8Bとを比較すると、導電性酸化物層18を用いることによりスロープ効率が1.4倍に改善することがわかる。これは、導電性酸化物層18を用いることにより、第2クラッド層16の膜厚を0.4μmに薄くしても、金属電極での吸収損失が低減したため高いスロープ効率が向上すると考えられる。また、導電性酸化物層18を用いることによりΔNも増大し、横モードの閉じ込め率を高める機能があることがわかる。
8A and FIG. 8B, it is found that the use of the
すなわち、導電性酸化物層18を用いた本実施の形態の半導体発光素子は、導電性酸化物層18を用いない半導体発光素子と比べスロープ効率が向上し、かつ横モードの閉じ込め率を向上させることができるのである。
That is, the semiconductor light emitting device of the present embodiment using the
(3)テーパストライプ構造の変形例
なお、上記第2の実施形態について、基板11の上方からみたテーパストライプ構造の形状は図7に示す形状に限らない。例えば図9Aに示すように前端面の近傍および後端面の近傍がテーパ角0°のストライプ形状で、前端面と後端面との間においてストライプ形状のテーパ角が0°でない半導体発光素子でも上記と同様の効果が得られる。
(3) Modified Example of Tapered Stripe Structure In the second embodiment, the shape of the tapered stripe structure viewed from above the substrate 11 is not limited to the shape shown in FIG. For example, as shown in FIG. 9A, a semiconductor light emitting element in which the vicinity of the front end face and the vicinity of the rear end face have a stripe shape with a taper angle of 0 °, and the taper angle of the stripe shape between the front end face and the rear end face is not 0 ° is the same as above. Similar effects can be obtained.
また、リッジ幅の共振器方向に対する変化率が一定でなくてもよい。例えば、図9Bや図9Cに示すように、曲線状のテーパストライプであってもよい。 Further, the rate of change of the ridge width in the resonator direction may not be constant. For example, as shown in FIGS. 9B and 9C, a curved tapered stripe may be used.
また、図7や図9A〜図9Cを含むリッジ23のストライプ構造において、リッジ23の共振器法線方向となす角の最大値が0.05°以上、0.15°以下であればなおよい。
In the stripe structure of the
(他の実施の形態)
なお、上記第1の実施の形態および第2の実施の形態に示す半導体発光素子に用いる導電性酸化物層18について、酸化インジウムスズ(ITO)を用いているが、それだけに限らない。例えば、波長530nm帯におけるAl組成0.1のAlGaNの屈折率2.36よりも屈折率の小さい導電性酸化物であれば、リッジ高さ(H)を低くすることによる導波路損失の低減効果を得ることが可能である。具体的にはインジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)の内の、少なくとも1種を含む酸化物からなる導電性酸化物であればよい。また例えば、In2O3、SnO2、ZnO、Zn2SnO4、In2O3−ZnO、MgInO4、Ga2O3のような導電性酸化物であってもよい。
(Other embodiments)
Although the
また、導電性酸化物の代わりに、TiN、ZrNといった導電性窒化物を用いることができる。これらは、屈折率の低い導電性酸化物層18において、垂直方向の光分布が急激に減衰するため、p型電極22における吸収損失の影響を低減できる。
Further, instead of the conductive oxide, a conductive nitride such as TiN or ZrN can be used. In the
上記実施の形態および変形例に用いることのできる導電性酸化物および導電性窒化物ならびに導電性材料の例を表3に列挙する。 Table 3 shows examples of conductive oxides, conductive nitrides, and conductive materials that can be used in the above embodiments and modifications.
なお、電流ブロック層20として上記実施の形態では第2クラッド層16より屈折率の小さいSiO2を用いたが、SiO2に限らず第2クラッド層16より屈折率の小さい他の絶縁体よりなる層、例えばAl2O3やSiNを用いることができる。
Although the
また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、第1クラッド層12のAl組成をX1としているが、第1クラッド層をAlGaNとGaNからなる超格子層とすることも可能である。この場合において、X1は超格子層における平均のAl組成とすればよい。すなわち、超格子層を厚さ3nmであってAl組成0.2のAlGaN層と、厚さ3nmのGaNからなる超格子層で形成する場合、X1は0.1となる。また、超格子層を厚さ4nmであってAl組成0.2のAlGaN層と、厚さ6nmのGaNからなる超格子層で形成する場合、X1は0.08となる。
In the semiconductor light emitting device according to the above embodiment, the Al composition of the
また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、第2クラッド層16のAl組成をX2としているが、第2クラッド層をAlGaNとGaNからなる超格子層とすることも可能である。この場合は、X2は超格子層における平均のAl組成とすればよい。すなわち、超格子層を厚さ3nmであってAl組成0.1のAlGaN層と、厚さ3nmのGaNからなる超格子層で形成する場合、X2は0.05となる。
Further, in the semiconductor light emitting device according to the above embodiment, the Al composition of the
また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、発光波長は530nmであるが、活性層14の組成や層構造を変更することにより発光波長を変えることができる。本発明は、発光波長が約370nmの近紫外領域から波長が約600nmの赤色領域までの半導体発光素子に対し適用することができる。
Further, in the semiconductor light emitting device according to the above embodiment, the emission wavelength is 530 nm, but the emission wavelength can be changed by changing the composition or the layer structure of the
本発明の半導体発光素子は、素子の直列抵抗の低減、安定した高次横モード発振による線形性に優れた電流−光出力特性、導波路損失の低減、垂直方向の光閉じ込めを両立することができるという効果を有し、車載ヘッドランプやプロジェクタ光源用等において有用である。 The semiconductor light emitting device of the present invention can reduce the series resistance of the device, achieve excellent current-light output characteristics with excellent linearity due to stable higher-order transverse mode oscillation, reduce waveguide loss, and achieve vertical optical confinement. It has the effect of being able to be used, and is useful for vehicle headlamps, projector light sources, and the like.
11 基板
12 第1クラッド層
13 光ガイド層
14 活性層
15 電子障壁層
16 第2クラッド層
17 p型コンタクト層
18 導電性酸化物層
20 電流ブロック層
21 n型電極
22 p型電極
23 リッジ
Reference Signs List 11
Claims (4)
前記基板の上に形成された、AlGaNを含む一導電形の第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層の上に形成されたGaNを含む活性層と、
前記活性層の上に形成された、AlGaNを有する逆導電形の第2のクラッド層と、
前記第2のクラッド層上に形成された導電性化合物層と、を備え、
前記第2のクラッド層はリッジ構造を有し、
前記リッジの幅が5μm以上であり、
前記第2のクラッド層のAl組成は、前記第1のクラッド層のAl組成よりも小さく、
前記導電性化合物層は、インジウムとスズとを含む酸化物を含む厚さが0.15μm以上かつ0.3μm以下の層であり、
前記第2のクラッド層の前記リッジ内部で膜厚が0.3μm以上かつ0.4μm以下である
ことを特徴とする半導体発光素子。 Board and
A first cladding layer of one conductivity type containing AlGaN formed on the substrate;
An active layer containing GaN formed on the first cladding layer;
A second cladding layer of opposite conductivity type having AlGaN formed on the active layer;
A conductive compound layer formed on the second clad layer,
The second cladding layer has a ridge structure,
The width of the ridge is 5 μm or more;
The Al composition of the second cladding layer is smaller than the Al composition of the first cladding layer,
The conductive compound layer is a layer containing an oxide containing indium and tin and having a thickness of 0.15 μm or more and 0.3 μm or less,
A semiconductor light emitting device, wherein a film thickness inside the ridge of the second cladding layer is 0.3 μm or more and 0.4 μm or less.
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