JP3315378B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

Semiconductor laser device

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JP3315378B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理分野等
への応用が期待されている短波長レーザ光を出力するII
I-V族窒化物半導体レーザ素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for outputting a short-wavelength laser beam which is expected to be applied to the field of optical information processing.
The present invention relates to an IV nitride semiconductor laser device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、デジタルビデオディスク装置等の
大容量光ディスク装置が実用化され、さらにディスク容
量の大容量化が図られている。光ディスク装置の大容量
化には良く知られているように、情報の記録用又は再生
用の光源となるレーザ光の短波長化を図ることが最も有
効な手段の一つである。現状のデジタルビデオディスク
装置に組み込まれている半導体レーザ素子は、III-V族
半導体材料のうち主としてAlGaInPからなる半導
体材料が用いられており、その発振波長は650nmで
ある。従って、現在開発中の高密度デジタルビデオディ
スク装置に対応するには、III-V族窒化物半導体材料を
用いたより短波長のレーザ素子が不可欠となる。
2. Description of the Related Art In recent years, large-capacity optical disk devices such as digital video disk devices have been put to practical use, and disk capacities have been increased. As is well known for increasing the capacity of an optical disk device, it is one of the most effective means to shorten the wavelength of a laser beam serving as a light source for recording or reproducing information. The semiconductor laser device incorporated in the current digital video disk device mainly uses a semiconductor material made of AlGaInP among III-V group semiconductor materials, and its oscillation wavelength is 650 nm. Therefore, in order to cope with a high-density digital video disk device currently under development, a shorter wavelength laser device using a III-V nitride semiconductor material is indispensable.

【0003】以下、従来のIII-V族窒化物半導体レーザ
素子について図面を参照しながら説明する。
Hereinafter, a conventional III-V nitride semiconductor laser device will be described with reference to the drawings.

【0004】図10は従来のIII-V族窒化物半導体レー
ザ素子の断面構成を示している。
FIG. 10 shows a sectional structure of a conventional III-V nitride semiconductor laser device.

【0005】図10に示すように、サファイアからなる
基板101上には、基板101と該基板101上に成長
する窒化物半導体結晶との格子定数の不整合を緩和する
GaNからなるバッファ層102と、低抵抗のn型Ga
Nからなるn型コンタクト層103とが順次形成されて
いる。n型コンタクト層103上の素子形成領域には、
後述する活性層に電子及び生成光を閉じ込めるn型Al
GaNからなるn型クラッド層104と、活性層に生成
光を閉じ込め易くするn型GaNからなるn型光ガイド
層105と、Ga1-x Inx Nからなる井戸層とGa
1-y Iny Nからなる障壁層(但し、x及びyは0<y
<x<1である。)とが交互に積層され、閉じ込められ
た電子及び正孔を再結合させて生成光を生成する多重量
子井戸活性層106と、該活性層106に生成光を閉じ
込め易くするp型GaNからなるp型光ガイド層107
と、上面に幅が3μm〜10μm程度の畝状のリッジス
トライプ部108aを有し、活性層106に正孔及び生
成光を閉じ込めるp型AlGaNからなるp型クラッド
層108とが順次形成されている。
[0005] As shown in FIG. 10, a GaN buffer layer 102 for alleviating the lattice constant mismatch between the substrate 101 and a nitride semiconductor crystal grown on the substrate 101 is formed on a sapphire substrate 101. , Low-resistance n-type Ga
An n-type contact layer 103 made of N is sequentially formed. In the element formation region on the n-type contact layer 103,
N-type Al for confining electrons and generated light in the active layer described later
An n-type cladding layer 104 made of GaN, an n-type light guide layer 105 made of n-type GaN for facilitating confinement of generated light in the active layer, a well layer made of Ga 1-x In x N, and Ga
1-y In y N barrier layer (where x and y are 0 <y
<X <1. ) Are alternately stacked, and a multiple quantum well active layer 106 for generating generated light by recombining the confined electrons and holes, and a p-type GaN made of p-type GaN for easily confining the generated light in the active layer 106. Mold light guide layer 107
And a p-type cladding layer 108 made of p-type AlGaN having a ridge-shaped ridge stripe portion 108 a having a width of about 3 μm to 10 μm on the upper surface and confining holes and generated light in the active layer 106. .

【0006】p型クラッド層108上には、低抵抗のp
型GaNからなるp型コンタクト層109が形成され、
p型クラッド層108上におけるリッジストライプ部1
08aの両側部分及び素子形成領域の側面は絶縁膜11
0により覆われている。
On the p-type cladding layer 108, a low-resistance p-type
P-type contact layer 109 made of n-type GaN is formed,
Ridge stripe part 1 on p-type cladding layer 108
08a and the side surfaces of the element forming region
Covered by 0.

【0007】絶縁膜110上にはp型コンタクト層10
9と接するように、例えば、NiとAuとが積層されて
なるストライプ状のp側電極111が形成され、n型コ
ンタクト層103上における素子形成領域の側方には、
TiとAlとが積層されてなるn側電極112が形成さ
れている。
The p-type contact layer 10 is formed on the insulating film 110.
For example, a stripe-shaped p-side electrode 111 formed by stacking Ni and Au is formed so as to be in contact with No. 9.
An n-side electrode 112 formed by laminating Ti and Al is formed.

【0008】以上のように形成された半導体レーザ素子
に対して、n側電極112を接地し、p側電極111に
所定電圧を印加すると、発振波長が370nm〜430
nmのレーザ発振を起こす。この発振波長は、多重量子
井戸活性層106を構成するGa1-x Inx N及びGa
1-y Iny Nの組成や膜厚によって変化する。現在、室
温以上の温度環境下において連続発振が達成されてお
り、実用化の時期も近い。
When the n-side electrode 112 is grounded and a predetermined voltage is applied to the p-side electrode 111 with respect to the semiconductor laser device formed as described above, the oscillation wavelength becomes 370 nm to 430 nm.
nm laser oscillation. This oscillation wavelength depends on Ga 1-x In x N and Ga constituting the multiple quantum well active layer 106.
It varies depending on the composition and film thickness of 1-y In y N. At present, continuous oscillation has been achieved in a temperature environment equal to or higher than room temperature, and the time for practical use is near.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の窒化物半導体レーザ素子は、その発振波長を370
nm程度よりも小さくできず、これ以上の短波長化は原
理的に困難である。
However, the conventional nitride semiconductor laser device has an oscillation wavelength of 370 nm.
It cannot be smaller than about nm, and further shortening of the wavelength is difficult in principle.

【0010】半導体レーザの短波長化のためには禁制帯
の幅(エネルギーギャップ)が大きい、いわゆるワイド
ギャップ半導体を活性層として用いれば良い。前述の多
重量子井戸活性層106を例に採ると、井戸層として、
Ga1-x Inx NのInの組成比xが0、すなわちGa
Nを用いるか、さらにはエネルギーギャップがより大き
くなるAlを含むAlGaNを用いれば実現できる。
In order to shorten the wavelength of a semiconductor laser, a so-called wide-gap semiconductor having a large forbidden band (energy gap) may be used as an active layer. Taking the above-mentioned multiple quantum well active layer 106 as an example, as a well layer,
The composition ratio x of In in Ga 1-x In x N is 0, that is, Ga 1-x In x N
This can be realized by using N, or by using AlGaN containing Al, which has a larger energy gap.

【0011】ところで、活性層にキャリア及び生成光を
閉じ込めるダブルへテロ構造のレーザ素子においては、
クラッド層として、活性層よりもさらにエネルギーギャ
ップが大きい半導体材料を用いる必要がある。
By the way, in a laser device having a double hetero structure in which carriers and generated light are confined in an active layer,
It is necessary to use a semiconductor material having a larger energy gap than the active layer as the cladding layer.

【0012】一般に、室温以上で動作可能な実用レベル
の動作特性を持つ半導体レーザ素子を得るには、活性層
と比べて少なくとも0.4eV程度大きいエネルギーギ
ャップを持つクラッド層が必要である。AlGaN半導
体はエネルギーギャップを3.4eV〜6.2eVの範
囲で大きく変更できるため、エネルギーギャップが大き
いクラッド層を形成することは可能である。しかしなが
ら、AlGaNからなる半導体をエネルギーギャップが
大きい組成とすると、特に、p型の半導体を得るp型不
純物ドーピングが、正孔の熱的な活性化率が低下するた
め困難となる。このため、現状ではAlの組成が最大で
0.2(混晶としてAl0.2 Ga0.8 N)まで、エネル
ギーギャップが最大で4.0eV程度までのp型半導体
しか得られていない。
In general, a cladding layer having an energy gap at least about 0.4 eV larger than that of an active layer is required to obtain a semiconductor laser device having a practical level of operating characteristics capable of operating at room temperature or higher. Since the energy gap of the AlGaN semiconductor can be largely changed in the range of 3.4 eV to 6.2 eV, it is possible to form a clad layer having a large energy gap. However, if a semiconductor made of AlGaN has a composition having a large energy gap, it is particularly difficult to dope p-type impurities to obtain a p-type semiconductor because the thermal activation rate of holes is reduced. Therefore, at present, only a p-type semiconductor having an Al composition of at most 0.2 (Al 0.2 Ga 0.8 N as a mixed crystal) and an energy gap of at most 4.0 eV has been obtained.

【0013】このように、従来のIII-V族窒化物半導体
レーザ素子は、p型半導体層のエネルギーギャップの大
きさが最大で4.0eV程度までしか得られないという
第1の問題がある。
As described above, the conventional III-V nitride semiconductor laser device has a first problem that the energy gap of the p-type semiconductor layer can be obtained only up to about 4.0 eV.

【0014】さらに、Alの組成が大きい結晶とAlの
組成が小さい結晶とを積層すると、積層した結晶同士に
互いの格子定数の差異に起因する応力が働く。このた
め、Alの組成が大きい半導体結晶をクラッド層として
必要な1μm以上の膜厚にまで成長させると該半導体結
晶にクラックが生じてしまい、レーザ特性が悪化すると
共にレーザ素子の信頼性が低下するという第2の問題が
ある。
Further, when a crystal having a large Al composition and a crystal having a small Al composition are stacked, a stress is exerted on the stacked crystals due to a difference in their lattice constants. For this reason, when a semiconductor crystal having a large Al composition is grown to a thickness of 1 μm or more required as a cladding layer, cracks occur in the semiconductor crystal, which deteriorates laser characteristics and lowers the reliability of the laser element. There is a second problem.

【0015】本発明は、前記従来の問題を解決し、紫外
領域においても発振可能な半導体レーザ素子を実現でき
るようにすることを第1の目的とし、半導体レーザ素子
の信頼性の向上を図ることを第2の目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is a first object of the present invention to solve the above-mentioned conventional problems and to realize a semiconductor laser device capable of oscillating even in the ultraviolet region, and to improve the reliability of the semiconductor laser device. As a second object.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、p型の
III-V族窒化物半導体、特にp型AlGaNからなる半
導体のエネルギーギャップが4.0eV程度しか得られ
ない理由を種々検討した結果、以下のような結論を得て
いる。
Means for Solving the Problems The present inventors have proposed a p-type.
As a result of various studies on the reason why the energy gap of a III-V nitride semiconductor, particularly a semiconductor made of p-type AlGaN, is only about 4.0 eV, the following conclusions are obtained.

【0017】図11はp型窒化ガリウム(GaN)とp
型窒化アルミニウム(AlN)との各エネルギー準位で
あって、縦軸が電子のエネルギーを示している。図11
に示すように、GaN及びAlNの価電子帯Evの上側
には、p型ドーパントであるマグネシウム(Mg)によ
るアクセプタ準位Eaが形成されている。このMgは、
窒化物半導体に対して最も浅い、すなわちエネルギーギ
ャップが最も小さく活性化し易いアクセプタと一般に認
められており、p型ドーパントとして広く用いられてい
る。
FIG. 11 shows p-type gallium nitride (GaN) and p-type gallium nitride.
Energy level with the aluminum nitride (AlN), and the vertical axis indicates the energy of electrons. FIG.
As shown in FIG. 5, an acceptor level Ea is formed above the valence band Ev of GaN and AlN by magnesium (Mg) which is a p-type dopant. This Mg is
It is generally recognized as the shallowest nitride semiconductor, that is, the acceptor having the smallest energy gap and being easily activated, and is widely used as a p-type dopant.

【0018】但し、Mgであっても、GaNの価電子帯
Evの上端部からのアクセプタ準位は0.15eVと比
較的大きいため、室温における熱的な活性化率は1%程
度に過ぎない。従って、p型クラッド層に必要なキャリ
ア濃度である1×1017〜1×1018cm-3を得るため
にはMgのドーピング濃度を1×1019〜1×1020
-3程度とする必要がある。Mgのドーピング濃度が1
×1020cm-3となる値は良質な半導体結晶を得られる
限界値に近く、これ以上にMgをドープすると結晶性が
著しく低下する。従って、不純物濃度が1×1020cm
-3となる値をドーピング濃度の限界とすると、1×10
17cm-3以上のキャリア濃度を得るためにはアクセプタ
の熱的な活性化率を0.1%以上とする必要がある。
However, even with Mg, since the acceptor level from the upper end of the valence band Ev of GaN is relatively large at 0.15 eV, the thermal activation rate at room temperature is only about 1%. . Therefore, in order to obtain a carrier concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 required for the p-type cladding layer, the doping concentration of Mg should be 1 × 10 19 to 1 × 10 20 c.
It needs to be about m -3 . Mg doping concentration of 1
The value of × 10 20 cm -3 is close to the limit value at which a good-quality semiconductor crystal can be obtained. If Mg is further doped, the crystallinity is significantly reduced. Therefore, the impurity concentration is 1 × 10 20 cm
Assuming that the value of -3 is the limit of the doping concentration, 1 × 10
In order to obtain a carrier concentration of 17 cm -3 or more, the thermal activation rate of the acceptor needs to be 0.1% or more.

【0019】一方、図11に示すように、AlNにおい
ては、Mgのアクセプタ準位Eaがさらに深くなり、ほ
とんど0.6eVにも達する。例えば、Aly Ga1-y
Nの場合には、Alの組成yを変化させるとほぼ線形に
0.15eVから0.6eVにまで変化する。アクセプ
タの熱的な活性化率が0.1%以上となるようにするに
は、アクセプタ準位Eaと価電子帯の上端部のエネルギ
ーEvとの差を比較的小さくする必要があるため、Al
の組成yを大きくできない。
On the other hand, as shown in FIG. 11, in AlN, the acceptor level Ea of Mg further deepens and reaches almost 0.6 eV. For example, Al y Ga 1-y
In the case of N, it changes from 0.15 eV to 0.6 eV almost linearly when the composition y of Al is changed. In order for the thermal activation rate of the acceptor to be 0.1% or more, the difference between the acceptor level Ea and the energy Ev at the upper end of the valence band must be relatively small.
Cannot be made large.

【0020】以上のことから、従来の窒化物半導体レー
ザ素子の発振波長を紫外領域にまで短波長化することは
極めて困難であり、発振波長は360nm程度が限界と
考えられる。
From the above, it is extremely difficult to shorten the oscillation wavelength of the conventional nitride semiconductor laser device to the ultraviolet region, and it is considered that the oscillation wavelength is limited to about 360 nm.

【0021】従って、本発明は、前記第1の目的を達成
するため、窒化物半導体レーザ素子のp型半導体層の組
成にリン又はヒ素を加えることにより、該p型半導体層
のエネルギーギャップを大きく維持したまま、アクセプ
タ準位と価電子帯の上端部のエネルギーとの差を小さく
する、いわゆる、アクセプタ準位を浅くする構成とす
る。また、本発明は、前記第2の目的を達成するため、
ガリウムを含む窒化物半導体レーザ素子における活性層
を挟む半導体層の格子定数を窒化ガリウムの格子定数と
ほぼ一致させる構成とする。
Therefore, in order to achieve the first object, the present invention increases the energy gap of the p-type semiconductor layer by adding phosphorus or arsenic to the composition of the p-type semiconductor layer of the nitride semiconductor laser device. While keeping the difference, the difference between the acceptor level and the energy at the upper end of the valence band is made small, that is, the so-called acceptor level is made shallow. Further, the present invention provides a method for achieving the second object,
In the nitride semiconductor laser device containing gallium, the lattice constant of the semiconductor layer sandwiching the active layer is made substantially equal to the lattice constant of gallium nitride.

【0022】本発明に係る第1の半導体レーザ素子は、
前記第1の目的を達成し、基板上に形成された第1導電
型の第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、第1
半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が第1の窒化物半
導体よりも小さい第2の窒化物半導体からなる第2半導
体層と、第2半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が第
2の窒化物半導体よりも大きい第2導電型の第3の窒化
物半導体からなる第3半導体層とを備え、第1の窒化物
半導体又は第3の窒化物半導体はリンを含む。
A first semiconductor laser device according to the present invention comprises:
A first semiconductor layer made of a first conductivity type first nitride semiconductor formed on a substrate to achieve the first object,
A second semiconductor layer formed on the semiconductor layer and including a second nitride semiconductor having a forbidden band width smaller than the first nitride semiconductor; and a forbidden band width formed on the second semiconductor layer. And a third semiconductor layer made of a third nitride semiconductor of a second conductivity type that is larger than the second nitride semiconductor. The first nitride semiconductor or the third nitride semiconductor contains phosphorus.

【0023】第1の半導体レーザ素子によると、第2半
導体層は、禁制帯の幅が該第2の半導体層よりも大きい
第1導電型の第1半導体層及び第2導電型の第3半導体
層により上下方向から挟まれるように形成されているた
め、第2の半導体層は第1半導体層及び第2半導体層か
らそれぞれ供給されるキャリア同士の再結合光を生成す
る活性層に相当し、第1半導体層及び第3半導体層は活
性層にキャリア及び再結合光を閉じ込めるクラッド層又
は光ガイド層に相当する。従って、第1半導体層又は第
3半導体層がリン(P)を含むため、禁制帯の幅を大き
く維持したまま価電子帯の上端部及び伝導帯の下端部を
高エネルギー側(上方)にシフトさせることができる。
According to the first semiconductor laser device, the second semiconductor layer has a first conductivity type first semiconductor layer and a second conductivity type third semiconductor layer whose forbidden band has a larger width than the second semiconductor layer. Since the second semiconductor layer is formed so as to be sandwiched from above and below by the layers, the second semiconductor layer corresponds to an active layer that generates recombination light of carriers supplied from the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, respectively. The first semiconductor layer and the third semiconductor layer correspond to a cladding layer or an optical guide layer for confining carriers and recombination light in the active layer. Therefore, since the first semiconductor layer or the third semiconductor layer contains phosphorus (P), the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band are shifted to the higher energy side (upward) while maintaining the width of the forbidden band large. Can be done.

【0024】第1の半導体レーザ素子において、第1導
電型がn型であり、第2導電型がp型であり、第1の窒
化物半導体の組成がAlGaN1-x x であり、第3の
窒化物半導体の組成がAlGaN1-y y (但し、x及
びyは0≦x≦yである。)であることが好ましい。こ
のようにすると、p型の第3半導体層のリンの組成がn
型の第1半導体層のリンの組成と比べて大きいため、価
電子帯の上端部の上方へのシフトがより大きくなる。こ
のため、アクセプタ準位と価電子帯の上端部とのエネル
ギーギャップをより小さくできる。
In the first semiconductor laser device, the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, the composition of the first nitride semiconductor is AlGaN 1-x P x , Preferably, the composition of the nitride semiconductor of No. 3 is AlGaN 1-y P y (where x and y are 0 ≦ x ≦ y). By doing so, the composition of phosphorus in the p-type third semiconductor layer becomes n
Since the composition is larger than the phosphorus composition of the first semiconductor layer of the mold, the upward shift of the upper end of the valence band is larger. Therefore, the energy gap between the acceptor level and the upper end of the valence band can be further reduced.

【0025】この場合に、n型の第1の窒化物半導体の
組成がAlGaNであることが好ましい。このようにす
ると、ドナー準位と伝導帯の下端部とのエネルギーギャ
ップが大きくなることを防止できるため、紫外領域の発
振波長を確実に出力できるようになる。
In this case, the composition of the n-type first nitride semiconductor is preferably AlGaN. In this case, the energy gap between the donor level and the lower end of the conduction band can be prevented from increasing, so that the oscillation wavelength in the ultraviolet region can be output reliably.

【0026】本発明に係る第2の半導体レーザ素子は、
前記第1の目的を達成し、基板上に形成された第1導電
型の第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、第1
半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が第1の窒化物半
導体よりも小さい第2の窒化物半導体からなる第2半導
体層と、第2半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が第
2の窒化物半導体よりも大きい第2導電型の第3の窒化
物半導体からなる第3半導体層とを備え、第1の窒化物
半導体又は第3の窒化物半導体はヒ素を含む。
A second semiconductor laser device according to the present invention comprises:
A first semiconductor layer made of a first conductivity type first nitride semiconductor formed on a substrate to achieve the first object,
A second semiconductor layer formed on the semiconductor layer and including a second nitride semiconductor having a forbidden band width smaller than the first nitride semiconductor; and a forbidden band width formed on the second semiconductor layer. And a third semiconductor layer made of a third nitride semiconductor of the second conductivity type that is larger than the second nitride semiconductor. The first nitride semiconductor or the third nitride semiconductor contains arsenic.

【0027】第2の半導体レーザ素子によると、第1の
半導体レーザ素子と同様に、第1半導体層又は第3半導
体層がヒ素(As)を含むため、禁制帯の幅を大きく維
持したまま価電子帯の上端部及び伝導帯の下端部を高エ
ネルギー側にシフトさせることができる。
According to the second semiconductor laser device, as in the first semiconductor laser device, the first semiconductor layer or the third semiconductor layer contains arsenic (As). The upper end of the electronic band and the lower end of the conduction band can be shifted to the higher energy side.

【0028】第2の半導体レーザ素子において、第1導
電型がn型であり、第2導電型がp型であり、第1の窒
化物半導体の組成がAlGaN1-x Asx であり、第3
の窒化物半導体の組成がAlGaN1-y Asy (但し、
x及びyは0≦x≦yである。)であることが好まし
い。このようにすると、p型の第3半導体層のヒ素の組
成がn型の第1半導体層のヒ素の組成と比べて大きいた
め、価電子帯の上端部の上方へのシフトがより大きくな
る。このため、アクセプタ準位と価電子帯の上端部との
エネルギーギャップをより小さくできる。
[0028] In the second semiconductor laser device, the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, the composition of the first nitride semiconductor is AlGaN 1-x As x, the 3
The composition of the nitride semiconductor AlGaN 1-y As y (where the,
x and y are 0 ≦ x ≦ y. ) Is preferable. With this configuration, the arsenic composition of the p-type third semiconductor layer is larger than the arsenic composition of the n-type first semiconductor layer, so that the upward shift of the upper end of the valence band becomes larger. Therefore, the energy gap between the acceptor level and the upper end of the valence band can be further reduced.

【0029】この場合に、n型の第1の窒化物半導体の
組成がAlGaNであることが好ましい。このようにす
ると、ドナー準位と伝導帯の下端部とのエネルギーギャ
ップが大きくなることを防止できるため、紫外領域の発
振波長を確実に出力できるようになる。
In this case, the composition of the n-type first nitride semiconductor is preferably AlGaN. In this case, the energy gap between the donor level and the lower end of the conduction band can be prevented from increasing, so that the oscillation wavelength in the ultraviolet region can be output reliably.

【0030】本発明に係る第3の半導体レーザ素子は、
前記第2の目的を達成し、基板上に形成された第1導電
型の第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、第1
半導体層の上に形成され、ガリウムを含み且つ禁制帯の
幅が第1の窒化物半導体よりも小さい第2の窒化物半導
体からなる第2半導体層と、第2半導体層の上に形成さ
れ、禁制帯の幅が第2の窒化物半導体よりも大きい第2
導電型の第3の窒化物半導体からなる第3半導体層とを
備え、第1の窒化物半導体及び第3の窒化物半導体は、
その格子定数が窒化ガリウムの格子定数とほぼ一致する
ような組成を有している。
A third semiconductor laser device according to the present invention is:
A first semiconductor layer formed of a first conductivity type first nitride semiconductor and formed on a substrate to achieve the second object;
A second semiconductor layer formed on the semiconductor layer and including a second nitride semiconductor including gallium and having a forbidden band width smaller than the first nitride semiconductor; and a second semiconductor layer formed on the second semiconductor layer; The second bandgap having a larger forbidden band width than the second nitride semiconductor
A third semiconductor layer made of a conductive third nitride semiconductor, wherein the first nitride semiconductor and the third nitride semiconductor are:
It has a composition such that its lattice constant substantially matches the lattice constant of gallium nitride.

【0031】第3の半導体レーザ素子によると、ガリウ
ムを含み且つ禁制帯の幅が第1の窒化物半導体よりも小
さい第2の窒化物半導体からなる第2半導体層が実質的
に活性層となる。従って、クラッド層又はガイド層に相
当する第1半導体層及び第3半導体層は、その格子定数
が窒化ガリウムの格子定数とほぼ一致するような組成を
有しているため、結晶成長時に格子定数の差異に起因す
る応力が生じない。
According to the third semiconductor laser device, the second semiconductor layer made of the second nitride semiconductor containing gallium and having a narrower forbidden band than the first nitride semiconductor becomes substantially an active layer. . Therefore, the first semiconductor layer and the third semiconductor layer corresponding to the cladding layer or the guide layer have compositions such that their lattice constants substantially match the lattice constant of gallium nitride. No stress due to the difference occurs.

【0032】第1〜3の半導体レーザ素子において、第
1の窒化物半導体又は第3の窒化物半導体の禁制帯の幅
は4eV以上であることが好ましい。
In the first to third semiconductor laser devices, the width of the forbidden band of the first nitride semiconductor or the third nitride semiconductor is preferably 4 eV or more.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】(第1の実施形態)本発明の第1
の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First Embodiment) A first embodiment of the present invention.
An embodiment will be described with reference to the drawings.

【0034】図1は本発明の第1の実施形態に係る多重
量子井戸型窒化物半導体レーザ素子の断面構成を示して
いる。ここでは、レーザ素子の構成をダブルへテロ接合
を形成する各半導体層の製造方法として説明する。
FIG. 1 shows a sectional structure of a multiple quantum well type nitride semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. Here, the configuration of the laser element will be described as a method of manufacturing each semiconductor layer for forming a double hetero junction.

【0035】図1に示すように、まず、有機金属気相成
長(MOVPE)法を用いて、例えば、面方位が(00
01)面のサファイアからなる基板11上に、基板11
と該基板11上に成長する窒化物半導体結晶との格子定
数の不整合を緩和して結晶欠陥が少ない半導体層を得る
ためのGaNからなるバッファ層12と、Siをn型ド
ーパントとする低抵抗のn型GaNからなるn型コンタ
クト層13と、後述する活性層に電子及び生成光を閉じ
込めるn型Al0.3 Ga0.7 Nからなるn型クラッド層
14と、活性層に生成光を閉じ込め易くするn型Al
0.25Ga0.75Nからなるn型光ガイド層15とを順次成
長させる。
As shown in FIG. 1, first, for example, when the plane orientation is (00
01) surface of the substrate 11 made of sapphire
And a buffer layer 12 made of GaN for relaxing a lattice constant mismatch between the nitride semiconductor crystal grown on the substrate 11 and a semiconductor layer having few crystal defects, and a low resistance using Si as an n-type dopant. N-type contact layer 13 made of n-type GaN, an n-type clad layer 14 made of n-type Al 0.3 Ga 0.7 N for confining electrons and generated light in an active layer described later, and n for facilitating confinement of generated light in the active layer. Type Al
An n-type light guide layer 15 made of 0.25 Ga 0.75 N is sequentially grown.

【0036】続いて、n型光ガイド層15の上に、Al
0.2 Ga0.8 Nからなる井戸層とAl0.25Ga0.75Nと
からなる障壁層とを交互に積層することにより、閉じ込
められた電子及び正孔が再結合してなる生成光を生成す
る多重量子井戸活性層16と、Mgをp型ドーパントと
し、活性層16に生成光を閉じ込め易くするp型Al
0.25Ga0.75Nからなるp型光ガイド層17と、活性層
16に正孔及び生成光を閉じ込めるp型Al0.4 Ga
0.6 0.980.02からなるp型クラッド層18と、低抵
抗のp型GaNからなるp型コンタクト層19とを順次
成長させる。これにより、活性層16が上下方向から、
該活性層16よりもエネルギーギャップが大きいn型ク
ラッド層14及びp型クラッド層18により挟まれてな
るダブルヘテロ接合部を有するエピタキシャル層を形成
する。
Subsequently, on the n-type light guide layer 15, Al
0.2Ga0.8N well layer and Al0.25Ga0.75With N
By alternately stacking barrier layers consisting of
The generated electrons and holes recombine to generate light.
Multiple quantum well active layer 16 and Mg as a p-type dopant.
And p-type Al for facilitating confinement of generated light in the active layer 16.
0.25Ga0.75N-type p-type light guide layer 17 and active layer
P-type Al confining holes and generated light0.4Ga
0.6N0.98P0.02A p-type cladding layer 18 made of
Sequentially with a p-type contact layer 19 made of p-type GaN
Let it grow. As a result, the active layer 16 is
An n-type semiconductor having an energy gap larger than that of the active layer 16.
Between the lad layer 14 and the p-type cladding layer 18.
Of epitaxial layer with double heterojunction
I do.

【0037】エピタキシャル層を形成した後、p型コン
タクト層19及びp型クラッド層18における素子形成
領域に対して選択的にドライエッチングを行なうことに
より、幅が5μm程度で上部がp型コンタクト層19か
らなる畝状のリッジストライプ部18aを形成する。
After the epitaxial layer is formed, the element forming region in the p-type contact layer 19 and the p-type cladding layer 18 is selectively subjected to dry etching, whereby the width is about 5 μm and the upper part is the p-type contact layer 19. A ridge-shaped ridge stripe portion 18a is formed.

【0038】次に、リッジストライプ部18aのp型コ
ンタクト層19上に、NiとAuとの積層体からなるp
側電極20を選択的に形成し、その後、エピタキシャル
層の素子形成領域をマスクして、n型コンタクト層13
が露出するまでドライエッチングを行なうことにより、
n型コンタクト層13の上面にn側電極形成領域を形成
し、続いて、n型コンタクト層13上のn側電極形成領
域にTiとAlとの積層体からなるn側電極21を選択
的に形成する。
Next, on the p-type contact layer 19 of the ridge stripe portion 18a, a p-layer made of a laminate of Ni and Au is formed.
The side electrode 20 is selectively formed, and then the element forming region of the epitaxial layer is masked to form the n-type contact layer 13.
By performing dry etching until is exposed,
An n-side electrode formation region is formed on the upper surface of the n-type contact layer 13, and then an n-side electrode 21 made of a laminate of Ti and Al is selectively formed on the n-side electrode formation region on the n-type contact layer 13. Form.

【0039】次に、p型クラッド層18上におけるリッ
ジストライプ部18aの両側部分及び素子形成領域の側
面にシリコン酸化膜等からなる保護絶縁膜22を形成す
る。
Next, a protective insulating film 22 made of a silicon oxide film or the like is formed on both sides of the ridge stripe portion 18a on the p-type cladding layer 18 and on side surfaces of the element formation region.

【0040】次に、保護絶縁膜22上のp側電極20を
含む領域に該p側電極20と電気的に接続される配線電
極23を形成することにより、図1に示す窒化物半導体
レーザ素子を得る。
Next, a wiring electrode 23 electrically connected to the p-side electrode 20 is formed in a region including the p-side electrode 20 on the protective insulating film 22, so that the nitride semiconductor laser device shown in FIG. Get.

【0041】以下、前記のように構成された半導体レー
ザ素子の動作及びその動作特性について図面を参照しな
がら説明する。
The operation of the semiconductor laser device constructed as described above and its operation characteristics will be described below with reference to the drawings.

【0042】本実施形態に係る半導体レーザ素子の多重
量子井戸活性層16の実効的なエネルギーギャップは約
4eVである。そこで、n側電極21を接地し、p側電
極20に所定電圧を印加すると、活性層16に対して、
p側電極20からは正孔が、n側電極21からは電子が
それぞれ注入され、活性層16において光学利得を生じ
ることにより、発振波長が約310nmのレーザ発振が
生じる。
The effective energy gap of the multiple quantum well active layer 16 of the semiconductor laser device according to this embodiment is about 4 eV. Therefore, when the n-side electrode 21 is grounded and a predetermined voltage is applied to the p-side electrode 20, the active layer 16
Holes are injected from the p-side electrode 20, and electrons are injected from the n-side electrode 21, and an optical gain is generated in the active layer 16. As a result, laser oscillation having an oscillation wavelength of about 310 nm occurs.

【0043】図2は本実施形態に係る半導体レーザ素子
を構成するAlGaNPからなる窒化物半導体における
Al及びPの各組成比とエネルギーギャップとの関係を
表わしている。図2に示すように、Alの組成比が0.
3でPの組成比が0のn型クラッド層14及びAlの組
成比が0.4でPの組成比が0.02のp型クラッド層
18は、共にエネルギーギャップの大きさが約4.4e
Vとなっており、電子及び正孔を活性層16に確実に閉
じ込めることができる。
FIG. 2 shows the relationship between the respective composition ratios of Al and P and the energy gap in the AlGaNP nitride semiconductor constituting the semiconductor laser device according to the present embodiment. As shown in FIG.
3, the n-type cladding layer 14 having a P composition ratio of 0 and the p-type cladding layer 18 having an Al composition ratio of 0.4 and a P composition ratio of 0.02 both have an energy gap of about 4. 4e
V, and electrons and holes can be reliably confined in the active layer 16.

【0044】図3は本実施形態に係る半導体レーザ素子
を構成するAlGaNPからなる窒化物半導体における
Al及びPの各組成比と価電子帯上端部のエネルギーE
vとの関係をベガード則に基づいて算出した結果を表わ
している。図3において、縦軸上の0eVはAlの組成
比x及びPの組成比yが共に0の場合であって、GaN
結晶における価電子帯の上端部のエネルギーEvを表わ
している。
FIG. 3 shows the respective composition ratios of Al and P and the energy E at the upper end of the valence band in the nitride semiconductor composed of AlGaNP constituting the semiconductor laser device according to the present embodiment.
7 shows the result of calculating the relationship with v based on the Vegard rule. In FIG. 3, 0 eV on the vertical axis represents a case where both the composition ratio x of Al and the composition ratio y of P are 0, and
It represents the energy Ev at the upper end of the valence band in the crystal.

【0045】図3に示すように、Alの組成比が0.4
でPの組成比が0の場合は、GaN混晶と比べて価電子
帯上端部のエネルギーEvが0.17eVだけ低下す
る。これにより、アクセプタ準位は0.17eVだけ深
くなる。しかしながら、本実施形態においては、p型ク
ラッド層18としてAlの組成比が0.4でPの組成比
が0.02のAl0.4 Ga0.6 0.980.02を用いてい
るため、GaN混晶の価電子帯上端部のエネルギーEv
とほとんど差がなく、逆にアクセプタ準位は若干浅くさ
えなっている。
As shown in FIG. 3, the Al composition ratio was 0.4
When the composition ratio of P is 0, the energy Ev at the upper end of the valence band is reduced by 0.17 eV as compared with the GaN mixed crystal. Thereby, the acceptor level is deepened by 0.17 eV. However, in the present embodiment, Al 0.4 Ga 0.6 N 0.98 P 0.02 having a composition ratio of Al of 0.4 and a composition ratio of P of 0.02 is used as the p-type cladding layer 18. Energy Ev at the top of the valence band
And the acceptor level is even slightly shallower.

【0046】ここで、本実施形態の特徴であるn型クラ
ッド層14及びp型クラッド層18に対する不純物ドー
ピングについて説明する。
Here, the impurity doping of the n-type cladding layer 14 and the p-type cladding layer 18 which is a feature of this embodiment will be described.

【0047】n型クラッド層14は、n型ドーパントと
してSiを用いることにより、1×1018cm-3程度の
キャリア濃度を実現できる。
The n-type cladding layer 14 can realize a carrier concentration of about 1 × 10 18 cm −3 by using Si as an n-type dopant.

【0048】また、図3に示すように、III-V族窒化物
半導体からなるp型クラッド層18は、該p型クラッド
層18に対してV族のリン(P)をその組成に加えるこ
とによって、p型ドーパントであるMgにより生成され
るアクセプタ準位EaをGaNとほぼ同等の0.15e
V程度にできる。
As shown in FIG. 3, the p-type cladding layer 18 made of a group III-V nitride semiconductor is obtained by adding phosphorus (P) of group V to the p-type cladding layer 18 in its composition. As a result, the acceptor level Ea generated by Mg as a p-type dopant is changed to 0.15e, which is almost equal to GaN.
V.

【0049】図3から分かるように、III-V族窒化物半
導体においてAlの組成が大きくなると、価電子帯の上
端部のエネルギーEvが低エネルギー側(下方に)ずれ
る。しかしながら、本実施形態においては、図2及び図
3に示すように、リンを添加することにより、4eV以
上のエネルギーギャップを維持したまま、価電子帯の上
端部のエネルギーEvを高エネルギー側(上方)にシフ
トさせることができ、これにより、アクセプタの活性化
率を向上させている。
As can be seen from FIG. 3, when the composition of Al in the group III-V nitride semiconductor increases, the energy Ev at the upper end of the valence band shifts to the lower energy side (downward). However, in the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, by adding phosphorus, the energy Ev at the upper end of the valence band is increased to the higher energy side (upward) while maintaining the energy gap of 4 eV or more. ), Thereby improving the activation rate of the acceptor.

【0050】一般に、正孔の熱的な活性化率pを単純に
表現すると、 p=exp{−(Ea−Ev)/kT} のように表わすことができる。ここで、Eaはアクセプ
タ準位を表わし、Evは価電子帯上端部のエネルギーを
表わし、kはボルツマン定数を表わし、Tは絶対温度を
表わしている。実際には、これほど単純ではないが、ア
クセプタ準位Eaと価電子帯Evとの差が大きくなる
と、p型ドーパントの活性化率pが急激に低下すること
に変わりはない。
In general, the thermal activation rate p of holes can be simply expressed as p = exp {-(Ea-Ev) / kT}. Here, Ea represents the acceptor level, Ev represents the energy at the upper end of the valence band, k represents the Boltzmann constant, and T represents the absolute temperature. Actually, although not so simple, when the difference between the acceptor level Ea and the valence band Ev increases, the activation rate p of the p-type dopant still decreases sharply.

【0051】図3に示すように、Alの組成xが大きく
なるほど価電子帯上端部のエネルギーEvが小さくなる
ため、アクセプタ準位Eaと価電子帯上端部のエネルギ
ーEvの差である不純物深さが増大して活性化率pが小
さくなってしまう。
As shown in FIG. 3, since the energy Ev at the upper end of the valence band decreases as the composition x of Al increases, the impurity depth, which is the difference between the acceptor level Ea and the energy Ev at the upper end of the valence band, is obtained. Increase, and the activation rate p decreases.

【0052】そこで、前述したように、本実施形態にお
いては、III-V族窒化物半導体のV族元素にリンを加
え、さらにリンの組成比yを最適化することにより、価
電子帯上端部のエネルギーEvを高エネルギー側へシフ
トさせる。これにより、アクセプタ準位Eaと価電子帯
Evとの差(Ea−Ev)を小さくしている。
Therefore, as described above, in the present embodiment, phosphorus is added to the group V element of the group III-V nitride semiconductor, and the composition ratio y of phosphorus is optimized to thereby increase the upper end of the valence band. Is shifted to the higher energy side. Thereby, the difference (Ea−Ev) between the acceptor level Ea and the valence band Ev is reduced.

【0053】ところで、図2に示すように、AlGaN
からなる窒化物半導体にPを添加すると、エネルギーギ
ャップも小さくなるため、所定のエネルギーギャップを
得るためにはAlの組成比を大きくする必要がある。
By the way, as shown in FIG.
When P is added to a nitride semiconductor made of, the energy gap is also reduced, so that it is necessary to increase the Al composition ratio in order to obtain a predetermined energy gap.

【0054】このように、本実施形態によると、Alを
含むIII-V族窒化物半導体に対してAlの組成比を大き
くすることにより所定のエネルギーギャップを維持し且
つPをその組成に加えることにより、アクセプタ準位E
aと価電子帯Evとの差を小さくできる。これにより、
アクセプタの熱的な活性化率が高くなり、紫外領域の発
振波長に相当するエネルギーギャップを持つ活性層16
を動作させるのに必要なp型クラッド層18を得ること
ができる。
As described above, according to this embodiment, by increasing the composition ratio of Al to the group III-V nitride semiconductor containing Al, a predetermined energy gap is maintained and P is added to the composition. Gives the acceptor level E
The difference between a and the valence band Ev can be reduced. This allows
The thermal activation rate of the acceptor increases, and the active layer 16 has an energy gap corresponding to the oscillation wavelength in the ultraviolet region.
Can be obtained.

【0055】なお、紫外領域の発振波長を得る場合に
は、n型クラッド層14にPを添加するとドナー準位が
逆に深くなり、ドナーの活性化率が若干低下するため、
n型クラッド層14においてはPの組成を小さくするの
が好ましく、さらにはPを添加しないAlGaNを用い
るのが好ましい。
In order to obtain an oscillation wavelength in the ultraviolet region, when P is added to the n-type cladding layer 14, the donor level becomes conversely deep, and the activation rate of the donor is slightly lowered.
In the n-type cladding layer 14, the composition of P is preferably reduced, and more preferably, AlGaN to which P is not added is used.

【0056】但し、発振波長が青色程度の、発振波長が
比較的長い場合には、n型クラッド層14をp型クラッ
ド層18と同じ4元混晶とすると、結晶成長装置の運用
上の理由からレーザ素子の製造が容易となる。従って、
レーザ光の発振波長に応じて、すなわち用途に応じてn
型クラッド層14の組成を決定すればよい。
However, when the oscillation wavelength is about blue and the oscillation wavelength is relatively long, the n-type cladding layer 14 is made of the same quaternary mixed crystal as the p-type cladding layer 18, and the reason for the operation of the crystal growth apparatus is considered. Therefore, the manufacture of the laser element becomes easy. Therefore,
According to the oscillation wavelength of the laser beam, that is, n
The composition of the mold cladding layer 14 may be determined.

【0057】以上説明したように、アルミニウム(A
l)を含むIII-V族窒化物半導体の組成にリン(P)を
加えることにより、所定のエネルギーギャップを維持し
たまま、浅いアクセプタ準位を生成できる。その結果、
p型AlGaNPからなる混晶をダブルへテロ型半導体
レーザ素子のp型クラッド層に用いると、紫外領域にま
で及ぶ短波長領域において発振可能な半導体レーザ素子
を実現できる。
As described above, aluminum (A)
By adding phosphorus (P) to the composition of the group III-V nitride semiconductor including 1), a shallow acceptor level can be generated while maintaining a predetermined energy gap. as a result,
When a mixed crystal composed of p-type AlGaNP is used for the p-type cladding layer of a double hetero-type semiconductor laser device, a semiconductor laser device capable of oscillating in a short wavelength region extending to an ultraviolet region can be realized.

【0058】なお、活性層16よりもエネルギーギャッ
プが大きいn型光ガイド層15及びp型光ガイド層17
に対して、特にp型光ガイド層17に対してその組成に
リン(P)を加えてもよい。 (第2の実施形態)以下、本発明の第2の実施形態につ
いて図面を参照しながら説明する。
Incidentally, the n-type light guide layer 15 and the p-type light guide layer 17 having an energy gap larger than that of the active layer 16.
On the other hand, phosphorus (P) may be added to the composition of the p-type light guide layer 17, particularly. (Second Embodiment) Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0059】図4は本発明の第2の実施形態に係る多重
量子井戸型窒化物半導体レーザ素子の断面構成を示して
いる。図4において、図1に示す構成部材と同一の構成
部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of a multiple quantum well type nitride semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same components as those shown in FIG.

【0060】図4に示すように、本実施形態において
は、p型クラッド層28が、Mgがドープされたp型A
0.4 Ga0.6 0.98As0.02からなる半導体層により
形成されている。
As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the p-type cladding layer 28 is made of p-type A doped with Mg.
It is formed of a semiconductor layer made of l 0.4 Ga 0.6 N 0.98 As 0.02 .

【0061】図5は本実施形態に係る半導体レーザ素子
を構成するAlGaNAsからなる窒化物半導体におけ
るAl及びAsの各組成比とエネルギーギャップとの関
係を表わしている。また、図6は本実施形態に係る半導
体レーザ素子を構成するAlGaNAsからなる窒化物
半導体におけるAl及びAsの各組成比と価電子帯上端
部のエネルギーEvとの関係をベガード則に基づいて計
算した結果を表わしている。
FIG. 5 shows the relationship between each composition ratio of Al and As and the energy gap in the nitride semiconductor made of AlGaNAs constituting the semiconductor laser device according to the present embodiment. FIG. 6 shows the relationship between the respective composition ratios of Al and As and the energy Ev at the upper end of the valence band calculated based on the Vegard rule in the nitride semiconductor made of AlGaNAs constituting the semiconductor laser device according to the present embodiment. The results are shown.

【0062】図5に示すように、p型クラッド層28は
Alの組成比が0.4で且つAsの組成比が0.02で
あるため、エネルギーギャップの大きさは4.3eV程
度となっており、電子及び正孔を活性層16に閉じ込め
ることができる。
As shown in FIG. 5, in the p-type cladding layer 28, since the composition ratio of Al is 0.4 and the composition ratio of As is 0.02, the magnitude of the energy gap is about 4.3 eV. As a result, electrons and holes can be confined in the active layer 16.

【0063】さらに、図6に示すように、アクセプタ準
位Eaと価電子帯上端部のエネルギーEvとの差(Ea
−Ev)は、Asの組成比が0の場合よりも小さくなっ
ている。
Further, as shown in FIG. 6, the difference between the acceptor level Ea and the energy Ev at the upper end of the valence band (Ea
-Ev) is smaller than when the composition ratio of As is 0.

【0064】従って、第1の実施形態と同様に、アルミ
ニウム(Al)を含むIII-V族窒化物半導体の組成にヒ
素(As)を加えると共に、Alの組成比を0.4程度
と高めに設定することにより、所定のエネルギーギャッ
プを維持したまま、Asを含まない場合と比べて浅いア
クセプタ準位を生成できる。その結果、p型AlGaN
Asからなる混晶をダブルへテロ型半導体レーザ素子の
p型クラッド層に用いると、紫外領域にまで及ぶ短波長
領域で発振可能な半導体レーザ素子を実現できる。
Therefore, as in the first embodiment, arsenic (As) is added to the composition of the group III-V nitride semiconductor containing aluminum (Al), and the Al composition ratio is increased to about 0.4. By setting, an acceptor level shallower than that in the case where As is not included can be generated while maintaining a predetermined energy gap. As a result, p-type AlGaN
When a mixed crystal of As is used for the p-type cladding layer of a double hetero semiconductor laser device, a semiconductor laser device capable of oscillating in a short wavelength region extending to an ultraviolet region can be realized.

【0065】なお、紫外領域の発振波長を得る場合に
は、n型クラッド層14にAsを加えるとドナーの活性
化率が若干低下するため、n型クラッド層14における
Asの組成を小さくするのが好ましく、さらにはAsを
添加しない方が好ましい。
In order to obtain an oscillation wavelength in the ultraviolet region, when As is added to the n-type cladding layer 14, the activation rate of the donor is slightly reduced. Therefore, the composition of As in the n-type cladding layer 14 should be reduced. Is preferable, and it is more preferable not to add As.

【0066】但し、発振波長が青色程度の、発振波長が
比較的長い場合には、n型クラッド層14をp型クラッ
ド層28と同じ4元混晶とすると、レーザ素子の製造が
容易となる。従って、用途に応じてn型クラッド層14
の組成を決定すればよい。
However, in the case where the oscillation wavelength is about blue and the oscillation wavelength is relatively long, if the n-type cladding layer 14 is made of the same quaternary mixed crystal as the p-type cladding layer 28, the manufacture of the laser element becomes easy. . Therefore, the n-type cladding layer 14 is
May be determined.

【0067】また、活性層16よりもエネルギーギャッ
プが大きいn型光ガイド層15及びp型光ガイド層17
に対して、特にp型光ガイド層17に対してその組成に
ヒ素(As)を加えてもよい。 (第3の実施形態)以下、本発明の第3の実施形態につ
いて図面を参照しながら説明する。
Further, the n-type light guide layer 15 and the p-type light guide layer 17 having an energy gap larger than that of the active layer 16.
In particular, arsenic (As) may be added to the composition of the p-type light guide layer 17. (Third Embodiment) Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0068】図7は本発明の第3の実施形態に係る多重
量子井戸型窒化物半導体レーザ素子の断面構成を示して
いる。図7において、図1に示す構成部材と同一の構成
部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
FIG. 7 shows a sectional structure of a multiple quantum well type nitride semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same components as those shown in FIG.

【0069】図7に示すように、本実施形態において
は、n型クラッド層34が、Siがドープされたn型A
0.4 Ga0.6 0.980.02からなる半導体層により形
成され、p型クラッド層38が、Mgがドープされたp
型Al0.4 Ga0.6 0.980. 02からなる半導体層によ
り形成されている。
As shown in FIG. 7, in this embodiment,
Means that the n-type cladding layer 34 is made of n-type A doped with Si.
l0.4Ga0.6N0.98P0.02Shaped by a semiconductor layer consisting of
And the p-type cladding layer 38 is made of Mg-doped p-type.
Type Al0.4Ga0.6N0.98P0. 02Semiconductor layer consisting of
Is formed.

【0070】ここでも、第1の実施形態と同様に、多重
量子井戸活性層16の実効的なエネルギーギャップは約
4eVである。従って、活性層16から出力されるレー
ザ光の発振波長は約310nmとなる。
Here, as in the first embodiment, the effective energy gap of the multiple quantum well active layer 16 is about 4 eV. Therefore, the oscillation wavelength of the laser light output from the active layer 16 is about 310 nm.

【0071】図2に示すように、n型クラッド層34及
びp型クラッド層38のエネルギーギャップの大きさ
は、共に4.4eV程度であり、電子及び正孔を活性層
16に確実に閉じ込めることができる。
As shown in FIG. 2, the energy gaps of the n-type cladding layer 34 and the p-type cladding layer 38 are both about 4.4 eV, so that electrons and holes can be reliably confined in the active layer 16. Can be.

【0072】第1の実施形態及び第2の実施形態におい
ては、Alを含むIII-V族窒化物半導体レーザ素子にお
いて、p型半導体層のアクセプタの活性化率を向上させ
る構成を説明したが、本実施形態はAlを含むIII-V族
窒化物半導体レーザ素子における半導体結晶の結晶品質
を向上させる構成を説明する。
In the first and second embodiments, the structure for improving the activation rate of the acceptor of the p-type semiconductor layer in the group III-V nitride semiconductor laser device containing Al has been described. In this embodiment, a configuration for improving the crystal quality of a semiconductor crystal in a group III-V nitride semiconductor laser device containing Al will be described.

【0073】前述したように、Alを含むIII-V族窒化
物半導体において、例えば、比較的厚い膜厚を必要とす
るクラッド層が、エネルギーギャップを大きくするため
のAlを多く含むと、クラッド層にクラックが生じ易く
なる。従って、クラッド層自体の膜厚は、Alの組成比
を大きくする程クラックが生じない程度に制限されてし
まう。
As described above, in a group III-V nitride semiconductor containing Al, for example, if the cladding layer requiring a relatively thick film contains a large amount of Al for increasing the energy gap, the cladding layer Cracks are likely to occur. Therefore, the thickness of the cladding layer itself is limited to such an extent that cracks do not occur as the Al composition ratio increases.

【0074】クラックが生じる理由は、Alの組成比を
大きくすると、Alを含むIII-V族窒化物半導体の格子
定数とIII-V族窒化物半導体の主要な半導体である窒化
ガリウム(GaN)との格子定数と差が拡大するからで
ある。
The reason for the occurrence of cracks is that, when the composition ratio of Al is increased, the lattice constant of a group III-V nitride semiconductor containing Al and the gallium nitride (GaN) which is a main semiconductor of the group III-V nitride semiconductor are increased. This is because the lattice constant and the difference of are enlarged.

【0075】図8は本実施形態に係る半導体レーザ素子
を構成するAlGaNPからなる窒化物半導体における
Al及びPの各組成比と格子定数との関係を表わしてい
る。図8において、縦軸上の白丸印はAlの組成比x及
びPの組成比yが共に0の場合であって、GaN結晶の
格子定数を表わしている。
FIG. 8 shows the relationship between the respective composition ratios of Al and P and the lattice constant in the AlGaNP nitride semiconductor constituting the semiconductor laser device according to the present embodiment. In FIG. 8, white circles on the vertical axis indicate the case where both the Al composition ratio x and the P composition ratio y are 0, and represent the lattice constant of the GaN crystal.

【0076】図8に示すように、本半導体レーザ素子の
クラッド層34、38はAlの組成比が0.4でPの組
成比が0.02であるため、各クラッド層34、38の
格子定数は、GaN結晶の格子定数である3.19Åと
ほぼ一致している。従って、結晶成長時において、n型
コンタクト層13とn型クラッド層34との間、及びp
型コンタクト層19とp型クラッド層38との間でそれ
ぞれ応力が生じないため、クラック等の格子欠陥を抑制
でき、高品質の半導体結晶を得ることができる。
As shown in FIG. 8, the cladding layers 34 and 38 of the present semiconductor laser device have a composition ratio of Al of 0.4 and a composition ratio of P of 0.02. The constant substantially matches the lattice constant of GaN crystal, 3.19 °. Therefore, during the crystal growth, between the n-type contact layer 13 and the n-type
Since no stress is generated between the mold contact layer 19 and the p-type cladding layer 38, lattice defects such as cracks can be suppressed, and a high-quality semiconductor crystal can be obtained.

【0077】このように、本実施形態によると、ワイド
ギャップ半導体からなる窒化物半導体レーザ素子におい
て、エネルギーギャップを大きくする必要があるクラッ
ド層が、格子欠陥が極めて少ない高品質の半導体結晶か
らなるため、長寿命で且つ低しきい値電流で動作するよ
うになり、高性能な短波長半導体レーザ素子を実現でき
る。
As described above, according to the present embodiment, in the nitride semiconductor laser device composed of a wide gap semiconductor, the cladding layer for which the energy gap needs to be increased is composed of a high quality semiconductor crystal having very few lattice defects. In addition, the semiconductor laser device has a long life and operates at a low threshold current, and a high-performance short-wavelength semiconductor laser device can be realized.

【0078】なお、図9はAlGaNAsからなる窒化
物半導体におけるAl及びAsの各組成比と格子定数と
の関係を表わしている。従って、図7に示すn型クラッ
ド層34として、n型Al0.4 Ga0.6 0.98As0.02
からなる半導体層を用いると共に、p型クラッド層38
として、p型Al0.4 Ga0.6 0.98As0.02からなる
半導体層を用いた場合であっても、各クラッド層34、
38の格子定数を、GaN結晶の格子定数とほぼ一致さ
せることができる。
FIG. 9 shows the relationship between the respective composition ratios of Al and As and the lattice constant in a nitride semiconductor made of AlGaNAs. Therefore, as the n-type cladding layer 34 shown in FIG. 7, n-type Al 0.4 Ga 0.6 N 0.98 As 0.02
And a p-type cladding layer 38
Even when a semiconductor layer made of p-type Al 0.4 Ga 0.6 N 0.98 As 0.02 is used, each cladding layer 34,
The lattice constant of 38 can be made to substantially match the lattice constant of the GaN crystal.

【0079】[0079]

【発明の効果】本発明に係る第1の半導体レーザ素子に
よると、第1半導体層又は第3半導体層がリン(P)を
含むため、禁制帯の幅を大きく維持したまま価電子帯の
上端部及び伝導帯の下端部を高エネルギー側にシフトさ
せることができるので、第1半導体層及び第3半導体層
のうちアクセプタがドープされた半導体層においてアク
セプタ準位を小さくできる。これにより、第1半導体層
又は第3半導体層の正孔の活性化率を大きくできるた
め、紫外領域にまで及ぶ波長に相当するエネルギーギャ
ップを持つ第2半導体層(活性層)において、第1半導
体層又は第3半導体層によりキャリアを確実に閉じ込め
ることができるので、紫外領域にまで及ぶ短波長のレー
ザ光を確実に発振できる。
According to the first semiconductor laser device of the present invention, since the first semiconductor layer or the third semiconductor layer contains phosphorus (P), the upper end of the valence band is maintained while keeping the width of the forbidden band large. Since the portion and the lower end of the conduction band can be shifted to the higher energy side, the acceptor level can be reduced in the acceptor-doped semiconductor layer of the first semiconductor layer and the third semiconductor layer. Accordingly, the activation rate of holes in the first semiconductor layer or the third semiconductor layer can be increased, so that the first semiconductor layer (active layer) having an energy gap corresponding to a wavelength extending to the ultraviolet region can be used. Since carriers can be reliably confined by the layer or the third semiconductor layer, short-wavelength laser light extending to the ultraviolet region can be reliably oscillated.

【0080】第1の半導体レーザ素子において、第1導
電型がn型であり、第2導電型がp型であり、第1の窒
化物半導体の組成がAlGaN1-x x であり、第3の
窒化物半導体の組成がAlGaN1-y y (但し、x及
びyは0≦x≦yである。)であると、p型の第3半導
体層のリンの組成がn型の第1半導体層のリンの組成と
比べて大きいため、価電子帯の上端部の上方へのシフト
がより大きくなるので、アクセプタ準位と価電子帯の上
端部とのエネルギーギャップを小さくできる。また、第
2半導体層に対して基板側にn型の第1半導体層を形成
し、第2半導体層に対して基板と反対側にp型半導体層
を形成しているため、形成された半導体結晶の品質が向
上する。
In the first semiconductor laser device, the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, the composition of the first nitride semiconductor is AlGaN 1-x P x , When the composition of the nitride semiconductor of No. 3 is AlGaN 1-y P y (where x and y are 0 ≦ x ≦ y), the composition of phosphorus in the p-type third semiconductor layer is n-type. Since the composition is larger than the composition of phosphorus in one semiconductor layer, the upward shift of the upper end of the valence band is further increased, so that the energy gap between the acceptor level and the upper end of the valence band can be reduced. Further, since the n-type first semiconductor layer is formed on the substrate side with respect to the second semiconductor layer, and the p-type semiconductor layer is formed on the side opposite to the substrate with respect to the second semiconductor layer, the formed semiconductor is formed. The quality of the crystal is improved.

【0081】本発明に係る第2の半導体レーザ素子によ
ると、本発明の第1の半導体レーザ素子と同様に、第1
半導体層又は第3半導体層がヒ素(As)を含むため、
禁制帯の幅を大きく維持したまま価電子帯の上端部及び
伝導帯の下端部を高エネルギー側にシフトさせることが
できるので、第1半導体層及び第3半導体層のうちアク
セプタがドープされた半導体層においてアクセプタ準位
を小さくできる。これにより、第1半導体層又は第3半
導体層の正孔の活性化率を大きくできるため、紫外領域
にまで及ぶ短波長のレーザ光を確実に発振できる。
According to the second semiconductor laser device of the present invention, like the first semiconductor laser device of the present invention, the first
Since the semiconductor layer or the third semiconductor layer contains arsenic (As),
Since the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band can be shifted to the higher energy side while maintaining the width of the forbidden band large, the semiconductor doped with the acceptor in the first semiconductor layer and the third semiconductor layer can be used. The acceptor level can be reduced in the layer. This makes it possible to increase the activation rate of holes in the first semiconductor layer or the third semiconductor layer, so that short-wavelength laser light down to the ultraviolet region can be reliably oscillated.

【0082】本発明に係る第3の半導体レーザ素子によ
ると、結晶成長時に格子定数の差異に起因する応力が生
じないため、第1半導体層又は第3半導体層を相対的に
大きい膜厚が必要なクラッド層に用いる場合であって
も、該第1半導体層又は第3半導体層にクラックが生じ
にくくなり、半導体結晶の品質が向上するので、長期信
頼性を向上させることができる。
According to the third semiconductor laser device of the present invention, since a stress due to a difference in lattice constant does not occur during crystal growth, a relatively large film thickness is required for the first semiconductor layer or the third semiconductor layer. Even when it is used for a simple cladding layer, cracks hardly occur in the first semiconductor layer or the third semiconductor layer, and the quality of the semiconductor crystal is improved, so that long-term reliability can be improved.

【0083】第1〜3の半導体レーザ素子において、第
1の窒化物半導体及び第3の窒化物半導体の禁制帯の幅
は4eV以上であると、発振波長が紫外領域にまで及ぶ
レーザ光を出力できる。
In the first to third semiconductor laser devices, when the width of the forbidden band of the first nitride semiconductor and the third nitride semiconductor is 4 eV or more, laser light whose oscillation wavelength extends to the ultraviolet region is output. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に係る多重量子井戸型
窒化物半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a multiple quantum well nitride semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するAlGaNPからなる窒化物半導体におけ
るAl及びPの各組成比とエネルギーギャップとの関係
を表わすグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between each composition ratio of Al and P and an energy gap in a nitride semiconductor made of AlGaNP constituting the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するAlGaNPからなる窒化物半導体におけ
るAl及びPの各組成比と価電子帯上端部のエネルギー
Evとの関係を表わすグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the respective composition ratios of Al and P and the energy Ev at the upper end of the valence band in the nitride semiconductor made of AlGaNP constituting the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. is there.

【図4】本発明の第2の実施形態に係る多重量子井戸型
窒化物半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of a multiple quantum well type nitride semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するAlGaNAsからなる窒化物半導体にお
けるAl及びAsの各組成比とエネルギーギャップとの
関係を表わすグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between each composition ratio of Al and As and an energy gap in a nitride semiconductor made of AlGaNAs constituting a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するAlGaNAsからなる窒化物半導体にお
けるAl及びAsの各組成比と価電子帯上端部のエネル
ギーEvとの関係を表わすグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the respective composition ratios of Al and As and the energy Ev at the upper end of a valence band in a nitride semiconductor made of AlGaNAs constituting a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention. is there.

【図7】本発明の第3の実施形態に係る多重量子井戸型
窒化物半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing a configuration of a multiple quantum well type nitride semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するAlGaNPからなる窒化物半導体におけ
るAl及びPの各組成比と格子定数との関係を表わすグ
ラフである。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between each composition ratio of Al and P and a lattice constant in a nitride semiconductor made of AlGaNP constituting a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施形態に係る半導体レーザ素
子を構成するAlGaNAsからなる窒化物半導体にお
けるAl及びAsの各組成比と格子定数との関係を表わ
すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing a relationship between each composition ratio of Al and As and a lattice constant in a nitride semiconductor made of AlGaNAs constituting a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図10】従来の多重量子井戸型窒化物半導体レーザ素
子を示す構成断面図である。
FIG. 10 is a configuration sectional view showing a conventional multiple quantum well type nitride semiconductor laser device.

【図11】p型窒化ガリウムとp型窒化アルミニウムと
の各エネルギー準位を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing energy levels of p-type gallium nitride and p-type aluminum nitride.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 基板 12 バッファ層 13 n型コンタクト層 14 n型クラッド層 15 n型光ガイド層 16 多重量子井戸活性層 17 p型光ガイド層 18 p型クラッド層 18a リッジストライプ部 19 p型コンタクト層 20 p側電極 21 n側電極 22 保護絶縁膜 23 配線電極 28 p型クラッド層 34 n型クラッド層 38 p型クラッド層 Reference Signs List 11 substrate 12 buffer layer 13 n-type contact layer 14 n-type cladding layer 15 n-type light guide layer 16 multiple quantum well active layer 17 p-type light guide layer 18 p-type clad layer 18a ridge stripe portion 19 p-type contact layer 20 p side Electrode 21 n-side electrode 22 protective insulating film 23 wiring electrode 28 p-type cladding layer 34 n-type cladding layer 38 p-type cladding layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伴 雄三郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 辻村 歩 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 長谷川 義晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 石橋 明彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 上山 智 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平8−56054(JP,A) 特開 平8−64870(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Yusaburo Ban 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Yoshiaki Hasegawa 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Satoshi Ueyama 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-8-56054 (JP, A) JP-A 8-64870 (JP, A) (58) (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 33/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に形成された第1導電型の第1の
窒化物半導体からなる第1半導体層と、 前記第1半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
1の窒化物半導体よりも小さい第2の窒化物半導体から
なる第2半導体層と、 前記第2半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
2の窒化物半導体よりも大きい第2導電型の第3の窒化
物半導体からなる第3半導体層とを備え、 前記第1の窒化物半導体又は前記第3の窒化物半導体は
リンを含み、 前記第1導電型はn型であり、前記第2導電型はp型で
あり、 前記第1の窒化物半導体の組成はAlGaN 1-x x
あり、前記第3の窒化物半導体の組成はAlGaN 1-y
y (但し、x及びyは0≦x<yである)である こと
を特徴とする半導体レーザ素子。
A first semiconductor layer formed of a first conductivity type first nitride semiconductor formed on a substrate; and a first forbidden band formed on the first semiconductor layer and having a forbidden band width of the first semiconductor layer. A second semiconductor layer made of a second nitride semiconductor smaller than the nitride semiconductor; and a second conductivity type formed on the second semiconductor layer and having a forbidden band width larger than that of the second nitride semiconductor. third and a third semiconductor layer made of a nitride semiconductor, the first nitride semiconductor or the third nitride semiconductor seen containing phosphorus, the first conductivity type is n-type, the The second conductivity type is p-type
There, the composition of the first nitride semiconductor is AlGaN 1-x P x
And the composition of the third nitride semiconductor is AlGaN 1-y
P y (where x and y are 0 ≦ x <y) .
【請求項2】 基板上に形成された第1導電型の第1の
窒化物半導体からなる第1半導体層と、 前記第1半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
1の窒化物半導体よりも小さい第2の窒化物半導体から
なる第2半導体層と、 前記第2半導体層の上に形成され、禁制帯の幅が前記第
2の窒化物半導体よりも大きい第2導電型の第3の窒化
物半導体からなる第3半導体層とを備え、 前記第1の窒化物半導体又は前記第3の窒化物半導体は
ヒ素を含み、 前記第1導電型はn型であり、前記第2導電型はp型で
あり、 前記第1の窒化物半導体の組成はAlGaN 1-x As x
であり、前記第3の窒化物半導体の組成はAlGaN
1-y As y (但し、x及びyは0≦x<yである)であ
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. A first semiconductor layer made of a first conductivity type first nitride semiconductor formed on a substrate; and a forbidden band formed on the first semiconductor layer and having a width of the first bandgap. A second semiconductor layer made of a second nitride semiconductor smaller than the nitride semiconductor; and a second conductivity type formed on the second semiconductor layer and having a forbidden band width larger than that of the second nitride semiconductor. includes third and the third semiconductor layer made of a nitride semiconductor, the first nitride semiconductor or the third nitride semiconductor see contains arsenic, the first conductivity type is n-type, the The second conductivity type is p-type
And the composition of the first nitride semiconductor is AlGaN 1-x As x
And the composition of the third nitride semiconductor is AlGaN
1-y As y (here, x and y are 0 ≦ x <y) der
The semiconductor laser device characterized by that.
【請求項3】 前記第1の窒化物半導体又は第3の窒化
物半導体の禁制帯の幅は4eV以上であることを特徴と
する請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
3. The semiconductor laser device according to claim 1 , wherein a width of a forbidden band of the first nitride semiconductor or the third nitride semiconductor is 4 eV or more.
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