JP3655066B2 - Gallium nitride compound semiconductor laser and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、窒化物化合物半導体材料を用いた半導体素子に係わり、特にInGaAlBN系材料からなる半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ディスクの高密度化等で必要とされる短波長光源としてInGaAlN材料を用いた半導体レーザの開発が進められている。この材料系で電流注入による発振を実現した構造として多重量子井戸構造を用いたレーザが報告されている。
【0003】
バルク活性層に対して薄膜活性層を用いた多重量子井戸構造はしきい値を大幅に低減できることが知られている。しかしながら、この材料系ではまだしきい電流密度は高く、動作電圧も高いため、連続発振を実現するためには多くの課題がある。
【0004】
InGaAlN系レーザで動作電圧が高い原因の一つはp型のコンタクト抵抗が極めて大きいことである。既に報告されている電極ストライプ構造では、p型電極ストライプにおける電圧降下が大きく、動作電圧が高くなると共に、この領域での熱の発生が無視できない。コンタクト抵抗を低減するには電極面積を大きくすれば良いが、上記電極ストライプ構造では、電極面積を広げるとしきい電流値も大きくなってしまい、また電流注入領域が大きいために基本横モード発振は不可能である。
【0005】
光ディスク等への応用では、出射ビームを極小スポットに絞ることが必要となるため、基本横モード発振は不可欠であるが、InGaAlN系レーザでは横モード制御構造が実現されていない。従来の材料系では例えばInGaAlP系でリッジストライプ型のSBRレーザが報告されている。
【0006】
しかしながら、InGaAlN系レーザでは、材料系がこれとは異なるために、この構造をそのまま適用することはできない。InGaAlN系における電流狭窄構造としては、特開平8−111558号公報に、GaNを電流狭窄層に用いた構造が開示されている。この構造は、電流狭窄は可能であるが、光閉じ込め作用はないため、非点収差等のない良質の出射ビームを得るのは困難である。
【0007】
一般に、クラッド層中に設けた電流狭窄層を光閉じ込め層としても作用させるためには、その組成や厚さ、活性層からの距離等を所定の値に設定する必要がある。特にInGaAlN系レーザでは、発振波長が短いために、たとえ組成が同じであっても、厚さや位置によって全く異なる導波機構となってしまう。このため、単に電流狭窄層を設けただけでは安定な基本横モード発振は得られない。
【0008】
一方、光ディスクシステムに用いるための半導体レーザには様々な仕様が要求される。特に追記型や書き替え型では、再生読み出し用の低出力半導体レーザと、消去、記録用の高出力半導体レーザが必要とされ、それぞれ仕様は異なる。高出力半導体レーザは一般に薄膜活性層構造が用いられるが、この構造は必ずしも読み出し用レーザには適していない。読み出し用レーザには低雑音特性が要求されるからで、このために例えば自励発振型構造が用いられるが、超薄膜活性層構造では自励発振を得ることが難しいからである。そのため、高周波重畳法やレーザ自体を2種類用いる方法などが取られているが、いずれも構成が複雑である。また、活性層厚を場所によって変えて、2種類のレーザを形成する方法も報告されているが、活性層厚制御等が難しいという問題がある。
【0009】
さらにまた、光ディスクの高密度化に伴って、波長の異なる半導体レーザが使用されることになるが、従来の光ディスクシステムとの互換性が要求されるため、両方の波長のレーザが必要となる場合がある。これは特に、赤色と青色というように波長差が大きい場合に必要となる。これは光ディスクのピット深さが使用波長で最適化されているためで、再生波長が大幅に異なると、ピットからの反射による信号のSNが低下してしまうからである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、InGaAlN系の半導体レーザでは横モード制御構造の作製が難しく、基本横モードで連続発振する半導体レーザを実現することは困難であった。また、光ディスクシステムにおける再生読出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することは困難であった。さらにまた、使用波長が異なり記録密度の異なる光ディスクシステムの互換性確保に必要な、両者に使える半導体レーザの実現が困難であった。
【0011】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、安定な基本横モードで連続発振することができ、光ディスクシステム等の光源に適した非点収差のない良質の出射ビームを得ることのできるInGaAlN系半導体レーザを提供することにある。また、本発明の他の目的は、難しいプロセスを要することなく、光ディスクシステムにおける再生読出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することのできる半導体レーザ及びその製造方法を提供することにある。
【0012】
さらにまた、本発明の他の目的は、設計使用波長が異なる光ディスクシステム間の互換性確保に必要な、両者に使える半導体レーザ及びその製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、屈折率の大きい光閉じ込め層を設けて、その損失導波効果または反導波効果によって横モードを制御することにより、動作電圧が低くかつ安定な基本横モードでの連続発振を可能とすることにある。
【0014】
即ち本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体(Gax Iny Alz1-x-y-z N:0≦x、y、z、x+y+z≦1)からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾んだ半導体レーザにおいて、該活性層にキャリアを注入するためのストライプ状の電流注入部が形成され、該電流注入部の両側には少なくとも1層以上の電流ブロック層が形成され、該電流注入部は等価屈折率が異なる構成からなることを特徴とする。
【0015】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては、次のものが挙げられる。
(1)電流注入部はストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該注入狭窄部の端で大きい構造からなり,且つ電流ブロック層は該電流注入部の端より等価的に屈折率が大きい窒化ガリウム系化合物半導体材料からなること。
(2)電流注入部はストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該注入狭窄部の端で大きい構造からなり、且つ電流ブロック層は該電流注入部の中心よりバンドギャップエネルギーが小さいために吸収損失が大きくかつ屈折率が大きい窒化ガイルム系化合物半導体材料からなること。
(3)電流ブロック層は窒化ガリウム系化合物半導体材料からなり、活性層部は少なくともIna Gab Alc1-a-b-c N(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIne Gaf Alg1-e-f-g N(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸からなること。
【0016】
また本発明は、複数のレーザ光を発生する半導体レーザにおいて、活性層の組成または厚さまたは幅が異なる複数の活性層構造を備えていることを特徴とする。
【0017】
また本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体(Gax Iny Alz1-x-y-z N:0≦x、y、z、x+y+z≦1)からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾んだ窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法において、少なくとも1層以上の電流ブロック層となる層構造を形成する工程と、前記電流ブロック層を選択的に除去する工程と、該工程により除去した部分に選択的に結晶成長して電流注入部となる層構造を形成する工程を含むことを特徴とするまた本発明のもう1つの方法は、窒化ガリウム系化合物半導体(Gax Iny Alz1-x-y- z N:0≦x、y、z、x+y+z≦1)からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾んだ窒化ガリウム系化合物半導体レーザを製造する際、電流注入部となる層構造を選択的に結晶成長する工程と、前記電流注入部の両側に少なくとも1層以上の電流ブロック層を形成する工程であっても構わない。
【0018】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては、前記ブロック層と前記電流注入部の上部に、前記電流注入部の表面と同一の導電型の窒化ガリウム系化合物半導体(Gah Ini Alj1-h-I-j N:0≦h、i、j、h+i+j≦1)を少なくとも1層以上結晶成長する工程を含むことが挙げられる。
【0019】
本発明によれば、InGaAlBN系半導体レーザで、電流ブロック層には電流注入部より屈折率が大きい光閉じ込め層を設け、さらに電流注入部は中心から端に向けて屈折率を大きくして光閉込め効果を良好にさせることで、高次モードが抑制され安定な基本横モードでの連続発振が可能となるばかりか、しきい電流密度が低減できる。
【0020】
また本発明によれば、厚膜活性層の低出力・低雑音レーザと薄膜活性層の高出力レーザとを同一基板上に形成できるため、複雑なプロセスを要することなく、光ディスクシステムにおける再生読出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することが可能となる。
さらにまた本発明によれば、異なる波長のレーザを同一基板上に形成できるため、波長の違いによる非互換性の問題を解決できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。
図1は本発明の第1の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、101はサファイア基板、102はn−GaNコンタクト層(Siドープ、5+1018cm-3、4μm)、103はn−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Siドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、104はn−GaN導波層(Siドープ、0.1μm)、105はp−In0.1 Ga0.9 N(Mgドープ、1×1018cm-3、0.2μm)電流ブロック層、106はn−In0.1 Ga0.9 N(Siドープ、1×1018cm-3、0.1μm)電流ブロック層、107はInGaN量子井戸(アンドープ、溝の中心部はIn0.2 Ga0.8 N、2nm)が10層とそれを挾むInGaN障壁層(アンドープ、溝の中心部はIn0.05Ga0.95N、4nm)からなる量子井戸構造(SCH−MQW;Separete Confinement Heterostructure Multi-Quantum Well )活性層、108はp−GaN導波層(Mgドープ、溝の中心部は0.1μm)、109はp−AlGaNクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、溝の中心部はAl0.20Ga0.80N、0.1μm)、110はp−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、111はp−GaNコンタクト層(Mgドープ、1×1018cm-3、1μm)、112はPt(10nm)/Ti(20nm)/Pt(30nm)/Au(1μm)構造p側電極、113はAl/Ti/Au構造n側電極、114はSiO2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはTiO2 /SiO2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【0022】
次に、上記窒化物化合物半導体レーザの製造方法について、図7の工程断面図を参照して説明する。まず、図7の(a)で示す様に、有機金属気相成長法(以下、MOCVD法と略す)でサファイア基板上に、n−GaNコンタクト層102からn−InGaN電流ブロック層106までを成長し、SiO2 マスクを堆積し、SiO2 マスクの一部を幅7μmでストライプ状に除去し、このSiO2 をエッチングマスクとして塩素ガスを含むドライエッチング法によりn−GaN導波層104までの溝を形成する。次いで、図7の(b)で示す様に、SiO2 マスクとして、SCH−MQW活性層107からp−AlGaNクラッド層109までを選択成長する。ここで、SiO2 マスク上には結晶が成長しないために、ストライプ状にSiO2 を除去した領域のみに選択成長ができる。また、ストライプ状にSiO2 を除去した幅がSiO2 マスクの幅に比べて1/20以下の場合には、ストライプの中心部に比べSiO2 に近づくほど結晶成長速度が速くなり、結果として中心部より周辺部に向けて膜厚が厚くなる。特に、SCH−MQW活性層107を構成するInGaNはIn組成も中心部より周辺部に向けて高くなるので屈折率が傾斜的に大きくなる。本発明の第1の実施例の場合、SCH−MQW活性層107において、InGaN量子井戸層はストライプ中心部でIn0.2 Ga0.8 N、厚さ2nm、ストライプ周辺部でIn0.25Ga0.75N、厚さ3nmが形成され、また、InGaN障壁層はストライプ中心部でIn0.05Ga0.95N、厚さ4nm、ストライプ周辺部でIn0.09Ga0.91N、厚さ5.5nmが形成された。次いで、図7の(c)で示す様に、SiO2 マスクを除去し、全面にp−AlGaNクラッド層110とp−GaNコンタクト層111を成長する。次いで、図7の(d)で示す様に、ストライプ状のメサを形成し、ウェハ全面にSiO2 絶縁膜114を900nm堆積し、p−GaNコンタクト層111の上部にPt/Ti/Pt/Au構造p側電極112を、n−GaNコンタクト層102の一部にAl/Ti/Au構造n側電極113を形成する。次いで、サファイア基板101裏面を鏡面研磨し基板101の厚さを50μmとし、さらに電流狭窄構造に垂直な面で劈開し、その劈開面には特に図示しないがTiO2 /SiO2 を多層に積層した高反射コートを施し、さらに図6で示す様に、Cu、立法晶窒化硼素またはダイアモンド等の熱伝導性の高いヒートシンク115上にTi/Pt/Au等をメタライズした層116に対してAuSn共晶半田117を用いて熱圧着させる。ここでSCH−MQW活性層107の真上のp側電極112がヒートシンク115に熱圧着されていれば放熱性に問題は無い。さらに、電流注入のためにAu線またはAl線を用いて、Ti/Pt/Auメタライズ層116に配線する。尚、製造工程の順序は図7に示す構成に限らない。電流注入部の屈折率分布を本発明のようにするには、MOCVD法とでサファイア基板上に、n−GaNコンタクト層102からn−GaN導波層104までを成長し、SiO2 マスクを堆積し、SiO2 マスクの一部を幅7μmでストライプ状に除去し、SCH−MQW活性層107からp−AlGaNクラッド層109までを形成し、さらにp−AlGaNクラッド層109上部をSiO2 マスクで覆い、p−InGaN電流ブロック層105からn−InGaN電流ブロック層106を形成しても、MOCVD法による選択成長工程で横方向の屈折率が異なる電流注入部が形成できる。
【0023】
本実施例では、共振器長0.5mmの場合、閾値電流70mA、発振波長は420nm、動作電圧は5.2Vで室温連続発振した。さらに50℃、5mW駆動における素子寿命は5000時間以上であった。また、非点隔差は5μmと小さく、光ディスク応用に適したビーム特性が得られた。本レーザの場合、p−Al0.15Ga0.85Nクラッド層110とn−Al0.15Ga0.85Nクラッド層103に挾まれたSCH−MQW活性層107からp−AlGaNクラッド層109の電流注入がなされる活性領域の等価屈折率がp−In0.1 Ga0.9 N電流ブロック層105からn−In0.1 Ga0.9 N電流ブロック層106までの非通電領域に比べて低くなっている反導波構造から形成されており、さらにストライプ状の電流注入部は電流ブロック層に近い領域で等価屈折率が大きくなるのでストライプ幅を狭くせずとも反導波構造の効果が増大し、水平横モードの1次モードがカットオフとなる条件、すなわち基本横モードのみが存在しやすくなるために、非点隔差が小さくなる。さらに、InGaNは井戸層幅異存性として2nmの場合が最も利得が大きくなることが発明者等の実験で明らかであり、SNH−MQW活性層107のInGaN量子井戸層は厚さ2nmのストライプ中心部と厚さ3nmのストライプ周辺部との利得差が置きくなっているので、導波モードの制御性が向上している。
【0024】
また、p−InGaN電流ブロック層105及びn−InGaN電流ブロック層106のIn組成をSCH−MQW活性層107のInGaN量子井戸層より高くした場合、電流ブロック層105及び106は発振波長に対して吸収損失が大きくなり、導波モードの減衰が大きくなるので、結果的に電流注入部より電流ブロック層105及び106等価屈折率が低くなるが、この場合も基本横モードの安定化には極めて有効である。これは、電流ブロック層が損失領域であるので、染み出しの大きい高次モードは基本モードに比べて損失大またはカットオフになるためであるが、閾電流密度は反導波構造に比べてわずかに高くなる。
【0025】
図2は本発明の第2の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、201はサファイア基板、202はn−GaNコンタクト層(Sドープ、5×1018cm-3、4μm)、203はn−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Siドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、204はn−GaN導波層(Siドープ、0.1μm)、205はp−In0.1 Ga0.9 N(Mgドープ、1×1018cm-3、0.2μm)電流ブロック層、206はn−In0.1 Ga0.9 N(Siドープ、1×1018cm-3、0.1μm)電流ブロック層、207はInGaN量子井戸(アンドープ、溝の中心部はIn0.2 Ga0.8 N、2nm)が10層とそれを挾むInGaN障壁層(アンドープ、溝の中心部はIn0.05Ga0.95N、4nm)からなる量子井戸構造(SCH−MQW)活性層、208はp−GaN導波層(Mgドープ、溝の中心部は0.1μm)、209はp−AlGaNクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、溝の中心部はAl0.20Ga0.80N、20nm)、210はp−In0.25Ga0.75N層(Mgドープ、1×1018cm-3、50nm)、211はp−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、212はp−GaNコンタクト層(Mgドープ、1×1018cm-3、1μm)、213はPt(10nm)/Ti(20nm)/Pt(30nm)/Au(1μm)構造p側電極、214はAl/Ti/Au構造n側電極、215はSiO2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはTiO2 /SiO2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【0026】
本実施形態が図1で示される本発明の実施例1に対して異なる点は、p−In0.25Ga0.75N層211が挿入されていることにある。本レーザの場合、製造工程においては大気曝露されたp−AlGaNクラッド層209とn−In0.1 Ga0.9 N電流ブロック層206の夫々の表面に比較的低温からp−In0.25Ga0.75N層211を成長開始できるので、p−AlGaNクラッド層209とn−In0.1 Ga0.9 N電流ブロック層206の表面からの構成元素の蒸発防止が可能になるばかりか、p−In0.25Ga0.75N層211が過飽和吸収層として働くためにビーム特性が向上する。
【0027】
図3は本発明の第3の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、301はサファイア基板、302はn−GaNコンタクト層(Siドープ、5×1018cm-3、4μm)、303はn−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Siドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、304はn−GaN導波層(Siドープ、0.1μm)、305はIn0.2 Ga0.8 N量子井戸(アンドープ、2nm)が10層とそれを挾むIn0.05Ga0.95N障壁層(アンドープ、4nm)からなる量子井戸構造(SCH−MQW)活性層、306はp−GaN導波層(Mgドープ、0.1μm)、307はn−In0.1 Ga0.9 N(Siドープ、1×1018cm-3、0.2μm)電流ブロック層、308はn−Al0.15Ga0.85N(Siドープ、1×1018cm-3、0.1μm)、電流ブロック層、309はp−In0.25Ga0.75N層(Mgドープ、1×1018cm-3、50nm)、310はAl0.20Ga0.80Nクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、0.1μm)、311はp−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、312はp−GaNコンタクト層(Mgドープ、1×1018cm-3、1μm)、313はPt(10nm)/Ti(20nm)/Pt(30nm)/Au(μm)構造p側電極、314はAl/Ti/Au構造n側電極、315はSiO2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはTiO2 /SiO2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【0028】
本実施例のレーザの場合、p−Al0.15Ga0.85Nクラッド層311とp−GaN導波層306に挾まれたp−In0.25Ga0.75N層309とAl0.20Ga0.80Nクラッド層310からなる電流注入部はp−In0.1 Ga0.9 N電流ブロック層307とn−Al0.15Ga0.85N電流ブロック層308からなる電流ブロック層より等価屈折率が低く反導波構造を形成し、しかも電流注入部の中心部は周辺部より屈折率が低くなっている。従って、本発明の第1の実施例と同様に、水平横モードは基本モードだけとなり、非点隔差が小さくなる。
【0029】
図4は本発明の第4の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、401はサファイア基板、402はn−GaNコンタクト層(Siドープ、5×1018cm-3、4μm)、403はn−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Siドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、404はn−GaN導波層(Siドープ、0.1μm)、405はIn0.2 Ga0.8 N量子井戸(アンドープ、2nm)が10層とそれを挾むIn0.05Ga0.95N障壁層(アンドープ、4nm)からなる量子井戸構造(SCH−MQW)活性層、406はp−GaN導波層(Mgドープ、0.1μm)、407はn−In0.1 Ga0.9 N(Siドープ、1×1018cm-3、0.2μm)、電流ブロック層、408はn−Al0.15Ga0.85N(Siドープ、1×1018cm-3、0.1μm)電流ブロック層、409はp−In0.25Ga0.75N層(Mgドープ、1×1018cm-3、50nm)、410はAl0.20Ga0.80Nクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、0.1μm)、411はp−In0.25Ga0.75N層(Mgドープ、1×1018cm-3、50nm)、412はp−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、413はp−GaNコンタクト層(Mgドープ、1×1018cm-3、1μm)、414はPt(10nm)/Ti(20nm)/Pt(30nm)/Au(1μm)構造p側電極、415はAl/Ti/Au構造n側電極,416はSiO2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはTiO2 /SiO2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【0030】
本実施形態が図3で示される本発明の実施例3に対して異なる点は、本発明の第2の実施例が本発明の第1の実施例と異なるのと同様に、p−In0.25Ga0.75N層411を挿入したことにある。従って、本発明の第2の実施例と同様に、低温から埋め込み成長が可能になるので、下地の層の変質が防止できる。
【0031】
図5は本発明の第5の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、501はサファイア基板、502はn−GaNコンタクト層(Siドープ、5×1018cm-3、4μm)、503はn−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Siドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、504はn−GaN導波層(Siドープ、0.1μm)、505はp−In0.1 Ga0.9 N(Mgドープ、1×1018cm-3、0.2μm)電流ブロック層、506はn−In0.1 Ga0.9 N(Siドープ、1×1018cm-3、0.1μm)電流ブロック層、507A及び507BはInGaN量子井戸(アンドープ、溝の中心部は夫々In0.3 Ga0.7 N、4nmとIn0.2 Ga0.8 N、2nm)が10層とそれを挾むInGaN障壁層(アンドープ、溝の中心部は夫々In0.1 Ga0.9 N、8nmとIn0.05Ga0.95N、4nm)からなる量子井戸構造(SCH−MQW)活性層、508A及び508Bはp−GaN導波層(Mgドープ、溝の中心部は夫々0.1μmと0.06μm)、509A及び509Bはp−AlGaNクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、溝の中心部はAl0.20Ga0.80N、膜厚は夫々0.1μmと0.06μm)、510はp−Al0.15Ga0.85Nクラッド層(Mgドープ、1×1018cm-3、0.3μm)、511はp−GaNコンタクト層(Mgドープ、1×1018cm-3、1μm)、512はPt(10nm)/Ti(20nm)/Pt(30nm)/Au(1μm)構造p側電極、513はAl/Ti/Au構造n側電極、514はSiO2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはTiO2 /SiO2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【0032】
本実施形態が図1で示される本発明の実施例1に対して異なる点は、電流注入部の幅が5μmと10μmの2種類あることである。SiO2 マスクを用いた選択成長によるSCH−MQW活性層507A及び507Bの形成ではストライプ幅が狭いほどレーザ発振波長を決定するInGaN量子井戸層の組成は高くなり且つ膜厚は厚くなる。従って、ストライプ幅が5μmの電流注入部Aの中心ではIn0.3 Ga0.7 N、4nmの量子井戸層が形成され、ストライプ幅が10μmの電流注入部Bの中心ではIn0.2 Ga0.8 N、2nm量子井戸層が形成され、夫々波長425nmと波長420nmで発振した。本レーザの場合、電流注入部Aは厚膜活性層の低出力・低雑音レーザとして、電流注入部Bは薄膜活性層の高低出力レーザとして、夫々動作し、最大光出力は電流注入部Aで10mW、電流注入部Bで100mWであった。従って、選択成長により複雑なプロセスを要せず光ディスクシステムにおける再生読み出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することが可能になる。
【0033】
さらにまた、本発明によれば、波長360nmから波長650nmまでの異なる波長をストライプ幅を変えるだけで実現可能であるので、波長の違うレーザを集積することが可能であり、光ディスクシステムの非互換性の問題を解決できる。
【0034】
尚、図6で示すマウント法は窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の構造に依存するものでは無いので本発明のすべての実施例について適用できることは言うまでもない。
また、本発明は本実施例に限られるものではなく、半導体層の組成や膜厚の相違や、さらには導電性が逆の構造であっても構わない。
【0035】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、活性領域が等価屈折率が異なる構成からなるストライプで形成され、さらにその両側には少なくとも1層以上の屈折率の大きい材料からなる電流ブロック層を形成することにより、閾値電流が低減され、且つ安定な基本横モードで発振する、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを実現することができ、光ディスクシステム等の光源として要求されるレーザ性能を満たすことが可能となる。
【0036】
また本発明によれば、セルフアラインプロセスで容易に精度良く電流狭窄構造及び光閉じ込め構造を形成できる。さらに、同一のプロセスで容易にアレイ化ができるので、光ディスクシステムの消去・記録において要求される高出力レーザも実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係わる図
【図2】本発明の第2の実施例に係わる図
【図3】本発明の第3の実施例に係わる図
【図4】本発明の第4の実施例に係わる図
【図5】本発明の第5の実施例に係わる図
【図6】本発明の第1の実施例の半導体レーザ素子の実装に係わる図
【図7】本発明の第1の実施例の製造工程に係わる図
【符号の説明】
図中、
101、201、301、401、501はサファイア基板、
102、202、302、402、502はn−GaNコンタクト層
103、203、303、403、503はn−Al0.15Ga0.85Nクラッド層、
104、204、304、404、504はn−GaN導波層、
105、205、307、407、505はp−InGaN電流ブロック層、
106、206、308、408、506はn−InGaN電流ブロック層、
107、207、305、405、507A、508BはSCH−MQW活性層、
108、208、306、410、508A、508Bはp−GaN導波層、
109、209、310、410、509A、509Bはp−AlGaNクラッド層、
210、309、409、411はp−In0.1 Ga0.9 Nバッファ層、
110、211、311、412、510はp−Al0.15Ga0.85Nクラッド層、
111、212、312、413、511はp−GaNコンタクト層、
112、213、313、414、512A、512Bはp側電極、
113、214、314、415、513はn側電極、
114、215、315、416、514はSiO2 絶縁膜、
115はヒートシンク、
116はPt/Ti/Au層、
117はAuSn半田。
[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a semiconductor device using a nitride compound semiconductor material, and more particularly to a semiconductor laser made of an InGaAlBN material and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Development of a semiconductor laser using an InGaAlN material as a short wavelength light source required for increasing the density of an optical disk is underway. A laser using a multiple quantum well structure has been reported as a structure realizing oscillation by current injection in this material system.
[0003]
It is known that a multiple quantum well structure using a thin film active layer with respect to a bulk active layer can greatly reduce the threshold value. However, in this material system, the threshold current density is still high and the operating voltage is high, so that there are many problems to realize continuous oscillation.
[0004]
One of the reasons why the operating voltage is high in the InGaAlN laser is that the p-type contact resistance is extremely large. In the already reported electrode stripe structure, the voltage drop in the p-type electrode stripe is large, the operating voltage becomes high, and the generation of heat in this region cannot be ignored. In order to reduce the contact resistance, the electrode area may be increased. However, in the above electrode stripe structure, the threshold current value increases as the electrode area is increased, and the fundamental transverse mode oscillation is not possible because the current injection region is large. Is possible.
[0005]
In application to an optical disk or the like, since it is necessary to narrow the outgoing beam to a very small spot, fundamental transverse mode oscillation is indispensable, but a transverse mode control structure is not realized in an InGaAlN laser. As a conventional material system, for example, an InGaAlP-based ridge stripe type SBR laser has been reported.
[0006]
However, since the material system is different from the InGaAlN laser, this structure cannot be applied as it is. As a current confinement structure in the InGaAlN system, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-111558 discloses a structure using GaN as a current confinement layer. Although this structure allows current confinement, it does not have an optical confinement function, and it is difficult to obtain a high quality outgoing beam without astigmatism.
[0007]
In general, in order for the current confinement layer provided in the clad layer to also act as a light confinement layer, it is necessary to set the composition, thickness, distance from the active layer, and the like to predetermined values. In particular, in an InGaAlN laser, since the oscillation wavelength is short, even if the composition is the same, the waveguide mechanism is completely different depending on the thickness and position. For this reason, a stable fundamental transverse mode oscillation cannot be obtained simply by providing a current confinement layer.
[0008]
On the other hand, various specifications are required for a semiconductor laser for use in an optical disk system. In particular, the write-once type and the rewritable type require a low-power semiconductor laser for reproducing and reading and a high-power semiconductor laser for erasing and recording, and the specifications are different from each other. A high-power semiconductor laser generally has a thin film active layer structure, but this structure is not necessarily suitable for a readout laser. This is because, for example, a self-oscillation type structure is used for the readout laser because low-noise characteristics are required for the readout laser, but it is difficult to obtain self-oscillation with an ultrathin active layer structure. For this reason, a high-frequency superposition method, a method using two types of lasers, and the like are used, but the configuration is complicated. Also, a method of forming two types of lasers by changing the active layer thickness depending on the location has been reported, but there is a problem that it is difficult to control the active layer thickness.
[0009]
Furthermore, as the density of optical discs increases, semiconductor lasers with different wavelengths will be used. However, compatibility with conventional optical disc systems is required, so lasers of both wavelengths are required. There is. This is particularly necessary when the wavelength difference is large, such as red and blue. This is because the pit depth of the optical disk is optimized at the wavelength used, and if the reproduction wavelength is significantly different, the SN of the signal due to reflection from the pit is lowered.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, conventionally, it has been difficult to produce a transverse mode control structure with an InGaAlN-based semiconductor laser, and it has been difficult to realize a semiconductor laser that continuously oscillates in a fundamental transverse mode. In addition, it has been difficult to realize the laser performance required for both reproduction / reading and erasing / recording in the optical disk system. Furthermore, it has been difficult to realize a semiconductor laser that can be used for both, which is necessary for ensuring compatibility between optical disk systems having different wavelengths and different recording densities.
[0011]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the object of the present invention is that it can continuously oscillate in a stable fundamental transverse mode, and has high quality without astigmatism suitable for a light source such as an optical disk system. An object of the present invention is to provide an InGaAlN semiconductor laser capable of obtaining an outgoing beam. Another object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of realizing the laser performance required for both reproduction / reading and erasing / recording in an optical disk system without requiring a difficult process, and a manufacturing method thereof. It is in.
[0012]
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor laser that can be used for both, and a method for manufacturing the same, which are necessary for ensuring compatibility between optical disc systems having different design wavelengths.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The essence of the present invention is that the optical confinement layer having a large refractive index is provided, and the transverse mode is controlled by the loss waveguide effect or the anti-waveguide effect, so that the continuous oscillation in the fundamental transverse mode with a low operating voltage is stable. Is to make it possible.
[0014]
That is, the present invention relates to a gallium nitride compound semiconductor (Gax Iny Alz B1-xyz N: 0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1), and in a semiconductor laser in which an active layer is sandwiched between semiconductor layers having different conductivity types, a stripe-shaped current injection portion for injecting carriers into the active layer And at least one current blocking layer is formed on both sides of the current injection part, and the current injection part has a structure having different equivalent refractive indexes.
[0015]
Here, preferred embodiments of the present invention include the following.
(1) The current injection part has a structure in which the equivalent refractive index is larger at the end of the injection constriction part than the center of the current injection part in the direction perpendicular to the stripe and the current injection direction, and the current block layer is formed of the current injection part. It is made of a gallium nitride compound semiconductor material having a refractive index equivalent to the end.
(2) The current injection portion has a structure in which the equivalent refractive index is larger at the end of the injection constriction portion than the center of the current injection portion in the direction perpendicular to the stripe and the current injection direction, and the current blocking layer is formed of the current injection portion. It is made of a gallium nitride compound semiconductor material having a large absorption loss and a large refractive index because the band gap energy is smaller than the center.
(3) The current blocking layer is made of a gallium nitride compound semiconductor material, and the active layer portion is at least Ina Gab Alc B1-abc A well layer composed of N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) and Ine Gaf Alg B1-efg It consists of a single quantum well or multiple quantum wells composed of a barrier layer made of N (0 ≦ e, f, g, e + f + g ≦ 1).
[0016]
The present invention is also characterized in that a semiconductor laser that generates a plurality of laser beams has a plurality of active layer structures having different active layer compositions, thicknesses, or widths.
[0017]
The present invention also relates to a gallium nitride compound semiconductor (Gax Iny Alz B1-xyz N: 0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1), and a method of manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laser in which an active layer is sandwiched between semiconductor layers having different conductivity types, A step of forming a layer structure to be formed, a step of selectively removing the current blocking layer, and a step of forming a layer structure to be a current injection portion by selectively crystal growth in a portion removed by the step. According to another method of the present invention, a gallium nitride-based compound semiconductor (Gax Iny Alz B1-xy- z N: 0.ltoreq.x, y, z, x + y + z.ltoreq.1), and a layer structure to be a current injection part is selected when manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laser in which an active layer is sandwiched between semiconductor layers having different conductivity types. It may be a step of crystal growth and a step of forming at least one current blocking layer on both sides of the current injection portion.
[0018]
Here, as a preferred embodiment of the present invention, a gallium nitride compound semiconductor (Ga) having the same conductivity type as that of the surface of the current injection portion is formed on the block layer and the current injection portion.h Ini Alj B1-hIj N: 0 ≦ h, i, j, h + i + j ≦ 1) includes a step of crystal growth of at least one layer.
[0019]
According to the present invention, in the InGaAlBN semiconductor laser, the current blocking layer is provided with an optical confinement layer having a refractive index larger than that of the current injection portion, and the current injection portion has a refractive index that increases from the center toward the end to close the light. By making the confinement effect good, not only the higher-order mode is suppressed but the continuous oscillation in the stable fundamental transverse mode becomes possible, and the threshold current density can be reduced.
[0020]
Further, according to the present invention, since the low-power / low-noise laser of the thick film active layer and the high-power laser of the thin film active layer can be formed on the same substrate, reproduction and reading in the optical disk system can be performed without requiring a complicated process. Laser performance required for both erasing and recording can be realized.
Furthermore, according to the present invention, since lasers with different wavelengths can be formed on the same substrate, the problem of incompatibility due to the difference in wavelength can be solved.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.
FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of a gallium nitride blue semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. In the figure, 101 is a sapphire substrate, 102 is an n-GaN contact layer (Si-doped, 5 + 1018cm-34 μm), 103 is n-Al0.15Ga0.85N clad layer (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 104 is an n-GaN waveguide layer (Si-doped, 0.1 μm), 105 is p-In0.1 Ga0.9 N (Mg doped, 1 × 1018cm-30.2 μm) current blocking layer 106 is n-In0.1 Ga0.9 N (Si doped, 1 × 1018cm-30.1 μm) current blocking layer, 107 is an InGaN quantum well (undoped, the center of the groove is In0.2 Ga0.8 N, 2 nm) and 10 layers of InGaN barrier layer sandwiching it (undoped, the center of the groove is In0.05Ga0.95N, 4 nm), a quantum well structure (SCH-MQW) active layer, 108 is a p-GaN waveguide layer (Mg doped, the center of the groove is 0.1 μm), 109 is p -AlGaN cladding layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3The center of the groove is Al0.20Ga0.80N, 0.1 μm), 110 is p-Al0.15Ga0.85N clad layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 111 is a p-GaN contact layer (Mg-doped, 1 × 1018cm-31 μm), 112 is a Pt (10 nm) / Ti (20 nm) / Pt (30 nm) / Au (1 μm) structure p-side electrode, 113 is an Al / Ti / Au structure n-side electrode, and 114 is SiO2 It is an insulating film. Although not shown in particular, the laser light emitting end face has TiO2 / SiO2 A high-reflective coating with multiple layers is applied.
[0022]
Next, a method for manufacturing the nitride compound semiconductor laser will be described with reference to the process cross-sectional view of FIG. First, as shown in FIG. 7A, an n-GaN contact layer 102 to an n-InGaN current blocking layer 106 are grown on a sapphire substrate by metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter abbreviated as MOCVD). And SiO2 Deposit mask and SiO2 A part of the mask is removed in a stripe shape with a width of 7 μm.2 Is used as an etching mask to form a groove to the n-GaN waveguide layer 104 by a dry etching method containing chlorine gas. Next, as shown in FIG.2 As a mask, the SCH-MQW active layer 107 to the p-AlGaN cladding layer 109 are selectively grown. Where SiO2 Since crystals do not grow on the mask, SiO2 is striped.2 Selective growth can be performed only in the region where the film is removed. Also, striped SiO2 The width after removing the SiO2 When it is 1/20 or less compared to the width of the mask, SiO2 The crystal growth rate increases as the value approaches, and as a result, the film thickness increases from the center toward the periphery. In particular, the InGaN constituting the SCH-MQW active layer 107 has an In composition that increases from the central portion toward the peripheral portion, so that the refractive index increases in a gradient manner. In the case of the first embodiment of the present invention, in the SCH-MQW active layer 107, the InGaN quantum well layer is In at the center of the stripe.0.2 Ga0.8 N, thickness 2 nm, In at the stripe periphery0.25Ga0.75N, a thickness of 3 nm is formed, and the InGaN barrier layer is In at the center of the stripe.0.05Ga0.95N, 4 nm thick, In at the stripe periphery0.09Ga0.91N, a thickness of 5.5 nm was formed. Next, as shown in FIG.2 The mask is removed, and a p-AlGaN cladding layer 110 and a p-GaN contact layer 111 are grown on the entire surface. Next, as shown in FIG. 7D, a striped mesa is formed, and SiO 2 is formed on the entire surface of the wafer.2 An insulating film 114 is deposited to 900 nm, a Pt / Ti / Pt / Au structure p-side electrode 112 is formed on the p-GaN contact layer 111, and an Al / Ti / Au structure n-side electrode is formed on a part of the n-GaN contact layer 102. 113 is formed. Next, the back surface of the sapphire substrate 101 is mirror-polished so that the thickness of the substrate 101 is 50 μm, and is further cleaved on a plane perpendicular to the current confinement structure.2 / SiO2 As shown in FIG. 6, a layer 116 obtained by metalizing Ti / Pt / Au or the like on a heat sink 115 having high thermal conductivity such as Cu, cubic boron nitride or diamond is applied. On the other hand, thermocompression bonding is performed using AuSn eutectic solder 117. If the p-side electrode 112 directly above the SCH-MQW active layer 107 is thermocompression bonded to the heat sink 115, there is no problem in heat dissipation. Further, wiring is performed on the Ti / Pt / Au metallized layer 116 using Au wire or Al wire for current injection. The order of the manufacturing process is not limited to the configuration shown in FIG. In order to make the refractive index distribution of the current injection portion as in the present invention, the n-GaN contact layer 102 to the n-GaN waveguide layer 104 are grown on the sapphire substrate by MOCVD, and SiO 22 Deposit mask and SiO2 A part of the mask is removed in a stripe shape with a width of 7 μm, the SCH-MQW active layer 107 to the p-AlGaN cladding layer 109 are formed, and the upper portion of the p-AlGaN cladding layer 109 is formed on the SiO 2 layer.2 Even if the n-InGaN current blocking layer 106 is formed from the p-InGaN current blocking layer 105 by covering with a mask, current injection portions having different refractive indexes in the lateral direction can be formed in the selective growth process by the MOCVD method.
[0023]
In this example, when the resonator length was 0.5 mm, the threshold current was 70 mA, the oscillation wavelength was 420 nm, the operating voltage was 5.2 V, and continuous oscillation was performed at room temperature. Furthermore, the device lifetime at 50 ° C. and 5 mW drive was 5000 hours or more. Further, the astigmatic difference was as small as 5 μm, and beam characteristics suitable for optical disc applications were obtained. In the case of this laser, p-Al0.15Ga0.85N clad layer 110 and n-Al0.15Ga0.85The equivalent refractive index of the active region in which current is injected from the SCH-MQW active layer 107 to the p-AlGaN cladding layer 109 sandwiched between the N cladding layers 103 is p-In.0.1 Ga0.9 N current blocking layer 105 to n-In0.1 Ga0.9 The anti-waveguide structure is lower than that of the non-current-carrying region up to the N current blocking layer 106, and the stripe-shaped current injection portion has a higher equivalent refractive index in the region close to the current blocking layer. Even if the width is not reduced, the effect of the anti-waveguide structure is increased, and the astigmatic difference is reduced because only the fundamental transverse mode is likely to exist, that is, the condition in which the primary mode of the horizontal transverse mode is cut off. Furthermore, it is clear from experiments by the inventors that InGaN has a well layer width heterogeneity of 2 nm, and the InGaN quantum well layer of the SNH-MQW active layer 107 has a 2 nm thick stripe center portion. Since the gain difference between the stripe and the peripheral portion of the stripe having a thickness of 3 nm is more difficult, the controllability of the waveguide mode is improved.
[0024]
When the In composition of the p-InGaN current blocking layer 105 and the n-InGaN current blocking layer 106 is set higher than that of the InGaN quantum well layer of the SCH-MQW active layer 107, the current blocking layers 105 and 106 absorb the oscillation wavelength. The loss increases and the attenuation of the guided mode increases, resulting in a lower equivalent refractive index of the current blocking layers 105 and 106 than the current injection portion. This case is also extremely effective for stabilizing the fundamental transverse mode. is there. This is because, since the current blocking layer is a loss region, the higher order mode with a large amount of leakage has a larger loss or cut-off than the fundamental mode, but the threshold current density is slightly lower than that of the anti-waveguide structure. To be high.
[0025]
FIG. 2 is a diagram for explaining a schematic configuration of a gallium nitride blue semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention. In the figure, 201 is a sapphire substrate, 202 is an n-GaN contact layer (S-doped, 5 × 1018cm-34 μm), 203 is n-Al0.15Ga0.85N clad layer (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 204 is an n-GaN waveguide layer (Si-doped, 0.1 μm), 205 is p-In0.1 Ga0.9 N (Mg doped, 1 × 1018cm-30.2 μm) current blocking layer, 206 is n-In0.1 Ga0.9 N (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.1 μm) current blocking layer, 207 is InGaN quantum well (undoped, the center of the groove is In0.2 Ga0.8 N, 2 nm) and 10 layers of InGaN barrier layer sandwiching it (undoped, the center of the groove is In0.05Ga0.95N, 4 nm) quantum well structure (SCH-MQW) active layer, 208 is a p-GaN waveguide layer (Mg doped, groove center is 0.1 μm), 209 is a p-AlGaN cladding layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3The center of the groove is Al0.20Ga0.80N, 20 nm), 210 is p-In0.25Ga0.75N layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 50 nm), 211 is p-Al0.15Ga0.85N clad layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 212 is a p-GaN contact layer (Mg-doped, 1 × 1018cm-31 μm), 213 is a Pt (10 nm) / Ti (20 nm) / Pt (30 nm) / Au (1 μm) structure p-side electrode, 214 is an Al / Ti / Au structure n-side electrode, and 215 is SiO2 It is an insulating film. Although not shown in particular, the laser light emitting end face has TiO2 / SiO2 A high-reflective coating with multiple layers is applied.
[0026]
This embodiment differs from Example 1 of the present invention shown in FIG. 1 in that p-In0.25Ga0.75The N layer 211 is inserted. In the case of this laser, the p-AlGaN cladding layer 209 and n-In exposed to the atmosphere in the manufacturing process.0.1 Ga0.9 P-In is applied to each surface of the N current blocking layer 206 from a relatively low temperature.0.25Ga0.75Since the growth of the N layer 211 can be started, the p-AlGaN cladding layer 209 and the n-In0.1 Ga0.9 In addition to being able to prevent evaporation of constituent elements from the surface of the N current blocking layer 206, p-In0.25Ga0.75Since the N layer 211 functions as a saturable absorption layer, the beam characteristics are improved.
[0027]
FIG. 3 is a diagram for explaining a schematic configuration of a gallium nitride blue semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention. In the figure, 301 is a sapphire substrate, 302 is an n-GaN contact layer (Si-doped, 5 × 1018cm-34 μm), 303 is n-Al0.15Ga0.85N clad layer (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 304 is an n-GaN waveguide layer (Si-doped, 0.1 μm), 305 is In0.2 Ga0.8 N quantum well (undoped, 2nm) with 10 layers and In0.05Ga0.95Quantum well structure (SCH-MQW) active layer composed of an N barrier layer (undoped, 4 nm), 306 is a p-GaN waveguide layer (Mg doped, 0.1 μm), 307 is n-In0.1 Ga0.9 N (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.2 μm) current blocking layer, 308 is n-Al0.15Ga0.85N (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.1 μm), current blocking layer 309 is p-In0.25Ga0.75N layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 50 nm), 310 is Al0.20Ga0.80N clad layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 0.1 μm), 311 is p-Al0.15Ga0.85N clad layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 312 is a p-GaN contact layer (Mg-doped, 1 × 1018cm-31 μm), 313 is a Pt (10 nm) / Ti (20 nm) / Pt (30 nm) / Au (μm) structure p-side electrode, 314 is an Al / Ti / Au structure n-side electrode, and 315 is SiO2 It is an insulating film. Although not shown in particular, the laser light emitting end face has TiO2 / SiO2 A high-reflective coating with multiple layers is applied.
[0028]
In the case of the laser of this example, p-Al0.15Ga0.85P-In sandwiched between the N-clad layer 311 and the p-GaN waveguide layer 3060.25Ga0.75N layer 309 and Al0.20Ga0.80The current injection part made of the N clad layer 310 is p-In.0.1 Ga0.9 N current blocking layer 307 and n-Al0.15Ga0.85The equivalent refractive index is lower than that of the current blocking layer made of the N current blocking layer 308 to form an anti-waveguide structure, and the refractive index is lower in the central portion of the current injection portion than in the peripheral portion. Accordingly, as in the first embodiment of the present invention, the horizontal / horizontal mode is only the basic mode, and the astigmatic difference is reduced.
[0029]
FIG. 4 is a view for explaining a schematic configuration of a gallium nitride blue semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention. In the figure, 401 is a sapphire substrate, 402 is an n-GaN contact layer (Si-doped, 5 × 1018cm-34 μm), 403 is n-Al0.15Ga0.85N clad layer (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 404 is an n-GaN waveguide layer (Si-doped, 0.1 μm), 405 is In0.2 Ga0.8 N quantum well (undoped, 2nm) with 10 layers and In0.05Ga0.95Quantum well structure (SCH-MQW) active layer composed of an N barrier layer (undoped, 4 nm), 406 is a p-GaN waveguide layer (Mg doped, 0.1 μm), and 407 is n-In0.1 Ga0.9 N (Si doped, 1 × 1018cm-30.2 μm), current blocking layer, 408 is n-Al0.15Ga0.85N (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.1 μm) current blocking layer, 409 is p-In0.25Ga0.75N layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 50 nm), 410 is Al0.20Ga0.80N clad layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 0.1 μm), 411 is p-In0.25Ga0.75N layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 50 nm), 412 is p-Al0.15Ga0.85N clad layer (Mg doped, 1 × 1018cm-30.3 μm), 413 is a p-GaN contact layer (Mg-doped, 1 × 1018cm-31 μm), 414 is Pt (10 nm) / Ti (20 nm) / Pt (30 nm) / Au (1 μm) structure p-side electrode, 415 is Al / Ti / Au structure n-side electrode, 416 is SiO2 It is an insulating film. Although not shown in particular, the laser light emitting end face has TiO2 / SiO2 A high-reflective coating with multiple layers is applied.
[0030]
This embodiment differs from the third embodiment of the present invention shown in FIG. 3 in that the second embodiment of the present invention differs from the first embodiment of the present invention in the same manner as p-In.0.25Ga0.75The N layer 411 is inserted. Accordingly, as in the second embodiment of the present invention, since the burying growth can be performed from a low temperature, the underlying layer can be prevented from being altered.
[0031]
FIG. 5 is a diagram for explaining a schematic configuration of a gallium nitride blue semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention. In the figure, 501 is a sapphire substrate, 502 is an n-GaN contact layer (Si-doped, 5 × 1018cm-34 μm), 503 is n-Al0.15Ga0.85N clad layer (Si doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 504 is an n-GaN waveguide layer (Si-doped, 0.1 μm), 505 is p-In0.1 Ga0.9 N (Mg doped, 1 × 1018cm-30.2 μm) current blocking layer, 506 is n-In0.1 Ga0.9 N (Si doped, 1 × 1018cm-30.1 μm) current blocking layer, 507A and 507B are InGaN quantum wells (undoped, the center of the groove is In0.3 Ga0.7 N, 4nm and In0.2 Ga0.8 N, 2 nm) and 10 layers of InGaN barrier layers sandwiching it (undoped, the center of the groove is In0.1 Ga0.9 N, 8nm and In0.05Ga0.95N, 4 nm) quantum well structure (SCH-MQW) active layer, 508A and 508B are p-GaN waveguide layers (Mg doped, the center of the groove is 0.1 μm and 0.06 μm, respectively), and 509A and 509B are p-AlGaN cladding layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3The center of the groove is Al0.20Ga0.80N and film thickness are 0.1 μm and 0.06 μm, respectively, 510 is p-Al0.15Ga0.85N clad layer (Mg doped, 1 × 1018cm-3, 0.3 μm), 511 is a p-GaN contact layer (Mg-doped, 1 × 1018cm-31 μm), 512 is a Pt (10 nm) / Ti (20 nm) / Pt (30 nm) / Au (1 μm) structure p-side electrode, 513 is an Al / Ti / Au structure n-side electrode, and 514 is SiO2 It is an insulating film. Although not shown in particular, the laser light emitting end face has TiO2 / SiO2 A high-reflective coating with multiple layers is applied.
[0032]
The present embodiment is different from the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 in that there are two types of current injection portions of 5 μm and 10 μm. SiO2 In the formation of the SCH-MQW active layers 507A and 507B by selective growth using a mask, the composition of the InGaN quantum well layer that determines the laser oscillation wavelength increases and the film thickness increases as the stripe width decreases. Therefore, at the center of the current injection portion A having a stripe width of 5 μm, In0.3 Ga0.7 N, a 4 nm quantum well layer is formed, and the center of the current injection portion B having a stripe width of 10 μm is In.0.2 Ga0.8 N and 2 nm quantum well layers were formed and oscillated at wavelengths of 425 nm and 420 nm, respectively. In the case of this laser, the current injection part A operates as a low-power / low-noise laser of the thick film active layer, the current injection part B operates as a high-low power laser of the thin film active layer, and the maximum light output is from the current injection part A. 10 mW and 100 mW at the current injection portion B. Therefore, it is possible to realize the laser performance required for both reproduction reading and erasing / recording in the optical disc system without requiring a complicated process by selective growth.
[0033]
Furthermore, according to the present invention, different wavelengths from a wavelength of 360 nm to a wavelength of 650 nm can be realized only by changing the stripe width, so that lasers with different wavelengths can be integrated, and the incompatibility of the optical disk system Can solve the problem.
[0034]
Note that the mount method shown in FIG. 6 does not depend on the structure of the gallium nitride blue semiconductor laser device, and needless to say, it can be applied to all embodiments of the present invention.
Further, the present invention is not limited to the present embodiment, and the semiconductor layer may have a different composition or film thickness, or may have a structure with reverse conductivity.
[0035]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the gallium nitride compound semiconductor laser, the active region is formed by stripes having different equivalent refractive indexes, and at least one layer on each side has a large refractive index. By forming a current blocking layer made of a material, it is possible to realize a gallium nitride compound semiconductor laser that reduces the threshold current and oscillates in a stable fundamental transverse mode, and is required as a light source for an optical disk system or the like. It becomes possible to satisfy the laser performance.
[0036]
Further, according to the present invention, a current confinement structure and an optical confinement structure can be formed easily and accurately by a self-alignment process. Furthermore, since the array can be easily formed by the same process, a high-power laser required for erasing / recording of the optical disk system can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram related to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram related to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram related to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram related to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram related to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram relating to the mounting of the semiconductor laser device of the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram related to the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
In the figure,
101, 201, 301, 401, 501 are sapphire substrates,
102, 202, 302, 402, 502 are n-GaN contact layers
103, 203, 303, 403 and 503 are n-Al0.15Ga0.85N clad layer,
104, 204, 304, 404, 504 are n-GaN waveguide layers,
105, 205, 307, 407 and 505 are p-InGaN current blocking layers,
106, 206, 308, 408, 506 are n-InGaN current blocking layers,
107, 207, 305, 405, 507A, 508B are SCH-MQW active layers,
108, 208, 306, 410, 508A and 508B are p-GaN waveguide layers,
109, 209, 310, 410, 509A, 509B are p-AlGaN cladding layers,
210, 309, 409, 411 are p-In0.1 Ga0.9 N buffer layer,
110, 211, 311, 412, 510 are p-Al0.15Ga0.85N clad layer,
111, 212, 312, 413, 511 are p-GaN contact layers,
112, 213, 313, 414, 512A, 512B are p-side electrodes,
113, 214, 314, 415 and 513 are n-side electrodes,
114, 215, 315, 416, 514 is SiO2 Insulation film,
115 is a heat sink,
116 is a Pt / Ti / Au layer;
117 is AuSn solder.

Claims (8)

窒化ガリウム系化合物半導体(GaxInyAlz1-x-y-zN:0≦x、y、z、x+y+z≦1)からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾んだ半導体レーザにおいて、前記活性層にキャリアを注入するためのストライプ状の電流注入部が形成され、該電流注入部の両側には少なくとも1層以上の電流ブロック層が形成されており、前記電流注入部はストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該電流注入部の端で大きい構造からなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。In a semiconductor laser made of a gallium nitride compound semiconductor (Ga x In y Al z B 1-xyz N: 0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1), the active layer is sandwiched between semiconductor layers having different conductivity types, the active layer stripe-shaped current injection part for injecting carriers is formed, on both sides of the current injection portion being at least one layer of the current blocking layer is formed, said current injection portion is a stripe and the current A gallium nitride-based compound semiconductor laser having a structure in which an equivalent refractive index in a direction perpendicular to an injection direction is larger at an end of the current injection portion than at a center of the current injection portion . 前記電流ブロック層は前記電流注入部の端より等価的に屈折率が大きい窒化ガリウム系化合物半導体材料からなることを特徴とする請求項1記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。 Said current blocking layer is said current injection portion end than the equivalent to Claim 1 gallium nitride-based compound semiconductor laser, wherein the refractive index is made of large gallium nitride compound semiconductor material. 前記電流ブロック層は前記電流注入部の中心よりバンドギャップエネルギーが小さ吸収損失が大きくかつ屈折率が大きい窒化ガリウム系化合物半導体材料からなることを特徴とする請求項1記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。 It said current blocking layer is said current injection portion Claim 1 gallium nitride-based compound according semiconductor band gap energy than center smaller rather absorption loss is characterized in that it consists of large and refractive index is large gallium nitride-based compound semiconductor material laser. 前記電流ブロク層は窒化ガリウム系化合物半導体材料からなり、前記活性層部は少なくともInaGabAlc1-a-b-cN(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIneGafAlg1-e-f-gN(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。Wherein the current block layer is composed of a gallium nitride compound semiconductor material, the active layer portion is at least In a Ga b Al c B 1 -abc N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) consisting of a well layer claims, wherein the in e Ga f Al g B 1 -efg N (0 ≦ e, f, g, e + f + g ≦ 1) that consists of a single quantum well or multiple quantum well composed to consist barrier layer Item 4. The gallium nitride compound semiconductor laser according to any one of Items 1 to 3. 前記活性層の組成または厚さまたは幅が異なる複数の活性層構造があることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。  5. The gallium nitride compound semiconductor laser according to claim 1, wherein there are a plurality of active layer structures having different compositions, thicknesses, or widths of the active layer. 前記電流注入部は、ストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に該電流注入部の中心より該電流注入部の端で膜厚が厚くIn組成が高い活性層を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。2. The current injection portion includes an active layer having a thickness and a high In composition at the end of the current injection portion in the direction perpendicular to the stripe and the current injection direction from the center of the current injection portion. The gallium nitride compound semiconductor laser according to any one of? 窒化ガリウム系化合物半導体(GaxInyAlz1-x-y-zN:0≦x、y、z、x+y+x≦1)からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾み、前記活性層にキャリアを注入するためのストライプ状の電流注入部が形成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法において、少なくとも1層以上の電流ブロック層を形成する工程と、該電流ブロック層を選択的に除去する工程と、該工程により除去した部分に前記電流注入部となる層構造を、ストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該電流注入部の端で大きい構造となるように選択的に結晶成長する工程と、前記電流注入部と前記電流ブロック層の上部に、前記電流注入部の表面と同一の導電型の窒化ガリウム系化合物半導体(Ga h In i Al j 1-h-i-j N:0≦h、i、j、h+i+j≦1)を少なくとも1層以上結晶成長する工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。Gallium nitride compound semiconductor (Ga x In y Al z B 1-xyz N: 0 ≦ x, y, z, x + y + x ≦ 1) consists, viewed挾the active layer in semiconductor layers having different conductivity types, said active layer In a method of manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laser having a stripe-shaped current injection portion for injecting carriers, a step of forming at least one current block layer and selectively removing the current block layer a step of a layer structure serving as the current injection portion and the portion removed by the process, the stripe and the current injection direction perpendicular to the equivalent refractive index is large at the end of the current injection portion than the center of the current injection section A step of selectively growing a crystal so as to form a structure, and a gallium nitride compound semiconductor (Ga h) having the same conductivity type as the surface of the current injection portion on the current injection portion and the current blocking layer. A method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser comprising a step of crystal growth of at least one layer of In i Al j B 1-hij N: 0 ≦ h, i, j, h + i + j ≦ 1) . 窒化ガリウム系化合物半導体(GaxInyAlz1-x-y-zN:0≦x、y、z、x+y+z≦1)からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾み、前記活性層にキャリアを注入するためのストライプ状の電流注入部が形成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法において、前記電流注入部となる層構造を、ストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該電流注入部の端で大きい構造となるように選択的に結晶成長する工程と、前記電流注入部の両側に少なくとも1層以上の電流ブロック層を形成する工程と、前記電流注入部と前記電流ブロック層の上部に、前記電流 注入部の表面と同一の導電型の窒化ガリウム系化合物半導体(Ga h In i Al j 1-h-i-j N:0≦h、i、j、h+i+j≦1)を少なくとも1層以上結晶成長する工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。Gallium nitride compound semiconductor (Ga x In y Al z B 1-xyz N: 0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1) consists, viewed挾the active layer in semiconductor layers having different conductivity types, said active layer in striped current injection portion is a manufacturing method of the formed gallium nitride-based compound semiconductor laser for injecting carriers, said current injection portion and comprising a layer structure, the equivalent refractive index in a direction perpendicular to the stripe and the current injection direction A step of selectively growing a crystal so as to have a larger structure at the end of the current injection portion than the center of the current injection portion; and a step of forming at least one current blocking layer on both sides of the current injection portion ; the on top of the current injection portion and the current blocking layer, said current injection portion of the surface of the same conductivity type gallium nitride compound semiconductor (Ga h in i Al j B 1-hij N: 0 ≦ h, i, j, h + i method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor laser, characterized in that it comprises a j ≦ 1) a step of crystal growth at least one layer.
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