JP3682827B2 - Nitride semiconductor laser device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなるレーザ素子に関し、特に出射されるレーザ光の集光性のよいレーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体系のレーザダイオード(LD)について、種々の研究開発が活発に行われ、実用可能なLDも開発されている。
【0003】
本出願人は、窒化物半導体レーザ素子として、波長が410nmの短波長のレーザ光の連続発振の可能な窒化物半導体レーザ素子を提案している。例えば、Appl.Lett.69(1996)3034、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056などに記載されている。
上記本出願人が提案した窒化物半導体レーザ素子は、短波長のレーザ光を放射することができるので、光メモリーの高密度化や大容量化にとって大変有用である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記本出願人が提案したLDは、活性層を挟んで形成されている光閉じ込め層(クラッド層)での光の閉じ込めが完全でないためにレーザ光の一部が漏れ出し、この漏れ出した光が基板として用いられているサファイア基板面で反射し、クラッド層とサファイア基板の間に形成されている窒化物半導体層(例えばコンタクト層)を導波しn導電側の窒化物半導体層の端面から放射され、ファーフィールドパターンやニアフィールドパターンを乱す傾向がある。
このようなファーフィールドパターン等の乱れは、活性層を中心としたレーザ導波路の他に、n導電側のコンタクト層が低屈折率のサファイア基板と低屈折率のn導電側のクラッド層に挟まれた導波路になっているために、n導電側のコンタクト層に主レーザ導波路(主導波路)から漏れ出した光がマルチモード伝播し、活性層を中心としたレーザ導波路から放射されるレーザ光のファーフィールドパターンに重なるためである。つまり、活性層付近は、主導波路であるのに対し、n導電側のコンタクト層を副導波路とした二階建て構造になっている。
【0005】
ちなみに窒化物半導体レーザ素子を構成する窒化物半導体層の屈折率は、大きい方から順に、InGaN(例えば活性層)、GaN(例えばガイド層、コンタクト層)、AlGaN(例えばクラッド層)、基板(例えばサファイア、スピネル)である。つまり、クラッド層と基板の間に比較的屈折率の大きいGaNからなるコンタクト層等があると主導波路から漏れ出した光はコンタクト層で導波され、n側層端面から放射される。このように主導波路から漏れ出した光は、屈折率の低いサファイア基板があるとn側層を通過して基板から外部に放散されることが少なく、n側層端面から放射されファーフィールドパターンを乱す。
また、基板がサファイア以外の屈折率の低い材料であると、サファイアの場合と同様の問題が生じる。
また更に、GaN基板を用いる場合も、レーザ導波路から漏れだした光はGaN基板を通過するが、GaN基板を通過した光はGaN基板に接する金属や空気によって反射され、GaN基板を副導波路として導波しGaN基板端面から放射される。その結果、ファーフィールドパターンなどを乱す傾向がある。
【0006】
そこで、本発明の目的は、たとえ屈折率の低いサファイアを基板として用いたとしても、n導電側のコンタクト層やGaN基板等のレーザ導波路以外での光の伝播を抑制し、ファーフィールドパターン及びニヤーフィールドパターンが良好となる窒化物半導体レーザ素子を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の目的は以下(1)〜(4)の構成によって達成することができる。
(1) 窒化物半導体と異なる異種基板上に、異種基板より屈折率が大きい第1の窒化物半導体層と、その上に第1の窒化物半導体層より屈折率が小さい第2の窒化物半導体層と、その上に第2の窒化物半導体層よりも屈折率が大きい活性層とが積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記第2の窒化物半導体層と異種基板との間に活性層を含むレーザ導波路から漏れ出した光を吸収できる材料よりなる光吸収層が設けられ、前記第2の窒化物半導体層は、前記光吸収層形成上に前記第1の窒化物半導体層を介して設けられていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
(2) 窒化物半導体と異なる異種基板上に、異種基板より屈折率が大きい第1の窒化物半導体層と、その上に第1の窒化物半導体層より屈折率が小さい第2の窒化物半導体層と、その上に第2の窒化物半導体層よりも屈折率が大きい活性層とが積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記異種基板に活性層を含むレーザ導波路から漏れ出した光を吸収できるような光吸収性を持たせてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
(3) GaN基板上に活性層を有する素子構造を形成してなる窒化物半導体レーザ素子において、前記素子構造形成面と対向したGaN基板の素子構造を有していない面に、活性層を含むレーザ導波路から漏れ出した光を吸収できる光吸収膜を形成してなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
(4) 上記の窒化物半導体レーザ素子は、さらに以下のような構成を有する。前記基板は、基板に光吸収性を持たせることを特徴とする。また、前記第2の窒化物半導体層と基板との間に光吸収層を設けることを特徴とする。前記光吸収層は、活性層と同じような組成を有するn導電側の窒化物半導体層、又は素子構造を形成するn導電側層に光を吸収できる様に新たな成分を加えてなる層からなることを特徴とする。また、前記第1の窒化物半導体層はGaNであることを特徴とする。また、前記第2の窒化物半導体層は、少なくともAlを含む窒化物半導体からなることを特徴とする。
【0008】
つまり、本発明は、活性層を中心とした主レーザ導波路から漏れ出す光を吸収できる機能をレーザ素子に設けることにより、レーザ導波路から漏れ出した光が、第2の窒化物半導体層と異種基板との間にある第1の窒化物半導体層(例えばコンタクト層)を導波するのを、更にまたGaN基板を導波するのを防止できる。これにより、第1の窒化物半導体層等のn導電側の端面、又はGaN基板の端面から光が放射されるのを抑えることができ、良好なファーフィールドパターン等を得ることができる。
尚、本発明において異種基板、第1の窒化物半導体層、第2の窒化物半導体層、活性層は接して形成されていなくてもよいことは言うまでもない。
【0009】
従来公知の赤色等のLDの場合、赤色等のLDのファーフィールドパターンは単峰性の楕円形をしている。このことは、従来公知の赤色LDには、例えばn型GaAs基板を用いており、このGaAs基板が光を吸収するためレーザ導波路以外の端面から光が放射されることがない。
一方、窒化物半導体レーザ素子の場合、基板にサファイアのような屈折率の小さい材料のものが用いられ、更に窒化物半導体は透明であるので光を透過させてしまう。これによって、活性層付近の主導波路以外の副導波路からの光が放射されレーザ光のファーフィールドパターンを乱すと考えられる。
【0010】
これに対し、本発明者は、上記のように窒化物半導体レーザ素子に光吸収可能な機能を設けることで上記問題点を解決することができた。またこのような本発明は、窒化物半導体レーザ素子の性能を劣化させることなく、ファーフィールドパターン等を改善することができるものである。
【0011】
まず本発明は、サファイアのような屈折率の小さい異種基板を用いてレーザ素子を形成する場合は、第2の窒化物半導体層と基板との間に光吸収層を設ける、又は異種基板に光吸収性を持たせる、ことによって従来の問題点を解決することができる。
また、GaN基板を用いてレーザ素子を形成する場合は、素子構造を形成してある面とは反対側のGaN基板面に光吸収膜を設けることによって上記問題点を解決することができる。
また、本発明において、第2の窒化物半導体層と基板との間に光吸収層を設けること、基板に光吸収性を持たせること、GaN基板に光吸収膜を設けることを組み合わせて行ってもよい。
【0012】
本発明において、第1の窒化物半導体層は、基板及び第2の窒化物半導体層より屈折率が大きく、レーザ導波路から漏れ出した光が第1の窒化物半導体層内で導波するような層であり、例えばコンタクト層であり、1層以上及び1種以上の層であってもよい。
本発明において、第2の窒化物半導体層は、活性層の基板側に形成され、活性層と第1の窒化物半導体層の屈折率より小さい層であり、例えば、活性層で発光する光を閉じ込めるためのクラッド層等が挙げられる。また第2の窒化物半導体層は1種以上、1層以上であってもよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子にレーザ導波路から漏れ出した光を吸収できる機能を持たせ、レーザ光のファーフィールドパターンなどが乱れないようにしたものである。
以下に、図1〜図8は窒化物半導体レーザ素子に光吸収性を持たせた一実施の形態を示す模式断面図、及び光吸収層としての保護膜を形成する方法を段階的に示した一実施の形態を示す模式断面図である。但し、本発明はこれに限定されない。
【0014】
図1には、異種基板1上に、少なくとも異種基板1より屈折率が大きい第1の窒化物半導体層101、第1の窒化物半導体層101より屈折率が小さい第2の窒化物半導体層102、第2の窒化物半導体層102より屈折率が大きい活性層を含むレーザ導波路103、1層以上のp導電型の窒化物半導体層104を順に積層してなる異種基板を有する窒化物半導体レーザ素子の模式断面図である。更に図1の窒化物半導体レーザ素子には、活性層を含むレーザ導波路103から漏れ出す光を吸収できるように光吸収層105を形成し光吸収機能を設けている。
【0015】
光を吸収できる機能としては、図1に示すように第2の窒化物半導体層102と異種基板1の間に光吸収層(図1では光吸収層として後述の保護膜105を示した)を形成すること、及び/又は異種基板1に吸光性の不純物をドープする等して着色を行うこと等が挙げられる。
【0016】
以下に光吸収機能として、第2の窒化物半導体層102と異種基板1の間に光吸収層を形成することについて説明する。
本発明において、光吸収層は、異種基板1と第2の窒化物半導体層102の間であればいずれに形成されてもよい。光吸収層としては、レーザ素子の性能を劣化させず、レーザ導波路から漏れ出した光を吸収できる層であれば特に限定されない。例えば、窒化物半導体の横方向の成長[Lateral over growth(LOG)、ラテラル成長]による低結晶欠陥の窒化物半導体層(GaN下地層)を形成する際に用いられる、保護膜105に光吸収機能を持たせる、又は第2の窒化物半導体層102と異種基板1の間に光吸収可能な半導体層を成長させること等が挙げられる。
本発明において、ラテラル成長方法としては、特に限定されず、例えば後述する保護膜105を用いて行う方法が挙げられる。保護膜105は、窒化物半導体が成長しにくく、レーザ導波路から漏れ出す光を吸収できる材料であればよい。
【0017】
本発明において、光吸収層が、光吸収可能な半導体層である場合、レーザ素子の性能を劣化させないような光吸収可能な半導体層が好ましく、例えば光吸収層として活性層と同じ様な組成を有するn導電側の窒化物半導体層、又は素子構造を形成するn導電側層に光を吸収できる様に新たな成分を加えてなる層などが挙げられる。
【0018】
本発明において、光吸収層が、窒化物半導体の成長に用いられる保護膜105に光吸収機能を持たせたものである場合について以下に説明する。
本発明において、用いられる保護膜105としては、窒化物半導体のラテラル成長方法に用いられる保護膜105があげられる。保護膜材料としては、保護膜105表面に窒化物半導体が成長しないか若しくは成長しにくい性質を有し且つ光吸収性を有する材料を用いる。
ラテラル成長方法に用いられる保護膜105としては、例えば酸化ケイ素(SiOX)、窒化ケイ素(SiXY)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、1200℃以上の融点を有する金属等をあげることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度600℃〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。但しこれらすべての保護膜材料は、ラテラル成長に用いられる保護膜として使用可能であるが、光吸収性を示さない材料と光吸収性を示す材料がある。このように、光吸収性を示さない材料を用いる場合は、光吸収性を示す保護膜材料又は光吸収性を示すその他の材料と組み合わせて用いることで、光を吸収できる保護膜となり得る。また、前記保護膜材料は、レーザ導波路から漏れ出す光の波長などに対応して適宜選択される。
【0019】
上記の保護膜材料の中で、例えば酸化チタン(TiOX)は光吸収性を示す保護膜材料であり、保護膜及び光吸収層として作用する。このような光吸収性の保護膜材料を用いると、素子製造の工程が簡素化できる。
また、上記の保護膜材料の中で光吸収性示さない材料としては、例えば酸化ケイ素(SiOX)、窒化ケイ素(SiXY)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等である。このような光を吸収しない保護膜材料を用いる場合は、上記のように単独で保護膜として用いることができず、例えば図1に示すように異種基板1上(異種基板1に接していてもいなくてもよい)に、光を吸収する材料、例えば下記に示すSiを形成した上に酸化ケイ素(SiOx)を形成するなど、図1に示すように2層構造の保護膜105(光吸収層)とすることにより、活性層を有するレーザ導波路103から漏れ出した光を吸収することが可能となると共にラテラル成長方法での保護膜としても機能する。
光吸収性を示さない保護膜材料を用いる場合に用いられる上記の光吸収性の保護膜材料以外のその他の材料としては、素子の性能に悪影響を与えない様な光吸収性を有する材料を用いることができ、例えばSi等が挙げられる。
【0020】
本発明において、基板上に形成される保護膜の膜厚は、ファーフィールドパターン等を乱すような余分な光を吸収できる膜厚で且つ窒化物半導体の成長方法において良好に窒化物半導体を成長できる膜厚が好ましい。保護膜の膜厚としては、例えば0.1〜10μm、好ましくは0.5〜8μm、より好ましくは1〜5μmである。保護膜の膜厚が、この範囲であると窒化物半導体の成長が良好にできると共に、レーザ導波路から漏れ出した光を良好に吸収できファーフィールドパターン等の乱れが防止できる。
また光吸収性を示さない保護膜材料と光吸収性を有する保護膜材料又はその他の材料とを組み合わせて用いる場合は、光吸収性を有する材料と光吸収性を示さない総膜厚が上記範囲であることが好ましい。例えば、光吸収性を示す材料の膜厚は、0.3〜10μm、好ましくは0.4〜4μm、より好ましくは0.5〜2μmであり、この範囲であるとレーザ導波路から漏れ出す光を良好に吸収できる。光吸収性を示さない材料の膜厚は、1μm以下、好ましくは0.5μm以下、より好ましくは0.2μm以下、更に好ましくは0.1μm以下であり、下限は特に限定されないが、1分子又は1原子の大きさ以上の厚さで保護膜上に窒化物半導体が成長しないように光吸収性を有する材料の面上に積層されていればよい。
【0021】
保護膜材料を窒化物半導体表面に形成するには、例えば蒸着、スパッタ、CVD等の気相製膜技術を用いることができる。
【0022】
ラテラル成長方法としては特に限定されないが、以下に光吸収性を有する保護膜を用いた一実施の形態を示す。
ここで、本発明は、異種基板に光吸収性を持たせ、この異種基板上に保護膜を形成して窒化物半導体の横方向の成長を行っても良く、また異種基板が光吸収性を示す場合は保護膜は光吸収性を有していなくても良い。
【0023】
保護膜を用いた窒化物半導体のラテラル成長方法の第1の方法として、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を成長後、若しくは成長前に、その窒化物半導体層表面、若しくは異種基板の表面に、窒化物半導体が縦方向に成長しにくい性質を有する保護膜を、例えばストライプ状、ドット状、碁盤目状等の形状で形成し、その保護膜上に窒化物半導体を横方向に成長させる方法である。第1の方法では保護膜を形成するに際し、保護膜形成面積と、露出面積(窓部)とを比較した場合、窓部の面積を少なくする方が、結晶欠陥の少ない領域が多い厚膜の窒化物半導体層(下地層)が得られる傾向にある。
【0024】
保護膜を用いた窒化物半導体の成長方法の第2の方法として、異種基板上に成長させた窒化物半導体表面に凹凸部を形成し、その凸部及び凹部の平面上に前記保護膜を形成した後、側面に露出した窒化物半導体より横方向の成長を行い、保護膜上部に互いに横方向に成長した窒化物半導体を繋げる方法である。
【0025】
上記どちらの方法においても、前記保護膜を形成することにより、異種基板と窒化物半導体との格子定数不整、熱膨張係数差等の要因によって発生する窒化物半導体の結晶欠陥を止めることができる。即ち、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上部に形成され、かつ窒化物半導体が縦方向に成長しにくい性質を有するストライプ状の保護膜上部に横方向に成長された窒化物半導体は、成長初期に結晶欠陥の多い領域と、少ない領域とを有している。これは、保護膜形成後、その保護膜及び窓部(保護膜が形成されていない部分)の上に再度窒化物半導体を成長させると、窓部の下にある窒化物半導体から横方向に窒化物半導体の成長を促進させて、保護膜上部にまで窒化物半導体を成長させることによる。異種基板と窒化物半導体層との界面から発生した結晶欠陥は、窓部上部において転位しやすい傾向にあるが、保護膜上部においてそのほとんどが厚さ方向に転位しない。このようにして得られるGaN下地層の結晶欠陥は、例えば窓部上部では1×108個/cm2以上であり、例えば保護膜上部では1×107個/cm2以下となり、好ましい条件においては5×106個/cm2以下、さらに好ましい条件においては1×106個/cm2以下、最も好ましい条件においては5×105個/cm2であることが望ましい。
【0026】
例えばストライプ状の保護膜を形成した場合、窒化物半導体の横方向の成長では、保護膜上において両側(ストライプ幅方向)から成長してきて、例えばストライプ中央部で繋がる。このようにして形成されたGaN下地層は、成長初期における結晶欠陥の数が、窓部上部とストライプ状の保護膜上部で著しく異なる。即ち、このGaN下地層は、成長初期における結晶欠陥の多くが、窓部上部に発生したものとなる。例えば窓部上部の結晶欠陥の数は1×108個/cm2以上あり、保護膜上部では1×107個/cm2以下になる。結晶欠陥の少ない好ましい数は前述したとおりである。この結晶欠陥は、例えば窒化物半導体をドライエッチングした際、そのエッチング面に表出するエッチピットの数を計測することにより測定できる。本発明の窒化物半導体レーザ素子においては、保護膜を用いて行った場合、窓部、即ち成長初期に結晶欠陥が多く、成長の途中で結晶欠陥の多くが転位を中断した部分の上部にある活性層の面積を少なくし、特にこの部分には発振領域を設けずに、結晶欠陥の少ない領域上部にレーザ発振領域を設けることが好ましい。
【0027】
図2乃至図4は、第1の方法により、窒化物半導体を異なる異種基板上に保護膜を用いて窒化物半導体の厚膜の層(GaN基板又はGaN下地層)を作製する際の、窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的な断面図である。これらの図において、1は異種基板、2は第1のGaN層、3は第2のGaN層、11は保護膜(2層構造の保護膜を図示している)を示しており、具体的にGaN下地層となるのは第2のGaN層3である。これらの図を元に光吸収性の保護膜を用いて行うGaN下地層の製法の一例を説明する。
【0028】
図2に示すように、異種基板1の表面に、第1のGaN層2を例えば10μm以下の膜厚で成長させる。この第1のGaN層は基板に直接、あるいはバッファ層を介して成長される層であり、結晶欠陥が全ての断面において、例えば1×108個/cm2以上あるため、GaN基板若しくはGaN下地層とはなり得ない。異種基板1は、後記されたサファイア等を用いる。
また第1のGaN層2を成長させる前に、GaN、AlN等の第1のGaN層の成長温度よりも低い低温成長バッファ層を異種基板1の上に0.5μm以下の膜厚で成長させることもできる。
【0029】
次に第1のGaN層2の上に窒化物半導体が縦方向に成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する保護膜11を、例えばストライプ状に形成する。ストライプ幅は、第1のGaN層の露出部分、即ち保護膜が形成されていない部分(窓部)よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少ない第2のGaN層3が成長しやすく、またレーザ発振部分を設定するのに好都合である。
保護膜11の材料としては、前記したものを用いる。保護膜の材料が光吸収性である場合は、その保護膜材料を単層として形成する。一方、保護膜材料が光吸収性を有していない場合は、光吸収性の保護膜材料あるいは光吸収性を有する保護膜材料以外の材料を基板上(基板に接していなくてもよい)に形成し、その上に光吸収性を有していない保護膜材料を形成し図2に示すような2層構造の保護膜とする。例えば光吸収性を示さない酸化ケイ素(SiOX)を保護膜材料として用いる場合は、基板上に光吸収性を示す酸化チタン(TiOX)又はSi等を形成した上に酸化ケイ素(SiOX)を形成し、図2のような2層構造の保護膜11とする。
ここで本発明は、保護膜に光吸収性を持たせる場合、酸化ケイ素(SiOX)は光を吸収できないので光吸収性を有する保護膜の材料として単独では用いられない。しかし、異種基板に光吸収性を持たせてこの基板上に保護膜を形成して行う場合は、保護膜として光吸収性を有していない酸化ケイ素(SiOX)を単独で用いても良いし、また光吸収性を有している材料を用いても良い。
【0030】
図2では第1のGaN層2の上にストライプ状の保護膜を形成し、そのストライプに対して垂直な方向でウェーハを切断した際の部分的な断面図を示しており、結晶欠陥を第1のGaN層2内部に示す細線でもって模式的に示している。この図に示すように、第1のGaN層2にはほぼ均一に無数の結晶欠陥が発生するのでGaN基板若しくはGaN下地層とすることは不可能である。この保護膜のストライプ幅は1μm以上、さらに好ましくは2μm以上、最も好ましくは5μm以上に調整する。1μmよりも小さいと、結晶欠陥の少ない領域が小さくなり、レーザ発振領域を結晶欠陥の少ない領域の上に確保するのが難しくなる傾向にある。ストライプ幅の上限は特に限定しないが、通常は100μm以下に調整することが望ましい。
【0031】
保護膜11を形成したウェーハの上にさらに第2のGaN層3を成長させる。図3に示すように、保護膜11を形成した第1のGaN層2の上に、第2のGaN層3を成長させると、最初は第1の保護膜11の上にはGaN層が成長せず、窓部の第1のGaN層2の上に第2のGaN層3が選択成長される。図3は、その様子を示すものであり、成長初期段階において窓部に多くGaNが成長して、第1の保護膜11の上にほとんど成長されないことを示している。
【0032】
しかし、第2のGaN層3の成長を続けると、第2のGaN層3が第1の保護膜11の上において横方向に成長して、隣接した第2のGaN層3同士で繋がって、図4に示すように、あたかも保護膜11の上に第2のGaN層3が成長したかのような状態となる。このように成長した第2のGaN層3は、膜厚が厚くなるに伴って結晶欠陥が減少する傾向にあり、表面に現れる結晶欠陥(貫通転移)は、保護膜を設けない従来のものに比べ非常に少なくなる。しかし、第2のGaN層3の成長初期における窓部の上部と保護膜の上部の結晶欠陥の数は著しく異なる。つまり、異種基板上部の第1の保護膜11が形成されていない部分(窓部)に成長されている第2のGaN層3の部分には、異種基板1とGaN層2との界面から結晶欠陥が転位し易い傾向にあるが、保護膜11の上部に成長されている第2のGaN層3の部分には、縦方向へ転位している結晶欠陥はほとんどない。図4において、基板から第1の窒化物半導体層の表面に向かって示している複数の細線は図2、3と同じく結晶欠陥を模式的に示している。つまり、窓部から成長した結晶欠陥は、成長初期においてそのほとんどが第2のGaN層3の表面に向かって転位するが、第2のGaN層3の成長を続けるうちに、表面方向に転位する結晶欠陥の数が減少する傾向にあり、表面まで転位する結晶欠陥が非常に少なくなる。従って、成長初期において窓部上部にある結晶欠陥は108個/cm2以上と多いのに対して、保護膜上部では107個/cm2以下と小さくなる。
【0033】
図5及び図6は、第2の方法によるGaN下地層の製法を示したものである。この方法は異種基板上に、直接、あるいは低温成長バッファ層を介して成長された第1のGaN層2の表面に凹凸を設けている。そして図5に示すように凹凸部の平面部に保護膜11、11’を形成して、さらに第2のGaN層3を成長させると、図6に示すように端面に露出した第1のGaN層2から、第2のGaN層が横方向に成長して保護膜11’上部で繋がった後、そこから上方に成長する。さらに、第2のGaN層は、保護膜11上部で横方向に成長し、繋がることで、GaN下地層3が形成されたと考えられる。第2の方法の場合、第2のGaN層3は第1のGaN層2の側面部から成長させるため、成長初期において第1の方法のように、結晶欠陥の多い領域と少ない領域とに明確に分かれず、また第1の方法に比べて、全体的な結晶欠陥の数は少なくなる傾向にある。但し、以上述べたGaN下地層の製法は単なる例を示すものであって、保護膜を用いた場合の本発明のレーザ素子のGaN下地層が以上の2つの製法により拘束されるものではない。保護膜11及び11’はどちらか一方が光吸収性を示していればよく、好ましくは両方が光吸収性を示す。
【0034】
図7はさらに好ましいGaN下地層の製法を示したものであり、図4で示す第2のGaN層3成長後、第2のGaN層3の成長初期における結晶欠陥の多い領域(窓部)に対応する表面や、表面に現れた結晶欠陥を覆うように第2の保護膜12を形成し、さらにその保護膜の上に横方向に第3のGaN層4を成長させる。こうすることにより、第2のGaN層3の表面に現れた結晶欠陥の更なる転位を防ぎ、さらに発光素子劣化の原因となる活性層などへの結晶欠陥の再転位を防止でき、加えて第2のGaN層3よりもさらに結晶欠陥の少ないGaN下地層が得られる。
この時、第2の保護膜12の面積は、第1の保護膜11の窓の面積よりも大きく、好ましくは第1の保護膜の面積よりも大きくすることである。また、保護膜11及び12はどちらか一方が光吸収性を示していればよく、好ましくは両方が光吸収性を示す。
【0035】
このように異種基板上に、窒化物半導体の横方向の成長を利用して窒化物半導体を成長させる際に、保護膜として光吸収性を有する保護膜を用いることにより、結晶欠陥の少ない窒化物半導体の下地層の上に結晶欠陥の少ない素子構造が形成できることに加え、レーザ導波路から漏れ出す光を保護膜が吸収できるので、レーザ素子の性能を低下させることなく、ファーフィールドパターン等を良好とすることが可能である。
【0036】
ここで、本発明に用いられる保護膜は、光吸収性を持たせた異種基板上に保護膜を形成して窒化物半導体のラテラル成長を行っても良く、このような場合には保護膜は光吸収性を有していなくても良い。
【0037】
次に、光吸収層として、異種基板1にレーザ導波路から漏れ出した光を吸収できるような光吸収性を持たせる場合について説明する。
異種基板1に光吸収性を持たせる方法として、異種基板1が光を吸収できような方法であればよく、例えば異種基板1に不純物を添加して着色し光吸収性を持たせることが挙げられる。
本発明において、異種基板1としては、前記本発明の課題に記載した問題点を引き起こす可能性のある屈折率が第1の窒化物半導体層より低く、レーザ導波路から漏れ出した光を吸収できない材料からなる異種基板1であり、例えばC面、R面又はA面を主面とするサファイア、スピネル(MgA124)のような絶縁性の基板、ZnS、ZnO等である。
窒化物半導体の異種基板として、レーザ導波路から漏れ出した光を吸収できる材料、例えば色を有するものは、本発明の課題に記載した問題は生じにくい。本発明はもともと屈折率の低い光吸収性を持たない異種基板を用いた時に生じる問題を解決するのに有効である。
【0038】
上記異種基板の材料の中に添加される不純物は、異種基板となる物質の形成時に異種基板の材料と共に用いられ、形成される異種基板内に取り込まれる。不純物としては、異種基板に添加され異種基板が光を吸収できる機能を有する様なものであればいずれでもよく、例えば金属(イオンを含む)、具体的にはクロム(例えばCr3+)、チタン等が挙げられる。
またこれら列記した不純物の添加量は、基板が光吸収性を示す程度に添加されていればよく、具体的には、0.01〜0.15重量%、好ましくは0.03〜0.10重量%、より好ましくは0.04〜0.07重量%である。不純物の添加量が上記範囲であると光を良好に吸収することができるので好ましい。
【0039】
次に、図8に示す窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図を用いて、GaNよりなる基板(GaN基板)201上に活性層を含む素子構造202を有する窒化物半導体レーザ素子において、GaN基板201の素子構造202を有していない面に活性層で発生し漏れ出した光を吸収できる光吸収膜203を形成することについて説明する。
基板にGaN基板201を用いると、素子構造202を形成している半導体層と屈折率がGaN基板の屈折率と同程度であるので、GaN基板201をレーザ導波路から漏れ出した光が通過する。しかし、素子構造202を有する面とは反対側のGaN基板面(以下、GaN基板の反対面とする)に接して設けられる金属(図示されていない)や空気によって、レーザ導波路から漏れ出した光が反射され、GaN基板201を導波してGaN基板201の端面から放射されファーフィールドパターンを乱す。
これに対して、本発明は、GaN基板201の反対面にGaN基板201を通過した光を吸収できる光吸収膜203を形成することによって問題を解決することができる。
【0040】
GaN基板201の反対面に形成される光吸収膜203としては、少なくとも光を吸収できる材料からなるものであればよく、有色膜及びGaN基板より屈折率の高い不透明膜などが好ましい。光吸収膜の材料としては、例えば、GaAs、SiC、Si、TiO2、炭素等が挙げられる。光吸収膜203は、活性層で発生する光により、その光を吸収し易い材料を適宜選択して形成される。
光吸収膜203を形成する方法は、光吸収膜203の接着面とGaN基板の接着面とを鏡面として、それら鏡面同士を張り合わせた後、熱圧着するいわゆるウェーハ接着の手法等が挙げられる。
また光吸収膜203の膜厚は、0.1μm以上、好ましくは0.4μm以上であり、また光吸収膜203の膜厚の上限は特に限定されないが、コスト面及び装置の大きさなどを考慮して約10μm以下であることが好ましい。光吸収膜203の膜厚がこの範囲であると、活性層で発生し漏れ出した光を良好に吸収でき、更に放熱性も良好である。また、光吸収膜の材料によっては薄膜であっても色を有している材料、ある程度の厚みを持たないと色を持ちにくい材料があり、材料の種類によって適宜膜厚が調整される。
【0041】
本発明において、GaN基板はどのような方法で形成されてもよく、例えば上記異種基板上に保護膜を形成して厚膜の窒化物半導体層を形成する方法を用いて厚膜の窒化物半導体層を形成し、その後、異種基板と保護膜を除去することにより得られる。ここで、素子構造を有する面とは反対の面に光吸収膜を設けたGaN基板を形成する際に保護膜を用いる場合は、保護膜は光吸収性を有していなくてもよい。従って、用いることのできる保護膜は光吸収性を有する及び有しない材料から適宜選択される。
【0042】
本発明において、光吸収性の機能を持たせた異種基板、第2の窒化物半導体層と異種基板との間に形成した光吸収層、GaN基板の反対面に光吸収膜、を有する窒化物半導体のレーザ素子となる窒化物半導体の層構成は特に限定されず、いずれの層構成でもよく、素子の形状も特に限定されない。またレーザ素子に形成される電極、電極の形成位置等、層構成以外のものも特に限定されない。
【0043】
本発明の窒化物半導体素子を構成する層構成として好ましくは、活性層に接して又は離れた位置に超格子構造のクラッド層(n導電側及びp導電側のクラッド層を示す。また上記の第2の窒化物半導体層はn導電側のクラッド層を示す)が形成されているものが挙げられる。
超格子構造のクラッド層としては、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層と、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とが積層されてなる超格子層を有し、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層とはn型不純物濃度が異なるものである。
【0044】
また超格子層は、クラッド層以外の層に形成されていてもよく、例えば発光素子、受光素子のような光電変換素子であれば、基板に接して形成されたバッファ層、n電極が形成されるn側コンタクト層、キャリア閉じ込めとしてのn側クラッド層、及び活性層の発光を導波するn側光ガイド層等の内の少なくとも1種の層に、また、p層側に形成する場合についても、p電極が形成されるp側コンタクト層、キャリア閉じ込めとしてのp側クラッド層、及び活性層の発光を導波するp側光ガイド層等の内の少なくとも1種の層に形成される。
【0045】
また、超格子層のn型不純物、若しくはp型不純物は、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層側に多くドープされても、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層側に多くドープされてもよい。
【0046】
バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲にあり、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm3以下(但し、不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体>バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体の関係にある。)である。なおバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層は、好ましくは1×1018/cm3以下、さらに好ましくは1×1017/cm3以下、最も好ましくはアンドープ(undope)、即ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
【0047】
また、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にp型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1018/cm3〜1×1021/cm3の範囲にあり、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1020/cm3以下(但し、不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体>バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体の関係にある。)である。なおバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層は1×1019/cm3以下、さらに好ましくは1×1018/cm3以下、最も好ましくはアンドープ(undope)、即ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
【0048】
さらに、前記バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層にドープされた不純物は、それぞれ厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい。
【0049】
バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層にn型不純物を少なくドープする場合、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm3以下であり、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲である(但し、不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体<バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体の関係にある。)。なおバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層は、好ましくは1×1018/cm3以下、さらに好ましくは1×1017/cm3以下、最も好ましくはアンドープ(undope)、即ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
【0050】
また、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にp型不純物を少なくドープする場合、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1020/cm3以下であり、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1018/cm3〜1×1021/cm3の範囲である(但し、不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体<バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体の関係にある。)。なおバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層は1×1019/cm3以下、さらに好ましくは1×1018/cm3以下、最も好ましくはアンドープ(undope)、即ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
【0051】
さらに、前記バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層にドープされた不純物は、それぞれ厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい。
【0052】
超格子層を構成するバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層の膜厚は100オングストローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは10〜40オングストロームの膜厚に調整する。100オングストロームよりも厚いと、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層及びバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定せず、1原子層以上であればよいが、前記のように10オングストローム以上が最も好ましい。
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層は少なくともAlを含む窒化物半導体、好ましくはAlXGa1-XN(0<X≦1)を成長させる方が望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体は、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体であればどのようなものでも良いが、好ましくはAlYGa1-YN(0≦Y<1、X>Y)、InZGa1-ZN(0≦Z<1)のような2元混晶、3元混晶の窒化物半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得られやすい。その中でも特に好ましくはバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体は実質的にIn、Gaを含まないAlXGa1-XN(0<X<1)とし、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体は実質的にAlを含まないInZGa1-ZN(0≦Z<1)とし、中でも結晶性に優れた超格子を得る目的で、Al混晶比(Y値)0.3以下のAlXGa1-XN(0<X≦0.3)と、GaNの組み合わせが最も好ましい。
【0053】
光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層としてクラッド層を形成する場合、活性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を成長させる必要がある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とは、即ちAl混晶比の高い窒化物半導体である。従来ではAl混晶比の高い窒化物半導体を厚膜で成長させると、クラックが入りやすくなるため、結晶成長が非常に難しかった。しかしながら本発明のように超格子層にすると、超格子層を構成する単一層をAl混晶比の多少高い層としても、弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラックが入りにくい。そのため、Al混晶比の高い層を結晶性良く成長できることにより、光閉じ込め、キャリア閉じ込め効果が高くなり、閾値電圧を低下させることができる。
【0054】
またクラッド層のバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層との不純物濃度が異なる、いわゆる変調ドープにすると、一方の層の不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態(アンドープ)として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値電圧を低下させることができる。これは不純物濃度の低い層を超格子層中に存在させることにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いままで超格子層が形成できることによる。つまり、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層がクラッド層となるために、閾値電圧が低下すると推察される。
【0055】
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。
例えば、n型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、n型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子(二次元電子ガス)が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。
またp層の場合、AlGaNはGaNに比較して抵抗率が高い。そこでAlGaNの方にp型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察される。
【0056】
p側クラッド層17を超格子構造とすると、超格子構造が発光素子に与える作用は、n側クラッド層12の作用と同じであるが、さらにn層側に形成した場合に加えて次のような作用がある。即ち、p型窒化物半導体はn型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が2桁以上高い。そのため超格子層をp層側に形成することにより、閾値電圧の低下が顕著に現れる。詳しく説明すると窒化物半導体はp型結晶が非常に得られにくい半導体であることが知られている。p型結晶を得るためp型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を除去する技術が知られている(特許第2540791号)。しかしp型が得られたといってもその抵抗率は数Ω・cm以上もある。そこで、このp型層を超格子層とすることにより結晶性が良くなり、抵抗率が1桁以上低下するため閾値電圧の低下が現れやすい。
【0057】
バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作用があると推察される。
例えばAlGaN層とGaN層にMgを同量でドープした場合、AlGaN層ではMgのアクセプター準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、GaN層のアクセプター準位の深さはAlGaN層に比べて浅く、Mgの活性化率は高い。例えばMgを1×1020/cm3ドープしてもGaNでは1×1018/cm3程度のキャリア濃度であるのに対し、AlGaNでは1×1017/cm3程度のキャリア濃度しか得られない。そこで、本発明ではAlGaN/GaNとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるGaN層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないAlGaN層を移動するため、実質的にキャリアはAlGaN層の作用は受けず、AlGaN層はバンドギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はp型層側に超格子を形成する例について説明したが、n層側に超格子を形成する場合においても、同様の効果がある。
【0058】
バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、1×1017/cm3〜1×1020/cm3、さらに好ましくは1×1018/cm3〜5×1019/cm3の範囲に調整する。1×1017/cm3よりも少ないと、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×1020/cm3よりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層のn型不純物濃度は、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体側から拡散してくるn型不純物があり、その量は1×1019/cm3以下が望ましい。n型不純物としてはSi、Ge、Se、S、O等の周期律表第IVB族、VIB族元素を選択し、好ましくはSi、Ge、Sをn型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にn型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合も同様である。
【0059】
バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層にp型不純物を多くドープする場合の好ましいドープ量としては1×1018/cm3〜1×1021/cm3、さらに好ましくは1×1019/cm3〜5×1020/cm3の範囲に調整する。1×1018/cm3よりも少ないと、同様にバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×1021/cm3よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層のp型不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体側から拡散してくるp型不純物があり、その量は1×1020/cm3以下が望ましい。p型不純物としてはMg、Zn、Ca、Be等の周期律表第IIA族、IIB族元素を選択し、好ましくはMg、Ca等をp型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にp型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層にp型不純物を多くドープする場合も同様である。
【0060】
さらにまた超格子を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい(好ましくはアンドープ)とすることが望ましい。具体的に説明すると、例えばn型不純物としてSiをドープしたAlGaNと、アンドープのGaN層とで超格子層を形成した場合、AlGaNはSiをドープしているのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いGaNの伝導帯に落ちる。GaN結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にGaN結晶中を動くことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは前述した二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいAlGaNの中心領域にn型不純物を高濃度にドープすると効果はさらに大きくなる。即ちGaN中を移動する電子によっては、AlGaN中に含まれるn型不純物イオン(この場合Si)の散乱を多少とも受ける。しかしAlGaN層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとするとSiの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープGaN層の移動度が向上するのである。作用は若干異なるが、p層側の第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層とで超格子を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層の中心領域に、p型不純物を多くドープし、両端部を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層にn型不純物を多くドープした層を、前記不純物濃度の構成とすることもできるが、バンドギャップエネルギーの小さな方に不純物を多くドープした超格子では、その効果は少ない傾向にある。
【0061】
以上、n側クラッド層、p側クラッド層を超格子層とすることについて説明したが、本発明では超格子層は、この他、コンタクト層としてのn側バッファ層、n側光ガイド層、p側キャップ層、p側光ガイド層、p側コンタクト層等を超格子構造とすることができる。つまり活性層から離れた層、活性層に接した層、どの層でも超格子層とすることができる。特にn電極が形成されるn側バッファ層を超格子とすると、前記HEMTに類似した効果が現れやすい。
【0062】
超格子層からなるn側クラッド層と活性層との間に、不純物(この場合n型不純物)濃度が1×1019/cm3以下に調整されたn側光ガイド層が形成されていることが好ましい。好ましい不純物濃度は1×1018/cm3以下、さらに好ましくは1×1017/cm3以下、最も好ましくはアンドープとする。アンドープとしても、n型不純物が他の層から拡散してこの光ガイド層に入ってくる可能性があるため、1×1019/cm3を上限とした。このn側光ガイド層はInを含む窒化物半導体、またはGaNで構成することが望ましい。
【0063】
また、超格子層からなるp側クラッド層と活性層との間に、不純物(この場合p型不純物)濃度が1×1019/cm3以下に調整されたp側光ガイド層が形成されている。同様に好ましい不純物濃度は1×1018/cm3以下、最も好ましくはアンドープとする。窒化物半導体の場合、アンドープとすると、通常n導電性を示すが、このp側ガイド層の場合、p型不純物が他の層から拡散してこのp側光ガイド層に入ってくる可能性もあり、導電型はn、p等に限定しないで、p側光ガイド層という。このp側光ガイド層もInを含む窒化物半導体、またはGaNで構成することが望ましい。
【0064】
なぜ、活性層とクラッド層との間にアンドープの窒化物半導体を存在させることが好ましいのかは次の通りである。即ち、窒化物半導体の場合、活性層の発光は通常380〜520nm、特に400〜450nmを目的として設計される。アンドープの窒化物半導体はn型不純物、p型不純物をドープした窒化物半導体に比較して、前記波長の吸収率が低い。従って、アンドープの窒化物半導体を、発光する活性層と、光閉じ込め層としてのクラッド層との間に挟むことにより、活性層の発光を消衰させることが少ないので、低利得で発振するレーザ素子が実現でき、閾値電圧が低下する。
【0065】
従って、好ましい組み合わせとしては、活性層と離れた位置に不純物が変調ドープされた超格子構造を有するクラッド層を有し、そのクラッド層と活性層との間に、不純物濃度が低い、好ましくはアンドープのガイド層を有する発光素子である。
【0066】
また、p側ガイド層と活性層との間に、活性層の井戸層、及びp側ガイド層界面のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する膜厚0.1μm以下の窒化物半導体よりなるp側キャップ層が形成されており、そのp側キャップ層の不純物濃度が1×1018/cm3以上に調整されていることが好ましい。このp側キャップ層の膜厚は0.1μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以下、最も好ましくは300オングストローム以下に調整する。0.1μmより厚い膜厚で成長させると、p側キャップ層中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。このようにバンドギャップエネルギーが大きな層を活性層に接して、0.1μm以下の薄膜で形成することにより、発光素子のリーク電流が少なくなる傾向にある。これはn層側から注入された電子が、キャップ層のエネルギーバリアの障壁により、活性層内に溜まり、電子と正孔との再結合の確率が高くなるために素子自体の出力も向上する。また、不純物濃度は1×1018/cm3以上に調整する必要がある。このキャップ層はAl混晶比の高い層であり、Al混晶比の高い層は高抵抗になりやすい。このため不純物をドープすることによりキャリア濃度を高くして抵抗率を下げてやらないと、この層が高抵抗なi層のようになり、p−i−n構造となって電流電圧特性が悪くなる傾向にあるからである。なお、このp側にあるキャップ層は、n側に形成してもよい。n側に形成する場合は、n型不純物をドープしてもしなくても良い。
【0067】
【実施例】
以下に本発明の一実施例を示すが、本発明はこれに限定されない。
[実施例1]
図9は本発明の実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。以下、サファイア基板上に、図2〜図4に示すように光吸収性の保護膜を用いて厚膜の窒化物半導体層(GaN下地層)を形成し、図9に示される窒化物半導体レーザ素子を作成する場合について説明する。
【0068】
(GaNの下地層)
2インチφ、C面を主面とするサファイア基板1を反応容器内にセットし、500℃にてサファイア基板1の上にGaNよりなるバッファ層を200オングストロームの膜厚で成長させた後、温度を1050℃にしてGaNよりなる第1のGaN層2を5μm膜厚で成長させる。この第1のGaN層はAl混晶比X値が0.5以下のAlXGa1-XN(0≦X≦0.5)を成長させることが望ましい。0.5を超えると、結晶欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなってしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。また膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、10μm以下の膜厚に調整することが望ましい。なお図2においてバッファ層は特に図示していない。
【0069】
第1のGaN層2成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、第1のGaN層2の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、CVD装置によりストライプ幅20μm、ストライプ間隔(窓部)5μmとなるようにSiを1μmの膜厚で形成した上にSiO2を0.1μmの膜厚で形成してなる外見状が2層構造の保護膜11を形成する。図2はストライプの長軸方向に垂直な方向で切断した際の部分的なウェーハの構造を示す模式断面図である。
【0070】
保護膜11形成後、ウェーハを再度反応容器内にセットし、1050℃で、Siを1×1018/cm3ドープしたGaNよりなる第2のGaN層3を6μmの膜厚で成長させる(図3、図4)。第2のGaN層3の好ましい成長膜厚は、先に形成した保護膜11の膜厚、大きさによっても異なるが、保護膜11の表面を覆うように第2のGaN層3を成長させる。保護膜11の大きさは特に限定しないが、保護膜11の面積を窓部の面積よりも大きくする方が結晶欠陥の少ないGaN基板を得る上で非常に好ましい。
【0071】
(窒化物半導体レーザ素子の層構成)
図9に示されているように上記の第2のGaN層3をGaN下地層50として下記の各層を成長させる。
【0072】
(第2のバッファ層71)
GaN下地層50を主面とするウェーハを反応容器内にセットし、1050℃でこのGaN下地層50上にSiを1×1018/cm3ドープしたGaNよりなる第2のバッファ層71を4μmの膜厚で成長させる。第2のバッファ層71は900℃以上の高温で成長させる窒化物半導体単結晶層であり、従来より成長される基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するため、次に成長させる窒化物半導体よりも低温で成長させるバッファ層とは区別される。バッファ層の膜厚は2〜6μmが好ましい。膜厚がこの範囲であるとバッファ層の結晶性や放熱性の点で好ましい。
レーザ素子を作製する場合、この第2のバッファ層71は膜厚100オングストローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは50オングストローム以下の互いに組成が異なる窒化物半導体を積層してなる歪超格子層とすることが好ましい。歪超格子層とすると、単一窒化物半導体層の結晶性が良くなるため、高出力なレーザ素子が実現できる。
【0073】
(クラック防止層72)
次にSiを5×1018/cm3ドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層42を500オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層72はInを含むn型の窒化物半導体、好ましくはInGaNで成長させることにより、Alを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。クラック防止層は100オングストローム以上、0.5μm以下の膜厚で成長させることが好ましい。100オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、0.5μmよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層72は省略することもできる。
【0074】
(n側クラッド層73)
次に、Siを5×1018/cm3ドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層、20オングストロームと、アンドープ(undope)のGaNよりなる第2の層、20オングストロームとを交互に100層積層してなる総膜厚0.4μmの超格子構造とする。n側クラッド層73はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Alを含む窒化物半導体、好ましくはAlGaNを含む超格子層とすることが望ましく、超格子層全体の膜厚を100オングストローム以上、2μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以上、1μm以下で成長させることが望ましい。超格子層にするとクラックのない結晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成できる。なお超格子層とする場合、互いにバンドギャップエネルギーの異なる窒化物半導体層を積層して、いずれか一方の不純物濃度を大きく、もう一方を小さくするようにして変調ドープを行うと、閾値が低下しやすい傾向にある。
【0075】
(n側光ガイド層74)
続いて、Siを5×1018/cm3ドープしたn型GaNよりなるn側光ガイド層74を0.1μmの膜厚で成長させる。このn側光ガイド層74は、活性層の光ガイド層として作用し、GaN、InGaNを成長させることが望ましく、通常100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは200オングストローム〜1μmの膜厚で成長させることが望ましい。このn側光ガイド層74は通常はSi、Ge等のn型不純物をドープしてn型の導電型とするが、特にアンドープにすることもできる。超格子とする場合には第1の層及び第2の層の少なくとも一方にn型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【0076】
(活性層75)
次に、アンドープのIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層、25オングストロームと、アンドープIn0.01Ga0.99Nよりなる障壁層、50オングストロームを交互に積層してなる総膜厚175オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層75を成長させる。
【0077】
(p側キャップ層76)
次に、バンドギャップエネルギーがp側光ガイド層77よりも大きく、かつ活性層75よりも大きい、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層76を300オングストロームの膜厚で成長させる。このp側キャップ層76はp型としたが、膜厚が薄いため、n型不純物をドープしてキャリアが補償されたi型、若しくはアンドープとしても良く、最も好ましくはp型不純物をドープした層とする。p側キャップ層76の膜厚は0.1μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以下、最も好ましくは300オングストローム以下に調整する。0.1μmより厚い膜厚で成長させると、p側キャップ層76中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。Alの組成比が大きいAlGaN程薄く形成するとLD素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が0.2以上のAlYGa1-YNであれば500オングストローム以下に調整することが望ましい。p側キャップ層76の膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【0078】
(p側光ガイド層77)
次に、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層76より小さい、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側光ガイド層77を0.1μmの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、n側光ガイド層44と同じくGaN、InGaNで成長させることが望ましい。また、この層はp側クラッド層78を成長させる際のバッファ層としても作用し、100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは200オングストローム〜1μmの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このp側光ガイド層は通常はMg等のp型不純物をドープしてp型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このp側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第1の層及び第2の層の少なくとも一方にp型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【0079】
(p側クラッド層78)
次に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層、20オングストロームと、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなる第2の層、20オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚0.4μmの超格子層よりなるp側クラッド層78を成長させる。この層はn側クラッド層73と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、超格子構造とすることによりp型層側の抵抗率を低下させるための層として作用する。このp側クラッド層78の膜厚も特に限定しないが、100オングストローム以上、2μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以上、1μm以下で成長させることが望ましい。特に超格子構造を有する窒化物半導体層をクラッド層とする場合、p層側に超格子層を設ける方が、閾値電流を低下させる上で、効果が大きい。なおn側クラッド層と同じく、超格子層とする場合、互いにバンドギャップエネルギーの異なる窒化物半導体層を積層して、いずれか一方の不純物濃度を大きく、もう一方を小さくするようにして変調ドープを行うと、閾値が低下しやすい傾向にある。
【0080】
量子構造の井戸層を有する活性層を有するダブルへテロ構造の窒化物半導体素子の場合、活性層に接して、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚0.1μm以下のAlを含む窒化物半導体よりなるキャップ層を設け、そのキャップ層よりも活性層から離れた位置に、キャップ層よりもバンドギャップエネルギーが小さいp側光ガイド層を設け、そのp側光ガイド層よりも活性層から離れた位置に、p側光ガイド層よりもバンドギャップが大きいAlを含む窒化物半導体を含む超格子層よりなるp側クラッド層を設けることは非常に好ましい。しかもp側キャップ層のバンドギャップエネルギーが大きくしてあるため、n層から注入された電子がこのキャップ層で阻止されるため、電子が活性層をオーバーフローしないために、素子のリーク電流が少なくなる。
【0081】
(p側コンタクト層79)
最後に、Mgを2×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層79を150オングストロームの膜厚で成長させる。p側コンタクト層は500オングストローム以下、さらに好ましくは400オングストローム以下、20オングストローム以上に膜厚を調整すると、p層抵抗が小さくなるため閾値における電圧を低下させる上で有利である。
【0082】
反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図9に示すように、RIE装置により最上層のp側コンタクト層79と、p側クラッド層78とをエッチングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。リッジ形成位置は保護膜のストライプと平行方向に形成し、GaN下地層にあるストライプ状の結晶欠陥の多い領域をはずす。
【0083】
つまり、幅20μm、窓部5μmの保護膜上に形成されたGaN層は、窓部に成長初期に結晶欠陥の多い領域を有しており、前記リッジが、この領域にかからないように、即ちストライプ状の保護膜の直上部に位置するように設計する。このように設計することにより、ストライプ状のリッジ下部に存在する活性層がレーザ発振領域に相当するため、レーザ発振領域が、結晶欠陥の多い領域にかからないようにできる。図9の素子ではリッジを設けて、発光をリッジ下部の活性層に集中させてレーザ発振領域を作製する手法を採用したが、この他に、例えばp層最上層に、絶縁層を形成して電流狭窄できるような細いストライプ幅の電極を設ける手法、窒化物半導体層中に、電流狭窄層を形成する手法等によっても、活性層にレーザ発振領域を設けることもできる。このような場合も同様に、結晶欠陥の多い領域上部にある活性層をレーザ発振領域からずらすようにする。
【0084】
リッジ形成後、図9に示すように、リッジストライプを中心として、そのリッジストライプの両側に露出したp側クラッド層77をエッチングして、n電極82を形成すべきn側クラッド層71の表面を露出させる。なおn電極82を形成する面は、図9に示すようにn側クラッド層71の表面でもよいし、またGaN下地層50の表面でもよいが、キャリア濃度の大きい方のn型窒化物半導体層面を露出させることが望ましい。
【0085】
次にリッジ表面の全面にNi/Auよりなるp電極80を形成する。次に、図9に示すようにp電極80を除くp側クラッド層78、p側コンタクト層79の表面にSiO2よりなる絶縁膜83を形成し、この絶縁膜83を介してp電極80と電気的に接続したpパッド電極81を形成する。一方、先ほど露出させたn側クラッド層71の表面にはWとAlよりなるn電極82を形成する。
【0086】
電極形成後、ウェーハのサファイア基板のみ研磨して50μm厚とした後、ストライプ状のp電極80、n電極82のストライプに垂直な方向でサファイア基板1を劈開して、活性層の劈開面を共振面とする。劈開後のレーザ素子形状を図9に示している。このように同一面側にn電極と、p電極とを設けるレーザ素子の構造において、結晶欠陥が少ない領域と、結晶欠陥が多い領域とを有する窒化物半導体よりなる下地層上部に活性層を有する場合、n電極を設ける活性層を含まない窒化物半導体層の露出面積を、活性層を有する側の活性層面積よりも多くすることにより、熱が集中する活性層が結晶欠陥により破壊されることが少ないため信頼性が高く長寿命な素子が実現できる。なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、閾値電流密度2.0kA/cm2、閾値電圧4.0Vで、発振波長405nmの連続発振が確認され、1000時間以上の寿命を示し、更に保護膜が光吸収性であるので、レーザ導波路以外からの光がレーザ光のファーフィールドパターン及びニアフィールドパターンを乱すことがなく、良好なレーザ光が得られた。
【0087】
[実施例2]
実施例1において、保護膜を用いてGaN下地層50を形成せずに、サファイア基板1にクロムイオン(Cr3+)を0.05重量%添加して基板に光吸収性を持たせ、この基板上に、温度を510℃としてキャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア(NH3)とTMG(トリメチルガリウム)とを用い、GaNよりなるバッファ層を約200オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、実施例1と同様にして第2のバッファ層71から順に積層形成し窒化物半導体レーザ素子を得た。
得られたレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、実施例1とほぼ同様に良好な連続発振が確認され、更にレーザ光のファーフィールドパターン及びニアフィールドパターンが良好であった。
【0088】
[実施例3]
実施例3は図10に示すようにGaN基板を用いた窒化物半導体レーザ素子を作成して行った。
実施例3は、実施例1でサファイア基板上に保護膜を形成し、更に厚膜の窒化物半導体層を形成して得られた第2のGaN層3をGaN基板(GaN下地層50)として行った。このGaN下地層50上に、実施例1と同様に、レーザ素子構造の各層を積層させ、p側コンタクト層79とp側クラッド層78とをエッチングしてリッジを形成し、このリッジ表面の全面にp電極80を形成し、続いて絶縁膜83及びpパッド電極81をそれぞれ図10のように形成する。その後、ウェーハのサファイア基板1から保護膜11とGaN下地層50の一部を研磨、除去し、GaN下地層50の表面を露出させる。露出されたGaN下地層50を鏡面状にし、その鏡面全面に、接着面を鏡面状にした膜厚3μmのSiからなる光吸収膜203をウェーハ接着により接合する。更に、その光吸収膜203表面にW/Alよりなるn電極82を0.5μmの膜厚で形成し、その後、ストライプ状のp電極80に垂直な方向でGaN下地層50を劈開して劈開面を共振面とする。劈開後のレーザ素子形状を図10に示す。得られたレーザ素子は実施例1と同様に良好な連続発振をし、更にファーフィールドパターン等も良好であった。
尚、n電極82は図9に示すように第2のバッファ層71に形成することも可能である。
【0089】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、素子構造中に光吸収層を形成すること、基板を光吸収性にすること、GaN基板の素子構造形成面の反対面に光吸収膜を形成することにより、長寿命で信頼性が高いレーザ素子などの性能を阻害することなく、レーザ導波路以外の光が放射されるのを防止でき、ファーフィールドパターン及びニアフィールドパターンの乱れが防止でき、レーザ光が良好となる窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の窒化物半導体レーザ素子構造を示す一実施の形態であるLD素子の模式断面図である。
【図2】保護膜を用いてGaN下地層を作製し得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図である。
【図3】保護膜を用いてGaN下地層を作製し得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図である。
【図4】保護膜を用いてGaN下地層を作製し得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図である。
【図5】保護膜を用いてGaN下地層を作製し得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図である。
【図6】保護膜を用いてGaN下地層を作製し得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図である。
【図7】保護膜を用いてGaN下地層を作製し得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図である。
【図8】本発明の窒化物半導体レーザ素子構造を示す一実施の形態であるLD素子の模式断面図である。
【図9】本発明の一実施形態のLD素子の構造を示す模式断面図である。
【図10】本発明の一実施形態のLD素子の構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
1・・・異種基板
2・・・第1のGaN層
3・・・第2のGaN層
11、11’・・・保護膜
50・・・GaN下地層
71・・・第2のバッファ層
72・・・クラック防止層
73・・・n側クラッド層
74・・・n側光ガイド層
75・・・活性層
76・・・p側キャップ層
77・・・p側光ガイド層
78・・・p側クラッド層
79・・・p側コンタクト層
101・・・第1の窒化物半導体層
102・・・第2の窒化物半導体層
103・・・活性層を含むレーザ導波路
104・・・p導電側の窒化物半導体層
105・・・保護膜(光吸収層)
201・・・GaN基板
202・・・素子構造
203・・・光吸収膜
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a nitride semiconductor (In X Al Y Ga 1-XY N, 0.ltoreq.X, 0.ltoreq.Y, X + Y.ltoreq.1), and more particularly, to a laser element having good condensing property of emitted laser light.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various researches and developments have been actively conducted on nitride semiconductor laser diodes (LDs), and practical LDs have also been developed.
[0003]
The present applicant has proposed a nitride semiconductor laser element capable of continuous oscillation of laser light having a short wavelength of 410 nm as a nitride semiconductor laser element. For example, Appl. Lett. 69 (1996) 3034, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 4056.
The nitride semiconductor laser device proposed by the present applicant is capable of emitting short-wavelength laser light and is very useful for increasing the density and capacity of optical memories.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the LD proposed by the present applicant, since the light confinement in the light confinement layer (cladding layer) formed with the active layer sandwiched is not complete, a part of the laser light leaks out. The reflected light is reflected by the surface of the sapphire substrate used as a substrate, guided by a nitride semiconductor layer (for example, a contact layer) formed between the cladding layer and the sapphire substrate, Radiated from the end face, there is a tendency to disturb the far field pattern and the near field pattern.
In addition to the laser waveguide centered on the active layer, the disturbance such as the far-field pattern is sandwiched between the n-conducting contact layer and the low-refractive-index n-conducting clad layer. Therefore, the light leaked from the main laser waveguide (main waveguide) propagates in the multi-mode to the contact layer on the n conductive side, and is emitted from the laser waveguide centering on the active layer. This is because it overlaps the far field pattern of the laser beam. That is, the vicinity of the active layer is a main waveguide, but has a two-story structure in which the contact layer on the n conductive side is a sub-waveguide.
[0005]
Incidentally, the refractive index of the nitride semiconductor layer constituting the nitride semiconductor laser element is, in descending order, InGaN (for example, active layer), GaN (for example, guide layer, contact layer), AlGaN (for example, clad layer), substrate (for example, Sapphire, spinel). That is, if there is a contact layer made of GaN having a relatively high refractive index between the cladding layer and the substrate, light leaking from the main waveguide is guided by the contact layer and emitted from the end face of the n-side layer. In this way, if there is a sapphire substrate with a low refractive index, the light leaking from the main waveguide is less likely to be diffused from the substrate through the n-side layer, and is emitted from the end surface of the n-side layer to form a far field pattern. Disturb.
Further, if the substrate is made of a material having a low refractive index other than sapphire, the same problem as in the case of sapphire occurs.
Furthermore, even when a GaN substrate is used, the light leaking from the laser waveguide passes through the GaN substrate, but the light that has passed through the GaN substrate is reflected by metal or air in contact with the GaN substrate, and the GaN substrate passes through the sub-waveguide. And is emitted from the end face of the GaN substrate. As a result, the far field pattern tends to be disturbed.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to suppress the propagation of light other than a laser waveguide such as a contact layer on the n conductive side or a GaN substrate even if sapphire having a low refractive index is used as a substrate, It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor laser device that has a good near field pattern.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
That is, the object of the present invention can be achieved by the following configurations (1) to (4).
(1) A first nitride semiconductor layer having a higher refractive index than the different substrate on a different substrate different from the nitride semiconductor, and a second nitride semiconductor having a lower refractive index than the first nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer. In a nitride semiconductor laser device having a structure in which a layer and an active layer having a refractive index higher than that of the second nitride semiconductor layer are stacked thereon, the second nitride semiconductor layer and the dissimilar substrate A light absorption layer made of a material capable of absorbing light leaking from the laser waveguide including the active layer is provided, The second nitride semiconductor layer is provided on the light absorption layer formation via the first nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor laser device characterized by the above.
(2) A first nitride semiconductor layer having a higher refractive index than that of the different substrate on a different substrate different from the nitride semiconductor, and a second nitride semiconductor having a lower refractive index than that of the first nitride semiconductor layer thereon. In a nitride semiconductor laser device having a structure in which a layer and an active layer having a refractive index higher than that of the second nitride semiconductor layer are stacked thereon, leakage from a laser waveguide including the active layer on the heterogeneous substrate A nitride semiconductor laser element characterized by having a light absorptivity capable of absorbing the emitted light.
(3) In a nitride semiconductor laser element formed by forming an element structure having an active layer on a GaN substrate, an active layer is included on the surface of the GaN substrate that does not have an element structure facing the element structure forming surface. A nitride semiconductor laser element comprising a light absorption film capable of absorbing light leaking from a laser waveguide.
(4) The nitride semiconductor laser element described above further has the following configuration. The substrate is characterized in that the substrate has light absorptivity. Further, a light absorption layer is provided between the second nitride semiconductor layer and the substrate. The light absorption layer is a layer formed by adding a new component so that light can be absorbed by the nitride semiconductor layer on the n conductive side having the same composition as the active layer, or the n conductive side layer forming the element structure. It is characterized by becoming. The first nitride semiconductor layer is GaN. Further, the second nitride semiconductor layer is made of a nitride semiconductor containing at least Al.
[0008]
That is, according to the present invention, the laser element is provided with a function capable of absorbing light leaking from the main laser waveguide centering on the active layer, so that the light leaking from the laser waveguide is coupled to the second nitride semiconductor layer. It is possible to prevent the first nitride semiconductor layer (for example, contact layer) between the different types of substrates from being guided, and also to guide the GaN substrate. Thereby, it is possible to suppress light from being emitted from the end surface on the n conductive side such as the first nitride semiconductor layer or the end surface of the GaN substrate, and a good far field pattern or the like can be obtained.
In the present invention, it is needless to say that the heterogeneous substrate, the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer, and the active layer may not be formed in contact with each other.
[0009]
In the case of a conventionally known LD such as red, the far field pattern of the LD such as red has a unimodal elliptical shape. This is because a conventionally known red LD uses, for example, an n-type GaAs substrate, and the GaAs substrate absorbs light, so that no light is emitted from the end face other than the laser waveguide.
On the other hand, in the case of a nitride semiconductor laser element, a material having a low refractive index such as sapphire is used for the substrate, and furthermore, since the nitride semiconductor is transparent, it transmits light. As a result, it is considered that light from a sub-waveguide other than the main waveguide near the active layer is emitted and disturbs the far field pattern of the laser light.
[0010]
On the other hand, the present inventor was able to solve the above problems by providing the nitride semiconductor laser element with a function capable of absorbing light as described above. In addition, the present invention can improve the far field pattern and the like without deteriorating the performance of the nitride semiconductor laser device.
[0011]
First, according to the present invention, when a laser element is formed using a dissimilar substrate having a low refractive index such as sapphire, a light absorption layer is provided between the second nitride semiconductor layer and the substrate, or light is applied to the dissimilar substrate. By providing absorbency, conventional problems can be solved.
When forming a laser element using a GaN substrate, the above problem can be solved by providing a light absorption film on the surface of the GaN substrate opposite to the surface on which the element structure is formed.
Further, in the present invention, a combination of providing a light absorption layer between the second nitride semiconductor layer and the substrate, providing the substrate with light absorption, and providing a light absorption film on the GaN substrate is performed. Also good.
[0012]
In the present invention, the first nitride semiconductor layer has a higher refractive index than the substrate and the second nitride semiconductor layer, and the light leaking from the laser waveguide is guided in the first nitride semiconductor layer. For example, a contact layer, and may be one or more layers and one or more layers.
In the present invention, the second nitride semiconductor layer is formed on the substrate side of the active layer and is smaller than the refractive index of the active layer and the first nitride semiconductor layer. For example, the second nitride semiconductor layer emits light emitted from the active layer. For example, a clad layer for confinement. The second nitride semiconductor layer may be one or more and one or more layers.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention provides a nitride semiconductor laser element with a function of absorbing light leaking from a laser waveguide so that the far field pattern of the laser light is not disturbed.
1 to 8 are schematic cross-sectional views showing an embodiment in which a nitride semiconductor laser element has light absorption, and a method for forming a protective film as a light absorption layer in stages. It is a schematic cross section which shows one embodiment. However, the present invention is not limited to this.
[0014]
In FIG. 1, a first nitride semiconductor layer 101 having a higher refractive index than that of the different substrate 1 and a second nitride semiconductor layer 102 having a lower refractive index than that of the first nitride semiconductor layer 101 are formed on the different substrate 1. A laser waveguide 103 including an active layer having a higher refractive index than that of the second nitride semiconductor layer 102, and a nitride semiconductor laser having a heterogeneous substrate in which one or more p-conductivity type nitride semiconductor layers 104 are sequentially stacked. It is a schematic cross section of an element. Further, the nitride semiconductor laser element of FIG. 1 is provided with a light absorption function by forming a light absorption layer 105 so that light leaking from the laser waveguide 103 including the active layer can be absorbed.
[0015]
As a function capable of absorbing light, as shown in FIG. 1, a light absorption layer (a protective film 105 described later is shown as a light absorption layer in FIG. 1) between the second nitride semiconductor layer 102 and the heterogeneous substrate 1 is used. It may be formed and / or colored by doping light-absorbing impurities into the heterogeneous substrate 1 or the like.
[0016]
Hereinafter, the formation of a light absorption layer between the second nitride semiconductor layer 102 and the heterogeneous substrate 1 will be described as a light absorption function.
In the present invention, the light absorption layer may be formed anywhere between the heterogeneous substrate 1 and the second nitride semiconductor layer 102. The light absorbing layer is not particularly limited as long as it can absorb light leaking from the laser waveguide without degrading the performance of the laser element. For example, the light absorption function of the protective film 105 used when forming a nitride semiconductor layer (GaN underlayer) with a low crystal defect by lateral growth of a nitride semiconductor [Lateral over growth (LOG), lateral growth]. Or a semiconductor layer capable of absorbing light between the second nitride semiconductor layer 102 and the heterogeneous substrate 1 may be used.
In the present invention, the lateral growth method is not particularly limited, and examples thereof include a method performed using a protective film 105 described later. The protective film 105 may be any material as long as the nitride semiconductor is difficult to grow and can absorb light leaking from the laser waveguide.
[0017]
In the present invention, when the light absorbing layer is a light absorbing semiconductor layer, a light absorbing semiconductor layer that does not deteriorate the performance of the laser element is preferable. For example, the light absorbing layer has the same composition as the active layer. Examples thereof include a layer formed by adding a new component so that light can be absorbed in the n-conductivity-side nitride semiconductor layer or the n-conductivity-side layer forming the element structure.
[0018]
In the present invention, the case where the light absorption layer is a protective film 105 used for growth of a nitride semiconductor provided with a light absorption function will be described below.
In the present invention, the protective film 105 used includes the protective film 105 used in the lateral growth method of nitride semiconductor. As the protective film material, a material having a property that the nitride semiconductor does not grow or hardly grow on the surface of the protective film 105 and has a light absorption property is used.
As the protective film 105 used in the lateral growth method, for example, silicon oxide (SiO X ), Silicon nitride (Si X N Y ), Titanium oxide (TiO X ), Zirconium oxide (ZrO) X In addition to oxides and nitrides such as), and multilayer films of these, metals having a melting point of 1200 ° C. or higher can be used. These protective film materials can withstand the nitride semiconductor growth temperature of 600 ° C. to 1100 ° C., and the nitride semiconductor does not grow or hardly grow on the surface thereof. However, all of these protective film materials can be used as protective films used for lateral growth, but there are materials that do not exhibit light absorption and materials that exhibit light absorption. As described above, when a material that does not exhibit light absorption is used, a protective film that can absorb light can be obtained by using in combination with a protective film material that exhibits light absorption or another material that exhibits light absorption. The protective film material is appropriately selected according to the wavelength of light leaking from the laser waveguide.
[0019]
Among the protective film materials described above, for example, titanium oxide (TiO X ) Is a protective film material exhibiting light absorption, and acts as a protective film and a light absorption layer. When such a light-absorbing protective film material is used, the device manufacturing process can be simplified.
Further, among the above protective film materials, examples of materials that do not exhibit light absorption include silicon oxide (SiO 2). X ), Silicon nitride (Si X N Y ), Zirconium oxide (ZrO) X ) Etc. When such a protective film material that does not absorb light is used, it cannot be used alone as a protective film as described above. For example, as shown in FIG. 1, it may be on a heterogeneous substrate 1 (may be in contact with the heterogeneous substrate 1). The material that absorbs light, such as Si shown below, is formed on silicon oxide (SiO2). x 1), the light leaking from the laser waveguide 103 having the active layer can be absorbed by forming the protective film 105 (light absorption layer) having a two-layer structure as shown in FIG. At the same time, it functions as a protective film in the lateral growth method.
As materials other than the above-described light-absorbing protective film material used when a protective film material that does not exhibit light absorption is used, a material having a light-absorbing property that does not adversely affect the performance of the element is used. For example, Si etc. are mentioned.
[0020]
In the present invention, the thickness of the protective film formed on the substrate is a thickness that can absorb extra light that disturbs the far-field pattern and the like, and a nitride semiconductor can be favorably grown in the nitride semiconductor growth method. Film thickness is preferred. The thickness of the protective film is, for example, 0.1 to 10 μm, preferably 0.5 to 8 μm, and more preferably 1 to 5 μm. When the thickness of the protective film is within this range, the growth of the nitride semiconductor can be improved, and the light leaking from the laser waveguide can be absorbed well, and the disturbance of the far field pattern and the like can be prevented.
When a protective film material that does not exhibit light absorption and a protective film material that has light absorption or other materials are used in combination, the material having light absorption and the total film thickness that does not exhibit light absorption are within the above range. It is preferable that For example, the film thickness of the light-absorbing material is 0.3 to 10 μm, preferably 0.4 to 4 μm, more preferably 0.5 to 2 μm, and light leaking from the laser waveguide is within this range. Can be absorbed well. The film thickness of the material that does not exhibit light absorption is 1 μm or less, preferably 0.5 μm or less, more preferably 0.2 μm or less, and even more preferably 0.1 μm or less. The lower limit is not particularly limited, but one molecule or What is necessary is just to be laminated | stacked on the surface of the material which has a light absorptivity so that the nitride semiconductor may not grow on a protective film with the thickness more than the magnitude | size of 1 atom.
[0021]
In order to form the protective film material on the surface of the nitride semiconductor, for example, vapor deposition techniques such as vapor deposition, sputtering, and CVD can be used.
[0022]
Although it does not specifically limit as a lateral growth method, One Embodiment using the protective film which has a light absorptivity below is shown.
Here, in the present invention, the heterogeneous substrate may have light absorption, and a protective film may be formed on the heterogeneous substrate to perform lateral growth of the nitride semiconductor. In the case of showing, the protective film may not have light absorption.
[0023]
As a first method of lateral growth of a nitride semiconductor using a protective film, the surface of the nitride semiconductor layer is grown after or before the growth of the nitride semiconductor on a different substrate made of a material different from the nitride semiconductor. Alternatively, a protective film having a property in which a nitride semiconductor does not easily grow in the vertical direction is formed on the surface of a different substrate, for example, in a stripe shape, a dot shape, a grid shape, etc., and the nitride semiconductor is formed on the protective film. This is a method of growing the surface in the horizontal direction. In the first method, when the protective film is formed, when the protective film forming area and the exposed area (window part) are compared, the area of the thick film with many regions having few crystal defects is reduced when the area of the window part is reduced. A nitride semiconductor layer (underlayer) tends to be obtained.
[0024]
As a second method of growing a nitride semiconductor using a protective film, an uneven part is formed on the surface of a nitride semiconductor grown on a different substrate, and the protective film is formed on the flat surface of the convex part and the concave part. Then, lateral growth is performed from the nitride semiconductor exposed on the side surface, and the nitride semiconductors grown in the lateral direction are connected to the upper portion of the protective film.
[0025]
In any of the above methods, by forming the protective film, it is possible to stop the crystal defects of the nitride semiconductor that are caused by factors such as irregular lattice constants and differences in thermal expansion coefficients between the heterogeneous substrate and the nitride semiconductor. In other words, a nitride semiconductor formed on a heterogeneous substrate made of a material different from a nitride semiconductor and grown laterally on a stripe-shaped protective film having a property that the nitride semiconductor is difficult to grow in the vertical direction is grown. Initially, it has a region with many crystal defects and a region with few crystal defects. This is because when a nitride semiconductor is grown again on the protective film and the window portion (the portion where the protective film is not formed) after the protective film is formed, the nitride semiconductor is nitrided laterally from the nitride semiconductor under the window portion. This is because the growth of the nitride semiconductor is promoted to grow the nitride semiconductor to the top of the protective film. Crystal defects generated from the interface between the heterogeneous substrate and the nitride semiconductor layer tend to dislocation at the upper part of the window, but most of them do not dislocation in the thickness direction at the upper part of the protective film. The crystal defects of the GaN underlayer thus obtained are, for example, 1 × 10 6 at the upper part of the window. 8 Piece / cm 2 For example, in the upper part of the protective film, 1 × 10 7 Piece / cm 2 The following conditions are satisfied, and under preferable conditions, 5 × 10 6 Piece / cm 2 Hereinafter, in more preferable conditions, 1 × 10 6 Piece / cm 2 Hereinafter, under the most preferable conditions, 5 × 10 Five Piece / cm 2 It is desirable that
[0026]
For example, when a stripe-shaped protective film is formed, in the lateral growth of the nitride semiconductor, the nitride semiconductor grows from both sides (stripe width direction) on the protective film and is connected, for example, at the center of the stripe. In the GaN underlayer formed in this way, the number of crystal defects in the initial stage of growth is remarkably different between the upper part of the window part and the upper part of the stripe-shaped protective film. That is, in this GaN underlayer, many crystal defects in the initial stage of growth are generated in the upper part of the window. For example, the number of crystal defects at the top of the window is 1 × 10 8 Piece / cm 2 Above, 1 × 10 above the protective film 7 Piece / cm 2 It becomes the following. The preferred number with few crystal defects is as described above. This crystal defect can be measured, for example, by measuring the number of etch pits exposed on the etched surface when a nitride semiconductor is dry etched. In the nitride semiconductor laser device of the present invention, when the protective film is used, there are many crystal defects in the window, that is, in the early stage of growth, and most of the crystal defects are located above the portion where dislocation is interrupted during the growth. It is preferable to reduce the area of the active layer, and in particular, to provide a laser oscillation region above the region with few crystal defects without providing an oscillation region in this portion.
[0027]
FIGS. 2 to 4 show a case in which a nitride semiconductor thick film layer (GaN substrate or GaN underlayer) is formed using a protective film on a different kind of substrate using a nitride semiconductor by the first method. It is typical sectional drawing which shows the structure of a physical semiconductor wafer. In these figures, 1 is a heterogeneous substrate, 2 is a first GaN layer, 3 is a second GaN layer, and 11 is a protective film (a protective film having a two-layer structure is illustrated). The second GaN layer 3 is the GaN underlayer. Based on these drawings, an example of a method for producing a GaN underlayer using a light-absorbing protective film will be described.
[0028]
As shown in FIG. 2, the first GaN layer 2 is grown on the surface of the heterogeneous substrate 1 with a film thickness of, for example, 10 μm or less. The first GaN layer is a layer grown directly on the substrate or via a buffer layer, and crystal defects are present in all cross sections, for example, 1 × 10 6. 8 Piece / cm 2 Because of the above, it cannot be a GaN substrate or a GaN underlayer. The heterogeneous substrate 1 uses sapphire described later.
Before the first GaN layer 2 is grown, a low temperature growth buffer layer, such as GaN or AlN, having a lower temperature than the growth temperature of the first GaN layer is grown on the heterogeneous substrate 1 to a thickness of 0.5 μm or less. You can also.
[0029]
Next, a protective film 11 having a property that the nitride semiconductor does not grow in the vertical direction or is difficult to grow on the first GaN layer 2 is formed in a stripe shape, for example. When the stripe width is larger than the exposed portion of the first GaN layer, that is, the portion where the protective film is not formed (window portion), the second GaN layer 3 with fewer crystal defects grows when the area of the protective film is made larger. This is convenient for setting the laser oscillation portion.
As the material of the protective film 11, the above-described materials are used. When the material of the protective film is light-absorbing, the protective film material is formed as a single layer. On the other hand, when the protective film material does not have light absorption, a material other than the light absorption protective film material or the light absorption protective film material is placed on the substrate (it may not be in contact with the substrate). Then, a protective film material having no light absorption property is formed thereon to form a protective film having a two-layer structure as shown in FIG. For example, silicon oxide (SiO X ) As a protective film material, titanium oxide (TiO 2) exhibiting light absorption on the substrate. X ) Or Si, etc., and silicon oxide (SiO X ) To form a protective film 11 having a two-layer structure as shown in FIG.
Here, in the present invention, when the protective film has light absorption, silicon oxide (SiO 2) X ) Cannot absorb light and is not used alone as a material for a protective film having light absorption. However, when a protective film is formed on this substrate by providing a different substrate with light absorption, silicon oxide (SiO 2) having no light absorption as the protective film is used. X ) May be used alone, or a light-absorbing material may be used.
[0030]
FIG. 2 shows a partial cross-sectional view when a stripe-shaped protective film is formed on the first GaN layer 2 and the wafer is cut in a direction perpendicular to the stripe. 1 schematically shows a thin line shown inside the GaN layer 2. As shown in this figure, innumerable crystal defects are generated in the first GaN layer 2 almost uniformly, so that it is impossible to form a GaN substrate or a GaN underlayer. The stripe width of this protective film is adjusted to 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and most preferably 5 μm or more. If it is smaller than 1 μm, the region having few crystal defects tends to be small, and it tends to be difficult to secure the laser oscillation region on the region having few crystal defects. The upper limit of the stripe width is not particularly limited, but it is usually desirable to adjust it to 100 μm or less.
[0031]
A second GaN layer 3 is further grown on the wafer on which the protective film 11 is formed. As shown in FIG. 3, when the second GaN layer 3 is grown on the first GaN layer 2 on which the protective film 11 is formed, a GaN layer grows on the first protective film 11 first. Instead, the second GaN layer 3 is selectively grown on the first GaN layer 2 in the window. FIG. 3 shows this state, and shows that a large amount of GaN grows in the window portion at the initial stage of growth and hardly grows on the first protective film 11.
[0032]
However, if the growth of the second GaN layer 3 is continued, the second GaN layer 3 grows laterally on the first protective film 11 and is connected by the adjacent second GaN layers 3. As shown in FIG. 4, the state is as if the second GaN layer 3 has grown on the protective film 11. The second GaN layer 3 grown in this manner has a tendency to reduce crystal defects as the film thickness increases, and crystal defects (penetration transition) appearing on the surface are the same as the conventional one without a protective film. Compared to very few. However, the number of crystal defects in the upper part of the window part and the upper part of the protective film at the initial growth stage of the second GaN layer 3 is significantly different. That is, the portion of the second GaN layer 3 grown on the portion (window) where the first protective film 11 is not formed on the upper portion of the different substrate is crystallized from the interface between the different substrate 1 and the GaN layer 2. Although the defects tend to dislocation, the portion of the second GaN layer 3 grown on the protective film 11 has few crystal defects dislocations in the vertical direction. In FIG. 4, the plurality of thin lines shown from the substrate toward the surface of the first nitride semiconductor layer schematically show crystal defects as in FIGS. That is, most of the crystal defects grown from the window part are dislocated toward the surface of the second GaN layer 3 in the initial stage of the growth, but dislocations in the surface direction are continued as the growth of the second GaN layer 3 is continued. The number of crystal defects tends to decrease, and the number of crystal defects that dislocation to the surface is very small. Therefore, there are 10 crystal defects at the top of the window at the beginning of growth. 8 Piece / cm 2 In contrast to the above, it is 10 above the protective film. 7 Piece / cm 2 It becomes smaller as below.
[0033]
5 and 6 show a method for producing a GaN foundation layer by the second method. In this method, unevenness is provided on the surface of the first GaN layer 2 grown directly on a different substrate or via a low-temperature growth buffer layer. Then, as shown in FIG. 5, when the protective films 11 and 11 ′ are formed on the flat portion of the concavo-convex portion and the second GaN layer 3 is grown, the first GaN exposed on the end face as shown in FIG. From the layer 2, the second GaN layer grows in the lateral direction and is connected to the upper part of the protective film 11 ′, and then grows upward from there. Furthermore, it is considered that the second GaN layer grew in the lateral direction on the protective film 11 and connected to form the GaN foundation layer 3. In the case of the second method, since the second GaN layer 3 is grown from the side surface portion of the first GaN layer 2, it is clearly divided into a region with many crystal defects and a region with few crystal defects as in the first method in the initial stage of growth. The total number of crystal defects tends to be smaller than that of the first method. However, the manufacturing method of the GaN underlayer described above is merely an example, and the GaN underlayer of the laser element of the present invention when the protective film is used is not restricted by the above two manufacturing methods. Either one of the protective films 11 and 11 ′ may exhibit light absorption, and preferably both of them exhibit light absorption.
[0034]
FIG. 7 shows a more preferable manufacturing method of the GaN underlayer. After the growth of the second GaN layer 3 shown in FIG. A second protective film 12 is formed so as to cover the corresponding surface and crystal defects appearing on the surface, and a third GaN layer 4 is grown laterally on the protective film. By doing so, further dislocation of crystal defects appearing on the surface of the second GaN layer 3 can be prevented, and re-dislocation of crystal defects to the active layer or the like that causes deterioration of the light emitting element can be prevented. Thus, a GaN underlayer having fewer crystal defects than the second GaN layer 3 is obtained.
At this time, the area of the second protective film 12 is larger than the area of the window of the first protective film 11, and preferably larger than the area of the first protective film. Further, one of the protective films 11 and 12 only needs to exhibit light absorption, and preferably both exhibit light absorption.
[0035]
Thus, when growing a nitride semiconductor using lateral growth of a nitride semiconductor on a heterogeneous substrate, by using a protective film having a light absorption property as a protective film, the nitride having few crystal defects In addition to being able to form a device structure with few crystal defects on the semiconductor underlayer, the protective film can absorb the light leaking from the laser waveguide, so that the far field pattern, etc. is good without degrading the performance of the laser device Is possible.
[0036]
Here, the protective film used in the present invention may be a lateral growth of a nitride semiconductor by forming a protective film on a heterogeneous substrate having a light absorption property. It does not have to have light absorption.
[0037]
Next, a description will be given of a case where the light absorbing layer is provided with a light absorbing property that allows the different substrate 1 to absorb light leaking from the laser waveguide.
Any method can be used as long as the heterogeneous substrate 1 can absorb light, as long as the heterogeneous substrate 1 can absorb light. For example, an impurity is added to the heterogeneous substrate 1 to give the light absorption property. It is done.
In the present invention, the heterogeneous substrate 1 has a lower refractive index than the first nitride semiconductor layer, which can cause the problems described in the above-mentioned problems of the present invention, and cannot absorb light leaking from the laser waveguide. A dissimilar substrate 1 made of a material, for example, sapphire or spinel (MgA1) having a C-plane, R-plane or A-plane as a main surface. 2 O Four ), An insulating substrate such as ZnS, ZnO, or the like.
A material that can absorb light leaking from the laser waveguide, for example, a material having a color, as the heterogeneous substrate of nitride semiconductor is less likely to cause the problem described in the subject of the present invention. The present invention is effective in solving the problem that occurs when using a different substrate that has a low refractive index and does not have light absorption.
[0038]
The impurity added to the material of the different substrate is used together with the material of the different substrate at the time of forming a substance to be the different substrate, and is taken into the formed different substrate. Any impurity may be used as long as it is added to a different substrate and has a function of absorbing light. For example, a metal (including ions), specifically chromium (for example, Cr) 3+ ) And titanium.
Further, the added amount of the impurities may be added to such an extent that the substrate exhibits light absorption, and specifically, 0.01 to 0.15% by weight, preferably 0.03 to 0.10. % By weight, more preferably 0.04 to 0.07% by weight. It is preferable for the amount of impurities added to be in the above range because light can be absorbed well.
[0039]
Next, in the nitride semiconductor laser device having the device structure 202 including the active layer on the substrate (GaN substrate) 201 made of GaN using the schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor laser device shown in FIG. The formation of the light absorption film 203 capable of absorbing the light generated and leaked in the active layer on the surface having no element structure 202 of 201 will be described.
When the GaN substrate 201 is used as the substrate, the refractive index of the semiconductor layer forming the element structure 202 is approximately the same as the refractive index of the GaN substrate, so that light leaking from the laser waveguide passes through the GaN substrate 201. . However, leakage from the laser waveguide was caused by metal (not shown) or air provided in contact with the GaN substrate surface opposite to the surface having the element structure 202 (hereinafter referred to as the opposite surface of the GaN substrate). The light is reflected, guided through the GaN substrate 201, and emitted from the end face of the GaN substrate 201 to disturb the far field pattern.
On the other hand, the present invention can solve the problem by forming a light absorption film 203 capable of absorbing light that has passed through the GaN substrate 201 on the opposite surface of the GaN substrate 201.
[0040]
The light absorbing film 203 formed on the opposite surface of the GaN substrate 201 may be made of a material that can absorb at least light, and is preferably a colored film or an opaque film having a higher refractive index than the GaN substrate. Examples of the material of the light absorption film include GaAs, SiC, Si, and TiO. 2 , Carbon and the like. The light absorption film 203 is formed by appropriately selecting a material that easily absorbs light generated by the active layer.
As a method of forming the light absorption film 203, there is a so-called wafer bonding method in which the bonding surface of the light absorption film 203 and the bonding surface of the GaN substrate are used as mirror surfaces and the mirror surfaces are bonded to each other and then thermocompression bonded.
The film thickness of the light absorption film 203 is 0.1 μm or more, preferably 0.4 μm or more. The upper limit of the film thickness of the light absorption film 203 is not particularly limited, but the cost and the size of the apparatus are taken into consideration. Therefore, it is preferably about 10 μm or less. When the film thickness of the light absorption film 203 is within this range, the light generated and leaked in the active layer can be absorbed well, and the heat dissipation is also good. In addition, depending on the material of the light absorption film, there are a material that has a color even if it is a thin film, and a material that does not have a color unless it has a certain thickness, and the film thickness is appropriately adjusted depending on the type of material.
[0041]
In the present invention, the GaN substrate may be formed by any method. For example, a thick nitride semiconductor is formed by using a method of forming a thick nitride semiconductor layer by forming a protective film on the heterogeneous substrate. It is obtained by forming a layer and then removing the foreign substrate and the protective film. Here, when a protective film is used when forming a GaN substrate provided with a light absorption film on a surface opposite to the surface having the element structure, the protective film may not have light absorption. Therefore, the protective film that can be used is appropriately selected from materials having and not having light absorption.
[0042]
In the present invention, a nitride having a heterogeneous substrate having a light absorbing function, a light absorbing layer formed between the second nitride semiconductor layer and the heterogeneous substrate, and a light absorbing film on the opposite surface of the GaN substrate The layer structure of the nitride semiconductor to be a semiconductor laser element is not particularly limited, and any layer structure may be used, and the shape of the element is not particularly limited. Also, there are no particular limitations on the electrodes other than the layer configuration, such as the electrodes formed on the laser element and the electrode formation positions.
[0043]
The layer structure constituting the nitride semiconductor device of the present invention is preferably a superlattice-structured cladding layer (n-conducting side and p-conducting side cladding layers are shown in contact with or away from the active layer. The nitride semiconductor layer 2 is an n-conducting cladding layer).
As the superlattice structure cladding layer, a superlattice layer in which a nitride semiconductor layer having a large band gap energy and a nitride semiconductor layer having a smaller band gap energy than a nitride semiconductor layer having a large band gap energy are stacked. The nitride semiconductor layer having a large band gap energy and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy have different n-type impurity concentrations.
[0044]
The superlattice layer may be formed in a layer other than the cladding layer. For example, in the case of a photoelectric conversion element such as a light emitting element or a light receiving element, a buffer layer and an n electrode formed in contact with the substrate are formed. The n-side contact layer, the n-side cladding layer for carrier confinement, and the n-side light guide layer for guiding the light emission of the active layer, etc., and the p-layer side The p-side contact layer on which the p-electrode is formed, the p-side cladding layer as carrier confinement, and the p-side light guide layer that guides the light emission of the active layer.
[0045]
Further, the n-type impurity or p-type impurity of the superlattice layer may be heavily doped on the nitride semiconductor layer side having a large band gap energy, or may be heavily doped on the nitride semiconductor layer side having a small band gap energy. .
[0046]
When doping a nitride semiconductor layer having a large band gap energy with a large amount of n-type impurities, the n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is 1 × 10 17 /cm Three ~ 1x10 20 /cm Three And the n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is 1 × 10 19 /cm Three Hereinafter, the impurity concentration is in the relationship of a nitride semiconductor having a large band gap energy> a nitride semiconductor having a small band gap energy. The nitride semiconductor layer having a small band gap energy is preferably 1 × 10. 18 /cm Three Or less, more preferably 1 × 10 17 /cm Three In the following, it is most preferable to undo, that is, a state in which impurities are not intentionally doped.
[0047]
In addition, when the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a large amount of p-type impurities, the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is 1 × 10. 18 /cm Three ~ 1x10 twenty one /cm Three And the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is 1 × 10 20 /cm Three Hereinafter, the impurity concentration is in the relationship of a nitride semiconductor having a large band gap energy> a nitride semiconductor having a small band gap energy. A nitride semiconductor layer having a small band gap energy is 1 × 10. 19 /cm Three Or less, more preferably 1 × 10 18 /cm Three In the following, it is most preferable to undo, that is, a state in which impurities are not intentionally doped.
[0048]
Further, the impurity doped in the nitride semiconductor layer having a large band gap energy has a large impurity concentration near the center of the semiconductor layer and a small impurity concentration near both ends in the thickness direction.
[0049]
When the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of n-type impurities, the n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is 1 × 10. 19 /cm Three The n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is 1 × 10 17 /cm Three ~ 1x10 20 /cm Three (However, the impurity concentration is in the relationship of a nitride semiconductor having a large band gap energy <a nitride semiconductor having a small band gap energy). The nitride semiconductor layer having a large band gap energy is preferably 1 × 10. 18 /cm Three Or less, more preferably 1 × 10 17 /cm Three In the following, it is most preferable to undo, that is, a state in which impurities are not intentionally doped.
[0050]
Further, when the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of p-type impurities, the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is 1 × 10 5. 20 /cm Three The p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is 1 × 10 18 /cm Three ~ 1x10 twenty one /cm Three (However, the impurity concentration is in the relationship of a nitride semiconductor having a large band gap energy <a nitride semiconductor having a small band gap energy). A nitride semiconductor layer having a large band gap energy is 1 × 10 19 /cm Three Or less, more preferably 1 × 10 18 /cm Three In the following, it is most preferable to undo, that is, a state in which impurities are not intentionally doped.
[0051]
Further, the impurity doped in the nitride semiconductor layer having a small band gap energy has a large impurity concentration near the center of the semiconductor layer and a small impurity concentration near both ends in the thickness direction.
[0052]
The thickness of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy constituting the superlattice layer is 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 10 to 40 angstroms. Adjust to. When it is thicker than 100 angstroms, the nitride semiconductor layer having a large band gap energy and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy have a film thickness exceeding the elastic strain limit, and tend to have minute cracks or crystal defects in the film. It is in. The lower limit of the thickness of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is not particularly limited, and may be one atomic layer or more, but is most preferably 10 angstroms or more as described above. .
The nitride semiconductor layer having a large band gap energy is a nitride semiconductor containing at least Al, preferably Al X Ga 1-X It is desirable to grow N (0 <X ≦ 1). On the other hand, the nitride semiconductor having a small band gap energy may be any nitride semiconductor having a lower band gap energy than a nitride semiconductor having a large band gap energy, but preferably Al. Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y <1, X> Y), In Z Ga 1-Z Binary mixed crystal and ternary mixed crystal nitride semiconductors such as N (0 ≦ Z <1) are easy to grow, and those with good crystallinity are easily obtained. Among them, a nitride semiconductor having a large band gap energy is particularly preferably Al containing substantially no In or Ga. X Ga 1-X N (0 <X <1), and a nitride semiconductor having a small band gap energy is substantially free of Al. Z Ga 1-Z N (0 ≦ Z <1), and for the purpose of obtaining a superlattice excellent in crystallinity, Al having an Al mixed crystal ratio (Y value) of 0.3 or less X Ga 1-X The combination of N (0 <X ≦ 0.3) and GaN is most preferable.
[0053]
When forming a clad layer as an optical confinement layer and a carrier confinement layer, it is necessary to grow a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the well layer of the active layer. The nitride semiconductor layer having a large band gap energy is a nitride semiconductor having a high Al mixed crystal ratio. Conventionally, when a nitride semiconductor having a high Al mixed crystal ratio is grown as a thick film, cracks are easily generated, and thus crystal growth is very difficult. However, when a superlattice layer is formed as in the present invention, even if the single layer constituting the superlattice layer is a layer having a slightly higher Al mixed crystal ratio, it is grown with a film thickness less than the elastic critical film thickness, so that cracks are not easily generated. . Therefore, since a layer having a high Al mixed crystal ratio can be grown with good crystallinity, the optical confinement effect and the carrier confinement effect are enhanced, and the threshold voltage can be lowered.
[0054]
In addition, if the impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy of the cladding layer is different from that of the nitride semiconductor layer having a low band gap energy, so-called modulation doping, the impurity concentration of one layer is reduced, preferably doped with impurities. If the other is doped at a high concentration in a state where it is not (undoped), the threshold voltage can be lowered. This is because when a layer having a low impurity concentration is present in the superlattice layer, the mobility of the layer is increased, and a layer having a high impurity concentration is also present at the same time, so that the superlattice remains at a high carrier concentration. By being able to form a layer. In other words, a layer having a high impurity concentration and a high mobility and a layer having a high impurity concentration and a high carrier concentration are present at the same time, so that a layer having a high carrier concentration and a high mobility becomes a cladding layer. Is estimated to decline.
[0055]
When a nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a high concentration of impurities, this modulation doping generates a two-dimensional electron gas between the high impurity concentration layer and the low impurity concentration layer. It is presumed that the resistivity decreases due to the influence.
For example, in a superlattice layer in which a nitride semiconductor layer having a large band gap doped with an n-type impurity and an undoped nitride semiconductor layer having a small band gap are stacked, a layer doped with an n-type impurity and an undoped layer The barrier layer side is depleted at the heterojunction interface, and electrons (two-dimensional electron gas) accumulate at the interface around the thickness of the layer side having a small band gap. Since the two-dimensional electron gas can be generated on the side having a small band gap, the electrons are not scattered by impurities when they travel, so that the mobility of electrons in the superlattice increases and the resistivity decreases.
In the case of the p layer, AlGaN has a higher resistivity than GaN. Therefore, since the resistivity is lowered by doping a large amount of p-type impurities into AlGaN, the substantial resistivity of the superlattice layer is lowered. Therefore, when an element is manufactured, the threshold tends to be lowered. Inferred.
[0056]
When the p-side cladding layer 17 has a superlattice structure, the action of the superlattice structure on the light emitting element is the same as that of the n-side cladding layer 12, but in addition to the case where it is formed on the n-layer side, the following is performed. There is an effect. That is, the resistivity of the p-type nitride semiconductor is usually two orders of magnitude higher than that of the n-type nitride semiconductor. Therefore, when the superlattice layer is formed on the p layer side, the threshold voltage is significantly reduced. More specifically, it is known that a nitride semiconductor is a semiconductor in which p-type crystals are very difficult to obtain. A technique for removing hydrogen by annealing a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity to obtain a p-type crystal is known (Japanese Patent No. 2540791). However, even if p-type is obtained, the resistivity is several Ω · cm or more. Therefore, by using this p-type layer as a superlattice layer, the crystallinity is improved and the resistivity is lowered by one digit or more, so that the threshold voltage is likely to be lowered.
[0057]
When the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with an impurity at a high concentration, it is presumed that the following effects are obtained.
For example, when the AlGaN layer and the GaN layer are doped with the same amount of Mg, the AlGaN layer has a large Mg acceptor level depth and a low activation rate. On the other hand, the acceptor level of the GaN layer is shallower than the AlGaN layer, and the activation rate of Mg is high. For example, Mg is 1 × 10 20 /cm Three 1 × 10 for GaN even if doped 18 /cm Three AlGaN has a carrier concentration of about 1 × 10 17 /cm Three Only a moderate carrier concentration can be obtained. Therefore, in the present invention, a superlattice with a high carrier concentration can be obtained by forming a superlattice with AlGaN / GaN and doping more impurities into the GaN layer that can obtain a high carrier concentration. In addition, since the superlattice is used, carriers move through the AlGaN layer having a low impurity concentration due to the tunnel effect, so that the carriers are not substantially affected by the AlGaN layer, and the AlGaN layer functions as a cladding layer having a high band gap energy. Therefore, even if the nitride semiconductor layer having the smaller band gap energy is doped with a large amount of impurities, it is very effective in reducing the threshold value of the laser device. Although this description has been given of an example in which a superlattice is formed on the p-type layer side, the same effect can be obtained when a superlattice is formed on the n-layer side.
[0058]
When doping a nitride semiconductor layer having a large band gap energy with a large amount of n-type impurities, a preferable doping amount to the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is 1 × 10 17 /cm Three ~ 1x10 20 /cm Three More preferably 1 × 10 18 /cm Three ~ 5x10 19 /cm Three Adjust to the range. 1 × 10 17 /cm Three Is less than the nitride semiconductor layer having a small band gap energy, it tends to be difficult to obtain a layer having a high carrier concentration. 20 /cm Three If it is more, the leakage current of the element itself tends to increase. On the other hand, the n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy should be less than that of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy, and preferably 1/10 or less. Most preferably, when undoped, a layer with the highest mobility is obtained, but since the film thickness is thin, there is an n-type impurity diffused from the side of the nitride semiconductor having a large band gap energy, and the amount is 1 × 10 19 /cm Three The following is desirable. As the n-type impurity, elements of Group IVB and VIB of the periodic table such as Si, Ge, Se, S, and O are selected. Preferably, Si, Ge, and S are n-type impurities. This effect is the same when the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of n-type impurities and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of n-type impurities.
[0059]
A preferable doping amount when doping a nitride semiconductor layer having a large band gap energy with a large amount of p-type impurities is 1 × 10 18 /cm Three ~ 1x10 twenty one /cm Three More preferably 1 × 10 19 /cm Three ~ 5x10 20 /cm Three Adjust to the range. 1 × 10 18 /cm Three If it is less, the difference from the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is also reduced, and a layer having a high carrier concentration tends to be hardly obtained. twenty one /cm Three When the amount is more than 1, the crystallinity tends to deteriorate. On the other hand, the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy should be lower than that of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy, and preferably 1/10 or less. Most preferably, when undoped, a layer with the highest mobility is obtained, but since the film thickness is thin, there is a p-type impurity diffused from the side of the nitride semiconductor having a large band gap energy, the amount of which is 1 × 10 20 /cm Three The following is desirable. As the p-type impurities, Group IIA and IIB elements of the periodic table such as Mg, Zn, Ca and Be are selected, and preferably Mg, Ca and the like are used as p-type impurities. This effect is the same when the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of p-type impurities and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of p-type impurities.
[0060]
Furthermore, in the nitride semiconductor layer constituting the superlattice, the layer doped with impurities at a high concentration has a large impurity concentration near the center of the semiconductor layer and a small impurity concentration near both ends in the thickness direction ( Preferably, it is undoped. More specifically, for example, when a superlattice layer is formed of AlGaN doped with Si as an n-type impurity and an undoped GaN layer, since AlGaN is doped with Si, electrons are emitted to the conduction band as donors. Electrons fall into the low-potential GaN conduction band. Since the GaN crystal is not doped with a donor impurity, it is not subject to carrier scattering by the impurity. Therefore, the electrons can easily move in the GaN crystal, and the substantial mobility of electrons increases. This is similar to the effect of the two-dimensional electron gas described above, and the substantial mobility in the lateral direction of the electron increases and the resistivity decreases. Further, the effect is further enhanced when the n-type impurity is doped at a high concentration in the central region of AlGaN having a large band gap energy. That is, depending on the electrons moving in GaN, the n-type impurity ions (Si in this case) contained in AlGaN are somewhat scattered. However, if both ends are undoped with respect to the thickness direction of the AlGaN layer, it is difficult to receive Si scattering, and the mobility of the undoped GaN layer is further improved. Although the operation is slightly different, there is a similar effect when a superlattice is formed by the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer on the p-layer side. It is desirable that the central region is doped with a large amount of p-type impurity and both ends are reduced or undoped. On the other hand, a layer doped with a large amount of n-type impurities in a nitride semiconductor layer with a small bandgap energy can be configured with the impurity concentration, but in a superlattice doped with a large amount of impurities in a region with a smaller bandgap energy, The effect tends to be small.
[0061]
As described above, the n-side cladding layer and the p-side cladding layer have been described as superlattice layers. However, in the present invention, the superlattice layer also includes an n-side buffer layer as a contact layer, an n-side light guide layer, p The side cap layer, the p-side light guide layer, the p-side contact layer, and the like can have a superlattice structure. That is, any layer away from the active layer, in contact with the active layer, or any layer can be a superlattice layer. In particular, if the n-side buffer layer on which the n-electrode is formed is a superlattice, an effect similar to the HEMT is likely to appear.
[0062]
The impurity (in this case, n-type impurity) concentration is 1 × 10 5 between the n-side cladding layer made of a superlattice layer and the active layer. 19 /cm Three It is preferable that an n-side light guide layer adjusted as follows is formed. The preferred impurity concentration is 1 × 10 18 /cm Three Or less, more preferably 1 × 10 17 /cm Three Hereinafter, it is most preferably undoped. Even when undoped, there is a possibility that n-type impurities may diffuse from other layers and enter this light guide layer. 19 /cm Three Was the upper limit. The n-side light guide layer is preferably composed of a nitride semiconductor containing In or GaN.
[0063]
Further, the impurity (in this case, p-type impurity) concentration is 1 × 10 5 between the p-side cladding layer made of a superlattice layer and the active layer. 19 /cm Three The p-side light guide layer adjusted as follows is formed. Similarly, the preferred impurity concentration is 1 × 10 18 /cm Three Hereinafter, it is most preferably undoped. In the case of a nitride semiconductor, if it is undoped, it usually shows n conductivity, but in the case of this p-side guide layer, there is a possibility that p-type impurities diffuse from other layers and enter this p-side light guide layer. The conductivity type is not limited to n, p, etc., and is referred to as a p-side light guide layer. This p-side light guide layer is also preferably composed of a nitride semiconductor containing In or GaN.
[0064]
The reason why it is preferable to have an undoped nitride semiconductor between the active layer and the cladding layer is as follows. That is, in the case of a nitride semiconductor, the light emission of the active layer is usually designed for the purpose of 380 to 520 nm, particularly 400 to 450 nm. The undoped nitride semiconductor has a lower absorptance at the wavelength than the nitride semiconductor doped with n-type impurities and p-type impurities. Therefore, since the undoped nitride semiconductor is sandwiched between the active layer that emits light and the clad layer as the light confinement layer, the light emission of the active layer is rarely extinguished. Can be realized, and the threshold voltage decreases.
[0065]
Therefore, as a preferable combination, there is a cladding layer having a superlattice structure in which impurities are modulation-doped at a position apart from the active layer, and the impurity concentration is low between the cladding layer and the active layer, preferably undoped. It is a light emitting element which has a guide layer.
[0066]
Further, it is made of a nitride semiconductor having a film thickness of 0.1 μm or less and having a band gap energy larger than the band gap energy of the well layer of the active layer and the interface of the p side guide layer between the p side guide layer and the active layer. A p-side cap layer is formed, and the impurity concentration of the p-side cap layer is 1 × 10 18 /cm Three It is preferable to adjust as described above. The thickness of the p-side cap layer is adjusted to 0.1 μm or less, more preferably 500 angstroms or less, and most preferably 300 angstroms or less. This is because if the film is grown to a thickness greater than 0.1 μm, cracks are likely to occur in the p-side cap layer, and a nitride semiconductor layer with good crystallinity is difficult to grow. Thus, by forming a layer having a large band gap energy in contact with the active layer and forming a thin film of 0.1 μm or less, the leakage current of the light emitting element tends to be reduced. This is because electrons injected from the n-layer side accumulate in the active layer due to the energy barrier of the cap layer, and the probability of recombination of electrons and holes increases, so that the output of the element itself is also improved. The impurity concentration is 1 × 10 18 /cm Three It is necessary to adjust above. This cap layer is a layer having a high Al mixed crystal ratio, and a layer having a high Al mixed crystal ratio tends to have a high resistance. For this reason, unless the carrier concentration is increased by doping impurities to lower the resistivity, this layer becomes a high-resistance i layer, which has a pin structure and poor current-voltage characteristics. It is because it tends to become. The cap layer on the p side may be formed on the n side. When forming on the n-side, it may or may not be doped with n-type impurities.
[0067]
【Example】
Although one Example of this invention is shown below, this invention is not limited to this.
[Example 1]
FIG. 9 is a perspective view showing the structure of a nitride semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. Thereafter, a thick nitride semiconductor layer (GaN underlayer) is formed on the sapphire substrate using a light-absorbing protective film as shown in FIGS. 2 to 4, and the nitride semiconductor laser shown in FIG. A case of creating an element will be described.
[0068]
(GaN underlayer)
A sapphire substrate 1 having a 2 inch φ and C-plane as a main surface is set in a reaction vessel, and a buffer layer made of GaN is grown on the sapphire substrate 1 to a thickness of 200 Å at 500 ° C. The first GaN layer 2 made of GaN is grown to a thickness of 5 μm at a temperature of 1050 ° C. This first GaN layer has an Al mixed crystal ratio X value of 0.5 or less. X Ga 1-X It is desirable to grow N (0 ≦ X ≦ 0.5). If it exceeds 0.5, the crystal itself tends to crack rather than a crystal defect, so that the crystal growth itself tends to be difficult. Further, it is desirable to grow the film thickness to be thicker than the buffer layer and adjust the film thickness to 10 μm or less. In FIG. 2, the buffer layer is not particularly shown.
[0069]
After the growth of the first GaN layer 2, the wafer is taken out of the reaction vessel, a striped photomask is formed on the surface of the first GaN layer 2, and a stripe width of 20 μm and a stripe interval (window portion) of 5 μm are obtained by a CVD apparatus. After forming Si to a thickness of 1 μm, SiO 2 A protective film 11 having a two-layer structure is formed. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a partial wafer structure when cut in a direction perpendicular to the major axis direction of the stripe.
[0070]
After the protective film 11 is formed, the wafer is set again in the reaction vessel, and Si is 1 × 10 ° C. at 1050 ° C. 18 /cm Three A second GaN layer 3 made of doped GaN is grown to a thickness of 6 μm (FIGS. 3 and 4). The preferred growth thickness of the second GaN layer 3 varies depending on the thickness and size of the protective film 11 formed previously, but the second GaN layer 3 is grown so as to cover the surface of the protective film 11. The size of the protective film 11 is not particularly limited, but it is very preferable to make the area of the protective film 11 larger than the area of the window portion in order to obtain a GaN substrate with few crystal defects.
[0071]
(Layer structure of nitride semiconductor laser element)
As shown in FIG. 9, the following layers are grown using the second GaN layer 3 as a GaN foundation layer 50.
[0072]
(Second buffer layer 71)
A wafer whose main surface is the GaN foundation layer 50 is set in a reaction vessel, and Si is deposited on the GaN foundation layer 50 at 1050 ° C. 18 /cm Three A second buffer layer 71 made of doped GaN is grown to a thickness of 4 μm. The second buffer layer 71 is a nitride semiconductor single crystal layer that is grown at a high temperature of 900 ° C. or higher. In order to alleviate lattice mismatch between the conventionally grown substrate and the nitride semiconductor, the second buffer layer 71 is grown next. It is distinguished from a buffer layer grown at a lower temperature than a semiconductor. The thickness of the buffer layer is preferably 2 to 6 μm. A film thickness within this range is preferable in terms of crystallinity and heat dissipation of the buffer layer.
In the case of manufacturing a laser element, the second buffer layer 71 is a strained superlattice formed by stacking nitride semiconductors having different thicknesses of 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 50 angstroms or less. A layer is preferred. When the strained superlattice layer is used, the crystallinity of the single nitride semiconductor layer is improved, so that a high-power laser element can be realized.
[0073]
(Crack prevention layer 72)
Next, Si is 5 × 10 18 /cm Three Doped In 0.1 Ga 0.9 A crack prevention layer 42 made of N is grown to a thickness of 500 angstroms. The crack prevention layer 72 can be prevented from cracking in the nitride semiconductor layer containing Al by growing it with an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN. The crack prevention layer is preferably grown with a film thickness of 100 Å or more and 0.5 μm or less. If it is thinner than 100 angstroms, it is difficult to act as a crack prevention as described above, and if it is thicker than 0.5 μm, the crystal itself tends to turn black. The crack prevention layer 72 can be omitted.
[0074]
(N-side cladding layer 73)
Next, Si is 5 × 10 18 /cm Three Doped n-type Al 0.2 Ga 0.8 A superlattice structure with a total film thickness of 0.4 μm is formed by alternately laminating 100 first layers made of N, 20 Å, and second layers made of undoped GaN, 20 Å. The n-side cladding layer 73 functions as a carrier confinement layer and an optical confinement layer, and is desirably a nitride semiconductor containing Al, preferably a superlattice layer containing AlGaN, and the total thickness of the superlattice layer is 100 angstroms or more. It is desirable to grow at 2 μm or less, more preferably 500 Å or more and 1 μm or less. When the superlattice layer is used, a carrier confinement layer having good crystallinity without cracks can be formed. In addition, when a superlattice layer is formed, if a nitride semiconductor layer having different band gap energies is stacked and modulation doping is performed so that one of the impurity concentrations is increased and the other is decreased, the threshold value is lowered. It tends to be easy.
[0075]
(N-side light guide layer 74)
Then, Si is 5 × 10 18 /cm Three An n-side light guide layer 74 made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 0.1 μm. The n-side light guide layer 74 acts as a light guide layer of the active layer, and it is desirable to grow GaN and InGaN. Usually, the n-side light guide layer 74 is grown to a thickness of 100 angstroms to 5 μm, more preferably 200 angstroms to 1 μm. desirable. The n-side light guide layer 74 is usually doped with an n-type impurity such as Si or Ge so as to have an n-type conductivity type, but can be undoped in particular. In the case of a superlattice, at least one of the first layer and the second layer may be doped with an n-type impurity or may be undoped.
[0076]
(Active layer 75)
Next, undoped In 0.2 Ga 0.8 N well layer, 25 Å, and undoped In 0.01 Ga 0.99 An active layer 75 of a multiple quantum well structure (MQW) having a total film thickness of 175 Å formed by alternately stacking N barrier layers and 50 Å is grown.
[0077]
(P-side cap layer 76)
Next, the band gap energy is larger than that of the p-side light guide layer 77 and larger than that of the active layer 75. 20 /cm Three Doped p-type Al 0.3 Ga 0.7 A p-side cap layer 76 made of N is grown to a thickness of 300 angstroms. Although this p-side cap layer 76 is p-type, it may be i-type in which the carrier is compensated by doping n-type impurities or undoped because the film thickness is thin, and most preferably a layer doped with p-type impurities. And The film thickness of the p-side cap layer 76 is adjusted to 0.1 μm or less, more preferably 500 angstroms or less, and most preferably 300 angstroms or less. This is because if the film is grown to a thickness greater than 0.1 μm, cracks are likely to occur in the p-side cap layer 76 and a nitride semiconductor layer with good crystallinity is difficult to grow. When the AlGaN having a larger Al composition ratio is formed thinner, the LD element tends to oscillate. For example, Al with a Y value of 0.2 or more Y Ga 1-Y If N, it is desirable to adjust to 500 angstroms or less. The lower limit of the thickness of the p-side cap layer 76 is not particularly limited, but it is desirable to form the p-side cap layer 76 with a thickness of 10 Å or more.
[0078]
(P-side light guide layer 77)
Next, the band gap energy is smaller than the p-side cap layer 76, and Mg is 1 × 10. 20 /cm Three A p-side light guide layer 77 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a light guide layer of the active layer, and is preferably grown of GaN and InGaN as with the n-side light guide layer 44. This layer also functions as a buffer layer when the p-side cladding layer 78 is grown, and functions as a preferable light guide layer by growing it at a film thickness of 100 angstroms to 5 μm, more preferably 200 angstroms to 1 μm. . This p-side light guide layer is usually doped with a p-type impurity such as Mg to have a p-type conductivity, but it is not particularly necessary to dope the impurity. The p-side light guide layer can be a superlattice layer. In the case of a superlattice layer, at least one of the first layer and the second layer may be doped with a p-type impurity or may be undoped.
[0079]
(P-side cladding layer 78)
Next, Mg is 1 × 10 20 /cm Three Doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 A first layer of N, 20 Å, and 1 × 10 Mg 20 /cm Three A p-side cladding layer 78 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.4 μm is formed by alternately laminating a second layer made of doped p-type GaN and 20 Å. This layer, like the n-side cladding layer 73, acts as a carrier confinement layer, and acts as a layer for reducing the resistivity on the p-type layer side by adopting a superlattice structure. The thickness of the p-side cladding layer 78 is not particularly limited, but it is desirable that the p-side cladding layer 78 be grown at a thickness of 100 angstroms or more and 2 μm or less, more preferably 500 angstroms or more and 1 μm or less. In particular, when a nitride semiconductor layer having a superlattice structure is used as a cladding layer, providing a superlattice layer on the p-layer side is more effective in reducing the threshold current. As with the n-side cladding layer, when a superlattice layer is formed, a nitride semiconductor layer having different band gap energies is stacked, and either one is increased in impurity concentration and the other is decreased in modulation doping. If done, the threshold tends to decrease.
[0080]
In the case of a nitride semiconductor device having a double hetero structure having an active layer having a quantum well layer, a nitride containing Al having a film thickness of 0.1 μm or less in contact with the active layer and having a band gap energy larger than that of the active layer A cap layer made of a semiconductor is provided, a p-side light guide layer having a band gap energy smaller than that of the cap layer is provided at a position farther from the active layer than the cap layer, and the p-side light guide layer is separated from the active layer. It is very preferable to provide a p-side cladding layer made of a superlattice layer containing a nitride semiconductor containing Al having a larger band gap than the p-side light guide layer. In addition, since the band gap energy of the p-side cap layer is increased, electrons injected from the n layer are blocked by this cap layer, so that electrons do not overflow the active layer, and the leakage current of the device is reduced. .
[0081]
(P-side contact layer 79)
Finally, Mg 2 × 10 20 /cm Three A p-side contact layer 79 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 150 Å. When the thickness of the p-side contact layer is adjusted to 500 angstroms or less, more preferably 400 angstroms or less, or 20 angstroms or more, the p-layer resistance is reduced, which is advantageous in reducing the threshold voltage.
[0082]
After completion of the reaction, the wafer is annealed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. in the reaction vessel to further reduce the resistance of the p layer. After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, and as shown in FIG. 9, the uppermost p-side contact layer 79 and p-side cladding layer 78 are etched by an RIE apparatus to obtain a ridge shape having a stripe width of 4 μm. To do. The ridge formation position is formed in a direction parallel to the stripe of the protective film, and the striped crystal defect region in the GaN underlayer is removed.
[0083]
That is, the GaN layer formed on the protective film having a width of 20 μm and a window portion of 5 μm has a region with many crystal defects in the window portion at the initial stage of growth, so that the ridge does not cover this region, that is, a stripe. It is designed to be located immediately above the protective film. By designing in this way, since the active layer existing under the stripe-shaped ridge corresponds to the laser oscillation region, the laser oscillation region can be prevented from covering a region having many crystal defects. In the element of FIG. 9, a ridge is provided and light emission is concentrated on the active layer below the ridge to produce a laser oscillation region. In addition to this, for example, an insulating layer is formed on the uppermost layer of the p layer. The laser oscillation region can also be provided in the active layer by a method of providing a thin stripe width electrode capable of current confinement, a method of forming a current confinement layer in the nitride semiconductor layer, or the like. In such a case as well, the active layer in the upper part of the region having many crystal defects is shifted from the laser oscillation region.
[0084]
After the ridge is formed, as shown in FIG. 9, the p-side cladding layer 77 exposed on both sides of the ridge stripe is etched with the ridge stripe as the center so that the surface of the n-side cladding layer 71 on which the n-electrode 82 is to be formed is etched. Expose. The surface on which the n electrode 82 is formed may be the surface of the n-side cladding layer 71 as shown in FIG. 9 or the surface of the GaN foundation layer 50, but the surface of the n-type nitride semiconductor layer having the higher carrier concentration. It is desirable to expose.
[0085]
Next, a p-electrode 80 made of Ni / Au is formed on the entire surface of the ridge. Next, as shown in FIG. 9, the surfaces of the p-side cladding layer 78 and the p-side contact layer 79 excluding the p-electrode 80 are made of SiO. 2 An insulating film 83 is formed, and a p-pad electrode 81 electrically connected to the p-electrode 80 through the insulating film 83 is formed. On the other hand, an n-electrode 82 made of W and Al is formed on the surface of the n-side cladding layer 71 exposed earlier.
[0086]
After electrode formation, only the sapphire substrate of the wafer is polished to a thickness of 50 μm, and then the sapphire substrate 1 is cleaved in a direction perpendicular to the stripes of the striped p-electrode 80 and n-electrode 82 to resonate the cleavage plane of the active layer. A surface. The shape of the laser element after cleavage is shown in FIG. Thus, in the structure of the laser element in which the n-electrode and the p-electrode are provided on the same surface side, the active layer is provided on the upper layer of the nitride semiconductor having a region with few crystal defects and a region with many crystal defects. In this case, the exposed area of the nitride semiconductor layer not including the active layer provided with the n-electrode is made larger than the active layer area on the side having the active layer, so that the active layer where heat is concentrated is destroyed by crystal defects. Therefore, an element with high reliability and long life can be realized. When this laser device was oscillated at room temperature, the threshold current density was 2.0 kA / cm. 2 In addition, since continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed at a threshold voltage of 4.0 V, a lifetime of 1000 hours or more was exhibited, and the protective film was light-absorbing, so that light from other than the laser waveguide could be a far field of laser light. Good laser light was obtained without disturbing the pattern and near-field pattern.
[0087]
[Example 2]
In Example 1, the sapphire substrate 1 was made of chromium ions (Cr 3+ ) Is added at 0.05% by weight to make the substrate light-absorbing, and on this substrate, the temperature is set to 510 ° C., the carrier gas is hydrogen, the source gas is ammonia (NH Three ) And TMG (trimethylgallium), and a buffer layer made of GaN is grown to a thickness of about 200 angstroms. Subsequently, the second buffer layer 71 is sequentially stacked in the same manner as in Example 1 to form a nitride. A semiconductor laser element was obtained.
When the obtained laser element was oscillated at room temperature, good continuous oscillation was confirmed in substantially the same manner as in Example 1, and the far-field pattern and near-field pattern of the laser beam were also good.
[0088]
[Example 3]
In Example 3, a nitride semiconductor laser device using a GaN substrate was prepared as shown in FIG.
In Example 3, the second GaN layer 3 obtained by forming a protective film on the sapphire substrate in Example 1 and further forming a thick nitride semiconductor layer is used as a GaN substrate (GaN underlayer 50). went. Similar to the first embodiment, each layer of the laser element structure is laminated on the GaN foundation layer 50, and the p-side contact layer 79 and the p-side cladding layer 78 are etched to form a ridge. Then, a p-electrode 80 is formed, and then an insulating film 83 and a p-pad electrode 81 are formed as shown in FIG. Thereafter, the protective film 11 and a part of the GaN foundation layer 50 are polished and removed from the sapphire substrate 1 of the wafer to expose the surface of the GaN foundation layer 50. The exposed GaN foundation layer 50 is made into a mirror surface, and a light absorption film 203 made of Si having a film thickness of 3 μm and bonded to the entire mirror surface is bonded by wafer bonding. Further, an n-electrode 82 made of W / Al is formed on the surface of the light absorption film 203 with a film thickness of 0.5 μm, and then the GaN foundation layer 50 is cleaved in the direction perpendicular to the stripe-shaped p-electrode 80 and cleaved. The surface is a resonance surface. The shape of the laser element after cleavage is shown in FIG. The obtained laser element oscillated as well as in Example 1, and the far field pattern and the like were also good.
The n-electrode 82 can also be formed on the second buffer layer 71 as shown in FIG.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, the present invention forms a light absorbing layer in the element structure, makes the substrate light absorbing, and forms a light absorbing film on the surface opposite to the element structure forming surface of the GaN substrate. It is possible to prevent light other than the laser waveguide from being emitted without impairing the performance of a long-life and highly reliable laser device, etc., and to prevent disturbance of the far-field pattern and near-field pattern. An improved nitride semiconductor laser device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an LD device as an embodiment showing a nitride semiconductor laser device structure of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a nitride semiconductor wafer obtained by producing a GaN underlayer using a protective film.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a nitride semiconductor wafer obtained by producing a GaN underlayer using a protective film.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a nitride semiconductor wafer obtained by producing a GaN underlayer using a protective film.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a nitride semiconductor wafer obtained by producing a GaN underlayer using a protective film.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a nitride semiconductor wafer obtained by producing a GaN underlayer using a protective film.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a nitride semiconductor wafer obtained by producing a GaN underlayer using a protective film.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an LD element according to an embodiment showing a nitride semiconductor laser element structure of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LD element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LD element according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Different substrates
2. First GaN layer
3 ... Second GaN layer
11, 11 '... protective film
50 ... GaN underlayer
71: Second buffer layer
72 ... Crack prevention layer
73 ... n-side cladding layer
74: n-side light guide layer
75 ... Active layer
76 ... p-side cap layer
77 ... p-side light guide layer
78 ... p-side cladding layer
79 ... p-side contact layer
101... First nitride semiconductor layer
102: Second nitride semiconductor layer
103 ... Laser waveguide including active layer
104... P-conducting nitride semiconductor layer
105 ... Protective film (light absorption layer)
201 ... GaN substrate
202 ... Element structure
203 ... Light absorption film

Claims (7)

窒化物半導体と異なる異種基板上に、異種基板より屈折率が大きい第1の窒化物半導体層と、その上に第1の窒化物半導体層より屈折率が小さい第2の窒化物半導体層と、その上に第2の窒化物半導体層よりも屈折率が大きい活性層とが積層された構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記第2の窒化物半導体層と異種基板との間に活性層を含むレーザ導波路から漏れ出した光を吸収できる材料よりなる光吸収層が設けられ、前記第2の窒化物半導体層は、前記光吸収層形成上に前記第1の窒化物半導体層を介して設けられていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。」A first nitride semiconductor layer having a higher refractive index than that of the different substrate, and a second nitride semiconductor layer having a lower refractive index than that of the first nitride semiconductor layer; In the nitride semiconductor laser device having a structure in which an active layer having a refractive index higher than that of the second nitride semiconductor layer is stacked thereon, an active layer is provided between the second nitride semiconductor layer and the dissimilar substrate. A light absorption layer made of a material capable of absorbing light leaked from the laser waveguide containing the second nitride semiconductor layer is formed on the light absorption layer formation via the first nitride semiconductor layer. nitride semiconductor laser device, characterized in that provided Te. " GaN基板上に活性層を有する素子構造を形成してなる窒化物半導体レーザ素子において、前記素子構造形成面と対向したGaN基板の素子構造を有していない面に、活性層を含むレーザ導波路から漏れ出した光を吸収できる光吸収膜を形成してなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。  A nitride semiconductor laser device in which an element structure having an active layer is formed on a GaN substrate, and a laser waveguide including an active layer on a surface not having the element structure of the GaN substrate facing the element structure forming surface A nitride semiconductor laser device, wherein a light absorption film capable of absorbing light leaking from the substrate is formed. 前記基板は、基板に光吸収性を持たせる請求項1記載の窒化物半導体レーザ素子。  The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the substrate has a light absorption property. 前記第2の窒化物半導体層と基板との間に光吸収層を設ける請求項3記載の窒化物半導体レーザ素子。  4. The nitride semiconductor laser device according to claim 3, wherein a light absorption layer is provided between the second nitride semiconductor layer and the substrate. 前記光吸収層は、活性層と同じような組成を有するn導電側の窒化物半導体層、又は素子構造を形成するn導電側層に光を吸収できる様に新たな成分を加えてなる層からなる請求項1、3〜4に記載の窒化物半導体レーザ素子。  The light absorption layer is a layer formed by adding a new component so that light can be absorbed by the nitride semiconductor layer on the n conductive side having the same composition as the active layer, or the n conductive side layer forming the element structure. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, 3 to 4. 前記第1の窒化物半導体層はGaNである請求項1、3〜5記載の窒化物半導体レーザ素子。  6. The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer is GaN. 前記第2の窒化物半導体層は、少なくともAlを含む窒化物半導体からなる請求項1、3〜6記載の窒化物半導体レーザ素子。  The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the second nitride semiconductor layer is made of a nitride semiconductor containing at least Al.
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