JP3742203B2 - Semiconductor laser - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体材料を用いた半導体レーザに係わり、特にInGaAlBN系材料を用いた半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化等で必要とされる短波長光源として、InGaAlN系材料を用いた半導体レーザの開発が進められている。この種の材料による半導体レーザでは、短波長化により小さなビームに絞ることが可能となり、光ディスクなどの高密度情報処理用の光源として期待されている。この材料系で電流注入による発振を実現した構造として、多重量子井戸構造を用いた半導体レーザが報告されている(例えば下記文献)。
【0003】
1)S.Nakamura, M.Senoh, S.Nagahama, N.Iwasa, T.Yamada, T.Matsushita, H.Kiyoku and Y.Sugimoto:"InGaN-based multi-quantum-well-structure laser diodes",Jpn.J.Appl.Phys.,35(1996)pp.L74-L76.
2)S.Nakamura, M.Senoh, S.Nagahama, N.Iwasa, T.Yamada, T.Matsushita, H.Kiyoku and Y.Sugimoto:"InGaN multi-quantum-well-structure laser diodes with cleaved mirror facets",Jpn.J.Appl.Phys.,35(1996)pp.L217-L220.
バルク活性層に対して薄膜活性層を用いた多重量子井戸構造は、しきい値を大幅に低減できることが知られている。しかしながら、InGaAlN系材料では未だしきい電流密度は高く、動作電圧も高いため、連続発振を実現するためには多くの課題がある。
【0004】
InGaAlN系材料で動作電圧が高い原因の一つは、p型のコンタクト抵抗が極めて大きいことである。既に報告されている電極ストライプ構造では、p型電極ストライプにおける電圧降下が大きく、動作電圧が高くなると共に、この領域での熱の発生が無視できない。コンタクト抵抗を低減するには電極面積を大きくすれば良いが、上記電極ストライプ構造では、電極面積を広げるとしきい電流値も大きくなってしまい、また電流注入領域が大きいために基本横モード発振も不可能となる。
【0005】
光ディスクシステム等への応用では、半導体レーザの出射ビームを極小スポットに絞ることが必要となるため、基本横モード発振は不可欠であるが、InGaAlN系レーザでは横モード (transverse-mode)制御構造が実現されていない。従来の材料系では、例えばInGaAlP系でリッジストライプ型のSBRレーザが報告されているのみである(下記文献)。
【0006】
3)M.Ishikawa et al.:Extended Abstracts,19th Conf.Solid State Devises and Materials,Tokyo(1987)pp.115-118.
しかしながら、InGaAlN系レーザでは、上記SBRレーザとは材料系が異なるために、この構造をそのまま適用することはできない。InGaAlN系レーザにおける電流狭窄構造としては、
4)特開平8−111558号公報(半導体レーザ素子)
に、GaNを電流狭窄層に用いた構造が開示されている。この構造は、電流狭窄は可能であるが光閉込め作用はないため、非点収差等のない良質の出射ビームを得るのは困難である。
【0007】
一般に、クラッド層中に設けた電流狭窄層を光閉込め層としても作用させるためには、その組成や厚さ、活性層からの距離等を所定の値に設定する必要がある。特にInGaAlN系レーザでは、発振波長が短いために、たとえ組成が同じであっても、厚さや位置によって全く異なる導波機構となってしまう。このため、単に電流狭窄層を設けただけでは安定な基本横モード発振は得られない。
【0008】
また、InGaAlN系の結晶成長では、GaAlNのようなAlを含む層を厚く成長させると、下地のGaNとの格子定数が異なるために、Alを含む層にクラックが発生するという問題がある。このため層方向(垂直方向)の横モード閉込めがうまく行なわれず、しきい値が増大するか、場合によっては導波モード自体が存在し得ない場合も起こる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のInGaAlN系の半導体レーザにおいては、横モード制御構造の作成が難しく、基本横モードで連続発振するレーザの実現が困難である
【0018】
本発明の目的は、基本横モードで連続発振することができ、光ディスクシステム等の光源に適した非点収差のない良質の出射ビームを得ることのできるInGaAlBN系の半導体レーザを提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る半導体レーザでは、クラッド層より屈折率の大きい光閉込め層を設け、その損失導波効果又は反導波効果によって横モードを制御することにより、動作電圧が低くかつ安定な基本横モードでの連続発振を可能としている。
【0024】
即ち本発明は、窒素を含むIII-V族化合物半導体からなり、第1導電型のクラッド層とストライプ状のリッジを有する第2導電型のクラッド層で活性層部を挟んだダブルへテロ構造部と、このダブルへテロ構造部の第2導電型クラッド層側に接して少なくともリッジ部以外の領域に形成された光閉込め層とを備えた半導体レーザであって、光閉込め層が窒素を含むIII-V族化合物半導体からなり、該光閉込め層の屈折率が第2導電型のクラッド層の屈折率より大きいことを特徴とする。
【0025】
また本発明は、第1導電型のInx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)からなるクラッド層とストライプ状のリッジを有する第2導電型のInu Gav Alw 1-u-v-w N(0≦u,v,w,u+v+w≦1)からなるクラッド層で活性層部を挟んだダブルへテロ構造部と、このダブルへテロ構造部の第2導電型クラッド層側に接して少なくともリッジ部以外の領域に形成された光閉込め層とを備えた半導体レーザであって、光閉込め層がInp Gaq Alr 1-p-q-r N(0≦p≦1,0≦q<1,0≦r≦1,0<p+r≦1,0<p+q+r≦1)からなり、該光閉込め層の屈折率が第2導電型のクラッド層の屈折率より大きいことを特徴とする。
【0026】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【0027】
(1) 活性層部が、少なくともIna Gab Alc 1-a-b-c N(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIne Gaf Alg 1-e-f-g N(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸又は多重量子井戸を備えていること。
【0028】
(2) 障壁層の厚さが井戸層の厚さを越えないこと。
【0029】
(3) コア領域の総厚dとレーザ発振波長λに対し、第1導電型クラッド層の厚さH1及び第2導電型クラッド層の厚さH2が、
0.18(zd/λ)-1/2≦H1/λ≦0.27(zd/λ)-1/2
0.18(wd/λ)-1/2≦H2/λ≦0.27(wd/λ)-1/2
を満たす範囲にあること。
【0030】
(4) 井戸層の総厚dact は、0.5μm未満であること。
【0031】
(5) 井戸層の総厚dact は、0.045μm以下であること。
【0032】
(6) 各クラッド層のAl組成xAl、コア領域の平均In組成yIn、両組成の和Δx(=xAl+yIn)、コア領域の総厚Hcoreおよび各クラッド層の厚さHcladは、発振波長λに対し、
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≧0.08を満たしていること。
【0033】
(7) 上記パラメータが、さらに、
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≧0.1を満たしていること。
【0034】
(8) 上記パラメータが、
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≦0.2を満たしていること。
【0035】
(9) 上記パラメータが、
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≦0.15を満たしていること。
【0036】
(10)各クラッド層のAl組成xAlと厚さHcladとは、
Al・Hclad≦0.1μmを満たしていること。
【0037】
(11)各クラッド層のAl組成xAlと厚さHcladとは、
Al・Hclad≦0.06μmを満たしていること。
【0038】
(12)コア領域は、活性層を挟むように形成されたInu Gav Alw 1-u-v-w N(0<u≦1,0≦v<1,0≦w<1)からなる複数の導波層を含んでいる。このとき、コア領域の総厚Hcoreおよびコア領域の平均In組成yInは、発振波長λに対し、(yIn1/2 ・(Hcore/λ)≧0.15を満たしていること。
(13)上記パラメータが、さらに、
(yIn1/2 ・(Hcore/λ)≧0.2を満たしていること。
【0039】
(14)光閉込め層が第2導電型クラッド層と同じ導電型であること。
【0040】
(15)光閉込め層のバンドギャップエネルギーが活性層部のバンドギャップエネルギーより小さいこと。
【0041】
(16)第2導電型クラッド層上のコンタクト層と光閉込め層とが同一材料であり、ストライプ領域の第2導電型クラッド層とコンタクト層との間に、両者の中間のバンドギャップを有するキャップ層が設けられていること。
【0042】
(17)量子井戸と各クラッド層との間に、屈折率が量子井戸の平均屈折率より小さくクラッド層の屈折率より大きい導波層をそれぞれ備え、少なくとも一方の導波層中又は導波層と量子井戸との間に、バンドギャップエネルギーが導波層のバンドギャップエネルギーより大きいIns Gat Alh 1-s-t-h N(0≦s,t,h,s+t+h≦1)からなるキャリアオーバーフロー防止層が少なくとも1層設けられていること。
【0043】
(18)キャリアオーバーフロー防止層のAl組成hが、
0<h<0.2
を満たす範囲にあること。
【0044】
(19)第1導電型及び第2導電型の各クラッド層はGaAlNからなり、光閉込め層はInGaNまたはクラッド層よりAl組成の小さいGaAlNからなること。
【0045】
ここで、光閉込め層は、次の(i) 〜(iii) のいずれかに示すように形成可能である。(i) 光閉込め層は、Inp Gaq Alr 1-p-q-r N(0.2≦p≦0.3,0≦q≦0.8,0≦r≦0.8,0.2≦p+q+r≦1)からなり、該光閉込め層の屈折率が第2導電型クラッド層の屈折率より大きい。
【0046】
(ii)光閉込め層は、Inp Gaq Alr 1-p-q-r N(0≦p≦0.95,0≦q≦0.95,0.05≦r≦0.3,0.05≦p+q+r≦1)である。
【0047】
(iii) 光閉込め層は、Inp Gaq Alr 1-p-q-r N(0≦p,q,0.05≦r≦0.1,0.05≦p+q+r≦1)からなり、該光閉込め層の屈折率が第2導電型クラッド層の屈折率より大きい。
【0048】
(20)下地基板として、サファイア又はSiC基板を用いること。
【0049】
(21)第2導電型クラッド層のリッジ部は、基板側に下に凸、又は基板と反対側に上に凸に形成されていること。
【0050】
(22)コンタクト層吸収損失αが、
α≧100cm-1を満たしていること。
【0051】
(23)コンタクト層吸収損失αが、
α≧500cm-1を満たしていること。
【0058】
(作用)
本発明によれば、InGaAlBN系半導体レーザで、ダブルへテロ構造部の一方のクラッド層にリッジ部を設け、このリッジ部以外の領域に、Inp Gaq Alr 1-p-q-r N(0≦p≦1,0≦q<1,0≦r≦1,0<p+r≦1,0<p+q+r≦1)からなり、クラッド層より屈折率の大きい光閉込め層を設けている。この光閉込め層により、電流狭窄を行なうと共に、屈折率分布による導波構造を形成して横モードを制御するので、しきい電流密度が低減され、かつ基本横モードでの連続発振が可能となる。
【0059】
ここで、上記のような光閉込め層は、ダブルへテロ構造部とは格子定数が大きく異なるためこれを選択成長するのは不可能と考えられている。このため、従来のInGaAlN系半導体レーザにおいてクラッド層のリッジ部以外に光閉込め層を形成するという技術思想は全く存在しない。しかし、本発明者らの鋭意研究及び実験により、有機金属化学気相成長(MOCVD)法や分子線エピタキシー(MBE)法等で各種条件を最適化することにより、上記のような材料の光閉込め層の選択成長が可能であることが判明した。
【0060】
しかも、In組成が0より大きいInGaAlBN系光閉込め層を設けた構造では、その下のクラッド層のキャリア密度が高くなることが明らかになった。これは、H等によるMgアクセプタの不活性化が抑制されることに起因するもので、光閉込め層を設けない構造に比べてキャリアオーバーフローが大幅に低減されることが分った。そして、本発明のような光閉込め層を設けることによって、従来にないしきい電流密度の低減、基本横モードでの連続発振が可能となった。
【0064】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【0065】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0066】
図中10はサファイア基板であり、この基板10の上にGaNバッファ層11,n型GaNコンタクト層12,n型GaAlNクラッド層13,n型GaN導波層14,n型GaAlNオーバーフロー防止層15,InGaN多重量子井戸(MQW)活性層16,p型GaAlNオーバーフロー防止層17,p型GaN導波層18,p型GaAlNクラッド層19が成長形成されている。なお、これらの結晶成長はMOCVD法或いはMBE法によって行われる。
【0067】
p型GaAlNクラッド層19はストライプ部分を除いてその途中までエッチング除去され、これによりクラッド層19にストライプ状のリッジ部が形成されている。p型GaAlNクラッド層19のリッジ部以外にn型InGaN光閉込め層20が選択的に埋込み形成され、さらにクラッド層19及び光閉込め層20上にはp型GaNコンタクト層21が形成されている。これらの結晶成長も、MOCVD法或いはMBE法によって行われる。
【0068】
p型GaNコンタクト層21からn型GaAlNクラッド層13までが部分的に除去され、n型GaNコンタクト層12の一部が露出している。そして、p型GaNコンタクト層21上にはp側電極22が形成され、n型GaNコンタクト層12の露出部上にはn側電極23が形成されている。
【0069】
本実施形態におけるレーザの活性層部(以下、コア領域ともいう)は、Ina Ga1-a N井戸層/Ine Ga1-e N障壁層(a≧e)からなる多重量子井戸(MQW)の活性層16の両側に、GaAlNオーバーフロー防止層15,17及びGaN導波層14,18を設けたSCH構造となっている。なお本明細書中、コア領域は、両クラッド層間に位置した多層構造部であり、具体的には、少なくとも活性層を含んでおり、所望により、導波層、キャリアオーバーフロー防止層又はその両方を備えている。
【0070】
また、本実施形態では、Inx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)系材料からなるn型クラッド層13はIn及びBを含まないためGa1-z Alz Nと表記され、さらに活性層16はAlを含まないため、MQWを構成する井戸層及び障壁層はそれぞれIna Ga1-a N及びIne Ga1-e Nと表記される。同様に、Inu Gav Alw 1-u-v-w N(0≦u,v,w,u+v+w≦1)系材料からなるp型クラッド層19はIn及びBを含まないためGa1-w Alw Nと表記される。
【0071】
次に、以上のように構成された半導体レーザの作用について説明する。なお、横モード制御、しきい値低減、キャリアオーバーフロー防止の順に述べる。
【0072】
(水平方向横モード制御)
本実施形態の半導体レーザでは、ストライプ外でn型InGaN光閉込め層20がコア領域に近接しているため、ストライプ外領域にて等価屈折率が小さくなり、水平方向に屈折率分布が形成されてモードの閉込めが行われる。
【0073】
ここで、n型InGaN光閉込め層20のIn組成は、活性層16におけるIna Ga1-a N井戸層のIn組成よりも高く設定されている。従って、光閉込め層20の屈折率は、井戸層の屈折率よりも大きい。また、光閉込め層20のバンドギャップエネルギーは、井戸層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【0074】
さらに、光閉込め層20の屈折率はストライプ部のp型GaAlNクラッド層19の屈折率よりも大きく、光閉込め層20のバンドギャップエネルギーはストライプ部のp型GaAlNクラッド層19のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【0075】
このようにストライプ部より屈折率の大きい光閉込め層20があるにも拘らず等価屈折率は小さくなる。この理由は次の通りである。すなわち、光閉込め層20は発振波長に対して吸収損失が大であるために導波モードの減衰が大きい。このため、導波モード分布は光閉込め層20に占める割合が極めて小さい。すなわち、光閉込め層20の等価屈折率への寄与が小さいため、結果的にストライプ部より等価屈折率が小さくなる。
【0076】
まとめると、図1に示す構造の半導体レーザは、ストライプ外の等価屈折率が小さく、損失が大きい損失導波構造を有する。この損失導波構造は基本横モードの安定化に極めて有効である。すなわち、ストライプ外に損失領域があるため、しみだしの大きい高次モードが基本モードに比べて損失大またはカットオフとなるので、基本モードのみが安定に発振できる。
【0077】
このような損失導波構造は、光閉込め層20としてコア領域よりバンドギャップエネルギーの小さい材料を使用することにより、初めて実現できる。光閉込め層としては、例えばInGaNが大きな吸収損失をもつので適している。
【0078】
続いて、このような横モード制御のための条件について述べる。
【0079】
図2(a)は、ストライプ部とストライプ外との等価屈折率差Δneqに関し、ストライプ外での光閉込め層20とコア領域との距離(p型GaN導波層17までの距離)hout に対する依存性を示している。図2(b)は、基本モードに対する損失α0 及び1次モードと基本モードとの損失差Δαに関し、同hout に対する依存性を示している。
【0080】
これらの図では、ストライプ部の層構造をn型Ga0.85Al0.15N/n−GaN(0.1μm)/MQW/p型GaN(0.1μm)/p型Ga0.85Al0.15Nとし、ストライプ外の層構造をn型Ga0.85Al0.15N/n型GaN(0.1μm)/MQW/p型GaN(0.1μm)/p型Ga0.85Al0.15N(hout μm)/n型InGaNとした場合の導波機構が解析される。
【0081】
同図においてMQWは、In0.18Ga0.82N井戸層(2nm)/In0.04Ga0.96N障壁層(4nm)が、5対ある構成と、10対ある構成との2通りが使用された。
【0082】
基本横モードの安定化には、高次モードと基本モードとの損失差が大きい方が望ましい。図からわかるように、この観点からはhout を大きくした方が良い。しかしhout が大きすぎるとΔneqが小さくなる。10-4程度の屈折率変化はキャリア注入によるプラズマ効果によっても生じ得るため、この領域では屈折率分布による導波構造が不安定となる。従って、hout の値は0.3μm以下、さらに望ましくは0.2μm以下に設定するのが良い。
【0083】
図3(a)は、hout =0.2μmの場合のしきい電流密度Jthに関し、ストライプ幅に対する依存性を示している。図3(b)は、同hout の場合のα0 、Δαに関し、ストライプ幅に対する依存性を示している。
【0084】
ストライプ幅が大きいとΔαが小さくなるため高次モードが発生し易くなる。一方ストライプ幅が小さいと基本モードの損失α0 が大きくなってしきい電流密度Jthが上昇する。したがって、この場合ストライプ幅Wは3μm以上に設定することが望ましい。
【0085】
また図4(a)及び図4(b)に示すように、光閉込め層は、その組成も導波機構に大きく影響する。これらの図は、ストライプ部の層構造をn型Ga0.85Al0.15N/n型GaN(0.1μm)/MQW/p型GaN(0.1μm)/p型Ga0.85Al0.15Nとし、ストライプ外の層構造をn型Ga0.85Al0.15N/n型GaN(0.1μm)/MQW/p型GaN(0.1μm)/p型Ga0.85Al0.15N(0.05μm)/n型InGaAlNとした場合の導波機構を解析したものである。ストライプ外におけるn型InGaAlN層が光閉込め層に相当する。
【0086】
ここで、MQWは、In0.2 Ga0.8 N井戸層(2nm)/In0.05Ga0.95N障壁層(4nm)を5対とした構成である。
【0087】
ここで、図4(a)は、光閉込め層がInx Ga1-x NまたはGa1-x Alx Nの場合のストライプ内外の等価屈折率差Δneqと組成との関係を示している。xIn≧0.2の領域は、本実施形態の損失導波型に相当する。この損失導波領域は、図4(b)に示すように、非点隔差(ストライプ幅が5μmの場合)が小さいので、光ディスク応用に適したビーム特性を得ることができる。
【0088】
また、0≦xIn≦0.2の領域は、ストライプ外で垂直方向の導波モードが形成されない領域であり、発振モードが不安定となる。
【0089】
一方、光閉込め層は、導波層の屈折率よりも小さい屈折率のGa1-x Alx Nを用いた場合、図4(b)に示すように、導波機構が3つの領域に分類できる。第1の領域は、光閉込め層のAl組成がストライプ部のクラッド層のAl組成より大きく、すなわち光閉込め層の屈折率がクラッド層の屈折率よりも小さい範囲であり、いわゆる実屈折率導波構造となる。
【0090】
第2の領域は、光閉込め層のAl組成がクラッド層のAl組成に近い範囲であり、小さいΔneqのために利得導波構造となり、図示するように、極めて大きい非点隔差をもつ。この種の大きい非点隔差のビームは光ディスク応用には適さない。
【0091】
第3の領域は、図4(b)中で注目すべき内容であり、光閉込め層のAl組成がクラッド層のAl組成より小さく、且つ導波層のAl組成より大きく、すなわち屈折率がクラッド層より大きく導波層より小さい範囲であり、非点隔差が小さくなる“反導波領域”を有している。この反導波領域は、図4(a)に示すように、Δneqが負であり、ストライプ外の等価屈折率がストライプ内の等価屈折率より大きくなる。なお、この反導波領域を利用した実施形態については後述する。
【0092】
また、図4(b)では、光閉込め層のAl組成がクラッド層のAl組成より大きい実屈折率導波領域でも小さい非点隔差を得られることが示される。
【0093】
次に、本発明による損失導波構造あるいは反導波構造が基本横モードの安定化の点で優れていることについて説明する。
【0094】
図5(a)は、利得導波型、実屈折率導波型、損失導波型および反導波型の非点隔差について、ストライプ幅の依存性を示している。図5(b)は、同様に夫々の導波型について1次モードと基本モードとの導波損失差Δαについて、ストライプ幅の依存性を示している。ビーム特性は小さい非点隔差が望ましい。基本横モードの安定化の観点からは、大きいモード損失差が望ましい。
【0095】
図示されるように、利得導波型は、大きいモード損失差をもつが、極めて大きい非点隔差のため、光ディスク応用等では使用が困難である。また、実屈折率導波型は、小さい非点隔差をもつが、モード損失差も小さいため、ストライプ幅が大きくなると高次モードを発生させ易い。
【0096】
これに対し、損失導波型および反導波型は小さい非点隔差を有し、かつ大きいストライプ幅でも大きいモード損失差を確保できる。大きいストライプ幅の方が作製プロセスが容易であり、設計の自由度も大きくなることから、本発明による半導体レーザが特性及び作製の容易さの両方で優れていることがわかる。
【0097】
(垂直方向横モード制御)
ところで、InGaAlN系の結晶成長で問題となるのは、例えばGaAlN層の如き、Alを含む層を厚く成長させると、下地のGaNとの格子定数が異なるために、Alを含む層(GaAlN)にクラックが発生することである。この種のクラックを防ぐには、Al組成を低減するか或いはGaAlN層の厚さを低減する必要がある。一方、Alを含む層をレーザのクラッド層に用いるとき、光閉込めのためにある程度以上の屈折率差(即ち活性層とのAl組成差)、及びクラッド層厚Hcladが必要である。活性層総厚d、クラッド層厚Hclad、クラッド層−活性層のAl組成差ΔXA1と導波モード損失αとの関係を図6(a)及び図6(b)に示す。
【0098】
図から分かるように、ΔXA1が大きく、Hcladが大きい程、αは小さくできるが、実用的にはαは20cm-1程度まで小さくできれば十分である。そこで、αが100cm-1より小さく20cm-1より大きい範囲を求めると、次の(1)式のようになる。
【0099】
0.18(ΔXA1d/λ)-1/2≦Hclad/λ≦0.27(ΔXA1d/λ)-1/2…(1)
従って、クラッド層厚Hcladをこの範囲に設定することにより、結晶成長時にクラックが発生しない程度の厚さでかつ損失の少ないレーザ構造が得られる。
【0100】
ここで、上記(1)式のInGaAlN系レーザでもうーつ考慮すべき点は、クラッド層の外側の層であるコンタクト層等がクラッド層の屈折率よりも大きい屈折率を有し、かつ発振波長に対して透明である点である。このため、クラッド層厚Hcladが十分大きくないとき、層方向(垂直方向)の導波構造が反導波となり、場合によってはしきい値が著しく大きくなってしまうか、あるいは導波モードが存在しない場合があり得る。
【0101】
図7はSCH−MQW構造におけるクラッド層厚Hclad並びにガイド層厚Hguide と、導波モードの境界線との関係の一例を示している。ここでは層構造として、n型GaN/n型Ga0.85Al0.15N(Hcladμm)/n型In0.06Ga0.94N(Hguide μm)/MQW/p型In0.06Ga0.94N(Hguide μm)/p型Ga0.85Al0.15N(Hcladμm)/n型GaNの場合の計算例を示した。MQWはIn0.2 Ga0.8 N井戸層(2nm)/In0.05Ga0.95N障壁層(4nm)が10対の構成とした。また最外層のGaNの吸収係数は500cm-1とした。
【0102】
図7の斜線部領域は導波モードが存在しない領域である。導波モードが存在する領域では、右下りの曲線より上が反導波領域であり、右上りの曲線より下が通常の屈折率導波領域である。境界の曲線上では光閉込め係数Γが0となり、しきい電流密度Jthが無限大となる。この様子を図8(a)及び図8(b)に示した。
【0103】
また、図9(a)及び図9(b)に遠視野像強度分布のクラッド層厚依存性を示した。図9(a)はHguide =0.1μmの場合であり、図9(b)はHguide =0.2μmの場合である。反導波領域のパラメータでは、遠視野像が双峰となっていることがわかる。図10には井戸層のIn組成が他の値の場合について、導波モードが存在する領域の境界を示した。
【0104】
図8(a)及び図8(b)から明らかなように、しきい値低減のためには、クラッド層厚Hcladを、導波モードが存在しない領域の境界から十分離れた値に設定する必要がある。ここでの計算は最外層のGaNの吸収係数を500cm-1とした場合であるが、実際には不純物濃度等により、この値は変わり得る。吸収係数が小さいと、より反導波性が大きくなり、導波モードの存在しないパラメータ領域も広くなる。
【0105】
図11には最外層GaNの吸収係数が100cm-1の場合の導波モード存在領域の境界を示した。図10と比較してわかるように、導波モードの存在しない領域が大きくなっている。いずれの場合にも、クラッド層厚Hcladや導波層厚Hguide 等を所定の範囲に設定する必要があることが明らかである。このHclad等に対する条件は(1)式と同様の数式で指定可能である。但しこの条件は、(1)式が活性層厚dが小さい場合の近似であり、SCH構造では光が閉込められる領域が導波層を含む厚い領域となることから、(1)式の(ΔXAld/入)-1/2の代わりに(ΔxAld/λ)-1を用いた方が良好に近似できる。具体的には、図7、図10等からこの条件を以下のように近似できる。
【0106】
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≧0.08 …(2)
ここでHcoreは導波層を含めたコア領域(MQW+導波層)の総厚であり、またΔxはコア領域とクラッド層との組成差を表す量で、近似的にコア/クラッドの屈折率差に比例する。
【0107】
ここに示した層構造の例では、Δxを以下で定義する。
【0108】
Δx=xAl+yIn …(3)
ここでxAlはクラッド層のAl組成、またyInはコア領域の平均In組成を表す。クラッド層にInが含まれる場合には上のxAlの代わりにxAl−xIn(xInはクラッド層のIn組成)を用いればよい。またコア領域にAlが含まれる場合には同様にyInの代わりにyIn−yAl(yAlはコア領域の平均Al組成)を用いればよい。
【0109】
上に示したn型GaN/n型Ga0.85Al0.15N(Hcladμm)/n型In0.06Ga0.94N(Hguide μm)/MQW/p型In0.06Ga0.94N(Hguide μm)/p型Ga0.85Al0.15N(Hcladμm)/n型GaNの例では、xAl=0.15、yIn=0.069(Hguide =0.1 μm、井戸数10の場合)となる。この場合に(2)式で与えられるクラッド層厚の条件はλ=420nmの場合、Hclad≧0.244μmとなる。なお(2)式の左辺はコア部への光閉込めの度合を表す量に対応している。
【0110】
上記パラメータΔx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)に対するしきい値の依存性を図12に示す。この図で縦軸はしきい値を活性層の井戸総厚で割った値、Jth/dact である。図に示すように、Jth/dact はΔx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)に大きく依存している。また、この依存性は、図示されるように、最外層であるコンタクト層等の吸収係数の大きさによっても変わる。実際にコンタクト層は不純物濃度が極めて高い場合が多いので、吸収係数も変わり得る。なお、当然のことながらJthはdact にも依存する。低しきい値化にはdact も小さくした方が良い。例えば図12でΔx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)が十分大きい場合にJth/dact 〜2×109 cm-3となる。ここで、Jth<10kA/cm2 とするためには、dact <0.05μmとする必要がある。別の計算によれば、活性層総厚が0.05μm以上ではキャリアオーバーフローの影響も大きくなることがわかった。
【0111】
以上から、InGaAlN系レーザでは、(2)式に示した条件および活性層総厚に対する以下の範囲で作製することにより、低しきい値での発振が実現できる。
【0112】
act <0.05μm …(4)
また、さらに望ましくは、dact を次の範囲にすると良い。
【0113】
act ≦0.045μm …(5)
なお、図12からわかるように、Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)を次の範囲に設定すれば、コンタクト層等の吸収係数によらず、低しきい値が実現できる。
【0114】
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≧0.1 …(6)
(2)式あるいは(5)式はクラッド層厚Hcladの下限を与える式であるが、Hcladが大きくなりすぎてもクラッド層での電圧降下増大や前述のクラック発生等の問題が生ずる。これを回避するためには、Hcladを次の範囲に設定するのが望ましい。
【0115】
Al・Hclad≦0.1μm …(7)
さらに望ましくは次の範囲に設定するのが良い。
【0116】
Al・Hclad≦0.06μm …(8)
実際に図12からも分かるように、Hcladはあまり大きくする必要はなく、(2)式又は(6)式を満たす範囲であれば上限を次の(9)式で設定することにより、クラッド層での電圧降下を低減できる。
【0117】
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≦0.2 …(9)
さらに図12から、以下の範囲でも十分低いしきい値が得られる。
【0118】
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≦0.15 …(10)
以上をまとめると、クラッド層厚Hcladの範囲として、下限は(2)式、さらに望ましくは(6)式で設定し、上限は(7)式、さらに望ましくは(8)式の範囲、もしくは(9)式、さらに望ましくは(10)式の範囲に設定すれば良い。
【0119】
これに加えて、活性層井戸層厚dact を(4)式さらに望ましくは(5)式の範囲に設定することにより、低しきい値での発振を実現できる。
【0120】
図7〜図11でもう1つ注目すベき点は、導波層のIn組成がある程度大きく、かつ導波層厚が大きい場合には、クラッド層厚にかかわらず、しきい値が無限大とはならない場合があることである。このような場合には、導波構造が通常の屈折率導波から反導波に変わる領域でもしきい値があまり大きく変わらない(図8(a)及び図8(b)参照)。従って、このような構造パラメータの範囲でレーザを作製すれば、しきい値が低く、かつパラメータの許容度も大きいため、極めて有効である。この範囲は以下の近似式で与えられる。
【0121】
(yIn1/2 ・(Hcore/λ)≧0.15 …(11)
さらに望ましくは、以下の範囲に設定すればより許容度が大きい。
【0122】
(yIn1/2 ・(Hcore/λ)≧0.2 …(12)
すなわち、導波層がInを含み、かつ(11)式または(12)式を満たすように設定すれば、低しきい値で、作製許容度も大きいレーザを実現できる。
【0123】
以上に述べた低しきい値化のための層構造設計例を図13に示す。この例ではMQWの構造としてIn0.2 Ga0.8 N井戸層(2nm)/In0.05Ga0.95N障壁層(4nm)を1周期とする場合の例を挙げたが、勿論これ以外の構成も可能である。図13の例は全て(2)式および(5)式の条件を満たしている。また[2]〜[8]はこれに加えて(11)式の条件も満たしている。[6]はさらに(12)式の条件も満たしている例である。層構造は対称である必要はなく、[7]、[8]のように非対称であってもよい。
【0124】
図10と図11を比較してわかるように、コンタクト層等のクラッド層外側の層の屈折率がクラッド層の屈折率より大きい場合には、吸収係数が大きい方が望ましい。この吸収係数の値は、図12に基づき、次の(13)式で示される。
【0125】
α≧100cm-1 …(13)
さらに望ましくはα≧500cm-1 …(14)
の範囲にあるのがよい。吸収係数を大きくする方法としては、不純物濃度を高くする以外にも、InGaNコンタクト層を用いることが有効である。特に井戸層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップをもつInGaNの使用も有効である。
【0126】
(しきい値の低減)
多重量子井戸(MQW)構造はレーザのしきい値低減に有効である。本発明に係るInGaAlN系の半導体レーザは、このMQW構造を横モード制御構造と共に用いたことにより、しきい値低減効果を顕著に示す。これは、MQWによるしきい値低減に加え横モード制御構造によるしきい値低減の効果が加わり、またInGaAlN系で大きな問題であるコンタクト抵抗も大幅に低減できるからである。
【0127】
この効果を、図14(a)〜図14(c)を用いて説明する。図14(a)は従来の電極ストライプ構造のInGaAlNレーザにおける電流分布を示している。この構造では、利得導波による基本横モード発振を実現するために、電極ストライプ幅を数μmオーダーの極めて小さい値にする必要がある。しかし、ストライプ幅を極めて小さくするととp型コンタクト抵抗が著しく増大し、この部分における熱の発生によって室温での連続発振は殆ど不可能になる。
【0128】
これを防ぐには、ストライプ幅を大きくするか、しきい値を下げればよい。しかし、前者では基本横モード発振が得られなくなり、後者では電流密度低減により、図14(b)のようにコア領域で電流が広がってしまい、やはり基本横モード発振が得られなくなる。
【0129】
これに対して、本発明による横モード制御構造では、光閉込め層により発振横モードが決定されるため電流値によるモードへの影響は殆どなく、また光閉込め層が電流狭窄層の役割も果たしているために、電流値も低減できる。これとMQWによるしきい値低減効果により、動作電流は大幅に低減できる。さらに、図14(c)に示したようにp型コンタクト層で電流が広がるので、コンタクト抵抗は大幅に低減でき、熱の発生もなくなる。従って、この構造によって初めて室温での連続発振が可能となる。
【0130】
(キャリアオーバーフロー防止)
InGaAlN系では、前述した成長時のクラックの問題に加え、高キャリア濃度のp型結晶を得ることが難しいという問題がある。p型クラッド層のキャリア濃度が低いと、活性層からp型クラッド層への電子のオーバーフローが起こり、しきい値を著しく増大させてしまう。特に、クラッド層キャリア濃度が1017cm-3より低いと、これが顕著である。実際の結晶では、クラッド層に用いるようなAl組成の大きい結晶で特に高キャリア濃度を得るのが困難のため、問題である。
【0131】
低キャリア濃度でもキャリアオーバーフローが起こるのを防ぐため、本実施形態では、MQW活性層16と導波層14,18との間に、GaAlNからなるキャリアオーバーフロー防止層15,17を設けている。このオーバーフロー防止層15,17は5nm〜500nmの非常に薄い層であるため、導波モード分布の形状には殆ど影響を与えないが、活性層とのへテロバリアの効果により、キャリアオーバーフローを効果的に防止することができる。
【0132】
このオーバーフロー防止層は、クラッド層のキャリア濃度が低い場合に特に効果が顕著である。InGaAlN系では、比較的高いキャリア濃度のn型GaAlN層を形成できるため、n側のオーバーフロー防止層はなくても良い。但し、結晶のモフォロジー改善等の目的でキャリア濃度を低減する場合には、n側のオーバーフロー防止層があった方が良い。これは、p側キャリアオーバーフロー防止層についても同様であって、1017cm-3程度或いはそれ以上のキャリア濃度のp型クラッド層を用いる場合には、キャリアオーバーフロー防止層は不要となる。
【0133】
p型クラッド層19のキャリア濃度が低い場合のp側オーバーフロー防止層17の効果を図15及び図16に示す。図15はp型クラッド層19のキャリア濃度が1×1016cm-3で、オーバーフロー防止層が入っていない場合について、バンド構造及び電子と正孔の分布を示したものである。図から明らかなように、活性層からp型クラッド層側に著しい電子のオーバーフローが起こっている。
【0134】
これに対して、図16はMQW活性層16とp側導波層18との間にGa0.85Al0.15Nオーバーフロー防止層17を設けた場合を示している。この層17によりp側への電子のオーバーフローが殆どなくなっていることが分かる。この図では、p側導波層18はノンドープとし、オーバーフロー防止層17もノンドープとした。ノンドープのオーバーフロー防止層でも、この図に示したように顕著な効果があるが、p型にドーピングすれば、さらに効果は大きい。
【0135】
キャリアオーバーフロー防止の効果は、オーバーフロー防止層Ga1-h Alh NのAl組成hが大きい程顕著になるが、一方hが大きすぎると、p側から活性層への正孔の注入が妨げられ、動作電圧上昇の要因となる。特に、hが0.2を越えると動作電圧上昇が顕著になる。従って、オーバーフロー防止層のAl組成hは、
0<h<0.2 …(15)
の範囲にあることが望ましい。
【0136】
なお、キャリアオーバーフロー防止層はGaAlNに限るものではなく、更にInを含むものであってもよく、また更にBを含むものであってもよい。即ちキャリアオーバーフロー防止層は、Ins Gat Alh 1-s-t-h N(0≦s,t,h,s+t+h≦1)からなり、導波層よりもバンドギャップエネルギーが大きいものであればよい。また、必ずしもMQW層に接して設ける必要はなく、導波層の途中にあってもよい。さらに、一層のみである必要もなく、複数層を多段に設けてもよい。
【0137】
上述したように本実施形態によれば、InGaAlBN系半導体レーザにおいて、ダブルへテロ構造部にクラッド層のリッジ部を形成し、その側面にクラッド層より屈折率の高い光閉込め層を設けることにより、しきい電流密度の低減と共に、基本横モードでの連続発振を実現することができる。また、光ディスクシステム等の光源に適した非点収差のない良質の出射ビームを得ることができる。
【0138】
(第2の実施形態)
図17は、本発明の第2の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0139】
図中30はサファイア基板であり、この基板30の上にGaNバッファ層31,n型GaNコンタクト層32,n型GaAlNクラッド層33,n型GaN導波層34,n型GaAlNオーバーフロー防止層35,InGaNからなる単一量子井戸(SQW)活性層36,p型GaAlNオーバーフロー防止層37,p型GaN導波層38,p型GaAlNクラッド層39が成長形成されている。なお、これらの結晶成長はMOCVD法或いはMBE法によって行われる。
【0140】
p型GaAlNクラッド層39はストライプ部分を除いてその途中までエッチング除去され、これによりクラッド層39にストライプ状のリッジ部が形成されている。p型GaAlNクラッド層39のリッジ部以外に、n型InGaN光閉込め層40が選択的に埋込み形成され、さらにクラッド層39及び光閉込め層40上には、p型GaN層41,p型InGaNコンタクト層42が成長形成されている。これらの結晶成長も、MOCVD法或いはMBE法によって行われる。
p型InGaNコンタクト層42からn型GaAlNクラッド層33までが部分的に除去され、n型GaNコンタクト層32の一部が露出している。そして、p型GaNコンタクト層42上にはp側電極43が形成され、n型GaNコンタクト層32の露出部上にはn側電極44が形成されている。
【0141】
本実施形態が図1に示した第1の実施形態と異なる点は、活性層部が多重量子井戸ではなく、InGaNからなる単一量子井戸となっていることである。単一量子井戸とすることにより、しきい値を低減する設計が可能である。この場合、光閉込めが小さくなるため、通常は導波損失増大によりしきい値が上昇してしまうが、導波層厚を最適化することにより導波損失を低減でき、しきい値も下げることが可能である。
【0142】
この実施形態では、さらにコンタクト層42としてp型InGaNを用いている。p型InGaNはp型GaNに比べてバンドギャップが小さいので、電極との間のショットキー障壁を低減でき、コンタクト抵抗をより低減することが可能となる。
【0143】
(第3の実施形態)
図18は、本発明の第3の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0144】
図中50はn型SiC基板であり、この基板50の上にn型ZnOバッファ層51,n型GaN層52,n型GaAlNクラッド層53,n型GaN導波層54,n型GaAlNオーバーフロー防止層55,InGaN多重量子井戸(MQW活性層)56,p型GaAlNオーバーフロー防止層57,p型GaN導波層58,p型GaAlNクラッド層59が成長形成されている。なお、これらの結晶成長はMOCVD法、MBE法、或いは両者の組合わせによって行われる。
【0145】
p型GaAlNクラッド層59はストライプ部分を除いてその途中までエッチング除去され、これによりクラッド層59にストライプ状のリッジ部が形成されている。p型GaAlNクラッド層59のリッジ部以外に、n型InGaN光閉込め層60が選択的に埋込み形成され、さらにクラッド層59及び光閉込め層60上には、p型GaNコンタクト層61が成長形成されている。そして、p型GaNコンタクト層61上にはp側電極62が形成され、n型SiC基板50の裏面にはn側電極63が形成されている。
【0146】
本実施形態では、基板50として導電性のn型SiC基板を用いている。これにより、電流を上下方向に流すことができるため、マウント等がより容易となり、また熱抵抗も低減される。
【0147】
以上の実施形態では光閉込め層としてInGaNの場合を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、バンドギャップエネルギーが活性層よりも小さいInp Gaq Alr 1-p-q-r N(0<p≦1,0≦q,r<1,0<p+q+r≦1)であれば良い。また、クラッド層もGaAlNのみならず、Inx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)を用いることができる。
【0148】
図15及び図16で示されているようにMQWへの電子,正孔の注入は一般に不均一となり、しきい値増加の要因の一つとなる。これは、MQWの層数が多いほど顕著になる。この不均一を低減するには障壁層の厚さを小さくすることが有効である。特に、障壁層の厚さが井戸層の厚さを越えないように設定すると、比較的均一な注入が得られ、しきい値が低減される。
【0149】
(第4の実施形態)
図19は本発明の第4の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0150】
図中70はサファイア基板であり、この基板70の上にGaNバッファ層71,n型GaNコンタクト層72,n型GaAlNクラッド層73,n型GaN導波層74,InGaN多重量子井戸75,p型GaN導波層76,p型GaAlNクラッド層77,p型GaNキャップ層78,p型InGaN光閉込め層79が形成されている。p型InGaN光閉込め層79は同時にp型コンタクト層の役割も果たしている。これらの結晶成長はMOCVD法或いはMBE法によって行われる。
【0151】
p型GaNキャップ層78及びp型GaAlNクラッド層77はストライプ部分を除いてクラッド層の途中までエッチング除去され、これによりクラッド層77にストライプ状のリッジ部が形成されている。この上にp型InGaN光閉込め層/コンタクト層79が形成される。この結晶成長もMOCVD法或いはMBE法によって行われる。
【0152】
p型InGaN光閉込め層/コンタクト層79からn型GaAINクラッド層73までが部分的に除去され、n型GaNコンタクト層72の一部が露出している。この後、p型InGaN光閉込め層/コンタクト層79上にはp側電極80、n型GaNコンタクト層72の露出部上にはn側電極81が形成される。p側電極80には、例えばPt/TiN/Ti/Pt/Auの積層構造、n側電極81には、例えばTi/Auの積層構造等が用いられる。
【0153】
このレーザの活性層部はIna Ga1-a N井戸層/Ine Ga1-e N障壁層(a≧e)からなる多重量子井戸、及びGaN導波層を設けたSCH構造となっている。
【0154】
図19に示した構造の特徴はp型InGaN光閉込め層79がコンタクト層を兼ねていることである。このため、結晶成長は2回で済み、2回目の再成長も選択成長である必要はない。従って、極めて簡単なプロセスで横モード制御構造が実現できることになる。この構造では、発振波長に対して吸収係数の大きいInGaN層がストライプ外で活性層に近接して設けられているので、ストライプ外の等価屈折率実数部がストライプ部より小さくなり、これにより水平方向の横モード閉込めが実現される。
【0155】
一方、この構造における電流狭窄は、p型GaAlNクラッド層77とp型InGaN光閉込め層79との間のヘテロ障壁により実現される。即ち、図20(a)に示したように、p型GaAlNクラッド層とp型InGaNコンタクト層との界面における価電子側のバンド不連続により生じるヘテロ障壁のために、この界面では電流が殆ど流れない。一方、ストライプ部では、p型GaAlNクラッド層77とp型InGaNコンタクト層79との間に両者の中間のバンドギャップエネルギーを有するp型GaNキャップ層78が設けられているために、図20(b)に示したようにヘテロ障壁高さが低減され、電流が容易に流れる。
【0156】
InGaN層を光閉込め層/コンタクト層に用いることの、もう一つの利点は、その下のクラッド層のキャリア密度として高い値を実現できることである。本発明者らの実験によれば、In組成が0より大きいInGaAlNを設けた構造では、その下のクラッド層のキャリア密度が高くなることが明らかになった。例えば、GaNコンタクト層のみの場合にはp型クラッド層のキャリア密度が1×1016cm-3以下であったものが、InGaN層を設けることにより、5×1016cm-3以上とすることができた。これは水素(H)等によるMgアクセプタの不活性化が抑制されることに起因するものである。これにより、InGaAlN光閉込め層を設けない構造に比べてキャリアオーバーフローが大幅に低減されることが分った。
【0157】
図20の計算例では、p型クラッド層がキャリア密度5×1016cm-3のGa0.85Al0.15N、p型コンタクト層がキャリア密度1×1017cm-3のIn0.15Ga0.85N、pキャップ層がキャリア密度1×1017cm-3のGaNの場合を示している。これらの組み合わせは、これに限ったものではなく、p型クラッド層とp型コンタクト層とのヘテロ障壁が電流阻止に十分な大きさを持っていれば良い。
【0158】
図20(a)のp型クラッド層とp型コンタクト層が、それぞれp型Ga0.85Al0.15N(キャリア密度5×1016cm-3)、p型Inx Ga1-x N(キャリア密度1×1017cm-3)の場合の電流密度−電圧特性を図21に示す。図20(b)のキャップ層はx=0のGaNで、この場合には電圧〜3.7Vでレーザ発振が得られる(この電圧にはコンタクト抵抗等は含めていない)。一方、In組成xが大きくなると電流が流れ難くなることが分る。xが0.1より大きい動作電圧(〜3.7V)での電流値は1/2以下となり、図19に示す構造のときに十分な電流狭窄効果が得られる。
【0159】
このヘテロ障壁による電流阻止効果は、p型クラッド層とp型コンタクト層とのバンドギャップ差だけでなく、2つの層のキャリア密度にも依存する。例えば、p型クラッド層のキャリア密度が1×1017cm-3より大きくなると、電流阻止の効果は低減する。従って、図19に示す構造においてヘテロ障壁による電流阻止効果を十分得るためには、p型クラッド層のキャリア密度を1×1017cm-3以下、p型クラッド層のAl組成とp型コンタクト層のIn組成の和を0.25以上とすることが望ましい。また、キャリアオーバーフロー低減の観点からはp型クラッド層キャリア密度は低すぎない方が良く、望ましくは5×1016cm-3以上が良い。
【0160】
また、ヘテロ障壁による電流阻止効果はp型GaAlN/p型InGaNの組み合わせに限るものではない。この材料系は組成によりバンドギャップ差を大きくとることができるので、価電子帯側のバンド不連続と同様に、伝導帯側のバンド不連続も大きくなる。図22に、n型Ga0.85Al0.15N(キャリア密度5×1017cm-3)、n型Inx Ga1-x N(キャリア密度1×1018cm-3)をそれぞれクラッド層及びコンタクト層に用いた場合の電流密度−電圧特性を示す。nコンタクト層のIn組成xが大きくなると電流が流れ難くなることが明らかである。この場合にはx≧0.15で十分な電流阻止効果が得られる。
【0161】
(第5の実施形態)
図23は、本発明の第5の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0162】
図中90はサファイア基板であり、この基板90の上にGaNバッファ層91,p型GaNコンタクト層92,p型GaAlNクラッド層93,p型GaN導波層94,InGaN多重量子井戸95,n型GaN導波層96,n型GaAlNクラッド層97,n型GaNキャップ層98,n型InGaN光閉込め層99が形成されている。n型InGaN光閉込め層99は同時にn型コンタクト層の役割も果たしている。
【0163】
n型GaNキャップ層98及びn型GaAlNクラッド層97はストライプ部分を除いてクラッド層の途中までエッチング除去され、これによりクラッド層97にストライプ状のリッジ部が形成されている。この上にn型InGaN光閉込め層/コンタクト層99が形成される。
【0164】
n型InGaN光閉込め層/コンタクト層99からp型GaAlNクラッド層93までが部分的に除去され、p型GaNコンタクト層92の一部が露出している。この後、n型InGaN光閉込め層/コンタクト層99上にはn側電極100、p型GaNコンタクト層92の露出部上にはp側電極101が形成されている。
【0165】
図23に示した構造では、n型InGaN光閉込め層99がコンタクト層を兼ねている。従って、図19の場合と同様に、結晶成長は2回で済む。横モード制御の原理は図19の場合と同じであり、また電流狭窄は、n型GaAlNクラッド層97とn型InGaN光閉込め層99との間のヘテロ障壁により実現される。このヘテロ障壁による電流阻止の効果は図22に示した通りである。
【0166】
ヘテロ障壁による電流阻止効果は、2種類の材料のバンドギャップ差が大きい程顕著であるので、組成差の大きい組み合わせが望ましい。しかしながら、一方でストライプ部では、バンドギャップ差が大きすぎると、例え中間のバンドギャップを持つキャップ層を設けたとしても、電流が流れ難くなる場合もある。これを改善するには、中間のバンドギャップを持ち、そのバンドギャップの値が異なる複数のキャップ層を設けると良い。
【0167】
(第6の実施形態)
図24は、本発明の第6の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0168】
図中110はサファイア基板であり、この基板110の上にGaNバッファ層111,n型GaNコンタクト層112,n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層113,n型GaN導波層114,InGaN多重量子井戸115,p型GaN導波層116,p型Ga0.85Al0.15Nクラッド層117,p型GaN第1キャップ層118,p型In0.07Ga0.93N第2キャップ層119,p型In0.15Ga0.85N光閉込め層120が形成されている。p型InGaN光閉込め層120は同時にp型コンタクト層の役割も果たしている。また、図中の121はp側電極、122はn側電極である。
【0169】
この図に示した構造ではp型Ga0.85Al0.15Nクラッド層117とp型In0.15Ga0.85N光閉込め層120との組成差が大きくバンドギャップ差が大きいために、ヘテロ障壁による電流阻止効果が大きい。一方、ストライプ部のクラッド層上には、p型Ga0.85Al0.15Nクラッド層117とp型In0.15Ga0.85N光閉込め層120との中間のバンドギャップを持つ2種類のキャップ層を設けてある。バンドギャップはp型クラッド層,第1キャップ層,第2キャップ層,光閉込め層の順に小さくなっていくため、ヘテロ障壁が段階的に低減され、より電流が流れ易い構造となっている。
【0170】
図24の実施形態では中間バンドギャップを持つキャップ層を2層としたが、これに限るものではなく、クラッド層と光閉込め層とのバンドギャップ差に応じて、さらに多段階のキャップ層を導入することも勿論可能である。
【0171】
(第7の実施形態)
図25は、本発明の第7の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0172】
図中130はサファイア基板であり、この基板130の上にGaNバッファ層131,n型GaNコンタクト層132,n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層133,n型GaN導波層134,InGaN多重量子井戸135,p型GaN導波層136,p型Ga0.85Al0.15N第1p型クラッド層137,p型Ga0.85Al0.15N第2p型クラッド層138,p型GaN第1キャップ層139,p型In0.07Ga0.93N第2キャップ層140,p型In0.15Ga0.85N光閉込め層141が形成されている。p型InGaN光閉込め層141は同時にp型コンタクト層の役割も果たしている。また、図中の142はp側電極、143はn側電極である。
【0173】
各層のキャリア密度は、第1p型クラッド層137が5×1017cm-3、第2p型クラッド層138が5×1016cm-3、また第1キャップ層139,第2キャップ層140,光閉込め層/コンタクト層141はいずれも1×1017cm-3とした。
【0174】
この図に示した構造の特徴は、活性層側の第1p型クラッド層137のキャリア密度を大きくして動作時のキャリアオーバーフローを低減すると共に、光閉込め層141と接する第2p型クラッド層のキャリア密度を比較的低くして、ヘテロ障壁による電流阻止効果を確保している点である。ストライプ部で電流が流れる原理は図19、図23及び図24の場合と同様である。
【0175】
(第8の実施形態)
図26は、本発明の第8の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0176】
図中150はサファイア基板であり、この基板150の上にGaNバッファ層151,n型GaNコンタクト層152,n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層153,n型GaN導波層154,InGaN多重量子井戸155,p型GaN導波層156,p型Ga0.85Al0.15N第1p型クラッド層157,p型Ga0.85Al0.15N第2p型クラッド層158,p型Ga0.85Al0.15N第3p型クラッド層159,p型GaNキャップ層160,p型In0.1 Ga0.9 N光閉込め層161が形成されている。p型InGaN光閉込め層161は、同時にp型コンタクト層の役割も果たしている。また、図中の162はp側電極、163はn側電極である。
【0177】
この実施形態における各層のキャリア密度は、第1p型クラッド層157が5×1017cm-3、第2p型クラッド層158が5×1016cm-3、第3p型クラッド層159が5×1017cm-3、また、キャップ層160、光閉込め層/コンタクト層161はいずれも1×1017cm-3である。
【0178】
この図に示した構造の特徴は、活性層側の第1p型クラッド層157のキャリア密度を大きくして動作時のキャリアオーバーフローを低減すると共に、光閉込め層161と接する第2p型クラッド層のキャリア密度を比較的低くして、ヘテロ障壁による電流阻止効果を確保し、さらにキャップ層160と接する第3p型クラッド層のキャリア密度を高くして、ストライプ部でより電流が流れ易いようにしていることである。
【0179】
(第9の実施形態)
図27は、本発明の第9の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0180】
図中170はサファイア基板であり、この基板170の上にGaNバッファ層171,n型GaNコンタクト層172,n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層173,n型GaN導波層174,InGaN多重量子井戸175,p型GaN導波層176,p型Ga0.85Al0.15N第1p型クラッド層177,p型Ga0.85Al0.15N第2p型クラッド層178,p型Ga0.85Al0.15N第3p型クラッド層179,p型GaNキャップ層180,p型In0.1 Ga0.9 N光閉込め層181,p型In0.1 Ga0.9 Nコンタクト層182が形成されている。また、図中の183はp側電極、184はn側電極である。
【0181】
この実施形態における各層のキャリア密度は、第1p型クラッド層177が5×1017cm-3、第2p型クラッド層178が5×1016cm-3、第3p型クラッド層179が5×1017cm-3、キャップ層180が1×1017cm-3、光閉込め層181が1×1017cm-3、コンタクト層182が5×1017cm-3である。
【0182】
この図に示した構造の特徴は、図26に示した第8の実施形態における特徴に加えて、p電極側に、さらにキャリア密度の高いコンタクト層182を設けていることである。これにより、コンタクト抵抗が低減されるために、動作電圧を大幅に低減することができる。
【0183】
なお、このようなキャリア密度の高いコンタクト層を設ける構造は、この実施形態に限るものではなく、第4〜第7の実施形態構造に対しても適用できることはいうまでもない。
【0184】
(第10の実施形態)
図28は、本発明の第10の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0185】
図中190はサファイア基板であり、この基板190の上にGaNバッファ層191,n型GaNコンタクト層192,p型InGaN光閉込め層193が形成されている。p型InGaN光閉込め層193及びn型GaNコンタクト層192の上部は、その一部がエッチングされ、ストライプ状の溝が形成される。この上に、n型GaAlNクラッド層194,n型GaN導波層195,InGaN多重量子井戸196,p型GaN導波層197,p型GaAlNクラッド層198,p型GaN層199,p型InGaNコンタクト層200が形成されている。つまり、n型GaAlNクラッド層194に下側に凸のリッジ部が形成されている。また、図中の201はp側電極、202はn側電極である。
【0186】
この実施形態では、光閉込め層193が活性層より基板側に位置している。ストライプ両側では光閉込め層193と量子井戸活性層196とが近接しているために、光閉込め層193の吸収損失の影響で等価屈折率の実数部が小さくなり、これにより形成された等価屈折率分布によって、水平方向の横モード閉込めが実現される。また、この光閉込め層193は同時に、電流狭窄層としての働きも持っている。
【0187】
図28の構造を作製する際の結晶成長は、1回目の成長及び2回目の成長共にMOCVD法又はMBE法で行われる。この構造も結晶成長が2回で済むという利点がある。
【0188】
(第11の実施形態)
図29は、本発明の第11の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0189】
図中210はサファイア基板であり、この基板210の上にGaNバッファ層211,p型GaNコンタクト層212,p型InGaN光閉込め層213が形成されている。p型InGaN光閉込め層213及びp型GaNコンタクト層212の上部は、その一部がエッチングされ、ストライプ状の溝が形成される。この上に、p型GaAlNクラッド層214,p型GaN導波層215,InGaN多重量子井戸216,n型GaN導波層217,n型GaAlNクラッド層218,n型GaN層219,n型InGaNコンタクト層220が形成されている。また、図中の221はp側電極、222はn側電極である。
【0190】
この実施形態では、各層の導電型が図28に示した実施形態とは一部を除いて逆になっている。横モード閉込めが光閉込め層213により実現されている点は図28の場合と同様であるが、図29の実施形態における電流狭窄はp型GaAlNクラッド層214とp型InGaN光閉込め層213とのヘテロ障壁により実現されている。この原理は、前記図19、図24〜図27等で示したものと同様である。
【0191】
これまでの実施形態では、コンタクト層としてInGaNを用いた場合を示したが、この材料に限定されるものではなく、InGaBN或いはInGaAlBNとしても良い。特にp型コンタクト層の場合、p型InGaBN或いはp型InGaAlBNとすることによって、低抵抗のコンタクト層が得られた。また、他の各層も本発明の条件を満たす範囲で、InGaAlBNを用いることができる。
【0192】
また、基板もサファイア基板に限定されるものではなく、SiC,ZnO,MgAl2 4 ,NdGaO3 ,LiGaO2 、Y3 Al5 12(YAG),Y3 Fe5 12(YIG)等を用いることができる。
【0193】
(第12の実施形態)
図30は、本発明の第12の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0194】
図中230はサファイア基板であり、この基板230の上にGaNバッファ層231,n型GaNコンタクト層232,n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層233,n型GaN導波層234,InGaN多重量子井戸235,p型GaN導波層236,p型Ga0.85Al0.15Nクラッド層237,p型GaNキャップ層238,p型InGaNコンタクト層239,n型In0.1 Ga0.9 N光閉込め層240,p型InGaNコンタクト層241が形成されている。また、図中の242はp側電極、243はn側電極である。
【0195】
この実施形態のレーザは次のように作製される。即ち、まずサファイア基板230の上にGaNバッファ層231,n型GaNコンタクト層232,n型GaAlNクラッド層233,n型GaN導波層234,InGaN多重量子井戸235,p型GaN導波層236,p型GaAlNクラッド層237,p型GaNキャップ層238,p型InGaNコンタクト層239までを順次成長する。この上にSiO2 膜を形成し、フォトリソグラフィ等によりストライプ部を除いてp型InGaNコンタクト層239,p型GaNキャップ層238及びp型GaAlNクラッド層237の一部をエッチングで除去することによって、ストライプ状のリッジを形成する。
【0196】
次に、2回目の成長でn型InGaN光閉込め層240及びp型InGaNコンタクト層241を形成する。この2回目の成長はストライプ部のSiO2 膜を残したまま行われ、これによりSiO2 上には結晶成長は起こらず、ストライプ外領域のみに成長する、いわゆる選択成長によって行われる。なお、n電極側のエッチングは2回目の成長の前でも後でも可能である。
【0197】
本実施形態の特徴は、一見複雑な構造にも拘らず、結晶成長が2回で済む点である。また、コンタクト層がストライプ部及びストライプ外にも形成されているために、全面電極構造をとることができ、p型InGaNコンタクト層241にも電流が広がることによって、コンタクト抵抗を低減することができる。
【0198】
(第13の実施形態)
図31は本発明の第13の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す斜視図である。
【0199】
本実施形態における層構造は図30に示した第12の実施形態とほぼ同じであるので、その詳しい説明は省略する。異なる部分は、図30におけるp型InGaNコンタクト層239及び241の代わりにp+ 型GaN層250及び251を用いていることである。この層はp型GaNキャップ層238よりキャリア密度を高く(例えば7×107 cm-3)設定してあるため、電流が広がり易いと共に、コンタクト抵抗も低減できる。
【0200】
また、図31の実施形態では、n側電極を両側に設けた対称構造としている。これにより、ストライプ部での電流分布も対称性が良くなり、より安定な基本横モード発振を実現できる。
【0201】
(第14の実施形態)
図32は本発明の第14の実施形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。図中260はサファイア基板であり、この基板260の上にGaNバッファ層261、n型GaNコンタクト層262、n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層263、n型GaN導波層264、InGaN多重量子井戸(MQW)活性層265、p型GaN導波層266、p型Ga0.85Al0.15Nクラッド層267、p型GaNキャップ層268が成長形成されている。p型GaNキャップ層268およびp型GaAlNクラッド層267はストライプ部分を除いてその途中までエッチング除去され、これによりクラッド層267にストライプ状のリッジ部が形成されている。p型GaAlNクラッド層267のリッジ部以外の領域にn型Ga0.93Al0.07N光閉込め層269が選択的に埋込み形成され、さらにキャップ層268、クラッド層267及び光閉込め層269上にはp型GaNコンタクト層270が形成されている。なお、271はp電極、272はn電極である。
【0202】
本実施形態の特徴は光閉込め層269にクラッド層267よりAl組成の小さいGaAlNを用いていることである。これにより水平方向に反導波構造が形成され、水平横モードが安定化される。
【0203】
反導波構造は基本的にはストライプ外の等価屈折率が大きい場合に実現されるが、良好なビーム特性を得るためにはストライプ内との等価屈折率差の絶対値を所定の値より大きく設定することが重要である。前述した図4からわかるように、|Δneq|≧2×10-3の領域に設定することにより、非点隔差の小さい特性が得られる。図32の実施形態の例では、光閉込め層のAl組成を0.05≦xAl≦0.1の領域に設定することにより、ビーム特性としても優れた反導波構造を実現できる。
【0204】
上述したように本実施形態によれば、InGaAlBN系半導体レーザにおいて、ダブルヘテロ構造部の一方のクラッド層にリッジ部を形成し、このリッジ部側面にクラッド層より屈折率の高い光閉込め層を設けることにより、しきい電流密度が低減され、かつ安定な基本横モードでの連続発振が可能となる。
【0205】
(第15の実施形態)
図33は本発明の第15の実施形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。図中280はサファイア基板であり、この基板280の上にGaNバッファ層281、n型GaNコンタクト層282、n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層283、n型GaN導波層284、InGaN多重量子井戸(MQW)活性層285、p型GaN導波層286、p型Ga0.85Al0.15Nクラッド層287、p型GaNキャップ層288が成長形成されている。p型GaNキャップ層288およびp型GaAlNクラッド層287はストライプ部分を除いてエッチング除去され、これによりクラッド層287にストライプ状のリッジ部が形成されている。p型GaAlNクラッド層287のリッジ部以外の領域にn型Ga0.93Al0.07N光閉込め層289が選択的に埋め込み形成され、さらにキャップ層288、クラッド層287及び光閉込め層289上にはp型GaN層290、p型InGaNコンタクト層291が形成されている。292はp電極、293はn電極である。
【0206】
本実施形態では光閉込め層289がp型GaN導波層286に接して形成されている点が図32の実施形態とは異なる。このような構造においても反導波構造が実現されることは言うまでもない。
【0207】
(第16の実施形態)
図34は本発明の第16の実施形態に関わる半導体レーザの構成を示す断面図である。図中300はサファイア基板であり、この基板300の上にGaNバッファ層301、n型GaNコンタクト層302、n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層303、n型GaN導波層304、InGaN多重量子井戸(MQW)活性層305、p型GaN導波層306、p型InGaNキャップ層307、p型GaN層308、p型Ga0.85Al0.15Nクラッド層309が成長形成されている。p型GaAlNクラッド層309、p型GaN層308はストライプ部分を除いてエッチング除去され、これにより、クラッド層309にストライプ状のリッジ部が形成されている。この上にp型Ga0.93Al0.07N光閉込め層310、p型GaNコンタクト層311が形成されている。312はp電極、313はn電極である。
【0208】
本実施形態では、光閉込め層310がp型であるため、結晶成長は2回で済む。この構造では、p型Ga0.93Al0.07N光閉込め層310とp型InGaNキャップ層307とのヘテロ障壁により電流狭窄が行なわれる。すなわち、ストライプ外では、このヘテロ障壁により電流は流れない。一方、ストライプ部ではp型GaN層308がp型InGaNキャップ層307とp型GaAlNクラッド層309との間に形成されているため、ヘテロ障壁が低減されて電流が流れる。また、p型Ga0.93Al0.07N光閉込め層310の屈折率がp型Ga0.85Al0.15Nクラッド層309より大きいので、これによる反導波構造で光閉込めが実現される。
【0209】
(第17の実施形態)
図35は本発明の第17の実施形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。図中320はサファイア基板であり、この基板320の上にGaNバッファ層321、n型GaNコンタクト層322、n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層323、n型GaN導波層324、InGaN多重量子井戸(MQW)活性層325、p型GaN導波層326、p型Ga0.85Al0.15N第1クラッド層327、p型Ga0.9 Al0.1 N第2クラッド層328が成長形成されている。p型Ga0.9 Al0.1 N第2クラッド層328、p型Ga0.85Al0.15N第1クラッド層327は、ストライプ部分を除いてエッチング除去され、これにより、クラッド層にストライプ状のリッジ部が形成されている。クラッド層327、328のリッジ部以外の領域にp型InGaN光閉込め層329が選択的に埋込み形成され、さらに、クラッド層328及び光閉込め層329上にはp型GaNコンタクト層330が形成されている。331はp電極、332はn電極である。
【0210】
本実施形態の導波機構は第1の実施形態と同様に損失導波型であるが、リッジ形状が上部で広くなっている点がこれまでの実施形態と異なる。このようなリッジ形状とすることにより、第2クラッド層328中で電流が広がるために、素子の直列抵抗を低減することができる。この構造は、クラッド層をAl組成の異なるGaAlNで構成した多層構造とし、化学エッチングによるエッチング速度の差を利用して実現できる。
【0211】
図36は上記実施形態の構造を作成するエッチング方法を示したものである。図中、反応容器340は、内部の側壁に沿ってコイル状の金属電極341が設けられ、且つスターラー342及びNaOH溶液343を保持している。ここで、スターラー342は、図示しない容器外のコントローラから回転磁場を受けて回転し、NaOH溶液343を攪拌する。NaOH溶液343には、GaN系多層構造を形成した基板344が浸される。
【0212】
この基板344は、容器外の直流電源345の正側に接続されている。また、容器内の金属電極341は、直流電源345の負側に接続されている。ここで、直流電源345をオン状態とすると、基板344は電気化学的にエッチングされる。
【0213】
このような電気化学的エッチングにより、エッチングプロファイルを図35の実施形態に示したような形状に制御することが可能である。すなわち、図37に示したように、Al組成の高いGaAlN程エッチング速度が大きいために、図35に示した形状が実現される。また、本実施形態ではp型GaN導波層326がエッチング停止層としての役割も果たしている。
【0214】
なお、エッチングプロファイルを制御するための多層構造は、図35に示した2層構造に限らず、3層以上でも良く、さらに例えばGa0.85Al0.15NからGaNまで連続的に組成を変化させたグレーデッド層であっても良い。また、エッチング溶液もNaOHに限定されるものではなく、KOH、HF系溶液、HPO3 等の溶液を用いることができる。
【0215】
(第18の実施形態)
図38は本発明の第18の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。図中350はサファイア基板であり、この基板350の上にGaNバッファ層351、n型GaNコンタクト層352、n型Ga0.85Al0.15Nクラッド層353、n型GaN導波層354、InGaN多重量子井戸(MQW)活性層355、p型GaN導波層356、p型Ga0.85Al0.15N第1クラッド層357、p型Ga0.9 Al0.1 N第2クラッド層358、p型GaNキャップ層359が成長形成されている。p型GaNキャップ層359、p型Ga0.9 Al0. 1 N第2クラッド層358、p型Ga0.85Al0.15N第1クラッド層357は、ストライプ部分を除いてエッチング除去され、これにより、クラッド層にストライプ状のリッジ部が形成されている。クラッド層577、578のリッジ部以外の領域にp型InGaN光閉込め層360が形成されている。361はp電極、362はn電極である。
【0216】
本実施形態における電流狭窄は、p型Ga0.85Al0.15N第1クラッド層357とp型InGaN光閉込め層360とのヘテロ障壁により実現される。また、エッチングプロファイル制御に関しては上述した通りである。
【0217】
(第19の実施形態)
図39〜図40は、本発明の第19の実施形態に係る半導体レーザの製造工程図である。図39(a)に示すように、サファイア基板370上には、有機金属気相成長法(MOCVD法)により、GaNからなる10〜200nm厚のバッファ層371、Siドープのn型GaNからなる4μm厚のn型コンタクト層372、Siドープのn型Ga0.8 Al0.2 Nからなる250nm厚のn型クラッド層373、Siドープのn型GaNからなる200nm厚の導波層374、Siドープのn型GaAlNオーバーフロー防止層375が順次形成される。
【0218】
続いて、n型GaAlNオーバーフロー防止層375上には、1.5nm厚のノンドープIn0.25Ga0.75N及び3nm厚のノンドープIn0.05Ga0.95Nの2種類のInGaN層を50周期繰り返して構成される多重量子井戸(MQW)構造の活性層376が形成される。
【0219】
そして、活性層376上には、Mgドープのp型GaAlNオーバーフロー防止層377、Mgド一プのp型GaNからなる200nm厚の導波層378、Mgドープのp型Ga0.8 Al0.2 Nからなるp型クラッド層379、Mgドープのp型GaNからなる0.3μm厚のキャップ層380が順次形成される。
【0220】
次に、p型GaNキャップ層380上には、熱CVD法により、SiO2 膜からなる400nm厚の無機マスク層381が堆積される。続いて、無機マスク層381上には、レジスト(AZ4110)が1μm厚に塗布され、光露光プロセスにより、レジストにストライプパターンが転写される。現像後、ウェハーは、120℃の窒素雰囲気のオーブンに20分間保持され、ポストペーキングされる。その後、無機マスク層381のSiO2 膜がエッチングされ、無機マスク層とレジスト層からなる2層のマスク層が形成される。
【0221】
次に、図39(b)に示すように、反応性イオンビームエッチング(RIBE)法により、p型GaNキャップ層380は、p型GaAlNクラッド層379が露出するまでストライプ状にエッチングされる。
【0222】
ここで、p型GaAlNクラッド層の厚さは約0.3μmと薄いため、オーバーエッチングにより、僅かに薄くなっても光の閉込め効果に影響を与える。このため、本エッチング工程ではオーバーエッチングを極力小さくする必要がある。そこで、本実施形態では、エッチングガスとしてCl2 ガスと、SF6 との混合ガスを用いることにより、GaNとGaAlNの選択エッチングを行なった。
【0223】
マイクロ波パワー200W、イオン加速電圧500V、Cl2 ガス圧力0.4mTorr一定とし、SF6 ガスを添加した際のGaNとGa1-x Alx N(x=0.2)の選択比の変化を図41に示す。縦軸はエッチングにおけるGaNの選択比であり、横軸は混合ガスにおけるSF6 の分圧比である。
【0224】
SF6 ガスの圧力が増加するに従い、選択比が増加する。これは、SF6 ガスを添加することにより、GaAlN層のエッチングに際し、表面に脱離し難いエッチング反応生成物であるAlの塩化物が生成されるためである。
【0225】
これにより、GaAlN層のエッチング速度は遅くなり、結果としてGaNとの選択比が大きくなる。本実施形態では、添加ガスとしてSF6 ガスを用いたが、少なくともFを成分として含むガス、例えばCF4 等でも同じ効果が得られる。また、選択エッチングは、例えばO2 、CO、CO2 等の如き、少なくともOを成分として含むガスであれば実行可能である。理由は、GaAlN層のエッチングの際に、脱離し難いAlの酸化物が表面に生成されるためである。
【0226】
さらに、GaN層380とGaAlN層379との界面で精密にエッチングを停止するには、選択エッチングとエッチング過程のその場観察法とを併用することが好ましい。本実施形態では、レーザ干渉により、エッチング深さをモニタした。具体的には、エッチング試料表面に波長650nmのレーザ光を照射し、反射光を検出する。このとき、レーザ光は、試料表面および試料内部の界面から反射し、これらの反射光の間で干渉が生じるため、エッチングの進行に伴い、反射光強度が振動する。この振動の検出により、エッチング量及びヘテロ界面が観察可能となる。このその場観察法によると、選択エッチング法と併用したとき、GaAlNのエッチング速度が遅いため、GaN層380のエッチング時の反射光強度の振動の周期と、GaAlN層379のエッチング時の反射光強度の振動周期とでは大きな差が生じる。従って、周期が変化する時点でエッチングを終了すれば、最小のオーバーエッチング量でエッチングを終了できる。
【0227】
以上の方法により、本実施形態では、GaAlN層379のオーバーエッチング量40nm以下でエッチングを終了できる。エッチング工程の後、ウェハをH2 SO4 :H2 2 :H2 O溶液中に浸け、レジストマスクとエッチング残留物とが除去される。レジストマスク除去後、露出されたSiO2 マスクは、次の工程である選択成長のマスクとしても使用できる。
【0228】
以上の処理の後、図39(c)に示すように、MOCVDによる第2回目の成長により、Siドープのn型GaNからなる0.5μm厚の光閉込め層(電流狭窄層)382がp型GaNキャップ層380の側面に沿ってp型GaAlNクラッド層379上に形成される。第2回目の成長後、ウェハは、弗化アンモニウム溶液中に浸けられ、SiO2 マスクが除去され、p型GaNキャップ層380が露出される。
【0229】
次いで、図40(d)に示すように、MOCVDによる第3回目の成長により、p型GaNキャップ層380上及びp型GaAlNクラッド層379上にMgドープのp型GaNからなる0.5μm厚のコンタクト層383が形成される。次に、Cl2 ガスを用いたRIBEにより、n型GaNコンタクト層372が露出するまでウェハの一部がエッチングされ、メサが形成される。
【0230】
その後、図40(e)に示すように、n側の電極384およびp側の電極385が形成され、半導体レーザが作製された。
【0231】
従来、同様のレーザにおいては、第1回目の成長により、n型GaN電流狭窄層382までを成長させ、その後、ドライエッチングにより電流狭窄層382に開口部を開け、第2回目の成長によりp型GaNコンタクト層380を成長させるという製造方法もある。しかし、この従来方法の場合、成長中にn型GaN電流狭窄層382へMOCVD反応管周辺からのMgの取込まれが生じるため電流狭窄層を厚くする必要があり、そのため電流狭窄層の開口部のp型GaNコンタクト層を厚くしなければならず、素子抵抗を増大させるという問題がある。また、従来方法の場合、電流狭窄層開口部にドライエッチング/再成長界面ができ、この界面を電流が流れるため、界面でのリーク等の素子特性劣化が懸念される問題がある。
【0232】
しかし、本実施形態によれば、n型GaN電流狭窄層382は第2回目の成長で積層するため、MOCVD反応管周辺からのMgの取込まれが無く、n型GaN電流狭窄層382を薄く形成できる。また、ドライエッチング/再成長界面を電流が流れないため、界面でのリークの問題がない。
【0233】
上述したように本実施形態によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層の選択エッチングを実現できる。さらに、エッチング量を精度よくモニタできるため、クラッド層にリッジ部を形成する工程において精度よくエッチング量を制御できる。これにより、電流狭窄層と活性層の距離を設計通りの値にできるので、閾値電流密度の低減と共に、基本横モードでの連続発振を実現する半導体レーザを製造することができる。
【0234】
(第20の実施形態)
図42〜図43は本発明の第20の実施形態に係る半導体レーザの製造工程図である。
【0235】
本実施形態は、次の2つの点で第19の実施形態とは異なる。1点目は、図42(b)に示すように、p型GaAlNクラッド層379に代えて、ドライエッチングにより、リッジとその両側の平坦部をもつp型GaAlNクラッド層390が形成されている。2点目は、図42(c)に示すように、p型GaAlNクラッド層390からなるリッジがその側部に沿ってn型InGaN電流狭窄層382により埋込まれたことである。
【0236】
この構造では、電流狭窄層382が、リッジの両側で活性層376に近接するため、InGaN電流狭窄層382の吸収損失の影響により生じる水平方向の実効屈折率分布により光閉込めが行われる。このとき、リッジの両側のGaAlNの厚さは、電流狭窄層382と活性層376との距離に影響するため、レーザを安定に横モードで発振させる観点から厳密に制御されなければならない。
【0237】
そこで前述同様に、図42(a)に示す積層工程の後、リッジの形成工程において、選択エッチング技術とレーザ干渉モニターとを組合わせて用いる。エッチングには、Cl2 ガスとSF6 との混合ガスと、RIBE法とを用いる。エッチング条件は、Cl2 ガス圧力0.4mTorr、SF6 ガス圧力0.15mTorr、マイクロ波パワー200W、イオン加速電圧500Vである。
【0238】
p型GaNキャップ層380上にはマスクが形成され、p型GaNキャップ層380におけるマスク以外の領域からエッチングが施される。エッチングの進行はレーザ干渉モニタにより観察される。上記条件では、GaN/GaAlNの選択比が1.25程度であり、GaAlNのエッチング速度が遅いため、GaNとGaAlNとの界面において、レーザ干渉モニタにおけるレーザ光の反射強度の振動周期が変化する。反射強度の振動周期が150nmに相当し、GaN/GaAlN界面が検出されてから、振動が1.3周期現れたとき、エッチングを停止した。その結果、図42(b)に示すように、リッジの両側のp型GaAlNクラッド層390の厚さとして設計通りの100nmを残してエッチングを停止できた。
【0239】
このドライエッチング工程において、本実施形態とは異なり、選択エッチング技術を適用せず、Cl2 ガスのみを用いた場合、GaNとGaAINとはほぼ等速エッチングとなる。この等速エッチングでは、レーザ干渉モニタにおける振動周期のGaN/GaAlN界面での変化が僅かであるため、界面の検出が不正確となる。このため、エッチング量のモニタの精度が不十分である。
【0240】
一方、本発明に係る製造方法では、選択エッチングを用いることにより、十分な精度でエッチング量を制御でき、本発明構造の半導体レーザの製造が可能となった。
【0241】
以上のようにリッジ形成の後、図42(c)に示すように、第2回目の成長でn型InGaN電流狭窄層382が選択形成される。さらにSiO2 マスク除去の後、図43(d)に示すように、第3回目の成長でp型GaNコンタクト層383が形成される。このp型GaNコンタクト層383は、ドライエッチングにより、n型GaNコンタクト層384が露出するまでエッチングされてメサが形成される。その後、図43(e)に示すように、p型GaNコンタクト層383上にp側電極385が形成され、n型GaNコンタクト層384上にn側電極384が形成され、半導体レーザが製造される。
【0242】
ここで、本実施形態では、電流狭窄層382としてn型InGaN層を埋込む場合について説明したが電流狭窄層382の材料としては、n型GaAlN層などの他の材料であっても良い。
【0243】
(第21の実施形態)
図44(a)〜図44(d)は本発明の第21の実施形態に係わる半導体レーザの製造工程図である。本実施形態が第20の実施形態と異なる点は、図44(c)に示すように、選択成長ではなくリッジ全体をn型InGaN電流狭窄層391により埋込んだことである。
【0244】
このレーザ構造でも、図44(a)に示す工程の後、図44(b)に示すように、ドライエッチングにより、p型GaAlNクラッド層390をリッジとその両側の平坦部とを有する形状にする必要がある。ここで、リッジの両側のGaAlNの厚さは、電流狭窄層391と活性層376との距離に影響を与えるので、第20の実施形態と同様に、レーザの安定な横モード発振の観点から厳密に制御される必要がある。
【0245】
本実施形態においても、第20の実施形態と同じく本発明による選択エッチング技術とレーザ干渉モニタとを組合せて用いる。その結果、図44(c)に示す如き構造の半導体レーザを製造できる。
【0246】
(第22の実施形態)
図45は、本発明の第22の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0247】
図中400はn型SiC基板であり、この基板400の上にn型ZnO層401,n型GaN層402,n型GaAlNクラッド層403,GaN導波層404,Inj Ga1-j Nからなる第1の活性層405,及びGaN導波層406が順次形成され、更に第1の領域Aを除く第2の領域Bには、Ink Ga1-k Nからなる第2の活性層407及びGaN導波層408が形成されている。そして、第1の領域A及び第2の領域Bにおいて、p型GaAlNクラッド層411a及びb,n型InGaN光閉込め層412a及びb,p型GaNコンタクト層413a及びbが形成されている。なお、これらの結晶成長はMOCVD法、MBE法、或いは両者の組合せによって行われる。また、414a及びbはp側電極、415はn側電極である。
【0248】
ここで、第1の活性層405のバンドギャップEg1 ,厚さd1と、第2の活性層407のバンドギャップEg2 ,厚さd2とは、
Eg1 >Eg2 …(16)
d1>d2 …(17)
となるように設定されている。具体的には、第1の活性層405のIn組成j=0.05,厚さ100nm、第2の活性層407のIn組成k=0.15,厚さ10nmとした。これは、発振波長でλ1=380nm,λ2=410nmに相当する。
【0249】
このレーザ構造の第1の領域Aでは、活性層が第1の活性層405のみであるため、この活性層405の波長380nmで発振する。一方、第2の領域Bでは第1の活性層405と第2の活性層407とが存在するが、第2の活性層407のバンドギャップの方が小さいため、誘導放出再結合は第2の活性層407で起こる。従って、この領域では410nmで発振することになる。
【0250】
第1の領域Aの活性層405は100nmと比較的厚いため、自励発振しやすい構造となっており、戻り光雑音の少ない特性が得られる。一方、第2の領域Bでは10nmと薄い活性層407のため、光パワー密度を低減でき、高出力での発振が可能である。従って、この構造のレーザは、光ディスク応用において第1の領域Aのレーザを読出し用、第2の領域Bのレーザを記録用として用いることができる。
【0251】
しかも本実施形態では、リッジを形成するクラッド層411の側面に活性層405,407よりもバンドギャップエネルギーの小さい光閉込め層412を埋込み形成しているので、各々の領域A,Bにおいてレーザの発振しきい電流密度が低減され、かつ基本横モードでの連続発振が可能となる。
【0252】
図45に示した半導体レーザの製造工程を図46〜図47を参照して説明する。まず、図46(a)に示すように、n型SiC基板400の上に、n型ZnO層401,n型GaN層402,n型GaAlNクラッド層403,GaN導波層404,Inj Ga1-j N活性層(第1活性層)405,GaN導波層406,Ink Ga1-k N活性層(第2活性層)407,GaN導波層408を順次成長する。
【0253】
次いで、図46(b)に示すように、第1の領域Aにおける導波層408と活性層407をエッチングで除去する。このとき、活性層405は導波層406で保護されているので、最終構造で界面再結合による非発光成分の増加は防止できる。
【0254】
次いで、図46(c)に示すように、全面にp型GaAlNクラッド層411を成長し、その上にSiO2 膜421をスパッタ法等で形成する。
【0255】
次いで、図47(d)に示すように、SiO2 膜421のパターニングを行って、これをマスクとして領域A及びBにそれぞれリッジを形成する。
【0256】
次いで、図47(e)に示すように、SiO2 マスクをつけたまま、選択成長によって電流狭窄を兼ねた光閉込め層412を成長する。
【0257】
次いで、図47(f)に示すように、SiO2 マスクを除去した後、p型GaNコンタクト層413を成長し、p側電極414、n側電極415を形成する。最後に、領域Aと領域Bとの間にドライエッチングで溝を形成して素子分離を行うことによって、前記図45に示した構造が完成する。
【0258】
上述したように本実施形態によれば、厚膜活性層の低出力レーザと薄膜活性層の高出力レーザとを同一基板上に形成しているため、活性層厚制御等の難しいプロセスを要することなく、光ディスクシステムにおける再生読出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することができる。また、異なる波長のレーザを同一基板上に形成できるため、波長の違いによる非互換性の問題を解決できる。
【0259】
(第23の実施形態)
図48は、本発明の第23の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。なお、図19と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0260】
本実施形態の構造及び製造方法は第22の実施形態の場合とほぼ同様であるが、第22の実施形態と異なる点は、第1の活性層405に代えて膜厚d1の第1の活性層425を有し、且つ第2の活性層407に代えて、第1の活性層の膜厚よりも大きい膜厚d2をもつ第2の活性層427を備えたことである。
【0261】
すなわち、第1の活性層425の膜厚d1と第2の活性層427の膜厚d2との関係を、
d1<d2 …(18)
としたことである。即ち、d1=10nm,d2=100nmとした。また、第2の領域Bにp型InGaN吸収層428を設けた。この吸収層428は可飽和吸収体として働き、自励発振がより容易に起こる構造としてある。この構造の場合には、光ディスク応用において第1の領域Aのレーザを記録用、第2の領域Bのレーザを読出し用として用いることになる。
【0262】
(第24の実施形態)
図49は、本発明の第24の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0263】
図中430はサファイア基板であり、この基板430の上にGaNバッファ層431,n型GaNコンタクト層432,n型GaAlNクラッド層433,n型GaN導波層434,InGaN多重量子井戸からなる第1の活性層435,アンドープGaN導波層436,InGaN多重量子井戸からなる第2の活性層437,p型GaN導波層438,p型GaAlNクラッド層439,p型GaNキャップ層440,p型InGaN光閉込め層441,p型InGaNコンタクト層442が形成されている。また、図中の443及び444はp電極、445はn側電極である。
【0264】
ここで、第1の多重量子井戸活性層435のバンドギャップEg1 と第2の多重量子井戸活性層437のバンドギャップEg2 とは
Eg1 >Eg2
となるように設定されている。具体的には、第1の多重量子井戸活性層の井戸層のIn組成を0.15とし、第2の多重量子井戸活性層のIn組成を0.8とした。それぞれの発振波長は青色及び赤色に相当する。第2の多重量子井戸活性層のIn組成は通常のGaNレーザに比べて大きいが、むしろInNに近い組成であるために結晶としては高品質のものが得られる。
【0265】
このように青色及び赤色のレーザが集積されている構造が実現できるため、光ディスク応用において極めて有用である。即ち、高密度化に伴って異なる波長のレーザを用いるシステムの場合に、本実施形態のようなレーザを用いることにより、従来のシステムとの互換性が容易に実現されることになる。
【0266】
図50は、図49に示した実施形態のレーザにおける電極の配置例を示したものである。この例のようにn電極側は共通にできるため、例えばボンディングワイヤは3つで良い。
【0267】
(第25の実施形態)
図51は、本発明の第25の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0268】
図中450はサファイア基板であり、この基板450の上にGaNバッファ層451,n型GaNコンタクト層452,n型GaAlNクラッド層453,n型GaN導波層454,InGaN多重量子井戸からなる第1の活性層455,アンドープGaN導波層456,InGaN多重量子井戸からなる第2の活性層457,p型GaN導波層458,p型GaAlNクラッド層459,p型GaNキャップ層460,p+ 型GaNコンタクト層461,n型InGaN光閉込め層462,p+ 型GaNコンタクト層463が形成されている。また、図中の464及び465はp側電極、466はn側電極である。
【0269】
第1の多重量子井戸活性層455のバンドギャップEg11 と第2多重量子井戸活性層457のバンドギャップEg2 とは
Eg1 >Eg2
となるように設定されている。これにより左側のレーザではEg2 のバンドギャップに相当する波長で、また右側のレーザではEg1 のバンドギャップに相当する波長で発振する。
【0270】
(第26の実施形態)
図52は、本発明の第26の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0271】
レーザの基本層構造は前記図28に示したものと同じであるので、その詳しい説明は省略する。この実施形態においても、第1の多重量子井戸活性層196のバンドギャップEg1 と第2の多重量子井戸活性層470のバントギャップEg2 との関係を上述のように設定することによって、それぞれ異なる波長での発振が可能である。
【0272】
(第27の実施形態)
図53は、本発明の第27の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0273】
この実施形態における半導体レーザの基本構造は図51に示した例と同様であるので、その詳しい説明は省略する。この実施形態では、接合面ダウンのマウント例を示してある。
【0274】
図中の480はヒートシンクである。ヒートシンク480としては、Cuなどの他、BNやダイヤモンド等、熱伝導率の高い材料を用いると効果的である。このヒートシンク480には図に示したような段差を設けてあり、その上にメタライズによる金属層(例えばTi/Pt/Au層)481〜484が形成されている。また、490は電極間を分離するための分離溝である。各メタライズ層と半導体レーザの電極とは、AuSn等の半田材485〜489により圧着されている。
【0275】
本実施形態のように接合面ダウンのマウントとすることにより、素子の熱抵抗が低減され、より高温での発振が可能となる。
【0276】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【0277】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、基本横モードで連続発振することができ、光ディスクシステム等の光源に適した非点収差のない良質の出射ビームを得ることのできるInGaAlBN系の半導体レーザ及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図2】ストライプ内外の等価屈折率差Δneq、基本モードに対する損失α0 ,損失差Δαに関し、光閉込め層−コア領域間の距離hout に対する依存性を示す図。
【図3】しきい値電流密度Jth、損失α0 ,損失差Δαに関し、ストライプ幅Wに対する依存性を示す図。
【図4】ストライプ内外の等価屈折率差Δneqおよびビームの非点隔差と、光閉込め層の組成との関係を示す図。
【図5】各導波型における非点隔差および損失差Δαに関し、ストライプ幅に対する依存性を示す図。
【図6】活性層総厚d、クラッド層厚Hclad並びにクラッド層−活性層のAl組成差XA1と、導波モード損失αとの関係を示す図。
【図7】SCH−MQW構造におけるクラッド層厚clad並びに導波層厚Hguide と、導波モードとの関係を示す図。
【図8】しきい値電流密度Jth、光閉込め係数Γに関し、クラッド層厚clad並びに導波層厚Hguide との関係を示す図。
【図9】遠視野像強度分布のクラッド層厚依存性を示す図。
【図10】SCH−MQW構造におけるクラッド層厚clad並びに導波層厚Hguide と、導波モードの境界線との関係を示す図。
【図11】SCH−MQW構造におけるクラッド層厚clad並びに導波層厚Hguide と、導波モードの境界線との関係を示す図。
【図12】単位井戸層厚当りのしきい値電流密度Jth/dact に関し、光閉込め量Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)に対する依存性を示す図。
【図13】同実施形態における半導体レーザの層構造の設計例を示す図。
【図14】本発明によるしきい値低減効果を説明するための模式図。
【図15】オーバーフロー防止層を設けない場合のバンド構造及び電子と正孔の分布を示す図。
【図16】オーバーフロー防止層を設けた場合のバンド構造及び電子と正孔の分布を示す図。
【図17】本発明の第2の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図18】本発明の第3の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図19】本発明の第4の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図20】ヘテロ障壁による電流阻止効果の原理を示す図。
【図21】p−GaAlN/p−InGaN界面を持つ構成における電流密度−電圧特性を示す図。
【図22】n−GaAlN/n−InGaN界面を持つ構成における電流密度−電圧特性を示す図。
【図23】本発明の第5の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図24】本発明の第6の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図25】本発明の第7の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図26】本発明の第8の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図27】本発明の第9の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図28】本発明の第10の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図29】本発明の第11の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図30】本発明の第12の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図31】本発明の第13の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す斜視図。
【図32】本発明の第14の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図33】本発明の第15の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図34】本発明の第16の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図35】本発明の第17の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図36】同実施形態におけるエッチング方法を説明するための模式図。
【図37】同実施形態におけるエッチング方法を説明するための模式図。
【図38】本発明の第18の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図39】本発明の第19の実施形態に係わる半導体レーザの製造工程図。
【図40】同実施形態における半導体レーザの製造工程図。
【図41】同実施形態における選択比とガス組成との関係を示す図。
【図42】本発明の第20の実施形態に係わる半導体レーザの製造工程図。
【図43】同実施形態における半導体レーザの製造工程図。
【図44】本発明の第21の実施形態に係わる半導体レーザの製造工程図。
【図45】本発明の第22の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図46】同実施形態における半導体レーザの製造工程図。
【図47】同実施形態における半導体レーザの製造工程図。
【図48】本発明の第23の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図49】本発明の第24の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図50】図49に示した実施形態のレーザにおける電極の配置例を示す図。
【図51】本発明の第25の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図52】本発明の第26の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図53】本発明の第27の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【符号の説明】
10,30,70,90,110,130,150,170,190,210,230,260,280,300,320,344,350,370,430,450…サファイア基板
11,31,52,71,91,111,131,151,171,191,211,231,261,281,301,321,351,371,402,431,451…GaNバッファ層
12,32,72,112,132,152,172,192,212,232,262,282,302,322,352,372,432,452…n型GaNコンタクト層
13,33,53,73,97,113,133,153,173,194,218,233,263,283,303,323,353,373,403,433,453…n型GaAlNクラッド層
14,34,54,74,96,114,134,154,174,195,217,234,264,284,304,324,354,374,404,434,454…n型GaN導波層
15,35,55,375…n型GaAlNオーバーフロー防止層
16,56,75,95,115,135,155,175,196,216,235,265,285,305,325,355,376,435,437,455,457…InGaN多重量子井戸(MQW)活性層
17,37,57,377…p型GaAlNオーバーフロー防止層
18,38,58,76,94,116,136,156,176,197,215,236,266,286,306,326,356,378,438,458…p型GaN導波層
19,39,59,77,93,117,137,138,157,158,159,177,178,179,198,214,237,267,287,309,327,328,357,358,379,390,411a,439,459…p型GaAlNクラッド層
20,40,60,79,99,120,141,161,181,193,213,213,240,269,289,310,329,412a,441,462…光閉込め層
21,41,61,78,92,118,139,160,180,199,250,251,268,270,288,308,359,360,380,383,413a,413b,440,460,461,462…p型GaN層
22,43,62,80,101,121,142,183,201,221,242,271,292,312,361,362,385,414a,414b,443,444,464,465…p側電極
23,44,63,81,100,122,143,184,202,222,243,272,293,313,384,415,445,466…n側電極
36…GaN単一量子井戸(SQW)活性層
42,119,140,200,220,239,241,307…p型InGaN層
50,400…n型SiC基板
51,401…n型ZnOバッファ層
98,219…n型GaN層
340…反応容器
341…金属電極
342…スターラー
343…NaOH溶液
345…直流電源
381…無機マスク層
382,391…電流狭窄層
405,407,425,427…活性層
406,408,436…GaN導波層
421…SiO2
428…吸収層
480…ヒートシンク
481〜484…金属層
485〜489…半田材
490…分離溝
Eg1 ,Eg2 …バンドギャップ
d1,d2…厚さ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a semiconductor laser using a compound semiconductor material.To theIn particular, semiconductor lasers using InGaAlBN-based materialsTo theRelated.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a semiconductor laser using an InGaAlN-based material has been developed as a short wavelength light source required for increasing the density of an optical disk. A semiconductor laser made of this kind of material can be focused to a small beam by shortening the wavelength, and is expected as a light source for high-density information processing such as an optical disk. As a structure realizing oscillation by current injection in this material system, a semiconductor laser using a multiple quantum well structure has been reported (for example, the following document).
[0003]
1) S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku and Y. Sugimoto: "InGaN-based multi-quantum-well-structure laser diodes", Jpn J. Appl. Phys., 35 (1996) pp.L74-L76.
2) S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku and Y. Sugimoto: "InGaN multi-quantum-well-structure laser diodes with cleaved mirror facets" , Jpn.J.Appl.Phys., 35 (1996) pp.L217-L220.
It is known that a multiple quantum well structure using a thin film active layer with respect to a bulk active layer can significantly reduce the threshold value. However, InGaAlN-based materials still have a high threshold current density and a high operating voltage, and thus there are many problems to realize continuous oscillation.
[0004]
One of the causes of the high operating voltage in InGaAlN-based materials is that the p-type contact resistance is extremely large. In the already reported electrode stripe structure, the voltage drop in the p-type electrode stripe is large, the operating voltage becomes high, and the generation of heat in this region cannot be ignored. In order to reduce the contact resistance, the electrode area may be increased. However, in the above electrode stripe structure, the threshold current value increases as the electrode area is increased, and the fundamental transverse mode oscillation is also suppressed due to the large current injection region. It becomes possible.
[0005]
In applications such as optical disk systems, the fundamental transverse mode oscillation is indispensable because the outgoing beam of the semiconductor laser needs to be focused to a very small spot, but a transverse-mode control structure is realized with an InGaAlN laser. It has not been. In the conventional material system, for example, only an InGaAlP-based ridge stripe type SBR laser has been reported (the following document).
[0006]
3) M. Ishikawa et al .: Extended Abstracts, 19th Conf. Solid State Devises and Materials, Tokyo (1987) pp. 115-118.
However, since the material system of the InGaAlN laser is different from that of the SBR laser, this structure cannot be applied as it is. As a current confinement structure in an InGaAlN laser,
4) Japanese Patent Laid-Open No. 8-111558 (semiconductor laser element)
In addition, a structure using GaN as a current confinement layer is disclosed. With this structure, current confinement is possible, but since there is no light confinement effect, it is difficult to obtain a high-quality outgoing beam without astigmatism.
[0007]
In general, in order for the current confinement layer provided in the cladding layer to also act as a light confinement layer, it is necessary to set the composition, thickness, distance from the active layer, and the like to predetermined values. In particular, in an InGaAlN laser, since the oscillation wavelength is short, even if the composition is the same, the waveguide mechanism is completely different depending on the thickness and position. For this reason, a stable fundamental transverse mode oscillation cannot be obtained simply by providing a current confinement layer.
[0008]
In addition, in the InGaAlN-based crystal growth, when a layer containing Al such as GaAlN is grown thick, there is a problem that cracks occur in the layer containing Al because the lattice constant differs from that of the underlying GaN. For this reason, the transverse mode confinement in the layer direction (vertical direction) is not performed well, and the threshold value increases, or in some cases, the waveguide mode itself cannot exist.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
  Thus, in the conventional InGaAlN-based semiconductor laser, it is difficult to create a transverse mode control structure, and it is difficult to realize a laser that continuously oscillates in the fundamental transverse mode..
[0018]
  An object of the present invention is to provide an InGaAlBN-based semiconductor laser that can continuously oscillate in a fundamental transverse mode and can obtain a high-quality outgoing beam free of astigmatism suitable for a light source such as an optical disk system.TheIt is to provide.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the semiconductor laser according to the present invention, an optical confinement layer having a refractive index larger than that of the cladding layer is provided, and the transverse mode is controlled by the loss waveguide effect or the anti-waveguide effect. Enables continuous oscillation in the fundamental transverse mode which is low and stable.
[0024]
That is, the present invention is a double heterostructure part comprising a group III-V compound semiconductor containing nitrogen and having an active layer part sandwiched between a first conductive type cladding layer and a second conductive type cladding layer having a striped ridge. And a light confinement layer formed at least in a region other than the ridge portion in contact with the second conductivity type cladding layer side of the double heterostructure portion, wherein the light confinement layer contains nitrogen. And a refractive index of the optical confinement layer is larger than a refractive index of the cladding layer of the second conductivity type.
[0025]
Further, the present invention provides a first conductivity type InxGayAlzB1-xyzSecond conductivity type In having a clad layer made of N (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1) and a striped ridgeuGavAlwB1-uvwA double hetero structure part sandwiching the active layer part with a clad layer made of N (0 ≦ u, v, w, u + v + w ≦ 1), and at least in contact with the second conductivity type clad layer side of the double hetero structure part A semiconductor laser including a light confinement layer formed in a region other than the ridge portion, wherein the light confinement layer is InpGaqAlrB1-pqrN (0 ≦ p ≦ 1, 0 ≦ q <1, 0 ≦ r ≦ 1, 0 <p + r ≦ 1, 0 <p + q + r ≦ 1), and the refractive index of the optical confinement layer is a second conductivity type cladding. It is characterized by being larger than the refractive index of the layer.
[0026]
Here, preferred embodiments of the present invention include the following.
[0027]
(1) The active layer is at least InaGabAlcB1-abcA well layer composed of N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) and IneGafAlgB1-efgA single quantum well or multiple quantum wells composed of a barrier layer made of N (0 ≦ e, f, g, e + f + g ≦ 1).
[0028]
(2) The thickness of the barrier layer should not exceed the thickness of the well layer.
[0029]
(3) For the total thickness d of the core region and the laser oscillation wavelength λ, the thickness H1 of the first conductivity type cladding layer and the thickness H2 of the second conductivity type cladding layer are:
0.18 (zd / λ)-1/2≦ H1 / λ ≦ 0.27 (zd / λ)-1/2
0.18 (wd / λ)-1/2≦ H2 / λ ≦ 0.27 (wd / λ)-1/2
It must be in a range that satisfies
[0030]
(4) Total thickness d of the well layeractIs less than 0.5 μm.
[0031]
(5) Total thickness d of the well layeractIs 0.045 μm or less.
[0032]
(6) Al composition of each cladding layer xAl, Average In composition in the core region yIn, The sum of both compositions Δx (= xAl+ YIn), The total thickness H of the core regioncoreAnd the thickness H of each cladding layercladFor the oscillation wavelength λ
Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/Λ)≧0.08.
[0033]
(7) The above parameters are
Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/Λ)≧0.1.
[0034]
(8) The above parameters are
Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/Λ)≦0.2.
[0035]
(9) The above parameters are
Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/Λ)≦0.15.
[0036]
(10) Al composition of each cladding layer xAlAnd thickness HcladIs
xAl・ Hclad≦ 0.1 μm must be satisfied.
[0037]
(11) Al composition x of each cladding layerAlAnd thickness HcladIs
xAl・ Hclad≦ 0.06μm must be satisfied.
[0038]
(12) The core region is an In formed so as to sandwich the active layeruGavAlwB1-uvwA plurality of waveguide layers made of N (0 <u ≦ 1, 0 ≦ v <1, 0 ≦ w <1) are included. At this time, the total thickness H of the core regioncoreAnd average In composition in the core region yInIs equivalent to (yIn)1/2・ (Hcore/Λ)≧0.15.
(13)
(YIn)1/2・ (Hcore/Λ)≧0.2.
[0039]
(14) The optical confinement layer has the same conductivity type as the second conductivity type cladding layer.
[0040]
(15) The band gap energy of the optical confinement layer is smaller than the band gap energy of the active layer portion.
[0041]
(16) The contact layer on the second conductivity type cladding layer and the optical confinement layer are made of the same material, and have a band gap intermediate between the second conductivity type cladding layer and the contact layer in the stripe region. A cap layer is provided.
[0042]
(17) A waveguide layer having a refractive index smaller than the average refractive index of the quantum well and larger than the refractive index of the cladding layer is provided between the quantum well and each cladding layer, and is in at least one of the waveguide layers or the waveguide layer. Between the quantum well and the band gap energy is larger than that of the waveguide layer.sGatAlhB1-sthAt least one carrier overflow prevention layer of N (0 ≦ s, t, h, s + t + h ≦ 1) is provided.
[0043]
(18) The Al composition h of the carrier overflow prevention layer is
0 <h <0.2
It must be in a range that satisfies
[0044]
(19) Each cladding layer of the first conductivity type and the second conductivity type is made of GaAlN, and the optical confinement layer is made of InGaN or GaAlN having a smaller Al composition than the cladding layer.
[0045]
Here, the light confinement layer can be formed as shown in any one of (i) to (iii) below. (i) The optical confinement layer is InpGaqAlrB1-pqrN (0.2 ≦ p ≦ 0.3, 0 ≦ q ≦ 0.8, 0 ≦ r ≦ 0.8, 0.2 ≦ p + q + r ≦ 1), and the refractive index of the light confinement layer is second. It is larger than the refractive index of the conductive cladding layer.
[0046]
(ii) The optical confinement layer is InpGaqAlrB1-pqrN (0 ≦ p ≦ 0.95, 0 ≦ q ≦ 0.95, 0.05 ≦ r ≦ 0.3, 0.05 ≦ p + q + r ≦ 1).
[0047]
(iii) The optical confinement layer is InpGaqAlrB1-pqrN (0 ≦ p, q, 0.05 ≦ r ≦ 0.1, 0.05 ≦ p + q + r ≦ 1), and the refractive index of the light confinement layer is larger than the refractive index of the second conductivity type cladding layer.
[0048]
(20) Use a sapphire or SiC substrate as the base substrate.
[0049]
(21) The ridge portion of the second conductivity type cladding layer is formed to protrude downward on the substrate side, or to protrude upward on the opposite side of the substrate.
[0050]
(22) Contact layer absorption loss α is
α ≧ 100cm-1Satisfying
[0051]
(23) Contact layer absorption loss α is
α ≧ 500cm-1Satisfying
[0058]
(Function)
According to the present invention, in an InGaAlBN semiconductor laser, a ridge portion is provided in one clad layer of a double heterostructure portion, and a region other than the ridge portion is provided with an InpGaqAlrB1-pqrN (0 ≦ p ≦ 1, 0 ≦ q <1, 0 ≦ r ≦ 1, 0 <p + r ≦ 1, 0 <p + q + r ≦ 1), and a light confinement layer having a higher refractive index than the cladding layer is provided. . This optical confinement layer provides current confinement and forms a waveguide structure with a refractive index distribution to control the transverse mode, thus reducing the threshold current density and enabling continuous oscillation in the fundamental transverse mode. Become.
[0059]
Here, the optical confinement layer as described above is considered to be impossible to selectively grow because the lattice constant is greatly different from that of the double heterostructure portion. For this reason, there is no technical idea of forming a light confinement layer other than the ridge portion of the cladding layer in the conventional InGaAlN semiconductor laser. However, based on the diligent research and experiments by the present inventors, by optimizing various conditions by the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, the molecular beam epitaxy (MBE) method, etc., the optical closure of the above materials can be achieved. It has been found that selective growth of the buried layer is possible.
[0060]
In addition, it has been clarified that in the structure in which the InGaAlBN-based optical confinement layer having an In composition larger than 0 is provided, the carrier density of the cladding layer therebelow becomes high. This is because the inactivation of the Mg acceptor due to H or the like is suppressed, and it has been found that the carrier overflow is significantly reduced as compared with the structure in which the light confinement layer is not provided. By providing the light confinement layer as in the present invention, the threshold current density can be reduced and the continuous oscillation in the fundamental transverse mode can be achieved.
[0064]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.
[0065]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
[0066]
In the figure, reference numeral 10 denotes a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 11, an n-type GaN contact layer 12, an n-type GaAlN cladding layer 13, an n-type GaN waveguide layer 14, an n-type GaAlN overflow prevention layer 15, An InGaN multiple quantum well (MQW) active layer 16, a p-type GaAlN overflow prevention layer 17, a p-type GaN waveguide layer 18, and a p-type GaAlN cladding layer 19 are grown. These crystal growths are performed by MOCVD method or MBE method.
[0067]
The p-type GaAlN cladding layer 19 is etched away to the middle except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer 19. In addition to the ridge portion of the p-type GaAlN cladding layer 19, an n-type InGaN optical confinement layer 20 is selectively buried and a p-type GaN contact layer 21 is formed on the cladding layer 19 and the optical confinement layer 20. Yes. These crystal growths are also performed by the MOCVD method or the MBE method.
[0068]
The portions from the p-type GaN contact layer 21 to the n-type GaAlN cladding layer 13 are partially removed, and a part of the n-type GaN contact layer 12 is exposed. A p-side electrode 22 is formed on the p-type GaN contact layer 21, and an n-side electrode 23 is formed on the exposed portion of the n-type GaN contact layer 12.
[0069]
In this embodiment, the active layer portion (hereinafter also referred to as a core region) of the laser is InaGa1-aN well layer / IneGa1-eThe SCH structure has GaAlN overflow prevention layers 15 and 17 and GaN waveguide layers 14 and 18 provided on both sides of an active layer 16 of a multiple quantum well (MQW) made of an N barrier layer (a ≧ e). In this specification, the core region is a multilayer structure portion located between both clad layers, and specifically includes at least an active layer, and optionally includes a waveguide layer, a carrier overflow prevention layer, or both. I have.
[0070]
In this embodiment, InxGayAlzB1-xyzSince the n-type cladding layer 13 made of an N (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1) material does not contain In and B, Ga1-zAlzSince the active layer 16 does not contain Al, the well layer and the barrier layer constituting the MQW are each In.aGa1-aN and IneGa1-eN. Similarly, InuGavAlwB1-uvwSince the p-type cladding layer 19 made of an N (0 ≦ u, v, w, u + v + w ≦ 1) material does not contain In and B, Ga1-wAlwN.
[0071]
Next, the operation of the semiconductor laser configured as described above will be described. The lateral mode control, threshold reduction, and carrier overflow prevention will be described in this order.
[0072]
(Horizontal horizontal mode control)
In the semiconductor laser of this embodiment, since the n-type InGaN optical confinement layer 20 is close to the core region outside the stripe, the equivalent refractive index is small in the region outside the stripe, and a refractive index distribution is formed in the horizontal direction. Mode confinement.
[0073]
Here, the In composition of the n-type InGaN optical confinement layer 20 is the In composition in the active layer 16.aGa1-aIt is set higher than the In composition of the N well layer. Therefore, the refractive index of the light confinement layer 20 is larger than the refractive index of the well layer. Further, the band gap energy of the optical confinement layer 20 is smaller than the band gap energy of the well layer.
[0074]
Further, the refractive index of the optical confinement layer 20 is larger than the refractive index of the p-type GaAlN cladding layer 19 in the stripe portion, and the band gap energy of the optical confinement layer 20 is the band gap energy of the p-type GaAlN cladding layer 19 in the stripe portion. Smaller than.
[0075]
In this way, the equivalent refractive index becomes small despite the optical confinement layer 20 having a refractive index larger than that of the stripe portion. The reason is as follows. That is, since the optical confinement layer 20 has a large absorption loss with respect to the oscillation wavelength, the attenuation of the waveguide mode is large. For this reason, the proportion of the waveguide mode distribution in the optical confinement layer 20 is extremely small. That is, since the contribution of the light confinement layer 20 to the equivalent refractive index is small, the equivalent refractive index becomes smaller than that of the stripe portion as a result.
[0076]
In summary, the semiconductor laser having the structure shown in FIG. 1 has a loss waveguide structure with a small equivalent refractive index outside the stripe and a large loss. This loss waveguide structure is extremely effective for stabilizing the fundamental transverse mode. That is, since there is a loss region outside the stripe, a high-order mode with a large squeeze has a greater loss or cut-off than the fundamental mode, and therefore only the fundamental mode can oscillate stably.
[0077]
Such a loss waveguide structure can be realized for the first time by using a material having a band gap energy smaller than that of the core region as the optical confinement layer 20. As the optical confinement layer, for example, InGaN is suitable because it has a large absorption loss.
[0078]
Next, conditions for such transverse mode control will be described.
[0079]
FIG. 2A shows an equivalent refractive index difference Δn between the stripe portion and the outside of the stripe.eq, The distance between the optical confinement layer 20 and the core region outside the stripe (distance to the p-type GaN waveguide layer 17) houtDependence on is shown. FIG. 2 (b) shows the loss α for the fundamental mode.0And the loss difference Δα between the primary mode and the fundamental mode, houtDependence on is shown.
[0080]
In these figures, the layer structure of the stripe portion is represented by n-type Ga.0.85Al0.15N / n-GaN (0.1 μm) / MQW / p-type GaN (0.1 μm) / p-type Ga0.85Al0.15N and the layer structure outside the stripe is n-type Ga0.85Al0.15N / n-type GaN (0.1 μm) / MQW / p-type GaN (0.1 μm) / p-type Ga0.85Al0.15N (houtThe waveguide mechanism in the case of (μm) / n-type InGaN is analyzed.
[0081]
In the figure, MQW is In0.18Ga0.82N well layer (2nm) / In0.04Ga0.96Two configurations with 5 pairs of N barrier layers (4 nm) and 10 pairs were used.
[0082]
For stabilization of the fundamental transverse mode, it is desirable that the loss difference between the higher order mode and the fundamental mode is large. From this point of view, houtShould be larger. But houtIs too largeeqBecomes smaller. 10-FourSince a change in the refractive index can be caused by the plasma effect due to carrier injection, the waveguide structure due to the refractive index distribution becomes unstable in this region. Therefore, houtIs preferably set to 0.3 μm or less, more preferably 0.2 μm or less.
[0083]
FIG. 3 (a) shows hout= Threshold current density J for 0.2 μmth, The dependency on the stripe width is shown. FIG. 3 (b) shows the same houtIn the case of0, Δα shows the dependence on the stripe width.
[0084]
If the stripe width is large, Δα becomes small, and therefore higher order modes are likely to occur. On the other hand, if the stripe width is small, the fundamental mode loss α0Becomes the threshold current density JthRises. Therefore, in this case, the stripe width W is desirably set to 3 μm or more.
[0085]
Further, as shown in FIGS. 4A and 4B, the composition of the light confinement layer greatly affects the waveguide mechanism. These figures show the layer structure of the stripe portion as n-type Ga.0.85Al0.15N / n-type GaN (0.1 μm) / MQW / p-type GaN (0.1 μm) / p-type Ga0.85Al0.15N and the layer structure outside the stripe is n-type Ga0.85Al0.15N / n-type GaN (0.1 μm) / MQW / p-type GaN (0.1 μm) / p-type Ga0.85Al0.15This is an analysis of the waveguide mechanism in the case of N (0.05 μm) / n-type InGaAlN. The n-type InGaAlN layer outside the stripe corresponds to the light confinement layer.
[0086]
Where MQW is In0.2Ga0.8N well layer (2nm) / In0.05Ga0.95In this configuration, five pairs of N barrier layers (4 nm) are provided.
[0087]
Here, FIG. 4A shows that the light confinement layer is In.xGa1-xN or Ga1-xAlxEquivalent refractive index difference Δn inside and outside the stripe for NeqAnd the relationship between the composition. xInThe region of ≧ 0.2 corresponds to the loss waveguide type of the present embodiment. As shown in FIG. 4B, the loss waveguide region has a small astigmatism difference (when the stripe width is 5 μm), so that a beam characteristic suitable for optical disc application can be obtained.
[0088]
0 ≦ xInThe region of ≦ 0.2 is a region where the vertical waveguide mode is not formed outside the stripe, and the oscillation mode becomes unstable.
[0089]
On the other hand, the optical confinement layer is Ga having a refractive index smaller than that of the waveguide layer.1-xAlxWhen N is used, the waveguide mechanism can be classified into three regions as shown in FIG. The first region is a range in which the Al composition of the light confinement layer is larger than the Al composition of the cladding layer of the stripe portion, that is, the refractive index of the light confinement layer is smaller than the refractive index of the clad layer. It becomes a waveguide structure.
[0090]
The second region is a range in which the Al composition of the light confinement layer is close to the Al composition of the cladding layer, and a small ΔneqTherefore, it has a gain waveguide structure and has a very large astigmatic difference as shown in the figure. Such a large astigmatic beam is not suitable for optical disc applications.
[0091]
The third region is notable in FIG. 4B, and the Al composition of the optical confinement layer is smaller than the Al composition of the cladding layer and larger than the Al composition of the waveguide layer, that is, the refractive index is high. The region is larger than the cladding layer and smaller than the waveguide layer, and has an “anti-waveguide region” in which the astigmatic difference is reduced. As shown in FIG. 4A, this anti-waveguide region has ΔneqIs negative, and the equivalent refractive index outside the stripe is larger than the equivalent refractive index inside the stripe. An embodiment using this anti-waveguide region will be described later.
[0092]
FIG. 4B also shows that a small astigmatic difference can be obtained even in the real refractive index waveguide region in which the Al composition of the light confinement layer is larger than the Al composition of the cladding layer.
[0093]
Next, the fact that the loss waveguide structure or anti-waveguide structure according to the present invention is excellent in terms of stabilization of the fundamental transverse mode will be described.
[0094]
FIG. 5A shows the dependence of the stripe width on the astigmatic difference of the gain waveguide type, the actual refractive index waveguide type, the loss waveguide type, and the anti-waveguide type. FIG. 5B shows the dependency of the stripe width on the waveguide loss difference Δα between the primary mode and the fundamental mode for each waveguide type. A small astigmatic difference is desirable for the beam characteristics. A large mode loss difference is desirable from the viewpoint of stabilization of the fundamental transverse mode.
[0095]
As shown in the figure, the gain waveguide type has a large mode loss difference, but is extremely difficult to use in an optical disc application or the like because of a very large astigmatic difference. The real refractive index waveguide type has a small astigmatism difference, but also has a small mode loss difference. Therefore, when the stripe width is increased, a higher-order mode is likely to be generated.
[0096]
On the other hand, the loss waveguide type and the anti-waveguide type have a small astigmatic difference and can secure a large mode loss difference even with a large stripe width. A larger stripe width facilitates the fabrication process and increases the degree of freedom in design. Thus, it can be seen that the semiconductor laser according to the present invention is superior in both characteristics and ease of fabrication.
[0097]
(Vertical horizontal mode control)
By the way, the problem in InGaAlN-based crystal growth is that, for example, when a layer containing Al such as a GaAlN layer is grown thickly, the lattice constant differs from that of the underlying GaN. Therefore, the layer containing Al (GaAlN) Cracks are generated. In order to prevent this type of crack, it is necessary to reduce the Al composition or the thickness of the GaAlN layer. On the other hand, when a layer containing Al is used for the cladding layer of the laser, a refractive index difference of a certain degree or more (that is, an Al composition difference with the active layer) and a cladding layer thickness H for optical confinement.cladis required. Active layer total thickness d, cladding layer thickness Hclad, Cl composition layer-active layer Al composition difference ΔXA1FIG. 6A and FIG. 6B show the relationship between and the waveguide mode loss α.
[0098]
As you can see, ΔXA1Is large, HcladIs larger, α can be smaller, but practically α is 20 cm.-1It is enough if it can be made as small as possible. Therefore, α is 100cm-1Smaller than 20cm-1When a larger range is obtained, the following equation (1) is obtained.
[0099]
0.18 (ΔXA1d / λ)-1/2≦ Hclad/Λ≦0.27 (ΔXA1d / λ)-1/2... (1)
Therefore, the cladding layer thickness HcladIn this range, a laser structure having a thickness that does not cause cracks during crystal growth and a small loss can be obtained.
[0100]
Here, another point to be considered in the InGaAlN laser of the above formula (1) is that the contact layer, which is the outer layer of the cladding layer, has a refractive index larger than the refractive index of the cladding layer, and the oscillation wavelength. It is a point transparent to. For this reason, the cladding layer thickness HcladIs not sufficiently large, the waveguide structure in the layer direction (vertical direction) is anti-waveguided, and in some cases, the threshold value may be significantly increased, or there may be no waveguide mode.
[0101]
FIG. 7 shows the cladding layer thickness H in the SCH-MQW structure.cladAnd guide layer thickness HguideAnd an example of the relationship between the boundary line of the waveguide mode. Here, as a layer structure, n-type GaN / n-type Ga0.85Al0.15N (Hcladμm) / n-type In0.06Ga0.94N (Hguideμm) / MQW / p type In0.06Ga0.94N (Hguideμm) / p-type Ga0.85Al0.15N (HcladAn example of calculation in the case of μm) / n-type GaN is shown. MQW is In0.2Ga0.8N well layer (2nm) / In0.05Ga0.95The N barrier layer (4 nm) was configured to have 10 pairs. The absorption coefficient of the outermost layer GaN is 500 cm.-1It was.
[0102]
The shaded area in FIG. 7 is an area where there is no waveguide mode. In the region where the waveguide mode exists, the anti-waveguide region is above the right-down curve and the normal refractive index waveguide region is below the upper-right curve. On the boundary curve, the optical confinement factor Γ is 0, and the threshold current density JthBecomes infinite. This situation is shown in FIGS. 8A and 8B.
[0103]
9A and 9B show the clad layer thickness dependence of the far-field image intensity distribution. FIG. 9A shows H.guide= 0.1 μm, and FIG.guide= 0.2 μm. It can be seen that the far-field image is bimodal in the parameters of the anti-waveguide region. FIG. 10 shows the boundary of the region where the waveguide mode exists when the In composition of the well layer has other values.
[0104]
As is clear from FIGS. 8A and 8B, the cladding layer thickness H is used to reduce the threshold value.cladMust be set to a value sufficiently away from the boundary of the region where the guided mode does not exist. In this calculation, the absorption coefficient of the outermost GaN is 500 cm.-1In practice, this value may vary depending on the impurity concentration. When the absorption coefficient is small, the anti-waveguide property is further increased, and the parameter region where no waveguide mode is present is also widened.
[0105]
FIG. 11 shows that the absorption coefficient of the outermost layer GaN is 100 cm.-1In this case, the boundary of the guided mode existence region is shown. As can be seen from comparison with FIG. 10, the region where the waveguide mode does not exist is large. In either case, the cladding layer thickness HcladAnd waveguide layer thickness HguideIt is clear that it is necessary to set the values in a predetermined range. This HcladThe condition for such as can be specified by the same mathematical expression as the expression (1). However, this condition is an approximation when equation (1) has a small active layer thickness d. In the SCH structure, the region where light is confined is a thick region including the waveguide layer. ΔXAld / in)-1/2Instead of (ΔxAld / λ)-1A better approximation can be obtained using. Specifically, this condition can be approximated as follows from FIGS.
[0106]
Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/Λ)≧0.08 (2)
Where HcoreIs the total thickness of the core region including the waveguide layer (MQW + waveguide layer), and Δx is an amount representing the composition difference between the core region and the cladding layer, and is approximately proportional to the refractive index difference between the core and the cladding To do.
[0107]
In the example of the layer structure shown here, Δx is defined below.
[0108]
Δx = xAl+ YIn      ... (3)
Where xAlIs the Al composition of the cladding layer, and yInRepresents the average In composition of the core region. When In is contained in the cladding layer, the above xAlX instead ofAl-XIn(XInMay be the In composition of the cladding layer. Similarly, when Al is contained in the core region, yInInstead of yIn-YAl(YAlMay be the average Al composition of the core region).
[0109]
N-type GaN / n-type Ga shown above0.85Al0.15N (Hcladμm) / n-type In0.06Ga0.94N (Hguideμm) / MQW / p type In0.06Ga0.94N (Hguideμm) / p-type Ga0.85Al0.15N (HcladIn the example of μm) / n-type GaN, xAl= 0.15, yIn= 0.069 (Hguide= 0.1 μm, 10 wells). In this case, the condition of the cladding layer thickness given by Equation (2) is H = 420 nm.clad≧ 0.244 μm. Note that the left side of equation (2) corresponds to an amount representing the degree of light confinement in the core.
[0110]
The above parameter Δx · (Hcore/ Λ) ・ (HcladThe dependence of the threshold on / λ) is shown in FIG. In this figure, the vertical axis represents the threshold value divided by the total well thickness of the active layer, Jth/ DactIt is. As shown, Jth/ DactIs Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/ Λ). Further, as shown in the figure, this dependency also varies depending on the magnitude of the absorption coefficient of the contact layer that is the outermost layer. Actually, since the contact layer often has a very high impurity concentration, the absorption coefficient can also change. Of course, JthDactAlso depends on. D for lower thresholdactIt is better to make it smaller. For example, in FIG. 12, Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/ Λ) is large enoughth/ Dact~ 2x109cm-3It becomes. Where Jth<10 kA / cm2Dact<0.05 μm is required. According to another calculation, it was found that the influence of the carrier overflow increases when the total thickness of the active layer is 0.05 μm or more.
[0111]
From the above, the InGaAlN laser can be oscillated at a low threshold by being manufactured within the following range with respect to the condition and the total thickness of the active layer shown in the equation (2).
[0112]
dact<0.05 μm (4)
More preferably, dactShould be in the following range.
[0113]
dact≦ 0.045 μm (5)
As can be seen from FIG. 12, Δx · (Hcore/ Λ) ・ (HcladBy setting / λ) within the following range, a low threshold can be realized regardless of the absorption coefficient of the contact layer or the like.
[0114]
Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/Λ)≧0.1 (6)
(2) or (5) is the cladding layer thickness HcladIs a formula that gives the lower limit of HcladEven if this becomes too large, problems such as an increase in voltage drop in the cladding layer and the occurrence of cracks described above occur. To avoid this, HcladIs preferably set to the following range.
[0115]
xAl・ Hclad≦ 0.1 μm (7)
More preferably, the following range is set.
[0116]
xAl・ Hclad≦ 0.06μm (8)
As can be seen from FIG.cladHowever, if the upper limit is set by the following equation (9) as long as it satisfies the equation (2) or (6), the voltage drop in the cladding layer can be reduced.
[0117]
Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/Λ)≦0.2 (9)
Further, from FIG. 12, a sufficiently low threshold value can be obtained even in the following range.
[0118]
Δx · (Hcore/ Λ) ・ (Hclad/Λ)≦0.15 (10)
In summary, the cladding layer thickness HcladThe lower limit is set by the formula (2), more preferably the formula (6), and the upper limit is the formula (7), more preferably the range of the formula (8), or the formula (9), more preferably (10). ) Should be set within the range of the expression.
[0119]
In addition to this, the active layer well thickness dactIs set within the range of the equation (4), more preferably the equation (5), so that oscillation at a low threshold can be realized.
[0120]
Another point to be noted in FIGS. 7 to 11 is that when the In composition of the waveguide layer is large to some extent and the waveguide layer thickness is large, the threshold value is infinite regardless of the cladding layer thickness. It may not be. In such a case, the threshold value does not change so much even in a region where the waveguide structure changes from normal refractive index waveguide to anti-waveguide (see FIGS. 8A and 8B). Therefore, if a laser is manufactured within such a structural parameter range, the threshold value is low and the parameter tolerance is large, which is extremely effective. This range is given by the following approximate expression.
[0121]
(YIn)1/2・ (Hcore/Λ)≧0.15 (11)
More desirably, the tolerance is greater if the following range is set.
[0122]
(YIn)1/2・ (Hcore/Λ)≧0.2 (12)
That is, if the waveguide layer contains In and is set so as to satisfy the formula (11) or the formula (12), a laser with a low threshold and a large manufacturing tolerance can be realized.
[0123]
FIG. 13 shows an example of the layer structure design for lowering the threshold described above. In this example, the MQW structure is In0.2Ga0.8N well layer (2nm) / In0.05Ga0.95Although an example in which the N barrier layer (4 nm) is one period has been described, of course, other configurations are possible. All the examples in FIG. 13 satisfy the conditions of the expressions (2) and (5). In addition, [2] to [8] also satisfy the condition of the expression (11). [6] is an example that further satisfies the condition of the expression (12). The layer structure does not need to be symmetric, and may be asymmetric like [7] and [8].
[0124]
As can be seen by comparing FIG. 10 and FIG. 11, when the refractive index of the outer layer of the cladding layer such as the contact layer is larger than the refractive index of the cladding layer, it is desirable that the absorption coefficient is larger. The value of the absorption coefficient is expressed by the following equation (13) based on FIG.
[0125]
α ≧ 100cm-1      ... (13)
More desirably α ≧ 500 cm-1      ... (14)
It is good to be in the range. As a method for increasing the absorption coefficient, it is effective to use an InGaN contact layer in addition to increasing the impurity concentration. In particular, the use of InGaN having a band gap smaller than that of the well layer is also effective.
[0126]
(Threshold reduction)
The multiple quantum well (MQW) structure is effective for reducing the laser threshold. The InGaAlN-based semiconductor laser according to the present invention exhibits a remarkable threshold reduction effect by using this MQW structure together with the transverse mode control structure. This is because in addition to the threshold reduction by MQW, the effect of threshold reduction by the lateral mode control structure is added, and the contact resistance which is a big problem in the InGaAlN system can be greatly reduced.
[0127]
This effect will be described with reference to FIGS. 14 (a) to 14 (c). FIG. 14A shows a current distribution in an InGaAlN laser having a conventional electrode stripe structure. In this structure, in order to realize fundamental transverse mode oscillation by gain waveguide, it is necessary to make the electrode stripe width an extremely small value on the order of several μm. However, if the stripe width is made extremely small, the p-type contact resistance increases remarkably, and continuous oscillation at room temperature becomes almost impossible due to the generation of heat in this portion.
[0128]
In order to prevent this, the stripe width may be increased or the threshold value may be lowered. However, in the former, fundamental transverse mode oscillation cannot be obtained, and in the latter, current density is reduced due to current density reduction, and fundamental transverse mode oscillation cannot be obtained as shown in FIG. 14B.
[0129]
On the other hand, in the transverse mode control structure according to the present invention, the oscillation transverse mode is determined by the optical confinement layer, so that there is almost no influence on the mode by the current value, and the optical confinement layer also functions as a current confinement layer. Therefore, the current value can also be reduced. Due to this and the threshold reduction effect by MQW, the operating current can be greatly reduced. Furthermore, as shown in FIG. 14C, the current spreads in the p-type contact layer, so that the contact resistance can be greatly reduced and heat is not generated. Therefore, continuous oscillation at room temperature is possible only with this structure.
[0130]
(Prevents carrier overflow)
The InGaAlN system has a problem that it is difficult to obtain a p-type crystal having a high carrier concentration, in addition to the above-described problem of cracks during growth. When the carrier concentration of the p-type cladding layer is low, an overflow of electrons from the active layer to the p-type cladding layer occurs, and the threshold value is significantly increased. In particular, the cladding layer carrier concentration is 1017cm-3At lower, this is noticeable. An actual crystal is a problem because it is difficult to obtain a particularly high carrier concentration with a crystal having a large Al composition, such as that used in a cladding layer.
[0131]
In this embodiment, carrier overflow prevention layers 15 and 17 made of GaAlN are provided between the MQW active layer 16 and the waveguide layers 14 and 18 in order to prevent carrier overflow from occurring even at a low carrier concentration. Since the overflow prevention layers 15 and 17 are very thin layers of 5 nm to 500 nm, they hardly affect the shape of the waveguide mode distribution, but they effectively prevent carrier overflow by the effect of the hetero barrier with the active layer. Can be prevented.
[0132]
This overflow prevention layer is particularly effective when the carrier concentration of the cladding layer is low. In the InGaAlN system, since an n-type GaAlN layer having a relatively high carrier concentration can be formed, there is no need for an n-side overflow prevention layer. However, in the case of reducing the carrier concentration for the purpose of improving crystal morphology, it is better to have an n-side overflow prevention layer. The same applies to the p-side carrier overflow prevention layer.17cm-3When a p-type cladding layer having a carrier concentration of about or higher is used, the carrier overflow prevention layer is unnecessary.
[0133]
The effect of the p-side overflow prevention layer 17 when the carrier concentration of the p-type cladding layer 19 is low is shown in FIGS. FIG. 15 shows that the carrier concentration of the p-type cladding layer 19 is 1 × 10.16cm-3The band structure and the distribution of electrons and holes are shown for the case where no overflow prevention layer is included. As is apparent from the figure, significant electron overflow occurs from the active layer to the p-type cladding layer side.
[0134]
On the other hand, FIG. 16 shows a gap between the MQW active layer 16 and the p-side waveguide layer 18.0.85Al0.15The case where the N overflow prevention layer 17 is provided is shown. It can be seen that this layer 17 almost eliminates the overflow of electrons to the p side. In this figure, the p-side waveguide layer 18 is non-doped, and the overflow prevention layer 17 is also non-doped. The non-doped overflow prevention layer also has a remarkable effect as shown in this figure, but if the p-type is doped, the effect is even greater.
[0135]
The effect of preventing carrier overflow is that the overflow prevention layer Ga1-hAlhThe larger the Al composition h of N, the more pronounced it. On the other hand, when h is too large, injection of holes from the p side to the active layer is hindered, which causes an increase in operating voltage. In particular, when h exceeds 0.2, the operating voltage rises significantly. Therefore, the Al composition h of the overflow prevention layer is
0 <h <0.2 (15)
It is desirable to be in the range.
[0136]
The carrier overflow prevention layer is not limited to GaAlN, and may further contain In, or may further contain B. That is, the carrier overflow prevention layer is made of InsGatAlhB1-sthN (0 ≦ s, t, h, s + t + h ≦ 1) may be used as long as the band gap energy is larger than that of the waveguide layer. Further, it is not necessarily provided in contact with the MQW layer, and may be provided in the middle of the waveguide layer. Furthermore, it is not necessary to provide only one layer, and a plurality of layers may be provided in multiple stages.
[0137]
As described above, according to the present embodiment, in the InGaAlBN semiconductor laser, the ridge portion of the cladding layer is formed in the double heterostructure portion, and the optical confinement layer having a higher refractive index than the cladding layer is provided on the side surface. In addition to reducing the threshold current density, continuous oscillation in the fundamental transverse mode can be realized. In addition, it is possible to obtain a high quality outgoing beam free of astigmatism suitable for a light source such as an optical disk system.
[0138]
(Second Embodiment)
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention.
[0139]
In the figure, reference numeral 30 denotes a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 31, an n-type GaN contact layer 32, an n-type GaAlN cladding layer 33, an n-type GaN waveguide layer 34, an n-type GaAlN overflow prevention layer 35, A single quantum well (SQW) active layer 36 made of InGaN, a p-type GaAlN overflow prevention layer 37, a p-type GaN waveguide layer 38, and a p-type GaAlN cladding layer 39 are grown. These crystal growths are performed by MOCVD method or MBE method.
[0140]
The p-type GaAlN cladding layer 39 is etched away to the middle except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer 39. In addition to the ridge portion of the p-type GaAlN clad layer 39, an n-type InGaN optical confinement layer 40 is selectively embedded and formed on the clad layer 39 and the optical confinement layer 40. An InGaN contact layer 42 is grown and formed. These crystal growths are also performed by the MOCVD method or the MBE method.
The p-type InGaN contact layer 42 to the n-type GaAlN cladding layer 33 are partially removed, and a part of the n-type GaN contact layer 32 is exposed. A p-side electrode 43 is formed on the p-type GaN contact layer 42, and an n-side electrode 44 is formed on the exposed portion of the n-type GaN contact layer 32.
[0141]
The present embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the active layer portion is not a multiple quantum well but a single quantum well made of InGaN. A single quantum well can be designed to reduce the threshold. In this case, since the optical confinement becomes small, the threshold value usually increases due to an increase in the waveguide loss. However, by optimizing the waveguide layer thickness, the waveguide loss can be reduced and the threshold value is also lowered. It is possible.
[0142]
In this embodiment, p-type InGaN is further used as the contact layer 42. Since p-type InGaN has a smaller band gap than p-type GaN, the Schottky barrier between the electrodes can be reduced, and the contact resistance can be further reduced.
[0143]
(Third embodiment)
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention.
[0144]
In the figure, reference numeral 50 denotes an n-type SiC substrate, on which an n-type ZnO buffer layer 51, an n-type GaN layer 52, an n-type GaAlN cladding layer 53, an n-type GaN waveguide layer 54, and an n-type GaAlN overflow prevention. A layer 55, an InGaN multiple quantum well (MQW active layer) 56, a p-type GaAlN overflow prevention layer 57, a p-type GaN waveguide layer 58, and a p-type GaAlN cladding layer 59 are grown. These crystal growths are performed by MOCVD, MBE, or a combination of both.
[0145]
The p-type GaAlN cladding layer 59 is etched away to the middle except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer 59. In addition to the ridge portion of the p-type GaAlN cladding layer 59, an n-type InGaN optical confinement layer 60 is selectively buried and a p-type GaN contact layer 61 is grown on the cladding layer 59 and the optical confinement layer 60. Is formed. A p-side electrode 62 is formed on the p-type GaN contact layer 61, and an n-side electrode 63 is formed on the back surface of the n-type SiC substrate 50.
[0146]
In the present embodiment, a conductive n-type SiC substrate is used as the substrate 50. As a result, current can flow in the vertical direction, so that mounting and the like are easier, and thermal resistance is reduced.
[0147]
In the above embodiment, the case where InGaN is used as the light confinement layer has been described. However, the present invention is not limited to this, and the band gap energy is smaller than that of the active layer.pGaqAlrB1-pqrN (0 <p ≦ 1, 0 ≦ q, r <1, 0 <p + q + r ≦ 1) may be used. The cladding layer is not only GaAlN but also InxGayAlzB1-xyzN (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1) can be used.
[0148]
As shown in FIGS. 15 and 16, the injection of electrons and holes into the MQW is generally non-uniform, which is one of the factors for increasing the threshold. This becomes more significant as the number of MQW layers increases. In order to reduce this non-uniformity, it is effective to reduce the thickness of the barrier layer. In particular, if the thickness of the barrier layer is set so as not to exceed the thickness of the well layer, relatively uniform implantation is obtained and the threshold value is reduced.
[0149]
(Fourth embodiment)
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention.
[0150]
In the figure, reference numeral 70 denotes a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 71, an n-type GaN contact layer 72, an n-type GaAlN cladding layer 73, an n-type GaN waveguide layer 74, an InGaN multiple quantum well 75, a p-type. A GaN waveguide layer 76, a p-type GaAlN cladding layer 77, a p-type GaN cap layer 78, and a p-type InGaN optical confinement layer 79 are formed. The p-type InGaN optical confinement layer 79 also serves as a p-type contact layer. These crystal growths are performed by the MOCVD method or the MBE method.
[0151]
The p-type GaN cap layer 78 and the p-type GaAlN cladding layer 77 are etched away to the middle of the cladding layer except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer 77. A p-type InGaN optical confinement layer / contact layer 79 is formed thereon. This crystal growth is also performed by the MOCVD method or the MBE method.
[0152]
A portion from the p-type InGaN optical confinement layer / contact layer 79 to the n-type GaAIN cladding layer 73 is partially removed, and a part of the n-type GaN contact layer 72 is exposed. Thereafter, a p-side electrode 80 is formed on the p-type InGaN optical confinement layer / contact layer 79, and an n-side electrode 81 is formed on the exposed portion of the n-type GaN contact layer 72. For the p-side electrode 80, for example, a laminated structure of Pt / TiN / Ti / Pt / Au is used, and for the n-side electrode 81, for example, a laminated structure of Ti / Au is used.
[0153]
The active layer of this laser is InaGa1-aN well layer / IneGa1-eThe SCH structure is provided with a multiple quantum well composed of an N barrier layer (a ≧ e) and a GaN waveguide layer.
[0154]
The feature of the structure shown in FIG. 19 is that the p-type InGaN optical confinement layer 79 also serves as a contact layer. For this reason, crystal growth is required only twice, and the second regrowth need not be selective growth. Therefore, the transverse mode control structure can be realized by a very simple process. In this structure, since the InGaN layer having a large absorption coefficient with respect to the oscillation wavelength is provided outside the stripe and close to the active layer, the real part of the equivalent refractive index outside the stripe is smaller than that of the stripe portion. The transverse mode confinement is realized.
[0155]
On the other hand, current confinement in this structure is realized by a hetero barrier between the p-type GaAlN cladding layer 77 and the p-type InGaN optical confinement layer 79. That is, as shown in FIG. 20A, almost no current flows at this interface due to a hetero barrier caused by band discontinuity on the valence side at the interface between the p-type GaAlN cladding layer and the p-type InGaN contact layer. Absent. On the other hand, in the stripe portion, a p-type GaN cap layer 78 having an intermediate band gap energy between the p-type GaAlN clad layer 77 and the p-type InGaN contact layer 79 is provided, so that FIG. ), The height of the hetero barrier is reduced, and current flows easily.
[0156]
Another advantage of using the InGaN layer as the optical confinement layer / contact layer is that a high value can be realized as the carrier density of the underlying cladding layer. According to the experiments by the present inventors, it has been clarified that the carrier density of the cladding layer under the structure in which InGaAlN having an In composition larger than 0 is increased. For example, in the case of only the GaN contact layer, the carrier density of the p-type cladding layer is 1 × 1016cm-3What was the following is that by providing an InGaN layer, 5 × 10 516cm-3That's it. This is due to suppression of inactivation of the Mg acceptor by hydrogen (H) or the like. As a result, it has been found that the carrier overflow is significantly reduced as compared with the structure in which the InGaAlN optical confinement layer is not provided.
[0157]
In the calculation example of FIG. 20, the p-type cladding layer has a carrier density of 5 × 10.16cm-3Ga0.85Al0.15N, p-type contact layer has carrier density of 1 × 1017cm-3In0.15Ga0.85N, p cap layer has carrier density of 1 × 1017cm-3The case of GaN is shown. These combinations are not limited to this, and it is sufficient that the heterobarrier between the p-type cladding layer and the p-type contact layer has a sufficient size for current blocking.
[0158]
The p-type cladding layer and the p-type contact layer in FIG.0.85Al0.15N (carrier density 5 × 1016cm-3), P-type InxGa1-xN (carrier density 1 × 1017cm-3) Shows the current density-voltage characteristics in FIG. The cap layer in FIG. 20B is GaN with x = 0, and in this case, laser oscillation can be obtained at a voltage of ~ 3.7 V (this voltage does not include contact resistance or the like). On the other hand, it can be seen that when the In composition x increases, the current hardly flows. The current value at an operating voltage (˜3.7 V) where x is greater than 0.1 is ½ or less, and a sufficient current confinement effect can be obtained with the structure shown in FIG.
[0159]
This current blocking effect by the hetero barrier depends not only on the band gap difference between the p-type cladding layer and the p-type contact layer but also on the carrier density of the two layers. For example, the carrier density of the p-type cladding layer is 1 × 1017cm-3As it becomes larger, the current blocking effect is reduced. Accordingly, in order to obtain a sufficient current blocking effect due to the hetero barrier in the structure shown in FIG. 19, the carrier density of the p-type cladding layer is set to 1 × 10 6.17cm-3Hereinafter, it is desirable that the sum of the Al composition of the p-type cladding layer and the In composition of the p-type contact layer be 0.25 or more. From the viewpoint of reducing carrier overflow, the carrier density of the p-type cladding layer should not be too low, preferably 5 × 10.16cm-3The above is good.
[0160]
Further, the current blocking effect by the hetero barrier is not limited to the combination of p-type GaAlN / p-type InGaN. Since this material system can have a large band gap difference depending on the composition, the band discontinuity on the conduction band side also becomes large as well as the band discontinuity on the valence band side. FIG. 22 shows n-type Ga.0.85Al0.15N (carrier density 5 × 1017cm-3), N-type InxGa1-xN (carrier density 1 × 1018cm-3) Shows the current density-voltage characteristics when C is used for the cladding layer and the contact layer, respectively. It is apparent that the current hardly flows when the In composition x of the n contact layer increases. In this case, a sufficient current blocking effect is obtained when x ≧ 0.15.
[0161]
(Fifth embodiment)
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention.
[0162]
In the figure, reference numeral 90 denotes a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 91, a p-type GaN contact layer 92, a p-type GaAlN cladding layer 93, a p-type GaN waveguide layer 94, an InGaN multiple quantum well 95, an n-type. A GaN waveguide layer 96, an n-type GaAlN cladding layer 97, an n-type GaN cap layer 98, and an n-type InGaN optical confinement layer 99 are formed. The n-type InGaN optical confinement layer 99 also serves as an n-type contact layer.
[0163]
The n-type GaN cap layer 98 and the n-type GaAlN cladding layer 97 are etched away to the middle of the cladding layer except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer 97. An n-type InGaN optical confinement layer / contact layer 99 is formed thereon.
[0164]
The portion from the n-type InGaN optical confinement layer / contact layer 99 to the p-type GaAlN cladding layer 93 is partially removed, and a part of the p-type GaN contact layer 92 is exposed. Thereafter, an n-side electrode 100 is formed on the n-type InGaN optical confinement layer / contact layer 99, and a p-side electrode 101 is formed on the exposed portion of the p-type GaN contact layer 92.
[0165]
In the structure shown in FIG. 23, the n-type InGaN optical confinement layer 99 also serves as a contact layer. Therefore, as in the case of FIG. 19, the crystal growth is only required twice. The principle of the lateral mode control is the same as that in FIG. 19, and the current confinement is realized by a hetero barrier between the n-type GaAlN cladding layer 97 and the n-type InGaN optical confinement layer 99. The effect of current blocking by the hetero barrier is as shown in FIG.
[0166]
Since the current blocking effect by the hetero barrier is more remarkable as the band gap difference between the two types of materials is larger, a combination having a large composition difference is desirable. However, on the other hand, if the band gap difference is too large in the stripe portion, even if a cap layer having an intermediate band gap is provided, it may be difficult for current to flow. In order to improve this, it is preferable to provide a plurality of cap layers having an intermediate band gap and different band gap values.
[0167]
(Sixth embodiment)
FIG. 24 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to the sixth embodiment of the present invention.
[0168]
In the figure, 110 is a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 111, an n-type GaN contact layer 112, an n-type Ga.0.85Al0.15N-cladding layer 113, n-type GaN waveguide layer 114, InGaN multiple quantum well 115, p-type GaN waveguide layer 116, p-type Ga0.85Al0.15N clad layer 117, p-type GaN first cap layer 118, p-type In0.07Ga0.93N second cap layer 119, p-type In0.15Ga0.85An N light confinement layer 120 is formed. The p-type InGaN optical confinement layer 120 also serves as a p-type contact layer. In the figure, 121 is a p-side electrode and 122 is an n-side electrode.
[0169]
In the structure shown in this figure, p-type Ga0.85Al0.15N clad layer 117 and p-type In0.15Ga0.85Since the composition difference with the N light confinement layer 120 is large and the band gap difference is large, the current blocking effect by the hetero barrier is large. On the other hand, the p-type Ga is formed on the cladding layer of the stripe portion.0.85Al0.15N clad layer 117 and p-type In0.15Ga0.85Two types of cap layers having an intermediate band gap with the N light confinement layer 120 are provided. Since the band gap becomes smaller in the order of the p-type cladding layer, the first cap layer, the second cap layer, and the optical confinement layer, the hetero barrier is reduced step by step, and the structure allows a current to flow more easily.
[0170]
In the embodiment of FIG. 24, the cap layer having an intermediate band gap is two layers. However, the cap layer is not limited to this. Further, depending on the band gap difference between the clad layer and the optical confinement layer, a multi-stage cap layer is formed. It is of course possible to introduce it.
[0171]
(Seventh embodiment)
FIG. 25 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to the seventh embodiment of the present invention.
[0172]
In the figure, reference numeral 130 denotes a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 131, an n-type GaN contact layer 132, and an n-type Ga.0.85Al0.15N clad layer 133, n-type GaN waveguide layer 134, InGaN multiple quantum well 135, p-type GaN waveguide layer 136, p-type Ga0.85Al0.15N first p-type cladding layer 137, p-type Ga0.85Al0.15N second p-type cladding layer 138, p-type GaN first cap layer 139, p-type In0.07Ga0.93N second cap layer 140, p-type In0.15Ga0.85An N light confinement layer 141 is formed. The p-type InGaN optical confinement layer 141 also serves as a p-type contact layer. In the figure, 142 is a p-side electrode, and 143 is an n-side electrode.
[0173]
The carrier density of each layer is 5 × 10 5 for the first p-type cladding layer 137.17cm-3The second p-type cladding layer 138 is 5 × 1016cm-3The first cap layer 139, the second cap layer 140, and the optical confinement layer / contact layer 141 are all 1 × 10.17cm-3It was.
[0174]
The feature of the structure shown in this figure is that the carrier density of the first p-type cladding layer 137 on the active layer side is increased to reduce carrier overflow during operation, and the second p-type cladding layer in contact with the optical confinement layer 141 is The carrier density is relatively low, and the current blocking effect by the hetero barrier is ensured. The principle of current flowing in the stripe part is the same as in the case of FIG. 19, FIG. 23 and FIG.
[0175]
(Eighth embodiment)
FIG. 26 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the eighth embodiment of the present invention.
[0176]
In the figure, reference numeral 150 denotes a sapphire substrate. On this substrate 150, a GaN buffer layer 151, an n-type GaN contact layer 152, an n-type Ga layer.0.85Al0.15N clad layer 153, n-type GaN waveguide layer 154, InGaN multiple quantum well 155, p-type GaN waveguide layer 156, p-type Ga0.85Al0.15N first p-type cladding layer 157, p-type Ga0.85Al0.15N second p-type cladding layer 158, p-type Ga0.85Al0.15N third p-type cladding layer 159, p-type GaN cap layer 160, p-type In0.1Ga0.9An N light confinement layer 161 is formed. The p-type InGaN optical confinement layer 161 also serves as a p-type contact layer. In the figure, 162 is a p-side electrode, and 163 is an n-side electrode.
[0177]
The carrier density of each layer in this embodiment is 5 × 10 5 for the first p-type cladding layer 157.17cm-3The second p-type cladding layer 158 is 5 × 1016cm-3The third p-type cladding layer 159 is 5 × 10 517cm-3The cap layer 160 and the light confinement layer / contact layer 161 are both 1 × 1017cm-3It is.
[0178]
The feature of the structure shown in this figure is that the carrier density of the first p-type cladding layer 157 on the active layer side is increased to reduce the carrier overflow during operation, and the second p-type cladding layer in contact with the optical confinement layer 161 is The carrier density is made relatively low to secure the current blocking effect by the hetero barrier, and the carrier density of the third p-type cladding layer in contact with the cap layer 160 is made high so that the current can flow more easily in the stripe portion. That is.
[0179]
(Ninth embodiment)
FIG. 27 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser according to the ninth embodiment of the present invention.
[0180]
In the figure, reference numeral 170 denotes a sapphire substrate. On this substrate 170, a GaN buffer layer 171, an n-type GaN contact layer 172, and an n-type Ga.0.85Al0.15N clad layer 173, n-type GaN waveguide layer 174, InGaN multiple quantum well 175, p-type GaN waveguide layer 176, p-type Ga0.85Al0.15N first p-type cladding layer 177, p-type Ga0.85Al0.15N second p-type cladding layer 178, p-type Ga0.85Al0.15N third p-type cladding layer 179, p-type GaN cap layer 180, p-type In0.1Ga0.9N optical confinement layer 181, p-type In0.1Ga0.9An N contact layer 182 is formed. In the figure, 183 is a p-side electrode and 184 is an n-side electrode.
[0181]
The carrier density of each layer in this embodiment is 5 × 10 5 for the first p-type cladding layer 177.17cm-3The second p-type cladding layer 178 is 5 × 1016cm-3The third p-type cladding layer 179 is 5 × 1017cm-3, Cap layer 180 is 1 × 1017cm-3The light confinement layer 181 is 1 × 1017cm-3The contact layer 182 is 5 × 1017cm-3It is.
[0182]
The feature of the structure shown in this figure is that, in addition to the feature of the eighth embodiment shown in FIG. 26, a contact layer 182 having a higher carrier density is provided on the p-electrode side. Thereby, since the contact resistance is reduced, the operating voltage can be greatly reduced.
[0183]
Note that the structure in which such a contact layer having a high carrier density is provided is not limited to this embodiment, and it is needless to say that the structure can be applied to the structures of the fourth to seventh embodiments.
[0184]
(Tenth embodiment)
FIG. 28 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the tenth embodiment of the present invention.
[0185]
In the figure, reference numeral 190 denotes a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 191, an n-type GaN contact layer 192, and a p-type InGaN optical confinement layer 193 are formed. A part of the upper portions of the p-type InGaN optical confinement layer 193 and the n-type GaN contact layer 192 is etched to form a stripe-shaped groove. On top of this, an n-type GaAlN cladding layer 194, an n-type GaN waveguide layer 195, an InGaN multiple quantum well 196, a p-type GaN waveguide layer 197, a p-type GaAlN cladding layer 198, a p-type GaN layer 199, and a p-type InGaN contact. Layer 200 is formed. That is, a convex ridge portion is formed on the n-type GaAlN cladding layer 194 on the lower side. In the figure, 201 is a p-side electrode, and 202 is an n-side electrode.
[0186]
In this embodiment, the light confinement layer 193 is located closer to the substrate than the active layer. Since the optical confinement layer 193 and the quantum well active layer 196 are close to each other on both sides of the stripe, the real part of the equivalent refractive index is reduced due to the absorption loss of the optical confinement layer 193, and the equivalent formed thereby. The transverse mode confinement in the horizontal direction is realized by the refractive index distribution. The light confinement layer 193 also functions as a current confinement layer.
[0187]
The crystal growth for producing the structure of FIG. 28 is performed by MOCVD method or MBE method for both the first growth and the second growth. This structure also has the advantage that crystal growth is only required twice.
[0188]
(Eleventh embodiment)
FIG. 29 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to the eleventh embodiment of the present invention.
[0189]
In the figure, reference numeral 210 denotes a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 211, a p-type GaN contact layer 212, and a p-type InGaN optical confinement layer 213 are formed. A part of the upper portions of the p-type InGaN optical confinement layer 213 and the p-type GaN contact layer 212 is etched to form a stripe-shaped groove. On top of this, a p-type GaAlN cladding layer 214, a p-type GaN waveguide layer 215, an InGaN multiple quantum well 216, an n-type GaN waveguide layer 217, an n-type GaAlN cladding layer 218, an n-type GaN layer 219, and an n-type InGaN contact. A layer 220 is formed. In the figure, 221 is a p-side electrode, and 222 is an n-side electrode.
[0190]
In this embodiment, the conductivity type of each layer is reversed except for a part of the embodiment shown in FIG. The point that the lateral mode confinement is realized by the optical confinement layer 213 is the same as in the case of FIG. 28, but the current confinement in the embodiment of FIG. 29 is the p-type GaAlN cladding layer 214 and the p-type InGaN optical confinement layer. This is realized by a hetero barrier with H.213. This principle is the same as that shown in FIG. 19 and FIGS.
[0191]
In the embodiments so far, the case where InGaN is used as the contact layer is shown, but the material is not limited to this material, and InGaBN or InGaAlBN may be used. In particular, in the case of the p-type contact layer, a low-resistance contact layer was obtained by using p-type InGaBN or p-type InGaAlBN. In addition, InGaAlBN can be used for the other layers as long as the conditions of the present invention are satisfied.
[0192]
Also, the substrate is not limited to a sapphire substrate, and SiC, ZnO, MgAl2OFour, NdGaOThree, LiGaO2, YThreeAlFiveO12(YAG), YThreeFeFiveO12(YIG) or the like can be used.
[0193]
(Twelfth embodiment)
FIG. 30 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the twelfth embodiment of the present invention.
[0194]
In the figure, reference numeral 230 denotes a sapphire substrate, and a GaN buffer layer 231, an n-type GaN contact layer 232, and an n-type Ga are formed on the substrate 230.0.85Al0.15N clad layer 233, n-type GaN waveguide layer 234, InGaN multiple quantum well 235, p-type GaN waveguide layer 236, p-type Ga0.85Al0.15N-clad layer 237, p-type GaN cap layer 238, p-type InGaN contact layer 239, n-type In0.1Ga0.9An N light confinement layer 240 and a p-type InGaN contact layer 241 are formed. In the figure, 242 is a p-side electrode and 243 is an n-side electrode.
[0195]
The laser of this embodiment is manufactured as follows. That is, first, on the sapphire substrate 230, a GaN buffer layer 231, an n-type GaN contact layer 232, an n-type GaAlN cladding layer 233, an n-type GaN waveguide layer 234, an InGaN multiple quantum well 235, a p-type GaN waveguide layer 236, A p-type GaAlN cladding layer 237, a p-type GaN cap layer 238, and a p-type InGaN contact layer 239 are sequentially grown. On top of this SiO2A striped ridge is formed by forming a film and removing a part of the p-type InGaN contact layer 239, the p-type GaN cap layer 238, and the p-type GaAlN cladding layer 237 by removing the stripe portion by photolithography or the like. Form.
[0196]
Next, the n-type InGaN optical confinement layer 240 and the p-type InGaN contact layer 241 are formed by the second growth. This second growth is due to the SiO2 stripe.2This is done while leaving the film, so that SiO 22Crystal growth does not occur on the top, but it is performed by so-called selective growth that grows only in the region outside the stripe. The n-electrode side etching can be performed before or after the second growth.
[0197]
The feature of this embodiment is that the crystal growth is only required twice despite the seemingly complicated structure. Further, since the contact layer is also formed outside the stripe portion and the stripe portion, a full-surface electrode structure can be taken, and the current spreads to the p-type InGaN contact layer 241, thereby reducing the contact resistance. .
[0198]
(13th Embodiment)
FIG. 31 is a perspective view showing the structure of a semiconductor laser according to the thirteenth embodiment of the present invention.
[0199]
Since the layer structure in this embodiment is almost the same as that of the twelfth embodiment shown in FIG. 30, its detailed description is omitted. The difference is that p-type InGaN contact layers 239 and 241 in FIG.+The type GaN layers 250 and 251 are used. This layer has a higher carrier density than the p-type GaN cap layer 238 (for example, 7 × 107cm-3), The current can easily spread and the contact resistance can be reduced.
[0200]
Further, in the embodiment of FIG. 31, a symmetrical structure is provided in which n-side electrodes are provided on both sides. As a result, the current distribution in the stripe portion also has improved symmetry, and more stable fundamental transverse mode oscillation can be realized.
[0201]
(Fourteenth embodiment)
FIG. 32 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser according to the fourteenth embodiment of the present invention. In the figure, 260 is a sapphire substrate, on which a GaN buffer layer 261, an n-type GaN contact layer 262, and an n-type Ga.0.85Al0.15N clad layer 263, n-type GaN waveguide layer 264, InGaN multiple quantum well (MQW) active layer 265, p-type GaN waveguide layer 266, p-type Ga0.85Al0.15An N clad layer 267 and a p-type GaN cap layer 268 are grown. The p-type GaN cap layer 268 and the p-type GaAlN cladding layer 267 are etched away to the middle except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer 267. In the region other than the ridge portion of the p-type GaAlN cladding layer 267, n-type Ga0.93Al0.07An N light confinement layer 269 is selectively buried and a p-type GaN contact layer 270 is formed on the cap layer 268, the cladding layer 267 and the light confinement layer 269. Reference numeral 271 denotes a p-electrode, and 272 denotes an n-electrode.
[0202]
A feature of this embodiment is that GaAlN having a smaller Al composition than the cladding layer 267 is used for the light confinement layer 269. As a result, an anti-waveguide structure is formed in the horizontal direction, and the horizontal transverse mode is stabilized.
[0203]
The anti-waveguide structure is basically realized when the equivalent refractive index outside the stripe is large, but in order to obtain good beam characteristics, the absolute value of the equivalent refractive index difference with the inside of the stripe must be larger than a predetermined value. It is important to set. As can be seen from FIG. 4 described above, | Δneq| ≧ 2 × 10-3By setting in this area, characteristics with small astigmatic difference can be obtained. In the example of the embodiment of FIG. 32, the Al composition of the light confinement layer is 0.05 ≦ xAlBy setting the region to ≦ 0.1, an anti-waveguide structure having excellent beam characteristics can be realized.
[0204]
As described above, according to the present embodiment, in the InGaAlBN semiconductor laser, a ridge portion is formed in one cladding layer of the double heterostructure portion, and an optical confinement layer having a higher refractive index than the cladding layer is formed on the side surface of the ridge portion. By providing, the threshold current density is reduced and stable continuous oscillation in the fundamental transverse mode is possible.
[0205]
(Fifteenth embodiment)
FIG. 33 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the fifteenth embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 280 denotes a sapphire substrate. On this substrate 280, a GaN buffer layer 281, an n-type GaN contact layer 282, an n-type Ga layer.0.85Al0.15N-clad layer 283, n-type GaN waveguide layer 284, InGaN multiple quantum well (MQW) active layer 285, p-type GaN waveguide layer 286, p-type Ga0.85Al0.15An N clad layer 287 and a p-type GaN cap layer 288 are grown. The p-type GaN cap layer 288 and the p-type GaAlN cladding layer 287 are removed by etching except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer 287. In the region other than the ridge portion of the p-type GaAlN cladding layer 287, n-type Ga0.93Al0.07An N light confinement layer 289 is selectively buried and a p-type GaN layer 290 and a p-type InGaN contact layer 291 are formed on the cap layer 288, the cladding layer 287 and the light confinement layer 289. 292 is a p-electrode and 293 is an n-electrode.
[0206]
This embodiment is different from the embodiment of FIG. 32 in that the light confinement layer 289 is formed in contact with the p-type GaN waveguide layer 286. It goes without saying that an anti-waveguide structure is realized even in such a structure.
[0207]
(Sixteenth embodiment)
FIG. 34 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the sixteenth embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 300 denotes a sapphire substrate. On this substrate 300, a GaN buffer layer 301, an n-type GaN contact layer 302, and an n-type Ga.0.85Al0.15N-cladding layer 303, n-type GaN waveguide layer 304, InGaN multiple quantum well (MQW) active layer 305, p-type GaN waveguide layer 306, p-type InGaN cap layer 307, p-type GaN layer 308, p-type Ga0.85Al0.15An N clad layer 309 is grown. The p-type GaAlN clad layer 309 and the p-type GaN layer 308 are removed by etching except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the clad layer 309. On top of this, p-type Ga0.93Al0.07An N light confinement layer 310 and a p-type GaN contact layer 311 are formed. 312 is a p-electrode, and 313 is an n-electrode.
[0208]
In this embodiment, since the light confinement layer 310 is p-type, crystal growth is only required twice. In this structure, p-type Ga0.93Al0.07Current confinement is performed by a hetero barrier between the N light confinement layer 310 and the p-type InGaN cap layer 307. That is, no current flows outside the stripe due to this hetero barrier. On the other hand, since the p-type GaN layer 308 is formed between the p-type InGaN cap layer 307 and the p-type GaAlN cladding layer 309 in the stripe portion, the hetero barrier is reduced and current flows. In addition, p-type Ga0.93Al0.07The refractive index of the N light confinement layer 310 is p-type Ga0.85Al0.15Since it is larger than the N clad layer 309, light confinement is realized by the anti-waveguide structure.
[0209]
(Seventeenth embodiment)
FIG. 35 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the seventeenth embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 320 denotes a sapphire substrate. On this substrate 320, a GaN buffer layer 321, an n-type GaN contact layer 322, an n-type Ga.0.85Al0.15N clad layer 323, n-type GaN waveguide layer 324, InGaN multiple quantum well (MQW) active layer 325, p-type GaN waveguide layer 326, p-type Ga0.85Al0.15N first cladding layer 327, p-type Ga0.9Al0.1An N second cladding layer 328 is grown. p-type Ga0.9Al0.1N second cladding layer 328, p-type Ga0.85Al0.15The N first cladding layer 327 is removed by etching except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer. A p-type InGaN optical confinement layer 329 is selectively embedded in a region other than the ridge portion of the cladding layers 327 and 328, and a p-type GaN contact layer 330 is formed on the cladding layer 328 and the optical confinement layer 329. Has been. Reference numeral 331 denotes a p-electrode, and reference numeral 332 denotes an n-electrode.
[0210]
The waveguide mechanism of the present embodiment is a loss waveguide type as in the first embodiment, but differs from the previous embodiments in that the ridge shape is wider at the top. With such a ridge shape, the current spreads in the second cladding layer 328, so that the series resistance of the element can be reduced. This structure can be realized by using a multi-layer structure in which the cladding layer is made of GaAlN having a different Al composition and utilizing the difference in the etching rate by chemical etching.
[0211]
FIG. 36 shows an etching method for creating the structure of the above embodiment. In the figure, a reaction vessel 340 is provided with a coiled metal electrode 341 along an inner side wall, and holds a stirrer 342 and an NaOH solution 343. Here, the stirrer 342 rotates by receiving a rotating magnetic field from a controller (not shown) outside the container, and stirs the NaOH solution 343. A substrate 344 having a GaN-based multilayer structure is immersed in the NaOH solution 343.
[0212]
This substrate 344 is connected to the positive side of the DC power supply 345 outside the container. Further, the metal electrode 341 in the container is connected to the negative side of the DC power supply 345. Here, when the DC power supply 345 is turned on, the substrate 344 is electrochemically etched.
[0213]
By such electrochemical etching, the etching profile can be controlled to a shape as shown in the embodiment of FIG. That is, as shown in FIG. 37, the GaAlN with a higher Al composition has a higher etching rate, so that the shape shown in FIG. 35 is realized. In this embodiment, the p-type GaN waveguide layer 326 also serves as an etching stop layer.
[0214]
The multilayer structure for controlling the etching profile is not limited to the two-layer structure shown in FIG. 35, and may be three or more layers.0.85Al0.15It may be a graded layer whose composition is continuously changed from N to GaN. Further, the etching solution is not limited to NaOH, but KOH, HF-based solution, HPOThreeEtc. can be used.
[0215]
(Eighteenth embodiment)
FIG. 38 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the eighteenth embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 350 denotes a sapphire substrate. On this substrate 350, a GaN buffer layer 351, an n-type GaN contact layer 352, an n-type Ga.0.85Al0.15N clad layer 353, n-type GaN waveguide layer 354, InGaN multiple quantum well (MQW) active layer 355, p-type GaN waveguide layer 356, p-type Ga0.85Al0.15N first cladding layer 357, p-type Ga0.9Al0.1An N second cladding layer 358 and a p-type GaN cap layer 359 are grown. p-type GaN cap layer 359, p-type Ga0.9Al0. 1N second cladding layer 358, p-type Ga0.85Al0.15The N first cladding layer 357 is removed by etching except for the stripe portion, whereby a stripe-shaped ridge portion is formed in the cladding layer. A p-type InGaN optical confinement layer 360 is formed in a region other than the ridge portion of the cladding layers 577 and 578. Reference numeral 361 denotes a p-electrode, and 362 denotes an n-electrode.
[0216]
The current confinement in this embodiment is p-type Ga0.85Al0.15This is realized by a hetero barrier between the N first cladding layer 357 and the p-type InGaN optical confinement layer 360. The etching profile control is as described above.
[0217]
(Nineteenth embodiment)
39 to 40 are manufacturing process diagrams of the semiconductor laser according to the nineteenth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 39A, on the sapphire substrate 370, a 10-200 nm thick buffer layer 371 made of GaN and 4 μm made of Si-doped n-type GaN are formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Thick n-type contact layer 372, Si-doped n-type Ga0.8Al0.2A 250 nm thick n-type cladding layer 373 made of N, a 200 nm thick waveguide layer 374 made of Si-doped n-type GaN, and an Si-doped n-type GaAlN overflow prevention layer 375 are sequentially formed.
[0218]
Subsequently, a 1.5 nm thick non-doped In layer is formed on the n-type GaAlN overflow prevention layer 375.0.25Ga0.75N and 3 nm thick non-doped In0.05Ga0.95An active layer 376 having a multiple quantum well (MQW) structure configured by repeating two N types of InGaN layers for 50 periods is formed.
[0219]
On the active layer 376, a Mg-doped p-type GaAlN overflow prevention layer 377, a 200 nm-thick waveguide layer 378 made of Mg-doped p-type GaN, and an Mg-doped p-type Ga.0.8Al0.2A p-type cladding layer 379 made of N and a cap layer 380 made of Mg-doped p-type GaN and having a thickness of 0.3 μm are sequentially formed.
[0220]
Next, SiO 2 is deposited on the p-type GaN cap layer 380 by thermal CVD.2A 400 nm thick inorganic mask layer 381 made of a film is deposited. Subsequently, a resist (AZ4110) is applied on the inorganic mask layer 381 to a thickness of 1 μm, and a stripe pattern is transferred to the resist by an optical exposure process. After development, the wafer is held in a 120 ° C. nitrogen atmosphere oven for 20 minutes and post-paked. Then, SiO of the inorganic mask layer 3812The film is etched to form a two-layer mask layer composed of an inorganic mask layer and a resist layer.
[0221]
Next, as shown in FIG. 39B, the p-type GaN cap layer 380 is etched in a stripe shape by reactive ion beam etching (RIBE) until the p-type GaAlN cladding layer 379 is exposed.
[0222]
Here, since the thickness of the p-type GaAlN cladding layer is as thin as about 0.3 μm, the light confinement effect is affected even if the p-type GaAlN cladding layer is slightly thinned by over-etching. For this reason, in this etching process, it is necessary to make overetching as small as possible. Therefore, in this embodiment, Cl is used as an etching gas.2Gas and SF6GaN and GaAlN were selectively etched by using a mixed gas.
[0223]
Microwave power 200W, ion acceleration voltage 500V, Cl2The gas pressure is constant at 0.4 mTorr, SF6GaN and Ga when gas is added1-xAlxThe change in the selection ratio of N (x = 0.2) is shown in FIG. The vertical axis represents the selectivity of GaN in etching, and the horizontal axis represents SF in the mixed gas.6Is the partial pressure ratio.
[0224]
SF6As the gas pressure increases, the selectivity increases. This is SF6This is because the addition of gas produces Al chloride, which is an etching reaction product that is difficult to be detached from the surface when the GaAlN layer is etched.
[0225]
As a result, the etching rate of the GaAlN layer becomes slow, and as a result, the selectivity with GaN increases. In this embodiment, SF is added as the additive gas.6A gas is used, but a gas containing at least F as a component, such as CFFourEtc., the same effect can be obtained. Moreover, the selective etching is, for example, O2, CO, CO2As long as the gas contains at least O as a component, it can be performed. The reason is that during etching of the GaAlN layer, an oxide of Al that is difficult to desorb is generated on the surface.
[0226]
Furthermore, in order to stop etching precisely at the interface between the GaN layer 380 and the GaAlN layer 379, it is preferable to use both selective etching and in-situ observation method of the etching process. In this embodiment, the etching depth was monitored by laser interference. Specifically, the etching sample surface is irradiated with a laser beam having a wavelength of 650 nm, and the reflected light is detected. At this time, the laser light is reflected from the sample surface and the interface inside the sample, and interference occurs between these reflected lights, so that the reflected light intensity vibrates with the progress of etching. By detecting this vibration, the etching amount and the heterointerface can be observed. According to this in-situ observation method, when used together with the selective etching method, the etching rate of GaAlN is slow, so the period of oscillation of the reflected light intensity during etching of the GaN layer 380 and the reflected light intensity during etching of the GaAlN layer 379 There is a big difference with the vibration period. Therefore, if the etching is finished when the period changes, the etching can be finished with the minimum overetching amount.
[0227]
According to the above method, in this embodiment, the etching can be completed when the overetching amount of the GaAlN layer 379 is 40 nm or less. After the etching process, the wafer is H2SOFour: H2O2: H2The resist mask and etching residues are removed by dipping in an O solution. Exposed SiO after resist mask removal2The mask can also be used as a mask for selective growth, which is the next step.
[0228]
After the above processing, as shown in FIG. 39C, the second growth by MOCVD causes a 0.5 μm-thick optical confinement layer (current confinement layer) 382 made of Si-doped n-type GaN to p. A p-type GaAlN cladding layer 379 is formed along the side surface of the p-type GaN cap layer 380. After the second growth, the wafer is immersed in an ammonium fluoride solution and SiO 22The mask is removed and the p-type GaN cap layer 380 is exposed.
[0229]
Next, as shown in FIG. 40 (d), by the third growth by MOCVD, a 0.5 μm thick layer of Mg-doped p-type GaN is formed on the p-type GaN cap layer 380 and the p-type GaAlN cladding layer 379. A contact layer 383 is formed. Next, Cl2A portion of the wafer is etched by RIBE using a gas until the n-type GaN contact layer 372 is exposed to form a mesa.
[0230]
Thereafter, as shown in FIG. 40E, an n-side electrode 384 and a p-side electrode 385 were formed, and a semiconductor laser was fabricated.
[0231]
Conventionally, in a similar laser, the n-type GaN current confinement layer 382 is grown by the first growth, and then an opening is opened in the current confinement layer 382 by dry etching, and the p-type is formed by the second growth. There is also a manufacturing method in which a GaN contact layer 380 is grown. However, in the case of this conventional method, Mg is taken into the n-type GaN current confinement layer 382 from the periphery of the MOCVD reaction tube during growth, so that the current confinement layer needs to be thickened. The p-type GaN contact layer must be thick, which increases the device resistance. Further, in the case of the conventional method, a dry etching / re-growth interface is formed at the opening portion of the current confinement layer, and a current flows through this interface.
[0232]
However, according to the present embodiment, since the n-type GaN current confinement layer 382 is stacked in the second growth, Mg is not taken in from the periphery of the MOCVD reaction tube, and the n-type GaN current confinement layer 382 is thinned. Can be formed. In addition, since no current flows through the dry etching / regrowth interface, there is no problem of leakage at the interface.
[0233]
As described above, according to the present embodiment, selective etching of the gallium nitride compound semiconductor layer can be realized. Furthermore, since the etching amount can be accurately monitored, the etching amount can be accurately controlled in the process of forming the ridge portion in the cladding layer. As a result, the distance between the current confinement layer and the active layer can be set to the designed value, so that it is possible to manufacture a semiconductor laser that realizes continuous oscillation in the fundamental transverse mode while reducing the threshold current density.
[0234]
(20th embodiment)
42 to 43 are manufacturing process diagrams of the semiconductor laser according to the twentieth embodiment of the present invention.
[0235]
This embodiment is different from the nineteenth embodiment in the following two points. First, as shown in FIG. 42B, instead of the p-type GaAlN cladding layer 379, a p-type GaAlN cladding layer 390 having a ridge and flat portions on both sides thereof is formed by dry etching. The second point is that, as shown in FIG. 42C, the ridge made of the p-type GaAlN cladding layer 390 is buried along the side portion with the n-type InGaN current confinement layer 382.
[0236]
In this structure, since the current confinement layer 382 is close to the active layer 376 on both sides of the ridge, light confinement is performed by the effective refractive index distribution in the horizontal direction caused by the influence of the absorption loss of the InGaN current confinement layer 382. At this time, the thickness of GaAlN on both sides of the ridge affects the distance between the current confinement layer 382 and the active layer 376 and must be strictly controlled from the viewpoint of stably oscillating the laser in the transverse mode.
[0237]
Therefore, as described above, after the stacking step shown in FIG. 42A, a selective etching technique and a laser interference monitor are used in combination in the ridge forming step. For etching, Cl2Gas and SF6And a mixed gas and RIBE method are used. Etching conditions are Cl2Gas pressure 0.4mTorr, SF6The gas pressure is 0.15 mTorr, the microwave power is 200 W, and the ion acceleration voltage is 500 V.
[0238]
A mask is formed on the p-type GaN cap layer 380, and etching is performed from a region other than the mask in the p-type GaN cap layer 380. The progress of etching is observed by a laser interference monitor. Under the above conditions, the selectivity of GaN / GaAlN is about 1.25, and the etching rate of GaAlN is slow. Therefore, the oscillation period of the reflection intensity of the laser light in the laser interference monitor changes at the interface between GaN and GaAlN. Etching was stopped when the oscillation period of the reflection intensity corresponds to 150 nm and the oscillation appeared 1.3 periods after the GaN / GaAlN interface was detected. As a result, as shown in FIG. 42B, the etching could be stopped leaving 100 nm as designed as the thickness of the p-type GaAlN cladding layer 390 on both sides of the ridge.
[0239]
In this dry etching process, unlike the present embodiment, the selective etching technique is not applied, and Cl2When only gas is used, GaN and GaAIN are etched at a substantially constant rate. In this constant speed etching, since the change of the vibration period at the GaN / GaAlN interface in the laser interference monitor is slight, the detection of the interface becomes inaccurate. For this reason, the accuracy of monitoring the etching amount is insufficient.
[0240]
On the other hand, in the manufacturing method according to the present invention, the etching amount can be controlled with sufficient accuracy by using selective etching, and the semiconductor laser having the structure of the present invention can be manufactured.
[0241]
After the ridge is formed as described above, the n-type InGaN current confinement layer 382 is selectively formed by the second growth as shown in FIG. Furthermore, SiO2After removing the mask, as shown in FIG. 43D, the p-type GaN contact layer 383 is formed by the third growth. The p-type GaN contact layer 383 is etched by dry etching until the n-type GaN contact layer 384 is exposed to form a mesa. Thereafter, as shown in FIG. 43 (e), a p-side electrode 385 is formed on the p-type GaN contact layer 383, and an n-side electrode 384 is formed on the n-type GaN contact layer 384, whereby a semiconductor laser is manufactured. .
[0242]
Here, in this embodiment, the case where the n-type InGaN layer is embedded as the current confinement layer 382 has been described, but the material of the current confinement layer 382 may be another material such as an n-type GaAlN layer.
[0243]
(21st Embodiment)
44 (a) to 44 (d) are process diagrams for fabricating a semiconductor laser according to the twenty-first embodiment of the present invention. The difference of this embodiment from the twentieth embodiment is that not the selective growth but the entire ridge is buried with an n-type InGaN current confinement layer 391 as shown in FIG.
[0244]
Even in this laser structure, after the step shown in FIG. 44A, as shown in FIG. 44B, the p-type GaAlN cladding layer 390 is formed into a shape having a ridge and flat portions on both sides thereof by dry etching. There is a need. Here, since the thickness of GaAlN on both sides of the ridge affects the distance between the current confinement layer 391 and the active layer 376, it is strictly from the viewpoint of stable transverse mode oscillation of the laser as in the twentieth embodiment. Need to be controlled.
[0245]
Also in this embodiment, the selective etching technique according to the present invention and the laser interference monitor are used in combination as in the twentieth embodiment. As a result, a semiconductor laser having a structure as shown in FIG. 44 (c) can be manufactured.
[0246]
(Twenty-second embodiment)
FIG. 45 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the twenty-second embodiment of the present invention.
[0247]
In the figure, reference numeral 400 denotes an n-type SiC substrate. On this substrate 400, an n-type ZnO layer 401, an n-type GaN layer 402, an n-type GaAlN cladding layer 403, a GaN waveguide layer 404, InjGa1-jA first active layer 405 made of N and a GaN waveguide layer 406 are sequentially formed, and in addition to the first region A, the second region B includes InkGa1-kA second active layer 407 and a GaN waveguide layer 408 made of N are formed. In the first region A and the second region B, p-type GaAlN cladding layers 411a and b, n-type InGaN optical confinement layers 412a and b, and p-type GaN contact layers 413a and b are formed. These crystal growths are performed by MOCVD, MBE, or a combination of both. 414a and b are p-side electrodes, and 415 is an n-side electrode.
[0248]
Here, the band gap Eg of the first active layer 4051, Thickness d1 and band gap Eg of the second active layer 4072, Thickness d2 is
Eg1> Eg2        ... (16)
d1> d2 (17)
It is set to become. Specifically, the In composition j of the first active layer 405 was set to 0.05 and the thickness was 100 nm, and the In composition k of the second active layer 407 was set to 0.15 and the thickness was 10 nm. This corresponds to λ1 = 380 nm and λ2 = 410 nm at the oscillation wavelength.
[0249]
In the first region A of this laser structure, since the active layer is only the first active layer 405, the active layer 405 oscillates at a wavelength of 380 nm. On the other hand, in the second region B, the first active layer 405 and the second active layer 407 exist. However, since the band gap of the second active layer 407 is smaller, the stimulated emission recombination does not occur in the second region B. Occurs in the active layer 407. Therefore, oscillation occurs at 410 nm in this region.
[0250]
Since the active layer 405 in the first region A is relatively thick at 100 nm, the active region 405 has a structure in which self-oscillation is likely to occur, and a characteristic with little return optical noise can be obtained. On the other hand, in the second region B, since the active layer 407 is as thin as 10 nm, the optical power density can be reduced and oscillation at high output is possible. Accordingly, in the laser having this structure, the laser in the first area A can be used for reading and the laser in the second area B can be used for recording in optical disc applications.
[0251]
In addition, in this embodiment, since the optical confinement layer 412 having a band gap energy smaller than that of the active layers 405 and 407 is embedded in the side surface of the clad layer 411 forming the ridge, the laser in each region A and B is formed. The oscillation threshold current density is reduced, and continuous oscillation in the fundamental transverse mode is possible.
[0252]
The manufacturing process of the semiconductor laser shown in FIG. 45 will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 46A, on an n-type SiC substrate 400, an n-type ZnO layer 401, an n-type GaN layer 402, an n-type GaAlN cladding layer 403, a GaN waveguide layer 404, InjGa1-jN active layer (first active layer) 405, GaN waveguide layer 406, InkGa1-kAn N active layer (second active layer) 407 and a GaN waveguide layer 408 are sequentially grown.
[0253]
Next, as shown in FIG. 46B, the waveguide layer 408 and the active layer 407 in the first region A are removed by etching. At this time, since the active layer 405 is protected by the waveguide layer 406, an increase in non-light-emitting components due to interface recombination can be prevented in the final structure.
[0254]
Next, as shown in FIG. 46C, a p-type GaAlN cladding layer 411 is grown on the entire surface, and SiO 2 is grown thereon.2A film 421 is formed by a sputtering method or the like.
[0255]
Next, as shown in FIG.2The film 421 is patterned, and ridges are formed in the regions A and B using this as a mask.
[0256]
Next, as shown in FIG.2With the mask attached, a light confinement layer 412 that also serves as current confinement is grown by selective growth.
[0257]
Next, as shown in FIG.2After removing the mask, a p-type GaN contact layer 413 is grown, and a p-side electrode 414 and an n-side electrode 415 are formed. Finally, a trench is formed between the region A and the region B by dry etching and element isolation is performed, whereby the structure shown in FIG. 45 is completed.
[0258]
As described above, according to the present embodiment, since the low-power laser of the thick film active layer and the high-power laser of the thin film active layer are formed on the same substrate, a difficult process such as active layer thickness control is required. In addition, it is possible to realize the laser performance required for both reproduction / reading and erasing / recording in the optical disk system. In addition, since lasers with different wavelengths can be formed on the same substrate, the problem of incompatibility due to the difference in wavelength can be solved.
[0259]
(23rd embodiment)
FIG. 48 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the twenty-third embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 19 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0260]
The structure and the manufacturing method of the present embodiment are almost the same as those of the twenty-second embodiment. However, the difference from the twenty-second embodiment is that the first active layer 405 having the film thickness d1 is used instead of the first active layer 405. A second active layer 427 having a layer 425 and having a film thickness d2 larger than the film thickness of the first active layer is provided instead of the second active layer 407.
[0261]
That is, the relationship between the film thickness d1 of the first active layer 425 and the film thickness d2 of the second active layer 427 is
d1 <d2 (18)
It is that. That is, d1 = 10 nm and d2 = 100 nm. A p-type InGaN absorption layer 428 is provided in the second region B. This absorption layer 428 functions as a saturable absorber and has a structure in which self-oscillation occurs more easily. In the case of this structure, in the optical disk application, the laser in the first area A is used for recording and the laser in the second area B is used for reading.
[0262]
(24th Embodiment)
FIG. 49 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the twenty-fourth embodiment of the present invention.
[0263]
In the figure, reference numeral 430 denotes a sapphire substrate. On this substrate 430, a GaN buffer layer 431, an n-type GaN contact layer 432, an n-type GaAlN cladding layer 433, an n-type GaN waveguide layer 434, and a first InGaN multiple quantum well. Active layer 435, undoped GaN waveguide layer 436, second active layer 437 comprising InGaN multiple quantum wells, p-type GaN waveguide layer 438, p-type GaAlN cladding layer 439, p-type GaN cap layer 440, p-type InGaN An optical confinement layer 441 and a p-type InGaN contact layer 442 are formed. In the figure, 443 and 444 are p electrodes, and 445 is an n-side electrode.
[0264]
Here, the band gap Eg of the first multiple quantum well active layer 4351And the band gap Eg of the second multiple quantum well active layer 4372What is
Eg1> Eg2
It is set to become. Specifically, the In composition of the well layer of the first multiple quantum well active layer was 0.15, and the In composition of the second multiple quantum well active layer was 0.8. Each oscillation wavelength corresponds to blue and red. The In composition of the second multiple quantum well active layer is larger than that of a normal GaN laser. However, since the composition is close to InN, a high quality crystal can be obtained.
[0265]
Since a structure in which blue and red lasers are integrated in this way can be realized, it is extremely useful in optical disc applications. That is, in the case of a system using lasers with different wavelengths as the density increases, compatibility with a conventional system can be easily realized by using a laser like this embodiment.
[0266]
FIG. 50 shows an arrangement example of electrodes in the laser of the embodiment shown in FIG. Since the n electrode side can be made common as in this example, for example, three bonding wires are sufficient.
[0267]
(25th Embodiment)
FIG. 51 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the twenty-fifth embodiment of the present invention.
[0268]
In the figure, reference numeral 450 denotes a sapphire substrate. On this substrate 450, a GaN buffer layer 451, an n-type GaN contact layer 452, an n-type GaAlN cladding layer 453, an n-type GaN waveguide layer 454, and a first InGaN multiple quantum well. Active layer 455, undoped GaN waveguide layer 456, second active layer 457 composed of InGaN multiple quantum wells, p-type GaN waveguide layer 458, p-type GaAlN cladding layer 459, p-type GaN cap layer 460, p+-Type GaN contact layer 461, n-type InGaN optical confinement layer 462, p+A type GaN contact layer 463 is formed. In the figure, 464 and 465 are p-side electrodes, and 466 is an n-side electrode.
[0269]
Band gap Eg1 of the first multiple quantum well active layer 4551And the band gap Eg of the second multiple quantum well active layer 4572What is
Eg1> Eg2
It is set to become. As a result, the left laser is Eg2With a wavelength corresponding to the band gap of1It oscillates at a wavelength corresponding to the band gap.
[0270]
(26th Embodiment)
FIG. 52 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the twenty-sixth embodiment of the present invention.
[0271]
Since the basic layer structure of the laser is the same as that shown in FIG. 28, its detailed description is omitted. Also in this embodiment, the band gap Eg of the first multiple quantum well active layer 1961And the second multiple quantum well active layer 470 bunt gap Eg2Is set as described above, it is possible to oscillate at different wavelengths.
[0272]
(Twenty-seventh embodiment)
FIG. 53 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to the twenty-seventh embodiment of the present invention.
[0273]
Since the basic structure of the semiconductor laser in this embodiment is the same as the example shown in FIG. 51, detailed description thereof is omitted. In this embodiment, an example of mounting with the joint surface down is shown.
[0274]
480 in the figure is a heat sink. As the heat sink 480, it is effective to use a material having high thermal conductivity such as BN or diamond in addition to Cu. The heat sink 480 is provided with steps as shown in the figure, and metal layers (for example, Ti / Pt / Au layers) 481 to 484 formed by metallization are formed thereon. Reference numeral 490 denotes a separation groove for separating electrodes. Each metallized layer and the electrode of the semiconductor laser are pressure-bonded by solder materials 485 to 489 such as AuSn.
[0275]
By using a mount with a bonding surface down as in this embodiment, the thermal resistance of the element is reduced, and oscillation at higher temperatures is possible.
[0276]
In addition, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, In the range which does not deviate from the summary, it can implement in various deformation | transformation.
[0277]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an InGaAlBN-based semiconductor laser that can continuously oscillate in the fundamental transverse mode and can obtain a high-quality outgoing beam free of astigmatism suitable for a light source such as an optical disk system and the like. The manufacturing method can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an equivalent refractive index difference Δn inside and outside the stripe.eq, Loss for fundamental mode α0, The distance h between the optical confinement layer and the core region with respect to the loss difference ΔαoutThe figure which shows the dependence with respect to.
FIG. 3 Threshold current density JthLoss α0FIG. 9 is a diagram showing the dependence on the stripe width W with respect to the loss difference Δα.
FIG. 4 is an equivalent refractive index difference Δn inside and outside the stripe.eqFIG. 6 is a diagram showing the relationship between the astigmatic difference of the beam and the composition of the light confinement layer.
FIG. 5 is a diagram showing the dependence on the stripe width with respect to astigmatism difference and loss difference Δα in each waveguide type;
FIG. 6: Active layer total thickness d, cladding layer thickness HcladAnd Al composition difference X between the cladding layer and the active layerA1FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between the waveguide mode loss α and the waveguide mode loss α.
FIG. 7 shows the cladding layer thickness in the SCH-MQW structure.cladWaveguide layer thickness HguideThe figure which shows the relationship between and a waveguide mode.
FIG. 8: Threshold current density Jth, For the optical confinement factor Γ, the cladding layer thicknesscladWaveguide layer thickness HguideFIG.
FIG. 9 is a diagram showing the clad layer thickness dependence of the far-field image intensity distribution.
FIG. 10 shows the clad layer thickness in the SCH-MQW structure.cladWaveguide layer thickness HguideThe figure which shows the relationship between and the boundary line of waveguide mode.
FIG. 11 shows the cladding layer thickness in the SCH-MQW structure.cladWaveguide layer thickness HguideThe figure which shows the relationship between and the boundary line of waveguide mode.
FIG. 12 shows threshold current density J per unit well layer thickness.th/ DactThe amount of light confinement Δx · (Hcore/ Λ) ・ (HcladThe figure which shows the dependence with respect to / (lambda).
FIG. 13 is a view showing a design example of the layer structure of the semiconductor laser in the embodiment.
FIG. 14 is a schematic diagram for explaining a threshold reduction effect according to the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a band structure and an electron and hole distribution when an overflow prevention layer is not provided.
FIG. 16 is a diagram showing a band structure and distribution of electrons and holes when an overflow prevention layer is provided.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing the principle of the current blocking effect by a hetero barrier.
FIG. 21 is a diagram showing current density-voltage characteristics in a configuration having a p-GaAlN / p-InGaN interface.
FIG. 22 is a graph showing current density-voltage characteristics in a configuration having an n-GaAlN / n-InGaN interface.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a ninth embodiment of the invention.
FIG. 28 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 30 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a perspective view showing the configuration of a semiconductor laser according to a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 33 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a fifteenth embodiment of the present invention.
FIG. 34 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a sixteenth embodiment of the present invention.
FIG. 35 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a seventeenth embodiment of the present invention.
FIG. 36 is a schematic diagram for explaining an etching method in the embodiment;
FIG. 37 is a schematic diagram for explaining an etching method in the embodiment;
FIG. 38 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to an eighteenth embodiment of the present invention.
FIG. 39 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser according to the nineteenth embodiment of the present invention.
FIG. 40 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser according to the embodiment;
FIG. 41 is a view showing a relationship between a selection ratio and a gas composition in the same embodiment.
FIG. 42 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser according to the twentieth embodiment of the present invention.
FIG. 43 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser according to the embodiment;
44 is a manufacturing process diagram of a semiconductor laser according to the twenty-first embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 45 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a twenty-second embodiment of the present invention.
46 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser in the embodiment; FIG.
47 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser in the embodiment, FIG.
FIG. 48 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a twenty-third embodiment of the present invention.
FIG. 49 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a twenty-fourth embodiment of the present invention.
50 is a view showing an arrangement example of electrodes in the laser of the embodiment shown in FIG. 49. FIG.
FIG. 51 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a twenty-fifth embodiment of the present invention.
FIG. 52 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a twenty-sixth embodiment of the present invention.
FIG. 53 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a twenty-seventh embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 30, 70, 90, 110, 130, 150, 170, 190, 210, 230, 260, 280, 300, 320, 344, 350, 370, 430, 450 ... sapphire substrate
11, 31, 52, 71, 91, 111, 131, 151, 171, 191, 211, 231, 261, 281, 301, 321, 351, 371, 402, 431, 451... GaN buffer layer
12, 32, 72, 112, 132, 152, 172, 192, 212, 232, 262, 282, 302, 322, 352, 372, 432, 452... N-type GaN contact layer
13, 33, 53, 73, 97, 113, 133, 153, 173, 194, 218, 233, 263, 283, 303, 323, 353, 373, 403, 433, 453 ... n-type GaAlN cladding layer
14,34,54,74,96,114,134,154,174,195,217,234,264,284,304,324,354,374,404,434,454 ... n-type GaN waveguide layer
15, 35, 55, 375... N-type GaAlN overflow prevention layer
16, 56, 75, 95, 115, 135, 155, 175, 196, 216, 235, 265, 285, 305, 325, 355, 376, 435, 437, 455, 457 ... InGaN multiple quantum well (MQW) activity layer
17, 37, 57, 377... P-type GaAlN overflow prevention layer
18, 38, 58, 76, 94, 116, 136, 156, 176, 197, 215, 236, 266, 286, 306, 326, 356, 378, 438, 458 ... p-type GaN waveguide layer
19, 39, 59, 77, 93, 117, 137, 138, 157, 158, 159, 177, 178, 179, 198, 214, 237, 267, 287, 309, 327, 328, 357, 358, 379, 390, 411a, 439, 459 ... p-type GaAlN cladding layer
20, 40, 60, 79, 99, 120, 141, 161, 181, 193, 213, 213, 240, 269, 289, 310, 329, 412a, 441, 462 ... light confinement layer
21, 41, 61, 78, 92, 118, 139, 160, 180, 199, 250, 251, 268, 270, 288, 308, 359, 360, 380, 383, 413a, 413b, 440, 460, 461 462 ... p-type GaN layer
22,43,62,80,101,121,142,183,201,221,242,271,292,312,361,362,385,414a, 414b, 443,444,464,465 ... p-side electrode
23,44,63,81,100,122,143,184,202,222,243,272,293,313,384,415,445,466 ... n-side electrode
36 ... GaN single quantum well (SQW) active layer
42,119,140,200,220,239,241,307 ... p-type InGaN layer
50, 400 ... n-type SiC substrate
51, 401 ... n-type ZnO buffer layer
98,219 ... n-type GaN layer
340 ... reaction vessel
341 ... Metal electrode
342 ... Stirrer
343 ... NaOH solution
345 ... DC power supply
381 ... Inorganic mask layer
382, 391 ... Current confinement layer
405, 407, 425, 427 ... active layer
406, 408, 436 ... GaN waveguide layer
421 ... SiO2film
428 ... Absorbing layer
480 ... heat sink
481-484 ... Metal layer
485-489 ... Solder material
490 ... separation groove
Eg1, Eg2... band gap
d1, d2 ... thickness

Claims (12)

窒素を含むIII−V族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成された第1導電型クラッド層と、
この第1導電型クラッド層上に形成された少なくとも活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、ストライプ状のリッジを有する第2導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第2導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第2導電型クラッド層上に前記リッジの側部に沿って選択的に形成された光閉込め層と、
この光閉込め層上及び前記第2導電型クラッド層のリッジ上に形成された第2導電型コンタクト層と、
この第2導電型コンタクト層上に形成された第1電極と、
前記基板における前記第1導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第2電極とを備え、
前記コア領域内の活性層は、少なくともIn a Ga b Al c 1-a-b-c N(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIn e Ga f Al g 1-e-f-g N(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸又は多重量子井戸であり、
前記光閉込め層は、窒素を含むIII−V族化合物半導体からなり、該光閉込め層の屈折率が前記第2導電型クラッド層の屈折率より大きいものであり、
前記光閉込め層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層のバンドギャップエネルギーより小さい関係にあり、
前記第1導電型クラッド層がInx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)からなり、前記第2導電型クラッド層がInu Gav Alw 1-u-v-w N(0≦u,v,w,u+v+w≦1)からなり、
前記第1導電型クラッド層と前記活性層とのAl組成差ΔZ Al (=前記第1導電型クラッド層のAl組成−活性層のAl組成)と、前記第2導電型クラッド層と前記活性層とのAl組成差ΔW Al (=前記第2導電型クラッド層のAl組成−活性層のAl組成)と、前記コア領域の総厚dと、前記井戸層から決まる発振波長λに対し、前記第1導電型クラッド層の厚さH1及び前記第2導電型クラッド層におけるリッジを含む厚さH2が、
0.18(ΔZ Al d/λ)-1/2≦H1/λ≦0.27(ΔZ Al d/λ)-1/2
0.18(ΔW Al d/λ)-1/2≦H2/λ≦0.27(ΔW Al d/λ)-1/2
を満たす範囲にあることを特徴とする半導体レーザ。
A semiconductor laser comprising a group III-V compound semiconductor containing nitrogen,
A substrate,
A first conductivity type cladding layer formed on the substrate;
A core region including at least an active layer formed on the first conductivity type cladding layer;
A second conductivity type cladding layer formed on the core region and having a striped ridge;
A double heterostructure comprising the first conductivity type cladding layer, the core region and the second conductivity type cladding layer;
A light confinement layer selectively formed along the side of the ridge on the second conductivity type cladding layer;
A second conductivity type contact layer formed on the light confinement layer and on the ridge of the second conductivity type cladding layer;
A first electrode formed on the second conductivity type contact layer;
A second electrode formed in a region different from the first conductivity type cladding layer in the substrate,
The active layer in the core region includes at least a well layer made of In a Ga b Al c B 1 -abc N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) and In e Ga f Al g B 1 -efg N A single quantum well or a multiple quantum well composed of a barrier layer composed of (0 ≦ e, f, g, e + f + g ≦ 1),
The optical confinement layer is made of a III-V group compound semiconductor containing nitrogen, and the refractive index of the optical confinement layer is larger than the refractive index of the second conductivity type cladding layer.
The band gap energy of the optical confinement layer is less than the band gap energy of the active layer,
The first conductivity type cladding layer is made of In x Ga y Al z B 1-xyz N (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1), and the second conductivity type cladding layer is In u Ga v Al w B 1-uvw N (0 ≦ u, v, w, u + v + w ≦ 1)
Al composition difference ΔZ Al (= Al composition of the first conductivity type cladding layer−Al composition of the active layer) between the first conductivity type cladding layer and the active layer, the second conductivity type cladding layer and the active layer With respect to the oscillation wavelength λ determined by the well layer, the total thickness d of the core region, and the Al composition difference ΔW Al (= Al composition of the second conductivity type cladding layer−Al composition of the active layer) The thickness H1 of the first conductivity type cladding layer and the thickness H2 including the ridge in the second conductivity type cladding layer are:
0.18 ( ΔZ Al d / λ) −1/2 ≦ H1 / λ ≦ 0.27 ( ΔZ Al d / λ) −1/2
0.18 ( ΔW Al d / λ) −1/2 ≦ H2 / λ ≦ 0.27 ( ΔW Al d / λ) −1/2
A semiconductor laser characterized by being in a range satisfying
窒素を含むIII−V族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第1導電型コンタクト層と、
前記第1導電型コンタクト層上に形成された第1導電型クラッド層と、
この第1導電型クラッド層上に形成された少なくとも活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、ストライプ状のリッジを有する第2導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第2導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第2導電型クラッド層上に前記リッジの側部に沿って選択的に形成された光閉込め層と、
この光閉込め層上及び前記第2導電型クラッド層のリッジ上に形成された第2導電型コンタクト層と、
この第2導電型コンタクト層上に形成された第1電極と、
前記第1導電型コンタクト層における前記第1導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第2電極とを備え、
前記コア領域内の活性層は、少なくともIn a Ga b Al c 1-a-b-c N(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIn e Ga f Al g 1-e-f-g N(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸又は多重量子井戸であり、
前記光閉込め層は、窒素を含むIII−V族化合物半導体からなり、該光閉込め層の屈折率が前記第2導電型クラッド層の屈折率より大きいものであり、
前記光閉込め層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層のバンドギャップエネルギーより小さい関係にあり、
前記第1導電型クラッド層がInx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)からなり、前記第2導電型クラッド層がInu Gav Alw 1-u-v-w N(0≦u,v,w,u+v+w≦1)からなり、
前記第1導電型クラッド層と前記活性層とのAl組成差ΔZ Al (=前記第1導電型クラッド層のAl組成−活性層のAl組成)と、前記第2導電型クラッド層と前記活性層とのAl組成差ΔW Al (=前記第2導電型クラッド層のAl組成−活性層のAl組成)と、前記コア領域の総厚dと、前記井戸層から決まる発振波長λに対し、前記第1導電型クラッド層の厚さH1及び前記第2導電型クラッド層におけるリッジを含む厚さH2が、
0.18(ΔZ Al d/λ)-1/2≦H1/λ≦0.27(ΔZ Al d/λ)-1/2
0.18(ΔW Al d/λ)-1/2≦H2/λ≦0.27(ΔW Al d/λ)-1/2
を満たす範囲にあることを特徴とする半導体レーザ。
A semiconductor laser comprising a group III-V compound semiconductor containing nitrogen,
A substrate,
A buffer layer formed on the substrate;
A first conductivity type contact layer formed on the buffer layer;
A first conductivity type cladding layer formed on the first conductivity type contact layer;
A core region including at least an active layer formed on the first conductivity type cladding layer;
A second conductivity type cladding layer formed on the core region and having a striped ridge;
A double heterostructure comprising the first conductivity type cladding layer, the core region and the second conductivity type cladding layer;
A light confinement layer selectively formed along the side of the ridge on the second conductivity type cladding layer;
A second conductivity type contact layer formed on the light confinement layer and on the ridge of the second conductivity type cladding layer;
A first electrode formed on the second conductivity type contact layer;
A second electrode formed in a region different from the first conductivity type cladding layer in the first conductivity type contact layer;
The active layer in the core region includes at least a well layer made of In a Ga b Al c B 1 -abc N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) and In e Ga f Al g B 1 -efg N A single quantum well or a multiple quantum well composed of a barrier layer composed of (0 ≦ e, f, g, e + f + g ≦ 1),
The optical confinement layer is made of a III-V group compound semiconductor containing nitrogen, and the refractive index of the optical confinement layer is larger than the refractive index of the second conductivity type cladding layer.
The band gap energy of the optical confinement layer is less than the band gap energy of the active layer,
The first conductivity type cladding layer is made of In x Ga y Al z B 1-xyz N (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1), and the second conductivity type cladding layer is In u Ga v Al w B 1-uvw N (0 ≦ u, v, w, u + v + w ≦ 1)
Al composition difference ΔZ Al (= Al composition of the first conductivity type cladding layer−Al composition of the active layer) between the first conductivity type cladding layer and the active layer, the second conductivity type cladding layer and the active layer With respect to the oscillation wavelength λ determined by the well layer, the total thickness d of the core region, and the Al composition difference ΔW Al (= Al composition of the second conductivity type cladding layer−Al composition of the active layer) The thickness H1 of the first conductivity type cladding layer and the thickness H2 including the ridge in the second conductivity type cladding layer are:
0.18 ( ΔZ Al d / λ) −1/2 ≦ H1 / λ ≦ 0.27 ( ΔZ Al d / λ) −1/2
0.18 ( ΔW Al d / λ) −1/2 ≦ H2 / λ ≦ 0.27 ( ΔW Al d / λ) −1/2
A semiconductor laser characterized by being in a range satisfying
請求項1又は請求項2に記載の半導体レーザにおいて、
前記第2導電型クラッド層におけるリッジを含まない厚さHoutは、0.3μm以下であることを特徴とする半導体レーザ。
In the semiconductor laser according to claim 1 or 2,
A thickness H out excluding the ridge in the second conductivity type cladding layer is 0.3 μm or less.
請求項1又は請求項2に記載の半導体レーザにおいて、
前記光閉込め層の導電型は、前記第2導電型クラッド層の導電型と同じであることを特徴とする半導体レーザ。
In the semiconductor laser according to claim 1 or 2,
The semiconductor laser according to claim 1, wherein a conductivity type of the light confinement layer is the same as a conductivity type of the second conductivity type cladding layer.
請求項1又は請求項2に記載の半導体レーザにおいて、
前記第2導電型クラッド層のリッジと前記第2導電型コンタクト層との間に形成され、前記第2導電型クラッド層のバンドギャップエネルギーと前記第2導電型コンタクト層のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーをもつ第2導電型キャップ層を備えており、
前記光閉込め層と前記第2導電型コンタクト層とは、同一材料からなる1つの層であることを特徴とする半導体レーザ。
In the semiconductor laser according to claim 1 or 2,
An intermediate between a band gap energy of the second conductivity type cladding layer and a band gap energy of the second conductivity type contact layer, formed between the ridge of the second conductivity type cladding layer and the second conductivity type contact layer. A second conductivity type cap layer having a band gap energy of a value of
The semiconductor laser, wherein the light confinement layer and the second conductivity type contact layer are one layer made of the same material.
請求項1又は請求項2に記載の半導体レーザにおいて、
前記コア領域は、
前記活性層を挟むように形成され、前記量子井戸の平均屈折率より小さくかつ各クラッド層の屈折率より大きい屈折率を有する複数の導波層と、
少なくとも一方のクラッド層と前記活性層との間に形成され、Ins Gat Alh 1-s-t-h N(0≦s,t,h,s+t+h≦1)からなり、前記導波層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キャリアオーバーフロー防止層とを備えていることを特徴とする半導体レーザ。
In the semiconductor laser according to claim 1 or 2,
The core region is
A plurality of waveguide layers formed so as to sandwich the active layer and having a refractive index smaller than an average refractive index of the quantum well and larger than a refractive index of each cladding layer;
Is formed between at least one of the cladding layers the active layer, In s Ga t Al h B 1-sth N becomes (0 ≦ s, t, h , s + t + h ≦ 1) from the band gap of the waveguide layer A semiconductor laser comprising: a carrier overflow prevention layer having a band gap energy larger than energy.
請求項に記載の半導体レーザにおいて、
前記キャリアオーバーフロー防止層のAl組成hは、0<h<0.2を満たす範囲にあることを特徴とする半導体レーザ。
The semiconductor laser according to claim 6 , wherein
An Al composition h of the carrier overflow prevention layer is in a range satisfying 0 <h <0.2.
窒素を含むIII−V族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成され、Inx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)からなる第1導電型クラッド層と、
この第1導電型クラッド層上に形成された少なくとも活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、Inu Gav Alw 1-u-v-w N(0≦u,v,w,u+v+w≦1)からなり、ストライプ状のリッジを有する第2導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第2導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第2導電型クラッド層上に形成された第2導電型コンタクト層と、
この第2導電型コンタクト層上に形成された第1電極と、
前記基板における前記第1導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第2電極とを備え、
前記活性層は、Ina Gab Alc 1-a-b-c N(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIne Gaf Alg 1-e-f-g N(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸からなり、
前記井戸層の総厚dactは、0.5μm未満であり、
前記各クラッド層のAl組成xAl、コア領域の平均In組成yIn、両組成の和Δx(=xAl+yIn)、前記コア領域の総厚Hcoreおよび前記各クラッド層の厚さHcladは、発振波長λに対し、
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≧0.08を満たしていることを特徴とする半導体レーザ。
A semiconductor laser comprising a group III-V compound semiconductor containing nitrogen,
A substrate,
A first conductivity type cladding layer formed on the substrate and made of In x Ga y Al z B 1-xyz N (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1);
A core region including at least an active layer formed on the first conductivity type cladding layer;
Formed in the core region, and the In u Ga v Al w B 1 -uvw N (0 ≦ u, v, w, u + v + w ≦ 1) consists, second conductivity type cladding layer having a stripe-shaped ridge,
A double heterostructure comprising the first conductivity type cladding layer, the core region and the second conductivity type cladding layer;
A second conductivity type contact layer formed on the second conductivity type cladding layer;
A first electrode formed on the second conductivity type contact layer;
A second electrode formed in a region different from the first conductivity type cladding layer in the substrate,
The active layer, In a Ga b Al c B 1-abc N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) consisting of a well layer and the In e Ga f Al g B 1 -efg N (0 ≦ e, a single quantum well or a multiple quantum well composed of a barrier layer composed of f, g, e + f + g ≦ 1),
The total thickness d act of the well layer is less than 0.5 μm;
The Al composition x Al of each cladding layer, the average In composition y In of the core region, the sum Δx (= x Al + y In ) of both compositions, the total thickness H core of the core region, and the thickness H clad of each cladding layer For the oscillation wavelength λ
A semiconductor laser characterized by satisfying Δx · (H core / λ) · (H clad /λ)≧0.08.
窒素を含むIII−V族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第1導電型コンタクト層と、
前記第1導電型コンタクト層上に形成され、Inx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)からなる第1導電型クラッド層と、
この第1導電型クラッド層上に形成された少なくとも活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、Inu Gav Alw 1-u-v-w N(0≦u,v,w,u+v+w≦1)からなり、ストライプ状のリッジを有する第2導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第2導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第2導電型クラッド層上に形成された第2導電型コンタクト層と、
この第2導電型コンタクト層上に形成された第1電極と、
前記第1導電型コンタクト層における前記第1導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第2電極とを備え、
前記活性層は、Ina Gab Alc 1-a-b-c N(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIne Gaf Alg 1-e-f-g N(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸からなり、
前記井戸層の総厚dactは、0.5μm未満であり、
前記各クラッド層のAl組成xAl、コア領域の平均In組成yIn、両組成の和Δx(=xAl+yIn)、前記コア領域の総厚Hcoreおよび前記各クラッド層の厚さHcladは、発振波長λに対し、
Δx・(Hcore/λ)・(Hclad/λ)≧0.08を満たしていることを特徴とする半導体レーザ。
A semiconductor laser comprising a group III-V compound semiconductor containing nitrogen,
A substrate,
A buffer layer formed on the substrate;
A first conductivity type contact layer formed on the buffer layer;
A first conductivity type cladding layer formed on the first conductivity type contact layer and made of In x Ga y Al z B 1 -xyz N (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1);
A core region including at least an active layer formed on the first conductivity type cladding layer;
Formed in the core region, and the In u Ga v Al w B 1 -uvw N (0 ≦ u, v, w, u + v + w ≦ 1) consists, second conductivity type cladding layer having a stripe-shaped ridge,
A double heterostructure comprising the first conductivity type cladding layer, the core region and the second conductivity type cladding layer;
A second conductivity type contact layer formed on the second conductivity type cladding layer;
A first electrode formed on the second conductivity type contact layer;
A second electrode formed in a region different from the first conductivity type cladding layer in the first conductivity type contact layer;
The active layer, In a Ga b Al c B 1-abc N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) consisting of a well layer and the In e Ga f Al g B 1 -efg N (0 ≦ e, a single quantum well or a multiple quantum well composed of a barrier layer composed of f, g, e + f + g ≦ 1),
The total thickness d act of the well layer is less than 0.5 μm;
The Al composition x Al of each cladding layer, the average In composition y In of the core region, the sum Δx (= x Al + y In ) of both compositions, the total thickness H core of the core region, and the thickness H clad of each cladding layer For the oscillation wavelength λ
A semiconductor laser characterized by satisfying Δx · (H core / λ) · (H clad /λ)≧0.08.
窒素を含むIII−V族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成され、Inx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)からなる第1導電型クラッド層と、
この第1導電型クラッド層上に形成され、Ina Gab Alc 1-a-b-c N(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIne Gaf Alg 1-e-f-g N(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸の活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、Inu Gav Alw 1-u-v-w N(0≦u,v,w,u+v+w≦1)からなり、ストライプ状のリッジを有する第2導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第2導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第2導電型クラッド層上に形成された第2導電型コンタクト層と、
この第2導電型コンタクト層上に形成された第1電極と、
前記基板における前記第1導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第2電極とを備え、
前記コア領域は、前記活性層を挟むように形成されたInh Gai Alj 1-h-i-j N(0<h≦1,0≦i<1,0≦j<1)からなる複数の導波層を含み、
前記コア領域の総厚Hcoreおよびコア領域の平均In組成yInは、発振波長λに対し、(yIn1/2 ・(Hcore/λ)≧0.15を満たしていることを特徴とする半導体レーザ。
A semiconductor laser comprising a group III-V compound semiconductor containing nitrogen,
A substrate,
A first conductivity type cladding layer formed on the substrate and made of In x Ga y Al z B 1-xyz N (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1);
A well layer made of In a Ga b Al c B 1 -abc N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) and In e Ga f Al g B 1− a core region including an active layer of a single quantum well or a multiple quantum well composed of a barrier layer composed of efg N (0 ≦ e, f, g, e + f + g ≦ 1);
Formed in the core region, and the In u Ga v Al w B 1 -uvw N (0 ≦ u, v, w, u + v + w ≦ 1) consists, second conductivity type cladding layer having a stripe-shaped ridge,
A double heterostructure comprising the first conductivity type cladding layer, the core region and the second conductivity type cladding layer;
A second conductivity type contact layer formed on the second conductivity type cladding layer;
A first electrode formed on the second conductivity type contact layer;
A second electrode formed in a region different from the first conductivity type cladding layer in the substrate,
The core region includes a plurality of conductive layers made of In h Ga i Al j B 1-hij N (0 <h ≦ 1, 0 ≦ i <1, 0 ≦ j <1) formed so as to sandwich the active layer. Including wave layers,
The total thickness H core of the core region and the average In composition y In of the core region satisfy (y In ) 1/2 · (H core /λ)≧0.15 with respect to the oscillation wavelength λ. A semiconductor laser.
窒素を含むIII−V族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第1導電型コンタクト層と、
前記第1導電型コンタクト層上に形成され、Inx Gay Alz 1-x-y-z N(0≦x,y,z,x+y+z≦1)からなる第1導電型クラッド層と、
この第1導電型クラッド層上に形成され、Ina Gab Alc 1-a-b-c N(0≦a,b,c,a+b+c≦1)からなる井戸層とIne Gaf Alg 1-e-f-g N(0≦e,f,g,e+f+g≦1)からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸の活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、Inu Gav Alw 1-u-v-w N(0≦u,v,w,u+v+w≦1)からなり、ストライプ状のリッジを有する第2導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第2導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第2導電型クラッド層上に形成された第2導電型コンタクト層と、
この第2導電型コンタクト層上に形成された第1電極と、
前記第1導電型コンタクト層における前記第1導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第2電極とを備え、
前記コア領域は、前記活性層を挟むように形成されたInh Gai Alj 1-h-i-j N(0<h≦1,0≦i<1,0≦j<1)からなる複数の導波層を含み、
前記コア領域の総厚Hcoreおよびコア領域の平均In組成yInは、発振波長λに対し、(yIn1/2 ・(Hcore/λ)≧0.15を満たしていることを特徴とする半導体レーザ。
A semiconductor laser comprising a group III-V compound semiconductor containing nitrogen,
A substrate,
A buffer layer formed on the substrate;
A first conductivity type contact layer formed on the buffer layer;
A first conductivity type cladding layer formed on the first conductivity type contact layer and made of In x Ga y Al z B 1 -xyz N (0 ≦ x, y, z, x + y + z ≦ 1);
A well layer made of In a Ga b Al c B 1 -abc N (0 ≦ a, b, c, a + b + c ≦ 1) and In e Ga f Al g B 1− a core region including an active layer of a single quantum well or a multiple quantum well composed of a barrier layer composed of efg N (0 ≦ e, f, g, e + f + g ≦ 1);
Formed in the core region, and the In u Ga v Al w B 1 -uvw N (0 ≦ u, v, w, u + v + w ≦ 1) consists, second conductivity type cladding layer having a stripe-shaped ridge,
A double heterostructure comprising the first conductivity type cladding layer, the core region and the second conductivity type cladding layer;
A second conductivity type contact layer formed on the second conductivity type cladding layer;
A first electrode formed on the second conductivity type contact layer;
A second electrode formed in a region different from the first conductivity type cladding layer in the first conductivity type contact layer;
The core region includes a plurality of conductive layers made of In h Ga i Al j B 1-hij N (0 <h ≦ 1, 0 ≦ i <1, 0 ≦ j <1) formed so as to sandwich the active layer. Including wave layers,
The total thickness H core of the core region and the average In composition y In of the core region satisfy (y In ) 1/2 · (H core /λ)≧0.15 with respect to the oscillation wavelength λ. A semiconductor laser.
請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の半導体レーザにおいて、  The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 11, wherein
前記基板は、サファイア、SiC,ZnO,MgAl  The substrate is made of sapphire, SiC, ZnO, MgAl 2 2 O 4 Four ,NdGaO, NdGaO 3 Three ,LiGaO, LiGaO 2 2 、Y, Y 3 Three AlAl 5 Five O 1212 (YAG),又はY(YAG) or Y 3 Three FeFe 5 Five O 1212 (YIG)のいずれかからなることを特徴とする半導体レーザ。A semiconductor laser comprising any of (YIG).
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