JP4929776B2 - Nitride semiconductor laser device - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、より詳細には、高出力状態での連続駆動においても高信頼性を示す窒化物半導体レーザ素子に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor laser device, and more particularly to a nitride semiconductor laser device that exhibits high reliability even in continuous driving in a high output state.

窒化物半導体は、例えば、一般式がInxAlyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、0≦x+y≦1)で示される化合物半導体によって形成されており、これを用いた半導体レーザ素子は、次世代DVDなどの大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用、パーソナルコンピュータ等の電子機器への利用が検討されている。また、紫外域から赤色に至るまで、幅広い波長域での発振が可能と考えられていることから、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源などに対する要求が高まりつつある。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子の研究が盛んに行われている。 Nitride semiconductor, for example, is formed formula is the compound semiconductor represented by In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, 0 ≦ x + y ≦ 1), the semiconductor using the same The use of laser elements for optical disk systems capable of recording / reproducing large-capacity and high-density information such as next-generation DVDs, and applications for electronic devices such as personal computers is being studied. Further, since it is considered that oscillation in a wide wavelength range from ultraviolet to red is possible, there is an increasing demand for light sources such as laser printers and optical networks. For this reason, research on semiconductor laser elements using nitride semiconductors has been actively conducted.

このような窒化物半導体レーザでは、光出射側の共振器端面の劣化を防止して、活性層で発生する光を共振器端面において適切に発振させることにより、より長時間、安定駆動させることが検討されている。   Such a nitride semiconductor laser can be driven stably for a longer period of time by preventing deterioration of the cavity facet on the light emitting side and appropriately oscillating light generated in the active layer at the cavity facet. It is being considered.

そこで、例えば、共振器端面が酸化することに起因した光吸収を抑制するために、超高真空中で共振器端面を形成するとともに、直ちにその共振器端面に誘電体膜を形成することが提案されている。さらに、レーザ駆動動作に伴う酸素の拡散に起因する共振器端面付近の半導体層の劣化を抑制するために、共振器端面に、酸素結合状態の酸化アルミニウムを形成して、端面の自然酸化を防止し、半導体層への酸素の拡散を防止することが提案されている(例えば、特許文献1)。   Therefore, for example, in order to suppress light absorption caused by oxidation of the resonator end surface, it is proposed to form the resonator end surface in an ultrahigh vacuum and immediately form a dielectric film on the resonator end surface. Has been. In addition, in order to suppress the deterioration of the semiconductor layer near the cavity end face due to the diffusion of oxygen due to the laser driving operation, oxygen-bonded aluminum oxide is formed on the cavity end face to prevent natural oxidation of the end face. In addition, it has been proposed to prevent diffusion of oxygen into the semiconductor layer (for example, Patent Document 1).

また、共振器端面では出力光が吸収されて熱が発生し、共振器端面の温度が上昇し、共振器端面におけるバンドギャップが狭くなりさらに出力光の吸収が増加することがある。その結果、端面の光学的損傷(Catastropic Optical Damage:COD)が発生することがある。それに対して、光半導体デバイスのコンタクト層にイオン注入を行って電流非注入領域を形成することで、共振器端面に光非吸収領域を形成し、さらに光吸収領域以外の活性層に対して選択的な不純物のドーピングを行い、活性層の実効的な禁制帯幅を狭くする方法が提案されている(例えば、特許文献2)。
特開2005−175111号公報 特開2002−261379号公報
In addition, the output light is absorbed at the resonator end face and heat is generated, the temperature of the resonator end face rises, the band gap at the resonator end face becomes narrow, and the absorption of the output light may further increase. As a result, end face optical damage (COD) may occur. On the other hand, by forming ions in the contact layer of the optical semiconductor device to form a current non-injection region, a light non-absorption region is formed on the cavity end face, and the active layer other than the light absorption region is selected. A method has been proposed in which the effective forbidden band width of the active layer is narrowed by performing impurity doping (for example, Patent Document 2).
JP 2005-175111 A JP 2002-261379 A

しかし、上述するように共振器端面に誘電体膜を形成し、共振器端面の酸化を防止したとしても、この共振器端面における窒化物半導体と誘電体膜との間に応力が発生し、共振器端面に形成されている誘電体膜がその応力に耐え切れずに剥がれたり、割れる場合がある。これでは、窒化物半導体レーザ素子の安定した連続動作を実現することができないばかりでなく、レーザ発振さえ十分に行うことができない。これは、電流非注入領域を形成した場合も同様である。   However, even if a dielectric film is formed on the end face of the resonator as described above and oxidation of the end face of the resonator is prevented, stress is generated between the nitride semiconductor and the dielectric film on the end face of the resonator, causing resonance. There are cases where the dielectric film formed on the end face of the vessel peels off or breaks without being able to withstand the stress. With this, not only the stable continuous operation of the nitride semiconductor laser element cannot be realized, but also the laser oscillation cannot be sufficiently performed. This is the same when the current non-injection region is formed.

本発明は、上記のような事情に鑑みなされたものであり、特に、窒化物半導体レーザ素子において、共振器端面における窒化物半導体と誘電体膜との応力を緩和させ、共振器端面、特に光出射領域における窒化物半導体と誘電体膜との密着性を安定させて、高出力状態での連続駆動においても高信頼性を示す窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above. In particular, in a nitride semiconductor laser element, the stress between the nitride semiconductor and the dielectric film on the cavity end face is relaxed, and the cavity end face, particularly the optical An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device that stabilizes the adhesion between a nitride semiconductor and a dielectric film in the emission region and exhibits high reliability even in continuous driving in a high output state.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
基板と、該基板上に第1窒化物半導体層、活性層及び第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された互いに対向する共振器端面とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
光出力側の共振器端面を被覆するように、Al 2 3 、Ga 2 3 、In 2 3 、AlN、GaN、InN、AlON、GaON、InONからなる群から選択される少なくとも1種によって誘電体膜が形成されており、
少なくとも前記窒化物半導体層を構成する1つの元素と前記誘電体膜を構成する1つの元素とが同一であり、
前記光出力側の共振器端面であって、光の出射領域の上方及び/又は下方に、窒化物半導体層の格子定数を大きくする不純物を含有する不純物含有領域が形成されてなることを特徴とする。
The nitride semiconductor laser device of the present invention is
A substrate, a nitride semiconductor layer in which a first nitride semiconductor layer, an active layer, and a second nitride semiconductor layer are stacked in this order on the substrate, and resonator end faces facing each other formed in the nitride semiconductor layer A nitride semiconductor laser device comprising:
At least one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , AlN, GaN, InN, AlON, GaON, and InON so as to cover the resonator end face on the light output side . A dielectric film is formed,
At least one element constituting the nitride semiconductor layer and one element constituting the dielectric film are the same,
A cavity end face of the optical output side, the upper and / or below the light emitting region, and wherein the impurity-containing region containing an impurity to increase the lattice constant of the nitride semiconductor layer is formed To do.

この窒化物半導体レーザ素子においては、前記窒化物半導体層と誘電体膜とを構成する同一元素は窒素であることが好ましい。
また、前記窒化物半導体層と誘電体膜とを構成する同一元素は、さらに、アルミニウム、インジウム、ガリウムよりなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。
In this nitride semiconductor laser element, it is preferable that the same element constituting the nitride semiconductor layer and the dielectric film is nitrogen.
Further, it is preferable that the same element constituting the nitride semiconductor layer and the dielectric film further includes at least one selected from the group consisting of aluminum, indium, and gallium.

さらに、前記不純物の濃度のピークは、第1窒化物半導体層及び/又は第2窒化物半導体層に位置することが好ましい。
また、前記第1窒化物半導体層及び/又は第2窒化物半導体層は、複数の層により構成されており、前記不純物含有領域は、複数の層にわたって形成されてなることが好ましい。
Furthermore, the impurity concentration peak is preferably located in the first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer.
The first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer is preferably composed of a plurality of layers, and the impurity-containing region is preferably formed over a plurality of layers.

前記不純物含有領域は、インジウム、砒素、リン、アンチモン、亜鉛、タリウム,ビスマスよりなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。
前記不純物含有領域は、第1窒化物半導体層にのみ又は第2窒化物半導体層にのみ形成されていてもよい。
前記誘電体膜は、アルミニウムの窒化物、酸化物又は酸窒化物からなることが好ましい。
The impurity-containing region preferably includes at least one selected from the group consisting of indium, arsenic, phosphorus, antimony, zinc, thallium, and bismuth.
The impurity-containing region may be formed only in the first nitride semiconductor layer or only in the second nitride semiconductor layer.
The dielectric film is preferably made of aluminum nitride, oxide or oxynitride.

本発明によれば、共振器端面における窒化物半導体と誘電体膜との応力を緩和させ、共振器端面、特に光出射領域における窒化物半導体と誘電体膜との密着性を安定させることができ、高出力状態での連続駆動においても高信頼性を示す窒化物半導体レーザ素子を提供することが可能となる。   According to the present invention, the stress between the nitride semiconductor and the dielectric film on the resonator end face can be relieved, and the adhesion between the nitride semiconductor and the dielectric film in the resonator end face, particularly the light emitting region, can be stabilized. In addition, it is possible to provide a nitride semiconductor laser element that exhibits high reliability even in continuous driving in a high output state.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、主として、基板上に、第1窒化物半導体層、活性層及び第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層を備えており、窒化物半導体層には、互いに対向する共振器端面が形成されている。   The nitride semiconductor laser device of the present invention mainly includes a nitride semiconductor layer in which a first nitride semiconductor layer, an active layer, and a second nitride semiconductor layer are stacked in this order on a substrate. Resonator end faces facing each other are formed in the layer.

例えば、図1(a)に示すように、第1主面と第2主面とを有する基板10の第1主面上に、窒化物半導体層として、第1(例えば、n型)窒化物半導体層11、活性層12、第2(例えば、p型)窒化物半導体層13がこの順に形成されている。第2窒化物半導体層13の表面にはリッジ14が形成されており、このリッジ14上面にはp電極(図示せず)が形成されている。また、基板10の第2主面にはn電極20が形成されている。なお、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、リッジを有さない構造であってもよく、基板の第1主面側にp電極及びn電極の双方が形成された構造でもよい。   For example, as shown in FIG. 1A, a first (for example, n-type) nitride is formed as a nitride semiconductor layer on a first main surface of a substrate 10 having a first main surface and a second main surface. A semiconductor layer 11, an active layer 12, and a second (eg, p-type) nitride semiconductor layer 13 are formed in this order. A ridge 14 is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 13, and a p-electrode (not shown) is formed on the upper surface of the ridge 14. An n electrode 20 is formed on the second main surface of the substrate 10. The nitride semiconductor laser device of the present invention may have a structure without a ridge, or may have a structure in which both a p-electrode and an n-electrode are formed on the first main surface side of the substrate.

また、このような窒化物半導体レーザ素子は、図1(a)に示すように、第1窒化物半導体層11及び/又は第2窒化物半導体層13の光出力側の共振器端面30に、窒化物半導体層の格子定数を大きくする不純物を含有する第1の不純物含有領域31及び/又は第2の不純物含有領域32が形成されている。このような不純物含有領域によって、窒化物半導体層と後述する誘電体膜44との界面で生じる応力をより緩和させることでき、窒化物半導体層、より具体的には、光出力側の共振器端面30又はレーザ光が出射される活性層を含んだ光導波路領域と誘電体膜44との密着性の向上と相まって、窒化物半導体レーザ素子の連続駆動を実現することができる。また、不純物含有領域において光導波領域から漏れた迷光を吸収し、主レーザ光のFFPにリップルの乗らない良好なガウシアン形状となる単一モードの半導体レーザ素子を得ることができる。   In addition, as shown in FIG. 1A, such a nitride semiconductor laser element is formed on the resonator end face 30 on the light output side of the first nitride semiconductor layer 11 and / or the second nitride semiconductor layer 13. A first impurity-containing region 31 and / or a second impurity-containing region 32 containing impurities that increase the lattice constant of the nitride semiconductor layer are formed. By such an impurity-containing region, stress generated at the interface between the nitride semiconductor layer and a dielectric film 44 described later can be further relaxed, and the nitride semiconductor layer, more specifically, the resonator end face on the light output side In combination with the improvement in the adhesion between the dielectric film 44 and the optical waveguide region 30 including the active layer 30 or the laser light emission layer, continuous driving of the nitride semiconductor laser device can be realized. In addition, it is possible to obtain a single-mode semiconductor laser device that absorbs stray light leaking from the optical waveguide region in the impurity-containing region and has a good Gaussian shape without ripple on the FFP of the main laser light.

このように含有される不純物は、窒化物半導体層の格子定数を大きくするもの、言い換えると窒化物半導体層のバンドギャップを狭くするものであればよく、例えば、周期表の12族から15族で第3周期以降、第6周期までの元素のうちアルミニウムとガリウムを除く元素であり、珪素から始まり、ビスマスまでの元素である。好ましくは、インジウム、砒素、リン、アンチモン、亜鉛、タリウム、ビスマスよりなる群から選択される少なくとも1つの原子が挙げられる。より好ましくはインジウム、砒素、リンよりなる群から選択される少なくとも1つの原子が挙げられる。   The impurities contained in this manner may be those that increase the lattice constant of the nitride semiconductor layer, in other words, those that narrow the band gap of the nitride semiconductor layer. It is an element except aluminum and gallium among elements from the third period to the sixth period, and is an element starting from silicon to bismuth. Preferably, at least one atom selected from the group consisting of indium, arsenic, phosphorus, antimony, zinc, thallium, and bismuth is used. More preferred is at least one atom selected from the group consisting of indium, arsenic, and phosphorus.

第1の不純物含有領域31は、実質的に第1窒化物半導体層11内にのみ形成されてもよいし、第1窒化物半導体層11及び基板10内に形成されてもよいし、基板10内のみに形成されていてもよい。図3のように第1窒化物半導体層11の膜厚を厚くした場合には、レーザ素子の厚さ方向において第1窒化物半導体層の占める割合が大きくなるので、不純物含有領域を大きく設けることができる。これにより、窒化物半導体の格子定数が大きくなる領域を大きくすることができるため、第1窒化物半導体層及び基板側においては、窒化物半導体層と誘電体膜との接触面積が小さくなり、この部分で応力を緩和することができ、より効果的に光出射領域での密着性を向上させることができる。加えて、不純物含有領域を大きく設けても、不純物含有領域と活性層との距離を確保することができるため、活性層に対する不純物の影響を抑制することができる。なお、基板内において、不純物含有領域を大きく設ける場合には、その効果がより顕著に得られる。   The first impurity-containing region 31 may be formed substantially only in the first nitride semiconductor layer 11, may be formed in the first nitride semiconductor layer 11 and the substrate 10, or may be formed in the substrate 10. It may be formed only inside. When the thickness of the first nitride semiconductor layer 11 is increased as shown in FIG. 3, the proportion of the first nitride semiconductor layer in the thickness direction of the laser element increases, so that a large impurity-containing region is provided. Can do. As a result, a region where the lattice constant of the nitride semiconductor is increased can be increased, so that the contact area between the nitride semiconductor layer and the dielectric film is reduced on the first nitride semiconductor layer and the substrate side. The stress can be relieved at the portion, and the adhesion in the light emitting region can be improved more effectively. In addition, even if a large impurity-containing region is provided, the distance between the impurity-containing region and the active layer can be secured, so that the influence of impurities on the active layer can be suppressed. In the case where a large impurity-containing region is provided in the substrate, the effect can be obtained more remarkably.

第1の不純物含有領域は、第1窒化物半導体層の厚さT1に対する活性層から不純物含有領域の端部までの不純物が含有されていない領域の高さHの比(H/T1)は、1/10以上さらに好ましくは、1/2以上であることが好ましい。具体的には、活性層12から2000Å程度以上、さらには1μm以上離間して形成されていることが好ましい。格子定数を変動させる不純物が、活性層まで到達して、活性層本来の機能を阻害させないためである。
また、基板に設けられた不純物含有領域においては、基板の厚さT2に対する基板における不純物含有領域の高さY1bの比(Y1b/T2)は、1/8以上)、さらには1/4以上)であることが好ましい。具体的には、10μm以上、好ましくは20μm以上のものである。このように不純物含有領域を設けることで、より効果的に共振器端面における窒化物半導体と誘電体膜との応力を緩和させることができる。
The first impurity-containing region has a ratio (H / T 1 ) of the height H of the region containing no impurities from the active layer to the end of the impurity-containing region with respect to the thickness T 1 of the first nitride semiconductor layer. Is preferably 1/10 or more, more preferably 1/2 or more. Specifically, it is preferable that the active layer 12 is formed at a distance of about 2000 mm or more, more preferably 1 μm or more. This is because impurities that change the lattice constant reach the active layer and do not inhibit the original function of the active layer.
In the impurity-containing region provided in the substrate, the ratio of the height Y 1b of the impurity-containing region in the substrate to the thickness T 2 of the substrate (Y 1b / T 2 ) is 1/8 or more), and 1 / 4 or more). Specifically, it is 10 μm or more, preferably 20 μm or more. By providing the impurity-containing region in this way, the stress between the nitride semiconductor and the dielectric film on the resonator end face can be more effectively relaxed.

また、基板及び第1窒化物半導体層に不純物含有領域が設けられた場合、基板及び第1窒化物半導体層に設けられた不純物含有領域の高さY1に対する第1窒化物半導体層に設けられた不純物含有領域の高さY1aの比(Y1a/Y1)は、1/5以下、好ましくは1/20以下であれば、共振器端面における窒化物半導体と誘電体膜との応力を効果的に緩和させると同時に、不純物が活性層まで到達せず、活性層本来の機能を阻害させずに良好な特性のレーザ素子を得ることができ、好ましい。 When the impurity-containing region is provided in the substrate and the first nitride semiconductor layer, the impurity-containing region is provided in the first nitride semiconductor layer with respect to the height Y 1 of the impurity-containing region provided in the substrate and the first nitride semiconductor layer. If the ratio of the height Y 1a of the impurity-containing region (Y 1a / Y 1 ) is 1/5 or less, preferably 1/20 or less, the stress between the nitride semiconductor and the dielectric film on the resonator end face is reduced. It is preferable that the laser element having good characteristics can be obtained without causing the impurities to reach the active layer and inhibiting the original function of the active layer at the same time as the effective relaxation.

この領域の形状は、特に限定されるものではなく、活性層、第1及び第2窒化物半導体層等の組成、レーザ素子の性能等によって適宜調整することができる。例えば、四角形、ひし形、逆三角形(図4(a)中の31a)もしくは下に凸の鍋蓋形状(図4(b)中の31b)又はこれらに近い形状が挙げられる。さらには、上に凸又は下に凸の不純物含有領域を形成した場合、基板内における不純物含有領域の幅を広く又は狭くするような形態とすることも可能である。上に凸の不純物含有領域を設けた場合は光出射領域から離れた位置において不純物含有領域を大きく設けているので、光出射領域において窒化物半導体層と誘電体膜の密着性を向上させると同時に、大きく設けられた不純物含有領域が光出射領域からは離間しているので、素子特性への影響を低減することができる。   The shape of this region is not particularly limited, and can be appropriately adjusted depending on the composition of the active layer, the first and second nitride semiconductor layers, the performance of the laser element, and the like. For example, a quadrangle, a rhombus, an inverted triangle (31a in FIG. 4 (a)), a downwardly convex pan lid shape (31b in FIG. 4 (b)), or a shape close to these. Furthermore, when an impurity-containing region that is convex upward or downward is formed, the width of the impurity-containing region in the substrate may be widened or narrowed. In the case where the convex impurity-containing region is provided on the upper side, the impurity-containing region is largely provided at a position away from the light emitting region, so that the adhesion between the nitride semiconductor layer and the dielectric film is improved at the same time in the light emitting region. Since the large impurity-containing region is separated from the light emitting region, the influence on the element characteristics can be reduced.

その大きさは特に限定されず、活性層、第1及び第2窒化物半導体層等の組成、レーザ素子の性能等によって適宜調整することができる。高さ(図1(b)中、Y1参照)は、例えば、第1窒化物半導体層の膜厚の1/200程度から1倍程度、具体的には、100Å〜2μmが挙げられる。幅(図1(a)中、X1参照)は、例えば、リッジ幅と同程度〜素子幅と同程度とすることができ、なかでも、リッジ幅の1.0〜20倍程度、1.5〜6倍程度が適当である。具体的には、1〜50μmが挙げられる。共振器端面から素子の内側方向への奥行Z1(図1(b)中、Z1)は、例えば、共振器端面から少なくとも1.0μm程度の範囲内、あるいは共振器長の0.1〜3%程度で配置されていることが適当である。具体的には、1〜20μmが挙げられる。   The size is not particularly limited and can be appropriately adjusted depending on the composition of the active layer, the first and second nitride semiconductor layers, the performance of the laser element, and the like. The height (see Y1 in FIG. 1B) is, for example, about 1/200 to about 1 times the film thickness of the first nitride semiconductor layer, specifically, 100 to 2 μm. The width (refer to X1 in FIG. 1A) can be, for example, about the same as the ridge width to about the same as the element width, and in particular, about 1.0 to 20 times the ridge width, 1.5 About 6 times is appropriate. Specifically, 1-50 micrometers is mentioned. The depth Z1 (Z1 in FIG. 1B) from the resonator end face to the inside of the element is, for example, within a range of at least about 1.0 μm from the resonator end face, or 0.1 to 3% of the resonator length. It is appropriate that they are arranged in a degree. Specifically, 1-20 micrometers is mentioned.

第2の不純物含有領域32は、第2窒化物半導体層13内にのみ形成されることが好ましく、さらに、活性層12から2000Å程度以上離間して形成されていることが好ましい。格子定数を変動させる不純物が、活性層まで到達して、活性層本来の機能を阻害させないためである。   The second impurity-containing region 32 is preferably formed only in the second nitride semiconductor layer 13, and is preferably formed at a distance of about 2000 mm or more from the active layer 12. This is because impurities that change the lattice constant reach the active layer and do not inhibit the original function of the active layer.

この領域の形状及び大きさは、実質的に第1の不純物領域31と同様のものが挙げられるが、特に、積層方向における高さY2は100Å〜1μm程度、幅X2は1〜50μm程度、共振器端面から素子の内側方向への奥行Z2は1〜20μm程度の範囲とすることが好ましい。なお、第2の不純物含有領域32は、第2窒化物半導体層13の表面に及んでいてもよいし、第2窒化物半導体層13の表面から離間した位置に配置されていてもよい。この領域が第2窒化物半導体層13の表面に形成される場合には、さらに、p電極の端面における窒化物半導体層とのショートを有効に防止することができるとともに、窒化物半導体層表面からの共振器端面への電流の流れを確実に防止することができる。 The shape and size of this region can be substantially the same as those of the first impurity region 31. In particular, the height Y 2 in the stacking direction is about 100 μm to 1 μm, and the width X 2 is about 1 to 50 μm. The depth Z 2 from the resonator end face to the inside of the element is preferably in the range of about 1 to 20 μm. The second impurity-containing region 32 may reach the surface of the second nitride semiconductor layer 13 or may be disposed at a position separated from the surface of the second nitride semiconductor layer 13. When this region is formed on the surface of second nitride semiconductor layer 13, it is possible to effectively prevent a short circuit with the nitride semiconductor layer at the end face of the p-electrode, and from the surface of the nitride semiconductor layer. It is possible to reliably prevent the flow of current to the resonator end face.

これら第1及び/又は第2の不純物含有領域31、32では、不純物の濃度のピーク位置が、第1窒化物半導体層及び/又は第2窒化物半導体層内に存在することが好ましい。不純物の濃度のピーク位置、言い換えれば格子定数を最も変化させた領域を第1窒化物半導体層及び/又は第2窒化物半導体層に形成することによって、活性層の格子定数を実質的に変化させず、図2のように活性層と誘電体膜との密着性を維持した状態で、第1窒化物半導体層又は第2窒化物半導体層と誘電体膜との密着性を低下させることで、相対的に、窒化物半導体層と誘電体膜との応力を緩和させることができるからである。この場合、不純物の濃度の水平方向(各半導体層の面内方向)におけるピーク位置は、共振器端面又はその近傍であることが好ましい。従って、不純物含有領域を構成する不純物濃度は、共振器端面側で最大となり、素子の内側にいくにつれて徐々に低減し、上述した所定の端面からの距離よりも内側では、ほぼ無くなる。また、素子の幅方向では、光の出射領域又はその近傍の積層方向線上に存在することが好ましい。   In the first and / or second impurity-containing regions 31 and 32, it is preferable that the peak position of the impurity concentration exists in the first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer. By forming the peak position of the impurity concentration, in other words, the region where the lattice constant is changed most in the first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer, the lattice constant of the active layer is substantially changed. First, while maintaining the adhesion between the active layer and the dielectric film as shown in FIG. 2, by reducing the adhesion between the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer and the dielectric film, This is because the stress between the nitride semiconductor layer and the dielectric film can be relaxed relatively. In this case, the peak position of the impurity concentration in the horizontal direction (in-plane direction of each semiconductor layer) is preferably at or near the resonator end face. Therefore, the impurity concentration constituting the impurity-containing region is maximized on the resonator end face side, gradually decreases toward the inside of the element, and almost disappears on the inside of the distance from the predetermined end face described above. Further, in the width direction of the element, it is preferably present on the light emitting region or on the stacking direction line in the vicinity thereof.

不純物の濃度は、窒化物半導体層の積層方向に、ピーク位置を基準にして非対称な濃度分布を有していることが好ましい。特に、第1窒化物半導体層側では、ピーク位置を基準として基板側への減衰率よりも活性層側への減衰率が高いことが好ましい。これによって意図しない不純物が活性層まで拡散することを効果的に抑制することができる。   The impurity concentration preferably has an asymmetric concentration distribution with respect to the peak position in the nitride semiconductor layer stacking direction. In particular, on the first nitride semiconductor layer side, it is preferable that the attenuation rate toward the active layer side is higher than the attenuation rate toward the substrate side with respect to the peak position. This effectively suppresses diffusion of unintended impurities to the active layer.

第1及び/又は第2の不純物含有領域は、不純物が導入された領域であって、その領域の格子定数が変化した領域である。つまり、各窒化物半導体層の面内方向において、この不純物含有領域でない領域と比べて、格子定数が大きくなった領域である。第1及び/又は第2の不純物含有領域では、不純物を導入(例えば、イオン注入などで)することによって、結晶系が部分的に破壊されていてもよいし、さらに部分的に回復されていてもよい。また、第1窒化物半導体層及び/又は第2窒化物半導体層が、それぞれ積層構造で形成されている場合には、第1及び/又は第2の不純物含有領域において、それら積層構造における各構成元素が混合された状態となり、第1窒化物半導体層及び/又は第2窒化物半導体層が成膜された直後の又は不純物が含有されてない面内方向の他の領域の完全な結晶系における組成と異なる組成を有する領域となっている場合がある。例えば、第1窒化物半導体層の同一層内において、不純物を含有しない領域と第1の不純物の含有領域31との格子定数の差異は、0.0002Å程度以上、さらに0.001Å程度以上が適当である。また、第2窒化物半導体層の同一層内において、不純物を含有しない領域と第2の不純物の含有領域32との格子定数の差異は、0.0002Å程度以上、さらに0.001Å程度以上が適当である。   The first and / or second impurity-containing region is a region into which an impurity is introduced, and the lattice constant of the region is changed. That is, in the in-plane direction of each nitride semiconductor layer, this is a region having a larger lattice constant than a region that is not the impurity-containing region. In the first and / or second impurity-containing region, the crystal system may be partially destroyed or further partially recovered by introducing impurities (for example, by ion implantation). Also good. Further, in the case where the first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer are each formed in a stacked structure, each configuration in the stacked structure in the first and / or second impurity-containing region. In the complete crystal system of the other region in the in-plane direction immediately after the first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer is formed or in which no impurities are contained There may be a region having a composition different from the composition. For example, in the same layer of the first nitride semiconductor layer, the difference in lattice constant between the region containing no impurities and the first impurity containing region 31 is about 0.0002 mm or more, more preferably about 0.001 mm or more. It is. Further, in the same layer of the second nitride semiconductor layer, the difference in lattice constant between the impurity-free region and the second impurity-containing region 32 is about 0.0002 mm or more, more preferably about 0.001 mm or more. It is.

第1及び/又は第2の不純物含有領域は、イオン注入又は拡散等により形成することができる。この場合、不純物が、例えば、1×1015〜1×1023/cm3程度、好ましくは、1018/cm3〜1021/cm3の濃度で分布している。これらの不純物の種類、濃度等によって、上述したように、適当な格子定数(結晶系)の変化を与えることができる。不純物含有領域が、第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層の双方に形成されている場合には、両者の不純物の濃度のピークが同等でもよいし、いずれかが大きくてもよい。例えば、イオン注入で、第1窒化物半導体層に第1の不純物含有領域を形成する場合には、活性層を形成する前に、イオン注入することが好ましい。また、第2窒化物半導体層に第2の不純物含有領域を形成する場合には、活性層には至らないように、イオン注入することが好ましい。つまり、半導体層を構成する元素と同一の元素が共振器端面の全面にイオン注入されて、全面に不純物を含有するような場合には、その共振器端面上に同一の元素を含む誘電体膜を被覆すると、応力が強すぎて誘電体膜が剥がれたり、破壊されることがある。一方、本発明のように、全面に不純物を含有させない場合、光の出射領域である活性層及びその近傍にイオン注入しないために、共振器端面において、誘電体膜と第1及び/又は第2の不純物含有領域との位置、窒化物半導体層における第1及び/又は第2の不純物含有領域の位置関係、ピーク位置、対称/非対称関係等によって、誘電体膜と光出射領域の窒化物半導体層との密着性の向上及び不純物含有領域における誘電体膜と窒化物半導体層との界面での応力緩和の双方を調節することが可能になる。 The first and / or second impurity-containing region can be formed by ion implantation or diffusion. In this case, the impurities are distributed at a concentration of, for example, about 1 × 10 15 to 1 × 10 23 / cm 3 , preferably 10 18 / cm 3 to 10 21 / cm 3 . As described above, an appropriate change in lattice constant (crystal system) can be given depending on the type and concentration of these impurities. In the case where the impurity-containing region is formed in both the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, the concentration peaks of both impurities may be equal, or one of them may be large. For example, when the first impurity-containing region is formed in the first nitride semiconductor layer by ion implantation, it is preferable to perform ion implantation before forming the active layer. In addition, when the second impurity-containing region is formed in the second nitride semiconductor layer, it is preferable to perform ion implantation so as not to reach the active layer. That is, in the case where the same element as the element constituting the semiconductor layer is ion-implanted over the entire face of the resonator and contains impurities, the dielectric film containing the same element on the face of the resonator When the film is coated, the stress is too strong and the dielectric film may be peeled off or destroyed. On the other hand, in the case where impurities are not included in the entire surface as in the present invention, the dielectric film and the first and / or second are formed at the resonator end face in order not to perform ion implantation in the active layer which is the light emission region and in the vicinity thereof. The nitride semiconductor layer in the light emitting region and the dielectric film according to the position of the impurity containing region, the positional relationship of the first and / or second impurity containing regions in the nitride semiconductor layer, the peak position, the symmetric / asymmetric relationship, etc. Thus, it is possible to adjust both the improvement of the adhesiveness and the stress relaxation at the interface between the dielectric film and the nitride semiconductor layer in the impurity-containing region.

なお、不純物含有領域では、通常、後述するように、第1窒化物半導体層及び第2窒化物半導体層が所定の機能を果たすために、本来n型又はp型の導電性を示す不純物が含有されているが、不純物含有領域を形成する不純物は、そのような導電性付与のための不純物とは上述したように機能的に異なるものである。   Note that, in the impurity-containing region, as will be described later, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer usually contain impurities that originally exhibit n-type or p-type conductivity in order to perform a predetermined function. However, the impurities forming the impurity-containing region are functionally different from the impurities for imparting conductivity as described above.

さらに、この窒化物半導体レーザ素子は、図1(b)に示すように、互いに対向する共振器端面30の光出力側において、この共振器端面30を被覆するように、誘電体膜44が形成されていることが好ましい。この誘電体膜44は、光出射側端面の反対側であるモニター側の共振器端面を被覆していてもよい。   Further, as shown in FIG. 1B, in this nitride semiconductor laser element, a dielectric film 44 is formed so as to cover the resonator end face 30 on the light output side of the resonator end faces 30 facing each other. It is preferable that The dielectric film 44 may cover the end face of the resonator on the monitor side opposite to the end face on the light emission side.

誘電体膜44は、誘電体膜44を構成する少なくとも1つの元素が、後述する窒化物半導体層を構成する1つの元素と同一のものとする。誘電体膜44及び窒化物半導体層の双方に含まれる構成元素としては、窒素であることが好ましい。誘電体膜44が、窒化物半導体層の主構成元素である窒素を含有することにより、窒化物半導体層と誘電体膜との密着性を向上させることができる。さらに、両者は、アルミニウム、インジウム、ガリウムからなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。これによって、より窒化物半導体層と誘電体膜との密着性を向上させることができる。具体的には、誘電体膜41は、Al2 3 、Ga2 3、In2 3等の酸化膜、AlN、GaN、InN等の窒化膜、AlON、GaON、InON等の酸窒化膜等が挙げられる。なかでも、アルミニウムの酸化膜、窒化膜、酸窒化膜が好ましい。 In the dielectric film 44, at least one element constituting the dielectric film 44 is the same as one element constituting a nitride semiconductor layer described later. The constituent element contained in both the dielectric film 44 and the nitride semiconductor layer is preferably nitrogen. When the dielectric film 44 contains nitrogen which is a main constituent element of the nitride semiconductor layer, the adhesion between the nitride semiconductor layer and the dielectric film can be improved. Furthermore, both preferably include at least one selected from the group consisting of aluminum, indium, and gallium. Thereby, the adhesion between the nitride semiconductor layer and the dielectric film can be further improved. Specifically, the dielectric film 41 includes an oxide film such as Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 and In 2 O 3 , a nitride film such as AlN, GaN and InN, and an oxynitride film such as AlON, GaON and InON. Etc. Among these, an aluminum oxide film, a nitride film, and an oxynitride film are preferable.

なお、この誘電体膜44は、必ずしも単層構造でなくてもよく、レーザ光に対する屈折率が互いに異なる少なくとも2種の膜が、所定のペア数で積層させて構成されていてもよい。例えば、光の出射領域側から順に、レーザ光に対して第1の屈折率を有する第1膜と、それよりも屈折率が相対的に低い第2の屈折率を有する第2膜とを積層することができる。この場合、使用する透光性膜の材質に応じて、第1膜と第2膜とからなるペアが1ペア又は1.5〜10.5ペア積層することが適当である。積層構造を用いる場合には、各膜の界面でレーザ光の反射と透過とを繰り返すので、積層数を増すほど反射率が100%に近づく。誘電体膜41は、例えば、光出射側において、反射率が75%以下、さらに60%以下、20%以下となるように構成することが好ましい。また、モニター側において、反射率が75%以上、さらに85%以上、90%以上となるように構成することが好ましい。各膜は、それぞれの内部におけるレーザ光波長のm/4n(n:屈折率、m:奇数)の厚さを有していることが適当である。これにより、光出射側の共振器端面の光学損傷を保護することができ、発光出力の劣化、寿命を改善することができる。積層構造の場合には、少なくとも、窒化物半導体層に接触する膜が上記した材料で形成されていることが好ましく、それ以外の膜は、例えば、Al2 3 、SiO2、ZrO2、TiO2、Nb2 5 、Ta2 5 、Ga2 3、In2 3、HfOx等の酸化膜、AlN、SiN、InN等の窒化膜、AlON、SiON、ZrON、TiON、NbON、TaON、GaON、InON、HfON等の酸窒化膜等のいずれであってもよい。 The dielectric film 44 does not necessarily have a single layer structure, and may be configured by laminating at least two kinds of films having different refractive indexes with respect to the laser beam in a predetermined number of pairs. For example, a first film having a first refractive index with respect to laser light and a second film having a second refractive index relatively lower than that are stacked in order from the light emission region side. can do. In this case, it is appropriate that one pair or 1.5 to 10.5 pairs of the first film and the second film are laminated depending on the material of the translucent film to be used. In the case of using a laminated structure, reflection and transmission of laser light are repeated at the interface of each film, so that the reflectance approaches 100% as the number of laminated layers increases. For example, the dielectric film 41 is preferably configured to have a reflectance of 75% or less, further 60% or less, or 20% or less on the light emitting side. Further, on the monitor side, it is preferable that the reflectance be 75% or more, further 85% or more, 90% or more. It is appropriate that each film has a thickness of m / 4n (n: refractive index, m: odd number) of the laser light wavelength inside each film. Thereby, the optical damage of the resonator end face on the light emitting side can be protected, and the deterioration and life of the light emission output can be improved. In the case of the laminated structure, it is preferable that at least the film in contact with the nitride semiconductor layer is formed of the above-described material, and other films are, for example, Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , oxide film such as Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , HfO x , nitride film such as AlN, SiN, InN, AlON, SiON, ZrON, TiON, NbON, TaON Any of oxynitride films such as GaON, InON, and HfON may be used.

特に、窒化物半導体層がGaNの場合には、誘電体膜として、AlNによる膜を薄膜状に被覆したとしても、通常は、応力によりクラックが入り易い。しかし、本発明では、光の出射領域の上方及び/又は下方に不純物含有領域が形成されているために、不純物含有領域において窒化物半導体層の格子定数が大きくなり、共振器端面と誘電体膜との間の応力が緩和され、厚膜でもクラックが入らずに誘電体膜を形成することができ、光出射領域において密着性の良好な膜を形成することができる。しかも、GaNは、光のエネルギーが高く、熱がこもり易くなり、一般に、誘電体膜との界面を十分に安定させることが困難であるが、共振器端面の光の出力領域の上方及び/又は下方にイオンの含有領域が形成され、不純物含有領域において窒化物半導体層の格子定数が大きくなっているため、図4のように相対的に光出力領域の誘電体膜を共振器端面に密着させることができ、共振器端面の光出力領域においての光の吸収を防止して発熱を抑制することができる。   In particular, when the nitride semiconductor layer is GaN, even if a film made of AlN is covered as a thin film as a dielectric film, it is usually easy to crack due to stress. However, in the present invention, since the impurity-containing region is formed above and / or below the light emitting region, the lattice constant of the nitride semiconductor layer increases in the impurity-containing region, and the resonator end face and the dielectric film The dielectric film can be formed without cracking even with a thick film, and a film with good adhesion can be formed in the light emitting region. In addition, GaN has high light energy and tends to accumulate heat. Generally, it is difficult to sufficiently stabilize the interface with the dielectric film, but the light output region above the resonator end face and / or Since an ion-containing region is formed below and the lattice constant of the nitride semiconductor layer is large in the impurity-containing region, the dielectric film in the light output region is relatively closely attached to the resonator end face as shown in FIG. It is possible to suppress heat generation by suppressing light absorption in the light output region of the resonator end face.

なお、窒化物半導体レーザ素子の連続駆動を実現するためには、窒化物半導体層と誘電体膜との密着性を向上させるのみならず、上述したように、窒化物半導体層と誘電体膜との界面で生じる応力をより緩和させることも重要である。   In order to realize continuous driving of the nitride semiconductor laser element, not only the adhesion between the nitride semiconductor layer and the dielectric film is improved, but also, as described above, the nitride semiconductor layer and the dielectric film It is also important to further relax the stress generated at the interface.

以下に本発明の窒化物半導体レーザ素子について説明する。
本発明の窒化物半導体レーザ素子を構成する基板は、絶縁性基板であってもよいし、導電性基板であってもよい。絶縁性基板の場合には、窒化物半導体層の一部を厚さ方向に除去して、n型半導体層に接触するようにn電極が形成されていてもよい。
The nitride semiconductor laser device of the present invention will be described below.
The substrate constituting the nitride semiconductor laser element of the present invention may be an insulating substrate or a conductive substrate. In the case of an insulating substrate, a part of the nitride semiconductor layer may be removed in the thickness direction, and an n-electrode may be formed so as to contact the n-type semiconductor layer.

窒化物半導体層としては、一般式InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)のものを用いることができる。また、これに加えて、III族元素としてBが一部に置換されたものを用いてもよいし、V族元素としてNの一部をP、Asで置換されたものを用いてもよい。n型半導体層は、n型不純物として、Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、CdなどのIV族元素又はVI族元素等のいずれか1つ以上を含有している。また、p型半導体層は、p型不純物として、Mg、Zn、Be、Mn、Ca、Sr等を含有している。不純物は、例えば、1×1016〜1×1021/cm3程度の濃度範囲で含有されていることが好ましい。 As the nitride semiconductor layer, can be used of the general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1). In addition to this, a group III element partially substituted with B may be used, or a group V element partially substituted with P and As may be used. The n-type semiconductor layer contains at least one of group IV elements such as Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr, and Cd, group VI elements, and the like as n-type impurities. The p-type semiconductor layer contains Mg, Zn, Be, Mn, Ca, Sr, etc. as p-type impurities. The impurities are preferably contained in a concentration range of about 1 × 10 16 to 1 × 10 21 / cm 3 , for example.

活性層は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。
窒化物半導体層は、n型半導体層とp型半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造とすることが好ましい。但し、本発明は、これらの構造に限定されるものではない。
The active layer may have either a multiple quantum well structure or a single quantum well structure.
The nitride semiconductor layer has a light guide layer that constitutes an optical waveguide in an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and thus has an SCH (Separate Confinement Heterostructure) structure that is a separated light confinement structure with an active layer interposed therebetween. It is preferable that However, the present invention is not limited to these structures.

なお、本出願において光出射領域とは、レーザ光が出力される領域であり、窒化物半導体層としては少なくとも井戸層を含む領域であり、活性層を含む領域である場合もある。また、SCH構造の窒化物半導体レーザ素子の場合は光ガイド層を含む領域である。   In the present application, the light emitting region is a region where laser light is output, and the nitride semiconductor layer is a region including at least a well layer and may be a region including an active layer. In the case of a nitride semiconductor laser element having an SCH structure, the region includes an optical guide layer.

前記窒化物半導体層の成長方法は、特に限定されないが、MOVPE(有機金属気相成長法)、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)など、窒化物半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、MOCVDは結晶性良く成長させることができるので好ましい。   The growth method of the nitride semiconductor layer is not particularly limited, but MOVPE (metal organic chemical vapor deposition), MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy). Any method known as a method for growing a nitride semiconductor can be suitably used. In particular, MOCVD is preferable because it can be grown with good crystallinity.

また、窒化物半導体層、例えば、p型半導体層の表面には、リッジが形成されている。リッジは、導波路領域として機能するものであり、その幅は1.0μm〜30.0μm程度、さらに、1.0μm〜3.0μm程度が好ましい。その高さ(エッチングの深さ)は、p型半導体層を構成する層の膜厚、材料等によって適宜調整することができ、例えば、0.1〜2μmが挙げられる。なお、リッジは、共振器方向の長さが100μm〜1000μm程度になるように設定することが好ましい。また、共振器方向においてすべて同じ幅でなくてもよいし、その側面が垂直であっても、テーパー状であってもよい。この場合のテーパー角は45°〜90°程度が適当である。   A ridge is formed on the surface of the nitride semiconductor layer, for example, a p-type semiconductor layer. The ridge functions as a waveguide region, and the width is preferably about 1.0 μm to 30.0 μm, and more preferably about 1.0 μm to 3.0 μm. The height (etching depth) can be appropriately adjusted depending on the film thickness, material, and the like of the layer constituting the p-type semiconductor layer, and examples thereof include 0.1 to 2 μm. The ridge is preferably set so that the length in the resonator direction is about 100 μm to 1000 μm. Further, they may not all have the same width in the resonator direction, and the side surfaces thereof may be vertical or tapered. The taper angle in this case is suitably about 45 ° to 90 °.

第2窒化物半導体層表面に形成された電極は、例えば、p電極とすることが適当である。この電極及び任意に第1窒化物半導体層に形成された電極(n電極)は、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム、ITO等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、500〜5000Å程度が適当である。電極は、少なくともp型及びn型半導体層又は基板とにそれぞれ電気的に接続するように形成していればよい。さらにこの電極上にパッド電極等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。   The electrode formed on the surface of the second nitride semiconductor layer is suitably a p-electrode, for example. This electrode and optionally an electrode (n electrode) formed on the first nitride semiconductor layer are palladium, platinum, nickel, gold, titanium, tungsten, copper, silver, zinc, tin, indium, aluminum, iridium, rhodium, It can be formed of a single layer film or a laminated film of a metal such as ITO or an alloy. The film thickness of the electrode can be appropriately adjusted depending on the material used, and for example, about 500 to 5000 mm is appropriate. The electrode may be formed so as to be electrically connected to at least the p-type and n-type semiconductor layers or the substrate. Further, one or a plurality of conductive layers such as a pad electrode may be formed on this electrode.

特にp電極は、リッジと電気的に接続されており、光の出力領域側におけるp電極の端面が光の出力領域側の共振器端面よりも素子の内側に配置されていれば、その形状は特に限定されないが、通常、リッジの幅よりも幅広で、リッジの延設方向に沿って形成されている。なお、電極は、窒化物半導体層が四角形等で形成されていれば、一般に同様の形状で形成されている。つまり、電極端面は、共振器端面のそれぞれと平行又は略平行(面一を含む)に配置されている(ただし、電極端面が共振器端面とは必ずしも平行又は略平行に配置していなくてもよい)。従って、電極は、全ての端面が素子の内側に配置されていることが適している。電極端面と光の出力領域側の共振器端面との距離は、窒化物半導体レーザ素子のサイズによるが、例えば、0.1μm以上、さらに1.0μm以上、好ましくは2.0〜3.0μm程度が適している。これにより、光の出射領域側の共振器端面近傍への電流注入を低減させることができるとともに、共振器端面近傍での電極による光の吸収を防止することができるために、この付近での発熱を低減させることができる。また、電極は、特に光の出射領域側の共振器端面近傍において、素子の内側よりも、幅狭となっていることが好ましい。これにより、上述した効果をより効率的に発揮させることができる。電極は、例えば、共振器端面側で、内側の幅に対して10〜90%程度とすることができる。   In particular, if the p-electrode is electrically connected to the ridge, and the end face of the p-electrode on the light output region side is arranged inside the element with respect to the resonator end face on the light output region side, the shape is Although not particularly limited, it is usually wider than the width of the ridge and formed along the extending direction of the ridge. The electrode is generally formed in the same shape as long as the nitride semiconductor layer is formed in a square shape or the like. That is, the electrode end faces are arranged in parallel or substantially in parallel (including the same plane) with each of the resonator end faces (however, the electrode end faces are not necessarily arranged in parallel or substantially in parallel with the resonator end faces). Good). Therefore, it is suitable that all end faces of the electrode are disposed inside the element. The distance between the electrode end face and the resonator end face on the light output region side depends on the size of the nitride semiconductor laser element, but is, for example, 0.1 μm or more, further 1.0 μm or more, preferably about 2.0 to 3.0 μm. Is suitable. As a result, current injection into the vicinity of the resonator end face on the light emission region side can be reduced and light absorption by the electrode in the vicinity of the resonator end face can be prevented. Can be reduced. The electrode is preferably narrower than the inside of the element, particularly in the vicinity of the resonator end face on the light emission region side. Thereby, the effect mentioned above can be exhibited more efficiently. For example, the electrode may be about 10 to 90% of the inner width on the resonator end face side.

本発明の窒化物半導体レーザ素子においては、リッジ側面から第2窒化物半導体層表面にわたって、第1の保護膜が形成されていることが好ましい。第1の保護膜は、例えば、窒化物半導体層よりも屈折率が小さな絶縁材料によって形成することが好ましい。具体的には、Zr、Si、V、Nb、Hf、Ta、Al等の酸化物及び窒化物等の単層又は複数層が挙げられる。このように、リッジの側面から、リッジの両側の窒化物半導体表面にわたって第1の保護膜が形成されていることにより、窒化物半導体層、特にp型半導体層に対する屈折率差を確保して、活性層からの光の漏れを制御することができ、リッジ内に効率的に光閉じ込めができるとともに、リッジ基底部近傍における絶縁性をより確保することができ、リーク電流の発生を回避することができる。なお、第1の保護膜の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、100Å〜20000Å程度、好ましくは100Å〜5000Åとすることが適当である。   In the nitride semiconductor laser device of the present invention, it is preferable that the first protective film is formed from the ridge side surface to the second nitride semiconductor layer surface. For example, the first protective film is preferably formed of an insulating material having a refractive index smaller than that of the nitride semiconductor layer. Specifically, a single layer or a plurality of layers such as oxides and nitrides such as Zr, Si, V, Nb, Hf, Ta, and Al can be given. Thus, by forming the first protective film from the side surface of the ridge to the nitride semiconductor surface on both sides of the ridge, a refractive index difference with respect to the nitride semiconductor layer, particularly the p-type semiconductor layer, is ensured. Light leakage from the active layer can be controlled, light can be confined efficiently in the ridge, insulation in the vicinity of the ridge base can be further secured, and generation of leakage current can be avoided. it can. The film thickness of the first protective film is not particularly limited, but for example, it is appropriate to set the thickness to about 100 to 20000 mm, preferably 100 to 5000 mm.

第1の保護膜上には、第2の保護膜が形成されていることが好ましい。第2の保護膜は、少なくとも窒化物半導体層表面において第1保護膜上に配置していればよく、第1保護膜を介して又は介さないで、窒化物半導体層の側面及び/又は基板の側面又は表面等をさらに被覆していることが好ましい。第2の保護膜は、第1の保護膜と同様の材料で形成することができる。これにより、絶縁性のみならず、露出した側面又は表面等を確実に保護することができる。   A second protective film is preferably formed on the first protective film. The second protective film only needs to be disposed on the first protective film at least on the surface of the nitride semiconductor layer, and the side surface of the nitride semiconductor layer and / or the substrate is not interposed through or through the first protective film. It is preferable that the side surface or the surface is further coated. The second protective film can be formed using the same material as the first protective film. As a result, not only the insulating properties but also the exposed side surfaces or surfaces can be reliably protected.

また、本発明の窒化物半導体レーザ素子では、第2窒化物半導体層上であって、共振器端面から電極端面にわたって、絶縁膜が形成されていることが好ましい。絶縁膜は、上述した第1及び第2の保護膜として例示したものと同様のものを用いることができる。膜厚は、特に限定されるものではなく、絶縁膜の種類、レーザ素子の特性等によって適宜調整することができる。絶縁膜は、その端部が共振器端面と一致することが好ましく、素子内側の端部は、電極端部と一致していてもよいし、電極の下方に回りこんでいてもよい。これにより、電極端部における第2窒化物半導体層とのショートを防止することができる。   In the nitride semiconductor laser device of the present invention, it is preferable that an insulating film is formed on the second nitride semiconductor layer from the cavity end face to the electrode end face. As the insulating film, the same materials as those exemplified as the first and second protective films described above can be used. The film thickness is not particularly limited and can be appropriately adjusted depending on the type of insulating film, the characteristics of the laser element, and the like. It is preferable that the end portion of the insulating film coincides with the end face of the resonator, and the end portion inside the element may coincide with the electrode end portion or may wrap around below the electrode. Thereby, a short circuit with the second nitride semiconductor layer at the electrode end can be prevented.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、リッジ構造のレーザ素子に限定されるものではなく、半導体層中に電流狭窄機能を有する層(例えば、光導波路領域に開口部を有し、AlN等からなる層)を設けて電流を狭窄する電流狭窄構造のレーザ素子であってもよい。   The nitride semiconductor laser device of the present invention is not limited to a ridge structure laser device, and is a layer having a current confinement function in a semiconductor layer (for example, an opening in an optical waveguide region and made of AlN or the like). A laser element having a current confinement structure in which a current is confined by providing a layer may be used.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、例えば、以下の製造方法によって製造することができる。
まず、基板上に窒化物半導体層を形成する。基板としては、例えば、第1主面及び/又は第2主面に0°〜10°程度のオフ角を有する窒化物半導体基板とすることができる。その膜厚は50μm〜10mm程度、好ましくは100〜1000μm程度である。窒化物半導体基板は、MOCVD法、HVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。市販のものを用いてもよい。
The nitride semiconductor laser device of the present invention can be manufactured, for example, by the following manufacturing method.
First, a nitride semiconductor layer is formed on a substrate. As the substrate, for example, a nitride semiconductor substrate having an off angle of about 0 ° to 10 ° on the first main surface and / or the second main surface can be used. The film thickness is about 50 μm to 10 mm, preferably about 100 to 1000 μm. The nitride semiconductor substrate can be formed by vapor phase growth methods such as MOCVD method, HVPE method, MBE method, hydrothermal synthesis method for crystal growth in a supercritical fluid, high pressure method, flux method, melting method and the like. A commercially available product may be used.

この窒化物半導体基板の第1主面上に、窒化物半導体層を成長させる。
窒化物半導体層は、例えば、n型半導体層、活性層、p型半導体層を、この順に、例えば、MOCVD法により、減圧〜大気圧の条件で成長させる。n型半導体層、p型半導体層は、単一膜構造、多層膜構造又は組成比が互いに異なる2層からなる超格子構造としてもよい。また、順序は逆転してもよい。
A nitride semiconductor layer is grown on the first main surface of the nitride semiconductor substrate.
As the nitride semiconductor layer, for example, an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer are grown in this order under a reduced pressure to atmospheric pressure condition, for example, by MOCVD. The n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer may have a single film structure, a multilayer film structure, or a superlattice structure including two layers having different composition ratios. Also, the order may be reversed.

n型半導体層は、多層膜で形成することが好ましい。例えば、第1のn型半導体層としてはAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)、好ましくはAlxGa1-xN(0<x≦0.3)である。具体的な成長条件としては、反応炉内での成長温度を1000℃以上、圧力を600Torr以下とする。また、第1のn型半導体層はクラッド層として機能させることができる。膜厚は0.5〜5μm程度が適当である。 The n-type semiconductor layer is preferably formed of a multilayer film. For example, the first n-type semiconductor layer is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5), preferably Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.3). As specific growth conditions, the growth temperature in the reactor is set to 1000 ° C. or higher and the pressure is set to 600 Torr or lower. The first n-type semiconductor layer can function as a cladding layer. A film thickness of about 0.5 to 5 μm is appropriate.

第2のn型半導体層は、光ガイド層として機能させることができ、AlxGa1-xN(0≦x≦0.3)によって形成することができる。膜厚は0.5〜5μmが適当である。
n型半導体層を形成した後、イオン注入のための保護層を形成する。ここでの保護層は、イオン注入後に、n型半導体層上から完全に除去することができる材料であれば、特に限定されるものではなく、絶縁体層、導電体層、金属層、半導体層等種々のものを形成することができる。なかでも、酸化シリコン層であることが好ましい。通常利用されるエッチングを適用して、n型半導体層等を損傷させることなく、完全かつ簡便に除去することができるからである。保護層の膜厚は、特に限定されるものではなく、用いるイオン種、ドーズ等によって適宜調整することができる。例えば、100Å〜10μm程度が挙げられる。
The second n-type semiconductor layer can function as a light guide layer and can be formed of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3). The film thickness is suitably 0.5-5 μm.
After forming the n-type semiconductor layer, a protective layer for ion implantation is formed. The protective layer here is not particularly limited as long as it is a material that can be completely removed from the n-type semiconductor layer after ion implantation, and is not limited to an insulator layer, a conductor layer, a metal layer, and a semiconductor layer. Etc. can be formed. Among these, a silicon oxide layer is preferable. This is because it can be completely and easily removed without damaging the n-type semiconductor layer or the like by applying etching that is normally used. The film thickness of the protective layer is not particularly limited, and can be appropriately adjusted depending on the ion species used, the dose, and the like. For example, about 100 to 10 μm can be mentioned.

例えば、図5(a)に示すように、保護層26は、所望の領域のみに、イオン27を貫通させて窒化物半導体層にイオンを注入することができる薄膜領域21を有し、その他の領域ではイオンを貫通させない厚膜領域22を有するものが挙げられる。また、図6(a)又は(b)に示すように、傾斜的又は段階的に膜厚が変化する保護層23、24であってもよいし、図7に示すように、傾斜的に膜厚が変化する保護層25であってもよい。この保護層の形状に対応して、不純物の含有領域の共振器面側から見た形状を変化させることができる(図5(b)の31c、図4(a)の31a、図4(b)の31b及び図7(b)の31d)。   For example, as shown in FIG. 5 (a), the protective layer 26 has a thin film region 21 that allows ions 27 to penetrate into the nitride semiconductor layer only in a desired region. Examples of the region include those having a thick film region 22 that does not allow ions to penetrate. Further, as shown in FIG. 6 (a) or (b), the protective layers 23 and 24 may change in thickness in a stepwise or stepwise manner, or as shown in FIG. The protective layer 25 may change in thickness. Corresponding to the shape of the protective layer, the shape of the impurity-containing region viewed from the resonator surface side can be changed (31c in FIG. 5B, 31a in FIG. 4A, FIG. 4B). ) 31b and FIG. 7B 31d).

保護層を形成した後、この保護層を介してn型半導体層に対してイオン注入を行う。イオン注入は、当該分野で公知の何れの方法によっても行うことができる。注入エネルギー及びドーズは、用いるイオン種、保護層の厚み等によって適宜調整することができる。例えば、上記のような条件で製造する半導体レーザ素子にイオン注入する場合では、注入エネルギーは10〜5000keV、特に、インジウムは10〜3000keV、砒素は10〜2000keV、リンは10〜1000keVとすることが好ましい。ドーズ量は1×1015〜1×1017ions/cm2程度が挙げられる。本発明はこの範囲には限られず、注入する領域や深さによって注入エネルギーは10keV〜10MeV程度、ドーズ量は1×1015〜1×1020ions/cm2程度など適宜調節することが可能である。 After forming the protective layer, ion implantation is performed on the n-type semiconductor layer through the protective layer. Ion implantation can be performed by any method known in the art. The implantation energy and dose can be appropriately adjusted depending on the ion species used, the thickness of the protective layer, and the like. For example, when ions are implanted into a semiconductor laser device manufactured under the above conditions, the implantation energy is 10 to 5000 keV, in particular, indium is 10 to 3000 keV, arsenic is 10 to 2000 keV, and phosphorus is 10 to 1000 keV. preferable. The dose amount is about 1 × 10 15 to 1 × 10 17 ions / cm 2 . The present invention is not limited to this range, and the implantation energy can be appropriately adjusted according to the implantation region and depth, such as about 10 keV to 10 MeV, and the dose amount about 1 × 10 15 to 1 × 10 20 ions / cm 2. is there.

また、複数回にわたってイオン注入することも可能であり、イオン注入と再成長を繰り返して不純物含有領域を形成してもよい。
イオン注入の後、n型半導体層の結晶回復のための熱処理を行うことが好ましい。熱処理は、公知の方法のいずれを利用してもよい。例えば、アンモニア及び/又は窒素雰囲気下、700〜1100℃程度の温度範囲で、5〜200分間程度行うことが適当である。
In addition, ion implantation can be performed a plurality of times, and the impurity-containing region may be formed by repeating ion implantation and regrowth.
After ion implantation, it is preferable to perform a heat treatment for crystal recovery of the n-type semiconductor layer. Any known method may be used for the heat treatment. For example, it is appropriate to carry out for about 5 to 200 minutes in a temperature range of about 700 to 1100 ° C. in an ammonia and / or nitrogen atmosphere.

その後、保護層を除去し、n型半導体層上に活性層及びp型半導体層を積層する。
活性層は、少なくともInを含有している一般式InxAlyGa1-x-yN(0<x≦1、0≦y<1、0<x+y≦1)を有することが好ましい。Al含有量を高くすることで紫外域の発光が可能となる。また、長波長側の発光も可能であり360nm〜580nmまでが発光可能となる。活性層を量子井戸構造で形成することにより、発光効率を向上させることができる。
Thereafter, the protective layer is removed, and an active layer and a p-type semiconductor layer are stacked on the n-type semiconductor layer.
The active layer preferably has a general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, 0 <x + y ≦ 1) containing at least In. Increasing the Al content enables emission in the ultraviolet region. Further, light emission on the long wavelength side is possible, and light emission from 360 nm to 580 nm can be performed. Luminous efficiency can be improved by forming the active layer with a quantum well structure.

続いて、p型半導体層を形成する。p型半導体層は、多層膜で形成することが好ましい。例えば、第1のp型半導体層としてp型不純物を含有したAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)を形成する。第1のp型半導体層161はp側電子閉じ込め層として機能する。第2のp型半導体層は、AlxGa1-xN(0≦x≦0.3)、第3のp型半導体層は、p型不純物を含有したAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)で形成することができる。第3のp型半導体層はGaNとAlGaNとからなる超格子構造であることが好ましく、クラッド層として機能する。第4のp型半導体層は、p型不純物を含有したAlxGa1-xN(0≦x≦1)で形成することができる。これらの半導体層にInを混晶させてもよい。なお、第1のp型半導体層、第2のp型半導体層は省略可能である。各層の膜厚は、30Å〜5μm程度が適当である。 Subsequently, a p-type semiconductor layer is formed. The p-type semiconductor layer is preferably formed of a multilayer film. For example, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5) containing a p-type impurity is formed as the first p-type semiconductor layer. The first p-type semiconductor layer 161 functions as a p-side electron confinement layer. The second p-type semiconductor layer is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3), and the third p-type semiconductor layer is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5). The third p-type semiconductor layer preferably has a superlattice structure made of GaN and AlGaN, and functions as a cladding layer. The fourth p-type semiconductor layer can be formed of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) containing p-type impurities. In these semiconductor layers, In may be mixed. Note that the first p-type semiconductor layer and the second p-type semiconductor layer can be omitted. The thickness of each layer is suitably about 30 mm to 5 μm.

p型半導体層を形成した後、上記と同様に、保護層を形成し、イオン注入を行う。
なお、イオン注入は、n型半導体層を完全に形成した後、活性層を形成する前、あるいはp型半導体層を完全に形成した後に必ずしも行う必要はなく、任意に、n型又はp型半導体層を構成する層を形成した後の何れに行ってもよい。
After forming the p-type semiconductor layer, a protective layer is formed and ion implantation is performed in the same manner as described above.
Note that the ion implantation is not necessarily performed after the n-type semiconductor layer is completely formed, before the active layer is formed, or after the p-type semiconductor layer is completely formed, and may optionally be an n-type or p-type semiconductor. It may be performed after any layer forming the layer is formed.

このように、n型又はp型半導体層を形成した後、あるいはn型又はp型半導体層の一部のみを形成した後、後述するように保護層を介してイオン種を注入することにより、所望の深さ(部位)に集中的にイオン種を注入することができ、保護層を除去することにより窒化物半導体層への不要なイオン種の注入を排除することができるため、素子を構成する窒化物半導体層における十分な結晶回復を図ることができる。   Thus, after forming the n-type or p-type semiconductor layer or forming only a part of the n-type or p-type semiconductor layer, ion species are implanted through the protective layer as will be described later. Since ion species can be intensively implanted at a desired depth (site), and unnecessary ion species can be eliminated from the nitride semiconductor layer by removing the protective layer. Sufficient crystal recovery in the nitride semiconductor layer can be achieved.

また、結晶回復のための熱処理は、n型又はp型半導体層を構成する層を形成する間の熱処理を利用してもよいし、いずれかの半導体層を形成した後に、別途熱処理を行ってもよい。   As the heat treatment for crystal recovery, heat treatment during the formation of the layers constituting the n-type or p-type semiconductor layer may be used, or after any semiconductor layer is formed, a separate heat treatment is performed. Also good.

続いて、任意に、窒化物半導体層をエッチングして、n型半導体層(例えば、第1のn型半導体層)を露出させることが好ましい。露出は、例えば、RIE法により、Cl2、CCl4、BCl3、SiCl4ガス等を用いて行うことができる。これによって、応力を緩和させることができる。また、このn型半導体層の露出の際に、ストライプ状の導波路領域に垂直な端面を露出するようにエッチングすることで、共振器面を同時に形成することもできる。ただし、共振器面の形成は、劈開によって、これとは別工程で行ってもよい。 Subsequently, optionally, the nitride semiconductor layer is preferably etched to expose the n-type semiconductor layer (for example, the first n-type semiconductor layer). The exposure can be performed using, for example, Cl 2 , CCl 4 , BCl 3 , SiCl 4 gas or the like by the RIE method. Thereby, stress can be relieved. In addition, when the n-type semiconductor layer is exposed, the resonator surface can be formed simultaneously by etching so as to expose the end face perpendicular to the striped waveguide region. However, the formation of the resonator surface may be performed in a separate process by cleavage.

次いで、窒化物半導体層上に第1のマスクパターンを形成して、マスクパターンを用いてエッチングすることによりリッジを形成する。
マスクパターンは、例えば、SiO2等の酸化膜、SiN等の窒化物を用いて、フォトリソグラフィ及びエッチング工程等の公知の方法を利用して、所望の形状に形成することができる。マスクパターンの膜厚は、リッジが形成された後に、リッジ上に残存する第1のマスクパターンが、後の工程でリフトオフ法により除去することができるような膜厚であることが適当である。例えば、0.1〜5.0μm程度が挙げられる。
Next, a first mask pattern is formed on the nitride semiconductor layer, and ridges are formed by etching using the mask pattern.
The mask pattern can be formed in a desired shape by using a known method such as photolithography and an etching process using an oxide film such as SiO 2 and a nitride such as SiN. The film thickness of the mask pattern is suitably such that the first mask pattern remaining on the ridge after the ridge is formed can be removed by a lift-off method in a later step. For example, about 0.1-5.0 micrometers is mentioned.

続いて、マスクパターン、リッジ形成後に露出している窒化物半導体層上に、第1の保護膜を形成する。第1の保護膜の形成方法は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。第1の保護膜の膜厚としては、100〜5000Å程度の膜厚で形成されるものが好ましい。その後にアニールして、p型半導体層を低抵抗化してもよい。この場合のアニール温度は500℃以上で行うことが好ましい。   Subsequently, a first protective film is formed on the nitride semiconductor layer exposed after forming the mask pattern and the ridge. The first protective film can be formed by a method known in the art. As the film thickness of the first protective film, a film formed with a film thickness of about 100 to 5000 mm is preferable. Thereafter, annealing may be performed to lower the resistance of the p-type semiconductor layer. In this case, the annealing temperature is preferably 500 ° C. or higher.

次に、マスクパターン上に存在する第1の保護膜と、マスクパターンとを除去する。これらの除去は、公知のドライ又はウェットエッチングにより行うことができる。
その後、リッジの表面に所望の形状のp電極を形成する。p電極を形成した後には、オーミックアニールを行うことが好ましい。例えば、窒素及び/又は酸素含有雰囲気下で、300℃以上、好ましくは500℃以上のアニール条件が適当である。
Next, the first protective film existing on the mask pattern and the mask pattern are removed. These removals can be performed by known dry or wet etching.
Thereafter, a p-electrode having a desired shape is formed on the surface of the ridge. It is preferable to perform ohmic annealing after the p-electrode is formed. For example, annealing conditions of 300 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher in a nitrogen and / or oxygen-containing atmosphere are appropriate.

次に、第1の保護膜の上に、第2の保護膜を形成してもよい。第2の保護膜は、当該分野で公知の方法により形成することができる。任意に、p電極の上にパッド電極を形成してもよい。パッド電極は、Ni、Ti、Au、Pt、Pd、W等の金属からなる積層体とすることが好ましい。   Next, a second protective film may be formed on the first protective film. The second protective film can be formed by a method known in the art. Optionally, a pad electrode may be formed on the p-electrode. The pad electrode is preferably a laminate made of a metal such as Ni, Ti, Au, Pt, Pd, or W.

また、窒化物半導体基板の第2主面に、部分的又は全面に、n電極を形成することが好ましい。例えば、基板側から、V(膜厚100Å)、Pt(膜厚2000Å)、Au(膜厚3000Å)を形成する。n電極は、例えば、スパッタ法、CVD、蒸着等で形成することができる。n電極の形成には、リフトオフ法を利用することが好ましく、n電極を形成した後、500℃以上でアニールを行うことが好ましい。さらに、n電極上に、メタライズ電極を形成してもよい。メタライズ電極は、例えば、Ti−Pt−Au−(Au/Sn)、Ti−Pt−Au−(Au/Si)、Ti−Pt−Au−(Au/Ge)、Ti−Pt−Au−In、Au/Sn、In、Au/Si、Au/Ge等により形成することができる。   Moreover, it is preferable to form an n-electrode on the second main surface of the nitride semiconductor substrate partially or entirely. For example, V (film thickness 100 mm), Pt (film thickness 2000 mm), and Au (film thickness 3000 mm) are formed from the substrate side. The n electrode can be formed by, for example, sputtering, CVD, vapor deposition, or the like. For forming the n-electrode, it is preferable to use a lift-off method, and after forming the n-electrode, it is preferable to anneal at 500 ° C. or higher. Further, a metallized electrode may be formed on the n electrode. The metallized electrodes are, for example, Ti—Pt—Au— (Au / Sn), Ti—Pt—Au— (Au / Si), Ti—Pt—Au— (Au / Ge), Ti—Pt—Au—In, It can be formed of Au / Sn, In, Au / Si, Au / Ge, or the like.

n電極を形成した後、ストライプ状のp電極に垂直な方向であって、窒化物半導体層の共振器端面を形成するために、ウェハをバー状に分割することが好ましい。ここで、共振器端面は、M面(1−100)又はA面(11−20)とする。共振器端面の形成は、劈開又はエッチングなど公知の方法を用いて行うことができる。   After forming the n-electrode, it is preferable to divide the wafer into bars in order to form a resonator end face of the nitride semiconductor layer in a direction perpendicular to the striped p-electrode. Here, the resonator end face is the M plane (1-100) or the A plane (11-20). The resonator end face can be formed using a known method such as cleavage or etching.

例えば、劈開により共振器端面を形成した場合には、比較的きれいな面の共振器端面とすることができ、その上に形成する誘電体膜の膜質を良好なものとすることができる。
また、エッチングにより共振器端面を形成し、得られた共振器端面に誘電体膜を形成し、その後に基板を別工程で分割した場合には、全面に誘電体膜を形成した場合と比較して、誘電体膜の面積が小さく、誘電体膜にかかる応力が小さいため、第1窒化物半導体層にだけ不純物含有領域を形成し、不純物含有領域を比較的小さくする、または格子定数の変化の小さい不純物を用いて不純物含有領域を形成しても、本発明の効果を容易に得ることができる。
For example, when the resonator end surface is formed by cleavage, the resonator end surface can be a relatively clean surface, and the film quality of the dielectric film formed thereon can be improved.
In addition, when the resonator end face is formed by etching, a dielectric film is formed on the obtained resonator end face, and then the substrate is divided in a separate process, compared to the case where the dielectric film is formed on the entire surface. Thus, since the area of the dielectric film is small and the stress applied to the dielectric film is small, the impurity-containing region is formed only in the first nitride semiconductor layer, and the impurity-containing region is relatively small, or the lattice constant is changed. Even if the impurity-containing region is formed using a small impurity, the effect of the present invention can be easily obtained.

なお、ウェハの分割工程は2段階で行ってもよい。この方法によって、共振器端面を歩留まりよく形成することができる。まず基板の第1主面側、又は第2主面側からエッチング等により予め劈開補助溝を形成する。該劈開補助溝はチップ化する素子の各四隅に形成する。これによって、劈開方向が屈曲することを抑制することができる。次に、ブレイカーによりウェハーをバー状に分割する。ウェハをバー状に分割する方法としては、ブレードブレイク、ローラーブレイク又はプレスブレイクがある。   The wafer dividing process may be performed in two stages. By this method, the resonator end face can be formed with high yield. First, a cleavage assist groove is formed in advance by etching or the like from the first main surface side or the second main surface side of the substrate. The cleavage assist grooves are formed at the four corners of the element to be chipped. Thereby, bending of the cleavage direction can be suppressed. Next, the wafer is divided into bars by a breaker. As a method for dividing the wafer into bars, there is a blade break, a roller break or a press break.

共振器端面を形成した後、誘電体膜を形成する。ただし、誘電体膜の形成は、チップ化した後に形成してもよい。誘電体膜は、公知の方法、例えば、スパッタ法、CVD法等により形成することができる。   After forming the resonator end face, a dielectric film is formed. However, the dielectric film may be formed after being formed into a chip. The dielectric film can be formed by a known method such as sputtering or CVD.

バー状となった窒化物半導体基板は、リッジのストライプ方向に平行に分割して、チップ化することができる。
このような製造方法は、上述したイオン注入に代えて、固相拡散等の拡散方法によって、共振器端面における所定の領域に不純物を導入してもよい。この場合には、基板10上に、第1窒化物半導体層としてn型半導体層11を形成した後、あるいはp型半導体層13を形成した後、所定の位置に、導入しようとする不純物を含有する膜(例えば、不純物が酸素原子の場合には、SiO2膜のような酸化膜)を形成し、上述したような条件で熱処理することにより、拡散により不純物の含有領域を形成することができる。
The nitride semiconductor substrate having a bar shape can be divided into chips in parallel with the stripe direction of the ridge.
In such a manufacturing method, impurities may be introduced into a predetermined region in the resonator end face by a diffusion method such as solid phase diffusion instead of the above-described ion implantation. In this case, after forming the n-type semiconductor layer 11 as the first nitride semiconductor layer or the p-type semiconductor layer 13 on the substrate 10, the impurity to be introduced is contained at a predetermined position. By forming a film (for example, an oxide film such as a SiO 2 film when the impurity is an oxygen atom) and performing a heat treatment under the above-described conditions, an impurity-containing region can be formed by diffusion. .

また、共振器端面を形成してから端面にマスクを形成し、その上から所望の領域に不純物を注入し、不純物含有領域を形成してもよい。
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
Alternatively, after forming the resonator end face, a mask may be formed on the end face, and an impurity may be implanted into a desired region from above to form an impurity-containing region.
Hereinafter, embodiments of the nitride semiconductor laser device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

実施例1
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、図1(a)に示したように、GaN基板10上に、n型半導体層11として、第1のn型半導体層(Si:8×1017/cm3〜3×1018/cm3ドープ、Al0.02Ga0.98N、膜厚3.5μm)、第2のn型半導体層(Si:2×1018/cm3〜1×1019/cm3ドープ、In0.06Ga0.94N、膜厚:0.15μm)、第3のn型半導体層(アンドープAl0.038Ga0.962N(25Å)とSi:8×1017/cm3〜3×1018/cm3ドープGaN(25Å)との総膜厚1.2μmの超格子層)、第4のn型半導体層(アンドープGaN、膜厚:0.17μm)が形成されている。
Example 1
As shown in FIG. 1A, the nitride semiconductor laser device of the present invention has a first n-type semiconductor layer (Si: 8 × 10 17 / cm) as an n-type semiconductor layer 11 on a GaN substrate 10. 3 to 3 × 10 18 / cm 3 doped, Al 0.02 Ga 0.98 N, film thickness 3.5 μm), second n-type semiconductor layer (Si: 2 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 doped , In 0.06 Ga 0.94 N, film thickness: 0.15 μm), third n-type semiconductor layer (undoped Al 0.038 Ga 0.962 N (25Å) and Si: 8 × 10 17 / cm 3 to 3 × 10 18 / cm 3 A superlattice layer having a total film thickness of 1.2 μm with doped GaN (25 μm) and a fourth n-type semiconductor layer (undoped GaN, film thickness: 0.17 μm) are formed.

その上に、SiドープIn0.02Ga0.98Nからなる障壁層(140Å)と、アンドープIn0.07Ga0.93Nからなる井戸層(70Å)とが2回交互に積層され、その上に障壁層が形成された、総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層12が形成されている。 On top of that, a barrier layer (140 Å) made of Si-doped In 0.02 Ga 0.98 N and a well layer (70 Å) made of undoped In 0.07 Ga 0.93 N are alternately laminated twice, and a barrier layer is formed thereon. An active layer 12 having a total quantum film thickness of 560 mm and having a multiple quantum well structure (MQW) is formed.

さらに、その上に、p型半導体層13として、第1のp型半導体層(Mg:1×1019/cm3〜1×1020/cm3ドープ、Al0.25Ga0.75N、100Å)と、第2のp側窒化物半導体層(アンドープGaN、0.15μm)と、第3のp型半導体層(アンドープAl0.10Ga0.90N(25Å)とMg:1.25×1019/cm3ドープGaN(25Å)との総膜厚0.45μmの超格子層)と、第4のp型半導体層(Mg:1×1020/cm3ドープ、GaN、150Å)とが形成されている。 Furthermore, as the p-type semiconductor layer 13 thereon, a first p-type semiconductor layer (Mg: 1 × 10 19 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 doped, Al 0.25 Ga 0.75 N, 100 と), Second p-side nitride semiconductor layer (undoped GaN, 0.15 μm), third p-type semiconductor layer (undoped Al 0.10 Ga 0.90 N (25 () and Mg: 1.25 × 10 19 / cm 3 doped GaN And a fourth p-type semiconductor layer (Mg: 1 × 10 20 / cm 3 doped, GaN, 150 Å).

窒化物半導体レーザ素子の光出射側の共振器端面には、第1の不純物含有領域31と第2の不純物含有領域32とが形成されている。この第1の不純物含有領域31は、図1(a)及び(b)に示したように、その幅X1は、リッジの下方を中心にn型半導体層11の全幅の略80%程度、奥行Z1は、共振器端面から2.5μm程度、その高さY1は0.3μmで配置されている。また、第2の不純物含有領域32は、その幅X2は、リッジの下方を中心にp型半導体層13の全幅の略60%程度、奥行Z2は、共振器端面から2.5μm程度、その高さY2は0.3μmで配置されている。 A first impurity-containing region 31 and a second impurity-containing region 32 are formed on the cavity facet on the light emitting side of the nitride semiconductor laser element. As shown in FIGS. 1A and 1B, the first impurity-containing region 31 has a width X1 of about 80% of the entire width of the n-type semiconductor layer 11 with the depth below the ridge as the center. Z 1 is arranged at about 2.5 μm from the resonator end face, and its height Y 1 is 0.3 μm. The second impurity-containing region 32 has a width X 2 of about 60% of the entire width of the p-type semiconductor layer 13 around the lower side of the ridge, and a depth Z 2 of about 2.5 μm from the resonator end face. The height Y 2 is arranged at 0.3 μm.

p型半導体層の表面には、リッジが形成されている。リッジ側面から、p型半導体層の表面にわたって、膜厚550ÅのZrO2からなる第1の保護膜15が形成されている。
また、第1の保護膜15の上には、Ni(100Å)−Au(1500Å)からなるp電極(図示せず)が形成されている。p電極の共振器面側端面の端部は、共振器面からD=2.5μm離間した内側に配置されている。さらに第2の保護膜(図示せず)を介して、Ni(1000Å)−Ti(1000Å)−Au(8000Å)からなるpパッド電極(図示せず)が形成されている。
A ridge is formed on the surface of the p-type semiconductor layer. A first protective film 15 made of ZrO 2 having a thickness of 550 mm is formed from the side surface of the ridge to the surface of the p-type semiconductor layer.
A p-electrode (not shown) made of Ni (100))-Au (1500Å) is formed on the first protective film 15. The end portion of the end surface on the resonator surface side of the p-electrode is disposed on the inner side of D = 2.5 μm away from the resonator surface. Further, a p-pad electrode (not shown) made of Ni (1000 Å) -Ti (1000 Å) -Au (8000 形成) is formed through a second protective film (not shown).

GaN基板10の裏面側には、Ti(100Å)−Al(5000Å)からなるn電極20が形成されている。
さらに、光出射側の共振器端面30には、図1(b)に示すように、誘電体膜44が形成されている。この誘電体膜44は、例えば、Al23により、膜厚120nmで形成されている。
On the back side of the GaN substrate 10, an n-electrode 20 made of Ti (100Å) -Al (5000Å) is formed.
Further, as shown in FIG. 1B, a dielectric film 44 is formed on the resonator end face 30 on the light emitting side. The dielectric film 44 is formed of Al 2 O 3 with a film thickness of 120 nm, for example.

この窒化物半導体レーザ素子は、以下の製造方法によって形成した。
上述した方法に従って、まず、GaN基板上に、第1〜第4のn型半導体層からなるn型半導体層11を形成する。
This nitride semiconductor laser device was formed by the following manufacturing method.
According to the method described above, first, an n-type semiconductor layer 11 composed of first to fourth n-type semiconductor layers is formed on a GaN substrate.

その後、n型半導体層11上全面に、レジスト層(膜厚:2μm)を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程によって、所定の領域のレジスト層を矩形状に除去する。得られたレジスト層上全面に、SiO2膜(膜厚:0.1μm)を形成する。これによって、図5(a)に示すように、イオンを注入することができる薄膜領域21を有し、その他の領域ではイオンを貫通させない厚膜領域22を有する保護層26を形成することができる。この保護層26の上方から、例えば、加速エネルギー300keV、ドーズ1×1016/cm2で、リンイオンを注入する。 Thereafter, a resist layer (film thickness: 2 μm) is formed on the entire surface of the n-type semiconductor layer 11, and the resist layer in a predetermined region is removed in a rectangular shape by photolithography and etching processes. A SiO 2 film (film thickness: 0.1 μm) is formed on the entire surface of the obtained resist layer. Thus, as shown in FIG. 5A, a protective layer 26 having a thin film region 21 into which ions can be implanted and a thick film region 22 that does not allow ions to penetrate in other regions can be formed. . For example, phosphorus ions are implanted from above the protective layer 26 at an acceleration energy of 300 keV and a dose of 1 × 10 16 / cm 2 .

次いで、図5(b)に示すように、保護層26を、ウェットエッチングによって除去する。
続いて、n型半導体層11上に、多重量子井戸構造の活性層、第1〜第4のp型半導体層を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, the protective layer 26 is removed by wet etching.
Subsequently, an active layer having a multiple quantum well structure and first to fourth p-type semiconductor layers are formed on the n-type semiconductor layer 11.

その後、p型半導体層13上全面に、上記と同様に保護層を形成し、この保護層の上方から、例えば、加速エネルギー300keV、ドーズ1×1016/cm2で、リンイオンを注入する。 Thereafter, a protective layer is formed on the entire surface of the p-type semiconductor layer 13 in the same manner as described above, and phosphorus ions are implanted from above the protective layer, for example, at an acceleration energy of 300 keV and a dose of 1 × 10 16 / cm 2 .

次いで、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、700℃以上の温度でアニールして、p型半導体層を低抵抗化する。この熱処理は、同時に、n型及びp型半導体層に形成された2つの不純物含有領域の結晶を回復させ、イオンが注入された部分の透明性を向上させる。   Next, in the reaction vessel, the wafer is annealed at a temperature of 700 ° C. or higher in a nitrogen atmosphere to reduce the resistance of the p-type semiconductor layer. This heat treatment simultaneously recovers the crystals of the two impurity-containing regions formed in the n-type and p-type semiconductor layers, and improves the transparency of the ion-implanted portion.

p型半導体層上に、SiO2からなる第1のマスクパターンを形成して、これを用いてエッチングすることによりリッジを形成する。
続いて、第1のマスクパターン、リッジ形成後に露出している窒化物半導体層上に、第1の保護膜を形成する。第1の保護膜の形成方法は、当該分野で公知の方法によって形成する。
A ridge is formed by forming a first mask pattern made of SiO 2 on the p-type semiconductor layer and etching the first mask pattern.
Subsequently, a first protective film is formed on the nitride semiconductor layer exposed after forming the first mask pattern and the ridge. The first protective film is formed by a method known in the art.

次に、第1のマスクパターン上に存在する第1の保護膜と、第1のマスクパターンとを除去し、リッジの表面にp電極、窒化物半導体基板の第2主面にn電極を形成する。
その後、リッジに垂直な方向であって、イオンの含有領域とオーバーラップする位置で、ブレードブレイクを利用して、窒化物半導体層を分割し、さらに、スパッタ法により、光出射側の共振器端面の全面に酸化アルミニウムからなる誘電体膜を形成する。
Next, the first protective film and the first mask pattern existing on the first mask pattern are removed, and a p-electrode is formed on the surface of the ridge and an n-electrode is formed on the second main surface of the nitride semiconductor substrate. To do.
Thereafter, the nitride semiconductor layer is divided by using blade breakage in a direction perpendicular to the ridge and overlapping with the ion-containing region, and further, a resonator end surface on the light emitting side is formed by sputtering. A dielectric film made of aluminum oxide is formed on the entire surface.

次いで、チップ状の半導体レーザ素子を形成する。
このような製造方法によって形成された窒化物半導体レーザ素子では、不純物含有領域が、他の領域よりも格子定数が大きくなる。
さらに、第1及び第2不純物含有領域が形成されているために、共振器端面の不純物含有領域においては半導体層と誘電体膜との応力が緩和され、光出力領域においては誘電体膜の共振器端面への密着性を向上させることができる。
Next, a chip-shaped semiconductor laser element is formed.
In the nitride semiconductor laser element formed by such a manufacturing method, the impurity-containing region has a larger lattice constant than other regions.
Further, since the first and second impurity-containing regions are formed, the stress between the semiconductor layer and the dielectric film is relieved in the impurity-containing region on the resonator end face, and the resonance of the dielectric film in the light output region. The adhesion to the vessel end surface can be improved.

実施例2
この実施例の半導体レーザ素子は、実施例1において、p型半導体層に不純物含有領域を形成しない以外、実質的に実施例1と同様に形成した。
このようにして得られた半導体レーザ素子においても、光出力領域の誘電体膜の共振器端面への密着性を向上させることができる。
Example 2
The semiconductor laser device of this example was formed in substantially the same manner as in Example 1 except that no impurity-containing region was formed in the p-type semiconductor layer in Example 1.
Also in the semiconductor laser device thus obtained, the adhesion of the dielectric film in the light output region to the resonator end face can be improved.

実施例3
この実施例の半導体レーザ素子は、実施例1において、n型半導体層に不純物含有領域を形成しない以外、実質的に実施例1と同様に形成した。
このようにして得られた半導体レーザ素子においても、光出力領域の誘電体膜の共振器端面への密着性を向上させることができる。
Example 3
The semiconductor laser device of this example was formed in substantially the same manner as in Example 1 except that no impurity-containing region was formed in the n-type semiconductor layer in Example 1.
Also in the semiconductor laser device thus obtained, the adhesion of the dielectric film in the light output region to the resonator end face can be improved.

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、露光用途、測定等に利用することができる。また、特定波長に感度を有する物質に窒化物半導体レーザから得た光を照射することで、その物質の有無または位置を検出することができるバイオ関連の励起用光源等に利用することもできる。   The nitride semiconductor laser device of the present invention can be used for optical disc applications, optical communication systems, printing machines, exposure applications, measurements, and the like. Further, it can be used as a bio-related excitation light source that can detect the presence or position of a substance by irradiating a substance having sensitivity at a specific wavelength with light obtained from a nitride semiconductor laser.

本発明の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための要部の概略斜視図及び断面図及びである。FIG. 3 is a schematic perspective view and a cross-sectional view of a main part for explaining the structure of the nitride semiconductor laser device of the present invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子における誘電体膜の密着性を説明するための要部の概略断面図及びである。It is the schematic sectional drawing of the principal part for demonstrating the adhesiveness of the dielectric film in the nitride semiconductor laser element of this invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子における誘電体膜の密着性を説明するための別の要部の概略断面図及びである。It is the schematic sectional drawing of another principal part for demonstrating the adhesiveness of the dielectric film in the nitride semiconductor laser element of this invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子における共振器面の不純物含有領域の形状を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the shape of the impurity containing area | region of the resonator surface in the nitride semiconductor laser element of this invention. 本発明の窒化物半導体レーザ素子を形成するための保護層の形状を説明するための要部の概略製造工程図である。It is a schematic manufacturing process diagram of the principal part for demonstrating the shape of the protective layer for forming the nitride semiconductor laser element of this invention. 本発明の別の窒化物半導体レーザ素子を形成するための保護層の形状を説明するための要部の概略製造工程図である。It is a schematic manufacturing process figure of the principal part for demonstrating the shape of the protective layer for forming another nitride semiconductor laser element of this invention. 本発明のさらに別の窒化物半導体レーザ素子を形成するための保護層の形状を説明するための要部の概略製造工程図である。It is a schematic manufacturing process figure of the principal part for demonstrating the shape of the protective layer for forming another nitride semiconductor laser element of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 基板
11 n型半導体層
12 活性層
13 p型半導体層
14 リッジ
15 第1の保護膜
21 薄膜領域
22 厚膜領域
23、24、25、26 保護層
27 イオン
30 共振器端面
31、31a、31b、31c、31d 第1の不純物含有領域
32 第2の不純物含有領域
44 誘電体膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11 N-type semiconductor layer 12 Active layer 13 P-type semiconductor layer 14 Ridge 15 First protective film 21 Thin film region 22 Thick film region 23, 24, 25, 26 Protective layer 27 Ion 30 Resonator end faces 31, 31a, 31b 31c, 31d First impurity-containing region 32 Second impurity-containing region 44 Dielectric film

Claims (4)

基板と、該基板上に第1窒化物半導体層、活性層及び第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された互いに対向する共振器端面とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
光出力側の共振器端面を被覆するように、Al 2 3 、Ga 2 3 、In 2 3 、AlN、GaN、InN、AlON、GaON、InONからなる群から選択される少なくとも1種によって誘電体膜が形成されており、
少なくとも前記窒化物半導体層を構成する1つの元素と前記誘電体膜を構成する1つの元素とが同一であり、
前記光出力側の共振器端面であって、光の出射領域の上方及び/又は下方に、窒化物半導体層の格子定数を大きくする不純物を含有する不純物含有領域が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
A substrate, a nitride semiconductor layer in which a first nitride semiconductor layer, an active layer, and a second nitride semiconductor layer are stacked in this order on the substrate, and resonator end faces facing each other formed in the nitride semiconductor layer A nitride semiconductor laser device comprising:
At least one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , AlN, GaN, InN, AlON, GaON, and InON so as to cover the resonator end face on the light output side . A dielectric film is formed,
At least one element constituting the nitride semiconductor layer and one element constituting the dielectric film are the same,
A cavity end face of the optical output side, the upper and / or below the light emitting region, and wherein the impurity-containing region containing an impurity to increase the lattice constant of the nitride semiconductor layer is formed Nitride semiconductor laser device.
前記第1窒化物半導体層及び/又は第2窒化物半導体層は、複数の層により構成されており、前記不純物含有領域は、複数の層にわたって形成されてなる請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer is formed of a plurality of layers, the impurity-containing region, the nitride semiconductor according to claim 1 comprising formed over a plurality of layers Laser element. 前記不純物含有領域は、インジウム、砒素、リン、アンチモン、亜鉛、タリウム、ビスマスよりなる群から選択される少なくとも1つを含む請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。 The impurity-containing region, indium, arsenic, phosphorus, antimony, zinc, thallium, nitride semiconductor laser device according to claim 1 or 2 comprising at least one selected from the group consisting of bismuth. 前記誘電体膜は、アルミニウムの窒化物、酸化物又は酸窒化物からなる請求項1〜のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。 Said dielectric film, a nitride of aluminum, a nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3 made of an oxide or oxynitride.
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