JP5167940B2 - Nitride semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体レーザに関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser.
非特許文献1には、m面GaN基板上に形成された窒化物半導体レーザが記載されている。発振波長は459nmである。また、非特許文献2〜4には、c面GaN基板上に形成された窒化物半導体レーザが記載されている。特許文献2〜4に記載の窒化物半導体レーザの発振波長はそれぞれ、470nm、460nm、及び422nmである。また、特許文献5には、2つの波長又は3つの波長で発光する半導体レーザダイオードが記載されている。この半導体レーザダイオードは、サファイア基板上に形成されている。
上述の各非特許文献に記載の窒化物半導体レーザは、量子井戸構造の発光層を有する。これらの窒化物半導体レーザは、量子井戸構造のバンド構造に対応した波長で、レーザ発振する。 The nitride semiconductor laser described in each of the above non-patent documents has a light emitting layer having a quantum well structure. These nitride semiconductor lasers oscillate at a wavelength corresponding to the band structure of the quantum well structure.
しかしながら、これらの窒化物半導体レーザにおいては、バンドフィリングによって、レーザ発振波長は井戸層のバンドギャップエネルギーに対応した波長より短い。このバンドフィリングは、長波長で発振する窒化物半導体レーザを得るために、低減されなければならない。 However, in these nitride semiconductor lasers, the lasing wavelength is shorter than the wavelength corresponding to the band gap energy of the well layer due to band filling. This band filling must be reduced in order to obtain a nitride semiconductor laser that oscillates at long wavelengths.
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、バンドフィリングによる影響を低減することが可能な窒化物半導体レーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a nitride semiconductor laser capable of reducing the influence of band filling.
本発明に係る窒化物半導体レーザは、第1導電型窒化ガリウム系半導体層と、第2導電型窒化ガリウム系半導体層と、第1導電型窒化ガリウム系半導体層と第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた発光層と、第1導電型窒化ガリウム系半導体層と発光層との間に設けられた第1光ガイド層と、第2導電型窒化ガリウム系半導体層と発光層との間に設けられた第2光ガイド層とを備え、発光層は、バンドギャップEWを有する井戸層と、バンドギャップEBを有する障壁層とを含む量子井戸構造を有し、第1光ガイド層、第2光ガイド層、及び障壁層の少なくともいずれかは、バンドギャップEYを有する窒化ガリウム系半導体層からなる第1光吸収層を含み、第1光吸収層のバンドギャップEYはバンドギャップEWよりも大きく、バンドギャップEYはバンドギャップEBよりも小さく、バンドギャップEYとバンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さいことを特徴とする。 The nitride semiconductor laser according to the present invention includes a first conductive gallium nitride semiconductor layer, a second conductive gallium nitride semiconductor layer, a first conductive gallium nitride semiconductor layer, and a second conductive gallium nitride semiconductor. A light emitting layer provided between the first conductive type gallium nitride based semiconductor layer and the light emitting layer, a second conductive type gallium nitride based semiconductor layer, and the light emitting layer. and a second optical guiding layer provided between the light-emitting layer includes a well layer having a band gap E W, a quantum well structure including a barrier layer having a band gap E B, first optical guide layer, the second light guide layer, and at least one barrier layer comprises a first light-absorbing layer composed of a gallium nitride-based semiconductor layer having a band gap E Y, the band gap E Y of the first light-absorbing layer than the band gap E W Large, the band gap E Y band smaller than the gap E B, the difference between the band gap E Y and the band gap E W, larger than 0, and is smaller than 0.3 eV.
本発明によれば、レーザ発振に先立つLEDモードにおける発光スペクトルは、レーザ発振における発光スペクトルよりに比べて広い。LEDモードにおける発光スペクトルは、そのピーク波長よりも波長の長い長波長領域の波長成分と、ピーク波長よりも波長の短い短波長領域の成分とを含む。第1光吸収層のバンドギャップEYが上記の関係を満たすので、第1光吸収層は短波長領域の波長成分の光を吸収できる。このため、短波長領域の波長成分の光は、レーザ発振には寄与しない。一方、長波長領域の波長成分の光は、当該窒化物半導体レーザの共振器内を伝播する。その結果、長波長領域の波長成分の光によってレーザ発振が生じるので、バンドフィリングによる効果を低減できる。 According to the present invention, the emission spectrum in the LED mode prior to laser oscillation is wider than the emission spectrum in laser oscillation. The emission spectrum in the LED mode includes a wavelength component in a long wavelength region having a wavelength longer than the peak wavelength and a component in a short wavelength region having a wavelength shorter than the peak wavelength. Since the band gap E Y of the first light-absorbing layer satisfies the above relationship, the first light-absorbing layer is capable of absorbing light having a wavelength component of the short-wavelength region. For this reason, light having a wavelength component in the short wavelength region does not contribute to laser oscillation. On the other hand, light having a wavelength component in the long wavelength region propagates in the resonator of the nitride semiconductor laser. As a result, laser oscillation is generated by light having a wavelength component in the long wavelength region, so that the effect of band filling can be reduced.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、発光層は、エネルギーEXに対応する波長で窒化物半導体レーザのLEDモードにおける発光スペクトルがピーク強度を有するように設けられており、第1光吸収層のバンドギャップEYはエネルギーEXよりも大きく、バンドギャップEYとエネルギーEXとの差は0よりも大きく、その差は0.09eVよりも小さいことができる。 The nitride semiconductor laser according to the present invention, the light emitting layer is a wavelength corresponding to the energy E X emission spectrum in the LED mode of the nitride semiconductor laser is provided so as to have a peak intensity of the first light-absorbing layer larger than the band gap E Y energy E X, the difference between the band gap E Y and energy E X greater than 0, the difference may be less than 0.09 eV.
これにより、第1光吸収層のバンドギャップEYは井戸層のバンドギャップEWよりも大きく、バンドギャップEYとエネルギーEXとの差は、0よりも大きく、0.09eVよりも小さいので、第1光吸収層は短波長領域の波長成分の光を吸収できる。 Thus, the band gap E Y of the first light-absorbing layer is larger than the band gap E W of the well layer, the difference between the band gap E Y and energy E X, greater than 0, is smaller than 0.09eV The first light absorption layer can absorb light having a wavelength component in a short wavelength region.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第1光ガイド層、及び第2光ガイド層のうち少なくともいずれかには、第1光吸収層が設けられていることができる。これにより、第1光ガイド層や第2光ガイド層の第1光吸収層は、LEDモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, a first light absorbing layer may be provided in at least one of the first light guide layer and the second light guide layer. Thereby, the 1st light absorption layer of a 1st light guide layer or a 2nd light guide layer can absorb the light of the component of the short wavelength region produced | generated by the well layer in LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、発光層の井戸層はInGaNからなることができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the well layer of the light emitting layer can be made of InGaN.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第1光ガイド層は、第1光吸収層と、第1光吸収層と第1導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第1InGaNガイド部とを含み、第1InGaNガイド部のバンドギャップは、第1光吸収層のバンドギャップEYより大きいことができる。これにより、第1光ガイドの第1光吸収層は、LEDモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the first light guide layer includes a first light absorption layer, and a first InGaN guide portion provided between the first light absorption layer and the first conductivity type gallium nitride semiconductor layer. wherein the door, the band gap of the 1InGaN guide portion may be larger than the band gap E Y of the first light-absorbing layer. Thereby, the 1st light absorption layer of a 1st light guide can absorb the light of the component of the short wavelength area | region produced | generated by the well layer in LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第2光ガイド層は、第1光吸収層と、第1光吸収層と第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第2InGaNガイド部とを含み、第2InGaNガイド部のバンドギャップは、第1光吸収層のバンドギャップEYより大きいことができる。これにより、第2光ガイドの第1光吸収層は、LEDモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the second light guide layer includes a first light absorption layer, and a second InGaN guide portion provided between the first light absorption layer and the second conductivity type gallium nitride semiconductor layer. wherein the door, the band gap of the 2InGaN guide portion may be larger than the band gap E Y of the first light-absorbing layer. Thereby, the 1st light absorption layer of a 2nd light guide can absorb the light of the component of the short wavelength area | region produced | generated by the well layer in LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、障壁層には、第1光吸収層が設けられていることができる。これにより、障壁層の第1光吸収層は、LEDモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the barrier layer may be provided with a first light absorption layer. Thereby, the 1st light absorption layer of a barrier layer can absorb the light of the component of the short wavelength region produced | generated by the well layer in LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、発光層は、別の井戸層を更に含み、障壁層は、第1光吸収層と、第1及び第2InGaN障壁部とを含み、第1及び第2InGaN障壁部は、第1光吸収層と井戸層及び別の井戸層との間にそれぞれ設けられており、第1及び第2InGaN障壁部のバンドギャップEBは、第1光吸収層のバンドギャップEYより大きいことができる。これにより、障壁層の第1光吸収層は、LEDモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the light emitting layer further includes another well layer, the barrier layer includes a first light absorption layer, first and second InGaN barrier portions, and the first and second InGaN barriers. parts are respectively provided between the first light-absorbing layer and the well layer and another well layer, the band gap E B of the first and second 2InGaN barrier portion, the band gap E Y of the first light-absorbing layer Can be bigger. Thereby, the 1st light absorption layer of a barrier layer can absorb the light of the component of the short wavelength region produced | generated by the well layer in LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第1光ガイド層は、第2光吸収層と、第2光吸収層と第1導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第3InGaNガイド部とを含み、第2光吸収層は、バンドギャップEY2を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、第2光吸収層のバンドギャップEY2はバンドギャップEWよりも大きく、第2光吸収層のバンドギャップEY2とバンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さく、第3InGaNガイド部のバンドギャップは、第2光吸収層の前記バンドギャップEY2より大きいことができる。これにより、第1光ガイド層の第2光吸収層は、LEDモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the first light guide layer includes a second light absorption layer, and a third InGaN guide portion provided between the second light absorption layer and the first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer. wherein the door, the second light-absorbing layer made of a gallium nitride-based semiconductor layer having a band gap E Y2, the band gap E Y2 of the second light absorbing layer is larger than the band gap E W, the second light-absorbing layer the difference between the band gap E Y2 and the band gap E W is greater than 0, less than 0.3 eV, the band gap of the 3InGaN guide portion may be larger than the band gap E Y2 of the second light absorbing layer . Thereby, the 2nd light absorption layer of a 1st light guide layer can absorb the light of the component of the short wavelength area | region produced | generated by the well layer in LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第2光ガイド層は、第3光吸収層と、第3光吸収層と第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第4InGaNガイド部とを含み、第3光吸収層は、バンドギャップEY3を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、第3光吸収層のバンドギャップEY3はバンドギャップEWよりも大きく、第3光吸収層のバンドギャップEY3とバンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さく、第4InGaNガイド部のバンドギャップは、第3光吸収層のバンドギャップEY3より大きいことができる。これにより、第2光ガイド層の第3光吸収層は、LEDモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the second light guide layer includes a third light absorption layer, and a fourth InGaN guide portion provided between the third light absorption layer and the second conductivity type gallium nitride semiconductor layer. wherein the door, the third light-absorbing layer made of a gallium nitride-based semiconductor layer having a band gap E Y3, band gap E Y3 of the third light-absorbing layer is larger than the band gap E W, the third light-absorbing layer the difference between the band gap E Y3 and the band gap E W is greater than 0, less than 0.3 eV, the band gap of the 4InGaN guide portion may be larger than the band gap E Y3 of the third light-absorbing layer. Thereby, the 3rd light absorption layer of a 2nd light guide layer can absorb the light of the component of the short wavelength area | region produced | generated by the well layer in LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第1光吸収層はInGaNからなることができる。これにより、第1光吸収層は、第1光ガイド層、第2光ガイド層、及び井戸層と同様の材料で構成されるので、窒化物半導体レーザの半導体層の結晶品質が向上する。その結果、良好な発光特性の窒化物半導体レーザが得られる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the first light absorption layer can be made of InGaN. Thereby, since the first light absorption layer is made of the same material as the first light guide layer, the second light guide layer, and the well layer, the crystal quality of the semiconductor layer of the nitride semiconductor laser is improved. As a result, a nitride semiconductor laser with good emission characteristics can be obtained.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第1光吸収層はInAlGaNからなることができる。これにより、第1光吸収層は、LEDモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を効率よく吸収する。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the first light absorption layer can be made of InAlGaN. Thereby, a 1st light absorption layer absorbs efficiently the light of the component of the short wavelength area | region produced | generated by the well layer in LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第1導電型窒化ガリウム系半導体層は、AlGaNからなり、第2導電型窒化ガリウム系半導体層は、AlGaNからなることができる。第1及び第2導電型窒化ガリウム系半導体層はクラッド層として働く。これにより、井戸層で生成された光が有効に発光層及び光ガイド層に閉じ込められる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer can be made of AlGaN, and the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer can be made of AlGaN. The first and second conductivity type gallium nitride based semiconductor layers function as cladding layers. Thereby, the light generated in the well layer is effectively confined in the light emitting layer and the light guide layer.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、光吸収層は、1×1018cm―3以上のn型又はp型のドーパントを含むことができる。これにより、光吸収層のn型又はp型ドーパントは、LEDモードにおいて井戸層で生成した短波長領域の成分の光の吸収に寄与する。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the light absorption layer may include an n-type or p-type dopant of 1 × 10 18 cm −3 or more. Thereby, the n-type or p-type dopant in the light absorption layer contributes to the absorption of light in the short wavelength region component generated in the well layer in the LED mode.
本発明に係る窒化物半導体レーザは、窒化物半導体基板をさらに備えることができる。第1導電型窒化ガリウム系半導体層、第2導電型窒化ガリウム系半導体層、発光層、第1光ガイド層、及び第2光ガイド層は、窒化物半導体基板の主面上に設けられていることができる。 The nitride semiconductor laser according to the present invention can further include a nitride semiconductor substrate. The first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer, the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer, the light emitting layer, the first light guide layer, and the second light guide layer are provided on the main surface of the nitride semiconductor substrate. be able to.
これにより、窒化物半導体レーザの半導体層の結晶品質が向上する。その結果、良好な発光特性の窒化物半導体レーザが得られる。 This improves the crystal quality of the semiconductor layer of the nitride semiconductor laser. As a result, a nitride semiconductor laser with good emission characteristics can be obtained.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板は、所定の貫通転位密度よりも小さい貫通転位密度を有する第1領域と、所定の貫通転位密度よりも大きい貫通転位密度を有する第2領域とからなり、第1領域及び第2領域は、窒化物半導体基板の裏面から主面まで延びており、第1導電型窒化ガリウム系半導体層、第2導電型窒化ガリウム系半導体層、発光層、第1光ガイド層、及び第2光ガイド層は、主面の第1領域上に設けられており、第2領域は、第1領域に沿って延びており、窒化物半導体レーザの共振器は、第2領域に沿って延びていることができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the nitride semiconductor substrate includes a first region having a threading dislocation density smaller than a predetermined threading dislocation density and a second region having a threading dislocation density larger than the predetermined threading dislocation density. The first region and the second region extend from the back surface to the main surface of the nitride semiconductor substrate, and include a first conductivity type gallium nitride semiconductor layer, a second conductivity type gallium nitride semiconductor layer, a light emitting layer, The first light guide layer and the second light guide layer are provided on the first region of the main surface, the second region extends along the first region, and the resonator of the nitride semiconductor laser is , And can extend along the second region.
これにより、共振器が容易に第2領域に沿って設けられることができる。このため、共振器が所定の結晶軸に沿って向き付けされた窒化物半導体レーザが得られる。 Thereby, the resonator can be easily provided along the second region. Therefore, a nitride semiconductor laser having a resonator oriented along a predetermined crystal axis can be obtained.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、共振器は、窒化物半導体基板の[10−10]方向に延びていることができる。これにより、窒化物半導体基板の(10−10)面の劈開面を窒化物半導体レーザの共振器として利用できる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the resonator can extend in the [10-10] direction of the nitride semiconductor substrate. Thereby, the cleavage plane of the (10-10) plane of the nitride semiconductor substrate can be used as a resonator of the nitride semiconductor laser.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、所定の貫通転位密度は、1×107cm―2未満であることができる。これにより、窒化物半導体レーザの半導体層の結晶品質が向上する。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the predetermined threading dislocation density can be less than 1 × 10 7 cm −2 . This improves the crystal quality of the semiconductor layer of the nitride semiconductor laser.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板はGaN基板であることができる。これにより、大型のGaNウェハを用いて窒化物半導体レーザを作成できるので、窒化物半導体レーザの製造コストを低減できる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the nitride semiconductor substrate can be a GaN substrate. Thereby, since a nitride semiconductor laser can be created using a large GaN wafer, the manufacturing cost of the nitride semiconductor laser can be reduced.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板はInGaN基板であることができる。これにより、第1光ガイド層と、第2光ガイド層、及び発光層がInGaNからなるとき、これらの層と窒化物半導体基板との格子不整合を小さくできる。そのため、第1光ガイド層、発光層、及び第2光ガイド層内のIn組成の制御が容易となる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the nitride semiconductor substrate can be an InGaN substrate. Thereby, when the first light guide layer, the second light guide layer, and the light emitting layer are made of InGaN, lattice mismatch between these layers and the nitride semiconductor substrate can be reduced. Therefore, it becomes easy to control the In composition in the first light guide layer, the light emitting layer, and the second light guide layer.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板の主面は、半極性を有することができる。これにより、ピエゾ電界よる発振波長の短波長化の影響が低減された窒化物半導体レーザが得られる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the main surface of the nitride semiconductor substrate can be semipolar. Thereby, a nitride semiconductor laser can be obtained in which the influence of shortening the oscillation wavelength due to the piezoelectric field is reduced.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板の主面は、無極性面であることができる。これにより、ピエゾ電界よる発振波長の短波長化の影響がより低減された窒化物半導体レーザが得られる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the main surface of the nitride semiconductor substrate can be a nonpolar surface. Thereby, a nitride semiconductor laser can be obtained in which the influence of shortening the oscillation wavelength due to the piezoelectric field is further reduced.
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体レーザのレーザ発振波長は、425nm以上であることができる。さらに、本発明に係る窒化物半導体レーザでは、レーザ発振波長は460nm以上であることができる。 In the nitride semiconductor laser according to the present invention, the lasing wavelength of the nitride semiconductor laser can be 425 nm or more. Furthermore, in the nitride semiconductor laser according to the present invention, the lasing wavelength can be 460 nm or more.
以上説明したように、本発明によれば、バンドフィリングによる影響を低減することが可能な窒化物半導体レーザが提供される。 As described above, according to the present invention, a nitride semiconductor laser capable of reducing the influence of band filling is provided.
以下、実施形態に係る窒化物半導体レーザについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。可能な場合には、同一要素には同一符号を用いる。 Hereinafter, the nitride semiconductor laser according to the embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same symbols are used for the same elements.
図1は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザの断面構造を示す模式図である。図1に示すように、本実施系形態に係る窒化物半導体レーザ40においては、窒化物半導体基板1の主面1x、及び裏面1y上に、半導体レーザのための半導体層がエピタキシャル成長している。エピタキシャル成長には、MOCVD(有機金属気相成長)法やMBE(分子線成長)法等を用いることができる。図1には直交座標系Sが示されている。窒化物半導体レーザ40の半導体層は、Z軸方向に配置されている。Z軸と直交する2方向に沿った方向をそれぞれX軸方向、Y軸方向としている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a nitride semiconductor laser according to this embodiment. As shown in FIG. 1, in the
窒化物半導体レーザ40は、下部クラッド層2、下部光ガイド層3、第1光ガイド層5、発光層7、第2光ガイド層9、上部光ガイド層11、電子ブロック層12、上部クラッド層13、上部コンタクト層15、及びアノード電極層17とを含む。これらの層は、窒化物半導体基板1の主面1x上に搭載されている。また、窒化物半導体レーザ40は、カソード電極層21を含む。この層は、窒化物半導体基板1の裏面1y上に搭載されている。
The
窒化物半導体レーザ40は、第1導電型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。この第1導電型窒化ガリウム系半導体層は、下部クラッド層2を含むことができる。
The
下部クラッド層2は、n型の窒化ガリウム系半導体層からなる。下部クラッド層2は発光層7にキャリアである電子を供給する。また、下部クラッド層2は、発光層7、第1光ガイド層5、及び下部光ガイド層3を構成する材料よりも屈折率の低い材料で形成されているので、発光層7で生じた光を発光層7付近に閉じ込める働きをする。下部クラッド層2を形成する材料としては、AlZ1Ga1−Z1NやGaN等を用いることが好ましい。このAlZ1Ga1−Z1NのAlの組成Z1は0.01〜0.10であることが好ましい。また、下部クラッド層2の膜厚は、100〜5000nmであることが好ましい。
The
下部光ガイド層3は、下部クラッド層2と第1光ガイド層5との間に設けられている。下部光ガイド層3は窒化ガリウム系半導体で形成されている。下部光ガイド層3の膜厚は、例えば、10〜300nmとすることができる。下部光ガイド層3としては、例えば、n型GaNを用いることができる。
第1光ガイド層5は、発光層7と下部クラッド層2との間に設けられている。また、第1光ガイド層5は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。下部クラッド層2及び第1光ガイド層5は、発光層7で生じた光を発光層7付近に閉じ込めるために利用される。
The lower
The first
発光層7は、下部クラッド層2と上部クラッド層13との間に設けられている。また、発光層7は、第1光ガイド層5と第2光ガイド層9との間に設けられている。発光層7は、井戸層と、障壁層とを含む量子井戸構造を有している。発光層7近傍の構成について図2を参照しながら説明する。図2は窒化物半導体レーザの発光層近傍の断面構造を示す模式図である。
The
図2に示すように、発光層7は、障壁層34a、34bと、井戸層35からなる。Z軸方向に沿って、井戸層35と障壁層34aとが交互に配列されている。最も第1光ガイド層5側の井戸層35及び第1光ガイド層5の間、及び、最も第2光ガイド層9側の井戸層35及び第2光ガイド層9の間には、障壁層34bが設けられている。
障壁層34aは、第1光吸収層31と、第1InGaN障壁部33xと、第2InGaN障壁部33yと、を含んでいる。第1InGaN障壁部33xと、第2InGaN障壁部33yは、互いに隣り合う2つの井戸層35間において、それぞれ第1光吸収層31と一方の井戸層35の間、及び第1光吸収層31と他方の井戸層35の間に設けられている。
即ち、第1InGaN障壁部33xは、第1光吸収層31と井戸層35との間に設けられている。また、第2InGaN障壁部33yは、第1光吸収層31と別の井戸層との間に設けられている。第1光吸収層31は窒化ガリウム系半導体で形成されている。第1InGaN障壁部33x、第2InGaN障壁部33yは窒化ガリウム系半導体で形成されている。井戸層35は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。
As shown in FIG. 2, the
The
That is, the first
第1光ガイド層5は、第3InGaNガイド部5aと、第2光吸収層5bとからなる。第2光吸収層5bは、発光層7と第3InGaNガイド部5aとの間に位置している。第3InGaNガイド部5aは窒化ガリウム系半導体で形成されている。第2光吸収層5bは窒化ガリウム系半導体で形成されている。第3InGaNガイド部5aの膜厚は、例えば、10〜300nmとすることができる。第3InGaNガイド部5aとしては、アンドープInX1Ga1−X1Nを用いることができる。第3InGaNガイド部5aのInの組成X1は0.01〜0.10であることが好ましい。Inの組成X1が0.01以下であると発光層7内への光閉じ込め効果が十分に得られなくなるからであり、Inの組成X1が0.10以上であるとInGaNの結晶品質が悪化するからである。
The first
第2光ガイド層9は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。第2光ガイド層9は、発光層7と上部クラッド層13との間に設けられている。第2光ガイド層9は、発光層7と上部光ガイド層11との間に設けられている。また、第2光ガイド層9は、第4InGaNガイド部9aと、第3光吸収層9bとからなる。第3光吸収層9bは、発光層7と第4InGaNガイド部9aとの間に位置している。第4InGaNガイド部9aは窒化ガリウム系半導体で形成されている。第3光吸収層9bは窒化ガリウム系半導体で形成されている。第4InGaNガイド部9aの膜厚は、例えば、10〜300nmとすることができる。第4InGaNガイド部9aとしては、アンドープInX1Ga1−X1Nを用いることができる。第4InGaNガイド部9aのInの組成X1は0.01〜0.10であることが好ましい。Inの組成X1が0.01以下であると発光層7内への光閉じ込め効果が十分に得られなくなるからであり、Inの組成X1が0.10以上であるとInGaNの結晶品質が悪化するからである。
The second
次に、窒化物半導体レーザ40の発光層7近傍の構成について、より詳細に説明する。図3は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザの発光層近傍のバンド構造を示す図であり、バンド構造を窒化物半導体レーザの発光層近傍の断面構造と対応させる形で示している。
Next, the configuration in the vicinity of the
図3に示すように、井戸層35はバンドギャップEWを有する。第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bは、それぞれバンドギャップEY、EY2、及びEY3を有する。障壁層34aの第1InGaN障壁部33x及び第2InGaN障壁部33yはそれぞれバンドギャップEBを有する。第1光ガイド層5の第3InGaNガイド部5a及び第2光ガイド層9の第4InGaNガイド部9aは、それぞれバンドギャップEBを有する。
As shown in FIG. 3, the
そして、バンドギャップEWよりもバンドギャップEY、EY2、EY3の方が大きく、また、バンドギャップEY、EY2、EY3よりもバンドギャップEBの方が大きい(EW<EY、EY2、EY3<EB)。そのため、キャリアである電子及びホールは、発光層7内の井戸層35に閉じ込められ、電子とホールが再結合し、発光層7において光が生じる。
The band gaps E Y, E Y2, and E Y3 are larger than the band gap E W , and the band gaps E B are larger than the band gaps E Y, E Y2, and E Y3 (E W <E Y, E Y2, E Y3 < E B). Therefore, electrons and holes as carriers are confined in the
また、本実施形態に係る窒化物半導体レーザ40においては、バンドギャップEY、EY2、EY3とバンドギャップEWの差は、0よりも大きく、0.3eV(4.8×10−20J)より小さい。より好ましくは、バンドギャップEY、EY2、EY3はエネルギーEXよりも大きい(EY、EY2、EY3>EX)。また、バンドギャップEY、EY2、EY3とエネルギーEXの差は、0eVよりも大きく、0.09eVよりも小さい(0<EY、EY2、EY3−EX<0.09eV)。ただし、エネルギーEXは、窒化物半導体レーザ40のLEDモードにおける発光スペクトルがピーク強度を有する波長λXに対応するエネルギーとする。
In the
上述のように井戸層35のバンドギャップEW、第1、第2、第3光吸収層31、5b、9bのバンドギャップEY、EY2、EY3、及び第1InGaN障壁部33x、第2InGaN障壁部33y、第3InGaNガイド部5a、及び第4InGaNガイド部9aのバンドギャップEBにおいては、EW<EY、EY2、EY3<EBの関係がある。ここで、EY、EY2、及びEY3とEWとの差(EY−EW、EY2−EW、EY3−EW)は、それぞれ0.05eV以上であることが好ましい。井戸層35で生成された長波長領域RHの成分の光(図4参照)の第1、第2、第3光吸収層31、5b、9bによる吸収を小さくして、レーザの発振しきい値電流の上昇を小さくすることができるからである。また、EBとEY、EY2、EY3との差(EB−EY、EB−EY2、EB−EY3)は、それぞれ0.8eV以上であることが好ましい。井戸層35へのキャリア閉じ込め効果が十分に得られるからである。
As described above, the band gap E W of the
エネルギーEXについて、図4を参照しながら説明する。図4は、窒化物半導体レーザのLEDモードにおける発光スペクトルを示す図である。窒化物半導体レーザ40のLEDモードにおける発光スペクトルは、レーザ発振における発光スペクトルよりも広くなる。そのため、LEDモードにおける発光スペクトルは、発光スペクトルがピーク強度を有する波長λXよりも波長の長い長波長領域RHと、波長λXよりも波長の短い短波長領域RLとを有する。そして、波長λXに対応するエネルギーが、エネルギーEXとなる。
The energy E X, will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing an emission spectrum in the LED mode of the nitride semiconductor laser. The emission spectrum in the LED mode of the
波長λXは、バンドフィリング効果により、窒化物半導体レーザ40に流す電流の電流密度に応じて変化する。例えば、窒化物半導体レーザ40に流す電流の電流密度が高くなると、発光層7内の井戸層の底にキャリアが蓄積される。このキャリアの蓄積によりLEDモードの発光のピーク波長が短くなる。この発光は、井戸層35のバンドギャップEWが実効的に大きくなったことを示している。そのため、ピーク波長は、例えば、窒化物半導体レーザ40に電流密度0.1kA/cm2の電流を流した場合のLEDモードにおける発光スペクトルによって規定される。
The wavelength λ X changes according to the current density of the current flowing through the
上部光ガイド層11は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。上部光ガイド層11は、上部クラッド層13と発光層7との間に設けられている。上部光ガイド層11及び第2光ガイド層9は、発光層7で生じた光を発光層7付近に閉じ込めるために利用される。上部光ガイド層11としては、例えばアンドープGaNを用いることができる。上部光ガイド層11の膜厚は、例えば10〜300nmとすることができる。
The upper
電子ブロック層12は、p型の窒化ガリウム系半導体で形成されている。電子ブロック層12は、第2光ガイド層9及び上部光ガイド層11よりもバンドギャップが大きい材料で形成されているので、キャリアである電子を発光層7付近に閉じ込める働きをする。電子ブロック層12としては、例えば、p型AlYGa1−YNを用いることができる。また、電子ブロック層12の膜厚は、例えば、5〜100nmとすることができる。電子ブロック層12のAlの組成Yは0.05〜0.30であることが好ましい。何故なら、Alの組成Yが0.05以下であると発光層7内に十分に電子をブロックできなくなるからであり、Alの組成Yが0.30以上であるとクラックが発生してAlGaNの結晶品質が悪化するからである。
The
窒化物半導体レーザ40は、第2導電型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。この第2導電型窒化ガリウム系半導体層は、上部クラッド層13を含むことができる。
The
上部クラッド層13は、p型の窒化ガリウム系半導体で形成されている。上部クラッド層13は発光層7にキャリアであるホールを供給する。また、上部クラッド層13は、発光層7、第2光ガイド層9、及び上部光ガイド層11を構成する材料よりも屈折率の低い材料で形成されているので、発光層7で生じた光を発光層7付近に閉じ込める働きをする。上部クラッド層13を形成する材料としては、AlZ2Ga1−Z2Nを用いることが好ましい。上部クラッド層13のAlの組成Z2は0.01〜0.10であることが好ましい。Alの組成Z2が0.01以下であると発光層7内への光閉じ込め効果が十分に得られなくなるからであり、Alの組成Z2が0.10以上であるとクラックが発生してAlGaNの結晶品質が悪化するからである。また、上部クラッド層13の膜厚は、50〜1000nmとすることができる。
The
上部クラッド層13上には、上部コンタクト層15及びアノード電極層17が形成されている。
An
また、窒化物半導体レーザ40はX軸と交差する端面25、27を有する。端面25、27には、反射層が設けられている。端面25、27及び端面25、27間の光導波路は、窒化物半導体レーザ40の共振器を構成する。端面25、27は、窒化物半導体基板1を劈開することによって形成されている。この劈開は、窒化物半導体基板1の(10−10)面で行い、共振器を[10−10]方向に向き付けすることが好ましい。何故なら、良好な壁開面が得られやすいからである。
The
窒化物半導体基板1は、例えば、GaN基板やInGaN基板を用いることができる。窒化物半導体基板1がGaN基板であるとき、大型のGaNウェハが入手できる。そのため、GaNウェハ上に多数の窒化物半導体レーザ素子を形成でき、窒化物半導体レーザ40の製造コストを低減できる。また、窒化物半導体基板1としてInGaN基板を用いた場合、第1光ガイド層5、発光層7、及び第2光ガイド層9がInGaNからなるとき、これらの層と窒化物半導体基板1との格子不整合を小さくできる。そのため、第1光ガイド層5と、発光層7、及び第2光ガイド層9内のIn組成の制御が容易となる。
As the
窒化物半導体基板1の主面1xは、窒化物半導体基板1のc面や、窒化物半導体基板1のc面からm軸方向やa軸方向に所定の角度傾いた半極性面とすることができる。主面1xを半極性面とした場合、ピエゾ電界よる発振波長の短波長化の影響が低減される。また、窒化物半導体基板1の主面1xは、窒化物半導体基板1のm面やa面等の無極性面であってもよい。この場合、ピエゾ電界よる発振波長の短波長化の影響がさらに低減される。
The
本実施形態に係る窒化物半導体レーザ40では、上記の条件を満たすので、バンドフィリングによる効果を低減することが可能な窒化物半導体レーザ40が得られる。第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bは短波長領域RLの波長成分の光を吸収できるので、短波長領域RLの波長成分の光は、レーザ発振には寄与しない。一方、長波長領域RHの波長成分の光は、窒化物半導体レーザ40の共振器内を伝播する。その結果、長波長領域RHの波長成分の光によってレーザ発振が生じるので、バンドフィリングによる効果を低減することが可能な窒化物半導体レーザ40が得られる。
Since the
井戸層35は、例えば、InRGa1−RNで形成することができる。この場合、Inの組成Rは、0.13〜0.30であることが好ましい。Inの組成Rが0.13以下であると425nm以上の長波長の発振波長が得られなくなるからであり、Inの組成Rが0.30以上であるとInGaNの結晶品質が悪化してレーザ発振が得られなくなるからである。井戸層35の厚さt35は、2〜10nmであることが好ましい。井戸層35の厚さt35が2nm以上であると、所望の発振波長を得る際のIn組成を小さくすることができるからであり、また、井戸層35の厚さt35が10nm以下であるとInGaNの結晶品質が良好になるからである。なお、発光層7内の井戸層35の数は特に制限されず、1層、2層又は4層以上であってもよい。
The
第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bは、InUGa1−UNで形成することが好ましい。InUGa1−UNは、窒化物半導体基板1上に高い結晶品質で成長させることが可能だからである。この場合、Inの組成Uは、0.10〜0.27であることが好ましい。Inの組成Uが0.10以下であると短波長領域RLの波長成分の光を吸収し難くなる傾向があるためであり、Inの組成Uが0.27以上であると長波長領域RHの波長成分の光も吸収してレーザ発振が得難くなるからである。
The first, second, and third light absorption layers 31, 5b, and 9b are preferably formed of In U Ga 1- UN. This is because In U Ga 1- UN can be grown on the
また、第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bは、InAlGaNで形成することが好ましい。InAlGaNは発光層7内で発生した光をInGaNよりも効率良く吸収するので、LEDモードにおいて井戸層で生成した短波長領域の成分の光を効率よく吸収することが可能になる。
The first, second, and third light absorption layers 31, 5b, 9b are preferably formed of InAlGaN. Since InAlGaN absorbs light generated in the
また、第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bには、1×1018cm―3以上、5×1019cm―3以下のn型のドーパントが添加されていることが好ましい。何故なら、n型のドーパントの濃度が1×1018cm―3以上であると井戸層35で生成した短波長領域RLの成分の光の吸収効率が増加するからであり、また、n型のドーパントの濃度が5×1019cm―3以下であると、第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bの結晶品質が良好となるからである。n型のドーパントとしては、例えばSi、Ge、Te等を用いることができる。
The first, second, and third light absorption layers 31, 5b, and 9b are added with an n-type dopant of 1 × 10 18 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less. Is preferred. This is because if the concentration of the n-type dopant is 1 × 10 18 cm −3 or more, the light absorption efficiency of the component of the short wavelength region RL generated in the
また、第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bには、1×1018cm―3以上、5×1019cm―3以下のp型のドーパントが添加されていることが好ましい。p型のドーパントの濃度が1×1018cm―3以上であると井戸層35で生成された短波長領域RLの成分の光の吸収効率が増加するからであり、また、p型のドーパントの濃度が5×1019cm―3以下であると、第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bの結晶品質が良好となるからである。p型のドーパントとしては、例えばMg、Zn、Be等を用いることができる。
The first, second, and third light absorption layers 31, 5b, and 9b are added with a p-type dopant of 1 × 10 18 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less. Is preferred. This is because if the concentration of the p-type dopant is 1 × 10 18 cm −3 or more, the light absorption efficiency of the component of the short wavelength region RL generated in the
光吸収層31、5b、9bの厚さt31、t5b、t9bは、井戸層35の厚さt35よりも薄いことが好ましい。例えば、光吸収層31、5b、9bの厚さt31、t5b、t9bは、1〜9nmであることが好ましい。光吸収層31、5b、9bの厚さt31、t5b、t9bが1nm以上であると、井戸層35で生成された短波長領域RLの成分の光を十分に吸収できるからであり、また、光吸収層31、5b、9bの厚さt31、t5b、t9bが9nm以下であると、光吸収層31、5b、9bの結晶品質が良好となるからである。なお、発光層7内の第1光吸収層31の数は特に制限されず、例えば、1層又は2層以上にすることができる。また、第1光ガイド層5内の第2光吸収層5b、及び、第2光ガイド層9b内の第3光吸収層9bの数も特に制限されず、2層以上とすることもできる。
The thicknesses t31, t5b and t9b of the light absorption layers 31, 5b and 9b are preferably thinner than the thickness t35 of the
光吸収層31、5b、9bの厚さと、井戸層35の厚さt35の比(t31/t35、5b/t35、あるいは9b/t35)は、0.3〜0.7であることが好ましい。この比が0.3以上である場合、光吸収層31、5b、9bは井戸層35で生成された短波長領域RLの成分の光の吸収に十分に寄与できるからであり、また、この比が0.7以下である場合、井戸層35は主に注入されたキャリアの再結合による発光に寄与し、光吸収層31、5b、9bは主に井戸層35で生成された短波長領域RLの成分の光の吸収に寄与するからである。
The ratio (t31 / t35, 5b / t35, or 9b / t35) of the thickness of the light absorption layers 31, 5b, 9b and the thickness t35 of the
第1InGaN障壁部33x、第2InGaN障壁部33y、及び障壁層34bは、例えば、InPGa1−PNで形成することができる。この場合、Inの組成Pは、0.001〜0.05であることが好ましい。Inの組成Pが0.001以下であると結晶品質が悪化するからであり、Inの組成Pが0.05以上であると井戸層35内へのキャリア閉じ込め効果が十分に得られなくなるからである。第1InGaN障壁部33x及び第2InGaN障壁部33yの厚さt33x、t33yは、2〜10nmであることが好ましい。厚さt33x、t33yが2nm以上であると、井戸層35内へのキャリア閉じ込め効果が十分に得られるからである。また、厚さt33x、t33yが10nm以下であると、駆動電圧を低くすることができるからである。なお、第1InGaN障壁部33x及び第2InGaN障壁部33yの厚さt33x、t33yは、第1、第2、及び第3光吸収層31、5b、9bと井戸層35の離間距離となる。
The first
本実施形態に係る窒化物半導体レーザ40のレーザ発振波長は、425nm以上であることが好ましい。レーザ発振波長が425nm未満であると、バンドフィリングによって発振波長が短波長化する傾向が特に弱いため、光吸収層の吸収対象である短波長領域RLの成分の光の量が減少する。そのため本実施形態の窒化物半導体レーザ40による発振波長の長波長化がほとんど期待できないからである。さらに、窒化物半導体レーザ40のレーザ発振波長は、460nm以上であることが好ましい。レーザ発振波長が460nm未満であると、バンドフィリングによって発振波長が短波長化する傾向が弱いため、光吸収層の吸収対象である短波長領域RLの成分の光の量が減少する。そのため本実施形態の窒化物半導体レーザ40による発振波長の長波長化があまり期待できないからである。
The laser oscillation wavelength of the
次に、本実施形態に係る窒化物半導体レーザの変形例について説明する。図5は、変形例に係る窒化物半導体レーザの発光層近傍のバンド構造を示す図であり、バンド構造を窒化物半導体レーザの発光層近傍の断面構造と対応させる形で示している。 Next, a modification of the nitride semiconductor laser according to this embodiment will be described. FIG. 5 is a diagram showing a band structure in the vicinity of the light emitting layer of the nitride semiconductor laser according to the modification, and shows the band structure corresponding to a cross-sectional structure in the vicinity of the light emitting layer of the nitride semiconductor laser.
図5に示すように、発光層7は障壁層34と井戸層35を含むことができる。発光層7は光吸収層を含まない。障壁層34は、上述の第1InGaN障壁部33x及び第2InGaN障壁部33yと同様の材料で形成することができる。障壁層34の厚さt34は、5〜20nmであることが好ましい。厚さt34が5nm以上であると井戸層35内へのキャリア閉じ込め効果が十分に得られるからであり。また、厚さt34が20nm以下であると、駆動電圧を低くすることができるからである。
As shown in FIG. 5, the
第1光ガイド層5は、第1光吸収層5bと第1InGaNガイド部5aを含む。第1光吸収層5bは、第1InGaNガイド部5aと発光層7との間に位置する。第2光ガイド層9は、第2光吸収層9bと第2InGaNガイド部9aを含む。第2光吸収層9bは、第2InGaNガイド部9aと発光層7との間に位置する。第1InGaNガイド部5aのバンドギャップEBは、第1光吸収層5bのバンドギャップEYよりも大きい(EB>EY)。また、第2InGaNガイド部9aのバンドギャップEBは、第2光吸収層9bのバンドギャップEYよりも大きい(EB>EY)。また、第1及び第2光吸収層5b、9bの厚さと、井戸層35の厚さt35の比(5b/t35、あるいは9b/t35)は、0.3〜0.7であることが好ましい。この比が0.3以上である場合、第1及び第2光吸収層5b、9bは井戸層35で生成された短波長領域RLの成分の光の吸収に十分に寄与できるからであり、また、この比が0.7以下である場合、井戸層35は主に注入されたキャリアの再結合による発光に寄与し、第1及び第2光吸収層5b、9bは主に井戸層35で生成された短波長領域RLの成分の光の吸収に寄与するからである。
The first
このような構成の窒化物半導体レーザ40であっても、バンドフィリングによる効果が低減される。第1光吸収層5b及び第2光吸収層9bは短波長領域RLの波長成分の光を吸収できるので、短波長領域RLの波長成分の光は、レーザ発振には寄与しない。一方、長波長領域RLの波長成分の光は、窒化物半導体レーザ40の共振器内を伝播する。その結果、長波長領域RHの波長成分の光によってレーザ発振が生じるので、バンドフィリングによる効果を低減することが可能な窒化物半導体レーザ40が得られる。
Even with the
以下、実施例1〜3及び比較例1を用いて説明する。 Hereinafter, description will be made using Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
図6は、実施例1〜3に係る窒化物半導体レーザの製造方法の主要な工程のフローチャートを示す図である。フローチャート100に示すように、実施例1〜3に係る窒化物半導体レーザの製造方法は、半導体ウェハを準備する工程S101、半導体レーザのための半導体積層S103を形成する工程S103、アノード電極及びカソード電極を形成する工程S105、及びウェハを個々の半導体レーザ素子に分離する工程S107を備えている。
FIG. 6 is a flowchart of main steps of the method for manufacturing a nitride semiconductor laser according to the first to third embodiments. As shown in the
(実施例1)
実施例1の窒化物半導体レーザの製造方法を説明する。図7は実施例1の窒化物半導体レーザ40aの断面構造を示す模式図である。まず、工程S101において、c面GaNのストライプコアウェハ1を準備した。
Example 1
A method for manufacturing the nitride semiconductor laser of Example 1 will be described. FIG. 7 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the
ストライプコアウェハ1とは、1×107cm―2以下の貫通転移密度を有する第1領域1aと、1×107cm―2以上の貫通転移密度を有する第2領域1bとからなるウェハである。第1領域1a及び第2領域1bは、それぞれ低貫通転移領域及び高貫通転移領域と呼ばれる。第1領域1a及び第2領域1bは、ストライプコアウェハ1の裏面1yから主面1xまで延びている。また、第2領域1bは、第1領域1aに沿って延びており、また、ストライプコアウェハ1を構成する六方晶系GaN結晶のm軸方向に延びている。
The
次に、工程S103において、ストライプコアウェハ1の主面1x上に、下記のような条件で半導体層のエピタキシャル膜を順にMOCVD法によって成長した。
下部クラッド層2:n型Al0.04Ga0.96N、2300nm、成長温度摂氏1150度。
下部光ガイド層3:n型GaN、50nm、成長温度摂氏1150度。
第1光ガイド層5:第3InGaNガイド部5a、第2光吸収層5bを積層。
第3InGaNガイド部5a:アンドープIn0.05Ga0.95N、50nm、成長温度摂氏840度。
第2光吸収層5b:In0.20Ga0.80N、1.5nm、成長温度摂氏780度。
発光層7:障壁層34a、34bと井戸層35を交互に成長。
障壁層34b:In0.05Ga0.95N、7nm、成長温度摂氏840度。
井戸層35:In0.23Ga0.77N、3nm、成長温度摂氏780度。
障壁層34a:第1InGaN障壁部33x、第1光吸収層31、及び第2InGaN障壁部33yを順に積層。
第1InGaN障壁部33x:In0.05Ga0.95N、7nm、成長温度摂氏840度。
第1光吸収層31:In0.20Ga0.80N、1.5nm、成長温度摂氏780度。
第2InGaN障壁部33y:In0.05Ga0.95N、7nm、成長温度摂氏840度。
光ガイド層9:第3光吸収層9bと第4InGaNガイド部9aを順に積層。
第3光吸収層9b:In0.20Ga0.80N、1.5nm、成長温度摂氏780度。
第4InGaNガイド部9a:In0.20Ga0.80N、1.5nm、成長温度摂氏780度。
上部光ガイド層11:アンドープGaN、50nm、成長温度摂氏1100度。
電子ブロック層12:p型Al0.18Ga0.82N、20nm、成長温度摂氏1100度。
上部クラッド層13:p型Al0.06Ga0.94N、400nm、成長温度摂氏1100度。
上部コンタクト層15:p型GaN、50nm、成長温度摂氏1100度において成長。
Next, in step S103, an epitaxial film of a semiconductor layer was sequentially grown on the
Lower cladding layer 2: n-type Al 0.04 Ga 0.96 N, 2300 nm, growth temperature 1150 degrees Celsius.
Lower light guide layer 3: n-type GaN, 50 nm, growth temperature 1150 degrees Celsius.
First light guide layer 5: a third
Third
Second
Light emitting layer 7: Barrier layers 34a and 34b and well layers 35 are grown alternately.
Well layer 35: In 0.23 Ga 0.77 N, 3 nm, growth temperature 780 degrees Celsius.
First
First light absorption layer 31: In 0.20 Ga 0.80 N, 1.5 nm, growth temperature 780 degrees Celsius.
Second
Light guide layer 9: a third
Third
Fourth
Upper light guide layer 11: undoped GaN, 50 nm, growth temperature 1100 degrees Celsius.
Electron blocking layer 12: p-type Al 0.18 Ga 0.82 N, 20 nm, growth temperature 1100 degrees Celsius.
Upper cladding layer 13: p-type Al 0.06 Ga 0.94 N, 400 nm, growth temperature 1100 degrees Celsius.
Upper contact layer 15: p-type GaN, 50 nm, grown at a growth temperature of 1100 degrees Celsius.
このような半導体層を成長させると、ストライプコアウェハ1の第2領域1b(高転移領域)上に、下部クラッド層2から上部コンタクト層15まで、各層の積層方向に沿った高転移領域が形成された。また、ストライプコアウェハ1の第1領域1aの貫通転移密度は1×107cm―2以下であるため、第1領域1a上には良好な結晶品質の半導体膜がエピタキシャル成長した。
When such a semiconductor layer is grown, a high transition region is formed on the
工程S105においては、電極を形成した。まず、上部コンタクト層15上に、コンタクトウィンド23aを有する絶縁層23を形成した。この際、下部クラッド層2から上部コンタクト層15までの各層に形成された高転移領域にコンタクトウィンド23aが沿うようにした。これにより、後述のように窒化物半導体レーザの共振器をm軸方向に容易に向き付けさせることができた。コンタクトウィンド23aは、図7のX軸に沿った方向に延びている。コンタクトウィンド23aの幅は10μmであり、長さは600μmである。
In step S105, an electrode was formed. First, the insulating
続いて、絶縁層23とコンタクトウィンド23a上に、Niを10nm、Auを300nm形成し、アノード17を形成した。
Subsequently, 10 nm of Ni and 300 nm of Au were formed on the insulating
続いて、ストライプコアウェハ1の裏面1yを削ってウェハを薄くした。その後、ストライプコアウェハ1の裏面1yにTi30nm、Al100nm、Au300nmからなるカソード電極層21を形成した。
Subsequently, the
次に、工程S107において、ストライプコアウェハ1の劈開及び切断を行い、ストライプコアウェハ1を個々の半導体レーザ素子に分離した。図7においては、窒化物半導体レーザ40aのX軸と交差する2つの面が劈開面となるように示している。この2つの面、及び2つの面間の光導波路は、窒化物半導体レーザ40aの共振器を構成する。
(実施例2)
Next, in step S107, the
(Example 2)
図8は実施例2の窒化物半導体レーザ40bの断面構造を示す模式図である。実施例2は、発光層7の構造において、実施例1と異なる。実施例2は発光層7以外の構造は実施例1と同じである。実施例2の発光層を以下のような構造とした。
発光層7:障壁層34と井戸層35を交互に成長。
障壁層34:In0.05Ga0.95N、15nm、成長温度摂氏840度。
井戸層35:In0.23Ga0.77N、3nm、成長温度摂氏780度。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the
Light emitting layer 7: Barrier layers 34 and well layers 35 are alternately grown.
Barrier layer 34: In 0.05 Ga 0.95 N, 15 nm, growth temperature 840 degrees Celsius.
Well layer 35: In 0.23 Ga 0.77 N, 3 nm, growth temperature 780 degrees Celsius.
(実施例3)
図9は実施例3の窒化物半導体レーザ40cの断面構造を示す模式図である。実施例3では、半導体層が成長するウェハの構造が、実施例1と異なる。実施例3はウェハの構造以外は実施例1と同じである。工程S101において、ストライプコアのないc面In0.20Ga0.80Nウェハ1を準備した。
(Example 3)
FIG. 9 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the
(比較例1)
図10は比較例1の窒化物半導体レーザ40dの断面構造を示す模式図である。比較例1は、発光層7、光ガイド層5、及び光ガイド層9の構造において、実施例1と異なる。比較例1は、これらの層以外の構造は実施例1と同じである。比較例1の発光層7、光ガイド層5、及び光ガイド層9を以下のような構造とした。
光ガイド層5:アンドープIn0.05Ga0.95N、50nm、成長温度摂氏840度。
発光層7:障壁層33と井戸層35を交互に成長。
障壁層33:In0.05Ga0.95N、15nm、成長温度摂氏840度。
井戸層35:In0.23Ga0.77N、3nm、成長温度摂氏780度。
光ガイド層9:アンドープIn0.05Ga0.95N、50nm、成長温度摂氏840度。
(Comparative Example 1)
FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the
Optical guide layer 5: undoped In 0.05 Ga 0.95 N, 50 nm, growth temperature 840 degrees Celsius.
Light emitting layer 7: Barrier layers 33 and well layers 35 are grown alternately.
Barrier layer 33: In 0.05 Ga 0.95 N, 15 nm, growth temperature 840 degrees centigrade.
Well layer 35: In 0.23 Ga 0.77 N, 3 nm, growth temperature 780 degrees Celsius.
Optical guide layer 9: undoped In 0.05 Ga 0.95 N, 50 nm, growth temperature 840 degrees Celsius.
上述のように製造した実施例1〜3、及び比較例1の窒化物半導体レーザ40a、40b、40c、及び40dについて、電流密度0.1kA/cm2の条件で、LEDモードにおける発光スペクトルがピーク強度を有する波長λX、レーザ発振波長、及びレーザ発振閾値電流を測定した。すると、以下のような結果が得られた。
実施例1:波長λX=480nm、レーザ発振波長=470nm、レーザ発振閾値電流=500mA
実施例2:波長λX=480nm、レーザ発振波長=470nm、レーザ発振閾値電流=500mA
実施例3:波長λX=530nm、レーザ発振波長=520nm、レーザ発振閾値電流=1000mA
比較例1:波長λX=480nm、レーザ発振波長=442nm、レーザ発振閾値電流=300mA
For the
Example 1: Wavelength λ X = 480 nm, laser oscillation wavelength = 470 nm, laser oscillation threshold current = 500 mA
Example 2: Wavelength λ X = 480 nm, laser oscillation wavelength = 470 nm, laser oscillation threshold current = 500 mA
Example 3: wavelength λ X = 530 nm, laser oscillation wavelength = 520 nm, laser oscillation threshold current = 1000 mA
Comparative Example 1: Wavelength λ X = 480 nm, laser oscillation wavelength = 442 nm, laser oscillation threshold current = 300 mA
これらの結果より、本発明の実施例においては、比較例と比較して、波長λXとレーザ発振波長の値が近くなった。これにより、本発明の実施例に係る窒化物半導体レーザ40a、40b、40cにおいては、第1、第2、第3光吸収層31、5b、9bがLEDモードにおける短波長領域RL(図4参照)の波長成分の光を吸収したので、長波長領域RHの波長成分の光によってレーザ発振が生じたと考えられる。そのため、本発明の実施例に係る窒化物半導体レーザ40a、40b、40cにおいては、バンドフィリングによる効果が低減されることがわかった。
From these results, in the example of the present invention, the values of the wavelength λ X and the laser oscillation wavelength are close compared to the comparative example. As a result, in the
2・・・下部クラッド層(第1導電型窒化ガリウム系半導体層)、5・・・第1光ガイド層、7・・・発光層、9・・・第2光ガイド層、13・・・上部クラッド層(第1導電型窒化ガリウム系半導体層)、31・・・第1光吸収層、34、34a、34b・・・障壁層、35・・・井戸層、40・・・窒化物半導体レーザ。
2 ... lower cladding layer (first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer), 5 ... first light guide layer, 7 ... light emitting layer, 9 ... second light guide layer, 13 ... Upper cladding layer (first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer), 31... First light absorption layer, 34, 34a, 34b... Barrier layer, 35. laser.
Claims (21)
第1導電型窒化ガリウム系半導体層と、
第2導電型窒化ガリウム系半導体層と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられた第1光ガイド層と、
前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられた第2光ガイド層と、
を備え、
前記発光層は、バンドギャップEWを有する井戸層と、バンドギャップEBを有する障壁層と、を含む量子井戸構造を有し、
前記発光層の前記井戸層はInGaNからなり、
前記第1光ガイド層、前記第2光ガイド層、及び前記障壁層の少なくともいずれかは、バンドギャップEYを有する窒化ガリウム系半導体層からなる第1光吸収層を含み、
前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYは前記バンドギャップEWよりも大きく、前記バンドギャップEYは前記バンドギャップEBよりも小さく、
前記バンドギャップEYと前記バンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さく、
当該窒化物半導体レーザのレーザ発振波長は、460nm以上であることを特徴とする窒化物半導体レーザ。 A nitride semiconductor laser comprising:
A first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer;
A second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer;
A light emitting layer provided between the first conductive type gallium nitride based semiconductor layer and the second conductive type gallium nitride based semiconductor layer;
A first light guide layer provided between the first conductive type gallium nitride based semiconductor layer and the light emitting layer;
A second light guide layer provided between the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer and the light emitting layer;
With
The emission layer includes a well layer having a band gap E W, and a barrier layer having a band gap E B, a quantum well structure including,
The well layer of the light emitting layer is made of InGaN,
It said first optical guide layer, the second optical guide layer, and at least one of said barrier layer includes a first light-absorbing layer composed of a gallium nitride-based semiconductor layer having a band gap E Y,
The band gap E Y of the first light-absorbing layer is larger than the band gap E W, the band gap E Y is smaller than the band gap E B,
The difference between the band gap E Y and the band gap E W is greater than 0, rather smaller than 0.3eV,
The nitride semiconductor laser has a laser oscillation wavelength of 460 nm or more .
前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYは前記エネルギーEXよりも大きく、
前記バンドギャップEYと前記エネルギーEXとの差は0よりも大きく、
前記差は0.09eVよりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体レーザ。 The light emitting layer is an emission spectrum at a wavelength corresponding to the energy E X in the LED mode of the nitride semiconductor laser is provided so as to have a peak intensity,
The band gap E Y of the first light-absorbing layer is greater than the energy E X,
Wherein the difference between the band gap E Y and the energy E X greater than 0,
The nitride semiconductor laser according to claim 1, wherein the difference is smaller than 0.09 eV.
前記第1InGaNガイド部のバンドギャップは、前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYより大きいことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。 The first light guide layer includes the first light absorption layer, and a first InGaN guide portion provided between the first light absorption layer and the first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer,
The band gap of the 1InGaN guide portion, a nitride semiconductor laser according to any one of claims 1 to 3, wherein greater than the band gap E Y of the first light-absorbing layer.
前記第2InGaNガイド部のバンドギャップは、前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYより大きいことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。 The second light guide layer includes the first light absorption layer, and a second InGaN guide portion provided between the first light absorption layer and the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer,
The band gap of the 2InGaN guide portion, a nitride semiconductor laser according to any one of claims 1 to 4, wherein greater than the band gap E Y of the first light-absorbing layer.
前記障壁層は、前記第1光吸収層と、第1及び第2InGaN障壁部とを含み、
前記第1InGaN障壁部は、前記第1光吸収層と前記井戸層との間に設けられており、
前記第2InGaN障壁部は、前記第1光吸収層と前記別の井戸層との間に設けられており、
前記第1及び第2InGaN障壁部のバンドギャップEBは、前記第1光吸収層の前記バンドギャップEYより大きいことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。 The light emitting layer further includes another well layer,
The barrier layer includes the first light absorption layer, first and second InGaN barrier portions,
The first InGaN barrier portion is provided between the first light absorption layer and the well layer,
The second InGaN barrier portion is provided between the first light absorption layer and the another well layer,
The band gap E B of the first and second 2InGaN barrier portion, nitride according to any one of claims 1 to 3, wherein greater than the band gap E Y of the first light-absorbing layer Semiconductor laser.
前記第2光吸収層は、バンドギャップEY2を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、
前記第2光吸収層の前記バンドギャップEY2は前記バンドギャップEWよりも大きく、
前記第2光吸収層の前記バンドギャップEY2と前記バンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さく、
前記第3InGaNガイド部のバンドギャップは、前記第2光吸収層の前記バンドギャップEY2より大きいことを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体レーザ。 The first light guide layer includes a second light absorption layer, and a third InGaN guide portion provided between the second light absorption layer and the first conductivity type gallium nitride semiconductor layer,
The second light absorption layer includes a gallium nitride based semiconductor layer having a band gap EY2 .
The band gap E Y2 of the second light absorbing layer is larger than the band gap E W,
The difference between the band gap E W and the band gap E Y2 of the second light absorbing layer is greater than 0, less than 0.3 eV,
The band gap of the 3InGaN guide portion, a nitride semiconductor laser according to claim 7, wherein greater than the band gap E Y2 of the second light-absorbing layer.
前記第3光吸収層は、バンドギャップEY3を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、
前記第3光吸収層の前記バンドギャップEY3は前記バンドギャップEWよりも大きく、
前記第3光吸収層の前記バンドギャップEY3と前記バンドギャップEWとの差は、0よりも大きく、0.3eVより小さく、
前記第4InGaNガイド部のバンドギャップは、前記第3光吸収層の前記バンドギャップEY3より大きいことを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の窒化物半導体レーザ。 The second light guide layer includes a third light absorption layer, and a fourth InGaN guide portion provided between the third light absorption layer and the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer,
The third light absorption layer includes a gallium nitride based semiconductor layer having a band gap EY3 .
The band gap E Y3 of the third light-absorbing layer is larger than the band gap E W,
The difference between the band gap E Y3 and the band gap E W of the third light-absorbing layer is greater than 0, less than 0.3 eV,
The band gap of the 4InGaN guide portion, a nitride semiconductor laser according to claim 7 or claim 8, characterized in that greater than the band gap E Y3 of the third light-absorbing layer.
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層、前記発光層、前記第1光ガイド層、及び前記第2光ガイド層は、前記窒化物半導体基板の主面上に設けられていることを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。 A nitride semiconductor substrate;
The first conductive type gallium nitride based semiconductor layer, the second conductive type gallium nitride based semiconductor layer, the light emitting layer, the first light guide layer, and the second light guide layer are formed on a main surface of the nitride semiconductor substrate. the nitride semiconductor laser according to any one of claims 1 to 13, characterized in that provided above.
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体層、前記第2導電型窒化ガリウム系半導体層、前記発光層、前記第1光ガイド層、及び前記第2光ガイド層は、前記主面の前記第1領域上に設けられており、
前記第2領域は、前記第1領域に沿って延びており、
当該窒化物半導体レーザの共振器は、前記第2領域に沿って延びていることを特徴とする請求項14に記載の窒化物半導体レーザ。 The nitride semiconductor substrate includes a first region having a threading dislocation density smaller than a predetermined threading dislocation density, and a second region having a threading dislocation density larger than the predetermined threading dislocation density. The region and the second region extend from the back surface of the nitride semiconductor substrate to the main surface,
The first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer, the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer, the light emitting layer, the first light guide layer, and the second light guide layer are formed in the first region of the main surface. Provided on the
The second region extends along the first region;
15. The nitride semiconductor laser according to claim 14 , wherein the resonator of the nitride semiconductor laser extends along the second region.
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