JP5553035B2 - Gallium nitride semiconductor laser device - Google Patents

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Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体レーザ素子に関する。   The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor laser device.

従来、n型クラッド層、n型光ガイド層、活性層、電子ブロック層、p型光ガイド層、p型クラッド層が半導体基板上にこの順に積層されてなる半導体レーザ素子が知られている(例えば、下記非特許文献1参照)。非特許文献1に記載された半導体レーザ素子の活性層は、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造(MQW構造)を有している。   Conventionally, there has been known a semiconductor laser device in which an n-type cladding layer, an n-type light guide layer, an active layer, an electron block layer, a p-type light guide layer, and a p-type cladding layer are laminated in this order on a semiconductor substrate ( For example, see Non-Patent Document 1 below). The active layer of the semiconductor laser device described in Non-Patent Document 1 has a multiple quantum well structure (MQW structure) in which well layers and barrier layers are alternately stacked.

Journal of Applied physics、107、023101(2010)Journal of Applied physics, 107, 023101 (2010)

ところで、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の発光特性は、単一の井戸層からなる活性層を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子に比して優れる傾向がある。しかしながら、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、単一の井戸層からなる活性層を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子に比して井戸層とバリア層とのバンドオフセットが大きいため、大きな電圧降下(例えば3V以上の電圧降下)が生じて、所定量の電流を得るための動作電圧が高くなる傾向がある。そのため、このような活性層を備えた窒化ガリウム系半導体レーザ素子に対しては、動作電圧を低減することが求められている。   By the way, the emission characteristics of a gallium nitride based semiconductor laser device having an active layer in which a plurality of well layers are stacked via a barrier layer are different from those of a gallium nitride based semiconductor laser device having an active layer consisting of a single well layer. Tend to be better. However, in a gallium nitride based semiconductor laser device having an active layer in which a plurality of well layers are stacked via a barrier layer, the well is compared with a gallium nitride based semiconductor laser device having an active layer composed of a single well layer. Since the band offset between the layer and the barrier layer is large, a large voltage drop (for example, a voltage drop of 3 V or more) occurs, and the operating voltage for obtaining a predetermined amount of current tends to increase. Therefore, it is required to reduce the operating voltage for a gallium nitride based semiconductor laser device having such an active layer.

本発明は、上記課題を解決しようとするものであり、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しつつ動作電圧を低減することが可能な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。   The present invention is intended to solve the above-described problem, and a gallium nitride based semiconductor laser device capable of reducing an operating voltage while having an active layer in which a plurality of well layers are stacked via a barrier layer. The purpose is to provide.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、510〜550nmの光を発生可能な井戸層/バリア層/井戸層の量子井戸構造を基板の半極性面上に光ガイド層を介して有する素子では、当該量子井戸構造を基板の極性面上に光ガイド層を介して有する素子に比してキャリアの移動度に優れたバンド構造が形成され易く、半導体レーザ素子において動作電圧を低減し易いことを見出した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has formed a quantum well structure of a well layer / barrier layer / well layer capable of generating light of 510 to 550 nm on a semipolar plane of a substrate. In the element having the quantum well structure, it is easy to form a band structure having excellent carrier mobility as compared with the element having the quantum well structure on the polar surface of the substrate via the light guide layer. We found that it was easy to reduce.

さらに、本発明者は、基板の半極性面上に光ガイド層を介して配置される上記量子井戸構造において、バリア層のバンドギャップを光ガイド層のバンドギャップより小さくなるように調整することで、キャリアの移動度に更に優れたバンド構造が形成され、動作電圧を低減することができることを見出した。   Furthermore, the present inventor adjusted the band gap of the barrier layer to be smaller than the band gap of the light guide layer in the quantum well structure disposed on the semipolar plane of the substrate via the light guide layer. The present inventors have found that a band structure further excellent in carrier mobility can be formed and the operating voltage can be reduced.

すなわち、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、半極性主面を有する基板と、半極性主面上に配置された光ガイド層と、510〜550nmの光を発生可能な量子井戸構造を有すると共に光ガイド層上に配置された活性層と、を備え、量子井戸構造が、InGaNからなる第1井戸層と、当該第1井戸層上に配置されると共に窒化ガリウム系半導体からなるバリア層と、当該バリア層上に配置されると共にInGaNからなる第2井戸層と、を有し、バリア層のバンドギャップが光ガイド層のバンドギャップより小さい。   That is, a gallium nitride based semiconductor laser device according to the present invention has a substrate having a semipolar principal surface, a light guide layer disposed on the semipolar principal surface, and a quantum well structure capable of generating light of 510 to 550 nm. And a quantum well structure having a first well layer made of InGaN, and a barrier layer made of a gallium nitride based semiconductor and disposed on the first well layer. And a second well layer made of InGaN disposed on the barrier layer, and the band gap of the barrier layer is smaller than the band gap of the light guide layer.

本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、基板の半極性主面上に光ガイド層を介して配置される井戸層/バリア層/井戸層の量子井戸構造が510〜550nmの光を発生可能な構造を有しており、バリア層のバンドギャップが光ガイド層のバンドギャップより小さい。これにより、キャリアの移動度に優れたバンド構造が形成されてキャリアの移動が促進されることとなる。したがって、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しつつ、所定量(例えば200mA)の電流を得るための動作電圧を低減することができる。   In the gallium nitride based semiconductor laser device according to the present invention, the well layer / barrier layer / well layer quantum well structure disposed on the semipolar main surface of the substrate via the light guide layer can generate light having a wavelength of 510 to 550 nm. The band gap of the barrier layer is smaller than the band gap of the light guide layer. As a result, a band structure having excellent carrier mobility is formed, and carrier movement is promoted. Therefore, in the gallium nitride based semiconductor laser device according to the present invention, an operating voltage for obtaining a predetermined amount (for example, 200 mA) of current is obtained while having an active layer in which a plurality of well layers are stacked via a barrier layer. Can be reduced.

半極性主面は、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のm軸方向に傾斜していることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減することができる。   The semipolar main surface is preferably inclined in the m-axis direction of the gallium nitride semiconductor from the plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor. In this case, the operating voltage can be further reduced.

半極性主面のm軸方向への傾斜角度は、63°以上80°未満であることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減することができる。   The inclination angle of the semipolar main surface in the m-axis direction is preferably 63 ° or more and less than 80 °. In this case, the operating voltage can be further reduced.

第1井戸層又は第2井戸層の少なくとも一方の膜厚は、1.0〜4.0nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減することができる。   The film thickness of at least one of the first well layer or the second well layer is preferably 1.0 to 4.0 nm. In this case, the operating voltage can be further reduced.

本発明においては、第1井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第2井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が1.12eVを超え1.14eV以下であり、且つ、バリア層の膜厚が1.0〜2.2nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In the present invention, at least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 1.12 eV and not more than 1.14 eV, and the barrier layer The film thickness is preferably 1.0 to 2.2 nm. In this case, a semiconductor laser element that can further reduce the operating voltage can be realized.

本発明においては、第1井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第2井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が1.07eVを超え1.12eV以下であり、且つ、バリア層の膜厚が1.0〜2.4nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In the present invention, at least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 1.07 eV and not more than 1.12 eV, and the barrier layer The film thickness is preferably 1.0 to 2.4 nm. In this case, a semiconductor laser element that can further reduce the operating voltage can be realized.

本発明においては、第1井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第2井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が1.02eVを超え1.07eV以下であり、且つ、バリア層の膜厚が1.0〜2.9nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In the present invention, at least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 1.02 eV and 1.07 eV or less, and the barrier layer The film thickness is preferably 1.0 to 2.9 nm. In this case, a semiconductor laser element that can further reduce the operating voltage can be realized.

本発明においては、第1井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第2井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.97eVを超え1.02eV以下であり、且つ、バリア層の膜厚が1.0〜3.3nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In the present invention, at least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 0.97 eV and not more than 1.02 eV, and the barrier layer The film thickness is preferably 1.0 to 3.3 nm. In this case, a semiconductor laser element that can further reduce the operating voltage can be realized.

本発明においては、第1井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第2井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.92eVを超え0.97eV以下であり、且つ、バリア層の膜厚が1.0〜4.1nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In the present invention, at least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 0.92 eV and not more than 0.97 eV, and the barrier layer The film thickness is preferably 1.0 to 4.1 nm. In this case, a semiconductor laser element that can further reduce the operating voltage can be realized.

本発明においては、第1井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第2井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.87eVを超え0.92eV以下であり、且つ、バリア層の膜厚が1.0〜4.8nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In the present invention, at least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 0.87 eV and not more than 0.92 eV, and the barrier layer The film thickness is preferably 1.0 to 4.8 nm. In this case, a semiconductor laser element that can further reduce the operating voltage can be realized.

本発明においては、第1井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第2井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.82eVを超え0.87eV以下であり、且つ、バリア層の膜厚が1.0〜6.5nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In the present invention, at least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 0.82 eV and not more than 0.87 eV, and the barrier layer The film thickness is preferably 1.0 to 6.5 nm. In this case, a semiconductor laser element that can further reduce the operating voltage can be realized.

本発明においては、第1井戸層とバリア層のバンドギャップ差、又は、第2井戸層とバリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.77eV以上0.82eV以下であり、且つ、バリア層の膜厚が1.0〜8.3nmであることが好ましい。この場合、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In the present invention, at least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is 0.77 eV or more and 0.82 eV or less, and the barrier layer The film thickness is preferably 1.0 to 8.3 nm. In this case, a semiconductor laser element that can further reduce the operating voltage can be realized.

本発明によれば、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しつつ、所定量の電流を得るための動作電圧を低減することが可能な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することができる。本発明によれば、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しつつ、単一の井戸層からなる活性層を有する素子と同等の動作電圧を達成可能な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することができる。   According to the present invention, a gallium nitride based semiconductor laser device capable of reducing an operating voltage for obtaining a predetermined amount of current while having an active layer in which a plurality of well layers are stacked via a barrier layer. Can be provided. According to the present invention, a gallium nitride capable of achieving an operating voltage equivalent to that of an element having an active layer composed of a single well layer while having an active layer in which a plurality of well layers are stacked via a barrier layer. A semiconductor laser device can be provided.

本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a gallium nitride based semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. 図1に示した窒化ガリウム系半導体レーザ素子の一部におけるエネルギーバンドの模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an energy band in a part of the gallium nitride based semiconductor laser element shown in FIG. 1. エネルギーバンドのシミュレーション結果を示す図面である。It is drawing which shows the simulation result of an energy band. 電流−電圧特性を示す図面である。It is drawing which shows an electric current-voltage characteristic. 動作電圧とIn組成との関係を示す図面である。It is drawing which shows the relationship between an operating voltage and In composition. バリア層の許容膜厚とIn組成との関係を示す図面である。It is drawing which shows the relationship between the allowable film thickness of a barrier layer, and In composition. 井戸層及びバリア層のバンドギャップ差とバリア層のIn組成との関係を示す図面である。It is drawing which shows the relationship between the band gap difference of a well layer and a barrier layer, and In composition of a barrier layer.

以下、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a gallium nitride based semiconductor laser device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す模式断面図である。本実施形態に係る半導体レーザ(窒化ガリウム系半導体レーザ素子)1は、半導体基板10、半導体領域20、活性層30及び半導体領域40を備えている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a gallium nitride based semiconductor laser device according to this embodiment. A semiconductor laser (gallium nitride based semiconductor laser element) 1 according to this embodiment includes a semiconductor substrate 10, a semiconductor region 20, an active layer 30, and a semiconductor region 40.

半導体基板10は、例えば、GaN基板等の窒化ガリウム系半導体基板である。半導体基板10は、互いに対向する表面10aと裏面10bとを有しており、半導体基板10の表面10aは、例えば、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のm軸方向に傾斜した半極性主面である。表面10aのm軸方向への傾斜角度は、動作電圧を更に低減する観点から、63°以上80°未満が好ましく、70°以上80°未満がより好ましく、71°以上79°以下が更に好ましい。   The semiconductor substrate 10 is a gallium nitride based semiconductor substrate such as a GaN substrate, for example. The semiconductor substrate 10 has a front surface 10a and a back surface 10b facing each other, and the front surface 10a of the semiconductor substrate 10 is, for example, from the plane perpendicular to the c-axis of the gallium nitride semiconductor to the m-axis direction of the gallium nitride semiconductor. It is a semipolar main surface inclined in the direction. The inclination angle of the surface 10a in the m-axis direction is preferably from 63 ° to less than 80 °, more preferably from 70 ° to less than 80 °, and still more preferably from 71 ° to 79 ° from the viewpoint of further reducing the operating voltage.

半導体レーザ1は、半導体領域20、活性層30及び半導体領域40を半導体基板10の表面10a上に表面10aの法線方向にエピタキシャル成長させて形成される。半導体基板10の表面10a上にエピタキシャル成長する半導体領域(半導体領域20、活性層30、半導体領域40)の各構成層の主面は、表面10aの結晶方位を引き継ぐ傾向がある。   The semiconductor laser 1 is formed by epitaxially growing the semiconductor region 20, the active layer 30, and the semiconductor region 40 on the surface 10a of the semiconductor substrate 10 in the normal direction of the surface 10a. The main surface of each constituent layer of the semiconductor region (semiconductor region 20, active layer 30, semiconductor region 40) epitaxially grown on the surface 10a of the semiconductor substrate 10 tends to inherit the crystal orientation of the surface 10a.

半導体領域20は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層から構成されており、GaN、AlGaN、InGaN又はInAlGaN等からなる窒化ガリウム系半導体層から構成されている。半導体領域20は、光ガイド層を少なくとも一つ有しており、例えば、バッファ層20a、下部クラッド層20b、下部光ガイド層20c及び下部光ガイド層20dを有している。   The semiconductor region 20 is composed of one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers, and is composed of a gallium nitride based semiconductor layer made of GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN or the like. The semiconductor region 20 includes at least one light guide layer, and includes, for example, a buffer layer 20a, a lower cladding layer 20b, a lower light guide layer 20c, and a lower light guide layer 20d.

バッファ層20aは、半導体基板10の表面10a上に配置されており、表面10aに接合している。バッファ層20aは、例えば、Si等をn型ドーパントとして含有するn型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。バッファ層20aのn型ドーパント濃度は、例えば3×1018/cmである。バッファ層20aの膜厚は、例えば1.1μmである。 The buffer layer 20a is disposed on the surface 10a of the semiconductor substrate 10 and joined to the surface 10a. The buffer layer 20a is, for example, an n-type gallium nitride semiconductor layer (GaN layer or the like) containing Si or the like as an n-type dopant. The n-type dopant concentration of the buffer layer 20a is, for example, 3 × 10 18 / cm 3 . The film thickness of the buffer layer 20a is, for example, 1.1 μm.

下部クラッド層20bは、バッファ層20a上に配置されており、例えば、Si等をn型ドーパントとして含有するn型窒化ガリウム系半導体層(In0.03Al0.14Ga0.83N層等)である。下部クラッド層20bのn型ドーパント濃度は、例えば3×1018/cmである。下部クラッド層20bの膜厚は、例えば1.2μmである。 The lower cladding layer 20b is disposed on the buffer layer 20a. For example, an n-type gallium nitride based semiconductor layer (In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N layer or the like) containing Si or the like as an n-type dopant is used. ). The n-type dopant concentration of the lower cladding layer 20b is, for example, 3 × 10 18 / cm 3 . The film thickness of the lower cladding layer 20b is, for example, 1.2 μm.

下部光ガイド層20cは、下部クラッド層20b上に配置されており、例えば、Si等をn型ドーパントとして含有するn型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。下部光ガイド層20cのn型ドーパント濃度は、例えば2×1018/cmである。下部光ガイド層20cの膜厚は、例えば0.250μmである。 The lower light guide layer 20c is disposed on the lower cladding layer 20b and is, for example, an n-type gallium nitride based semiconductor layer (GaN layer or the like) containing Si or the like as an n-type dopant. The n-type dopant concentration of the lower light guide layer 20c is, for example, 2 × 10 18 / cm 3 . The film thickness of the lower light guide layer 20c is, for example, 0.250 μm.

下部光ガイド層20dは、バッファ層20a、下部クラッド層20b及び下部光ガイド層20cを介して半導体基板10上に配置されている。下部光ガイド層20dは、例えば、Si等をn型ドーパントとして含有するn型InGa1−xN半導体層である。In組成xは、0.025≦x≦0.06が好ましい。下部光ガイド層20dのn型ドーパント濃度は、例えば5×1017〜2×1018/cmである。下部光ガイド層20dの膜厚は、例えば0.115μmである。 The lower light guide layer 20d is disposed on the semiconductor substrate 10 via the buffer layer 20a, the lower cladding layer 20b, and the lower light guide layer 20c. The lower light guide layer 20d is, for example, an n-type In x Ga 1-x N semiconductor layer containing Si or the like as an n-type dopant. The In composition x is preferably 0.025 ≦ x ≦ 0.06. The n-type dopant concentration of the lower light guide layer 20d is, for example, 5 × 10 17 to 2 × 10 18 / cm 3 . The film thickness of the lower light guide layer 20d is, for example, 0.115 μm.

活性層30は、下部光ガイド層20d上に配置されており、下部光ガイド層20dの主面20sに接合している。活性層30は、510〜550nmの光を発生可能な多重量子井戸構造(MQW構造)を有している。活性層30は、井戸層(第1井戸層)30aと、井戸層30a上に配置されたバリア層30bと、バリア層30b上に配置された井戸層(第2井戸層)30cとから構成されるMQW構造を有している。   The active layer 30 is disposed on the lower light guide layer 20d and joined to the main surface 20s of the lower light guide layer 20d. The active layer 30 has a multiple quantum well structure (MQW structure) capable of generating light of 510 to 550 nm. The active layer 30 includes a well layer (first well layer) 30a, a barrier layer 30b disposed on the well layer 30a, and a well layer (second well layer) 30c disposed on the barrier layer 30b. MQW structure.

井戸層30a,30cは、例えばノンドープのInGa1−yN半導体層である。In組成yは、0.25≦y≦0.30が好ましい。井戸層30aのIn組成yと井戸層30cのIn組成yとは、互いに同一であっても異なっていてもよい。 The well layers 30a and 30c are, for example, non-doped In y Ga 1-y N semiconductor layers. The In composition y is preferably 0.25 ≦ y ≦ 0.30. The In composition y of the well layer 30a and the In composition y of the well layer 30c may be the same as or different from each other.

井戸層30a又は井戸層30cの少なくとも一方の膜厚は、1.0〜4.0nmであることが好ましく、2.0〜3.0nmがより好ましい。また、井戸層30a,30cの膜厚のいずれもが1.0〜4.0nmであることが好ましい。井戸層30a,30cの膜厚のいずれもが1.0nm未満であると、発光効率が低下する傾向がある。井戸層30a,30cの膜厚のいずれもが4.0nmを超えると、歪が大きくなり結晶が壊れ易くなる傾向がある。   The film thickness of at least one of the well layer 30a or the well layer 30c is preferably 1.0 to 4.0 nm, and more preferably 2.0 to 3.0 nm. Moreover, it is preferable that both of the film thicknesses of the well layers 30a and 30c are 1.0 to 4.0 nm. If both the thicknesses of the well layers 30a and 30c are less than 1.0 nm, the light emission efficiency tends to decrease. If both the thicknesses of the well layers 30a and 30c exceed 4.0 nm, the strain tends to increase and the crystal tends to break easily.

バリア層30bは、下部光ガイド層20dよりもバンドギャップが小さい窒化ガリウム系半導体からなり、例えばノンドープのInGa1−zN半導体層である。In組成zは、0.025≦z≦0.10が好ましく、0.025<z≦0.10がより好ましく、0.03≦z≦0.06が更に好ましい。In組成zが0.025未満であると、バリア層30bでの電圧降下が大きくなる傾向がある。In組成zが0.10を超えると、バリア層30bを結晶成長させ難くなる傾向がある。In組成zは、下部光ガイド層20dのIn組成x以上であることが好ましく、下部光ガイド層20dのIn組成xより大きいことがより好ましい。また、In組成zは、井戸層30a,30cのIn組成yより小さいことが好ましい。 The barrier layer 30b is made of a gallium nitride semiconductor having a smaller band gap than the lower light guide layer 20d, and is, for example, a non-doped In z Ga 1-z N semiconductor layer. The In composition z is preferably 0.025 ≦ z ≦ 0.10, more preferably 0.025 <z ≦ 0.10, and still more preferably 0.03 ≦ z ≦ 0.06. If the In composition z is less than 0.025, the voltage drop in the barrier layer 30b tends to increase. If the In composition z exceeds 0.10, the barrier layer 30b tends to be difficult to grow. The In composition z is preferably greater than or equal to the In composition x of the lower light guide layer 20d, and more preferably greater than the In composition x of the lower light guide layer 20d. The In composition z is preferably smaller than the In composition y of the well layers 30a and 30c.

バリア層30bの膜厚は、1.0nm以上が好ましい。バリア層30bの膜厚が1.0nm未満であると、結晶成長が困難になる傾向がある。   The film thickness of the barrier layer 30b is preferably 1.0 nm or more. If the thickness of the barrier layer 30b is less than 1.0 nm, crystal growth tends to be difficult.

半導体領域40は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層から構成されており、GaN、AlGaN、InGaN又はInAlGaN等からなる窒化ガリウム系半導体層から構成されている。半導体領域40は、例えば、上部光ガイド層40a、電子ブロック層40b、上部光ガイド層40c、上部光ガイド層40d、上部クラッド層40e及びコンタクト層40fを有している。   The semiconductor region 40 is composed of one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers, and is composed of a gallium nitride based semiconductor layer made of GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN or the like. The semiconductor region 40 includes, for example, an upper light guide layer 40a, an electron block layer 40b, an upper light guide layer 40c, an upper light guide layer 40d, an upper cladding layer 40e, and a contact layer 40f.

上部光ガイド層40aは、活性層30上に配置されており、活性層30の主面30sに接合している。上部光ガイド層40aは、例えば、ノンドープの窒化ガリウム系半導体層(In0.025Ga0.975N層等)である。上部光ガイド層40aの膜厚は、例えば0.075μmである。 The upper light guide layer 40 a is disposed on the active layer 30 and joined to the main surface 30 s of the active layer 30. The upper light guide layer 40a is, for example, a non-doped gallium nitride based semiconductor layer (such as an In 0.025 Ga 0.975 N layer). The film thickness of the upper light guide layer 40a is, for example, 0.075 μm.

電子ブロック層40bは、上部光ガイド層40a上に配置されており、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。電子ブロック層40bのp型ドーパント濃度は、例えば1×1019/cmである。電子ブロック層40bの膜厚は、例えば20nmである。 The electron block layer 40b is disposed on the upper light guide layer 40a and is, for example, a p-type gallium nitride based semiconductor layer (GaN layer or the like) containing Mg or the like as a p-type dopant. The electron block layer 40b has a p-type dopant concentration of, for example, 1 × 10 19 / cm 3 . The film thickness of the electron block layer 40b is, for example, 20 nm.

上部光ガイド層40cは、電子ブロック層40b上に配置されている。上部光ガイド層40cは、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層(In0.025Ga0.975N層等)である。上部光ガイド層40cのp型ドーパント濃度は、例えば5×1018/cmである。上部光ガイド層40cの膜厚は、例えば0.050μmである。 The upper light guide layer 40c is disposed on the electron block layer 40b. The upper light guide layer 40c is, for example, a p-type gallium nitride semiconductor layer (such as an In 0.025 Ga 0.975 N layer) containing Mg or the like as a p-type dopant. The p-type dopant concentration of the upper light guide layer 40c is, for example, 5 × 10 18 / cm 3 . The film thickness of the upper light guide layer 40c is, for example, 0.050 μm.

上部光ガイド層40dは、上部光ガイド層40c上に配置されており、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。上部光ガイド層40dのp型ドーパント濃度は、例えば5×1018/cmである。上部光ガイド層40dの膜厚は、例えば0.250μmである。 The upper light guide layer 40d is disposed on the upper light guide layer 40c and is, for example, a p-type gallium nitride based semiconductor layer (GaN layer or the like) containing Mg or the like as a p-type dopant. The p-type dopant concentration of the upper light guide layer 40d is, for example, 5 × 10 18 / cm 3 . The film thickness of the upper light guide layer 40d is, for example, 0.250 μm.

上部クラッド層40eは、上部光ガイド層40d上に配置されており、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層(In0.03Al0.14Ga0.83N層等)である。上部クラッド層40eのp型ドーパント濃度は、例えば1×1019/cmである。上部クラッド層40eの膜厚は、例えば0.40μmである。 The upper clad layer 40e is disposed on the upper light guide layer 40d, and for example, a p-type gallium nitride based semiconductor layer (In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N containing Mg or the like as a p-type dopant). Layer). The p-type dopant concentration of the upper cladding layer 40e is, for example, 1 × 10 19 / cm 3 . The film thickness of the upper cladding layer 40e is, for example, 0.40 μm.

コンタクト層40fは、上部クラッド層40e上に配置されており、例えば、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層(GaN層等)である。コンタクト層40fのp型ドーパント濃度は、例えば3×1019/cmである。コンタクト層40fの膜厚は、例えば0.050μmである。 The contact layer 40f is disposed on the upper cladding layer 40e, and is, for example, a p + -type gallium nitride based semiconductor layer (GaN layer or the like) containing Mg or the like as a p-type dopant. The contact layer 40f has a p-type dopant concentration of 3 × 10 19 / cm 3 , for example. The film thickness of the contact layer 40f is, for example, 0.050 μm.

図2は、半導体レーザ1の一部におけるエネルギーバンドの模式図であり、下部光ガイド層20dから上部光ガイド層40aにかけてのバンド図である。縦軸はバンドエネルギーを示し、横軸は積層方向の座標を示す。実線Eは伝導帯の下端を示し、実線Eは価電子帯の上端を示す。 FIG. 2 is a schematic diagram of an energy band in a part of the semiconductor laser 1, and is a band diagram from the lower light guide layer 20d to the upper light guide layer 40a. The vertical axis represents band energy, and the horizontal axis represents coordinates in the stacking direction. A solid line E c indicates the lower end of the conduction band, and a solid line E v indicates the upper end of the valence band.

本発明者の知見によれば、バリア層30bのバンドギャップBG1を下部光ガイド層20dのバンドギャップBG2より小さくなるように調整することにより、動作電圧を低減することができる。また、バリア層30bのバンドギャップBG1を上部光ガイド層40aのバンドギャップBG3より小さくなるように調整することにより、動作電圧を更に低減することができる。各半導体層のバンドギャップの大きさは、例えば、各半導体層のIn組成により調整することが可能であり、In組成の増加に伴いバンドギャップは減少する傾向がある。   According to the knowledge of the present inventor, the operating voltage can be reduced by adjusting the band gap BG1 of the barrier layer 30b to be smaller than the band gap BG2 of the lower light guide layer 20d. Further, the operating voltage can be further reduced by adjusting the band gap BG1 of the barrier layer 30b to be smaller than the band gap BG3 of the upper light guide layer 40a. The size of the band gap of each semiconductor layer can be adjusted by, for example, the In composition of each semiconductor layer, and the band gap tends to decrease as the In composition increases.

さらに、本発明者の知見によれば、バンドギャップBG1をバンドギャップBG2より小さくなるように調整した上で、(i)井戸層30a,30cとバリア層30bとのバンドオフセットBO1〜BO4を小さくする、(ii)バリア層30bの膜厚Tを小さくすることにより、動作電圧を更に低減することができる。バンドオフセットBO1〜BO4は、例えば、井戸層30a,30c及びバリア層30bのIn組成により調整することができる。   Further, according to the knowledge of the present inventor, after adjusting the band gap BG1 to be smaller than the band gap BG2, (i) reducing the band offsets BO1 to BO4 between the well layers 30a and 30c and the barrier layer 30b. (Ii) The operating voltage can be further reduced by reducing the film thickness T of the barrier layer 30b. The band offsets BO1 to BO4 can be adjusted by, for example, the In composition of the well layers 30a and 30c and the barrier layer 30b.

本実施形態においては、動作電圧を更に低減可能な半導体レーザ素子を実現する観点から、井戸層30a,30cとバリア層30bとのバンドギャップ差(すなわち、井戸層30a,30cとバリア層30bとのバンドオフセット)に応じて、バリア層30bの膜厚を調整することが好ましい。例えば、井戸層30a,30cとバリア層30bとのバンドギャップ差が大きい場合には、バリア層30bにおけるキャリアのトンネリング作用を向上させる観点から、膜厚の小さいバリア層30bを用いることが好ましい。   In the present embodiment, from the viewpoint of realizing a semiconductor laser device capable of further reducing the operating voltage, the band gap difference between the well layers 30a and 30c and the barrier layer 30b (that is, between the well layers 30a and 30c and the barrier layer 30b). It is preferable to adjust the film thickness of the barrier layer 30b according to the band offset. For example, when the band gap difference between the well layers 30a and 30c and the barrier layer 30b is large, it is preferable to use the barrier layer 30b having a small thickness from the viewpoint of improving the tunneling action of carriers in the barrier layer 30b.

井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差、又は、井戸層30cとバリア層30bのバンドギャップ差の少なくとも一方が1.12eVを超え1.14eV以下である場合、バリア層30bの膜厚は1.0〜2.2nmであることが好ましい。   When at least one of the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b or the band gap difference between the well layer 30c and the barrier layer 30b is greater than 1.12 eV and less than or equal to 1.14 eV, the thickness of the barrier layer 30b is 1 It is preferable that it is 0.0-2.2 nm.

井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差、又は、井戸層30cとバリア層30bのバンドギャップ差の少なくとも一方が1.07eVを超え1.12eV以下である場合、バリア層30bの膜厚は1.0〜2.4nmであることが好ましい。   When at least one of the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b or the band gap difference between the well layer 30c and the barrier layer 30b is more than 1.07 eV and not more than 1.12 eV, the thickness of the barrier layer 30b is 1 It is preferable that it is 0.0-2.4 nm.

井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差、又は、井戸層30cとバリア層30bのバンドギャップ差の少なくとも一方が1.02eVを超え1.07eV以下である場合、バリア層30bの膜厚は1.0〜2.9nmであることが好ましい。   When at least one of the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b or the band gap difference between the well layer 30c and the barrier layer 30b is more than 1.02 eV and 1.07 eV or less, the film thickness of the barrier layer 30b is 1 It is preferable that it is 0.0-2.9 nm.

井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差、又は、井戸層30cとバリア層30bのバンドギャップ差の少なくとも一方が0.97eVを超え1.02eV以下である場合、バリア層30bの膜厚が1.0〜3.3nmであることが好ましい。   When at least one of the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b or the band gap difference between the well layer 30c and the barrier layer 30b is more than 0.97 eV and 1.02 eV or less, the film thickness of the barrier layer 30b is 1 It is preferable that it is 0.0-3.3 nm.

井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差、又は、井戸層30cとバリア層30bのバンドギャップ差の少なくとも一方が0.92eVを超え0.97eV以下である場合、バリア層30bの膜厚が1.0〜4.1nmであることが好ましい。   When at least one of the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b or the band gap difference between the well layer 30c and the barrier layer 30b is more than 0.92 eV and not more than 0.97 eV, the thickness of the barrier layer 30b is 1 It is preferable that it is 0.0-4.1 nm.

井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差、又は、井戸層30cとバリア層30bのバンドギャップ差の少なくとも一方が0.87eVを超え0.92eV以下である場合、バリア層30bの膜厚が1.0〜4.8nmであることが好ましい。   When at least one of the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b or the band gap difference between the well layer 30c and the barrier layer 30b is more than 0.87 eV and not more than 0.92 eV, the thickness of the barrier layer 30b is 1 It is preferable that it is 0.0-4.8 nm.

井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差、又は、井戸層30cとバリア層30bのバンドギャップ差の少なくとも一方が0.82eVを超え0.87eV以下である場合、バリア層30bの膜厚が1.0〜6.5nmであることが好ましい。   When at least one of the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b or the band gap difference between the well layer 30c and the barrier layer 30b is more than 0.82 eV and less than 0.87 eV, the thickness of the barrier layer 30b is 1 It is preferable that it is 0.0-6.5 nm.

井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差、又は、井戸層30cとバリア層30bのバンドギャップ差の少なくとも一方が0.77eV以上0.82eV以下である場合、バリア層30bの膜厚が1.0〜8.3nmであることが好ましい。   When at least one of the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b or the band gap difference between the well layer 30c and the barrier layer 30b is 0.77 eV or more and 0.82 eV or less, the thickness of the barrier layer 30b is 1. It is preferable that it is 0-8.3 nm.

半導体レーザ1では、半極性主面である表面10a上に下部光ガイド層20dを介して配置される井戸層30a/バリア層30b/井戸層30cの量子井戸構造が510〜550nmの光を発生可能な構造を有しており、バリア層30bのバンドギャップが下部光ガイド層20dのバンドギャップより小さい。この場合、図3を用いて後述するようにキャリアの移動度に優れたバンド構造が形成されているため、キャリアの移動が促進されることとなる。したがって、半導体レーザ1では、複数の井戸層がバリア層を介して積層されてなる活性層を有しているものの、所定量の電流を得るための動作電圧を低減することができる。このような半導体レーザ1では、単一の井戸層からなる活性層を有する素子と同等の動作電圧を達成しつつ当該素子よりも優れた発光特性を得ることができる。   In the semiconductor laser 1, the quantum well structure of the well layer 30a / barrier layer 30b / well layer 30c arranged on the surface 10a which is a semipolar main surface via the lower light guide layer 20d can generate light having a wavelength of 510 to 550 nm. The band gap of the barrier layer 30b is smaller than the band gap of the lower light guide layer 20d. In this case, as will be described later with reference to FIG. 3, a band structure having excellent carrier mobility is formed, so that carrier movement is promoted. Therefore, although the semiconductor laser 1 has an active layer in which a plurality of well layers are stacked via a barrier layer, the operating voltage for obtaining a predetermined amount of current can be reduced. In such a semiconductor laser 1, light emission characteristics superior to that of the element can be obtained while achieving an operating voltage equivalent to that of an element having an active layer composed of a single well layer.

本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、上述の実施形態において半導体基板10の表面10aは、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のm軸の方向に傾斜しているが、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のa軸の方向に傾斜していてもよい。また、半導体領域40の表面側に、半導体レーザ素子の光導波方向に延びるリッジ部が形成されていてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the surface 10a of the semiconductor substrate 10 is inclined in the direction of the m-axis of the gallium nitride semiconductor from the plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor. It may be inclined in the direction of the a-axis of the gallium nitride based semiconductor from the plane orthogonal to. A ridge portion extending in the optical waveguide direction of the semiconductor laser element may be formed on the surface side of the semiconductor region 40.

また、上記半導体レーザ1では、上部光ガイド層40aはノンドープであるが、Mg等をp型ドーパントとして含有するp型窒化ガリウム系半導体層であってもよい。また、上記半導体レーザ1では、上部光ガイド層40a及び上部光ガイド層40cの間に電子ブロック層40bが配置されているが、電子ブロック層40bが配置されることなく単一の上部光ガイド層が形成されていてもよい。   In the semiconductor laser 1, the upper light guide layer 40a is non-doped, but may be a p-type gallium nitride based semiconductor layer containing Mg or the like as a p-type dopant. In the semiconductor laser 1, the electron block layer 40b is disposed between the upper light guide layer 40a and the upper light guide layer 40c. However, the single upper light guide layer is not disposed without the electron block layer 40b. May be formed.

次に、下記半導体レーザ素子モデルA〜Cを用いたデバイスシミュレーションの結果について説明する。半導体レーザ素子モデルAは、半導体レーザ1と同様の構成を有している。半導体レーザ素子モデルA〜Cの構成の詳細は下記のとおりである。   Next, the results of device simulation using the following semiconductor laser element models A to C will be described. The semiconductor laser element model A has the same configuration as that of the semiconductor laser 1. Details of the configurations of the semiconductor laser element models A to C are as follows.

(半導体レーザ素子モデルA)
半導体基板10(ノンドープGaN基板、主面:{20−21}面(c面からm軸方向への傾斜角度:75°)
バッファ層20a(n型GaN層、ドーパント:Si、ドーパント濃度:3×1018/cm、膜厚:1.1μm)
下部クラッド層20b(n型In0.03Al0.14Ga0.83N層、ドーパント:Si、ドーパント濃度:3×1018/cm、膜厚:1.2μm)
下部光ガイド層20c(n型GaN層、ドーパント:Si、ドーパント濃度:2×1018/cm、膜厚:0.250μm)
下部光ガイド層20d(n型In0.025Ga0.975N半導体層、ドーパント:Si、ドーパント濃度:5×1017/cm、膜厚:0.115μm)
活性層30(多重量子井戸構造:井戸層30a/バリア層30b/井戸層30c、井戸層30a,30cの組成:In0.30Ga0.70N、井戸層30a,30cの膜厚:3nm、バリア層30bの組成:InGa1−zN半導体層(z:0.025、0.050、0.10、0.15)、バリア層30bの膜厚:1nm、2nm、5nm、10nm)
上部光ガイド層40a(ノンドープIn0.025Ga0.975N半導体層、膜厚:0.075μm)
電子ブロック層40b(p型GaN層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:1×1019/cm、膜厚:20nm)
上部光ガイド層40c(p型In0.025Ga0.975N層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:5×1018/cm、膜厚:0.050μm)
上部光ガイド層40d(p型GaN層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:5×1018/cm、膜厚:0.250μm)
上部クラッド層40e(p型In0.03Al0.14Ga0.83N層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:1×1019/cm、膜厚:0.40μm)
コンタクト層40f(p型GaN層、ドーパント:Mg、ドーパント濃度:3×1019/cm、膜厚:0.050μm)
(Semiconductor laser element model A)
Semiconductor substrate 10 (non-doped GaN substrate, main surface: {20-21} plane (inclination angle from c-plane to m-axis direction: 75 °)
Buffer layer 20a (n-type GaN layer, dopant: Si, dopant concentration: 3 × 10 18 / cm 3 , film thickness: 1.1 μm)
Lower cladding layer 20b (n-type In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N layer, dopant: Si, dopant concentration: 3 × 10 18 / cm 3 , film thickness: 1.2 μm)
Lower light guide layer 20c (n-type GaN layer, dopant: Si, dopant concentration: 2 × 10 18 / cm 3 , film thickness: 0.250 μm)
Lower light guide layer 20d (n-type In 0.025 Ga 0.975 N semiconductor layer, dopant: Si, dopant concentration: 5 × 10 17 / cm 3 , film thickness: 0.115 μm)
Active layer 30 (multiple quantum well structure: well layer 30a / barrier layer 30b / well layer 30c, composition of well layers 30a, 30c: In 0.30 Ga 0.70 N, thickness of well layers 30a, 30c: 3 nm, the composition of the barrier layer 30b: in z Ga 1-z N semiconductor layers (z: 0.025,0.050,0.10,0.15), a barrier layer 30b having a thickness of: 1nm, 2nm, 5nm, 10nm )
Upper light guide layer 40a (non-doped In 0.025 Ga 0.975 N semiconductor layer, film thickness: 0.075 μm)
Electron blocking layer 40b (p-type GaN layer, dopant: Mg, dopant concentration: 1 × 10 19 / cm 3 , film thickness: 20 nm)
Upper light guide layer 40c (p-type In 0.025 Ga 0.975 N layer, dopant: Mg, dopant concentration: 5 × 10 18 / cm 3 , film thickness: 0.050 μm)
Upper light guide layer 40d (p-type GaN layer, dopant: Mg, dopant concentration: 5 × 10 18 / cm 3 , film thickness: 0.250 μm)
Upper clad layer 40e (p-type In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N layer, dopant: Mg, dopant concentration: 1 × 10 19 / cm 3 , film thickness: 0.40 μm)
Contact layer 40f (p + type GaN layer, dopant: Mg, dopant concentration: 3 × 10 19 / cm 3 , film thickness: 0.050 μm)

(半導体レーザ素子モデルB)
半導体レーザ素子モデルBは、半導体基板10の主面が{0001}面(c面)であることを除き半導体レーザ素子モデルAと同様の構成を有している。
(Semiconductor laser element model B)
The semiconductor laser element model B has the same configuration as the semiconductor laser element model A except that the main surface of the semiconductor substrate 10 is a {0001} plane (c-plane).

(半導体レーザ素子モデルC)
半導体レーザ素子モデルCは、活性層30が井戸層30aの単層からなることを除き半導体レーザ素子モデルAと同様の構成を有している。
(Semiconductor laser element model C)
The semiconductor laser element model C has the same configuration as the semiconductor laser element model A except that the active layer 30 is a single layer of the well layer 30a.

図3は、半導体レーザ素子モデルA,Bを用いたシミュレーションによって提供されたエネルギーバンド図であり、下部光ガイド層20dからバリア層30bにかけてのエネルギーバンド図である。図3(a)は、半導体レーザ素子モデルAを用いたシミュレーション結果であり、図3(b)は、半導体レーザ素子モデルBを用いたシミュレーション結果である。縦軸はバンドエネルギー(eV)を示し、横軸は積層方向の座標を示す。実線Ec1,Ec2は伝導帯の下端を示し、実線Ev1,Ev2は価電子帯の上端を示す。破線Fc1,Fc2は電子のフェルミ準位を示し、破線Fv1,Fv2は正孔のフェルミ準位を示す。 FIG. 3 is an energy band diagram provided by simulation using the semiconductor laser element models A and B, and is an energy band diagram from the lower light guide layer 20d to the barrier layer 30b. 3A shows a simulation result using the semiconductor laser element model A, and FIG. 3B shows a simulation result using the semiconductor laser element model B. The vertical axis represents band energy (eV), and the horizontal axis represents coordinates in the stacking direction. Solid lines E c1 and E c2 indicate the lower end of the conduction band, and solid lines E v1 and E v2 indicate the upper end of the valence band. Dashed lines F c1 and F c2 indicate electron Fermi levels, and broken lines F v1 and F v2 indicate hole Fermi levels.

図3(a)を参照すると、半導体基板の半極性面上に下部光ガイド層20d/井戸層30a/バリア層30bの量子井戸構造を有する素子では、伝導帯の下端Ec1において、井戸層30a/バリア層30b界面におけるエネルギーレベルELc11の方が井戸層30a/下部光ガイド層20d界面におけるエネルギーレベルELc12に比してバンドエネルギーが高いと共に、価電子帯の上端Ev1において、井戸層30a/バリア層30b界面におけるエネルギーレベルELv11の方が井戸層30a/下部光ガイド層20d界面におけるエネルギーレベルELv12に比してバンドエネルギーが高い。 Referring to FIG. 3A, in the element having the quantum well structure of the lower light guide layer 20d / well layer 30a / barrier layer 30b on the semipolar plane of the semiconductor substrate, the well layer 30a at the lower end E c1 of the conduction band. The energy level EL c11 at the / barrier layer 30b interface has a higher band energy than the energy level EL c12 at the well layer 30a / lower light guide layer 20d interface, and the well layer 30a at the upper end E v1 of the valence band The energy level EL v11 at the / barrier layer 30b interface has higher band energy than the energy level EL v12 at the well layer 30a / lower light guide layer 20d interface.

一方、図3(b)を参照すると、半導体基板の極性面上に下部光ガイド層20d/井戸層30a/バリア層30bの量子井戸構造を有する素子では、伝導帯の下端Ec2において、井戸層30a/バリア層30b界面におけるエネルギーレベルELc21の方が井戸層30a/下部光ガイド層20d界面におけるエネルギーレベルELc22に比してバンドエネルギーが低いと共に、価電子帯の下端Ev2において、井戸層30a/バリア層30b界面におけるエネルギーレベルELv21の方が井戸層30a/下部光ガイド層20d界面におけるエネルギーレベルELv22に比してバンドエネルギーが低い。 On the other hand, referring to FIG. 3B, in the element having the quantum well structure of the lower light guide layer 20d / well layer 30a / barrier layer 30b on the polar surface of the semiconductor substrate, the well layer is formed at the lower end E c2 of the conduction band. The energy level EL c21 at the 30a / barrier layer 30b interface has a lower band energy than the energy level EL c22 at the well layer 30a / lower light guide layer 20d interface, and the well layer at the lower end E v2 of the valence band. 30a / barrier layer 30b is band energy lower than the energy level EL v22 in the well layer 30a / the lower optical guide layer 20d interfaces towards the energy level EL v21 at the interface.

そのため、電子が井戸層30aに注入されるときに乗り越えなければならないバンド障壁の高さが、半極性の場合は比較的低くなることにより、半極性面上に量子井戸構造を有する素子は、極性面上に量子井戸構造を有する素子に比してキャリアの移動度に優れたバンド構造を有しているため、半導体レーザ素子において所定量の電流を得るための動作電圧を低くすることができる。   For this reason, the height of the band barrier that must be overcome when electrons are injected into the well layer 30a is relatively low in the case of semipolarity, so that an element having a quantum well structure on the semipolar plane is polar. Since it has a band structure excellent in carrier mobility compared to an element having a quantum well structure on the surface, the operating voltage for obtaining a predetermined amount of current in the semiconductor laser element can be lowered.

半導体レーザ素子モデルAを用いて、バリア層30bの膜厚及びIn組成を変化させて電流−電圧特性のデバイスシミュレーションを行った。図4は、シミュレーションによって提供された電流−電圧特性を示す図面であり、シミュレーション結果の一例として、バリア層30bの膜厚が10nmである場合における電流−電圧特性を示す図面である。縦軸は電流(mA)を示し、横軸は電圧(V)を示す。   Using the semiconductor laser element model A, device simulation of current-voltage characteristics was performed by changing the film thickness and In composition of the barrier layer 30b. FIG. 4 is a diagram illustrating current-voltage characteristics provided by simulation, and is a diagram illustrating current-voltage characteristics when the thickness of the barrier layer 30b is 10 nm as an example of a simulation result. The vertical axis represents current (mA), and the horizontal axis represents voltage (V).

図5は、バリア層30bの各膜厚及び各In組成において200mAの電流を得るための動作電圧を図4の電流−電圧特性のシミュレーション結果に基づき導出した結果を示す図面であり、動作電圧とIn組成との関係を示す図面である。縦軸は200mAの電流を得るための動作電圧Vf(V)を示し、横軸はバリア層30bのIn組成(%)を示す。   FIG. 5 is a diagram showing results obtained by deriving an operating voltage for obtaining a current of 200 mA at each film thickness and each In composition of the barrier layer 30b based on the simulation result of the current-voltage characteristics of FIG. It is drawing which shows the relationship with In composition. The vertical axis represents the operating voltage Vf (V) for obtaining a current of 200 mA, and the horizontal axis represents the In composition (%) of the barrier layer 30b.

図5を参照すると、バリア層30bがいずれの膜厚を有している場合であっても、200mAの電流を得るための動作電圧がIn組成の増加に伴い減少することが確認される。バリア層30bのIn組成が増加するに伴い、バリア層30bのバンドギャップが下部光ガイド層20dのバンドギャップよりも小さくなると共に、バリア層30bと井戸層30a,30cとのバンドオフセットが小さくなることにより、キャリアの移動に更に優れたバンド構造が形成されることとなり動作電圧が減少したものと推測される。   Referring to FIG. 5, it can be confirmed that the operating voltage for obtaining a current of 200 mA decreases as the In composition increases, regardless of the thickness of the barrier layer 30b. As the In composition of the barrier layer 30b increases, the band gap of the barrier layer 30b becomes smaller than the band gap of the lower light guide layer 20d, and the band offset between the barrier layer 30b and the well layers 30a and 30c decreases. As a result, it is presumed that a band structure more excellent in carrier movement is formed and the operating voltage is reduced.

また、図5を参照すると、バリア層30bの膜厚が小さくなるに伴い、同一のIn組成における動作電圧が減少することが確認される。バリア層30bの膜厚が小さくなるに伴い、バリア層30bにおけるキャリアのトンネリング作用が向上することにより、動作電圧が減少したものと推測される。   Referring to FIG. 5, it is confirmed that the operating voltage with the same In composition decreases as the thickness of the barrier layer 30b decreases. As the film thickness of the barrier layer 30b becomes smaller, it is presumed that the operating voltage is reduced by improving the tunneling action of carriers in the barrier layer 30b.

また、単一の井戸層からなる活性層を有する半導体レーザ素子モデルCを用いて、電流−電圧特性のデバイスシミュレーションを行ったところ、200mAの電流を得るための動作電圧Vf(V)が6.3Vであることが確認された。半導体レーザ素子においては井戸層の数が増加するに伴い動作電圧が増大する傾向があるところ、200mAの電流を得るための動作電圧の増加量は、単一の井戸層からなる活性層を有する素子に対して1.0V以下であることが好ましく、すなわち、200mAの電流を得るための動作電圧Vf(V)は7.3V以下であることが好ましい。   Further, when a device simulation of current-voltage characteristics was performed using the semiconductor laser element model C having an active layer composed of a single well layer, the operating voltage Vf (V) for obtaining a current of 200 mA was 6. It was confirmed to be 3V. In a semiconductor laser device, the operating voltage tends to increase as the number of well layers increases, and the amount of increase in operating voltage for obtaining a current of 200 mA is an element having an active layer composed of a single well layer. The operating voltage Vf (V) for obtaining a current of 200 mA is preferably 7.3 V or less.

図6は、図5の結果に基づき、動作電圧が7.3Vとなる膜厚(以下、「許容膜厚」という)をIn組成2.5%〜10%の範囲内で算出した結果を示す図面であり、バリア層30bの許容膜厚とIn組成との関係を示す図面である。縦軸はバリア層30bの許容膜厚(nm)を示し、横軸はバリア層30bのIn組成(%)を示す。   FIG. 6 shows the result of calculating the film thickness at which the operating voltage becomes 7.3 V (hereinafter referred to as “allowable film thickness”) within the range of 2.5% to 10% of the In composition based on the result of FIG. It is drawing and is a drawing which shows the relationship between the allowable film thickness of the barrier layer 30b, and In composition. The vertical axis represents the allowable film thickness (nm) of the barrier layer 30b, and the horizontal axis represents the In composition (%) of the barrier layer 30b.

また、半導体レーザ素子モデルAを用いて、井戸層30aとバリア層30bのバンドギャップ差についてデバイスシミュレーションを行った。図7は、井戸層30a及びバリア層30bのバンドギャップ差とバリア層30bのIn組成との関係を示す図面である。縦軸は井戸層30a及びバリア層30bのバンドギャップ差(eV)を示し、横軸はバリア層30bのIn組成(%)を示す。なお、井戸層30aのバンドギャップは2.2eVであった。バンドギャップ差はIn組成の増加に伴い単調に減少し、近似曲線「y=−0.0497x+1.2675(x:In組成、y:バンドギャップ差)」が得られた。   In addition, using the semiconductor laser element model A, a device simulation was performed on the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b. FIG. 7 is a drawing showing the relationship between the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b and the In composition of the barrier layer 30b. The vertical axis represents the band gap difference (eV) between the well layer 30a and the barrier layer 30b, and the horizontal axis represents the In composition (%) of the barrier layer 30b. The band gap of the well layer 30a was 2.2 eV. The band gap difference monotonously decreased as the In composition increased, and an approximate curve “y = −0.0497x + 1.2675 (x: In composition, y: band gap difference)” was obtained.

次に、図6及び図7の結果に基づき、バリア層30bの許容膜厚と、井戸層30a及びバリア層30bのバンドギャップ差との関係を導出した。例えば、図7においてバンドギャップ差が1.12eVを超え1.14eV以下の範囲では、1.14eVにおける許容膜厚をバリア層30bが有している場合には、当該範囲のいずれにおいても動作電圧を7.3V以下とすることができる。図7においてバンドギャップ差が1.14eVである場合、In組成は2.5(%)である。そして、In組成が2.5(%)である場合、図6における許容膜厚は2.2nmである。したがって、バンドギャップ差が1.12eVを超え1.14eV以下の範囲では、バリア層30bの膜厚を2.2nm以下にすることにより、200mAの電流を得るための動作電圧を7.3V以下にすることができる。   Next, based on the results of FIGS. 6 and 7, the relationship between the allowable film thickness of the barrier layer 30b and the band gap difference between the well layer 30a and the barrier layer 30b was derived. For example, in FIG. 7, in the range where the band gap difference is greater than 1.12 eV and less than or equal to 1.14 eV, when the barrier layer 30b has an allowable film thickness at 1.14 eV, the operating voltage is in any of the ranges. Can be 7.3 V or less. In FIG. 7, when the band gap difference is 1.14 eV, the In composition is 2.5 (%). When the In composition is 2.5 (%), the allowable film thickness in FIG. 6 is 2.2 nm. Therefore, when the band gap difference is greater than 1.12 eV and less than or equal to 1.14 eV, the operating voltage for obtaining a current of 200 mA is reduced to 7.3 V or less by reducing the film thickness of the barrier layer 30 b to 2.2 nm or less. can do.

同様の手順により、図7においてバンドギャップ差が1.07eVを超え1.12eV以下の範囲では、図6において許容膜厚は2.4nm以下と算出される。バンドギャップ差が1.02eVを超え1.07eV以下の範囲では、許容膜厚は2.9nm以下と算出される。バンドギャップ差が0.97eVを超え1.02eV以下の範囲では、許容膜厚は3.3nm以下と算出される。バンドギャップ差が0.92eVを超え0.97eV以下の範囲では、許容膜厚は4.1nm以下と算出される。バンドギャップ差が0.87eVを超え0.92eV以下の範囲では、許容膜厚は4.8nm以下と算出される。バンドギャップ差が0.82eVを超え0.87eV以下の範囲では、許容膜厚は6.5nm以下と算出される。バンドギャップ差が0.77eV以上0.82eV以下の範囲では、許容膜厚は8.3nm以下と算出される。   By the same procedure, the allowable film thickness is calculated to be 2.4 nm or less in FIG. 6 when the band gap difference exceeds 1.07 eV and is 1.12 eV or less in FIG. In the range where the band gap difference exceeds 1.02 eV and 1.07 eV or less, the allowable film thickness is calculated to be 2.9 nm or less. When the band gap difference is more than 0.97 eV and 1.02 eV or less, the allowable film thickness is calculated to be 3.3 nm or less. In the range where the band gap difference exceeds 0.92 eV and is 0.97 eV or less, the allowable film thickness is calculated to be 4.1 nm or less. In the range where the band gap difference exceeds 0.87 eV and is 0.92 eV or less, the allowable film thickness is calculated to be 4.8 nm or less. In the range where the band gap difference exceeds 0.82 eV and 0.87 eV or less, the allowable film thickness is calculated to be 6.5 nm or less. In the range where the band gap difference is 0.77 eV or more and 0.82 eV or less, the allowable film thickness is calculated to be 8.3 nm or less.

1…半導体レーザ(窒化ガリウム系半導体レーザ素子)、10…半導体基板、10a…表面(半極性主面)、20d…下部光ガイド層、30…活性層、30a…井戸層(第1井戸層)、30b…バリア層、30c…井戸層(第2井戸層)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser (gallium nitride semiconductor laser element), 10 ... Semiconductor substrate, 10a ... Surface (semipolar main surface), 20d ... Lower light guide layer, 30 ... Active layer, 30a ... Well layer (first well layer) 30b ... barrier layer, 30c ... well layer (second well layer).

Claims (13)

半極性主面を有する基板と、
前記半極性主面上に配置された光ガイド層と、
510〜550nmの光を発生可能な量子井戸構造を有すると共に前記光ガイド層上に配置された活性層と、を備え、
前記半極性主面が、窒化ガリウム系半導体のc軸に直交する面から前記窒化ガリウム系半導体のm軸方向に傾斜しており、
前記半極性主面の前記m軸方向への傾斜角度が63°以上80°未満であり、
前記量子井戸構造が、InGaNからなる第1井戸層と、当該第1井戸層上に配置されると共に窒化ガリウム系半導体からなるバリア層と、当該バリア層上に配置されると共にInGaNからなる第2井戸層と、を有し、
前記バリア層のバンドギャップが前記光ガイド層のバンドギャップより小さく、
前記第1井戸層又は前記第2井戸層の少なくとも一方がIn Ga 1−y N(0.25≦y≦0.30)からなり、
前記バリア層の前記窒化ガリウム系半導体がIn Ga 1−z N半導体(0.025≦z≦0.10)である、窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
A substrate having a semipolar main surface;
A light guide layer disposed on the semipolar main surface;
An active layer having a quantum well structure capable of generating light of 510 to 550 nm and disposed on the light guide layer,
The semipolar principal surface is inclined in the m-axis direction of the gallium nitride semiconductor from a plane orthogonal to the c-axis of the gallium nitride semiconductor;
An inclination angle of the semipolar main surface in the m-axis direction is 63 ° or more and less than 80 °,
The quantum well structure includes a first well layer made of InGaN, a barrier layer made of a gallium nitride semiconductor and disposed on the first well layer, and a second well made of InGaN and placed on the barrier layer. And a well layer,
The band gap of the barrier layer is rather smaller than the band gap of the light guide layer,
At least one of the first well layer or the second well layer is made of In y Ga 1-y N (0.25 ≦ y ≦ 0.30),
The gallium nitride based semiconductor laser device , wherein the gallium nitride based semiconductor of the barrier layer is an In z Ga 1-z N semiconductor (0.025 ≦ z ≦ 0.10) .
前記半極性主面が{20−21}面である、請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。   The gallium nitride based semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semipolar principal surface is a {20-21} plane. 前記光ガイド層がInGa1−xN(0.025≦x≦0.06)からなる、請求項1又は2に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。 Wherein the light guide layer is made of In x Ga 1-x N ( 0.025 ≦ x ≦ 0.06), gallium nitride semiconductor laser device according to claim 1 or 2. 前記光ガイド層がn型ドーパントを含有する、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。 The light guide layer contains a n-type dopant, a gallium nitride-based semiconductor laser device according to any one of claims 1-3. 前記第1井戸層又は前記第2井戸層の少なくとも一方の膜厚が1.0〜4.0nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。 The gallium nitride based semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 4 , wherein a film thickness of at least one of the first well layer or the second well layer is 1.0 to 4.0 nm. 前記第1井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第2井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が1.12eVを超え1.14eV以下であり、
前記バリア層の膜厚が1.0〜2.2nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
At least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer, or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 1.12 eV and not more than 1.14 eV,
The thickness of the barrier layer is 1.0~2.2Nm, gallium nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1-5.
前記第1井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第2井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が1.07eVを超え1.12eV以下であり、
前記バリア層の膜厚が1.0〜2.4nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
At least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 1.07 eV and not more than 1.12 eV,
The thickness of the barrier layer is 1.0~2.4Nm, gallium nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1-5.
前記第1井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第2井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が1.02eVを超え1.07eV以下であり、
前記バリア層の膜厚が1.0〜2.9nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
At least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 1.02 eV and not more than 1.07 eV,
The thickness of the barrier layer is 1.0~2.9Nm, gallium nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1-5.
前記第1井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第2井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.97eVを超え1.02eV以下であり、
前記バリア層の膜厚が1.0〜3.3nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
At least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 0.97 eV and not more than 1.02 eV,
The thickness of the barrier layer is 1.0~3.3Nm, gallium nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1-5.
前記第1井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第2井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.92eVを超え0.97eV以下であり、
前記バリア層の膜厚が1.0〜4.1nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
At least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 0.92 eV and not more than 0.97 eV,
The thickness of the barrier layer is 1.0~4.1Nm, gallium nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1-5.
前記第1井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第2井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.87eVを超え0.92eV以下であり、
前記バリア層の膜厚が1.0〜4.8nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
At least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 0.87 eV and not more than 0.92 eV,
The thickness of the barrier layer is 1.0~4.8Nm, gallium nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1-5.
前記第1井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第2井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.82eVを超え0.87eV以下であり、
前記バリア層の膜厚が1.0〜6.5nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
At least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is more than 0.82 eV and not more than 0.87 eV,
The thickness of the barrier layer is 1.0~6.5Nm, gallium nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1-5.
前記第1井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差、又は、前記第2井戸層と前記バリア層のバンドギャップ差の少なくとも一方が0.77eV以上0.82eV以下であり、
前記バリア層の膜厚が1.0〜8.3nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
At least one of the band gap difference between the first well layer and the barrier layer or the band gap difference between the second well layer and the barrier layer is 0.77 eV or more and 0.82 eV or less,
The thickness of the barrier layer is 1.0~8.3Nm, gallium nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1-5.
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