JP6536649B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6536649B2 JP6536649B2 JP2017197003A JP2017197003A JP6536649B2 JP 6536649 B2 JP6536649 B2 JP 6536649B2 JP 2017197003 A JP2017197003 A JP 2017197003A JP 2017197003 A JP2017197003 A JP 2017197003A JP 6536649 B2 JP6536649 B2 JP 6536649B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- semiconductor laser
- laser device
- type
- active
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
図2に示すように、半導体レーザ素子100は、基板1の上に、n型窒化物半導体層を有するn側領域2と、活性層3と、p型窒化物半導体層を有するp側領域4と、を備える。p側領域4の表面には例えばリッジ4aが設けられている。リッジ4aが設けられている場合は、活性層3のうちリッジ4aの直下の部分及びその近傍が導波路領域である。リッジ4aの側面とリッジ4aの側面から連続するp側領域4の表面には第1絶縁膜5aを設けることができ、第1絶縁膜5a上には第1絶縁膜5aの一部を被覆する第2絶縁膜5bを設けることができる。基板1はn型であり、その下面にはn電極8が設けられている。また、p側領域4表面のリッジ4aに接してp電極6が設けられ、さらにその上にp側パッド電極7が設けられている。第1絶縁膜5aはp電極6の一部を被覆してよい。
基板1には、例えばGaNやAlN等からなる窒化物半導体基板を用いることができる。また、窒化物半導体基板以外の異種基板、例えば、サファイアのような絶縁性基板、SiC、Si、ZnO、Ga2O3、GaAsなどの半導体基板、ガラスなどの上に窒化物半導体を成長させたテンプレート基板などを用いてもよい。また、前述の第2層26等を設けることによる効果は、極性面をもつc面において特に大きいと考えられる。c面((0001)面)GaN基板上に各半導体層を成長させた素子において、井戸層に前述したピエゾ電界がかかるからである。したがって、基板1としては、c面を主面とする基板(GaN基板、サファイア基板等)を用いることが好ましい。ここでc面を主面とするとは、0〜1度程度のオフ角を有するものを含んでよい。
n側領域2は、窒化物半導体からなる多層構造で形成することができる。n側領域2に含まれるn型半導体層としては、Si、Ge等のn型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。n側領域2は、例えば、基板1側から順に、第1n型半導体層21、第2n型半導体層22、第3n型半導体層23(本実施形態ではこの層をn型窒化物半導体層とする)、第4n型半導体層24、第1層25、第2層26を有し、第2層26の上又は下、あるいは両方に第3層27が配置されている。n側領域2にはこれら以外の層を配置してもよく、また、これらの層のいずれかを省略してもよい。
第1〜第4n型半導体層21〜24は、n型不純物を含有する。第1n型半導体層21は、例えばAlGaNからなる。第2n型半導体層22は、例えばInGaNからなる。第2n型半導体層22のIn組成比は井戸層31よりも小さいことが好ましく、第2層26と同程度でもよい。第3n型半導体層23は、例えば第1層25よりもバンドギャップエネルギーが大きいAliGa1−iN(0≦i<1)からなる。第3n型半導体層23は、第1n型半導体層21よりもバンドギャップエネルギーが大きいことが好ましい。第3n型半導体層23は、n側領域2において最大のバンドギャップエネルギーを有してよく、典型的にはn型クラッド層として機能する。第3n型半導体層23の膜厚は、例えば0.7〜1.2μm程度である。第4n型半導体層24は、例えばGaNからなる。第4n型半導体層24を設ける場合は、第1層25と同じか又は第1層25と第3n型半導体層23との間のバンドギャップエネルギー及び/又は格子定数を有することが好ましい。第4n型半導体層24の膜厚は、例えば第3n型半導体層23の膜厚よりも小さい。
第1層25は、InaGa1−aN(0≦a<1)からなる。第1層25は、InGaNでもよく、GaNでもよい。第1層25は、n型窒化物半導体層(例えば第3n型半導体層23)よりもバンドギャップエネルギーが小さい及び/又は格子定数が大きいことが好ましい。また、第1層25の格子定数を、n型窒化物半導体層と第2層26の間、第4n型半導体層24がある場合は第4n型半導体層24と第2層26の間の数値とすることが好ましい。これにより、n型窒化物半導体層から活性層3に向かって格子定数を段階的に増加させることができるので、活性層3(井戸層31)にかかる歪を緩和することができ、ピエゾ電界の影響を低減することができる。また、第1層25のIn組成比aは、0.025以上とすることができ、また、0.2未満とすることができる。
第2層26は、第1層25よりも膜厚が薄いInbGa1−bN(0<b<1)からなることが好ましい。第2層26のIn組成比bは第1層25のIn組成比aよりも大きい(つまり、a<bである)ことが好ましい。第2層26を設けることにより、活性層3への歪の緩和の効果が得られると考えられる。また第2層26のIn組成比bは、0.025より大きい値とすることができ、また、0.2以下とすることができ、この範囲で第1層25のIn組成比aよりも大きくすればよい。また、第2層26のIn組成比bと、後述する障壁層32のIn組成比d又は井戸層31のIn組成比eとの関係は、d<bであることが好ましく、b<eであることが好ましい。さらには、b<e/2であることが好ましい。
第3層27は、第2層26の活性層3側の面及び第1層25側の面の少なくともいずれか一方の面に配置されている。第3層27A及び第3層27Bのいずれか1つのみ設けてもよく、両方を設けることもできる。図1に示す半導体レーザ素子は2つの第3層27(27A,27B)を有しており、第3層27Aは第2層26の第1層25側に配置され、第3層27Bは第2層26の活性層3側に配置される。第3層27Aと第3層27Bは、膜厚、組成、又は電子キャリア濃度(n型不純物濃度)が異なってもよく、同じでもよい。典型的には、膜厚、組成、及び電子キャリア濃度(n型不純物濃度)のすべてを第3層27Aと第3層27Bで同じとする。
活性層3は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する。窒化物系の半導体レーザ素子において十分な利得を得るためには、多重量子井戸構造が好ましい。多重量子井戸構造の活性層3は、複数の井戸層31と、井戸層31に挟まれた障壁層32を含む。なお、活性層3とは、ここでは井戸層31を最外とするものを指し、活性層3の障壁層32とは、2つの井戸層31に挟まれた障壁層を指す。
p側領域4は、窒化物半導体層からなる単層又は多層構造で形成することができる。p側領域4に含まれるp型窒化物半導体層としては、Mg等のp型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。p側領域4は、例えば、活性層3側から順に、p側障壁層41、第4層42、第1p型半導体層43、第2p型半導体層44(p型窒化物半導体層の一例)、第3p型半導体層45を有する。p側領域4にはこれら以外の層を配置してもよく、また、これらの層のいずれかを省略してもよい。
p側障壁層41は、井戸層31よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。p側障壁層41の組成及び膜厚の範囲は、前述の活性層3の障壁層32と同様のものを採用することができる。p側障壁層41にn型不純物を含有させると、光吸収やホールのトラップの虞があるため、また、p型不純物であるMgは深い準位をつくり光吸収を生じさせるため、p側障壁層41はアンドープとすることが好ましい。例えばp側障壁層41はアンドープのGaNからなる。p側障壁層41は障壁層32より薄くてもよい。
第4層42は、例えばInGaN又はGaNからなる。p側障壁層41と同様の理由から、第4層42はアンドープであることが好ましく、例えばp側ガイド層として機能する。第4層42はp側障壁層41よりもバンドギャップエネルギーが小さいことが好ましい。例えば、p側障壁層41をIngGa1−gN(0≦g<1)から構成するとき、第4層42は、InhGa1−hN(0<h<1、g<h)から構成することができる。In組成比g、hの関係は、0.03≦h−gとすることができる。また、In組成比gは例えば0.03以下である。また、第4層42がInGaNからなる場合は膜厚が大きくなると結晶性の悪化が懸念されるため、第4層42の膜厚は、350nm以下であることが好ましく、300nm以下であることがさらに好ましい。第4層42がInGaNからGaNに組成が変化する組成傾斜層である場合も同様の膜厚範囲であることが好ましい。また、第4層42は、第2層26と組成、膜厚のいずれかが異なることが好ましい。p側障壁層41及び第4層42は、図1に示すように、活性層3を挟んで第2層26及び第3層27と非対称になるような組成及び膜厚とすることができる。
第1〜第3p型半導体層43〜45は、Mg等のp型不純物を含有する。第1p型半導体層43は、例えばAlGaNからなる。第1p型半導体層43は、p側領域4中で最も高いバンドギャップエネルギーを有し、且つ第4層42よりも膜厚が小さい層として設けてよい。第1p型半導体層43は、例えば電子ブロック層として機能する。第2p型半導体層44(本実施形態ではこの層をp型窒化物半導体層とする)は、例えばAlGaNからなる。第2p型半導体層44は、例えばp型クラッド層として機能し、p側領域4中で電子ブロック層に次いで高いバンドギャップエネルギーを有してよい。第1p型半導体層43と第2p型半導体層44を統合して、電子ブロック層とp型クラッド層の両方の機能を備えた1つの層を設けることもできる。第3p型半導体層45は、例えばGaNからなり、p型コンタクト層として機能する。
n電極8は、例えばn型の基板1の下面のほぼ全域に設けられる。p電極6は、例えばリッジ4aの少なくとも上面に設けられる。p電極6の幅が狭い場合は、p電極6の上にp電極6より幅が広いp側パッド電極7を設け、p側パッド電極7にワイヤ等を接続すればよい。ここでの各電極の材料は特に限定されず、例えば、Ni、Rh、Cr、Au、W、Pt、Ti、Al等の金属又は合金、Zn、In、Snから選択される少なくとも1種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。導電性酸化物の例としては、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、GZO(Gallium-doped Zinc Oxide)等が挙げられる。電極の厚みは特に限定されるものではなく、用いる材料等により適宜調整することができ、通常、半導体素子の電極として機能し得る厚みであればよい。例えば、0.1μm〜2μm程度が挙げられる。
半導体積層体は、その主面に第1絶縁膜5aと第2絶縁膜5bを有することが好ましい。側面のリークを防ぐために第2絶縁膜5bを有することが望ましい。第1〜2絶縁膜5a,5bは、例えば、Si、Al、Zr、Ti、Nb、Ta等の酸化物又は窒化物等の単層又は積層膜によって形成することができる。第1〜2絶縁膜5a,5bの膜厚は、特に限定されるものではなく、例えばそれぞれ10nm〜500nm程度とすることができる。
本実施形態の半導体レーザ素子100の製造方法は、以下の工程A〜工程Eをこの順に有することができる。工程Cに替えて工程C’を採用してもよい。
実験用試料1〜3として、以下に示す半導体レーザ素子を作製した。半導体レーザ素子となるエピタキシャルウエハーを作製するにあたって、MOCVD法を利用した。また、原料には、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニア(NH3)、シランガス、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp2Mg)を適宜用いた。
次に、SiドープしたIn0.05Ga0.95N層を150nmの膜厚で成長させた。
次に、SiドープしたAl0.07Ga0.93N層を900nmの膜厚で成長させた。
次に、SiドープしたGaN層を300nmの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのIn0.03Ga0.97N層(第1層)を190nmの膜厚で成長させた。
次に成長させる層は、実験用試料1〜3でそれぞれ異なる構造で形成した。具体的な構造については後述する。
次に活性層を成長させた。活性層は、アンドープのIn0.14Ga0.86N層(井戸層)を3.5nmの膜厚で成長させ、その上にアンドープのGaN層(障壁層)を3.5nmの膜厚で成長させた。さらにその上に、In0.14Ga0.86N層(井戸層)を3.5nmの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのGaN層を1nmの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのIn0.035Ga0.965N層を190nmの膜厚で成長させた。
次に、MgをドープしたAl0.12Ga0.88N層を3nmの膜厚で成長させ、MgをドープしたAl0.16Ga0.84N層を6nmの膜厚で成長させた。
次に、Mgを一部にドープしたAl0.04Ga0.96N層を500nmの膜厚で成長させた。
最後に、MgをドープしたGaN層を15nmの膜厚で成長させた。
そして、以上の層が形成されたエピタキシャルウエハーをMOCVD炉内より取り出し、フォトリソグラフィとRIE、スパッタを用いて、リッジ、n電極、p電極等を形成し、個片化して半導体レーザ素子を得た。半導体レーザ素子は、リッジ幅を30μm、共振器長を1200μmとした。
実験用試料1では、アンドープのGaN層を1nmの膜厚で成長させた。
実験用試料2では、SiをドープしたGaN層を10nmの膜厚で成長させた。当該層は、電子キャリア濃度が3×1018/cm3となる成長条件をホール測定用の試料で確認し、同様の成長条件で形成した。
実験用試料3では、SiをドープしたGaN層を10nmの膜厚で成長させた。当該層は、電子キャリア濃度が1×1019/cm3となる成長条件をホール測定用の試料で確認し、同様の成長条件で形成した。
次に、SiドープしたIn0.05Ga0.95N層を150nmの膜厚で成長させた。
次に、SiドープしたAl0.07Ga0.93N層を900nmの膜厚で成長させた。
次に、SiドープしたGaN層を300nmの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのIn0.03Ga0.97N層(第1層)を250nmの膜厚で成長させた。
次に、SiドープのGaN層(第3層)を1nmの膜厚で成長させ、SiドープのIn0.05Ga0.95N層(第2層)を8nmの膜厚で成長させ、SiドープのGaN層(第3層)を1nmの膜厚で成長させた。これらの層は、電子キャリア濃度が1.7×1019/cm3となる成長条件をホール測定用の試料で確認し、同様の成長条件で形成した。
次に活性層を成長させた。活性層は、アンドープのIn0.15Ga0.85N層(井戸層)を3.4nmの膜厚で成長させ、その上にアンドープのGaN層(障壁層)を2nmの膜厚で成長させた。さらにその上に、In0.15Ga0.85N層(井戸層)を3.4nmの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのGaN層を1.2nmの膜厚で成長させた。
次に、アンドープの組成傾斜層を250nmの膜厚で成長させた。組成傾斜層は、活性層側をIn0.05Ga0.95Nとし、その反対側をGaNとし、その間においてIn組成比を単調減少させて成長させた。
次に、MgをドープしたAl0.16Ga0.84N層を10nmの膜厚で成長させた。
次に、Mgを一部にドープしたAl0.04Ga0.96N層を300nmの膜厚で成長させた。
最後に、MgをドープしたGaN層を15nmの膜厚で成長させた。
半導体レーザ素子は、リッジ幅を45μm、共振器長を1200μmとした。
1 基板
2 n側領域
21 第1n型半導体層
22 第2n型半導体層
23 第3n型半導体層(n型窒化物半導体層)
24 第4n型半導体層
25 第1層
26 第2層
27(27A、27B) 第3層
3 活性層
31 井戸層
32 障壁層
4 p側領域
41 p側障壁層
42 第4層
43 第1p型半導体層
44 第2p型半導体層(p型窒化物半導体層)
45 第3p型半導体層
4a リッジ
5a 第1絶縁膜、5b 第2絶縁膜
6 p電極
7 p側パッド電極
8 n電極
Claims (8)
- 単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の両側に配置されたp側領域及びn側領域と、を備え、
発振波長が430nm以上である半導体レーザ素子であって、
前記n側領域は、前記活性層から遠い側より順に、
1以上のn型窒化物半導体層と、
InaGa1−aN(0≦a<1)からなる第1層と、
前記第1層よりも膜厚が薄いInbGa1−bN(0<b<1、a<b)からなる第2層と、を有し、
前記第2層の前記活性層側の面及び前記第1層側の面の少なくともいずれか一方の面に、前記第2層よりも膜厚の薄いIncGa1−cN(0≦c<1、c<b)からなる第3層が配置されており、
前記第2層は、1×1019/cm3以上且つ前記n側領域の中で最大のn型不純物濃度でn型不純物を含有し、
前記n側領域は、前記活性層から遠い側より順に、前記1以上のn型窒化物半導体層として、第1n型窒化物半導体層と、第2n型窒化物半導体層と、第3n型窒化物半導体層と、第4n型窒化物半導体層と、を有し、
前記第3n型窒化物半導体層は、前記n側領域において最大のバンドギャップエネルギーを有することを特徴とする半導体レーザ素子。 - 単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の両側に配置されたp側領域及びn側領域と、を備え、
発振波長が430nm以上である半導体レーザ素子であって、
前記n側領域は、前記活性層から遠い側より順に、
1以上のn型窒化物半導体層と、
In a Ga 1−a N(0≦a<1)からなる第1層と、
前記第1層よりも膜厚が薄いIn b Ga 1−b N(0<b<1、a<b)からなる第2層と、を有し、
前記第2層の前記活性層側の面及び前記第1層側の面の少なくともいずれか一方の面に、前記第2層よりも膜厚の薄いIn c Ga 1−c N(0≦c<1、c<b)からなる第3層が配置されており、
前記第2層は、1×10 19 /cm 3 以上且つ前記n側領域の中で最大のn型不純物濃度でn型不純物を含有し、
前記活性層は、複数の井戸層と、前記井戸層に挟まれた障壁層と、を含む多重量子井戸構造を有し、
前記障壁層は、前記第2層及び前記第3層と、n型不純物濃度及び組成及び膜厚の少なくともいずれかが異なることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記障壁層は、IndGa1−dN(0≦d<1、d<b)の単層からなる請求項2に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第3層は、n型不純物を含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第3層は、GaNである請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第2層の膜厚は1nm以上30nm以下である請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第2層の膜厚は10nm以下である請求項6に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第3層の膜厚は、1原子層以上であり、且つ、前記第2層の膜厚の半分以下である請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017197003A JP6536649B2 (ja) | 2017-10-10 | 2017-10-10 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017197003A JP6536649B2 (ja) | 2017-10-10 | 2017-10-10 | 半導体レーザ素子 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015106077A Division JP6225945B2 (ja) | 2015-05-26 | 2015-05-26 | 半導体レーザ素子 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017228812A JP2017228812A (ja) | 2017-12-28 |
JP2017228812A5 JP2017228812A5 (ja) | 2018-07-05 |
JP6536649B2 true JP6536649B2 (ja) | 2019-07-03 |
Family
ID=60891898
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017197003A Active JP6536649B2 (ja) | 2017-10-10 | 2017-10-10 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6536649B2 (ja) |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4342134B2 (ja) * | 2000-12-28 | 2009-10-14 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子 |
US6489636B1 (en) * | 2001-03-29 | 2002-12-03 | Lumileds Lighting U.S., Llc | Indium gallium nitride smoothing structures for III-nitride devices |
KR101330898B1 (ko) * | 2007-04-05 | 2013-11-18 | 엘지전자 주식회사 | 반도체 레이저 다이오드 |
JP2013098232A (ja) * | 2011-10-28 | 2013-05-20 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子 |
-
2017
- 2017-10-10 JP JP2017197003A patent/JP6536649B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2017228812A (ja) | 2017-12-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4328366B2 (ja) | 半導体素子 | |
JP6327323B2 (ja) | 半導体レーザ素子及びその製造方法 | |
KR102320790B1 (ko) | 자외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법 | |
JP6255939B2 (ja) | 窒化物半導体レーザ素子 | |
JPWO2005020396A1 (ja) | GaN系III−V族化合物半導体発光素子及びその製造方法 | |
US11848540B2 (en) | Semiconductor laser element | |
US10686298B2 (en) | Method of manufacturing semiconductor laser device | |
JP2020115539A (ja) | 半導体レーザ素子 | |
JP7116291B2 (ja) | 半導体レーザ素子 | |
JP2004247563A (ja) | 半導体素子 | |
JP6536649B2 (ja) | 半導体レーザ素子 | |
JP4628651B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子の製造方法 | |
CN111446621A (zh) | 半导体激光元件及其制造方法 | |
JP2008244360A (ja) | 半導体発光素子 | |
JP4179317B2 (ja) | 窒化物半導体の製造方法および半導体素子の製造方法 | |
WO2017081947A1 (ja) | 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 | |
JP2004165693A (ja) | 窒化物半導体レーザ素子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180425 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180425 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190118 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190205 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190405 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190507 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190520 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6536649 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |