JP6941771B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

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Description

本発明は車載ヘッドランプやプロジェクタ光源等に用いられる半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device used for an in-vehicle headlamp, a projector light source, or the like.

従来、GaNやAlGaNといったIII族窒化物半導体よりなる半導体発光素子として例えば特許文献1に記載されている半導体レーザ素子が知られている。この従来の半導体発光素子について、図10を用いて説明する。 Conventionally, a semiconductor laser device described in, for example, Patent Document 1 is known as a semiconductor light emitting device made of a group III nitride semiconductor such as GaN or AlGaN. This conventional semiconductor light emitting device will be described with reference to FIG.

従来の半導体発光素子は、GaNよりなる基板101の上にAl0.05Ga0.95Nよりなるバッファ層102、Al0.05Ga0.95Nよりなるn型コンタクト層103、In0.06Ga0.94Nよりなるクラック防止層104が形成されている。その上にAl0.05Ga0.95Nよりなる層とGaNよりなる層とを交互に形成してなるn型クラッド層105、GaNよりなるn型光ガイド層106が形成されている。その上にアンドープのIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層とアンドープのIn0.32Ga0.68Nよりなる井戸層とを交互に形成してなる活性層107、Al0.3Ga0.7Nよりなるp型電子閉込層108が形成されている。そしてその上にGaNよりなるp型光ガイド層109、Al0.05Ga0.95Nよりなる層とGaNよりなる層とを交互に形成してなるp型クラッド層110、GaNよりなるp型コンタクト層111が順次形成されている。そしてp型コンタクト層111からp型光ガイド層109の途中に至り、p型光ガイド層109の残し厚みが0.1μmになるまでエッチングされて形成されたリッジ構造の側面およびp型光ガイド層109の上面にはZr酸化物よりなる保護膜162が形成されている。そしてp型コンタクト層111および第2の保護膜162の上にはNi/Auよりなるp電極120が形成されている。さらにn型コンタクト層103が一部露出するまでエッチングされ、n型コンタクト層103の表面にはTi/Alよりなるn電極121が形成され、n電極121、p電極120およびn型コンタクト層103を覆うようにSiOとTiOよりなる誘電体多層膜164が形成されている。そして誘電体多層膜164のp型コンタクト層111側の開口部にはp電極120に接するようにパッド電極122が設けられ、誘電体多層膜164のn電極121にある開口部にはパッド電極123が設けられている。 Conventional semiconductor light emitting element, a buffer layer 102 made of Al 0.05 Ga 0.95 N on the substrate 101 made of GaN, Al 0.05 Ga 0.95 n-type contact layer 103 made of N, an In 0. A crack prevention layer 104 made of 06 Ga 0.94 N is formed. On it, an n-type clad layer 105 formed by alternately forming a layer made of Al 0.05 Ga 0.95 N and a layer made of GaN, and an n-type optical guide layer 106 made of GaN are formed. Active layers 107 and Al 0.3 formed by alternately forming a barrier layer made of undoped In 0.05 Ga 0.95 N and a well layer made of undoped In 0.32 Ga 0.68 N on the barrier layer. A p-type electron confinement layer 108 made of Ga 0.7 N is formed. Then, a p-type optical guide layer 109 made of GaN, a p-type clad layer 110 made of Al 0.05 Ga 0.95 N and a layer made of GaN are alternately formed on the p-type clad layer 110 made of GaN, and a p-type made of GaN. The contact layer 111 is sequentially formed. Then, the side surface of the ridge structure and the p-type optical guide layer formed by etching from the p-type contact layer 111 to the middle of the p-type optical guide layer 109 until the remaining thickness of the p-type optical guide layer 109 becomes 0.1 μm. A protective film 162 made of Zr oxide is formed on the upper surface of the 109. A p-electrode 120 made of Ni / Au is formed on the p-type contact layer 111 and the second protective film 162. Further, the n-type contact layer 103 is etched until a part of the n-type contact layer 103 is exposed, and an n-electrode 121 made of Ti / Al is formed on the surface of the n-type contact layer 103. A dielectric multilayer film 164 made of SiO 2 and TiO 2 is formed so as to cover the film. A pad electrode 122 is provided in the opening on the p-type contact layer 111 side of the dielectric multilayer film 164 so as to be in contact with the p electrode 120, and a pad electrode 123 is provided in the opening in the n electrode 121 of the dielectric multilayer film 164. Is provided.

特開2002−270971号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-27971

このような従来の半導体発光素子では、基板101とn型クラッド層105及びp型クラッド層110との間の格子不整の抑制と、基板101に対して垂直方向の光閉じ込めとの両立が難しいことが問題となっていた。 In such a conventional semiconductor light emitting device, it is difficult to suppress lattice irregularity between the substrate 101 and the n-type clad layer 105 and the p-type clad layer 110 and to confine light in the direction perpendicular to the substrate 101. Was a problem.

すなわち、上記従来の半導体発光素子において、垂直方向の光閉じ込めを大きくしようとする場合、n型クラッド層105や、p型クラッド層110の屈折率を下げる必要があるため、例えばAl組成を増やす必要がある。その一方で、n型クラッド層105やp型クラッド層110のAl組成を増やすと、基板101との間の格子不整が大きくなってしまう。格子不整が大きくなると格子欠陥が発生しやすくなり発光効率の低下につながる。そのため、n型クラッド層105や、p型クラッド層110のAl組成をあまりに大きくすることができないため、Al組成が10%以下の低いAl組成のAlGaNを用いる。この場合、n型、p型クラッド層と活性層間の屈折率差が小さくなり、光分布は活性層の上下に大きく広がりやすく、リッジ導波路の頂上に形成される電極や、基板に導波光の裾野が到達し吸収損失が生じやすくなる。このような導波光の光吸収を低減するためには、クラッド層厚を厚くすることにより、光分布の裾野が、リッジ上に形成される電極や、基板に到達しないようにすることが必要となる。しかしながら、リッジ型の導波路が形成されるp型クラッド層110の厚さが厚くなると、素子の直列抵抗が増大し動作電圧が大きくなる。このことから、レーザ発振動作時における発熱が大きくなり光出力が熱飽和しやすくなってしまう。その結果として、基板101とn型クラッド層105及びp型クラッド層110との間の格子不整の抑制と、p型クラッド層110の厚さの増大の防止、垂直方向の光閉じ込めをすべて満足させることが難しくなっていた。 That is, in the above-mentioned conventional semiconductor light emitting device, when trying to increase the light confinement in the vertical direction, it is necessary to lower the refractive index of the n-type clad layer 105 and the p-type clad layer 110, so that it is necessary to increase the Al composition, for example. There is. On the other hand, if the Al composition of the n-type clad layer 105 and the p-type clad layer 110 is increased, the lattice irregularity with the substrate 101 becomes large. When the lattice irregularity becomes large, lattice defects are likely to occur, leading to a decrease in luminous efficiency. Therefore, since the Al composition of the n-type clad layer 105 and the p-type clad layer 110 cannot be made too large, AlGaN having a low Al composition of 10% or less is used. In this case, the difference in refractive index between the n-type or p-type clad layer and the active layer becomes small, and the light distribution tends to spread widely above and below the active layer. The base is reached and absorption loss is likely to occur. In order to reduce the light absorption of such waveguide light, it is necessary to increase the thickness of the clad layer so that the base of the light distribution does not reach the electrodes or the substrate formed on the ridge. Become. However, when the thickness of the p-type clad layer 110 on which the ridge-type waveguide is formed increases, the series resistance of the element increases and the operating voltage increases. For this reason, heat generation during laser oscillation operation becomes large, and the light output tends to be thermally saturated. As a result, suppression of lattice irregularity between the substrate 101 and the n-type clad layer 105 and the p-type clad layer 110, prevention of an increase in the thickness of the p-type clad layer 110, and vertical light confinement are all satisfied. It was getting harder.

そこで本発明は、リッジが形成される導電型のクラッド層厚が薄くても、リッジ上の電極での吸収損失を低減しつつ、基板と第1クラッド層及び第2クラッド層との間の格子不整の抑制と、垂直方向の光閉じ込めをすべて満足させることを目的とする。 Therefore, in the present invention, even if the thickness of the conductive clad layer on which the ridge is formed is thin, the lattice between the substrate and the first clad layer and the second clad layer is reduced while reducing the absorption loss at the electrodes on the ridge. The purpose is to suppress irregularities and satisfy all vertical light confinement.

上記課題を解決するために本発明の半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された、Alを有するIII族窒化物半導体よりなる一導電形の第1のクラッド層と、第1のクラッド層の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる活性層と、を有する。そして活性層の上に形成された、Alを有するIII族窒化物半導体よりなる逆導電形の第2のクラッド層と、第2のクラッド層上に形成された導電性化合物層と、導電性化合物を上面とし、第2のクラッド層を下面とするリッジ構造と、を有する。そして第2のクラッド層のAl組成は、第1のクラッド層のAl組成よりも小さく、導電性化合物層の屈折率は、第2のクラッド層の屈折率よりも小さいものである。 In order to solve the above problems, the semiconductor light emitting device of the present invention includes a substrate, a monoconductive first clad layer formed on the substrate and made of a group III nitride semiconductor having Al, and a first clad layer. It has an active layer made of a group III nitride semiconductor formed on the clad layer. Then, a reverse conductive second clad layer made of a group III nitride semiconductor having Al formed on the active layer, a conductive compound layer formed on the second clad layer, and a conductive compound. Has a ridge structure having a second clad layer as a lower surface and a second clad layer as a lower surface. The Al composition of the second clad layer is smaller than the Al composition of the first clad layer, and the refractive index of the conductive compound layer is smaller than the refractive index of the second clad layer.

この構成により、第2のクラッド層のAl組成は、第1のクラッド層のAl組成よりも小さいことにより第1クラッド層よりも第2クラッド層が相対的に屈折率が高くなるので光分布が第2クラッド層にかたよる形状となる。また、導電性化合物の屈折率が第2のクラッド層の屈折率よりも小さいので、リッジ直下での光分布は第1のクラッド層と第2のクラッド層との間に分布することになり、活性層への光分布の垂直方向の光閉じ込め係数が増大する。これらのことにより、リッジ内外の実効屈折率差(ΔN)が増大する。 With this configuration, the Al composition of the second clad layer is smaller than the Al composition of the first clad layer, so that the second clad layer has a relatively higher refractive index than the first clad layer, so that the light distribution is high. The shape depends on the second clad layer. Further, since the refractive index of the conductive compound is smaller than the refractive index of the second clad layer, the light distribution immediately below the ridge is distributed between the first clad layer and the second clad layer. The vertical light confinement coefficient of the light distribution to the active layer increases. As a result, the effective refractive index difference (ΔN) inside and outside the ridge increases.

本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造は、2次以上の高次横モードを伝播することが好ましい。この好ましい構成によれば、異なる次数同士の横モードが干渉し、光分布の結合が生じて、光分布の変形が生じてもその影響が小さくなり、大きな非線形を有するキンクが生じにくくなる。 Further, in the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the ridge structure propagates a higher-order transverse mode of a second order or higher. According to this preferable configuration, even if the lateral modes of different orders interfere with each other, the light distributions are coupled, and the light distribution is deformed, the influence is small, and a kink having a large non-linearity is less likely to occur.

本発明の半導体発光素子は、さらに前端面と後端面とで形成される導波路を有し、リッジ構造は前端面と後端面との間に形成され、かつリッジ構造の側面に含まれ、かつ前端面から後端面へ向かう方向と導波路の方向とは、所定の角度をなすことが好ましい。この好ましい構成によれば、導波路がテーパを有するので空間的ホールバーニングが生じにくくなる。 The semiconductor light emitting device of the present invention further has a waveguide formed by a front end surface and a rear end surface, a ridge structure is formed between the front end surface and the rear end surface, and is included in the side surface of the ridge structure. It is preferable that the direction from the front end surface to the rear end surface and the direction of the waveguide form a predetermined angle. According to this preferred configuration, the waveguide has a taper, so that spatial hole burning is less likely to occur.

本発明の半導体発光素子は、さらに前端面の反射率をRf、後端面の反射率をRr、前端面におけるリッジの幅をWf、後端面におけるリッジの幅をWrとしたとき、Rf<RrかつWf>Wrであることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, when the reflectance of the front end surface is Rf, the reflectance of the rear end surface is Rr, the width of the ridge on the front end surface is Wf, and the width of the ridge on the rear end surface is Wr, then Rf <Rr. It is preferable that Wf> Wr.

本発明の半導体発光素子は、さらに前端面から後端面へ向かう方向と導波路の方向とのなす角度は、0.05°以上かつ0.15°以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、さらに空間的ホールバーニングが生じにくくなる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the angle formed by the direction from the front end surface to the rear end surface and the direction of the waveguide is preferably 0.05 ° or more and 0.15 ° or less. According to this preferable configuration, spatial hole burning is less likely to occur.

本発明の半導体発光素子は、さらに第2クラッド層の膜厚が0.3μm以上かつ0.6μm以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、第2クラッド層の膜厚が0.3μm以上であることで活性層の光閉じ込め率を大きくできるとともに、第2のクラッド層の層厚が0.6μm以下であるので、半導体発光素子の直列抵抗を小さくすることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the film thickness of the second clad layer is preferably 0.3 μm or more and 0.6 μm or less. According to this preferable configuration, when the film thickness of the second clad layer is 0.3 μm or more, the light confinement rate of the active layer can be increased, and the layer thickness of the second clad layer is 0.6 μm or less. , The series resistance of the semiconductor light emitting element can be reduced.

本発明の半導体発光素子は、さらに導電性化合物層がインジウムとスズとを含む酸化物よりなり、かつ厚さが0.15μm以上かつ0.3μm以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、導波路損失を小さくでき、ΔNおよび光閉じ込め係数を大きくすることができるとともに、半導体発光素子の電気抵抗を低減することができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the conductive compound layer is preferably made of an oxide containing indium and tin, and the thickness is preferably 0.15 μm or more and 0.3 μm or less. According to this preferable configuration, the waveguide loss can be reduced, ΔN and the optical confinement coefficient can be increased, and the electric resistance of the semiconductor light emitting device can be reduced.

本発明の半導体発光素子は、さらに第1のクラッド層はAlX1Ga1−X1Nよりなり、第2のクラッド層はAlX2Ga1−X2Nよりなり、X1−X2≧0.02、X1≦0.1、0.03≦X2≦0.07の関係を満たすことが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the first clad layer is made of Al X1 Ga 1-X1 N, the second clad layer is made of Al X2 Ga 1-X2 N, and X1-X2 ≧ 0.02, X1. It is preferable to satisfy the relationship of ≦ 0.1 and 0.03 ≦ X2 ≦ 0.07.

本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造の外側における第2のクラッド層の層厚は、0nmより大きく50nm以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、リッジ構造の内側と外側とにおいて実効屈折率差を大きくとることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the layer thickness of the second clad layer on the outside of the ridge structure is preferably larger than 0 nm and 50 nm or less. According to this preferable configuration, a large difference in effective refractive index can be obtained between the inside and the outside of the ridge structure.

本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造の側面には第2のクラッド層よりも屈折率の小さい電流ブロック層が形成されていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that a current block layer having a refractive index smaller than that of the second clad layer is formed on the side surface of the ridge structure.

本発明の半導体発光素子によれば、III族窒化物を用いた半導体レーザ、特に発振波長が530nm帯の緑色半導体レーザにおいても、光閉じ込め係数とΔNが大きく、格子欠陥の発生が抑制され、導波路損失の小さいレーザを実現することができる。このため、温度特性に優れ、長期信頼性動作可能な半導体レーザを実現することが可能となる。 According to the semiconductor light emitting element of the present invention, even in a semiconductor laser using a group III nitride, particularly a green semiconductor laser having an oscillation wavelength in the 530 nm band, the optical confinement coefficient and ΔN are large, the occurrence of lattice defects is suppressed, and the induction is performed. A laser with a small waveguide loss can be realized. Therefore, it is possible to realize a semiconductor laser having excellent temperature characteristics and capable of long-term reliable operation.

本発明の第1の実施の形態にかかる半導体発光素子の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. 同半導体発光素子の活性層14に生じる水平方向の応力分布のリッジ高さ依存性を示す図。The figure which shows the ridge height dependence of the stress distribution in the horizontal direction generated in the active layer 14 of the semiconductor light emitting device. 同半導体発光素子における第2クラッド層16の膜厚が0.3μmの場合の導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差(ΔN)の第1クラッド層12のAl組成X1及び第2クラッド層16のAl組成X2の依存性およびX1とX2との関係を示す図。Al composition X1 and the second clad layer of the first clad layer 12 having a waveguide loss, a light confinement coefficient, and an effective refractive index difference (ΔN) when the thickness of the second clad layer 16 in the semiconductor light emitting device is 0.3 μm. The figure which shows the dependence of 16 Al composition X2 and the relationship between X1 and X2. 同半導体発光素子における導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差(ΔN)の第1クラッド層12のAl組成X1及び第2クラッド層16のAl組成X2の依存性を示す、第2クラッド層16の膜厚が0.2μmの場合の図。The second clad layer showing the dependence of the waveguide loss, the optical confinement coefficient, and the effective refractive index difference (ΔN) of the Al composition X1 of the first clad layer 12 and the Al composition X2 of the second clad layer 16 in the semiconductor light emitting device. The figure when the film thickness of 16 is 0.2 μm. 同第2クラッド層16の膜厚が0.3μmの場合の図。The figure in the case where the film thickness of the 2nd clad layer 16 is 0.3 μm. 同第2クラッド層16の膜厚が0.4μmの場合の図。The figure in the case where the film thickness of the 2nd clad layer 16 is 0.4 μm. 同第2クラッド層16の膜厚が0.5μmの場合の図。The figure in the case where the film thickness of the 2nd clad layer 16 is 0.5 μm. 同第2クラッド層16の膜厚が0.6μmの場合の図。The figure in the case where the film thickness of the 2nd clad layer 16 is 0.6 μm. 同半導体発光素子に関し導電性酸化物層18をなくした構造において、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差(ΔN)の第1クラッド層12のAl組成X1及び第2クラッド層16のAl組成X2の依存性を示す、第2クラッド層16の膜厚が0.2μmの場合の図。In the structure in which the conductive oxide layer 18 is eliminated for the semiconductor light emitting element, the Al composition X1 of the first clad layer 12 and the Al of the second clad layer 16 having a waveguide loss, a light confinement coefficient, and an effective refractive index difference (ΔN). The figure in the case where the thickness | thickness of the 2nd clad layer 16 which shows the dependence of composition X2 is 0.2 μm. 同第2クラッド層16の膜厚が0.3μmの場合の図。The figure in the case where the film thickness of the 2nd clad layer 16 is 0.3 μm. 同第2クラッド層16の膜厚が0.4μmの場合の図。The figure in the case where the film thickness of the 2nd clad layer 16 is 0.4 μm. 同第2クラッド層16の膜厚が0.5μmの場合の図。The figure in the case where the film thickness of the 2nd clad layer 16 is 0.5 μm. 同第2クラッド層16の膜厚が0.6μmの場合の図。The figure in the case where the film thickness of the 2nd clad layer 16 is 0.6 μm. 同半導体発光素子において導電性酸化物層18の層厚を変化させた場合の導波路損失を示す図。The figure which shows the waveguide loss when the layer thickness of the conductive oxide layer 18 is changed in the semiconductor light emitting device. 同半導体発光素子において導電性酸化物層18の層厚を変化させた場合のΔNの変化を示す図。It is a figure which shows the change of ΔN when the layer thickness of the conductive oxide layer 18 is changed in the semiconductor light emitting device. 本発明の第2の実施の形態における半導体発光素子のストライプ形状の平面図。The plan view of the stripe shape of the semiconductor light emitting element in the 2nd Embodiment of this invention. 同半導体発光素子の電流−光出力特性を示す、導電性酸化物層18を用いた場合の図。The figure when the conductive oxide layer 18 which shows the current-light output characteristic of the semiconductor light emitting element is used. 同導電性酸化物層を用いない場合の図。The figure when the same conductive oxide layer is not used. 同半導体発光素子のストライプ形状の変形例を示す平面図。The plan view which shows the modification of the stripe shape of the semiconductor light emitting element. 同半導体発光素子のストライプ形状の変形例を示す平面図。The plan view which shows the modification of the stripe shape of the semiconductor light emitting element. 同半導体発光素子のストライプ形状の変形例を示す平面図。The plan view which shows the modification of the stripe shape of the semiconductor light emitting element. 従来の半導体発光素子の断面図。Sectional drawing of the conventional semiconductor light emitting element.

(第1の実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態における半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。なお、以下においてAlGaNとはAlGa1−xN(0<x<1)のことであり、InGaNとはInGa1−yN(0<y<1)のことである。また、InAlGaNとはInAlGa1−z−tN(0<z<1、0<t<1)のことである。組成を表すx、y、z、tは半導体発光素子の層構造により適宜決めることができる。
(First Embodiment)
Hereinafter, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, AlGaN means Al x Ga 1-x N (0 <x <1), and InGaN means In y Ga 1-y N (0 <y <1). In addition, the InAlGaN is that In z Al t Ga 1-z -t N of (0 <z <1,0 <t <1). The x, y, z, and t representing the composition can be appropriately determined depending on the layer structure of the semiconductor light emitting device.

(1)半導体発光素子の構造
本実施の形態の半導体発光素子は、図1に示すごとく、GaNからなる基板11と、基板11の上に設けられたAlGaNからなるn型の第1クラッド層12、第1クラッド層12の上に設けられたn型のGaNからなる光ガイド層13、光ガイド層13の上に設けられた量子井戸構造の活性層14とを備えている。そして、活性層14の上に設けられたp型のAlGaNからなる電子障壁層15、AlGaNからなるp型の第2クラッド層16、p型の第2クラッド層16の上方に設けられたp型のGaNからなるp型コンタクト層17を備えている。さらに、p型コンタクト層17上に設けられた酸化インジウム錫(Indium Tin Oxide、以下ITOという)よりなる導電性酸化物層18を備えている。さらに、p型の第2クラッド層16にはリッジ23が形成され、リッジ23の側壁にはSiOよりなる電流ブロック層20が備えられており、電流ブロック層20及び、導電性酸化物層18上には、p型電極22が備えられている。また、基板11の裏面には、n型電極21が設けられている。
(1) Structure of Semiconductor Light Emitting Element As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device of the present embodiment has a substrate 11 made of GaN and an n-type first clad layer 12 made of AlGaN provided on the substrate 11. , An optical guide layer 13 made of n-type GaN provided on the first clad layer 12, and an active layer 14 having a quantum well structure provided on the optical guide layer 13. Then, the p-type electron barrier layer 15 made of p-type AlGaN provided on the active layer 14, the p-type second clad layer 16 made of AlGaN, and the p-type second clad layer 16 provided above the p-type second clad layer 16. The p-type contact layer 17 made of GaN is provided. Further, a conductive oxide layer 18 made of indium tin oxide (hereinafter referred to as ITO) provided on the p-type contact layer 17 is provided. Further, a ridge 23 is formed on the p-type second clad layer 16, and a current block layer 20 made of SiO 2 is provided on the side wall of the ridge 23. The current block layer 20 and the conductive oxide layer 18 are provided. A p-type electrode 22 is provided on the top. Further, an n-type electrode 21 is provided on the back surface of the substrate 11.

なお、上記においてn型の半導体層についてはSiがドープされており、p型の半導体層についてはMgがドープされている。 In the above, the n-type semiconductor layer is doped with Si, and the p-type semiconductor layer is doped with Mg.

活性層14としては、厚さ3nm、In組成が0.3のInGaNからなる井戸層と厚さ7.5nmのGaNからなる量子障壁層を用いた多重量子井戸構造としている。井戸数としては、可能な限り多い方が、活性層への垂直方向の光閉じ込め係数を増大できるので有利であるが、4層以上に多くなると各量子井戸層の動作キャリア密度が均一にならないため発光効率の低下を招いてしまう。本実施の形態では、井戸層の層数は3層としている。この結果、各井戸での動作キャリア密度を均一にしつつ、光閉じ込め係数の増大を実現できる。また、量子障壁層としてGaNを用いて、In組成の高いInGaN井戸層で生じる格子不整による格子欠陥の発生を、井戸層の上下をGaNで挟むことにより抑制している。 The active layer 14 has a multiple quantum well structure using a well layer made of InGaN having a thickness of 3 nm and an In composition of 0.3 and a quantum barrier layer made of GaN having a thickness of 7.5 nm. It is advantageous to increase the number of wells as much as possible because the coefficient of light confinement in the vertical direction to the active layer can be increased. It causes a decrease in luminous efficiency. In the present embodiment, the number of well layers is three. As a result, it is possible to increase the light confinement coefficient while making the operating carrier density in each well uniform. Further, GaN is used as the quantum barrier layer, and the occurrence of lattice defects due to lattice irregularities that occur in the InGaN well layer having a high In composition is suppressed by sandwiching the top and bottom of the well layer with GaN.

本実施の形態の半導体発光素子について、図1の紙面に垂直な方向を共振器の方向とし、共振器の方向に垂直な2枚の面を端面としている。すなわち、本実施の形態の半導体発光素子は、半導体レーザである。なお、2枚の端面のうち前端面および後端面はAlN膜とAl膜との多層膜によってコーティングされており、それぞれ反射率が前端面について5%、後端面について95%である。すなわち、前端面の反射率を後端面の反射率よりも小さくしている。 In the semiconductor light emitting device of the present embodiment, the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 is the direction of the resonator, and the two surfaces perpendicular to the direction of the resonator are the end faces. That is, the semiconductor light emitting device of this embodiment is a semiconductor laser. Incidentally, the front and rear facets of the two end faces of which is coated with a multilayer film of AlN film and the Al 2 O 3 film, 5% for each of reflectivity front facet is 95% for the rear end face. That is, the reflectance of the front end face is made smaller than the reflectance of the rear end face.

本実施の形態における半導体発光素子の発光波長は、530nmである。 The emission wavelength of the semiconductor light emitting device in this embodiment is 530 nm.

なお、本実施の形態における半導体発光素子は、基板11の上方からみたとき、リッジ23の2つの側壁が共振器の方向に平行である場合のストライプ構造の半導体レーザ素子である。 The semiconductor light emitting device in the present embodiment is a semiconductor laser device having a striped structure when the two side walls of the ridge 23 are parallel to the direction of the resonator when viewed from above the substrate 11.

本実施の形態の半導体発光素子について、第1クラッド層12のAl組成をX1、第2クラッド層16のAl組成をX2とする。また、図1に示すようにリッジ23の幅をW、第2クラッド層16についてリッジ内部24での厚さをM2、リッジ23の高さをH、リッジ外部25における第2クラッド層16の層厚をdpとする。また、リッジ内部24とリッジ外部25との実効屈折率差をΔNとする。なお、リッジ23はエッチング(通常はドライエッチング)を施すことにより作成される。すなわち、リッジ外部25における第2クラッド層16は、エッチングを施すことによりリッジ内部24における第2クラッド層16より薄くすることから、dpはリッジ外部25における第2クラッド層16の、エッチング残し厚みということもできる。 In the semiconductor light emitting device of the present embodiment, the Al composition of the first clad layer 12 is X1, and the Al composition of the second clad layer 16 is X2. Further, as shown in FIG. 1, the width of the ridge 23 is W, the thickness of the second clad layer 16 inside the ridge 24 is M2, the height of the ridge 23 is H, and the layer of the second clad layer 16 inside the ridge 25 is 25. Let the thickness be dp. Further, the effective refractive index difference between the ridge inner 24 and the ridge outer 25 is ΔN. The ridge 23 is created by performing etching (usually dry etching). That is, since the second clad layer 16 on the outer 25 of the ridge is made thinner than the second clad layer 16 on the inner 24 of the ridge by etching, dp is referred to as the unetched thickness of the second clad layer 16 on the outer 25 of the ridge. You can also do it.

なお、図1より明らかなようにM2とHとdpとの間には、以下の(数1)に示す関係式が成立する。
(数1) M2=H+dp
(2)検討
本願発明者は、導電性酸化物層18を用いた本実施の形態の半導体発光素子について、X1、X2、W、M2、H、ΔN、dpおよびお導電性酸化物層18の厚さがどのような値が望ましいかについて検討した。その検討結果について以下に説明する。
As is clear from FIG. 1, the relational expression shown in the following (Equation 1) is established between M2, H, and dp.
(Equation 1) M2 = H + dp
(2) Examination The inventor of the present application relates to the semiconductor light emitting device of the present embodiment using the conductive oxide layer 18 of X1, X2, W, M2, H, ΔN, dp and the conductive oxide layer 18. We examined what kind of thickness is desirable. The results of the study will be described below.

(2−1)dpについて
層厚dpの大きさについて説明すると、dpが大きいとΔNが小さくなるため、dpは可能な限り小さいほうが好ましい。しかしながら、dpをあまりに小さくするとエッチング、特にドライエッチングを施した際のエッチング深さのウェハ面内のばらつきにより、ドライエッチングによる結晶構造の損傷の影響が活性層14に達することになり、長期信頼性保証を阻害する要因となる。このため、dpとして0nmから50nmまでの範囲になるようにエッチングの制御を行う。
(2-1) About dp Explaining the size of the layer thickness dp, it is preferable that dp is as small as possible because ΔN becomes small when dp is large. However, if the dp is made too small, the effect of damage to the crystal structure due to dry etching reaches the active layer 14 due to variations in the etching depth in the wafer surface when etching, especially dry etching, and long-term reliability is achieved. It becomes a factor that hinders the guarantee. Therefore, the etching is controlled so that the dp is in the range of 0 nm to 50 nm.

dpが0nmから50nmに変化してもM2は不変であるため、垂直方向の光閉じ込め係数や、p型コンタクト層17やp型電極22において光分布に生じる導波路損失にほとんど変化はない。 Since M2 does not change even if dp changes from 0 nm to 50 nm, there is almost no change in the light confinement coefficient in the vertical direction and the waveguide loss that occurs in the light distribution in the p-type contact layer 17 and the p-type electrode 22.

一方、dpが0nmから50nmに変化した場合、リッジ外部25における実効屈折率が変化することになるのでΔNは変化することになる。本実施の形態の場合は電流ブロック層20として屈折率の低いSiOを用いているので、dpが増加すればリッジ外部25における実効屈折率が増加することになる。すなわち、dpの増加によりΔNが小さくなる。 On the other hand, when dp changes from 0 nm to 50 nm, the effective refractive index at the ridge outer 25 changes, so that ΔN changes. In the case of this embodiment, since SiO 2 having a low refractive index is used as the current block layer 20, if the dp increases, the effective refractive index in the ridge outer 25 increases. That is, ΔN becomes smaller as dp increases.

後述するが、ΔNは、2次以上の高次横モードを安定してレーザ発振させるためにはできるだけ高いほうが良い。したがって、最もΔNが小さくなるdpが50nmの場合について、導波路損失の大きな増大を招かずに、可能な限り大きなΔNを得ることできるようにX1、X2を決めることにする。50nmより小さいdpにおいてはよりΔNが大きくなる。そこで、以下の説明ではdpを50nmとしている。 As will be described later, ΔN should be as high as possible in order to stably oscillate the second-order or higher-order transverse mode. Therefore, in the case where dp at which ΔN is the smallest is 50 nm, X1 and X2 are determined so that ΔN as large as possible can be obtained without causing a large increase in waveguide loss. At dp smaller than 50 nm, ΔN becomes larger. Therefore, in the following description, dp is set to 50 nm.

(2−2)半導体発光素子にかかる応力について
電流ブロック層20にSiO(熱膨張係数:0.6×10−6/K〜0.9×10−6/K)を用いた場合には熱膨張係数が、GaN(熱膨張係数:5.6×10−6/K)やAlN(熱膨張係数:4.2×10−6/K)と比べて小さくなるため、電流ブロック層20とリッジ23との間には熱膨張係数の差に起因する応力が発生する。このため電流ブロック層20と活性層14との間の第2クラッド層16にはリッジ23の下端部の両側の領域で、活性層14に平行な面内で圧縮性の応力が発生し、結晶構造に歪が生じる。結晶構造が歪むとその部分の屈折率が変化する。一般にIII族窒化物半導体は圧縮性の応力がかかると屈折率が増加する。そのため、リッジ23の下端近傍領域の第2クラッド層16の屈折率は圧縮性の応力のためにその大きさが増大するように変化してしまう。この結果、ΔNが低下してしまう。
(2-2) SiO 2 on stress applied to the semiconductor light-emitting device to the current blocking layer 20 (thermal expansion coefficient: 0.6 × 10 -6 /K~0.9×10 -6 / K) in the case of using the Since the thermal expansion coefficient is smaller than that of GaN (thermal expansion coefficient: 5.6 × 10-6 / K) and AlN (thermal expansion coefficient: 4.2 × 10-6 / K), the current block layer 20 is used. A stress is generated between the ridge and the ridge 23 due to the difference in thermal expansion coefficient. Therefore, in the second clad layer 16 between the current block layer 20 and the active layer 14, compressible stress is generated in the plane parallel to the active layer 14 in the regions on both sides of the lower end portion of the ridge 23, resulting in crystals. The structure is distorted. When the crystal structure is distorted, the refractive index of that part changes. In general, the refractive index of group III nitride semiconductors increases when compressible stress is applied. Therefore, the refractive index of the second clad layer 16 in the region near the lower end of the ridge 23 changes so as to increase in magnitude due to the compressible stress. As a result, ΔN decreases.

さらに、リッジ23の下端両側の活性層14におけるバンドギャップエネルギーが小さくなるため、リッジ23に注入した電流は、リッジ23の両側領域を流れやすくなる。このため、リッジ23の直下の活性層に電流が均一に注入されなくなり、スロープ効率の低下につながる。このため、リッジ23の下端部の両側に生じる電流ブロック層20と第2クラッド層16の熱膨張係数の差に基づく歪を可能な限り低減する必要がある。 Further, since the bandgap energy in the active layers 14 on both lower ends of the ridge 23 becomes small, the current injected into the ridge 23 easily flows through the regions on both sides of the ridge 23. Therefore, the current is not uniformly injected into the active layer immediately below the ridge 23, which leads to a decrease in slope efficiency. Therefore, it is necessary to reduce the strain based on the difference in the coefficient of thermal expansion between the current block layer 20 and the second clad layer 16 generated on both sides of the lower end portion of the ridge 23 as much as possible.

本願発明者は、図1に示す半導体発光素子について第2クラッド層16のリッジ内部24での厚さM2とリッジ内部24とリッジ外部25とにおける第2クラッド層16にかかる応力との関係について検討した。図2にその検討結果を示す。図2において、横軸はリッジ23の中央を原点とし、GaN基板11に平行で、かつ端面に平行な方向として第2クラッド層16の位置を表し、縦軸は所定の位置での第2クラッド層16にかかる応力の大きさを任意単位にて表したものである。縦軸において0より大きければ第2クラッド層16には圧縮応力がかかり、0より小さければ第2クラッド層16には引張応力がかかることになる。なお、検討した半導体発光素子については、リッジ幅Wを16μmとした。またM2として0.3μm、0.6μm、0.8μmの3つについて検討した。 The inventor of the present application examined the relationship between the thickness M2 of the second clad layer 16 at the ridge inner 24 and the stress applied to the second clad layer 16 at the ridge inner 24 and the ridge outer 25 for the semiconductor light emitting device shown in FIG. bottom. Figure 2 shows the results of the study. In FIG. 2, the horizontal axis represents the position of the second clad layer 16 in a direction parallel to the GaN substrate 11 and parallel to the end face, with the center of the ridge 23 as the origin, and the vertical axis represents the position of the second clad at a predetermined position. The magnitude of the stress applied to the layer 16 is expressed in arbitrary units. If it is larger than 0 on the vertical axis, compressive stress is applied to the second clad layer 16, and if it is smaller than 0, tensile stress is applied to the second clad layer 16. For the semiconductor light emitting device examined, the ridge width W was set to 16 μm. In addition, three M2s, 0.3 μm, 0.6 μm, and 0.8 μm, were examined.

図2に示すように、M2が大きいすなわちリッジ23の高さHが高いほどリッジ内部24における圧縮応力が大きいことがわかった。特にリッジ内部24の、リッジ外部25との境界近傍において圧縮応力が顕著に大きいことがわかった。また、M2が大きいほどリッジ内部24の圧縮応力の分布が不均一であることがわかった。このことから、リッジ23の高さHが高いほどリッジ内部24の、リッジ外部25との境界近傍において圧縮応力が顕著に大きくなり、そこでのバンドギャップが小さくなり、リッジ内部24においてリッジ外部25との境界近傍により電流が流れる。そしてリッジ23に均一に電流を流すことが困難であることがわかる。またこのことからリッジ23の高さHが高いほどリッジ23に流れる電流について電流の通り道が狭くなり、半導体発光素子の電気抵抗が大きくなることがわかる。 As shown in FIG. 2, it was found that the larger M2, that is, the higher the height H of the ridge 23, the larger the compressive stress inside the ridge 24. In particular, it was found that the compressive stress was remarkably large in the vicinity of the boundary between the ridge inside 24 and the ridge outside 25. It was also found that the larger M2, the more uneven the distribution of compressive stress inside the ridge 24. From this, as the height H of the ridge 23 increases, the compressive stress of the ridge inside 24 near the boundary with the ridge outside 25 becomes remarkably large, the band gap there becomes small, and the ridge inside 24 becomes the ridge outside 25. Current flows near the boundary of. Then, it is found that it is difficult to apply a current uniformly to the ridge 23. From this, it can be seen that the higher the height H of the ridge 23, the narrower the current path for the current flowing through the ridge 23, and the greater the electrical resistance of the semiconductor light emitting element.

すなわち、リッジ23の下端部の両側の領域に生じる応力の低減と、半導体発光素子の電気抵抗の低減のためにリッジ23の高さHを小さくする必要がある。 That is, it is necessary to reduce the height H of the ridge 23 in order to reduce the stress generated in the regions on both sides of the lower end portion of the ridge 23 and to reduce the electric resistance of the semiconductor light emitting element.

なお、図2よりM2を0.8μmから0.3μmに低減させると、リッジ23の下端部両側の活性層に生じる歪はほぼ半減し、また応力分布が平坦となっていることがわかる。すなわち、M2≦0.3μmであれば半導体発光素子の電気抵抗を小さくすることができる。 From FIG. 2, it can be seen that when M2 is reduced from 0.8 μm to 0.3 μm, the strain generated in the active layers on both sides of the lower end of the ridge 23 is almost halved, and the stress distribution is flat. That is, if M2 ≦ 0.3 μm, the electric resistance of the semiconductor light emitting device can be reduced.

(2−3)ΔNについて
リッジ内部24とリッジ外部25との実効屈折率差ΔNについて説明する。
(2-3) ΔN The effective refractive index difference ΔN between the ridge inner 24 and the ridge outer 25 will be described.

ΔNが小さい場合、リッジ幅Wを広げても2次以上の横モードに対する水平横方向の光分布(水平横モード)の閉じ込め機構が弱く、基本(0次)横モードと1次横モードでのみ動作しやすくなる。この結果、横モード間の干渉による相互作用が大きくなり、光分布形状が大きく変化し、電流−光出力特性が非線形を示すキンクが生じ、光出力が不安定になりやすい。 When ΔN is small, even if the ridge width W is widened, the confinement mechanism of the horizontal horizontal light distribution (horizontal horizontal mode) with respect to the secondary or higher horizontal mode is weak, and only in the basic (0th) horizontal mode and the primary horizontal mode. It will be easier to operate. As a result, the interaction due to interference between the transverse modes becomes large, the shape of the light distribution changes significantly, a kink in which the current-light output characteristic shows non-linearity occurs, and the light output tends to become unstable.

一方、2次以上の横モードが発振すると、異なる次数同士の横モードが干渉し、光分布の結合が生じて、光分布の変形が生じても、その影響が小さくなり、大きな非線形を有するキンクが生じにくくなるため、電流−光出力特性の線形性が向上する。 On the other hand, when the transverse mode of the second order or higher oscillates, the transverse modes of different orders interfere with each other, and even if the optical distribution is deformed due to the coupling of the optical distribution, the influence becomes small and the kink having a large non-linearity. Is less likely to occur, so that the linearity of the current-light output characteristic is improved.

すなわち、キンクを生じにくくして電流−光出力特性の線形性を向上させるためには、2次以上の横モードが発振する半導体発光素子が望ましいことになる。 That is, in order to reduce the occurrence of kink and improve the linearity of the current-light output characteristic, a semiconductor light emitting device that oscillates in a second or higher transverse mode is desirable.

プロジェクタ光源等に用いられる半導体発光素子には数100mW以上の高出力動作が求められている。これに対し、高出力レーザにおいては、共振器端面における光密度を低減し、端面がレーザ自らの光で溶融破壊されるCOD(Catastrophic Optical Damage)の発生を抑制するために、リッジ幅Wが5μm以上のいわゆるワイドストライプ構造を用いる。このようなワイドストライプ構造に対して2次横モード光をリッジ内部に閉じ込め、レーザ発振させるためにはΔNの値としては、少なくとも2.5×10−3が必要である。なお、ΔNをさらに大きくすれば2次以上の高次横モードの水平方向の光閉じ込め率が大きくなり、2次以上の高次横モードを含むレーザ発振を安定して生じるようになる。 A semiconductor light emitting element used as a projector light source or the like is required to have a high output operation of several hundred mW or more. On the other hand, in a high-power laser, the ridge width W is 5 μm in order to reduce the light density at the end face of the resonator and suppress the occurrence of COD (Catatropic Optical Damage) in which the end face is melt-broken by the laser's own light. The above so-called wide stripe structure is used. For such a wide stripe structure, at least 2.5 × 10 -3 is required as the value of ΔN in order to confine the secondary transverse mode light inside the ridge and oscillate the laser. If ΔN is further increased, the horizontal light confinement rate in the second-order or higher-order transverse mode increases, and laser oscillation including the second-order or higher-order transverse mode can be stably generated.

(2−4)光閉じ込め係数について
また、半導体発光素子、特に波長が530nmあたりに発光波長を有する半導体発光素子において良好な温度特性を得るためには、活性層14に対する垂直方向の光閉じ込め係数は大きいほうがよく、少なくとも1%の光閉じ込め係数(垂直方向)を有していることが必要である。なお、以下垂直方向の光閉じ込め係数のことを垂直横モード閉じ込め係数という。
(2-4) Light Confinement Coefficient In order to obtain good temperature characteristics in a semiconductor light emitting element, particularly a semiconductor light emitting element having a wavelength of around 530 nm, the light confinement coefficient in the direction perpendicular to the active layer 14 should be set. Larger is better, and it is necessary to have a light confinement coefficient (vertical direction) of at least 1%. Hereinafter, the light confinement coefficient in the vertical direction is referred to as a vertical / transverse mode confinement coefficient.

(2−5)X1、X2それぞれの値について
次に、第1クラッド層12のAl組成X1と第2クラッド層16のAl組成X2それぞれの値について説明する。
(2-5) Values of X1 and X2 Next, the values of the Al composition X1 of the first clad layer 12 and the Al composition X2 of the second clad layer 16 will be described.

第1クラッド層12のAl組成X1を大きくすると第1クラッド層12の屈折率が低くなり、活性層14との屈折率差を大きくすることができ垂直方向の光閉じ込め係数を大きくすることができる。光閉じ込め係数を大きくすると、活性層への注入電流が少ない状態でも大きな利得を得ることが可能となるため、発振しきい電流値や、活性層での動作キャリア密度が小さくなる。そのため、高温動作時において、活性層に注入されたキャリアが熱的に励起されてクラッド層に漏れ出すキャリアのオーバーフローを抑制することができる。このため、垂直方向の光閉じ込め係数の増大は、高温高出力動作時においても、電流−光出力特性における熱飽和する光出力を増大させ、動作電流値の低い温度特性に優れたレーザの実現に効果的である。 When the Al composition X1 of the first clad layer 12 is increased, the refractive index of the first clad layer 12 is lowered, the difference in refractive index from the active layer 14 can be increased, and the optical confinement coefficient in the vertical direction can be increased. .. When the optical confinement coefficient is increased, a large gain can be obtained even when the injection current to the active layer is small, so that the oscillation threshold current value and the operating carrier density in the active layer are reduced. Therefore, it is possible to suppress the overflow of carriers that are thermally excited by the carriers injected into the active layer and leak into the clad layer during high-temperature operation. Therefore, the increase in the optical confinement coefficient in the vertical direction increases the heat-saturated light output in the current-light output characteristic even during high-temperature and high-power operation, and realizes a laser having a low operating current value and excellent temperature characteristics. It is effective.

しかしながらX1を大きくしすぎると、GaNよりなる基板11とAlGaNよりなる第1クラッド層12との間の格子定数の差と熱膨張係数の差がともに大きくなるため、格子欠陥やクラックの発生につながる。このため、X1≦0.1とする必要がある。 However, if X1 is made too large, both the difference in the lattice constant and the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate 11 made of GaN and the first clad layer 12 made of AlGaN become large, which leads to the occurrence of lattice defects and cracks. .. Therefore, it is necessary to set X1 ≦ 0.1.

また、第2クラッド層16のAl組成X2もX1と同様に大きくすると活性層への垂直方向光閉じ込め係数の増大につながる。しかし、大きくしすぎるとp型不純物であるMgの活性化率が低下し、第2クラッド層16の電気抵抗が増大し、半導体発光素子の電気抵抗の増大につながる。半導体発光素子の電気抵抗の増大は、半導体発光素子のレーザ発振動作中における自己発熱が増大し、電流−光出力特性における熱飽和する光出力レベルの低下につながる。そこで、垂直方向に光閉じ込め係数の増大効果を得つつ、第2クラッド層16の抵抗を増大させないためには、X2≦0.07とする必要がある。 Further, if the Al composition X2 of the second clad layer 16 is also increased in the same manner as X1, the vertical light confinement coefficient to the active layer is increased. However, if it is made too large, the activation rate of Mg, which is a p-type impurity, decreases, the electric resistance of the second clad layer 16 increases, and the electric resistance of the semiconductor light emitting device increases. An increase in the electrical resistance of the semiconductor light emitting device increases self-heating during the laser oscillation operation of the semiconductor light emitting device, leading to a decrease in the heat-saturated light output level in the current-light output characteristic. Therefore, in order to obtain the effect of increasing the light confinement coefficient in the vertical direction and not to increase the resistance of the second clad layer 16, it is necessary to set X2 ≦ 0.07.

なお、X2を小さくしていくと、垂直方向の光分布は第2クラッド層16に寄っていくため、ΔNは増大する。しかしながら、X2を小さくしすぎると、あまりに光分布が第2クラッド層16寄りとなり、p型コンタクト層17および第2クラッド層16での不純物によるフリーキャリア吸収損失と、p型電極22における吸収損失が増大し、導波路損失が増大してしまう。導波路損失が増大すると電流−光出力特性におけるレーザ発振後の、注入電流量の変化に対する光出力の変化の割合(スロープ効率)の低下につながり、高温動作時における熱飽和する光出力レベルの低下につながる。したがって、X2の値としては、導波路損失の大きな増大を抑制するために0.03以上とする必要がある。 As X2 is reduced, the light distribution in the vertical direction approaches the second clad layer 16, so that ΔN increases. However, if X2 is made too small, the light distribution becomes too close to the second clad layer 16, and the free carrier absorption loss due to impurities in the p-type contact layer 17 and the second clad layer 16 and the absorption loss in the p-type electrode 22 become large. It increases and the waveguide loss increases. An increase in waveguide loss leads to a decrease in the ratio of change in optical output (slope efficiency) to a change in the amount of injection current after laser oscillation in the current-optical output characteristic, resulting in a decrease in the level of heat-saturated optical output during high-temperature operation. Leads to. Therefore, the value of X2 needs to be 0.03 or more in order to suppress a large increase in waveguide loss.

(2−6)X1とX2との関係について
図1に示すような半導体発光素子においては、リッジ外部25において第2クラッド層16が薄くなっているために、リッジ外部25における活性層14に垂直である方向の光分布(垂直横モード)は、第1クラッド層12側にかたよる。なお、リッジ内部24においては、垂直横モードは活性層14に対しほぼ対称となる。
(2-6) Relationship between X1 and X2 In the semiconductor light emitting device as shown in FIG. 1, since the second clad layer 16 is thin at the ridge outer 25, it is perpendicular to the active layer 14 at the ridge outer 25. The light distribution in the direction (vertical transverse mode) depends on the first clad layer 12 side. In the ridge interior 24, the vertical transverse mode is substantially symmetrical with respect to the active layer 14.

ここで、第1クラッド層12のAl組成X1が第2クラッド層16のAl組成X2よりも大きい場合、第1クラッド層12の屈折率が第2クラッド層16の屈折率よりも小さくなるので、リッジ外部25における実効屈折率はリッジ内部24における実効屈折率よりもさらに小さくすることができる。すなわち、ΔNを大きくすることができ、水平横モードの光閉じ込め率を大きくすることができる。 Here, when the Al composition X1 of the first clad layer 12 is larger than the Al composition X2 of the second clad layer 16, the refractive index of the first clad layer 12 is smaller than the refractive index of the second clad layer 16. The effective refractive index inside the ridge 25 can be made even smaller than the effective refractive index inside the ridge 24. That is, ΔN can be increased, and the light confinement rate in the horizontal and transverse mode can be increased.

そこで本願発明者は、図1に示す半導体発光素子について、X1、X2をパラメータとし、N2=0.3μmとしてΔNを求めた。なお、Wを6μm、導電性酸化物層18の層厚を0.17μmとして検討した。その結果を図3に示す。図3において、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%とあるのは垂直横モード閉じ込め係数のことであり、1.5×10−3、2×10−3、2.5×10−3、3×10−3、3.5×10−3とあるのはΔNのことである。また、6cm−1や10cm−1のようにcm−1が付されている曲線は、半導体発光素子の導波路損失を表す。また、図3において導波路損失は実線で示し、垂直横モード閉じ込め係数は一点鎖線で示し、実効屈折率差(ΔN)は破線で示している。 Therefore, the inventor of the present application determined ΔN for the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 with X1 and X2 as parameters and N2 = 0.3 μm. The W was set to 6 μm, and the layer thickness of the conductive oxide layer 18 was set to 0.17 μm. The result is shown in FIG. In FIG. 3, 1%, 1.1%, 1.2%, 1.3%, and 1.4% are the vertical-transverse mode confinement coefficients, which are 1.5 × 10 -3 , 2 ×. 10 -3 , 2.5 × 10 -3 , 3 × 10 -3 , 3.5 × 10 -3 are ΔN. Moreover, the curve cm -1 are assigned as 6 cm -1 and 10 cm -1 represents the waveguide loss in the semiconductor light emitting element. Further, in FIG. 3, the waveguide loss is shown by a solid line, the vertical transverse mode confinement coefficient is shown by a dashed line, and the effective refractive index difference (ΔN) is shown by a broken line.

図3に示すように、ΔNが2.5×10−3以上となるX1とX2との関係は、X1≦0.1かつX2≦0.07では、
(数2) X1−X2≧0.02
の領域、すなわち図3においては直線ABの右側の領域である。
As shown in FIG. 3, the relationship between X1 and X2 having ΔN of 2.5 × 10 -3 or more is such that X1 ≦ 0.1 and X2 ≦ 0.07.
(Equation 2) X1-X2 ≧ 0.02
, That is, the region on the right side of the straight line AB in FIG.

以上をまとめると、図1に示す半導体発光素子について、ΔNが2.5×10−3以上となり、かつ垂直方向に光閉じ込め係数の増大効果を得つつ半導体発光素子の電気抵抗を小さくするためには、
(数2) X1−X2≧0.02
(数3) X1≦0.1
(数4) 0.03≦X2≦0.07
が必要となる。
Summarizing the above, for the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, in order to reduce the electrical resistance of the semiconductor light emitting device while obtaining a ΔN of 2.5 × 10 -3 or more and an effect of increasing the light confinement coefficient in the vertical direction. teeth,
(Equation 2) X1-X2 ≧ 0.02
(Equation 3) X1 ≤ 0.1
(Equation 4) 0.03 ≤ X2 ≤ 0.07
Is required.

(2−8)導電性酸化物層18の層厚の検討
次に、導電性酸化物層18の効果および導電性酸化物層18の層厚の条件を調べるために、M2を変化させたときの半導体発光素子の特性について説明する。
(2-8) Examination of Layer Thickness of Conductive Oxide Layer 18 Next, when M2 was changed in order to investigate the effect of the conductive oxide layer 18 and the condition of the layer thickness of the conductive oxide layer 18. The characteristics of the semiconductor light emitting device of the above will be described.

導電性酸化物層18の厚さを0.17μm、Wを6μm、M2として0.2μm〜0.6μmと変化させた場合の半導体発光素子の特性を図4A〜図4Eに示す。また、比較として導電性酸化物層18がない場合すなわち図1に示す半導体発光素子から導電性酸化物層18を除去した半導体発光素子について、M2として0.2μm〜0.6μmと変化させたときの半導体発光素子の特性を図5A〜図5Eに示す。図4A〜図4E、図5A〜図5EとM2の値および導電性酸化物層18の有無との関係は、表1のようになる。 The characteristics of the semiconductor light emitting device when the thickness of the conductive oxide layer 18 is changed to 0.17 μm, W is 6 μm, and M2 is 0.2 μm to 0.6 μm are shown in FIGS. 4A to 4E. Further, as a comparison, when there is no conductive oxide layer 18, that is, when the semiconductor light emitting device in which the conductive oxide layer 18 is removed from the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 is changed to 0.2 μm to 0.6 μm as M2. The characteristics of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 5A to 5E are shown in FIGS. 5A to 5E. Table 1 shows the relationship between the values of FIGS. 4A to 4E and 5A to 5E and the values of M2 and the presence or absence of the conductive oxide layer 18.

Figure 0006941771
Figure 0006941771

なお、図4A〜図4E、図5A〜図5Eにおいて、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%とあるのは垂直横モード閉じ込め係数のことであり、1.5×10−3、2×10−3、2.5×10−3、3×10−3等とあるのはΔNのことである。また、6cm−1や10cm−1のようにcm−1が付されている曲線は、半導体発光素子の導波路損失を表す曲線である。 In FIGS. 4A to 4E and 5A to 5E, 1%, 1.1%, 1.2%, 1.3%, and 1.4% are vertical and transverse mode confinement coefficients. , 1.5 × 10 -3 , 2 × 10 -3 , 2.5 × 10 -3 , 3 × 10 -3, etc. are ΔN. Moreover, the curve cm -1 are assigned as 6 cm -1 and 10 cm -1 is a curve representing the waveguide loss in the semiconductor light emitting element.

また、図4、図5において、導波路損失は実線で示し、垂直横モード閉じ込め係数は一点鎖線で示し、実効屈折率差(ΔN)は破線で示している。また、これらの図において斜線パターンで示した領域(ハッチング領域)は、(数2)から(数4)を満足し、光閉じ込め係数が1%以上、かつΔNが2.5×10−3以上の領域を示している。 Further, in FIGS. 4 and 5, the waveguide loss is shown by a solid line, the vertical transverse mode confinement coefficient is shown by a chain line, and the effective refractive index difference (ΔN) is shown by a broken line. Further, the regions (hatched regions) shown by diagonal lines in these figures satisfy (Equation 2) to (Equation 4), have a light confinement coefficient of 1% or more, and ΔN of 2.5 × 10 -3 or more. Shows the area of.

図4A〜図4Eに示すように、M2を0.3μm以上とすれば、(数1)から(数3)を満足し、垂直横モード閉じ込め係数が1%以上、ΔNが2.5×10−3以上の領域が存在することがわかる。また、M2が大きいほど(数1)から(数3)を満足する領域でのΔNが大きくなり、一方で導波路損失が小さくなることがわかる。M2が0.8μm以上となるとリッジ高さHが高くなり、活性層に生じる歪や、素子の抵抗が大きくなってしまう。半導体発光素子の直列抵抗の増大を招かないためには、M2≦0.6μmとすればよい。 As shown in FIGS. 4A to 4E, when M2 is 0.3 μm or more, (Equation 1) to (Equation 3) are satisfied, the vertical-transverse mode confinement coefficient is 1% or more, and ΔN is 2.5 × 10. It can be seen that there are -3 or more regions. Further, it can be seen that as M2 is larger, ΔN in the region satisfying (Equation 1) to (Equation 3) becomes larger, while the waveguide loss becomes smaller. When M2 is 0.8 μm or more, the ridge height H becomes high, and the strain generated in the active layer and the resistance of the element become large. In order not to increase the series resistance of the semiconductor light emitting device, M2 ≦ 0.6 μm may be set.

したがって、図2および図4A〜図4Eに示した結果より、リッジ下端部の両側の活性層の歪の発生を抑制し、1%以上の光閉じ込め係数かつ2.5×10−3以上のΔNを得るためには、(数1)から(数3)を満足し、M2が0.3μm以上かつ0.6μm以下であればよいことがわかる。この場合、導波路損失は最大で12.5cm−1となることがわかる。 Therefore, from the results shown in FIGS. 2 and 4A to 4E, it is possible to suppress the occurrence of strain in the active layers on both sides of the lower end of the ridge, and have a light confinement coefficient of 1% or more and a ΔN of 2.5 × 10 -3 or more. It can be seen that in order to obtain the above, it is sufficient that (Equation 1) to (Equation 3) are satisfied and M2 is 0.3 μm or more and 0.6 μm or less. In this case, it can be seen that the maximum waveguide loss is 12.5 cm -1.

(2−9)導電性酸化物層18の効果の検討
次に、導電性酸化物層18の効果について検討する。図5A〜図5Eにおいて、(数2)から(数4)を満足する領域で、1%以上の光閉じ込め係数、2.5×10−3以上のΔN、導波路損失が12.5cm−1以下である範囲をハッチング領域で示す。導電性酸化物層18を備えない半導体発光素子に関するこの領域は、導電性酸化物層18を備えた半導体発光素子での図4A〜図4Eに示す領域よりも非常に小さくなっている。これは、導電性酸化物層18にITOを用いた場合、屈折率が2.02と小さいために、垂直方向の光分布が、導電性酸化物層18で急激に減衰し、p型コンタクト層17における光分布の割合は小さくなり、導波路損失が低減するためである。この効果はM2が小さいほど大きく、図4Dと図5D、図4Cと図5C及び図4Bと図5Bとを比べれば、M2が同一であっても導波路損失は相対的に小さくなっていることがわかる。このように導電性酸化物層18を備えることにより、1%以上の光閉じ込め係数、2.5×10−3以上のΔNと、12.5cm−1以下の導波路損失を同時に実現することが可能となる。この結果、高温動作時においても、熱飽和しない高出力特性を実現することが可能となる。また、リッジ23の下端部の両側の活性層14における歪が小さいため、活性層14におけるバンドギャップの面内分布を低減できるだけでなく、活性層14での格子欠陥の発生も抑制できる。そのため、長期にわたって高出力動作可能な信頼性の高い530nm帯の窒化物系レーザを実現可能となる。
(2-9) Examination of Effect of Conductive Oxide Layer 18 Next, the effect of the conductive oxide layer 18 will be examined. In FIGS. 5A to 5E, in the region satisfying (Equation 2) to (Equation 4), the optical confinement coefficient is 1% or more, ΔN is 2.5 × 10 -3 or more, and the waveguide loss is 12.5 cm -1. The following range is shown in the hatch area. This region of the semiconductor light emitting device without the conductive oxide layer 18 is much smaller than the region shown in FIGS. 4A to 4E of the semiconductor light emitting device having the conductive oxide layer 18. This is because when ITO is used for the conductive oxide layer 18, the refractive index is as small as 2.02, so that the light distribution in the vertical direction is rapidly attenuated by the conductive oxide layer 18, and the p-type contact layer is formed. This is because the ratio of the light distribution in 17 becomes small and the waveguide loss is reduced. This effect is greater as M2 is smaller, and when comparing FIGS. 4D and 5D, FIGS. 4C and 5C, and FIGS. 4B and 5B, the waveguide loss is relatively small even if M2 is the same. I understand. By providing the conductive oxide layer 18 in this way, it is possible to simultaneously realize a light confinement coefficient of 1% or more, a ΔN of 2.5 × 10 -3 or more, and a waveguide loss of 12.5 cm -1 or less. It will be possible. As a result, it is possible to realize high output characteristics that do not cause heat saturation even during high-temperature operation. Further, since the strain in the active layers 14 on both sides of the lower end of the ridge 23 is small, not only the in-plane distribution of the band gap in the active layer 14 can be reduced, but also the occurrence of lattice defects in the active layer 14 can be suppressed. Therefore, it is possible to realize a highly reliable nitride laser in the 530 nm band that can operate at high output for a long period of time.

特に、M2が0.4μm以下の領域でも、1%以上の光閉じ込め係数、2.5×10−3以上のΔNと、12.5cm−1以下の低導波路損失を同時に実現でき、さらに、リッジ23の下端部の両側の活性層における歪を低減することが可能となる。この結果、半導体発光素子の電気抵抗がさらに小さくなる。また、活性層14での格子欠陥の発生もより抑制できるため、長期にわたって高出力動作可能である、信頼性のより高い半導体レーザ素子が得られるのである。 In particular, even in a region where M2 is 0.4 μm or less, a light confinement coefficient of 1% or more, ΔN of 2.5 × 10 -3 or more, and a low waveguide loss of 12.5 cm -1 or less can be realized at the same time. It is possible to reduce the strain in the active layers on both sides of the lower end of the ridge 23. As a result, the electrical resistance of the semiconductor light emitting device is further reduced. Further, since the occurrence of lattice defects in the active layer 14 can be further suppressed, a highly reliable semiconductor laser device capable of high output operation for a long period of time can be obtained.

(2−10)導電性酸化物層18の層厚について
また、ITOを導電性酸化物層18として用いた場合に最低限必要な導電性酸化物層18の厚さについて説明する。図6A、図6Bに本実施の形態における半導体発光素子においてITOの膜厚を変化させた場合の、導波路損失およびΔNの検討結果を示す。図6A、図6Bいずれも横軸が導電性酸化物層18の厚さ、縦軸は図6Aについては導波路損失、図6BについてはΔNを表す。図6A、図6Bに示すように導電性酸化物層18の厚さを0μmから0.15μmへと厚くしていくと導波路損失が小さくなり、一方ΔNは増大していくことがわかる。つまり、厚さ0.15μm以上の導電性酸化物層18をp型コンタクト層17の上に形成することにより、導波路損失の低減効果だけでなく、ΔNも増大させ、2次以上の高次横モード発振を安定化させる効果があることがわかる。
(2-10) About the Layer Thickness of the Conductive Oxide Layer 18 Further, the minimum thickness of the conductive oxide layer 18 required when ITO is used as the conductive oxide layer 18 will be described. 6A and 6B show the examination results of the waveguide loss and ΔN when the film thickness of ITO is changed in the semiconductor light emitting device of the present embodiment. In both FIGS. 6A and 6B, the horizontal axis represents the thickness of the conductive oxide layer 18, the vertical axis represents the waveguide loss in FIG. 6A, and ΔN in FIG. 6B. It can be seen that as the thickness of the conductive oxide layer 18 is increased from 0 μm to 0.15 μm as shown in FIGS. 6A and 6B, the waveguide loss decreases, while ΔN increases. That is, by forming the conductive oxide layer 18 having a thickness of 0.15 μm or more on the p-type contact layer 17, not only the effect of reducing the waveguide loss but also ΔN is increased, and the higher order of the second order or higher is obtained. It can be seen that it has the effect of stabilizing the transverse mode oscillation.

ITO膜の厚さが0.15μm以上となると、導波路損失、ΔN、光閉じ込め係数はすべてほぼ一定となることがわかる。従って、ITOを導電性酸化物層18とした構造では、導電性酸化膜層厚を0.15μm以上とすればよいことがわかる。ITO膜を厚くし過ぎると、ITO膜の持つ電気抵抗により半導体発光素子の電気抵抗が増大することが考えられるので、ITO膜の厚さは0.3μm以下とすることが好ましい。 It can be seen that when the thickness of the ITO film is 0.15 μm or more, the waveguide loss, ΔN, and the optical confinement coefficient are all substantially constant. Therefore, it can be seen that in the structure in which ITO is used as the conductive oxide layer 18, the thickness of the conductive oxide film layer may be 0.15 μm or more. If the ITO film is made too thick, the electric resistance of the semiconductor light emitting element may increase due to the electric resistance of the ITO film. Therefore, the thickness of the ITO film is preferably 0.3 μm or less.

(2−11)まとめ
Al組成が0.1のAlGaNの屈折率2.36よりも屈折率の小さい導電性酸化物層18をp型コンタクト層17上に形成し、第2クラッド層16の層厚(M2)を0.3μmから0.6μmとし、(数2)から(数4)を満たす構造について検討した。ストライプ幅Wが5μm以上として高次横モードがカットオフされていない場合において、上記構造は、導電性酸化物層18を用いない構造と比較して、リッジ23の高さを低くしても導波路損失が低減される。そしてΔNの増大効果による安定した2次以上の高次横モード発振を実現し、低リッジによるリッジ下端部両側近傍領域の歪を低減できることがわかる。
(2-11) Summary A conductive oxide layer 18 having a refractive index smaller than that of AlGaN having a refractive index of 2.36 having an Al composition of 0.1 is formed on the p-type contact layer 17, and is a layer of the second clad layer 16. The thickness (M2) was set to 0.3 μm to 0.6 μm, and a structure satisfying (Equation 2) to (Equation 4) was examined. When the stripe width W is 5 μm or more and the higher-order transverse mode is not cut off, the above structure is derived even if the height of the ridge 23 is lowered as compared with the structure without the conductive oxide layer 18. Waveguide loss is reduced. It can be seen that stable high-order transverse mode oscillation of the second or higher order can be realized by the effect of increasing ΔN, and distortion in the region near both sides of the lower end of the ridge due to low ridge can be reduced.

歪の低減は、ΔNの低下の防止につながる。この結果、電流−光出力特性におけるキンクの抑制、スロープ効率の増大、高温動作時における熱飽和する光出力レベルの向上が実現する。それだけでなく、リッジ23の直下の活性層14の面内歪が低減され、活性層14のバンドギャップエネルギーのばらつきが抑制可能となり、半導体発光素子の発光効率の低下と格子欠陥の増殖が抑制され、長期動作信頼性を向上させることが可能となる。また、第2クラッド層16の厚さ(M2)を0.3μm以上かつ0.5μm以下とすれば、半導体発光素子の電気抵抗を低減できるため、さらなる高温高出力動作特性を得るためにはより好ましい。 The reduction of strain leads to the prevention of a decrease in ΔN. As a result, kink suppression in the current-light output characteristic, increase in slope efficiency, and improvement in the heat-saturated light output level during high-temperature operation are realized. Not only that, the in-plane strain of the active layer 14 directly under the ridge 23 is reduced, the variation in the bandgap energy of the active layer 14 can be suppressed, the decrease in the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device and the growth of lattice defects are suppressed. , It is possible to improve long-term operation reliability. Further, if the thickness (M2) of the second clad layer 16 is 0.3 μm or more and 0.5 μm or less, the electric resistance of the semiconductor light emitting element can be reduced. preferable.

(3)本実施の形態の半導体発光素子の一例
次に、上記において検討した、本実施の形態の半導体発光素子の一例について簡単に述べる。
(3) Example of Semiconductor Light Emitting Element of the Present Embodiment Next, an example of the semiconductor light emitting device of the present embodiment examined above will be briefly described.

本実施の形態にかかる半導体発光素子において、X1を0.09、X2を0.05、M2を0.4μmとした。本実施の形態の半導体発光素子の層構造について、表2にまとめる。なお、表2において屈折率は、発光波長である530nmに対する値である。 In the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, X1 is 0.09, X2 is 0.05, and M2 is 0.4 μm. Table 2 summarizes the layer structure of the semiconductor light emitting device of this embodiment. In Table 2, the refractive index is a value with respect to the emission wavelength of 530 nm.

Figure 0006941771
Figure 0006941771

上記表2に示す半導体発光素子においては、導波路損失は8.0cm−1、光閉じ込め係数は1.4%、ΔNは3.6×10−3となった。また、発光波長は530nmであり、緑色のレーザ発振が得られた。 In the semiconductor light emitting device shown in Table 2 above, the waveguide loss was 8.0 cm -1 , the optical confinement coefficient was 1.4%, and ΔN was 3.6 × 10 -3 . The emission wavelength was 530 nm, and green laser oscillation was obtained.

(第2の実施の形態)
(1)テーパストライプ構造について
第1の実施形態にかかる半導体発光素子は、基板11の上方からみたとき、リッジ23の2つの側壁が共振器の方向に平行である場合のストライプ構造の半導体レーザ素子である。
(Second Embodiment)
(1) Tapered Stripe Structure The semiconductor light emitting device according to the first embodiment is a semiconductor laser device having a stripe structure when the two side walls of the ridge 23 are parallel to the direction of the resonator when viewed from above the substrate 11. Is.

本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光素子は、いわゆるテーパストライプ構造の半導体発光素子である。なお、半導体発光素子を構成する各半導体層および導電性酸化物層18の積層構造、ならびに電極の構造は、第1の実施の形態と同様である。また、端面反射率についても第1の実施の形態と同様である。 The semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention is a semiconductor light emitting device having a so-called tapered stripe structure. The laminated structure of each semiconductor layer and the conductive oxide layer 18 constituting the semiconductor light emitting device, and the structure of the electrodes are the same as those in the first embodiment. Further, the end face reflectance is the same as that of the first embodiment.

ここで、図7に示すようにリッジ側壁に沿う方向と共振器の方向となす角をθとする。この角度θがテーパ角である。実施の形態1で説明したテーパ角θが0°のストライプ構造の半導体レーザ素子では、端面反射率の低い前端面側の導波路における活性層内の光密度が大きくなる。このため、前端面側の活性層14に注入された電子、正孔が誘導放出により単位時間に消費される数が多くなり、前端面側の活性層14の動作キャリア密度が大きくなるキャリアの空間的ホールバーニング(Spatial Hole Burning、略してSHB)が発生する。ここでテーパ角θを大きくしていくと前端面側のリッジ幅が大きくなるため、共振器方向に垂直な水平横方向の光分布の幅が広くなって光密度が減少していく。従って、テーパ角θの増大に伴い、前端面側で単位時間当たりに消費される電子、正孔の数は減少する。逆に後端面側では、テーパ角の増大に伴い、水平横方向の光分布の幅が狭くなり光密度が増大するため、後端面側で単位時間当たりに消費される電子、正孔の数は増大する。この結果、テーパ角を大きくしすぎると、後端面側の活性層14における動作キャリア密度が小さくなりSHBが発生する。SHBの度合いが大きくなると活性層14における動作キャリア濃度が大きい側の活性層14では、電子や正孔が熱的に励起されて活性層から第1クラッド層12または第2クラッド層16に漏れ出すキャリア(キャリアオーバーフロー)が増大し、光出力の熱飽和レベルが低下する。 Here, as shown in FIG. 7, the angle formed by the direction along the ridge side wall and the direction of the resonator is θ. This angle θ is the taper angle. In the semiconductor laser device having a striped structure having a taper angle θ of 0 ° described in the first embodiment, the light density in the active layer in the waveguide on the front end face side having low end face reflectance is increased. Therefore, the number of electrons and holes injected into the active layer 14 on the front end face side increases due to stimulated emission, and the operating carrier density of the active layer 14 on the front end face side increases. Spatial Hole Burning (SHB for short) occurs. Here, as the taper angle θ is increased, the ridge width on the front end surface side becomes larger, so that the width of the light distribution in the horizontal and horizontal directions perpendicular to the resonator direction becomes wider and the light density decreases. Therefore, as the taper angle θ increases, the number of electrons and holes consumed per unit time on the front end surface side decreases. On the other hand, on the rear end face side, as the taper angle increases, the width of the light distribution in the horizontal and horizontal directions narrows and the light density increases, so the number of electrons and holes consumed per unit time on the rear end face side increases. Increase. As a result, if the taper angle is made too large, the operating carrier density in the active layer 14 on the rear end surface side becomes small, and SHB is generated. When the degree of SHB increases, in the active layer 14 on the side where the operating carrier concentration in the active layer 14 is large, electrons and holes are thermally excited and leak from the active layer to the first clad layer 12 or the second clad layer 16. Carriers (carrier overflows) increase and the thermal saturation level of the light output decreases.

また、共振器方向に対してSHBが生じると、活性層14の内部にて、最も大きな増幅利得を得る波長にばらつきが生じてしまい、発振しきい電流値の増大につながる。発振しきい電流値が増大すると高温動作時におけるキャリアオーバーフローが増大し、温度特性の劣化につながる。さらに、テーパ角θが大きいと導波路を伝播する導波光に伝播損失が生じてしまう。このため、テーパ角θは0.1°±0.05°以内の範囲(0.05°以上、0.15°以下)に設定することが好ましい。この場合、リッジ23の下の活性層14においてSHBの発生が抑制され、キャリアオーバーフローの発生が抑制される。さらに、動作キャリア濃度の均一性が向上し、活性層14において最も大きな増幅利得が得られる波長が均一となるため、スロープ効率と、温度特性が向上し、さらなる高温高出力動作が可能となる。 Further, when SHB occurs in the resonator direction, the wavelength at which the maximum amplification gain is obtained varies inside the active layer 14, leading to an increase in the oscillation threshold current value. When the oscillation threshold current value increases, carrier overflow during high-temperature operation increases, leading to deterioration of temperature characteristics. Further, if the taper angle θ is large, propagation loss occurs in the waveguide light propagating in the waveguide. Therefore, the taper angle θ is preferably set within a range of 0.1 ° ± 0.05 ° (0.05 ° or more, 0.15 ° or less). In this case, the generation of SHB is suppressed in the active layer 14 under the ridge 23, and the generation of carrier overflow is suppressed. Further, the uniformity of the operating carrier concentration is improved, and the wavelength at which the maximum amplification gain is obtained in the active layer 14 becomes uniform, so that the slope efficiency and the temperature characteristics are improved, and further high-temperature and high-output operation becomes possible.

また、後端面側のリッジ幅Wrが狭くなると、より高次の水平横モードは導波することができず、カットオフされるため発振可能な水平横モードの数が少なくなってしまう。高次横モードがカットオフされていない場合、同時に発振可能な高次横モードの次数が小さくなると、レーザ発振中に横モード同士が結合した場合に共振器方向の光分布形状の変形が大きく、電流−光出力特性には大きな非線形性が生じてしまい、温度特性が低下する。これを防止するためには、Wrは最低3次モード以上の高次横モードが導波する幅である必要がある。高次横モードがカットオフされない広いストライプ幅の場合、電流―光出力特性において、キンクによる大きな非線形性を生じさせないためには、3次モード以上が導波可能であることが効果的である。例えば、3次横モードまで導波可能な導波路の場合、導波可能な最高次数である3次モードの実効屈折率はリッジ外の領域の実効屈折率とほぼ同一となるため、水平方向に対し、光分布はリッジ外に大きく裾野がある広がりの大きい形状となる。この場合、3次横モードはリッジ外への光分布のしみ出しが大きいので、レーザ発振させるためには、大きな電流注入量が必要である。このため、3次モードの発振しきい電流値は基本(0次)横モード、1次横モード及び2次横モードと比較して相対的に高くなり、3次モードが導波可能であっても実質レーザ発振するのは基本横モードから2次横モードまでの3種のモードとなる。最低3種の次数の横モードが同時にレーザ発振すれば、横モード間の干渉による相互作用を相対的に小さくでき、横モード同士が干渉し結合しても、光分布形状の変化を小さくできる。そのため、電流−光出力特性にキンクが生じて、非線形を低減できるため、光出力を安定化することができる。 Further, when the ridge width Wr on the rear end surface side becomes narrow, the higher-order horizontal transverse mode cannot be guided and is cut off, so that the number of horizontal transverse modes that can be oscillated decreases. When the higher-order transverse mode is not cut off and the order of the higher-order transverse mode that can oscillate at the same time becomes smaller, the optical distribution shape in the resonator direction is greatly deformed when the transverse modes are coupled during laser oscillation. The current-optical output characteristic has a large non-linearity, and the temperature characteristic deteriorates. In order to prevent this, Wr needs to have a width in which a higher-order transverse mode of at least a third-order mode or higher is guided. In the case of a wide stripe width in which the higher-order transverse mode is not cut off, it is effective that the third-order mode or higher can be guided in the current-optical output characteristic in order not to cause a large non-linearity due to kink. For example, in the case of a waveguide that can be guided up to the third-order transverse mode, the effective refractive index of the third-order mode, which is the highest order that can be guided, is almost the same as the effective refractive index of the region outside the ridge, so that it is in the horizontal direction. On the other hand, the light distribution has a large spread with a large base outside the ridge. In this case, since the third-order transverse mode exudes a large amount of light distribution to the outside of the ridge, a large amount of current injection is required to oscillate the laser. Therefore, the oscillation threshold current value in the third-order mode is relatively higher than that in the basic (0th-order) transverse mode, the first-order transverse mode, and the second-order transverse mode, and the third-order mode can be guided. However, the actual laser oscillation is in three modes from the basic transverse mode to the secondary transverse mode. If the laser oscillates in the horizontal modes of at least three orders at the same time, the interaction due to the interference between the horizontal modes can be made relatively small, and even if the horizontal modes interfere with each other and are coupled, the change in the light distribution shape can be made small. Therefore, a kink occurs in the current-light output characteristic, and the non-linearity can be reduced, so that the light output can be stabilized.

このようなテーパ形状を有する導波路を、本実施の形態にかかる半導体発光素子に対して形成すれば、リッジ23の高さを低くできるため半導体発光素子の電気抵抗がいっそう低くなり、高温高出力動作に有利である。また、リッジ23の高さを低くしても導電性酸化物層18を用いることは、図6Bに示すようにΔNを増大する効果がある。そのため、Wrを狭くしても3次以上の高次横モードがカットオフされないので、電流−光出力における非線形性の大きなキンクの発生を防止することができる。本実施の形態の場合、Wrは最低4μmあれば良い。このΔNを増大させる効果は、導電性酸化物層18への光分布のしみ出しが大きいほど効果があるため、第2クラッド層厚(M2)が小さくなるほど有利である。M2が0.3μm以上、0.5μm以下の範囲で導波路形状をテーパ形状とすれば、よりいっそう素子の直列抵抗が低減し、スロープ効率と、温度特性が向上し、電流−光出力特性において非線形性の大きなキンクの発生を抑制しつつ、さらなる高温高出力動作が可能となる。 If a waveguide having such a tapered shape is formed for the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, the height of the ridge 23 can be lowered, so that the electric resistance of the semiconductor light emitting device is further lowered, and the high temperature and high output are obtained. It is advantageous for operation. Further, even if the height of the ridge 23 is lowered, the use of the conductive oxide layer 18 has the effect of increasing ΔN as shown in FIG. 6B. Therefore, even if the Wr is narrowed, the higher-order transverse mode of the third order or higher is not cut off, so that it is possible to prevent the occurrence of a kink having a large non-linearity in the current-optical output. In the case of this embodiment, Wr may be at least 4 μm. The effect of increasing ΔN is more effective as the exudation of the light distribution to the conductive oxide layer 18 is larger, and therefore, it is more advantageous as the thickness of the second clad layer (M2) is smaller. If the waveguide shape is tapered in the range of M2 of 0.3 μm or more and 0.5 μm or less, the series resistance of the element is further reduced, the slope efficiency and temperature characteristics are improved, and the current-light output characteristics are improved. Further high temperature and high output operation is possible while suppressing the generation of kink with large non-linearity.

(2)本実施の形態の半導体発光素子の一例およびその特性
本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光素子において、X1は0.05、X2は0.09、第2クラッド層厚0.4μm、共振器長を600μmとしている。この半導体発光素子にかかる各層のパラメータについて表2と同様である。なお、リッジ23の幅は、後端面側において6μmで前端面側へ向けて広くなっている。リッジ23側面のテーパ角θは、θ=0.1°である。
(2) An Example of a Semiconductor Light Emitting Element of the Present Embodiment and Its Characteristics In the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, X1 is 0.05, X2 is 0.09, and the second clad layer thickness is 0. The resonator length is .4 μm and the resonator length is 600 μm. Table 2 shows the parameters of each layer of the semiconductor light emitting device. The width of the ridge 23 is 6 μm on the rear end surface side and widens toward the front end surface side. The taper angle θ on the side surface of the ridge 23 is θ = 0.1 °.

この半導体発光素子の導波路損失は7.9cm−1、光閉じ込め係数は1.45%、ΔNは3.7×10−3である。 The waveguide loss of this semiconductor light emitting device is 7.9 cm -1 , the optical confinement coefficient is 1.45%, and ΔN is 3.7 × 10 -3 .

本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光素子の電流−光出力特性を図8Aに示す。また、本発明の第2の実施の形態にかかる半導体発光素子の構造から、厚さ0.17μmの導電性酸化物層18をなくした構造を有する半導体発光素子の電流−光出力特性を比較例として図8Bに示す。この比較例にかかる半導体発光素子の導波路損失は13.5cm−1、光閉じ込め係数は1.4%、ΔNは3.3×10−3である。なお、半導体発光素子の素子温度について、25℃の場合と50℃の場合とについて検討した。 The current-light output characteristics of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention are shown in FIG. 8A. Further, a comparative example of the current-light output characteristics of a semiconductor light emitting device having a structure in which the conductive oxide layer 18 having a thickness of 0.17 μm is eliminated from the structure of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. Is shown in FIG. 8B. The waveguide loss of the semiconductor light emitting device according to this comparative example is 13.5 cm -1 , the optical confinement coefficient is 1.4%, and ΔN is 3.3 × 10 -3 . Regarding the element temperature of the semiconductor light emitting device, the case of 25 ° C. and the case of 50 ° C. were examined.

図8Aと図8Bとを比較すると、導電性酸化物層18を用いることによりスロープ効率が1.4倍に改善することがわかる。これは、導電性酸化物層18を用いることにより、第2クラッド層16の膜厚を0.4μmに薄くしても、金属電極での吸収損失が低減したため高いスロープ効率が向上すると考えられる。また、導電性酸化物層18を用いることによりΔNも増大し、横モードの閉じ込め率を高める機能があることがわかる。 Comparing FIG. 8A and FIG. 8B, it can be seen that the slope efficiency is improved 1.4 times by using the conductive oxide layer 18. It is considered that the high slope efficiency is improved because the absorption loss at the metal electrode is reduced even if the film thickness of the second clad layer 16 is reduced to 0.4 μm by using the conductive oxide layer 18. Further, it can be seen that the use of the conductive oxide layer 18 also increases ΔN and has a function of increasing the confinement rate in the transverse mode.

すなわち、導電性酸化物層18を用いた本実施の形態の半導体発光素子は、導電性酸化物層18を用いない半導体発光素子と比べスロープ効率が向上し、かつ横モードの閉じ込め率を向上させることができるのである。 That is, the semiconductor light emitting device of the present embodiment using the conductive oxide layer 18 has improved slope efficiency and improved the confinement rate in the transverse mode as compared with the semiconductor light emitting device not using the conductive oxide layer 18. You can do it.

(3)テーパストライプ構造の変形例
なお、上記第2の実施形態について、基板11の上方からみたテーパストライプ構造の形状は図7に示す形状に限らない。例えば図9Aに示すように前端面の近傍および後端面の近傍がテーパ角0°のストライプ形状で、前端面と後端面との間においてストライプ形状のテーパ角が0°でない半導体発光素子でも上記と同様の効果が得られる。
(3) Deformation Example of Tapered Stripe Structure In the second embodiment, the shape of the tapered stripe structure seen from above the substrate 11 is not limited to the shape shown in FIG. 7. For example, as shown in FIG. 9A, a semiconductor light emitting device having a striped shape with a taper angle of 0 ° in the vicinity of the front end surface and the vicinity of the rear end surface and having a stripe-shaped taper angle of not 0 ° between the front end surface and the rear end surface is also described above. A similar effect can be obtained.

また、リッジ幅の共振器方向に対する変化率が一定でなくてもよい。例えば、図9Bや図9Cに示すように、曲線状のテーパストライプであってもよい。 Further, the rate of change of the ridge width with respect to the resonator direction does not have to be constant. For example, as shown in FIGS. 9B and 9C, a curved tapered stripe may be used.

また、図7や図9A〜図9Cを含むリッジ23のストライプ構造において、リッジ23の共振器法線方向となす角の最大値が0.05°以上、0.15°以下であればなおよい。 Further, in the striped structure of the ridge 23 including FIGS. 7 and 9A to 9C, it is more preferable that the maximum value of the angle formed by the ridge 23 in the resonator normal direction is 0.05 ° or more and 0.15 ° or less. ..

(他の実施の形態)
なお、上記第1の実施の形態および第2の実施の形態に示す半導体発光素子に用いる導電性酸化物層18について、酸化インジウムスズ(ITO)を用いているが、それだけに限らない。例えば、波長530nm帯におけるAl組成0.1のAlGaNの屈折率2.36よりも屈折率の小さい導電性酸化物であれば、リッジ高さ(H)を低くすることによる導波路損失の低減効果を得ることが可能である。具体的にはインジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)の内の、少なくとも1種を含む酸化物からなる導電性酸化物であればよい。また例えば、In、SnO、ZnO、ZnSnO、In−ZnO、MgInO、Gaのような導電性酸化物であってもよい。
(Other embodiments)
Indium tin oxide (ITO) is used for the conductive oxide layer 18 used in the semiconductor light emitting device shown in the first embodiment and the second embodiment, but the present invention is not limited to this. For example, in the case of a conductive oxide having a refractive index smaller than the refractive index of 2.36 of AlGaN having an Al composition of 0.1 in the wavelength band of 530 nm, the effect of reducing the waveguide loss by lowering the ridge height (H) It is possible to obtain. Specifically, it may be a conductive oxide composed of an oxide containing at least one of indium (In), zinc (Zn), tin (Sn), gallium (Ga), and magnesium (Mg). Further, for example, it may be a conductive oxide such as In 2 O 3 , SnO 2 , ZnO, Zn 2 SnO 4 , In 2 O 3- ZnO, MgInO 4 , Ga 2 O 3.

また、導電性酸化物の代わりに、TiN、ZrNといった導電性窒化物を用いることができる。これらは、屈折率の低い導電性酸化物層18において、垂直方向の光分布が急激に減衰するため、p型電極22における吸収損失の影響を低減できる。 Further, instead of the conductive oxide, a conductive nitride such as TiN or ZrN can be used. In the conductive oxide layer 18 having a low refractive index, the light distribution in the vertical direction is abruptly attenuated, so that the influence of absorption loss in the p-type electrode 22 can be reduced.

上記実施の形態および変形例に用いることのできる導電性酸化物および導電性窒化物ならびに導電性材料の例を表3に列挙する。 Table 3 lists examples of conductive oxides, conductive nitrides, and conductive materials that can be used in the above embodiments and modifications.

Figure 0006941771
Figure 0006941771

なお、電流ブロック層20として上記実施の形態では第2クラッド層16より屈折率の小さいSiOを用いたが、SiOに限らず第2クラッド層16より屈折率の小さい他の絶縁体よりなる層、例えばAlやSiNを用いることができる。 Although SiO 2 having a refractive index smaller than that of the second clad layer 16 is used as the current block layer 20 in the above embodiment, it is not limited to SiO 2 and is composed of another insulator having a refractive index smaller than that of the second clad layer 16. Layers such as Al 2 O 3 and SiN can be used.

また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、第1クラッド層12のAl組成をX1としているが、第1クラッド層をAlGaNとGaNからなる超格子層とすることも可能である。この場合において、X1は超格子層における平均のAl組成とすればよい。すなわち、超格子層を厚さ3nmであってAl組成0.2のAlGaN層と、厚さ3nmのGaNからなる超格子層で形成する場合、X1は0.1となる。また、超格子層を厚さ4nmであってAl組成0.2のAlGaN層と、厚さ6nmのGaNからなる超格子層で形成する場合、X1は0.08となる。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the above embodiment, the Al composition of the first clad layer 12 is X1, but the first clad layer can be a superlattice layer composed of AlGaN and GaN. In this case, X1 may be the average Al composition in the superlattice layer. That is, when the superlattice layer is formed of an AlGaN layer having a thickness of 3 nm and an Al composition of 0.2 and a superlattice layer made of GaN having a thickness of 3 nm, X1 is 0.1. Further, when the superlattice layer is formed of an AlGaN layer having a thickness of 4 nm and an Al composition of 0.2 and a superlattice layer made of GaN having a thickness of 6 nm, X1 is 0.08.

また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、第2クラッド層16のAl組成をX2としているが、第2クラッド層をAlGaNとGaNからなる超格子層とすることも可能である。この場合は、X2は超格子層における平均のAl組成とすればよい。すなわち、超格子層を厚さ3nmであってAl組成0.1のAlGaN層と、厚さ3nmのGaNからなる超格子層で形成する場合、X2は0.05となる。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the above embodiment, the Al composition of the second clad layer 16 is X2, but the second clad layer may be a superlattice layer composed of AlGaN and GaN. In this case, X2 may be the average Al composition in the superlattice layer. That is, when the superlattice layer is formed of an AlGaN layer having a thickness of 3 nm and an Al composition of 0.1 and a superlattice layer made of GaN having a thickness of 3 nm, X2 is 0.05.

また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、発光波長は530nmであるが、活性層14の組成や層構造を変更することにより発光波長を変えることができる。本発明は、発光波長が約370nmの近紫外領域から波長が約600nmの赤色領域までの半導体発光素子に対し適用することができる。 Further, in the semiconductor light emitting device according to the above embodiment, the light emitting wavelength is 530 nm, but the light emitting wavelength can be changed by changing the composition or layer structure of the active layer 14. The present invention can be applied to a semiconductor light emitting device from a near-ultraviolet region having an emission wavelength of about 370 nm to a red region having a wavelength of about 600 nm.

本発明の半導体発光素子は、素子の直列抵抗の低減、安定した高次横モード発振による線形性に優れた電流−光出力特性、導波路損失の低減、垂直方向の光閉じ込めを両立することができるという効果を有し、車載ヘッドランプやプロジェクタ光源用等において有用である。 The semiconductor light emitting element of the present invention can achieve both reduction of series resistance of the element, current-optical output characteristics with excellent linearity due to stable high-order transverse mode oscillation, reduction of waveguide loss, and optical confinement in the vertical direction. It has the effect of being able to be used, and is useful for in-vehicle headlamps, projector light sources, and the like.

11 基板
12 第1クラッド層
13 光ガイド層
14 活性層
15 電子障壁層
16 第2クラッド層
17 p型コンタクト層
18 導電性酸化物層
20 電流ブロック層
21 n型電極
22 p型電極
23 リッジ
11 Substrate 12 1st clad layer 13 Optical guide layer 14 Active layer 15 Electron barrier layer 16 2nd clad layer 17 p-type contact layer 18 Conductive oxide layer 20 Current block layer 21 n-type electrode 22 p-type electrode 23 Ridge

Claims (4)

基板と、
前記基板の上に形成された、AlGaNを含む一導電形の第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層の上に形成されたGaNを含む活性層と、
前記活性層の上に形成された、AlGaNを有する逆導電形の第2のクラッド層と、
前記第2のクラッド層上に形成された導電性化合物層と、を備え、
前記第2のクラッド層はリッジ構造を有し、
前記リッジの幅が5μm以上であり、
前記第2のクラッド層のAl組成は、前記第1のクラッド層のAl組成よりも小さく、
前記導電性化合物層は、インジウムとスズとを含む酸化物を含む厚さが0.15μm以上かつ0.3μm以下の層であり、
前記第2のクラッド層の前記リッジ内部で膜厚が0.3μm以上かつ0.4μm以下である
ことを特徴とする半導体発光素子。
With the board
A monoconductive first clad layer containing AlGaN formed on the substrate, and
An active layer containing GaN formed on the first clad layer and
A second clad layer having AlGaN and a reverse conductive type formed on the active layer,
The conductive compound layer formed on the second clad layer is provided.
The second clad layer has a ridge structure and has a ridge structure.
The width of the ridge is 5 μm or more.
The Al composition of the second clad layer is smaller than the Al composition of the first clad layer.
The conductive compound layer is a layer having a thickness of 0.15 μm or more and 0.3 μm or less containing an oxide containing indium and tin.
A semiconductor light emitting device having a film thickness of 0.3 μm or more and 0.4 μm or less inside the ridge of the second clad layer.
前記リッジ構造の外側における前記第2のクラッド層の層厚は、0nmより大きく50nm以下であることを特徴とする特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the layer thickness of the second clad layer on the outside of the ridge structure is larger than 0 nm and 50 nm or less. 前記リッジ構造の側面には前記第2のクラッド層よりも屈折率の小さい電流ブロック層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a current block layer having a refractive index smaller than that of the second clad layer is formed on the side surface of the ridge structure. 前記第1のクラッド層はAlX1Ga1−X1Nよりなり、前記第2のクラッド層はAlX2Ga1−X2Nよりなり、X1−X2≧0.02、X1≦0.1、0.03≦X2≦0.07の関係を満たす請求項1に記載の半導体発光素子。 The first clad layer is made of Al X1 Ga 1-X1 N, the second clad layer is made of Al X2 Ga 1-X2 N, X1-X2 ≧ 0.02, X1 ≦ 0.1, 0. The semiconductor light emitting element according to claim 1, which satisfies the relationship of 03 ≦ X2 ≦ 0.07.
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