JP7302832B2 - レーザーダイオード - Google Patents
レーザーダイオード Download PDFInfo
- Publication number
- JP7302832B2 JP7302832B2 JP2021548466A JP2021548466A JP7302832B2 JP 7302832 B2 JP7302832 B2 JP 7302832B2 JP 2021548466 A JP2021548466 A JP 2021548466A JP 2021548466 A JP2021548466 A JP 2021548466A JP 7302832 B2 JP7302832 B2 JP 7302832B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- type
- laser diode
- substrate
- composition
- 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
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 80
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 62
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 60
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 17
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 17
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 62
- 239000010408 film Substances 0.000 description 23
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 20
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 20
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 16
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 3
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- -1 etc. Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021098 KOH—NaOH Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CCNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N gallium(III) oxide Inorganic materials O=[Ga]O[Ga]=O QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N zinc oxide Inorganic materials [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/3201—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures incorporating bulkstrain effects, e.g. strain compensation, strain related to polarisation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
- H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
- H01S5/0421—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S2304/00—Special growth methods for semiconductor lasers
- H01S2304/04—MOCVD or MOVPE
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S2304/00—Special growth methods for semiconductor lasers
- H01S2304/12—Pendeo epitaxial lateral overgrowth [ELOG], e.g. for growing GaN based blue laser diodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/0014—Measuring characteristics or properties thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/0201—Separation of the wafer into individual elements, e.g. by dicing, cleaving, etching or directly during growth
- H01S5/0202—Cleaving
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/1039—Details on the cavity length
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
- H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
- H01S5/2031—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers characterized by special waveguide layers, e.g. asymmetric waveguide layers or defined bandgap discontinuities
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
- H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion
- H01S5/2068—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion obtained by radiation treatment or annealing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
- H01S5/3054—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure p-doping
- H01S5/3063—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure p-doping using Mg
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
- H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
Description
本出願は、日本国特許出願２０１９－１７７７８８号（２０１９年９月２７日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
本開示は、レーザーダイオードに関する。
Ａｌ、Ｇａを含む窒化物半導体は、直接遷移の再結合形態を有することから高い再結合効率、また高い光学利得を得ることができる点で、レーザーダイオードための材料として適している。特に、波長３００ｎｍ以下の紫外領域の発光波長を得るための高Ａｌ組成のＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶系において、レーザーダイオードの発光効率、寿命、光学利得はその結晶欠陥密度に強く依存する。近年導入されたＡｌＮ単結晶基板上にＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶を成長させることで、欠陥密度が抑制された良好な窒化物半導体を得ることが可能となり、レーザーダイオードの特性を著しく向上させる可能性がある。しかしながら、高Ａｌ組成のＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶系については不純物ドープによってバルクのＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶にｐ型伝導性を得ることが困難である。これに対し、例えば特許文献１には、組成傾斜層を用いてキャリアの注入効率を向上させる技術が開示されている。
ここで、上述の組成不連続性を含む組成傾斜層は、垂直方向の電気抵抗率（縦抵抗率）に対して面内方向の電気抵抗率（横抵抗率）の比率（縦横抵抗率の比）が大きい。ここで、垂直方向はレーザーダイオードにおける層の積層方向に対応する。また、面内方向は垂直方向に垂直な１つの層の面に沿った方向である。レーザーダイオードにおいては電極領域にわたって均質に高い電流密度が注入されることが求められる観点から、クラッド層（特にｐ型クラッド層）については高い縦伝導率と低い縦横抵抗率の比を同時に求められる。また同時に、電極へ光モードが吸収されることで内部損失が増加しないようなクラッド層が求められる。
本開示の目的は、高い縦伝導率と低い縦横抵抗率の比を実現し、内部損失の増加を抑制できるレーザーダイオードを提供することにある。
本開示に係るレーザーダイオードは、ＡｌＮ単結晶の基板と、前記基板上に形成され、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成され、一つ以上の量子井戸を含む発光層と、前記発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体を含むｐ型コンタクト層と、を備える。前記ｐ型クラッド層は、ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３≦ｓ≦１）を含み、前記基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚を０．５μｍ未満とするｐ型縦伝導層と、ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（０＜ｔ≦１）を含むｐ型横伝導層と、を備える。ここで、例えば「基板上に形成され、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層」という表現における「上に」という文言は、基板の上にｎ型クラッド層が形成されることを意味するが、基板とｎ型クラッド層との間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。
本開示によれば、高い縦伝導率と低い縦横抵抗率の比を実現し、内部損失の増加を抑制できるレーザーダイオードの提供が可能となる。
＜レーザーダイオードの構成＞
図１に示すように、本実施形態のレーザーダイオード１は、基板１１と、ｎ型クラッド層１２と、ｎ型導波路層１３と、発光層１４と、ｐ型導波路層１５と、ｐ型クラッド層２０と、ｐ型コンタクト層１８と、を備える。ｐ型クラッド層２０は、ｐ型縦伝導層１６と、ｐ型横伝導層１７と、を備える。レーザーダイオード１は、正孔を発光層１４へ注入させるため、Ａｌ組成ｓが、基板１１の上面から遠ざかるにつれて減少する様に傾斜させたＡｌｓＧａ１－ｓＮから成るｐ型縦伝導層１６と、ｐ型縦伝導層１６との隣接面において、ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（ｔ＞ｓの最小値）から成るｐ型横伝導層１７から構成されるｐ型クラッド層２０を備える。ここで、ｓの最小値とは、組成傾斜を有するＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３≦ｓ≦１）から成るｐ型縦伝導層１６がとり得るｓのうち最小の値をいう。基板１１から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが減少する様に傾斜させたＡｌｓＧａ１－ｓから成るｐ型縦伝導層１６は、ｐ型の伝導性を獲得し得る。Ａｌ組成ｓの傾斜は、基板１１の上面方向（すなわち垂直方向）の内部電界を生じさせるため、単一のＡｌ組成ｓから成るＡｌｓＧａ１－ｓ混晶より縦伝導率に優れており、レーザーダイオード１に適している。一方で、Ａｌ組成を傾斜させた層における横抵抗率は縦抵抗率と比較して大幅に高いため、縦横抵抗率の比が大きくなる傾向にある。ここで、基板１１の上面とは、基板１１に積層される層のうち直上の層（図１の例ではｎ型クラッド層１２）との界面を意味する。
図１に示すように、本実施形態のレーザーダイオード１は、基板１１と、ｎ型クラッド層１２と、ｎ型導波路層１３と、発光層１４と、ｐ型導波路層１５と、ｐ型クラッド層２０と、ｐ型コンタクト層１８と、を備える。ｐ型クラッド層２０は、ｐ型縦伝導層１６と、ｐ型横伝導層１７と、を備える。レーザーダイオード１は、正孔を発光層１４へ注入させるため、Ａｌ組成ｓが、基板１１の上面から遠ざかるにつれて減少する様に傾斜させたＡｌｓＧａ１－ｓＮから成るｐ型縦伝導層１６と、ｐ型縦伝導層１６との隣接面において、ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（ｔ＞ｓの最小値）から成るｐ型横伝導層１７から構成されるｐ型クラッド層２０を備える。ここで、ｓの最小値とは、組成傾斜を有するＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３≦ｓ≦１）から成るｐ型縦伝導層１６がとり得るｓのうち最小の値をいう。基板１１から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが減少する様に傾斜させたＡｌｓＧａ１－ｓから成るｐ型縦伝導層１６は、ｐ型の伝導性を獲得し得る。Ａｌ組成ｓの傾斜は、基板１１の上面方向（すなわち垂直方向）の内部電界を生じさせるため、単一のＡｌ組成ｓから成るＡｌｓＧａ１－ｓ混晶より縦伝導率に優れており、レーザーダイオード１に適している。一方で、Ａｌ組成を傾斜させた層における横抵抗率は縦抵抗率と比較して大幅に高いため、縦横抵抗率の比が大きくなる傾向にある。ここで、基板１１の上面とは、基板１１に積層される層のうち直上の層（図１の例ではｎ型クラッド層１２）との界面を意味する。
（基板）
基板１１は、Ａｌ及びＧａを含む窒化物半導体を、低い面内転位密度を有する基板１１の上面に成長できるものが好ましい。本発明の効果を最大化できる実施形態の一つは、レーザーダイオード１の様々な層において、面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の良質な層である。特に面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の結晶では、転位によるキャリア散乱が軽減されることで、縦抵抗率が減少する結果、さらに縦横抵抗率の比が小さくなる傾向にある。したがって基板１１は上記の欠陥密度よりさらに低い欠陥密度（例えば１×１０３～１×１０４ｃｍ２）が求められる。様々な基板１１のうち、例えば、ＡｌＮ単結晶の基板１１上には１×１０４ｃｍ－２以下の欠陥密度を有するＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶を得ることができるため好ましいが、この限りではない。基板１１の貫通転位密度は、例えば、４５０℃で５分間ＫＯＨ－ＮａＯＨ共晶エッチングを行った後にエッチピット密度測定を用いて測定され得る。
基板１１は、Ａｌ及びＧａを含む窒化物半導体を、低い面内転位密度を有する基板１１の上面に成長できるものが好ましい。本発明の効果を最大化できる実施形態の一つは、レーザーダイオード１の様々な層において、面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の良質な層である。特に面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の結晶では、転位によるキャリア散乱が軽減されることで、縦抵抗率が減少する結果、さらに縦横抵抗率の比が小さくなる傾向にある。したがって基板１１は上記の欠陥密度よりさらに低い欠陥密度（例えば１×１０３～１×１０４ｃｍ２）が求められる。様々な基板１１のうち、例えば、ＡｌＮ単結晶の基板１１上には１×１０４ｃｍ－２以下の欠陥密度を有するＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶を得ることができるため好ましいが、この限りではない。基板１１の貫通転位密度は、例えば、４５０℃で５分間ＫＯＨ－ＮａＯＨ共晶エッチングを行った後にエッチピット密度測定を用いて測定され得る。
基板１１は、異なる材料（例えばＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、アルミナ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、及び／又はサファイア）を含むか、本質的にそれから成るか、若しくはそれから成り、その上にＡｌｕＧａ１－ｕＮ材料（０≦ｕ≦１．０）が例えばエピタキシャル成長によって形成されている可能性がある。そのような材料は、実質的に完全に格子緩和され、例えば少なくとも１μｍの厚さを有し得る。基板１１は、例えばＡｌＮのような、基板１１内又は基板１１上に存在する同一の材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成るホモエピタキシャル層で覆うことができる。
基板１１は、伝導性を得るなどの目的で、Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。
本発明に係るレーザーダイオード１は、好ましくは（０００１）面、又は（０００１）面法線方向からいくらかの角度に傾いた（例えば－４°～４°、好ましくは－０．４°～０．４°）面上に形成することができるが、これに限らない。
基板１１上に配置された多層膜構造の様々な層は、例えば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）のようなエピタキシャル成長技法等、多種多様な異なる技法のいずれかによって形成され得る。
（ｐ型クラッド層）
ｐ型クラッド層２０は、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｐ型クラッド層２０は、基板１１に対して完全歪であることが好ましい。完全歪で形成されるレーザーダイオード１の層は貫通転位密度の増加を抑制することができるため、本発明の効果を最大化する。ここで、「基板１１に対して完全歪」という文言は、多層膜を構成する層が基板１１に対して格子緩和率が５％以下の非常に小さな歪み緩和を有することを意味する。格子緩和率は、非対称面のＸ線回折測定によって十分な回折強度が得られる面、例えば（１０５）面、（１１４）面又は（２０５）面などのいずれかの非対称面の回折ピークの逆格子座標と、基板１１の回折ピークの逆格子座標から規定することができる。
ｐ型クラッド層２０は、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｐ型クラッド層２０は、基板１１に対して完全歪であることが好ましい。完全歪で形成されるレーザーダイオード１の層は貫通転位密度の増加を抑制することができるため、本発明の効果を最大化する。ここで、「基板１１に対して完全歪」という文言は、多層膜を構成する層が基板１１に対して格子緩和率が５％以下の非常に小さな歪み緩和を有することを意味する。格子緩和率は、非対称面のＸ線回折測定によって十分な回折強度が得られる面、例えば（１０５）面、（１１４）面又は（２０５）面などのいずれかの非対称面の回折ピークの逆格子座標と、基板１１の回折ピークの逆格子座標から規定することができる。
（ｐ型縦伝導層）
ｐ型縦伝導層１６は、ｐ型の伝導性を得る目的で、Ａｌ組成ｓが基板１１の上面から遠ざかる方向へ減少する様に傾斜したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層である。ｐ型縦伝導層１６の膜厚とＡｌ組成ｓ範囲は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップの材料であって、デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる（すなわち光閉じ込めを増大させる）目的でＡｌ組成、膜厚が限定されることがある。発光層１４の発光波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合、例えばＡｌ組成ｓが０．３以上１．０以下の範囲において、基板１１の上面から遠ざかる方向に減少したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層であって、膜厚が２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、より好ましくは３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。適切に膜厚を制御することで、レーザーダイオード１の内部損失を低減することができる。
ｐ型縦伝導層１６は、ｐ型の伝導性を得る目的で、Ａｌ組成ｓが基板１１の上面から遠ざかる方向へ減少する様に傾斜したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層である。ｐ型縦伝導層１６の膜厚とＡｌ組成ｓ範囲は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップの材料であって、デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる（すなわち光閉じ込めを増大させる）目的でＡｌ組成、膜厚が限定されることがある。発光層１４の発光波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合、例えばＡｌ組成ｓが０．３以上１．０以下の範囲において、基板１１の上面から遠ざかる方向に減少したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層であって、膜厚が２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、より好ましくは３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。適切に膜厚を制御することで、レーザーダイオード１の内部損失を低減することができる。
適切な光閉じ込めと完全歪下でのｐ型クラッド層形成の観点から、ｐ型縦伝導層のＡｌ組成ｓが０．３５より大きく１．０以下であることが好ましい場合がある。
レーザーダイオード１の内部損失は、例えば、公知のＶａｒｉａｂｌｅ Ｓｔｒｉｐｅ Ｌｅｎｇｔｈ Ｍｅｔｈｏｄ（以下、ＶＳＬＭ）などの方法によって測定が可能である。
ｐ型縦伝導層１６は、その膜厚に対するＡｌ組成の変化量が一様でなくとも良い。光閉じ込めを増大させる目的などから、発光層１４へ近づくにつれてＡｌ組成の変化量が漸近的に、又は段階的に減少する構成であり得る。
ｐ型縦伝導層１６は、不純物の拡散を抑制する目的などから，ｐ型導波路層１５に近い領域においてＨ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｂ，等の不純物を意図的に混入しないことが好ましく、すなわちアンドープの状態であることが好ましい。ここで、「アンドープ」という文言は、対象の層を形成する過程で元素として上記が意図に供給されないことを意味する。原料、製造装置由来の元素が、例えば１０１６ｃｍ－３以下の範囲で混入される場合は、この限りではない。元素の混入量は、二次電子イオン質量分析等の手法によって規定することができる。本願の「アンドープ」は本質的に同様な意味を示す。また、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態とする領域は、少なくともｐ型導波路層１５との境界を含む。その大きさは限定されない。例えば、ｐ型縦伝導層１６の全ての領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、ｐ型縦伝導層１６のうち、ｐ型横伝導層１７よりもｐ型導波路層１５に近い５０％の領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、ｐ型縦伝導層１６のうち、ｐ型導波路層１５に近い約１０％の領域がアンドープの状態であってよい。
ｐ型縦伝導層１６とｐ型導波路層１５の中間に、伝導率を向上させる目的、かつ／又はｐ型横伝導層１７及びｐ型コンタクト層１８を完全歪で形成させるためなどの目的から、基板１１の上面から遠ざかる方向へＡｌ組成ｖが増加するようなＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ≦１．０）から成る中間層を設けることができる。ｐ型縦伝導層１６とｐ型導波路層１５の中間層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップである混晶であって良く、さらに５０ｎｍ以下の膜厚であることが好ましく、アンドープであって良い。
ｐ型縦伝導層１６の縦抵抗率は、例えば本願実施形態のレーザーダイオード１の直列抵抗値Ｒｓから、ｎ型クラッド層１２が寄与する抵抗値Ｒｎを除いた抵抗値Ｒｓ´＝Ｒｓ－Ｒｎを用いて算出することができる。レーザーダイオード１のｐ型コンタクト層１８に接触するｐ型電極の面積Ａとｐ型クラッド層２０の膜厚Ｔから、ｐ型クラッド層２０の縦抵抗率はＲｓ´×Ａ／Ｔとして算出される。ｎ型クラッド層１２の抵抗値Ｒは、例えば、伝送線路測定法、渦電流による非接触抵抗測定によって決定され得る。
（ｐ型横伝導層）
ｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７を貫通するキャリアの量子透過を容易とするように薄い膜厚であり得る。例えば２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下である。
ｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７を貫通するキャリアの量子透過を容易とするように薄い膜厚であり得る。例えば２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下である。
ｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７の縦抵抗率を制御する目的などからＨ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｂ，等の不純物を意図的に混入されることができる。混入される不純物の量は、ｐ型横伝導層１７の表面及び内部に誘積される正味の電界量に応じて、一例として、１×１０１８ｃｍ－３以上５×１０２１ｃｍ－３以下を取り得る。また、混入される不純物の量は、１×１０１９ｃｍ－３以上５×１０２１ｃｍ－３以下を取り得る。
ｐ型横伝導層１７の、ｐ型コンタクト層１８との界面におけるＡｌ組成は、好ましくは０．９以上１．０以下の範囲であって、基板１１に対して完全歪であることが好ましい。このようなｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７の表面及び表面付近の内部に生じる正味内部電界が負となって、正孔が誘積されることで横伝導率を向上させる効果がある。また、レーザーダイオード１の領域においてｐ型横伝導層１７のＡｌ組成の分布が５％以下に制限されることが好ましい。このようなｐ型横伝導層１７は、組成の分布によるキャリア散乱が低減されるためにより高い横伝導率を実現し得る。
ｐ型横伝導層１７は、最終的なｐ型横伝導層１７のＡｌ組成ｔより小さいＡｌ組成ｙから成るＡｌｙＧａ１－ｙＮをＡｌ原料及びＧａ原料が供給されない高温状態で保持することによって、Ａｌ組成ｔが０．９≦ｔ≦１．０のＡｌｔＧａ１－ｔＮであるように形成されることが好ましい。
（ｎ型クラッド層）
ｎ型クラッド層１２は、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｎ型クラッド層１２は、基板１１に対して完全歪で形成されることが好ましい、またｎ型クラッド層１２が基板１１に対して完全歪で形成する目的で、ｎ型クラッド層１２と基板１１の界面にＡｌ組成が一様に変化する中間層が存在し得、また、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成と膜厚が制約を受けることがある。ｎ型クラッド層１２は、適切な電極に対して低い接触抵抗（例えば１×１０－６～１×１０－３Ωｃｍ２、好ましくは１×１０－６～１×１０－４Ωｃｍ２）を得る目的でＡｌ組成が制限を受けることがある。上記の制限を鑑みたｎ型クラッド層１２の実施形態として、Ａｌ組成が０．６～０．８、厚みが０．３～０．５μｍであってよい。
ｎ型クラッド層１２は、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｎ型クラッド層１２は、基板１１に対して完全歪で形成されることが好ましい、またｎ型クラッド層１２が基板１１に対して完全歪で形成する目的で、ｎ型クラッド層１２と基板１１の界面にＡｌ組成が一様に変化する中間層が存在し得、また、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成と膜厚が制約を受けることがある。ｎ型クラッド層１２は、適切な電極に対して低い接触抵抗（例えば１×１０－６～１×１０－３Ωｃｍ２、好ましくは１×１０－６～１×１０－４Ωｃｍ２）を得る目的でＡｌ組成が制限を受けることがある。上記の制限を鑑みたｎ型クラッド層１２の実施形態として、Ａｌ組成が０．６～０．８、厚みが０．３～０．５μｍであってよい。
ｎ型クラッド層１２は、その縦伝導率を制御する目的などから、Ａｌ組成を基板１１から遠ざかる方向に対して増加させるような傾斜層であって良い。この場合、上記のＡｌ組成に対する限定はｎ型クラッド層１２内、各膜厚方向位置におけるＡｌ組成をｎ型クラッド層１２の膜厚で平均したＡｌ組成として、同様の実施形態を取ることができる。
ｎ型クラッド層１２は、その縦伝導率を制御する目的などから，Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。適切な不純物の混入量はｎ型クラッド層１２のＡｌ組成によって制限を受ける。好ましくは１×１０１９～１×１０２０ｃｍ－３である。
（導波路層）
導波路層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップを持つＡｌ、Ｇａを含む窒化物半導体であって、デバイス内で定在する光の電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる目的でＡｌ組成、膜厚が限定され得る。例えば２６０ｎｍ～２８０ｎｍの発光層１４に対してＡｌ組成０．５５～０．６５、膜厚７０～１５０ｎｍなどが好ましい。
導波路層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップを持つＡｌ、Ｇａを含む窒化物半導体であって、デバイス内で定在する光の電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる目的でＡｌ組成、膜厚が限定され得る。例えば２６０ｎｍ～２８０ｎｍの発光層１４に対してＡｌ組成０．５５～０．６５、膜厚７０～１５０ｎｍなどが好ましい。
導波路層は、発光層１４に対してｎ型クラッド層１２側の部分（ｎ型導波路層１３）と、発光層１４に対してｐ型クラッド層２０側（ｐ型導波路層１５）の２層から構成され得る。すなわち、ｎ型導波路層１３は、ｎ型クラッド層１２と発光層１４との間に形成される。また、ｐ型導波路層１５は、ｐ型クラッド層２０と発光層１４との間に形成され得る。ｎ型導波路層１３とｐ型導波路層１５の膜厚比は、発光層１４への光閉じ込めと、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層２０のＡｌ組成によってさまざまに取りうる。ｎ型導波路層１３とｐ型導波路層１５のＡｌ組成は膜厚方向において均一であることが好ましいが、この限りではない。ｐ型コンタクト上に存在する金属への光吸収を回避するために、ｐ型導波路層１５のＡｌ組成がｎ型導波路層１３のＡｌ組成より高い可能性がある。同様の目的で、ｐ型導波路層１５の膜厚がｎ型導波路の膜厚より厚い可能性がある。ｎ型導波路層１３は、ｎ型クラッド層１２と同じ伝導型を得る目的などからＮの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。
ｎ型導波路層１３とｎ型クラッド層１２の中間に、縦伝導率を向上させる目的などから、Ａｌ組成ｗが、基板１１の上面から遠ざかる方向において、減少するようなＡｌｗＧａ１－ｗＮから成る組成傾斜層を設けることができる。ｎ型導波路層１３とｎ型クラッド層１２の中間層は、１０ｎｍ以下の膜厚であることが好ましい。
ｐ型導波路層１５とｐ型クラッド層２０の中間に、縦伝導率を向上させる目的などから、基板１１の上面から遠ざかる方向へＡｌ組成ｘが増加するようなＡｌｘＧａ１－ｘＮから成る組成傾斜層を設けることができる。ｐ型導波路層１５とｐ型クラッド層２０の中間層は、導波路層への光閉じ込めを劣化させないために十分に薄い（例えば３０ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以下の）膜厚であることが好ましい。
ｐ型導波路層１５の内部又はｐ型導波路層１５と発光層１４の中間、又はｐ型導波路層１５とｐ型縦伝導層１６の中間、又はｐ型導波路層１５の一部において、バンドギャップがｐ型導波路層１５より大きい電子ブロック層を設けることができる。電子ブロック層は、電子ブロック層を正孔が量子貫通しやすいように、３０ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以下とすることができる。
（発光層）
発光層１４は、ｎ型導波路層１３とｐ型導波路層１５によって挟まれた単数又は複数の量子井戸であり得る。量子井戸の数は、ｎ型クラッドとｐ型クラッドの縦伝導率によって、３又は２、又は１であり得る。
発光層１４は、ｎ型導波路層１３とｐ型導波路層１５によって挟まれた単数又は複数の量子井戸であり得る。量子井戸の数は、ｎ型クラッドとｐ型クラッドの縦伝導率によって、３又は２、又は１であり得る。
発光層１４の結晶欠陥の影響を低減する目的などから、発光層１４の一部又は全てがＳｉ，Ｓｂ，Ｐなどの元素が１×１０１５ｃｍ－３以上意図的に混入されても良い。
（ｐ型コンタクト層）
ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型クラッド層２０上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体であってよい。コンタクト抵抗を低減するなどの目的において、Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。例えばＭｇを１×１０２０～１×１０２２ｃｍ－３混入させることができる。
ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型クラッド層２０上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体であってよい。コンタクト抵抗を低減するなどの目的において、Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。例えばＭｇを１×１０２０～１×１０２２ｃｍ－３混入させることができる。
本発明のレーザーダイオード１に対する電気的接触は、ｐ型コンタクト層１８上に配置された電極層によって、及び、ｎ型クラッド層１２に接触するように配置された電極層によって行うことができる。例えば、基板１１の裏側に電極層を配置するか、又は、ｐ型コンタクト層１８近傍の１つ以上の領域において、ｎ型クラッド層１２が露出するようにレーザーダイオード１の様々な上部の層を、例えば化学エッチング又はドライエッチングによって除去し、露出したｎ型クラッド層１２上に電極を配置することで成し得る。
（電極層）
ｐ型コンタクト層１８上に配置された電極層は、Ｎｉ，Ｐｔ、Ａｕ、Ｂ、Ｐｄのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。
ｐ型コンタクト層１８上に配置された電極層は、Ｎｉ，Ｐｔ、Ａｕ、Ｂ、Ｐｄのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。
ｎ型クラッド層１２、又は基板１１の裏面に配置された電極層は、Ｖ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。基板１１に接触する金属層はＶ又はＴｉを含む金属であることが好ましい。
上記の実施形態のレーザーダイオード１と同じ層構成を有する、実施例１－４のレーザーダイオード１が作製された。また、実施例５、６、比較例１、２及び参考例１－５を以下に示す。
［実施例１］
実施例１として、以下に示す窒化物半導体レーザーダイオード１が作製された。レーザーダイオード１の作製にはＭＯＣＶＤ、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）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などが用いられた。単結晶ＡｌＮ基板１１の［０００１］面に対して０．１°～０．３°傾斜した面上に、ＴＭＡ、ＮＨ３を１２００℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、０．２μｍのＡｌＮから成るホモエピ層が形成された。
実施例１として、以下に示す窒化物半導体レーザーダイオード１が作製された。レーザーダイオード１の作製にはＭＯＣＶＤ、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）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などが用いられた。単結晶ＡｌＮ基板１１の［０００１］面に対して０．１°～０．３°傾斜した面上に、ＴＭＡ、ＮＨ３を１２００℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、０．２μｍのＡｌＮから成るホモエピ層が形成された。
ＡｌＮから成るホモエピ層上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、３０ｎｍの膜厚を有し、基板１１の上面から遠ざかる方向にＡｌ組成が１．０から０．７まで一様に減少するＡｌＧａＮ中間層と、０．３５μｍの膜厚を有し、５×１０１９ｃｍ－３のＳｉによってドープされたＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎのｎ型クラッド層１２と、がこの順序で積層された。ＡｌＮホモエピ層、中間層及びｎ型クラッド層１２は、０．３～０．６μｍ／ｈの速度で形成されることによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。
ｎ型クラッド層１２上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、６０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ｎから成るｎ型導波路層１３と、総膜厚３０ｎｍの多層量子井戸層から成る発光層１４と、がこの順序で積層された。発光層１４の障壁層の一部の形成中に、ＳｉＨ４を原料として導入することによって、３×１０１９ｃｍ－３のＳｉがドープされた。さらに、発光層１４上に５０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．６２Ｇａ０．３８Ｎから成るｐ型導波路層１５が形成された。ｎ型導波路層１３、発光層１４及びｐ型導波路層１５は、０．４μｍ／ｈの速度で形成されたことによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。
ｐ型導波路層１５上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、２０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に０．６２から１．０まで一様に増加するＡｌＧａＮ中間層と、０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．３まで減少させたｐ型縦伝導層１６と、がこの順序で積層された。ｐ型縦伝導層１６は、０．３～０．５μｍ／ｈの速度で形成されたことによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。また、ｐ型縦伝導層１６は、全ての領域がアンドープの状態である。
ｐ型縦伝導層１６上に、３ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．４５Ｇａ０．０５Ｎから成るｐ型横伝導層１７が形成された。さらに、１０５５℃の状態でＴＭＡ、ＴＭＧ原料の供給を停止し、Ｃｐ２Ｍｇの供給のみを行った状態を１０分間以上保持（アニール）し、ｐ型横伝導層１７を１×１０２０ｃｍ－３のＭｇによってドープされたＡｌ０．９７Ｇａ０．０３Ｎ層に変質させた。このような手順で変質させることによって、ｐ型横伝導層１７は基板１１に対して完全歪であるように形成された。
（００２）面のＸＲＤ測定を行ったところ、ｐ型横伝導層１７のＡｌ組成の分散は、レーザーダイオード１の領域に相当する領域範囲において３．５％であった。ｐ型横伝導層１７は、複数の位置において、透過電子顕微鏡の＜１１－２０＞方向の透過像によって原子配列を確認したところ、基板１１に対して完全歪であった。
ｐ型横伝導層１７上に、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３を９４０℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、膜厚２０ｎｍであって、５×１０２０ｃｍ－３のＭｇによってドープされたＧａＮから成るｐ型コンタクト層１８が形成された。
上記のように作製された窒化物半導体レーザーダイオード１は、Ｎ２雰囲気中、７００℃で１０分以上アニーリングを行うことによって、ｐ型層を更に低抵抗化した。Ｃｌ２を含むガスによりドライエッチングを行うことによって、＜１１－２０＞方向に平行であって、＜１１－２０＞方向に長い矩形の領域内において、ｎ型クラッド層１２が露出した。さらに、窒化物半導体レーザーダイオード１の表面にＳｉＯ２を含むパッシベーション層が形成された。
ｐ型コンタクト層１８上に、＜１１－２０＞方向に平行であって、＜１１－２０＞方向に長い矩形のＮｉ又はＡｕを含む電極金属領域（ｐ型電極）が複数形成された。また、ｎ型クラッド層１２が露出した領域において、＜１１－２０＞方向に平行であって、＜１１－２０＞方向に長い矩形のＶ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ又はＡｕから成る電極金属（ｎ型電極）が複数形成された。さらに、電極金属領域内において、＜１－１００＞方向に平行な複数回の劈開によって、基板１１はストライプ状に分割された。
＜１－１００＞方向に平行な複数の自然劈開面を端面とし、長辺がその劈開方向と垂直となるような、長さＹμｍ（Ｙ＝５０、１００，１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００μｍ）の共振器を形成した。これら長さＹμｍが異なる共振器を用いて、長さ５００μｍ及び幅１５μｍの矩形レーザースポットによる励起長依存性を取得した。ＶＳＬＭに基づいて演算を行ったところ、内部損失は１０ｃｍ－１であった。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、最近接のｐ型電極とｎ型電極によって順方向バイアスの元でダイオード特性を評価することによって、レーザーダイオード１の全体の直列抵抗が測定された。さらに、複数ｎ型電極間の抵抗をＴＬＭ法に基づいて測定することによって、ｎ型クラッド層１２の縦・横抵抗率が得られた。ｎ型クラッド層１２は均質の混晶であることから、縦抵抗率と横抵抗率が一致する。測定された上記のデータから、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は、０．１３Ω－１ｃｍ－１と算出された。さらに複数ｐ型電極間の抵抗をＴＬＭ法に基づいて測定することによって、ｐ型クラッド層２０の横抵抗率が得られた。ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．５であった。
基板１１の（２０５）面におけるＸＲＤ回折強度ピークと、以上のように作製されたレーザーダイオード１のそれぞれの膜の（２０５）面におけるＸＲＤ回折強度ピークから算出される格子緩和率は、いずれも４％以下であった。
［実施例２］
実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．２１μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１が作製された。
実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．２１μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１が作製された。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、４％以下であった。
実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１７Ω－１ｃｍ－１であった。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．９であった。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は２０ｃｍ－１であった。
［実施例３］
実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．２５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１が作製された。
実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．２５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１が作製された。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下であった。
実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１５Ω－１ｃｍ－１であった。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．９であった。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は１５ｃｍ－１であった。
［実施例４］
実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．４５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製した。
実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．４５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製した。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下であった。
実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１１Ω－１ｃｍ－１であった。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．４であった。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は９ｃｍ－１であった。
［実施例５］
実施例１の手順において、以下に示すｐ型横伝導層１７の作製手順以外は同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
実施例１の手順において、以下に示すｐ型横伝導層１７の作製手順以外は同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
ｐ型縦伝導層１６上に、３ｎｍの膜厚を有し、ＴＭＡ、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３を９４０℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、レーザーダイオード１のさまざまな層と同様の手法にて３×１０２０ｃｍ－３のＭｇによってドープされたＡｌ０．９７Ｇａ０．０３Ｎから成るｐ型横伝導層１７を積層する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１３Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は２．９である。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は１１ｃｍ－１である。
［実施例６］
実施例１の手順において、ｐ型横伝導層１７におけるＭｇ濃度を１×１０１６ｃｍ－３とする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
実施例１の手順において、ｐ型横伝導層１７におけるＭｇ濃度を１×１０１６ｃｍ－３とする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１１Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．６である。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は１０ｃｍ－１である。
［比較例１］
実施例１において、ｐ型縦伝導層１６を膜厚０．３２μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ（組成傾斜なし）とする以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製する。
実施例１において、ｐ型縦伝導層１６を膜厚０．３２μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ（組成傾斜なし）とする以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．０６Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、１１．３である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、３１ｃｍ－１である。
［比較例２］
実施例１において、ｐ型縦伝導層１６を膜厚０．３２μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ（組成傾斜なし）とし、さらにｐ型縦伝導層１６の形成に続いて、ｐ型コンタクト層１８形成以降の手順を取ることによって、ｐ型横伝導層１７を無いレーザーダイオード１を作製する。
実施例１において、ｐ型縦伝導層１６を膜厚０．３２μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ（組成傾斜なし）とし、さらにｐ型縦伝導層１６の形成に続いて、ｐ型コンタクト層１８形成以降の手順を取ることによって、ｐ型横伝導層１７を無いレーザーダイオード１を作製する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．０７Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、１６．４である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、３１ｃｍ－１である。
［参考例１］
実施例１と同様の手順で、ｐ型縦伝導層１６までを作製し、続いてｐ型コンタクト層１８形成以降の手順を取ることによって、ｐ型横伝導層１７の無いレーザーダイオード１を作製する。
実施例１と同様の手順で、ｐ型縦伝導層１６までを作製し、続いてｐ型コンタクト層１８形成以降の手順を取ることによって、ｐ型横伝導層１７の無いレーザーダイオード１を作製する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．１４Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、２６．７である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、１０ｃｍ－１である。
［参考例２］
意図的にレーザーダイオード構造を緩和させる目的で、実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．８μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
意図的にレーザーダイオード構造を緩和させる目的で、実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．８μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも３０％である。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．０２Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、６．１である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、１７ｃｍ－１である。
［参考例３］
実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも２０％である。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．０４Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、９．７である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、８ｃｍ－１である。
［参考例４］
ｐ型縦伝導層１６が０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．１まで減少させるように積層される以外は、実施例１と同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
ｐ型縦伝導層１６が０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．１まで減少させるように積層される以外は、実施例１と同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．１３Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、１．５である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、２７ｃｍ－１である。
［参考例５］
ｐ型縦伝導層１６が０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．２まで減少させるように積層される以外は、実施例１と同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
ｐ型縦伝導層１６が０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．２まで減少させるように積層される以外は、実施例１と同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．１３Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、１．５である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、１９ｃｍ－１である。
実施例１－６、比較例１、２及び参考例１－５のレーザーダイオード１について、上記の構成、製造条件及び評価の結果を下記の表１にまとめて示す。
（比較）
実施例１－６のレーザーダイオード１は、縦伝導率が０．１１以上かつ０．１７以下、縦横抵抗率の比が１．５以上かつ２．９以下、内部損失が９ｃｍ－１以上かつ２０ｃｍ－１以下である。比較例１及び２のレーザーダイオード１は、縦伝導率が０．０６以上かつ０．０７以下、縦横抵抗率の比が１１．３以上かつ１６．７以下であって、内部損失が３１ｃｍ－１である。
実施例１－６のレーザーダイオード１は、縦伝導率が０．１１以上かつ０．１７以下、縦横抵抗率の比が１．５以上かつ２．９以下、内部損失が９ｃｍ－１以上かつ２０ｃｍ－１以下である。比較例１及び２のレーザーダイオード１は、縦伝導率が０．０６以上かつ０．０７以下、縦横抵抗率の比が１１．３以上かつ１６．７以下であって、内部損失が３１ｃｍ－１である。
比較例１－２のレーザーダイオード１はｐ型縦伝導層１６として組成傾斜層を用いない構造であるため、縦伝導率が低い。さらに比較例２はｐ型横伝導層１７が存在しないことにより、抵抗率の比が比較例１に対してさらに増大している。いずれの比較例においても、実施例１－６のレーザーダイオード１が示す、低い内部損失、高い縦伝導率及び低い縦横抵抗率の比を同時に有する特性を達成できない。
さらに、参考例１－５のレーザーダイオード１について検討する。参考例１のレーザーダイオード１は、比較例１と同じくｐ型縦伝導層として組成傾斜層を備えるが、ｐ型横伝導層１７が存在しない。参考例１のレーザーダイオード１は、実施例１－６と比べると、低い縦横抵抗率の比を達成できない。また、参考例２及び３のレーザーダイオード１は、比較例１と同じくｐ型縦伝導層１６として組成傾斜層を備えるが、ｐ型縦伝導層１６の膜厚が０．５μｍ以上である。参考例２及び３のレーザーダイオード１は、実施例１－６と比べると、高い縦伝導率も低い縦横抵抗率の比も達成できない。参考例４及び５のレーザーダイオード１は、ｐ型縦伝導層として組成傾斜層を備えるが、Ａｌ組成の最小値が０．３未満である。参考例４及び５のレーザーダイオード１は、実施例１－６と比べると、低い内部損失を達成できない。参考例１－５のレーザーダイオード１は、実施例１－６と比べると、低い内部損失、高い縦伝導率及び低い縦横抵抗率の比を同時に有する特性を達成するとは言えない。
（変形例）
上記の通り、実施例１－６のレーザーダイオード１は低い内部損失、高い縦伝導率及び低い縦横抵抗率の比を同時に有する。ここで、更に発振との関係性を調べるために、実施例１に対して発光層１４が含む量子井戸層の構成と、ｐ型縦伝導層１６の構成と、を変更した変形例を用いて発振状態について測定した。以下の変形例の作製では、まず、電極付きのレーザーダイオード１を＜１１－２０＞方向に沿って切り出して、長さ４００μｍのレーザーキャビティを形成した。劈開によって原子的に平坦な（１－１００）ファセットを得た後、両側の劈開面にＨｆＯ２／ＳｉＯ２多層膜からなる高反射コーティング（反射率９０％以上）を適用した。電気的特性は、室温で０．５ｍｓ周期（デューティ０．０１％）で５０ｎｓのパルス電流注入下で測定された。
上記の通り、実施例１－６のレーザーダイオード１は低い内部損失、高い縦伝導率及び低い縦横抵抗率の比を同時に有する。ここで、更に発振との関係性を調べるために、実施例１に対して発光層１４が含む量子井戸層の構成と、ｐ型縦伝導層１６の構成と、を変更した変形例を用いて発振状態について測定した。以下の変形例の作製では、まず、電極付きのレーザーダイオード１を＜１１－２０＞方向に沿って切り出して、長さ４００μｍのレーザーキャビティを形成した。劈開によって原子的に平坦な（１－１００）ファセットを得た後、両側の劈開面にＨｆＯ２／ＳｉＯ２多層膜からなる高反射コーティング（反射率９０％以上）を適用した。電気的特性は、室温で０．５ｍｓ周期（デューティ０．０１％）で５０ｎｓのパルス電流注入下で測定された。
［変形例１］
変形例１として、発光層１４が総膜厚７．５ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例１のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が６０ｋＡ／ｃｍ２であった。
変形例１として、発光層１４が総膜厚７．５ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例１のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が６０ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例２］
変形例２として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例２のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が２５ｋＡ／ｃｍ２であった。
変形例２として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例２のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が２５ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例３］
変形例３として、発光層１４が総膜厚１５ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例３のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が９ｋＡ／ｃｍ２であった。
変形例３として、発光層１４が総膜厚１５ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例３のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が９ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例４］
変形例４として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に１０ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。また、ｐ型縦伝導層１６の膜厚は実施例１と同じく０．３２μｍである。変形例４のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が３０ｋＡ／ｃｍ２であった。
変形例４として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に１０ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。また、ｐ型縦伝導層１６の膜厚は実施例１と同じく０．３２μｍである。変形例４のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が３０ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例５］
変形例５として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に５０ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。変形例５のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が２０ｋＡ／ｃｍ２であった。
変形例５として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に５０ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。変形例５のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が２０ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例６］
変形例６として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に１００ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。変形例６のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が１８ｋＡ／ｃｍ２であった。
変形例６として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に１００ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。変形例６のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が１８ｋＡ／ｃｍ２であった。
変形例１－６のレーザーダイオード１について、上記の構成及び評価の結果を下記の表２にまとめて示す。
変形例１－６のレーザーダイオード１は低い発振閾値で発振する。例えば変形例３の発振閾値は９ｋＡ／ｃｍ２であった。
ここで、レーザーダイオード１の作製において、エピタキシャル成長後に、凸状の六角錐状ヒロック（ＨＰＨ）が生じて特性を悪化することがあった。ＨＰＨの密度は一例として６×１０３ｃｍ－２であり、波長の発光ピークを長波長側にシフトさせる特性悪化が見られた。ＨＰＨは、主に単結晶ＡｌＮ基板の貫通転位が存在する近傍で形成されると考えられる。変形例のレーザーダイオード１では、貫通転位の発生を抑制することで、ＨＰＨがｐ型電極と接することを回避し、レーザー発振を達成した。
（その他）
本開示は、以上に記載した実施形態及び変形例に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様は本開示の範囲に含まれる。
本開示は、以上に記載した実施形態及び変形例に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様は本開示の範囲に含まれる。
１ レーザーダイオード１１ 基板１２ ｎ型クラッド層１３ ｎ型導波路層１４ 発光層１５ ｐ型導波路層１６ ｐ型縦伝導層１７ ｐ型横伝導層１８ ｐ型コンタクト層２０ ｐ型クラッド層
Claims (9)
- ＡｌＮ単結晶の基板と、
前記基板上に形成され、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成され、一つ以上の量子井戸を含む発光層と、
前記発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体を含むｐ型コンタクト層と、
を備え、
前記ｐ型クラッド層は、
ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３≦ｓ≦１）を含み、前記基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚を０．５μｍ未満とするｐ型縦伝導層と、
ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（０．３＜ｔ≦１）を含むｐ型横伝導層と、を備え、
前記ｐ型横伝導層は、前記ｐ型縦伝導層との隣接面において、前記Ａｌ組成ｔが前記Ａｌ組成ｓの最小値よりも大きい、レーザーダイオード。 - 前記ｐ型クラッド層は、ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３５＜ｓ≦１）を含む請求項１に記載のレーザーダイオード。
- 前記ｐ型横伝導層は、膜厚が２０ｎｍ以下である請求項１又は２に記載のレーザーダイオード。
- 前記ｎ型クラッド層と前記発光層との間に形成されて、前記発光層へ光を閉じ込めるｎ型導波路層と、
前記ｐ型クラッド層と前記発光層との間に形成されて、前記発光層へ光を閉じ込めるｐ型導波路層と、を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。 - 前記ｐ型縦伝導層と前記ｐ型導波路層との間に形成されて、ＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ≦１．０）を含み、前記基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｖが増加する組成傾斜を有する中間層、を備える、請求項４に記載のレーザーダイオード。
- 前記ｐ型縦伝導層は、前記ｐ型導波路層との界面を含む領域がアンドープである、請求項４又は５に記載のレーザーダイオード。
- 前記発光層の発光波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。
- 前記ｐ型縦伝導層の膜厚が２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。
- 前記ｐ型縦伝導層及び前記ｐ型横伝導層が前記基板に対して完全歪である、請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019177788 | 2019-09-27 | ||
| JP2019177788 | 2019-09-27 | ||
| PCT/JP2020/036467 WO2021060538A1 (ja) | 2019-09-27 | 2020-09-25 | レーザーダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2021060538A1 JPWO2021060538A1 (ja) | 2021-04-01 |
| JP7302832B2 true JP7302832B2 (ja) | 2023-07-04 |
Family
ID=75166254
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021548466A Active JP7302832B2 (ja) | 2019-09-27 | 2020-09-25 | レーザーダイオード |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220337035A1 (ja) |
| JP (1) | JP7302832B2 (ja) |
| CN (1) | CN114342194B (ja) |
| DE (1) | DE112020004592T5 (ja) |
| WO (1) | WO2021060538A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11909172B2 (en) * | 2020-01-08 | 2024-02-20 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing optical device and optical device |
| WO2023163230A1 (ja) * | 2022-02-28 | 2023-08-31 | 旭化成株式会社 | レーザダイオード |
| WO2024047917A1 (ja) * | 2022-09-02 | 2024-03-07 | 旭化成株式会社 | レーザダイオード |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015002324A (ja) | 2013-06-18 | 2015-01-05 | 学校法人 名城大学 | 窒化物半導体発光素子 |
| JP2018532265A (ja) | 2015-09-17 | 2018-11-01 | クリスタル アイエス, インコーポレーテッドCrystal Is, Inc. | ２次元正孔ガスを組み込んだ紫外線発光デバイス |
| US20190103509A1 (en) | 2017-09-30 | 2019-04-04 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Semiconductor Heterostructure with P-type Superlattice |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6031858A (en) * | 1996-09-09 | 2000-02-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor laser and method of fabricating same |
| US8748919B2 (en) * | 2011-04-28 | 2014-06-10 | Palo Alto Research Center Incorporated | Ultraviolet light emitting device incorporating optically absorbing layers |
| JP2019177788A (ja) | 2018-03-30 | 2019-10-17 | 株式会社Ｓｕｂａｒｕ | 車両の乗員保護装置 |
-
2020
- 2020-09-25 CN CN202080059053.4A patent/CN114342194B/zh active Active
- 2020-09-25 US US17/754,027 patent/US20220337035A1/en active Pending
- 2020-09-25 DE DE112020004592.7T patent/DE112020004592T5/de active Pending
- 2020-09-25 WO PCT/JP2020/036467 patent/WO2021060538A1/ja active Application Filing
- 2020-09-25 JP JP2021548466A patent/JP7302832B2/ja active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015002324A (ja) | 2013-06-18 | 2015-01-05 | 学校法人 名城大学 | 窒化物半導体発光素子 |
| JP2018532265A (ja) | 2015-09-17 | 2018-11-01 | クリスタル アイエス, インコーポレーテッドCrystal Is, Inc. | ２次元正孔ガスを組み込んだ紫外線発光デバイス |
| US20190103509A1 (en) | 2017-09-30 | 2019-04-04 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Semiconductor Heterostructure with P-type Superlattice |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SATO, Kosuke et al.，Light confinement and high current density in UVB laser diode structure using Al composition-graded，Applied Physics Letters，2019年05月16日，Vol.114，pp.191103-1 - 191103-5 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021060538A1 (ja) | 2021-04-01 |
| CN114342194B (zh) | 2024-03-19 |
| DE112020004592T5 (de) | 2022-06-09 |
| US20220337035A1 (en) | 2022-10-20 |
| CN114342194A (zh) | 2022-04-12 |
| JPWO2021060538A1 (ja) | 2021-04-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6455877B1 (en) | III-N compound semiconductor device | |
| JP7302832B2 (ja) | レーザーダイオード | |
| KR101179319B1 (ko) | Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 | |
| JP2009252861A (ja) | 半導体レーザ素子 | |
| JP2011023541A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子及びエピタキシャル基板 | |
| US8513684B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
| US8748868B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device and epitaxial substrate | |
| JPH11135770A (ja) | ３−５族化合物半導体とその製造方法および半導体素子 | |
| US6462354B1 (en) | Semiconductor device and semiconductor light emitting device | |
| TW201310705A (zh) | 第ｉｉｉ族氮化物半導體元件及第ｉｉｉ族氮化物半導體元件之製造方法 | |
| US8477818B2 (en) | Gallium nitride-based semiconductor laser device, and method for fabricating gallium nitride-based semiconductor laser device | |
| JP5401145B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物積層体の製造方法 | |
| US20120327967A1 (en) | Group iii nitride semiconductor laser device, epitaxial substrate, method of fabricating group iii nitride semiconductor laser device | |
| JP5873260B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物積層体の製造方法 | |
| US20150115220A1 (en) | (Al, In, Ga, B)N DEVICE STRUCTURES ON A PATTERNED SUBSTRATE | |
| TW201320392A (zh) | 氮化物半導體發光元件、及氮化物半導體發光元件之製造方法 | |
| JP3794530B2 (ja) | 窒化物半導体レーザ素子 | |
| JP2008034754A (ja) | 発光素子 | |
| JP2001196702A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 | |
| JP4628651B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子の製造方法 | |
| JP2004014587A (ja) | 窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハ及び発光素子 | |
| KR100742989B1 (ko) | 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법 | |
| KR102553985B1 (ko) | Ⅲ족 질화물 반도체 | |
| JP2009212343A (ja) | 窒化物半導体素子および窒化物半導体素子の製造方法 | |
| JP2001308464A (ja) | 窒化物半導体素子、窒化物半導体結晶の作製方法および窒化物半導体基板 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20211126 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20221004 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20221205 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230117 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230317 |
|
| 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: 20230516 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230614 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7302832 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |