JPWO2015052861A1 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
リッジを有する半導体発光装置において、その横方向の光閉じ込め効果と導波路損失の抑制効果との両立を図ることを目的とする。半導体発光装置は第1のクラッド層(12)と活性層(13)の間に第1のガイド層(313)を有し、第2のクラッド層(14)はリッジ(14A)を有し、第1のクラッド層(12)の膜厚をTncとし、第1のガイド層(313)の膜厚をTngとした場合に、Tng[μm]≦−0.98Tnc[μm]+0.76[μm]Tng[μm]≧−0.98Tnc[μm]+0.56[μm]の2式を満たし、発光波長が500〜560nmである構成とした。In a semiconductor light emitting device having a ridge, an object is to achieve both a lateral light confinement effect and a waveguide loss suppression effect. The semiconductor light emitting device has a first guide layer (313) between the first clad layer (12) and the active layer (13), the second clad layer (14) has a ridge (14A), When the film thickness of the first cladding layer (12) is Tnc and the film thickness of the first guide layer (313) is Tng, Tng [μm] ≦ −0.98 Tnc [μm] +0.76 [μm ] Tng [μm] ≧ −0.98 Tnc [μm] +0.56 [μm] Two conditions were satisfied, and the emission wavelength was 500 to 560 nm.
Description
本開示は、照明用光源、車載用光源、ディスプレイ用光源、その他の電子装置、情報処理装置などに必要な光源として用いられる半導体発光装置に関する。 The present disclosure relates to a semiconductor light emitting device used as a light source necessary for an illumination light source, an in-vehicle light source, a display light source, other electronic devices, information processing devices, and the like.
従来この種の半導体発光装置は、図17に示すごとく、GaNからなる基板101と、基板101の上方に設けられたn型InAlGaNからなる第1のクラッド(clad)層102と、この第1のクラッド層102の上方に設けられたn型GaNからなる第2のクラッド層103と、この第2のクラッド層103の上方に設けられたn型InGaNからなる第3のクラッド層104とを有する。さらにこの第3のクラッド層104の上方に設けられたInGaNを含む活性層105と、この活性層105の上方に設けられたInGaNからなる第4のクラッド層106と、この第4のクラッド層106の上方に設けられたp型InAlGaNからなる第5のクラッド層107と、を有する構成としていた。
Conventionally, as shown in FIG. 17, this type of semiconductor light emitting device includes a
なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
As prior art document information relating to this application, for example,
このような従来の半導体発光装置では、発振波長500nm〜560nm帯のレーザにおいて、横方向の光閉じ込め効果と導波路損失の抑制効果との両立が困難であった。この理由について、まず、説明を行う。 In such a conventional semiconductor light emitting device, it is difficult to achieve both a lateral light confinement effect and a waveguide loss suppression effect in a laser having an oscillation wavelength of 500 nm to 560 nm. The reason for this will be described first.
図2に、半導体レーザの一般的な基本構造を示す。この構造において、n型基板1上に、n型クラッド層2、活性層3、p型クラッド層4、p型コンタクト層6が順次形成されている。p型クラッド層4には、リッジ(ridge)型の導波路が形成されている。リッジ側壁には、p型クラッド層4よりも屈折率が低く、レーザ発振光のエネルギーよりも大きなエネルギーのバンドギャップエネルギーを有する電流ブロック層5が形成されている。ここで、半導体レーザの共振器面内で基板表面と平行な方向を水平方向、基板法線方向を垂直方向と呼ぶことにする。
FIG. 2 shows a general basic structure of a semiconductor laser. In this structure, an n-
半導体レーザにおいて、レーザ発振を生じさせるためには、活性層3への光の閉じ込めと、n型及びp型クラッド層から注入される電子及び正孔を閉じこめなければならない。この様にすることで、活性層においてキャリアの反転分布状態を生じる結果、誘導放出が起こり、活性層へ閉じ込められた光が増幅されてレーザ発振を生じることが可能となる。この場合、活性層へ閉じ込められる光が多いほど増幅作用は大きく、レーザ発振に必要な注入電流量(発振しきい電流値)を小さくすることができる。活性層へ閉じ込められる光の光分布全体に対する割合を光閉じ込め係数と呼び、この係数が大きいほど、発振しきい電流値を小さくすることが可能となる。
In order to cause laser oscillation in a semiconductor laser, it is necessary to confine light in the
光閉じ込め係数を大きくするためには、クラッド層と活性層の屈折率差を大きくすることが効果的である。窒化物レーザにおいて、405nm帯(青紫)、445nm帯(青色)、及び530nm帯(緑色)のレーザ発振を得るためには、活性層(量子井戸活性層の場合は井戸層)に用いられるInGaNに対するIn組成は、それぞれ、0.06、0.15、0.3程度の組成としなければならない。InGaNにおいてはIn組成を大きくしていくと、バンドギャップエネルギーが小さくなり、In組成に応じて発振波長を変化させることが可能となる。そこで、波長530nm帯のレーザにおいて、光閉じ込め係数を大きくするためには、In組成0.3のInGaNと屈折率差の大きいクラッド層材料が必要となる。 In order to increase the optical confinement factor, it is effective to increase the refractive index difference between the cladding layer and the active layer. In the nitride laser, in order to obtain laser oscillations in the 405 nm band (blue purple), 445 nm band (blue), and 530 nm band (green), the InGaN used for the active layer (well layer in the case of a quantum well active layer) The In composition must be about 0.06, 0.15, and 0.3, respectively. In InGaN, when the In composition is increased, the band gap energy is decreased, and the oscillation wavelength can be changed according to the In composition. Therefore, in order to increase the optical confinement coefficient in a laser having a wavelength of 530 nm, a cladding layer material having a large refractive index difference from InGaN having an In composition of 0.3 is required.
従来、クラッド層の材料としてはAlGaNが広く用いられてきた。これは、AlGaN材料は、比較的結晶成長が容易であり、InGaN材料よりも屈折率が低いため、クラッド層材料に好適であったためである。しかしながら、AlGaN材料では、Al組成を大きくしていくとGaN基板との熱膨張係数や格子定数の差が増大し、格子欠陥や、クラックが生じやすくなり、さらに、p型不純物であるMgのドーピング効率が低下するため、p型AlGaN層の抵抗が増大してしまう。この問題を避けるためには、クラッド層に用いるAlGaN層のAl組成は、0.1程度以下の組成としなければならない。この課題に対し、Al組成を大きくしてもGaNと格子整合させるために、図16に示す従来の実施例では、In0.03Al0.14Ga0.83N層をクラッド層に用いた例が示されている。In0.03Al0.14Ga0.83N層を用いることで、上記の格子欠陥の発生は抑制することができる。Conventionally, AlGaN has been widely used as a material for the cladding layer. This is because the AlGaN material is suitable for the cladding layer material because the crystal growth is relatively easy and the refractive index is lower than that of the InGaN material. However, in the AlGaN material, when the Al composition is increased, the difference between the thermal expansion coefficient and the lattice constant with the GaN substrate is increased, and lattice defects and cracks are likely to occur. Since the efficiency decreases, the resistance of the p-type AlGaN layer increases. In order to avoid this problem, the Al composition of the AlGaN layer used for the cladding layer must be about 0.1 or less. In order to solve this problem, the In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N layer was used as the cladding layer in the conventional example shown in FIG. An example is shown. By using the In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N layer, the generation of the lattice defects can be suppressed.
ここで、Al組成0.1のAlGaN層と、In0.03Al0.14Ga0.83N層と、活性層であるInGaN層との屈折率の差について考えてみる。ここで、Al組成0.1のAlGaN層とInGaN層との屈折率差をΔNA、In0.03Al0.14Ga0.83N層とInGaN層との屈折率差をΔNIと表記する。波長が変化すると、それに応じて、その材料の屈折率も変化する性質があるため、クラッド層と活性層の屈折率差は波長405nm、445nm、530nmについてそれぞれ見積もる必要がある。上記それぞれの波長を得るためのInGaNに対するIn組成は、それぞれ、0.06、0.15、0.3程度の値にする必要がある。Consider the difference in refractive index between an AlGaN layer having an Al composition of 0.1, an In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N layer, and an InGaN layer that is an active layer. Here, the refractive index difference between the AlGaN layer having the Al composition of 0.1 and the InGaN layer is denoted by ΔNA, and the refractive index difference between the In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N layer and the InGaN layer is denoted by ΔNI. When the wavelength changes, the refractive index of the material also changes accordingly. Therefore, the refractive index difference between the cladding layer and the active layer needs to be estimated for wavelengths of 405 nm, 445 nm, and 530 nm, respectively. The In composition for InGaN for obtaining the above wavelengths needs to have values of about 0.06, 0.15, and 0.3, respectively.
405nm帯においてIn組成0.06のInGaNの屈折率は2.67、Al組成0.1のAlGaNの屈折率は2.48、In0.03Al0.14Ga0.83Nの屈折率は2.47であり、この場合のΔNAは0.19、ΔNIは0.2となる。In the 405 nm band, the refractive index of InGaN with an In composition of 0.06 is 2.67, the refractive index of AlGaN with an Al composition of 0.1 is 2.48, and the refractive index of In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N is In this case, ΔNA is 0.19 and ΔNI is 0.2.
445nm帯においてIn組成0.15のInGaNの屈折率は2.55、Al組成0.1のAlGaNの屈折率は2.41、In0.03Al0.14Ga0.83Nの屈折率は2.41であり、この場合のΔNAは0.14、ΔNIは0.14となる。In the 445 nm band, the refractive index of InGaN with an In composition of 0.15 is 2.55, the refractive index of AlGaN with an Al composition of 0.1 is 2.41, and the refractive index of In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N is In this case, ΔNA is 0.14, and ΔNI is 0.14.
530nm帯においてIn組成0.30のInGaNの屈折率は2.49、Al組成0.1のAlGaNの屈折率は2.36、In0.03Al0.14Ga0.83Nの屈折率は2.34であり、この場合のΔNAは0.13、ΔNIは0.15となる。In the 530 nm band, the refractive index of InGaN with an In composition of 0.30 is 2.49, the refractive index of AlGaN with an Al composition of 0.1 is 2.36, and the refractive index of In 0.03 Al 0.14 Ga 0.83 N is In this case, ΔNA is 0.13, and ΔNI is 0.15.
上記のように、発振波長が405nm帯から445nm帯及び、530nm帯へと長波長となると、活性層とクラッド層間の屈折率差は、405nm帯と比較して小さくなることがわかる。さらに、In組成が大きくなるとGaN基板との格子定数の差が大きくなるため格子欠陥が生じやすくなるため、活性層の厚さ(量子井戸活性層の場合は、井戸層の合計厚)を厚くすることが困難になる。発振波長を長くするためには、活性層のIn組成を高める必要がある。この結果、発振波長が405nm帯から、445nm帯、530nm帯へ長くなると、活性層厚を厚くすることが困難となり、閉じ込め係数が小さくなってしまう。光閉じ込め係数の低下は、発振しきい値状態における活性層での動作キャリア密度の増大を招くため、高温動作時における活性層からの注入キャリアのクラッド層へのオーバーフローが大きくなり、高温動作時の光出力における熱飽和レベルの低下につながる。このことから、発振波長530nm帯における従来の実施の例にかかる構造では、クラッド層と活性層間の屈折率差の低下から熱飽和レベルの低下を招きやすいことがわかる。 As described above, it can be seen that when the oscillation wavelength is increased from the 405 nm band to the 445 nm band and the 530 nm band, the refractive index difference between the active layer and the cladding layer is smaller than that in the 405 nm band. Furthermore, since the lattice constant difference with the GaN substrate increases as the In composition increases, lattice defects are likely to occur, so the thickness of the active layer (in the case of a quantum well active layer, the total thickness of the well layers) is increased. It becomes difficult. In order to increase the oscillation wavelength, it is necessary to increase the In composition of the active layer. As a result, when the oscillation wavelength is increased from the 405 nm band to the 445 nm band and the 530 nm band, it is difficult to increase the thickness of the active layer, and the confinement factor is decreased. The decrease in the optical confinement factor leads to an increase in the operating carrier density in the active layer in the oscillation threshold state, so that the overflow of injected carriers from the active layer to the cladding layer during high-temperature operation increases, resulting in a high-temperature operation. This leads to a decrease in the thermal saturation level in the light output. From this, it can be seen that the structure according to the conventional example in the oscillation wavelength band of 530 nm tends to cause a decrease in the thermal saturation level due to a decrease in the refractive index difference between the cladding layer and the active layer.
熱飽和レベルを向上させるためには、導波路を伝播する光分布の導波路損失を低減し、電流−光出力特性における微分効率(スロープ効率)を向上させることが有効である。導波路損失の殆どは、クラッド層にドーピングした不純物によるフリーキャリア吸収によって生じる吸収損失である。窒化物材料においては、n型クラッド層への不純物のドーピング濃度は、通常5×1017cm−3程度であるのに対して、p型クラッド層にはn型クラッド層の不純物濃度の10倍程度である5×1018cm−3程度ドーピングを行わないと、低抵抗のp型層が得られない。通常窒化物半導体レーザにおいては、電極との接触抵抗を低減するために、不純物濃度を、p型クラッド層に対して、さらに、10倍程度以上に高めたp型コンタクト層を形成する。In order to improve the thermal saturation level, it is effective to reduce the waveguide loss of the light distribution propagating through the waveguide and improve the differential efficiency (slope efficiency) in the current-light output characteristics. Most of the waveguide loss is absorption loss caused by free carrier absorption by impurities doped in the cladding layer. In a nitride material, the doping concentration of impurities in the n-type cladding layer is usually about 5 × 10 17 cm −3 , whereas in the p-type cladding layer, it is 10 times the impurity concentration of the n-type cladding layer. A low-resistance p-type layer cannot be obtained unless doping is performed at about 5 × 10 18 cm −3 . In a normal nitride semiconductor laser, a p-type contact layer is formed in which the impurity concentration is further increased to about 10 times or more that of the p-type cladding layer in order to reduce the contact resistance with the electrode.
フリーキャリア吸収は、不純物濃度が高ければ高いほど大きくなる。このため、導波路損失の主要構成成分は、p型クラッド層、p型コンタクト層で光分布が被るフリーキャリア吸収成分となる。従って、導波路損失を低減するためには、p型層に分布する光分布の割合を低くすることが有効である。 Free carrier absorption increases as the impurity concentration increases. For this reason, the main component of the waveguide loss is a free carrier absorption component that is subjected to light distribution in the p-type cladding layer and the p-type contact layer. Therefore, in order to reduce the waveguide loss, it is effective to reduce the ratio of the light distribution distributed in the p-type layer.
ところで、図2に示す、リッジ外側の領域の垂直方向光分布はリッジ中央部の垂直光分布と比較して、低屈折率の電流ブロック層5により、基板1側に若干偏った形状となる。この結果、リッジ内外で垂直方向の光分布の形状が異なるため、リッジ内外の光分布には、水平方向に対して、実効屈折率差(ΔN)が形成される。ΔNは、光分布を水平方向にリッジ領域に閉じ込めるために重要である。活性層の屈折率は、注入されたキャリアにより屈折率が変化する。このため、ΔNをあまりに小さくすると光分布は、活性層中の動作キャリア密度の変化による屈折率変化の影響を受けて不安定となり、電流−光出力特性における非線形性の折れ曲がり(キンク)を生じる。この時、熱飽和レベルの低下のみならず、安定した光出力を得ることが困難となり、実用上重大な支障をきたす。このような動作の不安定性を防ぐためには、活性層の屈折率が変化しても、安定した水平方向の光閉じ込め機構を形成するために、3×10−3以上のΔNが必要である。Incidentally, the vertical light distribution in the region outside the ridge shown in FIG. 2 is slightly biased toward the
ここで、垂直方向光分布がn型クラッド層2寄りとなった場合、リッジ内外の垂直方向の光分布形状は同一形状に近づくためΔNが低下する。逆に、垂直方向光分布がp型クラッド層4寄りとなった場合、リッジ内外の垂直方向の光分布形状は、電流ブロック層5の影響を受けて、異なった形状となるため、ΔNが増大することになる。従って、ΔNを大きくするためには、光分布をp型クラッド層4寄りになるようにすればよい。しかしながら光分布をp型クラッド層4寄りにすると、光分布は不純物濃度の最も高いp型コンタクト層の影響を受け、導波路損失が増大してしまう。さらに、前述のように波長530nm帯においては、垂直方向光分布は垂直方向に広がりやすく、波長405nm帯のレーザと比較して、導波路損失が増大しやすい。導波路損失を低減するためには、屈折率の高いInGaN活性層の膜厚(量子井戸活性層の場合はInGaN井戸層の合計膜厚)を厚くすれば良いが、GaN基板と、In組成の高いInGaN層との格子定数の差が大きいため、あまりに厚くはできない。波長530nm帯のレーザでは活性層に使用するInGaN層のIn組成は前述のように0.3程度に設定しなければならず、In組成が0.3程度に高いInGaN層の総膜厚は最大でも10nm程度の厚さとしなければ、格子不整による格子欠陥の発生により発光効率の低下をもたらす。この結果、530nm帯の半導体レーザでは光閉じ込め係数は1%程度以下の小さい値となってしまう。
Here, when the vertical light distribution is closer to the n-
これらの理由から、波長530nm帯において、従来構造における窒化物系のレーザ構造では、閉じ込め係数が小さくても、安定した高温高出力動作を得るための3×10−3以上のΔNの大きさを得つつ、低導波路損失(10cm−1以下)を両立させることが困難であった。For these reasons, in the nitride laser structure of the conventional structure in the
そこで本開示は、リッジを有する半導体発光装置において、その横方向の光閉じ込め効果と導波路損失の抑制効果との両立を図ることを目的とする。 Therefore, the present disclosure aims to achieve both a lateral light confinement effect and a waveguide loss suppression effect in a semiconductor light emitting device having a ridge.
そして、この目的を達成するために本開示の半導体発光装置は、基板と、基板の上方に設けられた第1の導電性を有する第1の屈折率補正層と、第1の屈折率補正層の上方に設けられた第1のクラッド層と、第1のクラッド層の上方に設けられた活性層と、活性層の上方に設けられた第2の導電性を有する第2のクラッド層と、を備える。そして、第1のクラッド層と前記活性層の間に第1のガイド層を有し、第2のクラッド層はリッジを有する。そして基板はGaN層であり、第1の屈折率補正層はInAlN層を含み、第1のクラッド層はGaN層であり、第1のガイド層がInGaN層であり、活性層はInGaN層であり、第2のクラッド層はAlGaN層であり、第1のクラッド層の膜厚をTncとし、第1のガイド層の膜厚をTngとした場合に、
Tng[μm]≦−0.98Tnc[μm]+0.76[μm]
Tng[μm]≧−0.98Tnc[μm]+0.56[μm]
の2式を満たし、発光波長が500〜560nmである構成とした。In order to achieve this object, a semiconductor light emitting device of the present disclosure includes a substrate, a first refractive index correction layer having a first conductivity provided above the substrate, and a first refractive index correction layer. A first cladding layer provided above the active layer, an active layer provided above the first cladding layer, a second cladding layer having second conductivity provided above the active layer, Is provided. A first guide layer is provided between the first cladding layer and the active layer, and the second cladding layer has a ridge. The substrate is a GaN layer, the first refractive index correction layer includes an InAlN layer, the first cladding layer is a GaN layer, the first guide layer is an InGaN layer, and the active layer is an InGaN layer. When the second cladding layer is an AlGaN layer, the thickness of the first cladding layer is Tnc, and the thickness of the first guide layer is Tng,
Tng [μm] ≦ −0.98 Tnc [μm] +0.76 [μm]
Tng [μm] ≧ −0.98 Tnc [μm] +0.56 [μm]
These two formulas were satisfied and the emission wavelength was 500 to 560 nm.
このような構成とすることにより、第1の屈折率補正層は屈折率が従来のAl組成0.1のAlGaN層よりも屈折率が低いため、不純物ドーピングによりフリーキャリア吸収損失の少ない活性層への垂直方向光閉じ込めを大きくでき、導波路損失を低減可能となる。さらに、第1のガイド層の膜厚により、光分布の第2のクラッド層への垂直方向拡がりを精密に制御し、所望のΔNを得ることが可能となる。この結果、損失の少ない領域に光分布を集中させつつ、リッジ内外の実効屈折率差を大きくすることができるため、横方向の光閉じ込め効果と導波路損失の抑制効果とを両立することができる。 By adopting such a configuration, since the refractive index of the first refractive index correction layer is lower than that of the conventional AlGaN layer having an Al composition of 0.1, the active layer is reduced in free carrier absorption loss due to impurity doping. The vertical optical confinement can be increased, and the waveguide loss can be reduced. Furthermore, it is possible to precisely control the vertical spread of the light distribution to the second cladding layer by the film thickness of the first guide layer, and to obtain a desired ΔN. As a result, it is possible to increase the effective refractive index difference between the inside and outside of the ridge while concentrating the light distribution in the low loss region, so that both the lateral optical confinement effect and the waveguide loss suppression effect can be achieved. .
(実施の形態1)
本開示において、AはBの「上方」に設けられているという表現は、Aが他の部材を介してBの上に設けられている場合と、AがBの上に接して設けられている場合との両方を含む。AはBの「上」に設けられているという表現の場合も同様である。(Embodiment 1)
In the present disclosure, the expression that “A” is provided “above” B includes the case where A is provided on B via another member and the case where A is provided on and in contact with B. Including both. The same applies to the expression that A is provided “above” B.
本開示において、第1導電性と第2導電性とは互いに異なる導電性であり、第1導電性がn型である場合は第2導電性がp型であり、第1導電性がp型の場合は第2導電性がn型である。 In the present disclosure, the first conductivity and the second conductivity are different from each other. When the first conductivity is n-type, the second conductivity is p-type, and the first conductivity is p-type. In this case, the second conductivity is n-type.
以下、実施の形態1における半導体発光装置について図面を参照しながら説明する。実施の形態1における半導体発光装置は、図1に示すごとく、基板11と、基板11の上方に設けられた第1の導電性を有する第1の屈折率補正層15と、第1の屈折率補正層15の上方に設けられた第1のクラッド層12と、第1のクラッド層12の上方に設けられた活性層13と、活性層13の上方に設けられた第2の導電性を有する第2のクラッド層14と、を備えている。
Hereinafter, the semiconductor light emitting device in the first embodiment will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device in the first embodiment includes a
そして、第1のクラッド層12と活性層13の間に第1のガイド層313を有し、第2のクラッド層14はリッジ14Aを有している。
A
そして、基板11はGaN層であり、第1の屈折率補正層15はInAlN層を含み、第1のクラッド層12はGaN層であり、第1のガイド層313がInGaN層であり、活性層13はInGaN層であり、第2のクラッド層14はAlGaN層である。
The
そして、第1のクラッド層12の膜厚をTncとし、第1のガイド層313の膜厚をTngとした場合に、下記の(式1)と(式2)を満たす構成としている。
When the film thickness of the
そして、発光波長が500nm以上かつ560nm以下であるとしている。 The emission wavelength is 500 nm or more and 560 nm or less.
このような構成とすることにより、導波路損失の少ない領域に光分布を集中させつつ、リッジ14A内外の実効屈折率差を大きくすることができるため、横方向の光閉じ込め効果と導波路損失の抑制効果とを両立することができる。その理由につき以下、説明する。
By adopting such a configuration, it is possible to increase the effective refractive index difference between the inside and outside of the
図3は、発光装置の発振波長を530nm、第1のガイド層313のIn組成を0.02とし、図1における第2のガイド層315を設けない場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313の膜厚依存性、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
3 shows a waveguide loss, an optical confinement coefficient, and the like when the oscillation wavelength of the light emitting device is 530 nm, the In composition of the
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。そして、図3中の斜線部が(式1)、(式2)を同時に満足する領域を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference. The shaded area in FIG. 3 indicates a region that satisfies (Expression 1) and (Expression 2) at the same time.
図4は、発光装置の発振波長を530nm、第1のガイド層313のIn組成0.04とし、図1における第2のガイド層315を設けない場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313の膜厚依存性、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
4 shows a case where the oscillation wavelength of the light emitting device is 530 nm, the In composition of the
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。そして、図4中の斜線部が(式1)、(式2)を同時に満足する領域を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference. The shaded area in FIG. 4 indicates a region that satisfies (Expression 1) and (Expression 2) at the same time.
これら図3、図4から、第1のクラッド層12の膜厚Tnc、第1のガイド層313の膜厚Tngの双方が小さくなればなるほど、破線で示した実効屈折率差が大きくなることがわかる。そして、上記(式1)を満たす範囲内であれば、そのほとんどの範囲で、実効屈折率差が3×10−3以上となることがわかる。実効屈折率差が3×10−3以上であれば、高次モードを含めてリッジ14A内に安定して横モード光を閉じ込めることができる。従って、上記(式1)を満たすことにより、横方向の光閉じ込めの効果を向上させることができるのである。From FIGS. 3 and 4, the smaller the film thickness Tnc of the
また、この図3、図4から、第1のクラッド層12の膜厚Tnc、第1のガイド層313の膜厚Tngの双方が小さくなればなるほど、実線で示した導波路損失が大きくなることがわかる。そして、上記(式2)を満たす範囲内であれば、その多くの範囲で導波路損失の発生を10cm−1以下に抑制することができ、かつそのすべての範囲で導波路損失の発生を15cm−1以下に抑制することができる。3 and 4, the waveguide loss indicated by the solid line increases as both the film thickness Tnc of the
従って、上記(式1)、及び(式2)を満たすことにより、横方向の光閉じ込め効果と導波路損失の抑制効果とを両立することができる。 Therefore, by satisfying the above (Equation 1) and (Equation 2), it is possible to achieve both a lateral light confinement effect and a waveguide loss suppression effect.
さらに、この図3、図4から、第1のクラッド層12の膜厚Tnc、第1のガイド層313の膜厚Tngの双方が小さくなればなるほど、一点鎖線で示した光閉じ込め係数が大きくなることがわかる。そして、上記(式1)を満たす範囲内であれば、その全ての範囲で光閉じ込め係数が1.0%以上となることがわかる。従って、上記(式1)を満たすことにより、上述した横方向の光閉じ込め効果のみならず、垂直方向の光閉じ込め効果をより確実に得ることができるのである。
Further, from FIGS. 3 and 4, as both the film thickness Tnc of the
続いて、図1に示すように、第2のクラッド層14と活性層13の間に第2の導電性を有する第2のガイド層315を有し、第2のガイド層315がInGaN層からなる構成について説明する。
Subsequently, as shown in FIG. 1, a
図5は、発光装置の発振波長を530nm、第1のガイド層313のIn組成を0.02とし、図1における第2のガイド層315の膜厚を0.05μmとした場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313の膜厚依存性、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
FIG. 5 shows a waveguide when the oscillation wavelength of the light emitting device is 530 nm, the In composition of the
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。そして、図5中の斜線部が後述の(式3)、(式4)を同時に満足する領域を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference. The hatched portion in FIG. 5 indicates a region that satisfies (Expression 3) and (Expression 4) described later simultaneously.
図6は、発光装置の発振波長を530nm、第1のガイド層313のIn組成0.02とし、図1における第2のガイド層315の膜厚を0.1μmとした場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313の膜厚依存性、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
6 shows the waveguide loss when the oscillation wavelength of the light emitting device is 530 nm, the In composition of the
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。そして、図6中の斜線部が後述の(式3)、(式4)を同時に満足する領域を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference. The shaded area in FIG. 6 indicates a region that satisfies (Expression 3) and (Expression 4) described later simultaneously.
図7は、発光装置の発振波長を530nm、第1のガイド層313のIn組成を0.04とし、図1における第2のガイド層315の膜厚を0.05μmとした場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313の膜厚依存性、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
7 shows a waveguide when the oscillation wavelength of the light emitting device is 530 nm, the In composition of the
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。そして、図7中の斜線部が後述の(式3)、(式4)を同時に満足する領域を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference. The shaded area in FIG. 7 indicates a region that satisfies (Expression 3) and (Expression 4) described later simultaneously.
図8は、発光装置の発振波長を530nm、第1のガイド層313のIn組成0.04とし、図1における第2のガイド層315の膜厚を0.1μmとした場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313の膜厚依存性、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
8 shows a waveguide loss when the oscillation wavelength of the light emitting device is 530 nm, the In composition of the
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。そして、図8中の斜線部が(式3)、(式4)を同時に満足する領域を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference. The shaded area in FIG. 8 indicates a region that satisfies (Expression 3) and (Expression 4) at the same time.
これら図5、図6、図7、図8から、第1のクラッド層12の膜厚Tnc、第1のガイド層313の膜厚Tngの双方が小さくなればなるほど、破線で示した実効屈折率差が大きくなることがわかる。
From FIGS. 5, 6, 7, and 8, the effective refractive index indicated by the broken line becomes smaller as both the film thickness Tnc of the
ここで、下記(式3)を満たす範囲内であれば、そのほとんどの範囲で、実効屈折率差が3×10−3以上となることがわかる。Here, it is understood that the effective refractive index difference is 3 × 10 −3 or more in most of the range as long as the range satisfies the following (formula 3).
実効屈折率差が3×10−3以上であれば、高次モードを含めてリッジ14A内に安定して閉じ込めることができる。If the effective refractive index difference is 3 × 10 −3 or more, it can be stably confined in the
従って、第2のガイド層315を有する構成においては、上記(式3)を満たすことにより、横方向の光閉じ込めの効果を向上させることができるのである。
Therefore, in the configuration having the
また、この図5、図6、図7、図8から、第1のクラッド層12の膜厚Tnc、第1のガイド層313の膜厚Tngの双方が小さくなればなるほど、実線で示した導波路損失が大きくなることがわかる。そして、下記(式4)を満たす範囲内であれば、その多くの範囲で導波路損失の発生を10cm−1以下に抑制することができ、かつそのすべての範囲で導波路損失の発生を15cm−1以下に抑制することができる。Further, from FIGS. 5, 6, 7, and 8, the conductive line indicated by the solid line becomes smaller as both the film thickness Tnc of the
従って、第2のガイド層315を有する構成においては、上記(式3)、及び(式4)を満たすことにより、横方向の光閉じ込め効果と導波路損失の抑制効果とを両立することができる。
Therefore, in the configuration having the
さらに、この図5、図6、図7、図8から、第1のクラッド層12の膜厚Tnc、第1のガイド層313の膜厚Tngの双方が小さくなればなるほど、一点鎖線で示した光閉じ込め係数が大きくなることがわかる。そして、上記(式3)を満たしていれば、少なくとも光閉じ込め係数が1.0%以上となることがわかる。従って、上記(式3)を満たすことにより、垂直方向の光閉じ込め効果をより確実に得ることができるのである。
Furthermore, from FIG. 5, FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 8, as the film thickness Tnc of the first clad
また、図5、図6、図7、図8中の斜線部が、(式3)、(式4)を同時に満足する領域を示している。 Further, the hatched portions in FIG. 5, FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 8 indicate regions that simultaneously satisfy (Expression 3) and (Expression 4).
なお、上記(式1)、(式2)、(式3)、(式4)は、その発光装置発振波長を530nmとした場合のシミュレーション結果に基づき算出しているが、これは500nm以上かつ560nm以下の範囲まで拡張しても、垂直方向の光閉じ込め効果の向上と歪発生の抑制との両立を図る上で適応できていると考えている。その理由につき以下、説明する。 Note that (Equation 1), (Equation 2), (Equation 3), and (Equation 4) are calculated based on simulation results when the light emitting device oscillation wavelength is 530 nm. Even if it is extended to a range of 560 nm or less, it is considered that it can be applied to achieve both improvement of the light confinement effect in the vertical direction and suppression of distortion generation. The reason will be described below.
図9は、第1のガイド層313の膜厚を0.17μm、第1のクラッド層12の膜厚を0.5μm、第2のクラッド層14のAl組成を0.07、第1の屈折率補正層15の膜厚を0.4μmとした場合における、実効屈折率差の発振波長依存性を示している。この図9から、発振波長530nm時の実効屈折率差が4.2×10−3であるのに対し、500nm時の実効屈折率差が3.95×10−3、560nm時の実効屈折率差が4.45×10−3であることから、そのずれは発振波長530nm時の実効屈折率差を基準としておよそ6%のずれしかないことがわかる。従って、発振波長範囲を500nm〜560nmの範囲まで拡張したとしても、横方向の光閉じ込め効果は十分に得られるものと考える。FIG. 9 shows that the thickness of the
図10は、第1のガイド層313の膜厚を0.17μm、第1のクラッド層12の膜厚を0.5μm、第2のクラッド層14のAl組成を0.07、第1の屈折率補正層15の膜厚を0.4μmとした場合における、導波路損失の発振波長依存性を示している。この図10から、発振波長530nm時の導波路損失が8.2cm−1であるのに対し、500nm時の導波路損失が6.9cm−1、560nm時の導波路損失が9.5cm−1であることから、そのずれはおよそ1.3cm−1のずれしかないことがわかる。従って、発振波長範囲を500nm〜560nmの範囲まで拡張したとしても、導波路損失の抑制効果は十分に得られるものと考える。FIG. 10 shows that the thickness of the
従って、上記(式1)、(式2)、(式3)、(式4)は、その発光装置発振波長を530nmとした場合のシミュレーション結果に基づき算出しているが、これは500nm〜560nmの範囲まで拡張しても、垂直方向の光閉じ込め効果の向上と歪発生の抑制との両立を図る上で適応できているといえる。 Therefore, the above (Equation 1), (Equation 2), (Equation 3), and (Equation 4) are calculated based on the simulation result when the light emitting device oscillation wavelength is 530 nm, which is 500 nm to 560 nm. It can be said that even if it is expanded to the above range, it can be applied to achieve both improvement of the light confinement effect in the vertical direction and suppression of distortion generation.
なお、図11は、第1のガイド層313の膜厚を0.17μm、第1のクラッド層12の膜厚を0.5μm、第2のクラッド層14のAl組成を0.07、第1の屈折率補正層15の膜厚を0.4μmとした場合における、光閉じ込め係数の発振波長依存性を示している。この図11から、発振波長530nm時の光閉じ込め係数が1.23(%)であるのに対し、500nm時の光閉じ込め係数が1.33(%)、560nm時の光閉じ込め係数が1.13(%)であることから、そのずれはおよそ0.1%のずれしかないことがわかる。従って、発振波長範囲を500nm〜560nmの範囲まで拡張したとしても、垂直方向の光閉じ込め効果についても十分に得られるものと考える。
In FIG. 11, the thickness of the
以下、必須の構成ではない任意の構成を含めたより具体的な実施例につき説明する。 Hereinafter, more specific embodiments including arbitrary configurations that are not essential configurations will be described.
図1に示す実施例においては、第2のクラッド層14の上部がリッジ14Aを構成する。
In the embodiment shown in FIG. 1, the upper portion of the
リッジ14Aの幅は、リッジ14A内を導波可能な水平横モードの最高次数に影響する。リッジ14Aの幅が大きいと、導波可能な水平横モードの最高次数が大きくなり、マルチ横モード発振を生じやすくなる。逆にリッジ14Aの幅が小さいと、最高次数も小さくなり、高次横モードが全てカットオフされると、基本(0次)横モードのみ発振する。
The width of the
電流−光出力特性において、キンク(kink)を生じさせないためには水平高次横モードがカットオフすれば良い。キンクは異なる次数の水平横モード同士が結合し光分布が変形し、電流注入により光分布に生じるモード利得や、注入電流の利用効率が低下するために生じる。このため、一般的に、キンクの発生を抑制するためには、水平高次横モードがカットオフし、基本横モードのみで動作するようにリッジ幅が2μm以下の狭いストライプ幅の導波路を形成する。 In order to prevent kinks from occurring in the current-light output characteristics, the horizontal higher-order transverse mode may be cut off. Kink occurs because horizontal transverse modes of different orders are combined to deform the light distribution, and the mode gain generated in the light distribution by current injection and the efficiency of using the injected current are reduced. Therefore, in general, in order to suppress the occurrence of kinks, the horizontal high-order transverse mode is cut off, and a waveguide having a narrow stripe width with a ridge width of 2 μm or less is formed so as to operate only in the fundamental transverse mode. To do.
ここで、リッジ14Aの幅が3μm以上の水平高次横モードがカットオフされないワイドストライプ構造を考えると、電流−光出力特性における非線形性の大きいキンクを生じさせないためには、同時に発振している異なる次数の水平横モードを可能な限り多くする方が良い。これは、異なる次数の水平横モード同士が結合した場合、光分布に変形が生じキンクが生じるが、同時に発振している横モードの数が多いと、その結合の影響が相対的に小さくなるため、逆に非線形の大きいキンクが生じにくくなるためである。同時にレーザ発振する水平横モードが最低3種あれば、横モード同士の結合が生じた場合の光分布の変形の影響を低減することが出来き、実用上支障のない良好な線形性を有する電流−光出力特性を実現することができる。
Here, considering a wide stripe structure in which the horizontal high-order transverse mode having a width of 3 μm or more in which the
従って、線形性に優れた電流−光出力特性を得るためには、リッジ14Aの幅が大きいほうが良く、リッジ14Aの幅としては、少なくとも基本(0次)横モード、1次横モード、2次横モードが同時にレーザ発振可能な大きさである必要がある。ここで、導波可能な最高次数の水平横モードは、その実効屈折率が他の水平横モードよりも小さいため、リッジ14Aの外の水平方向への光分布の拡がりが大きい。このため、導波可能な最高次数の水平横モードは、他の水平横モードと比較して、そのモードがレーザ発振する発振しきい値が大きくなり、相対的に他のモードと比較してレーザ発振を生じにくい。このことから、最低3種の水平横モードを同時にレーザ発振させるためには、導波可能な最高次数は3次以上となるリッジ14Aの幅が必要である。
Therefore, in order to obtain a current-light output characteristic with excellent linearity, it is preferable that the width of the
また、リッジ14Aの幅が大きいとリッジ14Aの下の活性層13に注入される電流の密度が小さくなるため、高温動作において、活性層13から熱的に励起されたキャリアが第2のクラッド層14に漏れ出すキャリアオーバーフローを抑制することができる。しかしながら、リッジ14A下の電流注入される活性層13の面積が大きくなるため、レーザ発振に必要な発振しきい電流値が大きくなるため、動作電流値が増大し、動作時の消費電力が増大する。
Also, if the width of the
上記の理由により、電流−光出力特性において大きなキンクを生じさせないためにはリッジ14Aの幅は3次横モード以上がレーザ発振する大きさである必要があり、一方、消費電力をあまりに大きくさせないためにはリッジ14Aの幅は大きくしすぎないほうが良く、具体的にはリッジ14Aの幅は5μm以上、16μm以下であることが好ましい。
For the above reason, in order not to cause a large kink in the current-light output characteristics, the width of the
また、第2のクラッド層14において、電流ブロック層318の下面と、第2のガイド層315の上面との間の膜厚dpにより、リッジ14A内外の実効屈折率差を制御することが可能である。膜厚dpが小さいと屈折率の低い電流ブロック層318が活性層13に近づくため実効屈折率差が大きくなり、逆に、膜厚dpが大きいと実効屈折率差が小さくなる。さらに、窒化物系のレーザにおいて、リッジ14Aの形成には酸性やアルカリ性の溶液を用いたウェットエッチングプロセスでは、膜厚dpの大きさを精度よく制御することが非常に困難であるため、ドライエッチングプロセスを使用する必要がある。リッジ14Aの幅が4μm以上の場合、垂直方向の光分布は、膜厚dpの影響を受けにくく、リッジ14Aの導波路構造の積層構造で決まり、水平方向の光分布の裾野の拡がりの大きさのみが変化する。このため、膜厚dpを変化させても、リッジ14A内の光分布形状変化は非常に小さく、導波路損失や、活性層13への垂直方向の光閉じ込め係数は、変化しない。従って、膜厚dpを可能な限り小さくして、実効屈折率差を大きくし、導波可能な水平横モードの次数を高めたほうが、キンクを抑制するためには効果的である。しかしながら膜厚dpを小さくしすぎると、ドライエッチングによるリッジ形成時のエッチング深さのウェハー面内のばらつきから、活性層13の深さまでエッチングされてしまう領域が発生することが懸念される。このため、膜厚dpの大きさとしては、ドライエッチング深さのウェハー面内ばらつきを考慮しつつ、可能な限り小さい方がよく、50nm以下であることが好ましい。本実施の形態では30nmとしている。dpが30nm±20nmの範囲で変化しても、導波路損失、光分布の活性層13への垂直方向光閉じ込め係数は殆ど一定であり、実効屈折率差も所望の値に精度よく制御することが可能である。
In the
なお、図16に示すごとく、第2のクラッド層14の上方には、第2の導電性を有する第2の屈折率補正層16を設け、第2のクラッド層14の上部と、第2の屈折率補正層16とによりリッジ14Aを構成してもよい。そして、第2の屈折率補正層16はInAlN層からなる構成としている。このような構成とすることにより、第2の屈折率補正層16の屈折率が、AlGaN層からなる第2のクラッド層14の屈折率よりも小さくなるため、垂直方向の光分布を活性層13への光閉じ込め効果を増大することが可能となるためである。
As shown in FIG. 16, the second refractive
図1に示すリッジ14Aの側面及び第2のクラッド層14の上面には、電流ブロック層318を設けている。電流ブロック層318としてはSiO2などを用いることができ、SiO2を用いた場合には、屈折率が1.5以下となる。このような電流ブロック層318を設けることにより、リッジ14A内外での実効屈折率差を形成することができる。例えば、第2のクラッド層14のAl組成が0.1の場合、その屈折率は2.4であり、電流ブロック層318の屈折率が第2のクラッド層14の屈折率よりも低くなるため、リッジ14A内外での実効屈折率差を形成することができる。A
なお、図16に示す構成においても同様に、リッジ14Aの側面及び第2のクラッド層14の上面に、SiO2などからなる電流ブロック層318を設けることによりリッジ14A内外での実効屈折率差を形成することができる。
In the configuration shown in FIG. 16 as well, an effective refractive index difference inside and outside the
なお、基板11がGaNからなる構成としてもかまわないが、サファイア基板を第1層として用意し、その上層にGaN層を形成するような複数層構造としてもかまわない。あるいは、サファイア基板ではなくシリコン基板等を第1層として用意し、その上層にGaN層を形成する複数層構造としてもかまわない。
The
図1、図16に示す第1のガイド層313のIn組成は0.04以下としている。このような構成とすることにより、活性層13に欠陥が生じるのを抑制することができる。基板11に用いられるGaNの格子定数と第1のガイド層313の格子定数との差を小さくすることができるためである。
The In composition of the
また、第2のガイド層315のIn組成についても同様に、0.04以下とすることが望ましい。
Similarly, the In composition of the
図1、図16に示す第1のガイド層313の膜厚をTng[μm]、第2のガイド層315の膜厚をTpg[μm]とした場合に、その合計膜厚が0.3[μm]以下であることが望ましい。このような構成とすることにより、抵抗の上昇を抑えることができ、その結果として、動作電圧の上方を抑制することができる。さらに、Inを含む第1のガイド層313、第2のガイド層315を薄く形成することで活性層13に欠陥が生じるのを抑制することができる。基板11に用いられるGaNの格子定数と第1のガイド層313の格子定数との差、及び基板11に用いられるGaNの格子定数と第2のガイド層315の格子定数との差を小さくすることができるためである。
When the film thickness of the
なお、図1、図16に示す第1の屈折率補正層15におけるInAlNのAl組成は0.76以上であり0.9以下であることが望ましい。この組成範囲とすることで基板11に用いるGaNの格子定数と第1の屈折率補正層15の格子定数とのずれを小さくすることができるため、臨界膜厚を10nm以上とすることができる。
Note that the Al composition of InAlN in the first refractive
また、第2の屈折率補正層16についても同様に、InAlN層のAl組成が0.76以上であり0.9以下であることが望ましい。基板11に用いるGaN層の格子定数と第2の屈折率補正層16の格子定数とのずれを小さくすることができ、臨界膜厚を10nm以上とすることができるためである。
Similarly, in the second refractive
図1、図16に示すごとく、基板11の下面には第1の電極321を設けている。
As shown in FIGS. 1 and 16, a
図1、図16に示すごとく、リッジ14Aの上方にはコンタクト層317を設け、コンタクト層317の上方及び電流ブロック層318の側面、及び上面に第2の電極320を設けている。
As shown in FIGS. 1 and 16, a
なお、図1、図16に示す実施例においては、第1の屈折率補正層15がInAlN層からなる構成を示したが、この第1の屈折率補正層15をInAlN層とGaN層との超格子により構成してもかまわない。その際には、InAlN層の総膜厚が第1の屈折率補正層15の膜厚の20%以上であることが望ましい。このような構成の超格子の屈折率は、Al組成が0.1のAlGaNの屈折率よりも低くなるため、屈折率補正層としての機能を十分に果たすことができるためである。
1 and FIG. 16, the first refractive
また、第1の屈折率補正層15がInAlN層を含む構成としていることにより、垂直方向の光閉じ込め効果の向上と歪発生の抑制との両立を図ることができる。その理由について以下、説明する。
In addition, since the first refractive
まず、GaN層からなる基板11とGaN層からなる第1のクラッド層12との間に、GaNよりも屈折率の小さいInAlN層を含む第1の屈折率補正層15を配置することにより、垂直方向の光閉じ込め効果を得ることができる。
First, a first refractive
また、GaNの格子定数と比較して、InNの格子定数は大きく、AlNの格子定数は小さいため、第1の屈折率補正層15内のInとAlの組成比を調整することにより、GaNからなる基板11に対する格子定数のずれを小さくすることができる。
In addition, since the lattice constant of InN is large and the lattice constant of AlN is small compared to the lattice constant of GaN, by adjusting the composition ratio of In and Al in the first refractive
その結果として、垂直方向の光閉じ込め効果の向上と歪発生の抑制との両立を図ることができる。 As a result, it is possible to achieve both improvement in the vertical light confinement effect and suppression of distortion generation.
さらに、第2の屈折率補正層16についても同様に、InAlN層のみで構成してもよく、InAlN層とGaN層との超格子により構成してもよい。InAlN層とGaN層との超格子により構成する場合には、InAlN層の総膜厚が第2の屈折率補正層16の膜厚の20%以上とすることが望ましい。このような構成の超格子の屈折率は、Al組成が0.1のAlGaNの屈折率よりも低くなるため、屈折率補正層としての機能を十分に果たすことができるためである。
Further, similarly, the second refractive
なお、第1の屈折率補正層15の膜厚は0.4μm以上であることが望ましい。0.4μm以上にすることによって、導波路損失を小さく、且つ実効屈折率差、光閉じ込め係数共に大きい構成を実現することができる。また、第1の屈折率補正層15の膜厚は0.4μm以上であれば、導波路損失、実効屈折率差、光閉じ込め係数の値の変化は無視できる程度に小さくなる。その理由につき以下、説明する。
The film thickness of the first refractive
図12は第1の屈折率補正層15の膜厚が0.2μmであり、発光装置の発振波長を530nm、第1のガイド層313のIn組成を0.02、第2のガイド層315の膜厚が0.1μmとした場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
In FIG. 12, the thickness of the first refractive
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference.
図13は、第1の屈折率補正層15の膜厚が0.4μmであり、それ以外の条件は図11と同じとした場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
FIG. 13 shows the waveguide loss, optical confinement coefficient, and effective refractive index difference when the thickness of the first refractive
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference.
図14は、第1の屈折率補正層15の膜厚が0.6μmであり、それ以外の条件は図12と同じとした場合における、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差についての第1のガイド層313、及び第1のクラッド層12の膜厚依存性を示している。
FIG. 14 shows the waveguide loss, optical confinement coefficient, and effective refractive index difference when the film thickness of the first refractive
ここで、実線が導波路損失の等高線を、一点鎖線が光閉じ込め係数の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, the alternate long and short dash line indicates the contour line of the optical confinement coefficient, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference.
まず、図12と13とを比較すると、図12に示す導波路損失の等高線よりも、図13に示す導波路損失の等高線が、第1のガイド層313の膜厚及び第1のクラッド層12の膜厚が小さい方向に位置しており、全体として導波路損失の低い領域が広がっていることがわかる。一方、図13と図14とを比較すると、導波路損失の等高線の配置関係について両者間にほとんど差異がないことが確認できる。
First, comparing FIG. 12 with FIG. 13, the waveguide loss contour shown in FIG. 13 shows the thickness of the
また、図12と図13とを比較すると、図12に示す実効屈折率差の等高線よりも、図13に示す実効屈折率差の等高線が、第1のガイド層313の膜厚及び第1のクラッド層12の膜厚が大きい方向に位置しており、全体として実効屈折率差の高い領域が広がっていることがわかる。一方、図13と図14とを比較すると、実効屈折率差の等高線は位置関係について両者間にほとんど差異がないことが確認できる。
Further, when FIG. 12 is compared with FIG. 13, the effective refractive index difference contour shown in FIG. 13 is more effective than the effective refractive index difference contour shown in FIG. It can be seen that the
これら図12〜図14の比較から、第1の屈折率補正層15の膜厚を0.4μm以上にすることにより、導波路損失が小さく、且つ横方向の光閉じ込め効果が大きい構成を実現することができる。また、第1の屈折率補正層15の膜厚は0.4μm以上であれば、導波路損失、実効屈折率差の値の変化は無視できる程度に小さくなることが確認できる。
From the comparison of FIGS. 12 to 14, by setting the film thickness of the first refractive
さらに、図12と13とを比較すると、図12に示す光閉じ込め係数の等高線よりも、図13に示す光閉じ込め係数の等高線が、第1のガイド層313の膜厚及び第1のクラッド層12の膜厚が大きい方向に位置しており、全体として光閉じ込め係数の大きい領域が広がっていることがわかる。一方、図13と図14とを比較すると、光閉じ込め係数の等高線の配置関係について両者間にほとんど差異がないことが確認できる。従って、第1の屈折率補正層15の膜厚を0.4μm以上にすることにより、垂直方向の光閉じ込めが大きい構成を実現することができる。また、第1の屈折率補正層15の膜厚は0.4μm以上であれば、光閉じ込め係数の値の変化は無視できる程度に小さくなることが確認できる。
Further, comparing FIGS. 12 and 13, the contour lines of the optical confinement coefficient shown in FIG. 13 are larger than the contour lines of the optical confinement coefficient shown in FIG. It can be seen that the region where the optical confinement coefficient is large spreads as a whole. On the other hand, when FIG. 13 and FIG. 14 are compared, it can be confirmed that there is almost no difference between the two in terms of the arrangement relationship of the contour lines of the optical confinement coefficient. Therefore, by setting the film thickness of the first refractive
なお、これらの結果に基づき、上述した図3〜図8のシミュレーションにおいては、第1の屈折率補正層15の膜厚が0.4μm以上の場合を想定して算出している。
Based on these results, the above-described simulations of FIGS. 3 to 8 are calculated assuming that the film thickness of the first refractive
なお、第2のクラッド層14の膜厚は0.5μm以上であることが望ましい。0.5μm以上にすることによって、導波路損失が小さく、且つ実効屈折率差が大きい構成をより安定的に実現することができる。また、第2のクラッド層14の膜厚は0.5μm以上であれば、導波路損失、実効屈折率差の値の変化は無視できる程度に小さくなる。その理由につき以下、説明する。
The film thickness of the
図15は、第1の屈折率補正層15の膜厚が0.4μm以上、発光装置の発振波長を530nm、第1のガイド層313のIn組成を0.02、第2のガイド層315の膜厚が0.1μmとした場合における、導波路損失、実効屈折率差についての第2のクラッド層14のAl組成依存性、及び第2のクラッド層14の膜厚依存性を示している。
FIG. 15 shows that the thickness of the first refractive
ここで、実線が導波路損失の等高線を、破線が実効屈折率差の等高線を示している。 Here, the solid line indicates the contour line of the waveguide loss, and the broken line indicates the contour line of the effective refractive index difference.
図15に示すように、導波路損失は第2のクラッド層14の膜厚が大きくなるに従って減少、または増加し、第2のクラッド層14の膜厚が0.5μmとなった時点で飽和する。
As shown in FIG. 15, the waveguide loss decreases or increases as the thickness of the
また、図15に示すように、実効屈折率差は第2のクラッド層14の膜厚が大きくなるに従って増加しており、第2のクラッド層14の膜厚が0.5μmとなった時点で飽和する。
Further, as shown in FIG. 15, the effective refractive index difference increases as the thickness of the
これらのことから、第2のクラッド層14の膜厚を0.5μm以上にすることによって、導波路損失が小さく、且つ実効屈折率差が大きい構成をより安定して実現することができる。また、第2のクラッド層14の膜厚が0.5μm以上であれば、導波路損失、実効屈折率差の値の変化は無視できる程度に小さくなることを確認することができる。
For these reasons, by setting the thickness of the
また、この図15において、第2のクラッド層14の膜厚が0.5μm以上である範囲に着目すると、第2のクラッド層14のAl組成が0.08以下であれば実効屈折率差を3×10−3以上にすることができ、第2のクラッド層14のAl組成が0.05以上であれば導波路損失を15cm−1以下にすることができる。従って、第2のクラッド層14のAl組成を0.05以上0.08以下にすることにより、実効屈折率差が大きく、導波路損失が小さい構成を実現することができる。Further, in FIG. 15, focusing on the range in which the film thickness of the
なお、これらの結果に基づき、上述した図3〜図8のシミュレーションにおいては第2のクラッド層14の膜厚が0.5μm以上であり、第2のクラッド層14のAl組成が0.07の範囲にある場合を想定して算出している。
Based on these results, in the simulations of FIGS. 3 to 8 described above, the thickness of the
なお、図15を用いて上述したように、第2のクラッド層14の膜厚が0.5μm以上の範囲内であれば、第2のクラッド層14の膜厚に対する導波路損失と、実効屈折率差の変化が飽和傾向を示すことがわかる。さらに、第2のクラッド層14のAl組成が0.05以上、0.08以下の範囲であって、第2のクラッド層14の膜厚が0.5μm以上、0.8μm以下の範囲内では、その導波路損失は8cm−1から12cm−1の範囲に制御され、実効屈折率差は3.5×10−3から5.1×10−3の範囲に制御される。即ち、12cm−1以下の低損失と3×10−3以上の実効屈折率差を安定して得ることが可能であることがわかる。具体的には、第2のクラッド層14の膜厚が0.5μmであり、第2のクラッド層14のAl組成が0.05の場合においては、導波路損失が12cm−1、実効屈折率差が4.2×10−3であることがわかる。一方、第2のクラッド層14の膜厚が0.5μmであり、第2のクラッド層14のAl組成が0.08の場合においては、導波路損失が8.7cm−1、実効屈折率差が3.2×10−3となることがわかる。従って、この第2のクラッド層14のAl組成が0.05以上0.08以下の範囲内であれば、Al組成による導波路損失、及び実効屈折率差への影響は非常に小さいものと考えられる。従って、上述した図3〜図8のシミュレーション結果は、第2のクラッド層14のAl組成が0.05以上、0.08以下の範囲内で有効であるといえる。As described above with reference to FIG. 15, if the film thickness of the
本開示の半導体発光装置は、GaNからなる基板を有する半導体発光装置において、その光閉じ込め効果の向上と歪発生の抑制との両立を図ることができ、照明用光源、車載用光源、ディスプレイ用光源、その他の電子装置、情報処理装置などにおいて有用である。 The semiconductor light-emitting device of the present disclosure is a semiconductor light-emitting device having a substrate made of GaN, and can achieve both improvement of the light confinement effect and suppression of distortion generation. It is useful in other electronic devices and information processing devices.
1 基板
2 n型クラッド層
3 活性層
4 p型クラッド層
5 電流ブロック層
6 p型コンタクト層
11 基板
12 第1のクラッド層
13 活性層
14 第2のクラッド層
14A リッジ
15 第1の屈折率補正層
16 第2の屈折率補正層
313 第1のガイド層
315 第2のガイド層
317 コンタクト層
318 電流ブロック層
320 第2の電極
321 第1の電極1 substrate 2 n-
Claims (18)
前記基板の上方に設けられた第1の導電性を有する第1の屈折率補正層と、
前記第1の屈折率補正層の上方に設けられた第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層の上方に設けられた活性層と、
前記活性層の上方に設けられた第2の導電性を有する第2のクラッド層と、
を備え、
前記第1のクラッド層と前記活性層の間に第1のガイド層を有し、
前記第2のクラッド層はリッジを有し、
前記基板はGaN層であり、
前記第1の屈折率補正層はInAlN層を含み、
前記第1のクラッド層はGaN層であり、
前記第1のガイド層がInGaN層であり、
前記活性層はInGaN層であり、
前記第2のクラッド層はAlGaN層であり、
前記第1のクラッド層の膜厚をTncとし、
前記第1のガイド層の膜厚をTngとした場合に、
Tng[μm]≦−0.98Tnc[μm]+0.76[μm]
Tng[μm]≧−0.98Tnc[μm]+0.56[μm]
の2式を満たし、
発光波長が500nm以上かつ560nm以下である半導体発光装置。A substrate,
A first refractive index correction layer having a first conductivity provided above the substrate;
A first cladding layer provided above the first refractive index correction layer;
An active layer provided above the first cladding layer;
A second clad layer having second conductivity provided above the active layer;
With
Having a first guide layer between the first cladding layer and the active layer;
The second cladding layer has a ridge;
The substrate is a GaN layer;
The first refractive index correction layer includes an InAlN layer;
The first cladding layer is a GaN layer;
The first guide layer is an InGaN layer;
The active layer is an InGaN layer;
The second cladding layer is an AlGaN layer;
The film thickness of the first cladding layer is Tnc,
When the film thickness of the first guide layer is Tng,
Tng [μm] ≦ −0.98 Tnc [μm] +0.76 [μm]
Tng [μm] ≧ −0.98 Tnc [μm] +0.56 [μm]
Satisfies the following two formulas,
A semiconductor light emitting device having an emission wavelength of 500 nm or more and 560 nm or less.
前記InAlN層の総膜厚が前記第1の屈折率補正層の膜厚の20%以上である
請求項1に記載の半導体発光装置。The first refractive index correction layer comprises a superlattice of an InAlN layer and a GaN layer,
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a total film thickness of the InAlN layer is 20% or more of a film thickness of the first refractive index correction layer.
請求項1に記載の半導体発光装置。The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein an In composition of the first guide layer is 0.04 or less.
前記第2のガイド層がInGaN層からなる
請求項1に記載の半導体発光装置。Having a second guide layer between the second cladding layer and the active layer;
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the second guide layer is an InGaN layer.
前記第1のガイド層の膜厚をTngとし、
前記第2のガイド層の膜厚をTpgとした場合に、
Tng[μm]≦−0.98Tnc[μm]−1.2Tpg[μm]+0.76[μm]の関係式を満たす
請求項4に記載の半導体発光装置。The film thickness of the first cladding layer is Tnc,
The film thickness of the first guide layer is Tng,
When the film thickness of the second guide layer is Tpg,
The semiconductor light-emitting device according to claim 4, satisfying a relational expression of Tng [μm] ≦ −0.98 Tnc [μm] −1.2 Tpg [μm] +0.76 [μm].
請求項5に記載の半導体発光装置。The semiconductor light emitting device according to claim 5, satisfying a relational expression of Tng [μm] ≧ −0.98 Tnc [μm] −1.2 Tpg [μm] +0.56 [μm].
の関係式を満たす
請求項6に記載の半導体発光装置。Tng [μm] + Tpg [μm] ≦ 0.3 [μm]
The semiconductor light emitting device according to claim 6, satisfying the relational expression:
請求項4に記載の半導体発光装置。The semiconductor light-emitting device according to claim 4, wherein the In composition of the first guide layer is 0.04 or less.
請求項4に記載の半導体発光装置。The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein the In composition of the second guide layer is 0.04 or less.
前記第2の屈折率補正層がInAlN層を含む
請求項1に記載の半導体発光装置。A second refractive index correction layer having a second conductivity above the second cladding layer;
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the second refractive index correction layer includes an InAlN layer.
前記InAlNの総膜厚が前記第2の屈折率補正層の膜厚の20%以上である
請求項10に記載の半導体発光装置。The said 2nd refractive index correction layer consists of a superlattice of an InAlN layer and a GaN layer, and the total film thickness of the said InAlN is 20% or more of the film thickness of the said 2nd refractive index correction layer. Semiconductor light emitting device.
サファイア基板と、
前記サファイア基板の上方に設けられたGaN層とからなる
請求項1に記載の半導体発光装置。The substrate is a sapphire substrate;
The semiconductor light-emitting device according to claim 1, comprising a GaN layer provided above the sapphire substrate.
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上方に設けられたGaN層とからなる
請求項1に記載の半導体発光装置。The substrate is a silicon substrate;
The semiconductor light-emitting device according to claim 1, comprising a GaN layer provided above the silicon substrate.
請求項1に記載の半導体発光装置。2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein an Al composition of InAlN in the first refractive index correction layer is 0.76 or more and 0.9 or less.
請求項10に記載の半導体発光装置。The semiconductor light emitting device according to claim 10, wherein an Al composition of InAlN in the second refractive index correction layer is 0.76 or more and 0.9 or less.
請求項1に記載の半導体発光装置。2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein an Al composition of the second cladding layer is 0.05 or more and 0.08 or less.
請求項1に記載の半導体発光装置。The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the film thickness of the second cladding layer is 0.5 μm or more.
請求項1に記載の半導体発光装置。The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the film thickness of the first refractive index correction layer is 0.4 μm or more.
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