WO2024062979A1 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Classifications
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- 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
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- 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
Definitions
- the present disclosure relates to a semiconductor laser device.
- Patent Document 1 describes a semiconductor laser device having an undoped p-side compositionally graded layer and an undoped p-side intermediate layer between an active layer and an electron barrier layer.
- One aspect of the semiconductor laser device in the present disclosure aims to obtain a semiconductor laser device that can reduce carrier loss.
- One aspect of the semiconductor laser element according to the present disclosure is a semiconductor laser element having, in this order, an n-side semiconductor layer, an active layer, and a p-side semiconductor layer, each of which is made of a nitride semiconductor, in this order from the top, the p-side semiconductor layer having one or more semiconductor layers and being undoped, an electron barrier layer having a band gap energy larger than that of the first portion and containing a p-type impurity, and a second portion having one or more p-type semiconductor layers containing a p-type impurity, in this order from the top, the first portion comprising: a first p-side compositionally graded layer made of In x Ga 1-x N and having an In composition ratio x decreasing in the range of 0 or more and less than 1 as it goes upward; a second p-side compositionally graded layer made of Al y Ga 1-y N and having an Al composition ratio y increasing in the range of more than 0 and less than 1 as it goes upward; and an intermediate
- a semiconductor laser device that can reduce carrier loss can be obtained.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
- 2 is a diagram illustrating an example of a layer structure of a p-side semiconductor layer of the semiconductor laser element of FIG. 1.
- 2 is a diagram schematically showing an example of the layer structure of an n-side semiconductor layer of the semiconductor laser device of FIG. 1.
- FIG. 3 is a diagram schematically showing another example of the layer structure of the active layer.
- 2 is a partially enlarged view of the first p-side compositionally graded layer and its vicinity of the semiconductor laser device of FIG. 1.
- FIG. 2 is a partially enlarged view of a second p-side compositionally graded layer and its vicinity of the semiconductor laser device of FIG. 1.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser device 100 according to this embodiment, showing a cross section of the semiconductor laser device 100 in a direction perpendicular to the resonator direction.
- FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the layer structure of the p-side semiconductor layer 4 of the semiconductor laser device 100.
- FIG. 2 schematically shows the magnitude relationship of the band gap energy of each layer.
- the one-dot chain line in FIG. 2 is a line indicating the position of the bottom surface of the ridge 4a.
- the bottom surface of the ridge 4a refers to a surface connecting the lowest sides of both side surfaces of the ridge 4a.
- the semiconductor laser device 100 has an n-side semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4, each made of a nitride semiconductor, in this order upward.
- the direction from the n-side semiconductor layer 2 to the p-side semiconductor layer 4 is referred to as upper or upper, and the opposite direction is referred to as lower or lower.
- Such an up-down direction does not have to coincide with the direction of gravity when the semiconductor laser device 100 is used.
- the p-side semiconductor layer 4 has a first portion 41, an electron barrier layer 42, and a second portion 43 in this order upward.
- the first portion 41 has one or more semiconductor layers.
- the first portion 41 is undoped.
- the electron barrier layer 42 has a band gap energy larger than that of the first portion 41 and contains a p-type impurity.
- the second portion 43 has one or more p-type semiconductor layers containing a p-type impurity.
- undoped means that the doping is not intentionally performed.
- a concentration that does not exceed the detection limit in the analysis result of secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like may be called undoped.
- a state in which the impurity concentration is less than 1 ⁇ 10 17 /cm 3 may be called undoped.
- the first portion 41 may be called undoped if the concentrations of p-type impurities and n-type impurities are below the detection limit.
- the concentration of the p-type impurity detected is preferably less than 1 ⁇ 10 18 /cm 3.
- the thickness of a certain layer or part refers to the shortest distance from the lower surface to the upper surface of the layer or part.
- the shortest distance between flat parts of the lower surface and/or the upper surface that do not have such recesses and/or protrusions may be the thickness of the layer or part.
- the distance from one layer to another layer refers to the shortest distance from one layer to another layer.
- the shortest distance between flat portions of the lower and/or upper surfaces that do not have such concave and/or convex portions may be taken as the distance between the layers.
- the magnitude relationship of the band gap energy can be determined from the composition of the semiconductors to be compared. For example, if two layers to be compared are both made of AlGaN, the layer with a relatively higher Al composition ratio is determined to be the layer with a relatively higher band gap energy.
- the first portion 41 includes a first p-side compositionally graded layer 411 , a second p-side compositionally graded layer 412 disposed between the first p-side compositionally graded layer 411 and the electron barrier layer 42 , and a first p-side compositionally graded layer 411 . and a second p-side compositionally graded layer 412.
- the first p-side compositionally graded layer 411 is made of In x Ga 1-x N, and the In composition ratio x decreases in the range of 0 or more and less than 1 as it goes upward.
- the second p-side compositionally graded layer 412 is made of Al y Ga 1-y N, and the Al composition ratio y increases in a range of more than 0 and less than 1 as it goes upward.
- the intermediate layer 413 (first intermediate layer) is made of Al z Ga 1-z N, and the Al composition ratio z is greater than 0 and less than y.
- the second p-side compositionally graded layer 412 By providing the second p-side compositionally graded layer 412, it is possible to gradually change the band gap energy toward the electron barrier layer 42, and it is possible to reduce the influence of band spikes that occur at heterointerfaces where there is a difference in band gap energy. can.
- the effect of band spikes is that electrons are generated by band spikes, holes are relatively reduced, and carrier loss is increased.
- the first p-side compositionally graded layer 411 is made of In x Ga 1-xN
- the second p-side compositionally graded layer 412 is made of Al y Ga 1- yN. Therefore, when growing these layers, the source gas must be changed midway through.
- the switched source gas can be stabilized, and the second p-side compositionally gradient layer 412 can be formed satisfactorily.
- These layers can be formed, for example, by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
- MOCVD metal organic chemical vapor deposition
- the semiconductor laser device 100 includes a substrate 1, an n-side semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4 provided above the substrate 1.
- the semiconductor laser device 100 is an edge-emitting laser device having a light-emitting end face and a light-reflecting end face that intersect with the main surface of a semiconductor layer such as the active layer 3 .
- the p-side semiconductor layer 4 is provided with a ridge 4a that projects upward.
- the ridge 4a has a mesa structure.
- the top view shape of the ridge 4a is a shape that is elongated in the direction connecting the light emitting end surface and the light reflecting end surface, and is, for example, a rectangle whose short side is parallel to the light reflecting end surface and whose long side is perpendicular to the light reflecting end surface. It is in a state of A portion of the active layer 3 immediately below the ridge 4a and its vicinity is an optical waveguide region.
- An insulating film 5 can be provided on the side surface of the ridge 4a and the surface of the p-side semiconductor layer 4 continuous from the side surface of the ridge 4a.
- the substrate 1 is made of, for example, an n-type semiconductor, and an n-electrode 8 is provided on its lower surface. Further, a p-electrode 6 is provided in contact with the upper surface of the ridge 4a, and a p-side pad electrode 7 is further provided on the p-electrode 6.
- the semiconductor laser element 100 can emit visible laser light, for example.
- the semiconductor laser element 100 can emit, for example, blue or green laser light.
- the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser element 100 is, for example, 400 nm or more and 600 nm or less, may be 420 nm or more and 580 nm or less, or may be 500 nm or more and 580 nm or less.
- the threshold current increases and the current density during laser oscillation increases.
- the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device 100 is preferably 500 nm or more, and may be 500 nm or more and 580 nm or less.
- a nitride semiconductor substrate made of GaN or the like can be used, for example.
- the n-side semiconductor layer 2, active layer 3, and p-side semiconductor layer 4 grown on the substrate 1 include semiconductors grown substantially in the c-axis direction.
- each semiconductor layer can be grown on the +c plane.
- the +c plane as the main surface may include one having an off angle of about ⁇ 1 degree or less.
- the n-side semiconductor layer 2 can have a multilayer structure made of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, and AlGaN.
- the n-side semiconductor layer 2 includes one or more n-type semiconductor layers. Examples of the n-type semiconductor layer include a layer made of a nitride semiconductor containing n-type impurities such as Si and Ge.
- the n-side semiconductor layer 2 can have an n-side cladding layer and an n-side optical guide layer, and may also include layers other than these.
- the n-side cladding layer has a larger band gap energy than the n-side optical guide layer.
- the n-side optical guide layer is either undoped or, if it contains n-type impurities, has an n-type impurity concentration lower than that of the n-side cladding layer.
- the type impurity concentration is preferably the same.
- FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of the layer structure of the n-side semiconductor layer 2 of the semiconductor laser device 100.
- the n-side semiconductor layer 2 includes an n-side compositionally graded layer 21 disposed in contact with the lower surface of the active layer 3, an n-type semiconductor layer 22 disposed below the n-side compositionally graded layer 21, and an n-side compositionally graded layer. 21 and an n-side intermediate portion 23 disposed between the n-type semiconductor layer 22.
- the composition of the n-side compositionally graded layer 21 changes so that the bandgap energy increases as it goes downward.
- the n-type semiconductor layer 22 contains an n-type impurity and has a band gap energy larger than that of any layer constituting the first portion 41 of the p-side semiconductor layer 4.
- the distance from the n-side compositionally graded layer 21 to the n-type semiconductor layer 22 is preferably larger than the distance from the first p-side compositionally graded layer 411 to the electron barrier layer 42. This allows the electric field strength distribution in the semiconductor laser device 100 to be biased toward the n-side semiconductor layer 2, thereby reducing loss due to light absorption in the electron barrier layer 42 containing p-type impurities and the layer above it. be able to.
- the n-side semiconductor layer 2 may include layers other than these.
- the band gap energy of the n-side compositionally graded layer 21 becomes smaller as it approaches the active layer 3.
- the refractive index of the n-side compositionally gradient layer 21 increases as it approaches the active layer 3. Thereby, light confinement in the active layer 3 can be strengthened.
- the n-side compositionally gradient layer 21 is, for example, an n-side optical guide layer.
- the n-side compositionally graded layer 21 may be, for example, a layer made of In a Ga 1-a N, in which the In composition ratio a increases in the range of 0 or more and less than 1 as it goes upward.
- the average value of the compositionally graded layer can be used as a standard for determining the magnitude relationship of the bandgap energy and impurity concentration of the compositionally graded layer with other layers.
- the average value of the compositionally graded layer refers to the sum of the multiplications of the thickness and the band gap energy of each sublayer constituting the compositionally graded layer, divided by the total thickness.
- the n-side compositionally graded layer 21 is a compositionally graded layer whose lattice constant increases as it approaches the active layer 3, it is preferable to add an n-type impurity to the compositionally graded layer.
- the compositionally graded layer can be said to consist of a plurality of sublayers whose compositions differ slightly. Therefore, in a compositionally graded layer, it is difficult to avoid generation of fixed charges even if the rate of composition change is made small. By adding an n-type impurity, fixed charges can be blocked, and therefore the degree of voltage increase due to the generation of fixed charges can be reduced.
- the n-type semiconductor layer 22 is, for example, an n-type AlGaN layer.
- the n-type semiconductor layer 22 is, for example, an n-side cladding layer.
- the n-type semiconductor layer 22 and the n-side intermediate portion 23 may be in contact with each other, or another layer may be arranged between the n-type semiconductor layer 22 and the n-side intermediate portion 23.
- the distance from the n-side compositionally gradient layer 21 to the n-type semiconductor layer 22 can be less than 600 nm, and may be 400 nm or less.
- the n-side intermediate portion 23 is a layer having a band gap energy smaller than that of the n-type semiconductor layer 22.
- the n-type impurity concentration of the n-side intermediate portion 23 may be smaller than that of the n-type semiconductor layer 22.
- the n-side intermediate portion 23 is, for example, an n-type GaN layer containing n-type impurities.
- the n-side intermediate portion 23 may include a compositionally graded layer 232 whose bandgap energy decreases as it approaches the active layer 3.
- the bandgap energy at its lower end is smaller than the bandgap energy of the n-type semiconductor layer 22, and the bandgap energy at its upper end is the same as or higher than the bandgap energy at the lower end of the n-side compositionally graded layer 21. It's also big.
- the n-side intermediate portion 23 may include a composition gradient layer 232 and an intermediate layer 233 in order from the n-side composition gradient layer 21 side.
- the n-side intermediate portion 23 may include an intermediate layer 231, a compositionally gradient layer 232, and an intermediate layer 233 in this order from the n-side compositionally gradient layer 21 side.
- the intermediate layer 231 and the intermediate layer 233 are not compositionally graded layers, or are compositionally graded layers having a smaller composition change rate than the composition change rate of the compositionally graded layer 232. It is preferable that the composition gradient layer 232 is doped with an n-type impurity similarly to the n-side composition gradient layer 21. This makes it possible to reduce the degree of voltage increase caused by the generation of fixed charges.
- the intermediate layer 231 and the intermediate layer 233 may be undoped, but contain, for example, an n-type impurity.
- the thickness of the n-side intermediate portion 23 may be 100 nm or more. Thereby, light leakage to the n-type semiconductor layer 22 can be reduced.
- the thickness of the n-side intermediate portion 23 may be 400 nm or less. Thereby, light confinement in the active layer 3 can be improved.
- the active layer 3 can have a multilayer structure made of nitride semiconductor layers such as GaN and InGaN.
- the active layer 3 has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.
- the active layer 3 includes, in order from the n-side semiconductor layer 2 side, an n-side barrier layer 31, a well layer 32, and a p-side barrier layer 33.
- the active layer 3 has a multiple quantum well structure, it has a plurality of well layers 32 and an intermediate barrier layer sandwiched between the well layers 32.
- the distance from the well layer 32 closest to the n-side semiconductor layer 2 to the lower surface of the active layer 3 can be, for example, 10 nm or less.
- the distance from the well layer 32 closest to the n-side semiconductor layer 2 to the lower surface of the active layer 3 may be 0 nm, that is, the lower surface of the well layer 32 may be the lower surface of the active layer 3 .
- a layer having a bandgap energy larger than the bandgap energy of the upper end of the n-side compositionally graded layer 21 is used as at least a part of the n-side barrier layer 31.
- the n-side barrier layer 31 is arranged between the well layer 32 closest to the n-side semiconductor layer 2 and the n-side compositionally graded layer 21 .
- the distance from the well layer 32 closest to the n-side semiconductor layer 2 to the lower surface of the active layer 3 may be 1 nm or more, and may be 1 nm or more and 10 nm or less.
- the distance from the well layer 32 closest to the p-side semiconductor layer 4 to the top surface of the active layer 3 can be, for example, 5 nm or less. It is preferable that a layer having a bandgap energy larger than the bandgap energy of the lower end of the first p-side compositionally graded layer 411 is disposed as at least a portion of the p-side barrier layer 33 . Thereby, the probability of radiative recombination in the well layer 32 can be improved.
- the p-side barrier layer 33 is arranged between the well layer 32 closest to the p-side semiconductor layer 4 and the p-side semiconductor layer 4 .
- the distance from the well layer 32 closest to the p-side semiconductor layer 4 to the top surface of the active layer 3 may be 1 nm or more, and may be 1 nm or more and 5 nm or less.
- the active layer 3 is preferably formed without adding p-type impurities. Thereby, light absorption loss due to addition of p-type impurities can be suppressed.
- Each layer of the active layer 3 is, for example, an undoped layer.
- the well layer 32 is, for example, an In x Ga 1-x N well layer.
- the In composition ratio x of the In x Ga 1-x N well layer varies somewhat depending on the layer structure other than the active layer 3, but is, for example, 0.23 or more.
- the upper limit of the In composition ratio x of the well layer 32 is, for example, 0.50 or less.
- the oscillation wavelength of the semiconductor laser element is considered to be about 600 nm or less.
- FIG. 4 is a diagram schematically showing another example of the layer structure of the active layer.
- the active layer 3A shown in FIG. 4 includes an n-side barrier layer 31, a plurality of well layers 32, an intermediate barrier layer 34, and a p-side barrier layer 33.
- the plurality of well layers 32 are located between the n-side barrier layer 31 and the p-side barrier layer 33.
- the plurality of well layers 32 include a first well layer and a second well layer.
- the first well layer and the second well layer are located between the n-side barrier layer 31 and the p-side barrier layer 33.
- the intermediate barrier layer 34 is a layer sandwiched between the two well layers 32.
- the intermediate barrier layer 34 is located between the first well layer and the second well layer.
- the number of well layers 32 is plural, for example two.
- the bandgap energies of the n-side barrier layer 31, the intermediate barrier layer 34, and the p-side barrier layer 33 are larger than the bandgap energy of the well layer 32.
- the thickness of the plurality of well layers 32 is, for example, 1 nm or more and 4 nm or less. The thicknesses of the plurality of well layers 32 may be the same.
- the driving voltage of the semiconductor laser device 100 decreases as the thickness of the intermediate barrier layer 34 decreases.
- the p-side barrier layer 33 as a base layer before laminating the p-side semiconductor layer 4, it is preferable to have a certain thickness for the purpose of recovering crystallinity. Therefore, the thickness of the intermediate barrier layer 34 is preferably smaller than the thickness of the p-side barrier layer 33. This makes it possible to reduce the driving voltage of the semiconductor laser device 100 and improve the crystallinity of the p-side semiconductor layer 4 at the same time. Crystallinity can be evaluated by, for example, dislocation density. Note that the thickness of each layer refers to the thickness in the stacking direction.
- the intermediate barrier layer 34 is, for example, an undoped GaN layer.
- the thickness of the intermediate barrier layer 34 is preferably 3 nm or less, more preferably 2.5 nm or less. Thereby, the efficiency of electron injection into the well layer 32 can be improved.
- the thickness of the intermediate barrier layer 34 can be 1 nm or more, preferably 1.5 nm or more, and more preferably 2 nm or more. When the thickness of the intermediate barrier layer 34 is 1.5 nm or more, it is possible to suppress a decrease in the carrier confinement efficiency, and it is possible to suppress a decrease in the output of the semiconductor laser device 100.
- the thickness of the intermediate barrier layer 34 can be 1 nm or more and 3 nm or less, preferably 1.5 nm or more and 3 nm or less, and more preferably 1.5 nm or more and 2.5 nm or less.
- the thickness of the intermediate barrier layer 34 may be 2 nm or more and 2.5 nm or less.
- the thickness of the p-side barrier layer 33 may be greater than the thickness of one well layer 32.
- the thickness of the p-side barrier layer 33 is preferably 2.5 nm or more. Thereby, the crystallinity of the p-side semiconductor layer 4 can be improved more effectively.
- the driving voltage of the semiconductor laser device 100 increases.
- the thickness of the p-side barrier layer 33 is preferably 7 nm or less. Thereby, an increase in the driving voltage of the semiconductor laser device 100 can be suppressed.
- the thickness of the p-side barrier layer 33 is preferably 2.5 nm or more and 7 nm or less.
- the thickness of the p-side barrier layer 33 may be greater than 2.5 nm.
- the thickness of the p-side barrier layer 33 may be more than 2.5 nm and less than or equal to 7 nm.
- the p-side barrier layer 33 is preferably a GaN layer, more preferably an undoped GaN layer. Thereby, the crystallinity of the p-side semiconductor layer 4 can be improved more effectively.
- a semiconductor laser device 100 having an active layer 3A includes an n-side semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4, each made of a nitride semiconductor, in this order upward. is an n-side barrier layer 31, a p-side barrier layer 33, and a plurality of well layers 32 including a first well layer and a second well layer located between the n-side barrier layer 31 and the p-side barrier layer 33. , an intermediate barrier layer 34 located between the first well layer and the second well layer, and the thickness of the intermediate barrier layer 34 is smaller than the thickness of the p-side barrier layer 33. There may be.
- the p-side semiconductor layer 4 in this case includes one or more semiconductor layers, including a first portion 41 that is undoped, and an electron barrier layer 42 that has a larger band gap energy than the first portion 41 and contains p-type impurities. and a second portion 43 having one or more p-type semiconductor layers containing p-type impurities in this order upward.
- the p-side semiconductor layer 4 in this case may include a first p-side compositionally graded layer 411. In this case, the p-side semiconductor layer 4 does not need to have the second p-side compositionally graded layer 412 and the intermediate layer 413.
- the p-side semiconductor layer 4 can have a multilayer structure made of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, and AlGaN.
- the p-side semiconductor layer 4 can have a p-side cladding layer and a p-side optical guide layer, and may also include layers other than these.
- a transparent conductive film is provided as the p-electrode 6, this can function as a cladding layer, so there is no need to provide a cladding layer in the p-side semiconductor layer 4.
- P-side semiconductor layer 4 includes one or more p-type semiconductor layers.
- the p-type semiconductor layer examples include a layer made of a nitride semiconductor containing p-type impurities such as Mg. Since the activation rate of p-type impurities is lower than that of n-type impurities such as Si, p-type semiconductor layers are doped with p-type impurities at a higher concentration in order to obtain sufficient hole injection. This increases free carrier absorption loss due to p-type impurities.
- the first portion 41 is a portion of the p-side semiconductor layer 4 that connects the active layer 3 to the p-type impurity-containing layer.
- the first portion 41 may be placed in contact with the upper surface of the active layer 3 .
- the first portion 41 is a portion that does not contain a p-type semiconductor layer.
- a portion of the first portion 41 may include a layer containing a p-type impurity, as long as the p-type impurity concentration and thickness are such that it does not affect free carrier absorption loss.
- the first portion 41 is a portion that does not contain a p-type semiconductor layer.
- the first portion 41 preferably has a p-type impurity concentration as low as the detection limit or less by analysis such as SIMS throughout the first portion 41 .
- the entire first portion 41 is formed without intentionally adding p-type impurities during manufacturing.
- the first portion 41 can be formed to be undoped throughout.
- the upper limit of the thickness of the first portion 41 can be set to such an extent that the supply of holes from the second portion 43 is not hindered.
- the thickness of the first portion 41 can be, for example, 660 nm or less. Since there is a band gap difference between the first portion 41 and the electron barrier layer 42, it is possible to reduce the probability that electron overflow will occur. For this reason, it is preferable that the layer of the first portion 41 that is in contact with the electron barrier layer 42 has a band gap energy smaller than that of the electron barrier layer 42 .
- the first portion 41 is a lightly doped portion instead of an undoped portion, it is preferable that the p-type impurity concentration is lower than the p-type impurity concentration of the electron barrier layer 42 throughout the first portion 41; , the p-type impurity concentration is preferably lower than the p-type impurity concentration of any of the electron barrier layer 42 and the second portion 43. Further, the n-type impurity concentration of the first portion 41 is less than 2 ⁇ 10 18 /cm 3 .
- the first portion 41 has an n-type impurity concentration so low (that is, at a background level) that n-type impurities are not detected by SIMS analysis. In other words, the first portion 41 preferably does not substantially contain n-type impurities.
- the lower end of the ridge 4a is preferably located in the first portion 41. Thereby, the lower end of the ridge 4a can be brought closer to the active layer 3.
- the ridge 4a includes a part of the first portion 41, an electron barrier layer 42, and a second portion 43.
- the first p-side compositionally graded layer 411 is a layer in which the band gap energy increases as it goes upward. With such a configuration, light confinement in the active layer 3 can be strengthened.
- the first p-side compositionally graded layer 411 can be in contact with the active layer 3 .
- the first p-side compositionally graded layer 411 can be in contact with the second p-side compositionally graded layer 412 .
- the distance from the first p-side compositionally graded layer 411 to the electron barrier layer may be 150 nm or more.
- the distance from the first p-side compositionally graded layer 411 to the electron barrier layer may be 600 nm or less.
- the first p-side compositionally graded layer 411 has an upper surface and a lower surface, and its band gap energy increases from the lower surface to the upper surface.
- the band gap energy on the lower surface side of the first p-side compositionally graded layer 411 is smaller than the band gap energy on the upper surface side.
- the first p-side compositionally graded layer 411 is shown as a slope, but as described later, the compositionally graded layer can be said to be a collection of multiple sublayers with different compositions. Therefore, in the first p-side compositionally graded layer 411, the band gap energy increases in a step-like manner from the lower surface to the upper surface.
- An n-side compositionally graded layer 21 that pairs with the first p-side compositionally graded layer 411 may be provided in the n-side semiconductor layer 2.
- the band gap energy structure can be formed so that the first p-side compositionally graded layer 411 and the n-side compositionally graded layer are symmetrical with respect to the active layer 3.
- the first p-side compositionally graded layer 411 functions as, for example, a p-side optical guide layer.
- the thickness of the first p-side compositionally graded layer 411 is thicker than the well layer of the active layer 3, and also thicker than the p-side barrier layer 33 if it is present. In order to improve the optical confinement effect, the thickness of the first p-side compositionally graded layer 411 is preferably 100 nm or more.
- the thickness of the first p-side compositionally graded layer 411 can be 500 nm or less.
- the thickness of the first p-side compositionally graded layer 411 may be 200 nm or less.
- the bandgap energy at the lower end of the first p-side compositionally graded layer 411 is preferably smaller than the bandgap energy of the p-side barrier layer 33 when the p-side barrier layer 33 is provided.
- the bandgap energy at the upper end of the first p-side compositionally graded layer 411 may be equal to or higher than that of the p-side barrier layer 33.
- the first p-side compositionally graded layer 411 has a structure in which the refractive index decreases from the active layer 3 side toward the electron barrier layer 42 side, and the band gap energy increases from the active layer 3 side toward the electron barrier layer 42 side. be. Thereby, it is possible to suppress electron overflow while focusing light on the active layer 3.
- the composition of the first p-side compositionally graded layer 411 changes at a first rate of change such that the bandgap energy increases upward.
- the first rate of change is the rate of change in band gap energy, and may be calculated from the rate of change in the In composition ratio x.
- the In content of the first p-side compositionally graded layer 411 obtained by analysis such as SIMS can be plotted on a table, and the slope can be taken as the rate of change in the In composition ratio x.
- the In content obtained in the analysis may be plotted on a linear scale table, a linear approximate curve may be created from the table, and the slope of the approximate curve may be taken as the rate of change of the In composition ratio x.
- the first p-side compositionally graded layer 411 can be said to consist of a plurality of sublayers 411a, 411b, 411c, 411y, and 411z having mutually different compositions.
- FIG. 5 is a partially enlarged view of the first p-side compositionally graded layer 411 and its vicinity, and a plurality of sublayers other than these exist between the sublayer 411c and the sublayer 411y.
- the In composition ratio xa of the lowermost sublayer 411a of the first p-side compositionally graded layer 411 and the In of the uppermost sublayer 411z The relationship of the composition ratio x z is 0 ⁇ x z ⁇ x a .
- the upper limit of the In composition ratio xa of the sublayer 411a constituting the lower end of the first p-side compositionally graded layer 411 is, for example, 0.25. In consideration of suppressing deterioration of crystallinity, the In composition ratio xa is preferably 0.1 or less.
- the difference in lattice constant between adjacent sublayers is small. This allows distortion to be reduced.
- the first p-side compositionally graded layer 411 has a small thickness and gradually changes its composition. Specifically, it is preferable that the In composition ratio x of the first p-side compositionally graded layer 411 decreases with each thickness of 25 nm or less from the bottom surface to the top surface. That is, it is preferable that the thickness of each sublayer 411a, 411b, 411c, 411y, and 411z is 25 nm or less.
- each sublayer 411a, 411b, 411c, 411y, and 411z is more preferably 20 nm or less, may be 10 nm or less, and may be 5 nm or less.
- the lower limit of the thickness of each sublayer 411a, 411b, 411c, 411y, and 411z is, for example, about one atomic layer (about 0.25 nm).
- the difference in In composition ratio x between adjacent sublayers (for example, sublayer 411a and sublayer 411b) is preferably 0.005 or less, more preferably 0.001 or less.
- the lower limit of the difference in In composition ratio x between adjacent sublayers is, for example, about 0.00007.
- the number of times the composition changes in the first p-side compositionally graded layer 411 is preferably 90 or more.
- the preferred ranges of its composition, composition change rate, and thickness may be similar to those of the first p-side compositionally graded layer 411.
- the second p-side compositionally graded layer 412 is arranged between the first p-side compositionally graded layer 411 and the electron barrier layer 42 .
- the second p-side compositionally graded layer 412 has an upper surface and a lower surface, and its band gap energy increases from the lower surface to the upper surface.
- the bandgap energy on the lower surface side of the second p-side compositionally graded layer 412 is smaller than the bandgap energy on the upper surface side.
- a compositionally graded layer can be said to be an aggregate of a plurality of sublayers having different compositions. It can be said that it is increasing in a stepwise manner.
- the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 can be 2 nm or more. Thereby, band spikes can be effectively reduced.
- the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 may be 10 nm or more, and may be 50 nm or more. Thereby, light leakage to the electron barrier layer 42 and the second portion 43 can be reduced, and light absorption loss can be reduced.
- the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 may be greater than the thickness of the well layer included in the active layer 3. When the p-side barrier layer 33 is present, the second p-side compositionally graded layer 412 may be thicker than the p-side barrier layer 33 .
- the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 is preferably 250 nm or less, may be 200 nm or less, and may be 100 nm or less.
- the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 may be 2 nm or more and 250 nm or less, and may be 10 nm or more and 250 nm or less.
- the band gap energy of the lower end of the second p-side compositionally graded layer 412 is larger than the band gap energy of the upper end of the first p-side compositionally graded layer 411.
- the band gap energy of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 is smaller than the band gap energy of the electron barrier layer 42.
- the band gap energy of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 may be larger than the band gap energy of the layer constituting the lower end of the second portion 43.
- the Al composition ratio y of the lower end of the second p-side compositionally graded layer 412 is preferably 0.05 or less, exceeding the Al composition ratio z of the intermediate layer 413.
- the Al composition ratio y of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 is preferably 0.1 or less. This makes it easier to reduce the effect of band spikes.
- the second p-side compositional gradient layer 412 has a structure in which the refractive index decreases from the active layer 3 side toward the electron barrier layer 42 side, and the band gap energy increases from the active layer 3 side toward the electron barrier layer 42 side.
- the second p-side compositional gradient layer 412 changes in composition so that the band gap energy increases upward at a second rate of change smaller than the first rate of change. This makes it easier to reduce the effect of band spikes.
- the second rate of change can be obtained in the same manner as the first rate of change. That is, the second rate of change is the rate of change of the band gap energy, and may be obtained by calculation from the rate of change of the Al composition ratio y.
- the Al content of the second p-side compositional gradient layer 412 obtained by analysis such as SIMS can be plotted in a table, and the slope of the table can be used as the rate of change of the Al composition ratio y.
- the Al content obtained by the analysis can be plotted in a table on a linear scale, a linear approximation curve can be created from the table, and the slope of the approximation curve can be used as the rate of change of the Al composition ratio y.
- the magnitude relationship between the first rate of change and the second rate of change can be compared by creating a linear approximation curve for these.
- the second p-side compositionally graded layer 412 can be said to consist of a plurality of sublayers 412a, 412b, 412c, 412y, and 412z having mutually different compositions.
- FIG. 6 is a partially enlarged view of the second p-side compositionally graded layer 412 and its vicinity, and a plurality of sublayers other than these exist between the sublayer 412c and the sublayer 412y.
- the Al composition ratio y a of the lowermost sublayer 412a of the second p-side compositionally graded layer 412 and the Al composition ratio of the uppermost sublayer 412z The relationship with the composition ratio y z is y a ⁇ y z ⁇ 1.
- the Al composition ratio y a of the sublayer 412a constituting the lower end of the second p-side compositionally graded layer 412 can be set to z ⁇ y a ⁇ 0.05.
- z is the Al composition ratio of the intermediate layer 413.
- the Al composition ratio y z of the sub-layer 412z constituting the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 can be set to y a ⁇ y z ⁇ 0.1.
- the Al composition ratio y increases from the bottom surface to the top surface for each thickness of 25 nm or less. That is, it is preferable that the thickness of each sublayer 412a, 412b, 412c, 412y, and 412z is 25 nm or less. Thereby, distortion occurring between adjacent sublayers can be reduced.
- the thickness of each sublayer 412a, 412b, 412c, 412y, 412z is more preferably 20 nm or less, may be 10 nm or less, and may be 5 nm or less.
- each sublayer 412a, 412b, 412c, 412y, and 412z is, for example, about one atomic layer (about 0.25 nm).
- the difference in Al composition ratio y between adjacent sublayers is preferably 0.005 or less, more preferably 0.001 or less.
- the lower limit of the difference in Al composition ratio y between adjacent sublayers is, for example, about 0.00007. It is preferable that such a range is filled throughout the second p-side compositionally graded layer 412. That is, it is preferable that all sublayers fall within such a range.
- the number of times the composition changes in the second p-side compositionally graded layer 412 is preferably 10 or more, more preferably 30 or more.
- compositionally graded layer 232 When the compositionally graded layer 232 is provided in the n-side intermediate portion 23, the composition, composition change rate, and thickness thereof may have the same preferred ranges as those of the second p-side compositionally graded layer 412.
- the intermediate layer 413 is arranged between the first p-side compositionally graded layer 411 and the second p-side compositionally graded layer 412.
- the intermediate layer 413 is in contact with the second p-side compositionally graded layer 412.
- the intermediate layer 413 may be in contact with the first p-side compositionally graded layer 411.
- the intermediate layer 413 is made of Al z Ga 1-z N.
- the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 is less than the Al composition ratio y of the second p-side compositionally gradient layer 412 .
- the Al composition ratio y of the second p-side compositionally graded layer 412 is not constant, the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 is smaller than any of these values. Since the minimum Al composition ratio y in the second p-side compositionally graded layer 412 is the Al composition ratio y at the lower end, the Al composition ratio y at the lower end of the second p-side compositionally graded layer 412 and the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 are compared. You may.
- the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 can be greater than 0 and less than or equal to 0.01. In order to stably form the second p-side compositionally graded layer 412, such a small Al composition ratio z is suitable.
- the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 may be greater than 0 and less than 0.01, or may be greater than 0 and less than or equal to 0.005.
- the intermediate layer 413 is not a compositionally graded layer, or is a compositionally graded layer having a smaller composition change rate than the composition change rate of the second p-side compositionally graded layer 412.
- the intermediate layer 413 may have a change in Al composition per 1 nm of 0.0001 or less. If the composition of the intermediate layer 413 is not constant, its median value is taken as the Al composition ratio z.
- the thickness of the intermediate layer 413 can be 2 nm or more, may be 10 nm or more, and may be 50 nm or more. This makes it easy to stably form the second p-side compositionally graded layer 412.
- the thickness of the intermediate layer 413 can be 250 nm or less, may be 200 nm or less, and may be 100 nm or less. Thereby, the first portion 41 including the intermediate layer 413 can be formed efficiently.
- the thickness of the intermediate layer 413 can be 0.5 times or more and 1.5 times or less the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412.
- the composition, composition change rate, and thickness thereof may have the same preferred range as the intermediate layer 413.
- the second p-side compositionally graded layer 412 may be in contact with the electron barrier layer 42 , but an intermediate layer 414 may be disposed between the second p-side compositionally graded layer 412 and the electron barrier layer 42 .
- Intermediate layer 413 and intermediate layer 414 may be referred to as a first intermediate layer and a second intermediate layer, respectively.
- the intermediate layer 414 may be in contact with the second p-side compositionally graded layer 412 and the electron barrier layer 42 .
- the bandgap energy of the intermediate layer 414 is the same value as the bandgap energy of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412, or the bandgap energy of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 and the bandgap energy of the electron barrier layer 42. This is the value between the gap energy and the gap energy.
- the efficiency of the semiconductor laser device 100 includes slope efficiency, which is the slope of a characteristic graph of current and optical output at a current value equal to or higher than a threshold current.
- the intermediate layer 414 is not a compositionally graded layer, or is a compositionally graded layer having a smaller composition change rate than the composition change rate of the second p-side compositionally graded layer 412.
- the intermediate layer 414 may have a change in Al composition per 1 nm of 0.001 or less. If the composition of the intermediate layer 414 is not constant, the median value may be used as the composition of the intermediate layer 414 to compare the magnitude of band gap energy with other layers.
- the lower end of the ridge 4a is located in the intermediate layer 414.
- the intermediate layer 414 is made of AlGaN.
- the lattice constant at the lower end of the intermediate layer 414 is preferably the same as the lattice constant at the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412. .
- the difference between the maximum Al composition ratio in the intermediate layer 414 and the Al composition ratio y at the upper end of the second p-side compositionally gradient layer 412 is preferably 0.02 or less, and 0.02 or less. It is more preferable that it is 01 or less. Thereby, the influence of band spikes can be reduced.
- the thickness of the intermediate layer 414 is thicker than the sub-layers constituting the second p-side compositionally graded layer 412.
- the thickness of the intermediate layer 414 may be thicker than 25 nm, and may be 50 nm or more.
- the thickness of the intermediate layer 414 may be 600 nm or less, or 250 nm or less.
- the sum of the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 and the thickness of the intermediate layer 414 is preferably 100 nm or more. Thereby, light leakage to the electron barrier layer 42 and the second portion 43 can be reduced, and light absorption loss can be reduced.
- the sum of the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 and the thickness of the intermediate layer 414 is preferably 500 nm or less. Thereby, the electron barrier layer 42 can be placed at a position that is not too far from the active layer 3, so that the total amount of electron overflow to the second portion 43 can be suppressed.
- the ratio of the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 to the sum of the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 and the thickness of the intermediate layer 414 is preferably 0.5 or less. Since the average value of the band gap energy of the second p-side compositionally graded layer 412 is smaller than the bandgap energy of the intermediate layer 414, the optical confinement in the active layer 3 decreases as the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 increases. do. Therefore, by making the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 relatively thin, light confinement in the active layer 3 can be improved. As a result, a reduction in the oscillation threshold current of the semiconductor laser device 100 can be expected. Moreover, since the light reaching the second portion 43 can be reduced, the absorption loss of light can be reduced, and the optical output can be increased.
- the composition, composition change rate, and thickness thereof may have the same preferred ranges as those of the intermediate layer 414.
- the electron barrier layer 42 contains p-type impurities such as Mg.
- the electron barrier layer 42 may be placed in contact with the upper surface of the first portion 41 .
- the bandgap energy of the electron barrier layer 42 is larger than the bandgap energy of the first portion 41 .
- the electron barrier layer 42 is a layer having a larger band gap energy than any of the layers constituting the first portion 41. Since the electron barrier layer 42 is a layer having such a large band gap energy, the electron barrier layer 42 can function as a barrier against electrons overflowing from the active layer 3.
- the electron barrier layer 42 has a band gap energy difference of 0.1 eV or more with respect to the uppermost layer of the first portion 41.
- the difference in band gap energy between them can be, for example, 1 eV or less.
- the electron barrier layer 42 is, for example, a layer having the highest bandgap energy in the p-side semiconductor layer 4.
- the electron barrier layer 42 may be thinner than the first p-side compositionally graded layer 411.
- the electron barrier layer 42 may have a multilayer structure. In this case, one or more layers constituting the electron barrier layer 42 have a band gap energy larger than that of any layer constituting the first portion 41.
- the electron barrier layer 42 may be a compositionally graded layer.
- the electron barrier layer 42 may be, for example, a compositionally graded layer whose composition changes such that the bandgap energy decreases upward.
- the first portion 41 or the electron barrier layer 42 has a superlattice layer
- the magnitude relationship is compared using the average bandgap energy of the superlattice layer instead of the bandgap energy of each layer constituting the superlattice layer.
- the electron barrier layer 42 is made of AlGaN, for example. When the electron barrier layer 42 is made of AlGaN, its Al composition ratio may be 0.08 or more and 0.5 or less.
- the thickness of the electron barrier layer 42 can be, for example, 4 nm or more and 100 nm or less.
- the second portion 43 has one or more p-type semiconductor layers containing p-type impurities.
- the second portion 43 may be disposed in contact with the upper surface of the electron barrier layer.
- the concentration of the p-type impurities in the p-type semiconductor layer of the second portion 43 may be, for example, 1 ⁇ 10 18 /cm 3 or more and 1 ⁇ 10 22 /cm 3 or less.
- the driving voltage can be reduced by reducing the thickness of the second portion 43, so the thickness of the second portion 43 is preferably 260 nm or less.
- the thickness of the second portion 43 can be 10 nm or more.
- the second portion 43 may include an undoped layer.
- the second portion 43 preferably contains p-type impurities throughout its entirety.
- the resistance of the second portion 43 is reduced more than when the second portion 43 includes an undoped layer.
- the average p-type impurity concentration can be regarded as the p-type impurity concentration of the superlattice layer. Therefore, when second portion 43 has a superlattice layer, the superlattice layer may have a laminated structure of an undoped layer and a layer containing p-type impurity.
- the thickness of the second portion 43 may be smaller than the thickness of the first portion 41. Since the first portion 41 is relatively thick, the peak of the light intensity can be moved away from the p-type impurity-containing layer, and loss due to free carrier absorption in the p-type impurity-containing layer can be reduced. Therefore, efficiency such as slope efficiency of the semiconductor laser device 100 can be improved. In addition, since the second portion 43 is relatively thin, the driving voltage of the semiconductor laser device 100 can be reduced, and the efficiency can be improved. The reason why the voltage decreases by reducing the thickness of the part containing p-type impurities is that in nitride semiconductors, p-type impurities such as Mg have a lower activation rate than n-type impurities such as Si.
- the p-type impurity-containing layer has a relatively high resistance.
- the first portion 41 is undoped, since it is located between the electron barrier layer 42 and the active layer 3, it tends to exhibit n-type conductivity rather than perfect insulation due to factors such as electron overflow. For these reasons, by reducing the thickness of the second portion 43 containing p-type impurities, which has relatively high resistance, the driving voltage is reduced, and by increasing the thickness of the undoped first portion 41. It is thought that the effect of suppressing the increase in drive voltage can be obtained. Since the first portion 41 is relatively thick, it is preferable that the lower end of the ridge 4a be provided in the first portion 41. This makes it possible to strengthen the lateral light confinement.
- the second portion 43 may have a lower p-type semiconductor layer and an upper p-type semiconductor layer.
- the upper p-type semiconductor layer forms the upper surface of the ridge 4a.
- the upper p-type semiconductor layer is the uppermost layer of the second portion 43.
- the upper p-type semiconductor layer functions as a p-side contact layer.
- the lower p-type semiconductor layer is disposed between the upper p-type semiconductor layer and the electron barrier layer 42, and has a band gap energy larger than the band gap energy of the upper p-type semiconductor layer.
- the lower p-type semiconductor layer is made of, for example, AlGaN.
- the upper p-type semiconductor layer is made of, for example, GaN.
- the lower p-type semiconductor layer may function as a p-side cladding layer.
- the lower p-type semiconductor layer may be a p-type GaN layer, thereby making it possible to lower the resistance of the second portion 43.
- the p-electrode is preferably formed of a material that functions as a cladding layer, such as ITO.
- the thickness of the upper p-type semiconductor layer can be, for example, 5 nm or more and 30 nm or less.
- the thickness of the lower p-type semiconductor layer can be, for example, 1 nm or more and 260 nm or less.
- the lower p-type semiconductor layer is thicker than the electron barrier layer 42, for example.
- the p-type impurity concentration of the lower p-type semiconductor layer is preferably lower than the p-type impurity concentration of the electron barrier layer 42.
- the insulating film 5 can be formed of a single layer or multilayer of oxides or nitrides of, for example, Si, Al, Zr, Ti, Nb, Ta, etc.
- the n-electrode 8 is provided, for example, on almost the entire lower surface of the n-type substrate 1.
- the p-electrode 6 is provided on the upper surface of the ridge 4a.
- a p-side pad electrode 7 wider than the p-electrode 6 is provided on the p-electrode 6, and a wire or the like may be connected to the p-side pad electrode 7.
- materials for each electrode include a single layer or multilayer of conductive oxides containing at least one selected from metals or alloys such as Ni, Rh, Cr, Au, W, Pt, Ti, and Al, Zn, In, and Sn.
- conductive oxides include ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), and GZO (Gallium-doped Zinc Oxide).
- the thickness of the electrode may be any thickness that allows it to function as an electrode for a semiconductor element, and may be, for example, about 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m.
- the p-electrode 6 is a transparent conductive film having a refractive index smaller than that of the active layer 3. This allows it to function as a cladding layer. Furthermore, it is preferable that the p-electrode 6 is a transparent conductive film having a refractive index smaller than the refractive index of the second portion 43. This makes it possible to obtain a better optical confinement effect.
- a p-side cladding layer for example, an AlGaN layer having a relatively high Al composition ratio and doped with p-type impurities is provided as the p-side cladding layer, but the higher the Al composition ratio, the higher the resistance. It tends to get high.
- the p-electrode 6 functions as a cladding layer, it is not necessary to provide a p-side cladding layer in the second portion 43, or even if a p-side cladding layer is provided, the Al composition ratio can be lowered. Therefore, the resistance can be reduced, and the driving voltage of the semiconductor laser device 100 can be reduced.
- An example of the p-electrode 6 that functions as a cladding layer is a p-electrode 6 made of ITO, for example.
- the method for manufacturing the semiconductor laser device 100 includes, for example, the first to fifth steps below.
- the first step is a step of forming the n-side semiconductor layer 2 on the substrate 1.
- the second step is a step of forming the active layer 3 on the n-side semiconductor layer 2.
- the third step is a step of forming a first portion 41 having one or more semiconductor layers on the upper surface of the active layer 3 in an undoped manner.
- the fourth step is a step of forming an electron barrier layer 42 on the upper surface of the first portion 41 by doping it with p-type impurities.
- the fifth step is a step of forming a second portion 43 having one or more p-type semiconductor layers doped with p-type impurities on the upper surface of the electron barrier layer 42 .
- each layer constituting the first portion 41 is formed in order from the bottom to the top.
- the method for manufacturing the semiconductor laser device 100 further includes forming an upwardly protruding ridge 4a by removing a portion of the p-side semiconductor layer 4 including the first portion 41, the electron barrier layer 42, and the second portion 43.
- the method may also include a sixth step of doing so.
- the effects, preferred configurations, etc. of the layers obtained through each step are as described above.
- Example 1 As Example 1, a semiconductor laser device 100 was manufactured. An MOCVD apparatus was used to fabricate an epitaxial wafer that would become the semiconductor laser device 100. In addition, raw materials include trimethyl gallium (TMG), triethyl gallium (TEG), trimethyl aluminum (TMA), trimethyl indium (TMI), ammonia (NH 3 ), silane gas, bis(cyclopentadienyl) magnesium (Cp 2 Mg). ) was used as appropriate.
- TMG trimethyl gallium
- TAG triethyl gallium
- TMA trimethyl aluminum
- TMI trimethyl indium
- NH 3 ammonia
- silane gas bis(cyclopentadienyl) magnesium
- n-side semiconductor layer 2 an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4 were grown in this order on an n-type GaN substrate (substrate 1) with the +c plane as the upper surface.
- the n-side semiconductor layer 2 is formed to have, in order from the n-type GaN substrate side, a 1.5 ⁇ m-thick Al 0.016 Ga 0.984 N layer doped with Si, a 150 nm-thick In 0.05 Ga 0.95 N layer doped with Si, a 900 nm-thick Al 0.072 Ga 0.928 N layer doped with Si (n-type semiconductor layer 22), a 3500 nm-thick GaN layer doped with Si (n-side intermediate portion 23), and an n-side composition gradient layer 21 doped with Si and grown by substantially monotonically increasing the In composition, with GaN as a starting end and In 0.05 Ga 0.95 N as a termination.
- the active layer 3 includes, in order from the n-type GaN substrate side, a Si-doped GaN layer, an undoped In composition gradient layer, an undoped In 0.2 Ga 0.8 N layer, and an undoped GaN layer. It was formed to have
- the p-side semiconductor layer 4 includes, in order from the n-type GaN substrate side, an undoped first p-side compositionally graded layer 411 with a thickness of 200 nm, an undoped intermediate layer 413 with a thickness of 50 nm, and a second undoped p-side composition layer 413 with a thickness of 70 nm.
- the first p-side compositionally graded layer 411 had a growth start point of In 0.05 Ga 0.95 N and a growth end of GaN.
- the second p-side compositionally graded layer 412 had a growth start point of AlGaN with an Al composition ratio of 1% or less, and a growth end of Al 0.045 Ga 0.955 N.
- the epitaxial wafer on which the above layers have been formed is taken out from the MOCVD apparatus, and a ridge 4a, an insulating film 5, a p-electrode 6, a p-side pad electrode 7, and an n-electrode 8 are formed on the light emitting end face and the light reflecting end face, respectively.
- a reflective film was formed and the semiconductor laser device 100 was obtained by cutting into pieces.
- the depth of the ridge 4a was approximately 270 nm. That is, the ridge 4a was formed such that its lower end was located on the second p-side compositionally gradient layer 412. Further, as the p-electrode 6, an ITO film with a thickness of 200 nm was formed.
- the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device 100 according to Example 1 was approximately 455 nm.
- FIG. 7 shows the results of SIMS analysis performed on a wafer in which a p-side semiconductor layer 4 similar to that in Example 1 was grown and stopped before the ridge 4a and the like were formed.
- the broken line is a line showing the detected amount of In
- the solid line is a line showing the detected amount of Al.
- the vertical and horizontal axes in FIG. 7 are linear scales. From FIG. 7, it was confirmed that an intermediate layer 414 was formed between the first p-side compositionally graded layer 411 and the second p-side compositionally graded layer 412.
- the line indicating the detected amount of In and the line indicating the detected amount of Al intersect at the lower end (right end in the figure) of the intermediate layer 414, and Al is detected in the majority of the intermediate layer 414.
- Example 2 An n-side semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4 were grown in this order on an n-type GaN substrate (substrate 1) with the +c plane as the upper surface.
- the n-side semiconductor layer 2 includes, in order from the n-type GaN substrate side, an Al 0.018 Ga 0.982 N layer doped with Si and having a thickness of 1.25 ⁇ m, and an Al 0.08 N layer doped with Si and having a thickness of 250 nm.
- the active layer 3 includes, in order from the n-type GaN substrate side, a Si-doped GaN layer, a Si-doped In 0.05 Ga 0.95 N layer, a Si-doped GaN layer, and an undoped In 0 .25 Ga 0.75 N layer, an undoped GaN layer, an undoped In 0.25 Ga 0.75 N layer, and an undoped GaN layer.
- the p-side semiconductor layer 4 includes, in order from the n-type GaN substrate side, an undoped first p-side compositionally graded layer 411 with a thickness of 180 nm, an undoped intermediate layer 413 with a thickness of 50 nm, and a second undoped p-side composition layer 413 with a thickness of 100 nm.
- the first p-side compositionally graded layer 411 had a growth start point of In 0.05 Ga 0.95 N and a growth end of GaN.
- the second p-side compositionally graded layer 412 had a growth start point of AlGaN with an Al composition ratio of 1% or less, and a growth end of Al 0.04 Ga 0.96 N.
- the epitaxial wafer on which the above layers have been formed is taken out from the MOCVD apparatus, and a ridge 4a, an insulating film 5, a p-electrode 6, a p-side pad electrode 7, and an n-electrode 8 are formed on the light emitting end face and the light reflecting end face, respectively.
- a reflective film was formed and the semiconductor laser device 100 was obtained by cutting into pieces.
- the depth of the ridge 4a was approximately 270 nm. That is, the ridge 4a was formed so that its lower end was located on the intermediate layer 414.
- the p-electrode 6 an ITO film with a thickness of 200 nm was formed.
- the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device 100 according to Example 2 was approximately 527 nm.
- Example 3 The semiconductor laser element 100 according to the third embodiment was fabricated in the same manner as in the second embodiment, except for the following points.
- the last two layers in the n-side semiconductor layer 2 were a 250 nm thick GaN layer (n-side intermediate portion 23) doped with Si, and an undoped In 0.03 Ga 0.97 N layer having a thickness of 180 nm.
- the second p-side compositionally graded layer 412 had a thickness of 300 nm, and the intermediate layer 414 was eliminated.
- the undoped intermediate layer 413 having a thickness of 50 nm was left as it was.
- the depth of the ridge 4a was left at about 270 nm. That is, the ridge 4a was formed so that its lower end was located in the second p-side compositionally graded layer 412.
- the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser element 100 according to the third embodiment was 527 nm.
- the semiconductor laser device according to Comparative Example 1 is the same as the semiconductor laser device according to Example 1, except that the intermediate layer 413 and the second p-side compositionally graded layer 412 are not formed, and an undoped GaN layer with a thickness of 120 nm is formed in that position. It was manufactured in the same manner as laser device 100.
- the depth of the ridge 4a remained approximately 270 nm. That is, the ridge 4a was formed such that its lower end was located in an undoped GaN layer with a thickness of 120 nm.
- the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device according to Comparative Example 1 was 455 nm.
- Comparative example 2 A semiconductor laser device according to Comparative Example 2 was manufactured in the same manner as Example 2 except for the points below.
- the last two layers in the n-side semiconductor layer 2 were a Si-doped GaN layer with a thickness of 250 nm and an undoped In 0.03 Ga 0.97 N layer with a thickness of 180 nm.
- the second p-side compositionally graded layer 412 was not formed, and an undoped GaN layer with a thickness of 150 nm was formed at that position.
- the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device according to Comparative Example 2 was 527 nm.
- FIG. 8 shows the IL characteristics of the semiconductor laser devices of Example 1 and Comparative Example 1.
- the horizontal axis represents current, and the vertical axis represents optical output.
- the solid line indicates Example 1, and the broken line indicates Comparative Example 1.
- FIG. 9 shows the IL characteristics of the semiconductor laser devices of Example 2, Example 3, and Comparative Example 2.
- the horizontal axis represents current, and the vertical axis represents optical output.
- the solid line indicates Example 2, the dashed line indicates Example 3, and the broken line indicates Comparative Example 2.
- a semiconductor laser element having an n-side semiconductor layer, an active layer, and a p-side semiconductor layer each made of a nitride semiconductor in this order upwardly,
- the p-side semiconductor layer is a first portion having one or more semiconductor layers and being undoped; an electron barrier layer having a larger band gap energy than the first portion and containing a p-type impurity; a second portion having one or more p-type semiconductor layers containing p-type impurities in this order upwardly;
- the first part is a first p-side compositionally graded layer made of In x Ga 1-x N, in which the In composition ratio x decreases in the range of 0 or more and less than 1 as it goes upward;
- Arranged between the first p-side compositionally graded layer and the electron barrier layer the layer is made of Al y Ga 1-y N, and the Al composition ratio y increases in a range of more than 0 and less than 1 as it
- a semiconductor laser element having.
- the composition of the first p-side compositionally graded layer changes at a first rate of change such that the bandgap energy increases upwardly;
- (Item 3) The semiconductor laser device according to Item 1 or 2, wherein the Al composition ratio y at the upper end of the second p-side compositionally graded layer is 0.1 or less.
- (Item 4) The semiconductor laser device according to any one of Items 1 to 3, wherein the second p-side compositionally graded layer has a thickness of 2 nm or more.
- (Item 5) The semiconductor laser device according to any one of Items 1 to 4, wherein the Al composition ratio z of the intermediate layer is greater than 0 and not more than 0.01.
- the Al composition ratio y at the lower end of the second p-side compositionally graded layer is greater than the Al composition ratio z of the intermediate layer and is 0.05 or less, according to any one of Items 1 to 5.
- the intermediate layer is a first intermediate layer, The first portion is disposed between the second p-side compositionally graded layer and the electron barrier layer, and is the same as the upper end of the second p-side compositionally graded layer or the upper end of the second p-side compositionally graded layer and the electron barrier layer.
- the semiconductor laser device according to any one of Items 1 to 6, comprising a second intermediate layer having a band gap energy between the second intermediate layer and the second intermediate layer.
- the ratio of the thickness of the second p-side compositionally graded layer to the sum of the thickness of the second p-side compositionally graded layer and the thickness of the second intermediate layer is 0.5 or less. semiconductor laser device.
- the n-side semiconductor layer is an n-side composition gradient layer disposed in contact with the lower surface of the active layer, the composition of which changes so that the bandgap energy increases as it goes downward; an n-type layer disposed below the n-side compositionally graded layer, having a band gap energy larger than that of any layer constituting the first portion of the p-side semiconductor layer, and containing an n-type impurity; type semiconductor layer; an n-side intermediate portion disposed between the n-side compositionally graded layer and the n-type semiconductor layer; 9.
- the active layer is an n-side barrier layer; a p-side barrier layer; a plurality of well layers including a first well layer and a second well layer located between the n-side barrier layer and the p-side barrier layer; an intermediate barrier layer located between the first well layer and the second well layer, 10.
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Abstract
キャリアの損失を低減可能な半導体レーザ素子を提供する。それぞれが窒化物半導体からなるn側半導体層と、活性層と、p側半導体層と、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、p側半導体層は、アンドープである第1部分と、p型不純物を含有する電子障壁層と、p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する第2部分と、を有し、第1部分は、InxGa1-xNからなり、上方に向かうにつれてIn組成比xが0以上1未満の範囲で減少している第1p側組成傾斜層と、第1p側組成傾斜層と電子障壁層との間に配置され、AlyGa1-yNからなり、上方に向かうにつれてAl組成比yが0を超えて1未満の範囲で増加している第2p側組成傾斜層と、第1p側組成傾斜層と第2p側組成傾斜層との間に配置され、AlzGa1-zNからなり、Al組成比zは0を超えてy未満である中間層と、を有する。
Description
本開示は、半導体レーザ素子に関する。
特許文献1には、活性層と電子障壁層との間に、アンドープのp側組成傾斜層とアンドープのp側中間層とを有する半導体レーザ素子が記載されている。
本開示における半導体レーザ素子の一態様は、キャリアの損失を低減可能な半導体レーザ素子を得ることを目的とする。
本開示における半導体レーザ素子の一態様は、それぞれが窒化物半導体からなるn側半導体層と、活性層と、p側半導体層と、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、前記p側半導体層は、1以上の半導体層を有し、アンドープである第1部分と、前記第1部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、p型不純物を含有する電子障壁層と、p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する第2部分と、を上方に向かってこの順に有し、前記第1部分は、InxGa1-xNからなり、上方に向かうにつれてIn組成比xが0以上1未満の範囲で減少している第1p側組成傾斜層と、前記第1p側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、AlyGa1-yNからなり、上方に向かうにつれてAl組成比yが0を超えて1未満の範囲で増加している第2p側組成傾斜層と、前記第1p側組成傾斜層と前記第2p側組成傾斜層との間に配置され、AlzGa1-zNからなり、Al組成比zは0を超えてy未満である中間層と、を有する。
キャリアの損失を低減可能な半導体レーザ素子を得ることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
図1は、本実施形態に係る半導体レーザ素子100の模式的な断面図であり、半導体レーザ素子100の共振器方向と垂直な方向における断面を示す。図2は、半導体レーザ素子100のp側半導体層4の層構造の例を模式的に示す図である。図2において、各層のバンドギャップエネルギーの大小関係を模式的に示す。図2における一点鎖線は、リッジ4aの底面の位置を示す線である。リッジ4aの底面とは、リッジ4aの両側面の最下辺同士を繋ぐ面を指す。
図1に示すように、半導体レーザ素子100は、それぞれが窒化物半導体からなるn側半導体層2と、活性層3と、p側半導体層4と、を上方に向かってこの順に有する。本明細書において、n側半導体層2からp側半導体層4に向かう方向を上または上方といい、その逆方向を下または下方という。このような上下方向は、半導体レーザ素子100を使用する際における重力の方向とは一致しなくてよい。
p側半導体層4は、第1部分41と、電子障壁層42と、第2部分43とを、上方に向かってこの順に有する。第1部分41は、1以上の半導体層を有する。第1部分41はアンドープである。電子障壁層42は、第1部分41よりもバンドギャップエネルギーが大きく、p型不純物を含有する。第2部分43は、p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する。なお、本明細書において、アンドープとは意図的にドープしないことをいう。二次イオン質量分析法(SIMS)等の分析結果において検出限界を越えない濃度をアンドープといってよい。あるいは、不純物濃度が1×1017/cm3未満である状態をアンドープとしてもよい。例えば、p型不純物及びn型不純物の濃度が検出限界以下であることをもって第1部分41がアンドープであるといってよい。ただし、第1部分41は、p型不純物濃度の高い電子障壁層42と接していると、p型不純物を意図的にドープせずに形成しても、分析結果においてp型不純物が検出される場合がある。この場合に検出されるp型不純物の濃度は1×1018/cm3未満であることが好ましい。また、第1部分41等をアンドープで形成した場合に、HやCなどの意図しない不純物が含有される場合があるが、この場合もアンドープと呼ぶことができる。また、本明細書において、ある層または部分の厚さとは、その層または部分の下面から上面までの最短の距離を指す。下面及び/又は上面がVピット等の部分的な凹部及び/又は凸部を有する場合は、下面及び/又は上面のうちそのような凹部及び/又は凸部がない平坦な部分同士の最短の距離を、その層または部分の厚さとしてよい。また、ある層から別の層までの距離とは、ある層から別の層までの最短の距離を指す。それらの層の下面及び/又は上面がVピット等の部分的な凹部及び/又は凸部を有する場合は、下面及び/又は上面のうちそのような凹部及び/又は凸部がない平坦な部分同士の最短の距離を、それらの層の距離としてよい。バンドギャップエネルギーの大小関係は、比較対象の半導体の組成から判断することができる。例えば、比較対象の2つの層がいずれもAlGaNから構成されている場合は、Al組成比が相対的に大きい方の層をバンドギャップエネルギーが相対的に大きい方の層であると判断する。
第1部分41は、第1p側組成傾斜層411と、第1p側組成傾斜層411と電子障壁層42との間に配置された第2p側組成傾斜層412と、第1p側組成傾斜層411と第2p側組成傾斜層412との間に配置された中間層413とを有する。第1p側組成傾斜層411は、InxGa1-xNからなり、上方に向かうにつれてIn組成比xが0以上1未満の範囲で減少している。第2p側組成傾斜層412は、AlyGa1-yNからなり、上方に向かうにつれてAl組成比yが0を超えて1未満の範囲で増加している。中間層413(第1中間層)は、AlzGa1-zNからなり、Al組成比zは0を超えてy未満である。
第2p側組成傾斜層412を設けることで、電子障壁層42に向かって緩やかにバンドギャップエネルギーを変化させることができ、バンドギャップエネルギー差のあるヘテロ界面において生じるバンドスパイクの影響を軽減することができる。バンドスパイクの影響とは、バンドスパイクで電子が発生してホール(正孔)が相対的に減少することであり、キャリアの損失が増大することである。第1p側組成傾斜層411はInxGa1-xNからなり、第2p側組成傾斜層412はAlyGa1-yNからなる。このため、これらの層を成長させる際には途中で原料ガスを切り替えることとなる。これらの層の間に中間層413を成長させることで、切り替えた原料ガスを安定させることができ、第2p側組成傾斜層412を良好に形成することができる。これらの層は、例えば有機金属気相成長(metal organic chemical vapor deposition:MOCVD)法によって形成することができる。第2p側組成傾斜層412を良好に形成することによって、p側半導体層4におけるバンドスパイクの影響を低減することができ、キャリアの損失を低減することができる。
(半導体レーザ素子100)
図1に示すように、半導体レーザ素子100は、基板1と、その上方に設けられた、n側半導体層2と、活性層3と、p側半導体層4と、を有する。半導体レーザ素子100は活性層3等の半導体層の主面と交差する光出射端面及び光反射端面を有する端面発光レーザ素子である。
図1に示すように、半導体レーザ素子100は、基板1と、その上方に設けられた、n側半導体層2と、活性層3と、p側半導体層4と、を有する。半導体レーザ素子100は活性層3等の半導体層の主面と交差する光出射端面及び光反射端面を有する端面発光レーザ素子である。
例えば、p側半導体層4に、上方に突出したリッジ4aが設けられている。リッジ4aはメサ構造である。リッジ4aの上面視形状は、光出射端面と光反射端面とを結ぶ方向に長い形状であり、例えば光反射端面に平行な方向を短辺とし光反射端面に垂直な方向を長辺とする長方形状である。活性層3のうちリッジ4aの直下の部分及びその近傍が光導波路領域である。リッジ4aの側面とリッジ4aの側面から連続するp側半導体層4の表面には絶縁膜5を設けることができる。基板1は例えばn型半導体からなり、その下面にはn電極8が設けられている。また、リッジ4aの上面に接してp電極6が設けられ、さらにその上にp側パッド電極7が設けられている。
半導体レーザ素子100は、例えば、可視光のレーザ光を発振することがきる。半導体レーザ素子100は、例えば、青色または緑色のレーザ光を発振することがきる。半導体レーザ素子100が発振するレーザ光のピーク波長は、例えば400nm以上600nm以下であり、420nm以上580nm以下であってもよく、500nm以上580nm以下であってもよい。半導体レーザ素子100が発振するレーザ光の波長が長くなるに従って屈折率の波長分散の影響により光ガイド層より外側への漏れ光が増加する。この結果、閾値電流が上昇し、レーザ発振時の電流密度が大きくなる。そして、電流密度が大きいほど、局在準位の遮蔽やバンドフィリングによって実効的な遷移間隔が拡大し、発振波長は短波長にシフトする。第1p側組成傾斜層411を設けることにより、レーザ発振閾値電流密度を低減することができ、短波長シフトを抑制する効果が期待できる。このため、半導体レーザ素子100が発振するレーザ光のピーク波長は、500nm以上であることが好ましく、500nm以上580nm以下であってもよい。
(基板1)
基板1には、例えばGaN等からなる窒化物半導体基板を用いることができる。基板1の上に成長させるn側半導体層2、活性層3、p側半導体層4としては、例えば、実質的にc軸方向に成長させた半導体が挙げられる。例えば+c面((0001)面)を主面とするGaN基板を用いて、その+c面上に各半導体層を成長させることができる。ここで+c面を主面とするとは、±1度以内程度のオフ角を有するものを含んでよい。+c面を主面とする基板を用いることにより、量産性に優れるという利点を得ることができる。
基板1には、例えばGaN等からなる窒化物半導体基板を用いることができる。基板1の上に成長させるn側半導体層2、活性層3、p側半導体層4としては、例えば、実質的にc軸方向に成長させた半導体が挙げられる。例えば+c面((0001)面)を主面とするGaN基板を用いて、その+c面上に各半導体層を成長させることができる。ここで+c面を主面とするとは、±1度以内程度のオフ角を有するものを含んでよい。+c面を主面とする基板を用いることにより、量産性に優れるという利点を得ることができる。
(n側半導体層2)
n側半導体層2は、GaN、InGaN、AlGaN等の窒化物半導体からなる多層構造とすることができる。n側半導体層2は1以上のn型半導体層を含む。n型半導体層としては、Si、Ge等のn型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。n側半導体層2は、n側クラッド層とn側光ガイド層とを有することができ、これ以外の層を含んでいてもよい。n側クラッド層はn側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。p型不純物ほどではないもののn型不純物も光吸収の要因となるため、n側光ガイド層は、アンドープか、もしくはn型不純物を含む場合はn側クラッド層のn型不純物濃度よりも低いn型不純物濃度であることが好ましい。
n側半導体層2は、GaN、InGaN、AlGaN等の窒化物半導体からなる多層構造とすることができる。n側半導体層2は1以上のn型半導体層を含む。n型半導体層としては、Si、Ge等のn型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。n側半導体層2は、n側クラッド層とn側光ガイド層とを有することができ、これ以外の層を含んでいてもよい。n側クラッド層はn側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。p型不純物ほどではないもののn型不純物も光吸収の要因となるため、n側光ガイド層は、アンドープか、もしくはn型不純物を含む場合はn側クラッド層のn型不純物濃度よりも低いn型不純物濃度であることが好ましい。
n側半導体層2の層構造の例を図3に示す。図3は、半導体レーザ素子100のn側半導体層2の層構造の例を模式的に示す図である。n側半導体層2は、活性層3の下面に接して配置されたn側組成傾斜層21と、n側組成傾斜層21の下方に配置されたn型半導体層22と、n側組成傾斜層21とn型半導体層22との間に配置されたn側中間部23と、を有することができる。n側組成傾斜層21は、下方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化している。n型半導体層22は、n型不純物を含有し、p側半導体層4の第1部分41を構成するいずれの層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。n側組成傾斜層21からn型半導体層22までの距離は、第1p側組成傾斜層411から電子障壁層42までの距離よりも大きいことが好ましい。これにより、半導体レーザ素子100における電界強度分布をn側半導体層2の側に偏らせることができるため、p型不純物を含有する電子障壁層42およびその上方の層における光吸収による損失を低減することができる。n側半導体層2は、これら以外の層を含んでいてもよい。
n側組成傾斜層21のバンドギャップエネルギーは、活性層3に近づくほど小さくなる。n側組成傾斜層21の屈折率は、活性層3に近づくほど高くなる。これにより、活性層3への光閉じ込めを強化することができる。n側組成傾斜層21は、例えばn側光ガイド層である。n側組成傾斜層21は、例えば、InaGa1-aNからなり、上方に向かうにつれてIn組成比aが0以上1未満の範囲で増加している層であってよい。組成傾斜層のバンドギャップエネルギーや不純物濃度の他の層との大小関係を決定する際の基準については、組成傾斜層の平均値を用いることができる。組成傾斜層の平均値とは、組成傾斜層を構成する各サブ層のバンドギャップエネルギー等と厚さとの乗算の合計値を総厚さで除算したものを指す。n側組成傾斜層21が活性層3に近づくほど格子定数が大きくなる組成傾斜層である場合は、その組成傾斜層にn型不純物を添加することが好ましい。組成傾斜層は、言い換えれば、少しずつ組成が異なる複数のサブ層からなるともいえる。このため、組成傾斜層においては、組成変化率を小さくしたとしても固定電荷の発生を避けることは困難である。n型不純物を添加すれば固定電荷を遮蔽することができるため、固定電荷の発生に起因する電圧上昇の度合いを低減することができる。
n型半導体層22は、例えばn型AlGaN層である。n型半導体層22は、例えばn側クラッド層である。n型半導体層22とn側中間部23とは接していてもよく、n型半導体層22とn側中間部23との間に別の層が配置されていてもよい。n側組成傾斜層21からn型半導体層22までの距離は、600nm未満とすることができ、400nm以下であってもよい。
n側中間部23は、n型半導体層22のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有する層である。n側中間部23のn型不純物濃度は、n型半導体層22のn型不純物濃度よりも小さくてよい。n側中間部23は、例えばn型不純物を含有するn型GaN層である。
n側中間部23は、バンドギャップエネルギーが活性層3に近づくほど小さくなる組成傾斜層232を有していてもよい。この組成傾斜層において、その下端のバンドギャップエネルギーはn型半導体層22のバンドギャップエネルギーよりも小さく、その上端のバンドギャップエネルギーはn側組成傾斜層21の下端のバンドギャップエネルギーと同じかそれよりも大きい。n側中間部23は、n側組成傾斜層21側から順に、組成傾斜層232と中間層233を有していてよい。n側中間部23は、n側組成傾斜層21側から順に、中間層231と組成傾斜層232と中間層233を有していてよい。中間層231および中間層233は、組成傾斜層ではないか、もしくは組成傾斜層232の組成変化率よりも小さな組成変化率を有する組成傾斜層である。組成傾斜層232は、n側組成傾斜層21と同様に、n型不純物を添加することが好ましい。これにより、固定電荷の発生に起因する電圧上昇の度合いを低減することができる。中間層231および中間層233は、アンドープでもよいが、例えばn型不純物を含有している。n側中間部23の厚さは、100nm以上であってよい。これにより、n型半導体層22への光漏れを低減することができる。n側中間部23の厚さは、400nm以下であってよい。これにより、活性層3への光閉じ込めを向上させることができる。
(活性層3)
活性層3は、GaN、InGaN等の窒化物半導体層からなる多層構造とすることができる。活性層3は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する。例えば活性層3は、n側半導体層2側から順に、n側障壁層31と、井戸層32と、p側障壁層33とを有する。活性層3が多重量子井戸構造である場合は、複数の井戸層32と、井戸層32に挟まれる中間障壁層とを有する。
活性層3は、GaN、InGaN等の窒化物半導体層からなる多層構造とすることができる。活性層3は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する。例えば活性層3は、n側半導体層2側から順に、n側障壁層31と、井戸層32と、p側障壁層33とを有する。活性層3が多重量子井戸構造である場合は、複数の井戸層32と、井戸層32に挟まれる中間障壁層とを有する。
n側半導体層2に最も近い井戸層32から活性層3の下面までの距離は、例えば10nm以下とすることができる。n側半導体層2に最も近い井戸層32から活性層3の下面までの距離は、0nmすなわち井戸層32の下面が活性層3の下面であってもよい。n側半導体層2がn側組成傾斜層21を有する場合は、n側障壁層31の少なくとも一部として、n側組成傾斜層21の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する層が配置されていることが好ましい。これにより、井戸層32における発光再結合の確率を向上させることができる。n側障壁層31は、n側半導体層2に最も近い井戸層32とn側組成傾斜層21との間に配置される。n側半導体層2に最も近い井戸層32から活性層3の下面までの距離は、1nm以上であってよく、1nm以上10nm以下であってよい。
p側半導体層4に最も近い井戸層32から活性層3の上面までの距離は、例えば5nm以下とすることができる。p側障壁層33の少なくとも一部として、第1p側組成傾斜層411の下端のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する層が配置されていることが好ましい。これにより、井戸層32における発光再結合の確率を向上させることができる。p側障壁層33は、p側半導体層4に最も近い井戸層32とp側半導体層4との間に配置される。p側半導体層4に最も近い井戸層32から活性層3の上面までの距離は、1nm以上であってよく、1nm以上5nm以下であってよい。活性層3はp型不純物を添加せずに形成することが好ましい。これにより、p型不純物の添加に起因する光吸収損失を抑制することができる。活性層3の各層は、例えばアンドープの層とする。
井戸層32は、例えばInxGa1-xN井戸層である。発振波長500nm以上の半導体レーザ素子とする場合のInxGa1-xN井戸層のIn組成比xは、活性層3以外の層構造によって多少増減するが、例えば0.23以上である。井戸層32のIn組成比xの上限としては、例えば0.50以下が挙げられる。このとき、半導体レーザ素子の発振波長は600nm以下程度であると考えられる。
活性層の別の例を図4に示す。図4は、活性層の層構造の別の例を模式的に示す図である。図4に示す活性層3Aは、n側障壁層31と、複数の井戸層32と、中間障壁層34と、p側障壁層33とを有する。複数の井戸層32は、n側障壁層31とp側障壁層33との間に位置している。複数の井戸層32は、第1井戸層および第2井戸層を含む。第1井戸層および第2井戸層は、n側障壁層31とp側障壁層33との間に位置している。中間障壁層34は、2つの井戸層32に挟まれた層である。中間障壁層34は、第1井戸層と第2井戸層との間に位置している。井戸層32の数は複数であり、例えば2つである。n側障壁層31と中間障壁層34とp側障壁層33のバンドギャップエネルギーは、井戸層32のバンドギャップエネルギーよりも大きい。複数の井戸層32の厚さは、例えば、1nm以上4nm以下が挙げられる。複数の井戸層32の厚さは同じであってもよい。
中間障壁層34の厚さを小さくするほど、半導体レーザ素子100の駆動電圧が低下する傾向が見られる。一方で、p側障壁層33については、p側半導体層4を積層する前の下地層として、結晶性の回復の目的のため、ある程度の厚さを有することが好ましい。このため、中間障壁層34の厚さは、p側障壁層33の厚さよりも小さいことが好ましい。これにより、半導体レーザ素子100の駆動電圧の低減とp側半導体層4の結晶性の向上の両立が可能である。結晶性は、例えば転位密度で評価することができる。なお、各層の厚さは積層方向における厚さを指す。中間障壁層34は、例えばアンドープのGaN層である。中間障壁層34の厚さは、3nm以下であることが好ましく、2.5nm以下であることがより好ましい。これにより、井戸層32への電子の注入効率を向上させることができる。中間障壁層34の厚さは、1nm以上とすることができ、1.5nm以上が好ましく、2nm以上がより好ましい。中間障壁層34の厚さが1.5nm以上であることで、キャリアの閉じ込め効率の低下を抑制することができ、半導体レーザ素子100の出力低下を抑制することができる。中間障壁層34の厚さは、1nm以上3nm以下とすることができ、1.5nm以上3nm以下であることが好ましく、1.5nm以上2.5nm以下とすることがより好ましい。中間障壁層34の厚さは、2nm以上2.5nm以下であってもよい。
p側障壁層33の厚さは、1つの井戸層32の厚さより大きくてもよい。p側障壁層33の厚さは、2.5nm以上であることが好ましい。これにより、p側半導体層4の結晶性をより効果的に向上させることができる。p側障壁層33の厚さがある程度大きくなると、半導体レーザ素子100の駆動電圧の上昇がみられる。p側障壁層33の厚さは、7nm以下であることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子100の駆動電圧の上昇を抑制することができる。p側障壁層33の厚さは、2.5nm以上7nm以下であることが好ましい。p側障壁層33の厚さは、2.5nmより大きくてもよい。p側障壁層33の厚さは、2.5nm超7nm以下であってもよい。p側障壁層33は、GaN層であることが好ましく、アンドープのGaN層であることがより好ましい。これにより、p側半導体層4の結晶性をより効果的に向上させることができる。
活性層3Aを有する半導体レーザ素子100は、それぞれが窒化物半導体からなるn側半導体層2と、活性層3と、p側半導体層4と、を上方に向かってこの順に有し、活性層3Aは、n側障壁層31と、p側障壁層33と、n側障壁層31とp側障壁層33との間に位置する第1井戸層及び第2井戸層を含む複数の井戸層32と、第1井戸層と第2井戸層との間に位置する中間障壁層34とを有し、中間障壁層34の厚さは、p側障壁層33の厚さよりも小さい、半導体レーザ素子100であってもよい。この場合のp側半導体層4は、1以上の半導体層を有し、アンドープである第1部分41と、第1部分41よりもバンドギャップエネルギーが大きく、p型不純物を含有する電子障壁層42と、p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する第2部分43と、を上方に向かってこの順に有していてもよい。この場合のp側半導体層4は、第1p側組成傾斜層411を有していてもよい。この場合のp側半導体層4は、第2p側組成傾斜層412および中間層413を有していなくてもよい。
(p側半導体層4)
p側半導体層4は、GaN、InGaN、AlGaN等の窒化物半導体からなる多層構造とすることができる。p側半導体層4は、p側クラッド層とp側光ガイド層とを有することができ、これ以外の層を含んでもよい。p電極6として透明導電膜を設ける場合は、これをクラッド層として機能させることができるため、p側半導体層4中にクラッド層を設けなくてもよい。p側半導体層4は1以上のp型半導体層を含む。p型半導体層としては、Mg等のp型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。p型不純物の活性化率はSi等のn型不純物の活性化率よりも低いために、p型半導体層では、十分なホールの注入を得ようとするとp型不純物をより高濃度にドープする必要があり、p型不純物による自由キャリア吸収損失が増大する。
p側半導体層4は、GaN、InGaN、AlGaN等の窒化物半導体からなる多層構造とすることができる。p側半導体層4は、p側クラッド層とp側光ガイド層とを有することができ、これ以外の層を含んでもよい。p電極6として透明導電膜を設ける場合は、これをクラッド層として機能させることができるため、p側半導体層4中にクラッド層を設けなくてもよい。p側半導体層4は1以上のp型半導体層を含む。p型半導体層としては、Mg等のp型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。p型不純物の活性化率はSi等のn型不純物の活性化率よりも低いために、p型半導体層では、十分なホールの注入を得ようとするとp型不純物をより高濃度にドープする必要があり、p型不純物による自由キャリア吸収損失が増大する。
(第1部分41)
第1部分41は、p側半導体層4における活性層3からp型不純物含有層までの間を繋ぐ部分である。第1部分41は、活性層3の上面に接して配置されていてよい。第1部分41はp型半導体層を含有しない部分である。自由キャリア吸収損失に影響を与えない程度のp型不純物濃度及び厚さであれば、第1部分41の一部にp型不純物を含有する層を含んでもよいかもしれない。しかし、p型化するために必要なMgをドープするのであれば、1×1018/cm3以上程度のp型不純物が必要であり、この場合、自由キャリア吸収損失が増大する可能性が高い。したがって、第1部分41はp型半導体層を含有しない部分であることが好ましい。第1部分41は、その全体に亘って、SIMS等の分析によるp型不純物濃度が検出限界以下である程度にp型不純物濃度が低いことが好ましい。例えば、第1部分41はその全体に亘って製造時に意図的にp型不純物を添加せずに形成する。第1部分41は、その全体に亘ってアンドープであるように形成することができる。第1部分41の厚さが厚いほど第2部分43への光の漏れを低減することができるため、第1部分41の厚さは400nm以上であることが好ましい。第1部分41の厚さの上限値は、第2部分43からのホールの供給が妨げられない程度とすることができる。また、第1部分41の厚さが厚いほどオーバーフローする電子が増加する傾向があるため、この観点からは第1部分41の厚さは薄いほど電子のオーバーフローが発生する確率を低減できるといえる。この観点から、第1部分41の厚さは、例えば660nm以下とすることができる。第1部分41は、電子障壁層42との間にバンドギャップ差があることにより、電子のオーバーフローが発生する確率を低減することができる。このため、第1部分41のうち電子障壁層42と接する層は、電子障壁層42のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有する層であることが好ましい。
第1部分41は、p側半導体層4における活性層3からp型不純物含有層までの間を繋ぐ部分である。第1部分41は、活性層3の上面に接して配置されていてよい。第1部分41はp型半導体層を含有しない部分である。自由キャリア吸収損失に影響を与えない程度のp型不純物濃度及び厚さであれば、第1部分41の一部にp型不純物を含有する層を含んでもよいかもしれない。しかし、p型化するために必要なMgをドープするのであれば、1×1018/cm3以上程度のp型不純物が必要であり、この場合、自由キャリア吸収損失が増大する可能性が高い。したがって、第1部分41はp型半導体層を含有しない部分であることが好ましい。第1部分41は、その全体に亘って、SIMS等の分析によるp型不純物濃度が検出限界以下である程度にp型不純物濃度が低いことが好ましい。例えば、第1部分41はその全体に亘って製造時に意図的にp型不純物を添加せずに形成する。第1部分41は、その全体に亘ってアンドープであるように形成することができる。第1部分41の厚さが厚いほど第2部分43への光の漏れを低減することができるため、第1部分41の厚さは400nm以上であることが好ましい。第1部分41の厚さの上限値は、第2部分43からのホールの供給が妨げられない程度とすることができる。また、第1部分41の厚さが厚いほどオーバーフローする電子が増加する傾向があるため、この観点からは第1部分41の厚さは薄いほど電子のオーバーフローが発生する確率を低減できるといえる。この観点から、第1部分41の厚さは、例えば660nm以下とすることができる。第1部分41は、電子障壁層42との間にバンドギャップ差があることにより、電子のオーバーフローが発生する確率を低減することができる。このため、第1部分41のうち電子障壁層42と接する層は、電子障壁層42のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有する層であることが好ましい。
なお、第1部分41を、アンドープでなく低濃度ドープの部分とする場合は、その全体に亘って電子障壁層42のp型不純物濃度よりも低いp型不純物濃度とすることが好ましく、さらには、電子障壁層42及び第2部分43のいずれのp型不純物濃度よりも低いp型不純物濃度とすることが好ましい。また、第1部分41のn型不純物濃度については、2×1018/cm3未満が挙げられる。好ましくは、第1部分41は、SIMS分析によってn型不純物が検出されない程度に低い(つまり、バックグラウンドレベルの)n型不純物濃度とする。言い換えると、第1部分41はn型不純物を実質的に含まないことが好ましい。
リッジ4aの下端は、第1部分41に位置していることが好ましい。これにより、リッジ4aの下端を活性層3に近づけることができる。例えば、リッジ4aは、第1部分41の一部と、電子障壁層42と、第2部分43で構成されている。
(第1p側組成傾斜層411)
第1p側組成傾斜層411は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなっている層である。このような構成を有することにより、活性層3への光閉じ込めを強化することができる。第1p側組成傾斜層411は、活性層3と接することができる。このように第1p側組成傾斜層411を活性層3の近くに配置することで、第1p側組成傾斜層411による光閉じ込め効果を向上させることができる。第1p側組成傾斜層411は、第2p側組成傾斜層412と接することができる。第1p側組成傾斜層411から電子障壁層までの距離は、150nm以上であってよい。第1p側組成傾斜層411から電子障壁層までの距離は、600nm以下であってよい。第1p側組成傾斜層411によって活性層3への光閉じ込めを強化することで、レーザ発振閾値電流密度を低減することができる。これにより局在準位の遮蔽を抑制することができ、電流注入増加に伴う発振波長の短波長シフトを抑制することができるため、発振波長の長波長化に有利である。
第1p側組成傾斜層411は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなっている層である。このような構成を有することにより、活性層3への光閉じ込めを強化することができる。第1p側組成傾斜層411は、活性層3と接することができる。このように第1p側組成傾斜層411を活性層3の近くに配置することで、第1p側組成傾斜層411による光閉じ込め効果を向上させることができる。第1p側組成傾斜層411は、第2p側組成傾斜層412と接することができる。第1p側組成傾斜層411から電子障壁層までの距離は、150nm以上であってよい。第1p側組成傾斜層411から電子障壁層までの距離は、600nm以下であってよい。第1p側組成傾斜層411によって活性層3への光閉じ込めを強化することで、レーザ発振閾値電流密度を低減することができる。これにより局在準位の遮蔽を抑制することができ、電流注入増加に伴う発振波長の短波長シフトを抑制することができるため、発振波長の長波長化に有利である。
第1p側組成傾斜層411は、上面と下面とを有し、そのバンドギャップエネルギーは下面から上面に向かって大きくなっている。第1p側組成傾斜層411の下面側のバンドギャップエネルギーは上面側のバンドギャップエネルギーよりも小さい。図2では、第1p側組成傾斜層411はスロープ状で示しているが、後述するように組成傾斜層とは互いに組成の異なる複数のサブ層の集合体であるといえる。したがって、第1p側組成傾斜層411において、バンドギャップエネルギーは下面から上面に向かって階段状に増大しているといえる。n側半導体層2中に、第1p側組成傾斜層411と対になるn側組成傾斜層21を設けてもよい。例えば、バンドギャップエネルギー構造として、第1p側組成傾斜層411とn側組成傾斜層が活性層3を挟んで対称となるように形成することができる。
第1p側組成傾斜層411は、例えばp側光ガイド層として機能する。第1p側組成傾斜層411の厚さは、活性層3が有する井戸層の厚さよりも厚く、また、p側障壁層33がある場合はp側障壁層33の厚さよりも厚い。光閉じ込め効果の向上のために、第1p側組成傾斜層411の厚さは100nm以上であることが好ましい。第1p側組成傾斜層411の厚さは、500nm以下とすることができる。第1p側組成傾斜層411の厚さは、200nm以下であってもよい。第1p側組成傾斜層411の下端のバンドギャップエネルギーは、p側障壁層33を設ける場合、p側障壁層33のバンドギャップエネルギーよりも小さいことが好ましい。第1p側組成傾斜層411の上端のバンドギャップエネルギーは、p側障壁層33と同等かそれ以上のバンドギャップエネルギーを有してよい。
第1p側組成傾斜層411は、屈折率が活性層3側から電子障壁層42側に向かって減少し、且つバンドギャップエネルギーが活性層3側から電子障壁層42側に向かって増加する構造である。これにより、光を活性層3に寄せつつ電子のオーバーフローを抑制することができる。第1p側組成傾斜層411は、第1変化率で、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化している。第1変化率はバンドギャップエネルギーの変化率であり、In組成比xの変化率から計算によって求めてよい。例えば、SIMS等の分析によって得られた第1p側組成傾斜層411のIn含有量を表にプロットし、その傾きをIn組成比xの変化率とすることができる。分析で得られたIn含有量を線形スケールの表にプロットし、その表から線形の近似曲線を作成し、その近似曲線の傾きをIn組成比xの変化率としてもよい。
第1p側組成傾斜層411は、図5に示すように、互いに組成の異なる複数のサブ層411a、411b、411c、411y、411zからなるともいえる。図5は、第1p側組成傾斜層411及びその付近の一部拡大図であり、サブ層411cとサブ層411yの間にはこれら以外にも複数のサブ層が存在している。第1p側組成傾斜層411をInxGa1-xNで構成する場合、第1p側組成傾斜層411の最も下側のサブ層411aのIn組成比xaと最も上側のサブ層411zのIn組成比xzの関係は、0≦xz<xaである。第1p側組成傾斜層411の下端を構成するサブ層411aのIn組成比xaの上限値は、例えば0.25である。結晶性悪化の抑制を考慮すれば、In組成比xaは0.1以下であることが好ましい。
隣接するサブ層同士の格子定数差は小さいことが好ましい。これにより歪みを小さくすることができる。このために、第1p側組成傾斜層411は薄い厚さで少しずつ組成を変化させていくことが好ましい。具体的には、第1p側組成傾斜層411は下面から上面にかけて25nm以下の厚さごとにIn組成比xが減少していることが好ましい。すなわち、各サブ層411a、411b、411c、411y、411zの厚さが25nm以下であることが好ましい。各サブ層411a、411b、411c、411y、411zの厚さは20nm以下であることがより好ましく、10nm以下であってよく、5nm以下であってもよい。各サブ層411a、411b、411c、411y、411zの厚さの下限値は例えば1原子層(約0.25nm)程度である。また、隣り合うサブ層(例えばサブ層411aとサブ層411b)のIn組成比xの差は0.005以下であることが好ましく、0.001以下であることがより好ましい。隣り合うサブ層のIn組成比xの差の下限値は、例えば0.00007程度である。このような範囲は第1p側組成傾斜層411の全体に亘って満たされていることが好ましい。すなわち、全てのサブ層がこのような範囲内であることが好ましい。第1p側組成傾斜層411において組成が変化する回数、すなわち第1p側組成傾斜層411のサブ層の数は、90以上であることが好ましい。
n側組成傾斜層21を設ける場合、その組成、組成変化率、厚さの好ましい範囲は、第1p側組成傾斜層411と同様のものを採用することができる。
(第2p側組成傾斜層412)
第2p側組成傾斜層412は、第1p側組成傾斜層411と電子障壁層42との間に配置されている。第2p側組成傾斜層412は、上面と下面とを有し、そのバンドギャップエネルギーは下面から上面に向かって大きくなっている。第2p側組成傾斜層412の下面側のバンドギャップエネルギーは上面側のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第1p側組成傾斜層411と同様に、組成傾斜層とは互いに組成の異なる複数のサブ層の集合体であるといえるため、第2p側組成傾斜層412において、バンドギャップエネルギーは下面から上面に向かって階段状に増大しているといえる。
第2p側組成傾斜層412は、第1p側組成傾斜層411と電子障壁層42との間に配置されている。第2p側組成傾斜層412は、上面と下面とを有し、そのバンドギャップエネルギーは下面から上面に向かって大きくなっている。第2p側組成傾斜層412の下面側のバンドギャップエネルギーは上面側のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第1p側組成傾斜層411と同様に、組成傾斜層とは互いに組成の異なる複数のサブ層の集合体であるといえるため、第2p側組成傾斜層412において、バンドギャップエネルギーは下面から上面に向かって階段状に増大しているといえる。
第2p側組成傾斜層412の厚さは、2nm以上とすることができる。これにより、バンドスパイクを効果的に低減できる。第2p側組成傾斜層412の厚さは、10nm以上であってよく、50nm以上であってよい。これにより、電子障壁層42および第2部分43への光漏れを低減することができ、光の吸収損失を低減することができる。第2p側組成傾斜層412の厚さは、活性層3が有する井戸層の厚さよりも厚くてよい。p側障壁層33がある場合は、第2p側組成傾斜層412の厚さは、p側障壁層33の厚さよりも厚くてよい。第2p側組成傾斜層412の厚さは、250nm以下とすることが好ましく、200nm以下であってよく、100nm以下であってもよい。第2p側組成傾斜層412の厚さは、2nm以上250nm以下であってよく、10nm以上250nm以下であってよい。
第2p側組成傾斜層412の下端のバンドギャップエネルギーは、第1p側組成傾斜層411の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第2p側組成傾斜層412の上端のバンドギャップエネルギーは、電子障壁層42のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第2p側組成傾斜層412の上端のバンドギャップエネルギーは、第2部分43の下端を構成する層のバンドギャップエネルギーより大きくてもよい。第2p側組成傾斜層412の下端のAl組成比yは、中間層413のAl組成比zを超えて0.05以下であることが好ましい。これにより、AlGaNからなる第2p側組成傾斜層412を安定して形成しやすい。第2p側組成傾斜層412の上端のAl組成比yは、0.1以下であることが好ましい。これにより、バンドスパイクの影響を低減しやすい。
第2p側組成傾斜層412は、屈折率が活性層3側から電子障壁層42側に向かって減少し、且つバンドギャップエネルギーが活性層3側から電子障壁層42側に向かって増加する構造である。第2p側組成傾斜層412は、第1変化率よりも小さい第2変化率で、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化している。これにより、バンドスパイクの影響を低減しやすい。第2変化率は、第1変化率と同様の手法で求めることができる。すなわち、第2変化率はバンドギャップエネルギーの変化率であり、Al組成比yの変化率から計算によって求めてよい。SIMS等の分析によって得られた第2p側組成傾斜層412のAl含有量を表にプロットし、その傾きをAl組成比yの変化率とすることができる。分析で得られたAl含有量を線形スケールの表にプロットし、その表から線形の近似曲線を作成し、その近似曲線の傾きをAl組成比yの変化率としてもよい。第1p側組成傾斜層411のIn含有量と第2p側組成傾斜層412のAl含有量の少なくともいずれか一方が層内において非線形的に変化している場合であっても、これらの線形の近似曲線を作成することで、第1変化率と第2変化率との大小関係を比較することができる。
第2p側組成傾斜層412は、図6に示すように、互いに組成の異なる複数のサブ層412a、412b、412c、412y、412zからなるともいえる。図6は、第2p側組成傾斜層412及びその付近の一部拡大図であり、サブ層412cとサブ層412yの間にはこれら以外にも複数のサブ層が存在している。第2p側組成傾斜層412をAlyGa1-yNで構成する場合、第2p側組成傾斜層412の最も下側のサブ層412aのAl組成比yaと最も上側のサブ層412zのAl組成比yzとの関係は、ya<yz<1である。第2p側組成傾斜層412の下端を構成するサブ層412aのAl組成比yaは、z<ya≦0.05とすることができる。zは中間層413のAl組成比である。第2p側組成傾斜層412の上端を構成するサブ層412zのAl組成比yzは、ya<yz≦0.1とすることができる。
第2p側組成傾斜層412は、下面から上面にかけて25nm以下の厚さごとにAl組成比yが増加していることが好ましい。すなわち、各サブ層412a、412b、412c、412y、412zの厚さが25nm以下であることが好ましい。これにより、隣接するサブ層の間に生じる歪みを小さくすることができる。各サブ層412a、412b、412c、412y、412zの厚さは20nm以下であることがより好ましく、10nm以下であってよく、5nm以下であってもよい。各サブ層412a、412b、412c、412y、412zの厚さの下限値は例えば1原子層(約0.25nm)程度である。また、隣り合うサブ層(例えばサブ層412aとサブ層412b)のAl組成比yの差は0.005以下であることが好ましく、0.001以下であることがより好ましい。隣り合うサブ層のAl組成比yの差の下限値は、例えば0.00007程度である。このような範囲は第2p側組成傾斜層412の全体に亘って満たされていることが好ましい。すなわち、全てのサブ層がこのような範囲内であることが好ましい。第2p側組成傾斜層412において組成が変化する回数、すなわち第2p側組成傾斜層412のサブ層の数は、10以上であることが好ましく、30以上がより好ましい。
n側中間部23に組成傾斜層232を設ける場合、その組成、組成変化率、厚さの好ましい範囲は、第2p側組成傾斜層412と同様のものを採用することができる。
(中間層413)
中間層413は、第1p側組成傾斜層411と第2p側組成傾斜層412との間に配置される。中間層413は、第2p側組成傾斜層412と接している。中間層413は、第1p側組成傾斜層411と接していてよい。
中間層413は、第1p側組成傾斜層411と第2p側組成傾斜層412との間に配置される。中間層413は、第2p側組成傾斜層412と接している。中間層413は、第1p側組成傾斜層411と接していてよい。
中間層413は、AlzGa1-zNからなる。中間層413のAl組成比zは、第2p側組成傾斜層412のAl組成比y未満である。第2p側組成傾斜層412のAl組成比yは一定ではないが、そのいずれの値よりも中間層413のAl組成比zは小さい。第2p側組成傾斜層412における最小のAl組成比yは下端のAl組成比yであるため、第2p側組成傾斜層412の下端のAl組成比yと中間層413のAl組成比zを比較してもよい。中間層413のAl組成比zは、0を超えて0.01以下とすることができる。第2p側組成傾斜層412を安定して形成するためには、このような小さなAl組成比zが適している。中間層413のAl組成比zは、0を超えて0.01未満でもよく、0を超えて0.005以下でもよい。中間層413は、組成傾斜層ではないか、もしくは第2p側組成傾斜層412の組成変化率よりも小さな組成変化率を有する組成傾斜層である。中間層413は、例えば、1nmあたりのAl組成の変化が0.0001以下であってよい。中間層413の組成が一定ではない場合は、その中央値をAl組成比zとする。
中間層413の厚さは、2nm以上とすることができ、10nm以上であってよく、50nm以上であってもよい。これにより、第2p側組成傾斜層412を安定して形成しやすい。中間層413の厚さは、250nm以下とすることができ、200nm以下であってよく、100nm以下であってもよい。これにより、中間層413を含む第1部分41を効率良く形成することができる。中間層413の厚さは、第2p側組成傾斜層412の厚さの0.5倍以上1.5倍以下とすることができる。
n側中間部23に中間層231を設ける場合、その組成、組成変化率、厚さの好ましい範囲は、中間層413と同様のものを採用することができる。
(中間層414)
第2p側組成傾斜層412は電子障壁層42と接していてもよいが、第2p側組成傾斜層412と電子障壁層42との間に中間層414を配置してもよい。中間層413および中間層414をそれぞれ第1中間層および第2中間層と呼んでもよい。中間層414は第2p側組成傾斜層412と電子障壁層42と接していてよい。
第2p側組成傾斜層412は電子障壁層42と接していてもよいが、第2p側組成傾斜層412と電子障壁層42との間に中間層414を配置してもよい。中間層413および中間層414をそれぞれ第1中間層および第2中間層と呼んでもよい。中間層414は第2p側組成傾斜層412と電子障壁層42と接していてよい。
中間層414のバンドギャップエネルギーは、第2p側組成傾斜層412の上端のバンドギャップエネルギーと同じ値であるか、または第2p側組成傾斜層412の上端のバンドギャップエネルギーと電子障壁層42のバンドギャップエネルギーとの間の値である。このような中間層414を設けることで、活性層3への光閉じ込めを向上させることができる。また、中間層414を設けることで、p型不純物を含有する電子障壁層42および第2部分43を活性層3からより遠ざけることができるため、光の吸収損失を低減することができる。光の吸収損失を低減することにより、半導体レーザ素子100の効率を向上させることができる。半導体レーザ素子100の効率としては、閾値電流以上の電流値における電流及び光出力の特性グラフにおける傾きであるスロープ効率が挙げられる。
中間層414は、組成傾斜層ではないか、もしくは第2p側組成傾斜層412の組成変化率よりも小さな組成変化率を有する組成傾斜層である。中間層414は、例えば、1nmあたりのAl組成の変化が0.001以下であってよい。中間層414の組成が一定ではない場合は、その中央値を中間層414の組成として他の層とのバンドギャップエネルギーの大小を比較してよい。リッジ4aの下端は中間層414に位置していることが好ましい。これにより、リッジ4aの下端が組成傾斜層に位置している場合と比較して、リッジ4aの深さのばらつきに伴うリッジ4aの内外での実効屈折率差のばらつきを低減することができる。
例えば、中間層414はAlGaNからなる。中間層414の下面が第2p側組成傾斜層412の上面と接している場合、中間層414の下端の格子定数は、第2p側組成傾斜層412の上端の格子定数と同じであることが好ましい。中間層414の格子定数と第2p側組成傾斜層412の上端の格子定数との差が小さいほど、バンドスパイクの影響を低減することができる。中間層414がAlGaNからなる場合、中間層414における最大のAl組成比と第2p側組成傾斜層412の上端のAl組成比yとの差は、0.02以下であることが好ましく、0.01以下であることがより好ましい。これにより、バンドスパイクの影響を低減することができる。
中間層414の厚さは、第2p側組成傾斜層412を構成するサブ層よりも厚い。中間層414の厚さは、25nmよりも厚くてよく、50nm以上であってよい。中間層414の厚さは、600nm以下であってよく、250nm以下であってもよい。
第2p側組成傾斜層412の厚さと中間層414の厚さの和は、100nm以上であることが好ましい。これにより、電子障壁層42および第2部分43への光漏れを低減することができ、光の吸収損失を低減することができる。第2p側組成傾斜層412の厚さと中間層414の厚さの和は、500nm以下であることが好ましい。これにより、電子障壁層42を活性層3から遠すぎない位置に配置することができるため、第2部分43への電子のオーバーフローの総量を抑制することができる。第2p側組成傾斜層412の厚さと中間層414の厚さの和に対する第2p側組成傾斜層412の厚さの比率は、0.5以下であることが好ましい。第2p側組成傾斜層412のバンドギャップエネルギーの平均値は中間層414のバンドギャップエネルギーよりも小さいため、第2p側組成傾斜層412の厚さを増大させるほど活性層3への光閉じ込めが低下する。したがって、第2p側組成傾斜層412の厚さを相対的に薄くすることで、活性層3への光閉じ込めを向上させることできる。これにより、半導体レーザ素子100の発振閾値電流の低下が期待できる。また、第2部分43へ到達する光を減少させることができるため、光の吸収損失を低減することができ、光出力を増大させることができる。
n側中間部23に中間層233を設ける場合、その組成、組成変化率、厚さの好ましい範囲は、中間層414と同様のものを採用することができる。
(電子障壁層42)
電子障壁層42は、Mg等のp型不純物を含有する。電子障壁層42は、第1部分41の上面に接して配置されていてよい。電子障壁層42のバンドギャップエネルギーは、第1部分41のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第1部分41が上述のように多層構造である場合は、電子障壁層42を、第1部分41を構成するいずれの層よりもバンドギャップエネルギーが大きな層とする。電子障壁層42がこのような大きなバンドギャップエネルギーを有する層であることにより、電子障壁層42を、活性層3からオーバーフローした電子に対する障壁として機能させることができる。電子障壁層42は、第1部分41の最上層とのバンドギャップエネルギー差が0.1eV以上であることが好ましい。これらのバンドギャップエネルギー差は例えば1eV以下とすることができる。電子障壁層42は、例えば、p側半導体層4中で最も高いバンドギャップエネルギーを有する層とする。電子障壁層42は第1p側組成傾斜層411よりも厚さが小さい層であってもよい。
電子障壁層42は、Mg等のp型不純物を含有する。電子障壁層42は、第1部分41の上面に接して配置されていてよい。電子障壁層42のバンドギャップエネルギーは、第1部分41のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第1部分41が上述のように多層構造である場合は、電子障壁層42を、第1部分41を構成するいずれの層よりもバンドギャップエネルギーが大きな層とする。電子障壁層42がこのような大きなバンドギャップエネルギーを有する層であることにより、電子障壁層42を、活性層3からオーバーフローした電子に対する障壁として機能させることができる。電子障壁層42は、第1部分41の最上層とのバンドギャップエネルギー差が0.1eV以上であることが好ましい。これらのバンドギャップエネルギー差は例えば1eV以下とすることができる。電子障壁層42は、例えば、p側半導体層4中で最も高いバンドギャップエネルギーを有する層とする。電子障壁層42は第1p側組成傾斜層411よりも厚さが小さい層であってもよい。
電子障壁層42は多層構造であってもよい。この場合、電子障壁層42を構成する1以上の層が、第1部分41を構成するいずれの層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。電子障壁層42は組成傾斜層であってもよい。電子障壁層42は、例えば、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが小さくなるように組成が変化している組成傾斜層であってよい。第1部分41や電子障壁層42が超格子層を有する場合は、超格子層を構成する各層のバンドギャップエネルギーではなく、超格子層の平均のバンドギャップエネルギーを用いて大小関係を比較する。電子障壁層42は、例えばAlGaNからなる。電子障壁層42がAlGaNである場合、そのAl組成比は0.08以上0.5以下としてよい。電子障壁層42の厚さは、例えば4nm以上とすることができ、100nm以下とすることができる。
(第2部分43)
第2部分43は、p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する。第2部分43は、電子障壁層の上面に接して配置されていてよい。第2部分43が有するp型半導体層のp型不純物の濃度は、例えば、1×1018/cm3以上とすることができ、1×1022/cm3以下とすることができる。上述のとおり、第2部分43の厚さを薄くすることで駆動電圧を低減することができるため、第2部分43の厚さは、260nm以下であることが好ましい。第2部分43の厚さは、10nm以上とすることができる。第2部分43はアンドープ層を含んでいてもよい。第2部分43は、その全体にp型不純物が含有されていることが好ましい。これにより、アンドープ層を含む場合よりも第2部分43の抵抗を低減することができる。超格子層の場合はその平均的なp型不純物濃度をその超格子層のp型不純物濃度と見做すことができるため、第2部分43が超格子層を有する場合、その超格子層はアンドープの層とp型不純物含有層との積層構造を有していてもよい。
第2部分43は、p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する。第2部分43は、電子障壁層の上面に接して配置されていてよい。第2部分43が有するp型半導体層のp型不純物の濃度は、例えば、1×1018/cm3以上とすることができ、1×1022/cm3以下とすることができる。上述のとおり、第2部分43の厚さを薄くすることで駆動電圧を低減することができるため、第2部分43の厚さは、260nm以下であることが好ましい。第2部分43の厚さは、10nm以上とすることができる。第2部分43はアンドープ層を含んでいてもよい。第2部分43は、その全体にp型不純物が含有されていることが好ましい。これにより、アンドープ層を含む場合よりも第2部分43の抵抗を低減することができる。超格子層の場合はその平均的なp型不純物濃度をその超格子層のp型不純物濃度と見做すことができるため、第2部分43が超格子層を有する場合、その超格子層はアンドープの層とp型不純物含有層との積層構造を有していてもよい。
第2部分43の厚さは第1部分41の厚さよりも小さくてよい。第1部分41が相対的に厚いことにより、光強度のピークをp型不純物含有層から遠ざけることができ、p型不純物含有層における自由キャリア吸収による損失を低減することができる。したがって、半導体レーザ素子100のスロープ効率などの効率を向上させることができる。加えて、第2部分43が相対的に薄いことにより、半導体レーザ素子100の駆動電圧を低減することができ、効率を向上することができる。p型不純物を含有する部分の厚さを薄くすることで電圧が低下する理由は、窒化物半導体において、Mgのようなp型不純物はSiのようなn型不純物よりも活性化率が低く、p型不純物含有層は比較的高抵抗であるためである。第1部分41はアンドープであるが電子障壁層42と活性層3の間に位置するため、電子がオーバーフローする等の要因により完全な絶縁性というよりはn型導電性を示す傾向がある。これらのことから、比較的高抵抗であるp型不純物を含有する第2部分43の厚さを薄くすることにより、駆動電圧が下がり、アンドープである第1部分41の厚さを厚くすることによる駆動電圧の上昇を抑えるという効果を得ることができると考えられる。第1部分41が相対的に厚いため、リッジ4aの下端は第1部分41に設けることが好ましい。これにより、横方向の光閉じ込めを強めることができる。
第2部分43は、下側p型半導体層と、上側p型半導体層と、を有していてもよい。上側p型半導体層は、リッジ4aの上面を構成する。すなわち、上側p型半導体層は第2部分43の最上層である。上側p型半導体層はp側コンタクト層として機能する。下側p型半導体層は、上側p型半導体層と電子障壁層42の間に配置されており、上側p型半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。
下側p型半導体層は、例えばAlGaNからなる。上側p型半導体層は、例えばGaNからなる。下側p型半導体層は、p側クラッド層として機能させてもよい。下側p型半導体層は、p型GaN層としてもよく、これにより、第2部分43の抵抗をより低くすることができる。この場合、p電極をITO等のクラッド層として機能する材料で形成することが好ましい。上側p型半導体層の厚さは、例えば、5nm以上30nm以下とすることができる。下側p型半導体層の厚さは、例えば、1nm以上260nm以下とすることができる。下側p型半導体層は、例えば電子障壁層42よりも厚さが大きい。この場合、自由キャリア吸収損失を低減するために、下側p型半導体層のp型不純物濃度は、電子障壁層42のp型不純物濃度よりも低いことが好ましい。
(絶縁膜5、n電極8、p電極6、p側パッド電極7)
絶縁膜5は、例えば、Si、Al、Zr、Ti、Nb、Ta等の酸化物又は窒化物等の単層膜又は多層膜によって形成することができる。n電極8は、例えばn型の基板1の下面のほぼ全域に設けられる。p電極6は、リッジ4aの上面に設けられる。p電極6の幅が狭い場合は、p電極6の上にp電極6より幅が広いp側パッド電極7を設け、p側パッド電極7にワイヤ等を接続すればよい。各電極の材料は、例えば、Ni、Rh、Cr、Au、W、Pt、Ti、Al等の金属又は合金、Zn、In、Snから選択される少なくとも1種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。導電性酸化物の例としては、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、GZO(Gallium-doped Zinc Oxide)等が挙げられる。電極の厚さは、通常、半導体素子の電極として機能し得る厚さであればよい。例えば、0.05μm~2μm程度が挙げられる。
絶縁膜5は、例えば、Si、Al、Zr、Ti、Nb、Ta等の酸化物又は窒化物等の単層膜又は多層膜によって形成することができる。n電極8は、例えばn型の基板1の下面のほぼ全域に設けられる。p電極6は、リッジ4aの上面に設けられる。p電極6の幅が狭い場合は、p電極6の上にp電極6より幅が広いp側パッド電極7を設け、p側パッド電極7にワイヤ等を接続すればよい。各電極の材料は、例えば、Ni、Rh、Cr、Au、W、Pt、Ti、Al等の金属又は合金、Zn、In、Snから選択される少なくとも1種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。導電性酸化物の例としては、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、GZO(Gallium-doped Zinc Oxide)等が挙げられる。電極の厚さは、通常、半導体素子の電極として機能し得る厚さであればよい。例えば、0.05μm~2μm程度が挙げられる。
p電極6は、活性層3の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明導電膜であることが好ましい。これにより、クラッド層として機能させることができる。さらには、p電極6は、第2部分43の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明導電膜であることが好ましい。これにより、光閉じ込め効果をより得ることができる。また、第2部分43にp側クラッド層を設ける場合は、例えばAl組成比が比較的高くp型不純物が添加されたAlGaN層をp側クラッド層として設けるが、Al組成比が高いほど抵抗が高くなりやすい。p電極6をクラッド層として機能させれば、第2部分43にp側クラッド層を設けなくてもよいか、あるいはp側クラッド層を設ける場合でもそのAl組成比を低くすることができる。このため、抵抗を低減することができ、半導体レーザ素子100の駆動電圧を低減することができる。クラッド層として機能するp電極6としては、例えばITOからなるp電極6が挙げられる。
(製造方法)
実施形態に係る半導体レーザ素子100の製造方法は、例えば、下の第1~第5工程を有する。第1工程は、基板1の上に、n側半導体層2を形成する工程である。第2工程は、n側半導体層2の上に、活性層3を形成する工程である。第3工程は、活性層3の上面に、1以上の半導体層を有する第1部分41をアンドープで形成する工程である。第4工程は、第1部分41の上面に、電子障壁層42を、p型不純物をドープして形成する工程である。第5工程は、電子障壁層42の上面に、p型不純物をドープして形成するp型半導体層を1以上有する第2部分43を形成する工程である。第3工程において、第1部分41を構成する各層は下から上へ向かって順に形成する。半導体レーザ素子100の製造方法は、さらに、第1部分41と電子障壁層42と第2部分43とを含むp側半導体層4の一部を除去することにより、上方に突出したリッジ4aを形成する第6工程を有していてもよい。各工程によって得られる層等の作用効果や好ましい構成等は、上に述べた通りである。
実施形態に係る半導体レーザ素子100の製造方法は、例えば、下の第1~第5工程を有する。第1工程は、基板1の上に、n側半導体層2を形成する工程である。第2工程は、n側半導体層2の上に、活性層3を形成する工程である。第3工程は、活性層3の上面に、1以上の半導体層を有する第1部分41をアンドープで形成する工程である。第4工程は、第1部分41の上面に、電子障壁層42を、p型不純物をドープして形成する工程である。第5工程は、電子障壁層42の上面に、p型不純物をドープして形成するp型半導体層を1以上有する第2部分43を形成する工程である。第3工程において、第1部分41を構成する各層は下から上へ向かって順に形成する。半導体レーザ素子100の製造方法は、さらに、第1部分41と電子障壁層42と第2部分43とを含むp側半導体層4の一部を除去することにより、上方に突出したリッジ4aを形成する第6工程を有していてもよい。各工程によって得られる層等の作用効果や好ましい構成等は、上に述べた通りである。
(実施例1)
実施例1として、半導体レーザ素子100を作製した。半導体レーザ素子100となるエピタキシャルウエハーの作製にはMOCVD装置を用いた。また、原料には、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニア(NH3)、シランガス、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp2Mg)を適宜用いた。
実施例1として、半導体レーザ素子100を作製した。半導体レーザ素子100となるエピタキシャルウエハーの作製にはMOCVD装置を用いた。また、原料には、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニア(NH3)、シランガス、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp2Mg)を適宜用いた。
+c面を上面とするn型GaN基板(基板1)上に、n側半導体層2と、活性層3と、p側半導体層4とをこの順に成長させた。
n側半導体層2は、n型GaN基板の側から順に、Siを添加した厚さ1.5μmのAl0.016Ga0.984N層と、Siを添加した厚さ150nmのIn0.05Ga0.95N層と、Siを添加した厚さ900nmのAl0.072Ga0.928N層(n型半導体層22)と、Siを添加した厚さ3500nmのGaN層(n側中間部23)と、Siを添加した厚さ200nmの始端をGaNとしIn0.05Ga0.95Nを終端としてIn組成を実質的に単調増加させて成長させたn側組成傾斜層21と、を有するように形成した。
活性層3は、n型GaN基板の側から順に、Siを添加したGaN層と、アンドープのIn組成傾斜層と、アンドープのIn0.2Ga0.8N層と、アンドープのGaN層と、を有するように形成した。
p側半導体層4は、n型GaN基板の側から順に、アンドープの厚さ200nmの第1p側組成傾斜層411と、アンドープの厚さ50nmの中間層413と、アンドープの厚さ70nmの第2p側組成傾斜層412と、アンドープの厚さ130nmのAl0.045Ga0.955Nからなる中間層414と、Mgを添加した厚さ10nmのAlGaNからなる電子障壁層42と、Mgを添加した厚さ100nmのAlGaNからなる下側p型半導体層と、Mgを添加した厚さ18nmのGaNからなる上側p型半導体層と、を有するように形成した。第1p側組成傾斜層411は、成長の始端をIn0.05Ga0.95Nとし、成長の終端をGaNとした。第2p側組成傾斜層412は、成長の始端をAl組成比1%以下のAlGaNとし、成長の終端をAl0.045Ga0.955Nとした。
そして、以上の層が形成されたエピタキシャルウエハーをMOCVD装置より取り出し、リッジ4a、絶縁膜5、p電極6、p側パッド電極7、n電極8を形成し、光出射端面及び光反射端面にそれぞれ反射膜を形成し、個片化して半導体レーザ素子100を得た。リッジ4aの深さは約270nmとした。すなわち、リッジ4aを、その下端が第2p側組成傾斜層412に位置するように形成した。また、p電極6として、厚さ200nmのITO膜を形成した。実施例1に係る半導体レーザ素子100が出射するレーザ光のピーク波長は約455nmであった。
(SIMS分析)
実施例1と同様のp側半導体層4を成長させ、リッジ4a等を形成する前で止めたウエハーについて、SIMS分析を行った結果を図7に示す。図7において、破線はInの検出量を示す線であり、実線はAlの検出量を示す線である。図7の縦軸および横軸は線形スケールである。図7から、第1p側組成傾斜層411と第2p側組成傾斜層412との間に中間層414が形成されていることが確認できた。図7において、中間層414の下端(図中右端)においてInの検出量を示す線とAlの検出量を示す線が交わっており、中間層414の過半においてAlが検出されている。
実施例1と同様のp側半導体層4を成長させ、リッジ4a等を形成する前で止めたウエハーについて、SIMS分析を行った結果を図7に示す。図7において、破線はInの検出量を示す線であり、実線はAlの検出量を示す線である。図7の縦軸および横軸は線形スケールである。図7から、第1p側組成傾斜層411と第2p側組成傾斜層412との間に中間層414が形成されていることが確認できた。図7において、中間層414の下端(図中右端)においてInの検出量を示す線とAlの検出量を示す線が交わっており、中間層414の過半においてAlが検出されている。
(実施例2)
+c面を上面とするn型GaN基板(基板1)上に、n側半導体層2と、活性層3と、p側半導体層4とをこの順に成長させた。
+c面を上面とするn型GaN基板(基板1)上に、n側半導体層2と、活性層3と、p側半導体層4とをこの順に成長させた。
n側半導体層2は、n型GaN基板の側から順に、Siを添加した厚さ1.25μmのAl0.018Ga0.982N層と、Siを添加した厚さ250nmのAl0.08Ga0.92N層と、Siを添加した厚さ150nmのIn0.04Ga0.96N層と、Siを添加した厚さ10nmのGaN層と、Siを添加した厚さ650nmのAl0.08Ga0.92N層(n型半導体層22)と、Siを添加した厚さ200nmのGaN層(n側中間部23)と、アンドープの厚さ230nmのIn0.03Ga0.97N層と、を有するように形成した。
活性層3は、n型GaN基板の側から順に、Siを添加したGaN層と、Siを添加したIn0.05Ga0.95N層と、Siを添加したGaN層と、アンドープのIn0.25Ga0.75N層と、アンドープのGaN層と、アンドープのIn0.25Ga0.75N層と、アンドープのGaN層と、を有するように形成した。
p側半導体層4は、n型GaN基板の側から順に、アンドープの厚さ180nmの第1p側組成傾斜層411と、アンドープの厚さ50nmの中間層413と、アンドープの厚さ100nmの第2p側組成傾斜層412と、アンドープの厚さ200nmのAl0.04Ga0.96Nからなる中間層414と、Mgを添加した厚さ10.9nmのAlGaNからなる電子障壁層42と、Mgを添加した厚さ100nmのAlGaNからなる下側p型半導体層と、Mgを添加した厚さ18nmのGaNからなる上側p型半導体層と、を有するように形成した。第1p側組成傾斜層411は、成長の始端をIn0.05Ga0.95Nとし、成長の終端をGaNとした。第2p側組成傾斜層412は、成長の始端をAl組成比1%以下のAlGaNとし、成長の終端をAl0.04Ga0.96Nとした。
そして、以上の層が形成されたエピタキシャルウエハーをMOCVD装置より取り出し、リッジ4a、絶縁膜5、p電極6、p側パッド電極7、n電極8を形成し、光出射端面及び光反射端面にそれぞれ反射膜を形成し、個片化して半導体レーザ素子100を得た。リッジ4aの深さは約270nmとした。すなわち、リッジ4aを、その下端が中間層414に位置するように形成した。また、p電極6として、厚さ200nmのITO膜を形成した。実施例2に係る半導体レーザ素子100が出射するレーザ光のピーク波長は約527nmであった。
(実施例3)
実施例3に係る半導体レーザ素子100は、実施例2と下の点を除いて同様にして作製した。n側半導体層2における最後の二層を、Siを添加した厚さ250nmのGaN層(n側中間部23)と、アンドープの厚さ180nmのIn0.03Ga0.97N層とした。p側半導体層4において、第2p側組成傾斜層412の厚さを300nmとし、中間層414を無くした。アンドープの厚さ50nmの中間層413はそのままとした。リッジ4aの深さは約270nmのままとした。すなわち、リッジ4aを、その下端が第2p側組成傾斜層412に位置するように形成した。実施例3に係る半導体レーザ素子100が出射するレーザ光のピーク波長は527nmであった。
実施例3に係る半導体レーザ素子100は、実施例2と下の点を除いて同様にして作製した。n側半導体層2における最後の二層を、Siを添加した厚さ250nmのGaN層(n側中間部23)と、アンドープの厚さ180nmのIn0.03Ga0.97N層とした。p側半導体層4において、第2p側組成傾斜層412の厚さを300nmとし、中間層414を無くした。アンドープの厚さ50nmの中間層413はそのままとした。リッジ4aの深さは約270nmのままとした。すなわち、リッジ4aを、その下端が第2p側組成傾斜層412に位置するように形成した。実施例3に係る半導体レーザ素子100が出射するレーザ光のピーク波長は527nmであった。
(比較例1)
比較例1に係る半導体レーザ素子は、中間層413および第2p側組成傾斜層412を形成せず、その位置にアンドープの厚さ120nmのGaN層を形成した点以外は、実施例1に係る半導体レーザ素子100と同様にして作製した。リッジ4aの深さは約270nmのままとした。すなわち、リッジ4aを、その下端がアンドープの厚さ120nmのGaN層に位置するように形成した。比較例1に係る半導体レーザ素子が出射するレーザ光のピーク波長は455nmであった。
比較例1に係る半導体レーザ素子は、中間層413および第2p側組成傾斜層412を形成せず、その位置にアンドープの厚さ120nmのGaN層を形成した点以外は、実施例1に係る半導体レーザ素子100と同様にして作製した。リッジ4aの深さは約270nmのままとした。すなわち、リッジ4aを、その下端がアンドープの厚さ120nmのGaN層に位置するように形成した。比較例1に係る半導体レーザ素子が出射するレーザ光のピーク波長は455nmであった。
(比較例2)
比較例2に係る半導体レーザ素子は、実施例2と下の点を除いて同様にして作製した。n側半導体層2における最後の二層を、Siを添加した厚さ250nmのGaN層と、アンドープの厚さ180nmのIn0.03Ga0.97N層とした。p側半導体層4において、第2p側組成傾斜層412を形成せず、その位置にアンドープの厚さ150nmのGaN層を形成した。比較例2に係る半導体レーザ素子が出射するレーザ光のピーク波長は527nmであった。
比較例2に係る半導体レーザ素子は、実施例2と下の点を除いて同様にして作製した。n側半導体層2における最後の二層を、Siを添加した厚さ250nmのGaN層と、アンドープの厚さ180nmのIn0.03Ga0.97N層とした。p側半導体層4において、第2p側組成傾斜層412を形成せず、その位置にアンドープの厚さ150nmのGaN層を形成した。比較例2に係る半導体レーザ素子が出射するレーザ光のピーク波長は527nmであった。
(I-L特性)
実施例1と比較例1の半導体レーザ素子のI-L特性を図8に示す。図8のグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図8において、実線は実施例1を示し、破線は比較例1を示す。実施例2と実施例3と比較例2の半導体レーザ素子のI-L特性を図9に示す。図9のグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図9において、実線は実施例2を示し、一点鎖線は実施例3を示し、破線は比較例2を示す。図8および図9に示すとおり、第1p側組成傾斜層411と、中間層413と、第2p側組成傾斜層412とを備えることで、スロープ効率が向上し、光出力が向上することが確認された。これは、p側半導体層4におけるキャリアの損失を低減したことによる効果であると考えられる。
実施例1と比較例1の半導体レーザ素子のI-L特性を図8に示す。図8のグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図8において、実線は実施例1を示し、破線は比較例1を示す。実施例2と実施例3と比較例2の半導体レーザ素子のI-L特性を図9に示す。図9のグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図9において、実線は実施例2を示し、一点鎖線は実施例3を示し、破線は比較例2を示す。図8および図9に示すとおり、第1p側組成傾斜層411と、中間層413と、第2p側組成傾斜層412とを備えることで、スロープ効率が向上し、光出力が向上することが確認された。これは、p側半導体層4におけるキャリアの損失を低減したことによる効果であると考えられる。
本明細書でこれまで説明してきた内容を通し、以下の技術事項が開示される。
(項1)それぞれが窒化物半導体からなるn側半導体層と、活性層と、p側半導体層と、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、
前記p側半導体層は、
1以上の半導体層を有し、アンドープである第1部分と、
前記第1部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、p型不純物を含有する電子障壁層と、
p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する第2部分と、を上方に向かってこの順に有し、
前記第1部分は、
InxGa1-xNからなり、上方に向かうにつれてIn組成比xが0以上1未満の範囲で減少している第1p側組成傾斜層と、
前記第1p側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、AlyGa1-yNからなり、上方に向かうにつれてAl組成比yが0を超えて1未満の範囲で増加している第2p側組成傾斜層と、
前記第1p側組成傾斜層と前記第2p側組成傾斜層との間に配置され、AlzGa1-zNからなり、Al組成比zは0を超えてy未満である中間層と、を有する、半導体レーザ素子。
(項2)前記第1p側組成傾斜層は、第1変化率で、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化しており、
前記第2p側組成傾斜層は、第1変化率よりも小さい第2変化率で、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化している、項1に記載の半導体レーザ素子。
(項3)前記第2p側組成傾斜層の上端のAl組成比yは、0.1以下である、項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
(項4)前記第2p側組成傾斜層の厚さは、2nm以上である、項1~3のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項5)前記中間層のAl組成比zは、0を超えて0.01以下である、項1~4のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項6)前記第2p側組成傾斜層の下端のAl組成比yは、前記中間層のAl組成比zを超えて0.05以下である、項1~5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項7)前記中間層は第1中間層であり、
前記第1部分は、前記第2p側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、前記第2p側組成傾斜層の上端と同じ又は前記第2p側組成傾斜層の上端と前記電子障壁層との間のバンドギャップエネルギーを有する第2中間層を有する、項1~6のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項8)前記第2p側組成傾斜層の厚さと前記第2中間層の厚さの和に対する前記第2p側組成傾斜層の厚さの比率は、0.5以下である、項7に記載の半導体レーザ素子。
(項9)前記n側半導体層は、
前記活性層の下面に接して配置され、下方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化しているn側組成傾斜層と、
前記n側組成傾斜層の下方に配置され、前記p側半導体層の前記第1部分を構成するいずれの層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、n型不純物を含有する、n型半導体層と、
前記n側組成傾斜層と前記n型半導体層との間に配置されたn側中間部と、を有し、
前記n側組成傾斜層から前記n型半導体層までの距離は、前記第1p側組成傾斜層から前記電子障壁層までの距離よりも大きい、項1~8のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項10)前記活性層は、
n側障壁層と、
p側障壁層と、
前記n側障壁層と前記p側障壁層との間に位置する第1井戸層及び第2井戸層を含む複数の井戸層と、
前記第1井戸層と前記第2井戸層との間に位置する中間障壁層と、を有し、
前記中間障壁層の厚さは、前記p側障壁層の厚さよりも小さい、項1~9のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項1)それぞれが窒化物半導体からなるn側半導体層と、活性層と、p側半導体層と、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、
前記p側半導体層は、
1以上の半導体層を有し、アンドープである第1部分と、
前記第1部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、p型不純物を含有する電子障壁層と、
p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する第2部分と、を上方に向かってこの順に有し、
前記第1部分は、
InxGa1-xNからなり、上方に向かうにつれてIn組成比xが0以上1未満の範囲で減少している第1p側組成傾斜層と、
前記第1p側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、AlyGa1-yNからなり、上方に向かうにつれてAl組成比yが0を超えて1未満の範囲で増加している第2p側組成傾斜層と、
前記第1p側組成傾斜層と前記第2p側組成傾斜層との間に配置され、AlzGa1-zNからなり、Al組成比zは0を超えてy未満である中間層と、を有する、半導体レーザ素子。
(項2)前記第1p側組成傾斜層は、第1変化率で、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化しており、
前記第2p側組成傾斜層は、第1変化率よりも小さい第2変化率で、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化している、項1に記載の半導体レーザ素子。
(項3)前記第2p側組成傾斜層の上端のAl組成比yは、0.1以下である、項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
(項4)前記第2p側組成傾斜層の厚さは、2nm以上である、項1~3のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項5)前記中間層のAl組成比zは、0を超えて0.01以下である、項1~4のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項6)前記第2p側組成傾斜層の下端のAl組成比yは、前記中間層のAl組成比zを超えて0.05以下である、項1~5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項7)前記中間層は第1中間層であり、
前記第1部分は、前記第2p側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、前記第2p側組成傾斜層の上端と同じ又は前記第2p側組成傾斜層の上端と前記電子障壁層との間のバンドギャップエネルギーを有する第2中間層を有する、項1~6のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項8)前記第2p側組成傾斜層の厚さと前記第2中間層の厚さの和に対する前記第2p側組成傾斜層の厚さの比率は、0.5以下である、項7に記載の半導体レーザ素子。
(項9)前記n側半導体層は、
前記活性層の下面に接して配置され、下方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化しているn側組成傾斜層と、
前記n側組成傾斜層の下方に配置され、前記p側半導体層の前記第1部分を構成するいずれの層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、n型不純物を含有する、n型半導体層と、
前記n側組成傾斜層と前記n型半導体層との間に配置されたn側中間部と、を有し、
前記n側組成傾斜層から前記n型半導体層までの距離は、前記第1p側組成傾斜層から前記電子障壁層までの距離よりも大きい、項1~8のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
(項10)前記活性層は、
n側障壁層と、
p側障壁層と、
前記n側障壁層と前記p側障壁層との間に位置する第1井戸層及び第2井戸層を含む複数の井戸層と、
前記第1井戸層と前記第2井戸層との間に位置する中間障壁層と、を有し、
前記中間障壁層の厚さは、前記p側障壁層の厚さよりも小さい、項1~9のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
100 半導体レーザ素子
1 基板
2 n側半導体層
21 n側組成傾斜層
22 n型半導体層
23 n側中間部
231 中間層
232 組成傾斜層
233 中間層
3、3A 活性層
31 n側障壁層
32 井戸層
33 p側障壁層
34 中間障壁層
4 p側半導体層
41 第1部分
411 第1p側組成傾斜層
411a、411b、411c、411y、411z サブ層
412 第2p側組成傾斜層
412a、412b、412c、412y、412z サブ層
413 中間層
414 中間層
42 電子障壁層
43 第2部分
4a リッジ
5 絶縁膜
6 p電極
7 p側パッド電極
8 n電極
1 基板
2 n側半導体層
21 n側組成傾斜層
22 n型半導体層
23 n側中間部
231 中間層
232 組成傾斜層
233 中間層
3、3A 活性層
31 n側障壁層
32 井戸層
33 p側障壁層
34 中間障壁層
4 p側半導体層
41 第1部分
411 第1p側組成傾斜層
411a、411b、411c、411y、411z サブ層
412 第2p側組成傾斜層
412a、412b、412c、412y、412z サブ層
413 中間層
414 中間層
42 電子障壁層
43 第2部分
4a リッジ
5 絶縁膜
6 p電極
7 p側パッド電極
8 n電極
Claims (10)
- それぞれが窒化物半導体からなるn側半導体層と、活性層と、p側半導体層と、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、
前記p側半導体層は、
1以上の半導体層を有し、アンドープである第1部分と、
前記第1部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、p型不純物を含有する電子障壁層と、
p型不純物を含有するp型半導体層を1以上有する第2部分と、を上方に向かってこの順に有し、
前記第1部分は、
InxGa1-xNからなり、上方に向かうにつれてIn組成比xが0以上1未満の範囲で減少している第1p側組成傾斜層と、
前記第1p側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、AlyGa1-yNからなり、上方に向かうにつれてAl組成比yが0を超えて1未満の範囲で増加している第2p側組成傾斜層と、
前記第1p側組成傾斜層と前記第2p側組成傾斜層との間に配置され、AlzGa1-zNからなり、Al組成比zは0を超えてy未満である中間層と、を有する、半導体レーザ素子。 - 前記第1p側組成傾斜層は、第1変化率で、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化しており、
前記第2p側組成傾斜層は、第1変化率よりも小さい第2変化率で、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化している、請求項1に記載の半導体レーザ素子。 - 前記第2p側組成傾斜層の上端のAl組成比yは、0.1以下である、請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第2p側組成傾斜層の厚さは、2nm以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記中間層のAl組成比zは、0を超えて0.01以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第2p側組成傾斜層の下端のAl組成比yは、前記中間層のAl組成比zを超えて0.05以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記中間層は第1中間層であり、
前記第1部分は、前記第2p側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、前記第2p側組成傾斜層の上端と同じ又は前記第2p側組成傾斜層の上端と前記電子障壁層との間のバンドギャップエネルギーを有する第2中間層を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。 - 前記第2p側組成傾斜層の厚さと前記第2中間層の厚さの和に対する前記第2p側組成傾斜層の厚さの比率は、0.5以下である、請求項7に記載の半導体レーザ素子。
- 前記n側半導体層は、
前記活性層の下面に接して配置され、下方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように組成が変化しているn側組成傾斜層と、
前記n側組成傾斜層の下方に配置され、前記p側半導体層の前記第1部分を構成するいずれの層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、n型不純物を含有する、n型半導体層と、
前記n側組成傾斜層と前記n型半導体層との間に配置されたn側中間部と、を有し、
前記n側組成傾斜層から前記n型半導体層までの距離は、前記第1p側組成傾斜層から前記電子障壁層までの距離よりも大きい、請求項1~8のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。 - 前記活性層は、
n側障壁層と、
p側障壁層と、
前記n側障壁層と前記p側障壁層との間に位置する第1井戸層及び第2井戸層を含む複数の井戸層と、
前記第1井戸層と前記第2井戸層との間に位置する中間障壁層と、を有し、
前記中間障壁層の厚さは、前記p側障壁層の厚さよりも小さい、請求項1~9のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006114811A (ja) * | 2004-10-18 | 2006-04-27 | Sony Corp | 半導体レーザおよび光ディスク装置 |
JP2018050021A (ja) * | 2015-11-30 | 2018-03-29 | 日亜化学工業株式会社 | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
US20190140426A1 (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-09 | Jonathan K. Doylend | Laser device with a stepped graded index separate confinement heterostructure |
WO2020039904A1 (ja) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 発光素子 |
JP2020115539A (ja) * | 2019-01-17 | 2020-07-30 | 日亜化学工業株式会社 | 半導体レーザ素子 |
WO2020158254A1 (ja) * | 2019-01-30 | 2020-08-06 | パナソニックセミコンダクターソリューションズ株式会社 | 半導体発光素子 |
-
2023
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006114811A (ja) * | 2004-10-18 | 2006-04-27 | Sony Corp | 半導体レーザおよび光ディスク装置 |
JP2018050021A (ja) * | 2015-11-30 | 2018-03-29 | 日亜化学工業株式会社 | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
WO2020039904A1 (ja) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 発光素子 |
US20190140426A1 (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-09 | Jonathan K. Doylend | Laser device with a stepped graded index separate confinement heterostructure |
JP2020115539A (ja) * | 2019-01-17 | 2020-07-30 | 日亜化学工業株式会社 | 半導体レーザ素子 |
WO2020158254A1 (ja) * | 2019-01-30 | 2020-08-06 | パナソニックセミコンダクターソリューションズ株式会社 | 半導体発光素子 |
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