JP2007214221A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の窒化物半導体レーザは、下部クラッド層、量子井戸活性層、上部クラッド層をこの順に備え、前記量子井戸活性層は、アンドープのInGaNからなる複数の井戸層と、該井戸層に挟まれるアンドープの障壁層を有するとともに、前記障壁層は、InGaNからなる第1層と、GaNからなる第2層と、InGaNからなる第3層とを有し、前記第1層および第3層のIn組成は、いずれも前記井戸層のIn組成の半分未満であることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
(実施例1)
図1は、本発明の1例である半導体レーザ素子の概略断面図である。この半導体レーザ素子は、n型GaN基板100上に、ケイ素(Si)が添加(ドープ)された厚さ0.2μmのnドープGaN層101、ケイ素(Si)がドープされた厚さ4μmのnドープAl0.05Ga0.95N下部クラッド層102、ケイ素(Si)がドープされた厚さ0.1μmのnドープGaNガイド層103、厚さ20nmのアンドープのIn0.03Ga0.97N下部隣接層104、活性層105(詳細は後述する)、厚さ20nmのアンドープのGaN上部隣接層106、ケイ素(Si)がドープされた厚さ10nmのnドープGaN層107(第1の中間層)、厚さ40nmのアンドープのGaN層108(第2の中間層)、厚さ10nmのpドープAl0.15Ga0.85N層109(第3の中間層)、マグネシウム(Mg)がドープされた厚さ0.6μmのpドープAl0.05Ga0.95N上部クラッド層110、マグネシウム(Mg)がドープされた厚さ0.1μmのpドープGaNコンタクト層111が順次形成されている。基板裏面にはn側電極120が形成され、コンタクト層111に接してp側電極121が形成されている。また、上部クラッド層110とコンタクト層111は、共振器方向に延伸したストライプ状に形成されており、リッジストライプ型導波路を構成している。リッジストライプの底面は、上部クラッド層と第3の中間層の界面位置かもしくは上部クラッド層内にあることが望ましい。リッジストライプ以外の部分は、絶縁膜122で埋め込まれ、電流狭窄を実現している。リッジストライプの幅は1.6μmとし、共振器長600μmとした。素子の前面にはARコーティングを、後面にはHRコーティングを施した。コーティング膜は、半導体に接する側を酸化アルミニウムや窒化アルミニウムのように、窒化物半導体との密着性がよく、発振光を吸収しがたい材料で構成するとよい。
(比較例1)
実施例1における、GaNからなる第2層1322をIn0.03Ga0.97Nとした他は、同様に形成した半導体レーザ素子を作製したところ、初期特性は、閾値電流25mA、スロープ効率1.7W/A程度であり、閾値電流については実施例1よりも低減していた。これは、障壁層のIn組成が全体として増加したことにより、活性層への光閉じ込めが改良したことによると考えられる。しかしながら、実施例1と同様の寿命試験を行ったところ、500時間以内で発振停止する素子が続出し、その破壊原因はCODであった。COD破壊したデバイスの内部を詳細に解析したところ、端面付近において、活性層は、最上の井戸の上部界面近傍に最もダメージを受けており、この領域が最も弱く、ここを基点にCOD劣化が発生することが示唆された。実施例1のように第2層をGaNとするとこのような劣化を抑制できた。このときの第2層の膜厚の適切な範囲としては、1〜8nm程度であった。
(比較例2)
実施例1における、第1層および第3層をIn0.06Ga0.94Nとした他は、同様に形成した半導体レーザ素子を作製したところ、閾値電流24mA程度、スロープ効率1.4W/A程度であり、実施例の特性と比較すると、スロープ効率の悪化が見られた。実施例1と同様の寿命試験を行ったところ、500時間以内で発振停止する素子が続出し、その破壊原因はCODであった。そこで、このような劣化を抑制できる条件を検討すると、第1層および第3層は井戸層のIn組成の半分以下とする必要があった。このときの第1層および第3層の膜厚の適切な範囲としては、0.5〜6nm程度であった。
(比較例3)
実施例1における、活性層にn型不純物ドープを行ったところ、閾値電流26mA程度、スロープ効率1.4W/A程度であった。実施例1と同様の寿命試験を行ったところ、500時間以内で発振停止する素子が続出し、その破壊原因はCODであった。COD破壊したデバイスの内部を詳細に解析したところ、端面付近において、活性層は、最上の井戸の上部界面近傍に最もダメージを受けており、この領域が最も弱く、ここを基点にCOD劣化が発生することが示唆された。
(実施例2)
本実施例は、実施例1における上部隣接層の組成をIn0.03Ga0.97Nとした以外は実施の形態1と同じである。この構成では、初期特性としてスロープ効率が若干悪化した。これは、光の分布が実施例1の場合よりも上部側に偏り、p型不純物がドープされている層での吸収量もしくはp電極での吸収量が若干増加したことによると推察される。実施例1と同様の寿命試験を行い500時間後にパルス条件でのCODレベルを評価したところ、300mW以上確保されており、十分にCODレベルの劣化が抑制されているものの、実施例1の構成の方が優れていた。検討によると、上部隣接層の組成としては、GaNが最も好ましいが、障壁層における第1層と同じ範囲であるIn組成が井戸層の半分未満かつ4%以下としてもよい。
(実施例3)
本実施例は、実施例1における第1の中間層をアンドープとした他は、同様である。このばあい、発振閾値がややばらつく傾向が見られたが、CODレベルの長期信頼性確保の点からは、実施例1と同様の効果が得られた。第1の中間層はnドープされた層であるものの、長期信頼性に問題が無かったのは、活性層から離間して配置されているためと推察される。第1の中間層をドープされた層とする場合、アンドープである上部隣接層の膜厚を5〜50nm程度とすればよい。
(実施例4)
本実施例は、実施例1における下部隣接層の組成をGaNとした以外は実施の形態1と同じである。この構成では、初期特性として閾値電流が40mA程度まで上昇した。これは、活性層に隣接した下部隣接層の屈折率が実施例1の場合よりも小さくなったために、活性層の光閉じ込めが減少したことによると推察される。しかしながら、CODレベルの長期信頼性確保の点からは、実施例1と同様の効果が得られた。よって、下部隣接層の組成としても、GaNもしくは、障壁層における第1層と同じ範囲であるIn組成が井戸層の半分未満かつ4%以下程度とすることが望ましいことが判明した。また下部隣接層の膜厚の適切な範囲としては、3〜30nm程度であった。
〔その他の事項〕
実施例では、クラッド層の組成として特定のものを示したが、その組成は限定されないことは勿論である。例えば、AlxGa1-xNである場合は、xが0.02以上0.15以下とすることができる。また、クラッド層は、超格子構造とすることもできる。
101 nドープGaN層
102 nドープAl0.05Ga0.95N下部クラッド層102
103 nドープGaNガイド層
104 アンドープのIn0.03Ga0.97N下部隣接層
105 活性層
106 アンドープのGaN上部隣接層
107 nドープGaN層(第1の中間層)
108 アンドープのGaN層(第2の中間層)
109 pドープAl0.15Ga0.85N層(第3の中間層)
110 pドープAl0.05Ga0.95N上部クラッド層
111 pドープGaNコンタクト層
120 n側電極
121 p側電極
122 絶縁膜
131 井戸層
1321 障壁層(第1層)
1322 障壁層(第2層)
1323 障壁層(第3層)
Claims (8)
- 下部クラッド層、下部隣接層、量子井戸活性層、上部隣接層、上部クラッド層をこの順に備え、
前記量子井戸活性層は、アンドープのInGaNからなる複数の井戸層と、該井戸層に挟まれるアンドープの障壁層を有し、
前記障壁層は、InGaNからなる第1層と、GaNからなる第2層と、InGaNからなる第3層とを有し、
前記第1層および第3層のIn組成は、いずれも前記井戸層のIn組成の半分未満であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記量子井戸活性層の発するレーザ光の波長は385〜430nmの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記井戸層のIn組成は、0.04〜0.12の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1層および第3層のIn組成は、0.005〜0.04の範囲であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記上部隣接層は、GaN、または、In組成が前記井戸層のIn組成の半分未満であるInGaNからなることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記上部隣接層は、アンドープであることを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記下部隣接層は、GaNまたはInGaNからなることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記下部隣接層は、アンドープであることを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体レーザ素子。
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