JP6838731B2

JP6838731B2 - Nitride semiconductor laser device

Info

Publication number: JP6838731B2
Application number: JP2016242891A
Authority: JP
Inventors: 素顕岩谷; 竹内　哲也; 哲也竹内; 上山　智; 智上山; 赤▲崎▼　勇; 勇赤▲崎▼; 雄太川瀬; 俊樹安田
Original assignee: Meijo University
Current assignee: Meijo University
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: JP2018098401A

Description

本発明は窒化物半導体レーザ素子に関するものである。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser device.

紫外線レーザは、ガスレーザやＹＡＧレーザをはじめとした固体レーザが実用化されており、既に大きな市場が形成されている。その一方で、小型・堅牢・長寿命な特長を有する半導体レーザへのパラダイムシフトは、応用分野の拡大や、市場の拡大など大きな可能性を秘めている。ワイドギャップ半導体であるＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、及びこれらの混晶）、特にＡｌＧａＮはＡｌ組成を制御することによって、発振波長が２１０ｎｍから３６５ｎｍの光を得ることができる材料である。近年、世界中の研究者が紫外線レーザに関する研究開発を進めてきた結果、高品質なＡｌＧａＮを用いることによって電流注入による紫外線レーザが実現している。 As the ultraviolet laser, solid-state lasers such as gas lasers and YAG lasers have been put into practical use, and a large market has already been formed. On the other hand, the paradigm shift to semiconductor lasers, which have the features of small size, robustness, and long life, has great potential such as expansion of application fields and expansion of the market. Group III nitride semiconductors (GaN, AlN, InN, and mixed crystals thereof), which are wide-gap semiconductors, are materials that can obtain light with an oscillation wavelength of 210 nm to 365 nm by controlling the Al composition. is there. In recent years, as a result of research and development on ultraviolet lasers by researchers all over the world, an ultraviolet laser by current injection has been realized by using high quality AlGaN.

非特許文献１に開示された窒化物半導体レーザ素子の構造図を図１に示す。この窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板Ｓの表面に高温でＡｌＮ層３０（もしくはＧａＮ層）を積層して形成し、さらに、ＡｌＧａＮ層３１を積層して形成する。そして、ＡｌＧａＮ層３１に溝を形成することによって高品質なｎ−ＡｌＧａＮコンタクト層３２を形成し、その後、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３３、ｎ−ＡｌＧａＮガイド層３４（ガイド層）、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸活性層３５、ｐ−ＡｌＧａＮガイド層３６（ガイド層）、ｐ−ＡｌＧａＮブロック層３７、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３８（ｐ型クラッド層）、ｐ−ＧａＮ層３９の順で積層する。その後、リッジ構造を形成し、ｐ側電極４０及びｎ側電極４１を設けて窒化物半導体レーザを形成している。非特許文献１に開示された技術に基づいて、現時点において波長が３２６ｎｍの光をレーザ発振することができる窒化物半導体レーザ素子が実現されている。 A structural diagram of the nitride semiconductor laser device disclosed in Non-Patent Document 1 is shown in FIG. This nitride semiconductor laser device is formed by laminating an AlN layer 30 (or a GaN layer) on the surface of a sapphire substrate S at a high temperature, and further laminating an AlGaN layer 31. Then, a high-quality n-AlGaN contact layer 32 is formed by forming a groove in the AlGaN layer 31, and then the n-AlGaN clad layer 33, the n-AlGaN guide layer 34 (guide layer), and the GaN / AlGaN multiple quantum. The well active layer 35, the p-AlGaN guide layer 36 (guide layer), the p-AlGaN block layer 37, the p-AlGaN clad layer 38 (p-type clad layer), and the p-GaN layer 39 are laminated in this order. After that, a ridge structure is formed, and a p-side electrode 40 and an n-side electrode 41 are provided to form a nitride semiconductor laser. Based on the technique disclosed in Non-Patent Document 1, a nitride semiconductor laser device capable of laser oscillating light having a wavelength of 326 nm has been realized at present.

また、一般的に、ＡｌＧａＮ等のＡｌを含有する窒化物半導体はＡｌ組成が大きくなるほど屈折率が小さくなることが知られている。この原理を用いて、Ａｌを含有するｎ型クラッド層及びＡｌを含有するｐ型クラッド層（以降、一対のクラッド層という）のＡｌ組成がＡｌを含有するｎ側ガイド層及びＡｌを含有するｐ側ガイド層（以降一対のガイド層という）から離れるに従い大きくなるように形成すると、活性層及び一対のガイド層から離れるに従い一対のクラッド層の屈折率が徐々に小さくなる。こうすることで、活性層で発した光を一対のクラッド層で挟まれた活性層及び一対のガイド層内に効率良く閉じ込めることができる。 Further, it is generally known that the refractive index of an Al-containing nitride semiconductor such as AlGaN decreases as the Al composition increases. Using this principle, the Al composition of the Al-containing n-type clad layer and the Al-containing p-type clad layer (hereinafter referred to as a pair of clad layers) is the Al-containing n-side guide layer and the Al-containing p. When the aluminum is formed so as to increase away from the side guide layer (hereinafter referred to as a pair of guide layers), the refractive index of the pair of clad layers gradually decreases as the distance from the active layer and the pair of guide layers increases. By doing so, the light emitted from the active layer can be efficiently confined in the active layer and the pair of guide layers sandwiched between the pair of clad layers.

また、一対のクラッド層のＡｌ組成を活性層及び一対のガイド層のＡｌ組成より大きくすることによって、活性層及び一対のガイド層よりバンドギャップが大きくなるため、活性層及び一対のガイド層内に電子及び正孔を閉じ込める作用も有することになる。つまり、一対のクラッド層のＡｌ組成を活性層及びガイド層のＡｌ組成より大きくすることによって、活性層及び一対のガイド層内に活性層で発した光や、電子及び正孔を活性層及び一対のガイド層内に良好に閉じ込めることができる。 Further, by making the Al composition of the pair of clad layers larger than the Al composition of the active layer and the pair of guide layers, the band gap becomes larger than that of the active layer and the pair of guide layers. It also has the effect of trapping electrons and holes. That is, by making the Al composition of the pair of clad layers larger than the Al composition of the active layer and the guide layer, the light, electrons and holes emitted by the active layer in the active layer and the pair of guide layers are transmitted to the active layer and the pair. Can be well confined in the guide layer of.

Kazuyoshi Iida，et al，、"350.9 nm UV Laser Diode Grown on Low-Dislocation-Density AlGaN"、Japanese Journal of Applied Physics、２００４年３月、Vol．４３，Part 2, Number 4A、L499Kazuyoshi Iida, et al ,, "350.9 nm UV Laser Diode Grown on Low-Dislocation-Density AlGaN", Japanese Journal of Applied Physics, March 2004, Vol. 43, Part 2, Number 4A, L499 Simon J，et al，、"Polarization-induced hole doping in wide-band-gap uniaxial semiconductor heterostructures"、Science、２０１０年１月、Vol．３２７，Issue 5961, pp. 60-64Simon J, et al ,, "Polarization-induced hole doping in wide-band-gap uniaxial semiconductor heterostructures", Science, January 2010, Vol. 327, Issue 5961, pp. 60-64

しかし、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた紫外レーザにおいて、より短い波長の光でレーザ発振する窒化物半導体レーザ素子を得るには、上記の技術では限界がある。具体的には、ｐ型クラッド層の正孔の濃度を大きくすることが難しいからである。これまでの研究によって、窒化物半導体を用いて発光波長がより短い波長の光の窒化物半導体レーザ素子として良好にレーザ発振させるためには、ｎ型クラッド層の電子の濃度、及びｐ型クラッド層の正孔の濃度がおよそ１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3であることが好ましいことがわかっている。また、窒化物半導体内を正孔が移動する移動度は１０ｃｍ²／Ｖｓ程度であることから、ｐ型クラッド層内の正孔の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上でなければレーザ発振することができる量の正孔を活性層に注入することができないこともわかっている。 However, in an ultraviolet laser using a group III nitride semiconductor, there is a limit to the above technique in order to obtain a nitride semiconductor laser device that oscillates with light having a shorter wavelength. Specifically, it is difficult to increase the hole concentration in the p-type clad layer. According to the research so far, in order to oscillate the laser well as a nitride semiconductor laser device of light having a shorter emission wavelength using a nitride semiconductor, the electron concentration of the n-type clad layer and the p-type clad layer It has been found that the hole concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 to 1 × 10 ¹⁹ cm ^{-3 is preferable.} In addition, since the mobility of holes moving in the nitride semiconductor is ^{about 10 cm 2} / Vs, laser oscillation occurs unless the concentration of holes in the p-type clad layer is 1 × 10 ¹⁷ cm ^{-3 or more.} It has also been found that it is not possible to inject as much holes into the active layer as possible.

一般的に、窒化物半導体に正孔を添加するために、結晶成長の際にｐ型不純物としてＭｇが結晶内に添加される。そして、Ｍｇを添加して結晶成長する際に、活性層及び一対のガイド層内に活性層で発生した光や、電子及び正孔を良好に閉じ込める目的のためにｐ型クラッド層のＡｌ組成を大きくすると、室温におけるｐ型クラッド層内の正孔の濃度が低下してしまう。これは、ｐ型クラッド層のＡｌ組成が大きくなるに従いｐ型クラッド層内に添加されたｐ型不純物であるＭｇが活性化する際に要するエネルギーが大きくなるためである。詳しくは、ｐ型クラッド層内に添加されたＭｇが活性化し難くなり、ｐ型クラッド層内の正孔の濃度を大きくできないからである。これまでの研究によって、ｐ型クラッド層のＡｌ組成がおよそ０．３以上になると、ｐ型クラッド層の正孔の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3未満になり、レーザ発振することができる量の正孔を活性層に注入することができないことがわかっている。つまり、３２６ｎｍより小さな波長の光の窒化物半導体レーザ素子を実現（すなわち、発振波長の更なる短波長化）するには、ｐ型クラッド層において、Ａｌ組成が大きく、且つｐ型クラッド層内の正孔の濃度を高める必要がある。また、半導体レーザにおいて、ｐ型クラッド層の目的は、活性層に正孔を注入する点、及び光を伝搬させる点であるが、これら２点の目的を同時に達成できるｐ型クラッド層はこれまで実現できなかった。 Generally, in order to add holes to a nitride semiconductor, Mg is added into the crystal as a p-type impurity during crystal growth. Then, when Mg is added to grow crystals, the Al composition of the p-type clad layer is adjusted for the purpose of satisfactorily confining the light, electrons and holes generated in the active layer in the active layer and the pair of guide layers. If it is increased, the concentration of holes in the p-type clad layer at room temperature decreases. This is because as the Al composition of the p-type clad layer increases, the energy required for activating Mg, which is a p-type impurity added into the p-type clad layer, increases. Specifically, this is because Mg added into the p-type clad layer becomes difficult to activate, and the concentration of holes in the p-type clad layer cannot be increased. According to the research so far, when the Al composition of the p-type clad layer is about 0.3 or more, the hole concentration of the p-type clad layer ^{becomes less than 1 × 10 17} cm ^-3 , and the amount that can be laser oscillated. It is known that the holes of the above cannot be injected into the active layer. That is, in order to realize a nitride semiconductor laser device having a wavelength smaller than 326 nm (that is, further shortening the oscillation wavelength), the p-type clad layer has a large Al composition and is contained in the p-type clad layer. It is necessary to increase the concentration of holes. Further, in a semiconductor laser, the purpose of the p-type clad layer is to inject holes into the active layer and to propagate light. However, p-type clad layers that can simultaneously achieve these two purposes have been used so far. I couldn't realize it.

紫外レーザに対して紫外ＬＥＤでは、既に発光波長が２００ｎｍ帯において、外部量子効率が１０％程度のデバイスが実現しつつある（非特許文献２参照。）。紫外ＬＥＤは活性層に光を閉じ込める必要がないため、ｐ−ＧａＮ層を用いる方法や、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を組成傾斜する方法等を用いて３２６ｎｍより小さな波長の光を得ている。しかし、これら２つの方法を用いても活性層に光を閉じ込めることはできないため、３２６ｎｍより小さな波長の光でレーザ発振することはできない。 In contrast to ultraviolet lasers, ultraviolet LEDs are already realizing devices with an external quantum efficiency of about 10% in the emission wavelength band of 200 nm (see Non-Patent Document 2). Since it is not necessary to confine light in the active layer of the ultraviolet LED, light having a wavelength smaller than 326 nm is obtained by using a method using a p-GaN layer, a method of inclining the Al composition of the p-AlGaN clad layer, or the like. .. However, even if these two methods are used, the light cannot be confined in the active layer, so that the laser cannot be oscillated with light having a wavelength smaller than 326 nm.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、より短い波長の光でレーザ発振することができる窒化物半導体レーザ素子を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and an object to be solved is to provide a nitride semiconductor laser device capable of laser oscillation with light having a shorter wavelength.

上記従来の実情を踏まえて、発明者らが鋭意検討した結果、ｐ型クラッド層のＡｌ組成をガイド層から離れるに従い小さくなるように組成傾斜させる。具体的には、ガイド層側のｐ型クラッド層の界面のＡｌ組成を活性層及びガイド層のＡｌ組成より大きくし、ガイド層から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜させる。これにより、ｐ型クラッド層内のガイド層との界面を含む界面近傍に負の分極固定電荷が分布する。すると、負の分極固定電荷を打ち消す方向にプラスの電荷である正孔が形成される。こうして、Ａｌ組成が大きくてもｐ型クラッド層内のガイド層との界面の近傍の正孔の濃度を高めることができ、活性層への正孔の注入を良好にすることができることを見出した。 As a result of diligent studies by the inventors based on the above-mentioned conventional circumstances, the Al composition of the p-type clad layer is tilted so as to become smaller as the distance from the guide layer increases. Specifically, the Al composition at the interface of the p-type clad layer on the guide layer side is made larger than the Al composition of the active layer and the guide layer, and the composition is inclined so that the Al composition becomes smaller as the distance from the guide layer increases. As a result, the negative polarization fixed charge is distributed in the vicinity of the interface including the interface with the guide layer in the p-type clad layer. Then, holes, which are positive charges, are formed in the direction of canceling the negative polarization fixed charges. Thus, it has been found that even if the Al composition is large, the concentration of holes in the vicinity of the interface with the guide layer in the p-type clad layer can be increased, and the injection of holes into the active layer can be improved. ..

しかし、ｐ型クラッド層のＡｌ組成をガイド層から離れるに従い小さくなるように組成傾斜させると、活性層及びガイド層に光を閉じ込める作用が十分に機能しないという問題が生じる。この問題を解決するため、発明者らがさらに鋭意検討した結果、ｐ型クラッド層のＡｌ組成が、活性層の中のＡｌ組成が小さい層のＡｌ組成よりも小さいＡｌ組成の区間の層厚を薄く形成することによって、ｐ型クラッド層の光を閉じ込める作用を良好に機能させることができることを見出した。 However, if the Al composition of the p-type clad layer is tilted so as to become smaller as the distance from the guide layer increases, there arises a problem that the action of confining light in the active layer and the guide layer does not sufficiently function. As a result of further diligent studies by the inventors to solve this problem, the layer thickness of the section where the Al composition of the p-type clad layer is smaller than the Al composition of the layer having a small Al composition in the active layer is determined. It has been found that the action of confining light in the p-type clad layer can be satisfactorily performed by forming the p-type clad layer thinly.

本発明の窒化物半導体レーザは、
活性層と、
前記活性層に積層して形成されたガイド層と、
前記ガイド層に積層して形成され、Ａｌを含有するｐ型クラッド層と、
を備えた窒化物半導体レーザであって、
前記ｐ型クラッド層が、前記ガイド層側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜し、
前記ｐ型クラッド層の前記ガイド層側の界面のＡｌ組成は、前記活性層のＡｌ組成より０．２５以上大きいことを特徴とする。 The nitride semiconductor laser of the present invention
With the active layer
A guide layer formed by laminating on the active layer and
A p-type clad layer formed by being laminated on the guide layer and containing Al, and
It is a nitride semiconductor laser equipped with
The composition of the p-type clad layer is inclined so that the Al composition becomes smaller as the distance from the interface on the guide layer side increases .
The Al composition at the interface of the p-type clad layer on the guide layer side is 0.25 or more larger than the Al composition of the active layer .

この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層が、ガイド層側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜している。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層内のガイド層との界面を含む界面近傍に負の分極固定電荷が分布する。すると、負の分極固定電荷を打ち消す方向にプラスの電荷である正孔が形成される。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層内のガイド層との界面を含む界面近傍の正孔の濃度を高めることができ、活性層及びガイド層へ容易に正孔を注入することができる。また、この窒化物半導体レーザ素子はガイド層側の界面及び界面近傍のバンドギャップをガイド層のバンドギャップより大きくすることができる。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層内からガイド層に良好に正孔を注入することができる。 In this nitride semiconductor laser device, the composition of the p-type clad layer is inclined so that the Al composition becomes smaller as the distance from the interface on the guide layer side increases. As a result, in this nitride semiconductor laser device, a negative polarization fixed charge is distributed in the vicinity of the interface including the interface with the guide layer in the p-type clad layer. Then, holes, which are positive charges, are formed in the direction of canceling the negative polarization fixed charges. As a result, this nitride semiconductor laser device can increase the concentration of holes in the vicinity of the interface including the interface with the guide layer in the p-type clad layer, and can easily inject holes into the active layer and the guide layer. Can be done. Further, in this nitride semiconductor laser device, the band gap at the interface on the guide layer side and near the interface can be made larger than the band gap of the guide layer. As a result, the nitride semiconductor laser device can satisfactorily inject holes into the guide layer from within the p-type clad layer.

したがって、本発明の窒化物半導体レーザはより短い波長の光をレーザ発振することができる。 Therefore, the nitride semiconductor laser of the present invention can oscillate light having a shorter wavelength.

非特許文献１の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the nitride semiconductor laser device of Non-Patent Document 1. 実施例１の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of Example 1. FIG. 実施例２のサンプルの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the sample of Example 2. 実施例３のサンプルの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the sample of Example 3. FIG. 実施例４のサンプルの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the sample of Example 4. FIG. 実施例５のサンプルの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the sample of Example 5. 比較例１のサンプルの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the sample of the comparative example 1. FIG.

本発明における好ましい実施の形態を説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described.

本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層の層厚は３００ｎｍ以上であり得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層の層厚をより厚くすることによって、活性層及び一対のガイド層内に活性層で発生した光や、電子及び正孔をより良好に閉じ込めることができる。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the layer thickness of the p-type clad layer can be 300 nm or more. In this case, the nitride semiconductor laser device better traps the light, electrons, and holes generated in the active layer in the active layer and the pair of guide layers by increasing the layer thickness of the p-type clad layer. be able to.

本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層は活性層のＡｌ組成以下まで組成傾斜し得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はガイド層から離れた界面側のｐ型クラッド層のバンドギャップを小さくすることができる。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層のガイド層から離れた界面に電極を設ける場合、電極とｐ型クラッド層との電気的特性を近づけることができるため、電極からｐ型クラッド層に正孔を良好に注入することができる。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the composition of the p-type clad layer can be inclined to the Al composition or less of the active layer. In this case, the nitride semiconductor laser device can reduce the band gap of the p-type clad layer on the interface side away from the guide layer. Therefore, in this nitride semiconductor laser device, when the electrode is provided at the interface away from the guide layer of the p-type clad layer, the electrical characteristics of the electrode and the p-type clad layer can be brought close to each other. Holes can be well injected into the layer.

本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層は、活性層のＡｌ組成以上の区間の組成傾斜の度合いに比べて、活性層のＡｌ組成未満の区間の組成傾斜の度合いが大きくなり得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層が活性層で発した光を反射する際の光の損失をより良好に抑えることができる。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, in the p-type clad layer, the degree of composition gradient in the section below the Al composition of the active layer can be larger than the degree of composition gradient in the section above the Al composition of the active layer. .. In this case, the nitride semiconductor laser device can better suppress the loss of light when the p-type clad layer reflects the light emitted by the active layer.

本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層は、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ以上積層して形成され得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層の層厚方向において、屈折率の大きさや、分極電荷による固定電荷の量を自在に調節することができる。これにより、所望の特性の窒化物半導体レーザ素子を容易に得ることができる。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the p-type clad layer can be formed by laminating two or more sections having different degrees of composition gradient of Al composition in the layer thickness direction. In this case, the nitride semiconductor laser device can freely adjust the magnitude of the refractive index and the amount of the fixed charge due to the polarization charge in the layer thickness direction of the p-type clad layer. Thereby, a nitride semiconductor laser device having desired characteristics can be easily obtained.

次に、本発明の窒化物半導体レーザ素子を具体化した実施例１〜５、及び比較例１について、図面を参照しつつ説明する。 Next, Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 in which the nitride semiconductor laser device of the present invention is embodied will be described with reference to the drawings.

＜実施例１＞
実施例１は、後述する実施例２〜５のサンプル、及び比較例１のサンプルに共通する窒化物半導体レーザ素子の構造、及び製造方法を示すものである。実施例１はおよそ３００ｎｍの波長の光をレーザ発振することができる窒化物半導体レーザ素子を形成することを目的としている。実施例１の窒化物半導体レーザ素子は、図２に示すように、サファイア基板Ｓ、ＡｌＮ層１０、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１、ガイド層であるｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２、活性層である３重量子井戸活性層１３、ガイド層であるｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４、ｐ型クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５等を備えている。 <Example 1>
Example 1 shows the structure and manufacturing method of the nitride semiconductor laser device common to the samples of Examples 2 to 5 and the sample of Comparative Example 1 described later. The first embodiment aims to form a nitride semiconductor laser device capable of laser oscillating light having a wavelength of about 300 nm. As shown in FIG. 2, the nitride semiconductor laser device of the first embodiment has a sapphire substrate S, an AlN layer 10, an n-type AlGaN clad layer 11, an n-side AlGaN guide layer 12 as a guide layer, and 3 weights as an active layer. It includes a child well active layer 13, a p-side AlGaN guide layer 14 which is a guide layer, a p-type AlGaN clad layer 15 which is a p-type clad layer, and the like.

有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の方法を用いて、サファイア基板Ｓ（以下、基板Ｓという）の表面側（図２における上側である、以下同じ。）に積層して結晶成長させる。先ず、反応炉内に基板Ｓをセットする。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度をおよそ１２００℃にする。そして、反応炉内に、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）等のＡｌの原料、及びＮＨ₃等のＮの原料等を供給して、２μｍの厚みのＡｌＮ層１０を積層して結晶成長させる。 Using a method such as an organometallic compound vapor phase growth method (MOCVD method), the sapphire substrate S (hereinafter referred to as substrate S) is laminated on the surface side (upper side in FIG. 2, the same applies hereinafter) to grow crystals. .. First, the substrate S is set in the reactor. Then, the temperature inside the reactor is adjusted to bring the temperature of the substrate to about 1200 ° C. Then, an Al raw material such as TMAl (trimethylaluminum) and _{an N raw material such as NH 3} are supplied into the reaction furnace, and the AlN layer 10 having a thickness of 2 μm is laminated to grow crystals.

次に、ＡｌＮ層１０の表面にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内の温度を調節して基板Ｓの温度を１１５０℃にする。そして、反応炉内にＳｉＨ₄（シラン）等のｎ型不純物であるＳｉの原料、及びＴＭＧａ（トリメチルガリウム）等のＧａの原料を供給して、３μｍの厚みのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１を積層して結晶成長させる。反応炉内へのＳｉＨ₄等の注入量はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１のＳｉの濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3になるように調節する。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１のＡｌ組成は０．５である。 Next, the n-type AlGaN clad layer 11 is laminated on the surface of the AlN layer 10 to grow crystals. Specifically, the temperature inside the reactor is adjusted to bring the temperature of the substrate S to 1150 ° C. _{Then, a raw material of Si which is an n-type impurity such as SiH 4} (silane) and a raw material of Ga such as TMGa (trimethylgallium) are supplied into the reaction furnace, and the n-type AlGaN clad layer 11 having a thickness of 3 μm is laminated. And crystal growth. _{The amount of SiH 4} or the like injected into the reaction furnace is adjusted so that the concentration of Si in the n-type AlGaN clad layer 11 is 3 × 10 ¹⁸ cm ^-3. The Al composition of the n-type AlGaN clad layer 11 is 0.5.

次に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１の表面にｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのＳｉＨ₄等の供給を停止して、１００ｎｍの厚みのアンドープのｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２を積層して結晶成長させる。ｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２のＡｌ組成は０．４である。 Next, the n-side AlGaN guide layer 12 is laminated on the surface of the n-type AlGaN clad layer 11 to grow crystals. _{Specifically, the supply of SiH 4} or the like into the reactor is stopped, and an undoped n-side AlGaN guide layer 12 having a thickness of 100 nm is laminated to grow crystals. The Al composition of the n-side AlGaN guide layer 12 is 0.4.

次に、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２の表面に３重量子井戸活性層１３を積層して結晶成長する。３重量子井戸活性層１３は、Ａｌ組成が０．３のＡｌＧａＮ量子井戸層、及びＡｌ組成が０．４のＡｌＧａＮバリア層を１ペアとし、このペアを３つ積層して結晶成長して形成されている（図示せず。）。ＡｌＧａＮ量子井戸層の層厚は３ｎｍである。ＡｌＧａＮバリア層の層厚は６ｎｍである。 Next, the triple well active layer 13 is laminated on the surface of the n-side AlGaN guide layer 12 to grow crystals. The 3-weight child well active layer 13 is formed by forming a pair of an AlGaN quantum well layer having an Al composition of 0.3 and an AlGaN barrier layer having an Al composition of 0.4, and stacking three of these pairs to grow crystals. (Not shown). The layer thickness of the AlGaN quantum well layer is 3 nm. The layer thickness of the AlGaN barrier layer is 6 nm.

次に、３重量子井戸活性層１３の表面に１００ｎｍの厚みのアンドープのｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４を積層して結晶成長する。ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４のＡｌ組成は０．４である。 Next, an undoped p-side AlGaN guide layer 14 having a thickness of 100 nm is laminated on the surface of the triple well active layer 13 to grow crystals. The Al composition of the p-side AlGaN guide layer 14 is 0.4.

次に、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の表面にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内にＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）等のｐ型不純物であるＭｇの原料を注入して、４５０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５を積層して結晶成長させる。反応炉内へのＣｐ₂Ｍｇ等の注入量はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５のＭｇの濃度が３×１０¹⁹ｃｍ^-3になるように調節する。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５はＡｌを含有している。こうして積層して結晶成長する層構造は、結晶成長している際に、反応炉内に供給しているＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）等のＡｌの原料の供給量を変更することによって、積層された層のそれぞれのＡｌ組成を変更したり、層自体のＡｌ組成を組成傾斜させたりすることができる。また、ＮＨ₃等のＮの原料やＴＭＧａ（トリメチルガリウム）等のＧａの原料の反応炉内への供給量を変更することによって、Ｎ組成やＧａ組成も自在に変更することができる。 Next, the p-type AlGaN clad layer 15 is laminated on the surface of the p-side AlGaN guide layer 14 to grow crystals. _{Specifically, a raw material of Mg, which is a p-type impurity such as Cp 2} Mg (cyclopentadienyl magnesium), is injected into the reaction furnace, and a p-type AlGaN clad layer 15 having a thickness of 450 nm is laminated to grow crystals. The amount of Cp ₂ Mg or the like injected into the reaction furnace is adjusted so that the concentration of Mg in the p-type AlGaN clad layer 15 is 3 × 10 ¹⁹ cm ^-3. The p-type AlGaN clad layer 15 contains Al. The layer structure in which the layers are laminated and crystal-grown in this manner is a layer in which the layers are laminated by changing the supply amount of a raw material of Al such as TMAl (trimethylaluminum) supplied into the reactor during crystal growth. The Al composition of each of the above can be changed, and the Al composition of the layer itself can be tilted. Further, the N composition and the Ga composition can be freely changed by changing the supply amount of the N raw material such as _{NH 3 and the Ga raw material such as TMG (trimethylgallium) into the reactor.}

次に、こうして積層して結晶成長し、層構造を形成した基板Ｓを用いて電流注入可能な素子形成を行う。素子形成は公知の方法で実行され、例えば、フォトリソグラフィ及びドライエッチング等を用いて所望の形に素子を成形した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５から３重量子井戸活性層１３に正孔を注入するｐ側電極、及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１から３重量子井戸活性層１３に電子を注入するｎ側電極を設けて、レーザ構造に必要な共振器を形成する（図示せず。）。こうして、電流注入可能な素子を形成することができる。 Next, an element capable of injecting a current is formed using the substrate S which is laminated in this way to grow crystals and form a layered structure. The device formation is carried out by a known method. For example, after molding the device into a desired shape by using photolithography, dry etching or the like, holes are injected into the 3-weight child well active layer 13 from the p-type AlGaN clad layer 15. The p-side electrode and the n-side electrode for injecting electrons into the 3-weight child well active layer 13 from the n-type AlGaN clad layer 11 are provided to form a resonator required for the laser structure (not shown). In this way, an element capable of injecting current can be formed.

＜実施例２〜５、比較例１＞
実施例１の窒化物半導体レーザ素子の製造方法を用いて、実施例２〜５のサンプル及び比較例１のサンプルを作製した。 <Examples 2 to 5, Comparative Example 1>
Using the method for manufacturing a nitride semiconductor laser device of Example 1, samples of Examples 2 to 5 and samples of Comparative Example 1 were prepared.

具体的には、実施例２のサンプルは、図３に示すように、ｐ型クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面からｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い０．８から０まで一様に組成傾斜させている。つまり、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４は、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜している。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面のＡｌ組成は、３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成より０．２５以上である０．５大きい。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５の層厚は、３００ｎｍ以上である。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５は、３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成以下まで組成傾斜している。 Specifically, in the sample of Example 2, as shown in FIG. 3, the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 115, which is a p-type clad layer, is changed from the interface of the p-side AlGaN guide layer 14 to the p-side AlGaN guide layer 14. The composition is uniformly inclined from 0.8 to 0 as the distance from the above increases. That is, the composition of the p-side AlGaN guide layer 14 is inclined so that the Al composition becomes smaller as the distance from the interface on the p-side AlGaN guide layer 14 side increases. Further, the Al composition of the interface on the p-side AlGaN guide layer 14 side of the p-type AlGaN clad layer 115 is 0.5 or more larger than the Al composition of the AlGaN quantum well layer of the triple weight well active layer 13. The layer thickness of the p-type AlGaN clad layer 115 is 300 nm or more. Further, the composition of the p-type AlGaN clad layer 115 is inclined to be equal to or less than the Al composition of the triple well active layer 13.

実施例３のサンプルは、図４に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面から４００ｎｍの区間２１５Ａにおいて、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い０．８から３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成である０．３まで変化させる。そして。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５の上側の５０ｎｍの区間２１５Ｂにおいて、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従いＡｌ組成を０．３から０まで変化させている。実施例３のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５は、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面から４００ｎｍの区間２１５Ａと、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５の上側の５０ｎｍの区間２１５Ｂとで、Ａｌ組成の組成傾斜の度合いが異なっている。つまり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５は、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ積層して形成されている。詳しくは、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面から４００ｎｍの区間２１５Ａより、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５の上側の５０ｎｍの区間２１５ＢのほうがＡｌ組成の組成傾斜の度合いが大きい。ここで、組成傾斜の度合いとは、層厚方向に対するＡｌ組成が一様に組成傾斜している場合におけるＡｌ組成の変化の割合であり、層厚方向の最大のＡｌ組成と最小のＡｌ組成との差を層厚で除したものと定義する。つまり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５は、３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成以上の区間の組成傾斜の度合いに比べて、３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成未満の区間の組成傾斜の度合いが大きい。 As shown in FIG. 4, in the sample of Example 3, the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 215 was changed to 0 as the distance from the p-side AlGaN guide layer 14 was increased in the section 215A at 400 nm from the interface of the p-side AlGaN guide layer 14. The Al composition of the AlGaN quantum well layer of the 8 to 3 weight well active layer 13 is changed to 0.3. And. In the 50 nm section 215B above the p-type AlGaN clad layer 215, the Al composition is changed from 0.3 to 0 as the distance from the p-side AlGaN guide layer 14 increases. The p-type AlGaN clad layer 215 of the sample of Example 3 has a section 215A at 400 nm from the interface of the p-side AlGaN guide layer 14 and a section 215B at 50 nm above the p-type AlGaN clad layer 215. The degree of is different. That is, the p-type AlGaN clad layer 215 is formed by laminating two sections having different degrees of composition inclination in the Al composition in the layer thickness direction. Specifically, the degree of composition gradient of the Al composition is larger in the section 215B at 50 nm above the p-type AlGaN clad layer 215 than in the section 215A at 400 nm from the interface of the p-side AlGaN guide layer 14. Here, the degree of composition inclination is the rate of change in the Al composition when the Al composition is uniformly inclined with respect to the layer thickness direction, and is the maximum Al composition and the minimum Al composition in the layer thickness direction. Is defined as the difference between the two divided by the layer thickness. That is, the p-type AlGaN clad layer 215 has a composition gradient of the AlGaN quantum well layer of the triple well active layer 13 in a section equal to or higher than the Al composition of the AlGaN quantum well layer of the triple well active layer 13. The degree of composition inclination in the section less than Al composition is large.

実施例４のサンプルは、図５に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面からｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い０．８から０．３まで一様に組成傾斜させている。 In the sample of Example 4, as shown in FIG. 5, the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 315 is changed from 0.8 to 0.3 as the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 315 is separated from the interface of the p-side AlGaN guide layer 14 and the p-side AlGaN guide layer 14. The composition is uniformly inclined.

実施例５のサンプルは、図６に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面からｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い０．８から０．３まで一様に組成傾斜させ、さらにＡｌを含まないｐ型ＧａＮ層１６を５０ｎｍ積層して結晶成長している。実施例５のサンプルはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１５のＡｌ組成の組成傾斜の度合いが実施例４のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１５と同じである。 In the sample of Example 5, as shown in FIG. 6, the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 415 is changed from 0.8 to 0.3 as the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 415 is separated from the interface of the p-side AlGaN guide layer 14 and the p-side AlGaN guide layer 14. The composition is uniformly inclined, and the p-type GaN layer 16 containing no Al is laminated by 50 nm to grow crystals. In the sample of Example 5, the degree of composition inclination of the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 415 is the same as that of the p-type AlGaN clad layer 315 of the sample of Example 4.

比較例１のサンプルは、図７に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５のＡｌ組成を組成傾斜させていない。また、比較例１のサンプルはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５の層厚が６００ｎｍである。なお、比較例１のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５のＡｌ組成の大きさは、Ａｌ組成の大きさを０．３から０.８の間で適宜変化させて検討した結果に基づいて、最適な大きさにされている。 In the sample of Comparative Example 1, as shown in FIG. 7, the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 515 was not tilted. Further, in the sample of Comparative Example 1, the layer thickness of the p-type AlGaN clad layer 515 is 600 nm. The size of the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 515 of the sample of Comparative Example 1 was optimized based on the result of examining by appropriately changing the size of the Al composition between 0.3 and 0.8. It is made to a large size.

こうして作製した実施例２〜５のサンプル、及び比較例１のサンプルの閾値電流密度、及び閾値電圧を測定した結果を表１に示す。詳しくは、実施例２〜５のサンプル、及び比較例１のサンプルのそれぞれの閾値電流密度、及び閾値電圧はデバイスシミュレータであるＳｉＬＥＮＳｅを用いて測定した。 Table 1 shows the results of measuring the threshold current densities and threshold voltages of the samples of Examples 2 to 5 thus prepared and the samples of Comparative Example 1. Specifically, the threshold current densities and threshold voltages of the samples of Examples 2 to 5 and the samples of Comparative Example 1 were measured using SiLENSe, which is a device simulator.

比較例１のサンプルはＡｌ組成の大きさを変化させてもレーザ発振しないことがわかった。これは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５のＡｌ組成が０．３以上であると、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５内の正孔の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3未満になりレーザ発振に必要な量の正孔を３重量子井戸活性層１３に注入することができないためであると考えられる。 It was found that the sample of Comparative Example 1 did not oscillate with a laser even if the magnitude of the Al composition was changed. This is because when the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 515 is 0.3 or more, the concentration of holes in the p-type AlGaN clad layer 515 ^{becomes less than 1 × 10 17} cm ^-3, which is an amount required for laser oscillation. It is considered that this is because the holes of 3 weight well cannot be injected into the active layer 13.

これに対して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のようにＡｌ組成を組成傾斜させた実施例２〜５のサンプルはレーザ発振することがわかった。また、実施例２〜５のサンプルなかで、実施例３のサンプルがレーザ発振する閾値電流密度及び閾値電圧が最も低いことがわかった。つまり、実施例３のサンプルの構造がレーザ発振するのに最適であることがわかった。これにより、比較例１のサンプルのように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５のＡｌ組成が組成傾斜していない場合、Ａｌ組成の大きさが０．３〜０．８の間のどのような大きさであってもレーザ発振することがなく、実施例２〜５のサンプルのようにｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い小さくなるように一様に組成傾斜させると、従来実現できなかったより短い波長の光でレーザ発振できることがわかった。 On the other hand, it was found that the samples of Examples 2 to 5 in which the Al composition was inclined like the p-type AlGaN clad layer 115, 215, 315, 415 oscillated by laser. Further, it was found that among the samples of Examples 2 to 5, the sample of Example 3 had the lowest threshold current density and threshold voltage for laser oscillation. That is, it was found that the structure of the sample of Example 3 is optimal for laser oscillation. As a result, when the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 515 is not tilted as in the sample of Comparative Example 1, the magnitude of the Al composition is between 0.3 and 0.8. Even so, the laser does not oscillate, and the Al composition of the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 becomes smaller as the distance from the p-side AlGaN guide layer 14 increases, as in the samples of Examples 2 to 5. It was found that if the composition is tilted uniformly, laser oscillation can be performed with light having a shorter wavelength, which was not possible in the past.

ここで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のようにＡｌ組成を組成傾斜させる効果について説明する。窒化物半導体の有する分極はＡｌ組成が大きくなるに伴い大きくなる。つまり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のようにＡｌ組成を組成傾斜させることによって、Ａｌ側（ＩＩＩ族側）の分極による負の分極固定電荷がｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４との界面を含む界面近傍に均一に分布する。さらに、これによって得られた負の分極固定電荷を打ち消す方向にプラスの電荷である正孔が価電子帯に生成される。このうち分極固定電荷はヘテロ接合が形成されることによって発生するものであるため、外から電界を与えても結晶内を移動することはできないが、正孔は外から電界を与えることによって結晶内を移動することができる。つまり、荷電子帯に生成された正孔によって、ｐ側から３重量子井戸活性層１３へ注入される正孔の量をより増やすことができる。また、窒化物半導体の有する分極はＡｌ組成が大きくなるに伴い大きくなるため、価電子帯に生成される正孔の量もＡｌ組成が大きくなるに伴い大きくなる。 Here, the effect of tilting the Al composition like the p-type AlGaN clad layer 115, 215, 315, 415 will be described. The polarization of the nitride semiconductor increases as the Al composition increases. That is, by tilting the composition of the Al composition as in the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415, the negative polarization fixed charge due to the polarization on the Al side (Group III side) is combined with the p-side AlGaN guide layer 14. It is evenly distributed in the vicinity of the interface including the interface. Further, holes, which are positive charges in the direction of canceling the negative polarization fixed charge obtained thereby, are generated in the valence band. Of these, the polarization fixed charge is generated by the formation of a heterojunction, so it cannot move inside the crystal even if an electric field is applied from the outside, but holes are inside the crystal by applying an electric field from the outside. Can be moved. That is, the holes generated in the valence band can further increase the amount of holes injected into the triple well active layer 13 from the p side. Further, since the polarization of the nitride semiconductor increases as the Al composition increases, the amount of holes generated in the valence band also increases as the Al composition increases.

これに対して、実施例２、３のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５のようにＡｌ組成を３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成より小さい区間を設けたり、実施例５のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１５の表面にｐ型ＧａＮ層１６を設けたりすることは、３重量子井戸活性層１３に光を閉じ込めることに対して不利な構造である。 On the other hand, a section in which the Al composition is smaller than the Al composition of the 3-weight well active layer 13 such as the p-type AlGaN clad layers 115 and 215 of the samples of Examples 2 and 3 is provided, or the sample of Example 5 is provided. Providing the p-type GaN layer 16 on the surface of the p-type AlGaN clad layer 415 is a disadvantageous structure for confining light in the triple well active layer 13.

一般的に、半導体レーザでは高い屈折率を持つ活性層を活性層より低い屈折率を有するクラッド層で挟み込むことによって活性層に光を閉じ込めている。また、半導体材料ではバンドギャップが大きくなると屈折率が小さくなる傾向がある。つまり、ＡｌＧａＮ系材料ではＡｌ組成が大きくなるに従いバンドギャップが大きくなり、且つ屈折率が小さくなる。そして、クラッド層のＡｌ組成を活性層の量子井戸層より小さくすると、クラッド層の屈折率が活性層の屈折率より大きくなるため、活性層から発した光がクラッド層で吸収されてしまい、良好にレーザ発振することができなくなるため半導体レーザとしては不利となる。 Generally, in a semiconductor laser, light is confined in the active layer by sandwiching the active layer having a high refractive index with a clad layer having a refractive index lower than that of the active layer. Further, in semiconductor materials, the refractive index tends to decrease as the band gap increases. That is, in the AlGaN-based material, the band gap increases and the refractive index decreases as the Al composition increases. When the Al composition of the clad layer is smaller than that of the quantum well layer of the active layer, the refractive index of the clad layer becomes larger than the refractive index of the active layer, so that the light emitted from the active layer is absorbed by the clad layer, which is good. Since the laser cannot be oscillated, it is disadvantageous as a semiconductor laser.

上記の点を鑑み、実施例２〜５のサンプルはｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４のＡｌ組成よりｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４との界面のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のＡｌ組成を０．４大きくしている。 In view of the above points, the samples of Examples 2 to 5 have an Al composition of p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 at the interface with the p-side AlGaN guide layer 14 from the Al composition of the p-side AlGaN guide layer 14. It is increased by 0.4.

また、シミュレータの計算の結果から、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５とのＡｌ組成の差は０．３以上が好ましいことがわかった。また、活性層から発した光を吸収する層（すなわち、実施例２のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５のＡｌ組成が３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層よりも小さい区間や、実施例３のサンプルの区間２１５Ｂ、及び実施例５のサンプルのｐ型ＧａＮ層１６）の層の厚みが５０ｎｍを超えると発振特性が良好でなくなることも実施例２のサンプルの閾値電流密度、及び閾値電圧等の測定の結果からわかっている。これにより、好ましくは実施例３のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５の上側の５０ｎｍの区間２１５Ｂ、及び実施例５のサンプルのＡｌを含まないｐ型ＧａＮ層１６のようにＡｌ組成が３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層よりも小さい層の層厚を５０ｎｍ以下にすることによって、より高性能な窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。 Further, from the calculation results of the simulator, it was found that the difference in Al composition between the p-side AlGaN guide layer 14 and the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 is preferably 0.3 or more. Further, a layer that absorbs light emitted from the active layer (that is, a section in which the Al composition of the p-type AlGaN clad layer 115 of the sample of Example 2 is smaller than that of the AlGaN quantum well layer of the 3-weight child well active layer 13 or the implementation If the thickness of the section 215B of the sample of Example 3 and the p-type GaN layer 16) of the sample of Example 5 exceeds 50 nm, the oscillation characteristics may not be good. It is known from the result of measurement such as voltage. As a result, the Al composition is preferably 3 weights, as in the 50 nm section 215B above the p-type AlGaN clad layer 215 of the sample of Example 3 and the Al-free p-type GaN layer 16 of the sample of Example 5. By reducing the layer thickness of the well active layer 13 smaller than the AlGaN quantum well layer to 50 nm or less, a higher performance nitride semiconductor laser device can be realized.

また、実施例４のサンプルは実施例２、３、５のサンプルに比べて閾値電圧が大きい。これは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１５におけるｐ側電極とのコンタクト抵抗によって電圧が上昇したためであり、低い抵抗のオーミック電極を形成することができる技術が新たに見出されれば実施例３、５のサンプルと同等の閾値電圧に抑えることができると考えられる。 Further, the sample of Example 4 has a larger threshold voltage than the samples of Examples 2, 3 and 5. This is because the voltage rises due to the contact resistance of the p-type AlGaN clad layer 315 with the p-side electrode, and if a technique capable of forming an ohmic electrode having a low resistance is newly found, the samples of Examples 3 and 5 are used. It is considered that the threshold voltage can be suppressed to the same level as.

このように、この窒化物半導体レーザはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５が、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜している。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５内のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４との界面を含む界面近傍に負の分極固定電荷が分布する。すると、負の分極固定電荷を打ち消す方向にプラスの電荷である正孔が形成される。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５内のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４との界面を含む界面近傍の正孔の濃度を高めることができ、３重量子井戸活性層１３及びｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４へ容易に正孔を注入することができる。 As described above, in this nitride semiconductor laser, the composition of the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 is inclined so that the Al composition becomes smaller as the distance from the interface on the p-side AlGaN guide layer 14 side increases. As a result, in this nitride semiconductor laser device, a negative polarization fixed charge is distributed in the vicinity of the interface including the interface with the p-side AlGaN guide layer 14 in the p-type AlGaN cladding layers 115, 215, 315, 415. Then, holes, which are positive charges, are formed in the direction of canceling the negative polarization fixed charges. As a result, this nitride semiconductor laser device can increase the concentration of holes in the vicinity of the interface including the interface with the p-side AlGaN guide layer 14 in the p-type AlGaN cladding layers 115, 215, 315, 415, and can increase the concentration of holes by 3 weight. Holes can be easily injected into the child well active layer 13 and the p-side AlGaN guide layer 14.

したがって、本発明の窒化物半導体レーザ素子はより短い波長の光をレーザ発振することができる。 Therefore, the nitride semiconductor laser device of the present invention can oscillate light having a shorter wavelength.

また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面のＡｌ組成は、３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成より０．５（すなわち、０．２５以上である）大きい。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５側の界面及び界面近傍のバンドギャップをｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４のバンドギャップより大きくすることができる。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５内からｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４に良好に正孔を注入することができる。 Further, in this nitride semiconductor laser device, the Al composition at the interface of the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 on the p-side AlGaN guide layer 14 side is 0. 5 (ie, 0.25 or greater) larger. Therefore, in this nitride semiconductor laser device, the band gap at the interface on the p-type AlGaN clad layer 115, 215, 315, 415 side and near the interface can be made larger than the band gap of the p-side AlGaN guide layer 14. As a result, the nitride semiconductor laser device can satisfactorily inject holes into the p-side AlGaN guide layer 14 from within the p-type AlGaN cladding layers 115, 215, 315, 415.

また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５の層厚は４５０ｎｍ（すなわち、３００ｎｍ以上である）である。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５の層厚をより厚くすることによって、３重量子井戸活性層１３、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２、及びｐ側ＡｌＧａＮガイド層内に３重量子井戸活性層１３で発生した光や、電子及び正孔をより良好に閉じ込めることができる。 Further, in this nitride semiconductor laser device, the layer thickness of the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 is 450 nm (that is, 300 nm or more). Therefore, in this nitride semiconductor laser device, the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 are made thicker to make the triple well active layer 13, the n-side AlGaN guide layer 12, and the p-side. The light, electrons and holes generated in the triple well active layer 13 can be better confined in the AlGaN guide layer.

また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５は３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成以下まで組成傾斜している。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れた界面側のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のバンドギャップを小さくすることができる。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れた界面に電極を設けた場合、電極とｐ側ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５との電気的特性を近づけることができるため、電極からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５に正孔を良好に注入することができる。 Further, in this nitride semiconductor laser device, the composition of the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 is inclined to be equal to or less than the Al composition of the triple weight well active layer 13. Therefore, this nitride semiconductor laser device can reduce the band gap of the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 on the interface side away from the p-side AlGaN guide layer 14. Therefore, in this nitride semiconductor laser device, when the electrode is provided at the interface of the p-type AlGaN clad layer 115, 215, 315,415 away from the p-side AlGaN guide layer 14, the electrode and the p-side AlGaN clad layer 115, 215 are provided. , 315,415 can be brought close to each other in electrical characteristics, so that holes can be satisfactorily injected into the p-type AlGaN clad layer 115, 215, 315, 415 from the electrode.

また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５は、３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成以上の区間の組成傾斜の度合いに比べて、３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成未満の区間の組成傾斜の度合いが大きくなる。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５が３重量子井戸活性層１３で発した光を反射する際の光の損失をより良好に抑えることができる。 Further, in this nitride semiconductor laser device, the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 are three-weight wells, as compared with the degree of composition inclination of the section of the three-weight well active layer 13 having an Al composition or higher. The degree of composition gradient in the section of the active layer 13 less than the Al composition becomes large. Therefore, this nitride semiconductor laser device can better suppress the loss of light when the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 reflect the light emitted by the triple weight well active layer 13. ..

また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５は、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ積層して形成されている。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５の層厚方向において、屈折率の大きさや、分極電荷による固定電荷の量を自在に調節することができる。これにより、所望の特性の窒化物半導体レーザ素子を容易に得ることができる。 Further, in this nitride semiconductor laser device, the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415 are formed by laminating two sections having different degrees of composition inclination of the Al composition in the layer thickness direction. Therefore, this nitride semiconductor laser device can freely adjust the magnitude of the refractive index and the amount of fixed charge due to the polarization charge in the layer thickness direction of the p-type AlGaN clad layers 115, 215, 315, 415. Thereby, a nitride semiconductor laser device having desired characteristics can be easily obtained.

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１〜５に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１〜５では、ｐ型半導体不純物としてＭｇを用いているが、これに限らず、ｐ型半導体不純物である、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等であっても良い。
（２）実施例１〜５では、ｎ型半導体不純物としてＳｉを用いているが、これに限らず、ｎ型半導体不純物である、Ｇｅ等であっても良い。
（３）実施例１〜５では、サファイア基板を用いているが、これに限らず、ＧａＮ基板やＡｌＮ基板等の他の基板を用いても良い。
（４）実施例１〜５では、ＭＯＣＶＤ法を用いて積層して結晶成長させているが、これに限らず、ＨＶＰＥ、ＭＢＥ、スパッタ、及びＬＰＥＥ等の他の方法を用いて積層して結晶成長させても良い。
（５）実施例１〜５では、Ａｌ組成が０．３のＡｌＧａＮ量子井戸層、及びＡｌ組成が０．４のＡｌＧａＮバリア層を１ペアとし、このペアを３つ積層して結晶成長して形成されている３重量子井戸活性層を形成しているが、これに限らず、このペアを２つ以下でもよく、４つ以上でもよい。
（６）実施例１〜５では、ＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成が０．３で、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成が０．４であるが、これに限らず、ＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成が０．３未満であってもよく０．３より大きくてもよい。また、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成が０．４未満であってもよく０．４より大きくてもよい。
（７）実施例１〜５では、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層、及びｐ側ＡｌＧａＮガイド層の層厚が１００ｎｍであるが、これに限らず、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層、及びｐ側ＡｌＧａＮガイド層の層厚が１００ｎｍ未満であってもよく１００ｎｍより大きくてもよい。また、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層とｐ側ＡｌＧａＮガイド層とのそれぞれの層厚を互いに異なる層厚にしてもよい。
（８）実施例３では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層において、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ積層して形成しているが、これに限らず、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層において、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ以上積層して形成されていてもよい。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層において、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層の界面からＡｌ組成が互いに異なる第１区間、第１区間の上側の第２区間、及び第２区間の上側の第３区間を形成する。これにより、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の屈折率の大きさや、分極電荷による固定電荷の量を自在に調節することができる。つまり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層において、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ以上積層して形成することによって、所望の特性を有したｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を容易に得ることができる。 The present invention is not limited to Examples 1 to 5 described with reference to the above description and drawings, and for example, the following examples are also included in the technical scope of the present invention.
(1) In Examples 1 to 5, Mg is used as the p-type semiconductor impurity, but the present invention is not limited to this, and the p-type semiconductor impurities such as Zn, Be, Ca, Sr, and Ba may be used. ..
(2) In Examples 1 to 5, Si is used as the n-type semiconductor impurity, but the present invention is not limited to this, and Ge or the like, which is an n-type semiconductor impurity, may be used.
(3) In Examples 1 to 5, a sapphire substrate is used, but the present invention is not limited to this, and other substrates such as a GaN substrate and an AlN substrate may be used.
(4) In Examples 1 to 5, the crystals are grown by laminating using the MOCVD method, but the crystals are not limited to this, and the crystals are laminated by using other methods such as HVPE, MBE, sputtering, and LPEE. You may grow it.
(5) In Examples 1 to 5, an AlGaN quantum well layer having an Al composition of 0.3 and an AlGaN barrier layer having an Al composition of 0.4 are used as one pair, and three of these pairs are laminated to grow crystals. The formed triple-heavy well active layer is formed, but the present invention is not limited to this, and the number of pairs may be two or less, or four or more.
(6) In Examples 1 to 5, the Al composition of the AlGaN quantum well layer is 0.3 and the Al composition of the AlGaN barrier layer is 0.4, but the Al composition of the AlGaN quantum well layer is not limited to this. It may be less than 0.3 or greater than 0.3. Further, the Al composition of the AlGaN barrier layer may be less than 0.4 or larger than 0.4.
(7) In Examples 1 to 5, the layer thickness of the n-side AlGaN guide layer and the p-side AlGaN guide layer is 100 nm, but the thickness is not limited to this, and the n-side AlGaN guide layer and the p-side AlGaN guide layer are not limited to this. The thickness may be less than 100 nm or greater than 100 nm. Further, the thickness of the n-side AlGaN guide layer and the p-side AlGaN guide layer may be different from each other.
(8) In Example 3, in the p-type AlGaN clad layer, two sections having different degrees of composition inclination in the layer thickness direction are laminated, but the p-type AlGaN clad is not limited to this. In the layer, two or more sections having different degrees of composition inclination of the Al composition in the layer thickness direction may be laminated and formed. For example, in the p-type AlGaN clad layer, a first section having different Al compositions, a second section above the first section, and a third section above the second section are formed from the interface of the p-side AlGaN guide layer. Thereby, the magnitude of the refractive index of the p-type AlGaN clad layer and the amount of the fixed charge due to the polarization charge can be freely adjusted. That is, in the p-type AlGaN clad layer, a p-type AlGaN clad layer having desired characteristics can be easily obtained by forming two or more sections having different degrees of composition inclination in the layer thickness direction in a laminated manner. be able to.

１３…３重量子井戸活性層（活性層）
１４…ｐ側ＡｌＧａＮガイド層（ガイド層）
１５，１１５，２１５，３１５，４１５…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層） 13 ... 3 weight well active layer (active layer)
14 ... p-side AlGaN guide layer (guide layer)
15,115,215,315,415 ... p-type AlGaN clad layer (p-type clad layer)

Claims

With the active layer
A guide layer formed by laminating on the active layer and
A p-type clad layer formed by being laminated on the guide layer and containing Al, and
Nitride semiconductor laser device equipped with
The composition of the p-type clad layer is inclined so that the Al composition becomes smaller as the distance from the interface on the guide layer side increases .
A nitride semiconductor laser device characterized in that the Al composition of the interface of the p-type clad layer on the guide layer side is 0.25 or more larger than the Al composition of the active layer.

The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the p-type clad layer has a layer thickness of 300 nm or more.

The p-type cladding layer, a nitride semiconductor laser device according to claim 1 or 2, characterized that you have compositionally graded to less than Al composition of the active layer.

The p-type cladding layer, as compared to the degree of the composition gradient in the section on the Al composition than the active layer, according to claim 1, wherein the degree of composition gradient in the section below the Al composition of the active layer is large The nitride semiconductor laser device according to any one of 3 to 3.

The p-type clad layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the p-type clad layer is formed by laminating two or more sections having different degrees of composition inclination of the Al composition in the layer thickness direction. Nitride semiconductor laser device.