JPH11186659A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents
Nitride semiconductor laser elementInfo
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- JPH11186659A JPH11186659A JP35254097A JP35254097A JPH11186659A JP H11186659 A JPH11186659 A JP H11186659A JP 35254097 A JP35254097 A JP 35254097A JP 35254097 A JP35254097 A JP 35254097A JP H11186659 A JPH11186659 A JP H11186659A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体(InaA
lbGa1-a-bN、0≦a、0≦b、a+b≦1)よりなるレ
ーザ素子に関する。The present invention relates to a nitride semiconductor (In a A
l b Ga 1-ab N, 0 ≦ a, 0 ≦ b, relates to a laser device made of a + b ≦ 1).
【0002】[0002]
【従来の技術】我々は窒化物半導体基板の上に、活性層
を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初め
て室温での連続発振1万時間以上を達成したことを発表
した(ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、
及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-1571、Pa
rt2,No.12A,1 December 1997)。図8はそのレーザ素子
の構造を示す模式的な断面図である。基本的な構造とし
てはサファイア基板上に、ストライプ状に形成されたS
iO2膜を介して選択成長されたn−GaNよりなる窒
化物半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半
導体層が複数積層されてなる。(詳細はJpn.J.Appl.Phy
s.Vol.36参照)2. Description of the Related Art We have fabricated a nitride semiconductor laser device including an active layer on a nitride semiconductor substrate, and have achieved the world's first continuous oscillation of more than 10,000 hours at room temperature (ICNS). '97 Proceedings, October 27-31, 1997, P444-446,
And Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36 (1997) pp.L1568-1571, Pa
rt2, No. 12A, 1 December 1997). FIG. 8 is a schematic sectional view showing the structure of the laser device. The basic structure is such that S formed in stripes on a sapphire substrate
A plurality of nitride semiconductor layers forming a laser element structure are stacked on a nitride semiconductor substrate made of n-GaN selectively grown via an iO 2 film. (For details, see Jpn.J.Appl.Phy
s.Vol.36)
【0003】基本的なレーザ素子構造は、In0.02Ga
0.98Nよりなる障壁層と、In0.15Ga0.85Nよりなる
井戸層とが積層された活性層を、n−Al0.14Ga0.86
N/GaNとからなる超格子構造のn側クラッド層と、
p−Al0.14Ga0.86N/GaNとからなる超格子構造
のp側クラッド層とで挟んだダブルへテロ構造を有す
る。超格子を構成する単一窒化物半導体層の膜厚はそれ
ぞれ25オングストロームである。さらにp型クラッド
層の一部から上には同一ストライプ幅のリッジが形成さ
れている。活性層の発光はリッジストライプの下にある
導波路領域に集中し、共振面間で共振して、レーザとな
って出射される。The basic structure of a laser device is In 0.02 Ga
An active layer in which a barrier layer made of 0.98 N and a well layer made of In 0.15 Ga 0.85 N are stacked on each other is formed of n-Al 0.14 Ga 0.86
An n-side cladding layer having a superlattice structure composed of N / GaN;
It has a double hetero structure sandwiched between a p-side cladding layer having a superlattice structure composed of p-Al 0.14 Ga 0.86 N / GaN. Each of the single nitride semiconductor layers constituting the superlattice has a thickness of 25 Å. Further, a ridge having the same stripe width is formed above a part of the p-type cladding layer. Light emission from the active layer is concentrated in the waveguide region below the ridge stripe, resonates between the resonance surfaces, and is emitted as a laser.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザ素子ではレーザ光がマルチモードになりやすい傾
向にあった。水平横モードはリッジストライプを狭くす
ることによりシングルモード化が図られているが、シン
グルモードを得るためにストライプ幅を狭くすると、リ
ッジストライプの上に形成するオーミック電極の形成が
難しくなる傾向にある。また電極面積も小さくなるため
に、微小部分に電流が集中することにより、レーザ素子
の閾値が上昇したり、また発熱により素子自体の信頼性
が低くなる。However, in the conventional laser device, the laser light tends to be multi-mode. In the horizontal and transverse modes, a single mode is achieved by narrowing the ridge stripe. However, if the stripe width is reduced to obtain a single mode, it tends to be difficult to form an ohmic electrode formed on the ridge stripe. . In addition, since the electrode area is reduced, the current is concentrated on a minute portion, so that the threshold value of the laser element increases, and the reliability of the element itself decreases due to heat generation.
【0005】一方垂直横モードでは、両クラッド層によ
る光の閉じ込めが未だ不十分な傾向にある。例えばn側
クラッド層から漏れた光は、屈折率が小さいサファイア
基板で反射し、基板とn側クラッド層の間にある屈折率
が大きいGaN層中で導波する。そのGaN層中で導波
した光は、活性層端面から出射されるレーザ光と重なり
合いファーフィールドパターン(FFP)の形状を乱
し、例えば出射されるレーザ光のスポットが複数となっ
て現れ、マルチモードとなって観測される。マルチモー
ドのレーザ素子はピックアップ用光源として使用するに
は非常に使いにくい。On the other hand, in the vertical and transverse modes, the confinement of light by both cladding layers still tends to be insufficient. For example, light leaked from the n-side cladding layer is reflected by a sapphire substrate having a small refractive index and guided in a GaN layer having a large refractive index between the substrate and the n-side cladding layer. The light guided in the GaN layer overlaps the laser light emitted from the end face of the active layer and disturbs the shape of the far field pattern (FFP). For example, a plurality of emitted laser light spots appear, Mode is observed. A multi-mode laser element is very difficult to use as a pickup light source.
【0006】従って本発明の目的とするところは、窒化
物半導体レーザ素子を各種光源として使用するため、単
一モードのNFP、FFPを有し、低閾値でレーザ光を
長時間発振させることにある。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a single mode NFP or FFP for using a nitride semiconductor laser device as various light sources and to oscillate laser light for a long time at a low threshold. .
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体レ
ーザ素子は、基板上にn側クラッド層と、活性層と、p
側のクラッド層とを順に有し、活性層よりも上の層に、
対向する共振面に対してほぼ垂直なリッジストライプを
有する窒化物半導体レーザ素子において、前記p側クラ
ッド層は少なくともAlを含む窒化物半導体層を有する
超格子よりなり、そのp側クラッド層の一部、若しくは
全部に前記リッジストライプが形成されており、さらに
そのリッジのストライプ幅の少なくとも一方が共振面に
接近するに従って狭くなるように形成されていることを
特徴とする。A nitride semiconductor laser device according to the present invention comprises an n-side cladding layer, an active layer,
Side in order, and a layer above the active layer,
In a nitride semiconductor laser device having a ridge stripe substantially perpendicular to an opposing resonance surface, the p-side cladding layer is composed of a superlattice having at least a nitride semiconductor layer containing Al, and a part of the p-side cladding layer. Or the entire ridge stripe is formed, and at least one of the stripe widths of the ridge is formed so as to become narrower as approaching the resonance surface.
【0008】さらに、前記リッジストライプは、出力側
のストライプ幅が全反射側のストライプ幅よりも狭くさ
れてなることを特徴とする。なおレーザの出力側、全反
射側は、例えば共振面に形成する反射膜の反射率を調整
することにより適宜決定することができる。Further, the ridge stripe is characterized in that the stripe width on the output side is narrower than the stripe width on the total reflection side. The laser output side and total reflection side can be appropriately determined, for example, by adjusting the reflectance of a reflection film formed on the resonance surface.
【0009】また、本発明のレーザ素子では、前記n側
クラッド層は、少なくともAlを含む窒化物半導体層を
有する超格子よりなり、そのn側クラッド層全体の厚さ
が0.5μm以上で、かつそのn側クラッド層に含まれ
るAl平均組成を百分率(%)で表した際に、n側クラ
ッド層全体の厚さ(μm)とAl平均組成(%)との積
が4.4以上となるように構成されていることを特徴と
する。In the laser device according to the present invention, the n-side cladding layer is made of a superlattice having at least a nitride semiconductor layer containing Al, and the entire thickness of the n-side cladding layer is 0.5 μm or more. In addition, when the Al average composition contained in the n-side cladding layer is expressed in percentage (%), the product of the thickness (μm) of the entire n-side cladding layer and the Al average composition (%) is 4.4 or more. It is characterized by being constituted so that it becomes.
【0010】さらに、前記p側クラッド層全体の厚さが
2.0μm以下であり、かつそのp側クラッド層に含ま
れるAl平均組成を百分率(%)で表した際に、p側ク
ラッド層全体の厚さ(μm)とAl平均組成(%)との
積が4.4以上となるように構成されていることを特徴
とする。Further, when the total thickness of the p-side cladding layer is 2.0 μm or less and the average Al composition contained in the p-side cladding layer is expressed by percentage (%), Is characterized in that the product of the thickness (μm) and the average Al composition (%) is 4.4 or more.
【0011】さらにまた本発明のレーザ素子において、
前記n側とp側のクラッド層との間にある活性層を含ん
だ窒化物半導体層の厚さが200オングストローム以
上、1.0μm以下の範囲にあることを特徴とする。Further, in the laser device of the present invention,
The thickness of the nitride semiconductor layer including the active layer between the n-side and p-side cladding layers is in the range of not less than 200 Å and not more than 1.0 μm.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】本発明のレーザ素子において、ク
ラッド層とは、屈折率が活性層の井戸層よりも小さい窒
化物半導体を含む光閉じ込め層である。また超格子とは
単一層の膜厚が100オングストローム以下で、互いに
組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造を指
し、好ましくは70オングストローム以下、さらに好ま
しくは40オングストローム以下の膜厚の窒化物半導体
層を積層する。具体的な構成としては、例えばAlXG
a1-XN(0<X<1)層と、そのAlXGa1-XN層と組
成が異なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子と
し、例えばAlXGa1-XN/GaN、AlXGa1-XN/
AlYGa1-YN(0<Y<1、Y<X)、AlXGa1- XN
/InZGa1-ZN(0<Z<1)等の3元混晶と3元混
晶、若しくは3元混晶と2元混晶との組み合わせで超格
子とすることができる。その中でも最も好ましくはAl
XGa1-XNとGaNとからなる超格子とする。これは、
n側クラッド層を超格子とする場合も同様である。なお
クラッド層と、活性層とは接して形成されていなくても
良いことは言うまでもない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In a laser device according to the present invention, a cladding layer is a light confinement layer containing a nitride semiconductor having a lower refractive index than that of a well layer of an active layer. The superlattice refers to a multilayer structure in which a single layer has a thickness of 100 angstroms or less and nitride semiconductor layers having different compositions are stacked, and preferably has a thickness of 70 angstroms or less, more preferably 40 angstroms or less. The semiconductor layers are stacked. As a specific configuration, for example, Al X G
a 1-X N (0 <X <1) layer and another nitride semiconductor layer having a composition different from that of the Al X Ga 1-X N layer are formed as a superlattice, for example, Al X Ga 1-X N / GaN, Al X Ga 1-X N /
Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, Y <X), Al X Ga 1- X N
/ In Z Ga 1-Z N (0 <Z <1) 3 -element mixed crystal and ternary mixed crystal such as, or in combination with ternary mixed crystal and the binary mixed crystal as a super-lattice. Among them, most preferably, Al
The superlattice is made of XGa 1 -XN and GaN. this is,
The same applies to the case where the n-side cladding layer is a superlattice. It goes without saying that the cladding layer and the active layer need not be formed in contact with each other.
【0013】図1は本発明のレーザ素子の形状を示す模
式的な斜視図であり、同時に積層構造も示している。ま
た図2は、図1のレーザ素子をリッジ側から見た平面図
である。このレーザ素子は、超格子よりなるp側クラッ
ド層18の一部にリッジストライプが形成され、そのリ
ッジのストライプ幅の一方が共振面に接近するに従って
狭くなるように形成され、もう一方のストライプ幅が共
振面に接近するに従って広くなるように形成されてい
る。FIG. 1 is a schematic perspective view showing the shape of the laser device of the present invention, and also shows a laminated structure. FIG. 2 is a plan view of the laser device of FIG. 1 as viewed from the ridge side. In this laser device, a ridge stripe is formed on a part of the p-side cladding layer 18 made of a superlattice, and one of the stripe widths of the ridge is formed to be narrower as approaching the resonance surface, and the other stripe width is formed. Are formed so as to become wider as approaching the resonance surface.
【0014】このように、好ましくはリッジの出力側の
ストライプ幅を狭くし、もう一方の全反射側を広くする
ことにより、リッジ下部のレーザ光は、ストライプ幅の
狭いところで水平横モードがシングルモードとなる。一
方、ストライプ幅の広い所はそのリッジ下部でマルチモ
ードとなる可能性があるが、狭い部分ですでにシングル
となっているため、導波光が共振面間で共振している間
に、広いところのマルチモードは狭い部分で減衰してし
まうので、結局、ストライプ幅の広い部分に対応した共
振面から出るレーザ光もシングルモードとなる。また、
リッジのストライプ幅が次第に狭くなっている部分と、
次第に広くなっている部分とがあるために、表面積は等
間隔でストライプ幅を設けたものとほぼ同等であるか、
若しくは実質的に広くできるために、狭い領域に電流が
集中せず、リッジ均等に流れるため、素子自体の発熱も
少なくなり信頼性も良くなる。As described above, preferably, by narrowing the stripe width on the output side of the ridge and widening the total reflection side on the other side, the laser beam below the ridge has a horizontal mode in a single mode where the stripe width is narrow. Becomes On the other hand, where the stripe width is wide, there is a possibility of multimode at the bottom of the ridge, but since it is already single at the narrow part, while the guided light resonates between the resonance surfaces, Since the multimode is attenuated at a narrow portion, the laser light emitted from the resonance surface corresponding to the wide portion of the stripe also becomes a single mode. Also,
The part where the stripe width of the ridge gradually narrows,
Because there is a part that is gradually widened, the surface area is almost the same as that with stripe width at equal intervals,
Alternatively, since the current can be substantially widened, current does not concentrate in a narrow region and flows evenly in the ridge, so that heat generation of the element itself is reduced and reliability is improved.
【0015】図4はリッジの形状を示す平面図であり、
図2と異なりn電極は省略している。この図で説明する
と、ストライプリッジを形成する場合、出力側のストラ
イプ幅aは、0.5μm〜5μm、さらに好ましくは1
μm〜2μmの範囲に調整することが望ましい。0.5
μmよりも狭くすると、そのクラッド層の上に積層され
るコンタクト層のリッジ幅も同様に狭くなるため、オー
ミック用のp電極を形成するのが難しくなる傾向にあ
る。一方、全反射側のストライプ幅bは、2μm〜20
μm、さらに好ましくは、4μm〜6μmの範囲に調整
することが望ましい。2μmよりも狭くすると、もう一
方のストライプ幅aも2μmよりも狭くせざるをえな
い。そのため全体のリッジ幅が狭くなりすぎて、電流が
リッジに集中しすぎて、素子が発熱しやすい傾向にあ
る。一方、20μmよりも広いと、リッジ下部での光の
ロスが大きく出力が低下しやすい傾向にある。FIG. 4 is a plan view showing the shape of the ridge.
Unlike FIG. 2, the n-electrode is omitted. To explain with reference to this figure, when forming a stripe ridge, the stripe width a on the output side is 0.5 μm to 5 μm, more preferably 1 μm to 5 μm.
It is desirable to adjust to a range of μm to 2 μm. 0.5
When the thickness is smaller than μm, the ridge width of the contact layer laminated on the cladding layer is similarly reduced, so that it tends to be difficult to form an ohmic p-electrode. On the other hand, the stripe width b on the total reflection side is 2 μm to 20 μm.
μm, and more preferably, it is desirable to adjust to a range of 4 μm to 6 μm. If it is smaller than 2 μm, the other stripe width “a” must be smaller than 2 μm. Therefore, the entire ridge width becomes too narrow, and the current tends to concentrate on the ridge, so that the element tends to generate heat. On the other hand, when the width is larger than 20 μm, the loss of light at the lower part of the ridge tends to be large and the output tends to decrease.
【0016】また、リッジのストライプ形状は図4に示
すように途中で「くびれ」が無く、一定の角度でいずれ
か一方の方に狭くなっていることが最も好ましい。本発
明ではその角度はできるだけ小さい方が望ましい。例え
ばレーザの共振方向に水平な方向に対しての、角度θは
10゜以内、さらに好ましくは8゜以内、最も好ましく
は5゜以内に調整する。角度が急になると、その急にな
った部分から外部に光が漏れてリッジ下部に光が集中し
にくいために、レーザとしての効率が悪くなり、出力が
低下して、閾値が上昇しやすい傾向にある。そのため本
発明ではできるだけ緩やかな角度で端面に接近するにつ
れて次第に狭くなったリッジストライプを形成し、狭い
方を出力側とし、広い方を全反射側とする方が望まし
い。好ましいリッジストライプとしては出力側aを1〜
3μm、全反射側を3〜8μmとして、傾斜角を3゜以
内としたリッジストライプを形成することが最も好まし
い。It is most preferable that the stripe shape of the ridge has no "constriction" in the middle as shown in FIG. 4 and is narrowed to one side at a fixed angle. In the present invention, it is desirable that the angle be as small as possible. For example, the angle θ with respect to a direction parallel to the laser resonance direction is adjusted within 10 °, more preferably within 8 °, and most preferably within 5 °. When the angle becomes steep, light leaks to the outside from the steep portion and it is difficult for the light to concentrate at the lower part of the ridge, so the efficiency as a laser deteriorates, the output decreases, and the threshold tends to increase. It is in. Therefore, in the present invention, it is desirable to form a ridge stripe that gradually narrows as it approaches the end face at as gentle an angle as possible, with the narrow side being the output side and the wide side being the total reflection side. As a preferable ridge stripe, the output side a is 1 to
It is most preferable to form a ridge stripe having an inclination angle of 3 ° with 3 μm and a total reflection side of 3 to 8 μm.
【0017】図5〜図7は本発明に係る他のリッジスト
ライプの形状を示す平面図である。本発明では図5〜図
6に示すように、両方のリッジストライプ幅も共振面に
接近するに従って狭くなるように形成されていても良
い。また、図7のようにストライプの中間に、共振面に
接近するに従って一方が狭くなり、もう一方が広くなる
ような形状を有していても良い。但し、図5〜図7に示
すように、広いストライプ幅から急激に狭くすると、前
記角度θが大きくなって、そのくびれ部分から光が漏れ
やすくなって、レーザの出力が低くなる傾向にある。従
って、図5〜図7のようなリッジストライプを形成する
際においても、その傾斜角は10゜以内に調整すること
が望ましい。FIGS. 5 to 7 are plan views showing other shapes of the ridge stripe according to the present invention. In the present invention, as shown in FIGS. 5 and 6, both ridge stripes may be formed so as to have a smaller width as approaching the resonance surface. Further, as shown in FIG. 7, the shape may be such that one becomes narrower and the other becomes wider as approaching the resonance surface in the middle of the stripe. However, as shown in FIGS. 5 to 7, when the width is sharply narrowed from a wide stripe width, the angle θ increases, so that light easily leaks from the narrow portion, and the laser output tends to decrease. Therefore, even when forming the ridge stripe as shown in FIGS. 5 to 7, it is desirable to adjust the inclination angle to within 10 °.
【0018】さらにまた本発明では、n側クラッド層
は、少なくともAlを含む窒化物半導体層を有する超格
子よりなり、そのn側クラッド層全体の厚さが0.5μ
m以上で、かつそのn側クラッド層に含まれるAl平均
組成を百分率(%)で表した際に、n側クラッド層全体
の厚さ(μm)とAl平均組成(%)との積が4.4以
上となるように構成することにより、垂直横モードのレ
ーザ光が制御できて、シングルモードとなりやすい。n
側クラッド層の厚さが0.5μmよりも薄く、かつその
n側クラッド層全体の厚さ(μm)とAl平均組成
(%)との積が4.4よりも少ないと、n側クラッド層
としての光閉じ込めが不十分となり、n側のコンタクト
層で導波して、FFPが乱れ、閾値も上昇する傾向にあ
る。好ましい積の値としては5.0以上、さらに好まし
くは5.4以上にする。ベストモードとしては7以上に
調整する。Further, in the present invention, the n-side cladding layer is made of a superlattice having a nitride semiconductor layer containing at least Al, and the entire thickness of the n-side cladding layer is 0.5 μm.
m or more and when the average Al composition contained in the n-side cladding layer is expressed as a percentage (%), the product of the thickness (μm) of the entire n-side cladding layer and the average Al composition (%) is 4 .4 or more, the laser beam in the vertical / lateral mode can be controlled, and the mode is likely to be single mode. n
If the thickness of the side cladding layer is smaller than 0.5 μm and the product of the total thickness (μm) of the entire n side cladding layer and the average Al composition (%) is smaller than 4.4, the n side cladding layer The light confinement is insufficient, and the light is guided by the n-side contact layer, FFP is disturbed, and the threshold value tends to increase. A preferable value of the product is 5.0 or more, more preferably 5.4 or more. The best mode is adjusted to 7 or more.
【0019】例えば、前記n側クラッド層の全体の厚さ
を0.8μm以上とし、前記n側クラッド層に含まれる
Al平均組成を5.5%以上とする。この場合の積は
4.4以上である。好ましくはn側クラッド層の全体の
厚さを1.0μm以上とし、そのn側クラッド層に含ま
れるAl平均組成を5.0%以上とする。この場合の積
は5.0以上である。さらに好ましくは、n側クラッド
層の全体の厚さを1.2μm以上とし、そのn側クラッ
ド層に含まれるAl平均組成を4.5%以上とする。こ
の場合の積は5.4以上である。これはn側クラッド層
の膜厚の関係と、超格子よりなるn側クラッド層のAl
平均組成の関係を具体的に示すものである。For example, the total thickness of the n-side cladding layer is 0.8 μm or more, and the average Al composition contained in the n-side cladding layer is 5.5% or more. The product in this case is 4.4 or more. Preferably, the total thickness of the n-side cladding layer is 1.0 μm or more, and the average Al composition contained in the n-side cladding layer is 5.0% or more. The product in this case is greater than or equal to 5.0. More preferably, the total thickness of the n-side cladding layer is 1.2 μm or more, and the average Al composition contained in the n-side cladding layer is 4.5% or more. The product in this case is 5.4 or more. This is because the relationship between the thickness of the n-side cladding layer and the Al
It specifically shows the relationship of the average composition.
【0020】またp側クラッド層についても、p側クラ
ッド層全体の厚さを2.0μm以下とし、かつそのp側
クラッド層に含まれるAl平均組成を百分率(%)で表
した際に、p側クラッド層全体の厚さ(μm)とAl平
均組成(%)との積が4.4以上となるように構成する
こともできる。この構成により垂直横モードのレーザ光
が制御できて、シングルモードとなりやすい。なお、p
側クラッド層よりも、特にn側クラッド層を前記構成と
することが望ましい。なぜなら、p側クラッド層に関し
ては、本願のような形状のリッジストライプとして、そ
の上に電極を設けるため、電極で光が吸収されるため
に、垂直横モードの光の漏れがあってもほとんど無視で
きるからである。Also, for the p-side cladding layer, when the total thickness of the p-side cladding layer is 2.0 μm or less and the average Al composition contained in the p-side cladding layer is expressed in percentage (%), It may be configured such that the product of the thickness (μm) of the entire side cladding layer and the average Al composition (%) is 4.4 or more. With this configuration, the laser beam in the vertical / lateral mode can be controlled, and the mode is likely to be single mode. Note that p
More preferably, the n-side cladding layer has the above-mentioned structure than the side cladding layer. This is because the p-side cladding layer is formed as a ridge stripe having the shape as in the present application and an electrode is provided thereon, and light is absorbed by the electrode. Because you can.
【0021】但し、p側クラッド層を以上のような構成
とすると、そのp側クラッド層の膜厚はn側クラッド層
よりも薄くすることが望ましい。なぜなら、p側クラッ
ド層のAl平均組成を大きくするか、若しくは膜厚を厚
くすると、AlGaN層の抵抗値が大きくなる傾向にあ
り、AlGaNの抵抗値が大きくなると、駆動電圧が高
くなる傾向にあるからである。好ましい膜厚としては、
1.5μm以下、さらに好ましくは1μm以下にする。
下限については特に限定しないが、クラッド層として作
用させるためには、50オングストーム以上の膜厚があ
ることが望ましく、また、Alの平均組成としては50
%以下が望ましい。However, when the p-side cladding layer is configured as described above, it is desirable that the thickness of the p-side cladding layer be smaller than that of the n-side cladding layer. The reason is that when the Al average composition of the p-side cladding layer is increased or the film thickness is increased, the resistance value of the AlGaN layer tends to increase, and when the resistance value of AlGaN increases, the driving voltage tends to increase. Because. As a preferable film thickness,
The thickness is 1.5 μm or less, more preferably 1 μm or less.
Although the lower limit is not particularly limited, it is desirable that the film has a thickness of 50 Å or more in order to function as a cladding layer.
% Is desirable.
【0022】一般に、AlXGa1-XNはAl混晶比を大
きくするに従い、バンドギャップエネルギーが大きくな
り、屈折率も小さくなることが知られている。理想的に
はAl混晶比Xの大きい、例えば0.5以上のAlXGa
1-XN層を、単一層で例えば数μmの膜厚で成長させる
ことができれば、工業的にも都合がよいのであるが、A
lXGa1-XNは厚膜で成長させにくい。単一層で特にA
l混晶比が0.5以上のAlXGa1-XNを成長させよう
とすると、例えば0.1μm以上で結晶中にクラックが
入ってしまう。ところが本発明のようにAlXGa1-XN
を超格子を構成するような薄膜とすると、単一膜厚がA
lXGa1-XNの臨界限界膜厚以下となるので、クラック
が入りにくい。そのためクラッド層を超格子とするとA
l混晶比の高い層でも厚膜で成長できるようになり、そ
れらを組み合わせることにより、光をn側のクラッド層
から基板側に漏れないようにすることができる。[0022] Generally, in accordance with the Al X Ga 1-X N is increased the Al mixed crystal ratio, the band gap energy increases, it is known that even smaller refractive index. Ideally, Al x Ga having a large Al mixed crystal ratio X, for example, 0.5 or more
It would be industrially convenient if the 1-X N layer could be grown as a single layer with a thickness of, for example, several μm.
l x Ga 1 -xN is a thick film and is difficult to grow. A single layer
When growing Al x Ga 1 -xN having a mixed crystal ratio of 0.5 or more, cracks may be formed in the crystal at, for example, 0.1 μm or more. However, as in the present invention, Al x Ga 1 -xN
Is a thin film constituting a superlattice, a single film thickness A
Since the thickness is less than or equal to the critical limit film thickness of l x Ga 1 -xN, cracks are unlikely to occur. Therefore, if the cladding layer is a superlattice, A
Even a layer having a high mixed crystal ratio can be grown as a thick film. By combining them, it is possible to prevent light from leaking from the n-side cladding layer to the substrate side.
【0023】本発明において、超格子におけるAl平均
組成は、以下のような算出方法で求めるものとする。例
えば25オングストロームのAl0.5Ga0.5Nと、25
オングストームのGaNとを200ペア(1.0μm)
積層した超格子の場合、1ペアが50オングストロー
ム、Alを含む層のAl混晶比が0.5であるため、
0.5(25/50)=0.25となり、超格子におけ
るAl平均組成は25%である。一方、膜厚が異なる場
合、Al0.5Ga0.5Nを40オングストロームと、Ga
Nを20オングストロームとで積層した場合、膜厚の加
重平均を行い、0.5(40/60)=0.33とな
り、Al平均組成は33.3%とする。即ちAlを含む
窒化物半導体層のAl混晶比を、その窒化物半導体層が
超格子1ペアの膜厚に占める割合に乗じたものを本発明
における超格子のAl平均組成とする。またAlを両方
含む場合も同様であり、例えばAl0.1Ga0.9N20オ
ングストローム、Al0.2Ga0.8N30オングストロー
ムの場合も、0.1(20/50)+0.2(30/5
0)=0.16、即ち16%をAl平均組成とする。な
お以上の例はAlGaN/GaN、AlGaN/AlG
aNについて説明したが、AlGaN/InGaNにつ
いても同じ算出方法を適用するものとする。従って、n
側クラッド層を成長させる場合には、以上の算出方法に
基づいて成長方法を設計できる。また、n側クラッド層
のAl平均組成は、SIMS(二次イオン質量分析装
置)、オージェ等の分析装置を用いても検出できる。In the present invention, the Al average composition in the superlattice is determined by the following calculation method. For example, 25 Å of Al 0.5 Ga 0.5 N and 25 Å
200 pairs of Angstrom GaN (1.0 μm)
In the case of a stacked superlattice, one pair is 50 angstroms, and the layer containing Al has an Al mixed crystal ratio of 0.5.
0.5 (25/50) = 0.25, and the average Al composition in the superlattice is 25%. On the other hand, when the film thickness is different, Al 0.5 Ga 0.5 N is set to 40 Å and Ga
When N is stacked at 20 angstroms, a weighted average of the film thickness is obtained, and 0.5 (40/60) = 0.33, and the Al average composition is 33.3%. That is, a value obtained by multiplying the ratio of the Al mixed crystal of the nitride semiconductor layer containing Al to the ratio of the nitride semiconductor layer to the film thickness of one pair of superlattices is defined as the Al average composition of the superlattice in the present invention. The same applies to the case where both Al are contained. For example, in the case of Al 0.1 Ga 0.9 N 20 Å and Al 0.2 Ga 0.8 N30 Å, 0.1 (20/50) +0.2 (30/5)
0) = 0.16, that is, 16% is the Al average composition. The above examples are AlGaN / GaN, AlGaN / AlG
Although aN has been described, the same calculation method is applied to AlGaN / InGaN. Therefore, n
When growing the side cladding layer, a growth method can be designed based on the above calculation method. The Al average composition of the n-side cladding layer can also be detected by using an analyzer such as SIMS (secondary ion mass spectrometer) and Auger.
【0024】[0024]
【実施例】[実施例1]図1〜図3に基づき実施例1に
ついて説明する。図3は図1のレーザ素子にp電極を形
成した後の構造を示す模式断面図であり、図1〜図3に
おいて同一符号で示されている箇所は同一箇所を示して
いる。[Embodiment 1] Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a structure after a p-electrode is formed on the laser device of FIG. 1, and the portions denoted by the same reference numerals in FIGS.
【0025】(下地層2)2インチφ、C面を主面とす
るサファイアよりなる異種基板1をMOVPE反応容器
内にセットし、温度を500℃にして、トリメチルガリ
ウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaN
よりなるバッファ層(図示せず)を200オングストロ
ームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を1
050℃にして、同じくGaNよりなる下地層2を4μ
mの膜厚で成長させる。この下地層2は保護膜を部分的
に表面に形成して、次に窒化物半導体基板の選択成長を
行うための下地層として作用する。下地層2はAl混晶
比X値が0.5以下のAlXGa1-XN(0≦X≦0.5)
を成長させることが望ましい。0.5を超えると、結晶
欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなっ
てしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。
また膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、1
0μm以下の膜厚に調整することが望ましい。基板はサ
ファイアの他、SiC、ZnO、スピネル、GaAs
等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒
化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いることがで
きる。(Underlayer 2) A heterogeneous substrate 1 made of sapphire having a 2-inch φ and C-plane as a main surface is set in a MOVPE reactor, the temperature is set to 500 ° C., and trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ) Using GaN
A buffer layer (not shown) is grown to a thickness of 200 Å. After growing the buffer layer, set the temperature to 1
050 ° C., and the underlayer 2 also made of GaN was
It is grown to a thickness of m. The underlayer 2 has a protective film partially formed on its surface, and then functions as an underlayer for selectively growing a nitride semiconductor substrate. The underlayer 2 is made of Al x Ga 1 -xN (0 ≦ X ≦ 0.5) having an Al mixed crystal ratio X value of 0.5 or less.
It is desirable to grow. If it exceeds 0.5, the crystal itself tends to be cracked rather than a crystal defect, and the crystal growth itself tends to be difficult.
Also, the film is grown with a thickness larger than that of the buffer layer.
It is desirable to adjust the film thickness to 0 μm or less. The substrate is sapphire, SiC, ZnO, spinel, GaAs
For example, a substrate made of a material different from a nitride semiconductor, which is known for growing a nitride semiconductor, can be used.
【0026】(保護膜3)下地層2成長後、ウェーハを
反応容器から取り出し、この下地層2の表面に、ストラ
イプ状のフォトマスクを形成し、CVD装置によりスト
ライプ幅10μm、ストライプ間隔(窓部)2μmのS
iO2よりなる保護膜3を1μmの膜厚で形成する。保
護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状
等どのような形状でも良いが、窓部よりも保護膜の面積
を大きくする方が、結晶欠陥の少ない第2の窒化物半導
体層3が成長しやすい。保護膜の材料としては、例えば
酸化ケイ素(SiOX)、窒化ケイ素(SiXNY)、酸
化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等
の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、1200
℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。こ
れらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度600℃
〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体
が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有してい
る。(Protective Film 3) After the growth of the underlayer 2, the wafer is taken out of the reaction vessel, a stripe-shaped photomask is formed on the surface of the underlayer 2, and a stripe width of 10 μm and a stripe interval (window portion) are formed by a CVD apparatus. ) 2 μm S
A protective film 3 made of iO 2 is formed with a thickness of 1 μm. The shape of the protective film may be any shape such as a stripe shape, a dot shape, a grid shape, and the like. Easy to grow. Examples of the material of the protective film include oxides and nitrides such as silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (Si x N y ), titanium oxide (TiO x ), and zirconium oxide (ZrO x ), and multilayer films thereof. And 1200
A metal or the like having a melting point of not less than ° C. can be used. These protective film materials have a nitride semiconductor growth temperature of 600 ° C.
It withstands temperatures of up to 1100 ° C., and has the property that nitride semiconductors do not grow or hardly grow on the surface.
【0027】(窒化物半導体基板4)保護膜3形成後、
ウェーハを再度MOVPEの反応容器内にセットし、温
度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、ア
ンドープGaNよりなるGaNよりなる窒化物半導体基
板4を20μmの膜厚で成長させる。成長後の窒化物半
導体基板4の表面は、保護膜のストライプ中央部と、窓
部のストライプ中央部にはストライプ状の保護膜と平行
に結晶欠陥が表出していたが、後にレーザ素子のリッジ
形成時に、リッジストライプがこの結晶欠陥に係らない
ようにすることにより、活性層に結晶欠陥が転位せず、
素子の信頼性が向上する。窒化物半導体基板4はハライ
ド気相成長法(HVPE)を用いて成長させることがで
きるが、このようにMOVPE法により成長させること
もできる。窒化物半導体基板はIn、Alを含まないG
aNを成長させることが最も好ましく、成長時のガスと
しては、TMGの他、トリエチルガリウム(TEG)等
の有機ガリウム化合物を用い、窒素源はアンモニア、若
しくはヒドラジンを用いることが最も望ましい。また、
このGaN基板にSi、Ge等のn型不純物をドープし
てキャリア濃度を適当な範囲に調整してもよい。特に異
種基板1、下地層2、保護膜3を除去する場合には、窒
化物半導体基板がコンタクト層となるため、この窒化物
半導体基板4にn型不純物をドープすることが望まし
い。(Nitride semiconductor substrate 4) After forming the protective film 3,
The wafer is set again in the MOVPE reaction vessel, the temperature is set to 1050 ° C., and a nitride semiconductor substrate 4 made of undoped GaN is grown to a thickness of 20 μm using TMG and ammonia. On the surface of the nitride semiconductor substrate 4 after the growth, crystal defects appeared parallel to the stripe-shaped protective film in the center of the stripe of the protective film and in the center of the stripe of the window. By preventing the ridge stripe from being related to this crystal defect at the time of formation, the crystal defect does not dislocation in the active layer,
The reliability of the device is improved. The nitride semiconductor substrate 4 can be grown using the halide vapor phase epitaxy (HVPE), but can also be grown using the MOVPE method. The nitride semiconductor substrate has a G content not containing In and Al.
It is most preferable to grow aN, and as a gas at the time of growth, an organic gallium compound such as triethyl gallium (TEG) is used in addition to TMG, and ammonia or hydrazine is most preferably used as a nitrogen source. Also,
The GaN substrate may be doped with an n-type impurity such as Si or Ge to adjust the carrier concentration to an appropriate range. In particular, when removing the heterogeneous substrate 1, the underlayer 2, and the protective film 3, the nitride semiconductor substrate serves as a contact layer. Therefore, it is desirable to dope the nitride semiconductor substrate 4 with an n-type impurity.
【0028】(n側バッファ層11=兼n側コンタクト
層)次に、アンモニアとTMG、不純物ガスとしてシラ
ンガスを用い、第2の窒化物半導体層4の上にSiを3
×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側バッファ
層11を5μmの膜厚で成長させる。このバッファ層
は、図1のような構造の発光素子を作製した場合にはn
電極を形成するためのコンタクト層として作用する。ま
た異種基板1〜保護膜3を除去して、窒化物半導体基板
4に電極を設ける場合には、省略することもできる。こ
のn側バッファ層11は高温で成長させるバッファ層で
あり、例えばサファイア、SiC、スピネルのように窒
化物半導体体と異なる材料よりなる基板の上に、900
℃以下の低温において、GaN、AlN等を、0.5μ
m以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別され
る。(N-side buffer layer 11 = n-side contact layer) Next, using ammonia and TMG, and silane gas as an impurity gas, Si is deposited on the second nitride semiconductor
An n-side buffer layer 11 of GaN doped with × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 5 μm. When a light emitting device having a structure as shown in FIG.
Acts as a contact layer for forming electrodes. In the case where an electrode is provided on the nitride semiconductor substrate 4 by removing the heterogeneous substrate 1 to the protective film 3, it may be omitted. The n-side buffer layer 11 is a buffer layer grown at a high temperature, for example, on a substrate made of a material different from a nitride semiconductor such as sapphire, SiC, and spinel.
GaN, AlN, etc., at a low temperature
It is distinguished from a buffer layer directly grown with a thickness of less than m.
【0029】(クラック防止層12)次に、TMG、T
MI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温
度を800℃にしてIn0.06Ga0.94Nよりなるクラッ
ク防止層12を0.15μmの膜厚で成長させる。(Crack prevention layer 12) Next, TMG, T
Using MI (trimethylindium) and ammonia at a temperature of 800 ° C., a crack prevention layer 12 of In 0.06 Ga 0.94 N is grown to a thickness of 0.15 μm.
【0030】(n側クラッド層13=超格子層)続い
て、1050℃でTMA、TMG、アンモニア、シラン
ガスを用い、Siを1×1019/cm3ドープしたn型A
l0.16Ga0.84Nよりなる第1の層を25オングストロ
ームの膜厚で成長させ、続いてシランガス、TMAを止
め、アンドープのGaNよりなる第2の層を25オング
ストロームの膜厚で成長させる。そして第1層+第2層
+第1層+第2層+・・・というように超格子層を構成
し、総膜厚1.2μmの超格子よりなるn側クラッド層
13を成長させる。この超格子よりなるn側クラッド層
はAl平均組成が8.0%であるので、その膜厚との積
は9.6となる。なおn側クラッド層に、バンドギャッ
プエネルギーが異なる窒化物半導体を積層した超格子を
作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープ
して、いわゆる変調ドープを行うと閾値が低下しやすい
傾向にある。(N-side cladding layer 13 = superlattice layer) Subsequently, n-type A doped with Si at 1 × 10 19 / cm 3 using TMA, TMG, ammonia and silane gas at 1050 ° C.
A first layer of l 0.16 Ga 0.84 N is grown to a thickness of 25 angstroms, then silane gas and TMA are stopped, and a second layer of undoped GaN is grown to a thickness of 25 angstroms. Then, a superlattice layer is formed in the order of first layer + second layer + first layer + second layer +..., And an n-side cladding layer 13 composed of a superlattice having a total film thickness of 1.2 μm is grown. Since the n-side cladding layer made of this superlattice has an average Al composition of 8.0%, the product of the thickness and the thickness is 9.6. Note that when a superlattice in which nitride semiconductors having different band gap energies are stacked on the n-side cladding layer is manufactured, one of the layers is heavily doped, and the threshold value tends to decrease when so-called modulation doping is performed. It is in.
【0031】(n側光ガイド層14)続いて、シランガ
スを止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn側
光ガイド層14を0.1μmの膜厚で成長させる。この
n側光ガイド層は、活性層の光ガイド層として作用し、
GaN、InGaNを成長させることが望ましく、通常
100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは2
00オングストローム〜1μmの膜厚で成長させること
が望ましい。(N-side light guide layer 14) Subsequently, the silane gas is stopped and the n-side light guide layer 14 made of undoped GaN is grown at 1050 ° C. to a thickness of 0.1 μm. This n-side light guide layer acts as a light guide layer of the active layer,
It is desirable to grow GaN or InGaN, usually 100 Å to 5 μm, more preferably 2 Å.
It is desirable to grow with a film thickness of 00 Å to 1 μm.
【0032】(活性層15)次に、TMG、TMI、ア
ンモニアを用い活性層14を成長させる。活性層は温度
を800℃に保持して、アンドープIn0.2Ga0.8Nよ
りなる井戸層を40オングストロームの膜厚で成長させ
る。次にTMIのモル比を変化させるのみで同一温度
で、アンドープIn0.01Ga0.95Nよりなる障壁層を1
00オングストロームの膜厚で成長させる。井戸層と障
壁層とを順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚4
40オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の
活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンド
ープでもよいし、またn型不純物及び/又はp型不純物
をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にド
ープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。(Active Layer 15) Next, the active layer 14 is grown using TMG, TMI and ammonia. The temperature of the active layer is maintained at 800 ° C., and a well layer made of undoped In 0.2 Ga 0.8 N is grown to a thickness of 40 Å. Next, a barrier layer made of undoped In 0.01 Ga 0.95 N is added at the same temperature only by changing the molar ratio of TMI.
It is grown to a thickness of 00 Å. A well layer and a barrier layer are sequentially stacked, and finally terminated with a barrier layer.
An active layer of 40 Å multiple quantum well structure (MQW) is grown. The active layer may be undoped as in this embodiment, or may be doped with an n-type impurity and / or a p-type impurity. The impurity may be doped into both the well layer and the barrier layer, or may be doped into either one.
【0033】(p側キャップ層16)次に、温度を10
50℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2M
g(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、p側
光ガイド層17よりもバンドギャップエネルギーが大き
い、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga
0.7Nよりなるp側キャップ層16を300オングスト
ロームの膜厚で成長させる。このp型キャップ層16は
0.1μm以下の膜厚で形成することにより素子の出力
が向上する傾向にある。膜厚の下限は特に限定しない
が、10オングストローム以上の膜厚で形成することが
望ましい。(P-side cap layer 16)
Raise to 50 ° C, TMG, TMA, ammonia, Cp2M
g (cyclopentadienyl magnesium), p-type Al 0.3 Ga doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3 and having a larger band gap energy than the p-side light guide layer 17
A p-side cap layer 16 of 0.7 N is grown to a thickness of 300 Å. When the p-type cap layer 16 is formed with a thickness of 0.1 μm or less, the output of the device tends to be improved. Although the lower limit of the film thickness is not particularly limited, it is desirable to form the film with a film thickness of 10 Å or more.
【0034】(p側光ガイド層17)続いてCp2M
g、TMAを止め、1050℃で、バンドギャップエネ
ルギーがp側キャップ層16よりも小さい、アンドープ
GaNよりなるp側光ガイド層17を0.1μmの膜厚
で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作
用し、n型光ガイド層14と同じくGaN、InGaN
で成長させることが望ましい。(P-side light guide layer 17) Subsequently, Cp2M
g, TMA is stopped, and at 1050 ° C., a p-side optical guide layer 17 made of undoped GaN having a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer 16 is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a light guide layer of the active layer and, like the n-type light guide layer 14, GaN, InGaN
It is desirable to grow with.
【0035】(p側クラッド層18)続いて、1050
℃でMgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.16G
a0.8 4Nよりなる第3の層を25オングストロームの膜
厚で成長させ、続いてTMAのみを止め、アンドープG
aNよりなる第4の層を25オングストロームの膜厚で
成長させ、総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側ク
ラッド層18を成長させる。このp側クラッド層もAl
の平均組成が8%であるので、膜厚との積は4.8とな
る。なお、p側クラッド層も少なくとも一方がAlを含
む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネル
ギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製し
た場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、
いわゆる変調ドープを行うと閾値が低下しやすい傾向に
ある。(P-side cladding layer 18)
P-type Al 0.16 G doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3
a third layer consisting of a 0.8 4 N is grown to the thickness of 25 Å, followed by stopping the TMA alone, undoped G
A fourth layer of aN is grown to a thickness of 25 Å, and a p-side cladding layer 18 of a superlattice layer having a total thickness of 0.6 μm is grown. This p-side cladding layer is also made of Al
Is 8%, so the product of the film thickness and the film thickness is 4.8. Note that when the p-side cladding layer is also manufactured using a superlattice in which at least one of the layers includes a nitride semiconductor layer containing Al and has different band gap energies from each other, impurities are heavily doped in one of the layers. do it,
When so-called modulation doping is performed, the threshold value tends to decrease.
【0036】ここで、クラッド層で挟まれたコア部分
(導波部分)の膜厚について述べる。コア部分とは、n
側光ガイド層14、活性層15、p側キャップ層16、
及びp側光ガイド層17を合わせた領域、即ちn側クラ
ッド層と、p側クラッド層との間にある活性層を含む窒
化物半導体層を指し、活性層の発光を導波する領域であ
る。窒化物半導体レーザ素子の場合、FFPが単一ビー
ムとならないのは、先にも述べたように、クラッド層か
ら漏れた発光がn側のコンタクト層内で導波してマルチ
モードになるからである。その他、コア内で共振するこ
とによってマルチモードになる場合がある。本発明では
まずn側のクラッド層の膜厚を厚くして、Al平均組成
を大きくすることにより、屈折率差を設け、コア内の光
をクラッド層で閉じ込めるものである。しかし、コア内
でマルチモードができると、FFPは乱れる。そのた
め、本発明のn側クラッド層との関係において、コア内
でマルチモードにならないようにするために、このコア
部分の厚さも調整する方が望ましい。コア部分にマルチ
モードが発生しないようにするための好ましい厚さとし
ては、200オングストローム以上、1.0μm以下、
さらに望ましくは500オングストローム〜0.8μ
m、最も望ましくは0.1μm〜0.5μmの範囲に調
整することが望ましい。200オングストロームよりも
薄いと、コア部分から光が漏れだし、閾値が上昇する傾
向にある。また1.0μmよりも厚いとマルチモードに
なりやすい傾向にある。Here, the thickness of the core portion (waveguide portion) sandwiched between the cladding layers will be described. The core part is n
Side light guide layer 14, active layer 15, p-side cap layer 16,
And a region where the p-side light guide layer 17 is combined, that is, a nitride semiconductor layer including an active layer between the n-side clad layer and the p-side clad layer, and is a region where light emission of the active layer is guided. . In the case of the nitride semiconductor laser device, the reason why the FFP does not become a single beam is that, as described above, light emitted from the cladding layer is guided in the n-side contact layer and becomes a multimode. is there. In addition, there is a case where a multi-mode is caused by resonance in the core. In the present invention, first, the thickness of the n-side cladding layer is increased to increase the Al average composition, thereby providing a refractive index difference and confining the light in the core by the cladding layer. However, when the multi-mode is formed in the core, the FFP is disturbed. Therefore, in relation to the n-side cladding layer of the present invention, it is desirable to also adjust the thickness of the core portion so as not to be multimode in the core. The preferred thickness for preventing multimode from occurring in the core portion is 200 Å or more, 1.0 μm or less,
More preferably, 500 Å to 0.8 μm
m, most preferably in the range of 0.1 μm to 0.5 μm. If the thickness is less than 200 angstroms, light leaks from the core and the threshold value tends to increase. On the other hand, if the thickness is more than 1.0 μm, multi-mode tends to be easily caused.
【0037】(p側コンタクト層19)最後に、105
0℃で、p側クラッド層18の上に、Mgを2×1020
/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層
18を150オングストロームの膜厚で成長させる。p
側コンタクト層19はp型のInXAlYGa1-X-YN
(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好
ましくはMgをドープしたGaNとすれば、p電極21
と最も好ましいオーミック接触が得られる。(P-side contact layer 19) Finally, 105
At 0 ° C., 2 × 10 20 Mg is applied on the p-side cladding layer 18.
A p-side contact layer 18 made of p-type GaN doped with / cm 3 is grown to a thickness of 150 Å. p
The side contact layer 19 is a p-type In x Al Y Ga 1 -XYN
(0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), preferably Mg-doped GaN, the p-electrode 21
And the most preferable ohmic contact is obtained.
【0038】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中700
℃でアニーリングを行い、p型不純物をドープした層を
さらに低抵抗化させる。The wafer on which the nitride semiconductor has been grown as described above is placed in a reaction vessel in a nitrogen atmosphere at 700.degree.
Annealing is performed at a temperature of ° C. to further reduce the resistance of the layer doped with the p-type impurity.
【0039】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、RIE装置により最上層のp側コンタクト層
18と、p側クラッド層17の一部とをエッチングし
て、図1、及び図2に示すような形状のリッジストライ
プを形成する。このリッジストライプは片方の共振面側
のストライプ幅を2.0μmに設定し、もう片方の共振
面側のストライプ幅を4.0μmに設定してあり、共振
器長を500μmに設定することにより、レーザ共振方
向に対する角度θを3゜以下にしている。なお、本実施
例ではp側クラッド層の一部をリッジストライプとして
いるが、エッチング深さを深くして、p側クラッド層の
全部をリッジストライプとすることもできる。After the annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, and the uppermost p-side contact layer 18 and a part of the p-side cladding layer 17 are etched by the RIE apparatus to obtain a structure as shown in FIGS. A ridge stripe having a shape is formed. In this ridge stripe, the stripe width on one resonance surface side is set to 2.0 μm, the stripe width on the other resonance surface side is set to 4.0 μm, and the resonator length is set to 500 μm. The angle θ with respect to the laser resonance direction is set to 3 ° or less. In this embodiment, a part of the p-side cladding layer is formed as a ridge stripe, but the etching depth may be increased and the entire p-side cladding layer may be formed as a ridge stripe.
【0040】また、リッジストライプを形成する際、そ
のリッジストライプは、窒化物半導体基板の表面に結晶
欠陥が現れていない位置に形成する。結晶欠陥はストラ
イプ状の保護膜3中央部、及びストライプ状の窓部中央
部に現れやすい傾向にある。そのためその中央部を避け
てリッジストライプを形成することにより、結晶欠陥が
活性層まで伸びてこなくなる傾向にあるため、素子を長
寿命とすることができ、信頼性が向上する。In forming the ridge stripe, the ridge stripe is formed at a position where no crystal defect appears on the surface of the nitride semiconductor substrate. Crystal defects tend to appear at the center of the stripe-shaped protective film 3 and at the center of the striped window. Therefore, by forming the ridge stripe avoiding the central portion, the crystal defects tend not to extend to the active layer, so that the device can have a long life and the reliability is improved.
【0041】次にリッジ表面にマスクを形成し、RIE
にてエッチングを行い、n側バッファ層11の表面を露
出させる。露出させたこのn側バッファ層11はn電極
23を形成するためのコンタクト層としても作用する。Next, a mask is formed on the ridge surface, and RIE is performed.
To expose the surface of the n-side buffer layer 11. The exposed n-side buffer layer 11 also functions as a contact layer for forming the n-electrode 23.
【0042】次にp側コンタクト層19のリッジ最表面
にNiとAuよりなるp電極20をストライプ状に形成
し、一方、TiとAlよりなるn電極22を先ほど露出
させたn側バッファ層11の表面にストライプ状に形成
した後、図3に示すようにp電極20と、n電極22と
の間に露出した窒化物半導体層の表面にSiO2よりな
る絶縁膜23を形成し、この絶縁膜23を介してp電極
20と電気的に接続したpパッド電極21を形成する。
pパッド電極はp層側に漏れる光を吸収する。Next, on the outermost surface of the ridge of the p-side contact layer 19, a p-electrode 20 made of Ni and Au is formed in a stripe shape, while the n-electrode 22 made of Ti and Al is exposed previously. Then, an insulating film 23 made of SiO 2 is formed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p-electrode 20 and the n-electrode 22 as shown in FIG. A p-pad electrode 21 electrically connected to the p-electrode 20 via the film 23 is formed.
The p pad electrode absorbs light leaking to the p layer side.
【0043】以上のようにして、n電極とp電極とを形
成したウェーハのサファイア基板を研磨して70μmと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器
面にSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜を形成し、
最後にp電極に平行な方向で、バーを切断してレーザ素
子とする。As described above, after the sapphire substrate of the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is polished to 70 μm, the wafer is cleaved into a bar from the substrate side in a direction perpendicular to the stripe-shaped electrodes. A resonator is formed on the cleavage plane. Forming a dielectric multilayer film composed of SiO 2 and TiO 2 on the resonator surface,
Finally, the bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser device.
【0044】このレーザ素子をヒートシンクに設置し、
それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレ
ーザ発振を試みたところ、室温において連続発振を示
し、単レーザ光のFFPは単一で、その形状も楕円形で
形の良いものが得られていた。また、レーザ素子の特性
に関しても、我々がJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)に
発表したものに比較して、閾値が15%以上低下し、寿
命は60%以上向上した。This laser element is set on a heat sink,
When each electrode was wire-bonded and laser oscillation was attempted at room temperature, continuous oscillation was exhibited at room temperature, and a single laser beam had a single FFP and an elliptical shape with good shape. . Also, as for the characteristics of the laser device, the threshold value was reduced by 15% or more and the life was improved by 60% or more as compared with the one published by Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997).
【0045】[実施例2]実施例1において、n側クラ
ッド層13を成長させる際に、Siドープn型Al0.20
Ga0.80N25オングストロームと、アンドープGaN
25オングストロとを積層し、総膜厚1.0μmの超格
子よりなるn側クラッド層13を成長させる他は同様に
してレーザ素子を作製した。なおn側クラッド層はAl
平均組成が10.0%であるので、その膜厚との積は1
0.0である。このレーザ素子も実施例1とほぼ同等の
特性を有していた。Example 2 In Example 1, when growing the n-side cladding layer 13, the Si-doped n-type Al 0.20
Ga 0.80 N25 Å and undoped GaN
A laser element was fabricated in the same manner as described above except that a layer having a thickness of 25 Å was laminated and an n-side cladding layer 13 composed of a superlattice having a total film thickness of 1.0 μm was grown. The n-side cladding layer is made of Al
Since the average composition is 10.0%, the product with the film thickness is 1
0.0. This laser element also had almost the same characteristics as those of the first embodiment.
【0046】[実施例3]実施例1において、n側クラ
ッド層13を成長させる際に、Siドープn型Al0.20
Ga0.80N25オングストロームと、アンドープGaN
25オングストロとを積層し、総膜厚0.7μmの超格
子よりなるn側クラッド層13を成長させる他は同様に
してレーザ素子を作製した。n側クラッド層はAl平均
組成が1.0%であるので、その膜厚との積は7.0で
ある。このレーザ素子も実施例1とほぼ同等の特性を有
していた。Example 3 In Example 1, when growing the n-side cladding layer 13, Si-doped n-type Al 0.20
Ga 0.80 N25 Å and undoped GaN
A laser element was manufactured in the same manner as above except that a layer having a thickness of 25 Å was laminated and an n-side cladding layer 13 composed of a superlattice having a total film thickness of 0.7 μm was grown. Since the n-side cladding layer has an average Al composition of 1.0%, the product of the n-side cladding layer and the film thickness is 7.0. This laser element also had almost the same characteristics as those of the first embodiment.
【0047】[実施例4]実施例1において、n側クラ
ッド層13を成長させる際に、Siドープn型Al0.12
Ga0.88N25オングストロームと、アンドープGaN
25オングストロとを積層し、総膜厚0.8μmの超格
子よりなるn側クラッド層13を成長させる他は同様に
してレーザ素子を作製した。n側クラッド層はAl平均
組成が6.0%であるので、その膜厚との積は4.8で
ある。このレーザ素子もFFPは実施例1と同等であ
り、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)に発表したものに
比較して、閾値が8%以上低下し、寿命は30%以上向
上した。Example 4 In Example 1, when growing the n-side cladding layer 13, Si-doped n-type Al 0.12
Ga 0.88 N25 Å and undoped GaN
A laser element was fabricated in the same manner as described above, except that a layer having a thickness of 25 Å was laminated and an n-side cladding layer 13 composed of a superlattice having a total film thickness of 0.8 μm was grown. Since the Al average composition of the n-side cladding layer is 6.0%, the product of the n-side cladding layer and the film thickness is 4.8. This laser element also has an FFP equivalent to that of the first embodiment. The threshold value is reduced by 8% or more and the life is 30% or more as compared with the one disclosed in Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36 (1997). Improved.
【0048】[実施例5]実施例1において、n側クラ
ッド層18を成長させる際に、Siドープn型Al0.07
Ga0.93N層25オングストロームと、アンドープGa
N層25オングストロームとを、総膜厚1.4μmで成
長させる他は同様にして、レーザ素子を作製した。n側
クラッド層は、Al平均組成が3.5%であるので、そ
の膜厚との積は4.9である。このレーザ素子は実施例
4のものとほぼ同等の特性を示した。Fifth Embodiment In the first embodiment, when growing the n-side cladding layer 18, the Si-doped n-type Al 0.07
Ga 0.93 N layer 25 Å, undoped Ga
A laser element was fabricated in the same manner except that an N layer was grown to a thickness of 25 Å with a total thickness of 1.4 μm. Since the average composition of the n-side cladding layer is 3.5%, the product of the n-side cladding layer and the film thickness is 4.9. This laser device exhibited almost the same characteristics as those of Example 4.
【0049】[実施例6]実施例1において、ストライ
プ状のリッジを形成する際、そのリッジ形状を図5に示
すような形状とする。但し、図5において、両出力側の
ストライプ幅は2μmとし、中央部のストライプ幅は4
μmとして、その傾斜角を5゜以内に調整する。このレ
ーザ素子も実施例1とほぼ等々の特性を示した。Sixth Embodiment In the first embodiment, when forming a stripe-shaped ridge, the ridge is formed as shown in FIG. However, in FIG. 5, the stripe width on both output sides is 2 μm, and the stripe width on the center is 4 μm.
μm, and adjust the inclination angle to within 5 °. This laser element also exhibited almost the same characteristics as those of the first embodiment.
【0050】[0050]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると水
平横モード、垂直横モード共にシングルモードが得られ
る。しかもレーザ光伸すポット形状も単一な楕円とな
り、一定のFFPが得られる。窒化物半導体はサファイ
アという窒化物半導体よりも屈折率の小さい材料を使用
するため、従来の問題は避けられないように思われてき
たが、本発明によりサファイアに限らず、窒化物半導体
よりも屈折率の小さい、どのような基板の上にレーザ素
子を作製しても、シングルモードで、きれいな形状のレ
ーザ光が得られるため、書き込み、読みとり光源とし
て、その利用価値は非常に大きい。As described above, according to the present invention, a single mode can be obtained in both the horizontal and horizontal modes and the vertical and horizontal modes. In addition, the pot shape for extending the laser beam also becomes a single ellipse, and a constant FFP can be obtained. Since nitride semiconductors use a material called sapphire, which has a lower refractive index than nitride semiconductors, it seems that conventional problems have been unavoidable, but the present invention is not limited to sapphire, and it is more refractory than nitride semiconductors. Even if a laser element is manufactured on any substrate having a low efficiency, a single mode laser beam with a clean shape can be obtained, and therefore, its use value as a light source for writing and reading is very large.
【図1】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention.
【図2】 図1のレーザ素子をリッジ上部から見た平面
図。FIG. 2 is a plan view of the laser device of FIG. 1 as viewed from above a ridge.
【図3】 図1のレーザ素子にp電極を形成した後の構
造を示す模式断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a structure after a p-electrode is formed on the laser device of FIG.
【図4】 リッジストライプの形状を示す平面図。FIG. 4 is a plan view showing the shape of a ridge stripe.
【図5】 本発明に係るレーザ素子のリッジストライプ
の一形状を示す平面図。FIG. 5 is a plan view showing one shape of a ridge stripe of the laser device according to the present invention.
【図6】 本発明に係るレーザ素子のリッジストライプ
の一形状を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing one shape of a ridge stripe of the laser device according to the present invention.
【図7】 本発明に係るレーザ素子のリッジストライプ
の一形状を示す平面図。FIG. 7 is a plan view showing one shape of a ridge stripe of the laser device according to the present invention.
【図8】 従来のレーザ素子の構造を示す模式断面図。FIG. 8 is a schematic sectional view showing the structure of a conventional laser device.
1・・・異種基板 2・・・GaN下地層 3・・・保護膜 4・・・窒化物半導体基板 11・・・n側バッファ層 12・・・クラック防止層 13・・・n側クラッド層 14・・・n側光ガイド層 15・・・活性層 16・・・p側キャップ層 17・・・p側光ガイド層 18・・・p側クラッド層 19・・・p側コンタクト層 20・・・p電極 21・・・pパッド電極 22・・・n電極 23・・・絶縁膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Different substrate 2 ... GaN base layer 3 ... Protective film 4 ... Nitride semiconductor substrate 11 ... n-side buffer layer 12 ... crack prevention layer 13 ... n-side cladding layer 14 n-side light guide layer 15 active layer 16 p-side cap layer 17 p-side light guide layer 18 p-side cladding layer 19 p-side contact layer 20 ..P electrode 21 ... p pad electrode 22 ... n electrode 23 ... insulating film
Claims (5)
p側のクラッド層とを順に有し、活性層よりも上の層
に、対向する共振面に対してほぼ垂直なリッジストライ
プを有する窒化物半導体レーザ素子において、前記p側
クラッド層は少なくともAlを含む窒化物半導体層を有
する超格子よりなり、そのp側クラッド層の一部、若し
くは全部に前記リッジストライプが形成されており、さ
らにそのリッジのストライプ幅の少なくとも一方が共振
面に接近するに従って狭くなるように形成されているこ
とを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。1. An n-side cladding layer on a substrate, an active layer,
and a p-side cladding layer in order, and in a layer above the active layer, a nitride semiconductor laser device having a ridge stripe substantially perpendicular to an opposing resonance surface, wherein the p-side cladding layer contains at least Al. A ridge stripe is formed on a part or all of the p-side cladding layer, and at least one of the stripe widths of the ridge becomes narrower as approaching the resonance surface. A nitride semiconductor laser device characterized by being formed as follows.
のストライプ幅が全反射側のストライプ幅よりも狭くさ
れてな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。2. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the ridge stripe has a stripe width on a laser output side smaller than a stripe width on a total reflection side.
を含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、そのn
側クラッド層全体の厚さが0.5μm以上で、かつその
n側クラッド層に含まれるAl平均組成を百分率(%)
で表した際に、n側クラッド層全体の厚さ(μm)とA
l平均組成(%)との積が4.4以上となるように構成
されていることを特徴とする請求項1または2に記載の
窒化物半導体レーザ素子。3. An n-side cladding layer comprising at least Al
Consisting of a superlattice having a nitride semiconductor layer containing
The thickness of the entire side cladding layer is 0.5 μm or more, and the average Al composition contained in the n-side cladding layer is expressed as a percentage (%).
When expressed by, the thickness (μm) of the entire n-side cladding layer and A
3. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein a product of the average composition (%) and the average composition (%) is 4.4 or more. 4.
μm以下であり、かつそのp側クラッド層に含まれるA
l平均組成を百分率(%)で表した際に、p側クラッド
層全体の厚さ(μm)とAl平均組成(%)との積が
4.4以上となるように構成されていることを特徴とす
る請求項1乃至3の内のいずれか1項に記載の窒化物半
導体レーザ素子。4. The thickness of the entire p-side cladding layer is 2.0
μm or less and contained in the p-side cladding layer.
When the 1-average composition is expressed in percentage (%), the product of the thickness (μm) of the entire p-side cladding layer and the Al average composition (%) is 4.4 or more. The nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein:
る活性層を含んだ窒化物半導体層の厚さが200オング
ストローム以上、1.0μm以下の範囲にあることを特
徴とする請求項1乃至4の内のいずれか1項に記載の窒
化物半導体レーザ素子。5. The nitride semiconductor layer including an active layer between the n-side and p-side cladding layers has a thickness in a range from 200 Å to 1.0 μm. Item 5. The nitride semiconductor laser device according to any one of items 1 to 4.
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