半導體激光元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導體激光元件，能夠在使用了由氮化物半導體構(gòu)成的基板的半導體激光元件中良好地限制光來降低FFP的脈動。半導體激光元件在由GaN構(gòu)成的基板之上具有由氮化物半導體構(gòu)成且折射率高于基板的發(fā)光層，在基板與發(fā)光層之間從基板的一側(cè)起依次具有：由AlGaN構(gòu)成的第一氮化物半導體層；由Al組成比大于第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層；由InGaN構(gòu)成的第三氮化物半導體層；和由Al組成比大于第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成、且膜厚大于第二氮化物半導體層的第四氮化物半導體層。
【專利說明】半導體激光元件
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體激光元件。
【背景技術(shù)】
[0002]在基板之上層疊了氮化物半導體層的半導體激光元件中，通過利用折射率小于活性層的層來夾著活性層，由此限制光(例如專利文獻I以及2)。
[0003]專利文獻I JP特開2003 - 060314號公報
[0004]專利文獻2 JP特開2007 — 214557號公報
[0005]在這樣的使用了由氮化物半導體構(gòu)成的基板的半導體激光元件中，要求FFP (farfield pattern:遠場圖)的脈動的進一步降低。這樣的脈動因基板中的光的泄漏而引起，為了降低脈動，只要降低在基板中漏掉的光即可。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的實施方式的半導體激光元件，
[0007]在由GaN構(gòu)成的基板之上具有由氮化物半導體構(gòu)成且折射率高于基板的發(fā)光層，
[0008]在基板與發(fā)光層之間，從基板的一側(cè)起依次具有:
[0009]由AlGaN構(gòu)成的第一氮化物半導體層；
[0010]由Al組成比大于第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層；
[0011]由InGaN構(gòu)成的第三氮化物半導體層；和
[0012]由Al組成比大于第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成、且膜厚大于第二氮化物半導體層的第四氮化物半導體層。
[0013]此外，本發(fā)明的另一實施方式的半導體激光元件，
[0014]在由AlGaN構(gòu)成的基板之上具有由氮化物半導體構(gòu)成且折射率高于基板的發(fā)光層，
[0015]在基板與發(fā)光層之間，從基板的一側(cè)起依次具有:
[0016]由AlGaN構(gòu)成的第一氮化物半導體層；
[0017]由Al組成比大于第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層；
[0018]由InGaN構(gòu)成的第三氮化物半導體層；和
[0019]由Al組成比大于第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成、且膜厚大于第二氮化物半導體層的第四氮化物半導體層。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，在使用了由氮化物半導體構(gòu)成的基板的半導體激光元件中，能夠良好地限制光，來降低FFP的脈動。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是說明本發(fā)明的一實施方式的示意性截面圖。
[0022]圖2是表示第一?第四氮化物半導體層的折射率的示意圖。[0023]圖3是說明本發(fā)明的一實施方式中的變形例的示意性截面圖。
[0024]圖4是表示實施例1的半導體激光元件的折射率和電場強度之間的模擬結(jié)果的圖表。
[0025]圖5是表示比較例I的半導體激光元件的折射率和電場強度之間的模擬結(jié)果的圖表。
[0026]圖6是表示實施例1以及比較例I的半導體激光元件的折射率和電場強度之間的模擬結(jié)果的圖表。
[0027]圖7是表示實施例1的半導體激光元件的垂直方向FFP丄的圖表。
[0028]圖8是表示比較例I的半導體激光元件的垂直方向FFP丄的圖表。
【具體實施方式】
[0029]以下，參照附圖對本申請發(fā)明的實施方式進行說明。其中，以下所示的實施方式例示用于使本發(fā)明的技術(shù)思想具體化的方法，并不將本發(fā)明特定為以下的實施方式。而且，在以下的說明中，相同的名稱、標號表示相同或相同性質(zhì)的部件，并適當?shù)厥÷栽敿氄f明。
[0030]圖1是說明本發(fā)明的一實施方式的示意性截面圖，表示與半導體激光元件100的諧振器方向垂直的方向上的截面。半導體激光元件100在由氮化物半導體構(gòu)成的基板I之上具有由氮化物半導體構(gòu)成的發(fā)光層。半導體激光元件100從基板I的一側(cè)起依次設有η側(cè)氮化物半導體層2、活性層3、和P側(cè)氮化物半導體層4?；钚詫?例如諸如圖2所示那樣交替配置有勢壘層3b、3c、3d和阱層(發(fā)光層)3a。在p側(cè)氮化物半導體層4的表面設有隆起物4a，在與隆起物4a對應的活性層3及其附近形成有波導區(qū)域。在隆起物4a的側(cè)面和從隆起物4a的側(cè)面連續(xù)的P側(cè)氮化物半導體層4的表面設有第一絕緣膜5a，在第一絕緣膜5a上設有對第一絕緣膜5a的一部分進行覆蓋的第二絕緣膜5b。在p側(cè)氮化物半導體層4的表面設有P電極6以及焊盤電極7，在基板I的背面設有η電極8。
[0031]在包含發(fā)光層的活性層3與基板I之間，從基板I的一側(cè)起依次包括:第一氮化物半導體層21、第二氮化物半導體層22、第三氮化物半導體層23、和第四氮化物半導體層24。圖2是表示各層的折射率的示意圖。另外，圖2的示意圖用于說明折射率，與后述的實施例1相比，在層構(gòu)成、膜厚方面有一部分不同。此外，省略了 P側(cè)氮化物半導體層4以及第五、第六氮化物半導體層25、26。
[0032]如圖2所示，關于折射率，第一?第四氮化物半導體層21?24均低于發(fā)光層3a，其中第三氮化物半導體層23具有最高的折射率。而且，第二氮化物半導體層22以及第四氮化物半導體層24的折射率低于第一氮化物半導體層21的折射率。此外，基板I的折射率低于發(fā)光層3a的折射率、且高于第一氮化物半導體層21的折射率。
[0033]在圖4中示出了后述的實施例1的半導體激光元件中的折射率與電場強度之間的模擬結(jié)果。圖4中的η側(cè)氮化物半導體層2的層結(jié)構(gòu)與圖3所示的層結(jié)構(gòu)相對應，圖4中的橫軸利用將半導體層的最上面(P電極側(cè))設為Onm時的層疊方向上的膜厚來表示，即利用將半導體層的最上面(P電極側(cè))設為Onm時的深度方向的位置較之于此位置而處于上方的半導體層的膜的厚度來表示，數(shù)字越大則越靠近基板。右側(cè)的縱軸表示折射率，左側(cè)的縱軸表不電場強度。關于電場強度，將最大值設為I，利用相對值來表不。電場強度與光的強度相對應，基板中的電場強度的降低表示漏至基板的光的降低。即，如果基板中的電場強度變低，則表示漏至基板的光被降低。另外，如后所述，在實施例1的半導體激光元件中，因為與基板相接地設置的第六氮化物半導體層26是具有與基板相同的折射率的層，所以第六氮化物半導體層26與基板之間的電場強度差極小，如果在第六氮化物半導體層26中電場強度有所降低，則同樣地能夠認為在基板中電場強度被降低。
[0034]在本實施方式中，在基板I之上設有第一氮化物半導體層21，在該第一氮化物半導體層21與發(fā)光層之間按照特定順序還設有第二?第四氮化物半導體層22?24。在如以上那樣構(gòu)成的實施方式的半導體激光元件中，成為圖2所示那樣的折射率分布。在以上的構(gòu)成中，來自包含發(fā)光層的活性層3的光，由于活性層3與由AlGaN構(gòu)成的低折射率的第四氮化物半導體層24之間的折射率差而被限制，進而由于由InGaN構(gòu)成的第三氮化物半導體層23與由AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層22之間的折射率差而被限制。因為第三氮化物半導體層23是由InGaN構(gòu)成的高折射率的層，所以第三氮化物半導體層23內(nèi)的電場強度的衰減小，光易于滯留。這通過以下的理由能夠得到理解，即:在圖4的表示電場強度的圖表中，在與第三氮化物半導體層23對應的部分，圖表的傾斜度變小。這樣，通過將第三氮化物半導體層23設置在第二氮化物半導體層22的發(fā)光層側(cè)，從而由于第三氮化物半導體層23與第二氮化物半導體層22之間的折射率差，可以有效地限制光。換言之，能夠增大因設置第二氮化物半導體層22而帶來的光的限制量。此外，如圖4所示，即便是在活性層3與第四氮化物半導體層24之間例如設置了與活性層3之間的折射率差小的由InGaN構(gòu)成的第五氮化物半導體層25的情況，活性層3與第五氮化物半導體層25之間的折射率差也小，所以來自包含發(fā)光層的活性層3的光，由于第五氮化物半導體層25與第四氮化物半導體層24之間的折射率差而被限制。如以上，根據(jù)包含按照特定順序被設置的第二?第四氮化物半導體層22?24的本實施方式的構(gòu)成，因為可有效地衰減到達基板的電場強度，所以能夠降低向基板I漏光，能夠降低FFP的脈動。
[0035]在本實施方式中，將第四氮化物半導體層24的膜厚設得大于第二氮化物半導體層22的膜厚，在第四氮化物半導體層24與第二氮化物半導體層22之間配置第三氮化物半導體層23。如上述，雖然利用第三氮化物半導體層23是光易于滯留的層的性質(zhì)，能夠降低FFP的脈動，但是，另一方面，如果將第三氮化物半導體層23配置在活性層(發(fā)光層)的近旁，則電場強度的峰值位置向第三氮化物半導體層23側(cè)移動，即電場強度的峰值位置向基板I側(cè)移動。除此之外，由于第三氮化物半導體層23處于電場強度的峰值的近旁，因此第三氮化物半導體層23中的電場強度變得極大。因而，存在FFP的對稱性會瓦解的顧慮。
[0036]因此，在本實施方式中，將第四氮化物半導體層24的膜厚設得大于第二氮化物半導體層22，在這兩個層之間配置第三氮化物半導體層23。由此，能夠獲得第二氮化物半導體層22所帶來的光限制效應，并且能夠防止第三氮化物半導體層23向活性層(發(fā)光層)的過度接近，能夠抑制電場強度峰值位置向基板I側(cè)的移動。由此，能夠有效地降低FFP的脈動，并且能夠維持FFP的對稱性。除此之外，由于第四氮化物半導體層24為低折射率的層，因此能夠使電場強度衰減至到達第三氮化物半導體層23為止，能夠防止第三氮化物半導體層23中的電場強度的過度集中。為了抑制電場強度峰值位置向基板I側(cè)的移動，也優(yōu)選該點。
[0037]此外，由于如果電場強度的峰值位置向基板I側(cè)移動，則峰值位置距發(fā)光層的偏離量會變大，發(fā)光層中的電場強度會變小，因此有時會引起閾值的上升、量子效率的下降。在本實施方式中，因為通過上述的構(gòu)成能夠抑制電場強度峰值位置向基板I側(cè)的移動，所以能夠抑制閾值的上升、量子效率的下降。
[0038]此外，在層疊半導體層之前的基板I表面，于加工時產(chǎn)生的擦痕等損傷層、因表面汚染所帶來的雜質(zhì)等通常是存在的。如果在這樣的基板I上直接層疊Al組成比大的AlGaN，則由于伴隨著Al組成比的增加而AlGaN的表面遷移會下降，因此易于受到基板I表面所存在的損傷層、雜質(zhì)的影響，表面平坦性惡化。這樣的表面平坦性的惡化，會給在其上生長的層帶來影響，從而引起激光元件的量子效率的下降、可靠性的下降、成品率的下降。因此，在本實施方式中，在作為低折射率的AlGaN層的第二氮化物半導體層22、即作為Al組成比大的AlGaN層的第二氮化物半導體層22的基板I側(cè)，設置作為Al組成比小于第二氮化物半導體層22的AlGaN層的第一氮化物半導體層21。由此，能夠緩解因基板I表面的擦痕、雜質(zhì)等給第二氮化物半導體層22帶來的影響，能夠抑制持續(xù)地給其上的發(fā)光層側(cè)的層帶來的影響，因而能夠抑制激光元件的量子效率的下降、可靠性的下降、成品率的下降。
[0039]此外，如果基板I與第二氮化物半導體層22的晶格常數(shù)差大，則易產(chǎn)生裂縫。為此，在本實施方式中，在由GaN構(gòu)成的基板I與由Al組成比大的AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層22之間，設置作為具有基板I的晶格常數(shù)與第二氮化物半導體層22的晶格常數(shù)之間的晶格常數(shù)的、Al組成比小的AlGaN層的第一氮化物半導體層21。由此，能夠抑制裂縫的產(chǎn)生。在基板I為AlGaN的情況下也同樣。也就是說，通過在由Al組成比小的AlGaN構(gòu)成的基板I與由Al組成比高的AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層22之間，設置由Al組成比大于基板I且小于第二氮化物半導體層22的AlGaN構(gòu)成的第一氮化物半導體層21，從而能夠抑制裂縫的產(chǎn)生。
[0040]圖5是關于比較例I的半導體激光元件來表示折射率以及電場強度的模擬結(jié)果的圖。比較例I除了調(diào)換實施例1中的第三氮化物半導體層23和第二氮化物半導體層22的配置之外，其余與實施例1相同。此外，圖6是將圖4所示的實施例1的折射率以及電場強度、和圖5所示的比較例I的折射率以及電場強度示出在一個圖中的圖表。在圖6中，粗線為實施例1，細線為比較例I。電場強度與發(fā)光強度相對應，基板中的電場強度的降低表示漏至基板的光的降低。另外，在實施例1以及比較例I的半導體激光元件中，因為第六氮化物半導體層26是和與基板相接地設置的基板相同折射率的層，所以能夠?qū)⒌诹锇雽w層26中的電場強度的降低視作基板中的電場強度的降低。
[0041]另外，在實施例1以及比較例I中，P側(cè)氮化物半導體層4從活性層側(cè)起具備:A1組成比較大的摻雜Mg的AlGaN層、GaN層、Al組成比較大的摻雜Mg的AlGaN層、摻雜Mg的AlGaN / AlGaN超晶格層、摻雜Mg的GaN層。
[0042]在圖6中用虛線圓圈包圍示出的部分是第六氮化物半導體層26中的電場強度。關注此處可知，通過設為實施例1的構(gòu)成，從而與比較例I的情況相比，第六氮化物半導體層26中的電場強度降低。第六氮化物半導體層26中的電場強度的降低即是基板中的電場強度的降低，對應于漏至基板的光的降低。由此，通過設為實施例1的構(gòu)成，從而能夠使漏至基板的光較之于比較例I而有所降低。對其詳細進行說明，如下所述。
[0043]如圖4?6所示，在低折射率的第二氮化物半導體層22以及第四氮化物半導體層24中電場強度衰減；其衰減曲線的傾斜度(即衰減率)在實施例1的激光元件與比較例I的激光元件之間沒有差異。此外，在高折射率的第三氮化物半導體層23中電場強度停滯這一趨勢，在實施例1以及比較例I的激光元件中均存在。即，在第三氮化物半導體層23中，在實施例1的情況下衰減曲線的傾斜度(衰減率)變小，在比較例I的情況下反而增加。但是，關于實施例1的激光元件，因為第二氮化物半導體層22被配置在第三氮化物半導體層23的基板I側(cè)，所以由此能夠使滯留于第三氮化物半導體層23的電場強度衰減變大。因此，實施例1的激光元件與比較例I相比，能夠直至到達基板I為止降低電場強度，可以降低向基板的漏光。此外，在實施例1中，將在第三氮化物半導體層23的發(fā)光層側(cè)所設的第四氮化物半導體層24的膜厚設得厚于第二氮化物半導體層22，電場強度的峰值位置幾乎未發(fā)生移動，被維持在與比較例I大致相同的位置。
[0044]以下，對各部件進行詳細敘述。
[0045](基板I)
[0046]作為基板I而使用GaN或AlGaN。典型地使用GaN。在使用GaN或AlGaN這樣的氮化物半導體基板的情況下，較之于使用藍寶石基板那樣的異種基板的情況，由于形成在基板上的氮化物半導體層與基板之間的折射率差小，因此氮化物半導體層與基板之間的折射率差所引起的光的反射少，光易于逃至基板。因此，在本實施方式中，通過設置第一?第四氮化物半導體層21?24，從而能夠?qū)⒐庀拗圃诘锇雽w層內(nèi)，抑制光向基板的泄漏，降低脈動。
[0047]此外，在作為基板而使用GaN基板或AlGaN基板的情況下，在將振蕩波長(峰值波長)設為480nm以上等使之長波長化后的半導體激光元件中，基板對來自發(fā)光層的光的吸收量下降，逃至基板的光未被基板吸收，易于向元件外取出。這是基于以下理由。也就是說，在發(fā)光層的帶隙能大(在InGaN發(fā)光層的情況下In組成比小)、且與基板之間的帶隙能差小的情況下，來自發(fā)光層的光易被基板吸收，即便光逃至基板，也被基板吸收，難以向兀件外取出。但是，越是發(fā)光層的帶隙能小(在InGaN發(fā)光層的情況下In組成比大)、且與基板之間的帶隙能差大，則來自發(fā)光層的光越難以被基板吸收，逃至基板的光未被基板吸收，易于向元件外取出。
[0048]由此，在振蕩波長為480nm以上的半導體激光元件中，在使用GaN基板或AlGaN基板的情況下，作為脈動應對策略，降低光向基板的泄漏尤為重要，所以優(yōu)選設置本實施方式的第一?第四氮化物半導體層21?24。此外，例如若發(fā)光層為InGaN，則作為基板而使用GaN的情形較之于使用AlGaN的情形，基板與發(fā)光層之間的帶隙能更接近。也就是說，在使用GaN基板的情況下，通過振蕩波長是否為480nm以上，基板中的來自發(fā)光層的光的吸收量易于發(fā)生變化。因而，優(yōu)選在使用GaN基板的情況下設置本實施方式的第一?第四氮化物半導體層21?24。另外，振蕩波長除了峰值波長之外，還可以是主波長。
[0049]此外，基板I的厚度通常要厚于包含發(fā)光層以及第一?第四氮化物半導體層21?24的半導體層疊部。因而，光向基板I的泄漏易影響到FFP，如本實施方式那樣通過降低光向基板I的泄漏，從而能夠降低FFP的脈動?；錓的厚度具體而言優(yōu)選設為30 μ m以上，更優(yōu)選設為50 μ m以上。此外，優(yōu)選將基板I的厚度的上限設為能裂開的程度的厚度，具體而言優(yōu)選設為150 μ m以下，更優(yōu)選設為100 μ m以下。
[0050](第一?第四氮化物半導體層21?24)
[0051]在圖1所示的半導體激光元件中，在基板I上，從基板I的一側(cè)起，第一?第四氮化物半導體層21?24彼此相接地依次設置。第一、第二氮化物半導體層21、22由AlGaN構(gòu)成，與基板I相比，為低折射率。Al組成比越大，則AlGaN越為低折射率。構(gòu)成第二氮化物半導體層22的AlGaN設為Al組成比大于構(gòu)成第一氮化物半導體層21的AlGaN的情形，將第二氮化物半導體層22設為低折射率的層。具體而言，第二氮化物半導體層22設為AlxGa1 —XN (O < X < Do第二氮化物半導體層22優(yōu)選為AlxGa1-ΧΝ (0.04 < X < 0.1 )，更優(yōu)選為AlxGa1-ΧΝ (0.06 ≤ X ≤ 0.1)。第一氮化物半導體層 21 為 AlyGa1+ΥΝ (O < Y < X)，優(yōu)選為AlyGa1-ΥΝ (O < Y≤0.04)。這樣的組成范圍，在半導體激光元件的振蕩波長為480nm以上的情況下尤為優(yōu)選，更優(yōu)選為用于使480~550nm的峰值波長的激光進行振蕩的半導體激光元件，進一步優(yōu)選為使505~550nm的峰值波長的激光進行振蕩的半導體激光元件。此外，第四氮化物半導體層24的材料能夠使用組成范圍與第二氮化物半導體層22相同的AlGaN。而且，第四氮化物半導體層24以及第二氮化物半導體層22能夠設為由組成實質(zhì)上相同的AlGaN構(gòu)成的層。
[0052]如果利用單層來設置在第二、第四氮化物半導體層22、24中所使用的那樣的Al組成比大的AlGaN層以獲得充分的光限制效應，則需要設得厚到某種程度，但是這樣一來便易于產(chǎn)生裂縫。如本實施方式那樣通過分成第四氮化物半導體層24以及第二氮化物半導體層22這兩個層進行設置，從而能夠利用較薄的薄膜來獲得充分的光限制效應。典型的是，關于用于獲得同等程度的光限制效應的膜厚，第四氮化物半導體層24以及第二氮化物半導體層22的合計膜厚是與利用單層進行設置的情況同等程度或者比其小的膜厚。因而，能夠良好地限制光，并且能夠抑制裂縫的產(chǎn)生。
[0053]此外，由Al組成比大的AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層22，如果增大其膜厚，則易于產(chǎn)生裂縫。然而，如果是在由InGaN構(gòu)成的第三氮化物半導體層23之上所設的第四氮化物半導體層24，則即便是設為Al組成比與第二氮化物半導體層22同等程度大的AlGaN的情況，也不會使裂縫產(chǎn)生地增大膜厚。由此，為了降低脈動以及抑制裂縫的產(chǎn)生，優(yōu)選將第四氮化物半導體層24的膜厚設得大于第二氮化物半導體層22的膜厚，優(yōu)選第四氮化物半導體層24與第二氮化物半導體層22同樣地設為Al組成比大于第一氮化物半導體層21的 AlGaN。
[0054]進而，通過將被兩層AlGaN層夾著的第三氮化物半導體層設為InGaN,從而能夠緩解AlGaN層的應力，能夠進一步抑制裂縫的產(chǎn)生。第三氮化物半導體層23為InzGa1-ZN (O< Z < 1)，優(yōu)選設為InzGa1-ZN (0.02≤Z≤0.06)。關于這樣的組成范圍，在利用上述的組成范圍的AlxGa1-XN來構(gòu)成第二、第四氮化物半導體層22、24的情況下尤為適用。此外，在構(gòu)成活性層3的阱層3a (發(fā)光層)為InaGa1-A (O < a < I)、且配置在最靠基板側(cè)的勢壘層3b為InbGa1^N (O≤b < a)的情況下,第三氮化物半導體層23優(yōu)選設為InzGanN(b ^ Z < a)。
[0055]在半導體激光元件具有后述的量子阱結(jié)構(gòu)的活性層3的情況下，第一、第二、第四氮化物半導體層21、22、24是折射率至少低于發(fā)光層(阱層3a)的層。為了獲得光限制效應，優(yōu)選是折射率低于勢壘層3b~3d的層。在存在多個勢壘層的情況下，優(yōu)選與最靠基板側(cè)的勢壘層3b相比而為低折射率，更優(yōu)選的是，較之于勢壘層3b~3d的任何層而為低折射率。此外，也能將第二、第四氮化物半導體層22、24設為這樣的低折射率的層，而將第一氮化物半導體層21設為折射率與勢壘層3b~3d同等程度或比其高的層。此外，第三氮化物半導體層23能夠設為折射率高于基板1、且折射率低于發(fā)光層3a的層，也可設為折射率高于勢魚層3b?3d的層。
[0056]將第一?第四氮化物半導體層21?24設為用于限制光的層，為了獲得相應效果，優(yōu)選將第一?第四氮化物半導體層21?24設為具有某種程度的厚度的層，具體而言優(yōu)選分別大于10nm。而且,第二氮化物半導體層22優(yōu)選為IOOnm以上的膜厚，能夠設為Ιμπι以下的膜厚。在使用上述組成范圍的AlGaN的情況下，通過設為這樣的膜厚范圍，從而能夠抑制裂縫的產(chǎn)生。更優(yōu)選設為300nm以上且SOOnm以下。第四氮化物半導體層24的膜厚能夠在與第二氮化物半導體層22相同的膜厚范圍內(nèi)進行設定。通過設為這樣的膜厚范圍，從而在采用與第二氮化物半導體層22相同的組成范圍而設為Al組成比高的AlGaN層的情況下能夠抑制裂縫的產(chǎn)生，故優(yōu)選設為這樣的膜厚范圍。此外，第四氮化物半導體層24的膜厚優(yōu)選大于第二氮化物半導體層22的膜厚，其膜厚的差例如能夠設為IOnm以上，還能夠設為200nm以上。
[0057]優(yōu)選第一氮化物半導體層21的膜厚大于第二、第四氮化物半導體層22、24之中的至少一方的膜厚。由于第一氮化物半導體層21較之于第二氮化物半導體層22而為高折射率，因此優(yōu)選將第一氮化物半導體層21的膜厚設得大于第二氮化物半導體層22的膜厚，以使光的限制作用得以提升。相對于第四氮化物半導體層24也同樣，通過將第一氮化物半導體層21的膜厚設得大于第四氮化物半導體層24的膜厚，從而能夠使光的限制作用得以提升，故優(yōu)選這樣設定。更優(yōu)選將第一氮化物半導體層21的膜厚設為大于合計第二、第四氮化物半導體層22、24的膜厚所得的合計膜厚的膜厚。第一氮化物半導體層21的膜厚優(yōu)選為IOOnm以上,更優(yōu)選為500nm以上,進一步優(yōu)選為Iym以上。此外,第一氮化物半導體層21的膜厚優(yōu)選為5μπι以下，更優(yōu)選為3μπι以下。
[0058]第三氮化物半導體層23優(yōu)選具有大到光易于滯留的程度的膜厚，具體而言優(yōu)選為50nm以上,更優(yōu)選為IOOnm以上,能夠設為Iym以下。通過將光滯留在第三氮化物半導體層23中，從而通過和與該層相接的第二氮化物半導體層22之間的折射率差，能夠有效地限制光。此外，為了避免光在第三氮化物半導體層23中的過度集中，第三氮化物半導體層23的膜厚優(yōu)選至少小于第二氮化物半導體層22的膜厚，更優(yōu)選小于第一、第二、第四氮化物半導體層21、22、24的任何一者的膜厚。具體而言，能夠設為300nm以下。
[0059]也能夠在第一?第四氮化物半導體層21?24與活性層3之間、或第一?第四氮化物半導體層21?24與基板I之間設置其他層。圖3是說明本實施方式中的變形例的示意性截面圖。如圖3所示，半導體激光元件也可在第四氮化物半導體層24與活性層3 (發(fā)光層3a)之間設置第五氮化物半導體層25，此外也可在第一氮化物半導體層21與基板I之間設置第六氮化物半導體層26。第五氮化物半導體層25能夠與活性層3之中最靠基板側(cè)的勢壘層3b相接地設置，能夠設為帶隙能大于該勢壘層的層。第六氮化物半導體層26能夠設為與基板I相同的組成。
[0060]如上述，通過使用本實施方式的構(gòu)成來抑制裂縫的產(chǎn)生，從而還存在采用基板的范圍變寬的優(yōu)點。作為由GaN等氮化物半導體構(gòu)成的基板，例如公知高位錯密度區(qū)域和低位錯密度區(qū)域同時混在的基板，然而如果是這樣的基板之中高位錯密度區(qū)域呈條紋狀分布的基板，則即便產(chǎn)生了裂縫，通過高位錯密度區(qū)域也阻止了裂縫的進展，因此對成品率的影響小。但是，在使用高位錯密度區(qū)域呈點狀分布的基板、或者不存在高位錯密度區(qū)域的基板的情況下，由于要么基板中的高位錯密度區(qū)域的比例小要么不存在，因此裂縫易于向?qū)挿秶M展。通過抑制裂縫的產(chǎn)生，從而即便在使用了這樣的基板的情況下，也可維持與使用了高位錯密度區(qū)域呈條紋狀分布的基板的情況同等程度的成品率。
[0061](η側(cè)氮化物半導體層2、P側(cè)氮化物半導體層4)
[0062]P側(cè)氮化物半導體層4包含含有Mg等P型雜質(zhì)的P型氮化物半導體層，η側(cè)氮化物半導體層2包含含有Si等η型雜質(zhì)的η型氮化物半導體層。第一~第四氮化物半導體層21~24如上所述那樣優(yōu)選具有某種程度的厚度，因此例如在作為η側(cè)氮化物半導體層2進行設置的情況下，優(yōu)選是含有Si等η型雜質(zhì)的η型氮化物半導體層。
[0063](活性層3)
[0064]活性層3是包含發(fā)光層的層，優(yōu)選設為具備阱層(發(fā)光層)和夾著該阱層的勢壘層這樣的量子阱結(jié)構(gòu)，例如諸如圖2所示那樣能夠設為多個勢壘層3b、3c、3d和多個阱層3a被交替地層疊的多重量子阱結(jié)構(gòu)。作為阱層，能夠使用InaGapaN (O < a < 1)，作為勢壘層，能夠使用帶隙能大于講層的InGaN、GaN、或AlGaN等。
[0065]本實施方式的半導體激光元件的振蕩波長優(yōu)選為480nm以上，更優(yōu)選設為480~550nm，進一步優(yōu)選設為505~550nm。作為使峰值波長為480nm以上的激光進行振蕩的激光元件的阱層，優(yōu)選使用InaGanN (0.18≤a < I )，作為使峰值波長為480~550nm的激光進行振蕩的激光元件的阱層，優(yōu)選使用InaGa1-aN(0.18 ^ a ^ 0.35)，作為使峰值波長為505~550nm的激光進行振蕩的激光元件的阱層，優(yōu)選使用InaGa1-J (0.2≤a≤0.35)。此時，作為勢壘層，優(yōu)選使用InbGa1-bN (0<b<0.18)。
[0066]如果半導體激光元件的振蕩波長變長，則由于折射率的波長分散而導致難以限制光。與氮化物半導體的波長相對的折射率的變化為正態(tài)分布情形，其峰值位置因組成而不同，因與相同波段中的波長相對的折射率的變化程度因組成而不同。例如，無論是GaN還是Al0.!Ga0.9N,與500nm的波長相對的折射率均小于與400nm的波長相對的折射率，但是GaN的減少程度較大。也就是說，從400nm到500nm，GaN的折射率減少得較大，AlaiGaa9N的折射率減少得較小。因為GaN的折射率大于Ala Aaa9N,所以波長變得越長，GaN與Ala Aaa9N之間的折射率差越縮小，與500nm的波長相對的情況下的折射率差變得小于與400nm的波長相對的情況。
[0067]由于這樣的折射率的波長分散，因此振蕩波長變得越長，則越難以增大各層之間的折射率差，存在光限制變?nèi)醯内厔?。由此，本實施方式的?gòu)成尤其優(yōu)選用于振蕩波長為480nm以上的半導體激光元件,更優(yōu)選用于振蕩波長為480~550nm的半導體激光元件,進一步優(yōu)選用于振蕩波長為505~550nm的半導體激光元件。
[0068]此外，在使用這樣的由In組成比大的InGaN構(gòu)成的阱層的情況下，能夠在該阱層與主要的勢壘層(例如膜厚為幾nm程度的GaN層)之間設置具有這些層之間的晶格常數(shù)的、In組成比小的InGaN。該InGaN的厚度例如為幾埃程度。此外，在阱層的基板側(cè)設置Si摻雜層(例如膜厚為IOnm程度的摻雜Si的GaN層)的情況下，能夠在該Si摻雜層的基板I側(cè)設置相同組成的未摻雜層(例如膜厚為幾nm程度的GaN層)。該未摻雜層也可被Si摻雜層夾著。例如，在基板I上形成η型氮化物半導體層之后，能夠使幾百nm的Ina ^Gaa 97N、Inm程度的摻雜Si的GaN、幾個nm的GaN、IOnm程度的摻雜Si的GaN、幾埃的Ina 15GaQ.85N、幾nm的Inc1.25Gac1.75N (講層)、幾埃的1% 15GaQ.85N、幾nm的GaN按照該順序來形成。[0069](實施例1)[0070]作為實施例1，制作了在η型GaN基板上具有發(fā)光層、且使峰值波長約505nm的激光進行振蕩的半導體激光兀件。在下表面(η型GaN基板的背面)設有η電極,在上表面設有P電極。實施例1的半導體激光元件從基板I的一側(cè)起依次具備:摻雜Si的GaN層(第六氮化物半導體層26)、約2000nm的摻雜Si的Alatll8Gaa 982N層(第一氮化物半導體層21)、約400nm的摻雜Si的Alatl8Gaa92N層(第二氮化物半導體層22)、約150nm的摻雜Si的In。.Cl5Gaa95N層(第三氮化物半導體層23)、約600nm的摻雜Si的Ala Jaa92N層(第四氮化物半導體層24)、摻雜Si的GaN層(第五氮化物半導體層25)、摻雜Si的InGaN勢壘層、摻雜Si的GaN勢壘層、Ina25Gaa75N阱層(發(fā)光層)、GaN勢壘層、Ina25Gaa75N阱層(發(fā)光層)、InGaN勢壘層、摻雜Mg的AlGaN層、GaN層、摻雜Mg的AlGaN層、摻雜Mg的AlGaN / AlGaN超晶格層、摻雜Mg的GaN層。
[0071]在圖4以及圖5中示出實施例1以及比較例I的半導體激光元件的折射率與電場強度之間的模擬結(jié)果。比較例I的半導體激光元件除了調(diào)換第二氮化物半導體層與第三氮化物半導體層的位置之外，其余與實施例1相同。另外，由于是幾nm?十幾nm程度的薄膜，因此在圖4以及圖5中難以進行判別，但是阱層(發(fā)光層)為兩層，在最表面(膜厚為Onm的附近)存在摻雜Mg的GaN層。如圖4以及圖5所示，關于在第一氮化物半導體層21之下所設置的第六氮化物半導體層26中的電場強度，在實施例1的情況下約2X 10 —7，在比較例I的情況下約4.7X 10 —7。通過設為實施例1的結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)⒌诹锇雽w層26中的電場強度設為比較例I的一半以下，能夠降低光向基板的逃逸。
[0072]另外，在實施例1以及比較例I的激光元件中，第六氮化物半導體層26是與GaN基板的上表面相接地設置的GaN層，S卩，是和與基板相接的基板相同折射率的層。因而，第六氮化物半導體層26所引起的電場強度的變化極小，能夠?qū)⒌诹锇雽w層26中的電場強度的降低視作基板中的電場強度的降低。
[0073]此外，測定了實施例1以及比較例I的半導體激光元件中的半導體層層疊方向的FFP、即相對于活性層3 (發(fā)光層)而言垂直方向的FFP。將實施例1的半導體激光元件中的垂直方向FFP示出在圖7中，將比較例I的半導體激光元件中的垂直方向FFP示出在圖8中。在圖7以及圖8中，左側(cè)為P電極側(cè)，右側(cè)為GaN基板側(cè)。在比較例I的半導體激光元件中，雖然在20度附近確認出較大的脈動，但是通過設為實施例1的半導體激光元件，從而已降低了脈動。
[0074]標號說明
[0075]100 半導體激光元件
[0076]I 基板
[0077]2 η側(cè)氮化物半導體層
[0078]21 第一氮化物半導體層
[0079]22 第二氮化物半導體層
[0080]23 第三氮化物半導體層
[0081]24 第四氮化物半導體層
[0082]25 第五氮化物半導體層
[0083]26 第六氮化物半導體層
[0084]3 活性層[0085]3a阱層(發(fā)光層)
[0086]3b、3c、3d 勢魚層(barrier layer)
[0087]4p側(cè)氮化物半導體層
[0088]4a隆起物
[0089]5a第一絕緣膜
[0090]5b第二絕緣膜
[0091]6P 電極
[0092]7焊盤電極
[0093]8n 電極
【權(quán)利要求】
1.一種半導體激光元件，在由GaN構(gòu)成的基板之上具有由氮化物半導體構(gòu)成且折射率高于所述基板的發(fā)光層，所述半導體激光元件的特征在于， 在所述基板與所述發(fā)光層之間，從所述基板的一側(cè)起依次具有: 由AlGaN構(gòu)成的第一氮化物半導體層； 由Al組成比大于所述第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層； 由InGaN構(gòu)成的第三氮化物半導體層；和 由Al組成比大于所述第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成、且膜厚大于所述第二氮化物半導體層的第四氮化物半導體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述半導體激光元件是使峰值波長為480nm以上的激光進行振蕩的半導體激光元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第二氮化物半導體層以及所述第四氮化物半導體層的膜厚為IOOnm以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第三氮化物半導體層的膜厚為50nm以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第一氮化物半導體層的膜厚為I`OOnm以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第一氮化物半導體層的膜厚大于所述第二氮化物半導體層以及所述第四氮化物半導體層的膜厚。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第一氮化物半導體層的膜厚大于所述第二氮化物半導體層和所述第四氮化物半導體層的合計膜厚。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述發(fā)光層為阱層，所述半導體激光元件還具有夾著所述阱層的勢壘層， 所述第一氮化物半導體層、所述第二氮化物半導體層以及所述第四氮化物半導體層的折射率低于所述勢壘層的折射率。
9.一種半導體激光元件，在由AlGaN構(gòu)成的基板之上具有由氮化物半導體構(gòu)成且折射率高于所述基板的發(fā)光層，所述半導體激光元件的特征在于， 在所述基板與所述發(fā)光層之間，從所述基板的一側(cè)起依次具有: 由Al組成比大于所述基板的AlGaN構(gòu)成的第一氮化物半導體層； 由Al組成比大于所述第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成的第二氮化物半導體層； 由InGaN構(gòu)成的第三氮化物半導體層；和 由Al組成比大于所述第一氮化物半導體層的AlGaN構(gòu)成、且膜厚大于所述第二氮化物半導體層的第四氮化物半導體層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述半導體激光元件是使峰值波長為480nm以上的激光進行振蕩的半導體激光元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第二氮化物半導體層以及所述第四氮化物半導體層的膜厚為IOOnm以上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體激光元件，其特征在于，所述第三氮化物半導體層的膜厚為50nm以上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第一氮化物半導體層的膜厚為IOOnm以上。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第一氮化物半導體層的膜厚大于所述第二氮化物半導體層以及所述第四氮化物半導體層的膜厚。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述第一氮化物半導體層的膜厚大于所述第二氮化物半導體層和所述第四氮化物半導體層的合計膜厚。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導體激光元件，其特征在于， 所述發(fā)光層為阱層，所述半導體激光元件還具有夾著所述阱層的勢壘層， 所述第一氮化物半導體層、所述第二氮化物半導體層以及所述第四氮化物半導體層的折射率低于所述勢壘層的折射率·。
【文檔編號】H01S5/323GK103855604SQ201310636851
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月6日
【發(fā)明者】三好隆 申請人:日亞化學工業(yè)株式會社