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JP7646147B2 - Laser Diode - Google Patents
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Description

本開示は、レーザダイオードに関する。 This disclosure relates to laser diodes.

従来、レーザダイオードを形成するための材料として窒化物半導体が用いられている。窒化物半導体は、直接遷移の再結合形態を有することから、高い再結合効率および高い光学利得を得ることができる点でレーザダイオードのための材料として適している。このような窒化物半導体が用いられたレーザダイオードの一例として、紫外領域での電流注入型のレーザダイオードを発振させる技術が開示されている(例えば、非特許文献1)。 Conventionally, nitride semiconductors have been used as materials for forming laser diodes. Nitride semiconductors have a direct transition recombination mode, and therefore are suitable as materials for laser diodes in that they can provide high recombination efficiency and high optical gain. As an example of a laser diode using such a nitride semiconductor, a technology has been disclosed for oscillating a current-injection type laser diode in the ultraviolet region (for example, Non-Patent Document 1).

Zhang et al., Applied Physics Express 12、124003(2019)Zhang et al. , Applied Physics Express 12, 124003 (2019)

上述した紫外レーザダイオードはパルス駆動であり、実際のアプリケーションへの応用には連続発振が必要とされる。この連続発振には発振閾値電流の低下が必要とされる。レーザダイオードの成膜プロセスや加工プロセスにおいて発光層が緩和することによって、発振閾値電流は著しく悪化、すなわち発振に必要な閾値電流が高くなる。また、発振閾値電流は、発光層への転位の導入によっても同様に悪化する。 The ultraviolet laser diodes described above are pulse driven, and continuous oscillation is required for practical applications. This continuous oscillation requires a reduction in the oscillation threshold current. When the light-emitting layer relaxes during the film formation and processing processes of the laser diode, the oscillation threshold current deteriorates significantly, i.e., the threshold current required for oscillation increases. The oscillation threshold current also deteriorates when dislocations are introduced into the light-emitting layer.

本開示の目的は、発振閾値電流の低いレーザダイオードを提供することにある。 The objective of this disclosure is to provide a laser diode with a low oscillation threshold current.

上述した課題を解決するために、本開示の一実施形態に係るレーザダイオードは、Alを含む窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に配置される半導体積層部と、を備え、半導体積層部は、基板上に配置され、第1導電型の窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、第1導電型クラッド層上に配置され、一つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体の発光層と、発光層上に配置され、第2導電型の窒化物半導体層を含む第2導電型クラッド層と、を有し、半導体積層部の少なくとも一部は、光共振および射出のためのメサ構造であり、第1導電型クラッド層を含むメサ構造内における、メサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内においてのみ、窒化物半導体基板の結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線を複数備えることを特徴とする。
なお、上述した発明の概要は、本開示の特徴の全てを列挙したものではない。
In order to solve the above-mentioned problems, a laser diode according to an embodiment of the present disclosure includes a nitride semiconductor substrate containing Al, and a semiconductor laminate portion disposed on the nitride semiconductor substrate, the semiconductor laminate portion having: a first conductivity type cladding layer disposed on the substrate and including a nitride semiconductor layer of a first conductivity type; a nitride semiconductor light emitting layer disposed on the first conductivity type cladding layer and including one or more quantum wells; and a second conductivity type cladding layer disposed on the light emitting layer and including a nitride semiconductor layer of a second conductivity type, at least a portion of the semiconductor laminate portion has a mesa structure for optical resonance and emission, and is characterized in that the mesa structure including the first conductivity type cladding layer has a plurality of dislocation lines extending in the crystal orientation <1-100> of the nitride semiconductor substrate only in a first region having a distance L of less than 15 μm from a side surface of the mesa structure.
It should be noted that the above summary of the invention does not list all of the features of the present disclosure.

本開示の一態様によれば、発振閾値電流の低いレーザダイオードを提供することができるが実現される。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to provide a laser diode with a low oscillation threshold current.

本開示の実施形態に係るレーザダイオードの一構成例を示す平面模式図である。1 is a schematic plan view illustrating a configuration example of a laser diode according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係るレーザダイオードの一構成例を示す断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration example of a laser diode according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係るレーザダイオードの他の構成例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of a laser diode according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係るレーザダイオードの他の構成例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of a laser diode according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係るレーザダイオードの他の構成例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of a laser diode according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係るレーザダイオードの他の構成例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of a laser diode according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係るレーザダイオードの他の構成例を示す平面模式図である。10 is a schematic plan view illustrating another configuration example of a laser diode according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 本開示の実施形態に係るレーザダイオードの他の構成例を示す断面模式図である。10 is a schematic cross-sectional view illustrating another configuration example of a laser diode according to an embodiment of the present disclosure. FIG.

以下、実施形態を通じて本開示に係るレーザダイオードを説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The laser diode according to the present disclosure will be described below through embodiments, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.

1.実施形態
本開示の実施形態に係るレーザダイオードについて説明する。
(1.1)レーザダイオードの構成
本実施形態に係るレーザダイオードは、Alを含む窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に配置される半導体積層部と、を備えている。半導体積層部は、窒化物半導体基板上に配置され、第1導電型の窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、第1導電型クラッド層上に配置され、一つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体で形成された発光層と、発光層上に配置され、第2導電型の窒化物半導体層を含む第2導電型クラッド層とを有している。半導体積層部の少なくとも一部は、光共振および射出のためのメサ構造となっている。半導体積層部は、第1導電型クラッド層を含むメサ構造内における、側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内においてのみ、窒化物半導体基板の結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線を複数備えている。
以下、レーザダイオードの各層について詳細に説明する。
1. Embodiment A laser diode according to an embodiment of the present disclosure will be described.
(1.1) Configuration of the laser diode The laser diode according to this embodiment includes a nitride semiconductor substrate containing Al and a semiconductor laminate disposed on the nitride semiconductor substrate. The semiconductor laminate includes a first conductive type cladding layer disposed on the nitride semiconductor substrate and including a first conductive type nitride semiconductor layer, a light emitting layer disposed on the first conductive type cladding layer and formed of a nitride semiconductor including one or more quantum wells, and a second conductive type cladding layer disposed on the light emitting layer and including a second conductive type nitride semiconductor layer. At least a part of the semiconductor laminate has a mesa structure for optical resonance and emission. The semiconductor laminate includes a plurality of dislocation lines extending in the crystal orientation <1-100> of the nitride semiconductor substrate only in a first region in the mesa structure including the first conductive type cladding layer, the first region being at a distance L from the side surface of less than 15 μm.
Each layer of the laser diode will now be described in detail.

(窒化物半導体基板)
窒化物半導体基板(以下、基板と記載することがある)は、Alを含む窒化物半導体を含んでいる。Alを含む窒化物半導体は、例えばAlNである。すなわち、基板はAlN単結晶基板であることが好ましい。また、Alを含む窒化物半導体は、AlNに限定されず、例えばAlGaNであってよい。例えば、基板がAlN、AlGaN等の窒化物半導体単結晶基板である場合、基板の上側に形成される窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる。
基板の貫通転位密度は、5×10cm-2以下であることが好ましい。特に、発振閾値電流の低減の観点から、貫通転位密度は1×10以上1×10cm-2以下であることがより好ましい。
(Nitride Semiconductor Substrate)
The nitride semiconductor substrate (hereinafter, sometimes referred to as substrate) includes a nitride semiconductor containing Al. The nitride semiconductor containing Al is, for example, AlN. That is, the substrate is preferably an AlN single crystal substrate. The nitride semiconductor containing Al is not limited to AlN, and may be, for example, AlGaN. For example, when the substrate is a nitride semiconductor single crystal substrate such as AlN or AlGaN, the difference in lattice constant with the nitride semiconductor layer formed on the substrate becomes small, and the nitride semiconductor layer is grown in a lattice-matched system, thereby reducing threading dislocations.
The threading dislocation density of the substrate is preferably 5×10 4 cm −2 or less. In particular, from the viewpoint of reducing the oscillation threshold current, the threading dislocation density is more preferably 1×10 3 to 1×10 4 cm −2 .

ここで、「窒化物半導体を含む」という表現における「含む」とは、窒化物半導体を主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、窒化物半導体以外の元素を少量(例えばGa(Gaが主元素でない場合)、In、As、P、またはSb等の元素を数%以下)加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれる。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有する。また、含まれる少量元素については前述の限りではない。 Here, the "comprises" in the expression "comprises a nitride semiconductor" means that the layer mainly contains a nitride semiconductor, but this expression also includes cases where other elements are included. Specifically, this expression also includes cases where the composition of this layer is slightly changed by adding a small amount of an element other than the nitride semiconductor (for example, a few percent or less of elements such as Ga (when Ga is not the main element), In, As, P, or Sb). In expressions of the composition of other layers, the wording "comprises" has a similar meaning. Also, the small amount of elements contained is not limited to the above.

また、基板は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、n型またはp型にドーピングされてよい。また、基板は、AlN等の窒化物半導体と、サファイア(Al)、Si、SiC、MgO、Ga、ZnO、GaNまたはInNとの混晶であってもよい。 The substrate may be doped n-type or p-type with a donor impurity or an acceptor impurity, or may be a mixed crystal of a nitride semiconductor such as AlN and sapphire ( Al2O3 ), Si, SiC , MgO , Ga2O3 , ZnO, GaN, or InN.

基板は、一例として100μm以上600μm以下の層厚を有することが好ましい。
また、面方位はc面(0001)、a面(11-20)、m面(10-10)などが挙げられるが、c面(0001)基板がより好ましい。さらに、c面(0001)法線方向からいくらかの角度(例えば-4°~4°、好ましくは-0.4°~0.4°)に傾いた面上に形成することができるが、これに限らない。
As an example, the substrate preferably has a layer thickness of 100 μm or more and 600 μm or less.
The surface orientation may be c-plane (0001), a-plane (11-20), m-plane (10-10), etc., with a c-plane (0001) substrate being more preferred. Furthermore, the substrate may be formed on a surface tilted at some angle (for example, −4° to 4°, preferably −0.4° to 0.4°) from the normal direction of the c-plane (0001), but is not limited thereto.

(第1導電型クラッド層)
第1導電型クラッド層は、基板上に形成される。ここで、例えば「第1導電型クラッド層は基板上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板の一方の面上に第1導電型クラッド層が形成されることを意味する。また、基板と第1導電型クラッド層との間に別の層がさらに存在する場合も上述の表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。例えば、後述する第1導電型導波路層上に電子ブロック層を介して第2導電型クラッド層が形成される場合も、「第2導電型クラッド層は第1導電型導波路層上に形成される」という表現に含まれる。また、本実施形態の説明において、「第1導電型」および「第2導電型」は、それぞれ異なる導電型を示す半導体であることを意味し、例えば、一方がn型導電性である場合は、他方がp型導電性となる。
(First Conductive Type Cladding Layer)
The first conductive cladding layer is formed on a substrate. Here, for example, the word "on" in the expression "the first conductive cladding layer is formed on a substrate" means that the first conductive cladding layer is formed on one side of the substrate. The above expression also includes the case where another layer is present between the substrate and the first conductive cladding layer. The word "on" has the same meaning in the relationship between other layers. For example, the expression "the second conductive cladding layer is formed on the first conductive waveguide layer" also includes the case where a second conductive cladding layer is formed on the first conductive waveguide layer described later via an electron block layer. In addition, in the description of this embodiment, the "first conductive type" and the "second conductive type" mean semiconductors exhibiting different conductive types, and for example, when one is n-type conductive, the other is p-type conductive.

第1導電型クラッド層は、AlおよびGaを含む窒化物半導体の層である。第1導電型クラッド層は、例えばAlGa(1-a)N(0<a<1)により形成される。これにより、深紫外領域のバンドギャップエネルギーに対応する材料を発光層として形成する場合に、発光層の結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。高い発光効率を実現する観点から、第1導電型クラッド層を構成する窒化物半導体は、AlNおよびGaNの混晶であることが好ましい。また、基板に対して完全歪で成長させる観点から、第1導電型クラッド層は、AlGa(1-a)N(0.6<a≦0.8)により形成されることがより好ましい。 The first conductive cladding layer is a layer of a nitride semiconductor containing Al and Ga. The first conductive cladding layer is formed of, for example, Al a Ga (1-a) N (0<a<1). This makes it possible to enhance the crystallinity of the light emitting layer and improve the light emitting efficiency when a material corresponding to the band gap energy of the deep ultraviolet region is formed as the light emitting layer. From the viewpoint of realizing high light emitting efficiency, the nitride semiconductor constituting the first conductive cladding layer is preferably a mixed crystal of AlN and GaN. Moreover, from the viewpoint of growing with complete strain on the substrate, the first conductive cladding layer is more preferably formed of Al a Ga (1-a) N (0.6<a≦0.8).

第1導電型クラッド層は、縦伝導率を制御する目的などから、Al組成が基板から遠ざかるほど増加するような傾斜層であって良い。この場合、上述したAl組成に対する限定は、第1導電型クラッド層内の膜厚方向の位置におけるAl組成を第1導電型クラッド層の膜厚で平均したAl組成とすることができる。 The first conductivity type cladding layer may be a gradient layer in which the Al composition increases with increasing distance from the substrate, for the purpose of controlling the longitudinal conductivity. In this case, the above-mentioned limitation on the Al composition may be the Al composition obtained by averaging the Al composition at a position in the film thickness direction within the first conductivity type cladding layer over the film thickness of the first conductivity type cladding layer.

第1導電型クラッド層がn型導電性半導体層の場合は、In、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物を含んでいてもよいが、不純物の元素の種類としてはこの限りではない。電気抵抗を低減する観点および原料の入手難易度の観点から、第1導電型クラッド層に含まれる不純物はSiであることが好ましく、不純物濃度は5×1018cm-3以上5×1019cm-3であることが好ましい。 When the first conductivity type cladding layer is an n-type conductive semiconductor layer, it may contain impurities such as Group V elements other than N, such as In, P, As, Sb, etc., and impurities such as C, H, F, O, Mg, Si, etc., but the types of impurity elements are not limited to these. From the viewpoint of reducing electrical resistance and the ease of obtaining raw materials, the impurity contained in the first conductivity type cladding layer is preferably Si, and the impurity concentration is preferably 5×10 18 cm -3 or more and 5×10 19 cm -3 or more.

第1導電型クラッド層は、第1導電型クラッド層内での格子緩和の観点と膜抵抗の観点から、200nm以上800nm以下の層厚を有することが好ましく、300nm以上750nm以下の層厚を有することがより好ましく、300nm以上500nm以下の層厚を有することが更に好ましい。 From the viewpoints of lattice relaxation within the first conductivity type cladding layer and film resistance, the first conductivity type cladding layer preferably has a layer thickness of 200 nm or more and 800 nm or less, more preferably has a layer thickness of 300 nm or more and 750 nm or less, and even more preferably has a layer thickness of 300 nm or more and 500 nm or less.

(発光層)
発光層は、AlおよびGaを含む窒化物半導体の層である。発光層が含む窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から例えばAlN、GaNの混晶であることが好ましく、たとえばAlGa(1-b)N(0<b<1)により形成される。発光層には、Nの他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、この限りではない。
(Light Emitting Layer)
The light emitting layer is a layer of a nitride semiconductor containing Al and Ga. From the viewpoint of realizing high light emitting efficiency, the nitride semiconductor contained in the light emitting layer is preferably a mixed crystal of, for example, AlN or GaN, and is formed, for example, of Al b Ga (1-b) N (0<b<1). In addition to N, the light emitting layer may contain impurities such as P, As, Sb, and other group V elements other than N, and C, H, F, O, Mg, and Si, but is not limited thereto.

また、発光層は、多重量子井戸構造も単層量子井戸構造も取り得る。第1導電型クラッド層および第2導電型クラッド層の縦伝導率によって異なるが、量子井戸構造の数は好ましくは1から3のいずれかであることが好ましい。
また、発光層の結晶欠陥の影響を低減する目的などから、発光層の一部または全てにSi,Sb,Pなどの元素が1×1015cm-3以上含まれていても良い。
The light emitting layer may have either a multiple quantum well structure or a single quantum well structure. The number of quantum well structures is preferably one to three, depending on the longitudinal conductivity of the first and second conductive cladding layers.
Furthermore, for the purpose of reducing the influence of crystal defects in the light-emitting layer, a part or the whole of the light-emitting layer may contain elements such as Si, Sb, P at 1×10 15 cm −3 or more.

(導波路層)
本実施形態のレーザダイオードは、光閉じ込めの観点から、発光層を挟み込むように発光層の上下に形成され、発光層から放出された光を発光層内に閉じ込める効果を有する導波路層を備えていても良い。導波路層は、発光層に対して第1導電型クラッド層側に配置された第1導電型導波路層と、発光層に対して第2導電型クラッド層側に配置された第2導電型導波路層の2層から構成されることが好ましい。
すなわち、本実施形態のレーザダイオードは、例えば、第1導電型クラッド層と発光層との間に配置されて、発光層へ光を閉じ込める第1導電型導波路層と、第2導電型クラッド層と発光層との間に配置されて、発光層へ光を閉じ込める第2導電型導波路層と、を備えていても良い。
(Waveguide layer)
From the viewpoint of light confinement, the laser diode of this embodiment may include waveguide layers formed above and below the light emitting layer so as to sandwich the light emitting layer and having the effect of confining light emitted from the light emitting layer within the light emitting layer. The waveguide layers are preferably composed of two layers, a first-conductivity-type waveguide layer arranged on the first-conductivity-type cladding layer side of the light emitting layer, and a second-conductivity-type waveguide layer arranged on the second-conductivity-type cladding layer side of the light emitting layer.
That is, the laser diode of this embodiment may include, for example, a first-conductivity-type waveguide layer disposed between the first-conductivity-type cladding layer and the light-emitting layer to confine light in the light-emitting layer, and a second-conductivity-type waveguide layer disposed between the second-conductivity-type cladding layer and the light-emitting layer to confine light in the light-emitting layer.

導波路層は、光閉じ込めの観点から、発光層よりエネルギーの高いバンドギャップを持つAl、Gaを含む窒化物半導体であることが好ましい。導波路層は、デバイス内で定在する光の電界強度分布と発光層の重なりを増大させるAl組成と膜厚とを有することが好ましい。発光層へのキャリア閉じ込めの観点から、発光層をAlGa(1-b)N(0<b<1)とし、導波路層をAlGa(1-c)N(0<c<1)としたとき、b<cであり、c≧b+0.05であることがより好ましい。たとえば発光波長が265nmの発光層を例とした場合、b=0.52であり、cは0.57以上であることが好ましい。また、光閉じ込めと、層抵抗の観点から、導波路層の膜厚は第1導電型導波路層と第2導電型導波路層との合計膜厚が、70nm以上150nm以下であることが好ましい。 From the viewpoint of light confinement, the waveguide layer is preferably a nitride semiconductor containing Al and Ga having a band gap with a higher energy than the light emitting layer. The waveguide layer preferably has an Al composition and a thickness that increase the electric field intensity distribution of light present in the device and the overlap of the light emitting layer. From the viewpoint of carrier confinement in the light emitting layer, when the light emitting layer is Al b Ga (1-b) N (0<b<1) and the waveguide layer is Al c Ga (1-c) N (0<c<1), it is more preferable that b<c and c≧b+0.05. For example, in the case of a light emitting layer having an emission wavelength of 265 nm, it is preferable that b=0.52 and c is 0.57 or more. In addition, from the viewpoint of light confinement and layer resistance, the thickness of the waveguide layer is preferably 70 nm or more and 150 nm or less, in terms of the total thickness of the first conductive type waveguide layer and the second conductive type waveguide layer.

第1導電型導波路層および第2導電型導波路層のAl組成のそれぞれは、膜厚方向において均一であることが好ましいが、この限りではない。後述する第2導電型クラッド層の上方に存在する金属(例えば第2電極)への光吸収を回避するために、第2導電型導波路層のAl組成が第1導電型導波路層のAl組成より高くなっていてもよい。同様の目的で、第2導電型導波路層の膜厚が第1導電型導波路の膜厚より厚くなっていてもよい。 The Al composition of each of the first conductivity type waveguide layer and the second conductivity type waveguide layer is preferably uniform in the film thickness direction, but is not limited to this. In order to avoid light absorption by the metal (e.g., the second electrode) present above the second conductivity type cladding layer described below, the Al composition of the second conductivity type waveguide layer may be higher than the Al composition of the first conductivity type waveguide layer. For the same purpose, the film thickness of the second conductivity type waveguide layer may be thicker than the film thickness of the first conductivity type waveguide.

第1導電型導波路層がn型導電性半導体層の場合は、第1導電型クラッド層と同じ伝導型を得る目的などからNの他にP、As、Sb等のN以外のV族元素,H、C、O、F、Mg、Si等の不純物が混入していて良いが、この限りではない。 When the first conductive type waveguide layer is an n-type conductive semiconductor layer, impurities such as P, As, Sb, and other Group V elements other than N, H, C, O, F, Mg, and Si may be mixed in addition to N in order to obtain the same conductivity type as the first conductive type cladding layer, but this is not limited to the above.

(第2導電型クラッド層)
第2導電型クラッド層は、発光層上に形成され、第2導電型の導電性を有するAlおよびGaを含む窒化物半導体層である。第2導電型クラッド層は、例えばAlGa(1-d)N(0<d<1)により形成される。また、発光層上に導波路層(第2導電型導波路層)が設けられている場合には、第2導電型クラッド層は、導波路層(第2導電型導波路層)状に形成される。これにより、第2導電型クラッド層は、発光層または導波路層に対して格子整合が容易であり、貫通転位密度の抑制が可能となる。
(Second Conductive Type Cladding Layer)
The second-conductivity-type cladding layer is a nitride semiconductor layer formed on the light-emitting layer and containing Al and Ga, and having second-conductivity-type conductivity. The second-conductivity-type cladding layer is formed of, for example, Al d Ga (1-d) N (0<d<1). In addition, when a waveguide layer (second-conductivity-type waveguide layer) is provided on the light-emitting layer, the second-conductivity-type cladding layer is formed in the shape of the waveguide layer (second-conductivity-type waveguide layer). This allows the second-conductivity-type cladding layer to easily lattice-match with the light-emitting layer or the waveguide layer, and makes it possible to suppress threading dislocation density.

第2導電型クラッド層は、キャリア(電子または正孔)を発光層へ注入するに足りる導電性を有しており、デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と発光層の重なりを増大させる(すなわち光閉じ込めを増大させる)ことが可能であれば、導電型は特に限定されない。第2導電型クラッド層は、たとえばMgをドーピングしたp型AlGaNであってよい。
また、第2導電型クラッド層がp型導電性半導体層の場合は、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、不純物の元素の種類としてはこの限りではない。
The second conductivity type cladding layer is not particularly limited as long as it has sufficient conductivity to inject carriers (electrons or holes) into the light emitting layer and can increase the overlap between the electric field strength distribution of the optical mode existing in the device and the light emitting layer (i.e., increase the optical confinement). The second conductivity type cladding layer may be, for example, p-type AlGaN doped with Mg.
Furthermore, when the second conductivity type cladding layer is a p-type conductivity semiconductor layer, impurities such as Group V elements other than N, such as P, As, and Sb, and impurities such as C, H, F, O, Mg, and Si may be mixed in, but the types of impurity elements are not limited to these.

キャリアをより効率よく発光層へ注入する観点から、第2導電型クラッド層は、Al組成eが基板の上面から遠ざかる方向へ減少する様に傾斜したAlGa(1-e)Nで形成された組成傾斜層(第2導電型縦伝導層)と、AlGa(1-f)N(0<f≦1)を含む第2導電型横伝導層とを備えることが好ましい。
以下、第2導電型縦伝導層および第2導電型横伝導層について説明する。
From the viewpoint of more efficiently injecting carriers into the light emitting layer, the second conductivity type cladding layer preferably comprises a composition gradient layer (second conductivity type vertical conduction layer) formed of Al e Ga (1-e) N in which the Al composition e decreases in the direction away from the upper surface of the substrate, and a second conductivity type lateral conduction layer containing Al f Ga (1-f) N (0<f≦1).
The second conductive type vertical conduction layer and the second conductive type lateral conduction layer will be described below.

(第2導電型縦伝導層)
第2導電型縦伝導層は、第2導電型クラッド層のうちの発光層側の領域を構成する層である。
第2導電型縦伝導層は、AlGa(1-e)Nを含む層である。第2導電型縦伝導層におけるAl組成eのプロファイル(傾斜)は、連続的に減少してもよいし、断続的に減少してもよい。ここで、「断続的に減少する」とは、第2導電型縦伝導層の膜中の一部にAl組成eが同じ(膜厚方向に一定)になっている部分を含むことを意味する。つまり、第2導電型縦伝導層には、基板から遠ざかる方向にAl組成eが減少しない部分が含まれていてもよいが、増加する部分は含まれていない。
(Second Conductive Type Vertical Conductive Layer)
The second conductive type vertical conductive layer is a layer that constitutes a region of the second conductive type cladding layer on the light emitting layer side.
The second-conductivity-type vertical conduction layer is a layer containing Al e Ga (1-e) N. The profile (slope) of the Al composition e in the second-conductivity-type vertical conduction layer may decrease continuously or may decrease intermittently. Here, "intermittently decreasing" means that the second-conductivity-type vertical conduction layer includes a portion in which the Al composition e is the same (constant in the film thickness direction). In other words, the second-conductivity-type vertical conduction layer may include a portion in which the Al composition e does not decrease in the direction away from the substrate, but does not include a portion in which the Al composition e increases.

第2導電型縦伝導層の膜厚は、格子整合の観点から500nm以下であることが好ましい。また、第2導電型縦伝導層の膜厚は、発光層への光閉じ込めおよびキャリア注入の観点から、250nm以上450nm以下であることがより好ましく、300nm以上400nm以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of lattice matching, the thickness of the second conductive vertical layer is preferably 500 nm or less. From the viewpoint of light confinement and carrier injection into the light emitting layer, the thickness of the second conductive vertical layer is more preferably 250 nm or more and 450 nm or less, and even more preferably 300 nm or more and 400 nm or less.

第2導電型縦伝導層は、不純物の拡散を抑制する目的などから、第2導電型縦伝導層のうちの発光層に近い領域においてH、Mg、Be、Zn、Si、B等の不純物がドープされていない(意図的に混入されていない)、すなわちアンドープの状態であることが好ましい。ここで、「アンドープ」とは、対象の層を形成する過程で元素として上述した不純物が意図に供給されないことを意味するが、原料、製造装置由来の元素が例えば1×1016cm-3以下の範囲で混入される場合は、この限りではない。また、第2導電型縦伝導層のアンドープ状態の領域は、少なくとも発光層(第2導電型導波路層を備える場合には第2導電型導波路層)との境界を含むが、その大きさは限定されない。例えば、第2導電型縦伝導層の全ての領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、第2導電型縦伝導層のうち、発光層に近い50%の領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、第2導電型縦伝導層のうち、発光層に近い約10%の領域がアンドープの状態であってもよい。 For the purpose of suppressing the diffusion of impurities, it is preferable that the second conductive type vertical conduction layer is not doped (intentionally mixed) with impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, B, etc. in the region close to the light emitting layer of the second conductive type vertical conduction layer, that is, is in an undoped state. Here, "undoped" means that the above-mentioned impurities are not intentionally supplied as elements in the process of forming the target layer, but this does not apply when elements derived from raw materials and manufacturing equipment are mixed in the range of, for example, 1×10 16 cm -3 or less. In addition, the undoped region of the second conductive type vertical conduction layer includes at least the boundary with the light emitting layer (the second conductive type waveguide layer in the case where a second conductive type waveguide layer is provided), but the size is not limited. For example, the entire region of the second conductive type vertical conduction layer may be in an undoped state. In addition, as another example, 50% of the region of the second conductive type vertical conduction layer close to the light emitting layer may be in an undoped state. As another example, about 10% of the second conductive type vertical conductive layer close to the light emitting layer may be in an undoped state.

(第2導電型横伝導層)
第2導電型横伝導層は、第2導電型クラッド層のうちの発光層と反対側の領域を構成する層であり、第2導電型縦伝導層上に形成される。
第2導電型縦伝導層は、AlGa(1-f)N(0<f≦1)を含む層である。ここで、第2導電型横伝導層の第2導電型縦伝導層と対向する面におけるAl組成fは、第2導電型縦伝導層のAl組成eの最小値よりも大きいことが好ましい。
第2導電型横伝導層は、第2導電型横伝導層の縦抵抗率を制御する目的などから、H、Mg、Be、Zn、Si、B等の不純物を意図的に混入させていてもよい。混入される不純物の量は、第2導電型横伝導層の表面および内部に誘積される正味の電界量に応じて、一例として、1×1019cm-3以上5×1021cm-3であってよい。
(Second Conductive Type Lateral Conductive Layer)
The second-conductivity-type lateral conduction layer is a layer constituting a region of the second-conductivity-type cladding layer opposite to the light-emitting layer, and is formed on the second-conductivity-type vertical conduction layer.
The second-conductivity-type vertical conduction layer is a layer containing Al f Ga (1-f) N (0<f≦1). Here, the Al composition f of the second-conductivity-type horizontal conduction layer at a surface facing the second-conductivity-type vertical conduction layer is preferably larger than the minimum value of the Al composition e of the second-conductivity-type vertical conduction layer.
The second conductivity type transverse conduction layer may be intentionally doped with impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, and B for the purpose of controlling the longitudinal resistivity of the second conductivity type transverse conduction layer. The amount of the doped impurity may be, for example, 1×10 19 cm −3 to 5×10 21 cm −3 depending on the amount of net electric field induced on the surface and inside of the second conductivity type transverse conduction layer.

第2導電型横伝導層の膜厚は、第2導電型横伝導層を貫通するキャリアの量子透過を容易とする観点から20nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましく、5nm以下であることがさらに好ましい。 The thickness of the second conductive type lateral conduction layer is preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less, and even more preferably 5 nm or less, from the viewpoint of facilitating quantum transmission of carriers through the second conductive type lateral conduction layer.

第2導電型横伝導層の上に後述する第2導電型コンタクト層が設けられる場合、第2導電型横伝導層の第2導電型コンタクト層との界面におけるAl組成は、第2導電型コンタクト層におけるAl組成よりも小さく、かつ基板に対して完全歪であることが好ましい。このような第2導電型横伝導層は、第2導電型横伝導層の表面および表面付近の内部に蓄積される正味内部電界が負となって、界面にキャリアが誘積されることで横伝導率を向上させることができる。 When a second-conductivity-type contact layer (described later) is provided on the second-conductivity-type lateral conduction layer, it is preferable that the Al composition at the interface between the second-conductivity-type lateral conduction layer and the second-conductivity-type contact layer is smaller than the Al composition in the second-conductivity-type contact layer and is completely distorted with respect to the substrate. Such a second-conductivity-type lateral conduction layer can improve the lateral conductivity by guiding carriers to the interface as the net internal electric field accumulated on the surface and inside near the surface of the second-conductivity-type lateral conduction layer becomes negative.

このように、第2導電型縦伝導層は、分極ドーピング効果によりキャリア(例えば第2導電型縦伝導層がp型半導体により形成されている場合には正孔)を生成させて、キャリアを効率良く発光層内の活性層に注入する作用を有する。このため、第2導電型縦伝導層が発光層上に設けられることで、レーザダイオードのキャリア注入効率を高め、閾値電圧を低減することができる。
また、第2導電型横伝導層は、電極下部に集中する電界によって狭められるキャリア分布を横方向(第2導電型横伝導層の面内)に広げる効果を有する。この効果により、第2導電型横伝導層は、第2導電型縦伝導層と同様に発光層へのキャリア注入効率を高めることができる。
In this way, the second conductive type vertical conductive layer generates carriers (for example, holes when the second conductive type vertical conductive layer is made of a p-type semiconductor) by the polarization doping effect, and has the effect of efficiently injecting the carriers into the active layer in the light emitting layer. Therefore, by providing the second conductive type vertical conductive layer on the light emitting layer, the carrier injection efficiency of the laser diode can be increased and the threshold voltage can be reduced.
In addition, the second-conductivity-type lateral conduction layer has the effect of spreading the carrier distribution, which is narrowed by the electric field concentrated under the electrode, in the lateral direction (within the plane of the second-conductivity-type lateral conduction layer), which allows the second-conductivity-type lateral conduction layer to increase the carrier injection efficiency into the light-emitting layer, similar to the second-conductivity-type vertical conduction layer.

(中間層)
第2導電型クラッド層および導波路の間、すなわち第2導電型縦伝導層と第2導電型導波路層との間には、キャリアの伝導率を向上させる観点かつ/または第2導電型横伝導層および第2導電型コンタクト層を完全歪で形成させるためなどの観点から、基板の上面から遠ざかる方向へAl組成gが増加するようなAlGa(1-g)N(0<g≦1.0)から成る中間層を設けることができる。中間層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップでない混晶であって良く、さらに50nm以下の膜厚であることが好ましく、不純物が含まれていないアンドープ層であって良い。
(Middle class)
Between the second conductivity type cladding layer and the waveguide, i.e., between the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type waveguide layer, an intermediate layer made of Al g Ga (1-g) N (0< g ≦1.0) in which the Al composition g increases in the direction away from the upper surface of the substrate may be provided from the viewpoint of improving the carrier conductivity and/or for forming the second conductivity type lateral conduction layer and the second conductivity type contact layer with perfect distortion. The intermediate layer may be a non-bandgap mixed crystal that does not absorb light of the desired emission wavelength, and further preferably has a thickness of 50 nm or less, and may be an undoped layer containing no impurities.

(第2導電型コンタクト層)
本実施形態のレーザダイオードの半導体積層部は、第2導電型クラッド層上に配置された第2導電型コンタクト層を更に備えていても良い。第2導電型コンタクト層を構成する窒化物半導体は、例えばGaN、AlNまたはInNおよび、それらを含む混晶で形成されることが好ましく、GaNを含む窒化物半導体であることがより好ましい。
(Second Conductive Type Contact Layer)
The semiconductor laminate of the laser diode of this embodiment may further include a second-conductivity-type contact layer disposed on the second-conductivity-type cladding layer. The nitride semiconductor constituting the second-conductivity-type contact layer is preferably formed of, for example, GaN, AlN, or InN, or a mixed crystal containing these, and more preferably is a nitride semiconductor containing GaN.

第2導電型コンタクト層は、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si、Be等の不純物が混入していてよい。原料ガスの汎用性から、第2導電型コンタクト層に含まれる不純物はMgであることが好ましい。コンタクト抵抗低減の観点から、Mgの濃度が8×1019cm-3以上5×1021cm-3以下であることが好ましく、5×1020cm-3以上5×1021cm-3以下であることがより好ましい。 The second conductive type contact layer may contain impurities such as P, As, Sb, and other V group elements other than N, C, H, F, O, Mg, Si, and Be. In view of the versatility of the source gas, the impurity contained in the second conductive type contact layer is preferably Mg. In view of reducing the contact resistance, the concentration of Mg is preferably 8×10 19 cm -3 or more and 5×10 21 cm -3 or less, and more preferably 5×10 20 cm -3 or more and 5×10 21 cm -3 or less.

また、第2導電型コンタクト層の層厚は、1nm以上20nm以下であることが好ましい。第2導電型コンタクト層の層厚が薄いほどレーザダイオードのキャリア注入効率が向上し、層厚が厚いほどキャリア注入効率が低下する。 The thickness of the second conductive contact layer is preferably 1 nm or more and 20 nm or less. The thinner the second conductive contact layer, the higher the carrier injection efficiency of the laser diode, and the thicker the layer, the lower the carrier injection efficiency.

(電子ブロック層)
本実施形態のレーザダイオードの半導体積層部は、発光層よりも上方に、バンドギャップが第2導電型導波路層より大きい電子ブロック層を更に有していても良い。電子ブロック層は、例えば第2導電型導波路層の内部、第2導電型導波路層と発光層との間または第2導電型導波路層と第2導電型縦伝導層との間に設けることができる。
電子ブロック層の層厚は、電子ブロック層をキャリア(正孔)が量子貫通しやすいように、30nm以下であることが好ましく、20nm以下であることがより好ましく、15nm以下であることがさらに好ましい。
(Electron Blocking Layer)
The semiconductor laminate of the laser diode of this embodiment may further include an electron blocking layer above the light emitting layer, the electron blocking layer having a band gap larger than that of the second conductive type waveguide layer. The electron blocking layer may be provided, for example, inside the second conductive type waveguide layer, between the second conductive type waveguide layer and the light emitting layer, or between the second conductive type waveguide layer and the second conductive type vertical conductive layer.
The thickness of the electron blocking layer is preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and even more preferably 15 nm or less, so that carriers (holes) can easily quantum-transport through the electron blocking layer.

(メサ構造と共振器)
メサ構造は、第2導電型層と第1導電型層を電気的に分離するために形成される。メサ構造は、半導体積層部の一部を除去した構造である。ここで、「半導体積層部」とは、少なくとも第1導電型クラッド層、発光層および第2導電型クラッド層をいい、上述した導波路層(第1導電型導波路層および第2導電型導波路層)、中間層および第2導電型コンタクト層が設けられている場合にはこれらの層も含む。
(Mesa structure and resonator)
The mesa structure is formed to electrically separate the second conductive type layer from the first conductive type layer. The mesa structure is a structure in which a part of the semiconductor laminate is removed. Here, the "semiconductor laminate" refers to at least the first conductive type cladding layer, the light emitting layer, and the second conductive type cladding layer, and also includes the above-mentioned waveguide layers (the first conductive type waveguide layer and the second conductive type waveguide layer), the intermediate layer, and the second conductive type contact layer, if these layers are provided.

メサ構造は、レーザの電流狭窄および端面における反射による増幅の観点から、平面視において長辺と短辺をそれぞれ有する矩形状であり、長辺が<1-100>方向に伸びていることが好ましい。これは、劈開法やエッチング法などさまざまな方法によってレーザ共振器の共振ミラー端面を得る場合に、原子的に平坦な(1-100)面が最も容易に形成できるためである。
つまり、メサ構造は、窒化物半導体基板の結晶面(1-100)面に平行なメサ端面を共振ミラー端面とする共振器を有している。これにより、本実施形態のレーザダイオードは、メサ構造が<1-100>方向に光を射出する端面発光型レーザダイオードとなっている。
From the viewpoint of current confinement of the laser and amplification by reflection at the end facets, the mesa structure is preferably rectangular in plan view having long and short sides, with the long sides extending in the <1-100> direction. This is because, when obtaining the resonator mirror end faces of the laser resonator by various methods such as cleavage and etching, the atomically flat (1-100) plane is the easiest to form.
In other words, the mesa structure has a resonator in which the mesa end faces parallel to the (1-100) crystal plane of the nitride semiconductor substrate serve as resonator mirror end faces. As a result, the laser diode of this embodiment is an edge-emitting laser diode in which the mesa structure emits light in the <1-100> direction.

半導体積層部は、メサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内に、窒化物半導体基板の結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線を複数備えている。この転位線は、メサ構造の第1領域内にのみ形成されている。ここで、「<1-100>方向に伸びる」とは、転位線が直線かつ完全に<1-100>方向に伸びている必要はなく、転位線が全体として<1-100>方向に伸びていることをいう。また、転位線は、一本の線である必要はなく、線の途中から分岐したり、他の転位線と会合したりしていてもよい。
また、メサ構造の側面間の距離は閾値電圧および発振閾値電流と相関がある。このため、矩形のメサ構造において、平面視における共振器ミラー端面同士の間の距離と、メサ構造の側面同士の間の距離との比が、5:1~500:1であることが好ましい。
The semiconductor laminate portion has a plurality of dislocation lines extending in the <1-100> crystal orientation of the nitride semiconductor substrate in a first region having a distance L of less than 15 μm from the side surface of the mesa structure. The dislocation lines are formed only in the first region of the mesa structure. Here, "extending in the <1-100>direction" means that the dislocation lines do not need to be linear and extend completely in the <1-100> direction, but rather that the dislocation lines extend in the <1-100> direction as a whole. In addition, the dislocation lines do not need to be a single line, and may branch off midway or meet with other dislocation lines.
In addition, the distance between the side surfaces of the mesa structure is correlated with the threshold voltage and the oscillation threshold current, and therefore, in a rectangular mesa structure, it is preferable that the ratio of the distance between the end faces of the resonator mirror in a plan view to the distance between the side surfaces of the mesa structure is 5:1 to 500:1.

半導体積層部は、<11-20>方向に並ぶ複数のメサ構造を有していても良い。すなわち、半導体積層部は、非連続な側面を複数有する形態であっても良い。発光層へ効率的に電力を注入する観点から、第2電極の近傍を除いて、第2導電型クラッド層より上方の層の一部または全てを除去したメサ構造(リッジ部とも称される)を有するものであることが好ましい場合がある。第2導電型クラッド層より上方の層としては、例えば第2導電型コンタクト層、または第2導電型コンタクト層と第2導電型クラッド層等が挙げられる。この場合、リッジ部は、第1導電型クラッド層を露出するためのメサ構造とは異なるものであり、例えばリッジ部の側面はメサ構造の側面と異なると解される。
発振閾値電流を下げる観点から、リッジ部構造をとるメサ構造については、当該リッジ部の側面からの距離Lが15μm未満の領域に、<1-100>方向に水平方向な転位線が存在しないことが好ましい。すなわち、リッジ部は、平面視でメサ構造の第1領域と重ならないように形成されることが好ましい。
The semiconductor laminate may have a plurality of mesa structures arranged in the <11-20> direction. That is, the semiconductor laminate may have a form having a plurality of discontinuous side surfaces. From the viewpoint of efficiently injecting power into the light emitting layer, it may be preferable to have a mesa structure (also called a ridge portion) in which a part or all of the layers above the second conductive cladding layer are removed except for the vicinity of the second electrode. Examples of the layers above the second conductive cladding layer include a second conductive contact layer, or a second conductive contact layer and a second conductive cladding layer. In this case, the ridge portion is different from the mesa structure for exposing the first conductive cladding layer, and it is understood that, for example, the side surface of the ridge portion is different from the side surface of the mesa structure.
From the viewpoint of reducing the oscillation threshold current, it is preferable that the mesa structure having a ridge structure has no dislocation lines horizontal to the <1-100> direction in a region that is less than 15 μm away from the side surface of the ridge at a distance L. In other words, it is preferable that the ridge is formed so as not to overlap with the first region of the mesa structure in a plan view.

メサ構造は、半導体積層部を誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively coupled plasma)等でエッチングすることで形成できる。この時のエッチング条件によりメサ構造の端面(共振ミラー端面)から転位が導入される。これは、半導体積層部が基板に対して格子整合に成長するシュードモルフィック成長であるため半導体積層部には歪が蓄積されており、半導体積層部をエッチングすることにより歪を解放することで、半導体積層部全体に転位が導入されるためである。この場合、半導体積層部の上方に形成された発光層にも転位が導入されてしまい、特に発光層のうち第2電極の下部に位置する領域に転位が導入された場合、発振閾値電流が著しく悪化する。発光層への転位導入を避けるため、メサ構造の端部にのみ転位が導入されるエッチング条件を採用することが好ましい。 The mesa structure can be formed by etching the semiconductor laminate with inductively coupled plasma (ICP) or the like. Depending on the etching conditions at this time, dislocations are introduced from the end face (resonator mirror end face) of the mesa structure. This is because the semiconductor laminate grows pseudomorphically in which the semiconductor laminate grows lattice-matched to the substrate, and distortion accumulates in the semiconductor laminate. By etching the semiconductor laminate, the distortion is released and dislocations are introduced throughout the semiconductor laminate. In this case, dislocations are also introduced into the light-emitting layer formed above the semiconductor laminate. In particular, when dislocations are introduced into the region of the light-emitting layer located below the second electrode, the oscillation threshold current is significantly deteriorated. In order to avoid the introduction of dislocations into the light-emitting layer, it is preferable to adopt etching conditions that introduce dislocations only into the end of the mesa structure.

発光層へ転位が導入されない観点から、メサ構造の端部に導入される転位は端部から15μm未満の領域のみに形成されていることが好ましく、また、転位は<1-100>に沿った方向に伸びていることが好ましい。つまり、メサ構造の端部から15μmの領域である第1領域にのみ転位が存在し、メサ構造の端部から15μm以上20μm未満の領域においては<1-100>方向および<11-20>方向に伸びる転位線が存在しないことが好ましい。 From the viewpoint of preventing dislocations from being introduced into the light-emitting layer, it is preferable that the dislocations introduced into the end of the mesa structure are formed only in a region less than 15 μm from the end, and that the dislocations extend in a direction along the <1-100> direction. In other words, it is preferable that dislocations exist only in the first region, which is a region 15 μm from the end of the mesa structure, and that no dislocation lines extend in the <1-100> direction or the <11-20> direction exist in the region 15 μm or more and less than 20 μm from the end of the mesa structure.

このとき、第1領域における<1-100>方向に伸びる転位線の数が、<1-100>方向以外の方向に伸びる転位線の数よりも多い状態であることが好ましい。また、転位線のバーガースベクトルが<1-100>方向に垂直な<11―20>方向の成分を有することが好ましい。また、第1領域における単位長さ当たりの<1-100>方向に伸びる転位線の数が4.5本/μm以上11本/μm以下であることが好ましく、4.5本/μm以上7.5本/μm以下であることがより好ましい。さらに、第1領域における<1-100>方向に伸びる転位線の平均間隔が、(11-20)原子面に対して、1/100原子面以上1/5000原子面以下であることが好ましく、1/300原子面以上1/700原子面以下であることがより好ましい。 At this time, it is preferable that the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region is greater than the number of dislocation lines extending in directions other than the <1-100> direction. It is also preferable that the Burgers vector of the dislocation line has a component in the <11-20> direction perpendicular to the <1-100> direction. It is also preferable that the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction per unit length in the first region is 4.5 lines/μm to 11 lines/μm, and more preferably 4.5 lines/μm to 7.5 lines/μm. Furthermore, the average spacing of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region is preferably 1/100 atomic plane to 1/5000 atomic plane, and more preferably 1/300 atomic plane to 1/700 atomic plane, relative to the (11-20) atomic plane.

これらの転位は、最も膜厚が厚く歪が蓄積されている第1導電型クラッド層中に導入することで効率的に緩和をさせることができる。そのため、<1-100>方向に伸びる転位線は、第1導電型クラッド層中にあることが好ましい。 These dislocations can be efficiently alleviated by being introduced into the first conductivity type cladding layer, which is the thickest and has the most accumulated strain. Therefore, it is preferable that the dislocation lines extending in the <1-100> direction are located in the first conductivity type cladding layer.

(電極)
レーザダイオードは、第2導電型クラッド層上に配置された第2電極と、第1導電型クラッド層上に配置された第1電極によって行うことができる。このとき、第1電極は、第1導電型クラッド層と電気的に接触するように形成されており、第2電極は、第2導電型クラッド層と電気的に接触するように形成されている。
第1電極は、例えば、基板の裏側に電極を配置することができる。また、第1電極は、半導体積層部の第1導電型クラッド層よりも上部の層を例えば化学エッチングまたはドライエッチングによって除去することにより露出した第1導電型クラッド層上に配置される。
(electrode)
The laser diode can be formed by a second electrode disposed on the second conductivity type cladding layer and a first electrode disposed on the first conductivity type cladding layer, where the first electrode is formed in electrical contact with the first conductivity type cladding layer and the second electrode is formed in electrical contact with the second conductivity type cladding layer.
The first electrode can be disposed, for example, on the back side of the substrate, or on the first conductive type cladding layer exposed by removing layers above the first conductive type cladding layer of the semiconductor laminate by, for example, chemical etching or dry etching.

第1導電型クラッド層がn型クラッド層の場合、第1電極は、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa等の導電性酸化物等により形成される。
第1導電型クラッド層がp型クラッド層の場合、第1電極は、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Pt、Cu、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Ir、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa等の導電性酸化物等により形成される。
When the first conductive type cladding layer is an n-type cladding layer, the first electrode is formed of a metal such as Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zr, or a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga2O3 .
When the first conductive type cladding layer is a p-type cladding layer, the first electrode is formed of a metal such as Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Pt, Cu, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Ir, Zr, or a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga2O3 .

第2導電型クラッド層がn型クラッド層の場合、第2電極は、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa等の導電性酸化物等により形成される。
第2導電型クラッド層がp型クラッド層の場合、第2電極は、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Pt、Cu、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Ir、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa等の導電性酸化物等により形成される。
When the second conductive type cladding layer is an n-type cladding layer, the second electrode is formed of a metal such as Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zr, or a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga2O3 .
When the second conductive type cladding layer is a p-type cladding layer, the second electrode is formed of a metal such as Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Pt, Cu, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Ir, Zr, or a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga2O3 .

第1電極および第2電極の配置領域および形状は、第1導電型クラッド層と第2導電型クラッド層(第2導電型コンタクト層を備える場合には第2導電型コンタクト層)とのそれぞれと電気的接触が得られていれば限定はされない。転位が多く存在する箇所ではキャリアが補足されて優先的に消費されて内部損失が悪化することから、第2電極は、平面視において第2導電型クラッド層上のメサ構造の側面から5μm以上離れた領域に配置されることが好ましい。 The arrangement area and shape of the first electrode and the second electrode are not limited as long as electrical contact is obtained with the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type cladding layer (the second conductivity type contact layer if a second conductivity type contact layer is provided). Since carriers are captured and preferentially consumed in areas with many dislocations, resulting in worsening internal loss, it is preferable that the second electrode is arranged in an area 5 μm or more away from the side of the mesa structure on the second conductivity type cladding layer in a plan view.

(バッファ層)
バッファ層は、基板と、第一導電型クラッド層との間に形成されており、基板の全面に形成されていることが好ましい。バッファ層を備えることにより、バッファ層上には格子定数差及び熱膨張係数差が小さく欠陥の少ない窒化物半導体層が形成される。また、バッファ層を備えることにより、圧縮応力下で第一導電型クラッド層を成長させることができ、第一導電型クラッド層におけるクラックの発生を抑制することができる。このため、基板がAlN又はAlGaN等の窒化物半導体で形成されている場合でも、バッファ層の上方に欠陥の少ない窒化物半導体層を形成することができる。
(Buffer layer)
The buffer layer is formed between the substrate and the first-conductivity-type cladding layer, and is preferably formed on the entire surface of the substrate. By providing the buffer layer, a nitride semiconductor layer having a small lattice constant difference and a small thermal expansion coefficient difference and a small number of defects is formed on the buffer layer. Furthermore, by providing the buffer layer, the first-conductivity-type cladding layer can be grown under compressive stress, and the occurrence of cracks in the first-conductivity-type cladding layer can be suppressed. Therefore, even if the substrate is formed of a nitride semiconductor such as AlN or AlGaN, a nitride semiconductor layer having a small number of defects can be formed above the buffer layer.

バッファ層は、例えばAlN又はAlGaN等の窒化物半導体で形成される。また、バッファ層には、C,Si,Fe、Mg等の不純物を含んでいても良い。 The buffer layer is formed of a nitride semiconductor such as AlN or AlGaN. The buffer layer may also contain impurities such as C, Si, Fe, and Mg.

バッファ層は、例えば数μmの厚さを有している。具体的には、バッファ層の厚さは、10nmより厚く10μmより薄いことが好ましい。バッファ層の厚さが10nmより厚い場合、AlN等の窒化物半導体の結晶性が高くなる。また、バッファ層の厚さが10μmより薄い場合、ウエハ全面に結晶成長により形成されたバッファ層にクラックが発生しにくくなる。また、バッファ層は、50nmより厚く5μmより薄いことがより好ましい。バッファ層の厚さが50nmより厚い場合、結晶性の高い層を形成することができる。また、バッファ層の厚さが5μmより薄い場合、バッファ層のクラックがより発生しにくくなる。 The buffer layer has a thickness of, for example, several μm. Specifically, the thickness of the buffer layer is preferably thicker than 10 nm and thinner than 10 μm. When the buffer layer is thicker than 10 nm, the crystallinity of the nitride semiconductor such as AlN is high. When the buffer layer is thinner than 10 μm, cracks are less likely to occur in the buffer layer formed by crystal growth over the entire surface of the wafer. It is more preferable that the buffer layer is thicker than 50 nm and thinner than 5 μm. When the buffer layer is thicker than 50 nm, a layer with high crystallinity can be formed. When the buffer layer is thinner than 5 μm, cracks are less likely to occur in the buffer layer.

(1.2)紫外線発光素子の製造方法
本実施形態のレーザダイオードは、基板上に各層を形成する工程を経て製造される。
(1.2) Method for Manufacturing Ultraviolet Light Emitting Device The laser diode of this embodiment is manufactured through the steps of forming each layer on a substrate.

(基板の形成)
基板は、昇華法、ハイドライド気相成長(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等の気相成長法および液相成長法等の一般的な基板成長法により形成される。
(Formation of the substrate)
The substrate is formed by a general substrate growth method such as a vapor phase growth method, such as a sublimation method or a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, or a liquid phase growth method.

(半導体積層部の形成)
基板上に形成される半導体積層部の各層は、例えば、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法または有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等により形成することができる。
(Formation of Semiconductor Stack)
Each layer of the semiconductor laminate formed on the substrate can be formed by, for example, molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), or the like.

ここで、基板上に形成された各層のうち窒化物半導体の層は、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)を含むAl原料、トリメチルガリウム(TMGa)またはトリエチルガリウム(TEGa)等を含むGa原料、もしくはアンモニア(NH)を含むN原料を用いて形成することができる。 Here, among the layers formed on the substrate, the nitride semiconductor layer can be formed using, for example, an Al source containing trimethylaluminum (TMAl), a Ga source containing trimethylgallium (TMGa) or triethylgallium (TEGa), or the like, or a N source containing ammonia (NH 3 ).

レーザダイオードは、基板上に形成された半導体積層部の各層の不要部分をエッチングによって除去する工程を経て製造される。半導体積層部の各層の不要部分の除去は、例えば誘導結合型プラズマ(ICP)エッチング等で行うことができる。 Laser diodes are manufactured through a process in which unnecessary portions of each layer of a semiconductor laminate formed on a substrate are removed by etching. Removal of unnecessary portions of each layer of a semiconductor laminate can be performed, for example, by inductively coupled plasma (ICP) etching.

(電極の形成)
また、レーザダイオードは、電極を形成する工程を経て製造され得る。第1電極および第2電極等の電極は、例えば抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着またはスパッタ等により形成されるが、これら方法には限定されない。各電極は、単層で形成してもよく、複数層積層して形成してもよい。また、各電極は、層の形成後に酸素、窒素または空気雰囲気等で熱処理が行われてもよい。
最後に、上述した工程を経て各層が形成された基板を、ダイシングにより個片へと分割してレーザダイオードが製造される。
(Formation of electrodes)
The laser diode may also be manufactured through a process of forming electrodes. The electrodes, such as the first electrode and the second electrode, may be formed by, for example, resistance heating deposition, electron gun deposition, or sputtering, but are not limited to these methods. Each electrode may be formed as a single layer or may be formed by laminating multiple layers. Each electrode may also be heat-treated in an oxygen, nitrogen, or air atmosphere after the layers are formed.
Finally, the substrate on which the layers have been formed through the above-mentioned steps is divided into individual pieces by dicing to manufacture the laser diodes.

2.紫外線発光素子の物性等の測定方法
上述したレーザダイオードの物性等は、以下のようにして測定することができる。
2. Method for Measuring the Physical Properties of the Ultraviolet Light Emitting Device The physical properties of the above-mentioned laser diode can be measured as follows.

(不純物濃度及びドーピング濃度の測定)
レーザダイオードを構成する基板及び半導体積層部の各層に含まれるドーパントや不純物の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定することができる。
半導体積層部の各層に含まれるドーパントや不純物の濃度を、デバイスに加工された後にSIMSで測定する場合は、化学的なエッチングや物理研磨により電極を除去した状態で測定することができる。また、半導体積層部の各層に含まれるドーパントや不純物の濃度は、電極が形成されていない基板側からスパッタして測定することもできる。
具体的には、エバンス・アナリティカル・グループ(EAG)社が提供する測定条件によりSIMS測定を実施する。測定時の試料のスパッタには、14.5keVのエネルギーを有したセシウム(Cs)イオンビームを用いる。
(Measurement of impurity and doping concentrations)
The concentrations of dopants and impurities contained in the substrate and each layer of the semiconductor laminate that constitutes the laser diode can be measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
When the concentration of dopants or impurities contained in each layer of the semiconductor laminate is measured by SIMS after processing into a device, the measurement can be performed in a state where the electrodes are removed by chemical etching or physical polishing. The concentration of dopants or impurities contained in each layer of the semiconductor laminate can also be measured by sputtering from the substrate side where no electrodes are formed.
Specifically, the SIMS measurement is performed under the measurement conditions provided by Evans Analytical Group (EAG), Inc. A cesium (Cs) ion beam having an energy of 14.5 keV is used for sputtering the sample during the measurement.

(層厚の測定方法)
レーザダイオードを構成する各層の層厚は、基板に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により観察し、TEMの測長機能を使用することで測定できる。測定方法としては、先ず、TEMを用いて、レーザダイオードの基板の主面に対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、レーザダイオードの基板の主面に対して垂直な断面を示すTEM画像内の、基板の主面に対して平行な方向において2μm以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲において、組成の異なる2層の界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚さを、幅200nmの連続する観察領域で観察する。この200nm幅の観察領域内に含まれる各層の厚さの平均値を、上述した2μm以上の観察幅から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層の層厚を得ることができる。
(Method of measuring layer thickness)
The thickness of each layer constituting the laser diode can be measured by cutting out a predetermined cross section perpendicular to the substrate, observing this cross section with a transmission electron microscope (TEM), and using the length measurement function of the TEM. As a measurement method, first, a cross section perpendicular to the main surface of the substrate of the laser diode is observed using a TEM. Specifically, for example, the observation width is set to a range of 2 μm or more in a direction parallel to the main surface of the substrate in a TEM image showing a cross section perpendicular to the main surface of the substrate of the laser diode. In the range of this observation width, contrast is observed at the interface between two layers with different compositions, so the thickness to this interface is observed in a continuous observation region with a width of 200 nm. The average value of the thickness of each layer included in this 200 nm wide observation region can be calculated from five points arbitrarily extracted from the above-mentioned observation width of 2 μm or more to obtain the layer thickness of each layer.

(緩和の測定方法)
緩和の有無はTEMの格子回折像から算出される格子定数によって得られる。歪はレーザダイオードの各層のa軸の面内方向の格子定数が本来の格子定数からどれだけ変化しているかで表すことができる。基板の格子定数に対して格子定数が同じであれば歪であり、差分があれば緩和といえる。ここでは計算から算出される緩和が20%以上である場合を緩和とする。格子定数の差は格子回折像を各スポットで自動マッピング測定し、解析ソフトによってマッピングとして表示することができる。具体的には解析ソフト(NanoMEGAS社製ASTER)を用いて測定を行うことができる。
(Method of measuring relaxation)
The presence or absence of relaxation can be obtained by the lattice constant calculated from the lattice diffraction image of the TEM. The strain can be expressed by how much the lattice constant in the in-plane direction of the a-axis of each layer of the laser diode has changed from the original lattice constant. If the lattice constant is the same as the lattice constant of the substrate, it is strained, and if there is a difference, it can be said to be relaxed. Here, relaxation calculated by calculation is 20% or more. The difference in lattice constant can be measured by automatic mapping of the lattice diffraction image at each spot and displayed as a mapping by analysis software. Specifically, the measurement can be performed using analysis software (ASTER manufactured by NanoMEGAS).

(各層の原子濃度の測定方法)
レーザダイオードを構成する各層に含まれる原子濃度を測定する方法としては、X線回折(XRD:X-Ray Diffraction)法による逆格子マッピング測定(RSM:Reciprocal Space Mapping)が挙げられる。具体的には、非対称面を回折面として得られる回折ピーク近傍の逆格子マッピングデータを解析することにより、下地に対する格子緩和率とAl組成が得られる。回折面としては、例えば(10-15)面や(20-24)面が挙げられる。
また、発光層や傾斜層、各層に形成されたヒロックなどのXRDで十分な反射強度が得られない層や領域は、X線光電分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)、及び電子エネルギー損失分光法(EELS:Electron Energy-Loss Spectroscopy)によって測定することができる。
(Method of measuring atomic concentration of each layer)
A method for measuring the atomic concentration in each layer constituting a laser diode includes reciprocal space mapping (RSM) using X-ray diffraction (XRD). Specifically, the lattice relaxation rate and Al composition relative to the underlayer can be obtained by analyzing reciprocal space mapping data in the vicinity of a diffraction peak obtained with an asymmetric plane as a diffraction plane. Examples of the diffraction plane include the (10-15) plane and the (20-24) plane.
Furthermore, layers or regions in which sufficient reflection intensity cannot be obtained by XRD, such as the light-emitting layer, the inclined layer, and hillocks formed in each layer, can be measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and electron energy-loss spectroscopy (EELS).

EELSでは、電子線が試料を透過する際に失うエネルギーを測定することで、試料の組成を分析する。具体的には、例えば、TEM観察等で使用する薄片化試料において、透過電子線の強度のエネルギー損失スペクトルを測定・解析する。そして、エネルギー損失量20eV付近に現れるピーク位置が、各層の組成に応じて変化することを利用し、ピーク位置から組成を求めることができる。
上述のTEM観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅200nmにおけるAl組成の平均値を、2μm以上の観察領域から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層のAl組成を得る。
In EELS, the composition of a sample is analyzed by measuring the energy lost when an electron beam passes through the sample. Specifically, for example, the energy loss spectrum of the intensity of the transmitted electron beam is measured and analyzed for a thin sliced sample used in TEM observation. The position of the peak that appears near the energy loss of 20 eV changes depending on the composition of each layer, and the composition can be determined from the peak position.
In the same manner as in the method of calculating layer thickness by TEM observation described above, the average value of the Al composition in an observation width of 200 nm is calculated from five points arbitrarily selected from an observation region of 2 μm or more, thereby obtaining the Al composition of each layer.

EDXでは、上述のTEM観察等で使用する薄片化試料において電子線によって発生する特性X線を測定・解析する。上述のTEM観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅200nmにおけるAl組成の平均値を、2μm以上の観察領域から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層のAl組成を得る。 In EDX, characteristic X-rays generated by an electron beam in a thin-sectioned sample used in the above-mentioned TEM observation are measured and analyzed. In the same manner as the method for calculating layer thickness using TEM observation described above, the Al composition of each layer is obtained by calculating the average value of the Al composition in an observation width of 200 nm from five points arbitrarily selected from an observation area of 2 μm or more.

XPSでは、イオンビームを用いたスパッタエッチングを行いながらXPS測定を行うことで、深さ方向の評価が可能である。イオンビームには一般的にAr+が用いられるが、XPS装置に搭載されたエッチング用イオン銃で照射できるイオンであれば、例えばArクラスターイオンなどの他のイオン種でもよい。Al、Ga、NのXPSピーク強度を測定・解析して各層のAl組成の深さ方向分布を得る。スパッタエッチングの代わりに、基板の主面に対して垂直な断面が拡大されて露出されるようにレーザダイオードを斜め研磨して、露出断面をXPSで測ってもよい。 In XPS, depth direction evaluation is possible by performing XPS measurement while performing sputter etching using an ion beam. Although Ar+ is generally used for the ion beam, other ion species such as Ar cluster ions can be used as long as they can be irradiated with the etching ion gun mounted on the XPS device. The XPS peak intensities of Al, Ga, and N are measured and analyzed to obtain the depth direction distribution of the Al composition of each layer. Instead of sputter etching, the laser diode can be polished at an angle so that a cross section perpendicular to the main surface of the substrate is enlarged and exposed, and the exposed cross section can be measured by XPS.

XPSだけでなくオージェ電子分光法(AES:Auger Electron Spectroscopy)を用いても各層の組成を測定できる。この場合、スパッタエッチングあるいは斜め研磨により露出させた断面においてオージェ電子分光法による測定を行うことで、組成を測定できる。また、斜め研磨により露出させた断面に対するSEM-EDX測定によっても、各層の組成を測定できる。 The composition of each layer can be measured not only by XPS but also by Auger Electron Spectroscopy (AES). In this case, the composition can be measured by performing Auger Electron Spectroscopy on a cross section exposed by sputter etching or oblique polishing. The composition of each layer can also be measured by SEM-EDX measurement of a cross section exposed by oblique polishing.

(メサ構造の端部における転位線の測定方法)
メサ構造の端部に形成される転位線は、基板の表面に平行な所定断面を切り出して、透過型電子顕微鏡(TEM)により観察することで測定できる。一例として、第1導電型クラッド層を含むメサ構造の端面ES及び側面SSを含む20μm角以上の領域(すなわち第一領域を一部に含む20μm角以上の領域)を観察範囲として含む1次試料を集束イオンビーム法によって基板から切り出して作製する。次に、研磨あるいは集束イオンビーム法によって、1次試料を0.5μm厚まで薄化した2次試料を作製する。2次試料に対し、<0001>晶帯軸入射の電子線による平面TEM像を得る。この過程で、1次試料あるいは1次試料同様の手法で得られた試料を用いて断面TEM像を同時に取得することができる。
(Method of measuring dislocation lines at the edge of a mesa structure)
The dislocation lines formed at the end of the mesa structure can be measured by cutting out a predetermined cross section parallel to the surface of the substrate and observing it with a transmission electron microscope (TEM). As an example, a primary sample including an observation range of a 20 μm square or larger area (i.e., a 20 μm square or larger area including a part of the first area) including the end surface ES and side surface SS of the mesa structure including the first conductive cladding layer is cut out from the substrate by a focused ion beam method. Next, a secondary sample is prepared by thinning the primary sample to a thickness of 0.5 μm by polishing or a focused ion beam method. A planar TEM image is obtained for the secondary sample by an electron beam incident on the <0001> zone axis. During this process, a cross-sectional TEM image can be simultaneously obtained using the primary sample or a sample obtained by the same method as the primary sample.

200kVの印加電圧により10k~20kの倍率によって観察された<0001>晶帯軸入射の平面TEM像を使用して転位を数え上げる。メサ構造の端から内側20μmまでの領域へと観察領域を移動していき、転位線を観察する。得られた転位線の伸びる方向は視野全体にわたって完全に<1-100>方向に伸びておらず、他の転位線と会合することで本数が増減することがある。従って、転位線数の集計は、<1-100>方向に伸びる直線であるサンプルリングラインを仮想し、サンプリングラインと転位線の交点の数を、複数のサンプリングラインにおける統計的平均値によって規定する。具体的には、複数のサンプリングラインを1μm以下間隔で仮想し、20μm視野内において測定個所(サンプルリングラインの位置)を移動させながら、各測定位置におけるサンプリングラインと転位線の交点の数の測定を20回以上行う。この20回以上の平均値を転位線数とする。以下、この測定を平面TEM測定という。 Dislocations are counted using a planar TEM image of the <0001> zone axis incidence observed at a magnification of 10k to 20k with an applied voltage of 200 kV. The observation area is moved from the edge of the mesa structure to a region 20 μm inward, and dislocation lines are observed. The extension direction of the obtained dislocation lines does not extend completely in the <1-100> direction throughout the entire field of view, and the number of lines may increase or decrease by meeting other dislocation lines. Therefore, the number of dislocation lines is counted by imagining a sampling line, which is a straight line extending in the <1-100> direction, and determining the number of intersections between the sampling line and the dislocation line by the statistical average value of multiple sampling lines. Specifically, multiple sampling lines are imaginary at intervals of 1 μm or less, and the measurement location (position of the sampling line) is moved within a 20 μm field of view, and the number of intersections between the sampling line and the dislocation line at each measurement position is measured 20 times or more. The average value of these 20 or more measurements is taken as the number of dislocation lines. Hereinafter, this measurement is referred to as a planar TEM measurement.

転位線のバーガースペクトル解析は、さらに逆格子ベクトル<-1100>及び<11-20>の系統反射条件において平面TEM暗視野像を取得し、転位線のコントラストの消滅からバーガースベクトルの方向を特定する。一例として、バーガースベクトルが<11-20>方向の成分を有する場合は、<11-20>の系統反射条件における平面TEM暗視野像では、転位線のコントラストが消失する。 Burgers spectrum analysis of dislocation lines further involves acquiring planar TEM dark-field images under systematic reflection conditions of reciprocal lattice vectors <-1100> and <11-20>, and identifying the direction of the Burgers vector from the disappearance of the contrast of the dislocation lines. As an example, if the Burgers vector has a component in the <11-20> direction, the contrast of the dislocation lines disappears in the planar TEM dark-field image under systematic reflection conditions of <11-20>.

(紫外線発光素子の適用分野)
本開示に係るレーザダイオードは、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。レーザダイオードは、薬品または化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体(容器、食品、医療機器等)殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・FPD(Flat Panel Display)・PCB(Printed Wiring Board)・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
(Applications of ultraviolet light emitting elements)
The laser diode according to the present disclosure can be applied to devices in, for example, the medical and life science fields, the environmental field, the industrial and manufacturing fields, the household appliances field, the agricultural field, and other fields. The laser diode can be applied to a drug or chemical synthesis/decomposition device, a liquid/gas/solid (container, food, medical equipment, etc.) sterilization device, a semiconductor cleaning device, etc., a surface modification device for film, glass, metal, etc., an exposure device for manufacturing semiconductors, FPD (Flat Panel Display), PCB (Printed Wiring Board), and other electronic products, a printing/coating device, an adhesive/sealing device, a transfer/molding device for film, pattern, mockup, etc., and a measurement/inspection device for banknotes, wounds, blood, chemical substances, etc.

液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるが、この限りではない。 Examples of liquid sterilization devices include, but are not limited to, automatic ice makers, ice trays and ice storage containers in refrigerators, water tanks for ice makers, freezers, ice makers, humidifiers, dehumidifiers, cold water tanks, hot water tanks and flow pipes of water servers, freestanding water purifiers, portable water purifiers, water supply units, hot water heaters, wastewater treatment devices, garbage disposers, toilet drain traps, washing machines, dialysis water sterilization modules, peritoneal dialysis connector sterilizers, disaster water storage systems, etc.

気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用または寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるが、この限りではない。
固体殺菌装置(表面殺菌装置を含む)の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるが、この限りではない。
Examples of gas sterilization devices include, but are not limited to, air purifiers, air conditioners, ceiling fans, floor or bedding vacuum cleaners, futon dryers, shoe dryers, washing machines, clothes dryers, indoor germicidal lamps, storage ventilation systems, shoe boxes, chests of drawers, etc.
Examples of solid sterilization equipment (including surface sterilization equipment) include, but are not limited to, vacuum packing machines, belt conveyors, hand tool sterilization equipment for medical/dental use, barber/beauty salons, toothbrushes, toothbrush holders, chopstick cases, cosmetic pouches, drain covers, toilet spot cleaners, toilet lids, etc.

3.紫外線発光素子の具体例
以下、図1から図8を参照して、本実施形態のレーザダイオードをより具体的に説明する。なお、以下の各実施形態の各層の詳細な構成は、上述した通りである。
3. Specific Examples of Ultraviolet Light Emitting Devices The laser diode of the present embodiment will be described in more detail below with reference to Figures 1 to 8. Note that the detailed configuration of each layer in each of the following embodiments is as described above.

(3.1)第1の実施形態
図1および図2は、第1の実施形態にかかるレーザダイオード1を説明するための模式図である。図1は、レーザダイオード1の平面模式図であり、図2はレーザダイオード1の断面模式図である。図1において、<1-100><11-20><0001>はそれぞれ結晶方位を示している。
図2に示すように、レーザダイオード1は、基板10と、基板10上に配置される半導体積層部20と、第1電極31と、第2電極32とを備えている。半導体積層部20は、第1導電型クラッド層21と、発光層22と、第2導電型クラッド層23とを有している。半導体積層部20の一部は、メサ構造201となっている。メサ構造201の端面ES(図1参照)は、光共振および射出のための共振器構造となっており、端面ESに垂直な方向(図1中の矢印の方向)にレーザ光が出射する。
メサ構造201内における側面SSから距離Lが15μm未満の領域が第1領域202(図2中、一点鎖線で示す)である。レーザダイオード1は、第1領域202内にのみ基板10の結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線を複数備えている。
(3.1) First embodiment Figures 1 and 2 are schematic diagrams for explaining a laser diode 1 according to a first embodiment. Figure 1 is a schematic plan view of the laser diode 1, and Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the laser diode 1. In Figure 1, <1-100>, <11-20>, and <0001> respectively indicate crystal orientations.
As shown in Fig. 2, the laser diode 1 includes a substrate 10, a semiconductor laminate 20 disposed on the substrate 10, a first electrode 31, and a second electrode 32. The semiconductor laminate 20 includes a first conductive type cladding layer 21, a light emitting layer 22, and a second conductive type cladding layer 23. A part of the semiconductor laminate 20 has a mesa structure 201. An end surface ES (see Fig. 1) of the mesa structure 201 is a resonator structure for optical resonance and emission, and laser light is emitted in a direction perpendicular to the end surface ES (the direction of the arrow in Fig. 1).
A region in the mesa structure 201 that is at a distance L of less than 15 μm from the side surface SS is a first region 202 (shown by a dashed line in FIG. 2). The laser diode 1 has a plurality of dislocation lines extending in the <1-100> crystal orientation of the substrate 10 only in the first region 202.

(3.2)第2の実施形態
図3は、第2の実施形態にかかるレーザダイオード2を説明するための模式図である。図3は、レーザダイオード2の断面模式図である。
レーザダイオード2は、第1導電型導波路層24と、第2導電型導波路層25とを更に備える半導体積層部20Aを有している点で、第1の実施形態に係るレーザダイオード1と相違する。
このようなレーザダイオード2は、発光層22への光閉じ込め効果が向上し、レーザダイオード2の発光強度が向上する。
(3.2) Second embodiment Fig. 3 is a schematic diagram for explaining a laser diode 2 according to a second embodiment. Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of the laser diode 2.
The laser diode 2 differs from the laser diode 1 according to the first embodiment in that the laser diode 2 has a semiconductor laminate portion 20A further including a first conductivity type waveguide layer 24 and a second conductivity type waveguide layer 25 .
In such a laser diode 2, the effect of confining light in the light emitting layer 22 is improved, and the emission intensity of the laser diode 2 is improved.

(3.3)第3の実施形態
図4は、第3の実施形態にかかるレーザダイオード3を説明するための模式図である。図4は、レーザダイオード3の断面模式図である。
レーザダイオード3は、第2導電型クラッド層23上に配置された第2導電型コンタクト層26を備える半導体積層部20Bを有している点で、第2の実施形態に係るレーザダイオード2と相違する。
このようなレーザダイオード3は、発光層22へのキャリア注入効率が向上し、レーザダイオード3の発光効率が向上する。
(3.3) Third embodiment Fig. 4 is a schematic diagram for explaining a laser diode 3 according to a third embodiment. Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of the laser diode 3.
The laser diode 3 differs from the laser diode 2 according to the second embodiment in that it has a semiconductor laminate portion 20B including a second conductivity type contact layer 26 disposed on a second conductivity type cladding layer 23.
In such a laser diode 3, the efficiency of carrier injection into the light emitting layer 22 is improved, and the light emission efficiency of the laser diode 3 is improved.

なお、第2導電型コンタクト層26は、例えば第2実施形態にかかるレーザダイオード2と組み合わされてもよい。すなわち、レーザダイオード2の第2導電型クラッド層23上に第2導電型コンタクト層26が配置されたレーザダイオードであっても良い(不図示)。 The second conductive contact layer 26 may be combined with, for example, the laser diode 2 according to the second embodiment. That is, the laser diode may have the second conductive contact layer 26 disposed on the second conductive cladding layer 23 of the laser diode 2 (not shown).

(3.4)第4の実施形態
図5は、第4の実施形態にかかるレーザダイオード4を説明するための模式図である。図5は、レーザダイオード4の断面模式図である。
レーザダイオード4は、第2導電型縦伝導層23Aと第2導電型横伝導層23Bとで構成された第2導電型クラッド層23及び第2導電型コンタクト層26を備える半導体積層部20Cを有している点で、第1の実施形態に係るレーザダイオード1と相違する。
このようなレーザダイオード4は、発光層22へのキャリア注入効率が向上し、レーザダイオード4の発光効率が向上する。
(3.4) Fourth embodiment Fig. 5 is a schematic diagram for explaining a laser diode 4 according to a fourth embodiment. Fig. 5 is a schematic cross-sectional view of the laser diode 4.
The laser diode 4 differs from the laser diode 1 according to the first embodiment in that it has a semiconductor laminate portion 20C including a second conductivity type cladding layer 23 composed of a second conductivity type vertical conduction layer 23A and a second conductivity type lateral conduction layer 23B, and a second conductivity type contact layer 26.
In such a laser diode 4, the efficiency of carrier injection into the light emitting layer 22 is improved, and the light emission efficiency of the laser diode 4 is improved.

(3.5)第5の実施形態
図6は、第5の実施形態にかかるレーザダイオード5を説明するための模式図である。図6は、レーザダイオード5の断面模式図である。
レーザダイオード5は、第1導電型導波路層24及び第2導電型導波路層25と、第2導電型縦伝導層23Aと第2導電型横伝導層23Bとで構成された第2導電型クラッド層と、第2導電型縦伝導層23Aと第2導電型導波路層25との間に設けられた中間層27とを備える半導体積層部20Dを有している点で、第1の実施形態に係るレーザダイオード1と相違する。
このようなレーザダイオード5は、中間層27におけるキャリアの伝導率を向上させつつ、第2導電型横伝導層23B及び第2導電型コンタクト層26を完全歪で形成させることによるキャリアの横伝導率を向上させることができる。
(3.5) Fifth embodiment Fig. 6 is a schematic diagram for explaining a laser diode 5 according to a fifth embodiment. Fig. 6 is a schematic cross-sectional view of the laser diode 5.
The laser diode 5 differs from the laser diode 1 according to the first embodiment in that it has a semiconductor laminate portion 20D including a first conductivity type waveguide layer 24 and a second conductivity type waveguide layer 25, a second conductivity type cladding layer composed of a second conductivity type vertical conductive layer 23A and a second conductivity type lateral conductive layer 23B, and an intermediate layer 27 provided between the second conductivity type vertical conductive layer 23A and the second conductivity type waveguide layer 25.
Such a laser diode 5 can improve the lateral conductivity of carriers by forming the second conductivity type lateral conduction layer 23B and the second conductivity type contact layer 26 with complete distortion while improving the conductivity of carriers in the intermediate layer 27.

(3.6)第6の実施形態
図7および図8は、第6の実施形態にかかるレーザダイオード6を説明するための模式図である。図7は、レーザダイオード6の平面模式図であり、図8は、レーザダイオード6の断面模式図である。
レーザダイオード6は、第1導電型導波路層24及び第2導電型導波路層25、第2導電型コンタクト層26を更に備え、レーザダイオード6のメサ構造は二段構造になっており、第1導電型クラッド層21を含むメサ構造201と、第1導電型クラッド層21を含まないメサ構造203とを備える半導体積層部20Eを有している点で、第1の実施形態に係るレーザダイオード1と相違する。この時、第1導電型クラッド層21を含むメサ構造201には、基板10の結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線が複数含まれている。発振閾値電流の低減の観点から、第1導電型クラッド層21を含まないメサ構造203には、基板10の結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線が含まれないことが好ましい。
(3.6) Sixth embodiment Fig. 7 and Fig. 8 are schematic diagrams for explaining a laser diode 6 according to a sixth embodiment. Fig. 7 is a schematic plan view of the laser diode 6, and Fig. 8 is a schematic cross-sectional view of the laser diode 6.
The laser diode 6 further includes a first-conductivity-type waveguide layer 24, a second-conductivity-type waveguide layer 25, and a second-conductivity-type contact layer 26, and the mesa structure of the laser diode 6 is a two-stage structure, and differs from the laser diode 1 according to the first embodiment in that it includes a semiconductor laminate portion 20E including a mesa structure 201 including a first-conductivity-type cladding layer 21 and a mesa structure 203 not including a first-conductivity-type cladding layer 21. At this time, the mesa structure 201 including the first-conductivity-type cladding layer 21 includes a plurality of dislocation lines extending in the crystal orientation <1-100> direction of the substrate 10. From the viewpoint of reducing the oscillation threshold current, it is preferable that the mesa structure 203 not including the first-conductivity-type cladding layer 21 does not include dislocation lines extending in the crystal orientation <1-100> direction of the substrate 10.

4.効果
上述したレーザダイオードは、以下の効果を有する。
(1)レーザダイオードは、基板上に配置される半導体積層部の少なくとも一部が光共振および射出のためのメサ構造となっており、第1導電型クラッド層を含むメサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内においてのみ、窒化物半導体基板の結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線を複数備えている。
これにより、レーザダイオードは、半導体積層部の各層を効率的に緩和させることができるとともに、発振閾値電流が著しく悪化する発光層への転位導入を避けることができるため、発振閾値電流を低下させることができる。
(2)レーザダイオードのメサ構造の第1領域において形成された結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線のバーガースベクトルは、<11―20>方向の成分を有することが好ましい。
これにより、発振閾値電流が著しく悪化する発光層内部への転位導入を避けることができるため、発振閾値電流を低下させることができる。
4. Effects The above-described laser diode has the following effects.
(1) In the laser diode, at least a portion of a semiconductor laminate disposed on a substrate has a mesa structure for optical resonance and emission, and the laser diode has a plurality of dislocation lines extending in the <1-100> crystal orientation of the nitride semiconductor substrate only in a first region having a distance L of less than 15 μm from a side surface of the mesa structure including a first conductivity type cladding layer.
As a result, the laser diode can efficiently relax each layer of the semiconductor stack while avoiding the introduction of dislocations into the light-emitting layer, which would significantly deteriorate the oscillation threshold current, thereby reducing the oscillation threshold current.
(2) It is preferable that the Burgers vector of a dislocation line extending in the <1-100> crystal orientation direction formed in the first region of the mesa structure of the laser diode has a component in the <11-20> direction.
This makes it possible to avoid the introduction of dislocations into the light-emitting layer, which would otherwise significantly deteriorate the lasing threshold current, and therefore to reduce the lasing threshold current.

(3)レーザダイオードのメサ構造は、平面視において長辺と短辺をそれぞれ有する矩形であり、長辺が<1-100>方向に伸びるように配置されていることが好ましい。
これにより、レーザ共振器の共振ミラー端面を原子的に平坦な(1-100)面に形成することになり、共振ミラー端面を容易に形成できる。
(4)メサ構造の第1領域内において<1-100>方向に伸びる転位線の数が、<1-100>方向以外の方向に伸びる転位線の数よりも多いことが好ましい。
これにより、発振閾値電流が著しく悪化する発光層への転位導入を抑制しつつ第1導電型クラッド層への緩和を行うことができるため、発振閾値電流を効率的に低下させることができる。
(3) It is preferable that the mesa structure of the laser diode is a rectangle having long and short sides in a plan view, and is disposed so that the long sides extend in the <1-100> direction.
This allows the resonator mirror end faces of the laser resonator to be formed into atomically flat (1-100) faces, making it easy to form the resonator mirror end faces.
(4) In the first region of the mesa structure, the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction is preferably greater than the number of dislocation lines extending in directions other than the <1-100> direction.
This makes it possible to suppress the introduction of dislocations into the light emitting layer, which would otherwise significantly deteriorate the lasing threshold current, while also allowing relaxation to be performed in the first conductivity type cladding layer, thereby enabling the lasing threshold current to be efficiently reduced.

(5)メサ構造の第1領域内における単位長さ当たりの<1-100>方向に伸びる転位線の数が、4.5本/μm以上11本/μm以下であることが好ましい。また、メサ構造の第1領域内における<1-100>方向に伸びる転位線の平均間隔が、(11-20)原子面に対して、1/100原子面以上1/5000原子面以下であることが好ましい。
これにより、最も膜厚が厚く歪が蓄積されている第1導電型クラッド層中に適度に転位が導入されて第1導電型クラッド層を効率的に緩和することができる。
(5) The number of dislocation lines per unit length extending in the <1-100> direction in the first region of the mesa structure is preferably 4.5 lines/μm to 11 lines/μm inclusive. Also, the average spacing of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region of the mesa structure is preferably 1/100 atomic planes to 1/5000 atomic planes inclusive with respect to the (11-20) atomic plane.
This allows dislocations to be appropriately introduced into the first conductivity type cladding layer, which is the thickest and has accumulated strain, and the first conductivity type cladding layer can be efficiently relaxed.

(6)レーザダイオードのメサ構造の側面からの距離Lが15μm以上20μm未満の領域には、<1-100>方向および<11-20>方向に伸びる転位線が存在しない。
これにより、発光層の第2電極の下部に位置する領域に転位が導入されにくくなり、発振閾値電流の著しい低下を抑制することができる。
(7)レーザダイオードを平面視した場合における共振器ミラー端面同士の間の距離と、メサ構造の側面同士の間の距離との比が、5:1~500:1であることが好ましい。
これにより、閾値電圧および発振閾値電流と相関があるメサ構造の側面間の距離を適切に調整して閾値電圧および発振閾値電流を低下させることができる。
(6) In a region where the distance L from the side surface of the mesa structure of the laser diode is 15 μm or more and less than 20 μm, there are no dislocation lines extending in the <1-100> direction and the <11-20> direction.
This makes it difficult for dislocations to be introduced into the region of the light emitting layer located below the second electrode, making it possible to suppress a significant decrease in the oscillation threshold current.
(7) It is preferable that the ratio of the distance between the end faces of the resonator mirrors when the laser diode is viewed in a plan view to the distance between the side faces of the mesa structure is 5:1 to 500:1.
This makes it possible to appropriately adjust the distance between the side surfaces of the mesa structure, which is correlated with the threshold voltage and the oscillation threshold current, thereby lowering the threshold voltage and the oscillation threshold current.

(8)窒化物半導体基板は、AlN単結晶基板であることが好ましい。
これにより、基板と基板の上側に形成される窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくすることができ、安定性の高い窒化物半導体層を形成することができる。
(9)レーザダイオードは、第1導電型クラッド層と発光層との間に配置された第1導電型導波路層と、第2導電型クラッド層と発光層との間に配置された第2導電型導波路層と、を備えていることが好ましい。
これにより、発光層へ光を閉じ込める効果が向上し、発光効率が向上する。
(8) The nitride semiconductor substrate is preferably an AlN single crystal substrate.
This reduces the difference in lattice constant between the substrate and the nitride semiconductor layer formed on the substrate, and by growing the nitride semiconductor layer in a lattice-matched system, threading dislocations can be reduced, making it possible to form a highly stable nitride semiconductor layer.
(9) The laser diode preferably comprises a first conductivity type waveguide layer disposed between the first conductivity type cladding layer and the light emitting layer, and a second conductivity type waveguide layer disposed between the second conductivity type cladding layer and the light emitting layer.
This improves the effect of confining light in the light-emitting layer, thereby improving the luminous efficiency.

(10)レーザダイオードは、第2導電型クラッド層上に配置され、GaNを含む窒化物半導体で形成された第2導電型コンタクト層を備えることが好ましい。このとき、第2導電型クラッド層は、AlGa1-dN(0.1≦d≦1)を含み、窒化物半導体基板から遠ざかるにつれてAl組成eが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚が0.5μm未満である第2導電型縦伝導層と、AlGa1-fN(0<f≦1)を含む第2導電型横伝導層と、を有することが好ましい。
これにより、キャリアをより効率よく発光層へ注入して発光効率を向上させることができる。
(11)レーザダイオードは、第2導電型縦伝導層と第2導電型導波路層との間に配置され、AlGa1-gN(0<g≦1.0)で形成された中間層を備えることが好ましい。
これにより、第2導電型横伝導層および第2導電型コンタクト層を完全歪で形成させてキャリアの伝導率を向上させることができる。
(10) The laser diode preferably includes a second-conductivity-type contact layer disposed on the second-conductivity-type cladding layer and formed of a nitride semiconductor containing GaN. In this case, the second-conductivity-type cladding layer preferably includes a second-conductivity-type vertical conduction layer containing Al d Ga 1-d N (0.1≦d≦1) and having a composition gradient in which the Al composition e decreases with increasing distance from the nitride semiconductor substrate, the second-conductivity-type vertical conduction layer having a film thickness of less than 0.5 μm, and a second-conductivity-type lateral conduction layer containing Al f Ga 1-f N (0<f≦1).
This allows carriers to be more efficiently injected into the light emitting layer, improving the light emitting efficiency.
(11) The laser diode preferably comprises an intermediate layer disposed between the second conductivity type vertical conducting layer and the second conductivity type waveguide layer and formed of AlgGa1 -gN (0<g≦1.0).
This allows the second conductive type lateral conduction layer and the second conductive type contact layer to be formed with perfect strain, thereby improving the carrier conductivity.

(12)第2導電型縦伝導層の膜厚は、250nm以上450nm以下であることが好ましい。
これにより、発光層への光閉じ込め効果が向上するとともに、キャリア注入効果が向上し、レーザダイオードの発光効率が向上する。
(13)第2導電型縦伝導層のうちの第2導電型導波路層との界面を含む一部または全ての領域は、不純物がドープされていない領域であることが好ましい。
これにより、不純物の拡散を抑制してキャリアを効率的に発光層に注入することができ、発振効率を高めることができる。
(12) The thickness of the second conductivity type vertical conductive layer is preferably 250 nm or more and 450 nm or less.
This improves the effect of confining light in the light emitting layer and also improves the effect of injecting carriers, thereby improving the light emitting efficiency of the laser diode.
(13) It is preferable that a part or all of the region of the second conductivity type vertical conducting layer, including the interface with the second conductivity type waveguide layer, is a region that is not doped with impurities.
This makes it possible to suppress the diffusion of impurities and efficiently inject carriers into the light emitting layer, thereby improving the oscillation efficiency.

(14)第1導電型クラッド層は、AlGa1-aN(0.6<a≦0.8)で形成されており、第2導電型縦伝導層および第2導電型横伝導層は、基板に対して完全歪で形成されていることが好ましい。
第1導電型クラッド層をAlGa1-aN(0.6<a≦0.8)で形成することにより、第2導電型縦伝導層および第2導電型横伝導層を基板に対して完全歪で形成してキャリアの伝導率を向上させることができる。
(15)第2導電型横伝導層の第2導電型縦伝導層と対向する面におけるAl組成fは、第2導電型縦伝導層のAl組成eの最小値よりも大きいことが好ましい。
これにより、キャリアを横方向に拡散することができ、キャリアの注入効率を高めることができる。
(14) It is preferable that the first conductivity type cladding layer is made of Al a Ga 1-a N (0.6<a≦0.8), and the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type lateral conduction layer are formed with complete distortion with respect to the substrate.
By forming the first conductivity type cladding layer from Al a Ga 1-a N (0.6<a≦0.8), the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type lateral conduction layer are formed with perfect distortion relative to the substrate, thereby improving the carrier conductivity.
(15) The Al composition f of the second conductivity type lateral conduction layer at a surface facing the second conductivity type vertical conduction layer is preferably larger than the minimum value of the Al composition e of the second conductivity type vertical conduction layer.
This allows the carriers to be diffused in the lateral direction, and the carrier injection efficiency can be improved.

(16)レーザダイオードは、平面視において、第2導電型クラッド層上の、メサ構造の側面から5μm以上離れた領域に設けられた第2電極を備えていることが好ましい。
これにより、レーザダイオードは内部損失が生じず、発光効率を向上させることができる。
(17)メサ構造に形成された<1-100>方向に伸びる転位線は、第1領域内における第1導電型クラッド層中にのみ存在することが好ましい。
これにより、最も歪が蓄積されている第1導電型クラッド層中に転位線を導入することで半導体積層部の各層を効率的に緩和させることができる。
(16) The laser diode preferably includes a second electrode provided on the second conductivity type cladding layer in a region that is 5 μm or more away from a side surface of the mesa structure in a plan view.
This prevents internal loss in the laser diode, and improves the light emission efficiency.
(17) It is preferable that dislocation lines extending in the <1-100> direction formed in the mesa structure exist only in the first conductivity type cladding layer in the first region.
This allows the layers of the semiconductor laminate to be efficiently relaxed by introducing dislocation lines into the first conductivity type cladding layer where the most strain is accumulated.

以下、本開示の実施例及び比較例について説明する。 The following describes examples and comparative examples of this disclosure.

[実施例1]
基板として厚さ550μmの(0001)面AlN単結晶基板を用い、この基板に対して有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いてアニール処理を行った。アニール処理は、1300℃の環境下において、NH雰囲気中での5分間のアニールおよびH雰囲気中での5分間のアニールを1セットとして、2セットの処理を行った。
[Example 1]
A 550 μm thick (0001) AlN single crystal substrate was used as the substrate, and annealing was performed on this substrate using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus. The annealing was performed in two sets of annealing at 1300° C., with one set being annealing for 5 minutes in an NH 3 atmosphere and the other being annealing for 5 minutes in an H 2 atmosphere.

次に、基板上に、バッファ層としてホモエピタキシャル層であるAlN層を形成した。AlN層は、1200℃の環境下において500nmの厚さで形成した。このとき、III族元素原料ガスの供給レートと窒素原料ガスの供給レートとの比率(V/III比)は50とした。また、アニールを行ったチャンバーの真空度を50mbarとした。このときのAlN層の成長レートは0.5μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH)を用いた。 Next, an AlN layer, which is a homoepitaxial layer, was formed on the substrate as a buffer layer. The AlN layer was formed to a thickness of 500 nm in an environment at 1200° C. At this time, the ratio (V/III ratio) of the supply rate of the III group element source gas to the supply rate of the nitrogen source gas was set to 50. The degree of vacuum of the chamber in which the annealing was performed was set to 50 mbar. The growth rate of the AlN layer at this time was 0.5 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al source. Ammonia (NH 3 ) was used as the N source.

上述したように形成したAlN層上に、第1導電型クラッド層を形成した。第1導電型クラッド層は、Siをドーパント不純物として用いたn型AlGaN層(Al:70%、すなわちAl0.70Ga0.30N層)とした。第1導電型クラッド層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で350nmの厚さで形成した。このときの第1導電型クラッド層の成長レートは0.4μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH)を用いた。また、Si原料としてモノシラン(SiH)を用いた。 A first conductive cladding layer was formed on the AlN layer formed as described above. The first conductive cladding layer was an n-type AlGaN layer (Al: 70%, i.e., an Al 0.70 Ga 0.30 N layer) using Si as a dopant impurity. The first conductive cladding layer was formed to a thickness of 350 nm under the conditions of a temperature of 1080° C., a degree of vacuum of 50 mbar, and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the first conductive cladding layer at this time was 0.4 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material. Triethylgallium (TEGa) was used as the Ga raw material. Ammonia (NH 3 ) was used as the N raw material. Monosilane (SiH 4 ) was used as the Si raw material.

続いて、第1導電型クラッド層上に第1導電型導波路層であるn型導波路層を形成した。n型導波路層は、Siをドーパント不純物として用いたn型AlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。n型導波路層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で60nmの厚さで形成した。このときのn型導波路層の成長レートは0.35μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH)を用いた。 Next, an n-type waveguide layer, which is a first conductive type waveguide layer, was formed on the first conductive type cladding layer. The n-type waveguide layer was an n-type AlGaN layer (Al: 63%, i.e., an Al 0.63 Ga 0.37 N layer) using Si as a dopant impurity. The n-type waveguide layer was formed to a thickness of 60 nm under the conditions of a temperature of 1080° C., a degree of vacuum of 50 mbar, and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the n-type waveguide layer at this time was 0.35 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material. Triethylgallium (TEGa) was used as the Ga raw material. Ammonia (NH 3 ) was used as the N raw material.

続いて、n型導波路層上に発光層を形成した。発光層は、量子井戸層とバリア層とを3周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜して形成した。ここで、量子井戸層は、3.0nmの厚さを有するAlGaN層(Al:52%、すなわちAl0.52Ga0.48N層)とした。また、6.0nmの厚さを有するバリア層は、AlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。
発光層は、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。このときの量子井戸層の成長レートは0.18μm/hrであった。また、バリア層の成長レートは0.15μm/hrであった。
Next, an emission layer was formed on the n-type waveguide layer. The emission layer was formed to have a multiple quantum well structure in which quantum well layers and barrier layers were stacked three times. Here, the quantum well layer was an AlGaN layer (Al: 52%, i.e., an Al 0.52 Ga 0.48 N layer) having a thickness of 3.0 nm. The barrier layer was an AlGaN layer (Al: 63%, i.e., an Al 0.63 Ga 0.37 N layer) having a thickness of 6.0 nm.
The light-emitting layer was formed under conditions of a degree of vacuum of 50 mbar and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the quantum well layer was 0.18 μm/hr, and the growth rate of the barrier layer was 0.15 μm/hr.

続いて、発光層上に第2導電型導波路層であるp型導波路層を形成した。p型導波路層は、ドーパントを含まないAlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。p型導波路層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で60nmの厚さで形成した。このときのp型導波路層の成長レートは0.35μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。 Next, a p-type waveguide layer, which is a second conductive type waveguide layer, was formed on the light emitting layer. The p-type waveguide layer was an AlGaN layer (Al: 63%, i.e., an Al 0.63 Ga 0.37 N layer) containing no dopant. The p-type waveguide layer was formed to a thickness of 60 nm under the conditions of a temperature of 1080° C., a degree of vacuum of 50 mbar, and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the p-type waveguide layer at this time was 0.35 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material. Triethylgallium (TEGa) was used as the Ga raw material.

続いて、p型導波路層上に第2導電型クラッド層を形成した。第2導電型クラッド層は、第2導電型縦伝導層と、第2導電型横伝導層とを備える積層構造であり、Al組成比が傾斜するグレーデッド層である。第2導電型縦伝導層は、基板から遠ざかる方向にAl組成が分布をもち、Al=0.63から1.0まで変化する、層厚20nmのAlGaN層とした。また、第2導電型横伝導層は、基板から遠ざかる方向にAl組成が分布をもち、Al=1.0から0.7まで変化する、層厚320nmのp型AlGaN層とした。第2導電型クラッド層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。このときの第2導電型クラッド層の成長レートは0.3~0.5μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。 Next, a second conductive cladding layer was formed on the p-type waveguide layer. The second conductive cladding layer is a laminated structure including a second conductive vertical conductive layer and a second conductive horizontal conductive layer, and is a graded layer with a gradient Al composition ratio. The second conductive vertical conductive layer was an AlGaN layer having a thickness of 20 nm, in which the Al composition is distributed in the direction away from the substrate, varying from Al=0.63 to 1.0. The second conductive horizontal conductive layer was a p-type AlGaN layer having a thickness of 320 nm, in which the Al composition is distributed in the direction away from the substrate, varying from Al=1.0 to 0.7. The second conductive cladding layer was formed at a temperature of 1080°C, with a vacuum degree set to 50 mbar and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the second conductive cladding layer at this time was 0.3 to 0.5 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al source, and triethylgallium (TEGa) was used as the Ga source.

続いて、第2導電型クラッド層上に第2導電型コンタクト層であるp型コンタクト層を形成した。ここで、pコンタクト層は、AlGaN層とGaN層とにより形成した。AlGaN層は、Mgをドーパント不純物として用い、基板から遠ざかる方向にAl組成が分布をもち、Al=0.7から0.4まで変化する、層厚30nmのp型窒化物半導体層とした。また、GaN層は、10nmの厚さを有するGaN(すなわちAl:0%)で形成した。 Next, a p-type contact layer, which is a second conductive type contact layer, was formed on the second conductive type cladding layer. Here, the p-type contact layer was formed from an AlGaN layer and a GaN layer. The AlGaN layer was a p-type nitride semiconductor layer with a layer thickness of 30 nm, using Mg as a dopant impurity and with an Al composition distribution in the direction away from the substrate, varying from Al = 0.7 to 0.4. The GaN layer was formed from GaN (i.e. Al: 0%) with a thickness of 10 nm.

p型コンタクト層は、950℃の温度で、真空度を150mbarに設定し、V/III比を3650とした条件で形成した。このときのp型コンタクト層の成長レートは0.2μm/hrであった。 The p-type contact layer was formed at a temperature of 950°C, with a degree of vacuum set to 150 mbar and a V/III ratio of 3650. The growth rate of the p-type contact layer was 0.2 μm/hr.

以上のようにして、AlN基板上に、半導体積層部を形成した。この半導体積層部に対してXRDによる逆格子マッピング測定を実施したところ、半導体積層部はp型コンタクト層まで緩和のないシュードモルフィック成長をしていることが分かった。 In this way, a semiconductor multilayer was formed on an AlN substrate. When reciprocal lattice mapping measurements were performed on this semiconductor multilayer using XRD, it was found that the semiconductor multilayer had undergone pseudomorphic growth without relaxation up to the p-type contact layer.

上述したように形成された半導体積層部に対して、N雰囲気中、700℃で10分以上アニーリングを行うことによって、p型コンタクト層を更に低抵抗化した。ICPを用いてClおよびBClを含むガスによりドライエッチングを行うことによって、n型クラッド層を露出させた。n型クラッド層は、平面視で<1-100>方向に長い矩形の領域に形成した。このとき、ICPの条件は、アンテナ電力が320W、バイアス電力が30W、自動圧力調整(APC:Adaptive Pressure Control valve)が2Pa、プロセス圧力が600Paであり、ガス流量はClガスが20sccm、BClガスが5sccmであった。
形成されたメサ構造は<1-100>方向の長さが700μmあり、<11-20>方向の長さが40μmであった。ここで、メサ構造の<1-100>方向の長さは平面視における共振器ミラー端面同士の間の距離であり、<11-20>方向の長さはメサ構造の側面同士の間の距離である。
The semiconductor laminated portion formed as described above was annealed in an N2 atmosphere at 700°C for 10 minutes or more to further reduce the resistance of the p-type contact layer. The n-type cladding layer was exposed by dry etching with a gas containing Cl2 and BCl3 using an ICP. The n-type cladding layer was formed in a rectangular region long in the <1-100> direction in a plan view. At this time, the ICP conditions were an antenna power of 320 W, a bias power of 30 W, an automatic pressure adjustment (APC: Adaptive Pressure Control valve) of 2 Pa, a process pressure of 600 Pa, and a gas flow rate of 20 sccm for Cl2 gas and 5 sccm for BCl3 gas.
The formed mesa structure had a length of 700 μm in the <1-100> direction and a length of 40 μm in the <11-20> direction, where the length of the mesa structure in the <1-100> direction is the distance between the end faces of the resonator mirror in a plan view, and the length in the <11-20> direction is the distance between the side faces of the mesa structure.

メサ構造におけるp型コンタクト層上に、<1-100>方向に長い矩形状にNiおよびAuを順に成膜して電極金属領域を複数形成して第2電極とした。このとき、第2電極の幅は5μmであり、長さは600μm以上であった。また、メサ構造のn型クラッド層が露出した領域において、<1-100>方向に長い矩形状にV、Al、Ni、Ti及びAuを順に成膜して電極金属領域を複数形成して第1電極とした。さらに、電極金属領域内において、<11-20>方向に平行に複数回の劈開させることによって、基板をストライプ状に分割し、個片化されたレーザダイオードを形成した。最終的なメサ構造の<1-100>方向の長さは600μmであった。 On the p-type contact layer of the mesa structure, Ni and Au were sequentially deposited in a rectangular shape elongated in the <1-100> direction to form multiple electrode metal regions as second electrodes. At this time, the width of the second electrode was 5 μm and the length was 600 μm or more. In addition, in the region where the n-type cladding layer of the mesa structure was exposed, V, Al, Ni, Ti, and Au were sequentially deposited in a rectangular shape elongated in the <1-100> direction to form multiple electrode metal regions as first electrodes. Furthermore, within the electrode metal regions, the substrate was divided into stripes by cleaving multiple times parallel to the <11-20> direction to form individual laser diodes. The final length of the mesa structure in the <1-100> direction was 600 μm.

このようにして得られたレーザダイオードに対して電流注入による電流-端面発光強度測定を実施したところ、閾値電圧は9V、発振閾値電流は10kA/cmであった。
このレーザダイオードに対して平面TEM測定を実施したところ、メサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内における<1-100>方向に伸びる転位線の数は全部で66本であり、単位長さ当たりの転位線の数は7.3本/μmであった。このときの転位線の平均間隔は1/440原子面であった。また、<1-100>方向以外の方向に伸びる転位線の数は12本であり、<1-100>方向に伸びる転位線の方が多かった。また、転位線のバーガースベクトルは<11―20>方向の成分を有していた。また、第一領域は緩和していた。
さらに、メサ構造の側面からの距離Lが15μm以上20μm未満の領域には<1-100>方向および<11-20>方向に伸びる転位線が存在せず、またこの領域は緩和していなかった。
When a current-facet emission intensity measurement was carried out on the laser diode thus obtained by current injection, the threshold voltage was 9 V and the oscillation threshold current was 10 kA/cm 2 .
Plane TEM measurements of this laser diode showed that the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region, which had a distance L from the side surface of the mesa structure of less than 15 μm, was 66 in total, and the number of dislocation lines per unit length was 7.3/μm. The average spacing of the dislocation lines was 1/440 atomic planes. The number of dislocation lines extending in directions other than the <1-100> direction was 12, and the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction was greater. The Burgers vector of the dislocation lines had a component in the <11-20> direction. The first region was also relaxed.
Furthermore, in the region where the distance L from the side surface of the mesa structure is 15 μm or more and less than 20 μm, there are no dislocation lines extending in the <1-100> direction and the <11-20> direction, and this region is not relaxed.

[実施例2]
第1導電型クラッド層を露出させる際のICPの条件のうち、APCを1.5Paとした以外は実施例1と同様にして実施例2のレーザダイオードを形成した。
得られたレーザダイオードに対して電流注入による電流-端面発光強度測定を実施したところ、閾値電圧は9.2V、発振閾値電流は10.5kA/cmであった。
このレーザダイオードのメサ構造に対して平面TEM測定を実施したところ、メサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内における<1-100>方向に伸びる転位線の数は全部で80本であり、単位長さ当たりの転位線の数は8.9本/μmであった。このときの転位線の平均間隔は1/360原子面であった。また、<1-100>方向以外の方向に伸びる転位線の数は18本であり、<1-100>方向に伸びる転位線の方が多かった。また、転位線のバーガースベクトルは<11―20>方向の成分を有していた。また、第一領域は緩和していた。
さらに、メサ構造の側面からの距離Lが15μm以上20μm未満の領域においては<1-100>方向および<11-20>方向に伸びる転位線が存在せず、またこの領域は緩和していなかった。
[Example 2]
A laser diode of Example 2 was formed in the same manner as in Example 1, except that the APC was set to 1.5 Pa among the ICP conditions when exposing the first conductivity type cladding layer.
When the current-facet emission intensity of the obtained laser diode was measured by current injection, the threshold voltage was 9.2 V and the oscillation threshold current was 10.5 kA/cm 2 .
Plane TEM measurements were performed on the mesa structure of this laser diode, and the total number of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region, which had a distance L from the side surface of the mesa structure of less than 15 μm, was 80, and the number of dislocation lines per unit length was 8.9/μm. The average spacing of the dislocation lines was 1/360 atomic planes. The number of dislocation lines extending in directions other than the <1-100> direction was 18, and the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction was greater. The Burgers vector of the dislocation lines had a component in the <11-20> direction. The first region was relaxed.
Furthermore, in the region where the distance L from the side surface of the mesa structure is 15 μm or more and less than 20 μm, there are no dislocation lines extending in the <1-100> direction and the <11-20> direction, and this region is not relaxed.

[実施例3]
第1導電型クラッド層を露出させる際のICPの条件のうち、APCを0.75Paとし、ガス流量をClガス20sccmとした以外は実施例1と同様にして実施例3のレーザダイオードを形成した。
得られたレーザダイオードに対して電流注入による電流-端面発光強度測定を実施したところ、閾値電圧は9V、発振閾値電流は10.2kA/cmであった。
このレーザダイオードのメサ構造に対して平面TEM測定を実施したところ、メサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内における<1-100>方向に伸びる転位線の数は全部で100本であり、単位長さあたりの転位線の数は10.5本/μmであった。このときの転位線の平均間隔は1/290原子面であった。また、<1-100>方向以外の方向に伸びる転位線の数は15本であり、<1-100>方向に伸びる転位線の方が多かった。また、転位線のバーガースベクトルは<11―20>方向の成分を有していた。また、第一領域は緩和していた。
さらに、メサ構造の側面からの距離Lが15μm以上20μm未満の領域においては<1-100>方向および<11-20>方向に伸びる転位線が存在せず、またこの領域は緩和していなかった。
[Example 3]
A laser diode of Example 3 was formed in the same manner as in Example 1, except that, among the ICP conditions when exposing the first conductive type cladding layer, the APC was set to 0.75 Pa and the gas flow rate was set to 20 sccm of Cl 2 gas.
When a current-facet emission intensity measurement was carried out on the obtained laser diode by current injection, the threshold voltage was 9 V and the oscillation threshold current was 10.2 kA/cm 2 .
Plane TEM measurements were performed on the mesa structure of this laser diode, and the total number of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region, which had a distance L from the side surface of the mesa structure of less than 15 μm, was 100, and the number of dislocation lines per unit length was 10.5/μm. The average spacing of the dislocation lines was 1/290 atomic planes. The number of dislocation lines extending in directions other than the <1-100> direction was 15, and the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction was greater. The Burgers vector of the dislocation lines had a component in the <11-20> direction. The first region was relaxed.
Furthermore, in the region where the distance L from the side surface of the mesa structure is 15 μm or more and less than 20 μm, there are no dislocation lines extending in the <1-100> direction and the <11-20> direction, and this region is not relaxed.

[実施例4]
第1導電型クラッド層を露出させる際のICPのうち、ガス流量をClガス20sccm、BClガス5sccmに加えてSFガス5sccmとした以外は実施例1と同様にして実施例4のレーザダイオードを形成した。
得られたレーザダイオードに対して電流注入による電流-端面発光強度測定を実施したところ、閾値電圧は9.1V、発振閾値電流は10kA/cmであった。
このレーザダイオードのメサ構造に対して平面TEM測定を実施したところ、メサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内における<1-100>方向に伸びる転位線の数は全部で70本であり、単位長さ当たりの転位線の数は4.6本/μmであった。このときの転位線の平均間隔は1/700原子面であった。また、<1-100>方向以外の方向に伸びる転位線の数は12本であり、<1-100>方向に伸びる転位線の方が多かった。また、転位線のバーガースベクトルは<11―20>方向の成分を有していた。また、第一領域は緩和していた。
さらに、メサ構造の側面からの距離Lが15μm以上20μm未満の領域においては<1-100>方向および<11-20>方向に伸びる転位線が存在せず、またこの領域は緩和していなかった。
[Example 4]
A laser diode of Example 4 was formed in the same manner as in Example 1, except that the gas flow rates of the ICP used to expose the first conductive type cladding layer were 20 sccm of Cl2 gas, 5 sccm of BCl3 gas, and 5 sccm of SF6 gas.
When the current-facet emission intensity of the obtained laser diode was measured by current injection, the threshold voltage was 9.1 V and the oscillation threshold current was 10 kA/cm 2 .
Plane TEM measurements of the mesa structure of this laser diode revealed that the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region, which had a distance L from the side surface of the mesa structure of less than 15 μm, was 70 in total, and the number of dislocation lines per unit length was 4.6/μm. The average spacing of the dislocation lines was 1/700 atomic planes. The number of dislocation lines extending in directions other than the <1-100> direction was 12, and the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction was greater. The Burgers vector of the dislocation lines had a component in the <11-20> direction. The first region was relaxed.
Furthermore, in the region where the distance L from the side surface of the mesa structure is 15 μm or more and less than 20 μm, there are no dislocation lines extending in the <1-100> direction and the <11-20> direction, and this region is not relaxed.

[比較例1]
第1導電型クラッド層を露出させる際のICPの条件のうちが、アンテナ電力を150W、APCを1Paとし、ガス流量をClガス25sccmとした以外は実施例1と同様にして比較例1のレーザダイオードを形成した。
得られたレーザダイオードに対して電流注入による電流-端面発光強度測定を実施したところ、閾値電圧は10.5V、発振閾値電流は25kA/cmであった。
このレーザダイオードのメサ構造に対して平面TEM測定を実施したところ、メサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内における<1-100>方向に伸びる転位線の数は全部で82本であり、単位長さ当たりの転位線の数は9.1本/μmであった。このときの転位線の平均間隔は1/355原子面であった。また、<1-100>方向以外の方向に伸びる転位線の数は15本であり、<1-100>方向に伸びる転位線の方が多かった。また、転位線のバーガースベクトルは<11―20>方向の成分を有していた。また、第一領域は緩和していた。
さらに、メサ構造の側面からの距離Lが15μm以上20μm未満の領域における<1-100>方向に伸びる転位線の数は80本であり、<1-100>方向以外の方向に伸びる転位線の数は14本であった。また、この領域は緩和していた。
[Comparative Example 1]
A laser diode of Comparative Example 1 was formed in the same manner as in Example 1, except that the ICP conditions for exposing the first conductive type cladding layer were an antenna power of 150 W, an APC of 1 Pa, and a gas flow rate of Cl2 gas of 25 sccm.
When the current-facet emission intensity of the obtained laser diode was measured by current injection, the threshold voltage was 10.5 V and the oscillation threshold current was 25 kA/cm 2 .
Plane TEM measurements of the mesa structure of this laser diode revealed that the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region, which had a distance L from the side surface of the mesa structure of less than 15 μm, was 82 in total, and the number of dislocation lines per unit length was 9.1/μm. The average spacing of the dislocation lines was 1/355 atomic planes. The number of dislocation lines extending in directions other than the <1-100> direction was 15, and the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction was greater. The Burgers vector of the dislocation lines had a component in the <11-20> direction. The first region was relaxed.
Furthermore, in the region where the distance L from the side surface of the mesa structure was 15 μm or more and less than 20 μm, the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction was 80, and the number of dislocation lines extending in a direction other than the <1-100> direction was 14. In addition, this region was relaxed.

以下の表1に、各実施例及び比較例の評価結果を示す。 The evaluation results for each example and comparative example are shown in Table 1 below.

Figure 0007646147000001
Figure 0007646147000001

表1に示すように、メサ構造の側面からの距離Lが15μm以上20μm未満の領域において<1-100>方向および<11-20>方向に伸びる転位線が存在しない各実施例のレーザダイオードは、当該領域に転位線を有する比較例のレーザダイオードと比較して発振閾値が顕著に低下した。また、各実施例のレーザダイオードは、比較例のレーザダイオードと比較して閾値電圧も低下した。 As shown in Table 1, the laser diodes of the examples, which do not have dislocation lines extending in the <1-100> and <11-20> directions in the region where the distance L from the side of the mesa structure is 15 μm or more and less than 20 μm, have a significantly lower oscillation threshold than the laser diode of the comparative example, which has dislocation lines in the region. In addition, the laser diodes of the examples also have a lower threshold voltage than the laser diode of the comparative example.

また、第1領域における単位長さ当たりの<1-100>方向に伸びる転位線の数が7.5本/μm以下であり、当該転位線の平均間隔が(11-20)原子面に対して1/400原子面以上である実施例1および4のレーザダイオードは、実施例2,3のレーザダイオードと比較して発振閾値がより低下した。
以上から、メサ構造における転位線の形成位置と、転位線の形成数や平均間隔を適切に設定する必要があることがわかった。
Furthermore, the laser diodes of Examples 1 and 4, in which the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction per unit length in the first region was 7.5 lines/μm or less and the average spacing of the dislocation lines was 1/400 atomic planes or more relative to the (11-20) atomic plane, had a lower oscillation threshold than the laser diodes of Examples 2 and 3.
From the above, it was found that it is necessary to appropriately set the positions of dislocation lines in the mesa structure, as well as the number and average spacing of dislocation lines.

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the embodiments of the present disclosure have been described above, the technical scope of the present disclosure is not limited to the technical scope described in the above-mentioned embodiments. Various modifications or improvements can be made to the above-mentioned embodiments, and it is clear from the claims that forms incorporating such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present disclosure.

10 基板
20 半導体積層部
21 第1導電型クラッド層
22 発光層
23 第2導電型クラッド層
231 第2導電型縦伝導層
232 第2導電型横伝導層
24 第1導電型導波路層
25 第2導電型導波路層
26 第2導電型コンタクト層
27 中間層
31 第1電極
32 第2電極
201 第1導電型クラッド層を含むメサ構造
202 第1導電型クラッド層を含むメサ構造の第1領域
203 第1導電型クラッド層を含まないメサ構造(リッジ部)
L メサ構造の側面からの距離
SS メサ構造の側面
ES メサ構造の端面
10 Substrate 20 Semiconductor laminate 21 First conductivity type cladding layer 22 Light emitting layer 23 Second conductivity type cladding layer 231 Second conductivity type vertical conductive layer 232 Second conductivity type lateral conductive layer 24 First conductivity type waveguide layer 25 Second conductivity type waveguide layer 26 Second conductivity type contact layer 27 Intermediate layer 31 First electrode 32 Second electrode 201 Mesa structure including first conductivity type cladding layer 202 First region 203 of mesa structure including first conductivity type cladding layer Mesa structure not including first conductivity type cladding layer (ridge portion)
L: Distance from the side of the mesa structure SS: Side of the mesa structure ES: End surface of the mesa structure

Claims (16)

Alを含む窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に配置される半導体積層部と、
を備え、
前記半導体積層部は、
前記窒化物半導体基板上に配置され、第1導電型の窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層上に配置され、一つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体で形成された発光層と、
前記発光層上に配置され、第2導電型の窒化物半導体層を含む第2導電型クラッド層と、
を有し、
前記半導体積層部の少なくとも一部は、光共振および射出のためのメサ構造であり、
前記第1導電型クラッド層を含む前記メサ構造の側面からの距離Lが15μm未満の第1領域内においてのみ、前記窒化物半導体基板の結晶方位<1-100>方向に伸びる転位線を複数備える
レーザダイオード。
a nitride semiconductor substrate containing Al;
a semiconductor laminate portion disposed on the nitride semiconductor substrate;
Equipped with
The semiconductor laminate portion is
a first conductivity type cladding layer disposed on the nitride semiconductor substrate and including a first conductivity type nitride semiconductor layer;
a light emitting layer disposed on the first conductive type cladding layer and formed of a nitride semiconductor including one or more quantum wells;
a second conductivity type cladding layer disposed on the light emitting layer and including a second conductivity type nitride semiconductor layer;
having
At least a part of the semiconductor laminate has a mesa structure for optical resonance and emission,
The laser diode has a plurality of dislocation lines extending in the <1-100> crystal orientation of the nitride semiconductor substrate only in a first region having a distance L of less than 15 μm from a side surface of the mesa structure including the first conductivity type cladding layer.
前記メサ構造は、平面視において前記窒化物半導体基板の結晶面(1-100)面に平行なメサ端面を共振ミラー端面とする共振器を有し、前記<1-100>方向に光を射出する端面発光型レーザダイオードである
請求項1に記載のレーザダイオード。
2. The laser diode according to claim 1, wherein the mesa structure has a resonator in which a mesa end face parallel to a (1-100) crystal plane of the nitride semiconductor substrate in a plan view serves as a resonator mirror end face, and the laser diode is an edge-emitting laser diode that emits light in the <1-100> direction.
平面視における前記共振ミラー端面同士の間の距離と、前記メサ構造の前記側面同士の間の距離との比が、5:1~500:1であるThe ratio of the distance between the end faces of the resonator mirrors in a plan view to the distance between the side faces of the mesa structure is 5:1 to 500:1.
請求項2に記載のレーザダイオード。3. The laser diode of claim 2.
前記メサ構造は、平面視において長辺と短辺をそれぞれ有する矩形状であり、前記長辺が前記<1-100>方向に伸びるように配置されている
請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
4. The laser diode according to claim 1, wherein the mesa structure is rectangular in plan view having long and short sides, and the long sides are arranged to extend in the <1-100> direction.
前記第1領域内における単位長さ当たりの前記<1-100>方向に伸びる転位線の数が、4.5本/μm以上11本/μm以下である
請求項1からのいずれか一項に記載のレーザダイオード。
5. The laser diode according to claim 1, wherein the number of dislocation lines extending in the <1-100> direction per unit length in the first region is 4.5 lines/μm or more and 11 lines/μm or less.
前記第1領域内における前記<1-100>方向に伸びる転位線の平均間隔が、(11-20)原子面に対して、1/5000原子面以上1/100原子面以下である、
請求項1からのいずれか一項に記載のレーザダイオード。
The average spacing of dislocation lines extending in the <1-100> direction in the first region is 1/5000 atomic planes or more and 1/100 atomic planes or less with respect to the (11-20) atomic plane.
6. A laser diode according to claim 1.
前記メサ構造の前記側面からの距離Lが15μm以上20μm未満の領域には、<1-100>方向および<11-20>方向に伸びる転位線が存在しない
請求項1からのいずれか一項に記載のレーザダイオード。
7. The laser diode according to claim 1, wherein there are no dislocation lines extending in the <1-100> direction and the <11-20> direction in a region where the distance L from the side surface of the mesa structure is 15 μm or more and less than 20 μm.
前記窒化物半導体基板は、AlN単結晶基板である
請求項1からのいずれか一項に記載のレーザダイオード。
8. The laser diode according to claim 1, wherein the nitride semiconductor substrate is an AlN single crystal substrate.
前記第1導電型クラッド層と前記発光層との間に配置されて、前記発光層へ光を閉じ込める第1導電型導波路層と、
前記第2導電型クラッド層と前記発光層との間に配置されて、前記発光層へ光を閉じ込める第2導電型導波路層と、を備える、
請求項1からのいずれか一項に記載のレーザダイオード。
a first conductivity type waveguide layer disposed between the first conductivity type cladding layer and the light emitting layer to confine light to the light emitting layer;
a second conductive type waveguide layer disposed between the second conductive type cladding layer and the light emitting layer to confine light to the light emitting layer;
9. A laser diode according to any one of claims 1 to 8 .
前記第2導電型クラッド層上に配置され、GaNを含む窒化物半導体で形成された第2導電型コンタクト層を備え、
前記第2導電型クラッド層は、AlGa1-eN(0.1≦e≦1)を含み、前記窒化物半導体基板から遠ざかるにつれてAl組成eが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚が0.5μm未満である第2導電型縦伝導層と、AlGa1-fN(0<f≦1)を含む第2導電型横伝導層と、を有する、
請求項1からのいずれか一項に記載のレーザダイオード。
a second conductive type contact layer disposed on the second conductive type cladding layer and formed of a nitride semiconductor containing GaN;
The second conductivity type cladding layer includes a second conductivity type vertical conduction layer having a thickness of less than 0.5 μm, and a second conductivity type lateral conduction layer including Al f Ga 1 -f N (0<f≦1), the second conductivity type vertical conduction layer having a composition gradient in which the Al composition e decreases with increasing distance from the nitride semiconductor substrate.
10. A laser diode according to any one of claims 1 to 9 .
前記第2導電型クラッド層は、Al Ga 1-e N(0.1≦e≦1)を含み、前記窒化物半導体基板から遠ざかるにつれてAl組成eが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚が0.5μm未満である第2導電型縦伝導層と、Al Ga 1-f N(0<f≦1)を含む第2導電型横伝導層と、を有し、
前記第2導電型縦伝導層と前記第2導電型導波路層との間に配置され、AlGa1-gN(0<g≦1.0)で形成された中間層を備える、
請求項に記載のレーザダイオード。
the second conductivity type cladding layer includes a second conductivity type vertical conduction layer having a thickness of less than 0.5 μm, the second conductivity type vertical conduction layer including Al e Ga 1 - e N (0.1≦e≦1) and a composition gradient in which the Al composition e decreases with increasing distance from the nitride semiconductor substrate, and the second conductivity type cladding layer includes a second conductivity type lateral conduction layer including Al f Ga 1-f N (0<f≦1);
an intermediate layer disposed between the second conductive type vertical conductive layer and the second conductive type waveguide layer and made of AlgGa1 -gN (0<g≦1.0);
10. The laser diode of claim 9 .
前記第2導電型縦伝導層の膜厚は、250nm以上450nm以下である、
請求項11に記載のレーダイオード。
The second conductive type vertical conductive layer has a thickness of 250 nm or more and 450 nm or less.
12. The laser diode of claim 11 .
前記第2導電型縦伝導層のうちの前記第2導電型導波路層との界面を含む一部または全ての領域は、不純物がドープされていない領域である、
請求項11又は12に記載のレーザダイオード。
a part or all of a region of the second conductive type vertical conduction layer including an interface with the second conductive type waveguide layer is a region that is not doped with impurities;
13. A laser diode according to claim 11 or 12 .
前記第1導電型クラッド層は、AlaGa1-aN(0.6<a≦0.8)で形成されており、
前記第2導電型縦伝導層および前記第2導電型横伝導層は、前記窒化物半導体基板に対して完全歪で形成されている、
請求項10から13のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
the first conductive type cladding layer is made of AlaGa1-aN (0.6<a≦0.8),
the second conductive type vertical conduction layer and the second conductive type lateral conduction layer are formed with complete strain with respect to the nitride semiconductor substrate;
14. A laser diode according to any one of claims 10 to 13 .
前記第2導電型横伝導層の前記第2導電型縦伝導層と対向する面におけるAl組成fは、前記第2導電型縦伝導層の前記Al組成eの最小値よりも大きい、
請求項10から14のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
an Al composition f of the second conductive type lateral conduction layer at a surface facing the second conductive type vertical conduction layer is greater than a minimum value of the Al composition e of the second conductive type vertical conduction layer;
15. A laser diode according to any one of claims 10 to 14 .
平面視において、前記第2導電型クラッド層上の、前記メサ構造の前記側面から5μm以上離れた領域に設けられた第2電極と、
を備える
請求項1から15のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
a second electrode provided on the second conductive type cladding layer in a region spaced apart from the side surface of the mesa structure by 5 μm or more in a plan view;
16. The laser diode of claim 1 , comprising:
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