DE112021001720T5

DE112021001720T5 - Halbleiterlaserelement

Info

Publication number: DE112021001720T5
Application number: DE112021001720.9T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Nibu; Masao Kawaguchi; Hiroyuki HAGINO
Original assignee: Panasonic Holdings Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-12-29
Also published as: US20230119356A1; JPWO2021187543A1; CN115298918A; WO2021187543A1; JP7560540B2

Abstract

Ein Halbleiterlaserelement (10) enthält einen Steg (180) und umfasst: eine erste p-Typ-Hüllschicht (133); und eine zweite p-Typ-Hüllschicht (134), die auf der ersten p-Typ-Hüllschicht (133) angeordnet ist; wobei die erste p-Typ-Hüllschicht (133) eine Übergitterstruktur einer AlxGa1-xN-Schicht und einer AlyGa1-yN-Schicht (0 ≤ x < y ≤ 1) aufweist; wobei die zweite p-Typ-Hüllschicht (134) AlzGa1-zN (0 ≤ z < y) enthält; wobei die erste p-Typ-Hüllschicht (133) umfasst: einen flachen Teil (133a), auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht nicht angeordnet ist; und einen vorstehenden Teil (133b), der von dem flachen Teil (133a) nach oben vorsteht und auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht (134) angeordnet ist; wobei die Höhe des von dem flachen Teil (133a) vorstehenden Teils (133b) kleiner als die Dicke der ersten p-Typ-Hüllschicht (133) in dem flachen Teil (133a) ist.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserelement, das Stege enthält.
Die vorliegende Anmeldung ist eine Patentanmeldung gemäß Artikel 17 des Industrial Technology Enhancement Act basierend auf dem durch die New Energy and Industrial Technology Development Organization im Jahr 2016 ausgegebenen Forschungsauftrag „High-brightness and High-efficient Next Generation Laser Technology Development/New Light Source and Element Technology Development for Next-next-generation Processing/Development of GaN-based Highpower, High-beam Quality Semiconductor Lasers for High-efficiency Processing“.
[Stand der Technik]
Herkömmlicherweise werden Halbleiterlaserelemente mit darin enthaltenen Stegen verwendet. Ein Steg wird zum Beispiel durch das Ätzen einer Halbleitermehrschicht ausgebildet. Ein Beispiel für ein Halbleiterlaserelement, das eine Ätzstoppschicht für das Stoppen eines Ätzens an einer gewünschten Position enthält, ist ein in der Patentliteratur (PTL) 1 beschriebenes Halbleiterlaserelement.
Das in der PTL 1 beschriebene Halbleiterlaserelement ist ein Nitridhalbleiterlaserelement, das eine Hüllschicht und eine Isolierschicht, die nacheinander auf eine aktive Schicht gestapelt werden, enthält und weiterhin einen Steg enthält. Die Hüllschicht umfasst eine erste Hüllschicht und eine zweite Hüllschicht und eine Ätzstoppschicht, die zwischen diesen Schichten angeordnet ist. Dabei ist die Differenz zwischen dem Brechungsindex der Ätzstoppschicht und dem Brechungsindex der Isolierschicht bei der Wellenlänge des von der aktiven Schicht emittierten Laserlichts größer oder gleich 0 und kleiner oder gleich 0,4.
Um stabile Ausgabeeigenschaften in dem Halbleiterlaserelement, in dem die Ätzstoppschicht in der Hüllschicht angeordnet ist und der Steg wie weiter oben beschrieben vorgesehen ist, zu erhalten, muss Licht nicht nur in dem Bildungsbereich eines konvexen Teils des Stegs, sondern auch in einem nicht-Bildungsbereich, in dem kein konvexer Teil ausgebildet ist, beschränkt werden. Beispiele für die Ausgabeeigenschaften in dem Halbleiterlaserelement sind ein Knickpegel (ein Strompegel, bei dem sich die Ausgabeeigenschaften von Laserlicht in Bezug auf den Strom rasch ändern), der Spreizwinkel des Laserlichts in einer horizontalen Richtung und ähnliches. In dem Halbleiterlaserelement der PTL 1 ist die Differenz zwischen dem Brechungsindex der Ätzstoppschicht und dem Brechungsindex der Isolierschicht kleiner als oder gleich 0,4. Auf diese Weise wird die Lichtbeschränkung in der Ätzstoppschicht durch die Isolierschicht kompensiert, sodass ein Versuch des Erzielens einer Lichtbeschränkung nicht nur in dem Bildungsbereich des konvexen Teils, sondern auch in dem nicht-Bildungsbereich vorgenommen wird.
[Referenzliste]
[Patentliteratur]
PTL 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2006-108139
[Zusammenfassung der Erfindung]
[Problemstellung]
In dem Halbleiterlaserelement der PTL 1 wird ein Selektivitätsverhältnis (d.h. ein Verhältnis der Ätzrate von GaN zu der Ätzrate von AlGaN), das eine Differenz zwischen der Ätzrate einer als die Ätzstoppschicht verwendeten AlGaN-Schicht und der Ätzrate einer GaN-Schicht ist, für das Stoppen des Ätzens verwendet. In der AlGaN-Schicht wird eine Differenz der Ätzrate durch eine Differenz der Konzentration von AI veranlasst und wird also allgemein ein AlGaN mit einem hohen Al-Anteil für die Ätzstoppschicht verwendet. Wenn die AlGaN-Schicht mit einem hohen Al-Anteil als die Ätzstoppschicht verwendet wird, ist das Selektivitätsverhältnis hoch, sodass das Ätzen in der Ätzstoppschicht gestoppt wird. Jedoch weist die AlGaN-Schicht mit einem hohen Al-Anteil einen großen elektrischen Widerstand auf, wodurch eine Vergrößerung des Widerstands des Halbleiterlaserelements verursacht wird. Wenn dagegen ein AlGaN mit einem niedrigen Al-Anteil für die Ätzstoppschicht verwendet wird, ist das Selektivitätsverhältnis niedrig, sodass das Ätzen nicht ausreichend gestoppt wird.
Angesichts des vorstehend geschilderten Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterlaserelement vorzusehen, das eine Vergrößerung des Widerstands reduziert und ein Ätzen an einer gewünschten Position stoppen kann.
[Problemstellung]
Um das oben genannte Problem zu lösen, ist ein Halbleiterlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterlaserelement, das einen Steg enthält, wobei das Halbleiterlaserelement umfasst: eine erste p-Typ-Hüllschicht; und eine zweite p-Typ-Hüllschicht, die auf der ersten p-Typ-Hüllschicht angeordnet ist; wobei die erste p-Typ-Hüllschicht eine Übergitterstruktur aufweist, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1- _yN-Schichten alternierend gestapelt sind, wobei 0 ≤ x < y ≤ 1; wobei die zweite p-Typ-Hüllschicht Al_zGa_1-zN enthält, wobei 0 ≤ z < y; wobei die erste p-Typ-Hüllschicht umfasst: einen flachen Teil, auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht nicht angeordnet ist; und einen vorstehenden Teil, der von dem flachen Teil nach oben vorsteht und auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht angeordnet ist, wobei der Steg den vorstehenden Teil und die auf dem vorstehenden Teil angeordnete zweite p-Typ-Hüllschicht umfasst, und wobei die Höhe des von dem flachen Teil vorstehenden Teils kleiner ist als die Dicke der ersten p-Typ-Hüllschicht in dem flachen Teil.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Es kann ein Halbleiterlaserelement, das eine Vergrößerung des Widerstands reduziert und ein Ätzen an einer gewünschten Position stoppen kann, vorgesehen werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform 1 zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittansicht, die einen Halbleiterstapelschritt in einem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaserelements der Ausführungsform 1 zeigt.
3 ist eine schematische Querschnittansicht, die einen Maskenbildungsschritt in dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaserelements der Ausführungsform 1 zeigt.
4 ist eine schematische Querschnittansicht, die einen ersten Ätzschritt in dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaserelements der Ausführungsform 1 zeigt.
5 ist eine schematische Querschnittansicht, die einen zweiten Ätzschritt in dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaserelements der Ausführungsform 1 zeigt.
6 ist eine schematische Querschnittansicht, die einen Isolierschichtbildungsschritt in dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaserelements der Ausführungsform 1 zeigt.
7A ist eine schematische Querschnittansicht, die ein erstes Beispiel für die Form einer Stegseitenfläche und einer Ätzfläche, die durch ein Trockenätzen in einem Vergleichsbeispiel ausgebildet werden, zeigt.
7B ist eine schematische Querschnittansicht, die ein zweites Beispiel für die Form der Stegseitenfläche und der Ätzfläche, die durch das Trockenätzen in dem Vergleichsbeispiel ausgebildet werden, zeigt.
8 ist eine Querschnittansicht, die schematisch ein Beispiel für die Form einer Stegseitenfläche und einer Ätzfläche, die durch ein selektives Ätzen ausgebildet werden, zeigt.
9A ist eine schematische Querschnittansicht, die ein erstes Beispiel für die Form einer Stegseitenfläche in der Ausführungsform 1 zeigt.
9b ist eine schematische Querschnittansicht, die ein zweites Beispiel für die Form der Stegseitenfläche in der Ausführungsform 1 zeigt.
10 ist ein Kurvendiagramm, das die Abhängigkeit eines Selektivitätsverhältnisses zwischen GaN und AlGaN von der Konzentration von AI in AlGaN zeigt.
11 ist eine schematische Ansicht, die ein piezoelektrisches Feld, das an einer Übergitterstruktur mit einer GaN-Schicht und einer AlGaN-Schicht angelegt wird, zeigt.
12 ist ein Kurvendiagramm, das eine Differenz des Selektivitätsverhältnisses zwischen der Übergitterstruktur und dem Massen-AlGaN zeigt.
13 ist eine Querschnittansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform 2 zeigt.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind beispielhaft aufzufassen und schränken die Halbleiterlaserelemente gemäß der vorliegenden Erfindung nicht ein. Deshalb sind die in den Ausführungsformen gezeigten Werte, Formen, Materialien, Bestandteile, Anordnungen, Positionen und Verbindungsformen der Bestandteile beispielhaft aufzufassen und schränken die vorliegende Erfindung nicht ein.
Die Zeichnungen sind schematisch und nicht exakt. Die Maßstäbe der verschiedenen Zeichnungen stimmen nicht notwendigerweise miteinander überein. In den verschiedenen Zeichnungen werden im Wesentlichen gleiche Konfigurationen durch jeweils gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei im Folgenden auf eine wiederholte Beschreibung dieser Konfigurationen verzichtet wird oder diese vereinfacht erfolgt.
In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen wird auf eine über das Notwendige hinausgehende ausführliche Beschreibung verzichtet. Zum Beispiel kann auf eine ausführliche Beschreibung von wohlbekannten Tatsachen oder auf eine wiederholte Beschreibung von im Wesentlichen gleichen Konfigurationen verzichtet werden. Dadurch sollen unnötige Redundanzen vermieden werden und das Verständnis für den Fachmann vereinfacht werden.
In den folgenden Ausführungsformen geben die Angaben „nach oben“ und „nach unten“ nicht eine Richtung nach oben (vertikal nach oben) und eine Richtung nach unten (vertikal nach unten) in einem absoluten Sinn an. Die Angaben „nach oben“ und „nach unten“ werden nicht nur auf einen Fall, in dem zwei Bestandteile zueinander beabstandet sind und dazwischen ein weiterer Bestandteil angeordnet ist, sondern auch auf einen Fall, in dem zwei Bestandteile in Kontakt miteinander angeordnet sind, angewendet.
(Ausführungsform 1)
Im Folgenden wird ein Halbleiterlaserelement gemäß einer Ausführungsform 1 beschrieben.
[1-1. Gesamtkonfiguration]
Zuerst wird eine Gesamtkonfiguration des Halbleiterlaserelements gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittansicht, die die Gesamtkonfiguration eines Halbleiterlaserelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 1 zeigt einen Querschnitt senkrecht zu der Längsrichtung (d.h. der Richtung der Resonanz des Laserlichts) des in dem Halbleiterlaserelement 10 enthaltenen Stegs 180. Das Halbleiterlaserelement 10 von 1 ist ein Halbleiterlaserelement, das einen Steg 180 enthält. Das Halbleiterlaserelement 10 enthält vor allem ein Substrat 100, eine n-Typ-Halbleiterschicht 110, eine aktive Schicht 120, eine p-Typ-Halbleiterschicht 130, eine p-Typ-Kontaktschicht 140, eine Isolierschicht 150, eine p-Elektrode 160 und eine n-Elektrode 170.
Das Substrat 100 ist ein plattenförmiges Glied, das als die Basis des Halbleiterlaserelements 10 dient. In dieser Ausführungsform ist das Substrat 100 ein n-Typ-GaN-Substrat, das als ein Substrat für ein Epitaxialwachstum eines Gruppe-III-V-Nitridhalbleiters verwendet wird. Das Substrat 100 ist nicht auf das n-Typ-GaN-Substrat beschränkt und kann zum Beispiel auch ein Saphirsubstrat, ein SiC-Substrat oder ähnliches sein. Beispiele für ein Verfahren zum Durchführen eines Epitaxialwachstums auf dem Substrat 100 sind eine metallorganische chemische Dampfphasenabscheidung (nachfolgend als MOCVD angegeben) und ähnliches.
Eine n-Typ-Halbleiterschicht 110 ist ein Beispiel für eine Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die über dem Substrat 100 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ. Die n-Typ-Halbleiterschicht 110 umfasst eine n-Typ-Hüllschicht 111 und eine n-seitige Lichtführungsschicht 112. Die n-Typ-Halbleiterschicht 110 kann auch weitere Schichten zusätzlich zu dieser Schicht umfassen. Zum Beispiel kann die n-Typ-Halbleiterschicht 110 eine zwischen dem Substrat 100 und der n-Typ-Hüllschicht 111 angeordnete Pufferschicht oder ähnliches umfassen.
Die n-Typ-Hüllschicht 111 ist ein Beispiel für eine Hüllschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die über dem Substrat 100 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform enthält die n-Typ-Hüllschicht 111 zum Beispiel Al_0,05Ga_0,95N, das Si oder ähnliches als ein n-Typ-Dotierungsmittel enthält. Die Dicke der n-Typ-Hüllschicht 111 beträgt zum Beispiel 3000 nm. Die n-Typ-Hüllschicht 111 kann zum Beispiel eine Übergitterstruktur aufweisen, in der eine oder mehrere n-Typ-AIGaN-Schichten und eine oder mehrere n-Typ-GaN-Schichten alternierend gestapelt sind. Mit anderen Worten kann die n-Typ-Hüllschicht 111 eine Übergitterstruktur aufweisen, in der eine oder mehrere Mehrschichten gestapelt sind, wobei in jeder der einen oder der mehreren Mehrschichten eine n-Typ-AlGaN-Schicht und eine n-Typ-GaN-Schicht gestapelt sein können.
Die n-seitige Lichtführungsschicht 112 ist ein Beispiel für eine Erster-Leitfähigkeitstyp-seitige Lichtführungsschicht, die über der Hüllschicht des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist. In dieser Ausführungsform enthält die n-seitige Lichtführungsschicht 112 eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 250 nm und eine In_0,05Ga_0,95N-Schicht mit einer Dicke von 100 nm, die Si oder ähnliches als ein n-Typ-Dotierungsmittel enthalten und sequentiell von der Seite der n-Typ-Hüllschicht 111 gestapelt sind.
Die aktive Schicht 120 ist ein Beispiel für eine Lichtemissionsschicht, die über der Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist. In dieser Ausführungsform weist die aktive Schicht 120 eine einzelne Quantentopfstruktur, die InGaN enthält, auf. Mit anderen Worten enthält die aktive Schicht 120 zwei Grenzschichten und eine Topfschicht, die zwischen den zwei Grenzschichten angeordnet ist. Der In-Anteil der Topfschicht wird eingestellt, sodass die Wellenlänge des durch das Halbleiterlaserelement 10 emittierten Laserlichts in einem Bereich von ungefähr 400 nm oder mehr und 460 nm oder weniger eingestellt werden kann. In dieser Ausführungsform ist die Topschicht eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 8 nm und ist die Grenzschicht eine In_0,03Ga_0,97N-Schicht mit einer Dicke von 15 nm. Die aktive Schicht 120 kann eine Quantentopfstruktur aufweisen, in der eine Vielzahl von Grenzschichten und eine Vielzahl von Topfschichten alternierend gestapelt sind. Mit anderen Worten kann die aktive Schicht 120 eine Quantentopfstruktur aufweisen, in der jede aus einer Vielzahl von Topfschichten zwischen zwei benachbarten Grenzschichten aus einer Vielzahl von Grenzschichten angeordnet ist.
Die p-Typ-Halbleiterschicht 130 ist ein Beispiel für eine Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die über der aktiven Schicht 120 angeordnet ist. Der zweite Leitfähigkeitstyp ist ein Leitfähigkeitstyp, der von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist, und ist in dieser Ausführungsform ein p-Typ. In dieser Ausführungsform enthält die p-Typ-Halbleiterschicht 130 eine p-seitige Lichtführungsschicht 131, eine p-Typ-Überflusssteuerschicht (nachfolgend als p-Typ-OFS-Schicht bezeichnet) 132, eine erste p-Typ-Hüllschicht 133, eine zweite p-Typ-Hüllschicht 134 und eine dritte p-Typ-Hüllschicht 135.
Die p-Typ-Lichtführungsschicht 131 ist ein Beispiel für eine Zweiter-Leitfähigkeitstyp-seitige Lichtführungsschicht, die über der aktiven Schicht 120 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform enthält die p-seitige Lichtführungsschicht 131 eine In_0,05Ga_0,95N-Schicht mit einer Dicke von 70 nm und eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 15 nm, die Mg oder ähnliches als ein p-Typ-Dotierungsmittel enthalten und sequentiell von der Seite der aktiven Schicht 120 gestapelt sind.
Die p-Typ-OFS-Schicht 132 ist eine Überflusssteuerschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die über der aktiven Schicht 120 angeordnet ist, um ein Lecken von Trägern von der aktiven Schicht 120 zu reduzieren. In dieser Ausführungsform ist die p-Typ-OFS-Schicht 132 eine Schicht, die über der p-seitigen Lichtführungsschicht 131 angeordnet ist, um ein Lecken von Elektronen von der aktiven Schicht zu reduzieren, und ist eine Al_0,4Ga_0,6N-Schicht, die Mg oder ähnliches als ein p-Typ-Dotierungsmittel enthält und eine Dicke von 5 nm aufweist.
Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 ist ein Beispiel für eine erste Hüllschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die über der aktiven Schicht 120 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist die erste p-Typ-Hüllschicht 133 über der p-Typ-OFS-Schicht 132 angeordnet. Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 weist eine Übergitterstruktur auf, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten (0 ≤ x < y ≤ 1) alternierend gestapelt sind. Mit anderen Worten weist die erste p-Typ-Hüllschicht 133 eine Übergitterstruktur auf, in der eine oder mehrere Mehrschichten gestapelt sind, wobei in jeder der einen oder der mehreren Mehrschichten eine p-Typ-Al_xGa_1- _xN-Schicht und eine p-Typ-Al_yGa_1-yN-Schicht (0 ≤ x < y ≤ 1) gestapelt sind. Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 kann eine Übergitterstruktur aufweisen, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten (0 ≤ x < y ≤ 0,5) alternierend gestapelt sind. Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 kann eine Übergitterstruktur aufweisen, in der eine oder mehrere Al_xGa_1- _xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten (0 ≤ x < y ≤ 0,2) alternierend gestapelt sind. Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 kann eine Übergitterstruktur aufweisen, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten (0 ≤ x < y ≤ 0,1) alternierend gestapelt sind. In dieser Ausführungsform weist die erste p-Typ-Hüllschicht 133 eine Übergitterstruktur auf, in der 10 GaN-Schichten mit einer Dicke von 3 nm und 10 Al_0,05Ga_0,95N-Schichten mit einer Dicke von 3 nm alternierend gestapelt sind, und enthält Mg oder ähnliches als ein p-Typ-Dotierungsmittel.
Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 umfasst: einen flachen Teil 133a, auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 nicht angeordnet ist; und einen vorstehenden Teil 133b, der von dem flachen Teil 133a nach oben vorsteht und auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 angeordnet ist. Die Höhe des von dem flachen Teil 133a vorstehenden Teils 133b ist kleiner als die Dicke der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 in dem flachen Teil 133a. In dieser Ausführungsform ist die Höhe des von dem flachen Teil 133a vorstehenden Teils 133b der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 kleiner als oder gleich der Dicke des periodischen Films der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht 133. Eine zuoberst in der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 gestapelte Schicht liegt zu der obersten Fläche des flachen Teils 133a hin frei. Insbesondere ist die Höhe des von dem flachen Teil 133a vorstehenden Teils 133b größer als 0 nm und kleiner als 3 nm. Die Dicke der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 in dem flachen Teil 133a ist größer als 57 nm und kleiner als 60 nm. Der vorstehende Teil 133b ist in dem Steg 180 enthalten.
Die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 ist ein Beispiel für eine zweite Hüllschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Hüllschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist. Die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 ist in dem Steg 180 enthalten. Die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 enthält Al_zGa_1-zN (0 ≤ z < y). In dieser Ausführungsform ist die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 als eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 100 nm ausgebildet und enthält Mg oder ähnliches als ein p-Typ-Dotierungsmittel. Die Konzentration von Mg oder ähnlichem, das als ein p-Typ-Dotierungsmittel in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 enthalten ist, kann höher sein als die Konzentration von Mg oder ähnlichen, das als ein p-Typ-Dotierungsmittel in der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 enthalten ist. Die Dicke der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 kann kleiner sein als diejenige der dritten p-Typ-Hüllschicht 135, die weiter unten beschrieben wird. Auf diese Weise kann eine Lichtbeschränkung ausreichend sichergestellt werden.
Die dritte p-Typ-Hüllschicht 135 ist ein Beispiel für eine dritte Hüllschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der zweiten Hüllschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist. Die dritte p-Typ-Hüllschicht 135 ist in dem Steg 180 enthalten. In dieser Ausführungsform ist die dritte p-Typ-Hüllschicht 135 auf der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 angeordnet. Die dritte p-Typ-Hüllschicht 135 weist eine Übergitterstruktur auf, in der eine oder mehrere Al_vGa_1-vN-Schichten und eine oder mehrere Al_wGa_1-wN-Schichten (0 ≤ v < w ≤ 1) alternierend gestapelt sind. In dieser Ausführungsform weist die dritte p-Typ-Hüllschicht 135 eine Übergitterstruktur auf, in der 100 GaN-Schichten mit einer Dicke von 3 nm und 100 Al_0,05Ga_0,95N-Schichten mit einer Dicke von 3 nm alternierend gestapelt sind, und enthält Mg oder ähnliches als ein p-Typ-Dotierungsmittel.
Die p-Typ-Kontaktschicht 140 ist ein Beispiel für eine Kontaktschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist und in einem Ohmschen Kontakt mit einer Seitenelektrode des zweiten Leitfähigkeitstyps ist. In dieser Ausführungsform ist die p-Typ-Kontaktschicht 140 eine Kontaktschicht, die auf der dritten p-Typ-Hüllschicht 135 angeordnet ist und in einem Ohmschen Kontakt mit der p-Elektrode 160 ist. Die p-Typ-Kontaktschicht 140 ist in dem Steg 180 enthalten. In dieser Ausführungsform ist die p-Typ-Kontaktschicht 140 eine GaN-Schicht, die Mg oder ähnliches als ein p-Typ-Dotierungsmittel enthält und eine Dicke von 50 nm aufweist.
Die Isolierschicht 150 ist ein isolierendes Glied, das zwischen der p-Typ-Halbleiterschicht 130 und der p-Elektrode 160 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist die Isolierschicht 150 an der Seitenfläche des Stegs 180 und an der oberen Fläche des flachen Teils 133a der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 und nicht auf der oberen Fläche des Stegs 180 (d.h. auf der oberen Fläche der p-Typ-Kontaktschicht 140) angeordnet. Die Isolierschicht 150 kann auf einem Teil der oberen Fläche des Stegs 180 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform enthält die Isolierschicht 150 SiO₂. Die Isolierschicht 150 kann auch ein anderes Material als SiO₂ und zum Beispiel SiN, Ta₂O₅, TiO₂ oder NbO₅ enthalten. Die Isolierschicht 150 kann ein Mehrschichtfilm sein, in dem Isolierfilme dieser Materialien gestapelt sind.
Wie in 1 gezeigt, enthält der Steg 180 einen vorstehenden Teil 133b und eine zweite p-Typ-Hüllschicht 134, die an dem vorstehenden Teil 133b angeordnet ist. In dieser Ausführungsform enthält der Steg 180 weiterhin eine dritte p-Typ-Hüllschicht 135 und eine p-Typ-Kontaktschicht 140. Zum Beispiel wird der Steg 180 durch Trockenätzen oder ähnliches ausgebildet, sodass Teile der ersten p-Typ-Hüllschicht 133, der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134, der dritten p-Typ-Hüllschicht 135 und der p-Typ-Kontaktschicht 140, die auf dem Substrat 100 gestapelt sind, entfernt werden.
Die p-Elektrode 160 ist ein Beispiel für eine Seitenelektrode des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Kontaktschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist und in einem Ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist. In dieser Ausführungsform ist die p-Elektrode 160 auf der p-Typ-Kontaktschicht 140 und der Isolierschicht 150 angeordnet. Die p-Elektrode 160 ist aus einem leitenden Material wie etwa Al, Pd, Ti, Pt oder Au ausgebildet.
Die n-Elektrode 170 ist ein Beispiel für eine Seitenelektrode des ersten Leitfähigkeitstyps, die an der unteren Fläche des Substrats 100 (d.h. an einer der Hauptflächen des Substrats 100, auf der die Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps nicht gestapelt ist) angeordnet ist. Die n-Elektrode 170 ist aus einem leitenden Material wie etwa Al, Pd, Ti, Pt oder Au ausgebildet.
[1-2. Herstellungsverfahren]
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaserelements 10 gemäß dieser Ausführungsform mit Bezug auf 2 bis 6 beschrieben. 2 bis 6 sind schematische Querschnittansichten, die Schritte in dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaserelements 10 gemäß dieser Ausführungsform zeigen. 2 bis 6 zeigen Querschnitte senkrecht zu der Längsrichtung (d.h. der Richtung der Resonanz des Laserlichts) des Stegs 180 in dem Halbleiterlaserelement 10.
Wie in 2 gezeigt, werden auf dem Substrat 100 eine n-Typ-Halbleiterschicht 110, eine aktive Schicht 120, eine p-Typ-Halbleiterschicht 130 und eine p-Typ-Kontaktschicht 140 in dieser Reihenfolge durch die MOCVD oder ähnliches gestapelt, sodass eine Halbleitermehrschicht ausgebildet wird.
Dann wird wie in 3 gezeigt eine Maske 200 auf der in dem vorausgehenden Schritt ausgebildeten Halbleitermehrschicht ausgebildet. Insbesondere wird ein Film aus SiO₂ durch eine chemische Dampfphasenabscheidung oder ähnliches auf der obersten Fläche der Halbleitermehrschicht (d.h. auf der oberen Fläche der p-Typ-Kontaktschicht 140) ausgebildet und wird die Maske 200 wie in 3 gezeigt durch eine Fotolithografie ausgebildet. Die Maske 200 wird an einer Position in Entsprechung zu dem Steg 180 des Halbleiterlaserelements 10 ausgebildet.
Dann wird wie in 4 gezeigt der nicht durch die Maske 200 bedeckte Bereich der Halbleitermehrschicht geätzt. Insbesondere wird zum Beispiel ein Chlor-basiertes Gas wie etwa Cl₂ oder SiCl_a verwendet, sodass ein Trockenätzen von der oberen Fläche der p-Typ-Kontaktschicht 140 teilweise durch die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 durchgeführt wird. Dabei wird zum Beispiel durch eine Filmdickenüberwachung unter Verwendung eines optischen Interferometers oder einer Zeitberechnung aus einer Ätzrate die Tiefe des Trockenätzens gesteuert und wird auf diese Weise das Trockenätzen halbwegs in der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 gestoppt.
Dann wird wie in 5 gezeigt der nicht durch die Maske 200 bedeckte Bereich der Halbleitermehrschicht weiter geätzt, sodass der Steg 180 ausgebildet wird. Insbesondere wird ein Chlor-basiertes Gas, zu dem einige wenige Prozent Sauerstoff hinzugefügt werden, für das Durchführen des Trockenätzens verwendet, wobei ein Bereich bis zu der oberen Fläche der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 von halbwegs in der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 entfernt wird. Weil dabei die Ätzrate der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 niedriger als diejenige der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 ist, kann das Ätzen einfach um die obere Fläche der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 herum gestoppt werden. Zum Beispiel beträgt in einer AlGaN-Massenschicht mit einem durchschnittlichen Al-Anteil von 2,5% (d.h. einer gleichmäßig aus AlGaN ausgebildeten Schicht) das Selektivitätsverhältnis relativ zu einer GaN-Schicht ungefähr 5,5 unter den oben beschriebenen Ätzbedingungen. Dagegen beträgt in einer Übergitterschicht, die eine Übergitterstruktur mit einer GaN-Schicht und einer AlGaN-Schicht und einen durchschnittlichen Al-Anteil von 2,5% aufweist, das Selektivitätsverhältnis relativ zu der GaN-Schicht ungefähr 8,5 unter den oben beschriebenen Ätzbedingungen. Wie weiter oben beschrieben, weist von den Schichten mit dem gleichen durchschnittlichen Al-Anteil die Übergitterschicht eine niedrigere Ätzrate als die Massenschicht auf. Details des Ätzens in dieser Ausführungsform werden weiter unten beschrieben.
Wie weiter oben beschrieben, wird das Selektivitätsverhältnis zwischen der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 und der zweiten p-Typ-Hüllschicht 14 verwendet, sodass das Ätzen in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 gestoppt werden kann. Es ist jedoch schwierig, das Ätzen an der oberen Fläche der ersten p-Typ-Schicht 133 zu stoppen, ohne die erste p-Typ-Hüllschicht 133 überhaupt zu ätzen. Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 wird geringfügig geätzt, sodass die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 in dem Bereich, in dem die Maske 200 nicht ausgebildet ist, vollständig entfernt wird. Auf diese Weise werden wie in 5 gezeigt in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 der flache Teil 133a und der vorstehende Teil 133b ausgebildet. Die Höhe des von dem flachen Teil 133a vorstehenden Teils 133b ist kleiner als die Dicke der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 in dem flachen Teil 133a. Wie weiter oben beschrieben, kann die Position der obersten Fläche in dem flachen Teil in einer Stapelrichtung genau auf innerhalb eines oberen Teils der ersten p-Typ-Hüllschicht gesteuert werden. Also auch wenn zum Beispiel eine Vielzahl von Halbleiterlaserelementen 10 gleichzeitig durch das Ausbilden von Halbleiterschichten und Elektroden an einem Halbleiterwafer hergestellt werden, können die Eigenschaften der Halbleiterlaserelemente 10 gleichmäßig vorgesehen werden. In dieser Ausführungsform ist die Höhe des von dem flachen Teil 133a vorstehenden Teils 133b kleiner oder gleich der Dicke des periodischen Films der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht 133. Die Schicht, die als oberste der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 gestapelt wird, liegt zu der obersten Fläche des flachen Teils 133a frei. Auf diese Weise wird die Position der obersten Fläche des flachen Teils in der Stapelrichtung auf kleiner als oder gleich der Dicke des periodischen Films der Übergitterstruktur gesteuert, sodass die Position der obersten Fläche des flachen Teils des Halbleiterlaserelements in der Stapelrichtung genauer gesteuert werden kann.
Dann wird wie in 6 gezeigt die Isolierschicht 150 ausgebildet. In dieser Ausführungsform wird die Isolierschicht 150 auf der Seitenfläche des Stegs 180 und auf der oberen Fläche des flachen Teils 133a der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 zum Beispiel durch eine chemische Dampfphasenabscheidung und eine Fotolithografie ausgebildet.
Dann werden die p-Elektrode 160 und die n-Elektrode 170 ausgebildet. Wie in 1 gezeigt, wird die p-Elektrode 160 auf der p-Typ-Kontaktschicht 140 und auf der Isolierschicht 150 ausgebildet und wird die n-Elektrode 170 auf der unteren Fläche des Substrats 100 ausgebildet. Die p-Elektrode 160 und die n-Elektrode 170 werden zum Beispiel durch eine Vakuumabscheidung, eine Lift-off-Methode und ähnliches ausgebildet.
Auf diese Weise kann das Halbleiterlaserelement 10 hergestellt werden.
[1-3 Ätzen]
Das für das Ausbilden des Stegs 180 des Halbleiterlaserelements 10 gemäß dieser Ausführungsform durchgeführte Ätzen wird im Folgenden im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel beschrieben. Zuerst wird ein Trockenätzen in dem Vergleichsbeispiel, das kein wahlweises Ätzen ist, mit Bezug auf 7A und 7B beschrieben. 7A und 7B sind jeweils schematische Querschnittansichten, die erste und zweite Beispiele der Form der Stegseitenfläche 300 und der Ätzfläche 310, die durch das Trockenätzen in dem Vergleichsbeispiel ausgebildet werden, zeigen. 7A und 7B zeigen Querschnitte senkrecht zu der Längsrichtung (d.h. der Richtung der Resonanz des Laserlichts) des Stegs.
Wenn das selektive Ätzen nicht verwendet wird, kann bei dem Ausbilden des Stegs eine Grenze zwischen der Stegseitenfläche 300 und der Ätzfläche 310 mit der in 7A oder 7B gezeigten Form in Abhängigkeit von den Bedingungen des Trockenätzens ausgebildet werden. In einem in 7A gezeigten Beispiel wird an der Grenze zwischen der Ätzfläche 310 und der Steigseitenfläche 300 ein sanfter Schrägteil 300a, der die Form einer sanften Schräge (d.h. eine runde Form) aufweist, ausgebildet. In Nachbarschaft zu der Grenze zwischen der Ätzfläche 310 und der Stegseitenfläche 300, wo der sanfte Schrägteil 300a ausgebildet wird, wird ein durch das Ätzen erzeugtes Reaktionsprodukt einfach abgeschieden. Dieses Reaktionsprodukt behindert das Ätzen für das Ausbilden des sanften Schrägteils 300a.
In einem in 7B gezeigten Beispiel wird an der Grenze zwischen der Ätzfläche 310 und der Stegseitenfläche 300 eine Nut (d.h. ein Subgraben) 300b ausgebildet. Ein entlang der Stegseitenfläche 300 geführtes Ätzgas wird auf die Ätzfläche 310 gesprüht, sodass ein lokaler Teil übermäßig geätzt wird und dadurch die Nut 300b ausgebildet wird.
Weiterhin wird ein Fall, in dem das selektive Ätzen wie in dem Schritt zum Ausbilden des Stegs 180 dieser Ausführungsform durchgeführt wird, mit Bezug auf 8 beschrieben. 8 ist eine Querschnittansicht, die schematisch ein Beispiel für die Form der Stegseitenfläche 300 und der Ätzfläche 310, die durch das selektive Ätzen ausgebildet werden, zeigt. 8 zeigt einen Querschnitt senkrecht zu der Längsrichtung (d.h. der Richtung der Resonanz des Laserlichts) des Stegs. Wie in 8 gezeigt, werden bei dem selektiven Ätzen eine Schicht mit einer hohen Ätzrate und eine Schicht mit einer niedrigen Ätzrate gestapelt, sodass die oben für das Vergleichsbeispiel beschriebene Tendenz (d.h. eine Tendenz zum Bilden eines sanften Schrägteils 300a oder einer Nut 300b) unterdrückt wird. Deshalb kommt die Form der Stegseitenfläche 300 und der Ätzfläche 310 der in 8 gezeigten Form nahe. Dadurch wird die durch das Trockenätzen ausgebildete Form des Stegs 180 vereinfacht, sodass ein Entwurf unter Verwendung einer Simulation oder ähnliches einfach durchgeführt werden kann. Es wird also ein Fehler zwischen der tatsächlich ausgebildeten Form des Stegs 180 und einer Entwurfsform unterdrückt.
Wenn das selektive Ätzen verwendet wird, kann die Form der Seitenfläche des Stegs 180 durch eine Änderung der Ätzrate geändert werden. Die Form der Seitenfläche des Stegs 180, wenn das selektive Ätzen verwendet wird, wird im Folgenden mit Bezug auf 9A und 9B beschrieben. 9A und 9B sind jeweils schematische Querschnittansichten, die erste und zweite Beispiele für die Form der Seitenfläche des Stegs 180 in dieser Ausführungsform zeigen. 9A und 9B zeigen Querschnitte senkrecht zu der Längsrichtung (d.h. der Richtung der Resonanz des Laserlichts) des Stegs. In 9A und 9B sind der flache Teil 133a und der vorstehende Teil 133b der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 nicht gezeigt.
Wie in 9A und 9B gezeigt, kann die Neigung der Seitenfläche 134s der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 in der Seitenfläche des Stegs 180 in Entsprechung zu der durch das selektive Ätzen veranlassten Änderung der Ätzrate geändert werden. In Abhängigkeit von den Bedingungen des Trockenätzens kann die Neigung der Seitenfläche 134s der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 vergrößert (siehe 9A) oder verkleinert (siehe 9B) werden.
Unter den Ätzbedingungen dieser Ausführungsform ist die Änderung der Ätzrate relativ zu der Konzentration von AI klein, sodass das Ätzselektivitätsverhältnis von GaN zu AlGaN ungefähr 1,0 bis 1,5 beträgt. Jedoch wird in einer AlGaN-Schicht eine Übergitterstruktur mit einer GaN-Schicht und einer AlGaN-Schicht verwendet, wodurch die Ätzrate verringert werden kann. Mit anderen Worten kann das Selektivitätsverhältnis zwischen der GaN-Schicht und der AlGaN-Schicht vergrößert werden.
Eine Verbesserung des Selektivitätsverhältnisses unter Verwendung der Übergitterstruktur wird durch die folgenden zwei Effekte ermöglicht: (1) die Diffusion von AI in die GaN-Schicht in der Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der AlGaN-Schicht; und (2) ein piezoelektrisches Feld, das an der GaN-Schicht in der Übergitterstruktur angelegt wird. Die Verbesserung des Selektivitätsverhältnisses unter Verwendung der Übergitterstruktur wird im Folgenden mit Bezug auf 10 bis 12 näher beschrieben. 10 ist ein Kurvendiagramm, das die Abhängigkeit des Selektivitätsverhältnisses zwischen GaN und AlGaN von der Konzentration von AI in AlGaN zeigt. Die horizontale Achse des Kurvendiagramms in 10 gibt die Konzentration von AI in AlGaN wieder, und die vertikale Achse gibt ein Selektivitätsverhältnis von GaN zu der Massen-AlGaN unter Ätzbedingungen bei einer Verwendung von Chlor-basiertem Gas mit hinzugefügtem Sauerstoff wieder.
Wenn wie in 10 gezeigt die Konzentration von AI größer als oder gleich ungefähr 2,5% ist, wird das Selektivitätsverhältnis linear mit der Konzentration von AI erhöht. Und wenn die Konzentration von AI gleich 0% ist, d.h. wenn nur GaN verwendet wird, weist das Selektivitätsverhältnis nicht die oben beschriebene lineare Tendenz auf. Die oben beschriebene Eigenschaft des Selektivitätsverhältnisses trägt dazu bei, dass, wenn GaN nur einen kleinen Anteil von AI enthält, das Ätzen durch ein als Nebenprodukt erzeugtes Aluminiumoxid behindert wird, wodurch die Ätzrate vermindert wird.
Wenn die Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der AlGaN-Schicht ausgebildet wird, wird das in der AlGaN-Schicht der Übergitterstruktur enthaltene AI durch Wärme in die GaN-Schicht diffundiert. Deshalb ist auch eine Spurenmenge von AI in der GaN-Schciht in der Übergitterstruktur enthalten, sodass die Ätzrate im Vergleich zu der GaN-Schicht, die kein AI enthält, vermindert ist. Deshalb ist in der Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der AlGaN-Schicht das Selektivitätsverhältnis erhöht.
In der Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der AlGaNSchicht wird eine Verzerrung durch eine Gitterkonstanten-Fehlübereinstimmung zwischen der GaN-Schicht und der AlGaN-Schicht verursacht. Durch eine durch diese Verzerrung verursachte piezoelektrische Polarisierung wird ein periodisches piezoelektrisches Feld erzeugt. Das oben genannte piezoelektrische Feld wird im Folgenden mit Bezug auf 11 beschrieben. 11 ist eine schematische Ansicht, die das an der Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der AlGaN-Schicht angelegte piezoelektrische Feld zeigt. In 11 wird die Richtung des piezoelektrischen Felds durch die Pfeile 520 angegeben und wird die Richtung eines elektrischen Vorspannungsfelds, das beim Durchführen des Ätzens angelegt wird, durch den Pfeil 530 angegeben. Wie in 11 gezeigt, werden in der Übergitterstruktur der GaN-Schicht 500 und der AlGaN-Schicht 501 eine Kompressionsverzerrung und eine Zugverzerrung jeweils in der GaN-Schicht 500 und der AlGaN-Schicht 501 erzeugt. Mit anderen Worten wird eine mechanische Spannung in der Richtung der Pfeile in der Horizontalrichtung (d.h. der Lateralrichtung) in den Schichten von 11 erzeugt. Dementsprechend wird das piezoelektrische Feld in der durch den Pfeil 520 angegebenen Richtung in jeder der Schichten erzeugt. Wie in 11 gezeigt, ist die Richtung des piezoelektrischen Felds in der GaN-Schicht 500 der Übergitterstruktur der Richtung des elektrischen Vorspannungsfelds für das Ätzen entgegengesetzt, sodass wenigstens ein Teil des elektrischen Vorspannungsfelds aufgehoben wird, wodurch die Ätzrate in der GaN-Schicht 500 vermindert wird. Und obwohl in der AlGaN-Schicht 501 der Übergitterstruktur die Richtung des piezoelektrischen Felds gleich derjenigen des elektrischen Vorspannungsfelds für das Ätzen ist, wird, weil Aluminiumoxid durch das in dem Ätzgas enthaltene Aluminiumoxid gebildet wird und das Ätzen behindert, die Ätzrate in der AlGaN-Schicht 501 nicht erhöht. Folglich wird also in der Übergitterstruktur der GaN-Schicht 500 und der AlGaN-Schicht 501 das Selektivitätsverhältnis erhöht.
Das oben erläuterte Selektivitätsverhältnis in der Übergitterstruktur wird im Folgenden mit Bezug auf 12 beschrieben. 12 ist ein Kurvendiagramm, das eine Differenz des Selektivitätsverhältnisses zwischen der Übergitterstruktur und dem Massen-AlGaN zeigt. Das Kurvendiagramm von 12 ist ein Kurvendiagramm, in dem ein Bereich des Kurvendiagramms von 10, in dem die Konzentration von AI kleiner als oder gleich 10% ist, vergrößert ist.
Zum Beispiel wird ein Selektivitätsverhältnis in einer Übergitterstruktur mit der GaN-Schicht und der Al_0,005Ga_0,95N-Schicht als der durchschnittliche Wert (siehe Punkt P1 in 12) des Selektivitätsverhältnisses in der GaN-Schicht und des Selektivitätsverhältnisses in der Massen-Al_0,05Ga_0,95N-Schicht geschätzt. Jedoch unterscheiden sich wie weiter oben beschrieben die GaN-Schicht, die kein AI enthält, und die GaN-Schicht, in die eine Spurenmenge von AI diffundiert ist, beträchtlich hinsichtlich des Selektivitätsverhältnisses. Wie in 12 gezeigt, ist in der GaN-Schicht das Selektivitätsverhältnis gleich 1 (siehe Punkt P0 in 12), während in der GaN-Schicht, in die eine Spurenmenge von AI diffundiert ist, das Selektivitätsverhältnis zu 3 oder mehr (siehe Punkt P2 in 12) erhöht ist. Deshalb kann wie in der GaN-Schicht der Übergitterstruktur das Selektivitätsverhältnis in der Übergitterstruktur der GaN-Schicht, in die eine Spurenmenge von AI diffundiert ist, und der AI Al_0,05Ga_0,95N-Schicht zu einem durch den Punkt P3 angegebenen Selektivitätsverhältnis erhöht werden und als der Durchschnitt des Selektivitätsverhältnisses an dem Punkt P2 in 12 und des Selektivitätsverhältnisses, wenn die Konzentration von AI gleich 5% ist, dienen. Weiterhin wird wie weiter oben beschrieben das piezoelektrische Feld, dessen Richtung der Richtung des elektrischen Vorspannungsfelds für das Ätzen entgegengesetzt ist, in der GaN-Schicht der Übergitterstruktur erzeugt, sodass die Ätzrate vermindert wird. Deshalb wird das Selektivitätsverhältnis in der Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der Al_0,05Ga_0,95N-Schicht zu einem durch den Punkt P4 in 12 angegebenen Selektivitätsverhältnis erhöht. Deshalb wird das Selektivitätsverhältnis in der Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der Al_0,05Ga_0,95N-Schicht beträchtlich über den durchschnittlichen Wert des Selektivitätsverhältnisses in der GaN-Schicht und des Selektivitätsverhältnisses in der Al_0,05Ga_0,95N-Schicht hinaus erhöht.
Wie weiter oben beschrieben, wird die Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der AlGaN-Schicht verwendet, sodass das Selektivitätsverhältnis auch in der Schicht mit einem niedrigen durchschnittlichen Al-Anteil erhöht werden kann. Auf diese Weise kann eine AlGaN-Schicht (Übergitterschicht), die einen niedrigen Al-Anteil aufweist und als eine Ätzstoppschicht verwendet werden kann, realisiert werden.
Wenn allgemein eine AlGaN-Schicht mit einem hohen Al-Anteil als die Ätzstoppschicht verwendet wird, weist die AlGaN-Schicht einen hohen Widerstand auf, was zu einer Erhöhung der Antriebsspannung eines Halbleiterlaserelements beiträgt. Es wird jedoch die erste p-Typ-Hüllschicht 133, die eine Übergitterstruktur der GaN-Schicht und der AlGaN-Schicht aufweist, als die Ätzstoppschicht verwendet, sodass ein Selektivitätsverhältnis in Entsprechung zu der Massen-AlGaN-Schicht in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133, die einen niedrigen durchschnittlichen Al-Anteil aufweist, realisiert werden kann. Es wird also die erste p-Typ-Hüllschicht 133 mit der Übergitterstruktur verwendet, sodass der Widerstandswert der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 reduziert werden kann im Vergleich zu einem Fall, in dem die Massen-AlGaN-Schicht als die erste p-Typ-Hüllschicht 133 verwendet wird. Dadurch kann die Antriebsspannung des Halbleiterlaserelements 10 reduziert werden.
[1-4. Effekte usw.]
Wie weiter oben beschrieben, umfasst das Halbleiterlaserelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung den Steg 180. Das Halbleiterlaserelement 10 umfasst die erste p-Typ-Hüllschicht 133 und die zweite p-Typ-Hüllschicht 134, die auf der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 angeordnet ist. Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 weist eine Übergitterstruktur auf, in der eine oder mehrere Al_xGa_1- _xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten (0 ≤ x < y ≤ 1) alternierend gestapelt sind und die die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 Al_zGa_1-zN (0 ≤ z < y) enthält. Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 umfasst: den flachen Teil 133a, auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 nicht angeordnet ist; und den vorstehenden Teil 133b, der von dem flachen Teil 133a nach oben vorsteht und auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 angeordnet ist. Der Steg 180 umfasst einen vorstehenden Teil 133b, wobei die zweite p-Typ-Hüllschicht 134 auf dem vorstehenden Teil 133b angeordnet ist und die Höhe des von dem flachen Teil 133a vorstehenden Teils 133b kleiner ist als die Dicke der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 in dem flachen Teil 133a.
Wie weiter oben beschrieben, weist die erste p-Typ-Hüllschicht 133 eine Übergitterstruktur auf, sodass aufgrund des relativ niedrigen Al-Anteils das Selektivitätsverhältnis des Ätzens für die GaN-Schicht erhöht werden kann. Deshalb kann in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 das Ätzen zuverlässig gestoppt werden. Wenn also der Steg 180 durch das Ätzen ausgebildet wird, kann die Höhe des durch das Ätzen der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 ausgebildeten und von dem flachen Teil 133a vorstehenden Teils 133b zu der Dicke der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 in dem flachen Teil 133a oder zu weniger reduziert werden. Wie weiter oben beschrieben, kann die Position der obersten Fläche des flachen Teils 133a in der Stapelrichtung genau auf innerhalb eines oberen Teils der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 gesteuert werden. Also auch wenn eine Vielzahl von Halbleiterlaserelementen 10 gleichzeitig durch das Ausbilden von Halbleiterschichten und Elektroden auf einem Halbleiterwafer hergestellt werden, können die Eigenschaften der Halbleiterlaserelemente 10 gleichmäßig vorgesehen werden. Insbesondere können Variationen der Beschränkung von Licht und Strom in jedem der Halbleiterlaserelemente 10 reduziert werden. In einem Halbleiterlaserelement des Array-Typs, das eine Vielzahl von Stegen 180 enthält, können die Ausgabeeigenschaften der Stege 180 gleichmäßig vorgesehen werden. Das Selektivitätsverhältnis für die GaN-Schicht in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 wird erhöht, sodass die Bildung eines sanften Schrägteils oder einer Nut zwischen der obersten Fläche des flachen Teils und der Seitenfläche des vorstehenden Teils reduziert werden kann.
Die erste p-Typ-Hüllschicht 133 weist die Übergitterstruktur auf, sodass der Al-Anteil in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 reduziert werden kann und das Selektivitätsverhältnis erhöht werden kann, wodurch eine Reduktion einer Vergrößerung des Widerstands der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 ermöglicht wird.
In dem Halbleiterlaserelement 10 kann eine zuoberst in der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 gestapelte Schicht zu der obersten Fläche des flachen Teils 133a freiliegen.
Wenn wie oben beschrieben die zuoberst in der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 gestapelte Schicht zu der obersten Fläche des flachen Teils 133a freiliegt, wird die Position der obersten Fläche des flachen Teils 133a in der Stapelrichtung auf innerhalb der Dicke der obersten Schicht der Übergitterstruktur gesteuert. Mit anderen Worten kann die Position der obersten Fläche des flachen Teils 133a des Halbleiterlaserelements 10 in der Stapelrichtung zuverlässiger genauer werden. Auf diese Weise können die Ausgabeeigenschaften des Halbleiterlaserelements weiter stabilisiert werden.
Das Halbleiterlaserelement 10 kann eine dritte p-Typ-Hüllschicht 135, die auf der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 angeordnet ist, umfassen.
Auf diese Weise kann die Lichtbeschränkung in der aktiven Schicht 120 verbessert werden.
In dem Halbleiterlaserelement 10 kann die Dicke der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 kleiner als die Dicke der dritten p-Typ-Hüllschicht 135 sein.
Also auch wenn der Brechungsindex der zweiten p-Typ-Hüllschicht 134 größer als der durchschnittliche Brechungsindex der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 ist, kann eine ausreichende Lichtbeschränkung in der aktiven Schicht 120 unter Verwendung der dritten p-Typ-Hüllschicht 135 erzielt werden.
In dem Halbleiterlaserelement 10 kann die dritte p-Typ-Hüllschicht 135 eine Übergitterstruktur aufweisen, in der jeder der einen oder mehreren Al_vGa_1-vN-Schichten und jede der einen oder mehreren Al_wGa_1-wN-Schichten (0 ≤ v < w ≤ 1) alternierend gestapelt sind.
Auf diese Weise kann der elektrische Widerstand der dritten p-Typ-Hüllschicht 135 reduziert werden, sodass die Antriebsspannung des Halbleiterlaserelements 10 reduziert werden kann.
In dem Halbleiterlaserelement 10 kann die Höhe des von der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 vorstehenden Teils 133b kleiner oder gleich der Dicke des periodischen Films der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 sein.
Wenn wie oben beschrieben die Höhe des von dem flachen Teil vorstehenden Teils kleiner als oder gleich der Dicke des periodischen Films der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Schicht ist, wird die Position der obersten Fläche des flachen Teils in der Stapelrichtung auf kleiner als oder gleich der Dicke des periodischen Films der Übergitterstruktur gesteuert. Mit anderen Worten kann die Position der obersten Fläche des flachen Teils des Halbleiterlaserelements in der Stapelrichtung genauer gesteuert werden. Auf diese Weise können die Ausgabeeigenschaften des Halbleiterlaserelements weiter stabilisiert werden.
In dem Halbleiterlaserelement 10 kann die erste p-Typ-Hüllschicht 133 eine Übergitterstruktur, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten (0 ≤ x < y ≤ 0,5) alternierend gestapelt sind, aufweisen.
Wie weiter oben beschrieben, kann der Al-Anteil in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 auf 0,5 oder weniger reduziert werden und kann also der elektrische Widerstand der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 reduziert werden.
In dem Halbleiterlaserelement 10 kann die erste p-Typ-Hüllschicht 133 eine Übergitterstruktur, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten (0 ≤ x < y ≤ 0,2) alternierend gestapelt sind, aufweisen.
Wie weiter oben beschrieben, kann der Al-Anteil in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 auf 0,2 oder weniger reduziert werden und kann also der elektrische Widerstand der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 weiter reduziert werden.
In dem Halbleiterlaserelement 10 kann die erste p-Typ-Hüllschicht 133 eine Übergitterstruktur, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten (0 ≤ x < y ≤ 0,1) alternierend gestapelt sind, aufweisen.
Wie weiter oben beschrieben, kann der Al-Anteil in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 auf 0,1 oder weniger reduziert werden und kann also der elektrische Widerstand der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 weiter reduziert werden.
(Ausführungsform 2)
Im Folgenden wird ein Halbleiterlaserelement gemäß einer Ausführungsform 2 beschrieben. Das Halbleiterlaserelement gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Halbleiterlaserelement 10 gemäß der Ausführungsform 1 dadurch, dass ein Oxidfilm zwischen der p-Typ-Halbleiterschicht 130 und der Isolierschicht 150 angeordnet ist. Das Halbleiterlaserelement dieser Ausführungsform wird im Folgenden mit Bezug auf 10 beschrieben, wobei sich vor allem die Konfiguration von derjenigen des Halbleiterlaserelements 10 der Ausführungsform 1 unterscheidet.
13 ist eine Querschnittansicht, die eine Gesamtkonfiguration des Halbleiterlaserelements 10a dieser Ausführungsform zeigt. 13 zeigt einen Querschnitt senkrecht zu der Längsrichtung (d.h. der Richtung der Resonanz des Laserlichts) des Stegs 180 in dem Halbleiterlaserelement 10a.
Wie in 13 gezeigt, umfasst das Halbleiterlaserelement 10a dieser Ausführungsform wie das Halbleiterlaserelement 10 der Ausführungsform 1 ein Substrat 100, eine n-Typ-Halbleiterschicht 110, eine aktive Schicht 120, eine p-Typ-Halbleiterschicht 130, eine p-Typ-Kontaktschicht 140 eine Isolierschicht 150, eine p-Elektrode 160 und eine n-Elektrode 170. Das Halbleiterlaserelement 10a gemäß dieser Ausführungsform umfasst weiterhin einen Oxidfilm 400.
Der Oxidfilm 400 ist ein Oxidfilm, der zwischen der p-Typ-Halbleiterschicht 130 und der Isolierschicht 150 angeordnet ist. Insbesondere ist der Oxidfim 400 zwischen der oberen Fläche des flachen Teils 133a der ersten p-Typ-Hüllschicht 133, der Seitenfläche des Stegs 180 und der Isolierschicht 150 angeordnet.
Zum Beispiel kann der Oxidfilm 400 ausgebildet werden, wenn das selektive Ätzen unter Verwendung des Chlor-basierten Gases, zu dem einige wenige Prozent Sauerstoff hinzugefügt sind, in dem für das Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaserelements 10 der Ausführungsform 1 beschriebenen Schritt zum Ausbilden des Stegs 180 durchgeführt wird. Weil der Oxidfilm 400 durch das Oxidieren eines Nitridhalbleiters (hier GaN oder AlGaN) ausgebildet wird, enthält der Oxidfilm 400 Aluminiumoxid oder Galliumoxid. Die Dicke des Oxidfilms 400 ist kleiner als oder gleich 100 nm. Die Dicke des Oxidfilms 400 kann größer als oder gleich 10 nm sein. Der Oxidfilm 400 ist nicht auf einen Film, in dem der Nitridhalbleiter vollständig oxidiert ist, beschränkt und kann auch ein teilweise oxidierter Film sein. Zum Beispiel kann der Oxidfilm 400 ein Film, der eine durch Al_aGa_1-αO_βN_1-β (0 ≤ α < 1, 0 < β ≤ 1) wiedergegebene Zusammensetzung aufweist, sein.
In dem Halbleiterlaserelement 10a mit der oben beschriebenen Konfiguration werden die gleichen Effekte wie in dem Halbleiterlaserelement 10 der Ausführungsform 1 erzielt.
(Andere Ausführungsformen)
Vorstehend wurde das Halbleiterlaserelement gemäß der vorliegenden Erfindung basierend auf verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Der Fachmann kann weitere Ausführungsformen durch das Vornehmen von verschiedenen Variationen an den hier beschriebenen Ausführungsformen oder durch das Kombinieren von Merkmalen verschiedener Ausführungsformen realisieren, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
Zum Beispiel sind in den oben beschriebenen Ausführungsformen der erste Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp jeweils der n-Typ und der p-Typ, wobei der erste Leitfähigkeitstyp und der zweite Leitfähigkeitstyp aber auch jeweils der p-Typ und der n-Typ sein können. Insbesondere kann die p-Typ-Halbleiterschicht zwischen dem Substrat 100 und der aktiven Schicht 120 gestapelt sein und kann die n-Typ-Halbleiterschicht über der aktiven Schicht 120 gestapelt sein.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen enthält das Halbleiterlaserelement 10 eine n-seitige Lichtführungsschicht 112, eine p-seitige Lichtführungsschicht 131, eine p-Typ-OFS-Schicht 132 und eine dritte p-Typ-Hüllschicht 135, wobei diese Schichten jedoch keine ausschlaggebenden Bestandteile sind. Mit anderen Worten kann in dem Halbleiterlaserelement gemäß dieser Ausführungsform auf wenigstens eine dieser Schichten verzichtet werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen enthält das Halbleiterlaserelement einen Steg, wobei das Halbleiterlaserelement aber auch eine Vielzahl von Stegen enthalten kann.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen können die erste p-Typ-Hüllschicht 133 und die dritte p-Typ-Hüllschicht 135 die Übergitterstruktur der gleichen Schichten aufweisen. Insbesondere können die Al_xGa_1-xN-Schicht und die Al_yGa_1-yN-Schicht in der ersten p-Typ-Hüllschicht 133 jeweils die gleichen Zusammensetzungen der Al_vGa_1-vN-Schicht und der Al_wGa_1-wN-Schicht in der dritten p-Typ-Hüllschicht 135 aufweisen. Mit anderen Worten können für x, y, v und w in dem Al-Anteil die Beziehungen x = v und y = w hergestellt werden.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Das Halbleiterlaserelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann als ein Halbleiterlaserelement mit einer geringen Antriebsspannung, das stabile Ausgabeeigenschaften aufweist und eine Vergrößerung des Widerstands reduziert, und etwa als eine Lichtquelle für eine Verarbeitungslaservorrichtung verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10, 10a: Halbleiterlaserelement
100: Substrat
110: n-Typ-Halbleiterschicht
111: n-Typ-Hüllschicht
112: n-seitige Lichtführungsschicht
120: aktive Schicht
130: p-Typ-Halbleiterschicht
131: p-seitige Lichtführungsschicht
132: p-Typ-Überflusssteuerschicht (p-Typ-OFS-Schicht)
133: erste p-Typ-Hüllschicht
133a: flacher Teil
133b: vorstehender Teil
134: zweite p-Typ-Hüllschicht
134s: Seitenfläche
135: dritte p-Typ-Hüllschicht
140: p-Typ-Kontaktschicht
150: Isolierschicht
160: p-Elektrode
170: n-Elektrode
180: Steg
200: Maske
300: Stegseitenfläche
300a: sanfter Schrägteil
300b: Nut
310: Ätzfläche
400: Oxidfilm
500: GaN-Schicht
501: AlGaN-Schicht
520,530: Pfeile

Claims

Halbleiterlaserelement, das einen Steg enthält, wobei das Halbleiterlaserelement umfasst: eine erste p-Typ-Hüllschicht, und eine zweite p-Typ-Hüllschicht, die auf der ersten p-Typ-Hüllschicht angeordnet ist, wobei die erste p-Typ-Hüllschicht eine Übergitterstruktur aufweist, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten alternierend gestapelt sind, wobei 0 ≤ x < y ≤ 1, wobei die zweite p-Typ-Hüllschicht Al_zGa_1-zN enthält, wobei 0 ≤ z < y, wobei die erste p-Typ-Hüllschicht umfasst: einen flachen Teil, auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht nicht angeordnet ist, und einen vorstehenden Teil, der von dem flachen Teil nach oben vorsteht und auf dem die zweite p-Typ-Hüllschicht angeordnet ist, wobei der Steg den vorstehenden Teil und die auf dem vorstehenden Teil angeordnete zweite p-Typ-Hüllschicht umfasst, und wobei die Höhe des von dem flachen Teil vorstehenden Teils kleiner ist als die Dicke der ersten p-Typ-Hüllschicht in dem flachen Teil.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, wobei eine zuoberst in der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht gestapelte Schicht zu der obersten Fläche des flachen Teils 133a hin freiliegt.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: eine dritte p-Typ-Hüllschicht, die auf der zweiten p-Typ-Hüllschicht angeordnet ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 3, wobei die Dicke der zweiten p-Typ-Hüllschicht kleiner als die Dicke der dritten p-Typ-Hüllschicht ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 3 oder 4, wobei die dritte p-Typ-Hüllschicht eine Übergitterstruktur aufweist, in der eine oder mehrere Al_vGa_1-vN-Schichten und eine oder mehrere Al_wGa_1-wN-Schichten alternierend gestapelt sind, wobei 0 ≤ v < w ≤ 1.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Höhe des vorstehenden Teils der ersten p-Typ-Hüllschicht kleiner oder gleich der Dicke eines periodischen Films der Übergitterstruktur der ersten p-Typ-Hüllschicht ist.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste p-Typ-Hüllschicht eine Übergitterstruktur aufweist, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten alternierend gestapelt sind, wobei 0 ≤ x < y ≤ 0,5.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste p-Typ-Hüllschicht eine Übergitterstruktur aufweist, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten alternierend gestapelt sind, wobei 0 ≤ x < y ≤ 0,2.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste p-Typ-Hüllschicht eine Übergitterstruktur aufweist, in der eine oder mehrere Al_xGa_1-xN-Schichten und eine oder mehrere Al_yGa_1-yN-Schichten alternierend gestapelt sind, wobei 0 ≤ x < y ≤ 0,1.