JP2002043691A - 窒化物半導体レーザ装置とその製造方法 - Google Patents
窒化物半導体レーザ装置とその製造方法Info
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Abstract
レーザ装置とその製造方法を提供する。 【解決手段】活性層または量子井戸層に、V族元素とし
て、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)から選ばれる
少なくとも一つの元素を含むInxGa1-xN1-yVy混晶(ただ
し、VはAs、PまたはSb)またはAlxGa1-xN1-yVy混晶
(ただし、VはAs、PまたはSb)を用い、レーザ構造成
長後に、N2プラズマによって励起したN原子を、共振器
端面に照射し、端面近傍のAs原子もしくはP原子をN原子
に置換することにより、端面を発振波長に対して透明化
する。
Description
ザ装置に関するものである。更に詳しくは、共振器端面
での光吸収を抑制した窒化物半導体レーザ装置とその製
造方法に関する。
ク装置の光源として期待される。従来の窒化物半導体レ
ーザでは、共振器端面をドライエッチングあるいはへき
開によって形成する。その後、二つの目的で、端面部に
SiO2やTiO2などの誘電体膜を形成する。一つは、端面で
の反射率を制御するためである。たとえば、共振器後面
に反射率の高い多層膜、前面を低反射率にすることで、
低い動作電流で高い光出力を得ることができる。もう一
つの目的は、端面すなわち結晶の端部での表面準位密度
の低減である。表面準位は結晶端面に発生する未結合手
などに起因し、転位などの結晶欠陥と同様に非発光再結
合中心として振舞う。誘電体膜はそうした未結合手を不
活性化する働きをもつ。しかし、誘電体膜形成による表
面準位の不活性化は完全ではない。このような端面で
は、共振器内部で発生したレーザ発振光が吸収されやす
い。光吸収が発生すると端面部の温度が上昇し、エネル
ギー・バンド・ギャップが小さくなる。その結果、端面
での光吸収がさらに促進され、結晶の劣化(溶融)が進
行していく。
光吸収に起因する素子劣化を抑制するためには、共振器
端面部での表面準位を皆無にすることが望ましいが、現
実には非常に困難である。そこで、端面部でのエネルギ
ー・バンド・ギャップを内部よりも大きくし、光吸収を
抑制する方法が知られている。たとえば、端面にエネル
ギー・バンド・ギャップの大きな材料をエピタキシャル
成長する方法がある。しかし、この方法は電極形成後の
工程が非常に煩雑になり、歩留まりコストの面で不利で
ある。また、量子井戸活性層をもつレーザに対してZnや
Siなどの不純物を拡散することによって上記活性層を混
晶化し、エネルギー・バンド・ギャップを大きくする方
法も知られている。しかし、この方法も、不純物拡散の
ためにマスク形成をする必要があり、レーザ製造プロセ
スを煩雑にする。また、不純物拡散領域は電気的に低抵
抗になるため、レーザ発振に寄与しない無効電流を生じ
させる原因となる。したがって、できる限り簡単なプロ
セスで端面のエネルギー・バンド・ギャップを大きく
し、さらに端面の電気伝導度を大きくしない方法、すな
わち不純物拡散によらない方法が求められる。
め、端面での光吸収が効果的に抑制され、寿命を大きく
向上させることができ、レーザ発振に寄与しない無効電
流の発生を効果的に抑制でき、かつ製造プロセスの効率
化をはかることができる窒化物半導体レーザ装置とその
製造方法を提供することを目的とする。
め、本発明の第1番目の半導体レーザ装置は、活性層ま
たは量子井戸層に、V族元素として、リン(P)、ヒ素(A
s)、アンチモン(Sb)から選ばれる少なくとも一つの元素
を含むInxGa1-xN1-yVy混晶(ただし、VはAs、PまたはS
b)またはAlxGa1-xN1-yVy混晶(ただし、VはAs、Pまた
はSb)を用い、共振器端面部の少なくとも一方におい
て、内部よりもN組成を増大させた構造であることを特
徴とする。
は、活性層または量子井戸層に、V族元素として、リン
(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)から選ばれる少なくと
も一つの元素を含むInxGa1-xN1-yVy混晶(ただし、Vは
As、PまたはSb)またはAlxGa 1-xN1-yVy混晶(ただし、
VはAs、PまたはSb)を用い、共振器端面部の少なくと
も一方において前記V原子をN原子に置換した構造であ
ることを特徴とする。
装置においては、前記InxGa1-xN1 -yVy混晶またはAlxGa
1-xN1-yVy混晶のV原子組成yが、0.001以上0.
03以下の範囲であることが好ましい。
レーザ装置においては、AlxGa1-xN1 -yVy混晶およびInxG
a1-xN1-yVy混晶の膜厚の合計が、転位発生の臨界膜厚よ
りも小さいことが好ましい。
共振器端面部において少なくとも10atom%のV原子を
N原子に置換したことが好ましい。上限は100atom%
のV原子をN原子に置換した場合である 次に本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、活性層ま
たは量子井戸層に、V族元素として、リン(P)、ヒ素(A
s)、アンチモン(Sb)から選ばれる少なくとも一つの元素
を含むInxGa1-xN1-yVy混晶(ただし、VはAs、PまたはS
b)またはAlxGa 1-xN1-yVy混晶(ただし、VはAs、Pまた
はSb)を用い、プラズマによって励起した活性窒素原子
を照射することによって共振器端面の前記X原子をN原
子に置換することを特徴とする。
を、レーザバーを中心に対向させ、活性窒素原子照射を
共振器両端面に同時に行うことが好ましい。
いられてきたGaNやInGaNのようなIII-V族窒化物半導体
に、V族元素として、数パーセントの組成で砒素(As)や
リン(P)を混合した結晶が有機金属気相成長法(MOCVD)
や分子線エピタキシー(MBE)によって得られることが
知られている。この混晶では、AsもしくはPの組成が増
加すると、エネルギー・バンド・ギャップの大きさは減
少する。エネルギー・バンド・ギャップの減少幅は、As
組成(P組成)1%あたり160meV程度である。
外のV族元素の組成の増大によってエネルギー・バンド
・ギャップの大きさが減少する性質を利用したものであ
る。すなわち、活性層に上記混晶を用い、端面近傍のAs
原子あるいはP原子をN原子に置き換え、結晶の共振器端
面付近におけるAs組成(P組成)を減少させている。こ
れにより、端面付近のエネルギー・バンド・ギャップは
共振器内部のそれに比べて大きくなるため、光吸収を抑
制し、端面の劣化を抑制できる。その結果、レーザ特性
の信頼性向上を実現することができる。
図1は本発明を利用した半導体レーザ構造の模式図(共
振器方向に対して垂直にみた断面)である。結晶成長に
はMOCVD装置を用いた。n型GaN基板11の上に、厚さ0.5μ
mのn型Al0.1Ga0.9Asクラッド層12を基板温度1050℃で
エピタキシャル成長させた。
0.12Ga0.88N0.99As0.01からなる厚さ0.1μmの多重量子
井戸活性層13を成長させた。基板温度は800℃とした。
ましい。0.001未満では、端面のAs/N置換後のエネルギ
ー・バンド・ギャップ差を大きくすることが困難であ
る。また、0.03を越えると、N原子とAs原子の結合長の
違いに起因する相分離が顕著となるため、均一な活性層
を得ることが困難である。
μm、p型GaNコンタクト層15を1μm、それぞれ、基板温
度1050℃で成長させた。
n側電極16をTi/Auで、p側電極17をNi/Auで形成した。次
いで、ドライエッチングもしくはへき開により、幅500
μmのバーを作製し、共振器が完成した。
るために、高周波(13.56MHz)電界によって生成したN2
プラズマを用いてN原子を励起し、これを端面全体に照
射した、N2流量は2sccm(装置内圧力2.7Pa)、レーザバ
ーの温度を400℃として、2分間処理した。
んでいた多重量子井戸活性層の端面付近では、As/N置換
領域18が形成された。
2プラズマ源を2台対向させて配置した。そして、レーザ
バーを2台のプラズマ源の中央に配置し、共振器端面を
プラズマ源に向けて配置した。この方法によって、共振
器両端面のAs/N置換を一括して行なうことができ、製造
プロセスを簡略化することができた。
層構造により高反射膜(反射率90%)を、共振器前面に
対してはSiO2単層構造により低反射膜(反射率10%)を
それぞれ形成した。端面保護コーティングを施した。高
い光出力を得るために、上記のような非対称コーティン
グとした。
の電流-光出力特性である。比較対象として、Asを含ま
ない従来型InGaN多重量子レーザの特性も併記する。端
面保護コーティングの方法は上記発明品と同じである。
端面への不純物拡散は行っていない。本発明品は、動作
時間1000時間を超えても動作電流に変化はほとんどな
く、信頼性が向上していることがわかる。これは、本発
明品のレーザ端面において、量子井戸層を形成するIn
0.12Ga0.88N0.99As0.01混晶において、共振器端面近傍
ではAs濃度が減少したことによって、エネルギー・バン
ド・ギャップが増大し、端面部が発振光に対して透明に
なったためと考えられる。その結果、共振器端面の光吸
収による劣化が抑制され、寿命が増大したと理解でき
る。
0.02Ga0.98N0.99P0.01/In0.12Ga0.88N 0.99P0.01混晶を
用いたレーザでも得られる。共振器端面に活性N原子を
照射することによって、上記混晶中のP原子をN原子に置
換することができる。その結果、上記活性層の端面付近
においてはエネルギー・バンド・ギャップが共振器内部
におけるそれよりも大きくなり、端面を発振光に対して
透明にすることができる。
性層に用い、共振器端面のAs原子もしくはP原子をN原子
に置換し、端面でのN組成を高くすることにより、端面
での光吸収が効果的に抑制され、寿命を大きく向上させ
ることができる。また、この手法では端面での電気伝導
度はあまり変化しないため、レーザ発振に寄与しない無
効電流の発生を効果的に抑制できる。また、As/N置換、
P/N置換は、端面に対してN2プラズマ照射を行なえばよ
いので、マスク形成等のプロセスがなく、製造プロセス
の効率化をはかることができる。
断面構造(N2プラズマ照射前)
断面構造(N2プラズマ照射後)
マ源の配置図
寿命試験結果
0.01多重量子井戸活性層 14 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層 15 p型GaNコンタクト層 16 n側Ti/Au電極 17 p側Ni/Au電極 18 As/N原子置換領域 31 プラズマ源 32 レーザバー 33 共振器端面
Claims (7)
- 【請求項1】活性層または量子井戸層に、V族元素とし
て、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)から選ばれる
少なくとも一つの元素を含むInxGa1-xN1-yVy混晶(ただ
し、VはAs、PまたはSb)またはAlxGa1-xN1-yVy混晶
(ただし、VはAs、PまたはSb)を用い、共振器端面部
の少なくとも一方において、内部よりもN組成を増大さ
せた構造であることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項2】活性層または量子井戸層に、V族元素とし
て、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)から選ばれる
少なくとも一つの元素を含むInxGa1-xN1-yVy混晶(ただ
し、VはAs、PまたはSb)またはAlxGa1-xN1-yVy混晶
(ただし、VはAs、PまたはSb)を用い、共振器端面部
の少なくとも一方において前記V原子をN原子に置換し
た構造であることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項3】前記InxGa1-xN1-yVy混晶またはAlxGa1-xN
1-yVy混晶のV原子組成yが、0.001以上0.03
以下の範囲である請求項1または2に記載の半導体レーザ
装置。 - 【請求項4】AlxGa1-xN1-yVy混晶およびInxGa1-xN1-yVy
混晶の膜厚の合計が、転位発生の臨界膜厚よりも小さい
請求項1または2に記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項5】前記混晶に含まれるV原子のうち、共振器
端面部において少なくとも10atom%のV原子をN原子
に置換した請求項2に記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項6】活性層または量子井戸層に、V族元素とし
て、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)から選ばれる
少なくとも一つの元素を含むInxGa1-xN1-yVy混晶(ただ
し、VはAs、PまたはSb)またはAlxGa1-xN1-yVy混晶
(ただし、VはAs、PまたはSb)を用い、プラズマによ
って励起した活性窒素原子を照射することによって共振
器端面の前記X原子をN原子に置換することを特徴とす
る半導体レーザ装置の製造方法。 - 【請求項7】2台のN2プラズマ源を、レーザバーを中心
に対向させ、活性窒素原子照射を共振器両端面に同時に
行う請求項5に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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JP2000224428A JP2002043691A (ja) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | 窒化物半導体レーザ装置とその製造方法 |
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JP (1) | JP2002043691A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007059732A (ja) * | 2005-08-26 | 2007-03-08 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法 |
JP2007150004A (ja) * | 2005-11-29 | 2007-06-14 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 |
US7691653B2 (en) | 2005-08-26 | 2010-04-06 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride semiconductor laser element and method for manufacturing the same |
-
2000
- 2000-07-25 JP JP2000224428A patent/JP2002043691A/ja active Pending
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CN100431229C (zh) * | 2005-08-26 | 2008-11-05 | 夏普株式会社 | 氮化物半导体激光元件及其制造方法 |
US7691653B2 (en) | 2005-08-26 | 2010-04-06 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride semiconductor laser element and method for manufacturing the same |
JP2007150004A (ja) * | 2005-11-29 | 2007-06-14 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 |
JP4671849B2 (ja) * | 2005-11-29 | 2011-04-20 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 |
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