JP2003017792A - 窒化物半導体レーザ素子およびその共振面の作製方法 - Google Patents
窒化物半導体レーザ素子およびその共振面の作製方法Info
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Abstract
面を有する窒化物半導体よりなるレーザ素子と、そのレ
ーザ素子の共振面の作製方法を提供する。 【構成】 窒化物半導体の 【外１】 【外２】 【外３】 【外４】 【外５】 【外６】 の内のいずれか一種類の面方位の劈開面が、少なくとも
一方の共振面とされていることにより、鏡面に近い共振
面を有している。
Description
XＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりな
るレーザ素子とそのレーザ素子の共振面の作製方法に関
する。
の材料として窒化物半導体が知られており、本出願人
は、最近この材料を用いてパルス電流において、室温で
のレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. V
ol35 (1996) pp.L74-76）。発表したレーザ素子はいわ
ゆる電極ストライプ型のレーザ素子であり、レーザの共
振面はエッチングにより形成されている。エッチングで
共振面を作製する方法は、簡単に共振面ができるという
利点があるが、エッチング手段によりエッチングされた
面に凹凸が発生しやすく、互いに平行な面が得られにく
いという欠点がある。レーザの共振面は赤外、赤色半導
体レーザで多用されているように、劈開して形成するこ
とが最も望ましい。例えばＧａＡｓ基板を用いた赤外半
導体レーザであれば、その共振面は基板の劈開性が利用
された劈開面が利用される。
されることが多く、サファイアは六方晶系（正確には菱
面体であるが、六方晶系で近似される。）であるため劈
開性がほとんどない。このためサファイア基板の上に成
長された窒化物半導体層を、基板の劈開性を用いて劈開
することは非常に困難であった。
は凹凸が非常に少ない、いわば鏡面に近い平坦面にする
必要がある。従って、本発明の目的とするところは、劈
開により鏡面に近い共振面が得られた窒化物半導体レー
ザ素子と、そのレーザ素子の共振面の作製方法を提供す
ることにある。
成長されていた窒化物半導体は、サファイアが劈開性が
ないため、同様に六方晶系である窒化物半導体層も劈開
性がないと信じられていたが、本発明者らは、基板に関
わらず、特定の面方位で窒化物半導体層を割れば窒化物
半導体層に劈開性があることを新規に見出し、本発明を
成すに至った。即ち、本発明の窒化物半導体レーザ素子
は、窒化物半導体の
が、少なくとも一方の共振面とされていることを特徴と
する。
の上に複数の窒化物半導体層を成長させた後、最上層の
窒化物半導体の
け、その溝より窒化物半導体を劈開し、劈開された窒化
物半導体層の劈開面をレーザ素子の少なくとも一方の共
振面とする方法により作製できる。
体を成長させる基板が窒化物半導体単結晶である場合、
その窒化物半導体単結晶よりなる基板の上に、複数の窒
化物半導体層を成長させた後、窒化物半導体層を成長さ
せた面と対向する基板の
け、その溝より窒化物半導体を劈開し、劈開された窒化
物半導体層の劈開面をレーザ素子の少なくとも一方の共
振面とする方法により作製できる。
ットセル図を示す。窒化物半導体は正確には菱面体構造
を有しているが、この図に示すように六方晶系で近似で
きる。本発明のレーザ素子はこのユニットセル図に示す
が少なくとも一方の共振面とされている。この面方位は
六角柱で示す側面に相当し、これらの面で劈開された窒
化物半導体層面は鏡面に近い面が得られる。例えばこの
図で示す斜線部は
を劈開で形成することが最も好ましいが、必ずしも両方
とも劈開で形成する必要はなく、片方を劈開により形成
して、もう片方を他の手段、例えばエッチングで形成し
ても良い。
体の結晶構造を拡大して示す模式的な平面図である。窒
化物半導体はこのように六角柱の単位結晶が集まった亀
甲状に成長される。本発明の共振面の作製方法では、最
上層の窒化物半導体の
この図に示すII−IIの延長線上にある窒化物半導体層の
表面に溝を設け、その溝よりII−IIに示す線で窒化物半
導体を劈開し、劈開された窒化物半導体層の劈開面をレ
ーザ素子の共振面とすると、鏡面に近い共振面が得られ
る。溝とは言い換えると劈開するための傷であり、例え
ばダイヤモンドを刃先に有する罫書針で形成できる他、
エッチングにより形成することもできる。なお、レーザ
素子を作製する場合、最上層の窒化物半導体層には、通
常、電極層が形成されるが、電極層を貫通して最上層の
窒化物半導体層に劈開のための溝を設けることも、本発
明の範囲内である。
場合は、基板そのものの劈開性が利用できるため、基板
の上に成長させた窒化物半導体層側に傷を設ける必要は
なく、窒化物半導体層を成長させた基板と反対側の面に
ある
けて、その傷から劈開すればよい。
面を共振面とするレーザ素子であればどのようなもので
も良く、素子構造は限定されない。例えば利得導波型ス
トライプ型レーザとして、電極ストライプ型、メサスト
ライプ型、ヘテロアイソレーション型等を挙げることが
できる。またその他、作りつけ導波機構をもつストライ
プ型レーザとして、埋め込みヘテロ型、ＣＳＰ型、リブ
ガイド型等を挙げることができる。これらの構造のレー
ザ素子は、活性層中に導波路が作製され、導波路端面に
相当する位置に共振面が作製されて、その共振面同士で
活性層の発光が共振されて、導波路に沿って発振する。
また、共振面に光の閉じ込めを図るために、通常行われ
ているような誘電体多層膜を形成してもよい。
レーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、共振面
と平行な方向で切断した際の図を示している。以下、こ
の図を元に実施例１について説明する。
なる基板１０をＭＯＶＰＥ装置の反応容器内に設置した
後、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）と、アン
モニア、ドナー不純物としてＳｉＨ4（シラン）ガスを
用いて、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１
１を４μｍの膜厚で成長させた。
れるものではなく、窒化物半導体を成長させるために、
従来使用され、また提案されている全ての基板について
適用可能である。例えば、ＧａＮの他に、サファイア、
スピネル、酸化亜鉛等の酸化物基板、Ｓｉ、ＳｉＣ等の
半導体基板等が知られており、本発明ではいずれにも適
用可能である。特に好ましくは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等
の窒化物半導体よりなる単結晶の基板を用いる。その理
由は、前記したように窒化物半導体単結晶の基板を用い
ることにより、基板の劈開性を用いて共振面を形成する
ことができるので、半導体層側に溝を設けずに、基板側
に溝を設けて、その溝から
また基板が窒化物半導体と格子整合しているため、非常
に膜質のよい結晶を成長できる。
X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することがで
き、特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、その中でもＳｉをドープ
したＧａＮで構成することにより、キャリア濃度の高い
ｎ型層が得られ、また負電極と好ましいオーミック接触
が得られるので、レーザ素子のしきい値電流を低下させ
ることができる。
ＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにＣｐ2Ｍｇを用い、
Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなる電流阻止層２０を０．５
μｍの膜厚で成長させた。この電流阻止層は後に、活性
層に電流を集中させて導波路を作製する作用がある。
容器から取り出し、電流阻止層２０を図３に示すよう
に、ｎ型コンタクト層１１に達する深さでＶ溝状にメサ
エッチした。Ｖ溝の幅は５μｍとして、電流阻止層２０
の表面にストライプ状に深さ２．５μｍで形成した。Ｖ
溝状のストライプは、その溝の中にｎ型光閉じ込め層１
２、ｎ型光ガイド層１３、活性層１４、ｐ型光ガイド層
１５、及びｐ型光閉じ込め層１６がＶ溝中に入りやすく
なる。活性層から発するレーザ光は、縦方向が活性層の
上下にある光閉じ込め層により制御される。Ｖ溝を形成
すると、活性層１５を挟む横方向の光閉じ込め層が溝中
に入り込むことにより、レーザ光の横方向が制御でき、
溝中に光閉じ込めが可能となるのでレーザのしきい値電
流を下げることができる。つまり、Ｖ溝により横方向の
活性層が屈折率の異なるクラッド層で挟まれたいわば屈
折率導波のレーザ素子ができる。さらにＶ溝はメサ形状
を有しているため、Ｖ溝の上に成長させる窒化物半導体
層が均一な膜厚で結晶成長可能となる。
温度を７５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（ト
リメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシラ
ンガスを用い、ＳｉドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるク
ラック防止層を３００オングストロームの膜厚で成長さ
せた。このクラック防止層は特に図示していないが、Ｉ
ｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで
成長させることにより、次に成長させるＡｌを含む窒化
物半導体よりなるｎ型光閉じこめ層１２を厚膜で成長さ
せることが可能となる。ＬＤの場合は、光閉じ込め層、
光ガイド層となる層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で
成長させる必要がある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層
の上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させると、後から成
長させたＡｌＧａＮにクラックが入るので素子作製が困
難であったが、このクラック防止層が次に成長させる光
閉じこめ層にクラックが入るのを防止することができ
る。しかも次に成長させる光閉じこめ層３を厚膜で成長
させても膜質良く成長できる。なおこのクラック防止層
は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚
で成長させることが好ましい。１００オングストローム
よりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しに
くく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾
向にある。なお、このクラック防止層は成長方法、成長
装置によっては省略することもできる。
チルアルミニウム）、アンモニア、不純物ガスにシラン
ガスを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりな
るｎ型光閉じこめ層１２を０．５μｍの膜厚で成長させ
た。ｎ型光閉じこめ層１２はＡｌを含むｎ型の窒化物半
導体で構成し、好ましくは二元混晶あるいは三元混晶の
ＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることにより、結晶
性の良いものが得られ、また活性層との屈折率差を大き
くしてレーザ光の縦方向の閉じ込めに有効である。この
層は通常０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが
望ましい。０．１μｍよりも薄いと光閉じ込め層として
作用しにくく、１μｍよりも厚いと、結晶中にクラック
が入りやすくなり素子作成が困難となる傾向にある。
不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
よりなるｎ型光ガイド層１３を５００オングストローム
の膜厚で成長させた。ｎ型光ガイド層１３は、Ｉｎを含
むｎ型の窒化物半導体若しくはｎ型ＧａＮで構成し、好
ましくは三元混晶若しくは二元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ
（０≦X＜１）とする。この層は通常１００オングスト
ローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、特
にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次の活性層を量
子井戸構造とすることが容易に可能になる。
アを用いて活性層１４を成長させた。活性層は温度を７
５０℃に保持して、まずノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよ
りなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させ
る。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度
で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５
０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を１
３回繰り返し、最後に井戸層を成長させ総膜厚０．１μ
ｍの膜厚の多重量子井戸構造よりなる活性層１４を成長
させた。
てＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物源
としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウ
ム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる
ｐ型キャップ層を１００オングストロームの膜厚で成長
させた。このｐ型キャップ層も特に図示していないが、
ＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）で形成することが好まし
く、１μｍ以下、さらに好ましくは１０オングストロー
ム以上、０．１μｍ以下の膜厚で成長させることによ
り、ＩｎＧａＮよりなる活性層が分解するのを防止する
キャップ層としての作用があり、また活性層の上にＡｌ
を含むｐ型窒化物半導体よりなるｐ型キャップ層を成長
させることにより、発光出力が格段に向上する。逆に活
性層に接するｐ層をＧａＮとすると素子の出力が約１／
３に低下してしまう。これはＡｌＧａＮがＧａＮに比べ
てｐ型になりやすく、またｐ型キャップ層成長時に、Ｉ
ｎＧａＮが分解するのを抑える作用があるためと推察さ
れるが、詳しいことは不明である。このｐ型キャップ層
の膜厚は１μｍよりも厚いと、層自体にクラックが入り
やすくなり素子作製が困難となる傾向にある。なおこの
ｐ型キャップ層も省略可能である。
ＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型Ｇ
ａＮよりなるｐ型光ガイド層１５を５００オングストロ
ームの膜厚で成長させた。このｐ型光ガイド層１５は、
Ｉｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮで構成し、好ま
しくは二元混晶または三元混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０＜
Y≦１）を成長させる。光ガイド層は、通常１００オン
グストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望まし
く、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより、次のｐ
型光閉じこめ層１６を結晶性良く成長できる。
ｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる
ｐ型光閉じこめ層１６を０．５μｍの膜厚で成長させ
た。このｐ型光閉じ込め層１６は、Ａｌを含むｐ型の窒
化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶または三元混
晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることにより結
晶性の良いものが得られる。ｐ型光閉じこめ層１６はｎ
型光閉じこめ層１２と同じく、０．１μｍ〜１μｍの膜
厚で成長させることが望ましく、ＡｌＧａＮのようなＡ
ｌを含むｐ型窒化物半導体とすることにより、活性層と
の屈折率差を大きくして光閉じ込め層として有効に作用
する。
を用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１７を０．５μｍの膜厚で成長させた。ｐ型コンタク
ト層１７はｐ型ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦
Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＩｎＧａ
Ｎ、ＧａＮ、その中でもＭｇをドープしたｐ型ＧａＮと
すると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られて、正
電極と良好なオーミック接触が得られ、しきい値電流を
低下させることができる。なお以上説明したｎ型層の一
般式ＡｌXＧａ1-XＮ、ｐ型層のＡｌXＧａ1-XＮ等の組成
比X値は単に一般式を示しているに過ぎず、ｎ型層のXと
ｐ型層のXとが同一の値を示すものではない。また同様
に他の一般式において使用するY値も同一の一般式が同
一の値を示すものではない。
全面に正電極を形成し、窒化物半導体を成長させていな
い基板１０の表面に、対向する負電極を形成した。
化物半導体単結晶基板の
ダイヤモンドポイントカッターを用いて５ｍｍ程度の長
さの傷をつけ、その傷に沿って外力によりウェーハを劈
開した。劈開方向は、当然上記したＶ溝に垂直な方向と
する。このように窒化物半導体層を有するウェーハを劈
開することにより、
バーを作製した。この操作により、互いに対向する共振
面が窒化物半導体の劈開性により形成された。なおこの
例は、基板側に傷を付けてウェーハを劈開したが、正電
極側にある窒化物半導体層に傷を付けてウェーハを劈開
してもよいことは云うまでもない。
開面に誘電体多層膜よりなる反射鏡をスパッタリング装
置を用いて形成した後、ダイシングにより劈開面に垂直
な方向でバーを切断して０．８ｍｍ×０．５ｍｍ角のレ
ーザ素子とした。このレーザ素子の共振器長は０．８ｍ
ｍである。さらに、このレーザ素子をヒートシンクに設
置し、常温でパルス発振させたところ、しきい値電流密
度１ｋＡ／cm2で４１０ｎｍのレーザ発振を示した。
るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、この
図も共振面と平行な方向で切断した際の図を示してお
り、図３と同一符号は同一部材を示している。このよう
な構造は絶縁体よりなる基板を用いたレーザ素子に多
い。
を（１１１面）とする１インチφ、厚さ５００μｍのス
ピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を用い、原料ガスにＴＭＧ、ア
ンモニアを用いて、基板３０の表面にＧａＮよりなるバ
ッファ層を５００℃にて、２００オングストロームの膜
厚で成長させた。この、バッファ層は基板と窒化物半導
体との格子不整合を緩和する作用があり、他にＡｌＮ、
ＡｌＧａＮ等を成長させることも可能であるが、実施例
１のように基板の種類によっては成長されないこともあ
るので、このバッファ層は特に図示していない。
層１１〜ｐ型コンタクト層１７までを順に積層した後、
窒化物半導体を積層したウェーハを反応容器から取り出
し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にて、最上
層のｐ型コンタクト層１７から選択エッチを行い、負電
極を形成すべきｎ型コンタクト層１１の平面を露出させ
た。
ぼ全面に正電極を形成し、エッチングにより露出された
ｎ型コンタクト層１１の表面にストライプ状の負電極を
形成した。電極形成後、ウェーハを研磨装置に移送し、
スピネル基板を５０μｍの厚さになるまで研磨して薄く
した後、電極の上から、窒化物半導体層の
イヤモンドポイントカッターを用いて、実施例１と同様
にして５ｍｍ程度の長さの傷をつけ、その傷に沿って外
力によりウェーハを劈開した。劈開方向は、上記したＶ
溝に垂直な方向、つまり、ストライプ状の負電極に垂直
な方向である。なお、スピネル基板のように、基板に窒
化物半導体と異なる材料を用いる場合、劈開する前に、
基板の厚さを１００μｍ以下、さらに好ましくは８０μ
ｍ以下の厚さに研磨することが望ましい。基板の厚さが
１００μｍよりも厚いと、劈開時に窒化物半導体層は、
基板の割れる方向につられてしまい、窒化物半導体独自
の劈開性で割れにくくなる傾向にあるからである。
劈開面に誘電体多層膜よりなる反射鏡をスパッタリング
装置を用いて形成した後、劈開面に垂直方向で、ダイシ
ングによりバーを切断して０．８ｍｍ×０．５ｍｍ角の
レーザ素子としたところ、しきい値電流密度２ｋＡ／cm
2で４１０ｎｍのパルス発振を示した。なおこのレーザ
素子の共振器長も０．８ｍｍである。
面、０００１）を用い、基板研磨時に基板が２０μｍに
なるまで研磨する他は、実施例２と同様にしてレーザ素
子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を示す
レーザ素子が作製できた。
面）を用い、基板研磨時に基板が８０μｍになるまで研
磨する他は、実施例２と同様にしてレーザ素子を作製し
たところ、実施例２とほぼ同等の特性を示すレーザ素子
が作製できた。
化物半導体の劈開性を用いて共振面が形成できるので、
非常に平滑な鏡面に近い共振面が作製できる。このため
はレーザ素子のしきい値電流を低下させることもできる
ので、窒化物半導体レーザ素子を実用化する上で非常に
有意義である。
セル図。
造を拡大して示す模式的な平面図。
す模式的断面図。
示す模式的な断面図。
Claims (3)
- 【請求項１】 窒化物半導体の 【外１】 【外２】 【外３】 【外４】 【外５】 【外６】 の内のいずれか一種類の面方位に沿った劈開面が、少な
くとも一方の共振面とされていることを特徴とする窒化
物半導体レーザ素子。 - 【請求項２】 基板の上に複数の窒化物半導体層を成長
させた後、最上層の窒化物半導体層の 【外１】乃至 【外６】面の内のいずれか一種類に相当する面に溝を設
け、その溝より窒化物半導体を劈開し、劈開された窒化
物半導体層の劈開面をレーザ素子の少なくとも一方の共
振面とすることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の
共振面の作製方法。 - 【請求項３】 窒化物半導体単結晶よりなる基板の上
に、複数の窒化物半導体層を成長させた後、窒化物半導
体層を成長させた面と対向する基板の 【外１】乃至 【外６】面の内のいずれか一種類に相当する面に溝を設
け、その溝より窒化物半導体を劈開し、劈開された窒化
物半導体層の劈開面をレーザ素子の少なくとも一方の共
振面とすることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の
共振面の作製方法。
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|---|---|---|---|
| JP2002170643A JP4032836B2 (ja) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | 窒化物半導体レーザ素子 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1333501C (zh) * | 2003-10-29 | 2007-08-22 | 日本电气株式会社 | 半导体器件及其制造方法 |
| JP2009295952A (ja) * | 2008-05-02 | 2009-12-17 | Nichia Corp | 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 |
| WO2015011858A1 (ja) * | 2013-07-23 | 2015-01-29 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子 |
-
2002
- 2002-06-11 JP JP2002170643A patent/JP4032836B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JPWO2015011858A1 (ja) * | 2013-07-23 | 2017-03-02 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子 |
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|---|---|
| JP4032836B2 (ja) | 2008-01-16 |
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