JP2003086905A - 窒化物半導体レーザ素子とその半導体光学装置 - Google Patents
窒化物半導体レーザ素子とその半導体光学装置Info
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Abstract
置を適正化することにより、レーザ発振閾値電流密度の
低い窒化物半導体レーザ素子を提供する。 【解決手段】 窒化物半導体基板上もしくは窒化物半導
体基板上に積層された窒化物半導体層上に、窒化物半導
体がエピタキシャル成長しにくい成長抑制膜から構成さ
れるストライプ状のマスク202とマスクが形成されて
いないストライプ状の窓部203とが設けられたマスク
パターンを含むマスク基板を含み、このマスク基板上に
形成された窒化物半導体下地層と、少なくともn型層と
p型層によって挟まれた井戸層または井戸層とこれに接
する障壁層とを含む発光層を含む発光素子構造をさらに
含み、窓部の中央から窓部のストライプ方向に向かって
1μm以上離れ、かつその窓部の幅内の上方領域に電流
狭窄部分の少なくとも一部が形成されることを特徴とし
ている。
Description
素子に関し、特に閾値電流密度を低下させた窒化物半導
体レーザ素子とこれを利用した光学装置に関する。
パターンが形成され、このSiO2マスクの上方と、S
iO2マスクが形成されていない窓部の上方にGaN層
が積層され、GaN層上に窒化物半導体レーザ素子が形
成されることが、Jpn.J.Appl.Phys.Vo
l.39(2000)pp.L647−650において報
告されている。
告ではSiO2マスクを有するGaN基板に形成される
窒化物半導体レーザ素子の形成位置については詳細な説
明がなされていなかった。
は窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体層上に
マスクとその窓部が形成されたマスクパターンを含むマ
スク基板があって、そのマスク基板に作製された窒化物
半導体レーザ素子の電流狭窄部分の形成位置が詳細に説
明される。本発明は窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄
部分の形成位置を適正化することによって、レーザ発振
閾値電流密度の低い窒化物半導体レーザ素子を提供する
ことを目的とする。
め、本発明による窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半
導体基板上もしくは窒化物半導体基板上に積層された窒
化物半導体層上に、窒化物半導体がエピタキシャル成長
しにくい成長抑制膜から構成されるストライプ状のマス
クと、このマスクが形成されていないストライプ状の窓
部とが設けられたマスクパターンを含むマスク基板を含
み、このマスク基板上に形成された窒化物半導体下地層
と、少なくともn型層とp型層によって挟まれた井戸層
または井戸層とこれに接する障壁層とを含む発光層を含
む発光素子構造をさらに含み、上記窓部の中央から上記
窓部のストライプ方向に向かって1μm以上離れかつそ
の窓部の幅内の上方領域に、電流狭窄部分の少なくとも
一部が形成されることを特徴としている。
あり得り、上記マスクの幅は2μm以上30μm以下で
あり得る。
しい広さまたはそれ以上の広さに形成され得る。
l、S、C、Ge、Zn、Cd、MgおよびBeの不純
物群のうち、少なくとも1以上の不純物を1×1017〜
8×1018/cm3の範囲内で含むGaNであり得る。
Ga1-xN(0.01≦x≦0.15)を含み得り、この
場合にはAlxGa1-xN(0.01≦x≦0.15)に
含まれる不純物の濃度は3×1017以上8×1018/c
m3以下であり得る。
Ga1-xN(0.01≦x≦0.18)を含み得り、この
場合にはInxGa1-xN(0.01≦x≦0.18)に
含まれる。
bの元素群のうち少なくともいずれかの不純物が含まれ
得る。
子は半導体光学装置に利用され得る。
実施形態を説明するに際して、いくつかの用語の意味を
あらかじめ明らかにしておく。
物半導体がエピタキシャル成長しにくい膜を意味する。
たとえば、成長抑制膜は誘電体膜あるいは金属膜から構
成され得る。より具体的には成長抑制膜はSiO2、S
iNx、Al2O3、TiO2、タングステンまたはモリブ
デン等で形成することができる。
によって被覆されることがなく下地が露出されている部
分を意味する。
lxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦
1、x+y+z=1)を含む基板を意味する。この窒化
物半導体基板は、窒化物半導体基板を構成している窒素
元素の約10%以下(ただし、六方晶系であること)
が、As、PおよびSbの元素群のうちいずれかの元素
で置換されていてもよい。また、この窒化物半導体基板
にはSi、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、Mg
およびBeの不純物群のうち、少なくともいずれかの不
純物が添加され得る。この窒化物半導体基板がn型導電
性を有するための不純物は、上記不純物群のうちSi、
OおよびClのいずれかが特に好ましい。
板に積層された層のことで、少なくともAlxGayIn
zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+
z=1)を含む層を意味する。この窒化物半導体層は、
窒化物半導体層を構成している窒素元素の約10%以下
(ただし、六方晶系であること)が、As、PおよびS
bの元素群のうちいずれかの元素で置換されていてもよ
い。また、この窒化物半導体層にはSi、O、Cl、
S、C、Ge、Zn、Cd、MgおよびBeの不純物群
のうち、少なくともいずれかの不純物が添加され得る。
この窒化物半導体層がn型導電性を有するための不純物
は、上記不純物群のうちSi、OおよびClのいずれか
が特に好ましい。
もしくは窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体
層上に上記成長抑制膜から構成されたマスクと上記窓部
が設けられた基板を意味する。このマスクの幅および窓
部の幅は一定の周期を有していてもよいし、種々異なる
幅を有していても構わない。
上に成長される膜のことで、少なくともAlxGayIn
zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+
z=1)を含む層を意味する。この窒化物半導体下地層
は、窒化物半導体下地層を構成している窒素元素の約1
0%以下(ただし、六方晶系であること)が、As、P
およびSbの元素群のうちいずれかの元素で置換されて
いてもよい。また、この窒化物半導体下地層にはSi、
O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、MgおよびBe
の不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加
され得る。この窒化物半導体下地層がn型導電性を有す
るための不純物は、上記不純物群のうちSi、Oおよび
Clのいずれかが特に好ましい。
に窒化物半導体下地層を設置した基板を意味する。
障壁層から構成された層を意味する。たとえば、単一量
子井戸構造の発光層は、1つの井戸層のみから構成され
るか、もしくは障壁層/井戸層/障壁層から構成され
る。また、多重量子井戸構造の発光層は複数の井戸層と
複数の障壁層から構成される。
層とp型層とに挟まれた構造を意味する。
型層を介して発光層に実質的に電流が注入される部分を
意味する。
のことを意味する。たとえば、リッジストライプ構造を
有する窒化物半導体レーザ素子の場合、電流狭窄部分は
図4(a)で示されたリッジストライプ部119に該当
する。かくして、リッジストライプ構造を有する窒化物
半導体レーザ素子の電流狭窄幅Ewは図4(a)で示さ
れたリッジストライプ幅Rwに該当する。また、図4
(b)における電流狭窄幅Ewは電流阻止層22間幅に
該当する。
の電流狭窄部分が作製される最適位置について)本発明
者らは、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付
きマスク基板上に形成される位置によって、閾値電流密
度が変化することを見出した。
位置について図4(a)に示すリッジストライプ構造を
有する窒化物半導体レーザ素子を例に説明する。
位置と閾値電流密度との関係を示しており、図5におい
て横軸は膜付きマスク基板204の窓部中央Wcからリ
ッジストライプ部119側端aまでの距離を、縦軸はレ
ーザ発振閾値電流密度の低減率をそれぞれ示している。
ここで、窓部中央Wcからリッジストライプ部119側
端aまでの距離(以後、「c−a距離」と呼ぶ。)は、
窓部中央Wcから向かって右側を正とし、同じく向かっ
て左側を負として表記されている。また、「レーザ発振
閾値電流密度の低減率」とは、窒化物半導体基板上に直
接窒化物半導体レーザ素子を作製したときの閾値電流密
度を基準として、本発明においてどれだけ閾値電流密度
が低減されたかを百分率で表した値である。レーザ発振
閾値電流密度の低減率が正の場合は閾値電流密度が低減
していることを、負の場合は閾値電流密度が増加してい
ることを表す。
の構造および製造方法は、後述で詳細に説明される。図
5で用いられたリッジストライプ119のリッジストラ
イプ幅Rwは2μmであり、マスク幅Mwは10μmで
あり、窓部幅Wwは18μmであり、マスクの厚みは
0.1μmであった。
子の閾値電流密度の低減率は、リッジストライプ部11
9の少なくとも一部が窒化物半導体レーザ素子の窓部2
03の幅Ww内の上方領域に含まれるように作製されて
いる場合には、リッジストライプ部119の全てがマス
ク202の幅Mw内の上方領域に含まれるように作製さ
れた場合よりも大きくなる傾向を示した。さらに詳細に
調べたところ、窒化物半導体レーザ素子のリッジストラ
イプ部119の少なくとも一部が窓部203の幅Ww内
の上方領域に含まれるように作製した場合でも、リッジ
ストライプ部119の少なくとも一部がc−a距離が−
3μmよりも大きく1μmよりも小さい領域に作製され
ていない場合には、閾値電流密度の低減率が大きくなる
傾向を示した。
央Wcからリッジストライプ部119側端aと逆側の側
端であるリッジストライプ部119端bまでの距離(以
後、「c−b距離」と呼ぶ。)に換算すると、リッジス
トライプ部119の幅Rwが2μmであることから、c
−b距離は−3μm+2μm=−1μmとなる。すなわ
ち、窓部中央Wcと窓部中央Wcから近い方のリッジス
トライプ部119側端までの距離が1μm以上となった
場合には閾値電流密度の低減率が大きくなり、1μm未
満となった場合には閾値電流密度の低減率が小さくなっ
た。したがって、この閾値電流密度の低減率が小さくな
る領域(窓部中央Wcから左右に1μm未満の窓部20
3の幅の上方領域)を領域Iと呼ぶこととすると、領域
I内にリッジストライプ部119の全てが含まれないよ
うに作製された場合(リッジストライプ部119の少な
くとも一部が領域Iからはみ出すように作製された場
合)には閾値電流密度の低減率が大きくなり得る。
μm未満の範囲(図5のc−a距離で表記すると、−4
μmよりも大きく2μmよりも小さい領域に該当する)
であることがより好ましい。この場合には、閾値電流密
度の低減率を10%以上アップし得るためである。ま
た、領域Iの範囲は窓部中央Wcから3μm未満の範囲
(図5のc−a距離で表記すると、−5μmよりも大き
く3μmよりも小さい領域に該当する)であることがさ
らに好ましい。この場合には、閾値電流密度の低減率を
15%以上アップし得るためである。
て、かつ領域Iを除いた領域のことを、領域IIと呼ぶ
こととする。
る。図6は、上記の領域I23と領域II24について
の模式図である。膜付きマスク基板204上に作製され
たリッジストライプ部(図示せず)は、その一部が少な
くとも領域II24内に含まれるように形成されること
が好ましい。さらに好ましくは、リッジストライプ部
(図示せず)の全てが、領域II24内に含まれるよう
に形成されることである。
mの場合について説明したが、その他のリッジストライ
プ幅Rwが用いられても図5と同様の傾向を示し得る。
(図示せず)の形成位置とレーザ発振閾値電流密度の低
減率との関係は、リッジストライプ構造を有する窒化物
半導体レーザ素子(例えば図4(a))に限られるもの
ではない。例えば、電流阻止層を有する窒化物半導体レ
ーザ素子の場合、上述のリッジストライプ部は2つの電
流阻止層22に挟まれた部分に該当し、リッジストライ
プ幅Rwは電流阻止層22間幅に該当する(図4(b)
を参照)。すなわち、窒化物半導体レーザ素子の電流狭
窄部分の一部が、少なくとも図6に示された領域II2
4内に含まれていれば本発明による効果が得られ、電流
狭窄部分の全てが領域II24内に含まれるように作製
されれば本発明による効果を十分に得ることが可能とな
り得る。
の膜付きマスク基板201に電流狭窄部分が形成される
その最適位置は、マスク基板201を構成している基板
が窒化物半導体基板の場合に限られる。これは、以下の
理由からである。
種基板」と呼ぶ。)が用いられたマスク基板上に成長さ
れた窒化物半導体下地層は、窒化物半導体基板が用いら
れたマスク基板上に成長されたそれと比較して、強い応
力歪を受ける。これは、異種基板と窒化物半導体下地層
との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板と窒化物半
導体下地層との間のそれと比較して非常に大きいからで
ある。従って、窒化物半導体基板が異種基板で置換され
て、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が本発明に
係わる最適位置に作製されたとしても、本発明と同様の
効果を得ることが難しい。加えて、異種基板と窒化物半
導体下地層との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板
と窒化物半導体下地層との問のそれと比べて非常に大き
いことから、異種基板自体が反ってしまう。発光素子構
造を含む該基板が反ってしまうと、窒化物半導体レーザ
素子の電流狭窄部分が、再現性よく目的とする位置に作
製されることが困難になる。
て、窓部幅Wwについて説明する。マスク基板201に
形成されるマスクパターンの窓部幅Wwは、5μm以上
25μm以下、より好ましくは9μm以上15μm以下
である。閾値電流密度の低減の観点から、窒化物半導体
レーザ素子の電流狭窄部分(たとえば、リッジストライ
プ部)は、領域II24内に作製されることが好まし
く、窓部幅Wwの下限値は少なくとも電流狭窄幅Ewよ
りも広くする必要があることから、電流狭窄幅Ewはお
よそ1.5μm〜3μm幅で形成され得ることを考慮す
ると、窓部幅Wwの下限値は、領域II24の幅2μm
(窓部中央Wcから1μm未満の領域の場合)とストラ
イプ幅(1.5μm)×2を足して少なくとも5μm以
上となるためである。より好ましくは、窓部幅Wwの下
限値が、領域II24の幅6μm(窓部中央cから3μ
m未満の領域の場合)とストライプ幅(1.5μm)×
2を足して9μm以上となるためである。
下、より好ましくは15μm以下としているのは、窓部
幅Wwの上限値が25μm以下であれば本発明による効
果を得ることができ、15μm以下とすると本発明によ
る効果をより得ることができるためである。
形成されるマスク幅Mwと等しいかそれよりも広い方が
好ましい。これは領域II24内に窒化物半導体レーザ
素子の大部分が形成され得るためである。また、窒化物
半導体レーザ素子の素子不良率が減少し得るためであ
る。
いて、マスク幅Mwについて説明する。マスク幅Mwの
下限値は、2μm以上、さらに好ましくは6μm以上で
ある。マスク幅Mwが2μm以上でないと領域II24
内に電流狭窄部分を作製しても顕著な閾値電流密度の低
減効果が得られないためである。また、マスク幅Mwが
6μm以上になると、領域II24とマスク202の上
方領域との間の境界部分を含むように電流狭窄部分が形
成されても閾値電流密度の低減効果を得ることが可能で
あるためである。このことにより、窒化物半導体レーザ
素子チップの歩留まり率が向上し得るためである。
は無い。しかしながら、マスク基板201に形成された
マスク202が窒化物半導体下地層105で完全に被覆
されるためには、マスク幅Mwは30μm以下、さらに
好ましくは25μm以下が必要となる。
層について)以下、図6を用いて、窒化物半導体下地層
について説明する。マスク基板201を被覆する窒化物
半導体下地層105としては、たとえば、GaN膜、A
lGaN膜またはInGaN膜等を用いることができ
る。また、窒化物半導体下地層105中にSi、O、C
l、S、C、Ge、Zn、Cd、MgおよびBeの不純
物群のうち、少なくとも1つ以上の不純物を添加するこ
とができる。
ることは、以下の点において好ましい。GaN膜は2元
混晶であることから、結晶成長の制御性が良く、容易に
製造し得るためである。また、GaNの表面マイグレー
ション長はAlGaN膜のそれと比較して長くInGa
N膜のそれと比較して短いことから、マスク202また
は窓部203を完全かつ平坦に被覆しつつ、適度な横方
向成長を得ることができるためである。窒化物半導体下
地層105として利用されるGaN膜の不純物濃度は1
×1017/cm3以上8×1018/cm3以下が好まし
い。このような濃度範囲で不純物を添加すると、窒化物
半導体下地層105の表面モフォロジーが良好になって
発光層の層厚が均一化され、素子特性が向上し得るため
である。
aN膜であることは、以下の点において好ましい。すな
わちAlGaN膜がマスク基板201を被覆すると、マ
スク202上方にボイドが形成されにくく、クラックの
発生率が抑制され得るためである。
0.01以上0.15以下が好ましく、より好ましく
は、0.01以上0.07以下である。Alの組成比x
が0.01よりも小さいと、ボイドの発生を抑制するこ
とが難しくなるためである。一方、Alの組成比xが
0.15よりも大きくなると、Alの表面マイグレーシ
ョン長が短くなり過ぎて、マスク202の上方をAlG
aN膜で被覆するのが困難となるためである。なお、A
lGaN膜に限らず、この膜と同様の効果は窒化物半導
体下地層105にAlが含有されていれば得られる。ま
た、窒化物半導体下地層105として利用されるAlG
aN膜の不純物濃度は3×1017/cm3以上8×10
18/cm3以下が好ましい。このような濃度範囲でAl
と共に不純物が添加されると、窒化物半導体下地層10
5の表面マイグレーション長が短くなり、マスク上方の
ボイドの発生を抑制し得るためである。
nGaN膜であることは、以下の点において好ましい。
すなわちInGaN膜がマスク基板201を被覆する
と、電流狭窄部部分が作製可能な領域II24内での形
成位置の違いによってレーザ発振閾値電流密度の低減率
の相違が小さくなり得る。これにより、素子の歩留まり
率向上と素子特性の安定供給が可能となり得るためであ
る。
0.01以上0.18以下が好ましく、より好ましくは
0.01以上0.1以下である。Inの組成比xが0.
01よりも小さいと、上述のInGaN膜による効果が
得られにくくなるためである。また、Inの組成比xが
0.18よりも大きくなると、InGaN膜の結晶性が
低下し得るためである。なお、InGaN膜に限らず、
窒化物半導体下地層105にInが含有されていればこ
の膜と同様の効果が得られる。また、窒化物半導体下地
層105として利用されるInGaN膜の不純物濃度は
1×1017/cm 3以上5×1018/cm3以下が好まし
い。このような濃度範囲でInと共に不純物が添加され
ると、窒化物半導体下地層105の表面モフォロジーが
良好になって素子の歩留まり率が向上するためである。
層の膜厚について)以下、図6を用いて、窒化物半導体
下地層105の膜厚について説明する。マスク基板20
1が、窒化物半導体下地層105で完全に被覆されるた
めには、マスク基板201を被覆する窒化物半導体下地
層105の被覆膜厚が厚くなければならない。一方、マ
スク基板201が、窒化物半導体下地層105で完全に
被覆されないためには、マスク基板201を被覆する窒
化物半導体下地層105の被覆膜厚が薄くなければなら
ない。本発明の課題を解決する意味では、マスク基板2
01は、完全に窒化物半導体下地層105で被覆されな
くてともよい。しかしながら、窒化物半導体レーザ素子
チップの摂取率の観点からいうと、マスク基板201を
完全に窒化物半導体下地層で被覆した場合には、完全に
窒化物半導体下地層105で被覆されない場合と比べて
好ましい。したがって、窒化物半導体下地層105の被
覆膜厚は、およそ2μm以上30μm以下が好ましい。
被覆膜厚が2μmよりも薄くなると、窒化物半導体下地
層105でマスク基板201を完全かつ平坦に被覆させ
ることが困難となり得るためである。また、被覆膜厚が
30μmよりも厚くなると、次第に表面モフォロジーが
悪化し始めるためである。
下、図2を用いて、ストライプ状に作製されたマスク1
02の、ストライプ方向について説明する。
物半導体からなる基板101に作製されたマスクのスト
ライプ方向、もしくは基板101に積層された結晶成長
面が[0001]C面を有する窒化物半導体層に作製され
たマスク102のストライプ方向は、<11−20>方
向がより好ましく、基板101に対して<1−100>
方向がさらに好ましい。基板101の<11−20>方
向に沿ってマスク102が形成されると、マスク102
が窒化物半導体下地層(図示せず)で埋められたときマ
スク102と窓部103の境界部分での表面モフォロジ
ーが良いためであり、形成された電流狭窄部分を有する
窒化物半導体素子の素子不良率を低減し得るためであ
る。また、基板101の<1−100>方向に沿ってマ
スク102が形成されると、クラック発生の抑制効果が
非常に高くなるためであり、素子不良率も低減し得るた
めである。
度程度の開き角度を有していても上記関係は変わらなか
った。
あったが、窓部103がストライプ形状であることは以
下の点において好ましい。すなわち、窒化物半導体レー
ザ素子の電流狭窄部分は主にストライプ形状であること
から、本発明に係わるストライプ形状の領域II内に電
流狭窄部分を容易に作製し得り、かつ素子チップの摂取
率が向上し得るためである。
おいて膜付きマスク基板201に作製されたリッジスト
ライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の作製方法
を説明する。ただし、この作製方法には限られない。そ
の他の本発明に係る事柄については、上述と同様であ
る。
3を用いて、膜付きマスク基板4の作製方法を説明す
る。
(窒化物半導体基板の一例)上に作製されたマスク2か
ら構成されるマスク基板1と、このマスク基板1上にn
型Al 0.03Ga0.97Nからなる窒化物半導体下地層5が
被覆された膜付きマスク基板4を表している。
作製される。面方位が(0001)面であるGaNから
なる基板1表面に、SiO2から構成される成長抑制膜
を厚さ0.1μmで蒸着した。この成長抑制膜は、電子
ビーム蒸着法(EB法)または、スパッタリング法によ
り蒸著した。その後、従来のリソグラフィー技術を用い
て、GaNからなる基板1の<1−100>方向に沿っ
て、ストライプ状のマスク2を形成した。このストライ
プ状のマスク2は、マスク幅Mwを7μm、窓部幅Ww
を13μmに設定して形成した。このようにしてマスク
基板1が得られた。
洗浄した後、MOCVD(有機金属気相成長法)装置に
搬送した。そして、このマスク基板1に、成長温度10
50℃の条件の下、V族原料のNH3(アンモニア)、
III族原料のTMGa(トリメチルガリウム)および
TMAl(トリメチルアルミニウム)を供給し、さらに
SiH4(Si不純物濃度1×1018/cm3)を添加し
て、厚さ15μmのn型Al0.03Ga0.97Nからなる窒
化物半導体下地層5を積層した。このようにして膜付き
マスク基板4が得られた。
以外にSiNx、A12O3、TiO2、タングステンまた
はモリブデン等で構成されていてもよい。
のストライプ方向は、マスク基板1に対して<1−10
0>方向に沿って形成されたが、マスク基板1に対して
<11−20>方向に沿って形成されていてもよい。
01)面を有するGaN基板が用いられたが、その他の
面方位およびその他の窒化物半導体基板が用いられてい
てもよい。窒化物半導体基板の両方位に関しては、C面
[0001]、A面[11−20]、R面[1−102]、M
面[1−100]、[1−101]等が好ましく用いられ
る。また、上記面方位から2度以内のオフ角度を有する
基板であれば表面モフォロジーが良好である。さらに、
その他の窒化物半導体基板として、例えば、窒化物半導
体レーザの垂直横モードの単峰化のために、AlGaN
基板を用いるとより好ましくなる。
導体レーザ素子の結晶成長方法)以下、図1を用いて、
膜付きマスク基板に作製される窒化物半導体レーザ素子
を「リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ
素子の結晶成長方法」、その「プロセス工程」およびそ
の「パッケージ実装」に分けて順次説明する。
窒化物半導体レーザ素子が、チップ分割された後の窒化
物半導体レーザ素子チップを表している。
膜付きマスク基板4、In0.07Ga 0.93Nからなるn型
クラック防止層6、Al0.1Ga0.9Nからなるn型クラ
ッド層7、GaNからなるn型光ガイド層8、発光層
9、Al0.2Ga0.8Nからなるp型キャリアブロック層
10、GaNからなるp型光ガイド層11、Al0.1G
a0.9Nからなるp型クラッド層12、GaNからなる
p型コンタクト層13、n電極14、p電極15、Si
O2からなる誘電体膜18およびn型電極パッド16か
ら構成される。ただし、膜付きマスク基板4は、GaN
からなるマスク基板1、マスク2およびn型Al0.03G
a0.97Nからなる窒化物半導体下地層5から構成されて
いる。
素子の製造方法を詳細に説明する。MOCVD装置を用
いて膜付きマスク基板4に、V族原料のNH3とIII
族原料のTMGa(トリメチルガリウム)またはTEG
a(トリエチルガリウム)に、TMIn(トリメチルイ
ンジウム)とSiH4が加えられ、800℃の成長温度
でIn0.07Ga0.93Nからなるn型クラック防止層6を
40nm成長させた。次に、基板温度が1050℃に上
げられ、TMAl(トリメチルアルミニウム)またはT
EAl(トリエチルアルミニウム)のIII族原料が用
いられて、1.2μm厚のAl0.1Ga0.9Nからなるn
型クラッド層7(Si不純物濃度1×1018/cm3)
を成長させ、続いてGaNからなるn型光ガイド層8
(Si不純物濃度1×1018/cm3)を0.1μm成
長させた。その後、基板温度が800℃に下げられ、3
周期の、厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N井戸層と厚さ
8nmのIn0.01Ga0.99N障壁層から構成された発光
層(多重量子井戸構造)9を、障壁層/井戸層/障壁層
/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層の順序で成長させ
た。その際、障壁層と井戸層の両方にSiH4(Si不
純物漫度は1×1018/cm3)を添加した。この場
合、障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に、
1秒以上180秒以内の成長中断が実施されてもよい。
このことにより、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が
減少して好ましい。
3(アルシン)またはTBAs(ターシャリブチルアル
シン)を、発光層9にPが添加される場合はPH3(ホ
スフイン)またはTBP(ターシャリブチルホスフイ
ン)を、発光層9にSbが添加される場合はTMSb
(トリメチルアンチモン)またはTESb(トリエチル
アンチモン)をそれぞれ添加すると良い。また、発光層
9が形成される際、N原料として、NH3以外にジメチ
ルヒドラジンが用いられてもよい。
されて、厚み20nmのAl0.2Ga0.8Nからなるp型
キャリアブロック層10、0.1μmのGaNからなる
p型光ガイド層11、0.5μmのAl0.1Ga0.9Nか
らなるp型クラッド層12と0.1μmのGaNからな
るp型コンタクト層13を順次成長させた。p型不純物
としてはMg(EtCP2Mg:ビスエチルシクロペン
タジエニルマグネシウム)を5×1019/cm3〜2×
1020/cm3で添加した。GaNからなるp型コンタ
クト層13のp型不純物濃度は、p電極15の方向に向
かって、p型不純物濃度を多くした方が好ましい。この
ことによりp電極15形成によるコンタクト抵抗が低減
し得る。
げているp型層中の残留水素を除去するために、p型層
成長中に微量の酸素が混入されても構わない。
長させた後、MOCVD装置のリアクター内を全窒素キ
ャリアガスとNH3に変え、60℃/分で温度を降下さ
せた。基板温度が800℃に達した時点で、NH3の供
給量を停止し、5分間基板温度で待機させてから、室温
まで降下させた。上記基板1の保持温度は650℃から
900℃の間が好ましく、待機時間は、3分以上10分
以下が好ましい。また、降下温度の到達速度は、30℃
/分以上が好ましい。このようにして作製された成長膜
をラマン測定によって評価したところ、従来のp型化ア
ニールが実行されなくても、成長後すでにp型化の特性
が示されていた(Mgが活性化していた)。また、p電
極15形成によるコンタクト抵抗も低減していた。ま
た、上記に加えて従来のp型化アニールを組み合わせた
場合には、Mgの活性化率がより向上し得た。
は、In組成比が0.07以外であってもよく、n型ク
ラック防止層自体がなくてもよい。しかしながら、n型
クラッド層7とGaN基板との格子不整合が大きくなる
場合は、上記n型クラック防止層6を挿入した方がクラ
ック防止の点でより好ましい。
まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井
戸層で終わる構成であってもよい。また、井戸層の層数
は、前述の3層に限らず、10層以下であれば閾値電流
密度が低く、室温連続発振が可能であった。特に2層以
上6層以下のとき閾値電流密度が低くなり、好ましかっ
た。
壁層との両層にSi(SiH4)が1×1018/cm3添
加されたが、Siが添加されなくてもよい。しかしなが
ら、Siが発光層に添加された方が発光強度は強かっ
た。発光層に添加される不純物は、Si以外にO、C、
Ge、ZnおよびMgの不純物群のうち、少なくともい
ずれかの不純物が添加されていてもよい。また、不純物
群の添加量の総和は、約1×1017〜1×1019/cm
3程度が好ましかった。さらに、不純物が添加される層
は、井戸層と障壁層の両層に限らず片方の層のみに不純
物を添加してもよい。
10は、Al組成比が0.2以外であってもよく、この
p型キャリアブロック層10自体が無くてもよい。しか
しながら、p型キャリアブロック層を設けた方が閾値電
流密度が低くなった。これは、p型キャリアブロック層
10が発光層9にキャリアを閉じ込める働きがあるから
である。このp型キャリアブロック層10のAl組成比
は、高くすることによってキャリアの閉じ込めが強くな
って好ましい。また、キャリアの閉じ込めが保持される
程度までAl組成比を小さくすれば、キャリアブロック
層10内のキャリア移動度が大きくなり電気抵抗が低く
なって好ましい。
クラッド層12として、Al0.1Ga0.9N結晶が用いら
れたが、Alの組成比が0.1以外のAlGaN3元結
晶であってもよい。Alの混晶比が高くなると発光層と
のエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キ
ャリアや光が該発光層に効率良く閉じ込められ、レーザ
発振閾値電流密度の低減を図り得る。また、キャリアお
よび光の閉じ込めが保持される程度までAl組成比を小
さくすれば、クラッド層でのキャリア移動度が大きくな
り、素子の動作電圧を低下させ得る。
厚みは、0.7μm〜1.5μmが好ましい。垂直横モ
ードの単峰化と光閉じ込め効率が増し、レーザの光学特
性の向上とレーザ閾値電流密度の低減を図り得るためで
ある。
クラッド層12は、AlGaN3元混晶であったが、A
lInGaN、AlGaNP、AlGaNAs等の4元
混晶であっても良い。さらに、p型クラッド層は、電気
抵抗を低減するために、p型AlGaN層とp型GaN
層からなる超格子構造、またはp型AlGaN層とp型
InGaN層からなる超格子構造を有していても良い。
による方法を説明したが、分子線エビタキシ一法(MB
E)、ハイドライド気相成長法(HVPE)を用いても
よい。
ストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶
成長方法」で作製されたエピウエハをMOCVD装置か
ら取り出し、窒化物半導体レーザ素子チップに加工する
ためのプロセス工程を説明する。ここで、窒化物半導体
レーザ素子を作製し終えたエピウエハの表面は平坦であ
り、マスク基板1に形成されたマスク2および窓部3は
窒化物半導体下地層5と発光素子構造で完全に埋没され
ていた。
て、エピウエハの表側から窒化物半導体下地層5を露出
させた後、Hf/Alの順序で形成した。そして、n電
極14の上にn型電極パッド16としてAuを蒸着し
た。また、このn電極14材料には、Tl/Al、Tl
/MoまたはHf/Au等が用いられてもよい。n電極
14にHfが用いられるとn電極14のコンタクト抵抗
が下げられるため好ましい。マスク基板1は、窒化物半
導体基板で構成されているため、図7で示すようにマス
ク基板1の裏面側からn電極14が形成されても構わな
い。ただし、窒化物半導体基板は、n型の極性を有する
ように不純物がドーピングされる必要がある。
と同じ方向に向かってストライプ状にエッチングされ、
リッジストライプ部19が形成された。このリッジスト
ライプ部19は、窓部中央Wcから3μm離れた位置に
形成した。また、リッジストライプ部19の幅Rwは
1.7μmとした。その後、誘電体膜18が蒸著され、
p型コンタクト層13が露出されて、p電極15がPd
/Mo/Auの順序で蒸着されて形成された。また、こ
のp電極15材料には、Pd/Pt/Au、Pd/A
u、またはNi/Au等が用いられてもよい。
方向に対して垂直方向にへき開し、共振器長500μm
のファブリ・ペロー共振器を作製した。共振器長は一般
に300μmから1000μmが好ましい。マスクのス
トライプ方向が<1−100>方向に沿って形成された
窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、窒化物半導体
結晶のM面([1−100]面)である。レーザ共振器の
帰還手法以外に、一般に知られているDFB(Dist
ributed Feedback)、DBR(Dis
tributed Bragg Reflector)
が用いられてもよい。このファブリ・ペロー共振器の共
振器瑞面を形成した後、該端面に70%の反射率を有す
るSiO2とTiO2の誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体
多層反射膜を形成した。誘電体材料としては、SiO2
/Al2O3が誘電多層反射膜として用いられてもよい。
ザ素子チップが作製された。 (パッケージ実装)次に、上記半導体レーザ素子チップ
がパッケージに実装される方法について述べる。
放熱対策に注意を払わなければならない。たとえば、高
出力窒化物半導体レーザ素子チップは、Inはんだ材を
用いて、Junction downでパッケージ本体
に接続されることが好ましい。また、高出力窒化物半導
体レーザ素子チップは、直接パッケージ本体やヒートシ
ンク部に取り付けられるのではなく、Si、AlN、ダ
イヤモンド、Mo、CuW、BN、Fe、Cu、SiC
またはAu等のサブマウントを介して接続しても構わな
い。
流狭窄部分が本発明に係わる最適位置に作製されること
によって、レーザ発振閾値電流密度の低減が達成され
た。
施の形態2について説明する。本実施の形態2は、実施
の形態1で述べられたリッジストライプ構造を有する窒
化物半導体レーザ素子を、電流阻止層22を有する窒化
物半導体レーザ素子(図4(b))に替えた以外は実施
の形態1と同様である。
0.07Ga0.93Nからなるn型クラック防止層106、A
l0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層207、GaN
からなるn型光ガイド層108、発光層109、Al
0.2Ga0.8Nからなるp型キャリアブロック層110、
GaNからなるp型光ガイド層111、Al0.1Ga0.9
Nからなるp型クラッド層212、電流阻止層22、G
aNからなるp型コンタクト層113、n電極214、
p電極215から構成される。
された電流が、図8で示された電流阻止層22間幅のみ
を通過できるように電流を阻止する層であれば良い。例
えば、電流阻止層22として、n型Al0.25Ga0.75N
層を用いても良い。電流阻止層22のAl組成比は0.
25に限らず、その他の値でも構わない。
れたマスクの幅Mwを13μm、窓部の幅Wwを13μ
m、マスクの厚みを0.1μmおよび電流阻止層間幅を
1.8μmに設定した。また、2つの電流阻止層22に
挟まれた部分の一端を、窓部中央Wcから4μm離れた
位置に設定した。
半導体基板に積層された窒化物半導体層上にマスクが作
製されたこと以外は、実施の形態1または実施の形態2
と同様である。
製方法を以下に説明する。まず、面方位が(0001)
面であるGaN基板(窒化物半導体基板の一例)をMO
CVD装置に装填した。そして、550℃の成長温度
で、NH3とTMGaをGaN基板に供給して、低温G
aNバッファ層を形成した。次に、成長温度を1050
℃まで昇温し、NH3、TMGaおよびSiH4を供給し
て、低温GaNバッファ層上にn型GaN層(窒化物半
導体層の一例)を形成した。n型GaN層を形成した
後、該基板をMOCVD装置から取り出した。
該基板のn型GaN層の表面に、SiNxから構成され
る成長抑制膜を厚さ0.15μmで蒸著した。SiNx
は、スパッタリング法で蒸著した。その後、従来のリソ
グラフイー技術を用いて、GaN基板の<1−100>
方向に沿って、ストライプ状のSiNxのマスクを形成
した。このマスクは、マスク幅が7μm、窓部幅が8μ
mで形成した。このようにして、本実施の形態3のマス
ク基板を得た。
浄し、MOCVD(有機金属気相成長法)装置に搬送し
た。そして、このマスク基板に、成長温度1050℃の
条件の下、I族原料のNH3、III族原料のTMGa
およびSiH4(Si不純物濃度1×1018/cm3)を
供給して、厚さ20μmのGaN膜(窒化物半導体下地
層の一例)を積層した。このようにして、本実施の形態
3の膜付きマスク基板が得られ、実施の形態1または実
施の形態2と同様の手法を用いて窒化物半導体レーザ素
子を作製し得る。
ッファ層は、低温AlxGa1-xNバッファ層(0≦x≦
1)であれば良く、低温バッファ層自体が形成されなく
てもよい。
N基板は表面モフォロジーが好ましくないため、低温A
lxGa1-xNバッファ層(0≦x≦1)が挿入された方
が、表面モフォロジーが改善されて好ましい。ここで、
低温バッファ層とは、約450℃〜600℃の成長温度
で形成されるバッファ層のことを指す。これらの成長温
度範囲で作製されたバッファ層は多結晶もしくは非晶質
であり得る。
PおよびSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素
が窒化物半導体レーザ素子の発光層に含有されたこと以
外は、上記実施の形態1から実施の形態3と同様であ
る。
うち少なくとも何れかの元素が、窒化物半導体発光素子
の発光層のうち少なくとも井戸層に含有される。このと
き、井戸層に含有された上記元素群の総和の組成比をx
とし、同じく井戸層のN元素の組成比をyとするとき、
xはyよりも小さく、x/(x+y)は0.3(30
%)以下であり、好ましくは0.2(20%)以下であ
る。元素群の総和の組成比xが30%よりも高くなると
濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離
に移行し始めて井戸層の結晶性が低下し得り、20%よ
りも高くなると井戸層内のある領域ごとに元素の組成比
の異なる濃度分離が次第に生じ始めるためである。ま
た、上記元素群の総和の下限値は、1×1018/cm3
以上である。元素群の総和の添加量が1×1018/cm
3よりも小さくなると、井戸層に上記元素を含有したこ
とによる効果が得られにくくなるためである。
記元素群のうち少なくとも何れかの元素が含有されるこ
とによって、井戸層の電子とホールの有効質量が小さ
く、また、井戸層の電子とホールの移動度が大きくな
る。半導体レーザ素子の場合、前者は少ない電流注入量
でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られること
を意味し、後者は発光層で電子とホールが発光再結合に
よって消滅しても新たに電子、ホールが拡散により高速
に注入されることを意味する。すなわち、現在報告され
ている発光層にAs、PおよびSbの元素群のうちいず
れも含有しないInGaN系窒化物半導体レーザ素子と
比べて、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに閾
値電流密度を低下することができ、自励発振特性の優れ
た(雑音特性に優れた)半導体レーザであり得る。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子が半導体光学装置
に適用された場合について説明する。また、その他の本
発明に係る事柄については、上述の実施の形態1から実
施の形態4と同様である。
導体光学装置、例えば光ピックアップ装置に利用される
と以下の点において好ましい。本発明に係る窒化物半導
体レーザ素子は、レーザ発振閾値電流密度が低いことか
ら低消費電力かつ携帯性に優れた高密度記録再生用光デ
ィスク装置に好ましく適用されるためである。
半導体光学装置に利用された一例として、光ディスク装
置(光ピックアップ27を有する装置。たとえば、DV
D装置など)の概略図を示す。図9のレーザ光33は、
入力情報に応じて光変調器31で変調され、レンズ28
を通してディスク上に記録される。再生時は、ディスク
25上のビット配列によって光学的に変化を受けたレー
ザ光33がスプリッタ30を通して光検出器34で検出
され、再生信号となる。これらの動作は制御回路35に
よって制御される。レーザ出力については、通常、記録
時は30mWで、再生時は5mW程度である。
る光ディスク装置の他に、たとえば、レーザプリンタ、
バーコードリーダ、光の三原色(青色、緑色、赤色)レ
ーザによるプロジェクタ等にも利用可能である。
度の低い窒化物半導体レーザ素子とそれを用いた半導体
光学装置を提供することができる。
体レーザ素子チップを表した模式的断面図である。
(a)はマスク基板の一例の断面を、(b)はマスク基
板の一例の上面を、それぞれ表している。
る。(a)はリッジストライプ構造を有する窒化物半導
体レーザ素子の一例である。(b)は電流阻止層を有す
る窒化物半導体レーザ素子の一例である。
体レーザ素子のリッジストライプ部の形成位置とレーザ
発振閾値電流密度の低減率との関係が表された図であ
る。
付きマスク基板上に作製され得る領域を示した模式図で
ある。
ーザ素子チップの模式的断面図である(n電極とp電極
は、互いに対向する位置に配置される)。
チップの一例の模式的断面図である。
導体光学装置(光ピックアップ装置)の一例の概念図で
ある。
3,103 窓部、4,104,204,304 膜付きマ
スク基板、5,105 窒化物半導体下地層、6,106
n型クラック防止層、7 n型クラッド層、8,10
8 n型光ガイド層、9,109 発光層、10,110
p型キャリアブロック層、11,111 p型光ガイ
ド層、12,112,212 p型クラッド層、13,1
13 p型コンタクト層、14,114,214 n電
極、15,115,215 p電極、16 n型電極パッ
ド、17 p型電極パッド、18 誘電体膜、19,1
19リッジストライプ部、20 ワイヤーボンド、21
電流狭窄部分、22 電流阻止層、23 領域I、2
4 領域II、25 ディスク、26 モータ、27
光ピックアップ、28 レンズ、29 追従鏡、30
スプリッタ、31光変調器、32 レーザ、33 レー
ザ光、34 光検出器、35 制御回路。
Claims (11)
- 【請求項1】 窒化物半導体基板上もしくは窒化物半導
体基板上に積層された窒化物半導体層上に、窒化物半導
体がエピタキシャル成長しにくい成長抑制膜から構成さ
れるストライプ状のマスクと、前記マスクが形成されて
いないストライプ状の窓部と、が設けられたマスクパタ
ーンを含むマスク基板を含み、前記マスク基板上に形成
された窒化物半導体下地層と、少なくともn型層とp型
層によって挟まれた井戸層または井戸層とこれに接する
障壁層とを含む発光層を含む発光素子構造をさらに含
み、前記窓部の中央から前記窓部のストライプ方向に向
かって1μm以上離れ、かつその窓部の幅内の上方領域
に、電流狭窄部分の少なくとも一部が形成されることを
特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項2】 前記窓部の幅が5μm以上25μm以下
であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体
レーザ素子。 - 【請求項3】 前記マスクの幅が2μm以上30μm以
下であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒
化物半導体レーザ素子。 - 【請求項4】 前記窓部の幅が前記マスクの幅と等しい
広さまたはそれ以上の広さに形成されていることを特徴
とする請求項1から3のいずれかの項に記載の窒化物半
導体レーザ素子。 - 【請求項5】 前記窒化物半導体下地層は、Si、O、
Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、MgおよびBeの不
純物群のうち、少なくとも1以上の不純物を1×1017
〜8×1018/cm3の範囲内で含むGaNであること
を特徴とする請求項1から4のいずれかの項に記載の窒
化物半導体レーザ素子。 - 【請求項6】 前記窒化物半導体下地層はAlxGa1-x
N(0.01≦x≦0.15)を含むことを特徴とする
請求項1から4のいずれかの項に記載の窒化物半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項7】 前記AlxGa1-xN(0.01≦x≦
0.15)に含まれる不純物の濃度が3×1017以上8
×1018/cm3以下であることを特徴とする請求項6
に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項8】 前記窒化物半導体下地層はInxGa1-x
N(0.01≦x≦0.18)を含むことを特徴とする
請求項1から4のいずれかの項に記載の窒化物半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項9】 前記InxGa1-xN(0.01≦x≦
0.18)に含まれる不純物の濃度が1×1017以上5
×1018/cm3以下であることを特徴とする請求項8
に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項10】 前記井戸層にAs、PもしくはSbの
元素群のうち少なくともいずれかの不純物が含まれてい
ることを特徴とする請求項1から9のいずれかの項に記
載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項11】 請求項1から10のいずれかの項に記
載の窒化物半導体レーザ素子を利用したことを特徴とす
る半導体光学装置。
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