JP2005033099A - 窒化物半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層10のp側又はn側に、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦0.1,0.5≦y≦1、0.5≦x+y≦1)から成り、ストライプ状の開口部32を有する電流狭窄層30が形成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子において、ストライプ状の開口部32を、電流狭窄層30のうち下地層に接触する部分が10Å以上残るように形成する。
【選択図】図1
Description
(a)活性層のp側又はn側に、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦0.1,0.5≦y≦1、0.5≦x+y≦1)から成る電流狭窄層を形成する工程と、
(b)前記電流狭窄層の一部を、該電流狭窄層のうち下地層に接する部分が残るように除去することにより、ストライプ状の開口部を形成する工程と、
(c)前記電流狭窄層の表面をエッチングする工程と、
を備えたことを特徴とする。
図1は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。サファイア等の異種基板2の上に、GaNから成るn側コンタクト層4、AlGaNから成るn側クラッド層6、GaNからなるn側光ガイド層8、Inを含む井戸層を有する多重量子井戸活性層10、GaNから成るp側光ガイド層12、AlGaNから成るp側光クラッド層14、GaNから成るp側コンタクト層16が形成されている。p側光ガイド層12の中には、ストライプ状の開口部32を有する電流狭窄層30が形成されている。電流狭窄層30は、Al比率が0.5以上の高抵抗の窒化ガリウム系化合物半導体から成り、開口部32における活性層10に電流を集中してレーザの水平横モードを制御する役割を果たしている。
[電流狭窄層30]
電流狭窄層30は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦0.1,0.5≦y≦1、0.5≦x+y≦1)の一般式で示される窒化物半導体から成る。電流狭窄層30を、SiO2等の絶縁材料ではなく、上記一般式で表される窒化ガリウム系化合物半導体によって形成することにより、電流狭窄層30を他の素子構造と同一の気相成長装置で成長させることが可能になる。また、電流狭窄層30を、SiO2等の異種材料ではなく、窒化ガリウム系化合物半導体によって構成することには、レーザのビームがリニアリティが向上するという効果もある。例えば、SiO2をGaNから成る光ガイド層等に埋め込んだ場合、SiO2の屈折率は約1.5であり、GaNの屈折率は2.5であるため、両者に間に大きな屈折率差が生じ、レーザ出力のリニアリティが低下すると共に、ビームが動き易くなる。電流経路の幅を細くしてビームを安定化することもできるが、電流密度が高くなって寿命特性が低下する。これに対し、例えばAlNを電流狭窄層とすれば、AlNの屈折率は2.1であり、GaNの屈折率は2.5であるので、両者の間の屈折率差は小さく、リニアリティが良くなり、ビームも安定化する。
活性層10は、少なくとも発光領域がInを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成ることが好ましく、より好ましくはInX1Ga1−X1N井戸層(0<X1<1)とInX2Ga1−X2N障壁層(0≦X2<1、X1>X2)が適当な回数だけ交互に繰り返し積層された多重量子井戸構造(MQW構造)を有している。井戸層は、アンドープで形成されており、全ての障壁層はSi、Sn等のn型不純物が好ましくは1×1017〜1×1019cm−3の濃度でドープして形成されている。障壁層にn型不純物がドープされていることにより、活性層中の初期電子濃度が大きくなって井戸層への電子注入効率が高くなり、レーザの発光効率が向上する。活性層10は、井戸層で終わっても良く、障壁層で終わっても良い。活性層10には、蒸気圧の高いInNが比較的多量に混晶されているため、分解し易く、他の層よりも低温(約900℃以下)で成長される。
キャリア閉込層11は、p側クラッド層14よりも高いAl混晶比を持つp型窒化ガリウム系化合物半導体からなり、好ましくはAlaGa1−aN(0.1≦a≦0.5)なる組成を有する。キャリア閉込層11の好ましい膜厚は、50〜200Åである。また、Mg等のp型不純物が高濃度で、好ましくは5×1017〜1×1019cm−3の濃度でドープされている。これにより、キャリア閉込層11は、電子を活性層中に有効に閉じ込めることができ、レーザの閾値を低下させる。また、キャリア閉込層11は、Inを含むために分解し易い活性層10を保護する機能を有する。即ち、キャリア閉込層11は、分解温度の高いAlGaNから成るため、活性層10を分解から有効に保護することができる。キャリア閉込層11は、活性層10の分解が進行しないように、窒素等の不活性ガス中で900℃以下の低温で行うことが好ましい。
n側光ガイド層8及びp側光ガイド層12は、Alを実質的に含まない窒化ガリウム系化合物半導体層から成ることが好ましい。望ましくは、InbGa1−bN(0≦b≦1)から成り、より望ましくは、GaNから成る。p側光ガイド層に電流狭窄層30を埋め込む場合には、第1p側光ガイド層12aと第2p側光ガイド層12bの2層に分け、その間に電流狭窄層30を形成する。第2p側光ガイド層12bをAlを実質的に含まない組成にすることにより、電流狭窄層30を埋め込んだ場合に平坦化し易くなる。第1p側光ガイド層12aと第2p側光ガイド層12bの組成は、同一であることが好ましいが、光ガイド層の機能を阻害しない範囲で互いに異なっていても良い。尚、n側光ガイド層に電流狭窄層30を埋め込む場合も同様である。
n側クラッド層6及びp側クラッド層14は、少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子とすることが好ましい。ここでAlを含む窒化物半導体層としてはAlcGa1−cN(0<c<1)が好ましい。更に好ましくはGaNとAlGaNを積層した超格子構造とする。n側クラッド層6やp側クラッド層14を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のAl混晶比を上げることができるので、レーザの閾値を低下させることができる。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが減少する。また、超格子構造を構成する一方の層に不純物を多くドープする変調ドープを行うと結晶性が良くなる。但し、両方に同じようにドープしても良い。
p側電極20の材料としては、Ni、Co、Fe、Cr、Al、Cu、Au、W、Mo、Ta、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os及びこれらの酸化物、窒化物等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。好ましくは、Ni、Co、Fe、Cu、Au、Alから選択される少なくとも1種、及びこれらの酸化物、窒化物などである。また、半導体層に接して設けられるオーミック電極とその上のパッド電極との2層構造とするのが好ましい。多層膜とする場合、好ましい組合せとしては、Ni/Au/Pt、Ni/Au/Rh酸化物、Pd/Pt、Ni/Au、Co/Au等があげられる。また、これらを半導体層と接するオーミック電極とし、その上にパッド電極を別に設けることが好ましい。パッド電極の材料も、上記と同様の材料を用いることができ、オーミック電極との界面に白金族系の材料若しくはそれらの酸化物を用いることで、熱的安定性が向上するので好ましい。
n側電極18の材料としては、Ni、Co、Fe、Ti、Cu、Au、W、Zr、Mo、Ta、Al、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。好ましくは、Ti/Al、V/Al、V/Pt/Au、Ti/Mo/Ti/Pt/Au、Ti/W/Ti/Pt/Auが挙げられる。特に、Ti/Mo/Ti/Pt/Au、Ti/W/Ti/Pt/Auは、Pt等の融点の高い層をあいだに挟む積層構造体であるため、熱的に安定であり、高出力時等の電極にかかる負荷の大きい場合には、好ましい材料である。
図4は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す工程図である。まず、図4(a)に示すように、MOCVD装置等の気相成長装置の反応炉において、窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を構成する半導体層を、p側光ガイド層12の合計膜厚の約半分まで(=第1p側光ガイド層12a)積層した後、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦0.1、0.5≦y≦1、0.5≦x+y≦1)から成る電流狭窄層30を成長する。電流狭窄層30は、1000℃未満、好ましくは600℃以下の低温で成長することが望ましい。
実施の形態1では、p側光ガイド層12の中に電流狭窄層30を形成したが、本実施の形態では、n側光ガイド層8の中に電流狭窄層30を形成する。その他の点は、実施の形態1と同様である。
実施例1では、図1に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を製造する。
まず、2インチφ、C面を主面とするサファイアよりなる異種基板をMOCVD反応容器内にセットし、温度を500℃にして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaNよりなるバッファ層を200Åの膜厚で成長させた後、温度を上げて、アンドープのGaNを1.5μmの膜厚で成長させる。次に、GaN層表面にストライプ状のマスクを複数形成し、マスク開口部からGaNを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長(ELOG)によりGaN下地層を形成する。この時、選択成長時のマスクは、SiO2からなり、マスク幅15μm、開口部(窓部)幅5μmとする。
次に、温度を1050℃にして、TMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニアを用い、基板2の上にAlGaNよりなるバッファ層(図示せず)を4μmの膜厚で成長させる。この層は、次に形成するn側コンタクト層4と基板2との間で、バッファ層として機能する。
次に、前記バッファ層上にTMG、TMA、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用いて、1050℃でSiドープしたAlGaNよりなるn型コンタクト層4を4μmの膜厚で成長させる。
次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を900℃にして、InGaNよりなるクラック防止層(図示せず)を0.15μmの膜厚で成長させる。
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAlGaNよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、続いて、TMAを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたGaNよりなるB層を25Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ繰り返して、総膜厚1μmの多層膜(超格子構造)よりなるn型クラッド層6を成長させる。この時、アンドープAlGaNのAl混晶比としては、0.05以上0.3以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する。
次に、温度1050℃で、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層106を0.15μmの膜厚で成長させる。また、n型不純物をドープしても良い。
次に、温度を900℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニウムを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層(B)を140Åの膜厚で成長し、シランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層(W)を40Åの膜厚で成長し、この障壁層(B)と井戸層(W)を、障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/・・・・/障壁層/井戸層/障壁層の順に積層する。最終層は、井戸層でも障壁層でも良いが、障壁層とすることが好ましい。活性層10は、総膜厚約500Åの多重量子井戸構造(MQW)となる。
次に、同様の温度で、原料ガスにTMA、TMG、及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1019/cm3ドープしたAlGaNよりなるp側キャリア閉込層11(図1に図示せず)を100Åの膜厚で成長させる。この層を設けることにより、電子の閉じ込めが良好になると共に、活性層10を分解から保護することができる。
続いて、温度を1000℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるp側光ガイド層12aを0.075μmの膜厚で成長させる。この第1p側光ガイド層12aは、アンドープとして成長させるが、p側キャリア閉込層11、p側クラッド層14等の隣接層からのMgの拡散により、Mg濃度が5×1016/cm3となりp型を示す。また、この層は、成長時に意図的にMgをドープしてもよい。
次に、温度を500℃にして、原料ガスにTMA及びアンモニアを用い、AlNよりなる電流狭窄層30を300Åの膜厚で成長させる。そして、そこまで積層したウエハをMOCVD反応装置の反応炉より取り出し、以下のようにしてストライプ状の開口部32を設ける。まず、電流狭窄層30のほぼ全面にフォトレジストを塗布する。次に、開口部32のパターンに露光を行った後、アルカリ液であるTMAHを用いた現像処理を行う。具体的には、23℃に保った2.38%のTMAH溶液で2分間現像を行う。結晶性の悪いAlN層30はアルカリ現像液に溶けるので、現像処理と同時に開口部32中の上部分のAlN層がエッチング除去される。一方、電流狭窄層の下側に形成された下地層である第1p側光ガイド層に接する部分のAlN層は結晶性が良好であるため、上記条件では溶けず、約80Åの厚さ分が開口部内に残る(図4(b))。
次に、温度を1000℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなる第2p側光ガイド層12bを0.075μmの膜厚で成長させる。この第2p側光ガイド層12bは、アンドープとして成長させるが、p側クラッド層14等の隣接層からのMgの拡散により、Mg濃度が5×1016/cm3となりp型を示す。また、この層は、成長時に意図的にMgをドープしてもよい。第2p側光ガイド層12bは、Alを含んでいないため、開口部32の段差を埋めて平坦に成長し易い。
続いて、1000℃でアンドープAlGaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMAを止め、Cp2Mgを用いて、MgドープGaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、それを90回繰り返して総膜厚0.45μmの超格子層よりなるp側クラッド層14を成長させる。
最後に、温度1000℃で、p側クラッド層14の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層16を150Åの膜厚で成長させる。p側コンタクト層16は、p型の窒化ガリウム系化合物半導体で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすれば、p電極20と最も好ましいオーミック接触が得られる。p側コンタクト層16は、電極を形成する層であるので、1×1017/cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。1×1017/cm3よりも低いと、電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p型層を更に低抵抗化する。
4・・・n側コンタクト層、
6・・・n側クラッド層、
8・・・n側光ガイド層、
10・・・活性層、
12・・・p側光ガイド層、
14・・・p側クラッド層、
16・・・p側コンタクト層、
18・・・n電極、
20・・・p電極、
30・・・電流狭窄層、
30a・・・電流狭窄層の本体部分、
30b・・・電流狭窄層の残膜部
Claims (14)
- n側半導体層、活性層、p側半導体層から成る積層体の内部に、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦0.1,0.5≦y≦1、0.5≦x+y≦1)から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層が形成された窒化物半導体レーザ素子であって、
前記ストライプ状の開口部内に、前記電流狭窄層のうち下地層に接触する部分が残存した残膜部を有し、該残膜部を通じて前記活性層への電流注入が可能であることを特徴とする窒化物半導体レーザ。 - 前記残膜部の膜厚が、10Å以上100Å未満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。
- 前記電流狭窄層の総膜厚が、100Å以上800Å以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記電流狭窄層が、前記活性層のp側に形成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記窒化物半導体レーザが、前記活性層の少なくとも片側に光ガイド層を備え、前記電流狭窄層が前記光ガイド層中に形成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記光ガイド層が、実質的にAlを含まない窒化ガリウム系化合物半導体から成ることを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記電流狭窄層の開口部上方における転位密度が、その周囲の転位密度よりも低いことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記電流狭窄層の開口部を埋める層が、実質的にAlを含まない窒化ガリウム系化合物半導体から成ることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記電流狭窄層のうち前記残膜部を除く部分が、前記積層体の側面及び/又は端面から離間するよう形成されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項の記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記p側半導体層の最表面の少なくとも一部が接するようにp側オーミック電極が形成され、該p側オーミック電極の幅が、前記開口部の幅以上であり、かつ、前記電流狭窄層の幅よりも狭いことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記p側オーミック電極は、レーザ光の導波方向と略平行な方向の長さが、前記電流狭窄層よりも短いことを特徴とする請求項10に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- n側半導体層、活性層、p側半導体層から成る積層体の内部に、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦0.1,0.5≦y≦1、0.5≦x+y≦1)から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層が形成された窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
活性層のp側又はn側に、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦0.1,0.5≦y≦1、0.5≦x+y≦1)から成る電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層の一部を、該電流狭窄層のうち下地層に接する部分が残るように除去することにより、ストライプ状の開口部を形成する工程と、
前記電流狭窄層の表面をエッチングする工程と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体レーザの製造方法。 - 前記開口部の形成を、アルカリ溶液を用いたウエットエッチングによって行うことを特徴とする請求項12に記載の窒化物半導体レーザの製造方法。
- 前記電流狭窄層の表面エッチングを、還元性ガスを用いたガスエッチングによって行うことを特徴とする請求項12又は13に記載の窒化物半導体レーザの製造方法。
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