JP2005191488A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の発光部を有するアレイ構造の半導体発光素子において、素子特性が劣化することなく、コヒーレンスを低下させスペックルを除去することができるようにする。
【解決手段】 基板１に形成された溝２ａ〜２ｄは、その底面の幅が互いに異なっている。溝２ａ〜２ｄ内にエピタキシャル成長をさせると、底面の幅の狭い溝ほど、その斜面と底面の境界部分の近傍において成長材料が大量に消費されるため、底面の幅に応じて層厚の異なる発光部４ａ〜４ｄが同時に形成される。これら発光部４ａ〜４ｄからは互いに波長の異なる光が出射され、これら波長の異なる光が混ざりあってコヒーレンスが低下し、スペックルが除去された均一なレーザ光となる。よって、この半導体レーザ１０を適用したディスプレイでは高品質な映像を表現することが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上に複数の発光部を有するアレイ構造の半導体発光素子およびその製造方法に関する。

通信あるいは計測などに用いられる光にはコヒーレンシーが高いレーザ光が用いられている。しかしながら、このコヒレンシーの高い光を、レーザディスプレイなどに用いられる普通の光として利用すると、光自身が干渉し、スペックルと呼ばれる光の干渉パターンが発生し、均一に光を照射することできず、高品質な映像を表現することができない。従って、レーザディスプレイにおいて高品質な映像を表現するためには、コヒーレンシーを低下させスペックルを除去することが必要である。

一般に、スペックルを除去する方法としては、レーザ光の出力を高速で切り換える手法、あるいはレーザ光を高速で振動させる手法などがあり、具体的には、レーザに変調をかけたり、レーザ光源自体を高速で振動させたり、あるいは光路中にフィルタを設置し、このフィルタを高速で振動させたりする手法がとられている。

上述のように、従来、スペックルを除去する方法として種々提案されているが、これらの手法では、レーザ光を出射するためのドライバ（駆動回路）を特殊な機能を有するものとし、あるいは装置内に可動可能な部分を設置する必要があるため装置を小型化するのには限界があった。

なお、下記の特許文献１から特許文献３には、本発明の半導体レーザに類似するものが開示されている。これらは、活性層を含む積層構造（発光部）を形成するにあたり、２回以上のエピタキシャル成長を行っているため、２回目のエピタキシャル成長の際に、１回目に形成された積層構造（発光部）が熱によりダメージを受け、素子特性が劣化するという問題がある。また、特許文献４には、液相成長法による半導体レーザが開示されているが、このレーザにおいても、成長条件を変え、２回に分けて積層構造を形成しているため、素子が劣化するという問題がある。更に、特許文献５には、ＳｉＯ₂ （二酸化珪素）膜をマスクとしてＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・ヒ素）系材料からなる積層構造（発光部）を形成する方法が開示されているが、マスクをエッチングにより除去する際に積層構造もダメージを受けるため、この場合にも素子特性が劣化してしまうという問題がある。
特開昭６２−２７２５８１号公報 特開２００１−２３７４９５号公報 特開昭６２−２７１４８５号公報 特開昭５８−７９７９１号公報 特開平２−６２０９０号公報

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の発光部を有するアレイ構造の素子特性を劣化させることなく、コヒーレンスを低下させスペックルを除去することができ、ディスプレイに適用した場合に高品質な映像を表現することができる半導体発光素子、およびそのアレイ構造を一度の工程で実現することができる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、基板の一面に設けられると共に、底面の幅が少なくとも２つにおいて異なる複数の溝と、これら複数の溝にそれぞれ設けられると共に、少なくとも２つにおいて互いに層厚の異なる複数の発光部と、を備えた構成を有している。

この半導体発光素子では、層厚の異なる複数の発光部において、互いに異なる波長の光が出射され、これら波長の異なる光が混ざり合い、その結果コヒーレンスは低下し、スペックルを生ずることなく、全体として均一な光として照射される。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、一つの基板の表面に、底面の幅が少なくとも２つにおいて互いに異なり、かつ各々壁面が斜面をなすように複数の溝を形成する工程と、エピタキシャル成長により、複数の溝それぞれに対し、少なくとも２つにおいて互いに層厚の異なる複数の発光部を形成する工程とを含むものである。

すなわち、この方法では、１回のエピタキシャル成長で、壁面が斜面をなす複数の溝に対しそれぞれ発光部が形成されるが、これら発光部は各溝における底面の幅に応じて互いに層厚が異なるように形成される。この層厚の相違によって各発光部から波長の異なる光が出射される。

本発明の半導体発光素子では、基板の一面に、底面の幅が異なる複数の溝を設け、これら複数の溝にそれぞれ互いに層厚の異なる複数の発光部を設けるようにしたので、各発光部から互いに異なる波長の光を出射させることができる。これらの光が混ざり合って発振波長の半値幅が広くなってコヒーレンスが低下し、スペックルの除去された均一な光として出力されるため、ディスプレイに用いることにより高品質な映像を表現することが可能になる。

特に、発光するレーザの最大波長と最小波長との差を３ｎｍ以上とすることにより、より均一な光を発生することが可能になる。

本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、一つの基板に、底面の幅が互いに異なり、かつ各々壁面が斜面をなすように複数の溝を形成したのちエピタキシャル成長させることにより異なる層厚の発光部を形成するようにしたので、１回の工程で、波長の異なる光を発光可能なアレイ構造を容易に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面を表すものである。ここでは、一例としてＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザについて説明する。なお、同図において各構成要素は、本発明が理解できる程度の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示したものであり、実寸とは異なっている。

この半導体レーザ１０は、例えば、溝２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）を有したＧａＡｓからなるｎ型基板１の表面に、例えばＳｉＯ₂ （二酸化珪素）やＳｉ₃ Ｎ₄ （窒化珪素）からなる電極電流挟窄層３を有している。これら複数の溝２の内部にはレーザ光を発光可能な発光部４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）が形成されている。

電極電流挟窄層３の表面には例えばＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）からなるｐ側電極６が、基板１の裏面には例えばＡｕ−Ｇｅ（金−ゲルマニウム）／Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕからなるｎ側電極７が形成されている。。なお、ここではｐ側電極６およびｎ側電極７をともに共通電極としているが、いずれも個別電極とするようにしてもよい。

各溝２ａ〜２ｄはその内壁が斜面となっており、断面略逆台形状で、光の導波方向（ここでは紙面に垂直）に沿って帯状に延びる形状を有している。

溝２ａ〜２ｄの底面の幅は互いに異なっており、それぞれＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４とすると、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４の関係にある。例えば、最も大きな溝２ｄの底面の幅は、１０〜５００μｍであり、その深さは、例えば２〜３μｍである。なお、本実施の形態では溝２の底面の深さはすべて同一であるが、必ずしも同一である必要はない。

発光部４は、溝２の底面から斜面の中間位置まで覆い、その上部は、断面略台形の形状を有している。なお、この発光部４は、溝２に沿って、すなわち、光の導波方向に沿って帯状に延びた形状を有している。

図２は、上記溝２ａ〜２ｄのうちの溝２ａ，溝２ｄを拡大して表したものである。溝２ａ，２ｄには、上述のように発光部４ａ，４ｄが形成されており、これらの発光部４ａ，４ｄは、例えばＡｌＩｎＰ（アルミニウム・インジウム・リン）からなるｎ型クラッド層４ｅ、ＧａＩｎＰ（ガリウム・インジウム・リン）からなる活性層４ｆ、ＡｌＩｎＰからなる第１のｐ型クラッド層４ｇ、ＧａＩｎＰからなるエッチング停止層４ｈ、ＡｌＩｎＰからなる第２のｐ型クラッド層４ｉおよびＧａＡｓ（ガリウム・砒素）からなるｐ型コンタクト層４ｊが順次積層された構造を有している。ｎ型クラッド層４ｅには、ドーパントとしてｎ型不純物、例えばＳｅ（セレン）が添加されている。また、第１のｐ型クラッド層４ｇ、第２のｐ型クラッド層４ｉおよびＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層４ｊには、ドーパントとしてｐ型不純物、例えばＺｎ（亜鉛）が添加されている。

発光部４ａ，４ｄは、それぞれｎ型クラッド層４ｅ、活性層４ｆ、第１のｐ型クラッド層４ｇおよびエッチング停止層４ｈのみが溝２ａ，２ｄと接触している。なお、図２では図示しないが、発光部４ｂ，４ｃも同様の構造を有している。

また、発光部４ａにおけるｎ型クラッド層４ｅ、活性層４ｆおよび第１のｐ型クラッド層４ｇの総層厚は、発光部４ｄにおける総層厚よりも小さく、また、発光部４ａの各層（４ｅ，４ｆ，４ｇ）の層厚も、発光部４ｄの各層（４ｅ，４ｆ，４ｇ）の層厚よりも小さくなっている。すなわち、発光部４ｄにおけるｎ型クラッド層４ｅ、活性層４ｆおよび第１のｐ型クラッド層４ｇよりも、発光部４ａにおける各層の方がバンドギャプが大きくなっており、その結果、発光部４ａは発光部４ｄよりも短波長のレーザ光を発光する。

これは発光部４ａ〜４ｄそれぞれの関係も同様である。すなわち、アレイ構造全体として、ｎ型クラッド層４ｅ、活性層４ｆおよび第１のｐ型クラッド層４ｇの層厚は、各溝２ａ〜２ｄの底面の幅の大きさに比例して、発光部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの順に小さく、この順にバンドギャップが大きくなっているため、この順により短波長のレーザ光を発光する。

ここで、発光部４ａと発光部４ｄとが発光するレーザ光の波長の差（すなわち半導体レーザが発光する最大波長と最小波長の差）は、３ｎｍ以上であることことが好ましい。各レーザ光が混ざり合った光のコヒーレンスを低下させ、特に効果的にスペックルを除去することができ、全体としてより均一な光とすることができるからである。

また、各発光部４ａ〜４ｄにおける活性層４ｆは、発光効率を良くするという観点から、量子井戸構造であることが好ましい。

発光部４ａ〜４ｄが発光するレーザの波長は、例えば赤色の光源を用いる場合には、視感度の高い波長を選択するという観点から、６３０〜６５０ｎｍが好ましい。

電極電流挟窄層３は、各発光部４ａ〜４ｄの上部に通じる一定幅ｄの溝３Ａを有しており、この溝３Ａを通じて電流が各発光部４ａ〜４ｄの活性層４ｆに注入可能となっている。

このように本実施の形態の半導体レーザ１０では、基板１上に、互いに層厚が異なり、バンドギャップが異なる発光部４ａ〜４ｄがアレイ状に形成されているため、閾値以上の電流がｐ側電極６およびｎ側電極７から注入されると、各発光部４ａ〜４ｄからは互いに波長の異なる光が同時に出射される。そのためこの半導体レーザ１０からは、これら波長の異なる光が混ざりあって発振波長の半値幅の広いレーザ光が出力される。すなわち、コヒーレンスが低下し、スペックルが除去された均一なレーザ光となり、この半導体レーザ１０を適用したディスプレイでは高品質な映像を表現することが可能になる。

特に、各発光部４ａ〜４ｄの出射光のうち、最も層厚の小さな発光部４ａと最も層厚の大きな発光部４ｄが発光するレーザ光の波長の差を３ｎｍ以上とすると、特に均一な光を照射することができる。

次に、上記半導体レーザ１０の製造方法について説明する。

図３に示したように、基板１上に、溝形成用の例えばＳｉＯ₂ からなるマスク８を形成する。次に、図４に示したように、このマスク８を用いて、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により基板１の中間深さまで選択的に除去し、そののちマスク８を除去する。これにより、基板１の表面に互いに底面の幅が異なると共に壁面に斜面を有し、かつ同じ深さの溝２ａ〜２ｄが形成される。

続いて、図５に示したように、この基板１上に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ₃ （水素化砒素）、ＰＨ₃ （水素化リン）、ＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）およびＨ₂ Ｓｅ（水素化セレン）からなる材料を用いて、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属化学気相成長）法により、ｎ型クラッド層４ｅ、活性層４ｆ、第１のｐ型クラッド層４ｇ、エッチング停止層４ｈ、第２のｐ型クラッド層４ｉ、およびＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層４ｊの順に順次エピタキシャル成長させる。このときの成長条件としては、例えば、温度を６５０℃、気圧を５０Ｔｏｒｒとする。

このとき、底面の幅が狭い溝ほど、その斜面と底面の境界部分の近傍において、上述した材料が大量に堆積して多結晶状に形成されやすい。すなわち、底面の幅が最も狭い溝２ａでは、上記材料がこの多結晶形成のために多量に消費され、底面部分での成長速度が相対的に低下する。そのため、図６に示したように、溝２ａの底面上に形成される積層構造の層厚は小さなものとなる。一方、底面の幅が最も広い溝２ｄでは、斜面において上記材料が消費される量が溝２ａ〜２ｃに比較して少なくなり、成長速度が速くなる。従ってこの溝２ｄの底面上に形成される積層構造の層厚は大きなものとなる。このように、溝２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに形成される積層構造の層厚はこの順に小さくなる。

次に、図７に示したように、溝２ａ〜２ｄの内部に発光部４ａ〜４ｄが形成されるように、それぞれの溝２ａ〜２ｄに幅がＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４のマスク９を形成する。続いて、マスク９が形成されていない領域をＲＩＥにより選択的に除去し、そののち、マスク９を取り除く。これにより、図８に示したように、溝２ａ〜２ｄには、各底面の幅の大きさに比例して層厚の異なる発光部４ａ〜４ｄが形成される。

続いて、図９に示したように、発光部４ａ〜４ｄの上部に通じる一定幅ｄの溝３Ａを有する電極電流挟窄層３を形成したのち、図１に示したように、電極電流挟窄層３の表面にスパッタあるいは蒸着法によりＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極６を形成すると共に、基板１の裏面にＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極７を形成して、半導体レーザ１０が完成する。

このように本実施の形態においては、上述の材料を用いて基板１上にエピタキシャル成長をさせた場合に、底面の幅の狭い溝ほど、その斜面と底面の境界部分の近傍において材料が大量に堆積され多結晶化する、という現象を利用するものであり、これにより溝幅に応じて互いに層厚の異なるアレイ構造の発光部４ａ〜４ｄを１回のエピタキシャル成長で形成することができる。よって、従来の２回のエピタキシャル成長を行う場合に比べて、素子特性を劣化させるようなことがなくなる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、発光部４の材料は特に限定するものではなく、ＡｌＧａＡｓ系あるいはＩｎＧａＡｓＰ系などの材料により形成されていてもよい。また、エピタキシャル成長をさせる方法としては、ハライド気相成長法、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）法、スパッタリング、真空蒸着などの物理気相成長（ＰＶＤ）法、液相エピタキシ（ＬＰＥ）法などを用いてもよい。また、エッチングプロセスとしては、ドライエッチング、ウェットエッチングまたはこれらの組み合わせであってもよい。加えて、基板１に形成される各溝の深さを異なるようにして、発光部の層厚を制御するようにしてもよい。また、層厚の異なる発光部と層厚の同じ発光部が混在するような構成としてもよく、あるいは、特定の発光部のみに閾値以上の電流を注入することにより、特定の発光部のみから選択的にレーザ光を発光させるような構成としてもよい。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を表す断面図である。 図１に示した半導体レーザの一部を拡大して表す図である。 図１に示した半導体レーザの製造工程を表す図である。 図３に続く製造工程を表す図である。 図４に続く製造工程を表す図である。 図５に続く製造工程を表す図である。 図６に続く製造工程を表す図である。 図７に続く製造工程を表す図である。 図８に続く製造工程を表す図である。

符号の説明

１…基板、２（２ａ〜２ｄ）…溝、３…電極電流挟窄層、３Ａ…溝、４（４ａ〜４ｄ）…発光部、４ｅ…ｎ型クラッド層、４ｆ…活性層、４ｇ…第１のｐ型クラッド層、４ｈ…エッチング停止層、４ｉ…第２のｐ型クラッド層、４ｊ…ｐ型コンタクト層、６…ｐ側電極、７…ｎ側電極、８…マスク、９…マスク、１０…半導体レーザ

Claims (10)

1. 基板の一面に設けられると共に、底面の幅が少なくとも２つにおいて異なる複数の溝と、
   前記複数の溝にそれぞれ設けられると共に、少なくとも２つにおいて互いに層厚の異なる複数の発光部と
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記複数の溝の壁面は斜面をなしている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記発光部は、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系およびＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料のうち少なくとも１種の材料により形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記溝の底面の幅は、１０μｍ以上３００μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
5. 前記溝の深さは、２μｍ以上３μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
6. 前記複数の発光部のうち少なくとも２つは互いに異なる波長のレーザ光を発光する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
7. 前記複数の発光部が発光するレーザ光の最大波長と最小波長との差が３ｎｍ以上である
   ことを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
8. ディスプレイ用として用いられる
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
9. 一つの基板の表面に、底面の幅が少なくとも２つにおいて互いに異なり、かつ各々壁面が斜面をなすように複数の溝を形成する工程と、
   エピタキシャル成長により、前記複数の溝それぞれに対し、少なくとも２つにおいて互いに層厚の異なる複数の発光部を形成する工程と
   を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
10. 前記複数の発光部を形成するための材料は、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系およびＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料のうち少なくとも１種である
    ことを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。
    

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