JP2005216990A - Nitride semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser device using a nitride semiconductor substrate.
近年、半導体レーザやLED(発光ダイオード)等の短波長の発光素子材料として、GaNなどの窒化物系半導体材料の研究、開発が行なわれている。GaN系半導体レーザはInGaNを活性層とする構造で、すでに実用化されているが、光ディスク装置の書き込み、書き換え用途としては、現在、出力が不足している。さらに、光ディスクの書き込み、書き換えの倍速化にともない、今後GaN系半導体レーザの高出力化技術は、いっそう重要となる。 In recent years, research and development have been conducted on nitride-based semiconductor materials such as GaN as light-emitting element materials with short wavelengths such as semiconductor lasers and LEDs (light-emitting diodes). A GaN-based semiconductor laser has an InGaN active layer structure and has already been put to practical use, but currently has insufficient output for writing and rewriting of optical disk devices. Furthermore, as the speed of writing and rewriting of optical discs increases, technology for increasing the output of GaN semiconductor lasers will become more important in the future.
半導体レーザの高出力化にあたっては、光学損傷(Catastrophic Optical Damage;COD)による端面劣化が問題となる。CODは端面付近での界面準位、光吸収による発熱等に起因して、端面近傍が異常な高温となり端面が溶解するなどして、発振停止もしくは発振不可能となる現象である。従来技術として、p側コンタクト層とp側電極との間に絶縁層又は高抵抗層を備え、電流不注入領域とすることでCODを防止する半導体レーザ装置が提案されている(特許文献1参照)。また、p側コンタクト層とショットキー接触するp側ショットキー電極を備え、電流不注入領域とすることでCODを防止する半導体レーザ装置が提案されている(特許文献2参照)。
従来、窒化物半導体レーザは、比較的端面劣化は生じにくいと考えられている。しかし、光ディスクの倍速、4倍速書き込みといった用途に使用するための出力100mWを超える高出力レーザにおいては、CODの発生が危惧されている。更に、窒化物半導体レーザにおいては、低出力動作においても、大気雰囲気中で使用した場合、CODが生じないまでも、その端面が変質する等の問題が生じる。端面の変質は酸化や端面に付着したシリコン化合物の影響による劣化であり、窒化物半導体レーザ素子を作製するときに、キャップをする、また、窒素封入でキャップをするなどの対策を行うことで、ある程度は防止することができる。しかし、半導体レーザの使用用途によっては、キャップをすることができない場合もあり、レーザ素子自体の改善による解決が求められている。 Conventionally, nitride semiconductor lasers are considered to be relatively resistant to end face degradation. However, there is a concern about the occurrence of COD in a high-power laser having an output exceeding 100 mW for use in applications such as double speed and four-times speed writing of optical disks. Further, in the nitride semiconductor laser, there is a problem that the end face of the nitride semiconductor laser is deteriorated even if it is used in an air atmosphere even if it is used in an air atmosphere, even if COD does not occur. The deterioration of the end face is degradation due to oxidation and the influence of the silicon compound adhering to the end face, and when making a nitride semiconductor laser element, by taking measures such as capping or capping with nitrogen sealing, It can be prevented to some extent. However, depending on the intended use of the semiconductor laser, it may not be possible to cap it, and there is a need for a solution by improving the laser element itself.
従来、窒化物半導体レーザ素子を作製するとき、窒化物半導体積層部を形成する基板として、通常、サファイア基板が用いられている。しかし、サファイア基板はGaNなどを材料とする窒化物半導体基板と比較すると、GaNが130W/mKに対して、サファイアは42W/mKと、熱伝導率が悪い。このため、サファイア基板を用いて窒化物半導体レーザ素子を作製する際、CODを抑制するために、上述の特許文献に開示されている技術を用いると、電流非注入領域の幅を大きくする必要がある。しかし、レーザストライプの共振器方向の長さである共振器長に対して、電流非注入領域の幅を大きくすると、窒化物半導体レーザ素子の特性が劣化する。 Conventionally, when fabricating a nitride semiconductor laser element, a sapphire substrate is usually used as a substrate on which a nitride semiconductor multilayer portion is formed. However, when compared with a nitride semiconductor substrate made of GaN or the like, the sapphire substrate has a poor thermal conductivity, with GaN being 130 W / mK and sapphire being 42 W / mK. For this reason, when manufacturing a nitride semiconductor laser device using a sapphire substrate, it is necessary to increase the width of the current non-injection region by using the technique disclosed in the above-mentioned patent document in order to suppress COD. is there. However, if the width of the current non-injection region is increased with respect to the cavity length which is the length of the laser stripe in the cavity direction, the characteristics of the nitride semiconductor laser element are deteriorated.
図9に示すのは、共振器方向のレーザストライプの長さである共振器長を600μmとし、電流非注入領域の合計した幅を200μmとしたときの窒化物半導体レーザ素子の光出力−電流特性である。この素子の特性は、レーザ発振してからグラフの線形性が明確でなく、スロープ効率が減少傾向にあり、電流値を大きくしても光出力は飽和しつつあるなど、異常がみられる。これは、電流非注入領域の幅が大きく、光出力の立ち上がり時に電流非注入領域で光吸収が多いためである。このように、CODを抑制するために、むやみに電流非注入領域の幅を大きくすると、窒化物半導体レーザ素子の特性が劣化する。よって、上述の特許文献による窒化物半導体レーザ素子の光出力特性が劣化してしまう。 FIG. 9 shows the light output-current characteristics of the nitride semiconductor laser device when the cavity length, which is the length of the laser stripe in the cavity direction, is 600 μm and the total width of the current non-injection regions is 200 μm. It is. As for the characteristics of this element, there is an abnormality such that the linearity of the graph is not clear after laser oscillation, the slope efficiency tends to decrease, and the light output is saturated even when the current value is increased. This is because the current non-injection region is wide and light absorption is large in the current non-injection region when the light output rises. Thus, if the width of the current non-injection region is increased unnecessarily in order to suppress COD, the characteristics of the nitride semiconductor laser device deteriorate. Therefore, the light output characteristics of the nitride semiconductor laser element according to the above-mentioned patent document are deteriorated.
このような問題を鑑みて、本発明は高出力動作時においても安定に動作し、CODの発生を抑制し、端面の変質等の端面劣化を生じず、同時に、良好な光出力特性を有する窒化物半導体レーザ素子を備えた窒化物半導体レーザ装置を提案することを目的とする。 In view of such a problem, the present invention operates stably even at the time of high output operation, suppresses the generation of COD, does not cause end face deterioration such as end face deterioration, and at the same time, has a good light output characteristic. An object of the present invention is to propose a nitride semiconductor laser device including a semiconductor laser device.
上記目的を達成するために、本発明の窒化物半導体レーザ装置は、基板と当該基板の表面上に複数の窒化物半導体層が積層されてなる窒化物半導体積層部を備えた窒化物半導体レーザ素子において、前記基板が窒化物半導体基板であるとともに、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面に絶縁体から成る保護膜が形成され、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面の少なくとも一方は電流が流れない電流非注入領域を備え、前記電流非注入領域の長さの合計が、共振器全長の20%以下、または200μm以下であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a nitride semiconductor laser device according to the present invention includes a nitride semiconductor laser element including a substrate and a nitride semiconductor stacked portion in which a plurality of nitride semiconductor layers are stacked on the surface of the substrate. And the substrate is a nitride semiconductor substrate, and a protective film made of an insulator is formed on an end surface of the nitride semiconductor laser element in the resonator direction, and at least the end surface of the nitride semiconductor laser element in the resonator direction is formed. One is provided with a current non-injection region in which no current flows, and the total length of the current non-injection region is 20% or less of the total length of the resonator, or 200 μm or less.
このような構成によると、サファイアよりも熱伝導率の高いGaNなどの前記窒化物半導体基板を使用することにより、前記窒化物半導体積層部で発生した熱の放熱性が向上する。よって、前記電流非注入領域の幅を小さく抑えることができ、前記窒化物半導体レーザ素子の光出力特性の劣化を防止できる。尚、前記基板に用いる前記窒化物半導体はGaNに限定されるものではなく、0≦x≦0.25の範囲で均一なAl組成を有するAlxGa1-xN基板を用いても構わない。当該基板を用いることで、熱伝導率はGaN基板を用いた場合よりもさらに大きくなり、放熱性が改善するとともに、前記基板上に成長する前記窒化物半導体層との格子整合性もよくなり、素子特性も向上する。 According to such a configuration, the use of the nitride semiconductor substrate such as GaN having higher thermal conductivity than sapphire improves the heat dissipation of the heat generated in the nitride semiconductor stacked portion. Therefore, the width of the current non-injection region can be kept small, and deterioration of the light output characteristics of the nitride semiconductor laser element can be prevented. The nitride semiconductor used for the substrate is not limited to GaN, and an Al x Ga 1-x N substrate having a uniform Al composition in the range of 0 ≦ x ≦ 0.25 may be used. . By using the substrate, the thermal conductivity becomes even larger than when using a GaN substrate, the heat dissipation improves, and the lattice matching with the nitride semiconductor layer grown on the substrate also improves, Element characteristics are also improved.
更に、このような構成によると、前記端面にコーティング保護膜を形成することにより、前記端面の変質を防止する。前記端面が変質すると、前記窒化物半導体レーザ素子のスロープ効率が低下するなどの影響が生じて、素子の信頼性が十分得られず、安定した高出力動作を行うことが困難となる。尚、前記コーティング保護膜は、ZrO2、SiO2、Al2O3、HfO2、CaF、Na3AlF6、LiF、LaF3、CeF3、MgF2、NdF3、AlNなどの絶縁材料により構成されるものとしても構わない。又、前記コーティング保護膜が、波長400nmの光における消衰係数が10-4以下の絶縁材料により構成されるものとしても構わない。 Further, according to such a configuration, the end face is prevented from being deteriorated by forming a coating protective film on the end face. If the end face is altered, an effect such as a decrease in slope efficiency of the nitride semiconductor laser element occurs, so that the reliability of the element cannot be obtained sufficiently and it is difficult to perform a stable high output operation. The coating protective film is made of an insulating material such as ZrO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO 2 , CaF, Na 3 AlF 6 , LiF, LaF 3 , CeF 3 , MgF 2 , NdF 3 , and AlN. It doesn't matter if it is done. The coating protective film may be made of an insulating material having an extinction coefficient of 10 −4 or less in light having a wavelength of 400 nm.
また、このような構成によると、前記電流非注入領域の長さの合計が、共振器全長の20%以下、または200μm以下とすることで、前記窒化物半導体レーザ素子の光出力特性の劣化を抑制できる。 According to such a configuration, the total length of the current non-injection region is 20% or less of the total length of the resonator, or 200 μm or less, so that the light output characteristics of the nitride semiconductor laser device are deteriorated. Can be suppressed.
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域の長さの合計が5μm以上であることを特徴とする。前記電流非注入領域から端面へのキャリアの拡散および熱の伝導を考慮すると、前記電流非注入領域の長さの合計が5μm以上であることが好ましい。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the total length of the current non-injection regions is 5 μm or more. In consideration of carrier diffusion and heat conduction from the current non-injection region to the end face, the total length of the current non-injection region is preferably 5 μm or more.
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体積層部に形成される発光部分となるレーザストライプの端面近傍に電極のない領域を備えることにより形成されることを特徴とする。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the current non-injection region is formed by providing a region without an electrode in the vicinity of an end face of a laser stripe that becomes a light emitting portion formed in the nitride semiconductor stacked portion. It is characterized by that.
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層と前記電極間に絶縁層を挿入することにより形成されることを特徴とする。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the current non-injection region is formed by inserting an insulating layer between the nitride semiconductor layer and the electrode.
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層に高抵抗化した領域を備えることにより形成されることを特徴とする。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the current non-injection region is formed by providing a region having a high resistance in the nitride semiconductor layer.
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層と前記電極間をショットキー接触させることにより形成されることを特徴とする。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the current non-injection region is formed by making a Schottky contact between the nitride semiconductor layer and the electrode.
本発明によると、放熱性が良好な窒化物半導体基板を用い、端面に絶縁体による保護層を形成し、かつ、導波路端面の少なくとも一方に電流非注入領域を形成することで、端面での熱的、光学的な損傷を抑制し、高出力動作においても安定して動作し、CODを起さず、端面の変質等の端面劣化を生じない窒化膜半導体レーザ素子を実現することができる。 According to the present invention, a nitride semiconductor substrate with good heat dissipation is used, a protective layer made of an insulator is formed on the end face, and a current non-injection region is formed on at least one of the end faces of the waveguide. It is possible to realize a nitride semiconductor laser device that suppresses thermal and optical damage, operates stably even at high output operation, does not cause COD, and does not cause end face deterioration such as end face deterioration.
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態における窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体成長層の構造を示す概略構成図である。
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a structure of a nitride semiconductor growth layer stacked on a nitride semiconductor substrate in the present embodiment.
図1に示すように、窒化物半導体成長層116は、n型GaNを材料とする窒化物半導体基板101の表面に、層厚3μmのn型GaN層102と、層厚0.5μmのn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層103と、層厚0.1μmのn型GaN光ガイド層104と、層厚8nmのIn0.01Ga0.99N障壁層が4層及び層厚4nmのIn0.1Ga0.9N井戸層が3層から成る多重量子井戸構造発光層105と、層厚20nmのp型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層106と、層厚0.1μmのp型GaN光ガイド層107と、層厚0.4μmのp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108と、層厚0.1μmのp型GaNコンタクト層109と、が順に積層されて構成される。尚、本発明においては、窒化物半導体基板としては、窒化物半導体基板101の材料にn型のGaN基板を用いたが、この材料に限定されるものではなく、p型のGaN基板、半絶縁性のGaN基板、Al1-xGaxN(0≦x≦1)基板等を用いても構わない。
As shown in FIG. 1, the nitride
次に、上述の窒化物半導体成長層116の製造方法を説明する。以下の説明ではMOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着法)を用いた場合を示しているが、エピタキシャル成長できる成長法であれば、MOCVD法に限定されるものではなく、MBE法(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシ法)、HDVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy:ハイドライドVPE法)等、他の気相成長法を用いても構わない。
Next, a method for manufacturing the above-described nitride
窒化物半導体基板101をMOCVD装置の成長炉内の所定のサセプタ上に設置し、キャリアガスとして、N2とNH3をそれぞれ5l/min流しながら、サセプタ温度を1050℃まで昇温する。昇温が終われば、キャリアガスをN2からH2に代えて、Gaの原料としてトリメチルガリウム((CH3)3Ga:TMG)を100μmol/min、SiH4を10nmol/minを成長炉内に供給し、n型GaN層102を3μm成長させる。その後、TMGを50μmol/minに減少し、Alの原料としてトリメチルアルミニウム((CH3)3Al:TMA)を40μmol/minを成長炉内に供給して、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層103を0.5μm成長させる。n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層103の成長が終了すると、TMAの供給を停止し、TMGを100μmol/minに増加し、n型GaN光ガイド層104を0.1μm成長させる。その後、TMG、SiH4の供給を停止して、キャリアガスをH2からN2に代え、サセプタ温度を700℃まで降温し、インジウムの原料としてトリメチルインジウム((CH3)3In:TMI)を10μmol/min、TMGを15μmol/minを成長炉内に供給し、In0.01Ga0.99Nから成る8nm厚の障壁層を成長させる。次に、TMIの供給量を50μmol/minに増加し、In0.1Ga0.9Nから成る4nm厚の井戸層を成長させる。同様の手法で井戸層は計3層成長させ、井戸層と井戸層との間及び両側の計4層の障壁層から構成される多重量子井戸発光層105を形成する。
The
多重量子井戸発光層105の形成されると、TMIおよびTMGの供給を停止し、サセプタ温度を1050℃まで昇温して、キャリアガスをN2からH2に代えて、TMGを50μmol/min、TMAを30μmol/min、p型ドーパントであるMgの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム((C2H5C5H4)2Mg:EtCp2Mg)を10nmol/min成長炉内に供給し、p型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層106を20nm成長させる。p型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層106の成長が終了すると、TMAの供給を停止し、TMGの供給量を100μmol/minに増加し、p型GaN光ガイド層107を0.1μm成長させる。引き続き、TMGの供給を50μmol/minに減少し、TMAを40μmol/minで成長炉内に供給し、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108を0.4μm成長させ、次に、TMGの供給を100μmol/minに増加し、TMAの供給を停止し、p型GaNコンタクト層109を0.1μm成長させて、窒化物半導体レーザ素子の半導体積層膜の成長を終了する。その後、TMGおよびEtCp2Mgの供給を停止して降温する。このようにして、表面に窒化物半導体成長層116の形成された窒化物半導体基板101(ウエーハ)が得られる。
When the multi-quantum well light-emitting
上述のようにして窒化物半導体基板101上に窒化物半導体成長層116を形成した後、窒化物半導体レーザ素子の作製を行う。以下に、図面を参照し、窒化物半導体レーザ素子の作製方法を説明する。図2は本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図で、図3は本実施形態における窒化物半導体レーザ素子が形成されたウエーハをp型電極側から見た上面図である。
After the nitride
まず、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、幅約2μmのリッジストライプ構造を形成するように、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108とp型GaNコンタクト層109をエッチングする。p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108の一部までエッチングを行い、共振器方向に延びたストライプ状のリッジ構造であるリッジストライプ120を形成した後、リッジストライプ120上部を除く窒化物半導体成長層116の表面に、電流狭窄のため絶縁層としてSiO2埋め込み層110を形成する。次に、図2に示すように、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、金(Au)を順次蒸着した後、p型GaNコンタクト層109との間でオーミック接触が得られるよう高温で電極の合金化を行い、p型電極111を形成する。次に、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用い、図3に示すようなp型電極領域300を形成する。このとき、図3に示すように、リッジストライプの共振器方向の長さである共振器長Xよりも、p型電極の共振器方向の長さであるp型電極長Yを短くすることで、リッジストライプ120上に一部p型電極が形成されない領域が形成される。この領域が電流非注入領域304となる。尚、本実施形態においては、共振器長Xを600μm、p型電極長Yを500μmとする。
First, the p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad
次に、上述のように窒化物半導体レーザ素子を形成したウエーハをバー状に分割する。このとき、図3に示すように、リッジストライプ120に沿った方向(以下、「ストライプ方向」とする)に隣接するp型電極領域300の間に設けられたp型電極が形成されていない領域にバー分割ライン302を形成し、このストライプ方向と垂直な方向に延びたバー分割ライン302に沿って分割(へき開)行う。このように分割すると、リッジストライプ120の両端から50μmの領域を電流非注入領域304とする窒化物半導体レーザ素子が形成されたバー303が作製される。尚、電流非注入領域の形成方法は、上述の方法に限定されず、リッジストライプ120上の全面にp型電極111を形成し、バー303に分割したのち、ドライエッチング、ウエットエッチングなどの技術を用い、端面部分のみp型電極111を除去して電流非注入領域を形成する等の方法を用いても構わない。
Next, the wafer on which the nitride semiconductor laser element is formed as described above is divided into bars. At this time, as shown in FIG. 3, a region where a p-type electrode provided between p-
また、本実施形態において、電流非注入領域304のストライプ方向の幅Zは100μmとするが、これに限定されるものではなく、共振器長Xの20%を超えない範囲で、電流非注入領域304の幅Zを設定することができる。電流非注入領域304の幅Zが、共振器長Xの20%より大きくなると、窒化物半導体レーザ素子の光出力−電流特性に悪影響を与える。このため、電流非注入領域304の幅Zは、共振器長Xの20%以内とすることが好ましい。また、本実施形態では、電流非注入領域304をバー303の端面の両側に設けたが、これに限定されるものではなく、端面のいずれか片側のみに形成しても構わない。また、前記電流非注入領域から端面へのキャリアの拡散および熱の伝導を考慮すると、前記電流非注入領域の長さの合計が5μm以上であることが好ましい。
In this embodiment, the width Z in the stripe direction of the current
上述のように電流非注入領域304を形成した後、バー分割ライン302に沿ってへき開を行うが、このへき開を容易に行えるために、窒化物半導体基板101の裏面の研削や、研磨がなされる。そして、この研削や研磨が行われた窒化物半導体基板101の裏面に、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)からなるn型電極112を形成し、n型GaNを材料とする窒化物半導体基板101との間でオーミック接触が得られるよう高温で電極の合金化を行う。引き続き、n型電極112表面にモリブデン(Mo)、プラチナ(Pt)、金(Au)からなるn型金属層113を形成する。
After the current
このようにして形成されたウエーハを、スクライブ装置を用い、上述したように、バー分割ライン302に沿ってへき開することで、共振器方向の共振器長Xが600μmとするバー303に分割する。分割されたバー303の前後両方の端面に、絶縁体でコーティング保護膜114を形成する。尚、コーティング保護膜114が、波長400nmの光における消衰係数が10-4以下の絶縁材料により構成されるものとすることで、コーティング保護膜114による共振器端面における反射率を最適なものに制御することができる。そして、このようなコーティング保護膜114の材料として、ZrO2、SiO2、Al2O3、HfO2、CaF、Na3AlF6、LiF、LaF3、CeF3、MgF2、NdF3、AlNなどを用いても構わない。又、端面のコーティングは、必ずしも反射率を制御するためだけではなく、端面の保護のために形成しても構わない。
As described above, the wafer formed in this way is cleaved along the
また、端面にコーティングを実施することで端面劣化を防止するとともに、閾値、スロープ効率などの他の窒化物半導体レーザ素子の特性を改善することもできる。 In addition, the end face can be prevented from being deteriorated by coating the end face, and the characteristics of other nitride semiconductor laser elements such as a threshold value and slope efficiency can be improved.
更に、バー状態であるバー303から、窒化物半導体レーザ素子を1つずつ分割する。このようにして形成した窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載し、窒化物半導体レーザ装置が得られる。このように作製した窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性評価を行った。光出力180mWまで、キンクは無く、CODは発生しなかった。尚、当該窒化物半導体レーザ素子の電流非注入領域304の片側の幅を50μmとする。
Further, the nitride semiconductor laser elements are divided one by one from the
次に、共振器長Xを変えて、窒化物半導体レーザ素子を作製し、光出力−電流特性の評価を行った。電流非注入領域304の共振器方向の全長を、共振器長Xの20%以下とすると、図9でみられたような光出力の飽和は生じず、光出力180mWまでの高出力動作においても、CODは生じない。
Next, a nitride semiconductor laser device was manufactured by changing the resonator length X, and the optical output-current characteristics were evaluated. If the total length of the current
また、窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載するとき、p型電極111側をヒートシンクに搭載するジャンクションダウン方式で搭載すれば、レーザ発振により発生する熱が、より効率的にヒートシンクへと放熱される。結果、CODの発生は、さらに抑制される。
Further, when the nitride semiconductor laser element is mounted on the heat sink, if the p-
<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。図4は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。尚、本実施形態における窒化物半導体基板101上に積層される窒化物半導体成長層116の構成と作製方法は、第1の実施形態と同様であるので、その詳細な説明は、第1の実施形態を参照するものとして、省略する。
<Second Embodiment>
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a multilayer structure of the nitride semiconductor laser device according to the present embodiment. Note that the configuration and the manufacturing method of the nitride
窒化物半導体基板101上に窒化物半導体成長層116を第1の実施形態と同様、図1のように形成した後、窒化物半導体レーザ素子の作製を行う。以下に、図面を参照し、窒化物半導体レーザ素子の作製方法を説明する。
After the nitride
まず、フォトリソグラフィー技術を用いて、幅2μm程度のリッジストライプパターンを形成する。このフォトリソグラフィー工程では、露光用の光が当たった部分が、後の現像工程で除去されるポジ型のフォトレジストを使用する。この場合、通常、フォトマスクは、ストライプパターン部分はCr(クロム)などの材料で構成され遮光性を有し、それ以外の部分は透光性である。一方、本実施形態では、フォトマスクのストライプパターンの一部を、光を部分的に透過する、例えば、光学フィルターなどの材料で構成する。このことにより、露光時間を調整し、ストライプパターンの一部のレジストが半露光状態となる。よって、現像液に浸すと、遮光された部分のストライプパターンのレジスト膜厚は変化しないが、半露光状態となったストライプパターンのレジスト膜厚が薄くなる。 First, a ridge stripe pattern having a width of about 2 μm is formed using a photolithography technique. In this photolithography process, a positive photoresist is used in which a portion exposed to light for exposure is removed in a later development process. In this case, the photomask usually has a light-shielding property with a stripe pattern portion made of a material such as Cr (chromium), and the other portions are light-transmitting. On the other hand, in this embodiment, a part of the stripe pattern of the photomask is made of a material that partially transmits light, such as an optical filter. As a result, the exposure time is adjusted, and a part of the resist in the stripe pattern is in a half-exposure state. Therefore, when immersed in the developer, the resist film thickness of the stripe pattern in the light-shielded portion does not change, but the resist film thickness of the stripe pattern in the semi-exposed state becomes thin.
このようにして、窒化物半導体成長層116表面に形成されたフォトレジストパターンを用い、塩素(Cl2)などの反応性ガスを用いるRIE(Reactive Ion Etching)技術によって、リッジストライプ520を形成する。RIEによるエッチング深さは、露光が行われレジストパターンが形成されていない部分では、0.6μm程度とし、p型GaN光ガイド層107とp型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層106との界面付近までエッチングを実施した。一方、リッジストライプ520上で通常よりレジスト膜厚の薄い部分では、RIEによってレジストが完全に除去され、さらに、当該レジスト直下の窒化物半導体成長層116が、数百nm程度エッチングされる。このようにして、ストライプパターンの位置によって窒化物半導体成長層116のエッチング量を変えることにより、段差が形成されたリッジストライプ520が形成される。尚、本実施形態では1枚のフォトマスクを用いる方法で、段差のあるリッジストライプ520を形成しているが、この方法に限定されるものではなく、例えば、2枚のパターンの異なるフォトマスクを用い、各々のフォトマスクで形成されたレジストパターンに対してRIEによるエッチング深さを変えるなどの方法でも、リッジストライプ520を形成しても構わない。
Thus, the
次に、電流狭窄のための絶縁層としてSiO2埋め込み層110を、エッチング後の窒化物半導体成長層116表面に250nm形成し、引き続いて、リッジストライプ520上のSiO2をレジストごと剥離する。尚、このとき、リッジストライプ520上の段差部の上段部に形成されたSiO2絶縁層510は除去されない。引き続き、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、金(Au)からなるp型電極111を蒸着し、高温で電極の合金化を行う。このようにして、リッジストライプ520を構成するp型電極111とp型GaNコンタクト層109間でリッジストライプ520に形成された段差部の上段部にSiO2絶縁層510が挿入され、その部分が電流非注入領域となる構造が形成される。
Next, an SiO 2 buried
更に、へき開を容易に行えるように、窒化物半導体基板101を裏面から研削、研磨をした。窒化物半導体基板101裏面にハフニウム(Hf)、チタン(Ti)からなるn型電極112を形成して、高温にて電極の合金化を行う。引き続いてn型電極112にモリブデン(Mo)、プラチナ(Pt)、金(Au)からなるn型金属層113を形成する。
Further, the
このように、形成されたウエーハをスクライブ装置を用いて、共振器長を600μmとし、バー状に分割した。分割されたバーの前後両方の端面に、絶縁体でコーティング保護膜114を形成する。尚、コーティング保護膜114が、波長400nmの光における消衰係数が10-4以下の絶縁材料により構成されるものとすることで、コーティング保護膜114による共振器端面における反射率を最適なものに制御することができる。そして、このようなコーティング保護膜114の材料として、ZrO2、SiO2、Al2O3、HfO2、CaF、Na3AlF6、LiF、LaF3、CeF3、MgF2、NdF3、AlNなどを用いても構わない。又、端面のコーティングは、必ずしも反射率を制御するためだけではなく、端面の保護のために形成しても構わない。次に、バー状態から窒化物半導体レーザ素子を1つずつに分割した。このようにして形成した窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載し、半導体レーザ装置が得られる。
The wafer thus formed was divided into bars using a scribe device with a resonator length of 600 μm. A coating
尚、本実施形態では、上述のように、p型電極111の下部にSiO2絶縁層510を挿入し電流非注入領域を形成したが、電流非注入領域はリッジストライプ520上に600μm間隔で形成し、p型電極111の下部にSiO2が挿入された電流非注入領域の幅は100μmとする。また、ウエーハをバー状に分割するとき、電流非注入領域の中央部でへき開を行い、レーザ共振器端面の両側から幅50μmの領域は、電流非注入領域となるようにする。
In the present embodiment, as described above, the SiO 2 insulating layer 510 is inserted under the p-
上述のようにして作製された窒化物半導体レーザ素子は、光出力180mWまでキンクの発生は無く、CODも発生しなかった。一方、p型電極111の下部にSiO2絶縁層510を挿入し形成した電流非注入領域の幅を200μmとして、その中央部でバー分割をし、共振器端面の両側から幅100μmの領域が電流非注入領域となるように、窒化物半導体レーザ素子の作製した。当該窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を評価したところ、光出力は30mW程度で飽和した。光出力の飽和の原因は、電流非注入領域が広く、光出力の立ち上がり時に電流非注入領域で光吸収が多いためである。
The nitride semiconductor laser device manufactured as described above did not generate kinks and did not generate COD up to an optical output of 180 mW. On the other hand, the width of the current non-injection region formed by inserting the SiO 2 insulating layer 510 under the p-
更に、共振器長を変えて、同様な、p型電極111のリッジストライプ下部にSiO2絶縁層510を挿入し電流非注入領域を形成した窒化物半導体レーザ素子を作製したところ、電流非注入領域の共振器方向の全長が、共振器長の20%以下であるときは、光出力の飽和は生じず、200mWまでの高出力動作でもCODは発生しなかった。
Further, a nitride semiconductor laser device in which a SiO 2 insulating layer 510 was inserted under the ridge stripe of the p-
<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態について、図面を参照して説明する。図5は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。尚、本実施形態における窒化物半導体基板101上に積層される窒化物半導体成長層116の構成と作製方法は、第1の実施形態と同様であるので、その詳細な説明は、第1の実施形態を参照するものとして、省略する。
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a multilayer structure of the nitride semiconductor laser device according to this embodiment. Note that the configuration and the manufacturing method of the nitride
窒化物半導体基板101上に第1の実施形態と同様、図1に示す窒化物半導体成長層116が形成されたウエーハ表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて、一部領域に、レジストマスクを形成する。次に、当該ウエーハにイオン注入機などを用い、窒化物半導体成長層116へのイオン注入を実施する。本実施例では、注入するイオンにボロン(B)を用いるが、イオン種はこれに限定されるものではなく、アルゴン(Ar)、キセノン(Xe)、クリプトン(Kr)などでも構わない。また、注入されるイオンの進入深さは、窒化物半導体成長層116のp型GaNコンタクト層109に到達する程度で、窒化物半導体成長層116中の多重量子井戸構造発光層105にはダメージを与えないように注入するイオンエネルギーを設定する。尚、レジストで覆われた部分では、レジストに阻まれイオンは窒化物半導体成長層116中には侵入しない。イオンが注入された領域では、p型GaNコンタクト層109部分の結晶状態が破壊されるなどして欠陥が生じ、p型GaNコンタクト層109がダメージを受けることとなる。結果、高抵抗領域610が形成される。
As in the first embodiment, a resist mask is formed in a partial region on the wafer surface where the nitride
尚、本実施形態ではイオン注入機を用いて、イオン注入を実施しているが、イオン注入の方法はこれに限定されるものではなく、例えば、ドライエッチング装置を用いたプラズマドーピングなどの方法を用いても構わない。また、本実施形態では、高抵抗領域610はp型GaNコンタクト層109の表面に形成されるとしたが、多重量子井戸構造発光層105にダメージを与えなければ、積層されたp型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層106、p型GaN光ガイド層107、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108と、p型GaNコンタクト層109のいずれかの膜中に、高抵抗領域610が形成されても構わない。
In this embodiment, ion implantation is performed using an ion implanter, but the ion implantation method is not limited to this, and for example, a method such as plasma doping using a dry etching apparatus is used. You may use. In this embodiment, the
イオン注入が終わると、レジストを剥離する。次に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、リッジストライプ620を形成する。図6に示すように、リッジストライプ620を、高抵抗領域610に対して、垂直方向に形成する。リッジストライプ620は、フォトリソグラフィ技術を用いて、ウエーハ上にレジストによる2μm幅のリッジストライプパターンを形成し、それ以外の部分を、ドライエッチングを行い除去することで形成される。次に、電流狭窄のための絶縁層としてSiO2埋め込み層110を形成したのち、リッジストライプ620上のSiO2を除去する。引き続き、Pd、Mo、Auからなるp型電極111を形成して、高温で電極の合金化を行う。
When the ion implantation is completed, the resist is peeled off. Next, the
更に、窒化物半導体基板101の裏面側から研削、研磨を行った後に、窒化物半導体基板101の裏面側にHf、Alからなるn型電極112を形成する。次にn型電極の電極の合金化を行った後、n型電極112表面にMo、Pt、Auから成るn型金属層113を形成する。次にウエーハをバー分割ライン302に沿ってバー状に分割し、分割されたバーの前後両方の端面に、絶縁体でコーティング保護膜114を形成する。尚、コーティング保護膜114が、波長400nmの光における消衰係数が10-4以下の絶縁材料により構成されるものとすることで、コーティング保護膜114による共振器端面における反射率を最適なものに制御することができる。そして、このようなコーティング保護膜114の材料として、ZrO2、SiO2、Al2O3、HfO2、CaF、Na3AlF6、LiF、LaF3、CeF3、MgF2、NdF3、AlNなどを用いても構わない。又、端面のコーティングは、必ずしも反射率を制御するためだけではなく、端面の保護のために形成しても構わない。次に、バー状態から、各々の窒化物半導体レーザ素子に分割を行う。分割が終われば、窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載して配線、キャップの取り付け等を行い、窒化物半導体レーザ装置が得られる。
Further, after grinding and polishing from the back surface side of the
尚、本実施形態では、図6に示すように、高抵抗領域610はリッジストライプ620方向に対して垂直方向に600μmピッチで設けられ、高抵抗領域610の幅Wは100μmとした。バー分割を行うときは、高抵抗領域610の中央部でバー分割ライン302に沿って分割を行い、形成された共振器端面の両端から幅50μmの領域が高抵抗領域610となる。この高抵抗領域610のストライプ部分が、電流非注入領域702となる。
In this embodiment, as shown in FIG. 6, the
上述の方法で形成した窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を評価したところ、光出力が180mWを超えても、CODによる端面破壊などは発生しなかった。電流非注入領域702の幅を、端面から片側100μm程度となるように作製した窒化物半導体レーザ素子を特性評価したところ、光出力が30mW程度で飽和した。これは、電流非注入領域の幅が広すぎるため、この領域での光吸収が多くなったためである。
When the current-light output characteristics of the nitride semiconductor laser device formed by the above-described method were evaluated, end face destruction due to COD did not occur even when the light output exceeded 180 mW. When the nitride semiconductor laser device manufactured so that the width of the current
<第4の実施形態>
本発明の第4の実施形態について、図面を参照して説明する。図7は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。尚、本実施形態における窒化物半導体基板101上に積層される窒化物半導体成長層116の構成と作製方法は、第1の実施形態と同様であるので、その詳細な説明は、第1の実施形態を参照するものとして、省略する。
<Fourth Embodiment>
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a multilayer structure of the nitride semiconductor laser device according to the present embodiment. Note that the configuration and the manufacturing method of the nitride
窒化物半導体基板101上に第1の実施形態と同様、図1に示す窒化物半導体成長層116が形成されたウエーハ表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて、一部領域に、レジストマスクを形成する。次に、レジストマスクに覆われていない窒化物半導体成長層116が露出した部分の表面層にダメージを与える。但し、レジストマスクで覆われている領域にはダメージ生じないようにする。本実施形態では、RIE技術を用い、半導体成長層が露出している部分の最表面をエッチングすることで、表面層の結晶状態が破壊され欠陥が生じたり、エッチングに用いた反応性ガス中のイオンなどが不純物として注入されるなどして、表面層にダメージを与えることによりダメージ領域810を形成する。尚、表面層にダメージを与える方法は、RIEに限定されるものではなく、レーザや電子線を照射するなどの方法でも構わない。また、表面層のエッチング量は限定されない。
As in the first embodiment, a resist mask is formed in a partial region on the wafer surface where the nitride
エッチングされた部分は表面層がダメージを受け、その表面に電極を形成し、高温で電極の合金化を実施しても、半導体層と電極はオーミック接触を得ることはできず、ショットキー障壁を形成し、電流が流れない。結果、ダメージを受けた表面層の領域が電流非注入領域となる。尚、表面層のダメージが軽度のとき、電流非注入領域を有する窒化物半導体レーザ素子に電圧を一定以上の値で印加すると、電流が流れる。よって、CODが発生する可能性が高い駆動電圧でショットキー障壁を維持するように、表面層にダメージを与えることが好ましい。 The etched portion of the surface layer is damaged, and an electrode is formed on the surface. Even if the electrode is alloyed at a high temperature, the semiconductor layer and the electrode cannot obtain ohmic contact, and the Schottky barrier is not formed. Formed and no current flows. As a result, the damaged region of the surface layer becomes a current non-injection region. When the surface layer is mildly damaged, a current flows when a voltage is applied to the nitride semiconductor laser element having a current non-injection region at a certain value or more. Therefore, it is preferable to damage the surface layer so as to maintain the Schottky barrier with a driving voltage that is highly likely to generate COD.
表面層にダメージを与えた後、レジストを剥離する。引き続いて、リッジストライプ820を形成する。リッジストライプ820は、ダメージ領域810に対して、垂直方向に形成する。リッジストライプ820の形成方法は、フォトリソグラフィ技術により、ウエーハ上に2μm幅のレジストによるリッジストライプパターンを形成する。それ以外の部分は、RIE技術により除去し、リッジストライプ820を形成する。更に、電流狭窄のための絶縁膜としてSiO2埋め込み層110を形成した後、リッジストライプ820上のSiO2を除去する。引き続き、Pd、Mo、Auからなるp型電極111を形成し、高温で電極の合金化を行う。このとき、表面層にダメージを受けていない領域では、p型電極111とp型GaNコンタクト層109と間はオーミック接触するが、表面層にダメージを受けた領域であるダメージ領域810では、ショットキー接触が形成され、電流が流れない電流不注入領域となる。
After damaging the surface layer, the resist is peeled off. Subsequently, a
次に、窒化物半導体基板101の裏面側から研削、研磨を行った後、窒化物半導体基板101裏面側にHf、Alから成るn型電極112を形成する。高温でn型電極112の電極の合金化を行った後、更に、n型電極112表面に窒化物半導体基板101側から順に、Mo、Pt、Auから成るn型金属層113を形成する。このようにして作製したウエーハを、バー分割ライン302に沿ってバー状に分割する。分割されたバー903(図8参照)の前後両方の端面に、絶縁体でコーティング保護膜114を形成する。尚、コーティング保護膜114が、波長400nmの光における消衰係数が10-4以下の絶縁材料により構成されるものとすることで、コーティング保護膜114による共振器端面における反射率を最適なものに制御することができる。そして、このようなコーティング保護膜114の材料として、ZrO2、SiO2、Al2O3、HfO2、CaF、Na3AlF6、LiF、LaF3、CeF3、MgF2、NdF3、AlNなどを用いても構わない。又、端面のコーティングは、必ずしも反射率を制御するためだけではなく、端面の保護のために形成しても構わない。次に、バー903を各々の窒化物半導体レーザ素子に分割する。次に、分割された窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載し、配線、キャップの取り付け等を行い、半導体レーザ装置が得られる。
Next, after grinding and polishing from the back surface side of the
又、本実施形態では、図8に示すように、ダメージ領域810はリッジストライプ方向に対して垂直に600μmピッチで設けられ、その幅は100μmとする。窒化物半導体レーザ素子に分割する場合は、ダメージ領域810の中央部でバー分割ライン302に沿って分割を行い、分割された窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面の両端から幅50μmの領域がダメージ領域810となる。このダメージ領域810のストライプ部分902は、上述のようにショットキー接触を形成しており、電流非注入領域である。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 8, the damaged
上述の方法で作製した窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を評価したところ、光出力が180mWを超えても、CODによる端面破壊等は発生しなかった。一方、ダメージ領域810の幅を片側100μm、合計200μmとしたとき、光出力は30mW程度で飽和した。これは、電流非注入領域の幅が広いために、この部分での光吸収が増加したためである。他の実施形態と同様、ショットキー接触をしているダメージ領域810の幅は、共振器長Xの20%以下とすることが好ましい。
When the current-light output characteristics of the nitride semiconductor laser device fabricated by the above-described method were evaluated, even when the light output exceeded 180 mW, end face destruction due to COD did not occur. On the other hand, when the width of the damaged
101 窒化物半導体基板
102 n型GaN層
103 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層
104 n型GaN光ガイド層
105 多重量子井戸構造発光層
106 p型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層
107 p型GaN光ガイド層
108 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層
109 p型GaNコンタクト層
110 SiO2埋め込み層
111 p型電極
112 n型電極
113 n型金属層
114 コーティング保護膜
116 窒化物半導体成長層
120 リッジストライプ
300 p型電極領域
302 バー分割ライン
303 バー
304 電流非注入領域
510 SiO2絶縁層
520 リッジストライプ
610 高抵抗領域
620 リッジストライプ
702 電流非注入領域
703 バー
810 ダメージ領域
820 リッジストライプ
902 電流非注入領域
903 バー
Claims (6)
前記基板が窒化物半導体基板であるとともに、
前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面に絶縁体から成る保護膜が形成され、
前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面の少なくとも一方は電流が流れない電流非注入領域を備え、
前記電流非注入領域の長さの合計が、共振器全長の20%以下、または200μm以下であることを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。 In a nitride semiconductor laser device including a substrate and a nitride semiconductor stacked portion in which a plurality of nitride semiconductor layers are stacked on the surface of the substrate,
The substrate is a nitride semiconductor substrate;
A protective film made of an insulator is formed on the end face of the nitride semiconductor laser element in the cavity direction,
At least one of the end faces in the cavity direction of the nitride semiconductor laser element includes a current non-injection region where no current flows,
The total length of the current non-injection region is 20% or less of the total length of the resonator, or 200 μm or less.
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