JP2006229172A - 窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高発光効率・低閾値電流・低動作電圧特性を有する窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 第1導電型の窒化物半導体を含む第1クラッド層と、前記第1クラッド層の上に設けられ窒化物半導体を含む活性層と、前記活性層の上に設けられ、第1の端面から第2の端面に至るストライプ状のリッジ導波路と前記リッジ導波路の両側に設けられた脇部とを有する第2導電型の窒化物半導体を含む第2クラッド層と、前記リッジ導波路の上に設けられた上部電極と、前記脇部の上に被着された誘電体膜と、を備え、前記第2クラッド層の前記脇部における前記第2導電型の不純物の活性化率は、前記第2クラッド層の前記リッジ導波路における前記第2導電型の不純物の活性化率よりも低いことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法に関し、特に、高効率・低閾値電流・低動作電圧特性を有する窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
次世代DVD(Digital Versatile Disc)は、ハイビジョン映像の長時間記録やコンピュータ用大容量記録などを目標として開発が進められている。従来のDVDの4倍以上の記録容量を得るために、半導体レーザの波長は、従来の650nm帯から400nm帯へと、短波長化が必要である。このためには、従来のInGaAlP系ではなく、主としてInGaAlN系材料が使われる。
種々のInGaAlN系半導体レーザ装置の中で、高密度光ディスクへの書き換え及び読み取りを行うためには、以下のような半導体レーザ装置が一般的である。すなわち、GaN基板上にInGaAlN系材料を用いて、いわゆる「ダブルへテロ接合」を成長し、上部クラッド層をリッジ形状にしたInGaAlN系リッジ導波型半導体レーザ装置である。
このダブルへテロ接合においては、活性層となるMQW(Multiple Quantum Well)層とp型AlGaNクラッド層の間に、p型AlGaNオーバーフロー防止層が設けられることがある。このp型AlGaNオーバーフロー防止層は、p型不純物としてMgなどが高濃度でドープされており、主としてn型GaN基板側からの電子流のオーバーフローを防止して、活性層内での電子とホールとの再結合を促進する役割を有する。ところが、p側電極から注入されるホールに対しては、障壁となるので、ホール電流は、横方向(リッジ導波路から離れる方向)へ広がりやすくなる。この結果として、発振効率が低下し、閾値電流が増加する問題を生じる。
また、電極のシンターを水素雰囲気で行うと、水素原子が酸化膜を通って、p型AlGaNクラッド層やp型GaNコンタクト層に入り込み、Mgの活性化率を低下させるので、抵抗値が増加する。この結果として、動作電圧を上昇させる問題も生じる。
650nm帯のInGaAlP系半導体レーザ装置に比べて、動作電圧の高いInGaAlN系半導体レーザ装置の動作電圧を低減する提案があるが(例えば、特許文献1参照)、結晶成長工程が複雑となる問題がある。
特開2003−8145号公報
本発明は、高効率・低閾値電流・低動作電圧特性を有する窒化物半導体レーザ装置およびその製造方法を提供する。
本発明の一態様によれば、
第1導電型の窒化物半導体を含む第1クラッド層と、
前記第1クラッド層の上に設けられ窒化物半導体を含む活性層と、
前記活性層の上に設けられ、第1の端面から第2の端面に至るストライプ状のリッジ導波路と前記リッジ導波路の両側に設けられた脇部とを有する第2導電型の窒化物半導体を含む第2クラッド層と、
前記リッジ導波路の上に設けられた上部電極と、
前記脇部の上に被着された誘電体膜と、
を備え、
前記第2クラッド層の前記脇部における前記第2導電型の不純物の活性化率は、前記第2クラッド層の前記リッジ導波路における前記第2導電型の不純物の活性化率よりも低いことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、
第1導電型の窒化物半導体を含む第1クラッド層と、
前記第1クラッド層の上に設けられ窒化物半導体を含む活性層と、
前記活性層の上に設けられ、第1の端面から第2の端面に至るストライプ状のリッジ導波路と前記リッジ導波路の両側に設けられた脇部とを有する第2導電型の窒化物半導体を含む第2クラッド層と、
前記リッジ導波路の上に設けられた上部電極と、
を備え、
前記第2クラッド層の前記脇部における水素の含有率は、前記第2クラッド層の前記リッジ導波路における水素の含有率よりも高いことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、
第1導電型の窒化物半導体を含む第1クラッド層の上に窒化物半導体を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に第2導電型の窒化物半導体を含む第2クラッド層を形成する工程と、
前記第2クラッド層にストライプ状のリッジ導波路を形成する工程と、
前記リッジ導波路の上に上部電極を形成する工程と、
前記上部電極をマスクとして前記第2クラッド層に水素を選択的に導入することにより前記第2のクラッド層の前記水素が導入された部分に含有される第2導電型の不純物の活性化率を低下させる工程と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、高効率・低閾値電流・低動作電圧特性を有するリッジ導波路型の窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法が提供される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の光出射端面に平行な模式断面図である。すなわち、本実施例の窒化物半導体レーザ装置は、基板10の上に、n型AlGaNクラッド層12、n型GaN光ガイド層14、活性層16、p型AlGaNオーバーフロー防止層18、p型GaN光ガイド層20、p型AlGaNクラッド層22がこの順に積層された構造を有する。そして、活性層16の上に設けられるクラッド層22の上部には、リッジ形状を有するリッジ導波路24が形成されている。さらに、リッジ導波路24の側面には、リッジ導波路より屈折率の低い誘電体膜28が被着され、リッジ導波路24の上部は、コンタクト層26を介して上部電極30と電気的に接続されている。図1においては、リッジ導波路24上部と上部電極30の間にコンタクト層26が設けられた具体例を表したが、リッジ導波路24を構成する膜のキャリア濃度が充分高く出来れば、コンタクト層26を省略してもよい。一方、基板10の裏面側には、下部電極32が設けられている。
上部電極30と下部電極32との間に電流が注入され、活性層16が励起されて、両端面間に形成されるキャビティーにより、レーザ発振が生じる。活性層16を上下に挟む、活性層とは屈折率の異なるクラッド層により、光は上下方向に対して閉じ込められる。また、リッジ導波路24の側面の少なくとも一部に設けられた誘電体28により、光は横方向に対して閉じ込められる。この結果、光は発光部36から、水平方向および垂直方向に広がりながら放射される。この構造は、屈折率ガイド型半導体レーザの一種である。
さらに、リッジ導波路24両側のリッジ脇部38は、熱処理により水素が導入された(破線Qで示される)、水素導入領域34(一点鎖線で示される)が形成されている。水素は、誘電体膜28を通過し、さらに内部に入り込む。リッジ導波路24を構成するクラッド層22がp型であれば、そこに含まれるMgなどのp型不純物は、水素原子と結びつき、例えばMg−Hとなり、Mgを不活性化させる。
図2(a)は、図1と同様の断面図であり、(b)は(a)に対応してp型の半導体層に含有されるp型不純物の活性化率の分布を例示するグラフ図である。
また、図3(a)も、図1と同様の断面図であり、(b)は(a)に対応してp型の半導体層に含有される水素の含有率の分布を例示するグラフ図である。
これらのグラフから分かるように、発光部36の上においては、クラッド層22、光ガイド層20、オーバーフロー防止層18に含有される水素の含有率は低くp型不純物の活性化率も高い。これに対して、リッジ脇部38においては、これらクラッド層22、光ガイド層20、オーバーフロー防止層18に含有される水素の含有率が高く、p型不純物の活性化率が低下している。なお、発光部36におけるクラッド層22、光ガイド層20、オーバーフロー防止層18のp型不純物の活性化率は7%以上であることが好ましい。これは結晶成長工程の条件を適正に選択することにより可能である(例えば、特許公報第2919788号参照)。これに対して、水素を導入することによりp型不純物の活性化率を低下させたリッジ脇部38においては、これらクラッド層22、光ガイド層20、オーバーフロー防止層18のp型不純物の活性化率を7%未満とすることができる。
その結果として、リッジ脇部38において抵抗値が高くなり、電流が流れにくくなる。図1に例示したように、リッジ脇部38からの水素導入により(破線Qで示される)抵抗値が高くなった領域34へは、電流I(矢印)の横方向広がりが制限されて、リッジ導波路24下部への電流集中が可能となる。このような水素導入領域34が設けられていない場合、p型AlGaNオーバーフロー防止層18が障壁となり、上部電極から注入されたホールが横方向(リッジ導波路から離れる方向)に広がり、発光効率の低下や閾値電流の増加を引き起こすことがある。これに対して、本実施例によれば、水素導入領域34を設けることにより、電流の横方向への広がりを抑制し、発光効率を上昇させ閾値電流を下げることができる。
なお、本発明においては、クラッド層22、光ガイド層20、オーバーフロー防止層18の全てにおいて、図2(b)や図3(b)に例示したような分布が形成されている必要は必ずしもない。すなわち、本発明においては、例えば、クラッド層22のみにおいて図2(b)や図3(b)に例示したような分布が形成されていても、電流の広がりが抑制されればよい。
以下、本実施例の窒化物半導体レーザ装置の断面構造に関して、さらに詳細に説明する。 n型GaN基板10の上には、n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層12(厚み0.5〜2.0μm)、n型GaN光ガイド層14(厚み0.01〜0.10μm)、In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N MQW(Multiple Quantum Well)活性層16(井戸層厚み2〜5nm、井戸数2〜4、障壁層厚3〜10nm)、p+型Al0.2Ga0.8Nオーバーフロー防止層18(厚み5〜20nm)、p型GaN光ガイド層20(厚み0.01〜0.10μm)、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層22(0.5〜2.0μm)、p型GaNコンタクト層26(厚み0.02〜0.2μm)が、この順に積層されている。p型AlGaNクラッド層22の上部には、リッジ導波路24が設けられて、横方向に光を閉じ込める。
低閾値電流を得るために、薄い活性層で利得が確保され、光エネルギーの多くはGaN光ガイド層14および20に閉じ込められる。
また、p型AlGaNオーバーフロー防止層18は、マグネシウム(Mg)などが高濃度でドープされており、主としてn型GaN基板側からの電子流のオーバーフローを防止して、高温における不要な電流増加を抑制する。
図1に表した誘電体膜28としては、リッジ導波路24より屈折率の低い材料、例えば、SiOやSiNが選ばれる。
また、InGaAlN系材料を用いることにより、紫外光〜緑色光の発光が得られるが、HDTV記録などには、波長400nm帯の青紫色が用いられる。
以上、第1の実施例の窒化物半導体レーザ装置においては、リッジ導波路脇部38から、水素原子Qを導入することにより、p型不純物を不活性化する。この水素導入領域34においては、抵抗値が高くできる。この結果、電流経路をリッジ導波路およびその直下領域内に狭めることが出来るので、動作電圧の上昇なしに、閾値電流の低減及び発光効率の改善が可能となる。
次に、本発明の第2の実施例として、リッジ導波路の一部が上部電極と直接接触している場合の、窒化物半導体レーザ装置について説明する。
図4は、本発明の第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の模式断面図である。同図については、図1と同様の要素には、同一の番号を付して詳細な説明は省略する。
第2の実施例においては、誘電体膜28の上端は、リッジ導波路24の高さHより低い高さGにある。そして、リッジ導波路24の側面のうちで、誘電体膜28が被着されていない上部は、上部電極30と直接接触している。この構造は、横方向への電流狭窄により、素子抵抗が上昇(すなわち、動作電圧の上昇)することを抑制する効果を奏する。すなわち、本実施例においては、電流Jは、図2に矢印で表したように広い接触面積を有する上部電極30を介して注入さる。その結果として、水素導入(破線Qで示される)による横方向への電流狭窄効果が、充分大きい場合においても、動作電圧の上昇を抑制できる。本発明者の検討の結果によれば、G/H≦0.7とすれば、電極の接触抵抗の上昇を効率的に抑制できる傾向が見られた。同時に、横方向光閉じ込めが可能なように、適正にGを選ぶことが可能である。
次に、第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部につき説明する。 図5乃至図13は、第2の実施例の半導体レーザ装置の製造工程を模式的に表す斜視図である。図3乃至図11についても、図1に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
まず、図5に表したように、GaN基板10の上に、n型AlGaNクラッド層12、n型GaN光ガイド層14、活性層16、p型AlGaNオーバーフロー防止層18、p型GaN光ガイド層20、p型AlGaNクラッド層22、コンタクト層26をこの順に、MOCVD法などにより連続的に結晶成長する。
次に、図6に表したように、p型AlGaNクラッド層22及びコンタクト層26をエッチングして、第1の端面から第2の端面に至るリッジ状に加工する。その結果として、リッジ導波路24とストライプ状のコンタクト層26が形成される。
次に、図7に表したように、表面全体を、例えばシリコン酸化膜のような誘電体膜28で覆う。誘電体膜28の膜厚は、例えば、0.2〜0.7μmとすることができる。
次に、図8に表したように、誘電体膜28の上に、全面にフォトレジスト40を塗布する。
その後、図9に表したように、リッジ導波路24及びコンタクト層26上部のレジスト40をPEP(Photo Engraving Process)により、除去する。この後、弗酸系エッチャントを用いて、リッジ上部の誘電体28を除去する。
さらにエッチングを続けることにより、図10に例示したように、リッジ側面の誘電体膜28が高さGとなるようにエッチングされる。
図11は、フォトレジスト40を除去後の模式斜視図である。
この状態において、誘電体膜28は、リッジ導波路24の側面の高さGまでの部分とリッジ脇部38とを覆っている。
図12は、上部電極30及び下部電極32が形成された状態を表す模式斜視図である。 上部電極30としては、あとの熱処理工程で導入される水素が、コンタクト付近に入り込み残留することを抑制するために、水素を吸収できる金属、例えば、Ti、V、Nb、Ta、Pd、Erなどを含む、単層、積層、または合金層とすることが好ましい。
水素を吸収する金属を上部電極30の材料に用いることにより、水素雰囲気中において、電極金属のシンター工程が行われても、水素原子は上部電極30に吸収されるので、その下のp型不純物の不活性化が抑制できる。この結果として、低動作電圧が維持できる。なお、第1の実施例においても、上部電極30は同様に水素を吸収できる金属により形成することが望ましい。
また、リッジ導波路24をはさむリッジ脇部38の上には誘電体膜28が残されているが、上部電極30は残さないほうが電流狭窄効果が大きい。また、誘電体膜28は、必ずしも全面に残される必要はない。下部電極32には、Ti・Pt・Au・Alなどの、単層、積層、または合金層などを用いることが好ましい。
図13は、水素雰囲気中での熱処理を説明するための模式斜視図である。
すなわち、水素を含む雰囲気中で、温度を300〜500℃、好ましくは370〜430℃とし、熱処理を行う。上部電極30が形成されていないリッジ脇部38(表面に誘電体膜28が形成されている)を通して、水素Qが結晶中に入り込む。この結果として、水素導入領域34においては、p型不純物が不活性化して高抵抗層が形成され、電流の横方向への広がりが抑制される。この熱処理は、上部電極30および下部電極32のシンター工程を兼ねることも出来る。
上部電極30近辺に位置するリッジ導波路上面及び側面においては、水素が吸収されるので、p型不純物が水素と結びついて不活性となることが抑制できる。この結果、動作電圧の上昇がなく、低閾値電流と高発光効率が実現できる。この製造工程によれば、結晶成長が連続して行えるので、極めて生産性が高い。また、上部電極30から活性層16に至る垂直断面内の電流経路は、上部電極30形成後の熱処理により制御できるので、プロセスが極めて容易である。
次に、水素導入領域の範囲について補足する。水素雰囲気中でInGaAlN系のp型不純物は、不活性化する。従って、図1及び図4に例示した構造において、p型AlGaNオーバーフロー防止層18、p型GaN光ガイド層20、p型AlGaNクラッド層22を、不活性化できる。しかし、必ずしも、すべてを不活性化する必要はない。少なくとも、p型AlGaNクラッド層の一部が高抵抗化されれば、電流狭窄効果を生じさせることが出来る。水素導入領域の範囲は、用途により決まる仕様に応じて、適宜選ぶことができる。同様に、熱処理条件もこれに対応して決めることが出来る。
なお、上記第1及び第2の実施例においては、GaN基板上へ結晶成長する構造に関して説明した。しかし、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、サファイヤ基板上へ、いわゆるELOG(Epitaxial Lateral Over Growth)などを用いて結晶成長する構造に対しても、同様に適用できる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態を説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。
例えば、リッジ導波路型の半導体レーザ装置を構成する各要素の、サイズ・材質・配置関係など、および熱処理工程に関して、当業者が各種の設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、InAlGa1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)なる化学式において組成比x及びyをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
本発明の第1の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の模式断面図である。 (a)は、図1と同様の断面図であり、(b)は(a)に対応してp型の半導体層に含有されるp型不純物の活性化率の分布を例示するグラフ図である。 (a)は、図1と同様の断面図であり、(b)は(a)に対応してp型の半導体層に含有される水素の含有率の分布を例示するグラフ図である。 本発明の第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の模式断面図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。 第2の実施例にかかる窒化物半導体レーザ装置の製造工程の要部を表す斜視図である。
符号の説明
10 基板
12 n型AlGaNクラッド層
14 n型GaN光ガイド層
16 活性層
18 p型AlGaNオーバーフロー防止層
20 p型GaN光ガイド層
22 p型AlGaNクラッド層
24 リッジ導波路
26 p型GaNコンタクト層
28 誘電体
30 上部電極
32 下部電極
34 水素導入領域
36 発光部
38 リッジ脇部
40 フォトレジスト

Claims (5)

  1. 第1導電型の窒化物半導体を含む第1クラッド層と、
    前記第1クラッド層の上に設けられ窒化物半導体を含む活性層と、
    前記活性層の上に設けられ、第1の端面から第2の端面に至るストライプ状のリッジ導波路と前記リッジ導波路の両側に設けられた脇部とを有する第2導電型の窒化物半導体を含む第2クラッド層と、
    前記リッジ導波路の上に設けられた上部電極と、
    前記脇部の上に被着された誘電体膜と、
    を備え、
    前記第2クラッド層の前記脇部における前記第2導電型の不純物の活性化率は、前記第2クラッド層の前記リッジ導波路における前記第2導電型の不純物の活性化率よりも低いことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
  2. 前記第2クラッド層の前記リッジ導波路における前記第2導電型の不純物の活性化率は7%以上であり、前記第2クラッド層の前記脇部における前記第2導電型の不純物の活性化率は7%未満であることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体レーザ装置。
  3. 第1導電型の窒化物半導体を含む第1クラッド層と、
    前記第1クラッド層の上に設けられ窒化物半導体を含む活性層と、
    前記活性層の上に設けられ、第1の端面から第2の端面に至るストライプ状のリッジ導波路と前記リッジ導波路の両側に設けられた脇部とを有する第2導電型の窒化物半導体を含む第2クラッド層と、
    前記リッジ導波路の上に設けられた上部電極と、
    を備え、
    前記第2クラッド層の前記脇部における水素の含有率は、前記第2クラッド層の前記リッジ導波路における水素の含有率よりも高いことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
  4. 前記上部電極は、前記リッジ導波路の側面の少なくとも一部に延在して設けられたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ装置。
  5. 第1導電型の窒化物半導体を含む第1クラッド層の上に窒化物半導体を含む活性層を形成する工程と、
    前記活性層の上に第2導電型の窒化物半導体を含む第2クラッド層を形成する工程と、
    前記第2クラッド層にストライプ状のリッジ導波路を形成する工程と、
    前記リッジ導波路の上に上部電極を形成する工程と、
    前記上部電極をマスクとして前記第2クラッド層に水素を選択的に導入することにより前記第2のクラッド層の前記水素が導入された部分に含有される第2導電型の不純物の活性化率を低下させる工程と、
    を備えたことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置の製造方法。

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