JP2007227894A - 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1窒化物半導体層、活性層及び第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された互いに対向する共振器端面とを有してなる窒化物半導体レーザ素子であって、前記共振器端面における少なくとも光の出力領域は不純物を含有しており、該光の出力領域は、前記活性層における他の領域よりもバンドギャップが広いか、前記活性層における他の領域よりも不純物濃度が高い窒化物半導体レーザ素子。
【選択図】図1
Description
このような課題に対して、窒化物半導体レーザ素子にウィンドウ構造を形成したり、端面の保護膜としてAlGaInN半導体膜を形成する方法(例えば、特許文献1)などが提案されている。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、特に、窒化物半導体レーザにおいて、共振器端面の光出力領域のバンドギャップを広げることにより、この領域での光吸収を抑制し、発熱を抑え、レーザ素子特性を維持しながら、高出力での連続駆動を可能とする窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
さらに、前記活性層における他の領域は、共振器端面における光の出力領域の両側領域とすることができる。
また、共振器端面における不純物を含有する部分は、逆三角形又は下に凸の鍋蓋形状であってもよいし、共振器端面側において素子の内側よりも幅広の形状であってもよい。
さらに、不純物は、酸素、ホウ素、アルミニウム、亜鉛、ベリリウム、炭素、マグネシウム、カルシウムよりなる群から選択される少なくとも1つの原子を含むことが好ましい。
さらに、第2窒化物半導体層の表面にストライプ状のリッジを有することが好ましい。
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法によれば、(a)少なくとも第1窒化物半導体層と活性層とを含む窒化物半導体層を形成し、
(b)該活性層の上に、第1領域と該第1領域よりも厚膜である第2領域とを有する保護層を形成し、
(c)前記保護層を介して、該保護層の第1領域では保護層を貫通して前記活性層に至るようにイオン種を前記窒化物半導体層に注入し、
(d)前記保護層を除去して窒化物半導体層を露出させ、
(e)該窒化物半導体層上に、第2窒化物半導体層を形成し、
(f)前記イオン種が注入された部分を光出力側の共振器端面とするように前記窒化物半導体層を分割することを特徴とする。
また、保護膜における第1領域は、段階的又は傾斜的に膜厚が変化してなるか、中央部の膜厚が最も薄いことが好ましい。
さらに、共振器端面におけるイオン種が注入された部分が、逆三角形又は下に凸の鍋蓋形状であることが好ましい。
また、工程(c)の後、さらに熱処理を行ってもよいし、工程(c)において、レーザ素子の共振器の光出力端面における少なくとも光の出力領域となる部分にイオン種を注入してもよい。
窒化物半導体層は、通常、基板上に形成される。基板としては、特に限定されるものではなく、公知のいずれの基板を用いてもよい。例えば、第1主面及び/又は第2主面に0°以上10°以下のオフ角を有する窒化物半導体基板を用いることができ、その膜厚は、例えば、50μm〜10mm程度が挙げられる。第1主面は窒化物半導体層の成長面であって、第2主面は電極形成面とすることができる。窒化物半導体基板は、MOCVD法、HVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。市販のものを用いてもよい。また、基板表面には、予め、バッファ層、中間層等の単層又は多層膜を形成していてもよい。
特に、第1窒化物半導体層は、多層膜で形成することが好ましい。例えば、第1窒化物半導体層を多層膜からなるn側窒化物半導体層とする場合に、第1のn側半導体層としてはAlxGa1−xN(0≦x≦0.5)、好ましくはAlxGa1−xN(0<x≦0.3)である。具体的な成長条件としては、反応炉内での成長温度を1000℃以上、圧力を760Torr以下とする。また、第1のn側半導体層はクラッド層として機能させることができる。膜厚は0.5〜5μm程度が適当である。
第2のn側半導体層は、光ガイド層として機能させることができ、AlxGa1−xN(0≦x≦0.3)によって形成することができる。膜厚は0.5〜5μmが適当である。
ここでの保護層は、後述するイオン種を注入後に、窒化物半導体層上から完全に除去することができる材料であれば、特に限定されるものではなく、絶縁体層(例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、レジスト等)、導電体層、金属層(例えば、Al)、半導体層等の単層構造又は積層構造等、種々のもので形成することができる。例えば、レジストの単層、レジストと酸化シリコンとの積層構造であることが好ましい。これらを用いることにより、通常利用されるエッチング法を適用して、活性層等を損傷させることなく、完全かつ簡便に除去することができる。なお、保護層として、窒化物半導体層に対するn型不純物を含む材料層は、発光を意図する領域の上に形成しないことが好ましい。これにより、得られたレーザ素子における電圧の上昇を防止することができる。
リッジは、例えば、第1のマスクパターンを形成し、この第1のマスクパターンを用いてエッチングすることにより形成することができる。第1のマスクパターンは、例えば、SiO2等の酸化膜、SiN等の窒化物を用いて、フォトリソグラフィ及びエッチング工程等の公知の方法を利用して、所望の形状に形成することができる。第1のマスクパターンの膜厚は、リッジが形成された後に、リッジ上に残存する第1のマスクパターンが、後の工程でリフトオフ法により除去することができるような膜厚であることが適当である。例えば、0.1〜5.0μm程度が挙げられる。
なお、工程(e)の後、最終的に得られる窒化物半導体レーザ素子においては、窒化物半導体層の結晶系はほぼ回復していると考えられるが、活性層におけるイオン種を注入した部分のバンドギャップが、活性層の他部分のバンドギャップと異なっていることが必要である。あるいは、別の観点から、活性層におけるイオン種を注入した部分の組成が、活性層の他部分の組成と異なっていることが必要である。さらに、上述したように、光透過性が100%程度以上に回復していることが必要である。これにより、発熱による端面破壊を有効に防止することができる。
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
この実施例の窒化物半導体素子は、図1(a)に示したように、基板10上に、窒化物半導体層として、n側半導体層11、活性層12、p側半導体層13がこの順に形成されて構成されている。p側半導体層13の表面には、共振器方向に延びるストライプ状のリッジ14が形成されている。リッジ14上面にはp電極17が、基板10の下面にはn電極20が、それぞれ形成されている。
この窒化物半導体レーザ素子では、互いに対向する共振器端面が、リッジ14の長手方向において、光出力側とモニター側との2面で構成されており、光出力側の共振器端面であって、少なくとも光の出力領域、つまり、活性層12を中心にして、リッジ14の直下部分に、不純物導入領域39として、イオンが注入された領域が形成されている。
まず、図4(a)に示すように、GaN基板10上に、n側半導体層11として、第1のn側半導体層(Si:8×1017/cm3〜3×1018/cm3ドープ、Al0.02Ga0.98N、膜厚3.5μm)、第2のn側半導体層(Si:2×1018/cm3〜1×1019/cm3ドープ、In0.06Ga0.94N、膜厚:0.15μm)、第3のn側半導体層(アンドープAl0.038Ga0.962N(25Å)とSi:8×1017/cm3〜3×1018/cm3ドープGaN(25Å)との総膜厚1.2μmの超格子層)、第4のn側半導体層(アンドープGaN、膜厚:0.17μm)を形成し、続いて、SiドープIn0.02Ga0.98Nからなる障壁層(140Å)と、アンドープIn0.07Ga0.93Nからなる井戸層(70Å)とが2回交互に積層され、その上に障壁層が形成された、総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層12を形成する。さらに、活性層12の上に、p側半導体層13の一部として、第1のp側半導体層13a(Mg:1×1019/cm3〜1×1020/cm3ドープ、Al0.25Ga0.75N、100Å)を形成する。
次いで、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、700℃以上の温度でアニールする。この熱処理は、同時に、イオン注入領域19の結晶を回復させ、イオンが注入された部分の透明性を向上させる。但し、この工程は残りのp側半導体層の形成工程と同時に行ってもよく、又は第4のp側半導体層を形成した後に行ってもよい。
続いて、第1のマスクパターン、リッジ形成後に露出している窒化物半導体層上に、第1の保護膜を形成する。第1の保護膜の形成方法は、当該分野で公知の方法によって形成する。
次に、第1のマスクパターン上に存在する第1の保護膜と、第1のマスクパターンとを除去し、リッジ14の表面にp電極、窒化物半導体基板の第2主面に、n電極を形成する。
このような製造方法によって形成された窒化物半導体レーザ素子では、イオン注入領域19が、活性層12におけるイオン注入領域19以外の他の領域と組成が異なり、他の領域よりも、バンドギャップが広い。
なお、上述した製造方法に準じて、半導体層を積層し、イオン注入する前の半導体層における光の透過率を測定した。また、イオン注入し、熱処理を行った後の光の透過率を測定した。その結果を図7に示す。図7中、イオン注入する前の透過率を破線、イオン注入及び熱処理後の透過率を実線で示す。
この実施例は、保護層における第1領域と第2領域との形状及び厚みを、実施例1とは異ならせる以外、実質的に同様の方法で窒化物半導体レーザ素子を製造する。
図5(a)に示すように、保護層の第1領域21を、共振器端面方向から見て、2段階に変化させる。第2領域22の膜厚は、レジスト層(2μm)とSiO2膜(0.1μm)との合計、第1領域21の膜厚は、それぞれ、0.3μm、0.1μm(SiO2膜の膜厚に相当)とする。この形状の保護層は、レジスト層の露光を2段階で行い、露光量に大小をつけて、レジスト層を現像することにより行う。
その後、実施例1と同様にして、図5(c)に示すように、p側半導体層13を形成し、半導体レーザ素子を完成させる。
この半導体レーザ素子においても、実施例1と同様に、CODレベルの向上及び長寿命化を図ることができる。
また、イオンを注入した領域の形状を変化させることにより、光の出力領域から出力されるビームの形状、光密度等を制御することができる。
この実施例は、保護層における第1領域と第2領域との形状及び厚みを、実施例1とは異ならせる以外、実質的に同様の方法で窒化物半導体レーザ素子を製造する。
つまり、保護層の第1領域を、共振器端面方向から見て、傾斜的に変化させる。つまり、第2領域の膜厚は、レジスト層(2μm)とSiO2膜(0.1μm)との合計、第1領域の最も薄い領域の膜厚は、0.1μm(SiO2膜の膜厚に相当)とし、第1領域から、第1領域の最も薄い領域まで、連続的に膜厚を変化させたものとする。
この半導体レーザ素子においても、実施例1と同様に、CODレベルの向上及び長寿命化を図ることができる。
また、イオンを注入した領域の形状を変化させることにより、光の出力領域から出力されるビームの形状、光密度等を制御することができる。
11 n側半導体層
12 活性層
13、13a p側半導体層
14 リッジ
15 第1の保護膜
16 p電極
17 pパッド電極
18 第2の保護膜
19、31、32 イオン注入領域
20 n電極
21 第1領域
22 第2領域
25 レジスト層
26 SiO2膜
27 酸素イオン(イオン種)
30 共振器端面
34、39 不純物導入領域
Claims (21)
- 第1窒化物半導体層、活性層及び第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された互いに対向する共振器端面とを有してなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記共振器端面における少なくとも光の出力領域は不純物を含有しており、該不純物の濃度は窒化物半導体層の積層方向に、ピーク位置を基準にして非対称な濃度分布を有しており、
該光の出力領域は、前記活性層における他の領域よりもバンドギャップが広いことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 第1窒化物半導体層、活性層及び第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された互いに対向する共振器端面とを有してなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記共振器端面における少なくとも光の出力領域は不純物を含有しており、該不純物の濃度は窒化物半導体層の積層方向に、ピーク位置を基準にして非対称な濃度分布を有しており、
該光の出力領域は、前記活性層における他の領域よりも前記不純物の濃度が高いことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 不純物濃度は、第1窒化物半導体層側が第2窒化物半導体層側よりも高い請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 不純物濃度は、共振器端面において、ピーク位置を基準として第2窒化物半導体層側への減衰率が第1窒化物半導体層側への減衰率よりも高い請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 活性層における他の領域は、共振器端面における光の出力領域の両側の領域である請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 共振器端面における不純物を含有する部分が、逆三角形又は下に凸の鍋蓋形状である請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 共振器端面における不純物を含有する部分が、共振器端面側において素子の内側よりも幅広の形状である請求項1〜6のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 不純物は、酸素、ホウ素、アルミニウム、亜鉛、ベリリウム、炭素、マグネシウム、カルシウム及び窒素よりなる群から選択される少なくとも1つの原子を含む請求項1〜7のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 不純物は、イオン注入により導入されてなる請求項1〜8のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第2窒化物半導体層の表面にストライプ状のリッジを有する請求項1〜9のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- (a)少なくとも第1窒化物半導体層と活性層とを含む窒化物半導体層を形成し、
(b)該活性層の上に、第1領域と該第1領域よりも厚膜である第2領域とを有する保護層を形成し、
(c)前記保護層を介して、該保護層の第1領域では保護層を貫通して前記活性層に至るようにイオン種を前記窒化物半導体層に注入し、
(d)前記保護層を除去して窒化物半導体層を露出させ、
(e)該窒化物半導体層上に、第2窒化物半導体層を形成し、
(f)前記イオン種が注入された部分を光出力側の共振器端面とするように前記窒化物半導体層を分割することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 - 第2窒化物半導体層が積層構造で形成され、工程(a)において、活性層の上に、少なくとも1層の第2窒化物半導体層を形成し、工程(e)において、残りの第2窒化物半導体層を形成する請求項11に記載の方法。
- 保護膜における第1領域は、段階的又は傾斜的に膜厚が変化してなる請求項11又は12に記載の方法。
- 保護膜における第1領域は、中央部の膜厚が最も薄い請求項11〜13のいずれか1つに記載の方法。
- 共振器端面におけるイオン種が注入された部分が、逆三角形又は下に凸の鍋蓋形状である請求項11〜14のいずれか1つに記載の方法。
- 工程(c)の後、さらに熱処理を行う請求項11〜15のいずれか1つに記載の方法。
- 工程(c)において、レーザ素子の共振器の光出力端面における少なくとも光の出力領域となる部分にイオン種を注入する請求項11〜16のいずれか1つに記載の方法。
- 工程(c)におけるイオン種が、酸素、ホウ素、アルミニウム、亜鉛、ベリリウム、炭素、マグネシウム、カルシウム及び窒素よりなる群から選択される少なくとも1つである請求項11〜17のいずれか1つに記載の方法。
- 工程(e)の後において、活性層におけるイオン種を注入した部分のバンドギャップが、活性層の他の領域のバンドギャップと異なる請求項11〜18のいずれか1つに記載の方法。
- 工程(e)の後において、活性層におけるイオン種を注入した部分の組成が、活性層の他の領域の組成と異なる請求項11〜19のいずれか1つに記載の方法。
- 工程(f)の後において、活性層におけるイオン種を注入した部分の光透過性が前記イオン種の注入前の活性層に対して100%以上である請求項11〜20のいずれか1つに記載の方法。
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