JP2008098664A - Nitride semiconductor laser element, and nitride semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Inを含有する活性層を備えた窒化物半導体レーザ素子及びレーザダイオー
ド、発光ダイオード(LED)、受光素子、高周波トランジスタ、高耐圧トランジスタ等
の窒化物半導体素子に関する。特に、特定のオフ角を有する窒化物半導体基板を用いるこ
とで素子特性が改善された窒化物半導体レーザ素子及び窒化物半導体素子に関する。
The present invention relates to a nitride semiconductor laser element and a laser diode, a light emitting diode (LED), a light receiving element, a high frequency transistor, a high voltage transistor, and the like provided with an active layer containing In. In particular, the present invention relates to a nitride semiconductor laser device and a nitride semiconductor device in which device characteristics are improved by using a nitride semiconductor substrate having a specific off angle.
GaN等の窒化物半導体からなるレーザ素子は、発振波長を、370nm以下の紫外域
から500nm以上の波長域までの広範囲で利用可能である。このようなレーザ素子を形
成する基板は、ELOG(Epitaxially Lateral Overgrowth)法と呼ばれるラテラル成長
を利用して形成しているものがある。
A laser element made of a nitride semiconductor such as GaN can be used in a wide range of oscillation wavelengths from an ultraviolet region of 370 nm or less to a wavelength region of 500 nm or more. Some substrates on which such laser elements are formed are formed by utilizing lateral growth called an ELOG (Epitaxially Lateral Overgrowth) method.
この技術は、周期的なストライプ状の開口部をもつSiO2マスクパターンを形成した
下地基板の上に、GaNをラテラル成長させて、GaN層を形成する。次に、下地基板を
除去することで、GaN層のみからなる基板を製造する。ラテラル成長した領域のGaN
は、転位が低い領域となる。低転位化したGaNの結晶性は良好であるため、このGaN
を基板として使用すれば、窒化物半導体レーザ素子の寿命特性を向上させることができる
。
In this technique, GaN is laterally grown on a base substrate on which a SiO 2 mask pattern having periodic stripe-shaped openings is formed, thereby forming a GaN layer. Next, the substrate made of only the GaN layer is manufactured by removing the base substrate. GaN in laterally grown regions
Is a region with low dislocations. Since the crystallinity of low dislocation GaN is good, this GaN
Can be used as a substrate, the lifetime characteristics of the nitride semiconductor laser device can be improved.
また、窒化物半導体レーザ素子は、素子特性の向上も要求されている。そのため、基板
は、基板自体の低転位化のみならず、良好な結晶性を有する窒化物半導体層をその上に成
長させることができるものである必要がある。さらに、窒化物半導体素子を実用化するに
は、基板自体の大口径化も必要となる。
そのため、六方晶系の窒化物系半導体からなる基板において、(0001)面から所定
の方向に1°以上20°以下でオフ角を形成する基板が提案されている(参考文献1)。
Therefore, a substrate made of a hexagonal nitride-based semiconductor has been proposed in which an off angle is formed in a predetermined direction from 1 ° to 20 ° from the (0001) plane (Reference Document 1).
しかし、この窒化物半導体基板は、オフ角の傾斜範囲とオフ角の傾斜方向とが広範囲で
あるため、レーザ素子内でのIn、Al等の組成、不純物等の分布がばらつく。特に、I
nを含有する活性層を備えているレーザ素子の場合には、発振波長によっては、閾値電流
の上昇を招く。窒化物半導体レーザ素子は、理論上、広範囲の波長帯でレーザ発振が可能
となるが、実際には組成分布、例えば、活性層内でのIn分布を均一にしなければ、これ
を実現することができない等の課題がある。
また、1インチ以上に大口径化した基板を製造する場合、この基板の主面上に、ピット
及び溝が残るため、基板上に形成する窒化物半導体層によってその表面を平坦化すること
が必要になるという課題もある。
However, since this nitride semiconductor substrate has a wide range of off-angle tilts and off-angle tilt directions, the composition of In and Al, the distribution of impurities, and the like in the laser element vary. In particular, I
In the case of a laser element having an active layer containing n, the threshold current increases depending on the oscillation wavelength. Theoretically, a nitride semiconductor laser element can oscillate in a wide wavelength band, but in practice, this can be realized unless the composition distribution, for example, the In distribution in the active layer is made uniform. There are issues such as being unable to do so.
In addition, when manufacturing a substrate having a large diameter of 1 inch or more, pits and grooves remain on the main surface of the substrate. Therefore, it is necessary to planarize the surface with a nitride semiconductor layer formed on the substrate. There is also a problem of becoming.
本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、広範囲の波長帯において、窒化物半導
体層の組成分布、例えば、活性層の結晶性やIn含有量を均一にして、寿命特性及び素子
特性が一層優れた素子を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and in a wide wavelength band, the composition distribution of the nitride semiconductor layer, for example, the crystallinity of the active layer and the In content are made uniform, and the lifetime characteristics and device characteristics are obtained. An object of the present invention is to provide a more excellent device.
本発明の第1の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板の主面上に第1導電型の
窒化物半導体層と、Inを含有する活性層と、第1導電型とは異なる導電型をした第2導
電型の窒化物半導体層と、前記第2導電型の窒化物半導体層にストライプ状のリッジ部と
を備えてなり、前記窒化物半導体基板の主面は、基準結晶面に対して、少なくとも前記ス
トライプ状のリッジ部と略平行方向にオフ角a(θa)を有していることを特徴とする。
A first nitride semiconductor laser element according to the present invention includes a first conductivity type nitride semiconductor layer, an active layer containing In, and a conductivity type different from the first conductivity type on a main surface of a nitride semiconductor substrate. A nitride semiconductor layer of the second conductivity type, and a stripe-shaped ridge portion in the nitride semiconductor layer of the second conductivity type, wherein the main surface of the nitride semiconductor substrate is relative to a reference crystal plane. And at least an off-angle a (θ a ) in a direction substantially parallel to the stripe-shaped ridge portion.
また、第2の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板の主面上に第1導電型の窒
化物半導体層と、活性層と、第1導電型とは異なる導電型をした第2導電型の窒化物半導
体層と、前記第2導電型の窒化物半導体層にストライプ状のリッジ部とを備えてなり、前
記窒化物半導体基板の主面は、基準結晶面に対して、前記ストライプ状のリッジ部に略平
行方向にオフ角a(θa)と、略垂直方向にオフ角b(θb)とを有していることを特徴と
する。
Further, the second nitride semiconductor laser element includes a first conductivity type nitride semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity having a conductivity type different from the first conductivity type on the main surface of the nitride semiconductor substrate. A nitride semiconductor layer of the type, and a stripe-shaped ridge portion in the nitride semiconductor layer of the second conductivity type, wherein the main surface of the nitride semiconductor substrate is the stripe shape with respect to a reference crystal plane The ridge portion has an off angle a (θ a ) in a substantially parallel direction and an off angle b (θ b ) in a substantially vertical direction.
さらに、本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体基板の主面上に第1導電型の窒化
物半導体層と、活性層と、第1導電型とは異なる導電型をした第2導電型の窒化物半導体
層とを順に備えてなり、前記窒化物半導体基板の主面は、M面(1−100)に対して略
垂直方向にオフ角a(θa)、略平行方向にオフ角b(θb)を有しており、|θa|>|
θb|の関係を満たすことを特徴とする。
Furthermore, the nitride semiconductor device of the present invention has a first conductivity type nitride semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type having a conductivity type different from the first conductivity type on the main surface of the nitride semiconductor substrate. Of the nitride semiconductor layer, and the main surface of the nitride semiconductor substrate has an off angle a (θ a ) in a direction substantially perpendicular to the M plane (1-100) and an off angle in a direction substantially parallel to the M surface (1-100). b (θ b ), and | θ a | >> |
It is characterized by satisfying the relationship of θ b |.
これらの素子においては、(1)前記基準結晶面は、(0001)面、(11−20)
面又は(1−100)面であるか、(2)前記窒化物半導体基板の主面は、(0001)
面からなる第1の領域と、少なくとも第1の領域と異なる結晶成長面を有する第2の領域
とを備えているか、(3)前記第2の領域は、(000−1)面であるか、(4)前記窒
化物半導体基板の主面は、前記第1の領域と前記第2の領域とを略平行に有するか、(5
)第1の領域が、リッジの直下に配置されてなるか、(6)0.1°≦|θa|≦0.7
°を満たすか、(7)|θa|>|θb|を満たすか(8)第1導電型の窒化物半導体層に
は、ラテラル成長させたAlを含有するか、(9)第1の領域と第2の領域とは、ストラ
イプ状に極性が分断されているか、の1種以上を備えることが好ましい。
In these elements, (1) the reference crystal plane is (0001) plane, (11-20)
Or (1) the main surface of the nitride semiconductor substrate is (0001)
A first region comprising a plane and a second region having a crystal growth surface different from at least the first region; or (3) whether the second region is a (000-1) plane. (4) The main surface of the nitride semiconductor substrate has the first region and the second region substantially in parallel, or (5
) The first region is arranged immediately below the ridge or (6) 0.1 ° ≦ | θ a | ≦ 0.7
Meet or °, (7) | θ a |> | θ b | To meet or (8) a nitride semiconductor layer of a first conductivity type, either containing Al obtained by lateral growth, (9) first It is preferable that the region and the second region include at least one of the polarities separated in a stripe shape.
さらに、これら素子は、第1導電型の窒化物半導体層と第2導電型の窒化物半導体層と
の間に、活性層を含んでコア領域が形成され、
前記第1導電型及び第2導電型窒化物半導体層の少なくとも一方に、前記コア領域の最
外層から順に第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層とを有しており、
前記コア領域の最外層と前記第1の窒化物半導体層との間及び前記第1の窒化物半導体
層と前記第2の窒化物半導体層との間に屈折率差を有することが好ましい。
Further, in these elements, a core region including an active layer is formed between the first conductive type nitride semiconductor layer and the second conductive type nitride semiconductor layer,
At least one of the first conductivity type and the second conductivity type nitride semiconductor layer has a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer in order from the outermost layer of the core region,
It is preferable that there is a difference in refractive index between the outermost layer of the core region and the first nitride semiconductor layer and between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer.
この場合、(a)第1の窒化物半導体層は前記コア領域の最外層よりも屈折率が低いか
、(b)第2の窒化物半導体層は第1の窒化物半導体層よりも屈折率が低いか、(c)コ
ア領域の最外層と第1の窒化物半導体層との屈折率差(Δn1)及び/又は第1の窒化物
半導体層と第2の窒化物半導体層との屈折率差(Δn2)は、0.004〜0.03であ
るか、(d)n型窒化物半導体層は、コア領域の最外層に接した第1のn型窒化物半導体
層から順に第m(m≧2)のn型窒化物半導体層を有しており、
p型窒化物半導体層は、前記コア領域の最外層に接した第1のp型窒化物半導体層を有
しており、
第m(m≧2)のn型窒化物半導体層の屈折率は、第1のp型窒化物半導体層の屈折率
より高いか(e)第m(m≧2)のn型窒化物半導体層と第1のp型窒化物半導体層との
屈折率差(Δn)は、0.004〜0.03であるか、(f)第m(m≧2)のn型窒化
物半導体層と前記コア領域の最外層との屈折率差(Δnm)は、0.007〜0.05で
あるか、の1種以上を備えていることが好ましい。
In this case, (a) the first nitride semiconductor layer has a lower refractive index than the outermost layer of the core region, or (b) the second nitride semiconductor layer has a refractive index lower than that of the first nitride semiconductor layer. Or (c) the refractive index difference (Δn 1 ) between the outermost layer in the core region and the first nitride semiconductor layer and / or the refraction between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer. The rate difference (Δn 2 ) is 0.004 to 0.03, or (d) the n-type nitride semiconductor layer is formed in order from the first n-type nitride semiconductor layer in contact with the outermost layer of the core region. having an n-type nitride semiconductor layer of m (m ≧ 2),
The p-type nitride semiconductor layer has a first p-type nitride semiconductor layer in contact with the outermost layer of the core region,
The refractive index of the mth (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer is higher than the refractive index of the first p-type nitride semiconductor layer. (E) The mth (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor. The refractive index difference (Δn) between the layer and the first p-type nitride semiconductor layer is 0.004 to 0.03, or (f) the m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer The refractive index difference (Δn m ) between the core region and the outermost layer is preferably 0.007 to 0.05 or more.
本発明の素子によれば、窒化物半導体基板の主面が、所定の方向にオフ角を有している
ために、窒化物半導体層の組成分布や膜厚分布、例えば、活性層の結晶性やIn含有量を
均一にすることができる。原子面の段差を起点とした平坦な結晶成長を行うことができる
からである。これによって、基板の主面上に成長する半導体層の界面は、高低差を有する
凹凸段差が抑制され、発振波長が365nm以下の紫外領域から、500nm以上の長波
長領域に至る範囲を実現し得る活性層において、組成分布を均一化することができる。し
かも、このような広範囲の波長帯において、寿命特性及び素子特性に優れた素子を得るこ
とができる。
According to the element of the present invention, since the main surface of the nitride semiconductor substrate has an off angle in a predetermined direction, the composition distribution and film thickness distribution of the nitride semiconductor layer, for example, the crystallinity of the active layer And In content can be made uniform. This is because flat crystal growth can be performed starting from the step on the atomic plane. Thereby, the interface of the semiconductor layer grown on the main surface of the substrate can suppress an uneven step having a height difference, and can realize a range from an ultraviolet region having an oscillation wavelength of 365 nm or less to a long wavelength region having a wavelength of 500 nm or more. In the active layer, the composition distribution can be made uniform. In addition, an element having excellent lifetime characteristics and element characteristics can be obtained in such a wide wavelength band.
また、本発明の素子が、所定の半導体層において、所定の屈折率差の関係を有している
場合には、活性層で発生する光の滞在領域を適切に調整して、安定した光の閉じ込めを行
うことにより、CODレベルを向上させることができる。さらに、光強度分布の垂直方向
への広がり角を低減させ、アスペクト比を最適化又は2以下に低減することができる。そ
の結果、光の漏れによる閾値電圧の増大を防止し、光出力効率を向上させて集光率が良好
で、高信頼性を有する素子を得ることができる。
Further, when the element of the present invention has a predetermined refractive index difference relationship in a predetermined semiconductor layer, the stay region of light generated in the active layer is appropriately adjusted to stabilize the light. By performing confinement, the COD level can be improved. Further, the spread angle of the light intensity distribution in the vertical direction can be reduced, and the aspect ratio can be optimized or reduced to 2 or less. As a result, an increase in threshold voltage due to light leakage can be prevented, light output efficiency can be improved, a light collection rate is good, and a highly reliable element can be obtained.
本発明の窒化物半導体レーザ素子及び窒化物半導体素子(両者を含めて単に「素子」と
記す場合がある)は、窒化物半導体基板(単に「基板」と記す場合がある)の第1の主面
上に第1導電型の窒化物半導体層(単に「半導体層」と記す場合がある)と、活性層と、
第2導電型(第1導電型とは異なる導電型)の窒化物半導体層とをこの順に備える。なお
、窒化物半導体素子は、レーザ素子であってもよいし、LEDであってもよい。特に、レ
ーザ素子の場合には、第2導電型の窒化物半導体層にストライプ状のリッジ部を有してい
ることが好ましい。
The nitride semiconductor laser element and the nitride semiconductor element of the present invention (including both of them may be simply referred to as “element”) are the first main elements of the nitride semiconductor substrate (sometimes referred to as “substrate”). A nitride semiconductor layer of a first conductivity type on the surface (sometimes simply referred to as “semiconductor layer”), an active layer,
A nitride semiconductor layer of the second conductivity type (conductivity type different from the first conductivity type) is provided in this order. The nitride semiconductor element may be a laser element or an LED. In particular, in the case of a laser element, it is preferable that the second conductivity type nitride semiconductor layer has a striped ridge portion.
この素子は、第2導電型の窒化物半導体層上に第2の電極を備え、基板の第2の主面(
第1の主面と対向する主面)に第1の電極を備えた対向電極構造とすることができる。こ
の構造により、製造工程を安定化し、大電流を投入することが可能となり、高出力発振を
することができる高品質な素子を歩留まり良く実現することができる。また、第1の主面
側に、第1及び第2電極の双方が配置されていてもよい。
This element includes a second electrode on a second conductivity type nitride semiconductor layer, and a second main surface (
A counter electrode structure including a first electrode on a main surface facing the first main surface can be obtained. With this structure, the manufacturing process can be stabilized, a large current can be input, and a high-quality element capable of high output oscillation can be realized with a high yield. Further, both the first and second electrodes may be arranged on the first main surface side.
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子を、その製造方法とともに説明する。
この素子は、図1(b)及び図2(a)に示したように、窒化物半導体基板101上に
、第1導電型窒化物半導体層、活性層、第2導電型窒化物半導体がこの順に形成されてお
り、第2導電型窒化物半導体層の表面にはストライプ状のリッジ部が形成されている。
基板101の主面は、図1(a)、図3(a)及び(b)に示すように、リッジ部と略
平行方向A、例えば、[0001]方向及び[1−100]方向からオフ角a(θa°)
傾いている。つまり、基板の主面とは、基板の所定の基準結晶面(オフ角の傾斜のない面
、例えば、C面)に対して、オフ角aを有する面を指す。
Hereinafter, the nitride semiconductor laser device of the present invention will be described together with its manufacturing method.
As shown in FIGS. 1B and 2A, the device includes a
As shown in FIGS. 1A, 3A and 3B, the main surface of the
Tilted. That is, the main surface of the substrate refers to a surface having an off angle a with respect to a predetermined reference crystal surface (a surface having no off angle inclination, for example, a C surface).
また、基板の主面は、図4(a)及び(b)に示すように、所定の基準結晶面に対して
、リッジ部と略平行方向Aにオフ角a傾くのに加えて、さらに、オリフラ(OF)面に対
して略垂直方向、例えば、[11−20]方向に、オフ角b(θb°)傾いていてもよい
。
ここで、基準結晶面とは、例えば、C面、M面、A面、R面等の結晶面を示す。なかで
も、C面(0001)、M面(1−100)、A面(11−20)面等が好ましい。
Further, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the main surface of the substrate is inclined in an off-angle a in a direction A substantially parallel to the ridge portion with respect to a predetermined reference crystal plane. The off-angle b (θb °) may be inclined in a direction substantially perpendicular to the orientation flat (OF) plane, for example, in the [11-20] direction.
Here, the reference crystal plane indicates a crystal plane such as a C plane, an M plane, an A plane, or an R plane. Of these, the C-plane (0001), M-plane (1-100), A-plane (11-20) plane and the like are preferable.
「オフ角」とは、基板表面に形成された、所定の基準結晶面に対する傾斜角である。オ
フ角は、少なくともストライプ状のリッジ部と略平行方向に形成される(オフ角a)こと
が好ましく、さらに、オフ角aが形成される方向に対して直交する方向に形成される(オ
フ角b)ことが好ましい。「略平行方向に形成される」とは、例えば、共振面の光出射面
方向に下降するように形成される、共振面の光反射面方向に下降するように形成されてい
る、あるいは、M面(1−100)に対して略垂直方向に形成されることを含む。これに
よって、リッジ部の直下に位置する活性層の表面モフォロジー及び組成(例えば、In混
晶比)を均一にすることができる。
The “off angle” is an inclination angle with respect to a predetermined reference crystal plane formed on the substrate surface. The off angle is preferably formed at least in a direction substantially parallel to the striped ridge portion (off angle a), and further formed in a direction orthogonal to the direction in which the off angle a is formed (off angle). b) is preferred. “Formed in a substantially parallel direction” means, for example, formed so as to descend in the direction of the light exit surface of the resonance surface, formed so as to descend in the direction of the light reflection surface of the resonance surface, or M It includes being formed in a direction substantially perpendicular to the plane (1-100). As a result, the surface morphology and composition (for example, In mixed crystal ratio) of the active layer located immediately below the ridge portion can be made uniform.
オフ角aは、絶対値|θa|が0.02°〜5°程度、0.1°〜0.7°程度、さら
に0.15°〜0.6°程度、0.1°〜0.5°程度、0.15°〜0.4°程度、0
.2°〜0.3°程度であることが好ましい。オフ角bは、絶対値|θb|が、0°より
大、0°〜0.7°程度、0°〜0.5°程度、0°〜0.5°未満、0°〜0.3°程
度であることが好ましい。基板がオフ角a及びbを有する場合には、|θa|>|θb|で
あることが好ましい。これにより、基板の主面上に成長する半導体層の表面モフォロジー
が面内で平坦化される。また、半導体層内のAlやIn等の組成分布をより均一化するこ
とができる。特に、従来基板では困難であった、活性層におけるIn組成が5%を越える
半導体層においても組成分布を均一化することができる。
The off angle a has an absolute value | θ a | of about 0.02 ° to 5 °, about 0.1 ° to 0.7 °, further about 0.15 ° to 0.6 °, and 0.1 ° to 0. .5 °, 0.15 ° -0.4 °, 0
. It is preferably about 2 ° to 0.3 °. The off-angle b has an absolute value | θ b | larger than 0 °, about 0 ° to 0.7 °, about 0 ° to 0.5 °, 0 ° to less than 0.5 °, 0 ° to 0.0. It is preferably about 3 °. When the substrate has off angles a and b, it is preferable that | θ a |> | θ b |. As a result, the surface morphology of the semiconductor layer grown on the main surface of the substrate is planarized in the plane. Further, the composition distribution of Al, In, etc. in the semiconductor layer can be made more uniform. In particular, the composition distribution can be made uniform even in a semiconductor layer in which the In composition in the active layer exceeds 5%, which is difficult with a conventional substrate.
つまり、上述したようなオフ角が形成されていれば、波長が365nm以下の紫外領域
から500nm以上の長波長領域に至る範囲で素子特性を向上させることができる。マイ
クロPLでリッジ又はチップ内を観察したときに、オフ角を有さない基板上に成長させた
半導体層内の活性層のInの組成ゆらぎは大きい(図5)のに対して、上述のオフ角を有
する基板を用いた場合には、活性層のIn組成のゆらぎを抑制することができる(図6)
。
That is, if the off-angle as described above is formed, the device characteristics can be improved in a range from the ultraviolet region of 365 nm or less to the long wavelength region of 500 nm or more. When the micro-PL observes the inside of the ridge or chip, the In composition fluctuation of the active layer in the semiconductor layer grown on the substrate having no off-angle is large (FIG. 5), whereas the above-mentioned off-state When a substrate having a corner is used, fluctuations in the In composition of the active layer can be suppressed (FIG. 6).
.
半導体層は、第1導電型(例えば、n型)半導体層と第2導電型(例えば、p型)半導
体層とで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造(Separate Confinement Heterostructu
re)である。
活性層は、Inを含有することが好ましい。これにより、広範囲の波長帯の素子を実現
することができる。また、多重又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。量子井戸構造と
することにより、発光効率を向上させることができる。活性層よりバンドギャップの大き
い半導体層を、活性層の上下に備えることで、光の導波路が構成される。さらに、活性層
の両側にクラッド層(屈折率の低い層)を形成することにより、光及びキャリアの双方を
閉じ込めることができる。
The semiconductor layer has a separated light confinement structure (Separate Confinement Heterostructu) in which an active layer is sandwiched between a first conductivity type (eg, n-type) semiconductor layer and a second conductivity type (eg, p-type) semiconductor layer.
re).
The active layer preferably contains In. Thereby, an element having a wide wavelength band can be realized. Further, either a multiple or single quantum well structure may be used. Luminous efficiency can be improved by using a quantum well structure. An optical waveguide is configured by providing semiconductor layers having a band gap larger than that of the active layer above and below the active layer. Furthermore, by forming a clad layer (a layer having a low refractive index) on both sides of the active layer, both light and carriers can be confined.
(第1の工程)
オフ角を有する窒化物半導体基板は、以下のように形成することができる。
まず、図7(a)に示すように、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板10を準
備する。異種基板は、サファイア、GaAs、SiC、Si、スピネル、SiO2、Si
N、ZnO等が挙げられる。異種基板10の表面は、後に成長させる窒化物半導体の成長
面を(0001)面、(11−20)面又は(1−100)面とするものが好ましい。
(First step)
The nitride semiconductor substrate having an off angle can be formed as follows.
First, as shown in FIG. 7A, a
N, ZnO, etc. are mentioned. The surface of the
異種基板10の表面上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなるバッファ層(図示せ
ず)を成長させる。バッファ層は、900℃以下の成長温度で、例えば、MOCVD法に
より、減圧〜大気圧で成長させる。本発明では、半導体層は、例えば、有機金属化学気相
成長(MOCVD)法、ハライド気相エピタキシャル成長(HVPE)法、分子線エピタ
キシー(MBE)法等の気相成長法、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての
方法を用いて形成することができる。
A buffer layer (not shown) made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) is grown on the surface of the
その後、図7(b)に示すように、例えば、バッファ層を介して異種基板10表面に凸
部10aを形成する。
続いて、転位を低減させた窒化物半導体層100を成長させる。この半導体層100の
膜厚は50μm〜10mm程度、好ましくは100μm〜1000μm程度である。この
範囲であれば、後工程でのオフ角の形成及びハンドリングを容易にすることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 7B, for example, a
Subsequently, the
次いで、図7(c)に示すように、異種基板を研磨、研削、電磁波照射(エキシマレー
ザー照射等)又はCMP等により除去して、単体の窒化物半導体層100を取り出すこと
により、窒化物半導体基板を得る。この基板は、半導体層100の成長面を第1主面、異
種基板10を除去することによる露出面を第2主面とする。
なお、異種基板は、必ずしもここで除去することは必要ではない。後述するn電極の形
成までに除去してもよいし、除去しなくてもよい。
Next, as shown in FIG. 7C, the heterogeneous substrate is removed by polishing, grinding, electromagnetic wave irradiation (excimer laser irradiation, etc.), CMP, etc., and the single
It is not always necessary to remove the heterogeneous substrate here. It may be removed before formation of an n-electrode described later, or may not be removed.
得られた窒化物半導体基板の第1表面は、例えば、(0001)面、(11−20)面
、(1−100)面(M面)等を含むことが好ましい。これにより、基板と窒化物半導体
層との界面から発生する転位を低減させることができる。また、ウェハから分割する工程
での劈開等を再現性よく行うことができる。
The first surface of the obtained nitride semiconductor substrate preferably includes, for example, a (0001) plane, a (11-20) plane, a (1-100) plane (M plane), and the like. Thereby, dislocations generated from the interface between the substrate and the nitride semiconductor layer can be reduced. Further, cleavage and the like in the process of dividing from the wafer can be performed with good reproducibility.
基板の第1表面には、転位が面内で周期的に分布しているものであってもよい。例えば
、ELO法を用いて低転位密度領域(例えば、第1の領域)と高転位密度領域(例えば、
第2の領域)とを交互にストライプ状に形成したものが挙げられる。これにより、基板内
の応力を緩和させることができ、基板上に応力緩和層を形成することなく、その上に窒化
物半導体層を成長させることができる。
また、第1の領域と第2の領域とはストライプ状に極性が分断されていることが好まし
い。これにより、基板に発生する応力や歪みを抑制することができる。また、ウェハの分
割工程での劈開等を再現性よく行うことができる。
Dislocations may be periodically distributed in the plane on the first surface of the substrate. For example, using the ELO method, a low dislocation density region (for example, the first region) and a high dislocation density region (for example, the first region)
And the second region) are alternately formed in a stripe shape. Thereby, the stress in a board | substrate can be relieved and a nitride semiconductor layer can be grown on it, without forming a stress relaxation layer on a board | substrate.
The first region and the second region are preferably separated in polarity from each other in a stripe shape. Thereby, the stress and distortion which generate | occur | produce in a board | substrate can be suppressed. Further, cleavage and the like in the wafer dividing process can be performed with good reproducibility.
ここで、低転位密度領域とは、単位面積当たりの転位数が1×107/cm2以下、好ま
しくは1×106/cm2以下、さらに好ましくは5×105/cm2以下の領域である。高
転位密度領域とは、低転位密度領域よりも転位密度が高い領域であればよい。
第1の領域と第2の領域とが交互にストライプを形成する場合、第1の領域の幅は10
μm〜500μm、さらに100μm〜500μmが好ましい。第2の領域の幅は2μm
〜100μm、10μm〜50μmが好ましい。
これらの転位測定はCL観察やTEM観察等で行うことができる。
Here, the low dislocation density region is a region where the number of dislocations per unit area is 1 × 10 7 / cm 2 or less, preferably 1 × 10 6 / cm 2 or less, more preferably 5 × 10 5 / cm 2 or less. It is. The high dislocation density region may be a region having a dislocation density higher than that of the low dislocation density region.
When the first region and the second region alternately form stripes, the width of the first region is 10
It is preferably from μm to 500 μm, more preferably from 100 μm to 500 μm. The width of the second region is 2 μm
-100 μm, 10 μm to 50 μm are preferable.
These dislocation measurements can be performed by CL observation, TEM observation, or the like.
例えば、第1の表面上に形成される低転位密度領域を(0001)面とすれば、高転位
密度領域は(0001)面と異なる(000−1)面、(11−20)面、(10−14
)面、(10−15)面、(11−24)面等の結晶成長面が挙げられる。特に、(00
0−1)面が好ましい。このように部分的に結晶成長面が異なる面を有する基板を用いる
ことにより、基板内部に発生する応力や歪みを緩和させることができ、基板上に応力緩和
層を形成することなく、半導体層を膜厚5μm以上で積層することが可能となる。つまり
、ウェハの反り及びクラックの発生を低減することができる。上述のストライプ形状は、
破線状に形成されているものを含む。
For example, if the low dislocation density region formed on the first surface is the (0001) plane, the high dislocation density region is different from the (0001) plane (000-1) plane, (11-20) plane, ( 10-14
) Plane, (10-15) plane, (11-24) plane and the like. In particular, (00
The 0-1) plane is preferable. By using a substrate having a partially different crystal growth surface in this way, stress and strain generated in the substrate can be relaxed, and a semiconductor layer can be formed without forming a stress relaxation layer on the substrate. Lamination can be performed with a film thickness of 5 μm or more. That is, the occurrence of wafer warpage and cracks can be reduced. The above stripe shape is
Including those formed in a broken line shape.
なお、窒化物半導体の第2の表面は、少なくとも2以上の異なる結晶成長面を有するこ
とが好ましく、具体的には(000−1)面、(0001)面、(11−20)面、(1
0−15)面、(10−14)面、(11−24)面等が挙げられる。本明細書において
は、面指数を表す括弧内のバー(−)は、後ろの数字の上に付すものとする。
また、基板の外周形状は特に限定されず、ウェハ状であっても、矩形状等であってもよ
い。ウェハ状である場合には、1インチ以上、さらに2インチ以上のサイズが好ましい。
The second surface of the nitride semiconductor preferably has at least two or more different crystal growth planes. Specifically, the (000-1) plane, the (0001) plane, the (11-20) plane, 1
0-15) plane, (10-14) plane, (11-24) plane, and the like. In the present specification, a bar (-) in parentheses representing a face index is attached on the back number.
Further, the outer peripheral shape of the substrate is not particularly limited, and may be a wafer shape, a rectangular shape, or the like. In the case of a wafer, a size of 1 inch or more, and further 2 inches or more is preferable.
基板は、2軸結晶法による(0002)回折X線ロッキングカーブの半値幅(Full Wid
th at Half Maximum)が2分以下であることが好ましく、1分以下がより好ましい。
なお、窒化物半導体基板としては、III族元素(B、Ga、Al、In等)と窒素との
化合物又は混晶化合物(GaN、AlN、AlGaN、InAlGaN等)が挙げられる
。また、この基板は、n型又はp型不純物を含有するものが好ましい。この不純物濃度は
、1×1017cm-3〜1×1020cm-3が挙げられる。
この基板は、部分的にサファイア等の絶縁性基板を有するものであってもよい。
窒化物半導体基板は、上述した2段成長のELO法、選択成長法等を用いて形成しても
よいし、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、溶融法等で
形成されるバルク単結晶を用いてもよい。また、市販品を用いてもよい。
Full width of half-width of (0002) diffraction X-ray rocking curve by biaxial crystal method
th at Half Maximum) is preferably 2 minutes or less, and more preferably 1 minute or less.
Examples of the nitride semiconductor substrate include a compound of III group element (B, Ga, Al, In, etc.) and nitrogen or a mixed crystal compound (GaN, AlN, AlGaN, InAlGaN, etc.). The substrate preferably contains an n-type or p-type impurity. Examples of the impurity concentration include 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 .
This substrate may partially have an insulating substrate such as sapphire.
The nitride semiconductor substrate may be formed using the above-described two-stage growth ELO method, selective growth method, or the like, or a hydrothermal synthesis method, a high pressure method, a flux method, a melting method for crystal growth in a supercritical fluid. A bulk single crystal formed by the above method may be used. Moreover, you may use a commercial item.
次に、図7(d)に示したように、得られた基板101の表面にオフ角を形成する。オ
フ角は、基板101の第1の表面に膜厚分布を有するマスク(図示せず)を形成し、その
後、マスクをエッチングにより除去し、さらに露出した基板の第1の表面もエッチングし
続ける。エッチングは、ウェットエッチング、ドライエッチング(反応性イオンエッチン
グ:RIE、反応性イオンビームエッチング:RIBE、電子サイクロトロン共鳴:EC
R、高周波誘導結合プラズマ:ICP、収束イオンビーム:FIB等)、CMP処理等に
より行うことができる。なかでも、ドライエッチング法を用いることが、オフ角を容易に
制御することができるため好ましい。これにより、基板の第1の表面には、エッチング時
間に面内分布が生じるため、所望のオフ角を、所望の方向に対して、所望の大きさで形成
することができる。
Next, as shown in FIG. 7D, an off angle is formed on the surface of the obtained
R, high frequency inductively coupled plasma: ICP, focused ion beam: FIB, etc.), CMP treatment or the like. In particular, it is preferable to use a dry etching method because the off angle can be easily controlled. Thereby, since an in-plane distribution occurs during the etching time on the first surface of the substrate, a desired off angle can be formed in a desired size with respect to a desired direction.
あるいは、基板の第1の表面を、研磨する、研削する、レーザー照射により表面処理す
る方法等を用いてもよいし、バルクの窒化物半導体基板をワイヤーソーでオフ角を有する
ように切り出してもよい。特に、ドライエッチングによってオフ角を形成する場合には、
ドライエッチング装置に基板を傾けてセットするか、傾斜のついた基板ホルダに基板をセ
ットして、エッチングに付す方法であってもよい。さらに、予め異種基板にオフ角を形成
し、その上に窒化物半導体層を成長させることで異種基板から窒化物半導体層にオフ角を
引き継がせ、この窒化物半導体層から基板を得てもよい。
得られた基板101の第1の主面は、窒化物半導体基板の本来の表面に対してオフ角a
を有する。これを用いて素子を形成することで、基板上に成長させた半導体層内では、応
力が抑制され、劈開時におけるダメージに耐えることが可能となる。
Alternatively, the first surface of the substrate may be polished, ground, or surface treated by laser irradiation, or a bulk nitride semiconductor substrate may be cut out with a wire saw to have an off angle. Good. In particular, when forming an off angle by dry etching,
Alternatively, the substrate may be tilted and set in a dry etching apparatus, or the substrate may be set in an inclined substrate holder and subjected to etching. Further, an off-angle may be formed in advance on a different substrate, and a nitride semiconductor layer may be grown on the off-angle so that the off-angle is inherited from the different substrate to the nitride semiconductor layer, and the substrate may be obtained from the nitride semiconductor layer. .
The first main surface of the obtained
Have By forming an element using this, the stress is suppressed in the semiconductor layer grown on the substrate, and it becomes possible to withstand damage during cleavage.
(第2の工程)
次に、図8(a)に示すように、オフ角を有する基板101の第1の主面上に、下層(
省略可能なクラック防止層等)を介して、窒化物半導体層200として、例えば、n側層
、活性層、p側層をこの順で積層する。半導体層200は、InxAlyGa1-x-yN(0
≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)等が挙げられる。
(Second step)
Next, as shown in FIG. 8A, a lower layer (on the first main surface of the
For example, an n-side layer, an active layer, and a p-side layer are stacked in this order as the
≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) and the like.
まず、n側層として、n側クラッド層:n型不純物ドープAlxGa1-xN(0≦x≦0
.5)、n側光ガイド層:AlxGa1-xN(0≦x≦0.3)を成長させる。なお、クラ
ッド層及び光ガイド層等という名称は、からなずしもその機能のみを有することを意味す
るものではなく、その他の機能も果たすことを意味する(p側層も同じ)。n側クラッド
層は単一層であれば、一般式はAlxGa1-xN(0≦x≦0.2)であって、膜厚は0.
5〜5μmであることが好ましい。多層であれば、第1の層:AlxGa1-xN(0≦x≦
0.5、0≦x≦0.1、さらに0<x≦0.3が好ましい)と第2の層:AlyGa1-y
N(0.01≦y≦1)との積層構造としてもよい。n側層、特に、多層の場合の第1の
層(Alを含有する半導体層)は、ラテラル成長させて形成することが好ましい。これに
より、半導体層の表面のさらなる平坦化、半導体層内での組成揺らの抑制が実現できる。
ラテラル成長は、炉内での成長温度を1000℃以上、圧力を600Torr以下とする
ことが好ましい。多層の場合の第1及び第2の層等は、例えば、0.5〜5μmの膜厚が
適当である。
First, as an n-side layer, an n-side cladding layer: n-type impurity-doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0
. 5) N-side light guide layer: Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3) is grown. Note that the names of the cladding layer, the light guide layer, and the like do not necessarily mean that they have only their functions, but also have other functions (the same applies to the p-side layer). If the n-side cladding layer is a single layer, the general formula is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.2), and the film thickness is 0.
It is preferable that it is 5-5 micrometers. In the case of multiple layers, the first layer: Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦
0.5, 0 ≦ x ≦ 0.1, more preferably 0 <x ≦ 0.3) and the second layer: Al y Ga 1-y
A laminated structure with N (0.01 ≦ y ≦ 1) may be used. The n-side layer, particularly the first layer (semiconductor layer containing Al) in the case of a multilayer, is preferably formed by lateral growth. Thereby, further planarization of the surface of the semiconductor layer and suppression of composition fluctuation in the semiconductor layer can be realized.
In the lateral growth, the growth temperature in the furnace is preferably 1000 ° C. or higher and the pressure is 600 Torr or lower. For the first and second layers in the case of a multilayer, for example, a film thickness of 0.5 to 5 μm is appropriate.
次に、活性層として、一般式InxAlyGa1-x-yN(0<x≦1、0≦y<1、0<
x+y≦1)で表される多重量子井戸構造の半導体層を成長させることが好ましい。井戸
層の組成はInの混晶が0<x≦0.5であることが好ましい。井戸層及び障壁層の膜厚
は、例えば、10〜300Å、20〜300Åが挙げられ、総膜厚は、例えば、100〜
3000Å程度が適当である。また、総膜厚を10〜300Å程度の範囲とすることで、
Vf、閾値電流密度を低減させることができる。さらに、Al含有量を調整することで紫
外域の発光から、長波長側の発光(例えば、300nm〜650nm、さらに360nm
〜580nm)が可能となる。
Next, as an active layer, the general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1,0 ≦ y <1,0 <
It is preferable to grow a semiconductor layer having a multiple quantum well structure represented by x + y ≦ 1). The composition of the well layer is preferably such that the In mixed crystal satisfies 0 <x ≦ 0.5. The film thickness of the well layer and the barrier layer is, for example, 10 to 300 mm, 20 to 300 mm, and the total film thickness is, for example, 100 to
About 3000 mm is appropriate. Moreover, by setting the total film thickness to a range of about 10 to 300 mm,
V f and the threshold current density can be reduced. Furthermore, by adjusting the Al content, the light emitted from the ultraviolet region is changed to the light emitted on the long wavelength side (for example, 300 nm to 650 nm, further 360 nm).
˜580 nm).
多重量子井戸構造は、障壁層から始まり井戸層で終わっても、障壁層から始まり障壁層
で終わっても、井戸層から始まり障壁層で終わっても、井戸層から始まり井戸層で終わっ
てもよい。好ましくは、障壁層から始まり、井戸層と障壁層とのペアを2〜8回繰り返し
てなるものであって、障壁層で終わる構成である。特にこのペアが2〜3回繰り返してな
るものは、しきい値を低下させ、寿命特性を向上させるのに好ましい。
A multi-quantum well structure may start with a barrier layer and end with a well layer, start with a barrier layer and end with a barrier layer, start with a well layer and end with a barrier layer, start with a well layer and end with a well layer . Preferably, the structure starts with the barrier layer and repeats the pair of the well layer and the barrier layer 2 to 8 times and ends with the barrier layer. In particular, those in which this pair is repeated 2 to 3 times are preferable for lowering the threshold and improving the life characteristics.
続いて、p側層として、電子閉じ込め層(省略可能):p型不純物ドープAlxGa1-x
N(0≦x≦0.5)、p側光ガイド層:AlxGa1-xN(0≦x≦0.3)、p側クラ
ッド層:p型不純物ドープAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)、p側コンタクト層:p型
不純物ドープAlxGa1-xN(0≦x≦1)をこの順に成長させる。これらの半導体層に
は、Inを混晶させてもよい。各層の膜厚は、30Å〜5μm程度が挙げられる。
Subsequently, as a p-side layer, an electron confinement layer (can be omitted): p-type impurity-doped Al x Ga 1-x
N (0 ≦ x ≦ 0.5), p-side light guide layer: Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3), p-side cladding layer: p-type impurity doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5), p-side contact layer: p-type impurity doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) is grown in this order. These semiconductor layers may be mixed with In. The thickness of each layer is about 30 to 5 μm.
半導体層200は、基板101の第1主面上に、低温成長バッファ層:AlxGa1-xN
(0≦x≦0.3)、中間層202:AlxGa1-xN(0≦x≦0.3)及び/又はクラ
ック防止層:InxAlyGa1-x-yN(0<x≦1、0≦y<1、0<x+y≦1)を介
してn側層を成長させた構成でもよい。また、各層の間に応力緩衝層を有する構造又はG
RIN構造を用いてもよい。中間層等は、単一又は多層積層構造のいずれでもよい。この
中間層等によって、半導体層の表面上に発生する転位(貫通転位等)、ピットを低減させ
ることができる。
The
(0 ≦ x ≦ 0.3), the intermediate layer 202: Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3) and / or anti-cracking layer: In x Al y Ga 1- xy N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, 0 <x + y ≦ 1) may be used to grow the n-side layer. Further, a structure having a stress buffer layer between each layer or G
An RIN structure may be used. The intermediate layer or the like may be either a single layer or a multilayer stacked structure. This intermediate layer or the like can reduce dislocations (threading dislocations and the like) and pits generated on the surface of the semiconductor layer.
n側クラッド層、p側クラッド層は、単一層構造、2層構造又は組成比が互いに異なる
2層からなる超格子(SL)構造であってもよい。n側及びp側クラッド層の総膜厚は、
0.4〜10μmであることが好ましい。これにより、順方向電圧(Vf)を低減するこ
とができる。また、クラッド層の全体のAlの平均組成は、0.02〜0.15であるこ
とが好ましい。これにより、クラックの発生を抑制することができ、レーザ導波路との屈
折率差を得ることができる。
The n-side cladding layer and the p-side cladding layer may have a single layer structure, a two-layer structure, or a superlattice (SL) structure including two layers having different composition ratios. The total film thickness of the n-side and p-side cladding layers is
It is preferable that it is 0.4-10 micrometers. Thereby, the forward voltage (Vf) can be reduced. Moreover, it is preferable that the average composition of Al of the whole cladding layer is 0.02-0.15. Thereby, generation | occurrence | production of a crack can be suppressed and the refractive index difference with a laser waveguide can be obtained.
n型不純物は、例えば、Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、Cd等が挙げられ、
p型不純物は、Mg、Be、Zn、Mn、Ca、Sr等が挙げられる。不純物濃度は5×
1016/cm3〜1×1021/cm3程度が好ましい。特に、n型不純物のドープ量は、1
×1017/cm3〜5×1019/cm3であることが好ましい。これにより、抵抗率を低く
でき、かつ結晶性を損なわない。p型不純物のドープ量は、1×1019/cm3〜1×1
021/cm3であることが好ましい。これにより、結晶性を損なわない。不純物ドープは
、変調ドープであってもよい。
Examples of the n-type impurity include Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr, and Cd.
Examples of the p-type impurity include Mg, Be, Zn, Mn, Ca, and Sr. Impurity concentration is 5x
It is preferably about 10 16 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 . In particular, the doping amount of n-type impurities is 1
× is preferably 10 17 / cm 3 ~5 × 10 19 / cm 3. Thereby, a resistivity can be made low and crystallinity is not impaired. The doping amount of the p-type impurity is 1 × 10 19 / cm 3 to 1 × 1
It is preferably 0 21 / cm 3 . Thereby, crystallinity is not impaired. The impurity doping may be modulation doping.
(第3の工程)
基板101上に半導体層200を積層したウェハを、半導体成長装置の反応容器から取
り出し、n側層をエッチングすることにより、例えば、n側クラッド層まで露出させる。
これにより、応力を緩和することができる。なお、この工程は省略することができるし、
エッチングによって露出させる面は、必ずしもn側クラッド層でなくてもよい。エッチン
グは、RIE法を用いCl2、CCl4、BCl3、SiCl4ガス等の塩素系ガスにより行
うことができる。
(Third step)
The wafer in which the
Thereby, stress can be relieved. This step can be omitted,
The surface exposed by etching is not necessarily the n-side cladding layer. Etching can be performed using a RIE method and a chlorine-based gas such as Cl 2 , CCl 4 , BCl 3 , or SiCl 4 gas.
次いで、図8(b)に示すように、p側層表面にストライプ状のリッジ部を形成する。
リッジ部の形成は、まず、p側層の最上層であるp側コンタクト層209の表面に保護
膜(図示せず)を形成する。この保護膜は、リッジ部の形状に対応するパターンである。
この保護膜をマスクとして、p側層をエッチング除去する。リッジ部は、導波路領域を規
定するものであり、幅は1.0μm〜100.0μm程度、高さ(エッチング深さ)は、
少なくともp側クラッド層を露出する範囲であればよい。共振器長は300μm〜100
0μm程度が好ましい。シングルモードのレーザ光とする場合は、幅は1.0μm〜3.
0μmとするのが好ましい。リッジ部の幅を5μm以上とすれば、1W以上の高出力が可
能となる。また、大電流を流すと、リッジ部直下では電流が急激に横方向に広がるため、
リッジ部の高さはp側光ガイド層まであるのが好ましい。なお、リッジは、上述した低転
位密度領域(第1の領域)の上方に配置されるように形成することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 8B, a stripe-shaped ridge portion is formed on the surface of the p-side layer.
In forming the ridge portion, first, a protective film (not shown) is formed on the surface of the p-
Using this protective film as a mask, the p-side layer is removed by etching. The ridge portion defines the waveguide region, the width is about 1.0 μm to 100.0 μm, and the height (etching depth) is
What is necessary is just to be a range in which at least the p-side cladding layer is exposed. The resonator length is 300 μm to 100
About 0 μm is preferable. In the case of a single mode laser beam, the width is 1.0 μm to 3.
The thickness is preferably 0 μm. If the width of the ridge portion is 5 μm or more, a high output of 1 W or more is possible. Also, if a large current is passed, the current spreads in the lateral direction immediately below the ridge,
The height of the ridge portion is preferably up to the p-side light guide layer. Note that the ridge is preferably formed so as to be disposed above the low dislocation density region (first region) described above.
(第4の工程)
その後、図8(c)に示すように、リッジ部の側面を埋込膜220で保護する。この埋
込膜220は、半導体層よりも屈折率が小さく、絶縁性の材料から選択することが好まし
い。具体的には、ZrO2、SiO2、V、Nb、Hf、Ta、Al等の酸化物の単層又は
多層が挙げられる。
続いて、p側コンタクト層209のリッジ部の上面にp電極230を形成する。好まし
くは、p側コンタクト層209及び埋込膜220の上にp電極230を形成する。p電極
は多層構造、例えば、Ni(50〜200Å:下層)/Au(500〜3000Å:上層
)、Ni/Au/Pt(500〜5000Å)又はNi/Au/Pd(500〜5000
Å)が好ましい。
p電極230を形成した後、300℃以上、好ましくは500℃以上で、窒素及び/又
は酸素雰囲気下にて、オーミックアニールを行うことが好ましい。
(Fourth process)
Thereafter, as shown in FIG. 8C, the side surface of the ridge portion is protected with a buried
Subsequently, a p-
I) is preferred.
After forming the p-
次に、図8(d)に示すように、前工程で露出したn側層の側面等に保護膜240を形
成する。なお、この保護膜は、図2(b)に示すように、少なくともn側層及びp側層の
側面を被覆していればよく、p電極230の一部を被覆していなくてもよい。
さらに、p電極230の上にパッド電極250を形成する。パッド電極250は、Ni
、Ti、Au、Pt、Pd、W等の金属からなる積層構造、例えば、W/Pd/Au(1
000Å以上)又はNi/Ti/Au(1000Å以上)とすることができる。
Next, as shown in FIG. 8D, a
Further, a
, Ti, Au, Pt, Pd, W, and the like, for example, W / Pd / Au (1
000Å or more) or Ni / Ti / Au (1000Å or more).
(第5の工程)
図8(e)に示すように、基板101の第2の主面にn電極210を形成する。
n電極は、Ti、Ni、Au、Pt、Al、Pd、W、Rh、Ag、Mo、V、Hfか
らなる群より選ばれる少なくとも1種の金属により、第2の主面の一部又は全面に形成す
ることが好ましい。これにより、基板とn電極とのオーミック特性が容易に得られ、密着
性も良く、ウェハを分割するための劈開工程等での電極剥がれを防止することができる。
(Fifth step)
As shown in FIG. 8E, an n-
The n electrode is a part or the whole of the second main surface by at least one metal selected from the group consisting of Ti, Ni, Au, Pt, Al, Pd, W, Rh, Ag, Mo, V, and Hf. It is preferable to form. As a result, ohmic characteristics between the substrate and the n-electrode can be easily obtained, adhesion is good, and electrode peeling in a cleavage step or the like for dividing the wafer can be prevented.
n電極が多層構造の場合、最上層はPtまたはAuであることが好ましい。これにより
、電極からの放熱性を向上させることができる。n電極の膜厚は、10000Å以下、さ
らに6000Å以下が好ましい。多層構造の場合、例えば、基板側がV、Ti、Mo、W
、Hf等(500Å以下、Wの場合は300Å以下)であることが好ましい。Vの場合は
、膜厚は50〜300Å以下、さらに、70〜200Åが好ましい。これにより、良好な
オーミック特性を得ることができ、耐熱性を向上させることができる。具体的には、Ti
(100Å:基板側)/Al(5000Å)、Ti/Pt/Au(60Å/1000Å/
3000Å)、Ti(60Å)/Mo(500Å)/Pt(1000Å)/Au(210
0Å)、Ti(60Å)/Hf(60Å)/Pt(1000Å)/Au(3000Å)、
Ti(60Å)/Mo(500Å)/Ti(500Å)/Pt(1000Å)/Au(2
100Å)、W/Pt/Au、W/Al/W/Au、Hf/Al、Ti/W/Pt/Au
、Ti/Pd/Pt/Au、Pd/Pt/Au、Ti/W/Ti/Pt/Au、Mo/P
t/Au、Mo/Ti/Pt/Au、W/Pt/Au、V/Pt/Au、V/Mo/Pt
/Au、V/W/Pt/Au、Cr/Pt/Au、Cr/Mo/Pt/Au、Cr/W/
Pt/Au等が挙げられる。n電極を形成した後は、300℃以上でアニールしてもよい
。
When the n-electrode has a multilayer structure, the uppermost layer is preferably Pt or Au. Thereby, the heat dissipation from an electrode can be improved. The film thickness of the n electrode is preferably 10000 mm or less, more preferably 6000 mm or less. In the case of a multilayer structure, for example, the substrate side is V, Ti, Mo, W
, Hf, etc. (500 Å or less, in the case of W, 300 Å or less). In the case of V, the film thickness is preferably 50 to 300 mm or less, and more preferably 70 to 200 mm. Thereby, a favorable ohmic characteristic can be obtained and heat resistance can be improved. Specifically, Ti
(100Å: substrate side) / Al (5000Å), Ti / Pt / Au (60Å / 1000Å /
3000 Å), Ti (60 Å) / Mo (500 Å) / Pt (1000 Å) / Au (210
0Å), Ti (60Å) / Hf (60Å) / Pt (1000Å) / Au (3000 /),
Ti (60 Å) / Mo (500 /) / Ti (500 Å) / Pt (1000 Å) / Au (2
100mm), W / Pt / Au, W / Al / W / Au, Hf / Al, Ti / W / Pt / Au
Ti / Pd / Pt / Au, Pd / Pt / Au, Ti / W / Ti / Pt / Au, Mo / P
t / Au, Mo / Ti / Pt / Au, W / Pt / Au, V / Pt / Au, V / Mo / Pt
/ Au, V / W / Pt / Au, Cr / Pt / Au, Cr / Mo / Pt / Au, Cr / W /
Pt / Au etc. are mentioned. After forming the n-electrode, annealing may be performed at 300 ° C. or higher.
n電極は、第2の主面側に、後工程である基板をバー化するためのスクライブ工程にお
いてスクライブラインとなる領域を除く範囲に、矩形形状で形成することが好ましい。ま
た、n電極上には、n電極と同様のパターン形状でメタライズ電極を形成してもよい。こ
れにより、スクライブしやすくなり、劈開性が向上する。メタライズ電極としては、Ti
−Pt−Au−(Au/Sn)、Ti−Pt−Au−(Au/Si)、Ti−Pt−Au
−(Au/Ge)、Ti−Pt−Au−In、Au/Sn、In、Au/Si、Au/G
e等が挙げられる。
The n-electrode is preferably formed in a rectangular shape on the second main surface side in a range excluding a region that becomes a scribe line in a scribing process for forming a substrate in a subsequent process. Further, a metallized electrode may be formed on the n electrode in the same pattern shape as the n electrode. Thereby, it becomes easy to scribe and cleavage is improved. For metallized electrodes, Ti
-Pt-Au- (Au / Sn), Ti-Pt-Au- (Au / Si), Ti-Pt-Au
-(Au / Ge), Ti-Pt-Au-In, Au / Sn, In, Au / Si, Au / G
e and the like.
また、この基板の第2の主面にも、オフ角や凹凸段差を形成してもよい。
凹凸段差を形成することで、第2の主面を(000−1)面とすれば、(000−1)
面以外の傾斜面を露出させることができる。(000−1)面以外の傾斜面は、n極性を
示す面における表面積の0.5%以上さらに1〜20%程度が好ましい。これにより、n
電極のオーミック特性を向上させることができる。
ここで、段差とは、界面段差が0.1μm以上であって、段差形状はテーパー形状、逆
テーパー形状のものが挙げられる。段差の平面形状は、ストライプ状、格子状、島状、円
状や多角形状、矩形状、くし形状、メッシュ形状から選択することができる。例えば、円
状の凸部を形成すれば、円状凸部の直径幅は5μm以上とすることができる。また、凹部
溝部の幅は少なくとも3μm以上の領域を有すると、電極の剥がれ等がなくなり好ましい
。
第2の主面において、(000−1)面以外の傾斜面を露出するには、オフ角を0.2
〜90°の範囲で形成することが適当である。
Further, an off-angle or uneven step may be formed on the second main surface of the substrate.
If the second main surface is the (000-1) plane by forming the uneven step, (000-1)
An inclined surface other than the surface can be exposed. The inclined surface other than the (000-1) plane is preferably 0.5% or more and more preferably about 1 to 20% of the surface area of the n-polar surface. As a result, n
The ohmic characteristics of the electrode can be improved.
Here, the step is an interface step of 0.1 μm or more, and the step shape includes a taper shape and an inverse taper shape. The planar shape of the step can be selected from a stripe shape, a lattice shape, an island shape, a circular shape, a polygonal shape, a rectangular shape, a comb shape, and a mesh shape. For example, if a circular convex portion is formed, the diameter width of the circular convex portion can be set to 5 μm or more. In addition, it is preferable that the width of the concave groove has an area of at least 3 μm because there is no peeling of the electrode.
In order to expose the inclined surface other than the (000-1) plane in the second main surface, the off angle is set to 0.2.
It is suitable to form in the range of ~ 90 °.
(第6の工程)
ストライプ状のp電極230に垂直な方向であって、半導体層の共振面を形成するため
にウェハをバー状に分割する。共振面は、M面(1−100)、A面(11−20)とす
ることが好ましい。分割方法としては、ブレードブレイク、ローラーブレイク又はプレス
ブレイク等が挙げられる。
この分割は、まず劈開補助溝を形成し、次いで分割する2段階で行うことが好ましい。
これにより、共振面を歩留まりよく形成することができる。
つまり、まず、基板の第1又は第2の主面側から、スクライブにより劈開補助溝を形成
する。この溝はウェハの全面又はバーとなる領域のウェハの両端に形成する。溝をバーを
形成する劈開方向に、破線状に間隔をあけて形成することが好ましい。これによって、劈
開方向が屈曲することを抑制し、容易に劈開することができる。また、この溝を第2の主
面に形成することにより、FFPのリップルを抑制することができるとともに、電極の剥
がれを防止できる。
(Sixth step)
In order to form a resonance surface of the semiconductor layer in a direction perpendicular to the striped p-
This division is preferably performed in two stages in which a cleavage assist groove is first formed and then divided.
Thereby, the resonance surface can be formed with a high yield.
That is, first, a cleavage assist groove is formed by scribing from the first or second main surface side of the substrate. These grooves are formed on the entire surface of the wafer or both ends of the wafer in a region to be a bar. The grooves are preferably formed at intervals in the form of broken lines in the cleavage direction for forming the bars. As a result, bending of the cleavage direction can be suppressed and cleavage can be easily performed. Further, by forming this groove on the second main surface, it is possible to suppress the ripple of FFP and to prevent the electrode from peeling off.
次に、ブレイカーによりウェハをバー状に分割する。劈開方法としては、ブレードブレ
イク、ローラーブレイク又はプレスブレイク等が挙げられる。
劈開により形成された共振面の光反射側及び/又は光出射面には、反射ミラーを形成し
てもよい。反射ミラーは、SiO2、ZrO2、TiO2、Al2O3、Nb2O5等の誘電体
多層膜により形成することができる。特に、出射端面側にはAl2O3又はNb2O5が好ま
しい。これにより、寿命特性が良好となる。劈開によって形成された共振面であれば、反
射ミラーを再現性よく形成することができる。
さらに、バー状となった基板を電極のストライプ方向に平行に分割して、素子をチップ
化する。チップ化した後の形状は矩形状であることが好ましく、共振面の幅は500μm
以下、さらに、400μm以下であることが好ましい。
Next, the wafer is divided into bars by a breaker. Examples of the cleavage method include blade break, roller break, press break and the like.
A reflection mirror may be formed on the light reflection side and / or the light emission surface of the resonance surface formed by cleavage. The reflection mirror can be formed of a dielectric multilayer film such as SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , and Nb 2 O 5 . In particular, Al 2 O 3 or Nb 2 O 5 is preferable on the emission end face side. Thereby, a lifetime characteristic becomes favorable. If the resonance surface is formed by cleavage, the reflection mirror can be formed with good reproducibility.
Further, the bar-shaped substrate is divided in parallel with the stripe direction of the electrodes, and the device is made into chips. The shape after chip formation is preferably rectangular, and the width of the resonance surface is 500 μm.
Hereinafter, it is further preferably 400 μm or less.
このようにして得られたレーザ素子は、FFPのリップルを抑制した長寿命等の特性を
有する。また、対向電極構造の素子であるため、接触抵抗率が1.0E-3Ωcm2以下と
低減させることができる。
なお、この素子は、基板の上に複数の導波路領域を有するレーザ素子であってもよいし
、ワイドリッジ部を有するレーザ素子であってもよい。
The laser element thus obtained has characteristics such as a long lifetime in which the ripple of FFP is suppressed. Further, since the element has a counter electrode structure, the contact resistivity can be reduced to 1.0E −3 Ωcm 2 or less.
This element may be a laser element having a plurality of waveguide regions on a substrate, or may be a laser element having a wide ridge portion.
また、本発明の素子は、主として、第1導電型(例えば、n型)層と第2導電型(例え
ば、p型)層との間に、活性層を含むコア領域を有することが好ましい。
ここで、コア領域とは、光導波路領域、つまり、活性層で発生した光を閉じ込め、光波
を減衰させずに導波させることができる領域を意味する。通常、活性層とこれを挟む光ガ
イド層がコア領域を構成し、その膜厚は、例えば、100Å〜1.5μm程度であること
が適当である。
n型及びp型層を構成する半導体層は、特に限定されるものではなく、例えば、上述し
た窒化物半導体層が挙げられる。
Moreover, it is preferable that the element of the present invention mainly has a core region including an active layer between a first conductivity type (for example, n-type) layer and a second conductivity type (for example, p-type) layer.
Here, the core region means an optical waveguide region, that is, a region where light generated in the active layer can be confined and the light wave can be guided without being attenuated. Usually, the active layer and the light guide layer sandwiching the active layer constitute the core region, and it is appropriate that the film thickness is, for example, about 100 to 1.5 μm.
The semiconductor layers constituting the n-type and p-type layers are not particularly limited, and examples thereof include the nitride semiconductor layers described above.
この素子においては、n型及びp型層の少なくとも一方に、特に、n型層に、コア領域
の最外層に隣接して、第1の窒化物半導体層(以下、「第1層」と記す)及び第2の窒化
物半導体層(以下、「第2層」と記す)がこの順に配置していることが好ましい。
n型層において、第1層及び第2層は、それぞれ、光の出射角度を調整するための層、
光ガイド層及びクラッド層として機能するものであるが、これらの層の積層により、これ
らの機能を調整することができる。
つまり、n層又はp層を多層化、特にn層を多層化することにより、F.F.P.が狭
くなり、活性層での利得を減少させないで、N.F.Pを広げることができる。これによ
って、閾値電流を維持することができる。さらに、光の出射角度を上向き、下向き等に調
整することができ、光出力効率を向上させて集光率の良好な素子を得ることができる。
In this element, a first nitride semiconductor layer (hereinafter referred to as “first layer”) is adjacent to at least one of the n-type layer and the p-type layer, in particular, the n-type layer and adjacent to the outermost layer of the core region. ) And a second nitride semiconductor layer (hereinafter referred to as “second layer”) are preferably arranged in this order.
In the n-type layer, each of the first layer and the second layer is a layer for adjusting the light emission angle,
Although it functions as an optical guide layer and a clad layer, these functions can be adjusted by laminating these layers.
In other words, by making the n layer or the p layer multi-layered, in particular, by making the n layer multi-layered, F.I. F. P. N. is reduced and N.I. F. P can be expanded. Thereby, the threshold current can be maintained. Furthermore, the light emission angle can be adjusted upward, downward, etc., and the light output efficiency can be improved to obtain an element with a good light collection rate.
また、第1層とコア領域の最外層、第2層と第1層とは、屈折率が異なることが好まし
く、特に、第1層がコア領域の最外層よりも低屈折率を有し及び/又は第2層が第1層よ
りも低屈折率を有することが好ましい。これらの層は、コア領域の最外層から順に屈折率
が低くなるように設定されていることが好ましい。これにより、安定した光の閉じ込めに
より、活性層から照射されるビームを安定化させることができる。その結果、レーザ光源
として応用が広がる。
The first layer and the outermost layer of the core region, and the second layer and the first layer preferably have different refractive indexes, and in particular, the first layer has a lower refractive index than the outermost layer of the core region and It is preferable that the second layer has a lower refractive index than the first layer. These layers are preferably set so that the refractive index decreases in order from the outermost layer of the core region. Thereby, the beam irradiated from the active layer can be stabilized by stable light confinement. As a result, the application as a laser light source spreads.
さらに、コア領域の最外層と第1層との屈折率差(Δn1)及び/又は第1層と第2層
との屈折率差(Δn2)が、0.004〜0.03であることが好ましい。これにより、
活性層で発生する光の滞在領域をより一層適切に調整することができ、安定した光の閉じ
込めを行うことが可能となる。その結果、F.F.Pの広がり角の制御が可能となる。
Furthermore, the refractive index difference (Δn 1 ) between the outermost layer and the first layer in the core region and / or the refractive index difference (Δn 2 ) between the first layer and the second layer is 0.004 to 0.03. It is preferable. This
The stay region of light generated in the active layer can be more appropriately adjusted, and stable light confinement can be performed. As a result, F.I. F. The spread angle of P can be controlled.
なお、n型層においては、コア領域の最外層に隣接して形成される層は2層に限らず、
3層以上、例えば、m層(m≧2)形成してもよい。その上限は特に限定されない。光の
閉じ込め効果を考慮すると10層以下、8層以下、さらに6層以下が適当である。特に、
コア領域の最外層と第m層との屈折率差(Δnm)は0.008〜0.05、0.07〜
0.05の範囲内であることが好ましい。このような範囲に設定することにより、光の閉
じ込めを緩和してF.F.Pの広がり角の制御しながら、光の漏れを防止することができ
る。
In the n-type layer, the layer formed adjacent to the outermost layer of the core region is not limited to two layers,
Three or more layers, for example, m layers (m ≧ 2) may be formed. The upper limit is not particularly limited. Considering the light confinement effect, 10 layers or less, 8 layers or less, and 6 layers or less are appropriate. In particular,
The refractive index difference (Δn m ) between the outermost layer and the m-th layer in the core region is 0.008 to 0.05, 0.07 to
It is preferable to be within the range of 0.05. By setting in such a range, the light confinement is relaxed and the F.V. F. While controlling the spread angle of P, light leakage can be prevented.
n型層の屈折率は、通常、その組成によって調整することができ、例えば、Alの混晶
比を大きくすることにより、屈折率を小さくすることができる。例えば、第1層と第2層
との間で0.004〜0.03の屈折率差を得るために、両者においてAlの組成比に0
.01〜0.07程度差異を設けることが適当である。
The refractive index of the n-type layer can usually be adjusted by its composition. For example, the refractive index can be reduced by increasing the mixed crystal ratio of Al. For example, in order to obtain a refractive index difference of 0.004 to 0.03 between the first layer and the second layer, the composition ratio of Al is 0 in both.
. It is appropriate to provide a difference of about 01 to 0.07.
また、第1層及び/又は第2層が、X層とY層との超格子構造からなる場合には、いず
れかの層の膜厚のみを変化させる、例えば、第1層ではX層が厚く、第2層ではX層を薄
くするなどにより、n型層の屈折率を調整することができる。
n型層において、第1層及び第2層は、例えば、膜厚1000〜10000Å程度が適
当である。また、第1層〜第m層まで形成されている場合は、その合計が2000〜40
000Å程度であることが適当である。
Further, when the first layer and / or the second layer has a superlattice structure of an X layer and a Y layer, only the film thickness of one of the layers is changed. For example, in the first layer, the X layer has The refractive index of the n-type layer can be adjusted by increasing the thickness of the X-layer in the second layer.
In the n-type layer, the first layer and the second layer have a thickness of about 1000 to 10,000 mm, for example. Moreover, when it is formed from the first layer to the m-th layer, the total is 2000 to 40.
It is appropriate to be about 000 mm.
特に、n型層が、AlxGa1-xN(0<x<1)を含んで形成されている場合には、少
なくとも、コア領域の最外層から500〜5000Å程度の位置に0.004〜0.03
程度の屈折率差を有する層、1500〜20000Å程度の位置に0.004〜0.03
程度の屈折率差を有する層が配置することが好ましく、さらに、2500〜25000Å
程度の位置に0.004〜0.03程度の屈折率を有する層が配置していることがより好
ましい。これにより、その組成及び膜厚にかかわらず、層内部のクラックの発生を防止す
ることができる。従って、より適切な光の閉じ込めを実現することができる。
In particular, when the n-type layer is formed to contain Al x Ga 1-x N (0 <x <1), at least 0.004 at a position of about 500 to 5000 mm from the outermost layer of the core region. ~ 0.03
A layer having a refractive index difference of about 0.004 to 0.03 at a position of about 1500 to 20000 mm
It is preferable that a layer having a refractive index difference of about a degree is arranged, and further 2500 to 25000 mm
More preferably, a layer having a refractive index of about 0.004 to 0.03 is arranged at a position of about. Thereby, regardless of the composition and film thickness, generation of cracks inside the layer can be prevented. Therefore, more appropriate light confinement can be realized.
また、n型窒化物半導体層側にm層のn型窒化物半導体層を有し、かつp型窒化物半導
体層に第1のp型半導体層を含み、第mのn型窒化物半導体層が、第1のp型窒化物半導
体層の屈折率よりも高い屈折率を有する場合には、p側での光の閉じ込め効果を強くする
ことにより、より安定した光の閉じ込めを行うことができる。しかも、n側での閉じ込め
をp側よりも弱くすることにより、n側でのキンクの発生を防止することが可能となる。
The m-type n-type nitride semiconductor layer includes m-type n-type nitride semiconductor layers on the n-type nitride semiconductor layer side, and the p-type nitride semiconductor layer includes the first p-type semiconductor layer. However, when the refractive index is higher than the refractive index of the first p-type nitride semiconductor layer, the light confinement effect on the p side can be strengthened, so that more stable light confinement can be performed. . In addition, by making the confinement on the n side weaker than that on the p side, it is possible to prevent the occurrence of kinks on the n side.
n型層に、上述した第1層及び第2層が形成されているのであれば、p型層に、必ずし
も、第1層及び第2層が形成されていなくてもよい。p型層に第1層が形成されている場
合には、この第1層とコア領域の最外層との屈折率差は特に限定されないが、例えば、0
.01〜0.2程度が適当である。なお、第1層は、コア領域の最外層よりも屈折率が小
さいことが好ましい。これにより、光の閉じ込めを確実に行うことができる。また、第m
層と第1層との屈折率差は、例えば、0.004〜0.03程度であることが好ましい。
第1層は、第m層よりも屈折率が小さいことが好ましい。さらに、第1層の膜厚は、例え
ば、1000〜10000Å程度が適当である。第1層は、GaNとAlGaNとを積層
した超格子構造とすることが好ましい。また、p側の屈折率をn側よりも小さくするため
に、Alの混晶比を高く設定したとしても、その膜厚を薄膜化することにより内部のクラ
ックの発生を防止することができ、デバイスの安定性を保つ、つまり、リーク電流を低減
させることができる。
If the first layer and the second layer described above are formed in the n-type layer, the first layer and the second layer are not necessarily formed in the p-type layer. In the case where the first layer is formed in the p-type layer, the refractive index difference between the first layer and the outermost layer of the core region is not particularly limited.
. A value of about 01 to 0.2 is appropriate. In addition, it is preferable that a 1st layer has a refractive index smaller than the outermost layer of a core area | region. Thereby, it is possible to reliably confine light. The mth
The difference in refractive index between the layer and the first layer is preferably about 0.004 to 0.03, for example.
The first layer preferably has a refractive index smaller than that of the mth layer. Further, the film thickness of the first layer is, for example, about 1000 to 10,000 mm. The first layer preferably has a superlattice structure in which GaN and AlGaN are stacked. Moreover, even if the mixed crystal ratio of Al is set high in order to make the refractive index on the p side smaller than that on the n side, the occurrence of internal cracks can be prevented by reducing the film thickness, The stability of the device can be maintained, that is, the leakage current can be reduced.
光ガイド層は、窒化物半導体からなり、導波路形成に十分なエネルギーバンドギャップ
を有していれば、その組成、膜厚等は特に限定されるものではなく、単層、多層、超格子
層のいずれの構造を有していてもよい。具体的には、波長370〜470nmでは、Ga
Nを用い、それよりも長波長ではInGaN/GaNの多層又は超格子層を用いることが
適当である。光ガイド層を構成する窒化物半導体の組成、膜厚、構造等は、n側及びp側
において同じでもよいし、異なっていてもよい。
The optical guide layer is made of a nitride semiconductor and has an energy band gap sufficient for waveguide formation. The composition, film thickness, etc. are not particularly limited, and the single layer, multilayer, superlattice layer Any of these structures may be used. Specifically, at wavelengths of 370 to 470 nm, Ga
It is appropriate to use N and use a multilayer or superlattice layer of InGaN / GaN for longer wavelengths. The composition, film thickness, structure, and the like of the nitride semiconductor constituting the light guide layer may be the same or different on the n side and the p side.
本発明において、コア領域、n型層及びp型層の具体的な積層構造は、例えば、
第1のp型窒化物半導体層:AlGaN単層、AlGaN/GaNの多層又は超格子
層、
p型光ガイド層:AlGaN単層、GaN単層、AlGaN/GaNの多層又は超格
子層、
活性層:InGaN単層、InGaN/InGaNの多層又は超格子層、InGaN
/GaNの多層又は超格子層、
n型光ガイド層:GaN単層、InGaN単層、AlGaN単層、GaN/AlGa
Nの多層又は超格子層、InGaN/AlGaNの多層又は超格子層、AlGaN/Al
GaNの多層又は超格子層、
第1のn型窒化物半導体層:AlGaNの単層、GaN/AlGaNの多層又は超格
子層、InGaN/AlGaNの多層又は超格子層、AlGaN/AlGaNの多層又は
超格子層、
第2のn型窒化物半導体層:AlGaNの単層、GaN/AlGaNの多層又は超格
子層、InGaN/AlGaNの多層又は超格子層、AlGaN/AlGaNの多層又は
超格子層
等が挙げられる。これらの層は、任意に組み合わせることができる。特に、超格子層の場
合には、一方の層又は両方の層において、その組成を変化させたり、膜厚を変化させたり
、組成及び膜厚を変化させることにより、各層の屈折率及び屈折率差を上述したように設
定することができる。
In the present invention, the specific laminated structure of the core region, the n-type layer and the p-type layer is, for example,
First p-type nitride semiconductor layer: AlGaN single layer, AlGaN / GaN multilayer or superlattice layer,
p-type light guide layer: AlGaN single layer, GaN single layer, AlGaN / GaN multilayer or superlattice layer,
Active layer: InGaN single layer, InGaN / InGaN multilayer or superlattice layer, InGaN
/ GaN multilayer or superlattice layer,
n-type light guide layer: GaN single layer, InGaN single layer, AlGaN single layer, GaN / AlGa
N multilayer or superlattice layer, InGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, AlGaN / Al
GaN multilayer or superlattice layer,
First n-type nitride semiconductor layer: AlGaN single layer, GaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, InGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, AlGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer,
Second n-type nitride semiconductor layer: AlGaN single layer, GaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, InGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, AlGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, and the like. These layers can be arbitrarily combined. In particular, in the case of a superlattice layer, the refractive index and refractive index of each layer can be changed by changing the composition, changing the film thickness, or changing the composition and film thickness in one or both layers. The difference can be set as described above.
以下に、本発明の素子の実施例を示す。
実施例1
この実施例の半導体レーザ素子の構造を図1(b)及び図2(a)に示す。
このレーザ素子は、主面として、転位密度が1×106/cm2以下で、(0001)面
に対してオフ角aが0.3°のGaNからなる基板101上に、低温成長バッファ層(図
示せず)と中間層(図示せず)とを介して、n側クラッド層203、n側光ガイド層20
4、活性層205、p側キャップ層206、p側光ガイド層207、p側クラッド層20
8、p側コンタクト層209がこの順に積層されて構成される。
Examples of the element of the present invention are shown below.
Example 1
The structure of the semiconductor laser device of this example is shown in FIGS. 1 (b) and 2 (a).
This laser element has a low temperature growth buffer layer on a
4,
8, p-
p側コンタクト層209の表面にはストライプ状のリッジ部が形成されており、リッジ
の両側には、p側クラッド層208表面が露出している。
p側クラッド層208の露出した面及びリッジ部の側面には埋込層220が形成されて
いる。
リッジ部の上面に接触し、埋込膜220上にわたる領域にはp電極230が形成されて
いる。p電極230上の一部から上述の半導体の積層体の側面を被覆する保護膜240が
形成されている。
また、p電極230の上には、pパッド電極250が形成されており、GaN基板10
1の裏面にはn電極210が形成されている。
Striped ridges are formed on the surface of the p-
A buried
A p-
Further, a p-
An n-
このような半導体レーザ素子は、以下の製造方法により形成することができる。
(窒化物半導体基板101)
まず、MOCVD反応装置内において、サファイア又はGaAsからなる異種基板を配
置して、温度を500℃にする。次に、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(N
H3)を用い、GaNよりなるバッファ層(200Å)を成長させる。その後、温度を1
050℃にして、GaNよりなる第1の窒化物半導体層(4μm)を成長させる。
続いて、ウェハを反応容器から取り出し、この第1の窒化物半導体の表面に、ストライ
プ状のフォトマスクを形成し、CVD装置によりストライプ幅10〜300μm、ストラ
イプ間隔(窓部)5〜300μmのSiO2よりなる保護膜を形成する。
Such a semiconductor laser device can be formed by the following manufacturing method.
(Nitride semiconductor substrate 101)
First, in the MOCVD reactor, a dissimilar substrate made of sapphire or GaAs is placed and the temperature is set to 500 ° C. Next, trimethylgallium (TMG), ammonia (N
A buffer layer (200 mm) made of GaN is grown using H 3 ). Then set the temperature to 1
The first nitride semiconductor layer (4 μm) made of GaN is grown at 050 ° C.
Subsequently, the wafer is taken out from the reaction vessel, a striped photomask is formed on the surface of the first nitride semiconductor, and a SiO 2 having a stripe width of 10 to 300 μm and a stripe interval (window) of 5 to 300 μm is formed by a CVD apparatus. A protective film made of 2 is formed.
その後、ウェハをHVPE装置に移送し、原料にGaメタル、HClガス及びアンモニ
アを用い、n型不純物としてシリコン(Si)又は酸素(O)をドーピングしながらGa
Nよりなる第2の窒化物半導体(400μm)を成長させる。このように、HVPE法で
保護膜上に100μm以上のGaN厚膜を成長させることにより、結晶欠陥を、二桁以上
、低減させることができる。
Thereafter, the wafer is transferred to an HVPE apparatus, Ga metal, HCl gas, and ammonia are used as raw materials, and Ga (Si) or oxygen (O) is doped as an n-type impurity.
A second nitride semiconductor (400 μm) made of N is grown. Thus, by growing a GaN thick film of 100 μm or more on the protective film by the HVPE method, crystal defects can be reduced by two orders of magnitude or more.
異種基板等を除去することにより、第2の窒化物半導体層からなるGaNを窒化物半導
体基板101を得る。基板101の膜厚は400μm程度であり、少なくとも導波路の形
成を意図する領域において、転位密度が1×106/cm2以下である。
得られた基板101をドライエッチング装置に、所定角度傾けてセットし、ドライエッ
チングに付すことにより、基板101の主面((0001面))に、この主面に対して、
リッジの形成を意図する方向に、0.3°のオフ角aを与える。
By removing the heterogeneous substrate or the like, the
The obtained
An off angle a of 0.3 ° is given in the direction intended to form the ridge.
(n側クラッド層203)
続いて、1000℃〜1080℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG、アン
モニア、シランガスを用い、Siを1×1018/cm3〜1×1019/cm3ドープしたAl0.
03Ga0.97Nよりなるn側クラッド層(膜厚2μm)を成長させる。
(N-side cladding layer 203)
Subsequently, Al doped with Si at 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 at 1000 ° C. to 1080 ° C. using TMA (trimethylaluminum), TMG, ammonia, and silane gas .
An n-side cladding layer (thickness: 2 μm) made of 03 Ga 0.97 N is grown.
(n側光ガイド層204)
次いで、シランガスを止め、1000℃〜1080℃でアンドープGaNよりなるn側
光ガイド層(0.175μm)を成長させる。この層には、n型不純物をドープしてもよ
いし、INを含有させてもよい。
(N-side light guide layer 204)
Next, the silane gas is stopped, and an n-side light guide layer (0.175 μm) made of undoped GaN is grown at 1000 ° C. to 1080 ° C. This layer may be doped with n-type impurities or may contain IN.
(活性層205)
次に、温度を900℃以下にして、SiドープIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層(1
40Å)を成長させ、続いて同一温度で、アンドープIn0.07Ga0.93Nよりなる井戸層
(70Å)を成長させる。障壁層と井戸層とを2回交互に積層し、最後に障壁層を形成し
、総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を形成する。
(Active layer 205)
Next, the temperature is set to 900 ° C. or lower, and a barrier layer (1) made of Si-doped In 0.02 Ga 0.98 N is used.
Next, a well layer (70Å) made of undoped In 0.07 Ga 0.93 N is grown at the same temperature. A barrier layer and a well layer are alternately stacked twice, and finally a barrier layer is formed to form an active layer of a multiple quantum well structure (MQW) having a total film thickness of 560 mm.
(p側キャップ層206)
次に、900℃で又は昇温し、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペン
タジエニルマグネシウム)を用い、p側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大
きい、Mgを1×1019/cm3〜1×1020/cm3ドープしたp型Al0.25Ga0.75Nより
なるp側キャップ層(100Å)を成長させる。この層は省略可能である。
(P-side cap layer 206)
Next, at 900 ° C. or elevated temperature, TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used, and the band gap energy is larger than that of the p-side light guide layer, and Mg is 1 × 10 19 / A p-side cap layer (100Å) made of p-type Al 0.25 Ga 0.75 N doped with cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 is grown. This layer can be omitted.
(p側光ガイド層207)
続いて、Cp2Mg、TMAを止め、1000℃〜1050℃で、バンドギャップエネ
ルギーがp側キャップ層10よりも小さい、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層(
約0.14μm)を成長させる。なお、この層にはp型不純物をドープしてもよいし、I
nを含有させてもよい。
(P-side light guide layer 207)
Subsequently, Cp 2 Mg and TMA are stopped, and a p-side light guide layer made of undoped GaN (band gap energy is smaller than that of the p-
About 0.14 μm). This layer may be doped with p-type impurities, or I
n may be contained.
(p側クラッド層208)
その後、1000℃〜1050℃でアンドープAl0.10Ga0.90Nよりなる層(25Å
)を成長させ、続いてTMAを止め、MgドープGaNよりなる層(25Å)を成長させ
、総膜厚0.4μmの超格子層よりなるp側クラッド層を成長させる。
(P-side cladding layer 208)
Thereafter, a layer made of undoped Al 0.10 Ga 0.90 N (at 25 ° C. at 1000 ° C. to 1050 ° C.
Then, TMA is stopped, and a layer (25 cm) made of Mg-doped GaN is grown, and a p-side cladding layer made of a superlattice layer having a total film thickness of 0.4 μm is grown.
(p側コンタクト層209)
1050℃で、p側クラッド層の上に、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(150Å)を成長させる。
次いで、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面にSiO2
よりなる保護膜をマスクとして形成し、RIEによって、SiCl4ガスを用いてエッチ
ングする。これにより、n側クラッド層203を露出させる。
(P-side contact layer 209)
P-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 Mg on the p-side cladding layer at 1050 ° C.
A p-side contact layer (150 Å) made of is grown.
Next, the wafer is taken out of the reaction vessel, and SiO 2 is deposited on the surface of the uppermost p-side contact layer.
A protective film made of this is formed as a mask and etched by RIE using SiCl 4 gas. As a result, the n-
p側コンタクト層209の表面に、ストライプ状のSiO2よりなる保護膜をマスクと
して形成し、RIEを用いてSiCl4ガスによりエッチングする。これにより、ストラ
イプ状の導波路領域であるリッジ部を形成する。
続いて、リッジ部の側面をZrO2からなる埋込層220で保護する。
A protective film made of striped SiO 2 is formed on the surface of the p-
Subsequently, the side surface of the ridge portion is protected by the buried
また、導波路領域であるリッジ部の端面近傍で、リッジから離間した位置にフォトリソ
グラフィー技術を用いて複数の開口部を有するレジストパターンを形成し、RIEを用い
てSiCl4ガスにより、n側クラッド層に達するまでエッチングする。これにより、p
側コンタクト層の表面に、例えば、六角形状の凹部を形成する。凹部の頂点間の最長距離
は1〜10μm、好ましくは2〜5μmとする。この凹部の形成によって、リップルを抑
制することができる。この工程は省略してもよい。
次に、p側コンタクト層209及び埋込層220の上の表面にNi(100Å)/Au
(1500Å)よりなるp電極230を形成する。
その後、Si酸化膜(SiO2)からなる保護膜240(0.5μm)をp電極230
上及び埋込膜220上及び半導体層の側面に、スパッタリングにより成膜する。
In addition, a resist pattern having a plurality of openings is formed in the vicinity of the end face of the ridge portion, which is the waveguide region, at a position separated from the ridge using photolithography technology, and the n-side cladding is formed by SiCl 4 gas using RIE. Etch until the layer is reached. As a result, p
For example, a hexagonal recess is formed on the surface of the side contact layer. The longest distance between the apexes of the recesses is 1 to 10 μm, preferably 2 to 5 μm. Ripple can be suppressed by forming the recess. This step may be omitted.
Next, Ni (100 Å) / Au is formed on the surface above the p-
A p-
Thereafter, a protective film 240 (0.5 μm) made of a Si oxide film (SiO 2 ) is applied to the
A film is formed by sputtering on the top and the buried
次いで、600℃でオーミックアニールを行う。
続いて、保護膜で覆われていない露出しているp電極230上に連続して、Ni(10
00Å)/Ti(1000Å)/Au(8000Å)をこの順で形成し、pパッド電極2
50を形成する。
その後、基板の第2の主面に、V(100Å)/Pt(2000Å)/Au(3000
Å)よりなるn電極210を形成する。
Next, ohmic annealing is performed at 600 ° C.
Subsequently, Ni (10) is continuously formed on the exposed p-
00Å) / Ti (1000Å) / Au (8000Å) in this order, and the p-pad electrode 2
50 is formed.
Thereafter, V (100 Å) / Pt (2000 Å) / Au (3000) is formed on the second main surface of the substrate.
An n-
次いで、基板の第1の主面側に凹部溝(深さ:10μm、共振面と平行方向の幅:50
μm、垂直方向の幅:15μm)を形成する。この溝を劈開補助線として、基板のn電極
の形成面側から劈開し、劈開面(1−100面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M
面)を共振面とするバーを得る。
共振器面に誘電体多層膜を形成する。
最後に、p電極230に平行な方向に、バーを分割し、チップ化して半導体レーザ素子
を得る。
Next, a concave groove (depth: 10 μm, width in parallel with the resonance surface: 50 is formed on the first main surface side of the substrate.
μm, vertical width: 15 μm). This groove is used as a cleavage assist line, and the substrate is cleaved from the n-electrode formation surface side, and the cleavage surface (1-100 surface, surface corresponding to the side surface of the hexagonal columnar crystal = M
A bar having a plane) as a resonance plane is obtained.
A dielectric multilayer film is formed on the resonator surface.
Finally, the bar is divided in the direction parallel to the p-
得られたレーザ素子を、複数個それぞれヒートシンクに設置し、p電極をワイヤーボン
ディングして、室温でレーザ発振を試みた。その結果、いずれのレーザ素子も、発振波長
400〜420nm、閾値電流密度2.9kA/cm2において、室温で良好な連続発振を
示した。また、共振面に劈開傷がなく、図9に示すように、投入電流が140〜170m
A、光出力がCW80mW、動作温度が70℃の状態で、寿命が1万時間と、特に寿命特
性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができた。
A plurality of the obtained laser elements were respectively installed on a heat sink, and p electrodes were wire-bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. As a result, all the laser elements exhibited good continuous oscillation at room temperature at an oscillation wavelength of 400 to 420 nm and a threshold current density of 2.9 kA / cm 2 . In addition, the resonance surface has no cleavage and the applied current is 140 to 170 m as shown in FIG.
A. A laser device having a lifetime of 10,000 hours and particularly good lifetime characteristics with a light output of CW 80 mW and an operating temperature of 70 ° C. could be manufactured with good reproducibility.
さらに、このレーザ素子の活性領域のIn組成の揺らぎを、リッジ部の下、かつ活性層
表面から100μm〜400μmの深さ方向の断面について、マイクロ・フォトルミネッ
センス(μ−PL)により測定した。
その結果、図6に示すように、活性層のIn組成のゆらぎは抑制されていた。
Furthermore, the fluctuation of the In composition in the active region of the laser element was measured by microphotoluminescence (μ-PL) for a cross section in the depth direction of 100 μm to 400 μm from the active layer surface under the ridge portion.
As a result, as shown in FIG. 6, fluctuations in the In composition of the active layer were suppressed.
なお、比較のために、基板がオフ角を有さない以外は実施例1と同様に作製した素子に
ついて、同様の測定をした。その結果、図5に示すように、活性層のInの組成ゆらぎは
大きかった。
For comparison, the same measurement was performed on an element manufactured in the same manner as in Example 1 except that the substrate had no off-angle. As a result, as shown in FIG. 5, the In composition fluctuation of the active layer was large.
実施例2
以下の表に示す構成を変更する以外は、実質的に実施例1と同様のレーザ素子を作製し
た。
Example 2
A laser element substantially the same as that of Example 1 was fabricated except that the configuration shown in the following table was changed.
得られた素子を実施例1と同様にレーザ発振させた。
発振波長460〜480nm、閾値電流密度2.0kA/cm2において、室温で良好な
連続発振を示す。
さらに、共振面に劈開傷がなく、光出力がCW80mW、動作温度が60℃の状態で寿
命が3000時間と、特に寿命特性の良い長波長レーザ素子を再現性良く製造することが
できる。
The obtained element was oscillated in the same manner as in Example 1.
Good continuous oscillation is exhibited at room temperature at an oscillation wavelength of 460 to 480 nm and a threshold current density of 2.0 kA / cm 2 .
In addition, a long wavelength laser element having particularly good life characteristics can be manufactured with good reproducibility, with no cracks on the resonance surface, a light output of CW 80 mW, an operating temperature of 60 ° C., and a life of 3000 hours.
実施例3
この実施例で用いたGaN基板は、主面をC面(0001)とし、M面(1−100)
に対して垂直方向にオフ角aが0.23°、平行方向にオフ角bが0.06°傾斜してい
る。
また、このGaN基板の第1及び第2の主面には、C面(0001)からなる第1の領
域(1st)と、(000−1)面からなる第2の領域(2nd)が、それぞれ400μ
mと、20μmの間隔で形成されていた。さらに、この実施例のレーザ素子は、以下の表
に示す構成を有している。その他は、実質的に実施例1と同様のレーザ素子である。
Example 3
The GaN substrate used in this example has a C-plane (0001) as the main surface and an M-plane (1-100).
The off angle a is inclined 0.23 ° in the vertical direction and the off angle b is inclined 0.06 ° in the parallel direction.
Further, on the first and second main surfaces of the GaN substrate, there are a first region (1st) composed of a C plane (0001) and a second region (2nd) composed of a (000-1) surface. 400μ each
m and an interval of 20 μm. Further, the laser element of this example has a configuration shown in the following table. The other laser elements are substantially the same as those of the first embodiment.
得られた素子について、実施例1と同様にレーザ発振させた。
発振波長400〜420nm、閾値電流密度2.9kA/cm2において、室温で良好な
連続発振を示す。また、共振面には劈開傷がなく、光出力がCW80mW、動作温度が7
0℃の状態で寿命が1万時間と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造するこ
とができる。
The obtained device was subjected to laser oscillation in the same manner as in Example 1.
Good continuous oscillation is exhibited at room temperature at an oscillation wavelength of 400 to 420 nm and a threshold current density of 2.9 kA / cm 2 . In addition, the resonance surface is free of cleavage, optical output is CW80mW, operating temperature is 7
A laser element having a lifetime of 10,000 hours in a state of 0 ° C. and particularly excellent lifetime characteristics can be manufactured with good reproducibility.
さらに、このレーザ素子の活性領域の混晶揺らぎをマイクロ・フォトルミネッセンス(
μ−PL)により測定した。
その結果、図10(a)に示すように、第1の領域内において波長が均一となっている
。
また、窒化物半導体層の表面状態を観察した。
その結果、図10(b)に示すように、第1の領域内において半導体層の表面段差は0
.1μm以下に平坦化されている。
Furthermore, the mixed crystal fluctuations in the active region of this laser element are microphotoluminescence (
(μ-PL).
As a result, as shown in FIG. 10A, the wavelength is uniform in the first region.
In addition, the surface state of the nitride semiconductor layer was observed.
As a result, as shown in FIG. 10B, the surface step of the semiconductor layer is 0 in the first region.
. It is flattened to 1 μm or less.
実施例4〜8
オフ角a(θa)及びオフ角b(θb)を以下の表に示された値にする以外、実施例3と
実質的に同様の素子を作製する。
Examples 4-8
A device substantially similar to that of Example 3 is manufactured except that the off angle a (θ a ) and the off angle b (θ b ) are set to values shown in the following table.
同様に、長寿命で、優れた表面平坦性が得られる。
実施例9
GaN基板は、オフ角aが0.3°、オフ角bが0.05°であり、その上に、以下の
表に示す構成を有している以外、実質的に実施例1と同様のレーザ素子である。
Example 9
The GaN substrate has an off angle a of 0.3 ° and an off angle b of 0.05 °, and is substantially the same as that of Example 1 except for having the configuration shown in the following table. It is a laser element.
得られた素子について、実施例1と同様にレーザ発振させた。
発振波長403〜407nm、閾値電流密度1.8〜2.0kA/cm2において、室温
で良好な連続発振を示す。また、光出力がCW200mW、動作温度が25℃の状態で寿
命が10000時間以上と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することが
できる。
The obtained device was subjected to laser oscillation in the same manner as in Example 1.
Good continuous oscillation is exhibited at room temperature at an oscillation wavelength of 403 to 407 nm and a threshold current density of 1.8 to 2.0 kA / cm 2 . Further, it is possible to manufacture a laser element with particularly good life characteristics with a reproducibility of 10000 hours or more in a state where the optical output is
実施例10
GaN基板は、オフ角aが0.3°、オフ角bが0.05°であり、その上に、以下の
表に示す構成を有している以外、実質的に実施例1と同様のレーザ素子である。
Example 10
The GaN substrate has an off angle a of 0.3 ° and an off angle b of 0.05 °, and is substantially the same as that of Example 1 except for having the configuration shown in the following table. It is a laser element.
得られた素子について、実施例1と同様にレーザ発振させた。
発振波長373〜376nm、閾値電流密度3.4〜3.5kA/cm2において、室温
で良好な連続発振を示す。また、光出力がCW30mW、動作温度が25℃の状態で寿命
が8000時間と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができる。
The obtained device was subjected to laser oscillation in the same manner as in Example 1.
Good continuous oscillation is exhibited at room temperature at an oscillation wavelength of 373 to 376 nm and a threshold current density of 3.4 to 3.5 kA / cm 2 . Further, it is possible to manufacture a laser element with particularly good life characteristics with a reproducibility of 8000 hours with a light output of CW 30 mW and an operating temperature of 25 ° C.
実施例11
GaN基板は、オフ角aが0.3°、オフ角bが0.05°であり、その上に、以下の
表に示す構成を有している以外、実質的に実施例1と同様のレーザ素子である。
Example 11
The GaN substrate has an off angle a of 0.3 ° and an off angle b of 0.05 °, and is substantially the same as that of Example 1 except for having the configuration shown in the following table. It is a laser element.
得られた素子について、実施例1と同様にレーザ発振させた。
発振波長373〜376nm、閾値電流密度2.2〜2.3kA/cm2において、室温
で良好な連続発振を示す。また、光出力がCW100mW、動作温度が25℃の状態で寿
命が1000時間以上と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することがで
きる。
The obtained device was subjected to laser oscillation in the same manner as in Example 1.
Good continuous oscillation is exhibited at room temperature at an oscillation wavelength of 373 to 376 nm and a threshold current density of 2.2 to 2.3 kA / cm 2 . Further, it is possible to manufacture a laser element having particularly good life characteristics with a good reproducibility, in which the light output is
実施例12
GaN基板は、オフ角aが0.3°、オフ角bが0.05°であり、その上に、以下の
表に示す構成を有している以外、実質的に実施例1と同様のレーザ素子である。
Example 12
The GaN substrate has an off angle a of 0.3 ° and an off angle b of 0.05 °, and is substantially the same as that of Example 1 except for having the configuration shown in the following table. It is a laser element.
得られた素子について、実施例1と同様にレーザ発振させた。
発振波長442〜449nm、閾値電流密度2.5kA/cm2において、室温で良好な
連続発振を示す。また、光出力がCW30mW、動作温度が50℃の状態で寿命が100
00時間と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができる。
The obtained device was subjected to laser oscillation in the same manner as in Example 1.
Good continuous oscillation is exhibited at room temperature at an oscillation wavelength of 442 to 449 nm and a threshold current density of 2.5 kA / cm 2 . In addition, the lifetime is 100 when the optical output is CW 30 mW and the operating temperature is 50 ° C.
It is possible to manufacture a laser element having particularly good life characteristics with 00 hours with good reproducibility.
実施例13
GaN基板は、オフ角aが0.3°、オフ角bが0.05°であり、その上に、以下の
表に示す構成を有している以外、実質的に実施例1と同様のレーザ素子である。
Example 13
The GaN substrate has an off angle a of 0.3 ° and an off angle b of 0.05 °, and is substantially the same as that of Example 1 except for having the configuration shown in the following table. It is a laser element.
得られた素子について、実施例1と同様にレーザ発振させた。
発振波長442〜449nm、閾値電流密度1.7〜1.8kA/cm2において、室温
で良好な連続発振を示す。また、光出力がCW150mW、動作温度が25℃の状態で寿
命が10000時間と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができ
る。
The obtained device was subjected to laser oscillation in the same manner as in Example 1.
Good continuous oscillation is exhibited at room temperature at an oscillation wavelength of 442 to 449 nm and a threshold current density of 1.7 to 1.8 kA / cm 2 . In addition, a laser element having particularly good life characteristics with a light output of
実施例14
GaN基板は、オフ角aが0.3°、オフ角bが0.05°であり、その上に、以下の
表に示す構成を有している以外、実質的に実施例1と同様のレーザ素子である。
Example 14
The GaN substrate has an off angle a of 0.3 ° and an off angle b of 0.05 °, and is substantially the same as that of Example 1 except for having the configuration shown in the following table. It is a laser element.
得られた素子について、実施例1と同様にレーザ発振させた。
発振波長467〜475nm、閾値電流密度2.9kA/cm2において、室温で良好な
連続発振を示す。また、光出力がCW20mW、動作温度が50℃の状態で寿命が500
0時間と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができる。
The obtained device was subjected to laser oscillation in the same manner as in Example 1.
Good continuous oscillation is exhibited at room temperature at an oscillation wavelength of 467 to 475 nm and a threshold current density of 2.9 kA / cm 2 . In addition, the lifetime is 500 when the optical output is CW20mW and the operating temperature is 50 ℃.
It is possible to manufacture a laser element with good reproducibility, particularly with 0 hours.
比較例1〜3
以下の表に示すオフ角とする以外、実施例3と実質的に同様の素子を作製する。
Comparative Examples 1-3
A device substantially similar to that of Example 3 is fabricated except that the off angles shown in the following table are used.
様に測定した。その結果、いずれの比較例においても、第1の領域内において波長が不均
一となった。また、第1の領域内において半導体層に段差があり、平坦化されていない。
実施例15
この実施例の素子は、半導体層の構成を以下に示すように変更する以外、実質的に実施
例1と同様の素子を作製する。
−n側層における第2層として、Al0.08Ga0.92N(25Å)/GaN(25Å)を
220回繰り返した総膜厚1.1μmの超格子構造(平均Al混晶は4%)、
−第1層として、Al0.05Ga0.95N(25Å)/GaN(25Å)を60回繰り返し
た総膜厚3000Åの超格子構造(平均Al混晶は2.5%)、
−コア領域におけるn型光ガイド層として、GaN層(1700Å)、
−活性層として、In0.05Ga0.95Nからなる障壁層(140Å)/In0.1Ga0.9N
からなる井戸層(70Å)を2回繰り返し、その上にIn0.05Ga0.95Nからなる障壁層
(300Å)を形成した総膜厚約720Åの多重量子井戸構造(MQW)、
−p型ガイド層として、GaN(1500Å)、
−p側層における第1層として、Al0.1Ga0.9N(20Å)/GaN(20Å)を3
00回繰り返した総膜厚4500Åの超格子構造(平均Al混晶は4.9%)を有する。
Example 15
The element of this example is substantially the same as that of Example 1 except that the configuration of the semiconductor layer is changed as described below.
As the second layer in the n-side layer, a superlattice structure with a total film thickness of 1.1 μm (average Al mixed crystal is 4%) in which Al 0.08 Ga 0.92 N (25 Å) / GaN (25 Å) is repeated 220 times,
-As a first layer, a superlattice structure having a total film thickness of 3000 mm obtained by repeating Al 0.05 Ga 0.95 N (25 Å) / GaN (25 60) 60 times (average Al mixed crystal is 2.5%),
A GaN layer (1700 mm) as an n-type light guide layer in the core region,
-As an active layer, a barrier layer composed of In 0.05 Ga 0.95 N (1405) / In 0.1 Ga 0.9 N
A multiple quantum well structure (MQW) having a total film thickness of about 720 mm, in which a well layer (70 mm) made of is repeated twice and a barrier layer (300 mm) made of In 0.05 Ga 0.95 N is formed thereon,
-As a p-type guide layer, GaN (1500 mm),
As the first layer in the −p side layer, 3 Al 0.1 Ga 0.9 N (20Å) / GaN (20Å)
It has a superlattice structure (average Al mixed crystal is 4.9%) having a total thickness of 4500 mm repeated 00 times.
また、p電極は、Ni/Au、n電極はTi/Alとし、パッド電極としてNi−Ti
−Au(1000Å−1000Å−8000Å)が形成されている。共振器長は、650
μmである。
The p electrode is Ni / Au, the n electrode is Ti / Al, and the pad electrode is Ni-Ti.
-Au (1000? -1000? -8000?) Is formed. The resonator length is 650
μm.
この素子について、いずれのレーザ素子も、発振波長405nm、閾値電流密度2.8
kA/cm2において、室温で良好な連続発振を示した。
また、共振面に劈開傷がなく、光出力がCW5mW、動作温度が60℃の状態で、寿命
が2000時間以上と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができ
た。
さらに、この素子の広がり角及びアスペクト比を、それぞれ測定し、以下に示す比較例
の素子と比較した。その結果、広がり角では約8%、アスペクト比では約6%低減させる
ことができた。
As for this element, any laser element has an oscillation wavelength of 405 nm and a threshold current density of 2.8.
Good continuous oscillation was exhibited at room temperature at kA / cm 2 .
In addition, it was possible to manufacture a laser device with particularly good life characteristics with good reproducibility, with no resonance on the resonance surface, a light output of CW 5 mW, an operating temperature of 60 ° C., and a life of 2000 hours or more.
Furthermore, the divergence angle and aspect ratio of this device were measured and compared with the devices of the comparative examples shown below. As a result, it was possible to reduce the divergence angle by about 8% and the aspect ratio by about 6%.
比較例は、上述した素子において、第2のn型窒化物半導体層及び第1のn型窒化物半
導体層を設ける代わりに、n型クラッド層として、Al0.08Ga0.92N(25Å)/Ga
N(25Å)を繰り返し、総膜厚1.4μmの超格子構造(平均Al混晶は4%)を1層
のみ形成した。
In the comparative example, in the element described above, instead of providing the second n-type nitride semiconductor layer and the first n-type nitride semiconductor layer, Al 0.08 Ga 0.92 N (25Å) / Ga is used as the n-type cladding layer.
N (25 () was repeated to form only one layer of a superlattice structure (average Al mixed crystal of 4%) having a total film thickness of 1.4 μm.
実施例16
この実施例は、n側層の第2層を、超格子構造の2層構造とする以外、実施例15の素
子と同様である。つまり、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Al0.12Ga0.88N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/cm
3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160回繰り返してA層とB層の積層し、総膜厚8000Åの多層膜(超格子構造)
よりなる第2のn型窒化物半導体層の下層を形成する。この第2層の下層の平均Al混晶
は6%である。
Example 16
This example is the same as the element of Example 15 except that the n-side second layer has a superlattice two-layer structure. That is, the temperature is set to 1050 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, and an A layer made of undoped Al 0.12 Ga 0.88 N is grown to a thickness of 25 mm, and then TMA is stopped as an impurity gas. Si is 5 × 10 18 / cm using silane gas.
A B layer made of 3 doped GaN is grown to a thickness of 25 mm. Then, this operation is repeated 160 times to laminate the A layer and the B layer, and a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 8000 mm.
A lower layer of the second n-type nitride semiconductor layer is formed. The average Al mixed crystal in the lower layer of the second layer is 6%.
続いて、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Al0.08Ga0.92NよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、続いて、TM
A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G
aN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60回繰り
返してA層とB層の積層し、総膜厚3000Åの多層膜(超格子構造)よりなる第2層の
上層を成長させる。この第2層の上層の平均Al混晶は4%である。
その後、実施例15と同様に、第1のn型窒化物半導体層以降を形成し、窒化物半導体
素子を得る。
Subsequently, the temperature was set to 1050 ° C., and TMA, TMG, and ammonia were used as source gases.
An A layer made of undoped Al 0.08 Ga 0.92 N is grown to a thickness of 25 mm, followed by TM
A was stopped, G was doped with Si at 5 × 10 18 / cm 3 using silane gas as impurity gas.
A B layer made of aN is grown to a thickness of 25 mm. Then, this operation is repeated 60 times so that the A layer and the B layer are stacked, and the upper layer of the second layer made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 3000 mm is grown. The average Al mixed crystal in the upper layer of the second layer is 4%.
Thereafter, in the same manner as in Example 15, the first n-type nitride semiconductor layer and the subsequent layers are formed to obtain a nitride semiconductor element.
得られた素子について、実施例1と同様の評価を行うとともに、広がり角及びアスペク
ト比を測定した。
その結果、実施例1と同様の効果が得られた。
また、上記の比較例に対して、広がり角では約20%、アスペクト比では約13%低減
させることができた。つまり、光の閉じ込め効果が緩和されていることに起因して、F.
F.P.における光の広がり角度を抑えることができ、これによって、アスペクト比を低
減させることができることが確認された。
The obtained device was evaluated in the same manner as in Example 1, and the divergence angle and aspect ratio were measured.
As a result, the same effect as in Example 1 was obtained.
Further, compared with the above comparative example, the divergence angle was reduced by about 20% and the aspect ratio was reduced by about 13%. In other words, the F.E.
F. P. It was confirmed that the light spreading angle in the light source can be suppressed, and that the aspect ratio can be reduced.
本発明の素子は、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、光通信システム、露光用
途、測定等の種々のデバイスに利用することができる。また、特定波長(470〜490
nm付近)に感度を有する物質に、本発明の素子から得た光を照射することで、その物質
の有無又は位置を検出することができるバイオ関連の励起光原等にも有用である。
The element of the present invention can be used in various devices such as optical disk applications, optical communication systems, printing presses, optical communication systems, exposure applications, and measurement. In addition, specific wavelength (470-490
It is also useful for bio-related excitation photons and the like that can detect the presence or position of the substance by irradiating the substance having sensitivity in the vicinity of nm) with light obtained from the element of the present invention.
101…窒化物半導体基板、200…窒化物半導体層、203…n側クラッド層、20
4…n側光ガイド層、205…活性層、206…p側キャップ層、207…p側光ガイド
層、208…p側クラッド層、209…p側コンタクト層、220…埋込膜、230…p
電極、240…保護膜、250…パッド電極
DESCRIPTION OF
4 ... n-side light guide layer, 205 ... active layer, 206 ... p-side cap layer, 207 ... p-side light guide layer, 208 ... p-side cladding layer, 209 ... p-side contact layer, 220 ... buried film, 230 ... p
Electrode, 240 ... protective film, 250 ... pad electrode
Claims (15)
造をしており、少なくとも井戸層にInを含む活性層と、第1導電型とは異なる導電型を
した第2導電型の窒化物半導体層と、前記第2導電型の窒化物半導体層にストライプ状の
リッジ部とを備えてなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板の主面には、C面(0001)から、前記ストライプ状のリッジ
部に対して略平行方向かつM面(1−100)に対して略垂直方向にオフ角a(θa)と
、リッジ部に対して略垂直方向かつM面(1−100)に対して略平行方向にオフ角b(
θb)を有しており、
|θa|>|θb|>0及び0.2°≦|θa|≦0.3°を満たすことを特徴とする窒化
物半導体レーザ素子。 A nitride semiconductor layer of the first conductivity type on the main surface of the nitride semiconductor substrate and a multiple or single quantum well structure, at least an active layer containing In in the well layer, is different from the first conductivity type. A nitride semiconductor laser device comprising: a second conductivity type nitride semiconductor layer having a conductivity type; and a stripe-shaped ridge portion on the second conductivity type nitride semiconductor layer,
The main surface of the nitride semiconductor substrate has an off angle a (θa) from the C plane (0001) in a direction substantially parallel to the stripe-shaped ridge portion and in a direction substantially perpendicular to the M plane (1-100). ) And an off-angle b (in a direction substantially perpendicular to the ridge and in a direction substantially parallel to the M plane (1-100).
θb)
A nitride semiconductor laser device satisfying | θa |> | θb |> 0 and 0.2 ° ≦ | θa | ≦ 0.3 °.
領域よりも転位密度が高い高転位密度領域とを備えている請求項1に記載の素子。 2. The device according to claim 1, wherein the main surface of the nitride semiconductor substrate includes a low dislocation density region composed of a C plane (0001) and a high dislocation density region having a dislocation density higher than that of the low dislocation density region.
に有する請求項2に記載の素子。 The element according to claim 2, wherein a main surface of the nitride semiconductor substrate has the low dislocation density region and the high dislocation density region substantially in parallel.
を有する請求項1〜4のいずれか1つに記載の素子。 The element according to claim 1, wherein the nitride semiconductor layer of the first conductivity type has a nitride semiconductor layer containing Al grown laterally.
〜5のいずれか1つに記載の素子。 The low dislocation density region has a number of dislocations per unit area of 1 × 10 7 / cm 2 or less.
The element according to any one of?
)で表される半導体層により形成されてなる請求項1〜6のいずれか1つに記載の素子。 Active layer, the general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1,0 ≦ y <1,0 <x + y ≦ 1
The element according to claim 1, wherein the element is formed of a semiconductor layer represented by:
コア領域が形成され、
前記第1導電型及び第2導電型窒化物半導体層の少なくとも一方に、前記コア領域の最
外層から順に第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層とを有しており、
前記コア領域の最外層と前記第1の窒化物半導体層との間及び前記第1の窒化物半導体
層と前記第2の窒化物半導体層との間に屈折率差を有し、
第1の窒化物半導体層は前記コア領域の最外層よりも屈折率が低く、かつ
第2の窒化物半導体層は第1の窒化物半導体層よりも屈折率が低い請求項1〜8に記載
の素子。 A core region including an active layer is formed between the first conductivity type nitride semiconductor layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer,
At least one of the first conductivity type and the second conductivity type nitride semiconductor layer has a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer in order from the outermost layer of the core region,
A refractive index difference between the outermost layer of the core region and the first nitride semiconductor layer and between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer;
The refractive index of the first nitride semiconductor layer is lower than that of the outermost layer of the core region, and the refractive index of the second nitride semiconductor layer is lower than that of the first nitride semiconductor layer. Elements.
化物半導体層と第2の窒化物半導体層との屈折率差(Δn2)は、0.004〜0.03
である請求項9に記載の素子。 The refractive index difference (Δn 1 ) between the outermost layer of the core region and the first nitride semiconductor layer and / or the refractive index difference (Δn 2 ) between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is 0.004 to 0.03
The device according to claim 9.
第1のn型窒化物半導体層から順に第m(m≧2)のn型窒化物半導体層を有しており、
第2導電型窒化物半導体層であるp型窒化物半導体層は、前記コア領域の最外層に接し
た第1のp型窒化物半導体層を有しており、
第m番目(m≧2)のn型窒化物半導体層の屈折率は、第1のp型窒化物半導体層の屈
折率より高い請求項1〜10のいずれか1つに記載の素子。 The n-type nitride semiconductor layer that is the first conductivity type nitride semiconductor layer is an m-th (m ≧ 2) n-type nitride in order from the first n-type nitride semiconductor layer in contact with the outermost layer of the core region. Having a semiconductor layer,
The p-type nitride semiconductor layer, which is the second conductivity type nitride semiconductor layer, has a first p-type nitride semiconductor layer in contact with the outermost layer of the core region,
The element according to claim 1, wherein a refractive index of the m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer is higher than a refractive index of the first p-type nitride semiconductor layer.
Δn)は、0.004〜0.03である請求項11に記載の素子。 Refractive index difference between the m-th (m ≧ 2) -th n-type nitride semiconductor layer and the first p-type nitride semiconductor layer (
The device according to claim 11, wherein Δn) is 0.004 to 0.03.
m)は、0.007〜0.05である請求項11又は12に記載の素子。 Refractive index difference (Δn) between the m-th (m ≧ 2) -th n-type nitride semiconductor layer and the outermost layer of the core region
The element according to claim 11 or 12, wherein m ) is 0.007 to 0.05.
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