JP2009027018A - 窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】共振器の出射側の端面にAlGaON膜が設けられた窒化物半導体レーザ素子、ならびに、AlGaON膜を設ける前の共振器を25〜350℃で予備加熱する工程と、前記予備加熱後の共振器を50〜600℃にまで加熱した状態で、原子状窒素またはアンモニアガスを含む気体に曝す工程と、前記気体に曝しながら、共振器の光出射側の端面に100〜600℃でAlGaON膜を形成する工程とを含む窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【選択図】図1
Description
(2)前記気体がアンモニアガスを主成分とするものであり、150KPa〜1MPaの雰囲気圧力下で、共振器を前記気体に曝す。
まず予備加熱工程では、AlGaON膜を設ける前の共振器を25〜350℃で予備加熱する。この予備加熱工程を行わずに、後述する曝露工程および成膜工程を経て共振器の光出射側の端面にAlGaON膜を設けたとしても、所望のCODレベルを達成することができない。予備加熱の温度が350℃を超えると、初期CODレベルが低下してしまう。予備加熱工程の際の雰囲気圧力および予備加熱工程を行う時間については、特に制限されるものではない。
次に、曝露工程では、前記予備加熱後の共振器を50〜600℃にまで加熱した状態で、原子状窒素またはアンモニアガスを含む気体に曝す。この曝露工程は、共振器の光出射側の端面における不純物(酸素など)を除去する(クリーニング)工程である。この曝露工程を経ることなく、上述した予備加熱工程の後に後述する成膜工程によって、共振器の光出射側の端面にAlGaON膜を設けたとしても、得られた窒化物半導体レーザ素子はレーザ発振できない。曝露工程では、共振器を50〜600℃(好ましくは300〜600℃)の範囲で、上述した予備加熱工程の際の温度よりも高い温度で加熱する。
続く成膜工程では、上述した原子状窒素またはアンモニアガスを含む気体に曝しながら、共振器の光出射側の端面に100〜600℃(好ましくは400〜600℃)でAlGaON膜を形成する。上述した曝露工程で用いた気体に共振器を曝露することなく成膜工程を行った場合には、得られた窒化物半導体レーザ素子はレーザ発振できない。
以下のような手順に従って、図1および図2に示した窒化物半導体レーザ素子1を製造した。窒化物半導体ウエハ17としては、1E18atoms/ccの濃度の酸素がドーピングされたn型GaN系のウエハを用いた。窒化物半導体ウエハ17をMOCVD装置の成長炉内の所定のサセプタ上に設置し、キャリアガスとしてH2を5L/min流しながら、サセプタ温度を1050℃まで昇温した。昇温後、原料としてアンモニア(NH3)3L/min、トリメチルガリウム((CH3)3Ga:TMG)を100μmol/min、SiH4を10nmol/minとして成長炉内に供給し、n型GaN層11を1μm成長させた。その後、TMGを50μmol/minに減少し、Alの原料としてトリメチルアルミニウム((CH3)3Al:TMA)を40μmol/minとして成長炉内に供給して、n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層12を0.7μm成長させた。n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層12の成長が終了すると、TMAの供給を停止し、TMGを100μmol/minに増加し、n型GaNガイド層13を0.05μm成長させた。
実施例1と同様にして作製したレーザバーをMBE装置に導入後、雰囲気圧力を低下せずに予備加熱を行ったこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかった。
Al0.2Ga0.8ONという組成にてAlGaON膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にしてして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかった。
ヘリウムを主成分ガスとするヘリウム−酸素混合ガスを原料ガスとして用いてAlGaON膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にしてして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかった。
窒素ガスを主成分とする窒素−酸素混合ガスを原料ガスとして用いてAlGaON膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にしてして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかった。
純度が99.9%である酸素ガスを原料ガスとして用いてAlGaON膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にしてして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかった。
AlGaON膜上に酸化アルミニウム膜を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、酸化シリコン膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、酸化チタン膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、酸化ハフニウム膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、酸化ジルコニウム膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、酸化ニオブ膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、酸化タンタル膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、酸化イットリウム膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、フッ化マグネシウム膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られず、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子と同等の特性が得られた。
AlGaON膜上に、フッ化カルシウム膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、フッ化ランタン膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、フッ化リチウム膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
AlGaON膜上に、窒化アルミニウム膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られず、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子と同等の特性が得られた。
AlGaON膜上に、窒化アルミニウムガリウム膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られず、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子と同等の特性が得られた。
AlGaON膜上に、窒化シリコン膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、酸化アルミニウム膜を形成した実施例1の窒化物半導体レーザ素子の方が特性は優れていた。
窒化物半導体ウエハとして、SiがドーピングされたGaN系のウエハを用いたこと以外は、実施例1と同様にしてして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかったが、AlGaON膜が剥れた素子が存在し、歩留りが若干悪かった。
図4に示した成膜シーケンスに従って曝露工程および成膜工程を行い、膜中の酸素濃度が、共振器に隣接する側から離反するにつれて多くなるように変化するAlGaON膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。
曝露工程および成膜工程において、原子状窒素の代わりにアンモニアガスを含む気体を用いたこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかった。
成膜工程において、レーザアブレーション法に代えて電子ビーム法を用いてAlGaON膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルの劣化は見られなかった。
実施例1と同様にして作製したレーザバーをMBE装置に導入後、昇温せずに、純度が99.99%の原子状窒素を構成成分とする気体を導入し、AlGaON膜の形成開始後に温度を580℃にまで昇温したこと以外は実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルは低下していた。
実施例1と同様にして作製したレーザバーをMBE装置に導入後、成膜室内の雰囲気圧力(真空度)を10-6Paとし、予備加熱を行うことなく600℃にまで昇温した後、純度が99.99%の原子状窒素を構成成分とする気体を導入し、580℃に温度を保持してAlGaON膜の形成を行ったこと以外は実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、エージング処理前のCODレベル(初期CODレベル)が低下していた。また、エージング処理後のCODレベルも低下していた。
実施例1と同様にして作製したレーザバーをMBE装置に導入後、予備加熱を行うことなく、純度が99.99%の原子状窒素を構成成分とする気体を導入しながら温度を650℃にまで上昇し、580℃に温度を保持してAlGaON膜の形成を行ったこと以外は実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子は、電極が劣化し、素子抵抗が上昇していた。
50℃で成膜工程を行ったこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルは低下していた。なお、形成されたAlGaON膜の結晶状態をX線回折法により確認したところ、アモルファスであった。
曝露工程において原子状窒素を導入しなかったこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子は、レーザ発振しなかった。
原子状窒素に曝し続けることなく成膜工程を行ったこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子は、レーザ発振しなかった。
成膜工程において酸素を導入せず、AlGaON膜を形成する代わりにAlGaN膜を共振器の光出射側の端面に形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルは低下していた。なお、本比較例で形成したAlGaN膜について、膜の深さ方向に関するSIMS分析を行ったところ、AlGaN膜中からは酸素は検出されなかったが、AlGaN膜と共振器の光出射側の端面との間の界面には1E18atoms/ccの酸素が残留していた(図9を参照)。また、断面TEM観察を行ったところ、端面付近で転位線が集中して観察された。
成膜工程においてAlGaON膜を形成する代わりにAlN膜を形成し、その上にAlGaON膜(Al0.05Ga0.95ON)を形成したこと以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られた窒化物半導体レーザ素子について、実施例1と同様にエージング試験を行ったところ、CODレベルは低下していた。
Claims (20)
- 共振器の出射側の端面にAlGaON膜が設けられた、窒化物半導体レーザ素子。
- AlGaON膜が窒化物で形成された積層構造に隣接して設けられてなる、請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- AlGaON膜中における酸素原子濃度が15%未満である、請求項1または2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- AlGaON膜は、膜中の酸素濃度が共振器に隣接する側から離反するにつれて多くなるように変化している、請求項2または3に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- AlGaON膜の厚みが10nm〜1μmである、請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- AlGaON膜が、単結晶のAlGaONで形成されている、請求項1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- AlGaON膜上に、酸化物で形成された被覆膜が設けられてなる、請求項1〜6のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 酸化物が酸化アルミニウムである、請求項7に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- AlGaON膜上に、フッ化物で形成された被覆膜が設けられてなる、請求項1〜6のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- フッ化物がフッ化マグネシウムである、請求項9に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- AlGaON膜上に、窒化物で形成された被覆膜が設けられてなる、請求項1〜6のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物が窒化アルミニウムまたは窒化アルミニウムガリウムである、請求項11に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 5E17atoms/cc以上の酸素がドーピングされたGaN基板を備える、請求項1〜12のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 共振器の光出射側の端面にAlGaON膜を設けた窒化物半導体レーザ素子を製造する方法であって、
AlGaON膜を設ける前の共振器を25〜350℃で予備加熱する工程と、
前記予備加熱後の共振器を50〜600℃にまで加熱した状態で、原子状窒素またはアンモニアガスを含む気体に曝す工程と、
前記気体に曝しながら、共振器の光出射側の端面に100〜600℃でAlGaON膜を形成する工程とを含む、窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記気体が純度99.0%以上の原子状窒素からなるものであり、150KPa〜0.1MPaの雰囲気圧力下で、共振器を前記気体に曝すことを特徴とする請求項14に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記気体がアンモニアガスを主成分とするものであり、150KPa〜1MPaの雰囲気圧力下で、共振器を前記気体に曝すことを特徴とする請求項14に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記AlGaON膜を形成する工程において、原料ガスとして酸素を含むガスを用いることを特徴とする請求項14〜16のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記酸素を含むガスが、アルゴン、ヘリウムまたは窒素を主成分とするガスであることを特徴とする請求項17に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記AlGaON膜を形成する材料としてAlxOy(0<x<1、0<y<0.6)を用いることを特徴とする請求項14〜18のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- AlGaON膜を形成する工程において、AlxOy(0<x<1、0<y<0.6)を電子ビームまたはレーザを用いて気化させることを特徴とする請求項19に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
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