JP2009105184A - 窒化物系半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高パワーの光を出力できかつ長寿命の窒化物系半導体レーザ素子を比較的簡便かつ確実に提供する。
【解決手段】窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において順に積層された第１導電型の下部クラッド層、活性層、および第２導電型の上部クラッド層を少なくとも含む半導体積層構造を有し、活性層の下層にはストライプ状トレンチが形成されており、半導体積層構造はストライプ状トレンチに沿って配置されたストライプ状光共振器を含み、ストライプ状トレンチの中央主要領域に比べて両端領域は幅が狭められており、活性層はＩｎを含む窒化物系半導体で形成されていることを特徴としている。
【選択図】図３

Description

本発明は高出力の半導体レーザ素子に関し、特に光共振器の両端ミラー部において光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage）を生じ難い高出力窒化物系半導体レーザとその製造方法に関する。
高出力で動作する半導体レーザ素子は、機能不全になるまでの限定された寿命を有している。そして、高出力半導体レーザ素子における最も一般的な機能不全は、その光共振器の両端ミラー部における光学損傷（ＣＯＤ）である。
半導体レーザ素子の光共振器のミラー部は、キャリアのシンク（消滅箇所）として働く非発光の再結合中心を高密度で含んでいる。そして、非発光の再結合電流は熱を生じる。また、ミラー部における相対的に低い密度のキャリアはレーザ光の吸収を生じる。これらの再結合電流と光吸収とのいずれによっても生じる熱は、ミラー部の温度を上昇させる。半導体の温度の上昇は、そのエネルギバンドギャップを減少させる。そして、このバンドギャップの減少が、更なる光吸収を生じさせる。このような光吸収は、高出力動作においてミラー部を損傷させてレーザ素子の機能不全を生じさせる暴走プロセスの原因となる。
このような出力制限を改善するために、種々のレーザ構造が提案されてきている。その一例として、ＮＡＭ（non-absorbing mirror：非吸収ミラー）構造がある。この構造を実現させる場合、不純物の拡散、不純物のイオン注入、または結晶成長を利用して、活性層中のエネルギバンドギャップがミラー近傍領域において他の領域に比べて大きくされる。このＮＡＭ構造を有するレーザ素子は、従来のレーザ素子に比べて約一桁大きな出力で動作することが可能である。
しかしながら、文献において述べられているＮＡＭ構造の作製方法は、種々の制限を含んでいる。例えば、米国特許第４，９８３，５４１号明細書と米国特許第５，１１３，４０５号明細書に開示されている方法のいずれもが、２段階のエピタキシャル成長を必要とする不便な方法である。また、米国特許第５，３９５，７９３号明細書は量子井戸層上方の層内に欠陥の分布を生じるように低エネルギイオン注入を用いる方法を開示しているが、そのイオン注入に続く加熱によってそれらの欠陥の一部が下方に拡散されて量子井戸に混合される必要がある。
米国特許第４，９８３，５４１号明細書 米国特許第５，１１３，４０５号明細書 米国特許第５，３９５，７９３号明細書
上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明は、高パワーの光を出力できかつ長寿命の窒化物系半導体レーザ素子を比較的簡便かつ確実に提供することを目的としている。
本発明による窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において順に積層された第１導電型の下部クラッド層、活性層、および第２導電型の上部クラッド層を少なくとも含む半導体積層構造を有し、活性層の下層にはストライプ状トレンチが形成されており、半導体積層構造はストライプ状トレンチに沿って配置されたストライプ状光共振器を含み、ストライプ状トレンチの中央主要領域に比べて両端領域は幅が狭められており、活性層はＩｎを含む窒化物系半導体で形成されていることを特徴としている。
なお、この窒化物系半導体レーザ素子において、活性層中のＩｎの濃度は、ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い両端領域内において減少している。また、活性層中のＩｎのエネルギバンドギャップは、ストライプ状トレンチの中央主要部領域内に比べて幅が狭い両端領域内において増大している。さらに、活性層の厚さは、ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い両端領域内において減少している。
このような窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において交互の広幅領域と狭幅領域とを含むストライプ状トレンチをエッチングによって形成し、基板の上面上において第１導電型下部クラッド層、活性層、および第２導電型上部クラッド層をこの順に堆積し、ストライプ状トレンチの各狭幅領域を横断する劈開を行ない、ストライプ状光共振器ごとのチップ分割を行なうことによって好ましく作製することができる。
その窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において第１導電型下部クラッド層までを堆積し、この下部クラッド層の上面からのエッチングによって交互の広幅領域と狭幅領域とを含むストライプ状トレンチを形成し、その後に活性層および第２導電型上クラッド層をこの順に堆積し、ストライプ状トレンチの各狭幅領域を横断する劈開を行ない、ストライプ状光共振器ごとのチップ分割を行なうことによっても好ましく作製され得る。
本発明によれば、Ｉｎを含む窒化物系半導体活性層の下層において幅が狭められた両端領域を有するトレンチを形成するだけで、高パワーの光を出力できかつ長寿命の半導体レーザ素子を比較的簡便かつ確実に提供することができる。
本発明者らは、トレンチを有する下層上にＩｎを含む窒化物系半導体活性層をＭＯＣＶＤで（有機金属化学気相堆積）によって成長させた場合に、Ｉｎ原子がトレンチ領域の外側へ移動する傾向を有することを実験によって見出した。
図１は、本発明者らが実験に利用した多重量子井戸構造の活性層を含む積層構造を模式的断面図で示している。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に、厚さは恣意的に変更されて示されている。また、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。
図１において、サファイア基板上の厚さ３μｍのＧａＮテンプレート層を含むＧａＮ／サファイア基板上に、厚さ１μｍのｎ型ＧａＮバッファ層が堆積された。なお、図１においては明示されていないが、ＧａＮ／サファイア基板の上面には、幅２０μｍで深さ０．６μｍのトレンチが形成されていた。
ｎ型ＧａＮバッファ層上には、厚さ８ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層と厚さ３ｎｍのＳｉドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層を交互に３周期堆積して、最後に厚さ８ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層を堆積することによって、多重量子井戸構造が形成された。
その多重量子井戸構造上には、厚さ５０ｎｍのＧａＮ層と厚さ２０ｎｍのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層が堆積された。こうして形成された図１の積層構造は、カソードルミネッセンス分光を用いて分析された。
図２は、図１の積層構造からのカソードルミネッセンス放射を示している。図２（Ａ）は、波長３９０ｎｍのルミネッセンス放射を示しており、図２（Ｂ）は、波長４３０ｎｍのルミネッセンス放射を示している。
図２（Ａ）から分かるように、波長３９０ｎｍの光はトレンチ領域から放射されているが、平坦なメサ領域からは放射されていない。他方、図２（Ｂ）から分かるように、波長４３０ｎｍの光は平坦なメサ領域から放射されているが、トレンチ領域からは放射されていない。
図２の結果は、量子井戸層がトレンチ領域内では約３．１８ｅＶの大きなエネルギバンドギャップを有しているが、平坦なメサ領域内では約２．８８ｅＶの小さなエネルギバンドギャップを有していることを意味している。
Ｉｎを含むＧａＮ系半導体層においは、Ｉｎ濃度が減少するにしたがってエネルギバンドギャップが増大することが知られている。すなわち、図２の結果から、量子井戸層中のＩｎ原子は、トレンチ内領域からトレンチ外領域へ移動しようとする傾向があることが分かる。
また、ＧａＮ結晶に比べてＩｎＮ結晶の格子定数が大きいので、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体層においてはＩｎ濃度が減少するにしたがって層厚が減少する。すなわち、量子井戸層中の厚さは、トレンチ外領域に比べてトレンチ内領域において減少する傾向があることが分かる。
本発明者らはまた、相対的に幅の広いトレンチを有するＧａＮ／サファイア基板を用いた他の実験によって、量子井戸層がトレンチのエッジから幅方向に遠い中央領域に比べてエッジ近傍領域において大きなエネルギバンドギャップを有していることを見出した。すなわち、量子井戸層内のエネルギバンドギャップは、幅の狭いトレンチ領域内に比べて幅の広いトレンチ領域内において小さい。
以上のような本発明者らによる実験の結果から、非吸収ミラーを有する窒化物系半導体レーザ素子を作製するために、トレンチの中央主要領域に比べて両端領域において幅を狭めればよいことが分かる。すなわち、トレンチがミラー近傍で狭い幅を有することによって、そのトレンチ両端領域において活性層中のＩｎ濃度が減少してエネルギバンドギャップが増大し、それによってミラー近傍における光吸収が低減され得る。
図３の模式的平面図においては、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法が図解されている。図４は、図３中の線IV−IVに沿った断面図を表している。また、図５は、図３中の線Ｖ−Ｖに沿った断面図を表している。さらに、図６は、図３中の線VI−VIに沿った断面図を表している。ただし、図３においては複数のトレンチが示されているが、図面の簡略化と明瞭化のために、図５と図６においては一つのトレンチのみが示されている。
図３に示されているように、基板１の上面上に複数の平行なトレンチＴがエッチングによって形成される。各トレンチは交互に配置された広幅領域ＴＷと狭幅領域ＴＮを含んでいる。それら複数のトレンチが形成された基板１上には、ｎ型下部クラッド層を含む下部半導体積層構造２、Ｉｎを含む窒化物系半導体活性層３、およびｐ型上部クラッド層を含む上部半導体積層構造４が順次堆積される（図４、図５、および図６参照）。
この場合に、Ｉｎを含む窒化物系半導体活性層３の成長の際に、Ｉｎ原子はトレンチＴの狭幅領域ＴＮから外側へ移動する傾向にある。したがって、窒化物系半導体活性層３中のＩｎ濃度は、他の領域に比べて狭幅領域ＴＮ内において低くなる。その結果、図４および図５に示されているように、狭幅領域ＴＮ内において窒化物系半導体活性層３の厚さが減少するとともにエネルギバンドギャップが増大する。
他方、窒化物系半導体活性層３内に含まれるＩｎ原子は、トレンチＴの広幅領域ＴＷ内のエッジ近傍では外側に移動する傾向にあるが、図３中の破線で示された中央領域ＴＣ内においては外側に移動する傾向が弱い。したがって、窒化物系半導体活性層３中のＩｎ濃度は、広幅領域内のエッジ近傍においては低くなるが、中央領域ＴＣ内においてはほとんど低下しない。その結果、図６に示されているように、広幅領域ＴＷ内のエッジ近傍の限られた領域において窒化物系半導体活性層３の厚さが減少するとともにエネルギバンドギャップが増大するが、中央領域ＴＣ内においては窒化物系半導体活性層３の厚さがほとんど減少しなくてエネルギバンドギャップが増大しない。
図３に示されているような窒化物系半導体レーザ・ウエハにおいて、周知のストライプ状の光共振器が、ストライプ状トレンチＴの実質的に中心線に沿って造り込まれる。さらに、レーザ・ウエハには、周知の正電極と負電極が形成される。
その後、図３の窒化物系半導体レーザ・ウエハは、トレンチＴの狭幅領域ＴＮを横切る線Ｖ−Ｖに沿って複数のレーザ・バーに劈開される。さらに、各レーザ・バーは単一のストライプ状光共振器を含むように複数のチップに分割され、こうして本発明による窒化物系半導体レーザ素子が得られる。
こうして得られた窒化物系半導体レーザ素子においては、ストライプ状光共振器の両端ミラー部は、ストライプ状トレンチＴの狭幅領域ＴＮに整合させられている。その結果、本発明による窒化物系半導体レーザ素子では、ストライプ状光共振器の両端ミラー部近傍において活性層中のＩｎの濃度が小さくなっていてエネルギバンドが大きくなっているので、光共振器の両端ミラー部において光吸収による光学損傷（ＣＯＤ）を生じにくくなっている。
以下においては、本発明による窒化物系半導体レーザ素子の作製方法の一例がより具体的に説明される。
図４から図６に示された基板１としては、少なくともその最上層がＧａＮ単結晶で形成されている基板ウエハを用いることができる。その基板ウエハは、バルクのＧａＮ基板であってもよく、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛、または他の適当な基板上に堆積されたエピタキシャルＧａＮ層（テンプレートＧａＮ層）を含む基板ウエハであってもよい。
そのような基板ウエハの上面には、周知のプロセスを用いて、パターン化されたトレンチが形成される。例えば、まずＣＶＤまたはスパッタリングによって、厚さ１０００ｎｍの酸化ケイ層が基板ウエハの上面に堆積される。そして、フォトレジストを利用したフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングによって、図３に示されているように基板ウエハの上面に複数の平行なストライプ状トレンチＴが形成される。
このストライプ状トレンチＴは、例えば幅１０μｍの狭幅領域ＴＮと幅１００μｍの広幅領域ＴＷとを含んでいる。狭幅領域ＴＮと広幅領域ＴＷの長さは、例えばそれぞれ４０μｍと８００μｍに設定され得る。
パターン化された基板１上には、下部半導体積層構造２に含まれる例えばｎ型ＧａＮ層と厚さ１８００ｎｍのｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層が順次堆積される。この下部半導体積層構造２上には、活性層３に含まれる例えば厚さ１００ｎｍのアンドープＧａＮ層（障壁層）、厚さ２ｎｍのアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層（量子井戸層）、および厚さ１００ｎｍのアンドープＧａＮ層（障壁層）が順次堆積される。そして、活性層３上には、上部半導体積層構造に含まれる例えば厚さ１８００ｎｍのｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層および厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層が順次堆積される。
前述のように、窒化物系半導体レーザ・ウエハにおいて、ストライプ状の光共振器が周知の方法によって造り込まれる。例えば、そのようなストライプ状の光共振器は、周知のリッジストライプ構造や周知の電流狭窄層を形成することによって造り込むことができる。その場合に、ストライプ状の光共振器は、ストライプ状トレンチＴの実質的に中心線に沿って造り込まれる。正極の金属電極は上部半導体積層構造上に形成され、負極の金属電極は下部半導体積層構造に含まれるｎ型層に電気的に接続されるように形成される。
こうして作製されたレーザ・ウエハは、各トレンチＴの狭幅領域ＴＮに直交する方向でバー状に劈開される。得られた各レーザ・バーは、単一のストライプ状光共振器を含むレーザチップに切断される。
こうして得られた窒化物系半導体レーザ素子においては、前述のようにストライプ状光共振器の両端ミラー部がストライプ状トレンチＴの狭幅領域ＴＮに整合させられており、それらの両端ミラー部近傍において活性層中のＩｎの濃度が小さくなっていてエネルギバンドが大きくなっているので、光共振器の両端ミラー部における光吸収による光学損傷（ＣＯＤ）を生じにくくなっている。
なお、前述の図３においては、トレンチＴの狭幅領域ＴＮと広幅領域ＴＷとの間において、それらの幅が不連続に変化させられている。しかし、トレンチＴの狭幅領域ＴＮと広幅領域ＴＷとの間においては、図７（Ａ）の模式的平面図に示されているように幅が直線的に変化するテーパ部による遷移領域を含んでもよいし、図７（Ｂ）の模式的平面図に示されているように角を生じることなく幅がスムーズに変化する曲線的エッジ部による遷移領域を含んでもよい。そのような遷移領域において、活性層のＩｎ濃度またはその厚さのスムーズな変化を得ることができる。
また、本発明の他の実施形態としては、図８の模式的断面図に示されているように、下部半導体積層構造に含まれる例えば前述のｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層を堆積した後にトレンチＴが形成されてもよい。その後は、前述の実施形態の場合と同様に半導体レーザ素子が作製される（図８参照）。
以上のように、本発明によれば、Ｉｎを含む窒化物系半導体活性層の下層において幅が狭められた両端領域を有するトレンチを形成するだけで、高パワーの光を出力できかつ長寿命の窒化物系半導体レーザ素子を比較的簡便かつ確実に提供することができる。
本発明者らによる実験においてトレンチを含む基板上に形成されたＩｎ含有窒化物系半導体積層構造を示す模式的断面図である。 図１のＩｎ含有窒化物系半導体積層構造におけるカソードルミネッセンス像であり、（Ａ）は波長３９０ｎｍにおけるルミネッセンス像であって、（Ｂ）は波長４３０ｎｍにおけるルミネッセンス像である。 本発明による窒化物系半導体レーザ・ウエハの一例を示す模式的な平面図であり、基板上のトレンチパターンが表されている。 図３中の線IV−IVに沿った模式的断面図である。 図３中の線Ｖ−Ｖに沿った模式的断面図である。 図３中の線VI−VIに沿った模式的断面図である。 図３と異なるトレンチパターンの例を表す模式的平面図である。 図５と異なるトレンチの狭幅領域を示す模式的断面図である。
符号の説明
１ 基板、２ ｎ型下部クラッド層を含む下部半導体積層構造、３ 活性層、４ ｐ型上部クラッド層を含む上部半導体積層構造、Ｔ ストライプ状トレンチ、ＴＮ トレンチＴの狭幅領域、ＴＷ トレンチＴの広幅領域、ＴＣ トレンチＴの広幅領域ＴＷ内の中央領域。

Claims (6)

  1. 基板の上面上において順に積層された第１導電型の下部クラッド層、活性層、および第２導電型の上部クラッド層を少なくとも含む半導体積層構造を有し、
    前記活性層の下層にはストライプ状トレンチが形成されており、
    前記半導体積層構造は前記ストライプ状トレンチに沿って配置されたストライプ状光共振器を含み、
    前記ストライプ状トレンチの中央主要領域に比べて両端領域は幅が狭められており、
    前記活性層はＩｎを含む窒化物系半導体で形成されていることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。
  2. 前記活性層中のＩｎの濃度は、前記ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い前記両端領域内において減少していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  3. 前記活性層中のエネルギバンドギャップは、前記ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い前記両端領域内において増大していることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  4. 前記活性層の厚さは、前記ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い前記両端領域内において減少していることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  5. 請求項１から４のいずれかの窒化物系半導体レーザ素子を製造するための方法であって、
    前記基板の上面上において交互の広幅領域と狭幅領域とを含む前記ストライプ状トレンチをエッチングによって形成し、
    前記基板の上面上において前記第１導電型下部クラッド層、前記活性層、および前記第２導電型上部クラッド層をこの順に堆積し、
    前記ストライプ状トレンチの各前記狭幅領域を横断する劈開を行ない、
    前記ストライプ状光共振器ごとのチップ分割を行なうことを特徴とする製造方法。
  6. 請求項１から４のいずれかの窒化物系半導体レーザ素子を製造するための方法であって、
    前記基板の上面上において前記第１導電型下部クラッド層までを堆積し、
    前記下部クラッド層の上面からのエッチングによって、交互の広幅領域と狭幅領域とを含む前記ストライプ状トレンチを形成し、
    その後に、前記活性層および前記第２導電型上クラッド層をこの順に堆積し、
    前記ストライプ状トレンチの各前記狭幅領域を横断する劈開を行ない、
    前記ストライプ状光共振器ごとのチップ分割を行なうことを特徴とする製造方法。
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