JP2009117695A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層からなる積層体と、前記第2導電型半導体層に接触して共振器方向に平行なストライプ状の溝部を有する電流阻止層とを有し、前記溝部の共振器端面側に誘電体が埋め込まれており、内側に導電性酸化物が埋め込まれている半導体レーザ素子。
【選択図】図1
Description
これに対して、ストライプ状の溝を有する電流阻止層とクラッド層として機能する透明電極とを活性層の上部に配置することにより、化合物半導体層の成長時間を短縮させ、化合物半導体層を薄膜化し、Al含有層内におけるクラックの発生を低減し得る半導体レーザ素子が提案されている(例えば、特許文献1)。
このような透明電極によって共振器端面にまで電流が注入されると、共振器端面付近に熱が発生し、特に高出力化の素子では発熱が顕著になるため、CODレベルの低下が懸念される。
また、共振器面の作製及びCODレベルの向上のために、透明電極を共振器端面から離間させて形成すると、共振器端面付近の垂直方向の光閉じ込め係数が変わるので、共振器方向において屈折率分布が変化し、垂直方向のFFP(Far Field Pattern:ファーフィールドパターン)が乱れる。
前記第2導電型半導体層に接触して共振器方向に平行なストライプ状の溝部を有する電流阻止層とを有し、
前記溝部の共振器端面側に誘電体が埋め込まれており、内側に導電性酸化物が埋め込まれていることを特徴とする。
また、前記誘電体は、電流阻止層の屈折率a以上及び/又は活性層の屈折率dより小さい屈折率cを有することが好ましい。
さらに、前記導電性酸化物は、電流阻止層の屈折率a以上及び/又は活性層の屈折率dより小さい屈折率bを有することが好ましい。
前記誘電体は、ZrO2、SiO2、Al2O3、Nb2O3、TiO2、Ta2O5、AlN及びSiNからなる群から選択される材料により形成されてなることが好ましい。
前記電流阻止層は、SiO2、Ga2O3、Al2O3、ZrO2、SiN、AlN及びAlGaNからなる群から選択される材料により形成されてなることが好ましい。
前記誘電体は、前記導電性酸化物層の屈折率±1の範囲の屈折率を有することが好ましい。
前記電流阻止層は、活性層及び導電性酸化物層よりも屈折率が小さい材料からなることが好ましい。
発振波長が440nm以上であることが好ましい。
さらに、前記第1導電型層に接触して共振器方向に平行なストライプ状の溝部を有する第2の電流阻止層を有し、前記溝部の共振器端面側に誘電体が埋め込まれており、内側に導電性酸化物層が埋め込まれてなることが好ましい。
例えば、第1のn型半導体層は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x<1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)によって形成することができ、好ましくはAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)、さらに好ましくはAlxGa1-xN(0<x≦0.3)によって形成することができる。具体的な成長条件としては、反応炉内での成長温度を900℃以上で形成することが好ましい。また、第1のn型半導体層はクラッド層として機能させることができる。膜厚は0.5〜5μm程度が適当である。なお、後述するように、n型半導体層側に低屈折率の導電性酸化膜を設ける場合は、第1のn型半導体層は省略可能である。
第2のn型半導体層は、光ガイド層として機能させることができ、InxAlyGa1−x−yN(0≦x<1、0≦y<1、0≦x+y≦1)によって形成することができる。膜厚は0.1〜5μmが適当である。第2のn型半導体層は省略可能である。
n型半導体層の層間に、単数又は複数の半導体層を追加形成してもよい。
第1のp型半導体層は、p型不純物を含有したAlxGa1−xN(0≦x≦0.5)によって形成することができる。第1のp型半導体層はp側電子閉じ込め層として機能する。
第2のp型半導体層は、光ガイド層として機能させることができ、InxAlyGa1−x−yN(0≦x<1、0≦y<1、0≦x+y≦1)によって形成することができる。
これらの半導体層にはInを混晶させてもよい。第1のp型半導体層、第2のp型半導体層は省略可能である。各層の膜厚は、3nm〜5μm程度が適当である。
なお、p型半導体層の層間に、単数又は複数の半導体層を追加形成してもよい。
あるいは、半導体レーザ素子の駆動電圧以上の障壁を有する材料からなることが適している。ここで、駆動電圧以上の障壁を有するとは、半導体の絶縁性を保つことができることを意味する。このような障壁を有することにより、安定で良好な電気特性を示し、長寿命の半導体レーザを期待することができる。
なお、本明細書においては、屈折率とは、波長445nmにおける値を意味し、通常、屈折率は、エリプソメーターによって測定された値を指す。
導電性酸化物層の膜厚は、特に限定されるものではなく、用いる材料、電流阻止層の膜厚等によって適宜調整することができる。例えば、0.1〜4.0μm程度が挙げられる。
誘電体は、少なくとも電流阻止層の溝部内に埋め込まれていればよく、電流阻止層の上に配置されていてもよい。共振器方向以外の端面は、積層体及び/又は電流阻止層の端面と一致していてもよいし、内側に配置されていてもよい。
導電性酸化物を設けた後に誘電体を設ける場合、導電性酸化物を被覆してもいい。共振器長が200〜1500μm程度の場合には、その0.006〜5%程度の長さ、具体的には、0.1〜10μm程度の長さであることが適している。
図4(d’)及び(e’)は溝部での共振器方向の断面図である。
さらに、図6(a)に示したように、この誘電体を電流阻止層9と同一材料で形成する場合は、電流阻止層9を形成する際に、共振器端面近傍の溝部を被覆するように電流阻止層9を形成することにより(図6(a)中、A参照)、電流阻止層9の一部を誘電体として配置することができる。
誘電体は、電流阻止層と同様の当該分野で公知の方法によって形成することができる。成膜条件としては、上述した電流阻止層の成膜条件と同様にして形成することができる。
窒化物半導体基板は、例えば、第1主面及び/又は第2主面に0.03〜10°程度のオフ角を有するものであることがより好ましい。その厚みは50μmから10mm程度が挙げられる。窒化物半導体基板は、MOCVD法、HVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。また、市販のものを用いてもよい。
第1領域と第2領域とが交互にストライプを形成する場合、第1領域の幅は10μm〜500μm、さらに100μm〜500μmが挙げられ、第2領域の幅は2μm〜100μm、10μm〜50μmが挙げられる。ストライプ形状は、破線状に形成されているものを含む。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。
なお、基板上には、レーザ素子として機能する積層体を形成する前に、バッファ層、中間層等(例えば、AlxGa1−xN(0≦x≦1)等)を設けていることが好ましい。
任意に、共振器端面、つまり、共振器面の光反射側及び/又は光出射面に、誘電体膜による端面保護膜が形成されていることが好ましい。誘電体膜はSiO2、ZrO2、TiO2、Al2O3、Nb2O5、AlN、AlGaN等の酸化物及び窒化物からなる単層膜又は多層膜とすることが好ましい。共振面が劈開によって形成された場合には、誘電体膜を再現性よく形成することができる。
この端面保護膜は、共振器端面から、共振器端面側の溝部に回り込ませることにより、誘電体として形成することができる。
このような構成のレーザ素子は、例えば、上述した基板上に形成され、電流阻止層、導電性酸化物層及び誘電体が形成された半導体層の積層体において、基板を除去するか、n型半導体層の一部(例えば、クラッド層まで又は光ガイド層まで)を除去して、除去した側に、上記と同様に電流阻止層、導電性酸化物層及び誘電体を形成することにより形成することができる。
実施例1
この実施例の半導体レーザ素子は、図1(a)〜(d)に示すように、基板1上に、n型半導体層、活性層5、p型半導体層が積層されており、p型半導体層の上に、その中央付近にストライプ状の溝部を有する電流阻止層9が形成されている。また、電流阻止層9の溝部内であって、p型半導体層と接触するとともに、電流阻止層9上に及ぶ導電性酸化物層11が形成されている。この導電性酸化物層11は、共振器方向の両方の端面が、共振器端面から内側に離間されている。電流阻止層9の溝部内であって、共振器端面から導電性酸化物11の端面にわたって、溝部の両端に誘電体層10が配置されている。また、導電性酸化物11上にはpパッド電極12が形成されており、基板1裏面には、n電極13が形成されている。
まず、n型GaNからなる基板1をMOVPE反応容器内にセットし、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)、不純物ガスにシランガス(SiH4)を用い、SiをドープしたAl0.33Ga0.67Nよりなるn型クラッド層3を成長させた。
続いて、TMG及びアンモニアを用い、同様の温度で、アンドープのGaNよりなるn側光ガイド層4を成長させた。
続いて、Cp2Mg、TMAを止め、1050℃で、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層7を成長させた。
最後に、この上に、TMG及びアンモニアを用い、Cp2Mgを流し、Mgをドープしたp型GaNよりなるp型コンタクト層8を成長させた。
続いて、電流阻止層9上に、ストライプ状の開口部(ストライプ幅は約5μm)を有するフォトレジストを形成し、このフォトレジストをマスクとして、例えば、BHFを用いたウェットエッチングにより、電流阻止層9の一部を選択的に除去し、その底部が半導体層に至る溝部15を形成した。この溝部15は共振器方向に開放状態となるように形成する(図4(b)及び(b’)参照)。その後、フォトレジストを除去した。
この際、ITOからなる導電性酸化物層11上に形成するフォトレジストを、窒化物半導体レーザ素子の側面からも離間させて形成することで、ZrO2からなる側面保護膜を同時に形成することができる。
その後、p型半導体層のコンタクト抵抗を低減するために、例えば、600℃、酸素雰囲気下でアニールした。
また、基板1の裏面を研磨し、研磨したn型GaN基板1の裏面にn電極13を形成した。
その後、GaN基板1を、例えば、共振器方向に垂直な方向に沿って、劈開してウェハをバー状とし、そのバーの劈開面に共振器面を作製した。
続いて、共振器面に、端面保護膜として誘電体膜を形成する。光出射側は、Al2O3を膜厚70nmで形成した。反対側は、ZrO2及びSiO2(総膜厚700nm)の積層膜で多層誘電体膜を形成した。
最後に共振器面に平行な方向に分割し、バー状のウェハをチップ化し、半導体レーザ素子を得た。
実施例1と同様に、半導体の積層体14を形成したウェハ上に、スパッタ法を用いて、ITOからなる導電性酸化物層11を膜厚0.4μmで形成した(図5(a)参照)。
その後、導電性酸化物層11上に、ストライプ状のフォトレジスト(ストライプ幅は約5μm、長さは半導体の積層体14の共振器長よりも10μm程度短い)を形成する。このフォトレジストをマスクとして、例えば、HIガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)により、フォトレジストから露出した導電性酸化物層11を除去する。これにより、ストライプ状の導電性酸化物層11を形成した(図5(b)及び(b’)参照)。ここでの導電性酸化物層11は、共振器方向に対向する端面が、半導体層の積層体の共振器端面よりも5μm程度内側に配置されるように形成した。
続いて、誘電体を形成する領域を露出する形状でフォトレジストを形成した。そして、露出した部分の電流阻止層をウエットエッチングによって除去し、半導体層を露出させた(図5(c)及び(c’)参照)。
露出した半導体層及びフォトレジスト上に誘電体をスパッタにより形成した。その後、フォトレジストを除去した。これにより、誘電体10が対向する共振器面側の溝部15に埋め込まれた(図5(d’)参照)。
これ以降、実施例1と同様にして、半導体レーザ素子を形成した。
このレーザ素子は、図3(a)に示すように、誘電性酸化物膜層を形成せず、電流阻止層9に設けられた溝部内に導電性酸化物層11を埋め込む以外、実質的に実施例1と同様の構成のレーザ素子を、実施例1と同様の方法で形成した。
このレーザ素子は、図3(b)に示すように、誘電性酸化物膜層を形成せず、かつ、電流阻止層9に設けられた溝部内であって、共振器端面と一致するように導電性酸化物層11を埋め込む以外、実質的に実施例2と同様の構成のレーザ素子を、実施例2と同様の方法で形成した。
その結果、垂直方向のFFPの強度分布は、図7(a)〜(c)において、実施例1、比較例1及び2の順にそれぞれ示したように、実施例1と比較例2とのレーザ素子では、略同程度の良好な結果が得られたが、比較例1のレーザ素子では、縦方向の閉じ込めに歪が生じ、安定したFFPを得ることができないことが確認された。
また、CODレベルでは、表1に示したように実施例2のレーザ素子では最も高く、実施例1及び比較例1のレーザ素子が略同程度に非常に高かった。一方、比較例2のレーザ素子では、低い結果が得られた。なお、CODレベルの測定は、各実施例及び比較例のレーザ素子20個について測定し、その中の最大と最小の値を除いた18個のサンプルの平均値を示した。
一方、比較例2では、突然の発振の停止が確認された。
なお、ライフ試験は、動作温度25℃、出力500mW、APC駆動の条件で、発振波長408nmの半導体レーザ素子を駆動させ、駆動電流値の経時変化(駆動電流値/初期駆動電流値)を測定した。
また、共振器端面への電流の流れを最小限に止めることができ、共振器端面での熱の発生を抑制し、CODレベルを向上させることができる。
特に、実施例2の半導体レーザ素子では、図5に示すように、導電性酸化物層をRIEにより成形しているため、形状の制御性が良好となり、導電性酸化物層を所望の位置に精度よく形成することができ、ひいてはCODレベルを向上させることができる。
さらに、長寿命化を図ることが可能となる。
実施例1と同様に、半導体の積層体を形成したウェハ上に、溝部を有する電流阻止層9及び導電性酸化物層11を形成する。
その後、実施例1と同様に、pパッド電極12、n電極13を形成し、GaN基板1を劈開して共振器面を作製する。
続いて、共振器面に、誘電体膜を形成する。光出射側は、Al2O3を膜厚70nmで形成する。反対側は、ZrO2及びSiO2(総膜厚700nm)の積層膜で多層誘電体膜を形成する。この際、Al2O3膜を、素子上面に回り込むように誘電体膜を形成することによって、共振器端面付近における溝部15内に、誘電体層10を埋め込む(図4(e’)及び(e”)参照)。
以下、実施例1と同様にして半導体レーザ素子を形成する。
これにより、実施例1と同様の効果を得ることができる。
実施例1と同様に、半導体の積層体を形成したウェハ上に、電流阻止層9を形成し、ストライプ状の開口部(ストライプ幅は約5μm)を有するフォトレジストを形成する。この際、フォトレジストの開口部を両方の共振器端面から5μm程度離れた位置から開口する。このフォトレジストをマスクとして、例えば、BHFを用いたウエットエッチングすることにより、電流阻止層9の一部を選択的に除去し、その底部が半導体層に至る溝部を形成する(図6(a)中、A参照)。これにより、溝部の共振器端面付近は電流阻止層により埋め込まれ、誘電体層10として機能し得る。
その後、実施例1と同様に導電性酸化物層11を形成する(図6(b)参照)。
以下、実施例1と同様にして半導体レーザ素子を形成する。
また、共振器端面への電流の流れを最小限に止めることができ、共振器端面での熱の発生を抑制し、CODレベルを向上させることができる。
この実施例の半導体レーザ素子では、導電性酸化物膜を両方の共振器端面から10μm程度離間させて形成し、導電性酸化物層の端面から共振器端面までの露出した半導体層に誘電体を埋め込む。それ以外は、実施例1と同様に半導体レーザ素子を形成する。
この実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果が得られる。
この実施例の半導体レーザ素子では、導電性酸化物膜を両方の共振器端面から15μm程度離間させて形成し、導電性酸化物層の端面から共振器端面までの露出した半導体層に誘電体を埋め込む。それ以外は、実施例1と同様に半導体レーザ素子を形成する。
この実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果が得られる。
この実施例の半導体レーザ素子では、導電性酸化物膜を光出射側の共振器端面のみ5μm程度離間させて形成し、導電性酸化物層の端面から共振器端面までの露出した半導体層に誘電体を埋め込む。それ以外は、実施例1と同様に半導体レーザ素子を形成する。
この実施例の半導体レーザ素子でも、実施例1と同様の効果が得られる。
この実施例の半導体レーザ素子では、導電性酸化物膜を光出射側の共振器端面から5μm程度離間させて形成し、反射側の共振器端面から10μm程度離間させて形成する。導電性酸化物層の端面から共振器端面までの露出した半導体層に誘電体を埋め込む。それ以外は、実施例1と同様に半導体レーザ素子を形成する。
この実施例の半導体レーザ素子でも、実施例1と同様の効果が得られる。
この実施例の半導体レーザ素子では、溝部の幅を10μmにする以外、実施例1と同様に半導体レーザ素子を形成する。
この実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果に加え、溝部を広くすることにより、高出力化が可能となる。
つまり、レーザ素子を高出力化すると、一般に発熱が大きくなるが、このように、溝部を広くすることにより、特に発熱の顕著な共振器端面における発熱を低減することができ、同等の寿命特性やCODレベルを得ることができる。
この実施例の半導体レーザ素子では、誘電体をAlNにする以外、実施例1と同様に半導体レーザ素子を形成する。
この実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果を得ることができる。
この実施例の半導体レーザ素子は、各半導体層を表2に示す構成として、発振波長を440〜450nm程度のレーザ素子とする以外、実施例1に準じて積層体を形成し、実施例1と同様に半導体レーザ素子を形成する。
この実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果を得ることができる。
この実施例の半導体レーザ素子は、各半導体層を以下の表3に示す構成として、発振波長を370〜380nm程度のレーザ素子とする以外、実施例1に準じて積層体を形成し、実施例1と同様に半導体レーザ素子を形成する。
この実施例の半導体レーザ素子は、図2(a)〜(d)に示すように、n型半導体層、活性層5、p型半導体層が積層されており、p型半導体層の上に、その中央付近にストライプ状の溝部を有する電流阻止層9が形成されている。また、電流阻止層9の溝部内であって、p型半導体層と接触するとともに、電流阻止層9上に及ぶ導電性酸化物層11が形成されている。この導電性酸化物層11は、共振器方向の端面が、共振器端面から内側に離間されている。電流阻止層9の溝部内であって、共振器端面から導電性酸化物11の端面にわたって、誘電体層10が配置されている。また、導電性酸化物11上にはpパッド電極12が形成されている。
また、n型半導体層の上にも、その中央付近にストライプ状の溝部を有する電流阻止層9が形成されており、上記と同様に、電流阻止層9の溝部内であって、n型半導体層と接触するとともに、電流阻止層9上に及ぶ導電性酸化物層11が形成されている。この導電性酸化物層11は、共振器方向の端面が、共振器端面から内側に離間されている。電流阻止層9の溝部内であって、共振器端面から導電性酸化物11の端面にわたって、誘電体層10が配置されている。また、導電性酸化物11上にはnパッド電極13が形成されている。
実施例1と同様に、半導体層の積層体、電流阻止層9、導電性酸化物層11、誘電体10を形成した後、基板からn型クラッド層3までを研磨により除去する。
得られたnクラッド層3の表面に、実施例1と同様の方法で、電流阻止層9、導電性酸化物層11、誘電体10を形成する。
その後、pパッド電極12、n電極13等を実施例1と同様に形成する。
3 n型クラッド層
4 n側光ガイド層
5 活性層
6 キャップ層
7 p側光ガイド層
8 p型コンタクト層
9 電流阻止層
10 誘電体層
11 導電性酸化物層
12 pパッド電極
13 n電極
14 積層体
15 溝部
Claims (10)
- 第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層からなる積層体と、
前記第2導電型半導体層に接触して共振器方向に平行なストライプ状の溝部を有する電流阻止層とを有し、
前記溝部の共振器端面側に誘電体が埋め込まれており、内側に導電性酸化物が埋め込まれていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記誘電体と前記電流阻止層とは異なる材料で形成されてなる請求項1に記載の半導体レーザ素子。
- 前記誘電体は、電流阻止層の屈折率a以上及び/又は活性層の屈折率dより小さい屈折率cを有する請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
- 前記導電性酸化物は、電流阻止層の屈折率a以上及び/又は活性層の屈折率dより小さい屈折率bを有する請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記誘電体は、ZrO2、SiO2、Al2O3、Nb2O3、TiO2、Ta2O5、AlN及びSiNからなる群から選択される材料により形成されてなる請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記電流阻止層は、SiO2、Ga2O3、Al2O3、ZrO2、SiN、AlN及びAlGaNからなる群から選択される材料により形成されてなる請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記誘電体は、前記導電性酸化物層の屈折率±1の範囲の屈折率を有する請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記電流阻止層は、活性層及び導電性酸化物層よりも屈折率が小さい材料からなる請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 発振波長が440nm以上である請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- さらに、前記第1導電型層に接触して共振器方向に平行なストライプ状の溝部を有する第2の電流阻止層を有し、前記溝部の共振器端面側に誘電体が埋め込まれており、内側に導電性酸化物層が埋め込まれてなる請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
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