JP2009158807A - Semiconductor laser diode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体からなる半導体レーザダイオードに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser diode made of a nitride semiconductor.
半導体レーザダイオードに、窒化物半導体からなる素子が使用されている。窒化物半導体の例としては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)等がある。代表的な窒化物半導体は、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される。窒化ガリウム(GaN)は、窒素を含む六方晶化合物半導体の中でもよく知られた窒化物半導体である。GaNを用いた半導体レーザダイオードでは、一般にGaN基板上に活性層(発光層)を形成し、活性層で発生した光を外部に出力する。 An element made of a nitride semiconductor is used for a semiconductor laser diode. Examples of nitride semiconductors include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). A typical nitride semiconductor is represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). Gallium nitride (GaN) is a well-known nitride semiconductor among hexagonal compound semiconductors containing nitrogen. In a semiconductor laser diode using GaN, an active layer (light emitting layer) is generally formed on a GaN substrate, and light generated in the active layer is output to the outside.
六方晶の半極性面を結晶成長表面として成長される窒化物半導体からなる活性層は、強い偏光状態の光(偏光)を出力可能である。また、主面が半極性面である窒化物半導体では、主面が極性面や非極性面である場合に比べてInxGa1-xN(0<x≦1)におけるInの組成比xを高くできることが知られている。例えば、GaN基板の半極性面上にInxGa1-xN層を形成して橙色の光を出力させた例が報告されている(非特許文献1参照。)
例えば、偏光を出力する半導体レーザダイオードを液晶バックライトやプロジェクタ光源として使用すれば、偏向板等の偏光子でカットされる光の成分が少なくなり、液晶バックライトやプロジェクタ光源の効率が向上すると期待されている。また、緑色の光を発生させれば、赤色、及び青色の光と併せてRGB発光源を実現できる。
For example, if a semiconductor laser diode that outputs polarized light is used as a liquid crystal backlight or projector light source, the light component cut by a polarizer such as a deflector is reduced, and the efficiency of the liquid crystal backlight or projector light source is expected to improve. Has been. If green light is generated, an RGB light source can be realized together with red and blue light.
しかしながら、基板の半極性面上に窒化物半導体の活性層を成長させた場合には、半極性面に対して垂直、且つc軸方向に向いている結晶面がないため、基板の側面が劈開面にならない。つまり、強い偏光状態の偏光を出力するためにはc軸に沿った方向に共振器を形成して偏光を出力する必要があるが、偏光を外部に取り出す面(以下において、「出力面」という。)を劈開によって形成することが困難である。劈開によらずにエッチング等によって出力面を形成すると、共振面が鏡面にならず、レーザ発振のしきい値が上昇するという問題があった。 However, when an active layer of a nitride semiconductor is grown on the semipolar plane of the substrate, the side surface of the substrate is cleaved because there is no crystal plane perpendicular to the semipolar plane and oriented in the c-axis direction. It does not become a surface. In other words, in order to output polarized light in a strong polarization state, it is necessary to form a resonator in the direction along the c-axis and output the polarized light, but a surface for extracting polarized light to the outside (hereinafter referred to as “output surface”) .) Is difficult to form by cleavage. If the output surface is formed by etching or the like without cleaving, there is a problem that the resonance surface does not become a mirror surface and the threshold value of laser oscillation increases.
上記問題点を鑑み、本発明は、半極性面を主面とする活性層で発生した偏光を、レーザ発振のしきい値の上昇を抑制して出力できる半導体レーザダイオードを提供する。 In view of the above problems, the present invention provides a semiconductor laser diode capable of outputting polarized light generated in an active layer having a semipolar plane as a main surface while suppressing an increase in the threshold of laser oscillation.
本発明の一態様によれば、半極性面を主面とする窒化物半導体からなる活性層と、主面と平行に配置された第1の反射膜と、活性層を挟んで第1の反射膜と対向して配置された第2の反射膜とを備える半導体レーザダイオードが提供される。 According to one aspect of the present invention, an active layer made of a nitride semiconductor having a semipolar plane as a main surface, a first reflective film disposed parallel to the main surface, and a first reflection with the active layer interposed therebetween A semiconductor laser diode is provided that includes a second reflective film disposed opposite the film.
本発明によれば、半極性面を主面とする活性層で発生した偏光を、レーザ発振のしきい値の上昇を抑制して出力できる半導体レーザダイオードを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor laser diode which can output the polarization | polarized-light generated in the active layer which uses a semipolar surface as a main surface, suppressing the raise of the threshold value of a laser oscillation can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の第1乃至第3の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す第1乃至第3の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Also, the following first to third embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the component parts. The material, shape, structure, arrangement, etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザダイオード1は、図1(a)に示すように、半極性面(セミポーラ)を主面とする窒化物半導体からなる活性層30と、活性層30の主面と平行に配置された第1の反射膜20と、活性層30を挟んで第1の反射膜20と対向して配置された第2の反射膜40とを備える。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1A, the
GaN結晶の極性面であるc面を結晶成長表面とする窒化物半導体からなる活性層から取り出される光は、ランダム偏光(無偏光)状態である。一方、c面以外のa面、m面等の非極性面或いは半極性面を結晶成長表面とする窒化物半導体を用いて形成した活性層は、強い偏光状態の光(偏光)を発生する。このため、図1に示した半導体レーザダイオード1の活性層30は偏光を発生する。なお、偏光とは直線偏光成分が均等(ランダム)ではなく偏りがあるものを示すが、100%の直線偏光でなくてもよい。最も直線偏光成分の大きい方向を偏光の偏光方向とする。半極性面の詳細については後述する。
The light extracted from the active layer made of a nitride semiconductor with the c-plane, which is the polar plane of the GaN crystal, as the crystal growth surface is in a randomly polarized (non-polarized) state. On the other hand, an active layer formed using a nitride semiconductor whose crystal growth surface is a nonpolar plane or semipolar plane such as an a plane or m plane other than the c plane generates light in a highly polarized state (polarized light). Therefore, the active layer 30 of the
図1(a)に示すように、半導体レーザダイオード1は、半極性面であるGaN基板10の主面11上に、第1の反射膜20、活性層30、及び第2の反射膜40をこの順に積層した構造である。第1の反射膜20及び第2の反射膜40は、活性層30で発生した偏光を反射し、第1の反射膜20、活性層30及び第2の反射膜40により平板垂直共振器が構成される。第1の反射膜20及び第2の反射膜40は、分布ブラック反射鏡(DBR)としてそれぞれ機能し、互いに屈折率の異なる複数の膜の積層構造として構成可能である。
As shown in FIG. 1A, the
また、主面11と対向するGaN基板10の裏面に接して第1電極50が配置されている。更に、第2の反射膜40上に第2電極60が配置されている。図1に示すように、第2電極60は第2の反射膜40の上面の一部を露出するように配置され、第2の反射膜40の露出した上面として出力面41が形成される。図1(a)に示すように、半導体レーザダイオード1はGaN基板10の主面11と垂直方向に、出力面41から出力光Lを出力する。図1(b)に半導体レーザダイオード1の出力面41方向から見た上面図を示す。
Further, the first electrode 50 is disposed in contact with the back surface of the
活性層30に、第1電極50から第1導電型のキャリア、第2電極60から第2導電型のキャリアがそれぞれ供給される。第1導電型がn型、第2導電型がp型である場合は、第1電極50から第1の反射膜20を介して供給される電子と、第2電極60から第2の反射膜40を介して供給される正孔とが活性層30において再結合し、活性層30から光が発生する。このため、第1の反射膜20はn型窒化物半導体の積層体、第2の反射膜40はp型窒化物半導体の積層体として形成される。
A first conductivity type carrier is supplied from the first electrode 50 to the active layer 30, and a second conductivity type carrier is supplied from the
上記のように、半導体レーザダイオード1は、活性層30と、活性層30を挟んで活性層30の主面と平行に配置された1組の反射膜とによって構成された面発光レーザダイオードである。つまり、この半導体レーザダイオード1は、GaN基板10の主面11と垂直方向に共振器が配置された、いわゆる「垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)」として動作する。面発光レーザダイオードは、低しきい値動作、円形狭出射ビーム、2次元アレイ化が容易等といった優れた特徴を有し、ディスプレイ、高速光通信等の種々の分野に応用できる。
As described above, the
図2を参照して、半極性面について説明する。図2は、窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを示す模式図である。図2(a)に示すように窒化物半導体の結晶構造は六方晶系である。六方晶系のc軸は六角柱の軸方向に沿い、このc軸を法線とする面(六角柱の頂面)がc面{0001}である。c面に平行な2つの面で窒化物半導体の結晶を劈開すると、+c軸側の面(+c面)はIII族原子が並んだ結晶面となり、−c軸側の面(−c面)は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、c面は、+c軸側と−c軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。 The semipolar plane will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing a unit cell having a nitride semiconductor crystal structure. As shown in FIG. 2A, the crystal structure of the nitride semiconductor is a hexagonal system. The hexagonal c-axis is along the axial direction of the hexagonal column, and the plane (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis as a normal line is the c-plane {0001}. When the nitride semiconductor crystal is cleaved by two planes parallel to the c-plane, the + c-axis side plane (+ c plane) becomes a crystal plane in which group III atoms are arranged, and the -c-axis side plane (-c plane) is It becomes a crystal plane in which nitrogen atoms are arranged. For this reason, the c-plane is called a polar plane because it exhibits different properties on the + c-axis side and the −c-axis side.
図2(b)に示すように、一つのIII族原子に対して4つの窒素原子が結合している。4つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して+c軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−c軸側に位置している。このような構造のために、窒化物半導体では、分極方向がc軸に沿っている。 As shown in FIG. 2B, four nitrogen atoms are bonded to one group III atom. Four nitrogen atoms are located at four vertices of a regular tetrahedron having a group III atom arranged at the center. Of these four nitrogen atoms, one nitrogen atom is positioned in the + c axis direction with respect to the group III atom, and the other three nitrogen atoms are positioned on the −c axis side with respect to the group III atom. Due to such a structure, in the nitride semiconductor, the polarization direction is along the c-axis.
六方晶系においては、六角柱の側面がそれぞれm面{1100}であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がa面{11−20}である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。更に、図2(c)に示すような、c面に対して傾斜している(c面に平行でもなく直角でもない)結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、{10−11}面、{10−13}面、{11−22}面等である。つまり、GaN基板10の主面11及び活性層30の主面は、{10−11}面、{10−13}面、{11−22}面等である。
In the hexagonal system, the side surfaces of the hexagonal columns are each m-plane {1100}, and the plane passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other is the a-plane {11-20}. Since these are crystal planes perpendicular to the c-plane and orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. Further, as shown in FIG. 2C, the crystal plane inclined with respect to the c-plane (not parallel to the c-plane nor perpendicular) intersects with the polarization direction at an angle. It is a plane with a polarity, that is, a semipolar plane. Specific examples of the semipolar plane are {10-11} plane, {10-13} plane, {11-22} plane, and the like. That is, the
活性層30は、半極性面を結晶成長表面として、下側バリア層31、量子井戸層32及び上側バリア層33をこの順に、結晶成長表面の法線方向に積層して形成される。活性層30は、例えば有機金属気相成長(MOCVD法)等により形成される。量子井戸層32は、井戸層(ウェル層)322を井戸層322よりもバンドギャップの大きなバリア層(層障壁層)321でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸(quantum well)構造を有する。量子井戸層32において電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、この発生した光が増幅される。
The active layer 30 is formed by stacking a
量子井戸層32の量子井戸構造は、井戸層が1つではなく多重化してもよい。例えば窒化インジウムガリウム(InGaN)を含む多重量子井戸構造が活性層30に採用可能であり、膜厚数nm程度のInGaN層とGaN層とを交互に複数周期繰り返し積層して構成される。この場合に、InGaN層は、インジウム(In)の組成比を例えば5%以上にすることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、井戸層となる。一方、GaN層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層(障壁層)として機能する。活性層30で生成される光の波長(以下において、「発光波長」という。)は、量子井戸層(InGaN層)におけるInの組成比を調整すること等によって設定できる。
The quantum well structure of the
活性層30の主面が半極性面であるため、主面が極性面や非極性面である場合に比べてInの組成比が高いInGaNを成長することができる。InGaN層におけるInの組成比を高くすると発光波長が長くなる。このため、半極性面上にInGaN膜を含む活性層30を形成することにより、波長が500nm以上の光、例えば緑色光を発生しやすくなる。例えば、InGaN膜におけるInの組成比を0.2〜0.4程度に設定することによって、活性層30で発生する光の波長を500nm以上にできる。 Since the main surface of the active layer 30 is a semipolar surface, InGaN having a higher In composition ratio can be grown than when the main surface is a polar surface or a nonpolar surface. Increasing the In composition ratio in the InGaN layer increases the emission wavelength. For this reason, by forming the active layer 30 including the InGaN film on the semipolar plane, it becomes easy to generate light having a wavelength of 500 nm or more, for example, green light. For example, the wavelength of light generated in the active layer 30 can be set to 500 nm or more by setting the In composition ratio in the InGaN film to about 0.2 to 0.4.
図3に、活性層30の構成例を示す。図3に示した例では、量子井戸層32は、2層の井戸層322をバリア層321で挟んだ構造を有する。また、第1の反射膜20に接する下側バリア層31は、例えばシリコン(Si)等のn型ドーパントがドープされたn型GaNであり、第2の反射膜40に接する上側バリア層33は、例えばマグネシウム(Mg)等のp型ドーパントがドープされたp型GaNである。
FIG. 3 shows a configuration example of the active layer 30. In the example shown in FIG. 3, the
第1の反射膜20と第2の反射膜40間の光学膜厚、即ち活性層30全体の光学膜厚は、出力光Lの1波長程度に設定される。例えば、下側バリア層31を膜厚d31のGaN層、バリア層321を膜厚d321のGaN層、井戸層322を膜厚d322のIn0.192GaN、及び上側バリア層33を膜厚d33のGaN層とし、InGaNの屈折率n1、GaNの屈折率n2であるとき、活性層30全体の光学膜厚Wは以下の式(1)で表される:
W=2×d322×n1+3×d321×n2+(d31+d33)×n2 ・・・(1)
出力光Lの波長を500nm程度にする場合は、InGaNの屈折率n1=2.77、GaNの屈折率n2=2.405であるから、例えば、d31=d33=86nm、d321=10nm、d322=3nmとすることにより、光学膜厚Wはほぼ500nmになる。下側バリア層31及び上側バリア層33の膜厚を、第1の反射膜20と第2の反射膜40間の光学膜厚、即ちキャビティ長の調整用として設定可能である。
The optical film thickness between the first
W = 2 × d 322 × n1 + 3 ×
When the wavelength of the output light L is set to about 500 nm, since the refractive index n1 of InGaN is 2.77 and the refractive index n2 of GaN is 2.405, for example, d 31 = d 33 = 86 nm and d 321 = 10 nm. , D 322 = 3 nm, the optical film thickness W becomes approximately 500 nm. The film thicknesses of the
図4に、活性層30に採用可能な窒化物半導体のバンドギャップ及び発光波長と格子定数の関係を示す。図4の左縦軸はバンドギャップ(エネルギーギャップ、単位eV)、右縦軸は発光波長(単位nm)、横軸はa軸方向の格子定数(単位オングストローム)である。図4にハッチングで示した領域の各頂点は、それぞれ窒化ボロン(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)の特性を示す。また、ハッチング領域内の点GaNは、GaNの特性を示す。つまり、ハッチング領域は、ボロン(B)を含む窒化物半導体AlxByInzGa1-x-y-zNの取り得る特性である。例えば、BNとInNを示す頂点をつなぐ直線は、BxIn1-xNの3元混晶において組成比xを0〜1まで変化させた特性を示す。 FIG. 4 shows the relationship between the band gap and emission wavelength of a nitride semiconductor that can be employed in the active layer 30 and the lattice constant. In FIG. 4, the left vertical axis represents the band gap (energy gap, unit eV), the right vertical axis represents the emission wavelength (unit nm), and the horizontal axis represents the lattice constant (unit angstrom) in the a-axis direction. Each vertex of the region shown by hatching in FIG. 4 indicates the characteristics of boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), and indium nitride (InN), respectively. Moreover, the point GaN in the hatching region indicates the characteristics of GaN. In other words, hatched areas are the possible characteristics of the nitride containing boron (B) semiconductor Al x B y In z Ga 1 -xyz N. For example, a straight line connecting vertices indicating BN and InN shows characteristics in which the composition ratio x is changed from 0 to 1 in a ternary mixed crystal of B x In 1-x N.
図4から、格子定数を一定にしたままで窒化物半導体の組成比を変化させることによって、発光波長を変化させられることがわかる。つまり、AlxByInzGa1-x-y-zNからなる量子井戸層32のバリア層321と井戸層322の組成比を適切に選択することにより、バリア層321と井戸層322間の格子定数差を生じさせずに、量子井戸構造を実現できる。
FIG. 4 shows that the emission wavelength can be changed by changing the composition ratio of the nitride semiconductor while keeping the lattice constant constant. That, Al x B y In z Ga by 1-xyz N appropriately selecting the composition ratio of the
例えば、図4に示すGaNのa軸方向の格子定数3.189での光の発生を検討する。このとき、GaNのバンドギャップは3.39eVであり、このバンドギャップに対応する出力光Lの波長は365nmである。また、格子定数3.189におけるBNとInNを示す頂点をつなぐ直線での発光波長は515nmである。井戸層322はバリア層321よりもバンドギャップを小さくする必要があるため、バリア層321をGaNにした場合には、図4に示した領域Dの範囲に井戸層322の組成を設定する。このため、波長365nm〜515nmの出力光Lを活性層30で発生することができる。このとき井戸層322とバリア層321の格子整合がなされており、活性層30にAlxByInzGa1-x-y-zNを採用することにより、クラックや欠陥等の発生を抑制できる。
For example, consider the generation of light at a lattice constant of 3.189 in the a-axis direction of GaN shown in FIG. At this time, the band gap of GaN is 3.39 eV, and the wavelength of the output light L corresponding to this band gap is 365 nm. The emission wavelength at the straight line connecting the vertices indicating BN and InN at the lattice constant of 3.189 is 515 nm. Since the
次に、第1の反射膜20及び第2の反射膜40について説明する。既に述べたように、第1の反射膜20及び第2の反射膜40は、垂直共振器の反射鏡として機能する。また、第1の反射膜20の反射率が第2の反射膜40より大きく設定される。活性層30で発生した偏光は、第1の反射膜20と第2の反射膜40間を往復しながら増幅される。そして、増幅された偏光の一部が、第2の反射膜40を透過して、第2の反射膜40の上面に形成された出力面41から半導体レーザダイオード1の外部に出力光Lとして出力される。
Next, the first
図1に示した半導体レーザダイオード1は、第1の反射膜20及び第2の反射膜40が共に、屈折率の互いに異なる複数の窒化物半導体を交互に積層した構造の例である。ここで、第1の反射膜20及び第2の反射膜40それぞれが、Al0.30GaN膜とGaN膜を交互に複数積層された構造であるとする。図5に、Al0.30GaN膜とGaN膜を積層して第1の反射膜20及び第2の反射膜40を形成した場合における発光波長と反射率との関係を、積層ペア数毎に示す。例えば、図5に示した5ペアの反射率は、Al0.30GaN膜とGaN膜を交互に5層ずつ配置した反射膜における反射率である。図5に示した反射率は、Al0.30GaNの屈折率を1.929、GaNの屈折率を2.405として算出した値である。
The
第1の反射膜20及び第2の反射膜40に含まれる各層の膜厚は、発光波長λに応じて、λ/4nに設定される。nは各層の屈折率である。例えば、発光波長λが500nmの場合は、Al0.30GaN層の膜厚が64.8nm、GaN層の膜厚が52.0nmに設定される。
The thickness of each layer included in the first
図5に示すように、光の波長が500nmの場合には、15ペア以上で反射率99%以上が得られる。図5ではAl0.30GaNとGaNのペアの場合を例示したが、屈折率差の大きな窒化物半導体のペアを採用すれば、ペア数を減らすことができる。 As shown in FIG. 5, when the wavelength of light is 500 nm, a reflectance of 99% or more can be obtained with 15 pairs or more. Although FIG. 5 illustrates the case of Al 0.30 GaN and GaN pairs, the number of pairs can be reduced if a pair of nitride semiconductors having a large refractive index difference is employed.
既に述べたように、第1の反射膜20の反射率は第2の反射膜40より大きく設定される。例えば第1の反射膜20の反射率をできるだけ100%に近くし、第2の反射膜40の反射率を97%程度に設定する。第2の反射膜40の反射率をこのように高く設定することにより、短い共振器長であっても活性層30で発生した偏光の発振が可能になる。そして、活性層30で発生し、第1の反射膜20と第2の反射膜40間を往復しながら増幅された偏光の一部が、第2の反射膜40を透過して半導体レーザダイオード1の外部に出力される。
As already described, the reflectance of the first
第1の反射膜20及び第2の反射膜40をそれぞれ構成する複数の窒化物半導体は、互いに屈折率が異なる。例えば、GaNとAlGaNを交互に積層して第1の反射膜20及び第2の反射膜40を形成する場合、GaNとの屈折率の差を大きくするためにはAlGaNにおけるAlの組成比を高めることが有効である。しかし、Alの組成比を高めるとAlGaN層とGaN基板10との格子定数の差が大きくなり、クラックや欠陥等が発生する。特に、第1の反射膜20及び第2の反射膜40では、活性層30に比べて各層の膜厚が厚いため、格子定数差に起因するクラックや欠陥等が発生しやすい。
The plurality of nitride semiconductors constituting the first
バンドギャップの差が大きい窒化物半導体間では、通常、屈折率の差が大きい。このため、第1の反射膜20及び第2の反射膜40を構成する窒化物半導体として、図4を用いて説明したAlxByInzGa1-x-y-zNを採用することにより、第1の反射膜20及び第2の反射膜40におけるクラックや欠陥等の発生を抑制できる。つまり、図4に示したように、格子定数を一致させたままバンドギャップの差が大きくなるように組成比を設定した複数のAlxByInzGa1-x-y-zNを交互に積層して、第1の反射膜20及び第2の反射膜40を形成する。その結果、格子定数が同一で屈折率の差が大きい窒化物半導体が積層された第1の反射膜20及び第2の反射膜40を実現できる。第1の反射膜20及び第2の反射膜40の格子定数とGaN基板10の格子定数を一致させることにより、クラックや欠陥の発生を防止できる。
In general, a difference in refractive index is large between nitride semiconductors having a large band gap difference. Therefore, as the nitride semiconductor forming the first
以上に説明したように、半導体レーザダイオード1は、GaN基板10の主面11と垂直に共振器が配置されたVCSELとして動作する。一般に、VCSELはファブリペロー型共振器に比べてレーザ発振のしきい値電流が低い。このため、半導体レーザダイオード1によれば、キャリアの高注入に伴う発振波長のブルーシフトが発振波長を伸ばす阻害要因となることを抑制できる。なお、「ブルーシフト」は、量子井戸層32の井戸層(例えばInGaN層)のバンドギャップが不均一なために生じる現象である。つまり、低電流時は井戸層のバンドギャップが狭い一部の領域のみで再結合が生じるが、高電流時では井戸層全体でバンドギャップの大きな再結合が生じるようになり、発生する光の波長が変化する現象である。つまり、しきい値が高いと発光波長がシフトする問題が生じる。半導体レーザダイオード1ではしきい値が低いため、この発光波長シフトの発生が抑制される。
As described above, the
半導体レーザダイオード1は、第2の反射膜40の上面の露出した領域を出力面41とし、活性層30で発生した偏光である出力光Lを、出力面41から半導体レーザダイオードの外部に出力する。そのため、半導体レーザダイオード1は、第2電極60が直接プリント基板等と接続するようにフリップチップ実装される。また、図示を省略するが、第2電極60に配置されるボンディングパッドとプリント基板とが、ボンディングワイヤー等で電気的に接続される。
The
以下に、半導体レーザダイオード1の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体レーザダイオード1の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
Below, the manufacturing method of the
(イ)MOCVD法等を用いて、GaN基板10の主面11上に、第1の反射膜20、活性層30、及び第2の反射膜40をエピタキシャル成長させる。
(A) The first
(ロ)第2の反射膜40上に第2電極60を構成する導電層膜を形成する。そして、リフトオフ法等を用いて導電層膜の一部を除去して第2電極60を形成すると同時に、露出させた第2の反射膜40の一部として出力面41を形成する。更に、GaN基板10の裏面に第1電極50を形成する。第1電極50には、例えばアルミニウム(Al)膜や、Al−チタン(Ti)−金(Au)の積層体等が採用可能である。また、第2電極60は、例えばパラジウム(Pd)−金(Au)の積層体等が採用可能である。
(B) A conductive layer film constituting the
上記のように、半導体レーザダイオード1では、第1の反射膜20、活性層30、及び第2の反射膜40を同一の成長炉で連続して形成できる。そのため、プロセス時間を短縮できる。
As described above, in the
以上に説明したように、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザダイオード1は、半極性面を主面とする活性層30と、この活性層30を第1の反射膜20と第2の反射膜40とで挟んだ構造を有する。このため、半導体レーザダイオード1においては、活性層30で発生した偏光の偏光状態が保たれた出力光Lが、GaN基板10の主面11と垂直な方向に出力される。つまり、劈開面にできないGaN基板10の側面を出力面にしないため、しきい値の上昇が抑制され、高効率且つ発光波長のシフトが少ない半導体レーザダイオード1を提供できる。
As described above, the
また、半極性面は極性面や非極性面に比べてInGaNにおけるInの組成比を高くできるため、半導体レーザダイオード1にInの組成比の高いInGaN層を含む活性層30を採用することにより、500nm以上の波長領域で偏光を出力できる。例えば、半導体レーザダイオード1は緑色の光を出力可能であり、赤色、及び青色の光と併せてRGB発光源を実現できる。このRGB発光源を利用して、半導体レーザダイオードを用いた小型のディスプレイやプロジェクタ等を実現できる。
Moreover, since the semipolar plane can increase the In composition ratio in InGaN compared to the polar plane and the nonpolar plane, by adopting an active layer 30 including an InGaN layer having a high In composition ratio in the
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザダイオード1Aは、図6に示すように、GaN基板10の主面11上に活性層30が形成されて、活性層30上に透明電極である第2電極60が配置されている。そして、GaN基板10の裏面に第1の反射膜20が配置され、第2電極60上に第2の反射膜40が配置されていることが、図1に示した半導体レーザダイオード1と異なる。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 6, the
半導体レーザダイオード1Aでは、第1の反射膜20及び第2の反射膜40それぞれが、互いに屈折率の異なる複数の絶縁膜を交互に積層した構造である。このため第1電極50はGaN基板10の主面11上に活性層30と離間して配置され、第1電極50からGaN基板10を経由して第1導電型のキャリアが活性層30に供給される。また、第2電極60から第2導電型のキャリアが活性層30に直接供給される。
In the
図6に示すように、活性層30の側面及び上面の一部を覆うように絶縁膜70が配置される。そして、絶縁膜70に設けられた開口部において第2電極60が活性層30に接する。つまり、活性層30と第2電極60との接触面積を制限して電流狭窄が行われる。
As shown in FIG. 6, an insulating
第2電極60は、例えば酸化亜鉛(ZnO)やインジウム−スズ酸化物(ITO)等の透明電極が採用可能である。また、絶縁膜70には、例えばジルコニア(ZrO2)膜や、酸化シリコン(SiO2)膜等が採用可能である。
As the
第1の反射膜20及び第2の反射膜40は、例えば、膜厚がλ2/(4n1)のZrO2膜と、膜厚がλ2/(4n2)のSiO2膜とを交互に複数回繰り返し積層して形成される。ここで、λは発光波長、n1はZrO2の屈折率、n2はSiO2の屈折率である。半導体レーザダイオード1Aにおいても、発光波長λに対応して、第1の反射膜20の反射率が第2の反射膜40より大きく設定される。例えばZrO2膜とSiO2膜のペア数を調整する等して、第2の反射膜40の反射率を97%程度、第1の反射膜20の反射率を100%若しくはそれに近い反射率にする。第1の反射膜20及び第2の反射膜40は、例えばスパッタ法等により形成される。
The first
第2電極60は透明電極であるため、活性層30で発生した偏光は、GaN基板10、活性層30、第2電極60を共振路として、第1の反射膜20と第2の反射膜40との間を往復しながら増幅される。そして、増幅された偏光の一部が、第2の反射膜40を透過して、第2の反射膜40の上面の出力面41から半導体レーザダイオード1Aの外部に出力される。
Since the
本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザダイオード1Aは、半極性面を主面とする活性層30と、この活性層30を絶縁膜を積層した構造の第1の反射膜20と第2の反射膜40とで挟んだ構造を有する。半導体レーザダイオード1Aにおいては、活性層30で発生した偏光が、GaN基板10の主面11と垂直な方向に出力される。このため、しきい値の上昇を抑制しつつ、偏光が出力される。半導体レーザダイオード1Aでは、第1の反射膜20と第2の反射膜40として窒化物半導体を成長させた場合に比べて、クラックや欠陥の発生を抑制できる。他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
The
(第3の実施の形態)
図7に示す本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザダイオード1Bは、第1の反射膜20が、互いに屈折率の異なる複数の窒化物半導体を交互に積層した構造を有し、第2の反射膜40が、互いに屈折率の異なる複数の絶縁膜を交互に積層した構造を有する。
(Third embodiment)
In the semiconductor laser diode 1B according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 7, the first
このため、図1に示した半導体レーザダイオード1と同様に、活性層30とGaN基板10の主面11との間に第1の反射膜20が配置され、GaN基板10の裏面に第1電極50が配置される。また、第2の反射膜40は、図6に示した半導体レーザダイオード1Aと同様に、絶縁膜70に設けられた開口部において活性層30と接する第2電極60上に配置される。第2電極60は透明電極である。そして、活性層30と第2電極60との接触面積を制限して電流狭窄が行われる。
Therefore, similarly to the
第2電極60には、例えばZnOやITO等が採用可能である。また、絶縁膜70には、例えばZrO2膜や、SiO2膜等が採用可能である。
For example, ZnO or ITO can be used for the
第1の反射膜20には、第1の実施の形態で説明したように、例えばAl0.30GaN膜とGaN膜を交互に複数回繰り返し積層した構造が採用可能である。第2の反射膜40には、第2の実施の形態で説明したように、例えばZrO2膜とSiO2膜とを交互に複数回繰り返し積層した構造が採用可能である。半導体レーザダイオード1Bにおいても、発光波長λに対応して、第1の反射膜20の反射率が第2の反射膜40より大きく設定される。
As described in the first embodiment, for example, a structure in which an Al 0.30 GaN film and a GaN film are alternately and repeatedly stacked a plurality of times can be employed for the first
活性層30で発生した偏光は、活性層30及び第2電極60を共振路として、第1の反射膜20と第2の反射膜40との間を往復しながら増幅される。そして、増幅された偏光の一部が、第2の反射膜40を透過して、第2の反射膜40の上面の出力面41から半導体レーザダイオード1Bの外部に出力される。
Polarized light generated in the active layer 30 is amplified while reciprocating between the first
本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザダイオード1Bは、半極性面を主面とする活性層30を、窒化物半導体を積層した構造の第1の反射膜20と、絶縁膜を積層した構造の第2の反射膜40とで挟んだ構造を有する。半導体レーザダイオード1Bにおいては、活性層30で発生した偏光が、GaN基板10の主面11と垂直な方向に出力される。このため、しきい値の上昇を抑制しつつ、偏光が出力される。半導体レーザダイオード1Bでは、第1の反射膜20と第2の反射膜40の一方を絶縁膜の積層して形成することにより、両方を窒化物半導体を成長させた構造とする場合に比べて、クラックや欠陥の発生を抑制できる。他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
The semiconductor laser diode 1B according to the third embodiment of the present invention includes an active layer 30 having a semipolar plane as a main surface, a first
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1乃至第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、活性層30が量子井戸構造でなく、ダブルヘテロ構造であってもよい。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to third embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. For example, the active layer 30 may have a double hetero structure instead of a quantum well structure.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1、1A、1B…半導体レーザダイオード
10…GaN基板
11…主面
20…第1の反射膜
30…活性層
31…下側バリア層
32…量子井戸層
321…バリア層
322…井戸層
33…上側バリア層
40…第2の反射膜
41…出力面
50…第1電極
60…第2電極
70…絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記主面と平行に配置された第1の反射膜と、
前記活性層を挟んで前記第1の反射膜と対向して配置された第2の反射膜と
を備えることを特徴とする半導体レーザダイオード。 An active layer made of a nitride semiconductor having a semipolar plane as a main surface;
A first reflective film disposed parallel to the main surface;
A semiconductor laser diode, comprising: a second reflective film disposed opposite to the first reflective film with the active layer interposed therebetween.
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