JP2010003887A - 半導体レーザ、半導体レーザの製造方法、光ディスク装置および光ピックアップ - Google Patents

半導体レーザ、半導体レーザの製造方法、光ディスク装置および光ピックアップ Download PDF

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Abstract

【課題】高温動作時の拡散電流による可飽和吸収領域の透明化あるいは低減によるセルフパルセーション動作の弱化あるいは停止を防止し、かつ近視野像のパターンの不安定性を改善し、要求されるセルフパルセーション動作特性と静特性とを両立させる。
【解決手段】C面からなる第1の平面領域11aと半極性面からなる第2の平面領域11bとC面からなる第3の平面領域11cとを主面に有するn型GaN基板11上にレーザ構造を形成するGaN系半導体層12を成長させる。第2の平面領域11bの上方の部分のGaN系半導体層12にリッジストライプ13を形成する。リッジストライプ13に対応する部分の活性層12bのIn組成よりもリッジストライプ13の両脇の部分の活性層12bのIn組成が高く、あるいは、リッジストライプ13に対応する部分の活性層12bの厚さよりもリッジストライプ13の両脇の部分の活性層12bの厚さが大きい。
【選択図】図1

Description

この発明は、半導体レーザ、半導体レーザの製造方法、光ピックアップおよび光ディスク装置に関し、特に、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザならびにこの半導体レーザを光源に用いる光ディスク装置および光ピックアップに適用して好適なものである。
半導体レーザにおいてセルフパルセーション(自励発振)動作を実現するためには、半導体レーザの内部に可飽和吸収領域を設けることが必要である。この可飽和吸収領域の設け方として、動作時に電流が注入されない、リッジストライプの両脇の部分の活性層に可飽和吸収領域を形成する方法がある。この方法では、活性層面内におけるリッジストライプの中央部とリッジストライプの両側の部分との間の実効屈折率差Δnを小さく設定することにより可飽和吸収領域を形成する(ウィークリー・インデックス・ガイド構造)。このために、リッジストライプを低く(浅く)形成し、リッジストライプの両側の部分の底面と活性層の上面との間の距離を大きくする。このような方法でセルフパルセーション動作を実現する窒化物系III−V族化合物半導体系半導体レーザが提案されている(例えば、特許文献1、2参照。)。
特開2000−277859号公報 特開2001−274514号公報
しかしながら、上述の従来のセルフパルセーション半導体レーザにおいては、十分な可飽和吸収領域を形成したとき、横方向(活性層面内でリッジストライプに垂直な方向)に光が大きく染み出すため、近視野像(NFP)が横方向に大きく歪んでしまうという問題が発生する。また、横方向に光を大きく染み出させることから、横方向の無効電流が大きくなる傾向がある。この結果、半導体レーザのしきい値電流が増加し、同時に相対雑音強度(RIN)も劣化する。さらに、半導体レーザの高温動作時においては、拡散電流の増加により過飽和吸収領域が透明化あるいは低減され、セルフパルセーション動作の弱化あるいは停止を招くという問題があった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、高温動作時の拡散電流による可飽和吸収領域の透明化あるいは低減によるセルフパルセーション動作の弱化あるいは停止を防止し、かつ近視野像のパターンの不安定性の改善を図ることができ、要求されるセルフパルセーション動作特性と静特性との両立を容易に図ることができる、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザおよびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の優れた半導体レーザを光源に用いた光ディスク装置および光ピックアップを提供することである。
上記課題および他の課題は、添付図面を参照した本明細書の記述から明らかとなるであろう。
上記課題を解決するために、第1の発明は、
C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板と、
上記窒化物系III−V族化合物半導体基板の上記主面上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
上記活性層上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを有し、
上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザである。
第2の発明は、
C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板の上記主面上に、窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを順次成長させる工程と、
上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを形成する工程とを有する半導体レーザの製造方法である。
この半導体レーザの製造方法においては、少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層の成長速度は、それぞれC面からなる第1の平面領域および第3の平面領域上では、これらの第1の平面領域および第3の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域上に比べて大きい。また、この活性層のIn組成は、第1の平面領域および第3の平面領域上では第2の平面領域上に比べて大きくなる。この結果、リッジストライプに対応する部分の活性層のIn組成よりもリッジストライプの両脇の部分の活性層のIn組成が高くなり、あるいは、リッジストライプに対応する部分の活性層の厚さよりもリッジストライプの両脇の部分の活性層の厚さが大きくなる。この活性層のIn組成および厚さは、第1の平面領域および第3の平面領域から第2の平面領域にかけて徐々に変化する。
第3の発明は、
C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板と、
上記窒化物系III−V族化合物半導体基板の上記主面上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
上記活性層上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを有し、
上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザを光源に用いた光ディスク装置である。
第4の発明は、
C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板と、
上記窒化物系III−V族化合物半導体基板の上記主面上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
上記活性層上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを有し、
上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザを光源に用いた光ピックアップである。
第1〜第4の発明においては、典型的には、リッジストライプの中央部からリッジストライプの両側に向かって活性層のIn組成が増加し、および/または、リッジストライプの中央部からリッジストライプの両側に向かって活性層の厚さが増加する。第2の平面領域を構成する半極性面は、具体的には、{11−2n}面(nは1以上の整数、すなわちn=1、2、3、…)または{1−10n}面(nは1以上の整数、すなわちn=1、2、3、…)からなる。半極性面が{11−2n}面からなる場合のリッジストライプの延在方向は〈1−100〉であり、半極性面が{1−10n}面からなる場合のリッジストライプの延在方向は〈11−20〉である。
図9および図10に、窒化物系III−V族化合物半導体の極性面、非極性面および半極性面の関係を示す。ここで、極性面にはC軸が直交し、非極性面はC軸に平行であり、半極性面はC軸と交わる。極性面はC面、非極性面はA面およびM面、半極性面は上記のように{11−2n}面または{1−10n}面である。
第1のクラッド層および第2のクラッド層の一方はn側クラッド層、他方はp側クラッド層である。活性層は、典型的には、少なくともInおよびGaを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる。
窒化物系III−V族化合物半導体は、最も一般的には、AlX y Ga1-x-y-z Inz Asu 1-u-v v (ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦x+y+z<1、0≦u+v<1)からなり、より具体的には、AlX y Ga1-x-y-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z<1)からなり、典型的には、AlX Ga1-x-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦z≦1)からなり、具体例を挙げると、GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN、AlGaInNなどからなるが、これに限定されるものではない。少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体、典型的には少なくともInおよびGaを含む窒化物系III−V族化合物半導体は、AlX y Ga1-x-y-z Inz Asu 1-u-v v (ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z≦1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦x+y+z<1、0≦u+v<1)からなり、より具体的には、AlX y Ga1-x-y-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0<z≦1、0≦x+y+z<1)からなり、典型的には、AlX Ga1-x-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0<z≦1)からなり、具体例を挙げると、InGaN、AlGaInNなどからなるが、これに限定されるものではない。
窒化物系III−V族化合物半導体は、典型的には、有機金属化学気相成長(MOCVD)、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長(HVPE)、分子線エピタキシー(MBE)などの各種のエピタキシャル成長法により成長させることができるが、これに限定されるものではない。
半導体レーザの発振波長(発光波長)は、主として、リッジストライプの中央部の活性層の組成、特にIn組成によって決まる。半導体レーザの発振波長(発光波長)は特に制限されず、例えば、青色、緑色、赤色のいずれの波長であってもよい。
C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板は、例えば、C面からなる平坦な主面を有する窒化物系III−V族化合物半導体基板の主面上に選択成長を行ったり、この主面に対して選択エッチングを行ったりすることにより製造することができる。
第3の発明による光ディスク装置には、再生(読み出し)専用のもの、記録(書き込み)専用のもの、再生および記録が可能なもののいずれも含まれ、再生および/または記録の方式も特に問わない。この光ディスク装置は、再生光学系あるいは記録光学系あるいはそれらの両者を有する。第4の発明による光ピックアップはこのような光ディスク装置に用いて好適なものである。
第5の発明は、
窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
上記活性層上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
上記第1のクラッド層の上面は、C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを有し、
上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを有し、
上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザである。
この半導体レーザにおいては、第1のクラッド層は典型的には窒化物系III−V族化合物半導体基板上に設けられるが、この窒化物系III−V族化合物半導体基板は場合によってはなくてもよい。
第6の発明は、
窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
上記活性層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
レーザストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記レーザストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記レーザストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記レーザストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザである。
この半導体レーザにおいては、第1のクラッド層は典型的には窒化物系III−V族化合物半導体基板上に設けられるが、この窒化物系III−V族化合物半導体基板は場合によってはなくてもよい。また、窒化物系III−V族化合物半導体基板の主面あるいは第1のクラッド層の上面は、C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを有してもよいし、有していなくてもよい。レーザストライプは、リッジストライプだけでなく、埋め込み層を用いた電流狭窄構造を有するものであってもよい。
第5および第6の発明においては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、第1〜第4の発明に関連して説明したことが成立する。
上述のように構成された第1〜第5の発明においては、リッジストライプの両側面の直下の部分の近傍の活性層に可飽和吸収領域が形成される。リッジストライプに対応する部分の活性層のIn組成よりもリッジストライプの両脇の部分の活性層のIn組成が高い場合には、この可飽和吸収領域のうちのリッジストライプの両脇の部分のバンドギャップは、リッジストライプの中央部の活性層のバンドギャップより小さい。このため、この可飽和吸収領域のうちのリッジストライプの両脇の部分はリッジストライプの中央部の活性層からの光を吸収しやすい。また、リッジストライプに対応する部分の活性層の厚さよりもリッジストライプの両脇の部分の活性層の厚さが大きい場合には、この可飽和吸収領域のうちのリッジストライプの両脇の部分の体積は、この可飽和吸収領域のうちのリッジストライプの内部にある部分の体積よりも大きい。
この結果、活性層のIn組成および厚さがリッジストライプの内部とリッジストライプの両脇の部分とで同一の場合と異なり、横方向の実効屈折率差Δnの設定により可飽和吸収領域を形成する必要がなくなる。このため、リッジストライプの高さを十分に大きくすることができることにより、高温動作時の拡散電流による可飽和吸収領域の透明化あるいは低減の問題を解消することができる。さらに、リッジストライプの高さを十分に大きくすることができるため、上記の実効屈折率差Δnを十分に大きく設定することができることにより、横方向に光が大きく染み出すのを防止することができ、近視野像のパターンの不安定性を抑えることができる。
上述のように構成された第6の発明においては、レーザストライプの両側面の直下の部分の近傍の活性層に可飽和吸収領域が形成される。レーザストライプに対応する部分の活性層のIn組成よりもレーザストライプの両脇の部分の活性層のIn組成が高い場合には、この可飽和吸収領域のうちのレーザストライプの両脇の部分のバンドギャップは、レーザストライプの中央部の活性層のバンドギャップより小さい。このため、この可飽和吸収領域のうちのレーザストライプの両脇の部分はレーザストライプの中央部の活性層からの光を吸収しやすい。また、レーザストライプに対応する部分の活性層の厚さよりもレーザストライプの両脇の部分の活性層の厚さが大きい場合には、この可飽和吸収領域のうちのレーザストライプの両脇の部分の体積は、この可飽和吸収領域のうちのレーザストライプの内部にある部分の体積よりも大きい。
この結果、活性層のIn組成および厚さがレーザストライプの内部とレーザストライプの両脇の部分とで同一の場合と異なり、横方向の実効屈折率差Δnの設定により可飽和吸収領域を形成する必要がなくなる。このため、レーザストライプの高さを十分に大きくすることができることにより、高温動作時の拡散電流による可飽和吸収領域の透明化あるいは低減の問題を解消することができる。さらに、レーザストライプの高さを十分に大きくすることができることに加えて、可飽和吸収領域のうちのレーザストライプの両脇の部分がレーザストライプの中央部の活性層からの光を吸収しやすいため、上記の実効屈折率差Δnを十分に大きく設定することができることにより、横方向に光が大きく染み出すのを防止することができ、近視野像のパターンの不安定性を抑えることができる。
この発明によれば、高温動作時の拡散電流による可飽和吸収領域の透明化あるいは低減によるセルフパルセーション動作の弱化あるいは停止を防止し、かつ近視野像のパターンの不安定性の改善を図ることができ、要求されるセルフパルセーション動作特性と静特性との両立を容易に図ることができる半導体レーザを実現することができる。そして、この優れた半導体レーザを光ピックアップの光源に用いることにより、高性能の光ディスク装置を実現することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図1Aはこの発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザを示し、図1BはこのGaN系半導体レーザのn型GaN基板を示す断面図、図2AはこのGaN系半導体レーザの要部の拡大断面図である。このGaN系半導体レーザはリッジストライプ構造を有するものである。
図1AおよびBならびに図2Aに示すように、このGaN系半導体レーザは、n型GaN基板11の主面上にレーザ構造を形成するGaN系半導体層12を有する。このGaN系半導体層12は、n型GaN基板11側から順に、少なくとも、n側クラッド層12a、少なくともInを含む活性層12b、p側クラッド層12c、p型コンタクト層12dなどを有する。
この場合、n型GaN基板11の主面は、図1Bに示すように、C面からなる第1の平面領域11aと、この第1の平面領域11aに連続し、かつ第1の平面領域11aに対して所定の角度θ(0<θ<90°)だけ傾斜した半極性面からなる第2の平面領域11bと、この第2の平面領域11bに連続し、かつ第1の平面領域11aと平行で第1の平面領域11aに比べて高さがd低いC面からなる第3の平面領域11cとを有する。n側クラッド層12aの上面も、n型GaN基板11の主面と同様に、C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつ第1の平面領域に対して所定の角度θ(0<θ<90°)だけ傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを有する
半極性面からなる第2の平面領域11bの上方の部分のp側クラッド層12cの上部およびp型コンタクト層12dにリッジストライプ13が形成されている。この場合、リッジストライプ13の両側面の直下の部分の近傍の活性層12bが可飽和吸収領域SAとなる。
活性層12bのIn組成および厚さは、それぞれC面からなる第1の平面領域11aおよび第3の平面領域11c上の部分では一定であるが、半極性面からなる第2の平面領域11b上の部分では第1の平面領域11aおよび第3の平面領域11c上の部分に比べて小さく、第1の平面領域11aおよび第3の平面領域11cから第2の平面領域11bにかけて徐々に減少している。この結果、活性層12bのIn組成および厚さは、リッジストライプ13の中央部からこのリッジストライプ13の両側に向かって徐々に増加している。図2Bに、図2Aに対応して活性層12bのエネルギーバンド図を示す。図2Bにおいて、Ec は伝導帯の底のエネルギー、Ev は価電子帯の頂上のエネルギーを示す。図2Bに示すように、リッジストライプ13の中央部からこのリッジストライプ13の両側に向かって活性層12bのIn組成が徐々に増加していることに対応して、活性層12bのバンドギャップEg (=Ec −Ev )はリッジストライプ13の中央部からこのリッジストライプ13の両側に向かって徐々に減少している。
リッジストライプ13の延在方向は、〈1−100〉または〈11−20〉である。リッジストライプ13の延在方向が〈1−100〉である場合、半極性面からなる第2の平面領域11bは{11−2n}面(ただし、n=1、2、3、…)、具体的には{11−21}面、{11−22}面、{11−23}面などからなる。リッジストライプ13の延在方向が〈11−20〉である場合、半極性面からなる第2の平面領域11bは{1−10n}面(ただし、n=1、2、3、…)、具体的には{1−101}面、{1−102}面、{1−103}面などからなる。第2の平面領域11bの幅は例えば2〜10μmであるが、これに限定されるものではない。
リッジストライプ13の両側面およびリッジストライプ13の両側の部分のp側クラッド層12c上には、例えばSiO2 膜およびその上の例えばアンドープのSi膜からなる絶縁膜14が設けられている。リッジストライプ13の上部のp型コンタクト層12d上にこのp型コンタクト層12dと電気的にコンタクトしてp側電極15が形成されている。p側電極15としては、例えば、Pdからなるものが用いられるが、これに限定されるものではない。
n型GaN基板11の裏面にn側電極16が電気的にコンタクトして形成されている。n側電極16としては、例えば、Ti/Pt/Au構造のものが用いられ、Ti膜、Pt膜およびAu膜の厚さは例えばそれぞれ15nm、50nmおよび300nmであるが、これに限定されるものではない。
レーザ構造を形成するGaN系半導体層12の具体例を挙げると、n型GaN基板11側から順に、n型AlGaNクラッド層、n型GaN光導波層、アンドープのGa1-x Inx N(量子井戸層)/Ga1-y Iny N(障壁層、x>y)多重量子井戸構造の活性層、アンドープInGaN光導波層、アンドープAlGaN光導波層、p型AlGaN電子障壁層、p型GaN/アンドープAlGaN超格子クラッド層およびp型GaNコンタクト層である。ここで、これらの層の厚さの一例を挙げると、n型AlGaNクラッド層は1200nm、n型GaN光導波層は12nm、活性層の井戸層は3.5nm(井戸数は3)、障壁層は7nm、アンドープInGaN光導波層は40nm、アンドープAlGaN光導波層は60nm、p型AlGaN電子障壁層は10nm、p型GaN/AlGaN超格子クラッド層は400nmである。また、n型AlGaNクラッド層のAl組成は例えば0.05、アンドープInGaN光導波層のIn組成は例えば0.02、アンドープAlGaN光導波層のAl組成は例えば0.02、p型AlGaN電子障壁層のAl組成は例えば0.2、p型GaN/AlGaN超格子クラッド層のAlGaN層のAl組成は例えば0.08である。
次に、上述のように構成されたGaN系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、図3Aに示すように、一方向に延在する凸部11dが互いに平行に複数設けられた周期的凹凸構造を主面に有するn型GaN基板11を用意する。凸部11dは台形状の断面形状を有し、上面はC面からなる第1の平面領域11a、凸部11dの間の溝部の底面はC面からなる第3の平面領域11c、凸部11dの両側面は第1の平面領域11aに対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域11bである。凸部11dの上面の幅w1 、凸部11dの両側面の幅w2 および凸部11dの間の溝部の底面の幅w3 は、例えば2〜10μmであるが、これに限定されるものではない。
次に、図3Bに示すように、このn型GaN基板11の主面上に、例えば有機金属化学気相成長(MOCVD)法により、レーザ構造を形成するGaN系半導体層12をエピタキシャル成長させる。具体的には、例えば、n型AlGaNクラッド層、n型GaN光導波層、アンドープのGa1-x Inx N/Ga1-y Iny N多重量子井戸構造の活性層、アンドープInGaN光導波層、アンドープAlGaN光導波層、p型AlGaN電子障壁層、p型GaN/アンドープAlGaN超格子クラッド層およびp型GaNコンタクト層を順次エピタキシャル成長させる。
このとき、Inを含む活性層12bは、それぞれC面からなる第1の平面領域11aおよび第3の平面領域11c上の部分ではIn組成および厚さが一定となるが、半極性面からなる第2の平面領域11b上の部分では第1の平面領域11aおよび第3の平面領域11c上の部分に比べてIn組成および厚さとも小さくなり、第1の平面領域11aおよび第3の平面領域11cから第2の平面領域11bにかけてIn組成および厚さが徐々に減少する。
ここで、Inを含まない層であるn型AlGaNクラッド層、n型GaN光導波層、アンドープAlGaN光導波層、p型AlGaN電子障壁層、p型GaN/アンドープAlGaN超格子クラッド層およびp型GaNコンタクト層の成長温度は例えば900〜1100℃程度とし、Inを含む層であるGa1-x Inx N/Ga1-y Iny N多重量子井戸構造の活性層およびアンドープInGaN光導波層の成長温度は例えば700〜800℃とするが、これに限定されるものではない。
これらのGaN系半導体層の成長原料は、例えば、Gaの原料としてはトリエチルガリウム((C2 5 3 Ga、TEG)またはトリメチルガリウム((CH3 3 Ga、TMG)、Alの原料としてはトリメチルアルミニウム((CH3 3 Al、TMA)、Inの原料としてはトリエチルインジウム((C2 5 3 In、TEI)またはトリメチルインジウム((CH3 3 In、TMI)を、Nの原料としてはアンモニア(NH3 )を用いるが、これに限定されるものではない。ドーパントについては、n型ドーパントとしては例えばシラン(SiH4 )を、p型ドーパントとしては例えばビス(メチルシクロペンタジエニル)マグネシウム((CH3 5 4 2 Mg)、ビス(エチルシクロペンタジエニル)マグネシウム((C2 5 5 4 2 Mg)あるいはビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム((C5 5 2 Mg)を用いるが、これに限定されるものではない。また、上記のGaN系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、例えば、H2 ガスが用いられるが、これに限定されるものではない。III族元素の原料に対するV族元素の原料の流量比(V/III比)は一般的には103 〜106 (例えば、105 程度)であるが、これに限定されるものではない。また、成長時の圧力は例えば760Torr(常圧)であるが、これに限定されるものではない。
次に、GaN系半導体層12の全面に例えばSiO2 膜などの絶縁膜(図示せず)を形成した後、この絶縁膜をエッチングにより所定形状にパターニングする。次に、図3Cに示すように、この絶縁膜をエッチングマスクとして用いて反応性イオンエッチング(RIE)法などのドライエッチング法によりp型コンタクト層12dおよびp側クラッド層12cの上部をエッチングしてリッジストライプ13を形成する。
次に、このエッチングマスクとして用いた絶縁膜を残したまま全面に例えばSiO2 膜および例えばアンドープのSi膜を順次形成した後、リッジストライプ13上の部分にあるこれらの膜を選択的にエッチング除去し、リッジストライプ13の上面を露出させる。こうして、リッジストライプ13の両側面およびこのリッジストライプ13の両側の部分のp側クラッド層12d上に絶縁膜14が形成される。次に、p型コンタクト層12d上にp側電極15を形成する。
次に、必要に応じて、n型GaN基板11をその裏面から研磨することにより、所定の厚さに薄膜化する。次に、例えばリフトオフ法によりn型GaN基板1の裏面の各チップ領域にn側電極16を形成する。
次に、上述のようにしてレーザ構造が形成されたn型GaN基板11を劈開したりすることなどによりレーザバーを形成して両共振器端面を形成する。次に、これらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このレーザバーを劈開したりすることなどによりチップ化する。
以上により、目的とするGaN系半導体レーザが製造される。
次に、図3Aに示すn型GaN基板11の製造方法について説明する。
図4Aに示すように、まず、主面がC面からなる平坦なn型GaN基板11の主面上に、一方向に延在するストライプ形状の成長マスク17を形成する。この成長マスク17としては二酸化シリコン(SiO2 )膜や窒化シリコン(SiN)膜などを用いることができるが、これに限定されるものではない。この成長マスク17の長手方向はn型GaN基板11の〈1−100〉方向または〈11−20〉方向とする。
次に、図4Bに示すように、例えばMOCVD法により、成長マスク17を用いてn型GaN基板11上にn型GaN層18をエピタキシャル成長させる。この場合、成長マスク17に覆われていない部分のn型GaN基板11上に選択的に台形状の断面形状を有するn型GaN層18がエピタキシャル成長する。成長マスク17の長手方向がn型GaN基板11の〈1−100〉である場合、このn型GaN層18の斜面からなる両側面は半極性面である{11−2n}面(ただし、n=1、2、3、…)からなる。成長マスク17の長手方向がn型GaN基板11の〈11−20〉である場合、このn型GaN層17の斜面からなる両側面は半極性面である{1−10n}面(ただし、n=1、2、3、…)からなる。いずれの場合も、n型GaN層18の上面はn型GaN基板11の主面と平行なC面からなる。
次に、成長マスク17を除去した後、図4Cに示すように、台形状の断面形状を有するn型GaN層18の上面にこの上面と同一平面形状の成長マスク19を形成する。この成長マスク19としては成長マスク17と同様なものを用いることができる。
次に、図5Aに示すように、成長マスク19を用いて、n型GaN基板11上にn型GaN層18をC面が優先的に成長するようにエピタキシャル成長させる。こうして、n型GaN層18の間の部分のn型GaN基板11の上にn型GaN層18がエピタキシャル成長する。
次に、図5Bに示すように、成長マスク19を除去する。こうして、図3Aに示すn型GaN基板11が製造される。
図3Aに示すn型GaN基板11は次のような方法により製造することもできる。
図6Aに示すように、まず、主面がC面からなる平坦なn型GaN基板11の主面上に、一方向に延在するストライプ形状のエッチングマスク20を形成する。このエッチングマスク20としては例えばレジスト膜を用いることができるが、これに限定されるものではない。このエッチングマスク20の長手方向はn型GaN基板11の〈1−100〉または〈11−20〉とする。
次に、図6Bに示すように、このエッチングマスク20を用いてn型GaN基板11を例えばRIE法によりエッチングすることにより、両側面が半極性面である{11−2n}面(ただし、n=1、2、3、…)または{1−10n}面(ただし、n=1、2、3、…)からなり、底面がC面からなる溝21を形成する。ここで、RIEのエッチングモードの選択により、溝21の両側面の傾斜角を任意に決めることができる。
この後、図6Cに示すように、エッチングマスク20を有機溶媒、例えばアセトンなどにより除去する。こうして、図3Aに示すn型GaN基板11が製造される。
この第1の実施形態によれば、次のような利点を得ることができる。すなわち、この第1の実施形態においては、リッジストライプ13に対応する部分の活性層12bのIn組成よりもリッジストライプ13の両脇の部分の活性層12bのIn組成が高い。かつ、リッジストライプ13に対応する部分の活性層12bの厚さよりもリッジストライプ13の両脇の部分の活性層12bの厚さが大きい。このため、可飽和吸収領域SAのうちのリッジストライプ13の両脇の部分の体積は、可飽和吸収領域SAのうちのリッジストライプ13の内部の体積に比べて大きい。かつ、可飽和吸収領域SAのうちのリッジストライプ13の両脇の部分のバンドギャップは、可飽和吸収領域SAのうちのリッジストライプ13の内部にある部分のバンドギャップより小さいので、リッジストライプ13の中央部の活性層12bからの光を吸収しやすい。この結果、活性層12bのIn組成および厚さがリッジストライプ13の内部とリッジストライプ13の両脇の部分とで互いに同一である場合のように、リッジストライプ13の高さを低くして横方向の実効屈折率差Δnを小さく設定することにより可飽和吸収領域を確保する必要がなくなる。これにより、リッジストライプ13の高さを十分に大きくすることが可能となるため、拡散電流による高温動作特性の不安定性を回避することができる。また、リッジストライプ13の両脇の部分の活性層12bのIn組成は大きいことから、リッジストライプ13の高さを十分に大きくすることができることと、リッジストライプ13の両脇の部分の活性層12bで十分な光吸収が起きることとにより、近視野像のパターンの不安定性を解消することができるとともに、横方向に光が大きく染み出すのを防止することができるため無効電流を小さくすることができ、しきい値電流の低減および相対雑音強度の悪化防止を図ることができる。また、活性層12bのIn組成はC面からなる第1の平面領域11a、11c上では反極性面からなる第2の平面領域11b上に比べて大きくなるため、第1の平面領域11a、11c上の部分の活性層12bにInの偏析による欠陥が発生し、可飽和吸収領域SAにおけるキャリアの寿命を短くすることができることから、強いセルフパルセーション動作を実現することができる。以上により、高温動作時の拡散電流による可飽和吸収領域の透明化あるいは低減によるセルフパルセーション動作の弱化および停止を防止し、かつ近視野像のパターンの不安定性の改善を図ることができ、要求されるセルフパルセーション動作特性と静特性との両立を容易に図ることができるGaN系半導体レーザを実現することができる。
この第1の実施形態によれば、次のような効果を得ることもできる。主面がC面からなるn型GaN基板上にレーザ構造を形成するGaN系半導体層をエピタキシャル成長させたGaN系半導体レーザでは、動作時に活性層に注入される電子および正孔(ホール)の波動関数が、ピエゾ電界によるシュタルク効果により活性層の面に垂直な方向に互いに分離され、発光効率の低下を招くことが知られている。これに対し、この第1の実施形態では、反極性面からなる第2の平面領域11b上にリッジストライプ13が形成されているため、電子および正孔が注入される部分の活性層12bに印加されるピエゾ電界を低減することができ、それによってGaN系半導体レーザの発光効率の向上を図ることができる。
このGaN系半導体レーザは、例えば、光ディスク装置の光源に用いて好適なものである。
次に、この発明の第2の実施形態によるGaN系半導体レーザについて説明する。
図7に示すように、このGaN系半導体レーザは、C面からなる平坦な主面を有するn型GaN基板11の主面上にレーザストライプを構成するリッジ形状のGaN系半導体層12を有する。第1の実施形態と同様に、このGaN系半導体層12は、n型GaN基板11側から順に、少なくとも、n側クラッド層12a、少なくともInを含む活性層12b、p側クラッド層12c、p型コンタクト層12dなどを有する。
リッジ形状のGaN系半導体層12の両側の部分におけるn型GaN基板11上には、p型埋め込み層22、活性層12eおよびn型埋め込み層23が順次積層されている。ここで、p型埋め込み層22はn側クラッド層12aの両側の部分に設けられ、活性層12eは活性層12bの両側の部分に設けられ、n型埋め込み層23はp側クラッド層12cおよびp型コンタクト層12dの両側の部分に設けられている。p型埋め込み層22はn側クラッド層12aとほぼ同一の屈折率を有するGaN系半導体、例えばAlGaNからなる。同様に、n型埋め込み層23はp側クラッド層12cとほぼ同一の屈折率を有するGaN系半導体、例えばAlGaNからなる。活性層12eは、例えば、アンドープのGa1-x Inx N(量子井戸層)/Ga1-y Iny N(障壁層、x>y)多重量子井戸構造を有する。
活性層12eのIn組成および厚さは、レーザストライプの活性層12bのIn組成および厚さに比べて大きい。このため、活性層12eのバンドギャップは活性層12bのバンドギャップに比べて小さい。この場合、レーザストライプの両側面の近傍の部分の活性層12bおよび活性層12eが可飽和吸収領域SAとなる。
p型コンタクト層12d上にはp側電極15がこのp型コンタクト層12dと電気的にコンタクトして形成されている。また、n型GaN基板11の裏面にn側電極16が電気的にコンタクトして形成されている。
次に、上述のように構成されたGaN系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、図8Aに示すように、主面がC面からなる平坦なn型GaN基板11の主面上に、例えばMOCVD法により、レーザ構造を形成するGaN系半導体層12をエピタキシャル成長させる。次に、このGaN系半導体層12上に、一方向に延在するストライプ形状のエッチングマスク24を形成する。このエッチングマスク24としては、例えばSiO2 膜やSiN膜などを用いることができるが、これに限定されるものではない。
次に、図8Bに示すように、このエッチングマスク24を用いてGaN系半導体層12を例えばRIE法によりn型GaN基板11が露出するまでエッチングすることによりリッジ形状とする。
次に、図8Cに示すように、エッチングマスク24を成長マスクに用いて、例えばMOCVD法により、リッジストライプ13の両側の部分のn型GaN基板11上に、p型埋め込み層22、活性層12eおよびn型埋め込み層23を順次エピタキシャル成長させる。
次に、エッチングマスク24をエッチング除去する。
この後、第1の実施形態と同様にして、p型コンタクト層12d上へのp側電極15の形成、n型GaN基板11の裏面へのn側電極16の形成などの必要な工程を実行し、目的とするGaN系半導体レーザを製造する。
この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、高温動作時の拡散電流による可飽和吸収領域の透明化あるいは低減によるセルフパルセーション動作の弱化あるいは停止を防止し、かつ近視野像の不安定性の改善を図ることができ、要求されるセルフパルセーション動作特性と静特性との両立を容易に図ることができるGaN系半導体レーザを実現することができる。
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、形状、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、プロセスなどを用いてもよい。
この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザおよびこのGaN系半導体レーザを構成するn型GaN基板を示す断面図である。 この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの要部の拡大断面図およびこのGaN系半導体レーザの活性層のエネルギーバンド図である。 この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造に用いるn型GaN基板の製造方法の一例を説明するための断面図である。 この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造に用いるn型GaN基板の製造方法の一例を説明するための断面図である。 この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造に用いるn型GaN基板の製造方法の他の例を説明するための断面図である。 この発明の第2の実施形態によるGaN系半導体レーザを示す断面図である。 この発明の第2の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 窒化物系III−V族化合物半導体の極性面、非極性面および半極性面の関係を示す略線図である。 窒化物系III−V族化合物半導体の極性面、非極性面および半極性面の関係を示す略線図である。
符号の説明
11…n型GaN基板、11a…第1の平面領域、11b…第2の平面領域、11c…第3の平面領域、12…GaN系半導体層、12a…n側クラッド層、12b、12e…活性層、12c…p側クラッド層、12d…p型コンタクト層、13…リッジストライプ、14…絶縁膜、15…p側電極、16…n側電極、17、19…成長マスク、18…n型GaN層、20、24…エッチングマスク

Claims (11)

  1. C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板と、
    上記窒化物系III−V族化合物半導体基板の上記主面上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
    上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
    上記活性層上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
    上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを有し、
    上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザ。
  2. 上記リッジストライプの中央部から上記リッジストライプの両側に向かって上記活性層のIn組成が増加し、および/または、上記リッジストライプの中央部から上記リッジストライプの両側に向かって上記活性層の厚さが増加している請求項1記載の半導体レーザ。
  3. 上記半極性面は{11−2n}面(nは1以上の整数)または{1−10n}面(nは1以上の整数)からなる請求項2記載の半導体レーザ。
  4. 上記半極性面が{11−2n}面からなる場合の上記リッジストライプの延在方向は〈1−100〉であり、上記半極性面が{1−10n}面からなる場合の上記リッジストライプの延在方向は〈11−20〉である請求項3記載の半導体レーザ。
  5. C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板の上記主面上に、窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを順次成長させる工程と、
    上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを形成する工程とを有する半導体レーザの製造方法。
  6. 上記半極性面は{11−2n}面(nは1以上の整数)または{1−10n}面(nは1以上の整数)からなる請求項5記載の半導体レーザの製造方法。
  7. 上記半極性面が{11−2n}面からなる場合の上記リッジストライプの延在方向は〈1−100〉であり、上記半極性面が{1−10n}面からなる場合の上記リッジストライプの延在方向は〈11−20〉である請求項6記載の半導体レーザの製造方法。
  8. C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板と、
    上記窒化物系III−V族化合物半導体基板の上記主面上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
    上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
    上記活性層上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
    上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを有し、
    上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザを光源に用いた光ディスク装置。
  9. C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを主面に有する窒化物系III−V族化合物半導体基板と、
    上記窒化物系III−V族化合物半導体基板の上記主面上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
    上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
    上記活性層上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
    上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを有し、
    上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザを光源に用いた光ピックアップ。
  10. 窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
    上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
    上記活性層上の窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
    上記第1のクラッド層の上面は、C面からなる第1の平面領域と、この第1の平面領域に連続し、かつこの第1の平面領域に対して傾斜した半極性面からなる第2の平面領域と、この第2の平面領域に連続し、かつ上記第1の平面領域と平行なC面からなる第3の平面領域とを有し、
    上記第2の平面領域の上方の部分における上記第2のクラッド層にリッジストライプを有し、
    上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記リッジストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記リッジストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザ。
  11. 窒化物系III−V族化合物半導体からなる第1のクラッド層と、
    上記第1のクラッド層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる活性層と、
    上記活性層上の少なくともInを含む窒化物系III−V族化合物半導体からなる第2のクラッド層とを有し、
    レーザストライプに対応する部分の上記活性層のIn組成よりも上記レーザストライプの両脇の部分の上記活性層のIn組成が高く、および/または、上記レーザストライプに対応する部分の上記活性層の厚さよりも上記レーザストライプの両脇の部分の上記活性層の厚さが大きい半導体レーザ。
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