JP2010251804A - 半導体レーザ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 ｐ型半導体層の数を減らした窒化物系半導体レーザ構造体の提供。
【解決手段】 ｐ型半導体層２１６とｎ型半導体層２１８との間のｐ−ｎトンネル接合２２０は、エッジ発光型窒化物系半導体レーザ構造２００のための電流注入を提供する。このｐ−ｎトンネル接合２２０により、窒化物系半導体レーザ構造２００におけるｐ型半導体層の数が減り、それによって分散損失が低減され、閾値電流密度が低下し、全体的な直列抵抗が低下すると共に、より高い成長温度が可能となることによってレーザの構造的な品質が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化インジウムガリウムアルミニウム系エッジ発光レーザダイオード構造体に関し、詳細には、窒化インジウムガリウムアルミニウム系エッジ発光型レーザダイオード構造体の電流注入用のｐ−ｎトンネル接合に関する。

半導体レーザ又はレーザダイオードとも呼ばれる固体レーザは、当該技術分野で周知である。これらのデバイスは、一般的に、１つ以上の活性半導体層を有する平面多層半導体構造で構成され、該半導体構造の両側端部はミラーとして作用する劈開面となっている（bounded）。この構造において、活性層の一方の側の半導体層には、移動電子が過剰となるような不純物がドーピングされている。過剰な電子を有するこれらの層は、ｎ型（即ちネガティブ）と呼ばれる。この構造において、活性層の他方の側の半導体層には、移動電子が欠乏するような不純物がドーピングされており、従って、正孔と呼ばれる正に荷電された過剰なキャリアが生じる。過剰な正孔を有するこれらの層は、ｐ型（即ちポジティブ）と呼ばれる。

層構造のｐ側とｎ側との間に、電極を介して電位が与えられることにより、正孔または電子、あるいは両方を、平面層に対して垂直な方向に駆動してｐ−ｎジャンクションを横断させることで、それらを活性層に“注入”し、そこで電子が正孔と再結合して発光する。劈開ミラーによって光学フィードバックが与えられ、レーザ共鳴器内のこれらのミラーの間に、波面がミラーと平行な定在波が形成される。レーザ構造体において、活性層で生じる光学ゲインが光学損失を超える場合には、増幅された誘導放出が生じ、半導体レーザ構造体のミラーになったエッジを通してコヒーレントなレーザ光が放出される。

III族窒化物半導体、又はIII-V族窒化物半導体としても知られる窒化物系半導体は、周期表のIII族から選択されるＡｌ、Ｇａ及びＩｎ等の元素と、V族の元素Ｎとを有する。窒化物系半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の二元性化合物であってもよく、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）または窒化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＮ）の三元合金、及び窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＩｎＮ）等の四元合金であってもよい。これらの材料を基板上に付着させて、光電子デバイス用途の発光器として使用可能な積層半導体構造を製造する。窒化物系半導体は、緑−青−紫−紫外スペクトルの短波長の可視光の発光に必要な広いバンドギャップを有する。

ＩｎＧａＡｌＮ層のｐ型ドーピングは、ＧａＮ系デバイスの実現において重要な問題である。Ｍｇアクセプタのイオン化エネルギーは比較的高く（ＧａＮ中のＭｇでは〜２００ｍｅＶ）、Ａｌ含有率が高くなるにつれて更に高くなる（〜３ｍｅＶ/％Ａｌ）ので、ＡｌＧａＮ合金における高い正孔密度を達成するのは困難である。従って、ｐ型ドープ導波層及びクラッド層は、窒化物系レーザ構造体の直列抵抗に大きく寄与し、その結果、動作電圧が高くなる。現在のところで最良の紫色窒化物レーザにおいてさえも、動作電圧は５〜６Ｖ台であり、レーザ発光エネルギーよりも２〜３Ｖ高い。更に高いアルミニウム組成を必要とするＵＶレーザ及びＬＥＤでは、直列抵抗は更に高くなる。発光波長が約３４０ｎｍのＵＶレーザ構造体では、クラッド層に必要なＡｌの組成は約３０％である。ＡＧａＮ層におけるＭｇアクセプタの活性化エネルギーが増加すると、ＭｇドープＧａＮ膜と比較して、正孔密度が大幅に低下する。

更に、温度が低い方がＭｇ導入効率が向上するので、ＭｇドープＡｌＧａＮ層の最適な成長温度は、一般的に、Ｓｉドープ又はアンドープＡｌＧａＮ膜の成長温度よりも低い。しかし、より低い温度で成長させた場合、窒化物系半導体層の構造的な品質が低下し、III-V窒化物レーザ構造体の上部クラッド層及び上部導波層の構造的及び電子的な特性が劣化する。

更に、従来のＩｎＧａＡｌＮレーザダイオードでは、導波層としてはＧａＮ：Ｍｇ又はＩｎＧａＮ：Ｍｇが用いられ、上部クラッド層としては短周期ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層又はＭｇドープされたバルクＡｌＧａＮ層が用いられる。これらのＭｇドープ層は、特に窒化物系レーザが発光する青〜紫外スペクトルにおいて、顕著な吸収損失を有する。ＧａＮのバンドギャップ付近（＜４００ｎｍ）で動作するレーザダイオードでは、これによって分散損失が増加し、その結果、閾値電流密度が増加する。

本発明の目的は、ｐ型半導体層の数を減らした窒化物系半導体レーザ構造体の提供である。

本発明によれば、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間のｐ−ｎトンネル接合は、エッジ発光型窒化物系半導体レーザ構造体のための電流注入を提供する。このｐ−ｎトンネル接合により、窒化物系半導体レーザ構造体におけるｐ型半導体層の数が減り、それによって分散損失が低減され、閾値電流密度が低下し、全体的な直列抵抗が低下すると共に、より高い成長温度が可能となることによってレーザの構造的な品質が向上する。

本発明の、電流注入用のｐ−ｎトンネル接合を有する窒化物半導体レーザ構造体の側面図である。 図１のｐ−ｎトンネル接合を有する窒化物半導体レーザ構造体における、圧電界の強さｖｓＩｎＧａＮ層のインジウム含有率のグラフを示す図である。

次に、図１を参照すると、本発明による、電流注入用のｐ−ｎトンネル接合を有する窒化物系半導体レーザ構造体２００が示されている。

図１の窒化物系半導体レーザ構造体２００は、Ｃ−面（０００１）又はＡ−面（１１２０）配向のサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板２０２を有し、その上には、一連の半導体層がエピタキシによって付着されている。サファイア基板２０２の厚さは、一般的に２００ミクロン〜１０００ミクロンである。このサファイア基板は例示的なものであり、本発明のレーザ構造体２００に使用可能な他の基板としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）が挙げられる。

レーザ構造体２００は、サファイア基板２０２上に形成されたｎ型核生成層２０４を有する。一般的に、核生成層２０４は、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮ等の、二元又は三元のIII-V窒化物材料である。この例の核生成層２０４はアンドープＧａＮであり、一般的に１０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲の厚さを有する。

核生成層２０４上には、III-V窒化物コンタクト及び電流拡散層２０６が形成される。III-V窒化物層２０６は、横方向ｎ型コンタクト及び電流拡散層として作用するｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層である。コンタクト及び電流拡散層２０６の厚さは、一般的に約１μｍ〜約２０μｍである。或いは、III-V窒化物層２０６はｎ型ＡｌＧａＮ：Ｓｉであってもよい。

ＧａＮ又はＡｌＮのような基板を用いる場合には、核生成層は必要なく、コンタクト及び電流拡散層は、ＧａＮ又はＡｌＮ基板とクラッド層との間の遷移層として作用する。遷移層は、基板とクラッド層との間でＡｌ組成ｘに勾配がついた、勾配つきＡｌXＧａ1-XＮ層であってもよい。

コンタクト層２０６上には、III-V窒化物クラッド層２０８が形成される。III-V窒化物層２０８はｎ型ＡｌＧａＮ：Ｓｉクラッド層であり、この層のＡｌ含有率はコンタクト層２０６よりも高い。クラッド層２０８の厚さは、一般的に約０．２μｍ〜約２μｍである。

クラッド層２０８上には、III-V窒化物導波層２１０が形成され、次に、III-V窒化物量子井戸活性領域２１２が形成される。ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ導波層２１０の厚さは、一般的に約５０ｎｍ〜約２００ｎｍである。導波層２１０は、活性領域２１２のＩｎＧａＡｌＮ量子井戸よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＧａＮ：アンドープ、ＡｌＧａＮ：アンドープ、ＡｌＧａＮ：Ｓｉ、ＩｎＧａＮ：アンドープ、又はＩｎＧａＮ：Ｓｉであってもよい。量子井戸活性領域２１２は、少なくとも１つのＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ量子井戸（１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０、１≧ｘ＋ｙ≧０、）を有する。多量子井戸活性領域の場合には、個々の量子井戸の厚さは一般的に約１０Å〜約１００Åであり、一般的に約１０Å〜約２００Åの厚さを有するＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＧａＮ障壁層によって隔てられている。ＩｎＧａＡｌＮ量子井戸及び、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＧａＮ障壁層は、一般的にドーピングされていないか、又はＳｉドーピングされていてもよい。

量子井戸活性領域２１２上には、III-V窒化物電子阻止層２１４が形成される。ｐ型ＡｌＧａＮ：Ｍｇ電子阻止層２１４は、活性領域２１２から電子が漏洩するのを防ぐキャリア閉込め層として作用する。ＡｌＧａＮ電子阻止層２１４のアクセプタ密度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜２×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲内であり、一般的に約１×１０²⁰ｃｍ^-3である。

電子阻止層２１４上には、トンネル接合層の第１の部分２１６が形成される。高濃度ｐ型ドープＧａＮ：Ｍｇ層２１６は、導波層の一部としても作用し、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、一般的には約２０ｎｍの厚さを有する。ＧａＮ層２１６のアクセプタ密度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3〜２×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲内であり、一般的に約１×１０²⁰ｃｍ^-3である。或いは、トンネル接合の第１の部分は、高濃度ｐ型ドープＩｎＧａＮ：Ｍｇ又はＩｎＧａＡｌＮ：Ｍｇで構成されてもよい。トンネル接合のバンドギャップ［（〜ｅｘｐ（−Ｅgap1.5）］が低下すると、トンネル効果の可能性が指数的に高まり、従って、ＩｎＧａＮのバンドギャップＥgapがより低くなることにより、動作電圧が低減される。更に、不正規形に歪んだ（pseudomorphicaly strained）ＩｎＧａＮ膜に存在する大きな分極電界が、ｐ−ｎ接合の作りつけ電界に加わり、その結果、トンネル接合を横断する全電界が増す。トンネル接合電界Ｆ［〜ｅｘｐ（−１/Ｆ）］の増加とともにトンネル効果の可能性が指数的に高まると、トンネル接合を横断する全電界がより大きいことにより、動作電圧が低減される。図３に、ＩｎＧａＮ膜の圧電界の強さ対Ｉｎの組成を示す、計算による曲線が示されている。この図からわかるように、たとえＩｎ含有率が１０％と控えめであっても、層における圧電界はほぼ２ＭＶ/ｃｍとなる。

トンネル接合層の第１の部分２１６の上には、トンネル接合層の第２の部分２１８が形成される。高濃度ｎ型ドープＧａＮ：Ｓｉ層２１８は、導波層の一部としても作用し、１０ｎｍ〜２００ｎｍ、一般的には約２０ｎｍの厚さを有する。ＧａＮ層２１８のｎ型ドーピングのレベルは、５×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲内であり、一般的に約５×１０¹⁹ｃｍ^-1である。或いは、トンネル接合の第２の部分は、高濃度ｎ型ドープＩｎＧａＮ：Ｓｉ又はＩｎＧａＡｌＮ：Ｓｉで構成されてもよい。モチベーションは、トンネル接合層の第１の部分の場合と同様である。トンネル接合のバンドギャップが低下し且つトンネル接合の電界Ｆが強くなると、トンネル効果の可能性が指数的に高まり、従って、より低いバンドギャップＥgap及びＩｎＧａＮ層の分極電界により、動作電圧が低減される。

或いは、トンネル接合の第２の部分２１８は、高濃度ｎ型ドーピングされた、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、ＳｎＯ₂、又はＩｎ₂Ｏ₃等の酸化物で構成されてもよい。これらの膜のｎ型ドーピングは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｆ、Ｓｎ又はＳｉを用いて達成され、ドーピングのレベルは１×１０¹⁹ｃｍ^-3〜１×１０²¹ｃｍ^-3の範囲内であり、一般的に約１×１０²⁰ｃｍ-1である。ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、ＳｎＯ₂、又はＩｎ₂Ｏ₃は、ＲＦマグネトロンスパッタリング、パルス状レーザ蒸着、又はＭＯＣＶＤによって付着させることができる。例えばＣｄ₂ＳｎＯ₄等といった、これらの酸化物の化合物を用いてもよい。ＺｎＯ等の酸化物を用いることの長所は、ＺｎＯとＧａＮとの間のバンドオフセットが大きく、ＺｎＯの価電子帯及び導電帯のエネルギーが、ＧａＮの価電子帯及び導電帯のエネルギーよりも顕著に低いことである。このバンドのアラインメントにより、酸化物の導電帯から窒化物の価電子帯へのトンネル効果が容易になる。更に、ＩｎＡｌＧａＮ活性層のバンドギャップを超えるバンドギャップを有するＺｎＯ又は他の酸化物は、活性層から発せられる光に対して透明であり、よって光学吸収損失が小さい。

本発明のトンネル接合２２０は、ｐ型（Ｉｎ）ＧａＮ：Ｍｇ層２１６とｎ型（Ｉｎ）ＧａＮ：Ｓｉ層２１８（又はｎ型ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃層）との間の界面である。ｐ型ドーパントＭｇのメモリ効果を回避し、トンネル接合２２０においてシャープなｐ−ｎ界面を得るために、高濃度のｐ型ドープ層２１６及びｎ型ドープ層２１８の付着の間に、一般的に６０秒〜６００秒の成長停止が導入される。或いは、表面に堆積する可能性があるＭｇを除去するために、リアクタからサンプルを取り出して、表面をエッチング（例えばドライエッチング）することもできる。

導波層を完成させるために、組み合わされたトンネル接合層の厚さの合計に応じて、III-V窒化物層２２１を形成することができる。導波層の第３の部分は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＩｎＧａＡｌＮで構成できる。この層は、Ｓｉドープ層又はアンドープ層であってもよく、厚さは０ｎｍ〜２００ｎｍ、一般的には約６０ｎｍである。

ｎ型導波層２２１（又は、２２１が形成されない場合には２１８）上には、III-V窒化物又は酸化物クラッド層２２２が形成される。ｎ型ＡｌＧａＮ：Ｓｉ層２２２は、クラッド及び電流閉込め層として作用する。クラッド層２２２の一般的な厚さは約０．２μｍ〜約１μｍである。クラッド層は、ｎ型ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃層で構成されてもよい。それは、これらの酸化物層の大半の屈折率が約２であり、ＩｎＧａＮやＧａＮの屈折率よりも小さいからである。ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、ＳｎＯ₂又はＩｎ₂Ｏ₃は、ＲＦマグネトロンスパッタリング、パルス状レーザ蒸着、又はＭＯＣＶＤによって付着させることができる。例えばＣｄ₂ＳｎＯ₄等といった、これらの酸化物の化合物を用いてもよい。

クラッド層２２２上には、III-V窒化物又は酸化物コンタクト層２２４が形成される。ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層２２４は、レーザヘテロ構造体２００のｐ側と接触する最小抵抗金属電極用のコンタクト層を構成する。コンタクト層２２４の厚さは、一般的に約１０ｎｍ〜２００ｎｍである。コンタクト層は、ｎ型ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃層で構成されてもよい。例えばＣｄ₂ＳｎＯ₄等といった、これらの酸化物の化合物を用いてもよい。

レーザ構造体２００は、当該技術分野で周知の、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシ等の技術によって製造可能である。

Ａｒ/Ｃｌ₂/ＢＣｌ₃の混合気体中における、ＣＡＩＢＥ（chemical assistedionbeam etching）又はＲＩＥ（reactive ion beam etching）を用いたドライエッチングにより、レーザ構造体２００の一部分を、ＧａＮ：Ｓｉコンタクト及び電流拡散層２０６に達するまでエッチングする。

リッジ導波構造を構成するために、Ａｒ/Ｃｌ₂/ＢＣｌ₃の混合気体中におけるＣＡＩＢＥ又はＲＩＥを用いたドライエッチングにより、レーザ構造体２００のより狭い部分を、電子阻止層２１４に達するまでエッチングする。エッチングにより露出された面を、ＳｉＯ₂、酸窒化シリコン、又はＳｉ₃Ｎ₄等の絶縁性誘電物質２２５で覆ってもよい。これらはｅビーム（電子ビーム）蒸着、スパッタリング又はＣＶＤによって付着させることができる。

レーザ２００のエッチングにより露出されたｎ型電流拡散層２０６上に、横方向コンタクト層として機能するｎ型Ｔｉ/Ａｌ電極２２６が形成される。レーザ２００のｐ側コンタクト層２２４上には、ｐ側電極として用いられるｎ型Ｔｉ/Ａｌ電極２２８が形成される。

III-V窒化物層には、従来のプロセスによってｐ型又はｎ型のドーピングを施すことができる。ｐ型ドーパントの例としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃ及びＢｅが挙げられるが、これらに限定されない。ｎ型ドーパントの例としては、Ｓｉ、Ｏ、Ｓｅ及びＴｅが挙げられるが、これらに限定されない。

電極２２８と電極２２６との間を流れる電流により、窒化物系半導体レーザ構造体２００が、活性領域２１２からレーザ構造体２００の側部２３２を通して光線２３０を発する。ｐ−ｎトンネル接合２２０によって、レーザ構造体のｐ側から電流が注入される。導波層２１６及び２１８の間のトンネル接合２２０の両側の、非常に高いドーピングレベルのｐ型及びｎ型の導電性のタイプ（及びＩｎＧａＮトンネル接合の場合には圧電界）により、十分な量のキャリアが、層１２０の導電帯から層１１８の価電子帯へとトンネル効果によって通り抜ける。電極２２８及び２２６間に電圧が印可されると、トンネル接合２２０が逆方向にバイアスされ、比較的小さな電圧降下を伴う量子機械的トンネル効果により、接合部を横断して電流が流れる。

トンネル接合２２０を横断する電圧降下は、接合部と接する層２１６及び２１８のドーピングレベル、これらの層の材料のバンドギャップ、及びヘテロ接合の場合には層間のバンドオフセットによって異なる。層２１６及び２１８に可能な限り高レベルのドーピングを用いると、トンネル接合を横断する電圧降下が最小となる。トンネル接合を横断する電圧降下は、トンネル接合にＩｎＧａＮ層が用いられる場合には、圧電界によって更に低減される。

本発明は、構造体のｐ側から電流を注入するためのｐ−ｎトンネル接合２２０を有する窒化物系半導体レーザ構造体２００を提案する。

デバイス構造から、ほぼ全てのｐ型ドープ層（即ち、上部ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ導波層、上部ｐ型ＡｌＧａＮ：Ｍｇクラッド層、及び上部ｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層）をなくすことにより、窒化物系半導体レーザ構造体２００における吸収又は分散光学損失が低減され、それに従って、窒化物系半導体レーザ構造体２００の閾値電流密度が低減される。電流注入用のｐ−ｎトンネル接合２２０を用いることによる、光学損失の低減は、近紫外線〜紫外線スペクトルの光を発する窒化物系半導体レーザに特に有用である。電流注入用のｐ−ｎトンネル接合２２０を用いることによる、閾値電流密度の低減は、ヒ化物及び他の半導体材料から製造されるレーザ構造体に対して比較的電流密度が高い窒化物系半導体レーザに特に有用である。

過剰な電圧降下の大半がｐ型層及びｐ型コンタクトを横断するものなので、電流注入用のｐ−ｎトンネル接合２２０を有する窒化物系半導体レーザ構造体２００のｐ型ドープ半導体層を、より導電性の高いｎ型ドープ半導体層と置き換えると、レーザ構造体全体の直列抵抗が低減される。ｐ−ｎトンネル接合を通る電流注入に必要な追加の電圧がこの長所を幾分オフセットするものの、トンネル接合の薄膜及び高ドーピング濃度が適切に設計されている場合には、窒化物系半導体レーザ構造体の動作電圧の純量は増加しないはずである。

更に、ｐ型層を横断する大きな電圧降下は、従来のレーザ構造体におけるＡｌＧａＮ電子阻止層の効率を低下させる。トンネル接合レーザ構造体における抵抗は、トンネル電流のみに依存し、（従来のレーザ構造体のように）ｐ型層の導電性には依存しない。従って、電子阻止層を横断する電圧降下は小さくなるはずである。

２００ 窒化物系半導体レーザ構造体
２０２ 基板
２１２ 量子井戸活性領域
２１６ トンネル接合層の第１の部分
２１８ トンネル接合層の第２の部分
２２０ トンネル接合

Claims (3)

1. 基板と、複数のIII-V窒化物半導体層の少なくとも１つが活性領域を形成する、前記基板上に形成された前記複数のIII-V窒化物半導体層と、ｐ型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成されたｎ型の第２の半導体層と、前記活性領域に電流を注入するための、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられたトンネル接合手段と、を有する半導体レーザ構造体において、前記半導体レーザ構造体のエッジからのレージングを生じさせるための十分な順方向バイアスが前記活性領域に加えられることを特徴とする、半導体レーザ構造体。
2. 前記第１の半導体層がｐ型III-V窒化物半導体であり、前記第２の半導体層がｎ型III-V窒化物半導体であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ構造体。
3. 前記トンネル接合手段が逆方向にバイアスされることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ構造体。
   

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