JP2011077393A - Iii族窒化物半導体レーザ素子、及びiii族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】III族窒化物半導体レーザ素子11は、m−n面と半極性面17aとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を有する。レーザ導波路の両端には、レーザ共振器となる第1及び第2の端面26、28が設けられている。第1及び第2の端面26、28はm−n面(又はa−n面)に交差する。c+軸ベクトルは導波路ベクトルWVと鋭角を成す。この導波路ベクトルWVは、第2の端面28から第1の端面26への方向に対応する。第2の端面28上の第2の誘電体多層膜(C−側)43bの厚さが、第1の端面26上の第1の誘電体多層膜(C+側)43aの厚さより薄い。
【選択図】図1
Description
以下の通り、レーザダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いた。基板71として、{20−21}GaN基板を準備した。このGaN基板は、HVPE法で厚く成長した(0001)GaNインゴットからm軸方向に75度の範囲の角度でウエハスライス装置を用いて切り出して作製された。
レーザ光出力100mW;
走査速度5mm/秒。
形成されたスクライブ溝は、例えば、長さ30μm、幅10μm、深さ40μmの溝であった。800μmピッチで基板の絶縁膜開口箇所を通してエピ表面に直接レーザ光を照射することによって、スクライブ溝を形成した。共振器長は600μmとした。ブレードを用いて、共振ミラーを割断により作製した。基板生産物の裏面の押圧によりブレイクすることによって、レーザバーを作製した。
デバイスA:
{10−1−7}端面上に反射膜(4周期、反射率60%)を形成した。{10−1−7}端面を光出射面(フロント)とする。
{−1017}端面上に反射膜を(10周期、反射率95%)を形成した。{−1017}端面を反射面(リア)とする。
デバイスB:
{10−1−7}端面上に反射膜(10周期、反射率95%)を形成した。{10−1−7}端面を反射面(リア)とする。
{−1017}端面上に反射膜を(4周期、反射率60%)を形成した。{−1017}端面を 光出射面(フロント)とする。
デバイスC:
結晶面を考慮しないで(バーにより混ざった状態で)光出射面(フロント)反射面(リア)を形成。反射膜の膜厚は上記と同様にした。
デバイス種、デバイスA、デバイスB、デバイス試料C
SUB1 :>500、 362、 346;
SUB2 :>500、 366、 368;
SUB3 :>500、 242、 >500;
SUB4 :>500、 340、 >500;
SUB5 :>500、 348、 346;
SUB6 :>500、 312、 274;
SUB7 :>500、 198、 >500;
SUB8 :>500、 326、 >500;
SUB9 :>500、 256、 172;
SUB10:>500、 242、 500。
デバイスA:>500h(寿命500時間を超える)
デバイスB: 299h(平均寿命299時間)
デバイスC:>400h(寿命400時間を超える)
図9に示されたデータは以下のものである。
偏光度、(M方向ストライプ)、(<11−20>ストライプ)
0.08 64 20
0.05 18 42
0.15 9 48
0.276 7 52
0.4 6
図10に示されたデータは以下のものである。
傾斜角、歩留まり
10 0.1
43 0.2
58 50
63 65
66 80
71 85
75 80
79 75
85 45
90 35。
窒化ガリウムの基板主面の面指数と基板主面に垂直かつc軸を主面に投影した方向にほぼ垂直な面指数は、以下に示す。角度の単位は「度」である:
主面面指数、(0001)と成す角、主面に垂直な
第1の端面の面指数、主面と成す角
(0001) : 0.00、 (-1010)、 90.00 ;図11(a)
(10-17): 15.01、 (-2021)、 90.10 ;図11(b)
(10-12): 43.19、 (-4047)、 90.20 ;図12(a)
(10-11): 61.96、 (-2027)、 90.17 ;図12(b)
(20-21): 75.09、 (-1017)、 90.10 ;図13(a)
(10-10): 90.00、 (0001)、 90.00 ;図13(b)
(20-2-1): 104.91、 (10-17)、 89.90 ;図14(a)
(10-1-1): 118.04、 (20-27)、 89.83 ;図14(b)
(10-1-2): 136.81、 (40-47)、 89.80 ;図15(a)
(10-1-7): 164.99、 (20-21)、 89.90 ;図15(b)
(000-1) : 180.00、 (10-10)、 90.00 ;図16。
図11〜図16は、主面に垂直な光共振器としての端面となり得る面指数の結晶表面における原子配列を模式的に示す図面である。図11(a)を参照すると、(0001)面主面に垂直な(−1010)面及び(10−10)面の原子配列が模式的に示されている。図11(b)を参照すると、(10−17)面主面に垂直な(−2021)面及び(20−2−1)面の原子配列が模式的に示されている。図12(a)を参照すると、(10−12)面主面に垂直な(−4047)面及び(40−4−7)面の原子配列が模式的に示されている。図12(b)を参照すると、(10−11)面主面に垂直な(−2027)面及び(20−2−7)面の原子配列が示されている。図13(a)を参照すると、(20−21)面主面に垂直な(−1017)面及び(10−1−7)面の原子配列が模式的に示されている。図13(b)を参照すると、(10−10)面主面に垂直な(0001)面及び(000−1)面の原子配列が模式的に示されている。図14(a)を参照すると、(20−2−1)面主面に垂直な(10−17)面及び(−101−7)面の原子配列が示されている。図14(b)を参照すると、(10−1−1)面主面に垂直な(20−27)面及び(−202−7)面の原子配列が示されている。図15(a)を参照すると、(10−1−2)面主面に垂直な(40−47)面及び(−404−7)面の原子配列が模式的に示されている。図15(b)を参照すると、(10−1−7)面主面に垂直な(20−21)面及び(−202−1)面の原子配列が示されている。図16を参照すると、(000−1)面主面に垂直な(10−10)面及び(−1010)面の原子配列が模式的に示されている。これらの図中では、黒丸が窒素原子を、白丸がIII族原子を示している。
Claims (21)
- III族窒化物半導体レーザ素子であって、
III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、
前記半導体領域の第1及び第2の端面上にそれぞれ設けられ、該窒化物半導体レーザダイオードの共振器のための第1及び第2の誘電体多層膜と
を備え、
前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記支持基体の前記III族窒化物半導体の<0001>軸の方向を示すc+軸ベクトルは、前記法線軸の方向を示す法線ベクトルに対して前記III族窒化物半導体のm軸及びa軸のいずれかの結晶軸の方向に45度以上80度以下及び100度以上135度以下の範囲の角度で傾斜しており、
前記第1及び第2の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体の前記結晶軸及び前記法線軸によって規定される基準面に交差し、
前記c+軸ベクトルは、前記第2の端面から前記第1の端面への方向を示す導波路ベクトルと鋭角を成し、
前記第2の誘電体多層膜の厚さは、前記第1の誘電体多層膜の厚さより薄い、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記レーザ構造体は第1及び第2の面を含み、前記第1の面は前記第2の面の反対側の面であり、
前記半導体領域は前記第1の面と前記支持基体との間に位置し、
前記第1及び第2の端面の各々は、前記第1の面のエッジから前記第2の面のエッジまで延在する割断面に含まれる、ことを特徴とする請求項1に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記III族窒化物半導体のc軸は、前記窒化物半導体のm軸の方向に傾斜している、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体の主面が、{10−11}、{20−21}、{20−2−1}、{10−1−1}のいずれかの面から−4度以上4度以下の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記III族窒化物半導体のc軸は、前記窒化物半導体のa軸の方向に傾斜している、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体の主面が、{11−22}、{11−21}、{11−2−1}、{11−2−2}のいずれかの面から−4度以上4度以下の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項5に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層は、構成元素としてInを含むと共に歪みを内包する窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層は、波長430〜550nmの発振光を生成するように設けられる、ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記III族窒化物半導体はGaNである、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも1つからなり、
前記第2の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも1つからなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。 - III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法であって、
六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する基板を準備する工程と、
前記半極性主面上に形成された半導体領域と前記基板とを含むレーザ構造体、アノード電極、及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、
前記基板生産物を形成した後に、第1及び第2の端面を形成する工程と、
前記第1及び第2の端面にそれぞれ該窒化物半導体レーザ素子の共振器のための第1及び第2の誘電体多層膜を形成する工程と
を備え、
前記第1及び第2の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸及びm軸のいずれか一方の結晶軸及び前記半極性主面の法線軸によって規定される基準面に交差し、
前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記法線軸の方向に配列されており、
前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記基板の前記半極性主面は、該窒化物半導体の<0001>軸の方向を示すc+軸ベクトルに直交する平面に45度以上80度以下及び100度以上135度以下の範囲の角度で交差しており、
前記c+軸ベクトルは、前記第2の端面から前記第1の端面への方向を示す導波路ベクトルと鋭角を成し、
前記第2の誘電体多層膜の厚さは、前記第1の誘電体多層膜の厚さより薄い、ことを特徴とする方法。 - 前記第1及び第2の誘電体多層膜を形成する前に、前記第1及び第2の端面の面方位を判別する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項11に記載された方法。
- 第1及び第2の端面を形成する前記工程は、
前記基板生産物の第1の面をスクライブする工程と、
前記基板生産物の第2の面への押圧により前記基板生産物の分離を行って、レーザバーを形成する工程と
を含み、
前記レーザバーは、前記分離により形成された第1及び第2の端面を有し、
前記第1の面は前記第2の面の反対側の面であり、
前記半導体領域は前記第1の面と前記基板との間に位置し、
前記レーザバーの前記第1及び第2の端面の各々は、前記第1の面から前記第2の面にまで延在し前記分離により形成された割断面に含まれる、ことを特徴とする請求項11又は請求項12に記載された方法。 - 前記III族窒化物半導体のc軸は該窒化物半導体のm軸の方向に傾斜している、ことを特徴とする請求項11〜請求項13のいずれか一項に記載された方法。
- 前記基板の主面が、{10−11}、{20−21}、{20−2−1}、{10−1−1}のいずれかの面から−4度以上4度以下の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項11〜請求項14のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物半導体のc軸は、前記窒化物半導体のa軸の方向に傾斜している、ことを特徴とする請求項11〜請求項13のいずれか一項に記載された方法。
- 前記基板の主面が、{11−22}、{11−21}、{11−2−1}、{11−2−2}のいずれかの面から−4度以上4度以下の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項11〜請求項13又は請求項16に記載された方法。
- 前記活性層の形成では、構成元素としてInを含むと共に歪みを内包する窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を成長する工程を含む、ことを特徴とする請求項11〜請求項17のいずれか一項に記載された方法。
- 前記活性層は、波長430〜550nmの発振光を生成するように構成される、ことを特徴とする請求項11〜請求項18のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物半導体はGaNである、ことを特徴とする請求項11〜請求項19のいずれか一項に記載された方法。
- 前記第1の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも1つを用いて形成され、前記第2の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも1つを用いて形成される、ことを特徴とする請求項11〜請求項20のいずれか一項に記載された方法。
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