JP2011151424A - 複数ビーム型の半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】スクライビングの際に電極剥離が生じるようなことがなく、しかも動作電圧の安定した複数ビーム型の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板は、第1平均転位密度を有する結晶からなる低欠陥領域中に、第1平均転位密度より高い第2平均転位密度を有する結晶からなる複数の高欠陥領域を有する。高欠陥領域が基板の中央領域と両端部との3カ所にあり、それらの間に低欠陥領域が存在している。この基板の裏面側には、幾何学的な形状のn側電極が形成されている。n側電極は、低欠陥領域の表面の一部を覆うと共に、中央領域にある高欠陥領域の表面を断続的に覆い、両端部にある高欠陥領域の表面を覆わないような形状となっている。
【選択図】図14
【解決手段】基板は、第1平均転位密度を有する結晶からなる低欠陥領域中に、第1平均転位密度より高い第2平均転位密度を有する結晶からなる複数の高欠陥領域を有する。高欠陥領域が基板の中央領域と両端部との3カ所にあり、それらの間に低欠陥領域が存在している。この基板の裏面側には、幾何学的な形状のn側電極が形成されている。n側電極は、低欠陥領域の表面の一部を覆うと共に、中央領域にある高欠陥領域の表面を断続的に覆い、両端部にある高欠陥領域の表面を覆わないような形状となっている。
【選択図】図14
Description
本発明は、電極形状の改良された窒化物系の複数ビーム型の半導体発光素子に関する。
近年、高密度光ディスク装置やレーザビームプリンタなどの光源として、III−V族窒化物半導体レーザ素子が注目されている。このレーザ素子は、例えば、GaN(窒化ガリウム)基板の表面に、n型バッファ層、n型クラッド層、n型ガイド層、活性層、p型ガイド層、p型クラッド層、p型コンタクト層がこの順に積層配置されたIII−V族窒化物半導体層を有している。このIII−V族窒化物半導体層の上部、具体的には、p型クラッド層の上部およびp型コンタクト層に、帯状のリッジ部が形成されている。また、リッジ部の上部にはp側電極、GaN基板の裏面全体にはn側電極が形成されており、リッジ部の延在方向に対して垂直な端面に一対の反射鏡膜が形成されている。
このような構成の窒化物半導体レーザ素子では、p側電極とn側電極との間に所定の電位差の電圧が印加されると、リッジ部により電流狭窄されると共に、活性層の電流注入領域に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が2πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、ビームとして一方の反射鏡膜から外部に射出される。
ところで、上記のGaN基板は、一般に、複数の高欠陥領域が低欠陥領域を貫通して不規則に形成された構造を有する大型のGaN基板の一部を切り出すことにより形成される。そのため、その大型のGaN基板上に複数のレーザ構造を格子状に形成しようとすると、高欠陥領域にレーザ構造が形成されるのを避けることができず、素子の発光特性や信頼性の低下を招いていた。そこで、そのような問題を解決すべく、低欠陥領域中に高欠陥領域を規則的(周期的)に配列させたGaN基板上に複数のレーザ構造を格子状に形成する方法が提案されている(特許文献1)。これにより、確実に低欠陥領域中にレーザ構造を形成することができ、素子の発光特性や信頼性を向上させることが可能となる。
このように、上記特許文献1記載のGaN基板は優れた結晶構造を有する基板であることから、近年、このGaN基板を用いたIII−V族窒化物半導体レーザ素子の開発が盛んに行われている。
ところで、このIII−V族窒化物半導体レーザ素子は、一般に、大型のGaN基板のうち規則的(周期的)に配列された高欠陥領域に溝を形成したのち分割(スクライビング)することにより切り出されている。ところが、従来はGaN基板の裏面全体に渡って電極が形成されていたため、スクライビングにより電極が剥離する虞があった。
そこで、そのような事態を防止するために、GaN基板のうち低欠陥領域上にのみ電極を形成することが考えられる。しかしながら、そのように電極を形成すると、動作電圧にばらつきが生じ、その結果、動作電圧が不安定になってしまうという問題がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スクライビングの際に電極剥離が生じるようなことがなく、しかも動作電圧の安定した複数ビーム型の半導体発光素子を提供することにある。
本発明による複数ビーム型の半導体発光素子は、窒化物半導体基板上にIII−V族窒化物半導体層を形成して構成されたものである。この窒化物半導体基板は、第1平均転位密度を有する結晶からなる第1領域中に、第1平均転位密度より高い第2平均転位密度を有する結晶からなる複数の第2領域を有する。この半導体発光素子は、さらに、窒化物半導体基板の裏面側に、幾何学的な形状を有する電極層を備えている。
複数の第2領域は、窒化物半導体基板のうち当該窒化物半導体基板の側面を含む領域と、窒化物半導体基板のうち当該窒化物半導体基板の側面以外の領域とに形成されている。電極層は、第1領域の表面を覆うと共に、複数の第2領域のうち窒化物半導体基板の側面を含む領域に形成された第2領域を覆わず、複数の第2領域のうち窒化物半導体基板の側面以外の領域に形成された第2領域の表面を断続的に覆っている。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子(半導体発光素子)の断面構成を表すものである。図2は、図1の半導体レーザ素子を底面から見たときの形態を表すものである。なお、図1は、図2のA−A矢視方向の断面構成図を表すものである。また、図1および図2は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
この半導体レーザ素子は、GaNからなる基板10(窒化物半導体基板)上にIII−V族窒化物半導体層30を成長させたものである。このIII−V族窒化物半導体層30は、n型バッファ層11,n型クラッド層12,n型ガイド層13,活性層14,p型ガイド層15、p型クラッド層16およびp型コンタクト層17をこの順に積層してなるレーザ構造(発光素子構造)を有する。なお、以下、上記半導体層を積層した方向を縦方向、レーザ光の射出方向を軸方向、軸方向と縦方向とに垂直な方向を横方向と称する。
なお、ここでいうIII−V族窒化物半導体とは、ガリウム(Ga)と窒素(N)とを含んだ窒化ガリウム系化合物のことであり、例えばGaN,AlGaN(窒化アルミニウム・ガリウム),あるいはAlGaInN(窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム)などが挙げられる。これらは、必要に応じてSi(シリコン),Ge(ゲルマニウム),O(酸素),Se(セレン)などのIV族およびVI族元素からなるn型不純物、または、Mg(マグネシウム),Zn(亜鉛),C(炭素)などのII族およびIV族元素からなるp型不純物を含有している。
このIII−V族窒化物半導体層30のうち、n型バッファ層11は例えばn型GaN、n型クラッド層12は例えばn型AlGaN、n型ガイド層13は例えばn型GaNによりそれぞれ構成される。活性層14は例えばアンドープのGaInN多重量子井戸構造を有する。p型ガイド層15は例えばp型GaN、p型クラッド層16は例えばAlGaN、p型コンタクト層17は例えばp型GaNによりそれぞれ構成される。
基板10は、平均転位密度(第1平均転位密度)の低い低欠陥領域10A(第1領域)中に低欠陥領域10Aより高い平均転位密度(第2平均転位密度)を有する複数の高欠陥領域10B(第2領域)を有する。ここでは、基板10のうち横方向の中央領域に低欠陥領域10Aを有しており、その両側の領域に高欠陥領域10B,10Bを有している。
この基板10は、図3に示したように、低欠陥領域100A中に、高欠陥領域100Bが規則的(周期的)に、例えば横方向に数百μm程度の周期で配列された大型のGaN基板100の一部を切り出したものである。この高欠陥領域100Bは、GaN基板100表面において軸方向に延在する連続帯状となっており、GaN基板100を軸方向および縦方向に貫通する平面形状となっている。なお、このGaN基板100の低欠陥領域100Aにおける平均転位密度は、例えば5×105cm-3であり、高欠陥領域100Bにおける平均転位密度は例えば2×105cm-3である。
ところで、上記のGaN基板100は、例えば、特開2003−124572において詳述されているように、ファセット面からなる斜面を有した状態で結晶成長させることにより形成されたものである。このような結晶成長方法を用いることにより転位密度の高い領域を任意の領域に集約することができ、上記のように、転位密度の高い領域と転位密度の低い領域とを規則的,周期的に形成することができる。その結果、後述のように、転位密度の低い領域にのみレーザ構造を形成することができると共に、発光特性の優れた素子を形成することが可能となる。
一方、III−V族窒化物半導体層30は、基板10の高欠陥領域10Bに対応する部分に高欠陥領域30B、低欠陥領域10Aに対応する部分に低欠陥領域30Aをそれぞれ有している。これは、後述のように、III−V族窒化物半導体層30は基板10上に、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;有機金属化学気相成長)法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成されるため、基板10の結晶転位がIII−V族窒化物半導体層30へ伝播してしまうからである。
また、p型クラッド層16の一部およびp型コンタクト層17には、後述のようにp型クラッド層16まで形成したのち選択的にエッチングすることにより、軸方向に延在する帯状のリッジ部(突条部)18が設けられている。このリッジ部18は、III−V族窒化物半導体層30の低欠陥領域30Aに形成されており、活性層14のうちリッジ部18に対応する領域に電流注入領域(発光領域)が形成されるようになっている。なお、リッジ部18は、活性層13の電流注入領域の大きさを制限すると共に、横方向の光モードを基本(0次)モードに安定に制御し、軸方向に導波させる機能を有する。
リッジ部18の両側面は絶縁膜20により覆われている。リッジ部18のp型コンタクト層17上にはp側電極21が形成されている。このp側電極21の表面には絶縁膜20の表面にかけてp側引出電極22が設けられている。
一方、基板10の裏面には、くし型部23Aを有するn側電極23(電極層)が設けられている。このn側電極23は、低欠陥領域10Aの表面を覆うと共に、高欠陥領域10Bの表面を断続的に覆っている。すなわち、n側電極23は高欠陥領域10Bの表面全体ではなく、一部と接している。なお、ここでは、くし型部23Aを片側の高欠陥領域10Bに対応して設けるようにしているが、図4に示したn側電極23−1のように、両側の高欠陥領域10Bそれぞれに対応して設けるようにしてもよい。
このn側電極23は、くし型状の形状(幾何学的な形状)を有していることから、半導体レーザ素子を例えばヒートシンク(図示せず)にマウントする際の位置決めの基準として用いられる。
なお、リッジ部18の延在方向(軸方向)に対して垂直な面には、一対の反射鏡膜(図示せず)が形成されている。
絶縁膜20は、例えば二酸化珪素(SiO2)または窒化珪素(SiN)により構成される。p側電極21は例えばパラジウム(Pd)層および白金(Pt)層をこの順に積層することにより構成される。p側引出電極22は、例えば、チタン(Ti)層,白金(Pt)層および金(Au)層をp型コンタクト層17の側から順に積層したものである。n側電極23は、例えば、金とゲルマニウム(Ge)との合金層,ニッケル(Ni)層および金(Au)層とを基板10の側から順に積層した構造を有する。
また、一対の反射鏡膜の一方(主出射側)は、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)により構成され、低反射率となるように調整されている。これに対して他方の反射鏡膜は、例えば酸化アルミニウム層と非晶質珪素(アモルファスシリコン)層とを交互に積層して構成され、高反射率となるように調整されている。これにより、活性層14の発光領域において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、低反射率側の反射鏡膜からビームとして射出されるようになっている。
このような構成を有する半導体レーザ素子は、例えば次のようにして製造することができる。
図5〜図8はその製造方法を工程順に表したものである。半導体レーザ素子を製造するためには、GaN基板100(図3参照)上のIII−V族窒化物半導体層30を、例えば、MOCVD法により形成する。この際、GaN系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア (NH3)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、例えばセレン化水素(H2Se)を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛(DMZn)を用いる。
具体的には、まず、図5に示したように、GaN基板100上に、前駆n型バッファ層11A,前駆n型クラッド層12A,前駆n型ガイド層13A,前駆活性層14A,前駆p型ガイド層15A、前駆p型クラッド層16Aおよび前駆p型コンタクト層17Aをこの順に積層する。
次に、図6に示したように、例えば、前駆p型コンタクト層17Aの上にマスク層(図示せず)を形成し、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;RIE)法により、前駆p型コンタクト層17Aおよび前駆p型クラッド層16Aの一部を選択的に除去する。その後、マスク層を除去する。これにより、III−V族窒化物半導体層30Cの低欠陥領域30Aに軸方向に延在する帯状のリッジ部18が形成される。
次いで、図7に示したように、III−V族窒化物半導体層30の表面に絶縁材料を成膜したのち、リソグラフィー処理およびエッチング加工を行うことにより、リッジ部18のp型コンタクト層17上に開口部を有する絶縁膜20Aを形成する。続いて、リフトオフ加工を行うことにより、絶縁膜20Aの開口部にp側電極21を形成する。さらに、リソグラフィー処理、エッチング加工およびリフトオフ加工を行うことによりリッジ部18の上部にあるp側電極21と電気的に接続されたp側引出電極22を形成する。
さらに、例えば、GaN基板100の裏面側をラッピングしてGaN基板100の厚さを所定の厚さに調整したのち、リソグラフィー処理、エッチング加工およびリフトオフ加工を行うことにより、図8に示したようなパターンを有するn側電極23Bを形成する。そののち、高欠陥領域100Bの延在する方向と並行な方向にGaN基板100の高欠陥領域100Bをスクライビング加工すると共に、高欠陥領域100Bの延在する方向と垂直な方向にへき開を行う。そして、軸方向の一対の側面に反射鏡膜(図示せず)を形成する。このようにして本実施の形態の半導体レーザ素子は形成される。
なお、必要に応じて、半導体レーザ素子を形成したのち、例えばn側電極23の幾何学的な形状を利用して、その半導体レーザ素子をヒートシンクにマウントする。
次に、本実施の形態の半導体レーザ素子の作用および効果について説明する。
この半導体レーザ素子では、リッジ部18のp側電極21とn側電極23との間にそれぞれ所定の電位差の電圧が印加されると、リッジ部18により電流狭窄された電流が電流注入領域(発光領域)に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、一往復したときの位相の変化が2πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、ビームとして外部に出射される。
ここで、基板10の裏面側に設けられたn側電極23は、低欠陥領域10Aの表面を覆うと共に、高欠陥領域10Bの表面を断続的に覆うように形成されている。ここで、基板10の高欠陥領域10Bは上記したようにスクライビングの対象領域であるが、この高欠陥領域10Bでは、n側電極23は断続的に形成されているので、スクライビングの際に電極が剥離する虞はない。また、n側電極23は基板10の高欠陥領域10Bの表面と接しているので、動作電圧のばらつきが抑制される。
このように、本実施の形態の半導体発光素子によれば、n側電極23が基板10の高欠陥領域10Bの表面上に断続的に形成されるようにしたので、スクライビングの際に電極剥離が生じるようなことは無く、しかも動作電圧を安定させることができる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
例えば、上記実施の形態では、n側電極23は、くし型状の形状を有していたが、図9に示したn側電極23−2のようなジグザグ状の形状を有していてもよい。n側電極23−2は、n側電極23と同様、高欠陥領域10Bの表面を断続的に覆うように形成されているからである。
また、n側電極23は、図10に示したn側電極23−3および図11に示したn側電極23−4のように、白抜きされた4角形や円形などの幾何学模様を有していてもよい。また、図12に示したn側電極23−5および図13に示したn側電極23−6のように、n側電極が複数に分断されるような模様を有していてもよい。このようにn側電極23−2ないし23−6は、物理的に分離された複数の電極により構成されているが、物理的に分離された個々の電極はヒートシンクへのマウントの際に半田により互いに電気的に接続されるので、半導体レーザ素子の動作電圧には何ら影響はなく、動作電圧を安定させることができるからである。また、n側電極23−2ないし23−6は、n側電極23と同様、高欠陥領域10Bの表面を断続的に覆うように形成されているので、スクライビングの際に電極剥離が生じるようなことがないからである。また、例えば半導体レーザ素子をヒートシンクにマウントする際の位置決めの基準としてn側電極23の模様を用いることも可能だからである。
また、本発明は、上記実施の形態のような単ビーム型の半導体レーザ素子だけでなく、複数ビーム型の半導体レーザ素子に対しても適用可能である。ただし、基板10が、図14に示したように、高欠陥領域10Bが基板10の中央領域と両端部との3カ所にあり、それらの間に低欠陥領域10Aを有するように構成されている場合には、n側電極23−7は、低欠陥領域10Aの表面の一部を覆うと共に、中央領域にある高欠陥領域10Bの表面を断続的に覆うような形状を有することとなる。
n側電極23−7をこのような形状とすることにより、動作電圧を安定させることができ、また、例えば半導体レーザ素子をヒートシンクにマウントする際の位置決めの基準としてn側電極23を用いることもできる。なお、この場合には、中央領域にある高欠陥領域10Bをスクライビングする必要はない。
また、上記実施の形態では、高欠陥領域10Bを、GaN基板100表面において軸方向に連続的に延在する連続帯状としたが、図15に示したような断続的な帯状としてもよい。
また、上記実施の形態では、リッジ部18による電流狭窄構造としたが、他の方法によるものであってもよい。
また、本発明は、半導体レーザ素子の他に、発光ダイオード素子などの半導体発光素子一般に適用可能である。
10,100…基板、10A,100A…低欠陥領域(基板)、10B,100B…高欠陥領域(基板)、11…バッファ層、12…n型クラッド層、13…n型ガイド層、14…活性層、15…p型ガイド層、16…p型クラッド層、17…p型コンタクト層、18…リッジ部、20…絶縁膜、21…p側電極、22…p側引出電極、23,23−1,23−2,23−3,23−4,23−5,23−6,23−7…n側電極、30…III−V族窒化物半導体層、30A…低欠陥領域、30B…高欠陥領域。
Claims (2)
- 第1平均転位密度を有する結晶からなる第1領域中に、前記第1平均転位密度より高い第2平均転位密度を有する結晶からなる複数の第2領域を有する窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に形成されたIII−V族窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体基板の裏面側に設けられると共に、幾何学的な形状を有する電極層と
を備え
前記複数の第2領域は、前記窒化物半導体基板のうち当該窒化物半導体基板の側面を含む領域と、前記窒化物半導体基板のうち当該窒化物半導体基板の側面以外の領域とに形成され、
前記電極層は、前記第1領域の表面を覆うと共に、前記複数の第2領域のうち前記窒化物半導体基板の側面を含む領域に形成された第2領域を覆わず、前記複数の第2領域のうち前記窒化物半導体基板の側面以外の領域に形成された第2領域の表面を断続的に覆っている
複数ビーム型の半導体発光素子。 - 前記第2領域は、前記窒化物半導体基板の表面において、連続帯状および断続的帯状のいずれか1つの配列をなす
請求項1に記載の複数ビーム型の半導体発光素子。
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WO2021235304A1 (ja) * | 2020-05-21 | 2021-11-25 | ソニーグループ株式会社 | 半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法 |
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