JP2012134293A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板と、該基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、該窒化物半導体層と電気的に接続する電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、前記リッジ側面から該リッジ両側の窒化物半導体層の上面にかけて形成されたAl含有窒化物膜からなる第1膜と、前記窒化物半導体層に形成された共振器面と前記窒化物半導体層の上面に形成された前記第1膜を被覆し、かつAl含有窒化物膜からなる第2膜とを備えていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【選択図】図1B
Description
このような保護膜は、窒化物半導体層との屈折率差、密着性などを考慮して、例えば、SiO2、Al2O3等の酸化物誘電体又はAlN等の窒化物誘電体によって形成されている(例えば、特許文献1:特開2009−4645等参照)。AlNは、熱伝導率が高いために、リッジ両側を被覆する保護膜として有用である。
このような状況下において、レーザ素子自体及びその実装部材等による、さらなる放熱性の向上が模索されている。
基板と、該基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、該窒化物半導体層と電気的に接続する電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記リッジ側面から該リッジ両側の窒化物半導体層の上面にかけて形成されたAl含有窒化物膜からなる第1膜と、
前記窒化物半導体層に形成された共振器面と前記窒化物半導体層の上面に形成された前記第1膜を被覆し、かつAl含有窒化物膜からなる第2膜と
を備えていることを特徴とする。
前記第2膜は、前記窒化物半導体層の上面に形成された前記第1膜と接触している。
前記第1膜は、組成の異なる多層膜からなる。
前記第1膜は、窒化物半導体層の上面において、膜厚方向に結晶性が異なる2以上の部位を有するAl含有窒化物膜からなる。
前記第1膜は、窒化物半導体層の上面において、上面側がc軸配向であり、膜厚方向に、格子定数が異なる部位が存在する。
前記第1膜は、六方晶構造の結晶を含む。
前記窒化物半導体層の上面に形成された前記第1膜と前記第2膜との間に前記電極の一部を介している。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、主として、図1A〜図1Dに示すように、基板10、窒化物半導体層、つまり、n側窒化物半導体層11、活性層12、p側窒化物半導体層13及び窒化物半導体層に形成されたリッジ14、第1膜15、p電極16、n電極19及び第2膜21を含んで構成される。
また、第2膜21は、図1Cに示すように、光出射側の共振器面とp電極16とを被覆している領域を有する。第2膜21は、図1Dに示すように、光出射側の共振器面と第1膜15とを被覆している領域を有する。第2膜21は、共振器面における活性層12の表面を被覆している。さらに、図5AにおけるC−C’線とD−D’線との間の領域において、第2膜21は、窒化物半導体層の上面に形成された第1膜15上に形成されたp電極16の表面を被覆している。
このように、本発明の窒化物半導体レーザ素子では、Al含有窒化物膜からなる第1膜15とAl含有窒化物膜からなる第2膜21とを部分的に2層構造とすることにより、第2膜21により端面保護膜としての特性を確保しながら、第1膜15によって、第1膜15と窒化物半導体層との密着性を確保するとともに、第1膜15と第2膜21との密着性をも確保して、剥がれを防止することができる。また、Al含有窒化物膜からなる部材を用いることで放熱性をより向上させることが可能となり、長期にわたる安定したレーザ駆動を与えることができるとともに、比較的温度の高い環境においても、安定なレーザ駆動を図ることが可能となる。
上述した窒化物半導体レーザ素子において、第1膜15は、埋込膜とも称されるものであり、通常、p側窒化物半導体層の上面からリッジ14の側面に配置される。この第1膜15は、p側窒化物半導体層12上であって、p側窒化物半導体層12とp電極16とが電気的な接続をとるための電流狭窄層としての機能も有する。ここで、窒化物半導体層と電極との接続領域とは、特にその位置、大きさ、形状等は限定されず、窒化物半導体層の表面の一部、例えば、窒化物半導体層の表面に形成されるストライプ状のリッジ上面のほぼ全面又はリッジ上面のほぼ全面からその両側にわたる部分が例示される。また、この第1膜15は、共振器面の一部にまで回りこませてもよい。
Al含有窒化物膜としては、熱伝導率の良好な材料が挙げられ、例えば、熱伝導率が0℃において10W/m・K以上、好ましくは50W/m・K以上、さらに好ましくは100W/m・K以上の材料を用いる。具体的には、AlNやAlGaN、AlInGaNが挙げられる。
リッジの側面から、リッジの両側の窒化物半導体表面に直接接触して、第1膜が形成されていることにより、従来から埋込膜として形成されているSi、Ce、In、Sb、Zn等の酸化物からなる絶縁膜に比較して、より優れた放熱性を確保することができる。
また、第1膜の一部に窒化物以外の部材を用いてもよい。
また、第1膜における格子定数が異なる部位が存在する例としては、c軸配向している部位とm軸配向している部位とを有するものであり、第1膜の内部での応力緩和を行うことができるため、第1膜にクラックが生じにくくなる。
このように、第1膜15において格子定数が膜内で異なることにより、窒化物半導体層、特にp側窒化物半導体層に対する格子定数の差異に起因して第1膜15に負荷される応力を緩和することができ、窒化物半導体層や第1膜15にクラックが生じることを有効に防止することができる。これにより、リッジ基底部近傍等において絶縁性を確保することができるとともに、クラック等によるリーク電流の発生を回避することができる。
これにより、窒化物半導体層との格子定数を緩和することができ、窒化物半導体層及び/又は第1膜へのクラックの発生を確実に防止することができる。つまり、第1膜内の窒化物半導体層に接触する側においては、窒化物半導体層の格子定数又は配向性に支配され、比較的窒化物半導体層の物質固有の格子定数に近い値となる配向が優勢となっており、窒化物半導体層から離れるにつれて(厚膜になるにつれて)、Al含有窒化物膜本来の物質固有の格子定数に近い値となる配向が優勢となると考えられる。
この場合、第1膜の格子定数は、窒化物半導体層側から表面に向かって小さくなる、つまり、GaNの格子定数からAlNの格子定数に近くなるように変化していることが好ましい。これにより、窒化物半導体層と第1膜との密着性を向上させることができる。
具体的には、図3(a)〜(e)に示したように、リッジ14の側面を完全に被覆するか否かにかかわらず、第1膜(下層)15aが第1膜(上層)から一部を露出するように積層された状態(図3(a)、(b)、(e))、第1膜(下層)15aが第1膜(上層)に完全に被覆された積層状態(図3(c)、(d))等が挙げられる。
単結晶は、通常の状態では、材料中で格子定数の変動がほぼなく、格子面傾斜がほぼないものである。言い換えると、材料中で原子配列が規則的に並び、長距離的な秩序が保たれたものであり、格子定数の変動がほぼなく、格子面傾斜がほぼないものである。 しかし、本発明においては、第1膜15は、結晶格子の相当異なる窒化物半導体層上に形成されるために応力を内在しており、膜厚方向において、結晶格子の周期的構造の秩序が壊れるものではないが、その周期が拡張又は縮小する部位を包含している。
多結晶とは、多数の微小な単結晶、すなわち微結晶から構成されているものである。
アモルファスは、結晶におけるような周期的構造をもたないもの、つまり原子配列が不規則、長距離秩序がないものを意味する。
第1膜(上層)15bは、保護膜15の3〜20%程度の膜厚、さらに4〜10%程度の膜厚であることが適している。
具体的には、第1膜(下層)15aは、200〜800nm程度、好ましくは200〜500nm程度の膜厚が挙げられる。
第1膜(上層)15bは、1〜100nm程度、好ましくは5〜50nm程度の膜厚が挙げられる。
第1膜(上層)15bは積層構造でもよい。この場合、その材料又は組成、結晶系、成膜方法等のいずれか又は2以上が異なる膜の積層構造とすることができる。
第2膜21は、少なくとも光出射側の共振器面を被覆するように形成されている保護膜を意味する。この第2膜は、共振器面において少なくとも活性層を含む部位を被覆するように形成される保護膜である。第2膜21は、共振器面とこの共振器面の上方とに形成されている第1膜15とを被覆しており、Al含有窒化物膜からなる。また、図1A及び図1Cに示すように、共振器面と窒化物半導体層上に形成されている第1膜とを被覆してもよい。第2膜は、第1膜15と同一材料であることが好ましく、例えばAlNであることが好ましい。第2膜21の膜厚は、例えば、50〜100nm程度が挙げられる。
基板10は、サファイア、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板であってもよいし、炭化珪素、シリコン、ZnS、ZnO、GaAs、ダイヤモンド及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板でもよいが、窒化物半導体基板(GaN、AlN等)であることが好ましい。また、第1主面及び/又は第2主面に0°以上10°以下のオフ角を有する基板であることが好ましい。その基板の厚みは、例えば、50μmから10mm程度が挙げられる。基板として、例えば、特開2006−24703号公報に例示されている種々の公知の基板、市販の基板等を用いてもよい。
窒化物半導体基板は、MOVPE(有機金属気相成長法)、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)、HVPE法(ハイドライド気相成長法)、MBE法(分子線エピタキシー法)等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。
窒化物半導体層としては、一般式InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)を含むものを用いることができる。また、これに加えて、III族元素としてBが一部に置換されたものを用いてもよいし、V族元素としてNの一部をP、Asで置換されたものを用いてもよい。n側半導体層は、n型不純物として、Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、CdなどのIV族元素又はVI族元素等のいずれか1つ以上を含有していてもよい。また、p側半導体層は、p型不純物として、Mg、Zn、Be、Mn、Ca、Sr等を含有していてもよい。不純物は、例えば、5×1016/cm3〜1×1021/cm3程度の濃度範囲で含有されていることが好ましい。
窒化物半導体層は、n側窒化物半導体層とp側窒化物半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造とすることが好ましい。
リッジの形成は、当該分野で通常用いられる方法により形成することができる。例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程が挙げられる。この際のエッチングは、ドライエッチング(例えば、RIE法)、ウェットエッチングのいずれでもよいし、双方を、この順序又は逆の順序で、行ってもよい。なかでも、窒化物半導体の表面をドライエッチング、続いてウェットエッチングすることが好ましい。このようなリッジの形成により、上述した第1膜を形成することができる。
本発明のレーザ素子の幅、すなわち共振器方向と直交する方向の長さは、50〜2000μm程度に設定される。
p側電極は、p側窒化物半導体層と電気的に接続された電極をさす。p側電極16は、p側窒化物半導体層及び第1膜上に形成されることが好ましい。電極が最上層の窒化物半導体層及び第1膜上に連続して形成されていることにより、第1膜の剥がれを防止することができる。特に、リッジ側面に形成された第1膜の表面までp側電極が形成されていれば、第1膜の剥がれを防止することができる。
窒化物半導体層の側面を被覆する保護膜17が形成されていてもよい。保護膜17は、Zr、Si、V、Nb、Hf、Ta、Al、Ce、In、Sb、Zn等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等の絶縁膜で形成することができる。膜厚は、特に限定されず、100nm〜1500nm程度が挙げられる。これにより、絶縁性の確保のみならず、露出した窒化物半導体層の側面又は表面等を保護することができる。なお、図1Aにおいては、この保護膜17を図示していない。
共振器面のうち、光出射側とは反対側になる光反射側には、図1Aに示すように、反射ミラー22が形成されていることが適している。反射ミラー22は、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、これらの組み合わせ等により形成することができる。具体的には、SiO2、ZrO2、TiO2、Al2O3、Nb2O5、SiN、AlN、SiON、AlON等の酸化膜、窒化膜等からなる誘電体多層膜である。劈開によって形成された共振面であれば、反射ミラーを再現性よく形成することができる。
光反射側の共振器面においては、共振器面の上部の一部に第1膜15が被覆されており、この上に反射ミラー22が形成されていてもよいし、光反射側の共振器面には、反射ミラー32のみが被覆され、第1膜15が被覆されていなくてもよい。
実施例1
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、図1Bに示すように、基板10上に、窒化物半導体層として、n側窒化物半導体層11、活性層12、p側窒化物半導体層13がこの順に形成されており、p側窒化物半導体層13の表面にリッジ14が形成されている。また、窒化物半導体層の側面において、リッジ14と直交する方向に一対の共振器面が形成されている。
共振器面においては、図1A及び図1Cに示すように、その上方、つまり、p側窒化物半導体13上の一部において、第1膜15(AlN膜)が形成されており、この第1膜15の共振器面側の一部と共振器面のほぼ全面を被覆するように第2膜21(AlN膜)が形成されている。
(基板)
まず、n型不純物を含有するGaN基板10を準備する。この基板の第1主面を成長面としてMOCVD反応容器内に搬入する。
成長温度を1050℃まで昇温して、原料ガスとして、トリメチルガリウム(TMG)、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニア(NH3)、不純物ガスにシランガスを用い、Siを1×1019/cm3ドープしたAl0.03Ga0.97Nを2.5μmの膜厚で成長させる。この層をn側クラッド層とする。
温度を900℃にして、原料ガスにトリメチルインジウム(TMI)、TMG及びアンモニア、シランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を14nmの膜厚で成長させる。続いて、温度を820℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのIn0.07Ga0.93Nよりなる井戸層を8nmの膜厚で成長させる。
この障壁層、井戸層、中間層の3層構造をさらに2回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚58nmの多重量子井戸(MQW)からなる活性層12を成長させる。
TMIを止め、TMA及びCp2Mgを流し、Mgを1×1020/cm3ドープしたAl0.25Ga0.75Nよりなるp側キャップ層を10nmの膜厚で成長させる。続いてCp2Mg、TMAを止め、1000℃で、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層を0.15μmの膜厚で成長させる。このp側光ガイド層は、アンドープとして成長させるが、p側キャップ層からのMgの拡散により、Mg濃度が5×1016/cm3となりp側を示す。
これを繰り返して、総膜厚0.45μmの超格子層よりなるp側クラッド層を成長させる。
最後に、p側クラッド層の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp−GaNよりなるp側コンタクト層を15nmの膜厚で成長させる。
得られた窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面に、所定の形状のマスクを介して、幅2.0μmのストライプ状のSiO2よりなる保護膜を形成する。
その後、RIE(反応性イオンエッチング)を用い、p側クラッド層とp側光ガイド層との界面付近までエッチングを行い、任意に酸性溶液(例えば、リン酸と硫酸との混合溶液)を用いたウェットエッチング(表面処理)を行い、幅2.0μmのストライプ状のリッジ14を形成する。
続いて、SiO2マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面に、ECRプラズマスパッタ装置にて、Alターゲットを用いて、マイクロ波電力500W、RF電力250W、アルゴン雰囲気で、窒素を流しながら、室温にて、第1膜15としてAlN膜を150nm形成する。温度を400℃に上げて、同様の条件でAlN膜を50nm形成する。
次に、p側コンタクト層のリッジ最表面にNi/Au/Ptを順に形成してなるp側電極16をストライプ状に形成する。また、p側電極上にp側パッド電極を形成する。
一方、Ti/Pt/Auからなるn側電極19を、基板10の第2主面側に形成する。
p側電極16上に、p側電極16と電気的に接続したp側パッド電極18(例えば、Ni/Pd/Au)を形成する。
その後、基板10を劈開してバー状とし、そのバーの劈開面に共振面を作製する。
続いて、光出射側の共振器面と、窒化物半導体層の上面に第2膜21を形成する。ECRスパッタ装置にて、Alターゲットを用い、Arの流量が30sccm、N2の流量が10sccm、マイクロ波電力500W、RF電力250Wの条件で、AlNからなる第2膜21を、膜厚10nm程度で形成する。
これによって、第2膜は、共振器面の活性層を被覆し、さらに共振器面の上方も回り込みにより被覆している。
その後、光反射側の共振器面には、反射ミラーを形成する。例えば、光出射側と同様の成膜条件で、AlNを10nm成膜し、SiO2を290nm成膜し、その上に(SiO2/ZrO2)を(67nm/44nm)の膜厚で6周期成膜する。
さらに共振器面に垂直な方向でバー状のウェハを切断してレーザチップとする。
また、第1膜15と第2膜とを同材料の膜を形成することにより、端面保護膜全体の密着性を確保することができ、品質の高い窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
この実施例の半導体レーザ素子は、図2に示すように、第1膜が、第1膜(下層)15a上に、第1膜(上層)15b(多結晶又はアモルファスのGaN)が形成されている。この第1膜は、第1膜(下層)15aとして単結晶のAlN膜及び第1膜(上層)15bとしてアモルファスのGaNが形成され、第1膜(下層)15aの一部が共振器の上部をも被覆しており、その共振器の上部の第1膜(下層)15aを第2膜21が被覆している以外、実質的に実施例1の半導体レーザ素子と同様の構成である。
このように、第1膜が多層膜で形成されていることで、第1膜や第2膜等に発生するクラックを抑制し、共振器面において、第2膜の密着性を向上させることにより、より信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
11 n側半導体層
12 活性層
13 p側半導体層
14 リッジ
15 第1膜
15a 第1膜(下層)
15b 第1膜(上層)
16 p側電極
17 保護極
18 pパッド電極
19 n側電極
21 第2膜
22、32 反射ミラー
Claims (7)
- 基板と、該基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、該窒化物半導体層と電気的に接続する電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記リッジ側面から該リッジ両側の窒化物半導体層の上面にかけて形成されたAl含有窒化物膜からなる第1膜と、
前記窒化物半導体層に形成された共振器面と前記窒化物半導体層の上面に形成された前記第1膜を被覆し、かつAl含有窒化物膜からなる第2膜と
を備えていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第2膜は、前記窒化物半導体層の上面に形成された前記第1膜と接触している請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1膜は、組成の異なる多層膜からなる請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1膜は、窒化物半導体層の上面において、膜厚方向に結晶性が異なる2以上の部位を有するAl含有窒化物膜からなる請求項1から3のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1膜は、窒化物半導体層の上面において、上面側がc軸配向であり、膜厚方向に、格子定数が異なる部位が存在する請求項1から4のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1膜は、六方晶構造の結晶を含む請求項1から5のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体層の上面に形成された前記第1膜と前記第2膜との間に前記電極の一部を介している請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
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