JP2021111785A - Manufacturing method of optical device and optical device - Google Patents

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梓懿 張
Ziyi Zhang
梓懿 張
真希 久志本
Maki Kushimoto
真希 久志本
浩 天野
Hiroshi Amano
浩 天野
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Abstract

To provide a manufacturing method of an optical device having a laser diode suitable for mass production, and an optical device having a laser diode capable of accurate characteristic evaluation and having a small measurement error.SOLUTION: A manufacturing method of an optical device includes an etching step of etching a semiconductor laminate having an n-type clad layer containing an n-type conductive nitride semiconductor layer formed on a substrate, a light emitting layer containing one or more quantum wells formed on the n-type clad layer, and a p-type clad layer including a nitride semiconductor layer having p-type conductivity formed on the light emitting layer, and forming a laser diode by forming a mesa structure with a resonator end face, and a reflective layer forming step of forming a light reflecting layer so as to cover all sides of the mesa structure.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、光学装置の製造方法及び光学装置に関し、詳細には、レーザーダイオードを有する光学装置の製造方法及びレーザーダイオードを有する光学装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical device and an optical device, and more particularly to a method for manufacturing an optical device having a laser diode and an optical device having a laser diode.

レーザーダイオードは、適切な手法を用いて向かい合う2枚の平行なミラー端面を形成した後、通常閾値を低減させるための反射層を端面に形成することで作製される。非特許文献1は、一般的なレーザーダイオードのミラー端面形成手法を開示している。具体的には、半導体結晶を自然劈開面に沿って割ることで垂直でなめらかな端面を露出する方法を開示している。 Laser diodes are usually made by forming two parallel mirror end faces facing each other using an appropriate technique and then forming a reflective layer on the end faces to reduce the threshold. Non-Patent Document 1 discloses a method for forming a mirror end face of a general laser diode. Specifically, it discloses a method of exposing a vertical and smooth end face by dividing a semiconductor crystal along a natural cleavage plane.

米国特許5394426号公報U.S. Pat. No. 5,394,426

Z.Zhang,M.Kushimoto,T.Sakai,N.Sugiyama,L.J.Schowalter,C.Sasaoka and H.Amano,Appl.Phys.Express.12,124003(2019)Z. Zhang, M.M. Kushimoto, T.K. Sakai, N.M. Sugiyama, L. et al. J. Schowalter, C.I. Sasaoka and H. Amano, Appl. Phys. Express. 12,124003 (2019)

しかし、従来の自然劈開面に沿って割ることで共振器端面を露出する方法において、当該共振器端面に反射層をコーティングする場合、特許文献1のように細かく分割したレーザーバーのハンドリングが不可欠であるため、大量生産には適さないという問題点がある。また従来の方法で得られたレーザーダイオードでは、迷光と称される共振器端面以外から出射した光に起因して、レーザーダイオードの正確な特性評価が困難であり、また、当該レーザーダイオードを用いた測定等において誤差が生じていた。 However, in the conventional method of exposing the end face of the resonator by splitting along the natural cleavage plane, when coating the end face of the resonator with a reflective layer, it is indispensable to handle the laser bar finely divided as in Patent Document 1. Therefore, there is a problem that it is not suitable for mass production. Further, in the laser diode obtained by the conventional method, it is difficult to accurately evaluate the characteristics of the laser diode due to the light emitted from other than the end face of the resonator, which is called stray light, and the laser diode is used. There was an error in the measurement.

すなわち、本発明は、大量生産に適したレーザーダイオードを有する光学装置の製造方法を提供することを課題とする。また、正確な特性評価が可能で測定誤差の小さいレーザーダイオードを有する光学装置を提供することを課題とする。 That is, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an optical device having a laser diode suitable for mass production. Another object of the present invention is to provide an optical device having a laser diode capable of accurate characteristic evaluation and having a small measurement error.

本発明の第1の態様においては、基板上に形成され、n型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層と、前記n型クラッド層上に形成され、1つ以上の量子井戸を含む発光層と、前記発光層上に形成され、p型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層と、を有する半導体積層部をエッチングして、共振器端面を有するメサ構造を形成してレーザーダイオードを形成するエッチング工程と、前記メサ構造の全側面を覆うように光反射層を形成する反射層形成工程と、を備える、光学装置の製造方法を提供する。 In the first aspect of the present invention, an n-type clad layer formed on a substrate and including a nitride semiconductor layer having n-type conductivity and one or more quantum wells formed on the n-type clad layer. A semiconductor laminated portion having a light emitting layer containing the light emitting layer and a p-type clad layer including a nitride semiconductor layer having p-type conductivity formed on the light emitting layer is etched to have a mesa structure having a resonator end face. Provided is a method for manufacturing an optical device, comprising an etching step of forming a laser diode and a reflecting layer forming step of forming a light reflecting layer so as to cover all the side surfaces of the mesa structure.

本発明の第2の態様においては、基板と、前記基板上に形成され、n型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層と、前記n型クラッド層上に形成され、1つ以上の量子井戸を含む発光層と、前記発光層上に形成され、p型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層と、を有し、前記n型クラッド層の少なくとも一部、前記発光層、及び前記p型クラッド層は、共振器端面を含むメサ構造であり、前記メサ構造の全側面が光反射層に覆われているレーザーダイオードと、を備える光学装置を提供する。 In the second aspect of the present invention, one is formed on a substrate, an n-type clad layer formed on the substrate and including a nitride semiconductor layer having n-type conductivity, and the n-type clad layer. It has a light emitting layer including the above quantum well and a p-type clad layer including a nitride semiconductor layer having p-type conductivity formed on the light emitting layer, and at least a part of the n-type clad layer. Provided is an optical device including a laser diode in which the light emitting layer and the p-type clad layer have a mesa structure including a resonator end face, and all sides of the mesa structure are covered with a light reflecting layer.

ここで、例えば「基板上に形成され、n型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層」という表現における「上に」という文言は、基板の上にn型クラッド層が形成されることを意味するが、基板とn型クラッド層との間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。 Here, for example, in the expression "n-type clad layer formed on a substrate and including a nitride semiconductor layer having n-type conductivity", the word "on" means that an n-type clad layer is formed on the substrate. However, the case where another layer is further present between the substrate and the n-type clad layer is also included in this expression. The word "above" has the same meaning in the relationships between other layers.

ここで、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションは発明となりうる。 Here, the outline of the above invention does not list all the features of the present invention. Moreover, the subcombination of these feature groups can be an invention.

本発明によれば、大量生産に適したレーザーダイオードを有する光学装置の製造方法を提供することが可能になる。また、正確な特性評価が可能で測定誤差の小さいレーザーダイオードを有する光学装置を提供することが可能になる。 According to the present invention, it becomes possible to provide a method for manufacturing an optical device having a laser diode suitable for mass production. Further, it becomes possible to provide an optical device having a laser diode capable of accurate characteristic evaluation and having a small measurement error.

図1(a)、図1(b)及び図1(c)は、本実施形態の光学装置の製造方法のエッチング工程の模式図である。1 (a), 1 (b), and 1 (c) are schematic views of an etching process of the manufacturing method of the optical device of the present embodiment. 図2(a)及び図2(b)は、本実施形態の光学装置の及び本実施形態の光学装置の製造方法の反射層形成工程の模式図である。2 (a) and 2 (b) are schematic views of a reflective layer forming step of the optical device of the present embodiment and the method of manufacturing the optical device of the present embodiment. 図3は、本実施形態の光検出器を備える光学装置の模式図である。FIG. 3 is a schematic view of an optical device including the photodetector of the present embodiment. 図4は、本実施形態の光学装置における半導体積層部の模式図である。FIG. 4 is a schematic view of a semiconductor laminated portion in the optical device of the present embodiment. 図5(a)及び図5(b)は、実施例1におけるメサ構造の側面を観察した断面TEM像である。5 (a) and 5 (b) are cross-sectional TEM images of the side surface of the mesa structure in Example 1. 図6は、実施例1における光反射層の理論反射率と実測反射率を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the theoretical reflectance and the actually measured reflectance of the light reflecting layer in Example 1. 図7は、実施例1におけるレーザーダイオードの共振器端面を含む断面TEM像である。FIG. 7 is a cross-sectional TEM image including the resonator end face of the laser diode in the first embodiment. 図8は、実施例1におけるレーザーダイオードの電流−電圧(I−V)及び順方向パルス電流の関数としてプロットした、光出力(I−L)特性である。FIG. 8 shows the optical output (IL) characteristics plotted as a function of the current-voltage (IV) and forward pulse current of the laser diode in Example 1. 図9は、実施例2におけるレーザーダイオード及び光検出器を備える光学装置の模式図である。FIG. 9 is a schematic view of an optical device including a laser diode and a photodetector according to the second embodiment.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the inventions that fall within the scope of the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means of solving the invention.

<光学装置の製造方法>
本実施形態の光学装置の製造方法は、基板上に形成されたn型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層と、n型クラッド層上に形成された1つ以上の量子井戸を含む発光層と、発光層上に形成されたp型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層と、を有する半導体積層部をエッチングして、共振器端面を有するメサ構造を形成してレーザーダイオードを形成するエッチング工程と、メサ構造の共振器端面を含む全側面を覆うように光反射層を形成する反射層形成工程と、を備える。
<Manufacturing method of optical device>
The method for manufacturing the optical device of the present embodiment includes an n-type clad layer including an n-type conductive nitride semiconductor layer formed on a substrate and one or more quantum wells formed on the n-type clad layer. A semiconductor laminated portion having a light emitting layer containing a light emitting layer and a p-type clad layer containing a p-type conductive nitride semiconductor layer formed on the light emitting layer is etched to obtain a mesa structure having a resonator end face. It includes an etching step of forming and forming a laser diode, and a reflecting layer forming step of forming a light reflecting layer so as to cover all side surfaces including a resonator end face of a mesa structure.

レーザーダイオードのメサ構造の共振器端面を含む全側面を覆うように光反射層を形成する工程を備えることで、細かく分割したレーザーバーのハンドリングという課題がなくなり、大量生産に適している。 By providing a step of forming a light reflecting layer so as to cover all the side surfaces including the resonator end face of the mesa structure of the laser diode, the problem of handling the finely divided laser bar is eliminated, and it is suitable for mass production.

ここで「全側面を覆う」とは、対象物(ここでは光反射層)を各側面に垂直投影した時に側面の略全体が対象物の垂直投影像で覆われることを意味する。光反射層と各側面の間には他の層が介在してよいが、正確な特性評価を可能にし、測定誤差を小さくする観点から光反射層が側面に直接配置されることが好ましい場合がある。 Here, "covering all sides" means that when an object (here, a light reflecting layer) is vertically projected onto each side, substantially the entire side surface is covered with a vertically projected image of the object. Although another layer may be interposed between the light reflecting layer and each side surface, it may be preferable that the light reflecting layer is directly arranged on the side surface from the viewpoint of enabling accurate characteristic evaluation and reducing measurement error. be.

「共振器端面」とは、レーザー光の主発光面となる面であり、少なくとも発光層を含む半導体積層部の断面である。レーザー光の主発光面となる面であるため、一般的には上部から平面視したときの短辺側の発光層を含む端面となる。 The "resonator end surface" is a surface that serves as a main light emitting surface of laser light, and is at least a cross section of a semiconductor laminated portion including a light emitting layer. Since it is a surface that serves as the main light emitting surface of laser light, it is generally an end surface that includes a light emitting layer on the short side when viewed in a plan view from above.

<<エッチング工程>>
図1(a)、図1(b)及び図1(c)はエッチング工程の模式図である。エッチング工程は、基板11上に形成されたn型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層12と、n型クラッド層12上に形成された1つ以上の量子井戸を含む発光層14と、発光層14上に形成されたp型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層20と、を有する半導体積層部30をエッチングして、共振器端面41を有するメサ構造40を形成する。さらに別のエッチング工程によって、メサ構造40のエッチング深さよりさらに深いエッチングが施されてよい。例えば、出射される光の縦方向(基板面に垂直方向)の広がりによる底面での反射の影響を低減するために、図1(c)に示すように、光が出射する側(共振器端面側)をメサ構造40よりも深くエッチングしてよい。その際、エッチングは基板11に到達してよい。
<< Etching process >>
1 (a), 1 (b) and 1 (c) are schematic views of the etching process. In the etching step, an n-type clad layer 12 including an n-type conductive nitride semiconductor layer formed on the substrate 11 and a light emitting layer including one or more quantum wells formed on the n-type clad layer 12 A mesa structure having a resonator end face 41 by etching a semiconductor laminated portion 30 having a 14 and a p-type clad layer 20 including a p-type conductive nitride semiconductor layer formed on the light emitting layer 14. Form 40. Yet another etching step may be performed to etch deeper than the etching depth of the mesa structure 40. For example, in order to reduce the influence of reflection on the bottom surface due to the spread of the emitted light in the vertical direction (direction perpendicular to the substrate surface), as shown in FIG. The side) may be etched deeper than the mesa structure 40. At that time, the etching may reach the substrate 11.

特に制限されないが、基板平面に対して垂直に近い共振器端面を形成する観点から、ドライエッチングとウェットエッチングをこの順で適用することが好ましい。 Although not particularly limited, it is preferable to apply dry etching and wet etching in this order from the viewpoint of forming a resonator end face that is nearly perpendicular to the substrate plane.

基板がAlN基板であり、半導体積層部がAlGaNを含む場合、任意のドライエッチングを行った後に、水酸化テトラメチルアンモニウムをエッチング溶液としてウェットエッチングを行うことで、AlN基板の(0001)面に対してほとんど垂直なAlGaN層の(1−100)面を共振器端面として露出することが可能になる。ドライエッチングは、例えば、SiOをマスクとしてCl及びBCl雰囲気中での誘導結合型反応性イオンエッチング(ICP−RIE)である。詳細は実施例にて述べるが、基板に対して垂直に近い共振器端面ほど高い反射率を実現できる。 When the substrate is an AlN substrate and the semiconductor laminated portion contains AlGaN, wet etching is performed using tetramethylammonium hydroxide as an etching solution after performing arbitrary dry etching on the (0001) surface of the AlN substrate. The (1-100) plane of the AlGaN layer, which is almost vertical, can be exposed as the resonator end face. The dry etching is, for example, inductively coupled reactive ion etching (ICP-RIE) in a Cl 2 and B Cl 3 atmosphere with SiO 2 as a mask. Details will be described in Examples, but higher reflectance can be realized as the resonator end face is closer to perpendicular to the substrate.

<<反射層形成工程>>
図2(a)及び図2(b)は反射層形成工程の模式図である。反射層形成工程は、レーザーダイオードのメサ構造40の全側面を覆うように光反射層50を形成する。特に制限されないが、図2(a)に示すようにメサ構造40のすべての側面のみを覆うように光反射層50が形成されてよい。また、図2(b)に示すようにメサ構造40の全ての側面及び上面の一部若しくは全部を覆うように光反射層が形成されてよい。
<< Reflective layer forming process >>
2 (a) and 2 (b) are schematic views of the reflective layer forming process. In the reflection layer forming step, the light reflection layer 50 is formed so as to cover all the side surfaces of the mesa structure 40 of the laser diode. Although not particularly limited, the light reflecting layer 50 may be formed so as to cover only all the side surfaces of the mesa structure 40 as shown in FIG. 2A. Further, as shown in FIG. 2B, a light reflecting layer may be formed so as to cover all the side surfaces and a part or all of the upper surface of the mesa structure 40.

光反射層を形成する方法は特に制限されないが、ステップカバレッジのよい堆積方法として、アトミックレイヤーデポジション法が好ましい。アトミックレイヤーデポジション法とは複数の気相原料(プリカーサ)を交互に基板表面に暴露させることで膜を生成する薄膜形成方法である。CVDと異なり、違う種類のプリカーサが同時に反応チャンバに入ることはなく、それぞれ独立のステップとしてパルス的に交互導入され排出(パージ)される。各パルスにおいてプリカーサ分子は基板表面で自己制御的に振る舞い、吸着可能なサイトが表面になくなった時点で反応が終了する。従って、一度のサイクルにおける最大成膜量は、プリカーサ分子と基板表面分子が化学的にどのように結合するのか、その性質により規定される。そのためパルスサイクルのシーケンス、反応層温度、原料種などの薄膜形成条件をコントロールすることで任意の構造・サイズの基板に対して高精度かつ均一に成膜することができる。例えばVeeco/CNT社のALD装置等を用いることができる。 The method for forming the light reflecting layer is not particularly limited, but the atomic layer deposition method is preferable as the deposition method with good step coverage. The atomic layer deposition method is a thin film forming method for forming a film by alternately exposing a plurality of vapor phase raw materials (precursors) to the surface of a substrate. Unlike CVD, different types of precursors do not enter the reaction chamber at the same time, but are alternately introduced and discharged (purged) in pulses as independent steps. At each pulse, the precursor molecule behaves in a self-regulating manner on the substrate surface, and the reaction ends when there are no adsorbable sites on the surface. Therefore, the maximum film formation amount in one cycle is defined by the properties of how the precursor molecules and the substrate surface molecules are chemically bonded. Therefore, by controlling the thin film formation conditions such as the pulse cycle sequence, the reaction layer temperature, and the raw material species, it is possible to form a film with high accuracy and uniformly on a substrate having an arbitrary structure and size. For example, an ALD device manufactured by Veeco / CNT can be used.

後述のハフニウム酸化物とアルミニウム酸化物の多層構造を用いる場合、ハフニウム酸化物の気相原料としては、TDMAH(テトラキス(ジメチルアミノ)ハフニウム)を用いることができる。また、アルミニウム酸化物の気相原料としては、TMA(トリメチルアルミニウム)を用いることができる。 When a multi-layer structure of hafnium oxide and aluminum oxide, which will be described later, is used, TDMAH (tetrakis (dimethylamino) hafnium) can be used as the gas phase raw material of the hafnium oxide. Further, TMA (trimethylaluminum) can be used as the vapor phase raw material of the aluminum oxide.

<<絶縁層形成工程及び電極部形成工程>>
本実施形態の光学装置の製造方法は、エッチング工程と反射層形成工程の間に、レーザーダイオードのp型クラッド層と電気的に接続するp電極部を形成する電極部形成工程と、p電極部を覆うように絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、を更に備えていてよい。
<< Insulation layer forming process and electrode part forming process >>
The method for manufacturing the optical device of the present embodiment includes an electrode portion forming step of forming a p-electrode portion electrically connected to the p-type clad layer of the laser diode and a p-electrode portion forming step between the etching step and the reflective layer forming step. An insulating layer forming step of forming an insulating layer so as to cover the above may be further provided.

電極部形成工程及び絶縁層形成工程を更に備えることにより、光学装置に電力を印加した際の効率を良くすることができる。絶縁層は後述する光検出器のメサ構造の少なくとも一部の上面を覆うように形成されてよい。 By further providing the electrode portion forming step and the insulating layer forming step, the efficiency when electric power is applied to the optical device can be improved. The insulating layer may be formed so as to cover at least a part of the upper surface of the mesa structure of the photodetector described later.

また、絶縁層はメサ構造の側面の少なくとも一部を覆うように形成されてよい。 Further, the insulating layer may be formed so as to cover at least a part of the side surface of the mesa structure.

ここで、p電極部は、p型クラッド層に直接接続されて電気的に接続されてよいし、間に別の層(例えばコンタクト層)を介して電気的に接続されてよい。 Here, the p-electrode portion may be directly connected to the p-type clad layer and electrically connected, or may be electrically connected via another layer (for example, a contact layer) between them.

絶縁層を形成するための材料としては、例えばケイ素、ボロン、ハフニウム、チタン、アルミニウムなどを含む金属酸化物及び金属窒化物等が挙げられるがこの限りではない。 Examples of the material for forming the insulating layer include, but are not limited to, metal oxides and metal nitrides containing silicon, boron, hafnium, titanium, aluminum and the like.

<<光検出器形成工程>>
本実施形態の光学装置の製造方法は、共振器端面から発せられる光を受光して検知可能な、メサ構造を有する光検出器を形成する光検出器形成工程を更に備え、反射層形成工程において、光検出器のメサ構造の全側面にも光反射層を形成することが好ましい。
<< Photodetector forming process >>
The method for manufacturing an optical device of the present embodiment further includes a photodetector forming step of forming a photodetector having a mesa structure capable of receiving and detecting light emitted from a resonator end face, and in the reflecting layer forming step. It is preferable to form a light reflecting layer on all sides of the mesa structure of the photodetector.

詳細は後述するが、同一基板上に光検出器を設けることにより、レーザーダイオードから発せられた光を光検出器で検知することが可能になる。本実施形態のレーザーダイオード及び光検出器はメサ構造の各々の全側面に光反射層が形成されているため、当該検知のノイズとなる迷光(共振器端面以外から出射した光)の影響を低減することが可能になる。 Although the details will be described later, by providing the photodetector on the same substrate, the light emitted from the laser diode can be detected by the photodetector. Since the laser diode and the photodetector of the present embodiment have light reflecting layers formed on all side surfaces of the mesa structure, the influence of stray light (light emitted from other than the end face of the resonator) that becomes noise for the detection is reduced. It becomes possible to do.

また、光検出器形成工程が、レーザーダイオードのエッチング工程に含まれる、すなわち、レーザーダイオードのメサ構造と光検出器のメサ構造を同時に形成することも好ましい。これにより、追加のプロセスなく同一基板上にレーザーダイオードと光検出器を設けることが可能になる。 It is also preferable that the photodetector forming step is included in the etching step of the laser diode, that is, the mesa structure of the laser diode and the mesa structure of the photodetector are formed at the same time. This makes it possible to provide the laser diode and photodetector on the same substrate without any additional process.

レーザーダイオードから発せられた光を高感度に検出することを可能にする観点から、レーザーダイオードと光検出器が隣接して形成されることが好ましい。具体的にはレーザーダイオードの共振器端面の一方と光検出器の受光面が対向する位置にレーザーダイオードと光検出器を形成することが好ましい。 From the viewpoint of enabling highly sensitive detection of the light emitted from the laser diode, it is preferable that the laser diode and the photodetector are formed adjacent to each other. Specifically, it is preferable to form the laser diode and the photodetector at a position where one of the resonator end faces of the laser diode and the light receiving surface of the photodetector face each other.

量産性向上の観点から、基板がウエハ状であり、ウエハ状の基板上に、レーザーダイオードのメサ構造と、光検出器のメサ構造が各々形成されることが好ましく、各々複数形成され得ることがより好ましい。また、同一基板上にレーザーダイオードと光検出器を形成することにより、両者の位置ずれを製造装置によるメサパターン形成の誤差レベルまで低減することが可能であり、効率よくレーザーの射出光を光検出器にカップリングさせることが可能になる。 From the viewpoint of improving mass productivity, it is preferable that the substrate is in the form of a wafer, and the mesa structure of the laser diode and the mesa structure of the photodetector are each formed on the wafer-like substrate, and a plurality of each can be formed. More preferred. In addition, by forming a laser diode and a photodetector on the same substrate, it is possible to reduce the misalignment between the two to the error level of forming a mesa pattern by the manufacturing equipment, and efficiently detect the emitted light of the laser. It becomes possible to couple the vessel.

<<ダイシング工程>>
本実施形態の光学装置の製造方法は、反射層形成工程よりも後に、共振器端面を有するメサ構造を備えるレーザーダイオードをレーザーダイオードチップへ個片化するダイシング工程を更に備えることができる。これにより、従来技術のようにハンドリングが困難であったレーザーバー(個片化されたレーザーダイオード)状態で共振器端面に反射層をコーティングすることなく、共振器端面に反射層を備えるレーザーダイオードチップが簡易に製造することが可能になる。また、一つの基板上に光検出器を備えたレーザーダイオードチップを同一のダイシング工程にて形成するが可能であることにより、生産性が劇的に向上する。
<< Dicing process >>
The method for manufacturing the optical device of the present embodiment can further include a dicing step of individualizing a laser diode having a mesa structure having a resonator end face into a laser diode chip after the step of forming a reflective layer. As a result, a laser diode chip having a reflecting layer on the end face of the resonator without coating the reflecting layer on the end face of the resonator in a laser bar (individualized laser diode) state, which was difficult to handle as in the prior art. Can be easily manufactured. In addition, the ability to form a laser diode chip with a photodetector on a single substrate in the same dicing process dramatically improves productivity.

つぎに、本実施形態の光学装置が説明される。 Next, the optical device of this embodiment will be described.

(光学装置)
図2(a)及び図2(b)に示すように、本実施形態の光学装置は、基板11と、基板11上に形成され、n型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層12と、n型クラッド層12上に形成され、1つ以上の量子井戸を含む発光層14と、発光層14上に形成され、p型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層20と、を有し、n型クラッド層の少なくとも一部、発光層、及びp型クラッド層は、共振器端面41を含むメサ構造40であり、メサ構造40の共振器端面41を含む全側面が光反射層50に覆われているレーザーダイオード1と、を備える。
(Optical device)
As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the optical device of the present embodiment is an n-type cladding formed on a substrate 11 and a nitride semiconductor layer having n-type conductivity. A p-type including a light-emitting layer 14 formed on the layer 12 and an n-type clad layer 12 and containing one or more quantum wells, and a nitride semiconductor layer formed on the light-emitting layer 14 and having p-type conductivity. The clad layer 20, at least a part of the n-type clad layer, the light emitting layer, and the p-type clad layer is a mesa structure 40 including the resonator end face 41, and includes the resonator end face 41 of the mesa structure 40. A laser diode 1 whose entire side surface is covered with a light reflecting layer 50 is provided.

「メサ構造の共振器端面を含む全側面が光反射層に覆われている」とは、光反射層がメサ構造の全側面上に直接形成されて直接覆う形態でよいし、側面と光反射層の間の別の層を介して間接的に覆う形態でよい。即ち、メサ構造の側面に垂直な方向から平面視した時に光反射層がメサ構造の側面を覆っていれば良い。 "All sides including the end face of the resonator of the mesa structure are covered with the light reflecting layer" means that the light reflecting layer is directly formed on all the side surfaces of the mesa structure and directly covers the side surface and the light reflection. It may be in the form of indirectly covering through another layer between the layers. That is, the light reflecting layer may cover the side surface of the mesa structure when viewed in a plane from a direction perpendicular to the side surface of the mesa structure.

図3に示すように、本実施形態の光学装置は、レーザーダイオード1から発する光を受光し検知する、メサ構造を有する光検出器2をさらに備え、光検出器2のメサ構造の側面が光反射層51に覆われていてよい。光反射層51は光反射層50と同一であってよいし、異なっていてよい。高精度にレーザーダイオードの特性評価を実現する観点からは同一であることが好ましい。光検出器2の層構造はレーザーダイオードと同一であってよいし、異なっていてよい。光検出器の受光面はレーザーダイオードの主発光面、すなわち共振器端面に対向する位置に配置されることが好ましい。光反射層で側面が覆われたレーザーダイオード及び光検出器を備えることにより、レーザーダイオードの特性評価をより簡易にかつ高精度に実施することが可能である。同一基板上にレーザーダイオードと光検出器を形成することにより、両者の位置ずれを製造装置によるメサパターン形成の誤差レベルまで低減することが可能であり、高精度な特性評価が可能になる。さらに、上述の通りレーザーダイオードと光検出器の層構造が同一である場合、発光面と受光面の高さが略同一になるために、更に高精度な特性評価が可能となる。 As shown in FIG. 3, the optical device of the present embodiment further includes a photodetector 2 having a mesa structure that receives and detects light emitted from the laser diode 1, and the side surface of the mesa structure of the photodetector 2 is light. It may be covered with the reflective layer 51. The light reflecting layer 51 may be the same as or different from the light reflecting layer 50. From the viewpoint of realizing the characteristic evaluation of the laser diode with high accuracy, it is preferable that they are the same. The layer structure of the photodetector 2 may be the same as or different from that of the laser diode. The light receiving surface of the photodetector is preferably arranged at a position facing the main light emitting surface of the laser diode, that is, the end surface of the resonator. By providing a laser diode whose side surface is covered with a light reflecting layer and a photodetector, it is possible to evaluate the characteristics of the laser diode more easily and with high accuracy. By forming the laser diode and the photodetector on the same substrate, it is possible to reduce the misalignment between the two to the error level of the mesa pattern formation by the manufacturing apparatus, and it is possible to evaluate the characteristics with high accuracy. Further, as described above, when the layer structure of the laser diode and the photodetector is the same, the heights of the light emitting surface and the light receiving surface are substantially the same, so that more accurate characteristic evaluation becomes possible.

本実施形態の光学装置は、レーザーダイオード及び光検出器を制御する制御部を備えていてよい。 The optical device of this embodiment may include a control unit that controls a laser diode and a photodetector.

本実施形態の光学装置は、レーザーダイオードを複数有してよい。本実施形態の光学装置は、光検出器を複数有してよい。本実施形態の光学装置は、基板がウエハ状であってよい。レーザーダイオード及び/又は光検出器を複数有する場合、基板がウエハ状であることで生産効率がより向上する。 The optical device of this embodiment may have a plurality of laser diodes. The optical device of this embodiment may have a plurality of photodetectors. In the optical device of this embodiment, the substrate may be in the form of a wafer. When a plurality of laser diodes and / or photodetectors are provided, the wafer-like substrate further improves production efficiency.

また、光検出器2をさらに備える場合は、光反射層50,51を備えない形態であってよい。その場合、検出精度向上の観点から、レーザーダイオード1と光検出器2は同一基板上に形成されていることが好ましく、同一層構造であることがより好ましい。同一層構造である場合、レーザーダイオードの共振器端面と、光検出器の受光層端面が同じ高さになるため、高効率に光を受光することが可能になり、測定精度がより向上する。レーザーダイオードの共振器端面と光検出器の受光層の距離が近いほうが好ましく、50μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることがより更に好ましい。通常、レーザーダイオードの共振器端面と光検出器の受光層の距離をこのような距離で形成することはプロセス上困難であり、位置ズレ等の影響で測定精度が劣ってしまうが、同一基板上の同一層構造とすることにより、煩雑なプロセスを導入することなく高精度に両者を備える光学装置を実現可能になる。 Further, when the photodetector 2 is further provided, the light reflecting layers 50 and 51 may not be provided. In that case, from the viewpoint of improving the detection accuracy, the laser diode 1 and the photodetector 2 are preferably formed on the same substrate, and more preferably have the same layer structure. When the structure has the same layer structure, the end face of the resonator of the laser diode and the end face of the light receiving layer of the photodetector have the same height, so that light can be received with high efficiency and the measurement accuracy is further improved. The distance between the resonator end face of the laser diode and the light receiving layer of the photodetector is preferably close, preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less, and even more preferably 5 μm or less. Normally, it is difficult in the process to form the distance between the resonator end face of the laser diode and the light receiving layer of the photodetector at such a distance, and the measurement accuracy is inferior due to the influence of positional deviation, etc., but on the same substrate. By adopting the same layer structure, it is possible to realize an optical device having both with high accuracy without introducing a complicated process.

(光反射層)
所望の波長に対する高い光反射率の光反射層を設計する観点から、光反射層は誘電体積層膜であることが好ましい。誘電体積層膜は2つ以上の異なる材料の積層であれば良い。周期は1周期以上であればよい。例えば、第1の材料/第2の材料/第1の材料の3層からなる場合は1.5周期である。
(Light reflective layer)
From the viewpoint of designing a light-reflecting layer having a high light reflectance for a desired wavelength, the light-reflecting layer is preferably a dielectric laminated film. The dielectric laminated film may be a laminate of two or more different materials. The period may be one or more. For example, in the case of three layers of the first material / the second material / the first material, the period is 1.5.

光反射層の材料としては、アルミニウム、ハフニウム、シリコン、チタン、ジルコニウム、鉛、マグネシウム、及びガリウムからなる群より選択される少なくとも一つの酸化物又はフッ化物、又は窒化物であることが好ましい。また2つ以上の酸化物の組み合わせにより上述の誘電体積層膜が実現されてよい。 The material of the light reflecting layer is preferably at least one oxide or fluoride selected from the group consisting of aluminum, hafnium, silicon, titanium, zirconium, lead, magnesium, and gallium, or a nitride. Further, the above-mentioned dielectric laminated film may be realized by combining two or more oxides.

光反射層は反射率が0より大きければ特に制限されないが、30%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましく、70%以上であることが更に好ましい。 The light reflecting layer is not particularly limited as long as the reflectance is larger than 0, but it is preferably 30% or more, more preferably 50% or more, and further preferably 70% or more.

(レーザーダイオード)
本実施形態の光学装置におけるレーザーダイオードは、基板と、基板上に形成され、n型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層と、n型クラッド層上に形成され、1つ以上の量子井戸を含む発光層と、発光層上に形成され、p型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層と、を含む半導体積層部を有する。n型クラッド層の一部、発光層、及びp型クラッド層は、共振器端面を含むメサ構造である。メサ構造の共振器端面を含む全側面は光反射層に覆われている。
(Laser diode)
The laser diode in the optical device of the present embodiment is formed on a substrate, an n-type clad layer including a nitride semiconductor layer having n-type conductivity, and one or more on the n-type clad layer. It has a semiconductor laminated portion including a light emitting layer including the quantum well of the above, and a p-type clad layer including a nitride semiconductor layer having p-type conductivity formed on the light emitting layer. A part of the n-type clad layer, the light emitting layer, and the p-type clad layer have a mesa structure including a resonator end face. All sides including the end face of the resonator of the mesa structure are covered with a light reflecting layer.

共振器とは、対面した光反射面の間に光を閉じ込め、光の定常波を作り出す部位である。共振器端面とは光反射面のことである。特に制限されないが、結晶の劈開面を用いることができる。共振器がAlGaN層の場合、例えばAlGaNの(1−100)面を共振器端面として用いることができる。共振器端面は基板平面に対して垂直に近い角度で設けられていることが好ましい。具体的には基板平面に対して60度から120度であることが好ましく、80度から100度であることがより好ましく、85度から95度であることが更に好ましく、87.5度から92.5度であることがよりさらに好ましい。 A resonator is a part that traps light between facing light reflecting surfaces and creates a standing wave of light. The resonator end face is a light reflecting surface. Although not particularly limited, the cleavage plane of the crystal can be used. When the resonator is an AlGaN layer, for example, the (1-100) plane of AlGaN can be used as the resonator end face. The resonator end face is preferably provided at an angle close to perpendicular to the substrate plane. Specifically, it is preferably 60 to 120 degrees, more preferably 80 to 100 degrees, further preferably 85 to 95 degrees, and 87.5 to 92 degrees with respect to the substrate plane. It is even more preferable that the temperature is 5.5 degrees.

メサ構造とは、断面視したときに上方に凸となる形状の領域を含む構造であり、当該構造の断面視したときの形状は四角形(典型的には台形)である。換言すると、断面視したときに、下部領域の平面を底面とし、該底面と略平行な面を上面として持つ領域を含む構造である。一般的には半導体積層部の一部をエッチングすることでエッチングされなかった領域がメサ構造となる。 The mesa structure is a structure including a region having a shape that is convex upward when viewed in cross section, and the shape of the structure when viewed in cross section is a quadrangle (typically a trapezoid). In other words, it is a structure including a region having a plane of the lower region as a bottom surface and a plane substantially parallel to the bottom surface as an upper surface when viewed in cross section. Generally, by etching a part of the semiconductor laminated portion, the unetched region becomes a mesa structure.

次に、図4を参酌しながら半導体積層部及び該半導体積層部の各構成要件が説明される。 Next, the semiconductor laminated portion and each constituent requirement of the semiconductor laminated portion will be described with reference to FIG.

(半導体積層部)
半導体積層部は、基板11上に形成されたn型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層12と、n型クラッド層上に形成された1つ以上の量子井戸を含む発光層14と、発光層上に形成されたp型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層20と、を有する。
(Semiconductor laminated part)
The semiconductor laminated portion includes an n-type clad layer 12 including an n-type conductive nitride semiconductor layer formed on the substrate 11, and a light emitting layer including one or more quantum wells formed on the n-type clad layer. It has 14 and a p-type clad layer 20 including a nitride semiconductor layer having p-type conductivity formed on the light emitting layer.

半導体積層部は、さらにp型縦伝導層16、p型横伝導層17、n側導波路層13、p側導波路層15、p型コンタクト層18、電極部(図示せず)を備えていてよい。 The semiconductor laminated portion further includes a p-type longitudinal conductive layer 16, a p-type transverse conductive layer 17, an n-side waveguide layer 13, a p-side waveguide layer 15, a p-type contact layer 18, and an electrode portion (not shown). You can.

(基板)
基板11は、半導体積層部を、低い面内転位密度を有する基板11の上面に成長できるものが好ましい。本発明の効果を最大化できる実施形態の一つは、レーザーダイオード1の様々な層において、面内転位密度が5×10cm−2以下の良質な層である。特に面内転位密度が5×10cm−2以下の結晶では、転位によるキャリア散乱が軽減されることで、縦抵抗率が減少する結果、さらに縦横抵抗率の比が小さくなる傾向にある。したがって基板11は上記の欠陥密度よりさらに低い欠陥密度(例えば1×10〜1×10cm−2)が求められる。様々な基板11のうち、例えば、AlN単結晶の基板11上には1×10cm−2以下のAlGa1−xN混晶を得ることができるため好ましいが、この限りではない。基板11の貫通転位密度は、例えば、450℃で5分間KOH−NaOH共晶エッチングを行った後にエッチピット密度測定を用いて測定され得る。
(substrate)
The substrate 11 is preferably one capable of growing the semiconductor laminated portion on the upper surface of the substrate 11 having a low in-plane dislocation density. One of the embodiments in which the effect of the present invention can be maximized is a high-quality layer having an in- plane dislocation density of 5 × 10 4 cm- 2 or less in various layers of the laser diode 1. In particular, in crystals with an in-plane dislocation density of 5 × 10 4 cm- 2 or less, carrier scattering due to dislocations is reduced, resulting in a decrease in longitudinal resistivity, and as a result, the ratio of longitudinal and transverse resistivity tends to be further reduced. Therefore, the substrate 11 is required to have a defect density lower than the above-mentioned defect density (for example, 1 × 10 3 to 1 × 10 4 cm- 2). Of the various substrates 11, for example, an Al x Ga 1-x N mixed crystal of 1 × 10 4 cm- 2 or less can be obtained on the substrate 11 of an AlN single crystal, which is preferable, but not limited to this. The through-dislocation density of the substrate 11 can be measured, for example, by performing KOH-NaOH eutectic etching at 450 ° C. for 5 minutes and then using etch pit density measurement.

基板11は、異なる材料(例えばSiC、Si、MgO、Ga、アルミナ、ZnO、GaN、InN、及び/又はサファイア)を含むか、本質的にそれから成るか、若しくはそれから成り、その上にAlGa1−uN材料(0≦u≦1.0)が例えばエピタキシャル成長によって形成されている可能性がある。そのような材料は、実質的に完全に格子緩和され、例えば少なくとも1μmの厚さを有し得る。基板11は、例えばAlNのような、基板11内又は基板11上に存在する同一の材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成るホモエピタキシャル層で覆うことができる。 The substrate 11 contains or consists of different materials (eg, SiC, Si, MgO, Ga 2 O 3 , alumina, ZnO, GaN, InN, and / or sapphire), or consists of, and on top of it. The Al u Ga 1-u N material (0 ≦ u ≦ 1.0) may be formed, for example, by epitaxial growth. Such materials can be substantially completely lattice relaxed and have a thickness of, for example, at least 1 μm. The substrate 11 can be covered with a homoepitaxial layer containing, essentially consisting of, or made of the same material present in or on the substrate 11, such as AlN.

基板11は、伝導性を得るなどの目的で、Nの他に,P,As,Sb等のN以外のV族元素,H,C,O,F,Mg,Si等の不純物が混入していて良いが,元素としてはこの限りではない。 In addition to N, the substrate 11 is mixed with Group V elements other than N such as P, As, and Sb, and impurities such as H, C, O, F, Mg, and Si for the purpose of obtaining conductivity. However, this is not the case as an element.

レーザーダイオード1は、好ましくは(0001)面、又は(0001)面法線方向からいくらかの角度に傾いた面上に形成することができるが、これに限らない。この角度は、例えば−4°〜4°に設定され、好ましくは−0.4°〜0.4°に設定される。 The laser diode 1 can preferably be formed on a (0001) plane or a plane inclined at some angle from the (0001) plane normal direction, but is not limited to this. This angle is set, for example, -4 ° to 4 °, preferably −0.4 ° to 0.4 °.

基板11上に配置された多層構造の様々な層は、例えば、有機金属化学気相堆積(MOCVD)、ハライド気相成長法(HVPE)等の堆積法、分子線エピタキシー法(MBE)のようなエピタキシャル成長技法等、多種多様な異なる技法のいずれかによって形成され得る。 The various layers of the multilayer structure arranged on the substrate 11 include, for example, an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD), a deposition method such as halide vapor deposition (HVPE), and a molecular beam epitaxy method (MBE). It can be formed by any of a wide variety of different techniques, such as epitaxial growth techniques.

(p型クラッド層)
p型クラッド層20は、p型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。p型クラッド層20は、基板11に対して完全歪であることが好ましい。完全歪で形成されるレーザーダイオード1の層は貫通転位密度の増加を抑制することができるため、本発明の効果を最大化する。ここで、「基板11に対して完全歪」という文言は、多層を構成する層が基板11に対して格子緩和率が5%以下の非常に小さな歪み緩和を有することを意味する。格子緩和率は、非対称面のX線回折測定によって十分な回折強度が得られる面、例えば(105)面、(114)面又は(205)面などのいずれかの非対称面の回折ピークの逆格子座標と、基板11の回折ピークの逆格子座標から規定することができる。
(P-type clad layer)
The p-type clad layer 20 includes a nitride semiconductor layer having p-type conductivity. The p-type clad layer 20 is preferably completely strained with respect to the substrate 11. Since the layer of the laser diode 1 formed by complete strain can suppress an increase in the through-dislocation density, the effect of the present invention is maximized. Here, the phrase "complete distortion with respect to the substrate 11" means that the layers constituting the multilayer have a very small strain relaxation with a lattice relaxation rate of 5% or less with respect to the substrate 11. The lattice relaxation rate is the reciprocal lattice of the diffraction peaks of any of the asymmetric planes, such as the (105) plane, (114) plane, or (205) plane, where sufficient diffraction intensity can be obtained by X-ray diffraction measurement of the asymmetric plane. It can be defined from the coordinates and the reciprocal lattice coordinates of the diffraction peak of the substrate 11.

p型縦伝導層16とp型横伝導層17を有する場合、両者が合わせてp型クラッド層をなす。 When the p-type longitudinal conductive layer 16 and the p-type transverse conductive layer 17 are provided, both form a p-type clad layer.

(p型縦伝導層)
p型縦伝導層16は、p型の伝導性を得る目的で、Al組成sが基板11の上面から遠ざかる方向へ減少する様に傾斜したAlGa1−sNから成る層である。つまり、p型クラッド層を構成するp型縦伝導層16は組成傾斜を有する。p型縦伝導層16の膜厚とAl組成s範囲は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップの材料であって、デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と発光層14の重なりを増大させる(すなわち光閉じ込めを増大させる)目的でAl組成、膜厚が限定されることがある。発光層14の発光波長が210nm以上300nm以下の場合、例えばAl組成sが0.3以上1.0以下の範囲において、基板11の上面から遠ざかる方向に減少したAlGa1−sNから成る層であって、膜厚が250nm以上450nm以下、より好ましくは300nm以上400nm以下であることが好ましい。適切に膜厚を制御することで、レーザーダイオード1の内部損失を低減することができる。
(P-type longitudinal conductive layer)
The p-type longitudinal conductive layer 16 is a layer made of Al s Ga 1-s N inclined so that the Al composition s decreases in the direction away from the upper surface of the substrate 11 for the purpose of obtaining p-type conductivity. That is, the p-type longitudinal conductive layer 16 constituting the p-type clad layer has a composition inclination. The film thickness and Al composition s range of the p-type longitudinal conductive layer 16 are bandgap materials that do not absorb light of a desired emission wavelength, and the electric field intensity distribution of the optical mode and the light emitting layer 14 that are fixed in the device. The Al composition and film thickness may be limited for the purpose of increasing the overlap (that is, increasing the light confinement). When the emission wavelength of the light emitting layer 14 is 210 nm or more and 300 nm or less, for example, in the range where the Al composition s is 0.3 or more and 1.0 or less, the light emitting layer 14 is composed of Al s Ga 1-s N decreasing in the direction away from the upper surface of the substrate 11. The layer preferably has a film thickness of 250 nm or more and 450 nm or less, more preferably 300 nm or more and 400 nm or less. By appropriately controlling the film thickness, the internal loss of the laser diode 1 can be reduced.

レーザーダイオード1の内部損失は、例えば、公知のVariable Stripe Length Method(以下、VSLM)などの方法によって測定が可能である。 The internal loss of the laser diode 1 can be measured by, for example, a method such as a known Variable Stripe Length Method (hereinafter, VSLM).

p型縦伝導層16は、その膜厚に対するAl組成の変化量が一様でなくとよい。光閉じ込めを増大させる目的などから、発光層14へ近づくにつれてAl組成の変化量が漸近的に、又は段階的に減少する構成であり得る。 The amount of change in the Al composition of the p-type longitudinal conductive layer 16 with respect to the film thickness does not have to be uniform. For the purpose of increasing light confinement or the like, the amount of change in the Al composition may decrease asymptotically or stepwise as it approaches the light emitting layer 14.

p型縦伝導層16は、不純物の拡散を抑制する目的などから,p側導波路層15に近い領域においてH,Mg,Be,Zn,Si,B,等の不純物を意図的に混入しないことが好ましく、すなわちアンドープの状態であることが好ましい。ここで、「アンドープ」という文言は、対象の層を形成する過程で元素として上記が意図に供給されないことを意味する。ただし、原料、製造装置由来の元素が、例えば1016cm−3以下の範囲で混入される場合は、この限りでない。元素の混入量は、二次電子イオン質量分析等の手法によって規定することができる。本願の「アンドープ」は本質的に同様な意味を示す。また、p型縦伝導層16のアンドープの状態とする領域は、少なくともp側導波路層15との境界を含む。ただし、領域の大きさは限定されない。例えば、p型縦伝導層16の全ての領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、p型縦伝導層16のうち、p型横伝導層17よりもp側導波路層15に近い50%の領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、p型縦伝導層16のうち、p側導波路層15に近い約10%の領域がアンドープの状態であってよい。 The p-type longitudinal conductive layer 16 does not intentionally mix impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, and B in the region close to the p-side waveguide layer 15 for the purpose of suppressing the diffusion of impurities. Is preferable, that is, it is preferably in an undoped state. Here, the word "undoped" means that the above is not intentionally supplied as an element in the process of forming the target layer. However, this does not apply when elements derived from raw materials and manufacturing equipment are mixed in a range of, for example, 10 16 cm -3 or less. The amount of elements mixed can be specified by a method such as secondary electron ion mass spectrometry. "Undope" in the present application has essentially the same meaning. Further, the region of the p-type longitudinal conductive layer 16 in the undoped state includes at least the boundary with the p-side waveguide layer 15. However, the size of the area is not limited. For example, all regions of the p-type longitudinal conductive layer 16 may be in an undoped state. As another example, 50% of the p-type longitudinal conductive layer 16 that is closer to the p-side waveguide layer 15 than the p-type transverse conductive layer 17 may be in an undoped state. Further, as another example, in the p-type longitudinal conductive layer 16, about 10% of the region close to the p-side waveguide layer 15 may be in an undoped state.

p型縦伝導層16とp側導波路層15の中間に、伝導率を向上させる目的、かつ/又はp型横伝導層17及びp型コンタクト層18を完全歪で形成させるためなどの目的から、基板11の上面から遠ざかる方向へAl組成vが増加するようなAlGa1−vN(0<v≦1.0)から成る中間層を設けることができる。p型縦伝導層16とp側導波路層15の中間層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップでない混晶であって良く、さらに50nm以下の膜厚であることが好ましく、アンドープであって良い。 For the purpose of improving conductivity between the p-type longitudinal conductive layer 16 and the p-side waveguide layer 15 and / or for forming the p-type transverse conductive layer 17 and the p-type contact layer 18 with complete strain. , An intermediate layer made of Al v Ga 1-v N (0 <v ≦ 1.0) can be provided so that the Al composition v increases in the direction away from the upper surface of the substrate 11. The intermediate layer between the p-type longitudinal conductive layer 16 and the p-side waveguide layer 15 may be a mixed crystal having no bandgap that does not absorb light having a desired emission wavelength, and is preferably undoped with a film thickness of 50 nm or less. It may be.

p型縦伝導層16の縦抵抗率は、例えば本願実施形態のレーザーダイオード1の直列抵抗値Rsから、n型クラッド層12が寄与する抵抗値Rnを除いた抵抗値Rs´=Rs−Rnを用いて算出することができる。レーザーダイオード1のp型コンタクト層18に接触するp型電極の面積Aとp型クラッド層20の膜厚Tから、p型クラッド層20の縦抵抗率はRs´×A/Tとして算出される。n型クラッド層12の抵抗値Rは、例えば、伝送線路測定法及び渦電流による非接触抵抗測定によって決定され得る。 The resistivity of the p-type longitudinal conductive layer 16 is, for example, a resistance value Rs'= Rs-Rn obtained by subtracting the resistance value Rn contributed by the n-type clad layer 12 from the series resistance value Rs of the laser diode 1 of the embodiment of the present application. It can be calculated using. The longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 is calculated as Rs'× A / T from the area A of the p-type electrode in contact with the p-type contact layer 18 of the laser diode 1 and the film thickness T of the p-type clad layer 20. .. The resistance value R of the n-type clad layer 12 can be determined by, for example, a transmission line measurement method and a non-contact resistance measurement using an eddy current.

(p型横伝導層)
p型横伝導層17は、p型横伝導層17を貫通するキャリアの量子透過を容易とするように薄い膜厚であり得る。例えば20nm以下、又は10nm以下、好ましくは5nm以下である。
(P-type transverse conductive layer)
The p-type transverse conductive layer 17 may have a thin film thickness so as to facilitate quantum transmission of carriers penetrating the p-type transverse conductive layer 17. For example, it is 20 nm or less, or 10 nm or less, preferably 5 nm or less.

p型横伝導層17は、p型横伝導層17の縦抵抗率を制御する目的などからH,Mg,Be,Zn,Si,B,等の不純物を意図的に混入されることができる。混入される不純物の量は、p型横伝導層17の表面及び内部に誘積される正味の電界量に応じて、一例として、1×1019cm−3以上5×1021cm−3を取り得る。 Impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, and B can be intentionally mixed into the p-type transverse conductive layer 17 for the purpose of controlling the longitudinal resistivity of the p-type transverse conductive layer 17. The amount of impurities to be mixed depends on the amount of the net electric field attracted to the surface and the inside of the p-type transverse conductive layer 17, and as an example, 1 × 10 19 cm -3 or more and 5 × 10 21 cm -3 . It can be taken.

p型横伝導層17の、p型コンタクト層18との界面におけるAl組成は、好ましくは0.9以上1.0以下の範囲であって、基板11に対して完全歪であることが好ましい。このようなp型横伝導層17は、p型横伝導層17の表面及び表面付近の内部に蓄積される正味内部電界が負となって、正孔が誘積されることで横伝導率を向上させる効果がある。また、レーザーダイオード1の領域においてp型横伝導層17のAl組成の分布が5%以下に制限されることが好ましい。このようなp型横伝導層17は、組成の分布によるキャリア散乱が低減されるためにより高い横伝導率を実現し得る。 The Al composition of the p-type transverse conductive layer 17 at the interface with the p-type contact layer 18 is preferably in the range of 0.9 or more and 1.0 or less, and is preferably completely strained with respect to the substrate 11. In such a p-type transverse conductive layer 17, the net internal electric field accumulated on the surface of the p-type transverse conductive layer 17 and the inside near the surface becomes negative, and holes are attracted to increase the lateral conductivity. It has the effect of improving. Further, it is preferable that the distribution of the Al composition of the p-type transverse conductive layer 17 is limited to 5% or less in the region of the laser diode 1. Such a p-type transverse conductive layer 17 can realize higher transverse conductivity because carrier scattering due to the distribution of the composition is reduced.

p型横伝導層17は、最終的なp型横伝導層17のAl組成tより小さいAl組成yから成るAlGa1−yNをAl原料及びGa原料が供給されない高温状態で保持することによって、Al組成tが0.9≦t≦1.0のAlGa1−tNであるように形成されることが好ましい。 The p-type transverse conductive layer 17 holds Al y Ga 1-y N having an Al composition y smaller than the Al composition t of the final p-type transverse conductive layer 17 in a high temperature state where the Al raw material and the Ga raw material are not supplied. by, the Al composition t is formed such that a 0.9 ≦ t ≦ 1.0 Al t Ga 1-t N are preferred.

(n型クラッド層)
n型クラッド層12は、n型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。n型クラッド層12は、基板11に対して完全歪で形成されることが好ましい、またn型クラッド層12が基板11に対して完全歪で形成する目的で、n型クラッド層12と基板11の界面にAl組成が一様に変化する中間層が存在し得、また、n型クラッド層12のAl組成と膜厚が制約を受けることがある。n型クラッド層12は、適切な電極に対して低い接触抵抗(例えば1×10−6〜1×10−4Ωcm)を得る目的でAl組成が制限を受けることがある。上記の制限を鑑みたn型クラッド層12の実施形態として、Al組成が0.6〜0.8、厚みが0.3〜0.5μmであってよい。
(N-type clad layer)
The n-type clad layer 12 includes a nitride semiconductor layer having n-type conductivity. The n-type clad layer 12 is preferably formed with complete strain on the substrate 11, and for the purpose of forming the n-type clad layer 12 with complete strain on the substrate 11, the n-type clad layer 12 and the substrate 11 There may be an intermediate layer in which the Al composition changes uniformly at the interface between the two, and the Al composition and the film thickness of the n-type clad layer 12 may be restricted. The Al composition of the n-type clad layer 12 may be limited for the purpose of obtaining low contact resistance (for example, 1 × 10 -6 to 1 × 10 -4 Ωcm 2) with respect to a suitable electrode. As an embodiment of the n-type clad layer 12 in consideration of the above restrictions, the Al composition may be 0.6 to 0.8 and the thickness may be 0.3 to 0.5 μm.

n型クラッド層12は、その縦伝導率を制御する目的などから、Al組成を基板11から遠ざかる方向に対して増加させるような傾斜層であって良い。この場合、上記のAl組成に対する限定はn型クラッド層12内、各膜厚方向位置におけるAl組成をn型クラッド層12の膜厚で平均したAl組成として、同様の実施形態を取ることができる。 The n-type clad layer 12 may be an inclined layer that increases the Al composition in the direction away from the substrate 11 for the purpose of controlling its longitudinal conductivity. In this case, the same embodiment can be taken as the above limitation on the Al composition as the Al composition obtained by averaging the Al composition at each film thickness direction position in the n-type clad layer 12 with the film thickness of the n-type clad layer 12. ..

n型クラッド層12は、その縦伝導率を制御する目的などから,Nの他に,P,As,Sb等のN以外のV族元素,H,C,O,F,Mg,Ge,Si等の不純物が混入していて良いが,元素としてはこの限りではない。適切な不純物の混入量はn型クラッド層12のAl組成によって制限を受ける。好ましくは1×1019〜1×1020cm−3である。 In addition to N, the n-type clad layer 12 contains Group V elements other than N such as P, As, and Sb, H, C, O, F, Mg, Ge, and Si for the purpose of controlling its longitudinal conductivity. Impurities such as these may be mixed, but this is not the case as an element. The appropriate amount of impurities mixed is limited by the Al composition of the n-type clad layer 12. It is preferably 1 × 10 19 to 1 × 10 20 cm -3 .

(導波路層)
導波路層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップを持つAl、Gaを含む窒化物半導体であって、デバイス内で定在する光の電界強度分布と発光層14の重なりを増大させる目的でAl組成、膜厚が限定され得る。例えば260nm〜280nmの発光層14に対してAl組成0.55〜0.65、膜厚70〜150nmなどが好ましい。
(Wife path layer)
The waveguide layer is a nitride semiconductor containing Al and Ga having a band gap that does not absorb light of a desired emission wavelength, and increases the electric field intensity distribution of light resident in the device and the overlap of the light emitting layer 14. The Al composition and film thickness can be limited for the purpose. For example, the Al composition is preferably 0.55 to 0.65 and the film thickness is 70 to 150 nm with respect to the light emitting layer 14 having a diameter of 260 nm to 280 nm.

導波路層は、発光層14に対してn型クラッド層12側の部分(n側導波路層13)と、発光層14に対してp型クラッド層20側(p側導波路層15)の2層から構成され得る。すなわち、n側導波路層13は、n型クラッド層12と発光層14との間に形成され得る。p側導波路層15は、p型クラッド層20と発光層14との間に形成され得る。n側導波路層13とp側導波路層15の膜厚比は、発光層14への光閉じ込めと、n型クラッド層12とp型クラッド層20のAl組成によってさまざまに取りうる。n側導波路層13とp側導波路層15のAl組成は膜厚方向において均一であることが好ましいが、この限りではない。p型コンタクト上に存在する金属への光吸収を回避するために、p側導波路層15のAl組成がn側導波路層13のAl組成より高い可能性がある。同様の目的で、p側導波路層15の膜厚がn側導波路層13の膜厚より厚い可能性がある。n側導波路層13は、n型クラッド層12と同じ伝導型を得る目的などからNの他に,P,As,Sb等のN以外のV族元素,H,C,O,F,Mg,Si等の不純物が混入していて良いが,元素としてはこの限りではない。 The waveguide layer is a portion on the n-type clad layer 12 side (n-side waveguide layer 13) with respect to the light emitting layer 14 and a p-type clad layer 20 side (p-side waveguide layer 15) with respect to the light emitting layer 14. It may consist of two layers. That is, the n-side waveguide layer 13 can be formed between the n-type clad layer 12 and the light emitting layer 14. The p-side waveguide layer 15 can be formed between the p-type clad layer 20 and the light emitting layer 14. The film thickness ratio of the n-side waveguide layer 13 and the p-side waveguide layer 15 can be variously determined depending on the light confinement in the light emitting layer 14 and the Al composition of the n-type clad layer 12 and the p-type clad layer 20. The Al composition of the n-side waveguide layer 13 and the p-side waveguide layer 15 is preferably uniform in the film thickness direction, but this is not the case. It is possible that the Al composition of the p-side waveguide layer 15 is higher than the Al composition of the n-side waveguide layer 13 in order to avoid light absorption into the metal present on the p-type contact. For the same purpose, the film thickness of the p-side waveguide layer 15 may be thicker than the film thickness of the n-side waveguide layer 13. The n-side waveguide layer 13 includes V group elements other than N such as P, As, Sb, H, C, O, F, Mg in addition to N for the purpose of obtaining the same conduction type as the n-type clad layer 12. Impurities such as Si and Si may be mixed, but this is not the case as an element.

n側導波路層13とn型クラッド層12の中間に、縦伝導率を向上させる目的などから、Al組成wが、基板11の上面から遠ざかる方向において、減少するようなAlGa1−wNから成る組成傾斜層を設けることができる。n側導波路層13とn型クラッド層12の中間層は、10nm以下の膜厚であることが好ましい。 Al w Ga 1-w such that the Al composition w decreases in the direction away from the upper surface of the substrate 11 for the purpose of improving the longitudinal conductivity between the n-side waveguide layer 13 and the n-type clad layer 12. A composition gradient layer composed of N can be provided. The intermediate layer between the n-side waveguide layer 13 and the n-type clad layer 12 preferably has a film thickness of 10 nm or less.

p側導波路層15とp型クラッド層20の中間に、縦伝導率を向上させる目的などから、基板11の上面から遠ざかる方向へAl組成xが増加するようなAlGa1−xNから成る組成傾斜層を設けることができる。p側導波路層15とp型クラッド層20の中間層は、導波路層への光閉じ込めを劣化させないために十分に薄い(例えば30nm以下、又は20nm以下の)膜厚であることが好ましい。 From Al x Ga 1-x N such that the Al composition x increases in the direction away from the upper surface of the substrate 11 for the purpose of improving the longitudinal conductivity between the p-side waveguide layer 15 and the p-type clad layer 20. A composition gradient layer consisting of the above can be provided. The intermediate layer between the p-side waveguide layer 15 and the p-type clad layer 20 is preferably thin enough (for example, 30 nm or less, or 20 nm or less) so as not to deteriorate the light confinement in the waveguide layer.

p側導波路層15の内部又はp側導波路層15と発光層14の中間、又はp側導波路層15とp型縦伝導層16の中間、又はp側導波路層15の一部において、バンドギャップがp側導波路層15より大きい電子ブロック層を設けることができる。電子ブロック層は、電子ブロック層を正孔が量子貫通しやすいように、30nm以下、又は20nm以下、さらに好ましくは15nm以下とすることができる。 Inside the p-side waveguide layer 15, between the p-side waveguide layer 15 and the light emitting layer 14, or between the p-side waveguide layer 15 and the p-type longitudinal conduction layer 16, or a part of the p-side waveguide layer 15. , An electron block layer having a band gap larger than that of the p-side waveguide layer 15 can be provided. The electron block layer can be 30 nm or less, or 20 nm or less, more preferably 15 nm or less so that holes can easily penetrate the electron block layer.

(発光層)
発光層14は、n型クラッド層とp型クラッド層によって直接又は間接的に挟まれた単数又は複数の量子井戸であり得る。量子井戸の数は、n型クラッドとp型クラッドの縦伝導率によって、3又は2、又は1であり得る。
(Light emitting layer)
The light emitting layer 14 may be a single or a plurality of quantum wells directly or indirectly sandwiched between an n-type clad layer and a p-type clad layer. The number of quantum wells can be 3 or 2 or 1 depending on the longitudinal conductivity of the n-type clad and the p-type clad.

発光層14の結晶欠陥の影響を低減する目的などから、発光層14の一部又は全てがSi,Sb,Pなどの元素が1×1015cm−3以上意図的に混入されてよい。 For the purpose of reducing the influence of crystal defects in the light emitting layer 14, a part or all of the light emitting layer 14 may be intentionally mixed with elements such as Si, Sb, and P in an amount of 1 × 10 15 cm -3 or more.

(p型コンタクト層)
p型コンタクト層18は、p型クラッド層20上に形成され、GaNを含む窒化物半導体であってよい。コンタクト抵抗を低減するなどの目的において、Nの他に,P,As,Sb等のN以外のV族元素,H,B,C,O,F,Mg,Ge,Si等の不純物が混入していて良いが,元素としてはこの限りではない。例えばMgを1×1020〜1×1022cm−3混入させることができる。
(P-type contact layer)
The p-type contact layer 18 may be a nitride semiconductor formed on the p-type clad layer 20 and containing GaN. In addition to N, group V elements other than N such as P, As, and Sb, and impurities such as H, B, C, O, F, Mg, Ge, and Si are mixed in for the purpose of reducing contact resistance. It may be, but it is not limited to this as an element. For example, Mg can be mixed in from 1 × 10 20 to 1 × 10 22 cm -3.

レーザーダイオード1に対する電気的接触は、p型コンタクト層18上に配置された電極部によって、及び、n型クラッド層12に接触するように配置された電極部によって行うことができる。例えば、基板11の裏側に電極部を配置するか、又は、p型コンタクト層18近傍の1つ以上の領域において、n型クラッド層12が露出するようにレーザーダイオード1の様々な上部の層を、例えば化学エッチング又はドライエッチングによって除去し、露出したn型クラッド層12上に電極を配置することで成し得る。 The electrical contact with the laser diode 1 can be performed by an electrode portion arranged on the p-type contact layer 18 and by an electrode portion arranged so as to contact the n-type clad layer 12. For example, an electrode portion may be arranged on the back side of the substrate 11, or various upper layers of the laser diode 1 may be provided so that the n-type clad layer 12 is exposed in one or more regions near the p-type contact layer 18. It can be achieved by, for example, removing by chemical etching or dry etching and arranging an electrode on the exposed n-type clad layer 12.

(電極部)
p型コンタクト層18上に配置される電極部は、Ni,Pt、Au、Pdのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。
(Electrode part)
The electrode portion arranged on the p-type contact layer 18 may be a metal containing one or more elements of Ni, Pt, Au, and Pd.

n型クラッド層12、又は基板11の裏面に配置される電極部は、V,Al,Au,Ti、Ni、Moのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。基板11に接触する金属層はV又はTiを含む金属であることが好ましい。 The electrode portion arranged on the back surface of the n-type clad layer 12 or the substrate 11 may be a metal containing one or more elements of V, Al, Au, Ti, Ni, and Mo. The metal layer in contact with the substrate 11 is preferably a metal containing V or Ti.

[実施例1]
実施例1として、以下に示す窒化物半導体レーザーダイオードを備える光学装置が作製された。レーザーダイオードの作製にはMOCVD、また、原料には、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH)、シラン(SiH)、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(CpMg)などが用いられた。単結晶AlN基板11の(0001)面に対して0.1°〜0.3°傾斜した面上に、TMA、NHを1200℃のH雰囲気中で反応させることによって、0.2μmのAlNから成るホモエピタキシャル成長層が形成された。
[Example 1]
As Example 1, an optical device including the following nitride semiconductor laser diode was manufactured. MOCVD is used to fabricate laser diodes, and trimethylgallium (TMG), triethylgallium (TEG), trimethylaluminum (TMA), ammonia (NH 3 ), silane (SiH 4 ), and bis (cyclopentadienyl) are used as raw materials. ) Magnesium (Cp 2 Mg) and the like were used. By reacting TMA and NH 3 in an H 2 atmosphere at 1200 ° C. on a plane inclined by 0.1 ° to 0.3 ° with respect to the (0001) plane of the single crystal AlN substrate 11, 0.2 μm. A homoepitaxial growth layer made of AlN was formed.

AlNから成るホモエピタキシャル成長層上に、TMA、TMG、NH及びSiHを1055℃のH雰囲気中で反応させることによって、AlGaN中間層と、n型クラッド層12と、がこの順序で積層された。AlGaN中間層は、30nmの膜厚を有し、基板11の上面から遠ざかる方向にAl組成が1.0から0.71まで一様に減少する。n型クラッド層12は、0.35μmの膜厚を有し、5×1019cm−3のSiによってドープされたAl0.7Ga0.3Nの層である。AlNホモエピタキシャル成長層、中間層及びn型クラッド層12は、0.3〜0.6μm/hの速度で形成されることによって、基板11に対して完全歪であるように形成された。 The AlGaN intermediate layer and the n-type clad layer 12 are laminated in this order by reacting TMA, TMG, NH 3 and SiH 4 in an H 2 atmosphere at 1055 ° C. on a homoepitaxial growth layer made of AlN. rice field. The AlGaN intermediate layer has a film thickness of 30 nm, and the Al composition uniformly decreases from 1.0 to 0.71 in the direction away from the upper surface of the substrate 11. The n-type clad layer 12 is a layer of Al 0.7 Ga 0.3 N having a film thickness of 0.35 μm and doped with 5 × 10 19 cm -3 Si. The AlN homoepitaxial growth layer, the intermediate layer and the n-type clad layer 12 were formed so as to be completely strained with respect to the substrate 11 by being formed at a rate of 0.3 to 0.6 μm / h.

n型クラッド層12上に、TMA、TMG、NHを1055℃のH雰囲気中で反応させることによって、n側導波路層13と、発光層14と、がこの順序で積層された。n側導波路層13は、60nmの膜厚を有し、Al0.63Ga0.37Nから成る。発光層14は、総膜厚30nmの多層量子井戸層から成る。発光層14の障壁層の一部の形成中に、SiHを原料として導入することによって、3×1019cm−3のSiがドープされた。さらに、発光層14上に50nmの膜厚を有し、Al0.62Ga0.38Nから成るp側導波路層15が形成された。n側導波路層13、発光層14及びp側導波路層15は、0.4μm/hの速度で形成されたことによって、基板11に対して完全歪であるように形成された。 on the n-type cladding layer 12, TMA, TMG, by reacting NH 3 in a H 2 atmosphere of 1055 ° C., the n-side waveguide layer 13, a light-emitting layer 14, but are stacked in this order. The n-side waveguide layer 13 has a film thickness of 60 nm and is composed of Al 0.63 Ga 0.37 N. The light emitting layer 14 is composed of a multilayer quantum well layer having a total film thickness of 30 nm. During the formation of a portion of the barrier layer of the light emitting layer 14, 3 × 10 19 cm -3 Si was doped by introducing SiH 4 as a raw material. Further, a p-side waveguide layer 15 having a film thickness of 50 nm and made of Al 0.62 Ga 0.38 N was formed on the light emitting layer 14. The n-side waveguide layer 13, the light emitting layer 14, and the p-side waveguide layer 15 were formed at a speed of 0.4 μm / h so as to be completely strained with respect to the substrate 11.

p側導波路層15上に、TMA、TMG、NHを1055℃のH雰囲気中で反応させることによって、20nmの膜厚を有し、Al組成が、基板11の上面から遠ざかる方向に0.62から1.0まで一様に増加するAlGaN中間層と、0.32μmの膜厚を有し、Al組成が、基板11の上面から遠ざかる方向に1.0から0.3まで減少させたp型縦伝導層16と、がこの順序で積層された。p型縦伝導層16は、0.3〜0.5μm/hの速度で形成されたことによって、基板11に対して完全歪であるように形成された。また、p型縦伝導層16は、全ての領域がアンドープの状態である。 By reacting TMA, TMG, and NH 3 on the p-side waveguide layer 15 in an H 2 atmosphere at 1055 ° C., the film has a film thickness of 20 nm, and the Al composition is 0 in the direction away from the upper surface of the substrate 11. It had an AlGaN intermediate layer that uniformly increased from .62 to 1.0 and a film thickness of 0.32 μm, and the Al composition decreased from 1.0 to 0.3 in the direction away from the upper surface of the substrate 11. The p-type longitudinal conductive layer 16 and the p-type longitudinal conductive layer 16 were laminated in this order. The p-type longitudinal conductive layer 16 was formed so as to be completely strained with respect to the substrate 11 by being formed at a speed of 0.3 to 0.5 μm / h. Further, the p-type longitudinal conductive layer 16 is in an undoped state in all regions.

p型縦伝導層16上に、3nmの膜厚を有し、Al0.45Ga0.05Nから成るp型横伝導層17が形成された。さらに、1055℃の状態でTMA、TMG原料の供給を停止し、CpMgの供給のみを行った状態を10分間以上保持(アニール)することによって、p型横伝導層17が1×1020cm−3のMgによってドープされたAl0.97Ga0.03N層に変質した。このような手順で変質させることによって、p型横伝導層17は基板11に対して完全歪であるように形成された。ここで、p型縦伝導層16とp型横伝導層とが併せてp型クラッド層20をなす。 On the p-type longitudinal conductive layer 16, a p-type transverse conductive layer 17 having a film thickness of 3 nm and made of Al 0.45 Ga 0.05 N was formed. Further, by stopping the supply of TMA and TMG raw materials at 1055 ° C. and holding (annealing) the state in which only Cp 2 Mg is supplied for 10 minutes or more, the p-type transverse conductive layer 17 is 1 × 10 20. It was transformed into an Al 0.97 Ga 0.03 N layer doped with cm- 3 Mg. By altering the quality by such a procedure, the p-type transverse conductive layer 17 was formed so as to be completely strained with respect to the substrate 11. Here, the p-type longitudinal conductive layer 16 and the p-type transverse conductive layer together form the p-type clad layer 20.

(002)面のXRD測定を行ったところ、p型横伝導層17のAl組成の分散は、レーザーダイオード1の領域に相当する領域範囲において3.5%であった。p型横伝導層17は、複数の位置において、透過電子顕微鏡の<11−20>方向の透過像によって原子配列を確認したところ、基板11に対して完全歪であった。 When the XRD measurement of the (002) plane was performed, the dispersion of the Al composition of the p-type transverse conductive layer 17 was 3.5% in the region range corresponding to the region of the laser diode 1. When the atomic arrangement of the p-type transverse conductive layer 17 was confirmed by a transmission image in the <11-20> direction of a transmission electron microscope at a plurality of positions, it was completely distorted with respect to the substrate 11.

p型横伝導層17上に、TMG、CpMg、NHを940℃のH雰囲気中で反応させることによって、膜厚20nmであって、5×1020cm−3のMgによってドープされたGaNから成るp型コンタクト層18が形成された。 By reacting TMG, Cp 2 Mg, and NH 3 on the p-type transverse conductive layer 17 in an H 2 atmosphere at 940 ° C., the film thickness is 20 nm and doped with 5 × 10 20 cm -3 Mg. A p-type contact layer 18 made of GaN was formed.

上記のように作製された窒化物半導体のレーザーダイオード1は、N雰囲気中、700℃で10分以上アニーリングを行うことによって、p型層を更に低抵抗化した。 The laser diode 1 of the fabricated nitride semiconductor as described above, N 2 atmosphere, by performing annealing for 10 minutes or more at 700 ° C., and further reduce the resistance of the p-type layer.

Clを含むガスによりドライエッチングを行うことによって、<1−100>方向に平行であって、<1−100>方向に長い矩形の領域内において、n型クラッド層12が露出した。さらに、窒化物半導体のレーザーダイオード1の表面にSiOを含むパッシベーション層が形成された。 By performing dry etching with a gas containing Cl 2 , the n-type clad layer 12 was exposed in a rectangular region parallel to the <1-100> direction and long in the <1-100> direction. Further, a passivation layer containing SiO 2 was formed on the surface of the laser diode 1 of the nitride semiconductor.

p型コンタクト層18上に、<1−100>方向に平行であって、<1−100>方向に長い矩形のNi又はAuを含む電極金属領域(p型電極)が複数形成された。また、n型クラッド層12が露出した領域において、<1−100>方向に平行であって、<1−100>方向に長い矩形のV、Al、Ni、Ti又はAuから成る電極金属(n型電極)が複数形成された。 A plurality of electrode metal regions (p-type electrodes) including rectangular Ni or Au parallel to the <1-100> direction and long in the <1-100> direction were formed on the p-type contact layer 18. Further, in the region where the n-type clad layer 12 is exposed, an electrode metal (n) made of a rectangular V, Al, Ni, Ti or Au parallel to the <1-100> direction and long in the <1-100> direction. A plurality of mold electrodes) were formed.

次に、PECVD法で堆積した500nmのSiOをマスクとして、ULVAC社製のICP−RIE装置(CE−S)を使用し、ClとBCl雰囲気中でp型コンタクト層から深さ方向に1.2μmドライエッチングが行われた。AlGaN層の(1−100)面に沿ったドライエッチングがなされ、共振器端面を含む長さ400μm、幅100μmのメサ構造が形成された。このとき、共振器端面はAlN基板の(0001)面に対して60度の傾斜を有していた(図5(a))。 Next, using the 500 nm SiO 2 deposited by the PECVD method as a mask, using an ICP-RIE apparatus (CE-S) manufactured by ULVAC, in a Cl 2 and B Cl 3 atmosphere, from the p-type contact layer in the depth direction. 1.2 μm dry etching was performed. Dry etching was performed along the (1-100) plane of the AlGaN layer to form a mesa structure having a length of 400 μm and a width of 100 μm including the resonator end face. At this time, the resonator end face had an inclination of 60 degrees with respect to the (0001) plane of the AlN substrate (FIG. 5 (a)).

ついで、80℃のTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)溶液(濃度25%)中に7.5分浸漬し、ウェットエッチングが行われた。その結果、AlN基板の(0001)面に対して略垂直(91.5度)なミラー端面が形成された(図5(b))。 Then, it was immersed in a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) solution (concentration 25%) at 80 ° C. for 7.5 minutes, and wet etching was performed. As a result, a mirror end face substantially perpendicular (91.5 degrees) to the (0001) plane of the AlN substrate was formed (FIG. 5 (b)).

続いて、Veeco/CNT社製のALD装置(Fiji G2)を用いたアトミックレイヤーデポジション法にて、酸化ハフニウム(HfO)と酸化アルミニウム(Al)の積層膜からなる光反射層が形成された。積層膜は、メサ構造の側面側から41nmの酸化ハフニウムと22nmの酸化アルミニウムが交互に4.5周期堆積した構造とした。 Subsequently, by the atomic layer deposition method using an ALD device (Fiji G2) manufactured by Veeco / CNT, a light reflecting layer composed of a laminated film of hafnium oxide (HfO 2 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3) is formed. Been formed. The laminated film had a structure in which hafnium oxide at 41 nm and aluminum oxide at 22 nm were alternately deposited for 4.5 cycles from the side surface side of the mesa structure.

ここで、本実施例に先立ち、同一構造の光反射層をサファイア基板上に形成し、反射率を測定したところ、図6に示すように、波長275nmで最大の反射率が約80%となっており、理論値と一致していることが確認された。 Here, prior to this embodiment, a light reflecting layer having the same structure was formed on the sapphire substrate, and the reflectance was measured. As shown in FIG. 6, the maximum reflectance was about 80% at a wavelength of 275 nm. It was confirmed that it was consistent with the theoretical value.

図7はレーザーダイオードの共振器端面を含む断面TEM像である。本実施例の方法で得られた光反射層は、メサ構造の側面を均一に被覆していることがわかる。すなわち、On−Waferで共振器端面を含むメサ構造の側面に均一な光反射層を形成することが可能であることが理解される。 FIG. 7 is a cross-sectional TEM image including the resonator end face of the laser diode. It can be seen that the light reflecting layer obtained by the method of this example uniformly covers the side surface of the mesa structure. That is, it is understood that it is possible to form a uniform light reflecting layer on the side surface of the mesa structure including the resonator end face by On-Wafer.

図8は作製したレーザーダイオードの電流−電圧(I−V)及び順方向パルス電流に対する端面発光強度(I−L)特性である。端面発光強度は、光電子増倍管によって検出した。電流経路がp電極直下の領域に制限されていると仮定した場合の電流密度である20kA/cmに対応する、順方向電流が0.3Aを超えたあたりで非線形な端面発光強度の立ち上がりがみられ、エッチング法とALD法を用いてミラー端面を形成したLDの室温パルス電流下での発振が観察された。278.9nmの波長に先鋭なスペクトルピークが出現した。図8の挿入図は、順方向電流が0.37Aの時の分光器で測定したスペクトルである。また、閾値電流における駆動電圧は13.8Vであった。 FIG. 8 shows the end face emission intensity (IL) characteristics with respect to the current-voltage (IV) and forward pulse current of the manufactured laser diode. The end face emission intensity was detected by a photomultiplier tube. A non-linear rising edge of the end face emission intensity occurs when the forward current exceeds 0.3 A, which corresponds to the current density of 20 kA / cm 2 assuming that the current path is limited to the region directly under the p electrode. It was observed that the LD whose mirror end face was formed by using the etching method and the ALD method oscillated under a room temperature pulse current. A sharp spectral peak appeared at a wavelength of 278.9 nm. The inset of FIG. 8 is a spectrum measured by a spectroscope when the forward current is 0.37 A. The drive voltage at the threshold current was 13.8 V.

[実施例2]
実施例1におけるエッチング工程において、レーザーダイオード1に加えて光検出器2のメサ構造が形成された。図9は実施例2におけるレーザーダイオード1と光検出器2を備える光学装置の1つの繰り返し単位を抜き出した模式図である。図9の構造を繰り返し単位として複数のレーザーダイオード1及び光検出器2が作製された。
[Example 2]
In the etching process in Example 1, a mesa structure of a photodetector 2 was formed in addition to the laser diode 1. FIG. 9 is a schematic view of one repeating unit of the optical device including the laser diode 1 and the photodetector 2 in the second embodiment. A plurality of laser diodes 1 and photodetectors 2 were manufactured using the structure of FIG. 9 as a repeating unit.

図中、61はp型電極である。また、62はn型電極である。レーザーダイオード1と光検出器2の半導体積層部の構造は同一としている。ここで、光検出器側の構造の符号はレーザーダイオード1と対応するものに「´」を付している。また、図示していないが、p型電極及びn型電極の外部とのコンタクト用の領域を除いて全表面及び共振器端面を含む全側面に実施例1と同様の光反射層が形成された。 In the figure, 61 is a p-type electrode. Reference numeral 62 denotes an n-type electrode. The structure of the semiconductor laminated portion of the laser diode 1 and the photodetector 2 is the same. Here, the code of the structure on the photodetector side is the one corresponding to the laser diode 1 with "'". Further, although not shown, the same light reflecting layer as in Example 1 was formed on the entire surface and all the side surfaces including the resonator end surface except for the region for contacting the p-type electrode and the n-type electrode with the outside. ..

レーザーダイオード1のメサ構造の長辺の長さL1は400μmとした。また、短辺の長さW1は100μmとした。光検出器2のメサ構造の長さL2は50μmとした。レーザーダイオード1と光検出器2の距離L3は16μmとした。レーザーダイオード1の共振器端面側の側面は、底面反射の影響を緩和するために、基板11(11´)が露出するまでエッチングを行った。 The length L1 of the long side of the mesa structure of the laser diode 1 was set to 400 μm. The length W1 of the short side was set to 100 μm. The length L2 of the mesa structure of the photodetector 2 was set to 50 μm. The distance L3 between the laser diode 1 and the photodetector 2 was 16 μm. The side surface of the laser diode 1 on the resonator end face side was etched until the substrate 11 (11') was exposed in order to mitigate the influence of bottom surface reflection.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the claims that such modified or improved forms may also be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as operation, procedure, step, and step in the device, system, program, and method shown in the claims, the specification, and the drawing is particularly "before" and "prior to". It should be noted that it can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the scope of claims, the specification, and the operation flow in the drawings are explained using "first", "next", etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It's not a thing.

1 レーザーダイオード
2 光検出器
11 基板
12 n型クラッド層
13 n側導波路層
14 発光層
15 p側導波路層
16 p型縦伝導層
17 p型横伝導層
18 p型コンタクト層
20 p型クラッド層
30 半導体積層部
40 メサ構造
41 共振器端面
50 光反射層
51 光反射層
61 p型電極
62 n型電極
1 Laser diode 2 Photodetector 11 Substrate 12 n-type clad layer 13 n-side waveguide layer 14 Light-emitting layer 15 p-side waveguide layer 16 p-type longitudinal conduction layer 17 p-type transverse conduction layer 18 p-type contact layer 20 p-type cladding Layer 30 Semiconductor laminated part 40 Mesa structure 41 Resonator end face 50 Optical reflection layer 51 Optical reflection layer 61 p-type electrode 62 n-type electrode

Claims (30)

基板上に形成されたn型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層と、
前記n型クラッド層上に形成された1つ以上の量子井戸を含む発光層と、
前記発光層上に形成されたp型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層と、を有する半導体積層部をエッチングして、共振器端面を有するメサ構造を形成してレーザーダイオードを形成するエッチング工程と、
前記メサ構造の全側面を覆うように光反射層を形成する反射層形成工程と、
を備える、光学装置の製造方法。
An n-type clad layer containing an n-type conductive nitride semiconductor layer formed on a substrate, and an n-type clad layer.
A light emitting layer containing one or more quantum wells formed on the n-type clad layer, and
A p-type clad layer including a p-type conductive nitride semiconductor layer formed on the light emitting layer and a semiconductor laminated portion having the p-type clad layer are etched to form a mesa structure having a resonator end face and a laser diode. And the etching process to form
A reflective layer forming step of forming a light reflecting layer so as to cover all the side surfaces of the mesa structure,
A method of manufacturing an optical device.
前記共振器端面から発せられる光を受光して検知可能な、メサ構造を有する光検出器を形成する光検出器形成工程を更に備え、
前記反射層形成工程において、前記光検出器のメサ構造の全側面にも前記光反射層を形成する、請求項1に記載の光学装置の製造方法。
Further comprising a photodetector forming step of forming a photodetector having a mesa structure capable of receiving and detecting the light emitted from the end face of the resonator.
The method for manufacturing an optical device according to claim 1, wherein in the reflective layer forming step, the light reflecting layer is also formed on all sides of the mesa structure of the photodetector.
前記光検出器形成工程が、前記エッチング工程に含まれる請求項2に記載の光学装置の製造方法。 The method for manufacturing an optical device according to claim 2, wherein the photodetector forming step is included in the etching step. 前記レーザーダイオードと前記光検出器が隣接して形成される請求項2又は3に記載の光学装置の製造方法。 The method for manufacturing an optical device according to claim 2 or 3, wherein the laser diode and the photodetector are formed adjacent to each other. 前記基板がウエハ状であり、前記ウエハ状の基板上に、前記レーザーダイオードのメサ構造と、前記光検出器のメサ構造が各々複数形成される請求項2から4のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法。 The invention according to any one of claims 2 to 4, wherein the substrate is wafer-shaped, and a plurality of mesa structures of the laser diode and a plurality of mesa structures of the photodetector are formed on the wafer-shaped substrate. Manufacturing method of optical device. 前記光反射層を形成する方法が、アトミックレイヤーデポジション法ある請求項1から5のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法。 The method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 5, wherein the method for forming the light reflecting layer is an atomic layer deposition method. 前記エッチング工程がドライエッチングとウェットエッチングをこの順で有し、
前記基板がAlN基板であり、
前記ウェットエッチングのエッチング溶液が、水酸化テトラメチルアンモニウムを含む請求項1から6のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法。
The etching process has dry etching and wet etching in this order.
The substrate is an AlN substrate, and the substrate is an AlN substrate.
The method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 6, wherein the etching solution for wet etching contains tetramethylammonium hydroxide.
前記反射層形成工程より後に、ダイシング工程を更に備え、
該ダイシング工程で、共振器端面を有するメサ構造を備えるレーザーダイオードを個片化する請求項1から7のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法。
A dicing step is further provided after the reflective layer forming step.
The method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 7, wherein in the dicing step, a laser diode having a mesa structure having a resonator end face is fragmented.
前記エッチング工程と前記反射層形成工程の間に、前記レーザーダイオードの前記p型クラッド層と電気的に接続するp電極部を形成する電極部形成工程と、
前記p電極部を覆うように絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、を更に備える請求項1に記載の光学装置の製造方法。
Between the etching step and the reflection layer forming step, an electrode portion forming step of forming a p electrode portion electrically connected to the p-type clad layer of the laser diode, and an electrode portion forming step.
The method for manufacturing an optical device according to claim 1, further comprising an insulating layer forming step of forming an insulating layer so as to cover the p-electrode portion.
基板と、
前記基板上に形成され、n型導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層と、
前記n型クラッド層上に形成され、1つ以上の量子井戸を含む発光層と、
前記発光層上に形成され、p型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層と、を有し、
前記n型クラッド層の少なくとも一部、前記発光層、及び前記p型クラッド層は、共振器端面を含むメサ構造であり、
前記メサ構造の全側面が光反射層に覆われているレーザーダイオードと、
を備える光学装置。
With the board
An n-type clad layer formed on the substrate and containing a nitride semiconductor layer having n-type conductivity, and an n-type clad layer.
A light emitting layer formed on the n-type clad layer and containing one or more quantum wells,
It has a p-type clad layer formed on the light emitting layer and including a nitride semiconductor layer having p-type conductivity.
At least a part of the n-type clad layer, the light emitting layer, and the p-type clad layer have a mesa structure including a resonator end face.
A laser diode whose entire side surface of the mesa structure is covered with a light reflecting layer,
An optical device equipped with.
前記基板上に形成され、前記レーザーダイオードから発する光を受光し検知する、メサ構造を有する光検出器をさらに備え、
前記光検出器のメサ構造の側面が前記光反射層に覆われている、請求項10に記載の光学装置。
A photodetector having a mesa structure, which is formed on the substrate and receives and detects light emitted from the laser diode, is further provided.
The optical device according to claim 10, wherein the side surface of the mesa structure of the photodetector is covered with the light reflecting layer.
前記光検出器の受光面が、前記レーザーダイオードの主発光面に対向する位置に配置される請求項11に記載の光学装置。 The optical device according to claim 11, wherein the light receiving surface of the photodetector is arranged at a position facing the main light emitting surface of the laser diode. 前記レーザーダイオードを複数有する、請求項10から12のいずれか一項に記載の光学装置。 The optical device according to any one of claims 10 to 12, which has a plurality of the laser diodes. 前記p型クラッド層に電気的に接続される電極部と、
前記光反射層と前記電極部の間に配置される絶縁層を更に備える請求項10から13のいずれか一項に記載の光学装置。
An electrode portion electrically connected to the p-type clad layer and
The optical device according to any one of claims 10 to 13, further comprising an insulating layer arranged between the light reflecting layer and the electrode portion.
前記光検出器を複数有する、請求項11又は12に記載の光学装置。 The optical device according to claim 11 or 12, which has a plurality of the photodetectors. 前記基板がウエハ状である、請求項10から15のいずれか一項に記載の光学装置。 The optical device according to any one of claims 10 to 15, wherein the substrate is in the form of a wafer. 前記p型クラッド層は、AlGa1−sN(0.3≦s≦1)を含み、前記基板から遠ざかるにつれてAl組成sが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚を0.5μm未満とするp型縦伝導層と、
AlGa1−tN(0<t≦1)を含むp型横伝導層と、を有する、請求項10から16のいずれか一項に記載の光学装置。
The p-type clad layer contains Al s Ga 1-s N (0.3 ≦ s ≦ 1), has a composition gradient in which the Al composition s decreases as the distance from the substrate increases, and the film thickness is less than 0.5 μm. The p-type longitudinal conductive layer and
Al t Ga having a p-type lateral conduction layer containing 1-t N a (0 <t ≦ 1), an optical device according to any one of claims 10 16.
前記n型クラッド層と前記発光層との間に形成されて、前記発光層へ光を閉じ込めるn側導波路層と、
前記p型クラッド層と前記発光層との間に形成されて、前記発光層へ光を閉じ込めるp側導波路層と、を有する請求項17に記載の光学装置。
An n-side waveguide layer formed between the n-type clad layer and the light emitting layer to confine light in the light emitting layer,
The optical device according to claim 17, further comprising a p-side waveguide layer formed between the p-type clad layer and the light emitting layer and confining light in the light emitting layer.
前記p型縦伝導層と前記p側導波路層との間に形成されて、AlGa1−vN(0<v≦1)を含み、前記基板から遠ざかるにつれてAl組成vが増加する組成傾斜を有する中間層、を備える、請求項18に記載の光学装置。 A composition formed between the p-type longitudinal conductive layer and the p-side waveguide layer, containing Al v Ga 1-v N (0 <v ≦ 1), and the Al composition v increases as the distance from the substrate increases. The optical device according to claim 18, comprising an intermediate layer having an inclination. 前記p型縦伝導層は、前記p側導波路層との界面を含む領域がアンドープである、請求項18又は19に記載の光学装置。 The optical device according to claim 18 or 19, wherein the p-type longitudinal conductive layer is undoped in a region including an interface with the p-side waveguide layer. 前記p型縦伝導層の膜厚が250nm以上450nm以下である、請求項17から20のいずれか一項に記載の光学装置。 The optical device according to any one of claims 17 to 20, wherein the p-type longitudinal conductive layer has a film thickness of 250 nm or more and 450 nm or less. 前記p型横伝導層は、前記p型縦伝導層との隣接面において、前記Al組成tが前記Al組成sの最小値よりも大きい、請求項17から21のいずれか一項に記載の光学装置。 The optics according to any one of claims 17 to 21, wherein the p-type transverse conductive layer has an Al composition t larger than the minimum value of the Al composition s on an adjacent surface to the p-type longitudinal conductive layer. Device. 前記p型縦伝導層及び前記p型横伝導層が前記基板に対して完全歪である、請求項17から22のいずれか一項に記載の光学装置。 The optical device according to any one of claims 17 to 22, wherein the p-type longitudinal conductive layer and the p-type transverse conductive layer are completely strained with respect to the substrate. 前記発光層の発光波長が210nm以上300nm以下である、請求項10から23のいずれか一項に記載の光学装置。 The optical device according to any one of claims 10 to 23, wherein the emission wavelength of the light emitting layer is 210 nm or more and 300 nm or less. 前記光反射層が、誘電体積層膜である請求項10から24のいずれか一項に記載の光学装置。 The optical device according to any one of claims 10 to 24, wherein the light reflecting layer is a dielectric laminated film. 前記光反射層がアルミニウム、ハフニウム、シリコン、チタン、ジルコニウム、鉛、及びガリウムからなる群より選択される少なくとも一つの酸化物である請求項10から25のいずれか一項に記載の光学装置。 The optical device according to any one of claims 10 to 25, wherein the light reflecting layer is at least one oxide selected from the group consisting of aluminum, hafnium, silicon, titanium, zirconium, lead, and gallium. 前記誘電体積層膜が、1周期以上のハフニウム酸化膜とアルミニウム酸化膜との積層膜である請求項25に記載の光学装置。 The optical device according to claim 25, wherein the dielectric laminated film is a laminated film of a hafnium oxide film and an aluminum oxide film having one cycle or more. 前記基板がAlN基板であり、
前記光反射層の前記共振器端面と接する面が、AlN基板の(0001)面に対して85度以上95度以下の角度である請求項10から27のいずれか一項に記載の光学装置。
The substrate is an AlN substrate, and the substrate is an AlN substrate.
The optical device according to any one of claims 10 to 27, wherein the surface of the light reflecting layer in contact with the end surface of the resonator is at an angle of 85 degrees or more and 95 degrees or less with respect to the (0001) surface of the AlN substrate.
前記n型クラッド層、前記発光層、及び前記p型クラッド層がAlGaN層であり、前記共振器端面がAlGaN層の(1−100)面である請求項10から27のいずれか一項に記載の光学装置。 10. Optical device. 前記レーザーダイオードを複数有する、請求項10に記載の光学装置。 The optical device according to claim 10, further comprising the plurality of laser diodes.
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