JP3562455B2 - Method of forming nitride semiconductor laser device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する分野】
本発明は窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなるレーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
紫外〜青色に発振する半導体レーザの材料として窒化物半導体が研究されているが、最近まで実際に発振に成功したという報告は成されていなかった。ところが、我々は95年12月この材料よりなるレーザ素子で、410nmの室温でのパルス発振を世界で初めて発表した。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
パルス発振に成功した素子はストライプ状の電極を正電極とし、電極幅でもって活性層に係る電流を制限する利得導波型のレーザ素子であり、しきい値電流密度で4kA/cm2以上ある。連続発振させるためにはしきい値電流密度をさらに下げる必要がある。
【0004】
従って本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体よりなるレーザ素子のしきい値電流を小さくして、室温で連続発振可能な素子を実現することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ素子の形成方法は、Inを含む窒化物半導体よりなる活性層上に、該活性層のInを含む窒化物半導体層と接するp型キャップ層、p型光ガイド層、p型光閉じ込め層及びp型コンタクト層を少なくとも有している実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子の形成方法であって、前記p型キャップ層は、Alを含むp型窒化物半導体層からなり、前記p型光ガイド層は、p型のInを含む窒化物半導体若しくはGaNで構成されてなり、前記p型光閉じ込め層は、Alを含むp型の窒化物半導体で構成されてなり、前記p型コンタクト層は、p型のInGaN若しくはGaNからなり、前記窒化物半導体レーザ素子の共振方向に平行な方向にあたる前記p型窒化物半導体層の幅を、前記活性層の幅よりも狭く且つ、前記活性層を超えない深さで、前記p型キャップ層の少なくとも一部が残るようにエッチングする工程を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法である。
【0006】
また、請求項2に記載の窒化物半導体レーザ素子の形成方法は、エッチングされたp型窒化物半導体層の断面形状は、レーザ光の共振方向に垂直な方向に対し、活性層側を底部とし、コンタクト層側を上部とする台形にエッチングする工程を有することを特徴とする。また、請求項3は、p型キャップ層は、Mgがドープされていることを特徴とする。また、請求項4は、前記p型キャップ層は、膜厚が10オングストローム以上、1μm以下、請求項5は、前記p型キャップ層は、膜厚が100オングストローム以上、0.1μm以下であることを特徴とする。
【0007】
【作用】
窒化物半導体は厚膜を成長させるのが困難であるという性質を有している。例えばAlを含む窒化物半導体は特にその性質が強い。レーザ発振させるためには結晶性の良い活性層を成長させることが重要である。本発明では、活性層をInを含む窒化物半導体としているので、その結晶の性質がAlを含む他の窒化物半導体に比べて柔らかいため、厚膜を成長させやすく結晶性の良い活性層が成長できる。さらに活性層の上にp型窒化物半導体よりなる光ガイド層を設けている。GaAlAs系の半導体レーザであれば活性層で光ガイド層が兼用でき特に必要がないが、窒化物半導体の場合、前記したように厚膜が成長させにくいため、この光ガイド層が必須となる。次の光閉じ込め層は活性層よりもバンドギャップが大きい層であればどのような層でも良いが、活性層よりもバンドギャップを大きくするためには、Alを含む窒化物半導体が選択される。ところがAlを含むp型窒化物半導体は電極とのオーミックが取りにくいので、コンタクト層を必須とする。
【0008】
また、レーザ素子のレーザ光の共振方向に平行な方向にあたる光ガイド層、光閉じこめ層及びコンタクト層の幅がエッチングにより活性層の幅よりも狭く調整されているので、いわゆる実効屈折率導波型のレーザ素子となる。このような構造であると電流が活性層よりも上のp型層中で広がらずに、活性層の一点に集中でき、しかも光はp型層の下の活性部のみに集中できるので、横モードのレーザ光の閉じ込めができ、しきい値電流を低下させることができる。
【0009】
さらに、絶縁性薄膜を介して正電極を形成すると絶縁性薄膜により光ガイド層、光閉じこめ層及びコンタクト層のエッチング面を保護すると共に、直接大面積の正電極をエッチングされたコンタクト層上に形成することができる。また、正と負の電極を同一面側に設けた窒化物半導体レーザ素子でも、絶縁性薄膜を介することにより、両電極間の短絡を防止することもできる。
【0010】
次に、エッチングされた光ガイド層、光閉じこめ層及びコンタクト層の断面形状を、レーザ光の共振方向に垂直な方向に対し、活性層側を底部とし、コンタクト層側を上部とする台形とすると、膜厚が均一でピット、欠陥の無い絶縁性薄膜を形成することができる。絶縁性薄膜にピット、欠陥があると電極をCVD等で形成する際に電極材料がピット中に侵入して、素子を電気的に短絡させる恐れがある。
【0011】
また活性層はInXGa1−XN(0<X<1)よりなる井戸層を有する多重量子井戸構造であることを特徴とする。InGaNは結晶性良く成長できる。InXGa1−XNよりなる井戸層の膜厚は100オングストローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下が望ましい。多重量子井戸構造の場合、障壁層も積層するが障壁層は井戸層よりもバンドギャップが大きいInGaN、GaNを選択し、特に好ましくは障壁層もInGaNとすると、井戸層と障壁層が両方ともInを含むため同一温度で成長できるので、GaNを形成するときのように高温にしなくても済み、先に形成したInGaN井戸層が分解しにくくなる。そのため多重量子井戸構造の全体の結晶性が良くなるため容易にレーザ発振しやすくなる。障壁層の膜厚は特に限定しないが、井戸層の2倍以下の膜厚を有していることが望ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、図2は図1のレーザ素子の形状を示す斜視図である。図1は図2に示す素子のレーザ光の共振方向に垂直方向で切断した際の断面図を示している。素子構造としては、基板1の上に、n型コンタクト層2、n型光閉じこめ層3、n型光ガイド層4、活性層5、p型光ガイド層6、p型光閉じ込め層7、p型コンタクト層8を順に積層した基本構造を有している。なお、本明細書で示すレーザ素子の構造はあくまでも基本的な構造を示すものであり、これらに示す層の間に他の窒化物半導体よりなる層を挿入しても、本発明の請求項に示す思想を逸脱しない範囲であれば適宜変更を加えても良い。
【0013】
基板1はサファイア(Al2O3、A面、C面、R面)、スピネル(MgAl2O4、111面)等の絶縁性基板が多く用いられるが、この他SiC、MgO、Si、ZnO等の単結晶よりなる従来より知られている基板が用いられる。
【0014】
n型コンタクト層2はInXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、特にGaN、InGaN、その中でもSiをドープしたGaNで構成することにより、キャリア濃度の高いn型層が得られ、また負電極20と好ましいオーミック接触が得られるので、レーザ素子のしきい値電流を低下させることができる。負電極20の材料としてはAl、Ti、W、Cu、Zn、Sn、In等の金属若しくは合金が好ましいオーミックが得られる。GaNに限らず窒化物半導体は、ノンドープ(不純物をドープしない状態)でも結晶内部にできる窒素空孔のためn型となる性質があるが、Si、Ge、Sn等のドナー不純物を結晶成長中にドープすることにより、キャリア濃度が高く、好ましいn型特性を示す窒化物半導体が得られる。
【0015】
n型光閉じこめ層3はAlを含むn型の窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶あるいは三元混晶のAlYGa1−YN(0<Y≦1)とすることにより、結晶性の良いものが得られ、また活性層との屈折率差を大きくしてレーザ光の縦モードの閉じ込めに有効である。この層は通常0.1μm〜1μmの膜厚で成長させることが望ましい。0.1μmよりも薄いと光閉じ込め層として作用しにくく、1μmよりも厚いと、結晶中にクラックが入りやすくなり素子作成が困難となる傾向にある。
【0016】
n型光ガイド層4は、Inを含むn型の窒化物半導体若しくはn型GaNで構成し、好ましくは三元混晶若しくは二元混晶のInXGa1−XN(0≦X<1)とする。この層は通常100オングストローム〜1μmの膜厚で成長させることが望ましく、特にInGaN、GaNとすることにより次の活性層5を量子井戸構造とすることが容易に可能になる。
【0017】
活性層5は先にも述べたように、Inを含む窒化物半導体で構成し、好ましくは三元混晶のInXGa1−XN(0<X<1)とする。三元混晶のInGaNは四元混晶のものに比べて結晶性が良い物が得られるので、発光出力が向上する。その中でも特に好ましくは活性層をInXGa1−XNよりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体よりなる障壁層とを積層した多重量子井戸構造(MQW:Multi−quantum−well)とする。障壁層も同様に三元混晶のInX’Ga1−X’N(0≦X’<1、X’<X)が好ましく、井戸+障壁+井戸+・・・+障壁+井戸層となるように積層して多重量子井戸構造を構成する。このように活性層をInGaNを積層したMQWとすると、量子準位間発光で約365nm〜660nm間での高出力なLDを実現することができる。さらに、井戸層の上にInGaNよりなる障壁層を積層すると、InGaNよりなる障壁層はGaN、AlGaN結晶に比べて結晶が柔らかい。そのためクラッド層のAlGaNの厚さを厚くできるのでレーザ発振が実現できる。さらに、InGaNとGaNとでは結晶の成長温度が異なる。例えばMOVPE法ではInGaNは600℃〜800℃で成長させるのに対して、GaNは800℃より高い温度で成長させる。従って、InGaNよりなる井戸層を成長させた後、GaNよりなる障壁層を成長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要がある。成長温度を上げると、先に成長させたInGaN井戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得ることは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロームしかなく、薄膜の井戸層が分解するとMQWを作製するのが困難となる。それに対し本発明では、障壁層もInGaNであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成長できる。従って、先に形成した井戸層が分解することがないので結晶性の良いMQWを形成することができる。これはMQWの最も好ましい態様を示したものであるが、他に井戸層をInGaN、障壁層をGaN、AlGaNのように井戸層よりも障壁層のバンドギャップエネルギーを大きくすればどのような組成でも良い。
【0018】
多重量子井戸構造の活性層5の総膜厚は100オングストローム以上に調整することが好ましい。100オングストロームよりも薄いと、十分に出力が上がらず、レーザ発振しにくい傾向にある。また活性層の膜厚も厚すぎると出力が低下する傾向にあり、1μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下に調整することが望ましい。1μmよりも厚いと活性層の結晶性が悪くなるか、レーザ光が活性層中に広がってしまい、しきい値電流が増加する傾向にある。
【0019】
次にp型光ガイド層6は、Inを含む窒化物半導体若しくはGaNで構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のInYGa1−YN(0<Y≦1)を成長させる。この光ガイド層6は、通常100オングストローム〜1μmの膜厚で成長させることが望ましく、特にInGaN、GaNとすることにより、次のp型光閉じこめ層7を結晶性良く成長できる。なお、p型の窒化物半導体はZn、Mg、Be、Cd、Ca等のアクセプター不純物を結晶成長中にドープすることによって得られるが、その中でもMgが最も好ましいp型特性を示す。また結晶成長後、不活性ガス雰囲気中で、400℃以上でアニーリングすることにより、さらに低抵抗なp型を得ることができる。
【0020】
p型光閉じこめ層7は、Alを含むp型の窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のAlYGa1−YN(0<Y≦1)とすることにより結晶性の良いものが得られる。このp型光閉じこめ層はn型光閉じこめ層と同じく、0.1μm〜1μmの膜厚で成長させることが望ましく、AlGaNのようなAlを含むp型窒化物半導体とすることにより、活性層との屈折率差を大きくして、縦モードのレーザ光の光閉じ込め層として有効に作用する。
【0021】
p型コンタクト層8はp型InXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、特にInGaN、GaN、その中でもMgをドープしたp型GaNとすると、最もキャリア濃度の高いp型層が得られて、正電極30と良好なオーミック接触が得られ、しきい値電流を低下させることができる。正電極30の材料としてはNi、Pd、Ir、Rh、Pt、Ag、Au等の比較的仕事関数の高い金属又は合金がオーミックが得られやすい。
【0022】
以上、本発明のレーザ素子の基本構造について説明したが、本明細書において示すn型層の一般式AlXGa1−XN、p型層のAlXGa1−XN等の組成比X値は単に一般式を示しているに過ぎず、n型層のXとp型層のXとが同一の値を示すものではない。また同様に他の一般式において使用するY値も同一の一般式が同一の値を示すものではない。
【0023】
次に、本発明のレーザ素子では、レーザ光の共振方向に水平な方向のp型光ガイド層6、p型光閉じこめ層7及びp型コンタクト層8は、エッチングにより活性層5の幅よりも狭くされる。エッチング手段はドライエッチングを好ましく用い、例えば反応性イオンエッチング、イオンミリング、ECRエッチング、集束イオンビームエッチング、イオンビームアシストエッチング等を用いることができる。エッチングされたp型層の好ましい幅としては、10μm以下、さらに好ましくは5μm以下、最も好ましくは3μm以下に調整すると、レーザの非点隔差が小さくなり、しきい値電流も低くなる。図1ではこれらのエッチング手段により端面を垂直にエッチングしているが、メサエッチによりエッチング後の断面形状が台形になるようにするのがさらに好ましい。
【0024】
次に絶縁性薄膜10を形成するには、プラズマCVD、スパッタリング、分子線蒸着等の常用されている気相製膜手段を用いることができる。絶縁性薄膜10の材料としては、例えばSiO2、SiN、AlN、Al2O3等の高誘電体材料が使用できる。この絶縁性薄膜の膜厚は特に問うものではないが、例えば0.01μm〜50μm程度の膜厚で形成できる。
【0025】
本発明に類似した技術として例えば特開平6−152072号公報に屈折率導波型のレーザ素子が示されている。しかしながらこの公報ではエッチング深さが活性層を超えてn型層にまで至っている。本発明のレーザ素子ではエッチング深さは図1、図3に示すように活性層を超えない。活性層を超えないことによりエッチングダメージが活性層中に入りにくくなるので、レーザ素子の寿命を長くすることができる。
【0026】
正電極30は絶縁性薄膜10を介してp型コンタクト層8に接続されている。なおこの図では電極をp型コンタクト層8の真上に形成しているが、図3に示すように、電極面積を広げるために絶縁性薄膜10を介して正電極30を延長してもよい。
【0027】
図3は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図では、p型光ガイド層6、p型光閉じこめ層7及びp型コンタクト層8のエッチング後の断面形状が、レーザ光の共振方向に垂直な方向に対し、活性層5側を底部とし、p型コンタクト層8側を上部とする台形とされている。図1に示すようにエッチング端面をほぼ垂直な形状とすると、エッチングされた面に形成する絶縁性薄膜にピット(孔)が発生しやすくなる。つまりエッチングにより発生した直角部分、垂直部分にあたる箇所は水平部分に比べて、均一な膜ができにくい。正電極となる金属材料が万一ピットから侵入すると短絡する恐れがある。しかし、図3に示すような形状とすると絶縁性薄膜10が均一な膜厚で形成できるので、素子の信頼性が高まる。台形にメサエッチされた最上層のp型コンタクト層のストライプ幅も10μm以下、さらに好ましくは5μm以下、最も好ましくは3μm以下に調整することが望ましい。また、図3に示すようにエッチング深さは、図1のように活性層5に達するまでエッチングしなくとも、p型光ガイド層6の途中で止めることも可能である。さらに、正電極30も、レーザ素子をヒートシンク、あるいはサブマウントとワイヤーボンディング、あるいはダイレクトボンディングするためにその電極面積を広げることも可能である。
[実施例]
図4は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下本発明の具体例をこの図を元に説明する。また実施例の方法はMOVPE法によりLD素子を作成する方法であるが、本発明の素子はMOVPE法だけではなく、例えばMBE、HDVPE等の他の知られている窒化物半導体の気相成長法を用いて成長させることができる。
【0028】
よく洗浄されたスピネル基板41(MgAl2O4、111面)をMOVPE装置の反応容器内に設置した後、原料ガスにTMG(トリメチルガリウム)と、アンモニアを用い、温度500℃でサファイア基板の表面にGaNよりなるバッファ層42を200オングストロームの膜厚で成長させた。このバッファ層41は基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和する作用があり、他にAlN、AlGaN等を成長させることも可能である。このバッファ層を成長させることにより、基板の上に成長させるn型窒化物半導体の結晶性が良くなることが知られているが、成長方法、基板の種類等によりバッファ層が成長されない場合もある。
【0029】
続いて温度を1050℃に上げ、原料ガスにTMG、アンモニア、ドナー不純物としてSiH4(シラン)ガスを用いて、SiドープGaNよりなるn型コンタクト層43を4μmの膜厚で成長させた。
【0030】
次に温度を750℃まで下げ、原料ガスにTMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、SiドープIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層44を500オングストロームの膜厚で成長させた。このクラック防止層44はInを含むn型の窒化物半導体、好ましくはInGaNで成長させることにより、次に成長させるAlを含む窒化物半導体よりなるn型光閉じこめ層45を厚膜で成長させることが可能となる。LDの場合は、光閉じ込め層、光ガイド層となる層を、例えば0.1μm以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではGaN、AlGaN層の上に直接厚膜のAlGaNを成長させると、後から成長させたAlGaNにクラックが入るので素子作製が困難であったが、このクラック防止層が次に成長させる光閉じこめ層45にクラックが入るのを防止することができる。しかも次に成長させる光閉じこめ層45を厚膜で成長させても膜質良く成長できる。なおこのクラック防止層44は100オングストローム以上、0.5μm以下の膜厚で成長させることが好ましい。100オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、0.5μmよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層44は成長方法、成長装置によっては省略することもできる。
【0031】
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTEG、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用いて、Siドープn型Al0.3Ga0.7Nよりなるn型光閉じこめ層45を0.5μmの膜厚で成長させた。
【0032】
続いて、原料ガスにTMG、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Siドープn型GaNよりなるn型光ガイド層46を500オングストロームの膜厚で成長させた。
【0033】
次に原料ガスにTMG、TMI、アンモニアを用いて活性層47を成長させた。活性層は温度を750℃に保持して、まずノンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を25オングストロームの膜厚で成長させる。次にTMIのモル比を変化させるのみで同一温度で、ノンドープIn0.01Ga0.95Nよりなる障壁層を50オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を13回繰り返し、最後に井戸層を成長させ総膜厚0.1μmの膜厚の多重量子井戸構造よりなる活性層47を成長させた。
【0034】
活性層47成長後、温度を1050℃にしてTMG、TMA、アンモニア、アクセプター不純物源としてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nよりなるp型キャップ層48を100オングストロームの膜厚で成長させた。このp型キャップ層48は1μm以下、さらに好ましくは10オングストローム以上、0.1μm以下の膜厚で成長させることにより、InGaNよりなる活性層が分解するのを防止するキャップ層としての作用があり、また活性層の上にAlを含むp型窒化物半導体よりなるp型キャップ層48を成長させることにより、発光出力が格段に向上する。逆に活性層に接するp層をGaNとすると素子の出力が約1/3に低下してしまう。これはAlGaNがGaNに比べてp型になりやすく、またp型キャップ層48成長時に、InGaNが分解するのを抑える作用があるためと推察されるが、詳しいことは不明である。このp型キャップ層48の膜厚は1μmよりも厚いと、層自体にクラックが入りやすくなり素子作製が困難となる傾向にある。なおこのp型キャップ層48も省略可能である。
【0035】
次に温度を1050℃に保持しながら、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用いMgドープp型GaNよりなるp型光ガイド層49を500オングストロームの膜厚で成長させた。この第二のp型光ガイド層49は上記したように、InGaN、GaNとすることにより次のAlを含む光閉じこめ層50を結晶性良く成長できる。
【0036】
続いて、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mgを用いてMgドープAl0.3Ga0.7Nよりなるp型光閉じこめ層50を0.5μmの膜厚で成長させた。
【0037】
続いて、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用い、Mgドープp型GaNよりなるp型コンタクト層51を0.5μmの膜厚で成長させた。
【0038】
以上のようにして窒化物半導体を積層したウェーハを反応容器から取り出し、反応性イオンエッチング(RIE)装置にて、最上層のp型コンタクト層51から選択エッチを行い、負電極20を形成すべきn型コンタクト層43の表面を露出させた。なおエッチング形状は、後に形成する共振器の方向に対して平行なストライプ状とし、ストライプ幅は10μmとした。
【0039】
次に、p型コンタクト層51の上から同じくRIEにより、選択メサエッチを行い、p型コンタクト層51、p型光閉じこめ層50、p型光ガイド層49、p型層48の一部をストライプ状にエッチングした。エッチングにより残る最上層のp型コンタクト層のストライプ幅は1μmとし、台形状の底部にあたるp型層48のストライプ幅はおよそ4μmとした。
【0040】
エッチングの終わった窒化物半導体ウェーハの正電極、負電極を形成すべき部分にマスクをかけ、さらにプラズマCVD装置でSiO2よりなる絶縁膜11をp型コンタクト層51、p型光閉じこめ層50、p型光ガイド層49、p型キャップ層48のエッチング端面に4μmの膜厚で形成した。
【0041】
次に、p型コンタクト層51にはNiとAuよりなるストライプ状の正電極31を絶縁膜11を介して形成し、先に露出させたn型コンタクト層43にはTiとAlよりなるストライプ状の負電極21を形成した。
【0042】
以上のようにしたウェーハを、まずストライプ状の電極に平行な位置で分割した後、次に電極に垂直な方向で分割し、垂直な方向で分割した分割面を研磨して鏡面とした。その共振面に常法に従って誘電体多層膜を形成してレーザチップとした。このレーザチップをヒートシンクに設置し、常温でパルス発振させたところしきい値電流密度2kA/cm2で410nmのレーザ発振を示した。
【0043】
これに対し、メサエッチを行わずにp型コンタクト層51の表面にSiO2よりなる1μm幅(露出するp型コンタクト層のストライプ幅が1μmであること。)の電流狭窄層を設け、同様にして正電極を設けた利得導波型のレーザ素子はしきい値電流密度が4kA/cm2以上であった。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の形成方法で形成されたレーザ素子では横モードのレーザ光が制御できるためにレーザ発振のしきい値電流密度が低下して、連続発振に近づけることが可能となった。窒化物半導体は現在研究されているII−VI族化合物半導体よりなるレーザ素子に比べて短波長が発振できるという利点がある。従って窒化物半導体で連続発振が可能となると、書き込み光源、読みとり光源としての需要が爆発的に増え、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図2】図1のレーザ素子の形状を示す斜視図。
【図3】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図4】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
1・・・・基板
2・・・・n型コンタクト層
3・・・・n型光閉じこめ層
4・・・・n型光ガイド層
5・・・・活性層
6・・・・p型光ガイド層
5・・・・p型光閉じこめ層
6・・・・p型コンタクト層
10・・・・絶縁性薄膜
20、30・・・・電極[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a nitride semiconductor (In X Al Y Ga 1-XY N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1).
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors have been studied as materials for semiconductor lasers that oscillate from ultraviolet to blue, but no reports have been made until recently that oscillation was actually successful. However, in December 1995, we announced the world's first pulse oscillation at room temperature of 410 nm with a laser device made of this material.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The device that succeeded in pulse oscillation is a gain-guided laser device in which a stripe-shaped electrode is used as a positive electrode and the current related to the active layer is limited by the electrode width, and has a threshold current density of 4 kA / cm 2 or more. For continuous oscillation, it is necessary to further reduce the threshold current density.
[0004]
Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to reduce the threshold current of a laser device made of a nitride semiconductor and to achieve a device capable of continuous oscillation at room temperature. It is to realize.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The method for forming a laser device according to the present invention includes the steps of: P-type cap layer in contact with the In-containing nitride semiconductor layer of the active layer A method of forming an effective refractive index type nitride semiconductor laser device having at least a p-type light guide layer, a p-type light confinement layer and a p-type contact layer, wherein the p-type cap layer contains Al The p-type light guide layer is made of a p-type In-containing nitride semiconductor or GaN, and the p-type light confinement layer is made of a p-type nitride containing Al. The p-type contact layer is made of p-type InGaN or GaN, and the width of the p-type nitride semiconductor layer in a direction parallel to a resonance direction of the nitride semiconductor laser device is set to the active width. Forming a nitride semiconductor laser device having a step of etching so that at least a part of the p-type cap layer remains at a depth smaller than the width of the layer and not exceeding the active layer. It is a method.
[0006]
Further, in the method of forming a nitride semiconductor laser device according to claim 2, the cross-sectional shape of the etched p-type nitride semiconductor layer is such that the active layer side is a bottom portion with respect to a direction perpendicular to a laser light resonance direction. And a step of etching into a trapezoid with the contact layer side as the upper part. A third aspect of the present invention is characterized in that the p-type cap layer is doped with Mg. According to a fourth aspect, the p-type cap layer is
[0007]
[Action]
A nitride semiconductor has a property that it is difficult to grow a thick film. For example, a nitride semiconductor containing Al has particularly strong properties. For laser oscillation, it is important to grow an active layer having good crystallinity. In the present invention, since the active layer is made of a nitride semiconductor containing In, its crystal properties are softer than those of other nitride semiconductors containing Al, so that a thick film can be easily grown and an active layer with good crystallinity can be formed. it can. Further, an optical guide layer made of a p-type nitride semiconductor is provided on the active layer. In the case of a GaAlAs-based semiconductor laser, the light guide layer can also be used as the active layer, which is not particularly necessary. However, in the case of a nitride semiconductor, as described above, it is difficult to grow a thick film, so this light guide layer is essential. The next light confinement layer may be any layer as long as it has a band gap larger than that of the active layer. In order to make the band gap larger than that of the active layer, a nitride semiconductor containing Al is selected. However, since a p-type nitride semiconductor containing Al is difficult to form an ohmic contact with an electrode, a contact layer is essential.
[0008]
In addition, the width of the light guide layer, the light confinement layer, and the contact layer in the direction parallel to the resonance direction of the laser light of the laser element is adjusted to be smaller than the width of the active layer by etching, so that a so-called effective refractive index waveguide type is used. Laser element. With such a structure, the current can be concentrated on one point of the active layer without spreading in the p-type layer above the active layer, and light can be concentrated only on the active portion below the p-type layer. Mode laser light can be confined, and the threshold current can be reduced.
[0009]
Furthermore, if a positive electrode is formed via an insulating thin film, the insulating thin film protects the etched surfaces of the light guide layer, the optical confinement layer, and the contact layer, and a large-area positive electrode is formed directly on the etched contact layer. can do. Further, even in a nitride semiconductor laser device in which the positive and negative electrodes are provided on the same surface side, a short circuit between both electrodes can be prevented by interposing an insulating thin film.
[0010]
Next, the cross-sectional shape of the etched optical guide layer, optical confinement layer, and contact layer is trapezoidal with the active layer side at the bottom and the contact layer side at the top with respect to the direction perpendicular to the laser light resonance direction. An insulating thin film having a uniform thickness and no pits or defects can be formed. If the insulating thin film has pits or defects, the electrode material may enter the pits when the electrodes are formed by CVD or the like, and may cause an electrical short circuit of the device.
[0011]
The active layer is In X Ga 1-X It has a multiple quantum well structure having a well layer composed of N (0 <X <1). InGaN can be grown with good crystallinity. In X Ga 1-X The thickness of the well layer made of N is desirably 100 angstroms or less, and more desirably 70 angstroms or less. In the case of a multiple quantum well structure, a barrier layer is also stacked, but InGaN or GaN having a larger band gap than the well layer is selected. Particularly preferably, when the barrier layer is also made of InGaN, both the well layer and the barrier layer are made of InGaN. Therefore, the GaN layer can be grown at the same temperature, so that it is not necessary to raise the temperature as in the case of forming GaN, and the previously formed InGaN well layer is hardly decomposed. As a result, the overall crystallinity of the multiple quantum well structure is improved, so that laser oscillation can be easily performed. Although the thickness of the barrier layer is not particularly limited, it is preferable that the thickness be equal to or less than twice the thickness of the well layer.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing the shape of the laser device of FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of the device shown in FIG. 2 taken along a direction perpendicular to the laser light resonance direction. As an element structure, an n-type contact layer 2, an n-type
[0013]
As the
[0014]
The n-type contact layer 2 is made of In X Al Y Ga 1-XY N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1). In particular, by using GaN, InGaN, and especially GaN doped with Si, an n-type layer having a high carrier concentration can be obtained. Further, since a preferable ohmic contact with the
[0015]
The n-type
[0016]
The n-type light guide layer 4 is made of an n-type nitride semiconductor containing In or n-type GaN, and preferably has a ternary mixed crystal or binary mixed crystal InXGa1-XN (0 ≦ X <1). This layer is usually preferably grown to a thickness of 100 Å to 1 μm. In particular, by using InGaN or GaN, the next
[0017]
As described above, the
[0018]
The total thickness of the
[0019]
Next, the p-type light guide layer 6 is made of a nitride semiconductor containing In or GaN, and preferably grows a binary or ternary mixed InYGa1-YN (0 <Y ≦ 1). The light guide layer 6 is preferably grown with a thickness of usually 100 Å to 1 μm. In particular, by using InGaN or GaN, the next p-type
[0020]
The p-type
[0021]
The p-
[0022]
The basic structure of the laser device of the present invention has been described above. X Ga 1-X Al of N and p-type layers X Ga 1-X The composition ratio X value of N or the like merely indicates a general formula, and X of the n-type layer and X of the p-type layer do not indicate the same value. Similarly, the Y value used in other general formulas does not indicate the same value in the same general formula.
[0023]
Next, in the laser device of the present invention, the p-type light guide layer 6, the p-type
[0024]
Next, in order to form the insulating
[0025]
As a technique similar to the present invention, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-152072 discloses a refractive index guided laser element. However, in this publication, the etching depth reaches the n-type layer beyond the active layer. In the laser device of the present invention, the etching depth does not exceed the active layer as shown in FIGS. By not exceeding the active layer, etching damage hardly enters the active layer, so that the life of the laser element can be extended.
[0026]
The
[0027]
FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention. In this figure, the etched cross-sectional shapes of the p-type light guide layer 6, the p-type
[Example]
FIG. 4 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention. Hereinafter, a specific example of the present invention will be described with reference to FIG. Although the method of the embodiment is a method of manufacturing an LD device by the MOVPE method, the device of the present invention is not limited to the MOVPE method, but may be another known nitride semiconductor such as MBE, HDVPE or the like. Can be used to grow.
[0028]
After the well-washed spinel substrate 41 (MgAl2O4, 111 surface) is placed in the reaction vessel of the MOVPE apparatus, TMG (trimethylgallium) and ammonia are used as source gases, and GaN is applied to the surface of the sapphire substrate at a temperature of 500 ° C. The
[0029]
Subsequently, the temperature was increased to 1050 ° C., and an n-
[0030]
Next, the temperature is lowered to 750 ° C., and a
[0031]
Next, the temperature was set to 1050 ° C., and the n-type
[0032]
Subsequently, an n-type
[0033]
Next, the
[0034]
After the growth of the
[0035]
Next, while maintaining the temperature at 1050 ° C., a p-type
[0036]
Subsequently, a p-type
[0037]
Subsequently, a p-
[0038]
The wafer on which the nitride semiconductor is laminated as described above is taken out of the reaction vessel, and the reactive ion etching (RIE) apparatus is used to perform selective etching from the uppermost p-
[0039]
Next, a selective mesa etch is also performed on the p-
[0040]
A mask is applied to the portions of the nitride semiconductor wafer on which the positive electrode and the negative electrode are to be formed after the etching, and the insulating
[0041]
Next, a stripe-shaped
[0042]
The wafer as described above was first divided at a position parallel to the stripe-shaped electrodes, then divided in a direction perpendicular to the electrodes, and the divided surfaces divided in the vertical direction were polished to mirror surfaces. A dielectric multilayer film was formed on the resonance surface according to a conventional method to obtain a laser chip. This laser chip was placed on a heat sink and pulsed at room temperature. As a result, a laser oscillation of 410 nm was shown at a threshold current density of 2 kA / cm2.
[0043]
On the other hand, a 1 μm-wide current confinement layer made of SiO 2 (the exposed p-type contact layer has a stripe width of 1 μm) is provided on the surface of the p-
[0044]
【The invention's effect】
As described above, in the laser element formed by the forming method of the present invention, the laser current in the transverse mode can be controlled, so that the threshold current density of laser oscillation is reduced and it becomes possible to approach continuous oscillation. Was. Nitride semiconductors have the advantage that they can oscillate at shorter wavelengths than laser devices made of II-VI group compound semiconductors currently being studied. Therefore, if continuous oscillation is possible with a nitride semiconductor, the demand as a writing light source and a reading light source will explosively increase, and its industrial utility value will be very large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the shape of the laser device of FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 .... substrate
2 .... n-type contact layer
3 .... n-type optical confinement layer
4 .... n-type light guide layer
5 Active layer
6... P-type light guide layer
5 ... p-type optical confinement layer
6... P-type contact layer
10 Insulating thin film
20, 30, ... electrodes
Claims (5)
前記p型キャップ層は、Alを含むp型窒化物半導体層からなり、
前記p型光ガイド層は、p型のInを含む窒化物半導体若しくはGaNで構成されてなり、
前記p型光閉じ込め層は、Alを含むp型の窒化物半導体で構成されてなり、
前記p型コンタクト層は、p型のInGaN若しくはGaNからなり、
前記窒化物半導体レーザ素子の共振方向に平行な方向にあたる前記p型窒化物半導体層の幅を、前記活性層の幅よりも狭く且つ、前記活性層を超えない深さで、前記p型キャップ層の少なくとも一部が残るようにエッチングする工程を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。At least a p-type cap layer , a p-type light guide layer, a p-type light confinement layer, and a p-type contact layer in contact with the In-containing nitride semiconductor layer of the active layer are provided on the active layer made of the nitride semiconductor containing In. A method of manufacturing an effective refractive index type nitride semiconductor laser device,
The p-type cap layer is made of a p-type nitride semiconductor layer containing Al,
The p-type light guide layer is made of a nitride semiconductor containing p-type In or GaN,
The p-type optical confinement layer is made of a p-type nitride semiconductor containing Al.
The p-type contact layer is made of p-type InGaN or GaN,
The width of the p-type nitride semiconductor layer in a direction parallel to the resonance direction of the nitride semiconductor laser device is smaller than the width of the active layer and at a depth not exceeding the active layer. A method of etching the nitride semiconductor laser device so that at least a part of the nitride semiconductor laser device remains.
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