JP3671807B2 - Laser element - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体(たとえばInxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)よりなる発光素子、受光素子等の各種素子、特にレーザ素子とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体(たとえばInxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)よりなる発光素子、受光素子等の各種素子が注目されている。特に、窒化物半導体であるInxAlyGa1-x-yN(x≧0、y≧0、x+y≦1)を含む活性層を有する半導体からなる高輝度紫色、青色、緑色等の発光ダイオード(LED)が商品化されており、さらにこれらの色の波長域あるいは近紫外域、すなわち近紫外の発光波長300nmから緑色の発光波長550nmを有するレーザ装置の開発が望まれている。
【0003】
たとえば、短波長である近紫外から青色といった波長域のレーザ装置においては、従来の赤色半導体レーザと比較して、光記録装置の記憶密度を大きく高密度化できるという利点を有する。また、銀塩写真の印画紙等にレーザ光を照射する銀塩写真現像技術においては、光の3原色である青色、緑色、赤色の高輝度なレーザ装置が必要とされている。
【0004】
【発明が解決使用とする課題】
一般に、半導体からなる素子をレーザ発振させるためには、注入されたキャリアを特定の部分に集中させる電流狭窄を行うことによって、効率が向上すると考えられている。たとえば、窒化物半導体からなる端面発光型レーザ素子においては、電極をストライプ状に形成する、あるいは半導体層をリッジ構造とすること等によって電流狭窄を行う技術が知られている。
【0005】
しかしながら、電極をストライプ状に形成した端面発光型のレーザ素子においては、水平横方向の光を閉じ込めることができないため、レーザ発振閾値が大きいという問題点があった。また、半導体層をリッジ構造とした端面発光型のレーザ素子においては、高度な微細加工技術が必要であり、歩留まりが低く、製造コストが高くなるという問題点があった。
【0006】
さらに、面発光型レーザ素子は、端面発光型レーザ素子と比較して構造を簡略化でき、かつレーザ発振閾値を低減できるという利点が期待されるが、いまだ窒化物半導体からなる面発光型レーザ素子は実現されていない。
【0007】
そこで、本発明はレーザ発振閾値が小さく、かつ生産性の高い窒化物半導体(たとえばInxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)からなる端面発光型のレーザ素子を提供することを目的とする。また、本発明は、窒化物半導体(たとえばInxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)からなる面発光型のレーザ素子を提供することを他の目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ素子は、活性層がn型層とp型層とで挟まれた構造を有する窒化物半導体からなる面発光型のレーザ素子において、前記p型層に、キャリアを集中させる開口部を除いてAlをイオン注入することによって電流狭窄層が形成される構成とする。
【0009】
また、本発明のレーザ素子は、活性層がn型層とp型層とで挟まれた構造を有する窒化物半導体からなる端面発光型のレーザ素子において、前記p型層に、キャリアを集中させるストライプ領域を除いてAlをイオン注入することによって電流狭窄層が形成される構成とする。
【0010】
また、本発明のレーザ素子は、前記p型層は、少なくともp型クラッド層とp型コンタクト層を有し、前記電流狭窄層の一部は少なくとも前記p型コンタクト層に形成される構成とすることができる。
【0011】
また、本発明のレーザ素子は、前記p型層は、少なくともp型クラッド層とp型コンタクト層を有し、前記電流狭窄層の一部は少なくとも前記p型クラッド層に形成される構成とすることができる。
【0012】
また、本発明のレーザ素子は、前記電流狭窄層の上部の前記p型コンタクト層の膜厚が0.05μm以上である構成とすることによってリークを防止することができる。
【0013】
【0014】
また、本発明のレーザ素子は、前記電流狭窄層の下部の前記p型層の膜厚が発光波長以下である構成とすることによって、活性層における水平方向の光を閉じ込めることができる。
【0015】
【0016】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図1に本発明の実施の形態1における面発光型レーザ素子の概略図を示す。サファイア、あるいはスピネル等の絶縁性物質からなる基板10上に、負電極32とオーミック接触を得るための層であるn型コンタクト層11が形成される。n型コンタクト層11上にはキャリア結合によって光を発生させる活性層12が形成される。活性層12上には活性層12にキャリアを閉じ込めるためのp型クラッド層13が形成される。p型クラッド層13上には正電極31とオーミック接触を得るためのp型コンタクト層14が形成される。
【0017】
p型クラッド層13とp型コンタクト層14との境界近傍には、電流狭窄層15がキャリアを集中させる開口部を除いてイオン注入を行うことによって形成される。イオン注入に用いられる元素としては、Si、Geといった窒化物半導体をn型化する元素、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーを大きくするAl、窒化物系半導体を高抵抗化するIII族元素であるB、窒化物半導体を高抵抗なp型とするp型不純物であるBe、Zn、Cd、VI族元素であるSe、Te等が挙げられる。
【0018】
一般に、窒化物半導体は低抵抗なp型が得られにくいことから、p型層に抵抗率の異なる層を形成したとしても、十分な電流狭窄効果が得られにくい。この理由から、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーを大きくするAlは、イオン注入の元素として好ましい。Alは窒化物半導体(たとえばInxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)を形成する元素として用いられており、また、InxGa1-xN(0≦x≦1)と比較してAl混晶比yに対するエネルギーバンドギャップの変化が大きく、十分な電流狭窄効果が得られるためである。さらに、バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体は屈折率が小さく、Alのイオン注入によって、活性層12における水平方向の光を閉じ込める効果が得られることから、レーザ発振閾値を低減することができ、特に好ましい。また、この光の閉じ込め効果は、電流狭窄層15下部のp型層(p型クラッド層13およびp型コンタクト層14)の膜厚、すなわち電流狭窄層15の下面から活性層12の上面との距離が発光波長以下の場合に効果があり、電流狭窄層15下部のp型層の膜厚と活性層の膜厚との和が発光波長以下の場合に効果が大きい。
【0019】
さらに、Siは、窒化物半導体にドープすることによって良好なn型が得られ、p型層において十分な電流狭窄効果が得られることから、イオン注入の元素として好ましい。Siの注入量は、p型層のキャリア濃度よりも高濃度で注入することが好ましい。Siの濃度はドーズ量によって制御できる。
【0020】
p型コンタクト層14上には、活性層12において発生した光を反射する第1反射膜21が電流狭窄層15の開口部分の上方に形成される。第1反射膜21以外のp型コンタクト層14表面のほぼ全面には正電極31が形成される。
【0021】
n型コンタクト層11上には負電極32が形成される。また、基板10の表面には、活性層12において発生した光を反射する第2反射膜22が、活性層を挟んで第1反射膜21と対向して形成される。
【0022】
ここでは、電流狭窄層15をp型クラッド層13の上部からp型コンタクト層14の下部にかけて形成する例を示したが、図2に示すように電流狭窄層15をpクラッド層13とp型コンタクト層14との境界面から上方に形成してもよい。また、図3に示すように電流狭窄層15をpクラッド層13とp型コンタクト層14との境界面よりも上方に形成してもよい。以上の図1乃至3に示した電流狭窄層15の一部は少なくともp型コンタクト層14に形成される場合においては、電流狭窄層15の形成されていない所定の部分のp型コンタクト層14は膜厚0.5μm以下、より好ましくは0.2μm以下に形成し、電流狭窄層15上部のp型コンタクト層の膜厚、すなわち電柱狭窄層15の上面からp型コンタクト層14の上面との距離が0.05μm以上とすることが、キャリアの注入効率上およびリーク防止の観点から好ましい。
【0023】
あるいは、電流狭窄層15の一部は少なくともp型クラッド層13に形成される場合の一例でとして図4に示すように電流狭窄層15をpクラッド層13とp型コンタクト層14との境界面から下方に形成してもよい。また、電流狭窄層15の一部は少なくともp型クラッド層13に形成される例として、電流狭窄層15を活性層12とp型クラッド層13との境界面から上方、あるいは境界面よりも上方に形成することも可能である。電流狭窄層15の一部は少なくともp型クラッド層13に形成される例としては図1の電流狭窄層15をp型クラッド層13の上部からp型コンタクト層14の下部にかけて形成する例も含まれる。
【0024】
さらに、第2反射膜22を互いに組成比の異なるAlyGa1-yNを膜厚λ/4n(nm)(λ:発光波長、n:材料の屈折率)で積層し多層膜とした場合は、図5に示すように、第2反射膜22を、基板10とn型コンタクト層11との間に形成することも可能である。あるいは、図6に示すようにn型コンタクト層11と活性層12との間に形成してもよい。また、正電極面の光の反射が十分であれば、正電極31を第1反射膜21とすることも可能である。第1反射膜21を互いに組成比の異なるAlyGa1-yNを膜厚λ/4n(nm)(λ:発光波長、n:材料の屈折率)で積層し多層膜とした場合は、第1反射膜21を正電極31とp型コンタクト層14との間に形成することも可能である。さらに、電極を透光性の電極とし、その上に反射膜を形成してもよい。
(実施の形態2)
図7に本発明の実施の形態2における面発光型レーザ素子の概略図を示す。GaN、SiC等の導電性あるいは半導電性物質からなる基板10上に、各半導体層が形成される。基板10上に負電極32とオーミック接触を得るための層であるn型コンタクト層11が形成される。n型コンタクト層11上にはキャリア結合によって光を発生させる活性層12が形成される。活性層12上には活性層12にキャリアを閉じ込めるためのp型クラッド層13が形成される。p型クラッド層13上には正電極31とオーミック接触を得るためのp型コンタクト層14が形成される。
【0025】
p型クラッド層13とp型コンタクト層14との境界近傍には、キャリアを所定の部分に集中させる電流狭窄層15が、イオン注入によって形成される。電流狭窄層15の形成方法については実施の形態1と同様の方法が用いられる。また、電流狭窄層15の形成位置についても、実施の形態1と同様とすることができる。
【0026】
p型コンタクト層14上には、活性層12において発生した光を反射する第1反射膜21がp型コンタクト層14の中央部分に形成される。第1反射膜21以外のp型コンタクト層14表面のほぼ全面には正電極31が形成される。
【0027】
基板10の表面には、活性層12において発生した光を反射する第2反射膜22が、電流狭窄層15の開口部分に対向して形成される。第2反射膜22以外の基板10表面には負電極32が形成される。このように、第2反射膜22を基板10の表面の一部に形成した場合は、負電極32を直接基板10の表面に形成できることから、第2反射膜22を絶縁性物質から形成ができる。
【0028】
また第2反射膜22は、第1反射膜21と比較して活性層12からの距離が大きいため、第1反射膜21よりも大きな面積とすることが好ましい。さらに窒化物半導体においては、n型層はp型層と比較して十分なキャリアの拡散が行われることから、負電極32の面積は正電極よりも小さく構成することが可能である。
【0029】
さらに、第2反射膜22を互いに組成比の異なるAlyGa1-yNを膜厚λ/4n(nm)で積層し多層膜とした場合は、図8に示すように第2反射膜22を負電極32と基板10との間に形成してもよい。また、図9示すように、第2反射膜22を基板10とn型コンタクト層11との間に形成してもよい。また、図10に示すように、第2反射膜22をn型コンタクト層11と活性層12との間に形成してもよい。さらに、電極を透光性の電極とし、その上に反射膜を形成してもよい。
【0030】
あるいは、図11に示すように、p型コンタクト層14上に第2反射膜22を互いに組成比の異なるAlyGa1-yNを膜厚λ/4n(nm)で積層し多層膜として形成し、第2反射膜22上に正電極31を形成することも可能である。また、正電極面の光の反射が十分であれば、図12に示すように正電極31を第1反射膜21とすることも可能である。
【0031】
もちろん、基板10に絶縁性物質を用い、研磨等によって基板を除去した場合にも、基板10が省略あるいは導電性あるいは半導電性物質の補強部材と置き換えられた状態として、実施の形態2の態様を適用できる。
(実施の形態3)
図13に本発明の実施の形態3における端面発光型レーザ素子の概略図を示す。サファイア、あるいはスピネル等の絶縁性物質からなる基板10上に、各半導体層が形成される。基板10上に負電極32とオーミック接触を得るための層であるn型コンタクト層11が形成される。n型コンタクト層11上には活性層12で発生した光を閉じ込めるn型クラッド層11aが形成される。n型クラッド層11a上には活性層12とともに光導波路を構成する下部光ガイド層12aが形成される。下部光ガイド層12a上にはキャリア結合によって光を発生させる活性層12が形成される。活性層12上には活性層12とともに光導波路を構成する上部光ガイド層12bが形成される。上部光ガイド層12b上には活性層12側に光およびキャリアを閉じ込めるためのp型クラッド層13が形成される。p型クラッド層13上には正電極31とオーミック接触を得るためのp型コンタクト層14が形成される。
【0032】
p型クラッド層13とp型コンタクト層14との境界近傍には、図14に示されたキャリアを集中させるストライプ領域を除いてイオン注入を行うことによって電流狭窄層15が形成される。電流狭窄層15の形成方法については実施の形態1と同様の方法が用いられる。また、電流狭窄層15の形成位置についても、実施の形態1と同様とすることができる。
【0033】
p型コンタクト層14上には、正電極31が形成される。また、n型コンタクト層11上には負電極32が形成される。端面発光型レーザ素子においては、半導体層を劈開、あるいはエッチング等を用いて共振面を形成する。このとき共振面のいずれか一方、あるいは両方に、たとえばSiO2とTiO2からなる層をそれぞれ膜厚λ/4n(λ:発光波長、n:材料の屈折率)として2層以上を蒸着により積層し多層膜とした反射膜を形成してもよい。
【0034】
さらに、端面発光型のレーザ素子においても、Alのイオン注入によって、光導波路における水平横方向の光を閉じ込める効果が得られることから、レーザ発振閾値を低減することができ、特に好ましい。また、この光の閉じ込め効果は、電流狭窄層15下部のp型層(p型クラッド層13およびp型コンタクト層14)の膜厚、すなわち電流狭窄層15の下面から活性層12の上面との距離が発光波長以下の場合に効果があり、電流狭窄層15下部のp型層の膜厚と光ガイド層の膜厚と活性層の膜厚との和が発光波長以下の場合に効果が大きい。
(実施の形態4)
図15に本発明の実施の形態4における端面発光型レーザ素子の概略図を示す。GaN、SiC等の導電性あるいは半導電性物質からなる基板10上に、各半導体層が形成される。基板10上に負電極32とオーミック接触を得るための層であるn型コンタクト層11が形成される。n型コンタクト層11上には活性層12で発生した光を閉じ込めるn型クラッド層11aが形成される。n型クラッド層11a上には活性層12とともに光導波路を構成する下部光ガイド層12aが形成される。下部光ガイド層12a上にはキャリア結合によって光を発生させる活性層12が形成される。活性層12上には活性層12とともに光導波路を構成する上部光ガイド層12bが形成される。上部光ガイド層12b上には活性層12側に光およびキャリアを閉じ込めるためのp型クラッド層13が形成される。p型クラッド層13上には正電極31とオーミック接触を得るためのp型コンタクト層14が形成される。
【0035】
p型クラッド層13とp型コンタクト層14との境界近傍には、キャリアを所定の部分に集中させる電流狭窄層15が、イオン注入によって形成される。電流狭窄層15の形成方法については実施の形態1と同様の方法が用いられる。また、電流狭窄層15の形成位置についても、実施の形態1と同様とすることができる。
【0036】
p型コンタクト層14上には正電極31が形成される。また、n型コンタクト層11上には負電極32が形成される。端面発光型レーザ素子においては、半導体層を劈開、あるいはエッチング等を用いて共振面を形成する。このとき共振面のいずれか一方、あるいは両方に、たとえばSiO2とTiO2からなる層をそれぞれ膜厚λ/4n(λ:発光波長、n:材料の屈折率)として2層以上を蒸着により積層し多層膜とした反射膜を形成してもよい。
【0037】
さらに、端面発光型のレーザ素子においても、Alのイオン注入によって、光導波路における水平横方向の光を閉じ込める効果が得られることから、レーザ発振閾値を低減することができ、特に好ましい。また、この光の閉じ込め効果は、電流狭窄層15下部のp型層(p型クラッド層13およびp型コンタクト層14)の膜厚、すなわち電流狭窄層15の下面から活性層12の上面との距離が発光波長以下の場合に効果があり、電流狭窄層15下部のp型層の膜厚と光ガイド層の膜厚と活性層の膜厚との和が発光波長以下の場合に効果が大きい。
【0038】
【実施例】
(実施例1)
実施例1は図1の構造のレーザ素子を得る例を示しており、図1を元に説明する。まずサファイア基板10のC面(0001)上に低温で成長させたGaNよりなるバッファ層(図示せず)を200〜300Åの膜厚で成長させる。このバッファ層上に、バッファ層の成長温度よりも高温で成長させたGaN層を形成し、その上にストライプ幅10μm、ストライプ間隔(窓部)2μmのSiO2膜を形成し、さらにその上にGaN層を成長させて形成し、下地層としてもよい。
【0039】
次に、バッファ層または下地層上にSiを3×1018/cm3ドープしたn型GaNよりなるn型コンタクト層11を4μmの膜厚で成長させる。次にSiをドープしたn型In0.05Ga0.95Nよりなる活性層12を0.1μmの膜厚で成長させる。このときn型コンタクト層11と活性層12との間にSiをドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなるn型クラッド層を0.2μmの膜厚で成長させてもよい。また、ここでは活性層12を単一井戸構造として形成する例を示したが、膜厚30ÅのIn0.2Ga0.8N/膜厚50ÅのIn0.05Ga0.95Nを1層〜10層積層した単一あるいは多重量子井戸構造として形成してもよい。このとき、最初のIn0.2Ga0.8Nの下にはIn0.05Ga0.95N層が形成されることが好ましい。さらに、活性層の組成比InxGa1-xN(0≦x≦1)は所望の発光波長等によって適宜選択可能である。
【0040】
次にMgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8N層よりなるp型クラッド層13を200Å〜0.6μmで成長させる。このp型クラッド層13は、ノンドープAl0.2Ga0.8Nからなる膜厚25Åの層と、Mgを1×1020/cm3ドープしたAl0.2Ga0.8Nからなる膜厚25Åの層とから構成される総膜厚0.6μmの超格子層として形成してもよい。次にMgを1×1020/cm3ドープしたGaNよりなるp型コンタクト層14を成長させる。
【0041】
p型コンタクト層14成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、p型コンタクト層14の所定の部分をSi酸化物またはレジスト等からなるたとえば10μmφの形状のマスクによって覆い、イオン注入装置を用いて、pクラッド層13の上部からp型コンタクト層14の下部の深さにかけてイオン注入を行い、マスク部分を開口部とした電流狭窄層15を形成する。このイオン注入の深さは注入エネルギーによって制御できる。このときイオン注入に用いられる元素としては、Si、Geといった窒化物半導体をn型化する元素、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーを大きくするAl、窒化物系半導体を高抵抗化するIII族元素であるB、窒化物半導体を高抵抗なp型とするp型不純物であるBe、Zn、Cd、VI族元素であるSe、Te等が挙げられる。
【0042】
特に、Alは窒化物半導体(たとえばInxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)を形成する元素として用いられており、また、InxGa1-xN(0≦x≦1)に対して十分なバンドギャップエネルギー差が得られ、電流狭窄効果が大きいことから、イオン注入の元素としてより好ましい。さらに、p型クラッド層をAlyGa1-yN(0<y≦1)として形成した場合、Alをイオン注入の元素としてp型クラッド層の領域に注入し、電流狭窄層を形成することが好ましい。少ないAlの注入量で、p型コンタクト層14に対して大きなバンドギャップエネルギー差となり、十分な電流狭窄効果が得られるからである。また、活性層における水平方向の光を閉じ込める効果に対しても有効である。また、この光の閉じ込め効果は、電流狭窄層15下部のp型層(p型クラッド層13およびp型コンタクト層14)の膜厚が発光波長以下の場合に効果が大きい。
【0043】
また、Siは、窒化物半導体にドープすることによって良好なn型が得られ、p型層において十分な電流狭窄効果があることから、イオン注入の元素として好ましい。Siの注入量は、p型層のキャリア濃度よりも高濃度、たとえば10×1017/cm3以上で注入することが好ましい。Siの濃度はドーズ量によって制御できる。
【0044】
イオン注入後は、イオン注入によるダメージの回復のためにアニーリングを行う。電流狭窄層に注入した元素の拡散防止のため、このダメージの回復のアニーリングののちに行われる電極形成後のアニーリングをランプアニーリング等の高速アニーリングとすることが好ましい。また、このダメージの回復のためのアニーリングは電極形成後のアニーリングによって代用することも可能である。この場合も同様に、電流狭窄層に注入した元素の拡散が防止できる。
【0045】
その後、p型コンタクト層14のほぼ全面にSiO2とTiO2からなる層をそれぞれ膜厚λ/4nとして2層以上蒸着により積層し多層膜とし、フォトリソグラフィー技術を用いて、電流狭窄層15の開口部分の上方に多層膜を所定の形状にして第1反射鏡21を形成する。この第1反射鏡21は電流狭窄層15の開口部よりもやや大きめに形成することが好ましい。
【0046】
一方、サファイア基板10側にもSiO2とTiO2からなる層をそれぞれ膜厚λ/4nとして2層以上蒸着により積層し多層膜とし、第2反射鏡22を形成する。
【0047】
次にエッチングを行い、負電極32を形成すべきn型コンタクト層11を露出させ、たとえばTi/Alからなる負電極32を形成する。また、第1反射膜21が形成されている以外のp型コンタクト層14表面のほぼ全面にも、たとえばNi/Auからなる正電極を形成する。そして、チップ状に分離することにより図1に示すような構造のレーザ素子を得ることができる。
【0048】
本実施例では、電流狭窄層15をpクラッド層13の上部からp型コンタクト層14の下部にかけて形成する例を示したが、実施の形態1において述べた位置に形成してもよい。ただし、電流狭窄層15の形成されていない所定の部分のp型コンタクト層14は膜厚0.5μm以下、より好ましくは0.2μm以下に形成し、電流狭窄層15上部のp型コンタクト層の膜厚、すなわち電柱狭窄層15の上面からp型コンタクト層14の上面との距離が0.05μm以上とすることが、キャリアの注入効率上およびリーク防止の観点から好ましい。あるいは、図4に示すように電流狭窄層15をpクラッド層13とp型コンタクト層14との境界面から下方に形成することも可能である。特に、イオン注入の元素としてAlを用いた場合は、少なくとも電流狭窄層15の一部をpクラッド層13とp型コンタクト層14との境界面よりも下方に形成することによって、活性層12における水平方向の光を閉じ込める効果を高めることができることからより好ましい。これら電流狭窄層15の形成深さは、イオン注入の注入エネルギーによって制御できる。
【0049】
また、本実施例1の第2反射膜22を、互いに組成比の異なるAlyGa1-yN(0≦y≦1)をそれぞれ膜厚λ/4n(λ:発光波長、n:材料の屈折率)となるように交互に積層して多層膜とし、第2反射膜22を形成することによって、図5に示すように、第2反射膜22を、基板10とn型コンタクト層11との間に形成することも可能である。あるいは、図6に示すようにn型コンタクト層11と活性層12との間に形成してもよい。さらに、電極を透光性の電極とし、その上に反射膜を形成してもよい。
(実施例2)
実施例2は図7の構造のレーザ素子を得る例を示しており、図1を元に説明する。まずSiCまたはGaN等の基板10上に、実施例1と同様にして、各半導体層11〜14を形成し、イオン注入によって電流狭窄層15を形成する。GaN基板の場合は特に下地層を必要としない。
【0050】
その後、p型コンタクト層14のほぼ全面にSiO2とTiO2からなる層をそれぞれ膜厚λ/4nとして2層以上蒸着により積層し多層膜とし、フォトリソグラフィー技術を用いて、電流狭窄層15の開口部分の上方に多層膜を所定の形状にして第1反射鏡21を形成する。この第1反射鏡21は電流狭窄層15の開口部よりもやや大きめに形成することが好ましい。
【0051】
同様に、基板10側にも基板10のほぼ全面にSiO2とTiO2からなる層をそれぞれ膜厚λ/4n(λ:発光波長、n:材料の屈折率)として2層以上蒸着により積層し多層膜とし、活性層12を挟んで電流狭窄層15の開口部分に対向した位置に多層膜を所定の形状で第2反射鏡22を形成する。この第2反射鏡22は電流狭窄層15の開口部よりも少なくとも大きく形成する。
【0052】
そして、第2反射膜22が形成された以外の基板10の表面に、たとえばTi/Alからなる負電極32を形成する。また、第1反射膜21が形成されている以外のp型コンタクト層14の表面にも、たとえばNi/Auからなる正電極を形成する。そして、チップ状に分離することにより図7に示すような構造のレーザ素子を得ることができる。
【0053】
さらに、第2反射膜22を互いに組成比の異なるAlyGa1-yN(0≦y≦1)をそれぞれ膜厚λ/4nとなるように交互に積層して多層膜とした場合は、図8に示すように第2反射膜22を負電極32と基板10との間に形成することも可能である。また、図9示すように、第2反射膜22を基板10とn型コンタクト層11との間に形成してもよい。また、図10に示すように、第2反射膜22をn型コンタクト層11と活性層12との間に形成してもよい。
【0054】
あるいは、図11に示すように、p型コンタクト層14上に第2反射膜22を互いに組成比の異なるAlyGa1-yN(0≦y≦1)を膜厚λ/4n(nm)で積層し多層膜として形成し、第2反射膜22上に正電極31を形成することも可能である。また、正電極面の光の反射が十分であれば、図12に示すように第1反射膜21を省略することも可能である。さらに、電極を透光性の電極とし、その上に反射膜を形成してもよい。
(実施例3)
実施例3は図13の構造のレーザ素子を得る例を示しており、図13を元に説明する。
まずサファイア基板10のC面(0001)上にGaNよりなるバッファ層(図示せず)を300オングストロームの膜厚で成長させる。実施例1と同様にバッファ層上に下地層を形成してもよい。バッファ層または下地層上にSiをドープしたn型GaNよりなるn型コンタクト層11を4μmの膜厚で成長させる。次に、n型コンタクト層11上にSiをドープしたAl0.2Ga0.8Nよりなるn型クラッド層11aを0.2μmの膜厚で成長させる。次に、n型クラッド層11a上に、活性層12と同程度の光屈折率を示す下部光ガイド層12aを形成する。下部光ガイド層12aは、たとえばノンドープGaNあるいは活性層12のIn混晶比xよりも混晶比の少ないInxGa1-xN(0≦x≦1)を200Å〜1μmの膜厚で成長させる。この下部光ガイド層12aはSiをドープしn型としてもよい。
【0055】
次にSiをドープしたn型In0.05Ga0.95Nよりなる活性層12を0.1μmの膜厚で成長させる。また、ここでは活性層12を単一井戸構造として形成する例を示したが、膜厚30ÅのIn0.2Ga0.8N/膜厚50ÅのIn0.05Ga0.95Nを1層〜10層積層した単一あるいは多重量子井戸構造として形成してもよい。このとき、最初のIn0.2Ga0.8Nの下にはIn0.05Ga0.95N層が形成されることが好ましい。さらに、活性層の組成比InxGa1-xN(0≦x≦1)は所望の発光波長等によって適宜選択可能である。
【0056】
次に、活性層12上に、活性層12と同程度の光屈折率を示す上部光ガイド層12bを形成する。上部光ガイド層12bは、たとえばノンドープGaNあるいは活性層12のIn混晶比よりも混晶比の少ないInxGa1-xN(0≦x≦1)を200Å〜1μmの膜厚で成長させる。この上部光ガイド層12bはMgをドープしp型としてもよい。 次にMgをドープしたp型Al0.2Ga0.8N層よりなるp型クラッド層13を0.2μmで成長させる。次にMgドープGaNよりなるp型コンタクト層14を成長させる。
【0057】
次に、p型コンタクト層14成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、p型コンタクト層14の所定の部分を、Si酸化膜またはレジスト等からなるたとえば幅10μmのストライプ状のマスクによって図14のように覆い、イオン注入装置を用いて、pクラッド層13の上部からp型コンタクト層14の下部の深さにかけてイオン注入を行い、マスク部分をストライプ領域とした電流狭窄層15を形成する。このイオン注入は、実施例1と同様に行われる。電流狭窄層15の形成位置についても、実施例1と同様に適宜選択可能である。さらに端面発光型のレーザ素子においても、イオン注入の元素としてAlを用いた場合は、少なくとも電流狭窄層15の一部をpクラッド層13とp型コンタクト層14との境界面よりも下方に形成することによって、光導波路における水平横方向の光を閉じ込める効果を高めることができることからより好ましい。また、この光の閉じ込め効果は、電流狭窄層15下部のp型層(p型クラッド層13およびp型コンタクト層14)の膜厚、すなわち電流狭窄層15の下面から活性層12の上面との距離が発光波長以下の場合に効果があり、電流狭窄層15下部のp型層の膜厚と光ガイド層の膜厚と活性層の膜厚との和が発光波長以下の場合に効果が大きい。
【0058】
その後、エッチングを行い、負電極32を形成すべきn型コンタクト層11を露出させ、たとえばTi/Alからなる負電極32を形成する。また、p型コンタクト層14上のほぼ全面にも、たとえばNi/Auからなる正電極31を形成する。
【0059】
そして、p型層が残された半導体領域を、ストライプの幅方向の半導体層の端面が光共振面となるように劈開、あるいはエッチングを行い、チップ状に分離する。この光共振面には、必要に応じて両光共振面あるいはいずれか一方に、SiO2とTiO2からなる層をそれぞれ膜厚λ/4nとして2層以上蒸着により積層し多層膜とし、反射膜を形成してもよい。
(実施例4)
実施例4は図15の構造のレーザ素子を得る例を示しており、図15を元に説明する。まずGaN基板10上に、実施例3と同様にして、各半導体層11〜14を形成し、イオン注入によって電流狭窄層15を形成する。
【0060】
その後、基板10の表面のほぼ全面に、たとえばTi/Alからなる負電極32を形成する。また、p型コンタクト層14上のほぼ全面にも、たとえばNi/Auからなる正電極31を形成する。
【0061】
そして、ストライプの幅方向の半導体層の端面が光共振面となるように劈開、あるいはエッチングを行い、チップ状に分離する。この光共振面には、必要に応じて両光共振面あるいはいずれか一方に、SiO2とTiO2からなる層をそれぞれ膜厚λ/4nとして2層以上蒸着により積層し多層膜とし、反射膜を形成してもよい。
【0062】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明によって レーザ発振閾値が小さく、かつ生産性の高い窒化物半導体(たとえばInxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)からなる端面発光型のレーザ素子を提供することができる。また、本発明によって、窒化物半導体(たとえばInxAlyGa1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1)からなる面発光型のレーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における面発光型レーザ素子の概略図である。
【図2】本発明の実施の形態1における面発光型レーザ素子の電流狭窄層形成位置の変形例に関する概略図である。
【図3】本発明の実施の形態1における面発光型レーザ素子の電流狭窄層形成位置の変形例に関する概略図である。
【図4】本発明の実施の形態1における面発光型レーザ素子の電流狭窄層形成位置の変形例に関する概略図である。
【図5】本発明の実施の形態1における面発光型レーザ素子の第2反射膜形成位置の変形例に関する概略図である。
【図6】本発明の実施の形態1における面発光型レーザ素子の第2反射膜形成位置の変形例に関する概略図である。
【図7】本発明の実施の形態2における面発光型レーザ素子の概略図である。
【図8】本発明の実施の形態2における面発光型レーザ素子の第2反射膜形成位置の変形例に関する概略図である。
【図9】本発明の実施の形態2における面発光型レーザ素子の第2反射膜形成位置の変形例に関する概略図である。
【図10】本発明の実施の形態2における面発光型レーザ素子の第2反射膜形成位置の変形例に関する概略図である。
【図11】本発明の実施の形態2における面発光型レーザ素子の第1反射膜形成位置の変形例に関する概略図である。
【図12】本発明の実施の形態2における面発光型レーザ素子の第1反射膜の変形例に関する概略図である。
【図13】本発明の実施の形態3における端面発光型レーザ素子の概略図である。
【図14】本発明の実施の形態3における端面発光型レーザ素子をp型層側から見た概略図である。
【図15】本発明の実施の形態4における端面発光型レーザ素子の概略図である。
【符号の説明】
10・・・基板
11・・・n型コンタクト層
11a・・・n型クラッド層
12・・・活性層
12a・・・下部光ガイド層
12b・・・上部光ガイド層
13・・・p型クラッド層
14・・・p型コンタクト層
15・・・電流狭窄層
21・・・第1反射膜
22・・・第2反射膜
31・・・正電極
32・・・負電極
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a nitride semiconductor (for example, In x Al y Ga 1-xy N, x ≧ 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1). The present invention relates to various elements such as a light emitting element and a light receiving element, in particular, a laser element and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, nitride semiconductors (eg, In x Al y Ga 1-xy N, x ≧ 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1), and various other elements such as a light emitting element and a light receiving element are attracting attention. In particular, the nitride semiconductor In x Al y Ga 1-xy High-intensity purple, blue, green, and other light emitting diodes (LEDs) made of a semiconductor having an active layer containing N (x ≧ 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1) have been commercialized, and the wavelengths of these colors Development of a laser device having a light emission wavelength of 300 nm to a green light emission wavelength of 550 nm is desired.
[0003]
For example, a laser device in a wavelength range from near ultraviolet to blue, which is a short wavelength, has an advantage that the storage density of the optical recording device can be greatly increased as compared with a conventional red semiconductor laser. Further, in the silver salt photographic development technology for irradiating a silver salt photographic printing paper or the like with laser light, a high-luminance laser apparatus of blue, green and red, which are the three primary colors of light, is required.
[0004]
[Problems to be Solved by the Invention]
In general, in order to cause a semiconductor element to oscillate, it is considered that efficiency is improved by performing current confinement in which injected carriers are concentrated in a specific portion. For example, in an edge-emitting laser element made of a nitride semiconductor, a technique is known in which current confinement is performed by forming electrodes in a stripe shape or forming a semiconductor layer in a ridge structure.
[0005]
However, the edge-emitting laser element in which the electrodes are formed in stripes has a problem that the laser oscillation threshold is large because light in the horizontal and lateral directions cannot be confined. In addition, the edge-emitting laser element having a ridge structure as a semiconductor layer requires a high level of fine processing technology, resulting in a low yield and a high manufacturing cost.
[0006]
Further, the surface-emitting laser element is expected to have an advantage that the structure can be simplified and the laser oscillation threshold can be reduced as compared with the edge-emitting laser element. However, the surface-emitting laser element is still made of a nitride semiconductor. Is not realized.
[0007]
Therefore, the present invention provides a nitride semiconductor having a low laser oscillation threshold and high productivity (for example, In x Al y Ga 1-xy N, x ≧ 0, y ≧ 0, and x + y ≦ 1). The present invention also provides a nitride semiconductor (for example, In x Al y Ga 1-xy N, x ≧ 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1) Another object is to provide a surface emitting laser element.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a laser element according to the present invention is a surface emitting laser element comprising a nitride semiconductor having an active layer sandwiched between an n-type layer and a p-type layer. Except for the opening that concentrates the carrier By ion implanting Al The current confinement layer is formed.
[0009]
The laser element of the present invention is an edge-emitting laser element made of a nitride semiconductor having a structure in which an active layer is sandwiched between an n-type layer and a p-type layer, and carriers are concentrated on the p-type layer. Excluding stripe area By ion implanting Al The current confinement layer is formed.
[0010]
In the laser element of the present invention, the p-type layer has at least a p-type cladding layer and a p-type contact layer, and a part of the current confinement layer is formed at least in the p-type contact layer. be able to.
[0011]
In the laser element of the present invention, the p-type layer includes at least a p-type cladding layer and a p-type contact layer, and a part of the current confinement layer is formed at least in the p-type cladding layer. be able to.
[0012]
In the laser device of the present invention, leakage can be prevented by adopting a structure in which the thickness of the p-type contact layer above the current confinement layer is 0.05 μm or more.
[0013]
[0014]
Further, the laser element of the present invention can confine horizontal light in the active layer by adopting a configuration in which the thickness of the p-type layer below the current confinement layer is equal to or less than the emission wavelength.
[0015]
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a surface emitting laser element according to Embodiment 1 of the present invention. An n-type contact layer 11 which is a layer for obtaining ohmic contact with the negative electrode 32 is formed on the substrate 10 made of an insulating material such as sapphire or spinel. On the n-type contact layer 11, an active layer 12 for generating light by carrier coupling is formed. A p-type cladding layer 13 for confining carriers in the active layer 12 is formed on the active layer 12. A p-type contact layer 14 for obtaining ohmic contact with the positive electrode 31 is formed on the p-type cladding layer 13.
[0017]
In the vicinity of the boundary between the p-type cladding layer 13 and the p-type contact layer 14, a current confinement layer 15 is formed by performing ion implantation except for an opening for concentrating carriers. Elements used for ion implantation include elements such as Si and Ge that make n-type nitride semiconductors, Al that increases the band gap energy of nitride semiconductors, and group III elements that increase the resistance of nitride-based semiconductors. In addition, Be, Zn, Cd, which is a p-type impurity that makes a nitride semiconductor a high-resistance p-type, Se, Te, which are group VI elements, and the like can be given.
[0018]
In general, a nitride semiconductor is difficult to obtain a low-resistance p-type, so that even if layers having different resistivity are formed in the p-type layer, it is difficult to obtain a sufficient current confinement effect. For this reason, Al that increases the band gap energy of the nitride semiconductor is preferable as an ion implantation element. Al is a nitride semiconductor (for example, In x Al y Ga 1-xy N, x ≧ 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1), and In x Ga 1-x This is because the change of the energy band gap with respect to the Al mixed crystal ratio y is larger than that of N (0 ≦ x ≦ 1), and a sufficient current confinement effect can be obtained. Furthermore, a nitride semiconductor having a large band gap energy has a low refractive index, and the effect of confining the light in the horizontal direction in the active layer 12 can be obtained by ion implantation of Al, so that the laser oscillation threshold can be reduced. preferable. This light confinement effect is caused by the film thickness of the p-type layer (p-type cladding layer 13 and p-type contact layer 14) under the current confinement layer 15, that is, from the lower surface of the current confinement layer 15 to the upper surface of the active layer 12. This is effective when the distance is less than or equal to the emission wavelength, and is more effective when the sum of the thickness of the p-type layer below the current confinement layer 15 and the thickness of the active layer is less than or equal to the emission wavelength.
[0019]
Furthermore, Si is preferable as an ion implantation element because a good n-type can be obtained by doping a nitride semiconductor and a sufficient current confinement effect can be obtained in the p-type layer. The Si is preferably implanted at a higher concentration than the carrier concentration of the p-type layer. The concentration of Si can be controlled by the dose.
[0020]
On the p-type contact layer 14, a first reflective film 21 that reflects light generated in the active layer 12 is formed above the opening portion of the current confinement layer 15. A positive electrode 31 is formed on almost the entire surface of the p-type contact layer 14 other than the first reflective film 21.
[0021]
A negative electrode 32 is formed on the n-type contact layer 11. Further, a second reflective film 22 that reflects light generated in the active layer 12 is formed on the surface of the substrate 10 so as to face the first reflective film 21 with the active layer interposed therebetween.
[0022]
Here, an example in which the current confinement layer 15 is formed from the upper part of the p-type cladding layer 13 to the lower part of the p-type contact layer 14 has been shown. However, as shown in FIG. It may be formed upward from the interface with the contact layer 14. In addition, as shown in FIG. 3, the current confinement layer 15 may be formed above the boundary surface between the p-clad layer 13 and the p-type contact layer 14. When a part of the current confinement layer 15 shown in FIGS. 1 to 3 is formed at least in the p-type contact layer 14, the p-type contact layer 14 in a predetermined portion where the current confinement layer 15 is not formed is The film thickness is 0.5 μm or less, more preferably 0.2 μm or less. The film thickness of the p-type contact layer above the current confinement layer 15, that is, the distance from the upper surface of the utility pole confinement layer 15 to the upper surface of the p-type contact layer 14. Is preferably 0.05 μm or more from the viewpoint of carrier injection efficiency and prevention of leakage.
[0023]
Alternatively, as an example of the case where a part of the current confinement layer 15 is formed at least in the p-type cladding layer 13, as shown in FIG. 4, the current confinement layer 15 is a boundary surface between the p-cladding layer 13 and the p-type contact layer 14. You may form below from. Further, as an example in which a part of the current confinement layer 15 is formed in at least the p-type cladding layer 13, the current confinement layer 15 is above the boundary surface between the active layer 12 and the p-type cladding layer 13 or above the boundary surface. It is also possible to form it. An example in which a part of the current confinement layer 15 is formed at least in the p-type cladding layer 13 includes an example in which the current confinement layer 15 in FIG. 1 is formed from the upper part of the p-type clad layer 13 to the lower part of the p-type contact layer 14. It is.
[0024]
Further, the second reflective film 22 is made of Al having different composition ratios. y Ga 1-y In the case where N is laminated with a film thickness λ / 4n (nm) (λ: emission wavelength, n: refractive index of material) to form a multilayer film, the second reflective film 22 is connected to the substrate 10 as shown in FIG. It can also be formed between the n-type contact layer 11. Alternatively, it may be formed between the n-type contact layer 11 and the active layer 12 as shown in FIG. In addition, the positive electrode 31 can be the first reflective film 21 if the light reflection on the positive electrode surface is sufficient. The first reflective film 21 is made of Al having different composition ratios. y Ga 1-y When N is laminated with a film thickness of λ / 4n (nm) (λ: emission wavelength, n: refractive index of material) to form a multilayer film, the first reflective film 21 is formed of the positive electrode 31 and the p-type contact layer 14. It is also possible to form in between. Furthermore, the electrode may be a translucent electrode, and a reflective film may be formed thereon.
(Embodiment 2)
FIG. 7 shows a schematic diagram of a surface emitting laser element according to Embodiment 2 of the present invention. Each semiconductor layer is formed on a substrate 10 made of a conductive or semiconductive material such as GaN or SiC. An n-type contact layer 11 that is a layer for obtaining ohmic contact with the negative electrode 32 is formed on the substrate 10. On the n-type contact layer 11, an active layer 12 for generating light by carrier coupling is formed. A p-type cladding layer 13 for confining carriers in the active layer 12 is formed on the active layer 12. A p-type contact layer 14 for obtaining ohmic contact with the positive electrode 31 is formed on the p-type cladding layer 13.
[0025]
In the vicinity of the boundary between the p-type cladding layer 13 and the p-type contact layer 14, a current confinement layer 15 that concentrates carriers in a predetermined portion is formed by ion implantation. The method for forming the current confinement layer 15 is the same as in the first embodiment. Further, the formation position of the current confinement layer 15 can be the same as that in the first embodiment.
[0026]
On the p-type contact layer 14, a first reflective film 21 that reflects light generated in the active layer 12 is formed in the central portion of the p-type contact layer 14. A positive electrode 31 is formed on almost the entire surface of the p-type contact layer 14 other than the first reflective film 21.
[0027]
A second reflective film 22 that reflects light generated in the active layer 12 is formed on the surface of the substrate 10 so as to face the opening of the current confinement layer 15. A negative electrode 32 is formed on the surface of the substrate 10 other than the second reflective film 22. Thus, when the 2nd reflective film 22 is formed in a part of surface of the board | substrate 10, since the negative electrode 32 can be directly formed in the surface of the board | substrate 10, the 2nd reflective film 22 can be formed from an insulating substance. .
[0028]
Further, since the second reflective film 22 has a larger distance from the active layer 12 than the first reflective film 21, the second reflective film 22 preferably has a larger area than the first reflective film 21. Further, in the nitride semiconductor, since the n-type layer has sufficient carrier diffusion compared to the p-type layer, the area of the negative electrode 32 can be made smaller than that of the positive electrode.
[0029]
Further, the second reflective film 22 is made of Al having different composition ratios. y Ga 1-y In the case where N is laminated with a film thickness λ / 4n (nm) to form a multilayer film, the second reflective film 22 may be formed between the negative electrode 32 and the substrate 10 as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 9, the second reflective film 22 may be formed between the substrate 10 and the n-type contact layer 11. Further, as shown in FIG. 10, the second reflective film 22 may be formed between the n-type contact layer 11 and the active layer 12. Furthermore, the electrode may be a translucent electrode, and a reflective film may be formed thereon.
[0030]
Alternatively, as shown in FIG. 11, the second reflective film 22 is formed on the p-type contact layer 14 with different composition ratios. y Ga 1-y It is also possible to form a positive electrode 31 on the second reflective film 22 by stacking N with a film thickness of λ / 4n (nm) to form a multilayer film. If the reflection of light on the positive electrode surface is sufficient, the positive electrode 31 can be the first reflective film 21 as shown in FIG.
[0031]
Of course, even when an insulating material is used for the substrate 10 and the substrate is removed by polishing or the like, the substrate 10 is omitted or replaced with a reinforcing member made of a conductive or semiconductive material. Can be applied.
(Embodiment 3)
FIG. 13 shows a schematic diagram of an edge-emitting laser device according to Embodiment 3 of the present invention. Each semiconductor layer is formed on a substrate 10 made of an insulating material such as sapphire or spinel. An n-type contact layer 11 that is a layer for obtaining ohmic contact with the negative electrode 32 is formed on the substrate 10. On the n-type contact layer 11, an n-type cladding layer 11a that confines light generated in the active layer 12 is formed. On the n-type cladding layer 11a, a lower light guide layer 12a that forms an optical waveguide together with the active layer 12 is formed. An active layer 12 that generates light by carrier coupling is formed on the lower light guide layer 12a. On the active layer 12, the upper light guide layer 12b which comprises an optical waveguide with the active layer 12 is formed. A p-type cladding layer 13 for confining light and carriers on the active layer 12 side is formed on the upper light guide layer 12b. A p-type contact layer 14 for obtaining ohmic contact with the positive electrode 31 is formed on the p-type cladding layer 13.
[0032]
In the vicinity of the boundary between the p-type cladding layer 13 and the p-type contact layer 14, a current confinement layer 15 is formed by performing ion implantation except for the stripe region where carriers are concentrated as shown in FIG. The method for forming the current confinement layer 15 is the same as in the first embodiment. Further, the formation position of the current confinement layer 15 can be the same as that in the first embodiment.
[0033]
A positive electrode 31 is formed on the p-type contact layer 14. A negative electrode 32 is formed on the n-type contact layer 11. In the edge-emitting laser element, the resonance surface is formed by cleaving or etching the semiconductor layer. At this time, either one or both of the resonance surfaces, for example, SiO 2 And TiO 2 A reflective film may be formed as a multilayer film by laminating two or more layers by vapor deposition, each having a thickness of λ / 4n (λ: emission wavelength, n: refractive index of the material).
[0034]
Further, the edge-emitting laser element is particularly preferable because the effect of confining the light in the horizontal direction in the optical waveguide can be obtained by ion implantation of Al, so that the laser oscillation threshold can be reduced. This light confinement effect is caused by the film thickness of the p-type layer (p-type cladding layer 13 and p-type contact layer 14) under the current confinement layer 15, that is, from the lower surface of the current confinement layer 15 to the upper surface of the active layer 12. This is effective when the distance is less than or equal to the emission wavelength, and is more effective when the sum of the thickness of the p-type layer under the current confinement layer 15, the thickness of the light guide layer, and the thickness of the active layer is less than or equal to the emission wavelength. .
(Embodiment 4)
FIG. 15 shows a schematic diagram of an edge-emitting laser device according to the fourth embodiment of the present invention. Each semiconductor layer is formed on a substrate 10 made of a conductive or semiconductive material such as GaN or SiC. An n-type contact layer 11 that is a layer for obtaining ohmic contact with the negative electrode 32 is formed on the substrate 10. On the n-type contact layer 11, an n-type cladding layer 11a that confines light generated in the active layer 12 is formed. On the n-type cladding layer 11a, a lower light guide layer 12a that forms an optical waveguide together with the active layer 12 is formed. An active layer 12 that generates light by carrier coupling is formed on the lower light guide layer 12a. On the active layer 12, the upper light guide layer 12b which comprises an optical waveguide with the active layer 12 is formed. A p-type cladding layer 13 for confining light and carriers on the active layer 12 side is formed on the upper light guide layer 12b. A p-type contact layer 14 for obtaining ohmic contact with the positive electrode 31 is formed on the p-type cladding layer 13.
[0035]
In the vicinity of the boundary between the p-type cladding layer 13 and the p-type contact layer 14, a current confinement layer 15 that concentrates carriers in a predetermined portion is formed by ion implantation. The method for forming the current confinement layer 15 is the same as in the first embodiment. Further, the formation position of the current confinement layer 15 can be the same as that in the first embodiment.
[0036]
A positive electrode 31 is formed on the p-type contact layer 14. A negative electrode 32 is formed on the n-type contact layer 11. In the edge-emitting laser element, the resonance surface is formed by cleaving or etching the semiconductor layer. At this time, either one or both of the resonance surfaces, for example, SiO 2 And TiO 2 A reflective film may be formed as a multilayer film by laminating two or more layers by vapor deposition, each having a thickness of λ / 4n (λ: emission wavelength, n: refractive index of the material).
[0037]
Further, the edge-emitting laser element is particularly preferable because the effect of confining the light in the horizontal direction in the optical waveguide can be obtained by ion implantation of Al, so that the laser oscillation threshold can be reduced. This light confinement effect is caused by the film thickness of the p-type layer (p-type cladding layer 13 and p-type contact layer 14) under the current confinement layer 15, that is, from the lower surface of the current confinement layer 15 to the upper surface of the active layer 12. This is effective when the distance is less than or equal to the emission wavelength, and is more effective when the sum of the thickness of the p-type layer under the current confinement layer 15, the thickness of the light guide layer, and the thickness of the active layer is less than or equal to the emission wavelength. .
[0038]
【Example】
(Example 1)
Example 1 shows an example in which a laser element having the structure of FIG. 1 is obtained, and will be described based on FIG. First, a buffer layer (not shown) made of GaN grown at a low temperature on the C-plane (0001) of the sapphire substrate 10 is grown to a thickness of 200 to 300 mm. A GaN layer grown at a temperature higher than the growth temperature of the buffer layer is formed on the buffer layer, and a SiO 2 layer having a stripe width of 10 μm and a stripe interval (window) of 2 μm is formed thereon. 2 A film may be formed, and a GaN layer may be further grown thereon to form a base layer.
[0039]
Next, 3 × 10 3 of Si is formed on the buffer layer or the underlayer. 18 / Cm Three An n-type contact layer 11 made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 4 μm. Next, n-type In doped with Si 0.05 Ga 0.95 An active layer 12 made of N is grown to a thickness of 0.1 μm. At this time, n-type Al doped with Si between the n-type contact layer 11 and the active layer 12 0.2 Ga 0.8 An n-type cladding layer made of N may be grown to a thickness of 0.2 μm. In this example, the active layer 12 is formed as a single well structure. 0.2 Ga 0.8 N / In with a thickness of 50 mm 0.05 Ga 0.95 A single or multiple quantum well structure in which 1 to 10 layers of N are stacked may be formed. At this time, the first In 0.2 Ga 0.8 Under N is In 0.05 Ga 0.95 An N layer is preferably formed. Furthermore, the composition ratio In of the active layer x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) can be appropriately selected depending on a desired emission wavelength or the like.
[0040]
Next, Mg is 1 × 10 20 / Cm Three Doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 A p-type clad layer 13 made of an N layer is grown at 200 to 0.6 μm. This p-type cladding layer 13 is made of non-doped Al. 0.2 Ga 0.8 A layer made of N with a thickness of 25 mm and Mg of 1 × 10 20 / Cm Three Doped Al 0.2 Ga 0.8 You may form as a superlattice layer with a total film thickness of 0.6 micrometer comprised from the 25-thickness layer which consists of N. Next, Mg is 1 × 10 20 / Cm Three A p-type contact layer 14 made of doped GaN is grown.
[0041]
After the growth of the p-type contact layer 14, the wafer is taken out of the reaction vessel, a predetermined portion of the p-type contact layer 14 is covered with a mask made of Si oxide or resist, for example, having a shape of 10 μmφ, and the ion implantation apparatus is used to Ions are implanted from the upper part of the cladding layer 13 to the lower part of the p-type contact layer 14 to form a current confinement layer 15 with the mask portion as an opening. The depth of this ion implantation can be controlled by the implantation energy. Elements used for ion implantation at this time are elements such as Si and Ge that make nitride semiconductors n-type, Al that increases the band gap energy of nitride semiconductors, and group III elements that increase the resistance of nitride-based semiconductors. Examples include B, Be, Zn, Cd, and Group VI elements such as Se and Te, which are p-type impurities that make a nitride semiconductor a high-resistance p-type.
[0042]
In particular, Al is a nitride semiconductor (for example, In x Al y Ga 1-xy N, x ≧ 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1), and In x Ga 1-x A sufficient band gap energy difference is obtained with respect to N (0 ≦ x ≦ 1), and the current confinement effect is large, so that it is more preferable as an ion implantation element. Furthermore, the p-type cladding layer is made of Al. y Ga 1-y When formed as N (0 <y ≦ 1), it is preferable to implant Al as an ion implantation element into the p-type cladding layer to form a current confinement layer. This is because a small band gap energy difference with respect to the p-type contact layer 14 can be obtained with a small Al injection amount, and a sufficient current confinement effect can be obtained. It is also effective for the effect of confining horizontal light in the active layer. This light confinement effect is significant when the thickness of the p-type layers (p-type cladding layer 13 and p-type contact layer 14) under the current confinement layer 15 is equal to or less than the emission wavelength.
[0043]
Si is preferable as an ion-implanting element because it can obtain a good n-type by doping a nitride semiconductor and has a sufficient current confinement effect in the p-type layer. The amount of Si implanted is higher than the carrier concentration of the p-type layer, for example 10 × 10 17 / Cm Three It is preferable to inject as described above. The concentration of Si can be controlled by the dose.
[0044]
After ion implantation, annealing is performed to recover damage caused by ion implantation. In order to prevent diffusion of the element implanted into the current confinement layer, it is preferable that the annealing after the electrode formation performed after the damage recovery annealing is a high-speed annealing such as lamp annealing. Further, the annealing for recovering the damage can be replaced by annealing after forming the electrode. In this case as well, diffusion of the element implanted into the current confinement layer can be prevented.
[0045]
After that, almost the entire surface of the p-type contact layer 14 is SiO. 2 And TiO 2 Two or more layers each having a film thickness of λ / 4n are deposited by vapor deposition to form a multilayer film, and the multilayer film is formed in a predetermined shape above the opening portion of the current confinement layer 15 by using a photolithography technique. A mirror 21 is formed. The first reflecting mirror 21 is preferably formed slightly larger than the opening of the current confinement layer 15.
[0046]
On the other hand, the sapphire substrate 10 side also has SiO. 2 And TiO 2 Two or more layers having a thickness of λ / 4n are stacked by vapor deposition to form a multilayer film, and the second reflecting mirror 22 is formed.
[0047]
Next, etching is performed to expose the n-type contact layer 11 where the negative electrode 32 is to be formed, and the negative electrode 32 made of, for example, Ti / Al is formed. Further, a positive electrode made of, for example, Ni / Au is formed on almost the entire surface of the p-type contact layer 14 other than the first reflective film 21 formed thereon. Then, by separating into chips, a laser element having a structure as shown in FIG. 1 can be obtained.
[0048]
In this example, the current confinement layer 15 is formed from the upper part of the p-cladding layer 13 to the lower part of the p-type contact layer 14, but may be formed at the position described in the first embodiment. However, the p-type contact layer 14 in a predetermined portion where the current confinement layer 15 is not formed is formed with a film thickness of 0.5 μm or less, more preferably 0.2 μm or less. The film thickness, that is, the distance from the upper surface of the utility pole constricting layer 15 to the upper surface of the p-type contact layer 14 is preferably 0.05 μm or more from the viewpoint of carrier injection efficiency and leakage prevention. Alternatively, as shown in FIG. 4, the current confinement layer 15 can be formed downward from the boundary surface between the p-clad layer 13 and the p-type contact layer 14. In particular, when Al is used as the ion implantation element, at least a part of the current confinement layer 15 is formed below the boundary surface between the p-clad layer 13 and the p-type contact layer 14, thereby It is more preferable because the effect of confining light in the horizontal direction can be enhanced. The formation depth of these current confinement layers 15 can be controlled by the implantation energy of ion implantation.
[0049]
Further, the second reflective film 22 of Example 1 is made of Al having different composition ratios. y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) is alternately laminated so as to have a film thickness of λ / 4n (λ: emission wavelength, n: refractive index of material) to form a multilayer film, and the second reflective film 22 is formed. Accordingly, as shown in FIG. 5, the second reflective film 22 can be formed between the substrate 10 and the n-type contact layer 11. Alternatively, it may be formed between the n-type contact layer 11 and the active layer 12 as shown in FIG. Furthermore, the electrode may be a translucent electrode, and a reflective film may be formed thereon.
(Example 2)
Example 2 shows an example in which a laser element having the structure of FIG. 7 is obtained, which will be described with reference to FIG. First, the semiconductor layers 11 to 14 are formed on the substrate 10 made of SiC or GaN in the same manner as in the first embodiment, and the current confinement layer 15 is formed by ion implantation. In the case of a GaN substrate, a base layer is not particularly required.
[0050]
After that, almost the entire surface of the p-type contact layer 14 is SiO. 2 And TiO 2 Two or more layers each having a film thickness of λ / 4n are deposited by vapor deposition to form a multilayer film, and the multilayer film is formed in a predetermined shape above the opening portion of the current confinement layer 15 by using a photolithography technique. A mirror 21 is formed. The first reflecting mirror 21 is preferably formed slightly larger than the opening of the current confinement layer 15.
[0051]
Similarly, on the substrate 10 side, almost the entire surface of the substrate 10 is made of SiO. 2 And TiO 2 Two or more layers each having a film thickness of λ / 4n (λ: emission wavelength, n: refractive index of the material) are laminated by vapor deposition to be opposed to the opening portion of the current confinement layer 15 with the active layer 12 interposed therebetween. The second reflecting mirror 22 is formed with a multilayer film in a predetermined shape at the position. The second reflecting mirror 22 is formed at least larger than the opening of the current confinement layer 15.
[0052]
Then, a negative electrode 32 made of, for example, Ti / Al is formed on the surface of the substrate 10 other than the second reflective film 22 formed thereon. Further, a positive electrode made of, for example, Ni / Au is also formed on the surface of the p-type contact layer 14 other than the first reflective film 21 formed thereon. Then, by separating into chips, a laser element having a structure as shown in FIG. 7 can be obtained.
[0053]
Further, the second reflective film 22 is made of Al having different composition ratios. y Ga 1-y In the case where N (0 ≦ y ≦ 1) is alternately laminated to have a film thickness λ / 4n to form a multilayer film, the second reflective film 22 is formed of the negative electrode 32, the substrate 10, and the like as shown in FIG. It is also possible to form it between. Further, as shown in FIG. 9, the second reflective film 22 may be formed between the substrate 10 and the n-type contact layer 11. Further, as shown in FIG. 10, the second reflective film 22 may be formed between the n-type contact layer 11 and the active layer 12.
[0054]
Alternatively, as shown in FIG. 11, the second reflective film 22 is formed on the p-type contact layer 14 with different composition ratios. y Ga 1-y It is also possible to stack N (0 ≦ y ≦ 1) with a film thickness of λ / 4n (nm) to form a multilayer film, and to form the positive electrode 31 on the second reflective film 22. If the reflection of light on the positive electrode surface is sufficient, the first reflective film 21 can be omitted as shown in FIG. Furthermore, the electrode may be a translucent electrode, and a reflective film may be formed thereon.
(Example 3)
Example 3 shows an example of obtaining a laser element having the structure of FIG. 13 and will be described based on FIG.
First, a buffer layer (not shown) made of GaN is grown on the C-plane (0001) of the sapphire substrate 10 to a film thickness of 300 angstroms. A base layer may be formed on the buffer layer as in the first embodiment. An n-type contact layer 11 made of n-type GaN doped with Si is grown to a thickness of 4 μm on the buffer layer or the base layer. Next, Al doped with Si on the n-type contact layer 11 0.2 Ga 0.8 An n-type cladding layer 11a made of N is grown to a thickness of 0.2 μm. Next, the lower light guide layer 12a having the same refractive index as that of the active layer 12 is formed on the n-type cladding layer 11a. The lower optical guide layer 12a is made of, for example, non-doped GaN or In having a mixed crystal ratio smaller than the In mixed crystal ratio x of the active layer 12. x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) is grown to a thickness of 200 to 1 μm. The lower light guide layer 12a may be doped with Si to be n-type.
[0055]
Next, n-type In doped with Si 0.05 Ga 0.95 An active layer 12 made of N is grown to a thickness of 0.1 μm. In this example, the active layer 12 is formed as a single well structure. 0.2 Ga 0.8 N / In with a thickness of 50 mm 0.05 Ga 0.95 A single or multiple quantum well structure in which 1 to 10 layers of N are stacked may be formed. At this time, the first In 0.2 Ga 0.8 Under N is In 0.05 Ga 0.95 An N layer is preferably formed. Furthermore, the composition ratio In of the active layer x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) can be appropriately selected depending on a desired emission wavelength or the like.
[0056]
Next, an upper light guide layer 12 b having a light refractive index comparable to that of the active layer 12 is formed on the active layer 12. The upper light guide layer 12b is made of, for example, non-doped GaN or In having a mixed crystal ratio smaller than that of the active layer 12 x Ga 1-x N (0.ltoreq.x.ltoreq.1) is grown with a film thickness of 200 .mu.m to 1 .mu.m. The upper light guide layer 12b may be doped with Mg to be p-type. Next, p-type Al doped with Mg 0.2 Ga 0.8 A p-type cladding layer 13 made of an N layer is grown at 0.2 μm. Next, a p-type contact layer 14 made of Mg-doped GaN is grown.
[0057]
Next, after the growth of the p-type contact layer 14, the wafer is taken out of the reaction vessel, and a predetermined portion of the p-type contact layer 14 is formed with a striped mask made of Si oxide film or resist, for example, having a width of 10 μm as shown in FIG. Then, ion implantation is performed from the upper part of the p-clad layer 13 to the lower part of the p-type contact layer 14 by using an ion implantation apparatus to form a current confinement layer 15 having a mask portion as a stripe region. This ion implantation is performed in the same manner as in the first embodiment. The formation position of the current confinement layer 15 can be appropriately selected as in the first embodiment. Further, even in the edge-emitting laser element, when Al is used as an ion implantation element, at least a part of the current confinement layer 15 is formed below the boundary surface between the p-clad layer 13 and the p-type contact layer 14. By doing so, the effect of confining the light in the horizontal direction in the optical waveguide can be enhanced, which is more preferable. This light confinement effect is caused by the film thickness of the p-type layer (p-type cladding layer 13 and p-type contact layer 14) under the current confinement layer 15, that is, from the lower surface of the current confinement layer 15 to the upper surface of the active layer 12. This is effective when the distance is less than or equal to the emission wavelength, and is more effective when the sum of the thickness of the p-type layer under the current confinement layer 15, the thickness of the light guide layer, and the thickness of the active layer is less than or equal to the emission wavelength. .
[0058]
Thereafter, etching is performed to expose the n-type contact layer 11 where the negative electrode 32 is to be formed, and the negative electrode 32 made of, for example, Ti / Al is formed. Further, a positive electrode 31 made of, for example, Ni / Au is formed on almost the entire surface of the p-type contact layer 14.
[0059]
Then, the semiconductor region in which the p-type layer is left is cleaved or etched so that the end face of the semiconductor layer in the width direction of the stripe becomes an optical resonance surface, and separated into chips. If necessary, this optical resonant surface may be formed on both optical resonant surfaces or one of them by SiO 2 2 And TiO 2 Two or more layers having a thickness of λ / 4n may be laminated by vapor deposition to form a multilayer film, and a reflective film may be formed.
(Example 4)
Example 4 shows an example of obtaining a laser element having the structure of FIG. 15 and will be described with reference to FIG. First, the semiconductor layers 11 to 14 are formed on the GaN substrate 10 in the same manner as in Example 3, and the current confinement layer 15 is formed by ion implantation.
[0060]
Thereafter, a negative electrode 32 made of, for example, Ti / Al is formed on almost the entire surface of the substrate 10. Further, a positive electrode 31 made of, for example, Ni / Au is formed on almost the entire surface of the p-type contact layer 14.
[0061]
Then, cleaving or etching is performed so that the end face of the semiconductor layer in the width direction of the stripe becomes the optical resonant surface, and the semiconductor layer is separated into chips. This optical resonant surface may be formed on both optical resonant surfaces or one of them if necessary. 2 And TiO 2 Two or more layers having a thickness of λ / 4n may be laminated by vapor deposition to form a multilayer film, and a reflective film may be formed.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a nitride semiconductor having a low laser oscillation threshold and high productivity (for example, In x Al y Ga 1-xy N, x ≧ 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1) can be provided. Further, according to the present invention, a nitride semiconductor (for example, In x Al y Ga 1-xy N, x ≧ 0, y ≧ 0, x + y ≦ 1) can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a surface emitting laser element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram relating to a modification of the current confinement layer forming position of the surface emitting laser element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram relating to a modification of the current confinement layer forming position of the surface emitting laser element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram relating to a modification of the current confinement layer forming position of the surface emitting laser element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram relating to a modification of the second reflective film formation position of the surface emitting laser element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram relating to a modification of the second reflective film formation position of the surface emitting laser element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view of a surface emitting laser element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram relating to a modification of the second reflective film formation position of the surface emitting laser element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram relating to a modification of the second reflective film formation position of the surface emitting laser element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram relating to a modification of the second reflective film formation position of the surface emitting laser element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram relating to a modified example of the first reflective film forming position of the surface emitting laser element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic view relating to a modification of the first reflective film of the surface emitting laser element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram of an edge-emitting laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic view of an edge-emitting laser element according to Embodiment 3 of the present invention viewed from the p-type layer side.
FIG. 15 is a schematic view of an edge-emitting laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 ... Board
11 ... n-type contact layer
11a: n-type cladding layer
12 ... Active layer
12a: Lower light guide layer
12b ... Upper light guide layer
13 ... p-type cladding layer
14 ... p-type contact layer
15 ... Current confinement layer
21 ... 1st reflective film
22 ... Second reflective film
31 ... Positive electrode
32 ... Negative electrode

Claims (6)

活性層がn型層とp型層とで挟まれた構造を有する窒化物半導体からなる面発光型のレーザ素子において、
前記p型層に、キャリアを集中させる開口部を除いてAlをイオン注入することによって電流狭窄層が形成されることを特徴とするレーザ素子。
In a surface-emitting laser element made of a nitride semiconductor having a structure in which an active layer is sandwiched between an n-type layer and a p-type layer,
A laser element, wherein a current confinement layer is formed by ion-implanting Al into the p-type layer except for an opening for concentrating carriers.
活性層がn型層とp型層とで挟まれた構造を有する窒化物半導体からなる端面発光型のレーザ素子において、
前記p型層に、キャリアを集中させるストライプ領域を除いてAlをイオン注入することによって電流狭窄層が形成されることを特徴とするレーザ素子。
In an edge-emitting laser element made of a nitride semiconductor having a structure in which an active layer is sandwiched between an n-type layer and a p-type layer,
A laser element, wherein a current confinement layer is formed by ion-implanting Al into the p-type layer except for a stripe region where carriers are concentrated.
前記p型層は、少なくともp型クラッド層とp型コンタクト層を有し、
前記電流狭窄層の一部は少なくとも前記p型コンタクト層に形成されることを特徴とする請求項1乃至2に記載のレーザ素子。
The p-type layer has at least a p-type cladding layer and a p-type contact layer,
3. The laser element according to claim 1, wherein a part of the current confinement layer is formed at least in the p-type contact layer.
前記p型層は、少なくともp型クラッド層とp型コンタクト層を有し、
前記電流狭窄層の一部は少なくとも前記p型クラッド層に形成されることを特徴とする請求項1乃至2に記載のレーザ素子。
The p-type layer has at least a p-type cladding layer and a p-type contact layer,
3. The laser element according to claim 1, wherein a part of the current confinement layer is formed at least in the p-type cladding layer.
前記電流狭窄層の上部の前記p型コンタクト層の膜厚が0.05μm以上であることを特徴とする請求項3に記載のレーザ素子。  4. The laser device according to claim 3, wherein the p-type contact layer above the current confinement layer has a thickness of 0.05 μm or more. 前記電流狭窄層の下部の前記p型層の膜厚が発光波長以下であることを特徴とする請求項1乃至5に記載のレーザ素子。The laser device of claim 1, wherein the thickness of the p-type layer of the bottom of the current blocking layer is less than the emission wavelength.
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