JP3685682B2 - Nitride semiconductor laser device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、短波長の半導体レーザに係り、特に光情報処理分野においてキンクのない高出力での連続発振が可能な窒化物半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報化社会の発展とともに、大量の情報を記憶するファイ装置が必要とされ、短波長のレーザ光源は、DVD等の大容量メディアの光源として、通信用等の光源として切望されている。また、本出願人は、窒化物半導体レーザ素子で、波長403.7nmのシングルモードでの室温における連続発振1万時間以上を達成したことを発表した。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したようなレーザ光源としての応用には、レーザ素子の更なる特性向上、特に光学的な特性の向上が必要となる。それは、レーザ光のビーム形状のアスペクト比、遠視野像の改善、光の漏れ防止など、半導体レーザの光導波路の改善が必要となる。
【0004】
具体的には、上記長寿命のレーザ素子は、リッジ導波路構造の屈折率導波型であり、横モードの制御を高い精度で実現しなければならない。これは、リッジ導波路構造は、エッチングの深さ、ストライプの高さなどにより、実効屈折率が変化するため、このような構造の変化は、素子特性に大きな影響を及ぼすこととなる。上述した従来のレーザ素子では、上述したように、その応用において、十分な光学特性を有しているとはいえず、更にその特性を向上する必要がある。
【0005】
それは、レーザ光のビーム形状、すなわちF.F.P.(ファー・フィールド・パターン)でのアスペクト比の改善である。なぜなら、光ディスクシステムやレーザプリンタへの応用には、レーザ光を各光学系により補正・調整されるが、上記アスペクト比が大きくなればその補正光学系が大規模になり、その設計、製造、またその光学系を経ることによる損失が大きな問題となる。
【0006】
更には、窒化物半導体発光素子では、従来から問題となっていた光の漏れ対策も必要であり、これはレーザ素子においてリップルとして現れ、レーザ素子の応用において、雑音の問題を生み出すこととなる。
【0007】
加えて、レーザ素子の生産性の面から、更なる歩留りの向上が必要である。これは、具体的にはストライプ形成時のエッチング深さの制御性に起因する問題である。
【0008】
本発明では、上述したようなレーザ素子の応用において、問題となる素子特性の向上を達成した窒化物半導体レーザ素子を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記事情に鑑み成されたもので、本発明者は、窒化物半導体レーザ素子における導波路、特に活性層を挟むガイド層について、鋭意検討した結果、光学特性の優れた改善されたレーザ素子の発明を完成するにいたった。
【0010】
すなわち、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、少なくともn型窒化物半導体からなるn側光ガイド層と、活性層と、p型窒化物半導体からなるp側光ガイド層とを有する窒化物半導体レーザ素子において、前記p側光ガイド層がストライプ状の突出部を有すると共に、該突出部の上にp型窒化物半導体層を有し、該p側光ガイド層の突出部の膜厚が1μm以下であることを特徴とする。このように、膜厚1μm以下のp側光ガイド層がストライプ状の突出部を有することで、従来では実現できなかった良好な水平横モードの制御が実現され、これにより良好なアスペクト比のレーザ光が得られる。すなわち、このレーザ素子は、基本モードでの連続発振下で、良好なビーム形状のレーザ光が得られるものである。
【0011】
また、前記p側光ガイド層の突出部及び、該突出部上のp型窒化物半導体層が、p型窒化物半導体側からエッチングすることにより形成されたストライプ状のリッジ導波路であることにより、エッチングにより生産性良くリッジ導波路が形成され、またその時のエッチング深さがp側光ガイド層であるため、ビーム形状のレーザ光が得られる。
【0012】
前記突出部におけるp側光ガイド層の膜厚が、1500Å(オングストローム)以上4000Å以下の範囲であることにより、良好なビーム形状のレーザ光、良好な出力特性を同時に実現することができる。具体的には、ビーム形状については、水平方向(x方向)のF.F.P.が10°以上と良好な広がりが実現され、アスペクト比も外部の光学系で容易に補正が可能な範囲内に収まり、光情報機器への応用を容易にするため、その効果は大きい。
【0013】
前記p側光ガイド層は、前記突出部以外の領域における膜厚が500Å以上1000Å以下の範囲であることにより、良好なストライプ状の導波路領域が形成され、ビーム形状の良好なレーザ素子が、生産性良く得られる。この時、ビーム形状としては、F.F.P.の水平方向が12°〜20°の範囲で、アスペクト比が2.0付近、更にはそれを下まわり1.5付近のレーザ素子が得られる。
【0014】
前記突出部のストライプ幅が、1μm以上3μm以下の範囲であることにより、単一横モード発振が良好なレーザ素子が得られる。
【0015】
前記p側光ガイド層において、突出部の高さが100Å以上であることにより、良好なビーム形状有するレーザ素子が得られ、好ましくは、500Å以上であり、その出力において、高出力でも単一モード発振が可能である。そのため、レーザ素子の応用において必要とされる素子の信頼性を十分に確保されたものである。
【0016】
前記p側光ガイド層は、InxGa1−xN(0≦x<1)であることにより、良好な光導波路となり、素子特性の良好なレーザ素子となるものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図1に示す、以下、この具体例をもとに本発明について詳細に説明する。本発明の窒化物半導体レーザ素子は、具体的には基板上に、n型窒化物半導体、活性層、p型窒化物半導体を積層したもので、p型窒化物半導体側からエッチングによりストライプ状のリッジ構造を有するものである。
【0018】
(ストライプ状の導波路領域)
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、活性層の上部であって、p側光ガイド層から上方に形成されたリッジ導波路を有するものである。すなわち、基板上に、n型窒化物半導体からなるn側光ガイド層と、活性層と、p型窒化物半導体からなるp側光ガイド層とが積層された構造で、p側光ガイド層がストライプ状の突出部を有し、ストライプ状の導波路領域を有するものである。さらには、その突出部の上にp型窒化物半導体層が形成されたレーザ素子である。本発明のレーザ素子は、具体的にはこのようにストライプ状の導波路領域を有するものであり、屈折率導波型のレーザ素子である。
【0019】
(エッチング深さ)
本発明のレーザ素子は、具体的には、n型窒化物半導体からなるn側光ガイド層、活性層、p型窒化物半導体からなるp側光ガイド層、更にその上にp型窒化物半導体層を積層した後、p型窒化物半導体層側からエッチングにより、p型窒化物半導体層、p側光ガイド層の一部を除去して、ストライプ構造を形成する。このとき、p側光ガイド層の突出部の高さは、エッチングする深さにより決定されるため、後述するように、従来に比べてエッチング深さの制御性が向上する。また、エッチングの深さは、活性層に達しない深さであることが重要であり、本発明においてはp側光ガイド層の位置まで、エッチングする。
【0020】
本発明において、上記p側光ガイド層の突出部、若しくはストライプ状のリッジ導波路の形状としては、順メサ型、逆メサ型形状に限定されないが、順メサ形状とすることで、良好な横モードの制御が実現できる傾向にあり好ましい。
【0021】
(エッチング手段)
上述したp側光ガイド層若しくはリッジ導波路の形成等、窒化物半導体をエッチングするには、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、例えばドライエッチングとして、反応性イオンエッチング(RIE)、反応性イオンビームエッチング(RIBE)、電子サイクロトロンエッチング(ECR)、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングすることができる。
【0022】
(光ガイド層)
n側光ガイド層とp側光ガイド層とで活性層を挟み込む構造でもって、導波路を成すものである。本発明のレーザ素子は、p側光ガイド層にストライプ状の突出部が設けられることにより、ストライプ状の導波路領域を有するものである。
【0023】
本発明において、p側光ガイド層は、ストライプ状の突出部を有するものであり、具体的にはこの突出部の上に、p型窒化物半導体層が形成され、レーザ素子を形成するものである。具体的には、p側光ガイド層でリッジ導波路を形成したレーザ素子である。また、この突出部は上述したように、具体的にはp型窒化物半導体層側からエッチングすることにより形成され、p側光ガイド層の膜内で、エッチングストップすることで、形成する。本発明においては、このp側光ガイド層がストライプ状の突出部を有することで、更にその膜厚(突出部における)が、1μm以下である。ここで、膜厚は、p側光ガイド層を成長させる際の膜厚に当たり、p側光ガイド層形成後に上記エッチングにより突出部を形成する場合には、所定の膜厚のp側光ガイド層の一部を除去して形成するため、突出部の膜厚がp側光ガイド層の膜厚となる。この時、p側光ガイド層が1μmを超える膜厚であると、閾値が大幅に向上し、レーザ発振が極めて困難となり、例え発振しても素子寿命の極めて短いレーザ素子となる。更に好ましくは、p側光ガイド層の膜厚、すなわち突出部の膜厚を、1500Å以上4000Å以下の範囲とすることである。なぜなら、1500Åより薄いと、レーザ光のF.F.P.が良好とはならず、また4000Åを超える膜厚であると、発振しきい電流が上昇する傾向にあるからである。具体的には、1500Åより薄いと、水平横モードの制御が十分になされず、そのF.F.P.は、x方向に10°以下のビーム形状となり、結果として、アスペクト比が2.0を大きく上まわり、3.0付近若しくはそれを超えるものとなる。
【0024】
また、エッチングにより、上記リッジ導波路、突出部を形成する際には、生産性も考慮しなければならない。これは、エッチングの深さがますにつれて、その精度、例えばウェーハ内での素子間のばらつきが多く発生するようになり、これをそれを回避する必要がある。具体的には、0.7μmを超える深さでエッチングして、上記ストライプ状の突出部(リッジ構造)を形成すると、上記問題が急激に発生する傾向にあり、これよりも浅くエッチングすることが好ましい。すなわち、これは、本発明において、リッジの高さを調整するものであり、上記範囲内でレーザ素子を形成することが好ましい。ここで、リッジの高さとは、具体的には、上記突出部以外の領域におけるp側光ガイド層の平面、すなわちエッチングにより露出され突出部の側面に連続した平面から、突出部及びその上に形成されたp型窒化物半導体層の膜厚方向での高さであり、突出部の高さとは、その平面から突出部の上面までの高さであり、また、p型窒化物半導体層の最上面がエッチング開始位置である。
【0025】
(突出部の高さ)
更に、本発明の上記p側光ガイド層において、突出部の高さを高くすると、発振しきい電流が下がる傾向にあり、好ましい。すなわち、これは、エッチングが深くなるにつれて、出力の安定性を増加させるものであり、レーザ素子の応用に多大に寄与するものである。すなわち、出力が増加しても、単一モードでの安定した発振を実現し、発振しきい電流が良好なため素子劣化を大幅に抑制し、長寿命での連続発振を実現する効果がある。
【0026】
以上に加えて、エッチングにより形成する場合には、エッチングにより露出され、形成される表面、すなわちp側光ガイド層の突出部以外の領域における上面の平坦性も考慮することが、重要となる。これは、エッチングにより、上記ストライプ状の突出部を形成する際に、そのエッチングにより露出されたp側光ガイド層の表面の膜厚方向における位置が、多少のばらつきがあるため、それが素子間のばらつきを生みだす原因となるため、それを考慮する必要がある。つまり、比較的微小な上記ストライプ上の突出部を形成すると、ウェーハ全体でその露出したp側光ガイド層の上面をみると、ウェーハ内でその深さ(突出部以外の領域におけるp側光ガイド層の膜厚)にばらつきが生まれ、これが原因で、得られるレーザ素子の出力特性、光学特性にばらつきが発生する。具体的には、p側光ガイド層を膜厚500Å以上、好ましくは500Å以上1500Å以下の範囲残す深さでエッチングして、上記p側光ガイド層の突出部を形成することである。これは、膜厚500Å以上の残る深さであると、p側光ガイド層よりも深くエッチングされることが、ほぼなくなり、良好な精度で突出部が形成される。また、1500Å以上であると、上述した発振しきい電流の上昇がみられ、さらに横モードの制御性に劣る傾向にある。更に好ましくは、500Å以上1000Å以下とすることで、閾値での発振、横モードの制御が良好なレーザ素子となり、好ましい。
【0027】
本発明において、p側光ガイド層の組成としては、特に限定されるものではなく、窒化物半導体からなり、導波路形成に十分なエネルギーバンドギャップを有していれば良く、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。例えば、波長370〜470nmではアンドープのGaNを用い、それよりも長波長ではInGaN/GaNの多層膜構造を用いることである。
【0028】
また、本発明において、n側光ガイド層と、p側光ガイド層とで活性層を挟み込む構造により構成される導波路は、その膜厚の総和、すなわち両ガイド層で挟まれる領域の膜厚が、好ましくは6000Å以下、更に好ましくは、4500Å以下とすることである。なぜなら、上記導波路の膜厚の総和が、6000Åを超えると急激に発振しきい電流が増大し、基本モードでの連続発振が極めて困難になるためであり、4500Å以下であると、そのような発振しきい電流の上昇は抑えられ、基本モード、且つ長寿命での連続発振が可能である。
【0029】
本発明において、n側光ガイド層は特に限定されるものでないが、具体的には、p側光ガイド層とほぼ同じ膜厚で、n側光ガイド層を形成し、両光ガイド層で活性層を挟み込む構造とすることである。また、n側光ガイド層として、GaN、InGaNを成長させることが望ましく、具体的にはアンドープのGaN、活性層に近づくに従いIn混晶比を小さくしたInGaNと、GaNとを交互に積層した多層膜等がある。ここで、InGaNとはGaNにInが含まれる三元混晶を指す。
【0030】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、上記p側光ガイド層の上に形成されるp型窒化物半導体層としては、具体的には、実施例に示すようにp側クラッド層、p側コンタクト層などを積層したものである。そのため、本発明では、p側光ガイド層の突出部の上に形成されたp型窒化物半導体層は、ストライプ状に形成されており、リッジ導波路を形成する。
【0031】
本発明において、光ガイド層と活性層との間に、キャップ層を形成しても良い。例えば、活性層とp側光ガイド層との間に、p型不純物をドープしたAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるp側キャップ層を形成することである。この時、ストライプ状のリッジ導波路を、p側キャップ層に達する深さで形成されると、素子寿命が低下する傾向にあり好ましくなく、このような場合にも上述したように、p側光ガイド層にストライプ状の突出部を設けるれている構造、更にはリッジ導波路を有することが好ましい。
【0032】
以上のような活性層と光ガイド層とで導波路を形成する、若しくはそれにキャップ層を有する導波路について、具体的な実施形態としては、後述の実施例、変形例1〜3、図4〜6に示すものがある。光ガイド層は、活性層を挟む構造で、p型導電層側、n型導電層側にそれぞれ設けられ、この両光ガイド層で挟まれる領域でもって、光導波路領域を成すものである。
【0033】
また、上述の活性層とp側クラッド層との間、好ましくは活性層とp側光ガイド層との間に設けられるp側キャップ層は、閾値電流を低下させ、そのことによる容易な発振に寄与し、加えて活性層へのキャリアの閉込めとしても機能する層である。このp側キャップ層にAlGaNを用いる場合には、好ましくはp型不純物をドープしたものとすることで上記機能を有し得るが、ノンドープであっても上記キャリアの閉込めとして機能する傾向にある。また、膜厚としては、好ましくは500Å以下で形成し、膜厚の下限としては100Åであり、AlxGa1-xNの組成としては、xが0より大きく、好ましくは0.2以上とする事で上記効果が十分に期待できる。
【0034】
本発明において、リッジ導波路のストライプ幅、若しくはp側光ガイド層においては突出部のストライプ幅が、1μm以上3μm以下の範囲にあると、良好な横モードの制御が可能となる。これは、上記範囲であると、単一横モードでの発振が比較的良好に実現され、また上記p側光ガイド層でリッジ導波路が形成されることで、安定、且つ精度の良いビーム形状の制御(良好なF.F.P.)を実現することができる。この時、1μm未満であると、ストライプ状のリッジ構造若しくは上記突出部の形成が製造上困難となり、歩留りが低下し、3μmを超えると水平横モードの制御が困難になる傾向を示す。
【0035】
本発明における窒化物半導体レーザ素子を構成する窒化物半導体としては、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)で表され、窒化ガリウムの他に、3元系、4元系の混晶などがある。本発明では、上記、基板上に積層するレーザ素子構造を、実施例で示すように、上記組成式で表される窒化物半導体からなるものとすることが、上述したレーザ光の横モード、ビーム形状の制御が最も好ましくなる傾向にある。
【0036】
ここで、F.F.P.における水平方向(x方向)とは、図3に示すように接合面(若しくはpn接合面)に平行な方向(図中の矢印102方向)を示すものであり、その方向における横モードを水平横モードと記す。
【0037】
図3は、本発明におけるレーザ素子の光学的な特性、特に、出射面におけるスポット形状、遠視野像(F.F.P.)101を説明する模式図である。従来は、出射面におけるスポット形状103が、接合面に平行な方向に広がっており、F.F.P.でのx方向102は、10°以下と狭く、アスペクト比も悪いものであった。しかし、本発明では、図に示すように、スポット形状の長手方向は従来と同様に水平方向にあるが、その長手方向の広がりは、狭くなり、F.F.P.101のx方向は従来より広く、具体的には12°〜20°と良好で、アスペクト比も2.0前後と良好なものとなる。このように、出力特性、素子信頼性を悪化させずに、光学特性を改善するのは、上述したように、ストライプ状の突出部が設けられたp側光ガイド層により、良好な実効屈折率を有するストライプ状の導波路領域がレーザ素子に形成されたことによるものである。更にまた、上述したように、従来に比べて、p側光ガイド層の膜厚、若しくはそれにn側光ガイド層の膜厚を加えた両ガイド層のトータル膜厚が増すことにより、図における接合面に垂直な方向(y方向)のビーム広がりが、回折効果の減少により抑制され、このことも本発明のレーザ素子における光学特性、特にアスペクト比の改善に寄与している。すなわち、上述したような水平横モードの制御だけでなく、従来に比べて、F.F.P.でのy方向の光の広がりが抑えられたことで、従来のような垂直方向に扁平したファー・フィールド・パターン101からより真円に近づいたレーザ光が得られる。
【0038】
【実施例】
[実施例1]
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ストライプ状の突出部に垂直な面で切断した際の積層構造を示すものである。以下、この図を基に実施例1について説明する。
【0039】
ここで、本実施例では、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いているが、GaN基板などの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。ここで、異種基板としては、例えば、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル(MgA124のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Si、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【0040】
基板として、(0001)C面を主面とするサファイア基板を用いた。この時、オリフラ面はA面であった。窒化物半導体を成長させる基板としては、サファイア(主面がC面、R面、A面)の他、SiC、ZnO、スピネル(MgAl2O4)、GaAs等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる機種基板を用いることができる。また、GaNなどの窒化物半導体からなる基板上に直接積層しても良い。
【0041】
(バッファ層2)
1インチφ、C面を主面とするサファイアよりなる異種基板1をMOVPE反応容器内にセットし、温度を500℃にして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaNよりなるバッファ層を200Åの膜厚で成長させる。
【0042】
(下地層3)
バッファ層成長後、温度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaNよりなる下地層3を4μmの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において基板として作用する。このように、異種基板上に、窒化物半導体の素子構造を形成する場合には、低温成長バッファ層、窒化物半導体の基板となる下地層を形成すると良い。
【0043】
(n側コンタクト層4)
次に、アンモニアとTMG、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物半導体基板1の上に、1050℃でSiを3×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層5を4μmの膜厚で成長させる。
【0044】
(クラック防止層5)
次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を800℃にしてIn0.06Ga0.94Nよりなるクラック防止層6を0.15μmの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【0045】
(n側クラッド層6)
続いて、1050℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG、アンモニアを用い、アンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMAを止めて、シランガスを流し、Siを1×1019/cm3ドープしたn型GaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚1.2μmの超格子よりなるn側クラッド層7を成長させる。
【0046】
(n側光ガイド層7)
続いて、シランガスを止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn側光ガイド層8を0.2μmの膜厚で成長させる。このn側光ガイド層8にn型不純物をドープしても良い。
【0047】
(活性層8)
次に、温度を800℃にして、SiドープIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層を100Åの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を40Åの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを2回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚380Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またn型不純物及び/又はp型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なお障壁層にのみn型不純物をドープすると閾値が低下しやすい。
【0048】
(p側キャップ層9)
次に、温度を1050℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、p側光ガイド層11よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層7を300Åの膜厚で成長させる。
【0049】
(p側光ガイド層10)
続いてCp2Mg、TMAを止め、1050℃で、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層10よりも小さい、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層11を0.2μmの膜厚で成長させる。
このp側光ガイド層10は、アンドープ、すなわち意図的にドープしない状態で成長させるが、p側キャップ層、p側クラッド層の隣接する層からのMg拡散が起こり、実際にはMg濃度が5×1016/cm3となり、Mgがドープされた層となる。
【0050】
(p側クラッド層11)
続いて、1050℃でアンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてCp2Mg、TMAを止め、アンドープGaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側クラッド層12を成長させる。p側クラッド層は少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層12は、Alを含む窒化物半導体層、好ましくはAlXGa1−XN(0<X<1)を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはGaNとAlGaNとを積層した超格子構造とする。p側クラッド層12を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のAl混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低く抑えることができる。
【0051】
(p側コンタクト層12)
最後に、1050℃で、p側クラッド層11の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層12を150Åの膜厚で成長させる。p側コンタクト層はp型のInXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすれば、p電極20と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層12は電極を形成する層であるので、1×1017/cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。1×1017/cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をGaNとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。
【0052】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成して、RIE(反応性イオンエッチング)を用いSiCl4ガスによりエッチングし、図1に示すように、n電極を形成すべきn側コンタクト層4の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてSiO2が最適である。
【0053】
次にストライプ状のリッジ導波路を形成する方法について説明する。まず、図2(a)に示すように、最上層のp側コンタクト層12のほぼ全面に、PVD装置により、Si酸化物(主として、SiO2)よりなる第1の保護膜61を0.5μmの膜厚で形成した後、第1の保護膜61の上に所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる第3の保護膜63を、ストライプ幅2μm、厚さ1μmで形成する。ここで、第1の保護膜61は、特に絶縁性は問わず、窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料であればどのような材料でも良い。例えばSi酸化物(SiO2を含む)、フォトレジスト等が用いられ、好ましくは、後に形成する第2の保護膜との溶解度差を設けるために、第2の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性質を有している材料を選択する。酸としてはフッ酸を好ましく用い、そのためフッ酸に対して溶解しやすい材料として、Si酸化物を好ましく用いる。
【0054】
次に、図2(b)に示すように第3の保護膜63形成後、RIE(反応性イオンエッチング)装置により、CF4ガスを用い、第3の保護膜63をマスクとして、前記第1の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、図2(c)に示すようにp側コンタクト層12の上にストライプ幅2μmの第1の保護膜61が形成できる。
【0055】
さらに、図2(d)に示すように、ストライプ状の第1の保護膜61形成後、再度RIEによりSiCl4ガスを用いて、p側コンタクト層12、およびp側クラッド層11、p側光ガイド層10をエッチングして、p側光ガイド層のエッチングされた領域(突出部以外の領域)における膜厚が1000Åとなる深さのストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。
【0056】
リッジストライプ形成後、ウェーハをPVD装置に移送し、図2(e)に示すように、Zr酸化物(主としてZrO2)よりなる第2の保護膜62を、第1の保護膜61の上と、エッチングにより露出されたp側光ガイド層11の上(突出部以外の領域)に0.5μmの膜厚で連続して形成する。
【0057】
ここで、第2の保護膜の材料としてはSiO2以外の材料、好ましくはTi、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、SiN、BN、SiC、AlNの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもZr、Hfの酸化物、BN、SiCを用いることが特に好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層にすれば埋め込み層としてSiO2よりもかなり信頼性が高くなる傾向にある。またPVD、CVDのような気相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となりにくい傾向にあるが、本発明で選択した前記元素のPVD、CVDによる酸化物、BN、SiC、AlNはSi酸化物よりも絶縁性に対して信頼性に優れている傾向にある。しかも酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの(例えばSiC以外のもの)を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。さらにまた、第1の保護膜61をSi酸化物とすると、Si酸化物に対して、フッ酸による選択性を有しているため、図2(e)に示すようにストライプ導波路の側面、そのストライプが形成されている平面(エッチストップ層)、及び第1の保護膜61の表面に連続して形成すると、リフトオフ法により、第1の保護膜61のみを除去すると、図2(f)に示すような、平面に対して膜厚が均一な第2の保護膜62を形成することができる。
【0058】
第2の保護膜62形成後、ウェーハを600℃で熱処理する。このようにSiO2以外の材料を第2の保護膜として形成した場合、第2の保護膜成膜後に、300℃以上、好ましくは400℃以上、窒化物半導体の分解温度以下(1200℃)で熱処理することにより、第2の保護膜が第1の保護膜の溶解材料(フッ酸)に対して溶解しにくくなり、この工程を加えることがさらに望ましい。
【0059】
次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図2(f)に示すように、第1の保護膜61をリフトオフ法により除去する。
【0060】
次に図2(g)に示すように、p側コンタクト層12の上の第1の保護膜61が除去されて露出したそのp側コンタクト層の表面にNi/Auよりなるp電極20を形成する。但しp電極20は100μmのストライプ幅として、この図に示すように、第2の保護膜62の上に渡って形成する。第2の保護膜形成後、既に露出させたn側コンタクト層5の表面にはTi/Alよりなるn電極21をストライプと平行な方向で形成する。
【0061】
次に、n電極を形成するためにエッチングして露出された面でp,n電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、SiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜64を設けた後、p,n電極上にNi−Ti−Au(1000Å−1000Å−8000Å)よりなる取り出し(パット)電極22,23をそれぞれ設けた。
【0062】
以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウェーハのサファイア基板を研磨して70μmとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面((11−00)面、六方晶系の側面に相当する面=M面)に共振器を作製する。この共振器面にSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断して図1に示すようなレーザ素子とする。なおこの時の共振器長は800μmであった。
【0063】
このレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれのパット電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長400〜420nm、発振しきい電流密度2.9kA/cm2において単一横モードでの室温連続発振を示した。次に、レーザ光のF.F.P.を測定したところ、水平方向で15〜20°の良好な水平横モードが得られた。また、水平横モードは、比較例1とほぼ同程度に良好で、アスペクト比は、おおよそ1.5であった。加えて、厚膜の光ガイド層により、光の閉じ込めが良好となり、比較例1に比べてリップルの発生を大幅に抑制できた。
【0064】
[実施例2]
n側光ガイド層、p側光ガイド層の膜厚を、2500Åとする他は、実施例1と同様にして、レーザ素子を形成した。得られたレーザ素子は、実施例1とほぼ同程度の水平横モードの制御を実現しており、F.F.P.の水平方向は18°であり、リップルの発生も同程度に抑制されていた。また、その発振特性は、実施例1に比べて僅かに劣り、素子寿命についても低下していた。これは、活性層を挟む両光ガイド層で構成される導波路の膜厚の総和が、4500Åを大きく超え、6000Åに近づいたことによる影響が大きいものと思われる。しかし、両光ガイド層の膜厚が厚く鉈ことに、特にp側光ガイド層が厚くなったことより、エッチングの制御が容易になり、製造歩留りの向上に寄与するものであった。また、このことにより、素子間の出力特性にばらつきが少なく、良好なレーザ素子の製造が可能になる。この時のレーザ素子は、出力特性に劣るもののその駆動において、実施例1のものと僅かに劣る程度の発振を可能にするものであった。更に、両光ガイド層の膜厚を、3000、3500、4000Åと厚くしたところ、発振しきい電流が上昇する傾向にある。特に、3500Åを超えるとその上昇傾向が顕著になり、素子寿命も低下傾向にある。このため、p側光ガイド層の膜厚は、好ましくは3500Å以下とすることであり、更に好ましくは2500Å以下とすることで、良好なレーザ光が得られ、その発振特性も十分なものが得られる傾向にある。
【0065】
また、両光ガイド層の膜厚を1500Åとする他は、実施例1と同様にして、レーザ素子を形成すると、そのF.F.P.におけるx方向のビームの広がりは、実施例1に比べて僅かに狭い約13°であり、アスペクト比も1.8と実施例1に僅かに劣るものであった。しかし、閾値電流は、ほぼ同程度のものであり、好ましい出力特性で、長寿命のレーザ素子が得られる。また、p側光ガイド層の突出部の高さを500Å、すなわち、エッチングにより突出部を形成する際のエッチング深さをp側光ガイド層の膜厚が500Åとなる深さでストライプ状の導波路を形成する他は、実施例1と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子の閾値電流は、実施例1のそれに比べて下がる傾向にあり良好な出力特性のレーザ素子が得られ、またレーザのビーム形状もF.F.P.においてx方向の広がりが、14°とほぼ同程度であり、実効的な屈折率差が良好に働く傾向にある。
【0066】
[実施例3]
p側光ガイド層の突出部の高さが、500Åとなる深さ、すなわちエッチングされる領域(突出部以外の領域)におけるp側光ガイド層の膜厚が1500Åとなる深さで、エッチングする他は、実施例1と同様にして、レーザ素子を形成した。得られたレーザ素子は、閾値電流の上昇傾向にあり、実施例1に比べて出力特性に劣るものであった。しかし、その閾値電流の上昇は僅かであり、実用において十分なものであり、逆に突出部以外の領域の膜厚が厚くなったことにより、製造歩留りが向上し、素子間の出力特性のばらつきも少なくなる傾向にある。
【0067】
[実施例4]
p側光ガイド層のストライプ幅を、3μmとする他は、実施例1同様にして、レーザ素子を得た。得られたレーザ素子は、実施例1に比べて、水平横モードの制御が劣るものとなり、F.F.P.のアスペクト比は約2と、実施例1に比べて劣るものであった。また、実施例1に比べて単一横モードでの発振の安定性に劣り、キンクの発生する不良品となる素子の割合が高くなる傾向にあった。このため、更に好ましくはストライプ幅は2μm±0.5μm(1.5μm以上2.5μm以下)の範囲にあることで、横モードの制御性に素子ばらつきが少なく、レーザ光のアスペクト比も良好で、単一モード発振のレーザ素子が得られる。
【0068】
[実施例5]
本発明の一実施形態として、実施例1よりも長波長、具体的には470nm以上の長波長のレーザ素子について以下説明する。C面を主面とするサファイアよりなる異種基板1の上に、実施例1と同様にGaNよりなるバッファ層2を200Å、アンドープGaNよりなる下地層3を4μmを成長させ、その上にSiを1×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層4を4.5μm、SiドープのIn0.3Ga0.7Nよりなる中間層5を成長させる。この時、中間層は、省略が可能である。
【0069】
(n側クラッド層6)
次に、TMG、アンモニア、TMA(トリメチルアルミニウム)を流し、1050℃にしてアンドープAl0.15Ga0.85Nよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMAを止めて、シランガスを流し、Siを1×1019/cm3ドープしたn型GaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚0.2μm〜1.5μm、好ましくは0.7μmの超格子よりなるn側クラッド層6を成長させる。n側クラッド層は、Alを含む窒化物半導体層、好ましくはAlXGa1−XN(0<X<1)を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはGaNとAlGaNとを積層した超格子構造とする。超格子とした場合、不純物はいずれか一方の層に多くをドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。
【0070】
(n側光ガイド層7)
続いて、シランガスを止め、TMIを流し、850℃〜950℃、好ましくは880℃でアンドープIn0.1Ga0.9Nよりなる層を10Åの膜厚で成長させ、続いてTMIを止めて、アンドープGaNよりなる層を10Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚50Å〜2500Å、好ましくは500Å〜800Å、更に好ましくは750Åの超格子よりなるn側光ガイド層7を成長させる。
【0071】
(活性層8)
続いて、TMIを流し、750℃〜850℃、好ましくは820℃でアンドープIn0.3Ga0.7Nからなる井戸層を30Å、アンドープIn0.3Ga0.7Nからなるキャップ層を10Å、続いて850℃〜950℃、好ましくは880℃でアンドープのIn0.1Ga0.9Nからなるバリア層を60Å成長させ、これを1ペアとして合計6ペア積層した活性層8を成長させる。
【0072】
(p側キャップ層9)
次にTMIを止め、TMAを流し、850℃〜950℃、好ましくは880℃で、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなるキャップ層9を10Å以上、0.1μm以下、好ましくは100Åの膜厚で成長させる。
【0073】
(p側光ガイド層10)
続いて、TMAを止め、TMIを流し、850℃〜950℃、好ましくは880℃で、アンドープIn0.1Ga0.9Nよりなる層を10Åの膜厚で成長させ、続いてTMIを止めて、Mgを1×1018〜3×1018/cm3ドープしたGaNよりなる層を10Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚50Å〜2500Å、好ましくは500Å〜800Å、更に好ましくは750Åの超格子よりなるp側光ガイド層10を成長させる。
【0074】
(p側クラッド層11)
続いて、TMAを流して、850℃〜1050℃でアンドープAl0.15Ga0.85Nよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMAを止めて、Mgを3×1018〜5×1018/cm3ドープしたGaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子構造を構成し、総膜厚0.2μm〜1.5μm、好ましくは0.7μmの超格子よりなるp側クラッド層11を成長させる。
【0075】
(p側コンタクト層12)
最後に、850℃〜1050℃でp側クラッド層10の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層12を150Åの膜厚で成長させる。p側コンタクト層はp型のInXGaYAl1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaN、InGaNとすれば、p電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層12は電極を構成する層であるので、1×1018/cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。1×1018/cm3より低いと、電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をGaN、InGaN若しくは、GaN、InGaNを含む超格子とすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。
【0076】
以上の各層を積層した後、実施例1と同様に、エッチングして、n側コンタクト層4の表面を露出させ、更にストライプ状のリッジ導波路を形成して、n電極21,p電極20、誘電体多層膜64、取り出し電極22,23を形成して、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、閾値電流密度2.0kA/cm2、閾値電圧4.0Vで、発振波長470nmの連続発振が確認され、1000時間以上の寿命を示した。また、そのレーザ光は、F.F.P.において、ビーム形状の水平方向(x方向)が広く17°程度であり、アスペクト比も1.5程度と良好なものであった。長波長のレーザ素子でも、良好なレーザ光で、発振しきい電流も低く良好なもので、寿命特性も良好なものが得られる。
【0077】
[実施例6]
p側光ガイド層の膜厚を1000Åとする他は、実施例5と同様にしてレーザ素子構造の各層を積層する。続いて、実施例1と同様にして、エッチングによりリッジ導波路を形成し、レーザ素子を得る。この時、エッチング深さは、p型光ガイド層のエッチングされた領域(突出部以外の領域)における膜厚が500Åとなる深さであり、p側光ガイド層に突出部が設けられたリッジストライプを形成する。
得られるレーザ素子は、閾値電流密度2.0kA/cm2、閾値電圧4.0Vで、発振波長470nmの連続発振が確認され、1000時間以上の寿命を示した。また、そのレーザ光は、F.F.P.において、ビーム形状の水平方向(x方向)が広く17°程度であり、アスペクト比も1.5程度と良好なものとなる。長波長のレーザ素子でも、良好なレーザ光で、発振しきい電流も低く良好なもので、寿命特性も良好なものが得られる。
【0078】
[比較例1]
p側光ガイド層、及びn側光ガイド層の膜厚が、1000Åであることを除いて、実施例1と同様にレーザ素子を形成した。得られたレーザ素子は、同程度の発振しきい電流であったが、F.F.P.において、x方向の広がりが狭く8°程度であり、そのアスペクト比も3程度であった。
【0079】
[比較例2]
各層を積層した後、p側クラッド層の膜厚が0.1μmとなる深さまでエッチングすることにより、ストライプ状の突出部をp側クラッド層に設けて、ストライプ状のリッジ導波路を形成する以外は、実施例1と同様にして、レーザ素子を得た。得られたレーザ素子は、実施例1に比べて、出力特性に劣り、素子寿命も大幅に減少した。
【0080】
[参考例1]
参考例として、基板の上に表1に示すn側コンタクト層〜p側コンタクト層までの各層を順に積層し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形成し、更にn側コンタクト層を露出させ、これらのコンタクト層にp,n電極を形成して、図4に示すレーザ素子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際のエッチング深さとしては、p側クラッド層の膜厚が0.1μmとなる位置より下(活性層に近づく方向)で、活性層よりも上(活性層に達しない深さ)となる深さである。
【0081】
【表1】

Figure 0003685682
【0082】
得られるレーザ素子は、光ガイド層とp側キャップ層を有しているレーザ素子に比べて、駆動電流が大幅に上昇する傾向にあり、100mA近傍のものもあった。
【0083】
[参考例2]
参考例として、基板の上に表2に示すn側コンタクト層〜p側コンタクト層まで順に積層し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形成し、更にn側コンタクト層を露出させ、これらのコンタクト層にp,n電極を形成して、図5に示すレーザ素子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際のエッチング深さとしては、p側クラッド層の膜厚が0.1μmとなる位置より下(活性層に近づく方向)で、活性層よりも上(活性層に達しない深さ)となる深さである。
【0084】
【表2】
Figure 0003685682
【0085】
得られるレーザ素子は、参考例1に比べて、駆動電流が10〜20mA程度低くなる傾向にある。
【0086】
[変形例1]
変形例として、基板の上に表3に示すn側コンタクト層〜p側コンタクト層までの各層順に積層し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形成し、更にn側コンタクト層を露出させ、これらのコンタクト層にp,n電極を形成して、図6に示すレーザ素子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際のエッチング深さとしては、ストライプ状のリッジ導波路がp側光ガイド層210に達する深さで形成し、具体的には実施例1と同様に、膜厚1000Åとなる深さで形成する。
【0087】
【表3】
Figure 0003685682
【0088】
得られるレーザ素子は、p側キャップ層を有するレーザ素子に比べて、駆動電圧Vfが、下がる傾向にあるものの、閾値電流が5〜6倍に上昇する傾向にあり、得られるレーザ素子の多くがレーザ発振を示さない傾向にある。
【0089】
(長波長域のレーザ素子)
本発明のレーザ素子において、450nm以上、具体的には450以上520nm以下の、青色〜緑色の長波長領域では、以下の層構成とすることが好ましい。ただし、本発明は、この波長域に限定されるものではない。
長波長域において、活性層として、井戸層、障壁層に加えて、その間に中間層を設けることが発振特性の向上につながり好ましい。
【0090】
短波長域、具体的には450nm以下の波長域、に用いる活性層では、InGaNからなる井戸層、その井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きい障壁層で挟んだ量子井戸構造で、具体的にはInGaNからなる井戸層とその井戸層とは混晶比若しくは組成の異なるAlGaInNからなる障壁層を用いる。このような構造として、障壁層/井戸層/障壁層の単一量子井戸構造(SQW)、井戸層と障壁層とを繰り返し積層した多重量子井戸構造(MQW)が用いられている。しかし、この井戸層と障壁層とは、混晶比もしくは組成が異なるため、それぞれの層成長時に適した温度が異なることとなり、その成長が困難な傾向になる。この場合、井戸層の上に、それよりも成長温度を高くして障壁層を成長することとなる。これは、Inを有する井戸層において、障壁層成長時の昇温過程で、Inの分解が発生し、発光ピークの鋭いものが得られなくなる。また、障壁層を井戸層とほぼ同じ温度で形成したとしても、活性層の形成後に続く、他の層(クラッド層、ガイド層)を形成する際にも、良好な結晶成長のためには昇温過程が必要となる。このような成長困難性は、発振波長が長くなるにつれて、顕著なものとなる傾向にあり、上記長波長域では中間層を設けることが好ましい。
【0091】
このため、上記中間層を介することで、上記昇温による問題を解決できる。この中間層を設けることで、上記Inの分解を部分的なものとして観察される傾向にあり、また中間層そのもののが凹凸を呈する表面形態として観察される傾向にあり、これらのことが駆動電圧や閾値電圧の大幅な低下に寄与しているものと考えられる。この中間層は、井戸層と障壁層との間に設けるものであり、そのバンドギャップエネルギーが、障壁層よりも大きいものである。この中間層は、活性層がMQWである場合には、少なくとも1層の井戸層上に設ける必要があり、全ての井戸層の上に設けることで、井戸層上の障壁層の全てについて上記問題が解決でき好ましい。
【0092】
また、中間層の膜厚としては、障壁層の膜厚より薄くして、1原子層以上100Å以下の範囲とすることが好ましい。これは膜厚が100Å以上となることで、中間層と障壁層との間にミニバンドが形成され、発振特性が悪化する傾向にあるためである。この時の障壁層としては、10Å以上400Å以下の範囲とする。更に、中間層の組成として、好ましくはAluGa1-uN(0≦u≦1)とすることで、上記Inの部分的な分解、中間層の表面形態による駆動電圧や閾値電圧の低下傾向を示し、更に好ましくは、AlvGa1-vN(0.3≦v≦1)とすることで上記各電圧の低下を大きくすることができる。
【0093】
[変形例2]
基板上に、以下の表4に示すn側コンタクト層〜p側コンタクト層を順に積層して、レーザ素子構造を形成した。次に、ストライプ幅1.8μm、p側コンタクト層側からp側光ガイド層の膜厚が500Åとなる深さまで、エッチングすることで、ストライプ状のリッジ導波路を形成し、その他は実施例と同様に、更にエッチングによりn側コンタクト層を露出させ、各コンタクト層の上に、p,n電極を形成して、チップを取り出して図7に示すようなレーザ素子を得た。なお、図中208aは中間層、208bは井戸層、208cは障壁層を示すものであり、図7は、活性層208の構造を拡大して模式的に示している。
【0094】
【表4】
Figure 0003685682
【0095】
得られたレーザ素子は、波長450nmであり、室温において閾値電流密度2.0kA/cm2、で1000時間以上の連続発振が確認された。これは、ストライプ状の導波路形成時のエッチング深さが、p側光ガイド層に達しない深さのレーザ素子に比べても、横モードの制御性、F.F.P.におけるアスペクト比に優れたものが得られる。
【0096】
[変形例3]
基板上に積層する素子構造が、以下の表5の通りであることを除いて、変形例2と同様にして、レーザ素子を得る。
【0097】
【表5】
Figure 0003685682
【0098】
得られるレーザ素子は、発振波長が510nmであり、良好なレーザ素子が得られる。変形例2に比べて、活性層をMQWからSQWとしたことによる素子特性の低下は僅かなものとなる傾向にあるが、活性層中の中間層がGaNであることにより、中間層を設けることによる効果が低くなる傾向がみられる。しかしながら、変形例2と同様に、本発明のストライプ状の導波路を有することで、横モードの安定性、素子寿命に優れたレーザ素子が得られ、長波長域にも本発明は適用できる。
【0099】
[変形例4]
実施例1と同様に、異種基板上にバッファ層、下地層を形成した後、Siを1×1018/cm2ドープしたGaNを100μmの膜厚で成長させる。続いて、ウエハの裏面、すなわち、窒化物半導体を成長させた異種基板の主面に対向する面側から、研磨して、基板を除去し、窒化物半導体のみとする。
次に、基板除去した面とは反対側の面の窒化物半導体204を主面として、図8に示すように、実施例1と同様の、n側クラッド層206、n側光ガイド層207、活性層208、p側キャップ層209、p側光ガイド層210、p側クラッド層211、p側コンタクト層212を順に積層する。続いても、実施例1と同様に、700℃でアニールを行いp型導電層を更に低抵抗化し、反応容器からウェーハを取り出し、RIE装置に移して、エッチングにより幅約3μmのストライプ状の導波路を形成する。この時、エッチング深さは、p側光ガイド層の膜厚に達する深さで、その膜厚が500Åとなる位置となる深さで形成する。つづいて、p側コンタクト層212の最上面にNi/Auからなるp電極220を形成し、このp電極220を除くエッチング露出面に、SiO2よりなる絶縁膜264を形成し、p電極220に電気的に接続する取り出し電極222を絶縁膜264にまたがって形成し、ウェーハの裏面(n側コンタクト層表面)にTi/Alよりなるn電極221、その上にヒートシンクとのメタライゼーション用にAu/Snよりなる薄膜を形成する。最後に、n電極221が設けられたウェーハ面側からスクライブし、GaNのM面[(11−00)面]でウェーハを劈開してバー状とした後、共振面を作製する。互いに対向する一対の共振面の内、少なくとも一方にSiO2/TiO2よりなる誘電体多層膜のミラーを設け、最後に共振器方向にほぼ垂直に切断して、レーザ素子チップ得る。得られるレーザ素子は、実施例1に比べて、ストライプ幅が広いために、横モードの安定性に少し劣るものの、電流―光出力曲線において、キンクの発生のない良好な特性を有している。このことは、本発明がこのような設計変更に影響されず、良好な素子特性の向上を奏しうることを示唆するものである。
【0100】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、従来の出力特性を確保しながら、レーザ素子の光学特性、特にレーザ光のF.F.P.を良好なものが得られ、アスペクト比も大幅に改善された。また、光の閉じ込め効果が増大させることができたため、良好な導波路の形成が可能となり、素子寿命の向上も確認された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施形態に係るレーザ素子の模式断面図。
【図2】本発明の1実施形態に係る製造方法を説明する模式断面図。
【図3】本発明の1実施形態に係るレーザ素子を説明する模式図。
【図4】本発明の参考例1に係るレーザ素子の模式断面図。
【図5】本発明の参考例2に係るレーザ素子の模式断面図。
【図6】本発明の変形例1に係るレーザ素子の模式断面図。
【図7】本発明の変形例2,3に係るレーザ素子の模式断面図。
【図8】本発明の変形例4に係るレーザ素子の模式断面図。
【符号の説明】
1,201・・・異種基板
2,202・・・バッファ層
3,203・・・下地層
4,204・・・n側コンタクト層
5,205・・・クラック防止層
6,206・・・n側クラッド層
7,207・・・n側光ガイド層
8,208・・・活性層
9,209・・・p側キャップ層
10,210・・・p側光ガイド層
11,211・・・p側クラッド層
12,212・・・p側コンタクト層
61,262・・・第1の保護膜
62,263・・・第2の保護膜
63,264・・・第3の保護膜
20,220・・・p電極
21,221・・・n電極
22,222・・・pパッド電極
23,223・・・nパッド電極[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor laser having a short wavelength, and more particularly to a nitride semiconductor laser device capable of continuous oscillation at a high output without kinks in the field of optical information processing.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of the information society, a phi device for storing a large amount of information is required, and a short-wavelength laser light source is eagerly desired as a light source for communication and the like as a light source for large-capacity media such as DVDs. The present applicant has also announced that a nitride semiconductor laser device has achieved continuous oscillation of 10,000 hours or more at room temperature in a single mode with a wavelength of 403.7 nm.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the application as a laser light source as described above requires further improvement of the characteristics of the laser element, particularly improvement of optical characteristics. This requires improvement of the optical waveguide of the semiconductor laser, such as the aspect ratio of the beam shape of the laser light, the improvement of the far-field image, and the prevention of light leakage.
[0004]
Specifically, the long-lived laser element is a refractive index waveguide type having a ridge waveguide structure, and the transverse mode must be controlled with high accuracy. This is because the effective refractive index of the ridge waveguide structure changes depending on the depth of etching, the height of the stripe, etc., and such a change in the structure greatly affects the device characteristics. As described above, the conventional laser element described above does not have sufficient optical characteristics in its application, and it is necessary to further improve the characteristics.
[0005]
That is, the beam shape of laser light, that is, F.R. F. P. (Far field pattern) aspect ratio improvement. This is because for application to optical disc systems and laser printers, laser light is corrected and adjusted by each optical system. However, as the aspect ratio increases, the correction optical system becomes larger, and its design, manufacture, Loss due to passing through the optical system becomes a serious problem.
[0006]
Further, in the nitride semiconductor light emitting device, it is necessary to take measures against light leakage, which has been a problem in the past, and this appears as a ripple in the laser device, which causes a noise problem in the application of the laser device.
[0007]
In addition, it is necessary to further improve the yield from the viewpoint of the productivity of the laser element. Specifically, this is a problem caused by the controllability of the etching depth when forming the stripe.
[0008]
The present invention provides a nitride semiconductor laser element that has achieved improvement in element characteristics which is a problem in the application of the laser element as described above.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and as a result of intensive studies on the waveguide, particularly the guide layer sandwiching the active layer, in the nitride semiconductor laser element, the present inventor has improved the optical characteristics of the improved laser. The invention of the device was completed.
[0010]
That is, the nitride semiconductor laser device of the present invention has an n-side light guide layer made of at least an n-type nitride semiconductor, an active layer, and a p-side light guide layer made of a p-type nitride semiconductor on a substrate. In the nitride semiconductor laser device, the p-side light guide layer has a stripe-shaped protrusion, and has a p-type nitride semiconductor layer on the protrusion, and is a film of the protrusion of the p-side light guide layer The thickness is 1 μm or less. As described above, the p-side light guide layer having a film thickness of 1 μm or less has the stripe-shaped protruding portion, thereby realizing good horizontal / horizontal mode control that could not be realized in the past, and thereby a laser having a good aspect ratio. Light is obtained. That is, this laser element can obtain a laser beam having a good beam shape under continuous oscillation in the fundamental mode.
[0011]
In addition, the protrusion of the p-side light guide layer and the p-type nitride semiconductor layer on the protrusion are stripe-shaped ridge waveguides formed by etching from the p-type nitride semiconductor side. The ridge waveguide is formed with high productivity by etching, and the etching depth at that time is the p-side light guide layer, so that a beam-shaped laser beam can be obtained.
[0012]
When the film thickness of the p-side light guide layer in the protruding portion is in the range of 1500 Å (angstrom) or more and 4000 Å or less, a laser beam having a good beam shape and a good output characteristic can be realized at the same time. Specifically, with respect to the beam shape, the F.F. F. P. As a result, a good spread is realized, and the aspect ratio is within the range that can be easily corrected by an external optical system, and the application to optical information equipment is facilitated.
[0013]
The p-side light guide layer has a film thickness in a region other than the projecting portion in the range of 500 mm or more and 1000 mm or less, thereby forming a good stripe-shaped waveguide region, and a laser element having a good beam shape, Good productivity. At this time, F. F. P. A laser element having an aspect ratio of about 2.0 and further below 1.5 is obtained in the horizontal direction of 12 ° to 20 °.
[0014]
When the stripe width of the protruding portion is in the range of 1 μm or more and 3 μm or less, a laser element having good single transverse mode oscillation can be obtained.
[0015]
In the p-side light guide layer, when the height of the protrusion is 100 mm or more, a laser element having a good beam shape can be obtained, preferably 500 mm or more. Oscillation is possible. Therefore, the reliability of the element required in the application of the laser element is sufficiently ensured.
[0016]
Since the p-side light guide layer is InxGa1-xN (0 ≦ x <1), the p-side light guide layer becomes a good optical waveguide and a laser element with good element characteristics.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention is shown in FIG. 1, and the present invention will be described in detail based on this specific example. The nitride semiconductor laser device of the present invention is specifically a laminate in which an n-type nitride semiconductor, an active layer, and a p-type nitride semiconductor are stacked on a substrate, and is formed into a stripe shape by etching from the p-type nitride semiconductor side. It has a ridge structure.
[0018]
(Striped waveguide region)
The nitride semiconductor laser device of the present invention has a ridge waveguide formed above the active layer and above the p-side light guide layer. In other words, an n-side light guide layer made of an n-type nitride semiconductor, an active layer, and a p-side light guide layer made of a p-type nitride semiconductor are stacked on a substrate. It has a striped protrusion and has a striped waveguide region. Furthermore, the laser device has a p-type nitride semiconductor layer formed on the protruding portion. Specifically, the laser element of the present invention has a striped waveguide region as described above, and is a refractive index guided laser element.
[0019]
(Etching depth)
Specifically, the laser element of the present invention includes an n-side light guide layer made of an n-type nitride semiconductor, an active layer, a p-side light guide layer made of a p-type nitride semiconductor, and a p-type nitride semiconductor thereon. After the layers are stacked, a part of the p-type nitride semiconductor layer and the p-side light guide layer is removed by etching from the p-type nitride semiconductor layer side to form a stripe structure. At this time, since the height of the protruding portion of the p-side light guide layer is determined by the depth of etching, the control of the etching depth is improved as compared with the conventional case, as will be described later. In addition, it is important that the etching depth not reach the active layer, and in the present invention, etching is performed up to the position of the p-side light guide layer.
[0020]
In the present invention, the shape of the protrusion of the p-side light guide layer or the shape of the striped ridge waveguide is not limited to the forward mesa shape or the reverse mesa shape. This is preferable because mode control tends to be realized.
[0021]
(Etching means)
In order to etch a nitride semiconductor such as the formation of the p-side light guide layer or the ridge waveguide described above, there are methods such as wet etching and dry etching. For example, reactive ion etching (RIE) or reactive etching is used as dry etching. There are apparatuses such as ion beam etching (RIBE), electron cyclotron etching (ECR), and ion beam etching, all of which can etch a nitride semiconductor by appropriately selecting an etching gas.
[0022]
(Light guide layer)
A waveguide is formed by a structure in which an active layer is sandwiched between an n-side light guide layer and a p-side light guide layer. The laser element of the present invention has a striped waveguide region by providing a striped protrusion on the p-side light guide layer.
[0023]
In the present invention, the p-side light guide layer has a stripe-shaped protrusion, and specifically, a p-type nitride semiconductor layer is formed on the protrusion to form a laser element. is there. Specifically, it is a laser element in which a ridge waveguide is formed by a p-side light guide layer. Further, as described above, this protrusion is specifically formed by etching from the p-type nitride semiconductor layer side, and is formed by stopping etching in the film of the p-side light guide layer. In the present invention, the p-side light guide layer has a striped protrusion, and the film thickness (in the protrusion) is 1 μm or less. Here, the film thickness corresponds to the film thickness when the p-side light guide layer is grown, and when the protrusion is formed by the etching after the p-side light guide layer is formed, the p-side light guide layer having a predetermined thickness is formed. Therefore, the protruding portion has the same thickness as the p-side light guide layer. At this time, if the thickness of the p-side light guide layer exceeds 1 μm, the threshold value is greatly improved and laser oscillation becomes extremely difficult. For example, even if oscillation occurs, a laser element with an extremely short element lifetime is obtained. More preferably, the thickness of the p-side light guide layer, that is, the thickness of the protruding portion is set in the range of 1500 mm to 4000 mm. Because, if it is thinner than 1500 mm, the laser beam F.V. F. P. This is because the oscillation threshold current tends to increase when the film thickness exceeds 4000 mm. Specifically, when the thickness is less than 1500 mm, the horizontal and transverse modes are not sufficiently controlled. F. P. Becomes a beam shape of 10 ° or less in the x direction, and as a result, the aspect ratio is much higher than 2.0 and is in the vicinity of 3.0 or higher.
[0024]
Further, when forming the ridge waveguide and the protruding portion by etching, productivity must be taken into consideration. This is because as the depth of etching increases, the accuracy, for example, variation among elements in the wafer increases, and this needs to be avoided. Specifically, when the above-described stripe-shaped protrusion (ridge structure) is formed by etching at a depth exceeding 0.7 μm, the above problem tends to occur rapidly, and etching may be performed shallower than this. preferable. That is, in the present invention, the height of the ridge is adjusted, and the laser element is preferably formed within the above range. Here, the height of the ridge is specifically the plane of the p-side light guide layer in the region other than the above-described projection, that is, the plane exposed by etching and continuous to the side surface of the projection, and the protrusion and the top thereof. The height of the formed p-type nitride semiconductor layer in the film thickness direction, and the height of the protruding portion is the height from the plane to the upper surface of the protruding portion, and the height of the p-type nitride semiconductor layer The uppermost surface is an etching start position.
[0025]
(Height of protrusion)
Furthermore, in the p-side light guide layer of the present invention, it is preferable to increase the height of the protruding portion because the oscillation threshold current tends to decrease. That is, this increases the stability of the output as the etching becomes deeper, and greatly contributes to the application of the laser element. That is, even if the output increases, stable oscillation in a single mode is realized, and since the oscillation threshold current is good, the element deterioration is greatly suppressed, and continuous oscillation with a long life is realized.
[0026]
In addition to the above, in the case of forming by etching, it is important to consider the flatness of the surface exposed and formed by etching, that is, the upper surface in a region other than the protruding portion of the p-side light guide layer. This is because the position of the surface of the p-side light guide layer exposed by etching in the film thickness direction varies slightly when the stripe-shaped protrusion is formed by etching. It is necessary to consider this because it causes variations in That is, when the protrusion on the stripe is formed with a relatively small size, the depth of the exposed p-side light guide layer in the entire wafer (the p-side light guide in the region other than the protrusion) is observed. Variations occur in the output characteristics and optical characteristics of the resulting laser element. Specifically, the p-side light guide layer is etched to a depth that leaves the film thickness in a range of 500 mm or more, preferably in the range of 500 mm to 1500 mm to form the protruding portion of the p-side light guide layer. If the depth is more than 500 mm, the etching is deeper than the p-side light guide layer, and the protrusion is formed with good accuracy. On the other hand, if it is 1500 mm or more, the above-described increase in the oscillation threshold current is observed, and the controllability of the transverse mode tends to be inferior. More preferably, the thickness is set to 500 mm or more and 1000 mm or less, so that a laser element with favorable control of oscillation at the threshold and transverse mode is obtained.
[0027]
In the present invention, the composition of the p-side light guide layer is not particularly limited, and may be a single film that is made of a nitride semiconductor and has an energy band gap sufficient for waveguide formation. Either a multilayer film may be used. For example, undoped GaN is used at wavelengths of 370 to 470 nm, and an InGaN / GaN multilayer structure is used at longer wavelengths.
[0028]
In the present invention, the waveguide constituted by the structure in which the active layer is sandwiched between the n-side light guide layer and the p-side light guide layer is the sum of the film thicknesses, that is, the thickness of the region sandwiched between both guide layers. However, it is preferably 6000 cm or less, more preferably 4500 cm or less. This is because if the total film thickness of the waveguide exceeds 6000 mm, the oscillation threshold current increases rapidly, and continuous oscillation in the fundamental mode becomes extremely difficult. An increase in the oscillation threshold current is suppressed, and continuous oscillation with a basic mode and a long lifetime is possible.
[0029]
In the present invention, the n-side light guide layer is not particularly limited. Specifically, the n-side light guide layer is formed to have substantially the same thickness as the p-side light guide layer, and is active in both light guide layers. The structure is to sandwich the layers. In addition, it is desirable to grow GaN and InGaN as the n-side light guide layer, specifically, undoped GaN, a multilayer in which InGaN with an In mixed crystal ratio decreasing as it approaches the active layer, and GaN are alternately stacked. There are membranes. Here, InGaN refers to a ternary mixed crystal in which GaN contains In.
[0030]
In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the p-type nitride semiconductor layer formed on the p-side light guide layer specifically includes a p-side cladding layer and a p-side contact as shown in the examples. Layers are laminated. Therefore, in the present invention, the p-type nitride semiconductor layer formed on the protruding portion of the p-side light guide layer is formed in a stripe shape and forms a ridge waveguide.
[0031]
In the present invention, a cap layer may be formed between the light guide layer and the active layer. For example, a p-side cap layer made of AlxGa1-xN (0 ≦ x ≦ 1) doped with a p-type impurity is formed between the active layer and the p-side light guide layer. At this time, if the stripe-shaped ridge waveguide is formed at a depth reaching the p-side cap layer, the device life tends to be reduced. In such a case as well, as described above, the p-side light It is preferable to have a structure in which the guide layer is provided with striped protrusions, and further to have a ridge waveguide.
[0032]
As a specific embodiment of the waveguide in which the active layer and the light guide layer as described above form a waveguide, or a waveguide having a cap layer thereon, examples described later, modified examples 1 to 3, and FIGS. There is one shown in 6. The light guide layer has a structure in which the active layer is sandwiched, and is provided on each of the p-type conductive layer side and the n-type conductive layer side, and a region sandwiched between both the light guide layers forms an optical waveguide region.
[0033]
Further, the p-side cap layer provided between the active layer and the p-side cladding layer, preferably between the active layer and the p-side light guide layer, reduces the threshold current, thereby facilitating easy oscillation. It is a layer that contributes and also functions as confinement of carriers in the active layer. When AlGaN is used for this p-side cap layer, it may have the above-mentioned function by being preferably doped with a p-type impurity. However, even when non-doped, it tends to function as the confinement of the carrier. . The film thickness is preferably 500 mm or less, and the lower limit of the film thickness is 100 mm. x Ga 1-x As the composition of N, the above effect can be sufficiently expected when x is larger than 0, preferably 0.2 or more.
[0034]
In the present invention, when the stripe width of the ridge waveguide or the stripe width of the protruding portion in the p-side light guide layer is in the range of 1 μm or more and 3 μm or less, favorable lateral mode control is possible. In this range, oscillation in a single transverse mode is realized relatively well, and a ridge waveguide is formed by the p-side light guide layer, thereby providing a stable and accurate beam shape. Control (good FP) can be realized. At this time, if the thickness is less than 1 μm, the formation of the striped ridge structure or the protruding portion becomes difficult in manufacturing, the yield is lowered, and if it exceeds 3 μm, the control of the horizontal transverse mode tends to be difficult.
[0035]
The nitride semiconductor constituting the nitride semiconductor laser device according to the present invention is represented by InxAlyGa1-xyN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), in addition to gallium nitride. There are ternary and quaternary mixed crystals. In the present invention, the laser element structure laminated on the substrate is made of the nitride semiconductor represented by the above composition formula, as shown in the examples. Shape control tends to be most preferred.
[0036]
Here, F.R. F. P. The horizontal direction (direction x) in FIG. 3 indicates a direction parallel to the joint surface (or pn junction surface) as shown in FIG. 3 (the direction of arrow 102 in the figure). It is described as mode.
[0037]
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the optical characteristics of the laser element according to the present invention, in particular, the spot shape on the exit surface and the far-field image (FFP) 101. Conventionally, the spot shape 103 on the exit surface has spread in a direction parallel to the joint surface. F. P. The x-direction 102 was narrow at 10 ° or less and the aspect ratio was poor. However, in the present invention, as shown in the figure, the longitudinal direction of the spot shape is in the horizontal direction as in the prior art, but the spread in the longitudinal direction is narrowed. F. P. The x direction of 101 is wider than before, specifically 12 ° to 20 °, and the aspect ratio is as good as around 2.0. As described above, the optical characteristics are improved without deteriorating the output characteristics and the element reliability. As described above, the p-side light guide layer provided with the stripe-shaped protrusions provides a good effective refractive index. This is due to the fact that the stripe-shaped waveguide region having the above is formed in the laser element. Furthermore, as described above, the thickness of the p-side light guide layer or the total thickness of both guide layers, which is obtained by adding the thickness of the n-side light guide layer, is increased as compared with the conventional case. Beam divergence in the direction perpendicular to the surface (y direction) is suppressed by the reduction of the diffraction effect, which also contributes to the improvement of the optical characteristics, particularly the aspect ratio, of the laser device of the present invention. That is, not only the horizontal / horizontal mode control as described above, but also the F.S. F. P. By suppressing the spread of the light in the y direction, laser light closer to a perfect circle can be obtained from the far field pattern 101 flattened in the vertical direction as in the prior art.
[0038]
【Example】
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a laser device according to an embodiment of the present invention, and shows a laminated structure when cut along a plane perpendicular to a stripe-shaped protrusion. Hereinafter, Example 1 is demonstrated based on this figure.
[0039]
Here, in this embodiment, a different substrate different from the nitride semiconductor is used as the substrate, but a substrate made of a nitride semiconductor such as a GaN substrate may be used. Here, as the heterogeneous substrate, for example, sapphire or spinel (MgA1) whose main surface is any one of the C-plane, R-plane, and A-plane. 2 O Four It is possible to grow a nitride semiconductor such as an insulating substrate such as SiC (including 6H, 4H, 3C), ZnS, ZnO, GaAs, Si, and an oxide substrate lattice-matched with a nitride semiconductor. A substrate material different from that of a nitride semiconductor can be used. Preferable heterogeneous substrates include sapphire and spinel. Further, the heterogeneous substrate may be off-angle, and in this case, it is preferable to use a step-off-angle substrate because the growth of the underlying layer made of gallium nitride grows with good crystallinity. Further, when a heterogeneous substrate is used, a nitride semiconductor as a base layer before forming the element structure is grown on the heterogeneous substrate, and then the heterogeneous substrate is removed by a method such as polishing to obtain a single substrate of the nitride semiconductor An element structure may be formed, or a method of removing the heterogeneous substrate after the element structure is formed may be used.
[0040]
As the substrate, a sapphire substrate having a (0001) C plane as a main surface was used. At this time, the orientation flat surface was the A surface. As a substrate for growing a nitride semiconductor, it is known for growing nitride semiconductors such as SiC, ZnO, spinel (MgAl 2 O 4), GaAs, etc. in addition to sapphire (the main surface is C-plane, R-plane, A-plane). A model substrate made of a material different from the nitride semiconductor can be used. Further, it may be directly laminated on a substrate made of a nitride semiconductor such as GaN.
[0041]
(Buffer layer 2)
A 1-inch φ, heterogeneous substrate 1 made of sapphire with a C-plane as the main surface is set in a MOVPE reaction vessel, the temperature is set to 500 ° C., and a buffer made of GaN using trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3). The layer is grown to a thickness of 200 mm.
[0042]
(Underlayer 3)
After growing the buffer layer, the temperature is set to 1050 ° C., and the base layer 3 made of undoped GaN is grown to a thickness of 4 μm using TMG and ammonia. This layer acts as a substrate in the growth of each layer forming the device structure. Thus, when forming a nitride semiconductor device structure on a heterogeneous substrate, it is preferable to form a low-temperature growth buffer layer and a base layer to be a nitride semiconductor substrate.
[0043]
(N-side contact layer 4)
Next, an n-side contact layer 5 made of GaN doped with Si 3 × 10 18 / cm 3 is grown on the nitride semiconductor substrate 1 at 1050 ° C. with a film thickness of 4 μm using ammonia and TMG and silane gas as impurity gas. Let
[0044]
(Crack prevention layer 5)
Next, the crack prevention layer 6 made of In0.06Ga0.94N is grown to a thickness of 0.15 μm using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia at a temperature of 800 ° C. This crack prevention layer can be omitted.
[0045]
(N-side cladding layer 6)
Subsequently, using TMA (trimethylaluminum), TMG, and ammonia at 1050 ° C., a layer made of undoped Al0.16Ga0.84N is grown to a thickness of 25 mm, then TMA is stopped, silane gas is flowed, and Si is added to 1 A layer made of n-type GaN doped with × 1019 / cm3 is grown to a thickness of 25 mm. These layers are alternately stacked to form a superlattice layer, and an n-side cladding layer 7 made of a superlattice having a total film thickness of 1.2 μm is grown.
[0046]
(N-side light guide layer 7)
Subsequently, the silane gas is stopped, and an n-side light guide layer 8 made of undoped GaN is grown at 1050 ° C. to a thickness of 0.2 μm. The n-side light guide layer 8 may be doped with n-type impurities.
[0047]
(Active layer 8)
Next, the temperature is set to 800 ° C., a barrier layer made of Si-doped In0.05Ga0.95N is grown to a thickness of 100 mm, and then a well layer made of undoped In0.2Ga0.8N is grown to a thickness of 40 mm at the same temperature. Grow with thickness. A barrier layer and a well layer are alternately stacked twice, and finally, an active layer of a multiple quantum well structure (MQW) having a total film thickness of 380 mm is grown by ending with the barrier layer. The active layer may be undoped as in this embodiment, or may be doped with n-type impurities and / or p-type impurities. Impurities may be doped into both the well layer and the barrier layer, or one of them may be doped. Note that if the n-type impurity is doped only in the barrier layer, the threshold value tends to decrease.
[0048]
(P-side cap layer 9)
Next, the temperature was raised to 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) was used, and the band gap energy was larger than that of the p-side light guide layer 11, and Mg was doped 1 × 10 20 / cm 3. A p-side cap layer 7 made of p-type Al0.3Ga0.7N is grown to a thickness of 300 mm.
[0049]
(P-side light guide layer 10)
Subsequently, Cp2Mg and TMA are stopped, and a p-side light guide layer 11 made of undoped GaN having a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer 10 is grown at 1050 ° C. to a thickness of 0.2 μm.
This p-side light guide layer 10 is grown undoped, that is, intentionally undoped, but Mg diffusion occurs from adjacent layers of the p-side cap layer and the p-side cladding layer. × 10 16 /cm Three Thus, a layer doped with Mg is formed.
[0050]
(P-side cladding layer 11)
Subsequently, a layer made of undoped Al0.16Ga0.84N is grown at a thickness of 25 mm at 1050 ° C., then Cp2Mg and TMA are stopped, and a layer made of undoped GaN is grown at a thickness of 25 mm, resulting in a total thickness of 0 A p-side cladding layer 12 made of a .6 μm superlattice layer is grown. When the p-side cladding layer is made of a superlattice in which at least one nitride semiconductor layer containing Al is included and nitride semiconductor layers having different bandgap energies are stacked, impurities are heavily doped into one of the layers. Although so-called modulation doping tends to improve the crystallinity, both may be doped in the same manner. The cladding layer 12 has a nitride semiconductor layer containing Al, preferably a superlattice structure containing AlXGa1-XN (0 <X <1), more preferably a superlattice structure in which GaN and AlGaN are stacked. To do. By making the p-side cladding layer 12 a superlattice structure, the Al mixed crystal ratio of the entire cladding layer can be increased, so that the refractive index of the cladding layer itself is reduced and the band gap energy is increased. It is very effective in lowering. Furthermore, since the superlattice is used, the number of pits generated in the clad layer itself is less than that not formed in the superlattice, so that the occurrence of a short circuit can be suppressed.
[0051]
(P-side contact layer 12)
Finally, the p-side contact layer 12 made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the p-side cladding layer 11 at 1050 ° C. to a thickness of 150 μm. The p-side contact layer can be composed of p-type InXAlYGa1-X-YN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), preferably Mg doped GaN, and most preferable with the p electrode 20. Ohmic contact is obtained. Since the contact layer 12 is a layer for forming an electrode, a high carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more is desirable. If it is lower than 1 × 10 17 / cm 3, it tends to be difficult to obtain a preferable ohmic with the electrode. Furthermore, when the composition of the contact layer is GaN, a preferable ohmic with the electrode material is easily obtained.
[0052]
The wafer on which the nitride semiconductor is grown as described above is taken out from the reaction vessel, a protective film made of SiO2 is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer, and SiCl4 gas is used using RIE (reactive ion etching). As shown in FIG. 1, the surface of the n-side contact layer 4 where the n-electrode is to be formed is exposed. Thus, SiO2 is optimal as a protective film for deep etching of the nitride semiconductor.
[0053]
Next, a method for forming a striped ridge waveguide will be described. First, as shown in FIG. 2A, a first protective film 61 made of Si oxide (mainly SiO 2) is formed on a substantially entire surface of the uppermost p-side contact layer 12 by a PVD device to a thickness of 0.5 μm. After forming with a film thickness, a mask having a predetermined shape is put on the first protective film 61 to form a third protective film 63 made of a photoresist with a stripe width of 2 μm and a thickness of 1 μm. Here, the first protective film 61 may be any material as long as it has a difference from the etching rate of the nitride semiconductor regardless of the insulating property. For example, Si oxide (including SiO.sub.2), photoresist, or the like is used. Preferably, it is dissolved in acid rather than the second protective film in order to provide a difference in solubility from the second protective film to be formed later. Select a material that has easy properties. As the acid, hydrofluoric acid is preferably used, and therefore Si oxide is preferably used as a material that is easily dissolved in hydrofluoric acid.
[0054]
Next, as shown in FIG. 2B, after the third protective film 63 is formed, the first protective film 63 is used as a mask by using a CF4 gas by a RIE (reactive ion etching) apparatus and using the third protective film 63 as a mask. The protective film is etched into a stripe shape. Thereafter, the first protective film 61 having a stripe width of 2 μm can be formed on the p-side contact layer 12 as shown in FIG.
[0055]
Further, as shown in FIG. 2D, after forming the first protective film 61 having a stripe shape, the p-side contact layer 12, the p-side cladding layer 11, and the p-side light guide are again formed by RIE using SiCl4 gas. The layer 10 is etched to form a ridge stripe as a striped waveguide region having a depth of 1000 mm in the etched region (region other than the protruding portion) of the p-side light guide layer.
[0056]
After forming the ridge stripe, the wafer is transferred to a PVD apparatus, and as shown in FIG. 2E, a second protective film 62 made of Zr oxide (mainly ZrO 2) is formed on the first protective film 61, It is continuously formed with a film thickness of 0.5 μm on the p-side light guide layer 11 exposed by etching (a region other than the protruding portion).
[0057]
Here, the material of the second protective film is a material other than SiO2, preferably an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, SiN, BN, It is desirable to use at least one of SiC and AlN, and it is particularly preferable to use an oxide of Zr or Hf, BN, or SiC among them. Some of these materials have a property of being slightly dissolved in hydrofluoric acid. However, if an insulating layer of a laser element is used, the reliability as a buried layer tends to be considerably higher than that of SiO2. In addition, oxide thin films formed in the gas phase such as PVD and CVD are less likely to be oxides in which the element and oxygen are equivalently reacted, and thus the reliability of the insulating properties of the oxide thin films is unlikely to be insufficient. However, PVD, CVD oxides, BN, SiC, and AlN of the elements selected in the present invention tend to be more reliable in terms of insulation than Si oxides. In addition, it is very convenient as a buried layer of a laser element when an oxide whose refractive index is smaller than that of a nitride semiconductor (for example, other than SiC) is selected. Furthermore, when the first protective film 61 is made of Si oxide, it has selectivity for hydrofluoric acid with respect to the Si oxide, so that the side surface of the stripe waveguide as shown in FIG. When the stripe is formed continuously on the plane (etch stop layer) and the surface of the first protective film 61, when only the first protective film 61 is removed by a lift-off method, FIG. The second protective film 62 having a uniform film thickness with respect to the plane can be formed as shown in FIG.
[0058]
After forming the second protective film 62, the wafer is heat-treated at 600 ° C. When a material other than SiO 2 is formed as the second protective film in this way, after the second protective film is formed, heat treatment is performed at 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher and below the decomposition temperature of the nitride semiconductor (1200 ° C.). By doing so, it becomes difficult for the second protective film to dissolve in the dissolved material (hydrofluoric acid) of the first protective film, and it is more desirable to add this step.
[0059]
Next, the wafer is immersed in hydrofluoric acid, and as shown in FIG. 2F, the first protective film 61 is removed by a lift-off method.
[0060]
Next, as shown in FIG. 2G, the p-electrode 20 made of Ni / Au is formed on the surface of the p-side contact layer exposed by removing the first protective film 61 on the p-side contact layer 12. To do. However, the p electrode 20 has a stripe width of 100 μm and is formed over the second protective film 62 as shown in FIG. After the formation of the second protective film, an n electrode 21 made of Ti / Al is formed in a direction parallel to the stripes on the surface of the n-side contact layer 5 that has already been exposed.
[0061]
Next, after forming a dielectric multilayer film 64 made of SiO 2 and TiO 2 by masking a desired region for providing a take-out electrode on the p and n electrodes on the surface exposed by etching to form an n-electrode. Extraction (pad) electrodes 22 and 23 made of Ni-Ti-Au (1000? -1000? -8000?) Were provided on the p and n electrodes, respectively.
[0062]
As described above, after polishing the sapphire substrate of the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed to 70 μm, the substrate is cleaved in a bar shape from the substrate side in a direction perpendicular to the stripe-shaped electrode. A resonator is fabricated on the (11-00) plane, a plane corresponding to a hexagonal side surface = M plane). A dielectric multilayer film made of SiO2 and TiO2 is formed on the resonator surface, and finally a bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to obtain a laser element as shown in FIG. At this time, the resonator length was 800 μm.
[0063]
When this laser element was placed on a heat sink and each pad electrode was wire-bonded and laser oscillation was attempted at room temperature, it was in a single transverse mode at an oscillation wavelength of 400 to 420 nm and an oscillation threshold current density of 2.9 kA / cm 2. Of room temperature continuous oscillation. Next, F. of laser light. F. P. As a result, a good horizontal transverse mode of 15 to 20 ° in the horizontal direction was obtained. Further, the horizontal and transverse modes were as good as those in Comparative Example 1, and the aspect ratio was about 1.5. In addition, the thick light guide layer provides good light confinement, and the generation of ripples can be significantly suppressed as compared with Comparative Example 1.
[0064]
[Example 2]
A laser element was formed in the same manner as in Example 1 except that the film thicknesses of the n-side light guide layer and the p-side light guide layer were 2500 mm. The obtained laser element realized horizontal and horizontal mode control substantially the same as in Example 1. F. P. The horizontal direction was 18 °, and the occurrence of ripples was suppressed to the same extent. Further, the oscillation characteristics were slightly inferior to those of Example 1, and the element life was also reduced. This is considered to be greatly influenced by the fact that the total thickness of the waveguide composed of the two light guide layers sandwiching the active layer greatly exceeds 4500 mm and approaches 6000 mm. However, both the light guide layers are thicker, and in particular, the p-side light guide layer is thicker, which makes it easier to control the etching and contributes to an improvement in manufacturing yield. In addition, this makes it possible to manufacture a good laser element with little variation in output characteristics between elements. Although the laser element at this time was inferior in output characteristics, it was able to oscillate to a degree slightly inferior to that in Example 1 in its driving. Furthermore, when the film thicknesses of both light guide layers are increased to 3000, 3500, and 4000 mm, the oscillation threshold current tends to increase. In particular, when it exceeds 3500 mm, the rising tendency becomes remarkable, and the element lifetime tends to decrease. For this reason, the film thickness of the p-side light guide layer is preferably 3500 mm or less, and more preferably 2500 mm or less to obtain good laser light and sufficient oscillation characteristics. It tends to be.
[0065]
Further, when a laser element is formed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of both light guide layers is 1500 mm, the F.F. F. P. The beam divergence in the x direction was about 13 ° which was slightly narrower than that of Example 1, and the aspect ratio was 1.8, which was slightly inferior to Example 1. However, the threshold currents are approximately the same, and a long-life laser element can be obtained with favorable output characteristics. Further, the height of the protrusion of the p-side light guide layer is 500 mm, that is, the etching depth when forming the protrusion by etching is the depth at which the film thickness of the p-side light guide layer is 500 mm. A laser element is obtained in the same manner as in Example 1 except that the waveguide is formed. The threshold current of the obtained laser element tends to be lower than that of the first embodiment, so that a laser element with good output characteristics can be obtained. F. P. , The spread in the x direction is almost the same as 14 °, and the effective refractive index difference tends to work well.
[0066]
[Example 3]
Etching is performed at a depth at which the height of the protruding portion of the p-side light guide layer is 500 mm, that is, at a depth at which the thickness of the p-side light guide layer in the etched region (region other than the protruding portion) is 1500 mm. Otherwise, the laser element was formed in the same manner as in Example 1. The obtained laser element had a tendency to increase the threshold current and was inferior in output characteristics as compared with Example 1. However, the increase in the threshold current is slight and sufficient for practical use.On the contrary, the film thickness in the region other than the protrusions is increased, thereby improving the manufacturing yield and variation in output characteristics between elements. Tend to be less.
[0067]
[Example 4]
A laser device was obtained in the same manner as in Example 1 except that the stripe width of the p-side light guide layer was 3 μm. The obtained laser device is inferior in control of the horizontal and transverse modes as compared with the first embodiment. F. P. The aspect ratio was about 2, which was inferior to that of Example 1. In addition, the stability of oscillation in the single transverse mode was inferior to that of Example 1, and the proportion of devices that became defective products with kinks tended to increase. Therefore, more preferably, the stripe width is in the range of 2 μm ± 0.5 μm (1.5 μm or more and 2.5 μm or less), so that there is little element variation in lateral mode controllability, and the laser light aspect ratio is also good. A single-mode oscillation laser element can be obtained.
[0068]
[Example 5]
As an embodiment of the present invention, a laser element having a longer wavelength than that of Example 1, specifically, a longer wavelength of 470 nm or more will be described below. On the heterogeneous substrate 1 made of sapphire having the C-plane as the main surface, a buffer layer 2 made of GaN is grown to 200 μm, and an underlayer 3 made of undoped GaN is grown to 4 μm as in Example 1, and Si is deposited thereon. An n-side contact layer 4 made of GaN doped with 1 × 10 18 / cm 3 is grown to 4.5 μm, and an intermediate layer 5 made of Si-doped In 0.3 Ga 0.7 N is grown. At this time, the intermediate layer can be omitted.
[0069]
(N-side cladding layer 6)
Next, TMG, ammonia, and TMA (trimethylaluminum) are flowed, and a layer made of undoped Al0.15Ga0.85N is grown at 1050 ° C. to a thickness of 25 mm. Subsequently, TMA is stopped, silane gas is flowed, and Si is flown. A layer made of n-type GaN doped with 1 × 10 19 / cm 3 is grown to a thickness of 25 mm. These layers are alternately stacked to form a superlattice layer, and an n-side cladding layer 6 made of a superlattice having a total film thickness of 0.2 μm to 1.5 μm, preferably 0.7 μm, is grown. The n-side cladding layer preferably has a nitride semiconductor layer containing Al, preferably a superlattice structure containing AlXGa1-XN (0 <X <1), more preferably a superlattice structure in which GaN and AlGaN are stacked. And In the case of a superlattice, when one of the layers is doped with a large amount of impurities and so-called modulation doping is performed, the crystallinity tends to be improved, but both may be similarly doped.
[0070]
(N-side light guide layer 7)
Subsequently, the silane gas is turned off, TMI is flown, and a layer made of undoped In0.1Ga0.9N is grown at a thickness of 10 mm at 850 ° C. to 950 ° C., preferably 880 ° C., and then the TMI is turned off. The resulting layer is grown to a thickness of 10 mm. These layers are alternately stacked to form a superlattice layer, and an n-side light guide layer 7 made of a superlattice having a total film thickness of 50 to 2500 mm, preferably 500 to 800 mm, and more preferably 750 mm is grown.
[0071]
(Active layer 8)
Subsequently, TMI is allowed to flow, and a well layer made of undoped In0.3Ga0.7N is formed at 30 ° C. and a cap layer made of undoped In0.3Ga0.7N is formed at 10 ° C. at 750 ° C. to 850 ° C., preferably 820 ° C. A barrier layer made of undoped In0.1Ga0.9N is grown at 60 ° C. at 60 ° C., preferably 880 ° C., and this is used as one pair to grow an active layer 8 in which a total of 6 pairs are stacked.
[0072]
(P-side cap layer 9)
Next, TMI is stopped, TMA is flown, and a cap layer 9 made of p-type Al0.3Ga0.7N doped with 1 × 1020 / cm3 of Mg at 850 ° C. to 950 ° C., preferably 880 ° C., is 10 μm or more and 0.1 μm. Hereinafter, the film is grown preferably with a thickness of 100 mm.
[0073]
(P-side light guide layer 10)
Subsequently, TMA is stopped, TMI is flown, a layer made of undoped In0.1Ga0.9N is grown at a thickness of 10 mm at 850 ° C. to 950 ° C., preferably 880 ° C., and then TMI is stopped, A layer of GaN doped with 1 × 10 18 to 3 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 10 mm. A superlattice layer is formed by alternately laminating these layers, and a p-side light guide layer 10 made of a superlattice having a total film thickness of 50 to 2500 mm, preferably 500 to 800 mm, and more preferably 750 mm is grown.
[0074]
(P-side cladding layer 11)
Subsequently, TMA was flown to grow a layer made of undoped Al0.15Ga0.85N at a thickness of 25 mm at 850 ° C. to 1050 ° C., and then TMA was stopped, and Mg was 3 × 10 18 to 5 × 10 18 / cm 3. A layer made of doped GaN is grown to a thickness of 25 mm. These layers are alternately stacked to form a superlattice structure, and a p-side cladding layer 11 made of a superlattice having a total film thickness of 0.2 μm to 1.5 μm, preferably 0.7 μm, is grown.
[0075]
(P-side contact layer 12)
Finally, a p-side contact layer 12 made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the p-side cladding layer 10 at a temperature of 850 ° C. to 1050 ° C. to a thickness of 150 mm. The p-side contact layer can be made of p-type InXGaYAl1-X-YN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), preferably Mg-doped GaN, InGaN, and the p electrode. A preferred ohmic contact is obtained. Since the contact layer 12 is a layer constituting an electrode, it is desirable that the contact layer 12 has a high carrier concentration of 1 × 10 18 / cm 3 or more. If it is lower than 1 × 10 18 / cm 3, it tends to be difficult to obtain a preferable ohmic with the electrode. Furthermore, when the composition of the contact layer is GaN, InGaN, or a superlattice containing GaN, InGaN, a preferable ohmic with the electrode material is easily obtained.
[0076]
After laminating the above layers, etching is performed in the same manner as in Example 1 to expose the surface of the n-side contact layer 4 and further to form a striped ridge waveguide. The dielectric multilayer film 64 and the extraction electrodes 22 and 23 are formed to obtain a laser element. The obtained laser element had a threshold current density of 2.0 kA / cm 2 and a threshold voltage of 4.0 V, was confirmed to be continuously oscillated at an oscillation wavelength of 470 nm, and had a lifetime of 1000 hours or longer. The laser beam is F.I. F. P. The horizontal direction (x direction) of the beam shape was as wide as about 17 °, and the aspect ratio was as good as about 1.5. Even a long-wavelength laser element can be obtained with good laser light, good oscillation characteristics, low oscillation threshold current, and good lifetime characteristics.
[0077]
[Example 6]
Each layer of the laser element structure is laminated in the same manner as in Example 5 except that the thickness of the p-side light guide layer is 1000 mm. Subsequently, in the same manner as in Example 1, a ridge waveguide is formed by etching to obtain a laser element. At this time, the etching depth is a depth at which the film thickness in the etched region (region other than the protruding portion) of the p-type light guide layer becomes 500 mm, and the ridge provided with the protruding portion in the p-side light guide layer A stripe is formed.
The resulting laser device has a threshold current density of 2.0 kA / cm. 2 At a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 470 nm was confirmed, indicating a lifetime of 1000 hours or more. The laser beam is F.I. F. P. , The horizontal direction (x direction) of the beam shape is wide, about 17 °, and the aspect ratio is about 1.5, which is good. Even a long-wavelength laser element can be obtained with good laser light, good oscillation characteristics, low oscillation threshold current, and good lifetime characteristics.
[0078]
[Comparative Example 1]
A laser element was formed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the p-side light guide layer and the n-side light guide layer was 1000 mm. The obtained laser element had the same oscillation threshold current. F. P. , The spread in the x direction was narrow and about 8 °, and the aspect ratio was about 3.
[0079]
[Comparative Example 2]
After stacking each layer, etching is performed to a depth at which the thickness of the p-side cladding layer becomes 0.1 μm, thereby providing a striped protrusion in the p-side cladding layer to form a striped ridge waveguide. Obtained a laser element in the same manner as in Example 1. The obtained laser device was inferior to the output characteristics in comparison with Example 1, and the device life was greatly reduced.
[0080]
[Reference Example 1]
As a reference example, each layer from the n-side contact layer to the p-side contact layer shown in Table 1 is sequentially laminated on the substrate, and a striped waveguide is formed by etching, and the n-side contact layer is further exposed. The p and n electrodes are formed on these contact layers to obtain the laser element shown in FIG. At this time, the etching depth when forming the striped waveguide is lower than the position where the thickness of the p-side cladding layer is 0.1 μm (in the direction approaching the active layer) and higher than the active layer ( This is a depth that does not reach the active layer.
[0081]
[Table 1]
Figure 0003685682
[0082]
The obtained laser element has a tendency that the drive current is significantly increased as compared with the laser element having the light guide layer and the p-side cap layer, and there is a laser element in the vicinity of 100 mA.
[0083]
[Reference Example 2]
As a reference example, an n-side contact layer to a p-side contact layer shown in Table 2 are sequentially stacked on a substrate, a stripe-shaped waveguide is formed by etching, and the n-side contact layer is exposed, and these contacts A p and n electrode is formed in the layer to obtain the laser element shown in FIG. At this time, the etching depth when forming the striped waveguide is lower than the position where the thickness of the p-side cladding layer is 0.1 μm (in the direction approaching the active layer) and higher than the active layer ( This is a depth that does not reach the active layer.
[0084]
[Table 2]
Figure 0003685682
[0085]
The obtained laser element tends to have a drive current lower by about 10 to 20 mA than that of Reference Example 1.
[0086]
[Modification 1]
As a modification, a layered waveguide from the n-side contact layer to the p-side contact layer shown in Table 3 is laminated on the substrate in order, and a stripe-shaped waveguide is formed by etching, and the n-side contact layer is exposed. The p and n electrodes are formed on the contact layer of FIG. 6 to obtain the laser element shown in FIG. At this time, the etching depth for forming the striped waveguide is such that the striped ridge waveguide reaches the p-side light guide layer 210. Specifically, as in the first embodiment. And a depth of 1000 mm.
[0087]
[Table 3]
Figure 0003685682
[0088]
In the obtained laser element, the drive voltage Vf tends to decrease as compared with the laser element having the p-side cap layer, but the threshold current tends to increase 5 to 6 times. There is a tendency not to show laser oscillation.
[0089]
(Laser element in long wavelength range)
In the laser element of the present invention, it is preferable to have the following layer structure in a long wavelength region of 450 nm or more, specifically 450 to 520 nm, blue to green. However, the present invention is not limited to this wavelength range.
In the long wavelength region, it is preferable to provide an intermediate layer between the well layer and the barrier layer as the active layer, leading to improvement of oscillation characteristics.
[0090]
The active layer used in a short wavelength region, specifically a wavelength region of 450 nm or less, has a quantum well structure sandwiched between a well layer made of InGaN and a barrier layer having a larger band gap energy than the well layer, specifically InGaN. A barrier layer made of AlGaInN having a mixed crystal ratio or a different composition is used for the well layer made of and the well layer. As such a structure, a single quantum well structure (SQW) of barrier layer / well layer / barrier layer, or a multiple quantum well structure (MQW) in which a well layer and a barrier layer are repeatedly stacked are used. However, since the well layer and the barrier layer have different mixed crystal ratios or compositions, the temperatures suitable for the growth of the layers are different, and the growth tends to be difficult. In this case, the barrier layer is grown on the well layer at a higher growth temperature. This is because, in the well layer having In, decomposition of In occurs in the temperature rising process during the growth of the barrier layer, and a layer having a sharp emission peak cannot be obtained. Even if the barrier layer is formed at substantially the same temperature as that of the well layer, when the other layers (cladding layer, guide layer) subsequent to the formation of the active layer are formed, the barrier layer is also increased for good crystal growth. A temperature process is required. Such growth difficulty tends to become more prominent as the oscillation wavelength becomes longer, and it is preferable to provide an intermediate layer in the long wavelength region.
[0091]
For this reason, the problem by the said temperature rise can be solved by passing through the said intermediate | middle layer. By providing this intermediate layer, the above decomposition of In tends to be observed as a partial one, and the intermediate layer itself tends to be observed as a surface form exhibiting irregularities. It is thought that this contributes to a significant decrease in threshold voltage. This intermediate layer is provided between the well layer and the barrier layer, and its band gap energy is larger than that of the barrier layer. When the active layer is MQW, this intermediate layer needs to be provided on at least one well layer. By providing the intermediate layer on all well layers, the above-mentioned problem can be solved for all the barrier layers on the well layer. Can be solved.
[0092]
The thickness of the intermediate layer is preferably less than the thickness of the barrier layer and is in the range of 1 atomic layer or more and 100 mm or less. This is because when the film thickness is 100 mm or more, a miniband is formed between the intermediate layer and the barrier layer, and the oscillation characteristics tend to deteriorate. The barrier layer at this time is in the range of 10 to 400 mm. Further, the composition of the intermediate layer is preferably Al. u Ga 1-u By setting N (0 ≦ u ≦ 1), the partial decomposition of In and the tendency of the drive voltage and threshold voltage to decrease due to the surface form of the intermediate layer are shown. More preferably, Al v Ga 1-v By setting N (0.3 ≦ v ≦ 1), the decrease in each voltage can be increased.
[0093]
[Modification 2]
On the substrate, an n-side contact layer to a p-side contact layer shown in Table 4 below were sequentially laminated to form a laser element structure. Next, a stripe-shaped ridge waveguide is formed by etching from a p-side contact layer side to a depth at which the p-side light guide layer has a thickness of 500 mm, with a stripe width of 1.8 μm. Similarly, the n-side contact layer was exposed by etching, p and n electrodes were formed on each contact layer, the chip was taken out, and a laser device as shown in FIG. 7 was obtained. In the figure, 208a indicates an intermediate layer, 208b indicates a well layer, and 208c indicates a barrier layer. FIG. 7 schematically shows an enlarged structure of the active layer 208.
[0094]
[Table 4]
Figure 0003685682
[0095]
The obtained laser device has a wavelength of 450 nm and a threshold current density of 2.0 kA / cm at room temperature. 2 Thus, continuous oscillation for 1000 hours or more was confirmed. This is because the etching depth at the time of forming the stripe-shaped waveguide is controllability in the transverse mode even when compared with a laser element whose depth does not reach the p-side light guide layer. F. P. A product having an excellent aspect ratio can be obtained.
[0096]
[Modification 3]
A laser element is obtained in the same manner as in Modification 2 except that the element structure laminated on the substrate is as shown in Table 5 below.
[0097]
[Table 5]
Figure 0003685682
[0098]
The obtained laser element has an oscillation wavelength of 510 nm, and a good laser element can be obtained. Compared to the modified example 2, the device characteristics tend to be slightly reduced by changing the active layer from MQW to SQW. However, the intermediate layer in the active layer is GaN, so that the intermediate layer is provided. There is a tendency for the effect of to decrease. However, as in the second modification, by having the striped waveguide according to the present invention, a laser element having excellent transverse mode stability and element lifetime can be obtained, and the present invention can be applied to a long wavelength region.
[0099]
[Modification 4]
As in Example 1, after forming a buffer layer and an underlayer on a different substrate, Si was added at 1 × 10 18 /cm 2 Doped GaN is grown to a thickness of 100 μm. Subsequently, the substrate is removed from the rear surface of the wafer, that is, the surface facing the main surface of the heterogeneous substrate on which the nitride semiconductor is grown, so that only the nitride semiconductor is obtained.
Next, with the nitride semiconductor 204 on the surface opposite to the surface from which the substrate has been removed as the main surface, as shown in FIG. 8, the n-side cladding layer 206, the n-side light guide layer 207, and The active layer 208, the p-side cap layer 209, the p-side light guide layer 210, the p-side cladding layer 211, and the p-side contact layer 212 are sequentially stacked. In the same manner as in Example 1, annealing was performed at 700 ° C. to further reduce the resistance of the p-type conductive layer, the wafer was taken out of the reaction vessel, transferred to the RIE apparatus, and etched into a stripe-shaped lead having a width of about 3 μm. A waveguide is formed. At this time, the etching depth is a depth that reaches the film thickness of the p-side light guide layer, and is formed at such a depth that the film thickness is 500 mm. Subsequently, a p-electrode 220 made of Ni / Au is formed on the uppermost surface of the p-side contact layer 212, and the etching exposed surface excluding the p-electrode 220 is formed with SiO 2. 2 An insulating film 264 is formed, a take-out electrode 222 electrically connected to the p-electrode 220 is formed across the insulating film 264, and an n-electrode 221 made of Ti / Al is formed on the back surface (n-side contact layer surface) of the wafer. On top of that, a thin film made of Au / Sn is formed for metallization with a heat sink. Finally, scribing is performed from the wafer surface side on which the n-electrode 221 is provided, and the wafer is cleaved with a GaN M-plane [(11-00) plane] to form a bar shape, and then a resonant surface is produced. At least one of the pair of opposing resonant surfaces is SiO. 2 / TiO 2 A dielectric multilayer film mirror is provided and finally cut substantially perpendicularly to the cavity direction to obtain a laser element chip. The obtained laser device has good characteristics with no occurrence of kinks in the current-light output curve although the stability of the transverse mode is slightly inferior because of the wide stripe width as compared with Example 1. . This suggests that the present invention is not affected by such a design change and can improve the device characteristics.
[0100]
【The invention's effect】
The nitride semiconductor laser device of the present invention has the optical characteristics of the laser device, particularly the F.F. F. P. Good aspect ratio was obtained, and the aspect ratio was greatly improved. Further, since the light confinement effect could be increased, it was possible to form a good waveguide, and it was confirmed that the device life was improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a laser element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a laser device according to Reference Example 1 of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a laser device according to Reference Example 2 of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a laser device according to Modification 1 of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a laser device according to Modifications 2 and 3 of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a laser device according to Modification 4 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,201 ... Different substrates
2,202 ... Buffer layer
3,203 ... Underlayer
4,204 ... n-side contact layer
5,205 ... Crack prevention layer
6,206 ... n-side cladding layer
7,207 ... n-side light guide layer
8, 208 ... active layer
9,209 ... p-side cap layer
10, 210 ... p-side light guide layer
11, 211 ... p-side cladding layer
12, 212 ... p-side contact layer
61,262 ... first protective film
62,263 ... second protective film
63, 264 ... Third protective film
20,220 ... p electrode
21 221 ... n electrode
22, 222 ... p-pad electrode
23, 223... N pad electrode

Claims (10)

基板上に、少なくともn型窒化物半導体からなるn側光ガイド層と、活性層と、p型窒化物半導体からなるp側光ガイド層と、p型窒化物半導体からなるp側クラッド層と、を順に有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記窒化物半導体レーザ素子は、前記活性層と前記p側光ガイド層との間に、前記p側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp側キャップ層を備え、
前記p側キャップ層及び前記p側クラッド層はMgがドープされていると共に、前記p側光ガイド層のMg濃度は、前記p側キャップ層及び前記p側クラッド層のMg濃度よりも小さく、
前記p側光ガイド層がストライプ状の突出部を有すると共に、該突出部の上に前記p側クラッド層を有し、該p側光ガイド層の突出部における膜厚が1μm以下であり、かつ前記p側光ガイド層において、突出部の高さが500Å以上であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
On a substrate, the n-side optical guide layer composed of at least n-type nitride semiconductor, an active layer, a p-type nitride semiconductors or Ranaru p-side optical guide layer, or p-type nitride semiconductors Ranaru In a nitride semiconductor laser device having a p-side cladding layer in order,
The nitride semiconductor laser device includes a p-side cap layer having a larger band gap energy than the p-side light guide layer between the active layer and the p-side light guide layer,
The p-side cap layer and the p-side cladding layer are doped with Mg, and the Mg concentration of the p-side light guide layer is smaller than the Mg concentration of the p-side cap layer and the p-side cladding layer,
Wherein with the p-side optical guide layer has a stripe-like projection, projecting portion having said p-side cladding layer on the film thickness of the protruding portion of the p-side optical guide layer has a 1μm or less, and In the p-side light guide layer, the protrusion has a height of 500 mm or more.
前記p側光ガイド層は、InxGa1−xN(0≦x<1)よりなることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。  2. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the p-side light guide layer is made of InxGa1-xN (0 ≦ x <1). 前記p側キャップ層は、AlxGa1−xN(0≦x≦1)よりなることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。  The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the p-side cap layer is made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). 前記p側クラッド層は、AlxGa1−xN(0<x<1)を含む超格子よりなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。  4. The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the p-side cladding layer is made of a superlattice containing AlxGa1-xN (0 <x <1). 前記p側光ガイド層は、Mgを含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。  The nitride semiconductor laser element according to claim 1, wherein the p-side light guide layer contains Mg. 前記p側光ガイド層の突出部が、前記p側窒化物半導体層側からエッチングされて形成され、該エッチング深さが0.7μmを超えないことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。  6. The protruding portion of the p-side light guide layer is formed by etching from the p-side nitride semiconductor layer side, and the etching depth does not exceed 0.7 μm. The nitride semiconductor laser device described in 1. 前記p側光ガイド層に設けられた突出部におけるp側光ガイド層の膜厚が、1500Å以上4000Å以下の範囲であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。  The nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 6, wherein a film thickness of the p-side light guide layer in the projecting portion provided in the p-side light guide layer is in a range of 1500 mm to 4000 mm. Laser element. 前記p側光ガイド層がストライプ状の突出部を有し、前記突出部以外の領域における膜厚が500Å以上1000Å以下の範囲であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。  The p-side light guide layer has a stripe-shaped protrusion, and the film thickness in a region other than the protrusion is in a range of 500 mm or more and 1000 mm or less. Nitride semiconductor laser device. 前記p側光ガイド層がストライプ状の突出部を有し、前記突出部のストライプ幅が、1μm以上3μm以下の範囲であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。  The nitride according to any one of claims 1 to 8, wherein the p-side light guide layer has a stripe-shaped protrusion, and a stripe width of the protrusion is in a range of 1 µm to 3 µm. Semiconductor laser element. 前記p側キャップ層は、膜厚10Å以上、0.1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。  10. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the p-side cap layer has a thickness of 10 mm or more and 0.1 μm or less.
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