JP3697406B2 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板上に異なる2波長の発光素子を一体形成してなる半導体発光装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、家庭電化製品,OA機器,通信機器,工業計測器などさまざまな分野で半導体レーザが用いられている。特に近年、高密度光ディスク記録等への応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が注力されている。短波長半導体レーザには、GaN,AlGaN,InGaN,InGaAlN,GaPNなどの窒素を含む六方晶化合物半導体(以下、単に窒化物半導体という)が用いられる。このような窒化物半導体を用いて、350nm以下までの短波長が可能で,400nmでの発振動作が報告されている。信頼性に関しても、LEDにおいて1万時間以上の寿命が確認されている。
【0003】
一方これまで、モノリシックに2波長以上の波長で発振する半導体レーザを作る試みもなされている。異なる波長が発光材料の同一組成比で発振可能である場合には、共振器構造などを違えて発振させることが可能である。しかし、2波長が大きく異なり、これらを同一組成比で発振させるのが難しい場合にはそれぞれの発光層を作るために別々の工程が必要であった。具体的には、二つの発光層を順次に積層形成するか、或いは、一方の発光層を作る際に他方の発光層領域をマスクし、もう一度マスクを反転して他方の発光層の作成を行う必要がある.
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、2波長レーザをモノリシックに作るには、工程数が多く、コストが上がり、歩留まりは低下する。特に、GaN系の窒化物半導体においては、長波長にするためにInの組成を高くする必要があるが、Inの組成比が25%以上,波長450nm以上では、In組成の不均一により半導体レーザは発振不能となる。
【0005】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数波長の発光素子をモノリシックに形成して成る半導体発光装置とその製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体発光装置は、半導体基板と、この半導体基板の主面に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもって形成された六方晶窒化物からなる半導体層と、この半導体層の前記平面上及び傾斜面上にそれぞれ形成されてInを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる第1及び第2の発光層と、前記平面と前記傾斜面とを分離するように前記第1及び第2の発光層及び前記半導体層に形成された分離溝とを有することを特徴とする。
【0007】
この発明に係る半導体発光装置の製造方法は、半導体基板の主面上に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもつように六方晶窒化物からなる半導体層を形成する工程と、前記半導体層の前記平面上及び傾斜面上にそれぞれ、Inを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる第1及び第2の発光層を同時に形成する工程と、前記平面と前記傾斜面とを分離するように前記第1及び第2の発光層及び前記半導体層に分離溝を形成する工程とを有することを特徴とする。この場合、半導体層の傾斜面は、半導体層を成長させた後、メサエッチングにより形成するか或いは、成長阻止用マスクを用いて半導体層を成長させることにより形成する。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態に係わる半導体レーザ装置の概略構成を示す図である。この実施の形態では、一つの半導体基板1上に、波長の異なる二つの半導体レーザLD1,LD2が集積形成されている。ここで半導体基板1は、六方晶窒化物半導体であり、具体的にはn型GaN基板11に、n型GaNバッファ層12が成長形成されたものである。
【0009】
第1の半導体レーザLD1は、半導体基板1のバッファ層12上に、Siドープのn型AlGaNクラッド層2a、n型GaN光導波層3a、InGaN活性層(多重量子井戸層)4a、p型GaN光導波層5a、Mgドープのp型クラッド層6aが順次積層されて形成されている。第2の半導体レーザLD2は、半導体基板1のバッファ層12上に、n型AlGaNクラッド層2b、n型GaN光導波層3b、InGaN活性層(多重量子井戸層)4b、p型GaN光導波層5b、p型クラッド層6bが順次積層されて形成されている。
【0010】
ここで、n型AlGaNクラッド層2aと2b、n型GaN光導波層3aと3b、InGaN活性層(多重量子井戸層)4aと4b、p型GaN光導波層5aと5b、p型クラッド層6aと6bは、後に説明するように、同時に結晶成長され、素子形成後にバッファ層12に達する溝13を形成して分離されている。但し、半導体レーザLD1では、n型クラッド層2aの上面がバッファ層12の主面(c面)と同じ平面Aをもって形成されて、この上に発光層が形成されているのに対し、半導体レーザLD2では、n型クラッド層2bの上面が傾斜面Bをもって形成され、従ってこの上に形成される発光層も傾斜面を持つ。
【0011】
各半導体レーザLD1,LD2のp型クラッド層6a,6bの表面には、p型GaNコンタクト層7a,7bが形成され、それぞれにp側電極8a,8bが形成されている。p型コンタクト層7a,7b及びその下のクラッド層6a,6bは、電流狭窄及び横方向の光閉じ込めのため、メサエッチングされている。基板1の裏面には共通のn側電極9が形成されている。溝13により分離された各半導体レーザLD1,LD2は、ZrO2等の絶縁膜によるパシベーション膜14で覆われている。
【0012】
この実施の形態では、平面A上に結晶成長されたレーザLD1のInGaN活性層4aと、傾斜面B上に結晶成長されたレーザLD2のInGaN活性層4bとが異なるIn組成比を持つこと、具体的には、傾斜面B上に成長したレーザLD2のInGaN活性層4bのIn組成比が高くなることを利用している。これにより、半導体レーザLD2は、半導体レーザLD1に比べて、長波長の発振が可能になる。
【0013】
この実施の形態の具体的な製造工程を、図2〜図6を参照して説明する。結晶成長には、MOCVD法を用いる。GaN基板11を有機溶剤と酸で前処理を行った後に、MOCVD装置の成長室に導入し、基板温度が1030℃になるまで窒素雰囲気中で昇温して、成長開始前に少量の水素を原料ガスを流す前に流し表面の酸化膜を除去する。その後、図2に示すように、通常のMOCVD成長法で、n型バッファ層12を成長し、ガス切り換えを行ってn型AlGaNクラッド層2を成長する。
【0014】
この後、基板を一旦成長室から取り出し、第2の半導体レーザLD2の領域のクラッド層をメサエッチングして傾斜面を形成する。具体的には、図3に破線で示すように、二つのレーザ領域を覆うマスク31’を形成し、その端部が次第に後退して、実線のマスク31となるようなエッチング条件に設定された反応性イオンエッチングを行って、第2の半導体レーザLD2の領域のクラッド層2に傾斜面Bを形成する。エッチング条件は、イオンの引き出し電圧を通常のメサ形成時より低めに設定して、スパッタリングよりも反応性エッチングが支配的になる条件とする。このとき、イオンの引き出し電圧を加減することにより、傾斜角度をコントロールすることができる。
【0015】
この後、再び基板をMOCVD成長炉に導入し、図4に示すように、n型GaN光導波層3、InGaN活性層4、p型GaN光導波層5、p型AlGaNクラッド層6、p型コンタクト層7を順次形成する。そして基板を成長炉より取り出し、図5に示すように、p型コンタクト層7上にp側電極8a,8bをパターン形成する。このとき、電極8a,8bを覆うマスクを用いて、電極8a,8bをパターンニングすると共に、引き続きp型クラッド層6をメサエッチングする。続いて、素子間を分離するために、図6に示すように、n型バッファ層12に達する溝13のエッチングを行う。そして、図1に示すように、素子側面を覆うパッシベーション膜14としてZrO2膜を形成する。
最後にGaN基板11を研磨して厚さが100μm程度になるようにした後、n側電極9を形成し、2つの半導体レーザLD1,LD2をペアとして含むように、ダイシングにより分割する。
【0016】
この実施の形態において、第2の半導体レーザLD2の活性層を形成する傾斜面Bの角度により、活性層に含まれるIn量がコントロールされる。具体的に図7は、傾斜面(c軸とR軸とが作る平面に対して垂直で且つc面から傾斜した面)の角度とその傾斜面上に形成されたInGaN層のIn組成比の関係を示している。このデータは、InGaNのIn組成比がc面上で11%になるような成長条件、具体的には成長温度850℃、原料ガスであるトリメチルインジウム(TMI)とトリメチルガリウム(TMG)の気相比0.9で行った場合のものである。この成長条件により、傾斜面上では最大45%のIn組成比が得られている。成長条件を変えて、c面上でのIn組成比が大きくなるようにすると、各角度でのIn組成比の角度に対する変化量はさらに大きくなり、c面上でのIn組成比が小さくなる成長条件で行うとIn組成比の角度に対する変化量は小さくなる.
【0017】
具体的にこの実施の形態において、第2の半導体レーザLD2の活性層のIn組成比を第1の半導体レーザLD1のそれに対して十分な有意差をもって大きくするためには、傾斜角度の設定が重要である。図8に示した六方晶系の結晶軸を参照して説明すれば、半導体基板1の主面をc面として、第2の半導体レーザLD2の活性層の傾斜面Bは、c軸とR軸とが作る平面に対して垂直で且つc面とのなす角が30度以上とすることにより、In組成比25〜45%を得ることができて好ましい。或いは、c軸とa軸とが作る平面に対して垂直で且つc面とのなす角が30度以上の面であることが好ましい。
【0018】
このような好ましい条件で作成した素子を動作させたところ、二つの半導体レーザLD1,LD2ともに、しきい値35mAで室温連続発振した。発振波長は第1のレーザLD1が405nmであり、第2のレーザが450nmであった。動作電圧は3.1Vであり、それぞれの発振しきい値はほぼ同じであった。信頼性は、温度を70℃に設定しての加速試験において、10万時間相当の信頼性試験を行っても劣化は見られなかった。
【0019】
これまでInGaN系半導体レーザにおいては、In組成が大きくなるとInの組成の不均一いわゆる組成分離が生じ、しきい値電流密度が上昇する傾向が見られた。この発明を用いると、成長温度が高い状態で高In組成のInGaNを成長させることができ、組成分離が抑えられてしきい値電流を下げることができることがわかった。この理由は、傾斜面B上においては表面での結合エネルギーが変化するためであると考えられる。MOCVD成長においては通常Ga極性で成長は進む事がわかっている。しかし、傾斜面B上では結合として逆のN極性に対応する結合が生じ易く、これにより結合時の表面エネルギーが変化して、Inが取り込まれやすい状況が生じるものと考えられる。或いは、InGaNの成長時にはエッチングと成長の拮抗状態にあり、Inの組成が大きくなるとエッチングされやすくなるが、そのエッチングの割合が傾斜面Bでは小さくなるとも考えられる。
【0020】
以上のようにこの実施の形態によると、これまでよりもIn組成の高いInGaN活性層をIn組成の低い活性層と同時に作成でき、量産できていなかった2波長緑色窒化物半導体レーザが量産できる。各半導体レーザは、活性層形成前に一部表面処理工程が入るだけで、その他基本的に一つの半導体レーザを作る工程と変わらず、2波長レーザを複雑な工程を要せず実現することができる。
【0021】
傾斜面Bの作成方法は、メサエッチングによらず、マスクを用いた再成長方法によっても良い。具体的には、図9に示すように、n型AlGaNクラッド層2の一部クラッド層21まで成長した後、成長炉から基板を取り出し、ストライプ状にSiO2マスク91をパターニングする。このとき、マスク91は、間隔を300μm程度とする。これを再び成長炉に導入し、残りのクラッド層22を成長する。このとき、クラッド層22は、SiO2マスク91がない部分のみに成長し、その両端部は傾斜面Bとなる。この後、再び基板取り出してSiO2マスクを除去し、以下先の工程と同様の工程を行う。
【0022】
この方法によると、傾斜面BとしてR面を出すことができる。この面におけるInの取り込みはもっとも大きく、第1のレーザLD1の発振波長が405nmの場合、第2のレーザLD2の発振波長は530nmとなる。
【0023】
[実施の形態2]
図10は、この発明の実施の形態2による半導体レーザ装置の概略構成を示している。先の実施の形態の図1と対応する部分には同一符号を付してある。この実施の形態では、第2の半導体レーザLD2側の発光層部分が、両側に段差のある平面A1,A2を持ち、これらの平面A1,A2間に傾斜面Bが形成された屈曲構造を有する。先の実施の形態と同様に、傾斜面Bがc面とは異なる面になっており、この部分でIn組成比が高い。
【0024】
第1の半導体レーザLD1は、半導体基板1のバッファ層12上に、Siドープのn型AlGaNクラッド層2a、n型GaN光導波層3a、InGaN活性層(多重量子井戸層)4a、p型GaN光導波層5a、Mgドープのp型クラッド層6aが順次積層されて形成されている。第2の半導体レーザLD2は、半導体基板1のバッファ層12上に、n型AlGaNクラッド層2b、n型GaN光導波層3b、InGaN活性層(多重量子井戸層)4b、p型GaN光導波層5b、p型クラッド層6bが順次積層されて形成されている。
【0025】
先の実施の形態と同様に、n型AlGaNクラッド層2aと2b、n型GaN光導波層3aと3b、InGaN活性層(多重量子井戸層)4aと4b、p型GaN光導波層5aと5b、p型クラッド層6aと6bは、同時に結晶成長され、素子形成後にバッファ層12に達する溝13を形成して分離されている。半導体レーザLD1では、n型クラッド層2aの上面がバッファ層12の主面(c面)と同じ平面Aをもって形成されて、この上に発光層が形成されているのに対し、半導体レーザLD2では、n型クラッド層2bの上面が二つの平面A1,A2とこれらを結ぶ傾斜面Bをもって形成され、この上に形成される発光層も同様の屈曲構造を持つ。
【0026】
各半導体レーザLD1,LD2のp型クラッド層6a,6bの表面には、p型GaNコンタクト層7a,7bが形成され、それぞれにp側電極8a,8bが形成されている。p型コンタクト層7a,7b及びその下のクラッド層7a,7bは、電流狭窄及び横方向の光閉じ込めのため、メサエッチングされている。基板1の裏面には共通のn側電極9が形成されている。溝13により分離された各半導体レーザLD1,LD2は、ZrO2等の絶縁膜によるパシベーション膜14で覆われている。
【0027】
この実施の形態でも、平面A上に結晶成長されたレーザLD1のInGaN活性層4aと、傾斜面B上に結晶成長されたレーザLD2のInGaN活性層4bとが異なるIn組成比を持つこと、具体的には、傾斜面B上に成長したレーザLD2のInGaN活性層4bのIn組成比が高くなることを利用している。これにより、半導体レーザLD2は、半導体レーザLD1に比べて、長波長の発振が可能になる。
【0028】
具体的な製造工程は、説明を省略するが、基本的に先の実施の形態と同様である。この実施の形態の場合、第1のレーザLD1の発振しきい値35mAに対して、第2のレーザLD2は発振しきい値20mAが得られ、単一横モード発振が認められた。これは屈曲構造により、光閉じ込め効果と電流狭窄効果が先の実施の形態に比べて良好になっている結果である。
【0029】
上記各実施の形態では、波長の異なる二つの半導体レーザを同一基板上に形成する場合を説明したが、この発明はこれに限られない。例えば、3つ以上の半導体レーザを集積形成することもできる。またその場合、傾斜角度が異なる複数の傾斜面を形成すれば、発振波長が3種以上のレーザを一体形成することができる。また、この発明は半導体レーザに限らず、発光ダイオードにも同様に適用可能である。
【0030】
更に実施の形態では、InGaN系の半導体レーザであって、傾斜面でIn組成比が大きくなることを利用しているが、InGaAlN,InAlN,InGaBN,InBN,InGaAlBN等の他のInを含む六方晶窒化物半導体発光層を持つ発光装置において、Inを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる少なくとも二つの発光層を持つ発光装置に対しても同様の効果をもって適用できる。
【0031】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、複数波長の発光素子をモノリシックに形成した半導体発光装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態による半導体発光装置の構成を示す図である。
【図2】同実施の形態のn型クラッド層形成までの工程を示す図である。
【図3】同実施の形態のn型クラッド層の傾斜面を形成する工程を示す図である。
【図4】同実施の形態のp型コンタクト層形成までの工程を示す図である。
【図5】同実施の形態のp側電極形成及びメサエッチング工程を示す図である。
【図6】同実施の形態の素子分離溝形成工程を示す図である。
【図7】InGaN層の成長傾斜面の傾斜角とIn組成比との関係を示す図である。
【図8】六方晶の結晶面の関係を示す図である。
【図9】傾斜面の他の形成方法を説明するための図である。
【図10】他の実施の形態による半導体発光装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
LD1,LD2…半導体レーザ、1…半導体基板、11…n型GaN基板、12…n型GaNバッファ層、2a,2b…n型AlGaNクラッド層、3a,3b…n型GaN光導波層、4a,4b…InGaN活性層、5a,5b…p型GaN光導波層、6a,6b…p型AlGaNクラッド層、7a,7b…p型コンタクト層、8a,8b…p側電極、9…n側電極、13…溝、14…パシベーション膜。A…平面、B…傾斜面。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device in which light emitting elements having two different wavelengths are integrally formed on a substrate, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, semiconductor lasers have been used in various fields such as home appliances, OA equipment, communication equipment, and industrial measuring instruments. Particularly in recent years, development of short-wavelength semiconductor lasers has been focused on for the purpose of application to high-density optical disk recording and the like. As the short wavelength semiconductor laser, a hexagonal compound semiconductor (hereinafter simply referred to as a nitride semiconductor) containing nitrogen such as GaN, AlGaN, InGaN, InGaAlN, GaPN or the like is used. Using such a nitride semiconductor, a short wavelength up to 350 nm or less is possible, and an oscillation operation at 400 nm has been reported. Regarding the reliability, it has been confirmed that the LED has a lifetime of 10,000 hours or more.
[0003]
On the other hand, attempts have been made to produce semiconductor lasers that oscillate monolithically at two or more wavelengths. When different wavelengths can oscillate with the same composition ratio of the light emitting material, it is possible to oscillate with different resonator structures. However, when the two wavelengths are greatly different and it is difficult to oscillate them at the same composition ratio, a separate process is required to form each light emitting layer. Specifically, two light-emitting layers are sequentially stacked, or when one light-emitting layer is formed, the other light-emitting layer region is masked, and the mask is inverted again to create the other light-emitting layer. There is a need.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, making a two-wavelength laser monolithically requires a large number of processes, increases the cost, and decreases the yield. In particular, in a GaN-based nitride semiconductor, it is necessary to increase the In composition in order to obtain a long wavelength. However, if the In composition ratio is 25% or more and the wavelength is 450 nm or more, the semiconductor composition is uneven due to the nonuniformity of the In composition. Cannot oscillate.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device in which light emitting elements having a plurality of wavelengths are formed monolithically and a method for manufacturing the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor light-emitting device according to the present invention includes a semiconductor substrate, and a semiconductor layer made of hexagonal nitride formed on the main surface of the semiconductor substrate with a plane parallel to the main surface and an inclined surface inclined from the main surface; First and second light-emitting layers made of hexagonal nitride semiconductor, each of which is formed on the plane and the inclined surface of the semiconductor layer and contains In at different composition ratios, the plane and the inclined surface, And separating grooves formed in the first and second light-emitting layers and the semiconductor layer .
[0007]
In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention, a semiconductor layer made of hexagonal nitride is formed on a main surface of a semiconductor substrate so as to have a plane parallel to the main surface and an inclined surface inclined from the main surface. a step, respectively on the plane and the inclined surface of the semiconductor layer, including at different composition ratio of in, and a step of simultaneously forming the first and second light-emitting layer composed of hexagonal nitride semiconductor, wherein the Forming a separation groove in the first and second light-emitting layers and the semiconductor layer so as to separate the flat surface and the inclined surface . In this case, the inclined surface of the semiconductor layer is formed by growing the semiconductor layer and then by mesa etching, or by growing the semiconductor layer using a growth prevention mask.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, two semiconductor lasers LD 1 and LD 2 having different wavelengths are integrally formed on one semiconductor substrate 1. Here, the semiconductor substrate 1 is a hexagonal nitride semiconductor. Specifically, an n-type GaN buffer layer 12 is grown on an n-type GaN substrate 11.
[0009]
The first semiconductor laser LD1 includes an Si-doped n-type AlGaN cladding layer 2a, an n-type GaN optical waveguide layer 3a, an InGaN active layer (multiple quantum well layer) 4a, and p-type GaN on the buffer layer 12 of the semiconductor substrate 1. The optical waveguide layer 5a and the Mg-doped p-type cladding layer 6a are sequentially laminated. The second semiconductor laser LD2 includes an n-type AlGaN cladding layer 2b, an n-type GaN optical waveguide layer 3b, an InGaN active layer (multiple quantum well layer) 4b, and a p-type GaN optical waveguide layer on the buffer layer 12 of the semiconductor substrate 1. 5b and a p-type cladding layer 6b are sequentially stacked.
[0010]
Here, n-type AlGaN cladding layers 2a and 2b, n-type GaN optical waveguide layers 3a and 3b, InGaN active layers (multiple quantum well layers) 4a and 4b, p-type GaN optical waveguide layers 5a and 5b, and p-type cladding layer 6a 6b are separated by forming a trench 13 that reaches the buffer layer 12 after device formation, as will be described later. However, in the semiconductor laser LD1, the upper surface of the n-type cladding layer 2a is formed with the same plane A as the main surface (c-plane) of the buffer layer 12, and the light emitting layer is formed thereon, whereas the semiconductor laser In LD2, the upper surface of the n-type cladding layer 2b is formed with an inclined surface B, and thus the light emitting layer formed thereon also has an inclined surface.
[0011]
On the surfaces of the p-type cladding layers 6a and 6b of the semiconductor lasers LD1 and LD2, p-type GaN contact layers 7a and 7b are formed, and p-side electrodes 8a and 8b are formed respectively. The p-type contact layers 7a and 7b and the underlying cladding layers 6a and 6b are mesa-etched for current confinement and lateral light confinement. A common n-side electrode 9 is formed on the back surface of the substrate 1. Each of the semiconductor lasers LD1 and LD2 separated by the groove 13 is covered with a passivation film 14 made of an insulating film such as ZrO2.
[0012]
In this embodiment, the InGaN active layer 4a of the laser LD1 grown on the plane A and the InGaN active layer 4b of the laser LD2 grown on the inclined plane B have different In composition ratios. Specifically, the fact that the In composition ratio of the InGaN active layer 4b of the laser LD2 grown on the inclined surface B is increased is utilized. As a result, the semiconductor laser LD2 can oscillate at a longer wavelength than the semiconductor laser LD1.
[0013]
A specific manufacturing process of this embodiment will be described with reference to FIGS. The MOCVD method is used for crystal growth. After pre-treating the GaN substrate 11 with an organic solvent and an acid, the GaN substrate 11 is introduced into the growth chamber of the MOCVD apparatus, heated up in a nitrogen atmosphere until the substrate temperature reaches 1030 ° C., and a small amount of hydrogen is added before the growth starts. Before flowing the source gas, the surface oxide film is removed. Thereafter, as shown in FIG. 2, an n-type buffer layer 12 is grown by a normal MOCVD growth method, and gas switching is performed to grow an n-type AlGaN cladding layer 2.
[0014]
Thereafter, the substrate is once taken out of the growth chamber, and the clad layer in the region of the second semiconductor laser LD2 is mesa-etched to form an inclined surface. Specifically, as shown by a broken line in FIG. 3, a mask 31 ′ covering the two laser regions was formed, and the etching conditions were set such that the end portion gradually receded to become the solid mask 31. Reactive ion etching is performed to form an inclined surface B in the cladding layer 2 in the region of the second semiconductor laser LD2. The etching conditions are such that the ion extraction voltage is set lower than that during normal mesa formation so that reactive etching is dominant over sputtering. At this time, the inclination angle can be controlled by adjusting the ion extraction voltage.
[0015]
Thereafter, the substrate is again introduced into the MOCVD growth furnace, and as shown in FIG. 4, the n-type GaN optical waveguide layer 3, the InGaN active layer 4, the p-type GaN optical waveguide layer 5, the p-type AlGaN cladding layer 6, and the p-type. Contact layer 7 is formed sequentially. Then, the substrate is taken out from the growth furnace, and p-side electrodes 8a and 8b are patterned on the p-type contact layer 7 as shown in FIG. At this time, the electrodes 8a and 8b are patterned using a mask covering the electrodes 8a and 8b, and the p-type cladding layer 6 is subsequently mesa-etched. Subsequently, in order to separate the elements, the trench 13 reaching the n-type buffer layer 12 is etched as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 1, a ZrO 2 film is formed as a passivation film 14 covering the element side surface.
Finally, after polishing the GaN substrate 11 to a thickness of about 100 μm, the n-side electrode 9 is formed and divided by dicing so as to include two semiconductor lasers LD1 and LD2 as a pair.
[0016]
In this embodiment, the amount of In contained in the active layer is controlled by the angle of the inclined surface B that forms the active layer of the second semiconductor laser LD2. Specifically, FIG. 7 shows the angle of the inclined surface (the surface perpendicular to the plane formed by the c-axis and the R-axis and inclined from the c-plane) and the In composition ratio of the InGaN layer formed on the inclined surface. Showing the relationship. This data is based on growth conditions in which the In composition ratio of InGaN is 11% on the c-plane, specifically, a growth temperature of 850 ° C., and a gas phase of trimethylindium (TMI) and trimethylgallium (TMG) as source gases. When the ratio is 0.9. Under this growth condition, a maximum In composition ratio of 45% is obtained on the inclined surface. If the In composition ratio on the c-plane is increased by changing the growth conditions, the amount of change with respect to the angle of the In composition ratio at each angle is further increased, and the In composition ratio on the c-plane is reduced. If performed under the conditions, the amount of change with respect to the angle of the In composition ratio becomes small.
[0017]
Specifically, in this embodiment, in order to increase the In composition ratio of the active layer of the second semiconductor laser LD2 with a sufficiently significant difference from that of the first semiconductor laser LD1, the setting of the tilt angle is important. It is. Referring to the hexagonal crystal axis shown in FIG. 8, the main surface of the semiconductor substrate 1 is c-plane, and the inclined surface B of the active layer of the second semiconductor laser LD2 is c-axis and R-axis. And the angle formed by the c-plane is 30 degrees or more, which is preferable because an In composition ratio of 25 to 45% can be obtained. Alternatively, it is preferable that the surface is perpendicular to the plane formed by the c-axis and the a-axis and the angle formed by the c-plane is 30 degrees or more.
[0018]
When the element fabricated under such preferable conditions was operated, both the two semiconductor lasers LD1 and LD2 oscillated continuously at room temperature at a threshold of 35 mA. The oscillation wavelength was 405 nm for the first laser LD1 and 450 nm for the second laser. The operating voltage was 3.1 V, and the oscillation threshold values were almost the same. As for reliability, no deterioration was observed even when a reliability test corresponding to 100,000 hours was performed in an accelerated test with the temperature set at 70 ° C.
[0019]
Up to now, in InGaN-based semiconductor lasers, when the In composition is increased, non-uniform composition of the so-called composition separation occurs, and the threshold current density tends to increase. It has been found that when this invention is used, InGaN having a high In composition can be grown at a high growth temperature, the composition separation can be suppressed, and the threshold current can be lowered. The reason for this is considered that the binding energy at the surface changes on the inclined surface B. In MOCVD growth, it is known that growth proceeds normally with Ga polarity. However, it is considered that on the inclined surface B, a bond corresponding to the opposite N polarity is likely to occur as a bond, whereby the surface energy at the time of bonding is changed and In is likely to be taken in. Alternatively, the growth of InGaN is in an antagonistic state between etching and growth. When the In composition is increased, etching is facilitated, but the etching rate is considered to be reduced on the inclined surface B.
[0020]
As described above, according to this embodiment, an InGaN active layer having a higher In composition than before can be formed simultaneously with an active layer having a lower In composition, and a two-wavelength green nitride semiconductor laser that has not been mass-produced can be mass-produced. Each semiconductor laser can be realized as a two-wavelength laser without requiring a complicated process as it is basically different from the process of making one semiconductor laser, only by a part of the surface treatment process before forming the active layer. it can.
[0021]
The method of creating the inclined surface B may be a regrowth method using a mask, not mesa etching. Specifically, as shown in FIG. 9, after growing up to a partial cladding layer 21 of the n-type AlGaN cladding layer 2, the substrate is taken out of the growth furnace and the SiO2 mask 91 is patterned in a stripe shape. At this time, the mask 91 has an interval of about 300 μm. This is again introduced into the growth furnace, and the remaining cladding layer 22 is grown. At this time, the cladding layer 22 grows only in a portion where the SiO 2 mask 91 is not present, and both end portions thereof become inclined surfaces B. Thereafter, the substrate is taken out again, the SiO2 mask is removed, and the same process as the previous process is performed.
[0022]
According to this method, the R surface can be provided as the inclined surface B. In this plane, In is taken up most, and when the oscillation wavelength of the first laser LD1 is 405 nm, the oscillation wavelength of the second laser LD2 is 530 nm.
[0023]
[Embodiment 2]
FIG. 10 shows a schematic configuration of a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. Portions corresponding to those in FIG. 1 of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals. In this embodiment, the light emitting layer portion on the second semiconductor laser LD2 side has a bent structure in which there are flat surfaces A1 and A2 having steps on both sides, and an inclined surface B is formed between these flat surfaces A1 and A2. . Similar to the previous embodiment, the inclined surface B is a surface different from the c-plane, and the In composition ratio is high in this portion.
[0024]
The first semiconductor laser LD1 includes an Si-doped n-type AlGaN cladding layer 2a, an n-type GaN optical waveguide layer 3a, an InGaN active layer (multiple quantum well layer) 4a, and p-type GaN on the buffer layer 12 of the semiconductor substrate 1. The optical waveguide layer 5a and the Mg-doped p-type cladding layer 6a are sequentially laminated. The second semiconductor laser LD2 includes an n-type AlGaN cladding layer 2b, an n-type GaN optical waveguide layer 3b, an InGaN active layer (multiple quantum well layer) 4b, and a p-type GaN optical waveguide layer on the buffer layer 12 of the semiconductor substrate 1. 5b and a p-type cladding layer 6b are sequentially stacked.
[0025]
As in the previous embodiment, n-type AlGaN cladding layers 2a and 2b, n-type GaN optical waveguide layers 3a and 3b, InGaN active layers (multiple quantum well layers) 4a and 4b, and p-type GaN optical waveguide layers 5a and 5b. The p-type cladding layers 6a and 6b are crystal-grown at the same time, and are separated by forming a groove 13 reaching the buffer layer 12 after element formation. In the semiconductor laser LD1, the upper surface of the n-type cladding layer 2a is formed with the same plane A as the main surface (c-plane) of the buffer layer 12, and the light emitting layer is formed thereon, whereas in the semiconductor laser LD2, The upper surface of the n-type cladding layer 2b is formed with two planes A1 and A2 and an inclined surface B connecting them, and the light emitting layer formed thereon has a similar bent structure.
[0026]
On the surfaces of the p-type cladding layers 6a and 6b of the semiconductor lasers LD1 and LD2, p-type GaN contact layers 7a and 7b are formed, and p-side electrodes 8a and 8b are formed respectively. The p-type contact layers 7a and 7b and the underlying cladding layers 7a and 7b are mesa-etched for current confinement and lateral light confinement. A common n-side electrode 9 is formed on the back surface of the substrate 1. Each of the semiconductor lasers LD1 and LD2 separated by the groove 13 is covered with a passivation film 14 made of an insulating film such as ZrO2.
[0027]
Also in this embodiment, the InGaN active layer 4a of the laser LD1 grown on the plane A and the InGaN active layer 4b of the laser LD2 grown on the inclined surface B have different In composition ratios. Specifically, the fact that the In composition ratio of the InGaN active layer 4b of the laser LD2 grown on the inclined surface B is increased is utilized. As a result, the semiconductor laser LD2 can oscillate at a longer wavelength than the semiconductor laser LD1.
[0028]
Although a specific manufacturing process is omitted, it is basically the same as the previous embodiment. In the case of this embodiment, an oscillation threshold value of 20 mA was obtained for the second laser LD2 with respect to the oscillation threshold value of 35 mA of the first laser LD1, and single transverse mode oscillation was observed. This is a result that the optical confinement effect and the current confinement effect are better than those of the previous embodiment due to the bent structure.
[0029]
In each of the above embodiments, the case where two semiconductor lasers having different wavelengths are formed on the same substrate has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, three or more semiconductor lasers can be integrated. In that case, if a plurality of inclined surfaces having different inclination angles are formed, lasers with three or more oscillation wavelengths can be integrally formed. Further, the present invention is not limited to the semiconductor laser and can be similarly applied to a light emitting diode.
[0030]
Further, in the embodiment, the InGaN-based semiconductor laser uses the fact that the In composition ratio increases on the inclined surface, but other In-containing hexagonal crystals such as InGaAlN, InAlN, InGaBN, InBN, and InGaAlBN are used. The light emitting device having a nitride semiconductor light emitting layer can be applied with the same effect to a light emitting device having at least two light emitting layers made of hexagonal nitride semiconductor containing In at different composition ratios.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a semiconductor light emitting device in which light emitting elements having a plurality of wavelengths are monolithically formed can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a process until formation of an n-type cladding layer according to the same embodiment;
FIG. 3 is a diagram showing a process of forming an inclined surface of the n-type cladding layer of the same embodiment.
4 is a diagram showing a process until formation of a p-type contact layer according to the embodiment. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a p-side electrode formation and mesa etching process according to the same embodiment;
FIG. 6 is a diagram showing an element isolation groove forming step according to the same embodiment;
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the inclination angle of the growth inclined surface of the InGaN layer and the In composition ratio.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship of hexagonal crystal planes.
FIG. 9 is a view for explaining another method of forming an inclined surface.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
LD1, LD2 ... semiconductor laser, 1 ... semiconductor substrate, 11 ... n-type GaN substrate, 12 ... n-type GaN buffer layer, 2a, 2b ... n-type AlGaN cladding layer, 3a, 3b ... n-type GaN optical waveguide layer, 4a, 4b ... InGaN active layer, 5a, 5b ... p-type GaN optical waveguide layer, 6a, 6b ... p-type AlGaN cladding layer, 7a, 7b ... p-type contact layer, 8a, 8b ... p-side electrode, 9 ... n-side electrode, 13 ... groove, 14 ... passivation film. A: plane, B: inclined surface.

Claims (7)

半導体基板と、
この半導体基板の主面に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもって形成された六方晶窒化物からなる半導体層と、
この半導体層の前記平面上及び傾斜面上にそれぞれ形成されてInを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる第1及び第2の発光層と、
前記平面と前記傾斜面とを分離するように前記第1及び第2の発光層及び前記半導体層に形成された分離溝と
を有することを特徴とする半導体発光装置。
A semiconductor substrate;
A semiconductor layer made of hexagonal nitride formed on the main surface of the semiconductor substrate with a plane parallel to the main surface and an inclined surface inclined from the main surface;
First and second light-emitting layers made of hexagonal nitride semiconductors formed on the plane and the inclined surface of the semiconductor layer and containing In at different composition ratios;
A semiconductor light emitting device comprising: the first and second light emitting layers and a separation groove formed in the semiconductor layer so as to separate the flat surface and the inclined surface .
前記半導体基板の主面はc面であり、前記半導体層の傾斜面は、c軸とR軸とが作る平面に対して垂直で且つc面とのなす角が30度以上である面及び、c軸とa軸とが作る平面に対して垂直で且つc面とのなす角が30度以上である面のいずれか一方である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光装置。
The main surface of the semiconductor substrate is a c-plane, and the inclined surface of the semiconductor layer is perpendicular to the plane formed by the c-axis and the R-axis, and the angle formed by the c-plane is 30 degrees or more; 2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is any one of surfaces that are perpendicular to a plane formed by the c-axis and the a-axis and have an angle of 30 degrees or more with the c-plane.
前記半導体基板の主面はc面であり、前記半導体層の傾斜面は、R面である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光装置。
The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein a main surface of the semiconductor substrate is a c-plane, and an inclined surface of the semiconductor layer is an R-plane.
前記第1及び第2の発光層は、前記傾斜面に形成された第2の発光層のIn組成比が前記平面に形成された前記第1の発光層のそれより高いことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体発光装置。  The first and second light emitting layers are characterized in that the In composition ratio of the second light emitting layer formed on the inclined surface is higher than that of the first light emitting layer formed on the plane. Item 4. The semiconductor light-emitting device according to any one of Items 1 to 3. 前記傾斜面は、前記第2の発光層が形成される領域の前記半導体層をエッチングして形成される請求項1記載の半導体発光装置。The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the inclined surface is formed by etching the semiconductor layer in a region where the second light emitting layer is formed. 半導体基板の主面上に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもつように六方晶窒化物からなる半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の前記平面上及び傾斜面上にそれぞれ、Inを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる第1及び第2の発光層を同時に形成する工程と、
前記平面と前記傾斜面とを分離するように前記第1及び第2の発光層及び前記半導体層に分離溝を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
Forming a semiconductor layer made of hexagonal nitride on the main surface of the semiconductor substrate so as to have a plane parallel to the main surface and an inclined surface inclined from the main surface;
Simultaneously forming first and second light-emitting layers made of hexagonal nitride semiconductor containing In at different composition ratios on the planar surface and the inclined surface of the semiconductor layer, respectively.
Forming a separation groove in the first and second light-emitting layers and the semiconductor layer so as to separate the flat surface and the inclined surface. .
前記平面上に形成された前記第1の発光層よりも、前記傾斜面上に形成された前記第2の発光層の方が高いIn組成比を有する請求項6記載の半導体発光装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the second light emitting layer formed on the inclined surface has a higher In composition ratio than the first light emitting layer formed on the plane. .
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