JP3710884B2

JP3710884B2 - レーザダイオード

Info

Publication number: JP3710884B2
Application number: JP20974596A
Authority: JP
Inventors: 淳市原; 幸男尺田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2016-08-08
Also published as: JPH1056235A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、第１クラッド層、発光層、および第２クラッド層から構成される積層部が形成されているレーザダイオード、特に青色の光を発光することのできるレーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、赤外線、あるいは近赤外線を発振する半導体レーザが様々な用途に利用されている。たとえば、赤外線半導体レーザは、コンパクトディスクやレーザーディスクの光ピックアップとして、または講演などにおいてスライド画面に光点を映して指示棒の役割をするレーザーポインターとして利用されている。また、近赤外線半導体レーザは、バーコードの読み取りを行うバーコードリーダーとして利用されている。
【０００３】
現在、高品位テレビ（ＨＤＴＶ）の実現に向けて光ディスクの記録密度の高密度化が要求されている。このため、赤外線、あるいは近赤外線を発振する半導体レーザよりも波長の短いレーザ光を発振できる半導体レーザの開発が欲されている。特に、４００ｎｍ〜４３０ｎｍの波長のレーザ光を発振することのできる半導体レーザは、現状において使用されている光ディスクの材料、レンズ系などがそのまま使用できるので有望視されており、その早期実用化が望まれている。
【０００４】
そこで、図９に示すような窒化物系の半導体を利用した半導体レーザ１が提案されている。上記半導体レーザ１は、基本的には、サファイヤ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる絶縁基板１０上にｎ型半導体層２、発光層３、およびｐ型半導体層４から構成される積層部が形成されている。上記ｎ型半導体層２は、ｎ型ＧａＮ層２０およびｎ型ＡｌＧａＮ層２１などを備えており、上記ｐ型半導体層４は、ｐ型ＧａＮ層４１およびｐ型ＡｌＧａＮ層４０などを備えている。
【０００５】
さらに、上記積層部８の一部がエッチングによりｎ型ＧａＮ層２０の表面部分まで除去されており、この層２０の表面部分にＮ側の電極パッド５０が形成されている。これに対して、上記積層部８の非排除部分の最上層であるｐ型ＧａＮ層４１の表面部分にＰ側の電極パッド５が形成されている。
【０００６】
上記発光層４は、上記ｎ型半導体層２および上記ｐ型半導体層４よりも屈折率の高いＩｎＧａＮ層３により形成されており、上記ｐ型半導体層４は比較的バンドギャップエネルギー差の大きい材料により形成されている。このように、上記構成の半導体レーザ１においては、この半導体レーザ１に対して電圧の印加が行われ、発光層３内での電子と正孔との再結合によって光（レーザ光）が生じた場合に、発光層３内で生じた光を有効に発光層３内に閉じ込めておき、効率よく光を上記発光層３内において増幅させることができるように工夫されている。そして、上記発光層３内において増幅された光は、図中の矢印方向に発振する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記発光層において生じた光は、上記発光層から上記ｎ型半導体層および上記ｐ型半導体層にしみだしてしまうことがある。そのため、上記発光層からしみだした光を上記ｎ型半導体層および上記ｐ型半導体層において反射させ、上記発光層内に戻すことにより上記発光層内で生じた光を有効に利用するために、上記ｎ型半導体層および上記ｐ型半導体層の厚みを大きくしなければならない。ところが、所定の厚みをもって上記ｎ型半導体層の抵抗値を小さくすることは比較的容易であるが、ｐ型半導体層、たとえば比較的バンドギャップエネルギー差の大きい窒化物系のｐ型半導体層においては、その抵抗値を小さくすることは困難である。
【０００８】
そのため、上記のような構成の半導体レーザにおいてレーザ光を発振させるためには、２０〜３０Ｖ程度の高電圧の印加が必要となり、半導体レーザからの発熱量、特に抵抗値の低減が困難なｐ型半導体層やこの層の下に位置する発光層での発熱量が大きくなってしまう。この大きな発熱量の発生にともない、上記半導体レーザの温度が上昇し、上記半導体レーザからレーザ光が発振されなくなったり、上記半導体レーザの寿命が短くなるといった不具合が生じる。また、上記のような構成の半導体レーザにおいては低電圧駆動が困難であるので、４００ｎｍ〜４３０ｎｍの波長のレーザ光を発振することのできる半導体レーザを実用化することは困難である。
【０００９】
本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、低電圧駆動が可能であり、４００ｎｍ〜４３０ｎｍの波長の青色のレーザ光を発振することのできるレーザダイオードを提供することをその課題とする。
【００１０】
【発明の開示】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１１】
すなわち、本願発明の第１の側面によれば、第１クラッド層、発光層、および第２クラッド層から構成される積層部を含むレーザダイオードであって、上記第２クラッド層は、上記発光層上に積層されたｐ型半導体層と、上記ｐ型半導体層上の所定位置に形成されており、かつその厚みが上記発光層から発振される光の波長の１／１０以下である金属層と、上記金属層を覆うようにして上記ｐ型半導体層および上記金属層上に積層されたｎ型半導体層と、を備えたことを特徴とする、レーザダイオードが提供される。
【００１２】
本願発明の第２の側面によれば、第１クラッド層、発光層、および第２クラッド層から構成される積層部を含むレーザダイオードであって、上記第２クラッド層は、ｐ型半導体層と、金属層と、第１および第２ｎ型半導体層と、を備えて構成されており、上記ｐ型半導体層を上記発光層上に積層し、さらに上記第１ｎ型半導体層を積層し、上記ｐ型半導体層の適部が露出するように上記第１ｎ型半導体層にエッチング加工を施した状態において、露出させられたｐ型半導体層およびエッチング加工が施された第１ｎ型半導体層を覆うようにしてその厚みが上記発光層から発振される光の波長の１／１０以下である金属層が形成されているとともに、上記金属層上には上記第２ｎ型半導体層が積層されていることを特徴とする、レーザダイオードが提供される。
【００１３】
通常、上記いずれの側面においても、積層部の一部がエッチングによりｎ型ＧａＮ層の表面部分まで除去されて、この層の表面部分にＮ側の電極パッドが形成され、これに対して上記積層部の最上部にはＰ側の電極パッドが形成されている。
【００１４】
本願発明の第１の側面に係るレーザダイオードは、上記第２クラッド層において、上記ｐ型半導体層と上記ｎ型半導体層との間に金属層を介在させることにより、上記ｐ型半導体層と上記金属層と、および上記ｎ型半導体層と上記金属層とが各々電気的にコンタクトをとれるように構成されている。すなわち、上記レーザダイオードに電圧が印加された場合には、上記ｐ型半導体層と上記金属層との接触部分に電流が流れ得るのである。また、本願発明の第２の側面に係るレーザダイオードにおいても、上記第２クラッド層では、上記ｐ型半導体層と上記金属層と、および上記第２ｎ型半導体層と上記金属層とが各々電気的にコンタクトをとれるように構成されており、上記ｐ型半導体層と上記金属層との接触部分に電流が流れ得るのである。
【００１５】
このように構成されたレーザダイオードにおいては、上記第２クラッド層に抵抗値の低減の容易なｎ型半導体層が備えられているので、上記発光層からしみだした光を上記第２クラッド層のｎ型半導体層およびｐ型半導体層において反射させ、この光を上記発光層内に戻すことにより上記発光層内で生じた光を有効に利用することができる厚みを有した状態で上記第２クラッド層全体の抵抗値を低減することができる。このことにより、上記構成のレーザダイオードにおいてレーザ光を発振させるための印加電圧を、従来に比べて格段に低くするこができる。したがって、上記レーザダイオードの低電圧駆動が可能になるとともに、上記レーザダイオードからの発熱量、特に第２クラッド層のｐ型半導体層やこの層の下に位置する発光層での発熱量を低減することができる。これにともない、上記レーザダイオードの温度が上昇し、上記レーザダイオードからレーザ光が発振されなくなるといった事態を回避することができる。
【００１６】
上記いずれの側面においても、好ましい実施形態においては、上記金属層は、ＡｕまたはＡｕ合金、あるいはＣｕまたはＣｕ合金により形成されており、上記金属層の厚みは、５０Å以下である。
【００１７】
上記金属層は、上記構成のレーザダイオードの発光層において生じる光に対する透過性が高いＡｕまたはＡｕ合金、あるいはＣｕまたはＣｕ合金によって形成されているとともに、その膜厚が極めて薄く形成されいるので、上記発光層からしみだした光をほとんど吸収することなく上記第２クラッド層のｎ型半導体層およびｐ型半導体層においてその大部分を反射させることができる。そして、反射した光を上記発光層内に戻すことにより上記発光層内で生じた光を有効に利用し、上記レーザダイオードからレーザ光を発振することができる。
【００１８】
上記いずれの側面においても、好ましい他の実施形態においては、上記発光層から発振される光の波長は、５５０ｎｍ以下、好ましくは４００ｎｍ〜４２０ｎｍである。すなわち、本願発明に係るレーザダイオードは、青色のレーザ光を発振することのできるレーザダイオードである。
【００１９】
本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【００２１】
図１は、本願発明の第１の実施形態に係るレーザダイオード１５の斜視図であり、図２は、その正面図である。上記レーザダイオード１５は、基本的には、サファイヤ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる絶縁基板１０上にバッファ層１１を介して第１クラッド層２’、発光層３０、および第２クラッド層４’から構成される積層部８’が形成されている。
【００２２】
上記第１クラッド層２’は、Ｓｉなどが添加されてｎ型半導体化されたｎ型ＧａＮ層および／またはｎ型ＡｌＧａＮ層などの窒化ガリウム系化合物半導体層であり、上記第２クラッド層４’は、Ｍｇなどが添加されてｐ型半導体化されたｐ型ＡｌＧａＮ層４２、このｐ型ＡｌＧａＮ層４２の表面を帯状に延びる金属層６、およびｎ型半導体層４３などを備えている。
【００２３】
上記ｎ型半導体層４３は、たとえばｎ型ＧａＮ層またはｎ型Ｉｎ₂Ｏ₃層などからなり、上記金属層６は、ＡｕまたはＡｕ合金、あるいはＣｕまたはＣｕ合金によって形成されている。
【００２４】
上記発光層３０は、上記第１クラッド層２’および上記第２クラッド層４’よりも屈折率の高いＩｎＧａＮにより形成されている。
【００２５】
さらに、積層部８’の一部がエッチングにより第１クラッド層２’の表面部分まで除去されており、この層２’の表面部分にＮ側の電極パッド５２が形成されている。これに対して、上記積層部８’の非排除部分の最上層であるｐ型半導体層４３の表面部分にＰ側の電極パッド５１が形成されている。
【００２６】
このようなレーザダイオード１５は、以下のようにして形成される。
【００２７】
先ず、図３（ａ）に示すように、サファイヤ絶縁基板１０上に有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってＩｎＧａＮを成長させてバッファ層１１を形成し、ＧａＮおよびＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物を上記バッファ層１１上に各々成長させてｎ型半導体層である第１クラッド層２’を形成する。さらに、上記第１クラッド層２’上にＭＯＣＶＤ法によってＩｎＧａＮを成長させて発光層３０を形成し、ＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物を上記発光層３０上に成長させてｐ型半導体層４２を形成させる。なお、上記各層の厚みは、バッファ層１１、第１クラッド層２’、発光層３０、ｐ型半導体層それぞれ１００〜２０００Å、１〜３μｍ、１００〜２０００Å、０．０５〜０．３μｍに設定される。
【００２８】
続いて、図３（ｂ）〜（ｅ）に示す順序で、上記ｐ型半導体層４２の表面に帯状に延びるように金属層６を形成する。先ず、図３（ｂ）に示すように、上記ｐ型半導体層上にフォトレジスト層７を形成させる。次いで、図３（ｃ）に示すように、上記フォトレジスト層７の適部を露光、現像し、上記ｐ型半導体層４２の表面を帯状に延びるようにして露出させる。さらに、図３（ｄ）に示すように、露光、現像により露出させられた部分４４および上記ｐ型半導体層４２の表面に金属を蒸着させることにより金属層６，６０を形成する。なお、この工程は、露光、現像により露出させられた部分４４および上記ｐ型半導体層４２の表面に金属イオンを注入することによりこれらの表面を金属化させて上記金属層６，６０を形成してもよい。続いて、図３（ｅ）に示すように、アセトンなどの有機溶媒を用いて上記レジスト層７を取り除き、上記ｐ型半導体層４２の表面に帯状に延びるように金属層６を形成する。なお、上記金属層６の厚みは、１０〜１００Åに設定される。
【００２９】
次に、図４に示すように、上記金属層６を覆うようにして上記金属層６および上記ｐ型半導体層４２上にｎ型半導体層４３を形成させる。このｎ型半導体層は、ＭＯＣＶＤ法によって上記金属層６および上記ｐ型半導体層上に、たとえばＧａＮを成長させることにより形成される。あるいは、スパッタなどにより、Ｉｎ₂Ｏ₃などの透明導電膜を形成してもよい。なお、上記ｎ型半導体層４３の厚みは、１〜３μｍに設定される。
【００３０】
続いて、図４に点線で示した部分をＡｒイオンやＣｌ₂ガスを用いたドライエッチングにより上記第１クラッド層２’を露出させる。そして、露出させられた第１クラッド層２’の表面部分にＮ側の電極パッド５２を形成し、これに対して、上記積層部４’の非排除部分の最上層であるｎ型半導体層４３の表面部分にＰ側の電極パッド５１を形成する。上記各々の電極パッド５３，５３はＴｉおよびＡｌによって形成されている。具体的には、上記露出させられた第１クラッド層２’の表面部分および上記積層部４’の非排除部分の最上層であるｎ型半導体層４３の表面部分に蒸着またはスパッタリングによってＴｉ層を形成させ、さらに同様の方法によってＡｌ層を積層することにより形成される。そして、上記レーザダイオード１５を５００℃程度でアニール処理し、上記各層の結晶構造を安定化させる。
【００３１】
このようにして形成されたレーザダイオード１５は、上記第２クラッド層４’において、上記ｐ型半導体層と上記ｎ型半導体層との間に金属層を介在させることにより、上記ｐ型半導体層４２と上記金属層６と、および上記ｎ型半導体層４３と上記金属層６とが各々電気的にコンタクトをとれるように構成されている。すなわち、上記レーザダイオード１５に電圧が印加された場合には、上記ｐ型半導体層４２と上記金属層６との接触部分に電流が流れ得るのである。
【００３２】
本実施形態においては、上記第２クラッド層４’に抵抗値の低減の容易なｎ型半導体層４３が備えられているので、上記発光層３０からしみだした光を上記ｎ型半導体層４３および上記ｐ型半導体層４２において反射させ、上記発光層３０内に戻すことにより上記発光層３０内で生じた光を有効に利用することができる厚みを有した状態で上記第２クラッド層４’全体の抵抗値を低減することができる。このことにより、上記構成のレーザダイオード１５においてレーザ光を発振させるための印加電圧を、従来に比べて格段に低くするこができる。したがって、上記レーザダイオード１５の低電圧駆動が可能となるとともに、上記レーザダイオード１５からの発熱量、特にｐ型半導体層４２やこの層４２の下に位置する発光層３０での発熱量を低減することができる。これにともない、上記レーザダイオード１５の温度が上昇し、上記レーザダイオード１５からレーザ光が発振されなくなるといった事態を回避することができる。
【００３３】
また、上記金属層６は、上記構成のレーザダイオード１５において生じる光に対する透過性が大きいＡｕまたはＡｕ合金、あるいはＣｕまたはＣｕ合金によって形成されているとともに、その膜厚が極めて薄く形成されいるので、上記発光層３０からしみだした光をほとんど吸収することなく上記ｎ型半導体層４３および上記ｐ型半導体層４２において反射させ、上記発光層３０内に戻すことにより上記発光層３０内で生じた光を有効に利用し、上記レーザダイオード１５から図１に矢印で示された方向にレーザ光を発振することができる。
【００３４】
図５は、本願発明の第２の実施形態に係るレーザダイオード１５の斜視図であり、図６は、その正面図である。本実施形態は、サファイヤ（Ａｌ₂Ｏ₃）絶縁基板１０上にバッファ層１１を介して第１クラッド層２’、発光層３０、および第２クラッド層４’から構成される積層部８’が形成されている点においては第１の実施形態と同様であるが、上記第２クラッド層４’の構成が上記した第１の実施形態とは異なる。
【００３５】
本実施形態に係るレーザダイオード１５は、図７（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様にしてサファイヤ絶縁基板１０上に有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってＧａＮを成長させてバッファ層１１、ＧａＮおよびＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物を上記バッファ層１１上に各々成長させて第１クラッド層２’、上記第１クラッド層２’上にＩｎＧａＮを成長させて発光層３０、そしてＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物を上記発光層３０上に成長させてｐ型半導体層４２が各々形成されている。なお、上記各層の厚みは、第１の実施形態と同様の厚みに設定される。
【００３６】
図７（ｂ）に示すように、このｐ型半導体層４２上には、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮを成長させてｎ型半導体層４５が形成される。そして、図７（ｃ）に示すように、上記ｐ型半導体層４２の表面が帯状に露出するようにしてｎ型半導体層４５にＡｒイオンやＣｌ₂ガスなどを用いてドライエッチング処理を施し、図７（ｄ）に示すように、上記ｎ型半導体層４５および露出したｐ型半導体層４２の表面に金属を蒸着することにより金属層６１が形成されている。なお、金属層６１の形成工程は、第１の実施形態において説明した金属イオンの注入により行ってもよい。
【００３７】
図８に示すように、上記金属層６１の表面には、ＭＯＣＶＤ法により、たとえばＩｎ₂Ｏ₃などのｎ型半導体層４６が形成されている。そして、上記した第１の実施形態と同様に、図８に点線で示した部分をＡｒイオンやＣｌ₂ガスなどを用いてドライエッチングを行うことにより上記第１クラッド層２’を露出させ、露出させられた第１クラッド層２’の表面部分にＮ側の電極パッド５２を形成する。これに対して、上記積層部４’の非排除部分の最上層であるｎ型半導体層４３の表面部分にＰ側の電極パッド５１を形成する。なお、上記各電極５１，５２は、第１の実施形態と同様の方法により形成される。
【００３８】
このようにして形成されてたレーザダイオードは、上記した第１の実施形態の効果と同様の効果を享受できる。
【００３９】
もちろん、本願発明は様々に設計変更可能である。本願発明の要点とするところは、サファイヤ絶縁基板上に形成された積層部の第２クラッド層をｐ型半導体層およびｎ型半導体層によって形成し、これらの半導体の間に金属層を介在させた点である。したがって、上述した各層の成分は、上記第１および第２の実施形態に示された成分には限定されない。たとえば、各半導体層は、ＧａＮ系ではなくＺｎＳｅ系であっても本願発明の適応範囲であるのはいうまでもない。また、半導体層の数も設計事項であり、その他、各層の厚みも上記第１および第２の実施形態に示された数値には限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第１の実施形態に係るレーザダイオードの斜視図である。
【図２】本願発明の第１の実施形態に係るレーザダイオードの正面図である。
【図３】金属層を形成させるための工程を説明するための図である。
【図４】金属層上にｎ型半導体層を形成させた状態の図である。
【図５】本願発明の第２の実施形態に係るレーザダイオードの斜視図である。
【図６】本願発明の第２の実施形態に係るレーザダイオードの正面図である。
【図７】金属層を形成させるための工程を説明するための図である。
【図８】金属層上にｎ型半導体層を形成させた状態の図である。
【図９】従来例の説明図である。
【符号の説明】
２’ 第１クラッド層
４’ 第２クラッド層
６金属層（第１の実施形態における）
８’ 積層部
１５レーザダイオード
３０発光層
４２ｐ型半導体層
４３ｎ型半導体層（第１の実施形態における）
４５第１ｎ型半導体層（第２の実施形態における）
４６第２ｎ型半導体層（第２の実施形態における）
６１金属層（第２の実施形態における）

Claims

第１クラッド層、発光層、および第２クラッド層から構成される積層部を含むレーザダイオードであって、
上記第２クラッド層は、上記発光層上に積層されたｐ型半導体層と、上記ｐ型半導体層上の所定位置に形成されており、かつその厚みが上記発光層から発振される光の波長の１／１０以下である金属層と、上記金属層を覆うようにして上記ｐ型半導体層および上記金属層上に積層されたｎ型半導体層と、を備えたことを特徴とする、レーザダイオード。
第１クラッド層、発光層、および第２クラッド層から構成される積層部を含むレーザダイオードであって、
上記第２クラッド層は、ｐ型半導体層と、金属層と、第１および第２ｎ型半導体層と、を備えて構成されており、
上記ｐ型半導体層を上記発光層上に積層し、さらに上記第１ｎ型半導体層を積層し、上記ｐ型半導体層の適部が露出するように上記第１ｎ型半導体層にエッチング加工を施した状態において、露出させられたｐ型半導体層およびエッチング加工が施された第１ｎ型半導体層を覆うようにしてその厚みが上記発光層から発振される光の波長の１／１０以下である金属層が形成されているとともに、上記金属層上には上記第２ｎ型半導体層が積層されていることを特徴とする、レーザダイオード。
上記金属層は、ＡｕまたはＡｕ合金、あるいはＣｕまたはＣｕ合金により形成されている、請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
上記金属層の厚みは、５０Å以下である、請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
上記発光層から発振される光の波長は、５５０ｎｍ以下、好ましくは４００ｎｍ〜４３０ｎｍである、請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。