JP3735638B2 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザおよびその製造方法に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたリッジ構造の半導体レーザに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われている。書き込み型光ディスクの実現には、少なくとも２０ｍＷ以上の光出力が必要であるが、中村らのグループはこの材料系を用いたハイパワーレーザの作製に関して報告している（Appl.Phys.Lett.,72(1998)2014, Jpn.J.Appl.Phys.,37(1998)L627)。この半導体レーザはリッジ形状のストライプを有し、そのリッジ側面はＳｉＯ2 膜などの絶縁膜で保護されており、ｐ側電極はリッジ上面のｐ型コンタクト層部分にのみ接触するような構造となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の報告の半導体レーザでは、光出力−電流特性にキンクがあり、また、通電直後からの電流の上昇が見られており、実用上問題がある。このキンクは光出力の増大とともに、高次モードでの発振が起こっていることを示しており、その抑制のためには、リッジ部とリッジ外部との屈折率差を下げるか、あるいはストライプ幅を狭くする必要がある。しかしながら、この場合、リッジ外部は屈折率の小さいＳｉＯ2 あるいは空気であるため、屈折率差を変化させることは容易ではない。また、ストライプ幅を狭くすることはプロセス上の困難を伴う。
【０００４】
一方、通電直後からの電流の上昇は、活性層の熱的な劣化によって引き起こされていると考えられる。これを抑制するためには、活性層で発生した熱を有効に外部に逃すことが必要であるが、この半導体レーザの構造は、リッジ上面のｐ型コンタクト層表面以外の部分は、熱伝導の悪いＳｉＯ2 で覆われているため、熱を逃しにくい。
【０００５】
したがって、この発明の目的は、安定に横モードを制御して高出力時の高次モード発振を抑制することができ、しかも熱放散性に優れた半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の第１の発明は、
リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
リッジ形状のストライプはＡｌＧａＮクラッド層に設けられており、
リッジ形状のストライプの両側の部分が、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれており、
リッジ形状のストライプおよびその両側の埋め込み半導体層の上に延在して電極が設けられている
ことを特徴とするものである。
【０００８】
この発明の第２の発明は、
リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
リッジ形状のストライプはＡｌＧａＮクラッド層に設けられており、
リッジ形状のストライプの両側の部分が、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれており、リッジ形状のストライプおよびその両側の埋め込み半導体層の上に延在して電極が設けられている
ことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明の第３の発明は、
リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、
ＡｌＧａＮクラッド層にリッジ形状のストライプを形成する工程と、
リッジ形状のストライプの両側の部分にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層を成長させて埋め込む工程と、
リッジ形状のストライプおよびその両側の埋め込み半導体層の上に延在するように電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００１１】
この発明の第４の発明は、
リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、
ＡｌＧａＮクラッド層にリッジ形状のストライプを形成する工程と、
リッジ形状のストライプの両側の部分に（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層を成長させて埋め込む工程と、
リッジ形状のストライプおよびその両側の埋め込み半導体層の上に延在するように電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００１９】
この発明において、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層およびＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層は、典型的には、いずれも［１１１］方向に配向している。これらの埋め込み半導体層の成長には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などを用いることができるが、リッジ形状のストライプの両側の部分または凸部の周囲の部分に埋め込み半導体層を選択成長させる場合には、好適には有機金属化学気相成長法が用いられる。有機金属化学気相成長法を用いて成長を行う場合、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長温度は典型的には６００〜９００℃、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長温度は典型的には５００〜８００℃、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長温度は典型的には３００〜６００℃である。また、特に、半導体レーザの製造においては、活性層の材料としてＩｎＧａＮ系の材料を用いる場合には、活性層の熱的劣化を抑制する観点から、好適には、埋め込み半導体層の成長温度は活性層の成長温度よりも低くする。
【００２０】
この発明において、半導体レーザまたは半導体装置の製造工程を簡略化し、製造を容易にする観点からは、好適にはリッジ形状のストライプの両側の部分または凸部の周囲の部分に埋め込み半導体層が選択成長されるが、必ずしも選択成長させる必要はない。すなわち、リッジ形状のストライプまたは凸部を形成し、これらのリッジ形状のストライプまたは凸部を覆うように埋め込み半導体層を基板全面に成長させた後、リッジ形状のストライプまたは凸部の上の部分の埋め込み半導体層をエッチングなどにより除去するようにしてもよい。
【００２１】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌからなる群より選ばれた少なくとも一種類のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によってさらにＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなる。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＮなどである。
【００２２】
上述のように構成されたこの発明による半導体レーザおよびその製造方法によれば、リッジ形状のストライプの両側の部分が、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれることにより、リッジ部からの熱の放散性が高くなるため、活性層の劣化が抑制され、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。
【００２３】
また、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層は、活性層からの発光を吸収することから、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなるため、横モードの安定化を図ることができ、高出力時の高次モード発振を抑制し、光出力−電流曲線におけるキンクをなくすことが可能となる。したがって、ストライプ幅を極端に狭くする必要がなく、容易に製造することができる。
【００２４】
また、特に、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長に有機金属化学気相成長法を用いた場合には、選択成長が可能であるため、容易に製造することが可能となる。
【００２５】
また、特に、活性層の成長温度よりも低い成長温度で埋め込み半導体層を成長させることにより、活性層の熱的劣化を抑制することができ、したがって長寿命の半導体レーザを製造することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態について説明する前に、埋め込み層による埋め込み特性および埋め込み層の結晶性の評価を行うために行った予備実験の結果について説明する。評価用の試料の作製方法を図１〜図３に示す。
【００２９】
すなわち、まず、図１に示すように、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１上にＭＯＣＶＤ法により例えば５２０℃程度の温度でアンドープのＧａＮバッファ層２を成長させた後、１０００℃の成長温度で、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層２上に、アンドープのＧａＮ層３、ｐ型ＡｌＧａＮ層４およびｐ型ＧａＮ層５を順次成長させる。これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｖ族元素であるＮの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素（Ｈ2 ）と窒素（Ｎ2 ）との混合ガスを用いる。ｐ型ドーパントとしては、例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００３０】
次に、ＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。次に、図２に示すように、ｐ型ＧａＮ層５の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．４μｍのＳｉＯ2 膜６を形成した後、このＳｉＯ2 膜６上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりＳｉＯ2 膜６をエッチングし、ストライプ形状とする。次に、ＳｉＯ2 膜６をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮ層４の厚さ方向の所定の深さまでエッチングを行うことによりリッジ部を形成する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【００３１】
次に、図３に示すように、再度ＭＯＣＶＤ法により、例えば成長温度を６７０℃として、ＧａＡｓ埋め込み層７を成長させて、リッジ部の両側の部分を埋め込む。
【００３２】
図４は、このようにしてＧａＡｓ埋め込み層７の成長を行ったときのリッジ部およびその近傍のＧａＡｓ埋め込み層７の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した写真を基にして図を描いたものである。図４から明らかなように、ＳｉＯ2 膜６上にはＧａＡｓは成長しておらず、選択成長が達成されている。また、電子線回折図形から、このＧａＡｓ埋め込み層７は［１１１］方向に配向した結晶であることが明らかとなった。
【００３３】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００３４】
図５はこの発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有するものである。
【００３５】
図５に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、例えば厚さが４００μｍのｃ面サファイア基板１１上に、アンドープのＧａＮバッファ層１２を介して、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、例えばアンドープＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６、ｐ型ＧａＮ光導波層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９が順次積層されている。
【００３６】
ＧａＮバッファ層１２は厚さが例えば３０ｎｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層１３は厚さが例えば４μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は厚さが例えば０．７μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。ｎ型ＧａＮ光導波層１５は厚さが例えば０．１μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。アンドープＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６は、例えば、井戸層の厚さが３ｎｍ、障壁層の厚さが４ｎｍである。
【００３７】
ｐ型ＧａＮ光導波層１７は厚さが例えば０．１μｍであり、ｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は例えば厚さが０．７μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は厚さが例えば０．３μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００３８】
ｎ型ＧａＮコンタクト層１３の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、活性層１６、ｐ型ＧａＮ光導波層１７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は所定幅のメサ形状を有する。また、このメサ部におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の上層部およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９には一方向に延在する所定幅のリッジ部が形成されている。このリッジ部の延在方向は例えば〈１１−２０〉方向であり、幅は例えば４μｍである。
【００３９】
このリッジ部の両側の部分には、例えばアンドープのＧａＡｓ埋め込み層２０が埋め込まれている。このＧａＡｓ埋め込み層２０は［１１１］方向に配向している。
【００４０】
リッジ部のｐ型ＧａＮコンタクト層１９およびその両側のＧａＡｓ埋め込み層２０上にｐ側電極２１が設けられている。このｐ側電極２１は、例えばＮｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層したＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造を有し、これらのＮｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。ここで、ＧａＡｓ埋め込み層２０は高抵抗であるため、ｐ側電極２１がｐ型ＧａＮコンタクト層１９およびＧａＡｓ埋め込み層２０の両方に接触しているにもかかわらず、電流はリッジストライプ部にのみ流れる。また、メサ部に隣接する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層１３上にｎ側電極２２が設けられている。このｎ側電極２２は、例えばＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層したＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ構造を有し、これらのＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。
【００４１】
次に、上述のように構成されたこの第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
【００４２】
このＧａＮ系半導体レーザを製造するには、まず、図６に示すように、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１１上にＭＯＣＶＤ法により例えば５２０℃程度の温度でアンドープのＧａＮバッファ層１２を成長させた後、基板温度を所定の成長温度に上昇させて、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層１２上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、例えばアンドープＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６、ｐ型ＧａＮ光導波層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９を順次成長させる。ここで、Ｉｎを含まない層であるｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、ｐ型ＧａＮ光導波層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９の成長温度は例えば１０００℃程度とし、Ｉｎを含む層であるＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６の成長温度は例えば８００℃とする。これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｖ族元素であるＮの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素（Ｈ2 ）と窒素（Ｎ2 ）との混合ガスを用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００４３】
次に、ＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。次に、図７に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．４μｍのＳｉＯ2 膜２３を形成した後、このＳｉＯ2 膜２３上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ2 膜２３をエッチングし、ストライプ形状とする。次に、ＳｉＯ2 膜２３をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の厚さ方向の所定の深さまでエッチングを行うことによりリッジ部を形成する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【００４４】
次に、図８に示すように、再度ＭＯＣＶＤ法により、成長温度を活性層１６の成長温度よりも低い温度、例えば６７０℃として、ＧａＡｓ埋め込み層２０を成長させて、リッジ部の両側の部分を埋め込む。この場合、ＳｉＯ2 膜２３上にはＧａＡｓは成長せず、リッジ部の両側の部分へのＧａＡｓ埋め込み層２０の選択成長が可能である。このＧａＡｓ埋め込み層２０の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、Ｖ族元素であるＡｓの原料としてはアルシン（ＡｓＨ3 ）を用いる。
【００４５】
次に、ＧａＡｓ埋め込み層２０を成長させたｃ面サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。次に、ＳｉＯ2 膜２３をエッチング除去した後、図９に示すように、上記と同様なプロセスで所定形状のＳｉＯ2 膜２４を基板表面に形成する。
【００４６】
次に、図１０に示すように、このＳｉＯ2 膜２４をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層１３が露出するまでエッチングを行うことにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、例えばアンドープＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６、ｐ型ＧａＮ光導波層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびＧａＡｓ埋め込み層２０をメサ形状にパターニングする。
【００４７】
次に、ＳｉＯ2 膜２４をエッチング除去する。次に、基板表面に所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、真空蒸着法などにより基板全面にＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上のＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、図１１に示すように、メサ部に隣接する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層１３上にｎ側電極２２が形成される。次に、ｎ側電極２２をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。同様なプロセスで、メサ部におけるｐ型ＧａＮコンタクト層１９およびその両側の部分のＧａＡｓ埋め込み層２０上にｐ側電極２１を形成する。次に、ｐ側電極２１をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００４８】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成されたｃ面サファイア基板１１を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらにこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。以上により、図５に示すように、目的とする埋め込みリッジ構造およびＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００４９】
図１２に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの光出力−電流特性および電圧−電流特性の測定結果の一例を示す。ただし、測定は５μｓｅｃ幅のパルス電流を１ｍｓｅｃ周期で印加することにより行った。図１２より、２８０ｍＡ程度の電流値から光出力が急速に立ち上がっており、レーザ発振が達成されていることがわかる。
【００５０】
以上のように、この第１の実施形態によれば、ＧａＡｓ埋め込み層２０でリッジを埋め込んでいることにより、ｐ側電極２１と下地半導体層との接触面積を広くすることができることから、動作時に発生する熱の放散性を高めることが可能であり、このため通電中の電流上昇を抑制して、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。また、ＧａＡｓ埋め込み層２０の成長温度を活性層１６の成長温度よりも低くしているので、ＧａＡｓ埋め込み層２０の成長時に活性層１６が熱的に悪影響を受けることがない。さらに、ＧａＡｓ埋め込み層２０のバンドギャップは活性層１６のそれよりも小さいので、このＧａＡｓ埋め込み層２０は光吸収層として機能する。このため、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなり、横モードが安定となることから、高出力時の高次モード発振を抑制することができる。
【００５１】
また、この第１の実施形態によれば、次のような利点を得ることもできる。すなわち、一般にＧａＮ系半導体の成長では、成長雰囲気中の水素により、成長層中のｐ型不純物（アクセプタ）が不活性化する問題があるため、ｐ型層の成長後に、窒素雰囲気中でポストアニールを行う必要がある。しかしながら、この第１の実施形態においては、ＧａＡｓ埋め込み層２０の成長中は、最表面がこのＧａＡｓ埋め込み層２０あるいはＳｉＯ2 膜２３となるため、成長雰囲気中の水素がｐ型層を直接アタックせず、かつ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９までの成長を行う１回目のエピタキシャル成長においてｐ型層に取り込まれた水素はこのＧａＡｓ埋め込み層２０あるいはＳｉＯ2 膜２３を通して脱離する可能性がある。このため、ポストアニールを行わないでも、ＧａＡｓ埋め込み層２０の成長中にｐ型層中のｐ型不純物を活性化させることが可能である。
【００５２】
図１３はこの発明の第２の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザもＳＣＨ構造を有するものである。
【００５３】
図１３に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジ部の両側の部分に、例えばＡｌ組成が５０％でアンドープのＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５が埋め込まれている。このＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５は［１１１］方向に配向している。その他のことは、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００５４】
また、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様である。なお、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、Ｖ族元素であるＡｓの原料としてはアルシン（ＡｓＨ3 ）を用いる。
【００５５】
この第２の実施形態によれば、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５でリッジを埋め込んでいることにより、第１の実施形態と同様に、ｐ側電極２１と下地半導体層との接触面積を広くすることができることから、動作時に発生する熱の放散性を高めることが可能であり、このため通電中の電流上昇を抑制して、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。また、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５の成長温度を活性層１６の成長温度よりも低くしているので、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５の成長時に活性層１６が熱的に悪影響を受けることがない。さらに、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５のバンドギャップは活性層１６のそれよりも小さいことによりこのＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５は光吸収層として機能するため、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなり、かつこのＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５のＡｌ組成を変化させることにより、リッジ部とリッジ外部との屈折率差を容易に制御することが可能であるので、高次モードでの発振を抑制することが可能である。ポストアニールを行わないでも、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５の成長中にｐ型層中のｐ型不純物を活性化させることが可能であることも、第１の実施形態と同様である。
【００５６】
図１４はこの発明の第３の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザもＳＣＨ構造を有するものである。
【００５７】
図１４に示すように、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジ部の両側の部分に、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６が埋め込まれている。ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。この（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６は［１１１］方向に配向している。その他のことは、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００５８】
また、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６を例えば５００〜８００℃の成長温度で成長させることを除いて、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様である。なお、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｖ族元素であるＰの原料としてはフォスフィン（ＰＨ3 ）を用いる。
【００５９】
この第３の実施形態によれば、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６でリッジを埋め込んでいることにより、第１の実施形態と同様に、ｐ側電極２１と下地半導体層との接触面積を広くすることができることから、動作時に発生する熱の放散性を高めることが可能であり、このため通電中の電流上昇を抑制して、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。また、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の成長温度を活性層１６の成長温度よりも低くしているので、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の成長時に活性層１６が熱的に悪影響を受けることがない。さらに、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６のバンドギャップは活性層１６のそれよりも小さいことによりこの（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６は光吸収層として機能するため、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなり、かつこの（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の組成を変化させることにより、リッジ部とリッジ外部との屈折率差を容易に制御することが可能であるので、高次モードでの発振を抑制することが可能である。ポストアニールを行わないでも、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の成長中にｐ型層中のｐ型不純物を活性化させることが可能であることも、第１の実施形態と同様である。
【００６０】
図１５はこの発明の第４の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザもＳＣＨ構造を有するものである。
【００６１】
図１５に示すように、この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジ部の両側の部分に、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７が埋め込まれている。ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。このＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７は［１１１］方向に配向している。その他のことは、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００６２】
また、この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７をＭＯＣＶＤ法により例えば３００〜６００℃の成長温度で成長させることを除いて、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様である。なお、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の成長原料は、例えば、ＩＩ族元素であるＺｎの原料としてはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ＩＩ族元素であるＭｇの原料としてはビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）、ＶＩ族元素であるＳの原料としてはジエチル硫黄（ＤＥＳ）、ＶＩ族元素であるＳｅの原料としてはジメチルセレン（ＤＭＳｅ）を用いる。
【００６３】
この第４の実施形態によれば、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７でリッジを埋め込んでいることにより、第１の実施形態と同様に、ｐ側電極２１と下地半導体層との接触面積を広くすることができることから、動作時に発生する熱の放散性を高めることが可能であり、このため通電中の電流上昇を抑制して、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。また、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の成長温度を活性層１６の成長温度よりも低くしているので、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の成長時に活性層１６が熱的に悪影響を受けることがない。さらに、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７のバンドギャップは活性層１６のそれよりも小さいことによりこのＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７は光吸収層として機能するため、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなり、かつこのＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の組成を変化させることにより、リッジ部とリッジ外部との屈折率差を容易に制御することが可能であるので、高次モードでの発振を抑制することが可能である。ポストアニールを行わないでも、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の成長中にｐ型層中のｐ型不純物を活性化させることが可能であることも、第１の実施形態と同様である。
【００６４】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６５】
例えば、上述の第１、第２、第３および第４の実施形態において挙げた数値、構造、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００６６】
また、上述の第１、第２、第３および第４の実施形態においては、リッジストライプの延びる方向をｃ面サファイア基板１の〈１１−２０〉方向にしているが、このリッジストライプの延びる方向は〈１−１００〉方向にしてもよい。
【００６７】
また、上述の第１、第２、第３および第４の実施形態においては、基板としてｃ面サファイア基板を用いているが、必要に応じて、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板などを用いてもよい。
【００６８】
さらに、上述の第１、第２、第３および第４の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、ＤＨ（Double Heterostructure）構造のＧａＮ系半導体レーザに適用してもよいことは勿論、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＦＥＴなどの電子走行素子に適用してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による半導体レーザによれば、リッジ形状のストライプの両側の部分が、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれているので、安定に横モードを制御して高出力時の高次モード発振を抑制することができ、しかも熱放散性に優れている。
【００７０】
この発明による半導体レーザの製造方法によれば、リッジ形状のストライプを形成し、このリッジ形状のストライプの両側の部分にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層を成長させて埋め込むことにより、上記のような半導体レーザを容易に製造することができる。また、特に、埋め込み半導体層を有機金属化学気相成長法により成長させることにより、選択成長が可能となるため、製造が容易となる。さらに、これらの埋め込み半導体層の成長温度を活性層の成長温度よりも低くすることにより、活性層の熱的劣化を抑制することができ、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】予備実験に用いた試料の作製方法を説明するための断面図である。
【図２】予備実験に用いた試料の作製方法を説明するための断面図である。
【図３】予備実験に用いた試料の作製方法を説明するための断面図である。
【図４】成長温度を６７０℃としてＧａＡｓ埋め込み層を成長させた場合のリッジ部およびその近傍のＧａＡｓ埋め込み層の断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す斜視図である。
【図６】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図８】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図９】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの光出力−電流特性および電圧−電流特性の測定結果の一例を示す略線図である。
【図１３】この発明の第２の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す斜視図である。
【図１４】この発明の第３の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＡｓ系半導体レーザを示す斜視図である。
【図１５】この発明の第４の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＡｓ系半導体レーザを示す斜視図である。
【符号の説明】
１、１１・・・ｃ面サファイア基板、１３・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、１４・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１５・・・ｎ型ＧａＮ光導波層、１６・・・活性層、１７・・・ｐ型ＧａＮ光導波層、１８・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１９・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、２０・・・ＧａＡｓ埋め込み層、２１・・・ｐ側電極、２２・・・ｎ側電極、２３、２４・・・ＳｉＯ2 膜、２５・・・ＡｌＧａＡｓ埋め込み層、２６・・・（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層、２７・・・Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザおよびその製造方法に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたリッジ構造の半導体レーザに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われている。書き込み型光ディスクの実現には、少なくとも２０ｍＷ以上の光出力が必要であるが、中村らのグループはこの材料系を用いたハイパワーレーザの作製に関して報告している（Appl.Phys.Lett.,72(1998)2014, Jpn.J.Appl.Phys.,37(1998)L627)。この半導体レーザはリッジ形状のストライプを有し、そのリッジ側面はＳｉＯ2 膜などの絶縁膜で保護されており、ｐ側電極はリッジ上面のｐ型コンタクト層部分にのみ接触するような構造となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の報告の半導体レーザでは、光出力−電流特性にキンクがあり、また、通電直後からの電流の上昇が見られており、実用上問題がある。このキンクは光出力の増大とともに、高次モードでの発振が起こっていることを示しており、その抑制のためには、リッジ部とリッジ外部との屈折率差を下げるか、あるいはストライプ幅を狭くする必要がある。しかしながら、この場合、リッジ外部は屈折率の小さいＳｉＯ2 あるいは空気であるため、屈折率差を変化させることは容易ではない。また、ストライプ幅を狭くすることはプロセス上の困難を伴う。
【０００４】
一方、通電直後からの電流の上昇は、活性層の熱的な劣化によって引き起こされていると考えられる。これを抑制するためには、活性層で発生した熱を有効に外部に逃すことが必要であるが、この半導体レーザの構造は、リッジ上面のｐ型コンタクト層表面以外の部分は、熱伝導の悪いＳｉＯ2 で覆われているため、熱を逃しにくい。
【０００５】
したがって、この発明の目的は、安定に横モードを制御して高出力時の高次モード発振を抑制することができ、しかも熱放散性に優れた半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の第１の発明は、
リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
リッジ形状のストライプはＡｌＧａＮクラッド層に設けられており、
リッジ形状のストライプの両側の部分が、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれており、
リッジ形状のストライプおよびその両側の埋め込み半導体層の上に延在して電極が設けられている
ことを特徴とするものである。
【０００８】
この発明の第２の発明は、
リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
リッジ形状のストライプはＡｌＧａＮクラッド層に設けられており、
リッジ形状のストライプの両側の部分が、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれており、リッジ形状のストライプおよびその両側の埋め込み半導体層の上に延在して電極が設けられている
ことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明の第３の発明は、
リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、
ＡｌＧａＮクラッド層にリッジ形状のストライプを形成する工程と、
リッジ形状のストライプの両側の部分にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層を成長させて埋め込む工程と、
リッジ形状のストライプおよびその両側の埋め込み半導体層の上に延在するように電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００１１】
この発明の第４の発明は、
リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、
ＡｌＧａＮクラッド層にリッジ形状のストライプを形成する工程と、
リッジ形状のストライプの両側の部分に（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層を成長させて埋め込む工程と、
リッジ形状のストライプおよびその両側の埋め込み半導体層の上に延在するように電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００１９】
この発明において、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層およびＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層は、典型的には、いずれも［１１１］方向に配向している。これらの埋め込み半導体層の成長には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などを用いることができるが、リッジ形状のストライプの両側の部分または凸部の周囲の部分に埋め込み半導体層を選択成長させる場合には、好適には有機金属化学気相成長法が用いられる。有機金属化学気相成長法を用いて成長を行う場合、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長温度は典型的には６００〜９００℃、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長温度は典型的には５００〜８００℃、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長温度は典型的には３００〜６００℃である。また、特に、半導体レーザの製造においては、活性層の材料としてＩｎＧａＮ系の材料を用いる場合には、活性層の熱的劣化を抑制する観点から、好適には、埋め込み半導体層の成長温度は活性層の成長温度よりも低くする。
【００２０】
この発明において、半導体レーザまたは半導体装置の製造工程を簡略化し、製造を容易にする観点からは、好適にはリッジ形状のストライプの両側の部分または凸部の周囲の部分に埋め込み半導体層が選択成長されるが、必ずしも選択成長させる必要はない。すなわち、リッジ形状のストライプまたは凸部を形成し、これらのリッジ形状のストライプまたは凸部を覆うように埋め込み半導体層を基板全面に成長させた後、リッジ形状のストライプまたは凸部の上の部分の埋め込み半導体層をエッチングなどにより除去するようにしてもよい。
【００２１】
この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌからなる群より選ばれた少なくとも一種類のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によってさらにＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなる。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＮなどである。
【００２２】
上述のように構成されたこの発明による半導体レーザおよびその製造方法によれば、リッジ形状のストライプの両側の部分が、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれることにより、リッジ部からの熱の放散性が高くなるため、活性層の劣化が抑制され、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。
【００２３】
また、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層は、活性層からの発光を吸収することから、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなるため、横モードの安定化を図ることができ、高出力時の高次モード発振を抑制し、光出力−電流曲線におけるキンクをなくすことが可能となる。したがって、ストライプ幅を極端に狭くする必要がなく、容易に製造することができる。
【００２４】
また、特に、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長に有機金属化学気相成長法を用いた場合には、選択成長が可能であるため、容易に製造することが可能となる。
【００２５】
また、特に、活性層の成長温度よりも低い成長温度で埋め込み半導体層を成長させることにより、活性層の熱的劣化を抑制することができ、したがって長寿命の半導体レーザを製造することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態について説明する前に、埋め込み層による埋め込み特性および埋め込み層の結晶性の評価を行うために行った予備実験の結果について説明する。評価用の試料の作製方法を図１〜図３に示す。
【００２９】
すなわち、まず、図１に示すように、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１上にＭＯＣＶＤ法により例えば５２０℃程度の温度でアンドープのＧａＮバッファ層２を成長させた後、１０００℃の成長温度で、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層２上に、アンドープのＧａＮ層３、ｐ型ＡｌＧａＮ層４およびｐ型ＧａＮ層５を順次成長させる。これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｖ族元素であるＮの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素（Ｈ2 ）と窒素（Ｎ2 ）との混合ガスを用いる。ｐ型ドーパントとしては、例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００３０】
次に、ＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。次に、図２に示すように、ｐ型ＧａＮ層５の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．４μｍのＳｉＯ2 膜６を形成した後、このＳｉＯ2 膜６上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりＳｉＯ2 膜６をエッチングし、ストライプ形状とする。次に、ＳｉＯ2 膜６をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮ層４の厚さ方向の所定の深さまでエッチングを行うことによりリッジ部を形成する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【００３１】
次に、図３に示すように、再度ＭＯＣＶＤ法により、例えば成長温度を６７０℃として、ＧａＡｓ埋め込み層７を成長させて、リッジ部の両側の部分を埋め込む。
【００３２】
図４は、このようにしてＧａＡｓ埋め込み層７の成長を行ったときのリッジ部およびその近傍のＧａＡｓ埋め込み層７の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した写真を基にして図を描いたものである。図４から明らかなように、ＳｉＯ2 膜６上にはＧａＡｓは成長しておらず、選択成長が達成されている。また、電子線回折図形から、このＧａＡｓ埋め込み層７は［１１１］方向に配向した結晶であることが明らかとなった。
【００３３】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００３４】
図５はこの発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有するものである。
【００３５】
図５に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、例えば厚さが４００μｍのｃ面サファイア基板１１上に、アンドープのＧａＮバッファ層１２を介して、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、例えばアンドープＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６、ｐ型ＧａＮ光導波層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９が順次積層されている。
【００３６】
ＧａＮバッファ層１２は厚さが例えば３０ｎｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層１３は厚さが例えば４μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は厚さが例えば０．７μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。ｎ型ＧａＮ光導波層１５は厚さが例えば０．１μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされている。アンドープＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６は、例えば、井戸層の厚さが３ｎｍ、障壁層の厚さが４ｎｍである。
【００３７】
ｐ型ＧａＮ光導波層１７は厚さが例えば０．１μｍであり、ｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は例えば厚さが０．７μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は厚さが例えば０．３μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００３８】
ｎ型ＧａＮコンタクト層１３の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、活性層１６、ｐ型ＧａＮ光導波層１７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は所定幅のメサ形状を有する。また、このメサ部におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の上層部およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９には一方向に延在する所定幅のリッジ部が形成されている。このリッジ部の延在方向は例えば〈１１−２０〉方向であり、幅は例えば４μｍである。
【００３９】
このリッジ部の両側の部分には、例えばアンドープのＧａＡｓ埋め込み層２０が埋め込まれている。このＧａＡｓ埋め込み層２０は［１１１］方向に配向している。
【００４０】
リッジ部のｐ型ＧａＮコンタクト層１９およびその両側のＧａＡｓ埋め込み層２０上にｐ側電極２１が設けられている。このｐ側電極２１は、例えばＮｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層したＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造を有し、これらのＮｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。ここで、ＧａＡｓ埋め込み層２０は高抵抗であるため、ｐ側電極２１がｐ型ＧａＮコンタクト層１９およびＧａＡｓ埋め込み層２０の両方に接触しているにもかかわらず、電流はリッジストライプ部にのみ流れる。また、メサ部に隣接する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層１３上にｎ側電極２２が設けられている。このｎ側電極２２は、例えばＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層したＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ構造を有し、これらのＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。
【００４１】
次に、上述のように構成されたこの第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
【００４２】
このＧａＮ系半導体レーザを製造するには、まず、図６に示すように、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１１上にＭＯＣＶＤ法により例えば５２０℃程度の温度でアンドープのＧａＮバッファ層１２を成長させた後、基板温度を所定の成長温度に上昇させて、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層１２上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、例えばアンドープＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６、ｐ型ＧａＮ光導波層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９を順次成長させる。ここで、Ｉｎを含まない層であるｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、ｐ型ＧａＮ光導波層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９の成長温度は例えば１０００℃程度とし、Ｉｎを含む層であるＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６の成長温度は例えば８００℃とする。これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｖ族元素であるＮの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素（Ｈ2 ）と窒素（Ｎ2 ）との混合ガスを用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００４３】
次に、ＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。次に、図７に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．４μｍのＳｉＯ2 膜２３を形成した後、このＳｉＯ2 膜２３上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ2 膜２３をエッチングし、ストライプ形状とする。次に、ＳｉＯ2 膜２３をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の厚さ方向の所定の深さまでエッチングを行うことによりリッジ部を形成する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【００４４】
次に、図８に示すように、再度ＭＯＣＶＤ法により、成長温度を活性層１６の成長温度よりも低い温度、例えば６７０℃として、ＧａＡｓ埋め込み層２０を成長させて、リッジ部の両側の部分を埋め込む。この場合、ＳｉＯ2 膜２３上にはＧａＡｓは成長せず、リッジ部の両側の部分へのＧａＡｓ埋め込み層２０の選択成長が可能である。このＧａＡｓ埋め込み層２０の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、Ｖ族元素であるＡｓの原料としてはアルシン（ＡｓＨ3 ）を用いる。
【００４５】
次に、ＧａＡｓ埋め込み層２０を成長させたｃ面サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。次に、ＳｉＯ2 膜２３をエッチング除去した後、図９に示すように、上記と同様なプロセスで所定形状のＳｉＯ2 膜２４を基板表面に形成する。
【００４６】
次に、図１０に示すように、このＳｉＯ2 膜２４をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層１３が露出するまでエッチングを行うことにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮ光導波層１５、例えばアンドープＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１６、ｐ型ＧａＮ光導波層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびＧａＡｓ埋め込み層２０をメサ形状にパターニングする。
【００４７】
次に、ＳｉＯ2 膜２４をエッチング除去する。次に、基板表面に所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、真空蒸着法などにより基板全面にＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上のＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、図１１に示すように、メサ部に隣接する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層１３上にｎ側電極２２が形成される。次に、ｎ側電極２２をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。同様なプロセスで、メサ部におけるｐ型ＧａＮコンタクト層１９およびその両側の部分のＧａＡｓ埋め込み層２０上にｐ側電極２１を形成する。次に、ｐ側電極２１をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００４８】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成されたｃ面サファイア基板１１を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、さらにこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。以上により、図５に示すように、目的とする埋め込みリッジ構造およびＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００４９】
図１２に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの光出力−電流特性および電圧−電流特性の測定結果の一例を示す。ただし、測定は５μｓｅｃ幅のパルス電流を１ｍｓｅｃ周期で印加することにより行った。図１２より、２８０ｍＡ程度の電流値から光出力が急速に立ち上がっており、レーザ発振が達成されていることがわかる。
【００５０】
以上のように、この第１の実施形態によれば、ＧａＡｓ埋め込み層２０でリッジを埋め込んでいることにより、ｐ側電極２１と下地半導体層との接触面積を広くすることができることから、動作時に発生する熱の放散性を高めることが可能であり、このため通電中の電流上昇を抑制して、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。また、ＧａＡｓ埋め込み層２０の成長温度を活性層１６の成長温度よりも低くしているので、ＧａＡｓ埋め込み層２０の成長時に活性層１６が熱的に悪影響を受けることがない。さらに、ＧａＡｓ埋め込み層２０のバンドギャップは活性層１６のそれよりも小さいので、このＧａＡｓ埋め込み層２０は光吸収層として機能する。このため、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなり、横モードが安定となることから、高出力時の高次モード発振を抑制することができる。
【００５１】
また、この第１の実施形態によれば、次のような利点を得ることもできる。すなわち、一般にＧａＮ系半導体の成長では、成長雰囲気中の水素により、成長層中のｐ型不純物（アクセプタ）が不活性化する問題があるため、ｐ型層の成長後に、窒素雰囲気中でポストアニールを行う必要がある。しかしながら、この第１の実施形態においては、ＧａＡｓ埋め込み層２０の成長中は、最表面がこのＧａＡｓ埋め込み層２０あるいはＳｉＯ2 膜２３となるため、成長雰囲気中の水素がｐ型層を直接アタックせず、かつ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９までの成長を行う１回目のエピタキシャル成長においてｐ型層に取り込まれた水素はこのＧａＡｓ埋め込み層２０あるいはＳｉＯ2 膜２３を通して脱離する可能性がある。このため、ポストアニールを行わないでも、ＧａＡｓ埋め込み層２０の成長中にｐ型層中のｐ型不純物を活性化させることが可能である。
【００５２】
図１３はこの発明の第２の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザもＳＣＨ構造を有するものである。
【００５３】
図１３に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジ部の両側の部分に、例えばＡｌ組成が５０％でアンドープのＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５が埋め込まれている。このＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５は［１１１］方向に配向している。その他のことは、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００５４】
また、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様である。なお、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、Ｖ族元素であるＡｓの原料としてはアルシン（ＡｓＨ3 ）を用いる。
【００５５】
この第２の実施形態によれば、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５でリッジを埋め込んでいることにより、第１の実施形態と同様に、ｐ側電極２１と下地半導体層との接触面積を広くすることができることから、動作時に発生する熱の放散性を高めることが可能であり、このため通電中の電流上昇を抑制して、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。また、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５の成長温度を活性層１６の成長温度よりも低くしているので、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５の成長時に活性層１６が熱的に悪影響を受けることがない。さらに、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５のバンドギャップは活性層１６のそれよりも小さいことによりこのＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５は光吸収層として機能するため、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなり、かつこのＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５のＡｌ組成を変化させることにより、リッジ部とリッジ外部との屈折率差を容易に制御することが可能であるので、高次モードでの発振を抑制することが可能である。ポストアニールを行わないでも、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層２５の成長中にｐ型層中のｐ型不純物を活性化させることが可能であることも、第１の実施形態と同様である。
【００５６】
図１４はこの発明の第３の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザもＳＣＨ構造を有するものである。
【００５７】
図１４に示すように、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジ部の両側の部分に、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６が埋め込まれている。ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。この（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６は［１１１］方向に配向している。その他のことは、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００５８】
また、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６を例えば５００〜８００℃の成長温度で成長させることを除いて、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様である。なお、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）を、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｖ族元素であるＰの原料としてはフォスフィン（ＰＨ3 ）を用いる。
【００５９】
この第３の実施形態によれば、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６でリッジを埋め込んでいることにより、第１の実施形態と同様に、ｐ側電極２１と下地半導体層との接触面積を広くすることができることから、動作時に発生する熱の放散性を高めることが可能であり、このため通電中の電流上昇を抑制して、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。また、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の成長温度を活性層１６の成長温度よりも低くしているので、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の成長時に活性層１６が熱的に悪影響を受けることがない。さらに、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６のバンドギャップは活性層１６のそれよりも小さいことによりこの（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６は光吸収層として機能するため、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなり、かつこの（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の組成を変化させることにより、リッジ部とリッジ外部との屈折率差を容易に制御することが可能であるので、高次モードでの発振を抑制することが可能である。ポストアニールを行わないでも、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層２６の成長中にｐ型層中のｐ型不純物を活性化させることが可能であることも、第１の実施形態と同様である。
【００６０】
図１５はこの発明の第４の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザもＳＣＨ構造を有するものである。
【００６１】
図１５に示すように、この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジ部の両側の部分に、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７が埋め込まれている。ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。このＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７は［１１１］方向に配向している。その他のことは、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
【００６２】
また、この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７をＭＯＣＶＤ法により例えば３００〜６００℃の成長温度で成長させることを除いて、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様である。なお、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の成長原料は、例えば、ＩＩ族元素であるＺｎの原料としてはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ＩＩ族元素であるＭｇの原料としてはビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）、ＶＩ族元素であるＳの原料としてはジエチル硫黄（ＤＥＳ）、ＶＩ族元素であるＳｅの原料としてはジメチルセレン（ＤＭＳｅ）を用いる。
【００６３】
この第４の実施形態によれば、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７でリッジを埋め込んでいることにより、第１の実施形態と同様に、ｐ側電極２１と下地半導体層との接触面積を広くすることができることから、動作時に発生する熱の放散性を高めることが可能であり、このため通電中の電流上昇を抑制して、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。また、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の成長温度を活性層１６の成長温度よりも低くしているので、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の成長時に活性層１６が熱的に悪影響を受けることがない。さらに、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７のバンドギャップは活性層１６のそれよりも小さいことによりこのＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７は光吸収層として機能するため、この半導体レーザは損失導波型半導体レーザとなり、かつこのＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の組成を変化させることにより、リッジ部とリッジ外部との屈折率差を容易に制御することが可能であるので、高次モードでの発振を抑制することが可能である。ポストアニールを行わないでも、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層２７の成長中にｐ型層中のｐ型不純物を活性化させることが可能であることも、第１の実施形態と同様である。
【００６４】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６５】
例えば、上述の第１、第２、第３および第４の実施形態において挙げた数値、構造、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００６６】
また、上述の第１、第２、第３および第４の実施形態においては、リッジストライプの延びる方向をｃ面サファイア基板１の〈１１−２０〉方向にしているが、このリッジストライプの延びる方向は〈１−１００〉方向にしてもよい。
【００６７】
また、上述の第１、第２、第３および第４の実施形態においては、基板としてｃ面サファイア基板を用いているが、必要に応じて、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板などを用いてもよい。
【００６８】
さらに、上述の第１、第２、第３および第４の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、ＤＨ（Double Heterostructure）構造のＧａＮ系半導体レーザに適用してもよいことは勿論、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＦＥＴなどの電子走行素子に適用してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による半導体レーザによれば、リッジ形状のストライプの両側の部分が、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれているので、安定に横モードを制御して高出力時の高次モード発振を抑制することができ、しかも熱放散性に優れている。
【００７０】
この発明による半導体レーザの製造方法によれば、リッジ形状のストライプを形成し、このリッジ形状のストライプの両側の部分にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層を成長させて埋め込むことにより、上記のような半導体レーザを容易に製造することができる。また、特に、埋め込み半導体層を有機金属化学気相成長法により成長させることにより、選択成長が可能となるため、製造が容易となる。さらに、これらの埋め込み半導体層の成長温度を活性層の成長温度よりも低くすることにより、活性層の熱的劣化を抑制することができ、半導体レーザの長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】予備実験に用いた試料の作製方法を説明するための断面図である。
【図２】予備実験に用いた試料の作製方法を説明するための断面図である。
【図３】予備実験に用いた試料の作製方法を説明するための断面図である。
【図４】成長温度を６７０℃としてＧａＡｓ埋め込み層を成長させた場合のリッジ部およびその近傍のＧａＡｓ埋め込み層の断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す斜視図である。
【図６】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図８】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図９】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの光出力−電流特性および電圧−電流特性の測定結果の一例を示す略線図である。
【図１３】この発明の第２の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザを示す斜視図である。
【図１４】この発明の第３の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＡｓ系半導体レーザを示す斜視図である。
【図１５】この発明の第４の実施形態による埋め込みリッジ構造のＧａＡｓ系半導体レーザを示す斜視図である。
【符号の説明】
１、１１・・・ｃ面サファイア基板、１３・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、１４・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１５・・・ｎ型ＧａＮ光導波層、１６・・・活性層、１７・・・ｐ型ＧａＮ光導波層、１８・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１９・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、２０・・・ＧａＡｓ埋め込み層、２１・・・ｐ側電極、２２・・・ｎ側電極、２３、２４・・・ＳｉＯ2 膜、２５・・・ＡｌＧａＡｓ埋め込み層、２６・・・（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ埋め込み層、２７・・・Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 埋め込み層
Claims (14)
- リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
上記リッジ形状のストライプはＡｌＧａＮクラッド層に設けられており、
上記リッジ形状のストライプの両側の部分が、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれており、
上記リッジ形状のストライプおよびその両側の上記埋め込み半導体層の上に延在して電極が設けられている
ことを特徴とする半導体レーザ。 - 上記Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層は［１１１］方向に配向していることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
- リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
上記リッジ形状のストライプはＡｌＧａＮクラッド層に設けられており、
上記リッジ形状のストライプの両側の部分が、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層により埋め込まれており、
上記リッジ形状のストライプおよびその両側の上記埋め込み半導体層の上に延在して電極が設けられている
ことを特徴とする半導体レーザ。 - 上記（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層は［１１１］方向に配向していることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
- リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、
ＡｌＧａＮクラッド層に上記リッジ形状のストライプを形成する工程と、
上記リッジ形状のストライプの両側の部分にＡｌ x Ｇａ 1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層を成長させて埋め込む工程と、
上記リッジ形状のストライプおよびその両側の上記埋め込み半導体層の上に延在するように電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 上記Ａｌ x Ｇａ 1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層を６００℃以上９００℃以下の成長温度で成長させるようにしたことを特徴とする請求項５記載の半導体レーザの製造方法。
- 上記Ａｌ x Ｇａ 1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層は［１１１］方向に配向していることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザの製造方法。
- 上記Ａｌ x Ｇａ 1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層を有機金属化学気相成長法により成長させるようにしたことを特徴とする請求項５記載の半導体レーザの製造方法。
- 上記Ａｌ x Ｇａ 1-x Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長温度を活性層の成長温度よりも低くするようにしたことを特徴とする請求項５記載の半導体レーザの製造方法。
- リッジ形状のストライプを有し、活性層がＩｎＧａＮからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、
ＡｌＧａＮクラッド層に上記リッジ形状のストライプを形成する工程と、
上記リッジ形状のストライプの両側の部分に（Ａｌ x Ｇａ 1-x ） y Ｉｎ 1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層を成長させて埋め込む工程と、
上記リッジ形状のストライプおよびその両側の上記埋め込み半導体層の上に延在するように電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 上記（Ａｌ x Ｇａ 1-x ） y Ｉｎ 1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層を５００℃以上８００℃以下の成長温度で成長させるようにしたことを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザの製造方法。
- 上記（Ａｌ x Ｇａ 1-x ） y Ｉｎ 1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層は［１１１］方向に配向していることを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザの製造方法。
- 上記（Ａｌ x Ｇａ 1-x ） y Ｉｎ 1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層を有機金属化学気相成長法により成長させるようにしたことを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザの製造方法。
- 上記（Ａｌ x Ｇａ 1-x ） y Ｉｎ 1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる埋め込み半導体層の成長温度を活性層の成長温度よりも低くするようにしたことを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザの製造方法。
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