JP3772651B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外〜青色の領域に発光するレーザ素子の材料として窒化物半導体が知られており、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76）。発表したレーザ素子はいわゆる電極ストライプ型のレーザ素子であり、活性層を含む窒化物半導体層のストライプ幅を数十μｍにして、レーザ発振させたものである。しかしながら,前記レーザ素子の閾値電流は１〜２Ａもあり、連続発振させるためには、さらに閾値電流を下げる必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体よりなるレーザ素子の閾値電流を小さくして、室温で連続発振可能な素子を実現することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ素子は、活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型光閉じ込め層、ｐ型コンタクト層を順に積層した窒化物半導体層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記窒化物半導体層のｐ型コンタクト層側からエッチングによりｐ型光ガイド層を露出させて形成されたリッジ形状のストライプを有し、前記ｐ型光ガイド層の露出した表面に絶縁性薄膜を有し、さらに前記ｐ型コンタクト層にオーミック用の正電極を有することを特徴とする。前記窒化物半導体レーザ素子において、さらにリッジ形状のストライプ側面に絶縁性薄膜を有することが好ましい。
【０００５】
又は、本発明のレーザ素子は、活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型光閉じ込め層、ｐ型コンタクト層を順に積層した窒化物半導体層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記窒化物半導体層のｐ型コンタクト層側からエッチングによりｐ型光ガイド層を露出させて形成されたリッジ形状のストライプを有し、前記ｐ型光ガイド層の露出した表面に金属薄膜を有し、さらに前記ｐ型コンタクト層にオーミック用の正電極を有することを特徴とする。前記正電極と前記金属薄膜が異なる工程で形成される。前記窒化物半導体レーザ素子において、さらにリッジ形状のストライプ側面に金属薄膜を有することが好ましい。
【０００６】
また、前記ｐ型コンタクト層はｐ型層の最表面であり、前記正電極は該 p 型コンタクト層の面積の９０％以上を被覆して設けられている。
【０００７】
さらに、前記正電極上及び絶縁性薄膜上にパッド電極を有することが好ましい。
【０００８】
また、前記p型光ガイド層がＩｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮである。さらにまた、前記p型光閉じ込め層がＡｌを含むp型窒化物半導体である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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、図２は図１のレーザ素子の形状を示す斜視図である。図１は図２に示す素子のレーザ光の共振方向に垂直方向で切断した際の断面図を示している。素子構造としては、基板１の上に、ｎ型コンタクト層２、ｎ型光閉じこめ層３、ｎ型光ガイド層４、活性層５、ｐ型光ガイド層６、ｐ型光閉じ込め層７、ｐ型コンタクト層８を順に積層した基本構造を有している。２０はｎ型コンタクト層２に接続されたオーミック用の負電極、３０はｐ型コンタクト層８に接続されたオーミック用の正電極であり、正電極３０の上にはボンディング用のパッド電極３１が設けられている。なお、本明細書で示すレーザ素子の構造はあくまでも基本的な構造を示すものであり、これらに示す層のいずれかを省略、あるいは他の窒化物半導体よりなる層を挿入しても、本発明の請求項に示す思想を逸脱しない範囲であれば、自由に変更を加えることができる。
【００１０】
基板１はサファイア（Ａｌ2Ｏ3、Ａ面、Ｃ面、Ｒ面）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4、１１１面）等の絶縁性基板が多く用いられるが、その他、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の単結晶よりなる従来より知られている基板が用いられる。
【００１１】
ｎ型コンタクト層２はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、その中でもＳｉをドープしたＧａＮで構成することにより、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、また負電極２０と好ましいオーミック接触が得られるので、レーザ素子の閾値電流を低下させることができる。負電極２０の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましいオーミックが得られる。ＧａＮに限らず窒化物半導体は、ノンドープ（不純物をドープしない状態）でも結晶内部にできる窒素空孔のためｎ型となる性質があるが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等のドナー不純物を結晶成長中にドープすることにより、キャリア濃度が高く、好ましいｎ型特性を示す窒化物半導体が得られる。
【００１２】
ｎ型光閉じこめ層３はＡｌを含むｎ型の窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶あるいは三元混晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることにより、結晶性の良いものが得られ、また活性層との屈折率差を大きくしてレーザ光の縦モードの閉じ込めに有効である。この層は通常０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。０．１μｍよりも薄いと光閉じ込め層として作用しにくく、１μｍよりも厚いと、結晶中にクラックが入りやすくなり素子作成が困難となる傾向にある。
【００１３】
ｎ型光ガイド層４は、Ｉｎを含むｎ型の窒化物半導体若しくはｎ型ＧａＮで構成し、好ましくは三元混晶若しくは二元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）とする。この層は通常１００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次の活性層５を量子井戸構造とすることが容易に可能になる。
【００１４】
次に、本発明の特徴とする活性層より上の構成について述べる。活性層５は先にも述べたように、好ましくはＩｎを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-quantum-well）として、さらに好ましくは三元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）を井戸層とするＭＱＷとすることが望ましい。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良い物が得られるので、発光出力が向上する。その中でも特に好ましくは活性層をＩｎXＧａ1-XＮよりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きい三元混晶の窒化物半導体よりなる障壁層とを積層したＭＱＷとするとレーザ発振しやすい。障壁層は三元混晶のＩｎX ’Ｇａ1-X ’Ｎ（０≦X'＜１、X'＜X）が好ましく、井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸層、若しくはその反対となるように積層してＭＱＷを構成する。活性層にＩｎＧａＮを積層したＭＱＷとすると、量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力なＬＤを実現することができる。さらに、井戸層の上にＩｎＧａＮ（但し、Ｉｎ組成比は井戸層よりも小さい）よりなる障壁層を積層すると、障壁層はＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の結晶に比べて結晶が柔らかいので、活性層の上に成長させるｐ型クラッド層のＡｌＧａＮの厚さを厚くできる。そのため縦方向の光閉じ込めが実現でき、レーザ発振が可能となる。さらに障壁層もＩｎＧａＮとする利点は次にある。即ち、ＩｎＧａＮとＧａＮとでは結晶の成長温度が異なり、例えばＭＯＶＰＥ法ではＩｎＧａＮは６００℃〜８００℃で成長させるのに対して、ＧａＮは８００℃より高い温度で成長させる。従って、ＩｎＧａＮよりなる井戸層を成長させた後、ＧａＮよりなる障壁層を成長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要がある。成長温度を上げると、先に成長させたＩｎＧａＮ井戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得ることは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロームしかなく、薄膜の井戸層が分解するとＭＱＷを作製するのが困難となる。それに対し、本発明の好ましい態様では、障壁層もＩｎＧａＮであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成長できる。従って、先に形成した井戸層が分解することがないので結晶性の良いＭＱＷを形成することができる。これはＭＱＷの最も好ましい態様を示したものであるが、他に井戸層をＩｎＧａＮ、障壁層をＧａＮ、ＡｌＧａＮのように井戸層よりも障壁層のバンドギャップエネルギーを大きくすればどのような組成でも良い。
【００１５】
多重量子井戸構造の活性層５の総膜厚は１００オングストローム以上に調整することが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと、十分に出力が上がらず、レーザ発振しにくい傾向にある。また活性層の膜厚も厚すぎると出力が低下する傾向にあり、１μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下に調整することが望ましい。１μｍよりも厚いと活性層の結晶性が悪くなるか、レーザ光が活性層中に広がってしまい、閾値電流が増加する傾向にある。
【００１６】
次にｐ型光ガイド層６は、Ｉｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮで構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）を成長させるる。この光ガイド層６は、通常１００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより、次のｐ型光閉じこめ層７を結晶性良く成長できる。なお、ｐ型の窒化物半導体はＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｃａ等のアクセプター不純物を結晶成長中にドープすることによって得られるが、その中でもＭｇが最も好ましいｐ型特性を示す。図１に示すようにｐ型光ガイド層６よりリッジ形状とする場合、そのｐ型光ガイド層は、前記のようにＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）にすることが最も好ましい。
【００１７】
ｐ型光閉じこめ層７は、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることにより結晶性の良いものが得られる。このｐ型光閉じこめ層７はｎ型光閉じこめ層３と同じく、０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体とすることにより、活性層との屈折率差を大きくして、縦モードのレーザ光の光閉じ込め層として有効に作用する。また、図３に示すようにｐ型光閉じ込め層７よりリッジ形状とする場合には、前記のように、ｐ型光閉じ込め層はｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることが最も好ましい。
【００１８】
ｐ型コンタクト層８はｐ型ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮ、その中でもＭｇをドープしたｐ型ＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られて、正電極３０と良好なオーミック接触が得られ、閾値電流を低下させることができる。正電極３０の材料としてはＮｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の比較的仕事関数の高い金属又は合金がオーミックが得られやすく、特に少なくともＮｉとＡｕとを含む材料、少なくともＰｄとＡｕとを含む材料が好ましいオーミックが得られやすい。本発明でいう、リッジ形状のストライプを有するクラッド層とは、図１で具体的に示すと、前記したｐ型光ガイド層６、ｐ型光閉じ込め層７、ｐ型コンタクト層８等を指し、これらの層の内の少なくとも一層がストライプ状のリッジ形状を有していることをいう。さらにｐ型層とｎ型層とを逆に積層すれば、当然活性層の上に形成されるのはｎ型光ガイド層４、ｎ型光閉じ込め層３、ｎ型コンタクト層２等がｎ型クラッド層に相当し、これらの層の内の少なくとも一層がストライプ状のリッジ形状を有していることをいう。なお、ｎ型層を活性層の上に形成した場合においても、リッジとする好ましい窒化物半導体の組成は前記したｐ型層の組成と同じであり、例えばｎ型光ガイド層４よりリッジにするには、ＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）が好ましい。
【００１９】
以上、本発明のレーザ素子の基本構造について説明したが、本明細書において示すｎ型ＡｌXＧａ1-XＮ、ｐ型ＡｌXＧａ1-XＮ等の組成比X値は単に一般式を示しているに過ぎず、ｎ型層のXとｐ型層のXとが同一の値を示すものではない。また同様に他の一般式において使用するY値も同一の一般式が同一の値を示すものではない。
【００２０】
次なる構成として、本発明のレーザ素子では、リッジ形状のクラッド層の表面にクラッド層よりも屈折率が小さい材料よりなる絶縁性薄膜が形成されていることを特徴とする。図１では光ガイド層６の表面に絶縁性薄膜１０が形成されている。この絶縁性薄膜１０は、同一面側に形成された正電極３０を含むパッド電極３１と、負電極２０とを、それぞれヒートシンク、サブマウント等の他のリード部材にボンディングする際の電極間のショートを防止すると共に、活性層５の発光をリッジの下に集中させる作用も奏する。それにより、活性層の横方向の光が制御されるので、閾値電流が低下する。またリッジ形状のクラッド層の表面にクラッド層とショットキーバリア接触する金属薄膜を形成してもよい。金属薄膜はコンタクト層に接する面はオーミック電極となり、クラッド層に接する面ではショットキーバリアが形成されるため、電流がコンタクト層のみから流れ、電流狭窄ができる。従って金属薄膜を形成する場合はコンタクト層のオーミック電極と同一材料を形成すると一工程でできるため非常に好ましい。またクラッド層にショットキーバリア接触する金属薄膜と、コンタクト層にオーミック接触する電極とは別々に形成しても良い。なおこの図では、絶縁性薄膜１０がｐ型光ガイド層６の表面より連続して、ｎ型コンタクト層２にまで達しているが、金属薄膜を形成する場合、金属薄膜はｎ層側のクラッド層に接触しないように形成することはいうまでもない。
【００２１】
絶縁性薄膜１０を形成するには、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、分子線蒸着等の常用の気相製膜手段を用いることができる。絶縁性薄膜１０の材料としては、絶縁性薄膜が表面に接しているｐ型光ガイド層６の屈折率よりも小さい材料を選択し、例えばＳｉＯ2に代表されるＳｉ酸化物、Ｓｉ3Ｎ4に代表されるＳｉ窒化物等を好ましく形成することができ、その他ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3等の高誘電体材料が使用できる。この絶縁性薄膜の膜厚は１００オングストローム以上、１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、最も好ましくは活性層の上に形成されたクラッド層の総膜厚よりも薄い膜厚で形成する。また同様に金属薄膜も形成できる。
【００２２】
図３は本発明のレーザ素子に係る他の構造を示す模式的な断面図であり、図１と同一部材は同一符号でもって示している。このレーザ素子が図１のレーザ素子と異なる点は、ｐ型光閉じ込め層７よりリッジ形状としている。クラッド層をリッジ形状とするには、最も活性層に近い層よりするのが好ましいが、このようにｐ型光閉じ込め層７よりリッジとしても良く、クラッド層の膜厚の関係で適宜変更できる。なお、ｐ型光閉じ込め層７よりリッジ形状としている場合、絶縁性薄膜１０の屈折率はｐ型光閉じ込め層７よりも小さい材料を選択することはいうまでもない。
【００２３】
さらに、ｐ型光閉じ込め層７の表面に形成されている絶縁性薄膜１０がストライプ状のリッジの側面に接している。このようにストライプ側面に絶縁性薄膜を形成することにより、ストライプ側面から漏れる光も閉じ込められるので、閾値が下がり、発光出力が向上する。
【００２４】
また、本発明のレーザ素子では、リッジ形状の側面の基板表面に対する角度が９０゜以上であることを特徴とする。つまり、図３に示すθが９０゜以上であることを特徴とする。好ましい角度としては９０゜以上１２０゜以下、さらに好ましくは、９５゜以上、１１０゜以下がストライプの下に光が集中しやすい。この角度を９０゜以上とすることにより、絶縁性薄膜１０を均一な膜厚で成長させやすくなるので、光閉じ込めの効率が上がる。リッジ形状のクラッド層の好ましいストライプ幅としては、０．５μｍ以上、２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下、最も好ましくは５μｍ以下に調整する。ストライプ幅とは活性層に近い側のリッジのストライプ幅を指すものとする。２０μｍよりも大きいと、閾値があまり低下せず、０．５μｍよりも小さいと、発熱して素子が壊れやすい傾向にある。
【００２５】
さらに付言すると、オーミック用の正電極３０は、リッジ状のｐ型層の最表面に露出されたストライプ状のｐ型コンタクト層８のほぼ全面に形成されている。このように正電極３０をリッジ最表面のｐ層のほぼ全面に形成することにより、コンタクト抵抗が下がり、Ｖｆを低下させることができる。このためレーザ素子の駆動電圧と電流と両方を下げることができる。なお、この場合の「ほぼ全面」とは９０％以上の面積を指すものとする。
【００２６】
なお、本発明に類似した技術として、例えば特開平６−１５２０７２号公報に屈折率導波型のレーザ素子が示されている。しかしながらこの公報ではエッチング深さが活性層を超えてｎ型層にまで至っている。本発明のレーザ素子ではエッチング深さは図１、図３に示すように活性層を超えない。活性層を超えないことによりエッチングダメージが活性層中に入りにくくなるので、レーザ素子の寿命を長くすることができる。
【００２７】
［実施例］
図４ないし図７は本発明の実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式的な断面図である。以下、これらの図を用いて図１に示すレーザ素子を得る方法について詳説する。実施例の方法はＭＯＶＰＥ法によりＬＤ素子を作成する方法であるが、本発明の素子はＭＯＶＰＥ法だけではなく、例えばＭＢＥ、ＨＤＶＰＥ等の他の知られている窒化物半導体の気相成長法を用いて成長させることができる。
【００２８】
よく洗浄されたスピネル基板１（ＭｇＡｌ2Ｏ4、１１１面）をＭＯＶＰＥ装置の反応容器内に設置した後、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）と、アンモニアを用い、温度５００℃で基板１の表面にＧａＮよりなるバッファ層（図示せず。）を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層は基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和する作用があり、他にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等を成長させることも可能である。このバッファ層を成長させることにより、基板の上に成長させるｎ型窒化物半導体の結晶性が良くなることが知られているが、成長方法、基板の種類等によりバッファ層が成長されない場合もあるので、特に図示していない。
【００２９】
続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ4（シラン）ガスを用いて、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２を４μｍの膜厚で成長させる。
【００３０】
次に温度を７５０℃まで下げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、ＳｉドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層（図示せず。）を５００オングストロームの膜厚で成長させる。クラック防止層はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、次に成長させるＡｌを含む窒化物半導体よりなるｎ型光閉じこめ層３を厚膜で成長させることが可能となる。ＬＤの場合は、光閉じ込め層となる層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにクラックが入るので素子作製が困難であったが、このクラック防止層が次に成長させる光閉じこめ層３にクラックが入るのを防止することができる。しかも次に成長させる光閉じこめ層３を厚膜で成長させても膜質良く成長できる。なおクラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、クラック防止層は成長方法、成長装置によっては省略することもできるので図示していないが、ＬＤを製造する上では成長させる方が望ましい。
【００３１】
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｎ型光閉じこめ層３を０．６μｍの膜厚で成長させる。
【００３２】
続いて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層４を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３３】
次に原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いて活性層５を成長させる。活性層は温度を７５０℃に保持して、まずノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を４回繰り返し、最後に井戸層を成長させ、総膜厚３２５オングストロームの膜厚の多重量子井戸構造よりなる活性層５を成長させる。
【００３４】
活性層５成長後、温度を１０５０℃にしてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物源としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型キャップ層（図示せず。）を１００オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ型キャップ層は１μｍ以下、さらに好ましくは１０オングストローム以上、０．１μｍ以下の膜厚で成長させることにより、ＩｎＧａＮよりなる活性層が分解するのを防止するキャップ層としての作用があり、また活性層の上にＡｌを含むｐ型窒化物半導体よりなるｐ型キャップ層を成長させることにより、発光出力が格段に向上する。逆に活性層に接するｐ層をＧａＮとすると素子の出力が約１／３に低下してしまう。これはＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型になりやすく、またｐ型キャップ層成長時に、ＩｎＧａＮが分解するのを抑える作用があるためと推察されるが、詳しいことは不明である。ｐ型キャップ層の膜厚は１μｍよりも厚いと、層自体にクラックが入りやすくなり素子作製が困難となる傾向にある。ｐ型キャップ層も省略可能であるので図示していないが、ＬＤを製造する上では成長させる方が望ましい。またｐ型キャップ層よりリッジ形状のストライプを形成しても良く、本発明でいうクラッド層の一つである。
【００３５】
次に温度を１０５０℃に保持しながら、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層６を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層６は上記したように、ＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次のＡｌを含むｐ型光閉じこめ層７を結晶性良く成長できる。
【００３６】
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｐ型光閉じ込め層７を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００３７】
さらに、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ＋型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層８を０．２μｍの膜厚で成長させる。
【００３８】
以上のようにして窒化物半導体を積層したウェーハを反応容器から取り出し、ｐ型コンタクト層８に第１のマスクを形成して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にて、最上層のｐ型コンタクト層８から選択エッチを行い、負電極２０を形成すべきｎ型コンタクト層２の表面を露出させる。さらに、第１のマスク除去後、さらにｐ型コンタクト層８の表面、および露出したｎ型コンタクト層２表面に第２のマスク４１を形成する。なお、ｐ型コンタクト層の表面に形成する第２のマスク４１は幅２μｍのストライプ状とする。第２のマスク形成後のウェーハの主要部の構造を示す断面図が図４である。
【００３９】
第２のマスク形成後、同じくＲＩＥにより選択エッチを行い、ｐ型コンタクト層８、ｐ型光閉じこめ層７、ｐ型光ガイド層６の一部をエッチングし、リッジ形状のストライプを形成する。ストライプは基板の平面に対し、ほぼ９０゜とする。エッチング後、第２のマスク４１を除去する。第２のマスク４１除去後のウェーハの主要部の構造が図５である。
【００４０】
次に、図７に示すように、窒化物半導体ウェーハの所定の位置に第３のマスク４２を形成し、さらにプラズマＣＶＤ装置でＳｉＯ2よりなる絶縁性薄膜１０を、ｐ型光ガイド層６の表面と、ｎ型コンタクト層２の表面に連続して０．５μｍの膜厚で形成する。絶縁性薄膜１０を形成する前の構造を示す図が図６であり、第３のマスク４２除去後の構造を示す図が図７である。
【００４１】
第３のマスク４２除去後、常法に従い、ｐ型コンタクト層８のほぼ全面にはＮｉとＡｕよりなるストライプ状の正電極３０を形成し、露出させたｎ型コンタクト層２にはＴｉとＡｌよりなるストライプ状の負電極２０を形成する。負電極２０はオーミック用とパッド用とを兼ねている。その後、正電極３０の上にＡｕよりなるパッド電極３１を形成する。
【００４２】
以上のようにしたウェーハを、まずストライプ状の電極に平行な位置で分割した後、次に電極に垂直な方向で分割し、垂直な方向で分割した分割面を研磨して鏡面とする。その共振面に常法に従って誘電体多層膜を形成して、図１に示すようなレーザチップとする。このレーザチップをヒートシンクに設置し、常温でパルス発振させたところ閾値電流が直流０．１Ａ、１０Ｖで４１０ｎｍのレーザ発振を示した。
【００４３】
［実施例２］
図８は本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る。このレーザ素子は正電極３０をクラッド層にショットキーバリア接触する金属薄膜として設けている点が実施例１と異なる。
【００４４】
実施例１において、リッジ形状のストライプを形成する際、図８に示すようにｐ型光閉じ込め層６までメサエッチする。なおメサエッチ後のストライプ側面の角度θはおよそ９５゜である。
【００４５】
エッチング後、絶縁性薄膜１０を形成せず、電極を形成する工程において、図８に示すようにｐ型コンタクト層８のほぼ全面と、ｐ型光閉じ込め層６の表面とに渡って、ＮｉとＡｕを含む正電極３０を形成する。ＮｉとＡｕとを含む金属は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層８にはオーミック接触するが、ＡｌＧａＮよりなるｐ型光閉じ込め層にはショットキーバリア接触する。なお本発明において、金属薄膜がクラッド層に接するショットキーバリア接触とは、完全なショットキーバリア接触ではなく、ｐ型コンタクト層よりも接触抵抗が高いことを意味する。以上のようにして金属薄膜を形成した後、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、ほぼ同一の特性を示した。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ素子ではリッジ型のストライプにより、活性層の発光がリッジの下に集中して、横モードのレーザ光が制御できるためにレーザ発振の閾値電流低下して、連続発振が可能となる。窒化物半導体は現在研究されているII−VI族化合物半導体よりなるレーザ素子に比べて短波長が発振できるという利点がある。従って窒化物半導体で連続発振が可能となると、書き込み光源、読みとり光源としての需要が爆発的に増え、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るレーザ素子の一構造を示す模式断面図。
【図２】 図１のレーザ素子の形状を示す斜視図。
【図３】 本発明に係るレーザ素子の他の構造を示す模式断面図。
【図４】 実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図５】 実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図６】 実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図７】 実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図８】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ型コンタクト層
３・・・・ｎ型光閉じこめ層
４・・・・ｎ型光ガイド層
５・・・・活性層
６・・・・ｐ型光ガイド層
７・・・・ｐ型光閉じこめ層
８・・・・ｐ型コンタクト層
１０・・・・絶縁性薄膜
２０、３０・・・・電極
【発明の属する分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外〜青色の領域に発光するレーザ素子の材料として窒化物半導体が知られており、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76）。発表したレーザ素子はいわゆる電極ストライプ型のレーザ素子であり、活性層を含む窒化物半導体層のストライプ幅を数十μｍにして、レーザ発振させたものである。しかしながら,前記レーザ素子の閾値電流は１〜２Ａもあり、連続発振させるためには、さらに閾値電流を下げる必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体よりなるレーザ素子の閾値電流を小さくして、室温で連続発振可能な素子を実現することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ素子は、活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型光閉じ込め層、ｐ型コンタクト層を順に積層した窒化物半導体層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記窒化物半導体層のｐ型コンタクト層側からエッチングによりｐ型光ガイド層を露出させて形成されたリッジ形状のストライプを有し、前記ｐ型光ガイド層の露出した表面に絶縁性薄膜を有し、さらに前記ｐ型コンタクト層にオーミック用の正電極を有することを特徴とする。前記窒化物半導体レーザ素子において、さらにリッジ形状のストライプ側面に絶縁性薄膜を有することが好ましい。
【０００５】
又は、本発明のレーザ素子は、活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型光閉じ込め層、ｐ型コンタクト層を順に積層した窒化物半導体層を有する窒化物半導体レーザ素子において、前記窒化物半導体層のｐ型コンタクト層側からエッチングによりｐ型光ガイド層を露出させて形成されたリッジ形状のストライプを有し、前記ｐ型光ガイド層の露出した表面に金属薄膜を有し、さらに前記ｐ型コンタクト層にオーミック用の正電極を有することを特徴とする。前記正電極と前記金属薄膜が異なる工程で形成される。前記窒化物半導体レーザ素子において、さらにリッジ形状のストライプ側面に金属薄膜を有することが好ましい。
【０００６】
また、前記ｐ型コンタクト層はｐ型層の最表面であり、前記正電極は該 p 型コンタクト層の面積の９０％以上を被覆して設けられている。
【０００７】
さらに、前記正電極上及び絶縁性薄膜上にパッド電極を有することが好ましい。
【０００８】
また、前記p型光ガイド層がＩｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮである。さらにまた、前記p型光閉じ込め層がＡｌを含むp型窒化物半導体である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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、図２は図１のレーザ素子の形状を示す斜視図である。図１は図２に示す素子のレーザ光の共振方向に垂直方向で切断した際の断面図を示している。素子構造としては、基板１の上に、ｎ型コンタクト層２、ｎ型光閉じこめ層３、ｎ型光ガイド層４、活性層５、ｐ型光ガイド層６、ｐ型光閉じ込め層７、ｐ型コンタクト層８を順に積層した基本構造を有している。２０はｎ型コンタクト層２に接続されたオーミック用の負電極、３０はｐ型コンタクト層８に接続されたオーミック用の正電極であり、正電極３０の上にはボンディング用のパッド電極３１が設けられている。なお、本明細書で示すレーザ素子の構造はあくまでも基本的な構造を示すものであり、これらに示す層のいずれかを省略、あるいは他の窒化物半導体よりなる層を挿入しても、本発明の請求項に示す思想を逸脱しない範囲であれば、自由に変更を加えることができる。
【００１０】
基板１はサファイア（Ａｌ2Ｏ3、Ａ面、Ｃ面、Ｒ面）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4、１１１面）等の絶縁性基板が多く用いられるが、その他、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の単結晶よりなる従来より知られている基板が用いられる。
【００１１】
ｎ型コンタクト層２はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、その中でもＳｉをドープしたＧａＮで構成することにより、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、また負電極２０と好ましいオーミック接触が得られるので、レーザ素子の閾値電流を低下させることができる。負電極２０の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましいオーミックが得られる。ＧａＮに限らず窒化物半導体は、ノンドープ（不純物をドープしない状態）でも結晶内部にできる窒素空孔のためｎ型となる性質があるが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等のドナー不純物を結晶成長中にドープすることにより、キャリア濃度が高く、好ましいｎ型特性を示す窒化物半導体が得られる。
【００１２】
ｎ型光閉じこめ層３はＡｌを含むｎ型の窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶あるいは三元混晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることにより、結晶性の良いものが得られ、また活性層との屈折率差を大きくしてレーザ光の縦モードの閉じ込めに有効である。この層は通常０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。０．１μｍよりも薄いと光閉じ込め層として作用しにくく、１μｍよりも厚いと、結晶中にクラックが入りやすくなり素子作成が困難となる傾向にある。
【００１３】
ｎ型光ガイド層４は、Ｉｎを含むｎ型の窒化物半導体若しくはｎ型ＧａＮで構成し、好ましくは三元混晶若しくは二元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）とする。この層は通常１００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次の活性層５を量子井戸構造とすることが容易に可能になる。
【００１４】
次に、本発明の特徴とする活性層より上の構成について述べる。活性層５は先にも述べたように、好ましくはＩｎを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-quantum-well）として、さらに好ましくは三元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）を井戸層とするＭＱＷとすることが望ましい。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良い物が得られるので、発光出力が向上する。その中でも特に好ましくは活性層をＩｎXＧａ1-XＮよりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きい三元混晶の窒化物半導体よりなる障壁層とを積層したＭＱＷとするとレーザ発振しやすい。障壁層は三元混晶のＩｎX ’Ｇａ1-X ’Ｎ（０≦X'＜１、X'＜X）が好ましく、井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸層、若しくはその反対となるように積層してＭＱＷを構成する。活性層にＩｎＧａＮを積層したＭＱＷとすると、量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力なＬＤを実現することができる。さらに、井戸層の上にＩｎＧａＮ（但し、Ｉｎ組成比は井戸層よりも小さい）よりなる障壁層を積層すると、障壁層はＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の結晶に比べて結晶が柔らかいので、活性層の上に成長させるｐ型クラッド層のＡｌＧａＮの厚さを厚くできる。そのため縦方向の光閉じ込めが実現でき、レーザ発振が可能となる。さらに障壁層もＩｎＧａＮとする利点は次にある。即ち、ＩｎＧａＮとＧａＮとでは結晶の成長温度が異なり、例えばＭＯＶＰＥ法ではＩｎＧａＮは６００℃〜８００℃で成長させるのに対して、ＧａＮは８００℃より高い温度で成長させる。従って、ＩｎＧａＮよりなる井戸層を成長させた後、ＧａＮよりなる障壁層を成長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要がある。成長温度を上げると、先に成長させたＩｎＧａＮ井戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得ることは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロームしかなく、薄膜の井戸層が分解するとＭＱＷを作製するのが困難となる。それに対し、本発明の好ましい態様では、障壁層もＩｎＧａＮであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成長できる。従って、先に形成した井戸層が分解することがないので結晶性の良いＭＱＷを形成することができる。これはＭＱＷの最も好ましい態様を示したものであるが、他に井戸層をＩｎＧａＮ、障壁層をＧａＮ、ＡｌＧａＮのように井戸層よりも障壁層のバンドギャップエネルギーを大きくすればどのような組成でも良い。
【００１５】
多重量子井戸構造の活性層５の総膜厚は１００オングストローム以上に調整することが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと、十分に出力が上がらず、レーザ発振しにくい傾向にある。また活性層の膜厚も厚すぎると出力が低下する傾向にあり、１μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下に調整することが望ましい。１μｍよりも厚いと活性層の結晶性が悪くなるか、レーザ光が活性層中に広がってしまい、閾値電流が増加する傾向にある。
【００１６】
次にｐ型光ガイド層６は、Ｉｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮで構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）を成長させるる。この光ガイド層６は、通常１００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより、次のｐ型光閉じこめ層７を結晶性良く成長できる。なお、ｐ型の窒化物半導体はＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｃａ等のアクセプター不純物を結晶成長中にドープすることによって得られるが、その中でもＭｇが最も好ましいｐ型特性を示す。図１に示すようにｐ型光ガイド層６よりリッジ形状とする場合、そのｐ型光ガイド層は、前記のようにＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）にすることが最も好ましい。
【００１７】
ｐ型光閉じこめ層７は、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることにより結晶性の良いものが得られる。このｐ型光閉じこめ層７はｎ型光閉じこめ層３と同じく、０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体とすることにより、活性層との屈折率差を大きくして、縦モードのレーザ光の光閉じ込め層として有効に作用する。また、図３に示すようにｐ型光閉じ込め層７よりリッジ形状とする場合には、前記のように、ｐ型光閉じ込め層はｐ型ＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることが最も好ましい。
【００１８】
ｐ型コンタクト層８はｐ型ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮ、その中でもＭｇをドープしたｐ型ＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られて、正電極３０と良好なオーミック接触が得られ、閾値電流を低下させることができる。正電極３０の材料としてはＮｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の比較的仕事関数の高い金属又は合金がオーミックが得られやすく、特に少なくともＮｉとＡｕとを含む材料、少なくともＰｄとＡｕとを含む材料が好ましいオーミックが得られやすい。本発明でいう、リッジ形状のストライプを有するクラッド層とは、図１で具体的に示すと、前記したｐ型光ガイド層６、ｐ型光閉じ込め層７、ｐ型コンタクト層８等を指し、これらの層の内の少なくとも一層がストライプ状のリッジ形状を有していることをいう。さらにｐ型層とｎ型層とを逆に積層すれば、当然活性層の上に形成されるのはｎ型光ガイド層４、ｎ型光閉じ込め層３、ｎ型コンタクト層２等がｎ型クラッド層に相当し、これらの層の内の少なくとも一層がストライプ状のリッジ形状を有していることをいう。なお、ｎ型層を活性層の上に形成した場合においても、リッジとする好ましい窒化物半導体の組成は前記したｐ型層の組成と同じであり、例えばｎ型光ガイド層４よりリッジにするには、ＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）が好ましい。
【００１９】
以上、本発明のレーザ素子の基本構造について説明したが、本明細書において示すｎ型ＡｌXＧａ1-XＮ、ｐ型ＡｌXＧａ1-XＮ等の組成比X値は単に一般式を示しているに過ぎず、ｎ型層のXとｐ型層のXとが同一の値を示すものではない。また同様に他の一般式において使用するY値も同一の一般式が同一の値を示すものではない。
【００２０】
次なる構成として、本発明のレーザ素子では、リッジ形状のクラッド層の表面にクラッド層よりも屈折率が小さい材料よりなる絶縁性薄膜が形成されていることを特徴とする。図１では光ガイド層６の表面に絶縁性薄膜１０が形成されている。この絶縁性薄膜１０は、同一面側に形成された正電極３０を含むパッド電極３１と、負電極２０とを、それぞれヒートシンク、サブマウント等の他のリード部材にボンディングする際の電極間のショートを防止すると共に、活性層５の発光をリッジの下に集中させる作用も奏する。それにより、活性層の横方向の光が制御されるので、閾値電流が低下する。またリッジ形状のクラッド層の表面にクラッド層とショットキーバリア接触する金属薄膜を形成してもよい。金属薄膜はコンタクト層に接する面はオーミック電極となり、クラッド層に接する面ではショットキーバリアが形成されるため、電流がコンタクト層のみから流れ、電流狭窄ができる。従って金属薄膜を形成する場合はコンタクト層のオーミック電極と同一材料を形成すると一工程でできるため非常に好ましい。またクラッド層にショットキーバリア接触する金属薄膜と、コンタクト層にオーミック接触する電極とは別々に形成しても良い。なおこの図では、絶縁性薄膜１０がｐ型光ガイド層６の表面より連続して、ｎ型コンタクト層２にまで達しているが、金属薄膜を形成する場合、金属薄膜はｎ層側のクラッド層に接触しないように形成することはいうまでもない。
【００２１】
絶縁性薄膜１０を形成するには、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、分子線蒸着等の常用の気相製膜手段を用いることができる。絶縁性薄膜１０の材料としては、絶縁性薄膜が表面に接しているｐ型光ガイド層６の屈折率よりも小さい材料を選択し、例えばＳｉＯ2に代表されるＳｉ酸化物、Ｓｉ3Ｎ4に代表されるＳｉ窒化物等を好ましく形成することができ、その他ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3等の高誘電体材料が使用できる。この絶縁性薄膜の膜厚は１００オングストローム以上、１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、最も好ましくは活性層の上に形成されたクラッド層の総膜厚よりも薄い膜厚で形成する。また同様に金属薄膜も形成できる。
【００２２】
図３は本発明のレーザ素子に係る他の構造を示す模式的な断面図であり、図１と同一部材は同一符号でもって示している。このレーザ素子が図１のレーザ素子と異なる点は、ｐ型光閉じ込め層７よりリッジ形状としている。クラッド層をリッジ形状とするには、最も活性層に近い層よりするのが好ましいが、このようにｐ型光閉じ込め層７よりリッジとしても良く、クラッド層の膜厚の関係で適宜変更できる。なお、ｐ型光閉じ込め層７よりリッジ形状としている場合、絶縁性薄膜１０の屈折率はｐ型光閉じ込め層７よりも小さい材料を選択することはいうまでもない。
【００２３】
さらに、ｐ型光閉じ込め層７の表面に形成されている絶縁性薄膜１０がストライプ状のリッジの側面に接している。このようにストライプ側面に絶縁性薄膜を形成することにより、ストライプ側面から漏れる光も閉じ込められるので、閾値が下がり、発光出力が向上する。
【００２４】
また、本発明のレーザ素子では、リッジ形状の側面の基板表面に対する角度が９０゜以上であることを特徴とする。つまり、図３に示すθが９０゜以上であることを特徴とする。好ましい角度としては９０゜以上１２０゜以下、さらに好ましくは、９５゜以上、１１０゜以下がストライプの下に光が集中しやすい。この角度を９０゜以上とすることにより、絶縁性薄膜１０を均一な膜厚で成長させやすくなるので、光閉じ込めの効率が上がる。リッジ形状のクラッド層の好ましいストライプ幅としては、０．５μｍ以上、２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下、最も好ましくは５μｍ以下に調整する。ストライプ幅とは活性層に近い側のリッジのストライプ幅を指すものとする。２０μｍよりも大きいと、閾値があまり低下せず、０．５μｍよりも小さいと、発熱して素子が壊れやすい傾向にある。
【００２５】
さらに付言すると、オーミック用の正電極３０は、リッジ状のｐ型層の最表面に露出されたストライプ状のｐ型コンタクト層８のほぼ全面に形成されている。このように正電極３０をリッジ最表面のｐ層のほぼ全面に形成することにより、コンタクト抵抗が下がり、Ｖｆを低下させることができる。このためレーザ素子の駆動電圧と電流と両方を下げることができる。なお、この場合の「ほぼ全面」とは９０％以上の面積を指すものとする。
【００２６】
なお、本発明に類似した技術として、例えば特開平６−１５２０７２号公報に屈折率導波型のレーザ素子が示されている。しかしながらこの公報ではエッチング深さが活性層を超えてｎ型層にまで至っている。本発明のレーザ素子ではエッチング深さは図１、図３に示すように活性層を超えない。活性層を超えないことによりエッチングダメージが活性層中に入りにくくなるので、レーザ素子の寿命を長くすることができる。
【００２７】
［実施例］
図４ないし図７は本発明の実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式的な断面図である。以下、これらの図を用いて図１に示すレーザ素子を得る方法について詳説する。実施例の方法はＭＯＶＰＥ法によりＬＤ素子を作成する方法であるが、本発明の素子はＭＯＶＰＥ法だけではなく、例えばＭＢＥ、ＨＤＶＰＥ等の他の知られている窒化物半導体の気相成長法を用いて成長させることができる。
【００２８】
よく洗浄されたスピネル基板１（ＭｇＡｌ2Ｏ4、１１１面）をＭＯＶＰＥ装置の反応容器内に設置した後、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）と、アンモニアを用い、温度５００℃で基板１の表面にＧａＮよりなるバッファ層（図示せず。）を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層は基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和する作用があり、他にＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等を成長させることも可能である。このバッファ層を成長させることにより、基板の上に成長させるｎ型窒化物半導体の結晶性が良くなることが知られているが、成長方法、基板の種類等によりバッファ層が成長されない場合もあるので、特に図示していない。
【００２９】
続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ4（シラン）ガスを用いて、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２を４μｍの膜厚で成長させる。
【００３０】
次に温度を７５０℃まで下げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、ＳｉドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層（図示せず。）を５００オングストロームの膜厚で成長させる。クラック防止層はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、次に成長させるＡｌを含む窒化物半導体よりなるｎ型光閉じこめ層３を厚膜で成長させることが可能となる。ＬＤの場合は、光閉じ込め層となる層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにクラックが入るので素子作製が困難であったが、このクラック防止層が次に成長させる光閉じこめ層３にクラックが入るのを防止することができる。しかも次に成長させる光閉じこめ層３を厚膜で成長させても膜質良く成長できる。なおクラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、クラック防止層は成長方法、成長装置によっては省略することもできるので図示していないが、ＬＤを製造する上では成長させる方が望ましい。
【００３１】
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｎ型光閉じこめ層３を０．６μｍの膜厚で成長させる。
【００３２】
続いて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層４を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３３】
次に原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いて活性層５を成長させる。活性層は温度を７５０℃に保持して、まずノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を４回繰り返し、最後に井戸層を成長させ、総膜厚３２５オングストロームの膜厚の多重量子井戸構造よりなる活性層５を成長させる。
【００３４】
活性層５成長後、温度を１０５０℃にしてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物源としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型キャップ層（図示せず。）を１００オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ型キャップ層は１μｍ以下、さらに好ましくは１０オングストローム以上、０．１μｍ以下の膜厚で成長させることにより、ＩｎＧａＮよりなる活性層が分解するのを防止するキャップ層としての作用があり、また活性層の上にＡｌを含むｐ型窒化物半導体よりなるｐ型キャップ層を成長させることにより、発光出力が格段に向上する。逆に活性層に接するｐ層をＧａＮとすると素子の出力が約１／３に低下してしまう。これはＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型になりやすく、またｐ型キャップ層成長時に、ＩｎＧａＮが分解するのを抑える作用があるためと推察されるが、詳しいことは不明である。ｐ型キャップ層の膜厚は１μｍよりも厚いと、層自体にクラックが入りやすくなり素子作製が困難となる傾向にある。ｐ型キャップ層も省略可能であるので図示していないが、ＬＤを製造する上では成長させる方が望ましい。またｐ型キャップ層よりリッジ形状のストライプを形成しても良く、本発明でいうクラッド層の一つである。
【００３５】
次に温度を１０５０℃に保持しながら、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層６を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層６は上記したように、ＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次のＡｌを含むｐ型光閉じこめ層７を結晶性良く成長できる。
【００３６】
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなるｐ型光閉じ込め層７を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００３７】
さらに、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ＋型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層８を０．２μｍの膜厚で成長させる。
【００３８】
以上のようにして窒化物半導体を積層したウェーハを反応容器から取り出し、ｐ型コンタクト層８に第１のマスクを形成して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にて、最上層のｐ型コンタクト層８から選択エッチを行い、負電極２０を形成すべきｎ型コンタクト層２の表面を露出させる。さらに、第１のマスク除去後、さらにｐ型コンタクト層８の表面、および露出したｎ型コンタクト層２表面に第２のマスク４１を形成する。なお、ｐ型コンタクト層の表面に形成する第２のマスク４１は幅２μｍのストライプ状とする。第２のマスク形成後のウェーハの主要部の構造を示す断面図が図４である。
【００３９】
第２のマスク形成後、同じくＲＩＥにより選択エッチを行い、ｐ型コンタクト層８、ｐ型光閉じこめ層７、ｐ型光ガイド層６の一部をエッチングし、リッジ形状のストライプを形成する。ストライプは基板の平面に対し、ほぼ９０゜とする。エッチング後、第２のマスク４１を除去する。第２のマスク４１除去後のウェーハの主要部の構造が図５である。
【００４０】
次に、図７に示すように、窒化物半導体ウェーハの所定の位置に第３のマスク４２を形成し、さらにプラズマＣＶＤ装置でＳｉＯ2よりなる絶縁性薄膜１０を、ｐ型光ガイド層６の表面と、ｎ型コンタクト層２の表面に連続して０．５μｍの膜厚で形成する。絶縁性薄膜１０を形成する前の構造を示す図が図６であり、第３のマスク４２除去後の構造を示す図が図７である。
【００４１】
第３のマスク４２除去後、常法に従い、ｐ型コンタクト層８のほぼ全面にはＮｉとＡｕよりなるストライプ状の正電極３０を形成し、露出させたｎ型コンタクト層２にはＴｉとＡｌよりなるストライプ状の負電極２０を形成する。負電極２０はオーミック用とパッド用とを兼ねている。その後、正電極３０の上にＡｕよりなるパッド電極３１を形成する。
【００４２】
以上のようにしたウェーハを、まずストライプ状の電極に平行な位置で分割した後、次に電極に垂直な方向で分割し、垂直な方向で分割した分割面を研磨して鏡面とする。その共振面に常法に従って誘電体多層膜を形成して、図１に示すようなレーザチップとする。このレーザチップをヒートシンクに設置し、常温でパルス発振させたところ閾値電流が直流０．１Ａ、１０Ｖで４１０ｎｍのレーザ発振を示した。
【００４３】
［実施例２］
図８は本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る。このレーザ素子は正電極３０をクラッド層にショットキーバリア接触する金属薄膜として設けている点が実施例１と異なる。
【００４４】
実施例１において、リッジ形状のストライプを形成する際、図８に示すようにｐ型光閉じ込め層６までメサエッチする。なおメサエッチ後のストライプ側面の角度θはおよそ９５゜である。
【００４５】
エッチング後、絶縁性薄膜１０を形成せず、電極を形成する工程において、図８に示すようにｐ型コンタクト層８のほぼ全面と、ｐ型光閉じ込め層６の表面とに渡って、ＮｉとＡｕを含む正電極３０を形成する。ＮｉとＡｕとを含む金属は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層８にはオーミック接触するが、ＡｌＧａＮよりなるｐ型光閉じ込め層にはショットキーバリア接触する。なお本発明において、金属薄膜がクラッド層に接するショットキーバリア接触とは、完全なショットキーバリア接触ではなく、ｐ型コンタクト層よりも接触抵抗が高いことを意味する。以上のようにして金属薄膜を形成した後、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、ほぼ同一の特性を示した。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ素子ではリッジ型のストライプにより、活性層の発光がリッジの下に集中して、横モードのレーザ光が制御できるためにレーザ発振の閾値電流低下して、連続発振が可能となる。窒化物半導体は現在研究されているII−VI族化合物半導体よりなるレーザ素子に比べて短波長が発振できるという利点がある。従って窒化物半導体で連続発振が可能となると、書き込み光源、読みとり光源としての需要が爆発的に増え、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るレーザ素子の一構造を示す模式断面図。
【図２】 図１のレーザ素子の形状を示す斜視図。
【図３】 本発明に係るレーザ素子の他の構造を示す模式断面図。
【図４】 実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図５】 実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図６】 実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図７】 実施例において得られる窒化物半導体ウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図８】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ型コンタクト層
３・・・・ｎ型光閉じこめ層
４・・・・ｎ型光ガイド層
５・・・・活性層
６・・・・ｐ型光ガイド層
７・・・・ｐ型光閉じこめ層
８・・・・ｐ型コンタクト層
１０・・・・絶縁性薄膜
２０、３０・・・・電極
Claims (9)
- 活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型光閉じ込め層、ｐ型コンタクト層を順に積層した窒化物半導体層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記窒化物半導体層のｐ型コンタクト層側からエッチングによりｐ型光ガイド層を露出させて形成されたリッジ形状のストライプを有し、
前記ｐ型光ガイド層の露出した表面に絶縁性薄膜を有し、
さらに前記ｐ型コンタクト層にオーミック用の正電極を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型光閉じ込め層、ｐ型コンタクト層を順に積層した窒化物半導体層を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記窒化物半導体層のｐ型コンタクト層側からエッチングによりｐ型光ガイド層を露出させて形成されたリッジ形状のストライプを有し、
前記ｐ型光ガイド層の露出した表面に金属薄膜を有し、
さらに前記ｐ型コンタクト層にオーミック用の正電極を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記正電極と前記金属薄膜が異なる工程で形成される請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｐ型コンタクト層はｐ型層の最表層であり、前記正電極は該 p 型コンタクト層の面積の９０％以上を被覆して設けられている請求項１乃至３記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体レーザ素子において、
さらにリッジ形状のストライプ側面に絶縁性薄膜を有する請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体レーザ素子において、
さらにリッジ形状のストライプ側面に金属薄膜を有する請求項２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記正電極上及び絶縁性薄膜上にパッド電極を有する請求項１又は５記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記p型光ガイド層がＩｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮである請求項１乃至６のいずれか１項記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記p型光閉じ込め層がＡｌを含むｐ型窒化物半導体である請求項１乃至７のいずれか１項記載の窒化物半導体レーザ素子。
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