JP3849876B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、ストライプ状のリッジ(凸部)が設けられた半導体レーザ素子に関する。また、本発明の半導体レーザ素子は、特にGaN、AlN、もしくはInN、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体(InbAldGa1−b−dN、0≦b、0≦d、b+d<1)を用いた素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device provided with a striped ridge (convex portion). In addition, the semiconductor laser device of the present invention has a group III-V nitride semiconductor (InbAldGa1-b-dN, 0 ≦ b, 0 ≦ d, b + d <1) that is GaN, AlN, InN, or a mixed crystal thereof. ).
今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、DVDなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広い可視光の波長域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、前記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。 Today, semiconductor laser devices using nitride semiconductors are increasingly demanded for use in optical disc systems capable of recording and reproducing information with a large capacity and high density, such as DVDs. For this reason, research on semiconductor laser elements using nitride semiconductors has been actively conducted. In addition, it is considered that a semiconductor laser element using a nitride semiconductor can oscillate in a wide wavelength range of visible light from ultraviolet to red, and its application range is not limited to the light source of the optical disk system, It is expected to be a wide variety of light sources such as laser printers and optical networks.
特に、レーザ素子構造に関しては、様々な研究がなされ、横モードの好適な制御を可能にする構造についても、種々の提案が成されている。その中でも、特に有望視されている構造として、リッジ導波路構造があり、世界に先駆けて出荷が開始された窒化物半導体レーザ素子でも、採用されている。 In particular, various studies have been made on the laser element structure, and various proposals have been made on structures that allow suitable control of the transverse mode. Among them, a particularly promising structure is a ridge waveguide structure, which is also used in nitride semiconductor laser devices that have been shipped for the first time in the world.
半導体レーザ素子の構造として、リッジ導波路構造は、構造が単純であることから、容易にレーザ発振が可能な反面、大量生産時において、特性のばらつきが発生しやすい。これは、リッジ導波路構造では、メサストライプの寸法ばらつきに依存して特性が変化するが、メサストライプの形状のばらつきはエッチング精度に依存することから、そのエッチング精度以下には形状ばらつきを抑えることができないからである。また、活性層のエッチングによる損傷、活性層表面がエッチング雰囲気にさらされることによる損傷が大きな半導体材料を用いた半導体レーザ素子では、活性層よりも深くエッチングしてリッジを形成することにより完全屈折率導波型の半導体レーザ素子を構成しようとすると、活性層及び活性層表面のエッチングによる損傷のためにレーザ特性が悪化する。、従って、係る半導体レーザ素子では、活性層に達しない深さでストライプを設けた実効屈折率型の導波路構造としなければならない。しかし、実効屈折率型の導波路構造では、上述したストライプ形状のばらつきによる素子特性変化が顕著なものとなり、量産時において、素子特性のばらつきが大きなものとなる。 As the structure of the semiconductor laser element, the ridge waveguide structure has a simple structure, so that laser oscillation can be easily performed. However, variations in characteristics are likely to occur during mass production. This is because the characteristics of the ridge waveguide structure change depending on the mesa stripe size variation, but the mesa stripe shape variation depends on the etching accuracy. It is because it is not possible. In a semiconductor laser device using a semiconductor material that is damaged due to etching of the active layer, or the active layer surface is exposed to the etching atmosphere, a complete refractive index is obtained by etching deeper than the active layer to form a ridge. If an attempt is made to construct a waveguide type semiconductor laser device, the laser characteristics deteriorate due to damage caused by etching of the active layer and the surface of the active layer. Therefore, in such a semiconductor laser device, an effective refractive index type waveguide structure in which stripes are provided at a depth that does not reach the active layer must be used. However, in the effective refractive index type waveguide structure, the change in the element characteristics due to the variation in the stripe shape described above becomes remarkable, and the variation in the element characteristics becomes large during mass production.
窒化物半導体を用いたレーザ素子において、上述した分野への応用の実現に向けての次なる課題としては、大量生産で安定した品質の素子を提供することが必須項目となる。 In a laser element using a nitride semiconductor, as a next problem for realizing application in the above-described field, it is an essential item to provide an element of stable quality by mass production.
しかしながら、現在知られているレーザ素子構造では、リッジ導波路の形成がその足かせとなっている。なぜなら、通常、リッジ導波路の形成には、素子構造となる窒化物半導体を成長させた後、上層からエッチングにより、その窒化物半導体の一部を除去して、導波路を構成するためのリッジ(凸部)を形成することになるが、この時のエッチング精度が、上述したように、得られるレーザ素子の素子特性に大きく影響を及ぼすからである。すなわち、リッジ導波路を形成する凸部の形状、特にその高さ及び幅でもって、横モードが制御され、得られるレーザ光のF.F.P.(ファー・フィールド・パターン)が決定されることから、エッチングによりリッジ導波路を形成する際の、その深さの制御誤差が、直接的に素子特性のばらつきを生み出す大きな要因となるからである。 However, in the currently known laser device structure, the formation of a ridge waveguide is a hindrance. This is because, usually, a ridge waveguide is formed by growing a nitride semiconductor to be an element structure and then removing a part of the nitride semiconductor by etching from the upper layer to form a waveguide. This is because the etching accuracy at this time greatly affects the element characteristics of the obtained laser element as described above. That is, the transverse mode is controlled by the shape of the convex portion forming the ridge waveguide, particularly its height and width, and the F.D. F. P. This is because the (far field pattern) is determined, and thus, when the ridge waveguide is formed by etching, the control error of the depth is a major factor that directly causes variations in device characteristics.
また、従来、窒化物半導体のエッチング方法として、RIE(反応性イオンエッチング)などのドライエッチングを用いることが知られているが、これらのエッチング方法では、素子特性のばらつきを根本的に解決できるほどの精度で、エッチング深さを制御することが困難であった。 Conventionally, dry etching such as RIE (reactive ion etching) is known as a nitride semiconductor etching method. However, these etching methods can fundamentally solve variations in device characteristics. It was difficult to control the etching depth with this accuracy.
さらにまた、近年の素子設計において、超格子構造など、数原子層単位で制御された層が、素子構造中に多数設けられて構成されていることも、前記エッチング精度による素子特性ばらつきの原因となっている。すなわち、素子構造を構成する各層の形成において、それぞれの膜厚は、極めて高い精度で制御されて形成されており、それよりも数桁の精度で劣るエッチング方法を用いて、リッジ等を形成することは、高度に設計された素子構造を実現することが困難となり、素子特性向上のネックとなる。 Furthermore, in recent element designs, a large number of layers controlled in units of several atomic layers such as a superlattice structure are provided in the element structure, which is a cause of variations in element characteristics due to the etching accuracy. It has become. That is, in the formation of each layer constituting the element structure, the thickness of each layer is controlled with extremely high accuracy, and a ridge or the like is formed using an etching method inferior to several orders of magnitude. This makes it difficult to realize a highly designed element structure, and becomes a bottleneck for improving element characteristics.
例えば、窒化物半導体を用いたレーザ素子において、活性層をエッチングすることなく活性層の上に、リッジ導波路を設ける屈折率導波型の構造により、高出力タイプの窒化物半導体レーザ素子を実現するために、エッチングの深さ方向の精度は、リッジ直下の活性層部とその他の活性層部との実効屈折率差を100分の1の精度で制御する必要がある。その精度を実現するためにには、活性層直上の層において、例えばそれをp型クラッド層とすると、p型クラッド層がほんの一部だけ残るまで、0.01μm以下の精度で深さ制御されたエッチングでもって、リッジを形成しなければならない。また、リッジ導波路の幅に関しては、それよりも低い精度ではあるが、0.1μmの精度でエッチングを制御することが必要である。 For example, in a laser device using a nitride semiconductor, a high power type nitride semiconductor laser device is realized by a refractive index waveguide structure in which a ridge waveguide is provided on the active layer without etching the active layer. Therefore, the accuracy in the etching depth direction needs to be controlled with an accuracy of 1/100 of the effective refractive index difference between the active layer portion directly under the ridge and the other active layer portions. In order to realize the accuracy, in the layer immediately above the active layer, for example, if it is a p-type cladding layer, the depth is controlled with an accuracy of 0.01 μm or less until only a part of the p-type cladding layer remains. The ridge must be formed by etching. Further, with respect to the width of the ridge waveguide, it is necessary to control the etching with an accuracy of 0.1 μm although the accuracy is lower than that.
また、窒化物半導体のエッチング方法として、RIEを用いると、エッチング露出面、及び露出された層が、損傷を受ける傾向にあり、素子特性、素子信頼性の低下を招くものとなる。エッチング方法には、ドライエッチングの他に、ウェットエッチングを用いる方法があるが、窒化物半導体に使用できるウェットエッチング液は、未だ開発されていない。 Further, when RIE is used as a method for etching a nitride semiconductor, the etched exposed surface and the exposed layer tend to be damaged, leading to deterioration of device characteristics and device reliability. As an etching method, there is a method using wet etching in addition to dry etching, but a wet etching solution that can be used for a nitride semiconductor has not been developed yet.
以上のように、窒化物半導体を用いたレーザ素子の高機能化、及び特性のばらつきの少ない大量生産の実現には、エッチング工程におけるリッジ導波路形成時の精度が大きく影響するものであり、精度に優れたリッジ導波路の形成は、極めて重要な課題となっている。 As described above, the high accuracy of laser elements using nitride semiconductors and the realization of mass production with little variation in characteristics are greatly affected by the accuracy of the ridge waveguide formation in the etching process. The formation of an excellent ridge waveguide is an extremely important issue.
本発明者は、前記事情に鑑み、ストライプ形状の半導体レーザ素子であっても、その発振・導波に優れた共振器を有する半導体レーザ素子でありながら、安定した横モード制御、F.F.P.に優れたレーザ光を得ることができ、且つ量産時においても、素子ばらつきの少ないレーザ素子若しくは端面発光素子、及びその製造方法を発明するに至ったものである。 In view of the above circumstances, the inventor of the present invention has realized a stable transverse mode control, even if a semiconductor laser element having a stripe shape is a semiconductor laser element having a resonator excellent in oscillation and waveguide, F. P. Thus, the present inventors have invented a laser element or an end surface light emitting element that can obtain a laser beam excellent in quality and has little element variation even during mass production, and a manufacturing method thereof.
すなわち本発明の半導体レーザ素子は、下記の構成により本発明の目的を達成することができる。 That is, the semiconductor laser device of the present invention can achieve the object of the present invention with the following configuration.
本発明に係る第1の半導体レーザ素子は、第1の導電型の半導体層と、活性層と、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、前記活性層及びその近傍において幅方向に光の広がりを制限してその幅方向と直交する方向に光を導波させる導波路領域が形成されてなる半導体レーザ素子において、
前記導波路領域は、第1の導波路領域と第2の導波路領域とを有してなり、
前記第1の導波路領域は、前記活性層の幅を制限することによりその活性層とその両側の領域との間の屈折率差によってその制限された活性層内に光を閉じ込めるようにした領域であり、
前記第2の導波路領域は、前記活性層において実効的に屈折率差を設けることにより光を閉じ込めるようにした領域であることを特徴とする。
A first semiconductor laser element according to the present invention includes a first conductive type semiconductor layer, an active layer, and a second conductive type semiconductor layer different from the first conductive type, which are sequentially stacked. In a semiconductor laser device comprising a structure, wherein a waveguide region that guides light in a direction orthogonal to the width direction by limiting the spread of light in the width direction in the active layer and the vicinity thereof is formed.
The waveguide region has a first waveguide region and a second waveguide region,
The first waveguide region is a region in which light is confined in the limited active layer due to a difference in refractive index between the active layer and a region on both sides thereof by limiting the width of the active layer. And
The second waveguide region is a region in which light is confined by effectively providing a refractive index difference in the active layer.
このように、構成された本発明に係る第1の半導体レーザ素子において、前記導波路領域が、第1の導波路領域を備え、その第1の導波路領域では活性層とその両側の領域との間に実際に屈折率差を設けてその活性層内に光を閉じ込めるようにしているので、この第1の導波路領域においてより確実に横モードの発生を抑制することができ、かつビーム制御を確実に行うことができ、F.F.P.に優れたレーザ光を得ることができる。 Thus, in the first semiconductor laser device according to the present invention configured as described above, the waveguide region includes a first waveguide region, and in the first waveguide region, an active layer, regions on both sides thereof, and Since a refractive index difference is actually provided between the active layers so that light is confined in the active layer, generation of a transverse mode can be more reliably suppressed in the first waveguide region, and beam control can be performed. Can be performed reliably. F. P. Excellent laser light can be obtained.
また、前記第1の半導体レーザ素子においては、前記活性層において実効的に屈折率が高い領域を形成することにより構成した第2の導波路領域を備えているので、第2の導波路領域においては導波路として機能する活性層を直接外部に露出させることなく導波路を構成できるので、素子の寿命を向上させることができ、かつ信頼性を向上させることができる。以上のように、本発明に係る第1の半導体レーザ素子は、第1の導波路領域と第2の導波路領域のそれぞれの特徴を併せ持ったレーザ素子とできる。 Further, since the first semiconductor laser element includes a second waveguide region configured by forming a region having an effective refractive index in the active layer, the second waveguide region Since the waveguide can be formed without directly exposing the active layer functioning as the waveguide to the outside, the lifetime of the element can be improved and the reliability can be improved. As described above, the first semiconductor laser element according to the present invention can be a laser element having both the characteristics of the first waveguide region and the second waveguide region.
また、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記第1の導波路領域における活性層を、前記活性層を含む第1のリッジを形成することにより該活性層の幅を制限することにより構成し、前記実効的に屈折率が高い領域を、前記第2の導電型層に第2のリッジを形成することにより構成することができる。 In the first semiconductor laser device according to the present invention, the active layer in the first waveguide region is formed by forming a first ridge including the active layer, thereby limiting the width of the active layer. The region having an effectively high refractive index can be formed by forming a second ridge in the second conductivity type layer.
また、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記第1のリッジを、その第1のリッジの両側を前記第1の導電型層が露出するまでエッチングすることにより形成し、前記第2のリッジを、その第2のリッジの両側において前記活性層の上に前記第2の導電型層を残すようにエッチングすることにより形成することができる。 In the first semiconductor laser device according to the present invention, the first ridge is formed by etching both sides of the first ridge until the first conductivity type layer is exposed, and the second ridge is formed. Can be formed by etching so as to leave the second conductivity type layer on the active layer on both sides of the second ridge.
また、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記第2のリッジの両側における、前記活性層上に位置する前記第2の導電型層の膜厚が、0.1μm以下であることが好ましく、これにより横モードの制御をより確実にできる。 In the first semiconductor laser device according to the present invention, the film thickness of the second conductivity type layer located on the active layer on both sides of the second ridge is 0.1 μm or less. Preferably, this enables more reliable control of the transverse mode.
さらに、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記第2のリッジは前記第1のリッジより長いことが好ましく、これによりより信頼性を向上させることができる。 Furthermore, in the first semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the second ridge is longer than the first ridge, whereby the reliability can be further improved.
またさらに、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記第1の導波路領域はレーザ共振器の一方の共振端面を含むことが好ましく、これにより、よりF.F.P.に優れたレーザ光を得ることができる。 Still further, in the first semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the first waveguide region includes one resonance end face of the laser resonator. F. P. Excellent laser light can be obtained.
また、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記一方の共振端面を出射面とすることが好ましく、これにより、さらにF.F.P.に優れたレーザ光を得ることができる。 In the first semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the one resonance end face is an emission face. F. P. Excellent laser light can be obtained.
さらに、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記第1の導波路領域の長さは、1μm以上であることが好ましい。 Furthermore, in the first semiconductor laser element according to the present invention, the length of the first waveguide region is preferably 1 μm or more.
またさらに、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記第1の導電型の半導体層と、前記活性層と、前記第2の導電型の半導体層とをそれぞれ、窒化物半導体により形成することができる。 Still further, in the first semiconductor laser element according to the present invention, the first conductive type semiconductor layer, the active layer, and the second conductive type semiconductor layer are each formed of a nitride semiconductor. be able to.
また、前記半導体レーザ素子では、前記活性層は、Inを含む窒化物半導体層により構成でき、これにより比較的波長の短い可視光領域及び紫外領域のレーザ発振をさせることができる。 In the semiconductor laser device, the active layer can be composed of a nitride semiconductor layer containing In, thereby allowing laser oscillation in a visible light region and an ultraviolet region having a relatively short wavelength.
また、本発明に係る第1の半導体レーザ素子では、前記第1のリッジの両側面と前記第2のリッジの両側面とにそれぞれ絶縁膜を形成し、該絶縁膜はTi,V,Zr,Nb,Hf,Taの各酸化物及びSiN,BN,SiC,AlNよりなる群から選択された少なくとも1つにより構成することが好ましい。 In the first semiconductor laser device according to the present invention, insulating films are formed on both side surfaces of the first ridge and both side surfaces of the second ridge, and the insulating films are formed of Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta oxides and at least one selected from the group consisting of SiN, BN, SiC, AlN are preferable.
また、本発明に係る第2の半導体レーザ素子は、第1の導電型層と、活性層と、該第1の導電型層と異なる導電型の第2の導電型層と、が順に積層された積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を有する半導体レーザ素子において、前記ストライプ状の導波路領域が、共振器方向において、完全屈折率によりストライプ状の導波路が設けられた第1の導波路領域C1と、実効屈折率によりストライプ状の導波路が設けられた第2の導波路領域と、を少なくとも有することを特徴とする。この構成により、本発明のレーザ素子は、素子信頼性に優れる第2の導波路領域C2と、横モードの制御性、ビーム特性に優れる第1の導波路領域C1とを有することで、その両方の特性を活かしたレーザ素子となり、煩雑で、複雑な素子設計の変更を伴わずとも、用途に応じた様々なレーザ素子を得ることができる。これは、実効屈折率型の導波路は、活性層の上にある第2の導電型層にストライプ状の凸部が設けられることで、活性層を成長時の状態にとどめておくことができ、素子駆動時において、導波路の劣化がなく、素子信頼性に優れる。また、活性層よりも深くエッチングすることで導波路領域の両側に屈折率差を設けた屈折率型の第1の導波路領域C1を導波路内に設けることで、容易に横モードの制御が可能であり、これをレーザ素子の導波路として有することで、導波路内の横モードの変更が容易に可能となる。なお、本明細書において、この第1の導波路領域を構成する導波路を、前記実効屈折率型導波路との混同を避けるために、完全屈折率型の導波路、または真屈折率型の導波路とする。 In the second semiconductor laser element according to the present invention, a first conductivity type layer, an active layer, and a second conductivity type layer having a conductivity type different from the first conductivity type layer are sequentially stacked. In the semiconductor laser device having a stripe-shaped waveguide region in the stacked structure, the stripe-shaped waveguide region is provided with a stripe-shaped waveguide having a perfect refractive index in the cavity direction. It has at least a waveguide region C 1 and a second waveguide region provided with a stripe-shaped waveguide by an effective refractive index. With this configuration, the laser element of the present invention has the second waveguide region C 2 excellent in device reliability, and the first waveguide region C 1 excellent in lateral mode controllability and beam characteristics. The laser element takes advantage of both characteristics, and various laser elements can be obtained depending on the application without complicated and complicated element design changes. This is because the effective refractive index type waveguide is provided with a stripe-shaped convex portion on the second conductive type layer above the active layer, so that the active layer can be kept in a growth state. When the element is driven, the waveguide is not deteriorated and the element reliability is excellent. Further, the transverse mode can be easily controlled by providing the first waveguide region C 1 of the refractive index type in which the refractive index difference is provided on both sides of the waveguide region by etching deeper than the active layer. By having this as the waveguide of the laser element, it is possible to easily change the transverse mode in the waveguide. In this specification, in order to avoid confusion between the waveguide constituting the first waveguide region and the effective refractive index type waveguide, a complete refractive index type waveguide or a true refractive index type waveguide is used. Let it be a waveguide.
また、本発明に係る第2の半導体レーザ素子では、前記第1の導波路領域C1の完全屈折率を、第1の導電型層、活性層及び第2の導電型層を含むように設けられたストライプ状の凸部により実現し、前記第2の導波路領域の実効屈折率を、第2の導電型層に設けられたストライプ状の凸部により実現することができる。この構成により、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2とを、レーザ素子内に容易に設けることができるため、簡単な素子設計により多様な素子特性のレーザ素子となる。 In the second semiconductor laser device according to the present invention, the complete refractive index of the first waveguide region C 1 is provided so as to include the first conductivity type layer, the active layer, and the second conductivity type layer. The striped convex portion can be realized, and the effective refractive index of the second waveguide region can be realized by the striped convex portion provided in the second conductivity type layer. With this configuration, since the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 can be easily provided in the laser element, the laser element can have various element characteristics by a simple element design. .
また、本発明に係る第3の半導体レーザ素子は、第1の導電型層と、活性層と、該第1の導電型層と異なる導電型の第2の導電型層と、が順に積層された積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を有する半導体レーザ素子において、
前記ストライプ状の導波路領域が、共振器方向において、前記第2の導電型層に、第2の導電型層の一部が除去されて、ストライプ状の凸部が設けられた第2の導波路領域と、前記第1の導電型層に、前記第1の導電型層、活性層、第2の導電型層の一部が除去されて、ストライプ状の凸部が設けられた第1の導波路領域C1と、を少なくとも有することを特徴とする。この構成により、活性層の一部を除去する領域(第1の導波路領域C1)と、除去されない領域(第2の導波路領域)とで、ストライプ状の導波路を構成することにより、除去により受ける活性層の損傷を導波路の一部にとどめることができ、素子信頼性が向上する。活性層の一部除去による損傷、素子信頼性低下、素子特性低下の大きな半導体材料においては、第1の導波路領域C1が一部であるため、その第1の導波路領域C1が占める割合を設計することで、所望の素子信頼性、素子特性のレーザ素子が得られる。また、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2、の長さ(導波路を構成する割合)、位置を変更することにより、様々な素子特性のレーザ素子が得られ,特に所望のビーム特性のレーザ素子が容易に得られる。
In the third semiconductor laser device according to the present invention, a first conductivity type layer, an active layer, and a second conductivity type layer having a conductivity type different from the first conductivity type layer are sequentially stacked. In the semiconductor laser device having a striped waveguide region in the laminated structure,
In the resonator direction, the stripe-shaped waveguide region has a second conductive type layer in which a part of the second conductive type layer is removed and a stripe-shaped convex portion is provided in the second conductive type layer. The first conductive type layer, the first conductive type layer, the active layer, and the second conductive type layer are partially removed from the waveguide region and the first conductive type layer to provide a striped convex portion. And at least a waveguide region C 1 . With this configuration, a stripe-shaped waveguide is formed by a region where the part of the active layer is removed (first waveguide region C 1 ) and a region where the active layer is not removed (second waveguide region). Damage to the active layer caused by the removal can be limited to a part of the waveguide, and the device reliability is improved. Damage partial removal of the active layer, the element reduced reliability, in a large semiconductor material of the device property deterioration, since the first waveguide region C 1 is part, occupied by the first waveguide region C 1 Part By designing the ratio, a laser element having desired element reliability and element characteristics can be obtained. Further, by changing the length (ratio constituting the waveguide) and position of the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 , laser elements having various element characteristics can be obtained. In particular, a laser element having desired beam characteristics can be easily obtained.
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記積層構造体の一部が除去されて、ストライプ状の凸部からなるリッジ導波路を形成することにより、、前記第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2とが構成されるようにしてもよい。。この構成により、ストライプ状の凸部からなるリッジ導波路構造のレーザ素子において、、多様な特性のレーザ素子を得ることができる。
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記第2の導波路領域C2におけるストライプの長さを、前記第1の導波路領域C1よりも長くすることが好ましい。この構成により、第1の導波路領域C1を設けることによる素子劣化が大きな半導体材料、例えば活性層の一部が除去若しくは大気にさらされることにより損傷を受ける半導体材料では、素子信頼性に優れるレーザ素子となる。
In the second and third semiconductor laser elements, a part of the stacked structure is removed to form a ridge waveguide composed of stripe-shaped convex portions, whereby the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 may be configured. . With this configuration, laser elements having various characteristics can be obtained in a ridge waveguide structure laser element composed of stripe-shaped convex portions.
In the second and third semiconductor laser elements, it is preferable that the stripe length in the second waveguide region C2 is longer than that in the first waveguide region C1. With this configuration, a semiconductor material that is greatly deteriorated by providing the first waveguide region C 1 , for example, a semiconductor material that is damaged by removing a part of the active layer or being exposed to the atmosphere, has excellent element reliability. It becomes a laser element.
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記半導体レーザ素子の共振器面の内、少なくとも1つの共振器面が、前記第1の導波路領域C1の端部に形成されていることが好ましい。この構成により、横モードの制御性に優れる第1の導波路領域C1を共振器面の一方に設けることで、その他の位置に設けるよりも効果的な光の導波の制御が可能となり、多様な素子特性を有するレーザ素子を得ることができる。
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記第1の導波路領域C1の端部に形成された共振器面は、出射面であることが好ましい。この構成により、横モードの制御性に優れる第1の導波路領域C1を、レーザ光の出射面に設けることで、ビーム特性を直接的に制御することができ、所望のF.F.P.、レーザ光のアスペクト比を有するレーザ素子が得られる。
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記端部に共振器面を有する第1の導波路領域C1のストライプ長さが、少なくとも1μm以上であることが好ましい。この構成により、より確実なF.F.P.、レーザ光のアスペクト比の制御が実現され、それらの特性において素子ばらつきの少ないレーザ素子が得られる。
In the second and third semiconductor laser elements, at least one of the resonator surfaces of the semiconductor laser element is formed at an end of the first waveguide region C1. It is preferable. With this configuration, by providing the first waveguide region C 1 having excellent controllability in the transverse mode on one side of the resonator surface, it becomes possible to control the waveguide of light more effectively than at other positions. Laser elements having various element characteristics can be obtained.
In the second and third semiconductor laser elements, the resonator surface formed at the end of the first waveguide region C1 is preferably an emission surface. With this configuration, by providing the first waveguide region C 1 with excellent lateral mode controllability on the laser light emission surface, the beam characteristics can be directly controlled. F. P. A laser element having an aspect ratio of laser light can be obtained.
In the second and third semiconductor laser elements, the stripe length of the first waveguide region C 1 having a resonator surface at the end is preferably at least 1 μm. With this configuration, more reliable F.I. F. P. Control of the aspect ratio of the laser beam is realized, and a laser element with little element variation in these characteristics can be obtained.
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記第1の導電型層、活性層、第2の導電型層に、窒化物半導体を用いて構成することができる。この構成により、イオン注入、再成長層による埋め込み構造を形成することが困難な窒化物半導体を用いたレーザ素子において、様々な特性のレーザ素子を得ることができる。また、窒化物半導体は、活性層の一部をエッチングなどにより除去すると、素子寿命が大幅に低下することから、活性層の一部を除去する完全屈折率型の導波路からなるレーザ素子の実用化が困難であったが、導波路の一部が第1の導波路領域C1となることから、素子寿命の低下を抑えながら、横モードの制御性に優れるレーザ素子を得ることができる。 In the second and third semiconductor laser elements, the first conductive type layer, the active layer, and the second conductive type layer can be formed using a nitride semiconductor. With this configuration, laser elements having various characteristics can be obtained in a laser element using a nitride semiconductor in which it is difficult to form a buried structure by ion implantation and regrowth layers. Nitride semiconductors also have a practically useful laser element consisting of a complete refractive index waveguide that removes part of the active layer because the lifetime of the element is greatly reduced when part of the active layer is removed by etching or the like. However, since a part of the waveguide becomes the first waveguide region C 1 , it is possible to obtain a laser element with excellent lateral mode controllability while suppressing a reduction in element life.
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記活性層はInを含む窒化物半導体層を用いて構成することもできる。この構成により、紫外域から可視光域の波長を有するレーザ素子が得られる。 In the second and third semiconductor laser elements, the active layer can be formed using a nitride semiconductor layer containing In. With this configuration, a laser element having a wavelength from the ultraviolet region to the visible light region can be obtained.
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記第1の半導体層においてn型窒化物半導体を有し、前記第2の半導体層においてp型窒化物半導体を有していてもよい。 The second and third semiconductor laser elements may include an n-type nitride semiconductor in the first semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor in the second semiconductor layer.
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記第2の導波路領域が、p型窒化物半導体を含むp型クラッド層を有し、第2の導波路領域のストライプ状の凸部が、該p型クラッド層の膜厚が0.1μmよりも薄く設けられていることが好ましい。この構成により、低い閾値電流で、横モード制御性に優れるレーザ素子が得られる。ここで、p型クラッド層の膜厚とは、膜厚方向において、凸部が設けられていない領域におけるp型クラッド層の露出された表面と、p型クラッド層の下に接する隣接層との界面との間の距離を指すものであり、活性層よりも上とは、活性層の上に接する隣接層との界面よりも上に位置するものである。すなわち、活性層とp型クラッド層が接して設けられている場合には、p型クラッド層が、0より大きく、0.1μm以下の膜厚で残る深さで、前記露出された表面・平面が形成される。また、後述の実施例1のように、ガイド層などを活性層、p型クラッド層との間に有している場合には、前記露出された表面・平面が、前記活性層とその上に隣接する層の界面よりも上で、且つp型クラッド層の膜厚が0.1μmとなる位置よりも下、若しくは活性層とp型クラッド層との間の層に設けられることである。 In the second and third semiconductor laser elements, the second waveguide region has a p-type cladding layer containing a p-type nitride semiconductor, and the stripe-shaped convex portion of the second waveguide region. However, it is preferable that the thickness of the p-type cladding layer is less than 0.1 μm. With this configuration, a laser element having a low threshold current and excellent lateral mode controllability can be obtained. Here, the film thickness of the p-type cladding layer refers to the exposed surface of the p-type cladding layer in the region where no protrusion is provided and the adjacent layer in contact with the p-type cladding layer in the film thickness direction. The distance between the active layer and the adjacent layer is located above the active layer. That is, when the active layer and the p-type cladding layer are provided in contact with each other, the exposed surface / planar surface has a depth that the p-type cladding layer remains with a film thickness of greater than 0 and equal to or less than 0.1 μm. Is formed. Further, as in Example 1 described later, when a guide layer or the like is provided between the active layer and the p-type cladding layer, the exposed surface / plane is disposed on the active layer and the active layer. It is provided above the interface between adjacent layers and below the position where the thickness of the p-type cladding layer is 0.1 μm, or between the active layer and the p-type cladding layer.
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、第1の導波路領域C1のストライプ状の凸部側面及び第2の導波路領域のストライプ状の凸部側面に窒化物半導体が露出されており、該ストライプ状の凸部側面に絶縁膜が設けられてなり、該絶縁膜が、Ti、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む酸化物、又は、SiN、BN、SiC、AlNよりなる群から選択される少なくとも一種、からなるようにしてもよい。この構成により、窒化物半導体を用いたレーザ素子において、ストライプ状の凸部に、良好な屈折率差を設けることができ、横モードの制御性に優れたストライプ状の導波路領域を有するレーザ素子が得られる。 In the second and third semiconductor laser elements, the nitride semiconductor is exposed on the stripe-shaped convex side surface of the first waveguide region C1 and the stripe-shaped convex side surface of the second waveguide region. And an oxide film comprising at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Zr, Nb, Hf, and Ta. Or at least one selected from the group consisting of SiN, BN, SiC, and AlN. With this configuration, in a laser element using a nitride semiconductor, a laser element having a stripe-shaped waveguide region that can provide a favorable refractive index difference to the stripe-shaped convex portion and has excellent lateral mode controllability. Is obtained.
また、前記第2及び第3の半導体レーザ素子では、前記ストライプ状の凸部の幅は、1μm以上3μm以下であることが好ましい。この構成により、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2において、横モードの制御性に優れたストライプ状の導波路領域を、導波層内に形成することができ、電流―光出力特性において、キンクの発生のない、レーザ素子となる。 In the second and third semiconductor laser elements, it is preferable that a width of the stripe-shaped convex portion is 1 μm or more and 3 μm or less. With this configuration, in the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 , a stripe-shaped waveguide region having excellent lateral mode controllability can be formed in the waveguide layer. In the current-light output characteristics, the laser element is free of kinks.
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の構成により本発明の目的を達成することができる。 The semiconductor laser device manufacturing method of the present invention can achieve the object of the present invention with the following configuration.
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、窒化物半導体を用いて、第1の導電型層と、活性層と、第2の導電型層とを順に積層した積層構造体を形成する積層工程と、積層構造体を形成した後、ストライプ状の第1の保護膜を形成する工程と、前記第1の保護膜が形成されていない部分の積層構造体をエッチングして、第2の導電型層にストライプ状の凸部を形成する第1のエッチング工程と、該第1のエッチング工程で露出した表面の一部に、第1の保護膜を介して第3の保護膜を形成し、該第3の保護膜が形成されていない部分の積層構造体をエッチングして、第1の導電型層にストライプ状の凸部を形成する第2のエッチング工程と、第1の保護膜と異なる材料であって、絶縁性を有する第2の保護膜を、前記ストライプ状の凸部側面、及びエッチングにより露出した窒化物半導体平面に形成する工程と、第2の保護膜を形成した後、第1の保護膜を除去する工程と、を具備する事を特徴とする。 The manufacturing method of a semiconductor laser device according to the present invention includes a stacking step of forming a stacked structure in which a first conductive type layer, an active layer, and a second conductive type layer are stacked in order using a nitride semiconductor. And forming a stripe-shaped first protective film after forming the laminated structure, and etching the laminated structure in a portion where the first protective film is not formed, Forming a third protective film through a first protective film on a part of the surface exposed in the first etching process, the first etching process for forming a stripe-shaped convex portion on the layer, A second etching step of etching a portion of the laminated structure where the third protective film is not formed to form a stripe-shaped convex portion in the first conductive type layer; and a material different from the first protective film The second protective film having an insulating property is formed on the stripe-shaped convex portion. Surface, and a step of forming the nitride semiconductor plane exposed by etching, after forming the second protective film, characterized in that it comprises the step of removing the first protective film.
本発明のレーザ素子は、導波路として、共振器方向に、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2とを有することで、素子信頼性、横モードの制御性に優れている。また、本発明によれば、簡単な設計変更で多様な素子特性のレーザ素子を提供できる。 The laser element of the present invention has a first waveguide region C 1 and a second waveguide region C 2 in the direction of the resonator as a waveguide, and thus has excellent device reliability and lateral mode controllability. ing. Further, according to the present invention, laser elements having various element characteristics can be provided by simple design changes.
また、従来、実用に耐える素子信頼性と、安定した横モードの発振等、優れた素子特性の両立は困難であったが、本発明のレーザ素子では、生産性及び信頼性に優れ、且つ素子特性に優れるレーザ素子を得ることが可能となる。加えて、第1の導波路領域C1を共振面の出射面側に一部設けることで、多様なスポット形状、アスペクト比のビームを取り出すことが可能になる。すなわち、本発明によれば、種々のビーム特性を実現でき、レーザ素子の応用範囲を拡大する上において、その効果は多大なものである。 Conventionally, it has been difficult to achieve both excellent device characteristics such as device reliability that can withstand practical use and stable transverse mode oscillation. However, the laser device of the present invention has excellent productivity and reliability, and the device It is possible to obtain a laser element having excellent characteristics. In addition, by providing a part of the first waveguide region C1 on the emission surface side of the resonance surface, it becomes possible to extract beams having various spot shapes and aspect ratios. That is, according to the present invention, various beam characteristics can be realized, and the effect is great in expanding the application range of the laser element.
従来、窒化物半導体を用いたレーザ素子において、結晶の再成長、プロトンなどのイオンの打ち込みが困難なため、ストライプのレーザ素子しか、製造歩留まり、生産性に耐えうるものとならず、また、Inを含む窒化物半導体を有する活性層が大気にさらされると、その損傷が大きく、素子寿命が大幅に低下する事から、実効屈折率型レーザ素子しか選択できなかった。しかし、本発明のレーザ素子では、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2を有することで、素子信頼性を確保しながら、横モードの制御性、ビーム特性に優れるレーザ素子を得ることが可能となり、またその素子構造は、量産においても優れた歩留まりで製造可能となることから、窒化物半導体を用いたレーザ素子の応用、及び飛躍的な普及を可能なものとすることができる。加えて、高密度記録の光ディスクシステムの光源として、データ読込時(5mW)、データ書込時(30mW)の両方の光出力域において、横モードの移動がなく、また30mW駆動でも1000時間を超えるレーザ素子で、光源としてアスペクト比が1.0〜1.5の範囲と優れるレーザ素子を提供できる。 Conventionally, in a laser element using a nitride semiconductor, it is difficult to regrow crystals and implant ions such as protons. Therefore, only a stripe laser element can withstand manufacturing yield and productivity. When an active layer having a nitride semiconductor containing is exposed to the atmosphere, the damage is large and the lifetime of the element is greatly reduced. Therefore, only an effective refractive index type laser element can be selected. However, the laser device of the present invention has the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 , so that the laser has excellent lateral mode controllability and beam characteristics while ensuring device reliability. It is possible to obtain an element, and the element structure can be manufactured with an excellent yield even in mass production, so that it is possible to apply a laser element using a nitride semiconductor, and to dramatically spread it. be able to. In addition, as a light source for a high-density recording optical disk system, there is no movement in the transverse mode in both the optical output areas at the time of data reading (5 mW) and at the time of data writing (30 mW), and it exceeds 1000 hours even when driven at 30 mW. With a laser element, an excellent laser element having an aspect ratio in the range of 1.0 to 1.5 can be provided as a light source.
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の半導体レーザ素子について説明する。 Hereinafter, semiconductor laser elements according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明に係る実施の形態の半導体レーザ素子は、図1(a)に示すように、ストライプ状の導波路領域として、第1の導波路領域C1と、第2の導波路領域C2とを有するものである。 As shown in FIG. 1A, the semiconductor laser device according to the embodiment of the present invention includes a first waveguide region C 1 , a second waveguide region C 2, and a stripe-shaped waveguide region. It is what has.
ここで、第1の導波路領域C1は、図1(c)に示すように、活性層を含むように活性層3を含むようにリッジ(第1のリッジ201)を形成することにより活性層3とその両側の領域(ここでは大気中)との間に屈折率差を設けて活性層3に光を閉じ込めるようにした導波路領域である。このように、活性層とその両側の領域との間に実際に屈折率差を設けて光を閉じ込めるようにした導波路領域を、本明細書では完全屈折率型の導波路と呼ぶ。
Here, as shown in FIG. 1C, the first waveguide region C 1 is activated by forming a ridge (first ridge 201) so as to include the
また、第2の導波路領域C2は、図1(b)に示すように、活性層の上に位置する半導体層においてリッジ(第2のリッジ202)を形成することによりその第2のリッジ202の下に位置する活性層3の実効的な屈折率をその両側の活性層より高くして、その実効屈折率が高い活性層3に光を閉じ込めるようにした導波路領域である。このように、活性層とその両側の領域との間に実効的に屈折率差を設けて光を閉じ込めるようにした導波路領域を、本明細書では実効屈折率型の導波路という。
Further, as shown in FIG. 1B, the second waveguide region C 2 is formed by forming a ridge (second ridge 202) in the semiconductor layer located on the active layer. This is a waveguide region in which the effective refractive index of the
このように本発明に係る半導体レーザ素子は、完全屈折率型の導波路と実効屈折率型の導波路とを導波路を有することを特徴としている。。 As described above, the semiconductor laser device according to the present invention is characterized by having a waveguide having a complete refractive index type waveguide and an effective refractive index type waveguide. .
具体的な構造としては、第1の導電型層、活性層、第1の導電型層と異なる導電型の第2の導電型層とが積層された積層構造体が形成されて、活性層に達しない深さで、第2の導電型層2にストライプ状の第2のリッジ(凸部)202を形成することにより第2の導波路領域C2を構成し、第2の導電型層2、活性層3及び第1の導電型層1の一部を含むようにストライプ状の第1のリッジ(凸部)201を形成することにより、第1の導波路領域C1を構成するものである。
As a specific structure, a stacked structure in which a first conductivity type layer, an active layer, and a second conductivity type layer different from the first conductivity type layer are stacked is formed. A second waveguide region C 2 is formed by forming a stripe-shaped second ridge (projection) 202 in the second
このように、本発明に係る半導体レーザ素子は、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2とを導波路内に有することで、様々な素子特性のレーザ素子を得ることが可能になる。また、本発明に係る半導体レーザ素子は、図3(a),(b)、4(a),(b)に示すように、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2、を有する導波路を、様々な形態で形成することができる。ここで、図3(a)は、ストライプ状の凸部が積層構造体の一部を除去することにより設けられた構造のレーザ素子の斜視図及び一部の断面図を示すものであり、図3(b)は図3(a)において、白抜き矢印の方向から観察したものであり、また、図4(a),(b)は、図3とは異なる形態の導波路構造を示すものである。 As described above, the semiconductor laser device according to the present invention has the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 in the waveguide, thereby obtaining laser devices having various device characteristics. Is possible. In addition, the semiconductor laser device according to the present invention includes a first waveguide region C 1 and a second waveguide region C as shown in FIGS. 3 (a), (b), 4 (a) and (b). 2 can be formed in various forms. Here, FIG. 3A shows a perspective view and a partial cross-sectional view of a laser element having a structure in which stripe-shaped convex portions are provided by removing a part of the laminated structure. 3 (b) is observed from the direction of the white arrow in FIG. 3 (a), and FIGS. 4 (a) and 4 (b) show a waveguide structure having a form different from that in FIG. It is.
図3(a),(b)、図4(a),(b)に示すように、本発明では、共振器方向(凸部のストライプの長手方向)において、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2、とが様々に配置された構造を採ることができる。また、本発明の半導体レーザ素子は、もちろん第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2以外の導波路領域を有していても良い。例えば図4(a)に示すように、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2の間に第1の導波路領域C1及び第2の導波路領域C2とは異なる導波路領域203を有していても良い。図3(a),(b)は、共振器の一方の共振器面を含むように、第1の導波路領域C1が設けられ、他方の共振器面を含むように第2の導波路領域C2が設けられた構造を有するものである。図4(a)では、第1の導波路領域C1とを構成する第1のリッジ201と、第2の導波路領域C2を構成するストライプ状の第2のリッジ202とが、垂直方向(共振器方向に直交する方向)に対して傾斜するように形成された導波路領域203を介して接合されている構造を有する半導体レーザ素子である。このように、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2とは、図3(a),(b)に示すように、共振器方向において、ほぼ連続して形成されていても良く、図4(a)に示すように、他の領域を間に挟んで形成されていても良い。
As shown in FIGS. 3A, 3B, 4A, and 4B, in the present invention, the first waveguide region C 1 in the resonator direction (longitudinal direction of the convex stripe). A structure in which the second waveguide region C 2 is variously arranged can be employed. Of course, the semiconductor laser device of the present invention may have a waveguide region other than the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 . For example, as shown in FIG. 4 (a), the first waveguide region C 1 and the first waveguide region C 1 and the second waveguide region and C 2 between the second waveguide region C 2
また、本発明において、第1のリッジ201の幅と第2のリッジ202の幅は、それぞれの幅がほぼ同じである必要はない。例えば、図1(a)〜(c)、図3(a)に示すように、各リッジの側面が傾斜して形成されている場合、第1の導波路領域C1を構成するために設けられた第1のリッジ201の底部の幅と第2の導波路領域C2を構成するために設けられた第2のリッジ202の底部の幅は必然的に異なるものとなる。第1のリッジの側面と第2のリッジの側面とは、同一平面上に位置することが好ましい。図1(a)及び図3(a)では、ストライプ状の凸部の側面が傾斜したメサ型のうち、下層から上層にむかって幅が小さくなるよう傾斜した順メサ型であるが、これとは逆に上層に向かって幅が大きくなるよう傾斜した逆メサ型でもよく、また両側が同メサ型でも、異なるメサ型でもよい。
In the present invention, the width of the
また、第1のリッジ201の上面の幅と第2のリッジ202の上面の幅は異なっていてもよい。さらに、水平方向の断面で見た時の、第1のリッジ201の幅と第2のリッジ202の幅は、第1のリッジ201と第2のリッジ202との境界部分で不連続に変化するように異なっていてもよい。
Further, the width of the upper surface of the
[共振器構造]
本実施の形態の半導体レーザ素子では、積層構造体の一部を除去して、凸部を形成して、それにより、ストライプ状の導波路を構成している。すなわち、図1、3に示すように、第1の導電型層1、活性層3、第2の導電型層2などを積層した素子構造において、リッジとする部分両側をエッチング等の手段により除去して、ストライプ状の凸部を形成することにより共振器構造を構成した、いわゆるリッジ導波路のレーザ素子において適した構造である。そして、本発明は、それぞれストライプ状の凸部により、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2とを少なくとも設けることで、ビーム特性を改良することができ、特にFFPを楕円から真円まで任意の形状に制御出来るなど、様々な素子特性のレーザ素子を得ることができるものである。この時、ストライプ状のリッジ(凸部)は、上述したように、図1、3に示すような順メサ形状に限定されるものではなく、逆メサ形状であっても良く、また、垂直な側面を有するストライプであっても良い。すなわち、本発明では、要求されるレーザ特性に応じてリッジの形状を変更することができる。
[Resonator structure]
In the semiconductor laser device of the present embodiment, a part of the laminated structure is removed to form a convex portion, thereby forming a striped waveguide. That is, as shown in FIGS. 1 and 3, in the element structure in which the first
また、本発明の半導体レーザ素子においては、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2を構成するために、それぞれストライプ状の凸部201、202を形成した後、それらのリッジの両側に結晶を再成長させて、リッジを埋め込むようにしてもよい。
In the semiconductor laser device of the present invention, in order to form the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 , the stripe-shaped
このように、本発明はストライプ状のリッジを有するリッジ導波路構造を前提としているので、低コストでの製造を実現するだけでなく、導波路内において、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2とを、様々に組み合わせて、配置することで、様々な特性のレーザ素子を実現できる。。例えば、ビーム特性を制御ができることが可能となるので、ビーム補正用のレンズ等を用いなくても良好なFFPが得ることができる。 Thus, since the present invention is premised on the ridge waveguide structure having the striped ridges, not only the low-cost manufacturing is realized, but also the first waveguide region C 1 and the first waveguide region are formed in the waveguide. By arranging the two waveguide regions C 2 in various combinations, laser elements having various characteristics can be realized. . For example, since the beam characteristics can be controlled, a good FFP can be obtained without using a beam correcting lens or the like.
本発明のレーザ素子において、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2に設けられるストライプ状の第1及び第2のリッジ201、202は、図1(b)、図1(c)に示すような形状である。
In the laser element of the present invention, the stripe-shaped first and
また、本発明は、レーザ発振素子以外の例えば発光ダイオード等の端面発光素子にも適用することができる。この場合、上述した図1等に示す構成において、、発振閾値以下で素子を駆動させることにより発光ダイオードとして動作させることができ、また、導波路端面において、導波路と端面とを垂直とせずに、導波路を端面に垂直な方向から傾けることにより、レーザ発振しないで端面から発光する素子が得られる。 Further, the present invention can be applied to an end surface light emitting element such as a light emitting diode other than the laser oscillation element. In this case, in the configuration shown in FIG. 1 and the like described above, the device can be operated as a light emitting diode by driving the element below the oscillation threshold, and the waveguide end face is not perpendicular to the waveguide end face. By tilting the waveguide from the direction perpendicular to the end face, an element that emits light from the end face without laser oscillation can be obtained.
[積層構造体]
次に、本実施の形態の半導体レーザ素子における第1の導電型層、活性層、第2の導電型層の詳細構成を説明する。
[Laminated structure]
Next, a detailed configuration of the first conductivity type layer, the active layer, and the second conductivity type layer in the semiconductor laser device of the present embodiment will be described.
まず、本実施の形態の半導体レーザ素子では、、図1に示すように、第1の導電型層1、第2の導電型層2の中にそれぞれ、クラッド層5、7を有し、そのクラッド層5,7で活性層3を挟み込むことにより厚さ方向に光を閉じ込めている。このようにして、リッジによる幅方向(厚さ方向に直交しかつ共振方向に直交する方向)の光の閉じ込めとクラッド層5,7による厚さ方向における光の閉じ込めにより積層構造体内部に、光導波路領域が設けられる。本発明の半導体レーザ素子においては、各半導体層として、従来から知られている様々な種類の半導体材料を用いることができ、例えばGaAlAs系、InGaAsP系、GaAlInN系の材料を適宜選択して用いることができる。
First, in the semiconductor laser device of this embodiment, as shown in FIG. 1, the first
このように、本発明の半導体レーザ素子において、ストライプ状の導波路領域は、第1の導電型層、第2の導電型層に挟まれた活性層及びその近傍に主にリッジに対応して形成されるものであり、このときストライプの長手方向と光の伝搬方向とがほぼ一致しているものである。すなわち、ストライプ状の導波路領域は、上述した主として光が閉じ込められる活性層により構成されるが、光の一部は、その近傍に広がって導波されるので、、例えば、後述する活性層とクラッド層の間にガイド層を形成してそのガイド層を含めた領域を光導波層としてもよい。 Thus, in the semiconductor laser device of the present invention, the stripe-shaped waveguide region corresponds to the first conductive type layer, the active layer sandwiched between the second conductive type layers, and the vicinity mainly corresponding to the ridge. At this time, the longitudinal direction of the stripe and the light propagation direction substantially coincide with each other. That is, the stripe-shaped waveguide region is mainly composed of the active layer in which light is confined as described above, but a part of the light is guided to spread in the vicinity thereof. A guide layer may be formed between the cladding layers, and a region including the guide layer may be an optical waveguide layer.
[第2の導波路領域C2]
本発明の第2の導波路領域C2は、半導体レーザ素子の導波路において、実効屈折率型の導波路として設けられた領域であり、具体的には、積層構造体において、活性層3の上の第2の導電型層2に、ストライプ状の凸部201を設けて、活性層の面方向(幅方向)に、実効的な屈折率差を設けて、ストライプ状の導波路領域を設けたものである。
[Second waveguide region C 2 ]
The second waveguide region C 2 of the present invention, in the waveguide of the semiconductor laser element, a region which is provided as a waveguide effective refractive index type, specifically, in the stacked structure, the
従来の第2の導波路領域C2だけからなる導波路を形成した実効屈折率型のレーザ素子は、図2(a)に示すように、各半導体層を形成した後、マスク20を設けて、エッチングによりストライプ状の凸部202を形成していた。しかし、活性層に達しない深さのエッチングによりストライプ状の凸部202が形成されて実効的な屈折率差が活性層(導波層)に設けられることとなるため、図2(b)に示すストライプの幅Sw、リッジ(凸部)の高さ(ストライプの深さ)Sh1、エッチング底面と活性層上面からの距離Sh2によって素子特性が大きく影響されることとなる。これは、レーザ素子の製造において、深刻な素子特性のばらつきを生み出す原因となるものである。すなわち、図2(c)、図2(d)に、エッチング精度による、凸部の高さ(エッチング深さ)に対する誤差Hd、ストライプ幅に対する誤差Wdが、直接素子特性のばらつきを生み出すものとなるものである。なぜなら、活性層の上に設けられたストライプ状のリッジ(凸部)202により、活性層(導波層)内に形成される導波路領域は、リッジ202に対応する実効的な屈折率差により設けられるため、上述の凸部の形状が実効的な屈折率差に大きな影響を与えるからである。また、凸部の高さに対する誤差Hdは、活性層上面とエッチング底面との距離に対する誤差でもある。活性層上面とエッチング底面との距離Sh2が、あまり大きくなると実効的な屈折率差が小さくなるので、光の閉じ込めが弱くなるなど素子特性に大きな影響を与える。このように、凸部形状や、活性層上面とエッチング底面との距離によって実効屈折率は左右されるので、その距離ばらつきに対応してバラツキが生じる。
As shown in FIG. 2A, an effective refractive index type laser element having a waveguide composed only of the second waveguide region C 2 is provided with a
図10、11、12は、従来の実行屈折率型のレーザ素子における、エッチング深さに対する良品率、駆動電流値、レーザ寿命を示すものである。図からわかるように、エッチング深さに対して、レーザ素子の特性は、極めて敏感に変化する。 10, 11 and 12 show the yield rate, drive current value, and laser lifetime with respect to the etching depth in a conventional effective refractive index type laser element. As can be seen, the characteristics of the laser element change extremely sensitively with respect to the etching depth.
本発明のレーザ素子は、活性層に達しない深さでエッチングされてなる第2の導波路領域C2を導波路の一部として有していることにより、第2の導波路領域C2では、活性層がエッチングによる損傷を受けないようにできるので、素子の信頼性を向上させることができる。また、活性層が大気にさらされると素子特性の劣化が大きな材料では、第2の導波路領域C2が設けられていることで、素子の信頼性の低下を抑えることができる。 The laser element of the present invention has the second waveguide region C 2 etched to a depth not reaching the active layer as a part of the waveguide, so that the second waveguide region C 2 Since the active layer can be prevented from being damaged by etching, the reliability of the device can be improved. Further, in the case where the active layer is exposed to the atmosphere, a material whose element characteristics are greatly deteriorated is provided with the second waveguide region C 2 , so that a decrease in the reliability of the element can be suppressed.
[第1の導波路領域C1]
本発明のレーザ素子は、上述したように、ストライプ状の導波路領域として、第2の導波路領域C2に加えて、第1の導波路領域C1を形成することで、様々な特性のレーザ素子を容易に実現できる。これは、積層構造体において、活性層及び第1の導電型層1の一部を含むストライプ状の第1のリッジ(凸部)201を形成することにより構成された第1の導波路領域C1が、横モードの制御性に優れていることによってもたらされる効果である。
[First waveguide region C 1 ]
As described above, the laser element of the present invention has various characteristics by forming the first waveguide region C 1 in addition to the second waveguide region C 2 as the striped waveguide region. A laser element can be easily realized. This is because the first waveguide region C formed by forming a stripe-shaped first ridge (convex portion) 201 including a part of the active layer and the first
すなわち、第1の導波路領域C1は、第1のリッジにより活性層の幅そのものを制限して、活性層とその両側の領域との間で実際の屈折率差により光を閉じ込めているので、より強く光を閉じ込めることが可能になる。 That is, the first waveguide region C 1 limits the width itself of the active layer by the first ridge, since the confinement of light by real refractive index difference between the active layer and both sides of the region It becomes possible to confine light more strongly.
これにより、不用な横モードの発生をより確実に抑制でき、より確実に横モードを制御できる。 Thereby, generation | occurrence | production of an unnecessary transverse mode can be suppressed more reliably, and transverse mode can be controlled more reliably.
このように本発明では、導波路領域の一部に、横モードの制御性に優れた第1の導波路領域を設けることにより、この第1の導波路領域において不用な横モードの発生を抑制して全体としての横モードの制御性を良好なものとして、様々なビーム特性のレーザ素子を容易に得ることが可能となる。 As described above, in the present invention, by providing the first waveguide region having excellent lateral mode controllability in a part of the waveguide region, generation of unnecessary transverse modes in the first waveguide region is suppressed. As a result, it becomes possible to easily obtain laser elements having various beam characteristics by making the overall lateral mode controllable.
本発明のレーザ素子においては、第1の導波路領域を一方の端部に形成して、レーザ共振器の一方の共振器面を含むように形成することで、所望の形状のビームをより容易に得ることができる。言いかえると、図3(b)、図4(a)、4(b)に示すように、レーザ共振器面4が、第1の導波路領域C1の端面に一致するように形成することが好ましい。これは、共振器面の近傍の領域を、第1の導波路領域C1とすることで、その共振器面での反射の前後において光を横モード制御することができ、その他の領域に設ける場合に比べて、横モードの制御が導波路内において、より効果的に機能することとなるためである。
In the laser device of the present invention, the first waveguide region is formed at one end portion so as to include one resonator surface of the laser resonator, thereby making it easier to form a beam having a desired shape. Can get to. In other words, as shown in FIGS. 3B, 4A, and 4B, the
また、本発明のレーザ素子において、第1の導波路領域C1の端面をレーザ共振器面とし、そのレーザ共振面を、出射面とすることで、F.F.P.、アスペクト比に優れたビーム特性のレーザ素子を、得ることができる。これは、第1の導波路領域C1を出射面側に設けることで、第1の導波路領域C1においては横モードの制御が容易であることから、容易に出射するレーザ光のビーム特性を制御することが可能となるからである。第1の導波路領域C1が、図3、4に示すように、ストライプ状の第1のリッジ(凸部)201により構成されている場合には、その第1のリッジ201のストライプ幅を調整することで、容易に横モードの制御が可能であり、また、精度良く所望のビーム特性を得ることができる。
In the laser element of the present invention, the end face of the first waveguide region C 1 is a laser resonator surface, and the laser resonance surface is an emission surface. F. P. It is possible to obtain a laser element having an excellent aspect ratio and beam characteristics. This is because, by providing the first waveguide region C 1 on the exit surface side, it is easy to control the transverse mode in the first waveguide region C 1 , and thus the beam characteristics of the laser light that is easily emitted. It is because it becomes possible to control. As shown in FIGS. 3 and 4, when the first waveguide region C 1 is composed of a stripe-shaped first ridge (convex portion) 201, the stripe width of the
この時、出射面に設けられる第1の導波路領域C1の長さとしては、得られるレーザ光の少なくとも1波長の長さで形成すればよいが、横モードを制御するという機能的な面からは、レーザ光の数波長の長さで設けることが好ましくこれにより所望のビーム特性を得ることができる。 At this time, the length of the first waveguide region C 1 provided on the emission surface may be formed with a length of at least one wavelength of the obtained laser light, but a functional surface for controlling the transverse mode. Is preferably provided with a length of several wavelengths of laser light, whereby desired beam characteristics can be obtained.
具体的には、1μm以上の長さで第1の導波路領域を形成することがこのましく、これにより、良好な横モードの制御ができる。また、製造面を考慮すると、第1の導波路領域を、5μm以上に設定すると、ストライプ状のリッジ(凸部)201を良好な精度で形成することができるので好ましい。 Specifically, it is preferable to form the first waveguide region with a length of 1 μm or more, and this enables favorable transverse mode control. In consideration of the manufacturing surface, it is preferable to set the first waveguide region to 5 μm or more because the stripe-shaped ridge (projection) 201 can be formed with good accuracy.
また、活性層幅(共振器方向に垂直な方向における長さ)としては、10μmあればよいが、50μm以上とすることが好ましく、より好ましくは100μm以上で形成されていれば良い。この活性層幅は、正負一対の電極が基板を挟んで対向配置する構成では、チップの幅に相当するものとなり、同一面側に正負一対の電極を設ける構造では、第1導電型層に電極を形成するための露出面を形成することになるので、チップの幅から露出面を形成するために除去した部分の幅を減じた長さになる。 Further, the active layer width (length in the direction perpendicular to the resonator direction) may be 10 μm, but is preferably 50 μm or more, and more preferably 100 μm or more. This active layer width corresponds to the width of the chip in a configuration in which a pair of positive and negative electrodes are arranged opposite to each other with a substrate interposed therebetween. In a structure in which a pair of positive and negative electrodes are provided on the same surface side, an electrode is provided on the first conductivity type layer. Therefore, the length of the chip is reduced by subtracting the width of the portion removed to form the exposed surface from the width of the chip.
[導波路の構成]
本発明のレーザ素子は、ストライプ状の導波路領域が、第1の導波路領域C1と、第2の導波路領域C2とを少なくとも有することを特徴とするものであり、複雑な素子構造の設計変更を伴わずとも、これらの導波路領域を、共振器内に様々に配置、分布させることで、容易にレーザ素子の特性を変更することができる。具体的には、上述したように、第1の導波路領域C1を共振器面に配置することにより、ビーム特性の制御が容易にでき容易に所望の特性を得ることが可能となる。また、導波路を構成する活性層の側面が露出した第1の導波路領域C1が導波路内に占める割合を、第2の導波路領域C2よりも小さくすることで、素子信頼性に優れるレーザ素子が得られる。これは、第2の導波路領域C2を導波路内に多く設けることで、エッチングによる損傷を受けていない活性層の割合を多くすることができるからである。、その結果、素子寿命を向上させることができ、素子寿命についての素子間のばらつきを少なくできる。
[Configuration of waveguide]
The laser device according to the present invention is characterized in that the striped waveguide region has at least a first waveguide region C 1 and a second waveguide region C 2, and has a complicated device structure. Even without the design change, the characteristics of the laser element can be easily changed by arranging and distributing these waveguide regions in the resonator in various ways. Specifically, as described above, by arranging the first waveguide region C1 on the resonator surface, the beam characteristics can be easily controlled and desired characteristics can be easily obtained. Further, by reducing the ratio of the first waveguide region C 1 in which the side surface of the active layer constituting the waveguide is exposed in the waveguide to be smaller than that of the second waveguide region C 2 , element reliability is improved. An excellent laser element can be obtained. This is because the ratio of the active layer that is not damaged by etching can be increased by providing a large number of second waveguide regions C 2 in the waveguide. As a result, the device life can be improved, and the variation between devices in the device life can be reduced.
本発明のレーザ素子は、導波路として、第1の導波路領域C1と、第2の導波路領域C2とを少なくとも有するものであるが、その他に第1の導波路領域C1と、第2の導波路領域C2とは異なる形態の導波路領域を設けても良い。例えば、上述したように、図4(a)に示すように、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2との間の傾斜して形成された平面203により構成領域を設けてもよい。このように、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2の他に、それらとは異なる導波路領域を設けていても良い。さらに、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2は、導波路内に少なくとも1ずつ存在していれば良く、図4(b)に示すように、それぞれの導波路領域を複数設けても良い。また、第1の導波路領域C1と、第2の導波路領域C2との間に、図3、図4(b)に示すように、なにも設けなくても良く、また図4(a)とは逆の傾斜を設けて、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2の一部が重なり合うように設けても良い。
The laser element of the present invention has at least a first waveguide region C 1 and a second waveguide region C 2 as waveguides, but in addition, the first waveguide region C 1 , A waveguide region having a form different from that of the second waveguide region C 2 may be provided. For example, as described above, as shown in FIG. 4A, the configuration region is defined by the
本発明のレーザ素子において、図13に示すように、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2の他に、活性層側面(導波層側面)204が、共振器方向に対し傾斜するように形成された第3の導波路領域C3を有する構造であってもよい。ここで、図13(a)は、素子構造を説明する模式的な斜視図であり、図13(b)は、上部クラッド層7と活性層3との接合面付近を示す断面図である。この時、第3の導波路領域C3は、上部クラッド層7上にストライプ状のリッジ(凸部)202を第2の導波路領域C2と共有し、活性層(導波層)の端面(側面)204が傾斜されて設けられている。以上のように構成されたレーザ素子において、図13(b)に示すように、共振器方向AAと、活性層の側面方向BBとの成す角αを調整することで、側面204により導波する光を全反射させることができ、ストライプ状の第1の導波路領域C1内に、導くことが可能となる。具体的には、角αを70°以下とすることで共振器方向AAに導波する光を端面204に対して入射角20°以上とすることができるので、損失のない全反射が期待できる。従って、角αは目的に応じて70°〜0の範囲で角度を選択することができる。例えば、角αを20°以下とすることで、共振器方向AAに導波する光が、端面204に対して、入射角70°以上とすることができ、この場合も損失のない全反射が期待できる。これらは、第2の導波路領域C2において、活性層(導波層)面内では、実効的な屈折率差により、ストライプ状の導波路領域が形成されているが、その導波路領域からはみだして導波する光も存在し、その光は、第2の導波路領域C2の端部で反射される。
In the laser device of the present invention, as shown in FIG. 13, in addition to the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 , the active layer side surface (waveguide layer side surface) 204 is arranged in the resonator direction. A structure having a third waveguide region C 3 formed so as to be inclined with respect to the surface may be employed. Here, FIG. 13A is a schematic perspective view for explaining the element structure, and FIG. 13B is a cross-sectional view showing the vicinity of the bonding surface between the upper clad
この時、光の損失が大きくなると、出力が低下し、電流−光出力のスロープ効率が低下する原因となる。第2の導波路領域C2が、第1の導波路領域C1より広い場合に、前記第3の導波路領域C3を第2の導波路領域C2と第1の導波路領域C1の間にもうけることで、上述の光の損失を低減させ、また、図13に示すように、第1の導波路領域C1との接合部で、良好な光の導波を実現することができる。 At this time, if the loss of light increases, the output decreases, which causes the slope efficiency of current-light output to decrease. When the second waveguide region C 2 is wider than the first waveguide region C 1 , the third waveguide region C 3 is replaced with the second waveguide region C 2 and the first waveguide region C 1. The above-described loss of light can be reduced, and good light can be guided at the junction with the first waveguide region C 1 as shown in FIG. it can.
本発明のレーザ素子において、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2を構成するストライプ状のリッジ(凸部)201、202は、それらのストライプ幅が異なっていても良い。このように、ストライプ幅を変えることで、ビームを様々なアスペクト比に設定することができる。従って、本発明の半導体レーザ素子では、第1リッジ及び第2リッジを、目的に応じた幅に形成できる。例えば、細くすることで幅の制御に精度が問われるようになるが、より真円に近いFFPを得ることができるなどの特性を得ることができるし、或いは幅にたいおうさせてビームの広がり度を変更することも可能になる。具体的な一例としては、図15に示すように、第2の導波路領域C2の一部205において幅を徐々に狭くすることにより、第1の導波路領域C1との接合部におけるストライプ幅をストライプ幅Sw2同じにでき、第1の導波路領域の幅に対応させて様々なモードのレーザ光を取り出すことが可能となる。図15では、第2の導波路領域C2の幅を徐々に狭くするようにした部分を第3の導波路領域C3として示している。
In the laser element of the present invention, the stripe-shaped ridges (projections) 201 and 202 constituting the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 may have different stripe widths. . In this way, the beam can be set to various aspect ratios by changing the stripe width. Therefore, in the semiconductor laser device of the present invention, the first ridge and the second ridge can be formed with a width according to the purpose. For example, the accuracy of the width control is questioned by making it thinner, but it is possible to obtain characteristics such as an FFP that is closer to a perfect circle, or the width of the beam depending on the width. It is also possible to change the degree. As a specific example, as shown in FIG. 15, the width at the
図15では、第2の導波路領域C2を構成するために、第1の導波路領域C1のを構成する第1リッジのストライプ幅Sw2より広い幅Sw1の第1リッジ(凸部)202を設けて、実効的な屈折率変化に対する特性変化の少ない導波路とし、第3の導波路領域C3において、ストライプ幅の異なる導波路領域をうまく接合することができるように、導波路内のストライプ幅に傾斜を設けた領域205を設けて、接合部における損失を最小限に留めている。また、第3の導波路領域C3を構成するためのリッジは、図に示すように活性層よりも上に設けても良いし、第1の導波路領域C1と同様に、第1の導電型層に達する深さにエッチングすることにより設けても良いし、またその間でも良い。
In FIG. 15, in order to form the second waveguide region C 2 , the first ridge (convex portion) having a width S w1 wider than the stripe width S w2 of the first ridge constituting the first waveguide region C 1. ) 202 to provide a waveguide having a small characteristic change with respect to an effective refractive index change, and in the third waveguide region C 3 , the waveguide regions having different stripe widths can be well joined. A
このように、本発明の第1、2の導波路領域を構成するためのストライプ状のリッジは様々な形状で形成でき、例えばストライプ方向(ストライプの長手方向)でストライプ幅が異なるテーパ状にしてもよい。具体例としては、実施例1若しくは図15に示すように、第1の導波路領域C1を出射側端部に配置した導波路構造において、ストライプ幅の大きな第2の導波路領域C2を、それより幅の狭い第1の導波路領域C1のストライプに近づくに従って、ストライプ幅を小さくして、光の導波路を両者の接合部までに狭める構造とできる。このようなテーパ状のストライプは、各導波路領域のストライプに部分的に形成しても良く、ストライプ方向の全ての領域で、テーパ状としてもよく、ストライプの両端部に近づくに従ってそれぞれストライプ幅を狭くするような異なるテーパを複数設けることもできる。 As described above, the stripe-shaped ridges for forming the first and second waveguide regions of the present invention can be formed in various shapes, for example, in a taper shape having different stripe widths in the stripe direction (longitudinal direction of the stripe). Also good. As a specific example, as shown in Examples 1 or 15, in the waveguide structure where the first waveguide region C 1 is disposed on the exit side end, a large second waveguide region C 2 of the stripe width , the closer it from the narrower first waveguide region C 1 of the stripe width, the stripe width is made smaller, can the structure of narrowing the optical waveguides before the junction therebetween. Such tapered stripes may be partially formed in the stripes of each waveguide region, or may be tapered in all regions in the stripe direction, and the stripe widths are increased as they approach both ends of the stripes. It is also possible to provide a plurality of different tapers that are narrowed.
[窒化物半導体におけるストライプ]
以下、第1導電型および第2導電型の半導体、活性層に窒化物半導体を用いて本発明に係る半導体レーザ素子を構成する場合について説明する。
[Stripe in nitride semiconductor]
Hereinafter, a case where the semiconductor laser device according to the present invention is configured using the first conductive type and second conductive type semiconductors and the nitride semiconductor in the active layer will be described.
本発明のレーザ素子に用いる窒化物半導体としては、GaN、AlN、もしくはInN、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体(InbAldGa1−b−dN、0≦b、0≦d、b+d≦1)がある。加えて、III族元素としてBを用いたり、V族元素のNの一部を、As、Pで置換した混晶も用いることができる。また、このような窒化物半導体には各導電型の不純物を添加して、所望の導電型とできる。窒化物半導体に用いられるn型不純物としては、具体的にはSi、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI族元素を用いることができ、好ましくはSi、Ge、Snを、さらに最も好ましくはSiを用いる。また、p型不純物としては、具体的には、Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Caなどが挙げられ、好ましくはMgが用いられる。以下、本発明のレーザ素子について、具体的に窒化物半導体を用いたレーザ素子について説明する。ここで、窒化物半導体を用いたレーザ素子とは、第1の導電型層、活性層、第2の導電型層を積層した積層構造体の各層のいずれかに、窒化物半導体を用いることであり、好ましくは、全ての層に用いることである。例えば、第1の導電型層、第2の導電型層にはそれぞれ、窒化物半導体からなるクラッド層が設けられて、それら2つのクラッド層の間に活性層設けることで導波路を形成する。より具体的には、第1の導電型層にn型窒化物半導体層を、第2の導電型層にp型窒化物半導体層を含み、活性層において、Inを含む窒化物半導体層を含むものとする。 The nitride semiconductor used in the laser device of the present invention includes GaN, AlN, InN, or a III-V group nitride semiconductor that is a mixed crystal thereof (InbAldGa1-b-dN, 0 ≦ b, 0 ≦ d, b + d). ≦ 1). In addition, a mixed crystal in which B is used as the group III element or a part of N of the group V element is substituted with As or P can be used. Further, such a nitride semiconductor can be made to have a desired conductivity type by adding impurities of each conductivity type. As the n-type impurity used in the nitride semiconductor, specifically, a group IV or group VI element such as Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr can be used, and preferably Si, Ge, Sn is used, and most preferably Si. Specific examples of the p-type impurity include Be, Zn, Mn, Cr, Mg, and Ca, and Mg is preferably used. Hereinafter, a laser element using a nitride semiconductor will be specifically described with respect to the laser element of the present invention. Here, a laser element using a nitride semiconductor means that a nitride semiconductor is used for any one of the layers of the laminated structure in which the first conductive type layer, the active layer, and the second conductive type layer are stacked. Yes, preferably for all layers. For example, a cladding layer made of a nitride semiconductor is provided in each of the first conductivity type layer and the second conductivity type layer, and a waveguide is formed by providing an active layer between the two cladding layers. More specifically, the first conductive type layer includes an n-type nitride semiconductor layer, the second conductive type layer includes a p-type nitride semiconductor layer, and the active layer includes a nitride semiconductor layer containing In. Shall be.
(活性層)
本発明において、窒化物半導体を用いて本発明に係る半導体レーザ素子を構成する場合、活性層にInを含む窒化物半導体層を有することで、紫外域、可視域において青色系から赤色系の波長域のレーザ光を発生させることができるまた、Inを含む窒化物半導体層は、活性層が大気にさらされると、レーザ素子駆動において極めて重大な素子劣化を起こす場合があるが、、本発明では活性層に達しない深さで設けられた第1リッジ(凸部)202により構成された第2の導波路領域C2を含んでいるので、そのような素子劣化を最小限に抑えることが可能である。なぜなら、Inは融点が低いため、Inを含む窒化物半導体は、分解、蒸発が起こりやすい材料であり、エッチング時に損傷を受けやすく、また、活性層を露出させた後の加工において、その結晶性を保つことが困難となり、結果として、素子寿命の低下につながるからである。
(Active layer)
In the present invention, when a semiconductor laser device according to the present invention is configured using a nitride semiconductor, the active layer includes a nitride semiconductor layer containing In, so that a wavelength from blue to red in the ultraviolet region and the visible region. In the nitride semiconductor layer containing In, when the active layer is exposed to the atmosphere, there is a case where extremely serious element deterioration is caused in driving the laser element. Since the second waveguide region C 2 constituted by the first ridge (convex portion) 202 provided at a depth that does not reach the active layer is included, it is possible to minimize such element deterioration. It is. Because, since In has a low melting point, a nitride semiconductor containing In is a material that easily decomposes and evaporates, is easily damaged during etching, and has a crystallinity in processing after the active layer is exposed. This is because it is difficult to maintain the resistance, and as a result, the lifetime of the element is reduced.
図12は、ストライプ状の凸部形成時のエッチング深さと、素子寿命との関係を示す図である。図からわかるように、Inを含む窒化物半導体を有する活性層では、活性層に達する深さでエッチングすることで、急激に素子寿命が低下し、活性層が大気にさらされることが、レーザ素子の素子信頼性を極めて悪化させることがわかる。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the etching depth when forming the stripe-shaped convex portion and the element lifetime. As can be seen from the figure, in the active layer having a nitride semiconductor containing In, the device life is drastically reduced by etching at a depth reaching the active layer, and the active layer is exposed to the atmosphere. It can be seen that the reliability of the device is extremely deteriorated.
本発明のレーザ素子では、導波路として、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2とを有することで、このような活性層を大気にさらすことで特性劣化が懸念される窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子においても、素子信頼性に優れたレーザ素子を提供することが可能となる。これは、第1の導波路領域C1を構成するための第1のリッジ(凸部)201が、導波路の一部のみを構成され、素子信頼性の低下を防止することが可能になるからである。例えば、本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、共振器長を約650μmとし、第1の導波路領域C1を構成するためのストライプ状の第1のリッジ(凸部)201の長さを10μmとした場合、第1のリッジにおいて露出した活性層に起因する素子信頼性の低下がないことが確認され、5mW時の駆動において、数千時間の寿命が確保できる。 In the laser element of the present invention, there is a concern about deterioration of characteristics by exposing the active layer to the atmosphere by having the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 as the waveguide. Even in a semiconductor laser element using a nitride semiconductor, it is possible to provide a laser element having excellent element reliability. This is because the first ridge (projection) 201 for forming the first waveguide region C 1 is only part of the waveguide, and it is possible to prevent deterioration in element reliability. Because. For example, in the laser device using the nitride semiconductor according to the present invention, the length of the first ridge (convex portion) 201 in the stripe shape for configuring the first waveguide region C 1 with the resonator length of about 650 μm. When the thickness is 10 μm, it is confirmed that there is no decrease in device reliability due to the active layer exposed in the first ridge, and a life of several thousand hours can be secured in driving at 5 mW.
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、第1の導波路領域C1若しくは第2の導波路領域C2を構成するリッジのストライプの幅として好ましくは0.5〜4μmに設定され、より好ましくは、1〜3μmの範囲に調整することで、基本(単一)モードで安定した横モードでの発振が可能となる。リッジのストライプの幅が、1μm未満であるとリッジの形成が困難となり、3μm以上であるとレーザ発振波長によっては横モードが多モードになる場合があり、4μm以上になると安定した横モードが得られない場合がある。本発明においてはさらに、1.2〜2μmの範囲に調整すると、更に光出力の高い領域における横モードを効果的に安定(効果的に不用な横モードの発生を抑制する)させることができる。本発明において、リッジのストライプの幅は、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2の少なくとも一方が、前記範囲にあればよいが、共振器面の出射面側に第1の導波路領域C1を設ける場合には、この第1の導波路領域C1のストライプ状の第1のリッジ(凸部)201を前記範囲の幅で設けることが好ましい。また、本発明は、このような狭ストライプ構造に限らず、ストライプ幅5μm以上のストライプにも適用できる。また、導波路端部に第1の導波路領域C1を配置する構成においては、主としてこの第1の導波路領域C1でもって、レーザ光の光学特性を制御するため、第2の導波路領域C2のストライプ幅は、比較的に自由に設定できる。 In the laser device using the nitride semiconductor of the present invention, the width of the stripe of the ridge constituting the first waveguide region C 1 or the second waveguide region C 2 is preferably set to 0.5 to 4 μm, More preferably, by adjusting to the range of 1 to 3 μm, oscillation in the transverse mode that is stable in the basic (single) mode becomes possible. If the ridge stripe width is less than 1 μm, it is difficult to form the ridge, and if it is 3 μm or more, the transverse mode may become multimode depending on the laser oscillation wavelength. If it is 4 μm or more, a stable transverse mode is obtained. It may not be possible. In the present invention, further adjustment to the range of 1.2 to 2 μm makes it possible to effectively stabilize the transverse mode in a region with a higher light output (effectively suppress the occurrence of unnecessary transverse modes). In the present invention, the width of the ridge stripe may be such that at least one of the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 is within the above range, When one waveguide region C 1 is provided, it is preferable to provide the stripe-shaped first ridges (convex portions) 201 of the first waveguide region C 1 with a width in the above range. Further, the present invention is not limited to such a narrow stripe structure, but can be applied to stripes having a stripe width of 5 μm or more. Further, in the configuration in which the first waveguide region C1 is disposed at the end of the waveguide, the second waveguide is mainly used to control the optical characteristics of the laser light with the first waveguide region C1. stripe width of the region C 2 can be freely set relatively.
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、第1の導波路領域C1の端面を共振器面(出射面)とすることで、従来得られなかった横モードの制御性、F.F.P.、アスペクト比に優れ、且つ素子信頼性にも優れるレーザ素子が得られる。これは、上述したように、活性層よりも深くエッチングして、第1の導波路領域C1を共振器面の出射面側に設けることで、レーザ素子から出射する光を、出射直前で制御することができるためであり、このこのとにより様々な形状、大きさのスポットのレーザ光を得ることが可能となる。 In the laser device using the nitride semiconductor of the present invention, the end face of the first waveguide region C 1 is a resonator face (outgoing face), so that the controllability of the transverse mode, which has not been obtained conventionally, F. P. A laser element having an excellent aspect ratio and excellent element reliability can be obtained. As described above, etching is performed deeper than the active layer, and the first waveguide region C 1 is provided on the exit surface side of the resonator surface, so that the light emitted from the laser element is controlled immediately before the emission. This makes it possible to obtain laser beams having spots of various shapes and sizes.
ここで、活性層は、量子井戸構造であっても良く、その場合単一量子井戸、多重量子井戸のどれでも良い。好ましくは量子井戸構造とすることで、発光効率に優れ、高出力のレーザ素子、端面発光素子が得られる。また、第2の導波路領域C2を構成するためにのストライプ状の第2のリッジ(凸部)202は、活性層に達しない深さでエッチングをすることにより形成される。本明細書において、この第2のリッジ202が活性層よりも上に位置するとは、活性層に達しない深さでエッチングされて形成されることである。すなわち、第2の導波路領域C2を構成するストライプ状の第2のリッジ(凸部)202は、活性層とその上に接して設けられた層との界面よりも上に位置するように設けられる。
Here, the active layer may have a quantum well structure, in which case either a single quantum well or a multiple quantum well may be used. A quantum well structure is preferably used, so that a laser element and an edge emitting element having excellent light emission efficiency and high output can be obtained. Further, the stripe-shaped second ridge (convex portion) 202 for forming the second waveguide region C 2 is formed by etching at a depth that does not reach the active layer. In this specification, the fact that the
窒化物半導体の活性層としては、上述したように、Inを含む窒化物半導体を用いることが好ましく、具体的には、AlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1、0<y≦1、x+y≦1)で表される窒化物半導体を用いることが好ましい。この場合、量子井戸構造の活性層においては、井戸層としてここで示した窒化物半導体を用いることが好ましいことを意味する。また、近紫外から可視光の緑色までの波長領域(380nm以上550nm)では、InyGa1−yN(0<y<1)を用いることが好ましく、またそれ以上の長波長領域(赤色)でも、同様にInyGa1−yN(0<y<1)を用いることができ、この時主に、In混晶比yを変化させることにより、所望の波長を得ることができる。380nm以下の短波長の領域では、GaNの禁制帯幅に相当する波長が365nmであるため、GaNとほぼ同じか若しくはそれよりも大きなバンドギャップエネルギーとする必要があるため、例えばAlxInyGa1−x−yN(0<x≦1、0<y≦1、x+y≦1)が用いられる。 As described above, a nitride semiconductor containing In is preferably used as the active layer of the nitride semiconductor. Specifically, Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 It is preferable to use a nitride semiconductor represented by <y ≦ 1, x + y ≦ 1). In this case, the active layer having the quantum well structure means that the nitride semiconductor shown here is preferably used as the well layer. In the wavelength region from near ultraviolet to visible light green (380 nm to 550 nm), In y Ga 1-y N (0 <y <1) is preferably used, and longer wavelength region (red). However, similarly, In y Ga 1-y N (0 <y <1) can be used, and at this time, a desired wavelength can be obtained mainly by changing the In mixed crystal ratio y. In a short wavelength region of 380 nm or less, since the wavelength corresponding to the forbidden band width of GaN is 365 nm, the band gap energy needs to be approximately the same as or larger than that of GaN. For example, Al x In y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, x + y ≦ 1) is used.
活性層を量子井戸構造とする場合、具体的な井戸層の膜厚としては、10Å以上300Å以下の範囲、好ましくは20Å以上200Å以下の範囲とすることで、Vf、しきい値電流密度を低減させることができる。また、結晶成長の観点からは、20Å以上であると、膜厚に大きなむらがなく比較的均一な膜質の層が得られ、200Å以下とすることで結晶欠陥の発生を低く抑えた結晶成長が可能となる。活性層内の井戸層数としては特に限定されず、1以上であり、この時、井戸層の数が4以上である場合には、活性層を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層全体の膜厚が厚くなって、Vfの上昇を招くこととなるため、井戸層の膜厚を100Å以下の範囲として、活性層の膜厚を低く抑えることが好ましい。高出力のLD、LEDにおいては、井戸層の数を1以上3以下とすることで、高い発光効率の素子が得られる傾向にあり、好ましい。 When the active layer has a quantum well structure, the specific well layer thickness is in the range of 10 to 300 mm, preferably in the range of 20 to 200 mm to reduce Vf and the threshold current density. Can be made. Further, from the viewpoint of crystal growth, when the thickness is 20 mm or more, a layer having a relatively uniform film quality without large unevenness in film thickness can be obtained. It becomes possible. The number of well layers in the active layer is not particularly limited and is 1 or more. At this time, when the number of well layers is 4 or more, if the thickness of each layer constituting the active layer increases, the active layer Since the entire film thickness is increased and Vf is increased, it is preferable to keep the film thickness of the active layer low by setting the film thickness of the well layer to 100 mm or less. In high-power LDs and LEDs, it is preferable that the number of well layers is 1 or more and 3 or less because an element with high luminous efficiency tends to be obtained.
また、井戸層にはp又はn型の不純物(アクセプター又はドナー)がドープされていても、アンドープ若しくはノンドープであっても良い。しかしながら、井戸層としてInを含む窒化物半導体を用いる場合、n型不純物濃度が大きくなると結晶性が悪化する傾向にあるため、n型不純物濃度を低く抑えて結晶性の良好な井戸層とすることが好ましい。具体的には、結晶性を最大限に良好なものとするために井戸層をアンドープで成長させることが好ましく、具体的にはn型不純物濃度を5×1016/cm3以下にすることが好ましい。尚、n型不純物濃度を5×1016/cm3以下の状態は、極めて不純物濃度の低い状態であり、この状態では、実質的にn型不純物を含まない井戸層と言える。また、井戸層にn型不純物をドープする場合には、n型不純物濃度が1×1018以下5×1016以上の範囲でドープされていると、結晶性の悪化を低く抑え、なおかつキャリア濃度を高くすることができる。 The well layer may be doped with p-type or n-type impurities (acceptor or donor), or may be undoped or non-doped. However, when a nitride semiconductor containing In is used as the well layer, the crystallinity tends to deteriorate as the n-type impurity concentration increases. Therefore, the well layer should have a good crystallinity by keeping the n-type impurity concentration low. Is preferred. Specifically, the well layer is preferably grown undoped in order to maximize the crystallinity, and specifically, the n-type impurity concentration should be 5 × 10 16 / cm 3 or less. preferable. The state where the n-type impurity concentration is 5 × 10 16 / cm 3 or less is a state where the impurity concentration is extremely low. In this state, it can be said that the well layer is substantially free of n-type impurities. In addition, when the n-type impurity is doped in the well layer, if the n-type impurity concentration is doped in the range of 1 × 10 18 or less and 5 × 10 16 or more, the deterioration of crystallinity is suppressed and the carrier concentration is reduced. Can be high.
障壁層の組成としては、特に限定されないが、井戸層と同様の窒化物半導体を用いることができ、具体的には井戸層よりIn混晶比の低いInGaNなどのInを含む窒化物半導体、若しくはGaN、AlGaN等のAlを含む窒化物半導体などを用いることができる。この時、障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることが必要である。具体的な組成としては、InβGa1-βN(0≦β<1,α>β)、GaN、AlγGa1-γN(0<γ≦1)などを用いることができ、好ましくはInβGa1-βN(0≦β<1,α>β)、GaNを用いることで良好な結晶性でもって障壁層が形成できる。これは、Inを含む窒化物半導体からなる井戸層をAlGaNなどのAlを含む窒化物半導体の上に直接成長させると、結晶性が低下する傾向にあり、井戸層の機能が悪化する傾向にあるためである。AlγGa1-γN(0<γ≦1)を障壁層として用いる場合には、Alを含む障壁層を井戸層の上に設けるようにし、井戸層の下には、InβGa1-βN(0≦β<1,α>β)、GaNの障壁層を用いた多層膜の障壁層とすることでこれを回避できる。このように、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に1層であること(井戸層/障壁層/井戸層)に限るものではなく、2層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層/障壁層(1)/障壁層(2)/・・・/井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けても良い。ここでαは井戸層のIn組成比であり、α>βとして障壁層のIn組成比βを井戸層より小さくすることが好ましい。 The composition of the barrier layer is not particularly limited, and a nitride semiconductor similar to the well layer can be used. Specifically, a nitride semiconductor containing In such as InGaN having a lower In mixed crystal ratio than the well layer, or A nitride semiconductor containing Al such as GaN or AlGaN can be used. At this time, the barrier layer needs to have a larger band gap energy than the well layer. As a specific composition, In β Ga 1-β N (0 ≦ β <1, α> β), GaN, Al γ Ga 1-γ N (0 <γ ≦ 1) or the like can be used. the in β Ga 1-β N ( 0 ≦ β <1, α> β), the barrier layer can be formed with good crystallinity by using GaN. This is because, when a well layer made of a nitride semiconductor containing In is directly grown on a nitride semiconductor containing Al such as AlGaN, the crystallinity tends to be lowered and the function of the well layer tends to be deteriorated. Because. When Al γ Ga 1-γ N (0 <γ ≦ 1) is used as the barrier layer, a barrier layer containing Al is provided on the well layer, and the In β Ga 1− β N (0 ≦ β <1 , α> β), can be avoided this by a barrier layer of a multilayer film using the barrier layer of GaN. As described above, in the multiple quantum well structure, the barrier layer sandwiched between the well layers is not limited to one layer (well layer / barrier layer / well layer). As the barrier layer, a plurality of barrier layers having different compositions and impurity amounts may be provided, such as “well layer / barrier layer (1) / barrier layer (2) /... / Well layer”. Here, α is the In composition ratio of the well layer, and it is preferable that the In composition ratio β of the barrier layer is smaller than that of the well layer, with α> β.
障壁層は、n型不純物がドープされていても、ノンドープであっても良いが、好ましくはn型不純物がドープされていることである。この時、障壁層中のn型不純物濃度としては、少なくとも5×1016/cm3以上ドープされていることが好ましく、上限としては1×1020/cm3である。具体的には、例えば、高い出力を要求されないLEDである場合には、5×1016/cm3以上2×1018/cm3以下の範囲でn型不純物を有することが好ましく、また、より高出力のLED及び高出力のLDでは、5×1017/cm3以上1×1020/cm3以下の範囲、好ましくは1×1018/cm3以上5×1019/cm3以下の範囲でドープされていることが好ましく、このように高濃度でドープする場合には、井戸層にn型不純物を実質的に含まないか、アンドープで成長させることが好ましい。この時、通常のLEDと、高出力のLED(ハイパワーLED)と高出力のLD(5〜100mW出力のLDなど)とで、n型不純物量が異なるのは、高出力の素子では、より大電流で駆動させ高い出力を得るために、高いキャリア濃度を必要とするためである。前記好ましい範囲でドープされることで、上述したように、良好な結晶性で、高濃度のキャリアを注入することが可能となる。
The barrier layer may be doped with an n-type impurity or may be non-doped, but is preferably doped with an n-type impurity. At this time, the n-type impurity concentration in the barrier layer is preferably at least 5 × 10 16 / cm 3 or more, and the upper limit is 1 × 10 20 / cm 3 . Specifically, for example, in the case of an LED that does not require high output, it is preferable to have an n-type impurity in the range of 5 × 10 16 /
これとは逆に、高出力でない低出力のLD、LED等の窒化物半導体素子の場合には、活性層中の一部の障壁層にn型不純物をドープしたもの、若しくは全ての障壁層を実質的にn型不純物を含まないものとしても良い。n型不純物をドープする場合には、活性層内の全ての障壁層にドープしても良く、一部の障壁層にドープしても良い。一部の障壁層にn型不純物をドープする場合には、活性層内で、n型層側配置された障壁層にドープすることが好ましく、具体的には、n型層側から数えてn番目の障壁層Bn(n=1,2,3・・・)にドープすることで、電子が効率的に活性層内に注入され、発光効率、内部量子効率に優れた素子となる。これは、障壁層に限らず、井戸層についても同様であり、また両方にドープする場合には、n型層から数えてn番目の障壁層Bn(n=1,2,3・・・)、m番目の井戸層Wm(m=1,2,3・・・)にドープすること、すなわち、n型層に近い側からドープすることで、前記効果が得られる傾向にある。 On the contrary, in the case of nitride semiconductor elements such as low output LDs and LEDs that are not high output, some barrier layers in the active layer are doped with n-type impurities, or all barrier layers are used. It may be substantially free of n-type impurities. When doping an n-type impurity, all the barrier layers in the active layer may be doped, or some barrier layers may be doped. When some of the barrier layers are doped with n-type impurities, it is preferable to dope the barrier layers disposed on the n-type layer side in the active layer, and specifically, n is counted from the n-type layer side. Doping the second barrier layer B n (n = 1, 2, 3...) Allows electrons to be efficiently injected into the active layer, resulting in an element having excellent light emission efficiency and internal quantum efficiency. This applies not only to the barrier layer but also to the well layer. When both are doped, the n-th barrier layer B n (n = 1, 2, 3... Counting from the n-type layer). ), Doping the m-th well layer W m (m = 1, 2, 3...), That is, doping from the side closer to the n-type layer, the above-mentioned effect tends to be obtained.
障壁層の膜厚としては、特に限定されず500Å以下、より具体的には井戸層と同様に10Å以上300Å以下の範囲が適用できる。 The thickness of the barrier layer is not particularly limited, and can be 500 mm or less, and more specifically, the range of 10 to 300 mm can be applied as in the case of the well layer.
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、積層構造体として、第1の導電型層にn型窒化物半導体を有すること、第2の導電型層にp型窒化物半導体を用いることが好ましく、具体的には、それぞれの導電型層に、n型クラッド層、p型クラッド層を設けて、導波路を構成するようにする。この時、各クラッド層と、活性層との間には、後述するようなガイド層、電子閉込め層などを設けても良い。 In the laser element using the nitride semiconductor of the present invention, the stacked structure includes an n-type nitride semiconductor in the first conductivity type layer and a p-type nitride semiconductor in the second conductivity type layer. Preferably, specifically, an n-type cladding layer and a p-type cladding layer are provided on each conductive type layer to constitute a waveguide. At this time, a guide layer, an electron confinement layer, or the like as described later may be provided between each cladding layer and the active layer.
(p型クラッド層)
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、第2の導電型層若しくは第1の導電型層として、p型窒化物半導体(第1のp型窒化物半導体)を含むp型クラッド層を設けることが好ましい。このとき、p型クラッド層が設けられた導電型層とは異なる導電型層に、n型窒化物半導体を含むn型クラッド層を設けて、積層構造体に導波路を形成する。また、このp型クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Alを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、AlGaNとGaNとを交互に積層した超格子構造であっても良く、超格子構造とすると結晶性を良好なものとでき好ましい。さらに、この層は、p型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、実施例に示すように多層膜層において、それを構成する少なくとも1つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の430〜550nmのレーザ素子では、このクラッド層はp型不純物をドープしたGaNが好ましい。また、膜厚としては、特に限定されるものではないが、100Å以上2μm以下で形成すること、好ましくは500Å以上1μm以下の範囲で形成することで、十分な光の閉込め層として機能する。
(P-type cladding layer)
In the laser device using the nitride semiconductor of the present invention, a p-type cladding layer including a p-type nitride semiconductor (first p-type nitride semiconductor) is used as the second conductive type layer or the first conductive type layer. It is preferable to provide it. At this time, an n-type cladding layer including an n-type nitride semiconductor is provided in a conductive type layer different from the conductive type layer provided with the p-type cladding layer, and a waveguide is formed in the stacked structure. The nitride semiconductor used for the p-type cladding layer only needs to have a sufficient refractive index difference for confining light, and a nitride semiconductor layer containing Al is preferably used. Further, this layer may be a single layer or a multilayer film. Specifically, as shown in the embodiment, it may have a superlattice structure in which AlGaN and GaN are alternately stacked. Then, crystallinity can be made favorable, which is preferable. Further, this layer may be doped with a p-type impurity, or may be undoped. As shown in the examples, in the multilayer film layer, at least one of the layers is doped. May be. In a laser element having a long oscillation wavelength of 430 to 550 nm, the cladding layer is preferably GaN doped with a p-type impurity. Further, the film thickness is not particularly limited, but it is formed in a range of 100 to 2 μm, preferably in a range of 500 to 1 μm, and functions as a sufficient light confinement layer.
また、本発明において、活性層とp型クラッド層との間に、後述する電子閉込め層、光ガイド層を設けても良い。この時、光ガイド層を設ける場合には、n型クラッド層と活性層との間にも、光ガイド層を設けて、活性層を光ガイド層で挟み込む構造とすることが好ましい。この場合には、SCH構造となり、クラッド層のAl組成比をガイド層のAl組成比より大きくして屈折率差を設け、クラッド層で光を閉込める。クラッド層とガイド層のがそれぞれ多層膜で形成される場合には、Alの組成比の大小はAl平均組成により決定する。 In the present invention, an electron confinement layer and a light guide layer, which will be described later, may be provided between the active layer and the p-type cladding layer. At this time, when the light guide layer is provided, it is preferable to provide a light guide layer also between the n-type cladding layer and the active layer so that the active layer is sandwiched between the light guide layers. In this case, the SCH structure is obtained, and the Al composition ratio of the cladding layer is made larger than the Al composition ratio of the guide layer to provide a refractive index difference, so that the light is confined in the cladding layer. When the cladding layer and the guide layer are each formed of a multilayer film, the magnitude of the Al composition ratio is determined by the Al average composition.
(p型電子閉込め層)
また、活性層とp型クラッド層との間、好ましくは活性層とp型光ガイド層との間に設けられるp型電子閉込め層は、活性層へのキャリアの閉込めとしても機能する層であり、閾値電流を低下させることにより容易な発振に寄与し、、具体的にはAlGaNを用いる。特に、第2の導電型層に、p型クラッド層、p型電子閉込め層を設ける構成とすることで、より効果的な電子閉じ込め効果が得られる。このp型電子閉込め層にAlGaNを用いる場合には、好ましくはp型不純物をドープしたものとすることでより確実に前記機能を発揮し得るが、ノンドープであっても前記キャリアの閉込めとして機能を有する。膜厚の下限としては、少なくとも10Åで好ましくは20Åである。また、膜厚としては、500Å以下で形成し、AlxGa1-xNの組成としては、xが0以上、好ましくは0.2以上とする事で前記効果が十分に期待できる。また、n型層側にも、ホールを活性層内に閉じ込めるn側キャリア閉込め層を設けても良い。ホールの閉込めは、電子を閉じ込める場合ほどオフセット(活性層とのバンドキャップの差)を設けなくても、閉込めが可能である。具体的には、p側電子閉込め層と同様の組成を適用できる。また、結晶性を良好なものとするためには、Alを含まない窒化物半導体により形成しても良く、具体的には、活性層の障壁層とほぼ同じ組成を用いることができ、この場合には、キャリア閉込めとなるn側障壁層を、活性層内で最もn型層側に配置させることが好ましく、若しくは活性層に接して、n型層内に配置しても良い。このように、p側、n側のキャリア閉込め層は、好ましくは活性層に接して設けることで、効率良く活性層若しくは井戸層内にキャリアを注入でき、別の形態としては、活性層内において、p側、n側の層と接する層をキャリア閉込め層とすることもできる。
(P-type electron confinement layer)
The p-type electron confinement layer provided between the active layer and the p-type cladding layer, preferably between the active layer and the p-type light guide layer, is a layer that also functions as confinement of carriers in the active layer. It contributes to easy oscillation by lowering the threshold current. Specifically, AlGaN is used. In particular, a more effective electron confinement effect can be obtained by providing a p-type cladding layer and a p-type electron confinement layer in the second conductivity type layer. When AlGaN is used for the p-type electron confinement layer, the function can be exhibited more reliably by doping with a p-type impurity. It has a function. The lower limit of the film thickness is at least 10 mm and preferably 20 mm. Further, the above effect can be sufficiently expected when the film thickness is 500 Å or less and the composition of Al x Ga 1 -xN is x is 0 or more, preferably 0.2 or more. An n-side carrier confinement layer that confines holes in the active layer may also be provided on the n-type layer side. The confinement of holes can be performed without providing an offset (difference in band cap from the active layer) as much as when confining electrons. Specifically, the same composition as the p-side electron confinement layer can be applied. Further, in order to improve the crystallinity, it may be formed of a nitride semiconductor that does not contain Al. Specifically, almost the same composition as the barrier layer of the active layer can be used. In this case, the n-side barrier layer for confining carriers is preferably disposed on the n-type layer side most in the active layer, or may be disposed in the n-type layer in contact with the active layer. Thus, the p-side and n-side carrier confinement layers are preferably provided in contact with the active layer, so that carriers can be efficiently injected into the active layer or the well layer. In this case, the layer in contact with the p-side and n-side layers may be a carrier confinement layer.
(p型ガイド層)
本発明において、活性層を挟むガイド層をクラッド層より内側に設けて、光導波路を形成することで、窒化物半導体において優れた導波路を形成することができる。この時、導波路(活性層とそれを挟み込む両ガイド層)の膜厚としては、具体的には6000Å以下とし、発振閾値電流の急激な増大を抑制し、好ましくは4500Å以下とすることで、低く抑えられた発振閾値電流で、基本モードによる長寿命の連続発振が可能となる。また、両ガイド層は、ほぼ同じ膜厚で形成することが好ましく、ガイド層の膜厚としては100Å以上1μm以下の範囲に設定することが好ましく、より好ましくは500Å以上2000Å以下で形成することで良好な光導波路を設けることができる。更に、ガイド層としては、窒化物半導体からなり、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路を形成するために十分なエネルギーバンドギャップを有していればよく、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。また、光ガイド層として、具体的には、活性層とほぼ同じ、好ましくはそれよりも大きなバンドギャップエネルギーとすることで良好な導波路の形成が可能であり、量子井戸構造の場合には井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、好ましくは障壁層よりも大きくすることである。さらには、活性層の発光波長よりも10nm程度以上のバンドギャップエネルギーを光ガイド層に設けることで、光の導波に優れた導波路が形成できる。
(P-type guide layer)
In the present invention, an excellent waveguide in a nitride semiconductor can be formed by providing an optical waveguide by providing a guide layer sandwiching the active layer inside the cladding layer. At this time, the thickness of the waveguide (the active layer and both guide layers sandwiching it) is specifically set to 6000 mm or less to suppress a rapid increase in the oscillation threshold current, and preferably to 4500 mm or less. With a low oscillation threshold current, continuous oscillation with a long lifetime in the fundamental mode is possible. Moreover, it is preferable to form both guide layers with substantially the same film thickness, and the film thickness of the guide layer is preferably set in the range of 100 mm to 1 μm, more preferably 500 mm to 2000 mm. A good optical waveguide can be provided. Furthermore, the guide layer is made of a nitride semiconductor, and may have a sufficient energy band gap to form a waveguide as compared with a clad layer provided on the outside thereof. Either a multilayer film may be used. In addition, as a light guide layer, it is possible to form a good waveguide by using a band gap energy that is substantially the same as that of the active layer, preferably larger than that, and in the case of a quantum well structure, The band gap energy is larger than that of the layer, and preferably larger than that of the barrier layer. Furthermore, by providing the light guide layer with a band gap energy of about 10 nm or more than the emission wavelength of the active layer, a waveguide excellent in light guiding can be formed.
p側光ガイド層として具体的には、発振波長が370〜470nmではアンドープのGaNを用い、比較的長波長な領域(450μm以上)では、InGaN/GaNの多層膜構造を用いることが好ましい。これにより、長波長の領域において、活性層及び光ガイド層により構成される導波路内の屈折率を大きくでき、クラッド層との屈折率差を大きくできる。また、370nm以下の短波長の領域では、GaNの吸収端が365nmであるため、好ましくは、Alを含む窒化物半導体を用いることであり、具体的にはAlxGa1−xN(0<x<1)を用いることが好ましく、AlGaN/GaNからなる多層膜、これを交互に積層した多層膜、更に各層を超格子とした超格子多層膜とすることができる。n型ガイド層の具体的な構成は、p型ガイド層と同様であり、活性層のエネルギーバンドギャップを考慮して、GaN、InGaNを用い、アンドープのGaN、活性層に近づくに従いIn混晶比を小さくしたInGaNとGaNとを交互に積層した多層膜で設けると好ましい導波路となる。 Specifically, as the p-side light guide layer, it is preferable to use undoped GaN when the oscillation wavelength is 370 to 470 nm, and to use a multi-layer structure of InGaN / GaN in a relatively long wavelength region (450 μm or more). Thereby, in the long wavelength region, the refractive index in the waveguide constituted by the active layer and the light guide layer can be increased, and the refractive index difference from the cladding layer can be increased. In the short wavelength region of 370 nm or less, since the absorption edge of GaN is 365 nm, it is preferable to use a nitride semiconductor containing Al. Specifically, Al x Ga 1-x N (0 < x <1) is preferably used, and a multilayer film made of AlGaN / GaN, a multilayer film in which these layers are alternately stacked, and a superlattice multilayer film in which each layer is a superlattice can be used. The specific structure of the n-type guide layer is the same as that of the p-type guide layer. In consideration of the energy band gap of the active layer, GaN and InGaN are used. If a multi-layered film in which InGaN and GaN are alternately stacked is provided, a preferable waveguide is obtained.
(n型クラッド層)
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、n型クラッド層に用いる窒化物半導体としては、p型クラッド層と同様に、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Alを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、AlGaNとGaNとを交互に積層した超格子構造であっても良い。また、このn型クラッド層は、キャリアの閉込め層、及び光閉込め層として作用し、多層膜構造とする場合には、前述のように、Alを含む窒化物半導体、好ましくはAlGaNを成長させると良い。さらに、この層は、n型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、実施例に示すように多層膜層において、それを構成する少なくとも1つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の430〜550nmのレーザ素子では、このクラッド層はn型不純物をドープしたGaNが好ましい。また、膜厚としては、p型クラッド層と同様に、特に限定されるものではないが、100Å以上2μm以下で形成すること、好ましくは500Å以上1μm以下の範囲で形成することで、十分な光の閉込め層として機能する。
(N-type cladding layer)
In the laser element using the nitride semiconductor of the present invention, the nitride semiconductor used for the n-type cladding layer may be a refractive index difference sufficient to confine light, as in the p-type cladding layer. A nitride semiconductor layer containing Al is preferably used. This layer may be a single layer or a multilayer film. Specifically, as shown in the embodiment, it may have a superlattice structure in which AlGaN and GaN are alternately stacked. In addition, this n-type cladding layer acts as a carrier confinement layer and a light confinement layer, and in the case of a multilayer film structure, as described above, a nitride semiconductor containing Al, preferably AlGaN is grown. It is good to let them. Further, this layer may be doped with an n-type impurity or may be undoped. As shown in the embodiment, in the multilayer film layer, at least one of the layers is doped. May be. In the laser element having a long oscillation wavelength of 430 to 550 nm, the cladding layer is preferably GaN doped with an n-type impurity. Further, the film thickness is not particularly limited as in the case of the p-type cladding layer, but it is sufficient to form a film with a thickness of 100 to 2 μm, preferably with a thickness of 500 to 1 μm. Functions as a confinement layer.
ここで、窒化物半導体を用いたレーザ素子において、ストライプ状のリッジを設ける位置を、Alを含む窒化物半導体層内とし、露出した窒化物半導体表面及び凸部側面に絶縁膜を設けることで、良好な絶縁がなされ、絶縁膜の上に電極を設けても、リーク電流のないレーザ素子を得ることができる。これは、Alを含む窒化物半導体には、良好なオーミックコンタクトをなし得る材料がほとんどないため、この半導体表面に絶縁膜、電極などを設けても、リーク電流の発生がほとんどない、好適な絶縁が成されることにある。逆に、Alを含まない窒化物半導体表面に電極を設けると、その電極材料と窒化物半導体との間にオーミックコンタクトが形成されやすく、Alを含まない窒化物半導体表面に絶縁膜を介して電極を形成すると、絶縁膜、電極の膜質により、絶縁膜に微少な孔がある場合にリークの原因となる。そのため、それらを解決するために、絶縁が十分に確保される膜厚で絶縁膜を形成するか、電極の形状、位置を露出した半導体表面にかからないようにするなどの配慮が必要となり、レーザ素子構造の設計において、大きな制約が加わることになる。また、リッジ(凸部)が設けられる位置が問題になるのは、リッジ(凸部)形成時に露出されるリッジの両側の窒化物半導体表面(平面)は、リッジ(凸部)側面に比べて、極めて大きな面積を占めるものであり、この表面において良好な絶縁性が確保されることで、様々な電極形状を適用できかつ電極形成位置を比較的自由に選べる設計自由度の高いレーザ素子となり、リッジ(凸部)の形成において極めて有利なものとなる。ここで、Alを含む窒化物半導体としては、具体的には、AlGaN、若しくは上述したAlGaN/GaNの超格子多層膜構造などが好適に用いられる。 Here, in the laser element using the nitride semiconductor, the position where the stripe-shaped ridge is provided is in the nitride semiconductor layer containing Al, and the insulating film is provided on the exposed nitride semiconductor surface and the convex side surface. Good insulation is achieved, and a laser element free from leakage current can be obtained even if an electrode is provided on the insulating film. This is because the nitride semiconductor containing Al has almost no material that can make a good ohmic contact, so even if an insulating film, an electrode, or the like is provided on the surface of the semiconductor, there is almost no generation of leakage current. Is to be made. Conversely, if an electrode is provided on the surface of a nitride semiconductor that does not contain Al, an ohmic contact is likely to be formed between the electrode material and the nitride semiconductor, and the electrode is provided on the surface of the nitride semiconductor that does not contain Al via an insulating film. If the insulating film is formed, the insulating film and electrode film quality may cause leakage when the insulating film has minute holes. Therefore, in order to solve them, it is necessary to consider such as forming an insulating film with a film thickness sufficient to ensure insulation, or not covering the exposed semiconductor surface with the electrode shape and position. In the design of the structure, a great restriction is added. Also, the position where the ridge (projection) is provided becomes a problem because the nitride semiconductor surface (plane) on both sides of the ridge exposed when the ridge (projection) is formed is compared to the side surface of the ridge (projection). It occupies an extremely large area, and by ensuring good insulation on this surface, it becomes a laser element with a high degree of design freedom in which various electrode shapes can be applied and the electrode formation position can be selected relatively freely, This is extremely advantageous in the formation of ridges (convex portions). Here, as the nitride semiconductor containing Al, specifically, AlGaN or the above-described superlattice multilayer structure of AlGaN / GaN is preferably used.
ここで、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2として、設けられるストライプ状の第1のリッジ(凸部)201、第2のリッジ202は、図1(b)、1(c)に示すように、各リッジの両側を除去することで形成される。凸部202は上部クラッド層7に設けられ、その時、凸部以外の領域において、上部クラッド層7が露出された表面・平面の位置が、エッチング深さとなる。
Here, as the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 , stripe-shaped first ridges (projections) 201 and
[電極]
本発明のレーザ素子において、ストライプ状の第1のリッジ及び第2のリッジの上に設ける電極形状により本発明は、特に限定されるものではない。例えば、図1、7等に示すように、第1の導波路領域C1と、第2の導波路領域C2として設けられたストライプ状の第1のリッジ201および第2のリッジ202のそれぞれのほぼ全面に設ける構造であっても良い。また、、例えば、第2の導波路領域C2にのみ電極を設け、第2の導波路領域C2に優先的にキャリアを注入するようにしてもよいし、その逆に第1の導波路領域C1にのみ電極を設ける構造として、共振器方向において導波路内を機能分離させても良い。
[electrode]
In the laser element of the present invention, the present invention is not particularly limited by the shape of the electrodes provided on the striped first ridge and the second ridge. For example, as shown in FIGS. 1 and 7 and the like, the first waveguide region C 1 and each of the striped
[絶縁膜]
本発明のレーザ素子において、前記積層構造体の一部を除去して、ストライプ状のリッジを設けて共振器とするような場合には、そのストライプ側面、及びそれに連続するリッジ両側の平面(凸部が設けられている表面)に絶縁膜を形成することが好ましい。例えば、図1に示すようなストライプ状のリッジを設けた後、そのリッジ側面から、リッジの両側の表面にかけて、設けるなどする。
[Insulating film]
In the laser element of the present invention, when a part of the laminated structure is removed and a stripe-shaped ridge is provided to form a resonator, the stripe side surface and the planes (convex) on both sides of the ridge are continuous. It is preferable to form an insulating film on the surface where the portion is provided. For example, after providing a stripe-shaped ridge as shown in FIG. 1, it is provided from the side surface of the ridge to the surfaces on both sides of the ridge.
本発明のレーザ素子において、窒化物半導体を用いた場合には、図7、8、9に示すように、絶縁膜として、第2の保護膜162を設けることが好ましい。
In the laser element of the present invention, when a nitride semiconductor is used, it is preferable to provide a second
第2の保護膜の材料としてはSiO2以外の材料、好ましくはTi、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、SiN、BN、SiC、AlNの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもZr、Hfの酸化物、BN、SiCを用いることが特に好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層として用いれば埋め込み層としてSiO2よりもかなり信頼性が高くなる傾向にある。また一般的にPVD、CVDのような気相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となり易い傾向にあるが、本発明で選択した前記元素のPVD、CVDによる酸化物、BN、SiC、AlNはSi酸化物よりも絶縁性に関する信頼性に優れている。しかも酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの(例えばSiC以外のもの)を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。さらにまた、第1の保護膜161をSi酸化物を用いて形成すると、Si酸化物は、フッ酸により除去されるので、図7(b)に示すようにリッジの上面のみに第1の保護膜161を形成して、その上及びリッジの側面、そのリッジの両側の平面(エッチストップ層)、第2の保護膜162を連続して形成して、第1の保護膜161を選択的に除去すると、図7(c)に示すように、リッジの上面を除く面に均一な膜厚を有する第2の保護膜162を形成することができる。
The material of the second protective film is a material other than SiO 2 , preferably an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, SiN, BN, SiC, It is desirable to form at least one of AlN, and among these, it is particularly preferable to use an oxide of Zr or Hf, BN, or SiC. Some of these materials have a property of being slightly dissolved in hydrofluoric acid, but when used as an insulating layer of a laser element, the reliability tends to be considerably higher than that of SiO 2 as a buried layer. In general, oxide thin films formed in the gas phase such as PVD and CVD are not easily converted into oxides in which the element and oxygen are equivalently reacted. Although the above elements selected in the present invention are PVD, oxides by CVD, BN, SiC, and AlN are more excellent in reliability regarding insulation than Si oxides. In addition, it is very convenient as a buried layer of a laser element when an oxide whose refractive index is smaller than that of a nitride semiconductor (for example, other than SiC) is selected. Furthermore, when the first
また、第2の保護膜の膜厚としては、具体的には、500Å以上1μm以下の範囲、好ましくは1000Å以上5000Å以下の範囲とすることである。なぜなら、500Å以下であると、電極の形成時に、十分な絶縁性を確保することが困難で、1μm以上であると、かえって保護膜の均一性が失われ、良好な絶縁膜とならないからである。また、前記好ましい範囲にあることで、リッジ(凸部)側面において、リッジとの間に良好な屈折率差を有する均一な膜が形成される。 The film thickness of the second protective film is specifically in the range of 500 to 1 μm, preferably in the range of 1000 to 5000 μm. The reason is that if the thickness is less than 500 mm, it is difficult to ensure sufficient insulation at the time of forming the electrode, and if it is 1 μm or more, the uniformity of the protective film is lost and a good insulating film is not obtained. . Moreover, by being in the preferable range, a uniform film having a good refractive index difference between the ridge (convex portion) and the ridge is formed.
また、第2の保護膜を窒化物半導体の埋込層により形成することもでき、半絶縁性、i型の窒化物半導体、各導波路領域のリッジとは逆の導電型、例えば、実施例1の第2の導波路領域C2においてはn型の窒化物半導体からなる埋込層を形成してその埋込層を第2の保護膜として用いることができる。また、埋込層の具体例としては、AlGaNなどのAlを含む窒化物半導体によりリッジとの間に屈折率差を設けたり、電流阻止層として機能させたりすることで横方向の光の閉込めが実現され、Inを含む窒化物半導体により光吸収係数差を設けて、レーザ素子としての良好な光学特性が実現される。埋込層に、i型、半絶縁性以外の層を用いる場合には、第2の導波路領域は第2導電型と異なる第1導電型の埋込層とすればよい。一方で、第1の導波路領域を構成する第1のリッジでは、活性層を挟んで、第1,2の導電型層がそれぞれストライプ状に形成されるため、第1の導電型層、若しくは第1の導電型層及び活性層の両側の領域では、第1の導電型と異なる第2の導電型の埋込層とし、第2の導電型層、若しくは第2の導電型層及び活性層の領域では、第2の導電型と異なる第1の導電型の埋込層とする。このように、第1の導波路領域、第2の導波路領域とで、埋込層を異なる層構成とすることもできる。また、埋込層は、第2の保護膜と同様に、ストライプ側面の一部、好ましくはほぼ全面に形成する。また更には、埋込層はリッジ側面とそのリッジの両側の窒化物半導体の表面(平面)に連続して形成することで、より良好な光閉込め、電流狭窄機能を発揮させることができ好ましい。また、埋込層を形成した後、さらにその上に、窒化物半導体の層を、埋込層及び/又はストライプ上部に形成し、各導波路領域を構成するリッジを素子内部に配置した構造とすることもできる。 The second protective film can also be formed of a buried layer of nitride semiconductor, semi-insulating, i-type nitride semiconductor, conductivity type opposite to the ridge of each waveguide region, for example In the first second waveguide region C 2 , an embedded layer made of an n-type nitride semiconductor can be formed, and the embedded layer can be used as the second protective film. In addition, specific examples of the buried layer include confining light in the lateral direction by providing a refractive index difference between the ridge and a current blocking layer by using a nitride semiconductor containing Al, such as AlGaN. And a good optical characteristic as a laser element is realized by providing a difference in light absorption coefficient with a nitride semiconductor containing In. When a layer other than i-type and semi-insulating is used for the buried layer, the second waveguide region may be a buried layer of the first conductivity type different from the second conductivity type. On the other hand, in the first ridge constituting the first waveguide region, the first and second conductivity type layers are formed in a stripe shape with the active layer interposed therebetween, so that the first conductivity type layer or The regions on both sides of the first conductivity type layer and the active layer are buried layers of a second conductivity type different from the first conductivity type, and the second conductivity type layer, or the second conductivity type layer and the active layer In this region, a buried layer of the first conductivity type different from the second conductivity type is used. As described above, the buried layer may have a different layer structure in the first waveguide region and the second waveguide region. The buried layer is formed on a part of the side surface of the stripe, preferably almost the entire surface, like the second protective film. Furthermore, the buried layer is preferably formed continuously on the side surface of the ridge and the surface (plane) of the nitride semiconductor on both sides of the ridge, so that better light confinement and current confinement functions can be exhibited. . Further, after forming the buried layer, a nitride semiconductor layer is further formed on the buried layer and / or on the stripe, and a ridge constituting each waveguide region is disposed inside the device. You can also
本発明における窒化物半導体を用いたレーザ素子の共振器長としては、400〜900μmの範囲であれば、前後のミラーの反射率を制御することで、駆動電流を低くすることができ、好ましい。 The resonator length of the laser element using the nitride semiconductor in the present invention is preferably in the range of 400 to 900 μm, and the drive current can be lowered by controlling the reflectance of the front and rear mirrors.
[製造方法]
以上のように、本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子は、良好な素子特性を実現でき、更にその第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2となるストライプは以下の方法により形成することで、本発明のレーザ素子におけるストライプ状の導波路領域を精度良く、且つ歩留まり良く製造できる。また、以下の製造方法により信頼性の高いレーザ素子を製造することができる。以下、その製造方法について詳述する
[Production method]
As described above, the laser element using the nitride semiconductor according to the present invention can realize good element characteristics, and the stripes serving as the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 are as follows. By forming by this method, the stripe-shaped waveguide region in the laser element of the present invention can be manufactured with high accuracy and high yield. In addition, a highly reliable laser device can be manufactured by the following manufacturing method. Hereinafter, the manufacturing method will be described in detail.
また、図8、9に示すように、異種基板の同一面側に正・負一対の電極を形成した素子を製造する場合には、図7に示すように、負電極を形成するn型コンタクト層を露出させるため、その深さまでエッチングを行い、その後ストライプ状の導波路領域を形成するエッチングを行う。 As shown in FIGS. 8 and 9, when manufacturing an element in which a pair of positive and negative electrodes are formed on the same surface of a different substrate, as shown in FIG. 7, an n-type contact for forming a negative electrode is used. In order to expose the layer, etching is performed up to the depth, and then etching for forming a striped waveguide region is performed.
(ストライプ状リッジ(凸部)の形成方法1)
図5は、本発明の電極形成方法の工程を説明するための、窒化物半導体を用いた素子構造を形成したウェハの一部を示す模式的な斜視図であり、図6も同様な図で、本発明における別の実施形態を説明するものであり、図7は、第2の保護膜形成後の工程を説明する図であり、図7(b)は、図7(a)において、第2の導波路領域C2断面図を示すものであり、図7(c)は、図7(d)において、第2の導波路領域C2断面図を示すものである。本発明の製造方法において、図5(a)に示すように、素子構造を構成する各半導体層を積層した後、最上層にある第2の導電型層中のコンタクト層8の上にストライプ状の第1の保護膜161を形成する。
(
FIG. 5 is a schematic perspective view showing a part of a wafer on which an element structure using a nitride semiconductor is formed for explaining the steps of the electrode forming method of the present invention, and FIG. 6 is a similar view. FIG. 7 is a diagram for explaining a process after the formation of the second protective film, and FIG. 7B is a diagram for explaining the second embodiment in the present invention. 2 shows a cross-sectional view of the second waveguide region C 2 , and FIG. 7C shows a cross-sectional view of the second waveguide region C 2 in FIG. 7D. In the manufacturing method of the present invention, as shown in FIG. 5A, after each semiconductor layer constituting the element structure is stacked, the stripe shape is formed on the
第1の保護膜161は、特に絶縁性は問わず、窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料であればどのような材料でも良い。例えばSi酸化物(SiO2を含む)、フォトレジスト等が用いられ、好ましくは、後に形成する第2の保護膜との溶解度差を設けるために、第2の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性質を有している材料を選択する。酸としてはフッ酸を好ましく用い、そのためフッ酸に対して溶解しやすい材料として、Si酸化物を用いることが好ましい。第1の保護膜のストライプ幅(W)としては3μm〜1μmに調整する。第1の保護膜161のストライプ幅が、おおよそ導波路領域を構成するためのリッジのストライプ幅に相当する。
The first
図5(a)は前記第1の保護膜161が、積層構造体表面に形成された様子を示すものである。即ち、図5(a)に示すようなストライプ状の第1の保護膜は、先ず、積層構造体表面のほぼ全面に、第2の保護膜を形成した後、フォトリソグラフィー技術により、所望の形状のマスクを第1の保護膜表面に設けて、コンタクト層8表面にストライプ状の第1の保護膜161を形成する。
FIG. 5A shows a state where the first
また図5(a)に示すようなストライプ状の第1の保護膜161を形成するにはリフトオフ法を用いることもできる。即ち、ストライプ状の孔が開いた形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストの上から全面に第1の保護膜を形成し、その後フォトレジストを溶解除去することにより、コンタクト層8と接触している第1の保護膜161のみを残す手段である。なおリフトオフ法でストライプ状の第1の保護膜を形成するよりも、前述のようにエッチングにより形成することにより、端面がほぼ垂直で形状が整ったストライプが得られやすい傾向にある。
Further, a lift-off method can be used to form the stripe-shaped first
次に、図5(b)に示すように、第1の保護膜161をマスクとして、該第1の保護膜161が形成されていない部分をコンタクト層8からエッチングして、第1の保護膜161の直下部分に保護膜の形状に応じたストライプ状のリッジを形成する。エッチングを行う場合、エッチストップをどの位置にするかでレーザ素子の構造、特性が異なってくる。
Next, as shown in FIG. 5B, using the first
窒化物半導体を用いて形成された層をエッチングする手段としては、例えばRIE(反応性イオンエッチング)のようなドライエッチングを用い、Si酸化物よりなる第1の保護膜をエッチングするには、CF4のようなフッ素化合物系のガスを用いることが望ましく、第2の工程では窒化物半導体をエッチングするには他のIII−V族化合物半導体で良く用いられている、Cl2、CCl4、SiCl4のような塩素系のガスを用いると、Si酸化物との選択比が大きくできるため望ましい。 As means for etching a layer formed using a nitride semiconductor, for example, dry etching such as RIE (reactive ion etching) is used, and in order to etch the first protective film made of Si oxide, CF It is desirable to use a fluorine-based gas such as 4 , and in the second step, Cl 2 , CCl 4 , SiCl, which are often used in other III-V compound semiconductors to etch a nitride semiconductor, are used. Use of a chlorine-based gas such as 4 is desirable because the selectivity with Si oxide can be increased.
続いて、図5(c)に示すように、ストライプ状のリッジの一部を覆うように、第3の保護膜163を形成する(図5(e)は、図5(c)における第3の保護膜163で覆われた部分の断面図)。第3の保護膜163としては、レジスト膜として、耐ドライエッチング性のある一般的に知られたレジスト膜を用いることができ、具体的には光硬化性樹脂などを用いることができる。この時、第3の保護膜163に覆われたストライプ状のリッジが、第2の導波路領域C2を構成するための第2のリッジ202となり、第3の保護膜で覆われていない領域に、第1の導波路領域C1を構成するための第1のリッジ(凸部)201が形成される。このようにして設けられた第3の保護膜163、第1の保護膜161をマスクとして、それらのマスクが形成されていない積層構造体においてさらにクラッド層5に達する深さで、エッチングして、深さの異なるストライプ状のリッジ(第1のリッジ)が形成される。その後、第3の保護膜163を除去して、図5(d)のように第1のリッジ及び第2のリッジ上に第1の保護膜161を残す(図5(f)は図5(d)における第2のリッジ部の断面図)。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, a third
次に、図7(a)に示すように、第1の保護膜161と異なる材料であって、絶縁性を有する第2の保護膜162を、ストライプ状のリッジ(凸部)側面と、エッチングされて露出した層(図7では、クラッド層5,7)の平面とに形成する。第1の保護膜161は第2の保護膜162と異なる材料により形成し、、エッチング手段に対して、第1の保護膜161と第2の保護膜162とにおいて選択性を持たせている。そのため、後に第1の保護膜161のみを、例えばフッ酸で除去すると、次の図7(b)に示すような、リッジの上面を開口させ、クラッド層5、7の表面(エッチングにより露出された窒化物半導体の平面)とリッジの側面との両方に連続した第2の保護膜162を形成することができる。このように、第2の保護膜162を連続して形成することにより、高い絶縁性を保持できる。加えて、第1の保護膜161の上から連続して第2の保護膜162を形成すると、クラッド層5、7の上に均一な膜厚で形成できるため、膜厚の不均一が起こりにくく、膜厚の不均一に起因する電流の集中も発生しなくなる。なお、この工程においてエッチストップをクラッド層5,7の途中としているため、図7(a)では第2の保護膜162はクラッド層5,7の平面(露出された上面)に形成されるが、エッチストップをクラッド層5,7よりも下にすると、当然第2の保護膜はそのエッチストップした層の平面に形成されることは言うまでもない。
Next, as shown in FIG. 7A, a second
次の工程では、図7(b)に示すように、第1の保護膜161をリフトオフにより除去する。その後に、第2の保護膜162とコンタクト層8の上に、そのコンタクト層8と電気的に接触するように電極を形成する。本発明では、リッジの上にストライプ状の開口部を有する第2の保護膜を先に形成しているために、この電極を形成する際に、ストライプ幅の狭いコンタクト層のみに電極を形成する必要がなく、開口部に露出したコンタクト層から第2の絶縁膜上に連続した電極を大面積で形成できる。これにより、オーミック接触を兼ねた電極材料を選択してオーミック接触用の電極とボンディング用の電極を兼ねた電極とを一緒に形成できる。
In the next step, as shown in FIG. 7B, the first
窒化物半導体を用いたレーザ素子では、ストライプ状の導波路領域を形成する場合、ウェットエッチングではエッチングが難しいため、ドライエッチングが用いられる。ドライエッチングでは、第1の保護膜と窒化物半導体との選択性が重要視されるため、第1の保護膜としてSiO2が用いられる。しかしながらSiO2をエッチストップした層の上面に形成する第2の保護膜にも使用すると、絶縁性が不十分であり、また第1の保護膜と同一材料であるので、第1の保護膜のみを除去することが困難となる。そのため、本発明では、第2の保護膜をSiO2以外の材料とし、第1の保護膜との間の選択性を確保している。、また、第2の保護膜形成後は窒化物半導体をエッチングすることがないため、第2の保護膜は、窒化物半導体との間のエッチング速さに関して、問題とされることはない。 In a laser element using a nitride semiconductor, when forming a striped waveguide region, dry etching is used because etching is difficult by wet etching. In dry etching, since the selectivity between the first protective film and the nitride semiconductor is regarded as important, SiO 2 is used as the first protective film. However, if it is also used for the second protective film formed on the top surface of the SiO 2 etch-stopped layer, the insulation is insufficient and the first protective film is the same material, so that only the first protective film is used. It becomes difficult to remove. For this reason, in the present invention, the second protective film is made of a material other than SiO 2 to ensure selectivity with the first protective film. In addition, since the nitride semiconductor is not etched after the second protective film is formed, the second protective film is not a problem with respect to the etching speed with the nitride semiconductor.
(ストライプ状凸部の形成方法2)
図16は本発明の半導体レーザの別な製造方法の工程を説明するための、窒化物半導体を用いた素子構造を形成したウエハの一部を示す模式的な斜視図である。各工程は前述した形成方法1の工程とほぼ同様に行うが、ここでは、負電極を形成するn型コンタクト層を露出させるためにエッチングをする時に同時に、共振器端面を形成するものである。つまり、形成方法1とは各部位の形成される順序が異なる。形成方法2では、まずn型コンタクト層を露出させる(図16(a))。このとき、共振器端面も同時に形成しておく。次いでストライプ状のリッジ(凸部)及び第1、第2の導波路領域、更に電極を形成する工程は、前記形成方法1と同様に行う(図16(b))。このように、まずエッチングにより共振器端面を形成しておくことで、劈開では良好な共振器端面が得られない場合などにも対応することができる。
(Stripe-shaped convex part forming method 2)
FIG. 16 is a schematic perspective view showing a part of a wafer on which an element structure using a nitride semiconductor is formed, for explaining the steps of another method for manufacturing a semiconductor laser according to the present invention. Each step is performed in substantially the same manner as the above-described forming
以上説明したように、本発明のレーザ素子において、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2を構成するためのストライプ状の第2のリッジ(凸部)202を、効率的に形成することができ、また、電極を積層構造体のリッジの表面に形成できる。 As described above, in the laser element of the present invention, the stripe-shaped second ridge (convex portion) 202 for forming the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 is made efficient. The electrode can be formed on the surface of the ridge of the laminated structure.
(エッチング手段)
本発明の製造方法において、窒化物半導体のエッチング手段としては、例えばRIE(反応性イオンエッチング)のようなドライエッチングを用いる場合、第1の工程で多用するSi酸化物よりなる第1の保護膜をエッチングするために、CF4のようなフッ素化合物系のガスを用いることが望ましく、第2の工程では窒化物半導体をエッチングするために他のIII−V族化合物半導体で良く用いられている、Cl2、CCl4、SiCl4のような塩素系のガスを用いることが、Si酸化物との選択比が大きくできるので望ましい。
(Etching means)
In the manufacturing method of the present invention, as the nitride semiconductor etching means, for example, when dry etching such as RIE (reactive ion etching) is used, the first protective film made of Si oxide frequently used in the first step It is desirable to use a fluorine compound-based gas such as CF 4 for etching, and in the second step, it is often used in other III-V compound semiconductors to etch nitride semiconductors. It is desirable to use a chlorine-based gas such as Cl 2 , CCl 4 , or SiCl 4 because the selectivity with Si oxide can be increased.
(チップ化)
図17は、前記のようにウエハ上に形成された積層構造体をチップ化する時の切断位置を説明するための模式的断面図である。図17(a)は、基板のみを、図17(b)は基板とn型層とを分割する場合を示す。また、1対の電極が形成された領域を1つの単位として、図のように左からI、II、III、IVとする。図17(a)のIa、IIa、IVaは第1の導波路領域が右側に向いており、IIIaはその逆に向いている。また、図17(b)は、Ib、IIb、IIIbは第1の導波路領域が右側に向いており、IVbはその逆に向いている。なお、このような分割前の配置は、工程等に応じて、好適なものを選択することができる。
(Chip)
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view for explaining a cutting position when the laminated structure formed on the wafer as described above is formed into chips. FIG. 17A shows a case where only the substrate is divided, and FIG. 17B shows a case where the substrate and the n-type layer are divided. In addition, the region where the pair of electrodes is formed is set as one unit, and I, II, III, and IV from the left as shown in the figure. In FIG. 17A, Ia, IIa, and IVa have the first waveguide region directed to the right side, and IIIa directed to the opposite. In FIG. 17B, Ib, IIb, and IIIb have the first waveguide region directed to the right side, and IVb directed to the opposite side. In addition, a suitable arrangement can be selected for such an arrangement before division according to a process or the like.
AA切断位置で分割すると、エッチングにより形成された共振器端面をそのまま残すことができる。I及びIIでは、AA切断面で分割後、更にBB切断面で分割すると、光反射側の共振器端面が劈開面となる。また、IIはDD切断面で分割することで、光出射側の共振器端面も劈開面となる。また、CC切断面で分割すると、IIIaとIVaの光反射側の共振器端面が同時に劈開面として形成される。同様にEE切断面で分割すると、IIIbとIVbの光出射側の共振器端面が、同時に劈開面として形成される。このように、素子の端面及び共振器面は、切断位置によってエッチング端面あるいは劈開端面とすることができる。 By dividing at the AA cutting position, the resonator end face formed by etching can be left as it is. In I and II, after dividing along the AA cut surface and further dividing along the BB cut surface, the resonator end surface on the light reflection side becomes a cleaved surface. Further, II is divided by the DD cut surface, so that the resonator end surface on the light emission side also becomes a cleavage plane. Further, when divided by the CC cut plane, the resonator end faces on the light reflection side of IIIa and IVa are simultaneously formed as cleavage planes. Similarly, when divided by the EE cut surface, the resonator end surfaces on the light emission side of IIIb and IVb are simultaneously formed as cleavage surfaces. Thus, the end face and the resonator face of the element can be an etching end face or a cleaved end face depending on the cutting position.
ここで、図17(a)に示すIa及びIIaの間のように、Iaの共振器端面とIIbとの共振器端面の間には基板のみしか存在しないようにするには、前述の図16(b)のようにエッチングにより共振器端面を形成したものを、さらに基板までエッチングすることで得ることができる。このように基板までエッチングするのは、分割する際に、半導体層にクラックが生じるのを防ぐためである。ここで、図16(a)を経ずに、1度のエッチングで基板まで露出させると、エッチング時間が長いために先に露出される活性層近傍のエッチング面が荒れてしまい、良好な共振器端面が得られにくくなる。しかし、図16(a)のようなn型層までのエッチング工程を経て、次いで、基板までのエッチングを行うというように2度に分けて行うことで、良好な共振器端面が得られ、かつ、分割もしやすくすることができる。図16(d)は図16(c)を矢印の位置で切断した図であるが、前記のように2度のエッチング工程を経ることで、図中のDのような突き出し領域が生じる。基板までエッチングするときには、この突き出し領域Dの光の出射方向への突き出しが小さくなるように行う必要がある。なぜなら、Dの幅(突き出す長さ)が大きくなると、光出射面から出射された光が遮られて良好なF.F.P.が得られにくくなるからである。この場合、少なくとも光出射側の端面でのDが小さければ問題はない。 Here, in order to ensure that only the substrate exists between the resonator end surface of Ia and the resonator end surface of IIb as between Ia and IIa shown in FIG. 17A, FIG. It can be obtained by further etching the resonator end face formed by etching as shown in FIG. The reason for etching up to the substrate in this way is to prevent the semiconductor layer from cracking during the division. Here, if the substrate is exposed by one etching without passing through FIG. 16A, the etching surface in the vicinity of the active layer exposed first becomes rough because the etching time is long, and a good resonator is obtained. It becomes difficult to obtain the end face. However, by performing the etching process up to the n-type layer as shown in FIG. 16A and then the etching up to the substrate in two steps, a good resonator end face can be obtained, and , Can also be divided easily. FIG. 16D is a view obtained by cutting FIG. 16C at the position of the arrow, but a protruding region such as D in the figure is generated by performing the etching process twice as described above. When etching up to the substrate, it is necessary to reduce the protrusion of the protrusion region D in the light emission direction. This is because when the width of D (the length of protrusion) is increased, the light emitted from the light exit surface is blocked and good F.D. F. P. It is because it becomes difficult to obtain. In this case, there is no problem as long as D on the end face on the light emission side is small.
(反射膜)
図18は、共振器端面に設ける反射膜の形成方法を説明するための模式図である。図18のようにバー状に分割した半導体を光反射側の端面或いは光出射側の端面が反射膜の原料と対向するように設置して、スパッタなどの方法で反射膜を形成する。このようにバー状に分割してその分割面を反射膜の原料と対向するように設置してスパッタで形成することで、多層膜にする場合でも膜質が均一で劣化しにくい高品質の反射膜を形成することができる。このような反射膜は、高出力が要求される素子に用いる場合により効果的であり、特に多層膜にすることで高出力に耐えうる反射膜とすることができる。端面の反射膜は、電極の上部からスパッタしても、側面になっている共振器端面にまで回り込ませるようにして形成することもできる。しかしその場合は、バー状にして端面を上に向けるという工程を省くことができるというメリットはあるものの、端面に対して横方向から回り込むように形成されていくので、均一な膜、特に多層膜が得られにくくなり、膜質がやや劣るものとなる。なお、このような反射膜は、光反射端面及び光出射端面の両方に設けてもよく、また、片方だけでもよく、また、異なる材料を用いていてもよい。
(Reflective film)
FIG. 18 is a schematic diagram for explaining a method of forming a reflective film provided on the end face of the resonator. As shown in FIG. 18, the semiconductor divided into bars is placed so that the end surface on the light reflecting side or the end surface on the light emitting side faces the material of the reflecting film, and the reflecting film is formed by a method such as sputtering. In this way, a high-quality reflective film that has a uniform quality and is unlikely to deteriorate even when it is formed into a multilayer film by dividing it into bars and forming the divided surface so as to face the raw material of the reflective film and forming it by sputtering. Can be formed. Such a reflective film is more effective when used in an element that requires high output. In particular, a reflective film that can withstand high output can be obtained by using a multilayer film. The reflection film on the end face can be formed by sputtering from the upper part of the electrode or by wrapping around the resonator end face on the side face. However, in that case, although there is a merit that the process of forming a bar shape and facing the end face upward can be omitted, it is formed so as to wrap around from the lateral direction to the end face, so a uniform film, particularly a multilayer film Is difficult to obtain, and the film quality is slightly inferior. Such a reflective film may be provided on both the light reflecting end face and the light emitting end face, or only one of them or a different material may be used.
また、本発明において、その他の活性層、クラッド層等のデバイス構造としては、特に限定されず、種々の層構造を用いることができる。デバイス構造の具体的な実施の形態としては、例えば後述の実施例に記載されているデバイス構造が挙げられる。また、電極等も特に限定されず種々のものを用いることができる。また、レーザ素子として用いた各層の窒化物半導体は、特にその組成に限定されるものではなく、上述した組成式(InbAlcGa1−b−cN、0≦b、0≦d、b+d<1)であらわされる窒化物半導体を用いることができる。 In the present invention, other device structures such as active layers and cladding layers are not particularly limited, and various layer structures can be used. Specific embodiments of the device structure include, for example, the device structures described in the examples described later. Moreover, an electrode etc. are not specifically limited, A various thing can be used. Further, the nitride semiconductor of each layer used as the laser element is not particularly limited to the composition, and is expressed by the above-described composition formula (InbAlcGa1-b-cN, 0 ≦ b, 0 ≦ d, b + d <1). A nitride semiconductor can be used.
本発明において、窒化物半導体の成長はMOVPE、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハライド気相成長法)、MBE(分子線気相成長法)等、窒化物半導体を成長させるのに知られているすべての方法を適用できる。 In the present invention, a nitride semiconductor is grown by MOVPE, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (halide vapor deposition), MBE (molecular beam vapor deposition) or the like. All methods known to can be applied.
実施例
以下本発明に係る実施例について説明する。
Examples of the present invention will be described below.
以下の実施例は、窒化物半導体を用いたレーザ素子であるが、本発明のレーザ素子は、これに限らず、本発明の技術的思想において、様々な半導体に実施できることは言うまでもない。 The following examples are laser elements using nitride semiconductors, but the laser element of the present invention is not limited to this, and it goes without saying that the present invention can be implemented on various semiconductors.
[実施例1]
以下、実施例1のレーザ素子について、説明する。具体的には、実施例1として、図8に示す断面構造を有する第2の導波路領域C2と、図9に示す断面構造を有する第1の導波路領域C1とを備えたレーザ素子を作製する。
[Example 1]
Hereinafter, the laser element of Example 1 will be described. Specifically, as in Example 1, the laser device comprising the second waveguide region C 2 having a sectional structure shown in FIG. 8, the first waveguide region C 1 having the sectional structure shown in FIG. 9 Is made.
ここで、本実施例1ではサファイア基板、すなわち、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いているが、GaN基板などの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。ここで、異種基板としては、例えば、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Si、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能な基板を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、通常使用される低指数面から傾いた面を有していてもよく(オフアングル)、この場合ステップ状にオフアングルされた基板を用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長を結晶性よく成長させることができる。 Here, in the first embodiment, a sapphire substrate, that is, a heterogeneous substrate different from a nitride semiconductor is used as the substrate, but a substrate made of a nitride semiconductor such as a GaN substrate may be used. Here, as the heterogeneous substrate, for example, an insulating substrate such as sapphire or spinel (MgA1 2 O 4 ) whose main surface is any one of the C-plane, R-plane, and A-plane, SiC (6H, 4H, 3C). , ZnS, ZnO, GaAs, Si, and an oxide substrate lattice-matched with the nitride semiconductor can be used. Preferable heterogeneous substrates include sapphire and spinel. Further, the heterogeneous substrate may have a surface inclined from a low index surface that is normally used (off-angle). In this case, if a substrate that is off-angled stepwise is used, the growth of the underlying layer made of gallium nitride is performed. Can be grown with good crystallinity.
更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に下地層となる窒化物半導体を成長させた後、素子構造形を成する前に、異種基板を研磨などの方法により除去して下地層のみとし、その下地層を窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去してもよい。 Further, in the case of using a heterogeneous substrate, after growing a nitride semiconductor serving as an underlayer on the heterogeneous substrate and before forming an element structure, the heterogeneous substrate is removed by a method such as polishing to remove only the underlayer. The element structure may be formed using the base layer as a single substrate of a nitride semiconductor, or the heterogeneous substrate may be removed after the element structure is formed.
図8のように、異種基板を用いる場合には、バッファ層、下地層を形成した上に、素子構造を形成すると、良好な窒化物半導体からなる素子構造を形成できる。ここで、図8は、第2の導波路領域C2における素子構造を説明する断面図であり、図9は、第1の導波路領域C1における素子構造を説明する断面図である。 As shown in FIG. 8, when a heterogeneous substrate is used, an element structure made of a good nitride semiconductor can be formed by forming an element structure after forming a buffer layer and a base layer. Here, FIG. 8 is a sectional view for explaining the element structure in the second waveguide region C 2 , and FIG. 9 is a sectional view for explaining the element structure in the first waveguide region C 1 .
(バッファ層102) 本実施例1では最初に、2インチφ、C面を主面とするサファイアよりなる異種基板101をMOVPE反応容器内にセットし、温度を500℃にして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaNよりなるバッファ層を200Åの膜厚で成長させる。
(Buffer layer 102) In Example 1, first, a
(下地層103) バッファ層102を成長させた後、温度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaNよりなる窒化物半導体層103を4μmの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成するための下地層(成長基板)として形成するものである。下地層として、その他に、ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いることができ、こうすると、より結晶性が良好な窒化物半導体を成長させることができる。ELOG成長とは、横方向成長を伴う成長方法の総称であり、例えば、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させた後、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を、例えば、ストライプ状に一定間隔で形成し、その保護膜の間に露出した窒化物半導体表面から新たに窒化物半導体を成長させることにより、基板全体を窒化物半導体で覆う成長方法である。すなわち、マスクが形成されたマスク領域と、窒化物半導体が露出した非マスク領域とを交互に形成し、その非マスク領域に露出した窒化物半導体表面から窒化物半導体を再び成長させると、最初は厚さ方向に成長が進んでいたものが、成長が進むに従いマスク領域を覆うように横方向にも成長して基板全体を覆うようになる。
(Underlayer 103) After growing the
また、ELOG成長として、異種基板上に最初に成長させた窒化物半導体層において、基板表面が露出するように開口部を設け、その開口部側面に位置する窒化物半導体から横方向へ窒化物半導体を成長させることにより、成膜する方法もある。 In addition, as an ELOG growth, in the nitride semiconductor layer first grown on a different substrate, an opening is provided so that the substrate surface is exposed, and the nitride semiconductor laterally extends from the nitride semiconductor located on the side surface of the opening. There is also a method of forming a film by growing the film.
本発明では、これら種々のELOG成長を用いることができ、これらのELOG成長方法を用いて、窒化物半導体を成長させると、横方向の成長により形成された窒化物半導体は、結晶性が良好であることから、全体として結晶性の良好な窒化物半導体層が得られるという利点がある。 In the present invention, these various types of ELOG growth can be used. When a nitride semiconductor is grown by using these ELOG growth methods, the nitride semiconductor formed by lateral growth has good crystallinity. Therefore, there is an advantage that a nitride semiconductor layer having good crystallinity as a whole can be obtained.
次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素子構造を構成する以下の各層を積層する。 Next, the following layers constituting the element structure are stacked on the base layer made of a nitride semiconductor.
(n型コンタクト層104)
まず、得られた窒化物半導体基板(下地層)103上にTMG、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、1050℃でSiを1×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn型コンタクト層104を4.5μmの膜厚で成長させる。
(N-type contact layer 104)
First, an n-
(クラック防止層105) 次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を800℃にしてIn0.06Ga0.94Nよりなるクラック防止層105を0.15μmの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
(Crack Prevention Layer 105) Next, using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia, the temperature is set to 800 ° C., and the
(n型クラッド層106) 次に、温度を1050℃にして、原料ガスとしてTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAlGaNよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、続いて、TMAを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたGaNよりなるB層を25Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ160回繰り返してA層とB層の積層し、総膜厚8000Åの多層膜(超格子構造)よりなるn型クラッド層106を成長させる。この時、アンドープAlGaNのAl混晶比としては、0.05以上0.3以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
(N-type cladding layer 106) Next, the temperature is set to 1050 ° C., and TMA (trimethylaluminum), TMG and ammonia are used as source gases, and an A layer made of undoped AlGaN is grown to a thickness of 25 mm, , TMA is stopped, silane gas is used as an impurity gas, and a B layer made of GaN doped with Si at 5 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 25 mm. Then, this operation is repeated 160 times to laminate the A layer and the B layer, and the n-
(n型光ガイド層107) 次に、同様の温度で、原料ガスとしてTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層107を0.1μmの膜厚で成長させる。n型光ガイド層107には、n型不純物をドープしてもよい。
(N-type light guide layer 107) Next, at the same temperature, TMG and ammonia are used as source gases, and an n-type
(活性層108) 次に、温度を800℃にして、原料ガスとしてTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層を100Åの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層を50Åの膜厚で成長させる。この操作を3回繰り返し、最後が障壁層となるように積層した総膜厚550Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層108を成長させる。
(Active layer 108) Next, the temperature was set to 800 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and ammonia were used as source gases, silane gas was used as an impurity gas, and In 0.05 doped with Si at 5 × 10 18 / cm 3. A barrier layer made of Ga 0.95 N is grown to a thickness of 100 mm. Subsequently, silane gas is stopped and a well layer made of undoped In 0.1 Ga 0.9 N is grown to a thickness of 50 mm. This operation is repeated three times to grow a multiquantum well structure (MQW)
(p型電子閉込層109) 次に、同様の温度で原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1019/cm3ドープしたAlGaNよりなるp型電子閉込層109を100Åの膜厚で成長させる。この層は、特に設けなくても良いが、電子閉込めとして機能し、閾値の低下に寄与する。
(P-type electron confinement layer 109) Next, TMA, TMG, and ammonia are used as source gases at the same temperature, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used as an impurity gas, and Mg is 1 × 10 19 / the p-type
(p型光ガイド層110) 次に、温度を1050℃にして、原料ガスとしてTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるp型光ガイド層110を750Åの膜厚で成長させる。
(P-type light guide layer 110) Next, the temperature is set to 1050 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and the p-type
このp型光ガイド層110は、アンドープとして成長させるが、p型電子閉込層109からのMgの拡散により、Mg濃度が5×1016/cm3となりp型を示す。またこの層は成長時に意図的にMgをドープしても良い。
The p-type
(p型クラッド層111) 続いて、1050℃でアンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMAを止め、Cp2Mgを用いて、MgドープGaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、これを繰り返すことにより、総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側クラッド層111を成長させる。p側クラッド層は少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製する場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にある。しかしながら、本発明では、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層111は、Alを含む窒化物半導体層、好ましくはAlXGa1-XN(0<X<1)を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはGaNとAlGaNとを積層した超格子構造とする。p側クラッド層111を超格子構造とすることによって、クラッド層全体としてのAl混晶比を大きくすることができるので、クラッド層自体の屈折率を小さくでき、さらにバンドギャップエネルギーを大きくできるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものに比較して少なくできるので、ショートの発生も少なくなる。
(P-type cladding layer 111) Subsequently, a layer made of undoped Al 0.16 Ga 0.84 N is grown at 1050 ° C. to a thickness of 25 mm, and then TMA is stopped, and a layer made of Mg-doped GaN using Cp 2 Mg. By repeating this process, a p-
(p型コンタクト層112) 最後に、1050℃で、p側クラッド層111の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層112を150Åの膜厚で成長させる。p側コンタクト層はp型のInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすれば、p電極20と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層112は電極を形成する層であるので、1×1017/cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。1×1017/cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をGaNとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p型層を更に低抵抗化する。
(P-type contact layer 112) Finally, the p-
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成して、RIE(反応性イオンエッチング)を用いSiCl4ガスによりエッチングし、図8に示すように、n電極を形成すべきn型コンタクト層104の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてSiO2が最適である。また、n型コンタクト層104を露出させると同時に、共振器面となる活性層端面を露出させて、エッチング端面を共振器面としても良い。
After growing the nitride semiconductor and laminating the layers as described above, the wafer is taken out from the reaction vessel, and a protective film made of SiO 2 is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer, and RIE (reactive ions) is formed. It etched with SiCl 4 gas using the etching), as shown in FIG. 8, to expose the surface of the n-
次に上述したストライプ状の導波路領域として、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2を形成する方法について詳説する。まず、最上層のp型コンタクト層(上部コンタクト層)8のほぼ全面に、PVD装置により、Si酸化物(主として、SiO2)よりなる第1の保護膜を0.5μmの膜厚で形成した後、パターンニングすることにより、第1の保護膜161を形成する(実施の形態の説明に用いた図5(a)参照)。ここで、第1の保護膜161のパターンニングは、フォトリソグラフィー技術、及びCF4ガスを用いたRIE(反応性イオンエッチング)装置により行う。次に、第1の保護膜161をマスクとして、そのマスクの両側にp型クラッド層111が薄く残るように、p型コンタクト層112及びp型クラッド層111の一部を除去することにより、活性層3よりも上に、ストライプ状の凸部を形成する(実施の形態の説明に用いた図5(b)参照)。これにより、第2の導波路領域C2を構成するための第2のリッジ202が形成される。この時、第2のリッジは、p側コンタクト層112、およびp側クラッド層111の一部をエッチングして、p型クラッド層111の膜厚が0.01μmとなる深さでエッチングされて、形成されている。
Next, a method for forming the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 as the above-described stripe-shaped waveguide regions will be described in detail. First, a first protective film made of Si oxide (mainly SiO 2 ) having a thickness of 0.5 μm was formed on almost the entire surface of the uppermost p-type contact layer (upper contact layer) 8 by a PVD apparatus. Thereafter, patterning is performed to form a first protective film 161 (see FIG. 5A used in the description of the embodiment). Here, the patterning of the first
次に、ストライプ状の第2のリッジを形成した後、第3の保護膜163としてフォトレジスト膜を、第2のリッジの一部(第1の導波路領域を構成する部分)を除いて形成する(実施の形態の説明に用いた図5(c)参照)。尚、第2の導波路領域を形成する部分の凸部の上面及び第1の導波路領域を構成する部分に位置する凸部の上面には、第1の保護膜161が形成されたまま残っている。
Next, after the stripe-shaped second ridge is formed, a photoresist film is formed as the third
続いて、RIE(反応性イオンエッチング)装置に移し、第3の保護膜163及び第1の保護膜161をマスクとして、SiCl4ガスを用いて、第1の導波路領域を形成する部分において第1の保護膜161の両側をn型クラッド層106が露出する深さで、エッチングすることで、第1の導波路領域C1を構成するストライプ状の第1のリッジを、形成する。この時、形成されるストライプ状の第1のリッジは、第1のリッジ両側のn型クラッド層106の膜厚が0.2μmとなる深さまでエッチングされて形成されている。
Subsequently, the wafer is transferred to an RIE (reactive ion etching) apparatus, and the third
次に、第3の保護膜163を除去する。
Next, the third
更に、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2を形成したウエハを、PVD装置に移送し、Zr酸化物(主としてZrO2)よりなる第2の保護膜162を、第1の保護膜161の上、第1と第2のリッジの側面、エッチングにより露出されたp型クラッド層111及びn型クラッド層106の上に0.5μmの膜厚で連続して形成する(実施の形態の説明で用いた図7(a)参照)。
Further, the wafer on which the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 are formed is transferred to a PVD apparatus, and a second
第2の保護膜162形成後、ウエハを600℃で熱処理する。このようにSiO2以外の材料で第2の保護膜を形成した場合、第2の保護膜成膜後に、300℃以上、好ましくは400℃以上であって、窒化物半導体の分解温度以下(1200℃)で熱処理することにより、第2の保護膜を第1の保護膜を溶解させる材料(フッ酸)に対して溶解しにくくできるため、この熱処理工程を加えることが望ましい。
After the formation of the second
次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第1の保護膜161を除去する(リフトオフ法)。これにより、p型コンタクト層112の上に設けられていた第1の保護膜161が除去されて、p型コンタクト層112が露出される。以上のようにして、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2に設けられたストライプ状の第1と第2のリッジ(凸部)201、202の側面と、それに連続するリッジ両側の平面(第2のリッジの両側に位置するp型クラッド層111の表面と第1のリッジの両側に位置するn型クラッド層の表面)に第2の保護膜162が形成される(実施の形態の説明で用いた図7(b),(c)参照)。続いて、n電極121を形成する領域において、n型コンタクト層104に達する深さで、エッチングし、n型電極121を形成するためのn型コンタクト層104の表面を露出させる(実施の形態の説明で用いた図7(c)参照)。
Next, the wafer is immersed in hydrofluoric acid to remove the first protective film 161 (lift-off method). As a result, the first
このように、p型コンタクト層112の上に設けられた第1の保護膜161が、除去された後、図8に示すように、その露出したp側コンタクト層の表面にオーミック接触するNi/Auよりなるp電極120を形成する。但しp電極120は100μmのストライプ幅として、図8に示すように、第2の保護膜162の上に渡って形成する。この時、p電極120は、ストライプ方向において、本実施例1では、第2の導波路領域C2だけに形成している。また、本実施例1ではさらに、p電極120は、第2の導波路領域C2の両端部に達しない長さで形成する。第2の保護膜162形成後、既に露出させたn側コンタクト層104の表面にはTi/Alよりなるn電極21をストライプと平行な方向で形成する。
Thus, after the first
次に、p及びn電極上の取り出し電極を設けるための領域にマスクをし、SiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜164を形成する。そして、そのマスクを除去することにより、誘電体多層膜164において、p及びn電極上を開口させる開口部を形成し、その開口部を介してp,n電極上にNi−Ti−Au(1000Å−1000Å−8000Å)よりなる取り出し(パッド)電極122,123をそれぞれ形成する。尚、本実施例1において、第2の導波路領域C2における活性層108の幅は、200μmの幅(共振器方向に垂直な方向の幅)に形成する。また、ガイド層も同様の幅に形成されている。
Next, a region for providing the extraction electrode on the p and n electrodes is masked to form a
n電極とp電極とを形成した後、さらに基板が露出するまでエッチングして、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2の端部に、共振器面を設ける。 After forming the n-electrode and the p-electrode, etching is further performed until the substrate is exposed, and a resonator surface is provided at the ends of the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 .
本実施例1のレーザ素子では、共振器の全長が650μmになるように、また、第1の導波路領域C1は一方の共振端面を含み全長が5μmになるように形成した。従って、第2の導波路領域C2は他方の端面を含み全長が645μmである。そして、エッチング面である共振器端面にそれぞれSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜を形成した。その後、ウエハのサファイア基板を研磨して70μmとし、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に分割して、更にバー状のウエハを個々の素子毎に分割してレーザ素子を得る。 In the laser element of Example 1, the total length of the resonator was 650 μm, and the first waveguide region C 1 was formed so as to include one resonance end face and to have a total length of 5 μm. Accordingly, the second waveguide region C 2 includes the other end face and has a total length of 645 μm. Then, a dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 was formed on the cavity end face as an etching surface. After that, the sapphire substrate of the wafer is polished to 70 μm, divided into bars from the substrate side in the direction perpendicular to the stripe-shaped electrodes, and the bar-shaped wafer is further divided into individual elements. obtain.
尚、実施例1では、エッチング面に誘電体多層膜を形成することにより共振器面を形成したが、共振面の形成方法として、GaNの劈開面である(1 1- 0 0)M面で、ウエハをバー状に分割して、その面を共振器面とする方法を用いてもよい。 In Example 1, the resonator surface was formed by forming a dielectric multilayer film on the etching surface. However, as a method for forming the resonance surface, the (1 1-0 0) M plane, which is a GaN cleavage plane, is used. Alternatively, a method may be used in which the wafer is divided into bars and its surface is used as a resonator surface.
以上のようにして作製された実施例1のレーザ素子において、室温においてしきい値2.0kA/cm2、30mWの出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、またF.F.Pにおいて、良好なビームが得られ、そのアスペクト比は、1.5と、光ディスクシステムの光源として、十分に満足するビーム特性を有する。このような優れた特性は、主に利得領域として機能する第2の導波路領域C2のストライプ幅にかかわらずに、出射側の第1の導波路領域C1の凸部の幅を適宜調節することにより、所望の光特性のレーザ光を取り出せるという本発明の特有の作用によるものである。また、本実施例1のレーザ素子は、5〜30mWでの光出力域において、横モードの移動がなく、光ディスクシステムの読込、書込光源として適した特性を有する。加えて、30mWでの駆動において、従来の屈折率導波型のレーザ素子と同様に優れたレーザ素子が得られる。 In the laser device of Example 1 fabricated as described above, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed at room temperature at a threshold of 2.0 kA / cm 2 and an output of 30 mW. F. In P, a good beam can be obtained, and the aspect ratio is 1.5, which is sufficiently satisfactory as a light source for an optical disc system. Such an excellent characteristic is that the width of the convex portion of the first waveguide region C1 on the emission side is appropriately adjusted regardless of the stripe width of the second waveguide region C2 that mainly functions as a gain region. This is because of the characteristic action of the present invention that the laser beam having desired optical characteristics can be extracted. In addition, the laser element of Example 1 has characteristics suitable as a reading / writing light source for an optical disc system without moving in a transverse mode in an optical output range of 5 to 30 mW. In addition, when driving at 30 mW, an excellent laser element can be obtained in the same manner as a conventional refractive index guided laser element.
また、実施例1では、図7(c)に示すように、第1の導波路領域C1にかかる(覆う)長さでp電極を設けてもよく、このようにしても、実施例1と同等にビーム特性に優れるレーザ素子で、素子寿命の長いものとなる。
Further, in the first embodiment, as shown in FIG. 7C, the p-electrode may be provided with a length covering (covering) the first
[実施例2]
実施例1において、第1の導波路領域C1の長さを、1μmとする他は、実施例1と同様にしてレーザ素子を得る。第1の導波路領域C1をこのように、短く形成するためには、実施例1において、実際に得られる共振器長よりもストライプ状の第1のリッジを長く(たとえば、数十μm〜100μm程度の長さ)形成した後、第1の導波路領域C1が所望の長さとなる位置でエッチング、または基板分割により共振器面を形成する。このため、実施例1に比べて、第2のリッジ201の形状を安定して形成することが難くなるが、この長さでも横モードの良好な制御は可能であり、かつ第1の導波路領域が短くなることから、素子寿命については、実施例1よりも僅かに優れている。
[Example 2]
In Example 1, a laser element is obtained in the same manner as in Example 1 except that the length of the first waveguide region C 1 is set to 1 μm. In order to form the first waveguide region C 1 as short as described above, in the first embodiment, the stripe-shaped first ridge is longer than the actually obtained resonator length (for example, several tens μm to After the formation, a resonator surface is formed by etching or dividing the substrate at a position where the first waveguide region C 1 has a desired length. For this reason, it is difficult to stably form the shape of the
[実施例3]
実施例3の半導体レーザ素子は、両端部にそれぞれ5μmの長さの第1の導波路領域C1を形成する以外は実施例1と同様に構成する(図4(b)参照)。すなわち、本実施例3のレーザ素子では、中央部に第2の導波路領域C2を配置し、その両側に第1の導波路領域C1を配置し、その第1の導波路領域C1共振器がそれぞれ共振端面を含むようにしている。このように構成された実施例3のレーザ素子は、レーザのビーム形状において、F.F.P.、アスペクト比ともに、実施例1とほぼ同等の特性を有する。
[Example 3]
The semiconductor laser device of Example 3 is configured in the same manner as Example 1 except that the first waveguide region C 1 having a length of 5 μm is formed at both ends (see FIG. 4B). That is, in the laser device of the third embodiment, the second waveguide region C 2 is arranged in the central portion, the first waveguide region C 1 is disposed on both sides of the first waveguide region C 1 Each resonator includes a resonance end face. The laser element of Example 3 configured as described above has an F.F. F. P. The aspect ratio is almost the same as that of the first embodiment.
[実施例4]
実施例1において、第2の導波路領域C2を構成するための第2のリッジ(凸部)202を、その第2のリッジの両側に500Åの厚さのp型ガイド層が残るようにエッチングすることにより形成した以外は、実施例1と同様にして構成する。得られるレーザ素子は、実施例1に比べて閾値電流が低くなる傾向があるが、ビーム特性については、実施例1とほぼ同等に良好なものが得られる。
[Example 4]
In the first embodiment, the second ridge (projection) 202 for forming the second waveguide region C 2 is left on the both sides of the second ridge so that a p-type guide layer having a thickness of 500 mm remains. The structure is the same as in Example 1 except that it is formed by etching. The obtained laser element tends to have a lower threshold current than that of the first embodiment, but a beam characteristic that is almost as good as that of the first embodiment can be obtained.
[実施例5]
本実施例5の半導体レーザ素子は、実施例1において、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2との間に、傾斜面を設けた以外は実施例1と同様に構成する(図4(a)参照)。
[Example 5]
The semiconductor laser device of Example 5 is the same as Example 1 except that an inclined surface is provided between the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 in Example 1. Configure (see FIG. 4A).
すなわち、本実施例5では、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2との境界において、第1のリッジの両側に位置するn型クラッド層106の表面と第2のリッジの両側に位置するp型クラッド層111の表面との間に形成されるエッチング断面を、n型クラッド層106の表面に対して90°以上になるように傾斜させている。
That is, in Example 5, at the boundary between the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 , the surface of the n-
このように作製されるレーザ素子は、実施例1に比べて、素子特性にばらつきが生じる場合があるが、良好なFFPが得られかつ信頼性を向上させることができるという本発明の効果は得られる。 The laser device manufactured in this way may have variations in device characteristics as compared with the first embodiment, but the effect of the present invention that a good FFP can be obtained and the reliability can be improved is obtained. It is done.
[実施例6]
本実施例6の半導体レーザ素子は、図13に示すように、第1の導波路領域C1と第2の導波路領域C2の間に第3の導波路領域C3を設けた以外は実施例1と同様に作製される。すなわち、本実施例6のレーザ素子は、第2の導電型層(p型クラッド層111)に達する深さで、第2のリッジ(凸部)202を形成した後、第1の導電型層(n型クラッド層106)までエッチングして第1のリッジを形成する際に、共振器方向との成す角αが20°である側面204を有する第3の導波路領域C3を同時に形成する。このようにして、第1の導波路領域C1と、第2の導波路領域C2の他に、第3の導波路領域C3を有する実施例6のレーザ素子が作製される。このように構成された実施例6のレーザ素子では、第2の導波路領域C2において活性層面内に広がって導波されていた光が、第3の導波路領域C3の側面204で反射され、第1の導波路領域C1へと導かれるので、円滑な導波が可能になる。すなわち、共振器方向に導波する光が、側面204に、入射角(90°−α)で入射することで、側面204で全反射され、光の損失なく、ストライプ状の導波路領域内に、導くことができるためである。第2の導波路領域C2、第3の導波路領域C3では、第2の導電型層(p型クラッド層111)に設けられた第2のリッジ(凸部)202により実効的な屈折率差が活性層面内に設けられ、ストライプ状の導波路領域が形成されており、この第3の導波路領域C3では、第2のリッジの直下の領域からはみ出して導波する光を、第1の導波路領域C1内へ、好適に導くことができる。
[Example 6]
As shown in FIG. 13, the semiconductor laser device of Example 6 is provided with a third waveguide region C 3 provided between the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2. It is produced in the same manner as in Example 1. That is, in the laser element of Example 6, after forming the second ridge (projection) 202 at a depth reaching the second conductivity type layer (p-type cladding layer 111), the first conductivity type layer is formed. when in (n-type cladding layer 106) etched until formation of a first ridge, forms the third waveguide region C 3 in which α angle formed between the resonator direction has a
以上のように、実施例6では、側面204が第1の導波路領域C1における第1のリッジ(凸部)201側面に対して傾斜して設けられていることで、スムーズな光の導波を実現できる。また、側面204と第2の導波路領域C2との境界部で、図13に示すように、屈曲することなく直接、第2の導波路領域C2の側面に繋がっていてもよい。
As described above, in Example 6, the
このように、本実施例6のレーザ素子では、第2の導波路領域C2において、活性層面内におけるストライプ状の導波路領域内、若しくはそれをはずれて導波する光を、第1の導波路領域C1内に効率よく導くことができるため、素子特性を向上させることができる。本実施例6のレーザ素子では、特に閾値電流密度を低下させることができ、スロープ効率を向上させることができる。 As described above, in the laser device of Example 6, the light guided in the second waveguide region C 2 in the stripe-shaped waveguide region in the active layer surface or off the first waveguide is transmitted. since it can be guided efficiently into waveguide region C 1, thereby improving the device characteristics. In the laser device of the sixth embodiment, in particular, the threshold current density can be reduced, and the slope efficiency can be improved.
[実施例7]
実施例7のレーザ素子は、第1の導波路領域C1を側面が2段になった2段リッジにより構成した点が実施例1とは異なり、それ以外の部分は実施例1と同様に構成される。
[Example 7]
The laser device of Example 7, the first waveguide region C 1 different points constituted by two-stage ridges sides becomes two stages as in Example 1, as other portions of Example 1 Composed.
すなわち、実施例7では、活性層まで達しないようにエッチングすることにより、ストライプ状のリッジを形成した後、第1の導波路領域を形成する部分においてそのリッジのストライプ幅よりも広いリッジをn型クラッド層106までエッチングすることにより、2段リッジを形成する。
That is, in Example 7, after forming a striped ridge by etching so as not to reach the active layer, a ridge wider than the stripe width of the ridge is formed in a portion where the first waveguide region is formed. Etching up to the
ここで、図14(a)は、本実施例7のレーザ素子構造を説明する斜視図であり、図14(c)は、第1の導波路領域C1における断面図であり、図14(b)は、第2の導波路領域C2における断面図である。本実施例7のレーザ素子では、図14(a)に示すように、第1の導波路領域C2が、幅Sw1の上部リッジ(凸部)と幅Sw2の下部リッジ(凸部)とからなる2段リッジにより形成されている。この第1の導波路領域C1において、活性層は下部リッジの中に位置し、この下部リッジの幅Sw2により活性層3の幅が決定されているので、実質的には下ブリッジにより導波路が形成されていると考えることができる。この実施例7の構造にすると、実施例1等の第1のリッジを形成する場合に比較して、下部リッジの幅Sw2の制御が容易になり、その結果、第1の導波路領域の活性層の幅を精度良く形成することができる。これは、図5に示す方法で、第1の導波路領域C1を構成するための第1のリッジ201を形成すると、1つのマスクにより2段階でエッチングをすることになるので、2回目のエッチングにより第1の導電型層1に達する深さでエッチングする際に、最初に形成された第2のリッジと共通する部分とその下の部分との境界において側面に段差ができ、その下の部分における幅を精度よく制御できない場合があるためである。
Here, FIG. 14A is a perspective view for explaining the laser element structure of the seventh embodiment, FIG. 14C is a cross-sectional view in the first waveguide region C 1 , and FIG. b) is a cross-sectional view of the second waveguide region C2. In the laser device of Example 7, as shown in FIG. 14A, the first waveguide region C 2 includes an upper ridge (convex portion) having a width S w1 and a lower ridge (convex portion) having a width S w2. Are formed by a two-stage ridge consisting of Guide in the first waveguide region C 1, the active layer is located in the lower ridge, the width of the
しかし、本実施例7では、第2のリッジと共通のエッチング工程で、上部リッジを形成した後に、下部リッジを形成するために上部リッジを形成した時のマスクとは別のマスクを形成してその別のマスクを用いてエッチングすることにより下部リッジを形成しているので、下部リッジの幅を精度よく形成することができ、その下部リッジ内に位置する活性層3の幅を精度良く形成できる。
However, in the seventh embodiment, after forming the upper ridge in the same etching process as the second ridge, a mask different from the mask used when forming the upper ridge is formed to form the lower ridge. Since the lower ridge is formed by etching using the other mask, the width of the lower ridge can be formed with high accuracy, and the width of the
従って、本実施例によれば、実施例1と同等な特性を有しかつ製造ばらつきの少ないレーザ素子を提供できる。すなわち、本実施例7のレーザ素子は、製造において有利なものである。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a laser element having characteristics equivalent to those of the first embodiment and having little manufacturing variation. That is, the laser device of Example 7 is advantageous in manufacturing.
[実施例8]
本実施例8のレーザ素子は、第1の導波路領域と第2の導波路領域の間に第3の導波路領域を形成したレーザ素子であって、その第3の導波路領域を実施例6とは異なる形態で構成した例である。
[Example 8]
The laser device according to the eighth embodiment is a laser device in which a third waveguide region is formed between the first waveguide region and the second waveguide region, and the third waveguide region is used in the embodiment. 6 is an example configured in a different form.
具体的には、本実施例8のレーザ素子において、第3の導波路領域C3は、図15(a)に示すように、p型クラッド層111及びp型コンタクト層112に設けられた第3のリッジにより構成されており、その第3のリッジは第1の導波路領域に近づくにしたがって幅が狭くなるように形成されている。
Specifically, in the laser device of the
すなわち、本実施例8では、第3の導波路領域を形成することにより、導波路の幅が互いに異なる第1の導波路領域と第2の導波路領域とを、導波路の幅を不連続に変化させることなく接続できる。 That is, in the eighth embodiment, by forming the third waveguide region, the first waveguide region and the second waveguide region having different waveguide widths are discontinuous, and the waveguide width is discontinuous. You can connect without changing to.
ここで、図15(a)は、実施例8のレーザ素子構造を説明する斜視図であり、図15(b)は活性層における横断面図である。また、図15(b)において、Sw1で示す幅は、第2のリッジの底部における幅であり、Sw2で示す幅は第1のリッジにおける活性層部分の幅である。 Here, FIG. 15A is a perspective view for explaining the laser element structure of Example 8, and FIG. 15B is a cross-sectional view of the active layer. In FIG. 15B, the width indicated by S w1 is the width at the bottom of the second ridge, and the width indicated by S w2 is the width of the active layer portion in the first ridge.
ここで、図15(b)における想像線(2点鎖線)は、第2のリッジ及び第3のリッジを活性層の横断面に投影した線であるが、第2の導波路領域及び第3の導波路領域における導波路はそれぞれ、第2のリッジ及び第3のリッジに対応して活性層内に実効的な屈折率差が形成されることにより構成されるので、その想像線(2点鎖線)は実質的には第2の導波路領域及び第3の導波路領域における導波路を示していると考えることができる。 Here, the imaginary line (two-dot chain line) in FIG. 15B is a line obtained by projecting the second ridge and the third ridge onto the cross section of the active layer. Each of the waveguides in the waveguide region is formed by forming an effective refractive index difference in the active layer corresponding to the second ridge and the third ridge. The chain line) can be considered to substantially indicate the waveguides in the second waveguide region and the third waveguide region.
以上のように作製される実施例8のレーザ素子は、実施例1と同様に、優れた特性が得られる。 As in Example 1, the laser element of Example 8 manufactured as described above has excellent characteristics.
[実施例9]
本実施例9は、実施例1と同様に構成されるレーザ素子を実施例1とは異なる方法で作製した例である。
[Example 9]
The ninth embodiment is an example in which a laser element configured in the same manner as the first embodiment is manufactured by a method different from the first embodiment.
すなわち、本実施例9では、第1のリッジを形成した後に第2のリッジを形成している。 That is, in Example 9, the second ridge is formed after the first ridge is formed.
具体的には、実施例1と同様にして各層を積層し、その後、図5(a)に示すように、積層体表面にストライプ状の第1の保護膜161を形成する。そして、図6(a)に示すように、第1の保護膜161の一部(第1の導波路領域を形成する部分)を除いて、第3の保護膜163を形成し、図6(b)に示すように、第1の保護膜161の両側を下部クラッド層5(n型クラッド層106)が露出する深さでエッチングして、第1のリッジ201を形成する。続いて、第3の保護膜163をいったん除去した後、図6(c)に示すように、第1のリッジ201を覆うように、第3の保護膜163を形成する。この状態では、第2の導波路領域を形成する部分における、第1の保護膜161の両側以外は、第1の保護膜161及び第3の保護膜163の少なくとも一方の保護膜で覆われていることになる。このような状態にしたあと、第1の保護膜161、第3の保護膜163で覆われていない領域を活性層まで達しないようにエッチングすることで、第2のリッジを形成する。
Specifically, the respective layers are stacked in the same manner as in Example 1, and then, a stripe-shaped first
この時、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2を構成する各リッジのリッジ幅、リッジ高さは、実施例1と同様にする。続いて、第1の導波路領域C1上の第3の保護膜163を除去して、ストライプ状のマスクである第1の保護膜だけとし、その後の工程は実施例1と同様に第2の保護膜(埋込層)をストライプ側面及びそれに連続する窒化物半導体層平面に形成する。その後さらに、実施例1と同様にして、レーザ素子を得る。以上の実施例9の方法によれば、実施例1で説明した方法に比較して、工数が多くなるが、実施例1と同様のレーザ素子を製造できる。
At this time, the ridge width and ridge height of each ridge constituting the first waveguide region C 1 and the second waveguide region C 2 are the same as those in the first embodiment. Subsequently, the third
[実施例10]
本実施例10は、窒化物半導体基板を用いてレーザ素子を作製する例であり、基本的な素子構造としては、第2の導波路領域C2においては図8に示す構造を有し、第1の導波路領域C1においては、図9に示す構造を有する。
[Example 10]
Example 10 is an example of fabricating a laser device using a nitride semiconductor substrate. The basic device structure is the second waveguide region C 2 having the structure shown in FIG. in one waveguide region C 1 has a structure shown in FIG.
(基板101)本実施例10では、以下のように作製される厚さ80μmのGaNよりなる窒化物半導体基板を用いる。 (Substrate 101) In Example 10, a nitride semiconductor substrate made of GaN having a thickness of 80 μm manufactured as follows is used.
ここでは、まず、窒化物半導体を成長させる異種基板として、厚さが425μm、2インチφ、主面がC面、オリエンテーションフラット面(以下、オリフラ面と記す)がA面のサファイア基板を用意し、MOCVDの反応容器内にそのウエハをセットする。次に、温度を510℃にして、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)とを用い、サファイア基板上にGaNよりなる低温成長バッファ層を約200Å(オングストローム)の膜厚で成長させ、さらに温度を1050℃とし、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、アンドープのGaNよりなる下地層を2.5μmの膜厚で成長させる。続いて、ウエハをサファイア基板のオリフラ面(A面)に垂直な方向からθ=0.3°だけ傾けた方向に、それぞれ幅6μmのストライプ状のSiO2からなる複数のマスクを、マスク間の間隔(マスク開口部)が14μmになるように平行に形成する。そして、MOCVD装置に戻して、アンドープGaNを15μmの膜厚で成長させる。このようにすると、マスク開口部から選択的に成長されたGaNはマスク開口部では主として縦方向(厚み方向)に成長し、マスクの上では横方向成長してマスク及びマスク開口部を覆う下地層が形成される(ELOG成長)。このように成長された下地層において、横方向成長された窒化物半導体層は貫通転位を低減させることができる。具体的には、貫通転位は、マスク開口部の上と、マスクの両側から横方向成長した窒化物半導体が接合するマスク中央部付近とで、転位密度が1010/cm2程度と高くなり、マスク中央部を除くマスクの上では転位密度が108/cm2程度と低くなる。 Here, first, a sapphire substrate having a thickness of 425 μm, 2 inches φ, a C-plane main surface, and an A-plane orientation flat surface (hereinafter referred to as an orientation flat surface) is prepared as a heterogeneous substrate for growing a nitride semiconductor. Then, the wafer is set in a MOCVD reaction vessel. Next, the temperature is set to 510 ° C., hydrogen is used as the carrier gas, ammonia and TMG (trimethyl gallium) are used as the source gas, and a low-temperature growth buffer layer made of GaN is formed on the sapphire substrate with a film thickness of about 200 Å. Then, the temperature is set to 1050 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and an underlayer made of undoped GaN is grown to a thickness of 2.5 μm. Subsequently, a plurality of masks made of striped SiO 2 each having a width of 6 μm in a direction tilted by θ = 0.3 ° from a direction perpendicular to the orientation flat surface (A surface) of the sapphire substrate are arranged between the masks. They are formed in parallel so that the interval (mask opening) is 14 μm. Then, returning to the MOCVD apparatus, undoped GaN is grown to a thickness of 15 μm. In this way, GaN selectively grown from the mask opening grows mainly in the vertical direction (thickness direction) in the mask opening, and grows laterally on the mask to cover the mask and the mask opening. Are formed (ELOG growth). In the underlying layer grown in this way, the laterally grown nitride semiconductor layer can reduce threading dislocations. Specifically, the threading dislocations have a dislocation density as high as about 10 10 / cm 2 above the mask opening and near the center of the mask where the nitride semiconductor grown laterally from both sides of the mask joins. On the mask excluding the central portion of the mask, the dislocation density is as low as about 10 8 / cm 2 .
次に、ウエハをHVPE装置に載置して、下地層の上にさらにアンドープのGaNを約100μmの膜厚で成長させる(この約100μmの膜厚で成長させた層を厚膜層という。)。続いて、異種基板、低温成長バッファ層、下地層、厚膜層の一部を除去して厚膜層のみとし(単体化)、膜厚80μmのGaN基板を得る。ここで、HVPEによる厚膜層は、GaN以外に他の窒化物半導体を用いても良いが、本発明では、良好な結晶性でかつ厚膜の窒化物半導体を容易に成長できるGaN又はAlNを用いることが好ましい。また、異種基板等の除去は、以下に示す素子構造を形成した後、また、導波路を形成した後、電極を形成した後、いずれの段階で行っても良い。また、ウエハをバー状、チップ状に切断する前に異種基板等を除去することで、チップ状に切断する際に、窒化物半導体の劈開面(六方晶系で近似した{1 1- 0 0}M面、{1010}A面、(0001)C面)を用いて切断・劈開できる。 Next, the wafer is placed on the HVPE apparatus, and undoped GaN is further grown on the underlayer to a thickness of about 100 μm (the layer grown to a thickness of about 100 μm is referred to as a thick film layer). . Subsequently, the heterogeneous substrate, the low-temperature growth buffer layer, the base layer, and the thick film layer are partially removed to form only the thick film layer (single unit) to obtain a GaN substrate having a thickness of 80 μm. Here, the nitride film other than GaN may be used for the HVPE thick film layer. However, in the present invention, GaN or AlN that has good crystallinity and can easily grow a thick nitride semiconductor is used. It is preferable to use it. Further, the removal of the heterogeneous substrate or the like may be performed at any stage after the element structure shown below is formed, after the waveguide is formed, and after the electrode is formed. Further, by removing the heterogeneous substrate or the like before cutting the wafer into bars or chips, the nitride semiconductor cleavage plane (approximate in the hexagonal system {1 1-0 0 } M plane, {1010} A plane, (0001) C plane).
(下地層102)
窒化物半導体基板101の上に、窒化物半導体基板を作製する際の下地層と同様にストライプ状のSiO2マスクを用いて横方向成長を伴うように窒化物半導体を成長させることにより、下地層102を15μmの膜厚で形成する。
(Underlayer 102)
By growing a nitride semiconductor on the
(バッファ層103)
次に、下地層102の上に、Al混晶比が0.01のアンドープAlGaNからなるバッファ層103を形成する。このバッファ層103は省略可能であるが、横方向成長を用いた基板がGaNである場合、若しくは横方向成長させて形成した下地層がGaNである場合に、それよりも熱膨張係数の小さい窒化物半導体、すなわち、AlaGa1−aN(0<a≦1)等からなるバッファ層103を用いることで、ピットを低減させることができるため、バッファ層103を形成することが好ましい。すなわち、下地層102のように、横方向成長を伴って成膜された窒化物半導体層上に別の窒化物半導体を成長させるとピットが発生しやすいが、このバッファ層103は、ピットの発生を防ぐ効果がある。
(Buffer layer 103)
Next, a
更にバッファ層103のAl混晶比aが、0<a<0.3であることが好ましく、これにより、結晶性が良好なバッファ層を形成することができる。また、このバッファ層をn側コンタクト層としての機能を兼ねる層として形成しても良いし、バッファ層103を形成した後、前記バッファ層と同様の組成式で表されるn側コンタクト層を形成して、そのn側コンタクト層104にもバッファ効果を持たせるようにしてもよい。すなわち、このバッファ層103は、横方向成長層(GaN基板)と素子構造を構成する窒化物半導体層との間、又は素子構造中の活性層と横方向成長層(GaN基板)との間に設けること、さらに好ましくは素子構造中の基板側、下部クラッド層と横方向成長層(GaN基板)との間に、少なくとも1層以上設けることで、ピットを低減し、素子特性を向上させることができる。また、n側コンタクト層の機能を兼ね備えたバッファ層とする場合には、電極との良好なオーミックコンタクトが得られるように、Al混晶比aを0.1以下とすることが好ましい。この下地層102の上に形成するバッファ層は、上述した異種基板上に設けるバッファ層と同様に300℃以上900℃以下の低温で成長させても良いが、好ましくは800℃以上1200℃以下の温度で単結晶成長させると、上述したピット低減効果がより効果的に得られる傾向にある。さらに、このバッファ層103は、n型、p型不純物をドープしても良いし、アンドープでも良いが、結晶性を良好なものとするためにはアンドープで形成することが好ましい。またさらに、2層以上のバッファ層を設ける場合には、n型、p型不純物濃度、Al混晶比を変化させて設けることができる。
Further, the Al mixed crystal ratio a of the
(n側コンタクト層104)
バッファ層103の上に、膜厚4μm、Siを3×1018/cm3ドープしたAl0.01Ga0.99Nからなるn側コンタクト層104を形成する。
(N-side contact layer 104)
On the
(クラック防止層105)
n側コンタクト層104の上に膜厚0.15μmのIn0.06Ga0.94Nからなるクラック防止層105を形成する。
(Crack prevention layer 105)
A
(n側クラッド層106)
クラック防止層105の上に、総膜厚1.2μmの超格子構造のn側クラッド層106を形成する。
(N-side cladding layer 106)
An n-
具体的には、膜厚25ÅのアンドープAl0.05Ga0.95N層と、膜厚25Å、Siを1×1019/cm3ドープしたGaN層と、を交互に積層することにより、n側クラッド層106を形成する。
Specifically, an n-doped Al 0.05 Ga 0.95 N layer having a thickness of 25 mm and a GaN layer having a thickness of 25 mm and doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si are alternately stacked to form n A
(n側光ガイド層107)
n側クラッド層106の上に膜厚0.15μmのアンドープGaNからなるn側光ガイド層107を形成する。
(N-side light guide layer 107)
An n-side
(活性層108)
n側光ガイド層107の上に、総膜厚550Åの多重量子井戸構造の活性層108を形成する。
(Active layer 108)
On the n-side
具体的には、Siを5×1018/cm3ドープした膜厚140ÅのSiドープIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層(B)と、膜厚50ÅのアンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる井戸層(W)とを、(B)−(W)−(B)−(W)−(B)の順に積層することにより、活性層108を形成する。
Specifically, a barrier layer (B) made of Si-doped In 0.05 Ga 0.95 N with a thickness of 140 mm doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si, and an undoped In 0.13 Ga film with a thickness of 50 mm. The
(p側電子閉込め層109)
活性層108の上に膜厚100Å、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nからなるp側電子閉込め層109を形成する。
(P-side electron confinement layer 109)
On the
(p側光ガイド層110)
p側電子閉込め層109の上に膜厚0.15μmのMgを1×1018/cm3ドープしたp型GaNからなるp側光ガイド層110を形成する。
(P-side light guide layer 110)
On the p-side
(p側クラッド層111)
p側光ガイド層110の上に総膜厚0.45μmの超格子構造のp側クラッド層111を形成する。
(P-side cladding layer 111)
A p-
具体的には、膜厚25ÅのアンドープAl0.05Ga0.95Nと、膜厚25ÅでMgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNと、を交互に積層するすることにより、p側クラッド層111を形成する。
Specifically, by alternately laminating undoped Al 0.05 Ga 0.95 N with a film thickness of 25 mm and p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg with a film thickness of 25 mm, A p-
(p側コンタクト層112)
p側クラッド層111の上に、膜厚150Å、Mgを2×1020/cm3ドープしたp型GaNからなるp側コンタクト層112を形成する。
(P-side contact layer 112)
On the p-
以上のように、n側コンタクト層104〜p側コンタクト層112までの素子構造を形成した後、実施例1と同様にして、n側コンタクト層104を露出させ、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2をエッチングにより形成し、第2の保護膜162(埋込層)を第1のリッジおよび第2のリッジの各側面及びそれに連続する窒化物半導体層平面に形成する。この時、第2の導波路領域C2を構成するための第2のリッジは、第2のリッジの両側のp側光ガイド層110の膜厚が0.1μmとなる深さでエッチングすることにより形成する。
As described above, after the element structure from the n-
次に、本実施例10における各レーザ素子の共振端面の形成方法について説明する。 Next, a method for forming the resonance end face of each laser element in Example 10 will be described.
本実施例10では、2つのレーザ素子を1組とし、その2つの素子が1つの面(対向面)に対して対称となるように向かい合うように配置することにより、効率的に各共振端面を形成している。 In the tenth embodiment, by arranging two laser elements as a pair and facing each other so that the two elements are symmetrical with respect to one surface (opposing surface), each resonance end face is efficiently formed. Forming.
具体的には、10μmの長さの第1の導波路領域C1(1組のレーザ素子の第1の導波路領域が連結された状態のもの)を挟んでその両側にそれぞれ645μmの長さの第2の導波路領域C2を形成する(図17(b)のIIIb及びIVbの部分を参照)。 Specifically, a length of 645 μm on each side of the first waveguide region C 1 having a length of 10 μm (with the first waveguide regions of one set of laser elements connected) second to form a waveguide region C 2 (see part of IIIb and IVb of FIG. 17 (b)).
この両側の第2の導波路領域C2の外側の端面はn側コンタクト層を露出させる際のエッチングにより同時に形成する。 The outer end faces of the second waveguide regions C2 on both sides are simultaneously formed by etching when exposing the n-side contact layer.
続いて、実施例1と同様に、n側コンタクト層104、p側コンタクト層112表面に、n電極121、p電極120を形成する。
Subsequently, similarly to Example 1, an n-
次に、第2の導波路領域の端面、導波路領域を構成するための各リッジの側面を含む露出された面全てに、誘電体多層膜からなる絶縁膜(反射膜)164を形成する。 Next, an insulating film (reflection film) 164 made of a dielectric multilayer film is formed on all exposed surfaces including the end face of the second waveguide region and the side surfaces of the ridges for constituting the waveguide region.
これにより、第2の導波路領域C2端面において反射膜として機能し、他の部分で絶縁膜として機能(特にp−n電極間の短絡を防止する機能)する絶縁膜164が形成される。尚、本実施例10では、p電極120は、図8,9と異なり、p側コンタクト層112表面の一部に、p側コンタクト層112のストライプ幅よりも小さい幅で形成し、またp電極120のストライプ方向では、第2の導波路領域C2上部だけに形成する。尚、p電極120は、第2の導波路領域C2の端部からは若干離して形成する。
As a result, an insulating
そして、n電極、p電極上の絶縁膜164の一部を除去して、各電極を露出させ、各電極表面上に、電気的に接続するパッド電極122,123を形成する。 次に、長さが10μmの第1の導波路領域C1のほぼ中央部(図17(b)のE−E線を参照)において、窒化物半導体のM面で劈開して、バー状とし、更にそのバーを各素子間において劈開されたM面に垂直なA面で共振器方向に平行に劈開して、レーザチップを得る。
Then, a part of the insulating
以上のようにして得られるレーザチップは、実施例1と同様に、約5μmの長さで第1の導波路領域C1と、645μmの長さの第2の導波路領域C2とを有し、第1の導波路領域C1端面を出射側とする。 The laser chip obtained as described above has a first waveguide region C 1 having a length of about 5 μm and a second waveguide region C 2 having a length of 645 μm, as in the first embodiment. The end face of the first waveguide region C1 is the emission side.
得られるレーザ素子は、室温で閾値電流密度2.5kA/cm2、閾値電圧4.5Vで、発振波長は405nmであり、出射されるレーザビームのアスペクト比1.5である。また、30mWの連続発振で、1000時間以上の長寿命の高出力のレーザ素子が得られる。また、本レーザ素子は、5mW〜80mWの出力域で連続発振が可能で、その出力域において、光ディスクシステムの光源として適したビーム特性を有する。 The obtained laser element has a threshold current density of 2.5 kA / cm 2 at room temperature, a threshold voltage of 4.5 V, an oscillation wavelength of 405 nm, and an aspect ratio of the emitted laser beam of 1.5. In addition, a high-power laser element having a long lifetime of 1000 hours or longer with a continuous oscillation of 30 mW can be obtained. The laser element can continuously oscillate in an output range of 5 mW to 80 mW, and has a beam characteristic suitable as a light source for an optical disc system in the output range.
[実施例11]
実施例11のレーザ素子は、実施例10の厚さ80μmのアンドープGaNからなる基板に代えて、基板101として、膜厚80μmのSiがドープされたn型GaNを用いて構成する。尚、このSiがドープされたn型GaNからなる基板101は、実施例10と同様にして、異種基板の上に、低温成長バッファ層を形成して、下地層を横方向成長を伴う成長により形成した後、HVPEにて、厚膜のSiドープしたGaNを100μmで成長させ、異種基板を除去して得られる。
[Example 11]
The laser element of Example 11 is configured using n-type GaN doped with Si with a thickness of 80 μm as the
本実施例11では、n型GaN基板101の上に、SiドープAl0.01Ga0.99Nからなるバッファ層102を形成し、その上に、素子構造として、実施例1と同様にn側コンタクト層104〜p側コンタクト層112まで積層する。
In Example 11, a
続いて、各素子の導波路領域を形成するための領域を規定するためにn側コンタクト層112表面が露出するようにエッチングして分離溝を形成する。実施例11では、実施例10と異なり、同一面側に正負一対の電極を形成せずに、基板を挟んで電極を対向配置する構造とするため、n側コンタクト層露出面にn電極を設けるスペースを設ける必要はない。従って、隣接する素子を実施例10に比較してを接近して配置することができる。
Subsequently, in order to define a region for forming a waveguide region of each element, etching is performed so that the surface of the n-
尚、本実施例11では、エッチングによりn側コンタクト層を露出させることにより、各領域を規定しているが、本構成では電極を対向配置するためエッチングすることなく以下の工程を行っても良い。また、分離溝を形成する場合には、n側コンタクト層と基板との間の層を露出させるようにしても良いし、基板を露出させるように分離溝を形成するようにしてもよい。さらに、基板を露出させて分離溝を形成する場合、基板の途中までエッチングして基板を露出させても良い。 In Example 11, each region is defined by exposing the n-side contact layer by etching. However, in this configuration, the following steps may be performed without etching because the electrodes are arranged opposite to each other. . In the case of forming the separation groove, the layer between the n-side contact layer and the substrate may be exposed, or the separation groove may be formed so as to expose the substrate. Further, when the separation groove is formed by exposing the substrate, the substrate may be exposed by etching partway through the substrate.
尚、各素子を構成するために規定する領域は必ずしも各素子ごとに形成する必要はなく、実施例10で説明したように2つの素子を構成するための領域を一体て形成しても良いし、さらに3以上の素子を形成する領域を一体で形成してもよい(例えば、図17(a)、(b)のIII及びIVに示す部分を一体で形成する。)
光を導波する方向に対して垂直な方向についても同様に、素子間に分離溝を形成することなく、複数の領域を連続して形成してもよい。
Note that the area defined for constituting each element does not necessarily need to be formed for each element, and the area for constituting two elements may be integrally formed as described in the tenth embodiment. Further, a region for forming three or more elements may be integrally formed (for example, the portions shown in FIGS. 17A and 17B, III and IV are integrally formed).
Similarly, in a direction perpendicular to the light guiding direction, a plurality of regions may be continuously formed without forming separation grooves between elements.
尚、基板を分割する部分において、活性層よりも深くエッチングすることにより溝を形成した後、その溝の部分で基板を分割すると(例えば、図17(a),図17(b)においてA−Aで示す部分)、分割の衝撃による活性層部分における割れ、欠けを回避できる。 It should be noted that after forming the groove by etching deeper than the active layer at the portion where the substrate is divided, the substrate is divided at the portion of the groove (for example, A− in FIGS. 17A and 17B). A portion indicated by A), and cracking and chipping in the active layer portion due to impact of splitting can be avoided.
本実施例11では、1つの素子毎に領域を分離して各素子を作製する。続いて、実施例10と同様に、各導波路領域を構成するために、それぞれストライプ状のリッジを形成し、各素子に対応して領域毎にそれぞれ、第1の導波路領域C1、第2の導波路領域C2をそれぞれ形成する。この時、第1の導波路領域C1は、ストライプ長さ10μmで形成する。 In Example 11, each element is manufactured by separating a region for each element. Subsequently, as in the tenth embodiment, in order to configure each waveguide region, a striped ridge is formed, and the first waveguide region C 1 , the first waveguide region C 1 , second waveguide region C 2 to form, respectively. At this time, the first waveguide region C 1 is formed with stripe length 10 [mu] m.
続いて、実施例10と同様に、p側コンタクト層表面に、その表面よりも幅の狭いストライプ状のp電極を、第2の導波路領域C2のみに形成する。ここで、ストライプ状のp電極は、第2の導波路領域C2のを構成するための第2のリッジの端面から若干離れるようにその端部に達しない長さで、形成する。 Subsequently, as in Example 10, a striped p-electrode having a narrower width than the surface is formed on the surface of the p-side contact layer only in the second waveguide region C2. Here, the striped p-electrode is formed with a length that does not reach the end so as to be slightly away from the end face of the second ridge for constituting the second waveguide region C2.
次に基板の裏面側(素子構造が形成された基板面に対向する面側)に、n電極を形成し、p電極、n電極を、基板及び素子構造を挟んで対向配置する。続いて、実施例10と同様に、基板の素子構造が形成された側の表面ほぼ全面に、誘電体多層膜からなる絶縁膜(反射膜)164を形成し、p電極の一部を露出させて、その露出したp電極に電気的に接続するパッド電極を形成する。 Next, an n-electrode is formed on the back side of the substrate (the surface facing the substrate surface on which the element structure is formed), and the p-electrode and the n-electrode are arranged opposite to each other with the substrate and the element structure interposed therebetween. Subsequently, as in Example 10, an insulating film (reflective film) 164 made of a dielectric multilayer film is formed on almost the entire surface of the substrate where the element structure is formed, and a part of the p-electrode is exposed. Then, a pad electrode electrically connected to the exposed p-electrode is formed.
最後に、図17(b)のIIに示すように、共振器に垂直な切断方向として、第1の導波路領域C1においてそのほぼ中央部のD−D切断位置と、各素子間のA−A切断位置で基板のM面で劈開し、バー状とした後その劈開面に垂直なA面で素子間を劈開してチップ状のレーザ素子を得る。 Finally, as indicated by II in FIG. 17 (b), as a cutting direction perpendicular to the resonator, the DD cutting position at the substantially central portion in the first waveguide region C1 and the A between the elements. Cleave at the M-plane of the substrate at the A cutting position to form a bar, and then cleave between the elements at the A-plane perpendicular to the cleavage plane to obtain a chip-shaped laser element.
このようにして得られるレーザ素子は、第1の導波路領域C1端部に設けられた劈開面と、第2の導波路領域C2端部に設けられ、反射膜が設けられたエッチング端面とを共振器面として有し、レーザ発振させることができる。このようにして得られるレーザ素子は、実施例10と同様に優れたレーザ特性を有する。 The laser element thus obtained has a cleaved surface provided at the end of the first waveguide region C1 and an etching end surface provided at the end of the second waveguide region C2 and provided with a reflective film. And can be used for laser oscillation. The laser element thus obtained has excellent laser characteristics as in Example 10.
[実施例12]
実施例12のレーザ素子は、実施例10において、n型コンタクト層までエッチングする時に同時に共振器端面を形成し、この共振器端面間の基板を分割する前に基板までエッチングし、図17(a)のI及びIIにおいてAA切断面で分割する。この時、共振器端面から突き出した部分は、3μmとした。このようにして得られるレーザ素子の特性は、実施例10と同様に優れた素子特性、光学特性を有する。
[Example 12]
In the laser element of Example 12, a resonator end face is formed at the same time as etching to the n-type contact layer in Example 10, and etching is performed to the substrate before dividing the substrate between the resonator end faces. 1) and 2) are divided at the AA cut plane. At this time, the portion protruding from the resonator end face was 3 μm. The characteristics of the laser element thus obtained have excellent element characteristics and optical characteristics as in Example 10.
[比較例1]
比較例1として、実施例1において、第1の導波路領域を形成することなく、全長にわたって第2の導波路領域を形成したレーザ素子を作製する。
[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, in Example 1, a laser element in which the second waveguide region is formed over the entire length without forming the first waveguide region is manufactured.
本比較例1では、実施例1と同様に、素子構造となる各層を積層する。その後、図5(b)に示すように、第1の保護膜161をマスクとして用いてストライプ状の第2のリッジを素子の一端面から他端面に至るように形成する。
In the first comparative example, as in the first embodiment, the layers that form the element structure are stacked. Thereafter, as shown in FIG. 5B, a stripe-shaped second ridge is formed from one end face to the other end face of the element using the first
次に、その全長に亙って形成された第1のリッジの側面、及びその両側のエッチング露出面に、ZrO2からなる保護膜を形成しウエハをフッ酸に浸漬し、第1の保護膜161をリフトオフ法により除去する。続いて、実施例1と同様に、共振器面、各電極を形成して、第2の導波路領域C2とを構成するための第2のリッジのみを有する比較例1のレーザ素子を得る。 Next, a protective film made of ZrO 2 is formed on the side surface of the first ridge formed over the entire length and on the etching exposed surfaces on both sides of the first ridge, and the wafer is immersed in hydrofluoric acid. 161 is removed by a lift-off method. Subsequently, similarly to Example 1, the resonator surface and each electrode are formed, and the laser element of Comparative Example 1 having only the second ridge for forming the second waveguide region C 2 is obtained. .
以上のようにして作製される比較例1のレーザ素子は、不要な横モードを効果的に抑えることが困難で、横モードの安定性に乏しく、電流―光出力特性においてキンクの発生が多発するレーザ素子となる。 In the laser device of Comparative Example 1 manufactured as described above, it is difficult to effectively suppress unnecessary transverse modes, the stability of the transverse modes is poor, and kinks are frequently generated in the current-light output characteristics. It becomes a laser element.
特に光出力の大きな高出力域、例えば光ディスクシステムのデータ書き込み時に必要な30mWの出力などの条件下では、横モードの移動が発生しやすい。また、ストライプ状の第2のリッジの寸法精度に、素子特性が敏感に反応することから、図10に観るように、素子間のばらつきが大きく、製造歩留まりを向上させることが困難である。また、得られるレーザ光のスポットのアスペクト比は、2.5〜3.0の間に位置するものがほとんどで、アスペクト比の合格ラインを2.0以下とすると、製造歩留まりが大きく低下する。 In particular, movement in the transverse mode is likely to occur under conditions such as a high output range with a large optical output, for example, an output of 30 mW necessary for writing data in an optical disc system. In addition, since the element characteristics react sensitively to the dimensional accuracy of the stripe-shaped second ridge, as shown in FIG. 10, it is difficult to improve the manufacturing yield because of large variations among elements. Further, the aspect ratio of the obtained laser beam spot is mostly located between 2.5 and 3.0, and when the acceptable line of the aspect ratio is 2.0 or less, the production yield is greatly reduced.
以下、本発明に係るレーザ素子の構成により得られる効果(レーザ素子寿命、駆動電流、横モードの制御性)を確認するために行った検討結果について説明する。 Hereinafter, the results of studies conducted to confirm the effects (laser element lifetime, drive current, lateral mode controllability) obtained by the configuration of the laser element according to the present invention will be described.
本検討では、実施例1と同様の素子構造(半導体積層構造)を用いて、エッチング深さを順次変化させて、リッジの高さが異なるレーザ素子を作製して、各レーザ素子について、レーザ素子寿命、駆動電流、横モードの制御性を評価した。 In this study, laser elements having different ridge heights are manufactured by sequentially changing the etching depth using the same element structure (semiconductor laminated structure) as in Example 1, and each laser element is divided into laser elements. Lifetime, drive current, and lateral mode controllability were evaluated.
図12は、エッチング深さに対するレーザ寿命(光出力は30mWとして試験した)を示すものである。 FIG. 12 shows the laser lifetime versus optical depth (tested with an optical output of 30 mW).
図12に示すように、エッチング深さをp型クラッド層とp型光ガイド層の境界付近とした場合に、最も素子寿命は長くなり、それより浅くても深くても寿命は短くなる。また、p型光ガイド層とp型電子閉じ込め層との境界付近までエッチングすると、レーザ寿命は急激に低下し、活性層に達する深さでストライプ状の導波路領域が形成されると、素子寿命に多大に悪影響を及ぼすことを示している。従って、素子寿命を考慮した場合、p型電子閉込め層に達しない深さでエッチングが行われる方がよい。また、p型クラッド層とp型光ガイド層の境界から上下0.1μm程度の範囲の深さまでエッチングをしてリッジを形成すると、極めて良好な寿命が得られることが理解できる。また、厚さ方向の光の閉じ込めを考慮すると、p型ガイド層まで達しないようにエッチングすることが好ましく、この点を含めると、p型光ガイド層とp型クラッド層の界面付近からその境界の上0.1μmの間に達する深さにエッチングすることがより好ましい。 As shown in FIG. 12, when the etching depth is in the vicinity of the boundary between the p-type cladding layer and the p-type light guide layer, the lifetime of the element is the longest, and the lifetime is shortened whether it is shallower or deeper. Further, when etching is performed up to the vicinity of the boundary between the p-type light guide layer and the p-type electron confinement layer, the laser lifetime decreases rapidly, and when the stripe-shaped waveguide region is formed at a depth reaching the active layer, the device lifetime It has a great adverse effect on Therefore, in consideration of the device lifetime, it is better to perform the etching at a depth that does not reach the p-type electron confinement layer. Further, it can be understood that a very good lifetime can be obtained by forming a ridge by etching from the boundary between the p-type cladding layer and the p-type light guide layer to a depth of about 0.1 μm above and below. In consideration of confinement of light in the thickness direction, it is preferable to perform etching so as not to reach the p-type guide layer. Including this point, the boundary from the vicinity of the interface between the p-type light guide layer and the p-type cladding layer It is more preferable to etch to a depth reaching between 0.1 μm above.
図10は、エッチング深さに対する良品率を示すグラフである。図10から、p型クラッド層とp型光ガイド層の境界の上0.1μmよりも深くエッチングすることで、高い良品率が得られることが分る。ここで、図10の良品率とは、発振を確認した素子の内、5mWで基本単一横モード発振が可能な素子の割合を示すものであり、この時の導波路領域のストライプ幅は1.8μmであった。 FIG. 10 is a graph showing the non-defective rate with respect to the etching depth. FIG. 10 shows that a high yield rate can be obtained by etching deeper than 0.1 μm above the boundary between the p-type cladding layer and the p-type light guide layer. Here, the non-defective product rate in FIG. 10 indicates the ratio of elements that can oscillate in a basic single transverse mode at 5 mW among the elements that have been confirmed to oscillate. The stripe width of the waveguide region at this time is 1 .8 μm.
また、エッチング深さが、リッジの両側にp型クラッド層が0.1μm以上残る深さでエッチングをすると、キンクの発生が急激に起こり、大幅に良品率が減少する。 Further, if the etching depth is such that the p-type cladding layer remains at 0.1 μm or more on both sides of the ridge, kinks are rapidly generated and the yield rate is greatly reduced.
図11は、エッチング深さに対する駆動電流(光出力30mWにおける)を示すもので、この検討において導波路領域は幅1.8μmに設定した。図11から明らかなように、p型光ガイド層の中間点(厚さ方向の中間点)より深いところ(活性層側)までエッチングすると、エッチング深さに拘わらず50mAで一定となる。また、p型光ガイド層の中間点から徐々にエッチング深さを浅くしていくと、p型クラッド層とp型光ガイド層の境界の上0.1μmまでは緩やかに電流値が上昇し、p型クラッド層とp型光ガイド層の境界の上0.1μmより浅いエッチング深さ(リッジの両側にp型クラッド層が膜厚0.1μm以上の厚さで残るエッチング深さ)にすると急激に電流値が上昇する。更に、p型クラッド層が0.25μm以上の厚さで残るようにエッチングすると30mWの光出力が得られなくなる。 FIG. 11 shows the drive current (at an optical output of 30 mW) with respect to the etching depth. In this study, the waveguide region was set to a width of 1.8 μm. As is apparent from FIG. 11, when etching is performed deeper than the intermediate point (intermediate point in the thickness direction) of the p-type light guide layer (on the active layer side), it becomes constant at 50 mA regardless of the etching depth. Further, when the etching depth is gradually reduced from the middle point of the p-type light guide layer, the current value gradually increases up to 0.1 μm above the boundary between the p-type cladding layer and the p-type light guide layer, When the etching depth is shallower than 0.1 μm above the boundary between the p-type cladding layer and the p-type light guide layer (the etching depth in which the p-type cladding layer remains at a thickness of 0.1 μm or more on both sides of the ridge) The current value increases. Furthermore, if the p-type cladding layer is etched so as to remain with a thickness of 0.25 μm or more, a light output of 30 mW cannot be obtained.
[比較例2]
比較例2として、実施例1において、第2の導波路領域を形成することなく、全長にわたって第1の導波路領域を形成したレーザ素子を作製する。
[Comparative Example 2]
As Comparative Example 2, a laser element in which the first waveguide region is formed over the entire length without forming the second waveguide region in Example 1 is manufactured.
本比較例2では、実施例1と同様に、素子構造となる各層を積層する。その後図5(a)に示すように、ストライプ状の第1の保護膜161を設け、第1の保護膜の両側の領域を下部クラッド層5に達する深さでエッチングすることにより、第1の導波路領域C1を構成するためのストライプ状のリッジを形成する。その後、リッジの上面および側面、そのリッジの両側のエッチング露出面に、ZrO2からなる保護膜を形成しウエハをフッ酸に浸漬し、第1の保護膜161をリフトオフ法により除去する。続いて、実施例1と同様に、共振器面、各電極を形成して、図9に示すような断面構造を有し、かつ第1の導波路領域C1のみを有するレーザ素子を得る。この比較例2において、ストライプ状のリッジは、実施例1の第1の導波路領域C1と同様に、リッジの両側のn型クラッド層の膜厚が0.2μmとなる深さまでエッチングされて形成されている。
In the second comparative example, as in the first embodiment, the layers that form the element structure are stacked. Thereafter, as shown in FIG. 5A, a stripe-shaped first
得られるレーザ素子は、活性層よりも深くエッチングしたストライプであるため、実施例1に比べて素子寿命に劣り、図12に示すように素子寿命が短く、実用に耐えうるレーザ素子とはならない。 Since the obtained laser element is a stripe etched deeper than the active layer, the element life is inferior to that of Example 1, the element life is short as shown in FIG. 12, and the laser element cannot be practically used.
本発明は、ストライプ状のリッジ(凸部)が設けられた半導体レーザ素子に関する。また、本発明の半導体レーザ素子は、特にGaN、AlN、もしくはInN、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体(InbAldGa1−b−dN、0≦b、0≦d、b+d<1)を用いた素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device provided with a striped ridge (convex portion). In addition, the semiconductor laser device of the present invention has a group III-V nitride semiconductor (InbAldGa1-b-dN, 0 ≦ b, 0 ≦ d, b + d <1) that is GaN, AlN, InN, or a mixed crystal thereof. ).
(b)は、実施の形態のレーザ素子の第2の導波路領域における断面図である。 (B) is sectional drawing in the 2nd waveguide area | region of the laser element of embodiment.
(c)は、実施の形態のレーザ素子の第1の導波路領域における断面図である。
(b)は、従来のレーザ素子において、リッジを形成した後の模式断面図である。 (B) is a schematic cross-sectional view after forming a ridge in a conventional laser element.
(c),(d)は図(b)の部分拡大図である。
(b)は本発明に係る他の変形例のレーザ素子の側面図である。
(e)は、図5(c)の第2の導波路領域を形成する部分における断面図である。 (E) is sectional drawing in the part which forms the 2nd waveguide area | region of FIG.5 (c).
(f)は、図5(d)の第2の導波路領域を形成する部分における断面図である。 (F) is sectional drawing in the part which forms the 2nd waveguide area | region of FIG.5 (d).
(b)は、本発明に係る実施例6のレーザ素子の横断面図である。
(b)は、本発明に係る実施例7のレーザ素子の第2の導波路領域における断面図である。 (B) is sectional drawing in the 2nd waveguide area | region of the laser element of Example 7 which concerns on this invention.
(c)は、本発明に係る実施例7のレーザ素子の第1の導波路領域における断面図である。 (C) is sectional drawing in the 1st waveguide area | region of the laser element of Example 7 which concerns on this invention.
(b)は、本発明に係る実施例8のレーザ素子の横断面図である。 (B) is a cross-sectional view of the laser device of Example 8 according to the present invention.
1・・・第1の導電型層、 2・・・第2の導電型層、 3・・・活性層、 4・・・共振器面、 5・・・下部クラッド層、 6・・・下部コンタクト層、 7・・・上部クラッド層、 8・・・上部コンタクト層、 9・・・基板、 10・・・第1の導波路領域C1、 11・・・第2の導波路領域C2、 101・・・基板、 102・103・・・バッファ層・下地層、 104・・・n型コンタクト層、 105・・・クラック防止層、 106・・・n型クラッド層、 107・・・n型光ガイド層、 108・・・活性層、 109・・・p側キャップ層、 110・・・p型光ガイド層、 111・・・p型クラッド層、 112・・・p型コンタクト層、 20,120・・・p電極、 21,121・・・n電極、 22,122・・・pパッド電極、 23,123・・・nパッド電極、 161・・・第1の保護膜、 162・・・第2の保護膜(埋込層)、 163・・・第3の保護膜、 164・・・絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記工程により積層されたウェハ上において、導波路領域の長さを規定する分離溝を溝の底面が活性層よりも深くなるように形成する工程と、
前記第2の導電型層にストライプ状の凸部を設けて実効屈折率により光を閉じ込める第2の導波路を形成する工程と、
前記ストライプ状の凸部の下に活性層を含むストライプ状の凸部を設けて完全屈折率により光を閉じ込める第1の導波路を形成する工程と、
前記ウェハを劈開面が共振器面となるように前記分離溝で劈開する工程と、を具備してなることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 stacking at least a first conductive type layer made of a nitride semiconductor, an active layer, and a second conductive type layer in order on an n-type GaN substrate;
Forming a separation groove defining the length of the waveguide region on the wafer laminated by the above-described process so that the bottom surface of the groove is deeper than the active layer;
Providing a stripe-shaped convex portion on the second conductivity type layer to form a second waveguide for confining light by an effective refractive index;
Providing a stripe-shaped convex portion including an active layer under the stripe-shaped convex portion to form a first waveguide for confining light by a complete refractive index;
And cleaving the wafer with the separation groove so that the cleaved surface becomes a resonator surface.
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