JP3853470B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物材料系の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平８−１２５２７５号に示されているようなIII族窒化物系化合物半導体レーザ素子が知られている。
【０００３】
図７は、特開平８−１２５２７５号に示されている従来のIII族窒化物系化合物半導体レーザ素子の構成図である。図７を参照すると、ｎ型のα−ＳｉＣ基板１のａ面には、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型のＧａＮ層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ＩｎＧａＮ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｐ型ＧａＮ層６が順次に積層されている。
【０００４】
そして、ｐ型ＧａＮ層６上の表面中央部を除く両側に、電流狭窄のためストライプ状のＳｉＯ2またはＳｉＮからなる絶縁層７が形成され、この絶縁層７およびｐ型ＧａＮ層６の表面にわたってＡｕ電極８が形成されている。また、α−ＳｉＣ基板１の下面にはＮｉ電極９が形成されている。図７に示す構造では、電流はｐ型ＧａＮ層６の表面に形成した絶縁層７によってストライプ状の領域に狭窄される構成になっており、利得導波型の半導体レーザ素子となっている。
【０００５】
このように、図７に示したIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は利得導波型となっているが、閾電流をより低減し、また高い光出力まで横モードを安定させて動作させるためには屈折率導波型にする必要がある。
【０００６】
図８は特開平８−９７４６８号に示されているIII族窒化物系化合物半導体レーザ素子の断面図である。図８を参照すると、サファイア基板１０上には、ｎ型のＧａＮからなる低温バッファ層１１、高温バッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層１３、ノンドープまたはｎ型またはｐ型のＩｎＧａＮからなる活性層１４、下部クラッド層１３と同じ組成のｐ型上部クラッド層１５、ｐ型ＧａＮ層１９とｐ型ＩｎＧａＮ層２０からなるコンタクト層１６が順次に積層されている。
【０００７】
そして、コンタクト層１６上にｐ側電極１７が形成され、また、積層された半導体層の１部をエッチングして露出した高温バッファ層１２上にｎ側電極１８が形成されている。また、ｐ側電極１７に合わせてコンタクト層１６およびｐ型クラッド層１５の一部は、エッチングされてメサ型形状を構成している。
【０００８】
このように、図８に示した構造は、活性層１４の上までエッチングして形成したメサ型形状によりリッジ導波路が形成されているため、電流だけでなく光も水平横方向に閉じ込められる屈折率導波型の半導体レーザ素子となっている。
【０００９】
しかしながら、図８に示したIII族窒化物材料系半導体レーザ素子において、リッジ導波路は、素子表面からコンタクト層１６およびｐ型クラッド層１５の一部をエッチングし、ＩｎＧａＮ活性層１４よりも上でエッチングを停止させて形成しており、このエッチング深さがばらつくと、リッジ導波路の実効屈折率が変化してレーザの閾電流や遠視野像等の素子特性が変化してしまう。そのため、エッチング深さを精密に制御する必要がある。
【００１０】
また、図９は、特開平８−９７５０３号に示されているＡｌＧａＡｓ材料系の代表的な屈折率導波型半導体レーザの一例を示す図である。図９を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２２、ノンドープまたはｎ型またはｐ型のＡｌＧａＡｓ活性層２３、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層２４、ｎ型ＧａＡｓ電流制限層２５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２上部クラッド層２６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７が順次に積層されている。そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７の上面，ｎ型ＧａＡｓ基板２１の下面には、それぞれ、ｐ側電極２８，ｎ側電極２９が形成されている。この構造では、ｎ型ＧａＡｓからなる電流制限層２５により注入電流を幅ｗのストライプ状領域に制限すると同時に、活性層で発生した光を吸収することにより、ストライプ内外で屈折率差を設けることができる。そのため、幅ｗの領域に光は閉じ込められて安定して導波することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示したような半導体レーザの構造は、ＡｌＧａＡｓ材料系において広く用いられている構造である。ＡｌＧａＡｓ材料系では、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを化学エッチングによって選択的にエッチングすることが比較的容易に可能であるため、ｎ型ＧａＡｓ電流制限層２５を幅ｗのストライプ状にｐ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層２４の表面まで選択的にエッチングしてストライプ構造を形成している。
【００１２】
これに対し、III族窒化物材料系では、化学エッチングによってはほとんどエッチングがなされず、またＡｌＧａＡｓ材料系のようにＩｎＧａＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮをそれぞれ選択的にエッチングすることが困難である。そのため、図９に示したような構造をIII族窒化物材料系で作製する場合には、エッチング深さを精密に制御しながら電流狭窄層をドライエッチングしなければならず、製造が困難となっている。
【００１６】
本発明は、エッチング深さの制御性が良好で製造が容易な屈折率導波型のIII族窒化物材料系の半導体発光素子(半導体レーザ素子)を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層，活性層，第２導電型エッチングストップ層，第２導電型クラッド層，第２導電型コンタクト層を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層は、Ｉｎを含む III 族窒化物材料で活性層よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層よりも上の層はＩｎを含まない III 族窒化物材料系で構成されており、素子表面から第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層を第２導電型エッチングストップ層の表面までエッチングしてストライプ構造が形成され、該ストライプ構造の両側にストライプ構造と平行に、素子表面から第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層を第２導電型エッチングストップ層の表面まで周期的にエッチングして回折格子が形成されていることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の半導体レーザ素子は、基本的には、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とに活性層が挾まれた構造が、基板上に積層されたIII族窒化物材料系の半導体レーザ素子となっており、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層よりも禁制帯幅の大きい材料からなるエッチングストップ層が活性層の近傍に積層されており、上記エッチングストップ層の表面までＩｎを含まないIII族窒化物材料からなる層をエッチングしてストライプ構造が形成されていることを特徴としている。
【００２６】
本発明の半導体発光素子では、これに電流を注入すると、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とに挾まれたIII族窒化物材料からなる活性層で発光再結合して、青色〜紫外線領域の光が放出される。発光した光はクラッド層に挾まれた活性層を導波しながら誘導放出により増幅され、素子の両端面の反射鏡の間で共振してレーザ発振する。
【００２７】
活性層の近傍に積層されたエッチングストップ層の表面までエッチングして形成されたストライプ構造は、活性層に注入される電流をストライプの幅に限定して集中させる働きをする。これにより、レーザの閾電流を低減できる。
【００２８】
また、活性層の近傍に積層されたエッチングストップ層は、活性層よりも禁制帯幅の大きい材料で構成されている。そのため、注入されたキャリアはエッチングストップ層内で再結合することがなく、リーク電流の発生を抑制できる。また、活性層で発光した光はエッチングストップ層で吸収されないため、光の吸収損失が生じない。
【００２９】
塩素系ガスを用いたドライエッチングでは、Ｉｎの塩化物の沸点が５００℃以上と高いため、Ｉｎを含む材料のエッチングレートはＩｎを含まない材料に比べて低くなる傾向がある。そこで、エッチングするサンプルの温度が上昇しないようにサンプルの温度を低温で制御しながらエッチングすることにより、Ｉｎを含む層においてエッチングレートを極端に低下させることができる。本発明の半導体レーザ素子においては、Ｉｎを含むエッチングストップ層の表面までＩｎを含まないIII族窒化物材料からなる層を塩素系ガスでドライエッチングしてストライプ構造を形成している。従って、エッチング深さをエッチングストップ層の位置と層厚によって厳密に規定することができる。
【００３０】
図１は本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の一構成例を示す図である。図１を参照すると、この半導体レーザ素子は、サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２，ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３，ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０４，Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５，ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６，ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７，ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が順次に積層されている。なお、１０９はｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上に形成されたｐ側電極であり、１１０はｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上に形成されたｎ側電極である。
【００３１】
図２は図１の半導体レーザ素子の製造工程例を示す図である。この製造工程例では、最初にサファイア基板１０１上に、層厚０．０２μｍ程度のＧａＮバッファ層１０２，層厚３μｍ程度のｎ型ＧａＮコンタクト層１０３，層厚０．８μｍ程度のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０４，層厚０．０５μｍ程度のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５，層厚０．１μｍ程度のｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６，層厚０．８μｍ程度のｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７，層厚０．２μｍ程度のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を、ＭＯＣＶＤ法で順次にエピタキシャル成長させる(図２(ａ))。
【００３２】
次に、幅５μｍ程度のストライプ領域を除いてｐ型ＧａＮコンタクト層１０８およびｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７をＥＣＲ−ＲＩＢＥ法を用いてほぼ垂直にドライエッチングする(図２(ｂ))。これにより、水平方向の電流と光を閉じ込めるためのリッジ導波路が形成される。このとき、エッチングガスに塩素系ガスを使用し、また基板温度が室温近傍になるように制御することにより、Ｉｎを含まないｐ型ＧａＮコンタクト層１０８およびｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７はエッチングされるが、Ｉｎを含むｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６表面まで達すると、エッチングはほぼ停止する。これはＩｎの塩素化合物の沸点が５００℃以上と高いためである。
【００３３】
次に、ｎ側の電極を形成するために、ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６表面からｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の途中までＥＣＲ−ＲＩＢＥ法でドライエッチングを行なう(図２(ｃ))。このときは、エッチングガスに塩素系ガスを使用し、基板温度が２００℃以上になるように制御する。これにより、Ｉｎを含むＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６およびＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５もエッチングされる。
【００３４】
しかる後、リッジ導波路の頂上のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８表面にｐ側電極１０９を真空蒸着で形成し、また図２(ｃ)の工程でエッチングして露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の表面にｎ側電極１１０をそれぞれ真空蒸着で形成する。最後に、基板をチップ状に分離して共振器を形成する(図２(ｄ))。
【００３５】
ところで、このようなリッジ導波路型半導体レーザ素子では、活性層からリッジストライプ底面までの距離を制御することが重要である。この距離によってリッジ導波路内外の実効屈折率差が変化するためである。活性層からリッジストライプ底面までの距離がばらつくと、水平横方向の光の分布が変化して、レーザの遠視野像や閾電流等の特性がばらついてしまう。
【００３６】
図１，図２の半導体レーザ素子では、Ｉｎを含むＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６がＩｎ0.05Ｇａ0.95Ａｓ活性層１０５上に積層されており、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０５の表面でドライエッチングを停止させてエッチング深さｄ１を制御している。従って、活性層１０５からリッジストライプ底面(ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７の底面)までの距離は、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の層厚で設定できるため、制御性よく素子を製造することができる。
【００３７】
一方、図２(ｃ)に示したドライエッチング工程においては、エッチングストップ層１０６をもエッチングしており、エッチングストップ層１０６の機能を用いていない。この場合、ｎ側電極をとるために、エッチング底面が層厚３μｍ程度のｎ型ＧａＮコンタクト層１０３中にあればよいので、エッチング深さの制御に関してそれほど厳密性を必要としない。
【００３８】
また、図１の構成例において、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の禁制帯幅はＩｎ0.05Ｇａ0.95Ａｓ活性層１０５の禁制帯幅よりも大きくなっている。従って、エッチングストップ層１０６を活性層１０５に隣接して形成してもエッチングストップ層１０６内でキャリアが再結合しないため、リーク電流の発生を抑制できる。また、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６はＩｎ0.05Ｇａ0.95Ａｓ活性層１０５で発光した光を吸収しない透明な媒質であるため、光の吸収損失が生じない。そして、屈折率についても、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の方がＩｎ0.05Ｇａ0.95Ａｓ活性層１０５よりも小さいため、活性層１０５に光を閉じ込める作用をする。
【００３９】
上述のことから、エッチングストップ層１０６に用いる材料は、Ｉｎを含み、かつ活性層１０５よりも禁制帯幅が大きいIII族窒化物でなけれらばならない。例えば、活性層１０５の材料がＧａＮであれば、エッチングストップ層１０６には、ＧａＮと格子整合するＩｎ0.18Ａｌ0.82Ｎや、Ｉｎ0.18Ａｌ0.82ＮとＧａＮの混晶が用いられる。また、活性層１０５の材料がＩｎＧａＮの場合には、エッチングストップ層１０６としては、上記の材料に加えて、活性層１０５よりもＩｎ含有量の少ないＩｎＧａＮも使用することができる。
【００４０】
以上のように、図１のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は、基板１０１上に、少なくとも、第１導電型クラッド層１０４，活性層１０５，第２導電型エッチングストップ層１０６，第２導電型クラッド層１０７，第２導電型コンタクト層１０８を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層１０６は、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層１０６よりも上の層はＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成されており、素子表面から第２導電型コンタクト層１０８および第２導電型クラッド層１０７を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面までほぼ垂直にエッチングしてリッジ導波路を形成したものとなっている。
【００４１】
図１のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子においては、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなる第２導電型エッチングストップ層１０６を活性層１０５の上部に設けており、素子表面からＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成された第２導電型コンタクト層１０８および第２導電型クラッド層１０７を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面までほぼ垂直にエッチングしてリッジ導波路を形成しており、Ｉｎを含むエッチングストップ層１０６の表面でドライエッチングを停止できるため、リッジ導波路のエッチング深さを厳密に制御することができる。そして、このリッジ導波路の領域に電流が狭窄されるため、閾値電流が低減される。また、活性層１０５で発光した光はリッジ導波路を導波するため、水平横モードが安定した屈折率導波型導体レーザとして動作する。
【００４２】
図３は本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。図３の半導体レーザ素子は、素子の積層構成については、図１に示した構成例と同様であるが、リッジ導波路が逆メサ形状になっている点で、図１に示した半導体レーザ素子と相違している。逆メサ形状のリッジ導波路は、ＥＣＲ−ＲＩＢＥ法でリッジ導波路をドライエッチングして形成する工程において、基板１０１に対して斜めからイオンビームを照射して約４５度の角度でドライエッチングすることによって形成される。なお、この場合、リッジ導波路の側面をそれぞれ角度を変えて斜めにドライエッチングするため、ドライエッチングを２回行なう必要がある。そして、図１に示した半導体レーザ素子と同様に、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の表面でドライエッチングを停止させることができるため、エッチング深さの制御が容易となっている。
【００４３】
図３のようにリッジ導波路を逆メサ形状とする構造では、リッジ導波路の下幅ｗ2を例えば３μｍ程度に狭くした場合でも、リッジ導波路の上幅ｗ1は約６μｍ程度と広くすることができる。従って、電流を活性層１０５の狭いストライプ領域に狭窄しつつ、同時にｐ側電極１０９とｐ型ＧａＮコンタクト層１０８との接触面積を広くして接触抵抗の増加を抑制することができ、これにより、素子の閾電流および動作電圧を低減することができる。
【００４４】
換言すれば、図３のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は、基板１０１上に、少なくとも、第１導電型クラッド層１０４，活性層１０５，第２導電型エッチングストップ層１０６，第２導電型クラッド層１０７，第２導電型コンタクト層１０８を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層１０６は、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層１０６よりも上の層はＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成されており、素子表面から第２導電型コンタクト層１０８および第２導電型クラッド層１０７を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面まで逆メサ形状にエッチングしてリッジ導波路が形成されている。
【００４５】
すなわち、図３のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子においては、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなる第２導電型エッチングストップ層１０６を活性層１０５の上部に設けており、素子表面からＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成された第２導電型コンタクト層１０８および第２導電型クラッド層１０７を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面まで逆メサ形状にエッチングしてリッジ導波路を形成している。
【００４６】
従って、図１の半導体レーザ素子と同様に、リッジ導波路を有する屈折率導波型導体レーザの構造となっているが、図３の半導体レーザ素子では、リッジ導波路が逆メサ形状になっており、リッジ導波路を逆メサ形状にすることで、電流を狭窄する幅を狭くして、かつ上部電極１０９と第２導電型コンタクト層１０８との接触面積を広くすることができる。すなわち、電極との接触抵抗を低減でき、素子の動作電圧を低下させることができる。特に、III族窒化物材料系ではｐ型半導体層のキャリア濃度を高くすることが困難であり、ｐ側電極とｐ型半導体層との接触抵抗が高くなってしまう。従って、上部電極がｐ側電極の場合には、電極との接触抵抗を低減できる逆メサ形状が有効である。
【００４７】
図４は本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。図４の半導体レーザ素子は、素子の積層構造については、図１，図３に示した半導体レーザ素子と同様であるが、図４の半導体レーザ素子においては、リッジ導波路(ストライプ構造)の両側にリッジ導波路(ストライプ構造)と平行に素子表面からＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の表面まで周期的なエッチングによって回折格子４０１が形成されている。
【００４８】
ここで、回折格子４０１は、より具体的には、塩素系ガスを用いたＥＣＲ−ＲＩＢＥ法でドライエッチングして形成され、Ｉｎを含むＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の表面でドライエッチングが停止する。従って、回折格子４０１のエッチング深さについても、制御性良く形成することができる。
【００４９】
図４の構成では、電流が注入されるストライプ領域(リッジ導波路)１０７，１０８の外側に漏れた光は、回折格子４０１で反射されるため、光はストライプ領域(リッジ導波路)を確実に導波する。これにより、図４の半導体レーザ素子は、安定した屈折率導波型半導体レーザとして動作する。
【００５０】
換言すれば、図４のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は、基板１０１上に、少なくとも第１導電型クラッド層１０４，活性層１０５，第２導電型エッチングストップ層１０６，第２導電型クラッド層１０７，第２導電型コンタクト層１０８を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層１０６はＩｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層１０６よりも上の層はＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成されており、ストライプ構造(リッジ構造)１０７，１０８の両側にストライプ構造１０７，１０８と平行に素子表面から第２導電型コンタクト層１０７および第２導電型クラッド層１０８を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面まで周期的にエッチングして回折格子４０１が形成されたものとなっていることにより、屈折率導波型導体レーザとして動作させることができる。
【００５１】
また、この場合、エッチングストップ層１０６は、Ｉｎを含む材料で構成されており、また、エッチングストップ層１０６の表面でドライエッチングを停止できるため、回折格子４０１のエッチング深さを厳密に制御することができる。
【００５２】
図５は本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。図５の半導体レーザ素子は、サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２，ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３，ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０４，Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５，ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６が形成され、ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の上に、電流が注入されるストライプ領域を除いてｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１が形成されている。さらに、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１およびｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の上に、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７，ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が順次に積層されている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上には、ｐ側電極１０９が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上には、ｎ側電極１１０が形成されている。
【００５３】
図６は図５の半導体レーザ素子の製造工程例を示す図である。この製造工程例では、最初にサファイア基板１０１上に、層厚０．０２μｍ程度のＧａＮバッファ層１０２，層厚３μｍ程度のｎ型ＧａＮコンタクト層１０３，層厚０．８μｍ程度のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０４，層厚０．０５μｍ程度のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５，層厚０．１μｍ程度のｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６，層厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１を、ＭＯＣＶＤ法で順次にエピタキシャル成長させる(図６(ａ))。
【００５４】
次に、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１をＥＣＲ−ＲＩＢＥ法を用いてドライエッチングして、幅５μｍのストライプ領域６０１を形成する(図６(ｂ))。このとき、エッチングガスに塩素系ガスを使用し、また基板温度が室温近傍になるように制御することにより、Ｉｎを含まないｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１はエッチングされるが、Ｉｎを含むｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６表面に達するとエッチングがほぼ停止する。
【００５５】
次に、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１およびストライプ領域６０１表面に露出しているｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６上に、層厚０．８μｍ程度のｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７，層厚０．２μｍ程度のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を、ＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる(図６(ｃ))。
【００５６】
そして、ｎ側の電極を形成するために、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８表面からｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の途中までＥＣＲ−ＲＩＢＥ法でドライエッチングを行なう(図６(ｄ))。このときは、エッチングガスに塩素系ガスを使用し、基板温度が２００℃以上になるように制御する。これにより、Ｉｎを含むＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６およびＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５もエッチングされる。
【００５７】
しかる後、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８表面にｐ側電極１０９を真空蒸着で形成し、また、図６(ｄ)の工程でエッチングして露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の表面にｎ側電極１１０を真空蒸着で形成する。最後に、基板をチップ状に分離して共振器を形成する(図６(ｅ))。
【００５８】
図５の半導体レーザ素子においては、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１がｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の表面までストライプ状にエッチングされており、ストライプ領域はｐｎ構造となって電流が流れるが、ストライプ領域の外側はｐｎｐｎ構造となっており、逆バイアス接合によって電流がブロックされる。これにより、キャリアをストライプ領域の下の活性層１０５に閉じ込めて素子の閾電流を低減させることができる。
【００５９】
また、図５の半導体レーザ素子では、ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６はＩｎを含むＩＩＩ族窒化物系材料からなり、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１はＩｎを含まない材料からなっているため、塩素ガス系のドライエッチングによってＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１を選択的にエッチングすることが可能となっている。そのため、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１のエッチング残りが生じたり、エッチングしすぎてエッチング底面がＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５まで達してしまうことがなく、素子製造が容易となっている。
【００６０】
また、電流狭窄層５０１として、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５よりも禁制帯幅が小さく、かつＩｎを含まない材料であるＧａＮ0.9Ｐ0.1を使用しているため、ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１はＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５で発光した光を吸収する。従って、ストライプ領域の外側では光の損失が大きくなり、ストライプの内外で実効屈折率差が生じ、光はストライプ領域を導波する。これにより安定した屈折率導波型半導体レーザとして動作する。
【００６１】
また、図５の半導体レーザ素子では、素子の内部に電流狭窄層を有しているため、図１〜図４に示した構造の半導体レーザ素子に比べて、ｐ側電極１０９とｐ型ＧａＮコンタクト層１０８との接触面積を大きくとることができる。従って、ｐ側電極との接触抵抗を低減して、素子の動作電圧をさらに低減することができる。
【００６２】
換言すれば、図５のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は、基板１０１上に、少なくとも、第１導電型クラッド層１０４，活性層１０５，第２導電型エッチングストップ層１０６，第１導電型または半絶縁性の電流狭窄層５０１，第２導電型クラッド層１０７，第２導電型コンタクト層１０８を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層１０６は、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、電流狭窄層５０１はＩｎを含まずに活性層よりも禁制帯幅が小さいかまたは同じ材料からなり、電流狭窄層５０１が第２導電型エッチングストップ層の表面までエッチングされてストライプ溝(ストライプ領域)が形成されていることを特徴としている。
【００６３】
図５のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子においては、活性層１０５の上に第２導電型エッチングストップ層１０６が形成され、その上に第１導電型または半絶縁性の電流狭窄層５０１が積層されており、この電流狭窄層５０１間のストライプ溝(ストライプ領域)を電流が流れて活性層１０５に注入される。
【００６４】
また、第２導電型エッチングストップ層１０６はＩｎを含むIII族窒化物材料からなり、電流狭窄層５０１はＩｎを含まないIII族窒化物材料からなっているため、塩素ガス系のドライエッチングによって電流狭窄層５０１を選択的にエッチングすることが可能となっている。そのため、エッチング深さを厳密に制御することができる。
【００６５】
また、電流狭窄層５０１は活性層１０５よりも禁制帯幅が小さいかまたは同じ材料からなっており、活性層１０５で発光した光を吸収する。従って、ストライプ領域の内外で実効屈折率が生じ、光はストライプ領域を導波する。これにより屈折率導波型導体レーザとして動作させることができる。
【００６６】
また上記の構造では、電流狭窄層５０１が素子の内部に埋め込まれているため、第２導電型コンタクト層１０８の幅をストライプ溝の幅に依存せずに大きくすることが可能である。これにより、上部電極１０９と第２導電型コンタクト層１０８との接触面積を広くでき、素子の動作電圧を低減することができる。
【００６７】
さらに、図５のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子において、活性層１０５を、Ｉｎを含むIII族窒化物材料からなるものとし、第１導電型または半絶縁性の電流狭窄層１０５を、Ｉｎを含まずにＡｓまたはＰを含むIII族窒化物材料からなるものとすることができる。
【００６８】
すなわち、図５の半導体レーザ素子では、活性層１０５の材料としてＧａＮを用いた場合には、電流狭窄層５０１の材料として活性層１０５と同じ材料であるＧａＮを用いることができる。しかし、活性層１０５の材料が例えばＩｎＧａＮのようにＩｎを含む材料の場合には、Ｉｎを含むため、電流狭窄層５０１にＩｎＧａＮを用いることができない。そこで、図５のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子においては、電流狭窄層５０１に、Ｉｎを含まずに活性層よりも禁制帯幅が小さいかまたは同じ材料として、ＡｓまたはＰを含むIII族窒化物材料系を使用する。例えば、ＧａＮＰ，ＧａＮＡｓ，ＧａＮＡｓＰなどが電流狭窄層５０１として使用される。これにより、塩素系ドライエッチングで電流狭窄層５０１を選択エッチングでき、かつ屈折率導波型半導体レーザとして動作させることができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、ストライプ構造の両側にストライプ構造と平行に素子表面から第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層を第２導電型エッチングストップ層の表面まで周期的にエッチングして回折格子を形成しているので、光をストライプ領域に閉じ込めることができ、屈折率導波型半導体レーザとして動作させることができる。また、回折格子の作製において、第２導電型エッチングストップ層の表面でエッチングを停止させることができ、回折格子のエッチング深さの制御性が良好である。
【００７１】
また、請求項３記載の発明によれば、素子表面からＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成された第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層をＩｎを含む第２導電型エッチングストップ層の上面まで逆メサ形状にエッチングしてリッジ導波路を形成しているので、エッチング深さの制御性が良好であり、リッジ導波路型半導体レーザ素子を容易に製造することができる。さらに、逆メサ形状のエッチングがなされることによって、上部電極と第２導電型コンタクト層との接触面積を広くすることができ、素子の動作電圧を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の一構成例を示す図である。
【図２】図１の半導体発光素子(半導体レーザ素子)の製造工程例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。
【図６】図５の半導体発光素子(半導体レーザ素子)の製造工程例を示す図である。
【図７】 III族窒化物材料系を用いた従来の利得導波型半導体レーザを示す図である。
【図８】 III族窒化物材料系を用いた従来の屈折率導波型半導体レーザを示す図である。
【図９】ＡｌＧａＡｓ材料系を用いた従来の屈折率導波型半導体レーザを示す図である。
【符号の説明】
１０１ サファイア基板
１０２ ＧａＮバッファ層
１０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０５ ＩｎＧａＮ活性層
１０６ ｐ型ＩｎＧａＡｌＮエッチングストップ層
１０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９ ｐ側電極
１１０ ｎ側電極
４０１ 回折格子
５０１ ｎ型ＧａＮＰ電流狭窄層
６０１ ストライプ領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物材料系の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平８−１２５２７５号に示されているようなIII族窒化物系化合物半導体レーザ素子が知られている。
【０００３】
図７は、特開平８−１２５２７５号に示されている従来のIII族窒化物系化合物半導体レーザ素子の構成図である。図７を参照すると、ｎ型のα−ＳｉＣ基板１のａ面には、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型のＧａＮ層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ＩｎＧａＮ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｐ型ＧａＮ層６が順次に積層されている。
【０００４】
そして、ｐ型ＧａＮ層６上の表面中央部を除く両側に、電流狭窄のためストライプ状のＳｉＯ2またはＳｉＮからなる絶縁層７が形成され、この絶縁層７およびｐ型ＧａＮ層６の表面にわたってＡｕ電極８が形成されている。また、α−ＳｉＣ基板１の下面にはＮｉ電極９が形成されている。図７に示す構造では、電流はｐ型ＧａＮ層６の表面に形成した絶縁層７によってストライプ状の領域に狭窄される構成になっており、利得導波型の半導体レーザ素子となっている。
【０００５】
このように、図７に示したIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は利得導波型となっているが、閾電流をより低減し、また高い光出力まで横モードを安定させて動作させるためには屈折率導波型にする必要がある。
【０００６】
図８は特開平８−９７４６８号に示されているIII族窒化物系化合物半導体レーザ素子の断面図である。図８を参照すると、サファイア基板１０上には、ｎ型のＧａＮからなる低温バッファ層１１、高温バッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層１３、ノンドープまたはｎ型またはｐ型のＩｎＧａＮからなる活性層１４、下部クラッド層１３と同じ組成のｐ型上部クラッド層１５、ｐ型ＧａＮ層１９とｐ型ＩｎＧａＮ層２０からなるコンタクト層１６が順次に積層されている。
【０００７】
そして、コンタクト層１６上にｐ側電極１７が形成され、また、積層された半導体層の１部をエッチングして露出した高温バッファ層１２上にｎ側電極１８が形成されている。また、ｐ側電極１７に合わせてコンタクト層１６およびｐ型クラッド層１５の一部は、エッチングされてメサ型形状を構成している。
【０００８】
このように、図８に示した構造は、活性層１４の上までエッチングして形成したメサ型形状によりリッジ導波路が形成されているため、電流だけでなく光も水平横方向に閉じ込められる屈折率導波型の半導体レーザ素子となっている。
【０００９】
しかしながら、図８に示したIII族窒化物材料系半導体レーザ素子において、リッジ導波路は、素子表面からコンタクト層１６およびｐ型クラッド層１５の一部をエッチングし、ＩｎＧａＮ活性層１４よりも上でエッチングを停止させて形成しており、このエッチング深さがばらつくと、リッジ導波路の実効屈折率が変化してレーザの閾電流や遠視野像等の素子特性が変化してしまう。そのため、エッチング深さを精密に制御する必要がある。
【００１０】
また、図９は、特開平８−９７５０３号に示されているＡｌＧａＡｓ材料系の代表的な屈折率導波型半導体レーザの一例を示す図である。図９を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２２、ノンドープまたはｎ型またはｐ型のＡｌＧａＡｓ活性層２３、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層２４、ｎ型ＧａＡｓ電流制限層２５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２上部クラッド層２６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７が順次に積層されている。そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２７の上面，ｎ型ＧａＡｓ基板２１の下面には、それぞれ、ｐ側電極２８，ｎ側電極２９が形成されている。この構造では、ｎ型ＧａＡｓからなる電流制限層２５により注入電流を幅ｗのストライプ状領域に制限すると同時に、活性層で発生した光を吸収することにより、ストライプ内外で屈折率差を設けることができる。そのため、幅ｗの領域に光は閉じ込められて安定して導波することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示したような半導体レーザの構造は、ＡｌＧａＡｓ材料系において広く用いられている構造である。ＡｌＧａＡｓ材料系では、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを化学エッチングによって選択的にエッチングすることが比較的容易に可能であるため、ｎ型ＧａＡｓ電流制限層２５を幅ｗのストライプ状にｐ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層２４の表面まで選択的にエッチングしてストライプ構造を形成している。
【００１２】
これに対し、III族窒化物材料系では、化学エッチングによってはほとんどエッチングがなされず、またＡｌＧａＡｓ材料系のようにＩｎＧａＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮをそれぞれ選択的にエッチングすることが困難である。そのため、図９に示したような構造をIII族窒化物材料系で作製する場合には、エッチング深さを精密に制御しながら電流狭窄層をドライエッチングしなければならず、製造が困難となっている。
【００１６】
本発明は、エッチング深さの制御性が良好で製造が容易な屈折率導波型のIII族窒化物材料系の半導体発光素子(半導体レーザ素子)を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層，活性層，第２導電型エッチングストップ層，第２導電型クラッド層，第２導電型コンタクト層を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層は、Ｉｎを含む III 族窒化物材料で活性層よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層よりも上の層はＩｎを含まない III 族窒化物材料系で構成されており、素子表面から第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層を第２導電型エッチングストップ層の表面までエッチングしてストライプ構造が形成され、該ストライプ構造の両側にストライプ構造と平行に、素子表面から第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層を第２導電型エッチングストップ層の表面まで周期的にエッチングして回折格子が形成されていることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の半導体レーザ素子は、基本的には、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とに活性層が挾まれた構造が、基板上に積層されたIII族窒化物材料系の半導体レーザ素子となっており、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層よりも禁制帯幅の大きい材料からなるエッチングストップ層が活性層の近傍に積層されており、上記エッチングストップ層の表面までＩｎを含まないIII族窒化物材料からなる層をエッチングしてストライプ構造が形成されていることを特徴としている。
【００２６】
本発明の半導体発光素子では、これに電流を注入すると、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とに挾まれたIII族窒化物材料からなる活性層で発光再結合して、青色〜紫外線領域の光が放出される。発光した光はクラッド層に挾まれた活性層を導波しながら誘導放出により増幅され、素子の両端面の反射鏡の間で共振してレーザ発振する。
【００２７】
活性層の近傍に積層されたエッチングストップ層の表面までエッチングして形成されたストライプ構造は、活性層に注入される電流をストライプの幅に限定して集中させる働きをする。これにより、レーザの閾電流を低減できる。
【００２８】
また、活性層の近傍に積層されたエッチングストップ層は、活性層よりも禁制帯幅の大きい材料で構成されている。そのため、注入されたキャリアはエッチングストップ層内で再結合することがなく、リーク電流の発生を抑制できる。また、活性層で発光した光はエッチングストップ層で吸収されないため、光の吸収損失が生じない。
【００２９】
塩素系ガスを用いたドライエッチングでは、Ｉｎの塩化物の沸点が５００℃以上と高いため、Ｉｎを含む材料のエッチングレートはＩｎを含まない材料に比べて低くなる傾向がある。そこで、エッチングするサンプルの温度が上昇しないようにサンプルの温度を低温で制御しながらエッチングすることにより、Ｉｎを含む層においてエッチングレートを極端に低下させることができる。本発明の半導体レーザ素子においては、Ｉｎを含むエッチングストップ層の表面までＩｎを含まないIII族窒化物材料からなる層を塩素系ガスでドライエッチングしてストライプ構造を形成している。従って、エッチング深さをエッチングストップ層の位置と層厚によって厳密に規定することができる。
【００３０】
図１は本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の一構成例を示す図である。図１を参照すると、この半導体レーザ素子は、サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２，ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３，ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０４，Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５，ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６，ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７，ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が順次に積層されている。なお、１０９はｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上に形成されたｐ側電極であり、１１０はｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上に形成されたｎ側電極である。
【００３１】
図２は図１の半導体レーザ素子の製造工程例を示す図である。この製造工程例では、最初にサファイア基板１０１上に、層厚０．０２μｍ程度のＧａＮバッファ層１０２，層厚３μｍ程度のｎ型ＧａＮコンタクト層１０３，層厚０．８μｍ程度のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０４，層厚０．０５μｍ程度のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５，層厚０．１μｍ程度のｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６，層厚０．８μｍ程度のｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７，層厚０．２μｍ程度のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を、ＭＯＣＶＤ法で順次にエピタキシャル成長させる(図２(ａ))。
【００３２】
次に、幅５μｍ程度のストライプ領域を除いてｐ型ＧａＮコンタクト層１０８およびｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７をＥＣＲ−ＲＩＢＥ法を用いてほぼ垂直にドライエッチングする(図２(ｂ))。これにより、水平方向の電流と光を閉じ込めるためのリッジ導波路が形成される。このとき、エッチングガスに塩素系ガスを使用し、また基板温度が室温近傍になるように制御することにより、Ｉｎを含まないｐ型ＧａＮコンタクト層１０８およびｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７はエッチングされるが、Ｉｎを含むｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６表面まで達すると、エッチングはほぼ停止する。これはＩｎの塩素化合物の沸点が５００℃以上と高いためである。
【００３３】
次に、ｎ側の電極を形成するために、ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６表面からｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の途中までＥＣＲ−ＲＩＢＥ法でドライエッチングを行なう(図２(ｃ))。このときは、エッチングガスに塩素系ガスを使用し、基板温度が２００℃以上になるように制御する。これにより、Ｉｎを含むＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６およびＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５もエッチングされる。
【００３４】
しかる後、リッジ導波路の頂上のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８表面にｐ側電極１０９を真空蒸着で形成し、また図２(ｃ)の工程でエッチングして露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の表面にｎ側電極１１０をそれぞれ真空蒸着で形成する。最後に、基板をチップ状に分離して共振器を形成する(図２(ｄ))。
【００３５】
ところで、このようなリッジ導波路型半導体レーザ素子では、活性層からリッジストライプ底面までの距離を制御することが重要である。この距離によってリッジ導波路内外の実効屈折率差が変化するためである。活性層からリッジストライプ底面までの距離がばらつくと、水平横方向の光の分布が変化して、レーザの遠視野像や閾電流等の特性がばらついてしまう。
【００３６】
図１，図２の半導体レーザ素子では、Ｉｎを含むＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６がＩｎ0.05Ｇａ0.95Ａｓ活性層１０５上に積層されており、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０５の表面でドライエッチングを停止させてエッチング深さｄ１を制御している。従って、活性層１０５からリッジストライプ底面(ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７の底面)までの距離は、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の層厚で設定できるため、制御性よく素子を製造することができる。
【００３７】
一方、図２(ｃ)に示したドライエッチング工程においては、エッチングストップ層１０６をもエッチングしており、エッチングストップ層１０６の機能を用いていない。この場合、ｎ側電極をとるために、エッチング底面が層厚３μｍ程度のｎ型ＧａＮコンタクト層１０３中にあればよいので、エッチング深さの制御に関してそれほど厳密性を必要としない。
【００３８】
また、図１の構成例において、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の禁制帯幅はＩｎ0.05Ｇａ0.95Ａｓ活性層１０５の禁制帯幅よりも大きくなっている。従って、エッチングストップ層１０６を活性層１０５に隣接して形成してもエッチングストップ層１０６内でキャリアが再結合しないため、リーク電流の発生を抑制できる。また、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６はＩｎ0.05Ｇａ0.95Ａｓ活性層１０５で発光した光を吸収しない透明な媒質であるため、光の吸収損失が生じない。そして、屈折率についても、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の方がＩｎ0.05Ｇａ0.95Ａｓ活性層１０５よりも小さいため、活性層１０５に光を閉じ込める作用をする。
【００３９】
上述のことから、エッチングストップ層１０６に用いる材料は、Ｉｎを含み、かつ活性層１０５よりも禁制帯幅が大きいIII族窒化物でなけれらばならない。例えば、活性層１０５の材料がＧａＮであれば、エッチングストップ層１０６には、ＧａＮと格子整合するＩｎ0.18Ａｌ0.82Ｎや、Ｉｎ0.18Ａｌ0.82ＮとＧａＮの混晶が用いられる。また、活性層１０５の材料がＩｎＧａＮの場合には、エッチングストップ層１０６としては、上記の材料に加えて、活性層１０５よりもＩｎ含有量の少ないＩｎＧａＮも使用することができる。
【００４０】
以上のように、図１のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は、基板１０１上に、少なくとも、第１導電型クラッド層１０４，活性層１０５，第２導電型エッチングストップ層１０６，第２導電型クラッド層１０７，第２導電型コンタクト層１０８を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層１０６は、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層１０６よりも上の層はＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成されており、素子表面から第２導電型コンタクト層１０８および第２導電型クラッド層１０７を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面までほぼ垂直にエッチングしてリッジ導波路を形成したものとなっている。
【００４１】
図１のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子においては、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなる第２導電型エッチングストップ層１０６を活性層１０５の上部に設けており、素子表面からＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成された第２導電型コンタクト層１０８および第２導電型クラッド層１０７を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面までほぼ垂直にエッチングしてリッジ導波路を形成しており、Ｉｎを含むエッチングストップ層１０６の表面でドライエッチングを停止できるため、リッジ導波路のエッチング深さを厳密に制御することができる。そして、このリッジ導波路の領域に電流が狭窄されるため、閾値電流が低減される。また、活性層１０５で発光した光はリッジ導波路を導波するため、水平横モードが安定した屈折率導波型導体レーザとして動作する。
【００４２】
図３は本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。図３の半導体レーザ素子は、素子の積層構成については、図１に示した構成例と同様であるが、リッジ導波路が逆メサ形状になっている点で、図１に示した半導体レーザ素子と相違している。逆メサ形状のリッジ導波路は、ＥＣＲ−ＲＩＢＥ法でリッジ導波路をドライエッチングして形成する工程において、基板１０１に対して斜めからイオンビームを照射して約４５度の角度でドライエッチングすることによって形成される。なお、この場合、リッジ導波路の側面をそれぞれ角度を変えて斜めにドライエッチングするため、ドライエッチングを２回行なう必要がある。そして、図１に示した半導体レーザ素子と同様に、Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の表面でドライエッチングを停止させることができるため、エッチング深さの制御が容易となっている。
【００４３】
図３のようにリッジ導波路を逆メサ形状とする構造では、リッジ導波路の下幅ｗ2を例えば３μｍ程度に狭くした場合でも、リッジ導波路の上幅ｗ1は約６μｍ程度と広くすることができる。従って、電流を活性層１０５の狭いストライプ領域に狭窄しつつ、同時にｐ側電極１０９とｐ型ＧａＮコンタクト層１０８との接触面積を広くして接触抵抗の増加を抑制することができ、これにより、素子の閾電流および動作電圧を低減することができる。
【００４４】
換言すれば、図３のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は、基板１０１上に、少なくとも、第１導電型クラッド層１０４，活性層１０５，第２導電型エッチングストップ層１０６，第２導電型クラッド層１０７，第２導電型コンタクト層１０８を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層１０６は、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層１０６よりも上の層はＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成されており、素子表面から第２導電型コンタクト層１０８および第２導電型クラッド層１０７を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面まで逆メサ形状にエッチングしてリッジ導波路が形成されている。
【００４５】
すなわち、図３のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子においては、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなる第２導電型エッチングストップ層１０６を活性層１０５の上部に設けており、素子表面からＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成された第２導電型コンタクト層１０８および第２導電型クラッド層１０７を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面まで逆メサ形状にエッチングしてリッジ導波路を形成している。
【００４６】
従って、図１の半導体レーザ素子と同様に、リッジ導波路を有する屈折率導波型導体レーザの構造となっているが、図３の半導体レーザ素子では、リッジ導波路が逆メサ形状になっており、リッジ導波路を逆メサ形状にすることで、電流を狭窄する幅を狭くして、かつ上部電極１０９と第２導電型コンタクト層１０８との接触面積を広くすることができる。すなわち、電極との接触抵抗を低減でき、素子の動作電圧を低下させることができる。特に、III族窒化物材料系ではｐ型半導体層のキャリア濃度を高くすることが困難であり、ｐ側電極とｐ型半導体層との接触抵抗が高くなってしまう。従って、上部電極がｐ側電極の場合には、電極との接触抵抗を低減できる逆メサ形状が有効である。
【００４７】
図４は本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。図４の半導体レーザ素子は、素子の積層構造については、図１，図３に示した半導体レーザ素子と同様であるが、図４の半導体レーザ素子においては、リッジ導波路(ストライプ構造)の両側にリッジ導波路(ストライプ構造)と平行に素子表面からＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の表面まで周期的なエッチングによって回折格子４０１が形成されている。
【００４８】
ここで、回折格子４０１は、より具体的には、塩素系ガスを用いたＥＣＲ−ＲＩＢＥ法でドライエッチングして形成され、Ｉｎを含むＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の表面でドライエッチングが停止する。従って、回折格子４０１のエッチング深さについても、制御性良く形成することができる。
【００４９】
図４の構成では、電流が注入されるストライプ領域(リッジ導波路)１０７，１０８の外側に漏れた光は、回折格子４０１で反射されるため、光はストライプ領域(リッジ導波路)を確実に導波する。これにより、図４の半導体レーザ素子は、安定した屈折率導波型半導体レーザとして動作する。
【００５０】
換言すれば、図４のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は、基板１０１上に、少なくとも第１導電型クラッド層１０４，活性層１０５，第２導電型エッチングストップ層１０６，第２導電型クラッド層１０７，第２導電型コンタクト層１０８を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層１０６はＩｎを含むIII族窒化物材料で活性層１０５よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層１０６よりも上の層はＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成されており、ストライプ構造(リッジ構造)１０７，１０８の両側にストライプ構造１０７，１０８と平行に素子表面から第２導電型コンタクト層１０７および第２導電型クラッド層１０８を第２導電型エッチングストップ層１０６の表面まで周期的にエッチングして回折格子４０１が形成されたものとなっていることにより、屈折率導波型導体レーザとして動作させることができる。
【００５１】
また、この場合、エッチングストップ層１０６は、Ｉｎを含む材料で構成されており、また、エッチングストップ層１０６の表面でドライエッチングを停止できるため、回折格子４０１のエッチング深さを厳密に制御することができる。
【００５２】
図５は本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。図５の半導体レーザ素子は、サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２，ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３，ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０４，Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５，ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６が形成され、ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の上に、電流が注入されるストライプ領域を除いてｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１が形成されている。さらに、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１およびｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の上に、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７，ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が順次に積層されている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上には、ｐ側電極１０９が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上には、ｎ側電極１１０が形成されている。
【００５３】
図６は図５の半導体レーザ素子の製造工程例を示す図である。この製造工程例では、最初にサファイア基板１０１上に、層厚０．０２μｍ程度のＧａＮバッファ層１０２，層厚３μｍ程度のｎ型ＧａＮコンタクト層１０３，層厚０．８μｍ程度のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０４，層厚０．０５μｍ程度のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５，層厚０．１μｍ程度のｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６，層厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１を、ＭＯＣＶＤ法で順次にエピタキシャル成長させる(図６(ａ))。
【００５４】
次に、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１をＥＣＲ−ＲＩＢＥ法を用いてドライエッチングして、幅５μｍのストライプ領域６０１を形成する(図６(ｂ))。このとき、エッチングガスに塩素系ガスを使用し、また基板温度が室温近傍になるように制御することにより、Ｉｎを含まないｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１はエッチングされるが、Ｉｎを含むｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６表面に達するとエッチングがほぼ停止する。
【００５５】
次に、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１およびストライプ領域６０１表面に露出しているｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６上に、層厚０．８μｍ程度のｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０７，層厚０．２μｍ程度のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を、ＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる(図６(ｃ))。
【００５６】
そして、ｎ側の電極を形成するために、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８表面からｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の途中までＥＣＲ−ＲＩＢＥ法でドライエッチングを行なう(図６(ｄ))。このときは、エッチングガスに塩素系ガスを使用し、基板温度が２００℃以上になるように制御する。これにより、Ｉｎを含むＩｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６およびＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５もエッチングされる。
【００５７】
しかる後、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８表面にｐ側電極１０９を真空蒸着で形成し、また、図６(ｄ)の工程でエッチングして露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の表面にｎ側電極１１０を真空蒸着で形成する。最後に、基板をチップ状に分離して共振器を形成する(図６(ｅ))。
【００５８】
図５の半導体レーザ素子においては、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１がｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６の表面までストライプ状にエッチングされており、ストライプ領域はｐｎ構造となって電流が流れるが、ストライプ領域の外側はｐｎｐｎ構造となっており、逆バイアス接合によって電流がブロックされる。これにより、キャリアをストライプ領域の下の活性層１０５に閉じ込めて素子の閾電流を低減させることができる。
【００５９】
また、図５の半導体レーザ素子では、ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.6Ａｌ0.33Ｎエッチングストップ層１０６はＩｎを含むＩＩＩ族窒化物系材料からなり、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１はＩｎを含まない材料からなっているため、塩素ガス系のドライエッチングによってＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１を選択的にエッチングすることが可能となっている。そのため、ｎ型ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１のエッチング残りが生じたり、エッチングしすぎてエッチング底面がＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５まで達してしまうことがなく、素子製造が容易となっている。
【００６０】
また、電流狭窄層５０１として、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５よりも禁制帯幅が小さく、かつＩｎを含まない材料であるＧａＮ0.9Ｐ0.1を使用しているため、ＧａＮ0.9Ｐ0.1電流狭窄層５０１はＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ活性層１０５で発光した光を吸収する。従って、ストライプ領域の外側では光の損失が大きくなり、ストライプの内外で実効屈折率差が生じ、光はストライプ領域を導波する。これにより安定した屈折率導波型半導体レーザとして動作する。
【００６１】
また、図５の半導体レーザ素子では、素子の内部に電流狭窄層を有しているため、図１〜図４に示した構造の半導体レーザ素子に比べて、ｐ側電極１０９とｐ型ＧａＮコンタクト層１０８との接触面積を大きくとることができる。従って、ｐ側電極との接触抵抗を低減して、素子の動作電圧をさらに低減することができる。
【００６２】
換言すれば、図５のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子は、基板１０１上に、少なくとも、第１導電型クラッド層１０４，活性層１０５，第２導電型エッチングストップ層１０６，第１導電型または半絶縁性の電流狭窄層５０１，第２導電型クラッド層１０７，第２導電型コンタクト層１０８を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層１０６は、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、電流狭窄層５０１はＩｎを含まずに活性層よりも禁制帯幅が小さいかまたは同じ材料からなり、電流狭窄層５０１が第２導電型エッチングストップ層の表面までエッチングされてストライプ溝(ストライプ領域)が形成されていることを特徴としている。
【００６３】
図５のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子においては、活性層１０５の上に第２導電型エッチングストップ層１０６が形成され、その上に第１導電型または半絶縁性の電流狭窄層５０１が積層されており、この電流狭窄層５０１間のストライプ溝(ストライプ領域)を電流が流れて活性層１０５に注入される。
【００６４】
また、第２導電型エッチングストップ層１０６はＩｎを含むIII族窒化物材料からなり、電流狭窄層５０１はＩｎを含まないIII族窒化物材料からなっているため、塩素ガス系のドライエッチングによって電流狭窄層５０１を選択的にエッチングすることが可能となっている。そのため、エッチング深さを厳密に制御することができる。
【００６５】
また、電流狭窄層５０１は活性層１０５よりも禁制帯幅が小さいかまたは同じ材料からなっており、活性層１０５で発光した光を吸収する。従って、ストライプ領域の内外で実効屈折率が生じ、光はストライプ領域を導波する。これにより屈折率導波型導体レーザとして動作させることができる。
【００６６】
また上記の構造では、電流狭窄層５０１が素子の内部に埋め込まれているため、第２導電型コンタクト層１０８の幅をストライプ溝の幅に依存せずに大きくすることが可能である。これにより、上部電極１０９と第２導電型コンタクト層１０８との接触面積を広くでき、素子の動作電圧を低減することができる。
【００６７】
さらに、図５のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子において、活性層１０５を、Ｉｎを含むIII族窒化物材料からなるものとし、第１導電型または半絶縁性の電流狭窄層１０５を、Ｉｎを含まずにＡｓまたはＰを含むIII族窒化物材料からなるものとすることができる。
【００６８】
すなわち、図５の半導体レーザ素子では、活性層１０５の材料としてＧａＮを用いた場合には、電流狭窄層５０１の材料として活性層１０５と同じ材料であるＧａＮを用いることができる。しかし、活性層１０５の材料が例えばＩｎＧａＮのようにＩｎを含む材料の場合には、Ｉｎを含むため、電流狭窄層５０１にＩｎＧａＮを用いることができない。そこで、図５のIII族窒化物材料系半導体レーザ素子においては、電流狭窄層５０１に、Ｉｎを含まずに活性層よりも禁制帯幅が小さいかまたは同じ材料として、ＡｓまたはＰを含むIII族窒化物材料系を使用する。例えば、ＧａＮＰ，ＧａＮＡｓ，ＧａＮＡｓＰなどが電流狭窄層５０１として使用される。これにより、塩素系ドライエッチングで電流狭窄層５０１を選択エッチングでき、かつ屈折率導波型半導体レーザとして動作させることができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、ストライプ構造の両側にストライプ構造と平行に素子表面から第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層を第２導電型エッチングストップ層の表面まで周期的にエッチングして回折格子を形成しているので、光をストライプ領域に閉じ込めることができ、屈折率導波型半導体レーザとして動作させることができる。また、回折格子の作製において、第２導電型エッチングストップ層の表面でエッチングを停止させることができ、回折格子のエッチング深さの制御性が良好である。
【００７１】
また、請求項３記載の発明によれば、素子表面からＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成された第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層をＩｎを含む第２導電型エッチングストップ層の上面まで逆メサ形状にエッチングしてリッジ導波路を形成しているので、エッチング深さの制御性が良好であり、リッジ導波路型半導体レーザ素子を容易に製造することができる。さらに、逆メサ形状のエッチングがなされることによって、上部電極と第２導電型コンタクト層との接触面積を広くすることができ、素子の動作電圧を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の一構成例を示す図である。
【図２】図１の半導体発光素子(半導体レーザ素子)の製造工程例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る半導体発光素子(半導体レーザ素子)の他の構成例を示す図である。
【図６】図５の半導体発光素子(半導体レーザ素子)の製造工程例を示す図である。
【図７】 III族窒化物材料系を用いた従来の利得導波型半導体レーザを示す図である。
【図８】 III族窒化物材料系を用いた従来の屈折率導波型半導体レーザを示す図である。
【図９】ＡｌＧａＡｓ材料系を用いた従来の屈折率導波型半導体レーザを示す図である。
【符号の説明】
１０１ サファイア基板
１０２ ＧａＮバッファ層
１０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０５ ＩｎＧａＮ活性層
１０６ ｐ型ＩｎＧａＡｌＮエッチングストップ層
１０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９ ｐ側電極
１１０ ｎ側電極
４０１ 回折格子
５０１ ｎ型ＧａＮＰ電流狭窄層
６０１ ストライプ領域
Claims (1)
- 基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層，活性層，第２導電型エッチングストップ層，第２導電型クラッド層，第２導電型コンタクト層を含む構造が積層されており、第２導電型エッチングストップ層は、Ｉｎを含むIII族窒化物材料で活性層よりも禁制帯幅の大きい材料からなり、また、エッチングストップ層よりも上の層はＩｎを含まないIII族窒化物材料系で構成されており、素子表面から第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層を第２導電型エッチングストップ層の表面までエッチングしてストライプ構造が形成され、該ストライプ構造の両側にストライプ構造と平行に、素子表面から第２導電型コンタクト層および第２導電型クラッド層を第２導電型エッチングストップ層の表面まで周期的にエッチングして回折格子が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
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