JP3869663B2 - Nitride semiconductor laser device and semiconductor optical device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振寿命の長寿命化を有する窒化物半導体レーザ素子と、その窒化物半導体レーザ素子を利用した半導体光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、GaN基板上にSiO2マスクのマスクパターンが形成され、前記SiO2マスクの上方と、前記SiO2マスクが形成されていない窓部の上方にGaN層が積層され、前記GaN層上に窒化物半導体レーザ素子が形成されることが、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.39(2000)pp.L647−650などで開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した開示内容では、前記SiO2マスクを有するGaN基板に形成される前記窒化物半導体レーザ素子の形成位置について、詳細な説明がなされていなかった。
【0004】
本明細書では、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層に、もしくは窒化物半導体基板に、マスクと窓部とが形成されたマスク基板があって、前記マスク基板に作製された窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の形成位置が、詳細に説明される。本発明は、前記電流狭窄部分の形成位置が適正化されることによって、レーザ発振寿命の長寿命化を有する窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
明による窒化物半導体レーザ素子においては、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層または窒化物半導体基板上に窒化物半導体がエピタキシャル成長を抑制される成長抑制膜からるストライプ状のマスクと前記マスクが形成されていないストライプ状の窓部とを有するマスク基板があって、前記窓部の幅が5μm以上20μm以下に設定されており、前記マスク基板を被覆する窒化物半導体膜と、少なくともn型層とp型層とによって挟まれた井戸層または井戸層と障壁層とから構成された発光層を有する発光素子構造と前記マスク基板上に順次成長させられ記窓部の上方の領域であってかつ前記窓部のストライプ方向に向かって前記窓部の幅の中央から左右に1μm以上の領域に前記発光素子構造の電流狭窄部分が作製されることを特徴としている。
以上のような特徴によって、本発明の課題である窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振の長寿命化が図られる。
【0006】
ここで、本明細書で説明される成長抑制膜とは、窒化物半導体がエピタキシャル成長されにくい膜であると定義する。たとえば、成長抑制膜は、誘電体膜あるいは金属膜から構成され得る。より具体的には、成長抑制膜は、SiO2、SiNx、Al23、TiO2、タングステンまたはモリブデンなどである。
【0007】
本明細書で説明される窓部とは、ある層の上に前記成長抑制膜から構成されたマスクがあって、前記ある層が前記マスクで被覆されていない部分(ある層が露出している部分)であると定義する。
【0008】
本明細書で説明される窒化物半導体基板とは、少なくともAlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で構成された基板である。前記窒化物半導体基板は、前記窒化物半導体基板を構成している窒素元素の約10%以下(ただし、六方晶系であること)が、As、PもしくはSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導体基板は、Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、MgもしくはBeの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されても構わない。その不純物の総添加量は5×1017/cm3以上5×1018/cm3以下が好ましい。前記窒化物半導体基板がn型導電性を有するための不純物は、前記不純物群のうち、Si、OもしくはClのいずれかが特に好ましい。
【0009】
本明細書で説明される前記窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層とは、少なくともAlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で構成された層である。前記窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層を構成している窒素元素の約10%以下(ただし、六方晶系であること)が、As、PもしくはSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導体層は、Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、MgもしくはBeの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されても構わない。その不純物の総添加量は5×1017/cm3以上5×1018/cm3以下が好ましい。前記窒化物半導体層がn型導電性を有するための不純物は、前記不純物群のうち、Si、OもしくはClのいずれかが特に好ましい。
【0010】
本明細書で説明されるマスク基板とは、前記窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層に、もしくは前記窒化物半導体基板に、前記成長抑制膜から構成されたマスクと前記窓部が設けられた基板であると定義する(図2参照)。前記マスクの幅および前記窓部の幅は、一定の周期を有していても良いし、種々異なる幅を有していても構わない。
【0011】
本明細書で説明される前記マスク基板に成長する窒化物半導体膜とは、少なくともAlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)から構成される。前記窒化物半導体膜は、前記窒化物半導体膜を構成している窒素元素の約10%以下(ただし、六方晶系であること)が、As、PもしくはSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導体膜は、Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、MgもしくはBeの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されても構わない。前記窒化物半導体膜がn型導電性を有するための不純物は、前記不純物群のうち、Si、OもしくはClのいずれかが特に好ましい。
【0012】
本明細書で説明される膜付きマスク基板とは、前記マスク基板の上に前記窒化物半導体膜を被覆した基板と定義する(図3参照)。
【0013】
本明細書で説明される発光層とは、井戸層もしくは井戸層と障壁層とから構成された層の総称を指すものとする。たとえば、単一量子井戸構造の発光層は、1つの井戸層のみから構成されるか、もしくは、障壁層/井戸層/障壁層から構成される。また、多重量子井戸構造の発光層は複数の井戸層と複数の障壁層とから構成される。
【0014】
本明細書で説明される発光素子構造とは、前記発光層がn型層とp型層とに挟まれた構造であると定義する。
【0015】
本明細書で説明される電流狭窄部分とは、p型層を介して発光層に実質的に電流が注入される部分であると定義する。また、電流狭窄幅とは、前記電流狭窄部分の幅であると定義する。具体的に図4を用いて前記電流狭窄部分が説明される。たとえば、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、前記電流狭窄部分は、図4(a)で示されたリッジストライプ部に該当する。かくして、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の、前記電流狭窄幅は、図4(a)で示されたリッジストライプ幅に該当する。
【0016】
同様に、たとえば、電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、前記電流狭窄部分は、図4(b)で示された2つの電流阻止層に挟まれた部分に該当する。かくして、電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子の前記電流狭窄幅は、図4(b)で示された電流阻止層間幅に該当する。
【0019】
本発明は、前記マスク幅が5μm以上30μm以下であることによって、レーザ発振寿命を長寿命化させることが可能な領域に電流狭窄部分が作製され得る。
【0020】
本発明は、前記窓部の幅がμm以上20μm以下であることが好適である。本発明は、前記マスク幅が前記窓部幅よりも広いことによって、結晶歪が効果的に緩和され、より一層のレーザ発振寿命を長寿命化させることが可能である。
【0021】
本発明は、前記窒化物半導体膜が少なくともAxGa1-xN(Al組成比xは0.01以上0.15以下)から構成されることによって、より一層のレーザ発振寿命特性の向上とクラックの発生率が抑制され得る。
【0022】
本発明は、前記窒化物半導体膜がInxGa1-xN(In組成比xは0.01以上0.18以下)から構成されることは、電流狭窄部部分が作製される領域の違いによってレーザ発振寿命の相違が小さく、素子不良率が低減し得る。
【0023】
本発明は、As、PもしくはSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素が、前記井戸層に含有されることによって、より一層のレーザ発振の長寿命化を実現し得る。
【0024】
本発明は、前記窒化物半導体基板に、Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、MgもしくはBeの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されていて、その不純物の総添加量が5×1017/cm3以上5×1018/cm3以下であることが好適である。
【0025】
本発明は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を利用した半導体光学装置に関する。前記半導体光学装置は、本発明のレーザ発振寿命の長い高出力レーザ(30mW)を用いているため、信頼性の高い製品を製造することが可能となる。
【0026】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
本発明は、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層に、もしくは窒化物半導体基板に、マスクと窓部とが形成されたマスク基板があって、窒化物半導体膜と発光素子構造とを、前記マスク基板上に順次成長させ、前記マスクのストライプ方向に向かってマスク中央から左右に1μm未満を除く領域、かつ前記窓部のストライプ方向に向かって窓部中央から左右に1μm未満を除く領域に、前記発光素子構造の電流狭窄部分が作製されることによって、本発明の課題である窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振の長寿命化が図られる。
【0027】
窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付きマスク基板に形成される本発明の最適位置は、マスク基板を構成している基板が窒化物半導体基板の場合に限られる。これは、以下の理由からである。
【0028】
窒化物半導体基板以外の基板(以後、異種基板と呼ぶ)が用いられたマスク基板上に成長された窒化物半導体膜は、窒化物半導体基板が用いられたマスク基板上に成長されたそれと比較して、強い応力歪を受ける。これは、異種基板と窒化物半導体膜との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板と窒化物半導体膜との間のそれと比較して非常に大きいからである。したがって、前記窒化物半導体基板が異種基板で置換されて、本発明の最適位置に属するように窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製されたとしても、マスク基板に被覆された窒化物半導体膜および発光素子構造中の結晶歪は、本発明と同様に緩和され得ない。加えて、異種基板と窒化物半導体膜との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板と窒化物半導体膜との間のそれと比べて非常に大きいことから、異種基板自体が反ってしまう。発光素子構造を含む該基板が反ってしまうと、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が、再現性よく目的とする位置に作製されることが困難になる。
【0029】
(窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製される最適位置について)本発明者らは、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付きマスク基板(マスク基板が窒化物半導体膜で被覆された基板である。また、マスク基板を構成している基板は、窒化物半導体基板である。)のどの位置に形成されるかによって、レーザ発振寿命が変化することを新知見として見出した。
【0030】
以下では、電流狭窄部分の最適位置が、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子(図4(a))を例に説明される。ここで、上述で説明されたように、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分は、該レーザ素子のリッジストライプ部に該当する。また、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄幅は、該レーザ素子のリッジストライプ幅に該当する。
【0031】
まず、前記リッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係が図5を用いて説明される。
【0032】
図5は、横軸に膜付きマスク基板のマスク中央cからリッジストライプ端aまでの距離を、縦軸にレーザ出力30mW、雰囲気温度60℃の条件下でのレーザ発振寿命を、それぞれ表している。ここで、マスク中央cからリッジストライプ端aまでの距離(以後、c−a距離と呼ぶ)は、マスク中央cから向かって右側を正に、同じく向かって左側を負で表記される。また、図5も含めて本明細書で説明されるレーザ発振寿命は以下のようにして見積もられた。前記レーザ発振寿命は、窒化物半導体レーザ素子を寿命試験装置にセットした初期の閾値電流値の、1.5倍の閾値電流値に到達したときの時間である。図5で用いられた窒化物半導体レーザ素子の構造および製造方法は、後述の実施の形態2と同様にして作製される。また、図5で用いられた、リッジストライプ幅は2μmであり、マスク幅は18μmであり、窓部幅は8μmであり、マスクの厚みは0.1μmであった。
【0033】
(リッジストライプ部がマスクの上方に作製される場合)
まず、リッジストライプ部がマスクの上方に作製された場合について述べる。図5を参照すると、リッジストライプ部がマスクの上方に作製された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、リッジストライプ部が窓部の上方に作製されたそれよりも長くなる傾向を示した。さらに詳細に調べたところ、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部がマスク上方に作製されても、c−a距離が−3μmよりも大きく1μmよりも小さい領域に前記リッジストライプ部が作製されると、レーザ発振寿命が劇的に減少する(数100時間から1000時間未満)ことがわかった。ここで、前記リッジストライプ部の幅(以後、リッジストライプ幅と呼ぶ)が2μmであることを考慮して、前記c−a距離の−3μmが、マスク中央cからリッジストライプ端bまでの距離(以後、c−b距離と呼ぶ)に換算されると、c−b距離は−1μmとなる。つまり、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部が、マスクのストライプ方向(図2(b))に向かってマスク中央cから左右1μm未満の領域に少なくとも含まれるようにして作製されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。このレーザ発振寿命が劇的に減少する領域を領域IIIと呼ぶことにする。したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、前記領域IIIを除くマスクの上方の領域に、前記リッジストライプ部全体(図5のa−b幅)が含まれるようにして作製することが好ましい。
【0034】
前記領域IIIは上記のマスク中央cから左右1μm未満の範囲以外に、以下で述べる範囲を選択すると、レーザ発振寿命特性の観点からさらに好ましい。前記領域IIIがマスクのストライプ方向に向かってマスク中央cから左右2μm未満の領域(図5のc−a距離で表記すると、−4μmよりも大きく2μmよりも小さい領域に該当する)であって、前記のIII領域を除くようにして、前記リッジストライプ部全体(図5のa−b幅)がマスクの上方に含まれるようにして作製される。このことにより、レーザ発振寿命が少なくとも約3000から5000時間以上の寿命を得ることが可能である。さらに、前記領域IIIがマスクのストライプ方向に向かってマスク中央cから左右3μm未満の領域(図5のc−a距離で表記すると、−5μmよりも大きく3μmよりも小さい領域に該当する)であって、前記のIII領域を除くようにして、前記リッジストライプ部全体(図5のa−b幅)がマスクの上方に含まれるようにして作製されると、レーザ発振寿命が約10000時間以上の寿命を得ることが可能である。
【0035】
ここで、マスクの上方の領域であって、なおかつ領域IIIを除く領域のことを、領域Iと呼ぶことにする。この領域Iは、以下で示す領域IIよりも、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子を作製することが可能な領域である。
【0036】
(リッジストライプ部が窓部の上方に作製される場合)
次に、リッジストライプ部が窓部の上方に作製された場合について述べる。リッジストライプ部が窓部の上方に作製された場合についても、前述と同様の説明がなされ得る。窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、c−a距離が10μmよりも大きく14μmよりも小さい領域に作製されると、前記窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命が劇的に減少してしまった。ここで、前記リッジストライプ幅が2μmであることを考慮して、前記c−a距離の10μmが窓部中央dからリッジストライプ端bまでの距離(以後、d−b距離と呼ぶ)に換算されると、d−b距離は1μmになる。同様にして、c−a距離の14μmが、窓部中央dからリッジストライプ端aまでの距離(以後、d−a)に換算されると、d−a距離は1μmになる。つまり、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部が、窓部の幅方向に沿って窓部中央dから左右1μm未満の範囲内に含まれるようにして作製されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。このレーザ発振寿命が劇的に減少する領域(窓部中央dから左右1μm未満の範囲)を領域IVと呼ぶことにする。
【0037】
したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、前記領域IVを除く領域に、前記リッジストライプ部全体(図5のa−b幅)が含まれるようにして作製されることが好ましい。ここで、窓部の上方の領域であって、なおかつ窓部のストライプ方向に向かって前記窓部中央dから左右1μm以上の領域(領域IVを除く領域に該当する)を、領域IIと呼ぶことにする。この領域IIに作製された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、前述の領域Iに作製されたそれと比較して、短いものの、数千時間のレーザ発振寿命を有することができた。以上の結果が、図6の模式図にまとめられる。
【0038】
図6は、前記領域Iから前記領域IVまでが、膜付きマスク基板に記された模式図である。膜付きマスク基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、レーザ発振寿命の観点から、その全体が領域Iに含まれることが最も好ましく、次にその全体が領域Iと領域IIに跨って含まれる場合が好ましく、続いてその全体が領域IIに含まれることが好ましい。本発明の課題であるレーザ発振寿命の長寿命化がリッジストライプ部の形成位置によって異なる理由は、恐らく結晶歪の緩和のされ方が膜付きマスク基板内で違うためだと思われる。また、以上の結果を考慮すると、恐らく、マスク基板のマスクの上方に形成された窒化物半導体膜は、マスク基板の窓部の上方に形成されたそれよりも、窒化物半導体膜中の結晶歪の緩和効果が大きいものと思われる。
【0039】
本発明者らの詳細な検討によると、リッジストライプ部全体が領域Iと領域IIとに跨るように作製されると、レーザ発振寿命の向上以外に、リッジストライプ部にクラックが発生してレーザ素子の歩留まり率が低下することを抑制し得るので好ましかった。
【0040】
前述の「窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製される最適位置について」では、リッジストライプ幅が2μmの場合について説明されたが、その他のリッジストライプ幅が用いられても前述で示された図5と同様の傾向が観られ得る。
【0041】
前述で示されたリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係は、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子(たとえば図4(a))に限られるものではない。たとえば、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、前述のリッジストライプ部は2つの電流阻止層に挟まれた部分に、前述のリッジストライプ幅は電流阻止層間幅に該当する(図4(b)を参照)。さらに一般的な表現を用いれば、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が、図6に示された領域Iおよび/または領域IIの上方に存在していれば、本発明による効果が充分に得られる。なお、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が領域Iと領域IIとを跨るように作製されても良いことは言うまでも無い。
【0042】
(マスク幅について)
マスク基板に形成されるマスクのマスク幅は、5μm以上30μm以下、さらに好ましくは9μm以上25μm以下である。前記マスク幅の下限値と上限値は、以下のようにして見積もられた。
【0043】
マスクの上方に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製される場合、前記マスクのマスク幅の下限値は、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の幅(電流狭窄幅)に依存する。上述のレーザ発振の長寿命化の観点から、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分(たとえば、リッジストライプ部)は、領域I(図6参照)に作製されることが最も好ましい。したがって、前記マスク幅の下限値は、少なくとも電流狭窄幅よりも広くする必要がある。電流狭窄幅はおよそ1.5μm〜3μm幅で形成され得るため、結局、前記マスク幅の下限値は、領域IIIの幅2μm(領域IIIがマスクのストライプ方向に向かってマスク中央cから左右1μm未満の領域の場合)と前記ストライプ幅(1.5μm)×2を足して少なくとも5μm以上と見積もられる。さらに好ましくは、前記マスク幅の下限値が、領域IIIの幅6μm(領域IIIがマスクのストライプ方向に向かってマスク中央cから左右3μm未満の領域の場合)と前記ストライプ幅(1.5μm)×2を足して9μm以上と見積もられる。
【0044】
他方、前記マスク幅の上限値は、特に制約は無い。しかしながら、マスク基板に形成されたマスクが窒化物半導体膜で完全に被覆されるためには、マスク幅は30μm以下、さらに好ましくは25μm以下が必要である。
【0045】
また、前記マスク幅は、マスク基板に形成される窓部の窓部幅よりも広い方が好ましい。なぜならば、本発明の電流狭窄部分が形成され得る最も好ましい領域Iに、多くの窒化物半導体レーザ素子が形成され得るからである。加えて、窒化物半導体レーザ素子の素子不良率が減少するため好ましい。
【0046】
(窓部幅について)
窓部の上方に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の全体が含まれる(領域IIに作製される)場合、前記窓部の窓部幅の下限値は、上述の「マスク幅について」と同様にして見積もられ、5μm以上である。他方、マスクの上方に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の一部が少なくとも含まれる場合、前記窓部幅の下限値は、領域IVの幅に該当する2μm以上である。窓部幅の上限値については、特に制約は無い。しかしながら、窓部幅が広くなれば広くなる程、結晶歪みの緩和効果が小さくなるため、前記窓部幅の上限値は20μm以下、さらに好ましくは10μm以下である。
【0047】
(マスクのストライプ方向について)
ストライプ状に作製されたマスクの、ストライプ方向が以下で説明される。結晶成長面が{0001}C面を有する窒化物半導体基板に作製されたマスクのストライプ方向、もしくは窒化物半導体基板に積層された結晶成長面が{0001}C面を有する窒化物半導体層に作製されたマスクのストライプ方向は、窒化物半導体基板に対して<1−100>方向が最も好ましく、続いて<11−20>方向が好ましかった。これらの方向は、{0001}C面内で±5度程度の開き角度を有していても上記関係は変わらなかった。
【0048】
窒化物半導体基板の<1−100>方向に沿ってマスクが形成されることの優位性は、結晶歪みとクラック発生との抑制効果が非常に高いことである。このような方向に沿って形成されたマスクに窒化物半導体膜が被覆されると、前記窒化物半導体膜がマスク上で主に{11−20}ファセット面を形成しながら前記マスクを被覆した。この{11−20}ファセット面は窒化物半導体基板表面に対して垂直であって、なおかつマスクはエピタキシャル成長しにくい成長抑制膜で構成されている。そのためか、{11−20}ファセット面から窒化物半導体が成長していた(図7(a)参照)。この成長は、該基板表面に対して水平方向に成長する(以後、横方向成長と呼ぶ)ため、結晶歪みとクラック発生の抑制効果が非常に高かったと考えられる。そして、マスクのストライプ方向が<1−100>方向であることと、本発明の電流狭窄部分の最適位置との構成を用いることによって、より一層のレーザ発振の長寿命化とクラック抑制による素子不良率の低減が図られ得る。
【0049】
他方、窒化物半導体基板の<11−20>方向に沿ってマスクが形成されることの優位性は、前記マスクが窒化物半導体膜で埋められたとき、前記マスクの上方に位置する前記窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良いことである。また、図7(b)に記された窪み部分が基板の上方から眺められると、ほとんど蛇行することなく窒化物半導体膜で被覆された。窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良好であって、なおかつ、前記窪みがほとんど蛇行することなく窒化物半導体膜で被覆されると、本発明の領域Iに形成された電流狭窄部を有する窒化物半導体素子の、素子不良率が低減し得た。これは以下の理由からだと考えられる。このような方向に沿って形成されたマスクに窒化物半導体膜が被覆されると、前記窒化物半導体膜がマスク上で主に{1−101}ファセット面を形成しながら、前記マスクを被覆していた。この{1−101}ファセット面は非常に平坦でかつ前記ファセット面と結晶成長面とが接するエッジ部分も非常に急峻であった(図7(b))。このことが窒化物半導体膜の表面モフォロジーに寄与したのではないかと考えられる。
【0050】
前述のマスク(または窓部)は全てストライプ形状であったが、マスク(または窓部)がストライプ形状であることは以下の点において好ましい。窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分は主にストライプ形状であり、前記電流狭窄部分の最適位置(領域Iおよび/または領域II)もストライプ形状である。そのため、前記電流狭窄部分を前記最適位置に造りこむことが容易になる。
【0051】
(マスク基板を被覆する窒化物半導体膜について)
本発明の電流狭窄部分の最適位置とマスク基板を被覆する窒化物半導体膜の構成において、前記窒化物半導体膜が、GaN膜、AlGaN膜またはInGaN膜であると、以下の効果が得られる。ここで、前記窒化物半導体膜はその膜中にSi、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、MgもしくはBeの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物を添加することができる。
【0052】
前記窒化物半導体膜がGaN膜であることは、以下の点において好ましい。GaN膜は2元混晶であるため、結晶成長の制御性が良く、製造方法において容易である。また、GaNの表面マイグレーション長はAlGaN膜のそれと比較して長く、InGaN膜のそれと比較して短いため、マスクを完全かつ平坦に被覆しつつ、適度な横方向成長を得ることができる。この横方向成長が促進されると、マスク上方に被覆された窒化物半導体膜中の結晶歪が緩和され得る。窒化物半導体膜として利用されるGaN膜の不純物濃度は、1×1017/cm3以上8×1018/cm3以下が好ましい。このような濃度範囲で不純物が添加されると、窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良好になって、発光層の層厚が均一化され、素子特性が向上し得る。
【0053】
次に、前記窒化物半導体膜がAlGaN膜であることは、以下の点において好ましい。AlGaN膜がマスク基板を被覆すると、マスク上方にボイドが形成されにくく、クラックの発生率が抑制された。また、レーザ発振寿命特性が向上した。これは、以下の理由からだと考えられる。
【0054】
AlGaN膜は、少なくとも窒化物半導体膜にAlが含有されているため、GaN膜やInGaN膜と比べて表面マイグレーション長が短い。この表面マイグレーション長が短いと言う事は、Alを含まないその他の窒化物半導体膜と比べてAlGaN膜はマスクに付着され易いことを意味する。このことが、マスク上方にボイドを形成させにくくし、前記ボイドからのクラック発生を抑制し得たと考えられる。また、表面マイグレーション長が短いため、図7で説明されたファセット面の側壁から窒化物半導体膜が結晶成長し易く、横方向成長がより顕著になって、結晶歪みが緩和され、結果的にレーザ発振寿命特性が向上したと考えられる。
【0055】
さらに、AlGaN膜について調べたところ、AlxGa1-xN膜のAlの組成比xは、0.01以上0.15以下が好ましく、さらに好ましくは、0.01以上0.07以下であった。Alの組成比xが0.01よりも小さいと、ボイドの発生を抑制することが難しくなり得る。一方、Alの組成比xが0.15よりも大きくなると、前述の表面マイグレーション長が短くなり過ぎて(横方向成長が不十分)、マスク上方の結晶歪の緩和効果が得られ難くなる可能性がある。
【0056】
本発明はAlGaN膜に限らず、少なくとも窒化物半導体膜にAlが含有されていれば上記と同様の効果が得られる。また、窒化物半導体膜として利用されるAlGaN膜の不純物濃度は、3×1017/cm3以上8×1018/cm3以下が好ましい。このような濃度範囲でAlと共に不純物が添加されると、窒化物半導体膜の表面マイグレーション長が短くなって好ましい。このことによって、より一層の結晶歪を緩和させることが可能となる。
【0057】
次に、前記窒化物半導体膜がInGaN膜であることは、以下の点において好ましい。InGaN膜がマスク基板を被覆すると、電流狭窄部部分が作製される領域(領域Iまたは領域II)の違いによって、レーザ発振寿命の相違が小さくなった。このことによって、素子不良率が低減した。これは、以下の理由からだと考えられる。
【0058】
InGaN膜は、少なくとも窒化物半導体膜にInが含有されているため、GaN膜やAlGaN膜と比べて弾性力がある。そのため、InGaN膜はマスクを埋めて、窒化物半導体基板からの結晶歪を窒化物半導体膜全体に伝播させ得る。これは、マスク上方の結晶歪と窓部上方の結晶歪との間の差異を緩和させる働きがあると考えられる。
【0059】
さらに、InGaN膜について調べたところ、InxGa1-xN膜のInの組成比xは、0.01以上0.18以下が好ましく、さらに好ましくは0.01以上0.1以下であった。Inの組成比xが0.01よりも小さいと、前述のInが含有されたことによる弾性力の効果が得られにくくなる可能性がある。また、Inの組成比xが0.18よりも大きくなると、InGaN膜の結晶性が低下してしまう可能性がある。
【0060】
本発明はInGaN膜に限らず、少なくとも窒化物半導体膜にInが含有されていれば上記と同様の効果が得られる。また、窒化物半導体膜として利用されるInGaN膜の不純物濃度は、1×1017/cm3以上4×1018/cm3以下が好ましい。このような濃度範囲でInと共に不純物が添加されると、窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良好であってかつ弾力性を保有し得るので好ましい。
【0061】
(マスク基板を被覆する窒化物半導体膜の膜厚について)
マスク基板が、窒化物半導体膜で完全に被覆されるためには、前記マスク基板を被覆する窒化物半導体膜の被覆膜厚は、およそ2μm以上30μm以下が好ましい。ここで、被覆膜厚とは、平坦な窒化物半導体基板に、直接窒化物半導体膜を成長させたとき、前記窒化物半導体膜の膜厚であると定義する。前記被覆膜厚が2μmよりも薄くなると、マスク基板に形成されたマスク幅や窓部幅にも依存するが、概ね窒化物半導体膜でマスク基板を完全かつ平坦に被覆させることが困難になり得る。一方、前記被覆膜厚が30μmよりも厚くなると、マスク基板による横方向成長よりも垂直方向(基板表面に対して垂直方向)の成長の方が次第に強くなり、結晶歪の緩和効果が充分に発揮されにくくなる。
【0062】
(実施の形態2)
本実施の形態2では、膜付きマスク基板に作製されたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の作製方法が説明される。ここで、膜付きマスク基板とは、前述で定義されたように、マスク基板に窒化物半導体膜が被覆された基板である。その他の本発明に係る事柄については、実施の形態1と同じである。
【0063】
(膜付きマスク基板の作製方法)
膜付きマスク基板の作製方法が図3を用いて説明される。図3の模式図は、GaN基板101(窒化物半導体基板の一例)上に作製されたマスク200から構成されるマスク基板と、前記マスク基板上にn型Al0.03Ga0.97N膜102(窒化物半導体膜の一例)が被覆された膜付きマスク基板を表している。
【0064】
まず、前記マスク基板は、以下のようにして作製される。面方位が(0001)面であるGaN基板101表面に、SiO2から構成される成長抑制膜が厚さ0.1μmで蒸着された。前記成長抑制膜は、電子ビーム蒸着法(EB法)または、スパッタリング法により蒸着された。その後、従来のリソグラフィー技術を用いて、GaN基板101の<1−100>方向に沿って、ストライプ状のマスク200が形成された。前記ストライプ状のマスク200は、マスク幅が13μm、窓部幅が7μmで形成された。このようにして、本実施の形態2のマスク基板が完成された。
【0065】
次に、前記マスク基板が十分に有機洗浄され、MOCVD(有機金属気相成長法)装置に搬送された。そして、前記マスク基板に、成長温度1050℃の条件の下、V族原料のNH3(アンモニア)、III族原料のTMGa(トリメチルガリウム)および同じくIII族原料のTMAl(トリメチルアルミニウム)が供給され、さらに前記原料にSiH4(Si不純物濃度1×1018/cm3)が添加されて、厚さ15μmのn型Al0.03Ga0.97N膜102(窒化物半導体膜の一例)が積層された。このようにして、本実施の形態2の膜付きマスク基板100が完成された(図3)。
【0066】
上記で説明された成長抑制膜は、SiO2以外にSiNx、Al23、TiO2、タングステンまたはモリブデンなどで構成されても構わない。
【0067】
上記で説明されたストライプ状のマスクのストライプ方向は、GaN基板101(窒化物半導体基板の一例)に対して<1−100>方向に沿って形成されたが、GaN基板101に対して<11−20>方向に沿って形成されても構わない。
【0068】
上記で説明された窒化物半導体基板は、(0001)面を有するGaN基板101が用いられたが、その他の面方位およびその他の窒化物半導体基板が用いられても構わない。窒化物半導体基板の面方位に関しては、C面{0001}、A面{11−20}、R面{1−102}、M面{1−100}、{1−101}面などを用いることが好ましい。また、上記面方位から2度以内のオフ角度を有する基板であれば表面モフォロジーが良好である。さらに、その他の窒化物半導体基板として、たとえば、窒化物半導体レーザの場合、垂直横モードの単峰化のためにはクラッド層よりも屈折率の低い層が該クラッド層の外側に接していることが好ましく、AlGaN基板が好ましく用いられる。
【0069】
(リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法)次に、前記膜付きマスク基板に作製される窒化物半導体レーザ素子が「リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法」、その「プロセス工程」およびその「パッケージ実装」に分けて順次説明される。
【0070】
図1は膜付きマスク基板上に成長された窒化物半導体レーザ素子が、チップ分割された後の窒化物半導体レーザ素子チップを表している。
【0071】
図1の窒化物半導体レーザ素子チップは、膜付きマスク基板100、n型In0.07Ga0.93Nクラック防止層103、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層104、n型GaN光ガイド層105、発光層106、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層107、p型GaN光ガイド層108、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層109、p型GaNコンタクト層110、n電極111、p電極112、SiO2誘電体膜113およびn型電極パッド114から構成される。ただし、前記膜付きマスク基板100は、GaN基板101、マスク200およびn型Al0.03Ga0.97N膜102から構成されている。
【0072】
以下に、窒化物半導体レーザ素子の製造方法が詳細に説明される。MOCVD装置を用いて、前記膜付きマスク基板100に、V族原料のNH3とIII族原料のTMGaまたはTEGa(トリエチルガリウム)に、TMIn(トリメチルインジウム)のIII族原料とSiH4が加えられ、800℃の成長温度でn型In0.07Ga0.93Nクラック防止層103が40nm成長された。次に、基板温度が1050℃に上げられ、TMAlまたはTEAl(トリエチルアルミニウム)のIII族原料が用いられて、1.2μm厚のn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層104(Si不純物濃度1×1018/cm3)が成長され、続いてn型GaN光ガイド層105(Si不純物濃度1×1018/cm3)が0.1μm成長された。
【0073】
その後、基板温度が800℃に下げられ、3周期の、厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N井戸層と厚さ8nmのIn0.01Ga0.99N障壁層から構成された発光層(多重量子井戸構造)106が、障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層の順序で成長された。その際、障壁層と井戸層の両方にSiH4(Si不純物濃度は1×1018/cm3)が添加された。障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に、1秒以上180秒以内の成長中断が実施されても構わない。このことにより、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少して好ましい。
【0074】
発光層にAsが添加される場合はAsH3(アルシン)またはTBAs(ターシャリブチルアルシン)を、発光層にPが添加される場合はPH3(ホスフィン)またはTBP(ターシャリブチルホスフィン)を、発光層にSbが添加される場合はTMSb(トリメチルアンチモン)またはTESb(トリエチルアンチモン)をそれぞれ添加すると良い。また、発光層が形成される際、N原料として、NH3以外にN24(ジメチルヒドラジン)が用いられても構わない。
【0075】
次に、基板温度が再び1050℃まで昇温されて、厚み20nmのp型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層107、0.1μmのp型GaN光ガイド層108、0.5μmのp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層109と0.1μmのp型GaNコンタクト層110が順次成長された。前記p型不純物としてMg(EtCP2Mg:ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム)が5×1019/cm3〜2×1020/cm3で添加された。p型GaNコンタクト層110のp型不純物濃度は、p電極112の方向に向かって、p型不純物濃度を多くした方が好ましい。このことによりp電極形成によるコンタクト抵抗が低減する。また、p型不純物であるMgの活性化を妨げているp型層中の残留水素を除去するために、p型層成長中に微量の酸素が混入されても構わない。
【0076】
この様にして、p型GaNコンタクト層110が成長された後、MOCVD装置のリアクター内が全窒素キャリアガスとNH3に変えられ、60℃/分で温度が降下された。基板温度が800℃に達した時点で、NH3の供給量が停止され、5分間、前記基板温度で待機されてから、室温まで降下された。上記基板の保持温度は650℃から900℃の間が好ましく、待機時間は、3分以上10分以下が好ましかった。また、降下温度の到達速度は、30℃/分以上が好ましい。このようにして作製された成長膜がラマン測定によって評価された結果、前記手法により、従来のp型化アニールが実行されなくても、成長後すでにp型化の特性が示されていた(Mgが活性化していた)。また、p電極形成によるコンタクト抵抗も低減していた。上記に加えて従来のp型化アニールが組み合わせられれば、Mgの活性化率がより向上して好ましかった。
【0077】
上記で説明されたIn0.07Ga0.93Nクラック防止層103は、In組成比が0.07以外であっても構わないし、InGaNクラック防止層自体がなくても構わない。しかしながら、クラッド層とGaN基板との格子不整合が大きくなる場合は、前記InGaNクラック防止層が挿入された方がクラック防止の点でより好ましい。
【0078】
上記で説明された発光層106は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成であってもよい。また、井戸層の層数は、前述の3層に限らず、10層以下であれば閾値電流密度が低く、室温連続発振が可能であった。特に2層以上6層以下のとき閾値電流密度が低く好ましかった。さらに上記で説明された発光層に、Alが含有されても構わない。
【0079】
上記で説明された発光層106は、井戸層と障壁層との両層にSi(SiH4)が1×1018/cm3添加されたが、Siが添加されなくても構わない。しかしながら、Siが発光層に添加された方が発光強度は強かった。発光層に添加される不純物は、前記Si以外にO、C、Ge、ZnもしくはMgの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されても構わない。また、前記不純物群の添加量の総和は、約1×1017〜8×1018/cm3程度が好ましかった。さらに、不純物が添加される層は、井戸層と障壁層との両層に限らず片方の層のみに前記不純物が添加されても良い。
【0080】
上記で説明されたp型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層107は、Al組成比が0.2以外であっても構わないし、キャリアブロック層自体が無くても構わない。しかしながら、前記キャリアブロック層を設けた方が閾値電流密度が低くかった。これは、キャリアブロック層が発光層にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。前記キャリアブロック層のAl組成比は、高くすることによってキャリアの閉じ込めが強くなって好ましい。また、キャリアの閉じ込めが保持される程度までAl組成比を小さくすれば、キャリアブロック層内のキャリア移動度が大きくなり電気抵抗が低くなって好ましい。
【0081】
上記の説明では、p型クラッド層とn型クラッド層として、Al0.1Ga0.9N結晶が用いられたが、Alの組成比が0.1以外のAlGaN3元結晶であっても構わない。Alの混晶比が高くなると発光層とのエネルギーギャップ差および屈折率差が大きくなり、キャリアや光が該発光層に効率良く閉じ込められ、レーザ発振閾値電流密度の低減が図られる。また、キャリアおよび光の閉じ込めが保持される程度までAl組成比を小さくすれば、クラッド層でのキャリア移動度が大きくなり、素子の動作電圧を低くすることができる。
【0082】
上記で説明されたAlGaNクラッド層の厚みは、0.7μm〜1.5μmが好ましい。このことにより、垂直横モードの単峰化と光り閉じ込め効率が増し、レーザの光学特性の向上とレーザ閾値電流密度の低減が図れる。
【0083】
上記で説明されたクラッド層は、AlGaN3元混晶であったが、AlInGaN、AlGaNP、AlGaNAsなどの4元混晶であっても良い。さらに、p型クラッド層は、電気抵抗を低減するために、p型AlGaN層とp型GaN層とからなる超格子構造、またはp型AlGaN層とp型InGaN層とからなる超格子構造を有していても良い。
【0084】
上記では、MOCVD装置による結晶成長方法が説明されたが、分子線エピタキシー法(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)が用いられても構わない。
【0085】
(プロセス工程)
続いて、前述の「リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法」で作製されたエピウエハーがMOCVD装置から取り出され、窒化物半導体レーザ素子チップに加工するためのプロセス工程が説明される。ここで、窒化物半導体レーザ素子を作製し終えた前記エピウエハーの表面は平坦であり、マスク基板に形成されたマスクおよび窓部は窒化物半導体膜と発光素子構造とで完全に埋没されていた。
【0086】
n電極111は、ドライエッチング法を用いて、エピウエハーの表側からn型Al0.03Ga0.97N膜102を露出させてから、Hf/Alの順序で形成された。そして、前記n電極111の上にn型電極パッド114としてAuが蒸着された。前記n電極材料の他に、Ti/Al、Ti/MoまたはHf/Auなどが用いられても構わない。n電極にHfが用いられるとn電極のコンタクト抵抗が下げられるため好ましい。マスク基板は、窒化物半導体基板で構成されているため、マスク基板の裏面側からn電極が形成されても構わない(図8参照のこと)。ただし、前記窒化物半導体基板は、n型の極性を有するように不純物がドーピングされる必要がある。
【0087】
p電極部分は、マスクのストライプ方向と同じ方向に沿ってストライプ状にエッチングされ、リッジストライプ部(図1)が形成された。前記リッジストライプ部は、マスク中央から4μm離れた位置に領域IIIを除くようにして形成された。前記リッジストライプ部の幅は1.7μmであった。その後、SiO2誘電体膜113が蒸着され、p型GaNコンタクト層110が露出されて、p電極112がPd/Mo/Auの順序で蒸着されて形成された。前記p電極材料の他に、Pd/Pt/Au、Pd/Au、またはNi/Auのいずれかが用いられても構わない。
【0088】
最後に、前記エピウエハーは、前記リッジストライプ方向に対して垂直方向にへき開され、共振器長500μmのファブリ・ペロー共振器が作製された。共振器長は一般に300μmから1000μmが好ましい。マスクのストライプ方向が<1−100>方向に沿って形成された窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、窒化物半導体結晶のM面({1−100}面)である。共振器端面を形成するためのへき開および窒化物半導体レーザ素子のチップ分割は、マスク基板の裏面側からスクライバーで行われた。ただし、前記へき開は、ウエハー全面にスクライバーによる罫書き傷がつけられてからへき開されるのではなく、ウエハーの一部、たとえば、ウエハーの両端にのみスクライバーによる罫書き傷がつけられてへき開された。これらのことにより、共振器端面の急峻性やスクライブによる削りカスがエピ表面に付着しないため歩留まりが向上する。前記レーザ共振器の帰還手法以外に、一般に知られているDFB(Distributed Feedback)、DBR(Distributed Bragg Reflector)が用いられても構わない。前記ファブリ・ペロー共振器の共振器端面が形成された後、該端面に70%の反射率を有するSiO2とTiO2の誘電体膜が交互に蒸着され、誘電体多層反射膜が形成された。前記誘電体材料以外に、SiO2/Al23が誘電多層反射膜として用いられても構わない。以上のようにして図1の窒化物半導体レーザ素子チップが作製された。
【0089】
(パッケージ実装)
次に、上記半導体レーザ素子チップがパッケージに実装される方法について述べられる。高出力(30mW以上)窒化物半導体レーザ素子チップは、放熱対策に注意を払わなければならない。たとえば、前記高出力窒化物半導体レーザ素子チップは、Inはんだ材を用いて、Junction downでパッケージ本体に接続されることが好ましい。また、前記高出力窒化物半導体レーザ素子チップは、直接パッケージ本体やヒートシンク部に取り付けられるのではなく、Si、AlN、ダイヤモンド、Mo、CuW、BN、Fe、Cu、SiCまたはAuのいずれかのサブマウントを介して接続されても構わない。
【0090】
以上の結果、本発明の最適位置に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製されることによって、レーザ出力30mW、雰囲気温度60℃の条件の下、レーザ発振寿命約13000時間が達成された。
【0091】
本実施の形態2で述べられたリッジストライプ部の形成位置、マスク幅および窓部幅は、前述の実施の形態1で述べた条件を満足していれば、その他の数値で作製されても構わない。
【0092】
(実施の形態3)
本実施の形態3は、実施の形態2で述べられたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子を、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子(図4(b))に変えた事以外は実施の形態1または実施の形態2と同様である。
【0093】
以下に電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子が、図9を用いて説明される。
【0094】
図9は、膜付きマスク基板100、n型In0.07Ga0.93Nクラック防止層103、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層104、n型GaN光ガイド層105、発光層106、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層107、p型GaN光ガイド層108、p型Al0.1Ga0.9N第1クラッド層109a、電流阻止層120、p型Al0.1Ga0.9N第2クラッド層109b、p型GaNコンタクト層110、n電極111、p電極112から構成される。
【0095】
電流阻止層120は、p型電極112から注入された電流が、図9で示された電流阻止層間幅のみを通過できるように電流を阻止する層であれば良い。たとえば、電流阻止層120として、n型Al0.25Ga0.75N層を用いても良い。前記電流阻止層のAl組成比は0.25に限らず、その他の値でも構わない。
【0096】
本実施の形態3では、マスク基板に形成されたマスクの幅が10μm、窓部の幅が5μm、マスクの厚みが0.1μmおよび電流阻止層間幅が1.8μmで作製された。また、2つの電流阻止層120に挟まれた部分の一端が、マスク中央から3μm離れた位置に形成され、なおかつ前記2つの電流阻止層120に挟まれた部分がマスク中央の上方を含まないように作製された(本発明の領域Iに該当する位置)。
【0097】
(実施の形態4)
本実施の形態4は、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層上に、マスクが作製されたこと意外は、実施の形態1から3のいずれかと同様である。
本実施の形態4の、膜付きマスク基板の作製方法が以下で説明される。
【0098】
まず、面方位が(0001)面であるGaN基板(窒化物半導体基板の一例)がMOCVD装置に装填された。そして、550℃の成長温度で、NH3とTMGaが前記GaN基板に供給されて、低温GaNバッファ層が形成された。次に、成長温度が1050℃まで昇温され、NH3、TMGaおよびSiH4が供給されて、前記低温GaNバッファ層上にn型GaN層(窒化物半導体層の一例)が形成された。前記n型GaN層が形成された後、該基板がMOCVD装置から取り出された。
【0099】
続いて、MOCVD装置から取り出された該基板の前記n型GaN層の表面に、SiNxから構成される成長抑制膜が厚さ0.15μmで蒸着された。前記SiNxは、スパッタリング法で蒸着された。その後、従来のリソグラフィー技術を用いて、前記GaN基板の<1−100>方向に沿って、ストライプ状のSiNxのマスクが形成された。前記マスクは、マスク幅が8μm、窓部幅が2μmで形成された。このようにして、本実施の形態4のマスク基板が完成された。
【0100】
次に、前記マスク基板が十分に有機洗浄され、MOCVD(有機金属気相成長法)装置に搬送された。そして、前記マスク基板に、成長温度1050℃の条件の下、V族原料のNH3、III族原料のTMGaおよびSiH4(Si不純物濃度1×1018/cm3)が供給されて、厚さ20μmのGaN膜(窒化物半導体膜の一例)が積層された。このようにして、本実施の形態4の膜付きマスク基板が完成された。
【0101】
本実施の形態4で説明された低温GaNバッファ層は、低温AlxGa1-xNバッファ層(0≦x≦1)であれば良く、また、前記低温バッファ層自体が形成されなくても構わない。しかしながら、現在、供給されているGaN基板は表面モフォロジーが好ましくないため、低温AlxGa1-xNバッファ層(0≦x≦1)が挿入された方が、表面モフォロジーが改善されて好ましい。ここで、低温バッファ層とは、約450℃〜600℃の成長温度で形成されるバッファ層のことを指す。これらの成長温度範囲で作製されたバッファ層は多結晶もしくは非晶質である。
【0102】
本実施の形態4で述べられたマスク基板に形成されるマスク幅および窓部幅は、実施の形態1で述べた条件を満足していれば、その他の数値で作製されても構わない。
【0103】
本実施の形態4の膜付きマスク基板の作製方法に関わるその他の事柄については、実施の形態1と同様である。
【0104】
(実施の形態5)
本実施の形態5は、As、PもしくはSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素を窒化物半導体レーザ素子の発光層に含有したこと以外は、上記実施の形態1から実施の形態4のいずれかと同様である。
【0105】
本発明は、As、PもしくはSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素が、窒化物半導体発光レーザ素子を構成している発光層のうち少なくとも井戸層に含有される。このとき、前記井戸層に含有された元素群の総和の組成比をXとし、同じく前記井戸層のN元素の組成比をYとするとき、XはYよりも小さく、X/(X+Y)は0.3(30%)以下であり、好ましくは0.2(20%)以下である。また、前記元素群の総和の下限値は、1×1018/cm3以上である。前記元素群の総和の組成比Xが20%よりも高くなると、井戸層内のある領域ごとに前記元素の組成比の異なる濃度分離が次第に生じ始める。さらに前記元素群の総和の組成比Xが30%よりも高くなると、今度は濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離に移行し始めて井戸層の結晶性が低下し始める。一方、前記元素群の総和の添加量が1×1018/cm3よりも小さくなると、井戸層に前記元素を含有したことによる効果が得られにくくなる。
【0106】
本実施の形態5による効果は、井戸層に前記元素群のうち少なくともいずれかの元素が含有されることによって、井戸層の電子とホールの有効質量が小さく、また、井戸層の電子とホールの移動度が大きくなる。半導体レーザ素子の場合、前者は少ない電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、後者は発光層で電子とホールが発光再結合によって消滅しても新たに電子・ホールが拡散により高速に注入されることを意味する。すなわち、現在報告されている、発光層にAs、PもしくはSbの元素群のうち何れも含有しないInGaN系窒化物半導体レーザ素子と比べて、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、閾値電流密度が低く、自励発振特性の優れた(雑音特性に優れた)半導体レーザを作製することが可能である。
【0107】
(実施の形態6)
本実施の形態6は、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子が半導体光学装置に適用された場合について説明される。
【0108】
本発明による青紫色(380〜420nmの発振波長)窒化物半導体レーザ素子は半導体光学装置、たとえば光ピックアップ装置に利用されると以下の点において好ましい。前記窒化物半導体レーザ素子は、高出力(30mW)、高温雰囲気中(60℃)で安定して動作し、なおかつレーザ発振寿命が長寿命であることから、信頼性の高い高密度記録再生用光ディスク装置に最適である(発振波長が短いほど、より高密度に記録再生が可能となる)。
【0109】
図10に本発明の窒化物半導体レーザ素子が半導体光学装置に利用された一例として、光ディスク装置(光ピックアップを有する装置。たとえば、DVD装置など)の概略図が示される。図10のレーザ光は、入力情報に応じて光変調器で変調され、レンズを通してディスク上に記録される。再生時は、ディスク上のピット配列によって光学的に変化を受けたレーザ光がスプリッターを通して光検出器で検出され、再生信号となる。これらの動作は制御回路によって制御される。レーザ出力については、通常、記録時は30mWで、再生時は5mW程度である。
【0110】
本発明は、上記光ピックアップ装置を有する光ディスク装置の他に、たとえば、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色(青色、緑色、赤色)レーザによるプロジェクターなどにも利用可能である。
【0111】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0112】
【発明の効果】
本発明により、レーザ発振寿命の長寿命化を有する窒化物半導体レーザ素子と前記窒化物半導体レーザ素子を利用した半導体光学装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 マスク基板に窒化物半導体膜が被覆される状態を表した図である(n電極とp電極は、互いに同一の向きで配置される)。
【図2】 マスク基板の一例を示した模式図であり、そのうち(a)はマスク基板の一例の断面を、(b)はマスク基板の一例の上面を、それぞれ表している。
【図3】 膜付きマスク基板の一例である。
【図4】 窒化物半導体レーザ構造の模式図であり、そのうち(a)はリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の一例であり、(b)は電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子の一例である。
【図5】 膜付きマスク基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係が表された図である。
【図6】 窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付きマスク基板上に作製され得る、好ましい作製領域が表された模式図である。
【図7】 マスク基板に窒化物半導体膜が被覆される様を表した図であり、そのうち(a)は{11−20}ファセット面から窒化物半導体が成長する様子を示す図で、(b)は窪み部分が窒化物半導体膜で被覆される様子を示す図である。
【図8】 リッジストライプ部を有する窒化物半導体レーザ素子チップである(n電極とp電極は、互いに対向する位置に配置される)。
【図9】 電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子チップの一例である。
【図10】 本発明を用いた半導体光学装置の一例である(光ピックアップ装置)。
【符号の説明】
100 膜付きマスク基板、101 GaN基板、102 n型Al0.03Ga0.97N膜、103 n型In0.07Ga0.93Nクラック防止層、104 n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、105 n型GaN光ガイド層、106 発光層、107 p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、108 p型GaN光ガイド層、109 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、110 p型GaNコンタクト層、111 n電極、112 p電極、113 SiO2誘電体膜、114 n型電極パッド、120 電流阻止層、200 マスク。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor laser element having a long laser oscillation lifetime and a semiconductor optical device using the nitride semiconductor laser element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, SiO on a GaN substrate 2 A mask pattern of the mask is formed, and the SiO 2 Above the mask and the SiO 2 A GaN layer is stacked above a window portion where no mask is formed, and a nitride semiconductor laser device is formed on the GaN layer. J. et al. Appl. Phys. Vol. 39 (2000) pp. L647-650 and the like.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above disclosure, the SiO 2 A detailed description has not been given of the formation position of the nitride semiconductor laser element formed on the GaN substrate having the mask.
[0004]
In the present specification, there is a nitride semiconductor layer laminated on a nitride semiconductor substrate, or a mask substrate in which a mask and a window are formed on the nitride semiconductor substrate, and the nitride manufactured on the mask substrate. The formation position of the current confinement portion of the semiconductor laser element will be described in detail. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device having a long laser oscillation lifetime by optimizing the formation position of the current confinement portion.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Book Departure Clearly In the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the nitride semiconductor layer laminated on the nitride semiconductor substrate Up Or nitride semiconductor substrate Nikko on From growth-suppressing films in which semiconductors suppress epitaxial growth Na Striped mask And before There is a mask substrate having a striped window portion on which no mask is formed, The width of the window is set to 5 μm or more and 20 μm or less, A light-emitting element structure having a nitride semiconductor film covering the mask substrate and a well layer sandwiched between at least an n-type layer and a p-type layer or a light-emitting layer composed of a well layer and a barrier layer; But Growing sequentially on the mask substrate Is , in front A region above the window portion and toward the stripe direction of the window portion. Width A current confinement portion of the light emitting element structure is formed in a region of 1 μm or more from the center to the left and right.
With the above features, the lifetime of the laser oscillation of the nitride semiconductor laser device, which is the subject of the present invention, can be extended.
[0006]
Here, the growth suppressing film described in this specification is defined as a film in which a nitride semiconductor is difficult to be epitaxially grown. For example, the growth suppression film can be composed of a dielectric film or a metal film. More specifically, the growth suppressing film is made of SiO. 2 , SiN x , Al 2 O Three TiO 2 , Tungsten or molybdenum.
[0007]
The window portion described in this specification refers to a portion in which a mask composed of the growth suppression film is formed on a certain layer and the certain layer is not covered with the mask (a certain layer is exposed). Part).
[0008]
The nitride semiconductor substrate described in this specification means at least Al. x Ga y In z It is a substrate composed of N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1). In the nitride semiconductor substrate, about 10% or less of the nitrogen element constituting the nitride semiconductor substrate (provided that the nitride semiconductor substrate is hexagonal) is at least one of the element group of As, P, or Sb. It may be replaced with an element. The nitride semiconductor substrate may be doped with at least one of an impurity group of Si, O, Cl, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg, or Be. The total amount of impurities added is 5 × 10 17 / Cm Three 5 × 10 or more 18 / Cm Three The following is preferred. The impurity for allowing the nitride semiconductor substrate to have n-type conductivity is particularly preferably Si, O, or Cl in the impurity group.
[0009]
The nitride semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate described in this specification means at least Al. x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1). In the nitride semiconductor layer, about 10% or less of the nitrogen element constituting the nitride semiconductor layer (provided that the nitride semiconductor layer is hexagonal) is at least one of the element groups of As, P, and Sb. It may be replaced with an element. The nitride semiconductor layer may be doped with at least one of the impurity groups of Si, O, Cl, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg, or Be. The total amount of impurities added is 5 × 10 17 / Cm Three 5 × 10 or more 18 / Cm Three The following is preferred. The impurity for allowing the nitride semiconductor layer to have n-type conductivity is particularly preferably Si, O, or Cl in the impurity group.
[0010]
The mask substrate described in this specification refers to a nitride semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate, or a mask formed of the growth suppressing film and the window portion on the nitride semiconductor substrate. (See FIG. 2). The width of the mask and the width of the window portion may have a constant period or may have different widths.
[0011]
The nitride semiconductor film grown on the mask substrate described in this specification is at least Al. x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1). In the nitride semiconductor film, about 10% or less of the nitrogen element constituting the nitride semiconductor film (provided that the nitride semiconductor film is hexagonal) is at least one of the element group of As, P, or Sb. It may be replaced with an element. The nitride semiconductor film may be doped with at least one of the impurity groups of Si, O, Cl, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg, or Be. The impurity for allowing the nitride semiconductor film to have n-type conductivity is particularly preferably Si, O, or Cl in the impurity group.
[0012]
The film-coated mask substrate described in this specification is defined as a substrate in which the nitride semiconductor film is coated on the mask substrate (see FIG. 3).
[0013]
The light emitting layer described in this specification refers to a general term for a well layer or a layer composed of a well layer and a barrier layer. For example, a light emitting layer having a single quantum well structure is composed of only one well layer, or is composed of a barrier layer / well layer / barrier layer. The light emitting layer having a multiple quantum well structure includes a plurality of well layers and a plurality of barrier layers.
[0014]
The light emitting element structure described in this specification is defined as a structure in which the light emitting layer is sandwiched between an n-type layer and a p-type layer.
[0015]
The current confinement portion described in this specification is defined as a portion where current is substantially injected into the light emitting layer through the p-type layer. The current confinement width is defined as the width of the current confinement portion. Specifically, the current confinement portion will be described with reference to FIG. For example, in the case of a nitride semiconductor laser element having a ridge stripe structure, the current confinement portion corresponds to the ridge stripe portion shown in FIG. Thus, the current confinement width of the nitride semiconductor laser element having the ridge stripe structure corresponds to the ridge stripe width shown in FIG.
[0016]
Similarly, for example, in the case of a nitride semiconductor laser element having a current confinement layer, the current confinement portion corresponds to a portion sandwiched between two current blocking layers shown in FIG. Thus, the current confinement width of the nitride semiconductor laser element having the current confinement layer corresponds to the current blocking layer width shown in FIG.
[0019]
In the present invention, when the mask width is 5 μm or more and 30 μm or less, a current confinement portion can be formed in a region where the laser oscillation lifetime can be extended.
[0020]
In the present invention, the width of the window portion is 5 It is preferable that it is not less than μm and not more than 20 μm. In the present invention, since the mask width is wider than the window width, the crystal distortion is effectively relieved, and the laser oscillation lifetime can be further extended.
[0021]
In the present invention, the nitride semiconductor film is at least A. x Ga 1-x By being composed of N (Al composition ratio x is 0.01 or more and 0.15 or less), it is possible to further improve the laser oscillation lifetime characteristics and to suppress the occurrence rate of cracks.
[0022]
In the present invention, the nitride semiconductor film is made of In. x Ga 1-x N (In composition ratio x is 0.01 or more and 0.18 or less) is that the difference in the laser oscillation lifetime is small due to the difference in the region where the current confinement part is formed, and the element defect rate can be reduced. .
[0023]
According to the present invention, the lifetime of laser oscillation can be further increased by including at least one element of the element group of As, P, or Sb in the well layer.
[0024]
According to the present invention, the nitride semiconductor substrate is doped with at least one of the impurity groups of Si, O, Cl, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg, or Be. Total addition amount is 5 × 10 17 / Cm Three 5 × 10 or more 18 / Cm Three It is preferable that:
[0025]
The present invention relates to a semiconductor optical device using the nitride semiconductor laser element of the present invention. Since the semiconductor optical device uses the high-power laser (30 mW) having a long laser oscillation lifetime according to the present invention, a highly reliable product can be manufactured.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
The present invention relates to a nitride semiconductor layer laminated on a nitride semiconductor substrate, or a mask substrate having a mask and a window formed on the nitride semiconductor substrate, and comprising the nitride semiconductor film and the light emitting element structure. And a region excluding less than 1 μm left and right from the center of the mask toward the stripe direction of the mask, and a region excluding less than 1 μm left and right from the center of the window toward the stripe direction of the window In addition, the lifetime of the laser oscillation of the nitride semiconductor laser device, which is the subject of the present invention, can be increased by forming the current confinement portion of the light emitting device structure.
[0027]
The optimum position of the present invention where the current confinement portion of the nitride semiconductor laser element is formed on the mask substrate with a film is limited to the case where the substrate constituting the mask substrate is a nitride semiconductor substrate. This is for the following reason.
[0028]
A nitride semiconductor film grown on a mask substrate using a substrate other than a nitride semiconductor substrate (hereinafter referred to as a heterogeneous substrate) is compared with that grown on a mask substrate using a nitride semiconductor substrate. It receives strong stress strain. This is because the difference in thermal expansion coefficient between the dissimilar substrate and the nitride semiconductor film is very large as compared with that between the nitride semiconductor substrate and the nitride semiconductor film. Therefore, even if the nitride semiconductor substrate is replaced with a different substrate and the current confinement portion of the nitride semiconductor laser element is formed so as to belong to the optimum position of the present invention, the nitride semiconductor film coated on the mask substrate And the crystal distortion in the light emitting element structure cannot be relaxed as in the present invention. In addition, since the difference in thermal expansion coefficient between the dissimilar substrate and the nitride semiconductor film is very large compared to that between the nitride semiconductor substrate and the nitride semiconductor film, the dissimilar substrate itself warps. If the substrate including the light emitting element structure is warped, it becomes difficult to produce a current confinement portion of the nitride semiconductor laser element at a target position with good reproducibility.
[0029]
(About the optimal position where the current confinement portion of the nitride semiconductor laser device is manufactured) The present inventors have described that the current confinement portion of the nitride semiconductor laser device is a mask substrate with a film (the mask substrate is covered with a nitride semiconductor film It has been found as a new finding that the laser oscillation lifetime varies depending on the position of the substrate, which is a nitride semiconductor substrate.
[0030]
In the following, the optimum position of the current confinement portion will be described by taking a nitride semiconductor laser element (FIG. 4A) having a ridge stripe structure as an example. Here, as described above, the current confinement portion of the nitride semiconductor laser device having the ridge stripe structure corresponds to the ridge stripe portion of the laser device. The current confinement width of the nitride semiconductor laser element having the ridge stripe structure corresponds to the ridge stripe width of the laser element.
[0031]
First, the relationship between the formation position of the ridge stripe part and the laser oscillation lifetime will be described with reference to FIG.
[0032]
In FIG. 5, the horizontal axis represents the distance from the mask center c of the film-coated mask substrate to the ridge stripe end a, and the vertical axis represents the laser oscillation lifetime under the conditions of a laser output of 30 mW and an ambient temperature of 60 ° C. . Here, the distance from the mask center c to the ridge stripe end a (hereinafter referred to as “ca distance”) is expressed as positive on the right side and negative on the left side from the mask center c. Further, the laser oscillation lifetime described in this specification including FIG. 5 was estimated as follows. The laser oscillation lifetime is the time when a threshold current value 1.5 times the initial threshold current value when the nitride semiconductor laser element is set in the lifetime test apparatus is reached. The structure and manufacturing method of the nitride semiconductor laser element used in FIG. 5 are manufactured in the same manner as in the second embodiment described later. The ridge stripe width used in FIG. 5 was 2 μm, the mask width was 18 μm, the window width was 8 μm, and the mask thickness was 0.1 μm.
[0033]
(When the ridge stripe part is formed above the mask)
First, the case where the ridge stripe part is formed above the mask will be described. Referring to FIG. 5, the lasing lifetime of the nitride semiconductor laser device in which the ridge stripe portion was formed above the mask tended to be longer than that in which the ridge stripe portion was formed above the window portion. When the ridge stripe portion of the nitride semiconductor laser device is produced above the mask, the ridge stripe portion is produced in a region where the ca distance is larger than −3 μm and smaller than 1 μm. It has been found that the lasing lifetime is dramatically reduced (several hundred hours to less than 1000 hours). Here, considering that the width of the ridge stripe portion (hereinafter referred to as ridge stripe width) is 2 μm, the distance of −3 μm of the c−a distance is the distance from the mask center c to the ridge stripe end b ( (Hereinafter referred to as “cb distance”), the cb distance is −1 μm. That is, when the ridge stripe portion of the nitride semiconductor laser element is fabricated so as to be included at least in a region less than 1 μm on the left and right sides from the mask center c in the mask stripe direction (FIG. 2B), laser oscillation It has been found that the lifespan decreases dramatically. The region where the laser oscillation lifetime is dramatically reduced will be referred to as region III. Therefore, the ridge stripe portion of the nitride semiconductor laser element is preferably fabricated so that the entire region of the ridge stripe portion (a-b width in FIG. 5) is included in the region above the mask excluding the region III. .
[0034]
For the region III, it is more preferable from the viewpoint of laser oscillation lifetime characteristics to select the range described below in addition to the range less than 1 μm on the left and right from the mask center c. The region III is a region less than 2 μm on the left and right from the mask center c in the stripe direction of the mask (corresponding to a region larger than −4 μm and smaller than 2 μm when expressed by the ca distance in FIG. 5), The entire ridge stripe portion (width ab in FIG. 5) is included above the mask so as to exclude the III region. This makes it possible to obtain a laser oscillation lifetime of at least about 3000 to 5000 hours or longer. Further, the region III is a region less than 3 μm on the left and right sides of the mask center c in the stripe direction of the mask (corresponding to a region larger than −5 μm and smaller than 3 μm when expressed by the ca distance in FIG. 5). If the entire ridge stripe portion (width ab in FIG. 5) is included above the mask so as to exclude the III region, the laser oscillation lifetime is about 10,000 hours or more. It is possible to obtain a lifetime.
[0035]
Here, the region above the mask and excluding region III will be referred to as region I. This region I is a region in which a nitride semiconductor laser element having a longer laser oscillation lifetime than that of region II shown below can be manufactured.
[0036]
(When the ridge stripe part is made above the window part)
Next, the case where the ridge stripe part is formed above the window part will be described. The case where the ridge stripe portion is formed above the window portion can be described in the same manner as described above. When the ridge stripe portion of the nitride semiconductor laser element is fabricated in a region where the ca distance is larger than 10 μm and smaller than 14 μm, the laser oscillation lifetime of the nitride semiconductor laser element is dramatically reduced. . Here, considering that the ridge stripe width is 2 μm, 10 μm of the ca distance is converted into a distance from the window center d to the ridge stripe end b (hereinafter referred to as db distance). Then, the db distance becomes 1 μm. Similarly, when the distance c-a of 14 μm is converted into the distance from the window center d to the ridge stripe end a (hereinafter referred to as da), the distance da is 1 μm. That is, when the nitride semiconductor laser device is fabricated so that the ridge stripe portion of the nitride semiconductor laser element is included within a range of less than 1 μm on the left and right from the window center d along the width direction of the window portion, the laser oscillation lifetime is dramatically increased. It turns out that it decreases. The region where the laser oscillation lifetime is drastically reduced (the region less than 1 μm on the left and right from the window center d) will be referred to as region IV.
[0037]
Therefore, it is preferable that the ridge stripe portion of the nitride semiconductor laser device is manufactured so that the entire region of the ridge stripe portion (a-b width in FIG. 5) is included in the region excluding the region IV. Here, a region above the window portion and having a width of 1 μm or more from the window center d in the stripe direction of the window portion (corresponding to a region excluding the region IV) is referred to as a region II. To. Although the laser oscillation lifetime of the nitride semiconductor laser device fabricated in this region II is shorter than that fabricated in the aforementioned region I, it could have a laser oscillation lifetime of several thousand hours. The above results are summarized in the schematic diagram of FIG.
[0038]
FIG. 6 is a schematic diagram showing the region I to the region IV on the mask substrate with a film. The ridge stripe portion of the nitride semiconductor laser device fabricated on the film-coated mask substrate is most preferably included in the region I from the viewpoint of laser oscillation lifetime, and then the entire region is included in the region I and the region II. It is preferable that it is included in the region II, and it is preferable that the entire region is subsequently included in the region II. The reason why the longer laser oscillation lifetime, which is the subject of the present invention, differs depending on the position where the ridge stripe portion is formed, is probably because the crystal strain is relaxed differently in the mask substrate with a film. In addition, considering the above results, the nitride semiconductor film formed above the mask of the mask substrate is more likely to have crystal distortion in the nitride semiconductor film than that formed above the window of the mask substrate. It seems that the mitigation effect is large.
[0039]
According to the detailed examination by the present inventors, when the entire ridge stripe portion is formed so as to straddle the region I and the region II, in addition to the improvement of the laser oscillation lifetime, a crack occurs in the ridge stripe portion and the laser element It was preferable because it was possible to suppress a decrease in the yield rate.
[0040]
In the above-mentioned “About the optimum position where the current confinement portion of the nitride semiconductor laser device is manufactured”, the case where the ridge stripe width is 2 μm has been described. However, the case where other ridge stripe widths are used is also described above. A similar trend as in FIG. 5 can be observed.
[0041]
The relationship between the formation position of the ridge stripe portion and the laser oscillation lifetime shown above is not limited to the nitride semiconductor laser element (for example, FIG. 4A) having the ridge stripe structure. For example, in the case of a nitride semiconductor laser device having a current blocking layer, the ridge stripe portion described above corresponds to a portion sandwiched between two current blocking layers, and the ridge stripe width described above corresponds to the current blocking layer width (FIG. 4 ( see b)). In more general terms, if the current confinement portion of the nitride semiconductor laser element exists above the region I and / or the region II shown in FIG. 6, the effect of the present invention can be sufficiently obtained. It is done. Needless to say, the current confinement portion of the nitride semiconductor laser element may be formed so as to straddle region I and region II.
[0042]
(About mask width)
The mask width of the mask formed on the mask substrate is 5 μm or more and 30 μm or less, more preferably 9 μm or more and 25 μm or less. The lower limit value and the upper limit value of the mask width were estimated as follows.
[0043]
When the current confinement portion of the nitride semiconductor laser element is formed above the mask, the lower limit value of the mask width of the mask depends on the width (current confinement width) of the current confinement portion of the nitride semiconductor laser element. From the viewpoint of extending the lifetime of the laser oscillation described above, it is most preferable that the current confinement portion (for example, the ridge stripe portion) of the nitride semiconductor laser element is formed in the region I (see FIG. 6). Therefore, the lower limit value of the mask width needs to be wider than at least the current confinement width. Since the current confinement width can be formed with a width of about 1.5 μm to 3 μm, the lower limit value of the mask width is eventually 2 μm of the region III (the region III is less than 1 μm left and right from the mask center c toward the mask stripe direction). And the stripe width (1.5 μm) × 2 are estimated to be at least 5 μm or more. More preferably, the lower limit value of the mask width is a width of the region III of 6 μm (when the region III is a region less than 3 μm on the left and right sides of the mask center c in the mask stripe direction) and the stripe width (1.5 μm) × 2 is estimated to be 9 μm or more.
[0044]
On the other hand, the upper limit value of the mask width is not particularly limited. However, in order for the mask formed on the mask substrate to be completely covered with the nitride semiconductor film, the mask width needs to be 30 μm or less, more preferably 25 μm or less.
[0045]
The mask width is preferably wider than the window width of the window formed on the mask substrate. This is because many nitride semiconductor laser elements can be formed in the most preferable region I where the current confinement portion of the present invention can be formed. In addition, it is preferable because the element defect rate of the nitride semiconductor laser element is reduced.
[0046]
(About window width)
When the entire current confinement portion of the nitride semiconductor laser element is included above the window (produced in the region II), the lower limit value of the window width of the window is the same as the above-mentioned “Regarding the mask width” Is estimated to be 5 μm or more. On the other hand, when at least a part of the current confinement portion of the nitride semiconductor laser element is included above the mask, the lower limit value of the window width is 2 μm or more corresponding to the width of the region IV. There is no particular limitation on the upper limit of the window width. However, the wider the window width, the smaller the crystal strain relaxation effect, so the upper limit of the window width is 20 μm or less, more preferably 10 μm or less.
[0047]
(About mask stripe direction)
The stripe direction of the mask formed in a stripe shape will be described below. A stripe growth direction of a mask formed on a nitride semiconductor substrate having a {0001} C plane as a crystal growth surface, or a nitride semiconductor layer having a {0001} C plane as a crystal growth plane stacked on the nitride semiconductor substrate. The stripe direction of the mask was most preferably the <1-100> direction with respect to the nitride semiconductor substrate, followed by the <11-20> direction. Even if these directions had an opening angle of about ± 5 degrees in the {0001} C plane, the above relationship did not change.
[0048]
The advantage that the mask is formed along the <1-100> direction of the nitride semiconductor substrate is that the effect of suppressing crystal distortion and occurrence of cracks is very high. When the nitride semiconductor film was coated on the mask formed in such a direction, the nitride semiconductor film covered the mask while mainly forming a {11-20} facet surface on the mask. The {11-20} facet plane is perpendicular to the surface of the nitride semiconductor substrate, and the mask is formed of a growth suppressing film that is difficult to epitaxially grow. For this reason, a nitride semiconductor has grown from the {11-20} facet plane (see FIG. 7A). This growth is considered to have a very high effect of suppressing crystal distortion and crack generation because it grows in the horizontal direction with respect to the substrate surface (hereinafter referred to as lateral growth). Further, by using the configuration in which the stripe direction of the mask is the <1-100> direction and the optimum position of the current confinement portion of the present invention, it is possible to further improve the lifetime of the laser oscillation and to prevent defective elements due to crack suppression. The rate can be reduced.
[0049]
On the other hand, the advantage that the mask is formed along the <11-20> direction of the nitride semiconductor substrate is that the nitride located above the mask when the mask is filled with the nitride semiconductor film. The surface morphology of the semiconductor film is good. Further, when the hollow portion shown in FIG. 7B was viewed from above the substrate, it was covered with the nitride semiconductor film with almost no meandering. A nitride semiconductor having a current confinement portion formed in the region I of the present invention when the surface morphology of the nitride semiconductor film is good and the recess is covered with the nitride semiconductor film with almost no meandering The element failure rate of the element could be reduced. This is thought to be due to the following reasons. When the nitride semiconductor film is coated on the mask formed in such a direction, the nitride semiconductor film covers the mask while mainly forming a {1-101} facet surface on the mask. It was. The {1-101} facet plane was very flat, and the edge portion where the facet plane and the crystal growth plane were in contact was also very steep (FIG. 7B). This is considered to have contributed to the surface morphology of the nitride semiconductor film.
[0050]
The masks (or windows) described above are all striped, but the masks (or windows) are preferably striped in the following respects. The current confinement portion of the nitride semiconductor laser element is mainly in a stripe shape, and the optimum position (region I and / or region II) of the current confinement portion is also in a stripe shape. Therefore, it becomes easy to build the current confinement portion at the optimum position.
[0051]
(Nitride semiconductor film covering mask substrate)
In the configuration of the nitride semiconductor film covering the optimum position of the current confinement portion and the mask substrate of the present invention, the following effects can be obtained when the nitride semiconductor film is a GaN film, an AlGaN film, or an InGaN film. Here, the nitride semiconductor film may be doped with at least one of the impurity groups of Si, O, Cl, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg, or Be.
[0052]
The nitride semiconductor film is preferably a GaN film in the following points. Since the GaN film is a binary mixed crystal, the control of crystal growth is good and the manufacturing method is easy. Further, since the surface migration length of GaN is longer than that of the AlGaN film and shorter than that of the InGaN film, an appropriate lateral growth can be obtained while covering the mask completely and flatly. When this lateral growth is promoted, crystal distortion in the nitride semiconductor film coated over the mask can be relaxed. The impurity concentration of the GaN film used as the nitride semiconductor film is 1 × 10 17 / Cm Three 8 × 10 or more 18 / Cm Three The following is preferred. When an impurity is added in such a concentration range, the surface morphology of the nitride semiconductor film is improved, the thickness of the light emitting layer is made uniform, and the device characteristics can be improved.
[0053]
Next, the nitride semiconductor film is preferably an AlGaN film in the following points. When the AlGaN film covers the mask substrate, voids are hardly formed above the mask, and the occurrence rate of cracks is suppressed. In addition, the laser oscillation lifetime characteristics were improved. This is thought to be due to the following reasons.
[0054]
Since the AlGaN film contains Al in at least the nitride semiconductor film, the surface migration length is shorter than that of the GaN film or InGaN film. The short surface migration length means that the AlGaN film is easily attached to the mask as compared with other nitride semiconductor films not containing Al. This is considered to make it difficult to form voids above the mask and to suppress the generation of cracks from the voids. Further, since the surface migration length is short, the nitride semiconductor film is likely to grow from the side wall of the facet described with reference to FIG. 7, the lateral growth becomes more prominent, crystal distortion is relieved, and as a result, the laser It is thought that the oscillation lifetime characteristics have improved.
[0055]
Furthermore, when the AlGaN film was investigated, Al x Ga 1-x The Al composition ratio x of the N film is preferably 0.01 or more and 0.15 or less, and more preferably 0.01 or more and 0.07 or less. If the Al composition ratio x is smaller than 0.01, it may be difficult to suppress the generation of voids. On the other hand, if the Al composition ratio x is greater than 0.15, the surface migration length described above may be too short (insufficient lateral growth), making it difficult to obtain a crystal strain relaxation effect above the mask. There is.
[0056]
The present invention is not limited to the AlGaN film, and effects similar to the above can be obtained as long as at least the nitride semiconductor film contains Al. The impurity concentration of the AlGaN film used as the nitride semiconductor film is 3 × 10. 17 / Cm Three 8 × 10 or more 18 / Cm Three The following is preferred. When impurities are added together with Al in such a concentration range, the surface migration length of the nitride semiconductor film is preferably shortened. This makes it possible to further reduce crystal distortion.
[0057]
Next, the nitride semiconductor film is preferably an InGaN film in the following points. When the InGaN film covers the mask substrate, the difference in laser oscillation lifetime is reduced due to the difference in the region (region I or region II) where the current confinement portion is formed. This reduced the element defect rate. This is thought to be due to the following reasons.
[0058]
Since the InGaN film contains In at least in the nitride semiconductor film, the InGaN film has elasticity compared to the GaN film and the AlGaN film. Therefore, the InGaN film can fill the mask and propagate crystal strain from the nitride semiconductor substrate to the entire nitride semiconductor film. This is considered to work to alleviate the difference between the crystal strain above the mask and the crystal strain above the window.
[0059]
Further, when the InGaN film was investigated, In x Ga 1-x The In composition ratio x of the N film is preferably 0.01 or more and 0.18 or less, more preferably 0.01 or more and 0.1 or less. If the In composition ratio x is smaller than 0.01, it may be difficult to obtain the effect of elastic force due to the inclusion of In. Further, if the In composition ratio x is larger than 0.18, the crystallinity of the InGaN film may be lowered.
[0060]
The present invention is not limited to an InGaN film, and effects similar to those described above can be obtained if at least a nitride semiconductor film contains In. The impurity concentration of the InGaN film used as the nitride semiconductor film is 1 × 10 17 / Cm Three 4 × 10 or more 18 / Cm Three The following is preferred. It is preferable to add an impurity together with In in such a concentration range because the surface morphology of the nitride semiconductor film is good and elasticity can be retained.
[0061]
(About film thickness of nitride semiconductor film covering mask substrate)
In order for the mask substrate to be completely covered with the nitride semiconductor film, the thickness of the nitride semiconductor film covering the mask substrate is preferably about 2 μm to 30 μm. Here, the coating thickness is defined as the thickness of the nitride semiconductor film when the nitride semiconductor film is directly grown on a flat nitride semiconductor substrate. If the coating thickness is less than 2 μm, it will be difficult to completely and evenly cover the mask substrate with a nitride semiconductor film, although it depends on the mask width and window width formed on the mask substrate. obtain. On the other hand, when the coating film thickness is greater than 30 μm, the growth in the vertical direction (perpendicular to the substrate surface) gradually becomes stronger than the lateral growth by the mask substrate, and the crystal strain relaxation effect is sufficiently enhanced. It becomes difficult to be demonstrated.
[0062]
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a method for manufacturing a nitride semiconductor laser device having a ridge stripe structure manufactured on a mask substrate with a film will be described. Here, the mask substrate with a film is a substrate in which a nitride semiconductor film is coated on the mask substrate as defined above. Other matters relating to the present invention are the same as those in the first embodiment.
[0063]
(Method for producing mask substrate with film)
A method for manufacturing a mask substrate with a film will be described with reference to FIGS. The schematic diagram of FIG. 3 shows a mask substrate composed of a mask 200 fabricated on a GaN substrate 101 (an example of a nitride semiconductor substrate), and n-type Al on the mask substrate. 0.03 Ga 0.97 The figure shows a mask substrate with a film coated with an N film 102 (an example of a nitride semiconductor film).
[0064]
First, the mask substrate is manufactured as follows. On the surface of the GaN substrate 101 whose plane direction is the (0001) plane, 2 A growth inhibiting film composed of the following was deposited with a thickness of 0.1 μm. The growth suppressing film was deposited by an electron beam deposition method (EB method) or a sputtering method. Thereafter, a stripe-shaped mask 200 was formed along the <1-100> direction of the GaN substrate 101 using a conventional lithography technique. The striped mask 200 was formed with a mask width of 13 μm and a window width of 7 μm. In this way, the mask substrate of the second embodiment was completed.
[0065]
Next, the mask substrate was sufficiently organically cleaned and transferred to an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) apparatus. Then, the group V raw material NH is formed on the mask substrate under the condition of a growth temperature of 1050 ° C. Three (Ammonia), Group III raw material TMGa (trimethylgallium) and Group III raw material TMAl (trimethylaluminum) are supplied. Four (Si impurity concentration 1 × 10 18 / Cm Three N-type Al with a thickness of 15 μm 0.03 Ga 0.97 An N film 102 (an example of a nitride semiconductor film) was stacked. Thus, the film-coated mask substrate 100 of the second embodiment was completed (FIG. 3).
[0066]
The growth suppression film described above is SiO. 2 Besides SiN x , Al 2 O Three TiO 2 , Tungsten or molybdenum may be used.
[0067]
The stripe direction of the stripe-shaped mask described above is formed along the <1-100> direction with respect to the GaN substrate 101 (an example of a nitride semiconductor substrate), but <11 with respect to the GaN substrate 101. It may be formed along the −20> direction.
[0068]
As the nitride semiconductor substrate described above, the GaN substrate 101 having the (0001) plane is used, but other plane orientations and other nitride semiconductor substrates may be used. As for the plane orientation of the nitride semiconductor substrate, the C plane {0001}, A plane {11-20}, R plane {1-102}, M plane {1-100}, {1-101} plane, etc. should be used. Is preferred. In addition, the surface morphology is good if the substrate has an off angle within 2 degrees from the plane orientation. Further, as another nitride semiconductor substrate, for example, in the case of a nitride semiconductor laser, a layer having a refractive index lower than that of the cladding layer is in contact with the outside of the cladding layer in order to make the vertical transverse mode unimodal. And an AlGaN substrate is preferably used.
[0069]
(Crystal Growth Method for Nitride Semiconductor Laser Device Having Ridge Stripe Structure) Next, the nitride semiconductor laser device manufactured on the mask substrate with the film is “crystal growth method for nitride semiconductor laser device having a ridge stripe structure”. The “process steps” and the “package mounting” will be described in order.
[0070]
FIG. 1 shows a nitride semiconductor laser device chip after the nitride semiconductor laser device grown on the film-coated mask substrate is divided into chips.
[0071]
1 includes a mask substrate 100 with a film, an n-type In 0.07 Ga 0.93 N crack prevention layer 103, n-type Al 0.1 Ga 0.9 N-clad layer 104, n-type GaN light guide layer 105, light-emitting layer 106, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 107, p-type GaN light guide layer 108, p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 109, p-type GaN contact layer 110, n-electrode 111, p-electrode 112, SiO 2 It consists of a dielectric film 113 and an n-type electrode pad 114. However, the film-coated mask substrate 100 includes a GaN substrate 101, a mask 200, and an n-type Al. 0.03 Ga 0.97 An N film 102 is used.
[0072]
Hereinafter, a method for manufacturing a nitride semiconductor laser device will be described in detail. Using a MOCVD apparatus, the film-coated mask substrate 100 is coated with NH as a group V raw material. Three TMGa or group III raw material TMGa or TEGa (triethylgallium), TMIn (trimethylindium) group III raw material and SiH Four N-type In at a growth temperature of 800 ° C. 0.07 Ga 0.93 The N crack prevention layer 103 was grown to 40 nm. Next, the substrate temperature is raised to 1050 ° C., and a group III raw material of TMAl or TEAl (triethylaluminum) is used to form an n-type Al having a thickness of 1.2 μm. 0.1 Ga 0.9 N clad layer 104 (Si impurity concentration 1 × 10 18 / Cm Three ) Is grown, followed by n-type GaN light guide layer 105 (Si impurity concentration 1 × 10 18 / Cm Three ) Was grown to 0.1 μm.
[0073]
After that, the substrate temperature was lowered to 800 ° C., and 3 cycles of 4 nm thick In 0.15 Ga 0.85 N well layer and 8nm thick In 0.01 Ga 0.99 A light emitting layer (multiple quantum well structure) 106 composed of an N barrier layer was grown in the order of barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. At that time, SiH is formed on both the barrier layer and the well layer. Four (Si impurity concentration is 1 × 10 18 / Cm Three ) Was added. A growth interruption between 1 second and 180 seconds may be performed between the barrier layer and the well layer or between the well layer and the barrier layer. This is preferable because the flatness of each layer is improved and the half width of light emission is reduced.
[0074]
When As is added to the light emitting layer, AsH Three (Arsine) or TBAs (tertiary butyl arsine), PH when P is added to the light emitting layer Three (Phosphine) or TBP (tertiarybutylphosphine), and when Sb is added to the light emitting layer, TMSb (trimethylantimony) or TESb (triethylantimony) is preferably added. Further, when the light emitting layer is formed, NH is used as an N raw material. Three Besides N 2 H Four (Dimethylhydrazine) may be used.
[0075]
Next, the substrate temperature was raised again to 1050 ° C., and p-type Al having a thickness of 20 nm. 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 107, 0.1 μm p-type GaN light guide layer 108, 0.5 μm p-type Al 0.1 Ga 0.9 An N clad layer 109 and a 0.1 μm p-type GaN contact layer 110 were sequentially grown. Mg (EtCP) as the p-type impurity 2 Mg: bisethylcyclopentadienylmagnesium) is 5 × 10 19 / Cm Three ~ 2x10 20 / Cm Three Added at. The p-type impurity concentration of the p-type GaN contact layer 110 is preferably increased in the direction of the p-electrode 112. This reduces the contact resistance due to p-electrode formation. Further, a small amount of oxygen may be mixed during the growth of the p-type layer in order to remove residual hydrogen in the p-type layer that hinders the activation of Mg, which is a p-type impurity.
[0076]
After the p-type GaN contact layer 110 is grown in this way, the reactor inside the MOCVD apparatus contains all nitrogen carrier gas and NH. Three The temperature was reduced at 60 ° C./min. When the substrate temperature reaches 800 ° C., NH Three Was stopped at the substrate temperature for 5 minutes and then lowered to room temperature. The holding temperature of the substrate is preferably between 650 ° C. and 900 ° C., and the standby time is preferably 3 minutes or more and 10 minutes or less. Further, the rate of arrival of the temperature drop is preferably 30 ° C./min or more. As a result of the evaluation of the grown film thus prepared by Raman measurement, the above-described technique has already shown p-type characteristics after growth even when conventional p-type annealing is not performed (Mg). Was activated). In addition, the contact resistance due to the formation of the p electrode has also been reduced. In addition to the above, if the conventional p-type annealing was combined, it was preferable because the Mg activation rate was further improved.
[0077]
In described above 0.07 Ga 0.93 The N crack prevention layer 103 may have an In composition ratio other than 0.07, or may not have the InGaN crack prevention layer itself. However, when the lattice mismatch between the cladding layer and the GaN substrate becomes large, it is more preferable in terms of prevention of cracks to insert the InGaN crack prevention layer.
[0078]
The light-emitting layer 106 described above has a configuration that starts with a barrier layer and ends with a barrier layer, but may have a configuration that starts with a well layer and ends with a well layer. Further, the number of well layers is not limited to the above-described three layers, and if it is 10 layers or less, the threshold current density is low, and continuous oscillation at room temperature is possible. In particular, when the number of layers is 2 or more and 6 or less, the threshold current density is preferably low. Further, the light emitting layer described above may contain Al.
[0079]
The light emitting layer 106 described above includes Si (SiH) in both the well layer and the barrier layer. Four ) Is 1 × 10 18 / Cm Three Although added, Si may not be added. However, the emission intensity was stronger when Si was added to the light emitting layer. As the impurity added to the light emitting layer, at least one of the impurity groups of O, C, Ge, Zn, or Mg may be added in addition to the Si. The total amount of the impurity group added is about 1 × 10. 17 ~ 8x10 18 / Cm Three The degree was favorable. Furthermore, the layer to which the impurity is added is not limited to both the well layer and the barrier layer, and the impurity may be added to only one of the layers.
[0080]
P-type Al described above 0.2 Ga 0.8 The N carrier block layer 107 may have an Al composition ratio other than 0.2, or the carrier block layer itself may not be present. However, the threshold current density was lower when the carrier block layer was provided. This is because the carrier block layer has a function of confining carriers in the light emitting layer. Increasing the Al composition ratio of the carrier block layer is preferable because carrier confinement is strengthened. Further, it is preferable to reduce the Al composition ratio to such an extent that carrier confinement is maintained, because the carrier mobility in the carrier block layer increases and the electrical resistance decreases.
[0081]
In the above description, as the p-type cladding layer and the n-type cladding layer, Al 0.1 Ga 0.9 An N crystal is used, but an AlGaN ternary crystal having an Al composition ratio other than 0.1 may be used. When the mixed crystal ratio of Al increases, the energy gap difference and the refractive index difference with the light emitting layer increase, carriers and light are efficiently confined in the light emitting layer, and the laser oscillation threshold current density is reduced. Further, if the Al composition ratio is reduced to such an extent that the confinement of carriers and light is maintained, the carrier mobility in the cladding layer increases, and the operating voltage of the device can be lowered.
[0082]
The thickness of the AlGaN clad layer described above is preferably 0.7 μm to 1.5 μm. As a result, the unimodal vertical transverse mode and the light confinement efficiency are increased, so that the optical characteristics of the laser can be improved and the laser threshold current density can be reduced.
[0083]
The cladding layer described above is an AlGaN ternary mixed crystal, but may be a quaternary mixed crystal such as AlInGaN, AlGaNP, and AlGaNAs. Furthermore, the p-type cladding layer has a superlattice structure composed of a p-type AlGaN layer and a p-type GaN layer or a superlattice structure composed of a p-type AlGaN layer and a p-type InGaN layer in order to reduce electrical resistance. You may do it.
[0084]
In the above description, the crystal growth method using the MOCVD apparatus has been described. However, molecular beam epitaxy (MBE) or hydride vapor phase epitaxy (HVPE) may be used.
[0085]
(Process process)
Subsequently, a description will be given of the process steps for removing the epi-wafer produced by the above-mentioned “crystal growth method of nitride semiconductor laser element having ridge stripe structure” from the MOCVD apparatus and processing it into a nitride semiconductor laser element chip. . Here, the surface of the epi-wafer after the fabrication of the nitride semiconductor laser device was flat, and the mask and window formed on the mask substrate were completely buried with the nitride semiconductor film and the light-emitting device structure.
[0086]
The n-type electrode 111 is formed from the front side of the epi-wafer by using a dry etching method. 0.03 Ga 0.97 After the N film 102 was exposed, it was formed in the order of Hf / Al. Then, Au was deposited as an n-type electrode pad 114 on the n-electrode 111. In addition to the n-electrode material, Ti / Al, Ti / Mo, Hf / Au, or the like may be used. It is preferable to use Hf for the n electrode because the contact resistance of the n electrode is lowered. Since the mask substrate is composed of a nitride semiconductor substrate, an n-electrode may be formed from the back side of the mask substrate (see FIG. 8). However, the nitride semiconductor substrate needs to be doped with impurities so as to have n-type polarity.
[0087]
The p-electrode portion was etched in a stripe shape along the same direction as the stripe direction of the mask to form a ridge stripe portion (FIG. 1). The ridge stripe portion was formed so as to exclude the region III at a position 4 μm away from the center of the mask. The ridge stripe portion had a width of 1.7 μm. Then SiO 2 A dielectric film 113 was deposited, the p-type GaN contact layer 110 was exposed, and a p-electrode 112 was deposited in the order of Pd / Mo / Au. In addition to the p-electrode material, any of Pd / Pt / Au, Pd / Au, or Ni / Au may be used.
[0088]
Finally, the epi-wafer was cleaved in a direction perpendicular to the ridge stripe direction to produce a Fabry-Perot resonator having a resonator length of 500 μm. The resonator length is generally preferably 300 μm to 1000 μm. The cavity facet of the nitride semiconductor laser element in which the stripe direction of the mask is formed along the <1-100> direction is the M plane ({1-100} plane) of the nitride semiconductor crystal. The cleavage for forming the cavity end face and the chip division of the nitride semiconductor laser element were performed by a scriber from the back side of the mask substrate. However, the cleavage was not performed after the scriber was scratched on the entire surface of the wafer, but was cleaved by the scriber only on a part of the wafer, for example, both ends of the wafer. . As a result, the yield is improved because the sharpness of the end face of the resonator and the scrap due to scribing do not adhere to the epi surface. In addition to the laser resonator feedback method, a generally known DFB (Distributed Feedback) or DBR (Distributed Bragg Reflector) may be used. After the resonator end face of the Fabry-Perot resonator is formed, SiO having a reflectivity of 70% is formed on the end face. 2 And TiO 2 The dielectric films were alternately deposited to form a dielectric multilayer reflective film. In addition to the dielectric material, SiO 2 / Al 2 O Three May be used as a dielectric multilayer reflective film. The nitride semiconductor laser device chip shown in FIG. 1 was produced as described above.
[0089]
(Package mounting)
Next, a method for mounting the semiconductor laser element chip on a package will be described. High power (30 mW or more) nitride semiconductor laser device chips must pay attention to heat dissipation measures. For example, the high-power nitride semiconductor laser element chip is preferably connected to the package body by junction down using an In solder material. In addition, the high-power nitride semiconductor laser device chip is not directly attached to the package body or the heat sink, but is a sub-substance of any one of Si, AlN, diamond, Mo, CuW, BN, Fe, Cu, SiC, or Au. It may be connected via a mount.
[0090]
As a result, the current confinement portion of the nitride semiconductor laser element was produced at the optimum position of the present invention, and a laser oscillation lifetime of about 13000 hours was achieved under conditions of a laser output of 30 mW and an ambient temperature of 60 ° C.
[0091]
The formation position, mask width, and window width of the ridge stripe portion described in the second embodiment may be manufactured with other numerical values as long as the conditions described in the first embodiment are satisfied. Absent.
[0092]
(Embodiment 3)
In the third embodiment, the nitride semiconductor laser element having the ridge stripe structure described in the second embodiment is replaced with a nitride semiconductor laser element having a current blocking layer (FIG. 4B). This is the same as the first embodiment or the second embodiment.
[0093]
A nitride semiconductor laser device having a current blocking layer will be described below with reference to FIG.
[0094]
FIG. 9 shows a mask substrate 100 with a film, n-type In 0.07 Ga 0.93 N crack prevention layer 103, n-type Al 0.1 Ga 0.9 N-clad layer 104, n-type GaN light guide layer 105, light-emitting layer 106, p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer 107, p-type GaN light guide layer 108, p-type Al 0.1 Ga 0.9 N first cladding layer 109a, current blocking layer 120, p-type Al 0.1 Ga 0.9 The N second cladding layer 109b, the p-type GaN contact layer 110, the n-electrode 111, and the p-electrode 112 are included.
[0095]
The current blocking layer 120 may be a layer that blocks current so that the current injected from the p-type electrode 112 can pass only through the width of the current blocking layer shown in FIG. For example, as the current blocking layer 120, n-type Al 0.25 Ga 0.75 An N layer may be used. The Al composition ratio of the current blocking layer is not limited to 0.25, and other values may be used.
[0096]
In the third embodiment, the mask formed on the mask substrate is 10 μm wide, the window is 5 μm wide, the mask is 0.1 μm thick, and the current blocking interlayer width is 1.8 μm. Also, one end of the portion sandwiched between the two current blocking layers 120 is formed at a position 3 μm away from the center of the mask, and the portion sandwiched between the two current blocking layers 120 does not include the upper portion of the mask center. (Position corresponding to region I of the present invention).
[0097]
(Embodiment 4)
The fourth embodiment is the same as any one of the first to third embodiments except that a mask is formed on the nitride semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate.
A method for manufacturing a film-coated mask substrate according to the fourth embodiment will be described below.
[0098]
First, a GaN substrate (an example of a nitride semiconductor substrate) having a (0001) plane orientation was loaded into the MOCVD apparatus. And at a growth temperature of 550 ° C., NH Three And TMGa were supplied to the GaN substrate to form a low-temperature GaN buffer layer. Next, the growth temperature is raised to 1050 ° C. and NH Three , TMGa and SiH Four Was supplied, and an n-type GaN layer (an example of a nitride semiconductor layer) was formed on the low-temperature GaN buffer layer. After the n-type GaN layer was formed, the substrate was taken out from the MOCVD apparatus.
[0099]
Subsequently, on the surface of the n-type GaN layer of the substrate taken out from the MOCVD apparatus, SiN x A growth inhibiting film composed of the following was deposited with a thickness of 0.15 μm. SiN x Was deposited by sputtering. Thereafter, using conventional lithography technology, stripe-like SiN is formed along the <1-100> direction of the GaN substrate. x The mask was formed. The mask was formed with a mask width of 8 μm and a window width of 2 μm. In this way, the mask substrate according to the fourth embodiment was completed.
[0100]
Next, the mask substrate was sufficiently organically cleaned and transferred to an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) apparatus. Then, the group V raw material NH is formed on the mask substrate under the condition of a growth temperature of 1050 ° C. Three Group III raw materials TMGa and SiH Four (Si impurity concentration 1 × 10 18 / Cm Three ), And a GaN film (an example of a nitride semiconductor film) having a thickness of 20 μm was laminated. Thus, the film-coated mask substrate according to the fourth embodiment was completed.
[0101]
The low-temperature GaN buffer layer described in the fourth embodiment is made of low-temperature Al. x Ga 1-x The N buffer layer (0 ≦ x ≦ 1) may be used, and the low temperature buffer layer itself may not be formed. However, currently supplied GaN substrates have unfavorable surface morphology, so low temperature Al x Ga 1-x It is preferable that the N buffer layer (0 ≦ x ≦ 1) is inserted because the surface morphology is improved. Here, the low temperature buffer layer refers to a buffer layer formed at a growth temperature of about 450 ° C. to 600 ° C. The buffer layer manufactured in these growth temperature ranges is polycrystalline or amorphous.
[0102]
The mask width and the window width formed on the mask substrate described in the fourth embodiment may be manufactured with other numerical values as long as the conditions described in the first embodiment are satisfied.
[0103]
Other matters relating to the method of manufacturing the film-coated mask substrate of the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment.
[0104]
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, any one of the first to fourth embodiments described above except that at least one element of the element group of As, P, or Sb is contained in the light emitting layer of the nitride semiconductor laser element. It is the same.
[0105]
In the present invention, at least one element of the element group of As, P, or Sb is contained in at least the well layer in the light emitting layer constituting the nitride semiconductor light emitting laser element. At this time, when the total composition ratio of the element group contained in the well layer is X and the N element composition ratio of the well layer is Y, X is smaller than Y and X / (X + Y) is 0.3 (30%) or less, preferably 0.2 (20%) or less. The lower limit of the sum of the element groups is 1 × 10 18 / Cm Three That's it. When the total composition ratio X of the element groups becomes higher than 20%, concentration separation with different composition ratios of the elements gradually starts to occur for each region in the well layer. Further, when the total composition ratio X of the element groups becomes higher than 30%, this time, the concentration separation starts to shift to the crystal separation in which a hexagonal system and a cubic system are mixed, and the crystallinity of the well layer starts to deteriorate. On the other hand, the total addition amount of the element group is 1 × 10 18 / Cm Three When it becomes smaller than this, the effect by containing the said element in a well layer becomes difficult to be acquired.
[0106]
The effect of the fifth embodiment is that the effective mass of electrons and holes in the well layer is small by containing at least one element of the element group in the well layer. Increases mobility. In the case of a semiconductor laser device, the former means that a carrier inversion distribution for laser oscillation can be obtained with a small amount of current injection, and the latter means that even if electrons and holes disappear in the light emitting layer due to light emission recombination, It means that holes are injected at high speed by diffusion. That is, the nitride semiconductor laser device of the present invention has a threshold current density higher than that of the currently reported InGaN-based nitride semiconductor laser device that does not contain any element group of As, P, or Sb in the light emitting layer. It is possible to manufacture a semiconductor laser that is low and has excellent self-oscillation characteristics (excellent noise characteristics).
[0107]
(Embodiment 6)
In the sixth embodiment, a case where the nitride semiconductor laser element according to the present invention is applied to a semiconductor optical device will be described.
[0108]
The blue-violet (oscillation wavelength of 380 to 420 nm) nitride semiconductor laser element according to the present invention is preferable in the following points when used in a semiconductor optical device, for example, an optical pickup device. The nitride semiconductor laser device operates stably in a high output (30 mW), high temperature atmosphere (60 ° C.), and has a long laser oscillation life. It is most suitable for the device (the shorter the oscillation wavelength, the higher the recording / reproduction is possible).
[0109]
FIG. 10 shows a schematic diagram of an optical disk apparatus (an apparatus having an optical pickup, such as a DVD apparatus) as an example in which the nitride semiconductor laser element of the present invention is used in a semiconductor optical apparatus. The laser light in FIG. 10 is modulated by an optical modulator in accordance with input information and recorded on a disk through a lens. At the time of reproduction, the laser beam optically changed by the pit arrangement on the disc is detected by the photodetector through the splitter and becomes a reproduction signal. These operations are controlled by a control circuit. The laser output is normally about 30 mW during recording and about 5 mW during reproduction.
[0110]
The present invention can be used for, for example, a laser printer, a bar code reader, a projector using three primary colors of light (blue, green, red) laser in addition to the optical disk device having the optical pickup device.
[0111]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0112]
【The invention's effect】
According to the present invention, a nitride semiconductor laser element having a long laser oscillation lifetime and a semiconductor optical device using the nitride semiconductor laser element can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a state in which a nitride semiconductor film is coated on a mask substrate (n electrode and p electrode are arranged in the same direction).
2A and 2B are schematic views showing an example of a mask substrate, in which FIG. 2A shows a cross section of an example of a mask substrate, and FIG. 2B shows an upper surface of an example of a mask substrate.
FIG. 3 is an example of a mask substrate with a film.
FIG. 4 is a schematic diagram of a nitride semiconductor laser structure, in which (a) is an example of a nitride semiconductor laser element having a ridge stripe structure, and (b) is a diagram of a nitride semiconductor laser element having a current blocking layer. It is an example.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a position where a ridge stripe portion is formed and a laser oscillation lifetime of a nitride semiconductor laser device fabricated on a film-coated mask substrate.
FIG. 6 is a schematic view showing a preferable manufacturing region in which a current confinement portion of a nitride semiconductor laser element can be formed on a film-coated mask substrate.
FIG. 7 is a view showing a state where a nitride semiconductor film is coated on a mask substrate, in which (a) shows a state in which a nitride semiconductor grows from a {11-20} facet plane; ) Is a view showing a state in which a hollow portion is covered with a nitride semiconductor film.
FIG. 8 is a nitride semiconductor laser device chip having a ridge stripe portion (n electrode and p electrode are arranged at positions facing each other).
FIG. 9 is an example of a nitride semiconductor laser element chip having a current blocking layer.
FIG. 10 shows an example of a semiconductor optical device using the present invention (optical pickup device).
[Explanation of symbols]
100 Mask substrate with film, 101 GaN substrate, 102 n-type Al 0.03 Ga 0.97 N film, 103 n-type In 0.07 Ga 0.93 N crack prevention layer, 104 n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 105 n-type GaN light guide layer, 106 light emitting layer, 107 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N carrier block layer, 108 p-type GaN light guide layer, 109 p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer, 110 p-type GaN contact layer, 111 n electrode, 112 p electrode, 113 SiO 2 Dielectric film, 114 n-type electrode pad, 120 current blocking layer, 200 mask.

Claims (8)

窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層または窒化物半導体基板おいて窒化物半導体がエピタキシャル成長を抑制される成長抑制膜から構成されるストライプ状のマスクと前記マスクが形成されていないストライプ状の窓部とを有するマスク基板があって、
前記窓部の幅が5μm以上20μm以下に設定されており、
前記マスク基板を被覆する窒化物半導体膜と、
少なくともn型層とp型層とによって挟まれた井戸層または井戸層と障壁層とからなる発光層を有する発光素子構造と前記マスク基板上に順次成長させられており
記窓部の上方の領域であってかつ前記窓部のストライプ方向に向かって前記窓部の幅の中央から左右に1μm以上の領域に前記発光素子構造の電流狭窄部分が作製されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
Have nitride stripe mask before Symbol mask configured nitride stacked on the semiconductor substrate a semiconductor layer or Oite nitride semiconductor nitride semiconductor substrate from the growth inhibiting film is suppressed epitaxial growth is formed There is a mask substrate having no striped window,
The width of the window is set to 5 μm or more and 20 μm or less,
A nitride semiconductor film covering the mask substrate;
A light emitting device structure having a light-emitting layer comprising at least an n-type layer and the p-type layer and the well layer sandwiched by or well and barrier layers are provided are sequentially grown on the mask substrate,
Are current confinement portion of the light emitting device structure comprising a top region and from the middle of the width of toward the stripe direction of the window portion said window portion 1μm or more areas to the right and left front Kimado portion produced Tei Rukoto A nitride semiconductor laser device characterized by the above.
前記マスクの幅が5μm以上30μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the width of the mask is 5 μm or more and 30 μm or less. 前記マスクの幅が前記窓部幅よりも広いことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride semiconductor laser device according to claim 1 or 2 width of the mask is equal to or wider than the window width. 前記窒化物半導体膜少なくともAxGa1-xN(Al組成比xは0.01以上0.15以下)を含むことを特徴する請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride semiconductor film at least A x Ga 1-x N ( Al composition ratio x is 0.01 to 0.15) nitride according to any one of claims 1 to 3, which comprises a semiconductor Laser element. 前記窒化物半導体膜InxGa1-xN(In組成比xは0.01以上0.18以下)を含むことを特徴する請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride semiconductor laser according to any one of claims 1 to 3 wherein the nitride semiconductor film, characterized in that the In x Ga 1-x N ( In composition ratio x is 0.01 or more 0.18 or less) containing element. As、PもしくはSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素が、前記井戸層に含有されていることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。As, at least one element selected from the element group consisting of P or Sb is, the nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 5, characterized in Tei Rukoto be contained in the well layer. 前記マスク基板の裏面側にn型用電極が形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride semiconductor laser device according to any of claims 1 to 6, characterized in that the n-type electrode on the back side of the mask substrate is formed. 請求項1からのいずれかの窒化物半導体レーザ素子を含む半導体光学装置。The semiconductor optical device comprising any Kano nitride semiconductor laser device of claims 1 7.
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