JP3888170B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレーザ素子に係り、特に電極ストライプ型のレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体はバンドギャップが１．９５ｅＶ〜６．０ｅＶまであり、直接遷移型の材料であるので、紫外〜赤色までの半導体レーザ素子の材料として従来より注目されている。
【０００３】
従来の窒化物半導体レーザ素子の代表的な構造を示す模式的な断面図を図３に示す。このレーザ素子は電極ストライプ型の構造を示している。基本的には、サファイア基板３１の表面にｎ型クラッド層３２と活性層３３とｐ型クラッド層３４とが順に積層されたダブルヘテロ構造を有している。ｐ型クラッド層３４、活性層３３、およびｎ型クラッド層３２の一部はストライプ状にエッチングされてｎ型クラッド層３２の水平面が露出されている。ｎ型クラッド層３２の水平面にはストライプ状の負電極４１が形成され、最上層のｐ型クラッド層３４にもストライプ状の正電極４２が形成されたいわゆるフリップチップ方式となっている。さらに、正電極４２とｐ型クラッド層３４との間には、電流狭窄層としてＳｉＯ２よりなる絶縁層３５が形成され、その絶縁層３５で電流を活性層３３に集中させて発振を起こす構造とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図３の矢印に示すように、従来のレーザ素子では絶縁層３５で狭窄した電流がｐ型クラッド層３４中、あるいは活性層３３中で広がってしまい、活性層３３に部分的に電流を集中させることが困難であった。電流が集中できないので、活性層３３が均一に発光し、従来の構造ではＬＥＤとしての特性しか示さないのが実状であった。
【０００５】
従って本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは活性層に電流を集中させてレーザ発振する窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【０００６】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、ｎ型層、活性層及びｐ型層が順次積層されたダブルへテロ構造を有し、前記ｐ型層上に正電極が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、前記ｎ型層は、前記基板側から順に、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１のｎ型クラッド層と、ｎ型ＩｎＧａＮ若しくはｎ型ＧａＮからなり前記活性層に接する第２のｎ型クラッド層と、を有し、前記活性層は、ＩｎＧａＮからなる井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、前記ｐ型層は、前記活性層側から順に、前記活性層に接するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層と、ｐ型ＧａＮ若しくはｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層と、を有しており、前記ｐ型コンタクト層、前記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、前記活性層、前記第２のｎ型クラッド層及び前記第１のｎ型クラッド層はストライプ状にエッチングされて、そのエッチングされて露出された側面及び平面には連続した絶縁膜が形成されており、前記正電極は最上層のｐ型層の表面にｐ型層のストライプ幅とほぼ同一の幅で接することを特徴とする。
【０００７】
図１に本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状を示す斜視図を示し、図２に図１の斜視図をストライプに垂直な方向で切断した模式断面図を示す。これらの図に示すように、本発明のレーザ素子はストライプ状にエッチングされたｐ層のストライプ幅とほぼ同一の幅を有する正電極をｐ層に直接接して形成することにより、電流の広がりをなくして活性層に直接電流が集中するようにしている。その電流の広がりをなくして活性層に電流を集中できる好ましいストライプ幅は５０μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下、最も好ましくは１０μｍ以下である。５０μｍよりも広いと、レーザ発振のしきい値電流が高くなりレーザ発振しなくなる傾向にあるからである。なお、本発明においてほぼ同一の幅とは、−１０％以内の幅で電極幅がｐ型層の幅に近似していることを示すものとする。
【０００８】
図２はレーザ素子の基本的な構造は活性層をｎ型とｐ型の窒化物半導体層で挟んだダブルへテロ構造であるが、特にレーザ発振しやすい構造として図２に示す構造を推奨する。
【０００９】
図２は基板１の表面に、ｎ型コンタクト層２、第一のｎ型クラッド層３、第二のｎ型クラッド層４、活性層５、第一のｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７とを順に積層した、いわゆる分離閉じ込め型のダブルへテロ構造を示している。ｐ型コンタクト層７、第一のｐ型クラッド層６、活性層５、第二のｎ型クラッド層４、第一のｎ型クラッド層３、およびｎ型コンタクト層２の一部がエッチングされてストライプ状の負電極１１が形成され、さらに、エッチングにより残されたストライプ状のｐ型コンタクト層７の表面に、ｐ型コンタクト層７のストライプ幅とほぼ同一の幅を有する正電極１２が直接接して形成されている。
【００１０】
基板１にはサファイア（Ｃ面、Ｒ面、Ａ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む。）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ等が使用できるが、一般的にはサファイア、またはＳｉＣを使用する。
【００１１】
ｎ型コンタクト層２としてはＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の二元混晶、または三元混晶の半導体層が結晶性の良いものが得られる。特にＧａＮとすると負電極材料と好ましいオーミックが得られる。ｎ型とするには半導体層にＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のドナー不純物をドープする。また基板１とｎ型コンタクト層２との間に、格子定数不整を緩和するためにＧａＮ、ＡｌＮ等がバッファ層を形成しても良い。
【００１２】
次の第一のｎ型クラッド層３は第二のｎ型クラッド層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体を形成し、特に前記ドナー不純物をドープしたｎ型ＡｌＧａＮは結晶性が良く、またバンドギャップの大きい半導体層が得られる。
【００１３】
次の第二のｎ型クラッド層４は活性層５よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体層を形成し、特に前記ドナー不純物をドープしたｎ型ＩｎＧａＮ、またはｎ型ＧａＮが好ましい。また後に述べるように、第二のｎ型クラッド層４は活性層５との組み合わせにおいてもＩｎＧａＮ、ＧａＮが好ましく、レーザ発振させるためにはＩｎＧａＮ、ＧａＮよりなるこの第二のｎ型クラッド層４を形成することは特に好ましい。
【００１４】
次の活性層５はノンドープのＩｎＧａＮとすると、およそ６３５ｎｍ〜３６５ｎｍ付近のバンド間発光が得られる。好ましくはインジウムのモル比をガリウムに対して半分以下にしたＩｎＧａＮが結晶性が良く、レーザ素子の寿命が長い。また、活性層を数十オングストロームの膜厚で２層以上積層した多層膜、つまり多重量子井戸構造としてもよい。単一量子井戸構造、多重量子井戸構造いずれの活性層においても、活性層はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンドープ（無添加）とすることにより半値幅の狭いバンド間発光、励起子発光、あるいは量子井戸準位発光が得られ、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子を実現する上で特に好ましい。活性層を単一量子井戸（ＳＱＷ：single quantum well）構造若しくは多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造とすると非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層を単一組成のＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X＜１）で構成した層であり、ＩｎＸＧａ１−ＸＮの膜厚を１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。またＭＱＷは組成比の異なるＩｎＸＧａ１−ＸＮ（この場合X＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることにより量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように７０オングストローム以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎＸＧａ１−ＸＮで構成し、障壁層は同じくＩｎＹＧａ１−ＹＮ（Y＜X、この場合Y＝０を含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚は１５０オングストローム以下、さらに好ましくは１２０オングストローム以下にすると高出力な発光素子が得られる。また、活性層５にドナー不純物および／またはアクセプター不純物をドープしてもよい。不純物をドープした活性層の結晶性がノンドープと同じであれば、ドナー不純物をドープするとノンドープのものに比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができる。アクセプター不純物をドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低エネルギー側にピーク波長を持っていくことができるが、半値幅は広くなる。アクセプター不純物とドナー不純物を同時にドープすると、アクセプター不純物のみドープした活性層の発光強度をさらに大きくすることができる。特にアクセプター不純物をドープした活性層を実現する場合、活性層の導電型はＳｉ等のドナー不純物を同時にドープしてｎ型とすることが好ましい。活性層５は例えば数オングストローム〜０．５μｍの膜厚で成長させることができる。
【００１５】
次に、第一のｐ型クラッド層６は活性層５よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体で形成し、特に好ましくはアクセプター不純物をドープしたｐ型ＡｌＧａＮにすると結晶性が良く、またバンドギャップの大きい半導体層が得られる。またアクセプター不純物ドープ後、さらに低抵抗なｐ型にする目的で４００℃以上でアニーリングを行っても良い。アクセプター不純物としては例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ等のII族元素、Ｃ（カーボン）等がある。
【００１６】
また第一のｐ型クラッド層６と活性層５との間に、活性層５よりもバンドギャップが大きく、第一のクラッド層６よりもバンドギャップが小さい第二のｐ型クラッド層を挿入しても良い。第二のｐ型クラッド層はアクセプター不純物をドープしたｐ型ＩｎＧａＮが好ましい。ここで、第二のｎ型クラッド層４と活性層５と第二のｐ型クラッド層（第二のｐ型クラッド層は特に成長しなくても良い。）との組み合わせにおいて、活性層５を単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造として、活性層を構成する窒化物半導体層の膜厚を薄くすることにより、第二のｎ型クラッド層４との界面に、弾性的な歪が発生し、歪量子井戸構造のレーザ素子が実現されるので、レーザ発振が容易となる。特にこの弾性的な歪は活性層５をＩｎＧａＮとし、第二のｎ型クラッド層４を活性層６よりもバンドギャップの大きいｎ型ＩｎＧａＮ、またはｎ型ＧａＮとした際に発生する傾向にある。
【００１７】
次に、ｐ型コンタクト層８は第一のｐ型クラッド層７と同じくアクセプター不純物をドープしたｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ等の二元混晶、または三元混晶の半導体層が結晶性の良いものが得られる。特にＧａＮとすると正電極材料と好ましいオーミックが得られる。
【００１８】
窒化物半導体のエッチング手段としては、ドライエッチング、ウェットエッチング両方の手段があるが、エッチング端面を垂直にしたストライプを形成するにはドライエッチングが好ましい。ドライエッチングでは例えば、反応性イオンエッチング、イオンミリング、イオンビームアシストエッチング、集束イオンビームエッチング等の手段を用いることができる。
【００１９】
また図４は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図であるが、図２の断面図と異なる点は、ストライプ状にエッチングされたｐ型層の側面に絶縁膜２０を形成し、さらにそのｐ型層のストライプ幅とほぼ同一の幅で接するストライプ状の正電極１２をｐ型層に接して形成し、さらに、正電極１２をｐ型層から絶縁膜２０の表面に亙って形成していることである。つまり正電極１２にワイヤーボンディングする際、図２に示すようなストライプ状の正電極１２ではその幅が狭いために、ワイヤーボンディングするのはほとんど不可能である。そこで、正電極１２の幅を広くとるために、ｐ型層の側面にＳｉＯ２のような絶縁体よりなる絶縁膜２０を新たに形成し、その絶縁膜２０の表面に、ｐ型層と電気的に接続した正電極１２を形成している。図１のような構造であると電極がワイヤーボンディングできず、フェイスダウンの構造となるが、図４のような構造にするとフェイスアップの構造とできるので、チップサイズを小さくすることができる。
【００２０】
【作用】
本発明のレーザ素子ではｐ型層のストライプ幅を狭くして活性層に電流が集中するようにしている。つまり、ストライプ状にエッチングされたｐ型層に、ほぼ同一のストライプ幅を有する正電極を形成すると、ｐ型層中で電流が広がってもストライプ幅が狭いので活性層の電流密度が上がり容易にレーザ発振しやすくなる。また活性層から基板と平行方向に出る光に関しても、活性層のストライプ幅が狭いので、窒化物半導体と屈折率差の大きい大気との距離が短くなり、この狭い領域で光が閉じ込められるので、容易にレーザ発振する。
【００２１】
また本発明のレーザ素子であると従来のようにｐ型層の表面に電流狭窄のための絶縁層を形成するプロセスが必要ないので、製造工程を短縮できる。
【００２２】
【実施例】
［実施例１］
厚さ３５０μｍのサファイア基板１上に、ＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストローム、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２を５μｍ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｎ型クラッド層３を０．１μｍ、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第二のｎ型クラッド層４を５００オングストローム、ノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎよりなる活性層５を１００オングストローム、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ型クラッド層６を０．１μｍ、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層７を０．５μｍの膜厚で順に成長させたウェーハを用意する。
【００２３】
次に、このウェーハのｐ型コンタクト層７の表面に所定の形状でマスクを形成した後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いて、窒化物半導体層を１０μｍのストライプ幅でエッチングする。エッチング後、露出したｎ型コンタクト層３にはＴｉ／Ａｌよりなる負電極１１を２０μｍの幅でストライプ状に形成し、ストライプ状のｐ型コンタクト層７の全面にＮｉ／Ａｕよりなる正電極１２を形成する。
【００２４】
次に、サファイア基板１の窒化物半導体層を形成していない方の面を研磨機で８０μｍの厚さまで研磨する。研磨後、サファイア基板の研磨面をスクライバーでスクライブする。スクライブ方向はストライプ電極と直交するラインと、もう一方のスクライブラインは電極と平行な方向とする。スクライブライン形成後、ウェーハをローラで押し割り、電極に垂直な方向で劈開した窒化物半導体層面を光共振器とする共振器長５００μｍのレーザチップとする。
【００２５】
次にレーザチップの窒化物半導体層面にマスクを施したのち、スパッタ装置で劈開面にＳｉＯ２とＺｒＯ２よりなる誘電体多層膜を形成する。この誘電体多層膜は活性層の波長を９０％以上反射させる作用を有している。
【００２６】
このようにして得られたレーザチップをフェースダウン（電極とヒートシンク面が対向する）してヒートシンクに設置した後、室温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度１．０ｋＡ／cm２以上で発振波長４４０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００２７】
［実施例２］
実施例１において、窒化物半導体層のエッチング時にストライプ幅を３０μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、室温においてしきい値電流密度３．０ｋＡ／cm２以上でレーザ発振が確認された。
【００２８】
［実施例３］
実施例１において、窒化物半導体層のエッチング時にストライプ幅を５０μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素温度においてしきい値電流密度５．０ｋＡ／cm２以上でレーザ発振が確認された。
【００２９】
［実施例４］
実施例１において、窒化物半導体層のエッチング時にストライプ幅を６０μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素温度においてしきい値電流密度６．０ｋＡ／cm２以上でレーザ発振が確認されたが、すぐに素子が破壊してしまった。
【００３０】
［実施例５］
実施例１において、活性層５の組成をノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームと、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を１３回繰り返し、最後に井戸層を積層して総厚１０００オングストロームの活性層６を成長させた。後は実施例１と同様にして室温でレーザ発振を試みたところ、同じくしきい値電流密度１．０ｋＡ／cm２以上で発振波長４４０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００３１】
［比較例］
実施例１において、窒化物半導体層のエッチング時にストライプ幅を１００μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素温度においてもレーザ発振を示さず、すぐに素子が破壊してしまった。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ素子ではストライプ状にエッチングされたｐ型層の表面に、ストライプと同一の幅で接する正電極が形成されており、この電極が直接電流狭窄の作用をする。つまりｐ型層に電流が広がってもレーザ発振するのに十分電流密度が上昇するだけのストライプ幅を有しているため、容易に光閉じ込めができて、常温で発振する。また、従来のように、ｐ型層の表面に絶縁体で電流狭窄層を形成する必要がなくなる。従って、絶縁体形成時の細かいマスク合わせの技術が必要なくなるので、製造歩留が向上する。このように窒化物半導体で常温で短波長域のレーザ素子が実現されたことにより、書き込み用光源、コンパクトディスクの光源として記録密度が飛躍的に向上し、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状を示す斜視図。
【図２】 図１のレーザ素子をストライプに垂直な方向で切断した模式断面図。
【図３】 従来のレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ型コンタクト層
３・・・・第一のｎ型クラッド層
４・・・・第二のｎ型クラッド層
５・・・・活性層
６・・・・第一のｐ型クラッド層
７・・・・ｐ型コンタクト層
１２・・・・正電極
１１・・・・負電極
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレーザ素子に係り、特に電極ストライプ型のレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体はバンドギャップが１．９５ｅＶ〜６．０ｅＶまであり、直接遷移型の材料であるので、紫外〜赤色までの半導体レーザ素子の材料として従来より注目されている。
【０００３】
従来の窒化物半導体レーザ素子の代表的な構造を示す模式的な断面図を図３に示す。このレーザ素子は電極ストライプ型の構造を示している。基本的には、サファイア基板３１の表面にｎ型クラッド層３２と活性層３３とｐ型クラッド層３４とが順に積層されたダブルヘテロ構造を有している。ｐ型クラッド層３４、活性層３３、およびｎ型クラッド層３２の一部はストライプ状にエッチングされてｎ型クラッド層３２の水平面が露出されている。ｎ型クラッド層３２の水平面にはストライプ状の負電極４１が形成され、最上層のｐ型クラッド層３４にもストライプ状の正電極４２が形成されたいわゆるフリップチップ方式となっている。さらに、正電極４２とｐ型クラッド層３４との間には、電流狭窄層としてＳｉＯ２よりなる絶縁層３５が形成され、その絶縁層３５で電流を活性層３３に集中させて発振を起こす構造とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図３の矢印に示すように、従来のレーザ素子では絶縁層３５で狭窄した電流がｐ型クラッド層３４中、あるいは活性層３３中で広がってしまい、活性層３３に部分的に電流を集中させることが困難であった。電流が集中できないので、活性層３３が均一に発光し、従来の構造ではＬＥＤとしての特性しか示さないのが実状であった。
【０００５】
従って本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは活性層に電流を集中させてレーザ発振する窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【０００６】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、ｎ型層、活性層及びｐ型層が順次積層されたダブルへテロ構造を有し、前記ｐ型層上に正電極が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、前記ｎ型層は、前記基板側から順に、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１のｎ型クラッド層と、ｎ型ＩｎＧａＮ若しくはｎ型ＧａＮからなり前記活性層に接する第２のｎ型クラッド層と、を有し、前記活性層は、ＩｎＧａＮからなる井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、前記ｐ型層は、前記活性層側から順に、前記活性層に接するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層と、ｐ型ＧａＮ若しくはｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層と、を有しており、前記ｐ型コンタクト層、前記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、前記活性層、前記第２のｎ型クラッド層及び前記第１のｎ型クラッド層はストライプ状にエッチングされて、そのエッチングされて露出された側面及び平面には連続した絶縁膜が形成されており、前記正電極は最上層のｐ型層の表面にｐ型層のストライプ幅とほぼ同一の幅で接することを特徴とする。
【０００７】
図１に本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状を示す斜視図を示し、図２に図１の斜視図をストライプに垂直な方向で切断した模式断面図を示す。これらの図に示すように、本発明のレーザ素子はストライプ状にエッチングされたｐ層のストライプ幅とほぼ同一の幅を有する正電極をｐ層に直接接して形成することにより、電流の広がりをなくして活性層に直接電流が集中するようにしている。その電流の広がりをなくして活性層に電流を集中できる好ましいストライプ幅は５０μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下、最も好ましくは１０μｍ以下である。５０μｍよりも広いと、レーザ発振のしきい値電流が高くなりレーザ発振しなくなる傾向にあるからである。なお、本発明においてほぼ同一の幅とは、−１０％以内の幅で電極幅がｐ型層の幅に近似していることを示すものとする。
【０００８】
図２はレーザ素子の基本的な構造は活性層をｎ型とｐ型の窒化物半導体層で挟んだダブルへテロ構造であるが、特にレーザ発振しやすい構造として図２に示す構造を推奨する。
【０００９】
図２は基板１の表面に、ｎ型コンタクト層２、第一のｎ型クラッド層３、第二のｎ型クラッド層４、活性層５、第一のｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７とを順に積層した、いわゆる分離閉じ込め型のダブルへテロ構造を示している。ｐ型コンタクト層７、第一のｐ型クラッド層６、活性層５、第二のｎ型クラッド層４、第一のｎ型クラッド層３、およびｎ型コンタクト層２の一部がエッチングされてストライプ状の負電極１１が形成され、さらに、エッチングにより残されたストライプ状のｐ型コンタクト層７の表面に、ｐ型コンタクト層７のストライプ幅とほぼ同一の幅を有する正電極１２が直接接して形成されている。
【００１０】
基板１にはサファイア（Ｃ面、Ｒ面、Ａ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む。）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ等が使用できるが、一般的にはサファイア、またはＳｉＣを使用する。
【００１１】
ｎ型コンタクト層２としてはＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の二元混晶、または三元混晶の半導体層が結晶性の良いものが得られる。特にＧａＮとすると負電極材料と好ましいオーミックが得られる。ｎ型とするには半導体層にＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のドナー不純物をドープする。また基板１とｎ型コンタクト層２との間に、格子定数不整を緩和するためにＧａＮ、ＡｌＮ等がバッファ層を形成しても良い。
【００１２】
次の第一のｎ型クラッド層３は第二のｎ型クラッド層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体を形成し、特に前記ドナー不純物をドープしたｎ型ＡｌＧａＮは結晶性が良く、またバンドギャップの大きい半導体層が得られる。
【００１３】
次の第二のｎ型クラッド層４は活性層５よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体層を形成し、特に前記ドナー不純物をドープしたｎ型ＩｎＧａＮ、またはｎ型ＧａＮが好ましい。また後に述べるように、第二のｎ型クラッド層４は活性層５との組み合わせにおいてもＩｎＧａＮ、ＧａＮが好ましく、レーザ発振させるためにはＩｎＧａＮ、ＧａＮよりなるこの第二のｎ型クラッド層４を形成することは特に好ましい。
【００１４】
次の活性層５はノンドープのＩｎＧａＮとすると、およそ６３５ｎｍ〜３６５ｎｍ付近のバンド間発光が得られる。好ましくはインジウムのモル比をガリウムに対して半分以下にしたＩｎＧａＮが結晶性が良く、レーザ素子の寿命が長い。また、活性層を数十オングストロームの膜厚で２層以上積層した多層膜、つまり多重量子井戸構造としてもよい。単一量子井戸構造、多重量子井戸構造いずれの活性層においても、活性層はｎ型、ｐ型いずれでもよいが、特にノンドープ（無添加）とすることにより半値幅の狭いバンド間発光、励起子発光、あるいは量子井戸準位発光が得られ、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子を実現する上で特に好ましい。活性層を単一量子井戸（ＳＱＷ：single quantum well）構造若しくは多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造とすると非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層を単一組成のＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦X＜１）で構成した層であり、ＩｎＸＧａ１−ＸＮの膜厚を１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。またＭＱＷは組成比の異なるＩｎＸＧａ１−ＸＮ（この場合X＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることにより量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように７０オングストローム以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎＸＧａ１−ＸＮで構成し、障壁層は同じくＩｎＹＧａ１−ＹＮ（Y＜X、この場合Y＝０を含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚は１５０オングストローム以下、さらに好ましくは１２０オングストローム以下にすると高出力な発光素子が得られる。また、活性層５にドナー不純物および／またはアクセプター不純物をドープしてもよい。不純物をドープした活性層の結晶性がノンドープと同じであれば、ドナー不純物をドープするとノンドープのものに比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができる。アクセプター不純物をドープするとバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低エネルギー側にピーク波長を持っていくことができるが、半値幅は広くなる。アクセプター不純物とドナー不純物を同時にドープすると、アクセプター不純物のみドープした活性層の発光強度をさらに大きくすることができる。特にアクセプター不純物をドープした活性層を実現する場合、活性層の導電型はＳｉ等のドナー不純物を同時にドープしてｎ型とすることが好ましい。活性層５は例えば数オングストローム〜０．５μｍの膜厚で成長させることができる。
【００１５】
次に、第一のｐ型クラッド層６は活性層５よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体で形成し、特に好ましくはアクセプター不純物をドープしたｐ型ＡｌＧａＮにすると結晶性が良く、またバンドギャップの大きい半導体層が得られる。またアクセプター不純物ドープ後、さらに低抵抗なｐ型にする目的で４００℃以上でアニーリングを行っても良い。アクセプター不純物としては例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｃｄ等のII族元素、Ｃ（カーボン）等がある。
【００１６】
また第一のｐ型クラッド層６と活性層５との間に、活性層５よりもバンドギャップが大きく、第一のクラッド層６よりもバンドギャップが小さい第二のｐ型クラッド層を挿入しても良い。第二のｐ型クラッド層はアクセプター不純物をドープしたｐ型ＩｎＧａＮが好ましい。ここで、第二のｎ型クラッド層４と活性層５と第二のｐ型クラッド層（第二のｐ型クラッド層は特に成長しなくても良い。）との組み合わせにおいて、活性層５を単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造として、活性層を構成する窒化物半導体層の膜厚を薄くすることにより、第二のｎ型クラッド層４との界面に、弾性的な歪が発生し、歪量子井戸構造のレーザ素子が実現されるので、レーザ発振が容易となる。特にこの弾性的な歪は活性層５をＩｎＧａＮとし、第二のｎ型クラッド層４を活性層６よりもバンドギャップの大きいｎ型ＩｎＧａＮ、またはｎ型ＧａＮとした際に発生する傾向にある。
【００１７】
次に、ｐ型コンタクト層８は第一のｐ型クラッド層７と同じくアクセプター不純物をドープしたｐ型ＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ等の二元混晶、または三元混晶の半導体層が結晶性の良いものが得られる。特にＧａＮとすると正電極材料と好ましいオーミックが得られる。
【００１８】
窒化物半導体のエッチング手段としては、ドライエッチング、ウェットエッチング両方の手段があるが、エッチング端面を垂直にしたストライプを形成するにはドライエッチングが好ましい。ドライエッチングでは例えば、反応性イオンエッチング、イオンミリング、イオンビームアシストエッチング、集束イオンビームエッチング等の手段を用いることができる。
【００１９】
また図４は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図であるが、図２の断面図と異なる点は、ストライプ状にエッチングされたｐ型層の側面に絶縁膜２０を形成し、さらにそのｐ型層のストライプ幅とほぼ同一の幅で接するストライプ状の正電極１２をｐ型層に接して形成し、さらに、正電極１２をｐ型層から絶縁膜２０の表面に亙って形成していることである。つまり正電極１２にワイヤーボンディングする際、図２に示すようなストライプ状の正電極１２ではその幅が狭いために、ワイヤーボンディングするのはほとんど不可能である。そこで、正電極１２の幅を広くとるために、ｐ型層の側面にＳｉＯ２のような絶縁体よりなる絶縁膜２０を新たに形成し、その絶縁膜２０の表面に、ｐ型層と電気的に接続した正電極１２を形成している。図１のような構造であると電極がワイヤーボンディングできず、フェイスダウンの構造となるが、図４のような構造にするとフェイスアップの構造とできるので、チップサイズを小さくすることができる。
【００２０】
【作用】
本発明のレーザ素子ではｐ型層のストライプ幅を狭くして活性層に電流が集中するようにしている。つまり、ストライプ状にエッチングされたｐ型層に、ほぼ同一のストライプ幅を有する正電極を形成すると、ｐ型層中で電流が広がってもストライプ幅が狭いので活性層の電流密度が上がり容易にレーザ発振しやすくなる。また活性層から基板と平行方向に出る光に関しても、活性層のストライプ幅が狭いので、窒化物半導体と屈折率差の大きい大気との距離が短くなり、この狭い領域で光が閉じ込められるので、容易にレーザ発振する。
【００２１】
また本発明のレーザ素子であると従来のようにｐ型層の表面に電流狭窄のための絶縁層を形成するプロセスが必要ないので、製造工程を短縮できる。
【００２２】
【実施例】
［実施例１］
厚さ３５０μｍのサファイア基板１上に、ＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストローム、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２を５μｍ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｎ型クラッド層３を０．１μｍ、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる第二のｎ型クラッド層４を５００オングストローム、ノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎよりなる活性層５を１００オングストローム、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ型クラッド層６を０．１μｍ、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層７を０．５μｍの膜厚で順に成長させたウェーハを用意する。
【００２３】
次に、このウェーハのｐ型コンタクト層７の表面に所定の形状でマスクを形成した後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いて、窒化物半導体層を１０μｍのストライプ幅でエッチングする。エッチング後、露出したｎ型コンタクト層３にはＴｉ／Ａｌよりなる負電極１１を２０μｍの幅でストライプ状に形成し、ストライプ状のｐ型コンタクト層７の全面にＮｉ／Ａｕよりなる正電極１２を形成する。
【００２４】
次に、サファイア基板１の窒化物半導体層を形成していない方の面を研磨機で８０μｍの厚さまで研磨する。研磨後、サファイア基板の研磨面をスクライバーでスクライブする。スクライブ方向はストライプ電極と直交するラインと、もう一方のスクライブラインは電極と平行な方向とする。スクライブライン形成後、ウェーハをローラで押し割り、電極に垂直な方向で劈開した窒化物半導体層面を光共振器とする共振器長５００μｍのレーザチップとする。
【００２５】
次にレーザチップの窒化物半導体層面にマスクを施したのち、スパッタ装置で劈開面にＳｉＯ２とＺｒＯ２よりなる誘電体多層膜を形成する。この誘電体多層膜は活性層の波長を９０％以上反射させる作用を有している。
【００２６】
このようにして得られたレーザチップをフェースダウン（電極とヒートシンク面が対向する）してヒートシンクに設置した後、室温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度１．０ｋＡ／cm２以上で発振波長４４０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００２７】
［実施例２］
実施例１において、窒化物半導体層のエッチング時にストライプ幅を３０μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、室温においてしきい値電流密度３．０ｋＡ／cm２以上でレーザ発振が確認された。
【００２８】
［実施例３］
実施例１において、窒化物半導体層のエッチング時にストライプ幅を５０μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素温度においてしきい値電流密度５．０ｋＡ／cm２以上でレーザ発振が確認された。
【００２９】
［実施例４］
実施例１において、窒化物半導体層のエッチング時にストライプ幅を６０μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素温度においてしきい値電流密度６．０ｋＡ／cm２以上でレーザ発振が確認されたが、すぐに素子が破壊してしまった。
【００３０】
［実施例５］
実施例１において、活性層５の組成をノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームと、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を１３回繰り返し、最後に井戸層を積層して総厚１０００オングストロームの活性層６を成長させた。後は実施例１と同様にして室温でレーザ発振を試みたところ、同じくしきい値電流密度１．０ｋＡ／cm２以上で発振波長４４０ｎｍのレーザ発振が確認された。
【００３１】
［比較例］
実施例１において、窒化物半導体層のエッチング時にストライプ幅を１００μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素温度においてもレーザ発振を示さず、すぐに素子が破壊してしまった。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ素子ではストライプ状にエッチングされたｐ型層の表面に、ストライプと同一の幅で接する正電極が形成されており、この電極が直接電流狭窄の作用をする。つまりｐ型層に電流が広がってもレーザ発振するのに十分電流密度が上昇するだけのストライプ幅を有しているため、容易に光閉じ込めができて、常温で発振する。また、従来のように、ｐ型層の表面に絶縁体で電流狭窄層を形成する必要がなくなる。従って、絶縁体形成時の細かいマスク合わせの技術が必要なくなるので、製造歩留が向上する。このように窒化物半導体で常温で短波長域のレーザ素子が実現されたことにより、書き込み用光源、コンパクトディスクの光源として記録密度が飛躍的に向上し、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状を示す斜視図。
【図２】 図１のレーザ素子をストライプに垂直な方向で切断した模式断面図。
【図３】 従来のレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ型コンタクト層
３・・・・第一のｎ型クラッド層
４・・・・第二のｎ型クラッド層
５・・・・活性層
６・・・・第一のｐ型クラッド層
７・・・・ｐ型コンタクト層
１２・・・・正電極
１１・・・・負電極
Claims (7)
- 基板上に、ｎ型層、活性層及びｐ型層が順次積層されたダブルへテロ構造を有し、前記ｐ型層上に正電極が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型層は、前記基板側から順に、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１のｎ型クラッド層と、ｎ型ＩｎＧａＮ若しくはｎ型ＧａＮからなり前記活性層に接する第２のｎ型クラッド層と、を有し、
前記活性層は、ＩｎＧａＮからなる井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、
前記ｐ型層は、前記活性層側から順に、前記活性層に接するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層と、ｐ型ＧａＮ若しくはｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型コンタクト層と、を有しており、
前記ｐ型コンタクト層、前記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、前記活性層、前記第２のｎ型クラッド層及び前記第１のｎ型クラッド層はストライプ状にエッチングされて、そのエッチングされて露出された側面及び平面には連続した絶縁膜が形成されており、前記正電極は最上層のｐ型層の表面にｐ型層のストライプ幅とほぼ同一の幅で接することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記活性層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＜ｘ、ｙ＝０を含む）からなる障壁層を含む多重量子井戸構造を有す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。
- 前記井戸層の膜厚が１００オングストローム以下であり、前記障壁層の膜厚が１５０オングストローム以下であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ｐ型層のストライプ幅は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ストライプに垂直な方向で劈開した窒化物半導体の共振面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記共振面に誘電体多層膜が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記誘電体多層膜がＳｉＯ２とＺｒＯ２よりなることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
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