JP3910043B2 - Nitride semiconductor laser device, manufacturing method thereof, 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、窒化物半導体レーザ素子、その製造方法および窒化物半導体レーザ素子を光源として備える半導体光学装置に関し、特に、窒化物半導体を基板として用いる窒化物半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN、AlN、InNおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体材料により、紫外から可視領域で発振する半導体レーザ素子が試作されている。ジャパニーズ=ジャーナル=オブ=アプライド=フィジックス39号L647〜L650頁(Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39(2000) pp.L647-650)で報告された半導体レーザ素子もこの一例であり、GaN基板上に周期的なストライプ状の開口部をもつSiO2マスクパターンを形成し、この上に、ストライプ状導波路(リッジストライプ構造)を有する窒化物半導体の積層構造を形成し、前記GaN層上に窒化物半導体レーザ素子を形成することが示されている。基板の製造には、次の方法を用いることが報告されている。
【0003】
周期的なストライプ状の開口部をもつSiO2マスクパターン(周期20μm)を形成した下地GaN上に、MOCVD法(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)により、15μm厚のGaN層を形成して、表面が平坦なウェハーを得る。これは、ELOG(Epitaxially Lateral Overgrown)と呼ばれる技術であり、ラテラル成長の利用により、欠陥を低減する手法である。さらに、通常のHVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)により200μm厚のGaN層を形成し、下地を除去することでGaN基板を製造する。こうして得られた半導体レーザの寿命特性は、60℃において30mWで、推定寿命15000時間であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記報告に記載の半導体レーザ素子では、基板の製造方法が、3回の結晶成長(下地成長、MOCVD成長、HVPE成長)を必要としており、複雑で、生産性に問題があった。また、レーザ発振寿命もまだ十分でなく、さらに高温で高出力(例えば、70℃、60mW)の条件での寿命が十分でなかった。
【0005】
本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、レーザ発振寿命の一層優れた半導体レーザ素子およびその簡便な製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本明細書で説明す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。さらに、窒化物半導体基板は、その構成成分である窒素元素の約20%以下が、As、Pおよび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。
【0007】
窒化物半導体基板として、最も好ましくは、二元結晶となるGaN基板である。二元結晶とすることで、組成が一定となり、基板として安定した特性のものが得られやすくなるとともに、その上にエピタキシャル成長を行う際にも、組成の変化が無くなる。また、GaNとすることで、良好な導電性が得られるようにもなる。次いでは、AlGaN基板である。AlGaN基板のように、屈折率がGaNよりも小さい材料を基板として用いることで、紫外〜青色領域の半導体レーザを上記材料系で構成する場合、レーザ光の活性層への光閉じ込めが良好になる。
【0008】
また、窒化物半導体基板は、n型もしくはp型のドーパント等の不純物が添加されていても構わない。不純物としては、Cl、O、S、Se、Te、C、Si、Ge、Zn、Cd、MgおよびBe等を用いることができる。その不純物の総添加量は5×1016/cm3以上5×1020/cm3以下が好ましい。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、Ge、O、Se、Clのいずれかが特に好ましい。
【0009】
本明細書で説明する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。窒化物半導体層は、その構成成分である窒素元素の約20%以下が、As、Pおよび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。
【0010】
また、窒化物半導体層は、n型もしくはp型のドーパント等の不純物が添加されていても構わない。不純物としては、Cl、O、S、Se、Te、C、Si、Ge、Zn、Cd、MgおよびBe等を用いることができる。その不純物の総添加量は5×1016/cm3以上5×1020/cm3以下が好ましい。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、Ge、S、Se、Teのいずれかが特に好ましく、p型導電性を有するための不純物はMg、Cd、Beのいずれかが特に好ましい。
【0011】
本明細書で説明する活性層とは、井戸層もしくは井戸層と障壁層から構成された層の総称を指すものとする。例えば、単一量子井戸構造の活性層は、1つの井戸層のみから構成されるか、あるいは、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活性層は複数の井戸層と複数の障壁層から構成される。
【0012】
なお、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書では、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
【0015】
本発明は、窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層と、を備える本発明の窒化物半導体レーザ素子である。そして、かかる窒化物半導体レーザ素子では、窒化物半導体基板には、断面をV字状にした溝の側面である斜面をファセット面とし、そのファセット面の斜面を維持させながら成長させることにより、溝の底に転位を集中させてストライプ状に生じた転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域と、が含まれるとともに、低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長することにより生じるストライプ状の高ルミネッセンス領域が含まれており、その高ルミネセンス領域と転位集中領域とは略平行になっている。また、窒化物半導体層には、ストライプ状のレーザ光導波領域が含まれ、そのレーザ光導波領域は、低転位領域上に位置するとともに、転位集中領域に対して略平行になっており、レーザ光導波領域とこれに最近接の転位集中領域との水平方向の距離dが40μm以上であり、レーザ光導波領域とこれに最近接の高ルミネッセンス領域との水平方向の距離tが30μm以上である。なお、距離dが60μm以上であると一層望ましい。
高ルミネッセンス領域は周囲とは少し性質の異なる領域であり、この領域からレーザ光導波領域を30μm以上ずらすことで、長寿命の半導体レーザ素子となる。
【0016】
また、窒化物半導体基板における隣り合う転位集中領域間の距離Pは140μm以上であることが望ましく、さらには、距離Pが300μm以上であると望ましい。製造に際し、レーザ光導波領域を転位集中領域からずらすのを容易にするためである。
【0017】
また、この距離Pは1000μm以下であることが望ましい。低転位領域のうちレーザ光導波領域の下方に位置しない不必要な部分が過大になるのを避けるためである。
【0018】
なお、窒化物半導体基板としては、その[1−100]方向に転位集中領域が略平行なものを用いることができる。また、距離tは50μm以上であると望ましい。
【0021】
なお、窒化物半導体層は、InxGa1-xN(0<x<1)から構成される井戸層を含有する量子井戸活性層を有するものとすることができる。
【0022】
また、窒化物半導体層は、As、PおよびSbのうち少なくともいずれかの元素を含む窒化物半導体から構成される井戸層を含有する量子井戸活性層を有するものとすることもできる。
【0023】
本発明では、半導体光学装置に上記の窒化物半導体レーザ素子を光源として備えるようにする。
【0026】
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法では、断面をV字状にした溝の側面である斜面をファセット面とし、そのファセット面の斜面を維持させながら成長させることにより、溝の底に転位を集中させてストライプ状かつ互いに略平行に生じた複数の転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域と、を有するとともに、低転位領域の中央に、ファセット面{0001}面を表出させながら成長させることにより、転位集中領域に対して略平行なストライプ状の高ルミネッセンス領域を生じさせている窒化物半導体基板上に、ストライプ状のレーザ光導波領域を備えた窒化物半導体の積層構造を含有する窒化物半導体層を形成する工程を含む。さらに、かかる窒化物半導体レーザ素子の製造方法では、レーザ光導波領域を低転位領域上に転位集中領域と略平行に設けるとともに、レーザ光導波領域とこれに最近接の転位集中領域との水平方向の距離dを40μm以上とし、レーザ光導波領域とこれに最近接の高ルミネッセンス領域との水平方向の距離tを30μm以上とする。なお、距離dを60μm以上であると一層望ましい。
このようにすると、レーザ光導波領域への基板の転位の影響を抑えることができて、レーザ発振寿命の長い半導体レーザ素子が得られるだけでなく、周囲とは少し性質の異なる高ルミネッセンス領域からレーザ光導波領域をずらすことで、一層長寿命の半導体レーザ素子を得ることができる。
【0027】
また、隣り合う転位集中領域間の距離Pが140μm以上の窒化物半導体基板を用いることが望ましく、さらには、距離Pが300μm以上であると望ましい。レーザ光導波領域を転位集中領域からずらすことが容易になる。
【0028】
また、この距離Pが1000μm以下の窒化物半導体基板を用いるとよい。低転位領域のうちレーザ光導波領域の下方に位置しない不必要な部分の大きい半導体レーザ素子となるのを避けることができ、また、歩留まりも向上する。
【0030】
なお、距離tは50μm以上であると望ましい。また、転位集中領域を有する窒化物半導体基板としては、ファセット面{11−22}面が表出して鋸歯状の凹凸形状となっている表面を有し、転位集中領域が表面の凹凸形状の底部の下方に位置するものを用いることができる。
【0031】
また、高ルミネッセンス領域を有する窒化物半導体基板としては、ファセット面{11−22}面が表出して鋸歯状の凹凸形状となっている表面を有し、高ルミネッセンス領域が表面の凹凸形状の頂上部の下方に位置するものを用いることができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
<実施の形態1>
図1は本発明の実施の形態1の半導体レーザ素子1を示す断面模式図である。図1は、本実施の形態の半導体レーザ素子1を、光出射方向から見た図である。図1において、10はn型GaN基板であり、基板10中には、転位集中領域11が存在し、転位集中領域11以外の部分は低転位領域となっている。また、低転位領域中には、さらに転位集中領域11に平行して高ルミネッセンス領域12が存在する。基板10上には、窒化物半導体層(エピタキシャル成長層)13が形成されている。窒化物半導体層13中には、レーザ光導波領域14が位置している。また、窒化物半導体層13上面および基板10下面には、電極15、16がそれぞれ形成されている。図1の断面図には現れていないが、転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12およびレーザ光導波領域14は、図1の奥行き方向に延伸しており、互いに略平行の配置となっている。
【0033】
本実施の形態の半導体レーザ素子1を上面側から見たとき(平面視)、レーザ光導波領域14と転位集中領域11との距離をd、レーザ光導波領域14と高ルミネッセンス領域12との距離をtとしたとき、d=80μm、t=120μmとした。なお、本明細書において、距離dおよびtは各ストライプ状のレーザ光導波領域、転位集中領域、高ルミネッセンス領域の中心位置間の距離から規定されるものとする。
【0034】
以下に、本実施の形態の半導体レーザ素子1の製造方法について解説しつつ、さらに詳しくその構造についても説明する。
【0035】
(GaN基板の作製方法)
まず、n型GaN基板10の結晶成長方法の概略を述べる。GaNの結晶は、ファセット面からなる斜面が表出するようにして、その斜面を維持しながら成長させる。つまり、斜面を成長方向に次第に移動させていく。これにより、斜面の途中に発生する転位が斜面の下端に伝搬して集合し、斜面の下端であった部位が転位集中領域、斜面の途中であった部位が低転位領域となる。
【0036】
転位集中領域にはいくつかの状態がある。例えば多結晶となることがある。また、周囲の低転位領域に対して僅かに傾斜した単結晶となることもある。さらに、周囲の低転位位領域の成長方向が[0001]方向であるのに対して、成長方向が逆に[000−1]方向となることもある。このため、転位集中領域と低転位領域の間には明確な境界が生じる。
【0037】
斜面を成長方向に移動させるため、ファセット面を最初にどのような形状で発生させるかにより、転位集中領域の形状を規定することができる。上下を逆にした(頂点が下で底面が上の)角錐の側面のようなファセット面を最初に発生させておけば、転位はその角錐の頂点の部位に集まり、転位集中領域は成長方向に平行な直線状となってピットを形成する。また、断面がV字状の溝の側面のようなファセット面を最初に発生させておけば、転位はその溝の底の直線状の部位に集まり、転位集中領域は成長方向に平行な面状となってストライプを形成する。
【0038】
最初に生じさせるファセット面の種としては、結晶成長を妨げるマスクを利用することができる。マスクを設けていない部位で結晶成長が始まって、マスクのない部位とある部位との境界にファセット面が生じ、水平方向への成長によってマスク上でファセット面が接し合い、その接点が転位集中領域の開始位置となる。ファセット面が接し合った後は、垂直方向(本来の成長方向)への結晶成長が安定して進み、ファセット面はそのまま成長方向に移動し、転位集中領域は成長方向に伸びていく。結晶成長を妨げるマスクをドット状とすれば、上下が逆の角錐の側面のようなファセット面を発生させることができ、マスクを直線状とすれば、断面がV字状の溝の側面のようなファセット面を発生させることができる。マスクとしては非結晶または多結晶の層を設ければよく、例えばSiO2の薄膜を基体表面に形成しておく。
【0039】
結晶成長後、その表面を研磨して鏡面化することで、半導体層を積層しうる基板が得られる。本実施の形態では、V字状にファセット面を生じさせて、転位集中領域がストライプ状となるようにするか、あるいは、ドットを取り巻く形状のファセット面を短い周期で多数生じさせて、転位集中領域が巨視的にストライプ状となるようにする。
【0040】
n型GaN基板10の具体的な製造方法を、図2を参照して説明する。支持基体21上に、HVPE法により、n型GaN層22を、ファセット面{11−22}面23が成長中の表面に主として表出するように成長させる。その結果、表面の断面図形は鋸歯状の凹凸形状となる。ただし、凸部の頂点付近には、わずかに、{0001}面26が表出した部分がストライプ状に見られた。図2(a)は、この状態を説明した断面図(一部のみ表示)である。
【0041】
ここで、HVPE法というのは、ホットウォール型の反応炉の上流部にGaボートを設けて加熱したGa融液にHClガスを吹き込むようにし、反応炉の下流部に基体を設けてNH3を吹き込むようにしておき、加熱したGaメタル(融液)にHClを吹き込んでGaClを合成し、下方へ送り、下方でNH3と反応させGaNを合成して、GaNが基体に堆積するようにしたものである。
【0042】
支持基体21としては2インチ(111)GaAsウェハーを用いた。基体21の材料に特に制約はなく、一般的なサファイアを用いることも可能であるが、後に切除するため、このようにGaAsを材料として用いて無駄を抑えるのが好ましい。
【0043】
上記凹凸はピッチP=400μmの周期構造であり、図面奥行き方向に畝状に延びている形状となっている。このように、凹凸の位置を規定するためには、基体21上にあらかじめ上記凹部に対応したSiO2等のマスクを形成しておき、これを種としてファセットが表出する状態で、結晶成長を行えば良い。つまりマスクは、GaN結晶の[1−100]方向に平行になるように、ピッチP=400μmでストライプ状に配置されており、その形状は、連続したストライプ状、あるいは略一定間隔で直線上に位置する多数のドット状である。
【0044】
ファセット{11−22}面が表出した状態で、結晶成長を持続させる手法(成長条件)については、本出願人が先に出願した特願平11−273882号に詳細に開示している。なお、成長時にOをドーピングすることで、成長する結晶をn型とした。
【0045】
このような成長モードを保ったまま、さらにGaN結晶の形成を続けることで、基体21上に高さ30mmのインゴットを作製した。図2(b)は、インゴットを示した図である。
【0046】
このインゴットを、スライサーによりスライス切断加工して薄片(n型GaN基板)を得た。薄片を研磨加工して、表面が平坦な2インチ(約5cm)径、厚さ350μmのn型GaN基板10を得た。エピタキシャル成長を行うための表面は鏡面研磨仕上げとした。なお、この表面は、ほぼ(0001)面としたが、上にエピタキシャル成長される窒化物半導体層13のモフォロジーが平坦で良好になるためには、(0001)面から任意の方向に0.2〜1°の範囲の、比較的小さいオフ角度を有していることが望ましく、特に表面の平坦性が最小になるようにするためには、0.4〜0.8°の範囲とすることが好ましかった。図2(c)は、こうして得られたn型GaN基板10の断面図(一部のみ表示)であり、図2(d)は、上面図(一部のみ表示)である。
【0047】
こうして得られたGaN基板10の評価を次のように行った。まず、n型GaN基板10の表面を顕微鏡で詳細に観察した。研磨加工された表面は必ずしも平坦でなく、結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域(図2(a)において符号24で示した部分)に対応する領域がやや窪んでいた。
【0048】
さらに、硫酸、燐酸の混酸を250℃に加熱した液にサンプルを浸してエッチングを行い、エッチピットが表面に出るようにした。その結果、結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域(図2(a)において符号24で示した部分)に対応する領域で、多数のエッチピットが現れ、この領域は転位(あるいは結晶欠陥)が極めて集中している領域(転位集中領域)であることが判明した。つまり、上記窪みは、この領域に対応していた。
【0049】
このように窪みの部分は、転位が極めて集中しているために、研磨工程で他の部分よりも侵食されやすく、そのため生じてしまったものと考えられる。転位集中領域の幅は約10〜40μmであった。それ以外の領域は、EPD(エッチピット密度)104〜105/cm2台の低転位領域となっていた。転位集中領域のEPDは、これよりも3桁以上大きいように観察された。このように、符号11で表されるような領域は、周囲に比べて数桁も転位密度が大きくなっている部分であるため、本明細書では、「転位集中領域」と呼称した。
【0050】
また、サンプルに紫外線(Hgランプ365nm輝線を用いることができる)を照射して、表面からのルミネッセンスを顕微鏡を用いて観察した(蛍光顕微鏡観察)。その結果、転位集中領域11に挟まれた低転位領域の中央に、比較的はっきりと境界をもった、周囲とコントラストが異なるストライプ状の領域が観察された。この領域は、周囲よりも肉眼で観察される発光(ルミネッセンス)が強く、やや黄色がかって明るく観察される領域である。
【0051】
この領域は、結晶成長時にファセット面{0001}面が表出しつつ成長していた部分25であり、図1および図2(d)に符号12で表される領域である。このように周囲と異なって観察されるのは、ドーパントの取り込まれ具合が周囲と異なるなどの理由が考えられる。上述の事実から、本明細書では、この領域を「高ルミネッセンス領域」と呼称した。結晶成長時に、ファセット面{0001}面が表出しつつ成長していた部分25が必ずしも同一の幅をもって均一に進行するものではないために、高ルミネッセンス領域12の幅は、やや揺らぎを持っているものの、広いところで、30μm程度であった。
【0052】
なお、このような高ルミネッセンス領域は、上記インゴットを作成するときの条件や、インゴットにおける位置(支持基体からの距離)によっては、ほとんど形成されないこともある。しかしながら、転位集中領域11にはさまれた部分のほぼ中央の領域は、上記凹凸の頂点付近の領域に対応している部分であり、これを、本明細書では、「低転位領域中央領域」とも呼称する。本明細書において、高ルミネッセンス領域として説明する部分は、低転位領域中央領域に置き換えて考えることができる。
【0053】
なお、上記GaN基板10の形成のための結晶成長は、HVPE法以外の気相成長によってもよく、MOCVD法(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)、MOC法(Metalorganic Chloride Vapor Phase Epitaxy)、昇華法などを用いても実施することができる。
【0054】
GaN基板10の形成のための成長に用いる基体21としては、GaAsの他にも、軸廻りに六回対称性あるいは三回対称性がある結晶基板を用いることができる。つまり結晶系としては六方晶系であるか立方晶系である結晶が挙げられる。立方晶系の場合(111)面を使えば三回対称性がある。サファイア、SiC、石英、NdGaO3、ZnO、GaN、AlNなどの六方晶系の結晶を用いることができる。Si、スピネル、MgO、GaPなどの立方晶系の(111)面基板を用いることもできる。これらはGaNをC面で成長させるものである。
【0055】
GaN基板10の形成のためのマスクの設け方にも2種類の選択肢がある。一つは基体の上に直接にマスクを形成する手法である。この場合、エピ層に先立ちマスク開口の内部の基体露出面にGaNバッファ層を堆積する等の工夫を行ったほうがよい。もう一つは基体の上に予め比較的薄くGaN層を形成しておいて、その上にマスクを形成する手法である。後者の方が成長がスムーズに進行し、より好ましい場合が多い。
【0056】
また、ここでは基板10としてGaNを用いた例を説明したが、「課題を解決するための手段」の欄に記載したような材料で構成される窒化物半導体基板に置換してもよい。
【0057】
従来の技術に示した窒化物半導体基板の製造方法では、基板結晶の成長を進行させるに従って、横方向成長技術(ELOG技術)を用いることで、転位を低減しているが、転位(欠陥)が生じる位置は特に制御されず、結晶成長が進むに従って、転位は面内に一様に分布するようになる。一方、本発明で用いる窒化物半導体基板では、転位集中領域の位置が、基板結晶の成長を通じて、所定の位置(ピッチが数100μmオーダである)に制御される。従来技術のGaN基板と、本発明で用いる窒化物半導体基板には、このような違いがある。
【0058】
そのため、同程度の転位密度の基板を得ようとする場合、本実施の形態で説明する基板結晶の製造方法の方が、結晶成長回数が少なくてすみ、生産性が良好になる。このような基板を用いた場合に、半導体レーザ素子におけるレーザ光導波領域がどのような位置に設けられれば適当であるかについては、従来知られていなかった。この点については、後に詳細に説明する。
【0059】
(窒化物半導体層のエピタキシャル成長)
次に、n型GaN基板10上に窒化物半導体層13等を形成して半導体レーザ素子1を作製する方法について、図3を参照して解説する。図3は、図1の半導体レーザ素子1を、窒化物半導体層13の層構造を詳細に示すように表した模式図であり、基板10中の上記構造については記載を省略した。
【0060】
MOCVD装置を用いて、V族原料のNH3とIII族原料のTMGa(トリメチルガリウム)またはTEGa(トリエチルガリウム)に、ドーパント原料としてのSiH4を加え、n型GaN基板10に、基板温度1050℃で、膜厚3μmのn型GaN層102を形成した。次いで、800℃の基板温度で、上記原料にIII族原料としてのTMIn(トリメチルインジウム)を加え、n型In0.07Ga0.93Nクラック防止層103を40nm成長させた。次に、基板温度を1050℃に上げ、TMAl(トリメチルアルミニウム)またはTEAl(トリエチルアルミニウム)のIII族原料も用いて、1.2μm厚のn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層104を成長させた。n型不純物としてSiを5×1017/cm3〜1×1019/cm3添加した。続いて、n型GaN光ガイド層105(Si不純物濃度1×1016〜1×1018/cm3)を0.1μm成長させた。
【0061】
その後、基板温度を750℃に下げ、3周期の、厚さ4nmのIn0.1Ga0.9N井戸層と厚さ8nmのIn0.01Ga0.99N障壁層から成る活性層(多重量子井戸構造)106を、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せた。その際、障壁層または障壁層と井戸層の両方にSiH4(Si不純物濃度は1×1016〜1×1018/cm3)を添加した。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秒以内の成長中断を実施すると、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少して好ましい。
【0062】
活性層にAsを添加する場合はAsH3(アルシン)またはTBAs(ターシャリブチルアルシン)を、活性層にPを添加する場合はPH3(ホスフィン)またはTBP(ターシャリブチルホスフィン)を、活性層にSbを添加する場合は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、それぞれ原料に用いると良い。また、活性層を形成する際、N原料として、NH3以外にN2H4(ヒドラジン)、C2N2H8(ジメチルヒドラジン)あるいはNを含む有機原料を用いても構わない。
【0063】
次に、基板温度を再び1050℃まで上昇させて、厚さ20nmのp型Al0.3Ga0.7N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、および0.1μmのp型GaNコンタクト層110を順次成長させた。p型不純物として原料にEtCP2Mg(ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1018/cm3〜2×1020/cm3で添加した。p型GaNコンタクト層110のp型不純物濃度は、p電極112の方向に向かって高くなるようにした方が好ましい。これにより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を混入させてもよい。
【0064】
このようにして、p型GaNコンタクト層110を成長させた後、MOCVD装置のリアクター内を全て窒素キャリアガスとNH3に替えて、60℃/分で温度を降下させた。基板温度が800℃になった時点で、NH3の供給を停止し、5分間その基板温度で待機してから、室温まで降下した。ここでの基板の保持温度は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、温度の降下速度は、30℃/分以上が好ましい。
【0065】
このようにして作製した成長膜をラマン測定によって評価した結果、MOCVD装置からのウェハー取り出し後のp型化アニールを実行しなくても、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下する。上記手法に加えて従来のp型化アニールを組み合わせると、Mgの活性化率がより向上して好ましかった。
【0066】
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103自体がなくても構わない。しかしながら、クラッド層104とGaN基板10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103を挿入した方がクラック防止の点でより好ましい。また、クラックを防止するために、各n型層におけるn型の不純物として、Siに代えてGeを用いることも好ましい。
【0067】
活性層106は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であるが、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。さらに上記で説明した活性層に、Alを含有するようにしてもよい。
【0068】
また、ここでは活性層106を成す井戸層と障壁層の両層にSiを所要量添加したが、不純物を添加しなくても構わない。しかしながら、Siのような不純物を活性層に添加した方が発光強度は強かった。このような不純物としては、Si以外に、O、C、Ge、ZnおよびMgのうちのいずれか、またはこれらの2以上を組み合わせて用いることができる。また、不純物の添加量の総和は、約1×1017〜8×1018/cm3程度が好ましかった。さらに、不純物を添加する層は井戸層と障壁層の両層に限らず、片方の層のみに不純物を添加しても良い。
【0069】
p型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層107は、この組成以外であっても構わない。Inを添加したAlGaNとすれば、より低温での成長でp型化するので、結晶成長時に活性層106が受けるダメージを低減することができて、好ましい。なお、キャリアブロック層107自体が無くても構わないが、これを設けた方が閾値電流密度が低かった。これは、キャリアブロック層107が活性層106にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。キャリアブロック層107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。
【0070】
また、ここでは、p型クラッド層109とn型クラッド層104として、Al0.1Ga0.9N結晶を用いたが、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活性層106とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に効率良く閉じ込められ、レーザ発振閾値電流密度を低減することができる。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。この点を考慮してp型クラッド層109のAl組成比を0.06〜0.09程度にすることも、好ましい。
【0071】
n型AlGaNクラッド層104の厚さは、0.7μm〜1.5μmが好ましい。これにより、垂直横モードの単峰化と光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。
【0072】
また、クラッド層104、109は、上記ではAlGaN3元混晶としたが、AlInGaN、AlGaNP、AlGaNAs等の4元混晶であっても良い。さらに、p型クラッド層109は、電気抵抗を低減するために、p型AlGaN層とp型GaN層からなる超格子構造、p型AlGaN層とp型AlGaN層からなる超格子構造、またはp型AlGaN層とp型InGaN層からなる超格子構造を有していても良い。
【0073】
ここでは、MOCVD装置による結晶成長方法を説明したが、分子線エピタキシー法(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)を用いても構わない。
【0074】
続いて、窒化物半導体層13の各層がn型GaN基板10上に形成されたエピウェハーを、MOCVD装置から取り出して、窒化物半導体レーザ素子チップに加工するプロセス工程を説明する。
【0075】
(素子化プロセス)
レーザ光導波領域14であるリッジストライプ部を、n型GaN基板10に対して、図1を用いて説明した所要の位置に形成する。これは、エピウェハー表面側より、p型クラッド層109の途中または下端までを、ストライプ状の部分を残してエッチングすることにより行う。ここで、ストライプ幅は1〜3μm、好ましくは1.3〜2μmとし、また、エッチング底面のp型ガイド層108からの距離は、0〜0.1μmした。その後、リッジストライプ部以外の部分に絶縁膜113を形成した。ここで、絶縁膜113としてはAlGaNを用いた。エッチングされずに残ったp型GaNコンタクト層110は露出しているので、この部分および絶縁膜113上に、p電極112をPd/Mo/Auの順序で蒸着して形成した。
【0076】
絶縁膜113としては上記以外に珪素、チタン、ジルコニア、タンタル、アルミニウム等の酸化物もしくは窒化物を用いることもでき、また、p電極112の材料として他に、Pd/Pt/Au、Pd/Au、またはNi/Auのいずれかを用いても構わない。
【0077】
さらに、エピウェハー裏面側(基板側)を研磨することにより、ウェハーの厚さを80〜200μmに調整し、後にウェハーの分割を行いやすいようにした。n電極111は、基板の裏側にHf/Alの順序で形成した。n電極111の材料として他に、Hf/Al/Mo/Au、Hf/Al/Pt/Au、Hf/Al/W/Au、Hf/Au、Hf/Mo/Auや、これらのうちのHfをTi、Zrに置き換えたものを用いても構わない。
【0078】
最後に、エピウェハーを、リッジストライプ方向に対して垂直方向に劈開し、共振器長600μmのファブリ・ペロー共振器を作製した。共振器長は250μmから1000μmが好ましい。この工程により、ウェハーは個々のレーザ素子が横に連なったバー状の形態となった。ストライプが<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{1−100}面である。劈開はウェハー全面にスクライバーにより罫書き傷をつけて行うのではなく、ウェハーの一部、例えば、ウェハーの両端にのみ、あるいは、チップ両端に対応する部分にのみスクライバーによって罫書き傷をつけ、これを起点に劈開した。なお、端面で帰還させる手法以外に、内部に回折格子を設けて帰還させるDFB(Distributed Feedback)、外部に回折格子を設けて帰還させるDBR(Distributed Bragg Reflector)を用いても構わない。
【0079】
ファブリ・ペロー共振器の共振器端面を形成した後、この端面に約80%の反射率を有するSiO2とTiO2の誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成した。誘電多層反射膜は他の誘電体材料で形成しても構わない。さらにこの後、バーを個々のレーザ素子に分割することで、図1の半導体レーザ素子1を得た。レーザチップの中央にレーザ光導波領域14(リッジストライプ)を配置し、レーザ素子1の横幅Wは400μmとした。
【0080】
もともとのn型GaN基板10にはピッチP=400μmで転位集中領域11が配置され、各低転位領域の中央部に高ルミネッセンス領域12が配置され、また、図1を用いて説明したように、d=80μm、t=120μmとして、各領域を配置したから、各半導体レーザ素子(チップ)には、1本の転位集中領域と、1本の高ルミネッセンス領域が含まれた。つまり、本実施の形態では、W=Pであり、2(t+d)=Pである。
【0081】
以上のようにして図1および図3に示す窒化物半導体レーザ素子1のチップを作製した。
【0082】
(半導体レーザ素子の特性)
得られた窒化物半導体レーザ素子1では、最適位置に電流狭窄部分が存在することによって、レーザ出力60mW、雰囲気温度70℃の条件の下、レーザ発振寿命5000時間以上が達成された。なお、本発明者らが前述の従来技術によって半導体レーザを作製し、同一条件で試験を行ったところ、その寿命は1000時間程度であった。
【0083】
(レーザ光導波領域と基板との位置関係)
本実施の形態の窒化物半導体基板10は、上述のごとく、ストライプ状の転位集中領域、低転位領域、高ルミネッセンス領域あるいは低転位領域中央領域のような構造を有していることを特徴とする。あるいは、上述のような製造方法を用いて作製されたことを特徴とする。このような窒化物半導体基板を用いて窒化物半導体レーザ素子を製造する際、窒化物半導体レーザ素子のレーザ光導波領域を窒化物半導体基板上のどの位置に形成するかによって、レーザ発振寿命が変化することを、本発明者らは見出した。以下に、距離dおよびtの好ましい範囲について詳細に検討する。
【0084】
図4は、P=600μmのn型GaN基板上に、本実施の形態の半導体レーザ素子1とほぼ同様にして作製し、レーザ光導波領域14の位置を変更したいくつかの半導体レーザ素子のレーザ発振寿命を、レーザ光導波領域14と転位集中領域11との距離dに対してプロットしたグラフである。評価した距離dの最大値は200μmである。評価は、レーザ出力60mW、雰囲気温度70℃の条件で行った。その結果、d≧40μmで、実用寿命の3000時間が達成され、d≧60μmで5000時間以上と十分な特性が得られた。なお、寿命の測定は5000時間までしか行っておらず、図4中の上向きの矢印はレーザ発振寿命が5000時間以上であることを示したものである。
【0085】
d≦10μmの場合、レーザ光導波領域14は概ね転位集中領域11上に位置しているが、この場合、寿命数時間以下と極端に特性が劣化した。距離dが20〜30μmの場合、駆動電流が時間の経過とともに徐々に上昇する現象が見られ、これが200mA付近に達したときに熱暴走によりレーザ発振が不可能となった。pn接合に逆バイアスを印加してpn接合のリーク電流を評価したところ、このように、駆動電流が徐々に上昇するような素子においては、d≧60μmの素子と比較すると明らかにリーク電流が多く、これが経過時間とともに増加していた。
【0086】
上記手法で作製されたGaN基板10の転位集中領域11の近くに形成された半導体レーザ素子では、レーザ光導波領域14付近のpn接合に転位(欠陥)が発生しているため、またはこの影響によりpn接合面が平坦でなく乱れているために、このような駆動時間の経過とともに増大するリークが発生してしまい、寿命特性が劣化したものと推定された。結果として、少なくともd≧40μm、好ましくは、d≧60μmと設定することが必要であると判明した。
【0087】
図5は、P=600μmのn型GaN基板上10に、本実施の形態の半導体レーザ素子1とほぼ同様にして作製し、レーザ光導波領域14の位置を変更したいくつかの半導体レーザ素子のレーザ発振寿命を、レーザ光導波領域14と高ルミネッセンス領域12との距離tに対してプロットしたグラフである。評価した距離tの最大値は200μmである。評価は、レーザ出力60mW、雰囲気温度70℃の条件で行った。その結果、t≧30μmで、実用寿命の3000時間が達成され、t≧50μmで5000時間以上と十分な特性が得られた。なお、図5中の上向きの矢印は、図4と同様に、レーザ発振寿命が5000時間以上であることを表している。
【0088】
t=0μmの場合、レーザ光導波領域14は高ルミネッセンス領域12上に位置しているが、この場合、寿命100時間程度に特性が劣化した。レーザ光導波領域14を高ルミネッセンス領域12近傍に配置すると、素子電圧の上昇と、駆動電流値の上昇が見られ、これにより、素子寿命が劣化してしまうものと考えられた。基板10において高ルミネッセンス領域(あるいは低転位領域中央領域)12およびその近傍には、周囲よりも抵抗の高い領域が存在しており、そのため素子電圧に影響が現れたものと考えられる。素子電圧を詳細に観察すると、t≧50μmではほぼ一定となるが、それより小さい領域では若干上昇してきており、結果として、少なくともt≧30μm、好ましくは、t≧50μmと設定することが必要であると判明した。
【0089】
(基板の好ましい範囲)
次に、GaN基板10における転位集中領域11の現れるピッチPの好ましい範囲について検討した。前述のように、GaN基板10の作製においては、ファセット面{11−22}面を表出させながら、表面の断面形状が鋸歯状の凹凸形状となるようにすることが重要である。こうすることにより、低転位領域、高ルミネッセンス領域12を発生させることができ、転位集中領域11と高ルミネッセンス領域12の双方から所要距離だけ離れた部分はレーザ導波領域を形成するに好適な領域となる。したがって、上述の効果を得る距離dの最小値40μmと、上述の効果を得る距離tの最小値である30μmとの和70μmの2倍以上を、ピッチPとして取らないと、レーザ導波領域を形成する領域が無くなってしまう。よって、距離Pの範囲はP≧140μmに限定される。
【0090】
また、距離Pの値は、GaN基板10の形成において、凹凸形状の位置を一定に保ったまま成長が持続できるか否かの点からも限定される。なぜなら、成長の進行とともに凹凸形状の位置が初期の位置とずれてきてしまうと、ピッチPが一定しなくなり、得られたGaN基板10に対して所定の位置にレーザ導波領域を設定することが困難になるためである。この点からPの範囲について検討すると、P<50μm程度では、このような状態を保つことができず、P≧100μmとすることが望ましいことがわかった。
【0091】
さらに、転位を転位集中領域11に集中させる機能からすると、ファセット面{11−22}面を大きく発生させたほうが良く、P≧300μmとすると、上述のように転位集中領域11と低転位領域での欠陥密度が3桁以上異なるようになって好ましかった。距離Pの上限に関しては、これらの要請からは規定されないが、あまり大きくすると、得られるインゴット表面の凹凸が大きくなり、得られるウェハーの取れ数が小さくなってしまうから、1000μm程度が適当である。結論として、140≦Pが必要であり、好ましくは、300≦Pであれば良く、あえて上限を規定するならばP≦1000が好ましい。
【0092】
<実施の形態2>
本実施の形態2の半導体レーザ素子は実施の形態1の半導体レーザ素子1と同様であるが、距離P、d、tの値等が種々異なるものである。図6は本実施の形態の半導体レーザ素子のレーザ光導波領域14とn型GaN基板の転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12の配置関係を示す図であり、n型GaN基板60のうち個々の半導体レーザ素子(チップ)とする領域を符号61、62で表している。なお、本実施の形態2および後述する実施の形態3、4においては、レーザ光導波領域14、転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12の位置関係が実施の形態1と異なるが、各実施の形態においても実施の形態1と同様に符号1で半導体レーザ素子を示す。
【0093】
本実施の形態の半導体レーザ素子1の製造方法においては、n型GaN基板60の転位集中領域11のピッチPは500μmであり、1ピッチに2本のレーザ光導波領域14を配置して、ピッチあたり2個の半導体レーザ素子(チップ)1を形成する。個々の半導体レーザ素子1(領域61、62)の横幅Wは250μmである。
【0094】
一方の領域61については、レーザ光導波領域14と最近接の転位集中領域12との距離dは100μmであり、レーザ光導波領域14と最近接の低転位領域中央領域12との距離tは150μmである。他方の領域62については、レーザ光導波領域14と最近接の転位集中領域11との距離dは150μmであり、レーザ光導波領域14と最近接の低転位領域間中央領域12との距離tは100μmである。
【0095】
領域61、62の幅Wと転位集中領域11のピッチPには2W=Pの関係があり、2(t+d)=Pである。また、領域61についての距離d、tをd1、t1で表し、領域62についての距離d、tをd2、t2で表すと、d1=t2、d2=t1である。
【0096】
一方の領域61においては、n型GaN基板60中に転位集中領域11が1本のみ存在し、高ルミネッセンス領域12は存在しない。また、他方の領域62においては、n型GaN基板60中に転位集中領域11が存在せず、高ルミネッセンス領域12が1本のみ存在する。本実施の形態においても、本発明の効果の出現する距離d、t、Pの範囲は実施の形態1に記載したとおりであり、この範囲において実施の形態1で述べた効果が得られる。
【0097】
<実施の形態3>
本実施の形態3の半導体レーザ素子の製造方法は、さらに、1ピッチPあたりに作製する半導体レーザ素子(チップ)1の数を4個に増大させたものである。図7は、図6と同様に、半導体レーザ素子のレーザ光導波領域14とn型GaN基板の転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12の配置関係を示す図であり、n型GaN基板70のうち個々の半導体レーザ素子(チップ)1とする領域を符号71〜74で表している。
【0098】
本実施の形態の半導体レーザ素子1の製造方法においては、n型GaN基板70の転位集中領域11のピッチPは800μmであり、1ピッチに4本のレーザ光導波領域14を配置して、ピッチあたり4個の半導体レーザ素子(チップ)1を形成する。各半導体レーザ素子1(領域71〜74)の横幅Wは等しく、200μmである。順に並んだ領域71、72、73、74について、レーザ光導波領域14と最近接の転位集中領域11との距離dは、それぞれ80、280、320、120μmであり、レーザ光導波領域14と最近接の低転位領域中央領域12との距離tは、それぞれ320、120、80、280μmである。
【0099】
図示したように、領域71には1本の転位集中領域11が、領域73には1本の高ルミネッセンス領域12が含まれ、領域72および領域74には転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12のいずれも含まれない。本実施の形態の半導体レーザ素子1の製造方法においては、4W=Pであり、各レーザ光導波領域14に対して2(t+d)=Pである。
【0100】
本実施の形態においても、本発明の効果の出現する距離d、t、Pの範囲は実施の形態1に記載したとおりであり、この範囲において実施の形態1で述べた効果が得られる。
【0101】
<実施の形態4>
本実施の形態4は、実施の形態2または3とは逆に、幅W>ピッチPとするものである。図8は、図6と同様に、本実施の形態の半導体レーザ素子のレーザ光導波領域14とn型GaN基板の転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12の配置関係を示す図であり、n型GaN基板80のうち半導体レーザ素子(チップ)1とする領域を符号81で表している。
【0102】
本実施の形態の半導体レーザ素子1の製造方法においては、n型GaN基板80の転位集中領域11のピッチPは200μmであり、半導体レーザ素子1(領域81)の横幅Wは300μmである。つまり、ピッチあたり2/3個の半導体レーザ素子(チップ)1を形成する(1.5ピッチに1つのチップ1を形成する)。レーザ光導波領域14と最近接の転位集中領域11との距離dは50μmであり、レーザ光導波領域14と最近接の低転位領域中央領域12との距離tは50μmである。
【0103】
図示したように、1つの半導体レーザ素子(チップ)1に含まれる転位集中領域11と高ルミネッセンス領域12は、いずれも1本またはそれ以上である。本実施の形態の半導体レーザの製造方法においては、(2/3)W=Pであり、各レーザ光導波領域14に対して2(t+d)=Pである。
【0104】
本実施の形態においても、本発明の効果の出現する距離d、t、Pの範囲は実施の形態1に記載したとおりであり、この範囲において実施の形態1で述べた効果が得られる。
【0105】
上記実施の形態1〜4においては、1ピッチあたり半導体レーザ素子(チップ)を1個、2個、4個、2/3個形成する配置について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られるわけではなく、6個、1/2個、1/3個等の配置とすることもできる。さらに、GaN基板上の一部の素子の配置が上記t、dの所要の範囲を逸脱しても構わないようにすれば、このように整数倍または簡単な分数で表せる値以外の数に設定することも可能である。
【0106】
<実施の形態5>
本実施の形態5は、実施の形態1〜4で述べ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1を、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子2に替えたものである。電流阻止層を有する本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子2について、図9を参照して説明する。
【0107】
本実施例の半導体レーザ素子2は、n型GaN基板200、その上に順次形成されたn型GaN層201、n型In0.07Ga0.93Nクラック防止層203、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層204、n型GaN光ガイド層205、活性層206、 p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層207、p型GaN光ガイド層208、p型Al0.1Ga0.9N第1クラッド層209a、電流阻止層220、p型Al0.1Ga0.9N第2クラッド層209b、p型InGaNコンタクト層210およびp電極212、ならびにn電極211、から構成される。
【0108】
電流阻止層220は、p型電極112から注入された電流が、図9に示し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。例えば、電流阻止層220として、n型Al0.25Ga0.75N層を用いても良い。電流阻止層220のAl組成比は0.25に限らず、その他の値でも構わない。本実施の形態では、電流阻止層220の開口部がレーザ光導波領域14に対応しており、本実施の形態においても、本発明の効果の出現する距離d、t、Pの範囲は実施の形態1に記載したとおりであり、この範囲において実施の形態1で述べた効果が得られる。
【0109】
<実施の形態6>
本実施の形態6は、As、Pおよび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1または2の活性層に含有するようにしたものである。他の構成は既に述べたとおりである。
【0110】
本実施の形態では、As、PおよびSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素を、窒化物半導体発光レーザ素子1、2を構成している活性層106、206のうち少なくとも井戸層に含有させる。ここで、井戸層に含有させる上記元素群の総和の組成比をXとし、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、上記元素群の総和の下限値は、1×1018/cm3以上である。
【0111】
組成比Xが20%よりも高くなると、井戸層内の領域ごとに各元素の組成比が異なる濃度分離が次第に生じ始める。さらに、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、上記元素群の総和の添加量が1×1018/cm3よりも小さくなると、井戸層に上記元素を含有したことによる効果が得られにくくなる。
【0112】
本実施の形態による効果は、井戸層にAs、PまたはSbを含有させることによって、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点にある。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、後者は活性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。即ち、現在報告されているような活性層にAs、P、Sbのいずれの元素をも含有しないInGaN系窒化物半導体レーザ素子と比べて、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、閾値電流密度が低く、雑音特性にも優れたものとなる。本実施の形態においても、本発明の効果の出現する距離d、t、Pの範囲は実施の形態1に記載したとおりである。
【0113】
<実施の形態7>
本実施の形態7は、基板上に各窒化物半導体層を形成する際に、選択成長技術を用いるものであり、他は上述の実施の形態のいずれかと同様である。
【0114】
選択成長技術は、成長を抑制する材料(例えばSiO2等の酸化物や、SiN、AlNなどの窒化物)からなり開口部を有するマスクを、基板上にあらかじめ設けておき、基板上に各窒化物半導体層を形成する際、その成長初期に、横方向への成長が進行するように制御する技術である。これにより、各窒化物半導体層の成長に伴って生じうるクラックが有効に防止される。マスクは、転位集中領域11上、高ルミネッセンス領域12上に対応して設けることができ、また、これらの領域に関わらず設けることもできる。少なくともレーザ導波領域14の直下にマスクを設けることが、レーザ導波領域に発生しうるクラックを効果的に防止できる点から望ましい。
【0115】
上述の各実施の形態1〜7においては、基板としてGaNを用いる例を説明したが、「課題を解決するための手段」に記載したような材料で構成される窒化物半導体基板に置換することもできる。また、窒化物半導体基板上に成長させる各窒化物半導体層の材料についても、「課題を解決するための手段」に記載したような窒化物半導体材料に置換することができる。
【0116】
<実施の形態8>
本実施の形態8は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に適用したものである。
【0117】
本発明の窒化物半導体レーザ素子(330〜550nmの発振波長)は、半導体光学装置、例えば光ピックアップ装置に利用すると、以下の点において好ましい。各窒化物半導体レーザ素子は、高出力(30mW)であり、高温雰囲気中(60℃)でも安定して動作し、しかもレーザ発振寿命が長いことから、高い信頼性が要求される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)。
【0118】
図10に、本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に利用した一例として、光ディスク装置(光ピックアップを有する装置、例えば、DVD装置など)の概略構成を示す。光ディスク装置300は、光ピックアップ301、制御回路302、ディスクDを回転させるモータ303、および光ピックアップ301を移動させるモータ304を備えている。光ピックアップ301には、半導体レーザ素子305、ビームスプリッタ306、ミラー307、対物レンズ308、および光検出器309が含まれている。半導体レーザ素子305は、上述のいずれかの実施の形態の窒化物半導体レーザ素子1、2である。
【0119】
情報の記録に際し、半導体レーザ素子305が発するレーザ光Lは、制御回路302によって入力情報に応じて変調され、ビームスプリッタ306、ミラー307および対物レンズ308を経てディスクDの記録面上に収束して、情報をディスクDに記録する。また、半導体レーザ素子305が無変調のレーザ光Lを発している間に、ディスクDの記録面のうちレーザ光Lが収束する部位の磁界を入力情報に応じて変調することによっても、情報を記録することができる。情報の再生に際しては、ディスクD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Lが、対物レンズ308、ミラー307、ビームスプリッタ306を経て光検出器309に入射し、光検出器309によって再生信号とされる。半導体レーザ素子305が出力するレーザ光Lのパワーは、例えば、記録時には30mW、再生時には5mW程度である。
【0120】
本発明の半導体レーザ素子は、光ピックアップ装置を有するこのような光ディスク装置の他に、例えば、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等にも利用可能であり、高出力で高寿命の光源として適している。
【0121】
【発明の効果】
窒化物半導体層のレーザ光導波領域を窒化物半導体基板の転位集中領域から40μm以上ずらすようにした本発明では、レーザ光導波領域への基板の転位の影響が抑えられ、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子が得られる。
【0122】
また、窒化物半導体層のレーザ光導波領域を窒化物半導体基板の低転位領域中央領域または高ルミネッセンス領域から30μm以上ずらすようにした本発明では、基板のうち性質が一定の部位の上にレーザ光導波領域を位置させることができ、やはり、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図2】 本発明における窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す拡大縦断面図(a)、斜視図(b)、縦断面図(c)および平面図(d)。
【図3】 実施の形態1の半導体レーザ素子の層構成を模式的に示す縦断面図。
【図4】 窒化物半導体レーザ素子におけるレーザ光導波領域と転位集中領域の距離とレーザ発振寿命との関係を示す図。
【図5】 窒化物半導体レーザ素子におけるレーザ光導波領域と高ルミネッセンス領域の距離とレーザ発振寿命との関係を示す図。
【図6】 実施の形態2の半導体レーザ素子の製造方法を模式的に示す平面図。
【図7】 実施の形態3の半導体レーザ素子の製造方法を模式的に示す平面図。
【図8】 実施の形態4の半導体レーザ素子の製造方法を模式的に示す平面図。
【図9】 実施の形態1〜4の半導体レーザ素子の他の層構成を模式的に示す縦断面図。
【図10】 実施の形態8の半導体光学装置の概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
1、2 窒化物半導体レーザ素子
10 n型GaN基板
11 転位集中領域
12 低転位領域中央領域(高ルミネッセンス領域)
13 窒化物半導体層
14 レーザ光導波領域
15 p電極
16 n電極
21 支持基体
22 n型GaN層
23 {11−22}面
24 凹凸底部下部
25 凹凸頂上部
26 {0001}面
60 n型GaN基板
61、62 窒化物半導体レーザ素子形成領域
70 n型GaN基板
71〜74 窒化物半導体レーザ素子形成領域
80 n型GaN基板
81 窒化物半導体レーザ素子形成領域
102 n型GaN層
103 n型InGaNクラック防止層
104 n型AlGaNクラッド層
105 n型GaN光ガイド層
106 InGaN活性層
107 p型AlGaNキャリアブロック層
108 p型GaN光ガイド層
109 p型AlGaNクラッド層
110 p型GaNコンタクト層
111 n電極
112 p電極
113 絶縁膜
200 n型GaN基板
201 n型GaN層
203 n型InGaNクラック防止層
204 n型AlGaNクラッド層
205 n型GaN光ガイド層
206 活性層
207 p型AlGaNキャリアブロック層
208 p型GaN光ガイド層
209a p型AlGaN第1クラッド層
209b p型AlGaN第2クラッド層
210 p型InGaNコンタクト層
211 n電極
212 p電極
220 電流阻止層
300 光ディスク装置
301 光ピックアップ
302 制御回路
303、304 モータ
305 窒化物半導体レーザ素子
306 ビームスプリッタ
307 ミラー
308 対物レンズ
309 光検出器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor laser element, a method for manufacturing the same, and a semiconductor optical device including the nitride semiconductor laser element as a light source, and more particularly, to a nitride semiconductor laser element using a nitride semiconductor as a substrate.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor laser device that oscillates in the ultraviolet to visible region has been prototyped using nitride semiconductor materials typified by GaN, AlN, InN, and mixed crystals thereof. The semiconductor laser device reported in Japanese = Journal = Applied = Physics 39 No.L647-L650 (Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39 (2000) pp.L647-650) is an example of this. SiO with periodic striped openings on the substrate2It has been shown that a mask semiconductor is formed, a nitride semiconductor laminated structure having a striped waveguide (ridge stripe structure) is formed thereon, and a nitride semiconductor laser device is formed on the GaN layer. . It has been reported that the following method is used for manufacturing the substrate.
[0003]
SiO with periodic striped openings2A GaN layer having a thickness of 15 μm is formed by MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) on the underlying GaN on which the mask pattern (period 20 μm) is formed, thereby obtaining a wafer having a flat surface. This is a technique called ELOG (Epitaxially Lateral Overgrown), which is a technique for reducing defects by utilizing lateral growth. Further, a GaN substrate having a thickness of 200 μm is formed by a normal HVPE method (Hydride Vapor Phase Epitaxy), and the base is removed to manufacture a GaN substrate. The lifetime characteristics of the semiconductor laser thus obtained were 30 mW at 60 ° C. and an estimated lifetime of 15000 hours.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor laser device described in the above report, the substrate manufacturing method requires three crystal growths (base growth, MOCVD growth, and HVPE growth), which is complicated and has a problem in productivity. Further, the laser oscillation life is not yet sufficient, and the life under conditions of higher output and higher power (for example, 70 ° C., 60 mW) is not sufficient.
[0005]
The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device having a further excellent laser oscillation lifetime and a simple manufacturing method thereof.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The nitride semiconductor substrate described in this specification means at least Al.xGayInzIt is a substrate composed of N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1). Further, in the nitride semiconductor substrate, about 20% or less of the nitrogen element which is a constituent component thereof may be substituted with at least one of the element groups of As, P and Sb.
[0007]
Most preferably, the nitride semiconductor substrate is a GaN substrate that is a binary crystal. By using a binary crystal, the composition becomes constant, and it becomes easy to obtain a substrate having stable characteristics, and the composition does not change when epitaxial growth is performed thereon. In addition, by using GaN, good conductivity can be obtained. Next is an AlGaN substrate. By using a material having a refractive index smaller than that of GaN as the substrate, such as an AlGaN substrate, when the semiconductor laser in the ultraviolet to blue region is configured with the above material system, the optical confinement of the laser light to the active layer is improved. .
[0008]
The nitride semiconductor substrate may be doped with an impurity such as an n-type or p-type dopant. As impurities, Cl, O, S, Se, Te, C, Si, Ge, Zn, Cd, Mg, and Be can be used. The total amount of impurities added is 5 × 1016/ CmThree5 × 10 or more20/ CmThreeThe following is preferred. The impurity for the nitride semiconductor substrate to have n-type conductivity is particularly preferably one of Si, Ge, O, Se, and Cl in the impurity group.
[0009]
The nitride semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate described in this specification means at least Al.xGayInzN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1). In the nitride semiconductor layer, about 20% or less of the constituent nitrogen element may be substituted with at least one of the element groups of As, P, and Sb.
[0010]
The nitride semiconductor layer may be doped with an impurity such as an n-type or p-type dopant. As impurities, Cl, O, S, Se, Te, C, Si, Ge, Zn, Cd, Mg, and Be can be used. The total amount of impurities added is 5 × 1016/ CmThree5 × 10 or more20/ CmThreeThe following is preferred. The impurity for the nitride semiconductor layer to have n-type conductivity is particularly preferably Si, Ge, S, Se, or Te among the impurity group, and the impurity for having p-type conductivity is Mg, One of Cd and Be is particularly preferable.
[0011]
The active layer described in this specification refers to a generic name of a well layer or a layer composed of a well layer and a barrier layer. For example, an active 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 active layer having a multiple quantum well structure includes a plurality of well layers and a plurality of barrier layers.
[0012]
In addition, when the index indicating the plane and orientation of the crystal is negative, it is a rule of crystallography that is written with a horizontal line on the absolute value, but in this specification, such a notation is not possible, A negative sign is used in front of the absolute value to indicate a negative exponent.
[0015]
The present inventionIsNitride semiconductor substrate and nitride semiconductor layer laminated thereonWhen,WithOf the present inventionNitride semiconductor laser deviceIt is. In such a nitride semiconductor laser device,Nitride semiconductor substrateIn order to concentrate the dislocations on the bottom of the groove, the facet of the slope, which is the side of the groove with a V-shaped cross section, is used as the facet.StripedOccurred inA dislocation concentration region, and a low dislocation region that is a region excluding the dislocation concentration region;Is included, andLow dislocation regionThis is caused by the facet plane {0001} plane appearing and growing in the center ofStriped high luminescence regionThe high luminescence region and the dislocation concentration region areAlmost parallelIt has become. Also,Nitride semiconductor layerIsStriped laser light guide regionContains thatLaser beam guiding regionIsLocated on low dislocation areaAndDislocation concentration regionAgainstAlmost parallelAndThe distance d in the horizontal direction between the laser beam guiding region and the nearest dislocation concentration region is 40 μm or more,The distance t in the horizontal direction between the laser light waveguide region and the high luminescence region closest thereto is 30 μm or more. It is more desirable that the distance d is 60 μm or more.
The high luminescence region is a region having slightly different properties from the surroundings. By shifting the laser light waveguide region by 30 μm or more from this region, a long-life semiconductor laser device is obtained.
[0016]
Also,The distance P between adjacent dislocation concentration regions in the nitride semiconductor substrate is preferably 140 μm or more.Furthermore, it is desirable that the distance P is 300 μm or more.This is for facilitating the shifting of the laser light waveguide region from the dislocation concentration region during manufacture.
[0017]
The distance P is preferably 1000 μm or less. This is to avoid an unnecessary portion of the low dislocation region that is not located below the laser light guide region from becoming excessive.
[0018]
In addition,A nitride semiconductor substrate having a dislocation concentration region substantially parallel to the [1-100] direction can be used.The distance t is preferably 50 μm or more.
[0021]
In addition,The nitride semiconductor layer is made of InxGa1-xIt can have a quantum well active layer containing a well layer composed of N (0 <x <1).
[0022]
In addition, the nitride semiconductor layer may have a quantum well active layer including a well layer made of a nitride semiconductor containing at least one element of As, P, and Sb.
[0023]
In the present invention, the above-described nitride semiconductor laser element is provided as a light source in a semiconductor optical device.
[0026]
Further, in the method for manufacturing a nitride semiconductor laser device of the present invention, a slope which is a side surface of a groove having a V-shaped cross section is used as a facet surface, and growth is performed while maintaining the slope of the facet surface. A plurality of dislocation concentration regions formed in stripes and substantially parallel to each other, and a low dislocation region excluding the dislocation concentration region, and a facet plane in the center of the low dislocation region { A striped laser light waveguide region is provided on a nitride semiconductor substrate that has a striped high luminescence region that is substantially parallel to the dislocation concentration region by growing while exposing the 0001} surface. Forming a nitride semiconductor layer including a nitride semiconductor stacked structure; Further, in the method of manufacturing the nitride semiconductor laser device, the laser light waveguide region is provided on the low dislocation region substantially in parallel with the dislocation concentration region, and the horizontal direction of the laser light waveguide region and the nearest dislocation concentration region to the laser light waveguide region is provided. The distance d is set to 40 μm or more, and the horizontal distance t between the laser light guide region and the high luminescence region closest thereto is set to 30 μm or more. It is more desirable that the distance d is 60 μm or more.
In this way, the influence of the dislocation of the substrate to the laser beam guiding region can be suppressed, and not only a semiconductor laser element having a long laser oscillation lifetime can be obtained,By shifting the laser light waveguide region from the high luminescence region having slightly different properties from the surroundings, a semiconductor laser device having a longer life can be obtained.
[0027]
Also,A nitride semiconductor substrate having a distance P of 140 μm or more between adjacent dislocation concentration regions is used.It is desirable that the distance P is 300 μm or more.It becomes easy to shift the laser light waveguide region from the dislocation concentration region.
[0028]
A nitride semiconductor substrate having a distance P of 1000 μm or less may be used. It is possible to avoid a semiconductor laser element having a large unnecessary portion that is not located below the laser light waveguide region in the low dislocation region, and the yield is improved.
[0030]
The distance t is preferably 50 μm or more. Also,The nitride semiconductor substrate having a dislocation concentration region has a surface in which a facet surface {11-22} surface is exposed and has a serrated uneven shape, and the dislocation concentration region is below the bottom of the surface uneven shape. Those located in
[0031]
Moreover, as a nitride semiconductor substrate having a high luminescence region, the facet surface {11-22} has a surface that is exposed and has a serrated uneven shape, and the high luminescence region is a top of the uneven surface. What is located under a part can be used.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor laser device 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a view of the semiconductor laser device 1 of the present embodiment as viewed from the light emitting direction. In FIG. 1,
[0033]
When the semiconductor laser device 1 of the present embodiment is viewed from the upper surface side (plan view), the distance between the laser
[0034]
Below, while explaining the manufacturing method of the semiconductor laser device 1 of the present embodiment, the structure thereof will be described in more detail.
[0035]
(Production method of GaN substrate)
First, the outline of the crystal growth method of the n-
[0036]
There are several states in the dislocation concentration region. For example, it may be polycrystalline. Moreover, it may become a single crystal slightly inclined with respect to the surrounding low dislocation region. Furthermore, while the growth direction of the surrounding low dislocation region is the [0001] direction, the growth direction may be the [000-1] direction. For this reason, a clear boundary is generated between the dislocation concentration region and the low dislocation region.
[0037]
In order to move the slope in the growth direction, the shape of the dislocation concentration region can be defined by the shape of the facet plane that is generated first. If facets such as the side of a pyramid that is upside down (top down and bottom up) are generated first, the dislocations gather at the apex of the pyramid and the dislocation concentration region grows in the growth direction. Pits are formed in parallel straight lines. In addition, if a facet surface such as a side surface of a groove having a V-shaped cross section is first generated, dislocations gather at a linear portion at the bottom of the groove, and the dislocation concentration region is a planar shape parallel to the growth direction. To form a stripe.
[0038]
A mask that prevents crystal growth can be used as the seed of the facet plane to be generated first. Crystal growth begins at the part where the mask is not provided, a facet surface is formed at the boundary between the part without the mask and the part, and the facet surface comes into contact with the mask due to the growth in the horizontal direction, and the contact is a dislocation concentration region. This is the starting position. After the facet surfaces come into contact with each other, crystal growth in the vertical direction (original growth direction) proceeds stably, the facet surface moves in the growth direction as it is, and the dislocation concentration region extends in the growth direction. If the mask that hinders crystal growth is made dot-like, facets like the side of a pyramid that is upside down can be generated, and if the mask is made straight, the cross-section is like the side of a V-shaped groove. Can generate a large facet surface. As the mask, an amorphous or polycrystalline layer may be provided, for example, SiO.2The thin film is formed on the substrate surface.
[0039]
After the crystal growth, the surface is polished and mirror-finished to obtain a substrate on which semiconductor layers can be stacked. In this embodiment, a facet surface is formed in a V shape so that the dislocation concentration region has a stripe shape, or a large number of facet surfaces having a shape surrounding a dot are generated in a short period, thereby dislocation concentration. Make the region macroscopically striped.
[0040]
A specific method for manufacturing the n-
[0041]
Here, the HVPE method is such that HCl gas is blown into a heated Ga melt by providing a Ga boat in the upstream portion of a hot wall type reactor, and a base is provided in the downstream portion of the reactor.ThreeThen, HCl is blown into the heated Ga metal (melt) to synthesize GaCl, which is then sent downward, and NH below.ThreeTo synthesize GaN so that GaN is deposited on the substrate.
[0042]
As the
[0043]
The unevenness has a periodic structure with a pitch P = 400 μm and has a shape extending like a bowl in the depth direction of the drawing. As described above, in order to define the position of the unevenness, the
[0044]
Japanese Patent Application No. 11-273882, filed earlier by the present applicant, discloses in detail the technique (growth conditions) for sustaining crystal growth with the facet {11-22} face exposed. In addition, the crystal to grow was made into n-type by doping O at the time of growth.
[0045]
While maintaining such a growth mode, the formation of a GaN crystal was continued to produce an ingot having a height of 30 mm on the
[0046]
The ingot was sliced by a slicer to obtain a thin piece (n-type GaN substrate). The thin piece was polished to obtain an n-
[0047]
Evaluation of the
[0048]
Further, the sample was immersed in a solution obtained by heating a mixed acid of sulfuric acid and phosphoric acid to 250 ° C. so that etching pits appeared on the surface. As a result, a large number of etch pits appear in the region corresponding to the region where the bottom of the concave portion has occurred during crystal growth (the portion indicated by
[0049]
In this way, since the dislocations are highly concentrated in the recesses, it is more likely to be eroded than the other parts in the polishing process, and it is considered that they have occurred. The width of the dislocation concentration region was about 10 to 40 μm. Other areas are EPD (etch pit density) 10Four-10Five/ Cm2It was a low dislocation area of the stand. The EPD in the dislocation concentration region was observed to be 3 orders of magnitude larger than this. As described above, the region represented by
[0050]
Further, the sample was irradiated with ultraviolet rays (Hg lamp 365 nm emission line can be used), and luminescence from the surface was observed using a microscope (fluorescence microscope observation). As a result, a striped region having a relatively distinct boundary and having a contrast different from the surroundings was observed at the center of the low dislocation region sandwiched between the
[0051]
This region is a
[0052]
Note that such a high luminescence region may be hardly formed depending on the conditions when the ingot is formed and the position (distance from the support base) in the ingot. However, the substantially central region of the portion sandwiched between the dislocation
[0053]
The crystal growth for forming the
[0054]
As the
[0055]
There are two types of options for providing a mask for forming the
[0056]
Here, an example in which GaN is used as the
[0057]
In the method of manufacturing a nitride semiconductor substrate shown in the prior art, dislocations are reduced by using a lateral growth technique (ELOG technique) as the crystal growth of the substrate proceeds, but dislocations (defects) are not generated. The generated position is not particularly controlled, and dislocations are uniformly distributed in the plane as the crystal growth proceeds. On the other hand, in the nitride semiconductor substrate used in the present invention, the position of the dislocation concentration region is controlled to a predetermined position (pitch is on the order of several hundred μm) through the growth of the substrate crystal. There is such a difference between the conventional GaN substrate and the nitride semiconductor substrate used in the present invention.
[0058]
Therefore, when trying to obtain a substrate having a similar dislocation density, the substrate crystal manufacturing method described in this embodiment requires fewer crystal growths, and the productivity is improved. In the case where such a substrate is used, it has not been conventionally known as to where the laser light waveguide region in the semiconductor laser element should be provided. This point will be described in detail later.
[0059]
(Epitaxial growth of nitride semiconductor layer)
Next, a method of manufacturing the semiconductor laser device 1 by forming the
[0060]
Using MOCVD equipment, Group V raw material NHThreeAnd SiH as dopant material to TMGa (trimethylgallium) or TEGa (triethylgallium)FourAnd an n-
[0061]
Thereafter, the substrate temperature is lowered to 750 ° C., and 3 cycles of 4 nm thick In0.1Ga0.9N well layer and 8nm thick In0.01Ga0.99An active 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, the barrier layer or both the barrier layer and the well layer is formed of SiH.Four(Si impurity concentration is 1 × 1016~ 1x1018/ CmThree) Was added. It is preferable to interrupt growth between the barrier layer and the well layer or between the well layer and the barrier layer for 1 second or more and 180 seconds or less because the flatness of each layer is improved and the half width of light emission is reduced.
[0062]
When adding As to the active layer, AsHThree(Arsine) or TBAs (tertiary butyl arsine), PH when adding P to the active layerThree(Phosphine) or TBP (tertiary butyl phosphine), and when adding Sb to the active layer, TMSb (trimethylantimony) or TESb (triethylantimony) is preferably used as a raw material. Further, when forming the active layer, as an N raw material, NHThreeBesides N2HFour(Hydrazine), C2N2H8(Dimethylhydrazine) or an organic raw material containing N may be used.
[0063]
Next, the substrate temperature is increased again to 1050 ° C., and p-type Al having a thickness of 20 nm is formed.0.3Ga0.7N
[0064]
After the p-type
[0065]
As a result of evaluating the growth film thus prepared by Raman measurement, the characteristics of p-type conversion have already been shown after growth without performing p-type annealing after removing the wafer from the MOCVD apparatus (Mg). Was activated). Further, the contact resistance due to the formation of the p electrode is also reduced. Combining conventional p-type annealing in addition to the above method was preferable because the Mg activation rate was further improved.
[0066]
In0.07Ga0.93The N
[0067]
The
[0068]
Further, here, a required amount of Si is added to both the well layer and the barrier layer forming the
[0069]
p-type Al0.3Ga0.7The N
[0070]
Here, as the p-
[0071]
The thickness of the n-type
[0072]
Further, although the
[0073]
Although the crystal growth method using the MOCVD apparatus has been described here, a molecular beam epitaxy method (MBE) or a hydride vapor phase epitaxy method (HVPE) may be used.
[0074]
Subsequently, a description will be given of a process step in which an epitaxial wafer in which each layer of the
[0075]
(Element fabrication process)
A ridge stripe portion which is the laser
[0076]
As the insulating
[0077]
Further, by polishing the back side (substrate side) of the epi wafer, the thickness of the wafer was adjusted to 80 to 200 μm so that the wafer could be easily divided later. The n-
[0078]
Finally, the epi-wafer was cleaved in the direction perpendicular to the ridge stripe direction to produce a Fabry-Perot resonator having a resonator length of 600 μm. The resonator length is preferably 250 μm to 1000 μm. By this process, the wafer was formed into a bar shape in which individual laser elements were arranged side by side. The cavity end face of the nitride semiconductor laser element in which the stripe is formed along the <1-100> direction is the {1-100} plane of the nitride semiconductor crystal. Cleaving is not performed by scoring the entire surface of the wafer with a scriber. Instead, the scribing is performed on only a part of the wafer, for example, only on both ends of the wafer or on the part corresponding to both ends of the chip. Cleaved from the starting point. In addition to the method of feeding back at the end face, a DFB (Distributed Feedback) for providing feedback by providing a diffraction grating inside and a DBR (Distributed Bragg Reflector) for providing feedback by providing a diffraction grating outside may be used.
[0079]
After forming a resonator end face of a Fabry-Perot resonator, SiO having a reflectivity of about 80% is formed on this end face.2And TiO2The dielectric films were alternately deposited to form a dielectric multilayer reflective film. The dielectric multilayer reflective film may be formed of other dielectric materials. Further thereafter, the bar was divided into individual laser elements to obtain the semiconductor laser element 1 of FIG. A laser beam waveguide region 14 (ridge stripe) is disposed in the center of the laser chip, and the lateral width W of the laser element 1 is 400 μm.
[0080]
In the original n-
[0081]
The nitride semiconductor laser device 1 chip shown in FIGS. 1 and 3 was produced as described above.
[0082]
(Characteristics of semiconductor laser elements)
In the obtained nitride semiconductor laser device 1, the laser confinement life of 5000 hours or more was achieved under the conditions of a laser output of 60 mW and an ambient temperature of 70 ° C. due to the presence of the current confinement portion at the optimum position. In addition, when the present inventors made a semiconductor laser by the above-mentioned conventional technique and tested it under the same conditions, the lifetime was about 1000 hours.
[0083]
(Positional relationship between laser beam waveguide region and substrate)
As described above, the
[0084]
FIG. 4 shows the lasers of several semiconductor laser elements manufactured on a P = 600 μm n-type GaN substrate in substantially the same manner as the semiconductor laser element 1 of the present embodiment and the position of the laser
[0085]
In the case of d ≦ 10 μm, the laser
[0086]
In the semiconductor laser device formed near the
[0087]
FIG. 5 shows a number of semiconductor laser devices manufactured on the n-
[0088]
In the case of t = 0 μm, the laser
[0089]
(Preferable range of substrate)
Next, a preferable range of the pitch P at which the
[0090]
Further, the value of the distance P is also limited in terms of whether or not the growth can be continued while the position of the concavo-convex shape is kept constant in the formation of the
[0091]
Further, from the function of concentrating dislocations in the
[0092]
<
The semiconductor laser device of the second embodiment is the same as the semiconductor laser device 1 of the first embodiment, but the distances P, d, t, etc. are different. FIG. 6 is a diagram showing the positional relationship between the laser
[0093]
In the manufacturing method of the semiconductor laser device 1 of the present embodiment, the pitch P of the
[0094]
For one region 61, the distance d between the laser
[0095]
The width W of the regions 61 and 62 and the pitch P of the
[0096]
In one region 61, only one dislocation concentrated
[0097]
<Embodiment 3>
In the method of manufacturing the semiconductor laser device according to the third embodiment, the number of semiconductor laser devices (chips) 1 manufactured per pitch P is further increased to four. FIG. 7 is a diagram showing the arrangement relationship between the laser
[0098]
In the manufacturing method of the semiconductor laser device 1 of the present embodiment, the pitch P of the
[0099]
As shown in the figure, the
[0100]
Also in the present embodiment, the ranges of the distances d, t, and P where the effects of the present invention appear are as described in the first embodiment, and the effects described in the first embodiment can be obtained within this range.
[0101]
<Embodiment 4>
In the fourth embodiment, the width W> pitch P, contrary to the second or third embodiment. FIG. 8 is a diagram showing the arrangement relationship between the laser
[0102]
In the manufacturing method of the semiconductor laser device 1 of the present embodiment, the pitch P of the
[0103]
As shown in the figure, each of the
[0104]
Also in the present embodiment, the ranges of the distances d, t, and P where the effects of the present invention appear are as described in the first embodiment, and the effects described in the first embodiment can be obtained within this range.
[0105]
In the first to fourth embodiments described above, the arrangement in which one, two, four, and two thirds of semiconductor laser elements (chips) are formed per pitch has been described. However, the scope of application of the present invention is not limited to this. However, it may be arranged such as 6, 1/2, 1/3, or the like. Further, if the arrangement of some elements on the GaN substrate is allowed to deviate from the required range of t and d, it is set to a number other than an integer multiple or a value that can be expressed in a simple fraction. It is also possible to do.
[0106]
<Embodiment 5>
In the fifth embodiment, the nitride semiconductor laser element 1 having the ridge stripe structure described in the first to fourth embodiments is replaced with a nitride
[0107]
The
[0108]
The
[0109]
<Embodiment 6>
In the sixth embodiment, at least one element of the element group of As, P, and Sb is contained in the active layer of the nitride
[0110]
In the present embodiment, at least one of the element groups of As, P, and Sb is contained in at least the well layer of the
[0111]
When the composition ratio X is higher than 20%, concentration separation in which the composition ratio of each element is different for each region in the well layer gradually starts to occur. Further, when the composition ratio X becomes higher than 30%, this time, the concentration separation starts to shift to a 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 above element group is 1 × 1018/ CmThreeWhen it becomes smaller than this, the effect by containing the said element in a well layer becomes difficult to be acquired.
[0112]
The effect of this embodiment is that the effective mass of electrons and holes in the well layer is reduced and the mobility of electrons and holes in the well layer is increased by containing As, P or Sb in the well layer. is there. In the case of a semiconductor laser element, 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 active layer due to light emission recombination, It means that holes are injected at high speed by diffusion. That is, as compared with the InGaN-based nitride semiconductor laser element that does not contain any of As, P, and Sb in the active layer as currently reported, the nitride semiconductor laser element of this embodiment has a threshold current. Low density and excellent noise characteristics. Also in the present embodiment, the ranges of the distances d, t, and P at which the effect of the present invention appears are as described in the first embodiment.
[0113]
<Embodiment 7>
In the seventh embodiment, a selective growth technique is used when forming each nitride semiconductor layer on a substrate, and the others are the same as in any of the above-described embodiments.
[0114]
Selective growth technology uses materials that suppress growth (eg,
[0115]
In each of the above-described first to seventh embodiments, an example in which GaN is used as a substrate has been described. However, a nitride semiconductor substrate made of a material as described in “Means for Solving the Problems” is used. You can also. The material of each nitride semiconductor layer grown on the nitride semiconductor substrate can also be replaced with a nitride semiconductor material as described in “Means for Solving the Problems”.
[0116]
<Eighth embodiment>
In the eighth embodiment, the nitride semiconductor laser element of the present invention is applied to a semiconductor optical device.
[0117]
The nitride semiconductor laser element (oscillation wavelength of 330 to 550 nm) of the present invention is preferable in the following points when used for a semiconductor optical device, for example, an optical pickup device. Each nitride semiconductor laser device has high output (30 mW), operates stably even in a high temperature atmosphere (60 ° C.), and has a long laser oscillation life, so that high reliability is required for high density recording / reproduction. (The shorter the oscillation wavelength, the higher the density of recording and reproduction becomes possible).
[0118]
FIG. 10 shows a schematic configuration of an optical disk apparatus (an apparatus having an optical pickup, for example, 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
[0119]
When recording information, the laser light L emitted from the
[0120]
In addition to such an optical disk device having an optical pickup device, the semiconductor laser element of the present invention can be used for, for example, a laser printer, a barcode reader, a projector using a laser of three primary colors (blue, green, red). Yes, it is suitable as a light source with high output and long life.
[0121]
【The invention's effect】
In the present invention in which the laser beam waveguide region of the nitride semiconductor layer is shifted by 40 μm or more from the dislocation concentration region of the nitride semiconductor substrate, the influence of the substrate dislocation to the laser beam waveguide region is suppressed, and nitriding with a long laser oscillation lifetime is achieved. A semiconductor laser device can be obtained.
[0122]
Further, in the present invention in which the laser light waveguide region of the nitride semiconductor layer is shifted by 30 μm or more from the central region of the low dislocation region or the high luminescence region of the nitride semiconductor substrate, the laser light guide is formed on a portion of the substrate having a certain property. The wave region can be positioned, and a nitride semiconductor laser element having a long laser oscillation lifetime can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing the structure of a semiconductor laser device according to a first embodiment.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view (a), a perspective view (b), a longitudinal sectional view (c), and a plan view (d) schematically showing a manufacturing process of a nitride semiconductor substrate in the present invention.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view schematically showing a layer configuration of the semiconductor laser element according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a laser oscillation lifetime and a distance between a laser beam waveguide region and a dislocation concentration region in a nitride semiconductor laser element.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a laser oscillation lifetime and a distance between a laser beam waveguide region and a high luminescence region in a nitride semiconductor laser element.
6 is a plan view schematically showing the method for manufacturing the semiconductor laser element of the second embodiment. FIG.
7 is a plan view schematically showing the method for manufacturing the semiconductor laser element of the third embodiment. FIG.
8 is a plan view schematically showing the method for manufacturing the semiconductor laser element of the fourth embodiment. FIG.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view schematically showing another layer configuration of the semiconductor laser elements according to the first to fourth embodiments.
10 is a block diagram showing a schematic configuration of a semiconductor optical device according to an eighth embodiment. FIG.
[Explanation of symbols]
1, 2 Nitride semiconductor laser device
10 n-type GaN substrate
11 Dislocation concentration region
12 Low dislocation region central region (high luminescence region)
13 Nitride semiconductor layer
14 Laser light guide region
15 p electrode
16 n electrode
21 Support base
22 n-type GaN layer
23 {11-22} plane
24 Uneven bottom bottom
25 Top of unevenness
26 {0001} face
60 n-type GaN substrate
61, 62 Nitride semiconductor laser element formation region
70 n-type GaN substrate
71-74 Nitride semiconductor laser element formation region
80 n-type GaN substrate
81 Nitride semiconductor laser element formation region
102 n-type GaN layer
103 n-type InGaN crack prevention layer
104 n-type AlGaN cladding layer
105 n-type GaN optical guide layer
106 InGaN active layer
107 p-type AlGaN carrier block layer
108 p-type GaN optical guide layer
109 p-type AlGaN cladding layer
110 p-type GaN contact layer
111 n electrode
112 p electrode
113 Insulating film
200 n-type GaN substrate
201 n-type GaN layer
203 n-type InGaN crack prevention layer
204 n-type AlGaN cladding layer
205 n-type GaN optical guide layer
206 Active layer
207 p-type AlGaN carrier block layer
208 p-type GaN optical guide layer
209a p-type AlGaN first cladding layer
209b p-type AlGaN second cladding layer
210 p-type InGaN contact layer
211 n electrode
212 p-electrode
220 Current blocking layer
300 Optical disk device
301 Optical pickup
302 Control circuit
303, 304 Motor
305 Nitride semiconductor laser device
306 Beam splitter
307 mirror
308 Objective lens
309 photodetector
Claims (12)
窒化物半導体基板には、
断面をV字状にした溝の側面である斜面をファセット面とし、そのファセット面の斜面を維持させながら成長させることにより、上記溝の底に転位を集中させてストライプ状に生じた転位集中領域と、
転位集中領域を除いた領域である低転位領域と、
が含まれるとともに、
上記低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長することにより生じるストライプ状の高ルミネッセンス領域が含まれており、その高ルミネセンス領域と転位集中領域とは略平行であり、
窒化物半導体層には、
ストライプ状のレーザ光導波領域が含まれ、そのレーザ光導波領域は、低転位領域上に位置するとともに、転位集中領域に対して略平行になっており、
レーザ光導波領域とこれに最近接の転位集中領域との水平方向の距離dが40μm以上であり、
レーザ光導波領域とこれに最近接の高ルミネッセンス領域との水平方向の距離tが30μm以上である
窒化物半導体レーザ素子。And the nitride semiconductor substrate, a nitride semiconductor laser device and a nitride semiconductor layer laminated thereon,
The nitride semiconductor substrate,
Dislocation concentration region formed in stripes by concentrating dislocations at the bottom of the groove by growing while maintaining the inclined surface that is the side surface of the groove having a V-shaped cross section as the facet surface. When,
A low dislocation region which is a region excluding a dislocation concentration region ;
Is included,
The center of the low dislocation region includes a stripe-shaped high luminescence region generated by the growth of the facet plane {0001} plane , and the high luminescence region and the dislocation concentration region are substantially parallel to each other. Yes,
In the nitride semiconductor layer ,
Includes stripe-shaped laser beam waveguide region, the laser optical waveguide region, as well as positioned on the low dislocation region has become substantially parallel to the dislocation-concentrated region,
The distance d in the horizontal direction between the laser beam guiding region and the nearest dislocation concentration region is 40 μm or more,
A nitride semiconductor laser device in which a horizontal distance t between a laser light waveguide region and a high luminescence region closest thereto is 30 μm or more.
隣り合う転位集中領域間の距離Pが140μm以上である
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 substrate has a plurality of dislocation concentration regions,
The distance P between adjacent dislocation concentration regions is 140 μm or more.
The nitride semiconductor laser device according to claim 1 or 2 .
上記転位集中領域を除いた領域である低転位領域と、
を有するとともに、
低転位領域の中央に、ファセット面{0001}面を表出させながら成長させることにより、転位集中領域に対して略平行なストライプ状の高ルミネッセンス領域を生じさせている窒化物半導体基板上に、
ストライプ状のレーザ光導波領域を備えた窒化物半導体の積層構造を含有する窒化物半導体層を形成する工程を含み、
レーザ光導波領域を低転位領域上に転位集中領域と略平行に設けるとともに、
レーザ光導波領域とこれに最近接の転位集中領域との水平方向の距離dを40μm以上とし、
レーザ光導波領域とこれに最近接の高ルミネッセンス領域との水平方向の距離tを30μm以上とする
窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 By making the slope, which is the side of the groove having a V-shaped cross section, as a facet surface, and growing while maintaining the slope of the facet surface, the dislocations are concentrated on the bottom of the groove to form stripes and substantially parallel to each other A plurality of dislocation concentration regions,
A low dislocation region which is a region excluding the dislocation concentration region ;
And having
The center of the low-dislocation regions, by growing while expose the facets {0001} plane, on a nitride semiconductor substrate which cause substantially parallel stripes of high luminescent regions with respect to dislocation-concentrated region,
Forming a nitride semiconductor layer containing a nitride semiconductor laminated structure having a stripe-shaped laser beam waveguide region seen including,
A laser light guide region is provided on the low dislocation region substantially parallel to the dislocation concentration region,
The horizontal distance d between the laser light guide region and the nearest dislocation concentration region is set to 40 μm or more ,
A method for manufacturing a nitride semiconductor laser device, wherein a horizontal distance t between a laser beam waveguide region and a high luminescence region closest thereto is 30 μm or more.
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