JP4617907B2 - 光集積型半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の光を出射することができる光集積型半導体発光素子に係り、特に、高密度光ディスク装置やレーザビームプリンタなどに好適に適用可能なマルチビーム型半導体レーザ素子などの光集積型半導体発光素子に関する。
近年、高密度光ディスク装置やレーザビームプリンタなどの光源として、複数ビームの独立駆動の可能なマルチビーム型半導体レーザ素子が注目されている。このレーザ素子は、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板の表面に、ｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層、活性層、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層がこの順に積層配置されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を有している。このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の上部、具体的には、ｐ型クラッド層の上部およびｐ型コンタクト層に、帯状のリッジ部が複数形成されている。この複数のリッジ部と対向する領域に形成されるそれぞれの発光領域（電流注入領域）は、リッジ部間の溝により互いに分離されている。また、各リッジ部の上部には個別電極（ｐ側電極）、ＧａＮ基板の裏面全体には共通電極（ｎ側電極）が形成されており、各リッジ部の延在方向に対して垂直な端面に一対の反射鏡膜が形成されている。
このような構成のマルチビーム型半導体レーザ素子では、選択された個別電極と共通電極との間に所定の電位差の電圧が印加されると、リッジ部により電流狭窄されると共に、活性層の電流注入領域に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、ビームとして一方の反射鏡膜から外部に射出される。
ところで、上記のＧａＮ基板は、一般に、複数の高欠陥領域が低欠陥領域を貫通して不規則に形成された構造を有しているため、特に、複数の発光領域を有するマルチビーム型の場合には、高欠陥領域に発光領域が形成されるのを避けることができず、素子の発光特性や信頼性の低下を招いていた。そこで、そのような問題を解決すべく、低欠陥領域中に高欠陥領域を規則的（周期的）に配列させたＧａＮ基板上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を積層する方法が提案されている（特許文献１）。これにより、確実に低欠陥領域中に複数の発光領域を形成することができ、素子の発光特性や信頼性を向上させることが可能となる。
特開２００３−１２４５７２号公報
このように、上記特許文献１記載のＧａＮ基板は優れた結晶構造を有する基板であることから、近年、このＧａＮ基板を用いたマルチビーム型半導体レーザ素子の開発が盛んに行われている。しかしながら、このＧａＮ基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層はＧａＮ基板の高欠陥領域と対向する領域にＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を貫通する高欠陥領域を有しており、また、この高欠陥領域は低欠陥領域と比べて導電性が非常に高い。このため、電極から注入された電流の一部が発光領域へ供給されることなく、上記の高欠陥領域を通してリークしてしまうため、発光に寄与する電流を発光領域へ充分に供給することが困難となり、素子の発光効率が低くなるという問題がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、基板の高欠陥領域を通してリーク電流が流れるのを防止することにより、発光効率の向上した光集積型半導体発光素子を提供することにある。
本発明の光集積型半導体発光素子は、第１平均転位密度を有する結晶からなる第１領域中に第１平均転位密度より高い第２平均転位密度を有する第２領域を１または２以上有する窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に形成され、複数の発光素子構造を有すると共に、第２領域の直上部分のうち前記発光素子構造に近接する部分を取り除くように第１の溝を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層とを備えるものである。
本発明の光集積型半導体発光素子では、窒化物半導体基板の第２領域（高欠陥領域）の直上部分のうち発光素子構造に近接する部分を取り除くように第１の溝が形成されている。この第１の溝は、窒化物半導体基板の第２領域から伝播した転位の集中する高欠陥領域の一部をＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層から除去することにより設けられており、これにより電極から注入された電流の一部が発光領域を迂回してリークするのが抑制される。
本発明の光集積型半導体発光素子によれば、窒化物半導体基板の転位密度の高い第２領域の直上部分のうち発光素子構造に近接する部分を取り除くように第１の溝を形成するようにしたので、電極から注入された電流の一部が発光領域を迂回してリークするのが抑制され、その結果、素子の発光効率が向上する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る２ビーム型半導体レーザ素子１の断面構造を表したものである。この２ビーム型半導体レーザ素子１は、単一の基板上に複数の発光領域を有するモノリシックマルチビーム型の半導体レーザ素子の一具体例である。
この２ビーム型半導体レーザ素子１は、ＧａＮからなる基板１０（窒化物半導体基板）の表面に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料からなるｎ型バッファ層１１，ｎ型クラッド層１２，ｎ型ガイド層１３，活性層１４，ｐ型ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６およびｐ型コンタクト層１７をこの順に積層してなるレーザ構造（発光素子構造）を有している。なお、以下、上記半導体層を積層した方向を縦方向、レーザ光の射出方向を軸方向、軸方向と縦方向とに垂直な方向を横方向と称する。
このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料を積層させたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０のうち、ｎ型バッファ層１１は例えばｎ型ＧａＮ、ｎ型クラッド層１２は例えばｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ガイド層１３は例えばｎ型ＧａＮによりそれぞれ構成されている。活性層１４は例えばアンドープのＧａＩｎＮ多重量子井戸構造により構成されている。ｐ型ガイド層１５は例えばｐ型ＧａＮ、ｐ型クラッド層１６は例えばＡｌＧａＮ、ｐ型コンタクト層１７は例えばｐ型ＧａＮによりそれぞれ構成されている。上記のｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられ、ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）などが挙げられる。
基板１０は、平均転位密度（第１平均転位密度）の低い低欠陥領域１０Ａ（第１領域）中に低欠陥領域１０Ａより高い平均転位密度（第２平均転位密度）を有する複数の高欠陥領域１０Ｂ（第２領域）を有する。ここでは、基板１０のうち横方向の中央領域に高欠陥領域１０Ｂを有しており、その両側の領域に低欠陥領域１０Ａ，１０Ａを有している。
この基板１０は、図２に示したように、低欠陥領域１００Ａ中に、高欠陥領域１００Ｂが規則的（周期的）に、例えば横方向に数百μｍ程度の周期で配列されたＧａＮ基板１００の一部を切り出した部材により構成されている。この高欠陥領域１００Ｂは、ＧａＮ基板１００表面において軸方向に延在する連続帯状となっており、ＧａＮ基板１００を軸方向および縦方向に貫通する平面形状となっている。なお、このＧａＮ基板１００の低欠陥領域１００Ａにおける平均転位密度は、例えば５x １０ 5 ｃｍ -2 であり、高欠陥領域１００Ｂにおける平均転位密度は例えば２x １０ 8 ｃｍ -2 である。
ところで、上記のＧａＮ基板１００は、例えば、特開２００３−１２４５７２において詳述されているように、ファセット面からなる斜面を有した状態で結晶成長させることにより形成されたものである。このような結晶成長方法を用いることにより転位密度の高い領域を任意の領域に集約することができ、上記のように、転位密度の高い領域と転位密度の低い領域とを規則的，周期的に形成することができる。その結果、後述のように、転位密度の低い領域にのみレーザ構造を形成することができると共に、発光特性の優れた素子を形成することが可能となる。
一方、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０は、基板１０の高欠陥領域１０Ｂに対応する部分に高欠陥領域３０Ｂ、低欠陥領域１０Ａに対応する部分に低欠陥領域３０Ａをそれぞれ有している。これは、後述のように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０は基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成されるため、基板１０の結晶転位がＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０へ伝播してしまうからである。
また、ｐ型クラッド層１６の一部およびｐ型コンタクト層１７には、後述のようにｐ型クラッド層１６まで形成したのち選択的にエッチングすることにより、軸方向に延在する帯状のリッジ部（突条部）１８が複数設けられている。このリッジ部１８は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０の各低欠陥領域３０Ａに形成されており、活性層１４のうちリッジ部１８に対応する領域に電流注入領域（発光領域）が形成されるようになっている。なお、リッジ部１８は、活性層１４の電流注入領域の大きさを制限すると共に、横方向の光モードを基本（０次）モードに安定に制御し、軸方向に導波させる機能を有する。
隣接するリッジ部１８間の領域にはそれぞれ溝１９（第１の溝）が形成されている。これらの溝１９の内面を含めて各リッジ部１８の両側面は絶縁膜２０により覆われている。各リッジ部１８のｐ型コンタクト層１７上には個別電極（ｐ側電極２１）が形成されている。このｐ側電極２１の表面には絶縁膜２０の表面にかけてｐ側引出電極２２が設けられている。一方、基板１０の裏面全体には共通電極（ｎ側電極２３）が設けられている。なお、リッジ部１８の延在方向（軸方向）に対して垂直な面には、一対の反射鏡膜（図示せず）が形成されている。
溝１９は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０の高欠陥領域３０Ｂを含む領域に設けられており、隣接するレーザ構造間を絶縁分離している。具体的には、この溝１９は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０を貫通する高欠陥領域３０Ｂのうちリッジ部１８に近接する部分を取り除くように設けられており、かつ各リッジ部１８に対応する発光領域を互いに電気的に分離することができる程度の深さ、例えばｎ型バッファ層１１に達する程度の深さを有している。従って、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０において、高欠陥領域３０Ｂは、ｎ型バッファ層１１にのみ存在しており、ｎ型クラッド層１２，ｎ型ガイド層１３，活性層１４，ｐ型ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６およびｐ型コンタクト層１７には存在していない。
絶縁膜２０は、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）または窒化珪素（ＳｉＮ）により構成されている。ｐ側電極２１は例えばパラジウム（Ｐｄ）層および白金（Ｐｔ）層をこの順に積層することにより構成されている。ｐ側引出電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ型コンタクト層１７の側から順に積層したものである。ｎ側電極２３は、例えば、金とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とを基板１０の側から順に積層した構造を有している。
また、一対の反射鏡膜の一方（主出射側）は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）により構成され、低反射率となるように調整されている。これに対して他方の反射鏡膜は、例えば酸化アルミニウム層と非晶質珪素（アモルファスシリコン）層とを交互に積層して構成され、高反射率となるように調整されている。これにより、活性層１４の発光領域において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、低反射率側の反射鏡膜からビームとして射出されるようになっている。
このような構成を有する２ビーム型半導体レーザ素子１は、例えば次のようにして製造することができる。
図３〜図５はその製造方法を工程順に表したものである。２ビーム型半導体レーザ素子１を製造するためには、ＧａＮ基板１００（図２参照）上のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０を、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成する。この際、ＧａＮ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア (ＮＨ3)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。
具体的には、まず、図３に示したように、ＧａＮ基板１００上に、ｎ型バッファ層１１，ｎ型クラッド層１２，ｎ型ガイド層１３，活性層１４，ｐ型ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６およびｐ型コンタクト層１７をこの順に積層する。
次に、図４に示したように、例えば、ｐ型コンタクト層１７の上にマスク層（図示せず）を形成し、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、ｐ型コンタクト層１７およびｐ型クラッド層１６の一部を選択的に除去する。その後、マスク層を除去する。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０の低欠陥領域３０Ａに軸方向に延在する帯状のリッジ部１８が２つ形成される。
次いで、図５に示したように、新たなマスク層（図示せず）を形成し、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０の高欠陥領域３０Ｂおよびこの高欠陥領域３０Ｂの両側の低欠陥領域３０Ａの一部を含む領域に、ｎ型バッファ層１１にまで達すると共に軸方向に延在する溝１９を形成する。その後、マスク層を除去する。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０を２つに分離すると共に、底面に高欠陥領域３０Ｂが露出した溝１９が形成される。このとき各リッジ部１８は、低欠陥領域３０Ａ内の溝１９から所定の距離を隔てた位置にある。
次いで、図１に示したように、溝１９の内面を含むＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０の表面に絶縁材料を成膜したのち、リソグラフィー処理およびエッチング加工を行うことにより、各リッジ部１８のｐ型コンタクト層１７上に開口部を有する絶縁膜２０を形成する。続いて、リフトオフ加工を行うことにより、絶縁膜２０の開口部にｐ側電極２１を形成する。さらに、リソグラフィー処理、エッチング加工およびリフトオフ加工を行うことによりリッジ部１８の上部にあるｐ側電極２１と電気的に接続されたｐ側引出電極２２を形成する。
さらに、例えば、ＧａＮ基板１００の裏面側をラッピングしてＧａＮ基板１００の厚さを所定の厚さに調整したのち、リソグラフィー処理、エッチング加工およびリフトオフ加工を行うことにより共通電極（ｎ側電極２３）を形成する。そののち、ＧａＮ基板１００に対してスクライビング加工およびへき開を行うと共に、軸方向の一対の側面に反射鏡膜（図示せず）を形成する。これにより、２ビーム型半導体レーザ素子１が形成される。
次に、本実施の形態の２ビーム型半導体レーザ素子１の作用および効果について説明する。
この２ビーム型半導体レーザ素子１では、２つのリッジ部１８のｐ側電極２１とｎ側電極２２との間にそれぞれ所定の電位差の電圧が印加されると、それらのリッジ部１８により電流狭窄された電流が電流注入領域（発光領域）に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、２つのビームとして外部に射出される。なお、１のリッジ部１８にのみ駆動させた場合には、１のビームが射出される。
ところで、上記のように二つのレーザ素子を互いに独立に駆動する際に特に留意しなければいけないものとして、例えば電気的なクロストークやリーク電流が挙げられる。しかしながら、従来の２ビーム型半導体レーザ素子では、前述のように、基板上の半導体層内を高欠陥領域が縦方向に貫通しているため、ｐ側電極から注入された電流の一部がレーザ素子内の発光領域を通らず、低抵抗領域（高欠陥領域）を通してｎ側電極へリークしてしまう。このため、ｐ側電極から供給された電流の一部が発光領域へ供給されず、素子の発光効率が低下する、さらに電流リークの量が大きい場合には素子が発光しない、という問題が生ずる。
これに対して、本実施の形態の２ビーム型半導体レーザ素子１では、基板１０上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０内を縦方向に貫通する高欠陥領域３０Ｂはバッファ層１１の一部にしか存在しないため、ｐ側電極２１から注入された電流の一部がレーザ素子内の発光領域を通らず、低抵抗領域（高欠陥領域３０Ｂ）を通してｎ側電極２３へリークする虞はない。これにより、ｐ側電極２１から供給された電流の殆ど全てが発光領域へ供給されることとなり、素子の発光効率が向上する。
また、本実施の形態では、２つのリッジ部１８，１８は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３０の低欠陥領域３０Ａ内に、高欠陥領域３０Ｂとの間で所定の距離を隔てて形成されている。ところで、低欠陥領域３０Ａの横方向の欠陥密度は、一般的に、高欠陥領域３０Ｂから離れるに従って小さくなるという性質を有する。また、欠陥密度の等しい領域に形成された複数の発光領域から発光するそれぞれの光は、一般的に、互いに等しい光学特性を有する。これらのことから、この２ビーム型半導体レーザ素子１では、欠陥密度の等しい領域、すなわち高欠陥領域３０Ｂから所定の距離だけ離れた領域の、各リッジ部１８に対応する位置に発光領域が存在しているので、各発光領域から光は、互いに等しい光学特性を有する。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
例えば、本発明は、２ビーム型半導体レーザ素子１だけでなく、３以上のビーム型の半導体レーザ素子に対しても適用可能である。例えば４ビーム型半導体レーザ素子は、図６に示したように、リッジ部１８を４つ設けたこと、各リッジ部１８と対応する発光領域を分離するための溝として、溝１９の他に溝２９をさらに設けたこと以外は、上記第１の実施の形態と同様の構成を有し、その作用・効果も同様である。なお、溝２９は、隣接するリッジ部１８，１８の発光領域同士を互いに電気的に分離するためのものである。
また、上記実施の形態では、高欠陥領域１０Ｂが基板１０の中央領域にあり、その両側にそれぞれ低欠陥領域１０Ａを有する構成としたが、図８に示したように、低欠陥領域１０Ａが基板１０の中央にあり、高欠陥領域１０Ｂを低欠陥領域１０Ａの両側に有するような構成としてもよい。但し、このような結晶構造の基板１０を用いた場合には、図７に示したように、２つのリッジ部１８，１８は低欠陥領域１０Ａ内の高欠陥領域１０Ｂから所定の距離離れた位置に形成され、これらリッジ部１８，１８に挟まれた領域内に新たに溝２９が形成されることとなる。
このような構成の２ビーム型半導体レーザ素子３では、上記の実施の形態の場合と同様に、ｐ側電極２１から供給された電流の殆ど全てが発光領域へ供給されることとなり、素子の発光効率が向上する。また、各発光領域から発光する光は、互いに等しい光学特性を有する。
また、上記実施の形態では、高欠陥領域１０Ｂを、ＧａＮ基板１００表面において軸方向に連続的に延在する連続帯状としたが、図９に示したような断続的な帯状、あるいは、図１０に示したような点状に分散したものとしてもよい。
また、上記実施の形態では、リッジ部１８による電流狭窄構造としたが、他の方法によるものであってもよい。
また、本発明は、上記実施の形態のように２ビーム型や４ビーム型に限らず、複数ビーム型の半導体レーザ素子に対しても適用可能である。
また、本発明は、半導体レーザ素子の他に、発光ダイオード素子などの半導体発光素子一般に適用可能である。
本発明の一実施の形態に係る２ビーム型半導体レーザ素子の断面構成を表した図である。 図１のレーザ素子に利用されたＧａＮ基板の平面状態を表した図である。 図１のレーザ素子の製造工程を説明するための断面図である。 図３の続きの工程を説明するための断面図である。 図４の続きの工程を説明するための断面図である。 変形例に係る４ビーム型半導体レーザ素子の断面構成を表した図である。 変形例に係る２ビーム型半導体レーザ素子の断面構成を表した図である。 図７のレーザ素子に利用されたＧａＮ基板の平面状態を表した図である。 図２のＧａＮ基板の一変形例を表した図である。 図２のＧａＮ基板の他の変形例を表した図である。
符号の説明
１，３…２ビーム型半導体レーザ素子、２…４ビーム型半導体レーザ素子、１０…基板、１０Ａ，１００Ａ…低欠陥領域（基板）、１０Ｂ，１００Ｂ…高欠陥領域（基板）、１１…バッファ層、１２…ｎ型クラッド層、１３…ｎ型ガイド層、１４…活性層、１５…ｐ型ガイド層、１６…ｐ型クラッド層、１７…ｐ型コンタクト層、１８…リッジ部、１９，２９…溝、２０…絶縁膜、２１…ｐ側電極、２２…ｐ側引出電極、２３…ｎ側電極、３０…ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層、３０Ａ…低欠陥領域（半導体層）、３０Ｂ…高欠陥領域（半導体層）、１００…ＧａＮ基板

Claims (8)

  1. 第１平均転位密度を有する結晶からなる第１領域中に前記第１平均転位密度より高い第２平均転位密度を有する第２領域を１または２以上有する窒化物半導体基板と、
    前記窒化物半導体基板上に形成され、複数の発光素子構造を有すると共に、前記第２領域の直上部分のうち前記発光素子構造に近接する部分を取り除くように第１の溝を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と
    を備えたことを特徴とする光集積型半導体発光素子。
  2. 前記窒化物半導体基板は、前記第１領域中に前記第２領域が規則的に配列された半導体基板の一部を切り出すことにより形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の光集積型半導体発光素子。
  3. 前記複数の発光素子構造は、それぞれ前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の前記第１領域に対応する領域内の、前記第１の溝と所定の距離隔てた位置に発光領域を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光集積型半導体発光素子。
  4. 前記第１の溝は、前記隣接する発光素子構造の間隙に形成されている
    ことを特徴とする請求項３に記載の光集積型半導体発光素子。
  5. 前記複数の発光素子構造は、前記隣接する第１の溝の間隙に形成されている
    ことを特徴とする請求項３に記載の光集積型半導体発光素子。
  6. 前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層は、前記第１領域に対応する領域の、前記隣接する発光素子構造の間隙に形成された第２の溝を有する
    ことを特徴とする請求項５に記載の光集積型半導体発光素子。
  7. 前記複数の発光素子構造は、前記窒化物半導体基板上に、少なくとも第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層をこの順に積層してなるレーザ構造であり、
    前記第１の溝は、少なくとも前記第２導電型クラッド層、活性層および第１導電型クラッド層を貫通する深さを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光集積型半導体発光素子。
  8. 前記第２領域は、前記窒化物半導体基板の表面において、連続帯状、断続的帯状、および分散した点状のいずれか１つの配列をなす
    ことを特徴とする請求項１に記載の光集積型半導体発光素子。
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