JP4646093B2 - Nitride semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温での温度特性が優れた窒化物半導体から構成され、表示素子やディスプレイ、光ディスク等の光源として用いられる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、窒化物半導体は、発光素子やハイパワーデバイスの材料として利用または研究されている。例えば、発光素子の場合には、それを構成する組成を調整することにより、技術的には青色から橙色までの幅広い発光が可能な素子として利用することができる。その特性を利用して、近年では、青色発光ダイオードや緑色発光ダイオード等の実用化がなされており、さらに、窒化物半導体レーザ素子として青紫色半導体レーザーが開発されてきている。
【0003】
このうち、窒化物半導体レーザ素子については、SiO2を用いた選択成長技術を応用して、結晶内の転位密度を低減させたものが、例えば、Appl.Phys.Lett.72(1998) p211−p213に報告されている。この報告では、n型GaN膜上にSiO2からなる選択成長マスクを形成し、さらにその上にn型GaN膜を再成長してSiO2マスクを被覆して平坦な表面を作製し、そのSiO2マスクの被覆部上にレーザ構造を形成している。この手法を用いることにより、レーザ素子内の欠陥を低減してレーザ素子特性を向上させている。
【0004】
さらに、半導体レーザ素子の動作電流の低減および水平横モード(活性層に水平な方向)の安定化のために、従来、図15に示すような構造の半導体レーザ素子が使用されている。この半導体レーザ素子は、基板10、低温バッファー層11、n型GaNコンタクト層12、n型AlGaNクラッド層13、n型GaN光ガイド層14、活性層15、AlGaNキャリアブロック層16、p型GaN光ガイド層17、p型AlGaNクラッド層18、p型GaNコンタクト層19、絶縁性膜20、n型電極21およびp型電極22から構成されている。但し、上記Appl.Phys.Lett.72(1998) p211−p213の報告では、n型コンタクト層12にSiO2マスクが挿入され、n型AlGaNクラッド層13の代わりにGaN/AlGaN超格子によるクラッド層が形成されている。
【0005】
このようなレーザ構造はリッジストライプ構造と呼ばれている。このリッジストライプ構造によれば、ストライプ電極の幅Wpを約2μm前後に狭くし、p型光ガイド層17の近くまでp型クラッド層18を堀り下げることにより活性層15への電流注入を狭窄し、レーザの動作電流の低減を図ることができる。また、p型光ガイド層17の近くまで掘り下げた領域24とリッジストライプ領域23とにおいて、活性層15の等価屈折率に差が生じて水平横モードが閉じ込められるので、単一(単峰)水平横モードの安定化を図ることができる。
【0006】
一方、垂直横モード(活性層に垂直な方向)については、上述のリッジストライプ型レーザ構造を含む一般の窒化物半導体レーザ素子において、安定した単一(単峰)モードを得るために、クラッド層中の平均Al組成比を高くするか、またはクラッド層の厚みを厚くして垂直横モード光が漏れないようにする方法が採用されている。特に、後者の方法では、n型クラッド層の層厚が薄いと、基板とn型クラッド層との間のn型コンタクト層内に垂直横モード光が漏れ出してしまう。この漏れ出した垂直横モード光は、クラッド層(例えばn型AlGaNクラッド層)の外側に、そのクラッド層の等価屈折率よりも屈折率が大きい層(例えば膜厚0.3μm以上のInxGa1-xN(0≦x≦1)層)が設けられている場合、FFP(ファーフィールドパターン)において、広角側にサブピークを出現させて垂直横モードの単峰性を損なう。図16(b)および図17(b)に従来の窒化物半導体レーザ素子におけるNFP(ニアフィールドパターン)とFFPを示す。これらの図に示すように、サブピークが観測されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単峰でかつ安定した垂直横モードを得るためにクラッド層中の平均Al組成比を増大したり、クラッド層厚を厚膜化することにより、格子不整合によるクラックの発生や結晶欠陥の増加による結晶性の低下、および素子の高抵抗化を引き起こし、その結果、レーザ閾値電流の増加が生じていた。このことから、レーザ素子として作製可能なAlを含むクラッド層の成長条件が制限され、充分に単峰でかつ安定した垂直横モードを得ることができなかった。
【0008】
これに対して、Appl.Phys.Lett.72(1998) p211−p213に報告されているGaN/AlGaN超格子によるクラッド層は、通常使用されているAlGaNクラッド層を同じ平均Al組成比とした場合に比べて、クラックの発生を抑制してクラッド層厚を厚くすることができる。しかし、Alは一般に気相反応が強く、しかも超格子であるためにバルブ切り替えによって超格子周期が変動し、平均Al組成比も変化する。このため、Alを含む超格子の結晶成長は困難であり、クラッド層厚とそのクラッド層中の平均Al組成比の再現性が得られにくい。また、GaN/AlGaN超格子によるクラッド層であっても、上述したようなAl組成比の増大やクラッド層厚の厚膜化による結晶性の低下や素子の高抵抗化は避けられない。
【0009】
一方、リッジストライプ構造を利用した水平横モードの安定化は、狭窄注入されたキャリア密度の増加による屈折率の減少を上回る屈折率差を、p型光ガイド層近くまでクラッド層を掘り下げたリッジストライプ構造で作り込む必要がある。従って、水平横モードの安定化は、この掘り下げたクラッド層の厚みに依存する。しかし、このようなリッジストライプ構造は、一般に、ドライエッチングを用いて形成するため、掘り下げたクラッド層厚の制御が困難で層厚の再現性が悪く、その結果、水平横モードが不安定化していた。また、エッチングを用いてリッジストライプ構造を作製するため、露出した端面での劣化が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加する等、レーザ素子特性に悪影響を及ぼしていた。さらに、レーザ発振閾値電流密度の低減のためには、より強い光閉じ込めが要求されていた。
【0010】
これらの横モードの不安定化は、図16(b)および図17(b)に示すようにNFPやFFPのサブピークを発生させるため、光ディスク等のレーザを応用したデバイスにとっては、非常に問題であった。このことから、安定した横モードの制御性が望まれていた。
【0011】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、単峰な安定した垂直横モードが得られる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。さらに、水平横モードの光閉じ込めによるレーザ発振閾値電流密度の低減と単峰な安定した水平横モードが得られる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の外側の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該上側あるいは下側のクラッド層から漏れ出した導波光を吸収するよう配置したものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の内の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位の両側に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該光吸収マスクとこれに対向する該活性層との間での利得損失が増大するよう配置したものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【0013】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、或いは、該ストライプ状電極の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって0.5μm以上の位置に、該金属膜が配置されている構成とすることができる。
【0014】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、或いは、該リッジストライプ部の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって0.5μm以上の位置に、該金属膜が配置されている構成とすることができる。
【0015】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、該活性層の下面または上面から2μm以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該ストライプ状電極の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている構成とすることができる。
【0016】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、該活性層の下面または上面から2μm以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該リッジストライプ部の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている構成とすることができる。
【0017】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記マスクの間隔が1μm以上、15μm以下であるのが好ましい。
【0018】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜の厚みが0.01μm以上であり、該金属膜を含むマスク全体の厚みが2μm以下であるのが好ましい。
【0019】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜が、W、Ti、Mo、Ni、Al、Pt、Pd、Auおよびそれらの合金のうちの少なくとも1種類を含む金属材料、或いはそれらの金属および合金のうちの少なくとも1種類を含む複数層で構成された複合膜からなるものを用いることができる。
【0020】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、前記光吸収マスクを構成する金属膜の直上が絶縁膜で被覆されている構成とすることができる。
【0021】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記絶縁膜としてSiO2またはSiNxからなるものを用いることができる。
【0022】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜が、その下層の窒化物半導体層に対して〈1−100〉方向のストライプ状に設けられているのが好ましい。
【0023】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクが、その上層の窒化物半導体層によって平坦に被覆されず、窪み部を有していてもよい。
【0024】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を製造する方法であって、前記光吸収マスクを窒化物半導体層で被覆する際に、全キャリアガスに対して10%以上の窒素キャリアガスを用い、そのことにより上記目的が達成される。
【0025】
以下、本発明の作用について説明する。
【0026】
本発明にあっては、窒化物半導体からなる半導体積層構造において、導波光が到達する領域内に、少なくとも光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを設けることにより、漏れ光や活性層からの光を吸収して単一水平横モードや単一垂直横モードを安定化し、水平横モードの光閉じ込めを行うことが可能になる。
【0027】
なお、垂直横モードの光吸収効果は、金属膜の形成位置に殆ど依存せず、金属膜の厚みにのみ依存する。但し、垂直横モードの単峰化(単一モード化)は、金属膜の形成位置に依存するため、できるだけ活性層に近い方が好ましい。
【0028】
そこで、(1)基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚の半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。この場合の基板の屈折率は、コンタクト層と異なっていれば、クラッド層よりも高くても低くてもよい。また、(2)基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。この場合、基板厚みがコンタクト層よりも厚いと、基板内にマスクが配置されることになるが、基板(例えばGaN厚膜)を形成する際にマスクを配置すればよい。また、(3)このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを配置する。この場合にも、基板内にマスクが配置されることになるが、上記と同様に基板(例えばGaN厚膜)を形成する際にマスクを配置すればよい。また、このことにより、垂直横モードの単峰化を実現することが可能となる。さらに、その金属膜として、窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属材料を用いることにより、マスクにより転位密度を低減してレーザ寿命特性の向上を図ることが可能となる。なお、上記(1)の場合にはクラッド層に接したコンタクト層の屈折率に依存するためにコンタクト層厚の半分以内の位置に金属膜を配置し、上記(2)の場合にはコンタクト層と基板の屈折率が実質的に同じであれば一体物として考えられるので基板を含めた厚みの半分以内の位置に金属膜を配置し、上記(3)の場合にはコンタクト層が無いために基板がクラッド層に接し、基板が上記コンタクト層と同じになるため、基板厚みの半分以内の位置に金属膜を配置する。すなわち、コンタクト層や基板という名称は異なっているが、実質的にはその名称で呼ばれている層の屈折率のみに注目しているのである。
【0029】
ここで、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内に設ける場合には、活性層の下面から基板に向かって0.5μm未満の位置に金属膜を配置すると、金属膜による光吸収効果によってレーザ発振における利得損失が大きくなり、レーザ発振閾値電流密度の増加を招いてしまう。よって、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内に金属膜を配置する場合には、ストライプ状電極の下方であって、活性層の下面から基板に向かって0.5μm以上の位置に配置する。なお、本明細書においては、基板に近い側の面を下面、下面とは反対側の面を上面と称している。
【0030】
リッジストライプ構造においては、基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有している場合に、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚の半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。また、基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。また、このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。或いは、リッジストライプ部の下方であって、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、活性層の下面から基板に向かって0.5μm以上の位置に、光吸収機能を有する金属膜を配置する。このことにより垂直横モードの単峰化を実現することが可能である。また、その金属膜として、窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属材料を用いることにより、マスクにより転位密度を低減してレーザ寿命特性の向上を図ることが可能となる。さらに、リッジストライプ構造により水平横モードの安定化と発振閾値電流密度が図られる。
【0031】
さらに、ストライプ状電極またはリッジストライプ部の下方に金属膜で被覆されていない部分を設ける場合、活性層の下面または上面から2μmを超える位置に光吸収機能を有する金属膜を配置すると、マスクの設けられているところとマスクの設けられていないところとで、透過屈折率差が殆ど生じなくなって、水平横モードの光閉じ込め効果が弱くなる。そこで、活性層の下面または上面から2μm以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置し、ストライプ状電極またはリッジストライプ部の下方に金属膜で被覆されていない部分を設けることにより、水平横モードの光閉じ込めを強くして、レーザ発振値電流密度の低減を図ることが可能となる。
【0032】
この場合、本願発明者らの実験によれば、マスク間隔(金属膜の間隔)が1μm以上、15μm以下であれば、水平横モードが安定された。
【0033】
上記金属膜の厚みは0.01μm以上であれば、レーザ光の吸収率を高くして垂直横モードの単峰化を安定させることが可能である。また、上記金属膜を含むマスク全体の厚みが2μm以下であれば、マスクを窒化物半導体膜で被覆したときに平坦な表面が得られる。
【0034】
一般に、窒化物半導体膜の作製温度は1000℃前後であるため、この温度に充分耐えられる金属材料を用いるのが好ましい。このような金属材料としては、例えばW、Ti、Mo、Ni、Al、Pt、Pd、Auやそれらの合金、あるいはそれらの金属や合金を含む複数層で構成された複合膜等を用いることができる。
【0035】
さらに、例えばタングステン等からなる金属性マスクにおいては、GaNの成長抑制効果が非常に強く、マスクのストライプ方向への依存性も強い。ストライプ方向依存性については、GaNに対して〈11−20〉方向にマスクパターンを形成した場合、殆どラテラル成長(基板に対して平行方向の成長)が起こらず、マスク上にGaN膜を被覆することが困難である。よって、金属性膜上に絶縁性膜を被覆して絶縁性膜付き金属性マスクとすれば、このような成長抑制効果やストライプ方向依存性を緩和可能である。なお、この絶縁性膜付き金属性マスクの位置については、金属膜の配置が重要であり、上述した位置に金属膜を配置するのが好ましい。
【0036】
この絶縁性膜としてSiO2またはSiNxを用いれば、その絶縁性膜上に被覆した窒化物半導体膜の結晶配向(結晶成長軸)のずれが抑制されるので好ましい。
【0037】
さらに、その下層の窒化物半導体層に対して〈1−100〉方向のストライプ状にマスク(金属膜)を設ければ、マスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなり、被覆速度が速くなる。
【0038】
上記金属性マスクまたは絶縁性膜付き金属性マスクは、その上層の窒化物半導体層によって平坦に被覆されず、窪み部を有していてもよい。この場合、その上に形成される再成長窒化物半導体層の結晶歪みを窪み部によって緩和することが可能である。よって、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることが可能となる。
【0039】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法にあっては、上記マスクを窒化物半導体層で被覆する際に、全キャリアガスに対して10%以上の窒素キャリアガスを用いることにより、そのマスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなり、被覆速度が速くなる。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【0041】
一般に、窒化物半導体を結晶成長させる際には、サファイア、6H−SiC、4H−SiC、3C−SiC、GaN、Si、Ge、GaAs、MgAl24等が基板として用いられる。また、結晶成長は、通常、有機金属気相成長法(以下、MOCVD法と称する)、分子線エピタキシー法(MBE法)、ハイドライド気相成長法(H−VPE法)等により行われる。その中でも、得られる窒化物半導体の結晶性や量産性を考慮すると、基板としてサファイアまたはGaNを使用し、成長法としてはMOCVD法により行うのが最も一般的な方法である。
【0042】
そこで、以下の実施形態ではサファイア基板またはGaN基板上にMOCVD法により窒化物半導体を成長させた窒化物半導体レーザ素子の例について説明する。なお、実施形態1、実施形態2および実施形態4〜実施形態7ではサファイア基板を用いた例について説明しているが、上述した他の基板を用いても同様の効果が得られることを確認している。特に、GaN基板を用いた場合には、後述する実施形態13で説明するように、同種結晶であるため、格子整合性が良好で好ましい結果が得られた。また、実施形態3、実施形態10〜実施形態12ではGaN基板を用いた例について説明しているが、上述した他の基板を用いても同様の効果が得られることを確認している。
【0043】
(実施形態1)
本実施形態では、光吸収機能を有する金属性マスクを用いて垂直横モードの安定化(単峰化)を図った窒化物半導体レーザ素子について説明する。
【0044】
図1に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板100上に低温GaNバッファー層101、n型GaNコンタクト層102、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層103、n型GaN光ガイド層104、活性層105(例えば後述する厚さ2nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ4nmのIn0.02Ga0.98N層からなる多重量子井戸活性層、他にも、厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ10nmのIn0.01Ga0.99N層を3周期形成したもの等を用いることができる)、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層106、p型GaN光ガイド層107、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108およびp型GaNコンタクト層109が順次積層されている。p型クラッド層108はp型光ガイド層107近くまで堀り下げられて、p型コンタクト層109およびp型クラッド層108からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にSiO2からなる絶縁性膜110が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜110上および絶縁性膜110の開口部から露出したリッジストライプ部上にわたってp型電極112が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。一方、p型コンタクト層108からn型コンタクト層102まではn型コンタクト層102の表面が露出するように一部除去され、そのn型コンタクト層102の露出部上にn型電極111が形成されている。
【0045】
n型コンタクト層102は、下層n型GaN膜102aと再成長n型GaN膜102bから構成され、リッジストライプ部下方の下層膜102a上部分に設けられた金属性マスク(タングステンマスク)113上を再成長膜102bで被覆している。
【0046】
図2に本実施形態において使用したMOCVD装置の概略構成を示す。図中、201は(0001)面を有するサファイア基板であり、この基板は炭素からなるサセプタ202上に配置されている。サセプタ202の中には炭素からなる抵抗加熱用ヒーターが配置されており、熱電対により基板温度を制御することができる。203は二重の石英からなる反応管であり、水冷されている。V族原料としてはアンモニア(NH3)206を用い、III族原料としてトリメチルガリウム(TMG)207a、トリメチルアルミニウム(TMA)207bおよびトリメチルインジウム(TMIn)207cを窒素ガス(N2)または水素ガス(H2)によりバブリングして用いた。n型ドーピング原料としてはモノシラン(SiH4)209を用い、p型のドーピング原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)207dを用いた。各原料はマスフローコントローラ(MFC)208により正確に流量が制御されて原料入り口204から反応管に導入され、排気ガス出口205から排出される。
【0047】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、サファイア基板100を洗浄して結晶成長装置内に設置して、水素雰囲気中1100℃程度の温度で約10分間熱処理を施し、その後、温度を500℃〜600℃程度に降温する。温度が一定になった後、キャリアガスを窒素に変えて窒素ガスを全流量で10l/minとアンモニアを3l/min、TMGを約20μmol/min流して、厚さ20nmの低温GaNバッファー層101を成長させる。
【0048】
次に、TMGの供給を停止して温度を1050℃まで上昇し、再びTMGを約50μmol/minとSiH4ガスを約10nmol/min供給して、n型コンタクト層102のうち、厚さ4μmの下層n型GaN膜102aを成長させる。その後、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、EB(エレクトロンビーム)蒸着法により厚さ0.1μmのタングステン膜を形成する。このタングステン膜の形成方法としては、EB蒸着法以外にスパッタリング法を用いてもよい。このタングステン膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてマスク幅(M)3μmのストライプ状にエッチングし、下層n型GaN膜102aを露出させる。このとき、タングステンマスク113はストライプ方向を下層の窒化物半導体層(GaN膜102a)に対して〈1−100〉方向に形成し、後の工程で作製するリッジストライプ部の下方に配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素を10l/minと水素を5l/minとアンモニアを3l/min流しながら温度を1050℃まで昇温し、温度が安定した時点でTMGを50μmol/minとSiH4ガスを10nmol/min供給して厚さ4μmのn型GaN膜102bを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク113が被覆されていない部分からGaNが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク113が被覆された。この横方向成長したGaN膜102bは完全に結合し、平坦な表面のコンタクト層102が得られた。
【0049】
続いて、TMAを10μmol/min供給し、厚さ0.5μmのn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層103を成長する。この層は、コンタクト層102の横方向成長後、TMAの供給を開始して連続して成長させた。その後、TMAの供給を停止してTMGを50μmol/minとSiH4ガスを10nmol/min供給して厚さ約0.1μmのn型GaN光ガイド層104を成長させる。光ガイド層104の成長後、一旦TMGとSiH4の供給を停止して温度を700℃〜800℃程度に下げ、TMIとTMGを供給して、厚さ2nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ4nmのIn0.02Ga0.98N層の複数から構成される多重量子井戸活性層105を形成する。この際、SiH4は供給しても良いし、供給しなくても良い。次に、TMGとTMIの供給を再度停止して温度を再び1050℃まで昇温し、TMGとTMAを供給して厚さ20nmのAl0.15Ga0.85Nからなるキャリアブロック層106を成長させる。この際、Cp2Mgは供給しても良いし、供給しなくても良い。なお、このキャリアブロック層106は、形成しなくても特に問題は生じない。続いて、TMAの供給を停止してTMGの供給を50μmol/minに調整し、Cp2Mgを約50nmol/min供給して厚さ0.1μmのp型GaN光ガイド層107を成長させる。その後、TMAを10μmol/min供給して厚さ0.5μmのp型Al0.15Ga0.85Nクラッド層108を成長させる。最後に、TMAの供給を停止して、厚さ0.1μmのp型GaNコンタクト層109を成長し、温度を室温まで降温して基板を結晶成長装置から取り出す。
【0050】
その後、ドライエッチング装置を用いて反応性イオンエッチングを行ってn型GaNコンタクト層102を露出させ、Al膜およびTi膜を露出部分に蒸着してn型電極111を形成する。このとき、反応性イオンエッチングを用いてn型コンタクト層102を露出させるのは、絶縁性基板であるサファイア基板100を用いたためである。従って、GaN基板やSiC基板のような導電性を有する基板を用いた場合には、n型コンタクト層102を露出させる必要はなく、直性基板の裏面にn型電極を形成してもよい。一方、p型電極部分は、p型GaN光ガイド層107の手前までp型クラッド層108をエッチングしてp型クラッド層108およびp型コンタクト層109をリッジストライプ状に形成し、SiO2からなる厚さ200nmの絶縁性膜110を蒸着する。その後、絶縁性膜110を一部除去してp型コンタクト層109を露出させ、露出部分(Wp=2μm幅)を被覆するようにNi膜およびAu膜を蒸着してp型電極112を形成する。最後に、へき開またはドライエッチングによりミラーとなる端面を形成する。以上により、窒化物半導体を用いた青紫色の発光波長を有する本実施形態の窒化物半導体レーザ素子が作製される。
【0051】
このような選択成長工程により得られるn型GaNコンタクト層102の表面は、平坦でクラックも生じておらず、透過電子顕微鏡により観察したところ、基板100と低温GaNバッファー層101との界面から生じる転位(結晶欠陥)が、タンスグテンマスク113の上に被覆したGaN膜102b中には殆ど観測されなかった。また、タンスグテンマスク113の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が2桁以上減少した。さらに、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約12000時間であった。
【0052】
この窒化物半導体レーザ素子について、垂直(活性層に対して垂直方向)横モードのFFPを観測したところ、図17(a)に示すように単峰の単一モードでレーザ発振しており、従来の半導体レーザ素子において垂直横モードのFFPで観測される図17(b)に示すようなサブピークは観測されなかった。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に10000時間の寿命試験を行って、再び垂直横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一垂直横モードが観測された。
【0053】
この理由として、以下のようなことが考えられる。従来の半導体レーザ素子において垂直横モードにサブピークが発生して単一化できない原因は、活性層から発したレーザ光がn型AlGaNクラッド層によって充分に垂直方向に光閉じ込めされずにリークしてしまうためである。そして、n型AlGaNクラッド層103よりも外側に、n型AlGaNクラッド層103よりも等価屈折率が大きい厚さ0.3μm以上のn型GaNコンタクト層102が設けられているため、光n型GaNコンタクト層102部分で図16(b)に示すような垂直横モード光のサブピークが発生し、垂直横モードの単峰化を阻害していた。
【0054】
これに対して、本実施形態で使用した成長抑制効果を有する金属性マスクがタングステンから構成されており、基板100とn型AlGaNクラッド層103との間で発生した(漏洩した)垂直横モード光がこのタングステンマスク113によって吸収される。これにより、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では図16(a)および図17(a)に示すように、垂直横モードの安定化を図ることができると考えられる。以下、この効果を光吸収効果と称する。さらに、上記選択成長による転位密度の低減効果も加わって、10000時間の寿命試験を行っても安定した単一垂直横モードが観測されたものと考えられる。
【0055】
なお、上記金属性マスク(タングステンマスク)の光吸収効果により半導体レーザ素子の単一垂直横モードを得るためには、金属性マスクの形成位置は基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、以下の位置に形成することが好ましい。
【0056】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、
(1)基板に近い方のクラッド層の下面に接して、そのクラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有する場合には、そのクラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、サファイア基板上にAlGaNクラッド層とGaNコンタクト層とを有する場合には、両者の界面からGaNコンタクト層の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを形成する。本実施形態ではn型AlGaNクラッド層103とn型GaNコンタクト層102の界面(n型クラッド層103の下面)から基板に向かって4μmの位置に厚み0.1μmのタングステンマスク113を形成している。
【0057】
(2)基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有する場合には、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層の厚みと基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、GaN基板上にAlGaNクラッド層とGaNコンタクト層を有する場合には、両者の界面からGaNコンタクト層とGaN基板の厚みを合わせた厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。
【0058】
(3)このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、GaN厚膜(基板)上にAlGaNクラッド層を有する場合には、両者の界面からGaN厚膜の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。
【0059】
この理由は、金属性マスクが上記範囲内に形成されていないと、その金属性マスクによって漏洩光が吸収された領域よりも漏洩光が残存している領域の方が広くなって垂直横モードの単峰化を妨げるからである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、単一垂直横モードを得やすかった。これは、AlGaNクラッド層とGaNコンタクト層との界面から金属性マスクまでの距離が長くなると、その金属性マスクの下方部分ではGaNコンタクト層中に漏洩してきた垂直横モード光が減少するものの、上記界面から金属性マスクまでの間は漏洩光が充分に減少していないために、垂直横モード光によるサブピークが観測されてしまい、単一垂直横モード化しないからである。さらに、金属性マスクをn型AlGaNクラッド層103上やそのクラッド層103内に形成してもよい。但し、金属性マスクを活性層105とn型GaN光ガイド層104との界面(活性層105の下面)から基板100に向かって0.5μm未満の位置に形成すると、金属性マスクによる光吸収効果のためにレーザ発振における利得損失が大きくなり、レーザ発振閾値電流密度の増加を招いてしまう。従って、金属性マスクをn型AlGaNクラッド層103上やそのクラッド層103内に形成する場合には、少なくとも活性層105とn型GaN光ガイド層104との界面から基板100に向かって0.5μm以上の位置に形成するのが好ましい。
【0060】
さらに、後述する実施形態9において詳述するように、Alを含む窒化物半導体膜上に金属性マスクを設けると、Alを含まないGaN膜上に金属性マスクを設けた場合に比べて、選択成長におけるラテラル成長速度が速く、かつ、欠陥密度も少なく形成される。また、AlGaNクラッド層とGaNコンタクト層の界面、またはAlGaNクラッド層とGaN基板の界面の何れかの界面にまたがるように金属性マスクを形成してもよい。さらに、GaN基板を用いて半導体レーザ素子を作製した場合には、AlGaNクラッド層から漏洩してきた光が垂直横モードの単峰化を特に強く妨げるため、上述のように金属性マスクを設けることにより、非常に高い効果が得られる。
【0061】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のp型電極112(リッジストライプ部)の下方に金属性マスクが位置するように形成する。また、金属性マスクの幅(M)は、p型電極幅Wpと同等であるか、または広く形成するのが好ましい。この理由は、上述の漏洩してきた垂直モード光(FFP)を充分に吸収するためである。
【0062】
さらに、金属性マスクのストライプ方向は、その下層の窒化物半導体層(本実施形態では下層GaN膜102a)に対して〈1−100〉方向にすることにより、マスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなって被覆速度が速くなり、平坦な被覆膜が得られるので好ましい。
【0063】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン(W)を用いたが、それ以外に、例えばPt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、クラッド層から漏洩してきたレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。
【0064】
さらに、金属性マスクの厚みは、光吸収効果を考慮すると、後述する実施形態8において詳述するように、約0.01μm以上であるのが好ましい。また、マスクの形状にもよるが、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると、金属性マスクの厚みは2μm以下であるのが好ましい。
【0065】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについては、ラテラル成長の観点から、全キャリアガスに対する窒素キャリアガスの分圧(N2/(H2+N2))を0.1(10%以上)にするのが好ましい。但し、窒素キャリアガスの分圧が0.9を超えると、後述する実施形態9において詳述するように、X線回折による半値幅が6分を超えてしまい、被覆した窒化物半導体膜における結晶の配向性が悪化する。
【0066】
なお、本実施形態では、リッジストライプ構造の半導体レーザ素子を示したが、後述する実施形態3〜実施形態7に示すようなストライプ構造であっても良い。
【0067】
さらに、本実施形態では低温バッファー層101としてGaN膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてAlxGa1-xN(0≦x≦1)を用いても何等問題は生じない。また、本実施形態では基板側からn型層、活性層およびp型層の順に結晶成長させたが、逆にp型層、活性層およびn型層の順に結晶成長させても良い。このことは、以下の実施形態でも同様である。
【0068】
(実施形態2)
本実施形態では、実施形態1の金属性マスク上に絶縁性膜を設けた以外は実施形態1と同様の構成とした窒化物半導体レーザ素子について説明する。
【0069】
図3に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板300上に低温GaNバッファー層301、n型GaNコンタクト層302、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層303、n型GaN光ガイド層304、活性層305(例えば、3周期のIn0.18Ga0.82N層とIn0.05Ga0.95N層からなる多重量子井戸活性層)、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層306、p型GaN光ガイド層307、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層308およびp型GaNコンタクト層309が順次積層されている。p型クラッド層308はp型光ガイド層307近くまで堀り下げられて、p型コンタクト層309およびp型クラッド層308からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にSiO2からなる絶縁性膜310が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜310上および絶縁性膜310の開口部から露出したリッジストライプ部の上にわたってp型電極312が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。一方、p型コンタクト層308からn型コンタクト層302まではn型コンタクト層302の表面が露出するように一部除去され、そのn型コンタクト層302の露出部上にn型電極311が形成されている。
【0070】
n型コンタクト層302は、下層n型GaN膜302aと再成長n型GaN膜302bから構成され、リッジストライプ部下方の下層膜302a上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク315上を再成長膜302bで被覆している。このマスク315は、タングステン膜313とその上に設けられたSiO2からなる絶縁性膜314から構成されている。
【0071】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態1と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板300上に低温GaNバッファー層301を成長させ、次に、n型GaNコンタクト層302のうち、厚さ3.5μmの下層n型GaN膜302aを成長させる。
【0072】
次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、EB蒸着法またはスパッタリング法により厚さ0.1μmのタングステン膜と厚さ0.05μmのSiO2膜をn型GaN膜302a上に形成する。このタングステン膜およびSiO2膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて下層の窒化物半導体膜(GaN膜102a)に対して〈1−100〉方向のストライプ状に形成し、マスク幅(M)4μm、マスク厚さ0.15μmで、タングステン膜313およびSiO2膜314からなるストライプ状マスク315を後の工程で作製するリッジストライプ部の下方に配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態1と同様の条件で厚さ1.5μmのn型GaN膜302bを再成長させてn型GaNコンタクト層302を得る。
【0073】
続いて、実施形態1と同様の成長条件で、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層303、n型GaN光ガイド層304、活性層305、Al0.15Ga0.85Nキャリアブロック層306、p型GaN光ガイド層307、p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層308およびp型GaNコンタクト層309を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、実施形態1と同様の半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図3に示すリッジストライプ構造の半導体レーザ素子を作製する。
【0074】
このような選択成長工程により得られるn型GaNコンタクト層302の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。また、本実施形態においては、n型GaNコンタクト層302中に設けた絶縁性膜(SiO2膜)付きタンスグテンマスク315の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が2桁以上減少した。さらに、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約12000時間であった。
【0075】
この窒化物半導体レーザ素子について、垂直横モードのFFPを観測したところ、単峰の単一モードでレーザ発振していた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に10000時間の寿命試験を行って、再び垂直横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一垂直横モードが観測された。
【0076】
この理由は、実施形態1と同様に、基板300とn型AlGaNクラッド層303との間に漏洩した垂直横モード光が、絶縁性膜付きタングステンマスク315のうち、タングステンマスク313によって吸収されたためである。その結果、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では図16(a)および図17(a)に示すように、垂直横モードの単峰化を図ることができた。さらに、上記選択成長による転位密度の低減効果も加わって、10000時間の寿命試験を行っても安定した単一垂直横モードが観測されたものと考えられる。
【0077】
本実施形態2と上記実施形態1との相違は、タングステンマスク313上にSiO2膜314を設けることにより、後述する実施形態9において詳述するように、GaN膜の選択成長においてマスクパターンの方向依存性が緩和され、充分なラテラル成長速度を得ることができたことである。一般に、タングステンマスク等の金属性マスクを用いたGaN膜の選択成長においては、そのマスクのストライプ方向依存性が強いため、ラテラル成長(基板表面に対して平行方向の成長)が起こりにくい。よって、このラテラル成長速度の向上により、n型AlGaNクラッド層303とn型GaNコンタクト層302との界面からSiO2膜付きタングステンマスク313までの距離を短く、かつ、SiO2膜付きタングステンマスク315の幅(M)を広くすることができる。その結果、実施形態1よりもさらに安定した単一垂直横モードを得ることができた。
【0078】
なお、上記絶縁性膜付き金属性マスク(SiO2膜付きタングステンマスク)の光吸収効果により半導体レーザ素子の単一垂直横モードを得るために必要なマスクの形成位置は、基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、実施形態1と同様である。但し、この場合のマスクの形成位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態1と同じである。
【0079】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン(W)を用いたが、それ以外に、例えばPt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、クラッド層から漏洩してきたレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。上記金属性マスクの直上に設ける絶縁性膜としては、SiO2膜以外にSiNx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属膜の厚みは、実施形態1と同様に、光吸収効果を考慮すると、約0.01μm以上であるのが好ましい。また、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると、金属性膜および絶縁性膜を含むマスク全体の厚みが2μm以下であるのが好ましい。さらに、絶縁性膜の厚みは1μm以下であるのが好ましい。これは、絶縁性膜の膜厚が1μmを超えると、下層の金属性膜と絶縁性膜との熱膨張係数差によって剥離することがあるからである。
【0080】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについても、上記実施形態1と同様である。
【0081】
さらに、本実施形態においても、リッジストライプ構造の半導体レーザ素子を示したが、後述する実施形態3〜実施形態7に示すようなストライプ構造であっても良い。
【0082】
(実施形態3)
本実施形態3では、水平横モードの光閉じ込めのための金属性マスクを活性層の下方に設けた例について説明する。
【0083】
図4に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、n型GaN基板401上に、n型Al0.02Ga0.98Nコンタクト層402、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層403、n型GaN光ガイド層404、活性層405(例えば厚さ2nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ4nmのIn0.02Ga0.98N層からなる多重量子井戸活性層、3周期の厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ10nmのIn0.01Ga0.99N層からなる多重量子井戸活性層や3周期のIn0.18Ga0.82N層とIn0.05Ga0.95N層からなる多重量子井戸活性層等)、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層406、p型GaN光ガイド層407、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層408およびp型GaNコンタクト層409が順次積層されている。p型コンタクト層409の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたSiO2からなる絶縁性膜410が設けられ、その開口部および絶縁性膜410上にわたってp型電極412が設けられて、絶縁性膜410の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、n型GaN基板401の裏面に接するようにn型電極411が形成されている。
【0084】
n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層403は、下層n型Al0.1Ga0.9N膜403aと再成長n型Al0.1Ga0.9Nクラッド膜403bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜403a上部分に設けられた金属性マスク(タングステンマスク)416上を再成長膜403bで被覆している。
【0085】
この半導体レーザ素子は、例えば以下のようにして作製することができる。まず、HVPE法によりサファイア基板上にSiをドーピングしながら厚膜GaNを積層し、その後、研磨によりサファイア基板を剥ぎ取って厚み250μmのn型GaN基板401を作製する。このn型GaN基板401をMOCVD装置にセットし、厚さ5μmのn型Al0.02Ga0.98Nコンタクト層402を成長する。n型コンタクト層402の成長後、引き続いて、成長温度1050℃で、TMGを50μmol/min、SiH4ガスを10nmol/minおよびTMAを10μmol/minの流量で供給し、n型クラッド層403のうち、厚さ0.2μmの下層n型Al0.1Ga0.9N膜403aを成長する。
【0086】
次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、EB蒸着法により厚さ約0.1μmのタングステン膜を形成する。このタングステン膜の形成方法としては、EB蒸着法以外にスパッタリング法を用いてもよい。このタングステン膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてマスク幅5μm、マスク間隔(S)3μmのストライプ状にエッチングし、下層n型Al0.1Ga0.9N膜403aを露出させる。このとき、タングステンマスク416はストライプ方向を下層の窒化物半導体層(Al0.1Ga0.9N膜403a)に対して〈1−100〉方向に形成し、後の工程で作製するストライプ状電極の下方にタングステンマスク416で被覆されていない部分417を配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素を10l/minと水素を5l/minとアンモニアを3l/min流しながら温度を1050℃まで昇温し、温度が安定した時点でTMGを50μmol/minとSiH4ガスを10nmol/minおよびTMAを10μmol/min供給して厚さ0.3μmのn型Al0.1Ga0.9N膜403bを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク416で被覆されていない部分417からAl0.1Ga0.9Nが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク416が被覆された。この横方向成長したAl0.1Ga0.9N膜403bは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層403が得られた。
【0087】
この横方向成長後、TMAの供給を停止し、引き続いて厚さ0.1μmのn型GaN光ガイド層404を成長する。次に、実施形態1と同様の条件で、活性層405、Al0.15Ga0.85Nキャリアブロック層406、p型GaN光ガイド層407、p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層408およびp型GaNコンタクト層409を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図4に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【0088】
このような選択成長工程により得られるn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層403の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。また、透過電子顕微鏡により観察したところ、タングステンマスク416上に被覆したAl0.1Ga0.9N膜403b中には転位(結晶欠陥)が殆ど観測されなかった。一方、タングステンマスク416で被覆されていない部分417では、螺旋転位および刃状転位がタングステンマスク416上に折れ曲がり、互いに相殺しながら消滅していた。ここで観察された転位密度は、サファイア基板を使用した場合に比べて極めて低かった。さらに、本実施形態におけるn型Al0.1Ga0.9N膜の選択成長は、後述する実施形態9において詳述するように、GaN膜の選択成長に比べて横方向成長を速くすることができる。
【0089】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子においては、GaN基板とAlGaNクラッド層中に設けられた成長抑制効果を有する金属性マスク(タングステンマスク416)の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が約104/cm2台であった。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約20000時間に向上した。
【0090】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図15に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約2/3に低減していた。また、水平横モードを観測したところ、単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に12000時間の寿命試験を行って、再び水平横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一水平横モードが観測された。
【0091】
このように低閾値電流値と水平横モードでのレーザ発振が得られた理由として、以下のようなことが考えられる。本実施形態で使用したタングステンマスク416が活性層405から発せられたレーザ光を吸収したため、タングステンマスク416が設けられているところと設けられていないところとで光ガイド層の等価屈折率に差が生じる。そして、タングステンマスク416で被覆されていない部分417の上方で、水平横モードの光閉じ込めが顕著になって屈折率導波構造が得られ、レーザ発振閾値電流密度の低減に貢献したものと考えられる。また、この屈折率導波構造に加え、金属性マスク416による強い光吸収のためにマスク上部では利得損失が大きく、高次の横モードが発生しにくくなる。その結果、安定した単一水平横モードが観測されたものと考えられる。
【0092】
なお、上記金属性マスク(タングステンマスク)による屈折率導波構造を得るためには、金属性マスクの形成位置は基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、以下の位置に形成することが好ましい。
【0093】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、活性層405とn型光ガイド層404の界面(活性層の下面)から基板に向かって2μm以内の位置に形成するのが好ましい。本実施形態では上記界面から0.3μmの位置に厚み0.1μmのタングステンマスク416を形成している
この理由は、金属性マスクの形成位置が上記界面から2μmを超えると、この金属性マスクの設けられているところと設けられていないところとで等価屈折率差が殆ど生じなくなり、水平横モードの光閉じ込めが弱くなるためである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、上記屈折率差が大きく、水平横モードの光閉じ込め効果が強くなった。
【0094】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のp型電極412の下方に金属性マスクで被覆されていない部分417が位置するように形成する。また、金属性マスク間の間隔(S)は、15μm以下であるのが好ましい。この理由は、以下の通りである。
【0095】
タングステンマスク416の設けられているところで光ガイド層の実効屈折率をn1、タングステンマスク416の設けられていないところでの光ガイド層の実効屈折率n2、真空中での光の波数をk0、円周率をπとし、近似的に等価屈折率法を用いると、単一水平横モードを得るためには、金属性マスクのマスク間隔(S)は、S<π/(k0(n22−n121/2)とする必要がある。従って、上記屈折率差が最も小さい位置である上記界面から2μmの位置に金属性マスクを形成したときのマスク間隔(S)は、上記式から15μm以下となるからである。但し、適切なマスク間隔(S)(水平方向の位置)の上限値は、マスクの垂直方向の位置により一義的に決定されるわけではない。なぜならば、マスク間隔(S)が狭くなり過ぎると、その金属性マスクによる光吸収によって利得損失が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加するからである。このような場合には、等価屈折率法の計算値よりも大きめのマスク間隔(S)とするのが好ましい。本願発明者らの実験によれば、マスク間隔(S)は1μm以上、15μm以下で形成するのが好ましかった。
【0096】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン(W)を用いたが、それ以外に、例えばPt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、金属性マスクの厚みは、マスクの形状にもよるが、光吸収効果を考慮すると0.01μm以上であるのが好ましく、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると2μm以下であるのが好ましい。
【0097】
本実施形態では、金属性マスク416をn型AlGaNクラッド層403中に完全に埋没させたが、この金属性マスク416は完全にn型AlGaNクラッド層403中に埋没させなくてもよい、これは、正味のレーザ素子部分はストライプ状p型電極412の幅(Wp)の下方部一帯(コラム部分)で構成されるからである。従って、n型AlGaNクラッド層403においては、少なくともマスク間隔(S)部分が結晶成長していればよい。但し、マスク部分が完全に埋没しない場合には、p型GaNコンタクト層409の平坦性が悪く、p型電極形成が困難になってレーザ素子構造の歩留り率が低下するおそれがある。
【0098】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについては、ラテラル成長の観点から、全キャリアガスに対する窒素キャリアガスの分圧を0.1(10%以上)にするのが好ましい。但し、窒素キャリアガスの分圧が0.9を超えると、後述する実施形態9に示すように、X線回折による半値幅が6分を超えてしまい、被覆した窒化物半導体膜における結晶の配向性が悪化する。
【0099】
ところで、従来のリッジストライプ構造においては、屈折率導波構造を得るために、図15に示すようにp型クラッド層の一部を残してリッジストライプ部を形成するため、残すべきクラッド層厚の制御が困難であり、水平横モードの再現性が得られにくかった。また、上記リッジストライプ部の形成により露出した端面で劣化が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加する等、レーザ素子特性に悪影響を及ぼしていた。このため、生産性を考慮すると、従来のリッジストライプ構造は歩留り率が低くなるのが問題点であった。これに対して、本実施形態によれば、従来のリソグラフィー技術を用いて容易に金属性マスクの作製が可能であること、リッジストライプ構造のような端面の露出が無いこと、クラッド層厚を結晶成長を制御可能であることから、歩留り率をリッジストライプ構造に比べて高くすることができた。
【0100】
なお、リッジストライプ構造の場合には、このような歩留まり向上の効果は得られないが、本実施形態と同様に金属性マスクを設けることにより、金属膜による光閉じ込め効果、およびエピタキシャル成長しない材料膜によるその上の成長層の転位密度低減効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクを設けることにより、絶縁膜とリッジの両方による電流狭窄効果も得られる。
【0101】
なお、本実施形態では再成長を行うクラッド層のAl組成を0.1としたが、0<Al≦1の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【0102】
(実施形態4)
本実施形態では、実施形態2の絶縁性膜付き金属性マスクと実施形態3の金属性マスクとを組み合わせて設けた構造について説明する。
【0103】
図5に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板500上に、低温GaNバッファー層501、n型GaNコンタクト層502、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層503、n型GaN光ガイド層504、活性層505(例えば厚さ2nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ4nmのIn0.02Ga0.98N層からなる多重量子井戸活性層、3周期の厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ10nmのIn0.01Ga0.99N層からなる多重量子井戸活性層や3周期のIn0.18Ga0.82N層とIn0.05Ga0.95N層からなる多重量子井戸活性層等)、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層506、p型GaN光ガイド層507、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層508およびp型GaNコンタクト層509が順次積層されている。p型コンタクト層509の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたSiO2からなる絶縁性膜510が設けられ、その開口部および絶縁性膜510上にわたってp型電極512が設けられて、絶縁性膜510の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。p型コンタクト層509からn型コンタクト層502まではn型コンタクト層502の表面が露出するように一部除去されており、そのn型コンタクト502の露出部上にはn型電極511が形成されている。
【0104】
n型コンタクト層502は、下層n型GaN膜502aと再成長n型GaN膜502bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜502a上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク515上を再成長膜502bで被覆している。このマスク515は、タングステン膜513とその上に設けられたSiO2からなる絶縁性膜514から構成されている。n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層503は、下層n型Al0.1Ga0.9N膜503aと再成長n型Al0.1Ga0.9Nクラッド膜503bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜503a上部分に設けられた金属性マスク(タングステンマスク)516上を再成長膜503bで被覆している。
【0105】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態2と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板500上に低温GaNバッファー層501を成長させ、次に、n型GaNコンタクト層502のうち、厚さ10μmの下層n型GaN膜502aを成長させる。
【0106】
次に、実施形態2と同様に、下層のGaN膜502aに対して〈1−100〉方向のストライプ状に、マスク幅(M)5μm、マスク厚み0.15μmの絶縁性膜付き金属性マスク515を形成する。このマスク515は、厚さ0.1μmのタングステン膜513および厚さ0.05μmのSiO2膜514から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態2と同様に、厚さ2μmのn型GaN膜502bを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないn型GaNコンタクト層502を形成する。
【0107】
続いて、実施形態3と同様に、厚さ0.2μmの下層Al0.1Ga0.9N膜503aを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、実施形態3と同様に、下層Al0.1Ga0.9N膜503aに対して〈1−100〉方向のストライプ状に、マスク幅5μm、マスク間隔(S)3μm、厚さ約0.1μmのタングステンマスク516を形成する。このとき、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にタングステンマスク516で被覆されていない部分517を配置する。
【0108】
次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態3と同様に、厚さ0.3μmのn型Al0.1Ga0.9N膜503bを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク516で被覆されていない部分517からAl0.1Ga0.9Nが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク516が被覆された。この横方向成長したAl0.1Ga0.9N膜503bは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層503が得られた。
【0109】
続いて、実施形態3と同様に、n型GaN光ガイド層504、活性層505、Al0.15Ga0.85Nキャリアブロック層506、p型GaN光ガイド層507、p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層508およびp型GaNコンタクト層509を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図5に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【0110】
このような選択成長工程により得られるn型GaNコンタクト層502およびn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層503の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。n型GaNコンタクト層502に関しては、基板500と低温GaNバッファー層501との界面から発生した転位(結晶欠陥)が実施形態2と同様に減少していた。一方、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層503を透過電子顕微鏡により観察したところ、転位(結晶欠陥)がタングステンマスク516上に被覆したAl0.1Ga0.9N膜503b中には殆ど観測されなかった。また、タングステンマスク516で被覆されていない部分517では、螺旋転位および刃状転位がタングステンマスク516上に折れ曲がり、互いに相殺しながら消滅していた。さらに、本実施形態におけるn型Al0.1Ga0.9N膜の選択成長は、後述する実施形態9において詳述するように、GaN膜の選択成長に比べて横方向成長が速かった。
【0111】
さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、GaNコンタクト層502およびAlGaNクラッド層503中に設けられた成長抑制効果のあるSiO2膜付きタングステンマスク515およびタンスグテンマスク516の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が2桁〜3桁以上減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約17000時間に向上した。
【0112】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図15に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約2/3に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのNFPおよびFFPをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に10000時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【0113】
このように単峰(単一)で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態1および実施形態2と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、SiO2膜付きタングステンマスク515の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態2と同様である。さらに、単峰(単一)で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態3と同様である。また、水平横モードの形成位置、すなわち、タングステン膜516の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態3と同様である。
【0114】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク515および金属性マスク516において、金属性マスクとしてタングステン(W)を用いたが、それ以外に、例えばPt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク515において、絶縁性膜としてはSiO2膜以外にSiNx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク515および金属性マスク516の厚みは、実施形態2および実施形態3と同様である。但し、金属性マスク516については、実施形態3と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについても、上記実施形態2および実施形態3と同様である。
【0115】
本実施形態の半導体レーザ素子によれば、実施形態2および実施形態3と同様な効果が得られる。なお、本実施形態では、n型GaNコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態1と同様の効果が得られる。
【0116】
本実施形態では低温バッファー層としてGaN膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてAlxGa1-xN(0≦x≦1)を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のAl組成を0.1としたが、0<Al≦1の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【0117】
(実施形態5)
本実施形態では、実施形態4においてAlGaNクラッド層中に金属性マスクの代わりに絶縁性膜付き金属性マスクを設けた構造について説明する。
【0118】
図6に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板600上に、低温GaNバッファー層601、n型GaNコンタクト層602、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層603、n型GaN光ガイド層604、活性層605(例えば厚さ2nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ4nmのIn0.02Ga0.98N層からなる多重量子井戸活性層、3周期の厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ10nmのIn0.01Ga0.99N層からなる多重量子井戸活性層や3周期のIn0.18Ga0.82N層とIn0.05Ga0.95N層からなる多重量子井戸活性層等)、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層606、p型GaN光ガイド層607、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層608およびp型GaNコンタクト層609が順次積層されている。p型コンタクト層609の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたSiO2からなる絶縁性膜610が設けられ、その開口部および絶縁性膜610上にわたってp型電極612が設けられて、絶縁膜610の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。p型コンタクト層609からn型コンタクト層602まではn型コンタクト層602の表面が露出するように一部除去されており、そのn型コンタクト602の露出部上にはn型電極611が形成されている。
【0119】
n型コンタクト層602は、下層n型GaN膜602aと再成長n型GaN膜602bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜602a上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク615上を再成長膜602bで被覆している。このマスク615は、タングステン膜613とその上に設けられたSiO2からなる絶縁性膜614から構成されている。n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層603は、下層n型Al0.1Ga0.9N膜603aと再成長n型Al0.1Ga0.9Nクラッド膜603bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜603a上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク618上を再成長膜603bで被覆している。このマスク618は、タングステン膜616とその上に設けられたSiO2からなる絶縁性膜617から構成されている。
【0120】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態2と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板600上に低温GaNバッファー層601を成長させ、次に、n型GaNコンタクト層602のうち、厚さ100μmの下層n型GaN膜602aを成長させる。
【0121】
次に、実施形態2と同様に、下層のGaN膜602aに対して〈1−100〉方向のストライプ状に、マスク幅(M)5μm、マスク厚み0.15μmの絶縁性膜付き金属性マスク615を形成する。このマスク615は、厚さ0.1μmのタングステン膜613および厚さ0.05μmのSiO2膜614から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態2と同様に、厚さ10μmのn型GaN膜602bを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないn型GaNコンタクト層602を形成する。ここでは、結晶成長装置としてHVPE成長装置を用いた。
【0122】
続いて、実施形態3と同様に、厚さ0.2μmの下層Al0.1Ga0.9N膜603aを成長する。その後、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、EB蒸着法またはスパッタリング法により厚さ約0.06μmのタングステン膜を形成し、続いてEB蒸着法、スパッタリング法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法により厚さ約0.04μmのSiO2膜を形成する。そして、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、マスク幅5μm、マスク間隔(S)2μmのストライプ状にエッチングし、下層Al0.1Ga0.9N膜603aを露出させる。このとき、SiO2膜付きタングステンマスク618はストライプ方向を下層Al0.1Ga0.9N膜603aに対して〈1−100〉方向に形成し、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にタングステンマスク616で被覆されていない部分619を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態3と同様に、厚さ0.2μmのn型Al0.1Ga0.9N膜603bを再成長させる。成長が進むにつれて、SiO2膜付きタングステンマスク618で被覆されていない部分619からAl0.1Ga0.9Nが再成長を始め、横方向成長が生じてSiO2膜付きタングステンマスク618が被覆された。この横方向成長したAl0.1Ga0.9N膜603bは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層603が得られた。
【0123】
続いて、実施形態4と同様に、n型GaN光ガイド層604、活性層605、Al0.15Ga0.85Nキャリアブロック層606、p型GaN光ガイド層607、p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層608およびp型GaNコンタクト層609を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図6に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【0124】
このような選択成長工程により得られるn型GaNコンタクト層602およびn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層603の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。n型GaNコンタクト層602およびn型AlGaNクラッド層603に関する転位(結晶欠陥)は実施形態4と同様に減少していた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、GaNコンタクト層602およびAlGaNクラッド層603中に設けられた成長抑制効果のあるSiO2膜付きタングステンマスク615および618の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が2桁〜3桁以上減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約17000時間に向上した。
【0125】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図15に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約1/2に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのNFPおよびFFPをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に10000時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【0126】
このようにレーザ発振閾値電流密度が低減した理由は、以下の通りである。
【0127】
クラッド層603中に形成された絶縁性膜付き金属性マスク618が光吸収効果を有する金属性マスク(タングステン膜616)および絶縁性膜(SiO2膜617)から構成されているので、前者の光吸収効果による水平横モードの光閉じ込めで得られる屈折率導波構造と、後者の絶縁性膜で金属性マスクを被覆したことによる電流狭窄によって、キャリア閉じ込めが起こったためである。すなわち、SiO2膜付きタングステンマスク618を用いることにより、実施形態4において記載した屈折率導波構造によるレーザ特性に加えて、電流狭窄構造を同時に素子内に造り込むことができたためである。
【0128】
さらに、単峰(単一)で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態1および実施形態2と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、SiO2膜付きタングステンマスク615の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態2と同様である。さらに、単峰(単一)で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態4と同様である。また、水平横モードの形成位置、すなわち、SiO2膜付きタングステンマスク618の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態4と同様である。但し、この場合の絶縁性膜付き金属性マスクの位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態4と同じである。
【0129】
本実施形態では、上記電流狭窄効果に加えて、以下の効果も有する。本実施形態は、実施形態4と比べて、クラッド層603中に形成した絶縁性膜付き金属性マスク618によってラテラル成長が速くなっている。この理由は、後述する実施形態9において詳述するように、AlGaN膜の選択成長はGaN膜の選択成長に比べてラテラル成長が極めて速いが、タングステンマスク616上にSiO2膜617を設けることにより、さらにラテラル成長が速くなるためである。これにより、活性層605とn型光ガイド層604の界面からマスク618までの距離を短くして、水平横モードの光閉じ込め効果を強くすることができた。
【0130】
さらに、後述する実施形態9において詳述するように、金属性マスク(タングステンマスク)を用いたGaN膜の選択成長においては、一般に、マスクのストライプ方向依存性が強く、ラテラル成長しにくいが、SiO2膜付きタングステンマスクを用いることにより、GaN膜の選択成長でもマスクパターンの方向依存性を無くして充分なラテラル成長を得ることができる。この特性を利用して、基板に対して垂直方向について、屈折率導波構造を得るためにSiO2膜付きタングステンマスク618が形成可能な位置範囲内(活性層の上面または下面から2μm以内の位置)にAlを含まない窒化物半導体が存在していても、ラテラル成長速度の速い選択成長が可能となる。
【0131】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク615および618において、金属性マスクとしてタングステン(W)を用いたが、それ以外に、例えばPt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク615および618において、絶縁性膜としてはSiO2膜以外にSiNx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。金属性マスクを絶縁性膜で被覆する場合には、金属性マスクの側部620についても絶縁膜で覆われているのが好ましい。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク615および618の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態4と同様である。
【0132】
本実施形態では、n型GaNコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態1と同様の効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク618は、実施形態3と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク618をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【0133】
本実施形態では低温バッファー層としてGaN膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてAlxGa1-xN(0≦x≦1)を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のAl組成を0.1としたが、0<Al≦1の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【0134】
(実施形態6)
本実施形態では、実施形態4においてn型クラッド層中に金属性マスクを形成する代わりにp型クラッド層中に金属性マスクを設けた構造について説明する。
【0135】
図7に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板700上に、低温GaNバッファー層701、n型GaNコンタクト層702、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層703、n型GaN光ガイド層704、活性層705(例えば厚さ2nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ4nmのIn0.02Ga0.98N層からなる多重量子井戸活性層、3周期の厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ10nmのIn0.01Ga0.99N層からなる多重量子井戸活性層や3周期のIn0.18Ga0.82N層とIn0.05Ga0.95N層からなる多重量子井戸活性層等)、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層706、p型GaN光ガイド層707、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層708およびp型GaNコンタクト層709が順次積層されている。p型コンタクト層709の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたSiO2からなる絶縁性膜710が設けられ、その開口部および絶縁性膜710上にわたってp型電極712が設けられて、絶縁性膜710の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。p型コンタクト層709からn型コンタクト層702まではn型コンタクト層702の表面が露出するように一部除去されており、そのn型コンタクト702の露出部上にはn型電極711が形成されている。
【0136】
n型コンタクト層702は、下層n型GaN膜702aと再成長n型GaN膜702bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜702a上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク715上を再成長膜702bで被覆している。このマスク715は、白金膜713とその上に設けられたSiNxからなる絶縁性膜714から構成されている。p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層708は、下層p型Al0.1Ga0.9N膜708aと再成長p型Al0.1Ga0.9Nクラッド膜708bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜708a上部分に設けられた金属性マスク716(白金マスク)上を再成長膜708bで被覆している。
【0137】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態2と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板700上に低温GaNバッファー層701を成長させ、次に、n型GaNコンタクト層702のうち、厚さ20μmの下層n型GaN膜702aを成長させる。
【0138】
次に、実施形態2と同様に、下層のGaN膜702aに対して〈1−100〉方向のストライプ状に、マスク幅(M)5μm、マスク厚み0.15μmの絶縁性膜付き金属性マスク715を形成する。このマスク715は、厚さ0.1μmの白金膜713および厚さ0.05μmのSiNx膜714から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態2と同様に、厚さ20μmのn型GaN膜702bを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないn型GaNコンタクト層702を形成する。
【0139】
続いて、実施形態2と同様に、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層703、n型GaN光ガイド層704、活性層705、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層706、p型GaN光ガイド層707を成長する。
【0140】
その後、p型コンタクト層708のうち、厚さ0.15μmの下層Al0.1Ga0.9N膜708aを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、下層Al0.1Ga0.9N膜708aに対して〈1−100〉方向のストライプ状に、マスク幅2.5μm、マスク間隔(S)2μm、厚さ約0.08μmの白金マスク716を形成する。このとき、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に白金マスク716で被覆されていない部分717を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、厚さ0.4μmのp型Al0.1Ga0.9N膜708bを再成長させる。成長が進むにつれて、白金716で被覆されていない部分717からAl0.1Ga0.9Nが再成長を始め、横方向成長が生じて白金マスク716が被覆された。この横方向成長したAl0.1Ga0.9N膜708bは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層708が得られた。
【0141】
続いて、実施形態4と同様にp型GaNコンタクト層709を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図7に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【0142】
このような選択成長工程により得られるn型GaNコンタクト層702およびp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層708の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。n型GaNコンタクト層702に関しては、転位(結晶欠陥)が実施形態1および実施形態2と同様に減少していた。
【0143】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、GaNコンタクト層702中に設けられた成長抑制効果のあるSiNx膜付き白金マスク715の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が2桁程度減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約12000時間であった。
【0144】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図15に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約2/3に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのNFPおよびFFPをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に10000時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【0145】
このように単峰(単一)で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態1および実施形態2と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、SiNx膜付き白金マスク715の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態2と同様である。一方、単峰(単一)で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、本実施形態で用いた白金マスク716が活性層705から発せられたレーザ光を吸収したため、白金マスク716が設けられているところと設けられていないところとで光ガイド層の等価屈折率に差が生じる。そして、白金マスク716で被覆されていない部分717の上方で、水平横モードの光閉じ込めが顕著になって屈折率導波構造が得られ、レーザ発振閾値電流密度の低減に貢献したものと考えられる。また、この屈折率導波構造に加え、金属性マスク716による強い光吸収のためにマスク上部では利得損失が大きく、高次の横モードが発生しにくくなる。その結果、安定した単一水平横モードが観測されたものと考えられる。
【0146】
この水平横モードの形成位置、すなわち、白金膜716の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、以下の位置に形成するのが好ましい。
【0147】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、活性層705とキャリアブロック層706(キャリアブロック層706が無い場合にはp型光ガイド層705)の界面(活性層の上面)から基板と反対側の方向に向かって2μm以内の位置に形成するのが好ましい。本実施形態では上記界面から0.25μmの位置に厚み0.08μmの白金マスク716を形成している。この理由は、金属性マスクの形成位置が上記界面から2μmを超えると、この金属性マスクの設けられているところと設けられていないところとで等価屈折率差が殆ど生じなくなり、水平横モードの光閉じ込めが弱くなるためである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、上記屈折率差が大きく、水平横モードの光閉じ込め効果が強くなった。さらに、本実施形態では、活性層705とキャリアブロック層706(キャリアブロック層706が無い場合にはp型光ガイド層707)の界面から金属性マスクまでの距離を、結晶成長装置の結晶成長速度で設定することができる。よって、上記実施形態4および実施形態5に比べて、上記界面からマスクまでの距離を精度良く制御することができ、水平横モードの光閉じ込め効果も精度良く制御することができる。
【0148】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のp型電極712の下方に金属性マスクで被覆されていない部分717が位置するように形成する。また、実施形態3と同様に、金属性マスク間の間隔(S)は、1μm以上、15μm以下であるのが好ましい。
【0149】
なお、絶縁性膜付き金属性マスク715および金属性マスク716の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態4と同様である。
【0150】
本実施形態では、n型GaNコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態1と同様の効果が得られる。さらに、金属性マスク716は、実施形態3と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク716をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【0151】
本実施形態では低温バッファー層としてGaN膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてAlxGa1-xN(0≦x≦1)を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のAl組成を0.1としたが、0<Al≦1の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【0152】
さらに、本実施形態と、上記実施形態4または実施形態5を組み合わせることにより、互いに相乗効果を得ることができる。
【0153】
(実施形態7)
本実施形態では、実施形態6においてAlGaNクラッド層中に金属性マスクの代わりに絶縁性膜付き金属性マスクを設けた構造について説明する。
【0154】
図8に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板800上に、低温GaNバッファー層801、n型GaNコンタクト層802、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層803、n型GaN光ガイド層804、活性層805(例えば厚さ2nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ4nmのIn0.02Ga0.98N層からなる多重量子井戸活性層、3周期の厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N層と厚さ10nmのIn0.01Ga0.99N層からなる多重量子井戸活性層や3周期のIn0.18Ga0.82N層とIn0.05Ga0.95N層からなる多重量子井戸活性層等)、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層806、p型GaN光ガイド層807、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層808およびp型GaNコンタクト層809が順次積層されている。p型コンタクト層809の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたSiO2からなる絶縁性膜810が設けられ、その開口部および絶縁性膜810上にわたってp型電極812が設けられて、絶縁性膜810の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。p型コンタクト層809からn型コンタクト層802まではn型コンタクト層802の表面が露出するように一部除去されており、そのn型コンタクト802の露出部上にはn型電極811が形成されている。
【0155】
n型コンタクト層802は、下層n型GaN膜802aと再成長n型GaN膜802bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜802a上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク815上を再成長膜802bで被覆している。このマスク815は、白金膜813とその上に設けられたSiNxからなる絶縁性膜814から構成されている。p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層808は、下層p型Al0.1Ga0.9N膜808aと再成長p型Al0.1Ga0.9Nクラッド膜808bから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜808a上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク818上を再成長膜808bで被覆している。このマスク818は、白金膜816とその上に設けられたSiNxからなる絶縁性膜817から構成されている。
【0156】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態2と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板800上に低温GaNバッファー層801を成長させ、次に、n型GaNコンタクト層802のうち、厚さ20μmの下層n型GaN膜802aを成長させる。
【0157】
次に、実施形態2と同様に、下層のGaN膜802aに対して〈1−100〉方向のストライプ状に、マスク幅(M)5μm、マスク厚み0.15μmの絶縁性膜付き金属性マスク815を形成する。このマスク815は、厚さ0.1μmの白金膜813および厚さ0.05μmのSiNx膜814から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態2と同様に、厚さ20μmのn型GaN膜802bを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないn型GaNコンタクト層802を形成する。
【0158】
続いて、実施形態6と同様に、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層803、n型GaN光ガイド層804、活性層805、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層806、p型GaN光ガイド層807を成長する。
【0159】
その後、実施形態6と同様に、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層808のうち、厚さ0.1μmの下層Al0.1Ga0.9N膜808aを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、下層p型Al0.1Ga0.9N膜808aに対して〈1−100〉方向のストライプ状に、マスク幅3μm、マスク間隔(S)1.5μm、マスク厚み0.2μmの絶縁性膜付き金属性マスク818を形成する。このマスク818は、厚さ0.1μmの白金膜816および厚さ0.1μmのSiNx膜817から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にSiNx膜付き白金マスク818で被覆されていない部分819を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、厚さ0.5μmのp型Al0.1Ga0.9N膜808bを再成長させる。成長が進むにつれて、SiNx付き白金マスク818で被覆されていない部分819からAl0.1Ga0.9Nが再成長を始め、横方向成長が生じてSiNx膜付き白金マスク818が被覆された。この横方向成長したAl0.1Ga0.9N膜808bは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層808が得られた。
【0160】
続いて、実施形態6と同様に、p型GaNコンタクト層809を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図8に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【0161】
このような選択成長工程により得られるn型GaNコンタクト層802およびp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層808の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。n型GaNコンタクト層802に関する転位(結晶欠陥)は実施形態1および実施形態2と同様に減少していた。
【0162】
さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、GaNコンタクト層802中に設けられた成長抑制効果のあるSiNx膜付き白金マスク815の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が2桁程度減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約12000時間であった。
【0163】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図15に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約1/2に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのNFPおよびFFPをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に10000時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【0164】
このようにレーザ発振閾値電流密度が低減した理由は、実施形態5と同様に、実施形態4で記述した屈折率導波構造のレーザ特性に加えて、電流狭窄構造を同時に素子内に造り込むことができたためである。さらに、単峰(単一)で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態1および実施形態2と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、SiNx膜付き白金マスク815の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態2と同様である。さらに、単峰(単一)で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態6と同様である。また、屈折率導波構造を得るための絶縁性膜付き金属性マスク(SiNx膜付き白金マスク815)の形成位置は、実施形態6と同様である。但し、この場合の絶縁性膜付き金属性マスクの位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態6と同じである。
【0165】
本実施形態においては、実施形態6と同様に、活性層805とキャリアブロック層806(キャリアブロック層806が無い場合にはp型光ガイド層807)の界面から絶縁性膜付き金属性マスク(SiO2膜付き白金マスク818)までの距離を、結晶成長装置の結晶成長速度で設定することができる。よって、上記実施形態4および実施形態5に比べて、上記界面からマスクまでの距離を精度良く制御することができ、水平横モードの光閉じ込め効果も精度良く制御することができる。
【0166】
さらに、本実施形態では、上記電流狭窄効果に加えて、以下の効果も有する。後述する実施形態9において詳述するように、金属性マスクを用いたGaN膜の選択成長においては、一般に、マスクのストライプ方向依存性が強く、ラテラル成長しにくいが、絶縁性膜付き金属性マスク(SiNx膜付き白金マスク)を用いることにより、GaN膜の選択成長でもマスクパターンの方向依存性を無くして充分なラテラル成長を得ることができる。この特性を利用して、基板に対して垂直方向について、屈折率導波構造を得るために絶縁性膜付き金属性マスク818を形成可能な位置範囲内(活性層の上面または下面から2μm以内の位置)にAlを含まない窒化物半導体が存在していても、ラテラル成長速度の速い選択成長が可能となる。
【0167】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク815および818において、金属性マスクとして白金(Pt)を用いたが、それ以外に、例えばW、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク815および818において、絶縁性膜としてはSiNx膜以外にSiO2膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。金属性マスクを絶縁性膜で被覆する場合には、金属性マスクの側部820についても絶縁膜で覆われているのが好ましい。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク815および818の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態6と同様である。本実施形態では、n型GaNコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスク(SiNx付き白金マスク)を形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態1と同様の効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク818は、実施形態3と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク818をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【0168】
本実施形態では低温バッファー層としてGaN膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてAlxGa1-xN(0≦x≦1)を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のAl組成を0.1としたが、0<Al≦1の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【0169】
さらに、本実施形態と、上記実施形態4または実施形態5を組み合わせることにより、互いに相乗効果を得ることができる。
【0170】
(実施形態8)
本実施形態では、金属性マスクの膜厚と光吸収率との関係について説明する。
【0171】
図9はタングステンマスクの膜厚とレーザ光の光吸収率の関係を示す図である。この図によれば、マスクの膜厚が約0.01μm以上で60%以上の光吸収率を示し、膜厚が約0.05μm以上でほぼ100%の光吸収率を示した。この図9に示した関係は、タングステン(W)に限らず、Pt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等を用いても殆ど同様であった。従って、金属性マスクにより垂直横モード安定化のための光吸収効果を得るためには、金属性マスク(絶縁性膜付き金属性マスクの場合にはそれを構成する金属膜)の膜厚を少なくとも50%以上の光吸収率を示す0.01μm以上にするのが好ましく、さらに好ましくは0.05μm以上である。
【0172】
一方、金属性マスクを窒化物半導体膜で被覆したときに、その半導体膜の表面が平坦であるためには、金属性マスク(絶縁性膜付き金属性マスクの場合には絶縁膜および金属膜を含むマスク全体)の膜厚を2μm以下にするのが好ましい。
【0173】
(実施形態9)
本実施形態では、金属性マスクおよび絶縁性膜付き金属性マスクを用いた場合の成長軸方向の成長速度とラテラル成長速度との比(a/c)と、窒素キャリアガスの分圧およびマスクのストライプ方向との関係について説明する。
【0174】
図10(a)はタングステンマスクによりGaN膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長(a/c)と窒素キャリアガスの分圧比(N2/(H2+N2))との関係を示す。なお、図10(a)において、ラテラル成長(a/c)は基板に対して垂直方向の成長速度をc、基板に対して平行方向の成長速度(ラテラル成長速度)をaとし、これらの比a/cとして表した。また、窒素キャリアガスの分圧比(N2/(H2+N2))は、全キャリアガスの流量(窒素キャリアガスの流量+水素キャリアガスの流量)に対する窒素キャリアガスの流量比として表した。さらに、図10(a)中、方位は、窒化物半導体(GaN)に対するタングステンマスクのストライプ方向を示している。
【0175】
この図10(a)に示すように、タングステンマスクのストライプ方向を〈11−20〉方向に形成した場合、窒素キャリアガスの分圧を上げても殆どラテラル成長しない。一方、〈1−100〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧0.5でa/c=約0.4程度のラテラル成長が生じた。この図10(a)に示した関係は、タングステン(W)に限らず、Pt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等を用いても殆ど同様であった。
【0176】
図10(b)はタングステンマスクによりAlGaN膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長(a/c)と窒素キャリアガスの分圧比(N2/(H2+N2))との関係を示す。なお、図10(b)において、ラテラル成長(a/c)、窒素キャリアガスの分圧比(N2/(H2+N2))および方位は、図10(a)と同様である。
【0177】
この図10(b)に示すように、タングステンマスクのストライプ方向を〈11−20〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧0.5でa/c=約1.5程度のラテラル成長が生じた。一方、〈1−100〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧0.5でa/c=約15程度のラテラル成長が生じた。この図10(b)に示した関係は、タングステン(W)に限らず、Pt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等を用いても殆ど同様であった。
【0178】
上記図10(a)および図10(b)の結果から、金属性マスクの成長抑制効果を利用して選択成長を行う場合、金属性マスクのストライプ方向を〈1−100〉方向に形成するのが好ましく、窒素キャリアガスの分圧は高い方が好ましいことがわかる。但し、窒素キャリアガス分圧を0.9より大きくして作製した選択成長膜はX線回折半値幅が6分以上となり、結晶性(配向性)が悪化していた。また、金属性マスクは、GaN膜に比べて少なくともAlを含む窒化物半導体膜の方がラテラル成長が速かった。
【0179】
図11(a)はSiO2膜付きタングステンマスクによりGaN膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長(a/c)と窒素キャリアガスの分圧比(N2/(H2+N2))との関係を示す。なお、図11(a)において、ラテラル成長(a/c)は基板に対して垂直方向の成長速度をc、基板に対して平行方向の成長速度(ラテラル成長速度)をaとし、これらの比a/cとして表した。また、窒素キャリアガスの分圧比(N2/(H2+N2))は、全キャリアガスの流量(窒素キャリアガスの流量+水素キャリアガスの流量)に対する窒素キャリアガスの流量比として表した。さらに、図11(a)中、方位は、窒化物半導体(GaN)に対するSiO2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を示している。
【0180】
この図11(a)に示すように、SiO2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を〈11−20〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧0.5でa/c=約0.5程度のラテラル成長が生じた。一方、〈1−100〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧0.5でa/c=約1.5程度のラテラル成長が生じた。この図11(a)に示した関係は、タングステン(W)に限らず、Pt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等を用いても殆ど同様であった。また、絶縁性膜についても、SiO2膜に限らず、SiNx膜を用いても殆ど同様であった。
【0181】
図11(b)はSiO2膜付きタングステンマスクによりAlGaN膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長(a/c)と窒素キャリアガスの分圧比(N2/(H2+N2))との関係を示す。なお、図11(b)において、ラテラル成長(a/c)、窒素キャリアガスの分圧比(N2/(H2+N2))および方位は、図11(a)と同様である。
【0182】
この図11(b)に示すように、SiO2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を〈11−20〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧0.5でa/c=約8程度のラテラル成長が生じた。一方、〈1−100〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧0.5でa/c=約28程度のラテラル成長が生じた。この図11(b)に示した関係は、タングステン(W)に限らず、Pt、Ti、Mo、Ni、Al、Pd、Au等を用いても殆ど同様であった。また、絶縁性膜についても、SiO2膜に限らず、SiNx膜を用いても殆ど同様であった。
【0183】
上記図11(a)および図11(b)の結果から、絶縁性膜付き金属性マスクの成長抑制効果を利用して選択成長を行う場合、金属性マスクのストライプ方向を〈1−100〉方向に形成するのが好ましく、窒素キャリアガスの分圧は高い方が好ましいことがわかる。但し、窒素キャリアガス分圧を0.9より大きくして作製した選択成長膜はX線回折半値幅が6分以上となり、結晶性(配向性)が悪化していた。また、金属性マスクは、GaN膜に比べて少なくともAlを含む窒化物半導体膜の方がラテラル成長が速かった。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクは、金属性マスクに比べてラテラル成長が速く、マスクのストライプ方向依存性が緩和されていた。
【0184】
上記図10(a)、図10(b)、図11(a)および図11(b)において、ラテラル成長a/cは、窒素キャリアガス分圧が0.1以上で大きく増加している。このことから、窒素キャリアガス分圧は0.1以上であるのが好ましい。
【0185】
さらに、上記図10および図11から、金属膜を含むマスクを被覆するために必要なラテラル成長膜の下限値を読み取ることができる。この値は、選択成長する膜(被覆する膜)がGaN膜であるか、AlGaN膜であるかで異なる。同様に、マスクのストライプ方向でも異なり、マスクが金属膜のみである場合とその上に絶縁膜が設けられている場合とでも異なる。さらに、雰囲気ガス比(N2/N2+H2)によっても異なる。
【0186】
例えば、絶縁性膜付き金属性マスクのストライプ方向を〈1−100〉として、その上にGaN膜を選択成長する場合、雰囲気ガス(N2/(N2+H2))=0.5では、図11(a)から、ラテラル成長a/c=1.5と読み取ることができる。すなわち、積層膜厚(被覆膜厚)1に対して横方向成長は1.5ということになる。マスク上の選択成長は、マスクで被覆されていないマスク両側の部分から成長が始まり、マスクの中央部で会合してマスクが被覆される。従って、金属性マスクは積層膜厚1に対して1.5×2(両側分)=3で被覆されることになる。仮に、マスク幅が6μmであれば、6/3=2μmの積層膜厚(下限値)でマスクが被覆されることになる。上記各実施形態では、N2(10リットル/min)+H2(5リットル/min)の条件で選択成長が行われている。
【0187】
(実施形態10)
本実施形態では、下層n型AlGaN膜上に形成した金属性マスクが、再成長n型AlGaN膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【0188】
図12に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、n型GaN基板901上に、n型Al0.02Ga0.98Nコンタクト層902、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層903、n型GaN光ガイド層904、活性層905、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層906、p型GaN光ガイド層907、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層908およびp型GaNコンタクト層909が順次積層されている。p型コンタクト層909の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたSiO2からなる絶縁性膜910が設けられ、その開口部および絶縁性膜910上にわたってp型電極912が設けられて、絶縁性膜910の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、n型GaN基板901の裏面に接するようにn型電極911が形成されている。
【0189】
n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層903は、下層n型Al0.1Ga0.9N膜903aと再成長n型Al0.1Ga0.9Nクラッド膜903bから構成されている。また、ストライプ状電極下方の下層膜903a上部分に設けられた金属性マスク(タングステンマスク等)916は、再成長膜403bによって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【0190】
本実施形態において、金属性マスク916は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【0191】
図12では、活性層905の下方に設けた2つの金属性マスク916を有し、これらの金属性マスク916、916の間隔S部の上方に位置するようにp型ストライプ電極412の電流注入幅Wpが設けられ、かつ、金属性マスク916が再成長n型AlGaN膜903bによって平坦に被覆されない窪み部を有する。
【0192】
この場合、(1)窪み部を有することによって、活性層905は量子井戸構造からp型ストライプ電極912のストライプ方向に対して垂直方向に閉じ込められた量子細線構造に近い形態になる。このことにより、閾値電流密度をより一層低減することができる。また、(2)窪み部を有することによって、再成長n型AlGaN膜903bよりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。さらに、(3)窪み部を有することによって、p型ストライプ電極912から注入された電流が横方向に広がることを防止することができる。このことにより、閾値電流密度を低くすることができる。
【0193】
この窪みは、N2キャリアガス分圧を10%未満、好ましくはH2キャリアガス雰囲気で再成長層903bを成長することによって形成することができる。または、再成長層903bの膜厚を薄くしても形成することができる。
【0194】
なお、図12の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図12に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。
【0195】
(実施形態11)
本実施形態では、下層p型AlGaN膜上に形成した金属性マスクが、再成長p型AlGaN膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【0196】
図13に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、n型GaN基板1001上に、n型Al0.02Ga0.98Nコンタクト層1002、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1003、n型GaN光ガイド層1004、活性層1005、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層1006、p型GaN光ガイド層1007、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1008およびp型GaNコンタクト層1009が順次積層されている。p型コンタクト層1009の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたSiO2からなる絶縁性膜1010が設けられ、その開口部および絶縁性膜1010上にわたってp型電極1012が設けられて、絶縁性膜1010の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、n型GaN基板1001の裏面に接するようにn型電極1011が形成されている。
【0197】
p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1008は、下層p型Al0.1Ga0.9N膜1008aと再成長p型Al0.1Ga0.9Nクラッド膜1008bから構成されている。また、ストライプ状電極下方の下層膜1008a上部分に設けられた金属性マスク(タングステンマスク等)1016は、再成長膜1008bによって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【0198】
本実施形態において、金属性マスク1016は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【0199】
図13では、活性層1005の上方に設けた2つの金属性マスク1016を有し、これらの金属性マスク1016、1016の間隔S部の上方に位置するようにp型ストライプ電極1012の電流注入幅Wpが設けられ、かつ、金属性マスク1016が再成長n型AlGaN膜1008bによって平坦に被覆されない窪み部を有する。
【0200】
この場合、窪み部を有することによって、再成長p型AlGaN膜1008bよりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。
【0201】
この窪みは、N2キャリアガス分圧を10%未満、好ましくはH2キャリアガス雰囲気で再成長層1008bを成長することによって形成することができる。または、再成長層1008bの膜厚を薄くしても形成することができる。
【0202】
なお、図13の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図13に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。
【0203】
(実施形態12)
本実施形態では、n型GaN基板上に形成した金属性マスクが、再成長n型AlGaN膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【0204】
図14に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、n型GaN基板1101上に、n型Al0.02Ga0.98Nコンタクト層1102、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1103、n型GaN光ガイド層1104、活性層1105、Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層1106、p型GaN光ガイド層1107、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1108およびp型GaNコンタクト層1109が順次積層されている。p型クラッド層1108はp型光ガイド層1107近くまで堀り下げられて、p型コンタクト層1109およびp型クラッド層1108からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にSiO2からなる絶縁性膜1110が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜1110上および絶縁性膜1110の開口部から露出したリッジストライプ部上にわたってp型電極1112が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。また、n型GaN基板1101の裏面に接するようにn型電極1111が形成されている。
【0205】
さらに、リッジストライプ部下方の基板上部分に設けられた金属性マスク(タングステンマスク等)1116は、コンタクト層1102によって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【0206】
本実施形態では、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に金属性マスクが形成されている。
【0207】
本実施形態において、金属性マスク1116は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【0208】
図14では、活性層1105の下方に設けた金属性マスク1116を有し、この金属性マスク1116がコンタクト層1102によって平坦に被覆された領域M1および領域M2のうちの少なくともいずれか一方の領域の上方に、リッジストライプ構造の電流注入幅Wpが設けられている。
【0209】
この場合、窪み部を有することによって、n型AlGaNコンタクト層1102よりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。
【0210】
この窪みは、N2キャリアガス分圧を10%未満、好ましくはH2キャリアガス雰囲気でコンタクト層1102を成長することによって形成することができる。または、コンタクト層1102の膜厚を薄くしても形成することができる。
【0211】
なお、図14の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図14に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。本実施形態では、成長が金属性マスクの両側から始まるため、窪み部はリッジストライプの片側にしか形成されない。
【0212】
本実施形態において、金属性マスク1116の上に形成されるn型Al0.02Ga0.08Nコンタクト層1102は、その他のAl組成比であってもよく、GaNであってもよい。金属性マスク1116の上に形成される層の構成要素がAlGaNであることの効果、および金属性マスク1116の上に形成される層の構成要素がGaNであることの効果は、前述した実施形態と同様である。
【0213】
上記実施形態10〜実施形態12では、金属性マスクについて説明したが、絶縁性膜付き金属性マスクを用いてもよい。絶縁性膜付き金属性マスクを用いたことによる効果は、前述した実施形態と同様であり、形成方法も同様である。但し、絶縁性膜付き金属性マスクを用いた場合、ラテラル成長が起こり易くなるため、金属性マスクの方が窪み部を形成しやすい。また、GaN基板の裏面側からn型電極を形成したが、実施形態1のようにp型電極と同じ側からn型電極を形成してもよい。さらに、上記実施形態10〜実施形態12では、窪みの形状をV字型としたが、その他の形状、例えば矩形形状を有していてもよい。例えば、マスクのストライプ方向を窒化物半導体結晶の〈1−100〉方向に沿って形成したときに、矩形状の窪み部が形成されやすい。
【0214】
(実施形態13)
本実施形態では、金属性マスクまたは絶縁性膜付き金属性マスクにGaN基板(窒化物半導体基板の一例)を組み合わせたことによる効果について説明する。
【0215】
本願発明者らが詳細な検討を行ったところ、上記金属性マスクを窒化物半導体層(以下、下地層と称する)上に形成すると、その金属性マスクを構成している金属が下地層中に内部拡散を起こしていた。このような金属の内部拡散は、結晶性を低下させ、歩留りの低下を招いていた。このような内部拡散に対するために、金属性マスクを形成するときの蒸着温度や、金属性マスクを被覆する窒化物半導体層の成長温度を制御することによって、ある程度抑制することができた。
【0216】
しかしながら、基板として窒化物半導体基板(例えばGaN基板)を用いることにより、より効果的に上記金属の内部拡散を抑制することができ、歩留りを向上させることができる。その理由は、以下の通りである。本願発明者らの実験結果によれば、上記金属の内部拡散は、貫通転位を通して下地層に拡散していることが分かった。GaN基板上に成長した窒化物半導体膜中の貫通転位密度は、窒化物半導体基板以外から構成される異種基板(例えばサファイア基板)上に成長した場合に比べて低いため、GaN基板を用いることによって、より効果的に上記金属の内部拡散を抑制することができる。
【0217】
なお、本実施形態では金属性マスクについて説明したが、絶縁性膜付き金属性マスクを用いても同様の効果が得られる。
【0218】
なお、上記実施形態1〜実施形態13においては、MOCVD法により結晶成長させた例について説明したが、その限りではなく、MBE法やハイドライド気相成長法、MOMBE法、CVD法等、他の成長法を用いてもよい。基板としてはサファイアに限らず、6H−SiC、4H−SiC、3C−SiC、GaN、GaAs、Si、Ge、MgAl24等、他の基板を用いることも可能である。また、その他の窒化物半導体基板、例えばAlGaN基板やInGaN基板等を用いてもよい。また、各層の混晶比は適宜変更可能である。さらに、AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)窒化物半導体構成元素のうち、窒素元素の一部(約10%程度以下)をP、AsおよびSbのうちの少なくともいずれか1つで置換した材料を用いても同様の効果が得られる。
【0219】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、少なくとも光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを窒化物半導体レーザ素子に適用することにより、以下のような効果を得ることができる。
【0220】
第1に、金属膜による光吸収効果により、単峰な垂直横モードの安定化を図ることができる。
【0221】
第2に、金属膜による光吸収効果により、光ガイド層に等価屈折率差を与えて水平横モードの光閉じ込めを強くし、閾値電流密度を低減すると共に、単峰な水平横モードの安定化を図ることができる。
【0222】
第3に、金属膜を絶縁性膜で被覆することにより、ラテラル成長速度を向上すると共に、電流狭窄構造を実現することができる。その結果、上記第1および第2の効果をさらに顕著に得ることができる。
【0223】
第4に、金属膜は光吸収効果の他に成長抑制効果を有しているため、上記効果と共に、レーザ構造を構成する窒化物半導体膜中の転位密度を低減することができる。このため、レーザの発振寿命特性を向上させることができる。
【0224】
このように優れた特性を有する本発明の窒化物半導体レーザ素子は、表示素子やディスプレイ、光ディスクの光源等として非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図2】実施形態において使用する結晶成長装置の概略構成を示す模式図である。
【図3】実施形態2の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図4】実施形態3の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図5】実施形態4の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図6】実施形態5の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図7】実施形態6の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図8】実施形態7の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図9】金属性マスク(タングステンマスク)の膜厚と光吸収率との関係を示すグラフである。
【図10】(a)は金属性マスク(タングステンマスク)を用いて選択成長を行ったGaN膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図であり、(b)は金属性マスク(タングステンマスク)を用いて選択成長を行ったAlGaN膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図である。
【図11】(a)は絶縁性膜付き金属性マスク(SiO2膜付きタングステンマスク)を用いて選択成長を行ったGaN膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図であり、(b)は絶縁性膜付き金属性マスク(SiO2膜付きタングステンマスク)を用いて選択成長を行ったAlGaN膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図である。
【図12】実施形態10の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図13】実施形態11の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図14】実施形態12の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図15】従来のリッジストライプ構造の窒化物半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図16】(a)は本発明の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのNFPであり、(b)は従来の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのNFPである。
【図17】(a)は本発明の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのFFPであり、(b)は従来の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのFFPである。
【符号の説明】
10、100、300、500、600、700、800 サファイア基板
11、101、301、501、601、701、801 低温GaNバッファー層
12、102、302、502、602、702、802 n型GaNコンタクト層
13、103、303、403、503、603、703、803、903、1003、1103 n型AlGaNクラッド層
14、104、304、404、504、604、704、804、904、1004、1104 n型GaN光ガイド層
15、105、305、405、505、605、705、805、905、1005、1105 活性層
16、106、306、406、506、606、706、806、906、1006、1106 AlGaNキャリアブロック層
17、107、307、407、507、607、707、807、907、1007、1107 p型GaN光ガイド層
18、108、308、408、508、608、708、808、908、1008、1108 p型AlGaNクラッド層
19、109、309、409、509、609、709、809、909、1009、1109 p型GaNコンタクト層
20、110、310、410、510、610、710、810、910、1010、1110 SiO2絶縁膜
21、111、311、411、511、611、711、811、911、1011、1111 n型電極
22、112、312、412、512、612、712、812、912、1012、1112 p型電極
23 リッジストライプ形成部分の活性層付近
24 リッジストライプ形成によって掘り下げた部分の活性層付近
102a、302a、502a、602a、702a、802a 下層n型GaN膜
102b、302b、502b、602b、702b、802b 再成長n型GaN膜
113、416、516 タングステンマスク
201 基板
202 サセプタ
203 反応管
204 原料入り口
205 排気ガス出口
206 アンモニア
207a TMG
207b TMA
207c TMI
207d Cp2Mg
208 マスフローコントローラ
209 SiH4
313、513、613、616 タングステン膜
314、514、614、617 SiO2
315、515、615、618 SiO2膜付きタングステンマスク
401、901、1001、1101 n型GaN基板
402、902、1002、1102 n型AlGaNコンタクト層
403a、503a、603a、903a 下層n型AlGaN膜
403b、503b、603b、903b 再成長n型AlGaN膜
417、517、619、717、819 マスクで被覆されていない部分
620、820 マスクの側部
708a、808a、1008a 下層p型AlGaN膜
708b、808b、1008b 再成長p型AlGaN膜
713、813、816 白金膜
714、814、817 SiNx
715、815、818 SiNx膜付き白金マスク
716 白金マスク
916、1016、1116 金属性マスク
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor laser element made of a nitride semiconductor having excellent temperature characteristics at high temperatures and used as a light source for a display element, a display, an optical disk, etc., and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, nitride semiconductors have been used or studied as materials for light emitting elements and high power devices. For example, in the case of a light emitting element, it can be technically used as an element capable of emitting a wide range of light from blue to orange by adjusting the composition of the light emitting element. In recent years, blue light-emitting diodes, green light-emitting diodes, and the like have been put to practical use by utilizing such characteristics, and blue-violet semiconductor lasers have been developed as nitride semiconductor laser elements.
[0003]
Of these, for nitride semiconductor laser devices, SiO2A technique in which the dislocation density in the crystal is reduced by applying a selective growth technique using a material such as Appl. Phys. Lett. 72 (1998) p211-p213. In this report, SiO is deposited on an n-type GaN film.2A selective growth mask made of GaN is formed, and an n-type GaN film is regrown thereon to form SiO.2The mask is covered to produce a flat surface and its SiO2A laser structure is formed on the mask covering. By using this method, defects in the laser element are reduced and the laser element characteristics are improved.
[0004]
Further, in order to reduce the operating current of the semiconductor laser element and stabilize the horizontal transverse mode (direction parallel to the active layer), a semiconductor laser element having a structure as shown in FIG. 15 has been conventionally used. This semiconductor laser device includes a substrate 10, a low-temperature buffer layer 11, an n-type GaN contact layer 12, an n-type AlGaN cladding layer 13, an n-type GaN light guide layer 14, an active layer 15, an AlGaN carrier block layer 16, p-type GaN light. The guide layer 17, the p-type AlGaN cladding layer 18, the p-type GaN contact layer 19, the insulating film 20, the n-type electrode 21, and the p-type electrode 22 are configured. However, the above Appl. Phys. Lett. 72 (1998) p211-p213 reports that the n-type contact layer 12 has SiO 22A mask is inserted, and a cladding layer made of a GaN / AlGaN superlattice is formed instead of the n-type AlGaN cladding layer 13.
[0005]
Such a laser structure is called a ridge stripe structure. According to this ridge stripe structure, the width Wp of the stripe electrode is narrowed to about 2 μm, and the p-type cladding layer 18 is dug down to the vicinity of the p-type light guide layer 17 to narrow current injection into the active layer 15. In addition, the operating current of the laser can be reduced. Further, in the region 24 and the ridge stripe region 23 dug down to the vicinity of the p-type light guide layer 17, a difference occurs in the equivalent refractive index of the active layer 15 and the horizontal transverse mode is confined. The transverse mode can be stabilized.
[0006]
On the other hand, with respect to the vertical transverse mode (direction perpendicular to the active layer), in order to obtain a stable single (single peak) mode in a general nitride semiconductor laser element including the ridge stripe laser structure described above, the cladding layer A method is adopted in which the average Al composition ratio is increased or the thickness of the cladding layer is increased so that the vertical transverse mode light does not leak. In particular, in the latter method, when the n-type cladding layer is thin, vertical transverse mode light leaks into the n-type contact layer between the substrate and the n-type cladding layer. The leaked vertical transverse mode light is outside the cladding layer (for example, n-type AlGaN cladding layer) and has a layer having a refractive index larger than the equivalent refractive index of the cladding layer (for example, In film having a thickness of 0.3 μm or more).xGa1-xWhen N (0 ≦ x ≦ 1) layer) is provided, in FFP (far field pattern), a sub-peak appears on the wide angle side to impair the unimodality of the vertical transverse mode. FIGS. 16B and 17B show NFP (near field pattern) and FFP in a conventional nitride semiconductor laser device. As shown in these figures, sub-peaks are observed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to obtain a unimodal and stable vertical transverse mode, increasing the average Al composition ratio in the cladding layer or increasing the thickness of the cladding layer can lead to generation of cracks and crystal defects due to lattice mismatch. The increase in crystallinity caused by the increase and the increase in the resistance of the device caused an increase in the laser threshold current. For this reason, the growth conditions of the clad layer containing Al that can be manufactured as a laser element are limited, and a sufficiently unimodal and stable vertical transverse mode cannot be obtained.
[0008]
In contrast, Appl. Phys. Lett. 72 (1998) p211-p213, the clad layer by GaN / AlGaN superlattice suppresses the generation of cracks compared to the case where the commonly used AlGaN clad layer has the same average Al composition ratio. The clad layer thickness can be increased. However, since Al generally has a strong gas phase reaction and is a superlattice, the superlattice period varies due to valve switching, and the average Al composition ratio also changes. For this reason, crystal growth of a superlattice containing Al is difficult, and reproducibility of the cladding layer thickness and the average Al composition ratio in the cladding layer is difficult to obtain. Even in the case of a clad layer made of a GaN / AlGaN superlattice, an increase in Al composition ratio and a decrease in crystallinity and an increase in resistance of the element due to an increase in the clad layer thickness are inevitable.
[0009]
On the other hand, the stabilization of the horizontal transverse mode using the ridge stripe structure is achieved by ridge stripes in which the clad layer is dug down to the vicinity of the p-type light guide layer with a difference in refractive index that exceeds the decrease in refractive index due to the increase in the density of constricted carriers. It is necessary to build in the structure. Therefore, stabilization of the horizontal transverse mode depends on the thickness of the dug cladding layer. However, since such a ridge stripe structure is generally formed by dry etching, it is difficult to control the thickness of the cladding layer that has been dug down and the reproducibility of the layer thickness is poor, and as a result, the horizontal transverse mode has become unstable. It was. Further, since the ridge stripe structure is formed by using etching, the exposed end face is deteriorated, and the laser oscillation threshold current density is increased, thereby adversely affecting the laser element characteristics. Furthermore, stronger light confinement has been required to reduce the laser oscillation threshold current density.
[0010]
Since the instability of these transverse modes generates NFP and FFP sub-peaks as shown in FIGS. 16B and 17B, it is very problematic for a device using a laser such as an optical disk. there were. Thus, stable lateral mode controllability has been desired.
[0011]
The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device capable of obtaining a unimodal stable vertical transverse mode and a method of manufacturing the same. . It is another object of the present invention to provide a nitride semiconductor laser device capable of reducing the laser oscillation threshold current density due to light confinement in the horizontal transverse mode and obtaining a single-peak stable horizontal transverse mode and a method for manufacturing the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  A nitride semiconductor laser device according to the present invention includes a semiconductor laminated structure formed of a nitride semiconductor and formed on a substrate, including a pair of upper and lower clad layers and an active layer sandwiched between the clad layers, and an injection into the active layer A nitride semiconductor laser element having a stripe-shaped current confinement structure for confining a generated current, on a portion facing the stripe-shaped current confinement structure on the outside of the cladding layer above or below the active layer, Has light absorption functionIncluding metal filmThe light absorption mask is arranged so as to absorb the guided light leaking from the upper or lower clad layer, thereby achieving the above object.
  A nitride semiconductor laser device according to the present invention includes a semiconductor laminated structure formed of a nitride semiconductor and formed on a substrate, including a pair of upper and lower clad layers and an active layer sandwiched between the clad layers, and an injection into the active layer Nitride semiconductor laser device having a stripe-shaped current confinement structure for confining a generated current, on both sides of a portion of the upper or lower cladding layer facing the stripe-shaped current confinement structure Have light absorption functionIncluding metal filmLight absorption mask, light absorption maskAnd the active layer facing thisThe gain is increased so that the above-mentioned object can be achieved.
[0013]
  The nitride semiconductor laser device of the present invention is the light absorption mask.ConfigureThe metal film is made of a metal on which a nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and the semiconductor multilayer structure has an active layer sandwiched between a pair of clad layers and both clad layers, and is opposite to the substrate of the semiconductor multilayer structure A contact layer having a striped electrode on the side surface, in contact with the lower surface of the clad layer closer to the substrate, having a refractive index higher than that of the clad layer and having a refractive index different from that of the substrate; The metal film is disposed below the stripe electrode and at a position within half of the contact layer thickness from the interface between the clad layer and the contact layer toward the substrate, or closer to the substrate A contact layer that is in contact with the lower surface of the cladding layer and has a refractive index higher than that of the cladding layer and substantially the same refractive index as that of the substrate; The metal film is disposed at a position within half of the total thickness of the contact layer thickness and the substrate thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate, or the cladding closer to the substrate The layer has a lower refractive index than the substrate, and there is no contact layer between the substrate and the cladding layer, below the stripe electrode, from the interface between the cladding layer and the substrate The metal film is disposed at a position within half the thickness of the substrate toward the lower surface of the substrate, or on the cladding layer or the cladding below the stripe electrode and closer to the substrate The metal film may be arranged in a layer at a position of 0.5 μm or more from the lower surface of the active layer toward the substrate.
[0014]
  The nitride semiconductor laser device of the present invention is
The light absorption maskConfigureThe metal film is made of a metal on which a nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and the semiconductor laminated structure has an active layer sandwiched between a pair of cladding layers and both cladding layers, and a ridge stripe portion above the active layer. A contact layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and having a refractive index different from that of the substrate, in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate, and below the ridge stripe portion. The metal film is disposed at a position within half of the contact layer thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate, or in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate, A contact layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and having substantially the same refractive index as that of the substrate; and below the ridge stripe portion, The metal film is disposed at a position within half of the total thickness of the contact layer thickness and the substrate thickness from the interface with the tact layer toward the substrate, or the clad layer closer to the substrate is closer than the substrate. However, the refractive index is low, and no contact layer exists between the substrate and the cladding layer, and is below the ridge stripe portion and from the interface between the cladding layer and the substrate toward the lower surface of the substrate. The metal film is disposed at a position within half the thickness of the substrate, or below the ridge stripe portion and on or in the cladding layer closer to the substrate, The metal film may be arranged at a position of 0.5 μm or more from the lower surface of the active layer toward the substrate.
[0015]
  The nitride semiconductor laser device of the present invention is the light absorption mask.ConfigureA metal film is made of a metal on which a nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, the semiconductor multilayer structure has an active layer, and a stripe electrode is provided on a surface opposite to the substrate of the semiconductor multilayer structure, The metal film is disposed at a position within 2 μm from the lower surface or the upper surface of the layer, and the mask including the metal film is disposed below the stripe-like electrode so as to have a portion not covered with the mask. It can be set as a structure.
[0016]
  The nitride semiconductor laser device of the present invention is
The light absorption maskConfigureThe metal film is made of a metal on which a nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and the semiconductor laminated structure has an active layer sandwiched between a pair of cladding layers and both cladding layers, and a ridge stripe portion above the active layer. The metal film is disposed at a position within 2 μm from the lower or upper surface of the active layer, and the mask including the metal film has a portion not covered with the mask below the ridge stripe portion. Can be configured.
[0017]
In the nitride semiconductor laser element of the present invention, the mask interval is preferably 1 μm or more and 15 μm or less.
[0018]
  The nitride semiconductor laser device of the present invention is the light absorption mask.ConfigureThe thickness of the metal film is preferably 0.01 μm or more, and the thickness of the entire mask including the metal film is preferably 2 μm or less.
[0019]
  The nitride semiconductor laser device of the present invention is the light absorption mask.ConfigureThe metal film is a metal material containing at least one of W, Ti, Mo, Ni, Al, Pt, Pd, Au and alloys thereof, or a plurality of layers containing at least one of those metals and alloys What consists of a composite film comprised by these can be used.
[0020]
  In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the light absorption maskConfigureA configuration in which the metal film is directly covered with an insulating film can be employed.
[0021]
  The nitride semiconductor laser device of the present invention is the above-mentionedRimAs SiO2Or SiNxCan be used.
[0022]
  The nitride semiconductor laser device of the present invention is the light absorption mask.ConfigureThe metal film is preferably provided in a stripe shape in the <1-100> direction with respect to the underlying nitride semiconductor layer.
[0023]
  The nitride semiconductor laser device according to the present invention includes the light absorption mass.KThe upper nitride semiconductor layer may not be covered flat and may have a recess.
[0024]
  The method for producing a nitride semiconductor laser device according to the present invention is a method for producing the nitride semiconductor laser device according to the present invention.Light absorptionWhen the mask is covered with the nitride semiconductor layer, 10% or more of the nitrogen carrier gas is used with respect to the total carrier gas, thereby achieving the above object.
[0025]
The operation of the present invention will be described below.
[0026]
In the present invention, in a semiconductor laminated structure made of a nitride semiconductor, by providing a mask including a metal film having at least a light absorption function in a region where guided light reaches, light leakage or light from the active layer is provided. It is possible to stabilize the single horizontal transverse mode and the single vertical transverse mode and to confine the light in the horizontal transverse mode.
[0027]
The light absorption effect in the vertical transverse mode hardly depends on the position where the metal film is formed, and only depends on the thickness of the metal film. However, since the unimodal (single mode) vertical transverse mode depends on the formation position of the metal film, it is preferably as close to the active layer as possible.
[0028]
Therefore, (1) when a contact layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and having a refractive index different from that of the substrate is in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate, the striped electrode A metal film having a light absorption function is disposed at a position within half of the thickness of the contact layer from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate. In this case, the refractive index of the substrate may be higher or lower than that of the cladding layer as long as it is different from that of the contact layer. (2) In the case of having a contact layer in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate and having a refractive index higher than that of the cladding layer and substantially the same refractive index as the substrate, A metal film having a light absorption function is disposed below the stripe-like electrode and at a position within half of the total thickness of the contact layer thickness and the substrate thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate. In this case, when the substrate thickness is thicker than the contact layer, the mask is disposed in the substrate. However, the mask may be disposed when forming the substrate (for example, a GaN thick film). (3) When such a contact layer is not provided, and the clad layer closer to the substrate has a lower refractive index than the substrate, the clad layer and the substrate A mask including a metal film having a light absorption function is disposed at a position within half the thickness of the substrate from the interface toward the lower surface of the substrate. In this case as well, a mask is disposed in the substrate. However, a mask may be disposed when forming a substrate (for example, a GaN thick film) in the same manner as described above. In addition, this makes it possible to achieve unimodal vertical transverse mode. Further, by using a metal material for which the nitride semiconductor is not directly epitaxially grown as the metal film, the dislocation density can be reduced by the mask and the laser life characteristics can be improved. In the case of (1) above, since it depends on the refractive index of the contact layer in contact with the cladding layer, a metal film is disposed at a position within half the thickness of the contact layer, and in the case of (2) above, the contact layer If the refractive index of the substrate and the substrate are substantially the same, it can be considered as a single body, so a metal film is disposed at a position within half the thickness including the substrate, and in the case of (3) above, there is no contact layer. Since the substrate is in contact with the cladding layer and the substrate is the same as the contact layer, a metal film is disposed at a position within half the substrate thickness. That is, although the names of the contact layer and the substrate are different, the focus is substantially only on the refractive index of the layer called by the name.
[0029]
Here, when the metal film is provided on the clad layer closer to the substrate or in the clad layer, if the metal film is disposed at a position less than 0.5 μm from the lower surface of the active layer toward the substrate, the light absorption effect by the metal film is achieved. As a result, gain loss in laser oscillation increases, leading to an increase in laser oscillation threshold current density. Therefore, when a metal film is disposed on or in the cladding layer closer to the substrate, it is below the stripe electrode and at a position of 0.5 μm or more from the lower surface of the active layer toward the substrate. Deploy. In the present specification, the surface closer to the substrate is referred to as the lower surface, and the surface opposite to the lower surface is referred to as the upper surface.
[0030]
In the ridge stripe structure, when a contact layer having a refractive index higher than that of the clad layer and having a refractive index different from that of the substrate is in contact with the lower surface of the clad layer closer to the substrate, the ridge stripe portion A metal film having a light absorption function is disposed at a position within half of the thickness of the contact layer from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate. Further, when a contact layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and having substantially the same refractive index as that of the substrate is in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate, the ridge stripe portion A metal film having a light absorption function is disposed at a position within half of the total thickness of the contact layer thickness and the substrate thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate. Further, when such a contact layer is not provided and the clad layer closer to the substrate has a lower refractive index than the substrate, it is below the ridge stripe portion and from the interface between the clad layer and the substrate. A metal film having a light absorption function is disposed at a position within half the thickness of the substrate toward the lower surface of the substrate. Alternatively, a metal having a light absorption function below the ridge stripe portion, on or in the cladding layer closer to the substrate, and at a position of 0.5 μm or more from the lower surface of the active layer toward the substrate Place the membrane. As a result, it is possible to realize a single peak in the vertical and transverse modes. Further, by using a metal material for which the nitride semiconductor is not directly epitaxially grown as the metal film, the dislocation density can be reduced by the mask and the laser life characteristics can be improved. Furthermore, stabilization of the horizontal transverse mode and oscillation threshold current density are achieved by the ridge stripe structure.
[0031]
Further, when a portion not covered with a metal film is provided below the stripe electrode or the ridge stripe portion, a mask is provided by arranging a metal film having a light absorption function at a position exceeding 2 μm from the lower surface or the upper surface of the active layer. The difference in transmission refractive index hardly occurs between the portion where the mask is not provided and the portion where the mask is not provided, and the light confinement effect in the horizontal transverse mode is weakened. Therefore, a metal film having a light absorption function is disposed at a position within 2 μm from the lower surface or the upper surface of the active layer, and a portion not covered with the metal film is provided below the stripe-shaped electrode or ridge stripe portion, so that horizontal horizontal It becomes possible to increase the mode optical confinement and reduce the laser oscillation current density.
[0032]
In this case, according to experiments by the inventors of the present application, when the mask interval (interval between metal films) is 1 μm or more and 15 μm or less, the horizontal and transverse modes are stabilized.
[0033]
When the thickness of the metal film is 0.01 μm or more, it is possible to increase the absorption rate of laser light and stabilize the unimodal vertical transverse mode. Further, if the thickness of the entire mask including the metal film is 2 μm or less, a flat surface can be obtained when the mask is covered with a nitride semiconductor film.
[0034]
In general, since the temperature for forming the nitride semiconductor film is around 1000 ° C., it is preferable to use a metal material that can sufficiently withstand this temperature. As such a metal material, for example, W, Ti, Mo, Ni, Al, Pt, Pd, Au, or an alloy thereof, or a composite film composed of a plurality of layers including the metal or alloy may be used. it can.
[0035]
Furthermore, for example, a metallic mask made of tungsten or the like has a very strong effect of suppressing the growth of GaN and has a strong dependency on the stripe direction of the mask. Regarding the stripe direction dependency, when a mask pattern is formed in the <11-20> direction with respect to GaN, almost no lateral growth (growth in the direction parallel to the substrate) occurs, and the GaN film is covered on the mask. Is difficult. Therefore, if the metallic film is covered with an insulating film to form a metallic mask with an insulating film, such a growth suppressing effect and stripe direction dependency can be alleviated. In addition, about the position of this metallic mask with an insulating film, arrangement | positioning of a metal film is important, and it is preferable to arrange | position a metal film in the position mentioned above.
[0036]
As this insulating film, SiO2Or SiNxIs preferably used because the shift of the crystal orientation (crystal growth axis) of the nitride semiconductor film coated on the insulating film is suppressed.
[0037]
Furthermore, if a mask (metal film) is provided in a stripe shape in the <1-100> direction with respect to the underlying nitride semiconductor layer, the lateral growth of the nitride semiconductor layer on the mask is accelerated and the coating speed is increased. Become.
[0038]
The metallic mask or the metallic mask with an insulating film may not be flatly covered with the nitride semiconductor layer as an upper layer, and may have a depression. In this case, the crystal distortion of the regrowth nitride semiconductor layer formed thereon can be relaxed by the depression. Therefore, it is possible to prevent the crystallinity from being lowered due to strain and further increase the laser oscillation lifetime.
[0039]
In the method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to the present invention, when the mask is covered with a nitride semiconductor layer, a nitrogen carrier gas of 10% or more of the total carrier gas is used, and the mask is formed on the mask. Lateral growth of the nitride semiconductor layer becomes faster, and the coating speed becomes faster.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0041]
Generally, when growing a nitride semiconductor crystal, sapphire, 6H—SiC, 4H—SiC, 3C—SiC, GaN, Si, Ge, GaAs, MgAl2OFourEtc. are used as the substrate. Crystal growth is usually performed by metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as MOCVD method), molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (H-VPE) or the like. Among these, considering the crystallinity and mass productivity of the obtained nitride semiconductor, the most common method is to use sapphire or GaN as the substrate and the MOCVD method as the growth method.
[0042]
Accordingly, in the following embodiment, an example of a nitride semiconductor laser element in which a nitride semiconductor is grown on a sapphire substrate or a GaN substrate by MOCVD will be described. In addition, although Embodiment 1, Embodiment 2, and Embodiments 4 to 7 describe examples using a sapphire substrate, it was confirmed that the same effect can be obtained even if other substrates described above are used. ing. In particular, when a GaN substrate is used, as described in Embodiment 13 to be described later, since it is the same type of crystal, a favorable result with good lattice matching is obtained. Moreover, although Embodiment 3 and Embodiments 10 to 12 describe examples using a GaN substrate, it has been confirmed that the same effect can be obtained even if other substrates described above are used.
[0043]
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a description will be given of a nitride semiconductor laser device in which a vertical transverse mode is stabilized (single peaked) using a metallic mask having a light absorption function.
[0044]
FIG. 1 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This nitride semiconductor laser device includes a low-temperature GaN buffer layer 101, an n-type GaN contact layer 102, an n-type Al on a sapphire substrate 100.0.1Ga0.9N-cladding layer 103, n-type GaN light guide layer 104, active layer 105 (for example, In 2 nm thick described later)0.15Ga0.85N layer and 4 nm thick In0.02Ga0.98Multi-quantum well active layer consisting of N layer, In addition to 4 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 10 nm thick In0.01Ga0.99N layer having three periods formed can be used), Al0.2Ga0.8N carrier block layer 106, p-type GaN light guide layer 107, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 108 and a p-type GaN contact layer 109 are sequentially stacked. The p-type cladding layer 108 is dug down to the vicinity of the p-type light guide layer 107 to form a ridge stripe portion composed of the p-type contact layer 109 and the p-type cladding layer 108. On top of that, SiO2An insulating film 110 made of is provided, and an upper portion of the ridge stripe is opened. A p-type electrode 112 is provided on the insulating film 110 and on the ridge stripe portion exposed from the opening of the insulating film 110, and the portion on the ridge stripe functions as a stripe electrode. On the other hand, the p-type contact layer 108 to the n-type contact layer 102 are partially removed so that the surface of the n-type contact layer 102 is exposed, and an n-type electrode 111 is formed on the exposed portion of the n-type contact layer 102. ing.
[0045]
The n-type contact layer 102 is composed of a lower n-type GaN film 102a and a regrown n-type GaN film 102b. The n-type contact layer 102 is reproduced on a metallic mask (tungsten mask) 113 provided on the lower film 102a below the ridge stripe portion. The growth film 102b is covered.
[0046]
FIG. 2 shows a schematic configuration of the MOCVD apparatus used in this embodiment. In the figure, 201 is a sapphire substrate having a (0001) plane, and this substrate is disposed on a susceptor 202 made of carbon. A resistance heater made of carbon is disposed in the susceptor 202, and the substrate temperature can be controlled by a thermocouple. Reference numeral 203 denotes a reaction tube made of double quartz, which is water-cooled. As group V raw material, ammonia (NHThree) 206 and trimethylgallium (TMG) 207a, trimethylaluminum (TMA) 207b and trimethylindium (TMIn) 207c as nitrogen group (N2) Or hydrogen gas (H2) Was used for bubbling. As an n-type doping material, monosilane (SiHFour209 and biscyclopentadienylmagnesium (Cp) as a p-type doping material2Mg) 207d was used. The flow rate of each raw material is accurately controlled by a mass flow controller (MFC) 208, introduced into the reaction tube from the raw material inlet 204, and discharged from the exhaust gas outlet 205.
[0047]
The nitride semiconductor laser element of this embodiment can be manufactured as follows, for example. First, the sapphire substrate 100 is washed and placed in a crystal growth apparatus, and heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere at a temperature of about 1100 ° C. for about 10 minutes, and then the temperature is lowered to about 500 ° C. to 600 ° C. After the temperature becomes constant, the carrier gas is changed to nitrogen, nitrogen gas is supplied at a total flow rate of 10 l / min, ammonia is supplied at 3 l / min, TMG is flowed at about 20 μmol / min, and a low temperature GaN buffer layer 101 having a thickness of 20 nm is formed. Grow.
[0048]
Next, the supply of TMG was stopped, the temperature was raised to 1050 ° C., and TMG was again reduced to about 50 μmol / min and SiH.FourA gas is supplied at about 10 nmol / min to grow a lower n-type GaN film 102 a having a thickness of 4 μm in the n-type contact layer 102. Thereafter, the substrate is once taken out from the crystal growth apparatus, and a tungsten film having a thickness of 0.1 μm is formed by EB (electron beam) evaporation. As a method for forming the tungsten film, a sputtering method may be used in addition to the EB vapor deposition method. This tungsten film is etched into a stripe shape having a mask width (M) of 3 μm using a normal photolithography technique to expose the lower n-type GaN film 102a. At this time, the tungsten mask 113 was formed in the <1-100> direction with respect to the underlying nitride semiconductor layer (GaN film 102a), and was placed below the ridge stripe portion formed in a later step. Next, the substrate was placed in the crystal growth apparatus again, and the atmosphere was replaced with nitrogen gas. Then, the temperature was raised to 1050 ° C. while flowing nitrogen at 10 l / min, hydrogen at 5 l / min, and ammonia at 3 l / min. When the temperature is stabilized, TMG is 50 μmol / min and SiH.FourThe gas is supplied at 10 nmol / min to re-grow the n-type GaN film 102b having a thickness of 4 μm. As the growth progressed, GaN began to regrow from the portion where the tungsten mask 113 was not coated, and lateral growth occurred and the tungsten mask 113 was coated. The laterally grown GaN film 102b was completely bonded, and a contact layer 102 having a flat surface was obtained.
[0049]
Subsequently, TMA was supplied at 10 μmol / min, and n-type Al having a thickness of 0.5 μm.0.1Ga0.9An N clad layer 103 is grown. This layer was grown continuously after the lateral growth of the contact layer 102, starting the supply of TMA. Thereafter, the supply of TMA was stopped and TMG was reduced to 50 μmol / min and SiH.FourA gas is supplied at 10 nmol / min to grow an n-type GaN light guide layer 104 having a thickness of about 0.1 μm. After growth of the light guide layer 104, TMG and SiH onceFourIs stopped, the temperature is lowered to about 700 ° C. to 800 ° C., TMI and TMG are supplied, and a 2 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 4 nm thick In0.02Ga0.98A multiple quantum well active layer 105 composed of a plurality of N layers is formed. At this time, SiHFourMay or may not be supplied. Next, the supply of TMG and TMI was stopped again, the temperature was raised again to 1050 ° C., and TMG and TMA were supplied to form Al with a thickness of 20 nm.0.15Ga0.85A carrier block layer 106 made of N is grown. At this time, Cp2Mg may be supplied or may not be supplied. Note that there is no particular problem even if the carrier block layer 106 is not formed. Subsequently, the supply of TMA was stopped and the supply of TMG was adjusted to 50 μmol / min, and Cp2A p-type GaN light guide layer 107 having a thickness of 0.1 μm is grown by supplying about 50 nmol / min of Mg. Thereafter, TMA was supplied at 10 μmol / min, and p-type Al having a thickness of 0.5 μm.0.15Ga0.85An N clad layer 108 is grown. Finally, the supply of TMA is stopped, a p-type GaN contact layer 109 having a thickness of 0.1 μm is grown, the temperature is lowered to room temperature, and the substrate is taken out from the crystal growth apparatus.
[0050]
Thereafter, reactive ion etching is performed using a dry etching apparatus to expose the n-type GaN contact layer 102, and an Al film and a Ti film are deposited on the exposed portion to form an n-type electrode 111. At this time, the n-type contact layer 102 is exposed by reactive ion etching because the sapphire substrate 100 which is an insulating substrate is used. Therefore, when a conductive substrate such as a GaN substrate or SiC substrate is used, it is not necessary to expose the n-type contact layer 102, and an n-type electrode may be formed on the back surface of the straight substrate. On the other hand, in the p-type electrode portion, the p-type cladding layer 108 and the p-type contact layer 109 are formed in a ridge stripe by etching the p-type cladding layer 108 before the p-type GaN light guide layer 107, and SiO 22An insulating film 110 having a thickness of 200 nm is deposited. Thereafter, the insulating film 110 is partially removed to expose the p-type contact layer 109, and a Ni film and an Au film are deposited so as to cover the exposed portion (Wp = 2 μm width) to form the p-type electrode 112. . Finally, an end surface to be a mirror is formed by cleavage or dry etching. As described above, the nitride semiconductor laser device of the present embodiment having a blue-violet emission wavelength using a nitride semiconductor is manufactured.
[0051]
The surface of the n-type GaN contact layer 102 obtained by such a selective growth process is flat and free from cracks. When observed with a transmission electron microscope, dislocations generated from the interface between the substrate 100 and the low-temperature GaN buffer layer 101 are obtained. (Crystal defects) were hardly observed in the GaN film 102b coated on the tungsten mask 113. Further, the presence of the tangs mask 113 reduced the dislocation density by two orders of magnitude or more in each film constituting the laser structure after regrowth on the mask. Further, the lifetime characteristic of the semiconductor laser element itself was about 12000 hours.
[0052]
With respect to this nitride semiconductor laser element, the FFP in the vertical (perpendicular to the active layer) transverse mode was observed, and as shown in FIG. In the semiconductor laser device, no sub-peak as shown in FIG. 17B observed with the FFP in the vertical transverse mode was observed. Furthermore, when the nitride semiconductor laser device of this embodiment was subjected to a life test for 10,000 hours and the vertical transverse mode was observed again, a stable single vertical transverse mode similar to the above was observed.
[0053]
The following can be considered as this reason. The reason why the conventional semiconductor laser device cannot generate a sub-peak in the vertical transverse mode and cannot be unified is that the laser light emitted from the active layer leaks without being sufficiently confined in the vertical direction by the n-type AlGaN cladding layer. Because. Since the n-type GaN contact layer 102 having a thickness equal to or larger than 0.3 μm and having an equivalent refractive index larger than that of the n-type AlGaN cladding layer 103 is provided outside the n-type AlGaN cladding layer 103, the optical n-type GaN A sub-peak of vertical transverse mode light as shown in FIG. 16B is generated in the contact layer 102, and the single peak of the vertical transverse mode is inhibited.
[0054]
On the other hand, the metallic mask having the growth suppressing effect used in the present embodiment is made of tungsten, and the vertical transverse mode light generated (leaked) between the substrate 100 and the n-type AlGaN cladding layer 103 is used. Is absorbed by the tungsten mask 113. Accordingly, it is considered that the nitride semiconductor laser element of the present embodiment can stabilize the vertical transverse mode as shown in FIGS. 16 (a) and 17 (a). Hereinafter, this effect is referred to as a light absorption effect. Furthermore, with the effect of reducing the dislocation density by the selective growth, it is considered that a stable single vertical transverse mode was observed even after a life test of 10,000 hours.
[0055]
In addition, in order to obtain a single vertical transverse mode of the semiconductor laser element by the light absorption effect of the metallic mask (tungsten mask), the formation position of the metallic mask is in each of the vertical direction and the horizontal direction with respect to the substrate. It is preferable to form in the following positions.
[0056]
First, regarding the direction perpendicular to the substrate,
(1) When a contact layer having a refractive index higher than that of the clad layer and having a refractive index different from that of the substrate is in contact with the lower surface of the clad layer closer to the substrate, the clad layer and the contact layer A metallic mask is disposed at a position within half the thickness of the contact layer from the interface to the substrate. For example, when an AlGaN cladding layer and a GaN contact layer are provided on a sapphire substrate, a metallic mask is formed at a position within half the thickness of the GaN contact layer from the interface between the two. In this embodiment, a tungsten mask 113 having a thickness of 0.1 μm is formed at a position of 4 μm from the interface between the n-type AlGaN cladding layer 103 and the n-type GaN contact layer 102 (the lower surface of the n-type cladding layer 103) toward the substrate. .
[0057]
(2) When a contact layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and having substantially the same refractive index as that of the substrate is in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate, the cladding layer and the contact layer A metallic mask is disposed at a position within half of the total thickness of the contact layer and the substrate thickness from the interface to the substrate. For example, when an AlGaN cladding layer and a GaN contact layer are provided on a GaN substrate, a metallic mask is disposed at a position within half of the combined thickness of the GaN contact layer and the GaN substrate from the interface between them.
[0058]
(3) When such a contact layer is not provided and the clad layer closer to the substrate has a lower refractive index than the substrate, the thickness of the substrate is reduced from the interface between the clad layer and the substrate toward the lower surface of the substrate. Place the metallic mask in a position within half. For example, when an AlGaN clad layer is provided on a GaN thick film (substrate), a metallic mask is disposed at a position within half the thickness of the GaN thick film from the interface between the two.
[0059]
The reason for this is that if the metallic mask is not formed within the above range, the region where the leakage light remains is wider than the region where the leakage light is absorbed by the metallic mask, and the vertical transverse mode is selected. This is because it prevents unimodalization. Further, according to the knowledge of the present inventors, it was easier to obtain a single vertical transverse mode as the distance from the interface to the metallic mask was shorter. This is because when the distance from the interface between the AlGaN cladding layer and the GaN contact layer to the metallic mask is increased, the vertical transverse mode light leaked into the GaN contact layer is reduced in the lower part of the metallic mask, but the above This is because leakage light is not sufficiently reduced from the interface to the metallic mask, so that a sub-peak due to vertical transverse mode light is observed, and the single vertical transverse mode is not obtained. Further, a metallic mask may be formed on the n-type AlGaN cladding layer 103 or in the cladding layer 103. However, if the metallic mask is formed at a position less than 0.5 μm from the interface between the active layer 105 and the n-type GaN light guide layer 104 (the lower surface of the active layer 105) toward the substrate 100, the light absorption effect of the metallic mask is achieved. For this reason, gain loss in laser oscillation increases, leading to an increase in laser oscillation threshold current density. Therefore, when the metallic mask is formed on or in the n-type AlGaN cladding layer 103, at least 0.5 μm from the interface between the active layer 105 and the n-type GaN light guide layer 104 toward the substrate 100. It is preferable to form in the above position.
[0060]
Furthermore, as will be described in detail in the ninth embodiment to be described later, when a metallic mask is provided on a nitride semiconductor film containing Al, it is more selective than when a metallic mask is provided on a GaN film not containing Al. The lateral growth rate in the growth is high, and the defect density is low. Further, a metallic mask may be formed so as to extend over either the interface between the AlGaN cladding layer and the GaN contact layer or the interface between the AlGaN cladding layer and the GaN substrate. Furthermore, when a semiconductor laser device is fabricated using a GaN substrate, the light leaked from the AlGaN cladding layer particularly strongly prevents the vertical transverse mode from being single-peaked. A very high effect can be obtained.
[0061]
On the other hand, in the direction parallel to the substrate, the metal mask is formed below the striped p-type electrode 112 (ridge stripe portion). The width (M) of the metallic mask is preferably equal to or wider than the p-type electrode width Wp. The reason for this is to sufficiently absorb the leaked vertical mode light (FFP).
[0062]
Further, the stripe direction of the metallic mask is set to the <1-100> direction with respect to the underlying nitride semiconductor layer (the lower layer GaN film 102a in this embodiment), so that the lateral direction of the nitride semiconductor layer on the mask is increased. This is preferable because the growth is accelerated, the coating speed is increased, and a flat coating film is obtained.
[0063]
In the present embodiment, tungsten (W) is used as a metallic mask having a light absorption function in addition to the growth suppressing effect, but other than that, for example, Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, etc. A metal, an alloy thereof, or a composite film including a plurality of layers containing them can be used. A nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and a growth suppressing effect can be obtained. If the metal has a light absorption effect of absorbing the laser light leaked from the cladding layer, it is not greatly dependent on the material.
[0064]
Furthermore, in consideration of the light absorption effect, the thickness of the metallic mask is preferably about 0.01 μm or more as will be described in detail in Embodiment 8 described later. Although depending on the shape of the mask, the thickness of the metallic mask is preferably 2 μm or less in consideration of the thickness covered by the regrown nitride semiconductor film and the flatness of the coating film.
[0065]
Regarding the nitrogen carrier gas used in the selective growth, the partial pressure of nitrogen carrier gas (N2/ (H2+ N2)) Is preferably 0.1 (10% or more). However, when the partial pressure of the nitrogen carrier gas exceeds 0.9, the full width at half maximum by X-ray diffraction exceeds 6 minutes, as described in detail in Embodiment 9 described later, and the crystal in the coated nitride semiconductor film The orientation of is deteriorated.
[0066]
In the present embodiment, a semiconductor laser element having a ridge stripe structure is shown, but a stripe structure as shown in Embodiments 3 to 7 described later may be used.
[0067]
Furthermore, in this embodiment, an example in which a GaN film is used as the low temperature buffer layer 101 has been described.xGa1-xEven if N (0 ≦ x ≦ 1) is used, no problem occurs. In this embodiment, the n-type layer, the active layer, and the p-type layer are grown in order from the substrate side. However, the p-type layer, the active layer, and the n-type layer may be grown in this order. The same applies to the following embodiments.
[0068]
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a nitride semiconductor laser element having the same configuration as that of the first embodiment except that an insulating film is provided on the metallic mask of the first embodiment will be described.
[0069]
FIG. 3 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This nitride semiconductor laser device includes a low-temperature GaN buffer layer 301, an n-type GaN contact layer 302, an n-type Al on a sapphire substrate 300.0.1Ga0.9N clad layer 303, n-type GaN light guide layer 304, active layer 305 (for example, three periods of In0.18Ga0.82N layer and In0.05Ga0.95Multiple quantum well active layer consisting of N layers), Al0.2Ga0.8N carrier block layer 306, p-type GaN light guide layer 307, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 308 and a p-type GaN contact layer 309 are sequentially stacked. The p-type cladding layer 308 is dug down to the vicinity of the p-type light guide layer 307 to form a ridge stripe portion composed of the p-type contact layer 309 and the p-type cladding layer 308. On top of that, SiO2An insulating film 310 is provided, and an upper portion of the ridge stripe is opened. A p-type electrode 312 is provided on the insulating film 310 and on the ridge stripe portion exposed from the opening of the insulating film 310, and the portion on the ridge stripe functions as a stripe electrode. On the other hand, the p-type contact layer 308 to the n-type contact layer 302 are partially removed so that the surface of the n-type contact layer 302 is exposed, and an n-type electrode 311 is formed on the exposed portion of the n-type contact layer 302. ing.
[0070]
The n-type contact layer 302 is composed of a lower n-type GaN film 302a and a regrown n-type GaN film 302b. The n-type contact layer 302 is formed on the metal mask 315 with an insulating film provided on the lower film 302a below the ridge stripe portion. The growth film 302b is covered. This mask 315 is composed of a tungsten film 313 and SiO provided thereon.2It is comprised from the insulating film 314 which consists of.
[0071]
The nitride semiconductor laser element of this embodiment can be manufactured as follows, for example. First, as in the first embodiment, the low-temperature GaN buffer layer 301 is grown on the sapphire substrate 300 in the crystal growth apparatus, and then the lower n-type GaN having a thickness of 3.5 μm in the n-type GaN contact layer 302. A film 302a is grown.
[0072]
Next, the substrate is once removed from the crystal growth apparatus, and a 0.1 μm thick tungsten film and a 0.05 μm thick SiO film are formed by EB vapor deposition or sputtering.2A film is formed on the n-type GaN film 302a. This tungsten film and SiO2The film is formed in stripes in the <1-100> direction with respect to the underlying nitride semiconductor film (GaN film 102a) by using a normal photolithography technique, the mask width (M) is 4 μm, the mask thickness is 0. At 15 μm, tungsten film 313 and SiO2A stripe-shaped mask 315 made of the film 314 was disposed below the ridge stripe portion to be manufactured in a later step. Next, the substrate is placed in the crystal growth apparatus again, and an n-type GaN film 302b having a thickness of 1.5 μm is regrown under the same conditions as in the first embodiment to obtain an n-type GaN contact layer 302.
[0073]
Subsequently, under the same growth conditions as in Embodiment 1, n-type Al0.1Ga0.9N clad layer 303, n-type GaN light guide layer 304, active layer 305, Al0.15Ga0.85N carrier block layer 306, p-type GaN light guide layer 307, p-type Al0.15Ga0.85An N clad layer 308 and a p-type GaN contact layer 309 are grown. Thereafter, the substrate is taken out from the crystal growth apparatus, and the semiconductor laser device having the ridge stripe structure shown in FIG. 3 is manufactured through the same manufacturing process of the semiconductor laser device as in the first embodiment.
[0074]
The surface of the n-type GaN contact layer 302 obtained by such a selective growth process was flat and free from cracks. In the present embodiment, an insulating film (SiO 2) provided in the n-type GaN contact layer 302 is used.2Due to the presence of the tansten mask 315 with a film), the dislocation density decreased by two orders of magnitude or more in each film constituting the laser structure after regrowth on the mask. Further, the lifetime characteristic of the semiconductor laser element itself was about 12000 hours.
[0075]
With respect to this nitride semiconductor laser device, when the FFP in the vertical transverse mode was observed, laser oscillation occurred in a single mode with a single peak. Furthermore, when the nitride semiconductor laser device of this embodiment was subjected to a life test for 10,000 hours and the vertical transverse mode was observed again, a stable single vertical transverse mode similar to the above was observed.
[0076]
This is because, as in the first embodiment, the vertical transverse mode light leaked between the substrate 300 and the n-type AlGaN cladding layer 303 is absorbed by the tungsten mask 313 in the tungsten mask 315 with an insulating film. is there. As a result, in the nitride semiconductor laser device of this embodiment, as shown in FIG. 16A and FIG. Furthermore, with the effect of reducing the dislocation density by the selective growth, it is considered that a stable single vertical transverse mode was observed even after a 10,000 hour life test.
[0077]
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that the SiO 2 film is formed on the tungsten mask 313.2By providing the film 314, as will be described in detail in Embodiment 9 described later, the direction dependency of the mask pattern is relaxed in the selective growth of the GaN film, and a sufficient lateral growth rate can be obtained. In general, in selective growth of a GaN film using a metallic mask such as a tungsten mask, lateral growth (growth in a direction parallel to the substrate surface) hardly occurs because the mask has a strong dependence on the stripe direction. Therefore, by improving the lateral growth rate, SiO 2 is removed from the interface between the n-type AlGaN cladding layer 303 and the n-type GaN contact layer 302.2The distance to the tungsten mask 313 with a film is short, and SiO2The width (M) of the tungsten mask 315 with a film can be increased. As a result, it was possible to obtain a single vertical transverse mode that was more stable than in the first embodiment.
[0078]
In addition, the metallic mask with an insulating film (SiO2The formation positions of the masks necessary for obtaining a single vertical transverse mode of the semiconductor laser device by the light absorption effect of the film-coated tungsten mask are the same as those in the first embodiment in both the vertical direction and the horizontal direction with respect to the substrate. is there. However, the mask formation position in this case refers to the formation position of the metallic mask constituting the metallic mask with an insulating film, and in this sense, is the same as in the first embodiment.
[0079]
In the present embodiment, tungsten (W) is used as a metallic mask having a light absorption function in addition to the growth suppressing effect, but other than that, for example, Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, etc. A metal, an alloy thereof, or a composite film including a plurality of layers containing them can be used. A nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and a growth suppressing effect can be obtained. If the metal has a light absorption effect of absorbing the laser light leaked from the cladding layer, it is not greatly dependent on the material. As an insulating film provided immediately above the metallic mask, SiO 22SiN besides filmxA film may be used, and if it is an insulating film, it does not depend greatly on the material. Further, the thickness of the metal film constituting the metallic mask with an insulating film is preferably about 0.01 μm or more in consideration of the light absorption effect, as in the first embodiment. In consideration of the thickness covered by the regrowth nitride semiconductor film and the flatness of the coating film, the thickness of the entire mask including the metallic film and the insulating film is preferably 2 μm or less. Furthermore, the thickness of the insulating film is preferably 1 μm or less. This is because if the thickness of the insulating film exceeds 1 μm, peeling may occur due to a difference in thermal expansion coefficient between the underlying metallic film and the insulating film.
[0080]
The nitrogen carrier gas used in the selective growth is the same as that in the first embodiment.
[0081]
Further, in the present embodiment, the semiconductor laser element having the ridge stripe structure is shown, but a stripe structure as shown in Embodiments 3 to 7 described later may be used.
[0082]
(Embodiment 3)
In the third embodiment, an example in which a metallic mask for confining light in a horizontal transverse mode is provided below the active layer will be described.
[0083]
FIG. 4 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This semiconductor laser device has an n-type Al on an n-type GaN substrate 401.0.02Ga0.98N contact layer 402, n-type Al0.1Ga0.9N-cladding layer 403, n-type GaN light guide layer 404, active layer 405 (for example, 2 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 4 nm thick In0.02Ga0.98Multiple quantum well active layer composed of N layer, 3 periods of 4 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 10 nm thick In0.01Ga0.99Multiple quantum well active layer consisting of N layer and 3 periods of In0.18Ga0.82N layer and In0.05Ga0.95Multiple quantum well active layer consisting of N layer, etc.), Al0.2Ga0.8N carrier block layer 406, p-type GaN light guide layer 407, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 408 and a p-type GaN contact layer 409 are sequentially stacked. On the p-type contact layer 409, a SiO 2 having a stripe-shaped portion opened as a current path is formed.2The insulating film 410 is provided, and the p-type electrode 412 is provided over the opening and the insulating film 410, and the portion on the opening of the insulating film 410 functions as a stripe electrode. An n-type electrode 411 is formed so as to be in contact with the back surface of the n-type GaN substrate 401.
[0084]
n-type Al0.1Ga0.9The N clad layer 403 is a lower layer n-type Al0.1Ga0.9N film 403a and regrown n-type Al0.1Ga0.9A regrowth film 403b covers a metallic mask (tungsten mask) 416, which is composed of an N-clad film 403b and is provided on the lower film 403a below the striped electrode.
[0085]
This semiconductor laser element can be manufactured as follows, for example. First, a thick GaN layer is laminated while doping Si on the sapphire substrate by the HVPE method, and then the sapphire substrate is peeled off by polishing to produce an n-type GaN substrate 401 having a thickness of 250 μm. This n-type GaN substrate 401 is set in an MOCVD apparatus, and an n-type Al having a thickness of 5 μm.0.02Ga0.98An N contact layer 402 is grown. After the growth of the n-type contact layer 402, subsequently, at a growth temperature of 1050 ° C., TMG is 50 μmol / min, SiHFourGas is supplied at a flow rate of 10 nmol / min and TMA at a flow rate of 10 μmol / min, and the n-type cladding layer 403 has a lower n-type Al layer having a thickness of 0.2 μm.0.1Ga0.9An N film 403a is grown.
[0086]
Next, the substrate is once taken out from the crystal growth apparatus, and a tungsten film having a thickness of about 0.1 μm is formed by EB vapor deposition. As a method for forming the tungsten film, a sputtering method may be used in addition to the EB vapor deposition method. This tungsten film is etched into a stripe shape having a mask width of 5 μm and a mask interval (S) of 3 μm by using a normal photolithography technique to form a lower layer n-type Al0.1Ga0.9The N film 403a is exposed. At this time, the tungsten mask 416 has a stripe direction in the lower nitride semiconductor layer (Al0.1Ga0.9A portion 417 that is formed in the <1-100> direction with respect to the N film 403a) and is not covered with the tungsten mask 416 is disposed below the stripe-shaped electrode formed in a later step. Next, the substrate was placed in the crystal growth apparatus again, and the atmosphere was replaced with nitrogen gas. Then, the temperature was raised to 1050 ° C. while flowing nitrogen at 10 l / min, hydrogen at 5 l / min, and ammonia at 3 l / min. When the temperature is stabilized, TMG is 50 μmol / min and SiH.FourN-type Al with a thickness of 0.3 μm by supplying 10 nmol / min of gas and 10 μmol / min of TMA0.1Ga0.9The N film 403b is regrown. As the growth proceeds, the portion 417 that is not covered with the tungsten mask 416 begins with Al.0.1Ga0.9N began to regrow, lateral growth occurred and the tungsten mask 416 was coated. This laterally grown Al0.1Ga0.9The N film 403b was completely bonded, and a clad layer 403 having a flat surface was obtained.
[0087]
After this lateral growth, the supply of TMA is stopped, and an n-type GaN light guide layer 404 having a thickness of 0.1 μm is subsequently grown. Next, under the same conditions as in the first embodiment, the active layer 405, Al0.15Ga0.85N carrier block layer 406, p-type GaN light guide layer 407, p-type Al0.15Ga0.85An N clad layer 408 and a p-type GaN contact layer 409 are grown. Thereafter, the substrate is taken out from the crystal growth apparatus, and the nitride semiconductor laser device of this embodiment shown in FIG. 4 is manufactured through a manufacturing process of the semiconductor laser device.
[0088]
N-type Al obtained by such selective growth process0.1Ga0.9The surface of the N clad layer 403 was flat and had no cracks. Further, when observed with a transmission electron microscope, Al coated on the tungsten mask 416 was observed.0.1Ga0.9Almost no dislocations (crystal defects) were observed in the N film 403b. On the other hand, in the portion 417 not covered with the tungsten mask 416, the screw dislocations and the edge dislocations were bent on the tungsten mask 416 and disappeared while canceling each other. The dislocation density observed here was extremely low compared to the case where a sapphire substrate was used. Furthermore, the n-type Al in this embodiment0.1Ga0.9The selective growth of the N film can speed up the lateral growth as compared with the selective growth of the GaN film, as will be described in detail in Embodiment 9 described later.
[0089]
In the nitride semiconductor laser device of this embodiment, after the GaN substrate and the AlGaN clad layer are provided with a metallic mask (tungsten mask 416) having a growth suppressing effect, the nitride semiconductor laser element is regrown on the mask. In each film constituting the laser structure, the dislocation density is about 10Four/ Cm2It was a stand. As a result, the lifetime characteristics of the semiconductor laser element itself were improved to about 20000 hours.
[0090]
When the laser oscillation threshold current density of the nitride semiconductor laser device of this embodiment was measured, it was reduced to about 2/3 of the conventional semiconductor laser device having a ridge stripe structure shown in FIG. When the horizontal and transverse modes were observed, lasing was obtained in a single mode with a single peak. Further, when the nitride semiconductor laser device of this embodiment was subjected to a life test for 12000 hours and the horizontal transverse mode was observed again, a stable single horizontal transverse mode similar to the above was observed.
[0091]
The reason why the low-threshold current value and the laser oscillation in the horizontal and transverse modes are obtained is as follows. Since the tungsten mask 416 used in this embodiment absorbs the laser light emitted from the active layer 405, there is a difference in the equivalent refractive index of the light guide layer between where the tungsten mask 416 is provided and where it is not provided. Arise. Then, it is considered that the optical waveguide of the horizontal transverse mode becomes conspicuous above the portion 417 not covered with the tungsten mask 416 and a refractive index waveguide structure is obtained, which contributes to the reduction of the laser oscillation threshold current density. . In addition to the refractive index waveguide structure, strong light absorption by the metallic mask 416 causes a large gain loss in the upper part of the mask, and high-order transverse modes are less likely to occur. As a result, it is considered that a stable single horizontal transverse mode was observed.
[0092]
In order to obtain a refractive index waveguide structure using the metallic mask (tungsten mask), the metallic mask is formed at the following positions in the vertical and horizontal directions with respect to the substrate. preferable.
[0093]
First, with respect to the direction perpendicular to the substrate, it is preferable to form it at a position within 2 μm from the interface between the active layer 405 and the n-type light guide layer 404 (the lower surface of the active layer) toward the substrate. In this embodiment, a tungsten mask 416 having a thickness of 0.1 μm is formed at a position of 0.3 μm from the interface.
This is because when the formation position of the metallic mask exceeds 2 μm from the interface, the equivalent refractive index difference hardly occurs between where the metallic mask is provided and where the metallic mask is not provided. This is because light confinement becomes weak. Further, according to the knowledge of the present inventors, the shorter the distance from the interface to the metallic mask, the larger the refractive index difference, and the stronger the optical confinement effect in the horizontal transverse mode.
[0094]
On the other hand, in the direction parallel to the substrate, the portion 417 not covered with the metallic mask is formed below the striped p-type electrode 412. Moreover, it is preferable that the space | interval (S) between metallic masks is 15 micrometers or less. The reason for this is as follows.
[0095]
Where the tungsten mask 416 is provided, the effective refractive index of the light guide layer is n1The effective refractive index n of the light guide layer where the tungsten mask 416 is not provided.2, The wave number of light in vacuum0In order to obtain a single horizontal transverse mode using the equivalent refractive index method when the circumference is π, the mask interval (S) of the metallic mask is S <π / (k0(Ntwenty two-N12)1/2) Is necessary. Accordingly, the mask interval (S) when a metallic mask is formed at a position 2 μm from the interface where the difference in refractive index is the smallest is 15 μm or less from the above formula. However, the upper limit value of the appropriate mask interval (S) (horizontal position) is not uniquely determined by the vertical position of the mask. This is because if the mask interval (S) becomes too narrow, gain loss occurs due to light absorption by the metallic mask, and the laser oscillation threshold current density increases. In such a case, it is preferable to set the mask interval (S) larger than the calculated value of the equivalent refractive index method. According to the experiments by the present inventors, it was preferable that the mask interval (S) be 1 μm or more and 15 μm or less.
[0096]
In the present embodiment, tungsten (W) is used as a metallic mask having a light absorption function in addition to the growth suppressing effect, but other than that, for example, Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, etc. A metal, an alloy thereof, or a composite film including a plurality of layers containing them can be used. A nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and a growth suppressing effect can be obtained. If the metal has a light absorption effect for absorbing laser light emitted from the active layer, the material does not greatly depend on the material. Further, although the thickness of the metallic mask depends on the shape of the mask, it is preferably 0.01 μm or more in consideration of the light absorption effect. The thickness covered by the regrown nitride semiconductor film and the flatness of the coating film are preferable. Considering the properties, it is preferably 2 μm or less.
[0097]
In this embodiment, the metallic mask 416 is completely buried in the n-type AlGaN cladding layer 403. However, the metallic mask 416 may not be completely buried in the n-type AlGaN cladding layer 403. This is because the net laser element portion is composed of a whole area (column portion) below the width (Wp) of the striped p-type electrode 412. Therefore, in the n-type AlGaN cladding layer 403, it is sufficient that at least the mask interval (S) portion is crystal-grown. However, when the mask portion is not completely buried, the flatness of the p-type GaN contact layer 409 is poor, and it is difficult to form the p-type electrode, which may reduce the yield rate of the laser element structure.
[0098]
As for the nitrogen carrier gas used in the selective growth, it is preferable that the partial pressure of the nitrogen carrier gas with respect to the total carrier gas is 0.1 (10% or more) from the viewpoint of lateral growth. However, if the partial pressure of the nitrogen carrier gas exceeds 0.9, the half width by X-ray diffraction exceeds 6 minutes as shown in Embodiment 9 to be described later, and the crystal orientation in the coated nitride semiconductor film Sex worsens.
[0099]
By the way, in the conventional ridge stripe structure, in order to obtain the refractive index waveguide structure, as shown in FIG. 15, the ridge stripe portion is formed by leaving a part of the p-type cladding layer. It was difficult to control, and it was difficult to obtain horizontal / horizontal mode reproducibility. Further, the exposed end face is deteriorated due to the formation of the ridge stripe portion, and the laser element characteristics are adversely affected, such as an increase in laser oscillation threshold current density. For this reason, considering productivity, the conventional ridge stripe structure has a problem in that the yield rate is low. On the other hand, according to this embodiment, it is possible to easily manufacture a metallic mask using conventional lithography technology, there is no exposure of the end face as in the ridge stripe structure, and the thickness of the cladding layer is crystallized. Since the growth can be controlled, the yield rate can be increased compared to the ridge stripe structure.
[0100]
In the case of the ridge stripe structure, such an effect of improving the yield cannot be obtained, but by providing a metallic mask as in the present embodiment, the optical confinement effect by the metal film and the material film that does not epitaxially grow are provided. An effect of reducing the dislocation density of the growth layer thereon can be obtained. Furthermore, by providing a metallic mask with an insulating film, a current confinement effect by both the insulating film and the ridge can be obtained.
[0101]
In the present embodiment, the Al composition of the clad layer to be regrown is set to 0.1, but the same effect can be seen even in a nitride semiconductor having a composition of 0 <Al ≦ 1.
[0102]
(Embodiment 4)
In the present embodiment, a structure provided by combining the metallic mask with an insulating film of the second embodiment and the metallic mask of the third embodiment will be described.
[0103]
FIG. 5 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This semiconductor laser device includes a low-temperature GaN buffer layer 501, an n-type GaN contact layer 502, an n-type Al on a sapphire substrate 500.0.1Ga0.9N-cladding layer 503, n-type GaN light guide layer 504, active layer 505 (for example, 2 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 4 nm thick In0.02Ga0.98Multiple quantum well active layer composed of N layer, 3 periods of 4 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 10 nm thick In0.01Ga0.99Multiple quantum well active layer consisting of N layer and 3 periods of In0.18Ga0.82N layer and In0.05Ga0.95Multiple quantum well active layer consisting of N layer, etc.), Al0.2Ga0.8N carrier block layer 506, p-type GaN light guide layer 507, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 508 and a p-type GaN contact layer 509 are sequentially stacked. On the p-type contact layer 509, SiO having a stripe-shaped portion opened as a current path is formed.2An insulating film 510 is provided, and a p-type electrode 512 is provided over the opening and the insulating film 510, and a portion on the opening of the insulating film 510 functions as a striped electrode. The p-type contact layer 509 to the n-type contact layer 502 are partially removed so that the surface of the n-type contact layer 502 is exposed, and an n-type electrode 511 is formed on the exposed portion of the n-type contact 502. ing.
[0104]
The n-type contact layer 502 is composed of a lower n-type GaN film 502a and a regrown n-type GaN film 502b. The n-type contact layer 502 is formed on the metallic mask 515 with an insulating film provided on the lower film 502a below the striped electrode. The growth film 502b is covered. The mask 515 includes a tungsten film 513 and SiO provided thereon.2It is comprised from the insulating film 514 which consists of. n-type Al0.1Ga0.9The N clad layer 503 is formed of a lower layer n-type Al0.1Ga0.9N film 503a and regrown n-type Al0.1Ga0.9A regrowth film 503b covers a metallic mask (tungsten mask) 516, which is formed of an N clad film 503b and is provided on the lower film 503a below the striped electrode.
[0105]
The nitride semiconductor laser element of this embodiment can be manufactured as follows, for example. First, as in the second embodiment, a low-temperature GaN buffer layer 501 is grown on a sapphire substrate 500 in a crystal growth apparatus, and then, among the n-type GaN contact layers 502, a lower n-type GaN film 502a having a thickness of 10 μm. Grow.
[0106]
Next, as in the second embodiment, the metal mask 515 with an insulating film having a mask width (M) of 5 μm and a mask thickness of 0.15 μm is formed in a stripe shape in the <1-100> direction with respect to the lower GaN film 502a. Form. The mask 515 includes a tungsten film 513 having a thickness of 0.1 μm and a SiO film having a thickness of 0.05 μm.2The film 514 is disposed below the stripe-shaped electrode that will be formed in a later step. Next, the substrate is again placed in the crystal growth apparatus, and the n-type GaN film 502b having a thickness of 2 μm is regrown in the same manner as in the second embodiment, so that the n-type GaN contact is flat and has no cracks. Layer 502 is formed.
[0107]
Subsequently, as in the third embodiment, the lower Al layer having a thickness of 0.2 μm0.1Ga0.9An N film 503a is grown. Next, the substrate is once taken out from the crystal growth apparatus, and in the same manner as in Embodiment 3, the lower layer Al0.1Ga0.9A tungsten mask 516 having a mask width of 5 μm, a mask interval (S) of 3 μm, and a thickness of about 0.1 μm is formed in stripes in the <1-100> direction with respect to the N film 503a. At this time, a portion 517 that is not covered with the tungsten mask 516 is disposed under the stripe-shaped electrode to be manufactured in a later step.
[0108]
Next, the substrate is placed again in the crystal growth apparatus, and the n-type Al having a thickness of 0.3 μm is formed as in the third embodiment.0.1Ga0.9The N film 503b is regrown. As the growth proceeds, the portion 517 that is not covered with the tungsten mask 516 begins to Al.0.1Ga0.9N began to regrow, lateral growth occurred and the tungsten mask 516 was coated. This laterally grown Al0.1Ga0.9The N film 503b was completely bonded, and a flat clad layer 503 was obtained.
[0109]
Subsequently, as in Embodiment 3, the n-type GaN light guide layer 504, the active layer 505, and Al0.15Ga0.85N carrier block layer 506, p-type GaN light guide layer 507, p-type Al0.15Ga0.85An N clad layer 508 and a p-type GaN contact layer 509 are grown. Thereafter, the substrate is taken out from the crystal growth apparatus, and the nitride semiconductor laser device of this embodiment shown in FIG. 5 is manufactured through a manufacturing process of the semiconductor laser device.
[0110]
N-type GaN contact layer 502 and n-type Al obtained by such a selective growth process0.1Ga0.9The surface of the N clad layer 503 was flat and had no cracks. Regarding the n-type GaN contact layer 502, dislocations (crystal defects) generated from the interface between the substrate 500 and the low-temperature GaN buffer layer 501 were reduced as in the second embodiment. On the other hand, n-type Al0.1Ga0.9When the N clad layer 503 was observed with a transmission electron microscope, dislocations (crystal defects) were coated on the tungsten mask 516.0.1Ga0.9It was hardly observed in the N film 503b. Further, in the portion 517 not covered with the tungsten mask 516, the screw dislocations and the edge dislocations were bent on the tungsten mask 516 and disappeared while canceling each other. Furthermore, the n-type Al in this embodiment0.1Ga0.9The selective growth of the N film was faster in the lateral growth than the selective growth of the GaN film, as will be described in detail in Embodiment 9 described later.
[0111]
Furthermore, the nitride semiconductor laser device of the present embodiment is provided with a growth suppressing effect SiO provided in the GaN contact layer 502 and the AlGaN cladding layer 503.2The presence of the film-coated tungsten mask 515 and the tungsten mask 516 reduced the dislocation density by two to three orders of magnitude in each film constituting the laser structure after regrowth on the mask. As a result, the lifetime characteristic of the semiconductor laser element itself was improved to about 17000 hours.
[0112]
When the laser oscillation threshold current density of the nitride semiconductor laser device of this embodiment was measured, it was reduced to about 2/3 of the conventional semiconductor laser device having a ridge stripe structure shown in FIG. Further, when the modes of NFP and FFP in the horizontal transverse mode and the vertical transverse mode were observed, laser oscillation was obtained in a single-peak single mode. Further, the nitride semiconductor laser device of this embodiment was subjected to a 10000 hour life test, and the horizontal transverse mode and the vertical transverse mode were observed again. As described above, a stable single horizontal transverse mode and a single vertical transverse mode were observed. Mode was observed.
[0113]
The reason why the single-peak (single) and stable vertical transverse mode laser oscillation is obtained is the same as in the first and second embodiments. Also, the formation position of the vertical transverse mode, that is, SiO2The formation position of the film-coated tungsten mask 515 is the same as that in Embodiment 2 in each of the vertical direction and the parallel direction with respect to the substrate. Further, the reason why a single horizontal (single) and stable horizontal transverse mode laser oscillation is obtained is the same as in the third embodiment. The horizontal horizontal mode formation position, that is, the formation position of the tungsten film 516 is the same as that of the third embodiment in each of the vertical direction and the parallel direction with respect to the substrate.
[0114]
In the present embodiment, tungsten (W) is used as the metallic mask in the metallic mask 515 and the metallic mask 516 with an insulating film, but other than that, for example, Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, A metal such as Au, an alloy thereof, or a composite film including a plurality of layers containing them can be used. A nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and a growth suppressing effect can be obtained. If the metal has a light absorption effect for absorbing laser light emitted from the active layer, the material does not greatly depend on the material. Furthermore, in the metallic mask 515 with an insulating film, the insulating film is SiO.2SiN besides filmxA film may be used, and if it is an insulating film, it does not depend greatly on the material. Furthermore, the thicknesses of the metal mask 515 with an insulating film and the metal mask 516 are the same as those in the second and third embodiments. However, the metallic mask 516 may not be completely embedded in the cladding layer, as in the third embodiment. The nitrogen carrier gas used in the selective growth is the same as that in the second and third embodiments.
[0115]
According to the semiconductor laser device of the present embodiment, the same effects as those of the second and third embodiments can be obtained. In this embodiment, the metallic mask with an insulating film is formed in the n-type GaN contact layer, but a metallic mask may be formed. When a metallic mask is formed, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0116]
In this embodiment, an example in which a GaN film is used as the low-temperature buffer layer has been described.xGa1-xEven if N (0 ≦ x ≦ 1) is used, no problem occurs. Furthermore, in this embodiment, the Al composition of the clad layer to be regrown is set to 0.1, but the same effect can be seen even in a nitride semiconductor having a composition of 0 <Al ≦ 1.
[0117]
(Embodiment 5)
In the present embodiment, a structure in which a metallic mask with an insulating film is provided in the AlGaN cladding layer in place of the metallic mask in the fourth embodiment will be described.
[0118]
FIG. 6 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This semiconductor laser device includes a low-temperature GaN buffer layer 601, an n-type GaN contact layer 602, an n-type Al on a sapphire substrate 600.0.1Ga0.9N clad layer 603, n-type GaN light guide layer 604, active layer 605 (for example, In 2 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 4 nm thick In0.02Ga0.98Multiple quantum well active layer composed of N layer, 3 periods of 4 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 10 nm thick In0.01Ga0.99Multiple quantum well active layer consisting of N layer and 3 periods of In0.18Ga0.82N layer and In0.05Ga0.95Multiple quantum well active layer consisting of N layer, etc.), Al0.2Ga0.8N carrier block layer 606, p-type GaN light guide layer 607, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 608 and a p-type GaN contact layer 609 are sequentially stacked. On the p-type contact layer 609, a stripe-shaped portion serving as a current path is opened.2An insulating film 610 is provided, and a p-type electrode 612 is provided over the opening and the insulating film 610, and a portion on the opening of the insulating film 610 functions as a stripe electrode. The p-type contact layer 609 to the n-type contact layer 602 are partially removed so that the surface of the n-type contact layer 602 is exposed, and an n-type electrode 611 is formed on the exposed portion of the n-type contact 602. ing.
[0119]
The n-type contact layer 602 is composed of a lower layer n-type GaN film 602a and a regrown n-type GaN film 602b. The growth film 602b is covered. The mask 615 includes a tungsten film 613 and SiO provided thereon.2It is comprised from the insulating film 614 which consists of. n-type Al0.1Ga0.9The N clad layer 603 is a lower layer n-type Al0.1Ga0.9N film 603a and regrown n-type Al0.1Ga0.9The regrowth film 603b covers the metal mask 618 with an insulating film formed of the N clad film 603b and provided on the lower film 603a below the striped electrode. The mask 618 includes a tungsten film 616 and SiO provided thereon.2An insulating film 617 made of
[0120]
The nitride semiconductor laser element of this embodiment can be manufactured as follows, for example. First, as in the second embodiment, a low-temperature GaN buffer layer 601 is grown on a sapphire substrate 600 in a crystal growth apparatus, and then, among the n-type GaN contact layers 602, a lower n-type GaN film 602a having a thickness of 100 μm. Grow.
[0121]
Next, as in the second embodiment, the metal mask 615 with an insulating film having a mask width (M) of 5 μm and a mask thickness of 0.15 μm is formed in a stripe shape in the <1-100> direction with respect to the lower GaN film 602a. Form. The mask 615 includes a tungsten film 613 having a thickness of 0.1 μm and a SiO film having a thickness of 0.05 μm.2The film 614 is formed and is disposed below a stripe electrode to be manufactured in a later step. Next, the substrate is placed in the crystal growth apparatus again, and the n-type GaN film 602b having a thickness of 10 μm is regrown in the same manner as in the second embodiment, so that the n-type GaN contact is flat and has no cracks. Layer 602 is formed. Here, an HVPE growth apparatus was used as the crystal growth apparatus.
[0122]
Subsequently, as in the third embodiment, the lower Al layer having a thickness of 0.2 μm0.1Ga0.9An N film 603a is grown. Thereafter, the substrate is once taken out from the crystal growth apparatus, and a tungsten film having a thickness of about 0.06 μm is formed by EB vapor deposition or sputtering, followed by EB vapor deposition, sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition). About 0.04μm SiO2A film is formed. Then, using a normal photolithography technique, etching is performed in a stripe shape having a mask width of 5 μm and a mask interval (S) of 2 μm, and the lower layer Al0.1Ga0.9The N film 603a is exposed. At this time, SiO2Tungsten mask 618 with a film is striped in the lower Al layer0.1Ga0.9A portion 619 that is formed in the <1-100> direction with respect to the N film 603a and is not covered with the tungsten mask 616 is disposed below the stripe-shaped electrode formed in a later step. Next, the substrate is placed again in the crystal growth apparatus, and the n-type Al having a thickness of 0.2 μm is formed as in the third embodiment.0.1Ga0.9The N film 603b is regrown. As growth proceeds, SiO2The portion 619 not covered with the film-coated tungsten mask 618 starts with Al.0.1Ga0.9N begins to regrow, lateral growth occurs and SiO2A filmed tungsten mask 618 was coated. This laterally grown Al0.1Ga0.9The N film 603b was completely bonded, and a flat clad layer 603 was obtained.
[0123]
Subsequently, as in the fourth embodiment, the n-type GaN light guide layer 604, the active layer 605, and Al0.15Ga0.85N carrier block layer 606, p-type GaN light guide layer 607, p-type Al0.15Ga0.85An N clad layer 608 and a p-type GaN contact layer 609 are grown. Thereafter, the substrate is taken out from the crystal growth apparatus, and the nitride semiconductor laser device of this embodiment shown in FIG. 6 is manufactured through a manufacturing process of the semiconductor laser device.
[0124]
N-type GaN contact layer 602 and n-type Al obtained by such a selective growth process0.1Ga0.9The surface of the N clad layer 603 was flat and had no cracks. Dislocations (crystal defects) related to the n-type GaN contact layer 602 and the n-type AlGaN cladding layer 603 were reduced as in the fourth embodiment. Further, the nitride semiconductor laser device of the present embodiment is provided with a growth suppressing effect SiO provided in the GaN contact layer 602 and the AlGaN cladding layer 603.2The presence of the film-coated tungsten masks 615 and 618 reduced the dislocation density by two to three orders of magnitude in each film constituting the laser structure after regrowth on the masks. As a result, the lifetime characteristic of the semiconductor laser element itself was improved to about 17000 hours.
[0125]
When the laser oscillation threshold current density of the nitride semiconductor laser device of this embodiment was measured, it was reduced to about ½ of the conventional semiconductor laser device having a ridge stripe structure shown in FIG. Further, when the modes of NFP and FFP in the horizontal transverse mode and the vertical transverse mode were observed, laser oscillation was obtained in a single-peak single mode. Further, the nitride semiconductor laser device of this embodiment was subjected to a 10000 hour life test, and the horizontal transverse mode and the vertical transverse mode were observed again. As described above, a stable single horizontal transverse mode and a single vertical transverse mode were observed. Mode was observed.
[0126]
The reason why the laser oscillation threshold current density is thus reduced is as follows.
[0127]
The metallic mask 618 with an insulating film formed in the cladding layer 603 has a metallic mask (tungsten film 616) and an insulating film (SiO2) having a light absorption effect.2Film 617), the refractive index waveguide structure obtained by optical confinement in the horizontal transverse mode by the former light absorption effect and the current confinement by covering the metallic mask with the latter insulating film, This is because carrier confinement has occurred. That is, SiO2This is because by using the tungsten mask 618 with a film, in addition to the laser characteristics by the refractive index waveguide structure described in the fourth embodiment, a current confinement structure can be simultaneously formed in the element.
[0128]
Further, the reason why the single-peak (single) and stable vertical transverse mode laser oscillation is obtained is the same as in the first and second embodiments. Also, the formation position of the vertical transverse mode, that is, SiO2The formation position of the film-coated tungsten mask 615 is the same as that in the second embodiment in each of the vertical direction and the parallel direction to the substrate. Further, the reason why a single horizontal (single) and stable horizontal transverse mode laser oscillation is obtained is the same as in the fourth embodiment. Also, the horizontal horizontal mode forming position, that is, SiO2The formation position of the film-coated tungsten mask 618 is the same as that of the fourth embodiment in each of the vertical direction and the parallel direction to the substrate. However, in this case, the position of the metallic mask with an insulating film refers to the position of forming the metallic mask constituting the metallic mask with an insulating film, and in this sense, is the same as in the fourth embodiment. .
[0129]
In this embodiment, in addition to the current confinement effect, the following effect is also obtained. In this embodiment, the lateral growth is accelerated by the metallic mask 618 with an insulating film formed in the cladding layer 603 as compared with the fourth embodiment. The reason for this is that, as will be described in detail later in Embodiment 9, the selective growth of the AlGaN film is very fast in lateral growth compared to the selective growth of the GaN film.2This is because the lateral growth is further accelerated by providing the film 617. As a result, the distance from the interface between the active layer 605 and the n-type light guide layer 604 to the mask 618 was shortened, and the optical confinement effect in the horizontal transverse mode could be strengthened.
[0130]
Further, as will be described in detail in Embodiment 9 to be described later, in the selective growth of a GaN film using a metallic mask (tungsten mask), the dependence on the stripe direction of the mask is generally strong and lateral growth is difficult.2By using a tungsten mask with a film, sufficient lateral growth can be obtained without selective dependence of the mask pattern even in selective growth of a GaN film. Using this property, in order to obtain a refractive index waveguide structure in the direction perpendicular to the substrate, SiO2Selective growth with a high lateral growth rate is possible even when a nitride semiconductor containing no Al is present within a position range where the tungsten mask 618 with a film can be formed (position within 2 μm from the upper or lower surface of the active layer). Become.
[0131]
In the present embodiment, tungsten (W) is used as the metal mask in the metal masks 615 and 618 with insulating films, but other than that, for example, Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, etc. A metal, an alloy thereof, or a composite film including a plurality of layers containing them can be used. A nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and a growth suppressing effect can be obtained. If the metal has a light absorption effect for absorbing laser light emitted from the active layer, the material does not greatly depend on the material. Further, in the metal masks 615 and 618 with an insulating film, the insulating film is SiO.2SiN besides filmxA film may be used, and if it is an insulating film, it does not depend greatly on the material. When the metallic mask is covered with an insulating film, the side portion 620 of the metallic mask is also preferably covered with the insulating film. Furthermore, the thicknesses of the metal masks 615 and 618 with insulating films, the nitrogen carrier gas used in the selective growth, the yield rate, and the like are the same as in the fourth embodiment.
[0132]
In this embodiment, the metallic mask with an insulating film is formed in the n-type GaN contact layer, but a metallic mask may be formed. When a metallic mask is formed, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, the metal mask 618 with an insulating film may not be completely embedded in the cladding layer, as in the third embodiment. However, in order to improve the yield of laser element manufacturing, it is preferable to bury the metallic mask 618 with an insulating film in the cladding layer.
[0133]
In this embodiment, an example in which a GaN film is used as the low-temperature buffer layer has been described.xGa1-xEven if N (0 ≦ x ≦ 1) is used, no problem occurs. Furthermore, in this embodiment, the Al composition of the clad layer to be regrown is set to 0.1, but the same effect can be seen even in a nitride semiconductor having a composition of 0 <Al ≦ 1.
[0134]
(Embodiment 6)
In this embodiment, a structure in which a metallic mask is provided in a p-type cladding layer instead of forming a metallic mask in an n-type cladding layer in the fourth embodiment will be described.
[0135]
FIG. 7 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This semiconductor laser device has a low-temperature GaN buffer layer 701, an n-type GaN contact layer 702, an n-type Al on a sapphire substrate 700.0.1Ga0.9N clad layer 703, n-type GaN light guide layer 704, active layer 705 (for example, In 2 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 4 nm thick In0.02Ga0.98Multiple quantum well active layer composed of N layer, 3 periods of 4 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 10 nm thick In0.01Ga0.99Multiple quantum well active layer consisting of N layer and 3 periods of In0.18Ga0.82N layer and In0.05Ga0.95Multiple quantum well active layer consisting of N layer, etc.), Al0.2Ga0.8N carrier block layer 706, p-type GaN light guide layer 707, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 708 and a p-type GaN contact layer 709 are sequentially stacked. On the p-type contact layer 709, SiO having a stripe-shaped portion opened as a current path is formed.2An insulating film 710 is provided, and a p-type electrode 712 is provided over the opening and the insulating film 710, and a portion on the opening of the insulating film 710 functions as a striped electrode. The p-type contact layer 709 to the n-type contact layer 702 are partially removed so that the surface of the n-type contact layer 702 is exposed, and an n-type electrode 711 is formed on the exposed portion of the n-type contact 702. ing.
[0136]
The n-type contact layer 702 includes a lower layer n-type GaN film 702a and a regrown n-type GaN film 702b. The growth film 702b is covered. This mask 715 is composed of a platinum film 713 and SiN provided thereon.xIt is comprised from the insulating film 714 which consists of. p-type Al0.1Ga0.9The N clad layer 708 is formed of a lower layer p-type Al0.1Ga0.9N film 708a and regrown p-type Al0.1Ga0.9The regrowth film 708b covers the metallic mask 716 (platinum mask), which is composed of the N clad film 708b and is provided on the lower film 708a below the stripe electrode.
[0137]
The nitride semiconductor laser element of this embodiment can be manufactured as follows, for example. First, as in the second embodiment, a low-temperature GaN buffer layer 701 is grown on a sapphire substrate 700 in a crystal growth apparatus, and then, among the n-type GaN contact layers 702, a lower n-type GaN film 702a having a thickness of 20 μm. Grow.
[0138]
Next, as in the second embodiment, the metal mask 715 with an insulating film having a mask width (M) of 5 μm and a mask thickness of 0.15 μm is formed in a stripe shape in the <1-100> direction with respect to the lower GaN film 702a. Form. The mask 715 includes a platinum film 713 having a thickness of 0.1 μm and a SiN film having a thickness of 0.05 μm.xThe film 714 is formed and disposed below the stripe-shaped electrode to be manufactured in a later step. Next, the substrate is again placed in the crystal growth apparatus, and the n-type GaN film 702b having a thickness of 20 μm is regrown in the same manner as in the second embodiment, so that the n-type GaN contact is flat and has no cracks. Layer 702 is formed.
[0139]
Subsequently, as in Embodiment 2, n-type Al0.1Ga0.9N clad layer 703, n-type GaN light guide layer 704, active layer 705, Al0.2Ga0.8An N carrier block layer 706 and a p-type GaN light guide layer 707 are grown.
[0140]
Thereafter, in the p-type contact layer 708, a lower Al layer having a thickness of 0.15 μm0.1Ga0.9An N film 708a is grown. Next, the substrate is once taken out from the crystal growth apparatus, and the lower layer Al0.1Ga0.9A platinum mask 716 having a mask width of 2.5 μm, a mask interval (S) of 2 μm, and a thickness of about 0.08 μm is formed in stripes in the <1-100> direction with respect to the N film 708a. At this time, a portion 717 that is not covered with the platinum mask 716 is disposed under the stripe-shaped electrode to be manufactured in a later step. Next, the substrate is again placed in the crystal growth apparatus, and p-type Al having a thickness of 0.4 μm0.1Ga0.9The N film 708b is regrown. As growth proceeds, the portion 717 that is not coated with platinum 716 begins with Al.0.1Ga0.9N began to regrow, lateral growth occurred and the platinum mask 716 was coated. This laterally grown Al0.1Ga0.9The N film 708b was completely bonded, and a flat clad layer 708 was obtained.
[0141]
Subsequently, a p-type GaN contact layer 709 is grown as in the fourth embodiment. Thereafter, the substrate is taken out from the crystal growth apparatus, and the nitride semiconductor laser device of this embodiment shown in FIG. 7 is manufactured through a manufacturing process of the semiconductor laser device.
[0142]
N-type GaN contact layer 702 and p-type Al obtained by such a selective growth process0.1Ga0.9The surface of the N clad layer 708 was flat and had no cracks. Regarding the n-type GaN contact layer 702, dislocations (crystal defects) were reduced as in the first and second embodiments.
[0143]
The nitride semiconductor laser device of this embodiment is a SiN provided in the GaN contact layer 702 and having a growth suppressing effect.xThe presence of the film-coated platinum mask 715 reduced the dislocation density by about two orders of magnitude in each film constituting the laser structure after regrowth on the mask. As a result, the lifetime characteristic of the semiconductor laser element itself was about 12000 hours.
[0144]
When the laser oscillation threshold current density of the nitride semiconductor laser device of this embodiment was measured, it was reduced to about 2/3 of the conventional semiconductor laser device having a ridge stripe structure shown in FIG. Further, when the modes of NFP and FFP in the horizontal transverse mode and the vertical transverse mode were observed, laser oscillation was obtained in a single-peak single mode. Further, the nitride semiconductor laser device of this embodiment was subjected to a 10000 hour life test, and the horizontal transverse mode and the vertical transverse mode were observed again. As described above, a stable single horizontal transverse mode and a single vertical transverse mode were observed. Mode was observed.
[0145]
The reason why the single-peak (single) and stable vertical transverse mode laser oscillation is obtained is the same as in the first and second embodiments. In addition, the formation position of the vertical transverse mode, that is, SiNxThe formation position of the film-coated platinum mask 715 is the same as that of the second embodiment in each of the vertical direction and the parallel direction with respect to the substrate. On the other hand, the reason why a single horizontal (single) and stable horizontal transverse mode laser oscillation is obtained is that the platinum mask 716 used in this embodiment absorbs the laser light emitted from the active layer 705, and thus the platinum mask 716 is used. There is a difference in the equivalent refractive index of the light guide layer between where it is provided and where it is not provided. Then, it is considered that the optical confinement in the horizontal transverse mode becomes remarkable above the portion 717 not covered with the platinum mask 716 and the refractive index waveguide structure is obtained, which contributes to the reduction of the laser oscillation threshold current density. . In addition to this refractive index waveguide structure, strong light absorption by the metallic mask 716 causes a large gain loss in the upper part of the mask, making it difficult for high-order transverse modes to occur. As a result, it is considered that a stable single horizontal transverse mode was observed.
[0146]
The horizontal transverse mode forming position, that is, the forming position of the platinum film 716 is preferably formed at the following positions in each of the vertical direction and the parallel direction with respect to the substrate.
[0147]
First, with respect to the direction perpendicular to the substrate, the side opposite to the substrate from the interface (upper surface of the active layer) between the active layer 705 and the carrier block layer 706 (or the p-type light guide layer 705 in the absence of the carrier block layer 706). It is preferable to form it at a position within 2 μm in the direction. In this embodiment, a platinum mask 716 having a thickness of 0.08 μm is formed at a position of 0.25 μm from the interface. This is because when the formation position of the metallic mask exceeds 2 μm from the interface, the equivalent refractive index difference hardly occurs between where the metallic mask is provided and where the metallic mask is not provided. This is because light confinement becomes weak. Further, according to the knowledge of the present inventors, the shorter the distance from the interface to the metallic mask, the larger the refractive index difference, and the stronger the optical confinement effect in the horizontal transverse mode. Furthermore, in this embodiment, the distance from the interface between the active layer 705 and the carrier block layer 706 (or the p-type light guide layer 707 in the absence of the carrier block layer 706) to the metallic mask is the crystal growth rate of the crystal growth apparatus. Can be set. Therefore, compared with the said Embodiment 4 and Embodiment 5, the distance from the said interface to a mask can be controlled with a sufficient precision, and the optical confinement effect of a horizontal transverse mode can also be controlled with a sufficient precision.
[0148]
On the other hand, in a direction parallel to the substrate, a portion 717 that is not covered with the metallic mask is formed below the striped p-type electrode 712. Further, as in the third embodiment, the interval (S) between the metallic masks is preferably 1 μm or more and 15 μm or less.
[0149]
The thicknesses of the metal mask 715 and the metal mask 716 with an insulating film, the nitrogen carrier gas used in the selective growth, the yield rate, and the like are the same as those in the fourth embodiment.
[0150]
In this embodiment, the metallic mask with an insulating film is formed in the n-type GaN contact layer, but a metallic mask may be formed. When a metallic mask is formed, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, the metallic mask 716 may not be completely buried in the cladding layer, as in the third embodiment. However, in order to improve the yield of laser element manufacturing, it is preferable to bury the metallic mask 716 with an insulating film in the cladding layer.
[0151]
In this embodiment, an example in which a GaN film is used as the low-temperature buffer layer has been described.xGa1-xEven if N (0 ≦ x ≦ 1) is used, no problem occurs. Furthermore, in this embodiment, the Al composition of the clad layer to be regrown is set to 0.1, but the same effect can be seen even in a nitride semiconductor having a composition of 0 <Al ≦ 1.
[0152]
Furthermore, a synergistic effect can be obtained by combining this embodiment and the said Embodiment 4 or Embodiment 5.
[0153]
(Embodiment 7)
In the present embodiment, a structure in which a metal mask with an insulating film is provided in the AlGaN cladding layer in place of the metal mask in the sixth embodiment will be described.
[0154]
FIG. 8 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This semiconductor laser device includes a low-temperature GaN buffer layer 801, an n-type GaN contact layer 802, an n-type Al on a sapphire substrate 800.0.1Ga0.9N clad layer 803, n-type GaN light guide layer 804, active layer 805 (for example, 2 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 4 nm thick In0.02Ga0.98Multiple quantum well active layer composed of N layer, 3 periods of 4 nm thick In0.15Ga0.85N layer and 10 nm thick In0.01Ga0.99Multiple quantum well active layer consisting of N layer and 3 periods of In0.18Ga0.82N layer and In0.05Ga0.95Multiple quantum well active layer consisting of N layer, etc.), Al0.2Ga0.8N carrier block layer 806, p-type GaN light guide layer 807, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 808 and a p-type GaN contact layer 809 are sequentially stacked. On the p-type contact layer 809, a stripe-shaped portion serving as a current path is opened.2An insulating film 810 is provided, and a p-type electrode 812 is provided over the opening and the insulating film 810, and a portion on the opening of the insulating film 810 functions as a stripe electrode. The p-type contact layer 809 to the n-type contact layer 802 are partially removed so that the surface of the n-type contact layer 802 is exposed, and an n-type electrode 811 is formed on the exposed portion of the n-type contact 802. ing.
[0155]
The n-type contact layer 802 is composed of a lower n-type GaN film 802a and a regrown n-type GaN film 802b. The growth film 802b is covered. This mask 815 is composed of a platinum film 813 and SiN provided thereon.xInsulating film 814 made of p-type Al0.1Ga0.9The N-clad layer 808 is composed of a lower layer p-type Al0.1Ga0.9N film 808a and regrown p-type Al0.1Ga0.9The regrowth film 808b covers the metallic mask 818 with an insulating film, which is composed of an N clad film 808b and is provided on the lower film 808a below the stripe electrode. This mask 818 is composed of a platinum film 816 and SiN provided thereon.xThe insulating film 817 is made of.
[0156]
The nitride semiconductor laser element of this embodiment can be manufactured as follows, for example. First, as in the second embodiment, a low-temperature GaN buffer layer 801 is grown on a sapphire substrate 800 in a crystal growth apparatus, and then, a lower n-type GaN film 802a having a thickness of 20 μm in the n-type GaN contact layer 802. Grow.
[0157]
Next, as in the second embodiment, the metallic mask 815 with an insulating film having a mask width (M) of 5 μm and a mask thickness of 0.15 μm is formed in a stripe shape in the <1-100> direction with respect to the lower GaN film 802a. Form. The mask 815 includes a platinum film 813 having a thickness of 0.1 μm and a SiN film having a thickness of 0.05 μm.xA film 814 is provided below the stripe-shaped electrode that is formed in a later step. Next, the substrate is again placed in the crystal growth apparatus, and the n-type GaN film 802b having a thickness of 20 μm is regrown in the same manner as in the second embodiment, so that the n-type GaN contact is flat and has no cracks. Layer 802 is formed.
[0158]
Subsequently, as in Embodiment 6, n-type Al0.1Ga0.9N clad layer 803, n-type GaN light guide layer 804, active layer 805, Al0.2Ga0.8An N carrier block layer 806 and a p-type GaN light guide layer 807 are grown.
[0159]
Thereafter, as in Embodiment 6, p-type Al0.1Ga0.9Out of the N clad layer 808, the lower Al layer having a thickness of 0.1 μm0.1Ga0.9An N film 808a is grown. Next, the substrate is once removed from the crystal growth apparatus, and the lower layer p-type Al0.1Ga0.9A metallic mask 818 with an insulating film having a mask width of 3 μm, a mask interval (S) of 1.5 μm, and a mask thickness of 0.2 μm is formed in stripes in the <1-100> direction with respect to the N film 808a. The mask 818 includes a platinum film 816 having a thickness of 0.1 μm and a SiN film having a thickness of 0.1 μm.xA SiN film is formed below the stripe-shaped electrode formed of the film 817 and manufactured in a later step.xA portion 819 that is not covered with the platinum mask 818 with a film is disposed. Next, the substrate was placed again in the crystal growth apparatus, and a p-type Al having a thickness of 0.5 μm0.1Ga0.9The N film 808b is regrown. As growth progresses, SiNxAl from the portion 819 not covered with the attached platinum mask 8180.1Ga0.9N begins to regrow, lateral growth occurs and SiNxA platinum mask 818 with a film was coated. This laterally grown Al0.1Ga0.9The N film 808b was completely bonded, and a flat clad layer 808 was obtained.
[0160]
Subsequently, a p-type GaN contact layer 809 is grown as in the sixth embodiment. Thereafter, the substrate is taken out from the crystal growth apparatus, and the nitride semiconductor laser device of this embodiment shown in FIG. 8 is manufactured through a manufacturing process of the semiconductor laser device.
[0161]
N-type GaN contact layer 802 and p-type Al obtained by such a selective growth process0.1Ga0.9The surface of the N clad layer 808 was flat and had no cracks. Dislocations (crystal defects) related to the n-type GaN contact layer 802 were reduced as in the first and second embodiments.
[0162]
Furthermore, the nitride semiconductor laser device of the present embodiment is provided with SiN provided in the GaN contact layer 802 and having a growth suppressing effect.xThe presence of the film-coated platinum mask 815 reduced the dislocation density by about two orders of magnitude in each film constituting the laser structure after regrowth on the mask. As a result, the lifetime characteristic of the semiconductor laser element itself was about 12000 hours.
[0163]
When the laser oscillation threshold current density of the nitride semiconductor laser device of this embodiment was measured, it was reduced to about ½ of the conventional semiconductor laser device having a ridge stripe structure shown in FIG. Further, when the modes of NFP and FFP in the horizontal transverse mode and the vertical transverse mode were observed, laser oscillation was obtained in a single-peak single mode. Further, the nitride semiconductor laser device of this embodiment was subjected to a 10000 hour life test, and the horizontal transverse mode and the vertical transverse mode were observed again. As described above, a stable single horizontal transverse mode and a single vertical transverse mode were observed. Mode was observed.
[0164]
The reason why the laser oscillation threshold current density is reduced in this way is that, similarly to the fifth embodiment, in addition to the laser characteristics of the refractive index waveguide structure described in the fourth embodiment, a current confinement structure is simultaneously formed in the element. This is because of that. Further, the reason why the single-peak (single) and stable vertical transverse mode laser oscillation is obtained is the same as in the first and second embodiments. In addition, the formation position of the vertical transverse mode, that is, SiNxThe formation position of the platinum mask 815 with a film is the same as that in the second embodiment in each of the vertical direction and the parallel direction with respect to the substrate. Further, the reason why a single horizontal (single) and stable horizontal transverse mode laser oscillation is obtained is the same as in the sixth embodiment. Also, a metallic mask (SiN with an insulating film) for obtaining a refractive index waveguide structurexThe formation position of the film-coated platinum mask 815) is the same as in the sixth embodiment. However, the position of the metallic mask with an insulating film in this case refers to the position of forming the metallic mask constituting the metallic mask with an insulating film, and in this sense, is the same as in the sixth embodiment. .
[0165]
In the present embodiment, as in the sixth embodiment, a metallic mask with an insulating film (SiO 2) is formed from the interface between the active layer 805 and the carrier block layer 806 (or the p-type light guide layer 807 when there is no carrier block layer 806).2The distance to the film-coated platinum mask 818) can be set by the crystal growth rate of the crystal growth apparatus. Therefore, compared with the said Embodiment 4 and Embodiment 5, the distance from the said interface to a mask can be controlled with a sufficient precision, and the optical confinement effect of a horizontal transverse mode can also be controlled with a sufficient precision.
[0166]
In addition to the current confinement effect, the present embodiment also has the following effects. As will be described in detail in Embodiment 9 to be described later, in the selective growth of a GaN film using a metallic mask, the dependence on the stripe direction of the mask is generally strong and the lateral growth is difficult, but the metallic mask with an insulating film is used. (SiNxBy using a platinum mask with a film), sufficient lateral growth can be obtained without selective dependence of the mask pattern even in selective growth of a GaN film. By utilizing this characteristic, within a position range in which the metallic mask 818 with an insulating film can be formed in order to obtain a refractive index waveguide structure in a direction perpendicular to the substrate (within 2 μm from the upper surface or the lower surface of the active layer). Even if a nitride semiconductor containing no Al exists at the position), selective growth with a high lateral growth rate is possible.
[0167]
In this embodiment, platinum (Pt) is used as the metallic mask in the metallic masks 815 and 818 with an insulating film, but other than that, for example, W, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, etc. A metal, an alloy thereof, or a composite film including a plurality of layers containing them can be used. A nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and a growth suppressing effect can be obtained. If the metal has a light absorption effect for absorbing laser light emitted from the active layer, the material does not greatly depend on the material. Further, in the metal masks 815 and 818 with an insulating film, the insulating film is SiN.xIn addition to the film, SiO2A film may be used, and if it is an insulating film, it does not depend greatly on the material. When the metallic mask is covered with an insulating film, it is preferable that the side portion 820 of the metallic mask is also covered with the insulating film. Furthermore, the thicknesses of the metal masks 815 and 818 with insulating films, the nitrogen carrier gas used in the selective growth, the yield rate, and the like are the same as those in the sixth embodiment. In this embodiment, a metallic mask (SiN with an insulating film) is formed in the n-type GaN contact layer.xAlthough a platinum mask is formed, a metallic mask may be formed. When a metallic mask is formed, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, the metal mask 818 with an insulating film may not be completely embedded in the cladding layer, as in the third embodiment. However, in order to improve the yield of laser element manufacturing, it is preferable to bury the metallic mask 818 with an insulating film in the cladding layer.
[0168]
In this embodiment, an example in which a GaN film is used as the low-temperature buffer layer has been described.xGa1-xEven if N (0 ≦ x ≦ 1) is used, no problem occurs. Furthermore, in this embodiment, the Al composition of the clad layer to be regrown is set to 0.1, but the same effect can be seen even in a nitride semiconductor having a composition of 0 <Al ≦ 1.
[0169]
Furthermore, a synergistic effect can be obtained by combining this embodiment and the said Embodiment 4 or Embodiment 5.
[0170]
(Embodiment 8)
In this embodiment, the relationship between the film thickness of the metallic mask and the light absorption rate will be described.
[0171]
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the tungsten mask and the light absorption rate of the laser beam. According to this figure, when the film thickness of the mask is about 0.01 μm or more, the light absorption rate is 60% or more, and when the film thickness is about 0.05 μm or more, the light absorption rate is almost 100%. The relationship shown in FIG. 9 is not limited to tungsten (W) but is almost the same even when Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, or the like is used. Therefore, in order to obtain a light absorption effect for stabilizing the vertical transverse mode with a metallic mask, the thickness of the metallic mask (in the case of a metallic mask with an insulating film, the metallic film constituting it) should be at least The thickness is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more, which shows a light absorption rate of 50% or more.
[0172]
On the other hand, when a metallic mask is covered with a nitride semiconductor film, the surface of the semiconductor film is flat so that a metallic mask (in the case of a metallic mask with an insulating film, an insulating film and a metal film) The film thickness of the entire mask is preferably 2 μm or less.
[0173]
(Embodiment 9)
In the present embodiment, the ratio (a / c) between the growth rate in the growth axis direction and the lateral growth rate when using the metallic mask and the metallic mask with an insulating film, the partial pressure of the nitrogen carrier gas, and the mask The relationship with the stripe direction will be described.
[0174]
FIG. 10A shows lateral growth (a / c) and partial pressure ratio of nitrogen carrier gas (N / N) when a GaN film is selectively grown using a tungsten mask.2/ (H2+ N2)). In FIG. 10A, in the lateral growth (a / c), the growth rate in the direction perpendicular to the substrate is c, and the growth rate in the direction parallel to the substrate (lateral growth rate) is a. Expressed as a / c. Further, the partial pressure ratio of nitrogen carrier gas (N2/ (H2+ N2)) Is expressed as a flow ratio of nitrogen carrier gas to the flow rate of all carrier gases (flow rate of nitrogen carrier gas + flow rate of hydrogen carrier gas). Further, in FIG. 10A, the direction indicates the stripe direction of the tungsten mask with respect to the nitride semiconductor (GaN).
[0175]
As shown in FIG. 10A, when the stripe direction of the tungsten mask is formed in the <11-20> direction, the lateral growth hardly occurs even if the partial pressure of the nitrogen carrier gas is increased. On the other hand, when it was formed in the <1-100> direction, lateral growth of about a / c = about 0.4 occurred at a nitrogen carrier gas partial pressure of 0.5. The relationship shown in FIG. 10A is not limited to tungsten (W) but is almost the same even when Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, or the like is used.
[0176]
FIG. 10B shows the lateral growth (a / c) and the partial pressure ratio (N) of the nitrogen carrier gas when the AlGaN film is selectively grown using a tungsten mask.2/ (H2+ N2)). In FIG. 10B, lateral growth (a / c), partial pressure ratio of nitrogen carrier gas (N2/ (H2+ N2)) And orientation are the same as those in FIG.
[0177]
As shown in FIG. 10 (b), when the stripe direction of the tungsten mask is formed in the <11-20> direction, lateral growth with a nitrogen carrier gas partial pressure of 0.5 and a / c = about 1.5 is achieved. occured. On the other hand, when it was formed in the <1-100> direction, lateral growth with a / c = about 15 occurred at a nitrogen carrier gas partial pressure of 0.5. The relationship shown in FIG. 10B is not limited to tungsten (W) but is almost the same even when Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, or the like is used.
[0178]
From the results shown in FIGS. 10A and 10B, when selective growth is performed using the growth suppression effect of the metallic mask, the stripe direction of the metallic mask is formed in the <1-100> direction. It is understood that a higher partial pressure of the nitrogen carrier gas is preferable. However, the selective growth film produced with the nitrogen carrier gas partial pressure larger than 0.9 had an X-ray diffraction half width of 6 minutes or more, and the crystallinity (orientation) was deteriorated. Further, the lateral growth of the metallic mask was faster in the nitride semiconductor film containing at least Al than in the GaN film.
[0179]
FIG. 11A shows SiO.2In the case of selective growth of a GaN film using a tungsten mask with a film, the lateral growth (a / c) and the partial pressure ratio of nitrogen carrier gas (N2/ (H2+ N2)). In FIG. 11A, in the lateral growth (a / c), the growth rate in the direction perpendicular to the substrate is c, and the growth rate in the direction parallel to the substrate (lateral growth rate) is a. Expressed as a / c. Further, the partial pressure ratio of nitrogen carrier gas (N2/ (H2+ N2)) Is expressed as a flow ratio of nitrogen carrier gas to the flow rate of all carrier gases (flow rate of nitrogen carrier gas + flow rate of hydrogen carrier gas). Further, in FIG. 11A, the orientation is SiO with respect to the nitride semiconductor (GaN).2The stripe direction of the film-coated tungsten mask is shown.
[0180]
As shown in FIG. 11 (a), SiO2When the stripe direction of the film-coated tungsten mask was formed in the <11-20> direction, lateral growth of about a / c = about 0.5 occurred at a nitrogen carrier gas partial pressure of 0.5. On the other hand, when it was formed in the <1-100> direction, lateral growth with a / c = about 1.5 occurred at a nitrogen carrier gas partial pressure of 0.5. The relationship shown in FIG. 11A is not limited to tungsten (W) but is almost the same even when Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, or the like is used. Also for insulating films, SiO2Not only film but SiNxIt was almost the same even when a film was used.
[0181]
FIG. 11B shows SiO.2When selective growth of the AlGaN film is performed using a tungsten mask with a film, the lateral growth (a / c) and the partial pressure ratio of the nitrogen carrier gas (N2/ (H2+ N2)). In FIG. 11B, lateral growth (a / c), partial pressure ratio of nitrogen carrier gas (N2/ (H2+ N2)) And orientation are the same as those in FIG.
[0182]
As shown in FIG. 11B, SiO2When the stripe direction of the tungsten mask with a film was formed in the <11-20> direction, lateral growth of about a / c = about 8 occurred at a nitrogen carrier gas partial pressure of 0.5. On the other hand, when it was formed in the <1-100> direction, lateral growth with a / c = about 28 occurred at a nitrogen carrier gas partial pressure of 0.5. The relationship shown in FIG. 11B is not limited to tungsten (W) but is almost the same even when Pt, Ti, Mo, Ni, Al, Pd, Au, or the like is used. Also for insulating films, SiO2Not only film but SiNxIt was almost the same even when a film was used.
[0183]
From the results shown in FIGS. 11A and 11B, when the selective growth is performed using the growth suppressing effect of the metallic mask with an insulating film, the stripe direction of the metallic mask is the <1-100> direction. It can be seen that it is preferable that the nitrogen carrier gas has a higher partial pressure. However, the selective growth film produced with the nitrogen carrier gas partial pressure larger than 0.9 had an X-ray diffraction half width of 6 minutes or more, and the crystallinity (orientation) was deteriorated. Further, the lateral growth of the metallic mask was faster in the nitride semiconductor film containing at least Al than in the GaN film. Further, the metallic mask with an insulating film has a faster lateral growth than the metallic mask, and the stripe direction dependency of the mask is relaxed.
[0184]
10A, 10B, 11A, and 11B, the lateral growth a / c greatly increases when the nitrogen carrier gas partial pressure is 0.1 or more. Therefore, the nitrogen carrier gas partial pressure is preferably 0.1 or more.
[0185]
Furthermore, from FIG. 10 and FIG. 11, the lower limit value of the laterally grown film necessary for covering the mask including the metal film can be read. This value varies depending on whether the selectively grown film (covering film) is a GaN film or an AlGaN film. Similarly, it differs also in the stripe direction of the mask, which differs depending on whether the mask is only a metal film or an insulating film is provided thereon. Furthermore, the atmospheric gas ratio (N2/ N2+ H2) Also varies.
[0186]
For example, when the stripe direction of a metal mask with an insulating film is set to <1-100> and a GaN film is selectively grown thereon, an atmospheric gas (N2/ (N2+ H2)) = 0.5, it can be read from FIG. 11A that lateral growth a / c = 1.5. That is, the lateral growth with respect to the laminated film thickness (coating film thickness) 1 is 1.5. In the selective growth on the mask, the growth starts from the portions on both sides of the mask which are not covered with the mask, and the mask is covered by meeting at the central portion of the mask. Therefore, the metallic mask is covered with 1.5 × 2 (for both sides) = 3 with respect to the laminated film thickness 1. If the mask width is 6 μm, the mask is covered with a laminated film thickness (lower limit) of 6/3 = 2 μm. In each of the above embodiments, N2(10 liter / min) + H2Selective growth is performed under the condition of (5 liters / min).
[0187]
(Embodiment 10)
In the present embodiment, an example will be described in which the metallic mask formed on the lower layer n-type AlGaN film is not flatly covered with the regrown n-type AlGaN film but has a depression. Other configurations are the same as those of the above-described embodiment.
[0188]
FIG. 12 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This semiconductor laser device has an n-type Al on an n-type GaN substrate 901.0.02Ga0.98N contact layer 902, n-type Al0.1Ga0.9N clad layer 903, n-type GaN light guide layer 904, active layer 905, Al0.2Ga0.8N carrier block layer 906, p-type GaN light guide layer 907, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 908 and a p-type GaN contact layer 909 are sequentially stacked. On the p-type contact layer 909, SiO having a stripe-shaped portion opened as a current path is formed.2An insulating film 910 is provided, and a p-type electrode 912 is provided over the opening and the insulating film 910, and a portion on the opening of the insulating film 910 functions as a striped electrode. An n-type electrode 911 is formed so as to be in contact with the back surface of the n-type GaN substrate 901.
[0189]
n-type Al0.1Ga0.9N clad layer 903 is a lower layer n-type Al0.1Ga0.9N film 903a and regrown n-type Al0.1Ga0.9The N clad film 903b is used. Further, the metallic mask (tungsten mask or the like) 916 provided on the lower film 903a below the stripe electrode is not covered with the regrowth film 403b but has a depression.
[0190]
In this embodiment, the metallic mask 916 is introduced in accordance with the above-described embodiment in order to obtain a horizontal transverse mode light confinement effect in the semiconductor laser element. However, as a result of further detailed studies by the inventors of the present application, it has been found that in addition to the light confinement effect in the horizontal and transverse modes, the following effects can be obtained.
[0191]
In FIG. 12, there are two metallic masks 916 provided below the active layer 905, and the current injection width of the p-type stripe electrode 412 is located above the space S between the metallic masks 916 and 916. Wp is provided, and the metallic mask 916 has a recess that is not covered flat by the regrown n-type AlGaN film 903b.
[0192]
In this case, (1) by having the depression, the active layer 905 has a form close to a quantum wire structure confined in a direction perpendicular to the stripe direction of the p-type stripe electrode 912 from the quantum well structure. Thereby, the threshold current density can be further reduced. In addition, (2) by having the depression, crystal distortion of the nitride semiconductor layer formed above the regrown n-type AlGaN film 903b can be relaxed by the depression. As a result, a decrease in crystallinity due to strain can be prevented, and the laser oscillation life can be further extended. Furthermore, (3) by having the depression, it is possible to prevent the current injected from the p-type stripe electrode 912 from spreading in the lateral direction. As a result, the threshold current density can be lowered.
[0193]
This dent is N2Carrier gas partial pressure is less than 10%, preferably H2It can be formed by growing the regrowth layer 903b in a carrier gas atmosphere. Alternatively, the regrowth layer 903b can be formed even if the film thickness is reduced.
[0194]
In the schematic diagram of FIG. 12, the nitride semiconductor layer stacked on the side wall of the recess is exaggerated. Actually, since the thickness of each nitride semiconductor layer is thin, most of the inside of the recess is not necessarily filled with the nitride semiconductor layer as shown in FIG. The above effect according to the present embodiment is more prominent as the depth of the recess is deeper. However, if the depth is too deep, the formation of the striped electrode becomes difficult, and thus the effect is set appropriately. The position of the dent is formed above the center of the mask width with substantially reproducibility.
[0195]
(Embodiment 11)
In the present embodiment, an example will be described in which the metallic mask formed on the lower p-type AlGaN film has a depression without being covered flat by the regrowth p-type AlGaN film. Other configurations are the same as those of the above-described embodiment.
[0196]
FIG. 13 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This semiconductor laser device has an n-type Al on an n-type GaN substrate 1001.0.02Ga0.98N contact layer 1002, n-type Al0.1Ga0.9N clad layer 1003, n-type GaN light guide layer 1004, active layer 1005, Al0.2Ga0.8N carrier block layer 1006, p-type GaN light guide layer 1007, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 1008 and a p-type GaN contact layer 1009 are sequentially stacked. On the p-type contact layer 1009, a SiO 2 having a stripe-shaped portion opened as a current path is formed.2An insulating film 1010 is provided, and a p-type electrode 1012 is provided over the opening and the insulating film 1010, and a portion on the opening of the insulating film 1010 functions as a striped electrode. An n-type electrode 1011 is formed so as to be in contact with the back surface of the n-type GaN substrate 1001.
[0197]
p-type Al0.1Ga0.9The N-clad layer 1008 is formed of a lower layer p-type Al0.1Ga0.9N film 1008a and regrown p-type Al0.1Ga0.9The N clad film 1008b is used. In addition, the metallic mask (tungsten mask or the like) 1016 provided on the lower layer film 1008a below the stripe electrode is not flatly covered with the regrowth film 1008b but has a depression.
[0198]
In the present embodiment, the metallic mask 1016 is introduced in accordance with the above-described embodiment in order to obtain a horizontal transverse mode light confinement effect in the semiconductor laser element. However, as a result of further detailed studies by the inventors of the present application, it has been found that in addition to the light confinement effect in the horizontal and transverse modes, the following effects can be obtained.
[0199]
In FIG. 13, there are two metallic masks 1016 provided above the active layer 1005, and the current injection width of the p-type stripe electrode 1012 is located above the space S between the metallic masks 1016 and 1016. Wp is provided, and the metallic mask 1016 has a recess that is not covered flat by the regrown n-type AlGaN film 1008b.
[0200]
In this case, by having the recess, the crystal distortion of the nitride semiconductor layer formed above the regrown p-type AlGaN film 1008b can be relaxed by the recess. As a result, a decrease in crystallinity due to strain can be prevented, and the laser oscillation life can be further extended.
[0201]
This dent is N2Carrier gas partial pressure is less than 10%, preferably H2It can be formed by growing the regrowth layer 1008b in a carrier gas atmosphere. Alternatively, the regrowth layer 1008b can be formed even if the film thickness is reduced.
[0202]
The schematic diagram of FIG. 13 exaggerates the nitride semiconductor layer stacked on the side wall of the recess. Actually, since the thickness of each nitride semiconductor layer is thin, most of the inside of the recess is not necessarily filled with the nitride semiconductor layer as shown in FIG. The above effect according to the present embodiment is more prominent as the depth of the recess is deeper. However, if the depth is too deep, the formation of the striped electrode becomes difficult, and thus the effect is set appropriately. The position of the dent is formed above the center of the mask width with substantially reproducibility.
[0203]
Embodiment 12
In the present embodiment, an example will be described in which a metallic mask formed on an n-type GaN substrate is not flatly covered with a regrown n-type AlGaN film but has depressions. Other configurations are the same as those of the above-described embodiment.
[0204]
FIG. 14 shows the structure of the nitride semiconductor laser device of this embodiment. This nitride semiconductor laser device has an n-type Al on an n-type GaN substrate 1101.0.02Ga0.98N contact layer 1102, n-type Al0.1Ga0.9N clad layer 1103, n-type GaN light guide layer 1104, active layer 1105, Al0.2Ga0.8N carrier block layer 1106, p-type GaN light guide layer 1107, p-type Al0.1Ga0.9An N clad layer 1108 and a p-type GaN contact layer 1109 are sequentially stacked. The p-type cladding layer 1108 is dug down to the vicinity of the p-type light guide layer 1107 to form a ridge stripe portion composed of the p-type contact layer 1109 and the p-type cladding layer 1108. On top of that, SiO2An insulating film 1110 is provided, and an upper portion of the ridge stripe is opened. A p-type electrode 1112 is provided on the insulating film 1110 and on the ridge stripe portion exposed from the opening of the insulating film 1110, and the portion on the ridge stripe functions as a stripe electrode. An n-type electrode 1111 is formed so as to be in contact with the back surface of the n-type GaN substrate 1101.
[0205]
Further, a metallic mask (tungsten mask or the like) 1116 provided on the upper portion of the substrate below the ridge stripe portion is not flatly covered with the contact layer 1102 but has a depression.
[0206]
In this embodiment, the metallic mask is formed at a position within half of the total thickness of the contact layer thickness and the substrate thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate.
[0207]
In this embodiment, the metallic mask 1116 is introduced in accordance with the above-described embodiment in order to obtain a horizontal transverse mode light confinement effect in the semiconductor laser element. However, as a result of further detailed studies by the inventors of the present application, it has been found that in addition to the light confinement effect in the horizontal and transverse modes, the following effects can be obtained.
[0208]
In FIG. 14, a metal mask 1116 provided below the active layer 1105 is provided, and at least one of the region M1 and the region M2 in which the metal mask 1116 is covered flat by the contact layer 1102 is formed. A current injection width Wp having a ridge stripe structure is provided above.
[0209]
In this case, by having the depression, crystal distortion of the nitride semiconductor layer formed above the n-type AlGaN contact layer 1102 can be relaxed by the depression. As a result, a decrease in crystallinity due to strain can be prevented, and the laser oscillation life can be further extended.
[0210]
This dent is N2Carrier gas partial pressure is less than 10%, preferably H2It can be formed by growing the contact layer 1102 in a carrier gas atmosphere. Alternatively, the contact layer 1102 can be formed even when it is thin.
[0211]
The schematic diagram of FIG. 14 exaggerates the nitride semiconductor layer stacked on the side wall of the recess. Actually, since the thickness of each nitride semiconductor layer is thin, most of the inside of the recess is not necessarily filled with the nitride semiconductor layer as shown in FIG. The above effect according to the present embodiment is more prominent as the depth of the recess is deeper. However, if the depth is too deep, the formation of the striped electrode becomes difficult, and thus the effect is set appropriately. The position of the dent is formed above the center of the mask width with substantially reproducibility. In this embodiment, since the growth starts from both sides of the metallic mask, the recess is formed only on one side of the ridge stripe.
[0212]
In this embodiment, n-type Al formed on the metallic mask 1116.0.02Ga0.08The N contact layer 1102 may have another Al composition ratio or GaN. The effect that the component of the layer formed on the metallic mask 1116 is AlGaN and the effect that the component of the layer formed on the metallic mask 1116 is GaN are the same as those in the above-described embodiment. It is the same.
[0213]
In the tenth to twelfth embodiments, the metallic mask has been described. However, a metallic mask with an insulating film may be used. The effect obtained by using the metal mask with an insulating film is the same as that of the above-described embodiment, and the formation method is also the same. However, when a metal mask with an insulating film is used, lateral growth is likely to occur, and therefore the metal mask is more likely to form a recess. Further, although the n-type electrode is formed from the back side of the GaN substrate, the n-type electrode may be formed from the same side as the p-type electrode as in the first embodiment. Furthermore, in the said Embodiment 10-Embodiment 12, although the shape of the hollow was made into V shape, you may have another shape, for example, a rectangular shape. For example, when the mask stripe direction is formed along the <1-100> direction of the nitride semiconductor crystal, a rectangular recess is likely to be formed.
[0214]
(Embodiment 13)
In this embodiment, an effect obtained by combining a metallic mask or a metallic mask with an insulating film with a GaN substrate (an example of a nitride semiconductor substrate) will be described.
[0215]
As a result of detailed studies by the inventors of the present application, when the metallic mask is formed on a nitride semiconductor layer (hereinafter referred to as an underlayer), the metal constituting the metallic mask is contained in the underlayer. Internal diffusion occurred. Such internal diffusion of the metal reduces the crystallinity and leads to a decrease in yield. In order to prevent such internal diffusion, the deposition temperature at the time of forming the metallic mask and the growth temperature of the nitride semiconductor layer covering the metallic mask can be controlled to some extent.
[0216]
However, by using a nitride semiconductor substrate (for example, a GaN substrate) as the substrate, internal diffusion of the metal can be more effectively suppressed, and the yield can be improved. The reason is as follows. According to the results of experiments conducted by the inventors of the present application, it has been found that the internal diffusion of the metal diffuses into the underlayer through threading dislocations. By using a GaN substrate, the threading dislocation density in the nitride semiconductor film grown on the GaN substrate is lower than when grown on a heterogeneous substrate other than the nitride semiconductor substrate (for example, a sapphire substrate). Thus, the internal diffusion of the metal can be suppressed more effectively.
[0217]
Although the metallic mask has been described in the present embodiment, the same effect can be obtained even when a metallic mask with an insulating film is used.
[0218]
In the first to thirteenth embodiments, examples of crystal growth by the MOCVD method have been described. However, the present invention is not limited to this, and other growth methods such as an MBE method, a hydride vapor phase growth method, a MOMBE method, and a CVD method can be used. The method may be used. The substrate is not limited to sapphire, but 6H—SiC, 4H—SiC, 3C—SiC, GaN, GaAs, Si, Ge, MgAl2OFourIt is also possible to use other substrates. Other nitride semiconductor substrates such as an AlGaN substrate and an InGaN substrate may be used. The mixed crystal ratio of each layer can be changed as appropriate. In addition, AlxGayIn1-xyAmong N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) nitride semiconductor constituent elements, a part of nitrogen element (about 10% or less) is replaced with at least one of P, As, and Sb The same effect can be obtained by using the prepared material.
[0219]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained by applying a mask including a metal film having at least a light absorption function to a nitride semiconductor laser element.
[0220]
First, the unimodal vertical transverse mode can be stabilized by the light absorption effect of the metal film.
[0221]
Second, due to the light absorption effect by the metal film, the optical guide layer is given an equivalent refractive index difference to strengthen the horizontal transverse mode light confinement, reduce the threshold current density, and stabilize the unilateral horizontal transverse mode. Can be achieved.
[0222]
Third, by covering the metal film with an insulating film, the lateral growth rate can be improved and a current confinement structure can be realized. As a result, the first and second effects can be obtained more remarkably.
[0223]
Fourth, since the metal film has a growth suppressing effect in addition to the light absorption effect, the dislocation density in the nitride semiconductor film constituting the laser structure can be reduced together with the above effect. For this reason, the oscillation lifetime characteristic of the laser can be improved.
[0224]
The nitride semiconductor laser device of the present invention having such excellent characteristics is very useful as a light source for a display device, a display, an optical disk, or the like.
[Brief description of the drawings]
1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser element according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a crystal growth apparatus used in the embodiment.
3 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser element according to Embodiment 2. FIG.
4 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser element according to Embodiment 3. FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser element according to a fourth embodiment.
6 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser element according to Embodiment 5. FIG.
7 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser element according to Embodiment 6. FIG.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a nitride semiconductor laser element according to a seventh embodiment.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the film thickness of a metallic mask (tungsten mask) and the light absorption rate.
FIG. 10A is a diagram showing the relationship between the lateral growth ratio and the partial pressure of the nitrogen carrier gas for a GaN film selectively grown using a metallic mask (tungsten mask); It is a figure which shows the relationship between the lateral growth ratio and the partial pressure of nitrogen carrier gas about the AlGaN film | membrane which performed the selective growth using the metallic mask (tungsten mask).
FIG. 11A is a metallic mask with an insulating film (SiO 2).2It is a figure which shows the relationship between the lateral growth ratio and the partial pressure of nitrogen carrier gas about the GaN film | membrane which carried out the selective growth using the film | membrane tungsten mask, (b) is a metallic mask (SiO2 with an insulating film).2It is a figure which shows the relationship between the lateral growth ratio and the partial pressure of nitrogen carrier gas about the AlGaN film | membrane which carried out selective growth using the film | membrane tungsten mask.
12 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the nitride semiconductor laser element of Embodiment 10. FIG.
13 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the nitride semiconductor laser element of Embodiment 11. FIG.
14 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the nitride semiconductor laser element of Embodiment 12. FIG.
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a conventional nitride semiconductor laser element having a ridge stripe structure.
16A is a vertical transverse mode NFP in the nitride semiconductor laser device of the present invention, and FIG. 16B is a vertical transverse mode NFP in a conventional nitride semiconductor laser device.
17A is a vertical transverse mode FFP in a nitride semiconductor laser device of the present invention, and FIG. 17B is a vertical transverse mode FFP in a conventional nitride semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
10, 100, 300, 500, 600, 700, 800 Sapphire substrate
11, 101, 301, 501, 601, 701, 801 Low-temperature GaN buffer layer
12, 102, 302, 502, 602, 702, 802 n-type GaN contact layer
13, 103, 303, 403, 503, 603, 703, 803, 903, 1003, 1103 n-type AlGaN cladding layer
14, 104, 304, 404, 504, 604, 704, 804, 904, 1004, 1104 n-type GaN light guide layer
15, 105, 305, 405, 505, 605, 705, 805, 905, 1005, 1105 active layer
16, 106, 306, 406, 506, 606, 706, 806, 906, 1006, 1106 AlGaN carrier block layer
17, 107, 307, 407, 507, 607, 707, 807, 907, 1007, 1107 p-type GaN light guide layer
18, 108, 308, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1108 p-type AlGaN cladding layer
19, 109, 309, 409, 509, 609, 709, 809, 909, 1009, 1109 p-type GaN contact layer
20, 110, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010, 1110 SiO2Insulation film
21, 111, 311, 411, 511, 611, 711, 811, 911, 1011, 1111 n-type electrode
22, 112, 312, 412, 512, 612, 712, 812, 912, 1012, 1112 p-type electrode
23 Near the active layer of the ridge stripe formation part
24 Near the active layer dug down by ridge stripe formation
102a, 302a, 502a, 602a, 702a, 802a Lower n-type GaN film
102b, 302b, 502b, 602b, 702b, 802b Regrown n-type GaN film
113, 416, 516 tungsten mask
201 substrate
202 Susceptor
203 reaction tube
204 Raw material entrance
205 Exhaust gas outlet
206 Ammonia
207a TMG
207b TMA
207c TMI
207d Cp2Mg
208 Mass Flow Controller
209 SiHFour
313, 513, 613, 616 Tungsten film
314, 514, 614, 617 SiO2film
315, 515, 615, 618 SiO2Tungsten mask with film
401, 901, 1001, 1101 n-type GaN substrate
402, 902, 1002, 1102 n-type AlGaN contact layer
403a, 503a, 603a, 903a Lower n-type AlGaN film
403b, 503b, 603b, 903b Regrown n-type AlGaN film
417, 517, 619, 717, 819 Parts not covered with mask
620, 820 Mask side
708a, 808a, 1008a Lower layer p-type AlGaN film
708b, 808b, 1008b Regrown p-type AlGaN film
713, 813, 816 Platinum film
714, 814, 817 SiNxfilm
715, 815, 818 SiNxPlatinum mask with film
716 Platinum mask
916, 1016, 1116 Metallic mask

Claims (14)

基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の外側の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該上側あるいは下側のクラッド層から漏れ出した導波光を吸収するよう配置した窒化物半導体レーザ素子。
A semiconductor multilayer structure made of a nitride semiconductor, including a pair of upper and lower clad layers and an active layer sandwiched between the clad layers, and a stripe-shaped current confinement that constricts the current injected into the active layer. A nitride semiconductor laser device having a structure,
A light absorption mask including a metal film having a light absorption function is formed from the upper or lower clad layer on a portion facing the stripe current confinement structure on the outer side of the upper or lower clad layer of the active layer. A nitride semiconductor laser device arranged to absorb leaked guided light.
基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の内の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位の両側に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該光吸収マスクとこれに対向する該活性層との間での利得損失が増大するよう配置した窒化物半導体レーザ素子。
A semiconductor multilayer structure made of a nitride semiconductor, including a pair of upper and lower clad layers and an active layer sandwiched between the clad layers, and a stripe-shaped current confinement that constricts the current injected into the active layer. A nitride semiconductor laser device having a structure,
Of the active layer upper or lower cladding layers, on either side of the portion facing to the striped current confinement structure, the light absorption mask including a metal film having a light absorbing function, light absorbing mask and to A nitride semiconductor laser device arranged to increase gain loss between the opposing active layers .
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、
該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、
該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、
該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、
或いは、該ストライプ状電極の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって0.5μm以上の位置に、該金属膜が配置されている請求項1または2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
The metal film constituting the light absorption mask is made of a metal on which a nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and the semiconductor multilayer structure has an active layer sandwiched between a pair of clad layers and both clad layers, and the semiconductor multilayer A striped electrode is provided on the surface of the structure opposite to the substrate,
A contact layer having a refractive index higher than that of the clad layer and having a refractive index different from that of the substrate, in contact with the lower surface of the clad layer closer to the substrate; Whether the metal film is disposed at a position within half of the contact layer thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate;
A contact layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and having substantially the same refractive index as that of the substrate is in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate, and is below the stripe electrode. The metal film is disposed at a position within half of the total thickness of the contact layer and the substrate thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate,
The clad layer closer to the substrate has a lower refractive index than the substrate, and there is no contact layer between the substrate and the clad layer, below the stripe electrode, and the clad layer The metal film is disposed at a position within half of the substrate thickness from the interface between the substrate and the substrate toward the lower surface of the substrate,
Alternatively, the metal is located below the stripe electrode and on or in the cladding layer closer to the substrate, at a position of 0.5 μm or more from the lower surface of the active layer toward the substrate. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein a film is disposed.
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、
該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、
該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、
該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、
或いは、該リッジストライプ部の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって0.5μm以上の位置に、該金属膜が配置されている請求項1または2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
The metal film constituting the light absorption mask is made of a metal on which a nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and the semiconductor multilayer structure has an active layer sandwiched between a pair of cladding layers and both cladding layers, and the active layer With a ridge stripe above
A contact layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and having a refractive index different from that of the substrate, in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate, and below the ridge stripe portion, Whether the metal film is disposed at a position within half of the contact layer thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate;
A contact layer having a refractive index higher than that of the cladding layer and having substantially the same refractive index as that of the substrate is in contact with the lower surface of the cladding layer closer to the substrate, and is below the ridge stripe portion. The metal film is disposed at a position within half of the total thickness of the contact layer and the substrate thickness from the interface between the cladding layer and the contact layer toward the substrate,
The clad layer closer to the substrate has a lower refractive index than the substrate, and no contact layer exists between the substrate and the clad layer, and is below the ridge stripe portion, and the clad layer The metal film is disposed at a position within half of the substrate thickness from the interface between the substrate and the substrate toward the lower surface of the substrate,
Alternatively, below the ridge stripe portion and on or in the cladding layer closer to the substrate, at a position of 0.5 μm or more from the lower surface of the active layer toward the substrate, The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein a metal film is disposed.
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、該活性層の下面または上面から2μm以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該ストライプ状電極の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている請求項1または2に記載の窒化物半導体レーザ素子。The metal film constituting the light absorption mask is made of a metal on which a nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, the semiconductor multilayer structure has an active layer, and stripes are formed on the surface of the semiconductor multilayer structure opposite to the substrate. And a portion of the active layer that is not covered with the mask under the stripe electrode, the metal film being disposed at a position within 2 μm from the lower or upper surface of the active layer. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor laser device is disposed. 前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、該活性層の下面または上面から2μm以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該リッジストライプ部の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている請求項1または2に記載の窒化物半導体レーザ素子。The metal film constituting the light absorption mask is made of a metal on which a nitride semiconductor is not directly epitaxially grown, and the semiconductor multilayer structure has an active layer sandwiched between a pair of cladding layers and both cladding layers, and the active layer A ridge stripe portion is provided above the active layer, the metal film is disposed within 2 μm from the lower or upper surface of the active layer, and a mask including the metal film is covered with the mask below the ridge stripe portion. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor laser device is arranged to have a portion that is not formed. 前記マスクの間隔が1μm以上、15μm以下である請求項2に記載の窒化物半導体レーザ素子。  The nitride semiconductor laser element according to claim 2, wherein a distance between the masks is 1 μm or more and 15 μm or less. 前記光吸収マスクを構成する金属膜の厚みが0.01μm以上であり、該金属膜を含むマスク全体の厚みが2μm以下である請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。8. The nitride semiconductor laser according to claim 1, wherein a thickness of the metal film constituting the light absorption mask is 0.01 μm or more, and a thickness of the entire mask including the metal film is 2 μm or less. element. 前記光吸収マスクを構成する金属膜が、W、Ti、Mo、Ni、Al、Pt、Pd、Auおよびそれらの合金のうちの少なくとも1種類を含む金属材料、或いはそれらの金属および合金のうちの少なくとも1種類を含む複数層で構成された複合膜からなる請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。The metal film constituting the light absorption mask is a metal material containing at least one of W, Ti, Mo, Ni, Al, Pt, Pd, Au, and alloys thereof, or of those metals and alloys 9. The nitride semiconductor laser element according to claim 1, comprising a composite film composed of a plurality of layers including at least one kind. 前記光吸収マスクを構成する金属膜の直上が絶縁膜で被覆されている請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 9, wherein the metal film constituting the light absorption mask is covered with an insulating film. 前記絶縁膜がSiOまたはSiNからなる請求項10に記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride semiconductor laser element according to claim 10, wherein the insulating film is made of SiO 2 or SiN x . 前記光吸収マスクを構成する金属膜が、その下層の窒化物半導体層に対して〈1−100〉方向のストライプ状に設けられている請求項1乃至請求項11のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。The nitride according to any one of claims 1 to 11, wherein the metal film constituting the light absorption mask is provided in a stripe shape in the <1-100> direction with respect to the underlying nitride semiconductor layer. Semiconductor laser element. 前記光吸収マスクが、その上層の窒化物半導体層によって平坦に被覆されず、窪み部を有する請求項1乃至請求項7、請求項9乃至請求項12のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。The light-absorbing mask is not flat covered by the nitride semiconductor layer of the upper layer, according to claim 1 to claim 7 having a recess, a nitride semiconductor laser according to any one of claims 9 to 12 element. 請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子を製造する方法であって、前記光吸収マスクを窒化物半導体層で被覆する際に、全キャリアガスに対して10%以上の窒素キャリアガスを用いる窒化物半導体レーザ素子の製造方法。  13. The method for manufacturing the nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the light absorption mask is covered with a nitride semiconductor layer at a rate of 10% or more with respect to the total carrier gas. For producing a nitride semiconductor laser device using a nitrogen carrier gas.
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