JP4646095B2

JP4646095B2 - Semiconductor light emitting device, manufacturing method thereof, and optical information recording / reproducing device

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Publication number: JP4646095B2
Application number: JP2001121824A
Authority: JP
Inventors: 智輝大野; 茂稔伊藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2011-03-09
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスクの情報記録、再生等に使用され、水平横モードが安定であるとともに、低雑音化のための自励発振特性を有する半導体発光装置およびその製造方法ならびに光学式情報記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクにおける記憶容量の増加にともなって、光ディスク用光源としては、集光径が小さくでき、より一層情報を高密度にて記録することができる４００ｎｍ前後の波長の光源が必要とされている。また、光ディスクシステムでは、コスト削減のために、レンズ、ディスク等に対して、安価なプラスチック系の材料の使用が検討されている。しかしながら、このようなプラスチック系の材料は、光の吸収端が最大で３９０ｎｍ程度の波長であるために、光ディスク用光源としては、更なる短波長化を行う必要がある。このために光源としての材料を検討する必要があり、量産化に対応することが容易ではない。このような光ディスクシステムの光源には、従来より半導体レーザが使用されており、４００ｎｍ前後の波長を有する半導体レーザの代表的な材料としては、窒化ガリウム化合物半導体がある。
【０００３】
窒化物半導体レーザは、光ディスクシステム等に使用される場合に、光ディスク等の反射点からの戻り光雑音を減少させるため、自励発振特性を備えた構造が用いられている。
【０００４】
特開平１０−２９４５３２号公報には、このような窒化物半導体レーザが開示されており、図４は、その窒化物半導体レーザの代表的な構造を示す断面図である。この公報には、ＩｎＧａＮを含む活性層の隣接領域において、非発光領域であるＩｎの島状領域を、光の吸収量が飽和する可飽和吸収特性を有する領域（以下、可飽和吸収領域とする）として用いることによって、自励発振機能が得られ、戻り光雑音の低減した半導体レーザが開示されている。
【０００５】
図４に示すように、この半導体レーザは、サファイヤ基板７０上に、ｎ型ＧａＮバッファー層７１、ｎ型ＧａＮコンタクト層７２が形成されており、ｎ型ＧａＮコンタクト層７２の所定の領域上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層７３、Ｉｎの島状領域を有するｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸隣接層７４、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層７５、ｐ型ＧａＮ隣接層７６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７７が順番に積層されている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７７上の中央部には、レーザ共振器を構成するストライプ状導波路領域７８ａが設けられており、ストライプ状導波路領域７８ａの外側には、導波路以外に電流を注入させないｎ型ＧａＮ通電障壁層７９が形成されている。ストライプ状導波路領域７８ａの部分およびｎ型ＧａＮ通電障壁層７９の上には、ｐ型ＧａＮコンタクト層７８が形成されている。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層７８上には、ｐ側電極８０が設けられており、また、ｎ型ＧａＮコンタクト層７２上の前述の所定の領域以外の部分に、ｎ側電極８１が形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−２９４５３２号公報に開示された窒化物半導体レーザは、活性層の隣接領域において、非発光領域であるＩｎの島状領域８２を、可飽和吸収領域としてに用いているために、光吸収を生じるＩｎの島状領域８２が良好な吸収特性を保持するようにプロセス制御しながら素子を形成する事が容易ではなく、この結果、良好な自励発振特性を得るためのプロセス制御が難しくなるおそれがある。
【０００７】
また、このようなＩｎの島状領域８２を、積極的に可飽和吸収特性を持たせるように形成することなく、ストライプ状導波路の外側の電流が注入されない領域（通電障壁層）の下部に形成されている活性層の領域を可飽和吸収領域として用いることによって、自励発振動作が可能となる低雑音半導体レーザの技術が知られている。この場合、低雑音半導体レーザの自励発振を有効に持続させるためには、電流注入領域の活性層のキャリア寿命に対して、電流注入領域以外の活性層のキャリア寿命を短くする必要がある。しかし、窒化物半導体では、キャリアの拡散係数が小さいために、可飽和吸収領域において光吸収によって生成されたキャリアが拡散しにくく、見かけ上のキャリアの寿命を短くすることも容易ではない。
【０００８】
さらに、従来の半導体レーザにおいては、高出力動作時に十分に水平横モードを安定させる事が難しく、光出力の変動である雑音が生じるおそれがある。
【０００９】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、電流注入領域以外の活性層のキャリア寿命を短くし、高出力動作時でも水平横モードが安定した自励発振特性が得られる半導体発光装置およびその製造方法ならびに光学式情報記録再生装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置は、レーザ光の自励発振を行う半導体発光装置であって、半導体基板と、該半導体基板上に複数の窒化物半導体層を積層してなる積層構造と、該積層構造内に、レーザ発振を行う共振器を構成するストライプ状導波路が形成されるよう、該複数の窒化物半導体層のうちの活性層に供給する電流を狭窄する電流狭窄構造とを備え、該積層構造は、該活性層における電流が注入される、該ストライプ状導波路を構成する電流注入領域での欠陥密度に比べて、該ストライプ状導波路の両側に位置する、該活性層の電流注入領域以外の可飽和吸収領域での欠陥密度が大きくなるよう、該複数の窒化物半導体層を成長させたものであることを特徴とする。
【００１１】
前記半導体基板は、その表面に、前記ストライプ状導波路と平行な凹状溝を、該凹状溝の中央部と該凹状溝の一端側部との間に該ストライプ状導波路が位置するよう形成したものであり、前記積層構造は、該半導体基板上での窒化物半導体層の形成が、前記凹状溝の両側面からの横方向の成長により行われて、欠陥が前記可飽和吸収領域に集中したものである。
【００１２】
本発明の半導体発光装置は、前記半導体基板は、その表面に選択的に、該半導体基板上での前記窒化物半導体層の成長を抑制する成長抑制膜、あるいは該半導体基板上での該窒化物半導体層の成長を促進する成長促進膜を形成したものであり、前記積層構造は、該半導体基板上での窒化物半導体層の形成が、該成長抑制膜あるいは該成長促進膜により選択的に抑制あるいは促進されて、前記欠陥が前記可飽和吸収領域に集中したものであることを特徴とする。
【００１３】
前記欠陥密度の高い可飽和吸収領域での欠陥密度は、前記ストライプ状導波路を構成する電流注入領域での欠陥密度の１０倍以上である。
【００１４】
前記欠陥密度の高い可飽和吸収領域での欠陥密度は、１０⁸／ｃｍ²以上である。
【００１５】
前記欠陥密度の高い可飽和吸収領域と、前記ストライプ状導波路を構成する電流注入領域との間隔が０．５μｍ〜４μｍになっている。
【００１７】
前記ストライプ状導波路のストライプ幅が０．５μｍ〜８μｍである。
【００１９】
本発明の半導体発光装置の製造方法は、上述した本発明の半導体発光装置を製造する方法であって、前記半導体基板である第１の導電型の窒化物半導体基板上に凹状溝を形成する工程と、該第１の導電型の窒化物半導体基板上に、該凹状溝が埋め込まれるよう第１の成長温度により第１の導電型の窒化物半導体層を形成する工程と、該第１の導電型の窒化物半導体層上に、該第１の成長温度と異なる第２の成長温度により第１の導電型の窒化物半導体クラック防止層、該第１の成長温度により第１の導電型の窒化物半導体クラッド層、第１の導電型の窒化物半導体ガイド層を順番に形成する工程と、該第１の導電型の窒化物半導体ガイド層上に、該第２の成長温度と異なる第３の成長温度により前記活性層として第１の導電型の窒化物半導体活性層を形成する工程と、該第１の導電型の窒化物半導体活性層上に、該第１の成長温度により第２の導電型の窒化物半導体バリア層、第２の導電型の窒化物半導体ガイド層、第２の導電型の窒化物半導体クラッド層、第２の導電型の窒化物半導体コンタクト層を順番に形成する工程と、該第２の導電型の窒化物コンタクト層及び該第２の導電型の窒化物半導体クラッド層をドライエッチング処理により該第２の導電型の窒化物半導体ガイド層に達しないようエッチングして、前記ストライプ状導波路と規定するリッジ構造を形成する工程と、を包含することを特徴とする。
【００２０】
本発明の光学式情報記録再生装置は、上述した本発明の半導体発光装置が光源として用いられていることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
半導体レーザの自励発振は、半導体レーザに注入されたキャリアによって反転分布が生じている活性層（利得領域）と可飽和吸収特性を備えた領域である可飽和吸収領域とにおけるキャリアおよび光子の相互作用によって生じる。可飽和吸収領域に要求される特性は、第１に実質的なバンドギャップが活性層（利得領域）のバンドギャップと同じか、あるいは、わずかに狭いことであり、可飽和吸収領域に要求される第２の特性は、有効に自励発振を起こさせるために、可飽和吸収領域のキャリアの寿命が活性層のキャリアの寿命より短いこと、光の吸収が飽和しやすいこと等である。
【００２２】
窒化物半導体レーザでは、可飽和吸収領域に要求される第２の特性である可飽和吸収領域内でのキャリアの寿命特性が特に重要である。窒化物系半導体のキャリアの寿命は、最小で数ｎｓと短いことが知られており、活性層と可飽和吸収領域とのキャリアの寿命に明確な差を付けるためには、可飽和吸収層に不純物元素（例えば、Ｍｇ等）を高濃度で添加（ドーピング）すること、また可飽和吸収領域における光吸収領域から光吸収領域外へのキャリアの拡散を促進して効率的にキャリアを再結合させて、見かけ上のキャリア寿命を短くすること等が考えられる。
【００２３】
しかし、従来の窒化物半導体レーザにおいて、活性層の電流注入領域（ストライプ状導波路に対応した発振領域）を利得領域、活性層の電流注入領域以外を可飽和吸収特性を有する可飽和吸収領域とする場合には、利得領域および可飽和吸収領域の両方の領域において不純物元素の添加（ドープ）量に明確な差を付けることが容易ではない。また、光吸収によって可飽和吸収領域に生成されたキャリアの寿命を見かけ上、短くするには、生成されたキャリアが数ｎｓのオーダーで光吸収領域外に拡散するような大きな拡散係数を有する可飽和吸収領域の材料特性が必要であるが、ＩｎＧａＮ等により形成された可飽和吸収領域では、一般に、拡散係数が小さいために可飽和吸収領域に生成されたキャリアを十分に拡散させることによってキャリアを再結合させ、キャリアの寿命を短くする効果が得られにくい。
【００２４】
本発明では、この点について、検討を重ねた結果、ＧａＮ基板に段差を形成するプロセスを用いることによって、半導体レーザの利得領域および可飽和吸収領域が形成される領域に、周期的に、欠陥密度の高い領域と欠陥密度の低い領域とを形成し、欠陥密度の低い領域に利得領域である電流注入領域（ストライプ状導波路に対応した発振領域）を配置し、利得領域である電流注入領域に近接するように、欠陥密度の高い領域に可飽和吸収特性を有する可飽和吸収領域を配置することにより、無輻射遷移による速やかなキャリアの再結合が可能となる。この結果、半導体レーザの形成領域では、利得領域である電流注入領域（ストライプ状導波路に対応した発振領域）の外側の欠陥密度の高い領域である可飽和吸収領域における実効的なキャリアの寿命が短くなるとともに、利得領域において自励発振が持続されやすくなり、高出力まで自励発振が可能な窒化物半導体レーザが得られる。
【００２５】
また、欠陥密度の低い利得領域である電流注入領域（ストライプ状導波路に対応した発振領域）の近傍に、このように、電流注入領域（ストライプ状導波路に対応した発振領域）に比べて、欠陥密度が高く、キャリアの寿命が短い可飽和吸収特性を有する領域を配置することによって、半導体レーザの動作時にこの欠陥密度の高い可飽和吸収領域における光の吸収を充分に保つことができる。この結果、窒化物系半導体レーザにおいては、欠陥密度の低い利得領域である電流注入領域（ストライプ状導波路に対応した発振領域）と欠陥密度の高い可飽和吸収領域との欠陥密度の差を所定の値にすることにより、窒化物系半導体レーザの動作時において、欠陥密度の低い利得領域である電流注入領域（ストライプ状導波路に対応した発振領域）における利得と欠陥密度の高い可飽和吸収領域における吸収との差を明確に付けることが出来る様になり、高出力まで水平横モードが安定するようになる。
【００２６】
本発明は、このような知見に基づくものである。
【００２７】
ＧａＮ基板の表面に段差を形成する溝をつけた窒化物半導体レーザにおいて、ＧａＮ基板の表面上には、段差の凸領域であるランド、段差の凹領域であるグルーブが周期的に交互に形成されている。所定の条件により、これらのランドの幅、グルーブの幅、グルーブの深さ、および、段差構造を有するＧａＮ基板上に形成される再成長層の厚みを規定すると、その段差構造に応じて、再成長層には欠陥密度の高い領域と欠陥密度の低い領域とが存在することが確認できた。この再成長層のエッチピット観察およびＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察によって、欠陥密度の高い領域がグルーブ上面の中央部分、および、ランド上面に形成されることも確認できた。このことは、再成長層は、段差が形成されたＧａＮ基板からの再成長時に、ランドの側面からの成長がグルーブの上面からの成長より優位に選択され、その結果、グルーブ上において、貫通転位等の欠陥がグルーブ上の中央部分に集束され、グルーブ上の中央部分以外の領域で貫通転位等の欠陥が少なくなると考えられる。
【００２８】
また、再成長層の厚みが薄い場合には、ランドの上面またはグルーブの中央部分が再成長層で完全に埋まりきらず段差の溝が残ることもあるために、段差が形成される条件を変えて、種々の欠陥密度をもつ領域を形成し、窒化物半導体レーザの自励発振特性の変化、高出力動作時における水平横モードの安定性について調査した。
【００２９】
欠陥密度の低い領域は、結晶性が良好であり、この領域にリッジ構造のストライプ状導波路（利得領域である電流注入領域）を形成すると、注入されたキャリアは、効果的に輻射再結合され、注入電流の増加の割合に対する光強度の増加の割合であるスロープ効率の高い窒化物半導体レーザが得られた。また、欠陥密度の高い領域では、無輻射再結合の割合および欠陥に起因する低エネルギー準位への緩和の割合が増加し、利得領域である電流注入領域以外の活性層における光吸収によって生成されたキャリアの再結合が促進される。その結果、欠陥密度の高い領域である可飽和吸収領域のキャリアの寿命が短くなり、窒化物半導体レーザにおける自励発振の持続、高出力における水平横モードの安定化に効果的である。
【００３０】
前述のように、自励発振特性を有する窒化物半導体レーザに要求される基板としては、最適には欠陥密度の高い部分と欠陥密度の低い部分との欠陥密度の差が大きい方が良く、またその境界では欠陥密度の差が急峻に変化する方がよい。
【００３１】
本発明では、このような点について、ＧａＮ基板に段差を形成する条件の検討を行ったところ、グルーブ幅は４μｍ〜３０μｍ、グルーブの深さは０.１μｍ〜５μｍ、再成長層は１μｍ〜１０μｍであれば、自励発振特性を有する窒化物半導体レーザに有効であるという確認が得られた。ここで、グルーブの深さをＡ、グルーブ上の再成長層の厚みをＢとすると、２０Ａ≧Ｂ≧２Ａであれば前述の効果が得られる。このような段差構造を有するＧａＮ基板の表面を観察した結果、欠陥密度の高い領域、および、欠陥密度の低い領域が、それぞれＧａＮ基板上のグルーブの上面の中央部、および、ランドの上面に生じていた。ＧａＮ基板上にランドおよびグルーブを周期的に配置する場合には、ランド幅を３μｍ〜２０μｍ程度に設定すれば良い。この時、グルーブは、ストライプ状導波路に対向するように、ＧａＮ基板表面上に形成すればよい。また、欠陥密度の高い領域は、リッジ構造のストライプ状導波路（利得領域である電流注入領域）に対して左右対称に配置されることによって、水平横モードにおける光分布が対象になり好ましい。この結果、グルーブ幅は１０μｍ〜２０μｍであればよい。また、欠陥密度の高い領域の欠陥密度は、欠陥密度の低い領域の欠陥密度の１０倍以上であり、欠陥密度の高い領域の欠陥密度は、１０⁸ｃｍ^-2以上であればよい。
【００３２】
次に、利得領域である電流注入領域（ストライプ状導波路に対応した発振領域）の配置は、自励発振特性の制御、および、水平横モードの安定化のための可飽和吸収領域における光の吸収量の制御が必要であるために、活性層の厚み、可飽和吸収領域からリッジ構造のストライプ状導波路の端部までの距離、ストライプ幅（リッジ構造の上部と下部の平均の幅）等の設計が必要となる。ストライプ幅は、０．５μｍ〜８μｍにおいて良好な結果が得られ、欠陥密度の高い可飽和吸収領域からリッジ構造のストライプ状導波路の端部までの距離は、０.５μｍ〜４μｍにおいて良好な結果が得られた。ストライプ幅が０．５μｍ未満になると、利得領域における水平横モードの光分布が小さくなり、半導体レーザとして十分な利得が得られない。ストライプ幅を拡げていくと、可飽和吸収領域に相当する利得領域以外の活性層における光分布を適切な範囲に設定でき、キャリアの寿命を短くする効果が得られやすいが、ストライプ幅が８μｍを越えると、レーザ発振開始点となる閾値電流が高くなり、半導体レーザとして長寿命が得られない。
【００３３】
また、欠陥密度の高い領域は、利得領域である電流注入領域以外の活性層において生成されたキャリアの寿命を、無輻射再結合および欠陥に起因する低エネルギー準位への緩和によって短くするために、レーザー発振状態における水平横モードの光分布の裾に配置されるか、または、利得領域である電流注入領域の活性層のキャリアの寿命（数ｎｓ〜）よりも短い時間で、生成されたキャリアが拡散できる距離内に配置する必要がある。欠陥密度の高い可飽和吸収領域からリッジ構造のストライプ状導波路の端部までの距離が０.５μｍ未満である場合には、ストライプ状状導波路の電流注入領域（発振領域）内が欠陥密度の高い領域に覆われ、レーザー発振開始点となる閾値電流が著しく上昇し、室温において連続発振しないおそれがある。
【００３４】
また、欠陥密度の高い可飽和吸収領域からリッジ構造のストライプ状導波路の端部までの距離が４μｍを越えると、半導体レーザとしての自励発振特性が得られず、同様に、高出力時における水平横モードの光分布の安定性も得られない。このことは、レーザ発振状態における水平横モードの光分布の裾から欠陥密度の高い領域である可飽和吸収領域までが離れすぎているために、光吸収によって生成されたキャリアが欠陥密度の高い可飽和吸収領域まで短時間に拡散できず、無輻射再結合等の効果が得られないためである。
【００３５】
活性層は、多重量子井戸構造を有することが好ましく、活性層の厚みは、量子井戸層とバリア層との和として、５ｎｍ〜２００ｎｍであれば、窒化物半導体レーザにおいて自励発振特性が得られる。活性層の厚みが厚い場合には、垂直方向の光閉じ込め係数Γと活性層の厚みｄとの比Γ／ｄを一定にすると、一定の光出力では活性層の厚みの薄い場合よりも光吸収量が大きくなる。また、この場合、利得領域である電流注入領域の活性層内のキャリア密度も少なくなるために、キャリアの寿命も長くなり、窒化物半導体レーザにおいて自励発振が起こりやすくなる。しかし、活性層の厚みが厚くなりすぎると、利得領域である電流注入領域にて利得が得られにくいためにレーザ発振開始点となる閾値電流が高くなり、注入電力が大きくなった結果、活性層の厚みが２００ｎｍを越えると、連続発振させても短時間で発振停止してしまう。
【００３６】
このように、本発明では、ＧａＮ基板の表面に段差を形成する溝を付けることによって、幅広い光出力において水平横モードが安定した自励発振を伴い、戻り光によって誘起される雑音を低減する構造を有する窒化物半導体レーザが得られた。
【００３７】
図１は、本発明の第１の実施形態の半導体発光装置である窒化物半導体レーザの横断面図である。
【００３８】
表面に段差を形成する溝が付けられているｎ型ＧａＮ基板１１上には、ｎ型ＧａＮ再成長層２３、ｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮガイド層１５、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮバリア層１７、ｐ型ＧａＮガイド層１８が順番に積層されている。ｐ型ＧａＮガイド層１８には、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９が積層され、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９は、ストライプ方向と直交する幅方向の中央部が突出したリッジ構造になっており、その突出部上に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０が積層されている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９上、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０の側面には、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０の上面を除いて、絶縁膜２１が設けられており、絶縁膜２１およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０の上面にｐ型電極２２が設けられている。また、ｎ型ＧａＮ基板１１側には、ｎ型電極１０が形成されている。
【００３９】
このように、図１に示す本発明の第１の実施形態である窒化物半導体レーザは、リッジ構造を用いたストライプ状屈折率導波路を有している。
【００４０】
図２は、図１に示す窒化物半導体レーザの電流注入領域であるストライプ状導波路と可飽和吸収領域である高欠陥密度領域との位置関係を示した模式図である。図２において、領域Ａは、欠陥密度が低い電流注入領域であるストライプ状導波路を有する低欠陥密度領域、領域Ｂは、欠陥密度が高い可飽和吸収領域である高欠陥密度領域を示しており、Ｌは、ストライプ状導波路の端部から高欠陥密度領域の中心までの距離を示している。図２では、ストライプ幅は２μｍであり、Ｌは１μｍである。窒化物半導体レーザの共振器長は４５０μｍ、共振器の前面反射率は２０％、共振器の後面反射率は８５％である。また、リッジの深さは、水平方向の光閉じ込め係数が０．８８〜０．９７になるように調整している。
【００４１】
図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態である窒化物半導体レーザの製造方法を次に説明する。尚、以下に示すエピタキシャル成長法とは、基板上に結晶膜を成長する方法であり、ＶＰＥ（気相エピタキシャル）法、ＣＶＤ（化学気相デポジション）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）法、Ｈａｌｉｄｅ−ＶＰＥ（ハロゲン化学気相エピタキシャル）法、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル）法、ＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシャル）法、ＧＳＭＢＥ（ガス原料分子線エピタキシャル）法、ＣＢＥ（化学ビームエピタキシャル）法等を含んでいる。
【００４２】
まず、ｎ型ＧａＮ基板１１を形成する。ｎ型ＧａＮ基板１１は、５００μｍ程度の膜厚のＧａＮ単結晶膜上に、ピッチ間隔が２０μｍであり、ピッチ間隔内に深さ２．５μｍ、幅１５μｍ程度の溝（グルーブ）を設ける。
【００４３】
次に、窒化物半導体レーザの構成する各窒化ガリウム半導体層をｎ型ＧａＮ基板１１上にエピタキシャル成長法により積層する。この場合、まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）装置の炉内にｎ型ＧａＮ基板１１をセットし、Ｖ族原料のＮＨ₃とIII族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とを用いて、５５０℃の成長温度で低温ＧａＮバッファ層を成長させ、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、厚み２５ｎｍの低温ＧａＮバッファ層を形成する。この低温ＧａＮバッファ層上に、１０７５℃の成長温度に昇温して前述の２種類の原料にＳｉＨ₄を加えて、新たに厚み３．５μｍ程度のｎ型ＧａＮ再成長層２３をエピタキシャル成長法によって積層する。さらに、ｎ型ＧａＮ再成長層２３上に、厚み０．５μｍのｎ型ＧａＮ層１２（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸/ｃｍ³）を形成する。
【００４４】
続いて、成長温度を７００℃〜８００℃程度に降温して、III族原料であるＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）の供給を行いながら、ｎ型ＧａＮ層１２上に、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層を成長させ、厚み５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層１３を形成する。その後、再び成長温度を１０７５℃に昇温し、III族原料であるＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を用いて、ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層１３上に、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸/ｃｍ³）を成長させ、厚み０．９５μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４を形成し、さらに、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４上に、厚み０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層１５を形成する。
【００４５】
その後、成長温度を７３０℃に降温して、ｎ型ＧａＮガイド層１５上に、厚み４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層と、厚み６ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバリア層とを交互に形成して、４層のバリア層と３層の量子井戸層とが周期的に積層された多重量子井戸構造の活性層を成長させ、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層１６を形成する。尚、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層１６は、バリア層を積層後、量子井戸層を積層させるまでの間、または、量子井戸層を積層後、バリア層を積層させるまでの間において１秒〜１８０秒の結晶成長の中断を行っても良い。この操作によって、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層１６が有する各層の平坦性が向上し発光半値幅が減少する。
【００４６】
次に、成長温度を再び１０５０℃まで昇温して、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層１６上に、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を成長させ、厚み１８ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮバリア層１７を形成し、さらに、ｐ型ＡｌＧａＮバリア層１７上に、膜厚０．１μｍのｐ型ＧａＮガイド層１８を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮバリア層１７およびｐ型ＧａＮガイド層１８には、ｐ型不純物元素としてＭｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加する。続いて、ｐ型ＧａＮガイド層１８上に、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を成長させ、厚み０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９を形成し、さらに、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９上に、厚み０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２０を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０には、ｐ型不純物元素としてＭｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加する。前述したように、窒化物半導体レーザの各層を構成する元素の各原料には、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＴＭＩｎ、ＮＨ３等を用いており、また、各層に添加する不純物元素（ドーパント）の各原料には、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、ＳｉＨ₄等を用いている。
【００４７】
このようにして形成された窒化物半導体レーザのウエハーを観察すると、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、形成された各層は、前述したように、ｎ型ＧａＮ基板１１上の溝を有する段差構造に対応して、欠陥密度の高い領域と欠陥密度の非常に低い領域とが周期的に繰り返す構造となっており、段差状に形成されているｎ型ＧａＮ再成長層２３からの横方向の選択成長によるものと考えられる。貫通転移等による欠陥は、ｎ型ＧａＮ基板１１上のグルーブ（溝）の中央部分およびランド上面に沿って、多く発生しており、グルーブに平行に幅０．１μｍ程度の範囲に区切って欠陥密度を評価したところ、グルーブの中央部分が、欠陥密度１０¹⁰ｃｍ²以上の欠陥密度の極めて高い領域であり、グルーブの中央部分の両側の中央から各１μｍ程度以内の領域が、欠陥密度１０⁸ｃｍ²以上の高欠陥密度領域であり、同様に、ランド上面もまた、欠陥密度１０⁸ｃｍ²以上の高密度欠陥領域である。この結果に対し、グルーブ内の他の領域では、欠陥が非常に少ない（１０⁷ｃｍ²程度以下）高品質な結晶状態となっていた。
【００４８】
このような窒化物半導体レーザのウエハーに対して、さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０の形成後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０を、幅方向の中央部のみが残るようにドライエッチングによって除去し、グルーブ（溝）の中心から２μｍの位置にストライプ状導波路の端部が配置されるようにリッジ構造を形成する。この結果、ストライプ状導波路の端部とグルーブの中央近傍の高欠陥密度領域との距離Ｌは、１μｍとなる。その後、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０の上面のみが露出するように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０を絶縁膜２２によって被覆する。さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０の露出した上面と絶縁膜２１上面とにわたってｐ型電極（Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ）２２を形成する。ｐ型電極２２は、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０の上面と電気的に導通している。
【００４９】
その後、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面側を研磨またはエッチングすることにより、ｎ型ＧａＮ基板１１の一部を除去しウエハーの厚みを１００〜１５０μｍ程度までに薄く調整する。この操作は、後工程でウエハーを分割し個々の半導体レーザチップにすることを容易にするための操作である。特に、レーザ端面のミラーを分割時に形成する場合には、８０〜１２０μｍ程度に薄く調整することが望ましい。本発明の第１の実施形態では、研削機および研磨機を用いてウエハーの厚みを１００μｍに調整したが、研磨機のみで調整してもよい。ウエハーの裏面は、研磨機により研磨されているため平坦である。
【００５０】
ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面の研磨後、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面に薄い金属膜を蒸着し、Ｈｆ／Ａ１／Ｍｏ／Ａｕの積層構造を有するｎ型電極１０を形成する。このような薄い金属膜を、膜厚の制御を行いつつ形成する方法としては、真空蒸着法が適しており、本発明の第１の実施形態においてもこの方法を用いた。但し、ｎ型電極１０を形成する方法は、イオンプレーティング法、スパッタ法等の他の方法を用いても良い。ｐ型電極２３およびｎ型電極１０は、導通良好なオーミック電極を形成するため、それぞれ金属膜形成後５００℃の温度によりアニール処理される。
【００５１】
このようにして製造された半導体素子は、次の方法によって分割される。まず、ウエハーの表面からダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れ、ウエハーに、適宜、力を加えて、スクライブラインに沿ってウエハーを分割する。尚、スクライブラインは、ウエハーの裏面から入れてもよい。ウエハーを分割する他の方法としては、ワイヤソーまたは薄板ブレードを用いて傷入れもしくは切断を行うダイシング法、エキシマレーザ等のレーザ光の照射加熱とその後の急冷により照射部にクラックを生じさせ、これをスクライブラインとするレーザスクライビング法、高エネルギー密度のレーザ光を照射し、この部分を蒸発させて溝入れ加工を行うレーザアブレーション法等も適用することができ、いずれの場合にも適切にウエハーを分割することができる。
【００５２】
さらに、本発明の第１の実施形態である窒化物半導体レーザでは、半導体レーザ素子の２つの端面において、一方の端面に１０％程度の反射率を有する反射膜を形成し、他方の端面に８０％程度の反射率を有する反射膜を形成し、非対称コーティングをする。
【００５３】
次に、ダイボンディング法により、窒化物半導体レーザチップをステム等のヒートシンク上にマウントし窒化物半導体レーサ装置が得られる。窒化物半導体レーザチップは、ｎ型電極１０をヒートシンクと接合させるジャンクアップによって強固に接着した。ここで、ヒートシンクは、ステム、Ｓｉサブマウント、Ｃｕサブマウント等のことであり、Ｓｉサブマウントには受光素子などが形成されていてもよい。
【００５４】
このようにして製造された窒化物半導体レーザの諸特性を調べたところ、次の結果が得られた。窒化物半導体レーザの共振器長は、４５０μｍであり、ストライプ幅は、２μｍである。この窒化物半導体レーザは、室温２５℃において、レーザ発振開始点となる閾値電流３２ｍＡで連続発振を行ったところ、その時の発振波長は４０５±５ｎｍであった。また、光出力が２ｍＷから２１ｍＷの範囲において自励発振が得られた。さらに、光出力を増加させた場合に、レーザ発振水平横モードの不安定になるレベルを示すキンクを調べると、キンク発生光出力は７０ｍＷ以上となり、この窒化物半導体レーザは、光出力が２ｍＷから２１ｍＷの範囲において自励発振動作であることが確認できた。
【００５５】
次に、本発明の第１の実施形態である窒化物半導体レーザにおいて、リッジ構造を有するストライプ状導波路を形成する位置を変化させて、自励発振を生じる光出力範囲を確認した結果を表１に示す。窒化物半導体レーザのウエハーであるｎ型ＧａＮ基板１１において、前述のストライプ状導波路を形成する位置を変化させると、ストライプ状導波路の端部から高欠陥密度領域の中心までの距離Ｌが５μｍでは、ｎ型ＧａＮ基板１１上に段差を形成するグルーブ（溝）構造を設けない場合（Ｌ＝∞）と同じであり、第１の実施形態の窒化物半導体レーザと比較すると、自励発振は、光出力が３〜６ｍＷの範囲と狭くなり、キンク発生出力も３０ｍＷ以上となり低下する。
【００５６】
Ｌが４μｍでは、自励発振は、光出力が２〜１５ｍＷの範囲となり、キンク発生出力は、５０ｍＷ以上となり、ｎ型ＧａＮ基板１１上に段差を形成するグルーブ（溝）構造を設けた効果が得られる。Ｌが０．５μｍでは、自励発振は、光出力が１〜２６ｍＷの範囲となり、キンク発生出力は、７０ｍＷ以上となり、ｎ型ＧａＮ基板１１上に段差を形成するグルーブ（溝）構造を設けた効果が顕著に現れる。
【００５７】
さらに、Ｌが０．５μｍよりも小さいＬ＝０．３μｍでは、連続発振が見られなくなった。このことは、ストライプ状導波路を部分的に高欠陥密度領域が覆う状態になるために、ストライプ状導波路に注入されたキャリアが拡散によって、高欠陥密度領域に多数到達し、無輻射再結合により消費されるため、利得の低下によると考えられる。
【００５８】
このことより、窒化物半導体レーザの自励発振特性に、欠陥の存在が影響するのは、キャリアが拡散により欠陥に到達する距離が０．５μｍ程度であることから欠陥同士の間の平均距離が１μｍ以下のオーダと考えられるため、キャリアの再結合が促進される高欠陥密度領域の欠陥密度は、欠陥が１μｍ平方に１個（１／μｍ²＝１０⁸／ｃｍ²）以上であれば良い。
【００５９】
また、この高欠陥密度領域と、ストライプ状導波路の領域とにおけるキャリアの再結合に明確な差を付けることによって、自励発振が生じる光出力の範囲を拡大するためには、ストライプ状導波路の領域での欠陥密度が、高欠陥密度領域の欠陥密度よりも１桁以上低い必要がある。実際に、第１の実施形態の窒化物半導体レーザの製造工程において、ｎ型ＧａＮ基板１１上のグルーブ上面に形成されるｎ型再成長層２３の厚みを厚くすると、高欠陥密度領域の欠陥密度と低欠陥密度領域であるストライプ状導波路の欠陥密度との差が小さくなる。このように、ｎ型再成長層２３の厚みを厚くして、ストライプ状導波路の領域の欠陥密度が３×１０⁷／ｃｍ²程度の素子を作製したところ、自励発振可能な光出力の範囲は３〜７ｍＷであり、キンク発生光出力は２０ｍＷ以上であり、ｎ型ＧａＮ基板１１上にグルーブ（溝）構造を設けない場合（Ｌ＝∞）と差異がないことが確認できた。
【００６０】
【表１】

この結果、本発明の第１の実施形態である窒化物半導体レーザは、可飽和吸収領域となる高欠陥密度領域の欠陥密度が、ストライプ状導波路が形成される低欠陥密度領域における欠陥密度の１０倍以上であり、高欠陥密度領域の欠陥密度が１０⁸／ｃｍ²以上にすることによって、自励発振可能な光出力の範囲を拡大する効果が得られた。このように、本発明の窒化物半導体レーザは、光出力が高出力の範囲まで低雑音で動作可能となり、例えば、光ディスクのシステム用光源に用いれば、システム応用上、非常に有用となる。
【００６１】
また、表１に示すように、本発明の窒化物半導体レーザは、自励発振可能な光出力の範囲に対応して、高出力までキンクが発生しなかった。これは、ストライプ状導波路の端部より前述した所定の距離Ｌだけ隔てて、可飽和吸収領域となる高欠陥密度領域が配置されることによって、光分布が基本次モードよりも広がっている高次モードに対する発振の効率が、基本次モードに対する発振の効率よりも相対的に大きく低下し、高次モードの出現が抑制されるためである。このような高出力動作時における水平横モードが安定な窒化物半導体レーザは、光ディスクシステム用光源に用いた場合、特に、高出力動作時に懸念される水平横モードの不安定さに起因する雑音（動作の不安定さ）が抑制され、非常に有用である。
【００６２】
次に、本発明の第２の実施形態の窒化物半導体レーザについて説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態の窒化物半導体レーザのｎ型ＩｎＧａＮ活性層１６の量子井戸層を、発振波長が３６０〜５５０ｎｍのＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＰ、ＩｎＧａＮＡｓ等によって形成した。その他の構成は、図１に示す第１の実施形態の窒化物半導体レーザと同様である。第２の実施形態の窒化物半導体レーザについても第１の実施形態の窒化物半導体レーザと同様に水平横モードの安定化および自励発振可能な光出力の範囲の拡大が得られた。
【００６３】
第１の実施形態の窒化物半導体レーザおよび第２の実施形態の窒化物半導体レーザにおいては、リッジ構造を有するストライプ状導波路に対して一方の側のグルーブ上面の高欠陥密度領域との位置関係について説明したが、他方の側であるランド上面の高欠陥密度領域も、ストライプ状導波路から前述した同じ距離に配置されることによって、ストライプ状導波路を中心にして左右対象となり、より好ましい構成の窒化物半導体レーザが得られる。
【００６４】
尚、欠陥密度の高い領域および欠陥密度の低い領域を形成する方法について、本発明では、ｎ型ＧａＮ基板１１上に段差を形成するグルーブ（溝）を設け、その上にｎ型ＧａＮ再成長層２３を形成する方法を用いたが、この方法に限る必要はなく、グルーブ（溝）に代えて、ＳｉＯ₂、Ｗ等の成長抑制膜またはＡｌＮ等の成長促進膜をストライプ上に配置するように、ｎ型ＧａＮ基板１１等の基板上に再成長する方法でもよい。また、基板材料においてもＧａＮに限定される必要はなく、サファイア、ＳｉＣ、シリコン等の他の窒化物半導体用基板として用いられている基板材料を用いても良い。
【００６５】
次に、本発明の窒化物半導体レーザを光ディスクのシステム用光源に用いた場合の戻り光に対する雑音特性を調べた。図３は、本発明の窒化物半導体レーザを用いた光学式情報記録再生装置を示す概念図である。光学式情報記録再生装置は、基台１２１、基台１２１上に設置された窒化物半導体レーザ１２２、コリメータレンズ１２３、分岐素子１２４、対物レンズ１２５、反射光を集光する為のレンズ１２７、光検出器１２８等から構成されている。
【００６６】
光学式情報記録再生装置には、対物レンズ１２５の集光点位置に、光情報記録盤（光ディスク）１２６がセットされ、再生時に、窒化物半導体レーザ１２２から出射された光は、コリメータレンズ１２３、対物レンズ１２５によって、光情報記録盤１２６の情報記録面に集光される。光情報記録盤１２６の情報記録面には、凹凸、磁気変調、屈折率変調等の手段により情報が書きこまれている。光情報記録盤１２６の情報記録面に集光されたレーザ光は、そこで変調されてから反射され、対物レンズ１２５を通じて分岐素子１２４により光検出器１２８側に導かれ、光検出器１２８に入射される。光学的に検出された信号は、光検出器１２８により電気的信号に変換され、記録情報の読み取りが行われる。
【００６７】
また、記録時には、窒化物半導体レーザ１２２から出射した光がコリメータレンズ１２３、対物レンズ１２５によって、同様に、光情報記録盤１２６の情報記録面に集光され、レーザ光自体が情報に応じて変調され、これにより光情報記録盤１２６の情報記録面の屈折率もしくは磁界等が変調されることにより、情報が書きこまれるか、または、集光されたレーザ光の影響により部分的に光情報記録盤１２６の情報記録面が加熱され、これと同時に情報記録面に磁場を与えることで光情報記録盤１２６の情報記録面の磁界等を変調し、情報が書きこまれる。
【００６８】
本発明の窒化物半導体レーザを用いた光学式情報記録再生装置の雑音を以下の方法にて測定した。レーザ光は、連続的に発振させ、また、光情報記録盤１２６の情報記録面を微妙に振動させて相対雑音強度（ＲＩＮ：ＲｅｌａｔｉｖｅＩｎｔｅｎｓｉｔｙＮｏｉｓｅ）を評価した。連続発振しているレーザは、戻り光（光情報記録盤１２６の情報記録面からレーザに戻ってしまう光）との干渉により出力が不安定になることが知られており、低雑音特性を有するためには特定の周期で自励発振をすればよい。まず、光出力を５ｍＷの場合において、戻り光が０．１％〜１０％の時の雑音を調べたところ、ＲＩＮ＝−１３０[ｄＢ／Ｈｚ]以下であることが分かった。次に、光出力が高出力の場合の戻り光に対する雑音特性を調べるために、光出力を１５ｍＷ程度にしたところ、同様にＲＩＮ＝−１３５[ｄＢ／Ｈｚ]以下であり、低雑音特性を維持していた。この結果、本発明の窒化物半導体レーザは、安定した自励発振特性を有しており、光ディスクシステム用光源として適していることが確認できた。
【００６９】
本発明の窒化物半導体レーザと比較するために、表１の比較例の欄の半導体レーザを選択して、前述の光学式情報記録再生装置の光源に代えて搭載したところ、光出力が１５ｍＷの場合において、最大ＲＩＮ＝−１１０[ｄＢ／Ｈｚ]程度となり、このような光出力では、雑音が多く、光ディスクシステム等に使用することは、適していないことが判明できた。
【００７０】
さらに、書きこみ動作に対応するような高出力での動作についても調べた。戻り光が０．１％の時、本発明の窒化物半導体レーザは、光出力が４０ｍＷ以上まで安定した動作を示し、相対雑音強度も最大ＲＩＮ＝−１３０[ｄＢ／Ｈｚ]以下であったが、表１の比較例の欄の半導体レーザを選択して、前述の光学式情報記録再生装置の光源に代えて搭載したところ、キンク発生光出力の近傍において、相対雑音強度が最大ＲＩＮ＝−１００[ｄＢ／Ｈｚ]以上となってしまい、極めて不安定な動作を示した。
【００７１】
したがって、本発明の窒化物半導体レーザでは、低雑音のシステムを構築できるとともに、読み取り／書き込み動作不良の少ない光学式情報記録再生装置が実現できる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の半導体発光装置は、基板上に複数の半導体層が積層されて、ストライプ状導波路が設けられており、基板表面には、ストライプ状導波路に対向する領域に凹領域が形成されるように、一対の凸領域が形成されており、凹領域近傍に一方の凸領域が形成されていることによって、電流注入領域以外の活性層のキャリア寿命を短くし、高出力動作時でも水平横モードが安定である自励発振特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である半導体発光装置の横断面図である。
【図２】図１の半導体発光装置のストライプ状導波路と高欠陥密度領域との位置関係を示す模式図である。
【図３】本発明の半導体発光装置を用いた光学式情報記録再生装置の概略図である。
【図４】従来の半導体発光装置である窒化物半導体レーザの横断面図である。
【符号の説明】
１０Ｎ電極
１１ｎ型ＧａＮ基板
１２ｎ型ＧａＮ層
１３ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層
１４ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５ｎ型ＧａＮガイド層
１６ｎ型ＩｎＧａＮ活性層
１７ｐ型ＡｌＧａＮバリア層
１８ｐ型ＧａＮガイド層
１９ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２０ｐ型ＧａＮコンタクト層
２１絶縁膜
２２Ｐ電極
２３ｎ型ＧａＮ再成長層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device which is used for information recording, reproduction, etc. of an optical disc, has a stable horizontal transverse mode and has self-oscillation characteristics for noise reduction, a manufacturing method thereof, and an optical information recording / reproducing device About.
[0002]
[Prior art]
As the storage capacity of an optical disk increases, a light source with a wavelength of around 400 nm is required as a light source for an optical disk, which can reduce the light collection diameter and can record information at a higher density. In addition, in the optical disk system, use of an inexpensive plastic material is being studied for lenses, disks, and the like in order to reduce costs. However, since such a plastic material has a light absorption edge with a maximum wavelength of about 390 nm, it is necessary to further shorten the wavelength as a light source for optical disks. For this reason, it is necessary to study materials as a light source, and it is not easy to deal with mass production. As a light source of such an optical disk system, a semiconductor laser has been conventionally used, and a typical material of a semiconductor laser having a wavelength of about 400 nm is a gallium nitride compound semiconductor.
[0003]
When a nitride semiconductor laser is used in an optical disk system or the like, a structure having self-excited oscillation characteristics is used in order to reduce return light noise from a reflection point of the optical disk or the like.
[0004]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-294532 discloses such a nitride semiconductor laser, and FIG. 4 is a sectional view showing a typical structure of the nitride semiconductor laser. In this publication, in an adjacent region of an active layer containing InGaN, an island-like region of In, which is a non-light emitting region, is a region having a saturable absorption characteristic in which light absorption is saturated (hereinafter referred to as a saturable absorption region). ), A self-excited oscillation function is obtained, and a semiconductor laser with reduced return light noise is disclosed.
[0005]
As shown in FIG. 4, in this semiconductor laser, an n-type GaN buffer layer 71 and an n-type GaN contact layer 72 are formed on a sapphire substrate 70, and on a predetermined region of the n-type GaN contact layer 72, An n-type AlGaN cladding layer 73, an n-type InGaN / GaN multiple quantum well adjacent layer 74 having an In island region, an InGaN / GaN multiple quantum well active layer 75, a p-type GaN adjacent layer 76, and a p-type AlGaN cladding layer 77 They are stacked in order. A stripe-shaped waveguide region 78a constituting a laser resonator is provided in the central portion on the p-type AlGaN cladding layer 77, and no current is injected outside the stripe-shaped waveguide region 78a other than the waveguide. An n-type GaN conduction barrier layer 79 is formed. A p-type GaN contact layer 78 is formed on the striped waveguide region 78 a and the n-type GaN conduction barrier layer 79. A p-side electrode 80 is provided on the p-type GaN contact layer 78, and an n-side electrode 81 is formed on the n-type GaN contact layer 72 in a portion other than the predetermined region. Yes.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The nitride semiconductor laser disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-294532 uses an In island region 82 which is a non-light emitting region as a saturable absorption region in a region adjacent to an active layer. It is not easy to form an element while controlling the process so that the In island region 82 that generates absorption maintains good absorption characteristics. As a result, it is difficult to control the process to obtain good self-oscillation characteristics. There is a risk.
[0007]
Further, such an In island-like region 82 is not formed so as to positively have saturable absorption characteristics, and is formed below the region (current-carrying barrier layer) where current outside the stripe-shaped waveguide is not injected. A technique of a low-noise semiconductor laser that enables a self-oscillation operation by using the formed active layer region as a saturable absorption region is known. In this case, in order to effectively sustain the self-excited oscillation of the low-noise semiconductor laser, it is necessary to shorten the carrier lifetime of the active layer other than the current injection region relative to the carrier lifetime of the active layer in the current injection region. However, since a nitride semiconductor has a small carrier diffusion coefficient, carriers generated by light absorption in the saturable absorption region are difficult to diffuse, and it is not easy to shorten the apparent carrier lifetime.
[0008]
Further, in the conventional semiconductor laser, it is difficult to sufficiently stabilize the horizontal and transverse modes during high output operation, and noise, which is a fluctuation in optical output, may occur.
[0009]
The present invention solves such problems, and its purpose is to shorten the carrier life of the active layer other than the current injection region and to obtain a self-oscillation characteristic in which the horizontal transverse mode is stable even during high output operation. An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device, a manufacturing method thereof, and an optical information recording / reproducing device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor light emitting device of the present invention is A semiconductor light-emitting device that performs self-excited oscillation of laser light, the semiconductor substrate And the semiconductor substrate Multiple nitride semiconductor layers on top The Laminated And a resonator that performs laser oscillation is formed in the stacked structure. Striped waveguide is formed And a current confinement structure for confining a current supplied to the active layer of the plurality of nitride semiconductor layers, and the stacked structure includes the stripe-shaped waveguide into which current in the active layer is injected. The plurality of nitride layers are formed so that the defect density in the saturable absorption region other than the current injection region of the active layer located on both sides of the stripe-shaped waveguide is larger than the defect density in the current injection region constituting the structure. It is a grown semiconductor layer It is characterized by that.
[0011]
The semiconductor substrate is formed on the surface thereof with a concave groove parallel to the stripe-shaped waveguide so that the stripe-shaped waveguide is positioned between a central portion of the concave groove and one end side portion of the concave groove. In the stacked structure, a nitride semiconductor layer is formed on the semiconductor substrate by lateral growth from both side surfaces of the concave groove, and defects are concentrated in the saturable absorption region. Is a thing .
[0012]
The semiconductor light emitting device of the present invention is The semiconductor substrate is selectively grown on the surface thereof to suppress growth of the nitride semiconductor layer on the semiconductor substrate, or to promote growth of the nitride semiconductor layer on the semiconductor substrate. In the stacked structure, the formation of the nitride semiconductor layer on the semiconductor substrate is selectively suppressed or promoted by the growth suppressing film or the growth promoting film, and the defects are formed. Concentrated in the saturable absorption region It is characterized by that.
[0013]
Above In the saturable absorption region with high defect density Defect density is the stripe waveguide Configure current injection region so The defect density is 10 times or more.
[0014]
Above In the saturable absorption region with high defect density The defect density is 10 ⁸ / Cm ² That's it.
[0015]
High defect density Saturable absorption Region and said striped waveguide Current injection region that constitutes Is 0.5 μm to 4 μm.
[0017]
The stripe width of the striped waveguide is 0.5 μm to 8 μm.
[0019]
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention includes: A method of manufacturing the above-described semiconductor light emitting device of the present invention, which is the semiconductor substrate. On the nitride semiconductor substrate of the first conductivity type Concave groove Forming a nitride semiconductor substrate of the first conductivity type, So that the concave groove is embedded Forming a nitride semiconductor layer of a first conductivity type at a first growth temperature; and a second growth temperature different from the first growth temperature on the nitride semiconductor layer of the first conductivity type. Forming a first conductivity type nitride semiconductor crack prevention layer, a first conductivity type nitride semiconductor clad layer, and a first conductivity type nitride semiconductor guide layer in order according to the first growth temperature; And a third growth temperature different from the second growth temperature on the nitride semiconductor guide layer of the first conductivity type. As the active layer Forming a first conductivity type nitride semiconductor active layer; and a second conductivity type nitride semiconductor barrier layer on the first conductivity type nitride semiconductor active layer by the first growth temperature. Forming a second conductive type nitride semiconductor guide layer, a second conductive type nitride semiconductor clad layer, and a second conductive type nitride semiconductor contact layer in sequence; The second conductivity type nitride contact layer and the second conductivity type nitride semiconductor cladding layer; By dry etching process Etching is performed so as not to reach the nitride semiconductor guide layer of the second conductivity type, thereby defining the striped waveguide. Forming a ridge structure.
[0020]
The optical information recording / reproducing apparatus of the present invention is Of the present invention described above A semiconductor light emitting device is used as a light source.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The self-oscillation of a semiconductor laser is based on mutual interaction between carriers and photons in an active layer (gain region) in which an inversion distribution is generated by carriers injected into the semiconductor laser and a saturable absorption region that is a region having saturable absorption characteristics. Caused by action. The characteristic required for the saturable absorption region is that the substantial band gap is the same as or slightly narrower than the band gap of the active layer (gain region), and is required for the saturable absorption region. The second characteristic is that the carrier life in the saturable absorption region is shorter than the carrier life in the active layer and the light absorption is easily saturated in order to effectively cause self-excited oscillation.
[0022]
In the nitride semiconductor laser, the lifetime characteristic of carriers in the saturable absorption region, which is the second characteristic required for the saturable absorption region, is particularly important. It is known that the lifetime of a nitride-based semiconductor carrier is as short as a few ns at minimum, and in order to make a clear difference in the carrier lifetime between the active layer and the saturable absorption region, Impurity elements (for example, Mg) are added (doping) at a high concentration, and carrier diffusion from the light absorption region to the outside of the light absorption region in the saturable absorption region is promoted to efficiently recombine carriers. Thus, it is conceivable to shorten the apparent carrier life.
[0023]
However, in the conventional nitride semiconductor laser, the current injection region of the active layer (the oscillation region corresponding to the striped waveguide) is the gain region, and the other than the current injection region of the active layer is the saturable absorption region having saturable absorption characteristics. In this case, it is not easy to make a clear difference in the amount of doping (doping) of the impurity element in both the gain region and the saturable absorption region. In addition, in order to apparently shorten the lifetime of carriers generated in the saturable absorption region by light absorption, it is possible to have a large diffusion coefficient such that the generated carriers diffuse out of the light absorption region in the order of several ns. The material characteristics of the saturated absorption region are necessary. However, in the saturable absorption region formed of InGaN or the like, generally, carriers are generated by sufficiently diffusing carriers generated in the saturable absorption region because the diffusion coefficient is small. It is difficult to obtain the effect of recombining and shortening the lifetime of the carrier.
[0024]
In the present invention, as a result of repeated investigations on this point, by using a process of forming a step in the GaN substrate, the defect density is periodically formed in the region where the gain region and the saturable absorption region of the semiconductor laser are formed. A region having a high density and a region having a low defect density are formed, and a current injection region that is a gain region (an oscillation region corresponding to a striped waveguide) is disposed in a region having a low defect density, and the current injection region that is a gain region By disposing a saturable absorption region having saturable absorption characteristics in a region having a high defect density so as to be close to each other, it is possible to quickly recombine carriers by non-radiative transition. As a result, in the formation region of the semiconductor laser, the effective carrier lifetime in the saturable absorption region, which is a high defect density region outside the current injection region (oscillation region corresponding to the striped waveguide) that is the gain region, is increased. A nitride semiconductor laser that can be self-excited up to a high output can be obtained because the self-excited oscillation is easily maintained in the gain region while being shortened.
[0025]
Also, in the vicinity of the current injection region (oscillation region corresponding to the striped waveguide) which is a gain region having a low defect density, as compared to the current injection region (oscillation region corresponding to the striped waveguide), By disposing a region having a saturable absorption characteristic having a high defect density and a short carrier lifetime, light absorption in the saturable absorption region having a high defect density can be sufficiently maintained during operation of the semiconductor laser. As a result, in the nitride semiconductor laser, the difference in defect density between the current injection region (oscillation region corresponding to the striped waveguide) which is a gain region having a low defect density and the saturable absorption region having a high defect density is predetermined. When the nitride semiconductor laser is operated, a saturable absorption region with a high gain and defect density in a current injection region (an oscillation region corresponding to a striped waveguide) which is a gain region with a low defect density is obtained. This makes it possible to clearly set the difference between absorption and horizontal horizontal mode until high output.
[0026]
The present invention is based on such knowledge.
[0027]
In a nitride semiconductor laser with a groove forming a step on the surface of the GaN substrate, a land which is a convex region of the step and a groove which is a concave region of the step are periodically and alternately formed on the surface of the GaN substrate. ing. If the land width, the groove width, the groove depth, and the thickness of the regrowth layer formed on the GaN substrate having the step structure are defined by predetermined conditions, the regrowth layer is regenerated according to the step structure. It was confirmed that the growth layer had a region with a high defect density and a region with a low defect density. By observing the regrowth layer with etch pits and TEM (transmission electron microscope), it was confirmed that a region having a high defect density was formed on the central portion of the groove upper surface and the land upper surface. This means that when the regrowth layer is regrowth from a GaN substrate with a step formed, the growth from the side of the land is selected to be superior to the growth from the top surface of the groove, and as a result, threading dislocations are formed on the groove. It is considered that defects such as those are focused on the central portion on the groove, and defects such as threading dislocations are reduced in regions other than the central portion on the groove.
[0028]
In addition, when the regrowth layer is thin, the top surface of the land or the central portion of the groove may not be completely filled with the regrowth layer, and a stepped groove may remain. Then, regions with various defect densities were formed, and the changes in the self-excited oscillation characteristics of the nitride semiconductor laser and the stability of the horizontal transverse mode during high output operation were investigated.
[0029]
The region with low defect density has good crystallinity, and when a striped waveguide with a ridge structure (current injection region that is a gain region) is formed in this region, the injected carriers are effectively recombined by radiation. A nitride semiconductor laser having a high slope efficiency, which is a rate of increase in light intensity with respect to a rate of increase in injection current, was obtained. In the region where the defect density is high, the rate of non-radiative recombination and the rate of relaxation to the low energy level due to the defect increase, and it is generated by light absorption in the active layer other than the current injection region which is the gain region. Recombination of carriers is promoted. As a result, the lifetime of carriers in the saturable absorption region, which is a region with a high defect density, is shortened, which is effective for sustaining self-excited oscillation in the nitride semiconductor laser and stabilizing the horizontal transverse mode at high output.
[0030]
As described above, as a substrate required for a nitride semiconductor laser having a self-excited oscillation characteristic, it is optimal that the difference in defect density between a portion with a high defect density and a portion with a low defect density is optimal. It is better that the difference in defect density changes sharply at the boundary.
[0031]
In the present invention, the conditions for forming a step on the GaN substrate were examined for such points. As a result, the groove width was 4 μm to 30 μm, the groove depth was 0.1 μm to 5 μm, and the regrowth layer was 1 μm to 10 μm. Then, it was confirmed that it is effective for a nitride semiconductor laser having self-excited oscillation characteristics. Here, if the depth of the groove is A and the thickness of the regrowth layer on the groove is B, the above-described effects can be obtained if 20A ≧ B ≧ 2A. As a result of observing the surface of the GaN substrate having such a step structure, a region with a high defect density and a region with a low defect density are generated at the center of the upper surface of the groove on the GaN substrate and the upper surface of the land, respectively. It was. When lands and grooves are periodically arranged on the GaN substrate, the land width may be set to about 3 μm to 20 μm. At this time, the groove may be formed on the surface of the GaN substrate so as to face the striped waveguide. Further, it is preferable that the region having a high defect density is arranged symmetrically with respect to the stripe-shaped waveguide having a ridge structure (current injection region which is a gain region), and the light distribution in the horizontal and transverse modes is targeted. As a result, the groove width may be 10 μm to 20 μm. Further, the defect density in the high defect density region is 10 times or more the defect density in the low defect density region, and the defect density in the high defect density region is 10 times. ⁸ cm ^-2 That is all you need.
[0032]
Next, the arrangement of the current injection region (oscillation region corresponding to the striped waveguide), which is the gain region, is used to control the self-excited oscillation characteristics and to stabilize the light in the saturable absorption region for stabilizing the horizontal transverse mode. Since it is necessary to control the amount of absorption, the thickness of the active layer, the distance from the saturable absorption region to the end of the stripe-shaped waveguide of the ridge structure, the stripe width (average width of the upper and lower parts of the ridge structure), etc. Design is required. Good results are obtained when the stripe width is 0.5 μm to 8 μm, and good results are obtained when the distance from the saturable absorption region having a high defect density to the end of the striped waveguide having the ridge structure is 0.5 μm to 4 μm. was gotten. When the stripe width is less than 0.5 μm, the horizontal transverse mode light distribution in the gain region becomes small, and a sufficient gain as a semiconductor laser cannot be obtained. If the stripe width is increased, the light distribution in the active layer other than the gain region corresponding to the saturable absorption region can be set to an appropriate range, and the effect of shortening the carrier life can be easily obtained. If it exceeds the threshold current, the threshold current that becomes the laser oscillation start point becomes high, and a long life as a semiconductor laser cannot be obtained.
[0033]
In addition, the high defect density region shortens the lifetime of carriers generated in the active layer other than the current injection region, which is the gain region, by non-radiative recombination and relaxation to a low energy level caused by defects. The carriers generated at the bottom of the light distribution in the horizontal transverse mode in the laser oscillation state or generated in a time shorter than the carrier lifetime (several ns) of the active layer in the current injection region which is the gain region Must be located within a distance that can be diffused. When the distance from the saturable absorption region having a high defect density to the end of the ridge-structured striped waveguide is less than 0.5 μm, the current density in the current-injected region (oscillation region) of the striped waveguide is within the defect density. The threshold current that becomes the laser oscillation start point is remarkably increased, and there is a possibility that continuous oscillation does not occur at room temperature.
[0034]
In addition, if the distance from the saturable absorption region having a high defect density to the end of the ridge-structured striped waveguide exceeds 4 μm, self-pulsation characteristics as a semiconductor laser cannot be obtained. The stability of the light distribution in the horizontal and transverse modes cannot be obtained. This is because, since the bottom of the horizontal transverse mode light distribution in the laser oscillation state is far away from the saturable absorption region, which is a region with high defect density, carriers generated by light absorption may have high defect density. This is because it cannot diffuse into the saturated absorption region in a short time, and effects such as non-radiative recombination cannot be obtained.
[0035]
The active layer preferably has a multiple quantum well structure. If the thickness of the active layer is 5 nm to 200 nm as the sum of the quantum well layer and the barrier layer, self-oscillation characteristics can be obtained in the nitride semiconductor laser. . When the thickness of the active layer is thick, if the ratio Γ / d between the optical confinement factor Γ in the vertical direction and the thickness d of the active layer is made constant, the light absorption is larger at a constant light output than when the thickness of the active layer is thin. The amount increases. In this case, the carrier density in the active layer in the current injection region, which is the gain region, is also reduced, so that the lifetime of the carriers is increased and the self-oscillation is likely to occur in the nitride semiconductor laser. However, if the thickness of the active layer becomes too thick, it is difficult to obtain a gain in the current injection region, which is the gain region. Therefore, the threshold current that becomes the laser oscillation start point becomes high, and the injection power increases. If the thickness exceeds 200 nm, oscillation will stop in a short time even if continuous oscillation is performed.
[0036]
As described above, in the present invention, by providing a groove for forming a step on the surface of the GaN substrate, a structure in which horizontal transverse mode is stabilized in a wide range of light output and the self-oscillation is stabilized, and noise induced by return light is reduced. A nitride semiconductor laser having the following characteristics was obtained.
[0037]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor laser which is a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
[0038]
An n-type GaN regrowth layer 23, an n-type GaN layer 12, an n-type InGaN crack prevention layer 13, an n-type AlGaN clad layer 14, An n-type GaN guide layer 15, an n-type InGaN active layer 16, a p-type AlGaN barrier layer 17, and a p-type GaN guide layer 18 are sequentially stacked. A p-type AlGaN cladding layer 19 is laminated on the p-type GaN guide layer 18, and the p-type AlGaN cladding layer 19 has a ridge structure in which a central portion in the width direction orthogonal to the stripe direction protrudes. A p-type GaN contact layer 20 is stacked thereon. An insulating film 21 is provided on the p-type AlGaN cladding layer 19 and on the side surfaces of the p-type AlGaN cladding layer 19 and the p-type GaN contact layer 20 except for the upper surface of the p-type GaN contact layer 20. A p-type electrode 22 is provided on the upper surface of the p-type GaN contact layer 20. An n-type electrode 10 is formed on the n-type GaN substrate 11 side.
[0039]
As described above, the nitride semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 has a striped refractive index waveguide using a ridge structure.
[0040]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the positional relationship between the striped waveguide that is the current injection region of the nitride semiconductor laser shown in FIG. 1 and the high defect density region that is the saturable absorption region. In FIG. 2, a region A indicates a low defect density region having a stripe-shaped waveguide which is a current injection region having a low defect density, and a region B indicates a high defect density region which is a saturable absorption region having a high defect density. , L indicates the distance from the end of the striped waveguide to the center of the high defect density region. In FIG. 2, the stripe width is 2 μm and L is 1 μm. The cavity length of the nitride semiconductor laser is 450 μm, the front reflectance of the resonator is 20%, and the rear reflectance of the resonator is 85%. The depth of the ridge is adjusted so that the optical confinement factor in the horizontal direction is 0.88 to 0.97.
[0041]
A method for manufacturing a nitride semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention will now be described with reference to FIG. The epitaxial growth method shown below is a method for growing a crystal film on a substrate, and includes a VPE (vapor phase epitaxial) method, a CVD (chemical vapor deposition) method, a MOVPE (organometallic vapor phase epitaxial) method, MOCVD (organic metal chemical vapor deposition) method, Halide-VPE (halogen chemical vapor deposition) method, MBE (molecular beam epitaxial) method, MOMBE (organometallic molecular beam epitaxial) method, GSMBE (gas source molecular beam epitaxial) And CBE (Chemical Beam Epitaxial) method.
[0042]
First, the n-type GaN substrate 11 is formed. The n-type GaN substrate 11 is provided with a groove having a pitch interval of 20 μm and a depth of 2.5 μm and a width of approximately 15 μm on a GaN single crystal film having a thickness of approximately 500 μm.
[0043]
Next, each gallium nitride semiconductor layer constituting the nitride semiconductor laser is stacked on the n-type GaN substrate 11 by an epitaxial growth method. In this case, first, an n-type GaN substrate 11 is set in a furnace of a MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) apparatus, and a group V raw material NH _Three And a group III raw material TMGa (trimethylgallium), a low temperature GaN buffer layer is grown at a growth temperature of 550 ° C., and a low temperature GaN buffer layer having a thickness of 25 nm is formed on the n-type GaN substrate 11. On this low-temperature GaN buffer layer, the temperature is raised to a growth temperature of 1075 ° C. _Four In addition, an n-type GaN regrowth layer 23 having a thickness of about 3.5 μm is newly deposited by an epitaxial growth method. Further, on the n-type GaN regrowth layer 23, an n-type GaN layer 12 having a thickness of 0.5 μm (Si impurity concentration 1 × 10 ¹⁸ / cm ^Three ).
[0044]
Subsequently, the growth temperature is lowered to about 700 ° C. to 800 ° C., and TMIn (trimethylindium), which is a group III material, is supplied to the n-type GaN layer 12 with the n-type In _0.07 Ga _0.93 An N layer is grown to form an n-type InGaN crack prevention layer 13 having a thickness of 50 nm. Thereafter, the growth temperature is again raised to 1075 ° C., and a group III raw material TMAl (trimethylaluminum) is used to form n-type Al on the n-type InGaN crack prevention layer 13. _0.1 Ga _0.9 N layer (Si impurity concentration 1 × 10 ¹⁸ / cm ^Three ) To form an n-type AlGaN cladding layer 14 having a thickness of 0.95 μm, and further, an n-type GaN guide layer 15 having a thickness of 0.1 μm is formed on the n-type AlGaN cladding layer 14.
[0045]
Thereafter, the growth temperature is lowered to 730 ° C., and an In-type film having a thickness of 4 nm is formed on the n-type GaN guide layer 15. _0.15 Ga _0.85 N quantum well layer and 6 nm thick In _0.05 Ga _0.95 An n-type InGaN active layer 16 is formed by alternately forming N barrier layers and growing an active layer having a multiple quantum well structure in which four barrier layers and three quantum well layers are periodically stacked. To do. In addition, the n-type InGaN active layer 16 is 1 second to 180 seconds after the barrier layer is stacked and before the quantum well layer is stacked, or after the quantum well layer is stacked and the barrier layer is stacked. The crystal growth may be interrupted. By this operation, the flatness of each layer of the n-type InGaN active layer 16 is improved, and the light emission half width is reduced.
[0046]
Next, the growth temperature is raised again to 1050 ° C., and the p-type Al is formed on the n-type InGaN active layer 16. _0.2 Ga _0.8 An N layer is grown to form a p-type AlGaN barrier layer 17 having a thickness of 18 nm, and a p-type GaN guide layer 18 having a thickness of 0.1 μm is formed on the p-type AlGaN barrier layer 17. In the p-type AlGaN barrier layer 17 and the p-type GaN guide layer 18, 5 × 10 5 of Mg is used as a p-type impurity element. ¹⁹ / Cm ^Three ~ 2x10 ²⁰ / Cm ^Three Add at a concentration of Subsequently, the p-type Al is formed on the p-type GaN guide layer 18. _0.1 Ga _0.9 An N layer is grown to form a p-type AlGaN cladding layer 19 having a thickness of 0.5 μm, and a p-type GaN contact layer 20 having a thickness of 0.1 μm is formed on the p-type AlGaN cladding layer 19. In the p-type AlGaN cladding layer 19 and the p-type GaN contact layer 20, 5 × 10 5 of Mg is used as a p-type impurity element. ¹⁹ / Cm ^Three ~ 2x10 ²⁰ / Cm ^Three Add at a concentration of As described above, TMGa, TMAl, TMIn, NH3, and the like are used as the raw materials of the elements constituting each layer of the nitride semiconductor laser, and the impurity elements (dopants) added to the respective layers are used as the raw materials. , Cp2Mg (biscyclopentadienylmagnesium), SiH _Four Etc. are used.
[0047]
When the nitride semiconductor laser wafer thus formed is observed, each layer formed on the n-type GaN substrate 11 corresponds to a step structure having a groove on the n-type GaN substrate 11 as described above. Thus, a region having a high defect density and a region having a very low defect density are periodically repeated. By the selective growth in the lateral direction from the n-type GaN regrowth layer 23 formed in a step shape. It is considered a thing. Many defects due to threading transition occur along the central portion of the groove (groove) on the n-type GaN substrate 11 and the top surface of the land, and the defect density is divided into a range of about 0.1 μm in width parallel to the groove. Was evaluated, the central portion of the groove had a defect density of 10 ^Ten cm ² The above-described region having an extremely high defect density, and regions within about 1 μm from the center on both sides of the central portion of the groove, each has a defect density of 10 ⁸ cm ² The above-described high defect density region. Similarly, the land upper surface also has a defect density of 10 ⁸ cm ² This is the above high-density defect region. In contrast to this result, there are very few defects in other regions in the groove (10 ⁷ cm ² It was in a high quality crystal state.
[0048]
Further, after the p-type GaN contact layer 20 is formed on the nitride semiconductor laser wafer, the p-type AlGaN cladding layer 19 and the p-type GaN contact layer 20 are left only in the center in the width direction. The ridge structure is formed so that the end portion of the striped waveguide is disposed at a position of 2 μm from the center of the groove (groove) by removing by dry etching. As a result, the distance L between the end of the striped waveguide and the high defect density region near the center of the groove is 1 μm. Thereafter, the p-type AlGaN cladding layer 19 and the p-type GaN contact layer 20 are covered with an insulating film 22 so that only the upper surface of the p-type GaN contact layer 20 is exposed. Further, a p-type electrode (Pd / Mo / Au) 22 is formed over the exposed upper surface of the p-type GaN contact layer 20 and the upper surface of the insulating film 21. The p-type electrode 22 is electrically connected to the upper surface of the p-type GaN contact layer 20.
[0049]
Thereafter, the back side of the n-type GaN substrate 11 is polished or etched to remove a part of the n-type GaN substrate 11 and adjust the thickness of the wafer to about 100 to 150 μm. This operation is an operation for making it easy to divide the wafer into individual semiconductor laser chips in a subsequent process. In particular, when the laser end face mirror is formed at the time of division, it is desirable to adjust the thickness to about 80 to 120 μm. In the first embodiment of the present invention, the thickness of the wafer is adjusted to 100 μm using a grinding machine and a polishing machine, but may be adjusted using only the polishing machine. The back surface of the wafer is flat because it is polished by a polishing machine.
[0050]
After polishing the back surface of the n-type GaN substrate 11, a thin metal film is deposited on the back surface of the n-type GaN substrate 11 to form the n-type electrode 10 having a stacked structure of Hf / A1 / Mo / Au. As a method for forming such a thin metal film while controlling the film thickness, a vacuum deposition method is suitable, and this method is also used in the first embodiment of the present invention. However, as a method for forming the n-type electrode 10, other methods such as an ion plating method and a sputtering method may be used. The p-type electrode 23 and the n-type electrode 10 are each annealed at a temperature of 500 ° C. after forming the metal film in order to form an ohmic electrode with good conduction.
[0051]
The semiconductor element manufactured in this way is divided by the following method. First, a scribe line is inserted at the diamond point from the surface of the wafer, and a force is appropriately applied to the wafer to divide the wafer along the scribe line. The scribe line may be inserted from the back surface of the wafer. Other methods for dividing the wafer include a dicing method in which a wire saw or a thin blade is used to cut or cut, a laser beam irradiation heating such as an excimer laser, and subsequent rapid cooling to cause a crack in the irradiation part. Laser scribing using a scribe line, laser ablation that irradiates a laser beam with high energy density, and evaporates this part to perform grooving can be applied. can do.
[0052]
Furthermore, in the nitride semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, a reflection film having a reflectivity of about 10% is formed on one end face on the two end faces of the semiconductor laser element, and 80% on the other end face. A reflective film having a reflectivity of about% is formed and an asymmetric coating is applied.
[0053]
Next, a nitride semiconductor laser chip is mounted on a heat sink such as a stem by a die bonding method to obtain a nitride semiconductor laser device. The nitride semiconductor laser chip was firmly bonded by junk-up in which the n-type electrode 10 was bonded to the heat sink. Here, the heat sink is a stem, a Si submount, a Cu submount, or the like, and a light receiving element or the like may be formed on the Si submount.
[0054]
When various characteristics of the nitride semiconductor laser thus manufactured were examined, the following results were obtained. The cavity length of the nitride semiconductor laser is 450 μm, and the stripe width is 2 μm. This nitride semiconductor laser oscillated continuously at a threshold current of 32 mA as a laser oscillation starting point at a room temperature of 25 ° C., and the oscillation wavelength at that time was 405 ± 5 nm. Further, self-oscillation was obtained when the optical output was in the range of 2 mW to 21 mW. Further, when the optical output is increased and the kink indicating the level at which the laser oscillation horizontal transverse mode becomes unstable is examined, the optical output of the kink is 70 mW or more, and this nitride semiconductor laser has an optical output from 2 mW. It was confirmed that the self-excited oscillation operation was performed in the range of 21 mW.
[0055]
Next, in the nitride semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, the result of confirming the optical output range in which self-oscillation occurs by changing the position where the striped waveguide having the ridge structure is formed is shown. It is shown in 1. In the n-type GaN substrate 11 which is a nitride semiconductor laser wafer, when the position where the stripe waveguide is formed is changed, the distance L from the end of the stripe waveguide to the center of the high defect density region is 5 μm. This is the same as the case where a groove (groove) structure for forming a step is not provided on the n-type GaN substrate 11 (L = ∞). Compared with the nitride semiconductor laser of the first embodiment, self-oscillation is The optical output becomes narrower in the range of 3 to 6 mW, and the kink generation output is reduced to 30 mW or more.
[0056]
When L is 4 μm, the self-excited oscillation has an optical output in the range of 2 to 15 mW, the kink generation output is 50 mW or more, and the effect of providing a groove (groove) structure that forms a step on the n-type GaN substrate 11 is obtained. can get. When L is 0.5 μm, the self-excited oscillation has a light output in the range of 1 to 26 mW, a kink generation output is 70 mW or more, and a groove (groove) structure that forms a step on the n-type GaN substrate 11 is provided. The effect is noticeable.
[0057]
Furthermore, when L is smaller than 0.5 μm and L = 0.3 μm, continuous oscillation is not observed. This is because the stripe-shaped waveguide is partially covered by the high defect density region, so that a large number of carriers injected into the stripe waveguide reach the high defect density region due to diffusion, and there is no radiation recombination. This is considered to be due to a decrease in gain.
[0058]
From this, the existence of defects affects the self-excited oscillation characteristics of the nitride semiconductor laser because the distance that carriers reach the defects by diffusion is about 0.5 μm, so the average distance between the defects is Since it is considered to be on the order of 1 μm or less, the defect density in the high defect density region where recombination of carriers is promoted is one defect per 1 μm square (1 / μm ² = 10 ⁸ / Cm ² ) That's all you need.
[0059]
In order to expand the range of light output in which self-excited oscillation occurs by giving a clear difference in carrier recombination between the high defect density region and the striped waveguide region, the striped waveguide The defect density in this area needs to be one digit or more lower than the defect density in the high defect density area. Actually, in the manufacturing process of the nitride semiconductor laser according to the first embodiment, when the thickness of the n-type regrowth layer 23 formed on the upper surface of the groove on the n-type GaN substrate 11 is increased, the defect density in the high defect density region is increased. And the defect density of the striped waveguide which is the low defect density region is reduced. In this way, the n-type regrowth layer 23 is thickened so that the defect density in the stripe-shaped waveguide region is 3 × 10 6. ⁷ / Cm ² When an element of the same level is manufactured, the range of light output capable of self-oscillation is 3 to 7 mW, the kink generated light output is 20 mW or more, and no groove (groove) structure is provided on the n-type GaN substrate 11 It was confirmed that there was no difference from (L = ∞).
[0060]
[Table 1]

As a result, in the nitride semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, the defect density in the high defect density region serving as the saturable absorption region is the same as the defect density in the low defect density region where the striped waveguide is formed. The defect density in the high defect density region is 10 times or more. ⁸ / Cm ² By doing so, the effect of expanding the range of light output capable of self-oscillation was obtained. As described above, the nitride semiconductor laser according to the present invention can be operated with low noise up to a high output power range. For example, if it is used as a system light source for an optical disk, it is very useful for system application.
[0061]
Further, as shown in Table 1, in the nitride semiconductor laser of the present invention, no kink occurred up to a high output corresponding to the range of optical output capable of self-oscillation. This is because a high defect density region serving as a saturable absorption region is arranged at a predetermined distance L from the end portion of the stripe-shaped waveguide, so that the light distribution is higher than that of the fundamental mode. This is because the oscillation efficiency for the next mode is relatively lower than the oscillation efficiency for the fundamental mode, and the appearance of higher-order modes is suppressed. Such a nitride semiconductor laser having a stable horizontal transverse mode at the time of high output operation, particularly when used as a light source for an optical disc system, is particularly a noise (due to instability of the horizontal transverse mode, which is a concern at the time of high output operation ( Instability of operation) is suppressed, which is very useful.
[0062]
Next, a nitride semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the quantum well layer of the n-type InGaN active layer 16 of the nitride semiconductor laser of the first embodiment is formed of GANP, GANAS, InGaNP, InGaNAs or the like having an oscillation wavelength of 360 to 550 nm. Other configurations are the same as those of the nitride semiconductor laser according to the first embodiment shown in FIG. As for the nitride semiconductor laser of the second embodiment, as in the nitride semiconductor laser of the first embodiment, stabilization of the horizontal transverse mode and expansion of the range of light output capable of self-oscillation were obtained.
[0063]
In the nitride semiconductor laser of the first embodiment and the nitride semiconductor laser of the second embodiment, the positional relationship between the stripe-shaped waveguide having the ridge structure and the high defect density region on the upper surface of the groove on one side Although the high defect density region on the upper surface of the land on the other side is also arranged at the same distance as described above from the striped waveguide, it becomes a right and left object with the striped waveguide as the center, and a more preferable configuration Nitride semiconductor laser can be obtained.
[0064]
In the present invention, a method for forming a region having a high defect density and a region having a low defect density is provided with a groove (groove) for forming a step on the n-type GaN substrate 11 and an n-type GaN regrowth layer thereon. However, the method is not limited to this method. Instead of the groove (groove), SiO 2 is used. ₂ Alternatively, a method of re-growth on a substrate such as the n-type GaN substrate 11 may be used so that a growth suppressing film such as W or W or a growth promoting film such as AlN is disposed on the stripe. Further, the substrate material is not limited to GaN, and a substrate material used as another nitride semiconductor substrate such as sapphire, SiC, or silicon may be used.
[0065]
Next, the noise characteristics with respect to the return light when the nitride semiconductor laser of the present invention was used as a system light source for an optical disk were examined. FIG. 3 is a conceptual diagram showing an optical information recording / reproducing apparatus using the nitride semiconductor laser of the present invention. The optical information recording / reproducing apparatus includes a base 121, a nitride semiconductor laser 122 installed on the base 121, a collimator lens 123, a branch element 124, an objective lens 125, a lens 127 for collecting reflected light, a light It comprises a detector 128 and the like.
[0066]
In the optical information recording / reproducing apparatus, an optical information recording disk (optical disk) 126 is set at the condensing point position of the objective lens 125. During reproduction, the light emitted from the nitride semiconductor laser 122 is collimated by the collimator lens 123, The light is condensed on the information recording surface of the optical information recording board 126 by the objective lens 125. Information is written on the information recording surface of the optical information recording board 126 by means of unevenness, magnetic modulation, refractive index modulation or the like. The laser beam condensed on the information recording surface of the optical information recording board 126 is modulated and reflected there, and is guided to the photodetector 128 side by the branch element 124 through the objective lens 125 and is incident on the photodetector 128. The The optically detected signal is converted into an electrical signal by the photodetector 128, and the recorded information is read.
[0067]
At the time of recording, the light emitted from the nitride semiconductor laser 122 is similarly focused on the information recording surface of the optical information recording board 126 by the collimator lens 123 and the objective lens 125, and the laser light itself is modulated according to the information. As a result, the refractive index or magnetic field of the information recording surface of the optical information recording board 126 is modulated, so that information is written or the optical information recording is partially performed by the influence of the focused laser beam. The information recording surface of the board 126 is heated, and at the same time, a magnetic field is applied to the information recording surface, thereby modulating the magnetic field of the information recording surface of the optical information recording board 126 and writing information.
[0068]
The noise of the optical information recording / reproducing apparatus using the nitride semiconductor laser of the present invention was measured by the following method. The laser light was continuously oscillated, and the information recording surface of the optical information recording board 126 was slightly oscillated to evaluate the relative noise intensity (RIN: Relative Intensity Noise). Continuously oscillating lasers are known to have unstable output due to interference with return light (light returning to the laser from the information recording surface of the optical information recording board 126) and have low noise characteristics. For this purpose, self-excited oscillation may be performed at a specific period. First, when the optical output was 5 mW, the noise when the return light was 0.1% to 10% was examined, and it was found that RIN = −130 [dB / Hz] or less. Next, in order to investigate the noise characteristic with respect to the return light when the optical output is high, when the optical output is reduced to about 15 mW, similarly, RIN = −135 [dB / Hz] or less, and the low noise characteristic is maintained. Was. As a result, it was confirmed that the nitride semiconductor laser of the present invention has stable self-oscillation characteristics and is suitable as a light source for an optical disc system.
[0069]
In order to compare with the nitride semiconductor laser of the present invention, the semiconductor laser in the comparative example column of Table 1 was selected and mounted instead of the light source of the optical information recording / reproducing apparatus described above, and the light output was 15 mW. In some cases, the maximum RIN is about −110 [dB / Hz]. With such an optical output, it has been found that there is a lot of noise and it is not suitable for use in an optical disc system or the like.
[0070]
In addition, we examined the operation at high output corresponding to the writing operation. When the return light is 0.1%, the nitride semiconductor laser of the present invention operates stably up to an optical output of 40 mW or more, and the relative noise intensity is also a maximum RIN = −130 [dB / Hz] or less. When the semiconductor laser in the comparative example column of Table 1 is selected and mounted instead of the light source of the optical information recording / reproducing apparatus, the relative noise intensity is maximum RIN = −100 in the vicinity of the kink generated light output. It became [dB / Hz] or more, and the operation was extremely unstable.
[0071]
Therefore, with the nitride semiconductor laser of the present invention, it is possible to construct a low noise system and realize an optical information recording / reproducing apparatus with few read / write operation failures.
[0072]
【The invention's effect】
In the semiconductor light emitting device of the present invention, a plurality of semiconductor layers are stacked on a substrate to provide a striped waveguide, and a concave region is formed on the surface of the substrate in a region facing the striped waveguide. Thus, a pair of convex regions are formed, and one convex region is formed in the vicinity of the concave region, so that the carrier life of the active layer other than the current injection region is shortened, and horizontal and horizontal even during high output operation. A self-oscillation characteristic with a stable mode can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing a positional relationship between a striped waveguide and a high defect density region of the semiconductor light emitting device of FIG.
FIG. 3 is a schematic view of an optical information recording / reproducing apparatus using the semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor laser which is a conventional semiconductor light emitting device.
[Explanation of symbols]
10 N electrode
11 n-type GaN substrate
12 n-type GaN layer
13 n-type InGaN crack prevention layer
14 n-type AlGaN cladding layer
15 n-type GaN guide layer
16 n-type InGaN active layer
17 p-type AlGaN barrier layer
18 p-type GaN guide layer
19 p-type AlGaN cladding layer
20 p-type GaN contact layer
21 Insulating film
22 P electrode
23 n-type GaN regrowth layer

Claims

A semiconductor light emitting device that performs self-excited oscillation of laser light,
A semiconductor substrate ;
A stacked structure in which a plurality of nitride semiconductor layers are stacked on the semiconductor substrate ;
The laminate structure comprises so that stripe-shaped waveguides constituting a resonator performing laser oscillation is formed, and a current constriction structure for constricting a current supplied to the active layer of the plurality of nitride semiconductor layers ,
The laminated structure is
Compared with the defect density in the current injection region constituting the stripe-shaped waveguide into which the current in the active layer is injected, the potential other than the current injection region of the active layer located on both sides of the stripe-shaped waveguide is determined. A semiconductor light emitting device , wherein the plurality of nitride semiconductor layers are grown so that the defect density in the saturated absorption region is increased .

The semiconductor substrate is formed on the surface thereof with a concave groove parallel to the stripe-shaped waveguide so that the stripe-shaped waveguide is positioned between a central portion of the concave groove and one end side portion of the concave groove. Is,
In the stacked structure, a nitride semiconductor layer is formed on the semiconductor substrate by lateral growth from both side surfaces of the concave groove, and defects are concentrated in the saturable absorption region. Item 14. The semiconductor light emitting device according to Item 1.

The semiconductor substrate is selectively grown on the surface thereof to suppress growth of the nitride semiconductor layer on the semiconductor substrate, or to promote growth of the nitride semiconductor layer on the semiconductor substrate. Which is an accelerated film,
In the stacked structure, the formation of a nitride semiconductor layer on the semiconductor substrate is selectively suppressed or promoted by the growth suppressing film or the growth promoting film, and the defects are concentrated in the saturable absorption region. the semiconductor light emitting device according to claim 1, characterized in that.

Defect density at high saturable absorption region of the defect density, the semiconductor light emitting device according to claim 1 is at least 10 times the defect density in the current injection region constituting the stripe-shaped waveguides.

^2. The semiconductor light emitting device according to claim 1 , wherein a defect density in the saturable absorption region having a high defect density is 10 ⁸ / cm ² or more.

A high saturable absorption region of said defect density, the semiconductor light-emitting device according to claim 1 which interval is in 0.5μm~4μm of the current injection region constituting the stripe-shaped waveguides.

The semiconductor light emitting device according to claim 1 , wherein a stripe width of the stripe waveguide is 0.5 μm to 8 μm.

A method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to claim 1, comprising:
Forming a concave groove on the first conductive type nitride semiconductor substrate which is the semiconductor substrate;
A first conductive type nitride semiconductor substrate, forming a first conductive type nitride semiconductor layer of the first growth temperature so that the concave groove is embedded,
On the first conductivity type nitride semiconductor layer, a first conductivity type nitride semiconductor crack prevention layer is formed at a second growth temperature different from the first growth temperature, and the first growth temperature is the first at the first growth temperature. A step of sequentially forming a nitride semiconductor cladding layer of the first conductivity type and a nitride semiconductor guide layer of the first conductivity type;
Forming a first conductivity type nitride semiconductor active layer as the active layer on the first conductivity type nitride semiconductor guide layer at a third growth temperature different from the second growth temperature;
On the first conductive type nitride semiconductor active layer, the second conductive type nitride semiconductor barrier layer, the second conductive type nitride semiconductor guide layer, and the second conductive type are formed by the first growth temperature. Forming a nitride semiconductor cladding layer of a type and a nitride semiconductor contact layer of a second conductivity type in order;
Etching the second conductivity type nitride contact layer and the second conductivity type nitride semiconductor cladding layer by dry etching so as not to reach the second conductivity type nitride semiconductor guide layer, Forming a ridge structure defining a striped waveguide; and
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising:

Optical information recording and reproducing apparatus characterized by the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 7 is used as a light source.