JP4985374B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広い可視光の波長域での発振が可能と考えられていることから、その応用範囲は、レーザプリンタ、レーザディスプレイ、光ネットワークの光源など、多岐にわたるものと期待されている。
このような絶縁性保護膜は、窒化物半導体層との屈折率差、密着性などを考慮して選択されている。
前記リッジ側面から、該リッジ両側の窒化物半導体層の表面にわたって、単結晶の第1膜と、多結晶又はアモルファスを含有する第2膜とが窒化物半導体層側からこの順に形成されてなる絶縁性保護膜を備えていることを特徴とする。
また、第1膜は、第2膜よりも薄膜であることが好ましい。
さらに、絶縁性保護膜は総膜厚1000Å〜5000Åであり、第1膜は1000Å以下の膜厚であることが好ましい。
さらに、第1膜はAl2O3であり、窒化物半導体層はInxAlyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、0≦x+y≦1)であり、InxAlyGa1-x-yN[0002]//Al2O3[1−210]及びGaN[11−20]//Al2O3[10−10]に配向した結晶を含有することが好ましい。
基板と、該基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、該窒化物半導体層と電気的に接続する電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
窒化物半導体の表面をドライエッチング、続いてウェットエッチングすることによりリッジを形成し、
該リッジ側面から、リッジ両側の窒化物半導体層の表面にわたって、単結晶の第1膜を形成し、
前記第1膜の上に、多結晶又はアモルファスを含有する第2膜を形成して、絶縁性保護膜を形成することを特徴とするものであってもよい。
絶縁性保護膜は、埋込膜とも称されるものであり、通常、窒化物半導体層の表面及び/又はリッジの側面にわたって形成されている。つまり、窒化物半導体層上であって、窒化物半導体層と、後述する電極とが直接接触して、電気的な接続をとる領域以外の領域に形成されている。なお、窒化物半導体層と電極との接続領域としては、特にその位置、大きさ、形状等は限定されず、窒化物半導体層の表面の一部、例えば、窒化物半導体層の表面に形成されるストライプ状のリッジ上面のほぼ全面又はリッジ上面のほぼ全面からその両側にわたる部分が例示される。ここで、絶縁性とは、窒化物半導体レーザ素子の駆動時に、選択的にリッジの窒化物半導体層と電極との接続領域から電流を流すことができることを意味する。ただし、この絶縁性保護膜は、ショートしない程度の電流であれば、導通するものであってもよい。
第1膜がAl2O3(アルミナ)であって、窒化物半導体層の表面であるC面に対して、その上に形成されるこのAl2O3がA軸配向又はM軸配向している結晶、特にA軸配向している結晶を含有していることがより好ましい。
また、別の観点から、第1膜は、六方晶の結晶を含有していることが好ましい。六方晶の結晶は、代表的には、AlNの結晶構造が挙げられる。
また、多結晶又はアモルファスの膜を得るためには、ECRプラズマスパッタ法を用いて、その成膜条件は、成膜中に、多結晶又はアモルファスの原料からなるターゲット表面を酸化させることができない酸素流量とすることが適している。例えば、マイクロ波電力300〜800W、RF電力300〜800W、アルゴン流量10〜40sccmの場合には、酸素流量を3〜8sccmとすることが好ましい。
リッジ14上面にはp側電極16が形成されている。また、窒化物半導体層の一部を厚さ方向に除去して、n側半導体層11に接触するようにn側電極19が形成されている。
また、窒化物半導体層の側面から、上面にかけて、窒化物半導体層を保護するための別の保護膜17が形成されている。絶縁性保護膜15、p側電極16及び保護膜17の上面には、pパッド電極18が形成されている。
窒化物半導体基板は、MOCVD法、HVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。
窒化物半導体層は、n側半導体層とp側半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造とすることが好ましい。但し、本発明は、これらの構造に限定されるものではない。
なお、リッジの形成は、当該分野で通常用いられる方法により形成することができる。例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程が挙げられる。この際のエッチングは、ドライエッチング(例えば、RIE法)、ウェットエッチングのいずれでもよいし、双方を、この順序又は逆の順序で、行ってもよい。なかでも、窒化物半導体の表面をドライエッチング、続いてウェットエッチングすることが好ましい。このようなリッジの形成により、上述した第1膜及び第2膜からなる絶縁性保護膜を形成することができる。
実施例1
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、図1Aに示すように、基板10上に、窒化物半導体層として、n側半導体層11、活性層12、p側半導体層13がこの順に形成されており、p側半導体層13の表面にリッジ14が形成されている。リッジ14の側面から、窒化物半導体層の表面にわたって第1膜15b(単結晶のAl2O3膜)及び第2膜15a(多結晶又はアモルファスのZrO2)からなる絶縁性保護膜15が形成されている。
(基板)
まず、C面を窒化物半導体層の成長面とするサファイアからなる基板10を準備する。この基板をMOVPE反応容器内に搬入し、原料ガスとして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、800℃以下の成長温度でGaNよりなるバッファ層を200オングストロームの膜厚で成長させる。
成長温度を1050℃まで昇温して、原料ガスとして、トリメチルガリウム(TMG)、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニア(NH3)、不純物ガスにシランガスを用い、Siを3×1018/cm3ドープしたAl0.02Ga0.98Nを4.5μmの膜厚で成長させる。この層をn側コンタクト層とする。
その後、原料ガスとして、トリメチルインジウム(TMI)、TMG、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Siを3×1018/cm3ドープしたInyGa1-yN(0<y≦1)層を1500オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、1050℃の温度で、アンドープのGaNよりなるn側光ガイド層を750オングストロームの膜厚で成長させる。
温度を880℃にして、原料ガスにTMI、TMG及びアンモニア、シランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.01Ga0.99Nよりなる障壁層を100オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、温度を820℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのIn0.1〜0.3Ga0.9〜0.7Nよりなる井戸層を50オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でTMAを用い、Al0.3Ga0.7Nよりなる中間層を10オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層、井戸層、中間層の3層構造をさらに2回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚580オングストロームの多重量子井戸(MQW)からなる活性層12を成長させる。
TMIを止め、Cp2Mgを流し、Mgを1×1020/cm3ドープしたp−GaNよりなるp側キャップ層を100オングストロームの膜厚で成長させる。続いてCp2Mg、TMAを止め、1050℃で、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層を0.1μmの膜厚で成長させる。このp側光ガイド層は、アンドープとして成長させるが、p側キャップ層からのMgの拡散により、Mg濃度が5×1016/cm3となりp側を示す。
最後に、p側クラッド層の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp−GaNよりなるp側コンタクト層を150オングストロームの膜厚で成長させる。
得られた窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面に、所定の形状のマスクを介して、幅2.0μmのストライプ状のSiO2よりなる保護膜を形成する。その後、RIE(反応性イオンエッチング)を用い、p側クラッド層とp側光ガイド層との界面付近までエッチングを行い、任意に酸性溶液(例えば、リン酸と硫酸との混合溶液)を用いたウェットエッチング(表面処理)を行い、幅2.0μmのストライプ状のリッジ14を形成する。
続いて、SiO2マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面に、ECRプラズマスパッタ装置にて、Alターゲットを用いて、マイクロ波電力500W、RF電力500W、アルゴン流量20sccm、酸素流量15sccmの条件で、第1膜15bとしてAl2O3膜を200Åで形成する。
次に、リッジ表面にSiO2マスクを形成し、RIEにてエッチングを行い、n側コンタクト層の表面を露出させる。
p側コンタクト層のリッジ最表面にNiとAuを順に形成してなるp側電極16をストライプ状に形成する。一方、TiとAlを順に形成してなるn側電極19を、先ほど露出させたn側コンタクト層表面にストライプ状に形成する。
p側電極16と、n側電極19との間に露出した窒化物半導体層の表面に、SiO2よりなる保護膜17を形成する。
この保護膜17を介してp側電極16と電気的に接続したp側パッド電極18およびn側電極19と電気的に接続したn側パッド電極(図示せず)を形成する。
その後、基板10を劈開してバー状とし、そのバーの劈開面に共振面を作製する。共振面作製後、さらに共振面に垂直な方向でバー状のウェハを切断してレーザチップとする。
得られた半導体レーザチップについて、各電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、所望の光閉じ込めが実現しており、室温において閾値電流密度3kA/cm2、発振波長405nmの連続発振が確認され、1000時間以上の長寿命を示す。
この実施例の半導体レーザ素子は、図1Bに示すように、絶縁性保護膜として、第1膜(単結晶のAl2O3膜)及び第2膜(アモルファスのZrO2)が形成され、n側電極19が、基板10の第2主面に形成されている以外、実質的に実施例1の半導体レーザ素子と同様の構成である。
まず、n型不純物を含有したGaN基板を準備する。このGaN基板の第1主面を成長面として、MOVPE反応容器内にセットし、原料ガスとして、TMA(トリメチルアルミニウム)、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)、不純物ガスとして、シランガス(SiH4)を用い、Siを1.8×1018/cm3ドープしたn−Al0.02Ga0.98Nよりなる第1バッファ層を2μmの膜厚で成長させる。その後、昇温して、原料ガスとして、TMI(トリメチルインジウム)、TMG、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Siを3×1018/cm3ドープしたn−In0.05Ga0.95Nよりなる第2バッファ層を1500オングストロームの膜厚で成長させる。
次に、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、同様の温度で、アンドープのAl0.06Ga0.94Nよりなるn側光ガイド層を0.15μmの膜厚で成長させる。
最後に、p側クラッド層の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp側GaNよりなるp側コンタクト層を150オングストロームの膜厚で成長させる。
また、実施例1と同様に、第1膜(単結晶のAl2O3膜)及び第2膜(アモルファスのZrO2)からなる絶縁性保護膜を形成する。
その後、GaNからなる基板10の第2主面にn側電極19を形成する。
続いて、GaN基板のM面(窒化物半導体を六角柱で表した場合にその六角柱の側面に相当する面)でGaNを劈開してバー状とし、そのバーの劈開面に共振面を作製する。共振面作製後、さらに共振面に垂直な方向でバー状のウェハを切断してレーザチップとする。
電子線回折像により、第1膜は、単結晶のAl2O3膜、第2膜は、アモルファスのZrO2であることを確認した。
得られた半導体レーザチップについて、各電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、所望の光閉じ込めが実現しており、室温において閾値電流密度3kA/cm2、発振波長375nmの連続発振が確認され、5000時間以上の寿命を示した。
図4によれば、全てのチップにおいて、駆動電流値が長時間にわたって安定していることが確認された。
その結果を図5に示す。
図5によれば、スロープ効率(投入電流に対する出力、IL特性)が、単結晶のAl2O3膜の膜厚の増加に伴って増加しており、総膜厚のほぼ10%程度でプラトーとなっていることから、絶縁性保護膜の5〜20%程度の膜厚、さらに7〜15%程度の膜厚とすることが適当であることが確認された。
この実施例の半導体レーザ素子は、絶縁性保護膜として、第1膜(単結晶のAl2O3膜)及び第2膜(アモルファスのSiO2)が形成さている以外、実質的に実施例2の半導体レーザ素子と同様の構成である。
なお、第1膜の成膜条件は、実施例2と同様に設定し、第2膜の成膜条件は、マイクロ波500W、RF500W、Ar20sccm、O26sccmとし、SiO2を1500Åの膜厚とする。
その結果、実施例1とほぼ同様の結果が得られる。
この実施例の半導体レーザ素子は、絶縁性保護膜として、第1膜(単結晶のAlN膜)及び第2膜(多結晶又はアモルファスのZrO2)が形成されている以外、実施例1と実質的に同様の構成である。
なお、第1膜の成膜条件は、マイクロ波500W、RF500W、Ar20sccm、N210sccmに設定し、AlNを200Åの膜厚とする。また、第2膜の成膜条件は、実施例2と同様であり、ZrO2を1800Åの膜厚とする。
その結果、実施例1とほぼ同様の結果が得られる。
この実施例の半導体レーザ素子は、絶縁性保護膜として、第1膜(単結晶のAlN膜:膜厚200Å)及び第2膜(アモルファスのSiO2:膜厚1500Å)が形成されている以外、実施例1と実質的に同様の構成である。
その結果、実施例1とほぼ同様の結果が得られる。
この実施例の半導体レーザ素子は、基板として、C面を主面とするウェハ状のGaN基板を用いる以外、実施例2と実質的に同様の構成である。
なお、このGaN基板は、幅が50μm以下である高転位密度領域と、幅が200μm以上である低転位密度領域とを交互にストライプ状に有するGaN基板である。
その結果、実施例2とほぼ同様の結果が得られる。
この実施例の半導体レーザ素子は、基板として、C面を主面とするウェハ状のGaN基板であって、その表面に凹部が形成されているものを用いる以外、実施例2と実質的に同様の構成である。
このGaN基板は、幅が50μm以下である高転位密度領域と幅が200μm以上である低転位密度領域とを交互にストライプ状に有するGaN基板である。
また、GaN基板高転位密度領域上表面に凹部が形成されている。このような凹部は、以下のように形成することができる。まず、例えば、GaN基板上に、SiO2からなるマスクをパターン形成する。このマスクパターンは、低転位密度領域はマスクしており、高転位密度領域はマスクの開口部が配置している。その後、RIE(反応性イオンエッチング)を用いてCl2ガスによりエッチングを行い、幅が60μmであり、深さが2.5μmである凹部を形成する。凹部の側面は高転位密度領域の端部からの距離が5μm以上である。
その結果、実施例2とほぼ同様の結果が得られる。
この半導体レーザ素子は、絶縁性保護膜として、単結晶のAl2O3膜の単層構造膜が形成されている以外、実施例1と実質的に同様の構成である。
この単結晶のAl2O3の成膜条件は、マイクロ波500W、RF500W、Ar20sccm、O215sccmとし、2000Åの膜厚とした。
得られたレーザ素子を10個準備し、実施例1と同様に、連続発振させた。
その結果を図6に示す。
図6によれば、全てのチップにおいて、突然破壊により、駆動電流の急激な劣化が発生することが確認された。これは、チップ割れが生じたことに起因する。
この半導体レーザ素子は、絶縁性保護膜として、第1膜(単結晶のAl2O3膜)及び第2膜(多結晶のAl2O3)が形成されている以外、実施例1と実質的に同様の構成である。
第1膜であるAl2O3の成膜条件は、マイクロ波500W、RF500W、Ar20sccm、O215sccmとし、1000Åの膜厚とした。
第2膜であるAl2O3の成膜条件は、マイクロ波500W、RF500W、Ar20sccm、O26sccmとし、1000Åの膜厚とした。
このレーザ素子について実施例1と同様に評価したところ、突然破壊により、駆動電流の急激な劣化が発生することが確認された。これは、第1膜と第2膜とが同一材料からなり、第2膜が単結晶化されることから、クラック発生したことに起因する。
この半導体レーザ素子は、絶縁性保護膜として、アモルファスのZrO3膜の単層膜が形成されている以外、実施例1と実質的に同様の構成である。
このレーザ素子について実施例1と同様に評価した。
その結果を図7に示す。
図7によれば、駆動電流値が長時間にわたって不安定となり、発振時間が長期化すると駆動電流が激しく振動することが確認された。また、突然破壊が生じたものも認められた。これらは、絶縁性保護膜に浮きが生じたか、窒化物半導体層にクラックが発生し、チップ割れが生じたためである。
11 n側半導体層
12 活性層
13 p側半導体層
14 リッジ
15 絶縁性保護膜
15b 第1膜
15a 第2膜
16 p側電極
17 保護極
18 pパッド電極
19 n側電極
Claims (7)
- 基板と、該基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、該窒化物半導体層と電気的に接続する電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記リッジ側面から、該リッジ両側の窒化物半導体層の表面にわたって、単結晶の第1膜と、多結晶又はアモルファスを含有する第2膜とが窒化物半導体層側からこの順に形成されてなる絶縁性保護膜を備えていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 第1膜は、六方晶構造の結晶からなる請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第1膜は、第2膜よりも薄膜である請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 絶縁性保護膜は、総膜厚1000Å〜5000Åであり、第1膜は、1000Å以下の膜厚である請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物半導体層の表面は、C面である請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第1膜は、A軸配向をした膜である請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第1膜はAl2O3であり、窒化物半導体層はInxAlyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、0≦x+y≦1)であり、InxAlyGa1-x-yN[0002]//Al2O3[1−210]及びGaN[11−20]//Al2O3[10−10]に配向した結晶を含有する請求項1〜6のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
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