JP5075020B2 - 窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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ジャパニーズ=ジャーナル=オブ=アプライド=フィジックス39号L647〜L650頁(Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39(2000) pp.L647-650)
(A1) 基体を用いて形成される窒化物半導体を含む窒化物半導体基板にあって、
基体に直線状のマスクを形成し、そのマスクのない部位での結晶成長により、
マスクのない部位とある部位との境界に成長方向に対する斜面であるファセット面を
生じさせた後、水平方向に成長させてファセット面をマスク上で接触させつつ垂直方
向に成長させることで、断面をV字状にした溝の側面である斜面を維持させながら成
長させ、その溝に転位を集中させてストライプ状、かつ基板の上面から下面に至るま
でで一連となりつつ、周囲の領域に対して区別される境界となった転位集中領域と、
転位集中領域を除いた領域である低転位領域と、
低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長するこ
とにより生じる周囲よりも明るく発光するストライプ状の高ルミネッセンス領域と、
が窒化物半導体基板に含まれており、
窒化物半導体基板の表面は、(0001)面から0.2°〜1°の範囲のオフ角度を
有している窒化物半導体基板。
(A2) 基体を用いて形成される窒化物半導体を含む窒化物半導体基板にあって、
基体にドット状のマスクを形成し、そのマスクのない部位での結晶成長により、
マスクのない部位とある部位との境界に成長方向に対する斜面であるファセット面を
生じさせた後、水平方向に成長させてファセット面をマスク上で接触させつつ垂直方
向に成長させることで、上下を逆にした角錐の側面を維持させながら成長させ、その
角錐の頂点に転位を集中させてドット状、かつ基板の上面から下面に至るまでで一連
となりつつ、周囲の領域に対して区別される境界となった転位集中領域と、
転位集中領域を除いた領域である低転位領域と、
低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長すること
により生じる周囲よりも明るく発光するストライプ状の高ルミネッセンス領域と、
が窒化物半導体基板に含まれており、
窒化物半導体基板の表面は、(0001)面から0.2°〜1°の範囲のオフ角度を
有している窒化物半導体基板。
(B1) 窒化物半導体基板の製造方法であって、
GaAs、サファイア、SiC、石英、NdGaO3、ZnO、GaN、AlN
、Si、スピネル、MgO、またはGaPから成る基体上に、マスクを形成する工
程と、
マスクのない部位での結晶成長により、マスクのない部位とある部位との境界に
成長方向に対する斜面であるファセット面を生じさせた後、水平方向に成長させて
ファセット面をマスク上で接触させつつ垂直方向に成長させることで、断面をV字
状にした溝の側面である斜面を維持させながら成長させ、その溝に転位を集中させ
てストライプ状、かつ基板の上面から下面に至るまでで一連となりつつ、周囲の領
域に対して区別される境界となる転位集中領域を成長させる工程と、
窒化物半導体基板表面が、(0001)面から0.2°〜1°の範囲のオフ角度
を有するように研磨加工する工程と、
を含み、
低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長することにより、周囲よりも明るく発光するストライプ状の高ルミネッセンス領域が形成されている窒化物半導体基板の製造方法。
(B2) 窒化物半導体基板の製造方法であって、
GaAs、サファイア、SiC、石英、NdGaO3、ZnO、GaN、AlN
、Si、スピネル、MgO、またはGaPから成る基体上に、マスクを形成する工
程と、
マスクのない部位での結晶成長により、マスクのない部位とある部位との境界に
成長方向に対する斜面であるファセット面を生じさせた後、水平方向に成長させて ファセット面をマスク上で接触させつつ垂直方向に成長させることで、上下を逆に した角錐の側面を維持させながら成長させ、その角錐の頂点に転位を集中させて ドット状、かつ基板の上面から下面に至るまでで一連となりつつ、周囲の領域に
対して区別される境界となる転位集中領域を成長させる工程と、
窒化物半導体基板表面が、(0001)面から0.2°〜1°の範囲のオフ角度
を有するように研磨加工する工程と、
が含まれ、
低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長することにより、周囲よりも明るく発光するストライプ状の高ルミネッセンス領域が形成されている窒化物半導体基板の製造方法。
図1は本発明の実施の形態1の半導体レーザ素子1を示す断面模式図である。図1は、本実施の形態の半導体レーザ素子1を、光出射方向から見た図である。図1において、10はn型GaN基板であり、基板10中には、転位集中領域11が存在し、転位集中領域11以外の部分は低転位領域となっている。また、低転位領域中には、さらに転位集中領域11に平行して高ルミネッセンス領域12が存在する。基板10上には、窒化物半導体層(エピタキシャル成長層)13が形成されている。窒化物半導体層13中には、レーザ光導波領域14が位置している。また、窒化物半導体層13上面および基板10下面には、電極15、16がそれぞれ形成されている。図1の断面図には現れていないが、転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12およびレーザ光導波領域14は、図1の奥行き方向に延伸しており、互いに略平行の配置となっている。
まず、n型GaN基板10の結晶成長方法の概略を述べる。GaNの結晶は、ファセット面からなる斜面が表出するようにして、その斜面を維持しながら成長させる。つまり、斜面を成長方向に次第に移動させていく。これにより、斜面の途中に発生する転位が斜面の下端に伝搬して集合し、斜面の下端であった部位が転位集中領域、斜面の途中であった部位が低転位領域となる。
次に、n型GaN基板10上に窒化物半導体層13等を形成して半導体レーザ素子1を作製する方法について、図3を参照して解説する。図3は、図1の半導体レーザ素子1を、窒化物半導体層13の層構造を詳細に示すように表した模式図であり、基板10中の上記構造については記載を省略した。
レーザ光導波領域14であるリッジストライプ部を、n型GaN基板10に対して、図1を用いて説明した所要の位置に形成する。これは、エピウェハー表面側より、p型クラッド層109の途中または下端までを、ストライプ状の部分を残してエッチングすることにより行う。ここで、ストライプ幅は1〜3μm、好ましくは1.3〜2μmとし、また、エッチング底面のp型ガイド層108からの距離は、0〜0.1μmした。その後、リッジストライプ部以外の部分に絶縁膜113を形成した。ここで、絶縁膜113としてはAlGaNを用いた。エッチングされずに残ったp型GaNコンタクト層110は露出しているので、この部分および絶縁膜113上に、p電極112をPd/Mo/Auの順序で蒸着して形成した。
得られた窒化物半導体レーザ素子1では、最適位置に電流狭窄部分が存在することによって、レーザ出力60mW、雰囲気温度70℃の条件の下、レーザ発振寿命5000時間以上が達成された。なお、本発明者らが前述の従来技術によって半導体レーザを作製し、同一条件で試験を行ったところ、その寿命は1000時間程度であった。
本実施の形態の窒化物半導体基板10は、上述のごとく、ストライプ状の転位集中領域、低転位領域、高ルミネッセンス領域あるいは低転位領域中央領域のような構造を有していることを特徴とする。あるいは、上述のような製造方法を用いて作製されたことを特徴とする。このような窒化物半導体基板を用いて窒化物半導体レーザ素子を製造する際、窒化物半導体レーザ素子のレーザ光導波領域を窒化物半導体基板上のどの位置に形成するかによって、レーザ発振寿命が変化することを、本発明者らは見出した。以下に、距離dおよびtの好ましい範囲について詳細に検討する。
次に、GaN基板10における転位集中領域11の現れるピッチPの好ましい範囲について検討した。前述のように、GaN基板10の作製においては、ファセット面{11−22}面を表出させながら、表面の断面形状が鋸歯状の凹凸形状となるようにすることが重要である。こうすることにより、低転位領域、高ルミネッセンス領域12を発生させることができ、転位集中領域11と高ルミネッセンス領域12の双方から所要距離だけ離れた部分はレーザ導波領域を形成するに好適な領域となる。したがって、上述の効果を得る距離dの最小値40μmと、上述の効果を得る距離tの最小値である30μmとの和70μmの2倍以上を、ピッチPとして取らないと、レーザ導波領域を形成する領域が無くなってしまう。よって、距離Pの範囲はP≧140μmに限定される。
本実施の形態2の半導体レーザ素子は実施の形態1の半導体レーザ素子1と同様であるが、距離P、d、tの値等が種々異なるものである。図6は本実施の形態の半導体レーザ素子のレーザ光導波領域14とn型GaN基板の転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12の配置関係を示す図であり、n型GaN基板60のうち個々の半導体レーザ素子(チップ)とする領域を符号61、62で表している。なお、本実施の形態2および後述する実施の形態3、4においては、レーザ光導波領域14、転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12の位置関係が実施の形態1と異なるが、各実施の形態においても実施の形態1と同様に符号1で半導体レーザ素子を示す。
本実施の形態3の半導体レーザ素子の製造方法は、さらに、1ピッチPあたりに作製する半導体レーザ素子(チップ)1の数を4個に増大させたものである。図7は、図6と同様に、半導体レーザ素子のレーザ光導波領域14とn型GaN基板の転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12の配置関係を示す図であり、n型GaN基板70のうち個々の半導体レーザ素子(チップ)1とする領域を符号71〜74で表している。
本実施の形態4は、実施の形態2または3とは逆に、幅W>ピッチPとするものである。図8は、図6と同様に、本実施の形態の半導体レーザ素子のレーザ光導波領域14とn型GaN基板の転位集中領域11、高ルミネッセンス領域12の配置関係を示す図であり、n型GaN基板80のうち半導体レーザ素子(チップ)1とする領域を符号81で表している。
本実施の形態5は、実施の形態1〜4で述べたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子1を、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子2に替えたものである。電流阻止層を有する本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子2について、図9を参照して説明する。
本実施の形態6は、As、PおよびSbの元素群のうち少なくともいずれかの元素を窒化物半導体レーザ素子1または2の活性層に含有するようにしたものである。他の構成は既に述べたとおりである。
本実施の形態7は、基板上に各窒化物半導体層を形成する際に、選択成長技術を用いるものであり、他は上述の実施の形態のいずれかと同様である。
本実施の形態8は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に適用したものである。
本発明は以下のように表現することもできる。
10 n型GaN基板
11 転位集中領域
12 低転位領域中央領域(高ルミネッセンス領域)
13 窒化物半導体層
14 レーザ光導波領域
15 p電極
16 n電極
21 支持基体
22 n型GaN層
23 {11−22}面
24 凹凸底部下部
25 凹凸頂上部
26 {0001}面
60 n型GaN基板
61、62 窒化物半導体レーザ素子形成領域
70 n型GaN基板
71〜74 窒化物半導体レーザ素子形成領域
80 n型GaN基板
81 窒化物半導体レーザ素子形成領域
102 n型GaN層
103 n型InGaNクラック防止層
104 n型AlGaNクラッド層
105 n型GaN光ガイド層
106 InGaN活性層
107 p型AlGaNキャリアブロック層
108 p型GaN光ガイド層
109 p型AlGaNクラッド層
110 p型GaNコンタクト層
111 n電極
112 p電極
113 絶縁膜
200 n型GaN基板
201 n型GaN層
203 n型InGaNクラック防止層
204 n型AlGaNクラッド層
205 n型GaN光ガイド層
206 活性層
207 p型AlGaNキャリアブロック層
208 p型GaN光ガイド層
209a p型AlGaN第1クラッド層
209b p型AlGaN第2クラッド層
210 p型InGaNコンタクト層
211 n電極
212 p電極
220 電流阻止層
300 光ディスク装置
301 光ピックアップ
302 制御回路
303、304 モータ
305 窒化物半導体レーザ素子
306 ビームスプリッタ
307 ミラー
308 対物レンズ
309 光検出器
Claims (20)
- 以下の(A1)に記載の窒化物半導体基板と、
上記窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体層と、
を備える窒化物半導体レーザ素子であって、
上記窒化物半導体層には、レーザ光導波領域が含まれており、
上記レーザ光導波領域とこれに最近接の転位集中領域との水平方向の距離dが40μm以上であるとともに、上記レーザ光導波領域とこれに最近接の高ルミネッセンス領域との水平方向の距離tが30μm以上である窒化物半導体レーザ素子。
(A1) 結晶成長時に不純物が添加され、基体を用いて形成される窒化物半導体を含む窒化物半導体基板にあって、
基体に直線状のマスクを形成し、そのマスクのない部位での結晶成長により、
マスクのない部位とある部位との境界に成長方向に対する斜面であるファセット面を
生じさせた後、水平方向に成長させてファセット面をマスク上で接触させつつ垂直方
向に成長させることで、断面をV字状にした溝の側面である斜面を維持させながら成
長させ、上記溝に転位を集中させてストライプ状、かつ基板の上面から下面に至るま
でで一連となりつつ、周囲の領域に対して区別される境界となった転位集中領域と、
上記転位集中領域を除いた領域である低転位領域と、
上記低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長する
ことにより生じる周囲よりも明るく発光するストライプ状の高ルミネッセンス領域と、
が上記窒化物半導体基板に含まれており、
上記窒化物半導体基板の表面は、(0001)面から0.2°〜1°の範囲のオフ角度を有している窒化物半導体基板。 - 以下の(A2)に記載の窒化物半導体基板と、
上記窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体層と、
を備える窒化物半導体レーザ素子であって、
上記窒化物半導体層には、レーザ光導波領域が含まれており、
上記レーザ光導波領域とこれに最近接の転位集中領域との水平方向の距離dが40μm以上であるとともに、上記レーザ光導波領域とこれに最近接の高ルミネッセンス領域との水平方向の距離tが30μm以上である窒化物半導体レーザ素子。
(A2) 結晶成長時に不純物が添加され、基体を用いて形成される窒化物半導体を含む窒化物半導体基板にあって、
基体にドット状のマスクを形成し、そのマスクのない部位での結晶成長により、
マスクのない部位とある部位との境界に成長方向に対する斜面であるファセット面を
生じさせた後、水平方向に成長させてファセット面をマスク上で接触させつつ垂直方
向に成長させることで、上下を逆にした角錐の側面を維持させながら成長させ、上記
角錐の頂点に転位を集中させてドット状、かつ基板の上面から下面に至るまでで一連
となりつつ、周囲の領域に対して区別される境界となった転位集中領域と、
上記転位集中領域を除いた領域である低転位領域と、
上記低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長する
ことにより生じる周囲よりも明るく発光するストライプ状の高ルミネッセンス領域と 、
が上記窒化物半導体基板に含まれており、
上記窒化物半導体基板の表面は、(0001)面から0.2°〜1°の範囲のオ
フ角度を有している窒化物半導体基板。 - 上記不純物はn型もしくはp型のドーパントであり、上記高ルミネッセンス領域では上記ドーパントの取り込まれ具合が周囲と異なる請求項1または2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- ストライプ状の上記転位集中領域が、[1−100]方向に略並行である請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- ストライプ状の上記転位集中領域の幅が、10μm〜40μmである請求項1または4に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 上記窒化物半導体基板の表面にて、ストライプ状の上記転位集中領域を含む部分が窪んでいる請求項1、4、5のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 上記オフ角度が、0.4°〜0.8°である請求項1〜6のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 上記不純物として添加される材料が、Cl、O、S、Se、Te、C、Si、Ge、Zn、Cd、Mg、Be、のいずれかである請求項1〜7のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 上記不純物が添加された場合、
その添加量が、5×1016/cm3以上5×1020/cm3以下である請求項8に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 上記転位集中領域が複数有り、
隣り合う転位集中領域間の距離Pが、140μm以上1000μm以下である請求項1〜9のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 以下の(B1)に記載の窒化物半導体基板の製造方法により製造された窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層を積層させることで、窒化物半導体レーザ素子を製造する窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
上記窒化物半導体層に、レーザ光導波領域を形成させるとともに、
上記レーザ光導波領域とこれに最近接の転位集中領域との水平方向の距離dを40μm以上としているとともに、上記レーザ光導波領域とこれに最近接の高ルミネッセンス領域との水平方向の距離tを30μm以上としている窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
(B1) 結晶成長時に不純物が添加される窒化物半導体基板の製造方法であって、
GaAs、サファイア、SiC、石英、NdGaO3、ZnO、GaN、AlN
、Si、スピネル、MgO、またはGaPから成る基体上に、マスクを形成する工
程と、
マスクのない部位での結晶成長により、マスクのない部位とある部位との境界に
成長方向に対する斜面であるファセット面を生じさせた後、水平方向に成長させて
ファセット面をマスク上で接触させつつ垂直方向に成長させることで、断面をV字
状にした溝の側面である斜面を維持させながら成長させ、上記溝に転位を集中させ
てストライプ状、かつ基板の上面から下面に至るまでで一連となりつつ、周囲の領
域に対して区別される境界となる転位集中領域を成長させる工程と、
窒化物半導体基板表面が、(0001)面から0.2°〜1°の範囲のオフ角度
を有するように研磨加工する工程と、
を含み、
上記転位集中領域を除いた領域である低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長することにより、周囲よりも明るく発光するストライプ状の高ルミネッセンス領域が形成されている窒化物半導体基板の製造方法。 - 以下の(B2)に記載の窒化物半導体基板の製造方法により製造された窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層を積層させることで、窒化物半導体レーザ素子を製造する窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
上記窒化物半導体層に、レーザ光導波領域を形成させるとともに、
上記レーザ光導波領域とこれに最近接の転位集中領域との水平方向の距離dを40μm以上としているとともに、上記レーザ光導波領域とこれに最近接の高ルミネッセンス領域との水平方向の距離tを30μm以上としている窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
(B2) 結晶成長時に不純物が添加される窒化物半導体基板の製造方法であって、
GaAs、サファイア、SiC、石英、NdGaO3、ZnO、GaN、AlN
、Si、スピネル、MgO、またはGaPから成る基体上に、マスクを形成する工
程と、
マスクのない部位での結晶成長により、マスクのない部位とある部位との境界に
成長方向に対する斜面であるファセット面を生じさせた後、水平方向に成長させて
ファセット面をマスク上で接触させつつ垂直方向に成長させることで、上下を逆に
した角錐の側面を維持させながら成長させ、上記角錐の頂点に転位を集中させてド
ット状、かつ基板の上面から下面に至るまでで一連となりつつ、周囲の領域に対し
て区別される境界となる転位集中領域を成長させる工程と、
窒化物半導体基板表面が、(0001)面から0.2°〜1°の範囲のオフ角度
を有するように研磨加工する工程と、
が含まれ、
上記転位集中領域を除いた領域である低転位領域の中央には、ファセット面{0001}面が表出して成長することにより、周囲よりも明るく発光するストライプ状の高ルミネッセンス領域が形成されている窒化物半導体基板の製造方法。 - 上記不純物はn型もしくはp型のドーパントであり、上記高ルミネッセンス領域では上記ドーパントの取り込まれ具合が周囲と異なる請求項11または12に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- [1−100]方向に対して略並行に、ストライプ状の上記転位集中領域を形成させている請求項11に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 10μm〜40μmの幅を有するストライプ状の上記転位集中領域を形成させている請求項11または14に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- ストライプ状の上記転位集中領域を形成させるとともに、その転位集中領域を含む窒化物半導体基板の表面にて、上記転位集中領域を含む部分を窪ませている請求項11、14、15のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 上記オフ角度を、0.4°〜0.8°としている請求項11〜16のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 上記不純物として、Cl、O、S、Se、Te、C、Si、Ge、Zn、Cd、Mg、Be、のいずれかを添加させている請求項11〜17のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 上記不純物を添加する場合、
その添加量を、5×1016/cm3以上5×1020/cm3以下にしている請求項18に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 - 上記転位集中領域を複数形成するとともに、
隣り合う転位集中領域間の距離Pを、140μm以上1000μm以下としている請求項11〜19のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
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