JP5327154B2 - Iii族窒化物半導体レーザ素子、及びiii族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 - Google Patents
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Description
以下の通り、半極性面GaN基板を準備し、割断面の垂直性を観察した。基板には、HVPE法で厚く成長した(0001)GaNインゴットからm軸方向に75度の角度で切り出した{20−21}面GaN基板を用いた。GaN基板の主面は鏡面仕上げであり、裏面は研削仕上げされた梨地状態であった。基板の厚さは370μmであった。
実施例1では、半極性{20−21}面を有するGaN基板において、c軸を基板主面に投影した方向に垂直にケガキ線を入れて押圧して得た割断面は、基板主面に対して平坦性及び垂直性を有することがわかった。そこでこの割断面をレーザの共振器としての有用性を調べるため、以下の通り、図8に示されるレーザーダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)を用いた。基板71を準備した。基板71には、HVPE法で厚く成長した(0001)GaNインゴットからm軸方向に0度から90度の範囲の角度でウェハスライス装置を用いて切り出し、m軸方向へのc軸の傾斜角度ALPHAが、0度から90度の範囲の所望のオフ角を有するGaN基板を作製した。例えば、75度の角度で切り出したとき、{20−21}面GaN基板が得られ、図7(b)に示される六方晶系の結晶格子において参照符号71aによって示されている。
図9に示されたデータは以下のものである。
しきい値電流、 しきい値電流。
偏光度、(M方向ストライプ)、(<11−20>ストライプ)。
0.08、 64、 20。
0.05、 18、 42。
0.15、 9、 48。
0.276、 7、 52。
0.4 6。
図10に示されたデータは以下のものである。
傾斜角、歩留まり。
10、 0.1。
43、 0.2。
58、 50。
63、 65。
66、 80。
71、 85。
75、 80。
79、 75。
85、 45。
90、 35。
図11に示されたデータは以下のものである。
積層欠陥密度(cm−1)、歩留まり。
500、 80。
1000、 75。
4000、 70。
8000、 65。
10000、 20。
50000、 2。
図12に示されたデータは以下のものである。
基板厚、歩留まり。
48、 10。
80、 65。
90、 70。
110、 45。
150、 48。
200、 30。
400、 20。
実施例2では、{20−21}面を有するGaN基板上に、半導体レーザのための複数のエピタキシャル膜を成長した。上記のように、スクライブ溝の形成と押圧とによって光共振器用の端面が形成された。これらの端面の候補を見いだすために、(20−21)面に90度近傍の角度を成し、a面とは異なる面方位を計算により求めた。図13を参照すると、以下の角度及び面方位が、(20−21)面に対して90度近傍の角度を有する。
具体的な面指数、{20−21}面に対する角度。
(−1016): 92.46度。
(−1017): 90.10度。
(−1018): 88.29度。
以下の通り、レーザーダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)を用いた。基板として、HVPE法で成長した2インチ{20−21}面GaN基板を用いた。GaN基板は、a面を示すオリエンテーションフラット(「OF」と記す)を有する。OF面とa面とのズレ角度を示す面精度を面検査器にて測定し、面精度は0.1度以下であった。このため、GaN基板主面にc軸を投影した投影成分の方向とa面を示す端面(例えばOF又は、a面のへき開面)は、−0.1度以上+0.1度以下の角度範囲の精度で平行である。
レーザ光出力100mW。
走査速度は5mm/s。
この条件で形成されたスクライブ溝は、例えば、長さ100μm、幅10μm、深さ40μmの溝であった。半導体チップ幅に対応する300μm間隔で基板の表面に電極の開口部と通して直接レーザ光を照射することによって、スクライブ溝を周期的に形成した。共振器長は600μmとした。
既に述べたように、半導体レーザにおいては、導波路と共振器端面を精度よく垂直にすることにより、半導体レーザの特性を良好かつ安定化させることができる。その故に、端面の割れやすさは結晶方位に大きく依存するので、結晶方位を正確に示す目印を見出すとともに、その目印を基準にしてその目印に対して平行又は垂直にマスクアライメントを行うことができるとき、マスクアライメントの精度を高めることが可能である。半導体ウエハには、図23(a)に示されるように、例えばオリエンテーションフラット(以下、「オリフラ」として参照する)OFと呼ばれる結晶方位を示す切り欠きを設けることができる。
{20−21}面GaN基板上にレーザ構造のためのエピタキシャル積層構造を成長する。エピタキシャル積層構造は、n型半導体領域、活性層及びp型半導体領域を含み、活性層は、InGaN井戸層を含む単一量子井戸構造を有する。この成長の後に、水銀ランプ(波長365nm)を用いて励起してエピタキシャル基板の上面の蛍光像を観察した。図29(a)は、水銀ランプを用いて励起した際のエピタキシャル基板の上面の蛍光像を示す図面である。図29(a)に示すように、上面からの発光像における暗領域(水銀ランプ励起で発光しない領域)が観測される。暗領域は例えば五角形の形状を成している。五角形の最も長い辺(長辺)は、a軸方向にほぼ平行である。また、発明者らの観察によれば、暗領域の断面は、図29(b)、図29(c)及び図29(d)に示すような典型的な断面形状、例えば五角形、等脚台形といった台形、二等辺三角形といった三角形を有しており、これらの断面形状は、最長の辺に直交する軸に関して左右対称である。例えば三角形及び五角形の各々は、一頂点を通過し長辺に直交する軸に関して左右対称である。
Claims (37)
- III族窒化物半導体レーザ素子であって、
六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、
前記レーザ構造体の前記半導体領域上に設けられた電極と、
を備え、
前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記支持基体の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ALPHAで傾斜しており、
前記レーザ構造体は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び前記法線軸によって規定されるm−n面に交差する第1及び第2の割断面を含み、
当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器は前記第1及び第2の割断面を含み、
前記電極は、前記半導体領域の表面に接触を成し、
前記電極は、前記半導体領域の前記表面と前記m−n面との交差線の方向に延在し、
前記レーザ構造体は第1及び第2の面を含み、前記第1の面は前記第2の面の反対側の面であり、
前記第1及び第2の割断面は、それぞれ前記第1の面のエッジから前記第2の面のエッジまで延在し、
前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲であり、
前記レーザ構造体は、前記支持基体の前記半極性主面上に延在する導波路を含み、前記導波路は、前記第1及び第2の割断面の一方から他方への方向に向く導波路ベクトルの方向に延在し、
前記レーザ構造体は、水銀ランプによる光励起による蛍光顕微鏡像において所定の軸の方向に延在する筋状発光像を示し、
前記導波路ベクトルと前記所定の軸に直交する直交方向との成すズレ角は、−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあり、
前記第1及び第2の割断面の各々には、前記支持基体の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、
前記半導体領域の前記活性層における端面と前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸に直交する基準面との成す角度は、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸及びm軸によって規定される第1平面において(ALPHA−5)度以上(ALPHA+5)度以下の範囲の角度を成す、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記支持基体の厚さは400μm以下である、ことを特徴とする請求項1に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体の厚さは、50μm以上100μm以下である、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層からのレーザ光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に偏光している、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 当該III族窒化物半導体レーザ素子におけるLEDモードにおける光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に偏光成分I1と、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸を主面に投影した方向に偏光成分I2を含み、
前記偏光成分I1は前記偏光成分I2よりも大きい、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記半極性主面は、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかの面から−4度以上+4度以下の範囲でオフした微傾斜面である、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記半極性主面は、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかである、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体の積層欠陥密度は1×104cm−1以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体は、GaN、AlGaN、AlN、InGaN及びInAlGaNのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1及び第2の割断面の少なくともいずれか一方に設けられた誘電体多層膜を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層は、波長360nm以上600nm以下の光を発生するように設けられた発光領域を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層は、波長430nm以上550nm以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記法線軸の方向に直交座標系のZ軸を向けるように、該直交座標系を規定するとき、前記半極性主面は、該直交座標系のX軸及びY軸より規定される平面に沿って延在する、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ズレ角は−0.3度以上+0.3度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法であって、
六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する基板を準備する工程と、
前記半極性主面上に形成された半導体領域と前記基板とを含むレーザ構造体、アノード電極、及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、
前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に前記基板生産物の第1の面を部分的にスクライブする工程と、
前記基板生産物の第2の面への押圧により前記基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する工程と、
を備え、
前記第1の面は前記第2の面の反対側の面であり、
前記半導体領域は前記第1の面と前記基板との間に位置し、
前記レーザバーは、前記第1の面から前記第2の面にまで延在し前記分離により形成された第1及び第2の端面を有し、
前記第1及び第2の端面は当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、
前記アノード電極及びカソード電極は、前記レーザ構造体上に形成され、
前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記基板の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ALPHAで傾斜しており、
前記第1及び第2の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び前記法線軸によって規定されるm−n面に交差し、
前記アノード電極は、前記半導体領域の表面に接触を成し、
前記アノード電極は、前記半導体領域の前記表面と前記m−n面との交差線の方向に延在し、
前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、
前記レーザ構造体は、前記基板の前記半極性主面上に延在するレーザ導波路を含み、前記レーザ導波路は、前記第1及び第2の端面の一方から他方への方向に向く導波路ベクトルの方向に延在し、
前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸の方向を示すc軸ベクトルは、前記半極性主面に平行な投影成分と、前記法線軸に平行な垂直成分とを含み、
前記導波路ベクトルと前記投影成分との成すズレ角は−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあり、
前記基板生産物の前記半導体領域は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向を示すマークを含み、
前記基板生産物を形成する工程では、前記レーザ導波路の向きは前記マークの基準に決定され、前記マークの前記基準は、水銀ランプによる光励起による蛍光顕微鏡像において所定の軸の方向に延在する筋状発光像の延在し、
前記第1及び第2の端面の各々には、前記基板の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、
前記半導体領域の前記活性層における端面と前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸に直交する基準面との成す角度は、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸及びm軸によって規定される第1平面において(ALPHA−5)度以上(ALPHA+5)度以下の範囲の角度を成す、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記ズレ角は−0.3度以上+0.3度以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項15に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記角度ALPHAは、63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項15又は請求項16に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが400μm以下になるように加工が施され、
前記第2の面は前記加工により形成された加工面、又は前記加工面に上に形成された電極を含む面である、ことを特徴とする請求項15〜請求項17のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが50μm以上100μm以下になるように研磨され、
前記第2の面は前記研磨により形成された研磨面、又は前記研磨面に上に形成された電極を含む面である、ことを特徴とする請求項15〜請求項18のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記スクライブは、レーザスクライバを用いて行われ、
前記スクライブによりスクライブ溝が形成され、前記スクライブ溝の長さは、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸及び前記法線軸によって規定されるa−n面と前記第1の面との交差線の長さよりも短い、ことを特徴とする請求項15〜請求項19のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記半極性主面は、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかである、ことを特徴とする請求項15〜請求項20のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記法線軸の方向に直交座標系のZ軸を向けるように、該直交座標系を規定するとき、前記半極性主面は、該直交座標系のX軸及びY軸より規定される平面に沿って延在する、ことを特徴とする請求項15〜請求項21のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記基板は、GaN、AlGaN、AlN、InGaN及びInAlGaNのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項15〜請求項22のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記基板生産物を形成する工程では、レーザ光を前記基板生産物に照射して、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に配列されたレーザマークを形成しており、
前記マークは、前記レーザマークの配列を含む、ことを特徴とする請求項15〜請求項23のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法であって、
エピタキシャル基板を準備する工程と、
前記エピタキシャル基板を用いて、アノード電極及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、
前記エピタキシャル基板の構造物を基準にして向きを規定したスクライブマークを前記基板生産物に形成する工程と、
前記基板生産物の押圧により前記基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する工程と、
を備え、
前記エピタキシャル基板は、
六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する基板と、
前記基板の前記半極性主面上に設けられた半導体積層と、
を備え、
前記半導体積層はレーザ構造体のための半導体領域を含み、
前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記基板の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して角度ALPHAで傾斜しており、
前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度ALPHAは、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、
前記レーザバーは、前記分離により形成された第1及び第2の端面を有し、
前記第1及び第2の端面は当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、
前記基板生産物は、前記基板と前記半導体領域とを含むレーザ構造体を含み、
前記アノード電極及びカソード電極は、前記レーザ構造体上に形成され、
前記第1及び第2の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び前記法線軸によって規定されるm−n面に交差し、
前記アノード電極は、前記半導体領域の表面に接触を成し、
前記アノード電極は、前記半導体領域の前記表面と前記m−n面との交差線の方向に延在し、
前記第1及び第2の端面の各々には、前記基板の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、
前記半導体領域の前記活性層における端面と前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸に直交する基準面との成す角度は、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸及びm軸によって規定される第1平面において(ALPHA−5)度以上(ALPHA+5)度以下の範囲の角度を成し、
前記半導体積層は前記構造物を含み、前記構造物は前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向を示す基準軸に沿って延在し、
前記構造物は、前記半導体積層の上面において前記a軸の方向に延在する表面形態、前記半導体積層の上面に到達した積層欠陥の位置に設けられた窪み、及び水銀ランプで励起した発光像において暗領域として観察される欠陥領域、の少なくともいずれかを含み、前記発光像中の前記暗領域は、前記基準軸の方向に延在する長辺を有する、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記基板生産物を形成する工程は、前記レーザ構造体の前記半導体領域を覆う絶縁膜を形成する工程を含み、
前記絶縁膜にはストライプ形状の開口が形成されており、
前記開口の形成の際に、前記開口の向きは前記構造物を基準にして規定されており、
前記アノード電極及びカソード電極のいずれか一方は、前記絶縁膜の前記開口を介して前記レーザ構造体に接触する、請求項25に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記レーザ構造体の前記半導体領域はリッジ構造を有しており、
前記リッジ構造はストライプ形状を有しており、
前記リッジ構造の形成の際に、前記リッジ構造のストライプ形状の向きは前記構造物を基準にして規定される、請求項25又は請求項26に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記構造物は前記a軸の方向に230μm以上の長さを有する、請求項25〜請求項27のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記構造物は、前記半導体積層の上面において前記a軸の方向に延在する前記表面形態を有する、請求項25又は請求項28に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記構造物は、前記半導体積層の上面における前記窪みを含む、請求項25〜請求項29のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記積層欠陥は前記六方晶系III族窒化物半導体のc面内に存在する、請求項25〜請求項30のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記構造物は、水銀ランプで励起した発光像において暗領域として観察される前記欠陥領域を含む、請求項25に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記発光像中の暗領域における長辺と前記a軸の方向との成すズレ角は−0.5度以上+0.5度以下の範囲にある、請求項32に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記発光像中の暗領域における長辺と前記a軸の方向との成すズレ角は−0.3度以上+0.3度以下の範囲にある、請求項32又は請求項33に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記暗領域は、前記活性層に設けられた結晶欠陥を含む、請求項32〜請求項34のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記a軸に直交する平面における断面形状が前記結晶欠陥の少なくとも一部において六角形である、請求項35に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記暗領域は、摂氏800度以上の温度おける熱処理により拡大される、請求項32〜請求項36のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
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