JP5625355B2 - 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 - 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。
HVPE法で成長した{20−21}面GaN基板を基板として用いて、このGaN基板上に1000nmのn型GaN層を成長した。こうして作製したGaN系半導体にレーザスクライブによって、スクライブ溝を形成した。スクライブ溝の周囲に形成されるダメージ領域のサイズを調べた。スクライブ溝の形成には、波長355nmのYAGレーザを使用したレーザスクライバを用いた。加工条件には、以下のものを用いた:
レーザ光出力100mW;走査速度は5mm/s。
形成されたスクライブ溝の形状は、およそ長さ200μm、幅10μm、深さ40μmの溝である。
図17は、200μm、150μm、100μmチップ幅を得るために行った実験におけるスクライブ溝の寸法に関する一覧を示す。図18は、スクライブ溝SG、レーザストライプLSの配置を示す図面である。終点側隙間は距離W1に対応し、始点側隙間は距離W2に対応する。始点側では、ダメージを避けるために導波路に対して30μmの隙間が必要であり、終点側では、位置精度の問題があるので、10μmの隙間が必要であるので、溝間隔の最小値は40μmである。また、スクライブ溝の底面を船底形状にしなければ、溝深さの再現性が悪くなるので、溝長さの最小値は40μmである。「+α余裕」はデブリーの悪影響を極力減らすための余裕を意味する。チップ幅が例えば100μm〜200μmの素子を作製するとき、スクライブ溝の形状の寸法範囲の見積もりは以下のものである:
チップ幅、 スクライブ溝の長さ、 スクライブ溝間隔;
200μm:40μm〜160μm、160〜40μm;
150μm:40μm〜110μm、110〜40μm;
200μm:40μm〜 60μm、 60〜40μm。
この見積もりにおいてスクライブ溝の長さの最小値は40μmである。スクライブ溝の長さ40μm以上であれば、割断面に充分な垂直性が得られる。
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。基板には、HVPE法で成長した{20−21}面GaN基板を用いた。
レーザ光出力:100mW;
走査速度:5mm/s。
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。スクライブ溝の形成において、溝の間隔が50〜300μmになるようにレーザスクライバを制御し、スクライブ溝端と導波路との距離が10〜300μmの範囲になるようにレーザスクライバを制御した。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であった。間隔W1、W2の規定は、既に説明したように、図19及び図20に示されている。
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22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。
Claims (36)
- 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、
前記半極性主面の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、
前記半導体領域は前記第1の面と前記支持基体との間に位置し、
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おいて導波路軸の方向に延在するレーザストライプを含み、前記導波路軸は、前記第1及び第2の割断面の一方から他方に延在し、
前記レーザ構造体は、前記第1の割断面において前記第1の面の前記エッジの一部分に設けられた第1及び第2の凹部を有し、該第1及び第2の凹部は前記レーザ構造体の前記第1の面から延在し、該第1及び第2の凹部の底端は前記レーザ構造体の前記第2の面のエッジから隔置され、該第1及び第2の凹部は前記第1及び第2の割断面の形成を案内するスクライブ溝から形成されたものであり、
前記第1の凹部は前記第1の面に設けられた端部を有すると共に、前記第2の凹部は前記第1の面に設けられた端部を有し、
前記レーザストライプと前記第1の凹部の前記端部との第1の間隔は、前記レーザストライプと前記第2の凹部の前記端部との第2の間隔より小さく、前記第1の面は、前記第1の凹部の前記端部の付近の第1ダメージ領域及び前記第2の凹部の前記端部の付近の第2ダメージ領域を有し、前記第1ダメージ領域は前記第2ダメージ領域より小さい、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第1及び第2の凹部は、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所定のa−n面に沿って設けられる、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。
- 前記第1の間隔は20マイクロメートル以上であり、
前記第1の間隔は50マイクロメートル未満である、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。 - 前記第1の間隔は50マイクロメートル未満であり、
前記第2の間隔は50マイクロメートル以上である、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。 - 前記III族窒化物半導体レーザ素子の幅は、200マイクロメートル以下である、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族窒化物半導体からなる支持基体のm軸に直交する基準面との成す角度は、前記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。 - 前記角度は、前記第1平面及び前記法線軸に直交する第2平面において−5度以上+5度以下の範囲になる、ことを特徴とする請求項6に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 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。
- 前記支持基体の厚さは400μm以下である、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〜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。
- 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13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14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15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16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。
- 前記活性層は、波長500nm以上600nm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。
- 前記レーザ構造体は、前記半導体領域上に設けられ開口を有する絶縁膜を更に含み、
前記電極は、前記絶縁膜の前記開口を介して前記レーザ構造体の前記半導体領域に接続され、
前記第1の間隔は前記絶縁膜の前記開口と前記第1の凹部の前記端部との間隔によって規定され、
前記第2の間隔は前記絶縁膜の前記開口と前記第2の凹部の前記端部との間隔によって規定される、ことを特徴とする請求項1〜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。 - 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、
前記第1の間隔は前記リッジ構造と前記第1の凹部の前記端部との間隔によって規定され、
前記第2の間隔は前記リッジ構造と前記第2の凹部の前記端部との間隔によって規定される、ことを特徴とする請求項1〜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。 - 前記第1の凹部は、前記第1の凹部の前記底端が前記第1の凹部の前記端部に向けて傾斜する第1のスロープ部を含み、
前記第2の凹部は、前記第2の凹部の前記底端が前記第2の凹部の前記端部に向けて傾斜する第2のスロープ部を含み、
前記第1のスロープ部の長さは前記第2のスロープ部の長さより長い、ことを特徴とする請求項1〜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。 - 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の面をスクライブして、第1及び第2のスクライブ溝を形成する工程と、
前記基板生産物の第2の面への押圧により前記第1及び第2のスクライブ溝から進行する割断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、
前記基板生産物は前記半極性主面上に延在するレーザストライプを含み、前記レーザストライプは導波路軸の方向に延在し、前記導波路軸は、前記第1及び第2の端面の一方から他方に延在し、前記第1のスクライブ溝、前記レーザストライプの一つ、及び前記第2のスクライブ溝は順に前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に配列され、
前記第1のスクライブ溝は前記第1の面に設けられた端部を有すると共に、前記第2のスクライブ溝は前記第1の面に設けられた端部を有し、
前記レーザストライプと前記第1のスクライブ溝の前記端部との第1の間隔は、前記レーザストライプと前記第2のスクライブ溝の前記端部との第2の間隔より小さく、前記第1の面は、前記第1のスクライブ溝の前記端部の付近の第1ダメージ領域及び前記第2のスクライブ溝の前記端部の付近の第2ダメージ領域を有し、前記第1ダメージ領域は前記第2ダメージ領域より小さく、前記第1のスクライブ溝の前記端部と前記第2のスクライブ溝の前記端部との間隔は、前記III族窒化物半導体レーザ素子の幅より小さい、ことを特徴とする方法。 - 前記第1及び第2のスクライブ溝は、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所定のa−n面に沿って設けられる、ことを特徴とする請求項23に記載された方法。
- 前記第1の間隔は20マイクロメートル以上であり、
前記第1の間隔は50マイクロメートル未満である、ことを特徴とする請求項23又は請求項24に記載された方法。 - 前記第1の間隔は50マイクロメートル未満であり、
前記第2の間隔は50マイクロメートル以上である、ことを特徴とする請求項23〜請求項25のいずれか一項に記載された方法。 - 前記III族窒化物半導体レーザ素子の幅は、200マイクロメートル以下である、ことを特徴とする請求項23〜請求項26のいずれか一項に記載された方法。
- 前記第1及び第2の端面の各々における前記活性層の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体からなる支持基体のm軸に直交する基準面に対して、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、ことを特徴とする請求項23〜請求項27のいずれか一項に記載された方法。
- 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23〜請求項28のいずれか一項に記載された方法。
- 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以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、
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23〜請求項29のいずれか一項に記載された方法。 - 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23〜請求項30のいずれか一項に記載された方法。 - 前記スクライブは、レーザスクライバを用いて行われる、ことを特徴とする請求項23〜請求項31のいずれか一項に記載された方法。
- 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23〜請求項32のいずれか一項に記載された方法。
- 前記レーザ構造体は、前記半導体領域上に設けられ開口を有する絶縁膜を更に含み、
前記電極は、前記絶縁膜の前記開口を介して前記レーザ構造体の前記半導体領域に接続され、
前記第1の間隔は前記絶縁膜の前記開口と前記第1のスクライブ溝の前記端部との間隔によって規定され、
前記第2の間隔は前記絶縁膜の前記開口と前記第2のスクライブ溝の前記端部との間隔によって規定される、ことを特徴とする請求項23〜請求項33のいずれか一項に記載された方法。 - 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、
前記第1の間隔は前記リッジ構造と前記第1のスクライブ溝の前記端部との間隔によって規定され、
前記第2の間隔は前記リッジ構造と前記第2のスクライブ溝の前記端部との間隔によって規定される、ことを特徴とする請求項23〜請求項34のいずれか一項に記載された方法。 - 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及び裏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導電型のクラッド層と、第2導電型のクラッド層と、前記第1導電型のクラッド層と前記第2導電型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導電型のクラッド層、前記第2導電型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角度ALPHAで傾斜しており、前記角度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、前記半導体領域は前記第1の面と前記支持基体との間に位置し、
前記レーザ構造体は、前記レーザ構造体の端部において前記第1の面のエッジの一端及び他端にそれぞれ設けられた第1及び第2のスクライブ跡を有し、前記第1及び第2のスクライブ跡は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸と前記法線軸とによって規定されるa−n面に沿って延在し、前記第1及び第2のスクライブ跡は前記第1の面から延在し、
前記レーザ構造体の前記端部は、前記第1及び第2のスクライブ跡のエッジ及び前記レーザ構造体の前記第1及び第2の面のエッジを繋ぐ割断面を有し、前記第1及び第2のスクライブ跡は、前記割断面の形成を案内する第1及び第2のスクライブ溝から形成されたものであり、
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割断面を含み、
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おいて導波路軸の方向に延在するレーザストライプを含み、
前記第1のスクライブ跡は前記第1の面に設けられた端部を有すると共に、前記第2のスクライブ跡は前記第1の面に設けられた端部を有し、
前記レーザストライプと前記第1のスクライブ跡の前記端部との第1の間隔は、前記レーザストライプと前記第2のスクライブ跡の前記端部との第2の間隔より小さく、前記第1の面は、前記第1のスクライブ跡の前記端部の付近の第1ダメージ領域及び前記第2のスクライブ跡の前記端部の付近の第2ダメージ領域を有し、前記第1ダメージ領域は前記第2ダメージ領域より小さい、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子。
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