JPH08264886A

JPH08264886A - 半導体レーザ素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08264886A
Application number: JP6804995A
Authority: JP
Inventors: Hideki Matsubara; 秀樹松原; Yasunori Miura; 祥紀三浦; Hisashi Seki; 壽関; Akinori Koketsu; 明伯纐纈
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1996-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】ＧａＮ系エピタキシャル結晶を用いた、低コ
ストで安定なレーザ素子およびその製造方法を提供す
る。【構成】結晶のへき開端面をミラーとして利用したフ
ァブリペロー共振器を有する半導体レーザ素子であっ
て、ＧａＡｓ半導体基板１と、基板１上に形成された厚
さが１０ｎｍ〜８０ｎｍのＧａＮからなる第１のバッフ
ァ層２と、第１のバッファ層２上に形成されたＧａＮか
らなる第２のバッファ層３と、第１のバッファ層２と第
２のバッファ層３との界面に位置する不整合面９と、第
２のバッファ層３上に形成された第１のクラッド層４
と、第１のクラッド層４上に形成された活性領域５と、
活性領域５上に形成された第２のクラッド層６と、第２
のクラッド層６上に形成されたコンタクト層７とを含
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザ素子お
よびその製造方法に関するものであり、特に、結晶のへ
き開端面をミラーとして利用したファブリペロー共振器
を有する半導体レーザ素子およびその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザとしては、たとえば、赤色
または赤外領域のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザが、早く
から実用化されている。このＡｌＧａＡｓ系半導体レー
ザにおいては、ＧａＡｓ基板を使用したエピタキシャル
結晶が用いられ、結晶のへき開端面をミラーとして利用
したファブリペロー共振器を有する半導体レーザ素子が
作製されている。

【０００３】しかしながら、近年、ＣＤやＤＶＤ等の普
及により、光読出素子として、従来の赤色または赤外領
域のレーザに代えて、より記録密度を上げることが可能
な、短波長の半導体レーザの要求が高まり、種々検討さ
れている。

【０００４】このような短波長、すなわち青色または紫
外領域のレーザ素子を作製する材料としては、たとえ
ば、ＺｎＳｅ系またはＧａＮ系のエピタキシャル結晶が
考えられる。

【０００５】ここで、ＺｎＳｅ系のエピタキシャル結晶
は、たとえば転移、空孔等の結晶固有の欠陥の低減が困
難であるため、寿命の長い安定したレーザ素子を実現す
ることは極めて困難であると考えられる。

【０００６】これに対して、ＧａＮ系のエピタキシャル
結晶については、ＬＥＤ（発光素子）が実現されている
が、ＺｎＳｅ系のような問題がなく、転移密度が多いに
もかかわらず、素子の耐久性が非常に高いという特長が
ある。したがって、このＧａＮ系エピタキシャル結晶
は、短波長領域のレーザ素子の材料として有望視されて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＧａＮ系エピタキシャル結晶は、基板としてへき開がで
きないサファイアを用いているため、へき開端面をミラ
ーとして利用したファブリペロー共振器を有する半導体
レーザを製造することができなかった。

【０００８】さらに、サファイアは絶縁性であるため、
電極を形成して素子を作製する際に、複雑な工程を有す
るという問題もあった。

【０００９】なお、半導体レーザには、へき開端面を利
用するファブリペロー構造以外に、面発光型構造も考え
られる。この面発光型構造とは、屈折率の異なる結晶を
多数層積層することにより、ブラッグ反射層として利用
する構造である。しかしながら、レーザ素子として必要
な高電流密度および高光密度達成のためには、後工程が
非常に複雑となり製造コストが高くつくという問題、さ
らに、面発光構造を用いて安定したレーザ素子を形成す
ることは技術的に非常に困難であるということから、面
発光型構造のレーザ素子は、現在のところ実現するに至
っていない。

【００１０】このようなことから、上述のような欠点を
有するサファィヤに代えて、導電性で、かつへき開可能
なＧａＡｓを基板として使用したエピタキシャル結晶の
作製が、種々試みられている。

【００１１】たとえば、日本結晶成長学会誌Ｖｏｌ．２
１Ｎｏ．５（１９９４）ＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔＳ
４０９〜Ｓ４１４（以下、「文献１」という）には、Ｇ
ａＡｓ基板上にＧａＡｓバッファ層を形成し、このＧａ
Ａｓバッファ層の表面を窒化処理することにより砒素
（Ａｓ）を窒素（Ｎ）に置換してＧａＮ被膜を形成した
後、このＧａＮ被膜上にＧａＮエピタキシャル層を形成
する方法が開示されている。

【００１２】この文献１によれば、ＧａＮエピタキシャ
ル層の形成には、ＯＭＶＰＥ法（有機金属気相エピタキ
シ成長法）が用いられている。ここで、ＯＭＶＰＥ法と
は、高周波加熱により反応室内の基板のみを加熱しなが
ら、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含む第１のガス
とアンモニア（ＮＨ₃ ）を含む第２のガスとを反応室内
に導入して、基板上にＧａＮエピタキシャル層を気相成
長させる方法である。

【００１３】また、たとえば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３（１９９４）ｐｐ．１７４７〜
１７５２（以下、「文献２」という）には、基板表面
に、ＧＳ−ＭＢＥ法（ガスソース分子線エピタキシ成長
法）により予め立方晶のＧａＮバッファ層を形成した
後、立方晶のＧａＮエピタキシャル層を形成する方法が
開示されている。

【００１４】この文献２によれば、ＧａＮエピタキシャ
ル層３３層の形成には、ハイドライドＶＰＥ法（気相エ
ピタキシ成長法）が用いられている。ここで、ハイドラ
イドＶＰＥ法とは、反応室内に、基板と、Ｇａ金属を入
れたソースボートとを設置し、抵抗加熱ヒータにより外
部から反応室全体を加熱しながら塩化水素（ＨＣｌ）を
含む第１のガスとアンモニア（ＮＨ₃ ）を含む第２のガ
スとを導入して、基板上にＧａＮエピタキシャル層を気
相成長させる方法である。

【００１５】しかしながら、文献１によれば、前述のよ
うにＯＭＶＰＥ法によりＧａＮエピタキシャル層を成長
させている。このＯＭＶＰＥ法により、ＧａＡｓ基板上
にＧａＮエピタキシャル層を成長させる場合には、サフ
ァイア基板上に成長させる場合と比べて、膜成長速度が
極端に落ちてしまう。具体的には、サファイア基板へ成
膜する場合には約３μｍ／時間の成膜速度が得られる場
合であっても、同条件てＧａＡｓ基板上に成膜する場合
には、成膜速度は約０．１５μｍ／時間まで低下してし
まう。そのため、この方法によるエピタキシャル結晶の
製造は、低コスト化を図ることができず、工業化に適さ
ないという問題があった。

【００１６】また、この方法によれば、ＧａＮエピタキ
シャル層を成長させる際、処理温度はあまり高温にでき
ない。そのため、得られるＧａＮエピタキシャル層の特
性の向上に限界があった。

【００１７】一方、文献２によれば、ＧａＮエピタキシ
ャル層の形成のため、予めその表面にＧＳ−ＭＢＥ法に
よりＧａＮバッファ層が形成された基板を準備しておか
なくてはならない。このＧＳ−ＭＢＥ法によるＧａＡｓ
基板上へのＧａＮバッファ層の形成は、成長速度が遅
く、工業化には適さない。

【００１８】また、ハイドライドＶＰＥ法を用いている
ため、複数のソースを必要とするヘテロ成長や多数枚の
成長が困難であり、実用化に適する方法といえるもので
はない。

【００１９】さらに、文献２においては、高特性のＧａ
Ｎエピタキシャル層を得るための製造条件等について
は、特に検討されていなかった。

【００２０】本発明の目的は、ＧａＡｓ、ＧａＰまたは
ＩｎＰ基板を用いたＧａＮ系エピタキシャル結晶を用い
た、低コストで安定なレーザ素子およびその製造方法を
提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による半
導体レーザ素子は、結晶のへき開端面をミラーとして利
用したファブリペロー共振器を有する半導体レーザ素子
であって、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰからなる群か
ら選ばれる化合物半導体基板と、基板上に形成された、
厚さが１０ｎｍ〜８０ｎｍのＧａＮからなる第１のバッ
ファ層と、第１のバッファ層上に形成された、ＧａＮか
らなる第２のバッファ層と、第１のバッファ層と第２の
バッファ層との界面に位置する不整合面と、第２のバッ
ファ層上に形成された第１のクラッド層と、第１のクラ
ッド層上に形成された活性領域と、活性領域上に形成さ
れた第２のクラッド層と、第２のクラッド層上に形成さ
れたコンタクト層とを含んでいる。

【００２２】ここで、第１のバッファ層と第２のバッフ
ァ層との界面に位置する不整合面としては、たとえば、
第１のバッファ層と第２のバッファ層との成長温度の違
いによる結晶格子のずれによるもの等が考えられる。な
お、この不整合面は、透過電子顕微鏡による素子の断面
観察から、第１のバッファ層と第２のバッファ層のコン
トラストの違いとして観察することができる。

【００２３】請求項２の発明による半導体レーザ素子
は、請求項１の発明において、第１のバッファ層の厚さ
が２０ｎｍ〜６０ｎｍである。

【００２４】請求項３の発明による半導体レーザ素子
は、請求項１または請求項２の発明において、基板は面
方位が（１１１）Ｂ面から微傾斜させた面を有するＧａ
Ａｓ基板であり、第１のバッファ層は基板の当該面上に
形成されたことを特徴としている。

【００２５】請求項４の発明による半導体レーザ素子
は、請求項３の発明において、面方位が（１１１）Ｂ面
から微傾斜させた面は、（１１１）Ｂ面から最近接の
〈１００〉方向に０°〜２°の範囲でオフさせた面、ま
たは（１１１）Ｂ面から最近接の〈０１１〉方向に０°
〜２°の範囲でオフさせた面である。

【００２６】請求項５の発明による半導体レーザ素子
は、請求項１または請求項２の発明において、基板は、
面方位が（１００）面から微傾斜させた面を有するＧａ
Ａｓ基板であり、第１のバッファ層は基板の当該面上に
形成されたことを特徴としている。

【００２７】請求項６の発明による半導体レーザ素子
は、請求項３の発明において、面方位が（１００）面か
ら微傾斜させた面は、（１００）面から最近接の〈１１
０〉方向に０°〜２°の範囲でオフさせた面である。

【００２８】請求項７の発明による半導体レーザ素子の
製造方法は、結晶のへき開端面をミラーとして利用した
ファブリペロー共振器を有する半導体レーザ素子を製造
する方法であって、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰから
なる群から選ばれる化合物半導体基板上に、外部から反
応室全体を加熱しながら、塩化水素およびガリウムを含
む有機金属原料を含む第１のガスと、アンモニアを含む
第２のガスとを反応室に導入して、反応室内に設置され
た基板上に気相成長させる方法により、第１の温度で、
ＧａＮからなる第１のバッファ層を形成するステップ
と、第１のバッファ層上に、外部から反応室全体を加熱
しながら、塩化水素およびガリウムを含む有機金属原料
を含む第１のガスと、アンモニアを含む第２のガスとを
反応室に導入して、反応室内に設置された基板上に気相
成長させる方法により、第１の温度より高い第２の温度
で、ＧａＮからなる第２のバッファ層を形成するステッ
プと、第２のバッファ層上に第１のクラッド層を形成す
るステップと、第１のクラッド層上に活性領域を形成す
るステップと、活性領域上に第２のクラッド層を形成す
るステップと、第２のクラッド層上にコンタクト層を形
成するステップとを備えている。

【００２９】なお、ガリウムを含む有機金属原料として
は、たとえば、トリメチルガリウム、トリエチルガリウ
ム等が用いられる。

【００３０】また、第１のクラッド層、活性領域および
第２のクラッド層は、たとえばＯＭＶＰＥ法（有機金属
気相エピタキシ成長法）を用いて形成されるとよい。

【００３１】請求項８の発明による半導体レーザ素子の
製造方法は、請求項７の発明において、第１の温度は３
００℃〜７００℃であり、第２の温度は７５０℃以上で
ある。

【００３２】請求項９の発明による半導体レーザ素子の
製造方法は、請求項８の発明において、第１の温度は４
００℃〜６００℃である。

【００３３】請求項１０の発明による半導体レーザ素子
の製造方法は、請求項７〜請求項９のいずれかの発明に
おいて、基板は面方位が（１１１）Ｂ面から微傾斜させ
た面を有するＧａＡｓ基板であり、基板の当該面上に第
１のバッファ層を形成することを特徴としている。

【００３４】請求項１１の発明による半導体レーザ素子
の製造方法は、請求項１０の発明において、面方位が
（１１１）Ｂ面から微傾斜させた面は、（１１１）Ｂ面
から最近接の〈１００〉方向に０°〜２°の範囲でオフ
させた面、または（１１１）Ｂ面から最近接の〈０１
１〉方向に０°〜２°の範囲でオフさせた面である。

【００３５】請求項１２の発明による半導体レーザ素子
の製造方法は、請求項７〜請求項９のいずれかの発明に
おいて、基板は面方位が（１００）面から微傾斜させた
面を有するＧａＡｓ基板であり、基板の当該面上に第１
のバッファ層を形成することを特徴としている。

【００３６】請求項１３の発明による半導体レーザ素子
の製造方法は、請求項１２の発明において、面方位が
（１００）面から微傾斜させた面は、（１００）面から
最近接の〈１１０〉方向に０°〜２°の範囲でオフさせ
た面である。

【００３７】

【作用】この発明による半導体レーザ素子に用いられる
エピタキシャル結晶は、厚さが１０ｎｍ〜８０ｎｍのＧ
ａＮからなる第１のバッファ層を備えている。

【００３８】従来のサファイア基板を用いたエピタキシ
ャル結晶においても、ＧａＮからなるバッファ層が形成
されていたが、このバッファ層は、主としてサファイア
基板とＧａＮエピタキシャル層との格子定数の差による
歪を緩和する作用をしていた。これに対して、本願発明
による第１のバッファ層は、このような歪緩和の作用の
他に、耐熱性コーティングとしての作用も兼ね備えてい
る。

【００３９】すなわち、ＧａＮのエピタキシャル成長
は、通常８００℃〜１１００℃という非常に高温で行な
う必要があるが、ＧａＮおよびサファイア基板は、８０
０℃以上の高温でも熱ダメージを受けることがなかっ
た。しかしながら、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰ基板
は、８００℃以上の高温ではＡｓやＰの抜けが起こり、
基板としての役目を果たせなくなってしまう。このよう
なことから、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰ基板上にＧ
ａＮエピタキシャル層を形成するためには、耐熱性コー
ティングを施す必要がある。本願発明において第２のバ
ッファ層（ＧａＮエピタキシャル層）より低温で形成さ
れる第１のバッファ層は、このような耐熱性コーティン
グとして作用するものである。

【００４０】この第１のバッファ層の厚さは、１０ｎｍ
〜８０ｎｍである。１０ｎｍより薄いと、第２のバッフ
ァ層（ＧａＮエピタキシャル層）を形成するための昇温
中に第１のバッファ層が部分的に途切れ、この上に形成
された第２のバッファ層（ＧａＮエピタキシャル層）が
剥がれてしまうからである。一方、８０ｎｍより厚い
と、フラットな第１のバッファ層の低温成長に核成長が
混ざり、この核を中心にピラミッド状に第２のバッファ
層（ＧａＮエピタキシャル層）が成長してしまうからで
ある。

【００４１】請求項３の発明によるレーザ素子に用いら
れるエピタキシャル結晶は、ＧａＡｓ基板の（１１１）
Ｂ面から微傾斜させた面上、具体的には、（１１１）Ｂ
面から最近接の〈１００〉方向に０°〜２°の範囲でオ
フさせた面、または（１１１）Ｂ面から最近接の〈０１
１〉方向に０°〜２°の範囲でオフさせた面上に、第１
のバッファ層（ＧａＮエピタキシャル層）が形成され
る。

【００４２】また、請求項５の発明によるレーザ素子に
用いられるエピタキシャル結晶は、ＧａＡｓ基板の（１
００）面から微傾斜させた面上、具体的には、（１０
０）面から最近接の〈１１０〉方向に０°〜２°の範囲
でオフさせた面上に、第１のバッファ層（ＧａＮエピタ
キシャル層）が形成される。

【００４３】そのため、従来のようにエピタキシャル層
表面にリッジが現れるようなことがなく、表面モホロジ
ーが良好で、表面が非常に平坦なエピタキシャル結晶を
得ることができる。

【００４４】また、この発明に従う半導体レーザ素子の
製造方法によれば、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰから
なる群から選ばれる化合物半導体基板上に、第２のバッ
ファ層（ＧａＮエピタキシャル層）の成長温度よりも低
い温度で、ＧａＮからなる第１のバッファ層を形成して
いる。

【００４５】そのため、基板結晶がダメージを受けるこ
とがなく、高品質な立方晶の第２のバッファ層（ＧａＮ
エピタキシャル層）を成長させることができる。

【００４６】このＧａＮからなる第１のバッファ層を形
成する際の温度は３００℃〜７００℃が好ましい。３０
０℃より低いと、ＧａＮからなる第１のバッファ層が成
長しないからである。一方、７００℃より高いと、基板
が熱ダメージを受けて、この上に形成されたエピタキシ
ャル層が剥がれてしまうからである。

【００４７】また、この発明によれば、ＧａＮからなる
第１のバッファ層およびＧａＮからなる第２のバッファ
層の形成に、外部から反応室全体を加熱しながら塩化水
素およびガリウムを含む有機金属原料を含む第１のガス
とアンモニアを含む第２のガスとを反応室内に導入して
反応室内に設置された基板上に気相成長させる方法（以
下「有機金属クロライド気相エピタキ成長法」という）
が用いられている。この有機金属クロライド気相エピタ
キシ成長法は、成長速度が速い上に、急峻なヘテロ界面
を得ることが可能である。

【００４８】

【実施例】

（実施例１）（１）ＤＨ＋ストライプ型図１は、本発明によるレーザ素子に用いられるエピタキ
シャル結晶の一例の構造を示す断面図である。図１を参
照して、このエピタキシャル結晶１０１は、ｎ型ＧａＡ
ｓの（１００）面〈１１０〉方向２°オフ基板１と、基
板１上に形成された厚さが３０ｎｍのＧａＮからなる第
１のバッファ層２と、第１のバッファ２上に形成された
厚さが２μｍのｎ型ＧａＮからなる第２のバッファ層３
と、第２のバッファ層３上に形成された厚さが０．５μ
ｍのｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなるｎ型クラッド層４
と、ｎ型クラッド層４上に形成された厚さが０．１μｍ
のノンドープＧａＮからなる活性領域５と、活性領域５
上に形成された厚さが０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎからなるｐ型クラッド層６と、ｐ型クラッド層６
上に形成されたｐ型ＧａＮからなるコンタクト層とを含
んでいる。

【００４９】なお、活性領域５は、厚さ０．１μｍのノ
ンドープＧａＮからなる単一の層で形成されていた。

【００５０】また、第１のバッファ層２と第２のバッフ
ァ層３との界面には、不整合面９が位置していた。

【００５１】次に、このように構成される半導体レーザ
素子用エピタキシャル結晶の製造方法について、以下に
説明する。

【００５２】図２は、この発明による有機金属クロライ
ド気相エピタキシ成長法を用いた第１のバッファ層２お
よび第２のバッファ層３の形成に用いられる気相成長装
置の概略構成を示す図である。図２を参照して、この装
置は、第１のガス導入口５１と第２のガス導入口５２と
排気口５３とを有する反応チャンバ５４と、この反応チ
ャンバ５４の外部からチャンバ内全体を加熱するための
抵抗加熱ヒータ５５とから構成される。

【００５３】このように構成される装置を用いて、以下
のように第１のバッファ層２および第２のバッファ層３
の形成を行なった。

【００５４】図２を参照して、まず、石英からなる反応
チャンバ５４内に、Ｈ₂ ＳＯ₄ 系の通常のエッチング液
で前処理されたｎ型ＧａＡｓ（１００）面〈１１０〉方
向２°オフ基板１を設置した。

【００５５】次に、抵抗加熱ヒータ５５により外部から
チャンバ内全体を加熱して、基板１を５００℃に保持し
た状態で、第１のガス導入口５１からＩＩＩ族原料とし
てトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）および塩化水素（Ｈ
Ｃｌ）、さらにｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ
₄ ）ガスを導入し、一方、第２のガス導入口５２からは
Ｖ族原料としてアンモニアガス（ＮＨ₃ ）を導入した。
なお、このときの原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は２００であ
った。このような条件でエピタキシャル成長させ、厚さ
３０ｎｍのＧａＮからなる第１のバッファ層２を形成し
た。

【００５６】次に、このようにＧａＮからなる第１のバ
ッファ層２が形成された基板１の温度を、抵抗加熱ヒー
タ５５により８００℃まで昇温した後、ＴＭＧａ、ＨＣ
ｌ、ＮＨ₃ およびｎ型ドーパントとしてＳｉＨ₄ を導入
して、エピタキシャル成長させた。なお、このときの原
料ガスのＶ／ＩＩＩ比は２００であった。

【００５７】その結果、ＧａＮからなる第１のバッファ
層２上に、厚さ２μｍの鏡面状の第２のバッファ層とし
てのＧａＮエピタキシャル層３が形成された。このＧａ
Ｎエピタキシャル層３のフォトルミネセンス（ＰＬ）ス
ペクトルは、ピーク波長が３６０ｎｍの強い発光が観測
された。また、Ｘ線回折の結果、六方晶を含まない立方
晶のＧａＮエピタキシャル層が成長していることが確認
された。

【００５８】次に、この第２のバッファ層３上に、第１
のクラッド層４、活性領域５、第２のクラッド層６およ
びコンタクト層７を、ＯＭＶＰＥ法を用いて形成した。
各層の成長条件を以下に示す。

【００５９】第１のクラッド層４（ｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎ）の成長条件成長温度：９００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）＋ＴＭＡｌ
（トリメチルアルミニウム）＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００ｎ型ドーパントとしてＳｉＨ₄ ガス厚さ：０．５μｍ活性領域５（ノンドープＧａＮ）の成長条件成長温度：９００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００厚さ：０．１μｍ第２のクラッド層６（ｐ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ）の成長
条件成長温度：９００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ＋ＴＭＡｌ＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００ｐ型ドーパントとしてＣｐ₂ Ｍｇ（ビスシクロペンタジ
エニルマグネシウム）厚さ：０．５μｍコンタクト層７（ｐ型ＧａＮ）の成長条件成長温度：８００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００ｐ型ドーパントとしてＣｐ₂ Ｍｇこのようにして各層を成長させた後、Ｎ₂ 雰囲気中６０
０℃で３０分間のアニール処理を行ない、ｐ型ドーパン
トのＭｇを活性化させて、半導体レーザ素子用エピタキ
シャル結晶を完成させた。

【００６０】このようにして作製されたエピタキシャル
結晶１０１を用いて、活性領域構造がＤＨ（ダブルヘテ
ロ）型で、デバイス構造がストライプ型の半導体レーザ
素子を、以下のように通常のデバイスプロセスにて作製
した。

【００６１】まず、プラズマＣＶＤによってＳｉ₃ Ｎ₄
絶縁膜を形成し、通常のフォトリソグラフィと化学エッ
チングにより、１０μｍ幅のストライプを形成した。そ
の上に、Ｎｉからなるｐ型上部電極を蒸着法にて形成し
た。

【００６２】つづいて、基板を研磨により薄膜化し、約
１００μｍ厚とした。さらに、基板側にｎ型電極Ａｕ−
Ｇｅ−Ｎｉを蒸着法にて形成した。このエピタキシャル
結晶を、へき開によりチップ化した。キャビティ長は１
ｍｍとした。へき開端面は、両面ともプラズマＣＶＤに
よってＳｉＯ₂ ／Ｓｉ₃ Ｎ₄ 多層膜からなる保護反射膜
を形成した。このようにしてできたチップを、熱伝導性
の良いＣｕ−Ｗ合金からなるステムにマウントし、通電
動作を試みた。このデバイスは、３５０ｎｍを中心とし
て、多モードながらも安定に室温発振した。

【００６３】（２）ＤＨ＋リッジ型図１に示すエピタキシャル結晶１０１を用いて、活性領
域構造がＤＨ（ダブルヘテロ）型で、デバイス構造がリ
ッジ型の半導体レーザ素子を、以下のように作製した。

【００６４】まず、塩素系のガスを用いて、ＲＩＥ（re
active ion etching）により、１０μｍ幅のストライプ
部分を除いて、ＧａＮからなる第２のバッファ層の途中
までエッチングを行ない、キャビティを細線化した。次
に、プラズマＣＶＤによってＳｉ₃ Ｎ₄ 絶縁膜を形成
し、フォトリソグラフィとエッチングにより、ストライ
プ上にのみ開口部を開けた。

【００６５】続いて、基板を研磨により薄膜化し、約１
００μｍ厚とした。さらに、基板側のｎ型電極Ａｕ−Ｇ
ｅ−Ｎｉを蒸着法にて形成した。このエピタキシャル結
晶を、へき開によりチップ化した。キャビティ長は１ｍ
ｍとした。へき開端面は、両面ともプラズマＣＶＤによ
ってＳｉＯ₂ ／Ｓｉ₃ Ｎ₄ 多層膜からなる保護反射膜を
形成した。こうしてできたチップを、熱伝導性の良いＣ
ｕ−Ｗ合金からなるステムにマウントし、通電動作を試
みた。このデバイスは、３５０ｎｍを中心として、多モ
ードながらも安定に室温発振した。また、発振のしきい
値電流は、ストライプ型のデバイスよりも小さくなっ
た。

【００６６】（３）ｎ型ＧａＡｓ（１１１）Ｂ面基板ｎ型ＧａＡｓ（１１１）Ｂ面０°オフ基板、（１１１）
Ｂ面＜１００＞方向２°オフ基板、（１１１）Ｂ面＜０
１１＞方向１°オフ基板を用いて、図１に示すエピタキ
シャル結晶１０１と同様のエピタキシャル結晶を作製し
た。

【００６７】ただし、クラッド層をＡｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ
とし、活性領域をＧａ_0.9 Ｉｎ_0.1Ｎとした。なお、他
の条件については上述の（１）に説明したのと全く同様
であるので、その説明は省略する。

【００６８】このようにして得られたエピタキシャル結
晶を用いて、上述の（１）および（２）と同様な方法
で、ＤＨ型でストライプ型のレーザ素子、およびＤＨ型
でリッジ型のレーザ素子を作製した。その結果、すべて
の基板上に形成した素子で、安定に発振するレーザ素子
を作製することができた。なお、これらのデバイスは、
発振波長が３９０ｎｍを中心とする多モードであった。

【００６９】（４）ＩｎＰ基板ＧａＡｓの基板の代わりにＩｎＰ（１００）面基板を用
いて、図１に示すエピタキシャル結晶１０１と同様のエ
ピタキシャル結晶を作製し、これを用いて同様にストラ
イプ型およびリッジ型のレーザ素子を作製した。なお、
他の条件については全く同様であるのでその説明は省略
する。

【００７０】その結果、安定に発振するレーザ素子を作
製することができた。（５）ＧａＰ基板ＧａＡｓ基板の代わりにＧａＰ（１００）面基板を用い
て、図１に示すエピタキシャル結晶１０１と同様のエピ
タキシャル結晶を作製し、これを用いて同様にストライ
プ型およびリッジ型のレーザ素子を作製した。なお、他
の条件については全く同様であるので、その説明は省略
する。

【００７１】その結果、安定に発振するレーザ素子を作
製することができた。（実施例２）図３は、本発明による半導体レーザ素子に
用いられるエピタキシャル結晶の他の例の構造を示す断
面図である。

【００７２】図３を参照して、このエピタキシャル結晶
１０２は、図１に示すエピタキシャル結晶１０１と同様
に、半導体基板１と第１のバッファ層２と、第２のバッ
ファ層３と、第１のクラッド層４と、活性領域５と、第
２のクラッド層６と、コンタクト層７とを含んでいる。
また、第１のバッファ層２と第２のバッファ３との界面
には、不整合面９が位置している。

【００７３】ただし、活性領域５は、以下のようにエピ
タキシャル結晶１０１とは異なっている。すなわち、こ
のエピタキシャル結晶１０２においては、活性領域５
は、厚さ０．５μｍのｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮからなるｎ
型グレーデッド層２５と、ｎ型グレーデッド層２５上に
形成された厚さが０．１μｍのノンドープＧａ_0.9 Ｉｎ
_0.1 Ｎからなる活性層１５と、活性層１５上に形成され
た厚さが０．５μｍのｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮからなるｐ
型グレーデッド層３５との３層から構成されている。

【００７４】ｎ型グレーデッド層２５は、ｎ型Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＮからなるが、ここで、ｘは、第１のクラッド層
４側からの厚みをｄ（μｍ）としたとき、ｘ＝（０．５
−ｄ）² となるように変化している。すなわち、第１の
クラッド層４と接する側ではｘ＝（０．５）² となり、
活性層１５と接する側ではｘ＝０となっている。

【００７５】また、ｐ型グレーデッド層３５は、ｐ型Ａ
ｌ_yＧａ_1-yＮからなるが、ここで、ｙは、活性層１５
側からの厚みをｄ（μｍ）としたとき、ｙ＝ｄ² となる
ように変化している。すなわち、活性層１５と接する側
ではｙ＝０となり、第２のクラッド層６と接する側では
ｙ＝（０．５）² となっている。

【００７６】なお、活性領域５以外の部分については、
図１に示すエピタキシャル結晶１０１と全く同様である
ので、その説明は省略する。

【００７７】次に、このように構成されるエピタキシャ
ル結晶１０２の製造方法について、以下に説明する。

【００７８】まず、実施例１と同様の方法で、基板１上
に第１のバッファ層２、第２のバッファ層３および第１
のクラッド層４を形成した。

【００７９】次に、第１のクラッド層４上に、ＯＭＶＰ
Ｅ法を用いて、ｎ型グレーデッド層２５、活性層１５お
よびｐ型グレーデッド層３５からなる活性領域５を形成
した。各層の成長条件を以下に示す。

【００８０】ｎ型グレーデッド層２５（ｎ型Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ）の成長条件成長温度：９００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ＋ＴＭＡｌ＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００ｎ型ドーパントとしてＳｉＨ₄ ガス厚さ：０．５μｍ活性層１５（ノンドープＧａ_0.9 Ｉｎ_0.1 Ｎ）の成長条
件成長温度：８００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ＋ＴＭＩｎ（トリメチルインジウ
ム）＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００厚さ：０．１μｍｐ型グレーデッド層３５（ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ）成長
条件成長温度：９００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ＋ＴＭＡｌ＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００ｐ型ドーパントとしてＣｐ₂ Ｍｇ厚さ：０．５μｍ続いて、活性領域５上に、実施例１と同様の方法で、第
２のクラッド層６およびコンタクト層７を形成した後、
さらに、実施例１と同様にアニール処理を施した。

【００８１】このようにして作製されたエピタキシャル
結晶１０２を用いて、ストライプ型およびリッジ型の半
導体レーザ素子をそれぞれ作製した。なお、素子化の方
法は実施例１と同様であった。

【００８２】その結果、安定に発振するレーザ素子を作
製することができた。なお、このデバイスは、発振波長
が３９０ｎｍを中心とする多モードであった。

【００８３】（実施例３）図４は、本発明による半導体
レーザ素子に用いられるエピタキシャル結晶のさらに他
の例の構造を示す断面図である。

【００８４】図４を参照して、このエピタキシャル結晶
１０３は、図１に示すエピタキシャル結晶１０１と同様
に、基板１と、第１のバッファ層２と、第２のバッファ
層３と、第１のクラッド層４と、活性領域５と、第２の
クラッド層６と、コンタクト層７とを含んでいる。ま
た、第１のバッファ層２と第２のバッファ層３との界面
には、不整合面９が位置している。

【００８５】ただし、活性領域５は、以下のようにエピ
タキシャル結晶１０１とは異なっている。すなわち、こ
のエピタキシャル結晶１０３においては、活性領域５
は、厚さ２０ｎｍのノンドープＧａＮ層４５上に厚さ５
ｎｍのノンドープＡｌ_0.1 Ｇａ _0.9 Ｎ層５５が形成され
たものが４回積層され、さらにその上に厚さ２０ｎｍの
ノンドープＧａＮ層が形成された、合計９層から構成さ
れている。

【００８６】なお、活性領域５以外の部分については、
図１に示すエピタキシャル結晶１０１と全く同様である
ので、その説明は省略する。

【００８７】次に、このように形成されるエピタキシャ
ル結晶１０３の製造方法について、以下に説明する。

【００８８】まず、実施例１と同様の方法で、基板１上
に第１のバッファ層２、第２のバッファ層３および第１
のクラッド層４を形成した。

【００８９】次に、第１のクラッド層４上に、ＯＭＶＰ
Ｅ法を用いて、ノンドープＧａＮ層４５とノンドープＡ
ｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層５５とを交互に積層してなる活性領
域５を形成した。各層の成長条件を以下に示す。

【００９０】ノンドープＧａＮ層４５の成長条件成長温度：９００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００厚さ：２０ｎｍノンドープＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層５５の成長条件成長温度：９００℃ 原料ガス：ＴＥＧａ＋ＴＭＡｌ＋ＮＨ₃ 原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は１０００厚さ：５ｎｍ続いて、活性領域５上に、実施例１と同様の方法で、第
２のクラッド層６およびコンタクト層７を形成した後、
さらに、実施例１と同様にアニール処理を施した。

【００９１】このようにして作製されたエピタキシャル
結晶１０３を用いて、ストライプ型およびリッジ型の半
導体レーザ素子をそれぞれ作製した。なお、素子化の方
法は実施例１と同様であった。

【００９２】その結果、安定に発振するレーザ素子を作
製することができた。なお、このデバイスは、発振波長
が３４０ｎｍを中心とした単一モードであった。

【００９３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、導電性かつへき開性を有するＧａＡｓ基板を用いる
ため、ＡｌＧａＡｓ系レーザ等で実現している、低コス
トで安定性の良いファブリペロー構造のレーザ素子が得
られる。特に、ＧａＮエピタキシャル結晶は、転移密度
が多いにもかかわらず、素子の耐久性が非常に高いこと
から、極めて長寿命のレーザ素子を製造することが可能
となる。

【００９４】また、この発明の製造方法によれば、有機
金属クロライド気相エピタキシ成長法とＯＭＶＰＥ法と
を組合せることにより、格子不整の大きい、ＧａＡｓ、
ＧａＰまたはＩｎＰ基板上にも、性能のよいＧａＮエピ
タキシャル層を積層することが可能となる。その結果、
性能のよい半導体レーザ素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による半導体レーザ素子に用いられる
エピタキシャル結晶の一例の構造を示す断面図である。

【図２】この発明による有機金属クロライド気相エピタ
キシ成長法を用いたエピタキシャル層の形成に用いられ
る気相成長装置の概略構成を示す図である。

【図３】本発明による半導体レーザ素子に用いられるエ
ピタキシャル結晶の他の例の構造を示す断面図である。

【図４】本発明による半導体レーザ素子に用いられるエ
ピタキシャル結晶のさらに他の例の構造を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１半導体基板２第１のバッファ層３第２のバッファ層４第１のクラッド層５活性領域６第２のクラッド層７コンタクト層９不整合面なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶のへき開端面をミラーとして利用し
たファブリペロー共振器を有する半導体レーザ素子であ
って、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰからなる群から選ばれる
化合物半導体基板と、前記基板上に形成された、厚さが１０ｎｍ〜８０ｎｍの
ＧａＮからなる第１のバッファ層と、前記第１のバッファ層上に形成された、ＧａＮからなる
第２のバッファ層と、前記第１のバッファ層と前記第２のバッファ層との界面
に位置する不整合面と、前記第２のバッファ層上に形成された第１のクラッド層
と、前記第１のクラッド層上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成された第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に形成されたコンタクト層とを
含む、半導体レーザ素子。
【請求項２】前記第１のバッファ層の厚さは、２０ｎ
ｍ〜６０ｎｍである、請求項１記載の半導体レーザ素
子。
【請求項３】前記基板は、面方位が（１１１）Ｂ面か
ら微傾斜させた面を有するＧａＡｓ基板であり、前記第１のバッファ層は前記基板の前記面上に形成され
たことを特徴とする、請求項１または請求項２記載の半
導体レーザ素子。
【請求項４】前記面方位が（１１１）Ｂ面から微傾斜
させた面は、（１１１）Ｂ面から最近接の〈１００〉方
向に０°〜２°の範囲でオフさせた面、または（１１
１）Ｂ面から最近接の〈０１１〉方向に０°〜２°の範
囲でオフさせた面である、請求項３記載の半導体レーザ
素子。
【請求項５】前記基板は、面方位が（１００）面から
微傾斜させた面を有するＧａＡｓ基板であり、前記第１のバッファ層は前記基板の前記面上に形成され
たことを特徴とする、請求項１または請求項２記載の半
導体レーザ素子。
【請求項６】前記面方位が（１００）面から微傾斜さ
せた面は、（１００）面から最近接の〈１１０〉方向に
０°〜２°の範囲でオフさせた面である、請求項５記載
の半導体レーザ素子。
【請求項７】結晶のへき開端面をミラーとして利用し
たファブリペロー共振器を有する半導体レーザ素子を製
造する方法であって、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰからなる群から選ばれる
化合物半導体基板上に、外部から反応室全体を加熱しな
がら、塩化水素およびガリウムを含む有機金属原料を含
む第１のガスと、アンモニアを含む第２のガスとを反応
室に導入して、反応室内に設置された基板上に気相成長
させる方法により、第１の温度で、ＧａＮからなる第１
のバッファ層を形成するステップと、前記第１のバッファ層上に、外部から反応室全体を加熱
しながら、塩化水素およびガリウムを含む有機金属原料
を含む第１のガスと、アンモニアを含む第２のガスとを
反応室に導入して、反応室内に設置された基板上に気相
成長させる方法により、前記第１の温度より高い第２の
温度で、ＧａＮからなる第２のバッファ層を形成するス
テップと、前記第２のバッファ層上に第１のクラッド層を形成する
ステップと、前記第１のクラッド層上に活性領域を形成するステップ
と、前記活性領域上に第２のクラッド層を形成するステップ
と、前記第２のクラッド層上にコンタクト層を形成するステ
ップとを備える、半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項８】前記第１の温度は、３００℃〜７００℃
であり、前記第２の温度は７５０℃以上である、請求項
７記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項９】前記第１の温度は４００℃〜６００℃で
ある、請求項８記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１０】前記基板は、面方位が（１１１）Ｂ面
から微傾斜させた面を有するＧａＡｓ基板であり、前記基板の前記面上に前記第１のバッファ層を形成する
ことを特徴とする、請求項７〜請求項９のいずれかに記
載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１１】前記面方位が（１１１）Ｂ面から微傾
斜させた面は、（１１１）Ｂ面から最近接の〈１００〉
方向に０°〜２°の範囲でオフさせた面、または（１１
１）Ｂ面から最近接の〈０１１〉方向に０°〜２°の範
囲でオフさせた面である、請求項１０記載の半導体レー
ザ素子の製造方法。
【請求項１２】前記基板は、面方位が（１００）面か
ら微傾斜させた面を有するＧａＡｓ基板であり、前記基板の前記面上に前記第１のバッファ層を形成する
ことを特徴とする、請求項７〜請求項９のいずれかに記
載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】前記面方位が（１００）面から微傾斜
させた面は、（１００）面から最近接の〈１１０〉方向
に０°〜２°の範囲でオフさせた面である、請求項１２
記載の半導体レーザ素子の製造方法。