JPH09129974A

JPH09129974A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JPH09129974A
Application number: JP28015595A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tanaka; 俊明田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化物系材料においてｐ型キャリア濃度を向上
させたコンタクト層を得るとともに、接触抵抗を低減す
る構造を設けることにより、素子抵抗や動作電圧を低減
した青紫色波長領域で動作するレーザ素子を実現するこ
とにある。【解決手段】サファイア基板１上に、有機金属気相成長
法を用いて、層３まで結晶成長する。次にリソグラフィ
とエッチングにより選択成長用絶縁膜マスクを形成し、
層８まで選択成長する。さらに絶縁膜マスクを形成し
て、層８を正六角錐の周期的な形状として選択成長す
る。この後、ｐ側とｎ側電極を蒸着し、導波路ストライ
プに垂直な方向で劈開する。【効果】ｐ型コンタクト層とｐ側電極の接触抵抗が改善
でき、注入電流２０ｍＡ時の素子動作電圧を従来の３.
６Ｖに対して３.２〜３.４Ｖにまで低減できた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報端末或は光
応用計測光源に適する半導体レーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術では、青色領域の発光ダイオ
ード素子に関して、素子構造の詳細が公知例１）アプラ
イド・フィジックス・レター1994年,64巻,1687-1689頁
(Appl.Phys. Lett., 64, 1687-1689(1994).)において述
べられており、GaInN/GaN/AlGaN材料を用いた光導波層
や発光活性層が示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、窒
化物系材料を用いた青色発光ダイオードにおける発光活
性層や光導波層の全体構成について述べているが、電極
と接触するコンタクト層については全く言及していな
い。また、発光素子の素子抵抗や動作電圧を大きくして
いる要因として、コンタクト層におけるｐ型キャリア濃
度が低くｐ側電極とｐ型コンタクト層の接触抵抗が大き
いことが挙げられ、素子抵抗や動作電圧が十分改善でき
ていない。

【０００４】本発明の目的は、窒化物系材料においてｐ
型キャリア濃度を向上させたコンタクト層を得るととも
に、ｐ側電極からｐ型コンタクト層へ注入する正孔キャ
リアを実質的に増大して、接触抵抗を低減する手法を明
記することにある。これにより、発光素子の抵抗や動作
電圧を低減することにある。また、窒化物材料系からな
る発光素子において、青紫色波長領域のレーザ動作を低
抵抗でかつ低電圧で動作する素子を実現するものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段を以下に説明する。

【０００６】本発明では、窒化物系半導体における電極
との高い接触抵抗に対して、これまでその対策が不十分
であった点を改善した。特に、ｐ型窒化物半導体では電
極との界面におけるショットキー障壁が大きく、その障
壁を乗り越えてより多くの正孔キャリアを注入するため
には、大きな印加電圧を必要とした。本発明では、ｐ型
半導体における擬フェルミレベルを高く設定して障壁を
より小さくするために、高い正孔濃度が達成できるGaIn
N結晶層をコンタクト層として設けた。ｐ型GaInNコンタ
クト層では、従来用いられていたｐ型GaN結晶層におけ
るよりも、ｐ型不純物が浅い不純物準位を形成するの
で、活性化した正孔キャリアを発生しやすい。さらに、
GaInNコンタクト層には、六方晶系Wurtzite構造がもつ
六方対称のあらゆる結晶面を利用して正孔キャリアを注
入するために、できるだけ表面に多くの結晶面を出した
形状を設けておき、各結晶面を電極と接触させる。これ
により、表面積を大きくして有効に活用できるととも
に、種々の結晶面から正孔キャリアを注入し、また有効
質量の軽い正孔をもつ特定の結晶面からキャリア注入す
ることができるので、ショットキー障壁を乗り越える正
孔キャリアの数を増大できる。より多くの正孔キャリア
密度を電極からｐ型窒化物半導体へ注入することによ
り、電極との接触抵抗を低減し、素子の抵抗や動作電圧
を減少させた発光ダイオード素子やレーザ素子の発光素
子を実現する。

【０００７】上述の本発明の手段は、従来のIII−V族窒
化物系半導体材料で問題であった窒化物半導体と電極と
の接触抵抗を低減し、レーザ素子の低抵抗化と低動作電
圧化を図るものであり、その作用は以下の通りである。

【０００８】これまで、窒化物半導体であるGaN結晶層
では、10¹⁹/cm³オーダの高いレベルに設定できなかった
ｐ型キャリア濃度を向上させるために、GaInN結晶層を
用いてｐ型コンタクト層を形成する。ｐ型GaInNコンタ
クト層では、ｐ型不純物が浅い不純物準位を形成するの
で、活性化する正孔キャリアを増大できる。本素子で
は、2×10¹⁹/cm³までの範囲で任意に正孔キャリア濃度
を設定できた。これにより、ｐ型コンタクト層の擬フェ
ルミレベルを高く設定して障壁をより小さくする。

【０００９】さらに、ｐ型コンタクト層において、六方
晶系Wurtzite構造の六方対称結晶面を多くもつ３次元形
状を設けておき、ｐ側電極からショットキー障壁を乗り
越えて各結晶面へ有効質量の異なる正孔キャリアを注入
するようにする。例えば、図１や２に示すように、ｐ型
GaN光導波層の上にｐ型GaInNコンタクト層を設ける他
に、選択成長技術を用いて、３次元形状の六角柱または
六角錐、或いは正確な形状として正六角柱または正六角
錐を周期的に設けたコンタクト層表面を作製する。或い
は、図３や４及び５に示すように、ドライ加工技術によ
って、上記３次元形状や図５に示すさらに別の結晶面{1
1-20}A面を出した３次元形状を作製する。これらの３次
元形状の結晶面は、六方晶系Wurtzite構造の{0001}C
面，{1-100}M面，{1-101}S面，{11-20}A面，{1-102}R面
及び{1-123}N面いずれかの結晶面の組合せによって構成
されている。このような３次元形状を有したコンタクト
層表面を導入することにより、ｐ型コンタクト層とｐ側
電極との接触表面積を増大できるとともに、有効質量の
軽い正孔キャリアを種々の結晶面から注入し、ショット
キー障壁を乗り越えて注入する正孔キャリア密度を増大
できる。この結果、ｐ型コンタクト層とｐ側電極の接触
抵抗を低減し、1〜5×10^-6Ωcm²のレベルに低く改善で
きた。また、素子抵抗は従来の1/3から1/8に低減すると
ともに、注入電流２０ｍＡ時の素子動作電圧を従来の
３.６Ｖに対して３.２〜３.４Ｖにまで低減した。

【００１０】本素子では、活性層横方向に対して屈折率
差を設けることにより基本横モードの導波光を安定に伝
搬する、リッジストライプ或いは埋め込み(ＢＨ)構造に
よる屈折率導波ストライプ構造を設けた。特に、本発明
のＢＨ構造は選択成長により作製でき、基板に垂直でか
つ平滑な側面と上面を有しているので、低損失な導波光
の伝搬が可能であった。さらに、ＢＨ構造のレーザ素子
では、電流狭窄効果も優れており、リッジストライプ構
造の閾値電流に比べて、1/2から1/3にまで低減できる低
閾値動作を得た。

【００１１】以上により、素子抵抗と動作電圧の低減を
図るとともに、基本横モードの安定化を図ることができ
る屈折率導波ストライプ構造を導入することにより、素
子の低閾値動作を達成した。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施例について、図面を
参照して詳細に説明する。

【００１３】＜実施例１＞本発明の一実施例を図６によ
り説明する。まず図６の(0001)C面を有するサファイア
(α-Al₂O₃)基板１上に、有機金属気相成長法によりアン
モニアNH₃を供給しながら温度1000℃から1200℃の範囲
で基板を熱処理した後、温度450〜550℃においてGaNバ
ッファ層２を成長し、温度1000〜1100℃においてｎ型Ga
N光導波層３、ｎ型AlGaN光導波層４、アンドープAlGaN
光分離閉じ込め層とアンドープGaN量子障壁層及びアン
ドープGaInN量子井戸層からなる圧縮歪多重量子井戸活
性層５、ｐ型AlGaN光導波層６、ｐ型GaN光導波層７、ｐ
型GaInNコンタクト層８を設ける。この際、ｐ型不純物
にはMgを用いて有機金属化合物の形で導入した。ｐ型光
導波層６とｐ型光導波層７には、5×10¹⁷〜2×10¹⁸/cm³
の範囲で設定でき、ｐ型コンタクト層８に対しては、5
×10¹⁸〜2×10¹⁹/cm³の範囲で設定できた。さらに、ｐ
型コンタクト層８には、図１と２に示す選択成長による
か、図３と４及び５に示すドライ加工によって、周期的
な正六角柱または正六角錐、他に図５に示す３次元形状
を設ける。次に、エッチング加工により、図６に示す結
晶層の一部を層３に到るまで除去する。その後、絶縁膜
９を設けて、窓領域ストライプ方向を該α-Al₂O₃基板１
における(11-20)A面と平行な方向に形成する。また、リ
ソグラフィーにより、ｐ側電極１０とｎ側電極１１を蒸
着する。最後に、光導波路ストライプに対して垂直な方
向に基板を劈開することによって、図６に示す素子断面
を得る。

【００１４】本実施例によると、ｐ型GaInNコンタクト
層に対して、従来よりも一桁以上高い10¹⁹/cm³オーダの
キャリア濃度を設定できた。ｐ型GaInNコンタクト層と
ｐ側電極の接触抵抗も、1〜5×10^-6Ωcm²にまで低い値
に改善することが可能であった。これにより、本実施例
の素子抵抗を1/3から1/8に低減するとともに、注入電流
２０ｍＡ時の素子動作電圧を従来の３.６Ｖから３.２〜
３.４Ｖにまで低減できた。ｐ型コンタクト層に設ける
３次元形状は、結晶面の多い形状であるほど、ｐ型GaIn
Nコンタクト層とｐ側電極の接触抵抗をより低くでき、
素子抵抗や動作電圧もより低い値を得ることが可能であ
った。本素子構造は、利得導波型のストライプ構造を有
しており、室温においてレーザ動作が可能であった。本
素子では、青紫色波長域の４１０〜４３０ｎｍ範囲でレ
ーザ発振する素子を得た。

【００１５】＜実施例２＞本発明の他実施例を図７によ
り説明する。実施例１と同様にして素子を作製し、層７
まで設けた後、フォトリソグラフィーとエッチングによ
り層６に到るまで層７を除去してリッジストライプを形
成する。次に、絶縁膜マスクを利用して、ｎ型GaN電流
狭窄層１２を選択成長する。絶縁膜マスクを除去した
後、ｐ型GaN埋め込み層１３とｐ型GaInNコンタクト層８
を設ける。この際、ｐ型AlGaN光導波層６とｐ型GaN光導
波層７及びｐ型GaInNコンタクト層８には実施例１と同
じレベルにｐ型キャリア濃度を設定でき、ｐ型GaN埋め
込み層１３に対しても5×10¹⁷〜2×10¹⁸/cm³の範囲で設
定できた。ｐ型GaInNコンタクト層８には、実施例１で
示した手法により、多くの結晶面で形成される３次元形
状を設定した。次に、フォトリソグラフィーとエッチン
グ加工により、図７に示すように、リッジストライプ構
造の両側を層３に到るまで除去する。その後、実施例１
と全く同様にして、図７に示す素子断面を得る。

【００１６】本実施例によると、層１２によって電流狭
窄とともに、活性層横方向に対して実屈折率差を設けた
屈折率導波構造を構成した素子を作製できているので、
実施例１よりも低閾値動作の素子を得た。本素子の閾値
電流は、実施例１に比べて、1/3から1/5にまで低減でき
た。ｐ型キャリア濃度のレベルに関しても、実施例１と
同様に設定できた。素子抵抗や動作電圧に関しては、実
施例１と同様な効果を達成した。本素子では、青紫色波
長域の４１０〜４３０ｎｍ範囲で発振する素子を得た。

【００１７】＜実施例３＞本発明の他実施例を図８によ
り説明する。まず、実施例１や２と同様にして、層３ま
で設ける。次に、フォトリソグラフィーとエッチングに
より、選択成長用絶縁膜マスク１４を形成する。その
後、ｎ型GaN光導波層３、ｎ型AlGaN光導波層４、アンド
ープAlGaN光分離閉じ込め層とアンドープGaN量子障壁層
及びアンドープGaInN量子井戸層からなる圧縮歪多重量
子井戸活性層５、ｐ型AlGaN光導波層６、ｐ型GaN光導波
層７、ｐ型GaInNコンタクト層８を有機金属気相成長法
により選択成長する。その後、実施例１や２と同様にし
て、ｐ型GaInNコンタクト層８上に、多くの結晶面で形
成される３次元形状を設定した。さらに、絶縁膜９を形
成して、リソグラフィーにより、ｐ側電極１０とｎ側電
極１１を蒸着形成する。最後に導波路とは垂直な方向に
基板を劈開することによって、図８に示す素子断面を得
る。本実施例によると、実屈折率差によって基本横モ
ードを安定に導波するＢＨストライプ構造を作製でき
た。本素子では、実施例２の素子よりも、活性層横方向
の屈折率差が大きくとれるので、導波光を安定に伝搬で
きる。さらに、電流狭窄効果も大きいので、低閾値動作
が可能であった。閾値電流は、実施例２に比べて、さら
に1/2から1/3にまで低減できた。ｐ型キャリア濃度のレ
ベルに関しては、実施例１や２と同様に設定できた。素
子抵抗や動作電圧に関しても、実施例１や２と同様な効
果を達成した。本素子では、青紫色波長域の４１０〜４
３０ｎｍ範囲でレ−ザ発振する素子を得た。

【００１８】＜実施例４＞本発明の他実施例を説明す
る。本実施例では、六方晶系Wurtzite構造であり基板面
方位が(0001)C面であるｎ型の炭化珪素(α-SiC)を基板
１として用い、その上にｎ型GaNバッファ層を設けて、
実施例１から３までの素子を同様にして作製する。

【００１９】本実施例によると、実施例１から３におけ
るそれぞれの効果の他に、基板がｎ型の導電性を有する
ために、ｎ側の電極は基板裏面に蒸着し、基板上下面に
電流を通すことができた。これにより、チップ素子の組
立時において、接合部を下にしたマウントが可能となる
ので、放熱性を格段に向上できた。本実施例では、上記
実施例よりも、高い温度で動作するレーザ素子を得た。

【００２０】

【発明の効果】本発明では、特にIII-V族窒化物半導体
材料において、高い正孔濃度が達成できるGaInN結晶層
をコンタクト層として設けたことによって、ｐ型半導体
における擬フェルミレベルを高く設定して障壁をより小
さくした。ｐ型GaInNコンタクト層では、ｐ型不純物が
浅い不純物準位を形成するので、活性化した正孔キャリ
アを発生しやすく、正孔キャリア濃度を5×10¹⁷〜2×10
¹⁹/cm³の範囲で任意に設定できるようになり、従来より
も一桁近く最高キャリア濃度を向上できた。また、ｐ型
コンタクト層において、六方晶系Wurtzite構造の六方対
称結晶面をできるだけ表面に多くもつ３次元形状を設け
ておき、ｐ側電極と接触させる。これにより、ｐ型コン
タクト層とｐ側電極との接触表面積を増大するととも
に、有効質量の軽い正孔キャリアを種々の結晶面から注
入できるため、ショットキー障壁を乗り越えて注入する
正孔キャリアの数を増大できる。これによって、ｐ型コ
ンタクト層とｐ側電極の接触抵抗を低減し、1〜5×10^-6
Ωcm²の範囲にまで改善できた。また、素子抵抗を1/3か
ら1/8に低減するとともに、注入電流２０ｍＡ時の素子
動作電圧を従来の３.６Ｖに対して３.２〜３.４Ｖにま
で低減した。本素子では、さらに実屈折率差によって基
本横モードを安定に導波するＢＨストライプ構造を作製
できた。これによると、活性層横方向の屈折率差が大き
くとれるので、導波光を安定に伝搬できる。電流狭窄効
果も大きいので、低閾値動作が可能であった。本素子
は、室温において青紫色波長域の４１０〜４３０ｎｍ範
囲でレーザ発振した。

【００２１】本発明では、(0001)C面を有したWurtzite
構造のサファイアや炭化珪素単結晶基板上に作製したAl
GaInN半導体レーザ素子について説明したが、他の半導
体材料系であるAlInGaAs/GaAs,AlGaInP/GaAs,GaInAsP/G
aInAs/InP,AlInAs/GaInAs/InP等を用いた半導体レーザ
素子に適用できることはいうまでもない。

【００２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるｐ型コンタクト層の選択成長構
造を示す概略図。

【図２】本発明におけるｐ型コンタクト層の選択成長構
造を示す他の概略図。

【図３】本発明におけるｐ型コンタクト層のエッチング
加工構造を示す概略図。

【図４】本発明におけるｐ型コンタクト層のエッチング
加工構造を示す他の概略図。

【図５】本発明におけるｐ型コンタクト層のエッチング
加工構造を示す他の概略図。

【図６】本発明の一実施例における素子構造断面図。

【図７】本発明の他実施例における素子構造断面図。

【図８】本発明の他実施例における素子構造断面図。

【符号の説明】

１…(0001)C面サファイア単結晶基板、２…GaNバッファ
層、３…ｎ型GaN光導波層、４…ｎ型AlGaN光導波層、５
…GaInN/GaN/AlGaN圧縮歪多重量子井戸構造活性層、６
…ｐ型AlGaN光導波層、７…ｐ型GaN光導波層、８…表面
形状を有するｐ型GaInNコンタクト層、９…絶縁膜、１
０…ｐ側電極、１１…ｎ側電極、１２…ｎ型GaN電流狭
窄層、１３…ｐ型GaN埋め込み層、１４…選択成長用絶
縁膜マスク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板上に設ける発光素子において、
禁制帯幅の小さな発光活性層が禁制帯幅の大きな光導波
層に挾まれた二重接合構造を有した半導体導波路構造に
対して、導電性を有する該光導波層上に設けた、電極コ
ンタクト層の形状を規定し、該コンタクト層には周期的
な３次元形状を持たせてあり、電極とコンタクト層の接
触面積をできるだけ大きくし、結晶構造の面方位をより
多く含んだ３次元形状を設けてある該コンタクト層の表
面が電極と直接接触していることを特徴とする半導体レ
ーザ素子。
【請求項２】請求項１記載の半導体レーザ素子におい
て、該単結晶基板上に設ける導波路層及びコンタクト層
を形成する半導体は、六方晶系Wurtzite構造を有してお
り、該コンタクト層の表面における周期的な３次元形状
は六角柱または六角錐、或いは正確に正六角柱または正
六角錐の形状により構成されていることを特徴とする半
導体レーザ素子。
【請求項３】請求項２記載の半導体レーザ素子におい
て、該コンタクト層の表面における３次元形状は六方対
称の形状を有しており、それらを形成する結晶面は{000
1}C面，{1-100}M面，{1-101}S面，{11-20}A面，{1-102}
R面及び{1-123}N面のすべてか或いはいずれかの結晶面
の組合せによってなっており、それらの結晶面に囲まれ
た３次元形状が周期的に該コンタクト層の表面に設けて
あることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体
レーザ素子において、該光導波層や該発光活性層及びコ
ンタクト層はIII-Ｖ族窒化物系半導体材料からなり、Al
GaInN材料を用いて構成してあることを特徴とする半導
体レーザ素子。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体
レーザ素子において、ｐ型の導電性を有する電極コンタ
クト層をGaInN結晶層により形成し、該ｐ型GaInNコンタ
クト層上に対して、上記六方対称の３次元形状を有して
おり、かつ構成する結晶面が{0001}C面，{1-100}M面，
{1-101}S面，{11-20}A面，{1-102}R面及び{1-123}N面の
すべてか或いはいずれかの結晶面の組合せを有した３次
元形状が周期的に設けてあることを特徴とする半導体レ
ーザ素子。
【請求項６】請求項５記載の半導体レーザ素子におい
て、該ｐ型GaInNコンタクトには、ｐ型不純物ドープに
よりｐ型キャリア濃度が5×10¹⁸〜2×10¹⁹/cm³の範囲に
設定できていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項７】請求項５乃至６のいずれかに記載の半導体
レーザ素子において、該ｐ型不純物としてMgをドープし
てあるｐ型光導波層やｐ型コンタクト層を有しているこ
とを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項８】請求項２乃至７のいずれかに記載の半導体
レーザ素子において、該単結晶基板は六方晶系のWurtzi
te構造を有した(0001)C面を有するサファイア(α-Al
₂O₃)基板であるか或いは(0001)C面を有する炭化珪素(α
-SiC)であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項９】請求項８に記載の半導体レーザ素子におい
て、該単結晶基板が(0001)C面を有する炭化珪素(α-Si
C)であるとき、その導電性はｎ型又はｐ型或いは半絶縁
性であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１０】請求項２乃至９のいずれかに記載の半導
体レーザ素子において、該六方晶系Wurtzite構造基板上
に該光導波路構造を設ける際に、導波路を形成する方向
を該基板の{11-20}A面に平行であるか、或いはそれと垂
直な{1-100}M面に平行となる方向に設定することを特徴
とする半導体レーザ素子。
【請求項１１】請求項２乃至１０のいずれかに記載の半
導体レーザ素子において、横モードを導波する構造とし
て、活性層横方向に対して利得差を設けることにより導
波光を伝搬する利得導波構造とするか、或いは活性層横
方向に対して屈折率差を設けることにより基本横モード
の導波光を安定に伝搬する、リッジストライプ或いは埋
め込み(ＢＨ)構造による屈折率導波構造を有しているこ
とを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１２】請求項１１に記載の半導体レーザ素子に
おいて、該光導波路構造を構成する結晶層を絶縁膜マス
クと選択成長技術により設け、矩形状断面のＢＨストラ
イプ構造を選択成長により形成してあることを特徴とす
る半導体レーザ素子。
【請求項１３】請求項１乃至１１のいずれかに記載の半
導体レーザ素子において、上記発光活性層は量子井戸層
により構成した単一或は多重量子井戸構造であることを
特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１４】請求項１２に記載の半導体レーザ素子に
おいて、該発光活性層は格子歪を導入した歪量子井戸層
により構成した単一或は多重歪量子井戸構造であること
を特徴とする半導体レーザ素子。