JPH098395A

JPH098395A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JPH098395A
Application number: JP15130295A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tanaka; 俊明田中; Kenji Uchida; 憲治内田; Akisada Watanabe; 明禎渡辺; Shoichi Akamatsu; 正一赤松; Shigekazu Minagawa; 重量皆川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1995-06-19
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、特にこれまで導波路や共振器
の形成が困難であったNitride材料において、半導体レ
ーザに適する導波路共振構造を形成することにより、青
紫色波長領域のレーザ動作を実現させることにある。【構成】絶縁膜マスクパターン４を形成して、選択成長
技術により、(0001)C面を有するサファイア基板１上にA
lGaInN材料からなる導波路共振構造を作製する。このと
き、導波路側面は、基板に対して垂直な平滑面にでき、
発光活性層を光導波層に埋め込んだ形であるＢＨ構造を
構成できる。Nitride材料からなる導波路はサファイア
基板の(11-20)A面に平行な方向に形成しておき、電極
９，１０を蒸着した後、基板の(11-20)A面に対して垂直
な方向に劈開して素子を得る。【効果】本発明によれば、電流注入により４１０〜４３
０ｎｍの波長範囲でレーザ発振を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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】青色領域の発光波長を有する発光素子に
関して、従来技術ではGaInN/AlGaN材料を用いた例が示
されており、青色発光ダイオードを構成する素子構造に
ついては、例えばアプライド・フィジックス・レター19
94年,64巻,1687-1689頁(Appl.Phys. Lett., 64, 1687-1
689(1994).)において述べられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、窒
素系材料を用いて青色発光ダイオードに適する発光活性
層や光導波層の構成について言及しているが、レーザダ
イオードに要求される精密な導波路共振構造に関する内
容を述べていない。また、半導体レーザの横モードを制
御する構造に関する詳細な内容を説明していない。

【０００４】本発明の目的は、半導体レーザにおける導
波路共振構造を新たに提案するものであり、特にこれま
で導波路や共振器の形成が困難であったNitride材料に
おいて半導体レーザに適する導波路共振構造を形成する
ことにより、青紫色波長領域のレーザ動作を実現させる
ことにある。さらに、横モードを容易に制御しつつ、低
閾値動作や高出力動作を得ることができる導波路構造を
形成し、用途に応じて要求される種々の特性を満足した
素子を提供する。

【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、従来導波路や共振器を形成す
ることが困難であったNitride材料においても、容易に
導波路共振構造を構成することができる手段を用いる。
結晶成長技術のうちで選択成長を利用することにより、
絶縁膜マスクを用いて、側面が基板に垂直な導波路構造
を作製できる。半導体レーザの基本構造であるダブルヘ
テロ構造により導波路構造を形成すると、発光活性層を
光導波層の中に埋め込んだ形の実屈折率導波による横モ
ード制御型埋め込み(BH: Buried Heterostructure)構造
を容易に達成できる。このＢＨ構造によると、低閾値動
作が容易に図れる素子構造を実現でき、さらに高出力化
に有効なアレイ状の導波路共振構造も絶縁膜マスクパタ
ーンにより容易に作製できる。

【０００７】

【作用】目的を達成するため、上記手段の作用について
説明する。

【０００８】まず、単結晶基板として半導体基板或いは
セラミックス基板を用いる。このとき、半導体基板とし
ては基板面方位(111)面を有するZinc Blende構造である
か或いは基板面方位が(0001)C面を有するWurtzite構造
であり、またセラミックス単結晶基板であるときには基
板面方位が(0001)C面を有するWurtzite構造である基板
を用いる。

【０００９】これらの基板表面に絶縁膜マスクを形成し
て、選択成長技術を用いて結晶成長すると、結晶層が基
板に垂直な導波路構造や共振器構造を作製できることを
見出した。導波路側面や共振器面は、成長温度や原料供
給比及び成長速度、さらにはマスクパターン幅等の結晶
成長条件を適切に制御することにより、基盤に対して垂
直にすることができた。また、基板における方向を指定
することにより、基板に垂直な導波路側面と共振器面を
同時に達成できた。

【００１０】上記の結晶成長条件と用いるマスクパター
ンを適切に組み合わせることにより、実屈折率差で容易
に横モードが安定に制御されて導波するＢＨ構造が一回
の結晶成長によって実現できる。発光活性層の形状は、
例えば図１に示すように、側面方向にも成長するが、結
晶成長条件を調節することによって、側面方向の成長速
度を極端に遅くさせることが可能であった。このため、
側面部の発光活性層は極端な薄膜構造となるので、キャ
リアや光閉じ込めが十分取れずに光学利得が非常に小さ
くなる。これによって、導波光は下部光導波層の上面に
形成された平坦な発光活性層領域に安定に伝搬すること
になる。

【００１１】共振器構造を作製する方法は、導波路構造
を形成する方向を基板に対してどのように設定するかに
よって区別する。基板に対してある特定の方向に導波路
構造を形成すると、導波路側面が一様な平滑面でかつ基
板に垂直にできるので、上記のＢＨ構造が容易に作製で
きる。これは、六方晶系のWurtzite構造であり(0001)C
面を有した基板上では、(11-20)A面と平行に導波路構造
を作製した場合、またZinc Blende構造であり(111)A
面，(111)B面を有した基板上では、それぞれ(1-10)面と
(110)面に平行に導波路構造を作製した場合に相当す
る。この場合、共振器面は基板の劈開によって作製す
る。

【００１２】一方、基板内において上記とは垂直な方向
に導波路構造を形成すると、絶縁膜マスクを利用して、
基板に垂直な導波路側面と同時に基板に垂直な共振器面
を両端面に作製できる。この場合、共振器端面は結晶成
長で形成された結晶面により構成されることになる。導
波路側面は基板に垂直にできるが、一様な平滑面になら
ない場合には、複素屈折率導波によるリッジストライプ
(Ridge Stripe)構造を作製することによって、横モード
制御型導波を達成できる。

【００１３】また、選択成長による導波路ストライプを
作製する際に、ストライプ両端において異常成長が見ら
れたり、形状が制御できなかったりする問題が生ずる。
そこで、単一ストライプを形成するときやストライプを
アレイ状にするときに、内側における導波路構造を高品
質な結晶性を確保するため、ストライプ構造の両端に同
様な絶縁膜マスク形状からなるダミーパターンを含めて
構成しておく。このダミーパターンに成長された結晶層
のストライプ構造には電流を注入しないように、絶縁膜
マスクによりカバーしておけば、横モードの安定化に対
して影響を及ぼすことはない。これにより、内部の結晶
性のよい導波路ストライプ構造のみに光学利得が得られ
るので、より低閾値や高効率及び高出力動作が期待でき
る。

【００１４】さらに、選択成長によると、共振器端面近
傍においてレーザ光に対する窓構造を容易に作製でき
る。絶縁膜マスクの間隔を共振器中央部より端面近傍領
域において広げた形をとることにより、端面近傍領域で
は発光活性層の成長速度を小さくできる。発光活性層を
量子井戸構造によって構成するようにしておけば、端面
近傍領域では量子井戸層の膜厚を薄くでき、量子サイズ
効果の違いによって発光活性層の実効的な禁制帯幅を大
きくできる。禁制帯幅が共振器中央部と端面近傍領域に
おいて、５０〜６０ｍｅＶ以上の差を持たせることによ
って、レーザ光にほぼ透明な窓構造を構成することがで
きた。

【００１５】以上により、基本横モードに制御しつつ、
低閾値動作や高出力動作を得ることができる導波路構造
を形成し、用途に応じて要求される種々の特性を満足し
た素子を提供できる。

【００１６】

【実施例】

実施例１本発明の一実施例を図１（ａ），（ｂ）により説明す
る。まず、図１（ａ）において、(0001)C面を有するα-
Al₂O₃基板１上に、GaNバッファ層２，ｎ型GaN光導波層
３まで有機金属気相成長法により結晶成長する。その
後、絶縁膜の形成とリソグラフィーにより、マスク間隔
５〜１０μｍの絶縁膜マスク４を形成する。このとき、
図１（ｂ）において絶縁膜マスク４を形成する方向を該
α-Al₂O₃基板１における(11-20)A面と平行な方向に規定
しておく。その後、適切な選択成長条件を用いて、ｎ型
GaN光導波層５，AlGaN光分離閉じ込め層とGaN量子障壁
層及びGaInN量子井戸層からなる圧縮歪多重量子井戸活
性層６，ｐ型GaN光導波層７を順次選択成長する。次
に、絶縁膜８を形成して、リソグラフィーにより、ｐ電
極９とｎ電極１０のパターンを蒸着する。さらに、該α
-Al₂O₃基板１における(11-20)A面に対して垂直な方向、
即ち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１（ａ）に示す素子断面を得る。

【００１７】本実施例によると、利得導波型のストライ
プ構造によって導波光を伝搬でき、電流注入によりレー
ザ発振する素子を得た。本素子は室温において発振し、
発振波長４１０〜４３０ｎｍの範囲であった。

【００１８】実施例２本発明の他実施例を説明する。実施例１と同様に素子を
作製するが、絶縁膜マスク４の間隔を１〜２μｍ範囲に
狭く設定した導波路構造を構成させる。

【００１９】本実施例によると、実屈折率差によって基
本横モードが安定に導波される横モード制御型ＢＨ構造
が実現できる。ストライプ幅が狭いことによるリーク電
流の低減と基本横モードに対する高効率な光学利得によ
り、実施例１よりも格段の低閾値動作が達成され、閾値
電流を1/5から1/10に低減できた。

【００２０】実施例３本発明の他実施例を図２（ａ），（ｂ）３，４により説
明する。実施例１と同様に光導波層７まで作製するが、
このとき導波路を形成する方向を実施例１や２とは垂直
に異なる方向に設定しておく。即ち、該基板１における
(11-20)A面に対して垂直な方向に導波路を形成する。さ
らに、絶縁膜の形成とリソグラフィーにより、層７をエ
ッチング加工してリッジストライプを形成する。次に、
ｎ型GaN層を選択成長するか、或いは絶縁膜を蒸着する
ことにより、埋め込み層１１を作製する。その後、電極
を蒸着し、かつ基板を劈開することにより、図２（ａ）
に示す素子断面を得る。

【００２１】本実施例によると、複素屈折率差によって
基本横モードが安定に導波される横モード制御型リッジ
ストライプ構造が実現できる。ストライプ幅が狭いこと
によるリーク電流の低減と基本横モードに対する高効率
な光学利得により、実施例１よりも格段の低閾値動作が
達成され、閾値電流を実施例１に対して1/3から1/6に低
減できた。

【００２２】実施例４本発明の他実施例を説明する。本素子では、最初に絶縁
膜マスクを共振器端面部近傍にまで設けておき、絶縁膜
マスクパターンにより個々の素子に対応する共振器面を
分離するようにしておく。これ以外は、実施例３と同様
に素子を作製する。素子の分離は、結晶面からなる共振
器端面の間をスクライブすることにより行う。素子の断
面構造は、実施例３における図２（ａ）の場合と同じで
ある。

【００２３】本実施例によると、導波路側面と共振器端
面が同時に基板に対して垂直にできるので、共振器を基
板の劈開により形成する必要がなく、Nitride材料の(10
-10)M面の結晶面を共振器端面とすることができた。本
素子では、実施例３とほぼ同様の特性を得た。

【００２４】実施例５本発明の他実施例を図３（ａ），（ｂ）により説明す
る。実施例２と同様にして素子を作製するが、実施例２
に相当するＢＨストライプ構造の外側に図３（ｂ）に示
すようなダミーパターンを含む絶縁膜マスク４を形成し
ておく。ダミーパターンのストライプ内に成長された結
晶層のＢＨストライプ構造に対して絶縁膜マスクを図３
（ａ）のようにカバーする。これによって、両側ダミー
ストライプ構造に電流を注入しないようにできる。その
後、電極を蒸着しかつ基板を劈開することにより、図２
（ａ）に示す素子断面を得る。

【００２５】本実施例によると、内側に形成されるスト
ライプ構造において、ダミーパターンにより異常成長を
避けて結晶性を改善させることができた。ダミーストラ
イプ構造には全く電流を注入していないので、中央部ス
トライプ構造に導波される横モードの安定化に問題を生
ずることはなかった。この結果、実施例２に比べて低閾
値動作を図ることが可能となり、閾値電流を実施例２よ
りさらに2/3から1/2に低減できた。量子効率についても
実施例２より３０％から５０％増大できた。

【００２６】実施例６本発明の他実施例を図４（ａ），（ｂ）により説明す
る。実施例５と同様にして素子を作製するが、実施例５
の中央部ＢＨストライプ構造をアレイ状にして、横にス
トライプ構造を並べておく。アレイ状ストライプの両外
側には図４（ｂ）に示すようなダミーパターンを含む絶
縁膜マスク４を形成しておく。図４（ａ）に示すよう
に、内側の３つのストライプ構造に電流を注入し、両側
ダミーストライプ構造に電流を注入しないように絶縁膜
マスクによりカバーする。その後、電極を蒸着しかつ基
板を劈開することにより、図４（ａ）に示す素子断面を
得る。

【００２７】本実施例によると、絶縁膜マスクのパター
ン幅を調節して、一定の周期をもってストライプ構造を
並べることにより、各ストライプ構造を導波するモード
の位相を一致させたフェーズドアレイ構造をとることが
できた。これにより、多数のストライプ構造を設けて
も、全体で基本横モードで動作させることが可能とな
り、単体のストライプ構造である実施例５の場合よりも
高出力動作が達成できた。本素子の最高光出力は、実施
例５に比べて３倍から５倍に向上した。

【００２８】実施例７本発明の他実施例を図５（ａ），（ｂ）により説明す
る。実施例６と同様にして素子を作製するが、図５
（ｂ）のように絶縁膜マスクパターンを配置して、共振
器端面近傍において実施例６の図４（ｂ）に示す絶縁膜
マスクパターンを広げた形に設定する。その後、実施例
６と全く同様にして素子を作製することにより、図５
（ａ）に示す素子断面を得る。

【００２９】本実施例によると、共振器中央部よりも端
面近傍領域において量子井戸層の膜厚を薄くすることが
可能であり、量子サイズ効果によって発光活性層の実効
的な禁制帯幅を大きくとることができた。共振器端面近
傍領域の絶縁膜マスク間隔を調整することにより、中央
部よりも端面近傍領域において発光活性層の実効的な禁
制帯幅を少なくとも５０ｍｅＶ以上大きい値にに設定す
ることができた。これにより、共振器端面近傍におい
て、レーザ光に対して透明な窓構造を実現でき、単体の
ストライプ構造である実施例５やストレートにアレイ状
にした実施例６の場合よりもさらに高出力動作を達成し
た。本素子の最高光出力は、実施例５に比べて５倍から
１０倍に向上した。

【００３０】

【発明の効果】本発明により、これまで導波路や共振器
の形成が困難であったNitride材料において、半導体レ
ーザに必須である導波路共振構造を作製することがで
き、サファイア基板上に形成したAlGaInN材料からなる
半導体レーザの室温における動作を確認できた。室温に
おける発振波長は、４１０〜４３０ｎｍの範囲であり、
青紫色の波長領域であった。本素子では、実屈折率差に
よって基本横モードを安定に導波できるＢＨストライプ
構造を容易に形成できるので、リーク電流の低減と基本
横モードに対する高効率な光学利得により、利得導波型
の素子よりも格段の低閾値動作を実現し、閾値電流を1/
5から1/10に低減できた。ストライプ構造の両外側にダ
ミーパターンを導入することにより、さらに閾値電流を
2/3から1/2に低減できた。また、ストライプ構造をアレ
イ状に設定して、かつ位相を整合させたフェーズドアレ
イ構造にすることにより、基本横モードを確保したま
ま、単体のストライプ構造に比べて最高光出力を３倍か
ら５倍のまで増大させた。さらに、共振器端面近傍領域
に窓構造を設定することにより、単体のストライプ構造
に比べて最高光出力を５倍から１０倍にまで向上でき
た。

【００３１】本発明の実施例では、六方晶系のWurtzite
構造であり(0001)C面を有したサファイア基板上に作製
したAlGaInN半導体レーザについて説明したが、Zinc Bl
ende構造であり(111)面を有した基板，GaAs,InP,InAs,G
aSb,GaAsP,GaInAs,ZnSe等の基板上に作製した半導体レ
ーザに対しても本発明の内容を適用できることは言うま
でもない。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す素子構造断面図（ａ）
及び素子構造上面図（ｂ）。

【図２】本発明の他実施例を示す素子構造断面図（ａ）
及び素子構造上面図（ｂ）。

【図３】本発明の他実施例を示す素子構造断面図（ａ）
及び素子構造上面図（ｂ）。

【図４】本発明の他実施例を示す素子構造断面図（ａ）
及び素子構造上面図（ｂ）。

【図５】本発明の他実施例を示す素子構造断面図（ａ）
及び素子構造上面図（ｂ）。

【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…絶縁膜マスク、５…ｎ
型GaN光導波層、６…GaInN/GaN/AlGaN多重量子井戸構造
活性層、７…ｐ型GaN光導波層、８…絶縁膜、９…ｐ電
極、１０…ｎ電極、１１…ｎ型GaN埋め込み層又は絶縁
膜埋め込み層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者赤松正一東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者皆川重量東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板上に設けた発光素子の光導波路
構造において、該光導波路は矩形状の断面形状を有した
ストライプ構造からなり、基板面と平行な該導波路上面
は一様に平坦な面であり、該導波路側面は基板に対して
垂直でかつ一様な平滑面となっており、該光導波路構造
内部では禁制帯幅の小さな発光層が禁制帯幅の大きな光
導波層に埋め込まれた形を有しており、キャリアを注入
して閉じ込める発光活性層を該導波路上面に形成させ
て、横方向の実屈折率差を設けることにより横モードが
安定に導波される埋め込み型ストライプ構造を構成して
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、該光導波路構造を構成する結晶層は絶縁膜マスクと
選択成長技術を利用することにより設けることができ、
少なくとも矩形状の断面形状を有したストライプ構造を
構成する全ての結晶層は、絶縁膜マスクパターンやマス
ク間隔に合わせて調整できる成長条件を設定した選択成
長技術により第１項記載の光導波路形状に精度よく形成
できることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】請求項１記載の半導体レーザ素子におい
て、該単結晶基板が半導体基板のときには、六方晶系の
Wurtzite構造であって基板面方位が(0001)C面を有する
基板であり、或いはZinc Blende構造であってかつ基板
面方位が(001)面から５４.７°傾いた(111)面を有した
基板であるか、またセラミックス単結晶基板であるとき
には六方晶系のWurtzite構造であって基板面方位が(000
1)C面を有しており、該単結晶基板上に設けられたこと
を特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】請求項３記載の半導体レーザ素子におい
て、(0001)C面を有する六方晶系Wurtzite構造の基板上
に該光導波路構造を設ける場合には、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、或いは垂直
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５】請求項３記載の半導体レーザ素子におい
て、(001)面から５４.７°傾いた(111)面を有するZinc
Blende構造の基板上に該光導波路構造を設ける場合に
は、導波路を形成する方向を該基板の(110)面に平行で
あるか、或いはこれと垂直となる(1-10)面に平行である
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６】請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体
レーザ素子において、該光導波路構造を設ける際に、単
体の導波路であるかアレイ状の導波路であるにかかわら
ず、導波路の両外側に相当する領域にダミーパターンを
設け、これを含めて光導波路構造選択成長用の絶縁膜マ
スクを構成することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項７】請求項６記載の半導体レーザ素子におい
て、導波路の両外側に相当する領域に設けたダミーパタ
ーンに形成したストライプ構造には、マスクでカバーす
ることにより電流を注入しないように設定してあり、内
側の導波路構造にのみ電流を注入できるようにしてある
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体
レーザ素子において、該光導波路構造が横方向に導波路
ストライプを並べてアレイ状に設けてあることにより構
成され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記載の半導体レーザ素子におい
て、アレイ状に並べた導波路構造においてダミーストラ
イプを除く内側の各ストライプに導波される横モードが
位相を整合して伝搬し、基本横モードを確保してレーザ
発振する位相整合条件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１０】請求項１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１１】請求項１０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。
【請求項１２】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、絶縁膜マスクパターンと選択
成長技術を組み合わせることにより、該光導波路構造に
おける共振器端面近傍領域にレーザ光に対して透明な窓
構造を形成することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１３】請求項１２記載の半導体レーザ素子にお
いて、絶縁膜マスク間隔を共振器中央部に相当する領域
では狭くしておき、共振器端面近傍領域では広く設けて
おき、発光活性層を構成する量子井戸層の膜厚を共振器
中央部では厚くし、共振器端面近傍領域では薄くするこ
とにより、量子サイズ効果の違いを利用して、共振器端
面近傍領域における発光活性層の実効的な禁制帯幅を大
きく設定して、窓構造を作製することを特徴とする半導
体レーザ素子。
【請求項１４】請求項１３記載の半導体レーザ素子にお
いて、該窓構造では、共振器端面近傍領域における発光
活性層の実効的な禁制帯幅が共振器中央部に比べて少な
くとも５０〜６０ｍｅＶ大きく設定してあり、望ましく
は６０ｍｅＶより大きく設定してあることにより、共振
器端面近傍領域がレーザ光に対して十分透明な導波領域
として働くことを特徴とする半導体レーザ素子。