JPH11312840A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
レーザ素子の素子寿命を長くし、さらに半導体レーザ素
子の直列抵抗を低減することは、従来困難であった。 【解決手段】 本発明によれば、窒化ガリウム系化合物
半導体上に導電性選択成長マスクを形成し、導電性選択
成長マスク上に少なくとも一対のクラッド層及び活性層
を形成してなる窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子
において、導電性選択成長マスクを電流通路として機能
する素子構造とすることにより、閾値電流値の低減及び
信頼性の優れた電流阻止型窒化ガリウム系化合物半導体
レーザ素子を実現できる。
Description
で発光可能な半導体レーザ素子及びその製造方法に関
し、特に、信頼性に優れた電流阻止型窒化ガリウム系化
合物半導体レーザ素子に関する。
ザ素子では、SiO2等の絶縁膜を選択成長マスクとし
て使用したラテラル成長により結晶上に半導体レーザ素
子が形成されていた。図11に従来技術により作製され
た従来半導体レーザ素子の断面構造図を示す。本従来半
導体レーザ素子は、サファイア基板1100上にGaN
下地層1101、ストライプ状SiO2からなる絶縁性
選択成長マスク1102、n型GaNコンタクト層11
03、n型AlGaNクラッド層1104、n型GaN
光ガイド層1105、In0.2Ga0.8N/In0.05Ga
0.95N多重量子井戸活性層1106、p型GaN光ガイ
ド層1107、SiO2選択成長マスク1102領域上
に形成したリッジストライプ構造1120を有するp型
AlGaNクラッド層1108、p型GaNコンタクト
層1109、n型GaNコンタクト層1103上に形成
されたn型電極1110、p型GaNコンタクト層11
09上にストライプ状に形成されたp型コンタクト層1
111から構成されている。
性選択成長マスク1102上に連続的に形成されている
が、結晶成長は絶縁性選択成長マスク1102の無いG
aN下地層1101上から起こり、層厚が増すに従っ
て、徐々に絶縁性選択成長マスク1102上へと張り出
すように成長が進み、最終的にストライプ状の絶縁性選
択成長マスク1102の左右から成長が進行したn型G
aNコンタクト層1103が合体し、単一の層として形
成されたものである。
110から注入された電流がn型GaNコンタクト層1
103を横方向に流れ、リッジストライプ構造1120
直下近傍の活性層にて正孔と再結合し光を発生する。
ような従来半導体レーザ素子では、絶縁性選択成長マス
ク1102上のn型GaNコンタクト層1103を電子
が横切り、p型コンタクト層1111領域に到達する必
要があった。この場合、電子は複数の絶縁性選択成長マ
スク1102上のn型GaNコンタクト層1103中を
走行する必要があるが、絶縁性選択成長マスク1102
の中心位置1150に相当するn型GaNコンタクト層
1103には、結晶成長方向に伸びた微小な結晶割れ
や、非成長領域が存在し、このn型GaNコンタクト層
1103を通して横方向に電流が流れ難い性質があっ
た。
抵抗は45〜140Ωと高く、このための熱発生や、結
晶歪みのため、60℃雰囲気中、5mWの光出力の条件
での素子寿命が150時間以下と短かく、光ディスクシ
ステム等への応用上問題であった。また、この割れや非
選択成長領域に電界が集中し、半導体レーザ素子の動作
電圧が15〜30Vと高くなると共に、半導体レーザ素
子が破壊する場合も頻繁に観測された。
で、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体レーザ
素子の素子寿命を長くし、さらに半導体レーザ素子の直
列抵抗を低減できる技術を提供することを目的とする。
1の手段は、基板と、窒化ガリウム系化合物半導体から
なるコンタクト層と、前記コンタクト層の上方に形成さ
れたストライプ状の導電性選択成長マスクと、前記導電
性選択成長マスク上に形成された少なくとも一対のクラ
ッド層と、該クラッド層に挟まれた少なくとも一層の活
性層とを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層
体と、を含む構成となっており、これにより、低抵抗で
低動作電圧を実現し、高信頼性を有する窒化ガリウム系
化合物半導体レーザ素子を提供する。
の両側に電流阻止層を有することを特徴とする第1の手
段に含まれる構成を有しており、また第3の手段とし
て、前記電流阻止層の少なくとも1部に、絶縁性選択成
長マスクを含むことを特徴とすることで、発光させるべ
き場所のみへの選択的な電流注入を実現できる効果が付
加される。
縁性基板であり、前記導電性選択成長マスクの幅が前記
絶縁性選択成長マスクの幅より小さく、前記基板に対し
て反対側の前記コンタクト層の表面に電極が形成されて
いることを特徴とすることにより、同一面にp型電極と
n電極を有する半導体レーザ素子において直列抵抗を大
幅に低減できる特徴を発揮する。
記導電性選択成長マスクが酸化膜半導体材料からなるこ
とを特徴し、前記絶縁性選択成長マスクは酸化シリコン
または窒化シリコンからなることを特徴とする。
上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるコンタクト
層を形成する工程と、前記コンタクト層上に導電性選択
成長マスク及び絶縁性選択成長マスクを形成する工程
と、前記選択成長マスク及び前記コンタクト層上方に少
なくとも一対のクラッド層及び活性層とを含む窒化ガリ
ウム系化合物半導体からなる積層体を形成する工程と、
前記絶縁性選択成長マスクをエッチングし、露出した前
記コンタクト層上に電極を形成する工程とを有すること
を特徴とすることにより、コンタクト層上に形成する電
極を容易に形成する特徴を有する。
照しながら説明するが、これらに限定されるものではな
い。以下の実施の形態では、本発明の半導体レーザ素子
について述べるが、発光ダイオードについても適用でき
ることは言うまでもない。なお、以下に述べる窒化ガリ
ウム系化合物半導体とはInsAltGa1-s-tN(0≦
s、0≦t、s+t≦1)を含むものとする。
ウム系化合物半導体レーザ素子の模式断面図を示す。図
1の半導体レーザ素子構造は、サファイア基板101、
AlNバッファ層102、n型GaNコンタクト層10
3、n型Sn添加In2O3層からなる導電性選択成長マ
スク104、SiO2膜からなる絶縁性選択成長マスク
110、三角状の高抵抗GaN電流阻止層105、n型
Al0.1Ga0.9Nクラッド層106、InGaN単一量
子井戸活性層107、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層
108、p型GaNコンタクト層109、p型電極11
1、n型電極112から構成されている。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造
方法を詳細に説明する。有機金属気相成長法(以下、M
OCVD法と呼ぶ)を用い、V族原料としてアンモニア
(NH3)、III族原料としてトリメチルガリウム、
トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、p型
不純物としてビスシクロペンタデイエニルマグネシウム
(Cp2Mg)、n型不純物としてモノシランを用い、
キャリヤガスとして水素及び窒素を用いる。
101C面上に、AlNバッファ層102を厚さ500
Åで、n型GaNコンタクト層103を厚さ10μmで
積層し、積層体を作製する。
り出し、n型導電性を示す酸化物半導体Sn添加In2
O3(酸化インジウム、抵抗率1×10-4Ω・cm)か
らなる導電性選択成長マスク104をウエハー全面に厚
さ0.3μm形成する。ここで、導電性選択成長マスク
104は、スパッタリング法にてIn2O3−SnO2タ
ーゲットを用い、Ar圧力10-2torr、基板温度4
50℃、O2分圧3×10-5torrにて厚さ0.3μ
m形成する。ここで、導電性選択成長マスク104の成
膜温度は400から460℃の低温とした。このため、
成膜中に露出したn型GaNコンタクト層103表面の
N(窒素)原子の脱離が起こりにくく、前記成膜方法が
よい。
鉄系のエッチング液にて導電性選択成長マスク104を
幅4μmのストライプ状に形成する。さらに、厚さ0.
3μmのSiO2からなる絶縁性選択成長マスク110
を通常のプラズマ化学気相堆積(P−CVD)法を用い
てウエハー全面に形成し、フッ酸系エッチング液を用い
て、導電性選択成長マスク104から10μm離れたと
ころに幅約280μmの絶縁性選択成長マスク110を
形成する。ここで、<11−20>方向にストライプ状
に導電性選択成長マスク104、絶縁性選択成長マスク
110をn型GaNコンタクト層103上に周期的に形
成する。以上までに作製した製造工程断面図を図6
(a)に示す。
103上にストライプ状の導電性選択成長マスク104
と、その両側の絶縁性選択成長マスク110を有するウ
ェハーを、再度、MOCVD装置内に導入し、基板温度
1050℃にて高抵抗GaN電流阻止層105(抵抗率
10Ω・cm)をn型GaNコンタクト層103から頂
点までの厚さで4μm、導電性選択成長マスク104表
面上の開口部144の幅が2μmになるように4分間成
長し、断面が三角状の高抵抗GaN電流阻止層105が
形成される。このMOCVDによる結晶成長工程におい
て、導電性選択成長マスク104および絶縁性選択成長
マスク110の両方が、その上へのGaN系結晶の析出
を抑制する機能を有しており、下地のn型GaNコンタ
クト層103が露出している領域においてのみ、高抵抗
GaN電流阻止層105の成長は進行する。ただし、こ
の高抵抗GaN電流阻止層105の結晶成長を継続する
ことにより、高抵抗GaN電流阻止層105自体の横方
向への結晶成長が起こり、導電性選択成長マスク104
および絶縁性選択成長マスク110上へも徐々に結晶が
横方向に張り出すように成長する。このような現象を利
用することにより、幅4μmのストライプ状の導電性選
択成長マスク104の両側それぞれ1μmは高抵抗Ga
N電流阻止層105によりカバーされ、導電性選択成長
マスク104の中心部に幅2μmの開口部144が形成
できた。
開口部144を覆うようにn型Al0.1Ga0.9Nクラッ
ド層106を厚さ0.3μmで積層し、基板温度を80
0℃に下げ、InGaN単一量子井戸活性層107を厚
さ3nmで積層し、次に基板温度1050℃に昇温しp
型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108を厚さ0.3μm
で、p型GaNコンタクト層109を厚さ0.5μmで
順次積層すると、断面が三角状の積層構造体が形成され
る。以上までに作製される製造工程断面図を図6(b)
に示す。
D装置より取り出し、三角状の積層構造体上を覆うよう
にp型電極111を形成する。次に、絶縁性選択成長マ
スク110の一部をエッチングしn型GaNコンタクト
層103を露出させ、この上にn型電極112を形成す
る。以上までに作製される製造工程断面図を図6(c)
に示す。最後にウエハーを幅300μm、長さ500μ
mにスクライブ等により分割し、半導体レーザ素子とし
て作製される。
ザ素子では、n型電極112からの電流は、n型GaN
コンタクト層103および導電性選択成長マスク104
の開口部144のみを通してInGaN単一量子井戸活
性層107に注入されることとなる。これにより、従来
例半導体レーザ素子では問題となっていた導電性選択成
長マスク104、絶縁性選択成長マスク110上での左
右からのGaN系結晶成長が合体するストライプ形状中
心線上のGaN系半導体層を横切ることなく、電流をI
nGaN単一量子井戸活性層107に注入することが可
能となった。従って、本発明の半導体レーザ素子の直列
抵抗は6〜15Ωと低く、かつ動作電圧も4〜4.5V
と非常に低くすることができた。本実施形態半導体レー
ザ素子を60℃雰囲気、5mWの条件下で信頼性試験を
実施したところ、5500時間以上の寿命を確認するこ
とができた。
よれば、導電性選択成長マスク104のストライプ幅と
高抵抗GaN電流阻止層105の成長時間で、開口部1
44の幅及び溝形状(電流通路)が再現性良く形成でき
るため、閾値電流の低減が可能で、発振モードが安定な
信頼性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体レーザが実
現できる効果も認められた。
導電性選択成長マスク104として用いたが、材料をS
nO2に変更した場合についても同様の形状の半導体レ
ーザ素子を作製し、同等の効果を確認することができ
た。また、上記実施形態では、SiO2膜を絶縁性選択
成長マスク110として利用したが、窒化シリコンを用
いた場合にも、同様の効果を得ることができた。
を2μmとしたが、この幅を0.5μm、4μm、8μ
m、10μmと変化させて作製した半導体レーザ素子に
ついても同様の高信頼性が確認できた。なお、この開口
部144の幅を変更するに当たっては、ストライプ状の
導電性選択成長マスク104の幅と高抵抗GaN電流阻
止層105の成長時間を制御することにより、容易に実
現できることは説明するまでもない。また、本実施形態
では、導電性選択成長マスクの両側に形成した絶縁性選
択成長マスク110を用いたが、絶縁性選択成長マスク
110が無い場合にも、電流は高抵抗GaN電流阻止層
105により阻止されるため、開口部144に集中して
流すことは可能であり、本発明の効果を発揮できた。た
だし、この場合には、n型電極112を形成する前にn
型コンタクト層103を露出させるために、GaN系結
晶の積層構造105〜109をドライエッチングにより
除去する工程が新たに必要となる。従って、プロセスの
簡略化の観点からは、両側の絶縁性選択成長マスク11
0を適用し、かつその幅を導電性選択成長マスク104
の幅より広くすることが肝要である。また、本実施の形
態では絶縁性選択成長マスク110の幅を280μmと
したが、幅を20μm、100μm、300μm、と変
化させた場合について半導体レーザ素子作製を行ったと
ころ、素子特性には変化はなく、いずれも上記と同様の
高信頼性が確認できた。
うに、前記電流阻止層の開口部の斜面は結晶成長の特質
として(1−101)面が現われるため、この開口部の
斜面を成長モードにて制御するため非常にきれいな形状
を持った開口部を形成することができる。ここで、酸化
物半導体の屈折率(2.0)は、InGaN単一量子井
戸活性層107の屈折率(2.83)より小さく、In
GaN単一量子井戸活性層107に対して垂直方向の光
閉じ込めも十分に可能である。このため、導電性選択成
長マスク104上に形成したn型Al0.1Ga0.9Nクラ
ッド層106の層厚を0.3μmと通常の0.5μmよ
り薄くできるため、クラックが生じない層厚範囲(0.
5μm未満)でn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層106
が形成できる。従って、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド
層106上に少なくとも積層される量子構造活性層10
7、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108の結晶性も
良好となり、結晶性の良好な半導体レーザ素子が実現で
きる。
いた酸化物半導体はn型導電性で、その幅は0.5μm
から10μmの範囲が望ましい。前記幅は0.5μm以
下だと電流通路となる開口部を成長時間で制御するのに
困難となり、10μm以上だと電流通路となる開口部の
幅を2μmから3μmに制御する間に電流阻止層のc軸
方向の成長が大きくなり、この上に積層構造体を積層す
ることが困難となる。酸化物半導体層の膜厚は0.1μ
mから1μmの範囲が望ましい。0.1μm以下だと抵
抗率が大きくなり、半導体レーザ素子の直列抵抗が大き
くなる。1μm以上だと抵抗率は小さくなるが、光の透
過率が小さくなるため前記範囲が望ましい。好ましくは
0.3から0.5μmの範囲が好ましい。さらに、導電
性選択成長マスク104上に形成するn型Al0.1Ga
0.9Nクラッド層106の層厚は、クラック防止のため
には、0.1μmから0.4μmの範囲が望ましい。こ
こで、活性層107に対するクラッドの働きをする層は
導電性選択成長マスク104とn型Al0.1Ga0.9Nク
ラッド層106の2層の合計厚となり、0.6から0.
8μm程度の好ましいクラッドを形成することができ
た。
は、導電性選択成長マスク直上の活性層が下に凸となる
形状となるように、結晶成長層を形成することにより、
活性層での横方向の屈折率分布を自動的に形成し、発振
モードが安定な電流阻止型窒化ガリウム系化合物半導体
レーザ素子を実現できた。また、活性層の下方に活性層
より屈折率の小さい導電性選択成長マスクを形成するた
め、クラッド層の層厚が薄くても、活性層に光を閉じ込
めることができ、AlGaNクラッド層を0.5μmを
越える程度厚くした場合に見られるクラックを防止、こ
のクラッド層上に積層する活性層を含む積層体の結晶性
が良好となるため、信頼性の良好な半導体レーザ素子が
実現できる。
として、図2に本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レ
ーザ素子の模式断面図を示す。図2の半導体レーザ素子
構造は、n型GaN基板201、n型GaNバッファ層
202、n型GaNコンタクト層203、n型Sb添加
SnO2層からなる導電性選択成長マスク204、Si3
N4膜からなる絶縁性選択成長マスク210、三角状の
p型GaN電流阻止層205、n型Al0.1Ga0.9Nク
ラッド層206、ノンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸
層とノンドープIn0.01Ga0.99N障壁層とからなるI
nGaN多重量子井戸層207、p型Al0.1Ga0.9N
クラッド層208、p型GaNコンタクト層209、p
型電極211、n型GaN基板201裏面にn型電極2
12から構成されている。半導体レーザ素子の幅300
μm、長さ600μmにスクライブ等により分割し、発
光素子として作製される。
p型GaN電流阻止層205の成長時間のみで、溝の幅
及び溝形状(電流通路)が再現性良く形成できるため、
閾値電流の低減が可能となり、発振モードが安定な信頼
性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体レーザが実現で
きる。さらに、導電性基板の裏面に電極を形成できるた
め実施の形態1より簡便に半導体レーザ素子を組み立て
ることが可能である。
発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方
法を詳細に説明する。成長法、V族原料、III族原
料、p型不純物、n型不純物、キャリヤガスも実施の形
態1と同様とした。まず、MOCVD装置にて、導電性
基板例えばn型GaN基板201上に、n型GaNバッ
ファ層202を厚さ35nmで、n型GaNコンタクト
層203を厚さ10μmで積層し、積層体を得る。
り出し、n型導電性を示す酸化物半導体Sb添加SnO
2(酸化錫、抵抗率は3×10-4Ω・cm)層からなる
導電性選択成長マスク204をウエハー全面に厚さ0.
5μm形成する。ここで、導電性選択成長マスク204
は、スパッタリング法にてSnO2−Sbターゲットを
用い、基板温度350℃、5×10-2torrのAr−
O2混合ガス中にて厚さ0.5μm形成した後、エッチ
ングにて幅5μmのストライプ状に形成する。
マスク210を厚さ0.3μmで通常のP−CVD法を
用いてウエハー全面に形成し、フッ酸系エッチング液を
用いて、導電性選択成長マスク204から10μm離れ
たところに幅約280μmのストライプ状の絶縁性選択
成長マスク210を形成する。ここで、<11−20>
方向にn型GaNコンタクト層203上にストライプ状
の幅5μmの導電性選択成長マスク204及び幅約28
0μmの絶縁性選択成長マスク210が複数組形成され
る。以上までに作製される製造工程断面図を図7(a)
に示す。
し、導電性選択成長マスク204、絶縁性選択成長マス
ク210及びn型GaNコンタクト層203上に基板温
度1050℃にてp型GaN電流阻止層205を5分間
成長し(n型GaNコンタクト層203から頂点までの
高さ)厚さ5μm、さらに、導電性選択成長マスク20
4表面上の開口部244の幅が3μmになるように1分
間成長し、三角状のp型GaN電流阻止層205が形成
される。次に、p型GaN電流阻止層205と開口部2
44を覆うようにn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層20
6を厚さ0.3μmで積層し、基板温度を800℃に下
げ、厚さ2nmのノンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸
層を2層と厚さ5nmのノンドープIn0.01Ga0.99N
障壁層のInGaN多重量子井戸層207を積層し、次
に基板温度1050℃に昇温しp型Al0.1Ga0.9Nク
ラッド層208を厚さ0.3μmで、p型GaNコンタ
クト層209を厚さ0.5μmで順次積層すると、三角
状の積層構造体が形成できる。以上までに作製された半
導体レーザ素子の製造工程断面図を図7(b)に示す。
装置より取り出し、三角状の積層構造体上にp型電極2
11を形成する。次に、n型GaN基板201裏面にn
型電極212を形成する。以上までに作製された半導体
レーザ素子の製造工程断面図を図7(c)に示す。最後
にウエハーを上述したチップ寸法に分割し、半導体レー
ザ素子として作製した。
半導体レーザ素子と同様に、導電性選択成長マスク20
4および絶縁性選択成長マスク210上のGaN系半導
体を横切る方向に電流を流す必要はなく、n型GaN基
板201裏面から導電性選択成長マスク(Sn2O3膜)
204を介して、InGaN多重量子活性層207に電
流を注入することができる。従って、素子抵抗を3〜1
0Ωと横方向に電流を流す必要のある前実施例よりもさ
らに低抵抗化することができた。駆動電圧も3.8〜
4.5Vと低減され、60℃雰囲気中、5mW条件下で
の素子寿命も7800時間以上と改善できた。
204であるSn2O3層のストライプ幅とp型GaN電
流阻止層205の成長時間で、電流注入される開口部2
44の幅(電流通路)及び溝形状が再現性良く形成でき
るため、閾値電流を従来半導体レーザ素子の50mAか
ら25mAに低減でき、発振モードが安定な信頼性の良
好な窒化ガリウム系化合物半導体レーザが実現できた。
さらに、n型GaN基板201のような導電性基板の裏
面にn型電極212を形成できるため実施の形態1より
簡便に半導体レーザ素子を組み立てることが可能である
ことは言うまでもない。
たため、実施形態1において説明したような、n型電極
を半導体レーザ素子表面側に形成する必要はなく、両側
に形成したSi3N4膜からなる絶縁性選択成長マスク2
10を廃した場合においても、同様の半導体レーザ素子
を作製することが可能であった。この場合は、電流阻止
層205の形状としては三角状にはならないが、導電性
選択成長マスク204近傍の形状(逆V字状)に変化は
なく、絶縁性選択成長マスク210を設けた場合と同様
の効果が得られた。
ウム系化合物半導体レーザ素子の模式断面図を示す。図
3の半導体レーザ素子構造は、サファイア基板301上
に、AlNバッファ層302、n型GaNコンタクト層
303、導電性選択成長マスク304、絶縁性選択成長
マスク310、n型GaN平坦化層305、n型Al
0.05Ga0.95Nクラッド層306、ノンドープIn0.2
Ga0.8N量子井戸層とノンドープIn0.01Ga0.99N
障壁層からなるInGaN多重量子井戸層307、p型
Al0.05Ga0.95Nクラッド層308、p型GaNコン
タクト層309、p型電極311、n型電極312から
構成されている。半導体レーザ素子は幅400μm、共
振器長500μmのサイズでチップとされている。
発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方
法を詳細に説明する。成長法、V族原料、III族原
料、p型不純物、n型不純物、キャリヤガスも実施の形
態1と同様とした。
301上に、AlNバッファ層302を厚さ50nm
で、n型GaNコンタクト層303を厚さ10μmで積
層した後、一度、前記積層体をMOCVD装置より取り
出し、Sn添加In2O3からならる導電性選択成長マス
ク304を、スパッタリング法にてIn2O3−SnO2
ターゲットを用い、Ar圧力10-2torr、基板温度
450℃、O2分圧3×10-5torrにて厚さ0.3
μmをn型GaNコンタクト層303上の全面に形成し
た。
鉄系のエッチング液にてSn添加In2O3層からなる導
電性選択成長マスク304を幅4μmに形成する。さら
に、SiOx膜からなる絶縁性選択成長マスク310を
厚さ0.3μmで通常の電子ビーム蒸着法を用いてウエ
ハー全面に形成し、フッ酸系エッチング液を用いて、S
n添加In2O3膜からなる導電性選択成長マスク304
上のSiOx膜からなる絶縁性選択成長マスク310を
除去する。このことより、<11−20>方向に幅2μ
mのSn添加In2O3層からなる導電性選択成長マスク
304が、SiOx膜からなる絶縁性選択成長マスク3
10により水平に挟み込まれるように形成される。以上
までに作製される半導体レーザ素子の製造工程断面図を
図8(a)に示す。
導入し、導電性選択成長マスク304と絶縁性選択成長
マスク310上に基板温度1050℃にてn型GaN平
坦化層305を厚さ4μm、n型Al0.05Ga0.95Nク
ラッド層306を厚さ0.3μmで積層し、基板温度を
750℃に下げ、ノンドープIn0.2Ga0.8N井戸層を
厚さ2nmで2層とノンドープIn0.01Ga0.99N障壁
層を厚さ5nmで3層のInGaN多重量子井戸層30
7を積層し、次に基板温度1050℃に昇温しp型Al
0.05Ga0.95Nクラッド層308を厚さ0.3μmで、
p型GaNコンタクト層309を厚さ0.5μmで順次
積層して、積層構造体を得る。以上の工程までに作製さ
れた半導体レーザ素子を図8(b)に示す。
り出し、p型GaNコンタクト層309上にp型電極3
11を形成する。次に、フォトレジスト(図示せず)を
マスクとして、積層構造体の一部をエッチングしn型G
aNコンタクト層303を露出させ、この上にn型電極
312を形成する。以上までに作製された半導体レーザ
素子の製造工程断面図を図8(c)に示す。最後にウエ
ハーを前述の寸法にチップに分割し、発光素子として作
製される。
導体レーザ素子では、選択成長マスクより下にあるn型
GaNコンタクト層303表面にn型電極が形成できる
ため、選択成長マスク上のGaN系半導体層に現れる微
小な結晶割れや非成長領域に関係なく、電流をn型Ga
Nコンタクト層303、導電性選択成長マスク304、
n型GaN平坦化層305、n型AlGaNクラッド層
306を介して多重量子井戸活性層307に注入され
る。このため、従来例で見られたような、半導体レーザ
素子抵抗の上昇や動作電圧の上昇を効果的に抑え、それ
ぞれ、本実施形態の半導体レーザ素子では4〜10Ω、
4〜5Vとすることができた。
供給された電流は、絶縁性選択成長マスク310で挟み
込まれた導電性選択成長マスク304を電流通路として
流れる。ここで、前記導電性選択成長マスク304の幅
にて電流通路を制御でき、さらに、絶縁性選択成長マス
ク310は電流阻止層としての機能を有するため、電流
阻止型の半導体レーザ素子構造が可能となり、閾値電流
を低減でき、信頼性の良好な窒化ガリウム系化合物半導
体レーザが実現できる。なお、本実施形態の半導体レー
ザ素子を60℃雰囲気中で、5mWにて信頼性試験を実
施した所、10000時間の寿命を確認できた。
ウム系化合物半導体からなる半導体レーザ素子の模式断
面図を示す。本発明の半導体レーザ素子構造は、サファ
イア基板401上に、AlNバッファ層402、n型G
aNコンタクト層403、導電性選択成長マスク(Sn
添加In2O3層)404、n型GaN平坦化層405、
n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層406、ノンドープ
In0.2Ga0.8N量子井戸層とノンドープIn0.01Ga
0.99N障壁層からなるInGaN多重量子井戸層40
7、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層408、n型A
l0.05Ga0.95N電流阻止層488、p型GaNコンタ
クト層409、p型電極411、n型電極412から構
成されている。なお、半導体レーザ素子サイズは幅30
0μm、長さ500μmであり、半導体レーザ素子を形
成している。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造
方法を詳細に説明する。成長法、V族原料、III族原
料、p型不純物、n型不純物、キャリヤガスも実施の形
態1と同様とした。
401上に、AlNバッファ層402厚さ50nm、n
型GaNコンタクト層403厚さ5μmを積層する。こ
のウェハーを、一度、MOCVD装置より取り出し、n
型導電性を示すSn添加In2O3層からなる導電性選択
成長マスク404を厚さ0.3μm形成する。次に、実
施形態1と同様な形成方法にて、Sn添加In2O3層か
らなる選択成長マスク404を幅3μm、間隔を5〜7
μmに形成する。これで、ストライプ状のSn添加In
2O3層からなる導電性選択成長マスク404をn型Ga
Nコンタクト層403上に複数個形成されることとな
る。以上までに作製した半導体レーザ素子の製造工程断
面図を図9(a)に示す。
し、導電性選択成長マスク404とn型GaNコンタク
ト層403上に基板温度1050℃にてn型GaN平坦
化層405を厚さ4μm、n型Al0.05Ga0.95Nクラ
ッド層406を厚さ0.3μmで積層し、基板温度を7
50℃に下げ、ノンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層
を厚さ2nmで2層とノンドープIn0.01Ga0.99N障
壁層を厚さ5nmで3層のInGaN多重量子井戸層4
07を積層し、次に基板温度1050℃に昇温しp型A
l0.05Ga0.95Nクラッド層408を厚さ0.3μm
で、n型Al0.05Ga0.95N電流阻止層488を0.3
μmで順次形成し、積層体を得る。
ェハーを取り出し、エッチングによりn型Al0.05Ga
0.95N電流阻止層488に開口部441を形成する。前
記開口部441の形成位置は、活性層の下方に位置する
導電性選択成長マスク404の存在する領域内に位置す
るように形成する。
導入し、開口部441、n型Al0.05Ga0.95N電流阻
止層488及びp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層40
8上にp型GaNコンタクト層409を厚さ0.5μm
で再成長する。以上までに作製された半導体レーザ素子
の製造工程断面図を図9(b)に示す。
し、p型GaNコンタクト層409上にp型電極411
を形成する。次に、エッチングによりn型GaNコンタ
クト層403を露出させ、この上にn型電極412を形
成する。以上までに作製された製造工程断面図を図9
(c)に示す。最後にウエハーを前述の寸法にチップに
分割し、電流狭窄型の半導体レーザ素子として作製され
る。
電極412は導電性選択成長マスク404より下部に形
成されたn型GaNコンタクト層403に形成されてお
り、電流はn型GaNコンタクト層403、導電性選択
成長マスク404またはn型GaN平坦化層405、A
lGaNクラッド層406を介して活性層407に注入
される。従って、従来の半導体レーザ素子のように、導
電性選択成長マスク404上のGaN系半導体結晶を横
方向に電流を流す必要はなく、低抵抗低動作電圧の半導
体レーザ素子が実現できた。本実施形態では、素子抵抗
5〜14Ωであり、5mW出力時の動作電圧は3.9〜
4.8Vと低くできた。
0.95N電流阻止層488としてn型AlGaN層を適用
したが、高抵抗AlGaN層を適用しても良く、素子特
性としては、上記の実施形態とほぼ同等のものが得られ
た。また、電流通路である開口部441の位置として
は、導電性選択成長マスク404の領域の上部に位置す
るように形成することが、従来技術と同様に望ましい。
性選択成長マスク404を、全く同一のサイズの絶縁性
選択成長マスクに置換した場合の素子を作製したとこ
ろ、素子抵抗は15〜23Ωと、導電性選択成長マスク
404を適用した場合よりも2倍も高抵抗化した。よっ
て、選択成長マスクとして導電性膜を適用する効果が確
認された。
から供給された電流は、電流阻止層488に形成された
開口部441で電流が狭窄され、さらに、活性層の下方
に位置する酸化物半導体層404を通して流れるため、
電流阻止型の素子構造が可能となることにより、閾値電
流を低減でき、発振横モードが安定した信頼性の良好な
窒化ガリウム系化合物半導体レーザが実現できた。本実
施形態素子の信頼性試験を60℃雰囲気中、5mWの条
件下で実施したところ、12000時間以上の寿命が確
認できた。
ウム系化合物半導体レーザ素子の模式断面図を示す。本
発明の半導体レーザ素子構造は、n型GaN基板501
上に、n型GaNバッファ層502、n型GaN層50
3、n型Sb添加SnO2層からなる導電性選択成長マ
スク504、SiO2膜からなる絶縁性選択成長マスク
510、p型Al0.05Ga0.95N電流阻止層555、n
型Al0.1Ga0.9Nクラッド層506、ノンドープIn
0.2Ga0.8N量子井戸層とノンドープIn0.01Ga0.99
N障壁層から成るInGaN多重量子井戸層507、p
型Al0.1Ga0.9Nクラッド層508、p型GaNコン
タクト層509、p型電極511、n型電極512から
構成されている。チップサイズは幅400μm、長さ6
00μmの半導体レーザ素子を構成している。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造
方法を詳細に説明する。成長法、V族原料、III族原
料、p型不純物、n型不純物、キャリヤガスも実施の形
態1と同様とした。
aN基板501上に、n型GaNバッファ層502を厚
さ35nmで、n型GaNコンタクト層503を厚さ1
0μmで積層する。
し、n型導電性を示すSb添加SnO2からなる導電性
選択成長マスク504を厚さ0.5μm形成する。ここ
で、Sb添加SnO2からなる導電性選択成長マスク5
04は、スパッタ法を用い、成膜温度は350から45
0℃にて行うため、Sn添加In2O3の成膜温度より低
温にて形成できるため、露出したn型GaNコンタクト
層503表面に対してより好ましい。次に、実施形態2
と同様な形成方法にて、導電性選択成長マスク504を
幅5μmのストライプ状に形成する。次に、<11−2
0>方向にストライプ状にn型GaNコンタクト層50
3上に導電性選択成長マスク504との間隔が10μm
となるように、幅が約280μmのSiO2からなる絶
縁性選択成長マスク510を形成する。以上までに作製
された半導体レーザ素子の製造工程断面図を図10
(a)に示す。
導入し、基板温度1050℃にてp型Al0.05Ga0.95
N電流阻止層555を厚さ5μm、導電性選択成長マス
ク504表面上の開口部544の幅が3μmになるよう
に、6分間成長し、長方形状のp型Al0.05Ga0.95N
電流阻止層555を形成する。次に、p型Al0.05Ga
0.95N電流阻止層555と開口部544を覆うようにn
型Al0.1Ga0.9Nクラッド層506を厚さ0.3μm
で積層し、基板温度を800℃に下げ、厚さ2nmのノ
ンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層2層と厚さ5nm
のノンドープIn0.01Ga0.99N障壁層3層の多重量子
井戸層507を積層し、次に基板温度1050℃に昇温
しp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層508を厚さ0.3
μmで、p型GaNコンタクト層509を厚さ0.5μ
mで順次積層する。以上までに作製された製造工程断面
図を図10(b)に示す。
し、p型GaNコンタクト層509上にp型電極511
を形成する。次に、エッチングにより露出したn型Ga
Nコンタクト層503にn型電極512を形成する。以
上までに作製された半導体レーザ素子の製造工程断面図
を図10(c)に示す。最後にウエハーを前述の寸法に
チップに分割し、半導体レーザ素子が作製される。
n型GaNコンタクト層503に形成されているため、
導電性選択成長マスク504、絶縁性選択成長マスク5
10上の半導体層を横方向に電流を流す必要は無い。従
って、従来の問題点であった、半導体レーザ素子の高抵
抗化および高動作電圧化を抑制し、素子抵抗8〜20
Ω、動作電圧4〜5.6Vの半導体レーザ素子を形成す
ることができた。
Alを含む層にて構成することにより、開口部の溝形状
を長方形状に形成され、この上に活性層を形成すると下
に凸状の活性層が形成できる。このため、横方向に屈折
率の異なるクラッド層で挟まれたいわゆる屈折率導波型
の横モードが安定な、閾値電流が小さく、信頼性の良好
な窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子が実現でき
る。
Nコンタクト層503表面に設けたが、導電性基板であ
るn型GaN基板501裏面全面にn型電極を形成して
も良く、この場合の素子抵抗は5〜16Ω、動作電圧は
3.8〜4.3Vと、n型GaNコンタクト層503に
n型電極512を設けた場合に比べ、それぞれの値を低
減できた。本半導体レーザ素子の60℃雰囲気中、5m
W条件下での寿命は15000時間であった。
い側から電極から注入される電流が、選択成長マスクよ
り下部の結晶割れや非成長領域の存在しないコンタクト
層と導電性選択成長マスクを介して活性層に注入される
ため、低抵抗で低動作電圧、さらには信頼性に優れた半
導体レーザを作製することができた。
側から電流阻止層を形成することにより自己整合的に電
流通路を規定でき、閾値電流の低減も可能となった。こ
のため、閾値電流が低減でき、発振モードが安定であり
信頼性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体レーザが実
現できる。
導体レーザ素子の断面模式図である。
導体レーザ素子の断面模式図である。
導体レーザ素子の断面模式図である。
導体レーザ素子の断面模式図である。
導体レーザ素子の断面模式図である。
ザ素子の作製模式図である。
ザ素子の作製模式図である。
ザ素子の作製模式図である。
ザ素子の作製模式図である。
ーザ素子の作製模式図である。
断面模式図である。
コンタクト層 104、204、304、404、504 導電性選択
成長マスク 105 高抵抗GaN電流阻止層 106、206、506 n型Al0.1Ga0.9Nクラッ
ド層 107 InGaN単一量子井戸活性層 108、208、508 p型Al0.1Ga0.9Nクラッ
ド層 109、209、309、409、509 p型GaN
コンタクト層 110、210、310、410、510 絶縁性選択
成長マスク 111、211、311、411、511 p型電極 112、212、312、412、512 n型電極 144、244、441、544 開口部 201、501 n型GaN基板 202、502 n型GaNバッファ層 205 p型GaN電流阻止層 207、307、407、507 InGaN多重量子
井戸層 305、405 n型GaN平坦化層 306、406 n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層 308、408 p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層 488 n型Al0.05Ga0.95N電流阻止層 555 p型Al0.05Ga0.95N電流阻止層
Claims (7)
- 【請求項1】 基板と、窒化ガリウム系化合物半導体か
らなるコンタクト層と、前記コンタクト層の上方に形成
されたストライプ状の導電性選択成長マスクと、 前記導電性選択成長マスク上に形成された少なくとも一
対のクラッド層と、該クラッド層に挟まれた少なくとも
一層の活性層とを含む窒化ガリウム系化合物半導体から
なる積層体と、を含むことを特徴とする半導体レーザ素
子。 - 【請求項2】 前記導電性選択成長マスクの両側に電流
阻止層を有することを特徴とする請求項1に記載の半導
体レーザ素子。 - 【請求項3】 前記電流阻止層の少なくとも1部に、絶
縁性選択成長マスクを含むことを特徴とする請求項2に
記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項4】 前記基板が絶縁性基板であり、前記導電
性選択成長マスクの幅が前記絶縁性選択成長マスクの幅
より小さく、前記基板に対して反対側の前記コンタクト
層の表面に電極が形成されていることを特徴とする請求
項3に記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項5】 前記導電性選択成長マスクが酸化膜半導
体材料からなることを特徴とする請求項1乃至4のいず
れかに記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項6】 前記絶縁性選択成長マスクは酸化シリコ
ンまたは窒化シリコンからなることを特徴とする請求項
3又は4に記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項7】 絶縁性基板上に、窒化ガリウム系化合物
半導体からなるコンタクト層を形成する工程と、 前記コンタクト層上に導電性選択成長マスク及び絶縁性
選択成長マスクを形成する工程と、 前記選択成長マスク及び前記コンタクト層上方に少なく
とも一対のクラッド層及び活性層とを含む窒化ガリウム
系化合物半導体からなる積層体を形成する工程と、 前記絶縁性選択成長マスクを一部除去し、露出した前記
コンタクト層上に電極を形成する工程とを有することを
特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
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