WO2003105295A1 - マルチビーム型半導体レーザ、半導体発光素子および半導体装置 - Google Patents

マルチビーム型半導体レーザ、半導体発光素子および半導体装置 Download PDF

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東條　剛
矢吹　義文
安齋　信一
日野　智公
後藤　修
藤本　強
松本　治
竹谷　元伸
大藤　良夫
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ソニー株式会社
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Definitions

  • Multi-beam type semiconductor laser, semiconductor light emitting element and semiconductor device Multi-beam type semiconductor laser, semiconductor light emitting element and semiconductor device
  • the present invention relates to a multi-beam type semiconductor laser, a semiconductor light emitting element, and a semiconductor device, and is suitable for application to, for example, a multi-beam type semiconductor laser using a nitride-based I I I group 1 compound semiconductor.
  • nitride-based III-V compound semiconductors such as nitrides such as A 1 G a I n N have been developed and are now in practical use as light sources for high-density optical disks. Yes.
  • this semiconductor laser using a nitride III_v group compound semiconductor is a multi-beam type semiconductor that can be driven independently by two or four beams. It is necessary to realize a laser.
  • Fig. 1 Fig. 62
  • Fig. 62 a multi-beam type nitride-based III-V compound semiconductor
  • G a N semiconductor layer forming the structure that is, n-type A 1 G a N clad layer 10 3, n-type G a N optical waveguide layer 1 0 4, active layer 1 0 5, p-type G a I n N interlayer 1 0 6, p-type A 1 G a N cap layer 1 0 7, p-type G a
  • the N optical waveguide layer 108, the p-type A1GaN cladding layer 1009 and the p-type GaN contact layer 110 are sequentially stacked so as to form a mesa shape as a whole.
  • the two upper layers of the GaN-based semiconductor layer forming the laser structure that is, the upper part of the p-type A 1 GaN cladding layer 10 9 and the p-type GaN contact layer 1 10, 1 1 1 and 1 1 2 are formed parallel to each other. Furthermore, an insulating film 113 is formed so as to cover the mesa portion. Openings 1 1 3 a and 1 1 3 b are formed in the insulating film 1 1 3 above the ridges 1 1 1 and 1 1 2.
  • the p-side electrode (anode electrode) 1 is in contact with the p-type G a N contact layer 1 1 0 of the ridges 1 1 1 and 1 1 2 through these openings 1 1 3 a and 1 1 3 b.
  • n-side electrode (force sword electrode) 1 1 7 and 1 1 8 are formed so as to be in contact with 1 0 1.
  • the two-beam semiconductor laser shown in FIG. 1 cannot be driven independently, it cannot be used as a light source for a laser beam printer as it is.
  • the problem to be solved by the present invention is a multi-beam type semiconductor laser using a nitride III-group V compound semiconductor that can be independently driven and can easily confirm the operation before mounting. It is to provide.
  • the problem to be solved by the present invention is a nitride III-V group compound semiconductor and other semiconductor materials that can be independently driven and that can be easily checked before mounting.
  • the object is to provide a multi-beam semiconductor laser used.
  • the problem to be solved by the present invention is a nitride-based III-V compound semiconductor and other semiconductor materials that can be independently driven and can be easily checked before mounting. It is an object of the present invention to provide an integrated semiconductor light emitting element and a semiconductor device used. Disclosure of the invention
  • the first invention of the present invention is:
  • a nitride-based II ⁇ _ ⁇ group compound semiconductor layer forming a laser structure is formed on one main surface of the substrate, and an anode electrode and a force sword electrode are formed on the nitride-based group III-V compound semiconductor layer Multi-beam semiconductor laser
  • At least one of the node electrode and the force electrode is formed over the other of the anode electrode and the force sword electrode while being electrically insulated from each other.
  • the anode electrode and the force sword electrode include a pad electrode used for electrical connection with the outside. Electrically isolated
  • at least one of the anode electrode and the force sword electrode is connected to the anode electrode and the anode electrode via the insulating film. It is formed over the other of the force sword electrodes.
  • at least a part of the anode electrode and the force electrode and at least a part of the other one of the anode electrode and the cathode electrode are present. Exposed on the surface.
  • the anode electrode is formed over the cathode electrode through the insulating film, and at least a part of the anode electrode and at least a part of the force sword electrode are exposed on the surface.
  • the upper layer portion of the substrate is formed of a nitride-based III-V group compound semiconductor, typically G a N, formed by lateral growth and periodically having a low defect region. From the viewpoint of improving the lifetime, a light emitting portion (which can also be called a laser stripe or a ridge) is preferably formed on this low defect region.
  • the nitride III-V compound semiconductor layer formed by epitaxial growth down, that is, by epi-ide-down. It is also possible to mount the nitride III-V compound semiconductor layer on top, ie, epi-side up.
  • each light emitting portion is a groove.
  • they are separated from each other by an insulator or both.
  • Nitride III-group V compound semiconductors are most commonly A lx B y G a, -x - y - z I n z A su N .- u -v P v (where 0 ⁇ x ⁇ 1 , 0 ⁇ y ⁇ K 0 ⁇ z ⁇ K 0 ⁇ u ⁇ K 0 ⁇ v ⁇ K 0 ⁇ x + y + z ⁇ 1, 0 ⁇ u + v ⁇ 1), more specifically A 1 XB y G ai- x - y - z I n z N (where 0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ K 0 ⁇ z ⁇ K 0 ⁇ x + y + z ⁇ 1), typically A It consists of 1 x G ai- x - z I n z N (where o ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1). Specific examples of nitride III-V compound semiconductors include G a N, I
  • the first invention of this invention is:
  • a multi-beam type semiconductor laser having a semiconductor layer forming a laser structure on one main surface of a substrate and having an anode electrode and a force sword electrode formed on the semiconductor layer,
  • At least one of the anode electrode and the force sword electrode is formed across the other of the anode electrode and the force electrode in a state of being electrically insulated from each other.
  • the third invention of this invention is:
  • a semiconductor light emitting device having a semiconductor layer forming a light emitting device structure on one main surface of a substrate and having an anode electrode and a force sword electrode formed on the semiconductor layer,
  • At least one of the node electrode and the force sword electrode is formed across the other of the anode electrode and the force sword electrode while being electrically insulated from each other.
  • the fourth invention of the present invention is:
  • a semiconductor device having a semiconductor layer forming an element structure on one main surface of a substrate, and a first electrode and a second electrode formed on the semiconductor layer,
  • At least one of the first electrode and the second electrode is formed across the other of the first electrode and the second electrode while being electrically insulated from each other.
  • the semiconductor layer may be basically any type. Specifically, for example, in addition to a nitride III-V compound semiconductor, Various III-V compound semiconductors such as A 1 G a A s semiconductors, A 1 G a In P semiconductors, In G a As P semiconductors, Ga In NA s semiconductors, or It is a layer of II-VI compound semiconductors such as ZnSe-based semiconductors and ZnO-based semiconductors. Further, what has been described in relation to the first invention of the present invention also applies to the second to fourth inventions of the present invention as long as it is not contrary to its nature.
  • the first electrode and the second electrode in the fourth invention of the present invention correspond to the anode electrode and the force sword electrode in the first invention of the present invention.
  • the semiconductor light emitting element includes a semiconductor laser and a light emitting diode
  • the semiconductor device includes a light receiving element, and further a high electron mobility transistor in addition to these semiconductor light emitting elements.
  • Electron traveling devices such as field effect transistors (FET) and heterojunction bipolar transistors (HBT) are included.
  • the substrate is, for example, a sapphire substrate, a G a N substrate, a Zr B 2 substrate, a S i C substrate, a S i substrate, a G a As substrate, a G a P substrate, In n P substrate, spinel substrate, silicon oxide substrate Z nO substrate.
  • Examples of growth methods for nitride III-V compound semiconductors and other semiconductor layers include metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor phase epitaxy growth, and halide vapor phase epitaxy growth (In addition to HVPE, molecular beam epitaxy (MBE) can be used.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • hydride vapor phase epitaxy growth hydride vapor phase epitaxy growth
  • halide vapor phase epitaxy growth In addition to HVPE, molecular beam epitaxy (MBE) can be used.
  • the fifth invention of the present invention is:
  • Each element is electrically isolated from each other
  • the substrate is formed into a bar shape.
  • the operation can be confirmed by bringing the probe (probe) into contact with the anode electrode and force sword electrode or the first electrode and the second electrode (with a needle stand).
  • the laser structure, light emitting element structure, or element structure of each light emitting section can be driven independently. it can.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional one-beam GaN semiconductor laser
  • FIG. 2A and FIG. 2B are diagrams showing one beacon according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a sectional view showing a two-beam GaN semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 4A and FIG. FIG. 4B is a plan view and a cross-sectional view showing a four-beam GaN semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 5A and FIG. FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a four-beam GaN semiconductor laser according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional one-beam GaN semiconductor laser
  • FIG. 2A and FIG. 2B are diagrams showing one beacon according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a sectional view showing a two-beam GaN semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows measurement results of crosstalk characteristics of the one-beam GaN semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the measurement result of the crosstalk characteristics of the two-beam GaN semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the fifth embodiment of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a two-beam GaN semiconductor laser according to an embodiment. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIGS. 2A and 2B show a two-beam GaN semiconductor laser (chip state) according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1A.
  • This two-beam GaN semiconductor laser is a real refractive index guided semiconductor laser having a ridge structure and an SCH (Separate Confinement Heterostructure) structure.
  • n-type GaN buffer layer (not shown) formed on the c-plane sapphire substrate 1 by low-temperature growth
  • the n-type GaN layer 2 grown using a lateral crystal growth technique such as ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) is stacked.
  • ELO Epi Lateral Overgrowth
  • n-type GaN layer 2 grown using a lateral crystal growth technique such as ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth)
  • a GaN-based semiconductor layer that forms a laser structure is stacked.
  • n-type A 1 G aN cladding layer 3 and n-type G a N optical waveguide layer 4, such as the I n x G a N, are used as G a N-based semiconductor layers forming the laser structure.
  • the undoped G a N buffer layer has a thickness of, for example, 30 nm.
  • the n-type G a N layer 2 has a thickness of about 7, for example, and is doped with, for example, silicon (S i) as an n-type impurity.
  • the n-type A 1 G a N cladding layer 3 has a thickness of, for example, 1.0 m, is doped with, for example, Si as an n-type impurity, and the A 1 composition is, for example, 0.07.
  • the n-type GaN optical waveguide layer 4 has a thickness of, for example, 0.1 lm, and is doped with, for example, Si as an n-type impurity.
  • the active layer 5 of the n-doped I n K G ai -x N / I n ; G a, -y N multi-quantum well structure has an In x G a! -X N layer as a barrier layer and a well layer I n y G ai -y N layers are stacked alternately.
  • the P-type GaInN intermediate layer 6 has a thickness of, for example, 20 nm, is doped with, for example, Mg as a p-type impurity, and has an In composition of, for example, 0.02 Also, p-type AlGaN
  • the cap layer 7 has a thickness of, for example, 20 nm, is doped with, for example, Mg as a P-type impurity, and has an A 1 composition of, for example, 0.18.
  • the p-type A 1 GaN cap layer 7 is formed from the active layer during the growth of the p-type GaN optical waveguide layer 8, the p-type A l G aN cladding layer 9, and the p-type GaN contact layer 10 from the active layer.
  • the p-type GaN optical waveguide layer 8 has a thickness of, for example, 0.1 lm, and is doped with, for example, Mg as a p-type impurity.
  • the p-type A 1 G a N cladding layer 9 has a thickness of, for example, 0.5 m, is doped with, for example, Mg as a p-type impurity, and the A 1 composition is, for example, 0.18.
  • the p-type GaN contact layer 10 has a thickness of, for example, 0.1 m, and is doped with, for example, Mg as a p-type impurity.
  • n-type G a N layer 1 n-type A 1 G a N cladding layer 3, n-type G a N optical waveguide layer 4, active layer 5, p G a I n N intermediate layer 6, p-type A
  • the 1 G a N cap layer 7, the p-type G a N optical waveguide layer 8, and the p-type A 1 G a N cladding layer 9 are formed to form two mesa shapes adjacent to each other. The parts are separated from each other by a groove 11 reaching the n-type GaN layer 2.
  • the upper layer of the p-type A 1 G N N cladding layer 9 and the p-type G N N contact layer 10 have, for example, a ridge extending in the ⁇ 1 — 1 0 0> direction. 1 1 and 1 3 are formed, respectively.
  • the width of these ridges 12 and 13 is, for example, 1.7 jum.
  • these ridges 12 and 13, that is, the laser stripe portions are located in the low defect region between the dislocations 14 propagated from the seed crystal used in the lateral growth to the upper layer.
  • the interval between the ridges 1 2 and 1 3 is preferably selected as a multiple of the period of the low defect region.
  • the interval is 9 (However, this is not reflected in Fig. 2B for the sake of illustration).
  • the composite film 1 made of a top of each mesa portion of the, for example, an insulating film such as a thickness of 4 0 nm of S i 0 2 film and the thickness of, for example, thereon 4 5 nm of S i film 5 is provided.
  • the insulating film is for electrical insulation and surface protection.
  • the width of the ridges 12 and 13 is as narrow as 1.7 m in the Si film, the lateral optical confinement becomes strong, and the laser light It is preferable to reduce the spectral ratio.However, since the kink phenomenon is likely to occur, the absorption coefficient of the primary mode of the laser light that causes the kink phenomenon is increased on the side walls of the ridges 1 2 and 1 3. It is intended to increase and prevent the kink phenomenon. Openings are formed in the composite film 15 above the ridges 1 2 and 1 3, and the p-side electrodes are respectively formed on the p-type GaN contact layers 10 of the respective mesa portions through the openings. 1 6 and 1 7 are in contact.
  • These p-side electrodes 16 and 17 have, for example, a structure in which a Pd film and a Pt film are sequentially stacked.
  • P-side electrodes 18 and 19 are formed so as to cover the composite film 15 and the p-side electrodes 16 and 17.
  • These p-side electrodes 18 and 19 have a structure in which, for example, a Ti film, a Pt film, and a Ni film are sequentially stacked.
  • the n-side electrodes 20 and 21 are in contact with a predetermined portion of the n-type GaN layer 2 adjacent to each mesa portion.
  • These n-side electrodes 20 and 21 have a structure in which, for example, a Ti film, a Pt film, and an Au film are sequentially stacked.
  • Reference numeral 22 denotes an insulating film such as a S i 0 2 film. This insulating film 22 is formed so as to cover a side wall of each mesa portion and a part of the n-side electrodes 20 and 21.
  • p-side pad electrodes 2 3 and 2 4 are formed in contact with the p-side electrodes 18 and 19, respectively.
  • These p-side pad electrodes 2 3 and 2 4 are composed of a portion extending along the ridges 1 2 and 1 3 and a portion perpendicular thereto, and the latter portions are respectively n-side through the insulating film 2 2. It straddles over one end of the electrodes 20, 21.
  • the resonator length L is, for example, about 60 m, and the chip width in the direction orthogonal thereto is, for example, about 400 m.
  • a manufacturing method of the two-beam GaN semiconductor laser according to the first embodiment will be described.
  • an undoped GaN buffer layer is grown on a c-plane sapphire substrate 1 whose surface has been cleaned in advance by thermal cleaning or the like by a MO CVD method at a temperature of about 500 ° C., for example.
  • the n-type GaN layer 2 is grown at a growth temperature of, for example, 100 ° C. using a lateral crystal growth technique such as ELO.
  • a GaN-based semiconductor layer that forms a laser structure on the n-type G a N layer 2 by MO C VD method, specifically, n-type A 1 G a N cladding layer 3, n-type G a N optical waveguide layer 4, undoped G a ⁇ I n x N / G ai- y I n y N active layer with multiple quantum well structure 5, p-type G a I nN intermediate layer 6, p-type A 1 G aN A cap layer 7, a p-type GaN optical waveguide layer 8, a p-type AlGaN layer 9 and a p-type GaN contact layer 10 are grown sequentially.
  • the growth temperature of these layers is, for example, that n-type A 1 G a N cladding layer 3 and n-type G a N optical waveguide layer 4 are 1 0 0 0 t: Up to N optical waveguide layer 8 is 7800 ° C, and p-type A 1 G a N cladding layer 9 and p-type GaN contact layer 10 are 100 ° C.
  • the growth raw materials for these GaN-based semiconductor layers are, for example, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga, TMG) as the raw material for Ga, and trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 A 1, TMA), In as a raw material, trimethylindium ((CH 3 ) 3 In, TM I) is used, and NH 3 is used as a raw material for N.
  • the carrier gas atmosphere during the growth of these GaN-based semiconductor layers includes N 2 and H 2 from the n-type GaN layer 2 to the n-type GaN optical waveguide layer 4.
  • Mixed gas of, N 2 gas atmosphere from the active layer 5 to the p-type A 1 G a N cap layer 7, the p-type GaN optical guide layer 8 to the p-type GaN contactor coat layer 1 0 and N 2 and H 2 The mixed gas is used.
  • the carrier gas atmosphere is an N 2 atmosphere, and the carrier gas atmosphere does not contain H 2. Desorption of In from the layer 5 can be suppressed, and deterioration of the active layer 5 can be prevented.
  • the carrier gas atmosphere is a mixed gas atmosphere of N 2 and H 2 during the growth from the p-type GaN optical waveguide layer 8 to the P-type GaN contact layer 10, so these p-type layers have good crystallinity. Can be grown in.
  • the c-plane sapphire substrate 1 on which the GaN-based semiconductor layer is grown as described above is taken out from the MOCVD apparatus. Then, after forming the entire substrate surface, for example, S i 0 2 film, to putter Jung to a predetermined shape of the S i 0 2 film by etching. Next, after sequentially formed on the entire surface of the substrate such as P d film and P t film, S i 0 2 film is lifted off together with the P d film and P t film formed thereon to, p-side electrodes 1 6, 1 7 is formed.
  • the p-type AI GaN cladding layer 9 is selectively etched to a predetermined depth in the thickness direction by a reactive ion etching (RIE) method. 2, 1 and 3 are formed.
  • RIE reactive ion etching
  • etching is performed, for example, by RIE until the n-type GaN layer 2 is reached.
  • the upper layer of the n-type GaN layer 2, the n-type A 1 Ga N cladding layer 3, the n-type GaN optical waveguide layer 4, the active layer 5, the p-type Ga I nN intermediate layer 6, the p-type A 1 G a N cap layer 7, p-type G a N optical waveguide layer 8, p-type Al G aN cladding layer 9 and p-type GaN contact layer 10 are patterned into two mesa shapes adjacent to each other At the same time, a groove 11 for separating these mesa portions is formed.
  • a resist pattern having a predetermined shape is formed on the substrate surface by lithography, for example, a Ti film, an Ft film, and an Au film are sequentially formed on the entire surface of the substrate.
  • the resist pattern is lifted off together with the Ti film, Pt film, and Au film formed thereon to form n-side electrodes 20 and 21.
  • an insulating film 22 such as a Si 0 2 film on the entire surface of the substrate, a resist pattern having a predetermined shape is formed thereon by lithography, and this insulating pattern is used as a mask for this insulating pattern.
  • the film 22 is put into a predetermined shape by, for example, the RIE method.
  • a resist pattern having a predetermined shape is formed on the surface of the substrate by lithography, for example, a Ti film, a Pt film, and an Au film are sequentially formed on the entire surface of the substrate.
  • the resist pattern is lifted off together with the Ti film, Pt film, and Au film formed thereon to form p-side pad electrodes 23, 24.
  • the c-plane sapphire substrate 1 on which the laser structure is formed as described above is processed into a bar shape by cleavage to form both resonator end faces.
  • end face coating is applied to the end faces of these resonators, and then this bar is cut into chips by cleaving or the like.
  • the reflectivity of the front end face of the resonator is 20%, for example, and the reflectivity of the rear end face of the resonator is 70%, for example.
  • the target 1-beam GaN semiconductor laser is manufactured as described above.
  • This two-beam GaN semiconductor laser is typically mounted on a heat sink consisting of epi-side down (p-side down), for example, A 1 N, in order to improve heat dissipation during operation. .
  • a bump electrode formed on a predetermined wiring pattern formed on the upper surface of the heat sink and a p-side pad electrode 23.4 and an n-side electrode 2 0 of a two-beam GaN semiconductor laser. 2 1 are fused with, for example, solder (not shown) made of tin (S n).
  • the following advantages can be obtained. That is, in this two-beam type GaN semiconductor laser, when a voltage is applied between the p ⁇ ij pad electrode 2 3 and the n-side electrode 20 to energize, Fig. 2 A and The laser structure of the left mesa in Fig. 2B can be driven, and by applying a voltage between the p-side pad electrode 24 and the n-side electrode 21, The laser structure of the mesa portion on the right side in FIGS. 2A and 2B can be driven. That is, these two laser structures can be driven independently of each other.
  • the entire p-side pad electrode 2 3 and a part of the n-side electrode 20 are exposed on the surface, and the entire p-side pad electrode 24 and the n-side electrode 2 1 are exposed.
  • the probe P is connected to the p-side pad electrode 2 4 and the n-side electrode 2 1 of these exposed portions, respectively.
  • P 2 can be set up to check the operating characteristics by applying a voltage between them and energizing them.
  • the exposed p-side pad electrode 25 and n-side Probes P 2 and 2 respectively! P 2 is set up, and voltage is applied between them to energize to check the operating characteristics.
  • the ability to perform the birchick makes it possible to confirm the operation or evaluate the characteristics before assembly. For this reason, it is possible to selectively assemble only two-beam GaN semiconductor lasers with good characteristics, and to improve the yield after assembly.
  • the p-side pad electrodes 2 3 and 2 4 and the n-side electrodes 2 0 and 2 1 can also be used as barrier bonding pads, so they must be compatible with either epideid down or episide up And increase the freedom of assembly.
  • the laser stripe on the laser stripe which is a heat source during operation, does not have a double wiring structure-the beam GaN semiconductor without reducing reliability.
  • a laser can be realized.
  • the two-beam GaN semiconductor laser has a multilayer wiring structure, the interval between the ridges 12 and 13, that is, the beam interval can be easily reduced.
  • this single beam GaN semiconductor laser is placed on the heat sink.
  • n solder (not shown)
  • the Sn solder crawls up the side wall of the mesa and reaches the n-type layer, causing a short circuit between the anode and the force sword. There is no fear.
  • Fig. 3 shows a cross-sectional view of this two-beam GaN semiconductor laser, similar to Fig. 2B.
  • the top view of this two-beam GaN semiconductor laser is Same as Fig. 2A.
  • a groove 11 for separating the two laser structures is provided through the n-type GaN layer 2, and this groove 1 the other thing c the insulating film 2 2 so as to fill the 1 is formed is similar to the one-beam type G a N type semiconductor, single tHE according to the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and the following advantages can be obtained. That is, since the groove 1 1 penetrates the n-type GaN layer 2, there is no conductive semiconductor layer connecting the two laser structures, and in this sense, there is an electrical connection between these laser structures. Are completely separated. Therefore, by applying a voltage between the p-side pad electrode 23 and the n-side electrode 20, the left side laser structure in FIG. 3 is operated, and the p-side pad electrode 24 and the n-side electrode are operated. By operating the laser structure on the right side of Fig. 3 by applying a voltage between the two electrodes, the two laser structures are driven completely independently of each other without causing electrical crosstalk between them. can do.
  • the p-side pad electrodes 23 and 24 are completely independent of each other, and the n-side electrode 20.2 and 21 are also completely independent of each other.
  • Each laser structure can be driven independently of each other, whether it is common or anode common or force sword common. Therefore, anode common and force sword common can be freely selected, and there is no need to change the element structure for each drive circuit.
  • FIG. 4A and Fig. 4B show this 4-beam type GaN semiconductor laser (chip state).
  • Fig. 4A is a plan view
  • Fig. 4B is the fourth view.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • FIG. 4A and Fig. 4B in this 4-beam type GaN semiconductor laser, four laser structures are formed separately from each other corresponding to the 4-beam type. ing. In the following, these four laser structures will be described by numbering 1, 2, 3, and 4 in order from the left in FIGS. 4A and 4B.
  • Reference numerals 25 to 28 denote ridges of these four laser structures. The distance between the ridges 25 to 28 is, for example, 16 m.
  • a P-side electrode 29 having a structure in which, for example, a Pd film and a Pt film are sequentially stacked is formed in contact with the p-type GaN contact layer 10 of the ridge 25.
  • a p-side electrode 30 also serving as a pad electrode having a structure in which a Ti film, a Pt film, and an Au film are sequentially laminated is formed.
  • the p-side electrode 30 is composed of a portion extending along the ridge 25 and a portion orthogonal thereto, and the latter portion is formed on one end portion of the n-side electrode 20 via the insulating film 22. Straddling.
  • a P-side electrode 31 having a structure in which, for example, a Pd film and a Pt film are sequentially stacked is formed in contact with the p-type GaN contact layer 10 of the ridge 26.
  • a p-side pad electrode 32 having a structure in which, for example, a Ti film, a Pt film, and an Au film are sequentially laminated is formed thereon.
  • the p-side pad electrode 32 is composed of a portion extending along the ridge 26 and a portion orthogonal thereto, and the latter portion is the other end of the n-side electrode 20 via the insulating film 22. It straddles over the department.
  • the p-side electrode is formed by an insulating film 33 such as a Si 0 2 film, for example. 3 0 Electrically isolated from 0.
  • the third and fourth laser structures are the first and second lasers It has a symmetric structure. That is, in the third laser structure, a p-side electrode 34 having a structure in which, for example, a Pd film and a Pt film are sequentially stacked is formed in contact with the p-type GaN contact layer 10 of the ridge 27. It has been done. In the fourth laser structure, the P-side electrode 3 5 having a structure in which, for example, a Pd film and a Pt film are sequentially stacked in contact with the p-type GaN contact layer 10 of the ridge 28.
  • a p-side electrode 36 that also serves as a pad electrode and has a structure in which, for example, a Ti film, a Pt film, and an Au film are sequentially stacked is formed thereon.
  • the p-side electrode 36 is composed of a portion extending along the ridge 28 and a portion perpendicular thereto, and the latter portion is located above one end portion of the n-side electrode 21 via the insulating film 22. Is straddling.
  • the P-side pad electrode 37 is composed of a portion extending along the ridge 27 and a portion orthogonal thereto, and the latter portion is the other end of the n-side electrode 21 through the insulating film 22. It straddles over the department. Contact Itewa a portion partially orthogonal to the ridge 2 7 of the p-side pad electrode 3 7 crosses the fourth laser structure, for example by an insulating film 3 3, such as S i ⁇ 2 film, a p-side electrode 3 6 is electrically isolated.
  • the first laser structure is formed by applying a voltage between the p-side electrode 30 and the n-side electrode 20 and energizing it. It is possible to drive the second level by applying a voltage between the p-side pad electrode 32 and the n-side electrode 20 and energizing it.
  • the structure can be driven, and the third laser structure can be driven by applying a voltage between the P-side pad electrode 3 7 and the n-side electrode 2 1, and p
  • the fourth laser structure can be driven by applying a voltage between the side electrode 3 6 and the n-side electrode 2 1 c, that is, driving these four laser structures independently of each other. Is possible.
  • the laser stripe which is a heat source during operation, does not have a double wiring structure.
  • the 4-beam type G a N system does not reduce reliability.
  • a semiconductor laser can be realized.
  • this 4-beam type GaN semiconductor laser has a multilayer wiring structure, the interval between the ridges 25 to 28, that is, the beam interval can be easily reduced.
  • the groove 11 separating each laser structure is covered with an insulating film 2 2, so this 1
  • Sn solder scoops up the side wall of the mesa and reaches the n-type layer. There is no risk of a short circuit with the cathode.
  • FIG. 5A and Fig. 5B show this 4-beam GaN semiconductor laser (chip state).
  • FIG. 5A is a plan view
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 5A.
  • n-side electrodes 3 8-4 1 are independently used for the first to fourth laser structures. Is provided. Further, the groove 11 separates each laser structure, and the n-type GaN layer 2 in the portion where the end of the n-side electrode 3 8 of the first laser structure is located is connected to the second laser structure. The n-type electrode 39 of the laser structure is separated from the n-type G a N layer where the terminal portion is located, and the n-side electrode 40 of the third laser structure is separated from the n-type electrode.
  • n-type G a N layer 2 Penetrates the n-type G a N layer 2 so as to separate the n-type G a N layer 2 and the n-type G a N layer 2 where the end of the n-side electrode 4 1 of the fourth laser structure is located It is provided.
  • the rest is the same as that of the four-beam type GaN semiconductor laser according to the third embodiment, and the description is omitted.
  • each laser structure is separated by a groove 11 provided through the n-type GaN layer 2, and the end portions of the n-side electrodes 38 to 41 of each laser structure are also separated from each other. Because of the separation, there is a conductive connection between these four laser structures. There is no conductive semiconductor layer, and in this sense, these laser structures are completely electrically separated. For this reason, the first laser structure is operated by applying a voltage between the p-side electrode 30 and the n-side electrode 3 8, and the p-side electrode.
  • the second laser structure is operated by applying a voltage between the pad electrode 3 2 and the n-side electrode 39, and a voltage is applied between the p-side pad electrode 3 7 and the n-side electrode 40.
  • the fourth laser structure is operated.
  • the four laser structures can be driven completely independently of each other without crosstalk.
  • the P-side electrodes 30 and 36 and the p-side pad electrodes 3 2 and 3 7 are provided completely independently of each other, and the n-side electrodes 38 to 41 are also provided completely independently of each other. Therefore, even if both the anode and the force sword are used in common, that is, both the node common and the cathode common, the laser structures can be driven independently of each other. Therefore, anode common and cathode common can be freely selected, and there is no need to change the device structure for each drive circuit.
  • the depth of the groove 11 separating the laser structures in the first embodiment in other words, the thickness of the n-type GaN layer 2 left in this groove 11 portion.
  • the relationship between the thickness (remaining thickness) and the crosstalk characteristics between the laser structures will be examined.
  • the thickness of the n-type G a N layer 2 during growth is assumed to be 7 m.
  • FIG. 6 shows the result of measuring crosstalk by changing the remaining thickness of the n-type GaN layer 2 in the groove 11 portion.
  • light output P. Continuous operation was performed under the condition of 4 mW
  • the pulse drive frequency f was varied.
  • FIG. 7 shows the measurement results with the remaining thickness of the n-type GaN layer 2 in the groove 11 portion taken on the horizontal axis.
  • the electrical crosstalk decreases, and when this remaining thickness becomes 0 In other words, if the groove 11 passes through the n-type GaN layer 2, the electrical crosstalk becomes 0, but if the remaining thickness is 3 or less, the electrical crosstalk becomes 5 to 7%, which is a practical level. It is suppressed to. Thermal crosstalk shows almost the same tendency.
  • the groove 11 is most preferably provided so as to penetrate the n-type GaN layer 2 from the viewpoint of improving the crosstalk characteristics.
  • the beam type G a N semiconductor laser according to the second embodiment is an example.
  • the width W of the groove 11 and the spacing between the laser structures are optimized. At the same time, consider filling the inside of the groove 11 with an insulator.
  • Fig. 8 shows a one-beam GaN semiconductor laser according to the fifth embodiment.
  • the groove 11 separating the two laser structures is formed through the n-type GaN layer 2.
  • a N layer 2 is buried by the insulating film 4 2, such as S i 0 2 film if example embodiment.
  • the interval between the ridges 12 and 13, that is, the beam interval is selected as 96 wm, for example.
  • the width W of the groove 11 in the n-type G a N layer 1 is the distance between the two laser structures. From the standpoint of reducing the raw capacity and keeping electrical crosstalk low, it is preferably selected to be 1 or higher, and larger is better, but in practice, the lateral crystal growth technology used for the growth of the n-type GaN layer 2 For reasons such as above, it is generally chosen to be 15 um or less, typically 10 to 15 m. Further, the distance D between the laser structures is selected to be 20 m, for example.
  • an S i 0 2 film is formed on the entire surface of the substrate.
  • i 0 2 film pattern was Jung into a predetermined shape by lithography scratch, then S i 0 2 film n-type G a n layer 2 by dry etching as a mask of the predetermined shape may be etched by, for example, RIE.
  • an insulating film 4 2 such as a Si 2 film is buried in the groove 11.
  • Others are the same as those of the beam type GaN semiconductor laser according to the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the groove 11 separating the two laser structures is formed through the n-type GaN layer 2 so that the pulse drive frequency f is 10 to 100 kHz. Electrical crosstalk is almost 0%, and thermal crosstalk is also about 2%, so that practical crosstalk characteristics can be obtained as a two-beam semiconductor laser for laser beam printers. This is an extremely large improvement considering that it has been extremely difficult to reduce crosstalk to a practically low value, for example, 5% or less, until now, when the beam interval is about 100 mm or less. It can be said that there is.
  • the two-beam type GaN semiconductor laser is fused on the heat sink with Sn solder (not shown).
  • Sn solder is on the side wall of the mesa
  • the numerical values, structures, shapes, materials, substrates, raw materials, processes, etc. given in the first to fifth embodiments are merely examples, and if necessary, different numerical values and structures. Shapes, materials, substrates, raw materials, processes, etc. may be used.
  • the groove 11 is formed in the n-type GaN layer 2, and the inside of the groove 11 is formed in the insulating film 4 2 such as the Si 0 2 film.
  • the insulating film 42 instead of the insulating film 42, a high-resistance material such as non-crystalline polycrystalline Si or A1GaN may be buried, and the n-type GaN layer 2 has a trench 1 1 This is not buried in the insulating film 42, but is selectively ion-implanted with, for example, argon into the n-type GaN layer 2 in the portion corresponding to the groove 11 to destroy the crystal.
  • the resistance may be increased or the insulation may be increased.
  • the present invention is applied to a SCH structure GaN semiconductor laser.
  • the present invention is applied to, for example, a DH (Double Heterostructure) structure GaN semiconductor laser.
  • DH Double Heterostructure
  • a multi-beam semiconductor laser, an integrated semiconductor light emitting element, or a semiconductor device using a group compound semiconductor or other semiconductor material can be realized.

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Abstract

サファイア基板などの基板の一方の主面上にレーザ構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を有し、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に複数のアノード電極および複数のカソード電極が形成されたマルチビーム型半導体レーザにおいて、一つのアノード電極を絶縁膜を介して一つのカソード電極の上に跨がって形成し、他の一つのアノード電極を絶縁膜を介して他の一つのカソード電極の上に跨がって形成する。

Description

明 細 書 マルチビーム型半導体レーザ、 半導体発光素子および半導体装置
技術分野
この発明は、 マルチビーム型半導体レーザ、 半導体発光素子および 半導体装置に関し、 例えば、 窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体を用 いたマルチビーム型半導体レーザに適用して好適なものである。
背景技術
A 1 G a I n Nなどの窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体を用いた 半導体レーザとしては現在、 シングルビーム型のものが開発され、 高 密度光ディスク用の光源などとして実用化段階を迎えている。
一方、 この窒化物系 I I I _ v族化合物半導体を用いた半導体レー ザをレーザビームプリ ン夕の光源に応用するためには、 2 ビームもし くは 4 ビームの独立駆動が可能なマルチビーム型半導体レーザを実現 する必要がある。
本出願人は、 このようなマルチビーム型の、 窒化物系 I I I— V族 化合物半導体を用いた半導体レーザとして、 第 1図に示すような 2 ビ ーム型のものを提案した （第 6 2回応用物理学会学術講演会講演予稿 集、 1 4 p— N— 9、 2 0 0 1年9月） 。 第 1図に示すように、 この 2 ビーム型半導体レーザにおいては、 c面サファイア基板 1 0 1上に 横方向結晶成長技術により n型 G a N層 1 0 2が成長され、 その上に. レーザ構造を形成する G a N系半導体層、 すなわち n型 A 1 G a Nク ラッ ド層 1 0 3、 n型 G a N光導波層 1 0 4、 活性層 1 0 5、 p型 G a I n N中間層 1 0 6、 p型 A 1 G a Nキャップ層 1 0 7、 p型 G a N光導波層 1 0 8、 p型 A 1 G a Nクラッ ド層 1 0 9および p型 G a Nコンタク ト層 1 1 0が、 全体としてメサ形状をなすように順次積層 されている。 この場合、 レーザ構造を形成する G aN系半導体層の最 上部、 すなわち p型 A 1 G a Nクラッ ド層 1 0 9の上部および p型 G a Nコンタク ト層 1 1 0に、 二つのリ ッジ 1 1 1、 1 1 2が互いに平 行に形成されている。 更に、 メサ部を覆うように絶縁膜 1 1 3が形成 されている。 この絶縁膜 1 1 3のうちのリ ッジ 1 1 1、 1 1 2の上の 部分に開口 1 1 3 a、 1 1 3 bが形成されている。 そして、 これらの 開口 1 1 3 a、 1 1 3 bを通じてリ ッジ 1 1 1、 1 1 2の p型 G a N コンタク ト層 1 1 0 と接触するように p側電極 （アノード電極） 1 1 4、 1 1 5が形成されている。 更に、 これらの p側電極 1 1 4、 1 1 5および絶縁膜 1 1 3を覆うように p側電極 （ァノード電極） 1 1 6 が形成されている。 一方、 メサ部に隣接する部分の絶縁膜 1 1 3には 開口 1 1 3 c、 1 1 3 dが形成されており、 これらの開口 1 1 3 c、 1 1 3 dを通じて n型 G aN層 1 0 1 と接触するように n側電極 （力 ソード電極） 1 1 7、 1 1 8が形成されている。
しかしながら、 上述の第 1図に示す 2 ビーム型半導体レーザでは、 各レーザ構造を独立駆動することが不可能であるため、 そのままでは レーザビームプリンタ用の光源として用いることはできない。
一方、 窒化物系 I I I—V族化合物半導体とは異なる半導体を用い た半導体レーザではあるが、 特開 2 0 0 0 - 2 6 9 6 0 1号公報にマ ルチビ一ム型半導体レーザが提案されている。 しかしながら、 窒化物 系 I I I 一 V族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、 基板 としてもっぱら用いられるサファイア基板が電気的に絶縁性であるこ とから、 基板の片側から p側電極および n側電極の両方を取り出すた め、 この特開 2 0 0 0— 2 6 9 6 0 1号公報に開示された構造をその まま採用することは困難である。
したがって、 この発明が解決しょうとする課題は、 独立駆動が可能 で、 しかも実装前の動作確認を容易に行うことができる、 窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体を用いたマルチビーム型半導体レーザを提供 することにある。
より一般的には、 この発明が解決しょうとする課題は、 独立駆動が 可能で、 しかも実装前の動作確認を容易に行うことができる、 窒化物 系 I I I _ V族化合物半導体その他の半導体材料を用いたマルチビー ム型半導体レーザを提供することにある。
更に一般的には、 この発明が解決しょうとする課題は、 独立駆動が 可能で、 しかも実装前の動作確認を容易に行うことができる、 窒化物 系 I I I 一 V族化合物半導体その他の半導体材料を用いた集積型の半 導体発光素子および半導体装置を提供することにある。 発明の開示
上記課題を解決するために、 この発明の第 1の発明は、
基板の一方の主面上にレーザ構造を形成する窒化物系 I I ι _ ν族 化合物半導体層を有し、 この窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体層上 にアノード電極および力ソード電極が形成されたマルチビーム型半導 体レーザにおいて、
ァノード電極および力ソ一ド電極のうちの少なく とも一方が、 互い に電気的に絶縁された状態で、 ァノ一ド電極および力ソード電極のう ちの他方の上に跨がって形成されている
ことを特徴とするものである。
ここで、 アノード電極および力ソード電極には、 外部との電気的接 続に用いるパッ ド電極も含まれるものとする。 電気的に絶縁された状 態の実現のためには、 いわゆるエアープリッジ構造を採ることも可能 であるが、 典型的には、 アノード電極および力ソード電極のうちの少 なく とも一方が、 絶縁膜を介して、 アノード電極および力ソード電極 のうちの他方の上に跨がって形成される。 この場合、 典型的には、 ァ ノ一ド電極および力ソ一ド電極のうちの少なく とも一方の少なく とも 一部とァノ一ド電極およびカソード電極のうちの他方の少なく とも一 部とが表面に露出している。 最も典型的には、 アノード電極が絶縁膜 を介してカソード電極上に跨がって形成され、 ァノード電極の少なく とも一部と力ソード電極の少なく とも一部とが表面に露出している。 また、 典型的には、 基板の上層部は、 横方向成長により形成され、 周期的に低欠陥領域を有する窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体、 典 型的には G a Nからなり、 素子寿命の向上などの観点より、 好適には、 この低欠陥領域上に発光部 （レーザストライプあるいはリッジと言い 換えることもできる） が形成される。 レーザチップを実装する場合、 最も典型的には、 ェピタキシャル成長により形成される窒化物系 I I I—V族化合物半導体層を下にして、 すなわちェピサイ ドダウン （ep i-s ide down)で実装されるが、 窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体層 を上にして、 すなわちェピサイ ドアップ （epi-s ide up)で実装するこ とも可能である。
レーザビームが出射される発光部 （レーザ構造） 間の電気的および 熱的クロストーク （各レーザ構造の駆動時に、 一つのレーザ構造から 出射されるレーザビ一ムが他のレーザ構造から出射されるレーザビー ムにおよぼす影響を示す） を低減し、 レーザビームの出力変動を防止 する観点より、 あるいは、 マルチビーム型半導体レーザをアノードコ モンでも力ソードコモンでも利用可能とする観点より、 好適には発光 部ごとに素子分離され、 具体的には、 例えば、 それぞれの発光部が溝 あるいは絶縁体あるいはそれらの双方により互いに分離される。
窒化物系 I I I一 V族化合物半導体は、 最も一般的には A l x By G a ,-x-y-z I nz A s u N . -u-v P v (ただし、 0≤ x≤ 1、 0≤ y≤ K 0≤ z≤ K 0≤ u≤ K 0≤ v≤ K 0≤ x + y + z < 1 , 0≤ u + vく 1 ) からなり、 より具体的には A 1 X By G a i -x-y- z I n z N (ただし、 0≤ x≤ l、 0≤ y≤ K 0≤ z≤ K 0 ≤ x + y + z < 1 ) からなり、 典型的には A 1 x G a i -x-z I nz N (ただ し、 o≤ x≤ 1、 0≤ z≤ 1 ) からなる。 窒化物系 I I I — V族化合 物半導体の具体例を挙げると、 G a N、 I n N、 A 1 N、 A 1 G a N- I n G a N、 A 1 G a I n Nなどである。
この発明の第 1の発明は、
基板の一方の主面上にレーザ構造を形成する半導体層を有し、 この 半導体層上にアノード電極および力ソード電極が形成されたマルチビ —ム型半導体レーザにおいて、
アノード電極および力ソード電極のうちの少なく とも一方が、 互い に電気的に絶縁された状態で、 ァノ一ド電極および力ソ一ド電極のう ちの他方の上に跨がって形成されている
ことを特徴とするものである。
この発明の第 3の発明は、
基板の一方の主面上に発光素子構造を形成する半導体層を有し、 こ の半導体層上にアノード電極および力ソード電極が形成された半導体 発光素子において、
ァノード電極および力ソード電極のうちの少なく とも一方が、 互い に電気的に絶縁された状態で、 アノード電極および力ソード電極のう ちの他方の上に跨がって形成されている
ことを特徴とするものである。 この発明の第 4の発明は、
基板の一方の主面上に素子構造を形成する半導体層を有し、 この半 導体層上に第 1 の電極および第 2の電極が形成された半導体装置にお いて、
第 1の電極および第 2の電極のうちの少なく とも一方が、 互いに電 気的に絶縁された状態で、 第 1の電極および第 2の電極のうちの他方 の上に跨がって形成されている
ことを特徴とするものである。
この発明の第 2〜第 4の発明において、 半導体層は、 基本的にはど のようなものであってもよいが、 具体的には、 例えば、 窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体のほか、 A 1 G a A s系半導体、 A 1 G a I n P系半導体、 I n G a A s P系半導体、 G a I n N A s系半導体など の各種の I I I 一 V族化合物半導体、 あるいは、 Z n S e系半導体や Z n O系半導体などの I I 一 V I族化合物半導体などの層である。 ま た、 この発明の第 1の発明に関連して述べたことは、 その性質に反し ない限り、 この発明の第 2〜第 4の発明においても成立する。 この発 明の第 4の発明における第 1の電極および第 2の電極は、 この発明の 第 1の発明におけるァノード電極および力ソード電極に対応する。
この発明の第 3および第 4の発明において、 半導体発光素子には、 半導体レーザや発光ダイオードが含まれ、 半導体装置にはこれらの半 導体発光素子のほか、 受光素子、 さらには高電子移動度トランジスタ などの電界効果トランジスタ （F E T ) やへテロ接合バイポーラ トラ ンジス夕 （H B T ) のような電子走行素子が含まれる。
この発明において、 基板は、 具体的には、 例えば、 サファイア基板 のほか、 G a N基板、 Z r B 2 基板、 S i C基板、 S i基板、 G a A s基板、 G a P基板、 I n P基板、 スピネル基板、 酸化シリコン基板- Z n〇基板などである。
窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体やその他の半導体層などの成長 方法としては、 例えば、 有機金属化学気相成長 （M O C V D ) 、 ハイ ドライ ド気相ェピタキシャル成長またはハラィ ド気相ェピタキシャル 成長 （H V P E ) などのほか、 分子線エピタキシー （M B E ) などを 用いることができる。
この発明の第 5の発明は、
絶縁基板上にモノリシックに形成されたマルチビーム型半導体レー ザにおいて、
各素子が互いに電気的に絶縁されている
ことを特徴とするものである。
この発明の第 5の発明においては、 その性質に反しない限り、 この 発明の第 1および第 2の発明に関連して述べたことが成立する。
上述のように構成されたこの発明によれば、 例えばサファイア基板 その他の基板上に窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体層その他の半導 体層を成長させた後、 例えばこの基板をバー状に劈開した状態で、 ァ ノード電極および力ソード電極あるいは第 1 の電極および第 2の電極 にプローブ （探針） を接触させて （針立てを行って） 動作確認を行う ことができる。 また、 これらのアノード電極および力ソード電極ある いは第 1の電極および第 2の電極を用いることにより、 各発光部のレ 一ザ構造あるいは発光素子構造あるいは素子構造を独立に駆動するこ とができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 従来の 1 ビーム型 G a N系半導体レーザを示す断面図、 第 2図 Aおよび第 2図 Bは、 この発明の第 1の実施形態による 1 ビー ム型 G aN系半導体レーザを示す平面図および断面図、 第 3図は、 こ の発明の第 2の実施形態による 2 ビーム型 G a N系半導体レーザを示 す断面図、 第 4図 Aおよび第 4図 Bは、 この発明の第 3の実施形態に よる 4 ビーム型 G a N系半導体レーザを示す平面図および断面図、 第 5図 Aおよび第 5図 Bは、 この発明の第 4の実施形態による 4 ビーム 型 G aN系半導体レーザを示す平面図および断面図、 第 6図は、 この 発明の第 5の実施形態による 1 ビーム型 G aN系半導体レーザのクロ ストーク特性の測定結果を示す略線図、 第 7図は、 この発明の第 5の 実施形態による 2 ビーム型 G aN系半導体レーザのクロストーク特性 の測定結果を示す略線図、 第 8図は、 この発明の第 5の実施形態によ る 2 ビーム型 G a N系半導体レーザを示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 第 2図 Aおよび第 2図 Bは、 この発明の第 1の実施形態による 2 ビ —ム型 G a N系半導体レーザ （チップ状態） を示す。 ここで、 第 2図 Aは平面図、 第 2図 Bは第 1図 Aの B— B線に沿っての断面図である。 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザは、 リッジ構造および S C H (Separate Confinement Heterostructure) 構造を有する実屈折率導 波型半導体レーザである。
第 2図 Aおよび第 2図 Bに示すように、 この 2 ビーム型 G a N系半 導体レーザにおいては、 c面サファイア基板 1上に、 低温成長による アンドープ G a Nバッファ層 （図示せず） を介して、 E L O (Epitax ial Lateral Overgrowth) などの横方向結晶成長技術を用いて成長さ れた n型 G a N層 2が積層されている。 そして、 この n型 G a N層 2 上に、 レーザ構造を形成する G aN系半導体層が積層されている。 具 体的には、 レーザ構造を形成する G a N系半導体層として、 n型 A 1 G aNクラッ ド層 3、 n型 G a N光導波層 4、 例えばァンド一プの I nx G a N/ I ny G a ,-y N多重量子井戸構造の活性層 5、 p 型 G a I n N中間層 6、 p型 A 1 G a Nキャップ層 7、 p型 G a N光 導波層 8、 p型 A 1 G a Nクラッ ド層 9および p型 G a Nコンタク ト 層 1 0が順次積層されている。
ここで、 ァンドープ G a Nバッファ層は厚さが例えば 3 0 nmであ る。 n型 G a N層 2は厚さが例えば約 7 であり、 n型不純物とし て例えばシリコン （ S i ) がドープされている。 n型 A 1 G a Nクラ ッ ド層 3は厚さが例えば 1. 0 mであり、 n型不純物として例えば S iがドープされ、 A 1組成は例えば 0. 0 7である。 n型 G aN光 導波層 4は厚さが例えば 0. l mであり、 n型不純物として例えば S iがドープされている。 また、 了ンドープ I nK G a i -x N/ I n ; G a ,-y N多重量子井戸構造の活性層 5は、 障壁層としての I nx G a ! -x N層と井戸層としての I ny G a i -y N層とが交互に積層され たもので、 例えば、 障壁層としての I nx G a , -x N層の厚さが 7 n mで x = 0. 0 2、 井戸層としての I ny G a ,-y N層の厚さが 3. 511111で ^= 0. 1 4、 井戸数が 3である。
P型 G a I nN中間層 6は厚さが例えば 2 0 nmであり、 p型不純 物として例えば Mgがドープされ、 I n組成は例えば 0. 0 2である また、 p型 A l G aNキヤップ層 7は厚さが例えば 2 0 n mであり、 P型不純物として例えば M gがドープされ、 A 1組成は例えば 0. 1 8である。 この p型 A 1 G aNキャップ層 7は、 p型 G a N光導波層 8、 p型 A l G aNクラッ ド層 9および p型 G aNコンタク ト層 1 0 の成長時に活性層から I nが脱離して劣化するのを防止するとともに. 活性層 5からの電子のオーバーフローを防止するためのものである。 p型 G a N光導波層 8は厚さが例えば 0 . l mであり、 p型不純 物として例えば M gがドープされている。 p型 A 1 G a Nクラッ ド層 9は厚さが例えば 0 . 5 mであり、 p型不純物として例えば M gが ドープされ、 A 1組成は例えば 0. 1 8である。 また、 p型 G a Nコ ンタク ト層 1 0は厚さが例えば 0. 1 mであり、 p型不純物として 例えば M gがドープされている。
n型 G a N層 1の上層部、 n型 A 1 G a Nクラッ ド層 3、 n型 G a N光導波層 4、 活性層 5、 p G a I n N中間層 6、 p型 A 1 G a N キャップ層 7、 p型 G a N光導波層 8および p型 A 1 G a Nクラッ ド 層 9は、 互いに隣接する二つのメサ形状をなすように形成されており、 これらのメサ部は n型 G a N層 2に達する溝 1 1により互いに分離さ れている。 そして、 これらのメサ部における p型 A 1 G a Nクラッ ド 層 9の上層部および p型 G a Nコンタク ト層 1 0に、 例えば 〈 1 — 1 0 0 > 方向に延在するリ ッジ 1 1、 1 3がそれぞれ形成されている。 これらのリ ッジ 1 2、 1 3の幅は例えば 1 . 7 ju mである。 ここで、 これらのリッジ 1 2、 1 3、 すなわちレーザストライプ部は、 横方向 成長時に用いた種結晶から上層に伝播した転位 1 4の間の低欠陥領域 に位置している。 リッジ 1 2、 1 3の間隔は、 好適には、 この低欠陥 領域の周期の倍数に選ばれ、 具体的には、 例えば低欠陥領域の周期が 1 6 w mであるとき、 その倍数である 9 6 mに選ばれる （ただし、 第 2図 Bにおいては、 図示の便宜上このことは反映されていない） 。 更に、 上記の各メサ部の上に、 例えば厚さが 4 0 nmの S i 02 膜 のような絶縁膜とその上の例えば厚さが 4 5 nmの S i膜とからなる 複合膜 1 5が設けられている。 ここで、 絶縁膜は電気絶縁および表面 保護のためのものである。 また、 S i膜は、 リッジ 1 2、 1 3の幅が 1 . 7 mと狭いと横方向の光閉じ込めが強くなり、 レーザ光のァス ぺク ト比が小さくなり好ましいが、 キンク現象が起こりやすくなるた め、 リッジ 1 2、 1 3の側壁部において、 キンク現象の原因となるレ 一ザ光の 1次モ一ドの吸収係数を高め、 キンク現象を防止するための ものである。 この複合膜 1 5のうちのリッジ 1 2、 1 3の上の部分に はそれぞれ開口が設けられており、 この開口を通じて各メサ部の p型 G a Nコンタク ト層 1 0にそれぞれ p側電極 1 6、 1 7が接触してい る。 これらの p側電極 1 6、 1 7は、 例えば P d膜および P t膜を順 次積層した構造を有する。 複合膜 1 5および p側電極 1 6、 1 7を覆 うように P側電極 1 8、 1 9が形成されている。 これらの p側電極 1 8、 1 9は、 例えば T i膜、 P t膜および N i膜を順次積層した構造 を有する。
一方、 各メサ部に隣接する所定部分の n型 G a N層 2上にそれぞれ n側電極 2 0、 2 1が接触している。 これらの n側電極 2 0、 2 1は- 例えば T i膜、 P t膜および A u膜を順次積層した構造を有する。 符 号 2 2は例えば S i 0 2 膜のような絶縁膜を示す。 この絶縁膜 2 2は. 各メサ部の側壁および n側電極 2 0、 2 1の一部を覆うように形成さ れている。 更に、 それぞれ p側電極 1 8、 1 9に接触して p側パッ ド 電極 2 3、 2 4が形成されている。 これらの p側パッ ド電極 2 3、 2 4はリッジ 1 2、 1 3に沿って延在する部分とこれに直交する部分と からなり、 後者の部分は絶縁膜 2 2を介してそれぞれ n側電極 2 0、 2 1の一端部の上に跨がっている。
この G a N系半導体レーザにおいては、 共振器長 Lは例えば 6 0 0 m程度であり、 これに直交する方向のチップ幅は例えば 4 0 0 u m 程度である。
次に、 この第 1の実施形態による 2 ビーム型 G a N系半導体レーザ の製造方法について説明する。 まず、 あらかじめサ一マルク リ一ユングなどにより表面を清浄化し た c面サファイア基板 1上に MO CVD法により例えば 5 0 0 °C程度 の温度でァンドープ G a Nバッファ層を成長させた後、 例えば E L〇 などの横方向結晶成長技術を用いて例えば 1 0 0 0 °Cの成長温度で n 型 G a N層 2を成長させる。
引き続いて、 n型 G a N層 2上に MO C VD法により、 レーザ構造 を形成する G a N系半導体層、 具体的には、 n型 A 1 G a Nクラッ ド 層 3、 n型 G a N光導波層 4、 アンドープの G a ^ I nx N/G a i -y I ny N多重量子井戸構造の活性層 5、 p型 G a I nN中間層 6、 p型 A 1 G aNキャップ層 7、 p型 G a N光導波層 8、 p型 A l G a Nクラッ ド層 9および p型 G aNコンタク ト層 1 0を順次成長させる。 ここで、 これらの層の成長温度は、 例えば、 n型 A 1 G a Nクラッ ド 層 3および n型 G a N光導波層 4は 1 0 0 0 t：、 活性層 5から p型 G a N光導波層 8までは 7 8 0 °C、 p型 A 1 G a Nクラッ ド層 9および p型 G aNコンタク ト層 1 0は 1 0 0 0 °Cとする。
これらの G a N系半導体層の成長原料は、 例えば、 G aの原料とし てはト リメチルガリゥム ( (CH3 ) 3 G a、 TMG) 、 A 1の原料 としてはト リメチルアルミニウム ( (CH3 ) 3 A 1、 TMA) 、 I nの原料としてはト リメチルインジゥム ( (C H3 ) 3 I n、 TM I ) を、 Nの原料としては NH3 を用いる。 ドーパントについては、 n型 ドーパントとしては例えばシラン （ S i H4 ) を、 p型ドーパントと しては例えばビス =メチルシクロベン夕ジェニルマグネシゥム ( ( C H3 C 5 H 4 ) 2 M g ) あるいはビス =シクロペンタジェニルマグネ シゥム （ （C5 H5 ) 2 Mg ) を用いる。
また、 これらの G aN系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気と しては、 n型 G aN層 2から n型 G a N光導波層 4までは N2 と H2 との混合ガス、 活性層 5から p型 A 1 G a Nキャップ層 7までは N 2 ガス雰囲気、 p型 GaN光導波層 8から p型 GaNコンタク ト層 1 0 までは N2 と H2 との混合ガスを用いる。 この場合、 活性層 5を成長 させた後、 p型 A 1 G a Nキャップ層 7の成長まではキャリァガス雰 囲気を N2 雰囲気としており、 キャリアガス雰囲気に H2 が含まれな いので、 活性層 5から I nが脱離するのを抑えることができ、 活性層 5の劣化を防止することができる。 また、 p型 GaN光導波層 8から P型 GaNコンタク ト層 1 0までの成長時にはキヤリアガス雰囲気を N2 と H2 との混合ガス雰囲気としているので、 これらの p型層を良 好な結晶性で成長させることができる。
次に、 上述のようにして G a N系半導体層を成長させた c面サファ ィァ基板 1を MOCVD装置から取り出す。 次に、 基板全面に例えば S i 02 膜を形成した後、 この S i 02 膜をエッチングにより所定形 状にパターユングする。 次に、 基板全面に例えば P d膜および P t膜 を順次形成した後、 S i 02 膜をその上に形成された P d膜および P t膜とともにリフトオフし、 p側電極 1 6、 1 7を形成する。 次に、 これらの P側電極 1 6、 1 7をマスクとして p型 A I GaNクラッ ド 層 9の厚さ方向の所定の深さまで反応性ィオンエッチング （R I E) 法により選択的にエッチングしてリッジ 1 2、 1 3を形成する。
次に、 基板全面に S i 02 膜のような絶縁膜および S i膜を順次形 成して複合膜 1 5を形成する。 次に、 リッジ 1 2、 1 3の上の部分の 複合膜 1 5をエッチング除去して開口を形成する。 次に、 基板全面に 例えば T i膜、 P t膜および N i膜を順次形成した後、 その上にリソ グラフィ一により所定形状のレジストパターンを形成する。 次に、 こ のレジス トパターンをマスクとしてこれらの T i膜、 P t膜および N i膜を例えば R I E法によりエッチングすることにより p側電極 1 8- 1 9を形成する。 更に、 これらの p側電極 1 8、 1 9をマスクとして 例えば R I E法により、 n型 G a N層 2に達するまでエッチングを行 う。 このエッチングにより、 n型 G aN層 2の上層部、 n型 A 1 G a Nクラッ ド層 3、 n型 GaN光導波層 4、 活性層 5、 p型 Ga I nN 中間層 6、 p型 A 1 G a Nキャップ層 7、 p型 G a N光導波層 8、 p 型 A l G aNクラッ ド層 9および p型 GaNコンタク ト層 1 0が互い に隣接する二つのメサ形状にパターニングされるとともに、 これらの メサ部を分離する溝 1 1が形成される。
次に、 基板表面にリソグラフィ一により所定形状のレジストパター ンを形成した後、 基板全面に例えば T i膜、 F t膜および Au膜を順 次形成する。 次に、 レジス トパターンをその上に形成された T i膜、 P t膜および Au膜とともにリフ トオフし、 n側電極 2 0、 2 1を形 成する。 次に、 基板全面に S i 02 膜のような絶縁膜 2 2を形成した 後、 その上にリ ソグラフィ一により所定形状のレジス トパターンを形 成し、 このレジス トパターンをマスクとしてこの絶縁膜 2 2を例えば R I E法により所定形状にパターユングする。
次に、 基板表面にリソグラフィ一により所定形状のレジストパター ンを形成した後、 基板全面に例えば T i膜、 P t膜および Au膜を順 次形成する。 次に、 レジス トパターンをその上に形成された T i膜、 P t膜および A u膜とともにリフ トオフし、 p側パッ ド電極 2 3、 2 4を形成する。
次に、 上述のようにしてレーザ構造が形成された c面サファイア基 板 1を劈開によりバー状に加工して両共振器端面を形成する。 次に、 これらの共振器端面に端面コ一ティ ングを施した後、 このバーを劈開 などによりチップ化する。 フロント側の共振器端面の反射率は例えば 2 0%、 リア側の共振器端面の反射率は例えば 70%とする。 以上により、 目的とする 1 ビーム型 G a N系半導体レーザが製造さ れる。
この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザは、 典型的には、 動作時の放 熱性の向上を図るために、 ェピサイ ドダウン （pサイ ドダウン） で例 えば A 1 Nからなるヒートシンク上に実装される。 この場合、 ヒート シンクの上面に形成された所定の配線パタ一ン上に形成されたバンプ 電極と 2 ビーム型 G a N系半導体レーザの p側パッ ド電極 2 3 . 4 および n側電極 2 0、 2 1 とが、 例えばスズ （ S n ) からなるはんだ (図示せず） で融着される。
この第 1の実施形態によれば次のような利点を得ることができる。 すなわち、 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザにおいては、 p仴 ijパ ッ ド電極 2 3 と n側電極 2 0との間に電圧を印加して通電することに より、 第 2図 Aおよび第 2図 B中左側のメサ部のレーザ構造を駆動す ることができ、 また、 p側パッ ド電極 2 4 と n側電極 2 1 との間に電 圧を印加して通電することにより、 第 2図 Aおよび第 2図 B中右側の メサ部のレーザ構造を駆動することができる。 すなわち、 これらの二 つのレーザ構造を互いに独立に駆動することができる。
更に、 レーザバーに加工された状態において、 p側パッ ド電極 2 3 の全部と n側電極 2 0の一部とが表面に露出し、 p側パッ ド電極 2 4 の全部と n側電極 2 1 の一部とが表面に露出しているため、 第 2図 A において一点鎖線で示すように、 例えばこれらの露出した部分の p側 パッ ド電極 2 4 と n側電極 2 1 とにそれぞれプローブ P ! 、 P 2 を立 てて、 それらの間に電圧を印加して通電することにより動作特性のチ ヱックを行うことができ、 同様に、 露出した部分の p側パッ ド電極 2 5 と n側電極 2 2 とにそれぞれプローブ P！ 、 P 2 を立てて、 それら の間に電圧を印加して通電することにより動作特性のチュックを行う ことができる。 すなわち、 バーチヱックを行うことができることによ り、 組み立て前の動作確認あるいは特性評価を行うことができる。 こ のため、 良好な特性の 2 ビーム型 G a N系半導体レーザのみを選択的 に組み立てることができ、 組み立て後の歩留まりの向上を図ることが できる。
また、 p側パッ ド電極 2 3、 2 4および n側電極 2 0、 2 1 は、 ヮ ィヤーボンディングパッ ドとしても用いることができるため、 ェピサ ィ ドダウン、 ェピサイ ドアップのいずれにも対応することができ、 組 み立ての自由度を増すことができる。
また、 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザにおいては、 動作時に 発熱源となるレーザストライプ上が 2重配線構造となっていないため- 信頼性を低下させることなく、 ビーム型 G a N系半導体レーザを実 現することができる。
また、 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザにおいては、 多層配線 構造としているため、 リッジ 1 2、 1 3の間隔、 すなわちビーム間隔 を容易に狭めることができる。
また、 この ビーム型 G a N系半導体レーザにおいては、 各レーザ 構造を分離する溝 1 1は絶縁膜 2 2により覆われているため、 この 1 ビーム型 G a N系半導体レーザをヒートシンク上に S nはんだ （図示 せず） で融着する際に、 その S nはんだがメサ部の側壁を這い上がつ て n型層に達し、 アノードと力ソードとの間が短絡する問題が発生す るおそれがない。
次に、 この発明の第 2の実施形態による ビーム型 G a N系半導体 レーザについて説明する。
第 3図に、 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザの、 第 2図 Bと同 様な断面図を示す。 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザの平面図は 第 2図 Aと同様である。
第 3図に示すように、 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザにおい ては、 二つのレーザ構造を分離する溝 1 1が n型 G a N層 2を貫通し て設けられ、 この溝 1 1 を埋めるように絶縁膜 2 2が形成されている c その他のことは第 1 の実施形態による 1 ビーム型 G a N系半導体レ 一ザと同様であるので、 説明を省略する。
この第 2の実施形態によれば、 第 1 の実施形態と同様な利点を得る ことができるほか、 次のような利点を得ることができる。 すなわち、 溝 1 1が n型 G a N層 2を貫通していることにより、 二つのレーザ構 造間を接続する導電性半導体層は存在せず、 この意味でこれらのレー ザ構造間は電気的に完全に分離されている。 このため、 p側パッ ド電 極 2 3と n側電極 2 0 との間に電圧を印加することにより第 3図中左 側のレーザ構造を動作させ、 p側パッ ド電極 2 4 と n側電極 2 1 との 間に電圧を印加することにより第 3図中右側のレーザ構造を動作させ ることにより、 相互に電気的クロストークを生じることなく、 二つの レーザ構造を互いに完全に独立に駆動することができる。
また、 p側パッ ド電極 2 3、 2 4は互いに完全に独立に設けられ、 n側電極 2 0 . 2 1 も互いに完全に独立に設けられているので、 ァノ ード、 力ソードいずれを共通としても、 すなわちアノードコモンでも 力ソードコモンでも、 各レーザ構造を互いに独立に駆動することがで きる。 このため、 アノードコモン、 力ソードコモンを自由に選択する ことができ、 駆動回路ごとに素子構造を変える必要がない。
次に、 この発明の第 3の実施形態による 4 ビーム型 G a N系半導体 レーザについて説明する。
第 4図 Aおよび第 4図 Bは、 この 4 ビーム型 G a N系半導体レーザ (チップ状態） を示す。 ここで、 第 4図 Aは平面図、 第 4図 Bは第 4 図 Aの B— B線に沿っての断面図である。
第 4図 Aおよび第 4図 Bに示すように、 この 4 ビーム型 G a N系半 導体レーザにおいては、 4 ビーム型であることに対応して四つのレー ザ構造が互いに分離して形成されている。 以下においては、 これらの 四つのレーザ構造に第 4図 Aおよび第 4図 B中左から順に 1、 2、 3、 4 と番号を付けて説明する。 符号 2 5〜 2 8はこれらの四つのレーザ 構造のリッジを示す。 これらのリッジ 2 5〜 2 8の間隔は例えば 1 6 mでめる。
1番目のレーザ構造においては、 リッジ 2 5の p型 G a Nコンタク ト層 1 0 と接触して、 例えば P d膜および P t膜を順次積層した構造 の P側電極 2 9が形成され、 その上に、 例えば T i膜、 P t膜および A u膜を順次積層した構造のパッ ド電極兼用の p側電極 3 0が形成さ れている。 この p側電極 3 0は、 リッジ 2 5に沿って延在する部分と これに直交する部分とからなり、 後者の部分は絶縁膜 2 2を介して n 側電極 2 0の一端部の上に跨がっている。
2番目のレーザ構造においては、 リッジ 2 6の p型 G a Nコンタク ト層 1 0 と接触して、 例えば P d膜および P t膜を順次積層した構造 の P側電極 3 1が形成され、 その上に、 例えば T i膜、 P t膜および A u膜を順次積層した構造の p側パッ ド電極 3 2が形成されている。 この p側パッ ド電極 3 2は、 リッジ 2 6に沿って延在する部分とこれ に直交する部分とからなり、 後者の部分は絶縁膜 2 2を介して n側電 極 2 0の他端部の上に跨がっている。 この p側パッ ド電極 3 2のうち のリッジ 2 6に直交する部分が 1番目のレーザ構造を横切る部分にお いては、 例えば S i 0 2 膜のような絶縁膜 3 3により、 p側電極 3 0 と電気的に絶縁されている。
3番目および 4番目のレーザ構造は、 1番目および 2番目のレーザ 構造と対称な構造を有する。 すなわち、 3番目のレーザ構造において は、 リッジ 2 7の p型 G a Nコンタク ト層 1 0 と接触して、 例えば P d膜および P t膜を順次積層した構造の p側電極 3 4が形成されてい る。 また、 4番目のレ一ザ構造においては、 リッジ 2 8の p型 G a N コンタク ト層 1 0と接触して、 例えば P d膜および P t膜を順次積層 した構造の P側電極 3 5が形成され、 その上に、 例えば T i膜、 P t 膜および A u膜を順次積層した構造のパッ ド電極兼用の p側電極 3 6 が形成されている。 この p側電極 3 6は、 リッジ 2 8に沿って延在す る部分とこれに直交する部分とからなり、 後者の部分は絶縁膜 2 2を 介して n側電極 2 1の一端部の上に跨がっている。 そして、 3番目の レーザ構造においては、 p側電極 3 4上に例えば T i膜、 P t膜およ び A u膜を順次積層した構造の p側パッ ド電極 3 7が形成されている c この P側パッ ド電極 3 7は、 リッジ 2 7に沿って延在する部分とこれ に直交する部分とからなり、 後者の部分は絶縁膜 2 2を介して n側電 極 2 1の他端部の上に跨がっている。 この p側パッ ド電極 3 7のうち のリッジ 2 7に直交する部分が 4番目のレーザ構造を横切る部分にお いては、 例えば S i 〇2 膜のような絶縁膜 3 3により、 p側電極 3 6 と電気的に絶縁されている。
その他のことは第 1の実施形態による 1 ビーム型 G a N系半導体レ 一ザと同様であるので、 説明を省略する。
この第 3の実施形態によれば、 4 ビーム型 G a N系半導体レーザに おいて、 第 1の実施形態と同様な種々の利点を得ることができる。 具体的には、 この 4 ビーム型 G a N系半導体レーザにおいては、 p 側電極 3 0と n側電極 2 0 との間に電圧を印加して通電することによ り 1番目のレーザ構造を駆動することができ、 p側パッ ド電極 3 2と n側電極 2 0との間に電圧を印加して通電することにより 2番目のレ —ザ構造を駆動することができ、 P側パッ ド電極 3 7と n側電極 2 1 との間に電圧を印加して通電することにより 3番目のレーザ構造を駆 動することができ、 p側電極 3 6 と n側電極 2 1 との間に電圧を印加 して通電することにより 4番目のレーザ構造を駆動することができる c すなわち、 これらの四つのレーザ構造を互いに独立に駆動することが できる。
また、 レーザバーに加工された状態において、 p側電極 3 0の一部、 p側パッ ド電極 3 2の全部、 p側パッ ド電極 3 7の全部、 p側電極 3 6の一部、 n側電極 2 0の一部および n側電極 2 1 の一部が表面に露 出しているため、 これらの電極を利用して針立てを行うことにより、 各レーザ構造の動作特性のチヱックを行うことができ。 このため、 良 好な特性の 4 ビーム型 G a N系半導体レーザのみを選択的に組み立て ることができ、 組み立て後の歩留まりの向上を図ることができる。 また、 p側電極 3 0、 3 6、 p側パッ ド電極 3 2、 3 7および n側 電極 2 0、 2 1は、 ワイヤ一ボンディングパッ ドとしても用いること ができるため、 ェピサイ ドダウン、 ェピサイ ドアップのいずれにも対 応することができ、 組み立ての自由度を増すことができる。
また、 この 4 ビーム型 G a N系半導体レーザにおいては、 動作時に 発熱源となるレーザストライプ上が 2重配線構造となっていないため. 信頼性を低下させることなく、 4 ビーム型 G a N系半導体レーザを実 現することができる。
また、 この 4 ビ一ム型 G a N系半導体レーザにおいては、 多層配線 構造としているため、 リッジ 2 5〜2 8の間隔、 すなわちビーム間隔 を容易に狭めることができる。
また、 この 4ビーム型 G a N系半導体レーザにおいては、 各レーザ 構造を分離する溝 1 1は絶縁膜 2 2により覆われているため、 この 1 ビーム型 G a N系半導体レーザをヒートシンク上に S nはんだ （図示 せず） で融着する際に、 その S nはんだがメサ部の側壁を這い上がつ て n型層に達し、 ァノードとカソ一ドとの間が短絡する問題が発生す るおそれがない。
次に、 この発明の第 4の実施形態による 4 ビーム型 G a N系半導体 レーザについて説明する。
第 5図 Aおよび第 5図 Bは、 この 4 ビーム型 G a N系半導体レーザ (チップ状態） を示す。 ここで、 第 5図 Aは平面図、 第 5図 Bは第 5 図 Aの B— B線に沿っての断面図である。
第 5図 Aおよび第 5図 Bに示すように、 この 4 ビーム型 G a N系半 導体レーザにおいては、 1番目から 4番目のレーザ構造用に n側電極 3 8 - 4 1がそれぞれ独立に設けられている。 更に、 溝 1 1は、 各レ 一ザ構造間を分離し、 また、 1番目のレーザ構造の n側電極 3 8の末 端部が位置する部分の n型 G a N層 2 と 2番目のレーザ構造の n側電 極 3 9の末端部が位置する部分の n型 G a N層 とを分離し、 更に、 3番目のレーザ構造の n側電極 4 0の末端部が位置する部分の n型 G a N層 2と 4番目のレーザ構造の n側電極 4 1の末端部が位置する部 分の n型 G a N層 2とを分離するように、 n型 G a N層 2を貫通して 設けられている。
その他のことは第 3の実施形態による 4 ビーム型 G a N系半導体レ 一ザと同様であるので、 説明を省略する。
この第 4の実施形態によれば、 第 3の実施形態と同様の利点を得る ことができるほか、 次のような利点を得ることができる。 すなわち、 n型 G a N層 2を貫通して設けられた溝 1 1により、 各レ一ザ構造間 が分離され、 また、 各レーザ構造の n側電極 3 8〜 4 1の末端部同士 も分離されているため、 これらの四つのレーザ構造間を接続する導電 性半導体層は存在せず、 この意味でこれらのレーザ構造間は電気的に 完全に分離されている。 このため、 p側電極 3 0と n側電極 3 8との 間に電圧を印加することにより 1番目のレーザ構造を動作させ、 p側 ノヽ。ッ ド電極 3 2と n側電極 3 9 との間に電圧を印加することにより 2 番目のレーザ構造を動作させ、 p側パッ ド電極 3 7と n側電極 4 0 と の間に電圧を印加することにより 3番目のレーザ構造を動作させ、 p 側電極 3 5と n側電極 4 1 との間に電圧を印加することにより 4番目 のレ一ザ構造を動作させることにより、 相互に電気的クロストークを 生じることなく、 四つのレーザ構造を互いに完全に独立に駆動するこ とができる。
また、 P側電極 3 0、 3 6および p側パッ ド電極 3 2、 3 7は互レヽ に完全に独立に設けられ、 n側電極 3 8〜 4 1 も互いに完全に独立に 設けられているので、 アノード、 力ソードいずれを共通としても、 す なわちァノードコモンでもカソ一ドコモンでも、 各レーザ構造を互い に独立に駆動することができる。 このため、 アノードコモン、 カソ一 ドコモンを自由に選択することができ、 駆動回路ごとに素子構造を変 える必要がない。
次に、 この発明の第 5の実施形態による 2 ビーム型 G a N系半導体 レーザについて説明する。
この第 5の実施形態においては、 第 1の実施形態においてレーザ構 造間を分離する溝 1 1の深さ、 言い換えるとこの溝 1 1 の部分に残さ れた n型 G a N層 2の厚さ （残し厚） とレーザ構造間のクロストーク 特性との関係について検討する。 ただし、 n型 G a N層 2の成長時の 厚さは 7 mであるとする。
第 6図は、 溝 1 1の部分の n型 G a N層 2の残し厚を変えてクロス トークを測定した結果を示す。 ただし、 測定は、 環境温度 Τ。 = 6 0 t、 光出力 P。 = 4 mWの条件で連続発振動作させ、 パルス駆動周波 数 f を変化させることにより行った。 また、 第 7図は、 この測定結果 を、 溝 1 1の部分の n型 G a N層 2の残し厚を横軸に取って表したも のである。
第 6図および第 7図から分かるように、 溝 1 1の部分の n型 G a N 層 2の残し厚が小さくなるにしたがつて電気的クロストークは減少し、 この残し厚が 0 になると、 すなわち溝 1 1が n型 G a N層 2を貫 通すると電気的クロストークは 0 となるが、 この残し厚が 3 以下 では電気的クロストークは 5〜 7 %となって実用的なレベルに抑えら れている。 熱的クロストークもほぼ同様な傾向を示す。
以上の結果より、 クロストーク特性の向上を図る観点からは、 溝 1 1は n型 G a N層 2を貫通するように設けるのが最も好ましい。 第 2 の実施形態による ビーム型 G a N系半導体レーザはその例である。 この第 5の実施形態においては、 溝 1 1 を n型 G a N層 2を貫通す るように設けることに加えて、 溝 1 1の幅 Wおよびレーザ構造間の間 隔の最適化を図るとともに、 溝 1 1の内部を絶縁物で埋め込むことを 考える。
第 8図にこの第 5の実施形態による 1 ビーム型 G a N系半導体レー ザを示す。
第 8図に示すように、 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザにおい ては、 二つのレーザ構造間を分離する溝 1 1は n型 G a N層 2を貫通 して形成されている。 n型 G a N層 2におけるこの溝 1 1の内部は例 えば S i 0 2 膜のような絶縁膜 4 2により埋め込まれている。 この場 合、 リ ッジ 1 2、 1 3の間隔、 すなわちビームの間隔は例えば 9 6 w mに選ばれている。
n型 G a N層 1における溝 1 1の幅 Wは、 二つのレ一ザ構造間の寄 生容量を小さく し、 電気的クロストークを低く抑える観点より、 好適 には 1 以上に選ばれ、 大きい程良いが、 実際上は、 n型 G a N層 2の成長に用いる横方向結晶成長技術上の理由などにより一般には 1 5 u m以下に選ばれ、 典型的には 1 0〜 1 5 mに選ばれる。 また、 レーザ構造間の間隔 Dは例えば 2 0 mに選ばれる。
n型 G a N層 2に溝 1 1を形成するには、 例えば、 p側パッ ド電極 2 3 , 2 4まで形成した後に基板全面に例えば S i 0 2 膜を形成し、 次にこの S i 0 2 膜をリソグラフィ一により所定形状にパターユング し、 次にこの所定形状の S i 0 2 膜をマスクとして n型 G a N層 2を ドライエッチング、 例えば R I Eによりエッチングすればよい。 この 後、 この溝 1 1の内部に S i ◦ 2 膜のような絶縁膜 4 2を埋め込む。 その他のことは第 1の実施形態による ビーム型 G a N系半導体レ 一ザと同様であるので、 説明を省略する。
この第 5の実施形態によれば、 第 1 の実施形態と同様な利点を得る ことができるほか、 次のような利点を得ることができる。 すなわち、， 二つのレーザ構造間を分離する溝 1 1が n型 G a N層 2を貫通して形 成されていることにより、 パルス駆動周波数 f が 1 0〜 1 0 0 0 k H zにおける電気的クロストークはほぼ 0 %であり、 また、 熱的クロス トークも約 2 %であり、 レーザビームプリンタ用の 2 ビーム型半導体 レーザとして実用的なクロストーク特性を得ることができる。 これは、 これまでビーム間隔が約 1 0 0〃m以下ではクロストークを実用上十 分に低い値、 例えば 5 %以下にすることは非常に困難であったことを 考えると、 極めて大きな改善であると言える。
また、 溝 1 1の内部は絶縁膜 2 2、 4 2により完全に覆われている ため、 この 2 ビーム型 G a N系半導体レーザをヒートシンク上に S n はんだ （図示せず） で融着する際に、 その S nはんだがメサ部の側壁 を這い上がって n型層に達し、 アノードと力ソードとの間が短絡する 問題が発生するおそれがない。
以上、 この発明の実施形態について具体的に説明したが、 この発明 は、 上述の実施形態に限定されるものではなく、 この発明の技術的思 想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、 上述の第 1〜第 5の実施形態において挙げた数値、 構造、 形状、 材料、 基板、 原料、 プロセスなどはあく までも例に過ぎず、 必 要に応じて、 これらと異なる数値、 構造、 形状、 材料、 基板、 原料、 プロセスなどを用いてもよい。
具体的には、 例えば、 上述の第 5の実施形態において、 n型 G a N 層 2に溝 1 1を形成し、 この溝 1 1の内部を S i 〇2 膜のような絶縁 膜 4 2により埋め込んでいるが、 絶縁膜 4 2の代わりに例えばノンド 一プの多結晶 S iや A 1 G a Nなどの高抵抗材料を埋め込んでもよい また、 n型 G a N層 2に溝 1 1 を形成し、 これを絶縁膜 4 2〖こより埋 め込むのではなく、 溝 1 1に対応する部分における n型 G a N層 2に 例えばアルゴンなどを選択的にィォン注入して結晶を破壊し、 高抵抗 化あるいは絶縁体化するようにしてもよい。
また、 例えば、 上述の第 1〜第 5の実施形態においては、 c面サフ アイァ基板を用いているが、 必要に応じて、 他の基板を用いてもよい c また、 上述の第 1〜第 5の実施形態においては、 この発明を S C H 構造の G a N系半導体レーザに適用した場合について説明したが、 こ の発明は例えば D H ( Doub le Heterostructure) 構造の G a N系半導 体レーザに適用してもよいことはもちろん、 その他の各種のレーザ構 造のものに適用することができる。
以上説明したように、 この発明によれば、 独立駆動が可能で、 しか も実装前の動作確認を容易に行うことができる、 窒化物系 I I I 一 V 族化合物半導体その他の半導体材料を用いたマルチビーム型半導体レ —ザや集積型の半導体発光素子あるいは半導体装置を実現することが できる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基板の一方の主面上にレーザ構造を形成する窒化物系 I I I 一 V 族化合物半導体層を有し、 この窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体層 上にァノード電極およびカソード電極が形成されたマルチビーム型半 導体レーザにおいて、
上記ァノ一ド電極および上記力ソード電極のうちの少なく とも一方 が、 互いに電気的に絶縁された状態で、 上記アノード電極および上記 カソード電極のうちの他方の上に跨がって形成されている
ことを特徴とするマルチビーム型半導体レーザ。
2 . 上記ァノード電極および上記力ソード電極のうちの少なく とも一 方が、 絶縁膜を介して、 上記アノード電極および上記力ソード電極の うちの他方の上に跨がって形成されている
ことを特徴とする請求の範囲 1記載のマルチビーム型半導体レーザ c 3 . 上記アノード電極および上記力ソード電極のうちの少なく とも一 方の少なく とも一部と上記ァノード電極および上記力ソード電極のう ちの他方の少なく とも一部とが表面に露出している
ことを特徴とする請求の範囲 1記載のマルチビーム型半導体レーザ 4 . 上記ァノード電極が絶縁膜を介して上記力ソ一ド電極上に跨がつ て形成されている
ことを特徴とする請求の範囲 1記載のマルチビーム型半導体レーザ t 5 . 上記アノード電極の少なく とも一部と上記力ソード電極の少なく とも一部とが表面に露出している
ことを特徴とする請求の範囲 4記載のマルチビーム型半導体レーザ c 6 . 上記基板の上層部が、 横方向成長により形成され、 周期的に低欠 陥領域を有する窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体からなる ことを特徴とする請求の範囲 1記載のマルチビーム型半導体レーザ。
7 . 上記低欠陥領域上に発光部が形成されている
ことを特徴とする請求の範囲 6記載のマルチビーム型半導体レーザ。
8 . 上記窒化物系 I I I 一 V族化合物半導体層を下にして実装されて いる
ことを特徴とする請求の範囲 1記載のマルチビーム型半導体レーザ c
9 . 発光部ごとに素子分離されている
ことを特徴とする請求の範囲 1記載のマルチビーム型半導体レーザ
1 0 . それぞれの発光部が溝により互いに分離されている
ことを特徴とする請求の範囲 9記載のマルチビーム型半導体レーザ
1 1 . それぞれの発光部が絶縁体により互いに分離されている
ことを特徴とする請求の範囲 9記載のマルチビーム型半導体レーザ 1 2 . 基板の一方の主面上にレーザ構造を形成する半導体層を有し、 この半導体層上にァノード電極および力ソード電極が形成されたマル チビーム型半導体レーザにおいて、
上記アノード電極および上記力ソード電極のうちの少なくとも一方 が、 互いに電気的に絶縁された状態で、 上記アノード電極および上記 力ソード電極のうちの他方の上に跨がって形成されている
ことを特徴とするマルチビーム型半導体レーザ。
1 3 . 基板の一方の主面上に発光素子構造を形成する半導体層を有し、 この半導体層上にアノード電極および力ソード電極が形成された半導 体発光素子において、
上記ァノ一ド電極および上記力ソ一ド電極のうちの少なくとも一方 が、 互いに電気的に絶縁された状態で、 上記アノード電極および上記 カソード電極のうちの他方の上に跨がって形成されている
ことを特徴とする半導体発光素子。
1 4 . 基板の一方の主面上に素子構造を形成する半導体層を有し、 こ の半導体層上に第 1の電極および第 2の電極が形成された半導体装置 において、
上記第 1の電極および上記第 2の電極のうちの少なくとも一方が、 互いに電気的に絶縁された状態で、 上記第 1の電極および上記第 2の 電極のうちの他方の上に跨がって形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
1 5 . 絶縁基板上にモノリシックに形成されたマルチビーム型半導体 レーザにおいて、
各素子が互いに電気的に絶縁されている
ことを特徴とするマルチビーム型半導体レーザ。
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