WO2011086854A1 - Iii族窒化物半導体レーザ素子、及びiii族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このIII族窒化物半導体レーザ素子は、半極性面の利用により、LEDモードの偏光を有効に利用したIII族窒化物半導体レーザ素子を得ることができ、低しきい値電流を得ることができる。
性が提供される。
以下の通り、半極性面GaN基板を準備し、割断面の垂直性を観察した。基板には、HVPE法で厚く成長した(0001)GaNインゴットからm軸方向に75度の角度で切り出した{20-21}面GaN基板を用いた。GaN基板の主面は鏡面仕上げであり、裏面は研削仕上げされた梨地状態であった。基板の厚さは370μmであった。
実施例1では、半極性{20-21}面を有するGaN基板において、c軸を基板主面に投影した方向に垂直にけがき線を入れて押圧して得た割断面は、基板主面に対して平坦性及び垂直性を有することがわかった。そこでこの割断面をレーザの共振器としての有用性を調べるため、以下の通り、図8に示されるレーザーダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)を用いた。基板71を準備した。基板71には、HVPE法で厚く成長した(0001)GaNインゴットからm軸方向に0度から90度の範囲の角度でウェハスライス装置を用いて切り出し、m軸方向へのc軸の傾斜角度ALPHAが、0度から90度の範囲の所望のオフ角を有するGaN基板を作製した。例えば、75度の角度で切り出したとき、{20-21}面GaN基板が得られ、図7(b)に示される六方晶系の結晶格子において参照符号71aによって示されている。
しきい値電流 しきい値電流
偏光度、 (M方向ストライプ)、 (<11-20>ストライプ)
0.08 64 20
0.05 18 42
0.15 9 48
0.276 7 52
0.4 6
図21に示されたデータは以下のものである。
基板角度 偏光度
71 0.12
73 0.18
75 0.276
77 0.31
79 0.40
傾斜角、歩留まり
10 0.1
43 0.2
58 50
63 65
66 80
71 85
75 80
79 75
85 45
90 35
積層欠陥密度(cm-1)、歩留まり
500 80
1000 75
4000 70
8000 65
10000 20
50000 2
基板厚、歩留まり
48 10
80 65
90 70
110 45
150 48
200 30
400 20
実施例2では、{20-21}面を有するGaN基板上に、半導体レーザのための複数のエピタキシャル膜を成長した。上記のように、スクライブ溝の形成と押圧とによって光共振器用の端面が形成された。これらの端面の候補を見いだすために、(20-21)面に90度近傍の角度を成し、a面とは異なる面方位を計算により求めた。図13を参照すると、以下の角度及び面方位が、(20-21)面に対して90度近傍の角度を有する。
具体的な面指数、{20-21}面に対する角度
(-1016): 92.46度;
(-1017): 90.10度;
(-1018): 88.29度。
Claims (26)
- III族窒化物半導体レーザ素子であって、
六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、
前記レーザ構造体の前記半導体領域上に設けられた電極とを備え、
前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、
第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記支持基体の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ALPHAで傾斜しており、前記角度ALPHAは、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、
前記レーザ構造体は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び前記法線軸によって規定されるm-n面に交差する第1及び第2の割断面を含み、
当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器は前記第1及び第2の割断面を含み、
前記レーザ構造体は第1及び第2の面を含み、前記第1の面は前記第2の面の反対側の面であり、
前記第1及び第2の割断面は、それぞれ前記第1の面のエッジから前記第2の面のエッジまで延在し、
前記第1及び第2の割断面の各々には、前記支持基体の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、
前記第1及び第2の割断面は、Lを4以上の整数として、面指数(-1,0,1,L)又は(1,0,-1,-L)で示される面から±5度の範囲内にある領域を含む、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第1及び第2の割断面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸の方向から前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向と逆向きに70.53度だけ傾斜した方向に沿って延在するN原子-Ga原子の配列との成す角度が±10度以下の範囲内にある領域を含む、ことを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1及び第2の割断面のうち前記活性層に含まれる部分は、面指数(-1,0,1,L)又は(1,0,-1,-L)で示される面から±5度の範囲内にある領域の一部又は全部を含む、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1及び第2の割断面のうち前記活性層に含まれる部分は、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸の方向から前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向と逆向きに70.53度だけ傾斜した方向に沿って延在するN原子-Ga原子の配列との成す角度が±10度以下の範囲内にある領域の一部又は全部を含む、ことを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記角度ALPHAは、63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項1~請求項4のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体の厚さは400μm以下である、ことを特徴とする請求項1~請求項5のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体の厚さは、50μm以上100μm以下である、ことを特徴とする請求項1~請求項6のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層からのレーザ光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に偏光している、ことを特徴とする請求項1~請求項7のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 当該III族窒化物半導体レーザ素子におけるLEDモードにおける光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸を主面に投影した方向に偏光成分I2と、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に偏光成分I1を含み、
前記偏光成分I1は前記偏光成分I2よりも大きい、ことを特徴とする請求項1~請求項8のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記半極性主面は、{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及び{10-1-1}面のいずれかの面から-4度以上+4度以下の範囲でオフした微傾斜面である、ことを特徴とする請求項1~請求項9のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記半極性主面は、{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及び{10-1-1}面のいずれかである、ことを特徴とする請求項1~請求項10のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体の積層欠陥密度は1×104cm-1以下である、ことを特徴とする請求項1~請求項11のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記支持基体は、GaN、AlGaN、AlN、InGaN及びInAlGaNのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項1~請求項12のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1及び第2の割断面の少なくともいずれか一方に設けられた誘電体多層膜を更に備える、ことを特徴とする請求項1~請求項13のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層は、波長360nm以上600nm以下の光を発生するように設けられた発光領域を含む、ことを特徴とする請求項1~請求項14のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層は、波長430nm以上550nm以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含む、ことを特徴とする請求項1~請求項15のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法であって、
六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する基板を準備する工程と、
前記半極性主面上に形成された半導体領域と前記基板とを含むレーザ構造体、アノード電極、及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、
前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に前記基板生産物の第1の面を部分的にスクライブする工程と、
前記基板生産物の第2の面への押圧により前記基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する工程と
を備え、
前記第1の面は前記第2の面の反対側の面であり、
前記半導体領域は前記第1の面と前記基板との間に位置し、
前記レーザバーは、前記第1の面から前記第2の面にまで延在し前記分離により形成された第1及び第2の端面を有し、
前記第1及び第2の端面は当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、
前記アノード電極及びカソード電極は、前記レーザ構造体上に形成され、
前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、
第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記基板の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ALPHAで傾斜しており、前記角度ALPHAは、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、
前記第1及び第2の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び前記法線軸によって規定されるm-n面に交差し、
前記第1及び第2の端面は、Lを4以上の整数として、面指数(-1,0,1,L)又は(1,0,-1,-L)で示される面から±5度の範囲内にある領域を含む、ことを特徴とする方法。 - 前記第1及び第2の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸の方向から前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向と逆向きに70.53度だけ傾斜した方向に沿って延在するN原子-Ga原子の配列との成す角度が±10度以下の範囲内にある領域を含む、ことを特徴とする請求項17に記載された方法。
- 前記第1及び第2の端面のうち前記活性層に含まれる部分は、面指数(-1,0,1,L)又は(1,0,-1,-L)で示される面から±5度の範囲内にある領域の一部又は全部を含む、ことを特徴とする請求項17又は請求項18に記載された方法。
- 前記第1及び第2の端面のうち前記活性層に含まれる部分は、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸の方向から前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向と逆向きに70.53度だけ傾斜した方向に沿って延在するN原子-Ga原子の配列との成す角度が±10度以下の範囲内にある領域の一部又は全部を含む、ことを特徴とする請求項17~請求項19のいずれか一項に記載された方法。
- 前記角度ALPHAは、63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項17~請求項20の何れか一項に記載された方法。
- 前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが400μm以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、
前記第2の面は前記加工により形成された加工面、又は前記加工面の上に形成された電極を含む面である、ことを特徴とする請求項17~請求項21の何れか一項に記載された方法。 - 前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが50μm以上100μm以下になるように研磨され、
前記第2の面は前記研磨により形成された研磨面、又は前記研磨面の上に形成された電極を含む面である、ことを特徴とする請求項17~請求項22のいずれか一項に記載された方法。 - 前記スクライブは、レーザスクライバを用いて行われ、
前記スクライブによりスクライブ溝が形成され、前記スクライブ溝の長さは、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸及び前記法線軸によって規定されるa-n面と前記第1の面との交差線の長さよりも短い、ことを特徴とする請求項17~請求項23のいずれか一項に記載された方法。 - 前記半極性主面は、{20-21}面、{10-11}面、{20-2-1}面、及び{10-1-1}面のいずれかである、ことを特徴とする請求項17~請求項24のいずれか一項に記載された方法。
- 前記基板は、GaN、AlGaN、AlN、InGaN及びInAlGaNのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項17~請求項25のいずれか一項に記載された方法。
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