JP2005045239A - 窒化物半導体レーザ素子及びそれを用いたld装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 窒化物半導体基板と、その上にn型半導体層、活性層及びp型半導体層が積層されてなる窒化物半導体層を備え、該窒化物半導体層にストライプ状のレーザ光の導波路領域を有すると共に、その導波路領域と略垂直な両端面に端面保護膜を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、前記活性層からの発光を吸収し、その発光波長よりも長波長の励起光を発光する励起領域を有し、
前記端面保護膜は、前記励起領域からの発光波長に対して高反射率を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【選択図】 図1
Description
用いられる基板の組成としては、GaN、AlN、若しくはInN、又はこれらの混晶であるAlGaN系、InGaN系、AlInGaN系をあげることができる。これらの基板は、次のような方法で作製することができる。
上記のように成長基板上に成長される窒化物半導体基板は、横方向成長によって成長される領域を有しており、結晶の特性が面内で均一にはなりにくく、転位密度や不純物濃度が、異なる領域が形成される。特に、転位密度が低い領域は、活性層からの発光波長を吸収しやすいため、励起領域となる。励起領域は、用いる成長基板の種類や、窒化物半導体層の成長条件(温度、ガス流量、圧力、不純物の種類及び濃度等)等によって、形成された状態が異なる。そのため、励起領域と非励起領域との境界があまりなく、ほぼ全面にわたって弱い励起光を有する励起領域とすることもできるし、図1(b)に示すように局所的に強い励起光を有するような励起領域112を形成させることができ、このような基板の励起領域の形状、その分布は、上記基板の種類、成長条件に依存する。これらは、目的や用途に応じて好ましい形態を選択することができる。
本発明において、端面保護膜は、励起領域からの発光波長に対して高反射率を有するものである。この端面保護膜は、単層構造でもよく、或いは多層構造でもよい。導波路領域から漏れ出した迷光を吸収して発生する励起光であるため、導波路領域から外部に出射されるレーザ光に比して、強度は低い。そのため、レーザ光の出射の妨げにならない程度の反射率とするのが好ましい。波長が異なるためレーザ光は反射されにくいが、材料によっては吸収されることもあり、また、透過するといっても多少のロスを生じるため、膜厚は薄くするのが好ましい。
GaN/ZrO2+(SiO2/ZrO2)の1ペア〜3ペア
GaN/TiO2+(SiO2/TiO2)の1ペア〜3ペア
B:第2の端面保護膜(活性層からの発光に対するリア側端面保護膜)
GaN/ZrO2+(SiO2/ZrO2)の3ペア〜6ペア
GaN/TiO2+(SiO2/TiO2)の3ペア〜6ペア
C:第3の端面保護膜(励起光に対する出射側端面保護膜)
GaN/(SiO2/Nb2O5)の1ペア〜2ペア
GaN/(Al2O3/Nb2O5)の1ペア〜2ペア
GaN/(Al2O3/TiO2)の1ペア〜2ペア
GaN/Al2O3+(SiO2/Nb2O5)の1ペア〜3ペア
D:第4の端面保護膜(活性層からの発光に対する出射側端面保護膜)
GaN/ZrO2+(SiO2/ZrO2)の1ペア〜3ペア
GaN/TiO2+(SiO2/TiO2)の1ペア〜3ペア
上記の組み合わせで、それぞれ波長に応じた膜厚とすることで、優れた特性を有するレーザ素子とすることができる。
p型窒化物半導体層に設けられるp側オーミック電極の電極材料としては、p型窒化物半導体層とオーミック性及び密着性が高い材料を選択することができ、具体的には、Ni、Co、Fe、Cr、Al、Cu、Au、W、Mo、Ta、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os及びこれらの酸化物、窒化物等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。好ましくは、Ni、Co、Fe、Cu、Au、Alから選択される少なくとも1種、及びこれらの酸化物、窒化物等である。
まず、2インチ、C面を主面とするサファイアよりなる異種基板をMOCVD反応容器内にセットし、温度を500℃にして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaNよりなるバッファ層を200Åの膜厚で成長させる。さらに、温度を1000℃以上にしてGaNより成る下地層を2.5μmで成長させる。その後、HVPE反応容器に移動する。原料にGaメタルとHClガス、アンモニアを用いて窒化物半導体1であるGaNを500μmで成長させる。次に、サファイアのみをエキシマレーザー照射で剥離し、CMPを行い膜厚450μmの窒化物半導体を形成する。
続いて1050℃で、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Siドープのn−Al0.02Ga0.98Nよりなるn型コンタクト層を3.5μmの膜厚で成長させる。このn型コンタクト層の膜厚は2〜30μmであればよい。
次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を800℃にしてSiドープのn−In0.05Ga0.95Nよりなるクラック防止層を0.15μmの膜厚で成長させる。
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAl0.05Ga0.095NよりなるA層と、SiをドープしたGaNよりなるB層をそれぞれ50Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ110回繰り返してA層とB層を交互に積層して総膜厚1.1μmの多層膜(超格子構造)よりなるn型クラッド層を成長させる。この時、アンドープAlGaNのAlの混晶比としては、0.02以上0.3以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができ、また単一膜構造で形成することもできる。
次に、同様の温度で原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層を0.15μmの膜厚で成長させる。この層は、n型不純物をドープさせてもよい。
次に、温度を800℃にして、原料にTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、SiドープのIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を140Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層を70Åの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後にSiドープのIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を140Åの膜厚で成長させて総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。
同様の温度で、N2雰囲気中で、MgドープのAl0.25Ga0.75Nよりなるp型電子閉じ込め層を30Åの膜厚で成長させる。次いで、H2雰囲気中で、MgドープのAl0.25Ga0.75Nよりなるp型電子閉じ込め層を70Åの膜厚で成長させる。
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるp型光ガイド層を0.15μmの膜厚で成長させる。このp型光ガイド層はアンドープとして成長させるが、Mgをドープさせてもよい。
続いて、アンドープのAl0.08Ga0.92NよりなるA層を80Åの膜厚で成長させ、その上にMgドープのGaNよりなるB層を80Åの膜厚で成長させる。これを28回繰り返してA層とB層とを交互に積層させて、総膜厚0.45μmの多層膜(超格子構造)よりなるp型クラッド層を成長させる。p型クラッド層は少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれも一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性がよくなる傾向にあるが、両方に同じようにドープさせてもよい。
最後に1050℃でp型クラッド層の上にMgドープのGaNよりなるp型コンタクト層を150Åの膜厚で成長させる。p型コンタクト層はp型のInxAlyGa1−x−yN(x≦0、y≦0、x+y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすればp電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを700℃でアニーリングして、p型層を更に低抵抗化する。
以上のようにして窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成してRIE(反応性イオンエッチング)を用いてCl2ガスによりエッチングし、n型コンタクト層の表面を露出させる。また、このとき、エッチングにより共振器面を形成させてもよく、また実施例3に示すように、基板の裏面にn電極を設ける場合には、n電極の形成面が不要となり、この工程も省略できる。
次に、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のp型コンタクト層のほぼ全面にCVD装置により、Si酸化物(主としてSiO2)よりなる保護膜を0.5μmの膜厚で形成した後、フォトリソグラフィ技術により保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、RIE装置によりCHF3ガスを用いたエッチングによりストライプ状のSi酸化物からなる保護膜を形成する。このSi酸化物の保護膜をマスクとしてSiCl4ガスを用いて半導体層をエッチングして、活性層よりも上にリッジストライプが形成される。このとき、リッジの幅は1.6μmとなるようにする。
SiO2マスクを形成させた状態で、p型半導体層表面にZrO2よりなる第1の絶縁膜を膜厚約550Åで形成する。この第1の絶縁膜は、n側のオーミック電極形成面をマスクして半導体層の全面に設けてもよい。また、後に分割され易いように絶縁膜を形成させない部分を設けることもできる。
次に、p型コンタクト層上のリッジ最表面及び第1の絶縁膜上にp側オーミック電極をスパッタにより形成させる。このp側オーミック電極は、Ni/Au(100Å/1500Å)を用いる。また、n型コンタクト層上面にもn側オーミック電極を形成させる。n側オーミック電極はTi/Al(200Å/5500Å)からなり、リッジと平行で、かつ、同程度の長さのストライプ状に形成されている。これら電極形成後、酸素と窒素の混合雰囲気中で、600℃で熱処理する。
次いで、リッジ上のp側オーミック電極の全面と、n側オーミック電極の上部の一部を覆うレジストを形成する。次いで、SiO2からなる第2の絶縁膜を、ほぼ全面に形成し、リフトオフすることで、p側オーミック電極の上面全面とn側オーミック電極の一部が露出された第2の保護膜が形成される。第2の絶縁膜とp側オーミック電極とは離間するように形成してもよく、また、一部が重なるように形成されていてもよい。また、後の分割を考慮して、分割位置を挟んで幅10μm程度のストライプ状の範囲には、第1及び第2の絶縁膜や電極を形成しないようにしておいてもよい。
次に、上記のオーミック電極を覆うようにパッド電極を形成する。このとき、第2の絶縁膜を覆うように形成させるのが好ましい。p側パッド電極は、Ni/Ti/Au(1000Å/1000Å/8000Å)の順に積層される。また、n側パッド電極は、下からNi/Ti/Au(1000Å/1000Å/8000Å)で形成される。これらパッド電極は、第2の絶縁膜を介してp側オーミック電極及びn側オーミック電極にそれぞれストライプ状に接している。
次いで、基板を研磨して約100μmの膜厚になるよう調整後、基板裏面にスクライブ溝を形成し、窒化物半導体層側からブレーキングして、劈開することでバー状のレーザとする。窒化物半導体層の劈開面は、窒化物半導体のM面(1 -1 00)となっており、この面を共振器面とする。
上記のように形成された共振器面には、ECRスパッタ装置等のスパッタ装置を用いて端面保護膜を設ける。出射側端面には、第3の端面保護膜として、(SiO2(917Å)/Nb2O5(550Å))の2ペアからなる第3の端面保護膜を設ける。リア側端面には、ZrO2(440Å)+(SiO2(667Å)/ZrO2(440Å))の6ペアからなる第2の保護膜を設ける。その上にさらにZrO2(440Å)+(SiO2(917Å)/ZrO2(605Å))の6ペアからなる第1の保護膜を設ける。これらの膜厚は、活性層からの発光波長を400nm、その波長を吸収して発光される励起光を550nmとしてその波長(λ)に対してλ/4n(nは屈折率)となるように設定したものである。このような設定で設けられた端面保護膜の透過率をグラフに示す。出射側の透過率を図3に、また、リア側の透過率を図2に示す。出射側、リア側とも、励起光の波長域の透過率が低くなっており、外部に放出されにくくしている。
102・・・n型窒化物半導体層
103・・・p型窒化物半導体層
104・・・活性層
105・・・p側オーミック電極
106・・・p側パッド電極
107・・・n側電極
108・・・第2の絶縁膜
109・・・第1の絶縁膜
110・・・端面保護膜
111・・・転位束
112・・・低転位密度領域
Claims (21)
- 窒化物半導体基板と、その上にn型半導体層、活性層及びp型半導体層が積層されてなる窒化物半導体層を備え、該窒化物半導体層にストライプ状のレーザ光の導波路領域を有すると共に、その導波路領域と略垂直な両端面に端面保護膜を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、前記活性層からの発光を吸収し、その発光波長よりも長波長の励起光を発光する励起領域を有し、
前記端面保護膜は、前記励起領域からの発光波長に対して高反射率を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記端面保護膜は、出射側端面と、リア側端面の両方に設けられている請求項1記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記端面保護膜は、前記活性層からの発光波長に対して、低反射率を有する請求項1記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記端面保護膜は、単層又は多層構造である請求項1乃至請求項3記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物半導体基板と、その上にn型半導体層、活性層及びp型半導体層が積層されてなる窒化物半導体層を備え、該窒化物半導体層にストライプ状のレーザ光の導波路領域を有すると共に、その導波路領域と略垂直な端面に、出射側端面保護膜及びその反対のリア側端面保護膜を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、前記活性層からの発光を吸収し、その発光波長よりも長波長の励起光を発光する励起領域を有し、
前記リア側端面保護膜は、前記励起光の波長に対して高反射率を有する第1の端面保護膜と、前記活性層からの発光波長に対して高反射率を有する第2の端面保護膜とを備え、
前記出射側端面保護膜は、前記励起光の波長に対して高反射率を有する第3の端面保護膜を備え、てなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第1の端面保護膜及び/又は前記第3の端面保護膜は、前記活性層からの発光波長に対して、低反射率を有する請求項5記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記出射側端面保護膜は、前記活性層からの発光波長に対して高反射率を有する第4の端面保護膜を有する請求項5又は請求項6記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1の端面保護膜、第2の端面保護膜、第3の端面保護膜、第4の端面保護膜は、それぞれ単層又は多層構造である請求項5乃至請求項7記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1の端面保護膜と、前記第2の端面保護膜は、少なくとも一部が重なるよう積層されている請求項5乃至請求項8記載の窒化物半導体素子。
- 前記第3の端面保護膜と、前記第4の端面保護膜は、少なくとも一部が重なるよう積層されている請求項8記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第2の端面保護膜は、前記半導体層に接して形成されている請求項5又は請求項6記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第4の端面保護膜は、前記半導体層に接して形成されている請求項7記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記励起領域は、その周辺領域に比して転位密度が低い請求項1乃至請求項12記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記励起領域は、その周辺領域に比して不純物濃度が高い請求項1乃至請求項13記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記不純物は、H、O、C、Siのうちの少なくとも一種である請求項14記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層からの発光波長は、390〜420nmである請求項1乃至請求項15記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記励起光の波長は、550〜600nmである請求項1乃至請求項16記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記励起領域は、前記導波路領域と略平行なストライプ状に形成されている請求項1乃至請求項17記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記導波路領域は、前記励起領域の上方に形成されている請求項1乃至請求項18記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記導波路領域は、前記励起領域から離間する領域に形成されている請求項1乃至請求項19記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 請求項1乃至20記載の窒化物半導体レーザ素子と、該窒化物半導体レーザ素子の発光を検出するPDと、が搭載されたLD装置であって、該PDの分光感度は、前記窒化物半導体レーザ素子の発光波長λLDよりも、前記励起光λexが大きいLD装置。
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