JP2005101457A - Gallium-nitride semiconductor laser element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化物系半導体レーザ素子に関し、特にＧａＮ系半導体レーザ素子の信頼性を改善する技術に関するものである。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser device, and more particularly to a technique for improving the reliability of a GaN semiconductor laser device.
Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎ等のＩＩＩ族元素と、Ｖ族元素であるＮとの化合物からなるＧａＮ系半導体は、そのエネルギバンド構造や化学的安定性の観点から発光素子用の半導体材料として期待されている。そして、近年では、次世代の光学情報記録再生装置用光源として、ＧａＮ系青色半導体レーザ素子がさかんに試作されている。光学情報記録再生装置に用いられる光ピックアップにおいては、光源としてのレーザ素子が６０℃〜８０℃のような高温で長時間駆動し得ることが求められるなどのように、レーザ素子の動作環境は厳しくなる一方である。そして、レーザ素子の信頼性を高くすることが強く望まれている。 A GaN-based semiconductor composed of a group III element such as Al, Ga, and In and a group V element N is expected as a semiconductor material for a light emitting device from the viewpoint of its energy band structure and chemical stability. ing. In recent years, GaN-based blue semiconductor laser elements have been experimentally produced as light sources for next-generation optical information recording / reproducing devices. In an optical pickup used in an optical information recording / reproducing apparatus, the operating environment of a laser element is severe, such as a laser element as a light source being required to be driven at a high temperature such as 60 ° C. to 80 ° C. for a long time. It is becoming. It is strongly desired to increase the reliability of the laser element.
このような信頼性の問題を解決する方策の一つとして、青色半導体レーザ構造を形成するための基板の材料にＧａＮを使用する試みがある。ＧａＮはサファイア等に比べて熱伝導率が高いので、ＧａＮ基板はレーザ素子の高温動作に関して好ましいと考えられる。さらに、レーザ素子に含まれる複数の化合物半導体層をＧａＮ基板上にエピタキシャル成長させれば、それらの半導体層と基板との間の格子定数差を小さくし得るので、エピ層の結晶欠陥や歪を減らし得ることが考えられる。したがって、ＧａＮ基板を用いることによって、高信頼性の要求に答え得る品質を備えた青色半導体レーザ素子を作製し得ると期待される。ＧａＮを基板に用いたＧａＮ系青色半導体レーザ素子の例は、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．３９，２０００，ｐｐ．Ｌ６４７−Ｌ６５０や、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４０，２００１，ｐｐ．Ｌ９２５−Ｌ９２７等に開示されている。 One of the measures to solve such a reliability problem is an attempt to use GaN as a substrate material for forming a blue semiconductor laser structure. Since GaN has higher thermal conductivity than sapphire or the like, a GaN substrate is considered preferable for high temperature operation of the laser device. Furthermore, if a plurality of compound semiconductor layers included in a laser element are epitaxially grown on a GaN substrate, the lattice constant difference between the semiconductor layers and the substrate can be reduced, thereby reducing crystal defects and distortions in the epilayer. It is possible to get. Therefore, it is expected that by using a GaN substrate, a blue semiconductor laser element having a quality that can meet the demand for high reliability can be manufactured. An example of a GaN blue semiconductor laser device using GaN as a substrate is described in Jpn. J. et al. Appl. Phys. , Vol. 39, 2000, pp. L647-L650, Jpn. J. et al. Appl. Phys. , Vol. 40, 2001, pp. L925-L927 and the like.
図８の模式的斜視図は、ＧａＮ基板を含む従来の青色半導体レーザ素子の一例として、波長４１０ｎｍで発振する窒化物系半導体レーザ素子を示している。この半導体レーザ素子８０においては、ｎ型ＧａＮ基板８０１上に、厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ下部コンタクト層８０２、厚さ０．５μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ下部クラッド層８０３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ下部ガイド層８０４、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ｎ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ（各膜厚４ｎｍ／８ｎｍ×３周期）量子井戸活性層８０５、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８０６、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ上部ガイド層８０７、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ上部クラッド層８０８、および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ上部コンタクト層８０９が順次積層されている。
The schematic perspective view of FIG. 8 shows a nitride semiconductor laser element that oscillates at a wavelength of 410 nm as an example of a conventional blue semiconductor laser element including a GaN substrate. In this
活性層８０５の上方では、上部コンタクト層８０９から上部クラッド層８０８に到達するまで部分的にエッチングすることによって、幅２μｍのリッジ状ストライプが形成されている。すなわち、レーザ素子８０において、活性層とその上下の光ガイド層とが上下のクラッド層に挟まれており、活性層で発光した光はリッジ状ストライプに対応する導波路構造（ストライプ状導波路）内に閉じ込められる。そして、レーザ素子８０のストライプ状導波路の両端面はファブリ・ペロー共振器の端面ミラーとして働き、レーザ発振を生じさせる。
Above the
エッチングされた領域上には、その全面を覆うように、発振波長の光に対してほぼ透明な埋め込み層８１０が形成されている。正電極８１１は、上部コンタクト層８０９および埋め込み層８１０を覆うように形成されている。負電極８１２は、ｎ型ＧａＮ基板８０１の裏側の概略全面上に形成されている。
半導体レーザ素子を光ピックアップの光源として用いる場合、戻り光雑音が問題になることが知られている。特に単一モード発振するレーザ素子におけるように可干渉性の大きい場合に、戻り光によってレーザ素子の相対強度雑音（ＲＩＮ： Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）が非常に悪化し、光ディスク等に記録された情報の再生時の信号読み取りにエラーを生じる。したがって、レーザ素子における雑音は光ピックアップの信頼性を損なう大きな問題であり、光源たるレーザ素子の雑音を抑制するように改善することは、光ピックアップを実用に供するために必須の条件となる。 When a semiconductor laser element is used as a light source of an optical pickup, it is known that return light noise becomes a problem. In particular, when the coherence is large as in a laser element that oscillates in a single mode, the relative intensity noise (RIN: Relativity Intensity Noise) of the laser element is greatly deteriorated by the return light, and the information recorded on the optical disk or the like is reproduced. An error occurs in reading the signal at the time. Therefore, noise in the laser element is a serious problem that impairs the reliability of the optical pickup, and improvement to suppress the noise of the laser element as the light source is an essential condition for putting the optical pickup into practical use.
戻り光雑音は、レーザ素子から射出されたレーザ光が外部の光学部品、光ファイバ、光ディスクなどで反射されてそのレーザ素子に戻ったときに発生する。このような雑音の問題を避けるために、二通りの方向で改善を図ることが考えられる。一つは、例えばＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子におけるように、自励発振や高周波重畳などを利用して縦多モード発振を発生させて可干渉性を低下させ、レーザ素子に光が戻ってもＲＩＮが極端に悪化しないようにすることである。もう一つは、不所望な外部共振器の形成を避けるようにレーザ素子の外部に種々の反射端が生じることを極力防止する、レーザ光の放射様式を改善するなどして、不所望な戻りレーザ光の発生を極力防止するとである。 The return light noise is generated when the laser light emitted from the laser element is reflected by an external optical component, an optical fiber, an optical disk or the like and returned to the laser element. In order to avoid such a noise problem, improvement can be considered in two directions. For example, as in an AlGaAs-based semiconductor laser element, for example, longitudinal multimode oscillation is generated using self-excited oscillation or high-frequency superposition to reduce coherence, and RIN does not change even when light returns to the laser element. It is to prevent it from getting worse. The other is to prevent unwanted reflections from occurring on the outside of the laser element so as to avoid the formation of unwanted external resonators, improve the laser radiation pattern, etc. This is to prevent the generation of laser light as much as possible.
以上の事情に鑑み、本発明は、雑音の問題が改善されたＧａＮ系青色半導体レーザ素子を提供し、特に不所望な光の放射が抑制されるように改善されたレーザ素子を提供することを目的としている。 In view of the above circumstances, the present invention provides a GaN-based blue semiconductor laser device in which the problem of noise is improved, and in particular, provides an improved laser device so that unwanted light emission is suppressed. It is aimed.
本発明によれば、窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、基板上においてコンタクト層、下部クラッド層、活性層、および上部クラッド層をこの順序で含み、かつストライプ状光導波路構造を含み、そのレーザ素子のレーザ光射出端面側において基板の端面は活性層から基板内に漏れ出た光が外部へ放射されることを抑制するための光漏洩抑制構造を含むことを特徴としている。 According to the present invention, a gallium nitride based semiconductor laser device includes a contact layer, a lower cladding layer, an active layer, and an upper cladding layer in this order on a substrate, and includes a striped optical waveguide structure. On the laser light emission end face side, the end face of the substrate includes a light leakage suppressing structure for suppressing light leaking from the active layer into the substrate to the outside.
なお、基板は、コンタクト層に比べて実質的に同等以上の屈折率を有し得る。また、基板は、窒化ガリウム系半導体であり得る。 The substrate can have a refractive index substantially equal to or higher than that of the contact layer. The substrate can be a gallium nitride based semiconductor.
光漏洩抑制構造としては、基板の端面の少なくとも一部領域が不透光膜で覆われいればよい。不透光膜で覆われている領域は、基板の端面内においてストライプ状光導波路直下の中央部を含み、その端面の３５％以上の面積を占めていることが好ましい。 As the light leakage suppression structure, it is only necessary that at least a partial region of the end face of the substrate is covered with the opaque film. It is preferable that the region covered with the opaque film includes a central portion directly under the stripe-shaped optical waveguide in the end face of the substrate and occupies an area of 35% or more of the end face.
不透光膜は、高反射膜であり得る。高反射膜は、酸化珪素、酸化チタニウム、ジルコニア、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、Ｓｉ、Ｇｅ、金属、および金属間化合物から選択される材料の少なくとも一層を含み得る。高反射膜は、５０％以下の光透過率を有することが好ましい。 The opaque film may be a highly reflective film. The highly reflective film may include at least one material selected from silicon oxide, titanium oxide, zirconia, alumina, silicon nitride, aluminum nitride, Si, Ge, metal, and an intermetallic compound. The highly reflective film preferably has a light transmittance of 50% or less.
不透光膜は、高吸収膜であってもよい。高吸収膜は、酸化珪素、酸化チタニウム、ジルコニア、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、Ｓｉ、Ｇｅ、金属、金属間化合物、および炭素から選択される材料の少なくとも一層を含み得る。高吸収膜も、５０％以下の光透過率を有することが好ましい。 The opaque film may be a high absorption film. The high absorption film may include at least one material selected from silicon oxide, titanium oxide, zirconia, alumina, silicon nitride, aluminum nitride, Si, Ge, metal, an intermetallic compound, and carbon. The high absorption film also preferably has a light transmittance of 50% or less.
光漏洩抑制構造として、基板の端面の少なくとも一部領域がストライプ状光導波路に直交する面から傾斜させられていてもよい。その傾斜は、１０度以上であり得る。また、その傾斜は、２０度以上であることがより好ましい。基板端面の傾斜させられた領域上に、さらに不透光膜が形成されていてもよい。 As the light leakage suppression structure, at least a partial region of the end face of the substrate may be inclined from a plane orthogonal to the stripe optical waveguide. The inclination can be 10 degrees or more. Further, the inclination is more preferably 20 degrees or more. An opaque film may be further formed on the inclined region of the substrate end face.
さらに、窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、下部クラッド層の下面側への放射損失に関して、１次横モードの損失が基本次横モードに比べて１０ｃｍ-1以上大きくなるように設計することができる。 Furthermore, the gallium nitride based semiconductor laser device can be designed so that the loss in the primary transverse mode is 10 cm −1 or more larger than the fundamental transverse mode with respect to the radiation loss to the lower surface side of the lower cladding layer.
上述のような窒化ガリウム系半導体レーザ素子を製造するための方法において、レーザ積層構造が形成されたウエハから分割されたレーザバーの分割面のうちで少なくとも活性層および上下クラッド層を覆うことができる治具にそのバーを取り付ける工程と、分割面のうちで治具で覆われていない領域に不透光膜を形成する工程を含むことが好ましい。 In the method for manufacturing the gallium nitride based semiconductor laser device as described above, at least the active layer and the upper and lower cladding layers can be covered among the divided surfaces of the laser bar divided from the wafer on which the laser laminated structure is formed. It is preferable to include a step of attaching the bar to the tool and a step of forming an opaque film in a region of the divided surface that is not covered with the jig.
また、上述のような窒化ガリウム系半導体レーザ素子を製造するための方法において、レーザ積層構造が形成されたウエハの上面からストライプ状導波路に直交する溝をエッチングで形成してその溝の側面を共振器端面とする工程と、その溝を保護材で埋め込む工程と、保護材を剥離させることなく保護材をも含めて溝に沿ってウエハを複数のレーザバーに分割する工程と、バーの分割面上に不透光膜を形成する工程と、保護材を除去する工程とを含むことも好ましい。 In the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor laser device as described above, a groove perpendicular to the stripe-shaped waveguide is formed by etching from the upper surface of the wafer on which the laser laminated structure is formed, and the side surface of the groove is formed. A step of making the resonator end face, a step of embedding the groove with a protective material, a step of dividing the wafer into a plurality of laser bars along the groove including the protective material without peeling off the protective material, and a dividing surface of the bar It is also preferable to include a step of forming an opaque film on the surface and a step of removing the protective material.
本発明によれば、基板端面から不所望な光の放射が抑制され、戻り光雑音を生じにくい高信頼性の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a highly reliable gallium nitride based semiconductor laser device that suppresses unwanted light emission from the end face of the substrate and hardly generates return light noise.
（用語の定義）
本明細書において、「クラッド層」とは、活性層で発生した光を閉じ込めて導波する機能を有する層を意味する。すなわち、活性層は２つのクラッド層に挟まれており、各クラッド層は導波する光のモード屈折率よりも小さい屈折率を有している。なお、各クラッド層は単層であってもよいし、複数のサブ層を含んでいてもよい。
(Definition of terms)
In this specification, the “cladding layer” means a layer having a function of confining and guiding light generated in the active layer. That is, the active layer is sandwiched between two cladding layers, and each cladding layer has a refractive index smaller than the mode refractive index of the guided light. Each clad layer may be a single layer or may include a plurality of sub-layers.
（問題が生ずる原因の調査）
本発明者らは、ＧａＮ基板を用いた従来のＧａＮ系青色半導体レーザ素子において、雑音に関する問題がどの程度生じる可能性があるか調査した。図７のグラフは、ＧａＮ基板上のＧａＮ系青色半導体レーザ素子の垂直方向ファー・フィールド・パターン（ＦＦＰ）を測定した結果を示している。このグラフの横軸は活性層に平行な方向から垂直方向への偏角（ｄｅｇ．：度）を表し、縦軸は光強度（ａ．ｕ．：任意単位）を表している。その横軸における角度が正の方向は活性層から基板側への偏角を表し、負の方向は活性層からストライプ状リッジ側への偏角を表している。
(Investigation of the cause of problems)
The present inventors investigated how much noise-related problems may occur in a conventional GaN blue semiconductor laser device using a GaN substrate. The graph of FIG. 7 shows the result of measuring the vertical far field pattern (FFP) of the GaN-based blue semiconductor laser element on the GaN substrate. In this graph, the horizontal axis represents the declination (deg .: degree) from the direction parallel to the active layer to the vertical direction, and the vertical axis represents the light intensity (au: arbitrary unit). The direction in which the angle on the horizontal axis is positive represents the deflection angle from the active layer to the substrate side, and the negative direction represents the deflection angle from the active layer to the stripe ridge side.
図７に示されているように、偏角２０°〜４０°の範囲内において複数の鋭いサブピークが観察された。これらのサブピークが生じる原因を調査したところ、レーザ素子の導波路構造内を通る光の一部が位相のそろった光として基板内に漏れ出し、基板端面に到達後にレーザ光として放射されていることが分った。さらに調査を進めたところ、従来のレーザ構造において、下部クラッド層よりも基板側のｎ型ＧａＮ下部コンタクト層とｎ型ＧａＮ基板との屈折率が等しいので、漏れ光が基板端面にまで到達することが分った。 As shown in FIG. 7, a plurality of sharp sub-peaks were observed in the range of the deflection angle of 20 ° to 40 °. As a result of investigating the cause of these sub-peaks, it was found that a part of the light passing through the waveguide structure of the laser element leaked into the substrate as light having the same phase, and was emitted as laser light after reaching the end face of the substrate. I found out. As a result of further investigation, in the conventional laser structure, the refractive index of the n-type GaN lower contact layer and the n-type GaN substrate on the substrate side with respect to the lower cladding layer is equal, so that the leaked light reaches the substrate end face. I found out.
他方、レーザ素子の上部側では、導波路の中心から数百ｎｍ程度の近い距離にある電極金属で漏洩光が吸収されるので、図７から分かるようにＦＦＰ測定においてサブピークが出るほどの漏洩光は観察されない。 On the other hand, on the upper side of the laser element, leakage light is absorbed by the electrode metal at a distance of about several hundreds of nanometers from the center of the waveguide. Therefore, as can be seen from FIG. Is not observed.
光ピックアップにおいて半導体レーザ素子を利用する場合には、図７のＦＦＰにおいて偏角０°を中心とする主放射ピークのみをレンズで集光するので、偏角２０°〜４０°におけるサブピークは集光特性に影響を与えない。しかしながら、それらのサブピークの光は、基板端面から放射された後に周囲から反射され、戻り光としてレーザ素子に悪影響を及ぼす可能性がある。 When a semiconductor laser element is used in the optical pickup, only the main radiation peak centering on the deflection angle of 0 ° is collected by the lens in the FFP of FIG. 7, so that the sub-peak at the deflection angle of 20 ° to 40 ° is condensed. Does not affect the characteristics. However, the light of those sub-peaks is reflected from the surroundings after being emitted from the end face of the substrate, and may adversely affect the laser element as return light.
ところで、基板としてサファイア等の屈折率の低い材料を使用すれば、光が基板中に漏れ出さず、図７に示されているようなサブピークが生じることがない。しかし、その場合には、下部コンタクト層がその上下の層に比べて高い屈折率を有し、しかも数百ｎｍ以上もの厚さを有するので、下部コンタクト層内において光の導波が生じ得る。下部クラッド層と基板との間に活性層から漏れた光の導波が存在する場合、レーザ放出光の主放射ピークに乱れが生じ、その乱れた主放射ピークがレンズで集光されるので、前述の問題とは異なった問題が別に生じ得る。しかし、この問題の解決策としては、特許第３３７５０４２号公報に述べられているように、下部コンタクト層の端面に工夫を施して導波光が漏れないようにすれば十分である。 By the way, if a material having a low refractive index such as sapphire is used as the substrate, light does not leak into the substrate, and a sub-peak as shown in FIG. 7 does not occur. However, in that case, since the lower contact layer has a higher refractive index than the upper and lower layers and has a thickness of several hundred nm or more, light can be guided in the lower contact layer. When there is a waveguide of light leaking from the active layer between the lower cladding layer and the substrate, the main emission peak of the laser emission light is disturbed, and the disturbed main emission peak is collected by the lens. There may be other problems that are different from those described above. However, as a solution to this problem, as described in Japanese Patent No. 3375042, it is sufficient to devise the end face of the lower contact layer so that the guided light does not leak.
以上のような本発明者らによる調査から、基板を介して漏れ出す不所望なレーザ光に起因する雑音に対する対策を施さなければならないことが明らかとなった。この問題は特にクラッド層より基板側の端面からの漏洩レーザ光によって引き起こされていることから、クラッド層より基板側の層または基板端面に工夫を施して不所望なレーザ光放射を防止することが雑音対策上重要となる。 From the above investigations by the present inventors, it has become clear that countermeasures against noise caused by undesired laser light leaking through the substrate must be taken. This problem is caused in particular by leakage laser light from the end surface on the substrate side of the cladding layer. Therefore, it is possible to prevent unwanted laser light emission by devising the layer on the substrate side or the substrate end surface from the cladding layer. This is important for noise countermeasures.
（実施形態１）
図１は、実施形態１におけるＧａＮ系半導体レーザ素子を模式的に示す斜視図である。また、図２は、図１のレーザ素子の製造工程の一部を模式的に図解する正面図である。なお、本願の各図において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を示している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a GaN-based semiconductor laser device in the first embodiment. FIG. 2 is a front view schematically illustrating a part of the manufacturing process of the laser device of FIG. In each figure of the present application, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
図１のレーザ素子の作製に際しては、まず（０００１）主面を有する厚さ４００μｍ のｎ型ＧａＮ基板１０１を洗浄し、ＭＯＣＶＤ装置内において水素（Ｈ2）雰囲気中で約１１００℃の高温クリーニングを行う。その後、レーザ発振に必要な構造を形成するための複数の化合物半導体層を基板上にエピ成長させる。
In manufacturing the laser element of FIG. 1, first, the 400 μm-thick n-
すなわち、高温クリーニングの終了したＧａＮ基板１０１を約１０５０℃まで降温させ、キャリアガスのＨ2とともに、アンモニア（ＮＨ3）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、およびシラン（ＳｉＨ4）を導入して、ｎ型ＧａＮ基板１０１の第一主面上にｎ型ＧａＮ下部コンタクト層１０２を厚さ４μｍに成長させる。次に、これらガスに加えてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を所定量導入して、厚さ０．９５μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ下部クラッド層１０３を形成する。続いてＴＭＡの供給を停止し、ｎ型ＧａＮ下部ガイド層１０６を厚さ０．１μｍに形成する。次に、ＴＭＧの供給を停止してキャリアガスをＨ2から窒素（Ｎ2）に代え、ＮＨ3を流しながら基板温度を７００℃まで降温した後、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧを導入し、ＩｎwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦０．２）の障壁層を成長させる。その後、ＴＭＩの供給を所定量にまで増加させ、ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｗ＜ｖ≦０．２）の井戸層を成長させる。これらの障壁層とＮ井戸層との成長を繰り返して、交互積層構造（障壁層／井戸層／・・・井戸層／障壁層）の多重量子井戸活性層１０７を形成する。障壁層と井戸層とに関するＩｎＧａＮの組成比と膜厚は、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲内になるように設計し、井戸層の数は例えば３層にされることが好ましい。多重量子井戸活性層１０７の形成が終了すれば、ＴＭＩとＴＭＧの供給を停止して、基板温度を再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ2からＨ2に代えてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびｐ型ドーピング原料のビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を供給し、厚さ０．０２μｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層１０８を成長させる。続いて、ＴＭＡの供給を停止し、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ上部ガイド層１０９を成長させる。次に、ＴＭＡを所定量導入してＴＭＧの流量を調整し、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ上部クラッド層１１０を形成する。最後に、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの供給量を調整し、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ上部コンタクト層１１１を形成し、結晶成長を終了させる。その後、ＴＭＧとＣｐ2Ｍｇの供給を停止して基板温度が下げられ、結晶成長の終了したウエハが室温においてＭＯＣＶＤ装置から取り出される。
That is, the temperature of the
結晶成長の終了したウエハは、複数のレーザ素子にするために加工される。まず、ストライプ状導波路を形成するために、ｐ型ＧａＮ上部コンタクト層１１１上において幅２μｍのストライプ状レジストがＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って形成される。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによって、レジストで保護されていない領域をウェハの上面から掘り込んで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１０とｐ型ＧａＮコンタクト層１１１を含むリッジストライプ１１２を形成する。続いて、酸化珪素膜を蒸着してリフトオフし、リッジストライプ１１２の頂部のみから電流注入を行うための埋め込み層１１３をそのリッジストライプの両側に設ける。これにより、ストライプ状導波路が作製される。
The wafer on which crystal growth has been completed is processed to form a plurality of laser elements. First, in order to form a striped waveguide, a striped resist having a width of 2 μm is formed on the p-type GaN
リッジストライプ１１２上には、真空蒸着などによってＰd／Ｍｏ／Ａｕをこの順に堆積したｐ型用電極１１４が形成される。ウェハ上には多くの平行なリッジストライプが形成されるので、ｐ型用電極は、それぞれのリッジストライプ同士間で電気的に分離されるように形成することが望ましい。続いて、基板１０１の第二主面側を研磨などで削ることによってウエハ全体の厚みを１２０μｍ程度に調整し、その後にその第二主面上に真空蒸着などによってＴｉ／Ａｌをこの順で堆積してｎ型用電極１１５を形成する。さらに、ＬＤ（レーザダイオード）のマウント時の密着性向上のために、ｎ型用電極１１５上にＭｏ／Ａｕをこの順で真空蒸着してレーザウェハの形成を完了する。なお、以後においては、ＧａＮ基板１０１上に形成された複数の層は、レーザ構造１２０としてまとめて表現されることもある（図１参照）。
On the
次に、ＧａＮ基板の＜１１−２０＞方向に沿ってウエハをバー状に劈開して分割し、リッジストライプ方向の両端にレーザ共振器端面を形成する。実施形態１では、共振器長は例えば５００μｍに設定され得る。その場合、分割されたレーザバーの幅が５００μｍになるように設定される。 Next, the wafer is cleaved into bars along the <11-20> direction of the GaN substrate and divided to form laser cavity end faces at both ends in the ridge stripe direction. In the first embodiment, the resonator length can be set to 500 μm, for example. In that case, the width of the divided laser bar is set to 500 μm.
分割されたバーの劈開面上には、コーティングが施される。まず、分割されたバーに含まれるレーザ共振器の一方端面側において、劈開面の全面に渡ってＳｉＯ2／ＴｉＯ2の積層構造からなる反射率９５％の高反射膜１１６が真空蒸着により形成され、これが共振器のリア側端面ミラーとして作用する。このとき、高反射膜１１６がバーのレーザ構造１２０上面にまでかかるように形成されれば、その剥れ落ちが防止できて好ましい（図１参照）。共振器のフロント端面側においては、ＧａＮ基板１０１の端面のうちでその底辺から約８０％の面積を覆うように厚さ１００ｎｍのＳｉ膜を蒸着して不透光膜１１７を形成する。このような不透光膜は、以下のようにして形成することができる。
A coating is applied on the cleavage plane of the divided bar. First, on one end face side of the laser resonator included in the divided bar, a highly
まず、図２（ａ）の正面図に示すように、幅２５μｍの支持部１５１を有するＬ字型の治具１５０を用意する。次に、図２（ｂ）に示すように、レーザバーのレーザ構造１２０側が治具１５０の支持部１５１上に載せられて保持され、支持部１５１側から（図２（ｂ）の下方側から）基板端面上にＳｉ膜を蒸着する。このようにすれば、支持部１５１で覆われたレーザ構造１２０中の導波路端面にはＳｉ膜が蒸着されず、基板端面の底面側から約８０％の面積を覆う不透光膜１１７を形成することが可能となる。なお、図２（ｂ）に示すように、治具１５０とレーザバーとの複数対を連続配置させて蒸着を行なうことが可能である。
First, as shown in the front view of FIG. 2A, an L-shaped
不透光膜１１７の形成が終了すれば、バーがリッジストライプ方向に平行に分割され、これによって複数のレーザ素子が得られる。このような分割は、スクライブ時の針圧（ウェハに針を押し当てる時の荷重）を大きくして、バーを押し割ることによって行われ得る。以上のプロセスにて完成したレーザ素子１０が、図１に示されている。なお、素子分割後のチップは放熱板を兼ねた支持基体上にマウントされ、最終的なレーザ装置として完成させられる。
When the formation of the
上述ように、本実施形態１によるレーザ素子においては、レーザ光が放出されるフロント端面側において、基板端面の約８０％が不透光膜により覆われているので、図７において偏角２０°〜４０°の範囲に存在するサブピークの強度を劇的に減少させることが可能となる。このことによって、レーザ素子においてサブピークに起因する戻り光雑音が発生する危険性を劇的に減少させることができる。 As described above, in the laser device according to the first embodiment, about 80% of the substrate end surface is covered with the light-impermeable film on the front end surface side from which the laser light is emitted. It is possible to dramatically reduce the intensity of sub-peaks existing in the range of ˜40 °. This can dramatically reduce the risk of return light noise due to sub-peaks in the laser element.
（実施形態２）
図３の模式的斜視図は、図１に類似しているが、実施形態２によるＧａＮ系半導体レーザ素子を示している。また、図４は、図３のレーザ素子の製造工程の一部を模式的に図解する斜視図である。本実施形態２に特徴的な点は、レーザ素子２０の共振器端面がエッチドミラーで形成されていることである。この特徴によって、不透光膜１１７の形成がより簡単に行なわれ得るという利点が生じる。
(Embodiment 2)
The schematic perspective view of FIG. 3 is similar to FIG. 1, but shows a GaN-based semiconductor laser device according to the second embodiment. FIG. 4 is a perspective view schematically illustrating a part of the manufacturing process of the laser device of FIG. A characteristic point of the second embodiment is that the cavity end face of the
このようなレーザ素子２０は、以下のような工程によって容易に作製することができる。まず、図４（ａ）に示されているように、実施形態１と同様のプロセスで完成したレーザウェハ上のリッジストライプ１１２に直交する方向すなわち＜１１−２０＞方向に沿って、幅５００μｍのレジストストライプ２０１が互いに２０μｍの間隔を空けて配置されるようにフォトプロセスを利用して形成される。続いて、図４（ｂ）に示されているように、レジストストライプ２０１で保護されていない領域において、下部コンタクト層１０２に到達する深さまでＲＩＥ等でエッチングしてエッチドミラーを形成する（図３をも参照）。その後、図４（ｃ）に示されているように、レジストストライプ２０１を剥離し、エッチドミラー部が完全に保護されるように新たなレジスト２０２が塗布される。続いて、レジスト２０２が剥離しないようにしながらそのレジストと共にウエハを分割して、図４（ｄ）に示されているように、レジスト２０２が残存維持された複数のバーを形成する。得られた各バーの一方の分割面上において、Ｓｉを堆積して不透光膜１１７を形成し、レジスト２０２を剥離して共振器のフロント側端面を露出させる。そして、バーの他方の分割面側のレジスト２０２をも剥離して、その他方の分割面側を覆うように反射率９５％の高反射膜１１６が形成され、これが共振器のリア側ミラーとして作用する。
Such a
このバーをリッジストライプに平行に複数の素子に分割すれば、レーザ光が射出されるフロント端面側において、ＧａＮ基板１０１端面が実施形態１よりもさらに広い面積にわたって不透光膜１１７で覆われた本実施形態２の半導体レーザ素子２０が得られる（図３参照）。
If this bar is divided into a plurality of elements parallel to the ridge stripe, the end face of the
本実施形態２による上述のプロセスにおいては、不透光膜１１７のコーティングの際にフロント側端面を覆い隠すための付加的な治具を使用する必要がないので、バーのセッティングが容易であることが大きな利点となる。さらに、エッチドミラーの作製時に掘り込む深さに依存してＧａＮ基板端面が不透光膜１１７で覆い隠される面積が決定されるので、より広い面積に不透光膜を形成することができ、実施形態１に比べて戻り光雑音の低減効果をより大きくすることが可能となる。
In the above-described process according to the second embodiment, it is not necessary to use an additional jig for covering the front-side end face when coating the
（実施形態３）
図５の模式的斜視図も、図１に類似しているが、実施形態３によるＧａＮ系半導体レーザ素子を示している。本実施形態３に特徴的な点は、レーザ素子３０の共振器の両端面側において、ＧａＮ基板１０１の端面が傾斜していることである。この場合、基板側に漏れ出た光は、傾いた基板端面により反射されてｎ型用電極１１５側で吸収される。したがって、本実施形態３による図５の構造を有するレーザ素子においても、実施形態１と同様な雑音低減効果が得られる。なお、十分な光漏れ防止効果を得るためには、この基板端面の傾きを十分に大きくする必要がある。その傾斜角の適切な大きさは、導波路から染み出す光の放射角に依存するので、導波路構造の差異によって異なる。しかし、一般には、その傾斜角は、導波路に直交する通常の端面に対して約１０度以上であればよく、２０度以上であることが好ましい。
(Embodiment 3)
The schematic perspective view of FIG. 5 is also similar to FIG. 1, but shows a GaN-based semiconductor laser device according to the third embodiment. A characteristic point of the third embodiment is that the end face of the
このように傾斜した基板端面は、以下のようなプロセスで形成可能である。まず、本実施形態３においても、実施形態２の場合と同様に、図４（ａ）および図４（ｂ）に相当するプロセスまでを行う。続いて、ウェハから複数のバーの切り出しをレーザスクライブにて行なう。この際に、レーザによる切断面の法線とリッジストライプ方向とがなす角が例えば２０度になるように、ウェハを傾けてレーザスクライブで切断する。 Such an inclined substrate end surface can be formed by the following process. First, in the third embodiment, as in the second embodiment, the processes corresponding to FIGS. 4A and 4B are performed. Subsequently, a plurality of bars are cut out from the wafer by laser scribing. At this time, the wafer is tilted and cut by laser scribe so that the angle formed by the normal of the cut surface by the laser and the ridge stripe direction is, for example, 20 degrees.
なお、ｎ型用電極１１５側での光吸収効果を高めるために、その電極を形成する面または電極自身に微細な凹凸を設けてもよい。また、図５においてはレーザ素子のリア側においても基板端面が傾斜させられているが、リア側の導波路端面に相当する部分が導波路に垂直に形成されていれば、素子作製上の都合等の理由でその他の部分が傾き有していてもよいことは言うまでもない。
In order to enhance the light absorption effect on the n-
（実施形態４）
図６は、実施形態４によるＧａＮ系半導体レーザ素子の層構造を示す模式的断面図である。本実施形態６に特徴的な点は、レーザ素子の下部クラッド層の屈折率が、基本次横モードの等価屈折率ｎ0と１次横モードの等価屈折率ｎ1との間に設定されていることである。その結果、下部クラッド層側への１次横モードの放射損失が、基本次横モードに比べて１０ｃｍ-1以上大きくなる。そして、ＧａＮ系半導体レーザはより基本次モードで動作しやすくなり、レーザの動作電流・光出力特性における折れ曲がり（キンク）の発生点をより高出力まで引き上げることが可能となる。したがって、より高出力なキンクフリーレーザ素子を作製することができるという大きな利点が得られる。しかしながら、高次モード光を優先的に基板側に逃がすのであるから、前述の戻り光雑音の問題がより強く懸念されることになる。そこで、本実施形態４におけるレーザ素子のような構造において、本発明の特徴である不透光膜の重要性がより顕著になる。
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of a GaN-based semiconductor laser device according to the fourth embodiment. Characteristic feature of the present embodiment 6, the refractive index of the lower cladding layer of the laser element, set between the equivalent refractive index n 1 of the equivalent refractive index n 0 in the basic transverse mode and first-order transverse mode It is that you are. As a result, the radiation loss of the primary transverse mode toward the lower cladding layer is increased by 10 cm −1 or more compared to the fundamental transverse mode. The GaN-based semiconductor laser becomes easier to operate in the fundamental order mode, and it is possible to raise the generation point of bending (kinks) in the operating current / optical output characteristics of the laser to a higher output. Therefore, a great advantage that a higher-power kink-free laser element can be produced is obtained. However, since the higher-order mode light is preferentially released to the substrate side, the above-described problem of return light noise is strongly concerned. Therefore, in the structure like the laser element in the fourth embodiment, the importance of the opaque film which is a feature of the present invention becomes more remarkable.
なお、本実施形態４の特徴を有するＧａＮ系レーザ素子４０の層構造は種々に設計され得る。その一例においては、ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型ＧａＮ下部コンタクト層４０２、ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．０４≦ｘ１＜ｘ２≦０．１５、例えばｘ１＝０．０６）の下部第１クラッド層４０３（膜厚０．８μｍ以上、例えば１．５μｍ）、ｎ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（０．０４≦ｘ１＜ｘ２≦０．１５、例えばｘ２＝０．１）の下部第二クラッド層４０４（層厚０．０５〜０．３μｍ、例えば０．２μｍ）、ｎ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎ（０．０４≦ｘ３＜ｘ２≦０．１５、例えばｘ３＝０．０６）の下部第三クラッド層４０５（層厚０．０１〜０．３μｍ、例えば０．１μｍ）、ｎ型ＧａＮ下部ガイド層４０６（膜厚０〜０．１５μｍ、例えば０．１μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層の交互積層構造からなる多重量子井戸活性層４０７（発振波長３７０〜４３０ｎｍ、総膜厚５〜１００ｎｍ、例えば平均混晶比０．０３、平均周期１３０ｎｍ×５周期）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ蒸発防止層４０８（膜厚０〜０．１μｍ、例えば０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮ上部ガイド層４０９（膜厚０．０５〜０．１５μｍ、例えば０．１μｍ）、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮ（０．０４≦ｙ≦０．１５、例えば０．０６）の上部クラッド層４１０（膜厚０．４μｍ以上、例えば０．５μｍ）、およびｐ型ＧａＮ上部コンタクト層４１１（膜厚０．０１〜１０μｍ、例えば０．１μｍ）がこの順に積層される。
The layer structure of the GaN-based laser element 40 having the characteristics of the fourth embodiment can be designed in various ways. In one example, an n-type GaN lower contact layer 402 and an n-type Al x1 Ga 1-x1 N (0.04 ≦ x1 <x2 ≦ 0.15, for example, x1 = 0.06) are formed on a
それらの半導体層の堆積は、実施形態１の場合と同様に行い得る。また、半導体層の堆積後のレーザ素子の形成方法も、実施形態１または２の場合と同様に行えばよい。本実施形態４においては、レーザ素子が基板側に光を漏らす構造を有しているので、実施形態１または２における不透光膜１１７を適用することによる雑音低減効果がより重要かつ顕著なものとなる。
The semiconductor layers can be deposited in the same manner as in the first embodiment. Further, the method for forming the laser element after the semiconductor layer is deposited may be performed in the same manner as in the first or second embodiment. In the fourth embodiment, since the laser element has a structure that leaks light to the substrate side, the noise reduction effect by applying the
なお、上述の種々の実施形態は本発明をより具体化した例示であって、本発明の範囲内において種々の部分的変更が可能である。例えば、窒化ガリウム系半導体層を成長させる基板の材料は窒化ガリウムに限定されず、下部コンタクト層に比べて屈折率の高い材料を用いれば本発明の効果が大きくなり得る。 The various embodiments described above are exemplifications of the present invention, and various partial modifications are possible within the scope of the present invention. For example, the material of the substrate on which the gallium nitride based semiconductor layer is grown is not limited to gallium nitride, and the effect of the present invention can be enhanced if a material having a higher refractive index than that of the lower contact layer is used.
また、レーザ素子を構成する複数の半導体層は、それぞれ組成の異なる層を組み合わせて同様の機能を持たせるようにしてもよく、不純物が部分的に混入されていてもよい。下部コンタクト層と基板との間には、それらに比べて高い屈折率を有する厚さ０．０５μｍ以下の層が付加的に挿入されていてもよい。このような場合、その高屈折率の層が導波作用を生じ得るが、その層が非常に薄いので活性層から漏れた光との結合効率が非常に低く、活性層からの漏れ光がその高屈折率の層で導波される割合は非常に低くなる。すなわち、活性層からの漏れ光はほとんど基板側に放射される。 In addition, the plurality of semiconductor layers constituting the laser element may have the same function by combining layers having different compositions, and impurities may be partially mixed therein. Between the lower contact layer and the substrate, a layer having a refractive index higher than them and having a thickness of 0.05 μm or less may be additionally inserted. In such a case, the high-refractive index layer can cause a waveguiding effect, but since the layer is very thin, the coupling efficiency with the light leaked from the active layer is very low, and the leaked light from the active layer The rate of wave guiding in the high refractive index layer is very low. That is, most of the leakage light from the active layer is radiated to the substrate side.
レーザ素子のフロント側端面に形成する不透光膜としては、レーザ光の波長付近で高反射率を有する膜または大きな吸収係数を有する膜の二種類を使用することが可能である。高反射率を有する膜を構成する材料は、酸化珪素、酸化チタニウム、ジルコニア、アルミナ等の酸化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、金属、および金属間化合物等から選択でき、それらの単独または複数の材料を組み合わせて同様の効果を生じせしめるように任意に設計可能である。また、大きな吸収係数を有する膜の材料としては、Ｃ等の軽元素、ＳｉやＧｅ等の半導体等から選択でき、さらに、膜を凝集させて表面積を増やして吸収効果を高めるなどの操作を行なうことも可能である。また、レーザ素子のリア側端面に形成する高反射膜については、高反射率を有する膜に使用できる材料から任意に選択することができる。 As the opaque film formed on the front side end face of the laser element, two types of films having a high reflectance near the wavelength of the laser beam or a film having a large absorption coefficient can be used. Materials constituting the film having high reflectivity include oxides such as silicon oxide, titanium oxide, zirconia, and alumina, nitrides such as silicon nitride and aluminum nitride, semiconductors such as Si and Ge, metals, and intermetallic compounds. And can be arbitrarily designed to produce a similar effect by combining a single material or a plurality of materials. The material of the film having a large absorption coefficient can be selected from light elements such as C, semiconductors such as Si and Ge, and the like. Further, the film is agglomerated to increase the surface area and increase the absorption effect. It is also possible. Further, the high reflection film formed on the rear side end face of the laser element can be arbitrarily selected from materials that can be used for the film having high reflectivity.
不透光膜は、５０％以下の光透過率を有することが望ましい。そのような低い光透過率によって、雑音を生じさせる可能性のある放射光パターンのサブピーク強度を半減させることが可能である。また、不透光膜で覆われるべき領域は、リッジストライプ直下の基板中央部を含む３５％以上とすることが望ましい。放射光パターンにサブピークを生じさせる漏れ光は、リッジストライプ直下の基板端面で最も強度が高くなり、リッジストライプ直下から水平方向に遠ざかるほど減衰するので、漏れ光強度が高い領域に不透光膜が形成されていれば、基板端面の全体を覆わなくても十分な効果を得ることが期待できる。 It is desirable that the opaque film has a light transmittance of 50% or less. Such low light transmission can halve the sub-peak intensity of the emitted light pattern, which can cause noise. Further, it is desirable that the region to be covered with the opaque film is 35% or more including the central portion of the substrate immediately below the ridge stripe. The leakage light that causes a sub-peak in the synchrotron radiation pattern has the highest intensity at the substrate end face immediately below the ridge stripe, and attenuates as it moves away from the position directly below the ridge stripe in the horizontal direction. If formed, sufficient effects can be expected without covering the entire substrate end face.
各実施形態の特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わせることも可能である。また、例えば基板端面を傾けてさらに不透光膜を適用する場合には、基板端面の傾きの方向は実施形態３に述べたものにとどまらず、作製できる限りの任意の方向を向いていてもよい。さらに、不透光膜を適用すべき基板端面を荒らすなどの操作を行なってもよい。 The features of each embodiment can be combined with the features of other embodiments. Further, for example, in the case of applying a light-impermeable film by tilting the substrate end surface, the direction of tilt of the substrate end surface is not limited to that described in the third embodiment, and may be in any direction as long as possible. Good. Furthermore, operations such as roughening the end face of the substrate to which the opaque film is to be applied may be performed.
なお、窒化ガリウム系レーザ素子を構成する各半導体層の導電型を逆にしても同様の効果が得られることは言うまでもない。 It goes without saying that the same effect can be obtained even if the conductivity type of each semiconductor layer constituting the gallium nitride laser element is reversed.
本発明によれば、基板端面からの不所望な光の放射を抑制することによって、戻り光による雑音の問題が改善された高信頼性のＧａＮ系半導体レーザ素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly reliable GaN-based semiconductor laser device in which the problem of noise due to return light is improved by suppressing the emission of unwanted light from the end face of the substrate.
１０、２０、３０、４０、８０ 窒化ガリウム系半導体レーザ素子、１０１、８０１ ＧａＮ基板、１０２、４０２、８０２ 下部コンタクト層、１０３、４０３、４０４、４０５、８０３ 下部クラッド層、１０６、４０６、８０４ 下部ガイド層、１０７、４０７、８０５ 活性層、１０８、４０８、８０６ 蒸発防止層、１０９、４０９、８０７ 上部ガイド層、１１０、４１０、８０８ 上部クラッド層、１１１、４１１、８０９ 上部コンタクト層、１１３、８１０ 埋め込み層、１１４、８１１ ｐ型用電極、１１５、８１２ ｎ型用電極、１１２ リッジストライプ、１１６ 高反射膜、１１７ 不透光膜、２０１、２０２ レジスト層。 10, 20, 30, 40, 80 Gallium nitride semiconductor laser element, 101, 801 GaN substrate, 102, 402, 802 Lower contact layer, 103, 403, 404, 405, 803 Lower cladding layer, 106, 406, 804 Lower Guide layer, 107, 407, 805 Active layer, 108, 408, 806 Evaporation prevention layer, 109, 409, 807 Upper guide layer, 110, 410, 808 Upper clad layer, 111, 411, 809 Upper contact layer, 113, 810 Buried layer, 114, 811 p-type electrode, 115, 812 n-type electrode, 112 ridge stripe, 116 highly reflective film, 117 opaque film, 201, 202 resist layer.
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