JP2009071127A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】AlxGa1-xN(0<x≦1)からなる層を含む窒化物半導体層と、該窒化物半導体層上に形成されたInyGa1-yN(0<y≦1)からなる層を含む活性層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記窒化物半導体層の成長面が、C面{0001}とのなす角度がθである面を含み、かつ前記窒化物半導体層及び活性層が、 x>(5.3049−0.09971θ+0.0005496θ2)y+(−0.74714+0.01998θ−0.00012855θ2)を満足する組成である窒化物半導体レーザ素子。
【選択図】なし
Description
そこで、GaN結晶のC面に垂直なA面又はM面とよばれる非極性面、あるいはC面に対して傾斜した半極性面とよばれる面を成長面とし、それぞれの面の法線方向を成長軸として窒化物半導体レーザ素子を作製する研究が進められている(特許文献1)。
第51回応用物理学会関係連合講演会(2004年3月)講演予稿集29p−YK−5 第51回応用物理学会関係連合講演会(2004年3月)講演予稿集30a−YN−7
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、窒化物半導体レーザ素子における内部電界を最小限に止め、高い発光効率を有する長波長の窒化物半導体レーザ素子を実現することを目的とする。
AlxGa1-xN(0<x≦1)からなる層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたInyGa1-yN(0<y≦1)からなる層を含む活性層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体層の成長面として、C面{0001}とのなす角度がθ°である面を含み、かつ
前記窒化物半導体層及び活性層が、
x>(5.3049−0.09971θ+0.0005496θ2)y+(−0.74714+0.01998θ−0.00012855θ2) (a)
を満足する組成であることを特徴とする。
x>(4.5855−0.08047θ+0.00041867θ2)y+(−0.02198+0.00185θ−0.000008861θ2) (b)
を満足するか、さらに、
x>(4.2757−0.07337θ+0.0003752θ2)y+(0.5307−0.01131θ+0.00007588θ2) (c)
を満足することが好ましい。
前記θは30°以上であることが好ましい。
InzAl1-zN(0<z≦1)からなる層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたInyGa1-yN(0<y≦1)からなる層を含む活性層とを備えることを特徴とする。
y<(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ2)z+(0.22495+0.00464θ+0.000075524θ2) (A)
を満足するか、さらに、
y<(0.69294−0.00728θ−0.000084122θ2)z+(0.09778+0.00695θ+0.00006299θ2) (B)
を満足するか、さらに、
y<(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ2)z+(−0.0718+0.01059θ+0.000042061θ2) (C)
を満足することが好ましい。
前記AlxGa1-xN(0<x≦1)からなる層を含む窒化物半導体層は、成長面内の格子定数が無歪のAlxGa1-xNと一致するか、
前記InzAl1-zN(0<z≦1)からなる層を含む窒化物半導体層は、成長面内の格子定数が無歪のInzAl1-zNと一致することが好ましい。
また、前記窒化物半導体層は、InzAl1-zN(0<z≦0.7)であることが好ましい。
さらに、前記θが、C面{0001}と{10−13}面とのなす角度以上であることが好ましい。
また、前記窒化物半導体層の成長面が、{11−2n}面(ただし、nは整数)又は{1−10m}面(ただし、mは整数)であることが好ましい。
{11−2n}面(ただし、nは整数)を成長面とし、Alを含有する層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたInを含有する活性層とを備え、
M面{1−100}を共振器面とすることを特徴とする。
{1−10m}面(ただし、mは整数)を成長面とし、Alを含有する層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたInを含有する活性層とを備え、
A面{11−20}面を共振器面とすることを特徴とする。
窒化物半導体層は、AlxGa1-xN(0<x≦1)又はInzAl1-zN(0<z≦1)であることが好ましい。
さらに、活性層は、InyGa1-yN(0<y≦1)であることが好ましい。
また、窒化物半導体レーザ素子の発振波長が400nm以上において、前記窒化物半導体層は、AlxGa1-xN(0.3≦x≦1)であるか、窒化物半導体レーザ素子の発振波長が500nm以上において、前記窒化物半導体層は、AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)であることが好ましい。
また、活性層は、Inの組成比が0.1〜0.55であることが好ましい。
さらに、劈開により形成される共振器面を備えてなることが好ましい。
例えば、典型的には図1に示すように、主として、基板10(例えば、窒化物半導体基板)の第1主面上に、特定の窒化物半導体層として第1窒化物半導体層11、活性層12及び第2窒化物半導体層13が順に積層されており、第2窒化物半導体層13の表面にはリッジ14が形成されている。
また、少なくとも窒化物半導体層及び活性層の積層構造で互いに対向する端面には、共振器面が設けられ、共振器が形成されている。共振器面には保護膜が形成されており、さらに、埋込膜15、p電極16、第2保護膜17、pパッド電極18等が適宜形成され、窒化物半導体基板10の第1主面に対向する第2主面にn電極19が形成されている。
また、本発明のレーザ素子は、図2に示すように、窒化物半導体基板10の第1主面側にn電極19が形成されていてもよい。
この窒化物半導体層は、AlxGa1-xN(0<x≦1)又はInzAl1-zN(0<z≦1)自体が無歪で形成されていることが好ましい。ここで無歪とは、x又はzの組成に対応して、AlGaN又はInAlNが本来有する物質固有の格子定数と一致している状態を意味する。このように無歪とすることにより、その上に形成される活性層に対して歪を内在させることができ、偏光を制御することが可能となる。
ここで、第2層は、Alを含有する層(組成が同じで、比が異なる層及び組成が異なる層の双方を含む)又はAlを含有しない層のいずれであってもよい。
また、コヒーレント成長とは、第1層と第2層との間の格子定数の差異がわずかであることに起因して、半導体の原子配列が伸縮し、結晶欠陥を生じずに結晶成長すること、いいかえると、第1層と第2層との界面で結晶の面が途切れない、あるいは両者の間で格子緩和が全くされていない又はわずかの格子緩和が行われているのみである状態を意味する。なお、格子緩和が行われる程度は、例えば、20%程度以下、15%程度以下、10%程度以下が挙げられ、その程度をより小さくすることにより寿命等の特性を向上させることができる。
さらに、窒化物半導体層の安定した結晶面を利用するという観点から、窒化物半導体層の成長面として、例えば、{11−2n}面(ただし、nは整数)、{1−10m}面(ただし、mは整数)が例示される。なお、n及びmはそれぞれ0〜4であることが好ましい。
{11−24}面(約39°)、
{11−22}面(約58°)、
A面{11−20}(90°)、
{1−103}面(約32°)、
{1−102}面(約43°)、
{1−101}面(約62°)、
M面{1−100}(90°)。
なお、本明細書においては、面指数を表す括弧内のバー(−)は、直後の数字の上に付すべきバーを表すものとする。また、中カッコで示す面指数は、それに等価な面の全てを包含することを意味する。具体的には、{1−100}面は、(01−10)、(10−10)、(1−100)、(0−110)、(−1010)、(−1100)を示す。
特に、本発明のレーザ素子では、C面{0001}とのなす角度θは、上述した範囲において、窒化物半導体層及び活性層の組成に応じて、後述する値をとることが好ましい。
x>(5.3049−0.09971θ+0.0005496θ2)y+(−0.74714+0.01998θ−0.00012855θ2) (a)
x>(4.5855−0.08047θ+0.00041867θ2)y+(−0.02198+0.00185θ−0.000008861θ2) (b)
x>(4.2757−0.07337θ+0.0003752θ2)y+(0.5307−0.01131θ+0.00007588θ2) (c)
このような式を満足する値x、y及びθをとることにより、活性層における歪、ひいては偏光度Pを制御することが可能となり、所望の偏光度Pの光を効率的にレーザ発振に利用することが可能となる。
P=(My’2−Mx’2)/(My’2+Mx’2) (d)
として偏光度Pを求めることができる。
また、上述した式(b)を満足することにより、偏光度P<0を実現することができる。これによって、活性層からの光が無偏光であるために光の利用という点では、従来のレーザ素子と同様であるが、活性層における歪を制御して、内部電界を低減することができ、しきい値電流の低減、ひいては発光効率のより一層の向上を図ることができる。
さらに、上述した式(c)を満足することにより、偏光度P<−0.5を実現することができる。これによって、活性層からの光を、最も光が取り出しやすい方向に偏光させることができ、さらに、劈開によって形成しやすい共振器面からレーザ光を取り出すことができる方向のみに偏光させることができる。その結果、内部電界及びしきい値電流の低減とともに、非常に発光効率を増大させることが可能となる。
偏光度Pを所定の値よりも小さい値にしようとする場合、x>ay+bの関係を満たすように設定すればよい。ここでa及びbは、上述した式(a)〜式(c)から算出した値であって、以下の表1に示すとおりである。
y<(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ2)z+(0.22495+0.00464θ+0.000075524θ2)
(A)
y<(0.69294−0.00728θ−0.000084122θ2)z+(0.09778+0.00695θ+0.00006299θ2) (B)
y<(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ2)z+(−0.0718+0.01059θ+0.000042061θ2) (C)
このような式を満足する値z、y及びθをとることにより、活性層における歪、ひいては偏光度Pを制御することが可能となり、所望の偏光度Pの光を効率的にレーザ発振に利用することが可能となる。
また、上述した式(B)を満足することにより、偏光度P<0を実現することができる。これによって、活性層からの光が無偏光であるために光の利用という点では、従来のレーザ素子と同様であるが、活性層における歪を制御して、内部電界を低減することができ、しきい値電流の低減、ひいては発光効率のより一層の向上を図ることができる。
さらに、上述した式(C)を満足することにより、偏光度P<−0.5を実現することができる。これによって、活性層からの光を最も光が取り出しやすい方向に向けることができ、さらに、劈開によって形成しやすい共振器面からレーザ光を取り出すことができる方向のみに偏光させることができる。その結果、内部電界及びしきい値電流の低減とともに、非常に発光効率を増大させることが可能となる。
なお、図5の(A)〜(D)において、0で表される曲線は式(B)に対応し(ただし、不等号は等号となる、以下同じ)、−0.4と−0.6との曲線の間の略−0.5で表される付近は、式(C)に対応し、0.4と0.6との曲線の間の略0.5で表される曲線は、式(A)に対応することは、上述したとおりである。
活性層が、量子井戸構造である場合、井戸層と障壁層とが1以上の対で交互に形成される層を意味し、本発明では、井戸層又は障壁層のいずれが窒化物半導体層に接触してもよい。窒化物半導体層、井戸層及び障壁層、あるいは窒化物半導体層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層・・・の順に積層されることが好ましい。
また、活性層は、上述した窒化物半導体層に対してコヒーレント成長してなる層であることが好ましい。
このような共振器面としては、例えば、M面{1−100}、A面{11−20}面、C面{0001}、R面{1−102}面等が挙げられる。なかでも、M面又はA面が好ましく、特に、窒化物半導体層の成長面が{11−2n}面(ただし、nは整数)である場合にはそれに直交するM面が、成長面が{1−10m}面(ただし、mは整数)である場合にはそれに直交するA面が好ましい。これらを組み合わせることにより、歪を制御して偏光を所望の方向に変化させることができ、活性層からの光の略全てをレーザ発振に利用することができるとともに、内部電界を最小限にとどめて、発光効率の向上、しきい値電流の低下等を可能にすることができる。
リッジは、光導波路領域として機能するものであり、その幅は1.0μm〜30.0μm程度とすることが好ましい。その高さ(エッチングの深さ)は、例えば、0.1〜2μmが挙げられる。また、共振器方向の長さは200μm〜5000μm程度になるように設定することが好ましい。
埋込膜は、窒化物半導体層よりも屈折率が小さな絶縁材料によって形成されていることが好ましい。埋込膜は、例えば、Zr、Si、V、Nb、Hf、Ta、Al、Ce、In、Sb、Zn等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等の絶縁膜又は誘電体膜の単層又は積層構造によって形成することができる。このように、リッジの側面から、リッジの両側の窒化物半導体表面にわたって保護膜が形成されていることにより、窒化物半導体層、特にp側半導体層に対する屈折率差を確保して、活性層からの光の漏れを制御することができ、リッジ内に効率的に光閉じ込めができるとともに、リッジ基底部近傍における絶縁性をより確保することができ、リーク電流の発生を回避することができる。
実施の形態1
この実施の形態1のレーザ素子は、(11−22)面のGaN基板上に、本発明の窒化物半導体層としてn側クラッド層としてAl0.5Ga0.5Nよりなる層(膜厚3μm、無歪)、n側光ガイド層としてGaN層(0.25μmの膜厚、クラッド層に対してコヒーレント成長)がこの順で積層されている。
その上に、SiドープIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層(100Åの膜厚)とアンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層(70Åの膜厚)とが2回交互に積層され、最後に障壁層が積層されて、多重量子井戸構造(MQW)の活性層(総膜厚440Å)が積層され、さらにその上に、p側キャップ層(100Å)、p側光ガイド層(0.145μm)、p側クラッド層(総膜厚0.45μm)、p側コンタクト層(150Åの膜厚)が積層されて構成されている。
また、このような構成において、M面によって共振器面が形成されている。
まず、(11−22)面を主面とするGaN基板を準備する。この(11−22)面を主面とするGaN基板は、C面(0001)GaN基板から所望の角度に研磨することやワイヤーソーでカッティングして新たに面出しすること等で形成することができる。このGaN(11−22)面基板上では、その上に形成する半導体層の成長面が(11−22)面となる。
このGaN(11−22)面基板の成長面上に、1100℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニア、シランガスを用い、本発明における窒化物半導体層として、Al0.5Ga0.5Nよりなる層を膜厚3μmで成長させ、n側クラッド層を形成する。このn側クラッド層は、基板と異なる組成比であるが、比較的厚膜で形成するために、面内の格子定数は、無歪Al0.5Ga0.5N本来の物質固有の格子定数と概一致する。
続いて、Cp2Mg、TMAを止め、1000℃で、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層10よりも小さい、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層を0.145μmの膜厚で成長させる。
最後に、1000℃で、p側クラッド層の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層を150Åの膜厚で成長させる。
このようにして窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面にSiO2よりなるマスクを形成して、共振器面に平行な方向における幅が800μmのストライプ状の構造を形成する。この部分がレーザ素子の共振器本体となる。
このリッジの側面をZrO2からなる埋込膜15で保護する。
次いで、p側コンタクト層及び埋込膜15の上の表面にNi(100Å)/Au(1000Å)/Pt(1000Å)よりなるp電極を形成する。p電極を形成した後、Si酸化膜(SiO2)からなる第2保護膜17を埋込膜の上及び半導体層の側面に0.5μmの膜厚で、スパッタリングにより成膜する。p電極を形成した後、600℃でオーミックアニールを行う。
その後、GaN基板10の厚みが80μmになるように窒化物半導体層の成長面である第1主面と反対側の面である第2主面側から研磨を行う。
研磨した第2主面に、Ti(150Å)/Pt(2000Å)/Au(3000Å)よりなるn電極19を形成する。
その後、p電極に平行な方向で、バーをチップ幅200μmにチップ化することで半導体レーザ素子とする。
続いて、共振器面に酸化膜か窒化膜を単一膜か多層膜で形成する。ここでは、Al2O3からなる保護膜を共振器面のフロント側に形成する。また、共振器面のリア側にはAl2O3、(SiO2/ZrO2)からなる保護膜を形成する。
GaN基板として、{11−24}面(約39°)、(11−22)面以外の{11−22}面(約58°)を成長面とするGaN基板を、主面が(0001)面であるGaN基板を準備して、それぞれ所望の角度が主面となるように加工する以外、上記と同様の方法によってレーザ素子を作製することができる。
なお、加工方法は特に限定されるものではなく、研磨やワイヤーソーを併用して行う。
また、A面{11−20}(90°)、M面{1−100}(90°)を成長面とするGaN基板は(0001)面GaN基板を劈開することにより形成する以外、上記と同様の方法によってレーザ素子を作製することができる。
基板として、実施の形態1のGaN基板上にAlN層を5μm以上の膜厚で形成したテンプレート基板を用いる以外、上記と同様の方法によってレーザ素子を作製することができる。
GaN基板として、{1−103}面(約32°)、{1−102}面(約43°)、{1−101}面(約62°)を成長面とするGaN基板を、主面が(0001)面であるGaN基板を準備して、それぞれ所望の角度が主面となるように加工し、共振器面をA面とする以外、上記と同様の方法によってレーザ素子を作製することができる。
本発明における窒化物半導体層として、In0.5Al0.5Nよりなる層を膜厚3μmで成長させる以外、実施の形態1〜3のそれぞれと同様の方法によってレーザ素子素子を作製することができる。
つまり、図4(A)〜(D)及び図5(A)〜(D)によって、θが30°程度以上、特に40°程度以上、さらに50°程度以上においては、偏光特性に大きな差はなく、(11−22)面だけでなく、無極性面でも同様の偏光特性が成立するといえる。
従って、得られる半導体レーザ素子は、活性層の内部に歪が内在するとともに、偏光方向を制御することができるために、劈開が容易なM面又はA面を共振器面とすることができる。
11 第1窒化物半導体層
12 活性層
13 第2窒化物半導体層
14 リッジ
15 埋込膜
16 p電極
17 第2保護膜
18 p側パッド電極
19 n電極
Claims (26)
- AlxGa1-xN(0<x≦1)からなる層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたInyGa1-yN(0<y≦1)からなる層を含む活性層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体層の成長面として、C面{0001}とのなす角度がθ°である面を含み、かつ
前記窒化物半導体層及び活性層が、
x>(5.3049−0.09971θ+0.0005496θ2)y+(−0.74714+0.01998θ−0.00012855θ2) (a)
を満足する組成であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体層及び活性層が、さらに、
x>(4.5855−0.08047θ+0.00041867θ2)y+(−0.02198+0.00185θ−0.000008861θ2) (b)
を満足する請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体層及び活性層が、さらに、
x>(4.2757−0.07337θ+0.0003752θ2)y+(0.5307−0.01131θ+0.00007588θ2) (c)
を満足する請求項2に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記θが30°以上である請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- InzAl1-zN(0<z≦1)からなる層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたInyGa1-yN(0<y≦1)からなる層を含む活性層とを備えることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体層及び活性層が、さらに、
y<(0.61794−0.00541θ−0.00009384θ2)z+(0.22495+0.00464θ+0.000075524θ2) (A)
を満足する請求項5に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体層及び活性層が、さらに、
y<(0.69294−0.00728θ−0.000084122θ2)z+(0.09778+0.00695θ+0.00006299θ2) (B)
を満足する請求項6に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体層及び活性層が、さらに、
y<(0.8342−0.01078θ−0.00006677θ2)z+(−0.0718+0.01059θ+0.000042061θ2) (C)
を満足する請求項7に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体層の成長面として、C面{0001}とのなす角度がθ°である面を含み、該θは30°以上である請求項5〜8のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体層は無歪の層であり、前記活性層は前記窒化物半導体層に対してコヒーレント成長してなる層である請求項1〜9のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記AlxGa1-xN(0<x≦1)からなる層を含む窒化物半導体層は、成長面内の格子定数が無歪のAlxGa1-xNと一致する請求項10に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記InzAl1-zN(0<z≦1)からなる層を含む窒化物半導体層は、成長面内の格子定数が無歪のInzAl1-zNと一致する請求項10に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体層は、InzAl1-zN(0<z≦0.7)である請求項1〜12のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記θが、C面{0001}と{10−13}面とのなす角度以上である請求項1〜4及び9〜13のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体層の成長面が、{11−2n}面(ただし、nは整数)又は{1−10m}面(ただし、mは整数)である請求項1〜14のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- {11−2n}面(ただし、nは整数)を成長面とし、Alを含有する層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたInを含有する活性層とを備え、
M面{1−100}を共振器面とすることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 窒化物半導体層は、{11−24}、{11−22}面又はA面{11−20}を成長面とする請求項16に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- {1−10m}面(ただし、mは整数)を成長面とし、Alを含有する層を含む窒化物半導体層と、
該窒化物半導体層上に形成されたInを含有する活性層とを備え、
A面{11−20}面を共振器面とすることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 窒化物半導体層は、[1−103}、{1−102}、{1−101}面又はM面{1−100}を成長面とする請求項18記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物半導体層は、AlxGa1-xN(0<x≦1)又はInzAl1-zN(0<z≦1)である請求項16〜19のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 活性層は、InyGa1-yN(0<y≦1)である請求項16〜20のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物半導体レーザ素子の発振波長が400nm以上において、前記窒化物半導体層は、AlxGa1-xN(0.3≦x≦1)である請求項16〜21のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物半導体レーザ素子の発振波長が500nm以上において、前記窒化物半導体層は、AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)である請求項16〜21のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物半導体層は、Alを含有する第1層と、その上にコヒーレント成長した第2層との積層構造である請求項1〜23のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 活性層は、Inの組成比が0.1〜0.55である請求項1〜24のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 劈開により形成される共振器面を備えてなる請求項1〜25のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
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