JP2009105184A - 窒化物系半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高パワーの光を出力できかつ長寿命の窒化物系半導体レーザ素子を比較的簡便かつ確実に提供する。
【解決手段】窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において順に積層された第1導電型の下部クラッド層、活性層、および第2導電型の上部クラッド層を少なくとも含む半導体積層構造を有し、活性層の下層にはストライプ状トレンチが形成されており、半導体積層構造はストライプ状トレンチに沿って配置されたストライプ状光共振器を含み、ストライプ状トレンチの中央主要領域に比べて両端領域は幅が狭められており、活性層はInを含む窒化物系半導体で形成されていることを特徴としている。
【選択図】図3
【解決手段】窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において順に積層された第1導電型の下部クラッド層、活性層、および第2導電型の上部クラッド層を少なくとも含む半導体積層構造を有し、活性層の下層にはストライプ状トレンチが形成されており、半導体積層構造はストライプ状トレンチに沿って配置されたストライプ状光共振器を含み、ストライプ状トレンチの中央主要領域に比べて両端領域は幅が狭められており、活性層はInを含む窒化物系半導体で形成されていることを特徴としている。
【選択図】図3
Description
本発明は高出力の半導体レーザ素子に関し、特に光共振器の両端ミラー部において光学損傷(COD:Catastrophic Optical Damage)を生じ難い高出力窒化物系半導体レーザとその製造方法に関する。
高出力で動作する半導体レーザ素子は、機能不全になるまでの限定された寿命を有している。そして、高出力半導体レーザ素子における最も一般的な機能不全は、その光共振器の両端ミラー部における光学損傷(COD)である。
半導体レーザ素子の光共振器のミラー部は、キャリアのシンク(消滅箇所)として働く非発光の再結合中心を高密度で含んでいる。そして、非発光の再結合電流は熱を生じる。また、ミラー部における相対的に低い密度のキャリアはレーザ光の吸収を生じる。これらの再結合電流と光吸収とのいずれによっても生じる熱は、ミラー部の温度を上昇させる。半導体の温度の上昇は、そのエネルギバンドギャップを減少させる。そして、このバンドギャップの減少が、更なる光吸収を生じさせる。このような光吸収は、高出力動作においてミラー部を損傷させてレーザ素子の機能不全を生じさせる暴走プロセスの原因となる。
このような出力制限を改善するために、種々のレーザ構造が提案されてきている。その一例として、NAM(non-absorbing mirror:非吸収ミラー)構造がある。この構造を実現させる場合、不純物の拡散、不純物のイオン注入、または結晶成長を利用して、活性層中のエネルギバンドギャップがミラー近傍領域において他の領域に比べて大きくされる。このNAM構造を有するレーザ素子は、従来のレーザ素子に比べて約一桁大きな出力で動作することが可能である。
しかしながら、文献において述べられているNAM構造の作製方法は、種々の制限を含んでいる。例えば、米国特許第4,983,541号明細書と米国特許第5,113,405号明細書に開示されている方法のいずれもが、2段階のエピタキシャル成長を必要とする不便な方法である。また、米国特許第5,395,793号明細書は量子井戸層上方の層内に欠陥の分布を生じるように低エネルギイオン注入を用いる方法を開示しているが、そのイオン注入に続く加熱によってそれらの欠陥の一部が下方に拡散されて量子井戸に混合される必要がある。
米国特許第4,983,541号明細書
米国特許第5,113,405号明細書
米国特許第5,395,793号明細書
上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明は、高パワーの光を出力できかつ長寿命の窒化物系半導体レーザ素子を比較的簡便かつ確実に提供することを目的としている。
本発明による窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において順に積層された第1導電型の下部クラッド層、活性層、および第2導電型の上部クラッド層を少なくとも含む半導体積層構造を有し、活性層の下層にはストライプ状トレンチが形成されており、半導体積層構造はストライプ状トレンチに沿って配置されたストライプ状光共振器を含み、ストライプ状トレンチの中央主要領域に比べて両端領域は幅が狭められており、活性層はInを含む窒化物系半導体で形成されていることを特徴としている。
なお、この窒化物系半導体レーザ素子において、活性層中のInの濃度は、ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い両端領域内において減少している。また、活性層中のInのエネルギバンドギャップは、ストライプ状トレンチの中央主要部領域内に比べて幅が狭い両端領域内において増大している。さらに、活性層の厚さは、ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い両端領域内において減少している。
このような窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において交互の広幅領域と狭幅領域とを含むストライプ状トレンチをエッチングによって形成し、基板の上面上において第1導電型下部クラッド層、活性層、および第2導電型上部クラッド層をこの順に堆積し、ストライプ状トレンチの各狭幅領域を横断する劈開を行ない、ストライプ状光共振器ごとのチップ分割を行なうことによって好ましく作製することができる。
その窒化物系半導体レーザ素子は、基板の上面上において第1導電型下部クラッド層までを堆積し、この下部クラッド層の上面からのエッチングによって交互の広幅領域と狭幅領域とを含むストライプ状トレンチを形成し、その後に活性層および第2導電型上クラッド層をこの順に堆積し、ストライプ状トレンチの各狭幅領域を横断する劈開を行ない、ストライプ状光共振器ごとのチップ分割を行なうことによっても好ましく作製され得る。
本発明によれば、Inを含む窒化物系半導体活性層の下層において幅が狭められた両端領域を有するトレンチを形成するだけで、高パワーの光を出力できかつ長寿命の半導体レーザ素子を比較的簡便かつ確実に提供することができる。
本発明者らは、トレンチを有する下層上にInを含む窒化物系半導体活性層をMOCVDで(有機金属化学気相堆積)によって成長させた場合に、In原子がトレンチ領域の外側へ移動する傾向を有することを実験によって見出した。
図1は、本発明者らが実験に利用した多重量子井戸構造の活性層を含む積層構造を模式的断面図で示している。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に、厚さは恣意的に変更されて示されている。また、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。
図1において、サファイア基板上の厚さ3μmのGaNテンプレート層を含むGaN/サファイア基板上に、厚さ1μmのn型GaNバッファ層が堆積された。なお、図1においては明示されていないが、GaN/サファイア基板の上面には、幅20μmで深さ0.6μmのトレンチが形成されていた。
n型GaNバッファ層上には、厚さ8nmのIn0.02Ga0.98N障壁層と厚さ3nmのSiドープIn0.1Ga0.9N井戸層を交互に3周期堆積して、最後に厚さ8nmのIn0.02Ga0.98N障壁層を堆積することによって、多重量子井戸構造が形成された。
その多重量子井戸構造上には、厚さ50nmのGaN層と厚さ20nmのAl0.3Ga0.7N層が堆積された。こうして形成された図1の積層構造は、カソードルミネッセンス分光を用いて分析された。
図2は、図1の積層構造からのカソードルミネッセンス放射を示している。図2(A)は、波長390nmのルミネッセンス放射を示しており、図2(B)は、波長430nmのルミネッセンス放射を示している。
図2(A)から分かるように、波長390nmの光はトレンチ領域から放射されているが、平坦なメサ領域からは放射されていない。他方、図2(B)から分かるように、波長430nmの光は平坦なメサ領域から放射されているが、トレンチ領域からは放射されていない。
図2の結果は、量子井戸層がトレンチ領域内では約3.18eVの大きなエネルギバンドギャップを有しているが、平坦なメサ領域内では約2.88eVの小さなエネルギバンドギャップを有していることを意味している。
Inを含むGaN系半導体層においは、In濃度が減少するにしたがってエネルギバンドギャップが増大することが知られている。すなわち、図2の結果から、量子井戸層中のIn原子は、トレンチ内領域からトレンチ外領域へ移動しようとする傾向があることが分かる。
また、GaN結晶に比べてInN結晶の格子定数が大きいので、Inを含むGaN系半導体層においてはIn濃度が減少するにしたがって層厚が減少する。すなわち、量子井戸層中の厚さは、トレンチ外領域に比べてトレンチ内領域において減少する傾向があることが分かる。
本発明者らはまた、相対的に幅の広いトレンチを有するGaN/サファイア基板を用いた他の実験によって、量子井戸層がトレンチのエッジから幅方向に遠い中央領域に比べてエッジ近傍領域において大きなエネルギバンドギャップを有していることを見出した。すなわち、量子井戸層内のエネルギバンドギャップは、幅の狭いトレンチ領域内に比べて幅の広いトレンチ領域内において小さい。
以上のような本発明者らによる実験の結果から、非吸収ミラーを有する窒化物系半導体レーザ素子を作製するために、トレンチの中央主要領域に比べて両端領域において幅を狭めればよいことが分かる。すなわち、トレンチがミラー近傍で狭い幅を有することによって、そのトレンチ両端領域において活性層中のIn濃度が減少してエネルギバンドギャップが増大し、それによってミラー近傍における光吸収が低減され得る。
図3の模式的平面図においては、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法が図解されている。図4は、図3中の線IV−IVに沿った断面図を表している。また、図5は、図3中の線V−Vに沿った断面図を表している。さらに、図6は、図3中の線VI−VIに沿った断面図を表している。ただし、図3においては複数のトレンチが示されているが、図面の簡略化と明瞭化のために、図5と図6においては一つのトレンチのみが示されている。
図3に示されているように、基板1の上面上に複数の平行なトレンチTがエッチングによって形成される。各トレンチは交互に配置された広幅領域TWと狭幅領域TNを含んでいる。それら複数のトレンチが形成された基板1上には、n型下部クラッド層を含む下部半導体積層構造2、Inを含む窒化物系半導体活性層3、およびp型上部クラッド層を含む上部半導体積層構造4が順次堆積される(図4、図5、および図6参照)。
この場合に、Inを含む窒化物系半導体活性層3の成長の際に、In原子はトレンチTの狭幅領域TNから外側へ移動する傾向にある。したがって、窒化物系半導体活性層3中のIn濃度は、他の領域に比べて狭幅領域TN内において低くなる。その結果、図4および図5に示されているように、狭幅領域TN内において窒化物系半導体活性層3の厚さが減少するとともにエネルギバンドギャップが増大する。
他方、窒化物系半導体活性層3内に含まれるIn原子は、トレンチTの広幅領域TW内のエッジ近傍では外側に移動する傾向にあるが、図3中の破線で示された中央領域TC内においては外側に移動する傾向が弱い。したがって、窒化物系半導体活性層3中のIn濃度は、広幅領域内のエッジ近傍においては低くなるが、中央領域TC内においてはほとんど低下しない。その結果、図6に示されているように、広幅領域TW内のエッジ近傍の限られた領域において窒化物系半導体活性層3の厚さが減少するとともにエネルギバンドギャップが増大するが、中央領域TC内においては窒化物系半導体活性層3の厚さがほとんど減少しなくてエネルギバンドギャップが増大しない。
図3に示されているような窒化物系半導体レーザ・ウエハにおいて、周知のストライプ状の光共振器が、ストライプ状トレンチTの実質的に中心線に沿って造り込まれる。さらに、レーザ・ウエハには、周知の正電極と負電極が形成される。
その後、図3の窒化物系半導体レーザ・ウエハは、トレンチTの狭幅領域TNを横切る線V−Vに沿って複数のレーザ・バーに劈開される。さらに、各レーザ・バーは単一のストライプ状光共振器を含むように複数のチップに分割され、こうして本発明による窒化物系半導体レーザ素子が得られる。
こうして得られた窒化物系半導体レーザ素子においては、ストライプ状光共振器の両端ミラー部は、ストライプ状トレンチTの狭幅領域TNに整合させられている。その結果、本発明による窒化物系半導体レーザ素子では、ストライプ状光共振器の両端ミラー部近傍において活性層中のInの濃度が小さくなっていてエネルギバンドが大きくなっているので、光共振器の両端ミラー部において光吸収による光学損傷(COD)を生じにくくなっている。
以下においては、本発明による窒化物系半導体レーザ素子の作製方法の一例がより具体的に説明される。
図4から図6に示された基板1としては、少なくともその最上層がGaN単結晶で形成されている基板ウエハを用いることができる。その基板ウエハは、バルクのGaN基板であってもよく、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛、または他の適当な基板上に堆積されたエピタキシャルGaN層(テンプレートGaN層)を含む基板ウエハであってもよい。
そのような基板ウエハの上面には、周知のプロセスを用いて、パターン化されたトレンチが形成される。例えば、まずCVDまたはスパッタリングによって、厚さ1000nmの酸化ケイ層が基板ウエハの上面に堆積される。そして、フォトレジストを利用したフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングによって、図3に示されているように基板ウエハの上面に複数の平行なストライプ状トレンチTが形成される。
このストライプ状トレンチTは、例えば幅10μmの狭幅領域TNと幅100μmの広幅領域TWとを含んでいる。狭幅領域TNと広幅領域TWの長さは、例えばそれぞれ40μmと800μmに設定され得る。
パターン化された基板1上には、下部半導体積層構造2に含まれる例えばn型GaN層と厚さ1800nmのn型Al0.06Ga0.94N層が順次堆積される。この下部半導体積層構造2上には、活性層3に含まれる例えば厚さ100nmのアンドープGaN層(障壁層)、厚さ2nmのアンドープIn0.1Ga0.9N層(量子井戸層)、および厚さ100nmのアンドープGaN層(障壁層)が順次堆積される。そして、活性層3上には、上部半導体積層構造に含まれる例えば厚さ1800nmのp型Al0.06Ga0.94N層および厚さ100nmのp型GaN層が順次堆積される。
前述のように、窒化物系半導体レーザ・ウエハにおいて、ストライプ状の光共振器が周知の方法によって造り込まれる。例えば、そのようなストライプ状の光共振器は、周知のリッジストライプ構造や周知の電流狭窄層を形成することによって造り込むことができる。その場合に、ストライプ状の光共振器は、ストライプ状トレンチTの実質的に中心線に沿って造り込まれる。正極の金属電極は上部半導体積層構造上に形成され、負極の金属電極は下部半導体積層構造に含まれるn型層に電気的に接続されるように形成される。
こうして作製されたレーザ・ウエハは、各トレンチTの狭幅領域TNに直交する方向でバー状に劈開される。得られた各レーザ・バーは、単一のストライプ状光共振器を含むレーザチップに切断される。
こうして得られた窒化物系半導体レーザ素子においては、前述のようにストライプ状光共振器の両端ミラー部がストライプ状トレンチTの狭幅領域TNに整合させられており、それらの両端ミラー部近傍において活性層中のInの濃度が小さくなっていてエネルギバンドが大きくなっているので、光共振器の両端ミラー部における光吸収による光学損傷(COD)を生じにくくなっている。
なお、前述の図3においては、トレンチTの狭幅領域TNと広幅領域TWとの間において、それらの幅が不連続に変化させられている。しかし、トレンチTの狭幅領域TNと広幅領域TWとの間においては、図7(A)の模式的平面図に示されているように幅が直線的に変化するテーパ部による遷移領域を含んでもよいし、図7(B)の模式的平面図に示されているように角を生じることなく幅がスムーズに変化する曲線的エッジ部による遷移領域を含んでもよい。そのような遷移領域において、活性層のIn濃度またはその厚さのスムーズな変化を得ることができる。
また、本発明の他の実施形態としては、図8の模式的断面図に示されているように、下部半導体積層構造に含まれる例えば前述のn型Al0.06Ga0.94N層を堆積した後にトレンチTが形成されてもよい。その後は、前述の実施形態の場合と同様に半導体レーザ素子が作製される(図8参照)。
以上のように、本発明によれば、Inを含む窒化物系半導体活性層の下層において幅が狭められた両端領域を有するトレンチを形成するだけで、高パワーの光を出力できかつ長寿命の窒化物系半導体レーザ素子を比較的簡便かつ確実に提供することができる。
1 基板、2 n型下部クラッド層を含む下部半導体積層構造、3 活性層、4 p型上部クラッド層を含む上部半導体積層構造、T ストライプ状トレンチ、TN トレンチTの狭幅領域、TW トレンチTの広幅領域、TC トレンチTの広幅領域TW内の中央領域。
Claims (6)
- 基板の上面上において順に積層された第1導電型の下部クラッド層、活性層、および第2導電型の上部クラッド層を少なくとも含む半導体積層構造を有し、
前記活性層の下層にはストライプ状トレンチが形成されており、
前記半導体積層構造は前記ストライプ状トレンチに沿って配置されたストライプ状光共振器を含み、
前記ストライプ状トレンチの中央主要領域に比べて両端領域は幅が狭められており、
前記活性層はInを含む窒化物系半導体で形成されていることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。 - 前記活性層中のInの濃度は、前記ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い前記両端領域内において減少していることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記活性層中のエネルギバンドギャップは、前記ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い前記両端領域内において増大していることを特徴とする請求項2に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記活性層の厚さは、前記ストライプ状トレンチの中央主要領域内に比べて幅が狭い前記両端領域内において減少していることを特徴とする請求項2に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 請求項1から4のいずれかの窒化物系半導体レーザ素子を製造するための方法であって、
前記基板の上面上において交互の広幅領域と狭幅領域とを含む前記ストライプ状トレンチをエッチングによって形成し、
前記基板の上面上において前記第1導電型下部クラッド層、前記活性層、および前記第2導電型上部クラッド層をこの順に堆積し、
前記ストライプ状トレンチの各前記狭幅領域を横断する劈開を行ない、
前記ストライプ状光共振器ごとのチップ分割を行なうことを特徴とする製造方法。 - 請求項1から4のいずれかの窒化物系半導体レーザ素子を製造するための方法であって、
前記基板の上面上において前記第1導電型下部クラッド層までを堆積し、
前記下部クラッド層の上面からのエッチングによって、交互の広幅領域と狭幅領域とを含む前記ストライプ状トレンチを形成し、
その後に、前記活性層および前記第2導電型上クラッド層をこの順に堆積し、
前記ストライプ状トレンチの各前記狭幅領域を横断する劈開を行ない、
前記ストライプ状光共振器ごとのチップ分割を行なうことを特徴とする製造方法。
Priority Applications (2)
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