JP2014022506A - 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 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】III族窒化物半導体レーザ素子11では、第2III族窒化物半導体領域17はリッジ構造35を有し、このリッジ構造35は、その幅に応じて活性層15へ電流を閉じ込めることができると共に、第2III族窒化物半導体領域17における光閉じ込めにも影響する。第2光ガイド層25aの厚さは第1光ガイド層21aの厚さより薄く、また第1III族窒化物半導体領域内13の第1光ガイド層21aが370nm以上の厚さを有する。III族窒化物半導体レーザ素子11における光閉じ込め特性に関して、リッジ構造35の幅に起因する影響を低減でき、電流の閉じ込めは、主にリッジ構造35の幅WRに応じて達成される。光の閉じ込めは、リッジ構造35に加えて厚い第1光ガイド層21aに依存する。
【選択図】図1
Description
この実施例では、図3に示されるIII族窒化物半導体レーザ素子11aを作製する。まず、図4の(a)部に示されるように、エピタキシャル基板Eを準備する。半極性GaN基板(例えばウエハ状の基板)を準備する。この半極性GaN基板の主面は例えば{20−21}面を有する。{20−21}面では、基板のGaNのc軸はこの基板主面の法線に対してGaNのm軸の方向に75度の角度で傾斜している。GaN基板のサーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングは、アンモニア(NH3)及び水素(H2)を含む雰囲気中で行われ、熱処理温度は、摂氏1050度である。この前処理の後に、まず、第1のIII族窒化物半導体領域を成長する。GaN基板の半極性主面上に、n型GaN層を成長する。n型GaN層の厚さは例えば1100nmである。成長温度は摂氏1050度である。基板温度を摂氏840度に下げた後に、このn型GaN層上にn型クラッド層を成長する。本実施例では、n型クラッド層として、厚さ1200nmのn型InAlGaNクラッド層を成長する。このn型InAlGaNクラッド層のIn組成は0.03であり、Al組成は0.14である。摂氏840度の基板温度において、n型InAlGaNクラッド層上に、GaN光ガイド層を成長する。GaN光ガイド層はn型であり、その厚さは200nmである。このGaN光ガイド層上に、InGaN光ガイド層を成長する。InGaN光ガイド層はn型又はアンドープであり、その厚さは400nmである。このInGaN層のIn組成は例えば0.025である。これらの光ガイド層からなるn側の内側半導体層を形成した後に、この内側半導体層上に活性層を成長する。この実施例では、活性層として、摂氏790度の基板温度においてInGaN層を成長する。このInGaN層のIn組成は例えば0.255であり、InGaN層の厚さは3nmである。活性層上に、第2III族窒化物半導体領域を成長する。例えば、基板温度を摂氏840度に上昇した後に、活性層上にアンドープ光ガイド層を成長する。アンドープ光ガイド層はGaN及び/又はInGaNからなることができる。InGaN光ガイド層のIn組成は例えば0.025である。アンドープ光ガイド層上に、p型GaN光ガイド層を成長する。これらの光ガイド層からなるp側の内側半導体層を形成した後に、この内側半導体層上に厚さ400nmのp型AlGaNクラッド層を成長する。このp型AlGaNクラッド層のAl組成は0.04である。基板温度を摂氏1000度に上昇した後に、p型AlGaNクラッド層上に、厚さ50nmのp型GaNコンタクト層を成長する。これらの工程によりエピタキシャル基板Eを作製できる。エピタキシャル基板Eにおいて、n側光ガイド層の厚さTNはp側光ガイド層の厚さTPより大きい。
n型クラッド層:n型InAlGaN、In組成0.02〜0.04、Al組成0.09〜0.21、膜厚1000〜1500nm。
n型光ガイド層:n型GaN、膜厚150〜350nm。
n側光ガイド層:n型/アンドープInGaN、膜厚を変化。
p側光ガイド層:アンドープInGaN、In組成0.015〜0.035、膜厚0〜100nm。
p型光ガイド層:p型InGaN、In組成0.015〜0.035、膜厚0〜100nm。
p型光ガイド層:p型GaN、膜厚150〜350nm。
p型クラッド層:p型AlGaN、Al組成0.03〜0.06、膜厚200〜600nm。
p型コンタクト層:p+型GaN、膜厚10〜100nm。
リッジ構造の幅(TOP): 1.0μm〜2.5μm。
絶縁膜(保護膜)の材料:SiO2、膜厚150〜500nm。
In組成、FFP_H(度)、FFP_V(度)。
2.5、 13.66、 23.8。
4.5、 13.52、 24.9。
5.5、 13.44、 25.6。
6.5、 13.36、 26.2。
層厚、 FFP_H(度)、FFP_V(度)。
144、 13.66、 23.8。
201、 13.29、 23.7。
259、 12.88、 23.5。
288、 12.66、 23.4。
360、 12.12、 23.0。
450、 11.39、 22.4。
600、 10.12、 21.4。
層厚、 しきい値電流密度(A/cm2)。
144、 5.00。
201、 4.66。
259、 4.47。
288、 4.40。
360、 4.33。
450、 4.36。
600、 4.61。
Claims (30)
- III族窒化物半導体レーザ素子であって、
六方晶系のIII族窒化物半導体からなり半極性面を有する第1III族窒化物半導体領域と、
前記第1III族窒化物半導体領域の前記半極性面上に設けられた活性層と、
前記第1III族窒化物半導体領域の前記半極性面上に設けられた第2III族窒化物半導体領域と、
を備え、
前記活性層は前記第1III族窒化物半導体領域と前記第2III族窒化物半導体領域との間に設けられ、
前記活性層の発振波長は400nm以上550nm以下の範囲にあり、
前記第1III族窒化物半導体領域は、第1導電型のIII族窒化物半導体からなる第1クラッド層と第1光ガイド層とを含み、
前記第1光ガイド層は、III族構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム半導体を備え、
前記第2III族窒化物半導体領域は、第2導電型のIII族窒化物半導体からなる第2クラッド層と第2光ガイド層とを含み、
前記第2光ガイド層の厚さは、前記第1光ガイド層の厚さより薄く、
前記第1光ガイド層の厚さは370nm以上であり、
前記第2III族窒化物半導体領域はリッジ構造を有する、III族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第1光ガイド層の膜厚は550nm以下である、請求項1に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1III族窒化物半導体領域の前記半極性面の法線は、前記第1III族窒化物半導体領域の前記III族窒化物半導体のc軸に対して傾斜を成し、
前記傾斜の傾斜角は10度以上80度以下の範囲にある、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。 - 前記リッジ構造の底は、前記第2III族窒化物半導体領域内の前記第2光ガイド層に位置する、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。
- 前記リッジ構造の底と前記活性層との間隔は150nm以下である、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。
- 前記活性層の発振波長は480nm以上550nm以下の範囲にある、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。
- 前記活性層の発振波長は510nm以上540nm以下の範囲にある、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。
- 前記リッジ構造は、前記第1III族窒化物半導体領域の前記半極性面の法線と、前記第1III族窒化物半導体領域の前記III族窒化物半導体のm軸とにより規定されるm−n面に沿って延在する、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。
- 前記第1光ガイド層は三元InGaNからなり、
前記活性層は、三元InGaN層を含む、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。 - 前記活性層はInGaN井戸層を含み、
前記第1光ガイド層のインジウム組成は、前記InGaN井戸層のインジウム組成より小さく、
前記第1光ガイド層のインジウム組成は2%以上である、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。 - 前記活性層は、InGaN井戸層を含み、
前記第1光ガイド層のインジウムの組成は6%以下であり、前記InGaN井戸層のインジウム組成より小さい、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。 - 前記第1III族窒化物半導体領域は、第3光ガイド層を更に含み、
前記第3光ガイド層はInGaNと異なる材料を備え、
前記第3光ガイド層は前記第1光ガイド層と前記第1クラッド層との間に設けられ、
前記第1光ガイド層の厚さは前記第3光ガイド層の厚さより大きい、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。 - 前記リッジ構造の上面に設けられたオーミック電極を更に備え、
前記第2III族窒化物半導体領域は、第2導電型のIII族窒化物半導体からなるコンタクト層を更に含み、
前記第2クラッド層は、前記コンタクト層と前記第2光ガイド層との間に設けられ、
前記オーミック電極は前記コンタクト層に接触を成す、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。 - 前記オーミック電極はパラジウムを備える、請求項13に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記リッジ構造の上面に合わせた開口を有すると共に前記第1III族窒化物半導体領域の表面を覆う保護膜と、
前記オーミック電極の上面を覆うと共に前記保護膜上に設けられたパッド電極と、
を更に備え、
前記保護膜は前記リッジ構造の側面を覆っており、
前記保護膜の屈折率は前記第2III族窒化物半導体領域の屈折率より小さく、
前記オーミック電極は、前記保護膜の前記開口を介して前記第2III族窒化物半導体領域に接触を成す、請求項14に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 六方晶系のIII族窒化物からなる半極性主面を有する基板を更に備え、
前記第1III族窒化物半導体領域、前記活性層及び前記第2III族窒化物半導体領域は、前記基板の前記半極性主面の法線方向に配置される、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。 - 前記基板の前記半極性主面の法線は、前記基板の前記III族窒化物のc軸に対して傾斜を成し、
前記傾斜の傾斜角は63度以上80度以下の範囲にある、請求項16に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。 - 前記基板は、GaN、InGaN、AlGaN、及びInAlGaNのいずれかである六方晶系の導電性III族窒化物を備える、請求項17に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1クラッド層は、n導電性のInX1AlY1Ga1−X1−Y1N(0<X1<0.05、0<Y1<0.20)である、請求項1〜請求項18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2クラッド層は、p導電性のInX2AlY2Ga1−X2−Y2N(0<X2<0.05、0<Y2<0.20)である、請求項1〜請求項19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、
六方晶系のIII族窒化物半導体からなり半極性面を有する第1クラッド層を成長する工程と、
前記第1クラッド層の前記半極性面上に第1光ガイド層を成長する工程と、
前記第1光ガイド層の成長の後に、窒化ガリウム系半導体の活性層を形成する工程と、
前記活性層の成長の後に、リッジ構造を有するIII族窒化物半導体領域を形成する工程と、
を備え、
前記活性層の発振波長は、400nm以上550nm以下であり、
前記第1光ガイド層は、III族構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム半導体を備え、
前記第1光ガイド層の厚さは370nm以上である、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記第1光ガイド層の膜厚は550nm以下である、請求項21に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記第1クラッド層の前記半極性面の法線は、前記第1クラッド層の前記III族窒化物半導体のc軸に対して傾斜を成し、
前記傾斜の傾斜角は10度以上80度以下の範囲にある、請求項21又は請求項22に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記III族窒化物半導体領域は第2クラッド層及び第2光ガイド層を含み、
前記リッジ構造の底は、前記III族窒化物半導体領域内の前記第2光ガイド層に位置する、請求項21〜請求項23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を作製する方法。 - 前記リッジ構造の底と前記活性層との間隔は150nm以下である、請求項21〜請求項24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を作製する方法。
- 窒化ガリウム系半導体レーザ素子を製造する方法であって、
六方晶系のIII族窒化物からなる主面を有する複数の基板を準備する工程と、
第1クラッド層及び第1光ガイド層を有する第1III族窒化物半導体領域、窒化ガリウム系半導体からなる活性層、並びに、第2クラッド層及び第2光ガイド層を有する第2III族窒化物半導体領域を含む半導体積層を前記基板の前記主面上に成長して、前記第1光ガイド層の厚さが互いに異なる複数の試行用エピタキシャル基板を作製する工程と、
前記複数の試行用エピタキシャル基板にリッジ構造及び電極を形成して、複数の試行用基板生産物を作製する工程と、
前記複数の試行用基板生産物の遠視野像の評価を行って、前記遠視野像と前記第1光ガイド層の前記厚さとの関係を得る工程と、
前記評価の結果を用いて、当該窒化ガリウム系半導体レーザ素子のための第1光ガイド層の厚さを決定する工程と、
前記第1光ガイド層が前記決定された厚さを有するように、当該窒化ガリウム系半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板を作製する工程と、
を備えるIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記基板の主面の法線は、前記基板の前記III族窒化物のc軸に対して傾斜を成し、
前記傾斜の傾斜角は10度以上80度以下の範囲にある、請求項26に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。 - 前記リッジ構造の底は、前記第2III族窒化物半導体領域内の前記第2光ガイド層に位置する、請求項26又は請求項27に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
- 前記リッジ構造の底と前記活性層との間隔は150nm以下である、請求項26〜請求項28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を作製する方法。
- 前記複数の試行用基板生産物のレーザ発振のためのしきい値電流の評価を行って、前記しきい値電流と前記第1光ガイド層の前記厚さとの関係を得る工程を更に備え、
前記第1光ガイド層の厚さを決定する前記工程では、前記遠視野像の評価結果及び前記しきい値電流の評価結果を利用して、前記第1光ガイド層の前記厚さが決定される、請求項26〜請求項29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を作製する方法。
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