JP3334624B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
窒化物半導体レーザ素子Info
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Description
lbGa1−a−bN、0≦a、0≦b、a+b≦1)より
なるレーザ素子に関する。
部分的に形成されたSiO2膜を介して選択成長された
n−GaNよりなる窒化物半導体基板の上に、レーザ素
子構造となる窒化物半導体層を複数積層し、サファイア
基板を除去して、劈開により共振面を形成することによ
り、室温での連続発振1万時間以上を可能とする窒化物
半導体レーザ素子を発表した。例えば、Jpn.J.Appl.Phy
s.Vol.37(1998)pp.L309-L312、Part2,No.3B,15 March
1998などに記載されている。図6に、従来のレーザ素子
として前記J.J.A.P.に示される図と同様の模式的断
面図を示した。この図6は、p−GaNよりなるp側コ
ンタクト層からp−Al0.14Ga0.86N/Ga
Nの超格子構造よりなるp側クラッド層まで部分的にエ
ッチングしてなる幅3μmのリッジ形状のストライプを
有し、n−GaNよりなるn側コンタクト層をエッチン
グにより露出させてその露出面に形成されたn電極、及
びストライプの最上部に形成されたp電極を有し、更に
各電極を除いてエッチングにより露出されたストライプ
の側面や露出平面等にSiO2よりなる絶縁膜を形成し
てなる窒化物半導体レーザ素子を示している。そして、
この窒化物半導体レーザ素子は、単一モードのアスペク
ト比が約4のレーザ光を得ることができる。
ーザ素子は、寿命特性が良好で、単一モードのレーザ光
が得られるものの、そのレーザ光がアスペクト比4の長
楕円形であるために、レーザ素子を種種の製品に応用す
るにはレーザビームの絞りや、レンズ設計がやや困難と
なる。レーザ素子を用いて種種の製品を製造する場合に
は、レーザ光のアスペクト比が1.0に近い円形である
ことが望ましい。そこで、本発明の目的は、レーザ光の
アスペクト比を小さくし、レーザ光を用いた製品の作製
にあたって、レーザビームの絞りやレンズ設計が容易と
なる窒化物半導体レーザ素子を提供することである。
(1)〜(4)により本発明の目的を達成することがで
きる。 (1) Alを含む窒化物半導体層を有するp側及びn
側のクラッド層の間に、InGaNを少なくとも有する
活性層を含む導波路領域を有し、前記p側クラッド層の
上に、p側コンタクト層が積層されてなる窒化物半導体
レーザ素子において、前記p側クラッド層は、クラッド
層全体の厚さを2.0μm以下とし、かつそのp側クラ
ッド層に含まれるAl平均組成(%)との積が4.4以
上となるように構成されてなり、前記p側コンタクト層
側からp側クラッド層と導波路領域との界面よりも基板
側にかけてエッチングして形成された幅0.5〜2.0
μmのリッジ形状のストライプを有し、該ストライプの
両側面及びその側面と連続した窒化物半導体層の平面
に、屈折率が前記導波路領域の平均の屈折率より0.1
以上小さい値を有する絶縁膜を有し、更に該絶縁膜を介
して、少なくとも前記ストライプの最上層にあるp側コ
ンタクト層の表面全面に接するようにp電極が設けられ
ていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 (2) Alを含む窒化物半導体層を有するp側及びn
側のクラッド層の間に、InGaNを少なくとも有する
活性層を含む導波路領域を有し、前記p側クラッド層の
上に、p側コンタクト層が積層されてなる窒化物半導体
レーザ素子において、前記n側クラッド層は、少なくと
もAlを含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、
そのn側クラッド層全体の厚さが0.5μm以上とし、
かつそのn側クラッド層に含まれるAl平均組成(%)
との積が4.4以上となるように構成されてなり、前記
p側コンタクト層側からp側クラッド層と導波路領域と
の界面よりも基板側にかけてエッチングして形成された
幅0.5〜2.0μmのリッジ形状のストライプを有
し、該ストライプの両側面及びその側面と連続した窒化
物半導体層の平面に、屈折率が前記導波路領域の平均の
屈折率より0.1以上小さい値を有する絶縁膜を有し、
更に該絶縁膜を介して、少なくとも前記ストライプの最
上層にあるp側コンタクト層の表面全面に接するように
p電極が設けられていることを特徴とする窒化物半導体
レーザ素子。 (3) 前記リッジ形状のストライプが、ストライプの
端面の幅よりストライプの中央の幅が大きくなるように
形成されていることを特徴とする前記(1)又は(2)
に記載の窒化物半導体レーザ素子。 (4) 前記リッジ形状のストライプが、p側コンタク
ト層側から導波路領域とn側クラッド層との界面よりも
基板側にかけてエッチングして形成されていることを特
徴とする前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の窒
化物半導体レーザ素子。
て、下記構成を挙げることができる。 (5) 前記p及びn側クラッド層の少なくとも一方
が、Alを含む窒化物半導体を有する超格子構造である
ことを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれかに記載
の窒化物半導体レーザ素子。 (6) 前記活性層、クラッド層及びコンタクト層が、
窒化物半導体の横方向の成長を利用して成長させた窒化
物半導体基板上に成長されてなることを特徴とする前記
(1)〜(5)のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ
素子。 (7) 前記窒化物半導体レーザ素子のアスペクト比
が、1.0〜3.0であることを特徴とする前記(1)
〜(6)のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
は、上記の如く、リッジ形状のストライプを形成する際
に、ストライプの幅及びエッチング量を特定してストラ
イプを形成し、形成されたストライプの側面に導波路領
域の屈折率より小さい値の屈折率を有する絶縁膜を設
け、更に形成されたストライプの最上面の全面にp電極
を接して形成することにより、水平横モードを調整で
き、アスペクト比の値を小さくすることができる。
モードが基本モードになることや、エッチングの量とス
トライプの両側面に屈折率の異なるものを設けることで
レーザ素子が屈折率型となることは理論的に知られてい
る。しかしながら、前記J.J.A.P.に記載の公知の窒化物
半導体レーザ素子のアスペクト比は4であり、実際にア
スペクト比が1.0〜3.0となるような窒化物半導体
レーザ素子は得られていない。
本モード化、水平横方向の光閉じ込めの強化のために、
上記本発明の如く種種の構成を組み合わせることによ
り、窒化物半導体レーザ素子のレーザ光のアスペクト比
を約1.0〜3.0とすることができる。
屈折率より0.1以上小さい値を有すると、水平横方向
の光閉じ込めの点で好ましい。また本発明において、リ
ッジ形状のストライプが、ストライプの端面の幅よりス
トライプの中央の幅が大きくなるようにエッチングして
形成されていると、及び/または、p側コンタクト層側
から導波路領域とn側クラッド層との界面よりも基板側
にかけてエッチングして形成されていると、アスペクト
比を調整し易くなり好ましい。
ザ素子(以下単にレーザ素子という場合がある。)を更
に詳細に説明する。本発明の窒化物半導体レーザ素子
は、Alを含む窒化物半導体層を有するp側及びn側の
クラッド層の間に、InGaNを少なくとも有する活性
層を含む導波路領域を有し、前記p側クラッド層の上
に、p側コンタクト層が積層されてなる素子構造を少な
くとも有し、前記p側コンタクト層側からp側クラッド
層と導波路領域との界面より基板側までエッチングして
形成された幅0.5〜2.0μmのリッジ形状のストラ
イプを有し、該ストライプの両側面及びその側面と連続
した窒化物半導体層の平面に、屈折率が導波路領域の屈
折率より小さい値を有する絶縁膜を有し、更に該絶縁膜
を介して、少なくとも前記ストライプの最上層にあるp
側コンタクト層の表面全面に接するようにp電極が設け
られてある。
ーザ光を放出する共振面を有する素子端部に位置する少
なくとも一方のストライプ端部の幅であり、ストライプ
の中央部の幅が上記範囲より大きい値を有していてもよ
い。
素子構造となる各窒化物半導体層を積層成長させてい
き、最上層のp側コンタクト層を積層させた後、p側コ
ンタクト層側からエッチングしリッジ形状のストライプ
として形成される。エッチング量は、p側コンタクト層
から、p側クラッド層と導波路領域との界面よりも基板
側にかけて、好ましくは導波路領域とn側クラッド層と
の界面よりも基板側にかけてエッチングされる。このよ
うにエッチング量を調整すると、横方向の光閉じ込めが
大きくなり好ましく、またレーザ素子のしきい値が著し
く低下し好ましい。また、エッチング量は、とくに限定
されないが、素子の性能等の点から、例えばn電極を形
成可能な窒化物半導体層まで、または基板が窒化物半導
体基板である場合は、基板上に形成されているn側コン
タクト層やn側クラッド層までである。
際に、ストライプ幅が0.5〜2.0μm、好ましくは
0.5〜1.0μmとなるように調整してエッチングさ
れる。ストライプの幅が上記範囲であると、水平横モー
ドが基本モードとなり易く、しきい値の上昇が抑えられ
る。
形状(素子を真上から見た場合の形状)が、ストライプ
の端部に接近するに従い狭くなるように形成されている
と、アスペクト比の調整がし易くなり好ましい。この場
合のストライプの幅は、少なくとも一方のストライプの
端部での幅が上記範囲であればよく、ストライプの中央
部の幅が上記範囲より大きい値でもよい。このようにス
トライプの平面形状が端部に接近するに従い狭くなる具
体的なストライプの平面形状としては、本出願人が出願
した特願平9−352540号明細書に記載のものが挙
げられる。その一例として、例えば図3に、共振面に接
近するに従いストライプの幅が中心分部から徐々に細く
なるストライプの平面形状が挙げられる。
波路領域の屈折率より小さい値を有する絶縁性のもので
あればいずれでもよく、好ましくは絶縁膜の屈折率が、
導波路領域の屈折率より0.1以上小さい値のもの、よ
り好ましくは0.3以上小さい値のもの、更に好ましく
は0.7以上小さい値ものが挙げられる。屈折率の上限
としては1.0以下である。このようにストライプの側
面に形成される屈折率が0.1以上小さいと、水平横方
向の光閉じ込めの点で好ましい。導波路領域の屈折率
は、導波路領域を構成する層により屈折率がやや左右す
るので、導波路領域の平均の屈折率により適宜絶縁膜を
選択して用いられる。本発明に用いられる絶縁膜として
は、具体的に、例えば、屈折率が約1.6〜2.3付近
の値を有する、Si、V、Zr、Nb、Hf、Taより
なる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化
物や、BN、AlN等が挙げられる。これらの絶縁膜を
用いるとアスペクト比を良好に調節でき好ましい。ここ
で、本発明のレーザ素子として実施例等に記載の導波路
領域の屈折率は、約2.3〜2.5付近であり、ストラ
イプの側面に形成される絶縁膜として屈折率の差が0.
1以上小さいものを適宜選択して用いることが好まし
い。また、後述の第1の工程から第4の工程を有するス
トライプ等を形成する方法において好ましい絶縁膜とし
ては、工程での操作性等の点から、上記のSi酸化物以
外のものが挙げられ、より好ましくは、Zr及びHfの
酸化物のいずれか1種以上の元素や、BNである。ま
た、Si酸化物を絶縁膜として用いる場合、エッチング
またはリフトオフ法などの処理条件の調整や、エッチン
グする際のマスク材の選択等を行い、ストライプの側面
にSi酸化物を形成できるような条件により行われる。
なお上記SiCは、スパッタ、蒸着等のPVDによる製
膜ではアモルファス状になるため絶縁体であり、また
n、p型の不純物を含んでいないSiCも絶縁体であ
る。
を両側面に有するリッジ形状のストライプを形成する方
法としては、上記の形状のストライプ等が得られれば特
に限定されない。また、ストライプの両側面に形成され
た絶縁膜を介して、ストライプの最上面のp側コンタク
ト層表面の全面に形成されるp電極の形成方法は、スト
ライプの最上層のp側コンタクト層の全面に接するよう
に絶縁膜を介して形成されていればよい。またp電極と
なる電極材料は、p側コンタクト層とオーミック接触が
得られる電極材料であれば特に限定されず、種種のもの
を用いることができる。またストライプの側面に形成さ
れる絶縁膜として2層以上を形成してもよい。本発明に
おいて、リッジ形状のストライプ及びp電極の形成方法
は、上記の如く限定されるものではないが、例えば具体
的に好ましい形成方法として以下に示す方法が挙げられ
る。
側クラッド層の上に、p側コンタクト層を積層した後、
そのp側コンタクト層の表面に、ストライプ状の第1の
保護膜を形成する第1の工程と、第1の保護膜を介し
て、該第1の保護膜が形成されていない部分の窒化物半
導体をエッチングして、保護膜直下部分にリッジ形状の
ストライプを形成する第2の工程と、第2の工程後、第
1の保護膜と異なる材料であって、絶縁性を有する第2
の保護膜を、ストライプの側面及びエッチングされて露
出した窒化物半導体層の平面に形成する第3の工程と、
第3の工程後、第1の保護膜を除去して、前記第2の保
護膜と最上層のp型窒化物半導体層の表面に、そのp側
コンタクト層と電気的に接続した電極を形成する第4の
工程とを行うことによりリッジ形状のストライプ及び電
極等を形成することができる。
波路領域の屈折率より小さい値の絶縁膜となる。また第
2の工程において、エッチング量をp側クラッド層と導
波路領域との界面よりも基板側にかけて行い、窒化物半
導体にリッジ形状のストライプが形成され、そのストラ
イプの側面と連続した窒化物半導体の平面が露出され
る。本発明において、エッチング量とは、p側コンタク
ト層から基板側に向かってどの程度エッチングするかを
示し、例えば、エッチング量を活性層までとする場合
は、活性層となる窒化物半導体の平面が露出する程度ま
でp側コンタクト層からエッチングすることを示す。
1の保護膜を形成する方法としては、p型窒化物半導体
層最上層のほぼ全面に第1の保護膜を形成し、その第1
の保護膜の上にストライプ状の第3の保護膜を形成した
後、その第3の保護膜を介して、第1の保護膜をストラ
イプ状にエッチングする工程により、第1の保護膜を形
成することが挙げられる。
及び電極等を形成する方法を図1及び図2を用いて更に
詳細に説明する。図1及び図2は、形成方法の工程を説
明するための、窒化物半導体ウェーハの部分的な構造を
示す模式的な断面図であり、エッチングにより形成した
ストライプに対し垂直方向、即ち共振面に対して平行方
向で切断した際の図を示している。 第1の工程では図
1(c)に示すように、最上層にあるp側コンタクト層
13の上にストライプ状の第1の保護膜61を形成す
る。
1を形成するための一実施の形態である具体的な工程を
示すものである。図1(a)に示すように、第1の保護
膜61をp側コンタクト層13の表面のほぼ全面に形成
し、次にその第1の保護膜61の上にストライプ状の第
3の保護膜63を形成する。その後、図1(b)に示す
ように、その第3の保護膜63をつけたまま、第1の保
護膜61をエッチングした後、第3の保護膜63を除去
すれば、図1(c)に示すようなストライプ状の第1の
保護膜61を形成することができる。なお第3の保護膜
63をつけたままエッチングガス、若しくはエッチング
手段等を変えて、p側コンタクト層13側からエッチン
グすることもできる。
の第1の保護膜61を形成するにはリフトオフ法を用い
ることもできる。即ち、ストライプ状の孔が開いた形状
のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストの上か
ら全面に第1の保護膜61を形成し、その後フォトレジ
ストを溶解除去することにより、p側コンタクト層13
と接触している第1の保護膜61のみを残す手段であ
る。なおリフトオフ法でストライプ状の第1の保護膜6
1を形成するよりも、前記図1(a)、(b)のように
エッチングにより形成する方が端面がほぼ垂直で形状が
整ったストライプが得られやすい傾向にある。
問わず、次の第2の工程で行われるエッチングの際に、
窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料であれば
どのような材料でもよい。好ましくは、後に形成する第
2の保護膜62との溶解度差を設けるために、第2の保
護膜62よりもエッチングする際に用いられるガスや溶
液に対して溶解されやすい性質を更に兼ね備えている材
料を選択して用いる。例えば後述するように酸を用いた
ドライエッチングの場合、第1の保護膜61として、S
i酸化物(SiO2を含む)や、フォトレジスト等が挙
げられる。これらを用いると、第1〜第4の工程の方法
により屈折率の小さい絶縁膜をストライプの側面に形成
し易くなり好ましい。この場合の酸としては、例えばフ
ッ酸が用いられる。フッ酸を用いる場合の第1の保護膜
61の材料としては、フッ酸に溶解し易いSi酸化物が
好ましく用いられる。第1の保護膜61のストライプ幅
(W)としては、0.5〜2.0μm、好ましくは0.
5μm〜1μmに調整する。第1の保護膜61のストラ
イプ幅が、およそ導波路領域のストライプ幅に相当す
る。このようにストライプ幅を調整すると水平横オード
が基本モードになり易くアスペクト比の調整において好
ましく、またしきい値の上昇が抑えられ寿命特性が向上
し好ましい。第3の保護膜としては、フォトリソグラフ
ィで用いられるレジストなどが用いられる。
に、第1の保護膜61を介して、該第1の保護膜61が
形成されていない部分のp側コンタクト層13からエッ
チングして、第1の保護膜61の直下部分に保護膜の形
状に応じたストライプを形成する。第2の工程におい
て、エッチング量は、p側クラッド層と導波路領域との
界面よりも基板側にかけて、好ましくは導波路領域とn
側クラッド層との界面よりも基板側にかけてである。図
2(d)に示す例ではn側コンタクト層5の途中までエ
ッチングしている。また図2の(d)のストライプを構
成しているp側コンタクト層からn側コンタクト層の間
のその他の素子構成としては、p側クラッド層12、p
側光ガイド層11、p側キャップ層10、活性層9、n
側光ガイド層8、n側クラッド層7、クラック防止層6
である。このようにエッチングすることにより、リッジ
形状のストライプを有する屈折率導波路型レーザ素子が
でき、このレーザ素子は、水平横方向の光閉じ込めが良
好となり、さらにしきい値が著しく低下する傾向があり
好ましい。
手段としては、特に限定されず、ウエットエッチング、
ドライエッチング等が挙げられ、前記したように第1の
保護膜や第2の保護膜をどのように選択して用いるかに
よりエッチング手段が選択され用いられる。好ましくは
ドライエッチングが用いられる。例えば第1の工程で第
1の保護膜61としてSi酸化物を用いる場合、第1の
保護膜61をエッチングする手段としては、RIE(反
応性イオンエッチング)のようなドライエッチングが挙
げられ、RIEのエッチングガスとしてはCF4のよう
なフッ素化合物系のガスを用いることが望ましい。更
に、第1の保護膜61を形成後に第2の工程において窒
化物半導体をエッチングする方法としては、例えば、他
のIII−V族化合物半導体で用いられている、Cl2、
CCl4、SiCl4のような塩素系のガスを用いて行
われる。このような塩素系のガスを用いると、窒化物半
導体とSi酸化物からなる第1の保護膜61とのエッチ
ングによる溶解度の差が大きくなり、選択性比が大きく
できるため望ましい。
うに、絶縁性を有する第2の保護膜62を、リッジ形状
のストライプの側面と、エッチングされて露出した窒化
物半導体層の平面、図2(e)では、n側コンタクト層
5の平面、とに形成する。第2の保護膜62としては、
導波路領域の屈折率より小さい値の絶縁膜であり、且つ
前記の第1の保護膜61とエッチングによる溶解度の異
なる材料から選択して用いられる。好ましくは、前記の
リッジ形状のストライプの側面に形成される絶縁膜の材
料から選択して用いる。例えば、前記したようにSi酸
化物よりなる第1の保護膜61を用いた場合、Si酸化
物がフッ酸に溶解し易いことから、第2の保護膜として
フッ酸に溶解しにくい材料として例えばZrの酸化物
(例えばZrO2)が用いられる。また前記した絶縁膜
の材料の中で、Si酸化物以外は比較的フッ酸に溶解し
にくいので、第1の保護膜61をSi酸化物とすると、
第2の保護膜62として前記した絶縁膜の中から選択で
き好ましい。
度が異なる材料を選択して用いると、図2(f)に示す
ように、第1の保護膜61のみを除去して、n側コンタ
クト層5の表面とストライプの側面との両方に連続した
第2の保護膜62を形成することができる。例えば前記
のSi酸化物からなる第1の保護膜61を用いた場合、
第2の保護膜をストライプの側面等に形成後、フッ酸で
処理すると、第1の保護膜61のみを除去することがで
きる。このようにして屈折率の小さい絶縁性の第2の保
護膜62をストライプの側面等に形成することにより、
アスペクト比を調整し易くなり好ましい。また、第1の
保護膜61の上から連続して第2の保護膜62を形成す
ると、n側コンタクト層5の上に均一な膜厚で形成でき
るため、膜厚の不均一が起こりにくく、膜厚の不均一に
起因する電流の集中も発生しなくなる。なお、第2の工
程においてエッチング量をn側コンタクト層5の途中と
しているため、図2(e)では第2の保護膜62はn側
コンタクト層5の平面に形成されるが、エッチング量を
n側コンタクト層5よりも上にすると、当然第2の保護
膜62は、エッチングにより露出された窒化物半導体層
の平面に形成される。
いる場合は、エッチングの処理液やガスの調整等、又は
Si酸化物よりなる第2の保護膜62との溶解度に差が
ある材料を選択するなどして、ストライプの側面にSi
酸化物が形成できるような条件により行う。
2の保護膜62を所望の部分に形成する方法として、リ
フトオフ法を用いることができる。例えば第1の保護膜
61としてSi酸化物を用い、第2の保護膜62として
Zr酸化物を用いる場合、この第2の保護膜はSi酸化
物からなる第1の保護膜よりもフッ酸に対して溶解しに
くいことから、図2(e)に示すようにリッジ形状のス
トライプの側面、そのストライプが形成されている平面
(エッチングにより露出されている窒化物半導体層の平
面)、及び第1の保護膜61の表面に、Zr酸化物より
なる第2の保護膜を連続して形成された後、リフトオフ
法により、第1の保護膜61のみを除去することができ
る。このように、リフトオフ法を用いると、図2(f)
に示すように、平面に対して膜厚が均一な第2の保護膜
62が形成し易くなる。
うに、第1の保護膜61を除去した後に、図2(g)に
示すように、第2の保護膜62とp側コンタクト層13
の上に、そのp側コンタクト層13と電気的に接続した
p電極20をp側コンタクト層13全面、ストライプの
側面、及びn側コンタクト層5の平面に形成する。ここ
で、先に第2の保護膜62を形成しているために、この
p電極20を形成する際に、ストライプ幅の狭いp側コ
ンタクト層13のみに形成する必要がなく、大面積で形
成できる。しかも、オーミック接触を兼ねた電極材料を
選択してオーミックとボンディング用の電極を兼ねた電
極としてp電極20を形成できる。また、ストライプ最
上層のp側コンタクト層の全面に接すようにp電極を形
成すると水平横方向の光閉じ込めが良好となりやすく好
ましい。またp電極がストライプの側面に絶縁膜を介し
て形成されていると、アスペクト比が調整し易くなる。
構成する素子構造について説明する。本発明に用いられ
る素子を構成する素子構造としては、少なくともAlを
含む窒化物半導体を有するp側及びn側クラッド層並び
にそのクラッド層の間に、InGaNを有する活性層を
含む導波路領域を有している素子構造であれば特に限定
されない。本発明において、導波路領域としては、p側
クラッド層とn側クラッド層との間に形成された、少な
くとも活性層を有する光を導波する領域を示す。本発明
において、導波路領域には、活性層の他の窒化物半導体
層を有していてもよく、例えば、n側ガイド層、活性
層、キャップ層、p側ガイド層が順に積層されているも
のを挙げることができる。ガイド層やキャプ層として
は、公知の種種のものを用いることができ、例えば後述
の実施例で示す一実施の形態が挙げられる。このよう
に、導波路領域が一種以上の窒化物半導体からなる場
合、各層の屈折率の平均の値を導波路領域の屈折率とす
る。また導波路領域の屈折率は、何種類の窒化物半導体
層から構成されているか、あるいはどのような組成から
構成されているかによって変動する。このため、ストラ
イプの側面等に形成される絶縁膜としては、レーザ素子
として用いられる導波路領域の種類によって、導波路領
域の屈折率より0.1以上小さい屈折率を有する材料を
適宜選択して用いられる。
ては、特に限定されず、レーザ素子の活性層として用い
ることができる窒化物半導体であればよく、具体的には
InxGa1−xN(0<x<1)で示される窒化物半
導体が挙げられる。また活性層は、バンドギャップエネ
ルギーの小さい井戸層と、井戸層よりもバンドギャップ
エネルギーの大きい障壁層とが積層された多重量子井戸
構造(MQW)であることが好ましい。活性層の総膜厚
は、400〜500オングストロームであり、MQWで
ある場合井戸層の膜厚は30〜60オングストローム、
障壁層の膜厚は60〜120オングストロームである。
また、MQWの場合、井戸層が、xを0.1より大きい
値とするInxGa1−xNであり、障壁層が、xを
0.1より小さい値とするInxGa1−xNであるこ
とが好ましい。また、MQWの活性層は、井戸層+障壁
層+・・・・・障壁層のように、井戸層から積層し障壁
層で終わるように窒化物半導体が積層されていることが
好ましい。また活性層は、アンドープでも、n型不純物
及び/又はp型不純物をドープしても良い。不純物は井
戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方に
ドープしてもよい。なお障壁層にのみn型不純物をドー
プすると閾値が低下しやすい。
は、上記したように少なくともAlを含有する窒化物半
導体であればよいが、以下に好ましい形態のクラッド層
について説明をする。クラッド層は、少なくともAlを
含む窒化物半導体層を有する一層以上の窒化物半導体層
からなり、好ましくはAlを含む窒化物半導体層を有す
る超格子である。クラッド層を超格子構造とすることに
より、垂直横モードが単一モードとなりやすく、さらに
しきい値が低下し好ましい。また、このような超格子構
造のクラッド層と前記した本発明の構成である幅0.5
〜2.0のリッジ形状のストライプの形状等を組み合わ
せると、横モードが単一のアスペクト比の良好なレーザ
光が得られ易くなる。また、クラッド層は、屈折率が活
性層の井戸層よりも小さい窒化物半導体を含む光閉じ込
め層である。
について以下に更に説明する。超格子とは、単一層の膜
厚が100オングストローム以下で、互いに組成が異な
る窒化物半導体層を積層した多層膜構造を指し、好まし
くは70オングストローム以下、さらに好ましくは40
オングストローム以下の膜厚の窒化物半導体層を積層す
る。具体的な構成としては、例えばAlXGa1−XN
(0<X<1)層と、そのAlXGa1−XN層と組成
が異なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子とし、
例えばAlXGa1−XN/GaN、AlXGa1−X
N/AlYGa1−YN(0<Y<1、Y<X)、AlX
Ga1−XN/InZGa1−ZN(0<Z<1)等の
3元混晶と3元混晶、若しくは3元混晶と2元混晶との
組み合わせで超格子とすることができる。その中でも最
も好ましくはAlXGa1−XNとGaNとからなる超
格子とする。
を含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、そのn
側クラッド層全体の厚さが0.5μm以上で、かつその
n側クラッド層に含まれるAl平均組成を百分率(%)
で表した際に、n側クラッド層全体の厚さ(μm)とA
l平均組成(%)との積が4.4以上となるように構成
することにより、垂直横モードのレーザ光が制御でき
て、シングルモードとなりやすい。n側クラッド層の厚
さが0.5μmよりも薄く、かつそのn側クラッド層全
体の厚さ(μm)とAl平均組成(%)との積が4.4
よりも少ないと、n側クラッド層としての光閉じ込めが
不十分となり、n側のコンタクト層で導波して、FFP
が乱れ、閾値も上昇する傾向にある。好ましい積の値と
しては5.0以上、さらに好ましくは5.4以上にす
る。ベストモードとしては7以上に調整する。
を0.8μm以上とし、前記n側クラッド層に含まれる
Al平均組成を5.5%以上とする。この場合の積は
4.4以上である。好ましくはn側クラッド層の全体の
厚さを1.0μm以上とし、そのn側クラッド層に含ま
れるAl平均組成を5.0%以上とする。この場合の積
は5.0以上である。さらに好ましくは、n側クラッド
層の全体の厚さを1.2μm以上とし、そのn側クラッ
ド層に含まれるAl平均組成を4.5%以上とする。こ
の場合の積は5.4以上である。これはn側クラッド層
の膜厚の関係と、超格子よりなるn側クラッド層のAl
平均組成の関係を具体的に示すものである。
ッド層全体の厚さを2.0μm以下とし、かつそのp側
クラッド層に含まれるAl平均組成を百分率(%)で表
した際に、p側クラッド層全体の厚さ(μm)とAl平
均組成(%)との積が4.4以上となるように構成する
こともできる。この構成により垂直横モードのレーザ光
が制御できて、シングルモードとなりやすい。なお、p
側クラッド層よりも、特にn側クラッド層を前記構成と
することが望ましい。なぜなら、p側クラッド層に関し
ては、本発明のようなリッジ形状のストライプとして、
その上に電極を設けるため、電極で光が吸収されるため
に、垂直横モードの光の漏れがあってもほとんど無視で
きるからである。
とすると、そのp側クラッド層の膜厚はn側クラッド層
よりも薄くすることが望ましい。なぜなら、p側クラッ
ド層のAl平均組成を大きくするか、若しくは膜厚を厚
くすると、AlGaN層の抵抗値が大きくなる傾向にあ
り、AlGaNの抵抗値が大きくなると、駆動電圧が高
くなる傾向にあるからである。好ましい膜厚としては、
1.5μm以下、さらに好ましくは1μm以下にする。
下限については特に限定しないが、クラッド層として作
用させるためには、50オングストーム以上の膜厚があ
ることが望ましく、また、Alの平均組成としては50
%以下が望ましい。p側クラッド層を超格子構造とする
ことによって、クラッド層全体のAl混晶比を上げるこ
とができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくな
り、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるの
で、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、
超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピ
ットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショ
ートする確率も低くなる。
うな算出方法で求めるものとする。例えば25オングス
トロームのAl0.5Ga0.5Nと、25オングスト
ームのGaNとを200ペア(1.0μm)積層した超
格子の場合、1ペアが50オングストローム、Alを含
む層のAl混晶比が0.5であるため、0.5(25/
50)=0.25となり、超格子におけるAl平均組成
は25%である。一方、膜厚が異なる場合、Al0.5
Ga0.5Nを40オングストロームと、GaNを20
オングストロームとで積層した場合、膜厚の加重平均を
行い、0.5(40/60)=0.33となり、Al平
均組成は33.3%とする。即ちAlを含む窒化物半導
体層のAl混晶比を、その窒化物半導体層が超格子1ペ
アの膜厚に占める割合に乗じたものを超格子のAl平均
組成とする。
造としては、特に限定されず、公知の種種の素子構造を
用いることができる。本発明のレーザ素子の素子構造を
成長させる基板としては、従来知られている、サファイ
ア、スピネル等の異種基板、又は、異種基板の上にSi
O2等の窒化物半導体が成長しないかまたは成長しにく
い材料からなる保護膜を形成して、その上に選択的に横
方向の成長(ラテラル成長)をさせて得られる窒化物半
導体基板等が挙げられる。好ましくはラテラル成長させ
て得られる結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板が好まし
い。結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板上に、素子構造
を形成すると、素子を構成する窒化物半導体も結晶欠陥
が少なくなるので、Alを含むためにクラックの発生し
やすいクラッド層の結晶性が良くなり、良好な光閉じこ
め層を形成することができ好ましい。ラテラル成長に用
いられる保護膜は、前記ストライプを形成する際に用い
た保護膜とは異なる作用を示す。
少ない窒化物半導体基板の成長方法としては、特に限定
されずいずれの方法でもよいが、例えば、J.J.A.P.Vol.
37(1998)pp.L309-L312に記載の方法や、窒化物半導体と
異なる異種基板上に成長させた窒化物半導体表面に凹凸
部を形成し、その凸部及び凹部の平面上に前記保護膜を
形成した後、側面に露出した窒化物半導体より横方向の
成長を行い、保護膜上部に互いに横方向に成長した窒化
物半導体を繋げる方法等が挙げられる。また、ラテラル
成長により得られる窒化物半導体基板は、素子構造を成
長させる際に、異種基板を有する状態で行っても、異種
基板を除去した状態で行ってもよい。
模式的な断面図でありストライプ導波路に垂直な方向で
切断した際の図を示すものである。以下、この図を基に
実施例1について説明する。
基板1をMOVPE反応容器内にセットし、温度を50
0℃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20
0オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成
長後、温度を1050℃にして、同じくGaNよりなる
下地層2を4μmの膜厚で成長させる。この下地層は保
護膜を部分的に表面に形成して、次に窒化物半導体基板
の選択成長を行うための下地層として作用する。
の下地層2の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形
成し、PVD装置によりストライプ幅10μm、ストラ
イプ間隔(窓部)2μmのSiO2よりなる保護膜3を
形成する。
内にセットし、温度を1050℃にして、TMG、アン
モニアを用い、アンドープGaNを5μmの膜厚で成長
させる。その後、ウェーハをHVPE(ハイドライド気
相成長法)装置に移送し、原料にGaメタル、HClガ
ス、及びアンモニアを用い、アンドープGaNよりなる
窒化物半導体基板4を200μmの膜厚で成長させる。
このようにMOVPE法により保護膜3の上に窒化物半
導体を成長させた後、HVPE法で100μm以上のG
aN厚膜を成長させると結晶欠陥は104個/cm2以
下と下地層2に比較して3桁以上少なくなる。窒化物半
導体基板4成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、
サファイア基板1、バッファ層2、保護膜3、アンドー
プGaN層を研磨により除去し、窒化物半導体基板4単
独とする。
スを用い、窒化物半導体基板1の上に、1050℃でS
iを3×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側
コンタクト層5を4μmの膜厚で成長させる。
モニアを用い、温度を800℃にしてIn0.06Ga
0.94Nよりなるクラック防止層6を0.15μmの
膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可
能である。
ランガスを用い、Siを1×1019/cm3ドープした
n型Al0.16Ga0.84Nよりなる第1の層を2
5オングストロームの膜厚で成長させ、続いてシランガ
ス、TMAを止め、アンドープのGaNよりなる第2の
層を25オングストロームの膜厚で成長させる。そして
第1層+第2層+第1層+第2層+・・・というように
超格子層を構成し、総膜厚1.2μmの超格子よりなる
n側クラッド層13を成長させる。この超格子よりなる
n側クラッド層はAl平均組成が8.0%であるので、
その膜厚との積は9.6となる。なおn側クラッド層
に、バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を
積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方
の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと閾
値が低下しやすい傾向にある。
aNよりなるn側光ガイド層8を0.1μmの膜厚で成
長させる。このn側光ガイド層8にn型不純物をドープ
しても良い。
Ga0.95Nよりなる障壁層を100オングストロー
ムの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープI
n0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を40オングスト
ロームの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを2回交
互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚380オン
グストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を
成長させる。
モニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウ
ム)を用い、p側光ガイド層11よりもバンドギャップ
エネルギーが大きい、Mgを1×1020/cm3ドープ
したp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ
層7を300オングストロームの膜厚で成長させる。
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11を
0.1μmの膜厚で成長させる。
したp型Al0.16Ga0.84Nよりなる第3の層
を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTM
Aのみを止め、アンドープGaNよりなる第4の層を2
5オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μ
mの超格子層よりなるp側クラッド層18を成長させ
る。このp側クラッド層もAlの平均組成が8%である
ので、膜厚との積は4.8となる。p側クラッド層は少
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、不純物はいずれか一方
の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結
晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープ
しても良い。
を1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp
側コンタクト層13を150オングストロームの膜厚で
成長させる。p側コンタクト層はp型のInXAlYG
a1−X−YN(0≦X、0≦Y、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20と最も好ましいオーミック接触が得られ
る。
たウェーハを反応容器から取り出し、図1(a)に示す
ように、最上層のp側コンタクト層13のほぼ全面に、
PVD装置により、Si酸化物(主として、SiO2)
よりなる第1の保護膜61を0.5μmの膜厚で形成し
た後、第1の保護膜61の上に所定の形状のマスクをか
け、フォトレジストよりなる第3の保護膜63を、スト
ライプ幅2μm、厚さ1μmで形成する。
膜63形成後、RIE(反応性イオンエッチング)装置
により、CF4ガスを用い、第3の保護膜63をマスク
として、前記第1の保護膜をエッチングして、ストライ
プ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジ
ストのみを除去することにより、図1(c)に示すよう
にp側コンタクト層13の上にストライプ幅2μmの第
1の保護膜61が形成できる。
イプ状の第1の保護膜61形成後、再度RIEによりS
iCl4ガスを用いて、p側コンタクト層13からn側
コンタクト層5までをエッチングして、ストライプ状の
導波路領域(この場合、リッジ形状のストライプ)を形
成する。このようにストライプの形成の際にエッチング
量をn側コンタクト層5が露出するまで行うことによ
り、水平横方向の光閉じ込めが強まり、アスペクト比の
調整に好ましい。
ハをPVD装置に移送し、図2(e)に示すように、Z
r酸化物(主としてZrO2)よりなる第2の保護膜6
2を、第1の保護膜61の上と、エッチングにより露出
されたn側コンタクト層5の上に0.5μmの膜厚で連
続して形成する。このように連続して第2の保護膜62
を形成することにより、ストライプの側面にも第2の保
護膜62が形成される。
(f)に示すように、第1の保護膜61をリフトオフ法
により除去する。
クト層13の上の第1の保護膜61が除去されて露出し
たそのp側コンタクト層の表面全面に接するようにNi
/Auよりなるp電極20を形成する。但しp電極20
は100μmのストライプ幅として、この図に示すよう
に、第2の保護膜62の上に渡って形成する。
に露出させたn側コンタクト層5の表面にはTi/Al
よりなるn電極21をストライプと平行な方向で形成す
る。
成したウェーハのサファイア基板を研磨して70μmと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面(11−00面、六角柱状の
結晶の側面に相当する面=M面)に共振器を作製する。
共振器面にSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜を
形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断して
図4に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は3
00〜500μmとすることが望ましい。
それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレ
ーザ発振を試みたところ、発振波長400〜420n
m、閾値電流密度2.9kA/cm2において室温連続発
振を示した。レーザ光のアスペクト比は、約2.0と良
好な値を示した。
ストライプを形成する他は同様にして行った。その結
果、実施例1とほぼ同様に良好なレーザ素子が得られ
た。
ストライプを形成する他は同様にして行った。その結
果、アスペクト比が約1.5となるレーザ光を得ること
ができるレーザ素子が得られた。
を図3に示すような形状、つまり両共振面側のストライ
プ幅を1μm、ストライプの中央部の幅を4μmにし、
更にストライプの共振面側から中央部に向かって傾斜角
が5°以内になるように調整してストライプを形成した
他は同様にして行った。その結果、アスペクト比が約
1.2の値を示し、実施例3よりも円形に近い形状のレ
ーザ光を得ることができるレーザ素子が得られた。
す模式的な断面図であり、以下この図を元に実施例5に
ついて説明する。
作製する際にHVPE装置において原料にシランガスを
加え、Siを1×1018/cm3ドープしたGaNより
なる窒化物半導体基板40を200μmの膜厚で成長さ
せる。なおSi濃度は1×1017/cm3〜5×10
19/cm3の範囲とすることが望ましい。窒化物半導体
基板40成長後、実施例1と同様にしてサファイア基板
1、バッファ層2、保護膜3、アンドープGaN層を研
磨して除去し、窒化物半導体基板40単体とする。
例1と同様にして、クラック防止層6〜p側コンタクト
層13までを積層成長させる。p側コンタクト層13成
長後、実施例1と同様にして、ストライプ状の第1の保
護膜61を形成した後、第2の工程において、エッチン
グストップを図5に示すn側クラッド層7の表面とす
る。後は実施例1と同様にして、ZrO2を主成分とす
る第2の保護膜62をストライプ導波路の側面と、n側
クラッド層7の表面とに形成した後、その第2の保護膜
を介してp電極20を形成する。一方、窒化物半導体基
板の裏面側のほぼ全面にn電極21を形成する。電極形
成後、窒化物半導体基板のM面で劈開して、共振面を作
製し、図5に示すような構造のレーザ素子としたとこ
ろ、実施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得
られた。
にあたって、レーザビームの絞りやレンズ設計が容易と
なるアスペクト比が約1.0〜3.0の値を有するレー
ザ光が得られる窒化物半導体レーザ素子を提供すること
ができる。
程においてそれぞれ得られるウェーハの部分的な構造を
示す模式断面図である。
程においてそれぞれ得られるウェーハの部分的な構造を
示す模式断面図である。
ザ素子を真上から見たストライプの平面形状を示す平面
図である。
を示す模式断面図である。
を示す模式断面図である。
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 Alを含む窒化物半導体層を有するp側
及びn側のクラッド層の間に、InGaNを少なくとも
有する活性層を含む導波路領域を有し、前記p側クラッ
ド層の上に、p側コンタクト層が積層されてなる窒化物
半導体レーザ素子において、前記p側クラッド層は、ク
ラッド層全体の厚さを2.0μm以下とし、かつそのp
側クラッド層に含まれるAl平均組成(%)との積が
4.4以上となるように構成されてなり、前記p側コン
タクト層側からp側クラッド層と導波路領域との界面よ
りも基板側にかけてエッチングして形成された幅0.5
〜2.0μmのリッジ形状のストライプを有し、該スト
ライプの両側面及びその側面と連続した窒化物半導体層
の平面に、屈折率が前記導波路領域の平均の屈折率より
0.1以上小さい値を有する絶縁膜を有し、更に該絶縁
膜を介して、少なくとも前記ストライプの最上層にある
p側コンタクト層の表面全面に接するようにp電極が設
けられていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素
子。 - 【請求項2】 Alを含む窒化物半導体層を有するp側
及びn側のクラッド層の間に、InGaNを少なくとも
有する活性層を含む導波路領域を有し、前記p側クラッ
ド層の上に、p側コンタクト層が積層されてなる窒化物
半導体レーザ素子において、前記n側クラッド層は、少
なくともAlを含む窒化物半導体層を有する超格子より
なり、そのn側クラッド層全体の厚さが0.5μm以上
とし、かつそのn側クラッド層に含まれるAl平均組成
(%)との積が4.4以上となるように構成されてな
り、前記p側コンタクト層側からp側クラッド層と導波
路領域との界面よりも基板側にかけてエッチングして形
成された幅0.5〜2.0μmのリッジ形状のストライ
プを有し、該ストライプの両側面及びその側面と連続し
た窒化物半導体層の平面に、屈折率が前記導波路領域の
平均の屈折率より0.1以上小さい値を有する絶縁膜を
有し、更に該絶縁膜を介して、少なくとも前記ストライ
プの最上層にあるp側コンタクト層の表面全面に接する
ようにp電極が設けられていることを特徴とする窒化物
半導体レーザ素子。 - 【請求項3】 前記リッジ形状のストライプが、ストラ
イプの端面の幅よりストライプの中央の幅が大きくなる
ように形成されていることを特徴とする請求項1又は2
に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項4】 前記リッジ形状のストライプが、p側コ
ンタクト層側から導波路領域とn側クラッド層との界面
よりも基板側にかけてエッチングして形成されているこ
とを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒
化物半導体レーザ素子。
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