JP3766085B2 - 半導体レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、基板の劈開面と平行でない劈開面を有する材料からなる半導体積層部を有する半導体レーザに関するものである。
近年の光記録密度向上に伴い、読み取り用などに用いられる半導体レーザも短波長化が要求され、高密度DVDなどの用途には窒化物半導体レーザの開発が盛んに行われている。窒化物半導体レーザは、たとえば図6に示されるように、サファイア基板51上に、n型半導体層52、活性層54、p型半導体層53からなる半導体積層部59が形成されている。p型半導体層53は、電流狭窄のためストライプ状にエッチングされており、p型半導体層53の最上表面にp電極58が、他方n型半導体層52は、一部に露出面を有しており、露出面上にn電極57が形成されている。そして、半導体積層部59の積層面に垂直方向に共振器端面56が形成されている(特許文献1参照)。
特開平08−097502号公報(図3)
一般的に、半導体レーザは、電流注入により発生した光を共振器端面で反射を繰り返すことにより増幅した後、増幅光を主に共振器端面の一方から出射するものである。そして、半導体レーザの低閾値化および低動作電流駆動化のためには、共振器端面での光の吸収を極力減らすことが必要とされる。これを達成するために共振器端面は、一般的に半導体積層部に用いられる結晶材料の劈開面に沿った面が用いられる。しかしながら、窒化物半導体レーザでは、半導体積層部に用いる窒化物材料の劈開面方向に共振器端面を形成したとしてもレーザ発振が起こらない、またはレーザ発振が起こった場合であっても動作電流が大きくなるという問題がある。
すなわち、窒化物半導体レーザ用の基板としては窒化物材料を成長するのに適したサファイア基板などが一般に用いられる。しかしながら、基板によっては、半導体積層部を構成する窒化物材料の劈開面と平行でない劈開面を有するもの、また基板自体に劈開面が存在しないものもある。したがって、半導体積層部の劈開面で共振器端面を形成しようとしても劈開面が平行ではない基板の断面には多数のクラックが入ってしまう。そして、その基板に生じたクラックが半導体積層部の劈開面に伝播し、半導体積層部の劈開面も荒れてしまう結果となる。このように半導体積層部と基板が接している以上、クラックが伝播することを避けられず、半導体積層部に良好な劈開面を得ることができない。よって、共振器端面での光損失が増加し、増幅作用を充分に発揮されずレーザ発振が起こらない、または動作電流を増加させてしまうことになる。
他方、別の共振器端面の形成方法としては、劈開面を用いて共振器端面を形成するのではなく、共振器端面形成箇所の半導体積層部をドライエッチングすることで人工的に共振器端面を得ることも試みられている。しかしながら、ドライエッチングを用いたとしても表面加工には限界があり、劈開面と同程度の面形状は得られない。さらに、ドライエッチング時にはプラズマ処理されることになるが、処理中にプラズマにより共振器端面がダメージを受けてしまい信頼性等の悪化に繋がる畏れもある。
本発明は、このような問題を解決し、共振器端面での吸収損失を低減させた低動作電流駆動かつ高信頼性の半導体レーザを得ることを目的とするものである。
本発明の半導体レーザは、基板と、該基板上に設けられ該基板の劈開面と平行でない劈開面を有する材料からなり、活性層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部の劈開面である共振器端面に、前記基板と前記活性層との間で前記基板から離間した位置に設けられた金属部とを有しており、金属部が共振器方向において共振器端面からその近傍のみに設けられている構成である。また、本発明の半導体レーザは、基板と、該基板上に設けられ該基板の劈開面と平行でない劈開面を有する材料からなり、活性層を含む半導体積層部と、前記活性層を超えるように前記半導体積層部をメサエッチングして露出されたコンタクト面よりも前記活性層側に設けられた金属部とを有しており、前記金属部が、前記半導体積層部の劈開面である共振器端面に、前記活性層と平行方向に前記共振器端面を横断するように、かつ共振器方向において共振器端面からその近傍のみに、設けられている構成であってもよい。
ここで、基板の劈開面と平行でない劈開面を有する材料とは、基板と劈開面が平行な劈開面を有する材料以外の全ての材料のことを意味し、基板自体に劈開面を有しない場合には、劈開面を有する材料であればどのような材料でもよいことを含んでいる。また、共振器端面近傍とは、レーザ光が出射される共振器端面を少なくとも含む意味であり、それ以外の領域にまで金属部が形成されてもよい。
本発明によれば、共振器端面近傍で、基板と活性層との間に金属部を有しているため、基板と活性層とが直接接していない。そのため、半導体積層部の劈開面に合わせて共振器端面を形成する際、基板上で生じたクラックが金属部で吸収され、半導体積層部側に伝播せず活性層にクラックが発生しない。したがって、活性層の共振器端面を鏡面とすることができる。また、ドライエッチングなどにより人工的に加工した共振器端面よりも鏡面化することができる。よって、端面損失が低減でき低動作電流駆動の半導体レーザが得られる。
また、前記金属部が半導体積層部を構成する原子を含むことが好ましい。この構成によれば、活性層の結晶性を悪化させず、また製造工程を複雑化させることを防止できる。
また、上述の半導体レーザは、基板上に該基板と劈開面が平行でない劈開面を有する材料からなり、活性層を含む半導体積層部を形成した後、前記半導体積層部の一部分を溶融し金属部を形成し、その後該金属部に沿って劈開することにより共振器端面を形成することができる。
このように、金属部に合わせて劈開により共振器端面を形成するため、基板上で生じたクラックが金属部で吸収され、半導体積層部に伝播しなくなり半導体積層部中にクラックが生じない。したがって、半導体積層部の共振器端面を鏡面とすることができる。さらに、半導体積層部形成後に半導体積層部の一部を溶融するため、すでに積層された半導体積層部は何ら影響を受けることもなく、良質の半導体積層部が得られる。
より具体的には、前記金属部形成の際、半導体積層部の積層面と反対面である基板裏面からレーザ光を照射することにより溶融し金属部を形成する。これにより簡便に半導体積層部を溶融することができ、製造工程を複雑化させることもない。
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。本発明の実施の形態は、図2(c)に示される。図1,図2(a)、図2(b)、図3、図4(a)−(c)は本発明の参考例である。以下では、同じ符号を付したものは同様の機能を果たすので、特に必要がなければ、本発明の実施の形態と参考例とを区別せずに説明する。
本発明の半導体レーザは、たとえば図1に示されるように、基板1と、基板1上に基板1の劈開面と平行でない劈開面を有する窒化物材料からなり、活性層5を含む半導体積層部9が積層されており、レーザ光が出射される共振器端面6が形成されている。そして、共振器端面6近傍で、基板1と活性層4との間に金属部5を有している。
金属部5は、共振器端面6近傍で、基板1と活性層4との間に位置しており、劈開をする際、基板1から生じたクラックをその上方の積層された半導体積層部、特に活性層4に到達するのを防ぐ働きを有するものである。ここで共振器端面6近傍とは、レーザ光が出射される端面部分を少なくとも含む意味であり、それ以外の領域にまで金属部5が形成されてもよい。
この金属部5を挿入することで、基板1と活性層4とが直接接していないことになる。したがって、図1の半導体レーザの共振器方向から見た図2(a)に示されているように、半導体積層部9の劈開面を共振器端面6とする際、基板との劈開面の相違によって生じたクラック11が、金属部5の存在により上方の半導体積層部9中に伝播していない。そのため、半導体積層部9にクラック11は生じなくなり、半導体積層部9、特に活性層4を鏡面とすることができ、共振器端面6での吸収損失を抑えることができる。また、ドライエッチングなど人工的に加工した端面よりも鏡面化でき、端面損失が低減でき低動作電流駆動の半導体レーザが得られる。
金属部5のレーザ共振器方向および半導体積層部9の積層方向と垂直方向に関する幅Tは、図2(a)に示される例ではチップ幅Cと同じであるが、たとえば図2(b)に示されるように、金属部5の幅Tがチップ幅Cよりも小さくてもよいが、ストライプ幅S以上あることが好ましい。すなわち、活性層4のうち光密度が高い領域にクラック11が伝播しなければ、共振器端面での吸収損失はほとんどない。そして、その光密度が高い領域はストライプ幅Sとほぼ同じであり、金属部5の幅Tは、それ以上の幅を有していれば、必然的に吸収損失は低減するからである。
さらに、図1、図2(a)および図2(b)に示される例では、金属層5は基板と接する半導体積層部の一部が金属部5となっているが、必ずしも基板と接する必要はなく、たとえば図2(c)に示されるように、活性層4までの間にある層のいずれの位置に形成してもよい。
好ましくは、金属部5が半導体積層部9を構成する原子を含んでいることが好ましい。この構成によれば、活性層4の結晶性を悪化させにくく、また製造工程を容易になるからである。すなわち、半導体積層部を構成する原子を含む場合には、半導体積層部を成長後に半導体積層部の一部を溶融することで金属部を形成できる。したがって、半導体積層部の結晶性に何ら影響を及ぼさず、良質の半導体積層部を維持することができる。また、後述するように半導体積層部の一部を基板の裏面から溶融するプロセスを追加するだけで、半導体積層部を構成する原子を含む金属部を形成でき、製造工程の複雑化を招かない。具体的には、半導体積層部9がAlxGayIn1-x-yN系材料からなる場合には、Ga、Al、Inまたはこれらの合金が金属部5となり、その他の材料を用いる場合も同様に考えることができる。なお、上述のように半導体積層部の成長後に形成されることが好ましいがそれに限定されない。
また、図1のA−A’方向の断面図である図3に示されるように、金属部5は共振器端面6から内部方向へ形成されているが、その両共振器端面6から半導体レーザの内部方向への合計の長さW(=W1+W2)は共振器長Lの半分以下であることが好ましい。というのも、Wを大きくすると基板と半導体積層部との界面での密着面積が低下する。そして、Wが共振器長Lの半分以上となると、パッケージ化プロセス等において、基板が剥離してしまう確率が急激に大きくなるからである。一方、幅W(=W1+W2)は、後述するように、劈開の精度以上の幅を有することが、確実に劈開面に金属部5が形成できる点で好ましい。
基板1は、たとえばc面を主面とするサファイア基板が用いられるが、これに限定されず、他の面を主面とするサファイア基板であってもい。また、基板1は、絶縁基板でもp型でもn型でもよく、また材料もサファイアに限られず、炭化珪素(SiC)基板その他のものでもよい。さらに、後述するように裏面からYAGレーザなどによって光を照射されるため、照射用レーザ11から発せられた光を吸収しない材料であることが好ましい。
半導体積層部9は、基板1と劈開面と平行でない劈開面を有する材料で、活性層4を有し、基板1上に形成される。なお、半導体積層部の材料系は限定されないが、窒化物材料の場合には、特に基板の劈開面と平行でない劈開面を有する材料という要件を満たしやすい。窒化物材料とは、AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の一般式で表される窒化物材料をいう。たとえば、c面を主面とするサファイア基板を用いてGaNを含む半導体積層部を形成し、共振器端面を形成する場合、GaNの劈開面は一般にM面であるのに対して、c面サファイア基板の劈開面もM面であるが、これらは平行な関係にはない。また、(012)面を主面とするサファイア基板を用いた場合には、基板の劈開面はR面であるが、GaNの劈開面であるM面とは平行ではない。したがって、このような関係にあるものは全て本発明の範囲に含まれることになる。なお、基板と劈開面が平行でない劈開面を有する材料には、基板と劈開面が平行な劈開面を有する材料以外の全ての材料のことを意味し、基板自体に劈開面を有しない場合には、劈開面を有する材料であればどのような材料でもよいことを含んでいる。すなわち、劈開面を有さず裂開面を有するような基板を用いる場合には、半導体積層部をどのような材料を用いたとしても本発明の範囲内となる。また、活性層4を挟むように第1導電型半導体層2と第2導電型半導体層3とが形成され、ダブルへテロ接合とすることが発光効率を向上させる点で好ましい。
活性層4は、バルク構造によるもの、あるいは単一量子井戸や多重量子井戸など構造などその種類は問わない。量子井戸構造を採用する場合には、井戸層にはバンドギャップの小さい層、障壁層にはバンドギャップの大きい層を用いることになり、たとえば、井戸層にはInGaN層、障壁層にはGaN層などが用いられる。
第1導電型半導体層2とは、n型またはp型で、単層であっても多層であってもよく、膜厚も要求の応じて適宜調整される。たとえば、図5に示される実施例では、n型GaNコンタクト層2a、n型AlxGayNクラッド層2b、n型GaNガイド層2cとからなる3層構造としているが、それぞれの層は必ずしも必要でないし、またコンタクト層やクラッド層の両機能を発揮する単層とすることもできる。また、超格子構造を有するものであってもよいし、他の働きを持つ層をさらに有していてもよい。
また、第1導電型半導体層2と基板1の間にバッファ層12が挿入されていてもよい。バッファ層12は、基板と第1導電型半導体層2の格子不整合などを緩和する役割などがあり、AlxGayIn11-x-yNからなる材料であることが好ましいが、これに限定されない。
第2導電型半導体層3とは、第1導電型半導体層2と逆の導電型で、単層であっても多層であってもよく、膜厚も要求に応じて適宜調整される。たとえば、図5に示される実施例では、p型Alx'Gay'N電子バリア層、p型GaNガイド層、p型AlxGayNクラッド層6a、p型GaNコンタクト層6bとからなる4層構造としているが、コンタクト層やクラッド層の両機能を発揮する単層であってもよい。また、超格子構造を有するものであってもよいし、他の働きを持つ層をさらに有していてもよい。また、p型半導体層は積層しただけでは不活性な場合が多いため、たとえば、半導体積層部9のうちp型となっている半導体層をアニールなどにより活性化させることが好ましい。アニールする場合、SiO2
やSi3 N4 などの保護膜を第2導電型半導体層4表面全面に設けて行ってもよいし、保護膜を設けることなく行っても良い。また、アニール条件も適宜活性化できるような必要な条件で行えばよい。なお、アニール以外の方法で活性化させてもよいし、特に活性化させる必要がない場合には省略することも可能である。
前述の活性層4、第1導電型半導体層2および第2導電型半導体層3の各層をn型に形成するためには、Se、Si、Ge、TeをH2Se、SiH4 、GeH4 、TeH4
などの不純物原料ガスとして反応ガス内に混入すれば得られる。p型にするためには、MgやZnをEtCp2 MgやDMZnの有機金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしn型の場合は不純物を混入しなくても、成膜時にNが蒸発し易く自然にn型になるため、その性質を利用してもよい。
また、図1〜図3に示される例では、第1導電型半導体層2のうち、一部露出面上に第1電極7が形成されており、ストライプ状に形成された第2導電型半導体層3の最上表面に第2電極8が形成されている。なお、最上表面および露出面は、たとえばCl2およびBCl3
の混合ガスの雰囲気の下で反応性イオンエッチングなどのドライエッチングなどを行うことにより得られる。
第1電極7は第1導電型半導体層2の露出面上に、第2電極8は第2導電性半導体層3上に、電気的に接続されている。たとえば、各電極と接する層がn型の場合には、Ti/Al、Ti/Auなどからなり、p型の場合には、Pd/Au、Ni/Auなどからなるが、これらに限定されることはない。図5に示される実施例では、第1電極7は第1導電型半導体層2の露出面であるn型GaNからなる高温バッファ層2a上にTi/Alが、第2電極8は第2導電型半導体層3の最表面のp型GaNからなるコンタクト層3a最表面上にPd/Auが形成されている。
つぎに、本発明の製造方法について、図4(a)〜(c)を参照しながら説明する。図4(a)〜(c)は、本発明の製造方法の共振器方向から見た図である。本発明の製造方法は、基板1上に劈開面の異なる材料からなり活性層4を有する半導体積層部9を形成した後、半導体積層部9の一部分を融解し金属部5を形成し、その後、金属部5に沿って劈開し共振器端面6を形成する製造方法である。なお、説明が重複するものに関しては、前述と同様であるためここでの説明を省略する。
まず、図4(a)に示されるように、基板1上に基板1の劈開面と平行でない劈開面を有する材料からなり、活性層4を有する半導体積層部9を形成する。これらは、たとえばMOCVD法などを用いて成長されるが、MBE法であってもよいし他の成長方法であってもよい。また、半導体積層部9形成後、アニール処理を行ったり、ストライプエッチング、メサエッチング、電極形成、基板裏面のラッピングなどを適宜行う。
次いで、前記基板1と活性層4との間に位置する前記半導体積層部9の一部分を融解する。溶融は、照射用レーザを用いることなどが考えられ、溶融領域の厚さの調整は、後述するようにレーザの出力、照射時間等を調整し適宜行うことができる。図4(b)に示される例では、半導体積層部9の一部をYAGレーザやエキシマレーザなどの照射用レーザ13により溶融する。この場合、半導体積層部2の一部を溶融できるだけの出力を有するものである必要であり、また、基板裏面から照射することが、半導体積層部9のダメージを軽減する点で望ましい。さらに、照射用レーザ11は、基板吸収を避けるため、基板のバンドギャップに対応する波長よりも長波長のものを使用することが望ましい。さらに、半導体積層部9のうち、溶融したい層を構成する材料よりもバンドギャップに対応する波長よりも短波長のものを使用するほうが、確実に所望の層を溶融できる点で好ましい。たとえば、GaNからなる層を溶融する場合には、YAGレーザもエキシマレーザも用いることができるが、AlxGayN層を溶融する場合には、YAGレーザの光は、AlxGayN層で吸収されないため、AlxGayN層は溶融できない。したがって、その場合には、エキシマレーザなどAlxGayN層よりも波長の短いレーザを用いる必要がある。
その後、図4(c)に示されるように、溶融された金属部5に沿ってレーザスクライブやダイヤモンドスクライブなどを用いて劈開することによりレーザ光が出射される共振器端面6を形成する。このとき、金属部5の幅W(=W1+W2)は共振器長Lの半分以下であることが好ましい。というのも、Wを大きくすると基板と半導体積層部との界面での密着面積が低下する、そして、Wが共振器長Lの半分以上となると、パッケージ化プロセス等において、基板が剥離してしまう確率が急激に大きくなるからである。一方、幅W(=W1+W2)は、図4(c)に示されるように、スクライブする際、スクライブの精度以上の幅(およそ10μm)を有しなければ、スクライブずれを生じ確実に共振器端面6に金属部5が形成できないことも生じる。したがって、Wは、10μm以上で共振器長Lの半分以下であることが特に好ましい。
図5は、以下の実施例で作製した半導体レーザの共振器端面方向から見た図である。サファイア基板1に、MOCVD法により、TMG、TMA、TMI、NH3を原料として、たとえばn型のGaNからなるバッファ層12を0.01〜0.2μm程度成長し、700〜1200℃程度に温度をあげ、第1導電型半導体層2である、同じ組成であるn型のGaNからなるコンタクト層2aを0.01〜10μm程度、n型のAlxGayN(たとえば、x=0.10 x+y=1)からなるクラッド層2bを0.01〜2μm程度、n型のGaNからなるガイド層2cを0.01〜0.3um程度成長する。つぎに、ノンドープまたはn型もしくはp型のIn1-yGayN(たとえば、y=0.9 x=0)からなる井戸層とGaNからなる障壁層とからなる活性層4を合計0.001〜0.2μm程度の厚さに成長させる。ついで、第1導電型半導体層3である、p型のAlxGay N(たとえば、x=0.20 x+y=1)からなる電子バリア層3aを0.01〜0.3μm程度、p型のGaNからなるガイド層3bを0.01〜0.3um程度、p型のAlxGay N(たとえば、x=0.10 x+y=1)からなるクラッド層3cを0.01〜2um程度、さらにp型のGaNからなるコンタクト層3dを0.05〜2μmの厚さ成長する。
そののちSiO2 保護膜をコンタクト層3d表面全面に設け、400〜800℃、20〜60分間程度のアニールを行う。アニールが完了すると、レジスト膜などのマスクを設けてp型のクラッド層3cが露出するまでCl2およびBCl3 の混合ガスの雰囲気の下で反応性イオンエッチング(ドライエッチング)を行いストライプ状にエッチングする。ついで、ストライプ部にレジスト膜などでマスクを設けて、n型のコンタクト層2aが露出するまで再度、ドライエッチングを行い、メサエッチングする。ついで、Pd、Auなどの金属膜をスパッタリングや蒸着などにより形成し、p型のコンタクト層3d上に第2電極8、露出したn型のコンタクト層2aに、Ti、Alなどの金属膜をスパッタリングや蒸着などにより形成し第1電極7を形成する。
その後、基板の裏面側をラッピングすることにより、基板を薄くする。その後、基板裏面からYAGレーザを用いて、GaNからなるバッファ層12を融解し、Gaからなる金属部5を形成する。そして、融解された金属部5に沿ってダイヤモンドを用いてスクライブすることで劈開し共振器端面6を形成し、共振器端面6にスパッタなどにより図示しない保護膜を設ける。最後に、出射方向と平行方向の共振器方向もスクライブしチップ化し半導体レーザが形成される。
なお、図5に示される実施例では、GaN低温バッファ層12をYAGレーザ11を用いて溶融させ、その低温バッファ層12の構成金属であるGaが金属部5となっているが既に説明した通りこの構成に限定されない。たとえばコンタクト層の一部まで金属部を形成してもよいし、活性層までの間にある層のいずれを溶融して金属部5を形成してもよい。また、GaNだけでなく、InGaNやAlGaNなどからなる層が形成されている場合には、金属部5はGaに限られず、InとGaやAlとGaの合金であってもよい。
図1は、本発明の参考例の半導体レーザの斜視図である。 (a)は図1の半導体レーザの共振器端面方向からみた側面図であり、(b)は他の参考例の側面図であり、(c)は本発明の実施形態に係る側面図である。 図1の半導体レーザのA−A’断面方向から見た図である。 図1の半導体レーザの製造方法を表す図であり、共振器形成方向から見た図である。 他の参考例に係る半導体レーザの共振器端面方向から見た図である。 従来の半導体レーザを説明する斜視図である。
符号の説明
1 基板
4 活性層
5 金属部
6 共振器端面
9 半導体積層部

Claims (4)

  1. 基板と、該基板上に設けられ該基板の劈開面と平行でない劈開面を有する材料からなり、活性層を含む半導体積層部と、
    前記半導体積層部の劈開面である共振器端面に、前記基板と前記活性層との間で前記基板から離間した位置に設けられた金属部とを有しており、金属部が共振器方向において共振器端面からその近傍のみに設けられている半導体レーザ。
  2. 基板と、該基板上に設けられ該基板の劈開面と平行でない劈開面を有する材料からなり、活性層を含む半導体積層部と、
    前記活性層を超えるように前記半導体積層部をメサエッチングして露出されたコンタクト面よりも前記活性層側に設けられた金属部とを有しており、
    前記金属部が、前記半導体積層部の劈開面である共振器端面に、前記活性層と平行方向に前記共振器端面を横断するように、かつ共振器方向において共振器端面からその近傍のみに、設けられている半導体レーザ。
  3. 前記金属部が半導体積層部を構成する原子を含む請求項1または2に記載の半導体レーザ。
  4. 前記金属部が、前記半導体積層部をレーザにて溶融することによって設けられた、請求項3記載の半導体レーザ。
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