JP5367420B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
この発明は上述した知見に基づきなされたものである。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザダイオード10の基本構成を示している。この半導体レーザダイオード10は、六方晶系ウルツ鉱型単結晶である基板12と、基板12のm面(1_100)上に形成されたInGaNからなる活性層15とを備えている。また、図2は、基板の単位格子におけるm面(1_100)、a面(11_20)およびc面(0001)を示している。
上記の線a〜dに囲まれた領域のうち、c軸方向の格子定数差Δc/cがa軸方向の格子定数差Δa/aに比べて大きい領域は、ZnMgOではMg組成が0から50%、ZnCdOではCd組成が0から100%になる(境界は図4中の線e,fに示す)。
この半導体レーザダイオード10Aは、図5に示すように、基板12と、この基板12のm面(1_100)上に順に形成された擬似格子整合層13、n型の下部クラッド層14、InGaNからなる活性層15、及びp型の上部クラッド層16を備えている。また、半導体レーザダイオード10Aは、上記の構成に加え、下部クラッド層14の下に形成されたn型の下部コンタクト層17A、上部クラッド層16の上に形成されたp型の上部コンタクト層17B、及び活性層15を挟むように形成されたn型の下部光ガイド層21A、及びp型の上部光ガイド層21Bを備えている。さらに、半導体レーザダイオード10Aは、下部コンタクト層17Aに形成された下部電極11と、半導体層の表面に形成されたパッシベーション膜18と、上部コンタクト層17B上に形成された上部電極19とを備えている。
また、下部光ガイド層21Aは、下部クラッド層14上にInGaN結晶を成長させて形成されている。
ここで、擬似格子整合層13、下部クラッド層14、下部光ガイド層21Aは、それぞれn型不純物、例えばシリコン(Si)がドーピングされ、n型の導電層となっている。
ここで、上部光ガイド層21B、上部クラッド層16、上部コンタクト層17Bは、p型不純物、例えばマグネシウム(Mg)がドーピングされ、p型の導電層となっている。
図6に示すように、この半導体レーザダイオード10Bは、n型のZnMgO基板12Aと、このZnMgO基板12Aのm面(1_100)上に順に形成されたn型の擬似格子整合層13、n型の下部クラッド層14、n型の上部光ガイド層21A、活性層15、p型の上部光ガイド層21B、p型の上部クラッド層16及びp型のコンタクト層17を備えている。さらに、半導体レーザダイオード10Aは、基板12Aの裏面側に形成された下部電極11Aと、半導体層の表面に形成されたパッシベーション膜18と、コンタクト層17上に形成された上部電極19とを備えている。
この半導体レーザダイオード10Cは、図7に示すように、n型の基板12Bと、基板12Bのm面(1_100)上に、順に形成されたn型の擬似格子整合層13、n型の下部クラッド層14、n型の下部光ガイド層21A、InGaNからなる活性層15、p型の上部光ガイド層21B、p型の上部クラッド層16及びコンタクト層17と、を備えている。さらに、半導体レーザダイオード10Cは、基板12Bの裏面側に形成された下部電極11Aと、半導体層の表面にパッシベーション膜18と、コンタクト層17上に形成された上部電極19と、を備えている。
ここで、基板12Bは、ZnO単結晶からなる基板12上にZnCdO層42を積層した複合基板である。
図8に示すように、活性層15の両端面は、光出射側端面31と光反射側端面32とを有する共振器構造となっており、レーザ端面である光出射側端面31と光反射側端面32はそれぞれa面(11_20)に形成されている。共振器端面のうちの光出射側端面31には、窒化ガリウムよりも低い屈折率を有する2層以上の低反射膜33が、光出射側端面31の屈折率が徐々に低くなるように形成されている。また、共振器端面のうちの光反射側端面32には、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した誘電体多層膜からなる高反射膜34が形成されている。
なお、本実施形態では、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用の上記エピタキシャルウェハを、以下の工程により、RFMBE法を用いて基板12のm面(1_100)上に形成する。
(工程1)まず、ZnOからなる基板12を用意し、表面処理を行う。この表面処理として、以下に説明する表面平坦化処理、表面清浄化処理、及び表面改質処理を行う。
(工程1a)から(工程1c)は、大気に暴露することなく、真空搬送可能な装置で一貫して行うことが好ましい。また、(工程1a)から(工程1c)を必ずしも全て行う必要はない。
また、以上の工程は、RFMBE法を用いて形成しているが、アンモニア(NH3)をN源として利用するGSMBE法やMOCVD法を用いて形成しても良い。
次に、このようにして製造されたエピタキシャルウェハを用いて、半導体レーザダイオードを作製する手順を説明する。
リッジ構造は、半導体レーザダイオードの構造の一種で、光導波路での光の損失を小さくできる実屈折率導波路構造を実現できる。
パッシベーション膜18は、保護層として機能し、SiO2、ZrO2等の誘電体をPCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition )法により堆積させて形成する。
具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、上部コンタクト層上のパッシベーション膜を除去した後、抵抗加熱、EB(電子ビーム)或いはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング(焼結)処理により、例えば、Ni/Au或いはPd/Pt/Au電極をp型の上部電極19として形成する。
(1)InGaNからなる活性層15が、基板12のm面(1_100)上に形成されているので、ピエゾ電界を抑制でき、発光効率を増大させることができる。また、ピエゾ電界を抑制することにより、電流注入の際の波長シフトが生じにくい。
基板12のm面(1_100)上に形成されたInGaN系活性層15には、a軸方向よりもc軸方向により大きな圧縮歪みが印加される。これにより、活性層15により大きな歪がかかるc軸と平行な方向の偏光(TE偏光)でレーザ発振し易くなる。
(2)レーザ端面(共振器端面)である光出射側端面31と光反射側端面32はa面(11_20)に形成されており、a面(11_20)は低指数面でかつ電荷中性面であるので、へき開で光出射側端面31と光反射側端面32を綺麗にかつ容易に形成することができる。
(6)InGaNからなる活性層15において、インジウム(In)の組成比は、発光波長が480nm以上となるように設定されている。具体的には、この活性層15は、緑色域での発光波長を有するIn組成(Inの組成比が30%程度)のInGaN層で構成されているので、青色より長波長の可視光(例えば緑色)の発光が可能な半導体レーザダイオードを実現できる。
上記実施形態において、光ガイド層の無い構成の半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。つまり、本発明は、ZnO単結晶からなる基板と、この基板上に順に形成された擬似格子整合層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層と、を備えた半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子に広く適用可能である。
上記実施形態では、エピタキシャルウェハを、基板12のm面(1_100)上に形成しているが、基板12の上にZnO、ZnMgO、又はZnCdOをエピタキシャル成長した上に形成しても良い。
上記実施形態では、半導体レーザダイオードとして構成した半導体発光素子について説明したが、pn接合部を有する発光ダイオード(LED)などの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。
Claims (10)
- 六方晶系ウルツ鉱型単結晶からなる基板と、
前記基板のm面(1_100)又は該m面から微傾斜した面上に形成されたInを含む窒化物半導体からなる活性層を含む半導体層と、を備え
前記活性層は、a面(11_20)面にレーザ端面が形成され、かつ、前記基板に対するc軸方向の歪み量が、a軸方向の歪み量に比べて大きく、またInGaNであり、インジウム(In)の組成比が、20%以上、60%以下であり、さらにa軸方向の歪Δa/aおよびc軸方向の歪Δc/cがともに正の圧縮歪であることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記半導体層は、
窒化ガリウムインジウム[InxGa1-xN(0<x<1)]からなる活性層と、
前記活性層又は前記基板の少なくとも一方に格子整合され、前記活性層を挟んで積層された上部クラッド層および下部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 - 前記基板が酸化物からなることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザ素子。
- 前記基板が、Zn1−a−b−cMgaBebCdcO(0≦a<1、0≦b<1、0≦c<1、a+b+c<1)からなることを特徴とする請求項3に記載の半導体レーザ素子。
- 前記基板が、Al1−y−zGayInzN(0≦y<1、0≦z<1、y+z≦1)からなることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザ素子。
- 前記基板と前記活性層との間に、前記基板と擬似格子整合したZn1−a−b−cMgaBebCdcO(0≦a<1、0≦b<1、0≦c<1、a+b+c<1)からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記晶基板と前記活性層との間に、前記基板と擬似格子整合したAl1−y−zGayInzN(0≦y<1、0≦z<1、y+z≦1)からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記擬似格子整合層は、1ML以上、前記基板に対して臨界膜厚以下の膜厚を有することを特徴とする請求項6または7に記載の半導体レーザ素子。
- 前記擬似格子整合層は、膜厚が1ML以上、基板に対して臨界膜厚以下の、GaNおよびInNからなる超格子層からなることを特徴とする請求項7に記載した半導体レーザ素子。
- 前記活性層は、発光波長が480nm以上、650nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
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