JPH1197796A - Ｉｉｉ−ｖ族化合物面発光レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Ｉｉｉ−ｖ族化合物面発光レーザ及びその製造方法

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JPH1197796A
JPH1197796A JP21012698A JP21012698A JPH1197796A JP H1197796 A JPH1197796 A JP H1197796A JP 21012698 A JP21012698 A JP 21012698A JP 21012698 A JP21012698 A JP 21012698A JP H1197796 A JPH1197796 A JP H1197796A
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gan
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 GaN系III-Ｖ族窒化物面発光レーザの制作を
容易にする。 【解決手段】 半導体基板上に、１対の分散ブラッグ反
射器に挟まれて位置するキャビティを有するIII-Ｖ族化
合物面発光レーザであって、分散ブラッグ反射器は、空
気層及び空気層よりも高い屈折率を有する物質層が交互
に積層して形成されている。空気よりも高い屈折率を有
する物質層が、GaN、AlN及びInNの化合物のうちから選
択されるいずれか一つの化合物からなると好ましい。キ
ャビティは、InxGa1-xN（ 0≦x≦1）のＭＱＷからなる
活性層と、それぞれ活性層を挟んで位置する、キャリア
制限のためのn-AlyGa1-yN（0≦y≦1、0≦z≦1）からな
る第1キャリア制限層及びp-AlzGa1-zNからなる第2キャ
リア制限層とを備えると好適である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はGaN系III-Ｖ族窒化
物を使用して製作されるIII-Ｖ族化合物面発光レーザ及
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的にGaN 系III-Ｖ族窒化物より製作
される面発光半導体レーザーは400nm帯の近紫外線及び
青色波長の光を出すことができて高容量情報貯蔵機器に
使われうり、エッジ放出レーザーに比べて単一縦モード
発振をする等特性に優れた装置である。
【０００３】このような面発光レーザは、通常図１に示
したように、InGaN多重量子井戸(MQWMulti Quantum Well
s)よりなる活性層11と、活性層11をはさんで位置するn-
AlGaN及びp-AlGaNのキャリア制限層12、13とを有するキ
ャビティ10を具備し、キャビティ10を挟んで各々反射率
99.9%以上のDBR(Distributed Bragg Reflector)20、30
を備えている。このDBRはGaAs及びAlAsのようにお互い
格子定数が似ていてエピタキシ成長が可能な半導体を使
用する場合とSiO2、Al2O3、TiO2、ZnO2のような誘電物
質を使用する場合とに大別される。前者の場合、半導体
を通じて電流注入が可能で薄膜質に優れる長所がある。
この際使用可能なDBRは発振波長よりバンドギャップエ
ネルギーが大きくて吸収が起こらない物質であり、重な
る二つのDBR物質間の屈折率の差が大きいほど有利であ
る。図１に示したようなGaN系面発光半導体レーザの場
合、DBR20、30として使用可能な半導体材料としてはGaN
22、32とAlGaNまたはAlN21、31などが挙げられる。この
中でAlの含量が30%以上のAlGaNとAlN21、31はバンドギ
ャップエネルギーが大きすぎて、これよりなるDBRを通
して電流を注入する場合、駆動電圧が非常に高まって発
熱による問題が発生する恐れがある。のみならず屈折率
の差が最も大きいGaN22、32とAlN21、31でDBRを構成す
る場合にも要求される高反射率を得るためには最小限20
層以上の多重積層をするべきである。さらに高反射率領
域の波長幅が非常に狭くて面発光半導体レーザの設計に
難しさがあり、キャビティ10の厚さがすこしでも外れた
り活性層11の組成がすこしでも変わったら発振条件を満
足できなくなる。
【０００４】図２及び図４はλ/4n(λは波長、nは屈折
率)厚さのGaNとAlNを各々15層と30層ずつ積層したDBRの
反射率の計算結果を示す。ここでGaNの屈折率は2.67と
し、AlNの屈折率は2.15とし、中心波長は430nmとして計
算した。図２の拡大グラフの図３を調べると、15層のDB
Rでは充分な反射率を得られないし、高反射率を示すス
ペクトルの幅も非常に狭いことが分かる。図４の拡大グ
ラフの５を調べると、30層のDBRでは充分な反射率を得
られるが、高反射率を示すスペクトルの幅が非常に狭い
ことが分かる。しかし、技術的にさらに大きな問題はGa
As/AlAsを用いて製作されるDBRとは異なり、GaN/AlNは
結晶成長が非常に難しくて成長速度も遅いため、このよ
うに多層のDBRを製作することが非常に難しいというこ
とである。
【０００５】このような短所を克服するために誘電体DB
Rを使用しうるが、これは上部DBRにだけ適用可能であ
り、キャビティを成長させるためには下部DBRは結晶成
長法で製作すべきである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記のような
問題点を改善するために創案されたことであって、少数
の多重層を結晶成長法で成長させて高反射率を有するよ
うに形成されたDBRを具備したIII-Ｖ族化合物面発光レ
ーザ及びその製造方法を提供することにその目的があ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記のような目的を達成
するために本発明によるIII-Ｖ族化合物面発光レーザ
は、半導体基板上に下部分散ブラッグ反射器、キャビテ
ィ及び上部分散ブラッグ反射器を備えたIII-Ｖ族化合物
面発光レーザにおいて、前記下部及び上部分散ブラッグ
反射器は低屈折率の空気層及び前記低屈折率の空気層よ
り高屈折率を有する物質層の対が積層して形成されたこ
とを特徴とする。
【０００８】すなわち、本願第１発明は、半導体基板上
に下部分散ブラッグ反射器、キャビティ及び上部分散ブ
ラッグ反射器を備えたIII-Ｖ族化合物面発光レーザにお
いて、前記下部及び上部分散ブラッグ反射器は低屈折率
の空気層及び前記低屈折率の空気層より高屈折率を有す
る物質層の対が積層して形成されたことを特徴とするII
I-Ｖ族化合物面発光レーザを提供する。
【０００９】本願第２発明は、半導体基板上に、１対の
分散ブラッグ反射器に挟まれて位置するキャビティを有
するIII-Ｖ族化合物面発光レーザであって、前記１対の
分散ブラッグ反射器は、空気層及び前記空気層よりも高
い屈折率を有する物質層が交互に積層して形成されてい
る、III-Ｖ族化合物面発光レーザを提供する。本願第３
発明は、前記空気よりも高い屈折率を有する物質層が、
GaN、AlN及びInNの化合物のうちから選択されるいずれ
か一つの化合物からなる、III-Ｖ族化合物面発光レーザ
を提供する。
【００１０】本願第４発明は、前記空気よりも高い屈折
率を有する物質層は、GaN層、AlN層及びInNの化合物の
うちから選択されるいずれか一つの化合物を含む、2元
混晶系乃至4元混晶系の化合物からなる、III-Ｖ族化合
物面発光レーザを提供する。本願第５発明は、前記１対
の分散ブラッグ反射器は、前記空気層と前記空気よりも
高い高屈折率を有する物質層とが少なくとも２重に積層
して形成されているIII-Ｖ族化合物面発光レーザを提供
する。
【００１１】本願第６発明は、前記１対の分散ブラッグ
反射器を形成する各層は、生成される光の波長をλと
し、前記分散ブラッグ反射器を構成する物質の屈折率を
nとすると、λ/4nの厚さに形成されているIII-Ｖ族化合
物面発光レーザを提供する。本願第７発明は、前記キャ
ビティが、 0≦x≦1とするとき、InxGa1-xNの多重量子
井戸からなる活性層と、 0≦y≦1及び0≦z≦1とすると
き、それぞれ前記活性層を挟んで位置する、キャリア制
限のためのn-AlyGa1-yNからなる第1キャリア制限層及び
p-AlzGa1-zNからなる第2キャリア制限層とを備えるIII-
Ｖ族化合物面発光レーザを提供する。
【００１２】本願第８発明は、前記n-AlGaNからなる第1
キャリア制限層の中間に、電流通路としてn-AlN層と、
前記n-AlN層の周辺に位置し、酸化したn-AlNまたは空気
からなる電流遮断層とがさらに形成されているIII-Ｖ族
化合物面発光レーザを提供する。本願第９発明は、前記
p-AlGaNからなる第2キャリア制限層の中間に、電流通路
としてp-AlN層と、前記p-AlN層の周辺に位置し、酸化し
たp-AlNまたは空気からなる電流遮断層とがさらに形成
されているIII-Ｖ族化合物面発光レーザを提供する。
【００１３】本願第１０発明は、前記n-AlGaNからなる
第1キャリア制限層及びp-AlGaNからなる第2キャリア制
限層の前記活性層と反対側に、各々電極接続のためのn-
GaNからなる第1コンタクト層及びp-GaNからなる第2コン
タクト層がさらに形成されているIII-Ｖ族化合物面発光
レーザを提供する。本願第１１発明は、前記n-GaNから
なる第1コンタクト層の中間に、電流通路としてn-AlN層
と、前記n-AlN層の周辺に位置し、酸化したn-AlNまたは
空気からなる電流遮断層とがさらに形成されているIII-
Ｖ族化合物面発光レーザを提供する。
【００１４】本願第１２発明は、前記p-GaNからなる第2
コンタクト層の中間に、電流通路としてp-AlN層と、前
記p-AlN層の周辺に位置し、酸化したp-AlNまたは空気か
らなる電流遮断層とがさらに形成されているIII-Ｖ族化
合物面発光レーザを提供する。本願第１３発明は、前記
n-GaNからなる第1コンタクト層及びp-GaNからなる第2コ
ンタクト層の上部の縁部に、それぞれ前記分散ブラッグ
反射器及びキャビティと離隔されるように電極が形成さ
れているIII-Ｖ族化合物面発光レーザを提供する。
【００１５】本願第１４発明は、前記１対の分散ブラッ
グ反射器及びキャビティは、第１分散ブラッグ反射器、
キャビティ及び第２分散ブラッグ反射器の順に背寄贈さ
れて円筒形に形成され、前記円筒形に形成された分散ブ
ラッグ反射器及びキャビティを支持するための支持体
が、前記円筒の外側に前記円筒と一体に形成されている
III-Ｖ族化合物面発光レーザを提供する。
【００１６】本願第１５発明は、(a)第１物質層と前記
第１物質よりも高い屈折率を有する第２物質層とが交互
に積層した予備第１及び予備第２分散ブラッグ反射器
と、予備キャビティ層とを、予備第１分散ブラッグ反射
器、予備キャビティ層及び予備第２分散ブラッグ反射器
の順に、半導体基板上に順次成長させる段階と、(b)選
択的な湿式食刻法で前記予備第２分散ブラッグ反射器か
ら前記第１物質層を除去し、前記第２物質よりも低い屈
折率を有する空気層を形成することにより第２分散ブラ
ッグ反射器を形成する段階と、(c)前記予備キャビティ
層を乾式食刻法で食刻し、キャビティを形成する段階
と、(d)前記予備第１分散ブラッグ反射器を選択的な湿
式食刻法で側面から食刻して前記第１物質層を除去し、
前記第２物質よりも低い屈折率を有する空気層を形成す
ることにより第１分散ブラッグ反射器を形成する段階と
を含むIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供す
る。
【００１７】本願第１６発明は、前記予備第１及び予備
第２分散ブラッグ反射器を、0≦x＜y≦1とする時、各々
AlxGa1-xN層と、AlyGa1-yN層とを交互に積層して形成す
るIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供する。
本願第１７発明は、前記(b)及び(d)段階において、前記
予備第１及び予備第２分散ブラッグ反射器から前記AlyG
a1-yN層を除去するIII-Ｖ族化合物面発光レーザを提供
する。
【００１８】本願第１８発明は、食刻マスクを作った
後、乾式食刻法を用いて前記基板の上面まで食刻して予
備第１分散ブラッグ反射器をパタニングする段階を、前
記(c)段階の直後にさらに含む、請求項１５に記載のIII
-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供する。本願
第１９発明は、前記(a)段階を行う前に、前記半導体基
板上にAlNまたはGaNを成長させてバッファ層を形成する
段階をさらに含むIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方
法を提供する。
【００１９】本願第２０発明は、前記バッファ層の結晶
成長を、有機金属化学気相蒸着法またはMBE法を用いて
行うIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供す
る。本願第２１発明は、前記(a)段階で、生成される光
の波長をλとし、分散ブラッグ反射器の構成物質の屈折
率をnとすると、前記予備第１及び予備第２分散ブラッ
グ反射器を、AlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層（０≦ｘ＜ｙ≦
１）とを交互に積層し、かつ各層の厚さをλ/4nに調整
して形成するIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を
提供する。
【００２０】本願第２２発明は、前記AlxGa1-xN層とAly
Ga1-yN層（０≦ｘ＜ｙ≦１）とを、少なくとも２重に積
層して前記予備第１及び予備第２分散ブラッグ反射器を
形成するIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供
する。本願第２３発明は、前記(a)段階で前記予備キャ
ビティを形成する段階が、前記予備第１分散ブラッグ反
射器上にキャリア制限のためのn-AlGaNからなる第１キ
ャリア制限層を形成する段階と、前記第１キャリア制限
層上にInxGa1-xN （０≦ｘ≦１）からなる多重量子井戸
構造の活性層を形成する段階と、前記活性層上にキャリ
ア制限のためのp-AlGaNからなる第２キャリア制限層を
形成する段階と、を含む請求項１５に記載のIII-Ｖ族化
合物面発光レーザの製造方法を提供する。
【００２１】本願第２４発明は、前記n-AlGaNからなる
第１キャリア制限層を形成する段階で、前記n-AlGaNキ
ャリア制限層を形成する途中でn-AlN層を形成する段階
をさらに含むIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を
提供する。本願第２５発明は、前記p-AlGaNからなる第
２キャリア制限層を形成する段階で、前記p-AlGaNから
なる第２キャリア制限層を形成する途中でp-AlN層を形
成する段階をさらに含むIII-Ｖ族化合物面発光レーザの
製造方法を提供する。
【００２２】本願第２６発明は、前記n-AlGaNからなる
第１キャリア制限層と前記予備第１分散ブラッグ反射器
との間及び前記p-AlGaNからなる第２キャリア制限層と
前記予備第２分散ブラッグ反射器との間に、それぞれ金
属接触のためのn-GaNからなる第１コンタクト層及びp-G
aNからなる第２コンタクト層を形成する段階をさらに含
むIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供する。
【００２３】本願第２７発明は、前記n-GaNからなる第
１コンタクト層を形成する段階で、前記第１コンタクト
層を形成する途中でn-AlN層を形成する段階をさらに含
むIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供する。
本願第２８発明は、前記p-GaNからなる第２コンタクト
層を形成する段階で、前記第２コンタクト層を形成する
途中でp-AlN層を形成する段階をさらに含むIII-Ｖ族化
合物面発光レーザの製造方法を提供する。
【００２４】本願第２９発明は、前記(b)段階で、前記
選択的な湿式食刻法に、エッチング液としてKOH溶液を
用いる、III-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供
する。本願第３０発明は、前記(c)段階の直後に、前記
第１キャリア制限層の形成途中に形成した前記n-AlN層
の一定幅を、側面から酸化させるかまたは食刻して電流
遮断層を形成する段階をさらに含むIII-Ｖ族化合物面発
光レーザの製造方法を提供する。
【００２５】本願第３１発明は、前記(c)段階の直後
に、前記第２キャリア制限層の形成途中に形成した前記
p-AlN層の一定幅を、側面から酸化させるかまたは食刻
して電流遮断層を形成する段階をさらに含むIII-Ｖ族化
合物面発光レーザの製造方法を提供する。本願第３２発
明は、前記(c)段階の直後に、前記第１コンタクト層の
形成途中に形成した前記n-AlN層の一定幅を、側面から
酸化させるかまたは食刻して除去し、電流遮断層を形成
するIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提供す
る。
【００２６】本願第３３発明は、前記(c)段階の直後
に、前記第２コンタクト層の形成途中に形成した前記p-
AlN層の一定幅を、側面から酸化させるか食刻して除去
し、電流遮断層を形成するIII-Ｖ族化合物面発光レーザ
の製造方法を提供する。本願第３４発明は、前記(d)段
階で、前記選択的な湿式食刻法に用いるエッチング液と
してKOH溶液を用いるIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製
造方法を提供する。
【００２７】本願第３５発明は、前記(d)段階の次に、
前記n-GaNｌからなる第１コンタクト層及びp-GaNからな
る第２コンタクト層の縁部に、電極用金属を各々蒸着す
る段階をさらに含むIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造
方法を提供する。本願第３６発明は、前記(a)段階で、
前記予備第１分散ブラッグ反射器及び予備第２分散ブラ
ッグ反射器をAlxOy層とGaNとを交互に少なくとも２重に
積層し、前記(b)段階及び(d)段階で、湿式食刻法を用い
てそれぞれの分散ブラッグ反射器中のAlxOy層を除去す
ることにより、各々GaN層と空気層とが交互に積層され
た第１分散ブラッグ反射器及び第２分散ブラッグ反射器
を形成するIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法を提
供する。
【００２８】本願第３７発明は、前記(a)段階で、前記
予備第１分散ブラッグ反射器及び予備第２分散ブラッグ
反射器でp-GaN層とn-GaN層とを交互に少なくとも２重に
積層し、前記(b)段階及び(d)段階で、光電子化学エッチ
ング法を用いてそれぞれの分散ブラッグ反射器中のn-Ga
N層を選択的に食刻して除去することにより、p-GaN層と
空気層とが交互に積層された第１分散ブラッグ反射器及
び第２分散ブラッグ反射器を形成するIII-Ｖ族化合物面
発光レーザの製造方法を提供する。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明によ
るIII-Ｖ族化合物面発光レーザ及びその製造方法を詳細
に説明する。本発明によるIII-Ｖ族化合物面発光レーザ
はGaN/AlN物質自体の結晶成長上の制約を克服して優れ
た特性の面発光半導体レーザーを製作するために、GaN
またはAlの含量が少ないAlGaNと空気を交代で積層する
新たな概念のDBRを使用することを特徴とする。
【００３０】即ち、図６に示すように、本発明によるII
I-Ｖ族化合物面発光レーザは基本的にInGaN多重量子井
戸(MQWs)からなる活性層41と、活性層41を挟んで図中上
下に位置するp-AlGaN及びn-AlGaNからなるキャリア制限
層42、43とを有するキャビティ40を具備している。この
キャビティ40を挟んで図中上下にはGaN層またはAlの含
量が少ないAlGaN層51、61と空気層52、62との多重層で
形成された上部及び下部DBR(Distributed Bragg Reflec
tor)(DBR)50、60が形成されている。よく知られたよう
に、空気の屈折率は1であるので、上記の構成を有するD
BR50、60は２〜１０重の多重層でも十分に高い反射率が
得られるし、高反射率を示すスペクトルの幅も非常に広
い。具体例として、図７及び図８に、GaN層と空気層と
を4対積層したDBRの反射率を計算した結果を示す。ここ
で、図８は図７の反射率グラフから反射率0.9と1との間
の区間を拡大したグラフである。また、単一モード動作
を具現するために上部DBR60は10μm以下の口径を有する
ように形成されている。
【００３１】＜第１実施形態例＞以上のような構成を有
する単一モードGaN系面発光レーザの第1実施形態例の平
面図を図9に示す。また、図10、図11及び図12の各々
に、図９において、A-A‘線、B-B'線及びC-C‘線に沿っ
て切開した垂直断面図を示す。本実施形態例の面発光レ
ーザは、基板70上にバッファ層80、GaN層85、下部DBR5
0、n-GaN下部コンタクト層100、キャビティ40、p-GaN上
部コンタクト層110及び上部DBR60が順に積層された円筒
形構造を基本構造とし、その周辺に上下部DBRの空気層
を維持するための支持体を有する構造を有する。
【００３２】上部及び下部DBR50,60は、P-GaN層51,62と
空気層52,62との多重層で形成されている。図９、図10
及び図12には、空気層52,62が形成された(従来のAlN層
が除去された)状態でどのようにp-GaN層51、61の位置が
固定されたかが示されている。即ち、空気層52、62を作
るために食刻される物質(AlNあるいはn-GaN)が縁部では
完全に食刻されずに残り、支持体52'、62‘の役割をする
ことによって空気層52、62が形成される。
【００３３】キャビティ40はn-AlGaNからなる下部キャ
リア制限層43、InGaN活性層41及びp-AlGaN上部キャリア
制限層42からなる。キャビティ40の上下部には各々n-Ga
Nコンタクト層100及びp-GaNコンタクト層110が形成され
る。この円形のp-GaN及びn-GaNコンタクト層100、110の
縁部に各々電極(図示せず、図22の120及び130参照)が形
成される。n-GaNコンタクト層100及びp-GaNコンタクト
層110は、その厚さによってキャビティ40で形成された
り、DBRの最初の高屈折率層で形成される場合もある。
即ち、DBRの最初の高屈折率層で設計される場合にはλ/
4n(λはレーザー波長、nは媒質の屈折率)の厚さを有
し、キャビティで設計される場合には光導波に有利な厚
さを有するように設計される。
【００３４】＜第２実施形態例＞図13に、本発明に係る
単一モードGaN系面発光レーザの第2実施形態例の平面図
を示す。図14及び図15は、各々図13中A-A‘線及びB-B'
線に沿って切開した垂直断面図を示す。第2実施形態例
に係わる面発光レーザは、第1実施形態例と同様、基板7
0上にバッファ層80、GaN層85、下部DBR50、n-GaN下部コ
ンタクト層100、キャビティ40、p-GaN上部コンタクト層
110及び上部DBR60が順序に積層された円筒形構造を基本
構造とし、その周辺に上下部DBRの空気層を維持するた
めの支持体を有する構造を有する。
【００３５】上部及び下部DBRは、P-GaNまたはGaN層51,
61と空気層52,62との多重層で形成されている。図13及
び図14に示すように、空気層52、62が形成された(従来
のAlN層が除去された)状態においては、p-GaN層51、61
は、空気層52、62を作るために食刻される物質(AlNある
いはn-GaN)が縁部では完全に食刻されずに残って支持体
52'、62‘の役割をすることにより支持されている。
【００３６】キャビティ40は、n-AlGaNからなる下部キ
ャリア制限層43、InGaNからなる活性層41及びp-AlGaNか
らなる上部キャリア制限層42からなる。キャビティ40の
上下には、n-GaNからなるコンタクト層100及びp-GaNか
らなるコンタクト層110がキャビティ４０を挟んでそれ
ぞれ位置している。n-GaNからなるコンタクト層100及び
p-GaNからなるコンタクト層110は、その厚さによってキ
ャビティ40でも形成でき、DBRの最初の高屈折率層でも
形成されうることは第1実施形態例と同様である。
【００３７】p-AlNからなる通電チャンネル90及び空気
またはAl2O3からなる電流遮断層90'は、上部コンタクト
層110の内部に形成されている。p-AlN通電チャンネル90
は、制限された電流をキャビティ40に供給するためのも
のであり、上部キャリア制限層42、下部キャリア制限層
４３，上部コンタクト層110の中間または下部コンタク
ト層100に形成される。この通電チャンネル90の周辺に
は、空気またはAl2O3から形成される電流遮断層90'がさ
らに形成される。
【００３８】前記のように構成された円形のp-GaN及びn
-GaNコンタクト層110、100の縁部に電極を形成し(図示
せず、図22の120及び130参照)、電極間に電圧を印加す
ると、前記電流遮断層90'により、通電チャンネル90以
外の領域に電流が流れることを防止できる。 ＜製造方法＞前記の構造の単一モードGaN系面発光レー
ザの製造方法は次の通りである。製造方法に対しては第
1実施形態例と第2実施形態例の構造が似ているので、そ
の構造がより複雑な第2実施形態例を中心として説明す
る。
【００３９】まず、図16に示すように、基板70上にAlN
またはGaNよりなるバッファ層80を成長させた後、この
バッファ層80上に予備下部DBR50'、予備下部コンタクト
層100'、予備キャビティ層40'、予備上部コンタクト層1
10'及び予備上部DBR60'を順次成長させる。通常、結晶
成長法としては有機金属化学気相蒸着(MOCVD)またはMBE
法が使われる。また、予備上部コンタクト層110'の間に
は電流通路用p-AlN層90aが挿入できるように成長させ
る。
【００４０】予備キャビティ層40'は、n-AlGaNからなる
予備下部キャリア制限層43'、InGaNからなる予備活性層
41'、ついでp-AlGaNからなる予備上部キャリア制限層4
2'を順次に成長させて形成される。予備上部コンタクト
層110'の間に電流通路用p-AlN層90aを形成せず、予備上
部キャリア制限層42'に電流遮断層を形成する場合に
は、予備上部キャリア制限層42'の間には電流通路用p-A
lN層90aを挿入できるように成長させる場合もある。
【００４１】予備上下DBR50'、60'は、GaNまたはAl含量
が小さなAlGaNと、AlNまたはAl含量が大きいAlGaNと
を、λ/4n(λは波長、nは屈折率)の厚さずつ交互に積層
して形成される。AlNまたはAl含量が大きいAlGaNの食刻
層52'、62'は結晶成長後湿式食刻法により選択的に除去
されて、結局空間の空気が低屈折率層になるが、空気の
屈折率は1であるのでλ/4厚さで積層される。この際積
層する層の数は2重以上で望みの反射率を考えて適切に
調節すればいいが、通常3〜5重内で積層して所望の反射
率を得る。GaAsを中心とする従来の面発光レーザとは異
なり、本発明による単一モードGaN系面発光レーザはDBR
を通して電流が注入されないのでDBR積層時にn型または
p型にドーピングする必要はない。
【００４２】次に乾式食刻法を使用して予備上部DBR層6
0'を、図13の部材番号1000番領域と同形にパターニング
する。次に、選択的な湿式食刻法で上部DBR60'からAlN
層62'を除去して空気層62を形成することによって、図1
7に示したように、低屈折率の上部DBR層60を形成する。
ここで、エッチング液としてはKOH溶液を使用する。
【００４３】次に、図13の"2000"領域と同じパターンの
エッチングマスクを作った後、p-GaN上部コンタクト層1
10'、キャビティ層40'及び一部のn-GaN下部コンタクト
層100'を乾式食刻法で図18に示したように食刻して、p-
GaN上部コンタクト層110"、キャビティ層40"及びn-GaN
からなる下部コンタクト層100"を形成する。次に、高温
及び酸素雰囲気でp-GaN予備上部コンタクト層110"間のp
-AlN層90aを露出された側面から酸化させたり食刻し
て、図19に示す電流遮断層90'を形成する。このとき、
円形パターンの中心部にp-AlN層を残し、電流通路90と
して使用されるようにする。形成された酸化膜または空
気層90'は、発振されたビームを導波させる役割をして
単一横モード動作を可能にする。
【００４４】次に、図13の"3000"領域と同じパターンで
食刻マスクを作った後、一部n-GaN下部コンタクト層10
0"及び予備下部DBR層50'を乾式食刻法でGaN層85の上面
まで乾式食刻し、図20に示すように、n-GaNからなる下
部コンタクト層100及び予備下部DBR層50"を形成する。
次に、上記のように露出された予備下部DBR層50"のAlN
層52"を側面から除去することにより、空気からなる低
屈折率層52を形成し、図21に示すように、下部DBR50を
形成する。ここで、エッチング液としてはやはりKOH溶
液を使用する。
【００４５】次に、下部コンタクト層100の上面縁部及
び上部コンタクト層110の上面縁部に、図22に示したよ
うに、各々n-オーミックコンタクト金属120とp-オーミ
ックコンタクト金属130を蒸着して素子の製作を完了す
る。以上のような製造方法の他、上、下DBR層でAlxOy層
とGaN層とを交互に積層し、湿式食刻法でAlxOy層を除去
して空気からなる低屈折率層を得るDBRを製造する方法
も可能である。また、光電子化学エッチング(PEC)時
に、p-GaNよりn-GaNの食刻速度が速い性質を利用して、
p-GaN/n-GaN多重層を形成した後、光電子エッチング法
でn-GaN層を除去してDBRを製造する方法もある。この際
上下DBRのp-GaN層は二つの電極の外部に位置して電流の
流れとは関係がないため、p型にドーピングされても関
係ない。ここで、水銀アーク灯の発光とKOH溶液を利用
してGaN層を食刻する光電子化学的エッチング法のドー
プ剤-選択エッチング特性は、半導体表面で光により発
生される電子-ホール対により強化される。この電子-ホ
ール対は電子化学セル内で酸化及び還元反応を強化する
役割をする。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるIII-
Ｖ族化合物面発光レーザは400nm帯の紫外線及び青色波
長の光を出すことができて高容量情報貯蔵機器に使わ
れ、エッジ発光レーザに比べて単一縦モード発振をする
等特性に優れた長所がある。特に、本発明では空気層を
含むDBRを形成することによって、少ないDBR重層で充分
の反射率が得られて結晶成長上の難しさが解消されて製
作が容易であり、AlN側方酸化あるいは食刻で電流制限
及び光導波を具現して高い量子効率の動作と単一横モー
ドを得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のGaN/AlNの多重層よりなるDBRを有する面
発光レーザの概略的な垂直断面図。
【図２】GaN/AlNの15重の多重層よりなるDBRを有する図
１の面発光レーザでDBRの反射率を示すグラフ。
【図３】図２の反射率グラフで反射率0.9と1との区間を
拡大したグラフ。
【図４】GaN/AlNの30重の多重層よりなるDBRを有する図
１の面発光レーザでDBRの反射率を示すグラフ。
【図５】図４の反射率グラフで反射率0.9と1との区間を
拡大したグラフ。
【図６】本発明による面発光レーザの概略的な垂直断面
図。
【図７】GaN/Airの4重の多重層よりなるDBRを有する図
６の面発光レーザでDBRの反射率を示すグラフ。
【図８】図７の反射率グラフで反射率0.9と1との区間を
拡大したグラフ。
【図９】図６の面発光レーザ基本構造を適用した第1実
施例を示す平面図。
【図１０】図９の第1実施例をA-A‘線に沿って切開した
垂直断面図。
【図１１】図９の第1実施例をB-B‘線に沿って切開した
垂直断面図。
【図１２】図９の第1実施例をC-C‘線に沿って切開した
垂直断面図。
【図１３】図６の面発光レーザ基本構造を適用した第2
実施例を示す平面図。
【図１４】図１３の第2実施例をA-A‘線に沿って切開し
た垂直断面図。
【図１５】図１３の第2実施例をB-B‘線に沿って切開し
た垂直断面図。
【図１６】図１３乃至図１５の第2実施例の製作工程を
段階別に示す図面である。
【図１７】図１３乃至図１５の第2実施例の製作工程を
段階別に示す図面である。
【図１８】図１３乃至図１５の第2実施例の製作工程を
段階別に示す図面である。
【図１９】図１３乃至図１５の第2実施例の製作工程を
段階別に示す図面である。
【図２０】図１３乃至図１５の第2実施例の製作工程を
段階別に示す図面である。
【図２１】図１３乃至図１５の第2実施例の製作工程を
段階別に示す図面である。
【図２２】図１３乃至図１５の第2実施例の製作工程を
段階別に示す図面である。
【符号の説明】
10、40 キャビティ 11 活性層 12 下部キャリア制限層 13 上部キャリア制限層 20 下部DBR 21 n-AlN層 22 n-GaN層 30 上部DBR 31 p-AlN層 32 p-GaN層 40 キャビティ 40' 予備キャビティ層 41 活性層 42 p-AlGaN上部キャリア制限層 43 n-AlGaNキャリア制限層 50' 予備下部DBR 50 下部分散ブラッグ反射器(DBR) 100' 予備下部コンタクト層 110' 予備上部コンタクト層 60' 予備上部DBR 60 上部分散ブラッグ反射器(DBR) 51、61 GaN(またはAlの含量が少ないAlGaN)高屈折率層 52、62 空気低屈折率層 70 基板 80 バッファ層 85 GaN層 100 下部コンタクト層 110 上部コンタクト層 120 n-オーミックコンタクト金属 130 p-オーミックコンタクト金属

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基板上に下部分散ブラッグ反射器、
    キャビティ及び上部分散ブラッグ反射器を備えたIII-Ｖ
    族化合物面発光レーザにおいて、 前記下部及び上部分散ブラッグ反射器は低屈折率の空気
    層及び前記低屈折率の空気層より高屈折率を有する物質
    層の対が積層して形成されたことを特徴とするIII-Ｖ族
    化合物面発光レーザ。
  2. 【請求項２】半導体基板上に、１対の分散ブラッグ反射
    器に挟まれて位置するキャビティを有するIII-Ｖ族化合
    物面発光レーザであって、 前記１対の分散ブラッグ反射器は、空気層及び前記空気
    層よりも高い屈折率を有する物質層が交互に積層して形
    成されている、III-Ｖ族化合物面発光レーザ。
  3. 【請求項３】前記空気よりも高い屈折率を有する物質層
    は、GaN、AlN及びInNの化合物のうちから選択されるい
    ずれか一つの化合物からなる、請求項２に記載のIIV°V
    族化合物面発光レーザ。
  4. 【請求項４】前記空気よりも高い屈折率を有する物質層
    は、GaN層、AlN層及びInNの化合物のうちから選択され
    るいずれか一つの化合物を含む2元混晶系乃至4元混晶系
    の化合物からなる、請求項２に記載のIII-Ｖ族化合物面
    発光レーザ。
  5. 【請求項５】前記１対の分散ブラッグ反射器は、前記空
    気層と前記空気よりも高い高屈折率を有する物質層とが
    少なくとも2重に積層して形成されている、請求項２に
    記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザ。
  6. 【請求項６】前記１対の分散ブラッグ反射器を形成する
    各層は、生成される光の波長をλとし、前記分散ブラッ
    グ反射器を構成する物質の屈折率をnとすると、λ/4nの
    厚さに形成されている、請求項２に記載のIII-Ｖ族化合
    物面発光レーザ。
  7. 【請求項７】前記キャビティは、 0≦x≦1とするとき、InxGa1-xNの多重量子井戸からなる
    活性層と、 0≦y≦1及び0≦z≦1とするとき、それぞれ前記活性層を
    挟んで位置する、キャリア制限のためのn-AlyGa1-yNか
    らなる第1キャリア制限層及びp-AlzGa1-zNからなる第2
    キャリア制限層と、を備える請求項２に記載のIII-Ｖ族
    化合物面発光レーザ。
  8. 【請求項８】前記n-AlGaNからなる第1キャリア制限層の
    中間に、電流通路としてn-AlN層と、前記n-AlN層の周辺
    に位置し、酸化したn-AlNまたは空気からなる電流遮断
    層とがさらに形成されている、請求項７に記載のIII-Ｖ
    族化合物面発光レーザ。
  9. 【請求項９】前記p-AlGaNからなる第2キャリア制限層の
    中間に、電流通路としてp-AlN層と、前記p-AlN層の周辺
    に位置し、酸化したp-AlNまたは空気からなる電流遮断
    層とがさらに形成されている、請求項７に記載のIII-Ｖ
    族化合物面発光レーザ。
  10. 【請求項１０】前記n-AlGaNからなる第1キャリア制限層
    及びp-AlGaNからなる第2キャリア制限層の前記活性層と
    反対側に、各々電極接続のためのn-GaNからなる第1コン
    タクト層及びp-GaNからなる第2コンタクト層がさらに形
    成されている、請求項７に記載のIII-Ｖ族化合物面発光
    レーザ。
  11. 【請求項１１】前記n-GaNからなる第1コンタクト層の中
    間に、電流通路としてn-AlN層と、前記n-AlN層の周辺に
    位置し、酸化したn-AlNまたは空気からなる電流遮断層
    とがさらに形成されている、請求項１０に記載のIII-Ｖ
    族化合物面発光レーザ。
  12. 【請求項１２】前記p-GaNからなる第2コンタクト層の中
    間に、電流通路としてp-AlN層と、前記p-AlN層の周辺に
    位置し、酸化したp-AlNまたは空気からなる電流遮断層
    とがさらに形成されている、請求項１０に記載のIII-Ｖ
    族化合物面発光レーザ。
  13. 【請求項１３】前記n-GaNからなる第1コンタクト層及び
    p-GaNからなる第2コンタクト層の上部の縁部に、それぞ
    れ前記分散ブラッグ反射器及びキャビティと離隔される
    ように電極が形成されている、請求項１０に記載のIII-
    Ｖ族化合物面発光レーザ。
  14. 【請求項１４】前記１対の分散ブラッグ反射器及びキャ
    ビティは、第１分散ブラッグ反射器、キャビティ及び第
    ２分散ブラッグ反射器の順に背寄贈されて円筒形に形成
    され、 前記円筒形に形成された分散ブラッグ反射器及びキャビ
    ティを支持するための支持体が、前記円筒の外側に前記
    円筒と一体に形成されている、請求項２〜１３のうちの
    いずれかに記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザ。
  15. 【請求項１５】(a)第１物質層と前記第１物質よりも高
    い屈折率を有する第２物質層とが交互に積層した予備第
    １及び予備第２分散ブラッグ反射器と、予備キャビティ
    層とを、予備第１分散ブラッグ反射器、予備キャビティ
    層及び予備第２分散ブラッグ反射器の順に、半導体基板
    上に順次成長させる段階と、 (b)選択的な湿式食刻法で前記予備第２分散ブラッグ反
    射器から前記第１物質層を除去し、前記第２物質よりも
    低い屈折率を有する空気層を形成することにより第２分
    散ブラッグ反射器を形成する段階と、 (c)前記予備キャビティ層を乾式食刻法で食刻し、キャ
    ビティを形成する段階と、 (d)前記予備第１分散ブラッグ反射器を選択的な湿式食
    刻法で側面から食刻して前記第１物質層を除去し、前記
    第２物質よりも低い屈折率を有する空気層を形成するこ
    とにより第１分散ブラッグ反射器を形成する段階と、を
    含むIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  16. 【請求項１６】前記予備第１及び予備第２分散ブラッグ
    反射器を、0≦x＜y≦1とする時、各々AlxGa1-xN層と、A
    lyGa1-yN層とを交互に積層して形成する、請求項１５に
    記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  17. 【請求項１７】前記(b)及び(d)段階において、前記予備
    第１及び予備第２分散ブラッグ反射器から前記AlyGa1-y
    N層を除去する、請求項１６に記載のIII-Ｖ族化合物面
    発光レーザ。
  18. 【請求項１８】食刻マスクを作った後、乾式食刻法を用
    いて前記基板の上面まで食刻して予備第１分散ブラッグ
    反射器をパタニングする段階を、前記(c)段階の直後に
    さらに含む、請求項１５に記載のIII-Ｖ族化合物面発光
    レーザの製造方法。
  19. 【請求項１９】前記(a)段階を行う前に、前記半導体基
    板上にAlNまたはGaNを成長させてバッファ層を形成する
    段階をさらに含む、請求項１５に記載のIII-Ｖ族化合物
    面発光レーザの製造方法。
  20. 【請求項２０】前記バッファ層の結晶成長を、有機金属
    化学気相蒸着法またはMBE法を用いて行う、請求項１９
    に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  21. 【請求項２１】前記(a)段階で、生成される光の波長を
    λとし、分散ブラッグ反射器の構成物質の屈折率をnと
    すると、前記予備第１及び予備第２分散ブラッグ反射器
    を、AlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層（０≦ｘ＜ｙ≦１）とを
    交互に積層し、かつ各層の厚さをλ/4nに調整して形成
    する、請求項１５に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザ
    の製造方法。
  22. 【請求項２２】前記AlxGa1-xN層とAlyGa1-yN層（０≦ｘ
    ＜ｙ≦１）とを、少なくとも２重に積層して前記予備第
    １及び予備第２分散ブラッグ反射器を形成する、請求項
    ２１に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  23. 【請求項２３】前記(a)段階で前記予備キャビティを形
    成する段階は、 前記予備第１分散ブラッグ反射器上にキャリア制限のた
    めのn-AlGaNからなる第１キャリア制限層を形成する段
    階と、 前記第１キャリア制限層上にInxGa1-xN （０≦ｘ≦１）
    からなる多重量子井戸構造の活性層を形成する段階と、 前記活性層上にキャリア制限のためのp-AlGaNからなる
    第２キャリア制限層を形成する段階と、を含む請求項１
    ５に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  24. 【請求項２４】前記n-AlGaNからなる第１キャリア制限
    層を形成する段階で、前記n-AlGaNキャリア制限層を形
    成する途中でn-AlN層を形成する段階をさらに含む、請
    求項２３に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方
    法。
  25. 【請求項２５】前記p-AlGaNからなる第２キャリア制限
    層を形成する段階で、前記p-AlGaNからなる第２キャリ
    ア制限層を形成する途中でp-AlN層を形成する段階をさ
    らに含む、請求項２３に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レ
    ーザの製造方法。
  26. 【請求項２６】前記n-AlGaNからなる第１キャリア制限
    層と前記予備第１分散ブラッグ反射器との間及び前記p-
    AlGaNからなる第２キャリア制限層と前記予備第２分散
    ブラッグ反射器との間に、それぞれ金属接触のためのn-
    GaNからなる第１コンタクト層及びp-GaNからなる第２コ
    ンタクト層を形成する段階をさらに含む、請求項２３に
    記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  27. 【請求項２７】前記n-GaNからなる第１コンタクト層を
    形成する段階で、前記第１コンタクト層を形成する途中
    でn-AlN層を形成する段階をさらに含む、請求項２６に
    記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  28. 【請求項２８】前記p-GaNからなる第２コンタクト層を
    形成する段階で、前記第２コンタクト層を形成する途中
    でp-AlN層を形成する段階をさらに含む、請求項２６に
    記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  29. 【請求項２９】前記(b)段階で、前記選択的な湿式食刻
    法に、エッチング液としてKOH溶液を用いる、請求項１
    ５に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
  30. 【請求項３０】前記(c)段階の直後に、前記第１キャリ
    ア制限層の形成途中に形成した前記n-AlN層の一定幅
    を、側面から酸化させるかまたは食刻して電流遮断層を
    形成する段階をさらに含む、請求項２４に記載のIII-Ｖ
    族化合物面発光レーザの製造方法。
  31. 【請求項３１】前記(c)段階の直後に、前記第２キャリ
    ア制限層の形成途中に形成した前記p-AlN層の一定幅
    を、側面から酸化させるかまたは食刻して電流遮断層を
    形成する段階をさらに含む、請求項２５に記載のIII-Ｖ
    族化合物面発光レーザの製造方法。
  32. 【請求項３２】前記(c)段階の直後に、前記第１コンタ
    クト層の形成途中に形成した前記n-AlN層の一定幅を、
    側面から酸化させるかまたは食刻して除去し、電流遮断
    層を形成する、請求項２７に記載のIII-Ｖ族化合物面発
    光レーザの製造方法。
  33. 【請求項３３】前記(c)段階の直後に、前記第２コンタ
    クト層の形成途中に形成した前記p-AlN層の一定幅を、
    側面から酸化させるか食刻して除去し、電流遮断層を形
    成する、請求項２８に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レー
    ザの製造方法。
  34. 【請求項３４】前記(d)段階で、前記選択的な湿式食刻
    法に用いるエッチング液としてKOH溶液を用いる、請求
    項１５に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方
    法。
  35. 【請求項３５】前記(d)段階の次に、前記n-GaNｌからな
    る第１コンタクト層及びp-GaNからなる第２コンタクト
    層の縁部に、電極用金属を各々蒸着する段階をさらに含
    む、請求項２６に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの
    製造方法。
  36. 【請求項３６】前記(a)段階で、前記予備第１分散ブラ
    ッグ反射器及び予備第２分散ブラッグ反射器をAlxOy層
    とGaNとを交互に少なくとも２重に積層し、 前記(b)段階及び(d)段階で、湿式食刻法を用いてそれぞ
    れの分散ブラッグ反射器中のAlxOy層を除去することに
    より、各々GaN層と空気層とが交互に積層された第１分
    散ブラッグ反射器及び第２分散ブラッグ反射器を形成す
    る、請求項１５に記載のIII-Ｖ族化合物面発光レーザの
    製造方法。
  37. 【請求項３７】前記(a)段階で、前記予備第１分散ブラ
    ッグ反射器及び予備第２分散ブラッグ反射器でp-GaN層
    とn-GaN層とを交互に少なくとも２重に積層し、 前記(b)段階及び(d)段階で、光電子化学エッチング法を
    用いてそれぞれの分散ブラッグ反射器中のn-GaN層を選
    択的に食刻して除去することにより、p-GaN層と空気層
    とが交互に積層された第１分散ブラッグ反射器及び第２
    分散ブラッグ反射器を形成する、請求項１５に記載のII
    I-Ｖ族化合物面発光レーザの製造方法。
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