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技術 窒化物半導体発光素子およびその製造方法

出願人 シャープ株式会社
発明者 西本浩之バッカロパブロ
出願日 2008年9月1日 (11年10ヶ月経過) 出願番号 2008-223832
公開日 2010年3月18日 (10年3ヶ月経過) 公開番号 2010-062213
状態 特許登録済
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード 中央領 作製歩留り 発振電流 片端面 サファイアウエハ 凸領域 ガウシアン形状 分割ライン
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

光やキャリア閉じ込め効率が高く、遠視野像ガウシアン形状で単である窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。

解決手段

少なくとも2本の溝と、前記2本の溝に挟まれたストライプ状の凸部と、を有するチップ基本単位が複数配列されたウエハを準備するウエハ準備ステップと、前記ウエハ上に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、を含む窒化物半導体層結晶成長させる結晶成長ステップと、前記ウエハを前記チップ基本単位に分割するチップ分割ステップと、を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

概要

背景

GaN、AlN、InN、GaInN、GaNAs等の窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、紫外から可視領域の光を良好に取り出すことができるので、光通信光ピックアップ等に広く使用されている。

近年、窒化物半導体発光素子発光特性の更なる向上が求められており、光やキャリア発光領域(活性層)に効率的に閉じ込めることにより、発光特性を向上させる技術に対する注目が高まっている。

このような中、特許文献1は、光やキャリアを閉じ込めるために、活性層にストライプ状のリッジリッジストライプ)を形成した半導体レーザ素子を開示している。また、この技術では、リッジストライプ以外の部分に半導体組成を変化させた領域を設けている。

特開2006−216731号公報

図5に、特許文献1にかかる窒化物半導体レーザ素子を示す。この技術にかかる窒化物半導体レーザ素子100は、n型GaN基板101上に、n型GaNコンタクト層102、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層103、n型GaNガイド層104、GaInN多重量子井戸活性層105、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアバリア層106、p型GaNガイド層107、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108、p型GaNコンタクト層109、p型電極112が、順次積層された構造である。

上記p型GaNガイド層107、p型クラッド層108、およびp型コンタクト層109は、その一部がエッチング除去され、共振器方向延伸したストライプ状のリッジ(リッジストライプ)110が形成されている。そして、リッジストライプ110が形成された面であってリッジストライプ110以外の少なくとも一部に、不純物を添加したGaN層111が形成されている。

また、p型電極112とGaN不純物添加層111およびリッジストライプ110との間には、リッジストライプ110の頭頂部を除いて、絶縁膜113が設けられている。さらに、n型GaN基板101の積層構造を形成した面と反対の面には、n型電極114が形成されている。

この技術では、リッジストライプ110が設けられており、リッジストライプ110と絶縁膜113との界面において、屈折率が大きく変化するため、この屈折率の差により、光やキャリアがリッジストライプ110から絶縁膜113に漏れ出すことが抑制される。しかしながら、屈折率に差があっても、リッジストライプ110から一部の光が漏れ出してしまう。この技術では、この漏れ出し光を、不純物を添加したGaN層111が吸収する。これらにより、放射される光強度分布の形状(遠視野像)を、好ましい形状である、単ガウシアン形状とすることができるとされる。

特許文献1にかかる技術は、リッジストライプを設けることにより光やキャリアの閉じ込め効率を高め、且つリッジストライプから一部漏れ出した、発光特性に悪影響を及ぼす光を、リッジストライプ外部(不純物を添加したGaN層)で吸収することにより、発光特性の低下を防止している。しかしながら、リッジストライプから光やキャリア(電子ホール)が漏れ出すこと自体をより効果的に抑制できれば、キャリアの利用効率が向上して、レーザ発振に必要な電流を小さくできるとともに、上記特許文献1のような漏れ出した光を吸収するための構成(不純物添加GaN層)を不要とすることができる。しかし、このような窒化物半導体レーザ素子は、未だ実現されていない。

概要

光やキャリアの閉じ込め効率が高く、遠視野像がガウシアン形状で単峰である窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。少なくとも2本の溝と、前記2本の溝に挟まれたストライプ状の凸部と、を有するチップ基本単位が複数配列されたウエハを準備するウエハ準備ステップと、前記ウエハ上に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、を含む窒化物半導体層結晶成長させる結晶成長ステップと、前記ウエハを前記チップ基本単位に分割するチップ分割ステップと、を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

目的

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、光やキャリアがリッジストライプ外部に漏れ出すことを防止することにより、高い変換効率を有し、放射される光強度分布の形状(遠視野像)が単峰でガウシアン形状である窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも2本の溝と、前記2本の溝に挟まれたストライプ状の凸部と、を有する基板と、前記基板上に結晶成長された、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、を含む窒化物半導体層と、を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子

請求項2

請求項1に記載の窒化物半導体発光素子において、前記窒化物半導体発光素子は、片端面出射型半導体レーザ素子であり、レーザ出射端面における前記ストライプ状の凸部の幅は、レーザ反射端面よりも小さい、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。

請求項3

請求項2に記載の窒化物半導体発光素子において、前記レーザ出射端面における前記ストライプ状の凸部の幅が0.5〜10μmであり、前記レーザ反射端面における前記ストライプ状の凸部の幅が50〜600μmである、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。

請求項4

請求項3に記載の窒化物半導体発光素子において、前記ストライプ状の凸部の幅が0.5〜10μmである領域のストライプ方向長さが、前記半導体発光素子のストライプ方向長さの5〜50%であり、前記ストライプ状の凸部の幅が50〜600μmである領域のストライプ方向長さが、前記半導体発光素子のストライプ方向長さの50〜95%である、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。

請求項5

請求項1ないし4いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子において、前記活性層は、障壁層井戸層とからなる多重量子井戸活性層であり、前記障壁層と前記井戸層の少なくとも一方は、2種以上のIII族元素及び/又は2種以上のV族元素を含む、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。

請求項6

請求項1ないし5いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子において、前記溝の幅が1〜300μmであり、前記溝の高さが0.5〜10μmである、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。

請求項7

請求項1ないし6いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子において、前記基板が、GaN基板サファイア基板又はサファイア基板上にGaNテンプレートが形成された基板である、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。

請求項8

少なくとも2本の溝と、前記2本の溝に挟まれたストライプ状の凸部と、を有するチップ基本単位が複数配列されたウエハを準備するウエハ準備ステップと、前記ウエハ上に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、を含む窒化物半導体層を結晶成長させる結晶成長ステップと、前記ウエハを前記チップ基本単位に分割するチップ分割ステップと、を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

請求項9

請求項8に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記窒化物半導体発光素子は、片端面出射型半導体レーザ素子であり、レーザ出射端面における前記ストライプ状の凸部の幅は、レーザ反射端面よりも大きい、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

請求項10

請求項9に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記レーザ出射端面における前記ストライプ状の凸部の幅が0.5〜10μmであり、前記レーザ反射端面における前記ストライプ状の凸部の幅が50〜600μmである、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

請求項11

請求項10に記載の窒化物半導体発光素子において、前記ストライプ状の凸部の幅が0.5〜10μmである領域のストライプ方向長さが、前記半導体発光素子のストライプ方向長さの5〜50%であり、前記ストライプ状の凸部の幅が50〜600μmである領域のストライプ方向長さが、前記半導体発光素子のストライプ方向長さの50〜95%である、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。

請求項12

請求項8ないし11いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記ウエハ準備ステップは、ウエハ表面をエッチングして前記溝を形成するステップである、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

請求項13

請求項8ないし12いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記ウエハが、GaN、サファイア又はサファイア上にGaNテンプレートが形成されたものからなる、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

請求項14

請求項8ないし13いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記活性層は、障壁層と井戸層とからなる多重量子井戸活性層であり、前記障壁層と前記井戸層の少なくとも一方は、2種以上のIII族元素及び/又は2種以上のV族元素を含む、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

請求項15

請求項8ないし14いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記溝の幅が1〜100μmであり、前記溝の高さが0.5〜10μmである、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

請求項16

請求項8ないし15いずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記活性層成長ステップは、有機金属気層成長法により行われる、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、詳しくは、光やキャリア閉じ込め効率の高い窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。

背景技術

0002

GaN、AlN、InN、GaInN、GaNAs等の窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、紫外から可視領域の光を良好に取り出すことができるので、光通信光ピックアップ等に広く使用されている。

0003

近年、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上が求められており、光やキャリアを発光領域(活性層)に効率的に閉じ込めることにより、発光特性を向上させる技術に対する注目が高まっている。

0004

このような中、特許文献1は、光やキャリアを閉じ込めるために、活性層にストライプ状のリッジリッジストライプ)を形成した半導体レーザ素子を開示している。また、この技術では、リッジストライプ以外の部分に半導体組成を変化させた領域を設けている。

0005

特開2006−216731号公報

0006

図5に、特許文献1にかかる窒化物半導体レーザ素子を示す。この技術にかかる窒化物半導体レーザ素子100は、n型GaN基板101上に、n型GaNコンタクト層102、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層103、n型GaNガイド層104、GaInN多重量子井戸活性層105、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアバリア層106、p型GaNガイド層107、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層108、p型GaNコンタクト層109、p型電極112が、順次積層された構造である。

0007

上記p型GaNガイド層107、p型クラッド層108、およびp型コンタクト層109は、その一部がエッチング除去され、共振器方向延伸したストライプ状のリッジ(リッジストライプ)110が形成されている。そして、リッジストライプ110が形成された面であってリッジストライプ110以外の少なくとも一部に、不純物を添加したGaN層111が形成されている。

0008

また、p型電極112とGaN不純物添加層111およびリッジストライプ110との間には、リッジストライプ110の頭頂部を除いて、絶縁膜113が設けられている。さらに、n型GaN基板101の積層構造を形成した面と反対の面には、n型電極114が形成されている。

0009

この技術では、リッジストライプ110が設けられており、リッジストライプ110と絶縁膜113との界面において、屈折率が大きく変化するため、この屈折率の差により、光やキャリアがリッジストライプ110から絶縁膜113に漏れ出すことが抑制される。しかしながら、屈折率に差があっても、リッジストライプ110から一部の光が漏れ出してしまう。この技術では、この漏れ出し光を、不純物を添加したGaN層111が吸収する。これらにより、放射される光強度分布の形状(遠視野像)を、好ましい形状である、単ガウシアン形状とすることができるとされる。

0010

特許文献1にかかる技術は、リッジストライプを設けることにより光やキャリアの閉じ込め効率を高め、且つリッジストライプから一部漏れ出した、発光特性に悪影響を及ぼす光を、リッジストライプ外部(不純物を添加したGaN層)で吸収することにより、発光特性の低下を防止している。しかしながら、リッジストライプから光やキャリア(電子ホール)が漏れ出すこと自体をより効果的に抑制できれば、キャリアの利用効率が向上して、レーザ発振に必要な電流を小さくできるとともに、上記特許文献1のような漏れ出した光を吸収するための構成(不純物添加GaN層)を不要とすることができる。しかし、このような窒化物半導体レーザ素子は、未だ実現されていない。

発明が解決しようとする課題

0011

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、光やキャリアがリッジストライプ外部に漏れ出すことを防止することにより、高い変換効率を有し、放射される光強度分布の形状(遠視野像)が単峰でガウシアン形状である窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

本発明者らが上記課題を解決するために鋭意研究した結果、窒化物半導体層結晶成長させるウエハに溝を形成し、この溝形成ウエハに半導体層を結晶成長させた場合には、溝部分から放射される光と、残余平坦領域から放射される光は、波長に違いがあることを知った。

0013

本発明者らが行った試験例を用いて、上記現象を詳細に説明する。
図4は、試験例にかかる窒化物半導体発光素子を示す断面図である。試験例にかかる窒化物半導体発光素子は、サファイアウエハ10上にGaNテンプレート11を設けた試験基板を備え、この試験基板は、エッチングにより幅20μm、深さ580μmの溝が形成されている。この試験基板上に、n−GaNバッファー層12、In0.02Ga0.98N障壁層13とSiがドープされたIn0.1Ga0.9N井戸層14とが積層された活性層(4つの障壁層と3つの井戸層からなる多重量子井戸活性層)と、GaN層15と、Al0.3Ga0.7N層16と、が順次積層されている。

0014

この窒化物半導体発光素子の外観を観察したところ、図4に示すように、試験基板上に結晶成長された窒化物半導体層は、試験基板の溝による凹凸の影響を受けた凹凸が確認された。

0015

この窒化物半導体発光素子に電流を注入し、その発光を確認した。このとき、溝部分上に結晶成長された窒化物半導体層からは青色発光(波長:390nm)が確認され、残余の平坦領域(凸部)上に結晶成長された窒化物半導体層からは緑色発光(波長:430nm)が確認された。

0016

このように発光波長が異なった理由は、溝を形成した試験基板に半導体層を結晶成長させる場合、凸部や溝側面よりも、溝底面に先に窒化物半導体が結晶成長しやすい性質があり、溝部分上に結晶成長された半導体層と、凸部上に結晶成長された半導体層とでは、微視的な半導体組成や厚みが異なるようになるためであると考えられる。

0017

上記発光波長の違いは、溝部分上に結晶成長された窒化物半導体層におけるエネルギーバンドギャップが、凸部上に結晶成長された窒化物半導体層におけるエネルギーバンドギャップより大きいことを示すものである。上記波長の違いから計算すると、エネルギーバンドギャップ差は約370meVとなる。

0018

このエネルギーバンドギャップ差は、キャリア(電子とホール)が凸部から溝へ拡散することを防止することができる大きなポテンシャル障壁となるものと考えられる。

0019

また、このように大きなエネルギーバンドギャップ差の存在は、溝部分上に結晶成長された窒化物半導体層と凸部上に結晶成長された窒化物半導体層とに大きな屈折率の差があることを意味する。そして、この屈折率の差は、光が凸部上に結晶成長された窒化物半導体層から溝部分上に結晶成長された窒化物半導体層へ漏れ出すこと防止できるものと考えられる。

0020

したがって、上記を利用して窒化物半導体発光素子にリッジストライプを形成すれば、光やキャリアの閉じ込め効率が極めて高い窒化物半導体発光素子を実現できるものと考えられる。本発明者らは、この知見に基づきさらに鋭意研究を行い、本発明を完成させた。

0021

上記知見に基づき完成された第1の本発明は、少なくとも2本の溝と、前記2本の溝に挟まれたストライプ状の凸部と、を有する基板と、前記基板上に結晶成長された、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、を含む窒化物半導体層と、を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。

0022

この構成によると、ストライプ状の凸部の両脇に溝が形成されている基板上に活性層を含む窒化物半導体層が結晶成長されているため、上述したように、ストライプ状の凸部(上記説明における残余の平坦領域)上に結晶成長された窒化物半導体層は、溝部分上に結晶成長された窒化物半導体層より突出した構造となり、ストライプ状の凸部上に結晶成長された窒化物半導体層はリッジストライプとなる。このため、リッジストライプを有する従来技術と同様に、リッジストライプに光やキャリアが閉じ込められる。

0023

上記に加え、リッジストライプを構成する窒化物半導体層と溝部分上に結晶成長された窒化物半導体層とにエネルギーギャップ及び屈折率差が生じるので、従来技術ではリッジストライプから漏れ出していたキャリア、光がリッジストライプに閉じ込められる。これにより、光の変換効率が高まるとともに、放射される光強度分布の形状を単峰でガウシアン形状とすることができる。

0024

なお、窒化物半導体層としては、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、が必須であるが、これ以外に、バッファー層バリア層、コンタクト層等を含んでもよい。

0025

本発明を好適に利用できる窒化物半導体発光素子としては、窒化物半導体レーザ素子や窒化物半導体発光ダイオード等が挙げられる。

0026

窒化物半導体レーザ素子としては、片端面出射レーザ素子や両端面出射型レーザ素子等があるが、本発明を片端面出射型レーザ素子に適用する場合、レーザ出射端面における前記ストライプ状の凸部の幅を、レーザ反射端面よりも小さくする構成を採用できる。

0027

上述したように、溝が形成されている基板に結晶成長させる場合、凸部や溝の側面に比べ、溝の底面に供給元素が吸着されやすい。上記構成を採用する場合、ストライプ状の凸部のレーザ出射端面近傍における結晶成長では、溝との距離が小さいため、上述した溝の影響を受けやすい。他方、ストライプ状凸部のレーザ反射端面近傍の中央領域(レーザ導波路となる領域)における結晶成長では、溝との距離が大きいため、上述した溝の影響を受けにくい。したがって、ストライプ状の凸部上に形成されたリッジストライプでは、レーザ出射端面近傍における半導体組成や厚みと、レーザ反射端面近傍における半導体組成や厚みと、に違いが生じやすい。

0028

このような半導体組成や厚みの変化により、次のような効果が得られる。
(1)幅の広い領域では、均質組成、厚みの活性層により、安定した光が発振される。
(2)幅の狭いレーザ出射端面近傍では、組成、厚みの変化により、幅の広い領域で発振した光の吸収率が低下し、レーザ出射端面の端面破壊が抑制されるので、素子寿命長寿命化できる。

0029

前記レーザ出射端面における前記ストライプ状の凸部の幅を0.5〜10μmとし、前記レーザ反射端面における前記ストライプ状の凸部の幅を50〜600μmとすると、上記効果が顕著に得られるので好ましい。

0030

また、前記ストライプ状の凸部の幅が0.5〜10μmである領域のストライプ方向長さを、前記半導体発光素子のストライプ方向長さの5〜50%とし、前記ストライプ状の凸部の幅が50〜600μmである領域のストライプ方向長さを、前記半導体発光素子のストライプ方向長さの50〜95%とすると、上記効果が顕著に得られるので好ましい。

0031

上記構成において、前記活性層は、障壁層と井戸層とからなる多重量子井戸活性層であり、前記障壁層と前記井戸層の少なくとも一方は、2種以上のIII族元素及び/又は2種以上のV族元素を含む構成とすることができる。

0032

この構成では、活性層を構成する障壁層、井戸層の少なくとも一方は、2種以上のIII族元素及び/又は2種以上のV族元素を含む。このため、2種以上含まれる元素の凸部、溝側面、溝底面への吸着傾向の違いを利用して、溝部分上と凸部上に形成される活性層の半導体組成の変化がより顕著に現れるようになる。

0033

上記構成において、効率よくキャリア、光を閉じ込めるためには、前記溝の幅を1〜100μmとし、前記溝の高さを0.5〜10μmとすることが好ましい。

0034

基板としては、GaN基板、サファイア基板又はサファイア基板上にGaNテンプレートが形成された基板が好適である。

0035

上記知見に基づき完成された第2の本発明は、少なくとも2本の溝と、前記2本の溝に挟まれたストライプ状の凸部と、を有するチップ基本単位が複数配列されたウエハを準備するウエハ準備ステップと、前記ウエハ上に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、を含む窒化物半導体層を結晶成長させる結晶成長ステップと、前記ウエハを前記チップ基本単位に分割するチップ分割ステップと、を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法である。

0036

上記方法を用いることにより、上記第1の本発明にかかる窒化物半導体発光素子を生産性よく製造できる。

0037

片端面出射型半導体レーザ素子を作製する場合、上記第1の本発明で説明したように、レーザ出射端面におけるリッジストライプの幅を、レーザ反射端面よりも大きくする構成を採用することが好ましい。

0038

また、上記第1の本発明で説明したように、前記活性層は、障壁層と井戸層とからなる多重量子井戸活性層であり、前記障壁層と前記井戸層の少なくとも一方は、2種以上のIII族元素及び/又は2種以上のV族元素を含む構成を採用することが好ましい。
ストライプ状の凸部の幅、領域ごとの長さは、上記第1の本発明と同様でよい。

0039

上記構成において、前記ウエハ準備ステップは、ウエハ表面をエッチングして前記溝を形成するステップであるとすると、ウエハの準備が簡便となるため好ましい。

0040

ウエハとしては、GaN、サファイア又はサファイア上にGaNテンプレートが形成されたものが好適である。

0041

上記第1の本発明と同様に、前記活性層は、障壁層と井戸層とからなる多重量子井戸活性層であり、前記障壁層と前記井戸層の少なくとも一方は、2種以上のIII族元素及び/又は2種以上のV族元素を含む構成とすることができる。

0042

上記第1の本発明と同様に、前記溝の幅を1〜100μmとし、前記溝の高さを0.5〜10μmとすることが好ましい。

0043

窒化物半導体層の結晶成長方法としては、有機金属気層成長法MOCVD法)や、電子線エピタキシャル成長法MBE法)等の公知の方法を用いることができるが、有機金属気層成長法は生産性高く良質な窒化物半導体層を結晶成長させることができるので、好ましい。

発明の効果

0044

上記に説明したように、本発明によれば、少なくとも2本の溝と、前記2本の溝に挟まれたストライプ状の凸部と、からなるチップ基本単位を有するウエハ上に半導体層を結晶成長させ、チップ基本単位に分割するという簡便な方法で、発振電流が低く、高い変換効率を有し、放射される光強度分布の形状(遠視野像)が単峰でガウシアン形状である窒化物半導体発光素子を実現できる。

発明を実施するための最良の形態

0045

(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

0046

図1は、本実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子100のレーザ出射端面を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施の形態にかかる窒化物レーザ素子100は、n型GaN基板20上に、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層(第一導電型クラッド層)21、InGaN多重量子井戸活性層22、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層(第二導電型クラッド層)23、SiO2ブロック層24、上コンタクト層25が順次積層された構成である。なおn型GaN基板20の下面には下コンタクト層26が形成されている。また、上下コンタクト層の表面に、それぞれ金属電極(図示せず)が形成されている。

0047

SiO2ブロック層24は、上コンタクト層25とリッジストライプ27との間であって、リッジストライプ27の頭頂部を除いた領域に設けられている。

0048

なお、InGaN多重量子井戸活性層22は、上記試験例と同様に、In0.02Ga0.98Nからなる障壁層と、In0.1Ga0.9Nからなる井戸層とからなり、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層と繰り返し積層され、3つの井戸層と4つの障壁層とを有する多重量子井戸構造となっている。

0049

障壁層、井戸層には、不純物を添加することができ、例えばSiを添加することにより、活性層からの発光強度を強くすることができる場合がある。

0050

図2に、本実施の形態にかかる半導体レーザ素子100の結晶成長に用いるウエハのチップ基本単位を示す。図2(a)はチップ基本単位の左側面図(レーザ出射端面となる面)、図2(b)はチップ基本単位の平面図、図2(c)はチップ基本単位の右側面図(レーザ反射端面となる面)である。

0051

図2に示すように、チップ基本単位30には、溝31が2本設けられており、この溝の間の領域がストライプ状の凸部32となっている。また、溝31の外側の領域は、平坦凸領域33となっている。

0052

ストライプ状の凸部32の幅は、レーザ出射端面では小さく、レーザ反射端面では大きく構成されている。チップ基本単位のストライプ方向長さE3に占めるストライプ幅の狭い領域のストライプ方向長さE1の割合(E1/E3×100)は、5〜50%であることが好ましく、チップ基本単位のストライプ方向長さE3に占めるストライプ幅の広い領域のストライプ方向長さE2の割合(E2/E3×100)は、50〜95%であることが好ましい。
なお、本実施の形態では、E1+E2<E3であり、幅の狭い領域と幅の広い領域との間に移行領域を設けているが、これを設けなくてもよい。

0053

また、レーザ出射端面におけるストライプ幅L3は0.5〜10μmであることが好ましく、レーザ反射端面におけるストライプ幅L6は50〜600μmであることが好ましい。
なお、ストライプ状の凸部32の幅を一定としてもかまわない。

0054

溝の幅L1,L4は、1〜100μmとすることが好ましい。また、溝の高さL2,L5は、0.5〜10μmとすることが好ましい。また、エネルギーバンドギャップ差を一定にするために、溝の幅、溝の高さは均一であることが好ましい。

0055

以下に、本実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明する。

0056

(ウエハ準備ステップ)
まず、予めSiO2マスクフォトリソグラフィー技術およびRIE(reactiveion etching)を使用することにより、図2に示すような段差構造を有するチップ基本単位が複数配列されたウエハ(図3参照)を作製する。

0057

ウエハに形成されたストライプの幅L3は10μm、L6は200μm、溝の高さL2,L5は一定で500nm、溝の幅L1,L4は一定で10μmである。

0058

(結晶成長ステップ)
このウエハ上に、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層21、GaInN多重量子井戸活性層22、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層23を、MOCVD(有機金属気相成長)装置を用いて結晶成長させる。

0059

なお、これらの半導体層を結晶成長させた後、p型層抵抗が高い場合には、熱処理等を施すことにより、抵抗を下げることができる場合がある。

0060

電極形成ステップ
まず、全面に膜厚1μmのSiO2などをスパッタ蒸着する。次に、開口部を備えるストライプ形状フォトレジストパターンを形成する。次に、RIE(Reactive Ion Etching)技術などのドライエッチング技術を用い、フォトレジストパターン及びフォトレジストパターンの開口部における幅1.4μmのストライプ状にSiO2ブロック層24を除去し、その上にp型GaNコンタクト層を形成する。その後、エッチャントとしてHF(フッ酸)などを用いてフォトレジストパターンを除去することで、図1に示すように、その表面にストライプ状の溝が周期的に形成される。尚、上述したSiO2などの蒸着方法はスパッタ蒸着に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法プラズマCVD法などの方法を用いても構わない。

0061

金属電極から構成されるオーミックコンタクト層25・26を、ウエハの両面に形成する。

0062

リッジストライプ27の頭頂部に接するように、上コンタクト層25表面にPd/Mo/Auの積層構造からなるp電極(図示せず)を真空蒸着装置スパッタ装置等を利用して形成する。

0063

そして、下コンタクト層26表面に、Hf/Al/Mo/Pt/Auの積層構造からなるn型電極(図示せず)を形成する。

0064

(チップ分割ステップ)
半導体層が形成されたウエハを、図3に示す分割ラインでチップ基本単位にチップ分割(へき開)し、半導体レーザ素子を得る。

0065

なお、n型電極を形成する前に、ウエハを裏面側から一部研磨やエッチング等により除去することにより層厚を薄くして、チップ分割を容易にしてもよい。

0066

なお、チップ分割により半導体レーザ素子の端面を形成した後、出射端面、反射端面の反射性を制御するために、誘電体多層膜によるHRコーティングやARコーティングを施してもよい。

0067

なお、EDX(エネルギー分散蛍光X線分析)による元素分析により、それぞれの窒化物半導体層の組成を同定できる。

0068

また、SEM走査型電子顕微鏡)あるいはTEM透過電子顕微鏡)による断面観察法により、それぞれの窒化物半導体層の層厚を同定できる。

0069

このようにして得られた窒化物半導体レーザ素子100を、ステムハンダ等を用いて接着し、電極に金属ワイヤーを接続することにより、最終的に、通電による素子動作が可能である窒化物半導体レーザ装置とする。

0070

このような溝が形成されたウエハ上に窒化物半導体層を成長させると、ウエハの溝による段差の影響を受けて、窒化物半導体層もまた段差を有するようになる。すなわち、ストライプ状の凸部上及び凸領域上に結晶成長された半導体層が突出し、これらの間の溝は凹んだ形状となる。このため、ストライプ状の凸部上に結晶成長された活性層が、リッジストライプとなる。

0071

また、段差の影響により、半導体層を微視的に見ると、組成の不均一や厚みの不均一が生じることになる。これについて、レーザ導波路となるリッジストライプ部分の半導体層を例にして説明する。

0072

溝31が形成されている場合、凸部32や溝31の側面に比べ、溝31の底面に供給される元素が吸着されやすい。ここで、レーザ出射端面近傍では2つの溝の間隔(ストライプ幅L3)が狭く、レーザ反射端面近傍では2つの溝の間隔(ストライプ幅L6)が広い。したがって、ストライプ状凸部32のレーザ出射端面近傍における結晶成長では、溝31との距離が小さいため、溝31の影響を受けやすい。他方、ストライプ状凸部32のレーザ反射端面近傍の中央領域(レーザ導波路近傍)における結晶成長では、溝31との距離が大きいため、溝31の影響を受けにくい。このため、レーザ導波路となるリッジストライプ部分では、レーザ反射端面近傍における半導体組成や厚みと、レーザ反射端面近傍における半導体組成や厚みとに違いが生じるようになる。

0073

この窒化物半導体レーザ装置の発光特性を評価したところ、遠視野像はリップルが生じることなくガウシアン形状で単峰であった。

0074

また、本窒化物半導体レーザ装置を高温動作信頼性試験に投入しても、十分な信頼性を得ることができた。そして、素子作製歩留りは十分に高かった。また、長時間(3千時間)駆動しても端面破壊は確認されなかった。

0075

上より、本実施の形態によると、溝が形成されたウエハ上に半導体層を結晶成長させるという簡便な手法で、発光特性に優れ、長寿命な半導体レーザ素子を実現できる。

0076

なお、本実施の形態では、結晶成長方法としてMOCVD(有機金属気層成長法)法を用いたが、MBE法(Molecular Beam Epitaxial法)を用いることもできる。

0077

また、リッジストライプを2以上有する窒化物半導体発光素子としてもよい。この場合、それぞれのストライプ状の凸部の両脇に溝が形成されていればよく、隣り合うストライプ状の凸部間に位置する溝が、2つのストライプ状の凸部脇の溝を兼ねる構成であってもよい。

0078

また、本発明を適用可能な窒化物窒化物半導体発光素子としては、窒化物半導体レーザ素子以外に、窒化物半導体発光ダイオード等が挙げられる。

0079

本発明においては、少なくとも2本の溝と、2本の溝に挟まれたストライプ状の凸部が形成されたウエハ上に窒化物半導体層を結晶成長させるという簡便な手法で、光やキャリアをリッジストライプに効率的に閉じ込めることが可能な窒化物半導体発光素子を実現できる。この窒化物窒化物半導体発光素子は、発光効率が高く且つ発光特性に優れる。また、この手法は、生産性が高い。よって、産業上の意義は大きい。

図面の簡単な説明

0080

実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子のレーザ出射端面を示す模式図である。
実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子のウエハのチップ基本単位を示す図である。
実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子のウエハを示す図である。
試験例にかかる窒化物半導体レーザ素子のレーザ出射端面を示す模式図である。
特許文献1にかかる窒化物半導体レーザ素子を示す模式図である。

符号の説明

0081

100半導体レーザ素子
10サファイアウエハ
11GaNテンプレート
12 n−GaNバッファー層
13 In0.02Ga0.98N障壁層
14 In0.1Ga0.9N井戸層
15GaN層
16 Al0.3Ga0.7N層
20GaN基板
21 AlGaN下クラッド層
22InGaN活性層
23 AlGaN上クラッド層
24 SiO2ブロック層
25 上コンタクト層
26 下コンタクト層
27リッジストライプ
30チップ基本単位
31 溝
32ストライプ状の凸部
33 凸領域

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