(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３族窒化物半導体により形成され、活性層の両側を活性層よりも禁制帯幅の広いガイド層で挟み、さらに、両側からクラッド層で挟み込み、キャリアの閉じ込めと光の閉じ込めとを分離させたレーザ素子において、
ｐ側の前記クラッド層をGaN にて形成し、
ｐ側の前記ガイド層をInGaN にて形成したことを特徴とする３族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
ｐ側の前記ガイド層のInの混晶比は、０．０２〜０．１であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
ｐ側の前記ガイド層の厚さは、５０〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
ｐ側の前記クラッド層の厚さは、２００ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の３族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層と前記ガイド層の間にAlGaN より成るストッパ層を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の３族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記ストッパ層のAlの混晶比は、０．１〜０．３であることを特徴とする請求項５に記載の３族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記ストッパ層の厚さは、１０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の３族窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は３族窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子に関する。特に、レーザの発振効率を向上させた素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色や短波長領域のレーザ素子の材料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知られている。その化合物半導体は直接遷移型であることから発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色及び緑色を発光色とすること等から注目されている。
【０００３】
このAlGaInN 系の化合物半導体を用いたレーザ素子において、キャリアの閉じ込め領域と光の閉じ込め領域とを分離させたＳＣＨ(Separate Confinement Heterostructure)構造が知られている。これは、光を発光する層である活性層をその両側からガイド層で挟み、さらにその外側からクラッド層で挟んだ構造である。そして、ガイド層により活性層にキャリアを閉じ込め、クラッド層によりガイド層と活性層に光を閉じ込めるようにしている。従来知られているAlGaInN 系半導体を用いたＳＣＨ構造のレーザ素子は、ガイド層をGaN 、クラッド層をAlGaN にて形成して、キャリア閉じ込め領域と光の閉じ込め領域とを分離していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の構造にて光導波路である活性層及びガイド層に光の閉じ込めを十分に行うには、クラッド層を厚くする必要がある。しかし、従来のAlGaN で形成されているクラッド層の成長速度は遅いので、十分な厚さに成長させる間に製品が長時間高温にさらされることになり、特にｐ−クラッド層を成長する時に、先に成長した活性層やｎ−ガイド層、ｎ−クラッド層の結晶性が悪化することになる。さらに、AlGaN で形成されたクラッド層はあまり厚くするとクラックが入ることがあるので、十分な厚さに成長させることが困難であった。
そこで、本発明の目的は、AlGaInN 系半導体を用いたＳＣＨ構造のレーザ素子において、結晶の成長時間が短く、かつ十分にキャリア及び光の閉じ込めができるような構造のレーザ素子を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、３族窒化物半導体により形成され、活性層の両側を活性層よりも禁制帯幅の広いガイド層で挟み、さらに、両側からクラッド層で挟み込み、キャリアの閉じ込めと光の閉じ込めとを分離させたレーザ素子において、ｐ−クラッド層をGaN にて形成し、ｐ−ガイド層はInGaN にて形成したことを特徴とする。
また、請求項２の発明は、ｐ−ガイド層のInの混晶比は０．０２〜０．１であることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、ｐ−ガイド層の厚さは５０〜２００ｎｍであることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、ｐ−クラッド層の厚さは２００ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の３族窒化物半導体レーザ素子の活性層とガイド層の間にAlGaN より成るストッパ層を形成したことを特徴とする。
また、請求項６の発明は、ストッパ層のAlの混晶比は０．１〜０．３であることを特徴とする。
更に、請求項７の発明は、ストッパ層の厚さは１０〜５０ｎｍであることを特徴とする。
【０００６】
【発明の作用及び効果】
請求項１の発明では、３族窒化物半導体により形成されるレーザ素子において、クラッド層をGaN にて形成し、ガイド層はInGaN にて形成した。
この結果、ｐ層の成長時間が従来より短縮されて先に成長した活性層が長時間高熱にさらされることがなくなるので、活性層の結晶性の劣化がおさえられることにより発光出力が増大する。さらに従来のクラッド層よりも厚く成長させてもクラックが入ることがないので、光閉じ込めのために十分な厚さのクラッド層を形成することができる。
ガイド層におけるInの混晶比は０．０２〜０．１が望ましい。０．０２より小さいと光の閉じ込め効果が小さく、０．１より大きいとキャリアの閉じ込め効果が少ないので望ましくない。
又、ガイド層の厚さは５０〜２００ｎｍが望ましい。５０ｎｍよりも薄いと光の閉じ込め効果が少なく、２００ｎｍよりも厚いと活性層への光の閉じ込めが悪くなるので望ましくない。
クラッド層の厚さは２００ｎｍ〜１μｍが望ましい。２００ｎｍより薄いと光閉じ込め効果が小さく、１μｍより厚いとクラックが発生し易く、又、成長時間が長くなることにより活性層に悪影響を与えるので望ましくない。
【０００７】
さらに請求項５の発明では、請求項１乃至請求項４のいずれか１項の３族窒化物半導体レーザ素子の活性層とガイド層の間にAlGaN より成るストッパ層を形成した。
この結果、キャリア閉じ込め効果がさらに向上するので、レーザ出力が増大する。
ストッパ層のAlの混晶比は０．１〜０．３が望ましい。０．１よりも小さいと、活性層に対する障壁が小さくなり、キャリア閉じ込め効果が低下し、０．３よりも大きいと活性層に対するキャリア注入効率が低下するので望ましくない。また、ストッパ層の厚さは、１０〜５０ｎｍ以下が望ましい。１０ｎｍよりも薄いと活性層におけるキャリア閉じ込め効果が小さく、５０ｎｍより厚いと光の閉じ込め効果が悪くなると共にキャリアの活性層への注入効率が低下するので望ましくない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図１は本願実施例のレーザ素子１００の全体図を示す。レーザ素子１００は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に５０ｎｍのAlN バッファ層２が形成されている。
【０００９】
そのバッファ層２の上には膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０18/cm3、シリコン(Si)濃度４×１０18/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３が形成されている。
そのｎ+ 層３の上には、膜厚約１．０μｍ、電子濃度１×１０18/cm3、シリコン(Si)濃度２×１０18/cm3のシリコン(Si)ドープｎ−GaN から成るクラッド層４が形成されている。
クラッド層４の上には、膜厚約０．１μｍ、電子濃度１×１０18/cm3、シリコン(Si)濃度２×１０18/cm3のシリコン(Si)ドープｎ−In0.06Ga0.94N から成るガイド層４１が形成され、そのガイド層４１の上には、膜厚２０ｎｍ、電子濃度１×１０18/cm3、シリコン(Si)濃度２×１０18/cm3のシリコン(Si)ドープｎ−Al0.15Ga0.85N から成るストッパ層４２が形成されている。
【００１０】
そして、そのストッパ層４２の上には、膜厚５ｎｍのIn0.06Ga0.94N から成るバリア層５１と膜厚５ｎｍのIn0.20Ga0.80N から成る井戸層５２が交互に１０層積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層５が形成されている。
その活性層５の上には、膜厚２０ｎｍ、ホール濃度２×１０17/cm3、マグネシウム(Mg)濃度５×１０19/cm3のマグネシウム(Mg)ドープｐ−Al0.15Ga0.85N から成るストッパ層６１が形成されている。
さらにストッパ層６１の上には、膜厚約０．１μｍ、ホール濃度２×１０17/cm3、マグネシウム(Mg)濃度５×１０19/cm3のマグネシウム(Mg)ドープｐ−In0.06Ga0.94N から成るガイド層６２が形成されており、そのガイド層６２の上には膜厚約１μｍ、ホール濃度５×１０17/cm3、マグネシウム(Mg)濃度１×１０20/cm3のマグネシウム(Mg)ドープｐ−GaN から成るクラッド層７１が形成されている。
【００１１】
さらに、クラッド層７１の上には、膜厚約１００ｎｍ、マグネシウム(Mg)濃度２×１０20/cm3のマグネシウム(Mg)ドープｐ+ −GaN から成るコンタクト層７２が形成されている。
そして、コンタクト層７２上にSiO2から成る絶縁膜１０が形成され、その絶縁膜１０の一部に開けられた窓にNi/Au の２重層から成る電極９が形成されている。一方、ｎ+ 層３上にはAlから成る電極８が形成されている。
【００１２】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記レーザ素子１００は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス(H2 及びN2) 、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG 」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す）、トリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI 」と記す）、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2) （以下「CP2Mg 」と記す）である。
【００１３】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とした単結晶のサファイア基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速２liter/分で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃にてサファイア基板１をベーキングした。
【００１４】
次に、温度を４００℃まで低下させて、H2を２０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMA を１．８×１０-5モル／分で供給してAlN のバッファ層２を約５０ｎｍの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、H2を２０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG を１．７×１０-4モル／分、H2ガスによりにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを２０×１０-9モル／分で供給し、膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０18/cm3、シリコン(Si)濃度４×１０18/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００１５】
次に、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持し、N2又はH2を１０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG １．１２×１０-4モル／分、、H2ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを１０×１０-9モル／分で６０分間供給して、膜厚約１．０μｍ、電子濃度１×１０18/cm3、シリコン(Si)濃度２×１０18/cm3のシリコン(Si)ドープｎ−GaN から成るクラッド層４を形成した。
【００１６】
上記クラッド層４を形成した後、続いて温度を９００℃に保持し、H2又はN2を１０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG を０．５×１０-4モル／分、TMI を０．７×１０-4モル／分、H2ガスによりにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを１０×１０-9モル／分で５分間供給して、膜厚約０．１μｍ、電子濃度１×１０18/cm3、シリコン(Si)濃度２×１０18/cm3のシリコン(Si)ドープｎ−In0.06Ga0.94N から成るガイド層４１を形成した。
【００１７】
次に、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持し、N2又はH2を１０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG を１．１２×１０-4モル／分、TMA を０．８×１０-4モル／分、H2ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを１０×１０-9モル／分で１．２分間供給して、膜厚約２０ｎｍ、電子濃度１×１０18/cm3、シリコン(Si)濃度２×１０18/cm3のシリコン(Si)ドープｎ−Al0.15Ga0.85N から成るストッパ層４２を形成した。
【００１８】
次に、サファイア基板１の温度を８００℃に保持し、N2又はH2を１０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG を０．５×１０-4モル／分、TMI を０．７×１０-4モル／分で１．５分間供給して、膜厚５ｎｍのIn0.06Ga0.94N から成るバリア層５１を形成した。次に、サファイア基板１の温度を同一に保持して、N2又はH2、NH3 の供給量を一定として、TMG を７．２×１０-5モル／分、TMI を１．９×１０-5モル／分で１．５分間供給して、膜厚５ｎｍのIn0.20Ga0.80N から成る井戸層５２を形成した。このような手順の繰り返しにより、バリア層５１と井戸層５２とを交互に、それぞれ１１層と１０層積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で全膜厚が１０５ｎｍの活性層５を形成した。
【００１９】
次に、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持して、N2又はH2を１０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG を１．１２×１０-4モル／分、TMA を０．８×１０-4モル／分、CP2Mg を２．０×１０-7モル／分で１．２分間供給して、膜厚２０ｎｍ、マグネシウム(Mg)濃度５×１０19/cm3のマグネシウム(Mg)ドープｐ−Al0.15Ga0.85N から成るストッパ層６１を形成した。
【００２０】
次に、サファイア基板１の温度を９００℃に保持し、N2又はH2を１０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG を０．５×１０-4モル／分、TMI を０．７×１０-4モル／分、CP2Mg を２．０×１０-7モル／分で供給して、膜厚約１００ｎｍ、マグネシウム濃度５×１０19/cm3のマグネシウム(Mg)ドープｐ−In0.06Ga0.94N から成るガイド層６２を形成した。
【００２１】
次に、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持し、H2を２０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG を１．１２×１０-4モル／分、CP2Mg を２．０×１０-7モル／分で供給して、膜厚１．０μｍ、マグネシウム(Mg)濃度１×１０20/cm3のマグネシウム(Mg)ドープｐ−GaN から成るクラッド層７１を形成した。
【００２２】
次に、温度を１１００℃に保持し、N2又はH2を２０liter/分、NH3 を１０liter/分、TMG を１．１２×１０-4モル／分、CP2Mg を４．０×１０-7モル／分で３０秒間供給して、膜厚１００ｎｍ、マグネシウム(Mg)濃度２×１０20/cm3のマグネシウム(Mg)ドープｐ+ −GaN から成るコンタクト層７２を形成した。
この時点では、ストッパ層６１、ガイド層６２、クラッド層７１、コンタクト層７２は、まだ高抵抗の状態である。
【００２３】
次に、電子線照射装置を用いて、コンタクト層７２、クラッド層７１、ガイド層６２、ストッパ層６１に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約１０ｋＶ、試料電流１μＡ、ビームの移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ、ビーム径６０μｍφ、真空度５．０×１０-5Torrである。この電子線の照射により、コンタクト層７２、クラッド層７１、ガイド層６２、ストッパ層６１はそれぞれホール濃度６×１０17/cm3、５×１０17/cm3、２×１０17/cm3、２×１０17/cm3、抵抗率２Ωcm、１Ωcm、０．７Ωcm、０．７Ωcmのｐ型半導体となった。このようにして多層構造のウエハが得られた。
【００２４】
続いて、図２〜図４に示すように、ｎ+ 層３上に電極８を形成するために、コンタクト層７２、クラッド層７１、ガイド層６２、ストッパ層６１、活性層５、ストッパ層４２、ガイド層４１、クラッド層４の一部をエッチングにより除去した。次に、一様にSiO2による絶縁膜１０を形成して、電極形成部に窓を開け、その窓のコンタクト層７２の上に、一様にNi/Au の２層を蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、コンタクト層７２の上に電極９を形成した。一方、ｎ+ 層３上にはアルミニウムを蒸着して電極８を形成した。
【００２５】
その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造のレーザ素子を得た。このレーザ素子は発光ピーク波長４１０ｎｍであり、従来構造のレーザ素子と比較して発光出力は２倍になった。
【００２６】
上記のレーザ素子１００のエネルギダイヤグラムは、図５に示すようになる。図５において活性層５に注入されたキャリアである電子とホールはｎ−ガイド層４１とｐ−ガイド層６２により活性層５に閉じ込めることができる。さらにストッパ層４２とストッパ層６１の存在により効率良く活性層５に閉じ込めることがてきる。
又、活性層５で発光した光はｎ−ガイド層４１からｐ−ガイド層６２の範囲にｎ−クラッド層４及びｐ−クラッド層７１により閉じ込めることができる。
本実施例のようにｐ−クラッド層７１をｐ−GaN にて形成した場合にはｐ−ガイド層６２をｐ−InGaN にて形成した場合でも、ｐ−ガイド層６２により活性層５にてキャリア閉じ込めができるだけのエネルギ障壁が形成される。また、本実施例ではｐ−ストッパ層６１をｐ−AlGaN にて形成しているので、さらに効率良くキャリアを活性層５に閉じ込めることができる。又、ｐ−クラッド層７１により光の閉じ込めができるだけの屈折率の差を得ることができているので、ｐ側の光の閉じ込めはｐ−クラッド層７１により行われる。よって、ｐ−クラッド層７１をｐ−GaN にて形成し、ｐ−ガイド層６２をｐ−InGaN にて形成してもｐ側での光閉じ込め及びキャリア閉じ込めは行われる。そして、従来のようにｐ−ガイド層６２をｐ−GaN にて形成し、ｐ−クラッド層７１をｐ−AlGaN にて形成するのに比べて結晶成長時間を短縮できるので活性層５の結晶性の悪化を防ぐことができ、発光効率を増大することができる。
上記実施例においてはストッパ層６１が形成されているが、ガイド層６２より十分にキャリアの閉じ込めを行うことができる場合にはストッパ層６１を形成する必要はなく、ガイド層６２のみで活性層５へのキャリアの閉じ込めをおこなっても良い。
【００２７】
ｎ側に関しては、本実施例のようにｎ−ガイド層４１をｎ−In0.06Ga0.94N で、ｎ−クラッド層４をｎ−GaN にて形成することができる。この場合は、十分にｎ側においてキャリアの閉じ込め及び光の閉じ込めを行うことができる。さらにｎ−ストッパ層４２をｎ−Al0.15Ga0.85N にて形成するとより効率良くキャリアの閉じ込めを行うことができる。
又、ｎ−ガイド層４１をｎ−InX1Ga1-X1N （０≦Ｘ１≦０．１）にて、ｎ−クラッド層４をｎ−AlX2Ga1-X2N （０≦Ｘ２≦０．１５）にて形成することもできる。
又、上記はｎ−ストッパ層４２を形成した場合の説明であるが、ｎ−ガイド層４１だけで十分にキャリアの閉じ込めができるならば、ｎ−ストッパ層４２はなくてもよい。
【００２８】
ガイド層６２におけるInの混晶比は０．０２〜０．１が望ましい。０．０２より小さいと光の閉じ込め効果が小さく、０．１より大きいとキャリアの閉じ込め効果が少ないので望ましくない。
又、ガイド層６２の厚さは５０〜２００ｎｍが望ましい。５０ｎｍよりも薄いと光の閉じ込め効果が少なく、２００ｎｍよりも厚いと活性層への光の閉じ込めが悪くなるので望ましくない。
【００２９】
クラッド層７１の厚さは２００ｎｍ〜１μｍが望ましい。２００ｎｍより薄いと光閉じ込め効果が小さく、１μｍより厚いとクラックが発生し易く、又、成長時間が長くなることにより活性層に悪影響を与えるので望ましくない。
【００３０】
ストッパ層６１、４２の厚さは、１０〜５０ｎｍ以下が望ましい。１０ｎｍよりも薄いと活性層５におけるキャリア閉じ込め効果が小さく、５０ｎｍより厚いと光の閉じ込め効果が悪くなると共にキャリアの活性層５への注入効率が低下するので望ましくない。また、ストッパ層６１、４２のAlの混晶比は０．１〜０．３が望ましい。０．１よりも小さいと、活性層５に対する障壁が小さくなり、キャリア閉じ込め効果が低下し、０．３よりも大きいと活性層５に対するキャリア注入効率が低下するので望ましくない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係るレーザ素子の構成を示した断面図
【図２】同実施例のレーザ素子の製造工程を示した断面図
【図３】同実施例のレーザ素子の製造工程を示した断面図
【図４】同実施例のレーザ素子の製造工程を示した断面図
【図５】同実施例のレーザ素子のエネルギダイヤグラムを示した説明図
【符号の説明】
１００…レーザ素子
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+ 層
４…クラッド層
４１…ガイド層
４２…ストッパ層
５…活性層
５１…バリア層
５２…井戸層
６１…ストッパ層
６２…ガイド層
７１…クラッド層
７２…コンタクト層
８、９…電極
１０…絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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