(57)【要約】【課題】窒化物半導体レーザ素子のｐ型層における不純物濃度を制御して半導体素子の駆動電圧を低減し、高い信頼性の窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体からなる第１の層と、ｐ型窒化物半導体からなる第２の層と、第１の層と第２の層の間に発光層を備える窒化物半導体レーザ素子であって、発光層は、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＮからなる障壁層とで構成される量子井戸構造を有し、第２の層は、ｐ型不純物濃度が第２の層の中で変化していることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体からなる第１の層と、ｐ型窒化物半導体からなる第２の層と、第１の層と第２の層の間に発光層を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記発光層は、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＮからなる障壁層とで構成される量子井戸構造を有し、
前記第２の層は、ｐ型不純物濃度が第２の層内で変化していることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ型不純物が、Ｍｇ，ＺｎもしくはＢｅまたはこれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第２の層が複数の層により構成され、第２の層のうち発光層側に位置する層であって、少なくとも１対の隣接する層の境界領域におけるｐ型不純物濃度が、第２の層の他の領域におけるｐ型不純物濃度より低いことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第２の層が複数の層により構成され、第２の層のうち発光層側に位置する層のＡｌ組成比が、第２の層の他の領域におけるＡｌ組成比より高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、さらに詳細には、ｐ型層の不純物濃度プロファイルを制御することにより、駆動電圧を低減した高出力かつ長期間にわたって安定動作する窒化物半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物系半導体レーザ素子を用い、大容量記録を目的とした光ディスクシステムが実用段階に入っている。これらの新規のディスクは、さらなる高密度化（二層ディスク対応）および高速書込みを可能とするために、信頼性の高い高出力青色発光半導体レーザ素子が必要とされている。従来、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸構造の発光層を有し、ｐ型のＡｌＧａＮクラッド層を有する青色発光半導体レーザ素子が知られている（非特許文献１参照）。
【０００３】
この青色発光半導体レーザ素子は、基板の上に、順に、ｎ型ＧａＮ層、光閉じ込め作用を担うｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、発光層近傍へ光を分布させるｎ型ＧａＮ光ガイド層、Ｉｎ組成の異なるＩｎＧａＮの多重量子井戸構造を有する発光層、発光層へのキャリア閉じ込めを向上させるｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層、発光層近傍へ光を分布させるｐ型ＧａＮ光ガイド層、光閉じ込め作用を担うｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を、エピタキシャル成長により積層させた構造を有する。
【０００４】
また、通常、ＲＩＥなどのドライエッチングにより形成され、横方向に光を閉じ込めるためのリッジ部を有し、電流狭窄のために絶縁膜が形成される。さらに、電流を注入するためのｎ型電極とｐ型電極が真空蒸着される。このような構造の素子は、数百μｍの厚さで劈開され、劈開面が光共振器となる。劈開面には、表裏端面の反射率を向上させるための誘電体多層膜からなるＡＲ(Anti-Reflection)コート膜およびＨＲ(Hi-Reflection)コート膜が真空蒸着により形成され、チップ化される。通常、チップは、放熱のため、熱伝導率の高いサブマウントに積層され、さらにステムに封入してレーザ素子が完成する。
【０００５】
しかしながら、従来の青色発光半導体レーザ素子の駆動電圧は、赤色あるいは赤外領域の半導体レーザ素子に比べて高いことから、素子駆動中の投入電力が高くなり、熱的ダメージが大きく、高出力動作および信頼性に課題があった。
【非特許文献１】ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰｌ．Ｐｈｙｓ．２０００年．Ｖｏｌ．３９．ＰＰ．Ｌ６４７−Ｌ６５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
窒化物半導体レーザ素子において駆動電圧が高くなる主な原因は、低抵抗かつ結晶品質の良いｐ型窒化物半導体が得られないことにある。通常、窒化物半導体のｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅが好適であり、中でもＭｇが最も良く用いられる。ところが、窒化物半導体に取り込まれたＭｇは、その結合手を水素によって不活性化されており、結晶成長したままでは、高抵抗であり、ｐ型の伝導性を示さない。そのため、通常は、Ｍｇドープ膜を熱処理あるいは電子線照射処理をすることで、Ｍｇと水素の結合を切断して、Ｍｇを活性化させｐ型膜を得ている。ｐ型化処理をした場合でも、不純物の活性化率は数％のオーダーであり、結晶中に取り込まれたＭｇ原子濃度に比較して、著しく低いｐ型キャリア濃度しか得られない。そのため、必要とされるＭｇは、１０20〜１０21ｃｍ-3と母体結晶の組成に近い濃度に達する。
【０００７】
低抵抗ｐ型膜を得るためには、結晶中のＭｇ原子濃度を上げるか、または活性化率を大きく向上させる必要がある。しかし、通常、活性化率は数％のオーダーであり、さらなる向上は極めて困難であり、結晶成長条件あるいは熱処理条件を工夫したとしても、活性化率を１０％のオーダーとすることは実現していない。また、Ｍｇ濃度を上げる場合には、１０22ｃｍ-3以上が必要となるため、母体結晶の結晶性が悪化し、光吸収または欠陥の増加により返って素子特性の悪化に繋がる。上記のＭｇドープにおける問題点は、ＺｎまたはＢｅを用いた場合でも同様であり、ｐ型窒化物半導体膜において本質的な問題である。また、組成としてＡｌを含むＡｌＧａＮの場合には、バンドギャップが広いため、ｐ型不純物順位が深くなり、ｐ型化に関してＧａＮよりさらに不利である。
【０００８】
上記の理由により、従来の窒化物半導体レーザ素子では、ｐ型層における抵抗およびコンタクト抵抗が高く、素子の駆動電圧が高くなる。そのため、駆動時の素子への投入電力も高くなり、高抵抗であるｐ型層での熱損失が大きく、非特許文献１に開示された従来の素子は、特に高出力駆動時において信頼性に問題がある。本発明が解決しようとする課題は、窒化物半導体レーザ素子のｐ型層における不純物濃度を制御して半導体素子の駆動電圧を低減し、高い信頼性の窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型窒化物半導体からなる第１の層と、ｐ型窒化物半導体からなる第２の層と、第１の層と第２の層の間に発光層を備え、発光層は、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＮからなる障壁層とで構成される量子井戸構造を有し、第２の層は、ｐ型不純物濃度が第２の層内で変化していることを特徴とする。ｐ型不純物は、Ｍｇ，ＺｎもしくはＢｅまたはこれらの混合物が好ましい。また、第２の層が複数の層により構成され、第２の層のうち発光層側に位置する層であって、少なくとも１対の隣接する層の境界領域におけるｐ型不純物濃度が、第２の層の他の領域におけるｐ型不純物濃度より低い態様が好適である。さらに、第２の層が複数の層により構成され、第２の層のうち発光層側に位置する層のＡｌ組成比が、第２の層の他の領域におけるＡｌ組成比より高い態様が好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
半導体素子の駆動電圧を低減し、高い信頼性の窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、ｎ型の第１の層と、ｐ型の第２の層と、第１の層と第２の層の間に発光層を有する窒化物半導体レーザ素子であって、発光層は、ＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＮからなる障壁層とで構成される量子井戸構造を有し、第２の層は、ｐ型不純物濃度が第２の層内で変化していることを特徴とする。ｐ型窒化物半導体からなる第２の層において、ｐ型不純物濃度のプロファイル制御することにより、ｐ型層における電気抵抗を低くし、半導体レーザ素子の駆動電圧を下げることができる。
【００１２】
具体的には、第２の層が複数の層により構成され、第２の層のうち発光層側に位置する層であって、少なくとも１対の隣接する層の境界領域におけるｐ型不純物濃度を、第２の層の他の領域におけるｐ型不純物濃度より低く制御することにより、隣接する層のヘテロ接合におけるバンド不連続を軽減し、電気抵抗を低下させることができ、素子の駆動電圧を下げることができる。このため、駆動時の素子への投入電力も低くなり、低抵抗であるｐ型層での熱損失が小さく、非特許文献１に開示された従来の素子と比較して、特に高出力駆動時における信頼性を高めることができる。
【００１３】
かかる観点から、第２の層のうち発光層側に位置する層であって、少なくとも１対の隣接する層の境界領域におけるｐ型不純物濃度を、第２の層の他の領域におけるｐ型不純物濃度の１０％以下に低減する態様が好ましく、８％以下に低減する態様がより好ましい。また、隣接する層の境界領域におけるｐ型不純物濃度を低減する層は、活性層からの光吸収をできるだけ低減し、素子特性をより改善できる点で、第２の層のうち発光層側に位置する層とする態様が好ましい。
【００１４】
また、活性層に注入されるキャリアのオーバーフローを防止する観点から、第２の層が複数の層により構成され、第２の層のうち発光層側に位置する層のＡｌ組成比が、第２の層の他の領域におけるＡｌ組成比より高い態様が好ましい。
【００１５】
実施の形態１
本実施の形態で製造する窒化物半導体レーザ素子の構造を図１に示す。図１（ａ）は、断面図であり、図１（ｂ）は、斜視図である。この窒化物半導体レーザ素子１１６は、ｎ電極１１３、ｐ電極１１２、光導波路であるリッジ部１１０を備え、また劈開面には、Ａｌ2Ｏ3からなるＡＲコート膜１１４と、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2の９層膜からなるＨＲコート膜１１５を有する。厚さ１００μｍのＧａＮ基板１０１上に、ｎ型窒化物半導体からなる第１の層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体からなる第２の層を形成する。すなわち、基板１０１上に、層厚０．２μｍのｎ型ＧａＮ層１０２と、層厚２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド１０３と、層厚０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層１０４と、層厚４ｎｍのＡｌＧａＩｎＮからなる３層の井戸層および層厚８ｎｍのＡｌＧａＮからなる４層の障壁層により構成される多重量子井戸発光層１０５を形成する。
【００１６】
つぎに、層厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０６と、層厚０．０８μｍのｐ型ＧａＮガイド層１０７と、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎクラッド層１０８と、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が順に積層される。多重量子井戸発光層１０５は、通常、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で形成されるが、井戸層／障壁層／井戸層／障壁層・・・／井戸層のように井戸層で始まって井戸層で終了する構造であってもよい。
【００１７】
ｎ型の不純物としては、通常Ｓｉが用いられ、不純物濃度は１０18ｃｍ-3のオーダーである。ｎ型窒化物半導体の不純物は、結晶成長したままの状態かつ、常温下でほぼ１００％活性化していることが知られており、ｎ型キャリア濃度はほぼ不純物濃度に等しい。ｎ型不純物としては、Ｓｉのほかに、Ｃ、ＧｅまたはＯを用いることができる。また、ｐ型の不純物としては、Ｍｇが好適であり、ＺｎまたはＢｅを用いることもでき、これらの混合物も好ましく使用される。Ｍｇは、通常、Ｃｐ2Ｍｇ(Bis-Cyclopentadienyl Mg)あるいはＥｔＣｐ2Ｍｇ(Ethyl-Bis-Cyclopentadienyl Mg)として、結晶成長中に供給される。
【００１８】
ｐ型窒化物半導体中の不純物は、結晶成長したままではＨが結合して不活性化されているため、ｐ型化するために、結晶成長後に熱処理または電子線処理が施される。一般には、活性化は熱処理により行なわれ、その温度は８００℃〜９００℃程度で最大３０分程度までの時間保持される。その際の雰囲気はＮ2またはＮ2とＯ2の混合ガスであり、混合ガスを用いる場合のＯ2濃度は最大でも数％オーダーである。ｐ型ガイド層１０７とｐ型クラッド１０８はＲＩＥなどのドライエッチングにより加工され、電流狭窄のために絶縁膜１１１によりパターニングされる。
【００１９】
窒化物半導体の積層体は、ＧａＮ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ装置により、図１に示す順番でｎ型ＧａＮ層１０２からｐ型ＧａＮコンタクト層１０９までを順次成膜する。その後、ＲＩＥ、ＩＣＰなどのドライエッチングによりリッジ部１１０がパターニングされ、電流狭窄のために、主に、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2などからなる絶縁膜１１１を形成する。その後、ｐ電極１１２を形成し、つぎに、ＧａＮ基板１０１の積層膜が形成されていない面を１００μｍ程度の膜厚になるまで研削、研磨する。研磨工程でＧａＮ基板１０１の裏面にできたダメージ層をＲＩＥなどの気相エッチングで除去した後、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ電極１１３をＥＢ蒸着により形成する。その後、バー状に分割し、光出射面にＡＲコート膜１１４を形成する。
【００２０】
本実施の形態では、ｐ型層にＭｇをドーピングする際、Ｃｐ2Ｍｇを原料として用いたが、ＥｔＣｐ2Ｍｇも同様に用いることができる。常温で固体であるＣｐ2Ｍｇは、ＭＯＣＶＤ成長する際のキャリアガス中に昇華させるため、５０℃程度以上に保持する必要がある。Ｃｐ2Ｍｇを充填したシリンダ内にＨ2キャリアを導入し、昇華によってキャリア中に混合されたＣｐ2Ｍｇは、結晶成長される基板１０１上に輸送され、１０００℃程度以上の温度下でＨと結合したＭｇに分解し、結晶成長するＧａＮまたはＡｌＧａＮと共にｐ型不純物として結晶中に取り込まれる。
【００２１】
ＧａＮまたはＡｌＧａＮ中に取り込まれるＭｇの濃度は、原料を充填したシリンダの温度と、シリンダ内に導入するキャリアガス流量によって制御可能である。また、母体結晶の成長速度によっても制御可能である。通常、シリンダ温度が高いほど、また、キャリア流量が多いほど高濃度にＭｇをドーピングすることが可能である。さらに、母体結晶を成長する際のＶ族原料であるＮＨ3の流量を変えることによっても、Ｍｇ濃度を制御可能である。
【００２２】
本実施の形態では、第２の層のうち発光層側に位置し、隣接するキャリアブロック層１０６とｐ型ガイド層１０７の境界領域と、ｐ型ガイド層１０７とｐ型クラッド層１０８の境界領域において、ＮＨ3流量を変えることにより、それぞれの境界領域におけるＭｇ濃度を、第２の層の他の領域におけるＭｇ濃度より低く調整し、第２の層内において、ｐ型不純物濃度を変化させた。キャリアブロック層１０６が１８ｎｍまで成長された時点で、ＮＨ3流量を３倍に増加させて残りの２ｎｍを成長し、続いて、ＮＨ3流量を増加させた状態を保ってｐ型ガイド層１０７を０．００８μｍの厚さに成長する。続いて、ＮＨ3流量を通常の状態にまで減らして０．０６４μｍ成長する。その後、再びＮＨ3流量を３倍に増加させてｐ型ガイド層１０７の残り０．００８μｍを成長する。ＮＨ3の流量を３倍に増加させた状態で、引き続きｐ型クラッド層１０８を０．０５μｍ成長させる。
【００２３】
以降は、通常のＮＨ3流量に戻し、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９を成長させる。以上のｐ型層の成長を通してＣｐ2Ｍｇの供給量は一定値を保った。本実施の形態における結晶成長時のアンモニア流量の経時変化を図２に示す。このようにして成長させた窒化物半導体レーザ素子の試料を、Ｎ2雰囲気において９００℃で１０分間熱処理してＭｇを活性化した。別途、行なった実験により、ｐ型ＧａＮおよびｐ型ＡｌＧａＮは共に、７００℃〜９５０℃の範囲で３０分以内の熱処理を行なうことにより、ｐ型の伝導性を示すことがわかった。その際の雰囲気は、５％を上限にＯ2を混合したＮ2であった。
【００２４】
熱処理後、窒化物半導体レーザ素子の一部を切り出してＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）によりＭｇ濃度を測定した結果、図３に示すような、ｐ型層におけるＭｇ濃度のプロファイルが得られた。比較のため、通常の方法で成長した従来品のＭｇ濃度を図３に示す。通常のＮＨ3流量で成長したキャリアブロック層１０６、ｐ型ガイド層１０７およびｐ型クラッド層１０８のそれぞれのＭｇ濃度は、約１０20ｃｍ-3で一定していた。これに対して、キャリアブロック層１０６とｐ型ガイド層１０７の境界領域と、ｐ型ガイド層１０７とｐ型クラッド層１０８の境界領域においては、ＮＨ3流量を３倍とした結果、Ｍｇ濃度が約１０19ｃｍ-3に低下した。また、図３に示すように、Ｍｇ濃度の変化は急激ではなく、比較的緩やかに変化していることが特徴的であった。これは、ＮＨ3の流量を変えてドーピング濃度を制御する場合の特徴である。これに対して、たとえばＣｐ2Ｍｇ量を変えてＭｇ濃度を制御する場合は、Ｍｇ濃度の変化が急峻である。
【００２５】
以上の手法で結晶成長した試料を、通常のプロセスを経てチップ分割し、ステムにマウントして特性を評価した。その結果、本発明の素子では、光出力２００ｍＷ時の駆動電圧が４．５Ｖであり、従来構造の素子の５．５Ｖに比べて低い電圧となった。また、Ｃｐ2Ｍｇの流量を変えてＭｇ濃度プロファイルを同様に制御した試料を、同様にマウントして特性を確認した結果、光出力２００Ｗ時の駆動電圧は４．９Ｖであった。したがって、ＮＨ3の流量を変えてＭｇの濃度プロファイルを制御する方法は、Ｃｐ2Ｍｇの流量を変えてＭｇ濃度プロファイルを制御する方法より、顕著な電圧低減効果が見られた。ＮＨ3の流量を変える方法では、境界領域でのＭｇ濃度の変化が緩やかであるため、ＧａＮ−ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ−ＧａＮのヘテロ境界領域でのバンド不連続を緩和する程度が大きいためであると考えられる。
【００２６】
つぎに、本発明の素子を、光出力２００ｍＷで８０℃の条件下、寿命試験を行なった。その結果、５０００時間以上の寿命を有することがわかった。従来構造の素子では、駆動電圧が高く、投入電力が大きいため、熱の影響により、３０００時間以下の寿命である。したがって、長寿命化を図ることができた。
【００２７】
実施の形態２
本実施の形態では、ｐ型不純物としてＭｇの代わりにＺｎを用いた以外は、実施の形態１と同様にして、ＮＨ3の流量を変えてＺｎ濃度を制御し、半導体レーザ素子を製造した。得られたレーザ素子を同様にマウントし、特性を確認した結果、光出力２００Ｗ時の駆動電圧は４．８Ｖであった。したがって、従来構造の素子より、駆動電圧が低減できたが、実施の形態１におけるＭｇの濃度プロファイルを制御した素子より駆動電圧が高い結果となった。これは、ＺｎとＭｇのボーア半径がＭｇ＞Ｚｎであるため、Ｚｎの方がＭｇより価電子の束縛エネルギーが大きくなり、エネルギーバンドで価電子帯上端を基準に取ったときの禁制帯中のエネルギー順位がＺｎ＞Ｍｇとなるためであると考えられる。さらに、実施の形態１と同様に、光出力２００ｍＷで８０℃の条件下、寿命試験を行なった結果、４０００時間の寿命が確認された。Ｍｇより信頼性が低い理由は、母体結晶中において、ＭｇよりＺｎの方が拡散しているためと考えられる。
【００２８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
大容量記録を目的とした光ディスクシステムに好適であり、高密度化および高速書込みが可能な信頼性の高い高出力青色発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、斜視図である。
【図２】実施の形態１における結晶成長時のアンモニア流量の変化を示す図である。
【図３】実施の形態１における窒化物半導体レーザ素子のｐ型層における、Ｍｇ濃度のプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１  基板、１０２  ｎ型ＧａＮ層、１０３  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０４  ｎ型ＧａＮガイド層、１０５  多重量子井戸発光層、１０６  ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層、１０７  ｐ型ＧａＮガイド層、１０８  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０９  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１０  リッジ部、１１１  絶縁膜、１１２  ｐ電極、１１３  ｎ電極、１１４  ＡＲコート膜、１１５  ＨＲコート膜、１１６  窒化物半導体レーザ素子。
【図１】
2008300418.tif 000003
【図２】
2008300418.tif 000004
【図３】
2008300418.tif 000005