(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含むリッジストライプの幅がレーザ共振器長以上の長さを有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
基板上に作製した窒化物系半導体層の基板側に最も近い段差ストライプの幅がレーザ共振器長以上の長さを有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
基板上に作製した窒化物系半導体層に複数個の幅が異なる段差ストライプを有することを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高密度光情報処理やディスプレー分野などへの応用が期待されている可視域から紫外域の発振波長を有する半導体レーザなどのGaN系半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
V族元素に窒素（N）を有する窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、可視域から紫外域の広い波長に発光帯を有し、特に短波長発光素子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム系化合物半導体（GaN系半導体：AlxGayInzN(0≦x, y, z≦1、x+y+z=1)）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイオード（LED）、緑色LEDが実用化されている。また、光ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長を有する半導体レーザが熱望されており、GaN系半導体を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用化レベルに達しようとしている。
【０００３】
図６はレーザ発振が達成されているGaN系半導体レーザの構造断面図である。サファイア基板601上に有機金属気相成長法（MOVPE法）によりGaNバッファ層602、u-GaN603を成長する。次に、基板を結晶成長炉から取り出しフォトリソグラフィー技術を用いてSiO2マスク604をストライプ上にパターニングする。次に、再び前記基板を結晶成長炉に設置し、ELO-GaN605を再成長する。この時GaNはSiO2マスク604上を横方向成長する。この領域ではGaNとサファイアとの格子定数及び熱膨張係数のミスマッチングの影響が小さいので転位密度の小さい高品質なGaN結晶が得られる。次に、ひき続き結晶成長を行い、n-GaN層606、n-Al0.07Ga0.93Nクラッド層607、n-GaN第ガイド層608、Ga1-xInxN/Ga1-yInyN (0<y<x<1)から成る多重量子井戸活性層609、p-GaN光ガイド層610、p- Al0.07Ga0.93Nクラッド層611、p-GaNコンタクト層612が成長される。そしてp-GaNコンタクト層612上に幅3から10ミクロン程度の幅のリッジストライプが形成され、その両側は絶縁膜614によって埋め込まれる。その後リッジストライプおよび絶縁膜614上に例えばNi/Auから成るp電極613、また一部をn-GaN層606が露出するまでエッチングした表面に例えばTi/Alから成るn電極615が形成される。本素子においてn電極615を接地し、p電極613に電圧を印加すると、多重量子井戸活性層609に向かってp電極613側からホールが、またn電極615側から電子が注入され、前記多重量子井戸活性層609内で光学利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振を起こす。多重量子井戸活性層609の材料であるGa1-xInxN/Ga1-yInyN薄膜の組成や膜厚によって発振波長は変化する。現在室温以上での連続発振が実現されている。
【０００４】
レーザ共振器面は例えば特開平８−２１３６９４号公報にあるように窒化物半導体層を形成していないサファイア基板面を研磨した後へき開して形成する。レーザチップの基板幅は４００μｍ、共振器長は５００μｍである。また、p-GaNコンタクト層612上のリッジストライプは１〜５０μｍの範囲が光閉じ込めの観点から好ましいとされている。窒化物系半導体レーザチップの寸法に関しては、他に、アプライド・フィジクス・レターズ（Applied Physics Letters）、第69巻、ｐ．1477、1996年に、共振器長が６００μｍ、p-GaNコンタクト層上のリッジストライプは１０μｍ、n-GaNコンタクト層にｎ電極を形成するためのリッジストライプの幅が１５０μｍの場合が報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板上の窒化物系半導体レーザチップにおいては、サファイア基板とその上に成長する窒化物系半導体との間に熱膨張係数差に起因して、窒化物系半導体に熱応力（この場合圧縮応力）が発生しチップ自身が反ってしまうという問題があった。特に共振器方向において基板の反りが大きいと共振器面が互いに平行ではなくなり、光の損失が大きくなて光学的なフィードバックが十分に行えなくなるのでレーザしきい値の上昇をもたらす原因となった。発明者等がシミュレーション計算等を用いて鋭意検討を重ねた結果、この方向の反りは従来のレーザチップの寸法のように、ｎ電極を形成するために作製したリッジの幅が共振器長よりも短いために共振器長方向の熱応力がより強いという異方性が生じているために起こっていることが判明した。
【０００６】
さらに、発明者等が鋭意検討を重ねた結果、従来のようなレーザチップの寸法では光の共振方向とこれに垂直な方向の熱応力の異方性（応力値の大小関係）がレーザのしきい値電流低減に対して必ずしも十分ではないことが判明した。例えば、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（journal of Applied Physics）、第80巻、ｐ．6868、1996年にあるように、６方晶系である窒化物系半導体ではC面内において対称性を壊す異方性応力を印加することにより、価電子帯の状態密度を低減でき、その結果レーザ発振に必要なしきい電流が低減され、さらに光との結合のより有利な方向に異方性応力を印加すればより効果的にしきい電流が低減されることが報告されている。発明者等が計算した結果、従来のレーザチップにおいては、ｐコンタクト上のリッジストライプ及びｎ電極形成のためのリッジストライプを作製したことによって、熱応力がC面内においてストライプと垂直な方向に開放されるが、その効果は従来のレーザチップの寸法では十分に得られないことが判明した。
【０００７】
本発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、異種基板上に作製された六方晶系窒化物系半導体特有の異方性応力を制御して高性能な半導体レーザを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物系半導体素子は、活性層を含むリッジストライプの幅がレーザ共振器長以上の長さを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の窒化物系半導体素子は、基板上に作製した窒化物系半導体層の基板側に最も近い段差ストライプの幅がレーザ共振器長と異なることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の窒化物系半導体素子は、活性層を含むリッジストライプ内に溝構造を有することを特徴とする。特に、活性層を含むリッジストライプの表面側から活性層よりも深い位置まで溝が形成されることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明の窒化物半導体の成長方法は有機金属気相成長法（MOVPE）法に限定するものではなく、ハイドライド気相成長法（H-VPE法）や分子線エピタキシー法（MBE法）など、窒化物半導体層を成長させるためにこれまで提案されている全ての方法に適用できる。また、ＭＯＶＰＥ成長法において、成長圧力は減圧から、大気圧、加圧（７６０Ｔｏｒｒ以上）いずれでも良く、各層において最適な圧力に切りかえても良い。また、原料を基板に供給するためのキャリアガスは少なくとも窒素または水素等の不活性ガスを含むガスで供給される。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は第１の実施例を示すGaN系半導体レーザの素子断面図である。
【００１３】
基板101上にｎ−ＧａＮ層102（膜厚４μm）、ｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層103（膜厚0.7μm）、ｎ−ＧａＮ光ガイド層104（膜厚0.12μm）、GaInN（膜厚3nm）/GaN（膜厚9nm）多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層105、p-Al0.14Ga0.86Nキャップ層106（膜厚20nm）、ｐ−ＧａＮ光ガイド層107（膜厚0.12μm）、p-Al0.14Ga0.86N/GaN超格子クラッド層108（膜厚0.5μm）、ｐ−ＧａＮコンタクト層109（膜厚0.０４μm）を順次堆積する。次に、ｐ−ＧａＮコンタクト層109、p-Al0.14Ga0.86N/GaN超格子クラッド層108をリッジストライプ状に加工（ｐストライプ１１３）し、リッジの両脇をSiO2絶縁膜111で覆い、電流注入領域を形成する。ｐストライプ１１３のストライプ幅は２〜５ミクロン程度である。絶縁膜111の開口部のｐ−ＧａＮコンタクト層109表面と、絶縁膜111の一部はｐ電極110が設けられている。また、ｎ−ＧａＮ層102の一部が露出するまでエッチングを行った表面には（ｐ／ｎストライプ１１４の形成）、ｎ電極112が形成されている。ここでｐ／ｎストライプ１１４の幅は４００μｍである。
【００１４】
基板１０１はサファイアC面の他、SiC、Si、GaAｓ等を用いる。また選択成長法を用いて前記各種基板上に作製したGaN系結晶からなる基板であっても良い。
【００１５】
次に、前記積層構造を作製した後、へき開によりレーザ共振器端面を形成してレーザバーを作製する。最後にスクライビングを行いレーザチップに分離する。共振器長は３５０μｍ、チップ幅は６００μｍである。本発明の共振器長は従来構造よりも短いが、作製方法としては、基板を研磨した後にスクライビングする方法やレーザビーム照射（アブレーション）等を用いて、この程度に短く加工することは十分可能である。
【００１６】
次に、ｐ／ｎストライプ幅及び共振器長の関係を本発明のように設定することの有効性について説明する。
【００１７】
図４にレーザチップ寸法と熱応力による反りの関係を示す。ｐ／ｎストライプ幅L１が共振器長L２よりも短いと、熱応力に起因して、共振器長方向により大きくデバイスが反り、その反対の関係（L1>L2）のとき共振器に対し垂直方向により大きく反ることが判明した。発明者等が有限要素法によりシミュレーション解析を行った結果、これは基板とGaN系結晶との間に生ずる熱応力がｐ／ｎストライプにより開放されることが原因になっていることが判明した。すなわち、窒化物系半導体と異なる、異種材料の基板であれば、お互いに熱膨張係数が異なるので、前記熱膨張係数差に起因して熱応力が発生する。
【００１８】
図５に、シミュレーションからわかった熱応力の関係を示す。図５（ａ）は基板501上にGaN系レーザ構造502を作製した場合の前記レーザ構造に働く応力を示してある。この場合（例えばサファイア基板）基板の熱膨張係数がGaN系レーザ構造よりも大きいので、プロセス温度（約１０００℃から室温まで冷却した場合に前記レーザ構造には圧縮性応力が働く。これに図５（ｂ）に示すようなｐストライプ５０３及びｐ／ｎストライプ５０４を作製することにより、その端部で圧縮応力が開放される。もし、ｐ／ｎストライプ５０４の幅が共振器長よりも短い場合、C面内においてストライプに垂直な方向の圧縮性応力が小さくなる。計算によれば、ストライプ方向と前記垂直方向との圧縮性熱応力の差は数10Mpaとなることがわかった。特に、ｐ／ｎストライプ５０４の長さと共振器長との大小関係により、ｐストライプ直下に存在する活性層の応力の異方性に影響が大きいことがわかった。
【００１９】
本発明のように、ｐ／ｎストライプの長さを共振器長よりも長くすることにより、共振器長方向で圧縮性熱応力が開放される効果の方が、ｐ／ｎストライプで開放される効果よりも顕著になるので、共振器長方向よりこれに垂直な方向により圧縮性応力がかかり、共振器方向の反りは低減され、相対する共振器面の平行度が上がり共振ロスが低減され、レーザ発振しきい電流の低減をもたらす。
【００２０】
なお、共振器長やレーザチップ寸法は一例であって、上記大小関係を満たしていれば本発明の効果が得られることは言うまでもない。
【００２１】
さらに、同様の効果は、例えば図２に示すような他の類似の構造でも得られる。
【００２２】
すなわち、図２(a)または(b)に示すようにn-GaN層の一部にストライプ状の段差215または段差217を設ける。各段差の膜厚はa=1μm、b=1.5μm（従ってn-GaN102の段差底部からの残り厚は1.5μm）、c=1μm、d=1.5μmである。各ストライプの幅は、図２（a）では、ｐ／ｎストライプ114の幅が200μm、段差の幅216が450μmである。レーザ共振器長は350μmである。図２（ｂ）では、ｐ／ｎストライプ114の幅が200μm、段差の幅218が400μm 、e=50μmである。
【００２３】
この段差はn-GaN層の一部を加工することを特徴とし、基板面まで彫り込むことはしない。段差の幅216または217は共振器長３５０μｍよりも長く作製する。これにより、活性層においてC面内で共振器方向に垂直な方向の熱応力がより大きくなり、共振器方向での反りが低減された。その結果レーザ発振しきい電流が低減された。
【００２４】
熱応力の計算では、基板上に作製された窒化物系半導体に複数個の段差ストライプを形成した場合、基板に１番近い段差ストライプの幅と共振器長との大小関係により熱応力の異方性の関係がきまることが判明した。従って、基板に１番近い段差ストライプの幅を共振器長よりも長くすることがレーザ発振しきい電流を低減させることに有効である。
【００２５】
図７(a)に共振器方向の反りのp/nストライプ幅または最下部（基板に１番近い）の段差ストライプ幅の関係を示す。反りの定義は、レーザチップを水平に置いた場合に共振器中央の高さと両端の高さの差である。図に示すようにp/nストライプ幅または最下部（基板に１番近い）の段差ストライプ幅が共振器長を超えた場合に急激に低減される。これは、熱応力の異方性が前記ストライプと共振器長の大小関係で入れ替わることによると考えられる。
【００２６】
（実施の形態２）
次に熱応力を効果的に制御することにより、異方性応力の効果でレーザのしきい電流を低減させる窒化物系半導体素子構造について説明する。
【００２７】
図３に素子断面図を示す。各層において図１と符号が同一のものは同一の層である。図に示すようにｐストライプ１１３の両脇にV溝を作製する。溝は活性層105の両脇を通ってｎ型層に到達することがより望ましいが、必ずしも活性層105に達する必要はない。溝の形状はV溝状に限定されるのではなく、底が平坦であっても良い。ｐストライプ１１３の両脇を彫り込むことが重要である。本実施例では、溝はｐストライプ１１３の端から２μm離れており。溝の幅は約10μmである。溝の深さはn-AlGaNクラッド層103まで達している。なお、各層の膜厚は実施の形態１と同一である。溝はフォトリソグラフィー技術とドライエッチングプロセスまたはレーザ照射等を用いて任意の選択的に形成することが可能である。また、溝の位置はｐストライプ113の両脇であればどこでも良いが、できるだけｐストライプ113の端に近い方が望ましい。さらに、溝はｐストライプ113の両脇にあることが望ましいが、何れか一方であっても良い。
【００２８】
図７(b)には活性層近傍における熱応力の溝深さに対する依存性を示す。溝がないと圧縮性の大きな熱応力がかかるが、溝深さを増していくと、圧縮性応力が緩和され、図３に示す表面から活性層表面に相当する膜厚ｆ以上に溝を掘り込むとむしろ引っ張り応力になる。すなわち、熱応力は溝深さが活性層よりも深く彫り込むことで劇的な変化を受けるのである。
【００２９】
前記V溝を設けた場合の熱応力の分布を図５（ｃ）に示す。V溝の底（基板に近い側）では圧縮性応力が印加されるのに対し、上部の発光領域５０３（活性層）近傍においては、溝下部の圧縮性応力の効果でむしろ引っ張り応力が働く。その結果、発光領域において共振器方向においては圧縮性応力が、C面内において共振器と垂直方向においては引っ張り応力がかかる。すなわち、従来構造のレーザチップに比べ、大幅に熱応力の異方性が得られることが可能になった。この異方性応力印加の結果、価電子帯のバンド構造においてバンドのスプリットを効果的に実現できた。これを用いて実際にデバイスを作製した結果、価電子帯の状態密度低減を反映してレーザ発振のしきい電流が約１／２に低減した。
【００３０】
この構造はさらに、ｐ／ｎ接合の容量を低減させるという効果も同時にもたらし高速変調やノイズの低減にも効果的である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物系半導体素子は、ｐ／ｎストライプの長さを共振器長よりも長くすることにより、共振器長方向で圧縮性熱応力が開放される効果の方が、ｐ／ｎストライプで開放される効果よりも顕著になるので、共振器長方向よりこれに垂直な方向により圧縮性応力がかかり、共振器方向の反りは低減され、相対する共振器面の平行度が上がり共振ロスが低減され、レーザ発振しきい電流の低減をもたらす。
【００３２】
また、本発明の窒化物系半導体素子は、活性層近傍においてV溝構造を用いて熱応力の異方性を大幅につけることにより、価電子帯の状態密度低減をさせレーザ発振のしきい電流が約１／２に低減した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すGaN系半導体レーザの構造断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態を示すGaN系半導体レーザの構造断面図
【図３】本発明の第３の実施の形態を示すGaN系半導体レーザの構造断面図
【図４】反りとレーザチップの関係に関する本発明の効果を示す図
【図５】シミュレーションにより得たチップ構造と熱応力の関係を示す図
【図６】従来のGaN系量子井戸半導体レーザの素子断面図
【図７】本発明の効果を示す図
【符号の説明】
１０１  基板
１０２  n-GaN層
１０３  n-AlGaNクラッド層
１０４  n-GaN光ガイド層
１０５  活性層
１０６  p-AlGaNキャップ層
１０７  p-GaN光ガイド層
１０８  p-AlGaN/GaN超格子クラッド層
１０９  p-GaNコンタクト層
１１０  p電極
１１１  SiO2
１１２  n電極
１１３  pストライプ
１１４  p/nストライプ
２１５  段差
２１６  段差の幅
２１７  段差
２１８  段差の幅
３１５  V溝
５０１  基板
５０２  レーザ構造
５０３  pストライプ
５０４  p/nストライプ
５０５  V溝
６０１  基板
６０２  バッファ層
６０３  u-GaN層
６０４  SiO2マスク
６０５  ELO-GaN
６０６  n-GaN層
６０７  n-AlGaNクラッド層
６０８  n-GaN光ガイド層
６０９  活性層
６１０  p-GaN光ガイド層
６１１  p-AlGaNクラッド層
６１２  p-GaNコンタクト層
６１３  p電極
６１４  SiO2
６１５  n電極
【図１】
0004904653.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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