JP3753747B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、可視単波長、特に、青色領域から紫色領域まで、及び紫外光領域で発光可能な半導体レーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、特開平4-242985号公報に記載のレーザダイオードが提案されている。そのレーザダイオードは、リン化インジウムガリウムアルミニウム（InGaAlP)系結晶により作製されており、活性層には不純物の無添加の層が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このレーザダイオードは、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させたものである。
しかしながら、レーザダイオードを製作する場合には、精密な鏡面を得る必要があるが、未だ、精密な鏡面を得るためのへき開方向が見いだされていない。精密な鏡面が得られないため、レーザの発振効率が低いという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおいて、共振器を構成する両端面の平行度及び面精度を良好とすることで、レーザの発振効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するための第１の発明の構成は、活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、サファイア基板と、サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体 ((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、
多重層の最上層のｐ層に反射膜で形成された第１電極層と、
サファイア基板に形成された穴において多重層の露出した最下層のｎ層に形成された反射膜で形成された第２電極層と、
を有し、第１電極層と第２電極層と、それらの間の多重層とで共振器を構成し、電極層に垂直な方向に前記第２電極層側へレーザを出力するようにしたことを特徴とする。
また、第２の発明の構成は、活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、サファイア基板と、サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体 ((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、
多重層の最上層のｐ層に反射膜で形成された第１電極層と、
サファイア基板に形成された穴において多重層の露出した最下層のｎ層に形成された反射膜で形成された第２電極層と、
を有し、第１電極層と第２電極層と、それらの間の多重層とで共振器を構成し、電極層に垂直な方向にレーザを出力するようにし、
サファイア基板の穴は、研磨ののちエッチングにより形成されたことを特徴とする。
【０００６】
【作用及び効果】
本発明は、上記のように、サファイア基板の主面上に窒化ガリウム系化合物半導体の多層を形成して、その多層によりレーザ素子を形成して、サフアイア基板に裏面から穴をあけて、その穴に露出した多重層の最下層のｎ層に鏡面の第２電極層と最上層のｐ層に鏡面の第１電極層とを形成している。よって、その２つの鏡面によりサファイア基板の主面に垂直な方向に共振器を構成することができる。この共振器の端面は蒸着等で鏡面に形成することができ、面精度が高くとれるので、レーザ出力の効率を向上させることができる。この時、第２電極層側に取り出すと良い。また、サファイア基板裏面の穴は研磨ののちエッチングにより形成すると良い。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、サファイア基板を用いた半導体レーザダイオードの構造を示した断面図である。
図１において、(1,1,-2,0)面（ａ面）を結晶成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。
成長炉を真空排気の後、水素を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【０００９】
次に、サファイア基板１の温度を 600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA) 及びアンモニア(NH3) を供給して、サファイア基板１上に50nm程度の膜厚を持つAlN 層２を形成する。
【００１０】
次に、TMA の供給のみを止め、基板温度を1040℃まで上げ、トリメチルガリウム(TMG) 及びシラン(SiH4 ) を供給しSiドープｎ型GaN 層３（ｎ+ 層）（最下層）を成長する。
【００１１】
次に、TMA 及びTMG 及びシラン(SiH4 ) を供給して、厚さ 0.4μｍのSiドープのAl0.1Ga0.9N 層４（ｎ層）を形成する。
【００１２】
次に、TMG を供給して厚さ 0.2μｍのGaN 層５（活性層）を成長させる。
【００１３】
次に、TMA 、TMG 及びCp2Mg を供給して、厚さ0.4 μｍのマグネシウムドープのAl0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）（最上層）を形成する。
【００１４】
次に、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）上にSiO2層７を堆積した後、１mmφに窓７Ａを開ける。又、サファイア基板１の裏面ｂ側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、１mmφに穴１Ａを開けて、Siドープｎ型GaN 層３を露出させた。
【００１５】
その後、真空チャンバに移して、マグネシウムのドープされたAl0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）及びGaN 層５（活性層）に電子線照射処理を行う。この電子線の照射により、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）及びGaN 層５（活性層）とｐ型伝導を示した。
【００１６】
典型的な電子線照射処理条件を表に示す。
【表１】
【００１７】
次に、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）の窓７Ａの部分に厚さ、２０００Åのアルミニウム電極層（第１電極層）８を形成した。又、穴１Ａにおいて、露出したSiドープｎ型GaN 層３に厚さ、８００Åのアルミニウム電極層（第２電極層）９を形成した。アルミニウム電極層８、９はレーザ共振器の両端の鏡面となる。
【００１８】
上記の素子が１枚のサファイア基板１の上に多数形成され、各素子がダイヤモンドカッタで切断される。そして、各素子において、アルミニウム電極層８とアルミニウム電極層９とに電圧を印加することで、本レーザダイオードはＸ軸方向（サファイア基板１の面に垂直な方向）に発振する。発振したレーザは、反射率が８０％のアルミニウム電極層９の側から出力される。尚、アルミニウム電極層８は反射率１００％とすることができる。
【００１９】
このように、縦型の共振器を有したレーザダイオードを得ることができる。
【００２０】
尚、レーザを出力する側の電極層は、アルミニウムに代えて、例えば、厚さ３５０ÅのGaN と厚さ３５０ÅのAlGaN との多重層で構成することができる。この多重層の層数や層の厚さにより反射率を制御することができる。又、この電極層をSiO2/TiO2 の多重層で構成することもできる。この場合にも、多重層の層数や層の厚さにより反射率を制御することができる。
【００２１】
又、サファイア基板１のエッチングはサファイア基板１を裏面ａ側から研磨した後、エッチングするようにすれば、よりエッチング時間が短くてすむ。
【００２２】
上記のレーザダイオードは、１つの面において多数の点状の電極を形成することで、ドット発光が可能となり、平面ドットマトリックスディスプレイとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア基板上に作製した本発明の具体的な一実施例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。
【符号の説明】
１…サファイアの(11-20) 面基板
２…AlN 緩衝層
３…GaN 層（ｎ+ 層）（最下層）
４…Al0.1Ga0.9N 層（ｎ層）
５…GaN 層（活性層）
６…Al0.1Ga0.9N 層（ｐ層）（最上層）
７…─SiO2層
８…アルミニウム電極層（第１電極層）
９…アルミニウム電極層（第２電極層）
【産業上の利用分野】
本発明は、可視単波長、特に、青色領域から紫色領域まで、及び紫外光領域で発光可能な半導体レーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、特開平4-242985号公報に記載のレーザダイオードが提案されている。そのレーザダイオードは、リン化インジウムガリウムアルミニウム（InGaAlP)系結晶により作製されており、活性層には不純物の無添加の層が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このレーザダイオードは、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させたものである。
しかしながら、レーザダイオードを製作する場合には、精密な鏡面を得る必要があるが、未だ、精密な鏡面を得るためのへき開方向が見いだされていない。精密な鏡面が得られないため、レーザの発振効率が低いという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおいて、共振器を構成する両端面の平行度及び面精度を良好とすることで、レーザの発振効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するための第１の発明の構成は、活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、サファイア基板と、サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体 ((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、
多重層の最上層のｐ層に反射膜で形成された第１電極層と、
サファイア基板に形成された穴において多重層の露出した最下層のｎ層に形成された反射膜で形成された第２電極層と、
を有し、第１電極層と第２電極層と、それらの間の多重層とで共振器を構成し、電極層に垂直な方向に前記第２電極層側へレーザを出力するようにしたことを特徴とする。
また、第２の発明の構成は、活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、サファイア基板と、サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体 ((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、
多重層の最上層のｐ層に反射膜で形成された第１電極層と、
サファイア基板に形成された穴において多重層の露出した最下層のｎ層に形成された反射膜で形成された第２電極層と、
を有し、第１電極層と第２電極層と、それらの間の多重層とで共振器を構成し、電極層に垂直な方向にレーザを出力するようにし、
サファイア基板の穴は、研磨ののちエッチングにより形成されたことを特徴とする。
【０００６】
【作用及び効果】
本発明は、上記のように、サファイア基板の主面上に窒化ガリウム系化合物半導体の多層を形成して、その多層によりレーザ素子を形成して、サフアイア基板に裏面から穴をあけて、その穴に露出した多重層の最下層のｎ層に鏡面の第２電極層と最上層のｐ層に鏡面の第１電極層とを形成している。よって、その２つの鏡面によりサファイア基板の主面に垂直な方向に共振器を構成することができる。この共振器の端面は蒸着等で鏡面に形成することができ、面精度が高くとれるので、レーザ出力の効率を向上させることができる。この時、第２電極層側に取り出すと良い。また、サファイア基板裏面の穴は研磨ののちエッチングにより形成すると良い。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、サファイア基板を用いた半導体レーザダイオードの構造を示した断面図である。
図１において、(1,1,-2,0)面（ａ面）を結晶成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。
成長炉を真空排気の後、水素を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【０００９】
次に、サファイア基板１の温度を 600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA) 及びアンモニア(NH3) を供給して、サファイア基板１上に50nm程度の膜厚を持つAlN 層２を形成する。
【００１０】
次に、TMA の供給のみを止め、基板温度を1040℃まで上げ、トリメチルガリウム(TMG) 及びシラン(SiH4 ) を供給しSiドープｎ型GaN 層３（ｎ+ 層）（最下層）を成長する。
【００１１】
次に、TMA 及びTMG 及びシラン(SiH4 ) を供給して、厚さ 0.4μｍのSiドープのAl0.1Ga0.9N 層４（ｎ層）を形成する。
【００１２】
次に、TMG を供給して厚さ 0.2μｍのGaN 層５（活性層）を成長させる。
【００１３】
次に、TMA 、TMG 及びCp2Mg を供給して、厚さ0.4 μｍのマグネシウムドープのAl0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）（最上層）を形成する。
【００１４】
次に、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）上にSiO2層７を堆積した後、１mmφに窓７Ａを開ける。又、サファイア基板１の裏面ｂ側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、１mmφに穴１Ａを開けて、Siドープｎ型GaN 層３を露出させた。
【００１５】
その後、真空チャンバに移して、マグネシウムのドープされたAl0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）及びGaN 層５（活性層）に電子線照射処理を行う。この電子線の照射により、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）及びGaN 層５（活性層）とｐ型伝導を示した。
【００１６】
典型的な電子線照射処理条件を表に示す。
【表１】
次に、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）の窓７Ａの部分に厚さ、２０００Åのアルミニウム電極層（第１電極層）８を形成した。又、穴１Ａにおいて、露出したSiドープｎ型GaN 層３に厚さ、８００Åのアルミニウム電極層（第２電極層）９を形成した。アルミニウム電極層８、９はレーザ共振器の両端の鏡面となる。
【００１８】
上記の素子が１枚のサファイア基板１の上に多数形成され、各素子がダイヤモンドカッタで切断される。そして、各素子において、アルミニウム電極層８とアルミニウム電極層９とに電圧を印加することで、本レーザダイオードはＸ軸方向（サファイア基板１の面に垂直な方向）に発振する。発振したレーザは、反射率が８０％のアルミニウム電極層９の側から出力される。尚、アルミニウム電極層８は反射率１００％とすることができる。
【００１９】
このように、縦型の共振器を有したレーザダイオードを得ることができる。
【００２０】
尚、レーザを出力する側の電極層は、アルミニウムに代えて、例えば、厚さ３５０ÅのGaN と厚さ３５０ÅのAlGaN との多重層で構成することができる。この多重層の層数や層の厚さにより反射率を制御することができる。又、この電極層をSiO2/TiO2 の多重層で構成することもできる。この場合にも、多重層の層数や層の厚さにより反射率を制御することができる。
【００２１】
又、サファイア基板１のエッチングはサファイア基板１を裏面ａ側から研磨した後、エッチングするようにすれば、よりエッチング時間が短くてすむ。
【００２２】
上記のレーザダイオードは、１つの面において多数の点状の電極を形成することで、ドット発光が可能となり、平面ドットマトリックスディスプレイとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア基板上に作製した本発明の具体的な一実施例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。
【符号の説明】
１…サファイアの(11-20) 面基板
２…AlN 緩衝層
３…GaN 層（ｎ+ 層）（最下層）
４…Al0.1Ga0.9N 層（ｎ層）
５…GaN 層（活性層）
６…Al0.1Ga0.9N 層（ｐ層）（最上層）
７…─SiO2層
８…アルミニウム電極層（第１電極層）
９…アルミニウム電極層（第２電極層）
Claims (2)
- 活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、前記ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x ≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、
前記多重層の最上層のｐ層に反射膜で形成された第１電極層と、
前記サファイア基板に形成された穴において前記多重層の露出した最下層のｎ層に形成された反射膜で形成された第２電極層と、
を有し、前記第１電極層と第２電極層と、それらの間の多重層とで共振器を構成し、前記電極層に垂直な方向に前記第２電極層側へレーザを出力するようにしたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。 - 活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、前記ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x ≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、
前記多重層の最上層のｐ層に反射膜で形成された第１電極層と、
前記サファイア基板に形成された穴において前記多重層の露出した最下層のｎ層に形成された反射膜で形成された第２電極層と、
を有し、前記第１電極層と第２電極層と、それらの間の多重層とで共振器を構成し、前記電極層に垂直な方向にレーザを出力するようにし、
前記サファイア基板の穴は、研磨ののちエッチングにより形成された
ことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35457193A JP3753747B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
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