JP3897186B2 - 化合物半導体レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来のリッジ導波路型ＩＩＩ族窒化物系半導体レーザを示す断面概略図である。図２の半導体レーザは、まずサファイア基板２０１上のＧａＮバッファ層２０２、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３、ｎ−ＧａＮ緩衝層２０４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２０５、ｎ−ＧａＮガイド層２０６、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層２０７、ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層２０８、ｐ−ＧａＮガイド層２０９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１０、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１１からなる積層構造を有する。サファイア基板は絶縁性であるので、ｎ型電極を付設する領域を露出するために素子の一部はｎ型コンタクト層２０３まで掘り下げられている。また、メサ構造の一部はリッジ導波路を形成するためにｐ型クラッド層２１０まで掘り下げられる。これらの加工には、ドライエッチング法が用いられ、エッチング部分の保護として、ＳｉＯ2保護膜２１４が付加されている。
【０００３】
図１０は、光ガイド層の無い素子構造における、ｐ−クラッド層残し膜厚とストライプ内外の実効屈折率差（従来例）、及び、エッチング部をｐ−クラッド層と同じ屈折率を持つ材料で埋め込んだ場合のストライプ内外の実効屈折率差（本発明）の比較を示す図である。従来のリッジ導波型ＩＩＩ族窒化物系半導体レーザでは、図１０中に示したように、リッジ部とリッジ外部に於けるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１０の厚さの違いによる屈折率差を利用して、図２の（Ａ）部と同（Ｂ）部での実効的な屈折率分布を形成し、横モードの制御を行っているものである。図２の（Ｂ）部の実効的屈折率制御はエッチングせずに残すｐ−ＡｌＧａＮ層２１０の膜厚を調節することにより行われる。
【０００４】
これにより、室温で連続通電により、垂直方向の光放射角＝３４°、水平方向の光放射角＝７°の光学的特性が得られている。また、室温・連続通電における素子寿命は３５時間程度が得られている。図８はこれを示すもので、従来のリッジ導波型ＩＩＩ族窒化物系半導体レーザの室温・連続通電時の動作電流の変化を示している。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２に示したような従来のリッジ導波型ＩＩＩ族窒化物系半導体レーザには、横モード特性の揃った半導体レーザを歩留りよく製作することが極めて困難であるという問題があった。なぜなら、ＩＩＩ族窒化物半導体には適切な化学エッチング液が存在しないためエッチングにはＲＩＥやＲＩＢＥなどのドライエッチングが用いられるのであるが、適切なエッチストップ層が存在しないので、図２の（Ｂ）部のｐ−ＡｌＧａＮ層２１１の膜厚制御を時間制御により行うなどの精度の低い手法をとらざるを得ず、そのために該ＡｌＧａＮ層２１１の膜厚がロットごと、あるいは同一ウェハの面内でばらついて横モードの制御性を著しく損ない、生産歩留まりが低下してしまう。
【０００６】
更なる問題点として、室温・連続通電における素子寿命が短いことが挙げられる。これは、ストライプ状リッジ形状を形成する際の加工方法にドライエッチングを用いているため、エッチングされる半導体層の側面及び底面は損傷を受け、結晶欠陥を生じることと、リッジ側面及びリッジ外部のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層上をＳｉＯ2保護膜で覆っているが、ＳｉＯ2にはピンホールが多く存在し、実質上、当該結晶面の保護を充分に行えないことが原因であることを、筆者らは確認した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明では、エッチング量の変化に対して横モードが変化しないような素子構造を提供し、特性の揃ったリッジ導波型ＩＩＩ族窒化物半導体レーザを効率よく製作することを可能にする。
【０００８】
更に、エッチングにより形成したリッジ状ストライプ外部にピンホールが少ない誘電体層、または、半導体層を厚く形成し実質上リッジ状ストライプを埋め込む構造とすることにより、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子を実現する。
【０００９】
または、エッチングにより形成した凹状溝部を電流通路とするため、または、半導体層で埋め込む構造とすることによっても、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子を実現する。
【００１０】
即ち本発明における半導体レーザは、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層と、第２の導電型を有するコンタクト層とが積層されており、かつ活性層上方構造の一部において第２クラッド層上部のみもしくは第２クラッド層上部ないしコンタクト層がリッジ状に形成された構造であって、リッジ部の両側に形成される絶縁性もしくは第１の導電型を有する埋込層がレーザの発振波長に対して透明で、かつ第２クラッド層と概略同じ屈折率を有することを特徴とし、
前記埋込層が、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯのうち少なくとも１種類以上を含む誘電体であることを特徴とし、
または、前記埋込層が、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ化合物半導体であることを特徴とし、
または、前記の埋込層が、第２クラッド層と概略同組成の半導体であることを特徴とする。
【００１１】
上記のような構造をとることにより、図１０中に示したように、リッジ部内外での屈折率差はなくなる。一方、リッジ埋込層の電流狭窄作用により、活性層におけるリッジ直下部と埋込層直下部で利得差が生じ、その結果、横モードの制御がなされる。該構造においては、リッジ形成のためのエッチングプロセスのエッチング深さに対する誤差許容範囲が広く、横モード制御性が安定し、特性の揃ったレーザ素子の生産歩留まりが向上する。
【００１２】
また、これらの埋め込み材料はレーザの発振波長に対して透明なので光吸収による熱の発生などがなく、第２クラッド層と概略同じ屈折率を有するのでレーザの横モードに影響を与えず、埋込層として適している。さらに、エッチングにより形成したリッジ状ストライプ部を、前記埋込層により埋め込むため、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子を実現する。さらに、前記埋込層の材料として第２クラッド層と概略同組成のＩＩＩ族窒化物半導体を用いた場合には埋込層と他のエピタキシャル層との間の格子定数差が解消されるので、熱歪みなどの応力が素子に与える影響を回避することが可能になる。
【００１３】
また、本発明における半導体レーザの別の形態は、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層と、第２の導電型を有し第２クラッド層よりも高い屈折率を示す光ガイド層と、第２の導電型を有する第３クラッド層と、第２の導電型を有するコンタクト層とが積層されており、かつ活性層上方構造の一部において第２クラッド層内の任意の位置ないし第３クラッド層、もしくは第２クラッド層内の任意の位置ないしコンタクト層がリッジ状に形成された構造であって、リッジ部の両側に形成される絶縁性もしくは第１の導電型を有する埋込層がレーザの発振波長に対して透明で、かつ第２クラッド層と概略同じ屈折率を有することを特徴とし、
前記光ガイド層が、ＩｎＧａＡｌＮからなることを特徴とし、
または、前記埋込層が、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯのうち少なくとも１種類以上を含む誘電体膜であることを特徴とし、
または、前記埋込層が、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ化合物半導体であることを特徴とし、
または、前記の埋込層が、第２クラッド層と概略同組成の半導体であることを特徴とする。
【００１４】
図１１は、光ガイド層の有る素子構造における、ｐ−クラッド層残し膜厚とストライプ内外の実効屈折率差（従来例）、及び、エッチング部をｐ−クラッド層と同じ屈折率を持つ材料で埋め込んだ場合のストライプ内外の実効屈折率差（本発明）の比較を示す図であって、上記のように光ガイド層がリッジ部に包含された構造をとることにより、図１１中に示したように、リッジ内部の実効的な屈折率が大きくなり、したがって横方向の光分布界がより中央へ集中するようになり、前記の利得差を利用したリッジ導波型レーザよりも横モード制御が容易になる。埋込層がない、あるいは埋込層の屈折率が第２クラッド層と異なる場合には、リッジ外部の第２クラッド層の厚さ（エッチング残し膜厚）がリッジ外部での実効屈折率の値に関与し、レーザの特性に大きく影響する。
【００１５】
しかしながら本発明に係る構造では埋込層の屈折率が第２クラッド層と同じなのでリッジ外部の第２クラッド層の厚さ（エッチング残し膜厚）がリッジ外部での実効屈折率に影響を与えることはなく、したがってエッチング深さを精密に制御する必要がなく、そのエッチング深さは少なくとも光ガイド層がリッジ内部に存在するように光ガイド層−第２クラッド層界面に達していればよい。またオーバーエッチしてもエッチング底面が第２クラッド層内部にあるようにすればよいので、エッチング時の誤差許容範囲が大きく、横モード制御性が安定し、レーザの生産歩留まりが向上する。
【００１６】
また、本発明における半導体レーザの更に別の形態は、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層と、絶縁性もしくは第１の導電型を有し第２クラッド層よりも低い屈折率を示す光反射層と、第２の導電型を有する第３クラッド層と、第２の導電型を有するコンタクト層とが積層されており、かつ活性層上方構造の一部において第２クラッド層内の任意の位置ないし第３クラッド層、もしくは第２クラッド層内の任意の位置ないしコンタクト層が凹状に形成された構造であって、凹部の内側に形成される埋込層が第２の導電型を有しかつ第２クラッド層と概略同組成の半導体であることを特徴とし、
また、前記光反射層が、ＩｎＧａＡｌＮからなることを特徴とする。
【００１７】
上記のように絶縁性もしくは第１の導電型を有し、第２クラッド層よりも低い屈折率を示す半導体層が凹構造の溝以外の部分に包含された構造をとることにより、素子電流は凹構造の溝部分へと集中し、レーザの横方向に対して利得分布が生じるようになり、更に、実効的な屈折率は凹構造の溝部分が他に比べて相対的に大きくなり、横方向の光分布界がより中央へ集中するようになり、前記の利得分布の効果と併せてレーザの横モード制御が容易になる。
【００１８】
また、第２クラッド層上に積層される第２クラッド層よりも低い屈折率を示す半導体層の材料としてＩｎＧａＡｌＮを用いることにより、該層上に連続して成長する各ＩＩＩ族窒化物層が、欠陥の発生を抑止しつつエピタキシャル成長でき、レーザの信頼性向上につながる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの断面構造をあらわす概略図、図３は製造過程を示す模式図である。
【００２１】
本実施例のレーザダイオードは以下のようなプロセスにより形成された。まず有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、（０００１）面方位（Ｃ面）を有するサファイア基板１０１上に、アンドープのＧａＮバッファ層１０２を２０ｎｍと、ｎ型の導電型を有する（以下ｎ−と記す）ＧａＮコンタクト層１０３を５μｍと、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層１０４を１μｍと、ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層１０５を０．１μｍと、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造による活性層１０６と、ｐ型の導電型を有する（以下ｐ−と記す）ＧａＮ光閉じ込め層１０７を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層１０８を１μｍと、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０９を０．５μｍと、を順次エピタキシャル成長させる（図３（Ａ））。
【００２２】
次に、ｐ−コンタクト層１０９の一部にマスキングＭ１を施し、被マスク部以外のエピタキシャル層をｎ−コンタクト層１０３中の適当な深さまでドライエッチングし、メサ形状を形成する（図３（Ｂ））。
【００２３】
更に、前記マスクを剥離後、メサ頂上の一部および前のエッチングにより露出したｎ−コンタクト層１０３面の全面をマスクＭ２により被覆し、再度ドライエッチングを施して、メサ上部にリッジ構造を形成する。このときエッチングの深さはｐ−クラッド層１０８中のいずれかの位置までとし、残し膜厚を制御する必要はない（図３（Ｃ））。
【００２４】
続いて電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により、ＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物を素子上面から蒸着する。蒸着膜の厚さは、蒸着膜の表面がリッジ上面と同じ高さになる厚さとする。すなわち、ＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物からなる埋込層１１０により、リッジ部を埋め込む（図３（Ｄ）。
【００２５】
最後にマスクＭ２及びリッジ上のＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０３上に形成されているマスクＭ２及びマスクＭ２上のＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物を除去し、ｎ−電極１１１及びｐ−電極１１２を形成し、図１のリッジ導波型レーザ構造が完成する。
【００２６】
本実施例の半導体レーザでは、活性層１０６から発する光の波長は５２０ｎｍとなるように設計した。この波長に対するｐ−クラッド層１０８の屈折率はおよそ２．３３であるので、埋込層の誘電体は、ＴｉＯ2（屈折率＝２．３５）とＺｒＯ2（屈折率＝２．０５）を混合物とし、蒸着された混合膜の波長５２０ｎｍにおける屈折率が２．３３になるように調整した。活性層の設計変更により発振波長が変化した場合にはｐ−クラッド層１０８の屈折率も変化するが、その時は埋込層もＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合比を変更したり、あるいは蒸着条件を変えたりして屈折率を変化させればよい。また、誘電体の種類はＴｉＯ2やＺｒＯ2に限られるものではなく、レーザの発振波長に対して透明であればどのような誘電体が用いられてもよい。また誘電体膜の形成方法もＥＢ蒸着法に限られるものでは勿論なく、スパッタリング法やその他の薄膜形成プロセスが用いられても構わない。
【００２７】
以上のように形成された本実施例の埋め込みリッジ導波型半導体レーザでは、電流は絶縁体である誘電体埋込層１１０により狭窄され、リッジ部直下の活性層に集中するため、利得分布が生じる。一方、埋込層の屈折率はｐ−クラッド層のそれと等しいため、活性層で発した光は屈折率分布を感じない。したがって該レーザの横モード制御はリッジ幅の制御によりなされればよいので容易であり、またドライエッチングによるｐ−クラッド層１０８の残し膜厚を精密に制御する必要がないのでエッチング誤差の許容範囲が広がり、生産歩留まりが向上する。
【００２８】
さらに、エッチングにより形成したリッジ状ストライプ部を、ＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物からなる埋込層１１０により埋め込んだため、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子が実現できた。
【００２９】
図４は、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの断面構造をあらわす概略図である。本実施例のレーザダイオードは絶縁性基板を用いているため、その形成プロセスは実施例１とほぼ同様の加工工程を有する。まずＭＯＣＶＤ法により、（０００１）面方位（Ｃ面）を有するサファイア基板４０１上に、アンドープのＧａＮバッファ層４０２を２０ｎｍと、ｎ−ＧａＮコンタクト層４０３を５μｍと、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第１クラッド層４０４を１μｍと、ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層４０５を０．１μｍと、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造による活性層４０６と、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層４０７を０．０５μｍと、ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層４０８を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第２クラッド層４０９を０．２μｍと、ｐ−ＧａＮ光ガイド層４１０を０．０５μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第３クラッド層４１１を０．８μｍと、ｐ−ＧａＮコンタクト層４１２を０．５μｍとを順次エピタキシャル成長させる。
【００３０】
次に、ｐ−コンタクト層４１２の一部にマスキングＭ１を施し、被マスク部以外のエピタキシャル層をｎ−コンタクト層４０３中の適当な深さまでドライエッチングし、メサ形状を形成する。更に、前記マスクＭ１を剥離後、メサ頂上の一部および前のエッチングにより露出したｎ−コンタクト層４０３面の全面をマスクＭ２により被覆し、再度ドライエッチングを施して、メサ上部にリッジ構造を形成する。このときエッチングの深さはｐ−第２クラッド層４０９中のいずれかの位置までとし、残し膜厚を制御する必要はない。続いて分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、ＣｌドープＺｎＭｇＳＳｅ化合物を素子上面から成膜する。該化合物層の厚さは、層の表面がリッジ上面と同じ高さになる厚さとする。即ちＺｎＭｇＳＳｅからなる埋込層４１３により、リッジ部を埋め込む。
【００３１】
最後にマスクＭ１、マスクＭ２及びマスクＭ１、マスクＭ２上のＣｌドープＺｎＭｇＳＳｅ化合物を除去し、ｎ−電極４１４及びｐ−電極４１５を形成し、図４のリッジ導波型レーザ構造が完成する。本実施例の半導体レーザでは、活性層４０６から発する光の波長は４１０ｎｍとなるように設計した。この波長に対するｐ−第２クラッド層４０９の屈折率はおよそ２．５０であるので、埋込層のＺｎＭｇＳＳｅの各元素の組成比はエネルギーギャップが３．０３ｅＶ以上、屈折率は２．５０となるように調節されている。活性層の設計変更により発振波長が変化した場合にはｐ−第２クラッド層４０９の屈折率も変化するが、その時は埋込層もＺｎＭｇＳＳｅの組成比を変更して屈折率を変化させればよい。また、埋込に用いるＩＩ−ＶＩ族半導体の種類はＺｎＭｇＳＳｅに限られるものではなく、たとえばＺｎＣｄＳｅなどが用いられてもよい。またＩＩ−ＶＩ族半導体膜の形成方法もＭＢＥ法によるエピタキシャル成長に限られるものでは勿論なく、スパッタリング法やその他の薄膜形成プロセスが用いられても構わない。
【００３２】
以上のように形成された本実施例のリッジ導波型半導体レーザでは、電流はｎ型の導電型を示すＣｌドープＺｎＭｇＳＳｅ埋込層４１３により狭窄され、リッジ部直下の活性層に集中するため、利得分布が生じる。一方、リッジ内部に形成された光ガイド層４１０は屈折率がｐ−第２クラッド層４０９及び埋込層４１３に対して大きく、またリッジ外では光ガイド層４１０が取り除かれているため、リッジ内外で実効的な屈折率に分布が生じる。したがって、光ガイド層を有さない第１の実施例に比べて、リッジ直下部への光り閉じ込めの効率がよくなり、横モード制御がより容易になる。またドライエッチングによるリッジ形成においては、エッチング底面が少なくとも光ガイド層４１０とｐ−第２クラッド層４０９の界面に達していればよく、光閉じ込め層４０８に達しなければオーバーエッチも許容されるので、残し膜厚を精密に制御する必要がなくなり、生産歩留まりが向上する。
【００３３】
さらに、エッチングにより形成したリッジ状ストライプ部を、ＺｎＭｇＳＳｅからなる埋込層４１３により埋め込んだため、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子が実現できた。
【００３４】
図５は、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザの断面構造をあらわす概略図である。本実施例のレーザダイオードは以下のようなプロセスにより形成された。まずＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＳｉＣ基板５０１上に、アンドープのＧａＮバッファ層５０２を２０ｎｍと、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第１クラッド層５０３を１μｍと、ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層５０４を０．１μｍと、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造による活性層５０５と、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層５０６を０．０５μｍと、ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層５０７を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第２クラッド層５０８を０．２μｍと、ｐ−Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ光ガイド層５０９を０．０５μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第３クラッド層５１０を０．８μｍと、ｐ−ＧａＮコンタクト層５１１を０．５μｍとを順次エピタキシャル成長させる。次に、ｐ−コンタクト層５１１の一部にマスクを施し、被マスク部以外のエピタキシャル層をドライエッチングして、リッジ構造を形成する。このときエッチングの深さはｐ−第２クラッド層５０８中のいずれかの位置までとし、残し膜厚を制御する必要はない。続いて、リッジ上部にマスクを残したままＭＯＣＶＤ法による選択成長により、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ層をリッジ側面にのみ成膜する。該ＡｌＧａＮ層の厚さは、層の表面がリッジ上面と同じ高さになる厚さとする。即ちｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなる埋込層５１２により、リッジ部を埋め込む。最後にマスクを除去し、基板裏面にｎ−電極５１３を、素子上面にｐ−電極５１４を形成し、図５のリッジ導波型レーザ構造が完成する。
【００３５】
本実施例の半導体レーザでは、活性層５０５から発する光の波長は４５０ｎｍとなるように設計した。この波長に対するｐ−第２クラッド層５０８の屈折率はおよそ２．４５である。本実施例においては、埋込層５１２はｐ−第２クラッド層５０８と導電型が異なるだけで同一の組成であり、該埋込層の屈折率はおよそ２．４５であり、発振波長に対して透明である。したがって本実施例のリッジ導波型半導体レーザでは、素子電流はｎ−ＡｌＧａＮ埋込層５１２により狭窄され、リッジ部直下の活性層に集中するため、利得分布が生じる。一方、リッジ内部に形成された光ガイド層５０９は屈折率がｐ−第２クラッド層５０８及び埋込層４１２に対して大きく、またリッジ外では光ガイド層４１０が取り除かれているため、リッジ内外で実効的な屈折率に分布が生じる。したがって第２の実施例と同様、リッジ直下部への光り閉じ込めの効率がよくなり、横モード制御がより容易になる。またドライエッチングによるリッジ形成においては、エッチング底面が少なくとも光ガイド層５０９とｐ−第２クラッド層５０８の界面に達していればよく、光閉じ込め層５０７に達しなければオーバーエッチも許容されるので、残し膜厚を精密に制御する必要がなくなり、生産歩留まりが向上する。
【００３６】
図６は、本発明の第４の実施例に係る半導体レーザの断面構造をあらわす概略図、図７は製造過程を示す模式図である。
【００３７】
本実施例のレーザダイオードは以下のようなプロセスにより形成された。まずＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＮ基板６０１上に、アンドープのＧａＮバッファ層６０２を２０ｎｍと、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第１クラッド層６０３を１μｍと、ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層６０４を０．１μｍと、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造による活性層６０５と、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層６０６を０．０５μｍと、ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層６０７を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第２クラッド層６０８を０．２μｍと、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ光反射層６０９を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第３クラッド層６１０を０．７μｍと、ｐ−ＧａＮコンタクト層６１１を０．５μｍと、を順次エピタキシャル成長させる（図７（Ａ））。
【００３８】
次に、ｐ−コンタクト層６１１の一部にマスキングＭ１を施し、被マスク部以外のエピタキシャル層をドライエッチングして、凹構造を形成する。このときエッチングの深さはｐ−第２クラッド層６０８中のいずれかの位置までとし、残し膜厚を制御する必要はない（図７（Ｂ））。
【００３９】
続いて、凹部以外のマスクを残したままＭＯＣＶＤ法による選択成長により、凹構造の溝内部にのみ選択的にｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ層６１２をｐ−第３クラッド層６１０とｐ−コンタクト層６１１の界面付近まで、続いてｐ−ＧａＮ層６１３をｐ−コンタクト層６１１の表面近傍までエピタキシャル成長させる。即ちｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなる埋込層６１２により、凹構造の溝部を埋め込む（図７（Ｃ））。
【００４０】
最後にマスクＭ１を除去し、基板裏面にｎ−電極６１４を、素子上面にｐ−電極６１５を形成し、図６のレーザ構造が完成する。本実施例の半導体レーザでは、活性層６０５から発する光の波長は４３０ｎｍとなるように設計した。本実施例においては、埋込層６１２はｐ−第２クラッド層６０８と導電型も組成も同一であり、かつ凹構造の溝部分以外に付設されている光反射層６０９はその導電型の違いから電流阻止層となるため、素子電流は溝部直下の活性層に集中し、レーザの横方向に対して利得分布が生じる。一方、溝部以外に付設されている光反射層６０９は屈折率がｐ−第２クラッド層６０８及び埋込層６１２に対して小さく、また溝部では屈折率が一様であるので、溝部以外で光が感じる実効的な屈折率が小さいため、ストライプ構造の内外で実効屈折率に分布が生じる。したがって、ストライプ部への光り閉じ込めの効率がよくなり、横モード制御がより容易になる。またドライエッチングによる溝構造形成においては、エッチング底面が少なくとも光反射層６０９とｐ−第２クラッド層６０８の界面に達していればよく、光閉じ込め層６０７に達しなければオーバーエッチも許容されるので、残し膜厚を精密に制御する必要がなくなり、生産歩留まりが向上する。なお、上記の４実施例では種々の基板やバッファ層、光閉じ込め層など、請求の範囲にない構造が用いられているが、これらは特性のよいレーザ素子の形成のために用いられたものであって、リッジ部分の構造に関する本発明の実施に影響を及ぼすものではない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のようにエッチングの残し膜厚によるリッジ導波型半導体レーザの横モード制御を行わないので、単一横モード特性を有する半導体レーザを高い生産歩留まりで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図２】従来の半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施例の半導体レーザの製作過程を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図６】本発明の第４の実施例に係る半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図７】本発明の第４の実施例の半導体レーザの製作過程を示す模式図である。
【図８】従来の半導体レーザの室温・連続通電時の動作電流の変化を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの室温・連続通電時の動作電流の変化を示す図である。
【図１０】光ガイド層の無い素子構造における、ｐ−クラッド層残し膜厚とストライプ内外の実効屈折率差を従来例、本発明を比較して示す図である。
【図１１】光ガイド層の有る素子構造における、ｐ−クラッド層残し膜厚とストライプ内外の実効屈折率差を従来例、本発明を比較して示す図である。
【符号の説明】
１０１、４０１ サファイア基板
１０３、４０３ ｎ−ＧａＮコンタクト層
１０４ ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
１０５、４０５、５０４、６０４ ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層
１０６、４０６、５０５、６０５ ＩｎＧａＮ系多重量子井戸活性層
１０７、４０８、５０７、６０７ ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層
１０８ ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
１０９、４１２、５１１、６１１ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１１０ 誘電体埋込層
４０４、５０３、６０３ ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第１クラッド層
４０７、５０６、６０６ ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
４０９、５０８、６０８ ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第２クラッド層
４１０、５０９、６０９ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
４１１、５１０、６１０ ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第３クラッド層
４１３ ＣｌドープＺｎＭｇＳＳｅ埋込層
５０１ ｎ−ＳｉＣ基板
５１２ ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ埋込層
６０１ ｎ−ＧａＮ基板
６１２ ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ埋込層
６１３ ｐ−ＧａＮ層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来のリッジ導波路型ＩＩＩ族窒化物系半導体レーザを示す断面概略図である。図２の半導体レーザは、まずサファイア基板２０１上のＧａＮバッファ層２０２、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０３、ｎ−ＧａＮ緩衝層２０４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２０５、ｎ−ＧａＮガイド層２０６、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層２０７、ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層２０８、ｐ−ＧａＮガイド層２０９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１０、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１１からなる積層構造を有する。サファイア基板は絶縁性であるので、ｎ型電極を付設する領域を露出するために素子の一部はｎ型コンタクト層２０３まで掘り下げられている。また、メサ構造の一部はリッジ導波路を形成するためにｐ型クラッド層２１０まで掘り下げられる。これらの加工には、ドライエッチング法が用いられ、エッチング部分の保護として、ＳｉＯ2保護膜２１４が付加されている。
【０００３】
図１０は、光ガイド層の無い素子構造における、ｐ−クラッド層残し膜厚とストライプ内外の実効屈折率差（従来例）、及び、エッチング部をｐ−クラッド層と同じ屈折率を持つ材料で埋め込んだ場合のストライプ内外の実効屈折率差（本発明）の比較を示す図である。従来のリッジ導波型ＩＩＩ族窒化物系半導体レーザでは、図１０中に示したように、リッジ部とリッジ外部に於けるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１０の厚さの違いによる屈折率差を利用して、図２の（Ａ）部と同（Ｂ）部での実効的な屈折率分布を形成し、横モードの制御を行っているものである。図２の（Ｂ）部の実効的屈折率制御はエッチングせずに残すｐ−ＡｌＧａＮ層２１０の膜厚を調節することにより行われる。
【０００４】
これにより、室温で連続通電により、垂直方向の光放射角＝３４°、水平方向の光放射角＝７°の光学的特性が得られている。また、室温・連続通電における素子寿命は３５時間程度が得られている。図８はこれを示すもので、従来のリッジ導波型ＩＩＩ族窒化物系半導体レーザの室温・連続通電時の動作電流の変化を示している。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２に示したような従来のリッジ導波型ＩＩＩ族窒化物系半導体レーザには、横モード特性の揃った半導体レーザを歩留りよく製作することが極めて困難であるという問題があった。なぜなら、ＩＩＩ族窒化物半導体には適切な化学エッチング液が存在しないためエッチングにはＲＩＥやＲＩＢＥなどのドライエッチングが用いられるのであるが、適切なエッチストップ層が存在しないので、図２の（Ｂ）部のｐ−ＡｌＧａＮ層２１１の膜厚制御を時間制御により行うなどの精度の低い手法をとらざるを得ず、そのために該ＡｌＧａＮ層２１１の膜厚がロットごと、あるいは同一ウェハの面内でばらついて横モードの制御性を著しく損ない、生産歩留まりが低下してしまう。
【０００６】
更なる問題点として、室温・連続通電における素子寿命が短いことが挙げられる。これは、ストライプ状リッジ形状を形成する際の加工方法にドライエッチングを用いているため、エッチングされる半導体層の側面及び底面は損傷を受け、結晶欠陥を生じることと、リッジ側面及びリッジ外部のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層上をＳｉＯ2保護膜で覆っているが、ＳｉＯ2にはピンホールが多く存在し、実質上、当該結晶面の保護を充分に行えないことが原因であることを、筆者らは確認した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明では、エッチング量の変化に対して横モードが変化しないような素子構造を提供し、特性の揃ったリッジ導波型ＩＩＩ族窒化物半導体レーザを効率よく製作することを可能にする。
【０００８】
更に、エッチングにより形成したリッジ状ストライプ外部にピンホールが少ない誘電体層、または、半導体層を厚く形成し実質上リッジ状ストライプを埋め込む構造とすることにより、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子を実現する。
【０００９】
または、エッチングにより形成した凹状溝部を電流通路とするため、または、半導体層で埋め込む構造とすることによっても、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子を実現する。
【００１０】
即ち本発明における半導体レーザは、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層と、第２の導電型を有するコンタクト層とが積層されており、かつ活性層上方構造の一部において第２クラッド層上部のみもしくは第２クラッド層上部ないしコンタクト層がリッジ状に形成された構造であって、リッジ部の両側に形成される絶縁性もしくは第１の導電型を有する埋込層がレーザの発振波長に対して透明で、かつ第２クラッド層と概略同じ屈折率を有することを特徴とし、
前記埋込層が、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯのうち少なくとも１種類以上を含む誘電体であることを特徴とし、
または、前記埋込層が、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ化合物半導体であることを特徴とし、
または、前記の埋込層が、第２クラッド層と概略同組成の半導体であることを特徴とする。
【００１１】
上記のような構造をとることにより、図１０中に示したように、リッジ部内外での屈折率差はなくなる。一方、リッジ埋込層の電流狭窄作用により、活性層におけるリッジ直下部と埋込層直下部で利得差が生じ、その結果、横モードの制御がなされる。該構造においては、リッジ形成のためのエッチングプロセスのエッチング深さに対する誤差許容範囲が広く、横モード制御性が安定し、特性の揃ったレーザ素子の生産歩留まりが向上する。
【００１２】
また、これらの埋め込み材料はレーザの発振波長に対して透明なので光吸収による熱の発生などがなく、第２クラッド層と概略同じ屈折率を有するのでレーザの横モードに影響を与えず、埋込層として適している。さらに、エッチングにより形成したリッジ状ストライプ部を、前記埋込層により埋め込むため、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子を実現する。さらに、前記埋込層の材料として第２クラッド層と概略同組成のＩＩＩ族窒化物半導体を用いた場合には埋込層と他のエピタキシャル層との間の格子定数差が解消されるので、熱歪みなどの応力が素子に与える影響を回避することが可能になる。
【００１３】
また、本発明における半導体レーザの別の形態は、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層と、第２の導電型を有し第２クラッド層よりも高い屈折率を示す光ガイド層と、第２の導電型を有する第３クラッド層と、第２の導電型を有するコンタクト層とが積層されており、かつ活性層上方構造の一部において第２クラッド層内の任意の位置ないし第３クラッド層、もしくは第２クラッド層内の任意の位置ないしコンタクト層がリッジ状に形成された構造であって、リッジ部の両側に形成される絶縁性もしくは第１の導電型を有する埋込層がレーザの発振波長に対して透明で、かつ第２クラッド層と概略同じ屈折率を有することを特徴とし、
前記光ガイド層が、ＩｎＧａＡｌＮからなることを特徴とし、
または、前記埋込層が、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯのうち少なくとも１種類以上を含む誘電体膜であることを特徴とし、
または、前記埋込層が、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ化合物半導体であることを特徴とし、
または、前記の埋込層が、第２クラッド層と概略同組成の半導体であることを特徴とする。
【００１４】
図１１は、光ガイド層の有る素子構造における、ｐ−クラッド層残し膜厚とストライプ内外の実効屈折率差（従来例）、及び、エッチング部をｐ−クラッド層と同じ屈折率を持つ材料で埋め込んだ場合のストライプ内外の実効屈折率差（本発明）の比較を示す図であって、上記のように光ガイド層がリッジ部に包含された構造をとることにより、図１１中に示したように、リッジ内部の実効的な屈折率が大きくなり、したがって横方向の光分布界がより中央へ集中するようになり、前記の利得差を利用したリッジ導波型レーザよりも横モード制御が容易になる。埋込層がない、あるいは埋込層の屈折率が第２クラッド層と異なる場合には、リッジ外部の第２クラッド層の厚さ（エッチング残し膜厚）がリッジ外部での実効屈折率の値に関与し、レーザの特性に大きく影響する。
【００１５】
しかしながら本発明に係る構造では埋込層の屈折率が第２クラッド層と同じなのでリッジ外部の第２クラッド層の厚さ（エッチング残し膜厚）がリッジ外部での実効屈折率に影響を与えることはなく、したがってエッチング深さを精密に制御する必要がなく、そのエッチング深さは少なくとも光ガイド層がリッジ内部に存在するように光ガイド層−第２クラッド層界面に達していればよい。またオーバーエッチしてもエッチング底面が第２クラッド層内部にあるようにすればよいので、エッチング時の誤差許容範囲が大きく、横モード制御性が安定し、レーザの生産歩留まりが向上する。
【００１６】
また、本発明における半導体レーザの更に別の形態は、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層と、絶縁性もしくは第１の導電型を有し第２クラッド層よりも低い屈折率を示す光反射層と、第２の導電型を有する第３クラッド層と、第２の導電型を有するコンタクト層とが積層されており、かつ活性層上方構造の一部において第２クラッド層内の任意の位置ないし第３クラッド層、もしくは第２クラッド層内の任意の位置ないしコンタクト層が凹状に形成された構造であって、凹部の内側に形成される埋込層が第２の導電型を有しかつ第２クラッド層と概略同組成の半導体であることを特徴とし、
また、前記光反射層が、ＩｎＧａＡｌＮからなることを特徴とする。
【００１７】
上記のように絶縁性もしくは第１の導電型を有し、第２クラッド層よりも低い屈折率を示す半導体層が凹構造の溝以外の部分に包含された構造をとることにより、素子電流は凹構造の溝部分へと集中し、レーザの横方向に対して利得分布が生じるようになり、更に、実効的な屈折率は凹構造の溝部分が他に比べて相対的に大きくなり、横方向の光分布界がより中央へ集中するようになり、前記の利得分布の効果と併せてレーザの横モード制御が容易になる。
【００１８】
また、第２クラッド層上に積層される第２クラッド層よりも低い屈折率を示す半導体層の材料としてＩｎＧａＡｌＮを用いることにより、該層上に連続して成長する各ＩＩＩ族窒化物層が、欠陥の発生を抑止しつつエピタキシャル成長でき、レーザの信頼性向上につながる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの断面構造をあらわす概略図、図３は製造過程を示す模式図である。
【００２１】
本実施例のレーザダイオードは以下のようなプロセスにより形成された。まず有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、（０００１）面方位（Ｃ面）を有するサファイア基板１０１上に、アンドープのＧａＮバッファ層１０２を２０ｎｍと、ｎ型の導電型を有する（以下ｎ−と記す）ＧａＮコンタクト層１０３を５μｍと、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層１０４を１μｍと、ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層１０５を０．１μｍと、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造による活性層１０６と、ｐ型の導電型を有する（以下ｐ−と記す）ＧａＮ光閉じ込め層１０７を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎクラッド層１０８を１μｍと、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０９を０．５μｍと、を順次エピタキシャル成長させる（図３（Ａ））。
【００２２】
次に、ｐ−コンタクト層１０９の一部にマスキングＭ１を施し、被マスク部以外のエピタキシャル層をｎ−コンタクト層１０３中の適当な深さまでドライエッチングし、メサ形状を形成する（図３（Ｂ））。
【００２３】
更に、前記マスクを剥離後、メサ頂上の一部および前のエッチングにより露出したｎ−コンタクト層１０３面の全面をマスクＭ２により被覆し、再度ドライエッチングを施して、メサ上部にリッジ構造を形成する。このときエッチングの深さはｐ−クラッド層１０８中のいずれかの位置までとし、残し膜厚を制御する必要はない（図３（Ｃ））。
【００２４】
続いて電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により、ＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物を素子上面から蒸着する。蒸着膜の厚さは、蒸着膜の表面がリッジ上面と同じ高さになる厚さとする。すなわち、ＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物からなる埋込層１１０により、リッジ部を埋め込む（図３（Ｄ）。
【００２５】
最後にマスクＭ２及びリッジ上のＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０３上に形成されているマスクＭ２及びマスクＭ２上のＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物を除去し、ｎ−電極１１１及びｐ−電極１１２を形成し、図１のリッジ導波型レーザ構造が完成する。
【００２６】
本実施例の半導体レーザでは、活性層１０６から発する光の波長は５２０ｎｍとなるように設計した。この波長に対するｐ−クラッド層１０８の屈折率はおよそ２．３３であるので、埋込層の誘電体は、ＴｉＯ2（屈折率＝２．３５）とＺｒＯ2（屈折率＝２．０５）を混合物とし、蒸着された混合膜の波長５２０ｎｍにおける屈折率が２．３３になるように調整した。活性層の設計変更により発振波長が変化した場合にはｐ−クラッド層１０８の屈折率も変化するが、その時は埋込層もＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合比を変更したり、あるいは蒸着条件を変えたりして屈折率を変化させればよい。また、誘電体の種類はＴｉＯ2やＺｒＯ2に限られるものではなく、レーザの発振波長に対して透明であればどのような誘電体が用いられてもよい。また誘電体膜の形成方法もＥＢ蒸着法に限られるものでは勿論なく、スパッタリング法やその他の薄膜形成プロセスが用いられても構わない。
【００２７】
以上のように形成された本実施例の埋め込みリッジ導波型半導体レーザでは、電流は絶縁体である誘電体埋込層１１０により狭窄され、リッジ部直下の活性層に集中するため、利得分布が生じる。一方、埋込層の屈折率はｐ−クラッド層のそれと等しいため、活性層で発した光は屈折率分布を感じない。したがって該レーザの横モード制御はリッジ幅の制御によりなされればよいので容易であり、またドライエッチングによるｐ−クラッド層１０８の残し膜厚を精密に制御する必要がないのでエッチング誤差の許容範囲が広がり、生産歩留まりが向上する。
【００２８】
さらに、エッチングにより形成したリッジ状ストライプ部を、ＴｉＯ2とＺｒＯ2の混合物からなる埋込層１１０により埋め込んだため、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子が実現できた。
【００２９】
図４は、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの断面構造をあらわす概略図である。本実施例のレーザダイオードは絶縁性基板を用いているため、その形成プロセスは実施例１とほぼ同様の加工工程を有する。まずＭＯＣＶＤ法により、（０００１）面方位（Ｃ面）を有するサファイア基板４０１上に、アンドープのＧａＮバッファ層４０２を２０ｎｍと、ｎ−ＧａＮコンタクト層４０３を５μｍと、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第１クラッド層４０４を１μｍと、ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層４０５を０．１μｍと、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造による活性層４０６と、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層４０７を０．０５μｍと、ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層４０８を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第２クラッド層４０９を０．２μｍと、ｐ−ＧａＮ光ガイド層４１０を０．０５μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第３クラッド層４１１を０．８μｍと、ｐ−ＧａＮコンタクト層４１２を０．５μｍとを順次エピタキシャル成長させる。
【００３０】
次に、ｐ−コンタクト層４１２の一部にマスキングＭ１を施し、被マスク部以外のエピタキシャル層をｎ−コンタクト層４０３中の適当な深さまでドライエッチングし、メサ形状を形成する。更に、前記マスクＭ１を剥離後、メサ頂上の一部および前のエッチングにより露出したｎ−コンタクト層４０３面の全面をマスクＭ２により被覆し、再度ドライエッチングを施して、メサ上部にリッジ構造を形成する。このときエッチングの深さはｐ−第２クラッド層４０９中のいずれかの位置までとし、残し膜厚を制御する必要はない。続いて分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、ＣｌドープＺｎＭｇＳＳｅ化合物を素子上面から成膜する。該化合物層の厚さは、層の表面がリッジ上面と同じ高さになる厚さとする。即ちＺｎＭｇＳＳｅからなる埋込層４１３により、リッジ部を埋め込む。
【００３１】
最後にマスクＭ１、マスクＭ２及びマスクＭ１、マスクＭ２上のＣｌドープＺｎＭｇＳＳｅ化合物を除去し、ｎ−電極４１４及びｐ−電極４１５を形成し、図４のリッジ導波型レーザ構造が完成する。本実施例の半導体レーザでは、活性層４０６から発する光の波長は４１０ｎｍとなるように設計した。この波長に対するｐ−第２クラッド層４０９の屈折率はおよそ２．５０であるので、埋込層のＺｎＭｇＳＳｅの各元素の組成比はエネルギーギャップが３．０３ｅＶ以上、屈折率は２．５０となるように調節されている。活性層の設計変更により発振波長が変化した場合にはｐ−第２クラッド層４０９の屈折率も変化するが、その時は埋込層もＺｎＭｇＳＳｅの組成比を変更して屈折率を変化させればよい。また、埋込に用いるＩＩ−ＶＩ族半導体の種類はＺｎＭｇＳＳｅに限られるものではなく、たとえばＺｎＣｄＳｅなどが用いられてもよい。またＩＩ−ＶＩ族半導体膜の形成方法もＭＢＥ法によるエピタキシャル成長に限られるものでは勿論なく、スパッタリング法やその他の薄膜形成プロセスが用いられても構わない。
【００３２】
以上のように形成された本実施例のリッジ導波型半導体レーザでは、電流はｎ型の導電型を示すＣｌドープＺｎＭｇＳＳｅ埋込層４１３により狭窄され、リッジ部直下の活性層に集中するため、利得分布が生じる。一方、リッジ内部に形成された光ガイド層４１０は屈折率がｐ−第２クラッド層４０９及び埋込層４１３に対して大きく、またリッジ外では光ガイド層４１０が取り除かれているため、リッジ内外で実効的な屈折率に分布が生じる。したがって、光ガイド層を有さない第１の実施例に比べて、リッジ直下部への光り閉じ込めの効率がよくなり、横モード制御がより容易になる。またドライエッチングによるリッジ形成においては、エッチング底面が少なくとも光ガイド層４１０とｐ−第２クラッド層４０９の界面に達していればよく、光閉じ込め層４０８に達しなければオーバーエッチも許容されるので、残し膜厚を精密に制御する必要がなくなり、生産歩留まりが向上する。
【００３３】
さらに、エッチングにより形成したリッジ状ストライプ部を、ＺｎＭｇＳＳｅからなる埋込層４１３により埋め込んだため、エッチング加工時に生じた損傷による結晶欠陥が、連続通電動作によっても活性層へ伝搬せず、動作寿命を格段に向上した素子が実現できた。
【００３４】
図５は、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザの断面構造をあらわす概略図である。本実施例のレーザダイオードは以下のようなプロセスにより形成された。まずＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＳｉＣ基板５０１上に、アンドープのＧａＮバッファ層５０２を２０ｎｍと、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第１クラッド層５０３を１μｍと、ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層５０４を０．１μｍと、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造による活性層５０５と、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層５０６を０．０５μｍと、ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層５０７を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第２クラッド層５０８を０．２μｍと、ｐ−Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ光ガイド層５０９を０．０５μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第３クラッド層５１０を０．８μｍと、ｐ−ＧａＮコンタクト層５１１を０．５μｍとを順次エピタキシャル成長させる。次に、ｐ−コンタクト層５１１の一部にマスクを施し、被マスク部以外のエピタキシャル層をドライエッチングして、リッジ構造を形成する。このときエッチングの深さはｐ−第２クラッド層５０８中のいずれかの位置までとし、残し膜厚を制御する必要はない。続いて、リッジ上部にマスクを残したままＭＯＣＶＤ法による選択成長により、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ層をリッジ側面にのみ成膜する。該ＡｌＧａＮ層の厚さは、層の表面がリッジ上面と同じ高さになる厚さとする。即ちｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなる埋込層５１２により、リッジ部を埋め込む。最後にマスクを除去し、基板裏面にｎ−電極５１３を、素子上面にｐ−電極５１４を形成し、図５のリッジ導波型レーザ構造が完成する。
【００３５】
本実施例の半導体レーザでは、活性層５０５から発する光の波長は４５０ｎｍとなるように設計した。この波長に対するｐ−第２クラッド層５０８の屈折率はおよそ２．４５である。本実施例においては、埋込層５１２はｐ−第２クラッド層５０８と導電型が異なるだけで同一の組成であり、該埋込層の屈折率はおよそ２．４５であり、発振波長に対して透明である。したがって本実施例のリッジ導波型半導体レーザでは、素子電流はｎ−ＡｌＧａＮ埋込層５１２により狭窄され、リッジ部直下の活性層に集中するため、利得分布が生じる。一方、リッジ内部に形成された光ガイド層５０９は屈折率がｐ−第２クラッド層５０８及び埋込層４１２に対して大きく、またリッジ外では光ガイド層４１０が取り除かれているため、リッジ内外で実効的な屈折率に分布が生じる。したがって第２の実施例と同様、リッジ直下部への光り閉じ込めの効率がよくなり、横モード制御がより容易になる。またドライエッチングによるリッジ形成においては、エッチング底面が少なくとも光ガイド層５０９とｐ−第２クラッド層５０８の界面に達していればよく、光閉じ込め層５０７に達しなければオーバーエッチも許容されるので、残し膜厚を精密に制御する必要がなくなり、生産歩留まりが向上する。
【００３６】
図６は、本発明の第４の実施例に係る半導体レーザの断面構造をあらわす概略図、図７は製造過程を示す模式図である。
【００３７】
本実施例のレーザダイオードは以下のようなプロセスにより形成された。まずＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＮ基板６０１上に、アンドープのＧａＮバッファ層６０２を２０ｎｍと、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第１クラッド層６０３を１μｍと、ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層６０４を０．１μｍと、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造による活性層６０５と、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層６０６を０．０５μｍと、ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層６０７を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第２クラッド層６０８を０．２μｍと、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ光反射層６０９を０．１μｍと、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第３クラッド層６１０を０．７μｍと、ｐ−ＧａＮコンタクト層６１１を０．５μｍと、を順次エピタキシャル成長させる（図７（Ａ））。
【００３８】
次に、ｐ−コンタクト層６１１の一部にマスキングＭ１を施し、被マスク部以外のエピタキシャル層をドライエッチングして、凹構造を形成する。このときエッチングの深さはｐ−第２クラッド層６０８中のいずれかの位置までとし、残し膜厚を制御する必要はない（図７（Ｂ））。
【００３９】
続いて、凹部以外のマスクを残したままＭＯＣＶＤ法による選択成長により、凹構造の溝内部にのみ選択的にｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ層６１２をｐ−第３クラッド層６１０とｐ−コンタクト層６１１の界面付近まで、続いてｐ−ＧａＮ層６１３をｐ−コンタクト層６１１の表面近傍までエピタキシャル成長させる。即ちｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなる埋込層６１２により、凹構造の溝部を埋め込む（図７（Ｃ））。
【００４０】
最後にマスクＭ１を除去し、基板裏面にｎ−電極６１４を、素子上面にｐ−電極６１５を形成し、図６のレーザ構造が完成する。本実施例の半導体レーザでは、活性層６０５から発する光の波長は４３０ｎｍとなるように設計した。本実施例においては、埋込層６１２はｐ−第２クラッド層６０８と導電型も組成も同一であり、かつ凹構造の溝部分以外に付設されている光反射層６０９はその導電型の違いから電流阻止層となるため、素子電流は溝部直下の活性層に集中し、レーザの横方向に対して利得分布が生じる。一方、溝部以外に付設されている光反射層６０９は屈折率がｐ−第２クラッド層６０８及び埋込層６１２に対して小さく、また溝部では屈折率が一様であるので、溝部以外で光が感じる実効的な屈折率が小さいため、ストライプ構造の内外で実効屈折率に分布が生じる。したがって、ストライプ部への光り閉じ込めの効率がよくなり、横モード制御がより容易になる。またドライエッチングによる溝構造形成においては、エッチング底面が少なくとも光反射層６０９とｐ−第２クラッド層６０８の界面に達していればよく、光閉じ込め層６０７に達しなければオーバーエッチも許容されるので、残し膜厚を精密に制御する必要がなくなり、生産歩留まりが向上する。なお、上記の４実施例では種々の基板やバッファ層、光閉じ込め層など、請求の範囲にない構造が用いられているが、これらは特性のよいレーザ素子の形成のために用いられたものであって、リッジ部分の構造に関する本発明の実施に影響を及ぼすものではない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のようにエッチングの残し膜厚によるリッジ導波型半導体レーザの横モード制御を行わないので、単一横モード特性を有する半導体レーザを高い生産歩留まりで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図２】従来の半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施例の半導体レーザの製作過程を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図６】本発明の第４の実施例に係る半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図７】本発明の第４の実施例の半導体レーザの製作過程を示す模式図である。
【図８】従来の半導体レーザの室温・連続通電時の動作電流の変化を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの室温・連続通電時の動作電流の変化を示す図である。
【図１０】光ガイド層の無い素子構造における、ｐ−クラッド層残し膜厚とストライプ内外の実効屈折率差を従来例、本発明を比較して示す図である。
【図１１】光ガイド層の有る素子構造における、ｐ−クラッド層残し膜厚とストライプ内外の実効屈折率差を従来例、本発明を比較して示す図である。
【符号の説明】
１０１、４０１ サファイア基板
１０３、４０３ ｎ−ＧａＮコンタクト層
１０４ ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
１０５、４０５、５０４、６０４ ｎ−ＧａＮ光閉じ込め層
１０６、４０６、５０５、６０５ ＩｎＧａＮ系多重量子井戸活性層
１０７、４０８、５０７、６０７ ｐ−ＧａＮ光閉じ込め層
１０８ ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
１０９、４１２、５１１、６１１ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１１０ 誘電体埋込層
４０４、５０３、６０３ ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第１クラッド層
４０７、５０６、６０６ ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
４０９、５０８、６０８ ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第２クラッド層
４１０、５０９、６０９ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
４１１、５１０、６１０ ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ第３クラッド層
４１３ ＣｌドープＺｎＭｇＳＳｅ埋込層
５０１ ｎ−ＳｉＣ基板
５１２ ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ埋込層
６０１ ｎ−ＧａＮ基板
６１２ ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ埋込層
６１３ ｐ−ＧａＮ層
Claims (11)
- ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体レーザにおいて、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層とがその順で積層されており、かつ前記活性層上方構造の一部において前記第２クラッド層上部がリッジ状に形成された構造であって、リッジ部の両側に形成される絶縁性もしくは第１の導電型を有する埋込層がレーザの発振波長に対して透明で、かつ前記第２クラッド層と同じ屈折率を有しており、
前記埋込層が、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯのうち少なくとも１種類以上を含む誘電体膜であることを特徴とする化合物半導体レーザ。 - ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体レーザにおいて、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層とがその順で積層されており、かつ前記活性層上方構造の一部において前記第２クラッド層上部がリッジ状に形成された構造であって、リッジ部の両側に第１の導電型を有する埋込層が形成され、該埋込層がレーザの発振波長に対して透明で、かつ前記第２クラッド層と同じ屈折率を有しており、
前記埋込層が、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ化合物半導体であることを特徴とする化合物半導体レーザ。 - ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体レーザにおいて、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層と、第２の導電型を有し該第２クラッド層よりも高い屈折率を示す光ガイド層と、第２の導電型を有する第３クラッド層とがその順で積層されており、かつ前記活性層上方構造の一部において前記第２クラッド層内の任意の位置ないし前記第３クラッド層がリッジ状に形成された構造であって、リッジ部の両側に形成される絶縁性もしくは第１の導電型を有する埋込層がレーザの発振波長に対して透明で、かつ前記第２クラッド層と同じ屈折率を有することを特徴とする化合物半導体レーザ。
- 前記光ガイド層が、ＩｎＧａＡｌＮからなることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
- 前記埋込層が、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯのうち少なくとも１種類以上を含む誘電体膜であることを特徴とする請求項３または４に記載の化合物半導体レーザ。
- 前記第１の導電型を有する埋込層が、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ化合物半導体であることを特徴とする請求項３または４に記載の化合物半導体レーザ。
- 前記第１の導電型を有する埋込層が、前記第２クラッド層と同組成の半導体であることを特徴とする請求項３または４に記載の化合物半導体レーザ。
- ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体レーザにおいて、基板上に第１の導電型を有する第１クラッド層と、活性層と、第２の導電型を有する第２クラッド層と、絶縁性もしくは第１の導電型を有し前記第２クラッド層よりも低い屈折率を示す光反射層と、第２の導電型を有する第３クラッド層と、第２の導電型を有するコンタクト層とがその順で積層されており、かつ前記活性層上方構造の一部において前記第２クラッド層内の任意の位置ないし前記第３クラッド層、もしくは前記第２クラッド層内の任意の位置ないし前記コンタクト層が凹状に形成された構造であって、該凹部の内側に形成される埋込層が第２の導電型を有しかつ前記第２クラッド層と同組成の半導体であることを特徴とする化合物半導体レーザ。
- 前記光反射層が、ＩｎＧａＡｌＮからなることを特徴とする請求項８に記載の化合物半導体レーザ。
- 基板上に、第１の導電型を有しＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１クラッド層と、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる活性層と、第２の導電型を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２クラッド層と、第２の導電型を有し該第２クラッド層よりも高い屈折率を示す光ガイド層と、第２の導電型を有する第３クラッド層とが、この順で積層されており、
前記活性層上方の一部において前記第２クラッド層内の任意の位置ないし前記第３クラッド層には、リッジ構造が設けられており、
該リッジ構造は、第１の導電型を有する埋込層により挟まれており、
該埋込層は、前記第２クラッド層と同組成のＩＩＩ族窒化物半導体からなることを特徴とする化合物半導体レーザ。 - 前記光ガイド層が、ＩｎＧａＡｌＮからなることを特徴とする請求項８に記載の化合物半導体レーザ。
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