JP4106906B2 - Semiconductor laser device and method for manufacturing semiconductor laser device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に化合物半導体層などの半導体層を選択成長させて形成する半導体レーザー素子及び半導体レーザー素子の製造方法に関し、特にGaN系半導体層のような化合物半導体層を用いて構成される半導体レーザー素子及び半導体レーザー素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザー素子の製造方法として、サファイア基板上に選択マスクを形成し、その選択マスクに形成された開口部から窒化ガリウムなどの窒化物半導体層を成長させる選択成長によって、半導体レーザー素子や発光ダイオードを構成する技術が知られている。一般に、窒化ガリウムを成長させようとする場合、サファイア基板が使用されることが多く行われている。ところが、サファイア基板と成長させる窒化ガリウムの間の格子不整合から、結晶内に高密度の転位が内在することがある。このため基板上に低温バッファ層を形成する技術は、成長させる結晶に発生する欠陥を抑制するための1つの手段であり、また、結晶欠陥を低減する目的で特開平10-312971 号公報では、横方向への選択結晶成長(ELO: epitaxial lateral overgrowth)を組合わせている。更に、窒化ガリウム系の半導体レーザーを形成する方法として、選択成長によって傾斜面を伴う積層構造体を形成する技術も知られており、このような技術は例えば特開平11−312840号公報に記載される。
【0003】
また、青色、緑色、赤色の各色の発光ダイオードや半導体レーザーを組み合わせて各画素を構成し、各画素をマトリクス状に配列させて独立して駆動することで画像表示装置を構成することができ、また、青色、緑色、赤色の各色の発光素子を同時に発光させることで白色発光装置若しくは照明装置としても利用できる。特に窒化物半導体を用いた発光素子は、バンドギャップエネルギーが約1.9eVから約6.2eVまであり、1つの材料でフルカラーディスプレイが可能となるため、多色発光素子の研究が進められている。なお、本明細書中、窒化物とはB、Al、Ga、In、TaをIII族とし、V族にNを含む化合物を指し、全体の1%以内若しくは1x1020cm3以下の不純物の混入を含む場合もある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
まず、基板からの貫通転位を低減するために、横方向の選択結晶成長をする技術や成長領域にファセット構造を形成する結晶成長方法においては、基板からの貫通転位をファセット構造部分などによって横方向に曲げることが可能であり、結晶欠陥を大幅に減らすことも可能となる。しかし、その後に活性層などの発光領域を形成するためには、横方向の選択結晶成長を十分に行ったり、或いはファセット構造を埋めこむことが行われていて、その工程数が増大し製造のための時間が長くなってしまうと言う問題が生ずることになる。
【0005】
また、上述の特開平11−312840号公報に記載される窒化ガリウム系の半導体レーザーとその製造方法においては、絶縁性選択マスクの開口部の略中心部に導電性選択マスクが形成され、選択成長によって成長する断面三角形状の積層構造体が得られる。ところが、断面三角形状の積層構造体は主に中心部の活性層に電流を集中させるための高抵抗領域として利用されているに過ぎず、傾斜面にはS面(1−101面)が現れて、S面自体はその製造の再現性に優れているが、逆に活性層となる領域が断面三角形状の積層構造体に挟まれた中央の導電性選択マスク近傍に限定され、肝心な活性層の膜質の制御などが難しくなり、素子全体としての再現性が劣化してしまうと言った問題が発生する。
【0006】
また、例えば特開2000−183460号公報記載の半導体素子のように、他の選択成長による傾斜面を利用した半導体発光素子においては、活性層を形成する面を傾斜面とすることでこの活性層が基板と非平行となり、このため戻り光などに起因するノイズを低減できるものとしている。しかしながら、一般に選択成長による傾斜面を用いた場合では、同じ傾斜面の面内であっても基板に近い位置と基板から遠い位置では結晶の組成が微妙にずれる傾向にあり、例えば基板から遠くなるほど発光波長が長波長化し易い。従って、半導体レーザー素子のように発光波長を所定の範囲に収める必要のあるデバイスでは、発光波長との関係で再現性に優れることがプロセス上求められている。
【0007】
そこで本発明は、上述の技術的な課題に鑑み、素子の製造における再現性に優れる構造の半導体レーザー素子および半導体レーザー素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザー素子は、基板主面に対して傾斜した結晶面に沿って延長される活性層を第1導電型半導体層と第2導電型半導体層で挟み、前記活性層、前記第1導電型半導体層、及び前記第2導電型半導体層が前記結晶面に略垂直な断面において略三角形状、若しくは略台形形状に形成される構造を有し、前記結晶面に略垂直な端面が共振面とされ、発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域であり、前記基板主面に対して傾斜した結晶面は基板からの選択成長により形成されることを特徴とする。
【0009】
本発明の半導体レーザー素子によれば、基板主面に対して傾斜した結晶面に沿って延長される活性層は、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層によって挟まれる構造を有しており、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層に対して所要の電流を供給することで活性層に発光が生ずる。活性層は前記結晶面に略垂直な端面が共振面となることから、レーザー発振が可能とされるが、その活性層における発光する領域を傾斜した面内の一部である一部領域に制限させることで、発光波長のばらつきを抑えることが可能である。
【0011】
また、前記活性層、前記第1導電型半導体層、及び前記第2導電型半導体層が前記結晶面に略垂直な断面において略三角形状若しくは略台形形状に形成される構造とすることで、選択成長によって形成される半導体層をそのまま利用して、発光する一部領域を形成することができる。
【0012】
本発明の半導体レーザー素子の製造方法は、基板上に選択成長によって基板主面に対して傾斜した結晶面を有する第1導電型半導体層を形成する工程と、前記第1導電型半導体層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上に第2導電型半導体層を形成する工程と、前記第2導電型半導体層上の傾斜した面の一部で前記第2導電型半導体層に接する電極層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0013】
選択成長を用いることで、基板主面に対して傾斜した結晶面を形成することができ、活性層を第1導電型半導体層上に積層させることで、基板主面に対して傾斜した結晶面を有する活性層を形成できる。この活性層上に第2導電型半導体層を形成した後、傾斜した面の一部で前記第2導電型半導体層に接する電極層を形成することで、活性層における発光する領域を傾斜した面内の一部である一部領域に制限させることができ、当該半導体レーザー素子の発光波長のばらつきなどを抑えて、再現性に優れた素子を製造できる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザー素子は、基板主面に対して傾斜した結晶面に沿って延長される活性層を第1導電型半導体層と第2導電型半導体層で挟む構造を有し、前記結晶面に略垂直な端面が共振面とされ、発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域であることを特徴とする。
【0015】
本発明にかかる半導体レーザー素子に用いられる基板としては、ウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア(Al2O3、A面、R面、C面を含む。)、SiC(6H、4H、3Cを含む。)、GaN、Si、ZnS、ZnO、AlN、LiMgO、LiGaO2、GaAs、MgAl2O4、InAlGaNなどからなる基板などであり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているC面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのC面は、5乃至6度の範囲で傾いた面方位を含むものである。半導体装置の製造に広く使用されているシリコン基板などを利用することも可能である。基板自体は、製造中の半導体薄膜を支持する用途で用いられ、素子を完成させる際には剥離させる素子構造としても良く、そのまま基板を完成したレーザー素子に用いる素子構造であっても良い。
【0016】
選択成長をさせる選択マスクの下層としては、前記基板自体であっても良いが、選択時に良好な結晶性を得るためにはバッファ層などの下地成長層を含めることができる。この下地成長層としては、化合物半導体層を選択することができ、後の工程でファセット構造を形成することからウルツ鉱型の化合物半導体を選ぶことが好ましい。さらに化合物半導体層としてはウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体、BeMgZnCdS系化合物半導体、およびBeMgZnCdO系化合物半導体などが好ましい。窒化物半導体からなる結晶層としては、例えばIII族系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体、窒化アルミニウム(AlN)系化合物半導体、窒化インジウム(InN)系化合物半導体、窒化インジウムガリウム(InGaN)系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体が好ましい。一例としては、サファイア基板上にアンドープのGaN層を形成し、その後でSiドープのGaN層を形成しても良い。なお、本発明において、InGaN、AlGaN、GaNなどは必ずしも、3元混晶のみ、2元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばInGaNでは、InGaNの作用を変化させない範囲での微量のAl、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、S面に実質的に等価な面とは、S面に対して5乃至6度の範囲で傾いた面方位を含むものである。ここで本明細書中、窒化物とはB、Al、Ga、In、TaをIII族とし、V族にNを含む化合物を指し、全体の1%以内若しくは1x1020cm3以下の不純物の混入を含む場合もある。
【0017】
この化合物半導体層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法(MOCVD(MOVPE)法)や分子線エピタキシー法(MBE法)などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法(HVPE法)を用いることができる。その中でもMOVPE法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。MOVPE法では、GaソースとしてTMG(トリメチルガリウム)、TEG(トリエチルガリウム)、AlソースとしてはTMA(トリメチルアルミニウム)、TEA(トリエチルアルミニウム)、Inソースとしては、TMI(トリメチルインジウム)、TEI(トリエチルインジウム)などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはSiであればシランガス、Geであればゲルマンガス、MgであればCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)、ZnであればDEZ(ジエチルジンク)などのガスが使用される。MOVPE法では、これらのガスを例えば600°C以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、InAlGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【0018】
本発明の半導体レーザー素子においては、その結晶成長の下地成長層となる化合物半導体層の表面には例えばストライプ状に開口した開口部を有する選択マスクが形成され、そのストライプ状に開口した開口部の長辺に平行な稜線を有するように半導体層が選択成長によって形成される。マスクは基体主面上に直接若しくは基体上に形成されたバッファ層その他の層上に形成される成長阻害膜であり、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの絶縁膜からなるマスク材料が使用される。このマスクの開口部の形状は、一例としてストライプ状とされるが、共振面を得ることが可能な他の形状であっても良く、例えば曲線状、円形状、楕円形状、三角形状、五角形状又は六角形状などの多角形形状、若しくはこれらの複合体であっても良い。また、通常の半導体プロセスのように、複数個の開口部を形成することが可能である。
【0019】
このような選択成長のマスク等を形成したところで、選択的な結晶成長によって半導体層を形成する。一例としては、ストライプ状に開口した開口部の長辺に平行な稜線を有するように半導体層を形成する。この半導体層は後述する傾斜面に略垂直な断面において略三角形状に形成され。選択成長の条件を変えた場合では前記断面において略台形状に形成される。
【0020】
この選択成長における結晶成長は、前述の化合物半導体層の形成のための方法と同じ方法で行うことができる。具体的には、成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法(MOCVD(MOVPE)法)や分子線エピタキシー法(MBE法)などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法(HVPE法)を用いることができる。MOVPE法では、GaソースとしてTMG(トリメチルガリウム)、TEG(トリエチルガリウム)、AlソースとしてはTMA(トリメチルアルミニウム)、TEA(トリエチルアルミニウム)、Inソースとしては、TMI(トリメチルインジウム)、TEI(トリエチルインジウム)などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはSiであればシランガス、Geであればゲルマンガス、MgであればCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)、ZnであればDEZ(ジエチルジンク)などのガスが使用されることなどについても同様である。
【0021】
本発明にかかる半導体レーザー素子においては、基板主面に対して傾斜した結晶面を形成するために、選択成長によって例えばストライプ状の開口部の長辺に平行な稜線を有するように半導体層が形成される。この稜線を挟む半導体層の一対の結晶面は、好ましくは{1−101}面若しくは{11−22}面またはこれらの各面に実質的に等価な面の中から選ばれる面であることが望ましい。この一対の結晶面は稜線を挟んでそれぞれ傾斜する結晶面であり、例えば基体若しくは基板の主面をC+面とすることで、S面またはS面に実質的に等価な面、若しくは{11−22}面または{11−22}面に実質的に等価な面を容易に形成することが可能である。選択成長を行った場合では、基体主面に対して傾斜した傾斜面としてS面及び{11−22}面は、C+面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面である。C面にC+面とC−面が存在するのと同様に、S面についてはS+面とS−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、C+面GaN上にS+面を成長しており、これをS面として説明している。なお、S面についてはS+面が安定面である。またC+面の面指数は(0001)である。
【0022】
S面ついては、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて結晶層を構成した場合には、S面上、GaからNへのボンド数が2または3とC−面の次に多くなる。ここでC−面はC+面の上には事実上得ることができないので、S面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、C+面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はC+面になるが、選択成長を利用することでS面を安定して形成することができ、C+面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつNのボンドがGaから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたS面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にV/III 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【0023】
選択成長マスクのストライプ状の開口部の長手方向が[11−20]方向若しくは[1−100]方向である場合、半導体層を開口部の長手方向に平行な稜線を有するように容易に形成することができる。また、[11−20]方向若しくは[1−100]方向のいずれかより0.2度以上で20度以下の角度だけ傾いた方向を長手方向とするストライプ状に開口した開口部を選択成長の際に用いることもできる。このように所要角度分だけ方向が傾いた場合では、結晶のステップが或る結晶面の全面に亘って揃う傾向にあり、結晶のステップが揃っている部分に電極を形成することで素子ごとのばらつきを大幅に低減できることになる。開口部の長手方向が[11−20]方向若しくは[1−100]方向のいずれかより、ずれている方向が0.2度未満の角度では、殆ど方向のずれがない[11−20]方向若しくは[1−100]方向そのものと同じ結晶性の傾向を示すに過ぎない。また、20度を越える角度分傾いた方向を長手方向とする開口部を用いた場合では、他の結晶のステップの影響が逆に結晶面に露呈し得る。
【0024】
このような半導体層には、稜線の両側に形成される傾斜面上に第1導電型半導体層、活性層、および第2導電型半導体層が積層される。第1導電型半導体層は下層の半導体層と連続的に形成しても良い。傾斜面上に積層される第1導電型半導体層、活性層、および第2導電型半導体層において、第1導電型はp型又はn型であり、第2導電型はその反対の導電型である。例えばS面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、n型半導体層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にInGaN層を活性層として形成し、さらにその上にp型半導体層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造を形成することができる。活性層であるInGaN層をAlGaN層で挟む構造や片側だけにAlGaN層を形成する構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸(SQW)構造、二重量子井戸(DQW)構造、多重量子井戸(MQW)構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をInGaN層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのInGaN層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるS面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにn型となる性質があるが、通常Si、Ge、Seなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいn型とすることができる。また、窒化物半導体をp型とするには、結晶中にMg、Zn、C、Be、Ca、Baなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のp層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で400℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【0025】
これら第1導電型半導体層、活性層、及び第2導電型半導体層は、傾斜面に平行な面内に延在されるが、このような傾斜面に平行な面内への形成は、傾斜面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。第1導電型クラッド層はS面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、S面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、S面の構成する結晶層の一部が第1導電型半導体層として機能する構造であっても良い。
【0026】
活性層を挟む第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層には電極が直接或いは間接的に接続される。本発明にかかる半導体レーザー素子においては、発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域に設定されている。一部領域とは傾斜した面の面内方向において全域に形成されているのではなく、一部の範囲だけに形成された領域を示す。このような一部領域は、傾斜面内の方向で1箇所に形成される構成であっても良く、傾斜面内の方向で複数箇所に形成される構成であっても良い。一部領域は実質的に発光に寄与する領域であり、次に説明するように電極を狭く形成して電流を狭窄したり、或いは絶縁膜を利用して電流の集中を図ることが可能である。
【0027】
このような一部領域の面内の方向の幅は、当該半導体レーザー素子の発光波長のばらつきが約10nm以下となる範囲に設定することが望ましい。このように半導体レーザー素子の発光波長のばらつきを約10nm以下となる範囲に前記幅を設定する理由としては、本件発明者らが行った実験データによれば、半値幅が20nm程度以内のスペクトラムを有する活性層が発振し易い事実があり、その際、ピーク波長が電極ストライプ内で許容されるピーク波長幅は程度としてその半値幅である10nm以内であることが推論できるからである。
【0028】
このような幅の設定は、経験則によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層においては、一部領域は前記面内の方向でおよそ3μm以下の幅とされ、好ましくは2μm以下の幅、より好ましくは1μm以下の幅に設定される。即ち、前述の10nmの波長の分布を持ち得る範囲は、本件発明者らが行った実験によると、典型的なピラミッドの底辺からの高さと、発光ピーク波長の関係から、図14の様に示される。図14は横軸を底辺からの長さ(μm)とし、縦軸をピーク波長(nm)とした特性図である。底辺からの長さは斜面に沿った長さであり、高さに相当している。この図14によれば、ピークのずれが10nm程度とすると、底辺からの長さが比較的長い位置すなわち底辺からある程度離れた位置で、高さの幅は3μm程度となり、それ以下であれば半導体レーザー素子の発光波長のばらつきが小さくなるという結果が得られることになる。
【0029】
一部領域の構造として、活性層に電流を供給する電極を傾斜面内の方向で所定の幅を有するように形成することも可能であり、或いは活性層を挟む第1導電型半導体層及び第2導電型半導体層の少なくとも一方を傾斜面内の方向で所定の幅を有するように形成したり、活性層を傾斜面内の方向で所定の幅を有するように形成することも可能である。活性層に電流を供給する電極の幅を狭くする方法としては、フォトリソグラフィーによって電極層や第1及び第2導電型半導体層の幅を狭くすることも可能であるが、電極層の幅自体を実効的に狭くするために、電流の狭窄用に絶縁膜をストライプ状に開口した部分に形成しても良い。
【0030】
ここで各電極はそれぞれの素子ごとに形成されるものであるが、複数のレーザー素子の間でp電極またはn電極の一方は共通化することもできる。接触抵抗を下げるために、所要のコンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。一般的に各電極は多層の金属膜を蒸着などによって被着して形成されるが、素子ごとに区分するためにフォトリソグラフィーを用いてリフトオフなどにより微細加工することができる。各電極は選択結晶成長層や基板の一方の面に形成することもでき、両側に電極を形成してより高密度で電極を配線するようにすることもできる。また、独立して駆動される電極はそれぞれ同じ材料を微細加工して形成したものであっても良いが、領域ごとに異なる材料の電極材料を使用することも可能である。
【0031】
本発明の半導体レーザー素子としては、ストライプ状の結晶成長部の端面などに共振器が形成される。よく知られているように、共振器は結晶のへき開によって形成することができ、一例としてはストライプ状の開口部の長手方向に実質的に垂直な面に共振面をへき開などによって形成することができる。へき開によって共振面を形成しない場合でもエッチング法などによって共振面を形成しても良い。
【0032】
また、本発明の半導体レーザー素子を複数個配列させるように形成することで、表示装置を構成することができる。このような半導体レーザー素子を複数個配列させた表示装置においては、高密度に発光素子を配置することができ、電極の共通化による製造の容易性も向上する。また、単色の発光による表示装置に限らず、多色の発光による表示装置を構成することも可能である。
【0033】
以下、本発明を各実施形態を参照しながら更に詳細に説明する。なお、本発明の半導体レーザー素子は、その要旨を逸脱しない範囲で変形、変更などが可能であり、本発明は以下の各実施形態に限定されるものではない。
【0034】
[第1の実施形態]
図1は本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体レーザー素子の要部断面図である。基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体11上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク12が形成される。基体11は、具体的にはその主面をC面とするサファイア基板上に、例えばアンドープGaN層及びシリコンドープのGaN層を積層した構造体である。バッファ層としてAlN層などを形成しても良い。選択マスク12にはストライプ状に開口した開口部13がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においては、開口部13の長手方向は稜線を備えた結晶成長を図るために[1−100]方向若しくは[11−20]方向とされる。
【0035】
細長い帯状の開口部13からは、選択成長により第1導電型半導体層としてシリコンドープのGaN層14が形成される。本実施形態においてはシリコンドープのGaN層14は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部13から成長するために図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのGaN層14では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのGaN層14の成長時においてその成長温度は例えば980℃に設定される。
【0036】
シリコンドープのGaN層14上には、In0.05Ga0.95N層15がガイド層として例えば膜厚10nmで形成され、そのIn0.05Ga0.95N層15上には活性層としてIn0.2Ga0.8N層16が例えば膜厚3nmで形成され、そのIn0.2Ga0.8N層16上にはガイド層としてIn0.05Ga0.95N層17が例えば膜厚10nmで形成される。これらIn0.05Ga0.95N層15、In0.2Ga0.8N層16、及びIn0.05Ga0.95N層17は、断面略三角形状の頂点に当たるシリコンドープのGaN層14の稜線を跨いで両側の傾斜面に積層するように形成される。
【0037】
ガイド層としてのIn0.05Ga0.95N層17上には、第2導電型半導体層としてマグネシウムドープのGaN層18が形成される。このマグネシウムドープのGaN層18は第2導電型半導体層として機能する層であり、p型化合物半導体層である。このマグネシウムドープのGaN層18上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜21が形成される。この絶縁膜21は断面三角形状の半導体層を被覆するように形成され、この絶縁膜21の傾斜面上の一部を開口して開口部20が形成される。この開口部20は水平方向に延長されており、当該開口部20の存在する高さの部分の半導体層を臨ませる。開口部20の斜面上の幅は例えば1〜3μm程度に細く設定される。
【0038】
開口部20が形成された領域にはp側電極層19が形成される。p側電極層19は例えばNi/Pt/AuまたはNi(Pd)/Pt/Auの積層構造からなる。このp側電極層19は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって細い帯状のパターンに形成される。この傾斜面に部分的に形成されたp側電極層19は、上述のように例えば1〜3μm程度に細く開口した開口部20を介してマグネシウムドープのGaN層18の界面に被着され、断面三角形状の半導体層の所定の高さの部分に集中的に電流を供給し、発光すべき領域を斜面の幅方向で限定された一部領域とさせる。
【0039】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク12と絶縁膜21が開口してn側電極層22が形成される。このn側電極層22は例えばTi/Al/Pt/Au電極構造を有し、第1導電型半導体層であるシリコンドープのGaN層14に基体11を介して電気的に接続される。
【0040】
図2は本実施形態の半導体レーザー素子における一部領域を概念的に示す模式図である。水平方向を長手方向とするように三角柱形状の半導体層28が配され、垂直に立ち上がる両端面25、25がレーザーの共振面とされる。傾斜面26の高さ方向の中途には、発光領域となる一部領域27が形成される。すなわち、本実施形態の半導体レーザー素子では、傾斜面26の全域の幅Rではなく、部分的な幅W1に亘って一部領域27が形成される。このため一部領域27で発生する光は、波長のばらつきが抑えられたものとなり、共振面で共振させた場合に半値幅の細い再現性に優れたレーザー素子が得られることになる。傾斜面26の全域の幅Rは、例えば5μmから50μm程度の範囲内のサイズとされる。
【0041】
ここで図3乃至図8を参照しながら、本実施形態にかかる半導体レーザー素子の製造方法について説明する。先ず、図3に示すように、サファイア基板と下地成長層の積層体である基体31上に、シリコン酸化膜からなる選択マスク32が形成される。基体31は、例示的にはその主面をC面とするサファイア基板上に、例えばアンドープGaN層及びシリコンドープのGaN層を積層した構造体である。選択マスク32には水平方向を長手方向とするストライプ状に開口した開口部33が形成される。この水平方向は例えば[1−100]方向若しくは[11−20]方向である。
【0042】
次に、図4及び図5に示すように、細長い帯状の開口部33を選択マスク32に形成した選択成長により第1導電型半導体層として機能するシリコンドープのGaN層34が形成される。図5は図4のV−V線断面図に該当し、同じ工程にかかる工程断面図である。この選択成長によって断面略三角形状のシリコンドープのGaN層34が形成される。該GaN層34の稜線の両側に形成される傾斜面は例えばS面若しくは{11−22}面であり、選択成長時に安定して形成される結晶面である。
【0043】
断面略三角形状のシリコンドープのGaN層34の形成後、図6に示すように、ガイド層となるIn0.05Ga0.95N層35が例えば膜厚10nmで形成され、そのIn0.05Ga0.95N層35上には活性層としてIn0.2Ga0.8N層36が例えば膜厚3nmで形成され、そのIn0.2Ga0.8N層36上にはガイド層としてIn0.05Ga0.95N層37が例えば膜厚10nmで形成される。ガイド層としてのIn0.05Ga0.95N層37上には、第2導電型半導体層としてマグネシウムドープのGaN層38が形成される。これらのIn0.05Ga0.95N層35、In0.2Ga0.8N層36、In0.05Ga0.95N層37、マグネシウムドープのGaN層38はそれぞれ薄膜であって積層されることから、マグネシウムドープのGaN層38のS面などの傾斜面を反映し、稜線の両側には傾斜面がそれぞれ形成されて構成される。
【0044】
これら半導体層を積層した後、図7に示すように、全面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜の如き絶縁膜39を被覆させる。この絶縁膜39はフォトリソグラフィ等を用いてその斜面における一部を開口するように微細加工され、その微細加工によって開口部40が形成される。この開口部40の底部ではマグネシウムドープのGaN層38の表面がストライプ状に露出する。この開口部40の幅は、およそ3μm以下の幅とされるが、好ましくは2μm以下の幅、より好ましくは1μm以下の幅に設定される。
【0045】
次に、図8に示すように、p側電極層41を開口部40を形成した領域に形成する。このp側電極層41は例えばNi/Pt/AuまたはNi(Pd)/Pt/Auの積層構造からなる。以下、図示を省略するが、n側電極層を形成し、へき開等を利用して結晶面に略垂直な端面に共振面を形成する。n側電極層、共振面の形成工程は前後しても良い。所要の電流を流すことで、ストライプ状に細く形成されたp側電極層41から電流が供給され、そのp側電極層41を反映して傾斜した結晶面の狭い領域でのみ発光が生ずる。
【0046】
このような製法においては、絶縁膜39に形成された幅の狭い開口部40が電流狭窄部となって機能するため、発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することが可能である。
【0047】
なお、本実施形態においては、発光にかかる領域を傾斜面内の方向で制限するための一部領域の形成のためにフォトリソグラフィで開口部40を形成し、p側電極層41を狭い幅で形成するものとして説明したが、絶縁膜39の膜厚を厚くして、アスペクト比の高い開口部を形成し、その開口部の段差によるリフトオフによってp側電極層41を狭い幅で形成することも可能である。また、本実施形態では水平方向においては電極が連続するように説明したが、水平方向において電極若しくは活性層が断続的に存在する構造などを有していても良い。
【0048】
[第2の実施形態]
図9に第2の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造の断面図を示す。本実施形態は、傾斜面内に2つのp側電極層を形成した例であり、発光波長を複数に制御できる素子構造を有している。
【0049】
基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体51上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク52が形成される。基体51は、具体的にはその主面をC面とするサファイア基板上に、例えばアンドープGaN層及びシリコンドープのGaN層を積層した構造体である。バッファ層としてAlN層などを形成しても良い。選択マスク52にはストライプ状に開口した開口部53がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、開口部53の長手方向は稜線を備えた結晶成長を得るために[1−100]方向若しくは[11−20]方向とされる。
【0050】
細長い帯状の開口部53からは、選択成長により第1導電型半導体層としてシリコンドープのGaN層54が形成される。本実施形態においては、前述の実施形態と同様に、シリコンドープのGaN層54は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部53から成長するために図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのGaN層54では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのGaN層54の成長時においてその成長温度は例えば980℃に設定される。
【0051】
シリコンドープのGaN層54上には、In0.05Ga0.95N層55がガイド層として例えば膜厚10nmで形成され、そのIn0.05Ga0.95N層55上には活性層としてIn0.2Ga0.8N層56が例えば膜厚3nmで形成され、そのIn0.2Ga0.8N層56上にはガイド層としてIn0.05Ga0.95N層57が例えば膜厚10nmで形成される。これらIn0.05Ga0.95N層55、In0.2Ga0.8N層56、及びIn0.05Ga0.95N層57は、断面略三角形状の頂点に当たるシリコンドープのGaN層54の稜線を跨いで両側の傾斜面に積層するように形成される。
【0052】
ガイド層としてのIn0.05Ga0.95N層57上には、第2導電型半導体層としてマグネシウムドープのGaN層58が形成される。このマグネシウムドープのGaN層58は第2導電型半導体層として機能する層であり、p型化合物半導体層である。このマグネシウムドープのGaN層58上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜61が形成される。この絶縁膜61は断面三角形状の半導体層を被覆するように形成される。この絶縁膜61の傾斜面上の2箇所を開口して開口部66、67が形成される。この開口部66、67は水平方向にそれぞれ延長されており、半導体層を当該開口部66、67の部分で臨ませる。開口部66、67の斜面上の幅は例えば1〜3μm程度に細く設定される。
【0053】
開口部66、67を形成した領域にはp側電極層64、65が形成される。p側電極層64、65は例えばNi/Pt/AuまたはNi(Pd)/Pt/Auの積層構造からなる。これらp側電極層64、65は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって細い帯状のパターンに形成される。この傾斜面に部分的に形成されたp側電極層64、65は、上述のように例えば1〜3μm程度に細く開口した開口部66、67を介してマグネシウムドープのGaN層58の界面に被着され、断面三角形状の半導体層の所定の高さの部分に集中的に電流を供給し、発光すべき領域を斜面の幅方向で限定された一部領域68、69とさせる。p側電極層64、65は同じ積層構造の膜をフォトリソグラフィー技術によってパターニングすることで形成でき、異なる構造、材質の電極層を順次形成し微細加工するようにしても良い。
【0054】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク52と絶縁膜61を開口した開口部63内にn側電極層62が形成される。このn側電極層62は例えばTi/Al/Pt/Au電極構造を有し、第1導電型半導体層であるシリコンドープのGaN層54に基体51を介して電気的に接続される。
【0055】
このような図9に示す構造の本実施形態の半導体レーザー素子では、基板主面に対して傾斜した結晶面内に2つの電極層64、65が形成され、一般に傾斜した面内においては発光波長が頂点に近くなるほど長波長側にずれることから、p側電極層64に対応した一部領域68とp側電極層65に対応した一部領域69では、発光波長が異なることになり、2波長の発光が同一素子内で可能となる。また、絶縁膜61に形成された幅の狭い開口部66、67が電流狭窄部となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができる。
【0056】
[第3の実施形態]
図10に第3の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造の断面図を示す。本実施形態は、稜線を挟んで対向する2つの傾斜面にそれぞれp側電極層を形成した例である。
【0057】
基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体71上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク72が形成される。基体71は、その主面をC面とするサファイア基板上に、例えばアンドープGaN層及びシリコンドープのGaN層を積層した構造体である。バッファ層としてAlN層などを形成しても良い。選択マスク72にはストライプ状に開口した開口部73がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、開口部73の長手方向は稜線を備えた結晶成長を得るために例えば[1−100]方向若しくは[11−20]方向とされる。
【0058】
細長い帯状の開口部73からは、選択成長により第1導電型半導体層としてシリコンドープのGaN層74が形成される。本実施形態においても前述の実施形態と同様に、シリコンドープのGaN層74は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部73から成長することから、図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのGaN層74では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのGaN層74の成長時においてその成長温度は例えば980℃に設定される。
【0059】
シリコンドープのGaN層74上には、In0.05Ga0.95N層75がガイド層として例えば膜厚10nmで形成され、そのIn0.05Ga0.95N層75上には活性層としてIn0.2Ga0.8N層76が例えば膜厚3nmで形成され、そのIn0.2Ga0.8N層76上にはガイド層としてIn0.05Ga0.95N層77が例えば膜厚10nmで形成される。これらIn0.05Ga0.95N層75、In0.2Ga0.8N層76、及びIn0.05Ga0.95N層77は、断面略三角形状の頂点に当たるシリコンドープのGaN層74の稜線を跨いで両側の傾斜面にそれぞれ積層するように形成される。
【0060】
ガイド層としてのIn0.05Ga0.95N層77上には、第2導電型半導体層としてマグネシウムドープのGaN層78が形成される。このマグネシウムドープのGaN層78は第2導電型半導体層として機能する層であり、p型化合物半導体層である。このマグネシウムドープのGaN層78上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜81が形成される。この絶縁膜81は断面三角形状の半導体層を被覆するように形成される。
【0061】
この絶縁膜81の傾斜面上の一部を開口して開口部86、87が対向する両傾斜面に形成される。これら開口部86、87は水平方向に延長されており、当該開口部86、87の存在する高さの部分の半導体層を臨ませる。開口部86、87の斜面上の幅は例えば1〜3μm程度に細く設定される。
【0062】
開口部86、87を形成した領域にはp側電極層84、85が形成される。p側電極層84、85は例えばNi/Pt/AuまたはNi(Pd)/Pt/Auの積層構造からなる。これらp側電極層84、85は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって細い帯状のパターンに形成される。この傾斜面に部分的に形成されたp側電極層84、85は、上述のように例えば1〜3μm程度に細く開口した開口部86、87を介してマグネシウムドープのGaN層78の界面に被着され、断面三角形状の半導体層の所定の高さの部分に集中的に電流を供給し、発光すべき領域を斜面の幅方向で限定された一部領域89、88とさせる。p側電極層84、85は同じ積層構造の膜をフォトリソグラフィー技術によってパターニングすることで形成でき、異なる構造、材質の電極層を順次形成し微細加工するようにしても良い。
【0063】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク72と絶縁膜81を開口した開口部83内にn側電極層82が形成される。このn側電極層82は例えばTi/Al/Pt/Au電極構造を有し、第1導電型半導体層であるシリコンドープのGaN層74に基体71を介して電気的に接続される。
【0064】
図10に示す構造の本実施形態の半導体レーザー素子では、基板主面に対して傾斜し稜線の両側に設けられる2つの結晶面内それぞれにp側電極層84、85が形成され、例えばp側電極層84、85をフォトリソグラフィ等を用いて形成する場合に、電極間の距離をとることができ、微細加工をする際に有利である。また、絶縁膜81に形成された幅の狭い開口部86、87が電流狭窄部となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができる。
【0065】
なお、開口部86、87の高さを一方が高く他方が低くなるように変えることで、発光波長を複数に制御できる素子構造を有している。また、稜線を挟んで傾斜する結晶面の両側に2個ずつのように複数個形成することも可能である。
【0066】
[第4の実施形態]
図11に第4の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造の断面図を示す。本実施形態は、稜線を挟んで対向する2つの傾斜面にそれぞれマグネシウムドープのGaN層を形成した例である。
【0067】
基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体91上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク92が形成される。基体91は、その主面をC面とするサファイア基板上に、例えばアンドープGaN層及びシリコンドープのGaN層を積層した構造体である。バッファ層としてAlN層などを形成しても良い。選択マスク92にはストライプ状に開口した開口部93がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、開口部93の長手方向は稜線を備えた結晶成長を得るために例えば[1−100]方向若しくは[11−20]方向とされる。
【0068】
細長い帯状の開口部93からは、選択成長により第1導電型半導体層としてシリコンドープのGaN層94が形成される。本実施形態においても前述の実施形態と同様に、シリコンドープのGaN層94は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部93から成長することから、図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのGaN層94では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのGaN層94の成長時においてその成長温度は例えば980℃に設定される。
【0069】
シリコンドープのGaN層94上には、In0.05Ga0.95N層95がガイド層として例えば膜厚10nmで形成され、そのIn0.05Ga0.95N層95上には活性層としてIn0.2Ga0.8N層96が例えば膜厚3nmで形成され、そのIn0.2Ga0.8N層96上にはガイド層としてIn0.05Ga0.95N層97が例えば膜厚10nmで形成される。これらIn0.05Ga0.95N層95、In0.2Ga0.8N層96、及びIn0.05Ga0.95N層97は、断面略三角形状の頂点に当たるシリコンドープのGaN層94の稜線を跨いで両側の傾斜面にそれぞれ積層するように形成される。
【0070】
ガイド層としてのIn0.05Ga0.95N層97上には、第2導電型半導体層としてマグネシウムドープのGaN層98が形成されるが、本実施形態においては、傾斜面の全域ではなく一部だけを被覆するようにマグネシウムドープのGaN層98が形成される。In0.05Ga0.95N層97上のマグネシウムドープのGaN層98が形成されていない領域には、シリコン酸化膜などの絶縁膜99が形成される。この絶縁膜99は断面三角形状の半導体層をマグネシウムドープのGaN層98以外の部分で被覆するように形成される。ここでマグネシウムドープのGaN層98の斜面上の幅は例えば1〜3μm程度に細く設定され、例えばマグネシウムドープのGaN層98はエッチングなどにより細い帯状のパターンにされる。
【0071】
マグネシウムドープのGaN層98と絶縁膜99の上にはp側電極層100が形成される。p側電極層100は例えばNi/Pt/AuまたはNi(Pd)/Pt/Auの積層構造からなる。このp側電極層100は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって少なくとも前記マグネシウムドープのGaN層98と電気的に接続するように形成される。マグネシウムドープのGaN層98は、上述のように例えば1〜3μm程度に既に細く帯状に形成されていることから、p側電極層100は比較的に広い領域に形成することができる。
【0072】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク92と絶縁膜104を開口した開口部103内にn側電極層102が形成される。このn側電極層102は例えばTi/Al/Pt/Au電極構造を有し、第1導電型半導体層であるシリコンドープのGaN層94に基体91を介して電気的に接続される。
【0073】
図11に示す構造の本実施形態の半導体レーザー素子では、基板主面に対して傾斜し稜線の両側に設けられる2つの結晶面内それぞれに細い線幅のマグネシウムドープのGaN層98が形成され、そのマグネシウムドープのGaN層98の周囲を絶縁膜99が埋めるように形成されていることから、p側電極層100を比較的広い領域に形成しても確実に発光すべき一部領域を形成することができ、またフォトリソグラフィ等を用いてp側電極層100を形成する際には微細加工が容易となる。また、絶縁膜99に挟まれて形成された幅の狭いマグネシウムドープのGaN層98が電流狭窄部となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができる。
【0074】
なお、本実施形態では、マグネシウムドープのGaN層98を稜線の両側傾斜面に形成しているが、片側傾斜面に形成することも可能である。また、各傾斜面内で複数のマグネシウムドープのGaN層98を形成するように構成することも可能である。
【0075】
[第5の実施形態]
図12に第5の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造の断面図を示す。本実施形態は、稜線を挟んで対向する2つの傾斜面にそれぞれ細い線幅の活性層を形成した例である。
【0076】
基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体111上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク112が形成される。基体111は、その主面をC面とするサファイア基板上に、例えばアンドープGaN層及びシリコンドープのGaN層を積層した構造体である。バッファ層としてAlN層などを形成しても良い。選択マスク112にはストライプ状に開口した開口部113がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、開口部113の長手方向は稜線を備えた結晶成長を得るために例えば[1−100]方向若しくは[11−20]方向とされる。
【0077】
細長い帯状の開口部113からは、選択成長により第1導電型半導体層としてシリコンドープのGaN層114が形成される。本実施形態においても前述の実施形態と同様に、シリコンドープのGaN層114は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部113から成長することから、断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのGaN層114では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのGaN層114の成長時においてその成長温度は例えば980℃に設定される。
【0078】
シリコンドープのGaN層114上には、In0.05Ga0.95N層115がガイド層として例えば膜厚10nmで形成され、そのIn0.05Ga0.95N層115上には活性層としてIn0.2Ga0.8N層116が例えば膜厚3nmで形成される。本実施形態においてはIn0.2Ga0.8N層116が細い帯状のパターンに形成され、その上側及び下側の領域はアンドープGaN層の如き導電性の低い低導電層117が形成される。低導電層117の代わりに絶縁層を形成することも可能である。
【0079】
低導電層117及びIn0.2Ga0.8N層116上にはガイド層としてIn0.05Ga0.95N層118が例えば膜厚10nmで形成される。このIn0.05Ga0.95N層118上には、第2導電型半導体層としてマグネシウムドープのGaN層119が形成され、マグネシウムドープのGaN層119上にはp側電極層120が形成される。p側電極層120は例えばNi/Pt/AuまたはNi(Pd)/Pt/Auの積層構造からなる。活性層となるIn0.2Ga0.8N層116が、上述のように既に細く帯状に形成されていることから、p側電極層120は比較的広い領域に形成することができる。
【0080】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク112と絶縁膜124を開口した開口部123内にn側電極層122が形成される。このn側電極層122は例えばTi/Al/Pt/Au電極構造を有し、第1導電型半導体層であるシリコンドープのGaN層114に基体111を介して電気的に接続される。
【0081】
図12に示す構造の本実施形態の半導体レーザー素子では、基板主面に対して傾斜し稜線の両側に設けられる2つの結晶面内それぞれに細い線幅の活性層であるIn0.2Ga0.8N層116が形成され、p側電極層120を比較的広い領域に形成しても確実に発光すべき一部領域を形成することができ、またフォトリソグラフィ等を用いてp側電極層120を形成する際に、容易に微細加工することができる。また、低導電層117に挟まれて形成された幅の狭いIn0.2Ga0.8N層116が活性層となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができる。
【0082】
なお、本実施形態では、In0.2Ga0.8N層116を稜線の両側傾斜面に形成しているが、片側傾斜面に形成することも可能である。また、各傾斜面内で複数個のIn0.2Ga0.8N層116を形成するように構成することも可能である。
【0083】
[第6の実施形態]
図13は本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体レーザー素子の要部断面図である。基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体131上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク132が形成される。基体131は、具体的にはその主面をC面とするサファイア基板上に、例えばアンドープGaN層及びシリコンドープのGaN層を積層した構造体である。バッファ層としてAlN層などを形成しても良い。選択マスク132にはストライプ状に開口した開口部133がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においては、開口部133の長手方向は稜線を備えた結晶成長を図るために[1−100]方向若しくは[11−20]方向とされる。
【0084】
細長い帯状の開口部133からは、選択成長により第1導電型半導体層としてシリコンドープのGaN層134が形成される。本実施形態においてはシリコンドープのGaN層134は断面略台形形状とされ、細長い帯状の開口部133から成長するために図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。断面略台形形状のシリコンドープのGaN層134は平らな上面が例えばC面であり、両側の傾斜面が例えばS面とされる。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのGaN層134では、断面略台形形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのGaN層134の成長時においてその成長温度は例えば980℃に設定される。
【0085】
シリコンドープのGaN層134上には、In0.05Ga0.95N層135がガイド層として例えば膜厚10nmで形成され、そのIn0.05Ga0.95N層135上には活性層としてIn0.2Ga0.8N層136が例えば膜厚3nmで形成され、そのIn0.2Ga0.8N層136上にはガイド層としてIn0.05Ga0.95N層137が例えば膜厚10nmで形成される。これらIn0.05Ga0.95N層135、In0.2Ga0.8N層136、及びIn0.05Ga0.95N層137は、断面略台形形状の頂点に当たるシリコンドープのGaN層134の両側の傾斜面及び基板主面に平行な上面に積層するように形成される。
【0086】
ガイド層としてのIn0.05Ga0.95N層137上には、第2導電型半導体層としてマグネシウムドープのGaN層138が形成される。このマグネシウムドープのGaN層138は第2導電型半導体層として機能する層であり、p型化合物半導体層である。このマグネシウムドープのGaN層138上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜139が形成される。この絶縁膜139は断面台形形状の半導体層を被覆するように形成され、この絶縁膜139の傾斜面上の一部を開口して開口部140が形成される。この開口部140は水平方向に延長されており、当該開口部140の存在する高さの部分の半導体層を臨ませる。開口部140の斜面上の幅は例えば1〜3μm程度に細く設定される。
【0087】
開口部140が形成された領域にはp側電極層141が形成される。p側電極層141は例えばNi/Pt/AuまたはNi(Pd)/Pt/Auの積層構造からなる。このp側電極層141は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって細い帯状のパターンに形成される。この傾斜面に部分的に形成されたp側電極層141は、上述のように例えば1〜3μm程度に細く開口した開口部140を介してマグネシウムドープのGaN層138の界面に被着され、断面台形形状の半導体層の所定の高さの部分に集中的に電流を供給し、発光すべき領域を斜面の幅方向で限定された一部領域とさせる。
【0088】
断面台形形状の半導体層の傍らには、選択マスク132と絶縁膜139が開口してn側電極層142が形成される。このn側電極層142は例えばTi/Al/Pt/Au電極構造を有し、第1導電型半導体層であるシリコンドープのGaN層134に基体131を介して電気的に接続される。
【0089】
このような半導体レーザー素子においては、絶縁膜139に形成された幅の狭い開口部140が電流狭窄部となって機能するため、発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することが可能である。なお、p側電極層141は他方の傾斜面にも追加して形成することも可能であり、当該断面台形形状の各傾斜面に複数本の電極層を配設することも可能である。これらの実施例において電極の部分は部分的に熱活性化する(マスクを形成してマスク開口のみ活性化)や、ストライプ部分以外の部分で水素のイオン注入を行い、ストライプのみ電流を流すなどして、電流注入部分を形成することもできる。
【0090】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザー素子によれば、基板主面に対して傾斜した結晶面において幅の狭い電極層、半導体層、活性層等が一部領域となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができることになる。また、本発明の半導体レーザー素子によれば、基板主面に対して傾斜した結晶面を発光に利用するため、結晶転位を抑えながら電流密度を高くすることができ、輝度の高い半導体レーザー素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態の半導体レーザー素子の一部領域を説明するための模式図である。
【図3】本発明の第1の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、開口部の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図4】本発明の第1の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、シリコンドープのGaN層の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図5】本発明の第1の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、図4のV−V線断面図であって且つシリコンドープのGaN層の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図6】本発明の第1の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、マグネシウムドープのGaN層の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図7】本発明の第1の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、開口部の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図8】本発明の第1の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、p側電極層の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図9】本発明の第2の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図10】本発明の第3の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図11】本発明の第4の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図12】本発明の第5の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図13】本発明の第6の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図14】本発明にかかる半導体レーザー素子の波長と底辺からの長さの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
11、31、51、71、91、111、131 基体
12、32、52、72、92、112、132 選択マスク
13、33、53、73、93、113、133 開口部
14、34、54、74、94、114、134 シリコンドープのGaN層
15、35、55、75、95、115、135 In0.05Ga0.95N層
16、36、56、76、96、116、136 In0.2Ga0.8N層
17、37、57、77、97、118、137 In0.05Ga0.95N層
18、38、58、78、98、119、138 マグネシウムドープのGaN層
19、41、64、65、84、85、100、120、141 p側電極層
22、42、62、82、102、122、142 n側電極層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser element formed by selectively growing a semiconductor layer such as a compound semiconductor layer on a substrate and a method for manufacturing the semiconductor laser element, and more particularly, a semiconductor configured using a compound semiconductor layer such as a GaN-based semiconductor layer. The present invention relates to a laser element and a method for manufacturing a semiconductor laser element.
[0002]
[Prior art]
As a method of manufacturing a semiconductor laser element, a selective mask is formed on a sapphire substrate, and a semiconductor laser element or a light emitting diode is manufactured by selective growth in which a nitride semiconductor layer such as gallium nitride is grown from an opening formed in the selective mask. The technology to configure is known. In general, a sapphire substrate is often used to grow gallium nitride. However, due to lattice mismatch between the sapphire substrate and the gallium nitride to be grown, high-density dislocations may be inherent in the crystal. For this reason, the technique for forming the low-temperature buffer layer on the substrate is one means for suppressing defects generated in the crystal to be grown, and in order to reduce crystal defects, Japanese Patent Laid-Open No. 10-312971 Combined with lateral selective overgrowth (ELO). Further, as a method of forming a gallium nitride based semiconductor laser, a technique of forming a laminated structure with an inclined surface by selective growth is also known. Such a technique is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-31840. The
[0003]
In addition, each pixel is configured by combining light emitting diodes and semiconductor lasers of blue, green, and red colors, and an image display device can be configured by independently driving the pixels arranged in a matrix. Moreover, it can also be used as a white light emitting device or a lighting device by simultaneously emitting light emitting elements of blue, green, and red colors. In particular, a light emitting device using a nitride semiconductor has a band gap energy of about 1.9 eV to about 6.2 eV, and a full color display is possible with a single material. . In this specification, a nitride refers to a compound in which B, Al, Ga, In, and Ta are group III, and group V contains N, within 1% of the total or 1 × 10 20 cm 3 The following impurities may be included.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
First, in order to reduce threading dislocations from the substrate, in the technique of performing selective crystal growth in the lateral direction and the crystal growth method of forming a facet structure in the growth region, threading dislocations from the substrate are laterally shifted by the facet structure part, etc. The crystal defects can be greatly reduced. However, in order to form a light emitting region such as an active layer after that, selective crystal growth in the lateral direction is sufficiently performed or a facet structure is embedded, which increases the number of processes and increases the number of manufacturing steps. As a result, a problem arises that the time required for the process becomes longer.
[0005]
Further, in the gallium nitride semiconductor laser described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-31840 and its manufacturing method, a conductive selection mask is formed at substantially the center of the opening of the insulating selection mask, and selective growth is performed. Thus, a laminated structure having a triangular cross section can be obtained. However, the laminated structure having a triangular cross-section is only used as a high-resistance region for concentrating current mainly in the central active layer, and an S plane (1-101 plane) appears on the inclined plane. The S surface itself is excellent in the reproducibility of manufacturing, but conversely, the region to be the active layer is limited to the vicinity of the central conductive selection mask sandwiched between the laminated structures having a triangular cross section, It becomes difficult to control the film quality of the layer, and the problem arises that the reproducibility of the entire device deteriorates.
[0006]
In addition, in a semiconductor light emitting device using an inclined surface formed by other selective growth, such as a semiconductor device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-183460, this active layer is formed by using an inclined surface as a surface on which an active layer is formed. Becomes non-parallel to the substrate, so that noise caused by return light or the like can be reduced. However, in general, when an inclined surface by selective growth is used, the composition of crystals tends to slightly shift at a position close to the substrate and a position far from the substrate even within the same inclined surface, for example, as the distance from the substrate increases. It is easy to increase the emission wavelength. Therefore, in a device that needs to keep the emission wavelength within a predetermined range, such as a semiconductor laser element, the process is required to have excellent reproducibility in relation to the emission wavelength.
[0007]
In view of the above technical problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser element having a structure excellent in reproducibility in manufacturing an element and a method for manufacturing the semiconductor laser element.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the semiconductor laser device of the present invention, an active layer extending along a crystal plane inclined with respect to a main surface of a substrate is sandwiched between a first conductive type semiconductor layer and a second conductive type semiconductor layer. Only , The active layer, the first conductive semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer have a structure formed in a substantially triangular shape or a substantially trapezoidal shape in a cross section substantially perpendicular to the crystal plane, An end surface substantially perpendicular to the crystal plane is a resonance surface, and a region that emits light is a partial region in the inclined plane of the active layer. The crystal plane inclined with respect to the substrate main surface is formed by selective growth from the substrate. It is characterized by that.
[0009]
According to the semiconductor laser device of the present invention, the active layer extended along the crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate has a structure sandwiched between the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer. The active layer emits light by supplying a required current to the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer. Since the active layer has an end face substantially perpendicular to the crystal plane as a resonance surface, laser oscillation is possible, but the light emitting region in the active layer is limited to a partial region that is part of the inclined plane. By doing so, it is possible to suppress variations in emission wavelength.
[0011]
Also, By forming the active layer, the first conductive semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer in a substantially triangular shape or a substantially trapezoidal shape in a cross section substantially perpendicular to the crystal plane, by selective growth A partial region that emits light can be formed by using the formed semiconductor layer as it is.
[0012]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor laser device comprising: forming a first conductive semiconductor layer having a crystal plane inclined with respect to a main surface of a substrate by selective growth; and forming the first conductive semiconductor layer on the first conductive semiconductor layer. A step of forming an active layer; a step of forming a second conductive semiconductor layer on the active layer; and a part of an inclined surface on the second conductive semiconductor layer to be in contact with the second conductive semiconductor layer And a step of forming an electrode layer.
[0013]
By using the selective growth, it is possible to form a crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate, and by laminating the active layer on the first conductivity type semiconductor layer, the crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate. An active layer having can be formed. After forming the second conductivity type semiconductor layer on the active layer, an electrode layer in contact with the second conductivity type semiconductor layer is formed at a part of the inclined surface, so that the light emitting region in the active layer is inclined. It is possible to limit to a partial region which is a part of the semiconductor laser device, and it is possible to manufacture a device with excellent reproducibility by suppressing variations in emission wavelength of the semiconductor laser device.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor laser device of the present invention has a structure in which an active layer extending along a crystal plane inclined with respect to a substrate main surface is sandwiched between a first conductive semiconductor layer and a second conductive semiconductor layer, and the crystal plane An end face substantially perpendicular to the resonance plane is a resonance surface, and a region that emits light is a partial region in the inclined plane of the active layer.
[0015]
The substrate used in the semiconductor laser device according to the present invention is not particularly limited as long as it can form a wurtzite type compound semiconductor layer, and various substrates can be used. For example, sapphire (Al 2 O 3 , A plane, R plane, C plane. ), SiC (including 6H, 4H, 3C), GaN, Si, ZnS, ZnO, AlN, LiMgO, LiGaO 2 , GaAs, MgAl 2 O 4 , A substrate made of InAlGaN or the like, preferably a hexagonal substrate or a cubic substrate made of these materials, and more preferably a hexagonal substrate. For example, in the case of using a sapphire substrate, a sapphire substrate having a C-plane as a main surface, which is often used when growing a gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor material, can be used. In this case, the C plane as the main surface of the substrate includes a plane orientation inclined within a range of 5 to 6 degrees. It is also possible to use a silicon substrate that is widely used in the manufacture of semiconductor devices. The substrate itself is used for supporting a semiconductor thin film being manufactured, and may have an element structure that is peeled off when an element is completed, or may be an element structure that is used for a laser element that has completed the substrate.
[0016]
The lower layer of the selective mask for selective growth may be the substrate itself, but an underlying growth layer such as a buffer layer can be included in order to obtain good crystallinity at the time of selection. As the underlying growth layer, a compound semiconductor layer can be selected, and a wurtzite type compound semiconductor is preferably selected because a facet structure is formed in a later step. Further, the compound semiconductor layer is preferably a nitride semiconductor having a wurtzite crystal structure, a BeMgZnCdS-based compound semiconductor, a BeMgZnCdO-based compound semiconductor, or the like. As the crystal layer made of a nitride semiconductor, for example, a group III compound semiconductor can be used, and further, a gallium nitride (GaN) compound semiconductor, an aluminum nitride (AlN) compound semiconductor, and an indium nitride (InN) compound semiconductor. Indium gallium nitride (InGaN) compound semiconductors and aluminum gallium nitride (AlGaN) compound semiconductors can be preferably formed, and gallium nitride compound semiconductors are particularly preferable. As an example, an undoped GaN layer may be formed on a sapphire substrate, and then a Si-doped GaN layer may be formed. In the present invention, InGaN, AlGaN, GaN, and the like do not necessarily refer to nitride semiconductors that include only ternary mixed crystals but only binary mixed crystals. For example, in InGaN, a small amount within a range that does not change the action of InGaN. Needless to say, the present invention includes Al and other impurities. Further, the plane substantially equivalent to the S plane includes a plane orientation inclined in the range of 5 to 6 degrees with respect to the S plane. Here, in this specification, nitride refers to a compound in which B, Al, Ga, In, and Ta are group III, and group V contains N, and is within 1% of the total or 1 × 10 20 cm 3 The following impurities may be included.
[0017]
Examples of the method for growing the compound semiconductor layer include various vapor phase growth methods. For example, a vapor phase such as a metal organic compound vapor phase growth method (MOCVD (MOVPE) method) or a molecular beam epitaxy method (MBE method). A growth method or a hydride vapor phase growth method (HVPE method) can be used. Among them, the MOVPE method can quickly obtain a crystal with good crystallinity. In the MOVPE method, TMG (trimethylgallium) and TEG (triethylgallium) are used as a Ga source, TMA (trimethylaluminum) and TEA (triethylaluminum) are used as an Al source, TMI (trimethylindium) and TEI (triethylindium are used as an In source. ) And the like, and gases such as ammonia and hydrazine are used as the nitrogen source. As the impurity source, silane gas is used for Si, germane gas is used for Ge, Cp2Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used for Mg, and DEZ (diethyl zinc) is used for Zn. In the MOVPE method, an InAlGaN-based compound semiconductor can be epitaxially grown by supplying these gases to the surface of a substrate heated to, for example, 600 ° C. or more and decomposing the gases.
[0018]
In the semiconductor laser device of the present invention, a selection mask having openings that are opened in a stripe shape, for example, is formed on the surface of the compound semiconductor layer that serves as an underlying growth layer for crystal growth. The semiconductor layer is formed by selective growth so as to have a ridge line parallel to the long side. The mask is a growth inhibition film formed directly on the main surface of the substrate or on a buffer layer or other layer formed on the substrate. For example, a mask material made of an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is used. The The shape of the opening of the mask is, for example, a stripe shape, but may be another shape capable of obtaining a resonance surface, for example, a curved shape, a circular shape, an elliptical shape, a triangular shape, or a pentagonal shape. Alternatively, it may be a polygonal shape such as a hexagonal shape, or a complex thereof. In addition, a plurality of openings can be formed as in a normal semiconductor process.
[0019]
When such a selective growth mask or the like is formed, a semiconductor layer is formed by selective crystal growth. As an example, the semiconductor layer is formed so as to have a ridge line parallel to the long side of the opening that is opened in a stripe shape. This semiconductor layer is formed in a substantially triangular shape in a cross section substantially perpendicular to the inclined surface described later. When the selective growth conditions are changed, the cross section is formed in a substantially trapezoidal shape.
[0020]
The crystal growth in the selective growth can be performed by the same method as the method for forming the compound semiconductor layer described above. Specific examples of the growth method include various vapor phase growth methods. For example, vapor phase methods such as metal organic compound vapor phase growth method (MOCVD (MOVPE) method) and molecular beam epitaxy method (MBE method). A growth method or a hydride vapor phase growth method (HVPE method) can be used. In the MOVPE method, TMG (trimethylgallium) and TEG (triethylgallium) are used as a Ga source, TMA (trimethylaluminum) and TEA (triethylaluminum) are used as an Al source, TMI (trimethylindium) and TEI (triethylindium are used as an In source. ) And the like, and gases such as ammonia and hydrazine are used as the nitrogen source. As the impurity source, silane gas is used for Si, germane gas is used for Ge, Cp2Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used for Mg, and DEZ (diethyl zinc) is used for Zn. The same applies to.
[0021]
In the semiconductor laser device according to the present invention, in order to form a crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate, the semiconductor layer is formed by selective growth so as to have, for example, a ridge line parallel to the long side of the stripe-shaped opening. Is done. The pair of crystal planes of the semiconductor layer sandwiching the ridgeline are preferably {1-101} planes or {11-22} planes or planes substantially equivalent to these planes. desirable. The pair of crystal planes are crystal planes inclined with respect to the ridge line. For example, when the main surface of the substrate or the substrate is a C + plane, the S plane or a plane substantially equivalent to the S plane, or {11− It is possible to easily form a surface substantially equivalent to the 22} plane or {11-22} plane. When selective growth is performed, the S plane and the {11-22} plane as inclined planes inclined with respect to the main surface of the substrate are stable planes that are seen when selectively grown on the C + plane, and are relatively advantageous. It is an easy side. The S + plane and the S− plane exist for the S plane in the same manner as the C + plane and the C− plane exist on the C plane. In this specification, unless otherwise specified, the S + plane is formed on the C + plane GaN. The surface is growing, and this is described as the S surface. For the S surface, the S + surface is a stable surface. The plane index of the C + plane is (0001).
[0022]
As for the S plane, when a crystal layer is formed using a gallium nitride compound semiconductor, the number of bonds from Ga to N on the S plane is 2 or 3 and the largest after the C-plane. Here, since the C-plane cannot be practically obtained on the C + plane, the number of bonds on the S-plane is the largest. For example, when nitride is grown on a sapphire substrate having a C + plane as a main surface, the surface of a wurtzite nitride is generally a C + plane, but the S plane is stably formed by utilizing selective growth. The N bond, which tends to desorb in a plane parallel to the C + plane, is bonded from Ga by a single bond, whereas the inclined S plane is bonded by at least one pound. It will be. Therefore, the V / III ratio is effectively increased, which is advantageous for improving the crystallinity of the laminated structure. Further, when growing in a different direction from the substrate, dislocations extending upward from the substrate may be bent, which is advantageous for reducing defects.
[0023]
When the longitudinal direction of the stripe-shaped opening of the selective growth mask is the [11-20] direction or the [1-100] direction, the semiconductor layer is easily formed to have a ridge line parallel to the longitudinal direction of the opening. be able to. In addition, an opening having a stripe shape with a direction inclined by an angle of 0.2 degrees or more and 20 degrees or less from either the [11-20] direction or the [1-100] direction as a longitudinal direction is selectively grown. It can also be used. When the direction is inclined by the required angle in this way, the crystal steps tend to be aligned over the entire crystal face, and by forming an electrode in the portion where the crystal steps are aligned, each element is formed. The variation can be greatly reduced. [11-20] direction in which the longitudinal direction of the opening is almost not displaced at an angle of less than 0.2 degrees from either the [11-20] direction or the [1-100] direction. Alternatively, it shows only the same crystallinity tendency as the [1-100] direction itself. Further, when an opening having a longitudinal direction that is inclined by an angle exceeding 20 degrees is used, the influence of the steps of other crystals can be exposed to the crystal plane.
[0024]
In such a semiconductor layer, a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer are stacked on inclined surfaces formed on both sides of the ridge line. The first conductivity type semiconductor layer may be formed continuously with the underlying semiconductor layer. In the first conductivity type semiconductor layer, the active layer, and the second conductivity type semiconductor layer stacked on the inclined surface, the first conductivity type is p-type or n-type, and the second conductivity type is the opposite conductivity type. is there. For example, when the crystal layer constituting the S plane is composed of a silicon-doped gallium nitride compound semiconductor layer, the n-type semiconductor layer is composed of a silicon-doped gallium nitride compound semiconductor layer, and an InGaN layer is formed thereon as an active layer. Further, a magnesium hetero-doped gallium nitride compound semiconductor layer can be formed thereon as a p-type semiconductor layer to form a double heterostructure. It is also possible to adopt a structure in which an InGaN layer as an active layer is sandwiched between AlGaN layers or a structure in which an AlGaN layer is formed only on one side. The active layer may be composed of a single bulk active layer, but a quantum well such as a single quantum well (SQW) structure, a double quantum well (DQW) structure, or a multiple quantum well (MQW) structure. A structure may be formed. In the quantum well structure, a barrier layer is used in combination for separating the quantum well as necessary. When the active layer is an InGaN layer, the structure is easy to manufacture, especially in the manufacturing process, and the light emission characteristics of the device can be improved. Furthermore, this InGaN layer is particularly easy to crystallize in the growth on the S plane, which is a structure in which nitrogen atoms are not easily detached, and the crystallinity is improved, so that the luminous efficiency can be increased. Nitride semiconductors are non-doped and have n-type properties due to nitrogen vacancies formed in the crystal, but usually by doping a donor impurity such as Si, Ge, or Se during crystal growth, A preferred n-type can be obtained. In order to make the nitride semiconductor p-type, it can be obtained by doping the crystal with acceptor impurities such as Mg, Zn, C, Be, Ca, Ba, etc. In order to obtain a p-layer with a high carrier concentration. After doping with acceptor impurities, annealing is preferably performed at 400 ° C. or higher in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. There is also a method of activation by electron beam irradiation, which is active by microwave irradiation or light irradiation. There is also a way to make it.
[0025]
The first conductive type semiconductor layer, the active layer, and the second conductive type semiconductor layer extend in a plane parallel to the inclined plane. The formation in the plane parallel to the inclined plane is inclined. This can be done easily by continuing crystal growth where the surface is formed. The first conductivity type cladding layer can be made of the same material and the same conductivity type as the crystal layer constituting the S plane, and is formed while continuously adjusting the concentration after forming the crystal layer constituting the S plane. As another example, a structure in which a part of the crystal layer constituting the S plane functions as the first conductivity type semiconductor layer may be used.
[0026]
Electrodes are directly or indirectly connected to the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer sandwiching the active layer. In the semiconductor laser device according to the present invention, the light emitting region is set to a partial region in the inclined plane of the active layer. The partial region is not formed in the entire region in the in-plane direction of the inclined surface, but indicates a region formed only in a partial range. Such a partial region may be formed at one location in the direction within the inclined surface, or may be configured at a plurality of locations in the direction within the inclined surface. A part of the region substantially contributes to light emission, and as described below, it is possible to narrow the electrode to narrow the current, or to concentrate the current using an insulating film. .
[0027]
The width in the in-plane direction of such a partial region is desirably set in a range in which the variation in emission wavelength of the semiconductor laser element is about 10 nm or less. As described above, according to the experimental data conducted by the present inventors, the spectrum having a half-value width of about 20 nm or less is set as the reason why the width is set within a range in which the variation in the emission wavelength of the semiconductor laser element is about 10 nm or less. This is because the active layer can easily oscillate, and in this case, it can be inferred that the peak wavelength width allowed in the electrode stripe is within 10 nm, which is its half-value width.
[0028]
According to an empirical rule, such a width is set such that a part of the gallium nitride compound semiconductor layer has a width of about 3 μm or less, preferably 2 μm or less, more preferably in the in-plane direction. Is set to a width of 1 μm or less. That is, according to the experiment conducted by the present inventors, the range that can have the above-mentioned wavelength distribution of 10 nm is shown in FIG. 14 from the relationship between the height from the bottom of a typical pyramid and the emission peak wavelength. It is. FIG. 14 is a characteristic diagram in which the horizontal axis is the length from the bottom (μm) and the vertical axis is the peak wavelength (nm). The length from the bottom is the length along the slope and corresponds to the height. According to FIG. 14, when the peak shift is about 10 nm, the height is about 3 μm at a position where the length from the base is relatively long, that is, a position away from the base to some extent. As a result, the variation in the emission wavelength of the laser element is reduced.
[0029]
As a partial region structure, an electrode for supplying a current to the active layer can be formed to have a predetermined width in the direction within the inclined plane, or the first conductive semiconductor layer and the first layer sandwiching the active layer can be formed. It is also possible to form at least one of the two-conductivity type semiconductor layers so as to have a predetermined width in the direction in the inclined plane, or to form the active layer so as to have a predetermined width in the direction in the inclined plane. As a method for reducing the width of the electrode for supplying current to the active layer, the width of the electrode layer and the first and second conductive semiconductor layers can be reduced by photolithography. In order to effectively narrow the insulating film, an insulating film may be formed in a portion opened in a stripe shape for current confinement.
[0030]
Here, each electrode is formed for each element, but one of the p-electrode and the n-electrode can be shared among a plurality of laser elements. In order to reduce the contact resistance, a required contact layer may be formed, and then an electrode may be formed on the contact layer. In general, each electrode is formed by depositing a multilayer metal film by vapor deposition or the like, but can be finely processed by lift-off or the like using photolithography in order to classify each element. Each electrode can be formed on one surface of the selective crystal growth layer or the substrate, or electrodes can be formed on both sides so that the electrodes are wired at a higher density. The independently driven electrodes may be formed by finely processing the same material, but it is also possible to use different electrode materials for each region.
[0031]
In the semiconductor laser device of the present invention, a resonator is formed on the end face of the stripe-shaped crystal growth portion. As is well known, the resonator can be formed by cleaving the crystal. For example, the resonator surface can be formed by cleaving the resonance surface in a plane substantially perpendicular to the longitudinal direction of the stripe-shaped opening. it can. Even when the resonance surface is not formed by cleavage, the resonance surface may be formed by an etching method or the like.
[0032]
Moreover, a display apparatus can be comprised by forming so that the semiconductor laser element of this invention may be arranged in multiple numbers. In a display device in which a plurality of such semiconductor laser elements are arranged, the light emitting elements can be arranged at a high density, and the ease of manufacturing due to the common use of electrodes is improved. In addition, the display device is not limited to a display device that emits light of a single color, and a display device that emits light of multiple colors can be configured.
[0033]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to each embodiment. The semiconductor laser device of the present invention can be modified and changed without departing from the gist thereof, and the present invention is not limited to the following embodiments.
[0034]
[First embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of a gallium nitride compound semiconductor laser device of this embodiment. A
[0035]
From the elongated strip-shaped opening 13, a silicon-doped
[0036]
On the silicon-doped
[0037]
In as a guide layer 0.05 Ga 0.95 On the N layer 17, a magnesium-doped
[0038]
A p-side electrode layer 19 is formed in the region where the
[0039]
The
[0040]
FIG. 2 is a schematic diagram conceptually showing a partial region in the semiconductor laser device of this embodiment. Triangular prism-shaped semiconductor layers 28 are arranged so that the horizontal direction is the longitudinal direction, and both end faces 25 and 25 rising vertically are used as laser resonance surfaces. In the middle of the
[0041]
Here, with reference to FIG. 3 to FIG. 8, a method for manufacturing the semiconductor laser device according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 3, a
[0042]
Next, as shown in FIGS. 4 and 5, a silicon-doped
[0043]
After the formation of the silicon-doped
[0044]
After these semiconductor layers are stacked, as shown in FIG. 7, an insulating
[0045]
Next, as shown in FIG. 8, the p-
[0046]
In such a manufacturing method, since the
[0047]
In the present embodiment, the
[0048]
[Second Embodiment]
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the element structure of the semiconductor laser element of the second embodiment. The present embodiment is an example in which two p-side electrode layers are formed in an inclined plane, and has an element structure capable of controlling the emission wavelength to a plurality.
[0049]
A
[0050]
From the elongated strip-shaped
[0051]
On the silicon-doped
[0052]
In as a guide layer 0.05 Ga 0.95 On the
[0053]
In the region where the
[0054]
An n-side electrode layer 62 is formed in the
[0055]
In the semiconductor laser device of this embodiment having such a structure shown in FIG. 9, two
[0056]
[Third Embodiment]
FIG. 10 shows a sectional view of the element structure of the semiconductor laser element of the third embodiment. The present embodiment is an example in which p-side electrode layers are formed on two inclined surfaces that face each other across a ridge line.
[0057]
A
[0058]
From the elongated strip-shaped
[0059]
On the silicon-doped
[0060]
In as a guide layer 0.05 Ga 0.95 On the
[0061]
A part of the insulating
[0062]
P-side electrode layers 84 and 85 are formed in the regions where the
[0063]
An n-side electrode layer 82 is formed in the
[0064]
In the semiconductor laser device of the present embodiment having the structure shown in FIG. 10, p-side electrode layers 84 and 85 are formed in two crystal planes that are inclined with respect to the main surface of the substrate and are provided on both sides of the ridgeline. When the electrode layers 84 and 85 are formed using photolithography or the like, the distance between the electrodes can be secured, which is advantageous when fine processing is performed. In addition, since the
[0065]
In addition, it has an element structure in which the emission wavelengths can be controlled to a plurality by changing the height of the
[0066]
[Fourth Embodiment]
FIG. 11 shows a cross-sectional view of the element structure of the semiconductor laser element of the fourth embodiment. This embodiment is an example in which a magnesium-doped GaN layer is formed on each of two inclined surfaces facing each other across a ridgeline.
[0067]
A
[0068]
From the elongated strip-shaped
[0069]
On the silicon-doped
[0070]
In as a guide layer 0.05 Ga 0.95 On the
[0071]
A p-
[0072]
An n-side electrode layer 102 is formed in the
[0073]
In the semiconductor laser device of the present embodiment having the structure shown in FIG. 11, a magnesium-doped
[0074]
In this embodiment, the magnesium-doped
[0075]
[Fifth Embodiment]
FIG. 12 is a cross-sectional view of the element structure of the semiconductor laser element of the fifth embodiment. This embodiment is an example in which an active layer having a thin line width is formed on each of two inclined surfaces facing each other across a ridge line.
[0076]
A
[0077]
From the elongated strip-shaped
[0078]
On the silicon-doped
[0079]
Low
[0080]
An n-side electrode layer 122 is formed in the
[0081]
In the semiconductor laser device of the present embodiment having the structure shown in FIG. 12, an In layer which is an active layer having a thin line width in each of two crystal planes inclined with respect to the main surface of the substrate and provided on both sides of the ridgeline. 0.2 Ga 0.8 The
[0082]
In this embodiment, In 0.2 Ga 0.8 Although the
[0083]
[Sixth Embodiment]
FIG. 13 is a cross-sectional view of the main part of the gallium nitride compound semiconductor laser device of this embodiment. A
[0084]
From the elongated strip-shaped
[0085]
On the silicon-doped
[0086]
In as a guide layer 0.05 Ga 0.95 On the
[0087]
A p-side electrode layer 141 is formed in the region where the
[0088]
A
[0089]
In such a semiconductor laser element, since the
[0090]
【The invention's effect】
According to the semiconductor laser device of the present invention, since the narrow electrode layer, semiconductor layer, active layer, etc. function as a partial region on the crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate, each of the emission wavelengths varies. Thus, a laser element can be formed while being suppressed, and a semiconductor laser element having a stable emission wavelength can be manufactured with good reproducibility. Further, according to the semiconductor laser device of the present invention, since the crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate is used for light emission, the current density can be increased while suppressing crystal dislocation, and a semiconductor laser device having high luminance can be obtained. Can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an element structure of a semiconductor laser element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a partial region of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process perspective sectional view in the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, and is a process perspective sectional view up to an opening forming process.
FIG. 4 is a process perspective sectional view in the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, and is a process perspective sectional view up to a process of forming a silicon-doped GaN layer.
5 is a process perspective sectional view in the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, and is a sectional view taken along line VV in FIG. 4 and to a process of forming a silicon-doped GaN layer; FIG. FIG.
FIG. 6 is a process perspective sectional view in the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, and is a process perspective sectional view up to a process of forming a magnesium-doped GaN layer.
FIG. 7 is a process perspective sectional view in the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, and is a process perspective sectional view up to an opening forming process.
FIG. 8 is a process perspective sectional view in the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, and is a process perspective sectional view up to a p-side electrode layer forming process.
FIG. 9 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an element structure of a semiconductor laser element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser element according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor laser element according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between the wavelength and the length from the bottom of the semiconductor laser device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
11, 31, 51, 71, 91, 111, 131 substrate
12, 32, 52, 72, 92, 112, 132 Selection mask
13, 33, 53, 73, 93, 113, 133 Opening
14, 34, 54, 74, 94, 114, 134 Silicon-doped GaN layer
15, 35, 55, 75, 95, 115, 135 In 0.05 Ga 0.95 N layers
16, 36, 56, 76, 96, 116, 136 In 0.2 Ga 0.8 N layers
17, 37, 57, 77, 97, 118, 137 In 0.05 Ga 0.95 N layers
18, 38, 58, 78, 98, 119, 138 Magnesium-doped GaN layer
19, 41, 64, 65, 84, 85, 100, 120, 141 p-side electrode layer
22, 42, 62, 82, 102, 122, 142 n-side electrode layer
Claims (16)
前記活性層、前記第1導電型半導体層、及び前記第2導電型半導体層が前記結晶面に略垂直な断面において略三角形状に形成される構造を有し、
前記結晶面に略垂直な端面が共振面とされ、
発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域であり、
前記基板主面に対して傾斜した結晶面は基板からの選択成長により形成される
ことを特徴とする半導体レーザー素子。 Look clamping an active layer is extended along a crystal plane inclined to the substrate main surface in the first conductivity type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer,
The active layer, the first conductive semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer have a structure formed in a substantially triangular shape in a cross section substantially perpendicular to the crystal plane,
An end surface substantially perpendicular to the crystal plane is a resonance surface,
Ri partial region der in the light emitting region is inclined in the active layer surface,
The semiconductor laser device, wherein the crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate is formed by selective growth from the substrate .
前記活性層、前記第1導電型半導体層、及び前記第2導電型半導体層が前記結晶面に略垂直な断面において略台形形状に形成される構造を有し、
前記結晶面に略垂直な端面が共振面とされ、
発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域であり、
前記基板主面に対して傾斜した結晶面は基板からの選択成長により形成される
ことを特徴とする半導体レーザー素子。An active layer extending along a crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate is sandwiched between the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer,
The active layer, the first conductive semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer have a structure formed in a substantially trapezoidal shape in a cross section substantially perpendicular to the crystal plane,
An end surface substantially perpendicular to the crystal plane is a resonance surface,
Ri partial region der in the light emitting region is inclined in the active layer surface,
The semiconductor laser device, wherein the crystal plane inclined with respect to the main surface of the substrate is formed by selective growth from the substrate .
前記第1導電型半導体層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に第2導電型半導体層を形成する工程と、
前記第2導電型半導体層上の傾斜した面の一部で前記第2導電型半導体層に接する電極層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする半導体レーザー素子の製造方法。 Have a crystal plane tilted from the principal surface of the substrate by selective growth on a substrate to form a first conductivity type semiconductor layer having a structure in which a substantially triangular shape or a substantially trapezoidal shape in cross section substantially perpendicular to the crystal plane Process,
Forming an active layer on the first conductive semiconductor layer;
Forming a second conductivity type semiconductor layer on the active layer;
Forming an electrode layer in contact with the second conductivity type semiconductor layer at a part of an inclined surface on the second conductivity type semiconductor layer. A method for manufacturing a semiconductor laser device, comprising:
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