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JP4904653B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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JP4904653B2 JP2001293792A JP2001293792A JP4904653B2 JP 4904653 B2 JP4904653 B2 JP 4904653B2 JP 2001293792 A JP2001293792 A JP 2001293792A JP 2001293792 A JP2001293792 A JP 2001293792A JP 4904653 B2 JP4904653 B2 JP 4904653B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は高密度光情報処理やディスプレー分野などへの応用が期待されている可視域から紫外域の発振波長を有する半導体レーザなどのGaN系半導体発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
V族元素に窒素(N)を有する窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、可視域から紫外域の広い波長に発光帯を有し、特に短波長発光素子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム系化合物半導体(GaN系半導体:AlxGayInzN(0≦x, y, z≦1、x+y+z=1))は研究が盛んに行われ、青色発光ダイオード(LED)、緑色LEDが実用化されている。また、光ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長を有する半導体レーザが熱望されており、GaN系半導体を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用化レベルに達しようとしている。
【0003】
図6はレーザ発振が達成されているGaN系半導体レーザの構造断面図である。サファイア基板601上に有機金属気相成長法(MOVPE法)によりGaNバッファ層602、u-GaN603を成長する。次に、基板を結晶成長炉から取り出しフォトリソグラフィー技術を用いてSiO2マスク604をストライプ上にパターニングする。次に、再び前記基板を結晶成長炉に設置し、ELO-GaN605を再成長する。この時GaNはSiO2マスク604上を横方向成長する。この領域ではGaNとサファイアとの格子定数及び熱膨張係数のミスマッチングの影響が小さいので転位密度の小さい高品質なGaN結晶が得られる。次に、ひき続き結晶成長を行い、n-GaN層606、n-Al0.07Ga0.93Nクラッド層607、n-GaN第ガイド層608、Ga1-xInxN/Ga1-yInyN (0<y<x<1)から成る多重量子井戸活性層609、p-GaN光ガイド層610、p- Al0.07Ga0.93Nクラッド層611、p-GaNコンタクト層612が成長される。そしてp-GaNコンタクト層612上に幅3から10ミクロン程度の幅のリッジストライプが形成され、その両側は絶縁膜614によって埋め込まれる。その後リッジストライプおよび絶縁膜614上に例えばNi/Auから成るp電極613、また一部をn-GaN層606が露出するまでエッチングした表面に例えばTi/Alから成るn電極615が形成される。本素子においてn電極615を接地し、p電極613に電圧を印加すると、多重量子井戸活性層609に向かってp電極613側からホールが、またn電極615側から電子が注入され、前記多重量子井戸活性層609内で光学利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振を起こす。多重量子井戸活性層609の材料であるGa1-xInxN/Ga1-yInyN薄膜の組成や膜厚によって発振波長は変化する。現在室温以上での連続発振が実現されている。
【0004】
レーザ共振器面は例えば特開平8−213694号公報にあるように窒化物半導体層を形成していないサファイア基板面を研磨した後へき開して形成する。レーザチップの基板幅は400μm、共振器長は500μmである。また、p-GaNコンタクト層612上のリッジストライプは1〜50μmの範囲が光閉じ込めの観点から好ましいとされている。窒化物系半導体レーザチップの寸法に関しては、他に、アプライド・フィジクス・レターズ(Applied Physics Letters)、第69巻、p.1477、1996年に、共振器長が600μm、p-GaNコンタクト層上のリッジストライプは10μm、n-GaNコンタクト層にn電極を形成するためのリッジストライプの幅が150μmの場合が報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板上の窒化物系半導体レーザチップにおいては、サファイア基板とその上に成長する窒化物系半導体との間に熱膨張係数差に起因して、窒化物系半導体に熱応力(この場合圧縮応力)が発生しチップ自身が反ってしまうという問題があった。特に共振器方向において基板の反りが大きいと共振器面が互いに平行ではなくなり、光の損失が大きくなて光学的なフィードバックが十分に行えなくなるのでレーザしきい値の上昇をもたらす原因となった。発明者等がシミュレーション計算等を用いて鋭意検討を重ねた結果、この方向の反りは従来のレーザチップの寸法のように、n電極を形成するために作製したリッジの幅が共振器長よりも短いために共振器長方向の熱応力がより強いという異方性が生じているために起こっていることが判明した。
【0006】
さらに、発明者等が鋭意検討を重ねた結果、従来のようなレーザチップの寸法では光の共振方向とこれに垂直な方向の熱応力の異方性(応力値の大小関係)がレーザのしきい値電流低減に対して必ずしも十分ではないことが判明した。例えば、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス(journal of Applied Physics)、第80巻、p.6868、1996年にあるように、6方晶系である窒化物系半導体ではC面内において対称性を壊す異方性応力を印加することにより、価電子帯の状態密度を低減でき、その結果レーザ発振に必要なしきい電流が低減され、さらに光との結合のより有利な方向に異方性応力を印加すればより効果的にしきい電流が低減されることが報告されている。発明者等が計算した結果、従来のレーザチップにおいては、pコンタクト上のリッジストライプ及びn電極形成のためのリッジストライプを作製したことによって、熱応力がC面内においてストライプと垂直な方向に開放されるが、その効果は従来のレーザチップの寸法では十分に得られないことが判明した。
【0007】
本発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、異種基板上に作製された六方晶系窒化物系半導体特有の異方性応力を制御して高性能な半導体レーザを提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物系半導体素子は、活性層を含むリッジストライプの幅がレーザ共振器長以上の長さを有することを特徴とする。
【0009】
また、本発明の窒化物系半導体素子は、基板上に作製した窒化物系半導体層の基板側に最も近い段差ストライプの幅がレーザ共振器長と異なることを特徴とする。
【0010】
また、本発明の窒化物系半導体素子は、活性層を含むリッジストライプ内に溝構造を有することを特徴とする。特に、活性層を含むリッジストライプの表面側から活性層よりも深い位置まで溝が形成されることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明の窒化物半導体の成長方法は有機金属気相成長法(MOVPE)法に限定するものではなく、ハイドライド気相成長法(H-VPE法)や分子線エピタキシー法(MBE法)など、窒化物半導体層を成長させるためにこれまで提案されている全ての方法に適用できる。また、MOVPE成長法において、成長圧力は減圧から、大気圧、加圧(760Torr以上)いずれでも良く、各層において最適な圧力に切りかえても良い。また、原料を基板に供給するためのキャリアガスは少なくとも窒素または水素等の不活性ガスを含むガスで供給される。
【0012】
(実施の形態1)
図1は第1の実施例を示すGaN系半導体レーザの素子断面図である。
【0013】
基板101上にn−GaN層102(膜厚4μm)、n−Al0.07Ga0.93Nクラッド層103(膜厚0.7μm)、n−GaN光ガイド層104(膜厚0.12μm)、GaInN(膜厚3nm)/GaN(膜厚9nm)多重量子井戸(MQW)活性層105、p-Al0.14Ga0.86Nキャップ層106(膜厚20nm)、p−GaN光ガイド層107(膜厚0.12μm)、p-Al0.14Ga0.86N/GaN超格子クラッド層108(膜厚0.5μm)、p−GaNコンタクト層109(膜厚0.04μm)を順次堆積する。次に、p−GaNコンタクト層109、p-Al0.14Ga0.86N/GaN超格子クラッド層108をリッジストライプ状に加工(pストライプ113)し、リッジの両脇をSiO2絶縁膜111で覆い、電流注入領域を形成する。pストライプ113のストライプ幅は2〜5ミクロン程度である。絶縁膜111の開口部のp−GaNコンタクト層109表面と、絶縁膜111の一部はp電極110が設けられている。また、n−GaN層102の一部が露出するまでエッチングを行った表面には(p/nストライプ114の形成)、n電極112が形成されている。ここでp/nストライプ114の幅は400μmである。
【0014】
基板101はサファイアC面の他、SiC、Si、GaAs等を用いる。また選択成長法を用いて前記各種基板上に作製したGaN系結晶からなる基板であっても良い。
【0015】
次に、前記積層構造を作製した後、へき開によりレーザ共振器端面を形成してレーザバーを作製する。最後にスクライビングを行いレーザチップに分離する。共振器長は350μm、チップ幅は600μmである。本発明の共振器長は従来構造よりも短いが、作製方法としては、基板を研磨した後にスクライビングする方法やレーザビーム照射(アブレーション)等を用いて、この程度に短く加工することは十分可能である。
【0016】
次に、p/nストライプ幅及び共振器長の関係を本発明のように設定することの有効性について説明する。
【0017】
図4にレーザチップ寸法と熱応力による反りの関係を示す。p/nストライプ幅L1が共振器長L2よりも短いと、熱応力に起因して、共振器長方向により大きくデバイスが反り、その反対の関係(L1>L2)のとき共振器に対し垂直方向により大きく反ることが判明した。発明者等が有限要素法によりシミュレーション解析を行った結果、これは基板とGaN系結晶との間に生ずる熱応力がp/nストライプにより開放されることが原因になっていることが判明した。すなわち、窒化物系半導体と異なる、異種材料の基板であれば、お互いに熱膨張係数が異なるので、前記熱膨張係数差に起因して熱応力が発生する。
【0018】
図5に、シミュレーションからわかった熱応力の関係を示す。図5(a)は基板501上にGaN系レーザ構造502を作製した場合の前記レーザ構造に働く応力を示してある。この場合(例えばサファイア基板)基板の熱膨張係数がGaN系レーザ構造よりも大きいので、プロセス温度(約1000℃から室温まで冷却した場合に前記レーザ構造には圧縮性応力が働く。これに図5(b)に示すようなpストライプ503及びp/nストライプ504を作製することにより、その端部で圧縮応力が開放される。もし、p/nストライプ504の幅が共振器長よりも短い場合、C面内においてストライプに垂直な方向の圧縮性応力が小さくなる。計算によれば、ストライプ方向と前記垂直方向との圧縮性熱応力の差は数10Mpaとなることがわかった。特に、p/nストライプ504の長さと共振器長との大小関係により、pストライプ直下に存在する活性層の応力の異方性に影響が大きいことがわかった。
【0019】
本発明のように、p/nストライプの長さを共振器長よりも長くすることにより、共振器長方向で圧縮性熱応力が開放される効果の方が、p/nストライプで開放される効果よりも顕著になるので、共振器長方向よりこれに垂直な方向により圧縮性応力がかかり、共振器方向の反りは低減され、相対する共振器面の平行度が上がり共振ロスが低減され、レーザ発振しきい電流の低減をもたらす。
【0020】
なお、共振器長やレーザチップ寸法は一例であって、上記大小関係を満たしていれば本発明の効果が得られることは言うまでもない。
【0021】
さらに、同様の効果は、例えば図2に示すような他の類似の構造でも得られる。
【0022】
すなわち、図2(a)または(b)に示すようにn-GaN層の一部にストライプ状の段差215または段差217を設ける。各段差の膜厚はa=1μm、b=1.5μm(従ってn-GaN102の段差底部からの残り厚は1.5μm)、c=1μm、d=1.5μmである。各ストライプの幅は、図2(a)では、p/nストライプ114の幅が200μm、段差の幅216が450μmである。レーザ共振器長は350μmである。図2(b)では、p/nストライプ114の幅が200μm、段差の幅218が400μm 、e=50μmである。
【0023】
この段差はn-GaN層の一部を加工することを特徴とし、基板面まで彫り込むことはしない。段差の幅216または217は共振器長350μmよりも長く作製する。これにより、活性層においてC面内で共振器方向に垂直な方向の熱応力がより大きくなり、共振器方向での反りが低減された。その結果レーザ発振しきい電流が低減された。
【0024】
熱応力の計算では、基板上に作製された窒化物系半導体に複数個の段差ストライプを形成した場合、基板に1番近い段差ストライプの幅と共振器長との大小関係により熱応力の異方性の関係がきまることが判明した。従って、基板に1番近い段差ストライプの幅を共振器長よりも長くすることがレーザ発振しきい電流を低減させることに有効である。
【0025】
図7(a)に共振器方向の反りのp/nストライプ幅または最下部(基板に1番近い)の段差ストライプ幅の関係を示す。反りの定義は、レーザチップを水平に置いた場合に共振器中央の高さと両端の高さの差である。図に示すようにp/nストライプ幅または最下部(基板に1番近い)の段差ストライプ幅が共振器長を超えた場合に急激に低減される。これは、熱応力の異方性が前記ストライプと共振器長の大小関係で入れ替わることによると考えられる。
【0026】
(実施の形態2)
次に熱応力を効果的に制御することにより、異方性応力の効果でレーザのしきい電流を低減させる窒化物系半導体素子構造について説明する。
【0027】
図3に素子断面図を示す。各層において図1と符号が同一のものは同一の層である。図に示すようにpストライプ113の両脇にV溝を作製する。溝は活性層105の両脇を通ってn型層に到達することがより望ましいが、必ずしも活性層105に達する必要はない。溝の形状はV溝状に限定されるのではなく、底が平坦であっても良い。pストライプ113の両脇を彫り込むことが重要である。本実施例では、溝はpストライプ113の端から2μm離れており。溝の幅は約10μmである。溝の深さはn-AlGaNクラッド層103まで達している。なお、各層の膜厚は実施の形態1と同一である。溝はフォトリソグラフィー技術とドライエッチングプロセスまたはレーザ照射等を用いて任意の選択的に形成することが可能である。また、溝の位置はpストライプ113の両脇であればどこでも良いが、できるだけpストライプ113の端に近い方が望ましい。さらに、溝はpストライプ113の両脇にあることが望ましいが、何れか一方であっても良い。
【0028】
図7(b)には活性層近傍における熱応力の溝深さに対する依存性を示す。溝がないと圧縮性の大きな熱応力がかかるが、溝深さを増していくと、圧縮性応力が緩和され、図3に示す表面から活性層表面に相当する膜厚f以上に溝を掘り込むとむしろ引っ張り応力になる。すなわち、熱応力は溝深さが活性層よりも深く彫り込むことで劇的な変化を受けるのである。
【0029】
前記V溝を設けた場合の熱応力の分布を図5(c)に示す。V溝の底(基板に近い側)では圧縮性応力が印加されるのに対し、上部の発光領域503(活性層)近傍においては、溝下部の圧縮性応力の効果でむしろ引っ張り応力が働く。その結果、発光領域において共振器方向においては圧縮性応力が、C面内において共振器と垂直方向においては引っ張り応力がかかる。すなわち、従来構造のレーザチップに比べ、大幅に熱応力の異方性が得られることが可能になった。この異方性応力印加の結果、価電子帯のバンド構造においてバンドのスプリットを効果的に実現できた。これを用いて実際にデバイスを作製した結果、価電子帯の状態密度低減を反映してレーザ発振のしきい電流が約1/2に低減した。
【0030】
この構造はさらに、p/n接合の容量を低減させるという効果も同時にもたらし高速変調やノイズの低減にも効果的である。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物系半導体素子は、p/nストライプの長さを共振器長よりも長くすることにより、共振器長方向で圧縮性熱応力が開放される効果の方が、p/nストライプで開放される効果よりも顕著になるので、共振器長方向よりこれに垂直な方向により圧縮性応力がかかり、共振器方向の反りは低減され、相対する共振器面の平行度が上がり共振ロスが低減され、レーザ発振しきい電流の低減をもたらす。
【0032】
また、本発明の窒化物系半導体素子は、活性層近傍においてV溝構造を用いて熱応力の異方性を大幅につけることにより、価電子帯の状態密度低減をさせレーザ発振のしきい電流が約1/2に低減した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示すGaN系半導体レーザの構造断面図
【図2】本発明の第2の実施の形態を示すGaN系半導体レーザの構造断面図
【図3】本発明の第3の実施の形態を示すGaN系半導体レーザの構造断面図
【図4】反りとレーザチップの関係に関する本発明の効果を示す図
【図5】シミュレーションにより得たチップ構造と熱応力の関係を示す図
【図6】従来のGaN系量子井戸半導体レーザの素子断面図
【図7】本発明の効果を示す図
【符号の説明】
101 基板
102 n-GaN層
103 n-AlGaNクラッド層
104 n-GaN光ガイド層
105 活性層
106 p-AlGaNキャップ層
107 p-GaN光ガイド層
108 p-AlGaN/GaN超格子クラッド層
109 p-GaNコンタクト層
110 p電極
111 SiO2
112 n電極
113 pストライプ
114 p/nストライプ
215 段差
216 段差の幅
217 段差
218 段差の幅
315 V溝
501 基板
502 レーザ構造
503 pストライプ
504 p/nストライプ
505 V溝
601 基板
602 バッファ層
603 u-GaN層
604 SiO2マスク
605 ELO-GaN
606 n-GaN層
607 n-AlGaNクラッド層
608 n-GaN光ガイド層
609 活性層
610 p-GaN光ガイド層
611 p-AlGaNクラッド層
612 p-GaNコンタクト層
613 p電極
614 SiO2
615 n電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a GaN-based semiconductor light-emitting element such as a semiconductor laser having an oscillation wavelength from the visible region to the ultraviolet region, which is expected to be applied to high-density optical information processing and display fields.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors containing nitrogen (N) as a group V element have an emission band in a wide wavelength range from the visible region to the ultraviolet region due to the size of the band gap, and are particularly promising as materials for short-wavelength light emitting devices. Yes. In particular, gallium nitride-based compound semiconductors (GaN-based semiconductors: AlxGayInzN (0≤x, y, z≤1, x + y + z = 1)) are actively studied, and blue light-emitting diodes (LEDs) and green LEDs are It has been put into practical use. In addition, in order to increase the capacity of optical disk devices, semiconductor lasers having an oscillation wavelength in the 400 nm band have been eagerly desired, and semiconductor lasers made of GaN-based semiconductors have attracted attention and are now reaching a practical level.
[0003]
FIG. 6 is a structural sectional view of a GaN-based semiconductor laser in which laser oscillation is achieved. A GaN buffer layer 602 and u-GaN 603 are grown on the sapphire substrate 601 by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Next, the substrate is taken out of the crystal growth furnace, and the SiO 2 mask 604 is patterned on the stripes using a photolithography technique. Next, the substrate is again placed in a crystal growth furnace, and ELO-GaN 605 is regrown. At this time, GaN grows laterally on the SiO 2 mask 604. In this region, the effect of mismatching between the lattice constant and the thermal expansion coefficient between GaN and sapphire is small, so a high-quality GaN crystal with a low dislocation density can be obtained. Next, crystal growth is continued, and an n-GaN layer 606, an n-Al0.07Ga0.93N cladding layer 607, an n-GaN first guide layer 608, Ga1-xInxN / Ga1-yInyN (0 <y <x <1 ), A p-GaN optical guide layer 610, a p-Al0.07Ga0.93N cladding layer 611, and a p-GaN contact layer 612 are grown. A ridge stripe having a width of about 3 to 10 microns is formed on the p-GaN contact layer 612, and both sides thereof are buried with an insulating film 614. Thereafter, a p-electrode 613 made of, for example, Ni / Au is formed on the ridge stripe and the insulating film 614, and an n-electrode 615 made of, for example, Ti / Al is formed on the surface etched partially until the n-GaN layer 606 is exposed. In this device, when the n electrode 615 is grounded and a voltage is applied to the p electrode 613, holes are injected from the p electrode 613 side and electrons from the n electrode 615 side toward the multiple quantum well active layer 609, and the multiple quantum wells are injected. An optical gain is generated in the well active layer 609, and laser oscillation in an oscillation wavelength band of 400 nm occurs. The oscillation wavelength varies depending on the composition and film thickness of the Ga1-xInxN / Ga1-yInyN thin film, which is the material of the multiple quantum well active layer 609. Currently, continuous oscillation above room temperature has been realized.
[0004]
The surface of the laser resonator is formed by polishing and cleaving the sapphire substrate surface on which the nitride semiconductor layer is not formed, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-213694. The substrate width of the laser chip is 400 μm, and the resonator length is 500 μm. The ridge stripe on the p-GaN contact layer 612 is preferably in the range of 1 to 50 μm from the viewpoint of optical confinement. Regarding the dimensions of the nitride-based semiconductor laser chip, other than that, Applied Physics Letters, Vol. 69, p. In 1477, 1996, it was reported that the resonator length was 600 μm, the ridge stripe on the p-GaN contact layer was 10 μm, and the width of the ridge stripe for forming the n electrode on the n-GaN contact layer was 150 μm. .
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the nitride semiconductor laser chip on the sapphire substrate, the thermal stress (in this case) is applied to the nitride semiconductor due to the difference in thermal expansion coefficient between the sapphire substrate and the nitride semiconductor grown on the sapphire substrate. There is a problem that the chip itself is warped due to the occurrence of compressive stress. In particular, if the substrate warpage is large in the direction of the resonator, the resonator surfaces are not parallel to each other, and the loss of light is so large that optical feedback cannot be performed sufficiently, leading to an increase in the laser threshold. As a result of extensive studies by the inventors using simulation calculations, the warpage in this direction is such that the width of the ridge produced for forming the n-electrode is larger than the cavity length, as in the dimensions of a conventional laser chip. It was found that this was caused by the anisotropy that the thermal stress in the cavity length direction was stronger due to the short length.
[0006]
Furthermore, as a result of extensive investigations by the inventors, the laser chip size and the thermal stress anisotropy (relationship between the stress values) in the direction perpendicular to the resonance direction of the laser are the same. It has been found that this is not always sufficient for threshold current reduction. See, for example, Journal of Applied Physics, Volume 80, p. As shown in 6868, 1996, hexagonal nitride-based semiconductors can reduce the valence band density of states by applying anisotropic stress that breaks symmetry in the C plane. It has been reported that the threshold current required for laser oscillation is reduced, and that the threshold current is more effectively reduced if anisotropic stress is applied in a more advantageous direction of coupling with light. As a result of calculations by the inventors, in the conventional laser chip, the ridge stripe on the p-contact and the ridge stripe for forming the n-electrode are produced, so that the thermal stress is released in the direction perpendicular to the stripe in the C plane. However, it has been found that the effect cannot be sufficiently obtained with the size of the conventional laser chip.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a high-performance semiconductor laser by controlling the anisotropic stress peculiar to hexagonal nitride semiconductors fabricated on different substrates. is there.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The nitride-based semiconductor device of the present invention is characterized in that the width of the ridge stripe including the active layer has a length equal to or longer than the laser resonator length.
[0009]
The nitride-based semiconductor device of the present invention is characterized in that the width of the step stripe closest to the substrate side of the nitride-based semiconductor layer fabricated on the substrate is different from the laser resonator length.
[0010]
In addition, the nitride semiconductor device of the present invention is characterized by having a groove structure in a ridge stripe including an active layer. In particular, the groove is formed from the surface side of the ridge stripe including the active layer to a position deeper than the active layer.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The nitride semiconductor growth method of the present invention is not limited to metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), but nitriding such as hydride vapor phase epitaxy (H-VPE) and molecular beam epitaxy (MBE). The present invention can be applied to all methods proposed so far for growing a physical semiconductor layer. Further, in the MOVPE growth method, the growth pressure may be any of reduced pressure, atmospheric pressure, and pressurized pressure (760 Torr or higher), or may be switched to an optimum pressure in each layer. The carrier gas for supplying the raw material to the substrate is supplied as a gas containing at least an inert gas such as nitrogen or hydrogen.
[0012]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view of an element of a GaN-based semiconductor laser showing a first embodiment.
[0013]
An n-GaN layer 102 (film thickness 4 μm), an n-Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 103 (film thickness 0.7 μm), an n-GaN light guide layer 104 (film thickness 0.12 μm), GaInN (film thickness) 3 nm) / GaN (9 nm thickness) multiple quantum well (MQW) active layer 105, p-Al 0.14 Ga 0.86 N cap layer 106 (thickness 20 nm), p-GaN light guide layer 107 (thickness 0.12 μm), p -Al 0.14 Ga 0.86 N / GaN superlattice clad layer 108 (film thickness 0.5 μm) and p-GaN contact layer 109 (film thickness 0.04 μm) are sequentially deposited. Next, the p-GaN contact layer 109 and the p-Al 0.14 Ga 0.86 N / GaN superlattice cladding layer 108 are processed into a ridge stripe (p stripe 113), and both sides of the ridge are covered with the SiO 2 insulating film 111. A current injection region is formed. The stripe width of the p stripe 113 is about 2 to 5 microns. A p-electrode 110 is provided on the surface of the p-GaN contact layer 109 in the opening of the insulating film 111 and part of the insulating film 111. An n-electrode 112 is formed on the surface etched until a part of the n-GaN layer 102 is exposed (formation of the p / n stripe 114). Here, the width of the p / n stripe 114 is 400 μm.
[0014]
For the substrate 101, SiC, Si, GaAs or the like is used in addition to the sapphire C surface. Moreover, the board | substrate which consists of a GaN-type crystal produced on the said various board | substrates using the selective growth method may be sufficient.
[0015]
Next, after producing the laminated structure, a laser resonator end face is formed by cleavage to produce a laser bar. Finally, scribing is performed to separate the laser chip. The resonator length is 350 μm and the chip width is 600 μm. Although the resonator length of the present invention is shorter than that of the conventional structure, as a manufacturing method, a method of scribing after polishing the substrate, laser beam irradiation (ablation), or the like can be sufficiently processed to this extent. is there.
[0016]
Next, the effectiveness of setting the relationship between the p / n stripe width and the resonator length as in the present invention will be described.
[0017]
FIG. 4 shows the relationship between laser chip dimensions and warpage due to thermal stress. If the p / n stripe width L1 is shorter than the resonator length L2, the device warps more greatly in the resonator length direction due to thermal stress, and the opposite relationship (L 1 > L 2 ) It turns out that it warps more greatly in the vertical direction. As a result of the simulation analysis performed by the inventors using the finite element method, it has been found that this is caused by the release of the thermal stress generated between the substrate and the GaN crystal by the p / n stripe. That is, if the substrates are made of different materials, which are different from the nitride-based semiconductor, the thermal expansion coefficients are different from each other, and thermal stress is generated due to the difference in the thermal expansion coefficients.
[0018]
FIG. 5 shows the relationship of thermal stress found from the simulation. FIG. 5A shows the stress acting on the laser structure when a GaN-based laser structure 502 is formed on the substrate 501. In this case (for example, a sapphire substrate), the thermal expansion coefficient of the substrate is larger than that of the GaN-based laser structure, so that compressive stress acts on the laser structure when cooled from the process temperature (about 1000 ° C. to room temperature). (B) creates a p stripe 503 and a p / n stripe 504, so that the compressive stress is released at the ends of the p stripe 503. If the width of the p / n stripe 504 is shorter than the resonator length , The compressive stress in the direction perpendicular to the stripe becomes smaller in the plane C. According to the calculation, the difference in compressive thermal stress between the stripe direction and the perpendicular direction is several tens of MPa, especially p. It has been found that the stress anisotropy of the active layer existing directly under the p stripe has a great influence due to the magnitude relationship between the length of the / n stripe 504 and the resonator length.
[0019]
By making the length of the p / n stripe longer than the resonator length as in the present invention, the effect of releasing compressive thermal stress in the resonator length direction is released by the p / n stripe. Since it becomes more prominent than the effect, compressive stress is applied in the direction perpendicular to the resonator length direction, the warpage in the resonator direction is reduced, the parallelism of the opposing resonator surface is increased, and the resonance loss is reduced, The laser oscillation threshold current is reduced.
[0020]
It should be noted that the resonator length and the laser chip dimensions are examples, and it goes without saying that the effects of the present invention can be obtained as long as the above size relationship is satisfied.
[0021]
Further, the same effect can be obtained with another similar structure as shown in FIG.
[0022]
That is, as shown in FIG. 2A or 2B, a stripe-shaped step 215 or step 217 is provided in a part of the n-GaN layer. The thickness of each step is a = 1 μm, b = 1.5 μm (therefore, the remaining thickness from the bottom of the step of n-GaN 102 is 1.5 μm), c = 1 μm, and d = 1.5 μm. In FIG. 2A, the width of each stripe is 200 μm for the p / n stripe 114 and 450 μm for the step width 216. The laser cavity length is 350 μm. In FIG. 2B, the width of the p / n stripe 114 is 200 μm, the step width 218 is 400 μm, and e = 50 μm.
[0023]
This step is characterized by processing a part of the n-GaN layer and does not engrave the substrate surface. The step width 216 or 217 is made longer than the resonator length of 350 μm. As a result, in the active layer, the thermal stress in the direction perpendicular to the resonator direction in the C plane becomes larger, and the warpage in the resonator direction is reduced. As a result, the lasing threshold current was reduced.
[0024]
In the calculation of thermal stress, when a plurality of step stripes are formed on a nitride semiconductor fabricated on a substrate, the thermal stress is anisotropic due to the size relationship between the width of the step stripe closest to the substrate and the resonator length. It became clear that there was a gender relationship. Accordingly, it is effective to reduce the laser oscillation threshold current by making the width of the step stripe closest to the substrate longer than the resonator length.
[0025]
FIG. 7A shows the relationship between the p / n stripe width of the warp in the resonator direction or the step stripe width at the bottom (closest to the substrate). The definition of warp is the difference between the height of the center of the resonator and the height of both ends when the laser chip is placed horizontally. As shown in the figure, when the p / n stripe width or the step stripe width at the bottom (closest to the substrate) exceeds the resonator length, it is rapidly reduced. This is considered to be due to the fact that the anisotropy of thermal stress is switched by the magnitude relationship between the stripe and the resonator length.
[0026]
(Embodiment 2)
Next, a nitride-based semiconductor device structure in which the threshold current of the laser is reduced by the effect of anisotropic stress by effectively controlling the thermal stress will be described.
[0027]
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the element. In each layer, the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same layers. As shown in the figure, V grooves are formed on both sides of the p stripe 113. Although it is more desirable for the trench to reach the n-type layer through both sides of the active layer 105, it does not necessarily need to reach the active layer 105. The shape of the groove is not limited to the V-groove shape, and the bottom may be flat. It is important to carve both sides of the p stripe 113. In this embodiment, the groove is 2 μm away from the end of the p stripe 113. The width of the groove is about 10 μm. The depth of the groove reaches the n-AlGaN cladding layer 103. The film thickness of each layer is the same as that in the first embodiment. The groove can be selectively formed using a photolithographic technique and a dry etching process or laser irradiation. Further, the position of the groove may be anywhere on both sides of the p stripe 113, but it is desirable that the groove be as close to the end of the p stripe 113 as possible. Further, it is desirable that the groove be on both sides of the p stripe 113, but it may be either one.
[0028]
FIG. 7B shows the dependence of thermal stress on the groove depth in the vicinity of the active layer. If there is no groove, a large compressive thermal stress is applied. However, as the groove depth is increased, the compressive stress is relaxed, and the groove is dug beyond the thickness f corresponding to the active layer surface from the surface shown in FIG. Rather, it becomes tensile stress. That is, the thermal stress undergoes a dramatic change as the groove depth is carved deeper than the active layer.
[0029]
FIG. 5C shows the distribution of thermal stress when the V-groove is provided. While compressive stress is applied to the bottom of the V-groove (on the side close to the substrate), tensile stress acts rather in the vicinity of the upper light emitting region 503 (active layer) due to the compressive stress in the lower portion of the groove. As a result, compressive stress is applied in the direction of the resonator in the light emitting region, and tensile stress is applied in the direction perpendicular to the resonator in the C plane. That is, the thermal stress anisotropy can be greatly obtained as compared with the laser chip having the conventional structure. As a result of the application of this anisotropic stress, band splitting was effectively realized in the band structure of the valence band. As a result of actually fabricating a device using this, the threshold current of laser oscillation was reduced to about ½ reflecting the reduction in the state density of the valence band.
[0030]
This structure also has the effect of reducing the capacitance of the p / n junction, and is effective for high-speed modulation and noise reduction.
[0031]
【Effect of the invention】
As described above, the nitride semiconductor device of the present invention has the effect of releasing compressive thermal stress in the resonator length direction by making the length of the p / n stripe longer than the resonator length. However, since the effect is more pronounced than the effect of being released by the p / n stripe, the compressive stress is applied in the direction perpendicular to the resonator length direction, and the warpage in the resonator direction is reduced. The parallelism is increased, the resonance loss is reduced, and the laser oscillation threshold current is reduced.
[0032]
In addition, the nitride-based semiconductor device of the present invention uses a V-groove structure in the vicinity of the active layer to significantly increase the anisotropy of thermal stress, thereby reducing the valence band state density and causing the laser oscillation threshold current. Reduced to about ½.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural cross-sectional view of a GaN-based semiconductor laser showing a first embodiment of the invention. FIG. 2 is a structural cross-sectional view of a GaN-based semiconductor laser showing a second embodiment of the invention. FIG. 4 is a structural cross-sectional view of a GaN-based semiconductor laser showing a third embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the effect of the present invention on the relationship between warpage and a laser chip. FIG. 6 is a sectional view of an element of a conventional GaN-based quantum well semiconductor laser. FIG. 7 is a diagram illustrating the effect of the present invention.
101 Substrate 102 n-GaN layer 103 n-AlGaN cladding layer 104 n-GaN light guide layer 105 active layer 106 p-AlGaN cap layer 107 p-GaN light guide layer 108 p-AlGaN / GaN superlattice cladding layer 109 p-GaN Contact layer 110 p electrode 111 SiO2
112 n electrode 113 p stripe 114 p / n stripe 215 step 216 step width 217 step 218 step width 315 V groove 501 substrate 502 laser structure 503 p stripe 504 p / n stripe 505 V groove 601 substrate 602 buffer layer 603 u− GaN layer 604 SiO 2 mask 605 ELO-GaN
606 n-GaN layer 607 n-AlGaN cladding layer 608 n-GaN light guide layer 609 active layer 610 p-GaN light guide layer 611 p-AlGaN cladding layer 612 p-GaN contact layer 613 p electrode 614 SiO 2
615 n electrode

Claims (3)

活性層を含むリッジストライプの幅がレーザ共振器長以上の長さを有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。A nitride-based semiconductor light-emitting device characterized in that the width of the ridge stripe including the active layer has a length equal to or longer than the laser resonator length. 基板上に作製した窒化物系半導体層の基板側に最も近い段差ストライプの幅がレーザ共振器長以上の長さを有することを特徴とする窒化物系半導体発光素子。A nitride-based semiconductor light-emitting device characterized in that the width of a step stripe closest to the substrate side of a nitride-based semiconductor layer fabricated on a substrate has a length greater than or equal to the laser resonator length. 基板上に作製した窒化物系半導体層に複数個の幅が異なる段差ストライプを有することを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物系半導体発光素子。The nitride-based semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the nitride-based semiconductor layer formed on the substrate has a plurality of step stripes having different widths.
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