JP7656294B2 - Laser Diode - Google Patents
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Description
本開示は、レーザダイオードに関する。 This disclosure relates to laser diodes.
窒化物半導体は、直接遷移の再結合形態を有することから、高い再結合効率および高い光学利得を得ることができる点で、レーザダイオードのための材料として適している。例えば、窒化物半導体を用いた、紫外領域での電流注入型のレーザダイオードを発振させる技術が開示されている(例えば、非特許文献1)。 Nitride semiconductors have a direct transition recombination mode, which allows high recombination efficiency and high optical gain to be obtained, making them suitable materials for laser diodes. For example, a technology has been disclosed for oscillating a current-injection type laser diode in the ultraviolet region using a nitride semiconductor (for example, Non-Patent Document 1).
レーザダイオードの技術常識を参酌すると、紫外光を発光するレーザダイオードは、低い発振閾値電流密度にて発振させる構成が好ましい。また、紫外光を発光するレーザダイオードでは、熱による素子性能の低下を防ぐため、素子抵抗を低減させて、より低い駆動電力による発振特性を有することが好ましい。素子抵抗を低減させてレーザダイオードを低い電力にて発振させるためには、メサ構造上に配置される電極を、メサ構造の側面に極力近づけて配置する構成が適切であると考えられる。 Taking into consideration the technical common sense of laser diodes, it is preferable for a laser diode that emits ultraviolet light to be configured to oscillate at a low oscillation threshold current density. Furthermore, in order to prevent deterioration of element performance due to heat, it is preferable for a laser diode that emits ultraviolet light to have oscillation characteristics at a lower driving power by reducing the element resistance. In order to reduce the element resistance and oscillate the laser diode at a low power, it is considered appropriate to configure the electrodes placed on the mesa structure as close as possible to the side of the mesa structure.
しかしながら、紫外光を発光するレーザダイオードにこのような構成を適用しても、所望の低い発振閾値電流密度を得られないのが実情である。その理由として、メサ構造の側面付近においては、メサ構造の側面から導入される転位がメサ構造上に設けられた電極の直下の発光層に到達することによって、光利得を阻害する非発光領域が生ずるためであると考えられる。
かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、より低い素子抵抗を達成するレーザダイオードを提供することにある。
However, even if such a configuration is applied to a laser diode that emits ultraviolet light, the desired low oscillation threshold current density cannot be obtained. The reason for this is believed to be that near the side surface of the mesa structure, dislocations introduced from the side surface of the mesa structure reach the light-emitting layer directly below the electrode provided on the mesa structure, resulting in the generation of a non-light-emitting region that inhibits optical gain.
SUMMARY OF THE DISCLOSURE In view of the above circumstances, an object of the present disclosure is to provide a laser diode that achieves a lower element resistance.
上述した課題を解決するために、本開示の一実施形態に係るレーザダイオードは、Alを含む窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に配置される半導体積層部と、を備え、半導体積層部は、窒化物半導体基板上に配置された、第1導電型の窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、第1導電型クラッド層上に配置された、一つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体で形成された発光層と、発光層上に配置された、第2導電型の窒化物半導体を含む第2導電型クラッド層と、を有し、半導体積層部の少なくとも一部は、光共振および射出のために形成されたメサ構造であり、メサ構造の側面のうち光共振方向に垂直ではない側面は、平面視において複数の凸部を有している。
なお、上述した発明の概要は、本開示の特徴の全てを列挙したものではない。
In order to solve the above-mentioned problems, a laser diode according to an embodiment of the present disclosure includes a nitride semiconductor substrate containing Al, and a semiconductor laminate portion disposed on the nitride semiconductor substrate, the semiconductor laminate portion having: a first conductivity type cladding layer including a nitride semiconductor layer of a first conductivity type disposed on the nitride semiconductor substrate; a light emitting layer formed of a nitride semiconductor including one or more quantum wells disposed on the first conductivity type cladding layer; and a second conductivity type cladding layer including a nitride semiconductor of a second conductivity type disposed on the light emitting layer, at least a portion of the semiconductor laminate portion is a mesa structure formed for optical resonance and emission, and a side surface of the mesa structure that is not perpendicular to the optical resonance direction has a plurality of convex portions in a planar view.
It should be noted that the above summary of the invention does not list all of the features of the present disclosure.
本開示の一態様によれば、発振閾値電流の低いレーザダイオードを提供することができる。 According to one aspect of the present disclosure, a laser diode with a low oscillation threshold current can be provided.
以下、実施形態を通じて本開示に係るレーザダイオードを説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The laser diode according to the present disclosure will be described below through embodiments, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
また、以下、説明の便宜上、「上」とは、図面に描かれた第2電極側を意味するものとし、「下」とは、図面に描かれた基板側を意味するものとする。ただし、「上」、「下」とは、便宜的に定められたものに過ぎず、限定的に解釈すべきものではない。 For the sake of convenience, hereinafter, "top" refers to the second electrode side depicted in the drawings, and "bottom" refers to the substrate side depicted in the drawings. However, "top" and "bottom" are merely defined for convenience and should not be interpreted in a restrictive manner.
1.実施形態
本開示の実施形態に係るレーザダイオードについて説明する。
1. Embodiment A laser diode according to an embodiment of the present disclosure will be described.
(1.1)紫外レーザダイオードの構造
本開示に係るレーザダイオードは、
Alを含む窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に配置される半導体積層部と、を備え、半導体積層部は、窒化物半導体基板上に配置された、第1導電型の窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、第1導電型クラッド層上に配置された、一つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体で形成された発光層と、発光層上に配置された、第2導電型の窒化物半導体を含む第2導電型クラッド層と、を有し、半導体積層部の少なくとも一部は、光共振および射出のために形成されたメサ構造であり、メサ構造の側面のうち光共振方向に垂直ではない側面は、平面視において複数の凸部を有している。
(1.1) Structure of the ultraviolet laser diode The laser diode according to the present disclosure has the following features:
The semiconductor laminate comprises a nitride semiconductor substrate containing Al, and a semiconductor laminate portion disposed on the nitride semiconductor substrate, the semiconductor laminate portion having: a first conductivity type cladding layer including a nitride semiconductor layer of a first conductivity type disposed on the nitride semiconductor substrate; a light emitting layer formed of a nitride semiconductor including one or more quantum wells disposed on the first conductivity type cladding layer; and a second conductivity type cladding layer including a nitride semiconductor of a second conductivity type disposed on the light emitting layer, at least a portion of the semiconductor laminate portion is a mesa structure formed for optical resonance and emission, and a side of the mesa structure that is not perpendicular to the optical resonance direction has a plurality of convex portions in a planar view.
本開示に係るレーザダイオードが低い素子抵抗を実現できる理由としては、メサ構造の側面のうち光共振方向に垂直ではない側面(共振器ミラー端面ではない側面)に複数の凸部を有していることで、このような凸部を備えない形態と比較して、メサ構造の側面から導入される転位が抑制され、光利得を阻害する非発光領域が低減するためであると考えられる。
以下、本開示に係る紫外レーザダイオードの各構成を説明をする。
The reason why the laser diode according to the present disclosure can achieve low element resistance is believed to be that the side surfaces of the mesa structure that are not perpendicular to the optical resonance direction (side surfaces that are not the resonator mirror end faces) have multiple convex portions, which suppresses dislocations introduced from the side surfaces of the mesa structure and reduces non-light-emitting regions that inhibit optical gain compared to a configuration that does not have such convex portions.
Each component of the ultraviolet laser diode according to the present disclosure will be described below.
<窒化物半導体基板>
窒化物半導体基板(以下、基板と記載することがある)は、Alを含む窒化物半導体を含んでいる。Alを含む窒化物半導体は、例えばAlNである。すなわち、基板はAlN単結晶基板であることが好ましい。また、Alを含む窒化物半導体は、AlNに限定されず、例えばAlGaNであってよい。例えば、基板がAlN、AlGaN等の窒化物半導体単結晶基板である場合、基板の上側に形成される窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくできる。
基板の貫通転位密度は、5×104cm-2以下であることが好ましい。特に、発振閾値電流の低減の観点から、貫通転位密度は1×103以上1×104cm-2以下であることがより好ましい。
<Nitride Semiconductor Substrate>
The nitride semiconductor substrate (hereinafter, sometimes referred to as substrate) includes a nitride semiconductor containing Al. The nitride semiconductor containing Al is, for example, AlN. That is, the substrate is preferably an AlN single crystal substrate. The nitride semiconductor containing Al is not limited to AlN, and may be, for example, AlGaN. For example, when the substrate is a nitride semiconductor single crystal substrate such as AlN or AlGaN, the difference in lattice constant with the nitride semiconductor layer formed on the substrate becomes small, and the nitride semiconductor layer is grown in a lattice-matched system, thereby reducing threading dislocations.
The threading dislocation density of the substrate is preferably 5×10 4 cm −2 or less. In particular, from the viewpoint of reducing the oscillation threshold current, the threading dislocation density is more preferably 1×10 3 to 1×10 4 cm −2 .
ここで、「窒化物半導体を含む」という表現における「含む」とは、窒化物半導体を主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、窒化物半導体以外の元素を少量(例えばGa(Gaが主元素でない場合)、In、As、P、またはSb等の元素を数%以下)加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれる。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有する。また、含まれる少量元素については前述の限りではない。 Here, the "comprises" in the expression "comprises a nitride semiconductor" means that the layer mainly contains a nitride semiconductor, but this expression also includes cases where other elements are included. Specifically, this expression also includes cases where the composition of this layer is slightly changed by adding a small amount of an element other than the nitride semiconductor (for example, a few percent or less of elements such as Ga (when Ga is not the main element), In, As, P, or Sb). In expressions regarding the composition of other layers, the wording "comprises" has a similar meaning. Furthermore, the small amount of elements contained is not limited to the above.
また、基板は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、n型またはp型にドーピングされてよい。また、基板は、AlN等の窒化物半導体と、サファイア(Al2O3)、Si、SiC、MgO、Ga2O3、ZnO、GaNまたはInNとの混晶であってもよい。 The substrate may be doped n-type or p-type with a donor impurity or an acceptor impurity, or may be a mixed crystal of a nitride semiconductor such as AlN and sapphire ( Al2O3 ), Si, SiC , MgO , Ga2O3 , ZnO, GaN, or InN.
基板は、一例として100μm以上600μm以下の層厚を有することが好ましい。
また、面方位はc面(0001)、a面(11-20)、m面(10-10)などが挙げられるが、c面(0001)基板がより好ましい。さらに、c面(0001)法線方向からいくらかの角度(例えば-4°~4°、好ましくは-0.4°~0.4°)に傾いた面上に形成することができるが、これに限らない。
As an example, the substrate preferably has a layer thickness of 100 μm or more and 600 μm or less.
The surface orientation may be c-plane (0001), a-plane (11-20), m-plane (10-10), etc., with a c-plane (0001) substrate being more preferred. Furthermore, the substrate may be formed on a surface tilted at some angle (for example, −4° to 4°, preferably −0.4° to 0.4°) from the normal direction of the c-plane (0001), but is not limited thereto.
<第1導電型クラッド層>
第1導電型クラッド層は、基板上に形成される。ここで、例えば「第1導電型クラッド層は基板上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板の一方の面上に第1導電型クラッド層が形成されることを意味する。また、基板と第1導電型クラッド層との間に別の層がさらに存在する場合も上述の表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。例えば、後述する第1導電型導波路層上に電子ブロック層を介して第2導電型クラッド層が形成される場合も、「第2導電型クラッド層は第1導電型導波路層上に形成される」という表現に含まれる。また、本実施形態の説明において、「第1導電型」および「第2導電型」は、それぞれ異なる導電型を示す半導体であることを意味し、例えば、一方がn型導電性である場合は、他方がp型導電性となる。
<First Conductive Type Cladding Layer>
The first conductive cladding layer is formed on the substrate. Here, for example, the word "on" in the expression "the first conductive cladding layer is formed on the substrate" means that the first conductive cladding layer is formed on one side of the substrate. The above expression also includes the case where another layer is present between the substrate and the first conductive cladding layer. The word "on" has the same meaning in the relationship between other layers. For example, the expression "the second conductive cladding layer is formed on the first conductive waveguide layer" also includes the case where the second conductive cladding layer is formed on the first conductive waveguide layer via an electron block layer. In the description of this embodiment, the "first conductive type" and the "second conductive type" mean semiconductors having different conductive types, and for example, when one is n-type conductive, the other is p-type conductive.
本実施形態のレーザダイオードにおける第1導電型クラッド層は、AlおよびGaを含む窒化物半導体の層である。第1導電型クラッド層は、例えばAlaGa(1-a)N(0<a<1)により形成される。これにより、深紫外領域のバンドギャップエネルギーに対応する材料を発光層として形成する場合に、発光層の結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。高い発光効率を実現する観点から、第1導電型クラッド層を構成する窒化物半導体は、AlNおよびGaNの混晶であることが好ましい。また、基板に対して完全歪で成長させる観点から、第1導電型クラッド層は、AlaGa(1-a)N(0.6≦a≦0.8)により形成されることがより好ましい。 The first conductive cladding layer in the laser diode of this embodiment is a layer of a nitride semiconductor containing Al and Ga. The first conductive cladding layer is formed of, for example, Al a Ga (1-a) N (0<a<1). This makes it possible to enhance the crystallinity of the light emitting layer and improve the light emitting efficiency when a material corresponding to the band gap energy of the deep ultraviolet region is formed as the light emitting layer. From the viewpoint of realizing high light emitting efficiency, the nitride semiconductor constituting the first conductive cladding layer is preferably a mixed crystal of AlN and GaN. Moreover, from the viewpoint of growing with complete distortion on the substrate, it is more preferable that the first conductive cladding layer is formed of Al a Ga (1-a) N (0.6≦a≦0.8).
第1導電型クラッド層は、不純物によりドーピングされていてもよい。不純物としては、例えば、Si、Ge、C、Oなどが挙げられる。不純物としては、これらの不純物の何れか1つが選択されてもよいし、これらの不純物の複数が選択されてもよい。不純物の濃度は、特に限定されるものではないが、1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下であることが好ましく、5×1018cm-3以上5×1019cm-3以下であることがより好ましい。 The first conductive type cladding layer may be doped with an impurity. Examples of the impurity include Si, Ge, C, and O. Any one of these impurities may be selected as the impurity, or a combination of these impurities may be selected. The concentration of the impurity is not particularly limited, but is preferably 1×10 17 cm −3 or more and 1×10 20 cm −3 or less, and more preferably 5×10 18 cm −3 or more and 5×10 19 cm −3 or less.
第1導電型クラッド層は、第1導電型クラッド層内での格子緩和の観点と膜抵抗の観点から、200nm以上800nm以下の層厚を有することが好ましく、300nm以上750nm以下の層厚を有することがより好ましく、300nm以上500nm以下の層厚を有することが更に好ましい。 From the viewpoint of lattice relaxation within the first conductivity type cladding layer and from the viewpoint of film resistance, the first conductivity type cladding layer preferably has a layer thickness of 200 nm or more and 800 nm or less, more preferably has a layer thickness of 300 nm or more and 750 nm or less, and even more preferably has a layer thickness of 300 nm or more and 500 nm or less.
<発光層>
発光層は、第1導電型クラッド層の上方に設けられている。発光層では、発光波長が210nm以上360nm以下であることが好ましい。
発光層は、1つ以上の量子井戸層を有している。量子井戸層では、所望する発光波長により、材料が適宜選択されてよい。量子井戸層に用いられる材料としては、紫外領域の発光波長を得る目的である場合、例えば、AlbGa1-bN(0≦b≦0.8)などが挙げられる。
<Light-emitting layer>
The light emitting layer is provided above the first conductive type cladding layer. The light emitting layer preferably has an emission wavelength of 210 nm or more and 360 nm or less.
The light emitting layer has one or more quantum well layers. In the quantum well layer, a material may be appropriately selected depending on a desired emission wavelength. For the purpose of obtaining an emission wavelength in the ultraviolet region, a material used for the quantum well layer may be, for example, Al b Ga 1-b N (0≦b≦0.8).
発光層は、量子井戸層の上方若しくは下方、又は上方及び下方の双方が、量子井戸層と異なる材料で形成された層により挟まれた構造を有している。量子井戸層と異なる材料で形成された層としては、例えば、厚さ1nm以上20nm以下のAlcGa1-cN(0.5≦c<0.7)層などが挙げられる。
発光層は、一部が、不純物によりドーピングされていてもよい。不純物としては、例えば、Si、Cなどが挙げられる。なお、発光層は、意図的に不純物がドーピングされていない構造(アンドープ層)であってもよい。
The light-emitting layer has a structure in which the quantum well layer is sandwiched between layers formed of a material different from that of the quantum well layer, either above or below the quantum well layer, or both above and below the quantum well layer. Examples of layers formed of a material different from that of the quantum well layer include an AlcGa1 -cN (0.5≦c<0.7) layer having a thickness of 1 nm to 20 nm.
The light-emitting layer may be partially doped with impurities such as Si and C. The light-emitting layer may have a structure in which no impurities are intentionally doped (an undoped layer).
<導波路層>
本実施形態のレーザダイオードは、光閉じ込めの観点から、第1導電型クラッド層と発光層との間に配置されて、発光層へ光を閉じ込める第1導電型導波路層と、第2導電型クラッド層と発光層との間に配置されて、発光層へ光を閉じ込める第2導電型導波路層と、を備えていても良い。
これにより、導波路層は、発光層を挟み込むように発光層の上下に形成され、発光層から放出された光を発光層内に閉じ込める効果を有する。すなわち、導波路層は、発光層に対して第1導電型クラッド層側に配置された第1導電型導波路層)と、発光層に対して第2導電型クラッド層側に配置された第2導電型導波路層の2層から構成されることが好ましい。
<Waveguide layer>
From the viewpoint of light confinement, the laser diode of this embodiment may include a first-conductivity-type waveguide layer disposed between the first-conductivity-type cladding layer and the light-emitting layer to confine light in the light-emitting layer, and a second-conductivity-type waveguide layer disposed between the second-conductivity-type cladding layer and the light-emitting layer to confine light in the light-emitting layer.
As a result, the waveguide layers are formed above and below the light emitting layer so as to sandwich the light emitting layer, and have the effect of confining the light emitted from the light emitting layer within the light emitting layer. That is, the waveguide layer is preferably composed of two layers, a first-conductivity-type waveguide layer arranged on the first-conductivity-type cladding layer side of the light emitting layer, and a second-conductivity-type waveguide layer arranged on the second-conductivity-type cladding layer side of the light emitting layer.
導波路層は、光閉じ込めの観点から、発光層よりエネルギーの高いバンドギャップを持つAl、Gaを含む窒化物半導体であることが好ましい。導波路層は、デバイス内で定在する光の電界強度分布と発光層の重なりを増大させるAl組成と膜厚とを有することが好ましい。特に、第1導電型導波路層と第2導電型導波路層との膜厚比は、発光層への光閉じ込めと、第1導電型クラッド層と第2導電型クラッド層とにおけるAlGaNのAl組成によってさまざまに取りうる。 From the viewpoint of light confinement, the waveguide layer is preferably a nitride semiconductor containing Al and Ga, which has a band gap with a higher energy than the light emitting layer. The waveguide layer preferably has an Al composition and film thickness that increases the electric field strength distribution of the light present in the device and the overlap of the light emitting layer. In particular, the film thickness ratio of the first conductivity type waveguide layer and the second conductivity type waveguide layer can vary depending on the light confinement to the light emitting layer and the Al composition of the AlGaN in the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type cladding layer.
発光層へのキャリア閉じ込めの観点から、発光層をAlbGa(1-b)N(0<b<1)とし、導波路層をAldGa(1-d)N(0<d<1)としたとき、b<dであり、d≧b+0.05であることがより好ましい。たとえば発光波長が265nmの発光層を例とした場合、b=0.52であり、dは0.57以上であることが好ましい。また、光閉じ込めと、層抵抗の観点から、第一導電型導波路層と第2導電型導波路層との合計膜厚は70nm以上150nm以下であることが好ましい。 From the viewpoint of carrier confinement in the light emitting layer, when the light emitting layer is Al b Ga (1-b) N (0<b<1) and the waveguide layer is Al d Ga (1-d) N (0<d<1), it is more preferable that b<d and d≧b+0.05. For example, in the case of a light emitting layer having an emission wavelength of 265 nm, it is preferable that b=0.52 and d is 0.57 or more. Also, from the viewpoint of light confinement and layer resistance, it is preferable that the total film thickness of the first conductivity type waveguide layer and the second conductivity type waveguide layer is 70 nm or more and 150 nm or less.
第1導電型導波路層及び第2導電型導波路層のAl組成のそれぞれは、膜厚方向において均一であることが好ましいが、この限りではない。後述する第2導電型コンタクトの上方に存在する金属(例えば第2電極)への光吸収を回避するために、第2導電型導波路層のAl組成が第1導電型導波路層のAl組成より高くなっていてもよい。同様の目的で、第2導電型導波路層の膜厚が第1導電型導波路の膜厚より厚くなっていてもよい。 The Al composition of each of the first conductivity type waveguide layer and the second conductivity type waveguide layer is preferably uniform in the film thickness direction, but is not limited to this. In order to avoid light absorption by the metal (e.g., the second electrode) present above the second conductivity type contact described below, the Al composition of the second conductivity type waveguide layer may be higher than the Al composition of the first conductivity type waveguide layer. For the same purpose, the film thickness of the second conductivity type waveguide layer may be thicker than the film thickness of the first conductivity type waveguide.
第1導電型導波路層がn型導電性半導体層の場合は、第1導電型クラッド層と同じ伝導型を得る目的などからNの他にP、As、Sb等のN以外のV族元素,H、C、O、F、Mg、Si等の不純物が混入していて良いが、この限りではない。 When the first conductive type waveguide layer is an n-type conductive semiconductor layer, impurities such as P, As, Sb, and other Group V elements other than N, H, C, O, F, Mg, and Si may be mixed in addition to N in order to obtain the same conductivity type as the first conductive type cladding layer, but this is not limited to the above.
<第2導電型クラッド層>
第2導電型クラッド層は、発光層上に設けられている。第2導電型クラッド層は、第2導電型窒化物半導体層を有している。第2導電型クラッド層は、例えばAleGa1-eN(0<e<1)により形成される。また、発光層上に導波路層(第2導電型導波路層)が設けられている場合には、第2導電型クラッド層は、導波路層(第2導電型導波路層)状に形成される。これにより、第2導電型クラッド層は、発光層または導波路層に対して格子整合が容易であり、貫通転位密度の抑制が可能となる。
<Second Conductive Type Cladding Layer>
The second-conductivity-type cladding layer is provided on the light-emitting layer. The second-conductivity-type cladding layer has a second-conductivity-type nitride semiconductor layer. The second-conductivity-type cladding layer is formed of, for example, Al e Ga 1-e N (0<e<1). In addition, when a waveguide layer (second-conductivity-type waveguide layer) is provided on the light-emitting layer, the second-conductivity-type cladding layer is formed in the shape of the waveguide layer (second-conductivity-type waveguide layer). This allows the second-conductivity-type cladding layer to easily lattice-match with the light-emitting layer or the waveguide layer, and makes it possible to suppress threading dislocation density.
第2導電型クラッド層は、キャリア(電子または正孔)を発光層へ注入するに足りる導電性を有しており、デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と発光層の重なりを増大させる(すなわち光閉じ込めを増大させる)ことが可能であれば、導電型は特に限定されない。第2導電型クラッド層は、たとえば一部にMgをドーピングしたp型AlGaNであってよい。
第2導電型クラッド層がp型導電性半導体層の場合、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、不純物の元素の種類としてはこの限りではない。
The second conductive cladding layer is not particularly limited in its conductive type as long as it has sufficient conductivity to inject carriers (electrons or holes) into the light emitting layer and can increase the overlap between the electric field intensity distribution of the optical mode existing in the device and the light emitting layer (i.e., increase the optical confinement). The second conductive cladding layer may be, for example, p-type AlGaN partially doped with Mg.
When the second conductivity type cladding layer is a p-type conductivity semiconductor layer, impurities such as Group V elements other than N, such as P, As, and Sb, and impurities such as C, H, F, O, Mg, and Si may be mixed in, but the types of impurity elements are not limited to these.
第2導電型クラッド層は、第2導電型クラッド層の全体または一部が、例えば、Mg、B、Be、Si、Liなどの第2導電型不純物を有していないことがより好ましい。第2導電型クラッド層が第2導電型不純物を有していないことで、従来の紫外レーザダイオードと比較して、紫外レーザダイオードの発振閾値電流密度を低くすることができる。 It is more preferable that the second conductivity type cladding layer is entirely or partially free of second conductivity type impurities such as Mg, B, Be, Si, and Li. By not having the second conductivity type impurities in the second conductivity type cladding layer, the oscillation threshold current density of the ultraviolet laser diode can be made lower than that of conventional ultraviolet laser diodes.
キャリアをより効率よく発光層へ注入する観点から、第2導電型クラッド層はAl組成fが基板の上面から遠ざかる方向へ減少する様に傾斜したAlfGa(1-f)Nで形成された組成傾斜層である第2導電型縦伝導層と、AlgGa(1-g)N(0<g≦1)を含む第2導電型横伝導層と、を備えることが好ましい。
以下、第2導電型縦伝導層および第2導電型横伝導層について説明する。
From the viewpoint of more efficiently injecting carriers into the light-emitting layer, the second-conductivity-type cladding layer preferably comprises a second-conductivity-type vertical conduction layer which is a compositionally graded layer formed of Al f Ga (1-f) N in which the Al composition f decreases in the direction away from the upper surface of the substrate, and a second-conductivity-type horizontal conduction layer containing Al g Ga (1-g) N (0<g≦1).
The second conductive type vertical conduction layer and the second conductive type lateral conduction layer will be described below.
(第2導電型縦伝導層)
第2導電型縦伝導層は、第2導電型クラッド層のうちの発光層側の領域を構成する層である。第2導電型縦伝導層は、AlfGa1-fNを含む層である。第2導電型縦伝導層は、発光層と第2導電型クラッド層との界面から遠ざかる方向に向かって、Al組成比が1.0から連続的に減少していく層であってよい。第2導電型クラッド層は、Al組成が傾斜することで、光閉じ込めおよび発光層へのキャリア注入、および電子のブロック層としての役割を果たし、レーザダイオードの発振閾値電流密度を低くする効果が得られる。
(Second Conductive Type Vertical Conductive Layer)
The second-conductivity-type vertical conduction layer is a layer constituting a region of the second-conductivity-type cladding layer on the light-emitting layer side. The second-conductivity-type vertical conduction layer is a layer containing Al f Ga 1-f N. The second-conductivity-type vertical conduction layer may be a layer in which the Al composition ratio continuously decreases from 1.0 in a direction away from the interface between the light-emitting layer and the second-conductivity-type cladding layer. The second-conductivity-type cladding layer has a gradient in Al composition, thereby serving as a light confinement layer, a carrier injection layer into the light-emitting layer, and an electron blocking layer, and thereby obtaining an effect of lowering the oscillation threshold current density of the laser diode.
第2導電型縦伝導層におけるAl組成fのプロファイル(傾斜)は、連続的に減少してもよいし、断続的に減少してもよい。ここで、「断続的に減少する」とは、第2導電型縦伝導層の膜中にAl組成fが同じ(膜厚方向に一定)になっている部分を含むことを意味する。つまり、第2導電型縦伝導層には、基板から遠ざかる方向にAl組成fが減少しない部分が含まれていてもよいが、増加する部分は含まれていない。第2導電型クラッド層が、このような組成傾斜層を含むことで、光閉じ込めおよび発光層へのキャリア注入、および電子のブロック層としての役割を果たすことから、紫外レーザダイオード100の発振閾値電流密度を低くする効果が期待される。 The profile (gradient) of the Al composition f in the second conductive type vertical conductive layer may decrease continuously or may decrease intermittently. Here, "intermittently decreasing" means that the second conductive type vertical conductive layer includes a portion in which the Al composition f is the same (constant in the film thickness direction). In other words, the second conductive type vertical conductive layer may include a portion in which the Al composition f does not decrease in the direction away from the substrate, but does not include a portion in which it increases. By including such a composition gradient layer in the second conductive type cladding layer, it plays a role in light confinement, carrier injection into the light emitting layer, and as an electron blocking layer, and is expected to have the effect of lowering the oscillation threshold current density of the ultraviolet laser diode 100.
第2導電型縦伝導層の膜厚は、格子整合の観点から500nm以下であることが好ましい。また、第2導電型縦伝導層の膜厚は、発光層への光閉じ込め及びキャリア注入の観点から、250nm以上450nm以下であることがより好ましく、300nm以上400nm以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of lattice matching, the thickness of the second conductive vertical layer is preferably 500 nm or less. From the viewpoint of light confinement and carrier injection into the light emitting layer, the thickness of the second conductive vertical layer is more preferably 250 nm to 450 nm, and even more preferably 300 nm to 400 nm.
(第2導電型横伝導層)
第2導電型横伝導層は、第2導電型クラッド層のうちの発光層と反対側の領域を構成する層であり、第2導電型縦伝導層上に形成される。第2導電型横伝導層は、AlgGa1-gN(0<g≦1)を含む層である。ここで、第2導電型横伝導層の第2導電型縦伝導層と対向する面におけるAl組成gは、第2導電型縦伝導層のAl組成fの最小値よりも大きいことが好ましい。
第2導電型横伝導層は、第2導電型横伝導層の縦抵抗率を制御する目的などから、H、Mg、Be、Zn、Si、B等の不純物を意図的に混入されることができる。混入される不純物の量は、第2導電型横伝導層の表面および内部に誘積される正味の電界量に応じて、一例として、1×1019cm-3以上5×1021cm-3であってよい。
(Second Conductive Type Lateral Conductive Layer)
The second-conductivity-type transverse conduction layer is a layer constituting a region of the second-conductivity-type cladding layer opposite to the light-emitting layer, and is formed on the second-conductivity-type vertical conduction layer. The second-conductivity-type transverse conduction layer is a layer containing Al g Ga 1-g N (0<g≦1). Here, the Al composition g of the second-conductivity-type transverse conduction layer at the surface facing the second-conductivity-type vertical conduction layer is preferably larger than the minimum value of the Al composition f of the second-conductivity-type vertical conduction layer.
The second conductivity type transverse conduction layer may be intentionally doped with impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, and B for the purpose of controlling the longitudinal resistivity of the second conductivity type transverse conduction layer. The amount of the doped impurity may be, for example, 1×10 19 cm −3 to 5×10 21 cm −3 depending on the amount of net electric field induced on the surface and inside of the second conductivity type transverse conduction layer.
第2導電型横伝導層の膜厚は、第2導電型横伝導層を貫通するキャリアの量子透過を容易とする観点から、20nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましく、5nm以下であることがさらに好ましい。 The thickness of the second conductive type lateral conduction layer is preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less, and even more preferably 5 nm or less, from the viewpoint of facilitating quantum transmission of carriers through the second conductive type lateral conduction layer.
第2導電型横伝導層の上に後述する第2導電型コンタクト層が設けられる場合、第2導電型横伝導層の第2導電型コンタクト層との界面におけるAl組成は、第2導電型コンタクト層におけるAl組成よりも小さく、かつ基板に対して完全歪であることが好ましい。このような第2導電型横伝導層は、第2導電型横伝導層の表面および表面付近の内部に蓄積される正味内部電界が負となって、界面に正孔が誘積されることで横伝導率を向上させることができる。 When a second-conductivity-type contact layer (described later) is provided on the second-conductivity-type lateral conduction layer, it is preferable that the Al composition at the interface between the second-conductivity-type lateral conduction layer and the second-conductivity-type contact layer is smaller than the Al composition in the second-conductivity-type contact layer and is completely distorted with respect to the substrate. Such a second-conductivity-type lateral conduction layer can improve the lateral conductivity by inducing holes at the interface as the net internal electric field accumulated on the surface and inside near the surface of the second-conductivity-type lateral conduction layer becomes negative.
第2導電型縦伝導層は、分極ドーピング効果によりキャリア(例えば第2導電型縦伝導層がp型半導体により形成されている場合には正孔)を生成させて、キャリアを効率良く発光層内の活性層に注入する作用を有する。このため、第2導電型縦伝導層が発光層と第2導電型コンタクト層との間に設けられることで、レーザダイオードのキャリア注入効率を高め、閾値電圧を低減することができる。
第2導電型横伝導層は、電極下部に集中する電界によって狭められる正孔分布を横方向に広げる効果を有する。この効果によって、第2導電型横伝導層は、第2導電型縦伝導層と同様にキャリア注入効率を高めることができる。
The second-conductivity-type vertical conductive layer generates carriers (for example, holes when the second-conductivity-type vertical conductive layer is made of a p-type semiconductor) by the polarization doping effect, and has the effect of efficiently injecting the carriers into the active layer in the light-emitting layer. Therefore, by providing the second-conductivity-type vertical conductive layer between the light-emitting layer and the second-conductivity-type contact layer, the carrier injection efficiency of the laser diode can be increased and the threshold voltage can be reduced.
The second-conductivity-type lateral conduction layer has an effect of spreading in the lateral direction the hole distribution narrowed by the electric field concentrated under the electrode, and this effect allows the second-conductivity-type lateral conduction layer to increase the carrier injection efficiency in the same way as the second-conductivity-type vertical conduction layer.
(中間層)
第2導電型縦伝導層と第2導電型導波路層との間には、伝導率を向上させる観点かつ/または第2導電型横伝導層および第2導電型コンタクト層を完全歪で形成させるためなどの観点から、基板の上面から遠ざかる方向へAl組成hが増加するようなAlhGa(1-h)N(0<h≦1.0)から成る中間層を設けることができる。第2導電型縦伝導層と第2導電型導波路層の中間層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップでない混晶であって良く、さらに50nm以下の膜厚であることが好ましく、アンドープであって良い。
(Middle class)
Between the second-conductivity-type vertical conduction layer and the second-conductivity-type waveguide layer, an intermediate layer made of Al h Ga (1-h) N (0<h≦1.0) in which the Al composition h increases in the direction away from the upper surface of the substrate may be provided from the viewpoint of improving the conductivity and/or forming the second -conductivity-type lateral conduction layer and the second-conductivity-type contact layer with perfect distortion. The intermediate layer between the second-conductivity-type vertical conduction layer and the second-conductivity-type waveguide layer may be a non-bandgap mixed crystal that does not absorb light of the desired emission wavelength, and further preferably has a thickness of 50 nm or less, and may be undoped.
<第2導電型コンタクト層>
本実施形態のレーザダイオードは、第2導電型クラッド層上に配置された第2導電型コンタクト層を更に備えていても良い。第2導電型コンタクト層を構成する窒化物半導体は、例えばGaN、AlNまたはInNおよび、それらを含む混晶で形成されることが好ましく、GaNを含む窒化物半導体であることがより好ましい。
<Second Conductive Type Contact Layer>
The laser diode of this embodiment may further include a second-conductivity-type contact layer disposed on the second-conductivity-type cladding layer. The nitride semiconductor constituting the second-conductivity-type contact layer is preferably formed of, for example, GaN, AlN, or InN, or a mixed crystal containing these, and more preferably is a nitride semiconductor containing GaN.
第2導電型コンタクト層は、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si、Be等の不純物が混入していてよい。原料ガスの汎用性から、第2導電型コンタクト層に含まれる不純物はMgであることが好ましい。コンタクト抵抗低減の観点から、Mgの濃度が8×1019cm-3以上5×1021cm-3以下であることが好ましく、5×1020cm-3以上5×1021cm-3以下であることがより好ましい。 The second conductive type contact layer may contain impurities such as P, As, Sb, and other V group elements other than N, C, H, F, O, Mg, Si, and Be. In view of the versatility of the source gas, the impurity contained in the second conductive type contact layer is preferably Mg. In view of reducing the contact resistance, the concentration of Mg is preferably 8×10 19 cm -3 or more and 5×10 21 cm -3 or less, and more preferably 5×10 20 cm -3 or more and 5×10 21 cm -3 or less.
また、第2導電型コンタクト層の層厚は、1nm以上20nm以下であることが好ましい。第2導電型コンタクト層の層厚が薄いほどレーザダイオードのキャリア注入効率が向上し、層厚が厚いほどキャリア注入効率が低下する。 The thickness of the second conductive contact layer is preferably 1 nm or more and 20 nm or less. The thinner the second conductive contact layer, the higher the carrier injection efficiency of the laser diode, and the thicker the layer, the lower the carrier injection efficiency.
<第1電極>
第1電極は、第1導電型クラッド層上に設けられている。第1電極は、第1導電型クラッド層と電気的に接続される第1導電性材料で形成されることが好ましい。第1導電性材料としては、例えば、Mo、Nb、Zr、Ti、Al、W、Ni、Au、V、Inの何れかを含む合金などが挙げられる。第1導電性材料として、特に、V、Ti、Al、Ni、Auの何れかを含む合金を用いることで、コンタクト抵抗を低減させることができる。
<First Electrode>
The first electrode is provided on the first conductive clad layer. The first electrode is preferably made of a first conductive material that is electrically connected to the first conductive clad layer. Examples of the first conductive material include an alloy containing any of Mo, Nb, Zr, Ti, Al, W, Ni, Au, V, and In. By using an alloy containing any of V, Ti, Al, Ni, and Au as the first conductive material, the contact resistance can be reduced.
<第2電極>
第2電極は、第2導電型クラッド層上に設けられている。第2電極は、第2導電型クラッド層と電気的に接続される第2導電性材料で形成されることが好ましい。第2導電性材料としては、例えば、Ti、Pt、Ni、Pd、Au、Pt、Co、Cu、Ni、Ta、Ruの何れか又は何れかを含む合金などが挙げられる。第2導電性材料として、特に、Ti、Pt、Ni、Au、Pdの何れかを含む合金を用いることで、コンタクト抵抗を低減させることができる。
<Second Electrode>
The second electrode is provided on the second conductive clad layer. The second electrode is preferably formed of a second conductive material electrically connected to the second conductive clad layer. Examples of the second conductive material include Ti, Pt, Ni, Pd, Au, Pt, Co, Cu, Ni, Ta, and Ru, or an alloy containing any of them. By using an alloy containing Ti, Pt, Ni, Au, and Pd as the second conductive material, the contact resistance can be reduced.
<メサ構造と共振器>
メサ構造は、第2導電型層と第1導電型層とを電気的に分離するために形成される。メサ構造は、半導体積層部の一部を除去した構造である。ここで、「半導体積層部」とは、少なくとも第1導電型クラッド層、発光層および第2導電型クラッド層をいい、上述した導波路層(第1導電型導波路層および第2導電型導波路層)、中間層および第2導電型コンタクト層が設けられている場合にはこれらの層も含む。
<Mesa structure and resonator>
The mesa structure is formed to electrically separate the second conductive type layer from the first conductive type layer. The mesa structure is a structure in which a part of the semiconductor laminate is removed. Here, the "semiconductor laminate" refers to at least the first conductive type cladding layer, the light emitting layer, and the second conductive type cladding layer, and also includes the above-mentioned waveguide layers (the first conductive type waveguide layer and the second conductive type waveguide layer), the intermediate layer, and the second conductive type contact layer, if these layers are provided.
メサ構造は、平面視において、基板の結晶方位(1-100)面に平行な共振器を有し、<1-100>方向に光を射出する端面発光型レーザダイオードを可能にする形態を取ることが望ましい。これは、劈開法やエッチング法などさまざまな方法によってレーザ共振器の共振ミラー端面を得る場合に、原子的に平坦な(1-100)面が最も容易に共振ミラー端面を形成できるためである。つまり、メサ構造が基板の結晶方位に対して平面視において(1-100)面に平行なメサ端面を共振ミラー端面とする共振器を有し、<1-100>方向に光を射出する端面発光型レーザダイオードであることが好ましい。 The mesa structure desirably has a cavity parallel to the (1-100) crystal orientation of the substrate in plan view, and is configured to produce an edge-emitting laser diode that emits light in the <1-100> direction. This is because, when obtaining the resonator mirror end faces of the laser cavity by various methods such as cleavage or etching, the atomically flat (1-100) plane is the easiest to form the resonator mirror end faces. In other words, it is preferable for the mesa structure to have a cavity in which the resonator mirror end faces are mesa end faces that are parallel to the (1-100) plane in plan view relative to the crystal orientation of the substrate, and to be an edge-emitting laser diode that emits light in the <1-100> direction.
メサ構造は、窒化物半導体層の積層体を誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively coupled plasma)エッチング等でエッチングすることで形成できる。この時のエッチング条件により、メサ構造の側面から転位が多量に発生し、メサ構造の内部方向へ伝搬する。これは、窒化物半導体層の積層体が基板に対して格子整合に成長するシュードモルフィック成長であり、窒化物半導体積層体には歪が蓄積されているためである。歪はメサ構造の形成を含むデバイスプロセスにおいて一部解放されるが、歪が開放される際メサ構造に転位の発生を伴う。発生する転位線は、典型的にメサ構造の側面を起点とする。 The mesa structure can be formed by etching the nitride semiconductor layer stack using inductively coupled plasma (ICP) etching or the like. Depending on the etching conditions, a large number of dislocations are generated from the side of the mesa structure and propagate toward the inside of the mesa structure. This is because the nitride semiconductor layer stack grows in a pseudomorphic manner, lattice-matched to the substrate, and strain accumulates in the nitride semiconductor stack. The strain is partially released in the device process, including the formation of the mesa structure, but the release of strain is accompanied by the generation of dislocations in the mesa structure. The dislocation lines that are generated typically start from the side of the mesa structure.
メサ構造に転位が発生する範囲が第2電極下部に至る場合、発振閾値電流が著しく悪化する。この理由から、第2電極は、メサ構造側面近傍に発生した転位の最大発生範囲よりもメサ構造の内側に設けることが好ましい。これにより、メサ構造の歪み解放に伴って発生する転位が第2電極直下の発光層に到達することが回避され、発振閾値電流密度を構造本来の最良水準に到達させることができる。
レーザダイオードの素子抵抗は、第2電極とメサ構造側面との最大距離Dによって決定される。素子抵抗を低減する観点から、より小さいDが達成されることが好ましい。従って、メサ構造側面近傍に発生した転位の最大範囲を抑制することが求められる。
If the range in which dislocations occur in the mesa structure reaches the bottom of the second electrode, the oscillation threshold current is significantly deteriorated. For this reason, it is preferable to provide the second electrode inside the mesa structure more than the maximum range in which dislocations occur near the side surface of the mesa structure. This prevents dislocations that occur as the mesa structure is released from reaching the light emitting layer directly below the second electrode, and allows the oscillation threshold current density to reach the best level that the structure is designed to have.
The element resistance of the laser diode is determined by the maximum distance D between the second electrode and the side surface of the mesa structure. From the viewpoint of reducing the element resistance, it is preferable to achieve a smaller D. Therefore, it is required to suppress the maximum range of dislocations generated in the vicinity of the side surface of the mesa structure.
出願者らの鋭意検討により、平面視におけるメサ構造の形状を規定することでメサ構造側面近傍に発生した転位の最大範囲を抑制することが可能となることを明らかにした。メサ構造は、平面視で長辺と短辺とを有する矩形状であり、長辺が<1-100>方向に平行であって、凸部は、平面視において<11-20>方向および<-1-120>方向の少なくとも一方に突出していることが好ましい。すなわち、凸部は、メサ構造の共振ミラー端面が形成された面以外の側面に設けられていることが好ましい。凸部を設けることにより、凸部先端にメサ構造の歪み応力を集中させることが可能となる。従って、メサ構造形成時における応力解放過程に伴ってメサ構造内部に導入される転位の発生起点を意図的に制御することで、効率的に転位の対消滅を発生させて、発生した転位の広がりを抑制することが可能となる。 The applicants' intensive study revealed that it is possible to suppress the maximum range of dislocations occurring near the side surface of the mesa structure by defining the shape of the mesa structure in a plan view. The mesa structure is preferably rectangular in plan view having long and short sides, the long sides being parallel to the <1-100> direction, and the convex portion preferably protruding in at least one of the <11-20> direction and the <-1-120> direction in a plan view. In other words, it is preferable that the convex portion is provided on a side surface other than the surface on which the resonator mirror end surface of the mesa structure is formed. By providing the convex portion, it is possible to concentrate the distortion stress of the mesa structure at the tip of the convex portion. Therefore, by intentionally controlling the origin of dislocations introduced into the mesa structure in the stress release process during the formation of the mesa structure, it is possible to efficiently cause dislocation annihilation and suppress the spread of the generated dislocations.
凸部の頂部への十分な応力集中を達成する観点および効率的に転位の対消滅を発生させる観点から、凸部は、平面視における高さが1μm以上11μm以下であることが好ましく、1μm以上3.5μm以下であることがより好ましい。凸部の高さが上述の範囲内である場合、凸部の側面の凹凸が微小で応力集中が不十分となったり、凸部の底面から頂部までの距離が大きく、発生した転位の会合の頻度が低下して転位の最大範囲が拡大することを抑制することができる。 From the viewpoint of achieving sufficient stress concentration at the top of the convex portion and from the viewpoint of efficiently generating dislocation annihilation, the height of the convex portion in a plan view is preferably 1 μm or more and 11 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 3.5 μm or less. When the height of the convex portion is within the above-mentioned range, it is possible to suppress an expansion of the maximum range of dislocations due to a decrease in the frequency of dislocation meetings caused by a small unevenness on the side surface of the convex portion resulting in insufficient stress concentration or a large distance from the bottom surface to the top of the convex portion.
また、凸部の頂部への十分な応力集中を達成する観点から、平面視における凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角(以下、凸部頂部の角度と記載する場合がある)の最小角度が1度以上130度以下であることが好ましく、1度より大きく120度以下であることがより好ましい。凸部頂部の最小角度が上述の範囲内である場合、凸部が損傷しにくく、凸部の側面の凹凸が微小で応力集中が不十分となることを抑制して、凸部の頂部への十分な応力集中を達成することができる。 In addition, from the viewpoint of achieving sufficient stress concentration at the apex of the convex portion, it is preferable that the minimum angle between the line segments connecting the base and apex of the convex portion in a planar view (hereinafter sometimes referred to as the angle of the apex of the convex portion) is 1 degree or more and 130 degrees or less, and more preferably is greater than 1 degree and 120 degrees or less. When the minimum angle of the apex of the convex portion is within the above-mentioned range, the convex portion is less likely to be damaged, and sufficient stress concentration at the apex of the convex portion can be achieved by suppressing insufficient stress concentration due to minute unevenness on the side surface of the convex portion.
さらに、メサ内部方向への転位伝搬を抑制の観点から、転位の発生起点となる複数の凸部の頂部同士の間の距離は、1μm以上10μm以下であることが好ましく、1μm以上6μm以下であることがより好ましい。凸部の頂部同士の間の距離が上述の範囲内である場合、凸部を容易に形成することができるとともに、効率的に発生した転位を会合させてメサ内部方向への転位伝搬を抑制することが可能となる。 Furthermore, from the viewpoint of suppressing dislocation propagation toward the inside of the mesa, the distance between the tops of the multiple protrusions, which are the starting points for dislocation generation, is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 6 μm or less. When the distance between the tops of the protrusions is within the above-mentioned range, the protrusions can be easily formed, and the generated dislocations can be efficiently united to suppress dislocation propagation toward the inside of the mesa.
(1.2)レーザダイオードの製造方法
本実施形態のレーザダイオードは、基板上に各層を形成する工程を経て製造される。
(1.2) Manufacturing Method of Laser Diode The laser diode of this embodiment is manufactured through the steps of forming each layer on a substrate.
(基板の形成)
基板は、昇華法、ハイドライド気相成長(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等の気相成長法および液相成長法等の一般的な基板成長法により形成される。
(Formation of the Substrate)
The substrate is formed by a general substrate growth method such as a vapor phase growth method, such as a sublimation method or a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, or a liquid phase growth method.
(半導体積層部の形成)
基板上に形成される半導体積層部の各層は、例えば、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法または有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等で行うことができる。
ここで、基板上に形成された各層のうち窒化物半導体の層は、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)を含むAl原料、トリメチルガリウム(TMGa)もしくはトリエチルガリウム(TEGa)等を含むGa原料、またはアンモニア(NH3)を含むN原料を用いて形成することができる。
レーザダイオードは、基板上に形成された半導体積層部の各層の不要部分をエッチングによって除去する工程を経て製造される。半導体積層部の各層の不要部分の除去は、例えば誘導結合型プラズマ(ICP)エッチング等で行うことができる。
(Formation of Semiconductor Stack)
Each layer of the semiconductor laminate formed on the substrate can be formed by, for example, molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), or the like.
Here, among the layers formed on the substrate, the nitride semiconductor layer can be formed using, for example, an Al source containing trimethylaluminum (TMAl), a Ga source containing trimethylgallium (TMGa) or triethylgallium (TEGa), or the like, or a N source containing ammonia (NH 3 ).
Laser diodes are manufactured through a process of removing unnecessary portions of each layer of a semiconductor laminate formed on a substrate by etching. The unnecessary portions of each layer of the semiconductor laminate can be removed by, for example, inductively coupled plasma (ICP) etching.
(電極の形成)
レーザダイオードは、電極を形成する工程を経て製造され得る。第1電極および第2電極等の電極は、例えば抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着またはスパッタ等により形成されるが、これら方法には限定されない。電極は、単層で形成してもよく、複数層積層して形成してもよい。また、電極は、層の形成後に酸素、窒素または空気雰囲気等で熱処理が行われてもよい。
最後に、上述した各工程を経て各層が形成された基板をダイシングにより個片へと分割してレーザダイオードが製造される。
(Formation of electrodes)
The laser diode may be manufactured through a process of forming electrodes. The electrodes, such as the first electrode and the second electrode, may be formed by, for example, resistance heating deposition, electron gun deposition, or sputtering, but are not limited to these methods. The electrodes may be formed as a single layer or may be formed by laminating multiple layers. In addition, the electrodes may be heat-treated in an oxygen, nitrogen, or air atmosphere after the layers are formed.
Finally, the substrate on which the layers have been formed through the above-mentioned steps is divided into individual pieces by dicing, thereby manufacturing the laser diodes.
2.レーザダイオードの具体例
次に、図面を用いて本実施形態のレーザダイオードをより具体的に説明する。なお、以下の各具体例の各層の詳細な構成は、上述した通りである。
2. Specific Examples of Laser Diodes Next, the laser diodes of the present embodiment will be described in more detail with reference to the drawings. Note that the detailed configuration of each layer in each of the following specific examples is as described above.
(3.1)第1の実施形態
図1Aは、第1の実施形態にかかるレーザダイオード1の平面構成を示す平面模式図であり、図1Bは、図1Aに示すレーザダイオード1の光共振方向に垂直な面の断面構成を示す断面模式図である。
図1A及び図1Bにおいて、<1-100><11-20><0001><-1-120>はそれぞれ結晶方位を示している。
(3.1) First embodiment FIG. 1A is a schematic plan view showing the planar configuration of a
In FIG. 1A and FIG. 1B, <1-100>, <11-20>, <0001>, and <-1-120> respectively indicate crystal orientations.
図1Aに示すように、本実施形態のレーザダイオード1は、Alを含む基板10と、基板10上に配置された半導体積層部20とを備えている。また、レーザダイオード1には、図示しない第1電極及び第2電極を備えている。
半導体積層部20は、第1導電型の窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層21と、一つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体で形成された発光層22と、第2導電型の窒化物半導体層を含む第2導電型クラッド層23と、を有する。第1導電型クラッド層21の一部、発光層22及び第2導電型クラッド層23は、光共振および射出のためメサ構造201となっている。
1A, the
The
図1Aに示すように、メサ構造201の側面のうち、光共振方向D1に平行な側面は、平面視において複数の凸部を有している。複数の凸部は、図1Aに示したように光共振方向D1に垂直ではない側面の全ての側面に備えられていても良いし、一つの側面に備えられていても良い。また、メサ構造201の側面の全領域に渡って複数の凸部を備えていても良いし、一部領域にのみ凸部を備えていても良い。
As shown in FIG. 1A, among the side surfaces of the
複数の凸部について、図2Aから図2Cを用いて詳細に説明する。
図2Aから図2Cは、複数の凸部の形状の一例を示すための平面模式図である。図中、凸部の頂部の間の距離W、凸部の高さ(凸部の基底部から凸部の頂部の距離)H、側面の基底部から凸部の頂部を結んだ線分がなす最小角φをそれぞれ示している。
複数の凸部のパターンは、図2Aに示すように平面視で三角形状の凸部が連続して並んでいても良いし、図2Bに示すように平面視で頂部が円弧状の凸部であっても良いし、図2Cに示すように平面視で三角形状の凸部が間隔を空けて並んでいても良い。凸部の頂部へ十分な応力集中を達成する観点から、凸部は図2Aから図2Cに共通するように、凸部の頂部が平坦ではない形状であることが好ましい場合がある。
The multiple protrusions will be described in detail with reference to FIGS. 2A to 2C.
2A to 2C are schematic plan views showing examples of the shapes of multiple protrusions, which show the distance W between the apexes of the protrusions, the height H of the protrusions (the distance from the base of the protrusions to the apex of the protrusions), and the minimum angle φ formed by a line segment connecting the base of the side surface to the apex of the protrusion.
The pattern of the multiple protrusions may be a continuous arrangement of triangular protrusions in a plan view as shown in Fig. 2A, a convex portion having an arc-shaped top in a plan view as shown in Fig. 2B, or a triangular protrusion portion arranged at intervals in a plan view as shown in Fig. 2C. From the viewpoint of achieving sufficient stress concentration at the top of the protrusions, it may be preferable that the top of the protrusions is not flat, as is common to Figs. 2A to 2C.
(3.2)第2の実施形態
図3は、第2の実施形態にかかるレーザダイオード2を説明するための模式図である。図3は、レーザダイオード2の断面模式図である。
レーザダイオード2は、第1導電型導波路層24と、第2導電型導波路層25とを更に備える半導体積層部20Aを有している点で、第1の実施形態に係るレーザダイオード1と相違する。
このようなレーザダイオード2は、発光層22への光閉じ込め効果が向上し、発光強度が向上する。
(3.2) Second embodiment Fig. 3 is a schematic diagram for explaining a
The
In such a
(3.3)第3の実施形態
図4は、第3の実施形態にかかるレーザダイオード3を説明するための模式図である。図4は、レーザダイオード3の断面模式図である。
レーザダイオード3は、第2導電型クラッド層23上に配置された第2導電型コンタクト層26を備える半導体積層部20Bを有している点で、第2の実施形態に係るレーザダイオード2と相違する。
このようなレーザダイオード3は、発光層22へのキャリア注入効率が向上し、発光効率が向上する。
(3.3) Third embodiment Fig. 4 is a schematic diagram for explaining a
The
In such a
なお、第2導電型コンタクト層26は、例えば第2実施形態にかかるレーザダイオード2と組み合わされてもよい。すなわち、レーザダイオード2の第2導電型クラッド層23上に第2導電型コンタクト層26が配置されたレーザダイオードであっても良い(不図示)。
The second
(3.4)第4の実施形態
図5は、第4の実施形態にかかるレーザダイオード4を説明するための模式図である。図5は、レーザダイオード4の断面模式図である。
レーザダイオード4は、第2導電型縦伝導層23Aと第2導電型横伝導層23Bとで構成された第2導電型クラッド層23及び第2導電型コンタクト層26を備える半導体積層部20Cを有している点で、第1の実施形態に係るレーザダイオード1と相違する。
このようなレーザダイオード4は、発光層22へのキャリア注入効率が向上し、発光効率が向上する。
(3.4) Fourth embodiment Fig. 5 is a schematic diagram for explaining a
The
In such a
(3.5)第5の実施形態
図6は、第5の実施形態にかかるレーザダイオード5を説明するための模式図である。図6は、レーザダイオード5の断面模式図である。
レーザダイオード5は、第1導電型導波路層24及び第2導電型導波路層25と、第2導電型縦伝導層23Aと第2導電型横伝導層23Bとで構成された第2導電型クラッド層と、第2導電型縦伝導層23Aと第2導電型導波路層25との間に設けられた中間層27とを備える半導体積層部20Dを有している点で、第1の実施形態に係るレーザダイオード1と相違する。
このようなレーザダイオード5は、中間層27におけるキャリアの伝導率を向上させつつ、第2導電型横伝導層23B及び第2導電型コンタクト層26を完全歪で形成させることによるキャリアの横伝導率を向上させることができる
(3.5) Fifth embodiment Fig. 6 is a schematic diagram for explaining a
The
In the
(3.6)第6の実施形態
図7は、第6の実施形態にかかるレーザダイオード6を説明するための模式図である。図7は、レーザダイオード6の断面模式図である。
レーザダイオード6は、第1導電型導波路層24及び第2導電型導波路層25、第2導電型コンタクト層26を更に備え、レーザダイオード6のメサ構造は二段構造になっており、第1導電型クラッド層21を含むメサ構造201と、第1導電型クラッド層21を含まないメサ構造203とを備える半導体積層部20Eを有している点で、第1の実施形態に係るレーザダイオード1と相違する。
(3.6) Sixth embodiment Fig. 7 is a schematic diagram for explaining a
The
4.効果
上述した本開示のレーザダイオードは、以下の効果を有する。
(1)レーザダイオードは、半導体積層部の少なくとも一部に形成された光共振および射出のためのメサ構造の側面のうち、光共振方向に垂直ではない側面に、複数の凸部を有している。
これにより、凸部先端にメサ構造の歪み応力を集中させて、メサ構造形成時における応力解放過程に伴ってメサ構造内部に導入される転位の発生起点を制御することが可能となる。
4. Effects The laser diode of the present disclosure described above has the following effects.
(1) The laser diode has a mesa structure for optical resonance and emission formed in at least a part of a semiconductor laminate, and has a plurality of protrusions on a side surface that is not perpendicular to the optical resonance direction.
This makes it possible to concentrate the strain stress of the mesa structure at the tip of the protrusion, thereby controlling the starting point of dislocations introduced into the mesa structure as a result of the stress release process during the formation of the mesa structure.
(2)レーザダイオードでは、平面視における複数の凸部の頂部同士の間の距離が1μm以上10μm以下であることが好ましい。
これにより、効率的に発生した転位を会合させてメサ内部方向への転位伝搬を抑制することが可能となる。
(3)レーザダイオードでは、平面視における凸部の高さが1μm以上11μm以下であることが好ましい。
これにより、発生した転位の会合の頻度が低下して転位の最大範囲が拡大することを抑制することができる。
(2) In the laser diode, the distance between the tops of the multiple protrusions in a plan view is preferably not less than 1 μm and not more than 10 μm.
This makes it possible to efficiently merge the generated dislocations and suppress the propagation of the dislocations toward the inside of the mesa.
(3) In the laser diode, it is preferable that the height of the protrusions in a plan view is not less than 1 μm and not more than 11 μm.
This reduces the frequency of association of the generated dislocations, thereby suppressing the expansion of the maximum range of dislocations.
(4)レーザダイオードでは、平面視における、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士のなす角の最小角度は、1度以上120度以下である、
これにより、凸部の頂部への十分な応力集中を達成できる。
(5)レーザダイオードでは、メサ構造は、窒化物半導体基板の結晶方位(1-100)面に平行な端面を共振ミラー端面とする共振器を有し、<1-100>方向に光を射出する端面発光型紫外レーザダイオードであることが好ましい。
これにより、レーザ共振器の共振ミラー端面を原子的に平坦な(1-100)面に容易に形成できる。
(4) In the laser diode, the minimum angle between the line segments connecting the bottom and the top of the convex portion in a plan view is equal to or greater than 1 degree and equal to or less than 120 degrees.
This allows sufficient stress concentration to be achieved at the top of the protrusion.
(5) In the laser diode, the mesa structure has a resonator in which end faces parallel to the (1-100) crystal orientation plane of the nitride semiconductor substrate serve as resonator mirror end faces, and the laser diode is preferably an edge-emitting ultraviolet laser diode that emits light in the <1-100> direction.
This makes it possible to easily form the resonator mirror end faces of the laser resonator into atomically flat (1-100) faces.
(6)レーザダイオードでは、メサ構造が、平面視で長辺と短辺とを有する矩形状であり、長辺が<1-100>方向に平行であって、凸部が、平面視において<11-20>方向および<-1-120>方向の少なくとも一方に突出していることが好ましい。
これにより、共振ミラー端面が形成された面以外の側面にメサ構造の歪み応力を集中させて転位の最大範囲を抑制することが可能となる凸部を設けることができる。
(7)レーザダイオードでは、窒化物半導体基板は、AlN単結晶基板であることが好ましい。
これにより、基板の上側に形成される窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることで貫通転位を少なくすることができる。
(6) In the laser diode, it is preferable that the mesa structure is rectangular having long sides and short sides in a plan view, the long sides are parallel to the <1-100> direction, and the convex portion protrudes in at least one of the <11-20> direction and the <-1-120> direction in the plan view.
This makes it possible to provide a convex portion that can suppress the maximum range of dislocations by concentrating the strain stress of the mesa structure on the side surface other than the surface on which the resonator mirror end face is formed.
(7) In the laser diode, the nitride semiconductor substrate is preferably an AlN single crystal substrate.
This reduces the difference in lattice constant with the nitride semiconductor layer formed above the substrate, and the nitride semiconductor layer can be grown in a lattice-matched system to reduce threading dislocations.
(8)レーザダイオードでは、発光層の上下に、発光層へ光を閉じ込める第1導電型導波路層及び第2導電型導波路層を備えることが好ましい。
これにより、発光層へ光を閉じ込める効果が向上し、発光効率が向上する。
(8) In the laser diode, it is preferable to provide a first conductivity type waveguide layer and a second conductivity type waveguide layer above and below the light emitting layer, which confine light in the light emitting layer.
This improves the effect of confining light in the light-emitting layer, thereby improving the luminous efficiency.
(9)レーザダイオードでは、第2導電型クラッド層上にGaNを含む第2導電型コンタクト層を更に備え、第2導電型クラッド層がAlfGa1-fN(0.1≦f≦1)を含み、窒化物半導体基板から遠ざかるにつれてAl組成fが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚が0.5μm未満である第2導電型縦伝導層と、AlgGa1-gN(0<g≦1)を含む第2導電型横伝導層と、を有することが好ましい。
これにより、キャリアをより効率よく発光層へ注入して発光効率を向上させることができる。
(9) The laser diode preferably further comprises a second-conductivity-type contact layer containing GaN on the second-conductivity-type cladding layer, the second-conductivity-type cladding layer containing Al f Ga 1-f N (0.1≦f≦1) and having a composition gradient in which the Al composition f decreases with increasing distance from the nitride semiconductor substrate, the second-conductivity-type vertical conduction layer having a film thickness of less than 0.5 μm, and the second-conductivity-type lateral conduction layer containing Al g Ga 1-g N (0<g≦1).
This allows carriers to be more efficiently injected into the light emitting layer, improving the light emitting efficiency.
(10)レーザダイオードでは、第2導電型縦伝導層と第2導電型導波路層との間に配置されて、AlhGa1-hN(0<h≦1.0)で形成された中間層、を備えることが好ましい。
これにより、第2導電型横伝導層および第2導電型コンタクト層を完全歪で形成させてキャリアの伝導率を向上させることができる。
(11)レーザダイオードでは、第2導電型縦伝導層の膜厚は、250nm以上450nm以下であることが好ましい。
これにより、発光層への光閉じ込め効果が向上するとともに、キャリア注入効果が向上し、レーザダイオードの発光効率が向上する。
(10) The laser diode preferably comprises an intermediate layer disposed between the second conductivity type vertical conducting layer and the second conductivity type waveguide layer and made of Al h Ga 1-h N (0<h≦1.0).
This allows the second conductive type lateral conduction layer and the second conductive type contact layer to be formed with perfect strain, thereby improving the carrier conductivity.
(11) In the laser diode, the thickness of the second conductivity type vertical conducting layer is preferably 250 nm or more and 450 nm or less.
This improves the effect of confining light in the light emitting layer and also improves the effect of injecting carriers, thereby improving the light emitting efficiency of the laser diode.
(12)レーザダイオードでは、第2導電型縦伝導層のうちの第2導電型導波路層との界面を含む一部または全ての領域が不純物がドープされていない領域であることが好ましい。
これにより、不純物の拡散を抑制してキャリアを効率的に発光層に注入することができ、発振効率を高めることができる。
(12) In the laser diode, it is preferable that a part or all of the region of the second conductivity type vertical conducting layer, including the interface with the second conductivity type waveguide layer, is a region that is not doped with impurities.
This makes it possible to suppress the diffusion of impurities and efficiently inject carriers into the light emitting layer, thereby improving the oscillation efficiency.
(13)レーザダイオードでは、第1導電型クラッド層がAlaGa1-aN(0.6<a≦0.8)で形成されており、第2導電型縦伝導層および第2導電型横伝導層が窒化物半導体基板に対して完全歪で形成されていることが好ましい。
第1導電型クラッド層をAlaGa1-aN(0.6<a≦0.8)で形成することにより、第2導電型縦伝導層および第2導電型横伝導層を基板に対して完全歪で形成してキャリアの伝導率を向上させることができる。
(14)レーザダイオードでは、第2導電型横伝導層の第2導電型縦伝導層と対向する面におけるAl組成gがAl組成fの最小値よりも大きいことが好ましい。
これにより、キャリアを横方向に拡散することができ、キャリアの注入効率を高めることができる。
(13) In the laser diode, it is preferable that the first conductivity type cladding layer is made of Al a Ga 1-a N (0.6<a≦0.8), and the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type lateral conduction layer are formed with complete strain with respect to the nitride semiconductor substrate.
By forming the first conductivity type cladding layer from Al a Ga 1-a N (0.6<a≦0.8), the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type lateral conduction layer are formed with perfect distortion relative to the substrate, thereby improving the carrier conductivity.
(14) In the laser diode, it is preferable that the Al composition g of the second conductivity type lateral conduction layer at a surface facing the second conductivity type vertical conduction layer is larger than the minimum value of the Al composition f.
This allows the carriers to be diffused in the lateral direction, and the carrier injection efficiency can be improved.
以下、本開示の実施例及び比較例について説明する。 The following describes examples and comparative examples of this disclosure.
<実施例1>
基板として厚さ550μmの(0001)面AlN単結晶基板を用い、この基板に対して有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いてアニール処理を行った。アニール処理は、1300℃の環境下において、NH3雰囲気中での5分間のアニールおよびH2雰囲気中での5分間のアニールを1セットとして、2セットの処理を行った。
Example 1
A 550 μm thick (0001) AlN single crystal substrate was used as the substrate, and annealing was performed on this substrate using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus. The annealing was performed in two sets of annealing at 1300° C., with one set being annealing for 5 minutes in an NH 3 atmosphere and the other being annealing for 5 minutes in an H 2 atmosphere.
次に、基板上に、バッファ層としてホモエピタキシャル層であるAlN層を形成した。AlN層は、1200℃の環境下において500nmの厚さで形成した。このとき、III族元素原料ガスの供給レートと窒素原料ガスの供給レートとの比率(V/III比)は50とした。また、アニールを行ったチャンバーの真空度を50mbarとした。このときのAlN層の成長レートは0.5μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。 Next, an AlN layer, which is a homoepitaxial layer, was formed on the substrate as a buffer layer. The AlN layer was formed to a thickness of 500 nm in an environment of 1200° C. At this time, the ratio (V/III ratio) of the supply rate of the III group element source gas to the supply rate of the nitrogen source gas was set to 50. The degree of vacuum of the chamber in which the annealing was performed was set to 50 mbar. The growth rate of the AlN layer at this time was 0.5 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al source. Ammonia (NH 3 ) was used as the N source.
上述したように形成したAlN層上に、第1導電型クラッド層を形成した。第1導電型クラッド層は、Siをドーパント不純物として用いたn型AlGaN層(Al:70%、すなわちAl0.70Ga0.30N層)とした。第1導電型クラッド層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で350nmの厚さで形成した。このときの第1導電型クラッド層の成長レートは0.4μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。また、Si原料としてモノシラン(SiH4)を用いた。 A first conductive cladding layer was formed on the AlN layer formed as described above. The first conductive cladding layer was an n-type AlGaN layer (Al: 70%, i.e., an Al 0.70 Ga 0.30 N layer) using Si as a dopant impurity. The first conductive cladding layer was formed to a thickness of 350 nm under the conditions of a temperature of 1080° C., a degree of vacuum of 50 mbar, and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the first conductive cladding layer at this time was 0.4 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material. Triethylgallium (TEGa) was used as the Ga raw material. Ammonia (NH 3 ) was used as the N raw material. Monosilane (SiH 4 ) was used as the Si raw material.
続いて、第1導電型クラッド層上に第1導電型導波路層であるn型導波路層を形成した。n型導波路層は、Siをドーパント不純物として用いたn型AlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。n型導波路層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で60nmの厚さで形成した。このときのn型導波路層の成長レートは0.35μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。 Next, an n-type waveguide layer, which is a first conductive type waveguide layer, was formed on the first conductive type cladding layer. The n-type waveguide layer was an n-type AlGaN layer (Al: 63%, i.e., an Al 0.63 Ga 0.37 N layer) using Si as a dopant impurity. The n-type waveguide layer was formed to a thickness of 60 nm under the conditions of a temperature of 1080° C., a degree of vacuum of 50 mbar, and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the n-type waveguide layer at this time was 0.35 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material. Triethylgallium (TEGa) was used as the Ga raw material. Ammonia (NH 3 ) was used as the N raw material.
続いて、n型導波路層上に発光層を形成した。発光層は、量子井戸層とバリア層とを3周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜して形成した。ここで、量子井戸層は、3.0nmの厚さを有するAlGaN層(Al:52%、すなわちAl0.52Ga0.48N層)とした。また、6.0nmの厚さを有するバリア層は、AlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。
発光層は、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。このときの量子井戸層の成長レートは0.18μm/hrであった。また、バリア層の成長レートは0.15μm/hrであった。
Next, an emission layer was formed on the n-type waveguide layer. The emission layer was formed to have a multiple quantum well structure in which quantum well layers and barrier layers were stacked three times. Here, the quantum well layer was an AlGaN layer (Al: 52%, i.e., an Al 0.52 Ga 0.48 N layer) having a thickness of 3.0 nm. The barrier layer was an AlGaN layer (Al: 63%, i.e., an Al 0.63 Ga 0.37 N layer) having a thickness of 6.0 nm.
The light-emitting layer was formed under conditions of a vacuum degree of 50 mbar and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the quantum well layer was 0.18 μm/hr, and the growth rate of the barrier layer was 0.15 μm/hr.
続いて、発光層上に第2導電型導波路層であるp型導波路層を形成した。p型導波路層は、ドーパントを含まないAlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。p型導波路層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で60nmの厚さで形成した。このときのp型導波路層の成長レートは0.35μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。 Next, a p-type waveguide layer, which is a second conductive type waveguide layer, was formed on the light emitting layer. The p-type waveguide layer was an AlGaN layer (Al: 63%, i.e., an Al 0.63 Ga 0.37 N layer) containing no dopant. The p-type waveguide layer was formed to a thickness of 60 nm under the conditions of a temperature of 1080° C., a degree of vacuum of 50 mbar, and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the p-type waveguide layer at this time was 0.35 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al raw material. Triethylgallium (TEGa) was used as the Ga raw material.
続いて、p型導波路層上に第2導電型クラッド層を形成した。第2導電型クラッド層は、第2導電型縦伝導層と、第2導電型横伝導層とを備える積層構造であり、Al組成比が傾斜するグレーデッド層である。第2導電型縦伝導層は、基板から遠ざかる方向にAl組成が分布をもち、Al=0.63から1.0まで変化する、層厚20nmのp型AlGaN層とした。また、第2導電型横伝導層は、基板から遠ざかる方向にAl組成が分布をもち、Al=1.0から0.7まで変化する、層厚320nmのp型AlGaN層とした。第2導電型クラッド層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。このときの第2導電型クラッド層の成長レートは0.3~0.5μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。 Next, a second conductive cladding layer was formed on the p-type waveguide layer. The second conductive cladding layer is a layered structure including a second conductive vertical conductive layer and a second conductive horizontal conductive layer, and is a graded layer with a gradient Al composition ratio. The second conductive vertical conductive layer was a p-type AlGaN layer having a thickness of 20 nm and an Al composition distribution in the direction away from the substrate, varying from Al=0.63 to 1.0. The second conductive horizontal conductive layer was a p-type AlGaN layer having a thickness of 320 nm and an Al composition distribution in the direction away from the substrate, varying from Al=1.0 to 0.7. The second conductive cladding layer was formed at a temperature of 1080°C, with a degree of vacuum set to 50 mbar and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the second conductive cladding layer at this time was 0.3 to 0.5 μm/hr. In addition, trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al source, and triethylgallium (TEGa) was used as the Ga source.
続いて、第2導電型クラッド層上に第2導電型コンタクト層であるp型コンタクト層を形成した。ここで、pコンタクト層は、AlGaN層とGaN層とにより形成した。AlGaN層は、Mgをドーパント不純物として用い、基板から遠ざかる方向にAl組成が分布をもち、Al=0.7から0.4まで変化する、層厚30nmのp型窒化物半導体層とした。また、GaN層は、10nmの厚さを有するGaN(すなわちAl:0%)で形成した。 Next, a p-type contact layer, which is a second conductive type contact layer, was formed on the second conductive type cladding layer. Here, the p-type contact layer was formed from an AlGaN layer and a GaN layer. The AlGaN layer was a p-type nitride semiconductor layer with a layer thickness of 30 nm, using Mg as a dopant impurity and with an Al composition distribution in the direction away from the substrate, varying from Al = 0.7 to 0.4. The GaN layer was formed from GaN (i.e. Al: 0%) with a thickness of 10 nm.
p型コンタクト層は、950℃の温度で、真空度を150mbarに設定し、V/III比を3650とした条件で形成した。このときのp型コンタクト層の成長レートは0.2μm/hrであった。 The p-type contact layer was formed at a temperature of 950°C, with a degree of vacuum set to 150 mbar and a V/III ratio of 3650. The growth rate of the p-type contact layer was 0.2 μm/hr.
以上のようにして、AlN基板上に、半導体積層部を形成した。この半導体積層部に対してXRDによる逆格子マッピング測定を実施したところ、半導体積層部はp型コンタクト層まで緩和のないシュードモルフィック成長をしていることが分かった。 In this way, a semiconductor multilayer was formed on an AlN substrate. When reciprocal lattice mapping measurements were performed on this semiconductor multilayer using XRD, it was found that the semiconductor multilayer had undergone pseudomorphic growth without relaxation up to the p-type contact layer.
上述したように形成された半導体積層部に対して、N2雰囲気中、700℃で10分以上アニーリングを行うことによって、p型コンタクト層を更に低抵抗化した。
フォトリソグラフィーによって、p型コンタクト層上に<1-100>方向のメサ境界に複数の凸部を設けるようなレジストパターン(IPCエッチングのフォトレジストマスク)を形成した。次いで、ICPを用いてCl2およびBCl3を含むガスによりドライエッチングを行うことによって、n型クラッド層を露出させた。n型クラッド層は、平面視で<1-100>方向長い矩形の領域に形成した。このとき、ICPの条件は、アンテナ電力が320W、バイアス電力が30W、自動圧力調整(APC:Adaptive Pressure Control valve)が2Pa、プロセス圧力が600Paであり、ガス流量はCl2ガスが20sccm、BCl3ガスが5sccmであった。
The semiconductor laminate formed as described above was annealed in an N 2 atmosphere at 700° C. for 10 minutes or more to further reduce the resistance of the p-type contact layer.
A resist pattern (photoresist mask for IPC etching) was formed by photolithography on the p-type contact layer to provide multiple convex portions at the mesa boundary in the <1-100> direction. Next, the n-type cladding layer was exposed by performing dry etching with a gas containing Cl2 and BCl3 using ICP. The n-type cladding layer was formed in a rectangular region long in the <1-100> direction in plan view. At this time, the ICP conditions were an antenna power of 320 W, a bias power of 30 W, an automatic pressure adjustment (APC: Adaptive Pressure Control valve) of 2 Pa, a process pressure of 600 Pa, and gas flow rates of Cl2 gas at 20 sccm and BCl3 gas at 5 sccm.
形成されたメサ構造は<1-100>方向の長さが600μmであり、<11-20>方向の長さが40μmであった。ここで、メサ構造の<1-100>方向の長さは平面視における共振器ミラー端面同士の間の距離であり、<11-20>方向の長さはメサ構造の側面同士の間の距離である。 The mesa structure formed had a length of 600 μm in the <1-100> direction and a length of 40 μm in the <11-20> direction. Here, the length of the mesa structure in the <1-100> direction is the distance between the end faces of the resonator mirror in a plan view, and the length in the <11-20> direction is the distance between the side faces of the mesa structure.
メサ構造におけるp型コンタクト層上に、<1-100>方向に長い矩形状にNiおよびAuを順に成膜して電極金属領域を複数形成して第2電極とした。このとき、第2電極の幅は5μmであり、長さは600μmであった。
メサ構造に対して、発光波長における単色Cathode Luminescence測定を行い、非発光領域となるメサ構造周囲の転位発生領域の幅を確認したところ、5.6μmであった。レーザダイオードの発振閾値を低減の観点から、第2電極とメサ構造周囲の転位発生領域とが重ならないように、メサ構造の側面から5.6μm離れた位置に第2電極を配置した。
On the p-type contact layer of the mesa structure, Ni and Au were sequentially deposited in a rectangular shape elongated in the <1-100> direction to form a plurality of electrode metal regions as second electrodes. At this time, the width of the second electrode was 5 μm and the length was 600 μm.
The mesa structure was subjected to monochromatic cathode luminescence measurement at the emission wavelength, and the width of the dislocation generation region around the mesa structure, which is a non-emitting region, was confirmed to be 5.6 μm. From the viewpoint of reducing the oscillation threshold of the laser diode, the second electrode was disposed at a position 5.6 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dislocation generation region around the mesa structure did not overlap.
また、メサ構造のn型クラッド層が露出した領域において、<1-100>方向に長い矩形状にV、Al、Ni、Ti及びAuを順に成膜して電極金属領域を複数形成して第1電極とした。さらに、電極金属領域内において、<11-20>方向に複数回劈開させることによって、基板をストライプ状に分割し、個片化されたレーザダイオードを形成した。最終的なメサ構造の<1-100>方向の長さは600μmであった。 In addition, in the region where the n-type cladding layer of the mesa structure was exposed, V, Al, Ni, Ti, and Au were deposited in order in a rectangular shape long in the <1-100> direction to form multiple electrode metal regions as first electrodes. Furthermore, within the electrode metal regions, the substrate was divided into stripes by cleaving multiple times in the <11-20> direction to form individual laser diodes. The final length of the mesa structure in the <1-100> direction was 600 μm.
このようにして得られたレーザダイオードにおいて、メサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は1.0μmであり,凸部の高さは1.0μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は20度であった。また、レーザダイオードの素子抵抗は5.4Ωであった。 When the shape of the side surface of the mesa structure in the <1-100> direction (the side surface that is not the resonator mirror end face) in a plan view was measured for the laser diode obtained in this manner, the distance between the apexes of the convex portions was 1.0 μm, the height of the convex portions was 1.0 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 20 degrees. The element resistance of the laser diode was also 5.4 Ω.
<実施例2>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は6μmであり、凸部の高さは1μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は20度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ10.5μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から10.5μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は7Ωであった。
Example 2
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 6 μm, the height of the convex portions was 1 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 20 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 10.5 μm. When the second electrode was placed at a position 10.5 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 7 Ω.
<実施例3>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は12μmであり、凸部の高さは1μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は20度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ11.4μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から11.4μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は7.4Ωであった。
Example 3
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 12 μm, the height of the convex portions was 1 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 20 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 11.4 μm. When the second electrode was placed at a position 11.4 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 7.4 Ω.
<実施例4>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は5μmであり、凸部の高さは3.5μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は20度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ9.3μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から9.3μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は6.6Ωであった。
Example 4
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 5 μm, the height of the convex portions was 3.5 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 20 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 9.3 μm. When the second electrode was placed at a position 9.3 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 6.6 Ω.
<実施例5>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は5μmであり、凸部の高さは10μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は20度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ11.3μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から11.3μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は7.3Ωであった。
Example 5
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 5 μm, the height of the convex portions was 10 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 20 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 11.3 μm. When the second electrode was placed at a position 11.3 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 7.3 Ω.
<実施例6>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は5μmであり、凸部の高さは12μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は20度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ11.6μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から11.6μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は7.4Ωであった。
Example 6
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 5 μm, the height of the convex portions was 12 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 20 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 11.6 μm. When the second electrode was placed at a position 11.6 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 7.4 Ω.
<実施例7>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は5μmであり、凸部の高さは1μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は10度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ5.4μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から5.4μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は5.3Ωであった。
Example 7
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 5 μm, the height of the convex portions was 1 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 10 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 5.4 μm. When the second electrode was placed at a position 5.4 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 5.3 Ω.
<実施例8>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は5μmであり、凸部の高さは1μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は60度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ7.9μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から7.9μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は6.1Ωであった。
Example 8
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 5 μm, the height of the convex portions was 1 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 60 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 7.9 μm. When the second electrode was placed at a position 7.9 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 6.1 Ω.
<実施例9>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は5μmであり、凸部の高さは1μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は100度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ9.5μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から9.5μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は6.7Ωであった。
<Example 9>
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 5 μm, the height of the convex portions was 1 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 100 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 9.5 μm. When the second electrode was placed at a position 9.5 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 6.7 Ω.
<実施例10>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部の頂点間距離は1μmであり、凸部の高さは1μmであり、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度は130度であった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ11.2μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から11.2μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は7.3Ωであった。
Example 10
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and the distance between the apexes of the convex portions was 1 μm, the height of the convex portions was 1 μm, and the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portions was 130 degrees. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 11.2 μm. When the second electrode was placed at a position 11.2 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 7.3 Ω.
<比較例1>
フォトレジストマスクの形状を変更してメサ構造の側面の形状を変更した以外は、実施例1と同様の方法でレーザダイオードを得た。
得られたレーザダイオードのメサ構造の<1-100>方向の側面(共振器ミラー端面ではない側面)の平面視における形状を測定したところ、凸部は無かった。メサ構造周囲の非発光領域の幅を測定したところ12μmであった。第2電極とメサ構造周囲の暗線領域とが重ならないように、メサ構造の側面から12μm離れた位置に第2電極を配置したところ、レーザダイオードの素子抵抗は7.5Ωであった。
以下の表1に、各実施例及び各比較例の評価結果を示す。
<Comparative Example 1>
A laser diode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the shape of the side surface of the mesa structure was changed by changing the shape of the photoresist mask.
The shape of the side surface (not the resonator mirror end surface) in the <1-100> direction of the mesa structure of the obtained laser diode in plan view was measured, and no protrusions were found. The width of the non-light-emitting region around the mesa structure was measured and found to be 12 μm. When the second electrode was placed at a position 12 μm away from the side surface of the mesa structure so that the second electrode and the dark line region around the mesa structure did not overlap, the element resistance of the laser diode was 7.5 Ω.
The evaluation results of each of the examples and comparative examples are shown in Table 1 below.
表1に示すように、レーザダイオードのメサ構造の側面に凸部を有する実施例1から実施例10のレーザダイオードは、メサ構造の側面に凸部を有していない比較例1のレーザダイオードと比較して、素子抵抗が低下した。
また、メサ構造の側面に形成された凸部の頂部間の距離が1μm以上10μm以下である実施例1及び実施例2のレーザダイオードは、凸部の頂部間の距離が10μmを超える実施例3のレーザダイオードと比較して、さらに素子抵抗が低下した。
As shown in Table 1, the laser diodes of Examples 1 to 10, which have a convex portion on the side surface of the mesa structure of the laser diode, had a lower element resistance than the laser diode of Comparative Example 1, which does not have a convex portion on the side surface of the mesa structure.
Furthermore, the laser diodes of Examples 1 and 2, in which the distance between the tops of the protrusions formed on the side surfaces of the mesa structure is 1 μm or more and 10 μm or less, have an even lower element resistance than the laser diode of Example 3, in which the distance between the tops of the protrusions exceeds 10 μm.
さらに、凸部の底部と頂部とを結んだ線分同士がなす角の最小角度が1度より大きく120度以下である実施例7から実施例9のレーザダイオードは、最小角度が120度を超える実施例10のレーザダイオードと比較して、さらに素子抵抗が低下した。
このように、レーザダイオードの素子抵抗を低下させるために、メサ構造の側面に凸部を設けることが好ましく、凸部の形状(頂点間距離、高さ、頂点の平面視における角度)を調整することがさらに好ましいことがわかった。
Furthermore, the laser diodes of Examples 7 to 9, in which the minimum angle between the line segments connecting the bottom and top of the convex portion is greater than 1 degree and less than 120 degrees, had an even lower element resistance than the laser diode of Example 10, in which the minimum angle exceeded 120 degrees.
Thus, it was found that in order to reduce the element resistance of the laser diode, it is preferable to provide a convex portion on the side surface of the mesa structure, and it is even more preferable to adjust the shape of the convex portion (distance between apexes, height, and angle of the apex in a planar view).
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the embodiments of the present disclosure have been described above, the technical scope of the present disclosure is not limited to the technical scope described in the above-mentioned embodiments. Various modifications or improvements can be made to the above-mentioned embodiments, and it is clear from the claims that forms incorporating such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present disclosure.
10 基板
20 半導体積層部
21 第1導電型クラッド層
22 発光層
23 第2導電型クラッド層
23A 第2導電型縦伝導層
23B 第2導電型横伝導層
24 第1導電型導波路層
25 第2導電型導波路層
26 第2導電型コンタクト層
27 中間層
28 凸部
31 第1電極
32 第2電極
201 第1導電型クラッド層を含むメサ構造
SS メサ構造の側面
ES メサ構造の端面
10
Claims (14)
前記窒化物半導体基板上に配置された半導体積層部と、
を備え、
前記半導体積層部は、
前記窒化物半導体基板上に配置された、第1導電型の窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層上に配置された、一つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体で形成された発光層と、
前記発光層上に配置された、第2導電型の窒化物半導体を含む第2導電型クラッド層と、
を有し、
前記半導体積層部の少なくとも一部は、光共振および射出のために形成された、少なくとも前記第1導電型クラッド層を含むメサ構造であり、
前記メサ構造の側面のうち光共振方向に垂直ではない側面は、複数の凸部を有する
レーザダイオード。 a nitride semiconductor substrate containing Al;
a semiconductor laminate portion disposed on the nitride semiconductor substrate;
Equipped with
The semiconductor laminate portion is
a first conductivity type cladding layer including a first conductivity type nitride semiconductor layer disposed on the nitride semiconductor substrate;
a light emitting layer formed of a nitride semiconductor including one or more quantum wells and disposed on the first conductive type cladding layer;
a second conductivity type cladding layer including a second conductivity type nitride semiconductor disposed on the light emitting layer;
having
At least a portion of the semiconductor laminate is a mesa structure including at least the first conductive type cladding layer, the mesa structure being formed for optical resonance and emission;
A laser diode in which the side surfaces of the mesa structure that are not perpendicular to the optical resonance direction have a plurality of protrusions.
請求項1に記載のレーザダイオード。 The distance between the tops of the plurality of protrusions in a plan view is 1 μm or more and 10 μm or less.
2. The laser diode of claim 1.
請求項1または2に記載のレーザダイオード。 The height of the convex portion in a plan view is 1 μm or more and 11 μm or less.
3. The laser diode according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザダイオード。 In a plan view, the minimum angle between the line segments connecting the bottom and the top of the protrusion is 1 degree or more and 120 degrees or less.
4. A laser diode according to claim 1.
請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザダイオード。 The laser diode according to any one of claims 1 to 4, wherein the mesa structure has a resonator in which an end face parallel to a (1-100) crystal orientation plane of the nitride semiconductor substrate is a resonator mirror end face, and the laser diode is an edge-emitting ultraviolet laser diode that emits light in a <1-100> direction.
前記凸部は、平面視において<11-20>方向および<-1-120>方向の少なくとも一方に突出している
請求項1から5のいずれか一項に記載のレーザダイオード。 The mesa structure has a rectangular shape having long sides and short sides in a plan view, the long sides being parallel to the <1-100> direction,
6. The laser diode according to claim 1, wherein the convex portion protrudes in at least one of a <11-20> direction and a <-1-120> direction in a plan view.
請求項1から6のいずれか一項に記載のレーザダイオード。 7. The laser diode according to claim 1, wherein the nitride semiconductor substrate is an AlN single crystal substrate.
前記第2導電型クラッド層と前記発光層との間に配置されて、前記発光層へ光を閉じ込める第2導電型導波路層と、
を備える、
請求項1から7のいずれか一項に記載のレーザダイオード。 a first conductivity type waveguide layer disposed between the first conductivity type cladding layer and the light emitting layer to confine light to the light emitting layer;
a second conductive type waveguide layer disposed between the second conductive type cladding layer and the light emitting layer to confine light to the light emitting layer;
Equipped with
8. A laser diode according to claim 1.
前記第2導電型クラッド層は、AlfGa1-fN(0.1≦f≦1)を含み、前記窒化物半導体基板から遠ざかるにつれてAl組成eが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚が0.5μm未満である第2導電型縦伝導層と、AlgGa1-gN(0<g≦1)を含む第2導電型横伝導層と、を有する、
請求項8に記載のレーザダイオード。 a second conductive type contact layer disposed on the second conductive type cladding layer and formed of a nitride semiconductor containing GaN;
The second conductivity type cladding layer includes a second conductivity type vertical conduction layer having a thickness of less than 0.5 μm, and a second conductivity type lateral conduction layer including Al g Ga 1- g N (0<g≦1), the second conductivity type vertical conduction layer having a composition gradient in which the Al composition e decreases with increasing distance from the nitride semiconductor substrate.
9. The laser diode of claim 8.
請求項9に記載のレーザダイオード。 an intermediate layer disposed between the second conductive type vertical conductive layer and the second conductive type waveguide layer and formed of Al h Ga 1-h N (0<h≦1.0);
10. The laser diode of claim 9.
請求項9または10に記載のレーザダイオード。 The thickness of the second conductive type vertical conductive layer is 250 nm or more and 450 nm or less.
11. The laser diode according to claim 9 or 10.
請求項9から11のいずれか一項に記載のレーザダイオード。 a part or all of a region of the second conductive type vertical conduction layer including an interface with the second conductive type waveguide layer is a region that is not doped with impurities;
12. A laser diode according to any one of claims 9 to 11.
前記第2導電型縦伝導層および前記第2導電型横伝導層は、前記窒化物半導体基板に対して完全歪で形成されている、
請求項9から12のいずれか一項に記載のレーザダイオード。 the first conductive type cladding layer is made of Al a Ga 1-a N (0.6<a≦0.8);
the second conductive type vertical conduction layer and the second conductive type lateral conduction layer are formed with complete strain with respect to the nitride semiconductor substrate;
13. A laser diode according to any one of claims 9 to 12.
請求項9から13のいずれか一項に記載のレーザダイオード。
the Al composition g of the second conductive type lateral conduction layer at a surface facing the second conductive type vertical conduction layer is greater than a minimum value of the Al composition f of the second conductive type vertical conduction layer;
14. A laser diode according to any one of claims 9 to 13.
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