JP2004363582A - 半導体レーザー素子 - Google Patents

Abstract

【課題】きれいな劈開面を有する半導体レーザー素子を提供する。
【解決手段】レーザー共振層１３０、共振層上下部のクラッド層１２２、１４１を含む多重の半導体物質層によるメサ構造物の上部に電流注入リッジ１４１ａ及び電流注入リッジ両側の力分散リッジ１４１ｂがメサ構造物の表面から突出形成されている構造を有する半導体レーザー素子であり、電流注入リッジ１４１ａ及びその両側の力分散リッジ１４１ｂは、クリービング時のスクライビングフォースを噴射させ、きれいな劈開面を得られるようにする。また、フリップチップボンディングの時の力の分散により電流注入リッジの損傷が防止される。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体レーザー素子に系り、詳しくは滑らかな劈開面を有するレーザー素子に関する。

半導体レーザーは、光通信などのような通信分野やコンパクトディスクプレーヤー（ＣＤＰ）やデジタル多機能ディスクプレーヤー（ＤＶＤＰ）などのような装置でデータの送信やデータの記録及び読取のための手段として広く使われている。

このように半導体レーザー素子が広く使われる理由は、限定された空間内でレーザー光の発振特性を維持でき、小型化が可能で何よりもレーザー発振のための臨界電流値が小さいからである。半導体レーザーを使える産業分野が増え、より小さな臨界電流値を有する半導体レーザー素子に対する要求が増加しつつある。すなわち、低電流発振が可能で長期間の寿命動作試験にパスする優秀な特性を有する半導体レーザー素子に対する必要性が増加している。

このようなレーザー素子の動作電力を低くし、かつ出力を高めるためにはレーザー発振層に対して直角で滑らかな光出射面が求められる。この光出射面は、鏡面または劈開面と呼ばれて、食刻またはスクライビングによって形成される。

乾式エッチングによる光出射面は非常に荒くて光損失が多くて再現性が低い。しかし、スクライビングによる劈開面は相対的に光損失が少ない利点を有する。ＧａＮなどのような窒化物半導体レーザー素子は劈開面を光出射面として利用する。しかし、サファイア基板の上に成長されたＧａＮは、基板と異なる結晶方向を有しているから、スクライビングによる滑らかな劈開面の形成が技術的に難しく、低い収率を示す。

まず、従来の窒化物半導体レーザー素子の概略的構造を説明する。

図１を参照すれば、サファイア基板１０上に第１及び第２領域Ｒ１，Ｒ２に分けられるｎ−ＧａＮ下部コンタクト層１２が積層されている。このような下部コンタクト層１２上に多重層の半導体物質層がメサ構造体として存在する。すなわち、第１領域Ｒ１上で、ｎ−ＧａＮ下部コンタクト層１２の上面にｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ下部クラッド層２４、ｎ−ＧａＮ下部導波層２６、ＩｎＧａＮ活性層２８、ｐ−ＧａＮ上部導波層３０、ｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ上部クラッド層３２が順次に積層されている。ここで、ｎ−及びｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ下部及び上部クラッド層２４，３２の屈折率はｎ−及びｐ−ＧａＮ下部及び上部導波層２６，３０より小さく、ｎ−及びｐ−ＧａＮ下部及び上部導波層２６，３０の屈折率は活性層２８の屈折率より小さい。前記メサ構造物で、ｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ上部クラッド層３２の上部の中間部分にはリッジウエーブガイド構造を提供する所定幅の突き出されたリッジ３２ａが形成されていて、リッジ３２ａの頂上面にはｐ−ＧａＮ上部コンタクト層３４が形成されている。前記ｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ上部クラッド層３２の上にはコンタクト孔３６ａを有するパッシベーション層としての埋め込み層３６が形成されている。前記埋め込み層３６のコンタクト孔３６ａは、前記リッジ３２ａの上面に形成された上部コンタクト層３４の頂上部分に対応して、コンタクト孔３６ａの端部分は上部コンタクト層３４上面の縁部分に重なっている。

前記埋め込み層３６上にはｐ型上部電極３８が形成されていて、ｐ型電極３８は前記埋め込み層３６のコンタクト孔３６ａを通じて前記上部コンタクト層３４に接触される。前記下部コンタクト層１２で、第１領域Ｒ１より低い第２領域Ｒ２にはｎ型下部電極３７が形成されている。

このような上部クラッド層３２に設けられたリッジウエーブガイド構造は、活性層２８に注入される電流を制限して、活性層２８でのレーザー発振のための共振領域幅を制限して横モードを安定化させ、そして動作電流を低くできる。

このような一般的な窒化物半導体レーザー素子の製造過程は、サファイア基板に多層構造のＧａＮ系半導体物質層を形成した後、乾式エッチングにより電流注入領域に対応するリッジを形成し、そしてｎ−ＧａＮ下部コンタクト層の露出と、共振面を形成させるためのｎ−ＧａＮ下部コンタクト層上部のメサ構造物とが形成される。このようなメサ構造物は、サファイアなどの基板上にアレイの形態に製造され、最終的にスクライビングなどによって単位素子で分離する。

図２は、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２上に二つの単位素子に対応する二つのメサ構造物が形成されている構造を示す。二つのメサ構造物は、連結部分４０により相互連結されていて、これらは前記連結部分上を横切る一つのリッジ３２ａを共有する形態を有する。このようなメサ構造物は、その下部を支持する基板とともに前記連結部分４０を横切るスクライビングラインＡ−Ａ’に沿って単位素子として分離される。

前述したように、基板のスクライビングにより単位素子が分離され、分離された部分にレーザー光が出射する劈開面が形成される。サファイア基板の上に形成されたＧａＮ層のｃ−結晶面は、サファイアのｃ−結晶面に対して約３０度ずれている。このように、サファイア基板の結晶面とＧａＮの結晶面とが互いにずれているから、レーザー発振層に垂直にきれいな劈開面を形成しにくい。

レーザー発振層に垂直できれいな劈開面をＧａＮ半導体物質層に形成するためには、まずサファイア基板の劈開面が正確にスクライビングによって分離されなければならず、この時にサファイア基板で多重のＧａＮ半導体物質層によりメサ構造物の下部からその上部のリッジにまでスクライビングフォースが伝達される時、メサ構造物の特定部位にスクライビングフォースが集中されず、均等に分布されるべきである。

従来技術を利用して形成された光出射面、すなわち半導体物質層の劈開面を観察して見ると、再現性が低いことがわかる。すなわち、等しいスクライビング条件下で行っても、チップ（単位レーザー素子）ごとに相異なる形状の劈開面を有して、光出射に影響している。このため発振層に垂直できれいな劈開面を有するレーザー素子の収率は約６５％位である。

光出射面が不良なレーザー素子を分析して見れば、スクライビングの時、サファイア基板から伝えられて来るスクライビングフォースがメサ構造物に伝えられ、クリービングの進行過程で、図３に示したように、メサ構造物の下部の角（点線領域）にスクライビングフォースが集中してしまうことでこの部分にクラックが形成され、このクラックが光出射面まで伝えられている。

また、他の不良の一形態は、ＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ、特許文献１参照）によって形成されたＧａＮ合体部でのクラックである。これは、図４に図示されたように、サファイア基板から伝えられて来るスクライビングフォースがＧａＮに伝達しながらＧａＮの合体部でクラックが発生される。このように形成されたクラックがメサ構造物上部のリッジウエーブガイドに伝えられながら（点線領域）、劈開面にデコボコした不規則的な表面を形成する。

以上のようなクラック及びこれによる不規則的な表面を有する劈開面は、結局光出力低下をもたらして、動作電流を高めるようになる。
米国特許第６，３４８，１０８号明細書

本発明の目的は、良質のレーザー出射面を有するレーザー素子を提供することである。

また本発明の他の目的は、動作電流が低く、レーザー発振効率を高めた半導体レーザー素子を提供することである。

前記目的を果たすための本発明は、基板上にレーザー共振層、共振層上下部のクラッド層を含む多重の半導体物質層によるメサ構造物が形成されている半導体レーザー素子において、前記メサ構造物の下部に形成された湾曲した弧形角部と、前記メサ構造物の上部に前記メサ構造物の表面から突出して形成された電流注入リッジと、前記メサ構造物の上に形成され、前記電流注入リッジの頂上面に対応する位置にコンタクト孔を具備するパッシベーション層と、を有することを特徴とする半導体レーザー素子である。

前記目的を果たすための他の本発明は、基板上にレーザー共振層、共振層上下部のクラッド層を含む多重の半導体物質層によるメサ構造物が形成されている半導体レーザー素子において、前記メサ構造物の下部に形成された湾曲した弧形角部と、前記メサ構造物の上部に形成された電流注入リッジと、前記電流注入リッジ両側でメサ構造物の表面から突出して形成された力分散リッジと、前記メサ構造物の上に形成され、前記電流注入リッジの頂上面に対応する位置にコンタクト孔を具備するパッシベーション層と、を有することを特徴とする半導体レーザー素子である。

前記本発明のレーザー素子において、前記の上下部クラッド層それぞれはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ及びｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であることが望ましい。

前記共振層は、前記下部クラッド層上に積層され、前記下部クラッド層より屈折率が大きい下部導波層と前記下部導波層上に積層され、レーザー光が生成される活性層及び前記活性層上に積層される上部導波層を含む。

前記上下部導波層は、前記活性層より屈折率が小さいことが望ましく、特にＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族化合物の半導体層であることが望ましい。

前記活性層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物化合物半導体層でありうる。前記リッジは、前記上部クラッド層に形成され、中央の電流注入リッジの上面に第２化合物半導体層が形成され、望ましくは第２化合物半導体層はｐ−ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層であることが望ましい。

前記第１化合物半導体基板は上面にｎ型電極をさらに具備し、前記基板はガリウムナイトライドによる半導体物質層が形成されたサファイア基板またはフリースタンディングガリウムナイトライド基板であることが望ましい。

また、前記本発明において、前記メサ構造物はその両側面が前記基板に対して傾いていて、前記基板の方向にその幅が広がりつつある構造を有するのが望ましい。

また、前記本発明において、前記力分散リッジは前記メサ構造体の両縁に形成されることが望ましい。

本発明によれば、メサ構造体の下部に湾曲された角部が形成されている。このような構造によれば、スクライビング方法によって発振層に垂直で非常にきれいな断面だけでなく、高い収率を得られる。このようなきれいな断面によればレーザー発振効率が高くなり、したがってレーザー素子の動作電流を低くすることができる。さらに、メサ構造体の上部、電流注入リッジの両側の力分散リッジが設けら力分散リッジは、クリービングの際、スクライビングフォースの分散だけではなくレーザー素子のフリップチップボンディングの時、電流注入リッジに加えられる荷重を分散してリッジの損傷を防止する。

図５は本発明の実施例による半導体レーザー素子を示した図面であり、図６はｎ−ＧａＮコンタクト層上に二つの単位レーザー素子に対応する二つのメサ構造物が形成されている構造を示す図面である。

本発明の実施例による半導体レーザー素子は、基板１００と、基板の上面に成長された下部物質層１２０、共振層１３０及び上部物質層１４０を具備する。

下部物質層１２０は、基板１００表面に成長されてエッチング工程による段差を有する下部コンタクト層としての第１化合物半導体層１２１と、第１化合物半導体層１２１の上面に積層される下部クラッド層１２２を含む。第１化合物半導体層１２１の段差が形成された部分にはｎ型下部電極１５３が位置する。

前記基板１００はサファイア基板またはフリースタンディングＧａＮ基板が主に利用され、第１化合物半導体層１２１はｎ−ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物化合物半導体層で形成するものの、特にｎ−ＧａＮ層で形成するのが望ましい。しかし、これに限定されず、レーザー発振（レイジング）が可能なＩＩＩ−Ｖ族の他の化合物半導体層でありうる。下部クラッド層１２２は、所定の屈折率を有するｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であることが望ましいが、レイジングが可能な他の化合物半導体層でありうる。

前記共振層１３０は、前記下部クラッド層１２２の上面に順に下部導波層１３１、活性層１３２及び上部導波層１３３が積層された構造を有する。上下部導波層１３１，１３３は、活性層１３２より屈折率が小さい物質で形成することが望ましく、なかでもＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層で形成するのがより望ましい。したがって、例えば、下部導波層１３１はｎ−ＧａＮ層で、上部導波層１３３はｐ−ＧａＮ層で形成する。

活性層１３２は、レイジングが起きる物質層ならどんな物質層でも使え、望ましくは臨界電流値が小さくて横モード特性が安定したレーザー光を発進できる物質層を使う。活性層１３２として、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物化合物半導体層を使うのが望ましい。ここで、前記活性層は多重量子ウェルまたは単一量子ウェルの中でいずれか一つの構造を有することができ、このような活性層の構造は本発明の技術的範囲を制限しない。

上部物質層１４０は、本発明の特徴の一要素として上部導波層１３３の上面に積層され、中央部に電流注入リッジ１４１ａ及びその両側の力分散リッジ１４１ｂ，１４１ｂが突き出されるように形成されている上部クラッド層１４１を含む。前記電流注入リッジ１４１ａの上面にオーム接点層として積層される第２化合物半導体層１４２を含む。上部クラッド層１４１は、下部クラッド層１２２がｎ型化合物半導体層ならｐ型化合物半導体層で形成し、下部クラッド層１２２がｐ型化合物半導体層ならｎ型化合物半導体層で形成する。すなわち、下部クラッド層１２２がｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層なら上部クラッド層１４１はｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮで形成する。第２化合物半導体層１４２も同じように第１化合物半導体層１２１がｎ型化合物半導体層ならｐ型化合物半導体層で形成し、第１化合物半導体層１２１がｎ−ＧａＮに形成されれば第２化合物半導体層１４２はｐ−ＧａＮで形成する。前記リッジ１４１ａ，１４１ｂ上にはパッシベーション層１５１が形成されて、パッシベーション層１５１には中央の電流注入リッジ１４１ａに対応するコンタクト孔１５１Ａが形成されていて、この上にｐ型上部電極１５２が形成されている。

前述のような構造を有する本発明によるレーザー素子で、共振層１３０、上部物質層１４０そして下部物質層１２０の下部クラッド層１２２がメサ構造内に存在する。このようなメサ構造体の下部は、本発明の他の特徴により鋭い角ではない緩やかに湾曲された弧形角部１２１ａを有する。

メサ構造体の下部に形成された湾曲された、この弧形角部１２１ａは、図６に図示されたようにＢ−Ｂ’線に沿って単位素子を分離する時に加えられるスクライビングフォースの集中を防止する機能を有する。

本発明によるレーザー素子は、図５及び図６に図示されたように、電流注入リッジ１４１ａの両側に力分散リッジ１４１ａが形成されていて、またメサ構造体の下部に力分散のための湾曲された弧形角部が形成される構造を有する。ここで、前記力分散リッジは電流注入リッジと平行で、これを中心に対称的に形成されてその幅は電流注入リッジ１４１ａと同じか大きいことが望ましい。このように形成された力分散リッジ１４１ａは、前述のようにスクライビングフォースにより形成されるＧａＮ結晶の合体部のクラックが電流注入リッジに集中されることを防止する役目をする。すなわち、合体部クラックがメサ構造体で垂直方向に伝えるようにすることで、このクラックが電流注入リッジに進行することを防止して光出射断面に影響を与えないようにする。

図７は本発明によるレーザー素子でメサ構造体の下部構造を示す走査電子写真（ＳＥＭ）であり、図８はメサ構造体で中央の電流注入リッジ部分を示した走査電子写真である。

図７で示したように、メサ構造体の下部に湾曲された角部が形成されていて、この部分でクラック集中による不規則的な表面屈曲がない滑らかな劈開面が観察される。これは図３に示した従来レーザー素子での不規則な劈開面と対照的である。

図８で示したように、メサ構造体の上部に中央の電流注入リッジが設けられ、その両側に力分散リッジが設けられているため、合体部からのクラックが基板に対して垂直で進行することで中央のリッジ部分は滑らかな劈開面を有するのが観察される。

このような本発明は図面に図示された実施例を参照に説明されたが、これは例示的なことに過ぎず、当該分野での当業者なら多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解するだろう。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は特許請求範囲に限って決まらなければならない。

前記のような本発明は、レーザーダイオード、特にメサ構造物を有するＧａＮレーザーダイオードに適用される。

従来の半導体レーザー素子の概略的断面図である。 従来の半導体レーザー素子を製造する過程の中で単位レーザー素子が分離しない状態の基板を示す概略的平面図である。 従来の半導体レーザー素子のメサ構造体の劈開面で段差を有した不規則な表面を示すＳＥＭ写真である。 従来の半導体レーザー素子の劈開面で段差を有した不規則な表面が上部のリッジまで伝えたことを示すＳＥＭ写真である。 本発明による半導体レーザー素子の概略的断面図である。 本発明による半導体レーザー素子を製造する過程の中で単位レーザー素子が分離しない状態の基板を示す概略的平面図である。 本発明による半導体レーザー素子のメサ構造体の下部構造を示すＳＥＭ写真である。 本発明による半導体レーザー素子でメサ構造体上部に形成されたリッジであり、段差が伝えられず、下部で垂直にすぐ進行されてきれいな劈開面を示すＳＥＭ写真である。

符号の説明

１００…基板、
１００…前記基板、
１２０…下部物質層、
１２１…化合物半導体層、
１２１ａ…弧形角部、
１２２…下部クラッド層、
１３０…共振層、
１３０…前記共振層、
１３１…下部導波層、
１３２…活性層、
１３３…上部導波層、
１４０…上部物質層、
１４１…上部クラッド層、
１４１ａ…電流注入リッジ、
１４１ｂ…力分散リッジ、
１４２…化合物半導体層、
１５１Ａ…コンタクト孔、
１５１…パッシベーション層、
１５２…型上部電極、
１５３…型下部電極。

Claims (16)

1. 基板上にレーザー共振層、共振層上下部のクラッド層を含む多重の半導体物質層によるメサ構造物が形成されている半導体レーザー素子において、
   前記メサ構造物の下部に形成された湾曲した弧形角部と、
   前記メサ構造物の上部に前記メサ構造物の表面から突出して形成された電流注入リッジと、
   前記メサ構造物の上に形成され、前記電流注入リッジの頂上面に対応する位置にコンタクト孔を具備するパッシベーション層と、
   を有することを特徴とする半導体レーザー素子。
2. 前記上下部クラッド層は、それぞれｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ及びｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
3. 前記共振層は、
   前記下部クラッド層上に積層され、前記下部クラッド層より屈折率が大きい下部導波層と、
   前記下部導波層上に積層され、レーザー光が生成される活性層と、
   前記活性層上に積層される上部導波層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
4. 前記上下部導波層は、前記活性層より屈折率が小さく、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザー素子。
5. 前記活性層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物化合物半導体層であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザー素子。
6. 前記電流注入リッジは、前記上部クラッド層に形成され、中央の電流注入リッジの上面に第２化合物半導体層が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザー素子。
7. 前記第２化合物半導体層は、ｐ−ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層であることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザー素子。
8. 前記基板は、上面にｎ型電極をさらに具備し、ガリウムナイトライドによる半導体物質層が形成されたサファイア基板またはフリースタンディングガリウムナイトライド基板であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザー素子。
9. 基板上にレーザー共振層、共振層上下部のクラッド層を含む多重の半導体物質層によるメサ構造物が形成されている半導体レーザー素子において、
   前記メサ構造物の下部に形成された湾曲した弧形角部と、
   前記メサ構造物の上部に形成された電流注入リッジと、
   前記電流注入リッジ両側でメサ構造物の表面から突出して形成された力分散リッジと、
   前記メサ構造物の上に形成され、前記電流注入リッジの頂上面に対応する位置にコンタクト孔を具備するパッシベーション層と、
   を有することを特徴とする半導体レーザー素子。
10. 前記上下部クラッド層は、それぞれｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ及びｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザー素子。
11. 前記共振層は、
    前記下部クラッド層上に積層され、前記下部クラッド層より屈折率が大きい下部導波層と、
    前記下部導波層上に積層され、レーザー光が生成される活性層と、
    前記活性層上に積層される上部導波層と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザー素子。
12. 前記上下部導波層は、前記活性層より屈折率が小さく、ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザー素子。
13. 前記活性層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物化合物半導体層であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザー素子。
14. 前記電流注入リッジは、前記上部クラッド層に形成され、中央の電流注入リッジの上面に第２化合物半導体層が形成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザー素子。
15. 前記第２化合物半導体層は、ｐ−ＧａＮ系列のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザー素子。
16. 前記基板は、上面にｎ型電極をさらに具備し、ガリウムナイトライドによる半導体物質層が形成されたサファイア基板またはフリースタンディングガリウムナイトライド基板であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザー素子。