Search

JP-2026077918-A - 半導体レーザ素子

JP2026077918AJP 2026077918 AJP2026077918 AJP 2026077918AJP-2026077918-A

Abstract

【課題】吸収損失を低減することができ、効率の向上が可能な半導体レーザ素子を提供する。 【解決手段】それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有し、ｐ側半導体層に上方に突出したリッジが設けられた半導体レーザ素子である。ｐ側半導体層は、活性層の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分と、第１部分の上面に接して配置され、第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、電子障壁層の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分と、を有する。第１部分は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなっており、アンドープであるｐ側組成傾斜層と、ｐ側組成傾斜層の上方に配置され、アンドープである、ｐ側中間層と、を有し、リッジの下端は、ｐ側中間層に位置している。 【選択図】図２Ａ

Inventors

  • 中津 嘉隆

Assignees

  • 日亜化学工業株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20260305
Priority Date
20190117

Claims (15)

  1. それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有し、前記ｐ側半導体層に上方に突出したリッジが設けられた半導体レーザ素子であって、 前記ｐ側半導体層は、 前記活性層の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分と、 前記第１部分の上面に接して配置され、前記第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、 前記電子障壁層の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分と、を有し、 前記第１部分は、 上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなっており、アンドープであるｐ側組成傾斜層と、 前記ｐ側組成傾斜層の上方に配置され、アンドープである、ｐ側中間層と、を有し、 前記リッジの下端は、前記ｐ側中間層に位置している、半導体レーザ素子。
  2. 前記第２部分は、 前記リッジの上面を構成する上側ｐ型半導体層と、 前記上側ｐ型半導体層と前記電子障壁層の間に配置され、前記上側ｐ型半導体層より大きいバンドギャップエネルギーを有する下側ｐ型半導体層と、を有する、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記第１部分は、前記ｐ側中間層として、 前記ｐ側組成傾斜層の平均バンドギャップエネルギーより大きく且つ前記電子障壁層のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有し、アンドープである、第１層と、 前記第１層のバンドギャップエネルギーより大きく且つ前記電子障壁層のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有し、アンドープである、第２層と、を有する、請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記第１層及び前記第２層はそれぞれ単一組成の層であり、前記リッジの下端は前記第１層又は前記第２層に位置している、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記第１層はＧａＮ層である、請求項３又は４に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記第２層はＡｌＧａＮ層である、請求項３～５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記ｐ側組成傾斜層は、互いに組成の異なる複数のサブ層からなり、 前記ｐ側組成傾斜層の最も下側のサブ層は、Ｉｎ ａ Ｇａ １－ａ Ｎ（０＜ａ＜１）からなり、 前記ｐ側組成傾斜層の最も上側のサブ層は、Ｉｎ ｚ Ｇａ １－ｚ Ｎ（０≦ｚ＜ａ）からなる請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  8. それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有し、前記ｐ側半導体層に上方に突出したリッジが設けられた半導体レーザ素子であって、 前記ｐ側半導体層は、 前記活性層の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分と、 前記第１部分の上面に接して配置され、前記第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、 前記電子障壁層の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分と、を有し、 前記第２部分の厚みは、前記第１部分の厚みよりも薄く、 前記リッジの下端は、前記第１部分に位置している、半導体レーザ素子。
  9. 前記第１部分の厚みは、４００ｎｍ以上である、請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  10. 前記リッジの底面から前記電子障壁層までの最短距離は、前記リッジの上面から前記電子障壁層までの最短距離よりも大きい、請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  11. 前記リッジの上面に設けられたｐ電極を有し、 前記ｐ電極は、前記第２部分の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明導電膜である、請求項１～１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  12. 前記半導体レーザ素子は波長５３０ｎｍ以上のレーザ光を発振可能である請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  13. 前記第１部分は、前記電子障壁層の下面に接する最上層を有し、 前記第２部分は、前記電子障壁層の上面に接する最下層を有し、 前記最下層のバンドギャップエネルギーは、前記最上層のバンドギャップエネルギーよりも小さい、請求項１～１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  14. 基板の上に、ｎ側半導体層を形成する工程と、 前記ｎ側半導体層の上に、活性層を形成する工程と、 前記活性層の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分をアンドープで形成する工程と、 前記第１部分の上面に、前記第１部分のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する電子障壁層を、ｐ型不純物をドープして形成する工程と、 前記電子障壁層の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分を形成する工程と、 前記第１部分と前記電子障壁層と前記第２部分とを含むｐ側半導体層の一部を除去することにより、上方に突出したリッジを形成する工程と、を有し、 前記第１部分をアンドープで形成する工程は、 上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるｐ側組成傾斜層をアンドープで形成する工程と、 前記ｐ側組成傾斜層の上方に、ｐ側中間層をアンドープで形成する工程と、を含み、 前記リッジを形成する工程において、前記リッジの下端が前記ｐ側中間層に位置するように前記ｐ側半導体層の一部を除去する、半導体レーザ素子の製造方法。
  15. 基板の上に、ｎ側半導体層を形成する工程と、 前記ｎ側半導体層の上に、活性層を形成する工程と、 前記活性層の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分をアンドープで形成する工程と、 前記第１部分の上面に、前記第１部分のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する電子障壁層を、ｐ型不純物をドープして形成する工程と、 前記電子障壁層の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分を形成する工程と、 前記第１部分と前記電子障壁層と前記第２部分とを含むｐ側半導体層の一部を除去することにより、上方に突出したリッジを形成する工程と、を有し、 前記第２部分を形成する工程において、前記第１部分の厚みよりも薄い厚みを有する前記第２部分を形成し、 前記リッジを形成する工程において、前記リッジの下端が前記第１部分に位置するように前記ｐ側半導体層の一部を除去する、半導体レーザ素子の製造方法。

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。 今日、窒化物半導体を有する半導体レーザ素子（以下、「窒化物半導体レーザ素子」ともいう。）は、紫外域から緑色に至るまでの光を発振することが可能となり、光ディスクの光源のみならず多岐にわたり利用されている。このような半導体レーザ素子としては、基板の上に、ｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層をこの順に有する構造が知られている（例えば特許文献１、２、３）。 特開２００３－２７３４７３号公報特開２０１４－１３１０１９号公報国際公開第２０１７／０１７９２８号公報 図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の模式的な断面図である。図２Ａは、図１の半導体レーザ素子のｐ側半導体層の層構造の例を模式的に示す図である。図２Ｂは、図１の半導体レーザ素子のｐ側半導体層の層構造の別の例を模式的に示す図である。図２Ｃは、図１の半導体レーザ素子のｐ側半導体層の層構造の別の例を模式的に示す図である。図２Ｄは、図１の半導体レーザ素子のｐ側半導体層の層構造の別の例を模式的に示す図である。図３Ａは、第１部分の最上層と電子障壁層と第２部分の最下層とのバンドギャップエネルギーの関係の一例を模式的に示す図である。図３Ｂは、第１部分の最上層と電子障壁層と第２部分の最下層とのバンドギャップエネルギーの関係の別の例を模式的に示す図である。図３Ｃは、第１部分の最上層と電子障壁層と第２部分の最下層とのバンドギャップエネルギーの関係の別の例を模式的に示す図である。図４は、図１の半導体レーザ素子のｎ側半導体層の層構造の例を模式的に示す図である。図５は、図１の半導体レーザ素子のｐ側組成傾斜層及びその付近の一部拡大図である。図６Aは、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示すフローチャートである。図６Bは、工程Ｓ１０３の一例を示すフローチャートである。図７は、計算例１乃至５の第１部分の厚みと第２部分への漏れ光の割合との関係を示すグラフである。図８は、比較例１乃至４の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を示すグラフである。図９Ａは、実施例１乃至３の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を示すグラフである。図９Ｂは、実施例１乃至３の半導体レーザ素子のＩ－Ｖ特性を示すグラフである。図１０Ａは、実施例３乃至５の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を示すグラフである。図１０Ｂは、実施例３乃至５の半導体レーザ素子のＩ－Ｖ特性を示すグラフである。図１１Ａは、実施例３及び６の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を示すグラフである。図１１Ｂは、実施例３及び６の半導体レーザ素子のＩ－Ｖ特性を示すグラフである。 以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。 図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子１００の模式的な断面図であり、半導体レーザ素子１００の共振器方向と垂直な方向における断面を示す。図２Ａと図２Ｂと図２Ｃと図２Ｄは、いずれもｐ側半導体層４の層構造の例を模式的に示す図であり、それぞれ別の例を示す。また図２Ａ乃至図２Ｄは、半導体レーザ素子１００の活性層３の一部及びｐ側半導体層４の各層のバンドギャップエネルギーの大小関係を模式的に示す図である。図２Ａ乃至図２Ｄにおいて、リッジ４ａの底面の位置を一点鎖線で示す。リッジ４ａの底面とは、リッジ４ａの両側面の最下辺同士を繋ぐ面を指す。図４は、ｎ側半導体層２の層構造の例を模式的に示す図である。 図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層２と、活性層３と、ｐ側半導体層４と、を上方に向かってこの順に有する。ｐ側半導体層４には、上方に突出したリッジ４ａが設けられている。なお、本明細書において、ｎ側半導体層２からｐ側半導体層４に向かう方向を上または上方といい、その逆方向を下または下方という。 ｐ側半導体層４は、第１部分４１と、電子障壁層４２と、第２部分４３を有する。第１部分４１は、活性層３の上面に接して配置されており、１以上の半導体層を有する。第１部分４１はアンドープである。電子障壁層４２は、第１部分４１の上面に接して配置される。電子障壁層４２は、第１部分４１よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する。第２部分４３は、電子障壁層の上面に接して配置される。第２部分４３は、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する。リッジ４ａの下端は、第１部分４１に位置している。すなわち、リッジ４ａは、第１部分４１の一部と、電子障壁層４２と、第２部分４３で構成されている。なお、本明細書において、アンドープとは意図的にドープしないことをいう。二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等の分析結果において検出限界を越えない濃度をアンドープといってよい。あるいは、不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満である状態をアンドープとしてもよい。例えば、ｐ型不純物及びｎ型不純物の濃度が検出限界以下であることをもって第１部分４１がアンドープであるといってよい。 ただし、第１部分４１は、ｐ型不純物濃度の高い電子障壁層４２と接しているため、ｐ型不純物を意図的にドープせずに形成しても、分析結果においてｐ型不純物が検出される場合がある。この場合に検出されるｐ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３未満であることが好ましい。また、第１部分４１等をアンドープで形成した場合に、ＨやＣなどの意図しない不純物が含有される場合があるが、この場合もアンドープと呼ぶことができる。また、本明細書において、ある層または部分の膜厚または厚みとは、その層または部分の最下面から最上面までの最短の距離を指す。最下面及び／又は最上面がＶピット等の部分的な凹部及び／又は凸部を有する場合は、最下面及び／又は最上面のうちそのような凹部及び／又は凸部がない平坦な部分同士の最短の距離を、その層または部分の膜厚または厚みとしてよい。 半導体レーザ素子１００は、以下の（１）～（３）の構造を有する。（１）第１部分４１は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなっておりアンドープであるｐ側組成傾斜層４１１と、ｐ側組成傾斜層４１１の上方に配置されアンドープであるｐ側中間層４１２と、を有する。リッジの下端はｐ側中間層４１２に位置している。（２）第２部分４３の厚みは第１部分４１の厚みよりも薄く、リッジ４ａの下端は第１部分４１に位置している。（３）第１部分４１の厚みは４００ｎｍ以上であり、リッジ４ａの下端は第１部分４１に位置している。半導体レーザ素子１００は、これら（１）～（３）の構造のいずれか１つのみを有していてもよく、２以上を同時に満たしていてもよい。 まず、（１）について述べる。図２Ａに示すように、ｐ側組成傾斜層４１１は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなっている層である。このような構成を有することにより、活性層３への光閉じ込めを強化することができる。ｐ側中間層４１２は、ｐ側組成傾斜層４１１とは異なる層である。ｐ側組成傾斜層４１１のみでなくｐ側中間層４１２も設けることで、第１部分４１を比較的厚膜とすることができる。これにより、光強度のピークを電子障壁層４２及び第２部分４３というｐ型不純物を含有する部分から遠ざけることができる。これらの構成を有することで、第２部分４３における光の強度を低下することができ、光の吸収損失を低減することができる。したがって、半導体レーザ素子１００の効率を向上させることができる。半導体レーザ素子１００の効率としては、閾値電流以上の電流値における電流及び光出力の特性グラフにおける傾きであるスロープ効率が挙げられる。 そして、リッジ４ａの下端は、電子障壁層４２よりも深く、ｐ側中間層４１２に位置している。これにより、比較的厚膜の第１部分４１を設けても、リッジ４ａの下端と活性層３との距離を短くすることができる。したがって、第１部分４１よりも上にリッジ４ａの下端を配置する場合よりも横方向の光閉じ込めを強めることができる。横方向の光閉じ込めが弱い場合、半導体レーザ素子１００の水平横モードが不安定になり、電流と光出力との関係を示すＩ－Ｌ特性においてキンクが発生することがある。リッジ４ａをその下端がｐ側中間層４１２に位置するように形成することで、横方向の光閉じ込めを強めることでき、水平横モードを安定化することができるため、Ｉ－Ｌ特性におけるキンクの発生確率を低減することができる。また一方で、リッジ４ａの下端にはリッジ４ａ形成時のエッチングダメージ等による電気的なリークが発生する可能性があるため、リッジ４ａの下端は活性層３と接近しすぎないことが好ましい。このことから、リッジ４ａの下端はｐ側組成傾斜層４１１ではなくｐ側中間層４１２に配置することが好ましい。 次に、（２）について述べる。第１部分４１が比較的厚膜であることにより、（１）と同様に、光強度のピークをｐ型不純物含有層から遠ざけることができ、ｐ型不純物含有層における自由キャリア吸収による損失を低減することができる。したがって、半導体レーザ素子１００のスロープ効率などの効率を向上させることができる。加えて、第２部分４３が薄いことにより、半導体レーザ素子１００の駆動電圧を低減することができ、効率を向上することができる。ｐ型不純物を含有する部分の膜厚を薄くすることで電圧が低下する理由は、窒化物半導体において、Ｍｇのようなｐ型不純物はＳｉのようなｎ型不純物よりも活性化率が低く、ｐ型不純物含有層は比較的高抵抗であるためである。第１部分４１はアンドープであるが電子障壁層４２と活性層３の間に位置するため、電子がオーバーフローする等の要因により完全な絶縁性というよりはｎ型導電性を示す傾向がある。これらのことから、比較的高抵抗であるｐ型不純物を含有する第２部分４３の厚みを薄くすることにより、駆動電圧が下がり、アンドープである第１部分４１の厚みを厚くすることによる駆動電圧の上昇を抑えるという効果を得ることができると考えられる。この効果は後述する実施例１乃至３に関する実験結果２において確認された。また、（１）と同様に、第１部分４１が比較的厚膜であるためリッジ４ａの下端は第１部分４１に設けることが好ましく、これにより、横方向の光閉じ込めを強めることができる。 次に、（３）について述べる。第１部分４１の厚みが４００ｎｍ以上と比較的厚いことにより、（１）及び（２）と同様に、ｐ型不純物含有層における損失を低減して効率向上が可能である。そして、その第１部分４１にリッジ４ａの下端を配置することで、（１）及び（２）と同様に、横方向の光閉じ込めの強化が可能である。 第１部分４１の構成について複数パターンを想定し、等価屈折率シミュレーションを行った。このシミュレーションでは、M.J.Bergmann, et. Al., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS vol.84 (1998) pp.1196-1203に記載の数式を用いて、各層の屈折率をその層を構成する窒化物半導体の組成比に基づいて算出した。計算例１には第１部分４１として膜厚２６０ｎｍのｐ側組成傾斜層４１１のみを設けた構造を用い、計算例２乃至５には第１部分４１としてｐ側組成傾斜層４１１とｐ側中間層４１２を設けた構造を用いた。計算例２乃至５におけるｐ側中間層４１２の膜厚はそれぞれ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍとした。すなわち、計算例１乃至５の第１部分４１の厚みはそれぞれ、２６０ｎｍ、３１０ｎｍ、３６０ｎｍ、４６０ｎｍ、６６０ｎｍとした。第１部分４１以外の層構造については、後述する実施例１の半導体レーザ素子１００と概ね同じであるが、第２ｎ側光ガイド層２