インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造
【課題】より強いモード安定性及び低閾値電流動作を有するレーザダイオードの提供。
【解決手段】インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造１００は、第１、第２及び第３の面を有し、クラッド構造１２１及びクラッド層１２５並びに前記クラッド構造１２１と前記クラッド層１２５との間に配置された多重量子井戸構造１４５を有するリッジ構造１１１と、前記リッジ構造１１１の前記第１、第２及び第３の面の上に存在し、電気的接触のために前記リッジ構造１１１の前記第３の面への開口を有する埋め込み層１５５とを有する。
【解決手段】インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造１００は、第１、第２及び第３の面を有し、クラッド構造１２１及びクラッド層１２５並びに前記クラッド構造１２１と前記クラッド層１２５との間に配置された多重量子井戸構造１４５を有するリッジ構造１１１と、前記リッジ構造１１１の前記第１、第２及び第３の面の上に存在し、電気的接触のために前記リッジ構造１１１の前記第３の面への開口を有する埋め込み層１５５とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物ベースの青色レーザダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント及び光学データ記憶への適用のための、窒化物ベースの青色レーザダイオードが開発されている。最初のＡｌＧａＩｎＮ青色レーザダイオードは、レーザダイオードの様々な空間モードに対する制御を行えない、広面積レーザであった。しかし、ほとんどの用途では、レーザダイオードは単一の空間モードでの動作が要求される。ＡｌＧａＩｎＮ青色レーザダイオードの単一空間モード動作を達成する１つの方法は、ナカムラ等(S. Nakamura et al.)の“リッジ形状ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造レーザダイオード(Ridge-geometry InGaN multi-quantum-well-structure laser diodes)”（Applied Physics Letters 69 (10), pp. 1477-1479）で述べられているように、横方向の導波路を定めるリッジ導波路構造を用いることである。リッジ導波路は青色レーザの単一空間モード発光を提供するものであるが、導波性は比較的弱い。横方向の屈折率のステップは小さく、発熱及びキャリアの注入による影響を受ける。更に、リッジがレーザ活性領域の近くまで十分に延びるように、リッジをエッチングしなければならないが、GaN材料には化学エッチングを適用できないことから、レーザ活性領域に材料の損傷を防ぐためのエッチストップを使用できないので、製造上の困難がある。
リッジウエーブガイド（導波管）は半導体レーザの横方向の光学的閉じ込め構造を形成することができるので、リッジは半導体レーザのエッジエミッション（端部からの光放射）源を正確に画定する。リッジウエーブガイドは典型的には、半導体レーザ構造の活性半導体層の上部の、概ね平らな上面と傾斜した側壁を有する半導体材料の小型のリッジである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−２８９１９０号公報
【特許文献２】特開平１０−０９３１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
より強いモード安定性及び低閾値電流動作を提供するために、一般的にＩｎＧａＡｓＰ光ファイバー通信レーザに用いられる埋め込みヘテロ構造、又は、高出力単一モードＡｌＧａＡｓレーザダイオードに用いられる不純物誘導層が不規則な導波路構造を有するもののような、より強くインデックス（屈折率）ガイドされた(index-guided)ダイオードレーザが必要である。更に、埋め込みヘテロ構造を用いると、ある製造上の困難が回避される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード、及び自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの両方は、従来のリッジ導波路構造と比べて、改善されたモード安定性及び低閾値電流を提供する。本発明に従ったインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの構造は、一般的に、横方向の閉じ込めのために、絶縁性のＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はｐ型ドープＡｌＧａＮ：Ｍｇを用いるとともに、リッジ上に画定されるレーザダイオードの狭い活性ストライプの配置位置である狭い（一般的に約１から５μｍ幅の）リッジを有する。この狭いリッジは、リッジ上にｐ型電極コンタクト用のウィンドウを有する、エピタキシャルに蒸着された膜によって囲まれている。このリッジは、レーザダイオード構造の活性領域を完全に貫通して短周期超格子ｎ型クラッド層に至るまでエッチングされる。この短周期超格子は、閉じ込めのために十分な厚さのクラッド層をひび割れを生じずに実現するために用いられる。一般的に、短周期超格子を用いると、ひび割れを生じずにクラッド層の厚さを２倍にできる。これは、従来の構造と比べて、漏洩によって失われる光の強さを約２桁低減するとともに、遠視野放射像を改善する。リッジのエッチングによって接合面が露出され、これらの接合面は、注入されたキャリアが、反転分布に必要な伝導帯や価電子帯の状態を満たす（飽和させる）のを防ぐ表面状態を提供する。しかし、オーバーグロースした材料とリッジ構造との間の境界面は完全に密着するので、高バンドギャップ材料のエピタキシャル再成長は表面状態を不活性化する。
【０００６】
自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの構造は、強い横方向での光の閉じ込め及び強い横方向でのキャリアの閉じ込めを提供するための埋め込み層としても機能するｐ型クラッド層を用いる。このｐ型クラッド層/埋め込み層は一般的にＡｌＧａＮ：Ｍｇである。この自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードの構造は、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの構造よりもシンプルである。活性量子井戸及び導波路領域を通ってレーザ構造を成長させ、次に、ｎ型バルククラッド層まで到る狭いレーザリッジをエッチングする。次に、リッジの周りに、ｐ型コンタクト層に沿って、ｐ型クラッド/埋め込み層をオーバーグロースさせる。この２段階成長プロセスによって、コンタクトウィンドウを作る必要がない横方向の導波路及びキャリア閉じ込め構造ができるので、後続のレーザ形成プロセスは単純である。故に、必要なレーザ形成プロセスは、基本的には広面積レーザ製造シーケンスである。更に、自己整合アーキテクチャにより可能となる比較的大きなｐ型接触面積によって、レーザダイオードの連続波動作中のダイオード電圧がより低くなるとともに、熱の発生がより少なくなる。
【０００７】
本発明の第１の態様は、第１、第２及び第３の面を有し、クラッド構造及びクラッド層並びに前記クラッド構造と前記クラッド層との間に配置された多重量子井戸構造を有するリッジ構造と、前記リッジ構造の前記第１、第２及び第３の面の上に存在し、電気的接触のために前記リッジ構造の前記第３の面への開口を有する埋め込み層とを有する、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造である。本発明の第２の態様は、第１、第２及び第３の面を有し、クラッド構造及びクラッド層並びに前記クラッド構造と前記クラッド層との間に配置された多重量子井戸構造を有するリッジ構造と、前記リッジ構造の前記第１、第２及び第３の面の上に存在し、電気的接触のために前記リッジ構造の前記第３の面への開口を有する第１埋め込み層と、前記リッジ構造の前記第３の面と接触するように、前記第１埋め込み層の上に存在する第２埋め込み層とを有する、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造である。
【０００８】
当業者には、以下の本発明の詳細説明、好ましい実施の形態、説明目的であり実物大ではない添付の図面、及び添付の特許請求の範囲から、本発明の長所及び目的が明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に従ったインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオード構造の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明に従ったインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオード構造の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオード構造の一実施形態を示す図である。
【図４】図３に示されている実施の形態でのキャリアの注入路を示す図である。
【図５】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオード構造の一実施形態を示す図である。
【図６】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図７】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図８】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図９】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図１０】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図１１】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明に従った、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００を示している。Ａｌ2Ｏ3成長基体１１０上にＧａＮ：Ｓｉ層１１５が配置され、一実施形態では、光漏れを低減するために、層１１５はＡｌＧａＮ：Ｓｉでできていてもよい。各々が一般に約20Åの厚さを有する一般的にはＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｓｉ及びＧａＮ：Ｓｉの交互の層でできている短周期超格子ｎ型クラッド構造１２１が、ＧａＮのｎ型導波層（図１には示さない）の下方のＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５の底部に配置される。短周期超格子ｎ型クラッド構造１２１の導入により、クラッド層の厚さを増して、横光学モードの漏洩（リーク）を顕著に低減することが可能となり、その結果、レーザダイオード構造１００の横遠視野像が改善される。例えば、一般的な約７％の漏洩が0.5％にまで低減され得る。この遠視野ビーム像はガウシアン遠視野ビームに近づく。
【００１１】
ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５の上に存在する一般的にＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ：Ｍｇであるトンネルバリア層（図１には示さない）に隣接したＧａＮのｐ型導波層（図１には示さない）の上に、一般的にＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ：Ｍｇであるｐ型クラッド層１２５が配置される。層１８５はオーミック接触を容易にするためのキャップ層として働く。一般的にＧａＮ：Ｍｇであるキャップ層１８５の上に、埋め込み層１５５が配置され、埋め込み層１５５には、ｐ型電極１９０をＧａＮ：Ｍｇ層１８５と接触させるとともにｎ型電極１９５をＧａＮ：Ｓｉ層１１５と接触させるためのウィンドウが貫通している。
【００１２】
一般的に絶縁性のＡｌＮ又はＡｌＧａＮである埋め込み層１５５は低い屈折率を有し、屈折率のステップは一般的に0.1前後であるので、結果として強い横方向のインデックスガイドが得られる。横方向の屈折率ステップがそのように大きいと、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００における横方向の導波は、熱又はキャリア注入の影響を圧倒し、より安定し且つ非点収差の程度がより小さいビーム像を提供する。埋め込み層１５５は又、高いバンドギャップエネルギーを有し、その結果、高い横方向のキャリアの閉じ込めが得られる。
【００１３】
アンドープＡｌＮ膜は絶縁性であり、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５の周囲に分路（シャント）が形成されるのを防ぐ。アンドープＡｌＧａＮは、成長条件及びアルミニウム含有量によっては絶縁性ではない場合があるので、本発明に従ったインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００の一実施形態では、埋め込み層１５５はＡｌＧａＮ：Ｍｇドープ層である。ＡｌＧａＮの光電子特性は成長条件に依存する。例えば、低温（約900℃）で絶縁性のＧａＮを成長させることは可能であるが、より高い成長温度ではＧａＮはｎ型バックグラウンド導電性を有する傾向がある。ｎ型導電性のための精密な機構は、元々の欠陥及び/又は不純物から生じると思われる。酸素及びシリコンは両方とも、ＧａＮ内の浅い部分に存在する意図しないドナーとして見つかることがよくある。マグネシムをドープした低アルミニウム含有ＡｌＧａＮは、ＧａＮと同様の挙動をするが、但し、マグネシウムアクセプタの活性化エネルギーは、アルミニウム含有量が20％までの合金に添加されるアルミニウムの量が１％増すごとに約3meVの率で増加する。アルミニウム含有量が20％を超えると、意図しない酸素の混入が、制御不可能な高いｎ型バックグラウンド導電性を生じ得る。アルミニウムは酸素に対する親和性が高く、酸素不純物は一般的にＭＯＣＶＤ成長中に様々なソースから導入され得るので、酸素は容易にＡｌＧａＮに混入される。酸素不純物をマグネシウムアクセプタによって補償することもできるが、これは実際には困難であり、絶縁性の高アルミニウム含有ＡｌＧａＮ埋め込み層を作ることは困難であろうことが示唆される。高いアルミニウム含有量は、より良好な光及びキャリアの閉じ込めを提供する。
【００１４】
マグネシウムアクセプタとともに中性の複合物を生成する原子状態の水素が容易に得られるというＭＯＣＶＤ成長の特徴に起因して、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ膜は成長するにつれて絶縁性となり、ｐ型の導電性を活性化するために熱アニールを必要とする。一般的には絶縁性の埋め込み層が好ましいが、絶縁性の埋め込み層の蒸着が困難又は不可能な場合は、活性化されたＡｌＧａＮ：Ｍｇ（ｐ型の導電性を有する）も埋め込み層として適している。埋め込み層１５５がｐ型である場合は、短周期超格子ｎ型クラッド層１２１との境界面にｐ−ｎ接合が形成される。しかし、このｐ−ｎ接合のオン電圧は、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５内のｐ−ｎ接合よりも大きい。このことは、電流路がＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５を通り易くする。埋め込み層１５５の上にはｐ型ＧａＮキャップは蒸着されないので、埋め込み層１５５へのｐ型電極１９０のコンタクトは、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ（層）１８５へのｐ型電極１９０のコンタクトよりも、遥かに抵抗が高い。これは、多重量子井戸構造１４５への電流の注入を更に促進する。
【００１５】
自由キャリアの損失がｎ型材料に対してはより低いことを理由として、光の損失を更に低減するために、又はｎ型ＡｌＧａＮ材料を成長させることだけが可能な場合には、ｎ型埋め込み層を用いてもよい。図２は、本発明の一実施形態に従ったｎ型埋め込み層２５５を有する、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造２００を示している。ｎ型埋め込み層２５５の再成長の後、再成長した埋め込み層を、一般的にはＣＡＩＢＥ(chemicallyassisted ion beam etch) 法によるエッチングによりパターン形成する。２度目の再成長では、ｎ型埋め込み層２５５は、一般的なドーピングレベルの約1020Ｍｇ原子/cm3の高濃度でｐ型ドープされた、コンタクト層としても機能するＧａＮ：Ｍｇ層２５０で埋められる。或いは、埋め込み層２５５はドーピングされなくてもよい。ｐ型ドープＧａＮ：Ｍｇ層２５０は、ｐ型電極２９０がｎ型埋め込み層２５５に接触するのを防止するために必要である。
【００１６】
図３は、本発明に従った、自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００を示している。Ａｌ2Ｏ3成長基体３１０上にＧａＮ：Ｓｉ層３１５が配置され、一実施形態では、層３１５はＡｌＧａＮ：Ｓｉでできていてもよい。一般的にはＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ：Ｓｉであるバルクｎ型クラッド層３２０が、ＧａＮのｎ型導波層（図３には示さない）の下方のＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５の底部であってｎ型クラッド短周期超格子３２１の上に配置される。ｎ型クラッド短周期超格子３２１は、各々が一般に約20Åの厚さを有する一般的にＡｌＧａＮ：Ｓｉ及びＧａＮ：Ｓｉの交互の層でできている。バルクｎ型クラッド層３２０は、一般的にはＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ：Ｍｇであるオーバーグロース層３２５からのキャリアの注入を防ぎ、ｎ型クラッド短周期超格子３２１の低バンドギャップ部内への最適な横導波を提供する。オーバーグロース層３２５は、埋め込み層及び上部ｐ型クラッド層の両方として機能する。故に、ＧａＮのｐ型導波層（図３には示さない）の上方に配置されるオーバーグロース層３２５及び、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５の上に配置される一般的にはＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ：Ｍｇであるトンネルバリア層（図３には示さない）における、ＡｌＧａＮの全体的な厚さは、従来の窒化物レーザに用いられる厚さと同じくらいである。一般的にＧａＮ：Ｍｇである層３８５は、ｐ型電極３９０へのオーミック接触を容易にするためのキャップ層として働く。点線３０３は、レーザダイオード構造３００のｐ−ｎ接合部の位置を示す。
【００１７】
オーバーグロース層３２５は、ｐ型クラッド層と、強い横方向の電流の閉じ込め及び光の閉じ込めを生じるための埋め込み層との、両方として機能する。オーバーグロース層３２５によって提供される強い横方向のインデックスガイド（一般的には0.1台の屈折率ステップ）は、低閾値電流及びビーム安定性を可能とする。強いインデックスガイドによって、レーザストライプを非常に狭くでき、それによって横方向の熱の消散が容易になり、必要な閾値電流が低減される。強いインデックスガイドによって、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５の横方向の幅を、一般的に2μm未満と、非常に狭くでき、低閾値電流及び横方向のモードの識別を提供する。図３に示されている自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００は、図１に示されているインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００よりも大きなｐ型接触域を与える。ｐ型接触域がより大きいと、接触抵抗がより小さくなる。接触抵抗を低くすることで、特に連続波動作におけるレーザダイオードの発熱が低減されるとともに、より広いｐ型コンタクトは、より良好に熱を消散する働きもする。ｐ−ｎ接合部のバンドギャップは点線３０３に沿った部分で最も低いので、電流はＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５を優先的に通って流れる。
【００１８】
図４は、図３のＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５の拡大図であり、自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００のキャリア注入路４０１及び４０２を示している。一般的にＧａＮであるｐ型ドープ導波層４０７及び一般的にＧａＮであるｎ型ドープ導波層４０８も示されている。点線３０３はｐ−ｎ接合部の位置を示す。約400nmの波長で動作する本発明に従った一実施形態では、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５は、約3.1eVのバンドギャップエネルギーを有し、その下のｎ型導波層４０８は約3.4eVのバンドギャップエネルギーを有する。故に、ＩｎＧａＮ多重量子井戸領域４１４と関連するｐ−ｎ接合部のオン電圧は、ｎ型導波層４０８と関連するｐ−ｎ接合部のオン電圧よりも低く、レーザダイオード構造３００が順方向にバイアスされたときに、キャリアは優先的に注入路４０１に沿ってＩｎＧａＮ多重量子井戸領域４１４へと注入される。
【００１９】
ＩｎＧａＮ多重量子井戸領域４１４のバンドギャップエネルギーとｎ型導波層４０８のバンドギャップエネルギーとの300meVの差は、あるケースでは、キャリアの注入を注入路４０１に制限するのに不十分なことがあり、一部のキャリアが注入路４０２に沿って、ｎ型導波層４０８の側壁のｐ−ｎ接合部を横切って注入され得る。ｎ型導波層４０８の側壁のｐ−ｎ接合部を横切って注入されたキャリアは量子井戸に溜まらないので、これらのキャリアはより高い光学ゲインに貢献せず、より高い閾値電流の必要性を生じる。約430nmといった約400nmより高い波長での動作は、バンドギャップエネルギーの差を増加させ、それにより、ｎ型導波層４０８の側壁のｐ−ｎ接合部を横断するキャリアの注入は顕著に低減される。
【００２０】
ＧａＮのｎ型導波層４０８の側壁のｐ−ｎ接合部を横切る横方向のキャリア注入は、ｎ型導波層４０８をなくした、図５に示されている逆転非対称導波路構造を用いることによって低減され得る。これは、図４に示されている注入路４０２に沿ったキャリア注入を解消する。ＩｎＧａＮ多重量子井戸領域５１４の上にトンネルバリア層５４６が存在し、この層５４６は一般的に5から15パーセントのアルミニウムを含有するＡｌＧａＮである。トンネルバリア層５４６の上に、一般的にＧａＮであるｐ型導波層５０７が配置される。一般的にＡｌＧａＮ：Ｍｇであるｐ型クラッド層５２５がｐ型導波層５０７を覆うとともに、レーザリッジ構造５１１全体を埋める。一般的にＧａＮ：Ｍｇであるキャップ層５８５は、ｐ型コンタクト５９０への接触を提供する。
【００２１】
ＩｎＧａＮ多重量子井戸領域５１４は、一般的にＡｌＧａＮ：Ｓｉであるバルクｎ型クラッド層５２０の上に配置される。バルクｎ型クラッド層５２０は、各々が一般に20Åの厚さを有する一般的にはＡｌＧａＮ：Ｓｉ及びＧａＮ：Ｓｉの交互の層できている短周期超格子ｎ型クラッド構造５２１の上に配置される。バルクｎ型クラッド層５２０は、ｐ型クラッド層５２５から、短周期超格子ｎ型クラッド構造５２１の一般的により低いバンドギャップのＧａＮ：Ｓｉ層へと電荷キャリアが注入されるのを、阻止する。バルクｎ型クラッド層５２０がひび割れを生じない厚さは、通常、約0.5μmの一般的な厚さまでに限られるが、短周期超格子クラッド構造５２１の導入により、バルクｎ型クラッド層５２０と同じ一般的に約8パーセントの平均アルミニウム含有量のクラッド層を、1ミクロンを超える厚さまで成長させることができる。短周期超格子クラッド構造５２１によって与えられた厚さの増加により、横光学モードの漏洩が顕著に低減され、その結果、レーザダイオード構造５００の横遠視野像が改善される。例えば、一般的な約7％の漏洩が0.5％にまで低減され得る。遠視野ビーム像はガウシアン遠視野ビームに近づく。短周期超格子クラッド構造５２１の下で、一般的にＡｌ2Ｏ3である基体５１０の上に、一般的にＡｌＧａＮ:Ｓｉ又はＧａＮ:Ｓｉであるｎ型層５１５がある。
【００２２】
図１のインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００を製造するには、ｎ型電極１９５の蒸着のためにｎ型層１１５を露出するために、まず、層１８５、１２５、１４５、及び１２１を貫通するＣＡＩＢＥエッチングをしてもよい。ｐ型材料の成長に関して問題となり得るのは、Ｃｐ2Ｍｇがリアクタに入らずにガスラインに留まることに起因するマグネシウムの供給の遅れ(turn on delay)である。マグネシウムの供給の遅れは、加熱及び成長の前にＣｐ2Ｍｇをリアクタ内に予め流しておくことによって補償できる。マグネシウムは、加熱中はベントへと切り替えられ、マグネシウムドーピングが望まれるときに、供給の遅れを生じることなく、リアクタ内へと切り替えて戻される。
【００２３】
本発明に従った一実施形態では、リッジ構造１１１の上面を画定するために、ＧａＮ:Ｍｇ層１８５にフォトレジストが塗布される。しかし、フォトレジストを塗布する前に、ＧａＮ:Ｍｇ層１８５を活性化するのが好ましい。この活性化は、処理中にフォトレジストの下に気泡を生じさせる水素が発生する可能性を回避するものである。活性化は、一般的に２つの方法のうちの一方で行われる。窒素環境で約850℃まで5分間加熱することによる、通常の熱による活性化を用いてもよい。或いは、ＧａＮ:Ｍｇ層１８５を強いＵＶ光に曝して水素を放出させ、熱による表面の劣化が生じるのを防止してもよい。フォトレジストのストライプは、ＧａＮ層１８５の＜１１００＞結晶方向に沿って揃うように、リソグラフィーでパターン形成される。次に、このストライプをエッチングし、一般的に1から5μmの幅を有するリッジ構造１１１を作る。リッジ構造１１１は、層１８５、１２５、１４５を通って短周期超格子ｎ型クラッド構造１２１に至るＣＡＩＢＥエッチングによって形成される。エッチングの前のフォトレジストストライプの配向によって、リッジ構造１１１の長さ方向の軸が｛１１００｝平面の組に対して垂直に配向され、＜１１００＞結晶方向に沿って揃っていることに注目されたい。この向きは表面のピッチング（点食）を低減することがわかっている。
【００２４】
エピタキシャル再成長の前に、アセトン中での溶解及び酸素プラズマ中での灰化の組み合わせを用いるフォトレジスト除去を含むクリーニングが行われる。更に、王水を用いて、次にＨ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏを４：１：１の比率で混合してそのまま（熱い状態で）用いて、クリーニングされる。最終的に脱イオン水ですすがれ、次に純粋な窒素中で乾燥される。
【００２５】
900℃の安定した温度でアンモニア/水素ガス流中で再成長が起きる。成長温度が安定すると、反応物質であるトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、及びビスシクロペンタジエチルマグネシウムがリアクタに導入される。低温（Ｔgrowth＜900℃）でアンドープ膜を成長させることにより、埋め込み層１５５の絶縁性のオーバーグロースが達成される。リッジ構造を囲むために、一般的にＡｌＮ又はＡｌＧａＮでできている埋め込み層１５５のエピタキシャル再成長が行われる。或いは、一般的にＡｌＧａＮ：Ｍｇであるｐ型ドープ埋め込み層１５５を成長せてもよい。ｐ型キャップ層１８５とｐ型電極１９０とを接触させるための狭いウィンドウを開けるために、埋め込み層１５５に、下方のｐ型キャップ層１８５に至る開口がＣＡＩＢＥ法を用いてエッチングされる。
【００２６】
インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００の更なるプロセシングは、窒素環境において850℃で5分間のアニールによるｐ型ドーパントの活性化を含む。パラジウムｐ型コンタクト金属が蒸着され、535℃で5分間、アロイ（合金化）される。クリービング又はエッチングによりミラーファセット（図示せず）が形成される。ミラーファセットをエッチングする場合は、第１ミラーファセットのエッチングはメサエッチングと一緒に行われる。Ｔｉ/Ａｌのｎ型金属の蒸着が行われ、最後に、ｎ型電極１９５及びｐ型電極１９０が蒸着され、第１及び第２ミラーに高反射コーティングＴｉＯ2/ＳｉＯ2が塗布される。
【００２７】
レーザ構造２００のプロセシングはレーザ構造１００のプロセシングと類似している。しかし、図２では、一般的にＡｌＧａＮ：Ｓｉであるｎ型埋め込み層２５５を再成長させ、続いて一般的にＧａＮ：Ｍｇであるｐ型埋め込み層２５０を再成長させる。更に、ｎ型金属の蒸着を行った後で、表面全体に、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相蒸着）を用いて、高温で、一般的にＳｉＮ又はＳｉＯ2である誘電体の蒸着が行われる。次に、蒸着された誘電体に、ｎ型電極１９５及びｐ型電極１９０用のウィンドウを作るためのパターン形成を行う。誘電体の蒸着温度は約250℃であり、フォトレジストの使用は約120℃未満の温度に限られるので、フォトレジストマスクの代わりにパターン形成を用いる。これは、レーザストライプの外側の電流の注入を回避するために、ｐ型電極２９０がｐ型埋め込み層２５０に接触するための、制限されたコンタクトウィンドウを作る。或いは、一般的に約80から120keVのエネルギーでのイオン注入を用いて、ウィンドウ領域をマスキングしてからイオン注入を行うことにより、制限されたウィンドウを作ってもよい。
【００２８】
自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００（図３参照）及び５００（図５参照）のプロセシングは、レーザダイオード構造１００及び２００のプロセシングと類似している。自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００及び５００の主な違いは、蒸着されたｐ型ドープ層３２５及び５２５が、ｐ型クラッド層及び埋め込み層の両方として働くことである。レーザダイオード３００及び５００の自己整合構造に起因して、個々の埋め込み層３２５及び５２５を貫通するエッチングもない。表面のピッチングを低減するために、リッジ構造３１１（図３参照）及びリッジ構造５１１（図５参照）の両方の長さ方向の軸が＜１１００＞結晶方向に沿って揃うようにプロセシングが行われることに注目されたい。
【００２９】
図６から図１１は、自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００と同じようなレーザダイオード構造を作るためのプロセスステップを示している。所望であれば、多重量子井戸領域３４５とｐ型ドープ導波層４０７との間にトンネルバリア層６４６があってもよい。
【００３０】
図６は、ｐ型ドープ導波領域４０７までの（ｐ型ドープ導波領域４０７を含む）、蒸着されたエピタキシャル構造を示している。ｐ型クラッド層やキャップ層が存在しないことを留意されたい。図７は、一般的に約1から2μm幅のリッジ７２０を囲む一般的に約10μm幅のトレンチ７１０のＣＡＩＢＥエッチングを示している。エッチングは、バルクｎ型クラッド層３２０の中まで達しなければなければならないが、貫通してはならない。この結果、多重量子井戸領域３４５並びに導波層４０７及び４０８の一般的な厚さの約300nmのエッチングとなる。図８は、ｐ型クラッド層３２５の一般的な約0.5から1.0μmの厚さまでのＭＯＣＶＤ成長を示している。構成された面の上に、ｐ型クラッド層３８５（図３参照）も、一般的な約0.1μmの厚さまで成長させられる。残りのプロセスシーケンスは、リッジエッチングステップが行われないことを除き、従来のリッジ型導波路窒化物レーザと同様である。
【００３１】
図９は、窒素雰囲気で535℃で5分間での、一般的にパラジウム合金であるｐ型金属層３９０の蒸着を示している。図１０は、ｐ型金属層３９０のＣＡＩＢＥエッチング、及びｎ型クラッド短周期超格子３２１を貫通してＧａＮ：Ｓｉ層３１５中に至る約2μmの深さまでのＣＡＩＢＥエッチングを示している。このエッチングは、ｎ型側方コンタクト１１０１のためのエリアを露出させる。第１及び第２ミラー（図示せず）も、このステップでＣＡＩＢＥエッチングされる。ｎ型コンタクトパッド３９５（図３参照）の形成のためにリフトオフメタライゼーション（一般的にＴｉ−Ａｌ）が行われる。図１１は、ｎ型コンタクト１１０１及びｐ型コンタクト１１０２上に厚い金属を積層するための、一般的にＴｉ−Ａｕの、メタライゼーションを示している。最後に、ＳｉＯ2/ＴｉＯ2ミラーコーティングの蒸着が行われる。
【符号の説明】
【００３２】
１００ レーザダイオード構造
１１０ 成長基体
１２１ 短周期超格子ｎ型クラッド構造
１２５ ｐ型クラッド層
１４５ 多重量子井戸構造
１５５ 埋め込み層
１８５ キャップ層
１９０ ｐ型電極
１９５ ｎ型電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物ベースの青色レーザダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント及び光学データ記憶への適用のための、窒化物ベースの青色レーザダイオードが開発されている。最初のＡｌＧａＩｎＮ青色レーザダイオードは、レーザダイオードの様々な空間モードに対する制御を行えない、広面積レーザであった。しかし、ほとんどの用途では、レーザダイオードは単一の空間モードでの動作が要求される。ＡｌＧａＩｎＮ青色レーザダイオードの単一空間モード動作を達成する１つの方法は、ナカムラ等(S. Nakamura et al.)の“リッジ形状ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造レーザダイオード(Ridge-geometry InGaN multi-quantum-well-structure laser diodes)”（Applied Physics Letters 69 (10), pp. 1477-1479）で述べられているように、横方向の導波路を定めるリッジ導波路構造を用いることである。リッジ導波路は青色レーザの単一空間モード発光を提供するものであるが、導波性は比較的弱い。横方向の屈折率のステップは小さく、発熱及びキャリアの注入による影響を受ける。更に、リッジがレーザ活性領域の近くまで十分に延びるように、リッジをエッチングしなければならないが、GaN材料には化学エッチングを適用できないことから、レーザ活性領域に材料の損傷を防ぐためのエッチストップを使用できないので、製造上の困難がある。
リッジウエーブガイド（導波管）は半導体レーザの横方向の光学的閉じ込め構造を形成することができるので、リッジは半導体レーザのエッジエミッション（端部からの光放射）源を正確に画定する。リッジウエーブガイドは典型的には、半導体レーザ構造の活性半導体層の上部の、概ね平らな上面と傾斜した側壁を有する半導体材料の小型のリッジである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−２８９１９０号公報
【特許文献２】特開平１０−０９３１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
より強いモード安定性及び低閾値電流動作を提供するために、一般的にＩｎＧａＡｓＰ光ファイバー通信レーザに用いられる埋め込みヘテロ構造、又は、高出力単一モードＡｌＧａＡｓレーザダイオードに用いられる不純物誘導層が不規則な導波路構造を有するもののような、より強くインデックス（屈折率）ガイドされた(index-guided)ダイオードレーザが必要である。更に、埋め込みヘテロ構造を用いると、ある製造上の困難が回避される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード、及び自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの両方は、従来のリッジ導波路構造と比べて、改善されたモード安定性及び低閾値電流を提供する。本発明に従ったインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの構造は、一般的に、横方向の閉じ込めのために、絶縁性のＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はｐ型ドープＡｌＧａＮ：Ｍｇを用いるとともに、リッジ上に画定されるレーザダイオードの狭い活性ストライプの配置位置である狭い（一般的に約１から５μｍ幅の）リッジを有する。この狭いリッジは、リッジ上にｐ型電極コンタクト用のウィンドウを有する、エピタキシャルに蒸着された膜によって囲まれている。このリッジは、レーザダイオード構造の活性領域を完全に貫通して短周期超格子ｎ型クラッド層に至るまでエッチングされる。この短周期超格子は、閉じ込めのために十分な厚さのクラッド層をひび割れを生じずに実現するために用いられる。一般的に、短周期超格子を用いると、ひび割れを生じずにクラッド層の厚さを２倍にできる。これは、従来の構造と比べて、漏洩によって失われる光の強さを約２桁低減するとともに、遠視野放射像を改善する。リッジのエッチングによって接合面が露出され、これらの接合面は、注入されたキャリアが、反転分布に必要な伝導帯や価電子帯の状態を満たす（飽和させる）のを防ぐ表面状態を提供する。しかし、オーバーグロースした材料とリッジ構造との間の境界面は完全に密着するので、高バンドギャップ材料のエピタキシャル再成長は表面状態を不活性化する。
【０００６】
自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの構造は、強い横方向での光の閉じ込め及び強い横方向でのキャリアの閉じ込めを提供するための埋め込み層としても機能するｐ型クラッド層を用いる。このｐ型クラッド層/埋め込み層は一般的にＡｌＧａＮ：Ｍｇである。この自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードの構造は、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの構造よりもシンプルである。活性量子井戸及び導波路領域を通ってレーザ構造を成長させ、次に、ｎ型バルククラッド層まで到る狭いレーザリッジをエッチングする。次に、リッジの周りに、ｐ型コンタクト層に沿って、ｐ型クラッド/埋め込み層をオーバーグロースさせる。この２段階成長プロセスによって、コンタクトウィンドウを作る必要がない横方向の導波路及びキャリア閉じ込め構造ができるので、後続のレーザ形成プロセスは単純である。故に、必要なレーザ形成プロセスは、基本的には広面積レーザ製造シーケンスである。更に、自己整合アーキテクチャにより可能となる比較的大きなｐ型接触面積によって、レーザダイオードの連続波動作中のダイオード電圧がより低くなるとともに、熱の発生がより少なくなる。
【０００７】
本発明の第１の態様は、第１、第２及び第３の面を有し、クラッド構造及びクラッド層並びに前記クラッド構造と前記クラッド層との間に配置された多重量子井戸構造を有するリッジ構造と、前記リッジ構造の前記第１、第２及び第３の面の上に存在し、電気的接触のために前記リッジ構造の前記第３の面への開口を有する埋め込み層とを有する、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造である。本発明の第２の態様は、第１、第２及び第３の面を有し、クラッド構造及びクラッド層並びに前記クラッド構造と前記クラッド層との間に配置された多重量子井戸構造を有するリッジ構造と、前記リッジ構造の前記第１、第２及び第３の面の上に存在し、電気的接触のために前記リッジ構造の前記第３の面への開口を有する第１埋め込み層と、前記リッジ構造の前記第３の面と接触するように、前記第１埋め込み層の上に存在する第２埋め込み層とを有する、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造である。
【０００８】
当業者には、以下の本発明の詳細説明、好ましい実施の形態、説明目的であり実物大ではない添付の図面、及び添付の特許請求の範囲から、本発明の長所及び目的が明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に従ったインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオード構造の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明に従ったインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオード構造の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオード構造の一実施形態を示す図である。
【図４】図３に示されている実施の形態でのキャリアの注入路を示す図である。
【図５】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオード構造の一実施形態を示す図である。
【図６】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図７】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図８】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図９】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図１０】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【図１１】本発明に従った自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造レーザダイオードを作るためのプロセスステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明に従った、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００を示している。Ａｌ2Ｏ3成長基体１１０上にＧａＮ：Ｓｉ層１１５が配置され、一実施形態では、光漏れを低減するために、層１１５はＡｌＧａＮ：Ｓｉでできていてもよい。各々が一般に約20Åの厚さを有する一般的にはＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｓｉ及びＧａＮ：Ｓｉの交互の層でできている短周期超格子ｎ型クラッド構造１２１が、ＧａＮのｎ型導波層（図１には示さない）の下方のＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５の底部に配置される。短周期超格子ｎ型クラッド構造１２１の導入により、クラッド層の厚さを増して、横光学モードの漏洩（リーク）を顕著に低減することが可能となり、その結果、レーザダイオード構造１００の横遠視野像が改善される。例えば、一般的な約７％の漏洩が0.5％にまで低減され得る。この遠視野ビーム像はガウシアン遠視野ビームに近づく。
【００１１】
ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５の上に存在する一般的にＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ：Ｍｇであるトンネルバリア層（図１には示さない）に隣接したＧａＮのｐ型導波層（図１には示さない）の上に、一般的にＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ：Ｍｇであるｐ型クラッド層１２５が配置される。層１８５はオーミック接触を容易にするためのキャップ層として働く。一般的にＧａＮ：Ｍｇであるキャップ層１８５の上に、埋め込み層１５５が配置され、埋め込み層１５５には、ｐ型電極１９０をＧａＮ：Ｍｇ層１８５と接触させるとともにｎ型電極１９５をＧａＮ：Ｓｉ層１１５と接触させるためのウィンドウが貫通している。
【００１２】
一般的に絶縁性のＡｌＮ又はＡｌＧａＮである埋め込み層１５５は低い屈折率を有し、屈折率のステップは一般的に0.1前後であるので、結果として強い横方向のインデックスガイドが得られる。横方向の屈折率ステップがそのように大きいと、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００における横方向の導波は、熱又はキャリア注入の影響を圧倒し、より安定し且つ非点収差の程度がより小さいビーム像を提供する。埋め込み層１５５は又、高いバンドギャップエネルギーを有し、その結果、高い横方向のキャリアの閉じ込めが得られる。
【００１３】
アンドープＡｌＮ膜は絶縁性であり、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５の周囲に分路（シャント）が形成されるのを防ぐ。アンドープＡｌＧａＮは、成長条件及びアルミニウム含有量によっては絶縁性ではない場合があるので、本発明に従ったインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００の一実施形態では、埋め込み層１５５はＡｌＧａＮ：Ｍｇドープ層である。ＡｌＧａＮの光電子特性は成長条件に依存する。例えば、低温（約900℃）で絶縁性のＧａＮを成長させることは可能であるが、より高い成長温度ではＧａＮはｎ型バックグラウンド導電性を有する傾向がある。ｎ型導電性のための精密な機構は、元々の欠陥及び/又は不純物から生じると思われる。酸素及びシリコンは両方とも、ＧａＮ内の浅い部分に存在する意図しないドナーとして見つかることがよくある。マグネシムをドープした低アルミニウム含有ＡｌＧａＮは、ＧａＮと同様の挙動をするが、但し、マグネシウムアクセプタの活性化エネルギーは、アルミニウム含有量が20％までの合金に添加されるアルミニウムの量が１％増すごとに約3meVの率で増加する。アルミニウム含有量が20％を超えると、意図しない酸素の混入が、制御不可能な高いｎ型バックグラウンド導電性を生じ得る。アルミニウムは酸素に対する親和性が高く、酸素不純物は一般的にＭＯＣＶＤ成長中に様々なソースから導入され得るので、酸素は容易にＡｌＧａＮに混入される。酸素不純物をマグネシウムアクセプタによって補償することもできるが、これは実際には困難であり、絶縁性の高アルミニウム含有ＡｌＧａＮ埋め込み層を作ることは困難であろうことが示唆される。高いアルミニウム含有量は、より良好な光及びキャリアの閉じ込めを提供する。
【００１４】
マグネシウムアクセプタとともに中性の複合物を生成する原子状態の水素が容易に得られるというＭＯＣＶＤ成長の特徴に起因して、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ膜は成長するにつれて絶縁性となり、ｐ型の導電性を活性化するために熱アニールを必要とする。一般的には絶縁性の埋め込み層が好ましいが、絶縁性の埋め込み層の蒸着が困難又は不可能な場合は、活性化されたＡｌＧａＮ：Ｍｇ（ｐ型の導電性を有する）も埋め込み層として適している。埋め込み層１５５がｐ型である場合は、短周期超格子ｎ型クラッド層１２１との境界面にｐ−ｎ接合が形成される。しかし、このｐ−ｎ接合のオン電圧は、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５内のｐ−ｎ接合よりも大きい。このことは、電流路がＩｎＧａＮ多重量子井戸構造１４５を通り易くする。埋め込み層１５５の上にはｐ型ＧａＮキャップは蒸着されないので、埋め込み層１５５へのｐ型電極１９０のコンタクトは、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ（層）１８５へのｐ型電極１９０のコンタクトよりも、遥かに抵抗が高い。これは、多重量子井戸構造１４５への電流の注入を更に促進する。
【００１５】
自由キャリアの損失がｎ型材料に対してはより低いことを理由として、光の損失を更に低減するために、又はｎ型ＡｌＧａＮ材料を成長させることだけが可能な場合には、ｎ型埋め込み層を用いてもよい。図２は、本発明の一実施形態に従ったｎ型埋め込み層２５５を有する、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造２００を示している。ｎ型埋め込み層２５５の再成長の後、再成長した埋め込み層を、一般的にはＣＡＩＢＥ(chemicallyassisted ion beam etch) 法によるエッチングによりパターン形成する。２度目の再成長では、ｎ型埋め込み層２５５は、一般的なドーピングレベルの約1020Ｍｇ原子/cm3の高濃度でｐ型ドープされた、コンタクト層としても機能するＧａＮ：Ｍｇ層２５０で埋められる。或いは、埋め込み層２５５はドーピングされなくてもよい。ｐ型ドープＧａＮ：Ｍｇ層２５０は、ｐ型電極２９０がｎ型埋め込み層２５５に接触するのを防止するために必要である。
【００１６】
図３は、本発明に従った、自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００を示している。Ａｌ2Ｏ3成長基体３１０上にＧａＮ：Ｓｉ層３１５が配置され、一実施形態では、層３１５はＡｌＧａＮ：Ｓｉでできていてもよい。一般的にはＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ：Ｓｉであるバルクｎ型クラッド層３２０が、ＧａＮのｎ型導波層（図３には示さない）の下方のＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５の底部であってｎ型クラッド短周期超格子３２１の上に配置される。ｎ型クラッド短周期超格子３２１は、各々が一般に約20Åの厚さを有する一般的にＡｌＧａＮ：Ｓｉ及びＧａＮ：Ｓｉの交互の層でできている。バルクｎ型クラッド層３２０は、一般的にはＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ：Ｍｇであるオーバーグロース層３２５からのキャリアの注入を防ぎ、ｎ型クラッド短周期超格子３２１の低バンドギャップ部内への最適な横導波を提供する。オーバーグロース層３２５は、埋め込み層及び上部ｐ型クラッド層の両方として機能する。故に、ＧａＮのｐ型導波層（図３には示さない）の上方に配置されるオーバーグロース層３２５及び、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５の上に配置される一般的にはＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ：Ｍｇであるトンネルバリア層（図３には示さない）における、ＡｌＧａＮの全体的な厚さは、従来の窒化物レーザに用いられる厚さと同じくらいである。一般的にＧａＮ：Ｍｇである層３８５は、ｐ型電極３９０へのオーミック接触を容易にするためのキャップ層として働く。点線３０３は、レーザダイオード構造３００のｐ−ｎ接合部の位置を示す。
【００１７】
オーバーグロース層３２５は、ｐ型クラッド層と、強い横方向の電流の閉じ込め及び光の閉じ込めを生じるための埋め込み層との、両方として機能する。オーバーグロース層３２５によって提供される強い横方向のインデックスガイド（一般的には0.1台の屈折率ステップ）は、低閾値電流及びビーム安定性を可能とする。強いインデックスガイドによって、レーザストライプを非常に狭くでき、それによって横方向の熱の消散が容易になり、必要な閾値電流が低減される。強いインデックスガイドによって、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５の横方向の幅を、一般的に2μm未満と、非常に狭くでき、低閾値電流及び横方向のモードの識別を提供する。図３に示されている自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００は、図１に示されているインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００よりも大きなｐ型接触域を与える。ｐ型接触域がより大きいと、接触抵抗がより小さくなる。接触抵抗を低くすることで、特に連続波動作におけるレーザダイオードの発熱が低減されるとともに、より広いｐ型コンタクトは、より良好に熱を消散する働きもする。ｐ−ｎ接合部のバンドギャップは点線３０３に沿った部分で最も低いので、電流はＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５を優先的に通って流れる。
【００１８】
図４は、図３のＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５の拡大図であり、自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００のキャリア注入路４０１及び４０２を示している。一般的にＧａＮであるｐ型ドープ導波層４０７及び一般的にＧａＮであるｎ型ドープ導波層４０８も示されている。点線３０３はｐ−ｎ接合部の位置を示す。約400nmの波長で動作する本発明に従った一実施形態では、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造３４５は、約3.1eVのバンドギャップエネルギーを有し、その下のｎ型導波層４０８は約3.4eVのバンドギャップエネルギーを有する。故に、ＩｎＧａＮ多重量子井戸領域４１４と関連するｐ−ｎ接合部のオン電圧は、ｎ型導波層４０８と関連するｐ−ｎ接合部のオン電圧よりも低く、レーザダイオード構造３００が順方向にバイアスされたときに、キャリアは優先的に注入路４０１に沿ってＩｎＧａＮ多重量子井戸領域４１４へと注入される。
【００１９】
ＩｎＧａＮ多重量子井戸領域４１４のバンドギャップエネルギーとｎ型導波層４０８のバンドギャップエネルギーとの300meVの差は、あるケースでは、キャリアの注入を注入路４０１に制限するのに不十分なことがあり、一部のキャリアが注入路４０２に沿って、ｎ型導波層４０８の側壁のｐ−ｎ接合部を横切って注入され得る。ｎ型導波層４０８の側壁のｐ−ｎ接合部を横切って注入されたキャリアは量子井戸に溜まらないので、これらのキャリアはより高い光学ゲインに貢献せず、より高い閾値電流の必要性を生じる。約430nmといった約400nmより高い波長での動作は、バンドギャップエネルギーの差を増加させ、それにより、ｎ型導波層４０８の側壁のｐ−ｎ接合部を横断するキャリアの注入は顕著に低減される。
【００２０】
ＧａＮのｎ型導波層４０８の側壁のｐ−ｎ接合部を横切る横方向のキャリア注入は、ｎ型導波層４０８をなくした、図５に示されている逆転非対称導波路構造を用いることによって低減され得る。これは、図４に示されている注入路４０２に沿ったキャリア注入を解消する。ＩｎＧａＮ多重量子井戸領域５１４の上にトンネルバリア層５４６が存在し、この層５４６は一般的に5から15パーセントのアルミニウムを含有するＡｌＧａＮである。トンネルバリア層５４６の上に、一般的にＧａＮであるｐ型導波層５０７が配置される。一般的にＡｌＧａＮ：Ｍｇであるｐ型クラッド層５２５がｐ型導波層５０７を覆うとともに、レーザリッジ構造５１１全体を埋める。一般的にＧａＮ：Ｍｇであるキャップ層５８５は、ｐ型コンタクト５９０への接触を提供する。
【００２１】
ＩｎＧａＮ多重量子井戸領域５１４は、一般的にＡｌＧａＮ：Ｓｉであるバルクｎ型クラッド層５２０の上に配置される。バルクｎ型クラッド層５２０は、各々が一般に20Åの厚さを有する一般的にはＡｌＧａＮ：Ｓｉ及びＧａＮ：Ｓｉの交互の層できている短周期超格子ｎ型クラッド構造５２１の上に配置される。バルクｎ型クラッド層５２０は、ｐ型クラッド層５２５から、短周期超格子ｎ型クラッド構造５２１の一般的により低いバンドギャップのＧａＮ：Ｓｉ層へと電荷キャリアが注入されるのを、阻止する。バルクｎ型クラッド層５２０がひび割れを生じない厚さは、通常、約0.5μmの一般的な厚さまでに限られるが、短周期超格子クラッド構造５２１の導入により、バルクｎ型クラッド層５２０と同じ一般的に約8パーセントの平均アルミニウム含有量のクラッド層を、1ミクロンを超える厚さまで成長させることができる。短周期超格子クラッド構造５２１によって与えられた厚さの増加により、横光学モードの漏洩が顕著に低減され、その結果、レーザダイオード構造５００の横遠視野像が改善される。例えば、一般的な約7％の漏洩が0.5％にまで低減され得る。遠視野ビーム像はガウシアン遠視野ビームに近づく。短周期超格子クラッド構造５２１の下で、一般的にＡｌ2Ｏ3である基体５１０の上に、一般的にＡｌＧａＮ:Ｓｉ又はＧａＮ:Ｓｉであるｎ型層５１５がある。
【００２２】
図１のインデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００を製造するには、ｎ型電極１９５の蒸着のためにｎ型層１１５を露出するために、まず、層１８５、１２５、１４５、及び１２１を貫通するＣＡＩＢＥエッチングをしてもよい。ｐ型材料の成長に関して問題となり得るのは、Ｃｐ2Ｍｇがリアクタに入らずにガスラインに留まることに起因するマグネシウムの供給の遅れ(turn on delay)である。マグネシウムの供給の遅れは、加熱及び成長の前にＣｐ2Ｍｇをリアクタ内に予め流しておくことによって補償できる。マグネシウムは、加熱中はベントへと切り替えられ、マグネシウムドーピングが望まれるときに、供給の遅れを生じることなく、リアクタ内へと切り替えて戻される。
【００２３】
本発明に従った一実施形態では、リッジ構造１１１の上面を画定するために、ＧａＮ:Ｍｇ層１８５にフォトレジストが塗布される。しかし、フォトレジストを塗布する前に、ＧａＮ:Ｍｇ層１８５を活性化するのが好ましい。この活性化は、処理中にフォトレジストの下に気泡を生じさせる水素が発生する可能性を回避するものである。活性化は、一般的に２つの方法のうちの一方で行われる。窒素環境で約850℃まで5分間加熱することによる、通常の熱による活性化を用いてもよい。或いは、ＧａＮ:Ｍｇ層１８５を強いＵＶ光に曝して水素を放出させ、熱による表面の劣化が生じるのを防止してもよい。フォトレジストのストライプは、ＧａＮ層１８５の＜１１００＞結晶方向に沿って揃うように、リソグラフィーでパターン形成される。次に、このストライプをエッチングし、一般的に1から5μmの幅を有するリッジ構造１１１を作る。リッジ構造１１１は、層１８５、１２５、１４５を通って短周期超格子ｎ型クラッド構造１２１に至るＣＡＩＢＥエッチングによって形成される。エッチングの前のフォトレジストストライプの配向によって、リッジ構造１１１の長さ方向の軸が｛１１００｝平面の組に対して垂直に配向され、＜１１００＞結晶方向に沿って揃っていることに注目されたい。この向きは表面のピッチング（点食）を低減することがわかっている。
【００２４】
エピタキシャル再成長の前に、アセトン中での溶解及び酸素プラズマ中での灰化の組み合わせを用いるフォトレジスト除去を含むクリーニングが行われる。更に、王水を用いて、次にＨ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏを４：１：１の比率で混合してそのまま（熱い状態で）用いて、クリーニングされる。最終的に脱イオン水ですすがれ、次に純粋な窒素中で乾燥される。
【００２５】
900℃の安定した温度でアンモニア/水素ガス流中で再成長が起きる。成長温度が安定すると、反応物質であるトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、及びビスシクロペンタジエチルマグネシウムがリアクタに導入される。低温（Ｔgrowth＜900℃）でアンドープ膜を成長させることにより、埋め込み層１５５の絶縁性のオーバーグロースが達成される。リッジ構造を囲むために、一般的にＡｌＮ又はＡｌＧａＮでできている埋め込み層１５５のエピタキシャル再成長が行われる。或いは、一般的にＡｌＧａＮ：Ｍｇであるｐ型ドープ埋め込み層１５５を成長せてもよい。ｐ型キャップ層１８５とｐ型電極１９０とを接触させるための狭いウィンドウを開けるために、埋め込み層１５５に、下方のｐ型キャップ層１８５に至る開口がＣＡＩＢＥ法を用いてエッチングされる。
【００２６】
インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造１００の更なるプロセシングは、窒素環境において850℃で5分間のアニールによるｐ型ドーパントの活性化を含む。パラジウムｐ型コンタクト金属が蒸着され、535℃で5分間、アロイ（合金化）される。クリービング又はエッチングによりミラーファセット（図示せず）が形成される。ミラーファセットをエッチングする場合は、第１ミラーファセットのエッチングはメサエッチングと一緒に行われる。Ｔｉ/Ａｌのｎ型金属の蒸着が行われ、最後に、ｎ型電極１９５及びｐ型電極１９０が蒸着され、第１及び第２ミラーに高反射コーティングＴｉＯ2/ＳｉＯ2が塗布される。
【００２７】
レーザ構造２００のプロセシングはレーザ構造１００のプロセシングと類似している。しかし、図２では、一般的にＡｌＧａＮ：Ｓｉであるｎ型埋め込み層２５５を再成長させ、続いて一般的にＧａＮ：Ｍｇであるｐ型埋め込み層２５０を再成長させる。更に、ｎ型金属の蒸着を行った後で、表面全体に、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相蒸着）を用いて、高温で、一般的にＳｉＮ又はＳｉＯ2である誘電体の蒸着が行われる。次に、蒸着された誘電体に、ｎ型電極１９５及びｐ型電極１９０用のウィンドウを作るためのパターン形成を行う。誘電体の蒸着温度は約250℃であり、フォトレジストの使用は約120℃未満の温度に限られるので、フォトレジストマスクの代わりにパターン形成を用いる。これは、レーザストライプの外側の電流の注入を回避するために、ｐ型電極２９０がｐ型埋め込み層２５０に接触するための、制限されたコンタクトウィンドウを作る。或いは、一般的に約80から120keVのエネルギーでのイオン注入を用いて、ウィンドウ領域をマスキングしてからイオン注入を行うことにより、制限されたウィンドウを作ってもよい。
【００２８】
自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００（図３参照）及び５００（図５参照）のプロセシングは、レーザダイオード構造１００及び２００のプロセシングと類似している。自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００及び５００の主な違いは、蒸着されたｐ型ドープ層３２５及び５２５が、ｐ型クラッド層及び埋め込み層の両方として働くことである。レーザダイオード３００及び５００の自己整合構造に起因して、個々の埋め込み層３２５及び５２５を貫通するエッチングもない。表面のピッチングを低減するために、リッジ構造３１１（図３参照）及びリッジ構造５１１（図５参照）の両方の長さ方向の軸が＜１１００＞結晶方向に沿って揃うようにプロセシングが行われることに注目されたい。
【００２９】
図６から図１１は、自己整合インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオード構造３００と同じようなレーザダイオード構造を作るためのプロセスステップを示している。所望であれば、多重量子井戸領域３４５とｐ型ドープ導波層４０７との間にトンネルバリア層６４６があってもよい。
【００３０】
図６は、ｐ型ドープ導波領域４０７までの（ｐ型ドープ導波領域４０７を含む）、蒸着されたエピタキシャル構造を示している。ｐ型クラッド層やキャップ層が存在しないことを留意されたい。図７は、一般的に約1から2μm幅のリッジ７２０を囲む一般的に約10μm幅のトレンチ７１０のＣＡＩＢＥエッチングを示している。エッチングは、バルクｎ型クラッド層３２０の中まで達しなければなければならないが、貫通してはならない。この結果、多重量子井戸領域３４５並びに導波層４０７及び４０８の一般的な厚さの約300nmのエッチングとなる。図８は、ｐ型クラッド層３２５の一般的な約0.5から1.0μmの厚さまでのＭＯＣＶＤ成長を示している。構成された面の上に、ｐ型クラッド層３８５（図３参照）も、一般的な約0.1μmの厚さまで成長させられる。残りのプロセスシーケンスは、リッジエッチングステップが行われないことを除き、従来のリッジ型導波路窒化物レーザと同様である。
【００３１】
図９は、窒素雰囲気で535℃で5分間での、一般的にパラジウム合金であるｐ型金属層３９０の蒸着を示している。図１０は、ｐ型金属層３９０のＣＡＩＢＥエッチング、及びｎ型クラッド短周期超格子３２１を貫通してＧａＮ：Ｓｉ層３１５中に至る約2μmの深さまでのＣＡＩＢＥエッチングを示している。このエッチングは、ｎ型側方コンタクト１１０１のためのエリアを露出させる。第１及び第２ミラー（図示せず）も、このステップでＣＡＩＢＥエッチングされる。ｎ型コンタクトパッド３９５（図３参照）の形成のためにリフトオフメタライゼーション（一般的にＴｉ−Ａｌ）が行われる。図１１は、ｎ型コンタクト１１０１及びｐ型コンタクト１１０２上に厚い金属を積層するための、一般的にＴｉ−Ａｕの、メタライゼーションを示している。最後に、ＳｉＯ2/ＴｉＯ2ミラーコーティングの蒸着が行われる。
【符号の説明】
【００３２】
１００ レーザダイオード構造
１１０ 成長基体
１２１ 短周期超格子ｎ型クラッド構造
１２５ ｐ型クラッド層
１４５ 多重量子井戸構造
１５５ 埋め込み層
１８５ キャップ層
１９０ ｐ型電極
１９５ ｎ型電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２及び第３の面を有し、クラッド構造及びクラッド層並びに前記クラッド構造と前記クラッド層との間に配置された多重量子井戸構造を有するリッジ構造と、
前記リッジ構造の前記第１、第２及び第３の面の上に存在し、電気的接触のために前記リッジ構造の前記第３の面への開口を有しかつＭｇドープＡｌＧａＮ層である第１埋め込み層と、
前記リッジ構造の前記第３の面と前記開口を介して接触するように、前記第１埋め込み層の上に存在する第２埋め込み層と、
を有する、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造。
【請求項１】
第１、第２及び第３の面を有し、クラッド構造及びクラッド層並びに前記クラッド構造と前記クラッド層との間に配置された多重量子井戸構造を有するリッジ構造と、
前記リッジ構造の前記第１、第２及び第３の面の上に存在し、電気的接触のために前記リッジ構造の前記第３の面への開口を有しかつＭｇドープＡｌＧａＮ層である第１埋め込み層と、
前記リッジ構造の前記第３の面と前記開口を介して接触するように、前記第１埋め込み層の上に存在する第２埋め込み層と、
を有する、インデックスガイド型埋め込みヘテロ構造窒化物レーザダイオード構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−８９８９５（Ｐ２０１２−８９８９５Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２２８０８（Ｐ２０１２−２２８０８）
【出願日】平成２４年２月６日（２０１２．２．６）
【分割の表示】特願２０００−２８７８１２（Ｐ２０００−２８７８１２）の分割
【原出願日】平成１２年９月２２日（２０００．９．２２）
【出願人】（５９６１７０１７０）ゼロックス コーポレイション (1,961)
【氏名又は名称原語表記】ＸＥＲＯＸ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月６日（２０１２．２．６）
【分割の表示】特願２０００−２８７８１２（Ｐ２０００−２８７８１２）の分割
【原出願日】平成１２年９月２２日（２０００．９．２２）
【出願人】（５９６１７０１７０）ゼロックス コーポレイション (1,961)
【氏名又は名称原語表記】ＸＥＲＯＸ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]