窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード
【目的】 窒化ガリウム系化合物半導体を用いたレーザダイオードの出力効率の向上
【構成】 活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、（１１−２０）面（ａ面）を主面とするサファイア基板と、サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x ≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、多重層及び前記サファイア基板をサファイア基板の＜０００１＞（ｃ軸）に平行にへき開して形成された鏡面とを有することを特徴とする。端面の平行度及び鏡面度が高くなる結果、レーザの出力効率が向上した。
【構成】 活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、（１１−２０）面（ａ面）を主面とするサファイア基板と、サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x ≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、多重層及び前記サファイア基板をサファイア基板の＜０００１＞（ｃ軸）に平行にへき開して形成された鏡面とを有することを特徴とする。端面の平行度及び鏡面度が高くなる結果、レーザの出力効率が向上した。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、可視単波長、特に、青色領域から紫色領域まで、及び紫外光領域で発光可能な半導体レーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来技術】従来、特開平4-242985号公報に記載のレーザダイオードが提案されている。そのレーザダイオードは、窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x ≦1,0≦y≦1)により作製されており、活性層には不純物の無添加の層が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このレーザダイオードは、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させたものである。しかしながら、レーザダイオードを製作する場合には、精密な鏡面を得る必要があるが、未だ、精密な鏡面を得るためのへき開方向が見いだされていない。本願発明者らは、サファイア基板の主面の面方位を変化させて、窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させて、多数の方向にへき開を行って、へき開面の面精度を観測した。その結果、サファイア基板のａ面上に窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させて、その半導体層をサファイア基板のｃ軸方向に平行にへき開するとき、へき開面の精度が良好となることが判明した。
【０００４】本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおいて、共振器を構成する両端面の平行度及び面精度を良好とすることで、レーザの発振効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するための発明の構成は、活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、（１１−２０）面（ａ面）を主面とするサファイア基板と、サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x ≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、多重層及び前記サファイア基板をサファイア基板の＜０００１＞（ｃ軸）に平行にへき開して形成された鏡面とを有することを特徴とする。
【０００６】
【作用及び効果】本発明は、上記のように、サファイア基板のａ面上に窒化ガリウム系化合物半導体の多層を形成して、その多層によりレーザ素子を形成して、その多層をサファイア基板のｃ軸方向に平行に２箇所でへき開することで、レーザ素子の端面を得るようにしたものである。その結果、端面の平行度及び鏡面度が高くなる結果、レーザの出力効率が向上した。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
【０００８】図１は、サファイア基板を用いた半導体レーザダイオードの構造を示した断面図である。図１において、(1,1,-2,0)面（ａ面）を結晶成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【０００９】次に、サファイア基板１の温度を 600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA) 及びアンモニア(NH3) を供給して、サファイア基板１上に50nm程度の膜厚を持つAlN 層２を形成する。
【００１０】次に、TMA の供給のみを止め、基板温度を1040℃まで上げ、トリメチルガリウム(TMG) 及びシラン(SiH4 ) を供給しSiドープｎ型GaN 層３（ｎ+ 層）を成長する。
【００１１】一旦、ウェハを成長炉から取り出し、GaN 層３の表面の一部をSiO2でマスクした後、再び成長炉に戻して真空排気して水素及びNH3 を供給し1040℃まで昇温する。
【００１２】次に、TMA ，TMG 及びSiH4を供給して、SiO2でマスクされていない部分に厚さ0.5μｍのSiドープのAl0.1Ga0.9N 層４（ｎ層）を形成する。
【００１３】次に、TMG 及びSiH4を供給しシリコンドープの厚さ 0.2μｍのGaN 層５（活性層）を成長させる。
【００１４】次に、TMA 、TMG 及びCp2Mg(ビスシクロペンタディエニルマグネシウム) を供給して、厚さ0.5 μｍのマグネシウムドープのAl0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）を形成する。
【００１５】次に、マスクとして使用したSiO2を弗酸系エッチャントにより除去する。次に、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）上にSiO2層７を堆積した後、縦１mm、横50μｍの短冊状に窓７Ａを開け、真空チャンバに移して、マグネシウムのドープされたAl0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）に電子線照射処理を行う。この電子線の照射により、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）はｐ型伝導を示した。
【００１６】典型的な電子線照射処理条件を表に示す。
【表１】
【００１７】次に、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）の窓７Ａの部分と、GaN 層３（ｎ+ 層）に、それぞれ、金属電極８Ａ、８Ｂを形成する。
【００１８】上記の素子が１枚のサファイア基板１の上に多数形成される。そして、各素子は共振器の光路方向にはダイヤモンドカッタで切断され、共振の光路に垂直な方向（図１の紙面に垂直）にはへき開により切断される。
【００１９】サファイアの結晶構造は、図２に示すように、６角柱であり、ｃ軸とａ面との関係は図示するようになっている。即ち、サファイア基板１のａ面上にｃ軸が存在する。よって、図３に示すように、サファイア基板１及びその上に積層された各層２、３、４、５、６、７、８が、２つの位置でへき開により切断される。そうして、図４に示すように、両端面Ａ，Ｂが鏡面となったレーザ共振器を得ることができる。
【００２０】２５０〜３００μｍのサファイア基板のａ面上にGaN を成長させて、これをサファイア基板のｃ軸に平行な方向には、容易にへき開できた。しかし、サファイア基板のａ面上にGaN を成長させて、これをサファイア基板のｃ軸に平行でない方向でのへき開は困難であった。さらに、サファイア基板のｃ面上にGaN を成長させて、これをサファイア基板の全ての方向に容易に割れるため、両端面の平行度を上げるのが困難である。尚、ａ面及びｃ面のいずれのサファイア基板を用いても、GaN の結晶方向はｃ軸方向である。これらの実験から、サファイア基板のａ面上にGaN を成長させて、これをサファイア基板のｃ軸方向にへき開した面の面精度が最も高いことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア基板上に作製した本発明の具体的な一実施例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。
【図２】サファイアの結晶構造を示した説明図。
【図３】サファイア基板のａ軸とｃ軸との関係及びへき開方向を示した説明図。
【図４】へき開面を有する素子を示した斜視図。
【符号の説明】
１…サファイアの(11-20) 面基板
２…AlN 緩衝層
３…GaN 層（ｎ+ 層）
４…Al0.1Ga0.9N 層（ｎ層）
５…GaN 層（活性層）
６…Al0.1Ga0.9N 層（ｐ層）
７…SiO2層
８Ａ，８Ｂ…電極
Ａ，Ｂ…へき開面
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、可視単波長、特に、青色領域から紫色領域まで、及び紫外光領域で発光可能な半導体レーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来技術】従来、特開平4-242985号公報に記載のレーザダイオードが提案されている。そのレーザダイオードは、窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x ≦1,0≦y≦1)により作製されており、活性層には不純物の無添加の層が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このレーザダイオードは、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させたものである。しかしながら、レーザダイオードを製作する場合には、精密な鏡面を得る必要があるが、未だ、精密な鏡面を得るためのへき開方向が見いだされていない。本願発明者らは、サファイア基板の主面の面方位を変化させて、窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させて、多数の方向にへき開を行って、へき開面の面精度を観測した。その結果、サファイア基板のａ面上に窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させて、その半導体層をサファイア基板のｃ軸方向に平行にへき開するとき、へき開面の精度が良好となることが判明した。
【０００４】本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおいて、共振器を構成する両端面の平行度及び面精度を良好とすることで、レーザの発振効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するための発明の構成は、活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、（１１−２０）面（ａ面）を主面とするサファイア基板と、サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x ≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、多重層及び前記サファイア基板をサファイア基板の＜０００１＞（ｃ軸）に平行にへき開して形成された鏡面とを有することを特徴とする。
【０００６】
【作用及び効果】本発明は、上記のように、サファイア基板のａ面上に窒化ガリウム系化合物半導体の多層を形成して、その多層によりレーザ素子を形成して、その多層をサファイア基板のｃ軸方向に平行に２箇所でへき開することで、レーザ素子の端面を得るようにしたものである。その結果、端面の平行度及び鏡面度が高くなる結果、レーザの出力効率が向上した。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
【０００８】図１は、サファイア基板を用いた半導体レーザダイオードの構造を示した断面図である。図１において、(1,1,-2,0)面（ａ面）を結晶成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【０００９】次に、サファイア基板１の温度を 600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA) 及びアンモニア(NH3) を供給して、サファイア基板１上に50nm程度の膜厚を持つAlN 層２を形成する。
【００１０】次に、TMA の供給のみを止め、基板温度を1040℃まで上げ、トリメチルガリウム(TMG) 及びシラン(SiH4 ) を供給しSiドープｎ型GaN 層３（ｎ+ 層）を成長する。
【００１１】一旦、ウェハを成長炉から取り出し、GaN 層３の表面の一部をSiO2でマスクした後、再び成長炉に戻して真空排気して水素及びNH3 を供給し1040℃まで昇温する。
【００１２】次に、TMA ，TMG 及びSiH4を供給して、SiO2でマスクされていない部分に厚さ0.5μｍのSiドープのAl0.1Ga0.9N 層４（ｎ層）を形成する。
【００１３】次に、TMG 及びSiH4を供給しシリコンドープの厚さ 0.2μｍのGaN 層５（活性層）を成長させる。
【００１４】次に、TMA 、TMG 及びCp2Mg(ビスシクロペンタディエニルマグネシウム) を供給して、厚さ0.5 μｍのマグネシウムドープのAl0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）を形成する。
【００１５】次に、マスクとして使用したSiO2を弗酸系エッチャントにより除去する。次に、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）上にSiO2層７を堆積した後、縦１mm、横50μｍの短冊状に窓７Ａを開け、真空チャンバに移して、マグネシウムのドープされたAl0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）に電子線照射処理を行う。この電子線の照射により、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）はｐ型伝導を示した。
【００１６】典型的な電子線照射処理条件を表に示す。
【表１】
【００１７】次に、Al0.1Ga0.9N 層６（ｐ層）の窓７Ａの部分と、GaN 層３（ｎ+ 層）に、それぞれ、金属電極８Ａ、８Ｂを形成する。
【００１８】上記の素子が１枚のサファイア基板１の上に多数形成される。そして、各素子は共振器の光路方向にはダイヤモンドカッタで切断され、共振の光路に垂直な方向（図１の紙面に垂直）にはへき開により切断される。
【００１９】サファイアの結晶構造は、図２に示すように、６角柱であり、ｃ軸とａ面との関係は図示するようになっている。即ち、サファイア基板１のａ面上にｃ軸が存在する。よって、図３に示すように、サファイア基板１及びその上に積層された各層２、３、４、５、６、７、８が、２つの位置でへき開により切断される。そうして、図４に示すように、両端面Ａ，Ｂが鏡面となったレーザ共振器を得ることができる。
【００２０】２５０〜３００μｍのサファイア基板のａ面上にGaN を成長させて、これをサファイア基板のｃ軸に平行な方向には、容易にへき開できた。しかし、サファイア基板のａ面上にGaN を成長させて、これをサファイア基板のｃ軸に平行でない方向でのへき開は困難であった。さらに、サファイア基板のｃ面上にGaN を成長させて、これをサファイア基板の全ての方向に容易に割れるため、両端面の平行度を上げるのが困難である。尚、ａ面及びｃ面のいずれのサファイア基板を用いても、GaN の結晶方向はｃ軸方向である。これらの実験から、サファイア基板のａ面上にGaN を成長させて、これをサファイア基板のｃ軸方向にへき開した面の面精度が最も高いことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア基板上に作製した本発明の具体的な一実施例に係る（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。
【図２】サファイアの結晶構造を示した説明図。
【図３】サファイア基板のａ軸とｃ軸との関係及びへき開方向を示した説明図。
【図４】へき開面を有する素子を示した斜視図。
【符号の説明】
１…サファイアの(11-20) 面基板
２…AlN 緩衝層
３…GaN 層（ｎ+ 層）
４…Al0.1Ga0.9N 層（ｎ層）
５…GaN 層（活性層）
６…Al0.1Ga0.9N 層（ｐ層）
７…SiO2層
８Ａ，８Ｂ…電極
Ａ，Ｂ…へき開面
【特許請求の範囲】
【請求項１】 活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、（１１−２０）面（ａ面）を主面とするサファイア基板と、前記サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、前記ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、前記多重層及び前記サファイア基板をサファイア基板の＜０００１＞（ｃ軸）に平行にへき開して形成された鏡面と、を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。
【請求項１】 活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルヘテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成るレーザダイオードにおいて、（１１−２０）面（ａ面）を主面とするサファイア基板と、前記サファイア基板上に直接又はバッファ層を介在させて、前記ダブルヘテロ接合構造に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（(AlxGa1-x)yIn1-yN:0 ≦x≦1,0≦y≦1)から成る積層された多重層と、前記多重層及び前記サファイア基板をサファイア基板の＜０００１＞（ｃ軸）に平行にへき開して形成された鏡面と、を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開平７−２９７４９５
【公開日】平成７年（１９９５）１１月１０日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平６−１０６０５７
【出願日】平成６年（１９９４）４月２０日
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【出願人】（３９００１４５３５）新技術事業団 (20)
【出願人】（５９１０１４９４９）
【出願人】（５９１０１４９５０）
【公開日】平成７年（１９９５）１１月１０日
【国際特許分類】
【出願日】平成６年（１９９４）４月２０日
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【出願人】（３９００１４５３５）新技術事業団 (20)
【出願人】（５９１０１４９４９）
【出願人】（５９１０１４９５０）
[ Back to top ]