JP2004022989A - Nitride semiconductor laser and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a gallium-nitride-based compound-semiconductor laser wherein the width of the electrode forming region of its ridge portion is controlled, and at the same time, it has no hysteresis such that its semiconductor laminated structure is covered with at least an inorganic dielectric before forming its upper electrode. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the gallium-nitride-based compound-semiconductor laser has a process for forming an upper-electrode layer (10) on a gallium-nitride-based compound-semiconductor laminated structure (100), a process for forming thereon a photoresist (40) for a stripe, a process for removing the upper-electrode layer by dry etching while using this photoresist for the stripe as a mask, and further, a process for removing a portion of the gallium-nitride-based compound-semiconductor laminated structure by dry etching, while using an identical photoresist for the stripe as a mask to form the ridge stripe. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ素子、特に、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、光及び電流の閉じ込めを行うために、リッジストライプ型の導波路構造を設けることが多い。従来のリッジストライプ型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子における、リッジストライプ型の導波路構造の形成工程の断面模式図を、図16(a)〜(g)に示す。
【0003】
通常、基板上に形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層構造700の上に、図16(a)の如くストライプ形成用フォトレジストマスク44を形成した後、反応性イオンエッチング装置、誘導結合プラズマエッチング装置等のドライエッチング装置を用いて、図16(b)の如く半導体積層構造700の表面をエッチングし、リッジストライプを形成する。次に、ストライプ形成用フォトレジストマスク44を除去した後、図16(c)の如く、表面をSiO2、SiN等の誘電体膜35で被覆し、更にその上から、図16(d)の如く、ストライプ状の開口部80を有するフォトレジスト膜70を形成する。
【0004】
次に、ウェットエッチング法により、図16(e)の如く、フォトレジストの開口部80を誘電体膜35に転写し、開口部90を設ける。次に、フォトレジスト膜70を除去した後に、図16(f)の如く、リッジストライプ領域を含む開口部81を有するフォトレジスト膜71を形成し、全面に上部電極金属層を蒸着した後、リフトオフ法により、図16(g)の如く、上部電極25を得る。
【0005】
なお、ここで用いたストライプ形成用フォトレジストマスク44については、フォトレジストではなく、SiO等の無機誘電体膜を代わりに使用することも、一般に行われている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の方法でリッジストライプと上部電極を製作した場合、以下に示す2つの問題点があった。以下、説明に用いた図16に基づいて説明する。
【0007】
1点目は、誘電体膜35に開口部90を設ける際、等方性エッチングがなされるウェットエッチング法を用いるために、制御が比較的困難なエッチングレートのばらつきに起因して、開口部90の幅のばらつきが大きくなる点である。開口部90の幅は、電流注入領域を決定するため、そのばらつきは、半導体レーザ素子の電流電圧特性、発振しきい値電流、発振モード等のばらつきに直結する。ウェットエッチングの代わりにドライエッチング法による異方性エッチングを行って開口部90を形成すれば、その幅のばらつきを減じることが可能であるが、半導体積層構造700の表面が、開口部90において、プラズマ雰囲気にさらされることとなり、そのダメージにより、動作電圧の上昇や信頼性の低下を招来してしまう。
【0008】
2点目は、半導体積層構造700上に、誘電体膜35の開口部90を介して上部電極が形成されるまでに、ストライプ形成用フォトレジストマスク44と、誘電体膜35により、2回の被覆履歴を経ていることである。このような有機物、無機物による半導体積層構造700上の被覆履歴が重なる場合、たとえそれらが除去されるプロセスを経ても、半導体積層構造700上に残さが発生し、それらが、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に悪影響を及ぼす。この点は、特に無機誘電体による被覆が繰り返しなされた場合、より顕著で、ストライプ形成用フォトレジストマスク44の代わりに、SiO等の、無機誘電体膜をストライプ形成用マスクに使用し、後工程の誘電体膜35による被覆を含めて、2回の無機誘電体による被覆履歴を経て上部電極25を形成した場合では、発振しきい値電圧の、1ボルト以上の上昇を招く場合もある。
【0009】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リッジ部の電極形成領域の幅を制御し、同時に、上部電極形成前に、少なくとも無機誘電体により半導体積層構造が被覆される履歴を有しない、望ましくは一切の被覆履歴を有さないところの、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法と、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を得ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、基板と、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造と、一対の電極からなるリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法は、一層以上の積層構造からなる上部電極のうち、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面に接するところの第一の上部電極層を形成する工程と、第一の上部電極層の上にストライプ用フォトレジストを形成する工程と、ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程と、やはりドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去してリッジストライプを形成する工程とを含むものとする。
【0011】
即ち、第一の上部電極層が、異方性エッチングであるところのドライエッチング法によりストライプ状にパターニングされるため、電流注入領域の幅のばらつきは、実質的に、ストライプ用フォトレジストマスクの形成線幅のばらつきのみにより規定されることとなる。先述の通り、従来の技術による工程の場合は、電流注入領域の幅は、誘電体に開口部を設けるための、ストライプ用フォトレジストマスクの形成線幅のばらつき以外にも、ウェットエッチング法により開口部を形成する際に生じる開口部幅のばらつきも、電流注入領域の幅のばらつきに影響する。従って、本発明による製造方法は、従来の技術によるそれに比べて、大幅に、電流注入領域の幅のばらつきを減じることができる。
【0012】
また、本発明による製造方法においては、最初に、第一の上部電極層を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面に形成する工程を行うことになる。一方、先述の通り、従来の技術による工程の場合は、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面には、上部電極層が形成される前に、誘電体膜による2回の被覆履歴を経ることとなる。従って、本発明による製造方法は、従来の技術によるそれに比べて、被覆履歴を経るにことに伴う、半導体積層構造上での残さの発生と、それに伴う、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に対する悪影響を、大幅に減じることが可能となる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0014】
<第一の実施形態>
図1は、本発明の第一の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。サファイア等の基板上に、低温成長によるアンドープGaNバッファ層、n型GaNコンタクト層、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、n型GaN光ガイド、In0.05Ga0.95N障壁層とIn0.15Ga0. 85N井戸層とを3周期重ねた量子井戸構造の活性層、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層、p型GaN光ガイド層、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層、及びp型GaNコンタクト層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造100の表面に、図1(a)のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ150オングストロームのPbよりなる第一の上部電極層10を形成する。
【0015】
次に、同図(b)のごとく、線幅1.5ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク40をフォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図(c)のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク40をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層10を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造100の表面が露出するまでエッチングする。
【0016】
この場合のプロセスガスとしては、Ar、または、ArにCl、SiCl、BClなどの塩素系ガスを、体積比率で0%から50%添加したものを用いる。これら塩素系ガスの添加は、Arにより表面からスパッタリングされたPbのエッチング表面への再付着を抑制する効果がある。ただし、50%以上添加すると、窒化ガリウム系化合物半導体に対する選択性が大幅に低下し、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造100の表面が露出した時点でエッチングが実質的に停止して、同図(c)に示したような断面形状を得ることが困難となる。
【0017】
第一の上部電極層10のエッチングに引き続き、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造100を、上部クラッド層の途中までエッチングし、同図(d)のごとくリッジストライプを形成する。この場合は、Cl、SiCl、BClなどの塩素系ガスを体積比率で50%以上包含するプロセスガスを使用することにより、ストライプ用フォトレジストマスク40をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造100をエッチングすることができる。その後、有機溶剤等によってストライプ用フォトレジストマスク40を除去し、第一の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。
【0018】
本実施形態に示した方法によれば、ストライプ用フォトレジストマスク40の線幅を正確に転写したリッジ幅を有するリッジストライプ型の半導体レーザを得ることができ、従来の技術による製造方法よりも、半導体レーザ素子の電流電圧特性、発振しきい値電流、発振モード等のばらつきを半分以下に低減することができた。また、本実施形態に示した方法は、第一の上部電極層10を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、よって、従来の技術により作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子よりも約0.5ボルト程度低い動作電圧を実現できた。
【0019】
図1に示す第一の実施形態においては、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面の全体に渡って、第一の上部電極層を形成した。この場合、後の、反応性イオンエッチング法により第一の上部電極層をエッチングする工程において、エッチング条件によっては、表面から脱離した電極金属がエッチング表面に再付着し、エッチング表面に荒れを生じることがある。この現象は、マスク材で被覆されている領域に対して、エッチングする領域がより大きくなるほど、顕著である。
【0020】
例えば上記の例では、マスク材で被覆されている領域は、線幅1.5ミクロンのストライプ用フォトレジストマスクにより覆われている部分である。ストライプ用フォトレジストマスクが、繰り返しピッチ400ミクロンで形成されているとすると、隣のストライプ用フォトレジストマスクまでの、幅398.5ミクロンの領域で、第一の上部電極層がエッチングされることとなり、マスク材で被覆されていて電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率は、約266である。
【0021】
上述のような、エッチング条件によっては発生するエッチング表面荒れの危険性は、この、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、例えば1以下にすることで、殆ど問題のないレベルにまで減じることができる。以下に、その具体的手法を例示する。
【0022】
<第二の実施形態>
図2は、本発明の第二の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。サファイア等の基板上に本発明の第一の実施形態と同様の構造を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造200の表面に、図2(a)のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ150オングストロームのPbよりなる第一の上部電極層11を形成する。この際、第一の実施形態のごとく、第一の上部電極層を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面に、全面に渡って形成するのではなく、幅40ミクロンの領域にのみ形成しておく。
【0023】
次に、同図(b)のごとく、線幅1.5ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク41を、第一の上部電極層11の上部中央に、フォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図(c)のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク41をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層11を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造200の表面が露出するまでエッチングする。この際、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造200の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層11で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域との間に、段差91ができる。この段差91の高さは、主に、第一の上部電極層11の厚さと、プロセスガス中のArに対する塩素系ガスの添加比率によって決まるが、本実施形態の場合で、約500オングストローム程度である。
【0024】
引き続き、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造200を上部クラッド層の途中までエッチングし、同図(d)のごとくリッジストライプを形成する。その後、有機溶剤等によってストライプ用フォトレジストマスク41を除去し、第二の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。
【0025】
本実施形態に示した方法によれば、電極金属がエッチングされる領域は、幅40ミクロンの第一の上部電極層11のうち、線幅1.5ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク41により被覆されていない、幅38.5ミクロンに相当する領域のみである。それに対し、電極金属がエッチングされない領域は、第一の実施の形態の場合と同様、ストライプ用フォトレジストマスクが、繰り返しピッチ400ミクロンで形成されているとすると、幅361.5ミクロンに相当する領域である。
【0026】
従って、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率は、約0.1となり、第一の実施の形態における約266に比べると、大幅に小さくなり、よって、エッチング条件によっては発生するエッチング表面荒れの危険性を、工業レベルでは、殆ど問題のないレベルにまで減じることができた。
【0027】
また、電極金属がエッチングされる領域を減らす本実施形態の方法には、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層をエッチングする工程において、エッチングされて、エッチング装置内に付着する電極金属及びその反応生成物の量を大幅に減じることができるため、より再現性の良いエッチングを繰り返し実施することが可能となるという、第二の効果も得られる。
【0028】
これらの効果は、図2(a)に示した工程において形成する第一の上部電極層11の幅が狭ければ狭いほど有効であるが、あまり狭すぎると、同図(c)に示した工程において、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層11を除去する際に生じる段差91が、形成されるリッジに近づきすぎることとなるため注意が必要である。即ち、上述の通り、リッジを形成する工程においては、半導体積層構造を上部クラッド層の途中までエッチングするが、その際の上部クラッド層の残し膜厚が、水平方向の光閉じ込めを制御する上で重要なパラメータとなる。
【0029】
しかし本製造方法においては、上部クラッド層の最適な残し膜厚が、段差91よりもリッジに近い部分で得られていても、段差91よりもリッジから遠い側の部分では、最適残し膜厚よりも薄くなってしまう。このため、段差91がリッジに近づきすぎると、より具体的にはリッジの幅の2倍未満の距離まで近づくと、水平方向の光閉じ込めに対するその影響が無視しえなくなってくる。従って、本実施形態の例では、リッジの幅が1.5ミクロンであるので、第一の上部電極層11は、6.0ミクロン以上とすることが望ましい。
【0030】
本実施形態においては、図2(b)のごとく、線幅1.5ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク41を、第一の上部電極層11の上部中央に設けたが、必ずしも第一の上部電極層11の中央に設ける必要はなく、上述の理由により、第一の上部電極層11の左右両方の端から、リッジの幅の倍である3ミクロン以上、中央に寄った位置にありさえすれば良い。
【0031】
同図(a)に図示のごとく、第一の上部電極層11を、幅40ミクロンの領域にのみ形成するためには、幅40ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造200の上に、フォトリソグラフィー法により形成し、引き続いて第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成、当該フォトレジスト膜と、その上の第一の上部電極層を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去する方法がある。
【0032】
ただし、この場合は、第一の上部電極層11を形成する前に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造が、フォトレジストにより被覆される工程が、一回含まれる。しかしそれでもなお、ストライプ形成用フォトレジストマスクと誘電体膜、または誘電体膜と誘電体膜の、2回の被覆履歴を経ることとなる、従来の技術による工程に比べると、半導体積層構造上での残さの発生と、それに伴う、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に対する悪影響を、大幅に減じることが可能である。
【0033】
また、同図(a)に図示のごとく、第一の上部電極層11を、幅40ミクロンの領域にのみ形成するための第二の手法として、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造200の上部全面に、第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成し、引き続き、幅40ミクロンのストライプ状フォトレジスト膜を第一の上部電極層の上に、フォトリソグラフィー法により形成した後、ウェットエッチング法により当該フォトレジスト膜で被覆されていない領域に形成された第一の上部電極層を除去し、更にその後、有機溶剤等により当該フォトレジスト膜を除去する方法がある。
【0034】
この方法によれば、本発明の第一の実施形態の場合と同様、第一の上部電極層を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、同時に、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、本発明の第一の実施形態の場合より、小さくすることが可能となる。この方法では、第一の上部電極層をウェットエッチング法によりエッチングするため、その幅の制御が比較的困難で数ミクロンのばらつきが発生するが、そのばらつきを考慮しても、段差91がリッジの幅の2倍以上の距離に形成される限り、問題とはならない。
【0035】
この例では、幅40ミクロンの設計値に対して、ウェットエッチング時のばらつきが数ミクロンあったとしても、エッチング後の幅は、先述の6.0ミクロン以上に、十分再現性よく形成可能である。また、このようなPbよりなる第一の上部電極層11のエッチングには、例えば、塩化水素酸と硝酸と水とを混合した溶液を使えば良い。
【0036】
また、同図(a)に図示のごとく、第一の上部電極層11を、幅40ミクロンの領域にのみ形成するための第三の手法として、幅40ミクロンの開口部を有するメタルマスクを、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造200の上に載置した状態で、第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成し、蒸着後、メタルマスクを、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造200の上から取り除く方法がある。この方法によれば、本発明の第一の実施形態の場合と同様、第一の上部電極層を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、同時に、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、本発明の第一の実施形態の場合より、小さくすることが可能となる。
【0037】
ここまで述べてきた、第一の実施形態、及び第二の実施形態においては、リッジ上部のみに、上部電極層を形成した。しかしながら実際は、当該リッジ上部の幅は1.5ミクロンと非常に狭く、外部から電圧を印加するための金線等を、その上に配置することは、困難である。
【0038】
そこで、この問題を解決するために、第二の上部電極を形成する実施形態を、次に示す。
【0039】
<第三の実施形態>
図3は、本発明の第三の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。まず、第一の実施形態において詳述した方法にて、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造300、厚さ150オングストロームのPbよりなる第一の上部電極層12、線幅1.5ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク42を有する、図3(a)に示した構造を得る。
【0040】
次に、図3(b)のごとく、電子ビーム蒸着法により、全面に、厚さ2000オングストロームのSiO膜30を形成する。次に、ストライプ用フォトレジストマスク42と、その上部にあるSiO膜30の一部を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去し、同図(c)のごとき構造を得る。
【0041】
然る後に、同図(d)のごとく、第一の上部電極層12の上部に、幅150ミクロンの第二の上部電極層20として、Auを2500オングストロームの厚さに形成する。幅150ミクロンの領域のみに、選択的に第二の上部電極層を形成するためには、幅150ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に行うことができる。
【0042】
本方法によれば、第二の上部電極層20は、幅150ミクロンと、外部から電圧を印加するための金線等を、その上に配置するに十分な幅を有しており、なおかつ、第一の実施形態において詳述した方法、または第二の実施形態における方法で述べた、電流注入領域の幅と窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の被覆履歴に関する本発明の効果は、そのまま維持されている。
【0043】
また、ここでは、図3(a)に示した構造を得るために、第一の実施形態において詳述した方法を使用したが、代わりに第二の実施形態において詳述した方法を用いても可能である。ただしこの場合は、第二の実施形態の場合と同様、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造300の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層12で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域に、段差ができる。
【0044】
ここで、図3において説明した、第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、同図(d)に記載の第二の上部電極層20の、紙面に対して垂直な方向(リッジストライプに沿う方向)の形状についての規定をしなかった。しかし、この方向に関しては、特に、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの共振器端面の直上を避けて形成することにより、より品質の高い窒化ガリウム系化合物半導体レーザを、より歩留まり良く作成することが可能となる。次に、その事例について説明する。
【0045】
<第四の実施形態>
図4は、本発明の第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。同図に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザの形状は、基本的に、第三の実施形態によるそれと同一で、異なる点は、第三の実施形態を示す図3における、第二の上部電極層20に相当するところの、第二の上部電極層21のストライプと平行な方向の長さが、本実施形態においては、図4に示したごとく200ミクロンと、また、共振器長が500ミクロンと、有限な長さに規定されている点のみである。
【0046】
窒化ガリウム系化合物半導体積層構造400上に形成するところの第一の上部電極層13は、厚さ150オングストロームのPd、誘電体層31は、厚さ2000オングストロームのSiO膜、第二の上部電極層21は、厚さ2500オングストロームのAuである。
【0047】
図4のごとく、第二の上部電極21のストライプと平行な方向の長さを、共振器長よりも短くし、共振器端面直上には、第二の上部電極が形成されないようにすることによって、次のような利点が新たに得られる。即ち、共振器端面の直上にある電極金属層が厚いほど、劈開により共振器端面を作成する際に、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、よって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が高まる。このような危険性は、例えば共振器端面直上の電極金属層が、1000オングストロームを越える厚さとなると、より顕著である。
【0048】
同図に示した第一の上部電極層13は、たかだか、厚さ150オングストロームであるのに対して、第二の上部電極層21は、その上に金線をボンディングする際に、実用上問題がないレベルのボンディング強度を確保するためには、本実施形態のごとく、数千オングストロームの厚さが必要となる。従って、第二の上部電極層21が、同図のごとく、共振器端面上にはかからないように配置しておけば、共振器端面直上の電極金属層は、厚さ150オングストロームのPdだけであるため、上述の危険性は、無視できるほど小さい。しかも同時に、第一の上部電極層が、共振器端面の直上も含めたリッジストライプの頂部をくまなく覆う構造を有しているため、電流が注入されない領域ができることもない。
【0049】
同図のごとく、ストライプと平行な方向の長さが200ミクロンの第二の上部電極を形成するためには、ストライプと平行な方向の長さが200ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に形成できる。
【0050】
ここで、図4において説明した、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器面を、劈開により形成することを前提としている。しかしながら、使用する基板とその上の化合物半導体積層構造の組み合わせよっては、その双方に良好な劈開性を有する面が得られず、従って劈開によっては良質な端面が得られない場合も生じる。このような場合は、ドライエッチング法により共振器端面を形成するが、本発明はその際にも、従来の製造方法にはない、好適な製造方法を提供する。
【0051】
即ち、従来の、ドライエッチング法により形成した共振器端面を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器端面を形成した後に上部電極を形成する都合上、レーザ素子の共振器端面から、数ミクロン後退したところより内側の領域にしか、電極を形成できず、この、電極が形成されない領域が、吸収層として機能してしまうという問題があった。
【0052】
一方、本発明による製造方法によれば、ドライエッチング法により形成した共振器端面の際まで、上部電極を形成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得ることが可能となる。以下に、その方法を詳述する。
【0053】
<第五の実施形態>
図5は、本発明の第五の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。また図6は、その製造方法を示す模式図である。図5に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体積層構造500の上に、厚さ2000オングストロームのSiO膜32を介して、厚さ150オングストロームのPbよりなる第一の上部電極層14、厚さ2500オングストロームのAuよりなる第二の上部電極層22が形成されており、これらの構成は、図4に示した、第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザのそれと同一である。
【0054】
異なる点は、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器面を、劈開により形成することを前提としているのに対し、本実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、図5のごとく、ドライエッチング法により共振器端面60を形成している点である。このような構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を、次に説明する。
【0055】
第四の実施形態によるものと同一の構造、即ち、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造500、厚さ150オングストロームのPbよりなる第一の上部電極層14、厚さ2000オングストロームのSiO膜32、厚さ2500オングストロームのAuよりなる第二の上部電極22、から構成される図6(a)に示した構造の上に、同図(b)のごとく、共振器端面形成用フォトマスク50を形成する。次に、反応性イオンエッチング法により、共振器端面形成用フォトマスク50で覆われていない領域のSiO膜32を除去し、同図(c)に示した形状を得る。
【0056】
この場合の反応性イオンエッチング法に用いるプロセスガスとしては、CF、CHFなどがあり、これらのガスによれば、共振器端面形成用フォトマスク50で覆われていない領域の第一の上部電極層14は、同図(c)に示した通り、殆どエッチングされずに残り、SiO膜32のみが取り除かれる。
【0057】
然る後に、第一から第四の実施形態で説明してきた、プロセスガスとして、Ar、または、ArにCl、SiCl、BClなどの塩素系ガスを、体積比率で0%から50%添加したものを用いたところの、反応性イオンエッチング法により、共振器端面形成用フォトマスク50で覆われていない領域の第一の上部電極層14を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造500の表面が露出するまでエッチングして、同図(d)に示した構造を得る。
【0058】
次いで、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造500をエッチングし、同図(e)のごとく共振器端面60を形成する。この場合は、Cl、SiCl、BClなどの塩素系ガスを主エッチングガスとすることにより、共振器端面形成用フォトマスク50をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造500をエッチングすることができる。その後、共振器端面形成用フォトマスク50を除去して、図5に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。
【0059】
本実施形態で示した製造方法によれば、共振器端面形成用フォトマスク50をマスクとして、第一の上部電極層14と、その下の窒化ガリウム系化合物半導体積層構造500を、連続してエッチングして共振器端面60を形成するため、共振器端面の際まで第一の上部電極層14が形成でき、従来、ドライエッチング法により形成した共振器端面を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザで問題となっていた、電極が形成されない領域ができて、その部分が吸収層として機能するという不具合は発生しない。
【0060】
ここまで説明してきた、第一から第五の実施形態においては、リッジ部のみを残して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造をドライエッチング法によりエッチングしたが、リッジ部以外を全てエッチングする必要はなく、その近傍のみをエッチングしても良い。
【0061】
リッジ部のみを残してエッチングした場合、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性がある。他方、リッジの近傍のみエッチングした場合は、リッジ部のみが突出するわけではないので、このような後工程での破損の危険性を、大幅に減じることが可能となる。そこで次に、リッジの近傍のみエッチングする場合について説明する。
【0062】
<第六の実施形態>
図7は、本発明の第六の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。また図8は、その製造方法を示す模式図である。図7に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体積層構造600の上に、厚さ1000オングストロームのSiO膜33、及び厚さ1500オングストロームのSiO膜34を介して、厚さ150オングストロームのPbよりなる第一の上部電極層15、厚さ2500オングストロームのAuよりなる第二の上部電極層23が形成されており、これらの構成は、図4に示した第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザのそれと同一である。
【0063】
異なる点は、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造600を、リッジストライプ部を除いて全面、ドライエッチング法により掘り下げているのに対し、第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、リッジの両側の、片側25ミクロンずつの幅を有する部分のみを掘り下げている点である。このような構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を、次に説明する。
【0064】
まず、サファイア等の基板上にn型窒化ガリウム系化合物半導体層、p型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造600の表面に、図8(a)のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ150オングストロームのPbよりなる第一の上部電極層15を形成する。この際、第一の上部電極15は、第二の実施形態の説明において詳述したものと同様の方法で、幅40ミクロンの領域にのみ形成しておく。
【0065】
次に、同図(b)のごとく、第一の上部電極15の直上、及びその両側の片側5ミクロンの幅を有する領域を除いて、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造600全面に、厚さ1000オングストロームのSiO膜33を、電子ビーム蒸着法により形成する。
【0066】
次に、同図(c)のごとく、線幅1.5ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク43を、第一の上部電極層15の上に、フォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図(d)のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク43をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層15を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造600の表面が露出するまでエッチングする。この際、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造600の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層15で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域に、段差92ができる。
【0067】
引き続き、同図(e)のごとく、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造600を上部クラッド層の半ばまでエッチングし、リッジストライプを形成する。これら2回の反応性イオンエッチング法によるドライエッチング工程については、第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法におけるそれと同一の方法で可能であるため、ここではその詳細は省略する。
【0068】
次に、ウエハの全面に厚さ1500オングストロームのSiO膜34を、電子ビーム蒸着法により形成し、その後、リフトオフ法により、ストライプ用フォトレジストマスク43とその直上にあるSiO膜34を除去することにより、同図(f)に示した構造を得る。
【0069】
その後、第一の上部電極層15の上部に、幅150ミクロンの第二の上部電極層23として、Auを2500オングストロームの厚さに形成して、図7に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。幅150ミクロンの第二の上部電極層23の形成については、第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法におけるそれと同一の方法で可能であるため、ここではその詳細は省略する。
【0070】
本実施形態で示した製造方法によれば、リッジの近傍の、片側30μmの幅を有する領域のみをドライエッチング法により掘り下げているため、リッジ部のみを残してウエハ全面をエッチングした場合のように、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性はない。
【0071】
なお、本実施形態においては、リッジの両側に片側25ミクロンずつの幅を有する部分を掘り下げ、よって、リッジの左右に、幅が25ミクロンであるところの一対の溝が形成された形状をなしているが、この溝をリッジの左右いずれか片側のみに設ける、即ち、溝が設けられていない側は、全面に渡って上部クラッド層の半ばまでエッチングされていても、リッジ部のみが突出しないという、本実施形態と同様の効果が得られる。また、溝をリッジの両側に設ける場合も、その幅が、必ずしも左右対称となる必要はない。また、本実施形態を示す図7においては、第二の上部電極層を、リッジに関して左右対称となるように描画しているが、左右の幅が非対称であっても、また片側だけに設けてあっても、問題はない。
【0072】
以上、本発明を、いくつかの実施形態に基づき詳述してきたが、本発明の内容は、ここに挙げた実施形態の内容に限定されるものではない。次に、本発明の技術的思想に基づく、変形を例示する。
【0073】
本発明における「窒化ガリウム系化合物半導体」には、窒化ガリウム(GaN)のほか、そのGaが部分的に他のIII族元素に置き換えられた半導体、例えば、GaAlIn1−s−tN(0<s≦1、0≦t<1、0<s+t≦1)が含まれ、また、各構成原子の一部が不純物原子等に置き換えられた半導体や、他の不純物が添加された半導体も含まれる。
【0074】
上述の各実施形態で使用したドライエッチング法は、反応性イオンエッチング法であったが、誘導結合プラズマエッチング法や、ECRプラズマエッチング法などでも、同様のプロセスガスの使用により、各実施形態に示したものと同様なエッチングが可能である。
【0075】
また、各実施形態では、第一の上部電極のドライエッチング法におけるプロセスガスとして、Ar、または、ArにCl、SiCl、BClなどの塩素系ガスを、体積比率で0%から50%添加したものを用いたが、Arの代わりに他の不活性ガス、例えば、HeやNeを用いてもよい。
【0076】
各実施形態では第一の上部電極としてPbを使用したが、Ni、Tiなどでも、また、これらの上に、Au、Moなど、別の金属が積層された構造であっても、本発明の製造方法により、同様の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの作成が可能である。ただし検討の結果、NiやTiを用いた場合は、コンタクト抵抗を最低とするために最適な厚みは、Pbを使用した場合に比べ、約65%程度厚くなる。そのため、ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程におけるエッチング時間がより長くなり、よって、ストライプ用フォトレジストの膜減り量が増える。このストライプ用フォトレジストは、更に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、リッジストライプを形成する工程においてもマスクとして使用するため、前の工程における膜減り量が多いと、この工程において必要なレジスト膜厚を確保できない可能性があるため、注意が必要である。
【0077】
また、各実施形態では、第一の上部電極の厚さを150オングストロームとしたが、その層厚は、150オングストロームに限定されるものではない。ただし、層厚が、複数の金属が積層された構造である場合はその総厚が、1000オングストロームを越えた場合は、劈開により共振器端面を作成する際に、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、よって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が高まるので、注意が必要である。さらに、先に述べた通り、厚ければ厚いほど、ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程におけるエッチング時間がより長くなり、よって、ストライプ用フォトレジストの膜減り量が増える点にも注意が必要である。
【0078】
第三〜第六の実施形態で形成した第二の上部電極はAuであったが、作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を、外部に電気的に接続するために金線がボンディングできる、または、外部の電極パッドに溶着できる限り、例えばAlなどの金属を使用することも可能であり、また、単体金属ではなく、複数の金属が積層された構造でも何ら問題はない。また、その厚さに関しても、外部への電気的接続に十分なだけ厚ければ、何ら問題はない。
【0079】
また、第三〜第六の実施形態で使用したSiOは、ZrOやTiO、SiO、Ta、SiNなど、他の無機誘電体や、AlGaNなどの窒化ガリウム系化合物などで置き換えても何ら問題は無く、その厚さも、実施形態の記述中に例示した厚さに限定されるものではない。また、その形成方法についても、実施形態の記述中に例示した電子ビーム蒸着法によらずとも、スパッタリング法、プラズマCVD法などによるものでも構わない。
【0080】
以上、詳述してきた、第一〜第六の実施形態における、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造100〜600における活性層には、第一の実施形態の冒頭で述べた通り、In0.05Ga0.95N障壁層とIn0.15Ga0.85N井戸層とを3周期重ねた量子井戸構造の活性層を採用してきた。しかし、障壁層を2層、ないしは3層にする事も可能である。以下に、その場合を説明する。
【0081】
<第七の実施形態>
本実施の形態における活性層付近の詳細な積層構造を図9に示した。厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N井戸層803と厚さ4nmのGaN、(801、805)および厚さ4nmのIn0.05Ga0.95N(802、804)障壁層より構成される多重量子井戸構造を有する活性層を、障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層の順序で成長し、今回は井戸層の層数は3層とした。その際、井戸層には、不純物はドープしない形で成長した。
【0082】
また、井戸層の厚さは2から7nmの範囲が良く、2nmより薄いと、界面散乱が増加して閾値電流を上昇させるので好ましくなく、また7nmより厚くなると、井戸層内で電子と正孔の空間的な分離がおこり、再結合確率を下げるため閾値電流を上昇させるので好ましくない。つまり、井戸層厚に関しては、2nm以上、7nm以下がよく、本実施の形態では4nmの厚さで実施しているが、上記範囲であれば何ら問題はない。
【0083】
障壁層に関しては、2層構造とした。2層のうちn型GaN光ガイド層104側の層を第一の層801またp型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層106側の層を第二の層802と呼ぶことにする。また、障壁層で図9に示す通り、n型GaN光ガイド層104に接する第一の層を特に第三の層805と、p型Al0. Ga0.8Nキャリアブロック層106に接する層を第四の層804と呼ぶことにする。この第三の層と、第四の層は井戸層と直接接していないため、他の第一の層、第二の層と状況が異なり、区別する意味で第三、第四の層と呼ぶことにした。つまり、第一の層、第三の層がGaN、第二の層、第四の層がIn0.05Ga0. 95Nである。
【0084】
本実施の形態においては、第一、二、三、四の層の厚さは4nmで障壁層全体の厚さは8nmとし、第一、第三の層にはSi等のn型不純物をドープする。第二、四の層に関しては、Si等のn型不純物は故意に添加を行わず、ノンドープとした。この際のSi濃度は、5×1015cm−3〜1×1020cm−3までが良く、今回は、1×1018cm−3で行った。Si濃度が1×1020cm−3以上の場合、Siの過剰ドープが活性層の結晶性を悪化させ、閾値電流密度の増加を引き起こしてしまうために良くない。また、5×1015cm−3以下であると、キャリアの生成が起こらなくなり、閾値電流密度の増加を引き起こす。また、上記範囲以内であれば、第一、第三の層のSi濃度は異なっていても何ら問題はない。このSi濃度はSIMSなどの測定方法を用いて測定する。また、図10に図9に示した活性層のバンドダイヤグラムを示す。
【0085】
なお、本実施の形態において、不純物としてドープしているMgはp型不純物としてドープしているが、それは、5×1019/cm〜2×1020/cmの濃度で添加している。
【0086】
この様にして、n型GaN基板上に窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を作製し、その後、熱処理などによりMgドープ層を低抵抗p型にした上で、本発明の第三の実施形態と同様の製造方法により、半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的接続を取り、半導体レーザ装置を組み、その特性歩留まりを評価した結果、良好な特性を得ることができた。
【0087】
このようにして得られた半導体レーザ素子の閾値電流密度は2.5kA/cmであった。図11は、障壁層全体の膜厚が8nmと一定で、第一の層と第三の層、第二の層と第四の層厚を同じ膜厚として、第一の層厚をX軸にプロットした。つまり、第一の層が1nmの時は、第二の層は7nmで、第一の層が2nmの時は、第二の層は6nmで、第一の層4nmの時は、第二の層は4nmとなり、障壁層の全体厚さが8nmになるように、第二の層の層厚が決定される。上記の様に、層厚を決めて実験を行った結果が図11であり、第一の層と、第三の層が4nm以下において、閾値電流密度の低減の効果が見られた。
【0088】
上記の結果に関して、第一の層と、第三の層が4nmより厚いところで閾値電流密度が増加するのは、これ以上第一の層と第三の層を厚くしても、井戸層に注入されるキャリアの量が増加せず、障壁層にドープされるSiが多くなるために、活性層内のフリーキャリア散乱が増加し内部損失が大きくなったため閾値電流密度が増加したと考えられる。しかし、第一の層と、第三の層の層厚を4nm以下にすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、更に、第一の層と第三の層にSiドープした事により、井戸層に効率よくキャリアが供給されることにより低閾値電流密度の素子が実現できたと考えられる。
【0089】
但し、第一の層と、第三の層の層厚が0.3nm以下になると十分なキャリア数が井戸層に注入できなくなるため、再び閾値電流密度の増大を引き起こす。また、第三の層に関して、本実施の形態では、Siドープを行ったが第三の層に関しては、Siドーピングを行っても行わなくても、図11に示す結果と同じであった。
【0090】
上記のような実験を、井戸層厚を2nm以上7nm以下の範囲とし、障壁層の層厚を7nmから12nmの範囲で行ったが、図11と同様の結果を示した。また障壁層の厚さを7nm未満とした場合、閾値電流密度が増加した。これは、活性層厚が薄くなり、光閉じ込めが弱くなったためと考えられる。更に12nm以上であった場合、各々の井戸が離れすぎ、移動度の小さいホールが各井戸層に均一に注入されなくなり、ゲインの低下を引き起こし閾値電流密度が上昇した。
【0091】
以上まとめると、障壁層のうちSi等の不純物でドーピングされている領域が多くなると、活性層内のフリーキャリア散乱が増加し内部損失が大きくなったため閾値電流密度が増加する。また、第一の層と第三の層にSiドーピングした場合、キャリアが効率よく井戸層に注入されるため閾値電流密度が減少する事が分かった。
【0092】
つまり、井戸層厚を2から7nmの範囲とし、障壁層の層厚を7nmから12nmの範囲において、障壁層へのドーピングは、第一の層と第三の層に行うのがよく、最も効率よくキャリアを井戸層に注入できる。また、第一の層と第三の層の層厚が0.3nm以上4nm以下においては、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層にキャリアを注入できるため閾値電流密度を低減することができる。しかし4nmより厚い領域においては、井戸層へのキャリアの注入の効果より、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を招くため好ましくない。
【0093】
また、本実施の形態において、第二の層、第四の層がIn0.05Ga0.95Nであるとしたが、この層がGaNであっても、ほぼ同じ結果が得られ問題はない。
【0094】
<第八の実施形態>
本実施の形態において、第一の層、第三の層がIn0.05Ga0.95Nでノンドープ、第二の層、第四の層がGaNでありSiドープである事以外は、第七の実施の形態と全く同じである。第二、第四の層の厚さを同じとして、第二、第四の層厚をX軸にプロットした場合、図11とほぼ同じ結果が得られた。井戸層厚を2nm以上7nm以下の範囲とし、障壁層の層厚を7nm以上12nm以下の範囲において、障壁層へのドーピングは、第二の層と第四の層に行うのがよく、最も効率よくキャリアを井戸層に注入できる。
【0095】
また、第二の層と第四の層の層厚が0.3nm以上4nm以下においては、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層にキャリアを注入できるため閾値電流密度を低減することができる。しかし4nmより厚い領域においては、キャリアの注入の効果より、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を招くため好ましくない。また、本実施の形態において、第一の層、第三の層がIn0.05Ga0.95Nであるとしたが、この層がGaNであっても、ほぼ同じ結果が得られ問題はない。
【0096】
<第九の実施形態>
本実施の形態において活性層の障壁層は3層よりなり、活性層は次のように形成し、活性層付近の詳細な積層構造を図12に示した。厚さ4nmのIn0.15Ga0.85N井戸層604と厚さ9nmのGaN(602)とIn0.05Ga0.95N(601、603、606、607)からなる障壁層より構成される多重量子井戸構造を有する活性層を、障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層の順序で成長した。その際、井戸層には、不純物はドープしない形で成長した。
【0097】
また、井戸層の厚さは2から7nmの範囲が良く、2nmより薄いと、界面散乱が増加して閾値電流を上昇させるので好ましくなく、また7nmより厚くなると、井戸層内で電子と正孔の空間的な分離がおこり、再結合確率を下げるため閾値電流を上昇させるので好ましくない。つまり、井戸層厚に関しては、2nm以上、7nm以下がよく、本実施の形態では4nmの厚さで実施しているが、上記範囲であれば何ら問題はない。
【0098】
障壁層に関しては−3層構造とした−3層のうちn型GaN光ガイド層104側の層を第一の層(In0.05Ga0.95N)601またp型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層106側の層を第三の層(In0.05Ga0.95N)603、真ん中の層を第二の層(GaN)602と呼ぶことにする。また、障壁層で図12に示す通り、n型GaN光ガイド層104に接する第一の層を特に第四の層606と、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層106に接する第三の層を特に第五の層607と呼ぶことにする。この第四の層と、第五の層は井戸層と直接接していないため、他の第一の層、第二の層と状況が異なり、区別する意味で第四、第五の層と呼ぶことにした。
【0099】
本実施の形態においては、第一、二、三、四、五の層の厚さはそれぞれ3nmとし、第二の層にはSi等のn型不純物をドープする。この際のSi濃度は、5×1015cm−3〜1×1020cm−3までが良く、今回は、1×1018cm−3で行った。Si濃度が1×1020cm−3以上の場合、Siの過剰ドープが活性層の結晶性を悪化させ、閾値電流密度の増加を引き起こしてしまうために良くない。また、5×1015cm−3以下であると、キャリアの生成が起こらなくなり、閾値電流密度の増加を引き起こす。このSi濃度はSIMSなどの測定方法を用いて測定する。また、図13に図12に示した活性層のバンドダイヤグラムを示す。
【0100】
なお、本実施の形態にて、不純物としてドープしているMgはp型不純物としてドープしているが、それは、5×1019/cm〜2×1020/cmの濃度で添加している。
【0101】
この様にして、n型GaN基板上に窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を作製し、その後、熱処理などによりMgドープ層を低抵抗p型にした上で、本発明の第三の実施形態と同様の製造方法により、半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的接続を取り、半導体レーザ装置を組み、その特性歩留まりを評価した結果、良好な特性を得ることができた。
【0102】
このようにして得られた半導体レーザ素子の閾値電流密度は3.0kA/cmと低い値であった。図14は、障壁層全体205の膜厚が9nmと一定で第一の層と第三の層を同じ膜厚として、その層厚をX軸にプロットした。つまり、第一の層と第三の層が1nmの時は、第二の層は7nmで、第一の層と第三の層が2nmの時は、第二の層は5nmで、第一の層と第三の層が3nmの時は、第二の層は3nmとなり、障壁層205の全体厚さが9nmになるように、第二の層の層厚が決定される。
【0103】
上記の様に、層厚を決めて実験を行った結果が図14であり、第一の層と、第三の層が3nm以下において、閾値電流密度の低減の効果が見られた。第一の層と、第三の層が3nmより薄い領域において、閾値電流密度が低下する原因に関しては以下のように考えられる。
【0104】
本実施の形態では、井戸層と接する障壁層の領域はノンドープである。このため、障壁層で発生したキャリアは有効に井戸層に注入されない。しかし、本実施の形態では、井戸層と接する障壁層の領域は、障壁層中心部のSiドープ領域のGaNよりエネルギーギャップの小さいIn0.05Ga0.95Nを用いている。このため、障壁層の中心部で発生したキャリアは妨げられること無く、井戸層に注入される。このため、閾値密度の低減が可能であると考えられる。
【0105】
更に、第一の層と、第三の層が3nmより厚いところで閾値電流密度が増加するのは、これ以上第一の層と第三の層を厚くした場合、井戸層とSiドーピングされた第二の層が離れてしまうために、厚いIn0.05Ga0.95N層で発光、非発光等のトラップにより消費されてしまい、有効に井戸層にキャリアの注入が行われなくなり、注入されるキャリアの量が減少し、閾値電流密度の上昇を引き起こすと考えられる。
【0106】
【発明の効果】
本発明によれば、第一の上部電極層が、異方性エッチングであるところのドライエッチング法によりストライプ状にパターニングされるため、電流注入領域の幅のばらつきは、実質的に、ストライプ用フォトレジストマスクの形成線幅のばらつきのみにより規定されることとなる。先述の通り、従来の技術による工程の場合は、誘電体に開口部を設けるための、ストライプ用フォトレジストマスクの形成線幅のばらつき以外に、ウェットエッチング法により開口部を形成する際に生じる開口部幅のばらつきも、電流注入領域の幅のばらつきに影響する。従って、本発明による製造方法は、従来の技術によるそれに比べて、大幅に、電流注入領域の幅のばらつきを減じることができる。
【0107】
また、本発明による製造方法においては、最初に、第一の上部電極層を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面に形成する工程を行うことになる。一方、先述の通り、従来の技術による工程の場合は、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面には、上部電極層が形成される前に、ストライプ形成用フォトレジストマスクと誘電体膜、または誘電体膜と誘電体膜の、2回の被覆履歴を経ることとなる。従って、本発明による製造方法は、従来の技術によるそれに比べて、被覆履歴を経るにことに伴う、半導体積層構造上での残さの発生と、それに伴う、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に対する悪影響を、大幅に減じることが可能となる。
【0108】
従来の技術による工程における、上部電極層が形成される直前の、リッジ近傍を、マイクロオージェ電子分光法により観察した場合の平面図を図15に示す。同図の示す状態を詳述すると、図16で先に説明した、従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子のリッジストライプ形成工程における図16(b)、−これは、ストライプ形成用フォトレジストマスクを形成した後、ドライエッチング装置を用いて、半導体積層構造の表面をエッチングし、リッジストライプを形成した後の断面模式図に相当する−、に図示される状態の後に、ストライプ形成用フォトレジストマスクを除去した状態を、図16(b)の紙面上方から見た場合に相当する。
【0109】
図15(a)は、炭素原子に起源を有するオージェ電子の信号強度の分布を示した平面図、図15(b)は、同図(a)の発光強度分布に対応するリッジストライプの形成位置を示す断面模式図である。同図(a)の信号強度分布においては、白色に近いほど、炭素原子に起源を有するオージェ電子が強く検出されている事を示しており、同図(b)との対応をとると、リッジの側面901と、リッジの上面902とに炭素原子が局在している事がわかる。
【0110】
工程上、リッジの上面902における炭素原子の局在の原因は、リッジの上面902上に形成されていたストライプ形成用フォトレジストマスクに含まれている炭素が最も疑われる。フォトレジスト自体は、リッジストライプを形成するためのドライエッチング工程が終了した後、アセトンなどの有機溶剤による洗浄によって除去されるが、ドライエッチング時にウエハ表面の温度が上昇する結果、洗浄時の除去性が劣化している事が推定され、実際、ストライプ形成用フォトレジストマスクを形成し、ドライエッチングを行なわずに、そのままアセトンによる洗浄を行なった後に、同様のマイクロオージェ電子分光法により観察すると、フォトレジストマスクを形成部及びそれ以外の部分に、炭素原子を起源とするオージェ電子の検出はなされなかった。
【0111】
他方、リッジの側面901については、このようなレジストマスクによる被覆の履歴はないが、リッジストライプを形成するためのドライエッチング工程において、スパッタされたストライプ形成用フォトレジストマスクが飛散し、リッジの側面に再付着している事が疑われる。
【0112】
また、ストライプ形成用マスクとしてフォトレジストの代わりにSiOを使用した場合について、同様のマイクロオージェ電子分光法による観察を行なったところ、リッジ上面にSi原子の残留が観察された。この場合、リッジ側面にはSi原子は観察されていない。
【0113】
一方、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法においては、このようなレジストやSiOによる被覆を一切行なっておらず、実際、完成したレーザ素子のリッジ部を、上部電極層をスパッタしつつマイクロオージェ電子分光法により観察しても、半導体積層構造の表面と電極との界面において炭素やSiなどの不純物原子は検出されなかった。
【0114】
従って、第一の実施の形態の説明の最後に記した、従来の技術により作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子よりも約0.5ボルト程度低い動作電圧を実現できた、という本発明の効果が、このような半導体積層構造の表面と電極との界面における不純物原子が存在しない事によるものである事が裏付けられ、逆に本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法は、そのような不純物原子を当該界面に存在させない構造を得るために好適な手法であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図2】本発明の第二の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図3】本発明の第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図4】本発明の第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図。
【図5】本発明の第五の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図。
【図6】本発明の第五の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図7】本発明の第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す断面模式図。
【図8】本発明の第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図9】本発明の第七の実施形態による窒化物化合物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図
【図10】活性層のエネルギー状態を示すバンドダイヤグラム図
【図11】障壁層にSiドープする層厚とLDの閾値電流密度の相関図
【図12】本発明の第九の実施形態による窒化物化合物半導体レーザ素子の活性層構造を示す模式断面図
【図13】活性層のエネルギー状態を示すバンドダイヤグラム図
【図14】障壁層にSiドープする層厚とLDの閾値電流密度の相関図
【図15】従来のリッジストライプ型の半導体レーザ素子におけるリッジ部を、マイクロオージェ電子分光法により観察した場合を示す平面図
【図16】従来のリッジストライプ型の半導体レーザ素子におけるリッジストライプ型の導波路構造の形成工程の断面模式図。
【符号の説明】
10、11、12、13、14、15 … 第一の上部電極層
20、21、22、23 … 第二の上部電極層
25 … 上部電極層
30、31、32、33、34 … SiO
35 … 誘電体膜
40、41、42、43、44 … ストライプ形成用フォトレジストマスク
50 … 共振器端面作成用フォトレジストマスク
70、71 … フォトレジストマスク
80、81、90 … 開口部
91、92 … 段差
100、200、300、400、500、600、700 … 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造
104 … Siドープn型GaN光ガイド層
106 … MgドープAl0.2Ga0.8Nキャリアブロック層
601  … 第一の層
602  … 第二の層
603  … 第三の層
604  … 井戸層
606  … 第四の層
607  … 第五の層
801 … 第一の層
802 … 第二の層
803 … 井戸層
804 … 第四の層
805  … 第三の層
901  … リッジの側面
902  … リッジの上面
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a gallium nitride compound semiconductor laser device having a ridge stripe structure and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor laser using a gallium nitride compound semiconductor, a ridge stripe type waveguide structure is often provided to confine light and current. FIGS. 16A to 16G are schematic cross-sectional views showing a step of forming a ridge stripe type waveguide structure in a conventional ridge stripe type gallium nitride based compound semiconductor laser device.
[0003]
Usually, a photoresist mask 44 for forming a stripe is formed on a gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 700 formed on a substrate as shown in FIG. 16A, and then a reactive ion etching apparatus, an inductively coupled plasma etching apparatus, or the like is used. Using the dry etching apparatus described above, the surface of the semiconductor laminated structure 700 is etched as shown in FIG. Next, after removing the stripe-forming photoresist mask 44, as shown in FIG. 16C, the surface is covered with a dielectric film 35 of SiO2, SiN or the like, and from thereover, as shown in FIG. 16D. Then, a photoresist film 70 having a stripe-shaped opening 80 is formed.
[0004]
Next, as shown in FIG. 16E, the opening 80 of the photoresist is transferred to the dielectric film 35 by the wet etching method, and the opening 90 is provided. Next, after removing the photoresist film 70, as shown in FIG. 16F, a photoresist film 71 having an opening 81 including a ridge stripe region is formed, and an upper electrode metal layer is deposited on the entire surface, and then lift-off is performed. By the method, an upper electrode 25 is obtained as shown in FIG.
[0005]
Note that the photoresist mask 44 for forming a stripe used here is not a photoresist but a SiO 22It is common practice to use an inorganic dielectric film such as the above instead.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When the ridge stripe and the upper electrode are manufactured by the above-described conventional method, there are the following two problems. Hereinafter, a description will be given based on FIG. 16 used for the description.
[0007]
First, when the opening 90 is provided in the dielectric film 35, the wet etching method in which isotropic etching is performed is used. The point is that the variation of the width becomes large. Since the width of the opening 90 determines the current injection region, the variation is directly linked to variations in the current-voltage characteristics, oscillation threshold current, oscillation mode, and the like of the semiconductor laser device. If the openings 90 are formed by performing anisotropic etching by dry etching instead of wet etching, it is possible to reduce the variation in the width. However, the surface of the semiconductor stacked structure 700 The semiconductor device is exposed to a plasma atmosphere, and the damage causes an increase in operating voltage and a decrease in reliability.
[0008]
The second point is that the stripe forming photoresist mask 44 and the dielectric film 35 are used twice until the upper electrode is formed on the semiconductor laminated structure 700 through the opening 90 of the dielectric film 35. That is, it has gone through the coating history. When the coating histories of the organic and inorganic substances on the semiconductor multilayer structure 700 overlap, even after a process of removing them, residues are generated on the semiconductor multilayer structure 700, and these are caused by current and voltage of the semiconductor laser device. It adversely affects characteristics and reliability. This point is more remarkable especially when the coating with the inorganic dielectric is repeated, and instead of the photoresist mask 44 for forming the stripe, SiO 2 is used.2In the case where an inorganic dielectric film such as that described above is used as a mask for forming a stripe and the upper electrode 25 is formed through two coating histories with the inorganic dielectric including the coating with the dielectric film 35 in a later step, oscillation occurs. In some cases, the threshold voltage may increase by 1 volt or more.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to control the width of an electrode forming region of a ridge portion, and at the same time, at least to form a semiconductor laminated structure by an inorganic dielectric before forming an upper electrode. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser and a structure of the gallium nitride-based compound semiconductor laser, wherein the gallium nitride-based compound semiconductor laser does not have a coating history and desirably does not have any coating history.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a substrate, a gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure, and a method of manufacturing a ridge stripe type gallium nitride-based compound semiconductor laser including a pair of electrodes include a stacked structure of one or more layers. A step of forming a first upper electrode layer in contact with an upper surface of the gallium nitride based compound semiconductor stacked structure among the upper electrodes, a step of forming a photoresist for a stripe on the first upper electrode layer, The method includes a step of removing the first upper electrode layer by dry etching using the photoresist for mask as a mask, and a step of forming a ridge stripe by removing a part of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure also by dry etching.
[0011]
That is, since the first upper electrode layer is patterned in a stripe shape by a dry etching method that is anisotropic etching, the variation in the width of the current injection region is substantially caused by the formation of the photoresist mask for the stripe. It is determined only by the variation of the line width. As described above, in the case of the process according to the related art, the width of the current injection region is determined by the wet etching method in addition to the variation in the line width of the stripe photoresist mask for providing the opening in the dielectric. Variations in the width of the opening that occur when forming the portion also affect variations in the width of the current injection region. Therefore, the manufacturing method according to the present invention can greatly reduce the variation in the width of the current injection region as compared with the conventional method.
[0012]
Further, in the manufacturing method according to the present invention, first, a step of forming the first upper electrode layer on the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure is performed. On the other hand, as described above, in the case of the process according to the conventional technique, before the upper electrode layer is formed on the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure, it is necessary to pass two histories of covering with the dielectric film. Become. Therefore, the manufacturing method according to the present invention is more effective in producing a residue on the semiconductor laminated structure due to the passage of the coating history and the resulting current-voltage characteristics and reliability of the semiconductor laser device, as compared with the conventional method. The negative effect on sex can be greatly reduced.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
<First embodiment>
FIG. 1 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. An undoped GaN buffer layer formed by low-temperature growth, an n-type GaN contact layer, an n-type Al0.1Ga0.9N clad layer, n-type GaN light guide, In0.05Ga0.95N barrier layer and In0.15Ga0. 85An active layer having a quantum well structure in which an N well layer is superposed three times, p-type Al0.2Ga0.8N carrier block layer, p-type GaN light guide layer, p-type Al0.1Ga0.9As shown in FIG. 1A, the surface of a gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 100 obtained by sequentially laminating an N clad layer and a p-type GaN contact layer is formed from Pb having a thickness of 150 Å by electron beam evaporation. A first upper electrode layer 10 is formed.
[0015]
Next, as shown in FIG. 2B, a stripe photoresist mask 40 having a line width of 1.5 μm is formed by photolithography, and further, as shown in FIG. 2C, the formed stripe photoresist mask 40 is formed. Is used as a mask, the first upper electrode layer 10 is etched by reactive ion etching until the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 100 is exposed.
[0016]
As the process gas in this case, Ar or Ar is Cl2, SiCl4, BCl3A chlorine-based gas such as 0% to 50% by volume is used. The addition of these chlorine-based gases has the effect of suppressing the re-adhesion of Pb sputtered from the surface by Ar to the etched surface. However, when the addition is 50% or more, the selectivity to the gallium nitride-based compound semiconductor is greatly reduced, and the etching is substantially stopped when the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure 100 is exposed. It is difficult to obtain the cross-sectional shape as shown in FIG.
[0017]
Subsequent to the etching of the first upper electrode layer 10, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 100 is also etched to the middle of the upper clad layer by the reactive ion etching method to form a ridge stripe as shown in FIG. I do. In this case, Cl2, SiCl4, BCl3By using a process gas containing a chlorine-based gas in a volume ratio of 50% or more, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 100 can be etched using the stripe photoresist mask 40 as a mask. Then, the photoresist mask 40 for stripes is removed with an organic solvent or the like to obtain the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the first embodiment.
[0018]
According to the method shown in the present embodiment, a ridge stripe type semiconductor laser having a ridge width obtained by accurately transferring the line width of the stripe photoresist mask 40 can be obtained. Variations in the current-voltage characteristics, oscillation threshold current, oscillation mode, etc. of the semiconductor laser device were reduced to less than half. Further, the method described in the present embodiment does not include a step of coating the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure at all before forming the first upper electrode layer 10, and therefore, the conventional technique Operating voltage about 0.5 volts lower than that of the gallium nitride-based compound semiconductor laser device fabricated by the method described above.
[0019]
In the first embodiment shown in FIG. 1, the first upper electrode layer is formed over the entire surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure. In this case, in the later step of etching the first upper electrode layer by the reactive ion etching method, depending on the etching conditions, the electrode metal detached from the surface is re-adhered to the etched surface, causing roughness on the etched surface. Sometimes. This phenomenon becomes more remarkable as the region to be etched becomes larger than the region covered with the mask material.
[0020]
For example, in the above example, the area covered with the mask material is a part covered with a stripe photoresist mask having a line width of 1.5 microns. Assuming that the stripe photoresist mask is formed at a repetitive pitch of 400 microns, the first upper electrode layer is etched in a 398.5-micron wide region up to the next stripe photoresist mask. The ratio of the region where the electrode metal is etched to the region where the electrode metal is not etched because it is covered with the mask material is about 266.
[0021]
As described above, the danger of etching surface roughness that occurs depending on the etching conditions is almost problematic when the ratio of the region where the electrode metal is etched to the region where the electrode metal is not etched is set to, for example, 1 or less. It can be reduced to a level without any. The specific method will be described below.
[0022]
<Second embodiment>
FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2A, the surface of a gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure 200 obtained by sequentially laminating the same structure as that of the first embodiment of the present invention on a substrate such as sapphire, as shown in FIG. To form a first upper electrode layer 11 made of Pb having a thickness of 150 Å. At this time, as in the first embodiment, the first upper electrode layer is formed not on the entire surface of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure, but only in a region having a width of 40 μm. deep.
[0023]
Next, as shown in FIG. 3B, a stripe photoresist mask 41 having a line width of 1.5 μm is formed on the upper center of the first upper electrode layer 11 by photolithography. As shown in c), the first upper electrode layer 11 is etched by reactive ion etching using the formed photoresist mask 41 for a stripe until the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 200 is exposed. At this time, even on the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 200, a step 91 is formed between a region covered with the first upper electrode layer 11 before etching and a region not covered with the first upper electrode layer 11. The height of the step 91 is mainly determined by the thickness of the first upper electrode layer 11 and the addition ratio of the chlorine-based gas to Ar in the process gas. In the case of the present embodiment, the height is about 500 Å. is there.
[0024]
Subsequently, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 200 is also etched to the middle of the upper clad layer by the reactive ion etching method to form a ridge stripe as shown in FIG. After that, the photoresist mask 41 for stripes is removed with an organic solvent or the like to obtain a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the second embodiment.
[0025]
According to the method described in the present embodiment, the region where the electrode metal is etched is covered with the stripe photoresist mask 41 having a line width of 1.5 μm in the first upper electrode layer 11 having a width of 40 μm. Only the area corresponding to a width of 38.5 microns. On the other hand, the region where the electrode metal is not etched is, as in the first embodiment, the region corresponding to a width of 361.5 μm if the stripe photoresist mask is formed at a repetition pitch of 400 μm. It is.
[0026]
Therefore, the ratio of the region where the electrode metal is etched to the region where the electrode metal is not etched is about 0.1, which is significantly smaller than that of about 266 in the first embodiment. The danger of etching surface roughness that occurs depending on the etching conditions could be reduced to a level that would cause almost no problem on an industrial level.
[0027]
Further, the method of the present embodiment for reducing the region where the electrode metal is etched includes a step of etching the first upper electrode layer by a reactive ion etching method, in which the electrode metal is And the amount of the reaction product can be greatly reduced, so that the second effect that etching with higher reproducibility can be repeatedly performed can be obtained.
[0028]
These effects are more effective as the width of the first upper electrode layer 11 formed in the step shown in FIG. 2A is smaller, but as shown in FIG. In the process, care must be taken because the step 91 generated when the first upper electrode layer 11 is removed by the reactive ion etching method becomes too close to the ridge to be formed. That is, as described above, in the step of forming a ridge, the semiconductor multilayer structure is etched to a point in the middle of the upper clad layer, and the remaining film thickness of the upper clad layer in controlling the light confinement in the horizontal direction. It is an important parameter.
[0029]
However, in the present manufacturing method, even if the optimum remaining film thickness of the upper cladding layer is obtained in a portion closer to the ridge than the step 91, in the portion farther from the ridge than the step 91, the optimum remaining film thickness is smaller. Will also be thin. For this reason, if the step 91 approaches the ridge too much, more specifically, if the step 91 approaches a distance less than twice the width of the ridge, its influence on the light confinement in the horizontal direction cannot be ignored. Therefore, in the example of the present embodiment, since the width of the ridge is 1.5 μm, the first upper electrode layer 11 is desirably 6.0 μm or more.
[0030]
In the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the stripe photoresist mask 41 having a line width of 1.5 μm is provided at the upper center of the first upper electrode layer 11, but it is not necessarily the first upper electrode layer. It is not necessary to be provided at the center of the layer 11, and for the above-described reason, it is only required that the distance from the left and right ends of the first upper electrode layer 11 is at least 3 microns, which is twice the width of the ridge, closer to the center. good.
[0031]
As shown in FIG. 1A, in order to form the first upper electrode layer 11 only in a region having a width of 40 μm, a photoresist film having an opening having a width of 40 μm must be formed by stacking a gallium nitride-based compound semiconductor layer. A first upper electrode layer is formed on the structure 200 by a photolithography method, subsequently, a first upper electrode layer is formed by an electron beam evaporation method, and the photoresist film and the first upper electrode layer thereover are formed of an organic material such as acetone. There is a method of removing by a lift-off method in a solvent.
[0032]
However, in this case, before the first upper electrode layer 11 is formed, a step of covering the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure with a photoresist is included once. However, even so, compared to the conventional technology, which requires two coating histories of a stripe-forming photoresist mask and a dielectric film, or a dielectric film and a dielectric film, the semiconductor stacked structure has It is possible to greatly reduce the generation of the residue and the resulting adverse effect on the current-voltage characteristics and reliability of the semiconductor laser device.
[0033]
As shown in FIG. 2A, as a second technique for forming the first upper electrode layer 11 only in a region having a width of 40 μm, the first upper electrode layer 11 is formed on the entire upper surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 200. Forming a first upper electrode layer by an electron beam evaporation method, and subsequently forming a striped photoresist film having a width of 40 μm on the first upper electrode layer by a photolithography method, followed by a wet etching method. There is a method of removing the first upper electrode layer formed in a region not covered with the photoresist film, and then removing the photoresist film with an organic solvent or the like.
[0034]
According to this method, as in the first embodiment of the present invention, before forming the first upper electrode layer, any step of covering the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure is included. In addition, at the same time, the ratio of the region where the electrode metal is etched to the region where the electrode metal is not etched can be made smaller than in the case of the first embodiment of the present invention. In this method, since the first upper electrode layer is etched by the wet etching method, the width of the first upper electrode layer is relatively difficult to control, and a variation of several microns occurs. This is not a problem as long as it is formed at a distance of twice or more the width.
[0035]
In this example, even if the dispersion during wet etching is several microns with respect to the design value of the width of 40 microns, the width after etching can be formed with sufficient reproducibility to be 6.0 microns or more as described above. . For the etching of the first upper electrode layer 11 made of Pb, for example, a mixed solution of hydrochloric acid, nitric acid and water may be used.
[0036]
Further, as shown in FIG. 2A, as a third method for forming the first upper electrode layer 11 only in a region having a width of 40 μm, a metal mask having an opening having a width of 40 μm is used. A first upper electrode layer is formed by an electron beam evaporation method while being placed on the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 200, and after deposition, a metal mask is placed on the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 200 from above. There is a way to get rid of it. According to this method, as in the first embodiment of the present invention, before forming the first upper electrode layer, any step of covering the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure is included. In addition, at the same time, the ratio of the region where the electrode metal is etched to the region where the electrode metal is not etched can be made smaller than in the case of the first embodiment of the present invention.
[0037]
In the first and second embodiments described above, the upper electrode layer is formed only on the ridge. However, in practice, the width of the upper part of the ridge is very narrow, 1.5 microns, and it is difficult to arrange a gold wire or the like for applying a voltage from the outside on the ridge.
[0038]
Therefore, an embodiment in which a second upper electrode is formed to solve this problem will be described below.
[0039]
<Third embodiment>
FIG. 3 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention. First, a gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 300, a first upper electrode layer 12 made of Pb having a thickness of 150 Å, and a stripe photo having a line width of 1.5 μm are formed by the method described in detail in the first embodiment. The structure shown in FIG. 3A having the resist mask 42 is obtained.
[0040]
Next, as shown in FIG. 3B, a 2000-Å-thick SiO 2 film is formed on the entire surface by electron beam evaporation.2The film 30 is formed. Next, a photoresist mask 42 for stripes and SiO 22A part of the film 30 is removed by a lift-off method in an organic solvent such as acetone to obtain a structure as shown in FIG.
[0041]
Thereafter, as shown in FIG. 3D, Au is formed on the first upper electrode layer 12 as the second upper electrode layer 20 having a width of 150 μm to a thickness of 2500 Å. In order to selectively form the second upper electrode layer only in the region having a width of 150 microns, a top electrode metal is formed by electron beam evaporation from a photoresist film having an opening having a width of 150 microns formed thereon. After the formation, the photoresist and the upper electrode metal deposited thereon can be easily formed by a lift-off method in an organic solvent.
[0042]
According to this method, the second upper electrode layer 20 has a width of 150 μm and a width sufficient to arrange a gold wire or the like for applying a voltage from the outside thereon, and The effect of the present invention on the width of the current injection region and the covering history of the gallium nitride based compound semiconductor laminated structure described in the method described in the first embodiment or the method in the second embodiment is maintained as it is. I have.
[0043]
Here, in order to obtain the structure shown in FIG. 3A, the method detailed in the first embodiment is used, but the method detailed in the second embodiment may be used instead. It is possible. However, in this case, similarly to the case of the second embodiment, even on the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 300, the region covered with the first upper electrode layer 12 before etching and the region not covered were not covered. A step is formed in the area.
[0044]
Here, in the gallium nitride based compound semiconductor laser according to the third embodiment described in FIG. 3, the direction (ridge) of the second upper electrode layer 20 shown in FIG. (Direction along the stripe) was not specified. However, in this direction, in particular, by forming the gallium nitride-based compound semiconductor laser so as not to be directly above the cavity facet, it is possible to produce a higher-quality gallium nitride-based compound semiconductor laser with higher yield. Become. Next, the case will be described.
[0045]
<Fourth embodiment>
FIG. 4 is a schematic diagram showing a structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention. The shape of the gallium nitride based compound semiconductor laser shown in the figure is basically the same as that of the third embodiment, and the difference is that the second upper electrode layer 20 shown in FIG. 3 showing the third embodiment. In the present embodiment, the length of the second upper electrode layer 21 in the direction parallel to the stripe is 200 microns as shown in FIG. 4, the cavity length is 500 microns, and It is only a point defined to a finite length.
[0046]
The first upper electrode layer 13 formed on the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure 400 has a thickness of 150 Å of Pd, and the dielectric layer 31 has a thickness of 2000 Å of SiO.2The film and the second upper electrode layer 21 are made of Au having a thickness of 2500 Å.
[0047]
As shown in FIG. 4, the length of the second upper electrode 21 in the direction parallel to the stripe is made shorter than the resonator length so that the second upper electrode is not formed immediately above the resonator end face. The following advantages are newly obtained. In other words, the thicker the electrode metal layer immediately above the cavity end face, the more the electrode metal layer is turned up from the cleavage plane as a starting point when forming the cavity end face by cleavage, so that a region where current is not injected is formed. In addition, the possibility that a problem such as blocking the optical path of the laser light emitted from the turned-up electrode metal increases. Such a danger is more remarkable when, for example, the thickness of the electrode metal layer immediately above the cavity end face exceeds 1,000 Å.
[0048]
The first upper electrode layer 13 shown in the figure has a thickness of at most 150 Å, whereas the second upper electrode layer 21 has a practical problem when bonding a gold wire thereon. In order to secure a bonding strength of a level that does not have any, a thickness of several thousand angstroms is required as in this embodiment. Therefore, if the second upper electrode layer 21 is arranged so as not to cover the resonator end face as shown in the figure, the electrode metal layer immediately above the resonator end face is only Pd having a thickness of 150 Å. Therefore, the risk described above is so small that it can be ignored. Moreover, at the same time, since the first upper electrode layer has a structure that covers the top of the ridge stripe including directly above the cavity end face, there is no region in which current is not injected.
[0049]
As shown in the figure, in order to form a second upper electrode having a length of 200 microns in the direction parallel to the stripe, a photoresist film having an opening having a length of 200 microns in the direction parallel to the stripe is formed. After the upper electrode metal is formed by electron beam evaporation from above, the photoresist and the upper electrode metal deposited thereon can be easily formed by a lift-off method in an organic solvent.
[0050]
Here, in the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the fourth embodiment described with reference to FIG. 4, it is assumed that the cavity surface is formed by cleavage. However, depending on the combination of the substrate to be used and the compound semiconductor laminated structure thereon, a plane having good cleavage properties cannot be obtained on both of them, and accordingly, a high quality end face may not be obtained depending on the cleavage. In such a case, the cavity end face is formed by a dry etching method. In this case, the present invention also provides a suitable manufacturing method which is not included in the conventional manufacturing method.
[0051]
That is, in a conventional gallium nitride-based compound semiconductor laser having a cavity facet formed by a dry etching method, in order to form an upper electrode after the cavity facet is formed, a few microns from the cavity facet of the laser element. An electrode can be formed only in a region inside the recessed portion, and there is a problem that the region where the electrode is not formed functions as an absorption layer.
[0052]
On the other hand, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to obtain a gallium nitride-based compound semiconductor laser having an upper electrode formed up to the end face of the resonator formed by dry etching. Hereinafter, the method will be described in detail.
[0053]
<Fifth embodiment>
FIG. 5 is a schematic diagram showing a structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic view showing the manufacturing method. The gallium nitride-based compound semiconductor laser shown in FIG. 5 has a 2000-Å-thick SiO 2 film on a gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure 500 having a ridge stripe structure.2A first upper electrode layer 14 made of Pb and having a thickness of 150 Å and a second upper electrode layer 22 made of Au and having a thickness of 2500 Å are formed via the film 32. This is the same as that of the gallium nitride based compound semiconductor laser according to the fourth embodiment shown in FIG.
[0054]
The difference is that the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the fourth embodiment is based on the premise that the resonator surface is formed by cleavage, whereas the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the present embodiment is: As shown in FIG. 5, the resonator end face 60 is formed by a dry etching method. A method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser having such a structure will be described below.
[0055]
The same structure as that according to the fourth embodiment, that is, a gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure 500, a first upper electrode layer 14 made of Pb having a thickness of 150 angstroms, and a SiO 2 having a thickness of 2000 angstroms.2As shown in FIG. 6B, a photomask for forming an end face of the resonator is formed on the structure shown in FIG. 6A comprising the film 32 and the second upper electrode 22 made of Au having a thickness of 2500 angstroms. 50 is formed. Next, by the reactive ion etching method, the SiO 2 in the region not covered with the cavity end face forming photomask 50 is removed.2The film 32 is removed to obtain the shape shown in FIG.
[0056]
In this case, the process gas used for the reactive ion etching method is CF.4, CHF3According to these gases, the first upper electrode layer 14 in a region not covered with the cavity end face forming photomask 50 is hardly etched as shown in FIG. Remaining, SiO2Only the membrane 32 is removed.
[0057]
Thereafter, as described in the first to fourth embodiments, as the process gas, Ar or Ar to Cl2, SiCl4, BCl3The first upper portion of the region not covered with the cavity end face forming photomask 50 by the reactive ion etching method using a chlorine-based gas such as 0% to 50% added by volume ratio. The electrode layer 14 is etched until the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 500 is exposed to obtain the structure shown in FIG.
[0058]
Next, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 500 is also etched by the reactive ion etching method, and the resonator end face 60 is formed as shown in FIG. In this case, Cl2, SiCl4, BCl3By using a chlorine-based gas such as a main etching gas, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 500 can be etched using the photomask 50 for cavity facet formation as a mask. After that, the photomask 50 for cavity end face formation is removed to obtain the gallium nitride compound semiconductor laser shown in FIG.
[0059]
According to the manufacturing method described in the present embodiment, the first upper electrode layer 14 and the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 500 thereunder are continuously etched using the photomask 50 for cavity facet formation as a mask. As a result, the first upper electrode layer 14 can be formed up to the end face of the resonator, and the conventional gallium nitride-based compound semiconductor laser having the end face of the resonator formed by the dry etching method poses a problem. There is no problem that a region where an electrode is not formed is formed, and that portion functions as an absorption layer.
[0060]
In the first to fifth embodiments described so far, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure is etched by the dry etching method, leaving only the ridge portion, but it is not necessary to etch all except the ridge portion. Alternatively, only the vicinity thereof may be etched.
[0061]
When etching is performed while leaving only the ridge portion, there is a risk that the ridge portion protruding from the surface may be damaged in a later process. On the other hand, when only the vicinity of the ridge is etched, only the ridge portion does not protrude, so that the risk of damage in such a post-process can be greatly reduced. Therefore, next, a case where only the vicinity of the ridge is etched will be described.
[0062]
<Sixth embodiment>
FIG. 7 is a schematic diagram showing a structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic view showing the manufacturing method. The gallium nitride based compound semiconductor laser shown in FIG. 7 has a 1000 angstrom thick SiO 2 on a gallium nitride based compound semiconductor laminated structure 600 having a ridge stripe structure.2Film 33 and 1500 angstrom thick SiO2A first upper electrode layer 15 made of Pb having a thickness of 150 Å and a second upper electrode layer 23 made of Au having a thickness of 2500 Å are formed via a film 34. This is the same as that of the gallium nitride based compound semiconductor laser according to the fourth embodiment shown in FIG.
[0063]
The difference is that in the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the fourth embodiment, the entire surface of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure 600 except for the ridge stripe portion is dug down by the dry etching method. In the gallium nitride based compound semiconductor laser according to the embodiment, only the portions having a width of 25 μm on each side on both sides of the ridge are dug down. A method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser having such a structure will be described below.
[0064]
First, on the surface of a gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure 600 obtained by sequentially laminating an n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer and a p-type gallium nitride-based compound semiconductor layer on a substrate such as sapphire, FIG. As described above, the first upper electrode layer 15 made of Pb having a thickness of 150 angstroms is formed by the electron beam evaporation method. At this time, the first upper electrode 15 is formed only in a region having a width of 40 microns by the same method as that described in detail in the description of the second embodiment.
[0065]
Next, as shown in FIG. 2B, a thickness of 1000 gm is formed on the entire surface of the gallium nitride-based compound semiconductor stacked structure 600 except for a region having a width of 5 μm on one side on both sides of the first upper electrode 15. Angstrom SiO2The film 33 is formed by an electron beam evaporation method.
[0066]
Next, as shown in FIG. 2C, a stripe photoresist mask 43 having a line width of 1.5 μm is formed on the first upper electrode layer 15 by photolithography. As described in (1), the first upper electrode layer 15 is etched by the reactive ion etching method using the formed photoresist mask for stripes 43 until the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 600 is exposed. At this time, even on the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure 600, a step 92 is formed between a region covered with the first upper electrode layer 15 before etching and a region not covered with the first upper electrode layer 15.
[0067]
Subsequently, as shown in FIG. 3E, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 600 is also etched to the middle of the upper clad layer by the reactive ion etching method to form a ridge stripe. The two dry etching steps by the reactive ion etching method can be performed by the same method as that in the method of manufacturing the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the first embodiment, and thus the details are omitted here.
[0068]
Next, a 1500 angstrom thick SiO2A film 34 is formed by an electron beam evaporation method, and thereafter, by a lift-off method, a photoresist mask 43 for a stripe and a SiO 22By removing the film 34, the structure shown in FIG.
[0069]
Thereafter, Au is formed on the first upper electrode layer 15 as the second upper electrode layer 23 having a width of 150 μm to a thickness of 2500 Å, and the gallium nitride-based compound semiconductor laser shown in FIG. obtain. The second upper electrode layer 23 having a width of 150 μm can be formed by the same method as that in the method of manufacturing the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the third embodiment, and thus the details thereof are omitted here.
[0070]
According to the manufacturing method shown in the present embodiment, only the region having a width of 30 μm on one side near the ridge is dug down by dry etching, so that the entire surface of the wafer is etched while leaving only the ridge portion. There is no danger that the ridge protruding from the surface will be damaged in a later process.
[0071]
In the present embodiment, a portion having a width of 25 μm on each side is dug down on both sides of the ridge, so that a pair of grooves having a width of 25 μm is formed on the left and right sides of the ridge. However, this groove is provided only on one of the left and right sides of the ridge, that is, on the side where the groove is not provided, only the ridge portion does not protrude even if the entire upper surface is etched to the middle of the upper cladding layer. The same effects as those of the present embodiment can be obtained. Also, when grooves are provided on both sides of the ridge, their widths do not necessarily have to be symmetrical. Further, in FIG. 7 showing the present embodiment, the second upper electrode layer is drawn so as to be symmetrical with respect to the ridge. However, even if the left and right widths are asymmetrical, the second upper electrode layer is provided only on one side. If there is, there is no problem.
[0072]
As described above, the present invention has been described in detail based on some embodiments. However, the contents of the present invention are not limited to the contents of the embodiments described here. Next, modifications based on the technical idea of the present invention will be described.
[0073]
The “gallium nitride-based compound semiconductor” in the present invention includes, in addition to gallium nitride (GaN), a semiconductor in which Ga is partially replaced by another group III element, for example, GasAltIn1-stN (0 <s ≦ 1, 0 ≦ t <1, 0 <s + t ≦ 1), and a semiconductor in which some of the constituent atoms are replaced with impurity atoms or the like, or other impurities are added. Semiconductors are also included.
[0074]
The dry etching method used in each of the above-described embodiments was a reactive ion etching method. Etching similar to that described above is possible.
[0075]
In each embodiment, as the process gas in the dry etching method for the first upper electrode, Ar or Cl is added to Ar.2, SiCl4, BCl3Although a chlorine-based gas such as 0% to 50% added by volume ratio was used, another inert gas such as He or Ne may be used instead of Ar.
[0076]
In each embodiment, Pb was used as the first upper electrode. However, even if Ni, Ti, or the like, or a structure in which another metal such as Au, Mo, etc. is laminated thereon, A similar gallium nitride-based compound semiconductor laser can be produced by a manufacturing method. However, as a result of the examination, when Ni or Ti is used, the optimum thickness for minimizing the contact resistance is about 65% thicker than when Pb is used. Therefore, the etching time in the step of removing the first upper electrode layer by dry etching using the photoresist for stripes as a mask becomes longer, and the amount of film reduction of the photoresist for stripes increases. This stripe photoresist is also used as a mask in a step of forming a ridge stripe by removing a part of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure. Attention must be paid to the possibility that a necessary resist film thickness cannot be ensured in the process.
[0077]
Further, in each embodiment, the thickness of the first upper electrode is set to 150 Å, but the layer thickness is not limited to 150 Å. However, in the case where the layer thickness is a structure in which a plurality of metals are laminated, if the total thickness exceeds 1000 angstroms, the electrode metal layer may be cleaved when forming the cavity end face by cleavage. Care must be taken because there is a high possibility that there will be problems such as turning up from the starting point, creating an area where current is not injected, and blocking the optical path of the laser light emitted by the electrode metal that has been turned up. is there. Further, as described above, the thicker the film, the longer the etching time in the step of removing the first upper electrode layer by dry etching using the photoresist for the stripe as a mask, and thus the film of the photoresist for the stripe. Attention must also be paid to the fact that the weight loss increases.
[0078]
Although the second upper electrode formed in the third to sixth embodiments was Au, a gold wire can be bonded to electrically connect the prepared gallium nitride based compound semiconductor laser device to the outside, or As long as it can be welded to an external electrode pad, a metal such as Al can be used, and there is no problem with a structure in which a plurality of metals are stacked instead of a single metal. Also, there is no problem with the thickness as long as it is thick enough for external electrical connection.
[0079]
In addition, the SiO used in the third to sixth embodiments2Is ZrO2And TiO2, SiO, Ta2O5There is no problem even if it is replaced with another inorganic dielectric such as GaN, SiN, or the like, or a gallium nitride compound such as AlGaN, and the thickness is not limited to the thickness exemplified in the description of the embodiment. Also, the formation method may be a sputtering method, a plasma CVD method, or the like, instead of the electron beam evaporation method exemplified in the description of the embodiment.
[0080]
As described above, the active layers in the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structures 100 to 600 in the first to sixth embodiments have In as described at the beginning of the first embodiment.0.05Ga0.95N barrier layer and In0.15Ga0.85An active layer having a quantum well structure in which an N well layer is superposed three times has been employed. However, it is also possible to use two or three barrier layers. The case will be described below.
[0081]
<Seventh embodiment>
FIG. 9 shows a detailed laminated structure in the vicinity of the active layer in the present embodiment. 4 nm thick In0.15Ga0.85N well layer 803 and 4 nm thick GaN, (801, 805) and 4 nm thick In0.05Ga0.95An active layer having a multiple quantum well structure composed of N (802, 804) barrier layers is grown in the order of barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. The number of well layers was three. At this time, the well layer was grown without doping with impurities.
[0082]
Further, the thickness of the well layer is preferably in the range of 2 to 7 nm. If the thickness is smaller than 2 nm, interface scattering increases and the threshold current increases, which is not preferable. If the thickness is larger than 7 nm, electrons and holes are formed in the well layer. Spatial separation occurs, and the threshold current is increased in order to lower the recombination probability. In other words, the thickness of the well layer is preferably 2 nm or more and 7 nm or less, and the thickness of the well layer is 4 nm in the present embodiment.
[0083]
The barrier layer had a two-layer structure. Of the two layers, the layer on the n-type GaN light guide layer 104 side is the first layer 801 or the p-type Al0.2Ga0.8The layer on the N carrier block layer 106 side is referred to as a second layer 802. In addition, as shown in FIG. 9, a first layer in contact with the n-type GaN light guide layer 104 is a third layer 805 and a p-type Al layer.0. 2Ga0.8A layer in contact with the N carrier block layer 106 will be referred to as a fourth layer 804. Since the third layer and the fourth layer are not in direct contact with the well layer, the situation is different from the other first layer and the second layer, and the third layer and the fourth layer are referred to as the third and fourth layers to distinguish them. It was to be. That is, the first and third layers are GaN, the second and fourth layers are In.0.05Ga0. 95N.
[0084]
In this embodiment, the thickness of the first, second, third, and fourth layers is 4 nm, the thickness of the entire barrier layer is 8 nm, and the first and third layers are doped with n-type impurities such as Si. I do. With respect to the second and fourth layers, n-type impurities such as Si were not added intentionally and were made non-doped. The Si concentration at this time is 5 × 10Fifteencm-3~ 1 × 1020cm-3Is good, this time 1 × 1018cm-3I went in. Si concentration is 1 × 1020cm-3In the above case, excessive doping of Si deteriorates the crystallinity of the active layer and causes an increase in threshold current density, which is not good. Also, 5 × 10Fifteencm-3If the value is below, generation of carriers does not occur, causing an increase in threshold current density. Further, within the above range, there is no problem even if the Si concentrations of the first and third layers are different. This Si concentration is measured using a measuring method such as SIMS. FIG. 10 shows a band diagram of the active layer shown in FIG.
[0085]
In this embodiment, Mg doped as an impurity is doped as a p-type impurity.19/ Cm3~ 2 × 1020/ Cm3It is added at a concentration of
[0086]
In this way, a gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure is formed on the n-type GaN substrate, and thereafter, the Mg-doped layer is made into a low-resistance p-type by heat treatment or the like, and then the same as in the third embodiment of the present invention. A semiconductor laser device was manufactured by the manufacturing method described above. The semiconductor laser device was mounted on a stem using solder or the like, and was electrically connected by wire bonding. A semiconductor laser device was assembled, and the characteristic yield was evaluated. As a result, good characteristics were obtained.
[0087]
The threshold current density of the semiconductor laser device thus obtained is 2.5 kA / cm2Met. FIG. 11 shows that the thickness of the entire barrier layer is constant at 8 nm, the first layer and the third layer, the second layer and the fourth layer have the same thickness, and the first layer thickness is the X-axis. Is plotted. That is, when the first layer is 1 nm, the second layer is 7 nm, when the first layer is 2 nm, the second layer is 6 nm, and when the first layer is 4 nm, the second layer is 7 nm. The layer thickness of the second layer is determined so that the layer is 4 nm and the overall thickness of the barrier layer is 8 nm. FIG. 11 shows the result of an experiment performed with the layer thickness determined as described above. The effect of reducing the threshold current density was observed when the first layer and the third layer were 4 nm or less.
[0088]
Regarding the above results, the increase in the threshold current density where the first layer and the third layer are thicker than 4 nm is due to the fact that even if the first layer and the third layer are further thickened, the injection into the well layer is not performed. It is considered that the amount of carriers to be doped does not increase and the amount of Si doped in the barrier layer increases, so that the free carrier scattering in the active layer increases and the internal loss increases, so that the threshold current density increases. However, by reducing the thickness of the first layer and the third layer to 4 nm or less, an increase in internal loss due to free carrier scattering is suppressed, and the first layer and the third layer are doped with Si. Thus, it is considered that an element having a low threshold current density was realized by efficiently supplying carriers to the well layer.
[0089]
However, if the thicknesses of the first layer and the third layer are 0.3 nm or less, a sufficient number of carriers cannot be injected into the well layer, so that the threshold current density increases again. Further, in the present embodiment, the third layer was doped with Si, but the result of the third layer was the same as that shown in FIG. 11 whether or not Si was doped.
[0090]
The above experiment was performed with the well layer thickness in the range of 2 nm or more and 7 nm or less and the barrier layer thickness in the range of 7 nm to 12 nm. When the thickness of the barrier layer was less than 7 nm, the threshold current density increased. This is probably because the thickness of the active layer was reduced and the light confinement was weakened. Further, when the thickness was 12 nm or more, the wells were too far apart, and holes with low mobility were not uniformly injected into each well layer, causing a decrease in gain and an increase in threshold current density.
[0091]
In summary, when the number of regions in the barrier layer doped with impurities such as Si increases, the free carrier scattering in the active layer increases and the internal loss increases, so that the threshold current density increases. In addition, it has been found that when the first layer and the third layer are doped with Si, the threshold current density decreases because carriers are efficiently injected into the well layer.
[0092]
That is, when the thickness of the well layer is in the range of 2 to 7 nm and the thickness of the barrier layer is in the range of 7 nm to 12 nm, the doping of the barrier layer is preferably performed on the first layer and the third layer. Carriers can be well injected into the well layer. When the thickness of the first and third layers is 0.3 nm or more and 4 nm or less, increase in internal loss due to free carrier scattering is suppressed, and carriers can be efficiently injected into the well layer, so that the threshold current density is reduced. can do. However, a region thicker than 4 nm is not preferable because the effect of carrier injection into the well layer causes an increase in internal loss due to free carrier scattering.
[0093]
In the present embodiment, the second layer and the fourth layer are made of In.0.05Ga0.95Although it is assumed to be N, even if this layer is GaN, almost the same result can be obtained without any problem.
[0094]
<Eighth embodiment>
In this embodiment, the first layer and the third layer are made of In.0.05Ga0.95This is exactly the same as the seventh embodiment, except that N is non-doped, the second layer and the fourth layer are GaN and Si-doped. When the thicknesses of the second and fourth layers were plotted on the X-axis with the same thickness of the second and fourth layers, almost the same results as in FIG. 11 were obtained. When the thickness of the well layer is in the range of 2 nm to 7 nm and the thickness of the barrier layer is in the range of 7 nm to 12 nm, the barrier layer is preferably doped into the second layer and the fourth layer. Carriers can be well injected into the well layer.
[0095]
When the thickness of the second layer and the fourth layer is not less than 0.3 nm and not more than 4 nm, an increase in internal loss due to free carrier scattering is suppressed, and carriers can be efficiently injected into the well layer. can do. However, in a region thicker than 4 nm, the effect of carrier injection undesirably causes an increase in internal loss due to free carrier scattering. In the present embodiment, the first layer and the third layer are made of In.0.05Ga0.95Although it is assumed to be N, even if this layer is GaN, almost the same result can be obtained without any problem.
[0096]
<Ninth embodiment>
In the present embodiment, the barrier layer of the active layer is composed of three layers. The active layer is formed as follows, and a detailed laminated structure near the active layer is shown in FIG. 4 nm thick In0.15Ga0.85N well layer 604, 9 nm thick GaN (602) and In0.05Ga0.95An active layer having a multiple quantum well structure composed of barrier layers made of N (601, 603, 606, 607) is formed in the order of barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. Grew up. At this time, the well layer was grown without doping with impurities.
[0097]
Further, the thickness of the well layer is preferably in the range of 2 to 7 nm. If the thickness is smaller than 2 nm, interface scattering increases and the threshold current increases, which is not preferable. If the thickness is larger than 7 nm, electrons and holes are formed in the well layer. Spatial separation occurs, and the threshold current is increased in order to lower the recombination probability. In other words, the thickness of the well layer is preferably 2 nm or more and 7 nm or less, and the thickness of the well layer is 4 nm in the present embodiment.
[0098]
As for the barrier layer, the layer on the side of the n-type GaN light guide layer 104 among the −3 layers having the −3 layer structure is a first layer (In layer).0.05Ga0.95N) 601 and p-type Al0.2Ga0.8The layer on the N carrier block layer 106 side is changed to a third layer (In0.05Ga0.95N) 603, and the middle layer is referred to as a second layer (GaN) 602. As shown in FIG. 12, the first layer in contact with the n-type GaN light guide layer 104 is a fourth layer 606 and a p-type Al layer.0.2Ga0.8The third layer that is in contact with the N carrier block layer 106 will be particularly referred to as a fifth layer 607. Since the fourth layer and the fifth layer are not in direct contact with the well layer, the situation is different from the other first layer and the second layer, and the fourth layer and the fifth layer are referred to as the fourth and fifth layers to distinguish them. It was to be.
[0099]
In the present embodiment, the thicknesses of the first, second, third, fourth, and fifth layers are each 3 nm, and the second layer is doped with an n-type impurity such as Si. The Si concentration at this time is 5 × 10Fifteencm-3~ 1 × 1020cm-3Is good, this time 1 × 1018cm-3I went in. Si concentration is 1 × 1020cm-3In the above case, excessive doping of Si deteriorates the crystallinity of the active layer and causes an increase in threshold current density, which is not good. Also, 5 × 10Fifteencm-3If the value is below, generation of carriers does not occur, causing an increase in threshold current density. This Si concentration is measured using a measuring method such as SIMS. FIG. 13 shows a band diagram of the active layer shown in FIG.
[0100]
In this embodiment, Mg doped as an impurity is doped as a p-type impurity.19/ Cm3~ 2 × 1020/ Cm3It is added at a concentration of
[0101]
In this way, a gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure is formed on the n-type GaN substrate, and thereafter, the Mg-doped layer is made into a low-resistance p-type by heat treatment or the like, and then the same as in the third embodiment of the present invention. A semiconductor laser device was manufactured by the manufacturing method described above. The semiconductor laser device was mounted on a stem using solder or the like, and was electrically connected by wire bonding. A semiconductor laser device was assembled, and the characteristic yield was evaluated. As a result, good characteristics were obtained.
[0102]
The threshold current density of the semiconductor laser device thus obtained is 3.0 kA / cm.2Was a low value. FIG. 14 shows the first layer and the third layer having the same thickness with the thickness of the entire barrier layer 205 being constant at 9 nm, and plotting the layer thickness on the X-axis. That is, when the first layer and the third layer are 1 nm, the second layer is 7 nm. When the first layer and the third layer are 2 nm, the second layer is 5 nm. When the thickness of the second layer is 3 nm, the thickness of the second layer is 3 nm, and the thickness of the second layer is determined so that the entire thickness of the barrier layer 205 is 9 nm.
[0103]
FIG. 14 shows the result of an experiment performed with the layer thickness determined as described above. The effect of reducing the threshold current density was observed when the first layer and the third layer were 3 nm or less. The reason why the threshold current density decreases in the region where the first layer and the third layer are thinner than 3 nm is considered as follows.
[0104]
In the present embodiment, the region of the barrier layer in contact with the well layer is non-doped. Therefore, carriers generated in the barrier layer are not effectively injected into the well layer. However, in the present embodiment, the region of the barrier layer in contact with the well layer is made of In having a smaller energy gap than GaN in the Si-doped region at the center of the barrier layer.0.05Ga0.95N is used. Therefore, carriers generated in the center of the barrier layer are injected into the well layer without being hindered. Therefore, it is considered that the threshold density can be reduced.
[0105]
Further, the threshold current density increases when the first layer and the third layer are thicker than 3 nm. This is because when the first layer and the third layer are further thickened, the well layer and the Si-doped Because the two layers are separated, the thick In0.05Ga0.95It is considered that the N layer is consumed by traps such as light emission and non-light emission, so that carriers are not effectively injected into the well layer, the amount of injected carriers is reduced, and the threshold current density is increased.
[0106]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the first upper electrode layer is patterned in a stripe shape by the dry etching method which is anisotropic etching, the variation of the width of the current injection region is substantially reduced by the stripe photo. It is determined only by the variation in the line width of the resist mask. As described above, in the case of the process according to the conventional technique, in addition to the variation in the line width of the photoresist mask for the stripe for providing the opening in the dielectric, the opening generated when the opening is formed by the wet etching method. Variations in section width also affect variations in the width of the current injection region. Therefore, the manufacturing method according to the present invention can greatly reduce the variation in the width of the current injection region as compared with the conventional method.
[0107]
Further, in the manufacturing method according to the present invention, first, a step of forming the first upper electrode layer on the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure is performed. On the other hand, as described above, in the case of the process according to the conventional technology, a stripe-forming photoresist mask and a dielectric film, or a dielectric film, are formed on the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure before the upper electrode layer is formed. Two coating histories of the body film and the dielectric film will be passed. Therefore, the manufacturing method according to the present invention is more effective in producing a residue on the semiconductor laminated structure due to the passage of the coating history and the resulting current-voltage characteristics and reliability of the semiconductor laser device, as compared with the conventional method. The negative effect on sex can be greatly reduced.
[0108]
FIG. 15 is a plan view of the vicinity of the ridge immediately before the formation of the upper electrode layer in the process according to the conventional technique, when the area is observed by micro Auger electron spectroscopy. The state shown in the figure is described in detail. FIG. 16B in the ridge stripe forming step of the conventional gallium nitride-based compound semiconductor laser device described above with reference to FIG. After the formation, the surface of the semiconductor multilayer structure is etched using a dry etching apparatus, which corresponds to a schematic cross-sectional view after forming a ridge stripe. The removed state corresponds to a case when viewed from above the plane of FIG. 16B.
[0109]
FIG. 15A is a plan view showing the distribution of the signal intensity of Auger electrons originating from carbon atoms, and FIG. 15B is a position where a ridge stripe corresponding to the emission intensity distribution shown in FIG. FIG. The signal intensity distribution in FIG. 3A indicates that the closer to white, the stronger the Auger electrons originating from carbon atoms are detected. In correspondence with FIG. It can be seen that the carbon atoms are localized on the side surface 901 and the upper surface 902 of the ridge.
[0110]
In the process, the most likely cause of the localization of carbon atoms on the upper surface 902 of the ridge is carbon contained in the stripe-forming photoresist mask formed on the upper surface 902 of the ridge. After the dry etching process for forming the ridge stripe is completed, the photoresist itself is removed by cleaning with an organic solvent such as acetone. It is presumed that the photomask is deteriorated, and in fact, after forming a photoresist mask for forming a stripe and performing cleaning with acetone as it is without performing dry etching, it is observed by the same micro Auger electron spectroscopy. Auger electrons originating from carbon atoms were not detected in the portion where the resist mask was formed and other portions.
[0111]
On the other hand, the side surface 901 of the ridge has no history of coating with such a resist mask, but in the dry etching step for forming the ridge stripe, the sputtered photoresist mask for forming the stripe scatters, and the side surface of the ridge is scattered. Suspected to have re-attached to the surface.
[0112]
Also, instead of a photoresist, SiO 2 is used as a mask for forming a stripe.2In the case where was used, the same observation by micro Auger electron spectroscopy was performed. As a result, residual Si atoms were observed on the upper surface of the ridge. In this case, no Si atom was observed on the side surface of the ridge.
[0113]
On the other hand, in the method of manufacturing a gallium nitride based compound semiconductor laser device according to the present invention, such a resist or SiO 22In fact, even if the ridge of the completed laser element was observed by micro Auger electron spectroscopy while sputtering the upper electrode layer, carbon was not present at the interface between the surface of the semiconductor laminated structure and the electrode. No impurity atoms such as Si and Si were detected.
[0114]
Therefore, the effect of the present invention that an operating voltage about 0.5 volt lower than that of the gallium nitride-based compound semiconductor laser device manufactured by the conventional technique described at the end of the description of the first embodiment can be realized. However, it is supported by the absence of impurity atoms at the interface between the surface and the electrode of such a semiconductor multilayer structure, and conversely, the method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser device according to the present invention is as follows. It can be said that this is a suitable technique for obtaining a structure in which no impurity atoms are present at the interface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing the structure of a gallium nitride based compound semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing the structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic sectional view showing the structure of a gallium nitride based compound semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic sectional view showing the structure of a nitride compound semiconductor laser device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a band diagram showing the energy state of the active layer.
FIG. 11 is a correlation diagram between a thickness of a layer doped with Si in a barrier layer and a threshold current density of an LD.
FIG. 12 is a schematic sectional view showing an active layer structure of a nitride compound semiconductor laser device according to a ninth embodiment of the present invention;
FIG. 13 is a band diagram showing the energy state of the active layer.
FIG. 14 is a correlation diagram between the thickness of the layer doped with Si in the barrier layer and the threshold current density of the LD.
FIG. 15 is a plan view showing a case where a ridge portion in a conventional ridge stripe type semiconductor laser device is observed by micro Auger electron spectroscopy.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a step of forming a ridge stripe type waveguide structure in a conventional ridge stripe type semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
10, 11, 12, 13, 14, 15}... First upper electrode layer
20, 21, 22, 23}... Second upper electrode layer
25: Upper electrode layer
30, 31, 32, 33, 34 {...} SiO2film
35 ... Dielectric film
40, 41, 42, 43, 44}... Photoresist mask for stripe formation
50 ... Photoresist mask for cavity facet creation
70, 71 ... Photoresist mask
80, 81, 90} ... opening
91, 92 ... Step
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 {...} Gallium nitride based compound semiconductor multilayer structure
104 ... Si-doped n-type GaN optical guide layer
106 ... Mg-doped Al0.2Ga0.8N carrier block layer
601 ... First layer
602 ... Second layer
603 ... The third layer
604 Well layer
606 ..4th layer
607 ..5th layer
801 ... First layer
802 ... Second layer
803 Well layer
804… 4th layer
805 ... The third layer
901 ... Side of the ridge
902 ... Top of the ridge

Claims (13)

窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上に第一の上部電極層を形成する工程と、
第一の上部電極層の上にストライプ用フォトレジストを形成する工程と、
ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程と、
ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、リッジストライプを形成する工程
を含むことを特徴とするリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。
Forming a first upper electrode layer on the gallium nitride based compound semiconductor laminated structure;
Forming a photoresist for a stripe on the first upper electrode layer;
Removing the first upper electrode layer by dry etching using the photoresist for the stripe as a mask,
A method for manufacturing a ridge stripe type gallium nitride based compound semiconductor laser, comprising forming a ridge stripe by removing a part of the gallium nitride based compound semiconductor laminated structure by dry etching using a stripe photoresist as a mask. .
第一の上部電極層を除去する工程のドライエッチングにおいて、不活性ガスを50パーセント以上含有するプロセスガスを使用することを特徴とする請求項1に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。2. The ridge stripe type gallium nitride based compound semiconductor laser according to claim 1, wherein a process gas containing 50% or more of an inert gas is used in the dry etching in the step of removing the first upper electrode layer. Production method. リッジストライプを形成する工程のドライエッチングにおいて、塩素系ガスを50パーセント以上含有するプロセスガスを使用することを特徴とする請求項1に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。2. The method according to claim 1, wherein a process gas containing 50% or more of a chlorine-based gas is used in the dry etching in the step of forming the ridge stripe. 第一の上部電極層を形成する工程において、第一の上部電極層をストライプ状とし、その幅をストライプ用フォトレジストの幅よりも広くすることを特徴とする請求項1に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。2. The ridge stripe type according to claim 1, wherein, in the step of forming the first upper electrode layer, the first upper electrode layer is formed in a stripe shape, and the width thereof is wider than the width of the stripe photoresist. A method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser. 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上に第一の上部電極層を形成し、所定の幅を有するフォトレジストで第一の上部電極層の一部を被覆した後、第一の上部電極層のうちフォトレジストで被覆されていない部分を酸系のエッチング溶液で除去し、次にフォトレジストを除去することによって、第一の上部電極層をストライプ状とすることを特徴とする請求項4に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。After forming a first upper electrode layer on the gallium nitride-based compound semiconductor laminated structure, and covering a portion of the first upper electrode layer with a photoresist having a predetermined width, of the first upper electrode layer The method according to claim 4, wherein the first upper electrode layer is striped by removing a portion not covered with the photoresist with an acid-based etching solution, and then removing the photoresist. A method for manufacturing a ridge stripe type gallium nitride compound semiconductor laser. ストライプ状の開口を有するマスクを用いて第一の上部電極層を形成することにより、第一の上部電極層をストライプ状とすることを特徴とする請求項4に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。5. The ridge stripe type gallium nitride-based system according to claim 4, wherein the first upper electrode layer is formed in a stripe shape by forming the first upper electrode layer using a mask having a stripe-shaped opening. A method for manufacturing a compound semiconductor laser. 第一の上部電極層の幅をストライプ用フォトレジストの幅の2倍以上とすることを特徴とする請求項4に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。5. The method according to claim 4, wherein the width of the first upper electrode layer is at least twice the width of the stripe photoresist. 上記全工程の後に、
ストライプ用フォトレジストを含む表面に誘電体膜を形成する工程と、
ストライプ用フォトレジストと誘電体膜のうちのストライプ用フォトレジスト上の部分とをリフトオフ法により除去する工程
を含むことを特徴とする請求項1に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。
After all the above steps,
Forming a dielectric film on the surface including the photoresist for the stripe,
2. The ridge stripe type gallium nitride based compound semiconductor laser according to claim 1, further comprising a step of removing the stripe photoresist and a portion of the dielectric film on the stripe photoresist by a lift-off method. Method.
上記全工程の後に、
露出した第一の上部電極層を含む表面に第二の上部電極層を形成する工程
を含むことを特徴とする請求項8に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。
After all the above steps,
9. The method for manufacturing a ridge stripe type gallium nitride based compound semiconductor laser according to claim 8, further comprising a step of forming a second upper electrode layer on a surface including the exposed first upper electrode layer.
第二の上部電極層を共振器端面の直上には形成しないことを特徴とする請求項9に記載のリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。The method according to claim 9, wherein the second upper electrode layer is not formed immediately above the cavity facet. 上記全工程の後に、
共振器端面用フォトレジストを形成する工程と、
共振器端面用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより誘電体膜を除去する工程と、
共振器端面用フォトレジストをマスクとして第一の上部電極を除去する工程と、
共振器端面用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、共振器端面を形成する工程
を含むことを特徴とする請求項8に記載のリッジストライプ型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。
After all the above steps,
Forming a photoresist for the cavity end face;
Removing the dielectric film by dry etching using the cavity facet photoresist as a mask,
Removing the first upper electrode using the cavity end face photoresist as a mask,
9. The ridge stripe type according to claim 8, further comprising a step of removing a part of the gallium nitride based compound semiconductor laminated structure by dry etching using the cavity facet photoresist as a mask to form a cavity facet. For manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laser.
リッジ上に位置し、リッジ頂部と略同一の幅を有する第一の上部電極と、
第一の上部電極上に位置し、第一の上部電極よりも広い幅を有する第二の上部電極
を備えることを特徴とするリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
A first upper electrode located on the ridge and having substantially the same width as the top of the ridge;
A ridge stripe type gallium nitride-based compound semiconductor laser, comprising a second upper electrode located on the first upper electrode and having a wider width than the first upper electrode.
リッジ頂部とリッジ頂部に形成する上部電極との位置関係をセルフアライメント法により決定することを特徴とするリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。A method for manufacturing a ridge stripe type gallium nitride based compound semiconductor laser, wherein a positional relationship between a ridge top and an upper electrode formed on the ridge top is determined by a self-alignment method.
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