JP2005019954A - 半導体レーザー素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は半導体レーザー素子の劈開面上において傾きや凸凹の形成を防止するようリッジを劈開面内側に埋め込んだ半導体レーザー素子及びその製造方法に関するものである。
【解決手段】本発明による半導体レーザー素子の製造方法は、基板４１上に少なくとも第１導電型クラッド層４２、活性層４３、第２導電型クラッド層４４を順次形成する段階と、前記第２導電型クラッド層４２上面に、レーザー出射面側断面及びその反対側断面から所定の間隔ほど離隔した位置にリッジ４４ａを形成するためのマスク４５を形成する段階と、前記マスク４５を利用して前記第２導電型クラッド層４４を所定の厚さにエッチングしてリッジ４５を形成する段階と、前記形成されたリッジ４５の周辺に第１導電型半導体物質から成る電流制限層４６を形成する段階とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザー素子の製造方法に関するもので、より詳しくは、半導体レーザー素子の劈開面上において傾きや凸凹の形成を防止するようリッジを劈開面内側に埋め込んだ半導体レーザー素子及びその製造方法に関するものである。

一般に半導体レーザー素子は、体積が大変小さく製造原価が安く量産容易であり数ｍＡの駆動電流により高出力レーザーを発振させることができる。最近、ＣＤ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＷなどのような光ディスクシステムの光ピックアップ装置のための光源としてばかりでなく、光通信、多重通信、宇宙通信などの様々な分野に亘り幅広く適用されている。とりわけ、光ピックアップ装置関連分野においては書込み速度を上げるべく高い光出力を有する半導体レーザー素子を必要とし、製品の品質及び寿命を向上すべく半導体レーザー素子の信頼度向上が要求されている。

図４（Ａ）は従来の一般的な半導体レーザー素子の斜視図で、図４（Ｂ）は従来の半導体レーザー素子のリッジ形成後の平面図で、図５は従来の半導体レーザー素子のウェーハ状態を示した平面図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）及び図５に基づき前記従来の半導体レーザー素子の製造方法を説明すると次のとおりである。以下説明する従来の半導体レーザー素子は放出されるレーザーの波長が７８０ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ系半導体の場合を例とする。

図４（Ａ）のように、先ず第１導電型のｎ型ＧａＡｓ基板（１１１）上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１１２）を形成する。次いで、前記ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１１２）の上面に、前記ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１１２）とは組成が異なり多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有するＡｌＧａＡｓ系活性層（１１３）を形成する。次いで、前記ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１１２）とは組成が同じな第２導電型のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１１４）を形成する。次いで、前記ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１１４）の上部にリッジ（１１４ａ）が形成される領域にマスクを形成する。前記マスクが配置される領域はリッジ（１１４ａ）が形成される領域として、マスクが形成された部分は以後エッチング工程により食刻されないことによりリッジ（１４ａ）が形成されることができる。次いで、前記マスクが形成される部分を除いた残りの部分をエッチングしてリッジ（１１４ａ）を形成し、前記リッジ（１１４ａ）の周辺に第１導電型のｎ型ＧａＡｓ層をリッジの高さに選択成長させて電流阻止層（１１５）を形成する。次いで、前記リッジ（１１４ａ）と電流阻止層（１１５）の上面にｐ型ＧａＡｓオーミックコンタクト（Ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）層（１１６）を形成した後、前記オーミックコンタクト層（１１６）の上面及び前記ｎ型ＧａＡｓ基板の背面を合金で蒸着し各々電極（１１８、１１７）を形成する。前記のような従来の半導体レーザー素子は図４（Ｂ）のようにリッジ（１１４ａ）の両側端部が半導体レーザー素子の両側断面領域（Ａ）に露出する。

このような、リッジの両側端部が半導体レーザー素子の両側断面領域（Ａ）に露出する構造においては、ウェーハ状態の半導体レーザー素子を各々のチップに分離する際、分離された劈開面に傾きや凸凹が発生する問題がある。

図５は従来の半導体レーザー素子のウェーハ状態を示した平面図で、図５のようにウェーハ上に前記のような方法で形成された半導体レーザー素子は、バーメーキング（ｂａｒ ｍａｋｉｎｇ）工程によりウェーハをリッジに垂直な方向に劈開した後、チップメーキング（ｃｈｉｐ ｍａｋｉｎｇ）工程によりリッジと並んだ方向に劈開して各々の半導体レーザー素子に分離する。

前記バーメーキング（ｂａｒ ｍａｋｉｎｇ）工程は図５のように、バーメーキング線（１２２）に沿ってリッジに垂直な方向にウェーハを劈開する工程で、前記チップメーキング（ｃｈｉｐ ｍａｋｉｎｇ）工程はチップメーキング線（１２３）に沿ってリッジと並んだ方向に劈開するものである。

前記のように従来の半導体レーザー素子の製造方法においては、リッジ（１２１）を形成すべくマスク（１２１、マスクが形成された部分に以後リッジが形成されるので同じ符号とする）を連続してウェーハ上に形成する。こうして劈開前のウェーハ上に形成された各々の半導体レーザー素子のリッジ（１２１）は相互連結された状態である。このようなウェーハ状態の半導体レーザー素子をバーメーキング工程において劈開し各々の素子に分離すると各半導体レーザー素子の両側断面（Ａ）、即ち劈開面（Ａ）に素子の積層構造、とりわけリッジが直に露出する。前記バーメーキング（ｂａｒ ｍａｋｉｎｇ）工程においてバーメーキング（ｂａｒ ｍａｋｉｎｇ）線（１２２）に沿って半導体レーザー素子を劈開する過程で、リッジ（１２１）も共に劈開されその両側端部が劈開面に露出する。

図４（Ａ）のように半導体レーザー素子は複数個の素材を積層したもので、各層の境界面が多数存在するが、こうした境界面には相異する組成の層を互いに積層するにあたって物理的な欠陥が存在し得る。こうした物理的な欠陥のため劈開時側面から与えられる力により劈開面上に傾きや凸凹が発生しかねない。とりわけ、リッジの側面は他境界面とは異なり劈開時に印加される力を略垂直に受けるので、力の方向を変動させて傾きや凸凹が発生する恐れがより大きくなる。こうした傾きや凸凹は半導体レーザー素子の外観不良を招き出射されるレーザーの特性に悪影響を及ぼす。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）は従来の半導体レーザー素子の劈開面に発生する様々な傾きや凸凹の形状を示したもので、図６（Ａ）のようにリッジ（１３１）周辺から傾きや凸凹（１３２）が始まり基板とｎ型クラッド層の境界に傾きや凸凹が進みかねなく、ひどければ図６（Ｂ）のようにリッジ（１３１）の周辺から発生した傾きや凸凹（１３２）が基板一部に形成されてしまい、よりひどくなると図６（Ｃ）のようにリッジ（１３１）の周辺から基板全体に傾きや凸凹（１３２）ができてしまいかねない。このように多様な形態の傾きや凸凹が半導体レーザー素子の劈開面に生成されるが、すべてリッジ周囲から傾きや凸凹が始まりリッジ下部に進んで基板まで形成されることになる。したがって、前記傾きや凸凹はレーザー光が発振する活性層領域を通過するようになる。こうした傾きや凸凹による半導体レーザー素子の外観不良がレーザーを発振する活性層領域に発生することにより、均一なレーザーの発振が不可能になり出射されるレーザーの指向性に問題をもたらし、レーザー発振値の上昇を招いて劣化による信頼度の低下を招く問題がある。

したがって、当技術分野においては、ウェーハ状態の半導体レーザー素子を劈開する際、傾きや凸凹ができるのを防止してレーザー発振特性が良く信頼度に優れた半導体レーザー素子及びその製造方法が要求されてきた。

本発明は、前記問題を解決すべく案出されたもので、その目的は、半導体レーザー素子の劈開面にリッジが露出することにより劈開時劈開面に傾きや凸凹が発生するのを防止するよう、リッジを劈開面から所定の間隔ほど離隔した位置に形成して劈開面の構造を単純化させることにより傾きや凸凹の発生を防止し、こうしてレーザー発振特性が良く信頼度に優れた半導体レーザー素子及びその製造方法を提供することにある。

前記した技術的課題を成し遂げるために、本発明は、第１導電型基板と、前記基板上に形成された第１導電型クラッド層と、前記第１クラッド層上面に形成された活性層と、前記活性層の上面に形成され、レーザー出射面側断面及びその反対側断面から所定の間隔ほど離隔した位置にリッジを有する第２導電型クラッド層と、前記リッジの周囲に形成される電流阻止層とを含んだ半導体レーザー素子を提供する。本発明の好ましき実施形態においては、レーザー出射側断面とリッジとの前記間隔及びその反対側断面とリッジとの前記間隔は少なくとも５μｍ以上で、レーザー出射側断面とその反対側断面間距離の１０％以内に制限する。

さらに、本発明は半導体レーザー素子のリッジを劈開面から離隔した位置に形成することにより、劈開面に傾きや凸凹ができるのを防止できる半導体レーザー素子の製造方法を提供する。前記方法は、基板上に少なくとも第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を順次形成する段階と、前記第２導電型クラッド層上面に、レーザー出射面側断面及びその反対側断面から所定の間隔ほど離隔した位置にリッジを形成するためのマスクを形成する段階と、前記マスクを利用して前記第２導電型クラッド層を所定の厚さにエッチングしてリッジを形成する段階と、前記形成されたリッジの周辺に第１導電型半導体物質から成る電流制限層を形成する段階とを含む。本発明の一実施形態において前記リッジを形成する段階は、ドライエッチング方法によりリッジの形態を形成する過程及びウェットエッチング方法によりリッジの表面に形成された疵を除去する過程を含む。

上述したように、本発明による半導体レーザー素子は、劈開面にリッジが露出しないようリッジを劈開面から所定の間隔ほど離隔した位置に形成して劈開面の構造を単純化させることにより、半導体レーザー素子の劈開面に傾きや凸凹の発生を防止でき、こうして半導体レーザー素子の発振特性及び信頼度を改善、向上する効果を奏する。

添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

図１（Ａ）ないし１（Ｃ）は本発明による高次モード吸収層を有する半導体レーザー素子の製造方法をその順序どおりに示したものである。図１（Ａ）ないし１（Ｃ）を参照しながら説明する本実施例は７８０ｎｍ波長のレーザーを発振させるＡｌＧａＡｓ系半導体レーザー素子に対するものであるが、本発明がこれに限定されるわけではない。

先ず、図１（Ａ）に示したように本発明による半導体レーザー素子は、その背面に合金から成る第１電極（図示せず）の形成された第１導電型半導体基板（４１）と、前記基板（４１）上に形成される第１導電型クラッド層（４２）と、前記第１クラッド層（４２）の上面に形成される活性層（４３）と、前記活性層（４３）の上面に形成される第２導電型クラッド層（４４）とをＭＯＣＶＤまたはＭＯＶＰＥ工程により順次形成する。ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザー素子において、前記基板（４１）は通常ｎ型ＧａＡｓ基板で、前記第１及び第２導電型クラッド層（４２、４４）は各々ｎ型及びｐ型ＡｌＧａＡｓ系クラッド層で、前記活性層（４３）は量子井戸構造を有するＡｌＧａＡｓ系活性層であることができる。このような各層は先に述べた順序により連続した工程から形成されるが、これを１次成長過程という。一方、図１（Ａ）には図示されていないが、基板（４１）と第１導電型クラッド層（４２）との間には第１導電型バッファ層を追加することもできる。しかし、前記第１導電型バッファ層は前記基板（４１）と第１導電型クラッド層（４２）との結晶整合のための層に過ぎないので、下記説明と添付の請求の範囲においては第１導電型クラッド層（４２）に含まれる意味で使用する。

このように、１次成長過程が完了すると、前記第２導電性クラッド層（４４）上にマスク（４５）を形成する。前記マスク（４５）が配置される領域はリッジが形成される領域である。即ち、マスク（４５）が形成された部位は以後エッチング工程により食刻されないことによりリッジが形成されることができる。前記マスク（４５）にはＳｉＯ_２膜のような酸化膜またはＳｉＮ膜のような窒化膜などの誘電体膜が用いられることができ、前記第２クラッド層（４４）内にはエッチング停止層（図示せず）が含まれエッチングにより第２クラッド層（４４）が食刻され過ぎることを防止できる。

従来の半導体レーザー素子の製造工程においてはマスクを半導体レーザー素子のレーザー出射面からその反対側断面まで形成していたのに比して、本発明においては前記マスク（４５）を半導体レーザー素子のレーザー出射面及びその反対面から所定の間隔（Ｗ）ほど離隔するよう設置する。これは、後続工程においてエッチングにより前記間隔（Ｗ）に該当する部分まで除去しリッジがレーザー出射面及びその反対側断面から所定の間隔ほど離隔して形成されるようにするためである。

ここで、前記間隔（Ｗ）は少なくとも５μｍ以上で、半導体レーザー素子のレーザー出射側断面とその反対側断面間距離の１０％以内の長さを有することが好ましい。例えば、レーザー出射側断面とその反対側断面間の距離が２００μｍであれば、前記間隔（Ｗ）は５μｍ以上２０μｍ以内に制限される。前記間隔（Ｗ）が５μｍより小さいと、バーメーキングのためのウェーハ劈開時に発生しかねない劈開誤差により前記間隔（Ｗ）で離隔したリッジが劈開面に露出しかねないので、これを防止するためには前記間隔（Ｗ）が５μｍ以上であることが好ましい。また、前記間隔がレーザー出射側断面とその反対側断面間距離の１０％を超過すると、光出力のゲイン（ｇａｉｎ）が減少しレーザー素子の特性劣化が生じかねないので、前記間隔（Ｗ）は半導体レーザー素子のレーザー出射側断面とその反対側断面間距離の１０％以内であることが好ましい。

次に、図１（Ｂ）のように前記第２クラッド層（４４）のマスクが形成されない領域を所定の厚さにエッチングしてリッジ（４４ａ）を形成する。前記したように、マスク（４５）が半導体レーザー素子のレーザー出射面及びその反対面から所定の間隔（Ｗ）ほど離隔して形成されるので、リッジ（４４ａ）のメサ型側面部ばかりでなく、前記間隔（Ｗ）に該当する、レーザー素子のレーザー出射断面とリッジ（４４ａ）間の領域及び出射断面の反対面とリッジ（４４ａ）間の領域までエッチングされて除去される。前記リッジ（４４ａ）を形成するためにはドライエッチング方法及びウェットエッチング方法を併用する。

一般にエッチングにはドライエッチング及びウェットエッチングの２種の方法がある。ドライエッチングは高い分解能と平坦化技術に必需不可欠なエッチング断面の異方的特性を提供するもので、その方法にはプラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、リアクティブイオンビームエッチングなどがあり、これら殆どが不活性イオンと反応性ガスを使用してエッチング断面の異方的特性を提供する。しかし、ドライエッチングはエッチングされた薄膜表面において反応性化学ガスとイオン照射、プラズマ放射による損傷を引き起こしエッチング速度が減少したり電気的に素子の性能を劣化させる。即ち、エネルギーを有するイオンのシリコン表面照射は残留物層を形成し、不純物及びエッチングガスの浸透、格子構造欠陥を発生させてしまう欠点がある。ウェットエッチングは等方的特性を提供するもので、ウェットエッチングは低価格、高出力、優れた選択性のため半導体工程に幅広く用いられる。また、ウェットエッチングは低温で動作しウェーハに損傷を与えない。

従来の半導体レーザー素子においてはリッジ形成のために主にウェットエッチングを用いていたのに対して、本発明においては前記ドライエッチング及びウェットエッチングを併用してリッジを形成することが好ましい。本発明において、リッジを形成する方法は、先ずドライエッチングによりリッジの形態を形成した後、ドライエッチングによりエッチングされた表面にできた損傷をウェットエッチングにより除去する方法をとる。ドライエッチングのみ用いてリッジを形成すると、ドライエッチングによりエッチングされた部分にできる損傷の為に素子の性能が劣化する。それに対して、ウェットエッチングのみ用いてリッジを形成すると、リッジストライプ構造の両側面は結晶構造によりメサ形態に形成されるが、リッジストライプ構造の前後面は逆メサ形態になる。こうした逆メサ構造は以降の工程において電流阻止層を形成する際、逆メサ構造の下部には電流阻止層形成物質が正常に成長できなくなる問題がある。したがって、本発明においてはドライエッチングによりリッジの形態を形成した後、前記ドライエッチングされた表面を薄くウェットエッチングして、ドライエッチングにより発生した表面損傷を除去することが好ましい。本実施例においてはリッジの形態がメサ構造の場合について説明するが、リッジの形態により本発明が限定されるわけではなく、様々な形態のメサ構造に本発明を適用することができる。

続いて、前記マスクを除去した後、第２導電型クラッド層（４４）のリッジが形成された周囲に電流阻止層（４６）を形成し、前記電流阻止層（４６）の上面にオーミックコンタクト（Ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）層を形成する。前記工程においてリッジが半導体レーザー素子のレーザー出射断面及びその反対側断面から所定の間隔ほど離隔し形成されるので、図１（Ｃ）のように、リッジが半導体レーザー素子のレーザー出射断面及びその反対側断面に露出しない。したがって、半導体レーザー素子をウェーハから劈開する際、その劈開面の構造が図４の従来の半導体レーザー素子のレーザー出射断面（劈開面）より単純になる。とりわけ、劈開時に与えられる力を垂直に受けるリッジ構造が劈開面に露出しないことにより劈開時に印加される力の方向を変動させなくなり、こうして劈開面（半導体レーザー素子の出射面及びその反対側面）に傾きや凸凹が発生する確率を下げられる。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）は本発明の一実施形態による半導体レーザー素子の断面図である。図２（Ａ）は図１（Ｃ）のＸ−Ｘ’軸に沿って切開した断面である。図２（Ａ）のように、本発明による半導体レーザー素子の中心部をレーザー出射断面と平行に切開した断面は従来の半導体レーザー素子の断面と同じ構造を有する。即ち、第１導電型基板（４１）、第１導電型クラッド層（４２）、活性層（４３）、リッジ（４４ａ）を有する第２導電型クラッド層（４４）が順次積層され、リッジ（４４ａ）の周辺に第１導電型の電流阻止層（４６）が形成された後、リッジ（４４ａ）と電流阻止層（４６）の上面に第２導電型オーミックコンタクト（Ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）層（４７）が形成された構造を有する。

但し、図２（Ｂ）のように、本発明による半導体レーザー素子の中心部をレーザー出射断面と垂直に切開した断面は、リッジ（４４ａ）の両側端が半導体レーザー素子の劈開面と所定の間隔（Ｗ）ほど離隔するので劈開面に露出しない。従来のレーザー半導体素子とは異なり、本発明による半導体レーザーダイオードはリッジ（４４ａ）と劈開面との間隔（Ｗ）に電流阻止層（４６）が形成される。これは電流を制限、限定するためではなく、単にリッジ形成以降、電流阻止層（４６）を形成する際、劈開面とリッジの間隔（Ｗ）が電流阻止層の物質で充填されるのである。

とりわけ、本発明による半導体レーザー素子の製造方法は別途の製造工程の追加及び変更無しに、リッジを形成するためのマスクの変更により容易に具現することができる。図３は本発明の一実施形態による半導体レーザー素子のウェーハ状態を示した平面図である。図５に示した従来の半導体レーザー素子のウェーハ状態と比較すると、従来では前後の半導体レーザー素子のマスク（またはリッジ）（１２１）が連結された状態であるので劈開時にリッジ領域も共に劈開されたのに対して、図３の本発明によると、前後の半導体レーザー素子のマスク（またはリッジ）（５１）がバーメーキング線（５２）から所定の間隔（Ｗ）ほど離隔して形成されるので、以降各々のチップに劈開時にリッジ領域は劈開されずに劈開面に露出しない。

即ち、従来の製造工程においてマスクを前後の半導体レーザー素子に連続して形成した方法を、本発明においてはマスクをバーメーキング線から所定の間隔（Ｗ）ほど離隔して個別チップ単位で形成するよう変更させることにより、容易に具現できるようにする。

このように、本発明は第２導電型クラッド層にリッジを形成するにあたって、レーザー出射断面及びその反対側断面から離隔するよう形成することにより半導体レーザー素子の劈開面（前記レーザー出射断面及びその反対側断面）にリッジ構造が露出しない。即ち、半導体レーザー素子の劈開面（前記レーザー出射断面及びその反対側断面）の積層構造が単純になり、劈開時に与えられる力の方向を変動させなくなり、こうして劈開面に傾きや凸凹が発生するのを防止し、半導体レーザー素子のレーザー発振を向上させ、性能の劣化を防止することができる。

以上説明した本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されるわけではなく、添付の請求の範囲により限定される。したがって、請求の範囲に記載の本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者には自明である。

（Ａ）ないし（Ｃ）は本発明の一実施形態による半導体レーザー素子の製造工程を段階別に示した斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は本発明の一実施形態による半導体レーザー素子の断面図である。 本発明の一実施形態による半導体レーザー素子のウェーハ状態を示した平面図である。 （Ａ）は従来の半導体レーザー素子の斜視図であり、（Ｂ）は従来の半導体レーザー素子のリッジ形成後の平面図である。 従来の半導体レーザー素子のウェーハ状態を示した平面図である。 従来の半導体レーザー素子の劈開面に発生する傾きや凸凹の形態を示した断面図である。

符号の説明

４１ 第１導電型基板
４２ 第１導電型クラッド層
４３ 活性層
４４ 第２導電型クラッド層
４４ａ リッジ
４６ 電流阻止層
４７ オーミックコンタクト層

Claims (5)

1. 第１導電型基板と、
   前記基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
   前記第１クラッド層の上面に形成された活性層と、
   前記活性層の上面に形成され、レーザー出射面側断面及び前記レーザー出射面側断面の反対側断面から所定の間隔ほど離隔した位置にリッジを有する第２導電型クラッド層と、
   前記リッジの周囲に形成される電流阻止層と、
   を有することを特徴とする半導体レーザー素子。
2. 前記間隔は、５μｍ以上で、レーザー出射側断面とその反対側断面間距離の１０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
3. 半導体レーザー素子の製造方法において、
   基板上に少なくとも第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を順次形成する段階と、
   前記第２導電型クラッド層の上面に、レーザー出射面側断面及び前記レーザー出射面側断面の反対側断面から所定の間隔ほど離隔した位置にリッジを形成するためのマスクを形成する段階と、
   前記マスクを利用して前記第２導電型クラッド層を所定の厚さにエッチングしてリッジを形成する段階と、
   前記形成されたリッジの周辺に第１導電型半導体物質から成る電流制限層を形成する段階と、
   を有することを特徴とする半導体レーザー素子の製造方法。
4. 前記間隔は、５μｍ以上で、レーザー出射側断面とその反対側断面間距離の１０％以内であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
5. 前記リッジを形成する段階は、ドライエッチング方法によりリッジの形態を形成する過程、及びウェットエッチング方法によりリッジの表面に形成された疵を除去する過程を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザー素子の製造方法。

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