JP2005044996A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 へき開などの加工に対して強い誘電体膜を持ち、製造歩留りに優れ、特性の良好な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 化合物半導体表面の少なくとも一部に誘電体膜を有する半導体レーザ装置において、前記誘電体膜は成分として少なくとも窒化シリコンと酸素を有し、二次イオン質量分析法により検出される前記誘電体膜中の酸素とシリコンの二次イオン数の比が０．０１以上であることを特徴とする。また、前記半導体レーザ装置は、へき開断面の半導体部分が凹凸形状を持つ半導体レーザ装置、たとえばトレンチ型やリッジ型、メサ型の半導体レーザ装置などであることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関するものである。

従来より、各種の化合物半導体を用いた半導体レーザが広く製造されている。これらの半導体レーザは、その種類や用途に応じて、半導体表面などに、電流の経路を制御するための構造を形成するために誘電体膜や金属薄膜などを有している。

このうち、金属薄膜は主に、半導体と外部回路とを電気的に接続するための電極として機能するものであり、半導体に直接接触するオーミック電極と、外部の配線などを接続するための引き出し用電極（パッド電極などとも呼ばれる）がある。このうちオーミック電極は、半導体中の必要な領域に電流を注入するため、半導体表面の限られた領域に接触するように形成されることが多い。一方、引き出し用電極は、オーミック電極に一部を接触しつつ半導体レーザ装置の上面に比較的大きな面積で形成されるが、引き出し用電極と半導体表面との間には、導通を防ぐために誘電体などを材料とする絶縁膜が形成される。

このように、半導体レーザにおいて絶縁を目的として誘電体膜が用いられるが、この誘電体膜は、レーザ使用中の湿度や機械的衝撃等から保護するために半導体表面を覆う保護膜としての役割も兼ねることが多い。誘電体膜の材料としては、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）や二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などが用いられる（非特許文献１）。

このうち、ＳｉＮ_ｘは、ＳｉＯ_２に比べてＩｎＰなどの半導体との密着性に優れるという利点を持つ。また、誘電体膜を所望の形状に加工するためにドライエッチングが用いられるが、この場合の加工性において、ＳｉＮ_ｘはＳｉＯ_２に比べて大きな被エッチング速度を持つなどの有利性がある。ＳｉＮ_ｘは、半導体上などにＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やプラズマＣＶＤ法などを用いて成膜される。ＳｉＮ_ｘの組成は、成膜条件によって異なるが、Ｓｉ_３Ｎ_４などが一般的である。

エス・エム・ズィー(S.M.Sze)著、「セミコンダクター・デバイス フィジックス・アンド・テクノロジー(Semiconductor Devices Phisycs and Technology)」、（米国）、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ(John Wiley & Sons Inc)、１９８５年、ｐ．３４１

一般に、半導体レーザの作製においては、共振器構造を作るためにへき開の工程が必要であることが多い。へき開は、半導体ウエハに端から傷などを入れて割ることにより行われ、結晶面に沿ったきわめて平坦な端面が得られる。この時、ウエハ表面などに形成されている誘電体膜も同時に分離されるが、誘電体膜としてＳｉＮ_ｘを有する半導体レーザにおいては、へき開が良好に行えずに、へき開された端面に傷が入ってしまうなどの問題が生じていた。このような端面の傷は、光の散乱や端面反射率の低下を招いてレーザの特性や長期信頼性を悪化させるため、半導体レーザの製造歩留り低下の原因となっており、改善が望まれていた。
以上より、本発明の目的は、へき開などの加工に対して強い誘電体膜を持ち、製造歩留まりに優れ、特性の良好な半導体レーザ装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明は、半導体表面の少なくとも一部に誘電体膜を有する半導体レーザ装置において、前記誘電体膜は成分として少なくとも窒化シリコンと酸素を有し、二次イオン質量分析法により検出される前記誘電体膜中の酸素とシリコンの二次イオン数の比が０．０１以上であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体レーザ装置において、前記誘電体膜は化合物半導体表面に形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置において、へき開断面の半導体部分に凹凸形状を持つことを特徴とするものである。この凹凸形状としては、たとえばトレンチ（溝）構造、メサ構造、リッジ構造などがある。

本発明の効果について、以下に説明する。本発明の請求項１に記載の半導体レーザ装置においては、半導体表面に形成される誘電体膜は成分として少なくとも窒化シリコンと酸素を有し、二次イオン質量分析法により検出される前記誘電体膜中の酸素とシリコンの二次イオン数の比が０．０１以上であることを特徴としたため、へき開により共振器構造を形成する際に、へき開端面における傷やクラックの発生を防止することができ、動作特性や長期信頼性に優れた半導体レーザ装置を提供することができる。

請求項２に記載の半導体レーザ装置は、前記誘電体膜は化合物半導体表面に形成されていることを特徴としたため、特に化合物半導体を用いた半導体レーザ装置において、へき開により共振器構造を形成する際に、へき開端面における傷やクラックの発生を防止することができ、動作特性や長期信頼性に優れた化合物半導体レーザ装置を提供することができる。

請求項３に記載の半導体レーザ装置は、へき開断面の半導体部分に凹凸形状を持つことを特徴としたため、高速動作に有利なトレンチ構造などを持つ半導体レーザ装置を作製する場合において、へき開端面における傷やクラックの発生を防止することができ、動作特性や長期信頼性に優れた半導体レーザ装置を提供することができる。

以下に、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅の関係、各部分の大きさの比率などは、現実のものと異なることもある。

[実施例]
この実施例に係る半導体レーザ装置は、埋め込みメサストライプ構造を持ち、特に埋め込み部の寄生容量を低減させて数ＧＨｚ以上の高速動作を可能にするためにトレンチ（溝）を設けた半導体レーザ装置である。電極層と半導体との間に、酸素を添加した窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）からなる絶縁膜を有することが特徴である。

図１および図２は、本実施例に係る半導体レーザ装置を製造する途中の段階での状態を示す縦断面図である。但し、光出射方向に垂直な方向から見た断面を示している。図１（ａ）は、トレンチ構造を形成する前まで作製された状態である。ｎ型半導体基板１上にｎ型下部クラッド層２、活性層３およびｐ型上部クラッド層４ａが積層されており、ｎ型下部クラッド層２の一部、活性層３およびｐ型上部クラッド層４ａはメサストライプ５を形成している。このメサストライプ５は、エッチングにより作製される。なお、メサストライプ５のストライプ方向は、紙面に垂直な方向である。メサストライプ５の側方は、ｐ型ブロック層６およびｎ型ブロック層７により埋め込まれており、いわゆる埋め込みヘテロ構造となっている。ｐ型上部クラッド層４ａおよびｎ型ブロック層７の上面に、ｐ型上部クラッド層４ｂおよびｐ型コンタクト層８が順に積層されている。ｐ型コンタクト層８の上面にはｐ側上部ストライプ電極９が形成されている。

次に図１（ｂ）に示すように、ｐ型コンタクト層８およびストライプ電極９の上部にフォトリソグラフィを用いてレジスト１０をパターニングする。この時パターニングの形状は、ｐ側上部ストライプ電極９の側方に、ストライプ電極に沿った開口領域１１を持つようにする。次に、レジスト１０をマスクとして、少なくともｐ型ブロック層６よりも下までウェットエッチングを行うことにより、図１（ｃ）に示すようにトレンチ１２を形成する。本実施例では、トレンチ１２の深さｄ_ｔを１０．５μｍ、幅ｗ_ｔを１０μｍとした。その後、レジスト１０を有機溶剤等を用いて除去する。

次に、図２に示すように、トレンチ１２を含む表面全体に、本発明の特徴である酸素の添加されたＳｉＮ_ｘ膜１３を３００ｎｍの厚さに成膜する。成膜方法としてはＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などが可能であり、原料ガス中に適当な酸素源となるガスを混合することにより、成膜される誘電体膜中に酸素が添加される。本実施例では成膜方法をプラズマＣＶＤ法とした。原料ガスには、シラン（ＳｉＨ_４）と窒素（Ｎ_２）、それに酸素源として亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）を用いた。各ガスの流量を、ＳｉＨ_４：７．０ｃｍ^３／分、Ｎ_２：２８０ｃｍ^３／分、Ｎ_２Ｏ：１．０ｃｍ^３／分とし、反応室の圧力を５０Ｐａ、ＲＦパワーを１９０Ｗとした。

その後、以下のようにして、図３に示す半導体レーザ装置２０を完成させる。すなわち、フォトリソグラフィを用いて、ストライプ電極９の上部を除いた誘電体膜１３上面にレジスト（図示せず）をパターニングし、四フッ化炭素（ＣＦ_４）ガスを用いたドライエッチングにより、ｐ側上部ストライプ電極９上部の誘電体膜１３を除去する。続いて、ｐ側上部ストライプ電極９に接し、トレンチ１２を跨いで平坦部１４に達するような引き出し用電極１５を、ｐ側上部ストライプ電極９および誘電体膜１３上に蒸着・リフトオフ法により形成する。その後、ｎ型半導体基板１の下側表面を研磨することにより１００μｍ程度の基板厚さとし、研磨された下側表面にｎ側下部電極１６を蒸着により形成する。

この半導体レーザ装置２０は、ウエハ（図示せず）上に二次元上に多数形成されており、以下のようにして個別のレーザチップに分離する。まず、ダイヤモンドカッターを用いてウエハの端の部分に周期的に傷を入れる。この周期が半導体レーザの共振器長となる。次に、傷を入れた面の裏側から押して割ることにより、ウエハが結晶面に沿って割れ、図４に示すようなバー状となる。へき開により形成された端面１８は半導体レーザの出射端面となるため、端面保護および反射率調整を目的として、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（Ｓｉ_２Ｏ_３）またはＳｉＮ_ｘなどによるコーティング膜（図示せず）をスパッタ法などにより形成する。この状態でレーザ発振が可能な状態であり、端面１８の表面観察や、レーザ動作特性チェックなどの検査を行う。続いて、バー１７を図４における符号１９で示された線に沿って割り出して個別のチップに分離することにより、半導体レーザチップが完成する。

以下、この実施例に係る半導体レーザ装置の分析結果や検査結果、特性などについて述べる。

（誘電体膜中の酸素含有量の測定） ＳｉＮ_ｘ膜中の酸素含有量を調べるために、上に説明した成膜条件のもとでＩｎＰ基板上に形成したＳｉＮ_ｘ膜を試料として、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を行った。測定装置としてＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ社製のＡＤＥＰＴ−１０１０を用い、以下の測定条件で測定を行った。
１次イオン：Ｃｓ^＋
加速電圧 ：５ｋｅＶ
試料電流 ：２０ｎＡ
測定エリア：３００μｍ×６００μｍ
ゲート ：９％（面積比）
２次イオン：極性＋（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）
ＣｓＳｉ^＋，Ｃｓ_２Ｏ^＋，Ｃｓ_２Ｈ^＋，ＣｓＮ^＋，ＣｓＩｎ^＋
その結果、膜中の酸素（Ｏ）とシリコン（Ｓｉ）の検出数の比、Ｏ／Ｓｉは０．０３であった。

（端面検査） 半導体レーザ素子における端面の状態は、素子の動作特性や長期信頼性にとって重要である。上述のようにバーの状態で端面を検査したところ、端面状態は良好で、傷なども無視しうる程度であった。また、端面からの絶縁膜の剥がれ等もなかった。

（動作特性・信頼性）動作試験を行い、発振閾値や光出力などの各種パラメータをチェックしたところ、いずれのパラメータについても、従来の素子と同等かそれ以上の結果が得られた。また、長期信頼性試験として８５℃、５ｍＷ一定光出力における通電試験を行ったところ、５０００時間経過後も、試験を行ったサンプル数に対する劣化したサンプル数の割合が５％以下と良好であった。なお、ここでは、動作電流が初期電流値の１．２倍になった時点を劣化と定義した。

[比較例] 比較例に係る半導体レーザは、製造方法の一部を除いては上記実施例の半導体レーザと同様である。異なる点は、図２に示した工程において、酸素源となるガスを混合せず、ＳｉＨ_４とＮ_２のみを原料として誘電体膜を形成したことである。

（誘電体膜中の酸素含有量の測定） 上に説明した成膜条件のもとでＩｎＰ基板上に形成したＳｉＮ_ｘ膜を試料として、ＳＩＭＳ測定を行った結果、酸素の検出数は検出限界以下であった。

（端面検査） バーの状態で端面を検査したところ、多数の傷やクラックが見られた。これらは、特にトレンチの部分から多く発生していた。

（動作特性・信頼性） 動作試験を行い、発振閾値や光出力などの各種パラメータをチェックしたところ、発振閾値が著しく高い素子や、発振の起こらない素子が相当数あった。。また、長期信頼性試験として８５℃、５ｍＷ一定光出力における通電試験を行ったところ、５０００時間経過後の劣化率が２０％程度と大きかった。

以上、実施例と比較例からわかるように、酸素を添加したＳｉＮ_ｘからなる誘電体膜を用いることにより、へき開の際に傷が入るのを防止することができ、良好な出射端面が得られる。
また、発明者らは、ＳｉＮ_ｘ成膜時の酸素添加源であるＮ_２Ｏの流量をいろいろと変えて、ＳｉＮ_ｘ中の酸素含有量と半導体レーザのへき開性との関係を調べる実験を行った。その結果、ＳＩＭＳ法により検出されるＯ／Ｓｉ比を上の実施例の場合に比べて大きくした場合でも、良好なへき開性が得られることが確認された。特に、Ｏ／Ｓｉ比が０．２以下の場合において効果が顕著であった。一方、Ｏ／Ｓｉ比が０．０１未満の場合には、従来と同様、へき開端面における傷の発生がみられた。したがって、ＳｉＮ_ｘ中のＯ／Ｓｉ比は０．０１以上とすることが望ましい。より好ましくは、０．０１以上、０．２以下とすることが望ましい。

このようにへき開性が向上する効果は、実施例に示したように、トレンチを有することによりへき開断面の半導体部分に凹凸を持つ構造の半導体レーザにおいて特に顕著である。また、へき開断面の半導体部分に凹凸を持つ構造としては、他に、リッジやメサなどが挙げられ、これらの構造を持つ半導体レーザにおいても同様に本発明の効果が発揮される。また、凹凸の間隙がポリイミドなどにより埋め込まれているような場合にも効果的である。
なお、レーザに用いる半導体基板の種類としては、ＩｎＰやＧａＡｓなど、へき開により出射端面が形成されるものであれば種類を問わない。また基板の導電型は、本実施例のようにｎ型に限られず、ｐ型であっても良いことは言うまでもない。

（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体レーザ装置の製造途中の段階での状態を示す説明図である。 は、本発明の実施例に係る半導体レーザ装置の製造途中において、誘電体膜の成膜に係る段階での状態を示す説明図である。 は、本発明の実施例に係る半導体レーザ装置を示す縦断面図である。 は、本発明の実施例に係る半導体レーザチップおよびバーを示す斜視図である。

符号の説明

１ ｎ型半導体基板
２ ｎ型下部クラッド層
３ 活性層
４ａ、４ｂ ｐ型上部クラッド層
５ メサストライプ
６ ｐ型ブロック層
７ ｎ型ブロック層
８ ｐ型コンタクト層
９ ｐ側上部ストライプ電極
１０ レジスト
１１ 開口領域
１２ トレンチ
１３ ＳｉＮ_ｘ膜
１４ 平坦部
１５ 引き出し用電極
１６ ｎ側下部電極
１７ バー
１８ 端面
２０ 半導体レーザ装置

Claims (3)

1. 半導体表面の少なくとも一部に誘電体膜を有する半導体レーザ装置において、前記誘電体膜は成分として少なくとも窒化シリコンと酸素を有し、二次イオン質量分析法により検出される前記誘電体膜中の酸素とシリコンの二次イオン数の比が０．０１以上であることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記誘電体膜は、化合物半導体表面に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記半導体レーザ装置は、へき開断面の半導体部分に凹凸形状を持つ構造であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。
   

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