JP2007067094A - 半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構造で、エネルギー効率が高く、かつ、歩留まりの高い半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、基板１上に形成された活性層５を含む積層構造の上部に、ストライプ状のリッジ構造８、９を形成する第１工程と、イオン衝撃を利用してリッジ構造８、９以外の積層構造の上面にショットキーバリアＳＢを形成する第２工程とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子の製造方法に関する。

従来、図９に示すように、基板１上に形成された活性層５を含む積層構造の上部に、コンタクト層９と第２クラッド層８の一部とからなるストライプ状のリッジ構造が形成されており、当該リッジ構造が絶縁膜２０で覆われている構造を有する半導体レーザ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる半導体レーザ素子は、高い電流狭窄効果や電流閉じ込め効果や光閉じ込め効果を実現することができ、一般的に、エネルギー効率が高い優れたレーザ共振器構造として評価されている。

また、かかる半導体レーザ素子は、１回の結晶成長工程で製造することができるため、複雑な構造を有していない。
特開２００１-１５８５１号公報

しかしながら、上述のような従来の半導体レーザ素子では、ストライプ状のリッジ構造の一部であるコンタクト層９において、第２電極１０とオーミック接触すべき部分の絶縁膜２０のみを取り除くのが困難であるため、歩留まりが向上しないという問題点があった。

そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、簡素な構造で、エネルギー効率が高く、かつ、歩留まりの高い半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、半導体レーザ素子の製造方法であって、基板上に形成された活性層を含む積層構造の上部に、ストライプ状のリッジ構造を形成する第１工程と、イオン衝撃を利用して、前記リッジ構造以外の前記積層構造の上面に、ショットキーバリアを形成する第２工程とを有することを要旨とする。

かかる発明によれば、イオン衝撃を利用してストライプ状のリッジ構造以外の積層構造の上面にショットキーバリアを形成するため、当該リッジ構造において、第２電極とオーミック接触すべき部分の絶縁膜２０のみを取り除く必要が無くなり、歩留まりが向上する。

本発明の第１の特徴において、前記第２工程で、イオン衝撃を利用して、更に前記リッジ構造の側面の一部に、ショットキーバリアを形成してもよい。

本発明の第１の特徴において、前記第１工程で、誘導結合型プラズマエッチャーに前記積層構造を配置して第１の高周波電力を印加することによって、前記リッジ構造を形成し、前記第２工程で、誘導結合型プラズマエッチャーに前記積層構造を配置して前記第１の高周波電力よりも高電力である第２の高周波電力を印加することによって、前記ショットキーバリアを形成してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、簡素な構造で、エネルギー効率が高く、かつ、歩留まりの高い半導体レーザ素子の製造方法を提供することができる。

（本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成）
図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構造を示す。本実施形態に係る半導体レーザ素子の一例として、ＨＤ-ＤＶＤやＢｌｕ-ｒａｙディスク等に用いられる青色半導体レーザ素子について説明する。

本実施形態に係る半導体レーザ素子は、図１に示すように、ＧａＮ基板２上に、第1クラッド層３と第1光ガイド層４と活性層５と第２光ガイド層６と電子ブロック層７と第２クラッド層８とコンタクト層９とからなる積層構造を備えている。上述の積層構造の上部（すなわち、第２クラッド層８の一部及びコンタクト層９）には、ストライプ状のリッジ構造が形成されている。

第１電極１は、ＧａＮ基板２の裏側に、Ａｌ/Ｔｉ/Ａｕの多層金属膜によって形成されているＮ側電極である。また、第１電極１は、Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕの多層金属膜や、Ａｌ/Ｐｄ/Ａｕの多層金属膜によって形成されていてもよい。

第２電極９は、第２クラッド層８上からコンタクト層９上を延在し、次いで第２クラッド層８に達するコンタクト層９を跨った形状のＴｉ/Ｐｄ/Ａｕの多層金属膜によって形成されているＰ側電極である。

第１クラッド層３は、ＳｉがドープされたＡｌ_０.０８ＧａＮによって形成されているＮ型クラッド層である。本実施形態では、第１クラッド層３の膜厚は、０.８μｍであるものとする。

第１光ガイド層４は、アンドープＧａＮ又はＮドープＧａＮによって形成されているＮ型光ガイド層である。本実施形態では、第１光ガイド層４の膜厚は、０.１μｍであるものとする。

活性層５は、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ-ｑｕａｎｔｕｍ-ｗｅｌｌ）によって構成されている。ここで、本実施形態における活性層５では、３０ÅのＩｎ_０.０８ＧａＮからなる井戸層と、１５０ÅのＩｎ_０.０１ＧａＮからなる障壁層とを積層して、ＭＱＷを構成することが好ましい。

第２光ガイド層６は、アンドープＧａＮ又はＰドープＧａＮによって形成されているＰ型光ガイド層である。本実施形態では、第２光ガイド層６の膜厚は、０.１μｍであるものとする。

電子ブロック層７は、ＭｇがドープされたＡｌ_０.１６ＧａＮによって形成されているＰ型電子ブロック層である。本実施形態では、電子ブロック層７の膜厚は、２００Åであるものとする。

第２クラッド層８は、２０乃至５０ÅのアンドープＡｌ_０.１６ＧａＮと、Ｍｇがドープされた２０乃至５０ÅのＧａＮとによって構成されている超格子Ｐ型クラッド層である。

なお、第２クラッド層８におけるアンドープＡｌ_０.１６ＧａＮ及びＭｇがドープされたＧａＮは、３０Å以下であることが好ましい。

また、第２クラッド層８の上面において、コンタクト層９が形成されていない部分には、ショットキーバリアＳＢが形成されている。したがって、第２クラッド層８の上面でコンタクト層９が形成されていない部分は、第２電極１０とショットキー接触している。

また、ストライプ状のリッジ構造を形成している第２クラッド層８の側面（すなわち、ストライプ状のリッジ構造の側面の一部）には、ショットキーバリアＳＢが形成されているため、かかる第２クラッド層８の側面は、第２電極１０とショットキー接触している。

コンタクト層９は、ＭｇがドープされたＧａＮによって形成されているＰ型コンタクト層である。コンタクト層９は、第２クラッド層８の一部と共に、ストライプ状のリッジ構造を構成しており、コンタクト層９の上面は、第２電極１０とオーミック接触している。

（本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法）
以下、図２乃至図８を参照して、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法において行われる工程（プロセス）について説明する。

図２に示すように、ステップＳ１０１において、ＧａＮ基板２上に、順次、第1クラッド層３、第1光ガイド層４、活性層５、第２光ガイド層６、電子ブロック層７、第２クラッド層８、コンタクト層９を、結晶成長（エピタキシャル成長）させる積層工程が行われる。図３に、かかる積層工程が行われた後の半導体レーザ素子の断面図を示す。

ステップＳ１０２において、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ）によってストライプパターンを形成するストライプパターン形成工程が行われる。

図４及び図５に、かかるストライプパターン形成工程における半導体レーザ素子の断面図を示す。以下、図４及び図５を参照して、ストライプパターン形成工程について具体的に説明する。

具体的には、ストライプパターン形成工程では、第１に、コンタクト層９上にＳＯＧ材料を塗布する。ここで、ＳＯＧ材料は、ケイ酸化合物を有機溶剤に溶解した溶液である。

第２に、塗布したＳＯＧ材料を約４５０℃で焼成することで、ケイ酸ガラス（ＳｉＯ_２）を主成分としたＳＯＧ層１１を形成する。

第３に、ＳＯＧ層１１上にレジスト膜を塗布し、ホトリソグラフィによってレジストパターン１２を形成する。

第４に、かかるレジストパターン１２をマスクとして、ＳＯＧ層１１をエッチングする。かかるエッチングは、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチングであってもよいし、Ｆ系ガス（ＣＦ_４、ＳＦ_６等）を用いたドライエッチングであってもよい。ただし、レジストパターン１２を細かく切ることができるドライエッチングを用いることが好ましい。

第５に、Ｏ_２アッシャー（Ｏプラズマ）やアルカリ溶液等を用いて、レジストパターン１２を除去することによって、残されたＳＯＧ層１１からなるストライプパターンを形成する。

ステップＳ１０３において、誘導結合型（Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）エッチャーを用いて、コンタクト層９からなるリッジ構造を形成するリッジ構造形成工程が行われる。

図６に、かかるリッジ構造形成工程における半導体レーザ素子の断面図を示す。以下、図６を参照して、リッジ構造形成工程について具体的に説明する。

具体的には、第１に、ＩＣＰエッチャーを用いて、ＳＯＧ層１１からなるストライプパターンをマスクとして、コンタクト層９及び第２クラッド層８の一部をエッチングする。

かかるエッチングに用いられるＩＣＰエッチャーの具体例について、図７に示す。図７に示すように、ＩＣＰエッチャーは、チャンバー２１と、下部電極２２と、排気口２３と、石英板２４と、高周波電源２５と、ＩＣＰコイル２６と、ＩＣＰ高周波電源２７と、ガス導入口２８とを具備している。

かかるＩＣＰエッチャーは、反応性ガスをプラズマ化するためにＩＣＰ高周波電源２７によってＩＣＰコイル２６に印加する高周波電力（Ｐ_ＩＣＰ）と、プラズマ化した反応種をエッチング対象部材２９に引き込むために高周波電源２５に印加する高周波電力（Ｐ_Ｂｉａｓ）とによって生じる活性種（ラジカルやイオン等）を利用して、エッチング対象部材２９にダメージを与えることによって、エッチングを可能とするものである。

具体的には、リッジ構造形成工程では、ＩＣＰエッチャーに、エッチング対象部材２９（本実施形態では、ステップ１０２が行われた後の半導体レーザ素子（積層構造））を配置して、第１の高周波電力（Ｐ_ＩＣＰ及びＰ_Ｂｉａｓ）を印加する。

ここで、主に高周波電源２５に印加される高周波電力によって、ＩＣＰエッチャーのチャンバー２１内の下部電極２２上に配置されたエッチング対象部材２９（積層構造）上に、ＤＣバイアス電圧（Ｖ_ＤＣ）が生じる。かかるＶ_ＤＣによって、ＧａＮ又はＡｌＧａＮに生じるダメージの程度を定義することができる。例えば、Ｖ_ＤＣ≧２０Ｖ、好ましくは、Ｖ_ＤＣ≧４０Ｖで、ＧａＮ又はＡｌＧａＮにダメージが生じ、所望の効果を得ることができる。

本実施形態に係るリッジ構造形成工程では、第１の高周波電力として、Ｐ_ＩＣＰ＝３００Ｗ、Ｐ_Ｂｉａｓ＝２５Ｗを印加することによって、ＧａＮからなるコンタクト層９をエッチングする。この際に、エッチング対象部材２９上に生じるＶ_ＤＣは、非常に小さく、例えば、１０Ｖ程度である。かかるエッチングは、第２クラッド層８の残し厚が２０００Åになるまで続けられる。

ステップＳ１０４において、ＩＣＰエッチャーを用いて、イオン衝撃を利用して、リッジ構造以外の積層構造の上面（すなわち、第２クラッド層８の上面でコンタクト層９がエッチングされている部分）、及び、リッジ構造（すなわち、第２クラッド層８及びコンタクト層９）の側面に、ショットキーバリアＳＢを生成するショットキーバリア生成工程が行われる。

具体的には、ショットキーバリア生成工程では、ＩＣＰエッチャーに、エッチング対象部材２９（本実施形態では、ステップ１０３が行われた後の半導体レーザ素子（積層構造））を配置して、第１の高周波電力（Ｐ_ＩＣＰ及びＰ_Ｂｉａｓ）よりも高電力である第１の高周波電力（Ｐ_ＩＣＰ及びＰ_Ｂｉａｓ）を印加する。

本実施形態に係るショットキーバリア生成工程では、第２の高周波電力として、Ｐ_ＩＣＰ＝３００Ｗ、Ｐ_Ｂｉａｓ＝１２０Ｗを印加することによって、残し厚が２０００Åである第２クラッド層８を、５００Å程度、エッチングする。この際に、エッチング対象部材２９上に生じるＶ_ＤＣが、５０Ｖ程度と大きくなるため、ＩＣＰ高周波電源２７の電力で生じたイオンがＶ_ＤＣで加速されてエッチング対象部材２９上に衝突してダメージを与えることができる。

ここで、ステップＳ１０４及びＳ１０５において、エッチング残し厚は、レーザを利用した干渉計で測定することができる。かかる干渉計は、上面における界面からの反射波と、下面における界面からの反射波との干渉により生じる干渉縞の間隔からエッチング深さを知ることができる。ここで、使用するレーザの波長をλとすると、λ/ｎ（ｎ＝エッチング対象部材の屈折率）が干渉の一周期となる。

ステップＳ１０５において、ＧａＮ基板２の裏側に、第１電極を形成する電極形成工程が行われる。図８に、かかる電極形成工程が行われた後の半導体レーザ素子の断面図を示す。

（本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の作用・効果）
本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法によれば、ＩＣＰエッチャーによるイオン衝撃を利用して、ストライプ状のリッジ構造以外の積層構造の上面（第２クラッド層８の上面でコンタクト層９が形成されていない部分）に、ショットキーバリアＳＢを形成するため、当該リッジ構造において、第２電極１０とオーミック接触すべき部分の絶縁膜２０のみを取り除く必要が無くなり、歩留まりが向上する。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の積層工程が行われた後の半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法のストライプパターン形成工程における半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法のストライプパターン形成工程における半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法のリッジ構造形成工程における半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法におけるリッジ構造形成工程及びショットキーバリア生成工程で用いられるＩＣＰエッチャーの断面構造図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の電極形成工程が行われた後の半導体レーザ素子の断面図である。 従来技術に係る半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。

符号の説明

１…第１電極
２、２９…基板
３…第１クラッド層
４…第１光ガイド層
５…活性層
６…第２光ガイド層
７…電子ブロック層
８…第２クラッド層
９…コンタクト層
１０…第２電極
１１…ＳＯＧ層
１２…レジスト
２０…絶縁膜
２１…チャンバー
２２…下部電極
２３…排気口
２４…石英板
２５…高周波電源
２６…ＩＣＰコイル
２７…ＩＣＰ高周波電源
２８…ガス導入口
２９…エッチング対象部材
ＳＢ…ショットキーバリア

Claims (3)

1. 基板上に形成された活性層を含む積層構造の上部に、ストライプ状のリッジ構造を形成する第１工程と、
   イオン衝撃を利用して、前記リッジ構造以外の前記積層構造の上面に、ショットキーバリアを形成する第２工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
2. 前記第２工程において、イオン衝撃を利用して、更に前記リッジ構造の側面の一部に、ショットキーバリアを形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
3. 前記第１工程において、誘導結合型プラズマエッチャーに前記積層構造を配置して第１の高周波電力を印加することによって、前記リッジ構造を形成し、
   前記第２工程において、誘導結合型プラズマエッチャーに前記積層構造を配置して前記第１の高周波電力よりも高電力である第２の高周波電力を印加することによって、前記ショットキーバリアを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。

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