JP2007227651A - ２波長半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ電極、ｐ電極が同一面側に設けられた２波長半導体発光装置において、チップ面積を小さくして同一のウエハから取れるチップ数を増やすことができ、長波長側の発光素子における活性層の製造過程における劣化を防止することができる２波長半導体発光装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】共通の基板１上に、発光波長の異なる２つの発光素子として半導体レーザＤ１、Ｄ２が集積形成されている。半導体レーザＤ１ではｎ型コンタクト層２１上に半導体積層体Ａが積層され、半導体レーザＤ２では半導体積層体Ｂが積層される。半導体積層体Ａと半導体積層体Ｂとでは層構造が異なる構成となる。半導体レーザＤ１、Ｄ２の間に形成されたｎ電極１２は、半導体レーザＤ１及びＤ２で共有しており、ｎ側の共通電極となっている。また、短波長側の半導体積層体Ａの方から先に結晶成長させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、同一基板上に異なる波長の光を発光する２つの発光素子が形成された２波長半導体発光装置とその製造方法に関する。

近年、高密度光ディスク記録等への応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が注力されている。短波長半導体レーザには、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＰＮなどの窒素を含む六方晶化合物半導体（以下、単に窒化物半導体という）が用いられる。

また、インターネットの爆発的な普及による通信トラフィックの急増に伴い、高速・大容量通信を可能とする光通信技術を始め、高速転送・大容量の光ディスク、高効率のＬＥＤ発光素子などの光デバイスへの期待が大きく高まっている。例えば、書き換え型ＣＤと書き換え型ＤＶＤの両方式に対応させるために異なる２つの半導体レーザを搭載した素子や、多重化通信に対応した２波長の半導体レーザなどの開発が盛んになってきている。

そこで、特許文献１に記載されているように、同一の成長基板上に、２波長の発光素子を形成し、各発光素子のｐ電極とｎ電極を成長基板を挟んで対向させた半導体発光装置が提案されている。

また、特許文献１に記載の半導体発光装置では、モノリシックに２波長の波長で発振する発光素子を製造するようにしている。半導体基板の主面に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもって形成された六方晶窒化物からなる半導体層を各々形成しておき、半導体層の前記平面上及び傾斜面上に活性層を結晶成長させると、それぞれＩｎを互いに異なる組成比で含んだ活性層が形成され、２波長の波長で発振することができるというものである。
特開２００３−１０１１５６号公報

しかしながら、上記従来の構成では、２波長の各発光素子のｐ電極とｎ電極を成長基板を挟んで対向させた構造としているので、２波長の各発光素子を１チップとしたチップ面積を比較的小さくでき、１枚のウエハから比較的多くのチップを製造することができるが、ｐ電極とｎ電極を成長基板の同一面側に設ける構造とした場合には、各発光素子のｐ電極とｎ電極が成長基板の同一面側に並ぶことになり、チップ面積が大きくなって、同一のウエハから取れるチップ数が減少するという問題があった。

また、モノリシックに２波長の波長で発振する発光素子を製造する方法は、２波長の活性層を同時に結晶成長させることができ、製造工程数が少なくなるものの、活性層を挟むようにして設けられている光ガイド層やクラッド層が２つの発光素子でモノリシックに形成されているため、デバイス特性を悪化させるという問題があった。すなわち、光ガイド層やクラッド層等の各半導体層の屈折率は光の波長に依存するために、発光波長が変わると、放射光に対する各半導体層の屈折率が変化し、同じ組成の光ガイド層やクラッド層では２つの発光素子毎に光閉じ込め効果が異なることになり、性能の良い半導体発光装置を製造できない。

そこで、製造工程数が多くなっても、２波長の発光素子を各々別個の工程で製造すれば良いが、Ｉｎを含む窒化物で構成された活性層を有する発光素子では、活性層のＩｎ含有比率が高い程、すなわち長波長の発光素子になるほど、活性層の結晶成長後に形成する半導体層の成長温度が高いと、成膜された活性層が壊れやすいという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ｎ電極、ｐ電極が同一面側に設けられた２波長半導体発光装置であっても、チップ面積を小さくして同一のウエハから取れるチップ数を増やすことができ、長波長側の発光素子における活性層の製造過程における劣化を防止することができる２波長半導体発光装置及びその製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、異なる波長の光を発光する２つの発光素子が同一基板上に形成され、基板の同一面側に前記２つの発光素子に対応するｎ電極とｐ電極が各々配置される２波長半導体発光装置において、前記ｎ電極は前記２つの発光素子の共通するｎ側の電極となっていることを特徴とする２波長半導体発光装置である。

また、請求項２記載の発明は、異なる波長の光を発光する２つの発光素子が同一基板上に形成され、基板の同一面側に前記２つの発光素子に対応するｎ電極とｐ電極が各々配置されるとともに、前記２つの発光素子における活性層はＩｎを異なる比率で含む窒化物層で構成されている２波長半導体発光装置の製造方法において、前記２つの発光素子のうちＩｎの組成比率が低い方の活性層を含む第１発光素子から結晶成長させた後、Ｉｎの組成比率が高い方の活性層を含む第２発光素子を結晶成長させ、その後に前記第１発光素子と第２発光素子の共通するｎ電極を形成することを特徴とする２波長半導体発光装置の製造方法である。

また、請求項３記載の発明は、前記第２発光素子の活性層は、バリア層としてｎ型ＧａＮを用いたことを特徴とする請求項２記載の２波長半導体発光装置の製造方法である。

また、請求項４記載の発明は、前記第２発光素子の活性層の結晶成長後、ｐ型の半導体層としてはＩｎＧａＮ層のみを形成することを特徴とする請求項２〜請求項３のいずれか１項に記載の２波長半導体発光装置の製造方法である。

また、請求項５記載の発明は、前記第２発光素子の結晶成長を行う前に、前記第１発光素子の積層体上及び前記第１発光素子と第２発光素子とで共通のｎ型コンタクト層上にＳｉ系膜を成膜することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の２波長半導体発光装置の製造方法である。

本発明によれば、異なる波長の光を発光する２つの発光素子が同一基板上に形成されるとともに、基板の同一面側に２つの発光素子に対応するｎ電極とｐ電極が形成されるが、ｎ電極は２つの発光素子の共通のｎ側電極として共用されているので、１チップ当たりの面積を小さくすることができ、１枚のウエハから取れるチップ数を増やすことができる。

また、製造工程においては、先にＩｎの含有比率の高い窒化物で構成された活性層を有する長波長の発光素子を、短波長の発光素子よりも後にエピタキシャル成長させるようにしているので、高温下における劣化を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明による２波長半導体発光装置の概略構成を示す。

共通の成長用の基板１上に、発光波長の異なる２つの発光素子として半導体レーザＤ１、Ｄ２が集積形成されている。基板１には、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板等が用いられる。成長用の基板１の上には、各半導体レーザＤ１、Ｄ２に共通のｎ型コンタクト層２１が積層されている。

図の一点鎖線で囲んだ部分が１チップを構成するもので、実際には半導体レーザＤ１、Ｄ２を１セットとして、これを繰り返して複数個形成されたウエハから一点鎖線で囲んだ部分毎にダイシング等により切断して１チップとするものである。しかし、繰り返して形成される半導体レーザＤ１、Ｄ２のうち、隣接して形成されるもう一つの半導体レーザＤ１を示さなければ、全体形状が明確にならないために、図のように示している。また、図１に記載された矢印は、レーザ光の出射方向を示す。

半導体レーザＤ１では、ｎ型コンタクト層２１上にストライプ状のリッジ部を有する半導体積層体Ａが積層され、半導体レーザＤ２では、同じくｎ型コンタクト層２１上にストライプ状のリッジ部を有する半導体積層体Ｂが積層される。半導体積層体Ａと半導体積層体Ｂとでは層構造が異なる構成となる。半導体積層体Ａのリッジ部側面を覆うように、また、半導体積層体Ｂのリッジ部側面を覆うようにして絶縁膜８（斜線部分）が形成されている。ｎ型コンタクト層２１の一部は、エッチングにより除去されており、エッチングにより露出した面までのｎ型コンタクト層２１側面及び半導体積層体Ａ、Ｂの各側面には絶縁膜４０（斜線部分）が形成されている。なお、同じ種類の斜線が付されている領域は、同じ絶縁膜を表す。

また、半導体積層体Ａのリッジ部上部と絶縁膜８を覆うようにしてｐ電極９ａが形成され、同様に半導体積層体Ｂのリッジ部上部と絶縁膜８を覆うようにしてｐ電極９ｂが形成されている。また、半導体レーザＤ１のｐ電極９ａ上には、ワイヤボンディング等のために、ｐ側パッド電極１３ａが、半導体レーザＤ２のｐ電極９ｂ上には、ｐ側パッド電極１３ｂが形成されている。

半導体レーザＤ１、Ｄ２の間に形成されたｎ電極１２は、半導体レーザＤ１及びＤ２で共有しており、ｎ側の共通電極となっている。したがって、半導体レーザＤ２に隣接したもう１方の半導体レーザＤ１（図１の右端の半導体レーザＤ１）との間には、ｎ側パッド電極は形成されていない。ｎ電極１２上にはワイヤボンディング等のためにｎ側パッド電極１３ｂが形成されている。

以上のように、ｎ電極とｐ電極が同一面側に設けられた２波長半導体発光装置において、成長用の基板１とｎ型コンタクト層２１とをまとめて１つの基板とみなせば、同一の基板上にｎ電極１２が設けられ、このｎ電極１２を長波長の発光素子と、短波長の発光素子とで共通に使用できるようにしたことで、１チップ面積を小さくすることができ、１枚のウエハから分離してできるチップ数も増加する。

図１の２波長半導体発光装置の製造方法を図２〜図１６を使って説明する。ここで、半導体レーザＤ１を例えば青色の短波長レーザ（第１発光素子）とし、半導体レーザＤ２を例えば緑色の長波長レーザ（第２発光素子）とする。また、基板１やその上に積層される半導体層を含めたウエハは、紙面の横方向や前後方向にも拡がっているものであるが、図１と同様、繰り返して形成される半導体レーザＤ１、Ｄ２のうち、隣接して形成されるもう一つの半導体レーザＤ１を含めたＤ１、Ｄ２、Ｄ１の形成領域について示している。

まず、短波長の半導体レーザＤ１を形成するために、基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置に入れ、水素ガスを流しながら、１０５０℃程度まで温度を上げ、基板１をサーマルクリーニングする。温度を６００℃程度まで下げ、ｎ型コンタクト層２１としてＳｉドープのｎ型ＧａＮコンタクト層２１１を成長させる。その後、ＭＯＣＶＤ装置内の温度を再び１０００℃程度まで上げ、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２２、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ光ガイド層２３を成長させる。

次に、温度を約７５０℃まで下げて、ＩｎＧａＮ活性層２４を成長させる。その後温度を１０００℃〜１１００℃程度まで上げて、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ光ガイド層２５、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層２７を順次積層する。

ＩｎＧａＮ活性層２４は、ＩｎＧａＮ単層でも良いが、多重量子井戸構造としても良く、その場合は、井戸層をＩｎＧａＮ、バリア層（障壁層）をアンドープＧａＮ又はＩｎＧａＮで形成し、井戸層とバリア層を交互に数周期積層することで構成される。前述のように、青色の発光波長（短波長側）の半導体レーザをＤ１と仮定したので、ＩｎＧａＮ活性層２４のＩｎ組成は１５％前後とし、ＩｎＧａＮ井戸層を３０Å前後とすることが望ましい。

ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２２のＡｌの組成は１０％までとするのが望ましく、クラックを防止するためには、膜厚を１．２μｍ以下とすることが望ましい。ｎ−ＧａＮ光ガイド層２３はｎ−ＩｎＧａＮ光ガイド層としても良く、この場合Ｉｎの組成は３％までとするのが望ましい。

また、ｐ−ＧａＮ光ガイド層２５もｐ−ＩｎＧａＮ光ガイド層としても良く、この場合Ｉｎの組成は３％までとするのが望ましい。なお、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２６のＡｌは、１０％までで、膜厚としては０．４μｍまでが望ましい。

次に、図３に示すように、短波長の半導体レーザＤ１の素子形状を形成する領域にマスク４をパターニングする。次に、図４に示すようにＩＣＰなどを用いて、塩素系ガス等でｎ−ＧａＮバッファ層２１を少し削る程度までドライエッチングを行い、半導体レーザＤ１の半導体積層体Ａの形状が作製される。ここで、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２２〜ｐ−ＧａＮコンタクト層２７までが、半導体積層体Ａに相当する。

マスク４を除去して、図５に示すように、Ｓｉ系の絶縁膜５を全体に形成し、絶縁膜５の上に長波長の半導体レーザＤ２を形成する領域部分を除いてマスク６をパターニングする。絶縁膜５には、ＧａＮが成長不可能でウエットエッチングが容易なＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４等のＳｉ系膜が用いられる。このＳｉ系膜を用いることにより、後述する半導体レーザＤ２の半導体積層体Ｂを積層させる場合に、既に積層が行われた半導体積層体Ａ側に半導体層が成長することがなく、半導体積層体Ｂを構成する半導体層を順次積層していくだけで、半導体積層体Ｂの形状が得られる。そしてウエットエッチングにより、長波長の半導体レーザＤ２を形成する領域部分の絶縁膜５を除去した後、マスク６をリフトオフする。

次に、図６に示すように、半導体レーザＤ２の半導体積層体Ｂを形成する。半導体積層体Ｂを成長させるために、再び、ＭＯＣＶＤ装置内で、温度を１０００℃程度にまで上げ、ｎ−ＧａＮコンタクト層２１１の上にＳｉドープのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３２、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ光ガイド層３３を結晶成長させる。次に、温度を約７５０℃まで下げて、ＩｎＧａＮ活性層３４を成長させる。その後、温度を８５０℃程度まで上げて、Ｍｇドープのｐ型ＩｎＧａＮ層３５を成長させる。ここで、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３２〜ｐ−ＩｎＧａＮ層３５までが、半導体積層体Ｂに相当する。

ＩｎＧａＮ活性層３４は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＮ単層でも良いが、多重量子井戸構造としても良く、その場合は、井戸層をＳｉドープのｎ型ＩｎＧａＮ、バリア層をＳｉドープのｎ型ＧａＮで形成し、井戸層とバリア層を交互に数周期積層して構成することができる。前述のように、緑色の発光波長（長波長側）の半導体レーザをＤ２と仮定したので、ＩｎＧａＮ活性層３４のＩｎ組成は２０％前後とし、ＩｎＧａＮ井戸層を３０Å前後とすることが望ましい。

半導体レーザＤ１の半導体積層体Ａと同様、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３２のＡｌの組成は１０％までとするのが望ましく、クラックを防止するためには、膜厚を１．２μｍ以下とすることが望ましい。ｎ−ＧａＮ光ガイド層３３はｎ−ＩｎＧａＮ光ガイド層としても良く、この場合Ｉｎの組成は３％までとするのが望ましい。また、ｐ−ＩｎＧａＮ層３５のＩｎ組成は３％までとし、良好な膜質を得るためには０．５μｍ以下の膜厚とするのが望ましい。

ところで、従来、ｐ型の電流注入層にはＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（ただし、Ｘ＋Ｙ＝１、０≦Ｘ＜１、０＜Ｙ≦１）が用いられている。ところが、良好なｐ型伝導を示すＡｌ_ＸＧａ_ＹＮを得るためには１０００℃を超える温度で成長させることが必要である。しかし、ｐ型のＡｌ_ＸＧａ_ＹＮを１０００℃を超える温度で成長させると、特にＩｎの組成が大きい長波長側のＩｎＧａＮ活性層３４が劣化しやすく、壊れやすくなる。長波長の発光素子程、活性層に含まれるＩｎの組成が増大するが、Ｉｎの組成が増大する程、高温になると活性層中のＩｎが昇華して分離するため活性層が劣化しやすく、また壊れやすくなるので、ＩｎＧａＮ活性層３４は、９００℃以下で成長させる必要がある。

仮に、長波長側の半導体レーザＤ２を先に結晶成長させ、半導体レーザＤ２側にも半導体レーザＤ１と同様ｐ型のＡｌＧａＮやＧａＮを使用していた場合には、Ｉｎの組成が大きいＩｎＧａＮ活性層３４の成膜後に、ＩｎＧａＮ活性層３４が１０００℃〜１１００℃の高温にさらされる時間が長くなるが、短波長側の半導体レーザＤ１を先に成長させることで、Ｉｎの組成が大きいＩｎＧａＮ活性層３４の成膜後に、ＩｎＧａＮ活性層３４が１０００℃〜１１００℃の高温にさらされる時間は短くなり、ＩｎＧａＮ活性層３４の劣化を防止することができる。

さらに、半導体レーザＤ２の方では、半導体レーザＤ１の場合と異なり、ｐ−ＧａＮ光ガイド層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層を形成せずに、ＩｎＧａＮ活性層３４の上にｐ−ＩｎＧａＮ層３５を積層するようにしているので、ＩｎＧａＮ活性層３４の成膜後も９００℃以下の低温で結晶成長させることができる。また、ＩｎＧａＮ活性層３４を量子井戸構造とした場合には、バリア層をｎ型ＧａＮとすることで、井戸層と同様の温度で成長させることができるので、ＩｎＧａＮ活性層３４の劣化や破壊を防止することができる。なお、ｐ−ＩｎＧａＮ層３５は、クラッド層やコンタクト層の役割を兼ねる半導体層となる。

次に、図７に示すように、絶縁膜５を除去した後、半導体レーザＤ１、Ｄ２のストライプ状のリッジ部を同時に形成するために、絶縁膜４０を塗布した後、マスク７をスパッタで形成し、これらをパターニングし、ストライプ状の形状を形成するためのドライエッチングを行った後、フッ酸に浸し、図８のようにライトエッチングを行って絶縁膜４０の一部を溶かすとともに、リッジ部を整形する。

図９に示すように、半導体積層体Ａ、Ｂのリッジ部側面から絶縁膜４０上面に渡って、絶縁膜４０と異なる材料の絶縁膜８をスパッタにより形成し、図１０のように、再度フッ酸に浸した状態でリッジ部上の絶縁膜４０を完全に溶解させて、リッジ部上方に形成されているマスク７、絶縁膜８を除去する。

次に、図１１に示すように、ｐ電極層９１を積層した後に、ｐ電極を形成する領域にマスク１０をパターニングし、図１２に示すように、ドライエッチングにより、余分なｐ電極層９１を取り除いて、ｐ電極９ａ、９ｂを形成する。

その後、図１３のように、ｎ電極を積層する領域を除いてレジスト１１をメサパターニングし、ドライエッチングを行ってｎ電極部分の絶縁膜８、４０を除去する。次に、図１４に示すように、ｎ電極層１２１を蒸着やスパッタにより積層し、ウエハをアセトン溶液に浸す等してレジスト１１をリフトオフして半導体レーザＤ１、Ｄ２の共通電極であるｎ電極１２を形成する。

図１５に示すように、パッド電極を形成する領域を除いてレジスト４２をパターニングし、パッド電極層を蒸着やスパッタにより積層し、レジスト４２をリフトオフすると、図１６に示すように、ｐ電極９ａ上にはｐ側パッド電極１３ａが、ｐ電極９ｂ上にはｐ側パッド電極１３ｂが、ｎ電極１２上にはｎ側パッド電極１３ｃが形成される。

図１６の断面構成の全体概観を示すのが図１となる。一点鎖線で囲まれた領域がダイシング等によって分割されて、１チップとなり、２波長半導体発光装置が完成する。

本発明の２波長半導体発光装置の概略構成を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の一製造工程を示す図である。 ２波長半導体発光装置の完成した構成を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 半導体積層体Ａ
３ 半導体積層体Ｂ
８ 絶縁膜
９ａ ｐ電極
９ｂ ｐ電極
１２ ｎ電極
１３ａ ｐ側パッド電極
１３ｂ ｐ側パッド電極
１３ｃ ｎ側パッド電極
２１ ｎ型コンタクト層
４０ 絶縁膜

Claims (5)

1. 異なる波長の光を発光する２つの発光素子が同一基板上に形成され、基板の同一面側に前記２つの発光素子に対応するｎ電極とｐ電極が各々配置される２波長半導体発光装置において、
   前記ｎ電極は前記２つの発光素子の共通するｎ側の電極となっていることを特徴とする２波長半導体発光装置。
2. 異なる波長の光を発光する２つの発光素子が同一基板上に形成され、基板の同一面側に前記２つの発光素子に対応するｎ電極とｐ電極が各々配置されるとともに、前記２つの発光素子における活性層はＩｎを異なる比率で含む窒化物層で構成されている２波長半導体発光装置の製造方法において、
   前記２つの発光素子のうちＩｎの組成比率が低い方の活性層を含む第１発光素子から結晶成長させた後、Ｉｎの組成比率が高い方の活性層を含む第２発光素子を結晶成長させ、 その後に前記第１発光素子と第２発光素子の共通するｎ電極を形成することを特徴とする２波長半導体発光装置の製造方法。
3. 前記第２発光素子の活性層は、バリア層としてｎ型ＧａＮを用いたことを特徴とする請求項２記載の２波長半導体発光装置の製造方法。
4. 前記第２発光素子の活性層の結晶成長後、ｐ型の半導体層としてはＩｎＧａＮ層のみを形成することを特徴とする請求項２〜請求項３のいずれか１項に記載の２波長半導体発光装置の製造方法。
5. 前記第２発光素子の結晶成長を行う前に、前記第１発光素子の積層体上及び前記第１発光素子と第２発光素子とで共通のｎ型コンタクト層上にＳｉ系膜を成膜することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の２波長半導体発光装置の製造方法。
   

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