JP2008300584A - 窒化物系半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物半導体層に生じる段差の発生を抑制するための構成を備える窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
【解決手段】窒化物系半導体レーザ素子１０は、窒化物半導体基板１０１の主面が（１−１００）面であり、共振器端面は、主面に直交し、共振器端面を構成する劈開面において、ストライプ状導波路の少なくとも片側の脇に、窒化物半導体層表面に向けて開口した掘り込み領域である掘り込み部１１５を備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体レーザ素子及びその製造方法に関するもので、特に、特定の面方位を有する窒化物半導体基板上に窒化物半導体層が積層されたものに関する。
Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎ等のＩＩＩ族元素と、Ｖ族元素であるＮとの化合物である窒化物系半導体は、そのバンド構造や化学的安定性から発光素子やパワーデバイス用の半導体材料として期待され、その応用が試みられてきた。特に、光学情報記録装置、照明装置、ディスプレイ装置、センサなどの光源として、紫外から可視の光を発する窒化物系半導体レーザ素子を作製する試みが盛んに行われている。
この窒化物系半導体レーザ素子において、表面上に積層された窒化物半導体層と同一な材料系である窒化物半導体を基板に用いることで、積層した窒化物半導体層の品質を高め、半導体レーザ素子の特性を良好なものとすることが行われている。基板としては製造が容易な、ウルツ鉱構造を有する結晶であり（０００１）面を主面とするものが主に用いられてきた。この基板上に形成した窒化物半導体層の結晶は同じく（０００１）面を主面として成長する。
このような（０００１）面を主面として積層された、つまり［０００１］方向（Ｃ軸方向）に積層された窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子においては、量子井戸活性層における内部電界の影響で、シュタルク効果によるエレクトロン−ホール再結合確率の低下が大きいことが懸念されている。そこで、このような問題点が軽減される素子構造として、Ｃ軸から垂直な方向に積層構造を形成した窒化物系半導体レーザ素子も検討されている（特許文献１、特許文献２参照）。
このように、Ｃ軸から垂直な方向に積層された窒化物系半導体レーザ素子においては、シュタルク効果の影響の低減および量子井戸面内での結晶非対称性が高まることによる利得の増加が期待でき、またＣ軸方向に伝播する傾向のある貫通転位が積層方向へ伝播されることが抑制されることによる結晶性の向上が見込めるため、閾値電流密度が低減し、信頼性にも優れた高性能の素子特性が期待される。したがって、（１−１００）面を主面とする窒化物半導体基板を用いることも検討されてきた。
なお、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書では、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
特開平８−２１３６９２号公報 特開平１０−５１０２９号公報
しかしながら、このような（１−１００）面（ｍ面と称されることもある）を主面とする窒化物半導体基板に積層された窒化物系半導体レーザ素子においても、その特性は十分でなく、高出力までＣＷ（Continuous Wave）発振（連続発振）させたところ、十分な光出力まで到達せずに素子破壊するものが、一定の割合で存在する。
また、この従来の窒化物系半導体レーザ素子における素子破壊する割合は、長時間駆動させることにより更に上昇し、その駆動条件によって、得られた窒化物系半導体レーザ素子のほとんどが信頼性を確保できなくなる場合もある。このことより、（１−１００）面を主面とする窒化物半導体基板に積層された窒化物系半導体レーザ素子の特性には、依然従来の知見のみでは解決できない問題を内包しており、良品の歩留まりが極めて低下するのみならず、長時間の実使用において突然の破壊をおこす危険性を内包しているという課題がある。
そこで、その原因を本発明者らは詳細に検討した。その結果、共振器端面の活性層において窒化物半導体層と平行に延びた段差が生じており、平坦性が損なわれていることが分かった。さらに、このような段差が生じることにより、段差付近の結晶の損傷や、コーティング膜の被りが段差部分で不十分になることによる端面の保護効果の低下により、レーザ共振器端面の対損傷性の劣化を招来していることが判明した。
このような問題を鑑みて、本発明は、窒化物半導体層に生じる段差の発生を抑制するための構成を備える窒化物系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、本発明は、窒化物半導体層に生じる段差の発生を抑制した窒化物系半導体レーザ素子を作製する窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を提供して、その歩留まり及び信頼性を改善することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の窒化物系半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板の表面に積層された活性層を含む複数の窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成されるストライプ状導波路と、前記窒化物半導体基板とともに前記窒化物半導体層が劈開されて形成された共振器端面と、を備える窒化物系半導体レーザ素子であって、前記窒化物半導体基板の主面が（１−１００）面であり、前記共振器端面は、前記主面に直交し、前記共振器端面を構成する劈開面において、前記ストライプ状導波路の少なくとも片側の脇に、前記窒化物半導体層表面に向けて開口した掘り込み領域である掘り込み部を備えることを特徴とする。
この構成によると、劈開時に共振器端面に生じる段差を掘り込み部によってリセットすることができ、ストライプ状導波路への段差の発生が防がれる。
このような窒化物系半導体レーザ素子において、前記掘り込み部の底面は前記活性層より前記窒化物半導体基板側に位置する窒化物半導体層に達することが望ましい。
また、前記掘り込み部が、前記ストライプ状導波路から２μｍ以上２００μｍ以下の離れた位置に形成されることが望ましい。
また、前記掘り込み部の表面に保護膜が形成されることが望ましい。
また、前記掘り込み部は、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向について、前記劈開面を含む一部に設けられ、共振器方向全体に渡らないことが望ましい。
また、前記掘り込み部は、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向全体に渡って、前記ストライプ状導波路に並行に設けられるようにしてもよい。
また、１つの前記窒化物半導体レーザ素子に前記ストライプ状導波路を複数備えてもよい。
また本発明の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法は、結晶成長のための主面が（１−１００）面である窒化物半導体基板上に、活性層を含む複数の窒化物半導体層を積層する工程と、該窒化物半導体層にストライプ状導波路を形成する工程と、該窒化物半導体層に該窒化物半導体層表面に向けて開口した掘り込み領域である掘り込み部を形成する工程と、前記ストライプ状導波路および前記掘り込み部が形成されたウェハの一部に劈開の起点となる溝を設ける工程と、前記溝に沿ってウェハに外力を加え、前記主面に直交するような劈開面を形成する工程を有し、前記掘り込み部は、前記劈開面が通る位置であって、前記ストライプ状導波路の脇に形成されることを特徴とする。
このような窒化物系半導体レーザ素子の製造方法において、前記掘り込み部の底面は前記活性層より前記窒化物半導体基板側に位置する窒化物半導体層に達することが望ましい。
また、前記掘り込み部が、前記ストライプ状導波路から２μｍ以上２００μｍ以下の離れた位置に形成されることが望ましい。
また、前記掘り込み部は、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向について、前記劈開面を含む一部に設けられ、共振器方向全体に渡らないことが望ましい。
また、前記掘り込み部は、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向全体に渡って、前記ストライプ状導波路に並行に設けられるようにしてもよい。
本発明によると、掘り込み部が設けられることによって、劈開時に共振器端面に生じる段差を掘り込み部によってリセットすることができる。そのため、共振器端面に生じる段差の発生源に近い位置の掘り込み部で段差のリセットが行われ、レーザ出射動作を行うストライプ状導波路への段差の発生が防がれる。これにより、レーザ出射部における端面の損傷が防止され、長時間の駆動後にも信頼性を確保するに十分なレーザ光を出力することができる窒化物系半導体レーザ素子を歩留まり良く得られる。
また本発明によると、シュタルク効果の影響の低減および量子井戸面内での結晶非対称性が高まることによる利得の増加が期待でき、さらにＣ軸方向に伝播する傾向のある貫通転位が積層方向へ伝播されることが抑制されることによる結晶性の向上が見込めるため、閾値電流密度が低減する。その結果、信頼性に優れた高性能の素子特性を実現できる。
本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。図１は、窒化物系半導体レーザ素子の概略構成を示す正面図であり、図２、図３、図５は、窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのウェハ断面図、図４、図６は、窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのウェハ上面図、図７は、窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのレーザバー上面図、図８は、比較例の窒化物系半導体レーザ素子の劈開面の拡大模式図である。
（エピ成長による各層の形成）
結晶成長のための主面として（１−１００）面（ｍ面と称されることもある）を有するｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長技術を適宜用いることで、窒化物半導体をエピタキシャル成長させ、各窒化物半導体層を形成する。
即ち、図２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０１の主面上に、０．１〜１０μｍ（例えば４μｍ）のｎ型ＧａＮ下部コンタクト層１０２、０．５〜３．０μｍ（例えば２．０μｍ）のｎ型ＡｌＧａＮ下部クラッド層１０３（Ａｌ組成０〜０．３程度、例えば０．０２）、０〜０．３μｍ（例えば０．１μｍ）のｎ型ＧａＮ下部ガイド層１０４、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎの量子井戸層とＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎ障壁層（但しｘ１＞ｘ２≧０）の交互積層構造からなる多重量子井戸層構造を有する活性層１０５、０．０１〜０．１μｍ（例えば０．０３μｍ）のＧａＮ中間層１２０、０．０１〜０．１μｍ（例えば０．０２μｍ）のｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層１０６（Ａｌ組成０．０５〜０．４程度、例えば０．２）、０〜０．２μｍ（例えば０．０１μｍ）のＧａＮ上部ガイド層１０７、０．３〜２μｍ（例えば０．５μｍ）のｐ型ＡｌＧａＮ上部クラッド層１０８（Ａｌ組成０〜０．３程度、例えば０．０２）、およびｐ型ＧａＮ上部コンタクト層１０９を順に積層する。
尚、下部クラッド層１０３、上部クラッド層１０８は、ＡｌＧａＮのみならず、ＧａＮとＡｌＧａＮとの超格子構造や、ＧａＮとＩｎＡｌＮとの超格子構造、何層かの組成の異なったＡｌＧａＮを組み合わせるなど、所望の光学特性に合うものを使用すれば良い。また、発振波長が４３０ｎｍ程度以下と短い場合には、平均的なＡｌ組成が０．０２以上程度になるようにすることが光閉じ込め上好ましいが、井戸層を厚くしたりガイド層や障壁層を屈折率の高いＩｎＧａＮで構成することにより、ＧａＮとすることもできる。また、発振波長が４３０ｎｍ程度以上と長い場合には、ＧａＮやＡｌＧａＮが用いられうる。
また、下部ガイド層１０４、上部ガイド層１０７或いはＧａＮ中間層１２０についてはそれぞれ、上述のＧａＮの他に、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＮを使用しても良く、設計上必要なければなくても良い。また、活性層１０５は、波長約４０５ｎｍの光を放射するように、量子井戸層及び障壁層それぞれの組成と、この量子井戸層及び障壁層による交互積層構造を設定すれば良い。
更に、蒸発防止層１０６は、活性層１０５を成長させた後、上部クラッド層１０８を成長させるまでの間に活性層１０５が劣化するのを防止する役割を果たせるものであれば、ＡｌＧａＮ以外の組成やＡｓやＰ等の不純物が混入していても構わないが、活性層１０５および上部クラッド層１０８の形成条件によっては、蒸発防止層１０６自体を省略することもできる。また、上部コンタクト層１０９は、ＧａＮのみならず、ＩｎＧａＮやＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＮＰ等を用いても良い。
（リッジストライプの形成）
上述のように、各窒化物半導体をｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上にエピタキシャル成長させて、図２のような積層構造の窒化物半導体層を備えたウェハが得られると、このウェハの表面上全面に、例えばＰｄやＮｉ等を主成分とする第一のｐ電極１１２ａを真空蒸着等により形成する。即ち、図２における一番上の層である上部コンタクト層１０９の表面上全面にｐ電極１１２ａが形成される。
そして、フォトリソグラフィ工程を利用して、ｐ電極１１２ａの表面上に、幅０．５〜３０μｍ（例えば１．５μｍ）のストライプ状レジスト（不図示）を形成する。このストライプパターンは、半導体レーザの導波路に対応するもので、ウェハ上に多数平行に形成される。続いて、イオンエッチングやウェットエッチングを行うことで、ストライプ状レジストの下部以外の領域におけるｐ電極１１２ａを除去する。尚、このｐ電極１１２ａについては、後に形成するパッド電極１１２ｂと同時に作製するものとしても構わない。この場合は図２のような積層構造の窒化物半導体層を備えたウェハ表面に対して、直接、レジストを形成し、次に説明する工程を行うものとすれば良い。
そして、更に、ＳｉＣｌ4やＣｌ2ガスなどを用いた反応性プラズマによるドライエッチングにより、レジストが形成されていない領域に対して、上部コンタクト層１０９と上部クラッド層１０８の少なくとも深さ方向の一部までを除去して、リッジストライプ１１０を形成する。このとき、活性層１０６の上面から上部クラッド層１０８に向かって層厚方向に０．０５μｍ〜０．３μｍ程度の位置で、エッチングを停止することが好ましい（図３等においては便宜上上部ガイド層１０７と上部クラッド層１０８の界面位置にてエッチングを停止したように描いた）。
これにより、リッジストライプ１１０に横方向の実効屈折率差を与えることができ、屈折率導波型の導波路とすることが可能になる。このエッチングにより、レジストの下部領域における上部コンタクト層１０９と上部クラッド層１０８が他の領域よりも突出し、この突出した上部コンタクト層１０９と上部クラッド層１０８によるリッジストライプ１１０が形成される。
このように、リッジストライプ１１０が周期的に形成されたウェハに対して、その表面全面に０．１μｍ〜０．５μｍ（例えば０．３μｍ）のＳｉＯ2からなる埋込層１１１を成膜することで、形成されたリッジストライプ１１０を埋め込む。このとき、ＳｉＯ2により形成される埋込層１１１上に後述するパッド電極１１２ｂとの密着性を向上させる層を１層若しくは複数層形成しても構わない。このパッド電極１１２ｂとの密着性を向上させる層は、ＴｉＯ2やＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5等の酸化物、ＴｉＮやＴａＮ、ＷＮ等の窒化物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ等の金属を使用することで生成される。
続いて、リッジストライプ１１０上に形成されたレジストを溶剤により溶解させた後に、超音波洗浄等を行ってリフトオフすることで、レジストと共に、レジストの上面に形成された埋込層１１１を除去する。この処理が施されることにより、リッジストライプ１１０の形成されない領域に埋込層１１１を形成させた状態で、リッジストライプ１１０上面となるｐ電極１１２ａの表面を露出させる。尚、ｐ電極１１２ａが形成されていない場合は、レジストが溶解されることで、リッジストライプ１１０の上面となる上部コンタクト層１０９の表面が露出することとなる。
（パッド電極の形成）
上述のように、エッチングを施すとともに埋込層１１１が形成されることで、埋込層１１１によって埋め込まれたリッジストライプ１１０を備えたウェハが得られると、フォトリソグラフィ工程によりレジストで、ｐ電極となるパッド電極１１２ｂのパターニングが行われる。このとき、リッジストライプ１１０を中心にしてリッジストライプ１１０を十分に覆うような形状の開口部がマトリクス状に形成されたレジスト（不図示）がパターニングされる。即ち、レジストにおける開口部が、リッジストライプ１１０の延びる方向とその垂直方向に対して断続的に形成される。
そして、レジストが形成されたウェハの表面上に、Ｍｏ／ＡｕやＷ／Ａｕ等をこの順に真空蒸着等により成膜し、リッジストライプ１１０の表面上に形成されたｐ電極１１２ａの大部分が接触するようにｐ電極となるパッド電極１１２ｂ（図３、図４参照）を形成する。尚、リッジストライプ１１０の形成前にｐ電極１１２ａを作製しなかった場合には、このパッド電極１１２ｂを形成する工程において、外部から電力を供給するためのｐ電極としてＮｉ／ＡｕやＰｄ／Ｍｏ／Ａｕ等を成膜すれば良い。
続いて、レジストを溶剤により溶解させた後に、超音波洗浄等を行ってリフトオフすることで、レジストと共にレジストの上面に形成された金属膜を除去することで、レジストにおける開口部と同一の形状のパッド電極１１２ｂを形成する。尚、このレジストにおける開口部の形状は、ワイヤボンド領域等を考慮して所望のものとすることができる。
このパッド電極１１２ｂは、窒化物系半導体レーザ素子１０（図１参照）としてウェハを分割する際の分割面や次工程における後述する掘り込み部１１５の形成位置に近い部分にまで形成された場合、リークや電極はがれの危険性がある。そのため、上述したようなパッド電極１１２ｂのパターニングを行う。尚、このパッド電極１１２ｂのパターニングは、リフトオフ法でなく選択メッキ法により行なうことも可能である。また、エッチング法によることもでき、このときは、ｐ電極材料となる金属膜を、ウェハ全面に蒸着し、フォトリソグラフィによりパッド電極１１２ｂとして残したい部分をレジストで保護してから、例えば王水系のエッチング液でパターニングすることで、パッド電極１１２ｂを形成することができる。
（リッジストライプ脇における掘り込み部の形成）
このようにパッド電極１１２ｂを形成すると、次に、活性層近傍の段差が窒化物系半導体レーザ素子１０（図１参照）の劈開面に生じることを防ぐための掘り込み部の形成を行う。まず、フォトリソグラフィ工程により、リッジストライプ１１０の両側におけるパッド電極１１２ｂのない領域に開口部を備えるレジスト（不図示）を作製する。このようにレジストを作製すると、ドライエッチングを行うことによって、開口部における窒化物半導体層の掘り込みを行う。このとき、ＳｉＯ2からなる埋込層１１１をドライエッチングやウェットエッチングで除去し、続いてドライエッチングにて埋込層１１１の下の窒化物半導体層を掘り込むことで、開口部に対して掘り込み部１１５（図５、図６参照）を設ける。
更に、このようにレジストの開口部に対して掘り込まれたウェハ面に対して、スパッタやＣＶＤなどによりＳｉＯ2の製膜を行うことで、その厚みが０．１５μｍ程度となるＳｉＯ2膜を形成する。そして、このようにＳｉＯ2膜が成膜されたウェハから溶剤によりレジストを溶解させた後に、超音波洗浄などを行ってリフトオフして剥離することで、レジストと共に、レジストの上面に形成されたＳｉＯ2膜を除去する。よって、開口部における掘り込み部分に、ＳｉＯ2膜による図５の断面図で示すような保護層１１６が生成される。この保護層１１６は、レジストの開口部位置での掘り込み部分である掘り込み部１１５におけるエッチング底面や側面を保護するための層である。
（ｎ側電極形成）
このようにして、掘り込み部１１５を形成すると、この掘り込み部１１５の形成されたウェハの裏面（ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面）を研削・研磨することで、このウェハの厚みを６０〜１５０μｍ（例えば、１００μｍ）程度とする。そして、ウェハの裏面（研削・研磨された面）にＨｆ／ＡｌやＴｉ／Ａｌをこの順に真空蒸着などで成膜して、ｎ電極１１３ａを形成する。また、このｎ電極１１３ａのオーミック特性を保証するための熱処理が施される。更に、窒化物系半導体レーザ素子１０（図１参照）をマウントする際にマウントを容易に行うためのメタライズ電極１１３ｂを、ｎ電極１１３ａを覆うようにＡｕなどの金属膜を蒸着させることで、形成する。
（ミラー面の作製）
このようにしてｎ電極１１３ａ及びメタライズ電極１１３ｂそれぞれがウェハの裏面に形成されると、分割線の一部にあたる位置にスクライブライン（線状の傷）１１７を形成して、リッジストライプ１１０にほぼ垂直な方向に劈開し、共振器長となる幅３００〜２０００μｍ（例えば８００μｍ）の複数のバーを作製する。
スクライブライン１１７は通常、ウェハの一方の端にのみ設ければよいが、分割線位置の所々に設けてバーへ劈開する際の分割線がずれないような工夫をすることもできる。いずれの場合も、劈開はスクライブライン１１７を起点として、一方向に進み（図７における矢印方向）、バー状に劈開されることになる。この劈開した面により共振器端面が構成される。ウェハの厚みを薄く調整したため、劈開を正確に行うことができる。このスクライブライン１１７の形成を行うために、ダイヤモンドポイントスクライブやレーザスクライブによる傷入れが用いられる。
このようなバーの分割面はウルツ鉱型窒化物半導体の劈開面であり、積層面に対して垂直となるものが選ばれる。（１−１００）を主面とする基板が用いられた場合のこのような劈開面としては、（０００１）面が挙げられる。つまり、ウェハの［１−１００］方向に沿った分割線が選ばれ、導波路はあらかじめこのようになるようにアライメントされている。また、選ばれる劈開面としては、（１１−２０）面も挙げられるが、（０００１）面を選定する場合と比較すると、分割線がずれやすく、プロセスの制御に厳密性が要求される。この場合にはウェハの［０００１］方向に沿った分割面が選ばれる。また、（１１−２６）面を選定しても劈開が可能な場合もある。
そして、図７に示す、複数の窒化物系半導体レーザ素子１０（図１参照）が連続したバーの両側の共振器端面に対して、コーティング膜形成が成される。所望の反射率となるように、リア側、フロント側のコーティング膜の構成を選定すればよいが、例えば、リア側となる共振器端面に対して、２層以上の積層体からなる高反射膜（図示せず）を形成することができ、また、フロント側となる共振器端面に対して、１層以上の積層体からなる低反射膜（図示せず）、例えばアルミナの５％コーティング膜を形成することができる。このようにすることで、このバーから形成される窒化物系半導体レーザ素子１０（図１参照）では、その内部で励振されて生成するレーザ光をフロント側となる共振器端面から出射することができる。
（レーザチップ化）
更にこのようにして共振器端面に反射膜が形成されたバーを、幅２００〜３００μｍ程度にチップ分割することで、図１でしめすような窒化物系半導体レーザ素子１０が得られる。このとき、例えば、リッジストライプ１１０が窒化物系半導体レーザ素子１０の中央位置となるように分割するなどのように、リッジストライプ１１０に影響を与えない位置を分割位置として分割を行う。
そして、このようにして分割されることで得られた窒化物系半導体レーザ素子１０はステム上にマウントされ、ワイヤ等により外部からｐ電極となるパッド電極１１２ｂ及びｎ電極となるメタライズ電極１１３ｂに電気的に接続される。このステム上にマウントされた窒化物系半導体レーザ素子１０を封止するために、ステム上にキャップが施されることで、半導体レーザ装置として提供される。
（特性評価）
このようにして得られた窒化物系半導体レーザ素子１０の光出力を評価したところＣＷ（連続波）駆動で６００ｍＷ程度の光出力を得た。そして、駆動電流をさらに増加したところ、デバイスが破壊しそれ以上の光出力は得られなかった。破壊の状況を詳細に観察すると、光出射側の導波路の端面において結晶が吹き飛んでおり、機械的に共振器端面が破壊していた。これにより、ＣＯＤ（光学損傷）レベルが約６００ｍＷであると測定された。
一方、比較例として、掘り込み部１１５を設けない他は上記の窒化物系半導体レーザ素子１０と同様に製造した窒化物系半導体レーザ素子を作製し、そのＣＯＤレベルを評価したところ、約１５０ｍＷであり、本発明の窒化物系半導体レーザ素子１０より明らかに劣っていた。
（検討）
比較例について、劈開後のバーの劈開面３００をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて詳細に観察したところ、活性層付近の位置において、積層面に平行に、０．１μｍ以下程度の非常に微小な段差３０１が生じていた（図８参照）。このような段差は、レーザの発振動作を妨げるほどの影響のあるものでなく、詳細に分析を行わないと判明しない程度のものであり、従来、（１−１００）を主面とする基板が用いられ、劈開法により形成されたレーザ素子において存在することが知られていなかった。一方、本発明の劈開後のバーにおいては、導波路付近の劈開面にこのような段差はほとんど観察されず、平坦であった。
よって本発明は、（１−１００）面上の窒化物半導体の積層構造による半導体レーザ素子構造において、（１−１００）面に垂直な面で劈開を行うと、このような段差が生じる、という現象を抑制している。
一般に、窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層にはエネルギーギャップが小さく格子定数が比較的大きい材料（例えばＩｎＧａＮ）が多く用いられ、それを挟むガイド層やクラッド層にはエネルギーギャップが大きく格子定数が比較的小さい材料（例えばＧａＮやＡｌＧａＮ）が用いられるので、活性層には格子定数差による歪を内包している。
また、このような活性層の材料とガイド層やクラッド層の材料とは、機械的な性質も異なると考えられる。このような積層構造をまとめて（１−１００）面に垂直な面で劈開しようとした場合に、活性層の上側の諸層と下側の諸層はそれぞれが一体となって分割されるが、ＩｎＧａＮを含む活性層のところで微妙にずれてしまい、劈開が一方向に進む間に徐々にずれが蓄積されて段差が生じるものと推測している。
掘り込み領域においては、表面から活性層の下まで、分割面に当たる位置が掘り込まれているので、掘り込み部１１５によって衝撃波の伝達が防がれて、掘り込み部１１５において段差が一度クリアされる。そのため、掘り込み部１１５とリッジストライプ１１０との間に劈開時のステップが形成されない限り、掘り込み部１１５とリッジストライプ１１０との間において、活性層１０５付近に窒化物半導体層に平行に走る段差３０１の発生確率を大きく減少させることができる。
このように掘り込み部１１５を形成するとき、掘り込み部１１５の位置は、好ましくはリッジストライプ１１０のエッジ位置から２μｍ以上の位置となるようにする。この掘り込み部１１５のエッジ位置がリッジストライプ１１０から２μｍ以下の距離とされると、掘り込み部１１５による構造が、窒化物系半導体レーザ素子１０の光学特性に影響を与えてしまう。逆に掘り込み部１１５をあまり離間させると段差が一度クリアされる効果が希釈されるので、リッジストライプ１１０のエッジ位置から約２００μｍ以下の距離に形成するのが適当であり、掘り込み部１１５のエッジ位置とリッジストライプ１１０の間において、ウェハ表面に段差が形成されないようにする。
更に、活性層の下面から掘り込み部１１５の底面までの距離は、分割予定ライン上の少なくとも一部において１μｍ未満となることが好ましい。あまり深く掘り込むと、その位置にウェハの表面側から裏面側までの上下の全体的に劈開面のずれが生じる怖れがあるためである。
また、掘り込み部１１５は、図７に示すように、リッジストライプ１１０の両側に設けたが、原理的には劈開の進行する上流側のみの片側でもよい。掘り込み部１１５が劈開時の衝撃波が伝播する方向に対してリッジストライプ１１０の手前にあれば（掘り込み部１１５が分割溝とリッジストライプ１１０との間に形成されていれば）、本発明の効果が得られる。
しかしながら、両側に設けておけば、どちら側から劈開を行ってもよいので便利であり、特に、プロセス中にウェハ端部に欠けなどが生じた場合、欠けの生じた側にスクライブラインを入れるのは困難であるが、こうすることにより予定していた側と反対側からスクライブラインを入れることもできるので、両側に設けたほうが生産性に優れている。
また、ウェハをバー状に分割する際において、予期せぬバー幅のずれ（レーザの共振器長ずれ）を防止するためにウェハの中ほどにも分割溝を設ける（スクライブラインを同一線上に複数設ける）こともできる。この場合、衝撃波の伝播方向が分割線状で、一定とならない場合も懸念される（ウェハのごく一部において逆方向に劈開が進行することもある）ので、活性層１０５付近の平行段差３０１の発生を確実に防止して歩留まりを向上させるためには、掘り込み部１１５がリッジストライプ１１０の両側にあったほうが望ましい。
また、上記の実施形態においては、分割線上のリッジストライプ１１０近傍にのみ掘り込み部１１５を作製するものとし、窒化物系半導体レーザ素子１０の４隅に相当する位置に掘り込み部１１５が形成されるものとした。しかしながら、この掘り込み部１１５については、リッジストライプ１１０近傍以外の全面を先の条件に当てはまるようにエッチングして構成することもできる。
特に、リッジストライプ１１０と平行にストライプ溝状の掘り込み領域を共振器長方向に渡って設ければ、劈開が行われる線上（分割予定ライン）と掘り込み領域のアライメントを考慮する必要が無いので、生産工程管理上有利である。但し、このストライプ状の掘り込み部１１５を形成する場合には、ワイヤーボンディング位置が通常ストライプから離間しているので、掘り込み部において電流のリークが起こらないよう、パッド電極の形成に注意が必要で、パッド電極１１２ｂの形成に先立って掘り込み部１１５を絶縁膜で埋め込む必要がある。
また、上記の製造工程の説明において、掘り込み部１１５の形成は、リッジストライプ１１０の形成工程よりも後に行われるものとしたが、掘り込み部１１５の形成をリッジストライプ１１０の形成に先立って行なうものとしても構わない。この場合、埋込層１１１のエッチングや掘り込み部１１５における保護層１１６の作製が必要なくなるため、窒化物系半導体レーザ素子製造時の工数を低減することができる。更に、掘り込み部１１５への電流リークの危険性が小さければ、掘り込み部１１５に対して保護層１１６を設けなくても構わないし、逆に、保護層１１６の膜厚を厚くして、掘り込み部１１５を完全に埋めるような形状としても構わない。
本発明の窒化物系半導体レーザ素子は、光ピックアップや液晶ディスプレイ、レーザディスプレイ、照明装置などの様々な光源装置に使用される半導体レーザ装置に適用することができる。即ち、例えば、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）等の光学特性の制御に係る制約は弱いものの、出力が数Ｗと大変な高出力である、照明用のブロードエリア半導体レーザ装置に対しても、本発明の窒化物系半導体レーザ素子を適用することができる。
即ち、このブロードエリア半導体レーザ装置は、高出力であるために窒化物系半導体レーザ素子の共振器端面にかかる負担が大きくなり、本発明の窒化物系半導体レーザ素子のように、共振器端面に段差がないことが必須である。従って、ブロードエリア半導体レーザ装置に用いられる窒化物系半導体レーザ素子のリッジストライプ脇に掘り込み部を設け、段差を防止すると信頼性向上が期待できる。このブロードエリア半導体レーザ装置においては、窒化物系半導体レーザ素子のリッジストライプ幅を５〜１００μｍとすれば良い。
また、本発明の窒化物系半導体レーザ素子は、上述したリッジ型のストライプ状導波路を持つ窒化物系半導体レーザ素子だけでなくこのリッジ型以外にもＢＨ（埋め込みヘテロ）型やＲｉＳ（Ridge by Selective re-growth）型等のストライプ状導波路を持つ窒化物系半導体レーザ素子においても適用することも可能である。また、１つの窒化物系半導体レーザ素子に複数のストライプ状導波路を設けてもよい。
また、上記実施形態の図面においては、リッジストライプを形成するためのエッチングは、リッジストライプ以外の全域をエッチングするように図示したが、リッジ型導波路の構成のために、このように全域エッチングする必要はなく、導波路近傍にのみ行えば十分で、例えば、リッジ端から３〜３０μｍの程度のみをエッチングするようにしてもよい（ダブルチャネル構造）。
このようなダブルチャネル構造とした場合、掘り込み領域は、半導体層表面から掘り込まれることもあるが、このような形状としても、効果は同等である。尚、ＢＨ型となる窒化物系半導体レーザ素子の場合は、導波路を構成するメサを規定するエッチングの底面よりも、より基板側に掘り込み部の底面を位置させればよい。更に、本発明の窒化物系半導体レーザ素子は、上述した構成におけるｐ型およびｎ型を反転してｎ型半導体側に導波路を作製するものにも適用可能である。
本発明の窒化物系半導体レーザ素子は、光ピックアップや液晶ディスプレイ、レーザディスプレイ、照明装置などの様々な光源装置に使用される半導体レーザ装置に適用することができる。
本発明の窒化物系半導体レーザ素子の概略構成を示す正面図である。 本発明の窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのウェハ断面図である。 本発明の窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのウェハ断面図である。 本発明の窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのウェハ上面図である。 本発明の窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのウェハ断面図である。 本発明の窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのウェハ上面図である。 本発明の窒化物系半導体レーザ素子の製造工程を説明するためのレーザバー上面図である。 比較例の窒化物系半導体レーザ素子の劈開面の拡大模式図である。
符号の説明
１０ 窒化物半導体レーザ素子
１０１ 窒化物半導体基板
１０５ 活性層
１１０ リッジストライプ（ストライプ状導波路）
１１５ 掘り込み部
１１６ 保護膜
３００ 劈開面（共振器端面）

Claims (12)

  1. 窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板の表面に積層された活性層を含む複数の窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成されるストライプ状導波路と、前記窒化物半導体基板とともに前記窒化物半導体層が劈開されて形成された共振器端面と、を備える窒化物系半導体レーザ素子であって、
    前記窒化物半導体基板の主面が（１−１００）面であり、
    前記共振器端面は、前記主面に直交し、
    前記共振器端面を構成する劈開面において、前記ストライプ状導波路の少なくとも片側の脇に、前記窒化物半導体層表面に向けて開口した掘り込み領域である掘り込み部を備えることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。
  2. 前記掘り込み部の底面が前記活性層より前記窒化物半導体基板側に位置する窒化物半導体層に達することを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  3. 前記掘り込み部が、前記ストライプ状導波路から２μｍ以上２００μｍ以下の離れた位置に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  4. 前記掘り込み部の表面に保護膜が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  5. 前記掘り込み部は、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向について、前記劈開面を含む一部に設けられ、共振器方向全体に渡らないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  6. 前記掘り込み部は、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向全体に渡って、前記ストライプ状導波路に並行に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  7. 前記ストライプ状導波路を複数備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  8. 結晶成長のための主面が（１−１００）面である窒化物半導体基板上に、活性層を含む複数の窒化物半導体層を積層する工程と、
    該窒化物半導体層にストライプ状導波路を形成する工程と、
    該窒化物半導体層に該窒化物半導体層表面に向けて開口した掘り込み領域である掘り込み部を形成する工程と、
    前記ストライプ状導波路および前記掘り込み部が形成されたウェハの一部に劈開の起点となる溝を設ける工程と、
    前記溝に沿ってウェハに外力を加え、前記主面に直交するような劈開面を形成する工程を有し、
    前記掘り込み部は、前記劈開面が通る位置であって、前記ストライプ状導波路の脇に形成されることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
  9. 前記掘り込み部の底面が前記活性層より前記窒化物半導体基板側に位置する窒化物半導体層に達することを特徴とする請求項８に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
  10. 前記掘り込み部が、前記ストライプ状導波路から２μｍ以上２００μｍ以下の離れた位置に形成されることを特徴とする請求項８又は９に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
  11. 前記掘り込み部は、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向について、前記劈開面を含む一部に設けられ、共振器方向全体に渡らないことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
  12. 前記掘り込み部は、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向全体に渡って、前記ストライプ状導波路に並行に設けられることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
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