JP2009004645A - 窒化物系半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、リッジストライプ構造を有する窒化物系半導体レーザ装置であって、リッジストライプが、酸窒化アルミニウムAlOxNy(y=1−2x/3)からなる埋め込み層を有することを特徴とする。
【選択図】図17
Description
本実施例において製造した窒化物系半導体レーザ装置の製造工程を図1〜図16に示す。この窒化物系半導体レーザ装置は、複数の窒化物系半導体層を含み、各層はMOCVD法で堆積した。
まず、図1に示すように、n型GaN基板101の第一主面上に、0.1〜10μm(たとえば4μm)のn型GaN下部コンタクト層102、0.5〜3.0μm(たとえば0.1μm)のn型Al0.1Ga0.9N下部クラッド層103、0〜0.2μm(たとえば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(ただしx1>x2)の交互積層構造からなる多重量子井戸構造の活性層105、p型Al0.3Ga0.7Nからなる蒸発防止層106、0〜0.2μm(たとえば0.1μm)のp型GaN上部ガイド層107、p型Al0.1Ga0.9N上部クラッド層108、およびp型GaN上部コンタクト層109を順に積層した。
つぎに、図2に示すように、SiO2などのマスク材115をスパッタリングや真空蒸着などにより形成した。つづいて、図3に示すように、フォト工程を利用して幅1〜3μm(たとえば1.5μm)のストライプ状レジスト114を形成した。つぎに、図4に示すように、CHF3などのエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)またはウェットエッチングにより、ストライプ状のマスク材115を形成し、レジストを剥離した。つづいて、図5に示すように、SiCl4またはCl2ガスによるRIEなどにより、上部コンタクト層109から上部クラッド層108の少なくとも一部までを掘り込んで、リッジストライプ110を形成し、光の導波が可能なストライプ状導波路を形成した。この時、エッチングは、上部クラッド層108の下面から上部クラッド層108の層厚方向に−0.2μm〜0.2μmの位置でストップするのが好ましい。ここで、上部クラッド層の成長方向を正とすると、エッチングを正の位置でストップすれば、半導体レーザの発振閾値は上昇する傾向があるが、キンクレベルが向上する利点がある。また、負の位置でストップすれば、キンクレベルは下がるが、発振閾値は低下する利点がある。しかしながら、エッチングを−0.2μm位置よりも小さく、あるいは0.2μm位置よりも大きくすると、レーザのファーフィールドパターン(FFP)などの光学特性を制御することが難しくなる。
つぎに、図8に示すように、リッジストライプ110の形成が終わったウェハに、厚さ0.1〜0.3μm(たとえば0.15μm)の埋め込み層111を形成する。埋め込み層としては、AlNの窒素の一部を酸素に置換したAlOxNy(y=1−2x/3、0<x≦1.0)を形成するのが好ましい。AlNの窒素の一部を酸素で置換することにより、AlNの熱伝導性を維持しつつ、膜応力を弱めることができる。また、従来のAl2O3と比較して、CODまたは光出力の熱飽和といった熱に起因する特性の劣化を防止することが可能となる。一方、AlNの窒素原子を酸素原子に置換することで、埋め込み層の膜応力が大幅に減少するため、半導体膜、特に活性層にかかる膜応力を大幅に減少することができる。
つづいて、リッジ上部のマスク材115と埋め込み層111とを除去して、リッジの頭出しを行なった。まず、図9に示すように、ウェハ全面に保護レジスト117を塗布した。この時、レジストは、リッジ上部のような尖った地点で薄く塗布されるため、図10に示すように、ウェハ全面に微弱な露光を施してレジスト117の上部を溶解させると、リッジ上部のみを露出させることができた。その後、図11に示すように、HFまたはBHFにより埋め込み層111およびマスク材115をリッジ上のみ溶解し、レジストを剥離するとリッジストライプ110の頂上を露出させることができた。なお、リッジストライプ110の形成にレジストを用いた場合には、溶剤でレジストを溶解させてリフトオフすることでリッジストライプ110の頂上を露出させることが可能である。
つづいて、図12に示すように、Ni/AuまたはPd/Mo/Auなどを、この順に埋め込み層111の上から真空蒸着などにより成膜し、p電極112を形成した。なお、リッジストライプ形成前に第一の金属電極を作製した場合には、外部から電力を供給するためのパッド電極としてMo/AuまたはW/Auなどを成膜するのが好ましい。また、埋め込み層111と、p電極112もしくはパッド電極との密着性に問題がある場合には、これら電極層と埋め込み層111の間に密着層を挿入するのが好ましい。埋め込み層111の形成後につづいて密着層を形成し、その後リッジの頭だしを行なえば容易にこのような構造を作製することが可能である。
つづいて、リッジストライプにほぼ垂直に劈開し、ウェハを幅500〜800μm(たとえば650μm)の複数のレーザバーとし、レーザのミラー面を形成した。ウェハの厚みが薄くなっているため、劈開は容易に行なうことができた。劈開を行なうためには、スクライブ/ブレーク法またはレーザスクライブによる活断などを用いることができる。また、レーザのミラー面はエッチングなどによっても形成することができる。つぎに、レーザバーのリア側に、2層以上の積層体からなる高反射膜(図示せず)を形成し、フロント側には、1層以上の積層体からなる低反射膜(図示せず)を形成し、レーザ光を共振器のフロント側から取り出せるようにした。
得られたレーザバーを、幅200〜300μm程度のチップに分割した。図17に、本実施例で製造した窒化物系半導体レーザ素子10の模式的な断面図を示す。分割されたレーザ素子は、ステム上にマウントし、ワイヤにより外部からp電極112およびn電極113に接続し、キャップを施し、窒化物系半導体レーザ装置を得た。本明細書においては、レーザを光ピックアップに使用する場合について説明を行なったが、本発明の効果は、他の目的で使用されるレーザにおいても得られる。たとえば、照明用に用いられるブロードエリア半導体レーザは、FFPなど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ため、いっそうリッジ周辺での発熱も大きくなる。したがって、ブロードエリア半導体レーザのリッジ脇をAlOxNy(y=1−2x/3)で埋め込めば、信頼性の向上が期待できる。ブロードエリア半導体レーザの作製方法は、本明細書中のリッジストライプの形成において、リッジストライプ幅を10〜100μmとすればよい。また、本明細書ではリッジ型の半導体レーザを例にとって述べたが、リッジ型以外のBH型またはRiS型などのレーザにも本発明を適用することも可能である。さらに、本発明のレーザの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こともできる。
本実施例においては、形成するAlOxNy(y=1−2x/3)を結晶化させることによって、さらなる熱伝導率の向上を図った。埋め込み層の形成以外は、実施例1と同様に製造した。
図8に示すように、リッジストライプ110の形成が終わったウェハに厚さ0.10〜0.3μm(たとえば0.15μm)の埋め込み層111を成膜し、リッジを埋め込んだ。この時、形成する埋め込み層AlOxNy(y=1−2x/3)が、結晶化していることが望ましい。また、結晶がc軸配向している態様がより望ましい。AlOxNy(y=1−2x/3)が結晶化している場合、特に、結晶がc軸配向しているときは、アモルファス状態で形成されている場合と比較して、光の吸収がほとんど発生せず、レーザの高出力動作時の熱的特性および信頼性を一層高めることが可能となる。
本実施例においては、ドライエッチングによりリッジ形成後、AlOxNy(y=1−2x/3)からなる埋め込み層を形成する前に、窒素プラズマを含む雰囲気中でエッチング面をプラズマ処理した。窒化物系半導体に、ドライエッチングを行なった場合、エッチング面に欠陥と窒素空孔が形成され、エッチング面に荒れなどが生じる可能性が高い。欠陥と窒素空孔が発生すると、その部分で光の吸収が起こり、熱特性の劣化を引き起こし易い。また、エッチング底面に荒れが発生した場合、その後に形成する誘電体に剥がれが発生し、電流リークなどの原因となる。しかし、ドライエッチングによりリッジを形成した後、埋め込み層を形成する前に、リッジ部のエッチング底面に窒素プラズマ処理を行なうことで、エッチング底面のエッチングダメージを軽減することができ、その後に形成する誘電体層の膜質と結晶性を大幅に向上させ、さらに高い密着性を得ることを可能とする。本実施例では、埋め込み層の形成以外は、実施例1と同様にしてレーザ装置を製造した。
図8に示すように、リッジストライプ110の形成が終わったウェハに、エッチングによって発生したダメージを回復するために、窒素プラズマ処理を行なった。窒素プラズマ処理はECRスパッタリング装置を用いて行ない、その後、誘電体AlOxNy(y=1−2x/3)の形成を行なった。また、処理雰囲気は、窒素プラズマとアルゴンプラズマの混合雰囲気とし、室温で5分間処理した。プラズマ処理終了後、引き続いて、厚さ0.1〜0.3μm(たとえば0.15μm)の埋め込み層111を形成し、リッジを埋め込んだ。形成する埋め込み層AlOxNy(y=1−2x/3)は、結晶化し、結晶がc軸配向している態様が望ましい。
Claims (8)
- リッジストライプ構造を有する窒化物系半導体レーザ装置であって、前記リッジストライプが、酸窒化アルミニウムAlOxNy(y=1−2x/3)からなる埋め込み層を有することを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置。
- 酸窒化アルミニウムAlOxNy(y=1−2x/3)からなる前記埋め込み層は、0<x≦1.0であ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装置。
- 前記酸窒化アルミニウムは、結晶化されていることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物系半導体レーザ装置。
- 前記酸窒化アルミニウムは、結晶がc軸配向していることを特徴とする請求項3に記載の窒化物系半導体レーザ装置。
- リッジストライプ構造を有する窒化物系半導体レーザ装置の製造方法であって、前記リッジストライプが、酸窒化アルミニウムAlOxNy(y=1−2x/3)からなる埋め込み層を有し、前記埋め込み層は、酸素と窒素を含むガスを原料として電子サイクロトロン共鳴により生成した酸素プラズマと窒素プラズマの雰囲気中において形成することを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記電子サイクロトロン共鳴におけるプラズマ生成のマイクロ波パワーが、200W〜800Wであることを特徴とする請求項5に記載の窒化物系半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記リッジストライプ構造は、ドライエッチングにより形成することを特徴とする請求項5または6に記載の窒化物系半導体レーザ装置の製造方法。
- ドライエッチングにより形成したエッチング面を、窒素プラズマを含む雰囲気中でプラズマ処理を行なった後に、前記埋め込み層を形成することを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ装置の製造方法。
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