JP2009212336A - 窒化物系半導体レーザの製造方法および窒化物系半導体レーザ - Google Patents

窒化物系半導体レーザの製造方法および窒化物系半導体レーザ Download PDF

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Abstract

【課題】窒化物半導体材料のような不純物の拡散が容易で無い材料系において、GaAlAs系やAlGaInP系などで従来行われてきた局所的不純物拡散に代わる、効果的で、精度の良い、量産化に適した、窒化物系半導体レーザの製造方法およびその製造方法で製造される窒化物系半導体レーザを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る窒化物系半導体レーザの製造方法は、Inを含む窒化物半導体で形成されたMQW活性層4を備える基板を準備する工程、MQW活性層4の光出射端面または光出射端面予定部の近傍に選択的にレーザを照射する工程、その後に加熱処理する工程を備えて構成される。
【選択図】 図5

Description

この発明は、窒化物系半導体レーザの製造方法および窒化物系半導体レーザに関するものである。
半導体レーザダイオードにおいて200mWを越す高出力動作を実現する上で、端面の光吸収による端面破壊が問題になる。これを防ぐためにこれまで赤色レーザダイオードでは端面のバンドギャップを広げることで光吸収を低減する窓構造が採用されてきた。窒化物系半導体レーザの高出力化を図るためにも同様の窓構造が有効であることが期待される。
バンドギャップを広げる方法としては活性層である多重量子井戸(MQW)層端部を無秩序化して混晶化し、中心部よりも高いバンドギャップを有する窓部を得るのが一般的である。窒化物系半導体レーザにおいても同様の方法が提案されている。
この際に、窓部を選択的に無秩序化するために、固層拡散による無秩序化を行う方法(特許文献1)、イオン注入+アニールによる無秩序化を行う方法(特許文献2)などが先行例として挙げられる。特許文献2ではアニールの際に局所的に加熱する補助的手段としてレーザを局所的に照射する方法が開示されている。また方法を問わず不純物の分布を規定する先行例(特許文献3)が存在する。
その他、Inを含む窒化物系III-V族化合物半導体の共振器端面をH2を含む雰囲気にさらすことにより端部のIn離脱を行いバンドギャップを大きくする方法(特許文献4)や、共振器端面にレーザ光を照射することによりIn離脱を行いバンドギャップを大きくする方法(特許文献5)が先行例として挙げられる。
また、外部からの不純物の局所的拡散等を用いない方法として、レーザパルスによる欠陥生成により選択的に無秩序化を起こす例(非特許文献1)がある。
特開2006−140387号公報 特開2006−229210号公報 特開2007−214361号公報 特開2006−147814号公報 特開2006−147815号公報 IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.33,No.1(1997)P45.
しかしながら、特許文献1〜3はいずれも不純物をMQW活性層に局所的に拡散させることで構成元素の相互拡散温度を低減し、選択的な無秩序化を図るもので、窒化物半導体のような不純物の拡散が容易で無い場合には形成が困難である。また、不純物の拡散はキャリアの増大を伴うため、光吸収を増加させることになり、本来の窓形成の目的である光吸収低減と矛盾する効果を含んでいる。
特許文献4,5は窒化物系半導体についてであり、いずれも端面からInを抜いて組成を変化させる方法であるが、該工程は端面形成後に行う必要があり工程が複雑化し量産化に適さないという問題があった。また、非特許文献1はInGaAs−InGaAsP系MQWについて述べられているが、窒化物半導体の窓構造形成に関しては述べられていない。
本発明は上述した問題を解決するためになされたもので、窒化物半導体材料のような不純物の拡散が容易で無い材料系において、GaAlAs系やAlGaInP系などで従来行われてきた局所的不純物拡散に代わる、効果的で、精度の良い、量産化に適した、窒化物系半導体レーザの製造方法およびその製造方法で製造される窒化物系半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明に係る窒化物系半導体レーザの製造方法は、Inを含む窒化物半導体で形成された多重量子井戸(MQW)活性層を備える基板を準備する工程、多重量子井戸活性層の光出射端面または光出射端面予定部の近傍に選択的にレーザを照射する工程、その後に加熱処理する工程を備えて構成される。
以上の方法により、レーザビームによる局所的な欠陥生成と加熱によるMQW活性層の選択的無秩序化を行うため、窒化物系半導体では困難とされている不純物拡散を必要とせず無秩序化を行うことが可能となる。加えて、不純物拡散のために全体を高温長時間処理する場合に生じる特性の劣化、不必要な不純物導入による端面の吸収増加などの問題の無い製造方法により端面窓構造の形成が可能になるため、高信頼性の高出力窒化物系半導体レーザを得ることが可能となる。
また、レーザは端面形成前の基板におけるMQW活性層に対して選択的にレーザをスキャンすることで局所的な窓構造を形成でき、従来の拡散や注入に必要な転写によるパターニング工程が不要となり、生産性が向上し低コスト化を図ることが可能である。
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
<実施の形態1>
(構成)
図1,2を基に、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの構成を説明する。図1は本実施の形態に係る製造方法を用いて製造された窒化物系半導体レーザを光出射端面側から見た概観図、図2は図1に示す窒化物系半導体レーザのA−A’断面を横方向から見た概観図である。
この半導体レーザは、例えば青色レーザを発生する窒化ガリウム系半導体レーザであり、図2に示すように、図1に示す窒化物系半導体レーザのA−A’断面において、n型窒化物半導体基板であるn型GaN基板1上に、n型AlGaNクラッド層2、n型GaNガイド層3、InGaN/GaNによるMQW活性層(多重量子井戸活性層)4、p型GaNガイド層5、p型AlGaNクラッド層6、p型GaNコンタクト層7、およびp電極9が積層されている。また、n型GaN基板1の裏面には、n電極10が形成されている。
MQW活性層4の端面近傍にはMQW活性層4が混晶化された結果バンドギャップが広がった窓構造である無秩序化領域12が形成される。よって、MQW活性層4に存在するp型不純物濃度は他の領域より光出射端面近傍で低く形成され、かつMQW活性層4のバンドギャップは他の領域より光出射端面近傍で広く形成される。
図1に示すように、光出射端面側において無秩序化領域12はMQW活性層4の端部を残して形成される。またp型AlGaNクラッド層6の上層部およびp型GaNコンタクト層7によりリッジ導波路(リッジ)13が形成され、リッジ導波路13の側面から該側面下部と繋がるp型AlGaNクラッド層6の上面にかけて絶縁膜8が設けられ、さらにリッジ導波路13の上面および絶縁膜8を覆うようにp電極9が設けられている。
図1,2に示すように、無秩序化領域12は光出射端面側においてリッジ導波路13の側面から外側の距離Bは約5μm、光出射端面から内側の距離Cも約5μmで形成される。
(製法)
次に図3〜7を基に、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法のうち、特に窓部12の形成に係るウエハプロセスフローを説明する。
図3はエピタキシャル成長後の基板を示す。まず、図3に示すようにGaN基板にMOCVDを用いて必要な各層を成長させ、不純物Inを1E18cm-3以上ドーピングされたMQW活性層4を備える、窒化物半導体で形成されたウェハ状の基板を準備する。このウエハを加工するプロセスにおいて転写に必要なマーク形成をレーザを照射して行う。
図4は、図3に示すD部分を拡大した図である。14は窒化物系半導体レーザにおいて光出射端面となる光出射端面予定部14を示す。図5は、レーザ照射工程におけるウエハを示す。ウエハ上面からパルスレーザビームをスキャンして重ね合わせマークを形成すると共に、光出射端面または光出射端面予定部14の近傍に選択的にパルス状のレーザをスキャンして照射する。すなわち、Inを含む窒化物半導体のMQW活性層4を備えたウエハの上面からレンズ15により集光したレーザ16を局所的に照射し、選択的に欠陥形成領域11を生成する。その際にレ−ザ16を照射する工程は窒素を含む雰囲気中で行う。
本実施の形態では、波長405nm用半導体レーザの作製時において、レーザダイオード励起のNd:YV04レーザからの発振波長355nmのレーザを選定することで、405nmの波長に対応するバンドギャップであるMQW活性層4と357nmの波長に対応するバンドギャップであるn型GaNガイド層3およびp型GaNガイド層5には吸収されるが、340nmの波長に対応するバンドギャップであるn型AlGaNクラッド層2およびp型AlGaNクラッド層6には吸収されない条件を実現している。すなわち、照射するレーザのエネルギーは、n型AlGaNクラッド層2およびp型AlGaNクラッド層6のバンドギャップエネルギーより低く、かつMQW活性層4のバンドギャップエネルギーより高い。
また、GaN系材料は熱伝導率が高いため、必要以上の部分に対して熱を伝導させないようにレーザはパルス状とし、パルス幅を狭くするとともに光のパワー密度を高くする。例えば20nsのパルス幅とし、繰り返し周波数を60kHzとし周期を長くすることで照射中にのみ高温となるようにする。こうすることでレーザビームが照射された部分のみを高温化することが出来る。
レーザ照射によるMQW活性層4及び周辺部のGaNを含む層の温度上昇時の最高温度は、1600℃以下に抑える。このためにレーザパワー及び照射時間を最適化した。図10にレーザ出力1mW、10mW、50mWにおける、レーザパルス出力の照射時間とMQW活性層4の発光波長の関係を示す。最適化した結果、ここではレーザ出力50mW、パルス幅20ns、繰り返し周波数60kHz、ビーム直径2μmとしスキャン速度5mm/secとした。
また、レーザの照射領域について、光出射端面から内部に向かって深く入りすぎると窒化物系半導体レーザの発振効率が低下してしきい値の増加を招く一方、浅過ぎると十分な窓効果が得られない。また、リッジ導波路13側面から外側への広がりを狭くすると出射ビーム形状を劣化させるが、広すぎるとレーザのスキャン時間が長くなり製造工程時間の増大を招く。レーザ照射領域は基板に設けられるリッジまたはリッジ予定部の側面から外側の距離が2μm以上10μm以下、光出射端面または光出射端面予定部14から内側の距離が2μm以上10μm以下とするのが良い。図8にリッジ形成後でありプロセス途中の窒化物系半導体レーザの1チップ相当領域の上面図、図9に斜めからの概観図を示す。図8,9に示すように、レーザの照射部分は光出射端面予定部14から素子内部に向かって距離C=5μmとし、またリッジ側面から外側への距離B=5μmとした。上述のレーザ照射領域をスキャンしてレーザを照射する。
図6は、熱処理工程におけるウエハを示す。レーザ照射工程後、MQW活性層4の無秩序化を行うために窒素ガス雰囲気中で熱処理を行い、無秩序化領域12を形成する。すなわち、窒素を含む雰囲気中で加熱処理する。この際、図示していないが、熱処理による結晶表面からの窒素抜けを防ぐための表面保護のために、表面全面にSiN膜をCVDで形成した。図11に熱処理の温度800℃、900℃、1000℃、1100℃における、熱処理時間とMQW活性層4の発光波長の関係を示す。加熱処理は1000℃以上1400℃以下で行うのが良い。最適条件として、RTA装置でN2雰囲気中1100℃、2分とした。加熱処理はN2、アンモニア、ジメチルヒドラジンのいずれかを含むガス雰囲気中で行う。
BHFによりSiN膜を除去した後は、通常のレーザダイオードプロセスフローで窒化物系半導体レーザを形成したので、ここでの詳細な説明は省略する。通常のプロセス完了後、図7に示す窒化物系半導体レーザが完成する。
(効果)
パルスレーザを照射した部分は高いエネルギーが結晶格子にあたることで本来の格子位置から飛び出した格子欠陥を生じさせる。このような格子欠陥が存在すると原子の相互拡散が容易に起こるため、レーザ照射後に行う熱処理により、本来は高温を必要とした相互拡散を格子欠陥の存在する付近だけに選択的に生じさせることが可能になる。すなわち、パルスレーザビームによる局所的な欠陥生成と加熱によるMQW活性層4の選択的無秩序化を行うことにより、窒化物系半導体では困難とされている不純物拡散を必要とせず無秩序化を行うことが可能となる。
こうしてInGaN/GaN−MQW活性層4が相互拡散による無秩序化で混晶組成のInGaNになると量子井戸準位で決まっていたバンドギャップが、混晶のバンドギャップとなり実質的なバンドギャップを広げることが可能となる。また、不純物拡散のために全体を高温長時間処理する場合に生じる特性の劣化、不必要な不純物導入による端面の吸収増加などの問題の無い製造方法による端面窓構造の形成が可能になるため、高信頼性で高出力な窒化物系半導体レーザを得ることが可能となる。
窒化物系半導体は1000℃以上の高温処理が必要であるとともに、高温処理中の窒素抜けを補うための処置を行わないと結晶が劣化してしまう。このため処理温度と雰囲気の制御が重要になる。
このようにして形成した窒化物系半導体レーザについて、MQW活性層4に存在するp型不純物濃度は他の領域より光出射端面近傍で低く形成され、かつMQW活性層4のバンドギャップは他の領域より光出射端面近傍で広く形成されるMQW活性層4を備えた構造により、光損失の無い窓構造を実現することができ、高出力化が容易になる。
形成した窒化物系半導体レーザの不純物分布とバンドギャップエネルギーの分布を図12に示す。MQW活性層4における平均のp−不純物濃度は光出射端面に近づくにつれ低くなっており、同時にバンドギャップエネルギーは光出射端面に近づくにつれ大きくなっているため、端面で光吸収の少ない窓構造が形成できている。図13に窒化物系半導体レーザの電流−光出力特性を示す。窓構造によって端面破壊の上限が向上していることが分かる。
また、照射するレーザ光のエネルギーがn型AlGaNクラッド層2およびp型AlGaNクラッド層6のバンドギャップエネルギーより低く、MQW活性層4のバンドギャップエネルギーよりは高いレーザを用いることで、主に光吸収の起こる層をMQW活性層4に限定し不要な部分の光吸収を抑えることができ、窓形成プロセスによる劣化を最小限に抑える。また、端面形成前の基板におけるMQW活性層4に対して選択的にレーザをスキャンすることで局所的な窓構造を形成でき、従来の拡散や注入に必要な転写によるパターニング工程が不要となり、生産性が向上し低コスト化が図れる。
照射するレーザに発振波長355nmのパルスレーザを用いることでn型AlGaNクラッド層2およびp型AlGaNクラッド層6には光が吸収されにくくでき、局所的な加熱を可能にして窓形成プロセスによる劣化を最小限に抑えることが可能になる。またMQW活性層4に不純物を1E18cm-3以上ドーピングすることでMQW活性層4の混晶化を起こり易くすることができ、必要な処理温度を低減でき窓形成プロセスによる劣化を最小限に抑えることができる。
さらにレーザ照射領域をスキャンすることでレーザ照射領域を最適化し、レーザビーム形状の優れた窒化物系半導体レーザを得る。具体的にはレーザ照射領域の長さはリッジ導波路13の両側の距離が2μmから10μm、レーザ端面から内側の距離が2μmから10μmの範囲とすることで特性の優れた窒化物系半導体レーザを得ることができるとともに不必要な部分へのレーザ照射を抑えて処理時間の短縮を図ることができる。
その際にレ−ザを局所的に照射する処理は窒素を含む雰囲気中で行うことでレーザ照射時の局所的温度上昇によるウエハ表面からの窒素抜けを抑制する。さらに加熱処理はN2,アンモニア,ジメチルヒドラジンのいずれかを含むガス雰囲気中で行うことで熱処理時のウエハ表面からの窒素抜けを抑制する。また加熱処理は1000℃以上1400℃以下で行うことで熱処理によりMQW活性層4の無秩序化を有効に行うとともに高温によるウエハの劣化を抑制する。
<実施の形態2>
(構成)
本実施の形態において、レーザの照射はスキャン方式ではなく1μmおきに行われるため、その影響を受ける図1,2に示す無秩序化領域12の状態分布が実施の形態1と多少異なる可能性があるが、照射領域の各点に関してパルスの照射回数を同程度にすれば、ほぼ同様の状態分布となる。その他の構成は実施の形態1と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
(製法)
本実施の形態において、図5に示すパルスレーザビームの照射はスキャン方式ではなく、ビーム直径2μmに対して1μmおきに飛び飛びに行った。また、照射領域の各点に関してパルスの照射回数は実施の形態1に示すスキャン方式と同程度になるように行った。その他の製法は実施の形態1と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
(効果)
レーザ照射装置において、スキャン機能やスキャン速度調整機能を備える必要が無く、同程度の性能を備える窒化物系半導体レーザの製造においてコストの低減が可能である。
<実施の形態3>
(構成)
本実施の形態においては、窒化物系半導体レーザの無秩序化領域12すなわち窓構造は2光子吸収過程を利用して形成されており、実施の形態1で示した1光子吸収過程を利用した場合と比較して、無秩序化されていない領域との境界部分においてより急峻な構造となっている。その他の構成は実施の形態1と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
(製法)
実施の形態1では照射するレーザの波長をMQW活性層4に吸収される波長に設定したが、本実施の形態では波長800nmの赤外レーザを用い2光子吸収過程を利用して行った。すなわち、照射するパルスレーザ光のエネルギーを405nmの波長に対応するバンドギャップであるMQW活性層4のバンドギャップエネルギーより低く、かつバンドギャップエネルギーの半分より高いものにし、2光子吸収過程を利用する。この際にレーザビームの焦点をMQW活性層4付近に合わせる。
その他の製法は実施の形態1と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
(効果)
無秩序化領域12の形成において精度良く選択的に無秩序化を起こすためには、レーザ照射の横方向の選択性と層方向の選択性を持たせる必要があるが、実施の形態1に示した1光子吸収を用いる方法では精度が不十分な点がある。
本実施の形態においては、照射するパルスレーザ光のエネルギーをMQW活性層4のバンドギャップエネルギーよりも小さく、かつバンドギャップエネルギーの半分よりは大きいものにし、レーザビームの焦点をMQW活性層4付近に合わせ2光子吸収過程を利用することで光吸収の起こるスポットサイズを波長以下とすることができ、精度良く急峻な窓が形成できる。そのため、窒化物系半導体レーザの特性を劣化させること無く高出力化が可能になる。
本発明に係る窒化物系半導体レーザを光出射端面から見た概観図である。 本発明に係る窒化物系半導体レーザの断面を示す概観図である。 本発明の窒化物系半導体レーザの製造方法に係るエピタキシャル成長後の基板を示す図である。 図3に示す基板の一部を拡大した図である。 本発明の窒化物系半導体レーザの製造方法に係るレーザ照射工程を示す図である。 本発明の窒化物系半導体レーザの製造方法に係る熱処理工程を示す図である。 本発明の窒化物系半導体レーザの製造方法に係るプロセス完了後の窒化物系半導体レーザを示す図である。 本発明の窒化物系半導体レーザの製造方法に係るプロセス途中の窒化物系半導体レーザの1チップ相当領域を上面から見たで概観図ある。 本発明の窒化物系半導体レーザの製造方法に係るプロセス途中の窒化物系半導体レーザの1チップ相当領域を斜めから見た概観図である。 各レーザ出力におけるレーザパルス出力の出射時間とMQW活性層の発光波長の関係を示す図である。 各熱処理の温度における熱処理時間とMQW活性層の発光波長の関係を示す図である。 本発明に係る窒化物系半導体レーザのMQW活性層におけるp型不純物濃度とバンドギャップエネルギーの変化を示す図である。 本発明に係る窓構造を有した窒化物系半導体レーザと、窓構造を有しない窒化物系半導体レーザの電流−光出力特性を示す図である。
符号の説明
1 n型GaN基板、2 n型AlGaNクラッド層、3 n型GaNガイド層、4 MQW活性層、5 p型GaNガイド層、6 p型AlGaNクラッド層、7 p型GaNコンタクト層、8 絶縁膜、9 p電極、10 n電極、11 欠陥形成領域、12 無秩序化領域、13 リッジ導波路、14 光出射端面予定部、15 レンズ、16 レーザ。

Claims (12)

  1. Inを含む窒化物半導体で形成された多重量子井戸(MQW)活性層を備える基板を準備する工程と、
    前記多重量子井戸活性層の光出射端面または光出射端面予定部の近傍に選択的にレーザを照射する工程と、
    その後に加熱処理する工程と、を備える、
    窒化物系半導体レーザの製造方法。
  2. 前記レーザを照射する工程は窒素を含む雰囲気中で行う、
    請求項1に記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  3. 前記加熱処理する工程は窒素を含む雰囲気中で行う、
    請求項1または請求項2に記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  4. 前記窒素を含む雰囲気は、N2、アンモニア、ジメチルヒドラジン、のいずれかを用いる、
    請求項3に記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  5. 前記加熱処理は1000℃以上1400℃以下で行う、
    請求項1から請求項4のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  6. 前記基板はクラッド層を備え、
    前記照射するレーザのエネルギーは、前記クラッド層のバンドギャップエネルギーより低く、かつ前記多重量子井戸活性層のバンドギャップエネルギーより高い、
    請求項1から請求項5のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  7. 前記照射するレーザは発振波長355nmのパルスレーザである、
    請求項6に記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  8. 前記照射するレーザのエネルギーは、前記多重量子井戸活性層のバンドギャップエネルギーより低く、かつ前記多重量子井戸活性層のバンドギャップエネルギーの半分より高く、
    前記レーザを照射する工程は2光子吸収過程を利用する、
    請求項1から請求項5のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  9. 前記多重量子井戸活性層は不純物を1E18cm-3以上ドーピングされて形成される、
    請求項1から請求項8のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  10. 前記レーザを照射する工程はレーザ照射領域をスキャンして行う、
    請求項1から請求項9のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  11. 前記レーザを照射する工程について、レーザ照射領域は前記基板に設けられるリッジまたはリッジ予定部の側面から外側の距離が2μm以上10μm以下、かつ前記光出射端面または光出射端面予定部から内側の距離が2μm以上10μm以下である、
    請求項1から請求項10のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザの製造方法。
  12. 請求項1から請求項11のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザの製造方法で製造される窒化物系半導体レーザであって、前記多重量子井戸活性層に存在するp型不純物濃度は他の領域より前記光出射端面近傍で低く形成され、かつ前記多重量子井戸活性層のバンドギャップは他の領域より前記光出射端面近傍で広く形成される、
    窒化物系半導体レーザ。
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