JP2010129887A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子特性を向上させることが可能な半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】この半導体レーザ素子１００は、窒化物系半導体からなる活性層５と、活性層５上に形成された上部クラッド層８と、上部クラッド層８の途中の深さまでドライエッチングされることによって形成されたリッジ部１１とを備えている。上部クラッド層８は、ＡｌＧａＮから構成されており、上部クラッド層８中には、屈折率の異なるエッチング終点モニター層８ａが形成されている。このエッチング終点モニター層８ａは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成から構成されており、そのＡｌ組成比ｘは、０．１５以上０．３以下に設定されている。また、上記エッチング終点モニター層８ａは、０．０１５μｍ以上０．０３μｍ以下の厚みに形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、特に、窒化物系の半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。

窒化物系半導体、特に窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ガリウム砒素系の化合物半導体に比べて大きなバンドギャップを有することから、高密度光ディスク用光源として青紫色レーザダイオードに用いられている他、さらには白色光源やプロジェクター光源、フルカラーディスプレイ、医療分野など応用分野が多岐にわたり、今後さらに市場が拡大することが予想される。

ところが、窒化物系半導体を用いた電子デバイスの製造においては、結晶が化学的に非常に安定であることからエッチングが困難である一方、ウェットエッチングによるエッチング手法は、ガリウム砒素系の化合物半導体のように量産に適用できるほどの十分な検討がなされていない。

このような事情により、窒化物系半導体のエッチングではドライエッチングが主流となっている。

また、窒化物系半導体を用いた窒化物系半導体レーザ素子では、基板上に窒化物系半導体層を積層した後、素子に注入される電流の経路を狭窄して発光効率を高めるとともに発振閾値電流を低減するために、積層した窒化物系半導体層（半導体素子層）の上部に断面凸状のリッジ部を設けるのが一般的である。このリッジ部は、通常、ドライエッチングによって加工される。

この場合のエッチング深さ（残し厚）は、素子特性に大きな影響を与えることから、厳格な制御が要求される。

そこで、従来、エッチングレート（エッチング速度）の小さいエッチング停止層を所定の位置に形成することによって、エッチング停止層でエッチングを停止させ、これによって、リッジ部形成時のエッチング制御性を向上させることが可能な窒化物系半導体のドライエッチング方法が知られている。このドライエッチング方法では、エッチングレートからエッチング対象となる半導体層のエッチング時間を予め設定し、このエッチング時間に基づいてエッチングを行う。また、エッチングレートの小さい上記エッチング停止層は、エッチング対象となる半導体層の下層側に形成される。このため、エッチング深さがエッチング停止層に達すると、エッチング停止層でエッチングの進行が抑制される（エッチング速度が低下する）ので、エッチング停止層の位置でエッチングを停止させ易くすることが可能となる。なお、このようなドライエッチング方法は、たとえば、特許文献１または２に記載されている。

特開２００３−２２９４１２号公報 特開２００３−２２９４１３号公報

しかしながら、上記した従来のドライエッチング方法では、予め設定されたエッチング時間に基づいてエッチングが行われるため、ウェハ毎に半導体層の層厚がばらついた場合などには、エッチング停止層を超えてエッチングされたり、エッチング停止層に達する前にエッチングが停止されたりするという不都合がある。このような場合には、エッチング深さ（残し厚）が所望の値に設定されなくなるので、素子特性が低下するという問題点がある。また、素子特性がばらついたり、製造歩留が低下したりするという問題点もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、素子特性を向上させることが可能な半導体レーザ素子を提供することである。

この発明のもう１つの目的は、素子特性のばらつきを抑制することが可能であるとともに、製造歩留を向上させることが可能な半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による半導体レーザ素子は、窒化物系半導体からなる活性層と、活性層上に形成されたクラッド層と、クラッド層の少なくとも一部がエッチングされることによって形成されたリッジ部とを備えている。そして、クラッド層は、異なる屈折率を有するエッチング終点モニター層を含んでいる。

この第１の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、活性層上に形成されたクラッド層に、このクラッド層とは異なる屈折率を有するエッチング終点モニター層を形成することによって、たとえば、紫外光を照射しながらドライエッチングを行うことにより、その反射光の干渉波形からエッチング深さがエッチング終点モニター層に達したか否かを検知することができる。このため、エッチング終点モニター層に対するエッチングの進行に応じた所定のタイミングでエッチングを停止すれば、クラッド層の残し厚を所望の厚みに制御することができる。これにより、たとえば、出力光の遠方放射パターン（ＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ））の特性低下や、Ｋｉｎｋ（半導体レーザ素子の光出力−動作電流特性における非直線性）レベルの低下などを抑制することができる。すなわち、素子特性を向上させることができる。なお、上記した残し厚とは、半導体層（クラッド層）におけるエッチング後に残したい部分の設計膜厚をいう。

上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、クラッド層およびエッチング終点モニター層は、それぞれ、ＡｌＧａＮから構成されており、上記エッチング終点モニター層が、クラッド層中に形成されている。このように構成すれば、素子電気特性や光学特性などの素子特性に悪影響を与えずに、エッチング終点モニター層を、クラッド層とは異なる屈折率に構成することができる。

上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、エッチング終点モニター層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成からなり、エッチング終点モニター層のＡｌ組成比ｘは、０．１５以上０．３以下である。このように構成すれば、エッチング終点モニター層のＡｌ組成比ｘが、０．３よりも大きくなることに起因して、電圧上昇が大きくなり過ぎるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、エッチング終点モニター層のＡｌ組成比ｘが、０．１５よりも小さくなることに起因して、干渉波形の検出が困難になるという不都合が生じるのを抑制することができる。

上記第１の局面による半導体レーザ素子において、クラッド層は、ＡｌＧａＮから構成されているとともに、エッチング終点モニター層は、ＧａＮから構成されており、エッチング終点モニター層は、クラッド層中に形成されていてもよい。このように構成した場合でも、素子電気特性や光学特性などの素子特性に悪影響を与えずに、干渉波形の検出を容易にすることができる。

上記第１の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、エッチング終点モニター層は、０．０１５μｍ以上０．０３μｍ以下の厚みを有する。このように構成すれば、エッチング終点モニター層の厚みが、０．０１５μｍよりも小さくなることに起因して、干渉波形の検出が困難になるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、エッチング終点モニター層の厚みが、０．０３μｍよりも大きくなることに起因して、電圧上昇が大きくなり過ぎるという不都合が生じるのを抑制することができる。

上記第１の局面による半導体レーザ素子において、リッジ部は、エッチング終点モニター層を含むように構成されていてもよい。

上記第１の局面による半導体レーザ素子において、クラッド層上に接触するように形成されたＧａＮからなるコンタクト層をさらに備えていてもよい。

この発明の第２の局面による半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に、窒化物系半導体からなる活性層と、活性層上に配されるとともにＡｌＧａＮからなるクラッド層とを含む半導体素子層を形成する工程と、ドライエッチング法を用いて半導体素子層をエッチングすることにより、半導体素子層にリッジ部を形成する工程とを備えている。そして、半導体素子層を形成する工程は、クラッド層の層中に、クラッド層とは異なる屈折率を有するエッチング終点モニター層を形成する工程を含み、リッジ部を形成する工程は、半導体素子層に紫外光を照射して、半導体素子層に含まれる層によって反射された反射光の干渉波形を観測しながら、エッチング終点モニター層に対するエッチングの進行に応じた所定のタイミングでエッチングを停止させる工程を含む。

この第２の局面による半導体レーザ素子の製造方法では、上記のように、活性層上に形成されたクラッド層に、このクラッド層とは異なる屈折率を有するエッチング終点モニター層を形成することによって、紫外光を照射しながらドライエッチングを行うことにより、その反射光の干渉波形からエッチング深さがエッチング終点モニター層に達したか否かを検知することができる。このため、エッチング終点モニター層に対するエッチングの進行に応じた所定のタイミングでエッチングを停止すれば、クラッド層の残し厚を所望の厚みに制御することができる。これにより、リッジ部の形成時におけるエッチング加工深さの精度を向上させることができる。また、ウェハ毎の半導体層の層厚がばらついた場合でも、クラッド層の残し厚を所望の厚みに制御することができるので、素子特性のばらつきを抑制することができるとともに、製造歩留を向上させることができる。

上記第２の局面による半導体レーザ素子の製造方法において、好ましくは、半導体素子層を形成する工程は、エッチング終点モニター層を、Ａｌ組成比ｘが０．１５以上０．３以下であるＡｌ_xＧａ_1-xＮから構成する工程を有する。このように構成すれば、エッチング終点モニター層のＡｌ組成比ｘが、０．３よりも大きくなることに起因して、電圧上昇が大きくなり過ぎるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、エッチング終点モニター層のＡｌ組成比ｘが、０．１５よりも小さくなることに起因して、干渉波形の検出が困難になるという不都合が生じるのを抑制することができる。

上記第２の局面による半導体レーザ素子の製造方法において、好ましくは、半導体素子層を形成する工程は、エッチング終点モニター層を、ＧａＮから構成する工程を有する。このように構成した場合でも、素子電気特性や光学特性などの低下を抑制しながら、容易に、干渉波形の検出を行うことができる。

上記第２の局面による半導体レーザ素子の製造方法において、好ましくは、干渉波形によるエッチング終点モニター層を検知するための波長は、３３０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下である。このように構成すれば、干渉波形により、エッチング終点モニター層を容易に検知することができるので、容易に、エッチング終点モニター層に対するエッチングの進行に応じた所定のタイミングでエッチングを停止することができる。

上記第２の局面による半導体レーザ素子の製造方法において、半導体素子層を形成する工程は、クラッド層上にＧａＮからなるコンタクト層を接触するように形成する工程をさらに含んでいてもよい。

この場合において、干渉波形によるクラッド層を検知するための波長は、３５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下であり、クラッド層を検知してからエッチング終点モニター層を検知するまでの時間を計測することにより、クラッド層のエッチングレートを測定する工程をさらに備えていてもよい。

さらにこの場合において、測定されたエッチングレートを用いてオーバーエッチング時間を決定し、決定したオーバーエッチング時間の間、エッチングを継続させて、所定の位置でエッチングを停止させる工程をさらに備えていてもよい。このように構成した場合でも、容易に、クラッド層の残し厚を所望の厚みに制御することができる。

以上のように、本発明によれば、素子特性を向上させることが可能な半導体レーザ素子を容易に得ることができる。

また、本発明によれば、素子特性のばらつきを抑制することが可能であるとともに、製造歩留を向上させることが可能な半導体レーザ素子の製造方法を容易に得ることができる。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の全体斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の断面図である。図３は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の平面図である。なお、図１では、ＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング層およびＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング層の図示は省略している。また、図２は、図３のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子１００の構造について説明する。

第１実施形態による半導体レーザ素子１００は、図１および図３に示すように、互いに対向する一対の共振器端面２０を有している。この一対の共振器端面２０は、レーザ光が出射される光出射端面２０ａと、光出射端面２０ａと反対側の光反射端面２０ｂとからなる。また、第１実施形態による半導体レーザ素子１００は、劈開により形成され、共振器端面２０と直交する一対の側端面３０を有している。さらに、第１実施形態による半導体レーザ素子１００は、図３に示すように、共振器端面２０と直交する方向（＜１−１００＞方向）に、約５００μｍ〜約８００μｍの長さＬ（共振器長Ｌ）を有するとともに、共振器端面２０に沿った方向（＜１１−２０＞方向）に、約２００μｍ〜約３００μｍの幅Ｗ（共振器幅Ｗ）を有している。

また、第１実施形態では、図２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１上に、約０．１μｍ〜約１０μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる下部コンタクト層２が形成されている。下部コンタクト層２上には、約０．５μｍ〜約３．０μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる下部クラッド層３が形成されている。下部クラッド層３上には、０．２μｍ以下（たとえば、約０．０５μｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層４が形成されている。下部ガイド層４上には、活性層５が形成されている。

この活性層５は、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎからなる３つの量子井戸層と、Ｉｎ_x2Ｇａ_1-x２Ｎからなる４つの障壁層（但しｘ１＞ｘ２）とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。なお、量子井戸層は、たとえば、約４ｎｍの厚みを有するＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（ｘ１＝０．０５〜０．１）から構成されており、障壁層は、たとえば、約８ｎｍの厚みを有するＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（ｘ２＝０〜０．０５）から構成されている。

また、活性層５上には、約０．１μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなる上部ガイド層６が形成されている。上部ガイド層６上には、約３０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなる蒸発防止層７が形成されている。蒸発防止層７上には、凸部と、凸部以外の平坦部とを有するｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる上部クラッド層８が形成されている。この上部クラッド層８は、凸部と平坦部との合計厚みが約０．５μｍに構成されているとともに、平坦部の厚み（残し厚）が約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍに構成されている。

ここで、第１実施形態では、上部クラッド層８中に、約１５ｎｍ（約０．０１５μｍ）〜約３０ｎｍ（約０．０３μｍ）の厚みを有するエッチング終点モニター層８ａが形成されている。このエッチング終点モニター層８ａは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成から構成されており、そのＡｌ組成比ｘが、０．１５以上０．３以下に設定されている。また、エッチング終点モニター層８ａは、蒸発防止層７から約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍ上方の位置に形成されている。すなわち、エッチング終点モニター層８ａは、上部クラッド層８の凸部と平坦部との境界部に形成されている。なお、上記半導体層２〜９によって、半導体素子層１０が構成されている。

また、上部クラッド層８の凸部上には、約０．１μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなる上部コンタクト層９が形成されている。この上部コンタクト層９と上部クラッド層８の凸部とによって、ストライプ状（細長状）のリッジ部１１が構成されている。このリッジ部１１は、図３に示すように、共振器端面２０と直交する方向（＜１−１００＞方向）に延びるように形成されている。また、図１および図２に示すように、リッジ部１１は、断面メサ状に形成されている。なお、ｎ型ＧａＮ基板１は、本発明の「基板」の一例である。また、上部クラッド層８は、本発明の「クラッド層」の一例であり、上部コンタクト層９は、本発明の「コンタクト層」の一例である。

また、図２に示すように、リッジ部１１を構成する上部コンタクト層９上には、所定の厚みを有するＰｄからなるｐ側オーミック電極１２がストライプ状（細長状）に形成されている。また、図１および図３に示すように、共振器端面２０と側端面３０との角部（四隅）であってリッジ部１１を避けた部分に、段差部４０が形成されている。この段差部４０は、エッチングによって形成されている。

また、リッジ部１１の両脇には、約０．１μｍ〜約０．３μｍの厚みを有するとともに、電流狭窄を行うための埋め込み層１３が形成されている。具体的には、リッジ部１１上部のｐ側オーミック電極１２を除く部分に、ＳｉＯ₂やＴｉＯ₂などの誘電体膜からなる埋め込み層１３が形成されている。

埋め込み層１３の上面上には、ｐ側オーミック電極１２よりも大きい平面積を有するｐ側パッド電極１４が、ｐ側オーミック電極１２の一部を覆うように形成されている。このｐ側パッド電極１４は、図１〜図３に示すように、ｐ側オーミック電極１２の一部を覆っている部分において、ｐ側オーミック電極１２と直接接触している。また、ｐ側パッド電極１４は、埋め込み層１３側からＮｉ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなる。

また、図２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側から順に、Ｈｆ層（図示せず）およびＡｌ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるｎ側電極１５が形成されている。なお、ｎ側電極１５上には、マウントを容易にするために、Ａｕ層などからなるメタライズ層が形成されていてもよい。

また、図３に示すように、光出射端面２０ａには、たとえば、反射率５％〜３５％のＡＲコーティング層１６が形成されている。一方、光反射端面２０ｂには、たとえば、反射率９５％のＨＲコーティング層１７が形成されている。なお、ＡＲコーティング層１６の反射率は、発振出力により所望の値に調整されている。また、ＡＲコーティング層１６は、たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃から構成されており、ＨＲコーティング層１７は、たとえば、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂の多層膜から構成されている。上記以外の材料として、たとえば、ＳｉＮ、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＭｇＦ₂などの誘電体膜を用いてもよい。

なお、上記した第１実施形態の半導体レーザ素子１００は、リッジ部１１の両側にリッジテラス部が形成されていてもよい。

図４〜図１７は、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。次に、図１および図４〜図１７を参照して、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。なお、以下の説明では、リッジ部１１の両側にリッジテラス部１１ａが形成された半導体レーザ素子の製造方法について説明する。

まず、図４に示すように、所定領域に転位集中領域１ａを有するとともに、転位集中領域１ａの近傍に、転位集中領域１ａに沿うように＜１−１００＞方向に延びるストライプ状の溝部１ｂが形成されたｎ型ＧａＮ基板１を準備する。なお、ｎ型ＧａＮ基板１に形成された溝部１ｂは、約２μｍ〜約１００μｍ（たとえば約６０μｍ）の幅ａを有しているとともに、ｎ型ＧａＮ基板１の厚み方向に約１μｍ〜約１０μｍ（たとえば約３μｍ）の深さｂを有している。

次に、図５および図６に示すように、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１上に、窒化物系の半導体各層２〜９を順次積層することによって、半導体素子層１０を形成する。具体的には、図６に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１上に、約０．１μｍ〜約１０μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる下部コンタクト層２、約０．５μｍ〜約３．０μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる下部クラッド層３、０．２μｍ以下（たとえば、約０．０５μｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層４および活性層５を順次成長させる。なお、活性層５を成長させる際には、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（ｘ１＝０．０５〜０．１）からなる３つの量子井戸層と、Ｉｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（ｘ２＝０〜０．０５）からなる４つの障壁層とを交互に成長させる。これにより、下部ガイド層４上に、３つの量子井戸層と４つの障壁層とからなるＭＱＷ構造を有する活性層５が形成される。

続いて、活性層５上に、約０．１μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなる上部ガイド層６、約３０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなる蒸発防止層７、約０．５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる上部クラッド層８、約０．１μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなる上部コンタクト層９を順次成長させる。

ここで、第１実施形態では、上部クラッド層８の形成途中に、供給する原料ガスの組成比（Ａｌ組成比）を変えることによって、上部クラッド層８中に、屈折率の異なるエッチング終点モニター層８ａを形成する。このとき、エッチング終点モニター層８ａは、その組成がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．１５〜０．３）となるように構成するとともに、蒸発防止層７から約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍ上方の位置に、約０．０１５μｍ〜約０．０３μｍの厚みで形成する。

なお、半導体各層２〜９（半導体素子層１０）は、上記のようなｎ型ＧａＮ基板１上に結晶成長されているので、溝部１ｂ上では、様々な方向から成長が進行して会合部に欠陥（結晶欠陥）が生じる一方、溝部１ｂ以外の領域上では規則正しく成長が進行して、欠陥（結晶欠陥）を伴う成長の会合が抑えられている。このため、ｎ型ＧａＮ基板１上に形成される半導体各層２〜９（半導体素子層１０）において、転位集中領域１ａおよび溝部１ｂ以外の領域の上方に位置する領域は、結晶欠陥や歪みが抑えられているので、この領域にリッジ部１１を形成することにより、製造歩留を向上させることが可能になるとともに、素子特性の優れた半導体レーザ素子を得ることが可能となる。

続いて、図７に示すように、真空蒸着法などを用いて、上部コンタクト層９上に、所定の厚みを有するＰｄからなるｐ側オーミック電極１２を形成する。そして、上部コンタクト層９とｐ側オーミック電極１２とのオーミック接触が得られるように、高温で電極の合金化（アニール処理）を行う。その後、フォトリソグラフィ技術を用いてマスク層５０を形成し、このマスク層５０をマスクとしてエッチングすることにより、ｐ側オーミック電極１２のパターニングを行う。

次に、図８に示すように、蒸着法またはスパッタ法を用いて、約０．１μｍの厚みを有するＳｉＯ₂などからなる誘電体膜１３ａを形成した後、上記マスク層５０（図７参照）を利用してリフトオフすることにより、ｐ側オーミック電極１２上の部分を除去する。

そして、図９に示すように、リッジ部１１の形成領域を避けた領域であって、最終的に半導体レーザ素子をバー状態に切り出す工程（後述するバー分割工程）の際に劈開面となる部分（劈開予定線Ｐ１と劈開予定線Ｐ２との交点部分）に、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて所定の深さを有する溝部４０ａを形成する。具体的には、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて誘電体膜１３ａ（図８参照）を除去した後、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置（誘導結合型プラズマ装置）を用いたドライエッチングなどにより、少なくとも、活性層５（図８参照）までの深さを有する上記溝部４０ａを形成する。

その後、図１０に示すように、ｐ側オーミック電極１２上の略中央部に、約１μｍ〜約２μｍの幅を有するとともに、＜１−１００＞方向に延びるストライプ状（細長状）のレジスト６０を形成する。このレジスト６０をマスクとして、Ａｒガスを主とする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などのドライエッチングにより、ｐ側オーミック電極１２の不要部分を除去する。そして、図１１に示すように、レジスト６０および誘電体膜１３ａをマスクとして上部クラッド層８の途中の深さまでドライエッチングを行うことにより、リッジ部１１を形成する。このときのドライエッチングには、ＩＣＰエッチング装置を用いる。また、ドライエッチングに使用するエッチングガスは、塩素ガス、アルゴンガス（２０％〜３０％）および窒素ガス（５％〜１５％）の塩素系混合ガスとする。

ここで、第１実施形態では、リッジ部１１を形成するためのドライエッチングは、ウェハ表面にＸｅランプを光源とする紫外光（波長：３００ｎｍ〜４５０ｎｍ）を照射し、その反射光の干渉波形をモニター（観察）しながら行う。このとき、３３０ｎｍ〜３４０ｎｍ（たとえば、３３０ｎｍ）の波長を光検出器で検出することによって、この波長の干渉波形をモニターしておく。そして、エッチング深さがエッチング終点モニター層８ａに達すると、エッチング終点モニター層８ａと上部クラッド層８との屈折率差等に起因して、干渉波形が急激に変化（極大化）するため、この変化（極大化）を感知（検知）した直後にエッチングを停止する。これにより、エッチング終点モニター層８ａを形成した位置（蒸発防止層７から約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍ上方の位置）で、ドライエッチングを制度よく停止することが可能となるので、上部クラッド層８の残し厚を、設定値（約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍ）となるように、制度よく制御することが可能となる。

このようにして、上部クラッド層８の凸部と上部コンタクト層９とによって構成されるとともに、＜１−１００＞方向に延びるストライプ状（細長状）のリッジ部１１が形成される。また、リッジ部１１の両側には、リッジテラス部１１ａが形成される。また、上記した溝部４０ａは、後の工程で劈開されることによって半導体レーザ素子１００の段差部４０（図１参照）に形成される。

なお、第１実施形態では、リッジ部１１の形成時に、エッチングガスとして上記塩素系混合ガスを用いることにより、図１２に示すように、リッジ部１１の隅部１１ｂ（リッジ部１１の裾部分）にエッチングの先端が切れ込んだ切り込み状の溝部（マイクロトレンチ）ＭＴ（ノッチ状のオーバーエッチング）を低減（深さｄ_MTを低減）することが可能となる。このため、これによっても、上部クラッド層８の残り厚の制御性を向上させることが可能となる。

続いて、図１３に示すように、真空蒸着法やスパッタ法などを用いて、ＳｉＯ₂やＴｉＯ₂などの誘電体膜を形成することにより、電流狭窄のための埋め込み層１３を約０．１μｍ〜約０．３μｍの厚みで形成する。その後、リフトオフにより、埋め込み層１３のリッジ部１１上に位置する部分を除去する。なお、埋め込み層１３の形成に、プラズマＣＶＤ法などのリフトオフに適さない製膜方法を用いる場合には、リッジ部１１上のレジスト６０を一旦除去し、埋め込み層１３を全面に形成した後、埋め込み層１３上の全面にレジストを塗布する。このとき、レジストは、リッジ部１１のような尖った部分が他の部分よりも厚みが小さく塗布されるため、レジストの全面に微弱な露光を施してレジストの上部を溶解させることにより、リッジ部１１の上部のみを露出させることが可能となる。

その後、図１４に示すように、真空蒸着法などを用いて、基板（ウェハ）側（埋め込み層１３側）からＮｉ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、埋め込み層１３上に、多層構造からなるｐ側パッド電極１４を形成する。

次に、基板（ウェハ）を分割し易くするために、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面を研削または研磨することにより、ｎ型ＧａＮ基板１を約８０μｍ〜約２００μｍの厚みまで薄くする。

そして、図１５に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に、真空蒸着法などを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側からＨｆ層（図示せず）およびＡｌ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるｎ側電極１５を形成する。なお、ｎ側電極１５の形成前に、ｎ側の電気特性の調整などの目的でドライエッチングやウェットエッチングを行ってもよい。

続いて、図１６に示すように、劈開により基板（ウェハ）を分離して共振器端面２０を形成する。基板（ウェハ）の劈開は、スクライブ／ブレーク法やレーザスクライブなどの手法を用いて、劈開予定線Ｐ１に沿って行う。これにより、劈開予定線Ｐ１の位置で基板（ウェハ）が分離されて、リッジ部１１の延びる方向と直交する方向（＜１１−２０＞方向）に沿った共振器端面２０が形成される。このとき、上記溝部４０ａが形成されていることにより、平滑な共振器端面２０が得られる。

また、基板（ウェハ）の分離により、一方の素子（チップ）の光出射端面２０ａとなるべき共振器端面２０と、隣接する他方の素子（チップ）の光反射端面２０ｂとなるべき共振器端面２０とが同時に形成される。なお、上記した素子分離の工程（バー分割工程）により、バー状態に切り出される。

そして、図１７に示すように、蒸着法やスパッタ法などの手法を用いて、バーの端面（共振器端面２０）にコーティングを施す。具体的には、光出射端面２０ａに、Ａｌ₂Ｏ₃などからなるＡＲコーティング層１６を形成する。また、光反射端面２０ｂに、ＳｉＯ₂およびＴｉＯ₂などの多層膜からなるＨＲコーティング層１７を形成する。

最後に、＜１−１００＞方向に沿った劈開予定線Ｐ２でバーを分離することにより、個々のチップ（半導体レーザ素子）に個片化する。このようにして、本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子１００が製造される。

上記のようにして製造された第１実施形態による半導体レーザ素子１００は、図１８に示すように、サブマウント１１０を介してステム１２０上にマウントされ、ワイヤ１３０によってリードピンと電気的に接続される。そして、キャップ１４０がステム１２０上に溶接されることにより、キャンパッケージ型の半導体レーザ装置１５０に組み立てられる。

第１実施形態では、上記のように、活性層５上に形成された上部クラッド層８に、この上部クラッド層８とは異なる屈折率を有するエッチング終点モニター層８ａを形成することによって、紫外光を照射しながらドライエッチングを行うことにより、その反射光の干渉波形からエッチング深さがエッチング終点モニター層８ａに達したか否かを容易に検知することができる。このため、エッチング終点モニター層８ａを、エッチングを停止させたい位置に形成することによって、エッチング終点モニター層８ａを検知（感知）したタイミングでエッチングを停止すれば、上部クラッド層８の残し厚を所望の厚み（約約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍ）に設定することができる。これにより、出力光の遠方放射パターン（ＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ））の特性低下や、Ｋｉｎｋ（半導体レーザ素子の光出力−動作電流特性における非直線性）レベルの低下などを抑制することができる。すなわち、上記のように構成することによって、素子特性を向上させることができる。また、上記のように構成することによって、ウェハ毎に半導体層の層厚がばらついた場合でも、上部クラッド層８の残し厚を所望の厚みに制御することができるので、素子特性のばらつきを抑制することができるとともに、製造歩留を向上させることができる。

また、第１実施形態では、上部クラッド層８およびエッチング終点モニター層８ａを、それぞれ、ＡｌＧａＮから構成するとともに、上記エッチング終点モニター層８ａを、上部クラッド層８中に形成することによって、素子電気特性や光学特性などの素子特性に悪影響を与えずに、エッチング終点モニター層８ａを、上部クラッド層８とは異なる屈折率に構成することができる。

また、第１実施形態では、エッチング終点モニター層８ａを、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成から構成し、そのＡｌ組成比ｘを、０．１５以上０．３以下に設定することによって、エッチング終点モニター層８ａのＡｌ組成比ｘが、０．３よりも大きくなることに起因して、電圧上昇が大きくなり過ぎるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、エッチング終点モニター層８ａのＡｌ組成比ｘが、０．１５よりも小さくなることに起因して、干渉波形の検出が困難になるという不都合が生じるのを抑制することができる。すなわち、エッチング終点モニター層８ａのＡｌ組成比ｘを０．１５よりも小さくした場合には、干渉波形の変化が不明確となる（波形変化を感知することができなくなる。）。このことは、コンピュータシミュレーションにより確認されている。一方、エッチング終点モニター層８ａのＡｌ組成比ｘを０．３よりも大きくすれば、干渉波形の変化は顕著に認められるものの、電圧上昇が大きくなり過ぎてしまう。

また、第１実施形態では、エッチング終点モニター層８ａの厚みを、０．０１５μｍ以上０．０３μｍ以下とすることによって、エッチング終点モニター層８ａの厚みが、０．０１５μｍよりも小さくなることに起因して、干渉波形の検出が困難になるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、エッチング終点モニター層８ａの厚みが、０．０３μｍよりも大きくなることに起因して、電圧上昇が大きくなり過ぎるという不都合が生じるのを抑制することができる。すなわち、エッチング終点モニター層８ａは、厚みが大きくなり過ぎると電圧上昇を招くことから、出来るだけ小さい厚みであるのが好ましいが、エッチング終点モニター層８ａの厚みを０．０１５μｍよりも小さくした場合には、干渉波形の変化が不明確となる（波形変化を感知することができなくなる。）。このことは、コンピュータシミュレーションにより確認されている。一方、エッチング終点モニター層８ａの厚みを０．０３μｍよりも大きくすれば、干渉波形の変化は顕著に認められるものの、電圧上昇が大きくなり過ぎてしまう。

また、第１実施形態では、干渉波形によるエッチング終点モニター層８ａを検知するための波長を、３３０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下（たとえば、３３０ｎｍ）とすることによって、エッチング終点モニター層８ａを容易に検知することができる。

（第２実施形態）
図１９は、本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子の断面図である。次に、図１９を参照して、本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子２００について説明する。

この第２実施形態による半導体レーザ素子２００では、エッチング終点モニター層８ａを超えた上部クラッド層８の途中の深さまでドライエッチングを行うことによって、リッジ部１１が形成されている。すなわち、第２実施形態では、エッチング終点モニター層８ａを検知した後、一定時間経過後にエッチングを停止することによってリッジ部１１が形成されている。このため、エッチング終点モニター層８ａを含むようにリッジ部１１が形成されている。なお、第２実施形態では、上記第１実施形態よりも、エッチング終点モニター層８ａが上方に形成されている。

第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

図２０は、本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。次に、図４〜図１１、図１３〜図１８および図２０を参照して、本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子２００の製造方法について説明する。

まず、図４〜図６に示した第１実施形態と同様の方法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１上に半導体素子層１０を形成する。次に、図７〜図１１に示した第１実施形態と同様の方法を用いて、リッジ部１１を形成する。

ここで、第２実施形態では、ウェハ表面にＸｅランプを光源とする紫外光（波長：３００ｎｍ〜４５０ｎｍ）を照射し、その反射光の干渉波形をモニター（観察）しながらリッジ部１１を形成するためのドライエッチングを行うときに、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍ（たとえば、４００ｎｍ前後）の波長の干渉波形も同時にモニターしておく。これにより、上部コンタクト層９から上部クラッド層８にかけてのエッチングの進行をモニターすることが可能となる。すなわち、干渉波形の変化により、エッチング深さが上部クラッド層８に達したことを検知することが可能となる。したがって、上部クラッド層８を検知した時間と、エッチング終点モニター層８ａを検知した時間との差分を取ることにより、上部クラッド層８の平均のエッチングレートを算出することができる。

そして、算出したエッチングレートを用いて、エッチング終点モニター層８ａを検知した後、素子設計上の残し厚にするためのオーバーエッチング時間を決定し、決定したオーバーエッチング時間の経過直後にエッチングを停止する。これにより、図２０に示すように、所望の位置（蒸発防止層７から約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍ上方の位置）で、ドライエッチングを制度よく停止することが可能となるので、上部クラッド層８の残し厚を、設定値（約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍ）となるように、制度よく制御することが可能となる。

その後、図１３〜図１７に示した第１実施形態と同様の方法を用いることにより、本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子２００が製造される。なお、上記のようにして製造された第２実施形態による半導体レーザ素子２００は、第１実施形態と同様、キャンパッケージ型の半導体レーザ装置に組み立てられる。具体的には、図１８に示した半導体レーザ装置１５０において、半導体レーザ素子１００の代わりに、第２実施形態による半導体レーザ素子２００が搭載される。

第２実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、基板にｎ型ＧａＮ基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、および、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる基板や、サファイア基板などの絶縁性基板を用いてもよい。なお、基板上に結晶成長される窒化物系半導体層の各層（エッチング終点モニター層は除く）については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。また、導電型を一部の半導体層について変更してもよい。すなわち、窒化物系半導体レーザ素子としての基本特性が得られる限り自由に変更可能である。

また、上記第１および第２実施形態では、ストライプ状の溝部が形成された基板（ｎ型ＧａＮ基板）を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、溝部が形成されていない基板を用いてもよい。また、転位集中領域が形成されておらずに溝部のみが形成されている基板（ｎ型ＧａＮ基板）を用いてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、エッチング終点モニター層をＡｌＧａＮから構成した例を示したが、本発明は、これに限らず、エッチング終点モニター層をＧａＮから構成してもよい。このように構成した場合でも、素子電気特性や光学特性などの素子特性に悪影響を与えずに、干渉波形の検出を容易にすることができる。

また、上記第１および第２実施形態では、ｐ側オーミック電極をＰｄから構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、仕事関数の大きい材料であればＰｄ以外の材料によってｐ側オーミック電極を構成してもよい。たとえば、Ｎｉ、ＰｔまたはＡｕなどからｐ側オーミック電極を構成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、劈開により共振器端面を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、劈開以外の方法を用いて、共振器端面（光出射端面、光反射端面）を形成してもよい。たとえば、ドライエッチングなどの手法を用いて、共振器端面を形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、リッジ部を断面メサ状に形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、メサ状以外の断面形状にリッジ部を形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、ｐ側パッド電極を、埋め込み層側からＮｉ層、およびＡｕ層を順次積層することにより形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、埋め込み層側から、たとえば、Ｐｄ層、Ｍｏ層およびＡｕ層を順次積層することによりｐ側パッド電極を形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、ｎ側電極を、ｎ型ＧａＮ基板の裏面側からＨｆ層およびＡｌ層を順次積層することにより形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型ＧａＮ基板の裏面側から、たとえば、Ｔｉ層およびＡｌ層を順次積層することによりｎ側電極を形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて窒化物系半導体各層を結晶成長させた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＭＯＣＶＤ法以外の方法を用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させるようにしてもよい。ＭＯＣＶＤ法以外の方法としては、たとえば、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、および、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などが挙げられる。

本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の全体斜視図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の平面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図である。 本発明の第１実施形態による半導体レーザ素子が搭載されたキャンパッケージ型の半導体レーザ装置の斜視図である。 本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の第２実施形態による半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＮ基板（基板）
２ 下部コンタクト層
３ 下部クラッド層
４ 下部ガイド層
５ 活性層
６ 上部ガイド層
７ 蒸発防止層
８ 上部クラッド層（クラッド層）
８ａ エッチング終点モニター層
９ 上部コンタクト層（コンタクト層）
１０ 半導体素子層
１１ リッジ部
１２ ｐ側オーミック電極
１３ 埋め込み層
１４ ｐ側パッド電極
１５ ｎ側電極
２０ 共振器端面
１００、２００ 半導体レーザ素子
１５０ 半導体レーザ装置

Claims (14)

1. 窒化物系半導体からなる活性層と、
   前記活性層上に形成されたクラッド層と、
   前記クラッド層の少なくとも一部がエッチングされることによって形成されたリッジ部とを備え、
   前記クラッド層は、異なる屈折率を有するエッチング終点モニター層を含むことを特徴とする、半導体レーザ素子。
2. 前記クラッド層および前記エッチング終点モニター層は、それぞれ、ＡｌＧａＮから構成されており、
   前記エッチング終点モニター層が、前記クラッド層中に形成されてい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。
3. 前記エッチング終点モニター層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成からなり、
   前記エッチング終点モニター層のＡｌ組成比ｘは、０．１５以上０．３以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記クラッド層は、ＡｌＧａＮから構成されているとともに、前記エッチング終点モニター層は、ＧａＮから構成されており、
   前記エッチング終点モニター層は、前記クラッド層中に形成されてい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。
5. 前記エッチング終点モニター層は、０．０１５μｍ以上０．０３μｍ以下の厚みを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記リッジ部は、前記エッチング終点モニター層を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記クラッド層上に接触するように形成されたＧａＮからなるコンタクト層をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
8. 基板上に、窒化物系半導体からなる活性層と、前記活性層上に配されるとともにＡｌＧａＮからなるクラッド層とを含む半導体素子層を形成する工程と、
   ドライエッチング法を用いて前記半導体素子層をエッチングすることにより、前記半導体素子層にリッジ部を形成する工程とを備え、
   前記半導体素子層を形成する工程は、
   前記クラッド層の層中に、前記クラッド層とは異なる屈折率を有するエッチング終点モニター層を形成する工程を含み、
   前記リッジ部を形成する工程は、
   前記半導体素子層に紫外光を照射して、前記半導体素子層に含まれる層によって反射された反射光の干渉波形を観測しながら、前記エッチング終点モニター層に対するエッチングの進行に応じた所定のタイミングでエッチングを停止させる工程を含むことを特徴とする、半導体レーザ素子の製造方法。
9. 前記半導体素子層を形成する工程は、前記エッチング終点モニター層を、Ａｌ組成比ｘが０．１５以上０．３以下であるＡｌ_xＧａ_1-xＮから構成する工程を有することを特徴とする、請求項８に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
10. 前記半導体素子層を形成する工程は、前記エッチング終点モニター層を、ＧａＮから構成する工程を有することを特徴とする、請求項８に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
11. 干渉波形による前記エッチング終点モニター層を検知するための波長は、３３０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
12. 前記半導体素子層を形成する工程は、前記クラッド層上にＧａＮからなるコンタクト層を接触するように形成する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
13. 干渉波形による前記クラッド層を検知するための波長は、３５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下であり、
    前記クラッド層を検知してから前記エッチング終点モニター層を検知するまでの時間を計測することにより、前記クラッド層のエッチングレートを測定する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
14. 測定された前記エッチングレートを用いてオーバーエッチング時間を決定し、決定したオーバーエッチング時間の間、エッチングを継続させて、所定の位置でエッチングを停止させる工程をさらに備えることを特徴する、請求項１３に記載の半導体レーザ素子の製造方法。

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