JP2011124253A - 半導体レーザの製造方法、半導体レーザ、光ディスク装置、半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

半導体レーザの製造方法、半導体レーザ、光ディスク装置、半導体装置の製造方法および半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】端面窓構造を極めて簡単に形成することができ、光導波損失を抑えることができ、表面準位の存在によるレーザ動作時の光吸収・局所的な発熱を抑えることができ、製造歩留まりが高く、遠視野像の形状も良好な、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】ｎ型ＧａＮ基板１１の少なくとも端面窓構造の形成位置の近傍に溝１６を形成する。溝１６の幅、形状、位置などは設計により決める。この溝１６が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１上に、ＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層１９を含むＧａＮ系半導体層２５を成長させることにより、端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザを製造する。溝１６の上の部分に形成された凹部は絶縁物で埋めるのが好ましい。
【選択図】図３

Description

この発明は、半導体レーザの製造方法、半導体レーザ、光ディスク装置、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた端面窓構造を有するリッジストライプ型半導体レーザならびにこれを光源に用いる光ディスク装置に適用して好適なものである。
半導体レーザの最大光出力を増大させるためには、共振器端面に活性層からの光に対して透明な窓を設ける端面窓構造の導入が必要不可欠である。
従来のＧａＩｎＰ系の赤色発光半導体レーザでは、レーザ構造を形成する半導体層の成長後に共振器端面となる部位の近傍の半導体層にＺｎ原子を拡散させ、局所的にバンドギャップエネルギーを増大させることにより端面窓構造を形成する方法が有効であった（例えば、特許文献１参照。）。
一方、近年、高密度光ディスク装置などでは、光源として窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体系の半導体レーザが用いられている。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多くは、ＧａＩｎＰ系半導体と比較して、熱的・機械的に安定な材料である。このため、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体系の半導体レーザにおいては、ＧａＩｎＰ系赤色発光半導体レーザで有効であった、異種原子の拡散プロセスおよびウェットエッチングによる端面窓構造の形成が困難である。
そこで、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体系の半導体レーザにおいては、これまでに様々な端面窓構造の形成方法の提案・実験が行われている。以下に、これまで提案された端面窓構造の形成方法について説明する。
劈開によりレーザバーを形成した後、Ｈ2 プラズマ暴露やレーザ光照射によるＩｎ脱離現象を利用し、共振器端面近傍のバンドギャップエネルギーを増大させて端面窓構造を形成する提案がなされている（例えば、特許文献２、３参照。）。しかしながら、これらの方法の実施のためには、高真空チャンバー装置が必要になるために設備投資が大掛かりになるだけではなく、劈開後に共振器端面を処理することは、一般的に生産性への課題が残される。
数多くの提案がなされているのは、基板上にレーザ構造を形成する半導体層をエピタキシャル成長させた後に、この半導体層のうちの共振器端面になる部分を反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching: ＲＩＥ）で掘削し、その部分に再度、バンドギャップエネルギーの大きな窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる方法である（例えば、特許文献４〜７参照。）。しかしながら、この方法では、ＲＩＥで掘削した表面には、表面準位が形成されてしまい、レーザ動作時に光吸収・局所的な発熱が起こる懸念がある。
また、その他の例として、ＲＩＥまたは絶縁膜蒸着により幾何学的な段差を設けた基板上に、レーザ構造を形成する半導体層をエピタキシャル成長させることにより、端面窓構造を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献８〜１１参照。）。この方法は、レーザ光の進行方向に、活性層と比較してバンドギャップエネルギーの大きなクラッド層が端面窓構造として働くことを意図している。代表的な例を図２５に示す。図２５に示すように、この半導体レーザにおいては、基板１０１の一主面をＲＩＥでパターニングすることにより凹部１０１ａを設け、その上にｎ型半導体層１０２、活性層１０３およびｐ型半導体層１０４を順次成長させ、ｐ型半導体層１０４上にｐ側電極１０５、アイソレーション電極１０６およびパッド電極１０７を形成する。しかしながら、これらの方法には次のような問題点がある。すなわち、基板１０１の凹部１０１ａにより、ｎ型半導体層１０２、活性層１０３およびｐ型半導体層１０４に急峻な幾何学的段差が発生するため、この段差近傍において、光導波損失が生じてしまう。また、共振器端面近傍の活性層１０３のワイドギャップ化による透明化は意図されておらず、有効な端面窓構造として働かない可能性がある。
本出願人は先に、上述の従来の端面窓構造の形成方法の欠点を解消するために、基板上の、少なくとも端面窓構造の形成位置の近傍に絶縁膜からなるマスクを形成した後、このマスクで覆われていない部分の基板上に、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより窓構造を有する半導体レーザを製造する方法を提案した（特許文献１２参照。）。
特開２００５−４５００９号公報 特開２００６−１４７８１４号公報 特開２００６−１４７８１５号公報 特開２００４−１３４５５５号公報 特開２００３−６０２９８号公報 国際公開第０３／０３６７７１号パンフレット 特開２００２−２０４０３６号公報 特開２００５−１９１５８８号公報 特開２００５−２９４３９４号公報 特開２００３−１９８０５７号公報 特開２０００−１９６１８８号公報 特開２００８−２４４４２３号公報 特開２００８−３４５８７号公報 特開２００３−１２４５７２号公報
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１２で提案された、窓構造を有する半導体レーザの製造方法では、次のような問題がある。すなわち、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の結晶成長の初期に絶縁膜からなるマスク上に堆積物が形成され、結晶成長中およびプロセス工程においてこの堆積物が離散したり表面に吸着したりする。この結果、半導体レーザの製造歩留まりの低下や半導体レーザの遠視野像の形状不良などが生じる。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、端面窓構造を極めて簡単に形成することができ、光導波損失を抑えることができ、表面準位の存在によるレーザ動作時の光吸収・局所的な発熱を抑えることができ、製造歩留まりが高く、遠視野像の形状も良好な、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザおよびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の優れた半導体レーザを光源に用いた光ディスク装置を提供することである。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、少なくとも一方向にバンドギャップエネルギーが変化する部分を有する、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を用いる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
上記課題を解決するために、この発明は、
基板の、少なくとも端面窓構造の形成位置の近傍に溝を形成する工程と、
上記基板上に、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する、端面窓構造を有する半導体レーザの製造方法である。
また、この発明は、
少なくとも端面窓構造に対応する部分の近傍に溝が形成された基板と、
上記基板上に成長された、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する、端面窓構造を有する半導体レーザである。
また、この発明は、
少なくとも端面窓構造に対応する部分の近傍に溝が形成された基板と、
上記基板上に成長された、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する、端面窓構造を有する半導体レーザを光源に用いた光ディスク装置である。
上記の各発明において、基板は、導電性半導体基板、特に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板（最も典型的にはＧａＮ基板）や窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と異なる物質からなる基板（例えば、サファイア基板など）上に少なくとも一層の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させたものであってもよい。基板に形成する溝の幅、深さ、長さ、断面形状、平面形状、レーザストライプとの間の間隔、位置などは、半導体レーザに要求される特性などに応じて適宜決められる。好適には、溝の側面が窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の窒素終端化面からなる。例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板または窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と異なる物質からなる基板上に成長させた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に溝を形成する場合、好適には、この溝の側面が窒素終端化面からなるようにする。このために、好適には、この溝を窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の〈１−１００〉方向または〈１１−２０〉方向に延在する部分を含むように形成する。〈１−１００〉方向に溝を形成する場合、この溝の側面は｛１１−２２｝面（例えば、（１１−２２）面および（−１−１２２）面）からなる。また、〈１１−２０〉方向に溝を形成する場合、この溝の側面は｛１−１０１｝面（例えば、（１−１０１）面および（−１１０１）面）からなる。｛１１−２２｝面および｛１−１０１｝面はいずれも窒素終端化面と考えられている。
基板の溝は例えば次のように形成される。すなわち、例えば、基板の、レーザストライプの形成位置の一方の側にレーザストライプの形成位置に沿って溝を形成し、この際、レーザストライプの形成位置と溝との間の間隔が端面窓構造の形成位置の近傍において他の部分よりも小さくなるようにする。あるいは、基板の、レーザストライプの形成位置の両側にレーザストライプの形成位置に沿って溝を形成し、この際、レーザストライプの形成位置と溝との間の間隔が端面窓構造の形成位置の近傍において他の部分よりも小さくなるようにする。あるいは、基板の、端面窓構造の形成位置の近傍でかつレーザストライプの形成位置の一方の側または両側に溝を形成する。この溝が形成された基板上に活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させると、溝の近傍の部分のレーザストライプの活性層のＩｎ組成ｘ（あるいは発光波長λ）と溝が近傍にない部分あるいは溝とレーザストライプとの間の距離がより大きい部分のレーザストライプの活性層のＩｎ組成ｙ（発光波長λ´）との関係がｘ＜ｙ（λ＜λ´）を満たすようにすることができる。また、溝の近傍の部分のレーザストライプの厚さｔ1 と溝が近傍にない部分あるいは溝とレーザストライプとの間の距離がより大きい部分のレーザストライプの厚さｔ2 との関係がｔ2 ＜ｔ1 を満たすようにすることができる。
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、典型的にはＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなり、具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどからなるが、これに限定されるものではない。少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなる。少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなる。少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、典型的には、ＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０＜ｚ≦１）からなり、具体例を挙げると、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどからなるが、これに限定されるものではない。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、典型的には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの各種のエピタキシャル成長法により成長させることができるが、これに限定されるものではない。
基板としては、第１の平均転位密度を有する単結晶からなる第１の領域中に第１の平均転位密度より高い第２の平均転位密度を有する直線状に延在する複数の第２の領域が互いに平行に周期的に配列している窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いてもよい。この場合、好適には、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の、少なくとも端面窓構造の形成位置の近傍でかつ互いに隣接する二つの第２の領域間の第１の領域の中心線に関して線対称な二つ以上のレーザストライプの形成位置の一方の側または両側に、溝を上記の中心線に関して線対称に形成する。さらに、好適には、レーザストライプを形成した後、レーザストライプと電気的に接続されるパッド電極をレーザストライプに関して溝と反対側の領域に形成する。
好適には、溝が形成された基板上に活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長によりこの溝の上の部分に形成された凹部（溝）の少なくとも一部、より好適には少なくとも大部分を絶縁物で埋める工程をさらに有し、それによってこの凹部による段差を緩和するようにする。最も好適には、この凹部の全部を絶縁物で埋めてこの凹部による段差を解消し、表面を平坦化する。このように凹部による段差が緩和され、あるいは解消されることにより、その後の工程で絶縁膜（例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上部にレーザストライプとなるリッジを形成した後、このリッジの両側を含む部位に形成する電流狭窄用の絶縁膜）や電極などを形成する場合、これらを段切れなどを生じることなく良好に形成することができる。この絶縁物は、基本的にはどのようなものであってもよく、特に限定されないが、例えば、スピンオングラス（Spin on Glass ：ＳＯＧ) などの塗布型絶縁物、ポリイミドなどの各種の有機物、ＳｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 などの各種の酸化物、ＳｉＮなどの各種の窒化物などからなる。この絶縁物は、好適にはシロキサンを含まないものが用いられる。そのような塗布型絶縁物としては、例えばリンドープシリケート系無機ＳＯＧなどが挙げられる。
光ディスク装置には、再生（読み出し）専用のもの、記録（書き込み）専用のもの、再生および記録が可能なもののいずれも含まれ、再生および／または記録の方式も特に問わない。
また、この発明は、
基板の所定の部分に溝を形成する工程と、
上記基板上に、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する半導体装置の製造方法である。
また、この発明は、
所定の部分に溝が設けられた基板と、
上記基板上に成長された、上記溝の近傍において上記基板の表面に沿う少なくとも一方向にバンドギャップエネルギーが変化している、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する半導体装置である。
ここで、半導体装置には、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に一方向にバンドギャップエネルギーが変化する部分を形成する半導体装置である限り、基本的にはどのようなものも含まれる。具体的には、半導体装置には、半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子のほかに、ＦＥＴなどの電子走行素子などの各種のものが含まれ、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の構成はこれらの素子に応じて適宜設計される。
上記の半導体装置の製造方法および半導体装置の発明においては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、上記の半導体レーザの製造方法および半導体レーザの発明に関連して説明したことが成立する。
上述のように構成された半導体レーザの製造方法、半導体レーザおよび光ディスク装置の発明においては、基板の、少なくとも端面窓構造の形成位置の近傍に溝を形成し、この基板上に活性層を成長させると、Ｉｎの拡散長がＧａの拡散長に比べて極めて小さいことにより、この端面窓構造を形成する部分の活性層のＩｎ組成は他の部分に比べて小さくなる。この場合、端面窓構造を形成するためにレーザストライプが形成される部分の基板に凹部を形成しないで済み、また、溝の形状を適切に選択することにより、活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に急峻な段差が形成されないようにすることができるので、光導波損失を抑えることができる。また、端面窓構造を形成する部分の半導体層をＲＩＥで掘削する必要がないため、表面準位が形成されず、レーザ動作時の光吸収・局所的な発熱を防止することができる。さらに、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長により溝の上の部分に形成された凹部の少なくとも一部を絶縁物で埋めることにより、この凹部による段差を緩和することができ、その後の工程で絶縁膜や電極などを形成する場合、これらを段切れなどが生じることなく良好に形成することができる。
上述のように構成された半導体装置の製造方法および半導体装置の発明においては、基板の、バンドギャップエネルギーが変化する部分に対応する部分の近傍に溝を形成し、この基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させると、Ｉｎの拡散長がＧａの拡散長に比べて極めて小さいことにより、この溝の近傍の部分の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＩｎ組成が変化し、バンドギャップエネルギーが変化する。
この発明によれば、端面窓構造を極めて簡単に形成することができ、光導波損失を抑えることができ、レーザ動作時の光吸収・局所的な発熱を抑えることができ、製造歩留まりが高く、遠視野像の形状も良好な、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザを実現することができる。そして、この優れた半導体レーザを光源に用いることにより、高性能の光ディスク装置を実現することができる。
また、この発明によれば、少なくとも一方向にバンドギャップエネルギーが変化する部分を有する、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を極めて簡単に成長させることができる。
この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第１の実施の形態により製造されたＧａＮ系半導体レーザを示す斜視図および断面図である。 この発明の第１の実施の形態により製造されたＧａＮ系半導体レーザのリッジストライプおよびその上のｐ側電極の部分を示す斜視図である。 この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法においてｎ型ＧａＮ基板上に成長されたＧａＮ系半導体層を示す図面代用写真である。 この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法においてｎ型ＧａＮ基板上に成長された活性層のバンドギャップエネルギーの溝の中心線からの距離に対する変化を示す略線図である。 この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法においてｎ型ＧａＮ基板上に成長されたＧａＮ系半導体層の断面形状、活性層のバンドギャップエネルギーの溝の中心線からの距離に対する変化およびリッジストライプ形成位置を示す略線図である。 この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法においてｎ型ＧａＮ基板上に成長されたＧａＮ系半導体層の断面形状、活性層のバンドギャップエネルギーの溝の中心線からの距離に対する変化およびリッジストライプ形成位置を示す略線図である。 この発明の第２の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第３の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第４の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第５の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第６の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第７の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第７の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第７の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第７の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための斜視図である。 この発明の第８の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法において用いられるｎ型ＧａＮ基板を示す斜視図である。 この発明の第８の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第８の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第９の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第１０の実施の形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための平面図である。 この発明の第１０の実施の形態によるＧａＮ系発光ダイオードにおける発光波長の分布を示す略線図である。 従来の端面窓構造の形成方法により製造されたＧａＮ系半導体レーザの断面図である。
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
２．第２の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
３．第３の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
４．第４の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
５．第５の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
６．第６の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
７．第７の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
８．第８の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
９．第９の実施の形態（ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法）
１０．第１０の実施の形態（ＧａＮ系発光ダイオードおよびその製造方法）
〈１．第１の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
図１〜図３は第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を示す。このＧａＮ系半導体レーザは端面窓構造およびリッジストライプ構造を有し、共振器端面の近傍の部分のｐ側電極を除去して共振器の両端部を電流非注入領域としたものである。
この第１の実施の形態においては、まず、図１、図２ＡおよびＢに示すように、例えば（０００１）面（Ｃ面）方位のｎ型ＧａＮ基板１１上に、最終的に一つのレーザチップとなる領域であるチップ領域１２を画定する。ここで、図１は平面図、図２Ａは図１のＡ−Ａ線に沿っての断面図、図２Ｂは図１のＢ−Ｂ線に沿っての断面図である。チップ領域１２において、最終的に劈開などによりフロント側およびリア側の共振器端面が形成される共振器端面形成位置１３、１４の近傍でかつ後にリッジストライプが形成されるリッジストライプ形成位置１５の一方の側に共振器長方向の全長にわたって細長い溝１６を形成する。この溝１６は、例えば、ＳｉＯ2 膜などからなるエッチングマスクを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによりｎ型ＧａＮ基板１１をエッチングすることにより形成することができる。この溝１６の中心線とリッジストライプ形成位置１５の中心線との間の間隔は、共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ1 までの部分はｗ1 であるが、距離ｄ1 〜ｄ2 の部分はｗ1 からｗ2 （ｗ2 ＞ｗ1 ）まで直線的に徐々に増加し、共振器長方向の中央部ではｗ2 になっている。この溝１６の、距離ｄ1 〜ｄ2 のテーパー形状の部分とリッジストライプ形成位置１５との間の角度は０〜４５°になるようにする。この溝１６の深さおよび断面形状は必要に応じて選ばれるが、例えば、深さは０〜１０μｍ、典型的には１〜５μｍ、断面形状は逆台形状であるが、これに限定されるものではない。リッジストライプ形成位置１５に平行な部分の溝１６の幅は例えば０〜３０μｍ、典型的には５〜２０μｍであるが、これに限定されるものではない。また、例えば、ｗ1 は１７μｍ以下、例えば１３〜１５μｍ、ｗ2 は２０μｍ以上、例えば６０μｍであるが、これに限定されるものではない。一例を挙げると、ｄ1 は２０μｍ、ｄ2 は５０μｍ、溝１６の幅は１０μｍ、深さは３μｍである。
溝１６の側面には、少なくともレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させる前に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の窒素終端化面、例えば｛１１−２２｝面または｛１−１０１｝面が現れるようにする。このためには、例えば、リッジストライプ形成位置１５をｎ型ＧａＮ基板１１の〈１−１００〉方向または〈１１−２０〉方向に延在するように選ぶ。リッジストライプ形成位置１５をｎ型ＧａＮ基板１１の〈１−１００〉方向に延在するように形成する場合、この溝１６の側面は｛１１−２２｝面からなる。リッジストライプ形成位置１５をｎ型ＧａＮ基板１１の〈１１−２０〉方向に延在するように形成する場合、この溝１６の側面は｛１−１０１｝面からなる。
チップ領域１２は、実際にはｎ型ＧａＮ基板１１上に縦横に繰り返し周期的に存在するが、図１においては一つのチップ領域１２のみ示されている。また、溝１６は実際には共振器長方向の互いに隣接する二つ以上のチップ領域１２にまたがって形成されるが、図１においては一つのチップ領域１２内にあるもののみ示されている。図１に示すチップ領域１２の形状および大きさは一例に過ぎず、これに限定されるものではない。
次に、図３Ａ、ＢおよびＣに示すように、溝１６が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、例えばＧａＮバッファ層を介して、レーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させる。ここで、図３Ａは図１のＡ−Ａ線に沿っての断面図、図３Ｂは図１のＢ−Ｂ線に沿っての断面図、図３Ｃは図１のＣ−Ｃ線（溝１６の中心線）に沿っての断面図である。このとき、ＧａＮバッファ層の成長温度を１０００℃以上にすることにより、溝１６の側面に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の窒素終端化面、例えば｛１１−２２｝面または｛１−１０１｝面を安定化面として出現させることができる。そして、その後にレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させることができる。レーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層としては、具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７、ｎ型ＧａＮ光導波層１８、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ（量子井戸層）／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ（障壁層、ｘ＞ｙ）多重量子井戸構造の活性層１９、アンドープＩｎＧａＮ光導波層２０、アンドープＡｌＧａＮ光導波層２１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２２、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層２３およびｐ型ＧａＮコンタクト層２４を順次エピタキシャル成長させる。ここで、Ｉｎを含まない層であるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７、ｎ型ＧａＮ光導波層１８、アンドープＡｌＧａＮ光導波層２１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２２、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層２３およびｐ型ＧａＮコンタクト層２４の成長温度は例えば９００〜１１００℃程度とし、Ｉｎを含む層であるＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層１９およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層２０の成長温度は例えば７００〜８００℃とするが、これに限定されるものではない。なお、以下においては、必要に応じて、レーザ構造を形成するこれらの層をまとめてＧａＮ系半導体層２５と表す。
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリエチルガリウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ、ＴＥＧ）またはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリエチルインジウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｉｎ、ＴＥＩ）またはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いるが、これに限定されるものではない。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス（メチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）、ビス（エチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ2 Ｈ5 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いるが、これに限定されるものではない。また、上記のＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、例えば、Ｈ2 ガスが用いられるが、これに限定されるものではない。ＩＩＩ族元素の原料に対するＶ族元素の原料の流量比（Ｖ／ＩＩＩ比）は一般的には１０3 〜１０6 （例えば、１０5 程度）であるが、これに限定されるものではない。また、成長時の圧力は例えば７６０Ｔｏｒｒ（常圧）であるが、これに限定されるものではない。
この場合、上述のように溝１６の両側面は窒素終端化面からなるが、この窒素終端化面では一般的に成長速度が遅くなる。このため、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７の成長時においては、成長原料からリッジストライプ形成位置１５の部分のｎ型ＧａＮ基板１１に直接供給されるＡｌ原子およびＧａ原子に加えて、成長原料から溝１６の部分に供給されたＡｌ原子およびＧａ原子もこの溝１６から外部に拡散して供給されることにより成長に寄与する。ここで、溝１６のうちの共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ1 〜ｄ2 の部分は、リッジストライプ形成位置１５の中心線との間の距離が共振器端面形成位置１３、１４に向かってｗ2 から直線的に徐々にｗ1 に減少している。これに伴い、この部分のリッジストライプ形成位置１５に溝１６から供給されるＡｌ原子およびＧａ原子の量は共振器長方向に共振器端面形成位置１３、１４に向かって徐々に減少する。これを反映して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７の厚さは、この部分において共振器長方向に共振器端面形成位置１３、１４に向かって徐々に増加する。一方、溝１６のうちの共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ1 の部分はリッジストライプ形成位置１５の中心線との間の間隔が一定の間隔ｗ1 であることにより、この部分のリッジストライプ形成位置１５に溝１６から供給されるＡｌ原子およびＧａ原子の量は共振器長方向で一定である。これを反映して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７の厚さは、この部分において一定になる。また、溝１６のうちの共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ2 の部分を除いた中央部はリッジストライプ形成位置１５の中心線との間の間隔が一定の間隔ｗ2 であることにより、この部分のリッジストライプ形成位置１５に溝１６から供給されるＡｌ原子およびＧａ原子の量は共振器長方向で一定である。これを反映して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７の厚さは、この中央部において一定になる。ｎ型ＧａＮ光導波層１８についても同様である。
一方、ＩｎおよびＧａを含む活性層１９の成長時においては、溝１６の近傍の部分のリッジストライプ形成位置１５には、成長原料からこの部分に直接供給されるＩｎ原子およびＧａ原子に加えて、成長原料からこの部分の溝１６上に供給されるＩｎ原子およびＧａ原子も拡散して供給されることにより成長に寄与する。この場合、この活性層１９の成長温度（例えば、７００〜８００℃）におけるＩｎ原子の拡散長はＧａ原子の拡散長に比べて約一桁小さいため、この部分のリッジストライプ形成位置１５に溝１６から供給されるＩｎ原子の量はＧａ原子に比べて少なくなる。加えて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７およびｎ型ＧａＮ光導波層１８の厚さは溝１６から離れるに従って減少し、この際、ｎ型ＧａＮ光導波層１８の上面には傾斜面（後述の図８および図９参照）が生じるが、ｎ型ＧａＮ光導波層１８上に活性層１９を成長させる際、この傾斜面ではＩｎの取り込みが減少するため、やはりＩｎ原子の量はＧａ原子に比べて少なくなる。この結果、活性層１９のＩｎ組成は共振器長方向で不均一となり、溝１６のうちの共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ1 の部分に対応する部分のＩｎ組成はその他の部分に比べて小さくなるため、この部分のバンドギャップエネルギーはその他の部分のバンドギャップエネルギーに比べて大きくなり、この部分が最終的に端面窓構造の領域となる。アンドープＩｎＧａＮ光導波層２０の成長についても活性層１９と同様である。
アンドープＡｌＧａＮ光導波層２１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２２、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層２３およびｐ型ＧａＮコンタクト層２４の成長については、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７およびｎ型ＧａＮ光導波層１８と同様である。
次に、特許文献１３に記載された端面電流非注入構造の半導体レーザの製造方法に従って、リッジストライプ形成位置１５上のＧａＮ系半導体層２５の最上部にリッジストライプを形成し、その上にｐ側電極を形成する。さらに、各チップ領域１２ごとにアイソレーション電極およびパッド電極を形成する。次に、各チップ領域１２におけるｎ型ＧａＮ基板１１の裏面にｎ側電極を形成する。
次に、上述のようにしてレーザ構造が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１を共振器端面形成位置１３、１４に沿って劈開したりすることなどによりレーザバーを形成して両共振器端面を形成する。次に、これらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このレーザバーを劈開したりすることなどによりチップ化する。
以上により、目的とするＧａＮ系半導体レーザが製造される。
図４ＡおよびＢに、こうして製造されたＧａＮ系半導体レーザの詳細構造を示す。ここで、図４Ａは斜視図、図４Ｂは図４ＡのＢ−Ｂ線に沿っての断面図である。図５はリッジストライプおよびその上に形成されたｐ側電極の部分を拡大して示す。
図４ＡおよびＢならびに図５において、符号２６はｐ側電極、２７はリッジストライプ、２８はアイソレーション電極、２９はパッド電極、３０はＳｉＯ2 膜のような絶縁膜、３１はｎ側電極を示す。ｐ側電極２６は、例えばＰｄ膜およびその上のＰｔ膜からなる。
リッジストライプ２７は、例えば、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層２３の上層部およびｐ型ＧａＮコンタクト層２４に形成される。リッジストライプ２７の幅はこのＧａＮ系半導体レーザに要求される特性などに応じて決められ、一般的には例えば１〜２０μｍ程度（あるいは１〜１２μｍ程度）であるが、これに限定されるものではない。また、リッジストライプ２７の高さは例えば０．４〜０．６５μｍであるが、これに限定されるものではない。
図５に示すように、リッジストライプ２７の両側面およびこのリッジストライプ２７の外側の部分に延在して、例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜３２およびその上の例えばアンドープＳｉ膜のような絶縁膜３３が形成されている。
アイソレーション電極２８は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ｎｉ膜からなり、例えば、最下層のＴｉ膜の厚さは１０ｎｍ、Ｐｔ膜の厚さは１００ｎｍ、最上層のＮｉ膜の厚さは１００ｎｍであるが、これに限定されるものではない。
パッド電極２９は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜からなり、例えば、最下層のＴｉ膜の厚さは１０ｎｍ、Ｐｔ膜の厚さは１００ｎｍ、最上層のＡｕ膜の厚さは３００ｎｍであるが、これに限定されるものではない。
図６に、溝１６が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１上にＧａＮ系半導体層２５を成長させた試料の、図１のＡ−Ａ線に沿う断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）を示す。ただし、溝１６の幅は１０μｍ、深さは３μｍである。図６より、ＧａＮ系半導体層２５の厚さは、溝１６（同図の左端部）から離れるに従って増加した後、一定の厚さになり、その後減少して傾斜面を形成し、再び一定の厚さになっているのが分かる。
図７は、溝１６の中心線からの距離を変えて活性層１９のバンドギャップエネルギーを測定した結果を示す。図７から明らかなように、溝１６の中心線から約１０〜１７μｍの距離の位置でバンドギャップエネルギーが大きく増加しており、この領域を共振器端面形成位置１３、１４付近に設定することにより、窓構造の形成が可能となる。
図１のＡ−Ａ線に沿う断面における断面図、溝１６の中心線からの距離と活性層１９のバンドギャップエネルギー（Ｅg ）との間の関係およびリッジストライプ形成位置を図８に示す。また、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面における断面図、溝１６の中心線からの距離と活性層１９のバンドギャップエネルギー（Ｅg ）との間の関係およびリッジストライプ形成位置を図９に示す。図８および図９に示すように、共振器端面形成位置１３、１４付近では、バンドギャップエネルギーのピーク値の位置がリッジストライプ２７とほぼ一致しているのに対し、リッジストライプ２７の中央部のバンドギャップエネルギーは共振器端面形成位置１３、１４付近より減少しており、これによって共振器端面形成位置１３、１４付近に窓構造を形成することができる。
この第１の実施の形態によれば、次のような種々の利点を得ることができる。
すなわち、ｎ型ＧａＮ基板１１に溝１６を形成し、その上にレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層２５を成長させるだけで、共振器端面形成位置１３、１４の近傍の部分の活性層１９のバンドギャップエネルギーをその他の部分に比べて大きくすることができるので、端面窓構造を極めて容易に形成することができる。しかも、特許文献１２と異なり、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の結晶成長の初期に絶縁膜からなるマスク上に堆積物が形成され、結晶成長中およびプロセス工程においてこの堆積物が離散したり表面に吸着したりする問題がない。このため、ＧａＮ系半導体レーザの製造歩留まりの低下やＧａＮ系半導体レーザの遠視野像の形状不良などが生じるのを有効に防止することができる。
また、ＧａＮ系半導体層２５の厚さは、共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ1 〜ｄ2 の部分において共振器長方向に共振器端面形成位置１３、１４に向かって徐々に増加するため、急峻な段差が生じない。このため、図２５に示す従来の半導体レーザにおけるように、レーザ構造を形成する半導体層が凹部１０１ａからその外側の部分にかけて急峻な幾何学的段差を有する場合と異なり、光導波損失を大幅に少なく抑えることができる。
また、端面窓構造を形成するためにレーザ構造を形成する半導体層をＲＩＥにより掘削する必要がないため、端面窓構造形成時に表面準位が形成されることがなく、この表面準位によるレーザ動作時の光吸収・局所的な発熱の問題がない。
加えて、この第１の実施の形態によれば、ストライプ形状のｐ側電極２６に対してリッジストライプ２７が自己整合的に形成された構造を有し、両共振器端面の近傍の部分のｐ側電極２６を除去して共振器の両端部を電流非注入領域としたＧａＮ系半導体レーザを容易に製造することができる（特許文献１３参照。）。
このＧａＮ系半導体レーザは、共振器の両端部が電流非注入領域となっていることにより共振器端面の光学損傷（Catastrophic Optical Damage ：ＣＯＤ）を有効に防止することができ、長寿命化および信頼性の向上を図ることができる。
このＧａＮ系半導体レーザは、例えば、光ディスク装置の光ピックアップの光源に用いて好適なものである。光ディスク装置には、再生（読み出し）専用のもの、記録（書き込み）専用のもの、再生および記録が可能なもののいずれも含まれ、再生および／または記録の方式も特に問わない。
〈２．第２の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
この第２の実施の形態においては、ｎ型ＧａＮ基板１１に形成する溝１６のパターンが第１の実施の形態と異なる。具体的には、図１０に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１に第１の実施の形態における溝１６のうち共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ2 までの部分のみを形成する。
この後、第１の実施の形態と同様に工程を進めて、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
〈３．第３の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
この第３の実施の形態においては、ｎ型ＧａＮ基板１１に形成する溝１６のパターンが第１の実施の形態と異なる。具体的には、図１１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１に、リッジストライプ形成位置１５側の縁の輪郭が第１の実施の形態における溝１６のリッジストライプ形成位置１５側の縁と同じ輪郭を有し、リッジストライプ形成位置１５と反対側の縁はリッジストライプ形成位置１５と平行な溝１６を形成する。
この後、第１の実施の形態と同様に工程を進めて、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
〈４．第４の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
この第４の実施の形態においては、ｎ型ＧａＮ基板１１に形成する溝１６のパターンが第１の実施の形態と異なる。具体的には、図１２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１に、第１の実施の形態における溝１６をリッジストライプ形成位置１５の両側にこのリッジストライプ形成位置１５に関して線対称に形成する。
この後、第１の実施の形態と同様に工程を進めて、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
〈５．第５の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
この第５の実施の形態においては、ｎ型ＧａＮ基板１１に形成する溝１６のパターンが第１の実施の形態と異なる。具体的には、図１３に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１の、共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ3 の範囲にかつリッジストライプ形成位置１５の両側に、平面形状が長方形の溝１６をこのリッジストライプ形成位置１５に関して線対称に形成する。
この後、第１の実施の形態と同様に工程を進めて、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
〈６．第６の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
この第６の実施の形態においては、ｎ型ＧａＮ基板１１に形成する溝１６のパターンが第１の実施の形態と異なる。具体的には、図１４に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１の、共振器端面形成位置１３、１４から距離ｄ4 の範囲にかつリッジストライプ形成位置１５の両側に、平面形状が台形の溝１６をこのリッジストライプ形成位置１５に関して線対称に形成する。この溝１６のリッジストライプ形成位置１５側の縁はこのリッジストライプ形成位置１５と平行である。この溝１６の幅は共振器端面形成位置１３、１４における幅から距離ｄ4 の部分における幅に直線的に減少している。一例を挙げると、ｄ4 は２０〜５０μｍであるが、これに限定されるものではない。
この後、第１の実施の形態と同様に工程を進めて、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第６の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
〈７．第７の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
この第７の実施の形態においては、図１５に示すように、第１の実施の形態と同様に工程を進めて、溝１６が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１上に、活性層１９などのレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層２５を成長させた後、このＧａＮ系半導体層２５の成長により溝１６の上の部分に形成された凹部５１を絶縁物５２で埋めて表面を平坦化する。具体的には、例えば、絶縁物５２としてリンドープシリケート系無機ＳＯＧを回転塗布することにより凹部５１を絶縁物５２で埋め、その後、熱処理により溶媒を除去して固化させる。あるいは、スパッタリング法や真空蒸着法などにより絶縁物５２としてポリイミドなどの有機物やＳｉＯ2 などを全面に形成して凹部５１を絶縁物５２で埋めた後、この絶縁物５２をＧａＮ系半導体層２５が露出するまでエッチバックする。
次に、上述のようにして平坦化された表面に例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜（図示せず）を形成した後、この絶縁膜をエッチングにより所定形状にパターニングする。次に、図１６に示すように、この絶縁膜をエッチングマスクとして用いてＧａＮ系半導体層２５を例えば塩素系のエッチングガスを用いたＲＩＥ法により所定の深さまでドライエッチングすることにより溝５３、５４を形成し、これらの溝５３、５４の間にリッジストライプ２７を形成する。次に、このエッチングマスクとして用いた絶縁膜を残したまま全面に例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜３２および例えばアンドープＳｉ膜のような絶縁膜３３を順次形成し、その上に、リッジストライプ２７に対応する部分に開口を有するレジストパターン（図示せず）をリソグラフィーにより形成した後、このレジストパターンをマスクとしてリッジストライプ２７上の部分にある絶縁膜３２、３３を選択的にエッチング除去する。この後、レジストパターンを除去する。これによって、溝５３、５４の外側の部分に全体として厚い絶縁膜３２、３３が形成される。ここで、溝５３、５４の外側の部分の絶縁膜３２には、エッチングマスクとして用いた絶縁膜も含まれている。
次に、図１７に示すように、リッジストライプ２７上にｐ側電極２６を形成し、さらにこのｐ側電極２６を覆うようにパッド電極２９を形成する。この状態の斜視図を図１８に模式的に示す。
この後、必要な工程を進めて、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第７の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点に加えて次のような利点を得ることもできる。すなわち、溝１６が形成されていない部分のｎ型ＧａＮ基板１１上のＧａＮ系半導体層２５の成長により溝１６の上の部分に形成された凹部５１を絶縁物５２で埋めて表面を平坦化し、この凹部５１による表面の段差を解消しているので、その後の工程で絶縁膜３２、３３やパッド電極２９を形成する際にこれらを段切れなどが生じることなく良好に形成することができ、リーク電流の発生を抑えることができる。
〈８．第８の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
第８の実施の形態においては、ＧａＮ系半導体レーザの製造方法において用いる基板として、図１９に示すようなｎ型ＧａＮ基板６１を用いる。このｎ型ＧａＮ基板６１の詳細および製造方法については、特許文献１４に記載されている。
図１９に示すように、このｎ型ＧａＮ基板６１においては、単結晶ＧａＮからなる第１の領域６１ａ中に、直線状に延在するストライプ形状の複数のＧａＮからなる第２の領域６１ｂが互いに平行に周期的に配列されている。
第２の領域６１ｂは多結晶、第１の領域６１ａに対して微傾斜した単結晶または第１の領域６１ａに対してＣ軸が反転している単結晶からなる。第１の領域６１ａは第１の平均転位密度を有し、第２の領域６１ｂは第１の平均転位密度より高い第２の平均転位密度を有する。第２の領域６１ｂはｎ型ＧａＮ基板６１を貫通している。
第２の領域６１ｂの平均転位密度は、一般的には第１の領域６１ａの平均転位密度の５倍以上である。典型的には、第１の領域６１ａの平均転位密度は２×１０6 ｃｍ-2以下、第２の領域６１ｂの平均転位密度は１×１０8 ｃｍ-2以上である。第２の領域６１ｂの幅は一般的には１０〜１００μｍ、典型的には２０〜５０μｍであるが、これに限定されるものではない。
第１の領域６１ａと第２の領域６１ｂとの間には遷移領域として第３の領域が存在する場合もある。この第３の領域の平均転位密度は、典型的には、１×１０8 ｃｍ-2より小さく、２×１０6 ｃｍ-2より大きい。
ｎ型ＧａＮ基板６１は例えば（０００１）面（Ｃ面）方位を有する。この場合、第２の領域６１ｂの長手方向は、典型的にはｎ型ＧａＮ基板６１の〈１−１００〉方向または〈１１−２０〉方向に平行であるが、これに限定されるものではない。このｎ型ＧａＮ基板６１の厚さは必要に応じて選ばれるが、一般的には例えば２００〜６００μｍである。
この第８の実施の形態においては、まず、図２０、図２１ＡおよびＢに示すように、ｎ型ＧａＮ基板６１上に、最終的に一つのレーザチップとなる領域であるチップ領域１２を画定する。ここで、図２０は平面図、図２１Ａは図２０のＡ−Ａ線に沿っての断面図、図２１Ｂは図２０のＢ−Ｂ線に沿っての断面図である。
この場合、第２の領域６１ｂの配列周期（互いに隣接する二つの第２の領域６１ｂの中心線間距離）は、チップ領域１２の共振器長方向と垂直な方向の幅の２倍に選ばれている。そして、互いに隣接する二つの第２の領域６１ｂの中心線間に、二つのレーザチップに対応する二つのチップ領域１２を画定する。
このチップ領域１２において、第１の実施の形態と同様に、リッジストライプ形成位置１５の両側に溝１６を形成する。ここで、互いに隣接する二つのチップ領域１２のリッジストライプ形成位置１５は、互いに隣接する二つの第２の領域６１ｂ間の第１の領域６１ａの中心線に関して線対称である。
このため、リッジストライプ形成位置１５と第２の領域６１ｂとの間の距離は二つのチップ領域１２間で同じになる。最終的に形成されるリッジストライプはリッジストライプ形成位置１５の中心線上に形成される。
リッジストライプ形成位置１５は、チップ領域１２の共振器長方向の中心線付近であってもよいが、この場合、互いに隣接する二つの第２の領域６１ｂ間の第１の領域６１ａの中心線側に所定距離だけ寄っている。この所定距離は必要に応じて選ばれるが、一例を挙げると、互いに隣接する二つの第２の領域６１ｂの中心線間距離の１／３程度である。
このようにする理由は、リッジストライプ形成位置１５を平均転位密度が高い高欠陥密度の第２の領域６１ｂから支障が生じない距離だけ離し、リッジストライプをできるだけ低欠陥密度のＧａＮ系半導体層に形成するためである。
この後、必要な工程を進めて、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第８の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点に加えて次のような利点を得ることができる。すなわち、ｎ型ＧａＮ基板６１の互いに隣接する二つの第２の領域６１ｂ間に二つのチップ領域１２を画定しているため、一枚のｎ型ＧａＮ基板６１を用いてより多数のＧａＮ系半導体レーザを製造することができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザの製造コストの低減を図ることができる。
〈９．第９の実施の形態〉
［ＧａＮ系半導体レーザおよびその製造方法］
この第９の実施の形態においては、図２２に示すように、第８の実施の形態と同様に工程を進めて、ｎ型ＧａＮ基板６１上に、活性層１９などのレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層２５を成長させる。このＧａＮ系半導体層２５には溝１６の上の部分に凹部が形成される。
次に、第７の実施の形態と同様に工程を進め、ＧａＮ系半導体層２５の凹部を絶縁物で埋めて表面を平坦化し、ＧａＮ系半導体層２５に溝５３、５４を形成し、これらの溝５３、５４の間にリッジストライプ２７を形成し、リッジストライプ２７の両側に絶縁膜３２、３３を形成し、リッジストライプ２７上にｐ側電極２６を形成し、さらにこのｐ側電極２６を覆うようにパッド電極２９を形成する。
この場合、このパッド電極２９は、リッジストライプ２７上の直線状の部分と、この直線状の部分からリッジストライプ２７に関して溝１６と反対側の領域のほぼ平坦な表面に延在して形成された四角形状の部分とからなる。
このパッド電極２９の四角形状の部分は、共振器長方向のいずれの部分に形成してもよいが、図２２においては共振器長方向の中央部に形成されている。また、このパッド電極２９は、溝１６の上の部分に形成された凹部およびｎ型ＧａＮ基板６１の第２の領域６１ｂの上の部分を避けて形成されている。
このＧａＮ系半導体レーザの実装時にパッド電極２９にワイヤーボンディングを行う場合、充分な大きさのボンディング領域を確保するために、好適には、共振器長方向に垂直な方向のパッド電極２９の幅は、リッジストライプ２７の端から例えば４５μｍ以上にする。
この後、必要な工程を進めて、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
この第９の実施の形態によれば、第８の実施の形態と同様な利点に加えて次のような利点を得ることもできる。
すなわち、ｎ型ＧａＮ基板６１上のＧａＮ系半導体層２５の成長により溝１６の上の部分に形成された凹部を避け、リッジストライプ２７に関して溝１６と反対側の領域のほぼ平坦な表面にパッド電極２９を形成するので、パッド電極２９を段切れなどが生じることなく良好に形成することができる。このため、パッド電極２９の段切れなどに起因するリーク電流の大幅な低減を図ることができる。
また、パッド電極２９の面積を必要最小限に抑えることができるので、このパッド電極２９とこのパッド電極２９の下層の構造とにより形成される寄生容量の容量の低減を図ることができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザを高周波電流で駆動する場合に有利である。
〈１０．第１０の実施の形態〉
［ＧａＮ系発光ダイオードおよびその製造方法］
この第１０の実施の形態においては、図２３に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１の一つのチップ領域に、直線Ｉに関して線対称に二つの溝１６を形成する。これらの二つの溝１６の間の間隔はこの直線Ｉの方向に直線的に増減している。
そして、この溝１６が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１上に発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層を成長させる。このＧａＮ系半導体層には、第１の実施の形態によるＧａＮ系半導体レーザの活性層１９と同様な組成の活性層が含まれている。必要に応じてこのＧａＮ系半導体層に加工を施し、さらにｐ側電極およびｎ側電極を形成した後、発光ダイオード構造が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１をチップ化し、目的とするＧａＮ系発光ダイオードを製造する。
このＧａＮ系発光ダイオードの活性層においては、直線Ｉの方向に二つの溝１６の間の間隔が変更していることを反映して、第１の実施の形態で説明したメカニズムによりＩｎ組成が変化し、その結果、バンドギャップエネルギー、従ってＧａＮ系発光ダイオードの発光波長が変化する。例えば、図２４は図２３のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面における発光スペクトルを示すが、各断面における発光波長は互いに異なっており、二つの溝１６の間の間隔が大きい程、発光波長が短くなっている。
この第１０の実施の形態によれば、発光波長が多波長のＧａＮ系発光ダイオードを実現することができる。このＧａＮ系発光ダイオードを用いることにより、白色発光ダイオードを実現することも可能である。
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、基板、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、基板、プロセスなどを用いてもよい。
具体的には、必要に応じて、上述の第１〜第１０の実施形態のうちの二以上を組み合わせてもよい。
１１…ｎ型ＧａＮ基板、１２…チップ領域、１３、１４…共振器端面形成位置、１５…リッジストライプ形成位置、１６…溝、１７…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１８…ｎ型ＧａＮ光導波層、１９…活性層、２０…アンドープＩｎＧａＮ光導波層、２１…アンドープＡｌＧａＮ光導波層、２２…ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、２３…ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層、２４…ｐ型ＧａＮコンタクト層、２５…ＧａＮ系半導体層、２６…ｐ側電極、２７…リッジストライプ、２９…パッド電極、３１…ｎ側電極、３２、３３…絶縁膜、５１…凹部、５２…絶縁物、５３、５４…溝、６１…ｎ型ＧａＮ基板、６１ａ…第１の領域、６１ｂ…第２の領域

Claims (19)

  1. 基板の、少なくとも端面窓構造の形成位置の近傍に溝を形成する工程と、
    上記基板上に、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する、端面窓構造を有する半導体レーザの製造方法。
  2. 上記基板は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板または窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と異なる物質からなる基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させたものである請求項１記載の半導体レーザの製造方法。
  3. 上記溝の側面が窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の窒素終端化面からなる請求項２記載の半導体レーザの製造方法。
  4. 上記基板の、レーザストライプの形成位置の一方の側に上記レーザストライプの形成位置に沿って上記溝を形成し、この際、上記レーザストライプの形成位置と上記溝との間の間隔が上記端面窓構造の形成位置の近傍において他の部分よりも小さくなるようにする請求項３記載の半導体レーザの製造方法。
  5. 上記基板の、レーザストライプの形成位置の両側に上記レーザストライプの形成位置に沿って上記溝を形成し、この際、上記レーザストライプの形成位置と上記溝との間の間隔が上記端面窓構造の形成位置の近傍において他の部分よりも小さくなるようにする請求項３記載の半導体レーザの製造方法。
  6. 上記基板の、上記端面窓構造の形成位置の近傍でかつレーザストライプの形成位置の一方の側または両側に上記溝を形成する請求項３記載の半導体レーザの製造方法。
  7. 上記基板は、第１の平均転位密度を有する単結晶からなる第１の領域中に上記第１の平均転位密度より高い第２の平均転位密度を有する直線状に延在する複数の第２の領域が互いに平行に周期的に配列している窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板であり、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の、少なくとも端面窓構造の形成位置の近傍でかつ互いに隣接する二つの上記第２の領域間の上記第１の領域の中心線に関して線対称な二つ以上のレーザストライプの形成位置の一方の側または両側に、上記溝を上記中心線に関して線対称に形成する請求項１記載の半導体レーザの製造方法。
  8. 上記レーザストライプを形成した後、上記レーザストライプと電気的に接続されるパッド電極を上記レーザストライプに関して上記溝と反対側の領域に形成する請求項７記載の半導体レーザの製造方法。
  9. 少なくとも端面窓構造に対応する部分の近傍に溝が形成された基板と、
    上記基板上に成長された、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する、端面窓構造を有する半導体レーザ。
  10. 上記基板は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板または窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と異なる物質からなる基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させたものである請求項９記載の半導体レーザ。
  11. 上記溝の側面が窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の窒素終端化面からなる請求項１０記載の半導体レーザ。
  12. 上記基板の、レーザストライプの形成位置の一方の側に上記レーザストライプの形成位置に沿って上記溝が形成され、上記レーザストライプの形成位置と上記溝との間の間隔が上記端面窓構造の形成位置の近傍において他の部分よりも小さい請求項１１記載の半導体レーザ。
  13. 上記基板の、レーザストライプの形成位置の両側に上記レーザストライプの形成位置に沿って上記溝が形成され、上記レーザストライプの形成位置と上記溝との間の間隔が上記端面窓構造の形成位置の近傍において他の部分よりも小さい請求項１１記載の半導体レーザ。
  14. 上記基板の、上記端面窓構造の形成位置の近傍でかつレーザストライプの形成位置の一方の側または両側に上記溝が形成されている請求項１１記載の半導体レーザ。
  15. レーザストライプと電気的に接続されるパッド電極が上記レーザストライプに関して上記溝と反対側の領域に形成されている請求項１１記載の半導体レーザ。
  16. 上記基板は、第１の平均転位密度を有する単結晶からなる第１の領域と上記第１の平均転位密度より高い第２の平均転位密度を有する第２の領域とからなり、上記第２の領域は共振器長方向に平行な一辺に沿って設けられている窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板であり、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の、少なくとも端面窓構造の形成位置の近傍でかつ互いに隣接する二つの上記第２の領域間の上記第１の領域の中心線に関して線対称な二つ以上のレーザストライプの形成位置の一方の側または両側に、上記溝が上記中心線に関して線対称に形成されている請求項１１記載の半導体レーザ。
  17. 少なくとも端面窓構造に対応する部分の近傍に溝が形成された基板と、
    上記基板上に成長された、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する、端面窓構造を有する半導体レーザを光源に用いた光ディスク装置。
  18. 基板の所定の部分に溝を形成する工程と、
    上記基板上に、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する半導体装置の製造方法。
  19. 所定の部分に溝が設けられた基板と、
    上記基板上に成長された、上記溝の近傍において上記基板の表面に沿う少なくとも一方向にバンドギャップエネルギーが変化している、少なくともＩｎおよびＧａを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する半導体装置。
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