JP2011181604A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板2と、基板上に形成された半導体層4と、半導体層4に形成された導波路領域と、導波路領域の光出射側端部に形成された端面と、を有する半導体レーザ素子であって、端面は少なくとも一方に突出した共振器端面6を含む突出部8と、共振器端面6よりも後方に第2の端面7を有しており、突出部8の側面10に半導体層からなる段差部12を有しており、第2の端面7の前方に、端面から離間した壁部5を有する。
【選択図】 図1
Description
例えば、従来から、ウェハ上に半導体層を積層した後、得られたウェハを縦横に分割して個々のチップを形成する方法として、まず、ウェハを、エッチング又は劈開により、複数のレーザ素子の共振器面を形成し、任意に共振器面に保護膜を形成し、その後、バー状のウェハを、共振器面に交差する方向にダイシング、スクライビングなどによって分割し、1単位のチップを得るという方法が採られている(例えば特許文献1等)。
また、リッジ導波路部の両側方に、リッジ導波路部及び共振器端面と間隔をおいて形成された光吸収層により、リッジ導波路部の側方に漏れた漏れ光の強度を低減することで、FFPが良好な半導体レーザ素子とする技術が提案されている(例えば、特許文献3)。
また、上記の半導体レーザ素子では、リップルの抑制がまだ不十分である。特に、X方向(基板の主面に対して平行方向)のリップルは改善されるものの、Y方向(基板の主面に対して垂直方向)のリップルの抑制が不十分であった。そのため、歩留まりの低下を招くことがあり、製造効率の低下を招くことがあった。
そこで、本発明は、半導体レーザ素子の製造効率をさらに向上させるとともに、FFPがリップルの少ない良好なガウシアン形状となる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
前記段差部は、前記基板の表面に対して傾斜する傾斜面を有することが好ましい。
前記段差部は、前記半導体層の活性層を含む領域に形成されていることが好ましい。
前記段差部は、エッチングにより形成されることが好ましい。
前記基板の一部は、前記共振器端面よりもさらに前記突出部の前方に突出されていることが好ましい。
前記突出部の側面の平面視形状は、連続した波状形状であることが好ましい。
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、前記の半導体装置を製造する方法であり、半導体レーザ素子の製造効率をさらに向上させるとともに、FFPがリップルの少ない良好なガウシアン形状となる半導体レーザ素子を提供することができる。
図1は、本発明に係る半導体レーザ素子1を示す斜視図であり、図2は平面図である。本実施形態の半導体レーザ素子は図1及び図2に示す通り、半導体からなる基板2の上に、半導体層4が積層され、半導体層4の一部には導波路領域を構成するためのストライプ状のリッジ16が形成されている。リッジ16の上端に露出した半導体層4には、p側電極18が形成されており、p側電極18に接し、p側パッド電極14が形成されている。図1においてはp側パッド電極は図示していない。
端面は、少なくとも一方に突出した突出部8を有し、突出部8の側面10に半導体層4からなる段差部12を有している。つまり、段差部12は半導体層4であって、突出部8の側面10と連なるように形成される。言い換えると、側面10から突出するように、一体として形成されている。
図1及び図2に示すレーザ素子において、段差部12は、側面10と、隣接した第2の端面7とで形成される角部に形成されており、第2の端面7の下部に沿って伸びるように形成されている。さらに、段差部12の前方には、共振器端面6及び第2の端面7から離間した壁部5が、共振器端面6の両側方に形成されている。
半導体レーザ素子における共振器端面6から漏れる迷光は、主に本発明での突出部8の側面10及び第2の端面7から外部に放出される光が原因である。そのため、この領域から外部に放出される光を遮るか、若しくはこの領域から光出射面方向以外の方向に迷光を逃がすかを検討する必要がある。本発明のレーザ素子においては、段差部12と壁部5の双方を有することにより、効果的にリップルを抑制することができる。FFPで問題となるリップルは、主としてX方向に生じるリップルと、Y方向に生じるリップルとがある。ここで、本件発明においてFFPのY方向とは、基板2の主面に対して垂直方向のことを言い、FFPのX方向とは、基板2の主面に対して平行方向のことを言うものとする。
段差部12は、主として側面10及び第2の端面7から漏れ出す迷光によって生じるリップルを抑制するものである。
すなわち、段差部12を構成する面において、スネルの法則により、FFPに影響がない方向に光の進行方向が曲げられるように設定される。
このような傾斜面は、漏れ光に対して臨界角以下になるように設定されることが好ましい。これにより、段差部12において漏れ光が下方向に曲げられ、主ビームにリップルが乗ることを抑制することができる。
壁部5は、段差部12の前方に形成され、共振器端面6の両側方に、共振器端面6から離間して形成されている。壁部5は、活性層からの漏れ光を反射及び/又は散乱させることによって、X方向及びY方向のリップルを抑制可能であり、主としてX方向のリップルを抑制することができる。壁部5は、共振器端面6と離間して形成されており、これにより必要な主ビームを遮ることがない。
壁部5が共振器端面6(導波路領域を含む)にあまり近すぎると、主ビームを反射・散乱させる虞があり好ましくない。また、壁部5が、光が漏れ出す範囲からあまりに遠すぎると、リップル抑制の効果が低下する。したがって、壁部5から、第2の端面7および側面10までの最短距離が10μm以下、好ましくは2〜3μmの範囲になるように形成されると良い。なお、壁部5の幅は5〜30μm程度、また、10μm以上あることが好ましく、別の観点から、第2の端面7の前方を全て覆うような幅であることが好ましい。
また、壁部5を構成する面のうち、迷光を反射及び/又は散乱させる面、すなわち、側面10及び第2の端面7に対向する面は、迷光に対して光を散乱させやすいように凹凸を有する、又は共振器端面6よりも表面粗さが大きい、又は側面が波状形状とされることが好ましい。これにより、リップルの発生を一層効果的に抑制することができる。
ここで、共振器射端面6よりも表面粗さが大きいとは、公知の観察方法を用いて表面状態を評価したときに、その表面粗さの大小関係が確認できるものである。例えば、JISB0601(1994)等による算術平均粗さ、最大高さ、十点平均粗さ等によって評価した場合に、共振器端面6の算術平均粗さに対して、この表面粗さが大きい領域の算術平均粗さが1.5倍以上である。
このように、本実施形態においては、段差部12が主としてY方向の、壁部5が主としてX方向のリップルを抑制することができるため、X方向においてもY方向においても、FFPがリップルの少ない良好なガウシアン形状とすることができる。すなわち、壁部5だけでは抑制するのが困難であったY方向のリップルを、段差部12を併せて設けることで抑制することができ、主ビームを効率的に取り出すことができる。
本実施形態の半導体レーザ素子は、例えば、典型的には主として、基板2と、この上に積層されたn側半導体層20、活性層24及びp側半導体層24からなる半導体層4を含み、半導体層4において、対向する一対のフロント側(光出射面側)端面と、リア側(光反射側)端面を備える共振器が形成され、基板2の一部に突出部を有する半導体レーザ素子である。
なお、本発明の半導体レーザ素子は、例えば、n側電極が基板2に対してp側電極18と同じ側に配置されているものであってもよい。
窒化物半導体基板は、MOCVD法、HVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。
井戸層と障壁層は、一般式InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)のものを用いることができる。少なくとも井戸層にInを含むものが例示され、井戸層、障壁層の両方にInを含むものが適している。
このような活性層は、特に発振波長が220nm〜580nmとなる組成で形成されていることが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の幅、すなわち共振器方向と直交する方向の長さは、50〜2000μm程度に設定される。
通常、半導体レーザ素子の共振器端面6は、半導体層上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして、少なくともp側半導体層24、活性層22、n側半導体層20又は基板2に達する深さまでエッチングすることにより形成することができる。マスクパターン及びその形成方法は、公知の方法が挙げられる。
例えば、マスクパターンは、レジスト、SiO2等の絶縁体等を、フォトリソグラフィ及びエッチング工程等の公知の方法により、適当な形状にパターニングすることができる。このエッチングは、ウェットエッチング又はドライエッチングのいずれであってもよい。ウェットエッチングは、例えば、アルカリ水溶液、王水等のエッチャントに、半導体層を所定時間浸漬するなどして、エッチャントに晒すことにより行うことができる。ドライエッチングは、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)、反応性イオンビームエッチング(RIBE)、電子サイクロトロン共鳴(ECR)エッチング、イオンビームエッチング等を利用して行うことができる。いずれにおいてもエッチングガス(例えば、CF4のようなフッ素系、Cl2、CCl4、SiCl4のような塩素系ガスの単独又は混合ガス)を適宜選択すればよい。なかでも、ドライエッチングを用いることが好ましい。ドライエッチングする際、エッチャントの種類を含むエッチング条件(エッチャント流量、RFパワー、圧力、温度、エッチング時間等)は、適宜調整して決定することができる。
また、このようにして形成された共振器端面は、平滑性が高く、好ましい。
なお、このように壁部5を形成し、ウェットエッチングすることによって段差部12を形成する場合には、段差部12が形成される面と対向する面の側もエッチング液に晒されづらい箇所となるため、図10(a)に示すように、壁部5の側にも段差部が形成されることになる。
この端面保護膜は、例えば、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Ti等の酸化物(特に、Al2O3、SiO2、Nb2O5、TiO2、ZrO2、Ta2O5等)、窒化物(特に、AlN、AlGaN、BN、SiN等)又はフッ化物及びこれらの2種以上の組み合わせ等によって形成することができる。なかでも、酸化物であることが好ましい。また、別の観点から、レーザ素子の発振波長に対して吸収のない材料により形成されることが好ましい。
端面保護膜は、半導体層4に形成された共振器端面6を被覆するものであるが、必ずしも共振器端面6の全面を被覆する必要はなく、少なくとも、共振器端面の光導波路領域を被覆するものであればよい。また、保護膜は、共振器端面以外の面を、部分的に被覆していてもよい。例えば、共振器端面と同時に、レーザ素子の側面にも、この端面保護膜が、側面保護膜として及んでいてもよい。これにより製造工程を簡略化し、製造効率を向上させることができる。端面保護膜と側面保護膜とを同時に形成する場合、共振器端面と側面の連続した保護膜との密着性を向上させることができる。
第2保護膜は、単層構造及び積層構造のいずれでもよい。例えば、Siの酸化物の単層、Alの酸化物の単層、Siの酸化物とAlの酸化物の積層構造等が挙げられる。このような膜が形成されていることにより、端面保護膜をより強固に共振器端面に密着させることができる。その結果、安定な動作を確保することができ、CODレベルを向上させることができる。
第2保護膜の膜厚は、特に限定されることなく、保護膜として機能し得る膜厚とすることが適している。その膜厚は、100〜15000Å程度であることが好ましい。また、端面保護膜と第2保護膜との総膜厚は、2μm程度以下となるものが好ましい。
p側電極18の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、500〜5000Å程度が適当である。p側電極18及びn側電極は、少なくともp側及びn側半導体層又は基板上にそれぞれ形成していればよく、さらにこの電極上にパッド電極14等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、ウェハ単位で窒化物半導体レーザ素子の共振器端面を形成した後に、先に形成した溝を分割補助溝として利用することにより、基板を分割することができる。これにより、共振器端面6よりも前方に、半導体層及び/又は基板の一部が突出される。
本実施の形態では、突出部の側面を平面視波状形状とし、その波状形状を構成する円弧のそれぞれの凹状部に段差部12が形成されている。本実施の形態の半導体レーザ素子は、以下に説明する点を除いて、実施の形態1の半導体レーザと同様である。
図7は、実施の形態2に係る半導体レーザ素子であり、図8は図7を共振器端面6側から見た部分拡大図である。
<実施例1>
図1及び図2に示す半導体レーザ素子の実施例を説明する。
まず、n型GaNからなる基板2をMOCVD反応容器内にセットし、以下の半導体層を積層して、素子構造を形成する。基板10の表面はC面(0001)であり、下記半導体層を順に積層する。
n側半導体層として、膜厚2μmのSiドープAl0.03Ga0.97Nのn側クラッド層、膜厚175nmのGaNのn側ガイド層、を積層する。
次にp側半導体層として、膜厚10nmのMgドープAl0.3Ga0.7Nの電子閉じ込め層、膜厚145nmのGaNのp側ガイド層、各膜厚2.5nmMgドープAl0.1Ga0.9NとGaNを交互に積層してなる超格子の膜厚0.45μmのp側クラッド層、膜厚15nmのMgドープGaNのp側コンタクト層、を積層する。
このようなマスクを形成し、半導体層をエッチングすることにより、突出部8、壁部5を形成する。ここで突出部8及び壁部5を形成するエッチング条件としては、Cl2ガスの流量を10〜200sccm、SiCl4ガスの流量を1〜100sccm用い、圧力を0.5〜40Pa、RFパワーを50〜1000Wの条件とする。これにより、p側半導体層24、活性層22、n側半導体層20の途中までエッチングして共振器端面6と側面10とを含む突出部8と、共振器端面6よりも後方に第2の端面7を形成する。
なお、この際のエッチング深さは、約4μmであり、突出部8の共振器端面6よりも前方領域に基板2の一部を露出させる。この基板の露出領域はウェハからバー形状やチップ形状とするための分割領域である。
ここで、半導体レーザ素子1の寸法としては、共振器長は200〜1000μm、幅は50〜500μm程度の各範囲とできる。本実施例1では、1つの素子領域の寸法は、共振器方向の長さを300μm(共振器長)、共振器方向に直交する半導体レーザ素子の幅を120μmとする。
続いて、窒化物半導体層の表面及びリッジ側面に膜厚50〜500nmのZrO2からなる埋込膜30を形成する。次いで、端面保護膜を形成する。この端面保護膜は、スパッタ装置を用いて形成する。この端面保護膜は、光出射面側にはAl2O3を形成する。さらに、反射側の共振器端面には、(SiO2/ZrO2)を4周期で形成する。その後、p側電極18上にp側パッド電極14を形成する。
そして、GaN基板2の裏面に化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)を施して更に窒素極性面の平坦化を行なう。その後、GaN基板2の裏面に、Ti/Pt/Auを順に積層してn側オーミック電極(図示せず)を形成する。
更に、レーザスクライブ装置で、レーザ光を走査して、半導体ウェハに分割補助溝を形成する。但し、この工程は省略可能である。本実施例では、端面に略垂直及び略平行な分割補助溝を同時に形成する。また、分割補助溝は破線でもストライプでも形成できるが、端面に略平行な分割補助溝はレーザ走査時の端面部へのゴミの影響が考えられる為、レーザ走査位置は端面部6より離れている方が望ましい。
以上のように形成した半導体レーザ素子は、X方向においてもY方向においてもリップルを抑制することができ、良好なFFPを得ることができる。
この実施例では、図5に示すように、共振器端面6と側面10とのなす角度が、平面視で見たときに90°とされており、共振器端面6と側面10とにより形成される角部にのみ段差部12が形成されている。また、壁部5は平面視形状が長方形とされている。その他の部分は、実施例1と同様である。
このレーザ素子では、実施例1のレーザ素子と同様に、リップルを抑制することができる。
この実施例では、図9に示すように、半導体層4の導波路領域近傍に、平面視したときに共振器端面6に対して傾斜した辺を有するような溝32が形成されている。この溝は、共振器端面6を形成する際に同時に形成されており、溝の深さは3〜4μm程度である。その他の部分は、実施例1と同様である。
このレーザ素子では、実施例1のレーザ素子と同様に、リップルを抑制することができ、特に、X方向のリップルについてより一層抑制可能である。
この実施例では、図7に示すように、側面10が平面視で波状形状とされており、波状形状を構成する円弧のそれぞれの凹状部に段差部12が形成されている。ここで、1つの円弧に対する弦の長さは約4μmである。本実施例においては、段差部は側面10にのみ形成されており、第2の端面7には形成されていない。その他の部分は、実施例1と同様である。このレーザ素子では、実施例1のレーザ素子と同様に、リップルを抑制することができる。
2 基板
4 半導体層
5 壁部
6 共振器端面
7 第2の端面
8 突出部
10 側面
12 段差部
14 p側パッド電極
16 リッジ
18 p側電極
20 n側半導体層
22 活性層
24 p側半導体層
30 保護膜
32 溝部
34 マスク
Claims (7)
- 基板と、前記基板上に形成された半導体層と、前記半導体層に形成された導波路領域と、前記導波路領域の光出射側端部に形成された端面と、を有する半導体レーザ素子であって、
前記端面は少なくとも一方に突出した共振器端面を含む突出部と、前記共振器端面よりも後方に第2の端面を有しており、
前記突出部の側面に前記半導体層からなる段差部を有しており、前記第2の端面の前方に、前記端面から離間した壁部を有することを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記段差部は、前記基板の表面に対して傾斜する傾斜面を有する請求項1に記載の半導体レーザ素子。
- 前記段差部は、前記半導体層の活性層を含む領域に形成されている請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。
- 前記段差部は、エッチングにより形成される請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記基板の一部は、前記共振器端面よりもさらに前記突出部の前方に突出されている請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 前記突出部の側面の平面視形状は、連続した波状形状である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
- 半導体層に、開口を有するマスクを施してエッチングすることにより、前記半導体層に、突出した共振器端面と、前記共振器端面から離間した島状の壁部とを設けた後に、
前記エッチングされた表面を、ウェットエッチングして、前記半導体層の突出部の側面に段差部を形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
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