JP2012191107A - 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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窒化物半導体レーザ素子の共振器面に、レーザ光出射部に対応した光吸収層を加工による損傷を軽減して製造することを目的とする。
【解決手段】
導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程と、
前記共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程と、
前記光吸収層に前記導波路領域に対応する開口部を形成する開口部形成工程とを具備する窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【選択図】図1
Description
また、特許文献2には、発光部にピンホールを有する波面変換部を備える発光素子が開示されている。
また、窒化物半導体レーザ素子は、周囲の雰囲気にSiを構成元素とするガスが存在すると、出射されるレーザ光によりこのガスが反応し、出射端面にSi酸化物が形成される。このようなSi酸化物が形成されると、出射端面の反射率が変わってしまい駆動電流及び駆動電圧が変動することがある。そのため、窒化物半導体レーザ素子は通常気密封止されて窒化物半導体装置として用いられる。特許文献3には、パッケージ内の雰囲気を所定の湿度の不活性ガスとすることで端面に有機物が付着することを防止する半導体レーザ装置が開示されている。
そこで、本発明では、窒化物半導体レーザ素子の共振器面に、レーザ光出射部に対応した光吸収層を加工による損傷を軽減して製造することを目的とする。
実施形態の窒化物半導体レーザ素子1では、基板2上に窒化物半導体層3が形成され、窒化物半導体層の一対の共振器面3a及び3bのうち、光出射側(出射面)3aには、反射ミラー4a、保護膜5、光吸収層6が順次形成されている。光吸収層6には、開口部6aが形成されており、保護膜の表面の光出射部5aからレーザ光が出射される。光反射側(反射面)3bには反射ミラー4bが形成されている。
また、窒化物半導体層3は、基板2上に設けられるn側半導体層31、活性層32及びp側半導体層33で構成されている。また、p側半導体層3の表面にはリッジ3cが設けられ、リッジに対応する活性層32及びその近傍に導波路領域3dが形成されている。リッジの側面とリッジの側面から連続する窒化物半導体層の表面には第1絶縁膜9が形成されている。窒化物半導体層の側面には第2絶縁膜10が形成されている。また、窒化物半導体層表面にはp側電極7aが設けられ、基板裏面にはn側電極7bが形成されている。
(a)導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程
(b)共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程
(c)光吸収層に導波路領域に対応する開口部を形成する工程
また、窒化物半導体のように比較的短波長の光を出射する半導体レーザでは、レーザ光によって周囲の雰囲気中のSiを構成元素とするガスが反応し、レーザ光の出射部表面にSi酸化物が形成する。しかし、共振器面上に形成された光吸収層が開口部を有することによって、開口部内の光出射部表面ではなく、開口部周囲の光吸収層表面にSi酸化物が形成され、レーザ光の出射される光出射部表面にSi酸化物が形成されにくくすることができる。この理由としては、開口部周囲よりも開口部内の方がSiを構成元素とするガスの密度が低くなることで、開口部内においてはガスの反応が起こりにくくなり、Si酸化物が形成されなくなると推測される。その結果、開口部周囲の光吸収層表面に優先的にSi酸化物が形成され、光出射部への付着物形成を抑制することができる。
さらに、レーザ光の出射部以外の領域に光吸収層があるために、自然放出光を含む導波路領域から漏れた光を吸収させることで、ビーム品質を改善することができる。
(a)導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程
例えば、基板2上に、窒化物半導体層3、電極(7a及び7b)、第1絶縁膜9及び第2絶縁膜10等を順次形成し、基板を劈開することによって共振器面を得ることができる。
周囲の雰囲気中のSiと反応しやすいため、本発明を適用すると効果的である。
窒化物半導体層3は、n側半導体層とp側半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造とすることが好ましい。
なお、リッジの形成は、当該分野で通常用いられる方法により形成することができる。例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程が挙げられる。
共振器面は、劈開、エッチング等により形成することができる。
第1絶縁膜は、絶縁性材料であって、導波路領域に光を閉じ込めるため窒化物半導体よりも屈折率が小さい材料で形成されることが好ましい。具体的には、ZrO2、HfO2、SiO2、Ta2O5、SiN、SiON、BN、SiC、SiOC等が挙げられる。なかでも特にZrO2又はSiO2が好ましい。膜厚は、0.1〜0.5μm程度で形成されることが好ましい。
次に、先の工程で得られた共振器面に反射ミラー、保護膜、光吸収層を順次形成する。
反射ミラーは、単層あるいは、低屈折率層と高屈折率層のペアにより構成される多層膜で形成することができる。出射側及び反射側両方の共振器面に反射ミラーが設けられていることが好ましい。出射側の共振器面に単層膜、反射側の共振器面に多層膜を形成してもよい。
反射ミラーは、所望の反射率を得るために、材料、膜厚、多層膜のペア数等を適宜調整することができる。各層の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、所望の発振波長(λ)、用いる材料のλでの屈折率(n)によって決まる。具体的には、λ/(4n)の整数倍とすることが好ましく、反射率を考慮して適宜調整することが好ましい。
例えば、発振波長が405nmのレーザ素子において、Ta2O5/SiO2で形成する場合、40〜70nm程度が例示される。このような多層膜の場合、ペア数は、2ペア以上、好ましくは5〜15ペア程度が例示される。反射ミラーの全体としての膜厚は、例えば、50〜900nm程度が例示される。
出射側は、11%、反射側は95%程度の反射率となるように材料、膜厚、ペア数を調整することが好ましい。
また、反射ミラーは、窒化物半導体レーザ素子の幅方向において、全体にわたって形成されていてもよいし、部分的に形成されていてもよい。少なくとも、導波路領域及びその周辺に形成されていればよい。
また、共振器面を保護するために、共振器面に接触するようにAlxGa1−xN(0<x≦1)をはじめとする窒化物膜、六方晶系の材料で単結晶を含む膜を形成してもよい。
また、共振器面に前処理、希ガス(Ar、He、Xe等)、窒素、酸素、オゾンガスを含むプラズマの照射、酸化処理、熱処理、露光処理等を利用した後に、反射ミラーを形成してもよい。
保護膜の材料としては、反射ミラーとの密着性及び雰囲気中での安定性を考慮して選択することができる。具体的には、SiO2、Al2O3、Ta2O5、HfO2、ZrO2、TiO2、Nb2O5、SiN、SiON、AlN、AlON等が挙げられる。特に、SiO2又はAlNで形成することが好ましい。膜厚としては、30〜8000nm程度が挙げられる。
また、保護膜は、レーザ光の発振波長に対する減衰係数が0.01より小さいことが好ましい。保護膜の減衰係数はエリプソメトリーを利用した分光エリプソメータ、具体的には、J.A.WOOLLAM社製のHS−190等を用いて測定することができる。
光吸収層の材料としては、金属又は半導体からなることが好ましく、例えばAu、Pt、Ag、Cu、Sn、Ni、Fe、Zn、Al等の金属や、Si、Ge、GaAs、InAs、SiC等の半導体が挙げられる。また、レーザ光の発振波長に対する減衰係数が、0.01以上であることが好ましい。好ましくは、Si又はSiCである。光吸収層は、20〜500nm程度の膜厚で設けられることが好ましい。
次に、先に形成した光吸収層に導波路領域に対応する開口部を形成する。光吸収層に設けられた開口部は、レーザ光の出射部に対応して設けられている。つまり、光出射部は、保護膜上に設けられる光吸収層が開口し、保護膜が光吸収層から露出した部分である。具体的には、共振器面を正面視したときに、導波路領域に対応する位置に、横長楕円形状に開口している。
また、所望のレーザ光を取り出すためには、光吸収層の開口部の大きさは、窒化物半導体レーザ素子の定格光出力での駆動時に、ニアフィールドサイズ以上の大きさで形成されていることが好ましい。そのため、開口部を形成する際のレーザ光の出力は、定格光出力以上で発振させることが適しており、定格光出力の2倍以上で発振させることが好ましい。
また、駆動条件としては、パルス駆動、連続駆動あるいはその組み合わせ等により開口部を設けることができる。
具体的には、横モードがシングルモードである405nm帯窒化物半導体レーザ素子において、光吸収層を30nmの膜厚のSiとした場合、10mW程度の光出力でSiが蒸発しはじめる。あるいは、横モードがシングルモードである445nm帯窒化物半導体レーザ素子において、光吸収層を30nmの膜厚のSiとした場合、20mW程度の光出力でSiが蒸発しはじめる。
さらに、窒化物半導体レーザ素子の半導体層側をステムに実装したフェイスダウン実装、窒化物半導体レーザ素子の基板側をステムに実装したフェイスアップ実装等いずれの構造であってもよい。
キャップの形状は、有底の筒型(円柱又は多角形柱等)、錐台型(円錐台又は多角形錐台等)又はドーム型及びこれらの変形形状等が挙げられる。キャップは、熱伝導率が高い材料で形成されていることが好ましく、例えば、Ni、Co、Fe、Ni−Fe合金、コバール、真鍮等の材料を用いることができる。
キャップの上面又は側面のレーザ光の光出射部位に対応する部分には、レーザ光を通過させる開口部を有し、開口部にはレーザ光を取り出すための透光性部材が支持されているものを用いることができる。透光性部材は、例えば、ガラス、サファイア、セラミックス、樹脂等により形成することができる。また、その表面に、レーザ光を好適に透過させることができるように光透過膜が設けられていてもよい。また、透光性部材は、波長変換部材、光拡散材等を含有していてもよい。
図1乃至3に示すような窒化物半導体レーザ素子は、以下のようにして製造することができる。
まず、n型不純物を含有した窒化物半導体基板をMOVPE反応容器内にセットし、以下のように窒化物半導体層を順に成長させる。
(n側半導体層31)
SiドープAlGaN 2.4μm
アンドープGaN 0.17μm
(活性層32)
SiドープIn0.02Ga0.98N障壁層 140オングストローム
アンドープIn0.07Ga0.93N井戸層 80オングストローム
SiドープIn0.02Ga0.98N障壁層 140オングストローム
アンドープIn0.07Ga0.93N井戸層 80オングストローム
SiドープIn0.02Ga0.98N障壁層 140オングストローム
(p側半導体層33)
MgドープAlGaN 100オングストローム
アンドープGaN 0.15μm
アンドープAlGaN 25オングストロームとMgドープAlGaN 25オングストロームを繰り返し成長させた総膜厚0.6μmの超格子層
MgドープGaN 150オングストローム
続いて、最上層のp側半導体層の上面に、幅1.5μmのストライプ状のマスクパターンを形成し、RIEによりp側半導体層の途中までエッチングを行い、幅1.5μmのストライプ状のリッジ3cを形成する。
続いて、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法を用いて窒化物半導体層の上面にECRスパッタ装置でZrO2膜2000Åの第1絶縁膜9を形成する。
次に、リッジの最表面にNi、Au、Ptを順に形成してなるp側電極7aを形成する。
絶縁膜上から窒化物半導体層の側面及び先に露出したn側半導体層の表面にかけて、SiO2よりなる第2絶縁膜10を形成する。
続いて、p側電極7aと電気的に接続したp側パッド電極8を形成する。
その後、基板を80μm程度の厚さに研磨し、基板2の裏面にn側電極7bを形成する。
その後、窒化物半導体層及び基板を劈開してバー状とする。バーの劈開面が、(1−100)面となるように劈開し、共振器面を作製する。
共振面に反射ミラーを形成する。まず、出射側の共振器面に、第1膜として、共振器面から窒化物半導体層の上面及び絶縁膜の表面にかけて、ECRプラズマスパッタ装置で、Alターゲットを用いて、膜厚32nmのAlNを形成する。その上にさらに、第2膜として、ECRプラズマスパッタ装置で膜厚260nmのSiO2を形成する。
続いて、反射面側の共振器面に、出射面側と同様に、第1膜として膜厚32nmのAlNを形成する。その上に、スパッタ装置でSiターゲットを用いて、SiO2を69nmの膜厚で成膜し、Ta2O5を膜厚46nmで成膜する。SiO2とTa2O5を繰り返し成膜し、(SiO2/Ta2O5)を6周期成膜し、反射側の第2膜とする。
出射側の反射ミラー上に保護膜を形成する。スパッタ装置で、Siターゲットを用いて、膜厚1100nmのSiO2を形成する。
保護膜上に光吸収層を形成する。スパッタ装置で、SiCターゲットを用いて、膜厚200nmのSiC膜を形成する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の光吸収層に、導波路領域(光出射部)に対応する開口部を形成する。
窒化物半導体レーザ素子の電極に通電し、パルス駆動により出力70mWで駆動させてレーザ発振させる。駆動後に出射側共振器面を観察すると、光出射部に対応する位置の光吸収層を除去されていることが観察される。
また、光吸収層を形成しない以外は、同様にして形成した窒化物半導体レーザ素子を同様の条件で駆動させた駆動電流と駆動時間の関係を図5に示す。比較例の窒化物半導体レーザ素子は、駆動時間の経過と共に駆動電流の変動が見られた。
本実施例は、保護膜及び光吸収層の構造を変更した以外は実施例1と同様である。出射側の反射ミラー上に保護膜として、スパッタ装置でAlターゲットを用いて、AlNを膜厚110nmで形成する。保護膜上には、スパッタ装置でSiターゲットを用いて、実施例1と同様にしてSiを膜厚30nmで形成する。
本実施例では、実施例1と同等の効果が得られる。
2:基板
3:窒化物半導体層
3a:光出射側共振器面(出射面)
3b:光反射側共振器面(反射面)
4a,4b:反射ミラー
5:保護膜
5a:光出射部
6:光吸収層
6a:開口部
100:窒化物半導体レーザ装置
20:ステム
30:サブマウント
Claims (5)
- 導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程と、
前記共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程と、
前記光吸収層に前記導波路領域に対応する開口部を形成する開口部形成工程とを具備する窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記開口部形成工程において、前記開口部は前記窒化物半導体レーザ素子を発振させることによって設けられる請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記保護膜、光吸収層及び開口部は、光出射側の前記共振器面に設けられる請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記保護膜はSiO2又はAlNからなる請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記光吸収層はSi又はSiCからなる請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
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