JP2012517104A - レーザファセットのための光電気化学エッチング - Google Patents
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Abstract
ファセットが、ファセットによって囲まれているキャビティ内の光学モードを支持するために十分に平滑であるように、光電気化学（ＰＥＣ）エッチを使用してファセットをエッチングすることによって半導体レーザ素子を加工する方法。ＰＥＣエッチングは、平滑な側壁を伴い、いかなるイオン損傷ももたらすことなく、ＧａＮ内に深い異方性トレンチをエッチングするために使用することが可能な方法であって、エッチングされたファセットの角度は、エッチングに作用するために使用される光の方向によって制御することが可能である。
Description
（関連出願の相互参照）
本願は、同時係属で共通譲受人の出願（Ａｄｅｌｅ Ｃ．Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＡｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙによる米国仮特許出願第６１／１４８，６７９号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＦＯＲ ＬＡＳＥＲ ＦＡＣＥＴＳ」、２００９年１月３０日出願、代理人整理番号第３０７９４．３０１−ＵＳ−Ｐ１（２００９−３６０−１）号））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張し、この出願は、本明細書に参考として援用される。
本願は、同時係属で共通譲受人の出願（Ａｄｅｌｅ Ｃ．Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＡｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙによる米国仮特許出願第６１／１４８，６７９号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＦＯＲ ＬＡＳＥＲ ＦＡＣＥＴＳ」、２００９年１月３０日出願、代理人整理番号第３０７９４．３０１−ＵＳ−Ｐ１（２００９−３６０−１）号））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張し、この出願は、本明細書に参考として援用される。
本願は、同時係属で共通譲受人の米国特許出願（Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国実用出願第１２／４６４，７２３号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００９年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｕ１（２００８−５３３−２））号であって、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６１／０５２，４２１号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００８年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｐ１（２００８−５３３−１）号）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張する出願）および米国特許出願（Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによる米国実用出願第１２，５７６，９４６号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＦＯＲ ＣＨＩＰ ＳＨＡＰＩＮＧ ＯＦ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」、２００９年１０月９日出願、代理人整理番号第３０７９４．２８９−ＵＳ−Ｕ１ （２００９−１５７−２）号）であって、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによる米国仮特許出願第６１／１０４，０１５号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＦＯＲ ＣＨＩＰ ＳＨＡＰＩＮＧ ＯＦ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」、２００８年１０月９日出願、代理人整理番号第３０７９４．２８９−ＵＳ−Ｐ１（２００９−１５７−１）号）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張する出願）に関連し、これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
（１．発明の分野）
本発明は、レーザファセットのための光電気化学（ＰＥＣ）エッチングに関する。
本発明は、レーザファセットのための光電気化学（ＰＥＣ）エッチングに関する。
（２．関連技術の説明）
レーザダイオードにおいて、最も困難な処理ステップのうちの１つは、高品質なレーザファセットの形成である。これらのファセットの反射率は高くある必要があり、ファセットの角度は正確に決定されなければならず、イオン損傷は、活性領域の質を確保するために最小に維持されるべきである。一般的には、レーザファセットは、高品質なファセットをもたらすが、所望の方向における好適な劈開面の存在に依存するウエハ劈開によって形成される。劈開されたファセットが不可能である状況では（例えば、適切な劈開面の欠如、活性領域材料と格子不整合である基板の存在、統合されたレーザレイを形成することを所望する場合）、ドライエッチングが使用されてもよい。しかしながら、ドライエッチングによって、鏡様の平滑表面を生成するとともに、正確なファセット角度を達成することは困難である。加えて、イオン支援ドライエッチングは、活性材料に損傷を及ぼし、レーザ性能を劣化させる可能性がある。また、多くのウェットエッチング液は、結晶学的（ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ）であって、必ずしも、レーザファセットのための最適角度である結晶学的平面によって決定される角度でエッチングされた側壁を生成するわけではないので、単純（すなわち、非ＰＥＣ）ウェットエッチングを使用してレーザファセットを形成することも制限を有する。このことは、図１および２に例示される。
レーザダイオードにおいて、最も困難な処理ステップのうちの１つは、高品質なレーザファセットの形成である。これらのファセットの反射率は高くある必要があり、ファセットの角度は正確に決定されなければならず、イオン損傷は、活性領域の質を確保するために最小に維持されるべきである。一般的には、レーザファセットは、高品質なファセットをもたらすが、所望の方向における好適な劈開面の存在に依存するウエハ劈開によって形成される。劈開されたファセットが不可能である状況では（例えば、適切な劈開面の欠如、活性領域材料と格子不整合である基板の存在、統合されたレーザレイを形成することを所望する場合）、ドライエッチングが使用されてもよい。しかしながら、ドライエッチングによって、鏡様の平滑表面を生成するとともに、正確なファセット角度を達成することは困難である。加えて、イオン支援ドライエッチングは、活性材料に損傷を及ぼし、レーザ性能を劣化させる可能性がある。また、多くのウェットエッチング液は、結晶学的（ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ）であって、必ずしも、レーザファセットのための最適角度である結晶学的平面によって決定される角度でエッチングされた側壁を生成するわけではないので、単純（すなわち、非ＰＥＣ）ウェットエッチングを使用してレーザファセットを形成することも制限を有する。このことは、図１および２に例示される。
図１Ａおよび１Ｂは、シリコン（Ｓｉ）の等方性エッチングを説明しており、図１Ａは、等方性エッチングされた輪郭の顕微鏡写真であって、図１Ｂは、等方性エッチングされた輪郭の概略図であって、両図とも、エッチングされたＳｉ１００およびＳｉＯ２エッチングされたマスク１０２を示す（これらの図は、非特許文献１に見出され得る）。これらの図は、「単純」ウェットエッチングされた輪郭が、レーザファセットに好適ではない場合があることを例示する。具体的には、これらの図は、非ＰＥＣウェットエッチを使用しても、イオン損傷を伴わずに、レーザファセットに要求されるエッチングされた角度または輪郭が達成され得る保証がないことを例示する。
図２Ａおよび２Ｂは、Ｓｉ結晶学的エッチングを説明しており、図２Ａは、異方性エッチングされた輪郭の断面概略図であって、図２Ｂは、上面概略図であって、両方とも、エッチングされたＳｉ２００およびＳｉＯ２エッチングされたマスク２０２を示す（これらの図は、非特許文献２に見出され得る）。また、これらの図は、異方性エッチング液によって（１００）Ｓｉウエハ２００内に形成されたキャビティ２０４およびピラミッド形孔２０６を例示する。図に記載されるように、ＳｉＯ２エッチングされたマスク２０２の表面は、＜１００＞面に沿って配向され、キャビティ２０４の側壁は、＜１１１＞面に沿って配向され、ピラミッド形孔２０６の側壁は、ＳｉＯ２エッチングされたマスク２０２の表面に対して、角度φ＝５４．７４°にエッチングされる。
サファイヤ上に成長させられたｃ−面窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む、多くの一般的なレーザ幾何学形状の場合、劈開されたレーザファセットを形成することは困難である（その理由の１つは、サファイヤ基板が、ＧａＮと格子不整合であることである）。実際、ＧａＮが、格子不整合の誤配向基板上に成長させられるあらゆる場合において、劈開されたファセットの問題は困難となる。
最近、本結晶面上に高インジウム含有量量子井戸を得ることが可能であって、ＧａＮベースのレーザによって可能な波長の範囲を拡大し、特に、より長い波長の緑色光を発するレーザの開発を可能にするために、（１１−２２）方向に沿って成長させられた半極性レーザが注目を集めている。残念ながら、これらの素子のための好適な劈開面が存在せず、したがって、エッチングされたファセットが代わりに使用されなければならない。
エッチングされた側壁の幾何学形状が、材料自体の結晶構造以外の要因によって制御可能である、レーザファセットのウェットエッチングのための方法が、素子サイズおよび形状に対する改善された制御をもたらすので、あらゆる結晶面にとって望ましいであろう。しかしながら、そのような方法は、ウェットまたはドライエッチングが唯一の選択肢である半極性配向に特に望ましいであろう。本発明は、この必要性を充足する。
Ｍａｄｏｕ、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ、ｐ．２１０
Ｃａｍｐｂｅｌｌ、「Ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」、Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ、ｐ．５２８
上述の先行技術における制限を克服し、本発明の熟読および理解によって明白となるだろう他の制限を克服するために、本発明は、レーザファセットのＰＥＣエッチングのための方法を開示する。
ＧａＮベースのレーザ構造の加工における主要な困難点の１つは、イオン損傷によって損なわれない平滑ファセットの形成である。一般的には、最良のレーザファセットは、ウエハ劈開によって形成されるが、半極性ＧａＮを含む多くの結晶学的配向は、ファセット形成のための適切な角度である劈開面を有していない。また、サファイヤ上のＧａＮ等、構造が非格子不整合基板上に成長させられる場合、劈開されたファセットを形成することは不可能である。
ＰＥＣエッチングは、平滑な側壁を伴い、いかなるイオン損傷ももたらすことなく、ＧａＮ内に深い異方性トレンチをエッチングするために使用可能な方法であって、エッチングされたファセットの角度は、エッチングに作用するために使用される光の方向によって制御可能である。本技法は、ほとんどのレーザ設計において、電気注入およびクラッディング（担体および光閉じ込め）の両方のために要求される、厚いｐ型ＡｌＧａＮ層を通したエッチングの際に困難であるので、ＧａＮ材料系内のレーザファセットには未だ適用されていない。
ＰＥＣエッチングを使用してエッチングされた輪郭に対する改善された制御（例えば、ＰＥＣエッチングを使用するＬＥＤ成形、エッチの光駆動性質の強調）は、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、および Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによる米国実用出願第１２，５７６，９４６号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＦＯＲ ＣＨＩＰ ＳＨＡＰＩＮＧ ＯＦ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」、２００９年１０月９日出願、代理人整理番号第３０７９４．２８９−ＵＳ−Ｕ１（２００９−１５７−２）号）において実証されており、本願は、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、および Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによる米国仮特許出願第６１／１０４，０１５号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＦＯＲ ＣＨＩＰ ＳＨＡＰＩＮＧ ＯＦ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ」、２００８年１０月９日出願、代理人整理番号第３０７９４．２８９−ＵＳ−Ｐ１（２００９−１５７）号）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張するものであって、参照することにより本明細書に組み込まれる。
ｐ型ＧａＮをエッチングする能力は、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、および Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国実用出願第１２／４６４，７２３号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００９年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｕ１（２００８−５３３−２）号）において実証されており、本願は、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、および Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６１／０５２，４２１号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００８年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｐ１（２００８−５３３）号）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張するものであって、参照することにより本明細書に組み込まれる。
本発明は、これらの技法を半極性（１１−２２）レーザ構造に適用し、ＰＥＣエッチングを使用して、レーザファセットを形成することが可能であることを示す。エッチの方向性は、入射光の照射角度によって決定されるので、本発明の技法は、ＧａＮベースの素子の任意の結晶面に広く適用することが可能であるが、しかしながら、実施例として、本発明は、その配向が好適な劈開面を欠いているので、半極性平面を使用する技法を実証することを選択する。
次に、図面を参照する（同一参照番号は、全体を通して対応する部品を表す）。
図１Ａおよび１Ｂは、非ＰＥＣウェットエッチを使用しても、イオン損傷を伴わずに、レーザファセットのために要求される、エッチングされた角度または輪郭が達成可能である保証はないことを例示する、シリコン（Ｓｉ）の等方性エッチングを説明する。
図２Ａおよび２Ｂは、異方性エッチング液によって、（１００）Ｓｉウエハ内に形成される、ピラミッド形孔およびキャビティの断面（Ａ）および上面図（Ｂ）を示す、結晶学的エッチングを説明する。
図３は、本発明のＰＥＣエッチングにおいて使用される装置を例示する、概略図である。
図４は、ＰＥＣプロセスによってエッチングされた（１１−２２）ＧａＮの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示しており、エッチングされた面の角度は、これらのエッチ条件下において結晶学的である（勾配ファセットから明白）。
図５Ａおよび５Ｂは、照射源の角度による、エッチングされた表面の角度のＰＥＣ制御を例示し、非常に平滑なエッチングされた表面（レーザファセットにとって重要）を示すＳＥＭ画像である。
図６は、本発明による、半導体レーザ素子を加工する方法を例示する工程図である。
図７は、図６のエッチング方法において使用される、レーザ素子構造の断面概略図である。
好ましい実施形態についての以下の説明では、本明細書の一部を形成し、本発明が実践され得る特定の実施形態の一例として示される添付の図面が参照される。他の実施形態が利用されてもよく、構造的変化は、本発明の範囲から逸脱することなく成され得ることを理解されたい。
（技術説明）
次の２つの概念が、本発明には必要である。
次の２つの概念が、本発明には必要である。
（１）ＰＥＣエッチングを使用して、ＧａＮ内に、（ｍ−面ＧａＮ基板を使用して成長させられた）平滑な側壁を有する深層異方性トレンチをエッチングする能力
（２）ｐ型ＧａＮおよびｐ型ＡｌＧａＮ等のｐ型半導体をＰＥＣエッチングする能力（Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、および Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国実用出願第１２／４６４，７２３号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００９年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｕ１（２００８−５３３−２）号）に記載されており、この出願は、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、および Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６１／０５２，４２１号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００８年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｐ１（２００８−５３３−１）号）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張するものであって、参照することによって本明細書に組み込まれる）。本技法は、現在、レーザファセット、例えば、半極性レーザ試料の加工に適用されている。
（２）ｐ型ＧａＮおよびｐ型ＡｌＧａＮ等のｐ型半導体をＰＥＣエッチングする能力（Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、および Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国実用出願第１２／４６４，７２３号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００９年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｕ１（２００８−５３３−２）号）に記載されており、この出願は、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、および Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６１／０５２，４２１号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００８年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｐ１（２００８−５３３−１）号）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張するものであって、参照することによって本明細書に組み込まれる）。本技法は、現在、レーザファセット、例えば、半極性レーザ試料の加工に適用されている。
図３は、本発明のＰＥＣエッチングにおいて使用される装置を例示する概略図であって、ＰＥＣエッチングは、ＧａＮおよびその合金を含む、ＩＩＩ窒化物半導体をエッチングするために使用可能な光支援ウェットエッチプロセスである。装置は、光源３００（例えば、１０００ワットキセノンランプ）と、電気化学セル３０２とから構成され、電解質３０６（例えば、ＫＯＨまたはＨＮＯ３）内に浸漬された半導体３０４（例えば、ＧａＮ試料）は、アノードとして作用し、接触またはその上に直接パターン化され、カソード３０８として作用する、金属（通常、チタン／白金二重層）を有する。光源３００からの光３１０は、半導体３０４内に電子−正孔対を発生させ、電子（−）は、カソード３０８を通して抽出される一方、正孔（＋）は、半導体３０４表面において、酸化反応に関与し、半導体３０４表面を電解質３０６内に溶融させる。
ｐ型半導体のエッチングは、ｐ型材料の表面におけるバンド屈曲によって、表面から正孔が追いやられ、酸化物の形成が防止されるので困難である。ヘテロ構造を使用するＧａＮを含むｐ型半導体をエッチングするための方法は、以前に開発されている（Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国実用出願第１２／４６４，７２３号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、、２００９年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｕ１（２００８−５３３−２）号）に記載されており、この出願は、Ａｄｅｌｅ Ｔａｍｂｏｌｉ、Ｅｖｅｌｙｎ Ｌ．Ｈｕ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６１／０５２，４２１号（名称「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＴＣＨＩＮＧ ＯＦ Ｐ−ＴＹＰＥ ＳＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」、２００８年５月１２日出願、代理人整理番号第３０７９４．２７２−ＵＳ−Ｐ１（２００８−５３３−１）号）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張するものであって、参照することにより本明細書に組み込まれる）。
ＧａＮのために使用される典型的なレーザ構造は、クラッディングとして厚い（０．５μｍの）ｐ型ＡｌＧａＮ層を組み込むが、ｐ−ＧａＮのＰＥＣエッチングのために、構造は本発明の技法に従い、したがって、厚いｐ型クラッディング層だけではなく、構造の残りも通してエッチングすることが可能である。
ＰＥＣエッチングを使用して形成される、半極性ＧａＮレーザ構造の両端における２つのレーザファセットの実施例が、図４および５Ａ−５Ｂに示される。
図４は、ＰＥＣプロセスによってエッチングされた（１１−２２）ＧａＮの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示しており、エッチングされた平面の角度は、これらのエッチ条件下、結晶学的である（勾配ファセットから明白）。図５Ａおよび５Ｂは、照射源の角度による、エッチングされた表面の角度のＰＥＣ制御を例示し、非常に平滑なエッチングされた表面（レーザファセットのために重要）を示す、ＳＥＭ画像である。
最も平滑なエッチングされたファセットを達成するために、さらなるプロセス最適化が要求されるが、本図は、ＰＥＣエッチングにおける入射光の角度に依存するエッチングされた表面を例示し、また、非常に平滑なエッチングされたファセットの可能性を示す。電解質濃度、照射強度、および適用されるバイアスを含め、プロセスを微調整するために使用可能な多数のパラメータが存在する。
ＧａＮのＰＥＣエッチングは、通常、図３に示されるように、電解質としてのＫＯＨとともに、照射源として広帯域Ｘｅランプを使用して、行われる。ランプ強度およびエッチング液濃度は、好ましいエッチ速度および形態に基づいて、選択される。
図４に示されるエッチングされたファセットの場合、本発明は、６Ｍ ＫＯＨ、約１センチメートルのスポットサイズに焦点が当てられるフィルタ無しの１０００Ｗ Ｘｅランプを使用して、バイアスを適用せず、エッチングは３０分間行われた。Ｔｉ／Ｐｔカソードが、伝導性ｎ型ＧａＮ基板の裏面に配置され、使用されたエッチマスクは、絶縁であるが、不透明エッチマスクをもたらす、絶縁ＳｉＮｘにＴｉが続く二重層であった。エッチングされたファセットの結晶学的性質を低減することを含め、エッチの質を改善するために、これらの変数はすべて最適化されるべきである。
ＧａＮフィルタと広帯域ランプとの併用も含め、他の種類の光源も使用されているが、依然として、ｐ型層をエッチング可能であるが、下層ｎ−ＧａＮ上でエッチが停止されるだろう。多くの場合、レーザが、ＰＥＣエッチングのために使用され、エッチ特性に対する向上された制御を提供し得る。
図５Ａおよび５Ｂに示されるエッチングされた輪郭は、レーザファセットに対して最適なものではないが（しかしながら、面発光幾何学形状のために使用され得る）、これらのＳＥＭ画像は以下を示す。
（１）エッチングされた輪郭の角度は、入射光の角度によって決定される（結晶学的平面ではない）。
（２）エッチングされた側壁は、平滑である（ファセットを「超」平滑にするために、何ら特別な注意が払われていない）。
図５Ａおよび５Ｂに示されるエッチは、広域ランプによって実行された。集束レーザ源は、さらに優れた制御可能ファセットを生成し得る。図５Ａおよび５Ｂは、ファセットの方向性（従って、角度）、またはエッチングされた平面が、照射（例えば、レーザ）方向または入射光の角度によって、決定および制御されてもよいことを示す。
ＮａＯＨ、ＨＮＯ３、およびＨＣｌを含め、他の酸および塩も、ＧａＮをエッチングするために使用されており、エッチの結晶学的選択性を低減するために、ＫＯＨより優れた選択肢であることが証明され得る。
Ｔｉは、本発明のエッチ条件下において劣化すると考えられるので、マスクおよび接点のための他の選択肢も使用され得る。
最後に、エッチングの際、外部バイアスを適用することによって、結果として生じるエッチの速度および形態を実質的に変化させることが可能であって、結果を大幅に改善させる可能性が非常に高い。
再び、図４を参照すると、レーザ構造を通して、深いエッチを行う能力の第１の実証は、半極性（１１−２２）試料であって、レーザに対して望ましくない非常に結晶学的なエッチファセットを示す。しかしながら、結晶学的エッチングの程度は、エッチングの際に、電解質組成および照射強度を修正することによって制御可能である。本経験は、ＰＥＣエッチングが、レーザ構造を通してエッチングするために使用可能であるが、さらなる最適化が必要となることを示した。
（プロセスステップ）
図６は、本発明に従う、光によって照射される領域内においてのみ化学エッチングが進行するように、半導体素子をウェットエッチングすることによって半導体レーザ素子を加工するための方法を例示する工程図である。具体的には、方法は、半導体レーザ素子のファセットが、ファセットによって囲まれている半導体レーザ素子のキャビティ内の光学モードの振動を支持するために十分に平滑であるように、半導体レーザの１つ以上のファセットをエッチングするステップを含む。
図６は、本発明に従う、光によって照射される領域内においてのみ化学エッチングが進行するように、半導体素子をウェットエッチングすることによって半導体レーザ素子を加工するための方法を例示する工程図である。具体的には、方法は、半導体レーザ素子のファセットが、ファセットによって囲まれている半導体レーザ素子のキャビティ内の光学モードの振動を支持するために十分に平滑であるように、半導体レーザの１つ以上のファセットをエッチングするステップを含む。
一実施形態では、方法は、以下のステップを含む。
ブロック６００は、半導体レーザ素子を提供するステップを表し、半導体レーザ素子は、ｐ型ＩＩＩ窒化物層とｎ型ＩＩＩ窒化物層との間に、発光ＩＩＩ窒化物活性層クラッドを備える構造を有し、ｎ型ＩＩＩ窒化物層は、ｎ型ＧａＮ基板上に形成される。
ブロック６０２は、ｎ型ＧａＮ基板の裏面上に１つ以上のカソードを配置するステップを表す。
ブロック６０４は、ｎ型ＧａＮ基板の裏面上に絶縁かつ不透明エッチマスクを配置するステップを表し、マスクは開口部を有する。
ブロック６０６は、電解質溶液に内に浸漬され、カソードを介して電流源に電気的に連結されるように、図３の装置内に構造を留置するステップと、入射光強度によって、マスクの開口部を通して、ｎ型ＧａＮ基板の裏面から構造を照射するステップとを表す。電流源からの外部バイアスは、電解質溶液内カソードと基準電極との間に適用されてもよい。
ブロック６０８は、電解質濃度で、マスクの開口部を通して、照射された構造をエッチングしてファセットを形成することを表し、ファセットは、構造の第１の端部における第１のファセットと、レーザ構造の第２の端部における第２のファセットとを含み、開口部は、第１および第２のファセットのための所望の場所の上方に配置され、カソードは、第１および第２のファセットが、ファセットによって囲まれているキャビティ内の光学モードの振動を支持するために適切に配置されるように、エッチングされる材料の近傍かつｎ型層に接触して配置される。
ブロック６０８は、ファセットのエッチングが、より大きく光駆動され、より小さく化学的に駆動されるようにＰＥＣエッチを制御するステップを含んでもよいことに留意されたい。
例えば、制御するステップは、入射光強度をＰＥＣエッチのための電解質濃度と均衡させることを含んでもよい。制御するステップは、ＰＥＣエッチのための入射光方向によって、ファセットのエッチングされた輪郭を決定することを含んでもよく、エッチングは、ＰＥＣエッチのための入射光によって照射された領域内でのみ進行する。さらに、均衡させるステップは、入射光強度とＰＥＣエッチのための電解質濃度との間の均衡を選択して、より高速かつより深いエッチングを達成することを含んでもよい。
別の実施例では、エッチングは、ファセットが半導体レーザ素子の劈開面に沿わないように、結晶学的とならないよう制御されてもよい。この点に関して、エッチングは、エッチングの際、電解質組成および入射光強度を修正することによって、結晶学的とならないように制御されてもよい。
図７は、図６のエッチング方法において使用される、レーザ素子構造７００の断面概略図であって、カソード７０２、マスク７０４、ｐ型ＩＩＩ窒化物７０６、発光ＩＩＩ窒化物活性領域７０８、ｎ型ＩＩＩ窒化物７１０、ｎ型ＧａＮ基板７１２、ならびにファセット７１４および７１６を示す。
本方法の最終結果として、結晶学的でもなく、半導体レーザ素子の劈開面にも沿わない、ファセットによって囲まれているキャビティを有する半導体レーザ素子となる。好ましくは、上述のように、半導体レーザ素子のファセットは、ファセットによって囲まれている半導体レーザ素子のキャビティ内の光学モードの振動を支持するために適切に配置され、十分に平滑である。
（可能性のある修正例）
本明細書で使用されるように、用語「ＩＩＩ窒化物」、および同等用語「ＩＩＩ族窒化物」、「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ」、「Ａｌ（１−ｘ−ｙ）ＩｎｙＧａｘＮ」（式中、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）、または「ＩＩＩ−Ｖ窒化物」は、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎのそれぞれの窒化物だけではなく、そのようなＩＩＩ窒化物の二元、三元、四元組成、または合金を含むものとして、広く解釈されることが意図される。故に、これらの用語は、化合物ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮだけではなく、三元化合物ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮ、ならびに四元化合物ＡｌＧａＩｎＮを含む。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）成分種のうちの２つ以上が存在する場合、化学量論的な割合だけではなく、「化学量論外的な」割合（組成内に存在する（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）成分種のそれぞれの相対的モル分率の存在に対して）を含む、あらゆる可能な組成が、発明の広範な範囲内で採用可能である。故に、ＧａＮを参照しての本明細書における特定の議論は、また、より一般的には、種々の他の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料の形成にも適用可能であることを理解されるであろう。さらに、発明の範囲内の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料は、少量のドーパントおよび／または他の不純物あるいは含有材料をさらに含んでもよい。
本明細書で使用されるように、用語「ＩＩＩ窒化物」、および同等用語「ＩＩＩ族窒化物」、「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ」、「Ａｌ（１−ｘ−ｙ）ＩｎｙＧａｘＮ」（式中、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）、または「ＩＩＩ−Ｖ窒化物」は、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎのそれぞれの窒化物だけではなく、そのようなＩＩＩ窒化物の二元、三元、四元組成、または合金を含むものとして、広く解釈されることが意図される。故に、これらの用語は、化合物ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮだけではなく、三元化合物ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮ、ならびに四元化合物ＡｌＧａＩｎＮを含む。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）成分種のうちの２つ以上が存在する場合、化学量論的な割合だけではなく、「化学量論外的な」割合（組成内に存在する（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）成分種のそれぞれの相対的モル分率の存在に対して）を含む、あらゆる可能な組成が、発明の広範な範囲内で採用可能である。故に、ＧａＮを参照しての本明細書における特定の議論は、また、より一般的には、種々の他の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料の形成にも適用可能であることを理解されるであろう。さらに、発明の範囲内の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料は、少量のドーパントおよび／または他の不純物あるいは含有材料をさらに含んでもよい。
本発明の本技法の第１の実証は、非常に結晶学的なエッチングとなり、望ましくない傾斜ファセットをもたらした。高品質なファセットのためには、エッチが、より大きく光駆動され、より小さく化学的に駆動されるように、図６のプロセスステップを最適化する必要があり、このことは光強度を電解質濃度と均衡させることを要求する。適切な均衡によって、高速かつより深いエッチングを得ることが可能であって、この場合、エッチングされる輪郭は入射光方向によって決定される。
（利点および改良点）
本方法を使用して形成されるファセットを伴うレーザは、ドライエッチングを使用して形成されるファセットを伴うレーザよりも、イオン損傷が少なく、より平滑なファセットを有し得る。本プロセスは、特に、好適な劈開面を有していないＩＩＩ窒化物レーザの性能を改善するであろう。ドライエッチングは、キャビティへのイオン損傷およびその粗度を低減させるので、プロセスから完全に排除され得る。
本方法を使用して形成されるファセットを伴うレーザは、ドライエッチングを使用して形成されるファセットを伴うレーザよりも、イオン損傷が少なく、より平滑なファセットを有し得る。本プロセスは、特に、好適な劈開面を有していないＩＩＩ窒化物レーザの性能を改善するであろう。ドライエッチングは、キャビティへのイオン損傷およびその粗度を低減させるので、プロセスから完全に排除され得る。
（結論）
ここで、本発明の好ましい実施形態の説明を結論付ける。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、例示および説明の目的のために提示されている。本発明を包括的または開示される正確な形態に制限することを意図するものではない。多くの修正例および変形例が、上述の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、本発明を実施するための形態によってではなく、本明細書に添付の請求項によって制限されることが意図される。
ここで、本発明の好ましい実施形態の説明を結論付ける。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、例示および説明の目的のために提示されている。本発明を包括的または開示される正確な形態に制限することを意図するものではない。多くの修正例および変形例が、上述の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、本発明を実施するための形態によってではなく、本明細書に添付の請求項によって制限されることが意図される。
Claims (16)
- 半導体レーザ素子を加工する方法であって、
ファセットが、該ファセットによって囲まれている該半導体レーザ素子のキャビティ内の光学モードの振動を支持するために十分に平滑であるように、光電気化学（ＰＥＣ）エッチを使用して該半導体レーザ素子の１つ以上のファセットをエッチングすることを含む、方法。 - 前記半導体レーザ素子は、ＩＩＩ窒化物半導体から構成される、請求項１に記載の方法。
- 前記ファセットのエッチングが、より大きく光駆動され、より小さく化学的に駆動されるように、前記ＰＥＣエッチを制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記制御するステップは、入射光強度を前記ＰＥＣエッチのための電解質濃度と均衡させることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
- 前記制御するステップは、前記ＰＥＣエッチのための入射光方向によって、前記ファセットのエッチングされた輪郭を決定することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
- 前記エッチングすることは、前記ＰＥＣエッチのための入射光によって照射される領域内でのみ進行する、請求項５に記載の方法。
- 前記均衡させることは、前記入射光強度と前記ＰＥＣエッチのための電解質濃度との間の均衡を選択して、より高速かつより深いエッチングを達成することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
- 前記エッチングは、前記ファセットが、前記半導体レーザ素子の劈開面に沿わないように、結晶学的にならないよう制御される、請求項４に記載の方法。
- エッチングは、該エッチングの際に、前記電解質組成および前記入射光強度を修正することによって、結晶学的にならないよう制御される、請求項８に記載の方法。
- 前記半導体レーザ素子を提供することであって、該半導体レーザ素子は、ｐ型ＩＩＩ窒化物層とｎ型ＩＩＩ窒化物層との間にＩＩＩ窒化物活性層クラッドを備えている構造を有し、該ｎ型ＩＩＩ窒化物層は、ｎ型ＧａＮ基板上にある、ことと、
１つ以上のカソードを該ｎ型ＧａＮ基板の裏面上に配置することと、
絶縁かつ不透明エッチマスクを該ｎ型ＧａＮ基板の該裏面上に配置することであって、該マスクは開口部を有する、ことと、
該マスクの開口部を通して、該ｎ型ＧａＮ基板の裏面から、該入射光強度で該構造を照射することと、
該マスクの開口部を通して、該照射された構造を前記電解質濃度でエッチングして、前記ファセットを形成することであって、該ファセットは、該構造の第１の端部における第１のファセットと、レーザ構造の第２の端部における第２のファセットとを含み、該マスクの開口部は、該第１および第２のファセットのための所望の場所の上方に配置され、カソードが、該第１および第２のファセットが該ファセットによって囲まれているキャビティ内の前記光学モードの振動を支持するために適切に配置されるように、エッチングされた材料の近傍かつ該ｎ型ＧａＮ基板に接触して配置される、ことと
をさらに含む、請求項４に記載の方法。 - エッチングの際に、外部バイアスを適用して、結果として生じるエッチの速度および形態を変更することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
- 半導体レーザ素子であって、
結晶学的でもなく、該半導体レーザ素子の劈開面にも沿わないファセットによって囲まれているキャビティを備える、素子。 - 前記ファセットは、前記キャビティ内の光学モードの振動を支持するために適切に配置され、十分に平滑である、エッチングされたファセットである、請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
- 前記半導体レーザ素子は、ＩＩＩ窒化物半導体から構成されている、請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
- 前記半導体レーザ素子は、ｐ型ＩＩＩ窒化物層とｎ型ＩＩＩ窒化物層との間に、ＩＩＩ窒化物活性層クラッドを備える構造を有する、請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
- 半導体素子を加工する方法であって、
化学エッチングが、光によって照射される領域内でのみ進行するように、該半導体素子をウェットエッチングすることを含む、方法。
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