JP3327179B2

JP3327179B2 - 窒化物半導体レーザ素子の製造方法

Info

Publication number: JP3327179B2
Application number: JP23234997A
Authority: JP
Inventors: 一幸蝶々; 慎一長浜; 修二中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 2002-09-24
Anticipated expiration: 2017-08-28
Also published as: JPH1174615A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_XＡ
ｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレ
ーザ素子の製造方法に係り、特に共振面がエッチングに
より形成され、共振面から放射されるレーザ光のファー
フィールドパターンの良好な窒化物半導体レーザ素子の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体レーザ素子には、活性層を
含む窒化物半導体層に共振面を形成し、活性層内で増幅
された大きな出力のコヒーレント光を共振面から放射す
るものがある。

【０００３】本発明者等は共振面を有する窒化物半導体
レーザ素子として、波長が４１０ｎｍの短波長のレーザ
光の連続発振の可能な窒化物半導体レーザ素子を提案し
ている。例えば、Ａｐｐｌ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９
６）３０３４、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９
（１９９６）４０５６などに記載されている。上記本発
明者等が提案した窒化物半導体レーザ素子は、短波長の
レーザ光を放射することができるので、光メモリーの高
密度化や大容量化にとって大変有用である。

【０００４】このような窒化物半導体レーザ素子の共振
面は、エッチングや劈開、又は劈開後に劈開面を研磨す
ること等により形成される。一般に、窒化物半導体の基
板はサファイアやスピネル等ほとんど劈開性のない材料
を用いているため、劈開により共振面を形成するのは困
難である。また、エッチングは劈開性の有無に関係なく
共振面を形成することができるので、劈開に比べ比較的
容易にしかも共振面を鏡面状に近い状態で形成し易い。

【０００５】従来の窒化物半導体レーザ素子は、例えば
図１のように、基板１上に、ｎ側窒化物半導体層（ｎ側
層）２、活性層３、ｐ側窒化物半導体層（ｐ側層）４が
積層されている。このレーザウエハに、ｎ電極を形成す
るためのｎ側層（例えばコンタクト層）をエッチングに
より露出させる際に、同時に共振面を形成している。

【０００６】また、このような、窒化物半導体レーザ素
子のウエハのチップ状への分離は、ダイサーやスクライ
バー等の外力によってウエハを割る装置を用いて行われ
ているが、ｎ側層の露出と同時に共振面を形成している
ので、外力によってカットするカット面にｎ側層が存在
しクラックが生じ易い。このクラックが窒化物半導体の
結晶性を損ねたり高度を低下させたり寿命を短くするた
め、クラック防止として図１のａに示すように共振面か
らカット面までの距離を長めに設けている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１の
ａのように共振面からカット面までの距離を長めに設け
てあると、矢印ｂのように共振面から放射されるレーザ
光がこの部分に反射し、ファーフィールドパターンを乱
し、光メモリーの高密度化や大容量化に応用するのに必
要とされるレーザ光の単一モード化が十分満足いくもの
でないことがわかった。ファーフィールドパターンを良
好にするため、単に共振面からカット面までの距離を短
くしたのでは、ウエハを外力によってチップ状にカット
する際のクラックの防止が不十分となる。また、共振面
からカット面までの距離を短くしてもウエハをカットす
る際に窒化物半導体にクラックが発生しないようにする
ために、共振面を形成する際にｎ側層を残さず基板まで
エッチングし、カット面のｎ側層を除去した後にウエハ
をカットすることが考えられる。しかし、共振面を形成
する際にｎ側層を残さず基板までエッチングすると、エ
ッチング深さが大きくなり、エッチング条件により共振
面が平滑にならずファーフィールドパターンが大きく乱
れ易くなる。また、ｎ電極を形成するｎ側層の露出と同
時に共振面を形成し、その後に共振面側のｎ側層のみを
基板までエッチングすることが例えば特開平７−１４２
７６３号公報等に記載されているが、ｎ側層はｐ側層に
比べて比較的厚膜に形成されているためにエッチング深
さが大きくなり、上記と同様エッチング条件により、不
要なエッチングが生じ共振面が十分な平滑にならずファ
ーフィールドパターンが乱れる傾向がある。

【０００８】このように共振面が十分に平滑でないと、
ファーフィールドパターンを十分に良好な単一モードと
することができず、光メモリーの高密度化や大容量化と
しての、レーザビーム径を小さくすることを必要とする
ＤＶＤ光源や、単一モードの光を必要とする光通信分野
等への適用を十分満足させることができない。

【０００９】そこで、本発明の目的は、レーザ光のファ
ーフィールドパターンが良好で、単一モードのレーザ光
が得られる窒化物半導体レーザ素子の製造方法を提供す
ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の目的は以
下（１）〜（３）の構成によって達成することができ
る。（１）基板１上に、少なくともｎ側層２、活性層３、
ｐ側層４が順に積層されたウエハの、ｐ側層４の一部５
０１を基板１までエッチングして基板１の表面を露出さ
せる第一の工程を行い、続いて、ｐ側層４の他の一部５
０２をｎ側層２が露出するまでエッチングし、このエッ
チング端面に共振面２０１を形成する第二の工程を行
い、その後、共振面２０１間でウエハを分離する第三の
工程を行い、更に共振面２０１より突出したｎ側層２及
び基板１の突出部ｃ及び突出部ｄの長さをレーザ光を遮
らないように調整する第四の工程を第一〜第三の工程の
いずれかの工程の際又は独立して行うことを特徴とする
窒化物半導体レーザ素子の製造方法。（２）前記ｎ側層２の突出部ｃの長さが、３〜１０μ
ｍであり、且つ前記基板１の突出部ｄの長さが、１０〜
２０μｍであることを特徴とする前記（１）に記載の窒
化物半導体レーザ素子の製造方法。（３）前記ｎ側層端面２０２に、不透光膜、凹凸の形
状、又は一定のパターン形状が形成されてなることを特
徴とする前記（１）又は（２）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。

【００１１】つまり、本発明は、エッチングにより共振
面を形成する前に、Ｐ側層の一部をエッチングし共振面
に垂直の平面となる基板を露出させるものであり、更に
共振面に垂直な平面の基板及びｎ側層の共振面からの各
突出部の長さをレーザ光が当たらないように調整するこ
とにより、共振面が平滑となり更にレーザ光が共振面に
垂直な平面のｎ側層及び基板の突出部等にぶつかり反射
することがない。従って、本発明は従来の問題点であっ
た反射光によるファーフィールドパターンを乱すことな
くレーザ光の単一化が可能となる。更に共振面に垂直な
平面のｎ側層の一部がレーザ光が当たらないようにエッ
チングで予め除去されているので、レーザ光のファーフ
ィールドパターンが乱れないと共に、ウエハをチップ状
に劈開する際のクラックの防止を可能にしている。

【００１２】従来、結晶性を損ねることなくウエハを分
離する方法として、ｐ側層の一部をｎ側層までエッチン
グしエッチング端面に共振面を形成した後ｎ側層を更に
基板までエッチングすることが公開されている。例えば
特開平５−３４３７４２号、特開平７−１４２７６３号
各公報等に記載されている。しかしこれらの技術は、窒
化物半導体の結晶性を損ねることなくチップ状にカット
する点では優れた効果があるが、近年の光メモリーの高
密度化や大容量化等の要求によるレーザ光のファーフィ
ールドパターンの単一モード化においては十分満足でき
るものでない。これに対し、本発明は、エッチングの方
法を従来のそれとは相違し、共振面側の基板をエッチン
グして予め露出させておいてから、エッチングにより共
振面を形成することにより、本発明の顕著な効果を得る
ことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】更に図を用いて本発明を詳細に説
明する。図２〜図５は、本発明の製造方法の各工程によ
る窒化物半導体の模式的断面図である。またこれらの図
は、ウエハの特定の一単位を示したものである。図２
は、基板１上に、ｎ側窒化物半導体層（ｎ側層）２（コ
ンタクト層、光ガイド層及び光閉じこめ層等の積層構造
を有する）、活性層３、ｐ側窒化物半導体層（ｐ側層）
４（コンタクト層、光ガイド層及び光閉じこめ層等の積
層構造を有する）が積層されている窒化物半導体の模式
的断面図である。この図２の窒化物半導体が本発明の製
造方法における第一〜第四の工程を経ていく過程を図２
〜５を用いて説明する。

【００１４】第一の工程において、図２の窒化物半導体
は、ｐ側層４の一部５０１を基板１までエッチングし、
基板１の表面を露出させる。この際、基板１の表面がエ
ッチング条件等によりわずかに侵食されていてもよい。
その後に、第二の工程において、図３で示したｐ側層４
の他の一部５０２をｎ側層２が露出するまでエッチング
し、エッチング端面に共振面２０１を形成する。エッチ
ングによって共振面２０１が形成された窒化物半導体を
図４に示す。続いて、第三の工程において、図４で示さ
れる窒化物半導体のウエハを分離する。分離する方法と
しては、特に限定されず、例えば窒化物半導体が形成さ
れていない側の基板１を研磨した後、劈開する。

【００１５】また、図５の共振面２０１を有する端面の
反対側の端面は、レーザ光の放射面でないので、レーザ
光の単一化を考慮する必要がなく、共振面２０１等が形
成されていなくてもよい。また、第二の工程で、ｐ側層
４の他の一部５０２をエッチングして露出させるｎ側層
２としては、窒化物半導体を構成するｎ側層であればい
ずれでもよく、例えばｎ電極を形成するコンタクト層等
と同一面を露出させると、共振面の形成と電極形成面と
を同時に形成できるので、エッチング工程が簡素化でき
る。

【００１６】このように、第一の工程で、基板１を露出
させた後に、第二の工程で共振面２０１を形成すると共
振面２０１が平滑な面となる。このことは、本発明の製
造方法により、エッチングの条件やエッチングの順序等
による共振面２０１への不要な侵食等を防止できるため
と考えられる。また、第三の工程で、ウエハをチップ状
に分割する際、クラック防止のために基板１のカット面
２０３上部のｎ側層２をエッチングにより除去する必要
がなくなり製造の工程が簡素化できる。

【００１７】更に、第四の工程において、共振面２０１
から突出しているｎ側層２の突出部ｃ及び基板１の突出
部ｄの各長さは、活性層３から放射される角度θのレー
ザ光を遮らないように調整されている。このように調整
することによって、レーザ光が突出部ｃ及びｄにぶつか
り反射して、ファーフィールドパターンが乱れるのを防
止でき、レーザ光の単一モード化が可能となる。また、
第四の工程は、第一〜第三のいずれかの工程の際に行わ
れてもよいが、ｎ側層の突出部ｃの形成はｐ側層の他の
一部５０２をエッチングする際にエッチング幅を調整し
て行われるのが好ましい。また、基板１の突出部ｄの形
成は、ｐ側層の一部５０１をエッチングする際にエッチ
ング幅を調整して行っても、あるいは第三の工程でウエ
ハを分割した後にカット面２０３（図５に図示）を研磨
して調整してもよい。

【００１８】ｎ側層２の突出部ｃ及び基板１の突出部ｄ
の各長さがエッチングによって調節される場合、フォト
リソグラフィー技術を用いて、好ましい各突出部の長さ
となるような形状を有するフォトマスクを作製し、その
フォトマスクをあわせ露光し現像した後エッチングして
５０１又は５０２の部分を除去して、ｎ側層２や基板１
を露出させると共に各突出部の長さを調整する。

【００１９】また、共振面から突出しているｎ側層２の
突出部ｃ及び基板１の突出部ｄの各長さは、窒化物半導
体レーザ素子の種類によりレーザ光の放射角度や窒化物
半導体層の膜厚が異なるため、窒化物半導体ごとにフォ
トリソグラフィー技術におけるフォトマスクの形状や研
磨の程度を変更することで、種々の窒化物半導体レーザ
素子に適するように適宜調整される。また、同一の組成
の窒化物半導体素子であっても形成する際の反応条件に
より、レーザ光の放射角度などが変化するため、突出部
の長さを調整する必要が生じる場合がある。具体的に、
ｎ側層２の突出部ｃの好ましい長さは、３〜１０μｍ、
より好ましくは３〜５μｍ、最も好ましくは１〜３μｍ
である。また、基板１の突出部ｄの好ましい長さは、１
０〜２０μｍ、より好ましくは１０〜１５μｍ、最も好
ましくは５〜１０μｍである。突出部ｃ及びｄの長さが
これらの範囲であると、レーザ光が共振面２０１から突
出しているｎ側層２及び基板１に当たって反射すること
がないので、良好なファーフィールドパターンが得られ
る。また、基板１のカット面２０３上部のｎ側層２が除
去されているのでウエハをチップ状に割る際、クラック
の発生を防止するのに好ましい。更に、反射を良好に防
止するために、上記各突出部の長さの調節に加えて、活
性層から共振面に垂直な平面のｎ型層までの膜厚（図５
のｅの膜厚）が１．５〜３．０μｍ、より好ましくは
１．６〜１．８μｍの範囲であると好ましい。但し、上
記の各突出部の長さ及び図５のｅの膜厚の具体的な値
は、一例を示したに過ぎず、本発明はこれに限定されな
い。

【００２０】また、図５のｎ側層端面２０２が、活性層
３から散乱してｎ側層端面２０２から放射される不必要
な光が、レーザ光のファーフィールドパターンを乱さな
いように制御できるように構成されていることが好まし
い。このように散乱した光の制御が可能な構成になって
いると、活性層３から一部の散乱した光が、ｎ側層２内
を導波しｎ側層端面２０２から仮に放射されたとして
も、活性層３から放射されるレーザ光のファーフィール
ドパターンを乱すことがなく単一モード化を良好にす
る。

【００２１】ｎ側層端面２０２から放射される光を制御
する構成とは、少なくともファーフィールドパターンを
乱さないように構成されていれば特に限定されないが、
具体的にはｎ側層端面２０２に不透光膜を形成し光の放
射を防止する構成、及び光の進行を散乱させ直接レーザ
光に交差しないように又は交差する光の強度を和らげる
ように、ｎ側層端面２０２を粗して凹凸を設けたり、パ
ターンを設ける等の構成が挙げられる。またこれらの構
成を２種類以上ｎ側層端面２０２に設けてもよい。上記
不透光膜の具体例としては、Ｓｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒ等
の少なくとも１種以上から構成される膜が挙げられる。
またこれらの不透光膜をｎ側層端面２０２に形成する方
法としては、スパッタ、蒸着等である。またｎ側層端面
２０２を粗したりパターンの形状の具体例は、例えば図
６の（ａ）ギザギザ、（ｂ）波型、（ｃ）Ｖ溝等の形状
が挙げられる。図６はｎ側層端面２０２の形状を示した
素子の概略図である。また、粗したり、パターンを形成
する方法は、共振面を形成する際に、フォトマスクの転
写パターンをｎ側層端面２０２が上記構成となるように
作成し、ｎ側層２を露出させると共にｎ側層端面２０２
の形状を形成することが好ましい。ｎ側層端面２０２に
光の制御機能を設ける工程は、第一の工程の後に行うの
が好ましいが、特に限定されない。

【００２２】本発明において、窒化物半導体をエッチン
グする方法には、ウエットエッチング、ドライエッチン
グ等の方法があり、共振面となるような平滑な面を形成
するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドラ
イエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、
電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオンビー
ムエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガス
を適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチング
して共振面を形成することができる。例えば、本出願人
が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載の窒化
物半導体の具体的なエッチング手段を用いることができ
る。

【００２３】また本発明は、窒化物半導体素子にリッジ
構造を有する場合には、上記のようなエッチング方法を
用い共振面を形成した後、上記エッチング方法によりリ
ッジ構造を形成することが好ましい。共振面を形成した
後にリッジ構造を形成すると共振面がより平滑になる。

【００２４】本発明に用いられる基板は、サファイア、
スピネル、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ等の窒化物半
導体を成長させるために提案されている基板を用いるこ
とができる。

【００２５】本発明において、窒化物半導体の構成や電
極等は特に限定されず、いずれの層構成及び形状等を有
していてもよい。

【００２６】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれ
に限定されない。

【００２７】［実施例１］実施例１はＭＯＶＰＥ法を用
いて行い、サファイア基板上に下記の層構成を形成し
た。２インチφのサファイア基板の上に、ｎ型ＧａＮよ
りなるｎ型コンタクト層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ
型光閉じこめ層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなる光ガイド層
と、ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮより
なる光ガイド層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型光閉じ
こめ層と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とを積
層したウエハを作製する。

【００２８】次に、第一の工程で、このウエハの窒化物
半導体の最上層に、第三の工程で共振面２０１間の中間
が突出部ｄの長さが２０μｍとなるような形状のマスク
を形成し、ＳｉＣｌ₄ガス、Ｃｌ₂ガスを用いてＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）を行い、ｐ側層４の一部
（図１の５０１）をエッチングして基板１を露出させ
る。次にマスク除去後に、第二の工程で、ｐ側層４の他
の一部（図１の５０２）を除去するために、ウエハの窒
化物半導体の最上層に、突出部ｃの長さが５μｍとなる
ようにマスクを形成して再度ＲＩＥを行い、電極を形成
すべきｎ型コンタクト層を露出させると同時に、露出さ
せた基板１の平面と垂直となる窒化物半導体層表面に共
振面２０１を形成する。マスク除去後、露出したｎ型コ
ンタクト層にｎ電極、最上層のｐ型コンタクト層にｐ電
極を、互いに平行なストライプ形状でそれぞれ形成す
る。

【００２９】電極形成後、第三の工程で、基板１を５０
μｍの厚さまでラッピング（研磨）した後、ストライプ
状の電極に垂直な方向でバー状に劈開する。劈開後、ｐ
電極に平行な方向でバーを切断してレーザチップとし
た。

【００３０】以上のようにして得られたレーザチップ
を、ヒートシンクにフェースアップの状態で設置して実
際に発振させたところ、共振面から出るレーザ光のファ
ーフィールドパターンは基板水平方向に対して上下対称
であって、レーザ光の反射による干渉が現れていない形
状であり、レーザ光が基板によって遮られておらず、ビ
ーム中心が基板に対して水平であることを示した。

【００３１】［実施例２］実施例１において、共振面を
形成する際に、ｎ側層端面２０２が図６（ａ）のギザギ
ザのパターンとなるようなフォトマスクの転写パターン
を作成し、ｎ側層２を露出させると共にｎ側層端面２０
２の形状を形成する以外は実施例１と同様にしてレーザ
チップを作製した。その結果、ｎ側層端面２０２から散
乱した光がレーザ光に交差することを防止できるのでフ
ァーフィールドパターンがより良好となった。

【００３２】［実施例３］実施例１において、ｎ側層端
面２０２にＳｉよりなる不透光膜をスパッタにて形成す
る以外は実施例１と同様にしてレーザチップを作製し
た。その結果、ｎ側層端面２０２から散乱した光が放出
するのを防止できファーフィールドパターンがより良好
となった。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、基板を露出させた後に共振面
を形成し、共振面に垂直な平面のｎ側層の突出部及び基
板の突出部の長さを特定の長さに調整することで、共振
面が良好な平滑面となりファーフィールドパターンが良
好となる。更に本発明は、基板をカットする前にカット
面上部のｎ側層が除去されているのでクラックの防止も
良好となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の窒化物半導体素子の模式的断面図であ
る。

【図２】本発明の製造方法の工程における一実施形態の
窒化物半導体の模式的断面図である。

【図３】本発明の製造方法の工程における一実施形態の
窒化物半導体の模式的断面図である。

【図４】本発明の製造方法の工程における一実施形態の
窒化物半導体の模式的断面図である。

【図５】本発明の製造方法の各工程によって得られた一
実施形態の窒化物半導体素子の模式的断面図である。

【図６】本発明のｎ側層端面２０２に形成するパターン
の一実施の形態を示した窒化物半導体の概略図である。

【符号の説明】

１・・・・基板２・・・・ｎ側層３・・・・活性層４・・・・ｐ側層２０１・・・共振面２０２・・・ｎ側層端面２０３・・・カット面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板１上に、少なくともｎ側層２、活性
層３、ｐ側層４が順に積層されたウエハの、ｐ側層４の
一部５０１を基板１までエッチングして基板１の表面を
露出させる第一の工程を行い、続いて、ｐ側層４の他の
一部５０２をｎ側層２が露出するまでエッチングし、こ
のエッチング端面に共振面２０１を形成する第二の工程
を行い、その後、共振面２０１間でウエハを分離する第
三の工程を行い、更に共振面２０１より突出したｎ側層
２及び基板１の突出部ｃ及び突出部ｄの長さをレーザ光
を遮らないように調整する第四の工程を第一〜第三の工
程のいずれかの工程の際又は独立して行うことを特徴と
する窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】前記ｎ側層２の突出部ｃの長さが、３〜
１０μｍであり、且つ前記基板１の突出部ｄの長さが、
１０〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載
の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】前記ｎ側層端面２０２に、不透光膜、凹
凸の形状、又は一定のパターン形状が形成されてなるこ
とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物
半導体レーザ素子の製造方法。