JP3670768B2 - Method of manufacturing group III nitride semiconductor laser diode - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は3族窒化物半導体を用いたレーザダイオードの製造方法に関する。特に、レーザダイオードの共振器の端面の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体(AlGaInN)から成る各層を形成して青色発光ダイオード(LED),青色レーザダイオード(LD)とした素子が知られている。レーザダイオード(LD)の光を効率よく反射させて発振させるためには、共振器端面の垂直度及び平行度を高く保つ必要がある。この共振器端面を精度よく形成するためには、へき開によるのが良いが、上記素子では基板と素子層とが異種物質で形成されているためにへき開は困難である。このため、ドライエッチッグにより端面を形成することが行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようにドライエッチングで共振器の端面を形成した場合には、端面がイオンによるダメージを受けて200Åの凹凸が形成される。この結果、端面での光の反射率が低下して、発振しきい値電流が高くなるという問題がある。又、端面に反射膜を形成する場合には、端面に凹凸が存在するために、反射膜が設計通りに形成されず、端面で光が散乱し、活性層での光の閉じ込め効果が低下するという問題がある。
【0004】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、レーザダイオードにおける共振器端面の表面鏡面度を向上させ、端面での光反射率を向上させることで、光の閉じ込め効果を高め、発振しきい値電流を低下させることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
その目的を達成するための発明の特徴は、基板上に3族窒化物半導体から成るp層とn層とを形成した3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、基板上に3族窒化物半導体から成る各層を形成し、共振器の端面を形成するために各層を、反応性イオンビームエッチング (RIBE) 、反応性イオンエッチング (RIE) 又はイオンビームアシストエッチング (IBAE) によりドライエッチングし、ドライエッチングされた端面をガスクラスタイオンビームエッチングによりさらにエッチングするようにしたことを特徴とする。この結果、ドライエッチングで共振器端面に形成された凹凸がガスクラスタイオンビームエッチングにより除去される結果、端面の鏡面度が向上し、光の閉じ込め効果が向上し、レーザの発振しきい値電流が低下する。さらに、素子を形成したウエハを端面に並行に短冊状に切断して、その短冊状の片を立てて、端面を上に向けて水平にした状態で、クラスタビームエッチングを行うことで、端面の鏡面度をより向上させることができる。
【0006】
3族窒化物半導体は、望ましくは、Al X GaYIn1-X-YN(0≦X≦1, 0≦Y≦1, 0≦X+Y≦1)で表される物質であり、これにより、青色の短波長のレーザダイオードを得ることができる。特に、半導体レーザダイオードをAlx1Ga1-x1Nから成るクラッド層とInx2Ga1-x2Nから成る活性層とすることで、青色のレーザ出力を向上させることができる。又、ドライエッチングを反応性イオンビームエッチング(RIBE)とすることで、効率良く端面を形成することができる。さらに、望ましくは、反応性イオンビームエッチングを、Cl2ガスを用いたエッチングとすることで、エッチングレートの高いエッチングが可能となる。これにより、共振器端面のドライエッチングにより生じた破壊層を効率良く除去でき、端面の鏡面度を向上させることができる。又、ガスクラスタイオンビームエッチングは、アルゴン(Ar), ヘリウム(He), ネオン(Ne), クリプトン(Kr), キセノン(Xe), ラドン(Rn), 窒素(N2)等の不活性ガスを用いて行うことで、端面の鏡面度が向上する。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図1において、レーザダイオード100は、サファイア基板1を有しており、そのサファイア基板1上に500ÅのAlNのバッファ層2が形成されている。そのバッファ層2の上には、順に、膜厚約2.2μm、電子濃度2×1018/cm3、Si濃度4×1018/cm3のシリコンドープGaNから成る高キャリア濃度n+層3、膜厚約1.0μm、電子濃度2×1018/cm3、Si濃度4×1018/cm3のシリコンドープのAl0.08Ga0.92Nから成るn伝導型のクラッド層4、膜厚約0.05μmのIn0.08Ga0.92Nから成る活性層5、膜厚約1.0μm、ホール濃度5×1017/cm3、濃度1×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.08Ga0.92Nから成るp伝導型のクラッド層61、膜厚約0.2μm、ホール濃度7×1017/cm3、マグネシウム濃度2×1020/cm3のマグネシウムドープのGaNから成るコンタクト層62が形成されている。そして、コンタクト層62上にはSiO2層9が形成され、SiO2層9の窓部を介してコンタクト層62に接合するNiから成る電極7が形成されている。さらに、高キャリア濃度n+層3の上にその層3に接合するNiから成る電極8が形成されている。
【0008】
次に、この構造のレーザダイオード100の製造方法について説明する。ウエハのサファイア基板1上に図2に示すように、順次、各層が形成される。上記レーザダイオード100は、有機金属化合物気相成長法(以下「M0VPE」と記す)による気相成長により製造された。
用いられたガスは、NH3とキャリアガスH2又はN2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)(以下「TMG」と記す)とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)(以下「TMA」と記す)とトリメチルインジウム(In(CH3)3)(以下「TMI」と記す)と、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg」と記す)である。
【0009】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したa面を主面とする厚さ100〜400μmの単結晶のサファイア基板1をM0VPE装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板1を気相エッチングした。
【0010】
次に、温度を400℃まで低下させて、H2を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMAを1.8×10-5モル/分で供給してAlNのバッファ層2が約500Åの厚さに形成された。次に、サファイア基板1の温度を1150℃に保持し、H2を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMGを1.7×10-4 モル/分、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを200ml/分で30分供給して、膜厚約2.2μm、電子濃度2×1018/cm3、Si濃度4×1018/cm3 シリコンドープのGaNから成る高キャリア濃度n+層3を形成した。
【0011】
次に、サファイア基板1の温度を1100℃に保持し、N2又はH2を10 liter/分、NH3を10liter/分、TMGを1.12×10-4モル/分、TMAを0.47×10-4モル/分、及び、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを10×10-9mol/分で、60分供給して、膜厚約1μm、電子濃度2×1018/cm3、Si濃度4×1018/cm3のシリコンドープのAl0.08Ga0.92Nから成るn伝導型のクラッド層4を形成した。
【0012】
続いて、温度を850℃に保持し、N2又はH2を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMGを1.53×10-4モル/分、及び、TMIを0.02×10-4モル/分で、6分間供給して0.05μmのIn0.08Ga0.92Nから成る活性層5を形成した。
【0013】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMGを1.12×10-4モル/分、TMAを0.47×10-4モル/分、及び、CP2Mgを2×10-4モル/分で60分間導入し、膜厚約1.0μmのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るp伝導型のクラッド層61を形成した。クラッド層61のマグネシウムの濃度は1×1020/cm3である。この状態では、クラッド層61は、まだ、抵抗率108Ωcm以上の絶縁体である。
【0014】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter/分、NH3を10 liter/分、TMGを1.12×10-4モル/分、及び、CP2Mgを4×10-4モル/分の割合で4分間導入し、膜厚約0.2μmのマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るコンタクト層62を形成した。コンタクト層62のマグネシウムの濃度は2×1020/cm3である。この状態では、コンタクト層62は、まだ、抵抗率108Ωcm以上の絶縁体である。
【0015】
次に、電子線照射装置を用いて、コンタクト層62、クラッド層61に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、試料電流1μA、ビームの移動速度0.2mm/sec、ビーム径60μmφ、真空度5.0×10-5Torrである。この電子線の照射により、コンタクト層62、クラッド層61は、それぞれ、ホール濃度7×1017/cm3,5×1017/cm3、抵抗率2Ωcm,0.8Ωcmのp伝導型半導体となった。このようにして、多層構造のウエハが得られた。
【0016】
次に、図2に示すように、コンタクト層62の上に、スパッタリングによりSiO2層9を2000Åの厚さに形成し、そのSiO2層9上にフォトレジスト11を塗布した。そして、図3に示すように、フォトリソグラフにより、コンタクト層62上において、高キャリア濃度n+層3に対する電極形成部位Aのフォトレジスト11を除去した。次に、フォトレジスト11によって覆われていないSiO2層9をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【0017】
次に、フォトレジスト11及びSiO2層9によって覆われていない部位Aのコンタクト層62、クラッド層61、活性層5、クラッド層4を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2でBCl3ガスを10ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図4に示すように、高キャリア濃度n+層3に対する電極取出しのための孔Aが形成された。
【0018】
次に、残されたSiO2層9に対して、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、湿式エッチングを行い、図5に示すように、SiO2層9のコンタクト層62の電極形成部位に窓9Aを形成した。
【0019】
次に、ウエハの上全面に、一様にNiを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、図6に示すように、高キャリア濃度n+層3及びコンタクト層62に対する電極8,7を形成した。
【0020】
次に、共振器端面を形成するためのドライエッチングを次のように行った。ウエハの全上面に一様にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより、SiO2層9を共振器の長さ(y軸方向)の幅だけ残し、さらに、SiO2層9の中央部において、y軸方向に長さ、x軸方向に幅を有するストライプ状の窓の部分が除去された。そして、共振器の長さの幅でx軸に沿って覆われたレジストマスク12が、図6に示すように形成された。
【0021】
次に、真空度1mTorr、高周波電力300WでCl2ガスを5ml/分の割合で供給し、レジストマスク12で覆われていない窓の部分をサファイア基板1が露出するまで、反応性イオンビームエッチング(RIBE)によりドライエッチングした。
【0022】
その後、上記の如く処理された図8(a)に示すウエハ10をレーザの共振器の長さ方向(y軸)(共振器の端面Sに垂直な方向)に沿ってスクライビングしてスクライブ溝15を形成し、共振器の端面に平行なx軸方向にダイシンして、図8(b)に示すように、各短冊片14を得た。
【0023】
この後、図8(c)に示すように、各短冊片14を共振器の端面Sが上側になるように配置し、Arガスを用いたガスクラスタイオンビームを端面Sに当ててその端面Sをエッチングした。その後、各短冊片14の上下の向きを反転して、下側の端面を上に向けて、同様に、Arガスを用いたガスクラスタイオンビームを端面に当ててその端面をエッチングした。このエッチングの条件は、クラスタサイズ3000、加速エネルギー20keV、イオンドーズ量1×1016IONS/cm2である。このガスクラスタイオンビームによるエッチングにより、RIBEでエッチングした端面Sの200Åの凹凸を20Å以下に低下させることができた。
【0024】
次に、共振器端面Sを保護するために、共振器端面SにSiO2をスパッタリングにより蒸着した。そして、各短冊片14をローラで押圧して、既に、y軸方向に沿って形成されているスクライブ溝を利用して、各素子チップに分離した。このようにして、図7に示すように、基板1に対する垂直度及び端面間の平行度が高く、しかも、表面の平坦性が高く鏡面性の高い共振器端面Sが得られた。これにより、共振器端面Sでの光の反射率が高くなり、光の閉じ込め効果が高く、しきい値電流を低下させることができた。このようにして得たレーザダイオード100は、駆動電流は1000mAにて発光出力10mW,発振ピーク波長380nmであった。
【0025】
共振器端面Sには、SiO2の保護膜が形成されているが、SiO2等の酸化珪素、Si3N4等の窒化珪素、その他のTiO2等の誘電体による多重層を端面Sに形成しても良い。この多重層の各層の厚さを最適に設計することで、端面Sでの反射率をさらに向上させることができる。
上記のガスクラスタイオンビームエッチングは、Arガスを用いたが、ヘリウム(He), ネオン(Ne), クリプトン(Kr), キセノン(Xe), ラドン(Rn), 窒素(N2)等の不活性ガス、CO2 を用いて行っても良い。
又、RIBEの反応性ガスにはCl2の他、BCl3, SiCl4, CCl4を用いることもできる。さらに、ドライエッチングにはRIBEの他、反応性イオンエッチング(RIE)、イオンビームアシストエッチング(IBAE)でも良い。
【0026】
上記実施例では、活性層5はIn0.08Ga0.92N、クラッド層4、61はAl0.08Ga0.92Nで構成したが、一般式、Al X GaYIn1-X-YN(0≦X≦1, 0≦Y≦1, 0≦X+Y≦1)で表される2元、3元、4元の任意の3族窒化物半導体を用いることができる。この時、活性層とクラッド層の組成比は、ダブルヘテロ接合を形成する場合には、活性層のバンドギャップがクラッド層のバンドギャップよりも狭くなり、格子定数が整合するように選択すれば良い。又、4元の任意の3族窒化物半導体を用いる場合には、バンドギャップと格子定数を独立変化させることができるので、各層での格子定数を一致させたダブルヘテロ接合が可能となる。ダブルヘテロ接合に構成するのが望ましいが、本発明はダブルヘテロ接合に限定されるものではなく、シングルヘテロ接合、ホモ接合等であっても良く、活性層に多重量子井戸構造、単一量子井戸構造を採用しても良い。
【0027】
上記の実施例において、電極8の形成時のエッチング工程のマスクには、SiO2の他、金属、レジスト等、ドライエッチングに対する耐エッチング性があり、下層のGaN系の半導体に対して選択的にエッチング又は剥離できるものなら採用できる。さらに、共振器端面を形成するためのエンチング工程のマクスにはフォトレジストを用いたが、その他、SiO2等のドライエッチングに対する耐エッチング性があり、下層の電極7、8に対して、選択的にエッチング又は剥離できるものなら採用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図2】 同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した断面図。
【図3】 同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した断面図。
【図4】 同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した断面図。
【図5】 同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した断面図。
【図6】 同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した斜視断面図。
【図7】 同実施例のレーザダイオードの構造を示した斜視断面図。
【図8】 ウエハの切断及びクラスタビームエッチングの方法を示した説明図。
【符号の説明】
100…レーザダイオード
1…サファイア基板
2…バッファ層
3…高キャリア濃度n+
4…クラッド層(n層)
5…活性層
61…クラッド層(p層)
62…コンタク層
7,8…金属電極
9…SiO2
12…フォトレジスト
S…共振器端面
14…短冊片
15…スクライブ溝
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a laser diode using a group III nitride semiconductor. In particular, the present invention relates to a method of forming an end face of a laser diode resonator.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there are known devices in which blue light emitting diodes (LEDs) and blue laser diodes (LDs) are formed by forming respective layers made of a gallium nitride compound semiconductor (AlGaInN) on a sapphire substrate. In order to efficiently reflect and oscillate the light of the laser diode (LD), it is necessary to keep the perpendicularity and parallelism of the resonator end face high. In order to form this resonator end face with high accuracy, it is preferable to cleave. However, in the above element, cleavage is difficult because the substrate and the element layer are formed of different substances. For this reason, an end face is formed by dry etching.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case where the end face of the resonator is formed by dry etching as described above, the end face is damaged by ions, and 200-mm unevenness is formed. As a result, there is a problem that the reflectance of light at the end face decreases and the oscillation threshold current increases. In addition, when a reflection film is formed on the end face, since there are irregularities on the end face, the reflection film is not formed as designed, light is scattered at the end face, and the light confinement effect in the active layer is reduced. There is a problem.
[0004]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to improve the surface specularity of the cavity end face in the laser diode and to improve the light reflectivity at the end face. It is to increase the confinement effect and lower the oscillation threshold current.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object, a feature of the present invention is that in a method of manufacturing a group III nitride semiconductor laser diode in which a p layer and an n layer made of a group III nitride semiconductor are formed on a substrate, the group III nitride is formed on the substrate. each layer is formed of semiconductor, each layer in order to form an end face of the resonator, and dry etched by reactive ion beam etching (RIBE), reactive ion etching (RIE) or ion beam assisted etching (IBAE), dry The etched end face is further etched by gas cluster ion beam etching. As a result, the unevenness formed on the cavity end face by dry etching is removed by gas cluster ion beam etching, resulting in improved end face specularity, improved light confinement effect, and laser oscillation threshold current. descend. Further, the wafer on which the element is formed is cut into strips in parallel with the end face, the strip-like pieces are erected, and the end face is turned upward to perform the cluster beam etching, so that the end face is The specularity can be further improved.
[0006]
The group III nitride semiconductor is preferably a material represented by Al X Ga Y In 1-XY N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1). A blue short wavelength laser diode can be obtained. In particular, when the semiconductor laser diode is made of a cladding layer made of Al x1 Ga 1 -x1 N and an active layer made of In x2 Ga 1 -x2 N, the blue laser output can be improved. Further, by using dry ion etching as reactive ion beam etching (RIBE), the end face can be formed efficiently. Further, desirably, the reactive ion beam etching is etching using Cl 2 gas, thereby enabling etching with a high etching rate. Thereby, the destructive layer generated by the dry etching of the resonator end face can be efficiently removed, and the specularity of the end face can be improved. Gas cluster ion beam etching is performed using an inert gas such as argon (Ar), helium (He), neon (Ne), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn), or nitrogen (N 2 ). By using this, the specularity of the end face is improved.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples. The present invention is not limited to the following examples.
In FIG. 1, a laser diode 100 has a sapphire substrate 1, and a 500 Å AlN buffer layer 2 is formed on the sapphire substrate 1. Of On the buffer layer 2, in turn, a film thickness of about 2.2 .mu.m, electron concentration 2 × 10 18 / cm 3, Si concentration 4 × 10 18 / cm high carrier concentration comprising a silicon-doped GaN of 3 n + layer 3, N-conducting clad layer 4 made of silicon-doped Al 0.08 Ga 0.92 N with a film thickness of about 1.0 μm, an electron concentration of 2 × 10 18 / cm 3 , and an Si concentration of 4 × 10 18 / cm 3 . Active layer 5 composed of In 0.08 Ga 0.92 N, p-conductivity composed of Al 0.08 Ga 0.92 N doped with magnesium to a thickness of about 1.0 μm, hole concentration 5 × 10 17 / cm 3 , concentration 1 × 10 20 / cm 3 A mold cladding layer 61, a contact layer 62 made of magnesium-doped GaN having a film thickness of about 0.2 μm, a hole concentration of 7 × 10 17 / cm 3 and a magnesium concentration of 2 × 10 20 / cm 3 are formed. An SiO 2 layer 9 is formed on the contact layer 62, and an electrode 7 made of Ni that is bonded to the contact layer 62 through a window portion of the SiO 2 layer 9 is formed. Furthermore, an electrode 8 made of Ni bonded to the layer 3 is formed on the high carrier concentration n + layer 3.
[0008]
Next, a method for manufacturing the laser diode 100 having this structure will be described. Each layer is sequentially formed on the sapphire substrate 1 of the wafer as shown in FIG. The laser diode 100 was manufactured by vapor phase growth using an organic metal compound vapor phase growth method (hereinafter referred to as “M0VPE”).
The gases used were NH 3 and carrier gas H 2 or N 2 , trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) (hereinafter referred to as “TMG”) and trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) (hereinafter referred to as “TMA”). ), Trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ) (hereinafter referred to as “TMI”), silane (SiH 4 ) and cyclopentadienyl magnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ) (hereinafter referred to as “CP”). 2 Mg ”).
[0009]
First, a single-crystal sapphire substrate 1 having a thickness of 100 to 400 μm whose main surface is cleaned by organic cleaning and heat treatment is mounted on a susceptor mounted in a reaction chamber of an M0VPE apparatus. Next, the sapphire substrate 1 was vapor-phase etched at a temperature of 1100 ° C. while flowing H 2 at normal pressure and a flow rate of 2 liter / min into the reaction chamber.
[0010]
Next, the temperature is lowered to 400 ° C., H 2 is supplied at 20 liter / min, NH 3 is supplied at 10 liter / min, and TMA is supplied at 1.8 × 10 −5 mol / min, so that the buffer layer 2 of AlN is about 500Å. The thickness was formed. Next, the temperature of the sapphire substrate 1 is maintained at 1150 ° C., H 2 is 20 liter / min, NH 3 is 10 liter / min, TMG is 1.7 × 10 −4 mol / min, diluted to 0.86 ppm with H 2 gas. The supplied silane is supplied at 200 ml / min for 30 minutes, and a high carrier concentration n of silicon-doped GaN having a film thickness of about 2.2 μm, an electron concentration of 2 × 10 18 / cm 3 , and an Si concentration of 4 × 10 18 / cm 3 + Layer 3 was formed.
[0011]
Next, the temperature of the sapphire substrate 1 is maintained at 1100 ° C., N 2 or H 2 is 10 liter / min, NH 3 is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 −4 mol / min, and TMA is 0.47 × 10 Silane diluted to 4 mol / min and 0.86 ppm with H 2 gas is supplied at 10 × 10 −9 mol / min for 60 minutes, film thickness is about 1 μm, electron concentration is 2 × 10 18 / cm 3 , An n-conducting clad layer 4 made of silicon-doped Al 0.08 Ga 0.92 N with a Si concentration of 4 × 10 18 / cm 3 was formed.
[0012]
Subsequently, the temperature is maintained at 850 ° C., N 2 or H 2 is 20 liter / min, NH 3 is 10 liter / min, TMG is 1.53 × 10 −4 mol / min, and TMI is 0.02 × 10 −4. The active layer 5 made of 0.05 μm In 0.08 Ga 0.92 N was formed by supplying 6 mol / min.
[0013]
Subsequently, the temperature is maintained at 1100 ° C., N 2 or H 2 is 20 liter / min, NH 3 is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 −4 mol / min, and TMA is 0.47 × 10 −4 mol / min. And CP 2 Mg is introduced at 2 × 10 −4 mol / min for 60 minutes to form a p-conductivity type clad layer 61 made of magnesium (Mg) -doped Al 0.08 Ga 0.92 N with a film thickness of about 1.0 μm. did. The concentration of magnesium in the cladding layer 61 is 1 × 10 20 / cm 3 . In this state, the clad layer 61 is still an insulator having a resistivity of 10 8 Ωcm or more.
[0014]
Subsequently, the temperature is maintained at 1100 ° C., N 2 or H 2 is 20 liter / min, NH 3 is 10 liter / min, TMG is 1.12 × 10 −4 mol / min, and CP 2 Mg is 4 × 10. The contact layer 62 was introduced at a rate of −4 mol / min for 4 minutes to form a magnesium (Mg) -doped GaN film having a thickness of about 0.2 μm. The concentration of magnesium in the contact layer 62 is 2 × 10 20 / cm 3 . In this state, the contact layer 62 is still an insulator having a resistivity of 10 8 Ωcm or more.
[0015]
Next, the electron beam was uniformly irradiated to the contact layer 62 and the clad layer 61 using the electron beam irradiation apparatus. The electron beam irradiation conditions are an acceleration voltage of about 10 KV, a sample current of 1 μA, a beam moving speed of 0.2 mm / sec, a beam diameter of 60 μmφ, and a degree of vacuum of 5.0 × 10 −5 Torr. By this electron beam irradiation, the contact layer 62 and the cladding layer 61 become p-conductivity type semiconductors having a hole concentration of 7 × 10 17 / cm 3 , 5 × 10 17 / cm 3 , and resistivity of 2 Ωcm and 0.8 Ωcm, respectively. . In this way, a wafer having a multilayer structure was obtained.
[0016]
Next, as shown in FIG. 2, a SiO 2 layer 9 having a thickness of 2000 mm was formed on the contact layer 62 by sputtering, and a photoresist 11 was applied on the SiO 2 layer 9. Then, as shown in FIG. 3, the photoresist 11 at the electrode formation site A with respect to the high carrier concentration n + layer 3 was removed on the contact layer 62 by photolithography. Next, the SiO 2 layer 9 not covered with the photoresist 11 was removed with a hydrofluoric acid etching solution.
[0017]
Next, the contact layer 62, the clad layer 61, the active layer 5 and the clad layer 4 in the region A not covered with the photoresist 11 and the SiO 2 layer 9 are made BCl at a vacuum degree of 0.04 Torr and a high frequency power of 0.44 W / cm 2 . 3 gases were supplied at a rate of 10 ml / min for dry etching, followed by dry etching with Ar. In this step, as shown in FIG. 4, a hole A for extracting an electrode from the high carrier concentration n + layer 3 was formed.
[0018]
Next, a photoresist application, a photolithography process, and wet etching are performed on the remaining SiO 2 layer 9, and as shown in FIG. 5, a window 9 A is formed in the electrode formation portion of the contact layer 62 of the SiO 2 layer 9. Formed.
[0019]
Next, Ni is uniformly vapor-deposited on the entire upper surface of the wafer, and after applying a photoresist, a photolithography process, and an etching process, as shown in FIG. 6, with respect to the high carrier concentration n + layer 3 and the contact layer 62 Electrodes 8 and 7 were formed.
[0020]
Next, dry etching for forming the resonator end face was performed as follows. A photoresist is uniformly applied to the entire upper surface of the wafer, and the SiO 2 layer 9 is left by the width of the length of the resonator (in the y-axis direction) by photolithography. Further, at the center of the SiO 2 layer 9, y Striped window portions having a length in the axial direction and a width in the x-axis direction were removed. Then, a resist mask 12 covered along the x axis with the width of the length of the resonator was formed as shown in FIG.
[0021]
Next, Cl 2 gas is supplied at a rate of vacuum of 1 mTorr and high frequency power of 300 W at a rate of 5 ml / min, and reactive ion beam etching (until the sapphire substrate 1 is exposed to the portion of the window not covered with the resist mask 12). RIBE) was dry etched.
[0022]
After that, the wafer 10 shown in FIG. 8A processed as described above is scribed along the length direction (y-axis) of the laser resonator (direction perpendicular to the end face S of the resonator) to scribe grooves 15. It is formed and then dicing grayed in the x-axis direction parallel to the end surface of the resonator, as shown in FIG. 8 (b), to give the respective strips 14.
[0023]
After that, as shown in FIG. 8C, each strip 14 is arranged so that the end face S of the resonator is on the upper side, and a gas cluster ion beam using Ar gas is applied to the end face S so that the end face S Was etched. Thereafter, the vertical direction of each strip 14 was reversed, the lower end face was turned up, and similarly, the end face was etched by applying a gas cluster ion beam using Ar gas to the end face. The etching conditions are a cluster size of 3000, an acceleration energy of 20 keV, and an ion dose of 1 × 10 16 IONS / cm 2 . By this etching with a gas cluster ion beam, the unevenness of 200 mm on the end surface S etched by RIBE could be reduced to 20 mm or less.
[0024]
Next, in order to protect the resonator end surface S, SiO 2 was deposited on the resonator end surface S by sputtering. Each strip 14 was pressed with a roller and separated into each element chip using a scribe groove already formed along the y-axis direction. In this way, as shown in FIG. 7, the resonator end face S having high perpendicularity to the substrate 1 and high parallelism between the end faces, high surface flatness and high specularity was obtained. As a result, the reflectance of light at the resonator end surface S is increased, the light confinement effect is high, and the threshold current can be reduced. The laser diode 100 thus obtained had a drive current of 1000 mA, a light emission output of 10 mW, and an oscillation peak wavelength of 380 nm.
[0025]
A protective film of SiO 2 is formed on the resonator end face S. A multi-layer formed of silicon oxide such as SiO 2 , silicon nitride such as Si 3 N 4 , and other dielectrics such as TiO 2 is formed on the end face S. It may be formed. The reflectivity at the end face S can be further improved by optimally designing the thickness of each of the multiple layers.
The above gas cluster ion beam etching used Ar gas, but helium (He), neon (Ne), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn), nitrogen (N 2 ), etc. gas may be performed by CO 2.
In addition to Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 , and CCl 4 can also be used as the reactive gas for RIBE. In addition to RIBE, dry ion etching may be reactive ion etching (RIE) or ion beam assisted etching (IBAE).
[0026]
In the above embodiment, the active layer 5 is composed of In 0.08 Ga 0.92 N, and the cladding layers 4 and 61 are composed of Al 0.08 Ga 0.92 N. However, the general formula Al X Ga Y In 1-XY N (0 ≦ X ≦ 1, Binary, ternary, and quaternary group III nitride semiconductors represented by 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1) can be used. At this time, the composition ratio of the active layer and the clad layer may be selected so that the band gap of the active layer becomes narrower than the band gap of the clad layer and the lattice constant is matched when forming a double heterojunction. . In addition, when an arbitrary quaternary group III nitride semiconductor is used, the band gap and the lattice constant can be independently changed, so that a double heterojunction in which the lattice constants in the respective layers are matched is possible. Although it is desirable to form a double heterojunction, the present invention is not limited to a double heterojunction, and may be a single heterojunction, a homojunction or the like. A structure may be adopted.
[0027]
In the above embodiment, the mask for the etching process when forming the electrode 8 has etching resistance against dry etching, such as metal, resist, etc. in addition to SiO 2 , and is selective to the underlying GaN-based semiconductor. Any material that can be etched or stripped can be used. Furthermore, although the Makusu of Enchingu process for forming a resonator end face with photoresists, and other, has etching resistance to dry etching of SiO 2 or the like, to the underlying electrodes 7 and 8, selectively Any material that can be etched or stripped can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a light emitting diode according to a specific embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the laser diode of the embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the laser diode of the embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the laser diode of the embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the laser diode of the embodiment.
FIG. 6 is a perspective sectional view showing the manufacturing process of the laser diode of the same example.
FIG. 7 is a perspective sectional view showing the structure of the laser diode of the same example.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a wafer cutting method and a cluster beam etching method.
[Explanation of symbols]
100 ... Laser diode 1 ... Sapphire substrate 2 ... Buffer layer 3 ... High carrier concentration n + layer 4 ... Clad layer (n layer)
5 ... Active layer 61 ... Clad layer (p layer)
62 ... contactor layer 7,8 ... metal electrode 9 ... SiO 2 layer 12 ... photoresist S ... cavity facet 14 ... strips 15 ... scribe groove

Claims (6)

基板上に3族窒化物半導体から成るp層とn層とを形成した3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、
前記基板上に3族窒化物半導体から成る各層を形成し、
共振器の端面を形成するために前記各層を、反応性イオンビームエッチング (RIBE) 、反応性イオンエッチング (RIE) 又はイオンビームアシストエッチング (IBAE) によりドライエッチングし、
ドライエッチングされた端面をガスクラスタイオンビームエッチングによりさらにエッチングするものであり、
前記ガスクラスタイオンビームエッチングは、素子を形成したウエハを端面に並行に短冊状に切断して、その短冊状の片を立てて、前記端面を上に向けて水平にした状態で、実行されること
を特徴とする3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
In a method of manufacturing a group III nitride semiconductor laser diode in which a p layer and an n layer made of a group III nitride semiconductor are formed on a substrate,
Forming each layer of a Group 3 nitride semiconductor on the substrate;
It said layers to form an end face of the resonator, and dry etched by reactive ion beam etching (RIBE), reactive ion etching (RIE) or ion beam assisted etching (IBAE),
The dry etched end face is further etched by gas cluster ion beam etching ,
The gas cluster ion beam etching is performed in a state where the wafer on which the element is formed is cut into strips in parallel with the end face, the strip-like pieces are erected, and the end face is faced upward. about
A method for producing a group III nitride semiconductor laser diode.
前記3族窒化物半導体は、Al X GaYIn1-X-YN(0≦X≦1, 0≦Y≦1, 0≦X+Y≦1)であることを特徴とする請求項1に記載の3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。The group III nitride semiconductor is Al X Ga Y In 1-XY N (0≤X≤1, 0≤Y≤1, 0≤X + Y≤1). A method for producing a Group III nitride semiconductor laser diode. 前記ドライエッチングは反応性イオンビームエッチング(RIBE)であることを特徴とする請求項1に記載の3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。  2. The method of manufacturing a group III nitride semiconductor laser diode according to claim 1, wherein the dry etching is reactive ion beam etching (RIBE). 前記反応性イオンビームエッチングは、Cl2ガスを用いたエッチングであることを特徴とする請求項1に記載の3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。 2. The method of manufacturing a group III nitride semiconductor laser diode according to claim 1, wherein the reactive ion beam etching is etching using Cl2 gas. 前記半導体レーザダイオードはAlx1Ga1-x1Nから成るクラッド層とInx2Ga1-x2Nから成る活性層とを有することを特徴とする請求項1に記載の3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。2. The group III nitride semiconductor laser diode according to claim 1, wherein the semiconductor laser diode has a cladding layer made of Al x1 Ga 1-x1 N and an active layer made of In x2 Ga 1-x2 N. 3. Production method. 前記ガスクラスタイオンビームエッチングは、アルゴン(Ar),ヘリウム(He), ネオン(Ne), クリプトン(Kr), キセノン(Xe), ラドン(Rn), 窒素(N2)等の不活性ガスを用いて行われることを特徴とする請求項1に記載の3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。The gas cluster ion beam etching uses an inert gas such as argon (Ar), helium (He), neon (Ne), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn), nitrogen (N 2 ), etc. The method for producing a group III nitride semiconductor laser diode according to claim 1, wherein the method is performed.
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