JP3781246B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザは、光ディスクから信号を読み出し/書込む光学式情報記録再生装置における光ピックアップ装置の光源に用いられる他に、光CATVなどの光通信システムや、高密度情報記録SHG短波長レーザ、又は小型固体レーザのポンプ光源や、光計測分野などに応用され得る素子として知られている。小電流で動作し横方向単一モード発振を行うためには半導体中の電子及び正孔並びに発振光を小さい領域に閉じこめる必要がある。pn接合垂直方向ではダブルヘテロ構造などで閉じこめている。接合に平行な方向に関して、レーザの発光領域を制限する方法として利得導波構造があるが、これは一般に波面がゆがみ、非点収差が出てしまうため、ディスク読取り用光源の用途などでは、屈折率導波構造の半導体レーザが使われる。屈折率導波構造は、接合垂直方向だけでなく、リッジストライプを形成するなどして接合平行方向でも屈折率の低いクラッド材料で発光領域を挟む構造である。
【0003】
電流注入領域の部分以外のクラッド層の一部をエッチングなどで除去し、リッジストライプを形成するとリッジ下部のガイド層を伝搬する光に対する実効屈折率が、それ以外の部分より、若干大きくなるため、リッジ下部部分に光が閉じ込められる。リッジ型半導体レーザでは、リッジ上部に電極を設け、電極及び基板間に電流を注入して発振させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一方、半導体レーザを連続発振で使用する場合に問題になるのが、熱の発生である。そこで放熱を良くするため、リッジ上部の電極をヒートシンクに接触させる、いわゆるジャンクションダウンのマウントが行なわれる。この載置方法を行なおうとすると、突出しているリッジ部分の幅がわずか数μmのため、ヒートシンクとの当接にて素子が破壊されてしまう問題がある。
【0005】
そこで、レーザのリッジストライプ部分が作られている側を平坦化する必要が生ずる。リッジストライプ部分とほぼ同じ高さまで埋め込み層を形成して平坦化することが考えられている。しかし、SiO2などではリッジ部の側壁に沿って薄く形成しなければならず平坦化が困難で、埋め込み材料の選択が難しいものであった。
【0006】
そこで、本発明では、ジャンクションダウンマウントに耐え得るレーザ構造層上にリッジストライプを有するリッジ型半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ構造層上にリッジストライプを有するリッジ型半導体レーザの製造方法であって、
レーザ構造層上にリッジストライプ材料のクラッド層及び必要なコンタクト層を順に積層したレーザ基板を形成する工程と、
両側平坦部とこれらから突出し平坦上面部を有するリッジストライプとを形成すべく、リッジストライプパターンのストライプ電極を前記クラッド層及び必要なコンタクト層上に形成する工程と、
前記ストライプ電極で覆われたクラッド層以外のクラッド層部分を食刻してリッジストライプ及び両側平坦部を形成する工程と、
レーザ構造層の屈折率より低い屈折率を有するAlNを主成分とする多結晶絶縁材料を前記両側平坦部上に堆積して前記リッジストライプを挟む埋め込み層を形成する工程と、
前記ストライプ電極上の層を除去し前記ストライプ電極を露出せしめ平坦上面部を形成する工程と、
前記平坦上面部上に電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【0008】
本発明の半導体レーザの製造方法においては、前記レーザ構造層が(AlxGa1-x)1-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)を主成分とする多層であることを特徴とする。
本発明の半導体レーザの製造方法においては、前記埋め込み層形成工程はスパッタ工程を含むことを特徴とする。
【0009】
本発明の半導体レーザは、レーザ構造層上に、両側平坦部と、これらから突出し電極が形成される平坦上面部を有するリッジストライプと、を有するリッジ型半導体レーザあって、
レーザ構造層の屈折率より低い屈折率を有するAlNを主成分とする多結晶絶縁材料を前記両側平坦部上に堆積して前記リッジストライプを挟む埋め込み層を有することを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
まず、リッジストライプを有するリッジ型半導体レーザにおける、n型の半導体層でのリッジストライプ埋め込み方法を説明する。
図1にリッジ型半導体レーザを示す。このリッジ型半導体レーザは、n型AlGaNのクラッド層3、n型GaNのガイド層4、InGaNの活性層5、p型GaNのガイド層6及びp型AlGaNのクラッド層7からなるレーザ構造を有している。レーザ構造層は(AlxGa1-x)1-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)を主成分とする多層である。このレーザ構造層はn型GaNの電流経路層2が形成されたサファイア基板1上に形成され、光を閉じこめるために、p型AlGaNのクラッド層7がエッチングされた両側平坦部14とこれらから突出するリッジストライプ15とがレーザ構造層上に形成されている。また、リッジストライプ15の平坦上面部にはp型GaNのコンタクト層8及びストライプ状の第2電極40が形成され、さらにその上にp側電極30が形成されている。
【0011】
このリッジ型半導体レーザは、レーザ構造層の屈折率より低い屈折率を有するAlNを主成分とする多結晶絶縁材料を両側平坦部14上に堆積したリッジストライプ15を挟む埋め込み層21を有している。
本実施例では、この埋め込み層のAlNを主成分とする多結晶絶縁材料はAlNであるが、半導体レーザに用いられる通常の従来材料系のIII−V族の場合、上記の埋め込み層21用の絶縁材料として、レーザそのものと同様な結晶材料系のバンドギャップの大きい組成のものを用いていた。バンドギャップ値の大きい組成は屈折率が小さくなるので、これにより実効屈折率ステップも生じて、光閉じ込めも行なえた。
【0012】
また、従来材料系の場合、埋め込み層21と、レーザ構造との間で完全な格子整合を得ることができたので、連続した結晶欠陥のないエピタキシャル再成長が可能であった。
従来の窒化物半導体レーザの場合、埋め込み層21に用いるべき材料組成はAlxGa1-xNで、この比率xはレーザ構造を成すクラッド層のAlyGa1-yNの比率yに対し、x>yでない限り、望ましい光の閉じ込めが得られない。一般に、AlzGa1-zNの場合、AlGaAs系とは異なり、比率zの増加と共に格子定数が小さくなる。従って、埋め込み層21には強い引っ張り応力が発生してしまう。この結果、埋め込み層21の再成長時にクラックが発生してしまい、クラックはリッジストライプ15にも伝搬してしまうことになる。クラックが発生するのは、格子同士がつながって成長するエピタキシャル成長で形成させるからである。
【0013】
従来の埋め込み層21を例えばSiO2(ガラス質)などで形成すれば良いことになるが、この場合、3つの問題がある。第1に、SiO2は熱伝導が極めて悪い(0.014 W/cmK)ので、半導体レーザの放熱を阻害する。第2に、SiO2の熱膨張係数が極めて小さい(5×10-7 deg-1)ので、半導体レーザ素子自体に歪を与える。GaNの膨張係数は5.6×10-6 deg-1であるからである。よって、SiO2膜厚を厚くできず平坦化が困難である。第3に、SiO2の屈折率が小さすぎる(1.46程度)ので、屈折率差が大きすぎて、高次(横高次)モード発振になり易い。
【0014】
そこで、本発明の半導体レーザでは、多結晶のAlNなどのAlNを主成分とする多結晶絶縁材料でこの埋め込みを行なおうとするものである。
埋め込み層21が多結晶なので、レーザ構造であるAlGaN部分との間で格子定数の差によるクラックが発生しない。
埋め込み層材料の物性値を表1に示す。
【0015】
【表1】
また、AlNは、通常、絶縁体であるので、埋め込み層21はまったく電流を通さない。したがって、従来のようにn型半導体で埋め込んだ場合に生ずる寄生容量の問題も生じにくい。
【0016】
以上、埋め込み層21にAlNを用いた本発明の利点は、熱伝導率が良いので、放熱に有利であり、GaNより低屈折率かつSiO2より高屈折率で適度である。また、熱膨張係数がレーザ構造のGaNにかなり近く、熱による歪みの発生が抑制される。AlNはほぼ完全な絶縁体なので、電流のもれが全くなく、余分なpn接合に基づく寄生容量発生がない。さらに、本発明の利点は、埋め込み層21をスパッタ方法などで多結晶状に形成するため、格子不整合に起因するクラックの発生がない。埋め込み工程に際し、CVD炉のようなランニングコストの高い装置が不要である。
【0017】
以下に、本発明によるサファイア基板上へGaN系の半導体レーザを作製する方法の実施例を図2から図10に基づいて説明する。
まず、図2に示すように、サファイア基板1のウエハを用意し、有機溶媒などで表面を清浄し、その上に、所定のエピタキシャル成長方法、有機金属気相成長法、分子線成長法などで、n型GaNの電流経路層2、n型AlGaNのクラッド層3、n型GaNのガイド層4、InGaNの活性層5、p型GaNのガイド層6、p型AlGaNのクラッド層7、及びp型GaNのコンタクト層8を、この順で成膜し、レーザ基板ウエハを作製する。また、ガイド層6、クラッド層7及びコンタクト層8の成長ではp型とすべくMgのドープを行っている。なお、サファイア基板1及びn型GaNの電流経路層2の間にAlNバッファ層(図示せず)を設けてもよい。
【0018】
次に、Mgドープした膜はそのままでは絶縁性なので、基板ウエハを、N2ガス中で熱処理して、ガイド層6、クラッド層7及びコンタクト層8をp型化する。
次に、ウェハのコンタクト層8全面に抵抗加熱蒸着でNiを被着させる。
次に、図3に示すように、フォトレジストとウェットエッチングによる通常のプロセスを用いて、Ni膜9をパターニングする。
【0019】
次に、図4に示すように、Ni膜9をマスクとして、Cl2ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によりドライエッチングを行なって、n型AlGaNのクラッド層3まで除去してn型GaNの電流経路層2を露出させる。
次に、フォトレジスト膜を塗布して、ウェットエッチングにより、図5に示すように、リッジストライプ及びp側電極部並びにn側電極部となるべき部分の形成用のフォトレジスト17a、17bのパターンを作る。特に、フォトレジスト17aはNi膜9を所定幅を残して、Ni膜のストライプ状の第2電極40を形成するために用いられる。
【0020】
次に、図6に示すように、フォトレジスト17a及びNiの第2電極40をマスクとしてCl2ガスを用いたRIEのドライエッチングにより、p型GaNのコンタクト層8及びp型AlGaNのクラッド層7の一部を食刻して、リッジ部のストライプ15を形成する。この時、p型AlGaNのクラッド層7の途中でエッチングを停止する。
【0021】
次に、図7に示すように、反応性スパッタリング装置により、Alターゲット並びにN2ガス及びArガスを用いて、多結晶AlN膜を、第2電極40の上面のレベルまで堆積させ、つまり埋め込み層21とリッジストライプ15の第2電極40とが同じ高さになるように形成する。
次に、図8に示すように、フォトレジスト17a、17bを除去液で除去し、これにより、各レジストパターン上にあったAlN膜をリフトオフで除去し、Niの第2電極40及びn型GaNの電流経路層2の一部を露出させる。
【0022】
次に、図9に示すように、露出したNi第2電極40上にはp側電極30のためにCr、Auの順で、n側電極31のためには、Ti、Auの順に電極材をn型GaNの電流経路層2上に真空蒸着して、それぞれ電極形成する。その後、所定工程により、半導体レーザが完成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体レーザの概略斜視図である。
【図2】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図である。
【図3】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図である。
【図4】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図である。
【図5】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図である。
【図6】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図である。
【図7】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図である。
【図8】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図である。
【図9】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略断面図である。
【主要部分の符号の説明】
1 サファイア基板
2 n型GaNの電流経路層
3 n型AlGaNのクラッド層
4 n型GaNのガイド層
5 InGaNの活性層
6 p型GaNのガイド層
7 p型AlGaNのクラッド層
8 p型GaNのコンタクト層
14 両側平坦部
15 リッジストライプ
15a 平坦上面部
17a、17b レジスト層
21 埋め込み層
30、31 P側電極
40 第2電極
Claims (3)
- レーザ構造層上にリッジストライプを有するリッジ型半導体レーザの製造方法であって、
レーザ構造層上にリッジストライプ材料のクラッド層及び必要なコンタクト層を順に積層したレーザ基板を形成する工程と、
両側平坦部とこれらから突出し平坦上面部を有するリッジストライプとを形成すべく、リッジストライプパターンのストライプ電極を前記クラッド層及び必要なコンタクト層上に形成する工程と、
前記ストライプ電極で覆われたクラッド層以外のクラッド層部分を食刻してリッジストライプ及び両側平坦部を形成する工程と、
レーザ構造層の屈折率より低い屈折率を有するAlNを主成分とする多結晶絶縁材料を前記両側平坦部上に堆積して前記リッジストライプを挟む埋め込み層を形成する埋め込み層形成工程と、
前記ストライプ電極上の層を除去し前記ストライプ電極を露出せしめ平坦上面部を形成する工程と、
前記平坦上面部上に電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体レーザ製造方法。 - 前記レーザ構造層が(AlxGa1-x)1-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)を主成分とする多層であることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ製造方法。
- 前記埋め込み層形成工程はスパッタ工程を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体レーザ製造方法。
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