JP3878707B2 - 窒化物系半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系の化合物半導体はワイドギャップ半導体であり、直接遷移型のバンド構造を有することから、青色〜紫外に発光波長を持つ発光素子への応用が期待されている。
【０００３】
これらの応用の中でＧａＩｎＮを活性層ＧａＡｌＮをクラッド層とするダブルヘテロ型発光ダイオードが実用化されており、また、半導体レーザ素子の実用化に向けて開発が盛んに行われている。このような半導体レーザ素子は、サファイアやＳｉＣ基板を用い、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と記す。）や分子線エピタキシャル法（以下、ＭＢＥ法と記す。）により作製されている。従来より作製されている化合物半導体レーザ素子の概略図を図１０及び図１１に示す。
【０００４】
図１０に示した化合物半導体レーザ素子は、基板１０１上に格子整合のためのバッファ層１０２、下部クラッド層１０３、活性層１０４、上部クラッド層１０５が順次形成されている。尚、図中参照符号１０６は電流阻止層、１０７、１０８は金属電極を示す。図１０に示す化合物半導体レーザ素子は、電流阻止層１０６の開口部においてクラッド層１０５に接触した金属電極１０８により電流注入が行われる。このような構造の素子では、電流阻止層１０６の開口部寄り注入された電流は、上部クラッド層１０５中で水平方向に拡がるため、活性層１０４における電流注入幅は電流阻止層１０６の開口部の幅より広くなる。また、この素子構造では、水平方向に光の閉じ込めを行う構造が作り込まれていないため、電流が注入された部分及び電流が注入されない部分に生じる利得の差によって、電流阻止層１０６の開口部の下に光強度が集中する形で光導波路が形成される（以降、電極ストライプ構造と記す。）。
【０００５】
図１１に示した半導体レーザ素子は、基板１５１上にバッファ層１５２、下部クラッド層１５３、活性層１５４、上部クラッド層１５５、電流阻止層１５６、コンタクト層１５７が順次形成されている。尚、図中参照符号１５８、１５９は金属電極を示す。図１１に示した化合物半導体レーザ素子においては、電流素子層１５６は半導体多層積層構造中に置かれており、この開口部により電流注入幅が制限される。この場合でも電流はクラッド層１５５中で水平方向に拡がるが、図１０の場合に比較しクラッド層１５５の厚みを薄くできるため電流の広がりが小さくできる。更に、図１１の半導体レーザ素子構造では、電流阻止層１５６が活性層から発光する光を吸収する材質で作製されているため、電流阻止層１５６の開口部の下部と開口部以外の下部とで水平方向に屈折率差を持つ構造となり、光導波路が形成される（以降、内部電流狭窄構造と記す。）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の化合物半導体レーザ素子及び作製方法では、以下のような問題点がある。図１０のような電極ストライプ構造の化合物半導体レーザ素子では、前述したようにクラッド層１０５での水平方向の電流拡がりを生じるために活性層への電流注入効率が悪く、発振閾値が高くなる。更に、水平方向の屈折率分布を持つ光導波路が作り込まれていないため、水平方向の波面が曲がりが大きく、非点隔差が数十μｍ以上と大きくなり、良好な集光特性が得られず、光ディスク用のピックアップの光源には不適当であるという問題点があった。
【０００７】
一方、図１１のような内部電流狭窄構造の化合物半導体レーザ素子の場合は、上述の問題は解決されている。すなわち、活性層１５４への電流注入効率が良く、発振閾値を低くでき、水平方向の屈折率分布を持つ光導波路が作り込まれているため、水平方向の波面が曲がりが小さく、非点隔差が数μｍ以下と小さくなり、良好な集光特性が得らるため光ディスク用のピックアップの光源として適当であるため、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系の赤外〜赤色発光半導体レーザでは一般的に広く用いられていることは周知である。
【０００８】
しかし、窒化ガリウム系の材料においては適当な化学エッチング液が見い出されておらず、内部電流狭窄構造を作製するのに必要な電流阻止層を０．５μｍ〜１μｍ程度をウエットエッチング除去するためには数十時間以上を要し、図１１のような構造の化合物半導体レーザ素子の作製は実用上不可能である。
【０００９】
また、窒化ガリウム系の材料に対してドライエッチング方法を膜厚用いた場合には、実用的な毎分数千Åのエッチングが可能であるが、ウエハ面内のドライエッチング速度のばらつきが±２５％程度と大きい。そのため、上部クラッド層１５５の膜厚を０．２μｍ電流阻止層１５６の膜厚を１μｍとした標準的な図１１のような構造を有する窒化物系化合物半導体レーザ素子において、電流阻止層１５６をストライプ状にエッチング除去する際、コンタクト層１５７と上部クラッド層１５５の界面において、電流阻止層１５６が完全にエッチング除去されていない部分やエッチングが進み過ぎて上部クラッド層１５５までエッチング除去されている部分が同一面内に生じる。そのため、図１１の構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子では、電流注入不良や、活性層の結晶品質劣化等が生じる。
【００１０】
本発明の目的は、上記問題を解決して水平方向に屈折率分布を持つ光導波路構造を持つ高効率な窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子、及び作製歩留まりの高い窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化物系半導体レーザ装置は、基板上に、第１の導電型下部クラッド層、活性層、第２の導電型上部クラッド層をこの順に積層したＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる窒化物系半導体レーザ装置において、前記第２の導電型上部クラッド層が共振器方向に伸延したリッジストライプ形状であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記基板が第１の導電型半導体基板であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記基板が絶縁基板であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記リッジストライプ形状の第２の導電型上部クラッド層の表面に保護層を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記保護膜が酸化アルミニウム、酸化硅素の２層からなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記活性層が量子井戸構造であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記リッジストライプ形状を形成するのに、ドライエッチング方法を用いることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記リッジストライプ形状を形成するのに、選択成長方法を用いることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係る実施の形態として、ＳｉＣ基板の上にＧａＩｎＮ活性層／ＧａＡｌＮクラッド層を有するダブルへテロ接合及びリッジガイド構造を有した化合物半導体レーザ素子をドライエッチングを用いて製造する方法について説明する。
【００２０】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の構造を図１に示す。符号１は６Ｈ−ＳｉＣ基板、２はＡｌＮバッファ層、３はｎ型ＧａＮ層、４はｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ下部クラッド層、５はＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ活性層、６はｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ上部クラッド層、７はｐ型ＧａＮコンタクト層、９はＡｌ2Ｏ3保護膜、１０はｐ側電極、１１はｎ側電極を示す。（以下、本実施例の形態において、ＧａＡｌＮ及びＧａＩｎＮは、上述の組成を表す。）また、符号ｄは、リッジストライプ形状の外側におけるｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層６の膜厚を示す。
【００２１】
図１に示す半導体レーザ素子は、上部クラッド層がリッジストライプ形状を形成していることを特徴としている。
【００２２】
本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体の半導体レーザの作製工程の断面図を図２に示す。まず、基板としてｎ型（０００１）硅素（Ｓｉ）面から＜１１２０＞方向に５度オフした６Ｈ−ＳｉＣ基板１を表面研磨の後に酸化処理を行うことによって、表面のダメージ層の除去を行った。この６Ｈ−ＳｉＣ基板をＭＯＣＶＤ装置のリアクターにセットし、リアクターを水素で良く置換した後、水素及びアンモニアを流しながら温度を１５００℃まで上昇させ１０分間保持し、６Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面クリーニングを行う。
【００２３】
次に、基板温度を１０５０℃まで下げ、１０５０℃に安定したらトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと記す。）を毎分３ｘ１０-5モル、アンモニアを毎分５リットル流し、５分間処理することによって約０．１μｍのＡｌＮバッファ層２を成長させる。以上の工程終了後の断面図を図２（ａ）に示す。
【００２４】
次に、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと記す。）を毎分３ｘ１０-5モル、アンモニアを毎分５リットル、Ｓｉのドーピング材としてシランガスを毎分０．３ｃｃ流し、１５分間処理することによって格子整合のためのｎ型ＧａＮ層３を成長させる。
【００２５】
次に、アンモニア、ＴＭＧに加えて、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル、シランガスを毎分０．３ｃｃ流し、２５分間の処理で約１μｍのｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層４を成長させる。この層の電子密度は２ｘ１０18ｃｍ-3である。
【００２６】
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、シランガスの供給を止めて温度を８００℃まで下降させる。温度が８００℃に安定したらＴＭＧおよびトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと記す。）を毎分４ｘ１０-4モル流し、１２秒間処理することによって１０ｎｍのＧａＩｎＮ活性層５を成長させる。
【００２７】
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩの供給を止めて、温度を再び１０５０℃まで上昇させる。温度が１０５０℃に安定したらＴＭＧ、ＴＭＡおよびｐ型へのドーピング材としてＣｐ2 Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を毎分５ｘ１０-6モル流し、２５分間処理することで約１μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６を成長させる。
【００２８】
次に、ＴＭＡだけの供給を止め、７．５分間の成長で３００ｎｍのＭｇドープしたＧａＮコンタクト層７を成長させる。以上の工程終了後の断面図を図２（ｂ）に示す。
【００２９】
以上まで作製した半導体装置のＭｇドープしたＧａＮコンタクト層７の上に、電子ビーム蒸着法とフォトリソプロセスによって幅１μｍのストライプ状ＳｉＯ2膜８を形成する。以上の工程終了後の断面図を図２（ｃ）に示す。
【００３０】
次に、反応性イオンエッチング装置にて、塩素を主成分とするエッチングガスでストライプ状のＳｉＯ2膜８形成部以外のＭｇドープしたＧａＮ層コンタクト層７及びＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６のエッチングを行った。このエッチング工程において、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６は０．２μｍを残してエッチングか完了するようにエッチング時間の調整を行う。ここで、エッチング条件としてＤＣバイアスを２００Ｖ、ＲＦパワー３００Ｗとすることにより、ＭｇドープしたＧａＮ層コンタクト層７及びＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６共にエッチング速度は３０００Å／分となり、エッチングは約４分２０秒行った。上記条件では、ＤＣバイアスは±５０Ｖ、ＲＦパワーは±５０Ｗであり、エッチング速度のばらつきは±１０％程度であった。
【００３１】
次に、窒素雰囲気中で約７００℃の熱処理を２０分程度行い、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６、ＧａＮコンタクト層７の低抵抗化及びｐ型化する。この処理により両層の正孔濃度は約１ｘ１０18ｃｍ-3となった。以上の工程終了後の断面図を図２（ｄ）に示す。
【００３２】
次に、リッジストライプ形状の側面に保護膜としてＡｌ2Ｏ3膜９を電子ビーム蒸着法により形成し、その後、幅１μｍのストライプ状ＳｉＯ2膜８をフッ酸によって除去し、十分な水洗、乾燥を行った後、リッジ型ストライプの上面にのみＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１０を全面的に真空蒸着法によって形成する。
【００３３】
次に、レーザ共振器のミラー面の形成を行う。Ａｕ／Ｎｉ積層膜１０による電極ストライプと直交する方向にマスクとして幅５００μｍのＳｉＯ2膜を５０μｍの間隔間隔を開けて電子ビーム蒸着する。
【００３４】
次に、５０μｍのストライプを有するＳｉＯ2膜が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、反射ミラーを形成するためにＳｉＯ2 膜の開口部分の窒化ガリウム系半導体層をＡｌＮバッファ層２まで、通常の反応性イオンビームエッチング法により、エッチング除去する。更に、６Ｈ−ＳｉＣ基板１を研磨し、約１００μｍの厚みに加工し、またマスクとしたＳｉＯ2膜を除去する。
【００３５】
次に、ｎ側電極１１をＳｉＣ基板１の裏面全面に形成する。以上の工程を経て、ＧａＡｌＩｎＮ系半導体レーザ素子が形成される。以上の工程終了後の断面図を図２（ｅ）に示す。
【００３６】
最後に、スクライビングによりチップに分割し、通常の方法にてパッケージに実装してレーザ素子が完成する。
【００３７】
図５には、リッジストライプ形状の外部における上部クラッド層膜厚ｄと水平放射角との相関を示す。水平放射角特性は上部クラッド層の膜厚ｄが薄くなると急激に増大することがわかる。この図５から、上部クラッド層の層厚ｄが０．２μｍより大きくなると水平放射角の広がりが抑えられることが示されている。
【００３８】
本実施の形態１に示すドライエッチングによる製造方法で作製した素子では、典型的には５０ｍＡの電流でレーザー発振が観測され、放射角特性としては、垂直方向の拡がり角が２４°、水平方向の拡がり角が１２°の楕円率２の特性が得られたが、発振閾値は３０ｍＡ〜１００ｍＡ、水平方向の拡がり角は１０°〜２３°の範囲内にあった。また、非点隔差は１〜５μｍであった。
【００３９】
また、本実施の形態ではＧａＩｎＮ層を活性層に、ＧａＡｌＮをクラッド層に使用した青色発光の半導体レーザ素子の例を示したが、この組み合わせに限らず、ＧａＩｎＮ活性層／ＧａＮクラッド層やＧａＮ活性層／ＧａＡｌＮクラッド層、あるいはレーザ発振が可能な組み合わせであればＧａＡｌＩｎＮ系の四元系化合物の組み合わせでも構わない。
【００４０】
（実施の形態２）
図３に、リッジストライプ形状を形成するのに、選択成長法によって作製された青色発光の化合物半導体レーザ素子を示す。図１と同一部材には同一符号を付す。符号２１ａはｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層、２１ｂは選択成長させたｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層、２３はＳｉＯ2保護膜である。この化合物半導体レーザ素子は、リッジストライプ形状を有し、更にリッジストライプ形状のｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層の表面に保護膜が酸化硅素、酸化アルミニウムの２層からなることを特徴とする。
【００４１】
次に、実施の形態２の化合物半導体レーザ素子の作製方法について説明する。
【００４２】
まず、実施の形態１の図２（ａ）と同様の方法で作製を行う。この工程を図４（ａ）に示す。
【００４３】
次に、実施の形態１と同様にｎ型ＧａＮ層３、ｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層４、ＧａＩｎＮ活性層５を積層し、温度を１０５０℃にしてアンモニアを毎分５リットル、ＴＭＧを毎分３ｘ１０-5モル、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル及びＣｐ2 Ｍｇを毎分５ｘ１０-6モル流し、５分間処理することで０．２μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａを成長させる。以上の工程を図４（ｂ）に示す。
【００４４】
次に、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａの表面に、電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィー法によって幅１μｍの開口部２２を有したＳｉＯ2膜２３を形成する。以上の工程を図４（ｃ）に示す。
【００４５】
この後、幅１μｍの開口部２２を有するＳｉＯ2膜２３の形成された、窒化ガリウム系化合物半導体によるダブルヘテロ構造を積層したウェーハーをＭＯＣＶＤ装置に導入し、ＭＯＣＶＤ装置のリアクターを水素で良く置換した後、水素およびアンモニアを流しながら温度を１０５０℃まで上昇させ、温度が１０５０℃に安定したらＴＭＧを毎分３ｘ１０-5モル、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル、Ｃｐ2 Ｍｇを毎分５ｘ１０-6モル、アンモニアを毎分５リットル流し、２０分間処理することによって幅１μｍの開口部２２内に約０．８μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ｂを成長させる。この成長は開口部２２内のみに選択的に行われるため、開口部２２以外のＳｉＯ2膜２３上には、半導体層は成長しない。
【００４６】
次に、ＴＭＡだけの供給を止め、１０分間の成長で０．５μｍのＭｇドープしたＧａＮコンタクト層７を成長させる。上記のようにしてＳｉＯ2膜２３以外の部分を選択的に成長させて、光導波路となるリッジストライプ形状が形成される。以上の工程終了後の断面図を図４（ｄ）に示す。
【００４７】
次に、窒素雰囲気中で約７００℃の熱処理を２０分間程度行い、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａ、２１ｂ、ＧａＮコンタクト層７を低抵抗化及びｐ型化する。この処理で両層の正孔濃度は約１ｘ１０18ｃｍ-3となった。
【００４８】
次に、通常のフォトリソ法を用いて、リッジストライプ形状の上面以外の表面に保護膜としてＡｌ2Ｏ3膜９を電子ビーム蒸着法により形成し、リッジストライプ形状の上面のみにＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１０を全面的に真空蒸着法によって形成する。以上の工程終了後の断面図を図４（ｅ）に示す。選択成長のために用いたＳｉＯ2膜を残存させて、その上にＡｌ2Ｏ3膜９を積層することによってｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層の表面保護を２層構造に簡単にすることができる。
【００４９】
次に、レーザ共振器のミラー面の形成を行う。Ａｕ／Ｎｉ積層膜１０による電極ストライプと直交する方向にマスクとして幅５００μｍのＳｉＯ2膜を５０μｍの間隔を開けて電子ビーム蒸着する。
【００５０】
次に、５０μｍのストライプを有するＳｉＯ2膜が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、反射ミラーを形成するためにＳｉＯ2膜の開口部分のＧａＡｌＩｎＮ系半導体層をＡｌＮバッファ層２まで、通常の反応性イオンビームエッチング法により、エッチング除去する。更に、６Ｈ−ＳｉＣ基板１を研磨し、約１００μｍの厚みに加工し、またマスクとしたＳｉＯ2膜を除去する。
【００５１】
最後に、ｎ側電極１１をＳｉＣ基板１の裏面全面に形成し、スクライビングによりチップに分割し、通常の方法にてパッケージに実装して窒化物系レーザ素子が完成する。
【００５２】
上記選択成長法を用いて製造された化合物半導体レーザ素子に電流を流したところ、典型的には、４０ｍＡのしきい値電流で４３２ｎｍの青色波長でのレーザー発振が観測され、放射角特性としては垂直方向の拡がり角が２４°、水平方向の拡がり角が１２°の楕円率２の特性が得られた。また、非点隔差は１〜５μｍであった。
【００５３】
本実施の形態で作製した素子では、発振しきい値は３８ｍＡ〜４２ｍＡ、水平方向の拡がり角は１１．５°〜１２．５°の範囲のばらつきであり、実施の形態１の特性と比較しリッジストライプの外側のクラッド層厚制御に優れていることが示された。ＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｌＮクラッド層の膜厚制御性は、φ２インチの基板面内において±２％程度であった。
【００５４】
また、本実施の形態２で示す化合物半導体レーザ素子は、リッジストライプ形状の外側の上部クラッド層の保護膜が酸化アルミニウムと酸化硅素の２層になっているので、保護効果が高く、素子寿命が改善される。
【００５５】
尚、本実施の形態では、基板としてｎ型（０００１）硅素（Ｓｉ）面から＜１１２０＞方向に５度オフした６Ｈ−ＳｉＣ基板１を用いた例について説明したが、ｐ−型ＳｉＣ基板を用いても実現でき、この場合は実施の形態で記載した各半導体層の伝導型を逆さにする必要がある。また、オフしていない基板を用いても同様の効果が得られた。更に６Ｈ−ＳｉＣに限らず、４Ｈ−ＳｉＣ基板、２Ｈ−ＳｉＣ基板を用いても同等以上の効果が得られる。
【００５６】
また、リッジストライプ形状は、上部クラッド層から形成する必要はなく、コンタクト層のみをリッジストライプ形状にしても、ほぼ同様の効果が得られる。
【００５７】
（実施の形態３）
図６に、（実施の形態２）と同様、リッジストライプ形状を形成するのに、選択成長法を用い、絶縁性基板上に作製された青色発光の化合物半導体レーザ素子を示す。図１及び図３と同一部材には同一符号を付す。符号５５は単一量子井戸構造ＧａＩｎＮ活性層、１０１は絶縁性基板、１０２はＧａＮバッファ層である。この化合物半導体レーザ素子は、リッジストライプ形状を有し、更にリッジストライプ形状のｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層の表面に保護膜が酸化硅素、酸化アルミニウムの２層からなることを特徴とすることは、（実施の形態２）と同様である。
【００５８】
次に、実施の形態３の化合物半導体レーザ素子の作製方法について説明する。
【００５９】
まず、実施の形態３の図４（ａ）と同様の方法で作製を行う。この工程を図７（ａ）に示す。
【００６０】
次に、実施の形態３と同様にｎ型ＧａＮ層３、ｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層４、単一量子井戸構造ＧａＩｎＮ活性層５５（２０Å）を積層し、温度を１０５０℃にしてアンモニアを毎分５リットル、ＴＭＧを毎分３ｘ１０-5モル、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル及びＣｐ2 Ｍｇを毎分５ｘ１０-6モル流し、１１分間処理することで０．４３μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａを成長させる。以上の工程終了後の断面図を図７（ｂ）に示す。
【００６１】
次に、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａの表面に、電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィー法によって幅１μｍの開口部２２を有したＳｉＯ2膜２３を形成する。以上の工程終了後の断面図を図７（ｃ）に示す。
【００６２】
この後、幅１μｍの開口部２２を有するＳｉＯ2膜２３の形成された、窒化ガリウム系化合物半導体によるダブルヘテロ構造を積層したウェーハーをＭＯＣＶＤ装置にし、リアクターを水素で良く置換した後、水素およびアンモニアを流しながら温度を１０５０℃まで上昇させ、温度が１０５０℃に安定したらＴＭＧを毎分３ｘ１０-5モル、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル、Ｃｐ2 Ｍｇを毎分５ｘ１０-6モル、アンモニアを毎分５リットル流し、２０分間処理することによって幅１μｍの開口部２２内に約０．８μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ｂを成長させる。この成長は開口部２２内のみに選択的に行われるため、開口部２２以外のＳｉＯ2 膜２３上には、半導体層は成長しない。
【００６３】
次に、ＴＭＡだけの供給を止め、１０分間の成長で０．５μｍのＭｇドープしたＧａＮコンタクト層７を成長させる。上記のようにしてＳｉＯ2膜２３以外の部分を選択的に成長させて、光導波路となるリッジストライプ形状が形成される。以上の工程終了後の断面図を図７（ｄ）に示す。
【００６４】
次に、窒素雰囲気中で約７００℃の熱処理を２０分間程度行い、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａ、２１ｂ、ＧａＮコンタクト層７を低抵抗化及びｐ型化する。この処理で両層の正孔濃度は約１ｘ１０18ｃｍ-3となった。
【００６５】
次に、通常のフォトリソ法を用いて、ウエハ表面全面に保護膜としてＡｌ2Ｏ3膜９を電子ビーム蒸着法により形成し、リッジストライプ形状以外の箇所のＡｌ2Ｏ3膜９、及びＳｉＯ2膜２３をストライプ状に除去し、開口部２２２を設ける。以上の工程終了後の断面図を図７（ｅ）に示す。
【００６６】
次に、開口部２２２が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、ｎ側電極を形成するためにＡｌ2Ｏ3膜９、及びＳｉＯ2膜２３の開口部分の窒化ガリウム系半導体層をｎ型ＧａＮ層３まで、通常の反応性イオンビームエッチング法により、エッチング除去する。以上の工程終了後の断面図を図７（ｆ）に示す。
【００６７】
次に、通常のフォトリソ法を用いて、ｎ側電極１１をｎ型ＧａＮ層３の表面に形成する。
【００６８】
次に、通常のフォトリソ法を用いて、リッジストライプ形状の上面のみにＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１０を全面的に真空蒸着法によって形成する。
【００６９】
次に、レーザ共振器のミラー面の形成を行う。Ａｕ／Ｎｉ積層膜１０による電極ストライプと直交する方向にマスクとして幅５００μｍのＳｉＯ2膜を５０μｍの間隔を開けて電子ビーム蒸着する。
【００７０】
次に、５０μｍのストライプを有するＳｉＯ2膜が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、反射ミラーを形成するためにＳｉＯ2膜の開口部分の窒化ガリウム系半導体層をＡｌＮバッファ層２まで、通常の反応性イオンビームエッチング法により、エッチング除去する。更に、絶縁性基板１０１を研磨し、約１００μｍの厚みに加工し、またマスクとしたＳｉＯ2膜を除去する。
【００７１】
最後に、スクライビングによりチップに分割し、通常の方法にてパッケージに実装してレーザ素子が完成する。
【００７２】
上記選択成長法を用いて製造された単一量子井戸構造活性層を持つ化合物半導体レーザ素子に電流を流したところ、典型的には、３０ｍＡのしきい値電流で４２０ｎｍの青色波長でのレーザー発振が観測され、放射角特性としては垂直方向の拡がり角が２０°、水平方向の拡がり角が１０°の楕円率２の特性が得られた。また、非点隔差は１〜５μｍであった。
【００７３】
本実施の形態で作製した素子では、発振しきい値は２８ｍＡ〜３２ｍＡ、水平方向の拡がり角は９．５°〜１０．５°の範囲のばらつきであり、実施の形態２の特性と比較して更に特性制御性に優れていることが示された。
【００７４】
また、本実施の形態３で示す化合物半導体レーザ素子も、リッジストライプ形状の外側の上部クラッド層の保護膜が酸化アルミニウムと酸化硅素の２層になっているので、保護効果が高く、素子寿命が改善される。
【００７５】
本実施の形態では単一量子井戸構造の活性層を備えた素子に付いて説明したが、量子井戸は複数存在する多重量子井戸構造、例えば井戸層として、厚さ２０ÅのＩｎＧａＮ層を３層、障壁層として、厚さ３０ÅのＧａＮ層を２層、交互に積層した構造を備えた素子構造としてもよい。多重量子井戸構造の場合においては、各量子井戸層への良好なキャリヤの注入、駆動電圧の低減を考慮した場合、量子井戸の数は３以下が望ましい。
【００７６】
（実施の形態４）
図９に、（実施の形態１）と同様、リッジストライプ形状を形成するのに、ドライエッチングを用い、導電性基板上に作製された単一量子井戸構造ＧａＩｎＮ活性層を備えた青色発光の化合物半導体レーザ素子を示す。図１、図３及び図６と同一部材には同一符号を付す。
【００７７】
この、実施の形態４の化合物半導体レーザ素子の作製方法は、実施の形態１と同様の方法であるが、単一量子井戸構造ＧａＩｎＮ活性層５５を積層する点のみ、実施の形態１の作製方法と異なっている。
【００７８】
次に、反応性イオンエッチング装置にて、塩素を主成分とするエッチングガスでストライプ状のＳｉＯ2膜８形成部以外のＭｇドープしたＧａＮ層コンタクト層７及びＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６のエッチングを行う事も同様であるが、このエッチング工程において、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６は０．４３μｍを残してエッチングか完了するようにエッチング時間の調整を行った点が実施の形態１の場合とは異なる。ここで、エッチング条件としてＤＣバイアスを２００Ｖ、ＲＦパワー３００Ｗとすることにより、ＧａＮ層コンタクト層７及びＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６共にエッチング速度は３０００Å／分となり、エッチングは約３分２５秒行った。上記条件では、ＤＣバイアスは±５０Ｖ、ＲＦパワーは±５０Ｗであり、エッチング速度のばらつきは±１０％程度であった。
【００７９】
次に、窒素雰囲気中で約７００℃の熱処理も実施の形態１と同様に行った。
【００８０】
更に、リッジ型ストライプの上面のＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１０の形成、レーザ共振器のミラー面の形成、ｎ側電極１１をＳｉＣ基板１の裏面全面に形成する工程も実施の形態１と同様に行った。
【００８１】
最後に、スクライビングによりチップに分割し、通常の方法にてパッケージに実装してレーザ素子が完成する。
【００８２】
本実施の形態４に示すドライエッチングによる製造方法で作製した素子の特性は、実施の形態３のものと同様であった。
【００８３】
また、本実施の形態ではＧａＩｎＮ層を活性層に、ＧａＡｌＮをクラッド層に使用した青色発光の半導体レーザ素子の例を示したが、この組み合わせに限らず、ＧａＩｎＮ活性層／ＧａＮクラッド層やＧａＮ活性層／ＧａＡｌＮクラッド層、あるいはレーザ発振が可能な組み合わせであればＧａＡｌＩｎＮ系の四元系化合物の組み合わせでも構わないことも、実施の形態１の場合と同様である。
【００８４】
更に、本実施の形態でも実施の形態３と同様、単一量子井戸構造の活性層を備えた素子に付いて説明したが、量子井戸は複数存在する多重量子井戸構造を備えた素子構造としてもよく、多重量子井戸構造の場合においては、各量子井戸層への良好なキャリヤの注入、駆動電圧の低減を考慮した場合、量子井戸の数は３以下が望ましい事も、実施の形態３の場合と同様である。
【００８５】
【発明の効果】
本実施の形態に示したようなリッジストライプ構造を持つ窒化ガリウム系の化合物半導体レーザ素子は、従来の化合物半導体レーザ素子のようにエッチングのばらつきによる電流注入不良等を発生させることが少なく、また発振しきい値が低く、非点隔差が小さくできた。
【００８６】
また、本発明による化合物半導体レーザのリッジストライプ形状はドライエッチング方法によっても、選択成長方法によっても作製できる。特に、選択成長方法を用いた場合には、リッジストライプ形状の外部の上部クラッド層の膜厚制御性に優れており、素子のばらつきが改善される。また、コンタクト層と上部クラッド層の界面が存在する側面に保護層を設けることによって、電流注入経路の劣化を防止でき、さらに上部クラッド層の保護膜を２層にすることで、半導体レーザ素子の保護効果が高く、素子寿命が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】実施の形態１に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製行程を示す図である。
【図３】実施の形態２に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面図である。
【図４】実施の形態２に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製行程を示す図である。
【図５】リッジストライプ形状の外側の上部クラッド層厚と水平放射角の関係を示す図である。
【図６】実施の形態３に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面図である。
【図７】実施の形態３に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製行程を示す図である。
【図８】単一量子井戸活性層構造を持つ素子におけるリッジストライプ形状の外側の上部クラッド層厚と水平放射角の関係を示す図である。
【図９】実施の形態４に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面図である。
【図１０】従来の電極ストライプ構造を有する半導体レーザ素子の断面図である。
【図１１】従来の内部電流狭窄構造を有する半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１ ６Ｈ−ＳｉＣ基板
１０１ 絶縁性基板
２ ＡｌＮバッファ層
１０２ ＧａＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮ層
４ ｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層
５ ＩｎＧａＮ活性層
５５ 単一量子井戸構造ＩｎＧａＮ活性層
６ ｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層
７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
８ ＳｉＯ2膜
９ Ａｌ2Ｏ3保護膜
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
２１ａ ｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層
２１ｂ 選択成長されたｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層
２２ 開口部
２２２ 開口部
２３ ＳｉＯ2膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系の化合物半導体はワイドギャップ半導体であり、直接遷移型のバンド構造を有することから、青色〜紫外に発光波長を持つ発光素子への応用が期待されている。
【０００３】
これらの応用の中でＧａＩｎＮを活性層ＧａＡｌＮをクラッド層とするダブルヘテロ型発光ダイオードが実用化されており、また、半導体レーザ素子の実用化に向けて開発が盛んに行われている。このような半導体レーザ素子は、サファイアやＳｉＣ基板を用い、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と記す。）や分子線エピタキシャル法（以下、ＭＢＥ法と記す。）により作製されている。従来より作製されている化合物半導体レーザ素子の概略図を図１０及び図１１に示す。
【０００４】
図１０に示した化合物半導体レーザ素子は、基板１０１上に格子整合のためのバッファ層１０２、下部クラッド層１０３、活性層１０４、上部クラッド層１０５が順次形成されている。尚、図中参照符号１０６は電流阻止層、１０７、１０８は金属電極を示す。図１０に示す化合物半導体レーザ素子は、電流阻止層１０６の開口部においてクラッド層１０５に接触した金属電極１０８により電流注入が行われる。このような構造の素子では、電流阻止層１０６の開口部寄り注入された電流は、上部クラッド層１０５中で水平方向に拡がるため、活性層１０４における電流注入幅は電流阻止層１０６の開口部の幅より広くなる。また、この素子構造では、水平方向に光の閉じ込めを行う構造が作り込まれていないため、電流が注入された部分及び電流が注入されない部分に生じる利得の差によって、電流阻止層１０６の開口部の下に光強度が集中する形で光導波路が形成される（以降、電極ストライプ構造と記す。）。
【０００５】
図１１に示した半導体レーザ素子は、基板１５１上にバッファ層１５２、下部クラッド層１５３、活性層１５４、上部クラッド層１５５、電流阻止層１５６、コンタクト層１５７が順次形成されている。尚、図中参照符号１５８、１５９は金属電極を示す。図１１に示した化合物半導体レーザ素子においては、電流素子層１５６は半導体多層積層構造中に置かれており、この開口部により電流注入幅が制限される。この場合でも電流はクラッド層１５５中で水平方向に拡がるが、図１０の場合に比較しクラッド層１５５の厚みを薄くできるため電流の広がりが小さくできる。更に、図１１の半導体レーザ素子構造では、電流阻止層１５６が活性層から発光する光を吸収する材質で作製されているため、電流阻止層１５６の開口部の下部と開口部以外の下部とで水平方向に屈折率差を持つ構造となり、光導波路が形成される（以降、内部電流狭窄構造と記す。）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の化合物半導体レーザ素子及び作製方法では、以下のような問題点がある。図１０のような電極ストライプ構造の化合物半導体レーザ素子では、前述したようにクラッド層１０５での水平方向の電流拡がりを生じるために活性層への電流注入効率が悪く、発振閾値が高くなる。更に、水平方向の屈折率分布を持つ光導波路が作り込まれていないため、水平方向の波面が曲がりが大きく、非点隔差が数十μｍ以上と大きくなり、良好な集光特性が得られず、光ディスク用のピックアップの光源には不適当であるという問題点があった。
【０００７】
一方、図１１のような内部電流狭窄構造の化合物半導体レーザ素子の場合は、上述の問題は解決されている。すなわち、活性層１５４への電流注入効率が良く、発振閾値を低くでき、水平方向の屈折率分布を持つ光導波路が作り込まれているため、水平方向の波面が曲がりが小さく、非点隔差が数μｍ以下と小さくなり、良好な集光特性が得らるため光ディスク用のピックアップの光源として適当であるため、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系の赤外〜赤色発光半導体レーザでは一般的に広く用いられていることは周知である。
【０００８】
しかし、窒化ガリウム系の材料においては適当な化学エッチング液が見い出されておらず、内部電流狭窄構造を作製するのに必要な電流阻止層を０．５μｍ〜１μｍ程度をウエットエッチング除去するためには数十時間以上を要し、図１１のような構造の化合物半導体レーザ素子の作製は実用上不可能である。
【０００９】
また、窒化ガリウム系の材料に対してドライエッチング方法を膜厚用いた場合には、実用的な毎分数千Åのエッチングが可能であるが、ウエハ面内のドライエッチング速度のばらつきが±２５％程度と大きい。そのため、上部クラッド層１５５の膜厚を０．２μｍ電流阻止層１５６の膜厚を１μｍとした標準的な図１１のような構造を有する窒化物系化合物半導体レーザ素子において、電流阻止層１５６をストライプ状にエッチング除去する際、コンタクト層１５７と上部クラッド層１５５の界面において、電流阻止層１５６が完全にエッチング除去されていない部分やエッチングが進み過ぎて上部クラッド層１５５までエッチング除去されている部分が同一面内に生じる。そのため、図１１の構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子では、電流注入不良や、活性層の結晶品質劣化等が生じる。
【００１０】
本発明の目的は、上記問題を解決して水平方向に屈折率分布を持つ光導波路構造を持つ高効率な窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子、及び作製歩留まりの高い窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化物系半導体レーザ装置は、基板上に、第１の導電型下部クラッド層、活性層、第２の導電型上部クラッド層をこの順に積層したＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる窒化物系半導体レーザ装置において、前記第２の導電型上部クラッド層が共振器方向に伸延したリッジストライプ形状であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記基板が第１の導電型半導体基板であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記基板が絶縁基板であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記リッジストライプ形状の第２の導電型上部クラッド層の表面に保護層を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記保護膜が酸化アルミニウム、酸化硅素の２層からなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記活性層が量子井戸構造であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記リッジストライプ形状を形成するのに、ドライエッチング方法を用いることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の窒化物系半導体レーザ装置は、前記リッジストライプ形状を形成するのに、選択成長方法を用いることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係る実施の形態として、ＳｉＣ基板の上にＧａＩｎＮ活性層／ＧａＡｌＮクラッド層を有するダブルへテロ接合及びリッジガイド構造を有した化合物半導体レーザ素子をドライエッチングを用いて製造する方法について説明する。
【００２０】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の構造を図１に示す。符号１は６Ｈ−ＳｉＣ基板、２はＡｌＮバッファ層、３はｎ型ＧａＮ層、４はｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ下部クラッド層、５はＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ活性層、６はｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ上部クラッド層、７はｐ型ＧａＮコンタクト層、９はＡｌ2Ｏ3保護膜、１０はｐ側電極、１１はｎ側電極を示す。（以下、本実施例の形態において、ＧａＡｌＮ及びＧａＩｎＮは、上述の組成を表す。）また、符号ｄは、リッジストライプ形状の外側におけるｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層６の膜厚を示す。
【００２１】
図１に示す半導体レーザ素子は、上部クラッド層がリッジストライプ形状を形成していることを特徴としている。
【００２２】
本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体の半導体レーザの作製工程の断面図を図２に示す。まず、基板としてｎ型（０００１）硅素（Ｓｉ）面から＜１１２０＞方向に５度オフした６Ｈ−ＳｉＣ基板１を表面研磨の後に酸化処理を行うことによって、表面のダメージ層の除去を行った。この６Ｈ−ＳｉＣ基板をＭＯＣＶＤ装置のリアクターにセットし、リアクターを水素で良く置換した後、水素及びアンモニアを流しながら温度を１５００℃まで上昇させ１０分間保持し、６Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面クリーニングを行う。
【００２３】
次に、基板温度を１０５０℃まで下げ、１０５０℃に安定したらトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと記す。）を毎分３ｘ１０-5モル、アンモニアを毎分５リットル流し、５分間処理することによって約０．１μｍのＡｌＮバッファ層２を成長させる。以上の工程終了後の断面図を図２（ａ）に示す。
【００２４】
次に、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと記す。）を毎分３ｘ１０-5モル、アンモニアを毎分５リットル、Ｓｉのドーピング材としてシランガスを毎分０．３ｃｃ流し、１５分間処理することによって格子整合のためのｎ型ＧａＮ層３を成長させる。
【００２５】
次に、アンモニア、ＴＭＧに加えて、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル、シランガスを毎分０．３ｃｃ流し、２５分間の処理で約１μｍのｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層４を成長させる。この層の電子密度は２ｘ１０18ｃｍ-3である。
【００２６】
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、シランガスの供給を止めて温度を８００℃まで下降させる。温度が８００℃に安定したらＴＭＧおよびトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと記す。）を毎分４ｘ１０-4モル流し、１２秒間処理することによって１０ｎｍのＧａＩｎＮ活性層５を成長させる。
【００２７】
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩの供給を止めて、温度を再び１０５０℃まで上昇させる。温度が１０５０℃に安定したらＴＭＧ、ＴＭＡおよびｐ型へのドーピング材としてＣｐ2 Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を毎分５ｘ１０-6モル流し、２５分間処理することで約１μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６を成長させる。
【００２８】
次に、ＴＭＡだけの供給を止め、７．５分間の成長で３００ｎｍのＭｇドープしたＧａＮコンタクト層７を成長させる。以上の工程終了後の断面図を図２（ｂ）に示す。
【００２９】
以上まで作製した半導体装置のＭｇドープしたＧａＮコンタクト層７の上に、電子ビーム蒸着法とフォトリソプロセスによって幅１μｍのストライプ状ＳｉＯ2膜８を形成する。以上の工程終了後の断面図を図２（ｃ）に示す。
【００３０】
次に、反応性イオンエッチング装置にて、塩素を主成分とするエッチングガスでストライプ状のＳｉＯ2膜８形成部以外のＭｇドープしたＧａＮ層コンタクト層７及びＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６のエッチングを行った。このエッチング工程において、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６は０．２μｍを残してエッチングか完了するようにエッチング時間の調整を行う。ここで、エッチング条件としてＤＣバイアスを２００Ｖ、ＲＦパワー３００Ｗとすることにより、ＭｇドープしたＧａＮ層コンタクト層７及びＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６共にエッチング速度は３０００Å／分となり、エッチングは約４分２０秒行った。上記条件では、ＤＣバイアスは±５０Ｖ、ＲＦパワーは±５０Ｗであり、エッチング速度のばらつきは±１０％程度であった。
【００３１】
次に、窒素雰囲気中で約７００℃の熱処理を２０分程度行い、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６、ＧａＮコンタクト層７の低抵抗化及びｐ型化する。この処理により両層の正孔濃度は約１ｘ１０18ｃｍ-3となった。以上の工程終了後の断面図を図２（ｄ）に示す。
【００３２】
次に、リッジストライプ形状の側面に保護膜としてＡｌ2Ｏ3膜９を電子ビーム蒸着法により形成し、その後、幅１μｍのストライプ状ＳｉＯ2膜８をフッ酸によって除去し、十分な水洗、乾燥を行った後、リッジ型ストライプの上面にのみＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１０を全面的に真空蒸着法によって形成する。
【００３３】
次に、レーザ共振器のミラー面の形成を行う。Ａｕ／Ｎｉ積層膜１０による電極ストライプと直交する方向にマスクとして幅５００μｍのＳｉＯ2膜を５０μｍの間隔間隔を開けて電子ビーム蒸着する。
【００３４】
次に、５０μｍのストライプを有するＳｉＯ2膜が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、反射ミラーを形成するためにＳｉＯ2 膜の開口部分の窒化ガリウム系半導体層をＡｌＮバッファ層２まで、通常の反応性イオンビームエッチング法により、エッチング除去する。更に、６Ｈ−ＳｉＣ基板１を研磨し、約１００μｍの厚みに加工し、またマスクとしたＳｉＯ2膜を除去する。
【００３５】
次に、ｎ側電極１１をＳｉＣ基板１の裏面全面に形成する。以上の工程を経て、ＧａＡｌＩｎＮ系半導体レーザ素子が形成される。以上の工程終了後の断面図を図２（ｅ）に示す。
【００３６】
最後に、スクライビングによりチップに分割し、通常の方法にてパッケージに実装してレーザ素子が完成する。
【００３７】
図５には、リッジストライプ形状の外部における上部クラッド層膜厚ｄと水平放射角との相関を示す。水平放射角特性は上部クラッド層の膜厚ｄが薄くなると急激に増大することがわかる。この図５から、上部クラッド層の層厚ｄが０．２μｍより大きくなると水平放射角の広がりが抑えられることが示されている。
【００３８】
本実施の形態１に示すドライエッチングによる製造方法で作製した素子では、典型的には５０ｍＡの電流でレーザー発振が観測され、放射角特性としては、垂直方向の拡がり角が２４°、水平方向の拡がり角が１２°の楕円率２の特性が得られたが、発振閾値は３０ｍＡ〜１００ｍＡ、水平方向の拡がり角は１０°〜２３°の範囲内にあった。また、非点隔差は１〜５μｍであった。
【００３９】
また、本実施の形態ではＧａＩｎＮ層を活性層に、ＧａＡｌＮをクラッド層に使用した青色発光の半導体レーザ素子の例を示したが、この組み合わせに限らず、ＧａＩｎＮ活性層／ＧａＮクラッド層やＧａＮ活性層／ＧａＡｌＮクラッド層、あるいはレーザ発振が可能な組み合わせであればＧａＡｌＩｎＮ系の四元系化合物の組み合わせでも構わない。
【００４０】
（実施の形態２）
図３に、リッジストライプ形状を形成するのに、選択成長法によって作製された青色発光の化合物半導体レーザ素子を示す。図１と同一部材には同一符号を付す。符号２１ａはｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層、２１ｂは選択成長させたｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層、２３はＳｉＯ2保護膜である。この化合物半導体レーザ素子は、リッジストライプ形状を有し、更にリッジストライプ形状のｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層の表面に保護膜が酸化硅素、酸化アルミニウムの２層からなることを特徴とする。
【００４１】
次に、実施の形態２の化合物半導体レーザ素子の作製方法について説明する。
【００４２】
まず、実施の形態１の図２（ａ）と同様の方法で作製を行う。この工程を図４（ａ）に示す。
【００４３】
次に、実施の形態１と同様にｎ型ＧａＮ層３、ｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層４、ＧａＩｎＮ活性層５を積層し、温度を１０５０℃にしてアンモニアを毎分５リットル、ＴＭＧを毎分３ｘ１０-5モル、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル及びＣｐ2 Ｍｇを毎分５ｘ１０-6モル流し、５分間処理することで０．２μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａを成長させる。以上の工程を図４（ｂ）に示す。
【００４４】
次に、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａの表面に、電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィー法によって幅１μｍの開口部２２を有したＳｉＯ2膜２３を形成する。以上の工程を図４（ｃ）に示す。
【００４５】
この後、幅１μｍの開口部２２を有するＳｉＯ2膜２３の形成された、窒化ガリウム系化合物半導体によるダブルヘテロ構造を積層したウェーハーをＭＯＣＶＤ装置に導入し、ＭＯＣＶＤ装置のリアクターを水素で良く置換した後、水素およびアンモニアを流しながら温度を１０５０℃まで上昇させ、温度が１０５０℃に安定したらＴＭＧを毎分３ｘ１０-5モル、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル、Ｃｐ2 Ｍｇを毎分５ｘ１０-6モル、アンモニアを毎分５リットル流し、２０分間処理することによって幅１μｍの開口部２２内に約０．８μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ｂを成長させる。この成長は開口部２２内のみに選択的に行われるため、開口部２２以外のＳｉＯ2膜２３上には、半導体層は成長しない。
【００４６】
次に、ＴＭＡだけの供給を止め、１０分間の成長で０．５μｍのＭｇドープしたＧａＮコンタクト層７を成長させる。上記のようにしてＳｉＯ2膜２３以外の部分を選択的に成長させて、光導波路となるリッジストライプ形状が形成される。以上の工程終了後の断面図を図４（ｄ）に示す。
【００４７】
次に、窒素雰囲気中で約７００℃の熱処理を２０分間程度行い、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａ、２１ｂ、ＧａＮコンタクト層７を低抵抗化及びｐ型化する。この処理で両層の正孔濃度は約１ｘ１０18ｃｍ-3となった。
【００４８】
次に、通常のフォトリソ法を用いて、リッジストライプ形状の上面以外の表面に保護膜としてＡｌ2Ｏ3膜９を電子ビーム蒸着法により形成し、リッジストライプ形状の上面のみにＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１０を全面的に真空蒸着法によって形成する。以上の工程終了後の断面図を図４（ｅ）に示す。選択成長のために用いたＳｉＯ2膜を残存させて、その上にＡｌ2Ｏ3膜９を積層することによってｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層の表面保護を２層構造に簡単にすることができる。
【００４９】
次に、レーザ共振器のミラー面の形成を行う。Ａｕ／Ｎｉ積層膜１０による電極ストライプと直交する方向にマスクとして幅５００μｍのＳｉＯ2膜を５０μｍの間隔を開けて電子ビーム蒸着する。
【００５０】
次に、５０μｍのストライプを有するＳｉＯ2膜が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、反射ミラーを形成するためにＳｉＯ2膜の開口部分のＧａＡｌＩｎＮ系半導体層をＡｌＮバッファ層２まで、通常の反応性イオンビームエッチング法により、エッチング除去する。更に、６Ｈ−ＳｉＣ基板１を研磨し、約１００μｍの厚みに加工し、またマスクとしたＳｉＯ2膜を除去する。
【００５１】
最後に、ｎ側電極１１をＳｉＣ基板１の裏面全面に形成し、スクライビングによりチップに分割し、通常の方法にてパッケージに実装して窒化物系レーザ素子が完成する。
【００５２】
上記選択成長法を用いて製造された化合物半導体レーザ素子に電流を流したところ、典型的には、４０ｍＡのしきい値電流で４３２ｎｍの青色波長でのレーザー発振が観測され、放射角特性としては垂直方向の拡がり角が２４°、水平方向の拡がり角が１２°の楕円率２の特性が得られた。また、非点隔差は１〜５μｍであった。
【００５３】
本実施の形態で作製した素子では、発振しきい値は３８ｍＡ〜４２ｍＡ、水平方向の拡がり角は１１．５°〜１２．５°の範囲のばらつきであり、実施の形態１の特性と比較しリッジストライプの外側のクラッド層厚制御に優れていることが示された。ＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｌＮクラッド層の膜厚制御性は、φ２インチの基板面内において±２％程度であった。
【００５４】
また、本実施の形態２で示す化合物半導体レーザ素子は、リッジストライプ形状の外側の上部クラッド層の保護膜が酸化アルミニウムと酸化硅素の２層になっているので、保護効果が高く、素子寿命が改善される。
【００５５】
尚、本実施の形態では、基板としてｎ型（０００１）硅素（Ｓｉ）面から＜１１２０＞方向に５度オフした６Ｈ−ＳｉＣ基板１を用いた例について説明したが、ｐ−型ＳｉＣ基板を用いても実現でき、この場合は実施の形態で記載した各半導体層の伝導型を逆さにする必要がある。また、オフしていない基板を用いても同様の効果が得られた。更に６Ｈ−ＳｉＣに限らず、４Ｈ−ＳｉＣ基板、２Ｈ−ＳｉＣ基板を用いても同等以上の効果が得られる。
【００５６】
また、リッジストライプ形状は、上部クラッド層から形成する必要はなく、コンタクト層のみをリッジストライプ形状にしても、ほぼ同様の効果が得られる。
【００５７】
（実施の形態３）
図６に、（実施の形態２）と同様、リッジストライプ形状を形成するのに、選択成長法を用い、絶縁性基板上に作製された青色発光の化合物半導体レーザ素子を示す。図１及び図３と同一部材には同一符号を付す。符号５５は単一量子井戸構造ＧａＩｎＮ活性層、１０１は絶縁性基板、１０２はＧａＮバッファ層である。この化合物半導体レーザ素子は、リッジストライプ形状を有し、更にリッジストライプ形状のｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層の表面に保護膜が酸化硅素、酸化アルミニウムの２層からなることを特徴とすることは、（実施の形態２）と同様である。
【００５８】
次に、実施の形態３の化合物半導体レーザ素子の作製方法について説明する。
【００５９】
まず、実施の形態３の図４（ａ）と同様の方法で作製を行う。この工程を図７（ａ）に示す。
【００６０】
次に、実施の形態３と同様にｎ型ＧａＮ層３、ｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層４、単一量子井戸構造ＧａＩｎＮ活性層５５（２０Å）を積層し、温度を１０５０℃にしてアンモニアを毎分５リットル、ＴＭＧを毎分３ｘ１０-5モル、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル及びＣｐ2 Ｍｇを毎分５ｘ１０-6モル流し、１１分間処理することで０．４３μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａを成長させる。以上の工程終了後の断面図を図７（ｂ）に示す。
【００６１】
次に、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａの表面に、電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィー法によって幅１μｍの開口部２２を有したＳｉＯ2膜２３を形成する。以上の工程終了後の断面図を図７（ｃ）に示す。
【００６２】
この後、幅１μｍの開口部２２を有するＳｉＯ2膜２３の形成された、窒化ガリウム系化合物半導体によるダブルヘテロ構造を積層したウェーハーをＭＯＣＶＤ装置にし、リアクターを水素で良く置換した後、水素およびアンモニアを流しながら温度を１０５０℃まで上昇させ、温度が１０５０℃に安定したらＴＭＧを毎分３ｘ１０-5モル、ＴＭＡを毎分６ｘ１０-6モル、Ｃｐ2 Ｍｇを毎分５ｘ１０-6モル、アンモニアを毎分５リットル流し、２０分間処理することによって幅１μｍの開口部２２内に約０．８μｍのＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ｂを成長させる。この成長は開口部２２内のみに選択的に行われるため、開口部２２以外のＳｉＯ2 膜２３上には、半導体層は成長しない。
【００６３】
次に、ＴＭＡだけの供給を止め、１０分間の成長で０．５μｍのＭｇドープしたＧａＮコンタクト層７を成長させる。上記のようにしてＳｉＯ2膜２３以外の部分を選択的に成長させて、光導波路となるリッジストライプ形状が形成される。以上の工程終了後の断面図を図７（ｄ）に示す。
【００６４】
次に、窒素雰囲気中で約７００℃の熱処理を２０分間程度行い、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層２１ａ、２１ｂ、ＧａＮコンタクト層７を低抵抗化及びｐ型化する。この処理で両層の正孔濃度は約１ｘ１０18ｃｍ-3となった。
【００６５】
次に、通常のフォトリソ法を用いて、ウエハ表面全面に保護膜としてＡｌ2Ｏ3膜９を電子ビーム蒸着法により形成し、リッジストライプ形状以外の箇所のＡｌ2Ｏ3膜９、及びＳｉＯ2膜２３をストライプ状に除去し、開口部２２２を設ける。以上の工程終了後の断面図を図７（ｅ）に示す。
【００６６】
次に、開口部２２２が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、ｎ側電極を形成するためにＡｌ2Ｏ3膜９、及びＳｉＯ2膜２３の開口部分の窒化ガリウム系半導体層をｎ型ＧａＮ層３まで、通常の反応性イオンビームエッチング法により、エッチング除去する。以上の工程終了後の断面図を図７（ｆ）に示す。
【００６７】
次に、通常のフォトリソ法を用いて、ｎ側電極１１をｎ型ＧａＮ層３の表面に形成する。
【００６８】
次に、通常のフォトリソ法を用いて、リッジストライプ形状の上面のみにＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１０を全面的に真空蒸着法によって形成する。
【００６９】
次に、レーザ共振器のミラー面の形成を行う。Ａｕ／Ｎｉ積層膜１０による電極ストライプと直交する方向にマスクとして幅５００μｍのＳｉＯ2膜を５０μｍの間隔を開けて電子ビーム蒸着する。
【００７０】
次に、５０μｍのストライプを有するＳｉＯ2膜が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、反射ミラーを形成するためにＳｉＯ2膜の開口部分の窒化ガリウム系半導体層をＡｌＮバッファ層２まで、通常の反応性イオンビームエッチング法により、エッチング除去する。更に、絶縁性基板１０１を研磨し、約１００μｍの厚みに加工し、またマスクとしたＳｉＯ2膜を除去する。
【００７１】
最後に、スクライビングによりチップに分割し、通常の方法にてパッケージに実装してレーザ素子が完成する。
【００７２】
上記選択成長法を用いて製造された単一量子井戸構造活性層を持つ化合物半導体レーザ素子に電流を流したところ、典型的には、３０ｍＡのしきい値電流で４２０ｎｍの青色波長でのレーザー発振が観測され、放射角特性としては垂直方向の拡がり角が２０°、水平方向の拡がり角が１０°の楕円率２の特性が得られた。また、非点隔差は１〜５μｍであった。
【００７３】
本実施の形態で作製した素子では、発振しきい値は２８ｍＡ〜３２ｍＡ、水平方向の拡がり角は９．５°〜１０．５°の範囲のばらつきであり、実施の形態２の特性と比較して更に特性制御性に優れていることが示された。
【００７４】
また、本実施の形態３で示す化合物半導体レーザ素子も、リッジストライプ形状の外側の上部クラッド層の保護膜が酸化アルミニウムと酸化硅素の２層になっているので、保護効果が高く、素子寿命が改善される。
【００７５】
本実施の形態では単一量子井戸構造の活性層を備えた素子に付いて説明したが、量子井戸は複数存在する多重量子井戸構造、例えば井戸層として、厚さ２０ÅのＩｎＧａＮ層を３層、障壁層として、厚さ３０ÅのＧａＮ層を２層、交互に積層した構造を備えた素子構造としてもよい。多重量子井戸構造の場合においては、各量子井戸層への良好なキャリヤの注入、駆動電圧の低減を考慮した場合、量子井戸の数は３以下が望ましい。
【００７６】
（実施の形態４）
図９に、（実施の形態１）と同様、リッジストライプ形状を形成するのに、ドライエッチングを用い、導電性基板上に作製された単一量子井戸構造ＧａＩｎＮ活性層を備えた青色発光の化合物半導体レーザ素子を示す。図１、図３及び図６と同一部材には同一符号を付す。
【００７７】
この、実施の形態４の化合物半導体レーザ素子の作製方法は、実施の形態１と同様の方法であるが、単一量子井戸構造ＧａＩｎＮ活性層５５を積層する点のみ、実施の形態１の作製方法と異なっている。
【００７８】
次に、反応性イオンエッチング装置にて、塩素を主成分とするエッチングガスでストライプ状のＳｉＯ2膜８形成部以外のＭｇドープしたＧａＮ層コンタクト層７及びＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６のエッチングを行う事も同様であるが、このエッチング工程において、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６は０．４３μｍを残してエッチングか完了するようにエッチング時間の調整を行った点が実施の形態１の場合とは異なる。ここで、エッチング条件としてＤＣバイアスを２００Ｖ、ＲＦパワー３００Ｗとすることにより、ＧａＮ層コンタクト層７及びＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層６共にエッチング速度は３０００Å／分となり、エッチングは約３分２５秒行った。上記条件では、ＤＣバイアスは±５０Ｖ、ＲＦパワーは±５０Ｗであり、エッチング速度のばらつきは±１０％程度であった。
【００７９】
次に、窒素雰囲気中で約７００℃の熱処理も実施の形態１と同様に行った。
【００８０】
更に、リッジ型ストライプの上面のＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１０の形成、レーザ共振器のミラー面の形成、ｎ側電極１１をＳｉＣ基板１の裏面全面に形成する工程も実施の形態１と同様に行った。
【００８１】
最後に、スクライビングによりチップに分割し、通常の方法にてパッケージに実装してレーザ素子が完成する。
【００８２】
本実施の形態４に示すドライエッチングによる製造方法で作製した素子の特性は、実施の形態３のものと同様であった。
【００８３】
また、本実施の形態ではＧａＩｎＮ層を活性層に、ＧａＡｌＮをクラッド層に使用した青色発光の半導体レーザ素子の例を示したが、この組み合わせに限らず、ＧａＩｎＮ活性層／ＧａＮクラッド層やＧａＮ活性層／ＧａＡｌＮクラッド層、あるいはレーザ発振が可能な組み合わせであればＧａＡｌＩｎＮ系の四元系化合物の組み合わせでも構わないことも、実施の形態１の場合と同様である。
【００８４】
更に、本実施の形態でも実施の形態３と同様、単一量子井戸構造の活性層を備えた素子に付いて説明したが、量子井戸は複数存在する多重量子井戸構造を備えた素子構造としてもよく、多重量子井戸構造の場合においては、各量子井戸層への良好なキャリヤの注入、駆動電圧の低減を考慮した場合、量子井戸の数は３以下が望ましい事も、実施の形態３の場合と同様である。
【００８５】
【発明の効果】
本実施の形態に示したようなリッジストライプ構造を持つ窒化ガリウム系の化合物半導体レーザ素子は、従来の化合物半導体レーザ素子のようにエッチングのばらつきによる電流注入不良等を発生させることが少なく、また発振しきい値が低く、非点隔差が小さくできた。
【００８６】
また、本発明による化合物半導体レーザのリッジストライプ形状はドライエッチング方法によっても、選択成長方法によっても作製できる。特に、選択成長方法を用いた場合には、リッジストライプ形状の外部の上部クラッド層の膜厚制御性に優れており、素子のばらつきが改善される。また、コンタクト層と上部クラッド層の界面が存在する側面に保護層を設けることによって、電流注入経路の劣化を防止でき、さらに上部クラッド層の保護膜を２層にすることで、半導体レーザ素子の保護効果が高く、素子寿命が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】実施の形態１に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製行程を示す図である。
【図３】実施の形態２に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面図である。
【図４】実施の形態２に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製行程を示す図である。
【図５】リッジストライプ形状の外側の上部クラッド層厚と水平放射角の関係を示す図である。
【図６】実施の形態３に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面図である。
【図７】実施の形態３に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製行程を示す図である。
【図８】単一量子井戸活性層構造を持つ素子におけるリッジストライプ形状の外側の上部クラッド層厚と水平放射角の関係を示す図である。
【図９】実施の形態４に示すリッジストライプ形状を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面図である。
【図１０】従来の電極ストライプ構造を有する半導体レーザ素子の断面図である。
【図１１】従来の内部電流狭窄構造を有する半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１ ６Ｈ−ＳｉＣ基板
１０１ 絶縁性基板
２ ＡｌＮバッファ層
１０２ ＧａＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮ層
４ ｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層
５ ＩｎＧａＮ活性層
５５ 単一量子井戸構造ＩｎＧａＮ活性層
６ ｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層
７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
８ ＳｉＯ2膜
９ Ａｌ2Ｏ3保護膜
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
２１ａ ｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層
２１ｂ 選択成長されたｐ型ＧａＡｌＮ上部クラッド層
２２ 開口部
２２２ 開口部
２３ ＳｉＯ2膜
Claims (4)
- ＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１）からなる窒化物系半導体レーザ素子の製造方法であって、
基板上に、下部クラッド層と、活性層と、上部クラッド層とをこの順に形成する工程と、
前記上部クラッド層上に開口部を有する保護膜を形成する工程と、
前記上部クラッド層とコンタクト層とを前記保護膜の開口部から選択成長し、リッジストライプを形成する工程と、
前記リッジストライプの上面に接する電極を形成する工程を有し、
前記保護膜が前記上部クラッド層表面に残存されることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記保護膜は、酸化珪素からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記リッジストライプの外側で上部クラッド層の表面に、第１の保護膜と第２の保護膜とが形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
- ｐ型ＧａＡｌＮの上部クラッド層の上にｐ型ＧａＡｌＮの上部クラッド層、さらにｐ型ＧａＮのコンタクト層を選択成長させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
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