JP4326258B2 - 窒化ガリウム系半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子、特に、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、光及び電流の閉じ込めを行うために、例えば特開平１１−３４０５７３や特開２００２−４３６９２に示されているように、リッジストライプ型の導波路構造を設けることが多い。
【０００３】
従来のリッジストライプ型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の模式図を、図７に示す。基板上に形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００はリッジストライプ７６を有し、その窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００はリッジストライプ７６の上面を除き、ＳｉＯ2、ＳｉＮ等の誘電体膜５６で被覆されている。さらに、リッジストライプ７０全面を覆う形に上部電極層２５が形成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３４０５７３
【特許文献２】
特開２００２−４３６９２
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の構造では、以下に示す問題点があった。図７に基づいて説明する。即ち、劈開により共振器端面を作成する際に、上部電極を構成する金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、よって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性がある。また、これらの問題が発生するに至らずとも、上部電極を構成する金属層が劈開面近傍でバリになると、例えば半導体レーザ素子をサブマウント等にマウントする際の熱でバリがたれ下がり、出射するレーザ光の光路を遮ったり、異なる導電型を有する窒化ガリウム系化合物半導体層の間をショートさせてしまう事もある。
【０００６】
このような危険性は、電極金属層の幅、厚み、そもそも共振器端面直上に電極金属層を配置するか否か、という３つのパラメータによって変化する。また、これら３つのパラメータを変化させると、上記危険性のみではなく、電流注入の均一性やワイヤボンド性といった点も影響を受ける危険性がある。
【０００７】
そこで以下に、電極金属層の上記３つのパラメータと、それぞれの危険性との相関を明らかにしていく。まず、電極金属層の幅について述べる。先述の劈開面を起点としてめくれ上がる危険性については、当然ながら幅が狭い方が小さくなる。しかしながら、上部電極２５は、その上に金線等のワイヤーをボンディングして外部回路との電気的接続を得るために、少なくとも１２０ミクロンの幅が必要である。電流注入の均一性を確保する観点からは、上部電極の幅は、たかだか１０ミクロン以下の幅であるリッジ上面をくまなく覆う事ができれば良いので、１２０ミクロンの幅があれば十分である。
【０００８】
次に、電極金属層の厚みについて述べる。先述の劈開面を起点としてめくれ上がる危険性については、当然ながら厚い方が大きくなる。例えば１０００Åを超えると、その危険性は工程歩留まりとして無視できないほど顕著となる。しかしながら、金線等のワイヤーをボンディングして外部回路との電気的接続を得るためには、例えば２０００Å以上の厚みが必要で、それよりも薄い場合は接合強度が十分確保できずに後工程でワイヤーが剥がれたり、ボンディング時のダメージで電極直下の半導体層にダメージが入ったりする危険性が高くなる。また、電流注入の均一性を確保する観点からは、厚みは特段の影響はない。
【０００９】
次に、電極金属層を共振器端面直上に配置するか否かについて述べる。先述の劈開面を起点としてめくれ上がる危険性については、当然ながら共振器端面直上に電極金属層を配置しないようにすれば回避できる。ワイヤーをボンディングして外部回路との電気的接続を得る点についても、幅と同様、共振器方向にも１２０ミクロン以上あれば問題なく、従って、共振器長が１２０ミクロンを超えていれば、共振器端面直上に電極金属層を配置しないようにして、めくれ上がる危険性を排除できる。
【００１０】
ところが、電流注入の均一性については、共振器端面直上に電極金属層が形成されていない領域を設けた場合、その領域においては、半導体積層構造に電流が注入されないため、共振器内で吸収領域として作用し、閾値電流の上昇を招く。このような吸収領域を生じさせないためには、共振器端面直上を含めて、リッジの全領域を電極金属層が覆っている必要がある。
【００１１】
以上述べてきた電極金属層の上記３つのパラメータと、それぞれの危険性との相関から明らかな通り、それぞれの危険性を最小にできる３つのパラメータの組合わせは存在しない。
【００１２】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、劈開により共振器端面を作成する際に、上部電極を構成する金属層が劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する危険性、電流注入の均一性やワイヤボンド性の悪化といった危険性を、同時に、実用上問題のないレベルまで減じることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザは、リッジの上面と同じ幅またはリッジの上面よりも広い幅を有し、リッジの上面の全体を覆う第一の上部電極層と、第一の上部電極層よりも広い幅を有し、第一の上部電極層の全体を覆う第二の上部電極層と、第二の上部電極層よりも広い幅を有し、共振器端面の直上の部位を除く第二の上部電極層の全体を覆う第三の上部電極層と、を備える構成とする。
【００１４】
この窒化ガリウム系半導体レーザは三層構造の上部電極層を有しており、第一および第二の上部電極層のみが共振器端面上に位置する。この構成では、共振器端面に達しない第三の上部電極層をワイヤー接続に十分な幅と厚さとしながら、第一および第二の上部電極層の厚みや幅をめくれ上がりやバリの生じ難い薄さとすることができて、電流注入が不完全になることや、光路が遮られたり異なる導電型層がショートしたりすることが抑えられる。しかも、第一の上部電極層の幅はリッジの上面と同じまたはリッジの上面よりも広く、第二の上部電極層の幅は第三の上部電極層の幅よりも狭いため、異なる導電型層間のショートの可能性が一層少なくなる。
【００１５】
ここで、第一の上部電極層と第二の上部電極層の層厚の合計は１０００オングストローム以下とするとよい。さらに好ましくは、第一の上部電極層の幅がリッジの上面の幅と等しく、かつ、第二の上部電極層の幅がリッジの上面の幅よりも０．４ミクロン以上広く、かつ、５０ミクロン以下とするとよい。このようにすると、以下の二つのメリットが生まれる。即ち、リッジ端部におけるめくれ上がりやバリの発生が良好に抑えられて、不良率が大きく低下することと、第一の上部電極層の幅がリッジの上面の幅と等しくなるような製造方法を採用することで、本発明による第一の実施形態で詳述する通り、半導体レーザ素子の動作電圧が安定化するというメリットが生まれる点の２つである。
【００１６】
リッジの側方に誘電体膜を備え、誘電体膜が共振器端面の直上の部位に開口を有し、誘電体膜の開口が第二の上部電極層と第三の上部電極層のいずれにも覆われていない構成とすることもできる。この構成では、共振器端面を形成する際に、平滑度の高い共振器端面が得られ、しかも上部電極層や誘電体膜を損傷し難い劈開方法を採用することができて、レーザ発振特性が向上し、不良率も一層低下する。
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面に第一の上部電極層を設ける工程と、第一の上部電極層の上面にストライプ状のフォトレジスト層を設ける工程と、フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより第一の上部電極層の一部を除去する工程と、フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部にリッジを形成する工程と、フォトレジスト層を除去した後に、第一の上部電極層の上面全体と窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面に第二の上部電極層を設ける工程と、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造のうちのリッジに交差する帯状の所定領域の上に位置する部位を除いて、第二の上部電極層の上面に第二の上部電極層の幅よりも広い幅の第三の上部電極層を設ける工程と、前記所定領域において、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を第一の上部電極層と第二の上部電極層と共に劈開して、共振器端面を形成する工程と、を含むものとする。
【００１８】
この方法では、第一および第二の上部電極層が共振器端面上に位置し、第三の上部電極層は共振器端面に達しない上述の窒化ガリウム系半導体レーザが得られ、不良率を大きく低減することができる。また、この製造方法を採用することで、本発明による第一の実施形態で詳述する通り、半導体レーザ素子の動作電圧が安定化するというメリットが生まれる。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面にストライプ状のフォトレジスト層を設ける工程と、フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部にリッジを形成する工程と、マスクとしたフォトレジスト層を除去した後に、リッジの上面に、幅がリッジのそれよりも広いところのストライプ状の開口部を、リッジの上面が完全に露出するように配したフォトレジスト層を設ける工程と、金属層の形成とリフトオフ法により、前記開口部に、第一の上部電極層を形成する工程と、第一の上部電極層の上に、幅が第一の上部電極層のそれよりも広いところのストライプ状の開口部を、第一の上部電極層が完全に露出するに配したフォトレジスト層を設ける工程と、金属層の形成とリフトオフ法により、前記開口部に、第二の上部電極層を形成する工程と、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造のうちのリッジに交差する帯状の所定領域の上に位置する部位を除いて、第二の上部電極層の上面に第二の上部電極層の幅よりも広い幅の第三の上部電極層を設ける工程と、前記所定領域において、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を第一の上部電極層と第二の上部電極層と共に劈開して、共振器端面を形成する工程と、を含むものとする。
【００２０】
この方法においても、第一および第二の上部電極層が共振器端面上に位置し、第三の上部電極層は共振器端面に達しない上述の窒化ガリウム系半導体レーザが得られ、不良率を大きく低減することができる。
【００２１】
ここで、第一の上部電極層を設ける工程の後かつ第二の上部電極層を設ける工程の前に、４５０℃以上かつ７００℃以下の雰囲気で窒化ガリウム系半導体積層構造を熱処理する工程を含むようにするとよい。半導体積層構造を熱処理することで動作電圧が低下かつ安定化し、その熱処理を第二の上部電極層を設ける前に行うことで動作電圧の低下が一層大きくなる。
【００２２】
リッジを形成する工程の後に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面とリッジ形成時にマスクとしたフォトレジスト層の上面とに誘電体膜を設ける工程と、このフォトレジスト層と誘電体膜のうちのフォトレジスト層上の部位とをリフトオフ法により除去する工程と、を含み、誘電体膜を設ける工程において、前記所定領域のうちのリッジから外れた部位に誘電体膜の開口を設け、第二の上部電極層を設ける工程において、誘電体膜の開口を避けて第二の上部電極層を設けるようにするとよい。このようにすると、半導体積層構造の上面の一部が上部電極層や誘電体膜に覆われず露出することになり、この部位に傷を入れて劈開を行うことができる。この劈開によって共振器端面を形成すると、共振器端面の平滑度が高まり、レーザ発振特性が向上する。また、上部電極層や誘電体膜の損傷が抑えられ、不良率も低下する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図である。
【００２４】
サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面にリッジストライプ７０が形成されており、このリッジストライプ７０の上面には、リッジストライプ７０と同一の幅を有し、厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１０が形成されている。また、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面は、リッジストライプ７０の上面を除いて、厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５０により被覆されている。
【００２５】
第一の上部電極層１０の上面と、誘電体膜５０の上面の一部は、リッジストライプ７０全面を覆う形で形成されている厚さ１００ÅのＡｕよりなる第二の上部電極層２０で被覆されている。更に、誘電体膜５０と第二の上部電極層２０の共振器端面の直上を除く部位には、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極層３０が形成されている。第一、第二、第三の上部電極層１０、２０、３０の幅は、それぞれ１．８ミクロン、８ミクロン、２５０ミクロンである。
【００２６】
半導体レーザ素子のリッジストライプと垂直な方向の長さ、即ち共振器端面の幅は４５０ミクロン、リッジストライプと平行な方向の長さは５００ミクロンである。また、第一、第二、第三の上部電極層１０、２０、３０はそれぞれ、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００とのオーミック接触を得る、第一の上部電極層を保護する、外部回路との電気的接続を得るための金線等のボンディング領域を得る、という目的で形成されている。第二の上部電極層２０の形成目的である第一の上部電極層１０の保護については、後述する。
【００２７】
本実施形態の構造においては、共振器端面の全幅４５０ミクロンの内、上部電極層で覆われているのは、第二の上部電極層２０の幅である８ミクロンのみであり、その厚みは、幅１．８ミクロンのリッジストライプ７０の上面では、第一の上部電極層１０と第二の上部電極２０の総厚である２５０Å、リッジストライプ７０上面を除く幅６．２ミクロンに相当する領域では、第二の上部電極層２０の層厚であるわずか１００Åのみである。
【００２８】
このため、図７に示した、幅１２０ミクロン以上の領域で、厚さ２０００Å以上の上部電極層２５により共振器短面が覆われている、従来の構造の窒化ガリウム系半導体レーザよりも、上部電極を構成する金属層が劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどによる不良の発生率が、約８５パーセント減少した。
【００２９】
次に、本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を説明する。図４は、本実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す模式的断面図である。
【００３０】
サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面に、図４（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１０を形成する。次に、同図（ｂ）のごとく、線幅１．８ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４０をフォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｃ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４０をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１０を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出するまでエッチングする。
【００３１】
この場合のプロセスガスとしては、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いる。これら塩素系ガスの添加は、Ａｒにより表面からスパッタリングされたＰｄのエッチング表面への再付着を抑制する効果がある。ただし、５０％以上添加すると、窒化ガリウム系化合物半導体に対する選択性が大幅に低下し、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出した時点でエッチングを実質的に停止させることができず、同図（ｃ）に示したような断面形状を得ることが困難となる。
【００３２】
第一の上部電極層１０のエッチングに引き続き、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００を上部クラッド層の途中までエッチングし、同図（ｄ）のごとくリッジストライプを形成する。この場合は、Ｃｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素系ガスを体積比率で５０％以上包含するプロセスガスを使用する事により、ストライプ用フォトレジストマスク４０をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００をエッチングする事ができる。
【００３３】
次に、同図（ｅ）のごとく、電子ビーム蒸着法により、全面に、厚さ２０００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５０を形成する。次に、ストライプ用フォトレジストマスク４０と、その上部にある誘電体膜５０の一部を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去し、同図（ｆ）のごとき構造を得る。
【００３４】
しかる後に、同図（ｇ）のごとく、第一の上部電極層１０の上部に、幅８ミクロンの第二の上部電極層２０として、Ａｕを１００Åの厚みに形成する。幅８ミクロンの領域のみに選択的に第二の上部電極層２０を形成するためには、幅８ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に行うことができる。第二の上部電極層２０の形成後、第二の上部電極層２０と同様の方法により、共振器端面直上を避ける形で、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極３０を形成する事で、図１に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得ることができる。
【００３５】
ここで、図４（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１０を形成する前に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面を、フッ化水素酸中に漬浸してやると、表面の酸化膜等が効果的に除去でき、半導体表面と電極金属層との間のコンタクト抵抗を低減し、以って半導体レーザの動作電圧を安定化させる事ができる。この効果は、半導体表面を誘電体等で被覆する履歴を経た後ではなく、本実施形態のごとく、最初の工程として、このフッ化水素酸中への漬浸をしてやると、特に顕著である。
【００３６】
またここで、仮に第二の上部電極層２０を設けず、第一の上部電極層１０の上に直接第三の上部電極層３０を形成した場合、即ち、共振器端面近傍で第一の上部電極層１０が露出している場合を想定してみる。この場合、露出している部分の第一の上部電極層１０が、厚み１５０ミクロンと薄いため、通電時にマイグレーションを生じて、最悪の場合、断線に至る。このため、導電性に優れた金属（本実施形態ではＡｕ）により被覆してやり、このような問題が生じないようにする事が必要である。第二の上部電極層２０の形成目的はここにある。
【００３７】
本実施形態においては、図１に示すように、第一の上部電極層１０はリッジストライプ７０と同じ幅を有し、第二の上部電極層２０は第一の上部電極層１０よりも広い。しかし、リッジストライプ７０、第一の上部電極層１０、および第二の上部電極層２０、の３者の幅の関係は、本実施形態におけるそれに限定されるものではなく、以下に示す３つのケースの場合でもかまわない。即ち、３者の幅が全て等しい場合、第一の上部電極層１０の幅がリッジストライプ７０より広く、かつ第二の上部電極層２０よりも狭い場合、第一の上部電極層１０の幅がリッジストライプ７０より広く、かつ第二の上部電極層２０と等しい場合、の３つのケースである。以下に、それぞれの場合について詳述する。
【００３８】
まず、３者の幅が全て等しい場合であるが、この構造は、図４に示した製造方法を、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１０を形成した後、連続してＡｕを、第二の上部電極層２０として１００Åの厚みに形成する形に変更する事で実現可能である。この場合は、図４に示した製造方法に比べて少ない工程数で製造する事が可能となる反面、以下のデメリットを甘受する必要がある。即ち、第一および第二の上部電極層を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面に形成した後に、反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出するまでエッチングするため、図４に示す製造方法に比して、エッチング時間が長くなりフォトレジストマスクの後工程での除去性が悪化する危険性が高くなる点である。
【００３９】
次に、第一の上部電極層の幅がリッジストライプより広く、かつ第二の上部電極層よりも狭い場合について説明する。図６は、そのような窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す模式的断面図である。
【００４０】
サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造７００の表面に、図６（ａ）のごとく、線幅１．８ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４７をフォトリソグラフィー法により形成し、さらに、形成したストライプ用フォトレジストマスク４７をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００を上部クラッド層の途中までエッチングし、同図（ｂ）のごとくリッジストライプを形成する。この場合は、Ｃｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素系ガスを体積比率で５０％以上包含するプロセスガスを使用する事により、ストライプ用フォトレジストマスク４７をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造７００をエッチングする事ができる。
【００４１】
次に、同図（ｃ）のごとく、電子ビーム蒸着法により、全面に、厚さ２０００ÅのＴｉＯ2よりなる誘電体膜５７を形成する。次に、ストライプ用フォトレジストマスク４７と、その上部にある誘電体膜５７の一部を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去し、同図（ｄ）のごとき構造を得る。
【００４２】
しかる後に、同図（ｅ）のごとく、リッジストライプを覆うように、幅２．８ミクロンの第一の上部電極層１７として、厚さ１５０ÅのＰｄを形成する。幅２．８ミクロンの領域のみに選択的に第一の上部電極層１７を形成するためには、幅２．８ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に行うことができる。
【００４３】
次に同様の方法で、第一の上部電極層１７を覆うように、幅８ミクロンの第二の上部電極層２７として、Ａｕを１００Åの厚みに形成する。第二の上部電極層２７の形成後、第二の上部電極層２７と同様の方法により、共振器端面直上を避ける形で、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極を形成する事で、第一の上部電極層の幅がリッジストライプより広く、かつ第二の上部電極層よりも狭い場合の、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得ることができる。
【００４４】
この構造においても、従来の構造の窒化ガリウム系半導体レーザよりも、上部電極を構成する金属層が劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどによる不良の発生率を大幅に低減する事が可能である。しかも、図４で示した製造方法に比べると、第一の上部電極層をドライエッチング法で除去する工程がないので、ドライエッチング装置内が、第一の上部電極層を構成する金属で汚染される事がない。図４の製造方法においては、この、金属によるドライエッチング装置内の金属による汚染を除去するために、頻繁な装置メンテナンスが必要となるが、この構造をとる場合は、その手間を省くことが出来る。
【００４５】
最後に、第一の上部電極層の幅がリッジストライプより広く、かつ第二の上部電極層と等しい場合について説明する。この構造は、図６に示した製造方法を、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層を形成した後、連続してＡｕを、第二の上部電極層として１００Åの厚みに形成する形に変更する事で実現可能である。
【００４６】
この場合は、図６に示した製造方法に比べて少ない工程数で製造する事が可能となる反面、以下のデメリットを甘受する必要がある。即ち、後段で詳述する、第一の上部電極層の形成後、第二の上部電極の形成前に、４５０℃乃至７００℃の雰囲気で窒化ガリウム系半導体レーザを熱処理する工程を実施しようとしても、本製造方法においては、第一の上部電極形成に際して表面に形成したレジストが、上記熱処理工程で焼きついてしまうという問題があるため、実現困難である点である。
【００４７】
本発明の第一の実施形態においては、図１に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面を、リッジストライプ７０の上面を除いて、厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５０により被覆した。しかし、この誘電体膜５０に、共振器端面の直上であって、かつ、上部電極層１０、２０、３０に覆われていない部分の領域の少なくとも一部において、開口部を設けた場合、劈開により共振器端面を作成する際に、より不良発生率を低減する事が可能である。以下に、その具体的手法を例示する。
【００４８】
＜第二の実施形態＞
図２は、本発明の第二の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図である。
【００４９】
サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面に形成されたリッジストライプ７１、リッジストライプ７１と同一の幅を有し厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１１、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面を被覆する厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５１、第一の上部電極層１１の上面と誘電体膜５１の上面の一部を、リッジストライプ７１全面を覆う形で形成されている、厚さ１００ÅのＡｕよりなる第二の上部電極層２１、誘電体膜５１と第二の上部電極層２１の、共振器端面の直上を除く部位に形成された、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極層３１、という構成は、第一の実施形態におけるそれと同一である。
【００５０】
ただし、本実施形態においては、半導体レーザ素子の４隅に於いて、誘電体膜５１に開口部９１が設けられ、そこでは、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面が露出している。
【００５１】
窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、劈開により共振器端面を作成する際には、基板の裏面に、得ようとする共振器端面に沿ってスクライバ等により傷を入れて、その傷に沿って劈開する方法と、反対に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の側、即ち素子のおもて面側からスクライバ等により傷を入れて、その傷に沿って劈開する方法との、２種類の方法がある。後者を選択する場合は、リッジの損傷を防ぐため、傷入れの際には、リッジ部分を避けた破線様の傷を入れる事が必要となる。本発明者は、この２種類の方法のうち、より平滑性に優れた共振器端面を得られるのは、後者の方法である事を見出した。
【００５２】
このようなリッジ部分を避けた破線様の傷を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造に入れる場合に、傷を入れる部位の窒化ガリウム系化合物半導体積層構造が電極金属や誘電体膜で覆われていると、以下のような問題点がある。
【００５３】
即ち、電極金属を通して傷を入れた場合、それら電極金属がめくれ上がったり、それら電極金属にバリが発生し、例えば半導体レーザ素子をサブマウント等にマウントする際の熱で、このバリがたれ下がり、異なる導電型を有する窒化ガリウム系化合物半導体層の間をショートさせてしまう事がある。また、誘電体膜を通して傷を入れた場合、その誘電体膜が本実施形態で用いているＳｉＯ2のように堅くてもろい場合は、傷にそって誘電体膜中に多数のクラックが発生し、クラックの発生部位からの誘電体膜の剥離や電流リークの発生を招来する事がある。
【００５４】
しかし、本実施形態のように開口部９１を設けておけば、スクライバ等による傷入れを、この開口部９１のみに選択的に行なう事により、これらの問題の発生を防ぐことが出来る。このような開口部９１は、第一の実施形態において詳述した構造を得た後、開口部９１を設けるべき部位以外の表面をフォトレジストで被覆し、フォトレジストで被覆されていない部位の誘電体膜５１をフッ化水素酸で除去することで、簡単に得ることが可能である。
【００５５】
ここまで説明してきた第一及び第二の実施形態においては、リッジ部のみを残して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造をドライエッチング法によりエッチングしたが、リッジ部以外を全てエッチングする必要はなく、その近傍のみをエッチングしても良い。リッジ部のみを残してエッチングした場合、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性がある。他方、リッジの近傍のみエッチングした場合は、リッジ部のみが突出するわけではないので、このような後工程での破損の危険性を、大幅に減じることが可能となる。そこで次に、リッジの近傍のみエッチングした場合について説明する。
【００５６】
＜第三の実施形態＞
図３は、本発明の第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図である。また、図５は、その製造方法を示す模式的断面図である。
【００５７】
図３に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面に形成されたリッジストライプ７２、リッジストライプ７２と同一の幅を有し厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１２、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面を被覆する厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５３、第一の上部電極層１２の上面と誘電体膜５３の上面の一部を、リッジストライプ７２全面を覆う形で形成されている、厚さ１００ÅのＡｕよりなる第二の上部電極層２２、誘電体膜５３と第二の上部電極層２２の、共振器端面の直上を除く部位に形成された、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極層３２、という構成は、第一の実施形態におけるそれと同一である。
【００５８】
異なる点は、第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００を、リッジストライプ部を除いて全面、ドライエッチング法により掘り下げているのに対し、本実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、リッジの両側の、片側２５ミクロンずつの幅を有する部分のみを掘り下げている点である。
【００５９】
このような構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を、次に説明する。
【００６０】
まず、サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面に、図５（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１２を形成する。この際、第一の上部電極層１２は、幅４０ミクロンの領域にのみ形成しておく。
【００６１】
次に、同図（ｂ）のごとく、第一の上部電極層１２の直上、及びその両側の片側５ミクロンの幅を有する領域を除いて、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００全面に、厚さ１０００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５２を、電子ビーム蒸着法により形成する。
【００６２】
次に、同図（ｃ）のごとく、線幅１．８ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４２を、第一の上部電極層１２の上に、フォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｄ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４２をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１２を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面が露出するまでエッチングする。この際、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層１２で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域に、段差９２ができる。
【００６３】
引き続き、同図（ｅ）のごとく、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００を上部クラッド層の半ばまでエッチングし、リッジストライプを形成する。これら２回の反応性イオンエッチング法によるドライエッチング工程については、第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法におけるそれと同一の方法で可能であるため、ここではその詳細は省略する。
【００６４】
次に、ウエハの全面に、厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５３を電子ビーム蒸着法により形成し、その後、リフトオフ法により、ストライプ用フォトレジストマスク４２とその直上にある誘電体膜５３を除去する事により、同図（ｆ）に示した構造を得る。
【００６５】
その後、同図（ｇ）のごとく、第一の上部電極層１２の上部に、第一の実施形態における方法と同様の方法により、幅８ミクロンの第二の上部電極層２２として、Ａｕを１００Åの厚みに形成する。さらに、やはり同様の方法を用いて、誘電体膜５３と第二の上部電極層２２の共振器端面の直上を除く部位に、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極層３２を形成して、図３に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。
【００６６】
本実施形態で示した製造方法によれば、リッジの近傍の、片側３０ミクロンの幅を有する領域のみをドライエッチング法により掘り下げているため、リッジ部のみを残してウエハ全面をエッチングした場合のように、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性はない。
【００６７】
なお、本実施形態においては、リッジの両側に片側２５ミクロンずつの幅を有する部分を掘り下げ、よって、リッジの左右に、幅が２５ミクロンであるところの一対の溝が形成された形状をなしているが、この溝をリッジの左右いずれか片側のみに設ける、即ち、溝が設けられていない側は、全面に渡って上部クラッド層の半ばまでエッチングされていても、リッジ部のみが突出しないという、本実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、溝をリッジの両側に設ける場合も、その幅が必ずしも左右対称となる必要はない。また、本実施形態を示す図３においては、第二の上部電極層２２を、リッジに関して左右対称となるように描画しているが、左右の幅が非対称であっても、また片側だけに設けてあっても、問題はない。
【００６８】
ここまで説明してきた第一、第二、及び第三の実施形態においては詳しく触れてはいないが、窒化ガリウム系半導体レーザの製造工程においては、上部電極を形成後、４５０℃乃至７００℃の雰囲気で窒化ガリウム系半導体レーザを熱処理する事で、動作電圧の、低減と安定化を図ることが一般的に行なわれている。
【００６９】
本発明の構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製するにあたり、この熱処理を、第一の上部電極層１０、１１、１２の形成後、第二の上部電極層２０、２１、２２を形成する前に行なった場合、第二の上部電極２０、２１、２２を形成した以降に行なう場合に比して、０．５ボルト程度、動作電圧が低減するという特有の効果がある事を、本発明者は見出した。
【００７０】
これは、第一の上部電極１０、１１、１２が接するところのｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層層において、ｐ型不純物として添加されているＭｇと結合して、アクセプタとしての機能を阻害している水素原子を、４５０℃乃至７００℃の雰囲気において、第一の上部電極層１０、１１、１２として用いているＰｄが半導体層中から外部に吸い出している効果があるためと考えられる。即ち、この効果は、第一の上部電極層１０、１１、１２の表面を、Ａｕ等の吸い出し効果のない金属が覆っている場合は十分機能しないため、第二の上部電極２０、２１、２２を形成した以降に熱処理をする場合よりも、第一の上部電極層を形成後、第二の上部電極層を形成する前に行なった場合の方が、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層層中のアクセプタ濃度が高くなり、より動作電圧が低くなると考えられる。
【００７１】
以上、本発明を実施形態に基づき詳述してきたが、本発明の内容は、ここに挙げた実施形態の記述に限定されるものではない。次に、本発明の技術的思想に基づく変形を例示する。
【００７２】
本発明において、「窒化ガリウム系化合物半導体」とは、窒化ガリウム（ＧａＮ）のＧａが部分的に他のＩＩＩ族元素に置き換えられた半導体、例えば、ＧａsＡｌtＩｎ1-s-tＮ（０＜ｓ≦１、０≦ｔ＜１、０＜ｓ＋ｔ≦１）を含み、各構成原子の一部が不純物原子等に置き換えられた半導体や、他の不純物が添加された半導体をも含むものとする。
【００７３】
また、各実施形態で使用したドライエッチング法は、反応性イオンエッチング法であったが、誘導結合プラズマエッチング法や、ＥＣＲプラズマエッチング法などでも、同様のプロセスガスの使用により、各実施形態に示したものと同様なエッチングが可能である。
【００７４】
また、各実施形態で使用した、第一の上部電極層１０、１１、１２のドライエッチング法におけるプロセスガスは、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いたが、Ａｒの代わりに他の不活性ガス、例えば、ＨｅやＮｅを用いても可能である。
【００７５】
また、各実施形態で使用した第一の上部電極層１０、１１、１２はＰｄであったが、Ｎｉ、Ｔｉなどでも、また、これらの上に、Ｍｏなど、別の金属が積層された構造であっても、各実施形態で示した製造方法により、同様の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの作製が可能である。
【００７６】
また、各実施形態で使用した第一の上部電極層１０、１１、１２の厚みは１５０Åであったが、その層厚は１５０Åに限定されるものではない。ただし、第一の上部電極層を複数の金属が積層された構造とする場合は、第二の上部電極層との合計の層厚が１０００Åを越えると、劈開により共振器端面を作成する際に、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が高まるので、注意が必要である。
【００７７】
また、各実施形態で使用した第一の上部電極層１０、１１、１２の幅はリッジの上面の幅と同じであり、第一の上部電極層１７はリッジの上面の幅よりも１．０ミクロン広い２．８ミクロンであった。しかし、第一の上部電極層の幅は、リッジの上面の幅と同じか、またはより広く、かつ、第二の上部電極層の幅と同じか、またはより狭ければよく、上記の例における幅に限定されるものではない。
【００７８】
また、リッジの上面の幅よりも広い場合、さらに好ましくは、リッジの上面の幅＋０．４ミクロン以上である事が望ましい。＋０．４ミクロン未満となると、第一の上部電極層を形成する際に使用するフォトマスクのアライメント精度上の問題から、リッジの上面を覆うことができない部分が出る可能性がある。即ち、一般的な投影露光装置のアライメント精度は、±０．２ミクロン程度であるため、第一の上部電極層形成用フォトマスクの形成にアライメントずれが生じた場合でも、完全にリッジの上面を覆う事ができるように第一の上部電極層を形成するためには、最小でもリッジの上面の幅＋０．２ミクロン、更には＋０．４ミクロン以上の幅とする事が望ましい。
【００７９】
また、各実施形態で使用した第二の上部電極層２０、２１、２２はＡｕであったが、Ａｌ、Ｐｔ、Ｍｏ、またはこれら金属の積層構造でも構わない。その厚みは１００Åであったが、１００Å未満でも、作製した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の動作電流において、前述のマイグレーションの発生がなければ適用可能であり、また、１００Åを超える厚みでも、第一の上部電極層との合計の層厚が１０００Å以下であれば問題ない。
【００８０】
また、各実施形態で使用した第二の上部電極層の幅は８ミクロンであったが、第一の上部電極層と同じ幅か、または第一の上部電極層の幅よりも広く、かつ第三の上部電極層の幅よりも狭ければ問題ない。更に好ましくは、第二の上部電極層の幅は５０ミクロン以下であれば、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が更に低減するため、望ましい。
【００８１】
また、第二の上部電極層の幅が第一の上部電極層の幅よりも広い場合、さらに好ましくは、第一の上部電極層の幅＋０．４ミクロン以上である事が望ましい。その理由は、先述の、第一の上部電極層の幅がリッジの上面の幅よりも広い場合に、リッジの上面の幅＋０．４ミクロン以上である事が望ましい理由と同一である。
【００８２】
また、各実施形態で使用した第三の上部電極層３０、３１、３２はＡｕであったが、作製した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を、外部に電気的に接続するために金線がボンディングできる、または、外部の電極パッドに溶着できる限り、例えばＡｌなどの金属を使用する事も可能であり、また、単体金属ではなく、複数の金属が積層された構造でも何ら問題はない。また、その厚みに関しても、外部への電気的接続に十分なだけ厚ければ、何ら問題はない。また、その幅に関しても、外部への電気的接続に十分なだけ広ければ問題ない。
【００８３】
また、各実施形態で使用したＳｉＯ2やＴｉＯ2は、ＳｉＯ、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＮなど、他の無機誘電体や、ＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物半導体などで置き換えても何ら問題は無く、その厚みも、実施形態の記述中に例示した厚みに限定されるものではない。また、その形成方法についても、実施形態の記述中に例示した電子ビーム蒸着法によらずとも、スパッタリング法、プラズマＣＤＶ法などによるものでも構わない。
【００８４】
【発明の効果】
本発明のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザでは、共振器端面に達しない第三の上部電極層をワイヤー接続に十分な厚さとしながら、共振器端面の直上に位置する第一および第二の上部電極層をめくれ上がりやバリの生じ難い薄さとすることができて、電流注入が不完全になることや、光路が遮られたり異なる導電型層がショートしたりすることが抑えられる。しかも、第一および第二の上部電極層の幅が狭いから、異なる導電型層がバリによってショートする可能性が一層少なくなる。したがって、不良率の低い窒化ガリウム系半導体レーザとなる。また、本発明の製造方法によれば、リッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザを、歩留まり良く提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図。
【図２】 本発明の第二の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図。
【図３】 本発明の第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図。
【図４】 第一の実施形態の製造方法による製造途中の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを模式的に示す断面図。
【図５】 第三の実施形態の製造方法による製造途中の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを模式的に示す断面図。
【図６】 第一の実施形態の製造方法による製造途中の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを模式的に示す断面図。
【図７】 従来のリッジストライプ型の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す斜視図。
【符号の説明】
１０、１１、１２、１７ 第一の上部電極層
２０、２１、２２、２７ 第二の上部電極層
３０、３１、３２ 第三の上部電極層
２５ 上部電極層
４０、４２、４７ ストライプ形成用フォトレジストマスク
５０、５１、５２、５３、５６、５７ 誘電体膜
７０、７１、７２、７６ リッジストライプ
９１ 開口部
９２ 段差
１００、２００、３００、６００、７００ 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子、特に、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、光及び電流の閉じ込めを行うために、例えば特開平１１−３４０５７３や特開２００２−４３６９２に示されているように、リッジストライプ型の導波路構造を設けることが多い。
【０００３】
従来のリッジストライプ型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の模式図を、図７に示す。基板上に形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００はリッジストライプ７６を有し、その窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００はリッジストライプ７６の上面を除き、ＳｉＯ2、ＳｉＮ等の誘電体膜５６で被覆されている。さらに、リッジストライプ７０全面を覆う形に上部電極層２５が形成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３４０５７３
【特許文献２】
特開２００２−４３６９２
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の構造では、以下に示す問題点があった。図７に基づいて説明する。即ち、劈開により共振器端面を作成する際に、上部電極を構成する金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、よって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性がある。また、これらの問題が発生するに至らずとも、上部電極を構成する金属層が劈開面近傍でバリになると、例えば半導体レーザ素子をサブマウント等にマウントする際の熱でバリがたれ下がり、出射するレーザ光の光路を遮ったり、異なる導電型を有する窒化ガリウム系化合物半導体層の間をショートさせてしまう事もある。
【０００６】
このような危険性は、電極金属層の幅、厚み、そもそも共振器端面直上に電極金属層を配置するか否か、という３つのパラメータによって変化する。また、これら３つのパラメータを変化させると、上記危険性のみではなく、電流注入の均一性やワイヤボンド性といった点も影響を受ける危険性がある。
【０００７】
そこで以下に、電極金属層の上記３つのパラメータと、それぞれの危険性との相関を明らかにしていく。まず、電極金属層の幅について述べる。先述の劈開面を起点としてめくれ上がる危険性については、当然ながら幅が狭い方が小さくなる。しかしながら、上部電極２５は、その上に金線等のワイヤーをボンディングして外部回路との電気的接続を得るために、少なくとも１２０ミクロンの幅が必要である。電流注入の均一性を確保する観点からは、上部電極の幅は、たかだか１０ミクロン以下の幅であるリッジ上面をくまなく覆う事ができれば良いので、１２０ミクロンの幅があれば十分である。
【０００８】
次に、電極金属層の厚みについて述べる。先述の劈開面を起点としてめくれ上がる危険性については、当然ながら厚い方が大きくなる。例えば１０００Åを超えると、その危険性は工程歩留まりとして無視できないほど顕著となる。しかしながら、金線等のワイヤーをボンディングして外部回路との電気的接続を得るためには、例えば２０００Å以上の厚みが必要で、それよりも薄い場合は接合強度が十分確保できずに後工程でワイヤーが剥がれたり、ボンディング時のダメージで電極直下の半導体層にダメージが入ったりする危険性が高くなる。また、電流注入の均一性を確保する観点からは、厚みは特段の影響はない。
【０００９】
次に、電極金属層を共振器端面直上に配置するか否かについて述べる。先述の劈開面を起点としてめくれ上がる危険性については、当然ながら共振器端面直上に電極金属層を配置しないようにすれば回避できる。ワイヤーをボンディングして外部回路との電気的接続を得る点についても、幅と同様、共振器方向にも１２０ミクロン以上あれば問題なく、従って、共振器長が１２０ミクロンを超えていれば、共振器端面直上に電極金属層を配置しないようにして、めくれ上がる危険性を排除できる。
【００１０】
ところが、電流注入の均一性については、共振器端面直上に電極金属層が形成されていない領域を設けた場合、その領域においては、半導体積層構造に電流が注入されないため、共振器内で吸収領域として作用し、閾値電流の上昇を招く。このような吸収領域を生じさせないためには、共振器端面直上を含めて、リッジの全領域を電極金属層が覆っている必要がある。
【００１１】
以上述べてきた電極金属層の上記３つのパラメータと、それぞれの危険性との相関から明らかな通り、それぞれの危険性を最小にできる３つのパラメータの組合わせは存在しない。
【００１２】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、劈開により共振器端面を作成する際に、上部電極を構成する金属層が劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する危険性、電流注入の均一性やワイヤボンド性の悪化といった危険性を、同時に、実用上問題のないレベルまで減じることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザは、リッジの上面と同じ幅またはリッジの上面よりも広い幅を有し、リッジの上面の全体を覆う第一の上部電極層と、第一の上部電極層よりも広い幅を有し、第一の上部電極層の全体を覆う第二の上部電極層と、第二の上部電極層よりも広い幅を有し、共振器端面の直上の部位を除く第二の上部電極層の全体を覆う第三の上部電極層と、を備える構成とする。
【００１４】
この窒化ガリウム系半導体レーザは三層構造の上部電極層を有しており、第一および第二の上部電極層のみが共振器端面上に位置する。この構成では、共振器端面に達しない第三の上部電極層をワイヤー接続に十分な幅と厚さとしながら、第一および第二の上部電極層の厚みや幅をめくれ上がりやバリの生じ難い薄さとすることができて、電流注入が不完全になることや、光路が遮られたり異なる導電型層がショートしたりすることが抑えられる。しかも、第一の上部電極層の幅はリッジの上面と同じまたはリッジの上面よりも広く、第二の上部電極層の幅は第三の上部電極層の幅よりも狭いため、異なる導電型層間のショートの可能性が一層少なくなる。
【００１５】
ここで、第一の上部電極層と第二の上部電極層の層厚の合計は１０００オングストローム以下とするとよい。さらに好ましくは、第一の上部電極層の幅がリッジの上面の幅と等しく、かつ、第二の上部電極層の幅がリッジの上面の幅よりも０．４ミクロン以上広く、かつ、５０ミクロン以下とするとよい。このようにすると、以下の二つのメリットが生まれる。即ち、リッジ端部におけるめくれ上がりやバリの発生が良好に抑えられて、不良率が大きく低下することと、第一の上部電極層の幅がリッジの上面の幅と等しくなるような製造方法を採用することで、本発明による第一の実施形態で詳述する通り、半導体レーザ素子の動作電圧が安定化するというメリットが生まれる点の２つである。
【００１６】
リッジの側方に誘電体膜を備え、誘電体膜が共振器端面の直上の部位に開口を有し、誘電体膜の開口が第二の上部電極層と第三の上部電極層のいずれにも覆われていない構成とすることもできる。この構成では、共振器端面を形成する際に、平滑度の高い共振器端面が得られ、しかも上部電極層や誘電体膜を損傷し難い劈開方法を採用することができて、レーザ発振特性が向上し、不良率も一層低下する。
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面に第一の上部電極層を設ける工程と、第一の上部電極層の上面にストライプ状のフォトレジスト層を設ける工程と、フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより第一の上部電極層の一部を除去する工程と、フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部にリッジを形成する工程と、フォトレジスト層を除去した後に、第一の上部電極層の上面全体と窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面に第二の上部電極層を設ける工程と、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造のうちのリッジに交差する帯状の所定領域の上に位置する部位を除いて、第二の上部電極層の上面に第二の上部電極層の幅よりも広い幅の第三の上部電極層を設ける工程と、前記所定領域において、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を第一の上部電極層と第二の上部電極層と共に劈開して、共振器端面を形成する工程と、を含むものとする。
【００１８】
この方法では、第一および第二の上部電極層が共振器端面上に位置し、第三の上部電極層は共振器端面に達しない上述の窒化ガリウム系半導体レーザが得られ、不良率を大きく低減することができる。また、この製造方法を採用することで、本発明による第一の実施形態で詳述する通り、半導体レーザ素子の動作電圧が安定化するというメリットが生まれる。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面にストライプ状のフォトレジスト層を設ける工程と、フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部にリッジを形成する工程と、マスクとしたフォトレジスト層を除去した後に、リッジの上面に、幅がリッジのそれよりも広いところのストライプ状の開口部を、リッジの上面が完全に露出するように配したフォトレジスト層を設ける工程と、金属層の形成とリフトオフ法により、前記開口部に、第一の上部電極層を形成する工程と、第一の上部電極層の上に、幅が第一の上部電極層のそれよりも広いところのストライプ状の開口部を、第一の上部電極層が完全に露出するに配したフォトレジスト層を設ける工程と、金属層の形成とリフトオフ法により、前記開口部に、第二の上部電極層を形成する工程と、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造のうちのリッジに交差する帯状の所定領域の上に位置する部位を除いて、第二の上部電極層の上面に第二の上部電極層の幅よりも広い幅の第三の上部電極層を設ける工程と、前記所定領域において、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を第一の上部電極層と第二の上部電極層と共に劈開して、共振器端面を形成する工程と、を含むものとする。
【００２０】
この方法においても、第一および第二の上部電極層が共振器端面上に位置し、第三の上部電極層は共振器端面に達しない上述の窒化ガリウム系半導体レーザが得られ、不良率を大きく低減することができる。
【００２１】
ここで、第一の上部電極層を設ける工程の後かつ第二の上部電極層を設ける工程の前に、４５０℃以上かつ７００℃以下の雰囲気で窒化ガリウム系半導体積層構造を熱処理する工程を含むようにするとよい。半導体積層構造を熱処理することで動作電圧が低下かつ安定化し、その熱処理を第二の上部電極層を設ける前に行うことで動作電圧の低下が一層大きくなる。
【００２２】
リッジを形成する工程の後に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面とリッジ形成時にマスクとしたフォトレジスト層の上面とに誘電体膜を設ける工程と、このフォトレジスト層と誘電体膜のうちのフォトレジスト層上の部位とをリフトオフ法により除去する工程と、を含み、誘電体膜を設ける工程において、前記所定領域のうちのリッジから外れた部位に誘電体膜の開口を設け、第二の上部電極層を設ける工程において、誘電体膜の開口を避けて第二の上部電極層を設けるようにするとよい。このようにすると、半導体積層構造の上面の一部が上部電極層や誘電体膜に覆われず露出することになり、この部位に傷を入れて劈開を行うことができる。この劈開によって共振器端面を形成すると、共振器端面の平滑度が高まり、レーザ発振特性が向上する。また、上部電極層や誘電体膜の損傷が抑えられ、不良率も低下する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図である。
【００２４】
サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面にリッジストライプ７０が形成されており、このリッジストライプ７０の上面には、リッジストライプ７０と同一の幅を有し、厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１０が形成されている。また、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面は、リッジストライプ７０の上面を除いて、厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５０により被覆されている。
【００２５】
第一の上部電極層１０の上面と、誘電体膜５０の上面の一部は、リッジストライプ７０全面を覆う形で形成されている厚さ１００ÅのＡｕよりなる第二の上部電極層２０で被覆されている。更に、誘電体膜５０と第二の上部電極層２０の共振器端面の直上を除く部位には、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極層３０が形成されている。第一、第二、第三の上部電極層１０、２０、３０の幅は、それぞれ１．８ミクロン、８ミクロン、２５０ミクロンである。
【００２６】
半導体レーザ素子のリッジストライプと垂直な方向の長さ、即ち共振器端面の幅は４５０ミクロン、リッジストライプと平行な方向の長さは５００ミクロンである。また、第一、第二、第三の上部電極層１０、２０、３０はそれぞれ、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００とのオーミック接触を得る、第一の上部電極層を保護する、外部回路との電気的接続を得るための金線等のボンディング領域を得る、という目的で形成されている。第二の上部電極層２０の形成目的である第一の上部電極層１０の保護については、後述する。
【００２７】
本実施形態の構造においては、共振器端面の全幅４５０ミクロンの内、上部電極層で覆われているのは、第二の上部電極層２０の幅である８ミクロンのみであり、その厚みは、幅１．８ミクロンのリッジストライプ７０の上面では、第一の上部電極層１０と第二の上部電極２０の総厚である２５０Å、リッジストライプ７０上面を除く幅６．２ミクロンに相当する領域では、第二の上部電極層２０の層厚であるわずか１００Åのみである。
【００２８】
このため、図７に示した、幅１２０ミクロン以上の領域で、厚さ２０００Å以上の上部電極層２５により共振器短面が覆われている、従来の構造の窒化ガリウム系半導体レーザよりも、上部電極を構成する金属層が劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどによる不良の発生率が、約８５パーセント減少した。
【００２９】
次に、本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を説明する。図４は、本実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す模式的断面図である。
【００３０】
サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面に、図４（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１０を形成する。次に、同図（ｂ）のごとく、線幅１．８ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４０をフォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｃ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４０をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１０を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出するまでエッチングする。
【００３１】
この場合のプロセスガスとしては、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いる。これら塩素系ガスの添加は、Ａｒにより表面からスパッタリングされたＰｄのエッチング表面への再付着を抑制する効果がある。ただし、５０％以上添加すると、窒化ガリウム系化合物半導体に対する選択性が大幅に低下し、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出した時点でエッチングを実質的に停止させることができず、同図（ｃ）に示したような断面形状を得ることが困難となる。
【００３２】
第一の上部電極層１０のエッチングに引き続き、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００を上部クラッド層の途中までエッチングし、同図（ｄ）のごとくリッジストライプを形成する。この場合は、Ｃｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素系ガスを体積比率で５０％以上包含するプロセスガスを使用する事により、ストライプ用フォトレジストマスク４０をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００をエッチングする事ができる。
【００３３】
次に、同図（ｅ）のごとく、電子ビーム蒸着法により、全面に、厚さ２０００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５０を形成する。次に、ストライプ用フォトレジストマスク４０と、その上部にある誘電体膜５０の一部を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去し、同図（ｆ）のごとき構造を得る。
【００３４】
しかる後に、同図（ｇ）のごとく、第一の上部電極層１０の上部に、幅８ミクロンの第二の上部電極層２０として、Ａｕを１００Åの厚みに形成する。幅８ミクロンの領域のみに選択的に第二の上部電極層２０を形成するためには、幅８ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に行うことができる。第二の上部電極層２０の形成後、第二の上部電極層２０と同様の方法により、共振器端面直上を避ける形で、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極３０を形成する事で、図１に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得ることができる。
【００３５】
ここで、図４（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１０を形成する前に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面を、フッ化水素酸中に漬浸してやると、表面の酸化膜等が効果的に除去でき、半導体表面と電極金属層との間のコンタクト抵抗を低減し、以って半導体レーザの動作電圧を安定化させる事ができる。この効果は、半導体表面を誘電体等で被覆する履歴を経た後ではなく、本実施形態のごとく、最初の工程として、このフッ化水素酸中への漬浸をしてやると、特に顕著である。
【００３６】
またここで、仮に第二の上部電極層２０を設けず、第一の上部電極層１０の上に直接第三の上部電極層３０を形成した場合、即ち、共振器端面近傍で第一の上部電極層１０が露出している場合を想定してみる。この場合、露出している部分の第一の上部電極層１０が、厚み１５０ミクロンと薄いため、通電時にマイグレーションを生じて、最悪の場合、断線に至る。このため、導電性に優れた金属（本実施形態ではＡｕ）により被覆してやり、このような問題が生じないようにする事が必要である。第二の上部電極層２０の形成目的はここにある。
【００３７】
本実施形態においては、図１に示すように、第一の上部電極層１０はリッジストライプ７０と同じ幅を有し、第二の上部電極層２０は第一の上部電極層１０よりも広い。しかし、リッジストライプ７０、第一の上部電極層１０、および第二の上部電極層２０、の３者の幅の関係は、本実施形態におけるそれに限定されるものではなく、以下に示す３つのケースの場合でもかまわない。即ち、３者の幅が全て等しい場合、第一の上部電極層１０の幅がリッジストライプ７０より広く、かつ第二の上部電極層２０よりも狭い場合、第一の上部電極層１０の幅がリッジストライプ７０より広く、かつ第二の上部電極層２０と等しい場合、の３つのケースである。以下に、それぞれの場合について詳述する。
【００３８】
まず、３者の幅が全て等しい場合であるが、この構造は、図４に示した製造方法を、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１０を形成した後、連続してＡｕを、第二の上部電極層２０として１００Åの厚みに形成する形に変更する事で実現可能である。この場合は、図４に示した製造方法に比べて少ない工程数で製造する事が可能となる反面、以下のデメリットを甘受する必要がある。即ち、第一および第二の上部電極層を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面に形成した後に、反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出するまでエッチングするため、図４に示す製造方法に比して、エッチング時間が長くなりフォトレジストマスクの後工程での除去性が悪化する危険性が高くなる点である。
【００３９】
次に、第一の上部電極層の幅がリッジストライプより広く、かつ第二の上部電極層よりも狭い場合について説明する。図６は、そのような窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す模式的断面図である。
【００４０】
サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造７００の表面に、図６（ａ）のごとく、線幅１．８ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４７をフォトリソグラフィー法により形成し、さらに、形成したストライプ用フォトレジストマスク４７をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００を上部クラッド層の途中までエッチングし、同図（ｂ）のごとくリッジストライプを形成する。この場合は、Ｃｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素系ガスを体積比率で５０％以上包含するプロセスガスを使用する事により、ストライプ用フォトレジストマスク４７をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造７００をエッチングする事ができる。
【００４１】
次に、同図（ｃ）のごとく、電子ビーム蒸着法により、全面に、厚さ２０００ÅのＴｉＯ2よりなる誘電体膜５７を形成する。次に、ストライプ用フォトレジストマスク４７と、その上部にある誘電体膜５７の一部を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去し、同図（ｄ）のごとき構造を得る。
【００４２】
しかる後に、同図（ｅ）のごとく、リッジストライプを覆うように、幅２．８ミクロンの第一の上部電極層１７として、厚さ１５０ÅのＰｄを形成する。幅２．８ミクロンの領域のみに選択的に第一の上部電極層１７を形成するためには、幅２．８ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に行うことができる。
【００４３】
次に同様の方法で、第一の上部電極層１７を覆うように、幅８ミクロンの第二の上部電極層２７として、Ａｕを１００Åの厚みに形成する。第二の上部電極層２７の形成後、第二の上部電極層２７と同様の方法により、共振器端面直上を避ける形で、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極を形成する事で、第一の上部電極層の幅がリッジストライプより広く、かつ第二の上部電極層よりも狭い場合の、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得ることができる。
【００４４】
この構造においても、従来の構造の窒化ガリウム系半導体レーザよりも、上部電極を構成する金属層が劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどによる不良の発生率を大幅に低減する事が可能である。しかも、図４で示した製造方法に比べると、第一の上部電極層をドライエッチング法で除去する工程がないので、ドライエッチング装置内が、第一の上部電極層を構成する金属で汚染される事がない。図４の製造方法においては、この、金属によるドライエッチング装置内の金属による汚染を除去するために、頻繁な装置メンテナンスが必要となるが、この構造をとる場合は、その手間を省くことが出来る。
【００４５】
最後に、第一の上部電極層の幅がリッジストライプより広く、かつ第二の上部電極層と等しい場合について説明する。この構造は、図６に示した製造方法を、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層を形成した後、連続してＡｕを、第二の上部電極層として１００Åの厚みに形成する形に変更する事で実現可能である。
【００４６】
この場合は、図６に示した製造方法に比べて少ない工程数で製造する事が可能となる反面、以下のデメリットを甘受する必要がある。即ち、後段で詳述する、第一の上部電極層の形成後、第二の上部電極の形成前に、４５０℃乃至７００℃の雰囲気で窒化ガリウム系半導体レーザを熱処理する工程を実施しようとしても、本製造方法においては、第一の上部電極形成に際して表面に形成したレジストが、上記熱処理工程で焼きついてしまうという問題があるため、実現困難である点である。
【００４７】
本発明の第一の実施形態においては、図１に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面を、リッジストライプ７０の上面を除いて、厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５０により被覆した。しかし、この誘電体膜５０に、共振器端面の直上であって、かつ、上部電極層１０、２０、３０に覆われていない部分の領域の少なくとも一部において、開口部を設けた場合、劈開により共振器端面を作成する際に、より不良発生率を低減する事が可能である。以下に、その具体的手法を例示する。
【００４８】
＜第二の実施形態＞
図２は、本発明の第二の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図である。
【００４９】
サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面に形成されたリッジストライプ７１、リッジストライプ７１と同一の幅を有し厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１１、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面を被覆する厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５１、第一の上部電極層１１の上面と誘電体膜５１の上面の一部を、リッジストライプ７１全面を覆う形で形成されている、厚さ１００ÅのＡｕよりなる第二の上部電極層２１、誘電体膜５１と第二の上部電極層２１の、共振器端面の直上を除く部位に形成された、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極層３１、という構成は、第一の実施形態におけるそれと同一である。
【００５０】
ただし、本実施形態においては、半導体レーザ素子の４隅に於いて、誘電体膜５１に開口部９１が設けられ、そこでは、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面が露出している。
【００５１】
窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、劈開により共振器端面を作成する際には、基板の裏面に、得ようとする共振器端面に沿ってスクライバ等により傷を入れて、その傷に沿って劈開する方法と、反対に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の側、即ち素子のおもて面側からスクライバ等により傷を入れて、その傷に沿って劈開する方法との、２種類の方法がある。後者を選択する場合は、リッジの損傷を防ぐため、傷入れの際には、リッジ部分を避けた破線様の傷を入れる事が必要となる。本発明者は、この２種類の方法のうち、より平滑性に優れた共振器端面を得られるのは、後者の方法である事を見出した。
【００５２】
このようなリッジ部分を避けた破線様の傷を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造に入れる場合に、傷を入れる部位の窒化ガリウム系化合物半導体積層構造が電極金属や誘電体膜で覆われていると、以下のような問題点がある。
【００５３】
即ち、電極金属を通して傷を入れた場合、それら電極金属がめくれ上がったり、それら電極金属にバリが発生し、例えば半導体レーザ素子をサブマウント等にマウントする際の熱で、このバリがたれ下がり、異なる導電型を有する窒化ガリウム系化合物半導体層の間をショートさせてしまう事がある。また、誘電体膜を通して傷を入れた場合、その誘電体膜が本実施形態で用いているＳｉＯ2のように堅くてもろい場合は、傷にそって誘電体膜中に多数のクラックが発生し、クラックの発生部位からの誘電体膜の剥離や電流リークの発生を招来する事がある。
【００５４】
しかし、本実施形態のように開口部９１を設けておけば、スクライバ等による傷入れを、この開口部９１のみに選択的に行なう事により、これらの問題の発生を防ぐことが出来る。このような開口部９１は、第一の実施形態において詳述した構造を得た後、開口部９１を設けるべき部位以外の表面をフォトレジストで被覆し、フォトレジストで被覆されていない部位の誘電体膜５１をフッ化水素酸で除去することで、簡単に得ることが可能である。
【００５５】
ここまで説明してきた第一及び第二の実施形態においては、リッジ部のみを残して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造をドライエッチング法によりエッチングしたが、リッジ部以外を全てエッチングする必要はなく、その近傍のみをエッチングしても良い。リッジ部のみを残してエッチングした場合、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性がある。他方、リッジの近傍のみエッチングした場合は、リッジ部のみが突出するわけではないので、このような後工程での破損の危険性を、大幅に減じることが可能となる。そこで次に、リッジの近傍のみエッチングした場合について説明する。
【００５６】
＜第三の実施形態＞
図３は、本発明の第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図である。また、図５は、その製造方法を示す模式的断面図である。
【００５７】
図３に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面に形成されたリッジストライプ７２、リッジストライプ７２と同一の幅を有し厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１２、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面を被覆する厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５３、第一の上部電極層１２の上面と誘電体膜５３の上面の一部を、リッジストライプ７２全面を覆う形で形成されている、厚さ１００ÅのＡｕよりなる第二の上部電極層２２、誘電体膜５３と第二の上部電極層２２の、共振器端面の直上を除く部位に形成された、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極層３２、という構成は、第一の実施形態におけるそれと同一である。
【００５８】
異なる点は、第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００を、リッジストライプ部を除いて全面、ドライエッチング法により掘り下げているのに対し、本実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、リッジの両側の、片側２５ミクロンずつの幅を有する部分のみを掘り下げている点である。
【００５９】
このような構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を、次に説明する。
【００６０】
まず、サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面に、図５（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０ÅのＰｄよりなる第一の上部電極層１２を形成する。この際、第一の上部電極層１２は、幅４０ミクロンの領域にのみ形成しておく。
【００６１】
次に、同図（ｂ）のごとく、第一の上部電極層１２の直上、及びその両側の片側５ミクロンの幅を有する領域を除いて、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００全面に、厚さ１０００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５２を、電子ビーム蒸着法により形成する。
【００６２】
次に、同図（ｃ）のごとく、線幅１．８ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４２を、第一の上部電極層１２の上に、フォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｄ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４２をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１２を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面が露出するまでエッチングする。この際、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層１２で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域に、段差９２ができる。
【００６３】
引き続き、同図（ｅ）のごとく、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００を上部クラッド層の半ばまでエッチングし、リッジストライプを形成する。これら２回の反応性イオンエッチング法によるドライエッチング工程については、第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法におけるそれと同一の方法で可能であるため、ここではその詳細は省略する。
【００６４】
次に、ウエハの全面に、厚さ３５００ÅのＳｉＯ2よりなる誘電体膜５３を電子ビーム蒸着法により形成し、その後、リフトオフ法により、ストライプ用フォトレジストマスク４２とその直上にある誘電体膜５３を除去する事により、同図（ｆ）に示した構造を得る。
【００６５】
その後、同図（ｇ）のごとく、第一の上部電極層１２の上部に、第一の実施形態における方法と同様の方法により、幅８ミクロンの第二の上部電極層２２として、Ａｕを１００Åの厚みに形成する。さらに、やはり同様の方法を用いて、誘電体膜５３と第二の上部電極層２２の共振器端面の直上を除く部位に、厚さ２５００ÅのＡｕよりなる第三の上部電極層３２を形成して、図３に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。
【００６６】
本実施形態で示した製造方法によれば、リッジの近傍の、片側３０ミクロンの幅を有する領域のみをドライエッチング法により掘り下げているため、リッジ部のみを残してウエハ全面をエッチングした場合のように、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性はない。
【００６７】
なお、本実施形態においては、リッジの両側に片側２５ミクロンずつの幅を有する部分を掘り下げ、よって、リッジの左右に、幅が２５ミクロンであるところの一対の溝が形成された形状をなしているが、この溝をリッジの左右いずれか片側のみに設ける、即ち、溝が設けられていない側は、全面に渡って上部クラッド層の半ばまでエッチングされていても、リッジ部のみが突出しないという、本実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、溝をリッジの両側に設ける場合も、その幅が必ずしも左右対称となる必要はない。また、本実施形態を示す図３においては、第二の上部電極層２２を、リッジに関して左右対称となるように描画しているが、左右の幅が非対称であっても、また片側だけに設けてあっても、問題はない。
【００６８】
ここまで説明してきた第一、第二、及び第三の実施形態においては詳しく触れてはいないが、窒化ガリウム系半導体レーザの製造工程においては、上部電極を形成後、４５０℃乃至７００℃の雰囲気で窒化ガリウム系半導体レーザを熱処理する事で、動作電圧の、低減と安定化を図ることが一般的に行なわれている。
【００６９】
本発明の構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製するにあたり、この熱処理を、第一の上部電極層１０、１１、１２の形成後、第二の上部電極層２０、２１、２２を形成する前に行なった場合、第二の上部電極２０、２１、２２を形成した以降に行なう場合に比して、０．５ボルト程度、動作電圧が低減するという特有の効果がある事を、本発明者は見出した。
【００７０】
これは、第一の上部電極１０、１１、１２が接するところのｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層層において、ｐ型不純物として添加されているＭｇと結合して、アクセプタとしての機能を阻害している水素原子を、４５０℃乃至７００℃の雰囲気において、第一の上部電極層１０、１１、１２として用いているＰｄが半導体層中から外部に吸い出している効果があるためと考えられる。即ち、この効果は、第一の上部電極層１０、１１、１２の表面を、Ａｕ等の吸い出し効果のない金属が覆っている場合は十分機能しないため、第二の上部電極２０、２１、２２を形成した以降に熱処理をする場合よりも、第一の上部電極層を形成後、第二の上部電極層を形成する前に行なった場合の方が、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層層中のアクセプタ濃度が高くなり、より動作電圧が低くなると考えられる。
【００７１】
以上、本発明を実施形態に基づき詳述してきたが、本発明の内容は、ここに挙げた実施形態の記述に限定されるものではない。次に、本発明の技術的思想に基づく変形を例示する。
【００７２】
本発明において、「窒化ガリウム系化合物半導体」とは、窒化ガリウム（ＧａＮ）のＧａが部分的に他のＩＩＩ族元素に置き換えられた半導体、例えば、ＧａsＡｌtＩｎ1-s-tＮ（０＜ｓ≦１、０≦ｔ＜１、０＜ｓ＋ｔ≦１）を含み、各構成原子の一部が不純物原子等に置き換えられた半導体や、他の不純物が添加された半導体をも含むものとする。
【００７３】
また、各実施形態で使用したドライエッチング法は、反応性イオンエッチング法であったが、誘導結合プラズマエッチング法や、ＥＣＲプラズマエッチング法などでも、同様のプロセスガスの使用により、各実施形態に示したものと同様なエッチングが可能である。
【００７４】
また、各実施形態で使用した、第一の上部電極層１０、１１、１２のドライエッチング法におけるプロセスガスは、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ2、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いたが、Ａｒの代わりに他の不活性ガス、例えば、ＨｅやＮｅを用いても可能である。
【００７５】
また、各実施形態で使用した第一の上部電極層１０、１１、１２はＰｄであったが、Ｎｉ、Ｔｉなどでも、また、これらの上に、Ｍｏなど、別の金属が積層された構造であっても、各実施形態で示した製造方法により、同様の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの作製が可能である。
【００７６】
また、各実施形態で使用した第一の上部電極層１０、１１、１２の厚みは１５０Åであったが、その層厚は１５０Åに限定されるものではない。ただし、第一の上部電極層を複数の金属が積層された構造とする場合は、第二の上部電極層との合計の層厚が１０００Åを越えると、劈開により共振器端面を作成する際に、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が高まるので、注意が必要である。
【００７７】
また、各実施形態で使用した第一の上部電極層１０、１１、１２の幅はリッジの上面の幅と同じであり、第一の上部電極層１７はリッジの上面の幅よりも１．０ミクロン広い２．８ミクロンであった。しかし、第一の上部電極層の幅は、リッジの上面の幅と同じか、またはより広く、かつ、第二の上部電極層の幅と同じか、またはより狭ければよく、上記の例における幅に限定されるものではない。
【００７８】
また、リッジの上面の幅よりも広い場合、さらに好ましくは、リッジの上面の幅＋０．４ミクロン以上である事が望ましい。＋０．４ミクロン未満となると、第一の上部電極層を形成する際に使用するフォトマスクのアライメント精度上の問題から、リッジの上面を覆うことができない部分が出る可能性がある。即ち、一般的な投影露光装置のアライメント精度は、±０．２ミクロン程度であるため、第一の上部電極層形成用フォトマスクの形成にアライメントずれが生じた場合でも、完全にリッジの上面を覆う事ができるように第一の上部電極層を形成するためには、最小でもリッジの上面の幅＋０．２ミクロン、更には＋０．４ミクロン以上の幅とする事が望ましい。
【００７９】
また、各実施形態で使用した第二の上部電極層２０、２１、２２はＡｕであったが、Ａｌ、Ｐｔ、Ｍｏ、またはこれら金属の積層構造でも構わない。その厚みは１００Åであったが、１００Å未満でも、作製した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の動作電流において、前述のマイグレーションの発生がなければ適用可能であり、また、１００Åを超える厚みでも、第一の上部電極層との合計の層厚が１０００Å以下であれば問題ない。
【００８０】
また、各実施形態で使用した第二の上部電極層の幅は８ミクロンであったが、第一の上部電極層と同じ幅か、または第一の上部電極層の幅よりも広く、かつ第三の上部電極層の幅よりも狭ければ問題ない。更に好ましくは、第二の上部電極層の幅は５０ミクロン以下であれば、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、これによって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が更に低減するため、望ましい。
【００８１】
また、第二の上部電極層の幅が第一の上部電極層の幅よりも広い場合、さらに好ましくは、第一の上部電極層の幅＋０．４ミクロン以上である事が望ましい。その理由は、先述の、第一の上部電極層の幅がリッジの上面の幅よりも広い場合に、リッジの上面の幅＋０．４ミクロン以上である事が望ましい理由と同一である。
【００８２】
また、各実施形態で使用した第三の上部電極層３０、３１、３２はＡｕであったが、作製した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を、外部に電気的に接続するために金線がボンディングできる、または、外部の電極パッドに溶着できる限り、例えばＡｌなどの金属を使用する事も可能であり、また、単体金属ではなく、複数の金属が積層された構造でも何ら問題はない。また、その厚みに関しても、外部への電気的接続に十分なだけ厚ければ、何ら問題はない。また、その幅に関しても、外部への電気的接続に十分なだけ広ければ問題ない。
【００８３】
また、各実施形態で使用したＳｉＯ2やＴｉＯ2は、ＳｉＯ、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＮなど、他の無機誘電体や、ＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物半導体などで置き換えても何ら問題は無く、その厚みも、実施形態の記述中に例示した厚みに限定されるものではない。また、その形成方法についても、実施形態の記述中に例示した電子ビーム蒸着法によらずとも、スパッタリング法、プラズマＣＤＶ法などによるものでも構わない。
【００８４】
【発明の効果】
本発明のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザでは、共振器端面に達しない第三の上部電極層をワイヤー接続に十分な厚さとしながら、共振器端面の直上に位置する第一および第二の上部電極層をめくれ上がりやバリの生じ難い薄さとすることができて、電流注入が不完全になることや、光路が遮られたり異なる導電型層がショートしたりすることが抑えられる。しかも、第一および第二の上部電極層の幅が狭いから、異なる導電型層がバリによってショートする可能性が一層少なくなる。したがって、不良率の低い窒化ガリウム系半導体レーザとなる。また、本発明の製造方法によれば、リッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザを、歩留まり良く提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図。
【図２】 本発明の第二の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図。
【図３】 本発明の第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を模式的に示す斜視図。
【図４】 第一の実施形態の製造方法による製造途中の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを模式的に示す断面図。
【図５】 第三の実施形態の製造方法による製造途中の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを模式的に示す断面図。
【図６】 第一の実施形態の製造方法による製造途中の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを模式的に示す断面図。
【図７】 従来のリッジストライプ型の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す斜視図。
【符号の説明】
１０、１１、１２、１７ 第一の上部電極層
２０、２１、２２、２７ 第二の上部電極層
３０、３１、３２ 第三の上部電極層
２５ 上部電極層
４０、４２、４７ ストライプ形成用フォトレジストマスク
５０、５１、５２、５３、５６、５７ 誘電体膜
７０、７１、７２、７６ リッジストライプ
９１ 開口部
９２ 段差
１００、２００、３００、６００、７００ 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造
Claims (10)
- 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザにおいて、
リッジの上面と同じ幅またはリッジの上面よりも広い幅を有し、リッジの上面の全体を覆う第一の上部電極層と、
第一の上部電極層よりも広い幅を有し、第一の上部電極層の全体を覆う第二の上部電極層と、
第二の上部電極層よりも広い幅を有し、共振器端面の直上の部位を除く第二の上部電極層の全体を覆う第三の上部電極層と、
を備えることを特徴とするリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザ。 - 第一の上部電極層と第二の上部電極層の層厚の合計が１０００オングストローム以下であることを特徴とする請求項１に記載のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザ。
- 第一の上部電極層の幅が、リッジの上面の幅と等しく、かつ、第二の上部電極層の幅が、第一の上部電極層の幅よりも０．４ミクロン以上広く、かつ、５０ミクロン以下であることを特徴とする請求項１に記載のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザ。
- リッジの側方に誘電体膜を備え、誘電体膜が共振器端面の直上の部位に開口を有し、誘電体膜の開口が第一の上部電極層、第二の上部電極層及び第三の上部電極層のいずれにも覆われていないことを特徴とする請求項１に記載のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザ。
- 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法において、
窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面に第一の上部電極層を設ける工程と、
第一の上部電極層の上面にストライプ状のフォトレジスト層を設ける工程と、
フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより第一の上部電極層の一部を除去する工程と、
フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部にリッジを形成する工程と、
フォトレジスト層を除去した後に、第一の上部電極層の上面全体と窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面に第二の上部電極層を設ける工程と、
窒化ガリウム系化合物半導体積層構造のうちのリッジに交差する帯状の所定領域の上に位置する部位を除いて、第二の上部電極層の上面に第二の上部電極層の幅よりも広い幅の第三の上部電極層を設ける工程と、
前記所定領域において、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を第一の上部電極層と第二の上部電極層と共に劈開して、共振器端面を形成する工程と、
を含むことを特徴とするリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法。 - 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部に共振器端面に達するリッジを有するリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法において、
窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面にストライプ状のフォトレジスト層を設ける工程と、
フォトレジスト層をマスクとするドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上部にリッジを形成する工程と、
マスクとしたフォトレジスト層を除去した後に、リッジの上面に、幅がリッジのそれよりも広いところのストライプ状の開口部を、リッジの上面が完全に露出するように配したフォトレジスト層を設ける工程と、
金属層の形成とリフトオフ法により、前記開口部に、第一の上部電極層を形成する工程と、
第一の上部電極層の上に、幅が第一の上部電極層のそれよりも広いところのストライプ状の開口部を、第一の上部電極層が完全に露出するに配したフォトレジスト層を設ける工程と、
金属層の形成とリフトオフ法により、前記開口部に、第二の上部電極層を形成する工程と、
窒化ガリウム系化合物半導体積層構造のうちのリッジに交差する帯状の所定領域の上に位置する部位を除いて、第二の上部電極層の上面に第二の上部電極層の幅よりも広い幅の第三の上部電極層を設ける工程と、
前記所定領域において、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を第一の上部電極層と第二の上部電極層と共に劈開して、共振器端面を形成する工程と、
を含むことを特徴とするリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法。 - 第一の上部電極層を設ける工程の後かつ第二の上部電極層を設ける工程の前に、４５０℃以上かつ７００℃以下の雰囲気で窒化ガリウム系半導体積層構造を熱処理する工程を含むことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法。
- リッジを形成する工程の後に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面とリッジ形成時にマスクとしたフォトレジスト層の上面とに誘電体膜を設ける工程と、
このフォトレジスト層と誘電体膜のうちのフォトレジスト層上の部位とをリフトオフ法により除去する工程と、
を含み、誘電体膜を設ける工程において、前記所定領域のうちのリッジから外れた部位に誘電体膜の開口を設け、
第二の上部電極層を設ける工程において、誘電体膜の開口を避けて第二の上部電極層を設けることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザの製造方法。 - 第一の上部電極層が、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉのいずれかであるか、またはこれらの上に、別の金属が積層された構造であることを特徴とする請求項１に記載のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザ。
- 第二の上部電極層が、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｍｏ、のいずれかであるか、またはこれら金属の積層構造であることを特徴とする請求項１に記載のリッジストライプ型の窒化ガリウム系半導体レーザ。
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