JP4613395B2 - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に係り、特に窒化物半導体層が積層された半導体層に凸部を形成することで、ストライプ形状の導波路領域を有する半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体を主に用いた半導体素子は、青色発光ダイオード、青色レーザ素子が知られている。特に、レーザ素子に関しては、様々な用途に用いるべく、その特性向上についての研究が多くなされている。
【０００３】
窒化物半導体を用いたレーザ素子は、比較的長時間での連続発振が実現されているが、レーザ素子の応用に向けては、まだ多くの問題がある。その中でも、製造プロセスにおいては、発光ダイオードに比べて、複雑な素子構造が必要とされるため、微細加工工程における精度を向上させることが重要となる。また、現在一般的に用いられている窒化物半導体を用いたレーザ素子の構造は、共振器方向に垂直な方向で、屈折率差を設けた屈折率導波型であり、共振器端面には、劈開によるもの、基板に異種物質を用いた場合には、劈開が困難なためエッチングにより形成したもので形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体層を主に積層した後、共振器を形成するために通常エッチングによる微細加工を施すが、この時、共振器として積層した半導体層にストライプ形状の凸部を形成して、屈折率導波型のストライプ形状の導波路領域を形成する際に、共振器端面となる凸部端部、及び光の導波に大きく影響を及ぼす凸部側面（ストライプ側面）に、微細加工時の問題が発生する。それは、エッチング、特に一般的に用いられているドライエッチングでは、微細加工することで加工部が凹凸を呈すること、また、比較的狭い領域で複雑な形状に微細加工を施すと、角が丸くなるなどの問題が発生する。
【０００５】
具体的には、図１１（ｂ）に示すように、比較的幅の狭いストライプ構造を形成する際に、ストライプ側面は、拡大図（ｄ）に模式的に示すように、エッチングによる加工で、表面に微細な凹凸が形成され、波状の側面が形成されていることがわかる。また、凸部の端部では、角が丸みを帯びており、その端部を拡大した図（ｃ）に模式的に示すように、狭い領域に角が集中するような場所では、図中の矢印に示すような方向に、エッチングがなされ、良好な端面の形成が困難なものとなる。
【０００６】
加えて、窒化物半導体を積層した半導体層を、ドライエッチングする際には、一般的にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）でＣｌ2ガスを用いた方法が用いられている。しかし、このようなドライエッチングでは、表面の凹凸が形成されやすい傾向にあり、特に窒化物半導体においては、その傾向が強く現れる。
【０００７】
また、レーザ素子の導波路領域として幅の狭いストライプ構造を有する場合には、特に上述した微細加工時の導波路領域への影響が増大する。すなわち、ストライプ側面の凹凸は、ストライプ幅が狭くなるにつれ、導波路領域に与える悪影響が増すことになり、結果として素子特性の悪化を招く。
【０００８】
さらに、上述した共振器端面についても、同様であり、ストライプ幅が狭くなるにつれて、その端面の平坦性が損なわれ、鏡面の共振器反射面を得ることが困難になるばかりでなく、素子端面不良による不良品の発生が多くなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためにされたものであり、半導体レーザ素子についてはさらにその信頼性を高める構造とし、半導体レーザ素子の製造方法については、共振器を構成するストライプ形状の凸部側面、及び共振器反射面となる素子端面の形成について、優れた微細加工を実現するものである。
【００１０】
すなわち、本発明の半導体レーザ素子は、以下の（１）〜（４）に示す構成とするものである。
【００１１】
（１）基板上に窒化物半導体からなる層が複数積層されて、活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで挟み込む構造を含む共振器を有すると共に、共振器端面に挟まれてストライプ形状の導波路領域を有する半導体レーザ素子であって、前記ストライプ形状の導波路領域が、前記半導体層の一部が除去されて形成されたストライプ形状の第１の凸部と、該第１の凸部端部の一方に延在した第２の凸部と、を有すると共に、共振器反射面が、前記第１の凸部端部と、第２の凸部側面のうち第１の凸部に離間した外部側面と、に設けられていることを特徴とする。このように、共振器として第１の凸部と第２の凸部とを有することで、横モードの安定した半導体レーザ素子が得られる。詳しいことは不明であるが、従来のようなストライプ形状の導波路領域と、それに加えて、それよりも幅の広い前記第２の凸部が共振器に含まれることにより、光の導波に変化がもたらされ、これが横モードの安定性に良好に作用しているものと考えられる。
【００１２】
（２）前記第１の凸部のストライプ幅が、５μｍ以下であることを特徴とする。この構成により、第１の凸部により形成されるストライプ形状の導波路領域において、良好な光の閉込めを可能にし、横モードの安定したレーザ素子が、得られる。さらに好ましくは、１μｍ以上３μｍ以下の範囲とすることで、さらに横モードの安定したレーザ素子となる。
【００１３】
（３）前記第２の凸部に設けられた共振器反射面と、第１の凸部との距離が、５μｍ以下であることを特徴とする。この構成により、第１の凸部により形成されるストライプ状の導波路領域と、第２の凸部の共振器反射面との間が、発振閾値の急激な上昇を招かない程度の距離におさめられることとなる。すなわち、第１の凸部だけでレーザ素子の導波路領域が構成される場合に比べて、上記第２の凸部を含む場合の方が発振閾値が上昇する傾向にあるが、その上昇は上記距離５μｍを超えると、素子特性に深刻な影響を及ぼすものとなる傾向にあるためである。更に好ましくは、第２の凸部の長さを、１μｍ以上３μｍ以下とすることで、共振器に第２の凸部を有することによる素子特性変化が、好適に作用する傾向にある。
【００１４】
（４）前記第１の凸部上面に接して電極が設けられていると共に、該電極が第１の凸部の端部に達しない長さであることを特徴とする。この構成により、第２の凸部に電極がかからず、第２の凸部による導波路領域における利得に変化がもたらされ、そのことがモード制御に好適に作用し、発振特性に優れるレーザ素子となる。
【００１５】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の（５）〜（１１）に示す方法である。
【００１６】
（５）基板上に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで活性層を挟む構造の半導体層が積層され、エッチングにより該半導体層の一部を除去することで形成された第１の凸部にストライプ形状の導波路領域を有するレーザ素子の製造方法であって、前記基板上に窒化物半導体からなる層を積層した後、エッチングにより前記ストライプ形状の第１の凸部と、第１の凸部の少なくとも一方の端部に第１の凸部のストライプ幅より広い第２の凸部と、を形成するエッチング工程と、エッチング工程の後、第１の凸部上で第１の凸部のストライプ方向にほぼ垂直な面で基板を分割して、共振器反射面を形成する基板分割工程と、を具備してなることを特徴とする。この製造方法により、従来問題となっていたストライプ状の凸部の形成において、第１の凸部端部に延在して第２の凸部が形成されることにより、微細な構造の第１の凸部端部の損傷を防ぎ、導波路領域が精度良く得られ、さらに基板分割工程により良好な素子端面が得られる。また、第２の凸部が端部の一方にのみ形成された場合であって、エッチングにより他方の第１の凸部端部が損傷を受けても、基板分割工程により、その損傷部を排除して、共振器反射面を形成することができる。すなわち、この製造方法によるレーザ素子は、第２の凸部にエッチングによる素子端面、基板分割工程により形成された第１の凸部端部にそれぞれ良好な反射面を有する共振器を形成されたものとなる。
【００１７】
（６）前記エッチング工程において、前記積層した半導体層の一部を除去することで露出した第１の表面上に前記第１の凸部と第２の凸部とを形成した後、該第１の表面より深くエッチングし、前記半導体層中に前記第１の凸部に離間して、電極形成面を設けることを特徴とする。この製造方法により、第１の表面上に形成した第１の凸部が、後に続く電極形成面のためのエッチングにおいても、損傷することなく、良好なストライプ形状、端部、側面を維持でき、優れた導波路領域を有するレーザ素子が得られ、また精度良く第１の凸部が微細加工されていることから、素子信頼性にも優れ、素子ばらつきの少ないレーザ素子が得られる。
【００１８】
（７）前記エッチング工程において、第１の凸部のストライプ方向にほぼ垂直で第１の凸部とは離間した外部側面を、前記第２の凸部に形成して共振器反射面とすることを特徴とする。この製造方法により、従来問題となっていた微細な構造を有する第１の凸部端部をエッチングで形成する必要がなく、第１の凸部より幅広な第２の凸部の側面（外部側面）にエッチング端面を形成することで、良好な共振器反射面が形成される。これは、従来微細なストライプ形状の凸部にエッチング端面をけいせいすると、その端面に激しい損傷が観られ、良好な共振器反射面を形成できなかったが、第２の凸部にエッチング端面を形成することで、これを回避できることにある。このことで、基板分割面に比べて生産性に優れるエッチング端面を、微細なストライプ形状の凸部を有するレーザ素子にも利用することが可能となる。
【００１９】
（８）前記エッチング工程において、ほぼ矩形状の開口部を設けることで該開口部に挟まれる第１の凸部を形成することを特徴とする。この製造方法により、エッチング工程において、複雑なマスクパターンとならずに、第１の凸部、第２の凸部が形成でき、また、両端部の第２の凸部に挟まれて第１の凸部が形成されるため、精度良く微細加工されたストライプ形状となる。
【００２０】
（９）前記エッチング工程において、第１の凸部に離間すると共に、第２の凸部に延在する第３の凸部を形成することを特徴とする。
【００２１】
（１０）前記エッチング工程において、エッチングにより前記第１の表面上に、少なくとも第１の凸部と、第１の凸部よりストライプ幅の広い第２の凸部とを、それぞれ複数有するストライプ形状の凸部を形成した後、該ストライプ形状の凸部を分断するようにエッチングして、該前記外部側面を第２の凸部に形成することを特徴とする。この製造方法により、第１の凸部形成と同時に、第２の凸部が形成されるため、それより幅の狭い第１の凸部は、特にその端部における微細構造が損傷を受けることなく形成可能で、この後、第２の凸部に共振器反射面を設けることで、生産性に優れたレーザ素子の製造方法となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（半導体レーザ素子）
本発明の半導体レーザ素子として、具体的には、図５〜７に示すように、基板１０上に、窒化物半導体からなる層が複数積層され、その積層体に活性層１６をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層と（１４，１５）で挟み込む構造を有し、共振器として図に示すようにストライプ形状の導波路領域を有している。図に観るように、基板上の共振器として、ストライプ形状の導波路領域を形成する第１の凸部１と、その第１の凸部１に延在する第２の凸部２とを有し、第１の凸部端部、第２の凸部側面（外部側面５）に共振器反射面が設けられた構造である。すなわち、基板上の共振器として、従来の半導体レーザ素子のようにストライプ形状の導波路領域を形成する第１の凸部１に加えて、共振器反射面が設けられた第２の凸部２を有するものである。この時、もう一方の共振器反射面としては、第１の凸部の端部（端面）に設けられる。
【００２３】
また、本発明において、窒化物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-y（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表され、本発明の半導体レーザ素子は、この窒化物半導体からなる層を基板上に積層したものである。好ましくは、基板上に形成される積層構造として、後述の実施例のように、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層とで、活性層を挟み込む構造を有すること、より好ましくは、活性層がＩｎを含む窒化物半導体からなる層を有することである。なぜなら、このような積層構造でもって、上述の第１の凸部及び第２の凸部を含む共振器構造のものは、後述の比較例で示すように共振器としてストライプ形状の凸部を有するだけのものに比べて、良好な発振特性が得られ、特にその第２の凸部での光反射率が向上することによる発振閾値が低下し、さらには単一モード発振での安定性が向上する傾向にある。
【００２４】
ここで、本明細書において、第１の凸部の長さとは、図２などに観るように、ストライプ形状の第１の凸部のストライプ方向（長手方向）における長さであり、第１の凸部の幅とは、そのストライプ方向に垂直な方向における長さである。また、第２の凸部についても同様に、第２の凸部の長さは、上記第１の凸部のストライプ方向の長さであり、第２の凸部の幅は、そのストライプ方向に垂直な方向の長さである。
（共振器）
本発明の半導体レーザ素子は、基板上に共振器として、上述したように積層した半導体にエッチングなどで微細加工を施して、上記第１の凸部と第２の凸部とを有するものである。この共振器構造としては、例えば図５〜７に示すように、エッチングにより半導体層の一部を除去して、残った第１の凸部、第２の凸部によるリッジ構造であってもよく、第１の凸部、第２の凸部などを形成後再成長させて埋め込むような構造であっても良い。この時、共振器として、主に第１の凸部によるストライプ形状の導波路領域でもって、光の閉込め、モード制御がなされる。
【００２５】
具体的には、以下の実施例で説明するように、本発明の半導体レーザ素子は、第１の凸部により屈折率導波型の導波路を形成し、第２の凸部に共振器反射面を、もう一方の共振器反射面が第１の凸部端部に設けられた構造となる。
（第１の凸部）
本発明の半導体レーザ素子において、第１の凸部とは、共振器として第１の凸部と第２の凸部とを有すことから、レーザ素子の共振器長より短いストライプ長さで設けられるものであり、上述したように、主に第１の凸部によりストライプ形状の導波路領域が形成される。
【００２６】
また、本発明のレーザ素子において、第１の凸部のストライプ幅としては、５μｍ未満が好ましく、１μｍ以上３μｍ以下の範囲にあることがさらに好ましい。なぜなら、上記範囲内であると、上述したような単一横モードでの安定した発振を実現する屈折率導波型のレーザ素子となるからである。また、この場合には、第１の凸部上面に、図５〜７に示すように、電極を形成するが、この時電極は、第１の凸部だけに設けられるようにすることが好ましい。なぜなら、ストライプ形状の導波路領域を形成する第１の凸部の上部にのみ、すなわち第２の凸部の上部を除いて、電極が形成されることにより、第２の凸部における利得領域に変化が生まれ、このことが第１の凸部による導波路領域での効率的な光の発振を可能にする傾向にあり、発振特性に優れるレーザ素子となる。このため、電極は、第１の凸部の端部に達しない長さ、すなわち第１の凸部の長さより短く設けられることが好ましい。また、第１の凸部において、第２の凸部が設けられていない端部であっても、この電極がそこに達しない長さであることにより、その製造において、基板分割時の衝撃による電極の剥がれ等を防止できるため、好ましい。
【００２７】
さらに、本発明のレーザ素子において、第１の凸部端部、第２の凸部の外部側面に設けられた共振器反射面の内、第１の凸部端部をレーザ光の出射側とすることが好ましい。これは、後でも述べられているように、第２の凸部において光は、第１の凸部の幅よりも広い幅で光が導波するため、レーザ光のアスペクト比などの光学特性が悪化し、またそれを制御することも構造的に困難であるため、その特性に関して素子間のばらつきも大きくなる。このため、第１の凸部端部に設けられた共振器反射面をレーザ光の出射側とすることで、第１の凸部によるストライプ状の光導波路での良好な光閉込め、モード制御を維持したまま、高効率で光を出射させることが可能となる。
（第２の凸部）
本発明の半導体レーザ素子において、第２の凸部の長さとしては、５μｍ以下が好ましい。なぜなら、第２の凸部２の長さが、５μｍを超えるとレーザ素子の発振特性が急激に低下する傾向にあるためである。これは第２の凸部２に共振器反射面が設けられることにより、導波路に変化がもたらされ、モード安定性が増す傾向にあるが、第２の凸部があることによる悪影響も生まれ、特に電流―光出力特性におけるスロープ効率の低下が観られ、特に５μｍを超えると顕著になることによるものである。更に好ましくは、１μｍ以上３μｍ以下の範囲の長さで、第２の凸部が設けられていることにより、上述した素子特性の低下を抑えつつ、共振器として第２の凸部を有することによるモードの安定性の向上が得られる傾向にある。
【００２８】
また、本発明のレーザ素子において、第２の凸部は図２〜９に示すように、第１の凸部の端部に延在するように設けられ、第１の凸部端部と第２の凸部側面（共振器反射面を有する外部側面に離間した面）とで接合されている。また、第２の凸部は、第１の凸部の両端部に設けられると、上述した導波路領域の変化が大きくなり、損失が大きくなるためかえって発振特性の低下を招き、またレーザ光出射において、第２の凸部に設けられた共振器反射面が出射面となるため、レーザ光の形状が悪化し、加えて素子のばらつきも大きくなる傾向にあり、好ましくない。
（第３の凸部）
また、本発明の半導体レーザ素子は、以上の共振器を構成する第１の凸部と第２の凸部の他に、共振器の外周を囲むように、第３の凸部が設けられていても良い。この第３の凸部は、後述する半導体レーザ素子の製造方法で説明するように、第１の凸部もしくは第２の凸部を形成する際などに、第１の凸部に離間し、第２の凸部に延在して形成され、レーザ素子の駆動において、共振器を構成する第１の凸部、第２の凸部とは異なり、共振器として機能しない。すなわち、ストライプ形状の導波路領域である第１の凸部とは離間しているため光はほとんど導波しない。加えて、本発明の半導体レーザ素子が、第１の凸部上面と第１の凸部に離間し、第１の凸部からみて第３の凸部より離れた位置の半導体層表面（電極形成面）に電極を有する構造の場合には、リーク電流を防ぎ、素子の信頼性が向上する傾向が観られ、好ましい。
（半導体レーザ素子の製造方法）
次に、本発明の半導体レーザ素子の製造方法について、以下に詳しく説明する。
【００２９】
基板上に、窒化物半導体からなる層を積層し、共振器としてこの積層した半導体層をエッチングすることで第１の凸部、第２の凸部を形成し、基板分割時に共振器反射面を形成するものである。以下、各工程ごとに順を追って説明する。
【００３０】
本発明の製造方法において、第１の凸部を形成する際に、その端部に第２の凸部が形成される。
【００３１】
まず、基板上に積層する半導体としては、実施例で示すように、上述した組成式で表される窒化物半導体を主に用いる。具体的には、その基板上に形成される積層体は、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで活性層を挟む構造を少なくとも有し、好ましくは上述したように各々、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層とで、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層を挟み込む構造を有することである。
（エッチング工程）
本発明の製造方法においてエッチング工程とは、各層を積層した後、基板上の半導体層をエッチングによる微細加工を施して、共振器を構成する第１の凸部、第２の凸部を形成する工程のことである。このエッチング工程は、上述した従来のエッチング時の問題を解決するため、ストライプ形状の導波路領域を主に形成する第１の凸部と、それに延在する第２の凸部を形成するわけであるが、その実施形態として様々な方法をとることができる。以下、その具体例を挙げて説明する。
【００３２】
具体的にはエッチング工程としては、図１の模式断面図に示すように、基板１０上に半導体層１１を積層した後、半導体層１１表面にエッチングの際にマスクとなる膜１２を形成し、さらに所望のパターンのフォトレジスト膜２０を形成して（図１（ａ）））、所望のパターンのマスク１２を形成し（図１（ｂ））、このマスク１２により開口部６に挟まれた第１の凸部１を半導体層１１に設ける（図１（ｃ））。次に、第１の凸部１上に電極を設けるための保護膜１３を表面に設け、開口部６の内部に保護膜１３が設けられるようにマスク１２を用いて不要な保護膜１３をリフトオフ法により除去し（図１（ｄ））、開口部６底面（第１の表面）に離間した位置に、電極形成面４を露出させ、第１の凸部上面、電極形成面４にそれぞれ電極４０，４１を設ける（図１（ｅ））。最後に、基板１０上に、複数の素子領域を設けるように、基板表面７が露出するまでエッチングして半導体層１１の一部を除去し（図１（ｆ））、この後続いて、各素子領域に分割し、共振器反射面を形成する基板分割工程を経るものである。
【００３３】
このエッチング工程における様々な実施形態として、図２の模式的な斜視図に示すように、まず半導体層１１に第１の凸部１を挟む開口部６をエッチングにより設けて、次に図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように、共振器構造を形成し、切断面ＡＡで基板を切断して第１の凸部１に共振器反射面を形成する。図２（ｂ）では、第１の凸部１、開口部６から離間した位置の半導体層１１を一部除去して電極形成面４を露出させ、図に観るように、第１の凸部１に延在した第２の凸部２と、その第２の凸部２間を架橋するように形成された第３の凸部３とで、第１の凸部１の周囲を囲むように、形成されている。図２（ｃ）では、第１の凸部１のストライプ幅方向において開口部６の一部を除去する他は、（ｂ）と同様にして、形成されている。図２（ｄ）では、（ｃ）に比べて一方の第２の凸部２を除去する他は、同様にして形成されている。
【００３４】
このように、図２（ａ）に観るように、まず第１の凸部１を形成した後、図２（ｂ）〜（ｄ）に観るように、第２の凸部２及び共振器反射面を含む外部側面５を形成することで、ストライプ形状の凸部の形成において従来問題となっていた端部付近の形状不良・一部欠損と、ストライプ側面の表面凹凸を効果的に抑制することができ、良好な共振器が形成できる。
【００３５】
さらに、その他の実施形態として、図３に模式的な斜視図として示すように、半導体層１１の一部をエッチングにより除去して、第１の凸部１と、その第１の凸部１よりストライプ幅の広い第２の凸部２とを有するストライプ形状の凸部を形成する（図３（ａ））。これに続いて、図３（ｂ）に示すようにそのストライプ形状の凸部に離間した位置の半導体層１１の一部を除去して電極形成面４を露出させた後、図中の斜線部２２をマスクして基板表面が露出するまでエッチングして第２の凸部２に共振器反射面を含む外部側面を形成してもよく、さらにまた、上記ストライプ形状の凸部を形成した後、図（ａ）中の斜線部２１をマスクしてエッチングにより半導体層１１の一部を除去して図（ｃ）に示すように、第２の凸部２の外部側面５と電極形成面４を形成する。これらの方法によっても、上述の方法と同様に、良好な共振器構造の形成が可能である。
【００３６】
さらに別の実施形態として、図４に示すように、エッチングにより第１の凸部１を挟む開口部６を設け、第１の凸部１のストライプ方向に、開口部６と第２の凸部２とが交互に設けられ、ストライプに垂直な方向では、第１の凸部１を挟むように開口部６と、更にその外側に第３の凸部とを設ける形態がある。この実施形態では、第２の凸部２に外部側面が形成されず、次の段階でのエッチングにより、マスク領域を図中の２２、２２´として第２の凸部に共振器反射面となる端面を設ける。
【００３７】
ここで、本明細書中で、電極形成面として記載があるものは、これを電極形成に利用することで、基板の同一面側に正・負一対の電極を設ける際に効率よく、すなわちリーク電流などなくウエハに対し密に素子チップが形成でき好ましい。
第１の凸部が形成される表面（第１の表面）よりも深くエッチングし、第１の表面より基板に近い位置に露出された表面である。この露出された表面は、第１の凸部からは離間した位置に形成され、第３の凸部を形成する場合には、第１の凸部を挟むように第１の表面（開口部）を形成し、その外側に第３の凸部を形成し、更にそれよりも外側に電極形成面を形成する。このような電極形成面は、第１の凸部上面と基板上に電極を設け、基板を挟んで電極を対向配置したものである場合において、電極を設けない表面であってもよく、すなわち電極を設けない他は電極形成面と同様な表面となる。
（第１の凸部）
本発明の製造方法において、第１の凸部はストライプ形状に形成され、少なくとも一方の端部には、第２の凸部が形成され、基板分割工程において第１の凸部端面に共振器反射面が形成される。第１の凸部は、図２（ａ）に示すように、第１の凸部１を形成するために、ほぼ矩形状の開口部６で挟み込むように形成してもよく、図３（ａ）に示すように開口部底面６´上に第１の凸部１とそれよりストライプ幅の広い第２の凸部をそれぞれ複数有するストライプ形状の凸部を形成してもよい。ここで、第１の凸部のストライプ幅が比較的狭いものであると、エッチングによるストライプ端部の破壊が発生するため、本発明の製造方法における第１の凸部の形成は、その両端部を第１の凸部のストライプ幅より広い第２の凸部で保護するように、形成することで従来の問題を回避でき好ましい。この第１の凸部の幅として、５μｍ以下となる幅であると第２の凸部を設けることにより良好なストライプ形状の第１の凸部が得られ、さらに上述した１μｍ以上３μｍ以下の範囲内にある場合に、従来では上述のストライプ形状の凸部端部に製造上深刻な影響を与えるものであり、この範囲にあるストライプ幅の第１の凸部では、エッチングでの形成時に第２の凸部が端部に形成されることにより、ストライプ形状の凸部端部が破壊されることを防ぐことができる。
【００３８】
具体的には、従来は、ストライプ形状の凸部を形成すると、図１１（ｂ），（ｃ），（ｅ）に示すようにその端部が、エッチングによりその端部が、優先的にエッチングされ、凸部３０の端部は丸みを帯び、更にその端面では半導体層１１が余分に除去されたことによる凹部３２が形成され、平坦な端面を形成することができなかった。しかし、本発明の製造方法では、第１の凸部よりストライプ幅の広い第２の凸部を形成することで、第１の凸部端部はエッチングによる損傷から守られる。また第２の凸部の側面（外部側面）は、第１の凸部を形成するよりも後に、形成することで共振器反射面となる平坦性に良好な端面を形成できる。これは、エッチング工程において、本発明の製造方法が第１の凸部形成を最初に形成することで、図１１に観るような半導体層が凹凸を呈している状態でマスクを設ける場合に比べて、エッチングマスクの精度を最大限のものとし、優れたエッチング精度を実現できることにある。
【００３９】
ここで、窒化物半導体をエッチングする方法には、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングしてできる。
（第２の凸部）
本発明の製造方法において、エッチング工程により形成される第２の凸部は、第１の凸部に延在して形成され、具体的には第１の凸部端部に第１の凸部形成時、もしくはそれ以後に形成される。この第２の凸部は、第１の凸部より幅が広く形成され、すなわち第１の凸部端部で外側に広がって第２の凸部が接合されている。この時、第１の凸部と第２の凸部との接合部は、好ましくはほぼ直角を成して接合されることがエッチングマスクの形状の関係から好ましいが、特にこれに限定される直角から少し丸みを帯びていても、
さらにまた、第２の凸部には、第１の凸部とは離間した位置に外部側面がエッチング工程により形成され、この外部側面に共振器反射面となる素子端面とする。この共振器反射面となる外部側面は、好ましくは第１の凸部を形成した後、エッチングにより形成することが好ましい。なぜなら、第１の凸部とは異なる段階で形成することにより、同時に形成する場合に比べて、複雑な形状の微細加工とならないため、上述した微細構造を形成する際の精度低下を防ぎ、幅広な第２の凸部にエッチングによる外部側面を形成することで、平坦なエッチング端面が得られ、これを共振器反射面とすることができる。
【００４０】
ここで、外部側面を形成した後の第２の凸部の大きさとしては、上記第１の凸部が幅５μｍ以下であるとエッチングによる微細加工時の損傷が大きくなることから、第２の凸部の幅として好ましくは５μｍ以上とすることで、共振器反射面となる外部側面がエッチングによる損傷の発生を低く抑え、より好ましくは１０μｍ以上とすることで、平坦性の良好な外部側面が得られる。この場合むしろ第２の凸部だけを考慮することよりも、エッチング時のマスクパターンの精度を考えると、第１の凸部と第２の凸部とのストライプ幅の差を考慮することが重要であり、この差が大きくなると製造において、マスクパターンの形成が容易であり、歩留まりが向上する。例えば、図２に示すような開口部６を形成するような場合には、上記ストライプ幅の差は、開口部６の幅に当たるため、この差が大きいことは開口部の幅を広くとることができ、そのことはマスクパターンを精度良く形成することを可能とし、歩留まりよくエッチング工程を経ることができる。第１の凸部と第２の凸部とのストライプ幅の差としては、具体的には、少なくとも２μｍ以上とする事で、エッチング工程において第１の凸部と第２の凸部との接合部、外部側面の形成を歩留まりよく製造でき、素子ばらつきを抑え、より好ましくは１０μｍ以上とすることで、上記接合部、外部側面を精度良く形成し、丸み、表面凹凸などの発生をを低く抑えた第１の凸部、第２の凸部が形成できる。更に好ましくは、５０μｍ以上とすることで、第２の凸部の外部側面、特に共振器反射面として機能する領域でる第１の凸部との接合部に対向する位置において、平坦性に優れるエッチング端面が形成される。
（第３の凸部）
本発明の製造方法において、エッチング工程により形成される第３の凸部は、第２の凸部に延在して形成され、具体的には、第１の凸部を挟む開口部を設けることで、その開口部を囲む第２の凸部及び第３の凸部を形成する。具体的には、図２に示すように、第１の凸部１と開口部６とを設けた後（図２（ａ））、それを覆う大きさでマスクし、エッチングにより非マスク領域を除去することで、図２（ｄ）に示すように第１の凸部に離間する第３の凸部を形成する。この時、マスク幅（第１の凸部におけるストライプ方向に垂直な方向の幅）をそれよりも狭くすることで、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、第３の凸部を形成しない形態をとることもできる。
（第１の表面）
本発明において、第１の表面には、共振器を構成する第１の凸部が設けられ、また開口部を形成する場合には、その開口部底面となる。ここで、ほぼ矩形状の開口部とは、ほぼ正方形であっても良い。
（基板分割）
本発明の製造方法において、第１の凸部、第２の凸部を形成するエッチング工程の後に、基板を分割する基板分割工程を具備する。この基板分割工程は、具体的には、図２（ｂ）〜（ｄ）の分割位置ＡＡで分割するものであり、このとき、図からわかるように、第１の凸部１の端部に設けられた第２の凸部２の外部側面５から共振器長だけ離れた位置でもって、分割するものである。このことにより、分割位置ＡＡで第１の凸部に分割面が形成され、それを共振器反射面とし、もう一方の共振器反射面は外部側面５とし、共振器として第１の凸部１と第２の凸部２とを有するレーザ素子が得られる。
【００４１】
上記基板分割工程には、他の形態があり、例えば図９に示すように、エッチング工程で形成した第１の凸部１のほぼ中央部を基板分割位置ＡＡとすることで、形成される分割面の図９のように分割工程により、基板上に配置されたブロック状の素子領域において、それぞれ２つのレーザ素子、及びその分割面が形成される。この形態では、１つの素子領域を通る分割で、レーザ素子のそれぞれの第１の凸部端部に分割面を形成でき、効率よく共振面が形成される反面、分割時の衝撃に弱く、分割面の表面凹凸が多く観られる傾向にある。
【００４２】
本発明の基板分割工程において、特に限定されるものでなく従来知られている方法により分割でき、具体的にはスクライバー、ダイサーなどの手段を用いて分割してもよく、またこれらの手段だけで分割が困難な場合には、ブレーキングなど機械的に外力を加えて分割するなどの手段を用いてもよく、またこれらを組み合わせて、基板の性質などにより適宜選択すると良い。この時、分割を助けるために、予め基板を研磨などの手段により薄くしてもよく、その他に溝を形成して、実質上基板を薄くするのと同様な効果が得られるようにしても良い。これらの方法は、基板材料、厚み、等により適宜選択、若しくは組み合わせて、基板を分割する。
【００４３】
従来、サファイア基板などの劈開困難な基板を、窒化物半導体の基板として用いた場合には、比較例１における基板分割を説明する図１２に示すように、基板１１上の半導体層１１にその劈開性の影響を受けることとなり、表面に激しい凹凸を呈した分割面３３が形成される。これは、窒化物半導体を有する半導体層の劈開面（ほぼＧａＮの劈開面に一致する）を基準にして基板分割を実施すると、その劈開面でサファイア基板を劈開することが困難であるため、基板１０に近い側から半導体層１１のある程度の膜厚に至るまで、半導体層の劈開面を取り出すことができない。このように、基板１０の裏面（半導体層１１が設けられた主面に対向する面）から上記手段で基板を分割すると、基板１０に近い側から、最初は半導体層１１の劈開面によらず割れ続けることで凹凸のある表面３３、ある程度の膜厚のところまで割れることで初めて劈開面でもって分割されるという、過程でもって基板分割がなされる。このため、窒化物半導体と異なる材料よりなり、窒化物半導体を有する半導体層の劈開性に良好に一致しない異種基板、すなわち劈開困難な異種基板を用いた場合には、このような精度の低い基板分割工程となる。
【００４４】
【実施例】
［実施例１］
図１０は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図でありストライプ形状の凸部に垂直な面で切断した際の積層構造を示すものである。
以下、この図を基に実施例１について説明する。
【００４５】
基板１０１として、（０００１）Ｃ面を主面とするサファイア基板を用いた。
この時、オリフラ面はＡ面であった。窒化物半導体を成長させる基板としては、サファイア（主面がＣ面、Ｒ面、Ａ面）の他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＧａＡｓ、ＳｉＣ（６Ｈ，４Ｈ，３Ｃを含む）等、窒化物半導体を成長させるために従来知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板を用いることができる。また、ＧａＮなどの窒化物半導体からなる基板上に直接積層しても良い。
【００４６】
初めに、サファイアよりなる基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を２００Å（オングストローム）の膜厚で成長させる。
【００４７】
下地層１０２：バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる下地層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において基板として作用する。このように、異種基板上に、窒化物半導体の素子構造を形成する場合には、低温成長バッファ層、窒化物半導体の基板となる下地層を形成すると良い。
【００４８】
次に素子構造として、以下の層を順に積層する。
【００４９】
ｎ側コンタクト層１０３：膜厚４μｍ、Ｓｉを３×１０18／cm3ドープしたＧａＮ
クラック防止層１０４：膜厚０．１５μｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ（省略してもよい）
ｎ側クラッド層１０５：総膜厚１．２μｍの超格子構造 厚２５ÅのアンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎと、膜厚２５Å、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＧａＮと、を交互に積層する。
【００５０】
ｎ側光ガイド層１０６：膜厚０．２μｍのアンドープＧａＮ
活性層１０７：総膜厚３８０Åの多重量子井戸構造 膜厚１００ÅのＳｉドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層(B)と、膜厚４０ÅのアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層(W)とを、(B)-(W)-(B)-(W)-(B)の順に積層する。
【００５１】
ｐ側キャップ層１０８：膜厚３００Å、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ
ｐ側光ガイド層１０９：膜厚０．１μｍ、Ｍｇを１×１０18／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ
ｐ側クラッド層１１０：総膜厚０．６μｍの超格子構造 膜厚２５ÅのアンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎと、膜厚２５ÅでＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮと、を交互に積層する。
【００５２】
ｐ側コンタクト層１１１：膜厚１５０Å、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ
以上、素子構造を形成した後、ウエハをＭＯＶＰＥ装置から取り出し、エッチング工程として積層した半導体層に第１の凸部、第２の凸部を形成する。このエッチング工程では、図１に示すように、ウエハをＰＶＤ装置にセットしてＳｉＯ2よりなるマスク１２を半導体層１１表面に形成し、さらにフォトリソグラフィーによりマスク１２を所定のパターン状に形成して（図１（ａ），（ｂ））、エッチングにより、ストライプ形状の第１の凸部１を挟む開口部６を設ける（図１（ｃ））。この時、第１の凸部１のストライプ幅は、１．８μｍとする。
【００５３】
続いて、ウエハをＰＶＤ装置に移し、図１（ｄ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主にＺｒＯ2）よりなる絶縁膜１３をほぼウエハ全面に形成し、ウエハをフッ酸に浸漬し、マスク１２を除去するリフトオフ法により、開口部６内面に絶縁膜１３を形成する。この絶縁膜１３は、第１の凸部１上面に電極を形成する際に、ｐ−ｎ間を絶縁するためであり、加えて第１の凸部１により形成されるストライプ状の導波路領域で良好な横モードの安定を実現することができる。図１（ｆ）に示すように、開口部６内面に絶縁膜１３を形成した後、第１の凸部１に離間した位置で、開口部６底面より深くエッチングして半導体層中のｎ側コンタクト層を露出させる。この時、図２（ｂ），８（ａ）に示すように、第１の凸部１の両端部に第２の凸部２、およびこの第２の凸部２間に第３の凸部３を形成するように、エッチングし、第２の凸部２の長さ、第３の凸部３の幅をそれぞれ５μｍとし、開口部の幅（第１の凸部のストライプ幅方向）をそれぞれ５０μｍとした。また、このｎ側コンタクト層の表面４を露出させることにより、図２（ｂ），８（ａ）に示すように、第２の凸部２に外部側面５も、第１の凸部１に離間し、そのストライプ方向にほぼ垂直となるように、形成する。この表面４（電極形成面）にｎ電極４１を形成し、絶縁膜１３を介して第１の凸部１上面にｐ電極４０を形成する（図１（ｅ））。この時、ｐ電極の大きさは、幅１００μｍで、長さが第１の凸部よりも数μｍ〜十数μｍ短く、且つ第１の凸部端部にかからないように形成する。これは、後に続く基板分割工程において、分割位置にかからない長さで第１の凸部上の電極を形成することで、分割時の衝撃から電極を守り、電極を欠けや剥がれ等防止でき、歩留まりよく製造することができるためであり、上述した電極の長さに限定されずに、これを考慮して電極を第１の凸部より短く形成することが好ましい。
【００５４】
以上、エッチング工程の後次に、ウエハのほぼ全面に、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜１１３を形成し、更にその多層膜１１３にｐ電極、ｎ電極表面の一部を露出するための開口部を設け、それら電極に電気的に接続する取り出し電極１１１，１１２を、図１０に示すように形成する。このことにより、共振器反射面とするエッチング端面側（第２の凸部の外部側面）にミラーが形成され、加えて各取り出し電極は共振器長より短い長さで形成し、後に続く基板分割工程における分割位置に達しない長さとする事で、分割時の衝撃により各取り出し電極の欠け・剥がれ等を回避でき好ましい。第１の凸部上部の電極に電気的に接続する取り出し電極１１２は、図１０に示すように、第１の凸部に隣接する開口部の上部にまで連続して形成することで、確実なワイヤボンディングができ好ましい。
【００５５】
最後に、基板１０が露出する深さでエッチングする事により、半導体層１１をブロック状に分離して、各ブロックから１個のレーザ素子を得るように配置する（図１（ｆ），図８（ｂ））。以上、エッチング工程を経た後に、ウエハを分割する基板分割工程に移るが、それよりも前に基板分割を確実なものとするため、基板を研磨などの方法により薄くしても良い。ここでは、サファイア基板を厚さ約７０μｍとなるまで、研磨した。このように、基板分割工程より前に、基板を薄くすることで劈開困難な基板を用いた場合であっても、基板分割の精度を高め、良好な基板分割を可能とする。
【００５６】
次に基板分割工程として、以下に示す方法でウエハを分割し、レーザ素子を得る。図２（ｂ），８（ｂ）に示すように、ブロック状の半導体層を図中のＡＡ分割面でもって分割する。詳しくは、分割面ＡＡとなるように基板１０裏面（半導体層が形成されていない主面）に、スクライバーで溝を設け、ブレーキングして、面ＡＡで分割する。このことにより、第１の凸部１の端部に、切断面が設けられこれを共振器反射面とする。このとき、共振器長、つまり第１の凸部の端部から第２の凸部の外部側面までの長さ、は、３００〜５００μｍとすることが好ましく、また第１の凸部上の電極４０は分割位置ＡＡよりも短く形成する。また、面ＡＡはサファイア基板のオリフラ面（サファイアＡ面）にほぼ一致し、半導体層中の窒化ガリウムの劈開面であるＭ面にもほぼ一致し、分割面の中にこの窒化ガリウムＭ面が半導体層の素子構造に取り出されることで、良好な共振器反射面となる。図８（ｃ）に示すようにバー状に分割された基板に、更に、分割面ＢＢ、ＣＣで基板を分割し、レーザ素子を得る。
【００５７】
得られるレーザ素子にヒートシンクを取り付け、室温でレーザ発振を試みたところ、閾値電流密度２．５ｋＡ／cm2、閾値電圧５Ｖで、波長４０５ｎｍで連続発振が確認され、室温で１万時間以上の寿命を示すものである。
【００５８】
［実施例２］
エッチング工程において、第１の凸部１を挟む開口部６を形成した後（図２（ａ））、第１の凸部１のストライプ幅方向において、第３の凸部を形成しない幅でマスクを設け、エッチングすることで、図２（ｃ）に示すように、第１の表面６上に第１の凸部と、その両端部に第２の凸部を形成する。これを除いてその他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る（図７）。第３の凸部を有していないため、実施例１に比べて、開口部に形成する絶縁膜、それを介して形成される電極などの形成において、リーク電流の発生などの危険性が高まり、製造歩留まりはわずかに下がる傾向にあるが、得られるレーザ素子の特性はほぼ同等のものであり、良好な特性のレーザ素子である。
【００５９】
［実施例３］
エッチング工程において、開口部６を形成した後、図２（ｄ）に示すように第１の表面６上に、第１の凸部１とその端部の一方にのみ第２の端部を形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。この時、基板分割工程において、素子端面の形成には、図中の分割位置ＡＡは、実施例１、２に比べて、第１の凸部１端部から離れた位置となる。これは、第２の凸部２が形成されていない端部では、エッチングによる損傷を回避するために、第１の凸部１の長さを、実施例１、２に比べて長くして、第２の凸部２が設けられていない側の第１の凸部１端部から離れた位置で分割する。得られるレーザ素子の特性は、実施例１、２に比べて、悪化する傾向にあるものの、従来のレーザ素子に比べて、良好な特性のレーザ素子である。
【００６０】
［実施例４］
エッチング工程において、得られるレーザ素子の第１の凸部のストライプ長さに対して２倍の長さで第１の凸部１を形成し、図９に示すように、ｎ側コンタクト層を露出させた表面４上に、第１の凸部１、第２の凸部２、第３の凸部３が設けられたブロック状の領域を複数設けられ、更に基板分割工程において、図９（ｂ）に示すように、第１の凸部１のほぼストライプ長さが半分となる位置を、基板分割位置ＡＡとして、基板を分割する。これ以外の作製条件については実施例１と同様であり、図５に模式的に示すようなレーザ素子が得られる。
【００６１】
得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、分割位置ＡＡにおいて形成され、互いに対向する分割面は、異なるレーザ素子の共振器反射面となることから、ウエハ当たりのチップ数が多くなる。しかし、実施例１と異なり、基板分割時の衝撃が、互いに分割面で合わさったブロック状の素子領域のそれぞれにかかることから、衝撃に対して弱い形状となり、また良好な分割面が得られなかった際に、ブロック状の素子領域から得られるレーザ素子チップが不良品となり、結果として、実施例１に比べてウエハ当たりの良品率が低下する傾向にある。また、分割面の良好なレーザ素子の特性については、実施例１とほぼ同等な発振特性を示す。
【００６２】
［実施例５］
エッチング工程において、図３（ａ）に示すように、第１の表面６´上にストライプ状の凸部をエッチングにより形成し、この凸部が、第１の凸部１と、それよりストライプ幅の広い第２の凸部２とが少なくとも含まれ、第２の凸部２に挟まれる第１の凸部１を複数形成有するものとする。続いて、図中のハッチング領域２１に示すように、第１の凸部１とそれを挟む第２の凸部２の一部とで構成される領域２１を、マスクして非マスク領域をエッチングして、図３（ｃ）に示すように、ｎ側コンタクト層表面４を露出させ、第２の凸部２に外部側面５を形成する。その他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。この時、第１の凸部１のストライプ幅方向における第２の凸部２の長さは、第１の凸部１の幅（１．８μｍ）より長く、表面４露出時の第１の表面６´の幅２００μｍよりも短く形成されるものであり、ここでは、１５０μｍとする。
【００６３】
得られるレーザ素子は、第２の凸部が、第１の凸部の両端部に十分な幅、長さでもって形成されることから、良好なストライプ状の凸部（第１の凸部）の形成が可能であり、実施例１、２と同程度の特性を有する。
【００６４】
［実施例６］
エッチング工程において、図３（ａ）に示すように、エッチングにより第１の凸部１と第２の凸部２とを複数有する凸部を第１の表面６´上に形成した後、その凸部よりも広い幅で、第1の凸部1のストライプ方向にほぼ平行なストライプ形状のマスクを形成し、この非マスク領域にある半導体層１１の一部をエッチングにより除去することで、ｎ側コンタクト層の表面４を露出させ、実施例１と同様に、第１の表面６´と上記凸部側面絶縁膜を形成する（図示せず）。この時、第1の凸部１のストライプ幅は２μｍとし、第2の凸部のストライプ幅は、１５０μｍとし、ｎ側コンタクト層表面４上に形成される第1の表面のストライプ幅（第1の凸部１のストライプ方向に垂直な方向における長さ）は２００μｍとして、実施例５と同様に、実施例１〜４と異なり第2の凸部２より広い第1の表面４を形成する。
【００６５】
続いて、その絶縁膜を介してｐ電極を第１の凸部１上面に接して形成し、ハッチング領域２２内の表面４上にｎ電極を形成する。この時、ｐ電極は実施例１と同様に、第１の凸部１の両端部に設けられた第２の凸部２に達しない長さで形成し、ｎ電極も実施例１と同様に、第１の凸部１のストライプ方向に平行に形成する。次に、図中のハッチング領域２２をマスクして、基板１０表面が露出する深さでエッチングして、非マスク領域の半導体層を除去する。
【００６６】
以上のエッチング工程の後、実施例１と同様にして、レーザ素子チップを得る。得られるレーザ素子は、実施例５と同様に、良好なレーザ素子の製造が可能で、実施例１と同様に、優れた特性のレーザ素子となる。
【００６７】
［実施例７］
エッチング工程において、実施例１と同様に、開口部をエッチングにより形成した後、図４に示すように、第１の凸部１をほぼ中央として、設けられた開口部を覆う幅でストライプ形状のマスクを形成し、非マスク領域をｎ側コンタクト層が露出する深さでエッチングして、半導体層の一部を除去し、図４に示すような形状の半導体層を得る。この時、ストライプ形状のマスクは、開口部の幅が８０μｍ、第３の凸部の幅が５μｍ、となるストライプ幅で設ける。続くエッチング工程として、図中のハッチング領域２２´にマスクを設け、非マスク領域を基板１０が露出する深さでエッチングして、図８（ｂ）に示すような基板１０表面にブロック状の半導体層領域を配置し、第１の凸部１の両端部に設けられた第２の凸部２に共振器反射面となる外部側面を形成する。最後に、露出させたｎ側コンタクト層とｐ側コンタクト層表面にそれぞれｎ，ｐ電極を設け、基板分割工程として、図中の切断位置ＡＡでウエハを切断して、第１の凸部１の一方の端部に共振器反射面を形成して、レーザ素子を得る。
【００６８】
得られるレーザ素子は、実施例１と同様に、優れた特性を有するレーザ素子であり、またその製造においても、同様に、精度良く良好な共振面、ストライプ側面を有するレーザ素子が、得られる。
【００６９】
［実施例８］
基板１０表面を露出する際のマスクを、図４中のハッチング領域２２とする他は、実施例７と同様にしてレーザ素子を得る。この時、第１の凸部１の両端部に設けられた第２の凸部２の内、一方を図に観るように、次に隣接する第１の凸部１に達する長さで、エッチングマスクを形成している。得られるレーザ素子は、実施例７に比べて、第１の凸部間が、離れていることから、基板分割時の衝撃により強く、分割による共振面の凹凸が少なくなる傾向にあり、比較的良好な共振面が形成される。
【００７０】
［実施例９］
第１の凸部の幅を２．５μｍとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【００７１】
得られるレーザ素子は、実施例１とほぼ同等に良好なレーザ素子が得られ、横モードの制御も実施例１に比べ僅かに劣る傾向にあるものの良好なものである。更に、第１の凸部の幅を３μｍ、５μｍと広くしたところ、横モードの制御性が明らかに悪化する傾向にあり、レーザ光のスポット形状の良好なレーザ素子が得られにくい傾向にある。
【００７２】
［実施例１０］
第２の凸部の幅を２μｍとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製する。得られるレーザ素子は、実施例１とほぼ同程度の素子特性を示し、更に凸部の幅を２．５μｍ、３μｍと大きくすると、横モードの制御に劣る傾向にあり、得られるレーザ光のファー・フィールド・パターンが悪化する。さらに３μｍより大きくすると、良好なレーザ光を得ることが困難となる。
【００７３】
［実施例１１］
エッチング工程において、開口部を、その底面がｎ側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングする他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、図６に示すように、第１の凸部に、活性層１６が含まれ、実施例１に比べて良好な横モードの閉込めを実現するものである。
【００７４】
［比較例１］
実施例１と同様にして、基板上に各層を積層した後、エッチング工程として、以下のようにして、導波路領域を形成するストライプ形状の凸部を形成する。
【００７５】
ウエハをＰＶＤ装置に移した後、ＳｉＯ2からなるマスクをフォトリソグラフィー技術によりｎ側コンタクト層が露出する深さでエッチングした。この時、図１１（ａ）に示すように、露出されたｎ側コンタクト層表面に、幅約５０μｍのストライプ形状の凸部が形成され、該凸部に導波路領域となるストライプを形成する。まず、図１１（ａ）に示すように、ウエハのほぼ全面にＳｉＯ2よりなるマスク１２を設け、さらにマスク１２上、にフォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト膜２０をストライプ形状のパターンで、前記凸部上に設ける。続いて、ＳｉＣｌ4ガスを用いてＲＩＥにより、フォトレジスト膜２０の設けられていない領域のマスク１２を除去し、前記凸部上に幅約２μｍのストライプ形状のマスク１２を形成し、非マスク領域をエッチングして、ｐ側クラッド層表面を露出させ、図１１（ｂ）に示すように、その表面上にストライプ形状の凸部（リッジストライプ）を形成する。この時、エッチング深さは、ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置である。
【００７６】
得られたリッジストライプ３０を観察したところ、その両端部においてエッチングによる損傷がみられ、図１１（ｂ）に模式的に示すように、角が取れ、丸みを帯びた形状を有していた。また、図１１（ｃ），（ｅ）に示すように、その端面においては、活性層からストライプ形状の凸部３０に至る領域（図中のハッチング領域３２）において、大きく損傷を受ける傾向にあり、図中の白抜き矢印方向への浸食が発生しているものと思われる。このような端面を共振器反射面に用いた場合には、レーザ発振が困難なものとなる。更にまた、図１１（ｄ）に示すように、凸部３０の側面に、凹凸を呈するものもみられた。
【００７７】
リッジストライプ３０を形成後、さらにＰＶＤ装置にウエハを搬送してＳｉＯ2のマスク１２の上から形成したリッジストライプの露出した表面にかけて、Ｚｒ（主としてＺｒＯ2）よりなる保護膜を０．５μｍ厚さで形成し、ウエハをフッ酸に浸漬し、ＳｉＯ2のマスクをリフトオフ法により除去する。続いて、実施例１と同様に露出したｐ側コンタクト層、ｎ側コンタクト層表面にそれぞれｐ，ｎ電極を形成し、図１１（ｂ）に示す切断位置ＣＣでウエハを分割して、リッジストライプ３０に共振器反射面となる端面を形成した。
【００７８】
得られたレーザ素子の中には、上述したリッジストライプの共振器反射面であるエッチング端面が、図１１に示すような損傷を有するものがあり、その素子特性は、実施例１に比べると横モードの制御性に劣り、閾値電流も上昇する傾向にあった。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、ストライプ状の導波路領域として、ストライプ状の凸部を設けるようなレーザ素子構造であっても、従来のレーザ素子に比べて、モードの制御性に優れ、またレーザ光の光学特性にも優れたレーザ素子が得られる。さらに、その製造においては、従来問題となっていた凸部側面及び端部の損傷を改善でき、導波路として良好に機能する導波路領域を、精度良く製造することができる。
【００８０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法を説明する模式断面図。
【図２】本発明のレーザ素子を説明する模式図。
【図３】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図４】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図５】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図６】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図７】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図８】本発明の製造方法を説明する模式図。
【図９】本発明の製造方法を説明する模式図。
【図１０】本発明の一実施形態の素子構造を説明する断面図。
【図１１】従来のレーザ素子を説明する模式図。
【図１２】従来のレーザ素子を説明する模式図。
【符号の説明】
１ ・・・・第１の凸部
２ ・・・・第２の凸部
３ ・・・・第３の凸部
４ ・・・・電極形成面
５ ・・・・共振器端面
６ ・・・・開口部底面・第１の表面
７ ・・・・基板表面
８ ・・・・分割面（共振器端面）
１０・・・・基板
１１・・・・半導体層
１２・・・・マスク
１３・・・・絶縁膜
１４，１５・・・・クラッド層
１６・・・・活性層
２０・・・・フォトレジスト膜
２１・・・・マスク領域
２２・・・・マスク領域
４０・・・・ｐ電極
４１・・・・ｎ電極
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に係り、特に窒化物半導体層が積層された半導体層に凸部を形成することで、ストライプ形状の導波路領域を有する半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体を主に用いた半導体素子は、青色発光ダイオード、青色レーザ素子が知られている。特に、レーザ素子に関しては、様々な用途に用いるべく、その特性向上についての研究が多くなされている。
【０００３】
窒化物半導体を用いたレーザ素子は、比較的長時間での連続発振が実現されているが、レーザ素子の応用に向けては、まだ多くの問題がある。その中でも、製造プロセスにおいては、発光ダイオードに比べて、複雑な素子構造が必要とされるため、微細加工工程における精度を向上させることが重要となる。また、現在一般的に用いられている窒化物半導体を用いたレーザ素子の構造は、共振器方向に垂直な方向で、屈折率差を設けた屈折率導波型であり、共振器端面には、劈開によるもの、基板に異種物質を用いた場合には、劈開が困難なためエッチングにより形成したもので形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体層を主に積層した後、共振器を形成するために通常エッチングによる微細加工を施すが、この時、共振器として積層した半導体層にストライプ形状の凸部を形成して、屈折率導波型のストライプ形状の導波路領域を形成する際に、共振器端面となる凸部端部、及び光の導波に大きく影響を及ぼす凸部側面（ストライプ側面）に、微細加工時の問題が発生する。それは、エッチング、特に一般的に用いられているドライエッチングでは、微細加工することで加工部が凹凸を呈すること、また、比較的狭い領域で複雑な形状に微細加工を施すと、角が丸くなるなどの問題が発生する。
【０００５】
具体的には、図１１（ｂ）に示すように、比較的幅の狭いストライプ構造を形成する際に、ストライプ側面は、拡大図（ｄ）に模式的に示すように、エッチングによる加工で、表面に微細な凹凸が形成され、波状の側面が形成されていることがわかる。また、凸部の端部では、角が丸みを帯びており、その端部を拡大した図（ｃ）に模式的に示すように、狭い領域に角が集中するような場所では、図中の矢印に示すような方向に、エッチングがなされ、良好な端面の形成が困難なものとなる。
【０００６】
加えて、窒化物半導体を積層した半導体層を、ドライエッチングする際には、一般的にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）でＣｌ2ガスを用いた方法が用いられている。しかし、このようなドライエッチングでは、表面の凹凸が形成されやすい傾向にあり、特に窒化物半導体においては、その傾向が強く現れる。
【０００７】
また、レーザ素子の導波路領域として幅の狭いストライプ構造を有する場合には、特に上述した微細加工時の導波路領域への影響が増大する。すなわち、ストライプ側面の凹凸は、ストライプ幅が狭くなるにつれ、導波路領域に与える悪影響が増すことになり、結果として素子特性の悪化を招く。
【０００８】
さらに、上述した共振器端面についても、同様であり、ストライプ幅が狭くなるにつれて、その端面の平坦性が損なわれ、鏡面の共振器反射面を得ることが困難になるばかりでなく、素子端面不良による不良品の発生が多くなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためにされたものであり、半導体レーザ素子についてはさらにその信頼性を高める構造とし、半導体レーザ素子の製造方法については、共振器を構成するストライプ形状の凸部側面、及び共振器反射面となる素子端面の形成について、優れた微細加工を実現するものである。
【００１０】
すなわち、本発明の半導体レーザ素子は、以下の（１）〜（４）に示す構成とするものである。
【００１１】
（１）基板上に窒化物半導体からなる層が複数積層されて、活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで挟み込む構造を含む共振器を有すると共に、共振器端面に挟まれてストライプ形状の導波路領域を有する半導体レーザ素子であって、前記ストライプ形状の導波路領域が、前記半導体層の一部が除去されて形成されたストライプ形状の第１の凸部と、該第１の凸部端部の一方に延在した第２の凸部と、を有すると共に、共振器反射面が、前記第１の凸部端部と、第２の凸部側面のうち第１の凸部に離間した外部側面と、に設けられていることを特徴とする。このように、共振器として第１の凸部と第２の凸部とを有することで、横モードの安定した半導体レーザ素子が得られる。詳しいことは不明であるが、従来のようなストライプ形状の導波路領域と、それに加えて、それよりも幅の広い前記第２の凸部が共振器に含まれることにより、光の導波に変化がもたらされ、これが横モードの安定性に良好に作用しているものと考えられる。
【００１２】
（２）前記第１の凸部のストライプ幅が、５μｍ以下であることを特徴とする。この構成により、第１の凸部により形成されるストライプ形状の導波路領域において、良好な光の閉込めを可能にし、横モードの安定したレーザ素子が、得られる。さらに好ましくは、１μｍ以上３μｍ以下の範囲とすることで、さらに横モードの安定したレーザ素子となる。
【００１３】
（３）前記第２の凸部に設けられた共振器反射面と、第１の凸部との距離が、５μｍ以下であることを特徴とする。この構成により、第１の凸部により形成されるストライプ状の導波路領域と、第２の凸部の共振器反射面との間が、発振閾値の急激な上昇を招かない程度の距離におさめられることとなる。すなわち、第１の凸部だけでレーザ素子の導波路領域が構成される場合に比べて、上記第２の凸部を含む場合の方が発振閾値が上昇する傾向にあるが、その上昇は上記距離５μｍを超えると、素子特性に深刻な影響を及ぼすものとなる傾向にあるためである。更に好ましくは、第２の凸部の長さを、１μｍ以上３μｍ以下とすることで、共振器に第２の凸部を有することによる素子特性変化が、好適に作用する傾向にある。
【００１４】
（４）前記第１の凸部上面に接して電極が設けられていると共に、該電極が第１の凸部の端部に達しない長さであることを特徴とする。この構成により、第２の凸部に電極がかからず、第２の凸部による導波路領域における利得に変化がもたらされ、そのことがモード制御に好適に作用し、発振特性に優れるレーザ素子となる。
【００１５】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の（５）〜（１１）に示す方法である。
【００１６】
（５）基板上に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで活性層を挟む構造の半導体層が積層され、エッチングにより該半導体層の一部を除去することで形成された第１の凸部にストライプ形状の導波路領域を有するレーザ素子の製造方法であって、前記基板上に窒化物半導体からなる層を積層した後、エッチングにより前記ストライプ形状の第１の凸部と、第１の凸部の少なくとも一方の端部に第１の凸部のストライプ幅より広い第２の凸部と、を形成するエッチング工程と、エッチング工程の後、第１の凸部上で第１の凸部のストライプ方向にほぼ垂直な面で基板を分割して、共振器反射面を形成する基板分割工程と、を具備してなることを特徴とする。この製造方法により、従来問題となっていたストライプ状の凸部の形成において、第１の凸部端部に延在して第２の凸部が形成されることにより、微細な構造の第１の凸部端部の損傷を防ぎ、導波路領域が精度良く得られ、さらに基板分割工程により良好な素子端面が得られる。また、第２の凸部が端部の一方にのみ形成された場合であって、エッチングにより他方の第１の凸部端部が損傷を受けても、基板分割工程により、その損傷部を排除して、共振器反射面を形成することができる。すなわち、この製造方法によるレーザ素子は、第２の凸部にエッチングによる素子端面、基板分割工程により形成された第１の凸部端部にそれぞれ良好な反射面を有する共振器を形成されたものとなる。
【００１７】
（６）前記エッチング工程において、前記積層した半導体層の一部を除去することで露出した第１の表面上に前記第１の凸部と第２の凸部とを形成した後、該第１の表面より深くエッチングし、前記半導体層中に前記第１の凸部に離間して、電極形成面を設けることを特徴とする。この製造方法により、第１の表面上に形成した第１の凸部が、後に続く電極形成面のためのエッチングにおいても、損傷することなく、良好なストライプ形状、端部、側面を維持でき、優れた導波路領域を有するレーザ素子が得られ、また精度良く第１の凸部が微細加工されていることから、素子信頼性にも優れ、素子ばらつきの少ないレーザ素子が得られる。
【００１８】
（７）前記エッチング工程において、第１の凸部のストライプ方向にほぼ垂直で第１の凸部とは離間した外部側面を、前記第２の凸部に形成して共振器反射面とすることを特徴とする。この製造方法により、従来問題となっていた微細な構造を有する第１の凸部端部をエッチングで形成する必要がなく、第１の凸部より幅広な第２の凸部の側面（外部側面）にエッチング端面を形成することで、良好な共振器反射面が形成される。これは、従来微細なストライプ形状の凸部にエッチング端面をけいせいすると、その端面に激しい損傷が観られ、良好な共振器反射面を形成できなかったが、第２の凸部にエッチング端面を形成することで、これを回避できることにある。このことで、基板分割面に比べて生産性に優れるエッチング端面を、微細なストライプ形状の凸部を有するレーザ素子にも利用することが可能となる。
【００１９】
（８）前記エッチング工程において、ほぼ矩形状の開口部を設けることで該開口部に挟まれる第１の凸部を形成することを特徴とする。この製造方法により、エッチング工程において、複雑なマスクパターンとならずに、第１の凸部、第２の凸部が形成でき、また、両端部の第２の凸部に挟まれて第１の凸部が形成されるため、精度良く微細加工されたストライプ形状となる。
【００２０】
（９）前記エッチング工程において、第１の凸部に離間すると共に、第２の凸部に延在する第３の凸部を形成することを特徴とする。
【００２１】
（１０）前記エッチング工程において、エッチングにより前記第１の表面上に、少なくとも第１の凸部と、第１の凸部よりストライプ幅の広い第２の凸部とを、それぞれ複数有するストライプ形状の凸部を形成した後、該ストライプ形状の凸部を分断するようにエッチングして、該前記外部側面を第２の凸部に形成することを特徴とする。この製造方法により、第１の凸部形成と同時に、第２の凸部が形成されるため、それより幅の狭い第１の凸部は、特にその端部における微細構造が損傷を受けることなく形成可能で、この後、第２の凸部に共振器反射面を設けることで、生産性に優れたレーザ素子の製造方法となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（半導体レーザ素子）
本発明の半導体レーザ素子として、具体的には、図５〜７に示すように、基板１０上に、窒化物半導体からなる層が複数積層され、その積層体に活性層１６をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層と（１４，１５）で挟み込む構造を有し、共振器として図に示すようにストライプ形状の導波路領域を有している。図に観るように、基板上の共振器として、ストライプ形状の導波路領域を形成する第１の凸部１と、その第１の凸部１に延在する第２の凸部２とを有し、第１の凸部端部、第２の凸部側面（外部側面５）に共振器反射面が設けられた構造である。すなわち、基板上の共振器として、従来の半導体レーザ素子のようにストライプ形状の導波路領域を形成する第１の凸部１に加えて、共振器反射面が設けられた第２の凸部２を有するものである。この時、もう一方の共振器反射面としては、第１の凸部の端部（端面）に設けられる。
【００２３】
また、本発明において、窒化物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-y（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表され、本発明の半導体レーザ素子は、この窒化物半導体からなる層を基板上に積層したものである。好ましくは、基板上に形成される積層構造として、後述の実施例のように、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層とで、活性層を挟み込む構造を有すること、より好ましくは、活性層がＩｎを含む窒化物半導体からなる層を有することである。なぜなら、このような積層構造でもって、上述の第１の凸部及び第２の凸部を含む共振器構造のものは、後述の比較例で示すように共振器としてストライプ形状の凸部を有するだけのものに比べて、良好な発振特性が得られ、特にその第２の凸部での光反射率が向上することによる発振閾値が低下し、さらには単一モード発振での安定性が向上する傾向にある。
【００２４】
ここで、本明細書において、第１の凸部の長さとは、図２などに観るように、ストライプ形状の第１の凸部のストライプ方向（長手方向）における長さであり、第１の凸部の幅とは、そのストライプ方向に垂直な方向における長さである。また、第２の凸部についても同様に、第２の凸部の長さは、上記第１の凸部のストライプ方向の長さであり、第２の凸部の幅は、そのストライプ方向に垂直な方向の長さである。
（共振器）
本発明の半導体レーザ素子は、基板上に共振器として、上述したように積層した半導体にエッチングなどで微細加工を施して、上記第１の凸部と第２の凸部とを有するものである。この共振器構造としては、例えば図５〜７に示すように、エッチングにより半導体層の一部を除去して、残った第１の凸部、第２の凸部によるリッジ構造であってもよく、第１の凸部、第２の凸部などを形成後再成長させて埋め込むような構造であっても良い。この時、共振器として、主に第１の凸部によるストライプ形状の導波路領域でもって、光の閉込め、モード制御がなされる。
【００２５】
具体的には、以下の実施例で説明するように、本発明の半導体レーザ素子は、第１の凸部により屈折率導波型の導波路を形成し、第２の凸部に共振器反射面を、もう一方の共振器反射面が第１の凸部端部に設けられた構造となる。
（第１の凸部）
本発明の半導体レーザ素子において、第１の凸部とは、共振器として第１の凸部と第２の凸部とを有すことから、レーザ素子の共振器長より短いストライプ長さで設けられるものであり、上述したように、主に第１の凸部によりストライプ形状の導波路領域が形成される。
【００２６】
また、本発明のレーザ素子において、第１の凸部のストライプ幅としては、５μｍ未満が好ましく、１μｍ以上３μｍ以下の範囲にあることがさらに好ましい。なぜなら、上記範囲内であると、上述したような単一横モードでの安定した発振を実現する屈折率導波型のレーザ素子となるからである。また、この場合には、第１の凸部上面に、図５〜７に示すように、電極を形成するが、この時電極は、第１の凸部だけに設けられるようにすることが好ましい。なぜなら、ストライプ形状の導波路領域を形成する第１の凸部の上部にのみ、すなわち第２の凸部の上部を除いて、電極が形成されることにより、第２の凸部における利得領域に変化が生まれ、このことが第１の凸部による導波路領域での効率的な光の発振を可能にする傾向にあり、発振特性に優れるレーザ素子となる。このため、電極は、第１の凸部の端部に達しない長さ、すなわち第１の凸部の長さより短く設けられることが好ましい。また、第１の凸部において、第２の凸部が設けられていない端部であっても、この電極がそこに達しない長さであることにより、その製造において、基板分割時の衝撃による電極の剥がれ等を防止できるため、好ましい。
【００２７】
さらに、本発明のレーザ素子において、第１の凸部端部、第２の凸部の外部側面に設けられた共振器反射面の内、第１の凸部端部をレーザ光の出射側とすることが好ましい。これは、後でも述べられているように、第２の凸部において光は、第１の凸部の幅よりも広い幅で光が導波するため、レーザ光のアスペクト比などの光学特性が悪化し、またそれを制御することも構造的に困難であるため、その特性に関して素子間のばらつきも大きくなる。このため、第１の凸部端部に設けられた共振器反射面をレーザ光の出射側とすることで、第１の凸部によるストライプ状の光導波路での良好な光閉込め、モード制御を維持したまま、高効率で光を出射させることが可能となる。
（第２の凸部）
本発明の半導体レーザ素子において、第２の凸部の長さとしては、５μｍ以下が好ましい。なぜなら、第２の凸部２の長さが、５μｍを超えるとレーザ素子の発振特性が急激に低下する傾向にあるためである。これは第２の凸部２に共振器反射面が設けられることにより、導波路に変化がもたらされ、モード安定性が増す傾向にあるが、第２の凸部があることによる悪影響も生まれ、特に電流―光出力特性におけるスロープ効率の低下が観られ、特に５μｍを超えると顕著になることによるものである。更に好ましくは、１μｍ以上３μｍ以下の範囲の長さで、第２の凸部が設けられていることにより、上述した素子特性の低下を抑えつつ、共振器として第２の凸部を有することによるモードの安定性の向上が得られる傾向にある。
【００２８】
また、本発明のレーザ素子において、第２の凸部は図２〜９に示すように、第１の凸部の端部に延在するように設けられ、第１の凸部端部と第２の凸部側面（共振器反射面を有する外部側面に離間した面）とで接合されている。また、第２の凸部は、第１の凸部の両端部に設けられると、上述した導波路領域の変化が大きくなり、損失が大きくなるためかえって発振特性の低下を招き、またレーザ光出射において、第２の凸部に設けられた共振器反射面が出射面となるため、レーザ光の形状が悪化し、加えて素子のばらつきも大きくなる傾向にあり、好ましくない。
（第３の凸部）
また、本発明の半導体レーザ素子は、以上の共振器を構成する第１の凸部と第２の凸部の他に、共振器の外周を囲むように、第３の凸部が設けられていても良い。この第３の凸部は、後述する半導体レーザ素子の製造方法で説明するように、第１の凸部もしくは第２の凸部を形成する際などに、第１の凸部に離間し、第２の凸部に延在して形成され、レーザ素子の駆動において、共振器を構成する第１の凸部、第２の凸部とは異なり、共振器として機能しない。すなわち、ストライプ形状の導波路領域である第１の凸部とは離間しているため光はほとんど導波しない。加えて、本発明の半導体レーザ素子が、第１の凸部上面と第１の凸部に離間し、第１の凸部からみて第３の凸部より離れた位置の半導体層表面（電極形成面）に電極を有する構造の場合には、リーク電流を防ぎ、素子の信頼性が向上する傾向が観られ、好ましい。
（半導体レーザ素子の製造方法）
次に、本発明の半導体レーザ素子の製造方法について、以下に詳しく説明する。
【００２９】
基板上に、窒化物半導体からなる層を積層し、共振器としてこの積層した半導体層をエッチングすることで第１の凸部、第２の凸部を形成し、基板分割時に共振器反射面を形成するものである。以下、各工程ごとに順を追って説明する。
【００３０】
本発明の製造方法において、第１の凸部を形成する際に、その端部に第２の凸部が形成される。
【００３１】
まず、基板上に積層する半導体としては、実施例で示すように、上述した組成式で表される窒化物半導体を主に用いる。具体的には、その基板上に形成される積層体は、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで活性層を挟む構造を少なくとも有し、好ましくは上述したように各々、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層とで、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層を挟み込む構造を有することである。
（エッチング工程）
本発明の製造方法においてエッチング工程とは、各層を積層した後、基板上の半導体層をエッチングによる微細加工を施して、共振器を構成する第１の凸部、第２の凸部を形成する工程のことである。このエッチング工程は、上述した従来のエッチング時の問題を解決するため、ストライプ形状の導波路領域を主に形成する第１の凸部と、それに延在する第２の凸部を形成するわけであるが、その実施形態として様々な方法をとることができる。以下、その具体例を挙げて説明する。
【００３２】
具体的にはエッチング工程としては、図１の模式断面図に示すように、基板１０上に半導体層１１を積層した後、半導体層１１表面にエッチングの際にマスクとなる膜１２を形成し、さらに所望のパターンのフォトレジスト膜２０を形成して（図１（ａ）））、所望のパターンのマスク１２を形成し（図１（ｂ））、このマスク１２により開口部６に挟まれた第１の凸部１を半導体層１１に設ける（図１（ｃ））。次に、第１の凸部１上に電極を設けるための保護膜１３を表面に設け、開口部６の内部に保護膜１３が設けられるようにマスク１２を用いて不要な保護膜１３をリフトオフ法により除去し（図１（ｄ））、開口部６底面（第１の表面）に離間した位置に、電極形成面４を露出させ、第１の凸部上面、電極形成面４にそれぞれ電極４０，４１を設ける（図１（ｅ））。最後に、基板１０上に、複数の素子領域を設けるように、基板表面７が露出するまでエッチングして半導体層１１の一部を除去し（図１（ｆ））、この後続いて、各素子領域に分割し、共振器反射面を形成する基板分割工程を経るものである。
【００３３】
このエッチング工程における様々な実施形態として、図２の模式的な斜視図に示すように、まず半導体層１１に第１の凸部１を挟む開口部６をエッチングにより設けて、次に図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように、共振器構造を形成し、切断面ＡＡで基板を切断して第１の凸部１に共振器反射面を形成する。図２（ｂ）では、第１の凸部１、開口部６から離間した位置の半導体層１１を一部除去して電極形成面４を露出させ、図に観るように、第１の凸部１に延在した第２の凸部２と、その第２の凸部２間を架橋するように形成された第３の凸部３とで、第１の凸部１の周囲を囲むように、形成されている。図２（ｃ）では、第１の凸部１のストライプ幅方向において開口部６の一部を除去する他は、（ｂ）と同様にして、形成されている。図２（ｄ）では、（ｃ）に比べて一方の第２の凸部２を除去する他は、同様にして形成されている。
【００３４】
このように、図２（ａ）に観るように、まず第１の凸部１を形成した後、図２（ｂ）〜（ｄ）に観るように、第２の凸部２及び共振器反射面を含む外部側面５を形成することで、ストライプ形状の凸部の形成において従来問題となっていた端部付近の形状不良・一部欠損と、ストライプ側面の表面凹凸を効果的に抑制することができ、良好な共振器が形成できる。
【００３５】
さらに、その他の実施形態として、図３に模式的な斜視図として示すように、半導体層１１の一部をエッチングにより除去して、第１の凸部１と、その第１の凸部１よりストライプ幅の広い第２の凸部２とを有するストライプ形状の凸部を形成する（図３（ａ））。これに続いて、図３（ｂ）に示すようにそのストライプ形状の凸部に離間した位置の半導体層１１の一部を除去して電極形成面４を露出させた後、図中の斜線部２２をマスクして基板表面が露出するまでエッチングして第２の凸部２に共振器反射面を含む外部側面を形成してもよく、さらにまた、上記ストライプ形状の凸部を形成した後、図（ａ）中の斜線部２１をマスクしてエッチングにより半導体層１１の一部を除去して図（ｃ）に示すように、第２の凸部２の外部側面５と電極形成面４を形成する。これらの方法によっても、上述の方法と同様に、良好な共振器構造の形成が可能である。
【００３６】
さらに別の実施形態として、図４に示すように、エッチングにより第１の凸部１を挟む開口部６を設け、第１の凸部１のストライプ方向に、開口部６と第２の凸部２とが交互に設けられ、ストライプに垂直な方向では、第１の凸部１を挟むように開口部６と、更にその外側に第３の凸部とを設ける形態がある。この実施形態では、第２の凸部２に外部側面が形成されず、次の段階でのエッチングにより、マスク領域を図中の２２、２２´として第２の凸部に共振器反射面となる端面を設ける。
【００３７】
ここで、本明細書中で、電極形成面として記載があるものは、これを電極形成に利用することで、基板の同一面側に正・負一対の電極を設ける際に効率よく、すなわちリーク電流などなくウエハに対し密に素子チップが形成でき好ましい。
第１の凸部が形成される表面（第１の表面）よりも深くエッチングし、第１の表面より基板に近い位置に露出された表面である。この露出された表面は、第１の凸部からは離間した位置に形成され、第３の凸部を形成する場合には、第１の凸部を挟むように第１の表面（開口部）を形成し、その外側に第３の凸部を形成し、更にそれよりも外側に電極形成面を形成する。このような電極形成面は、第１の凸部上面と基板上に電極を設け、基板を挟んで電極を対向配置したものである場合において、電極を設けない表面であってもよく、すなわち電極を設けない他は電極形成面と同様な表面となる。
（第１の凸部）
本発明の製造方法において、第１の凸部はストライプ形状に形成され、少なくとも一方の端部には、第２の凸部が形成され、基板分割工程において第１の凸部端面に共振器反射面が形成される。第１の凸部は、図２（ａ）に示すように、第１の凸部１を形成するために、ほぼ矩形状の開口部６で挟み込むように形成してもよく、図３（ａ）に示すように開口部底面６´上に第１の凸部１とそれよりストライプ幅の広い第２の凸部をそれぞれ複数有するストライプ形状の凸部を形成してもよい。ここで、第１の凸部のストライプ幅が比較的狭いものであると、エッチングによるストライプ端部の破壊が発生するため、本発明の製造方法における第１の凸部の形成は、その両端部を第１の凸部のストライプ幅より広い第２の凸部で保護するように、形成することで従来の問題を回避でき好ましい。この第１の凸部の幅として、５μｍ以下となる幅であると第２の凸部を設けることにより良好なストライプ形状の第１の凸部が得られ、さらに上述した１μｍ以上３μｍ以下の範囲内にある場合に、従来では上述のストライプ形状の凸部端部に製造上深刻な影響を与えるものであり、この範囲にあるストライプ幅の第１の凸部では、エッチングでの形成時に第２の凸部が端部に形成されることにより、ストライプ形状の凸部端部が破壊されることを防ぐことができる。
【００３８】
具体的には、従来は、ストライプ形状の凸部を形成すると、図１１（ｂ），（ｃ），（ｅ）に示すようにその端部が、エッチングによりその端部が、優先的にエッチングされ、凸部３０の端部は丸みを帯び、更にその端面では半導体層１１が余分に除去されたことによる凹部３２が形成され、平坦な端面を形成することができなかった。しかし、本発明の製造方法では、第１の凸部よりストライプ幅の広い第２の凸部を形成することで、第１の凸部端部はエッチングによる損傷から守られる。また第２の凸部の側面（外部側面）は、第１の凸部を形成するよりも後に、形成することで共振器反射面となる平坦性に良好な端面を形成できる。これは、エッチング工程において、本発明の製造方法が第１の凸部形成を最初に形成することで、図１１に観るような半導体層が凹凸を呈している状態でマスクを設ける場合に比べて、エッチングマスクの精度を最大限のものとし、優れたエッチング精度を実現できることにある。
【００３９】
ここで、窒化物半導体をエッチングする方法には、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングしてできる。
（第２の凸部）
本発明の製造方法において、エッチング工程により形成される第２の凸部は、第１の凸部に延在して形成され、具体的には第１の凸部端部に第１の凸部形成時、もしくはそれ以後に形成される。この第２の凸部は、第１の凸部より幅が広く形成され、すなわち第１の凸部端部で外側に広がって第２の凸部が接合されている。この時、第１の凸部と第２の凸部との接合部は、好ましくはほぼ直角を成して接合されることがエッチングマスクの形状の関係から好ましいが、特にこれに限定される直角から少し丸みを帯びていても、
さらにまた、第２の凸部には、第１の凸部とは離間した位置に外部側面がエッチング工程により形成され、この外部側面に共振器反射面となる素子端面とする。この共振器反射面となる外部側面は、好ましくは第１の凸部を形成した後、エッチングにより形成することが好ましい。なぜなら、第１の凸部とは異なる段階で形成することにより、同時に形成する場合に比べて、複雑な形状の微細加工とならないため、上述した微細構造を形成する際の精度低下を防ぎ、幅広な第２の凸部にエッチングによる外部側面を形成することで、平坦なエッチング端面が得られ、これを共振器反射面とすることができる。
【００４０】
ここで、外部側面を形成した後の第２の凸部の大きさとしては、上記第１の凸部が幅５μｍ以下であるとエッチングによる微細加工時の損傷が大きくなることから、第２の凸部の幅として好ましくは５μｍ以上とすることで、共振器反射面となる外部側面がエッチングによる損傷の発生を低く抑え、より好ましくは１０μｍ以上とすることで、平坦性の良好な外部側面が得られる。この場合むしろ第２の凸部だけを考慮することよりも、エッチング時のマスクパターンの精度を考えると、第１の凸部と第２の凸部とのストライプ幅の差を考慮することが重要であり、この差が大きくなると製造において、マスクパターンの形成が容易であり、歩留まりが向上する。例えば、図２に示すような開口部６を形成するような場合には、上記ストライプ幅の差は、開口部６の幅に当たるため、この差が大きいことは開口部の幅を広くとることができ、そのことはマスクパターンを精度良く形成することを可能とし、歩留まりよくエッチング工程を経ることができる。第１の凸部と第２の凸部とのストライプ幅の差としては、具体的には、少なくとも２μｍ以上とする事で、エッチング工程において第１の凸部と第２の凸部との接合部、外部側面の形成を歩留まりよく製造でき、素子ばらつきを抑え、より好ましくは１０μｍ以上とすることで、上記接合部、外部側面を精度良く形成し、丸み、表面凹凸などの発生をを低く抑えた第１の凸部、第２の凸部が形成できる。更に好ましくは、５０μｍ以上とすることで、第２の凸部の外部側面、特に共振器反射面として機能する領域でる第１の凸部との接合部に対向する位置において、平坦性に優れるエッチング端面が形成される。
（第３の凸部）
本発明の製造方法において、エッチング工程により形成される第３の凸部は、第２の凸部に延在して形成され、具体的には、第１の凸部を挟む開口部を設けることで、その開口部を囲む第２の凸部及び第３の凸部を形成する。具体的には、図２に示すように、第１の凸部１と開口部６とを設けた後（図２（ａ））、それを覆う大きさでマスクし、エッチングにより非マスク領域を除去することで、図２（ｄ）に示すように第１の凸部に離間する第３の凸部を形成する。この時、マスク幅（第１の凸部におけるストライプ方向に垂直な方向の幅）をそれよりも狭くすることで、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、第３の凸部を形成しない形態をとることもできる。
（第１の表面）
本発明において、第１の表面には、共振器を構成する第１の凸部が設けられ、また開口部を形成する場合には、その開口部底面となる。ここで、ほぼ矩形状の開口部とは、ほぼ正方形であっても良い。
（基板分割）
本発明の製造方法において、第１の凸部、第２の凸部を形成するエッチング工程の後に、基板を分割する基板分割工程を具備する。この基板分割工程は、具体的には、図２（ｂ）〜（ｄ）の分割位置ＡＡで分割するものであり、このとき、図からわかるように、第１の凸部１の端部に設けられた第２の凸部２の外部側面５から共振器長だけ離れた位置でもって、分割するものである。このことにより、分割位置ＡＡで第１の凸部に分割面が形成され、それを共振器反射面とし、もう一方の共振器反射面は外部側面５とし、共振器として第１の凸部１と第２の凸部２とを有するレーザ素子が得られる。
【００４１】
上記基板分割工程には、他の形態があり、例えば図９に示すように、エッチング工程で形成した第１の凸部１のほぼ中央部を基板分割位置ＡＡとすることで、形成される分割面の図９のように分割工程により、基板上に配置されたブロック状の素子領域において、それぞれ２つのレーザ素子、及びその分割面が形成される。この形態では、１つの素子領域を通る分割で、レーザ素子のそれぞれの第１の凸部端部に分割面を形成でき、効率よく共振面が形成される反面、分割時の衝撃に弱く、分割面の表面凹凸が多く観られる傾向にある。
【００４２】
本発明の基板分割工程において、特に限定されるものでなく従来知られている方法により分割でき、具体的にはスクライバー、ダイサーなどの手段を用いて分割してもよく、またこれらの手段だけで分割が困難な場合には、ブレーキングなど機械的に外力を加えて分割するなどの手段を用いてもよく、またこれらを組み合わせて、基板の性質などにより適宜選択すると良い。この時、分割を助けるために、予め基板を研磨などの手段により薄くしてもよく、その他に溝を形成して、実質上基板を薄くするのと同様な効果が得られるようにしても良い。これらの方法は、基板材料、厚み、等により適宜選択、若しくは組み合わせて、基板を分割する。
【００４３】
従来、サファイア基板などの劈開困難な基板を、窒化物半導体の基板として用いた場合には、比較例１における基板分割を説明する図１２に示すように、基板１１上の半導体層１１にその劈開性の影響を受けることとなり、表面に激しい凹凸を呈した分割面３３が形成される。これは、窒化物半導体を有する半導体層の劈開面（ほぼＧａＮの劈開面に一致する）を基準にして基板分割を実施すると、その劈開面でサファイア基板を劈開することが困難であるため、基板１０に近い側から半導体層１１のある程度の膜厚に至るまで、半導体層の劈開面を取り出すことができない。このように、基板１０の裏面（半導体層１１が設けられた主面に対向する面）から上記手段で基板を分割すると、基板１０に近い側から、最初は半導体層１１の劈開面によらず割れ続けることで凹凸のある表面３３、ある程度の膜厚のところまで割れることで初めて劈開面でもって分割されるという、過程でもって基板分割がなされる。このため、窒化物半導体と異なる材料よりなり、窒化物半導体を有する半導体層の劈開性に良好に一致しない異種基板、すなわち劈開困難な異種基板を用いた場合には、このような精度の低い基板分割工程となる。
【００４４】
【実施例】
［実施例１］
図１０は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図でありストライプ形状の凸部に垂直な面で切断した際の積層構造を示すものである。
以下、この図を基に実施例１について説明する。
【００４５】
基板１０１として、（０００１）Ｃ面を主面とするサファイア基板を用いた。
この時、オリフラ面はＡ面であった。窒化物半導体を成長させる基板としては、サファイア（主面がＣ面、Ｒ面、Ａ面）の他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＧａＡｓ、ＳｉＣ（６Ｈ，４Ｈ，３Ｃを含む）等、窒化物半導体を成長させるために従来知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板を用いることができる。また、ＧａＮなどの窒化物半導体からなる基板上に直接積層しても良い。
【００４６】
初めに、サファイアよりなる基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を２００Å（オングストローム）の膜厚で成長させる。
【００４７】
下地層１０２：バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる下地層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において基板として作用する。このように、異種基板上に、窒化物半導体の素子構造を形成する場合には、低温成長バッファ層、窒化物半導体の基板となる下地層を形成すると良い。
【００４８】
次に素子構造として、以下の層を順に積層する。
【００４９】
ｎ側コンタクト層１０３：膜厚４μｍ、Ｓｉを３×１０18／cm3ドープしたＧａＮ
クラック防止層１０４：膜厚０．１５μｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ（省略してもよい）
ｎ側クラッド層１０５：総膜厚１．２μｍの超格子構造 厚２５ÅのアンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎと、膜厚２５Å、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＧａＮと、を交互に積層する。
【００５０】
ｎ側光ガイド層１０６：膜厚０．２μｍのアンドープＧａＮ
活性層１０７：総膜厚３８０Åの多重量子井戸構造 膜厚１００ÅのＳｉドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層(B)と、膜厚４０ÅのアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層(W)とを、(B)-(W)-(B)-(W)-(B)の順に積層する。
【００５１】
ｐ側キャップ層１０８：膜厚３００Å、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ
ｐ側光ガイド層１０９：膜厚０．１μｍ、Ｍｇを１×１０18／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ
ｐ側クラッド層１１０：総膜厚０．６μｍの超格子構造 膜厚２５ÅのアンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎと、膜厚２５ÅでＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮと、を交互に積層する。
【００５２】
ｐ側コンタクト層１１１：膜厚１５０Å、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ
以上、素子構造を形成した後、ウエハをＭＯＶＰＥ装置から取り出し、エッチング工程として積層した半導体層に第１の凸部、第２の凸部を形成する。このエッチング工程では、図１に示すように、ウエハをＰＶＤ装置にセットしてＳｉＯ2よりなるマスク１２を半導体層１１表面に形成し、さらにフォトリソグラフィーによりマスク１２を所定のパターン状に形成して（図１（ａ），（ｂ））、エッチングにより、ストライプ形状の第１の凸部１を挟む開口部６を設ける（図１（ｃ））。この時、第１の凸部１のストライプ幅は、１．８μｍとする。
【００５３】
続いて、ウエハをＰＶＤ装置に移し、図１（ｄ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主にＺｒＯ2）よりなる絶縁膜１３をほぼウエハ全面に形成し、ウエハをフッ酸に浸漬し、マスク１２を除去するリフトオフ法により、開口部６内面に絶縁膜１３を形成する。この絶縁膜１３は、第１の凸部１上面に電極を形成する際に、ｐ−ｎ間を絶縁するためであり、加えて第１の凸部１により形成されるストライプ状の導波路領域で良好な横モードの安定を実現することができる。図１（ｆ）に示すように、開口部６内面に絶縁膜１３を形成した後、第１の凸部１に離間した位置で、開口部６底面より深くエッチングして半導体層中のｎ側コンタクト層を露出させる。この時、図２（ｂ），８（ａ）に示すように、第１の凸部１の両端部に第２の凸部２、およびこの第２の凸部２間に第３の凸部３を形成するように、エッチングし、第２の凸部２の長さ、第３の凸部３の幅をそれぞれ５μｍとし、開口部の幅（第１の凸部のストライプ幅方向）をそれぞれ５０μｍとした。また、このｎ側コンタクト層の表面４を露出させることにより、図２（ｂ），８（ａ）に示すように、第２の凸部２に外部側面５も、第１の凸部１に離間し、そのストライプ方向にほぼ垂直となるように、形成する。この表面４（電極形成面）にｎ電極４１を形成し、絶縁膜１３を介して第１の凸部１上面にｐ電極４０を形成する（図１（ｅ））。この時、ｐ電極の大きさは、幅１００μｍで、長さが第１の凸部よりも数μｍ〜十数μｍ短く、且つ第１の凸部端部にかからないように形成する。これは、後に続く基板分割工程において、分割位置にかからない長さで第１の凸部上の電極を形成することで、分割時の衝撃から電極を守り、電極を欠けや剥がれ等防止でき、歩留まりよく製造することができるためであり、上述した電極の長さに限定されずに、これを考慮して電極を第１の凸部より短く形成することが好ましい。
【００５４】
以上、エッチング工程の後次に、ウエハのほぼ全面に、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜１１３を形成し、更にその多層膜１１３にｐ電極、ｎ電極表面の一部を露出するための開口部を設け、それら電極に電気的に接続する取り出し電極１１１，１１２を、図１０に示すように形成する。このことにより、共振器反射面とするエッチング端面側（第２の凸部の外部側面）にミラーが形成され、加えて各取り出し電極は共振器長より短い長さで形成し、後に続く基板分割工程における分割位置に達しない長さとする事で、分割時の衝撃により各取り出し電極の欠け・剥がれ等を回避でき好ましい。第１の凸部上部の電極に電気的に接続する取り出し電極１１２は、図１０に示すように、第１の凸部に隣接する開口部の上部にまで連続して形成することで、確実なワイヤボンディングができ好ましい。
【００５５】
最後に、基板１０が露出する深さでエッチングする事により、半導体層１１をブロック状に分離して、各ブロックから１個のレーザ素子を得るように配置する（図１（ｆ），図８（ｂ））。以上、エッチング工程を経た後に、ウエハを分割する基板分割工程に移るが、それよりも前に基板分割を確実なものとするため、基板を研磨などの方法により薄くしても良い。ここでは、サファイア基板を厚さ約７０μｍとなるまで、研磨した。このように、基板分割工程より前に、基板を薄くすることで劈開困難な基板を用いた場合であっても、基板分割の精度を高め、良好な基板分割を可能とする。
【００５６】
次に基板分割工程として、以下に示す方法でウエハを分割し、レーザ素子を得る。図２（ｂ），８（ｂ）に示すように、ブロック状の半導体層を図中のＡＡ分割面でもって分割する。詳しくは、分割面ＡＡとなるように基板１０裏面（半導体層が形成されていない主面）に、スクライバーで溝を設け、ブレーキングして、面ＡＡで分割する。このことにより、第１の凸部１の端部に、切断面が設けられこれを共振器反射面とする。このとき、共振器長、つまり第１の凸部の端部から第２の凸部の外部側面までの長さ、は、３００〜５００μｍとすることが好ましく、また第１の凸部上の電極４０は分割位置ＡＡよりも短く形成する。また、面ＡＡはサファイア基板のオリフラ面（サファイアＡ面）にほぼ一致し、半導体層中の窒化ガリウムの劈開面であるＭ面にもほぼ一致し、分割面の中にこの窒化ガリウムＭ面が半導体層の素子構造に取り出されることで、良好な共振器反射面となる。図８（ｃ）に示すようにバー状に分割された基板に、更に、分割面ＢＢ、ＣＣで基板を分割し、レーザ素子を得る。
【００５７】
得られるレーザ素子にヒートシンクを取り付け、室温でレーザ発振を試みたところ、閾値電流密度２．５ｋＡ／cm2、閾値電圧５Ｖで、波長４０５ｎｍで連続発振が確認され、室温で１万時間以上の寿命を示すものである。
【００５８】
［実施例２］
エッチング工程において、第１の凸部１を挟む開口部６を形成した後（図２（ａ））、第１の凸部１のストライプ幅方向において、第３の凸部を形成しない幅でマスクを設け、エッチングすることで、図２（ｃ）に示すように、第１の表面６上に第１の凸部と、その両端部に第２の凸部を形成する。これを除いてその他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る（図７）。第３の凸部を有していないため、実施例１に比べて、開口部に形成する絶縁膜、それを介して形成される電極などの形成において、リーク電流の発生などの危険性が高まり、製造歩留まりはわずかに下がる傾向にあるが、得られるレーザ素子の特性はほぼ同等のものであり、良好な特性のレーザ素子である。
【００５９】
［実施例３］
エッチング工程において、開口部６を形成した後、図２（ｄ）に示すように第１の表面６上に、第１の凸部１とその端部の一方にのみ第２の端部を形成する他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。この時、基板分割工程において、素子端面の形成には、図中の分割位置ＡＡは、実施例１、２に比べて、第１の凸部１端部から離れた位置となる。これは、第２の凸部２が形成されていない端部では、エッチングによる損傷を回避するために、第１の凸部１の長さを、実施例１、２に比べて長くして、第２の凸部２が設けられていない側の第１の凸部１端部から離れた位置で分割する。得られるレーザ素子の特性は、実施例１、２に比べて、悪化する傾向にあるものの、従来のレーザ素子に比べて、良好な特性のレーザ素子である。
【００６０】
［実施例４］
エッチング工程において、得られるレーザ素子の第１の凸部のストライプ長さに対して２倍の長さで第１の凸部１を形成し、図９に示すように、ｎ側コンタクト層を露出させた表面４上に、第１の凸部１、第２の凸部２、第３の凸部３が設けられたブロック状の領域を複数設けられ、更に基板分割工程において、図９（ｂ）に示すように、第１の凸部１のほぼストライプ長さが半分となる位置を、基板分割位置ＡＡとして、基板を分割する。これ以外の作製条件については実施例１と同様であり、図５に模式的に示すようなレーザ素子が得られる。
【００６１】
得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、分割位置ＡＡにおいて形成され、互いに対向する分割面は、異なるレーザ素子の共振器反射面となることから、ウエハ当たりのチップ数が多くなる。しかし、実施例１と異なり、基板分割時の衝撃が、互いに分割面で合わさったブロック状の素子領域のそれぞれにかかることから、衝撃に対して弱い形状となり、また良好な分割面が得られなかった際に、ブロック状の素子領域から得られるレーザ素子チップが不良品となり、結果として、実施例１に比べてウエハ当たりの良品率が低下する傾向にある。また、分割面の良好なレーザ素子の特性については、実施例１とほぼ同等な発振特性を示す。
【００６２】
［実施例５］
エッチング工程において、図３（ａ）に示すように、第１の表面６´上にストライプ状の凸部をエッチングにより形成し、この凸部が、第１の凸部１と、それよりストライプ幅の広い第２の凸部２とが少なくとも含まれ、第２の凸部２に挟まれる第１の凸部１を複数形成有するものとする。続いて、図中のハッチング領域２１に示すように、第１の凸部１とそれを挟む第２の凸部２の一部とで構成される領域２１を、マスクして非マスク領域をエッチングして、図３（ｃ）に示すように、ｎ側コンタクト層表面４を露出させ、第２の凸部２に外部側面５を形成する。その他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。この時、第１の凸部１のストライプ幅方向における第２の凸部２の長さは、第１の凸部１の幅（１．８μｍ）より長く、表面４露出時の第１の表面６´の幅２００μｍよりも短く形成されるものであり、ここでは、１５０μｍとする。
【００６３】
得られるレーザ素子は、第２の凸部が、第１の凸部の両端部に十分な幅、長さでもって形成されることから、良好なストライプ状の凸部（第１の凸部）の形成が可能であり、実施例１、２と同程度の特性を有する。
【００６４】
［実施例６］
エッチング工程において、図３（ａ）に示すように、エッチングにより第１の凸部１と第２の凸部２とを複数有する凸部を第１の表面６´上に形成した後、その凸部よりも広い幅で、第1の凸部1のストライプ方向にほぼ平行なストライプ形状のマスクを形成し、この非マスク領域にある半導体層１１の一部をエッチングにより除去することで、ｎ側コンタクト層の表面４を露出させ、実施例１と同様に、第１の表面６´と上記凸部側面絶縁膜を形成する（図示せず）。この時、第1の凸部１のストライプ幅は２μｍとし、第2の凸部のストライプ幅は、１５０μｍとし、ｎ側コンタクト層表面４上に形成される第1の表面のストライプ幅（第1の凸部１のストライプ方向に垂直な方向における長さ）は２００μｍとして、実施例５と同様に、実施例１〜４と異なり第2の凸部２より広い第1の表面４を形成する。
【００６５】
続いて、その絶縁膜を介してｐ電極を第１の凸部１上面に接して形成し、ハッチング領域２２内の表面４上にｎ電極を形成する。この時、ｐ電極は実施例１と同様に、第１の凸部１の両端部に設けられた第２の凸部２に達しない長さで形成し、ｎ電極も実施例１と同様に、第１の凸部１のストライプ方向に平行に形成する。次に、図中のハッチング領域２２をマスクして、基板１０表面が露出する深さでエッチングして、非マスク領域の半導体層を除去する。
【００６６】
以上のエッチング工程の後、実施例１と同様にして、レーザ素子チップを得る。得られるレーザ素子は、実施例５と同様に、良好なレーザ素子の製造が可能で、実施例１と同様に、優れた特性のレーザ素子となる。
【００６７】
［実施例７］
エッチング工程において、実施例１と同様に、開口部をエッチングにより形成した後、図４に示すように、第１の凸部１をほぼ中央として、設けられた開口部を覆う幅でストライプ形状のマスクを形成し、非マスク領域をｎ側コンタクト層が露出する深さでエッチングして、半導体層の一部を除去し、図４に示すような形状の半導体層を得る。この時、ストライプ形状のマスクは、開口部の幅が８０μｍ、第３の凸部の幅が５μｍ、となるストライプ幅で設ける。続くエッチング工程として、図中のハッチング領域２２´にマスクを設け、非マスク領域を基板１０が露出する深さでエッチングして、図８（ｂ）に示すような基板１０表面にブロック状の半導体層領域を配置し、第１の凸部１の両端部に設けられた第２の凸部２に共振器反射面となる外部側面を形成する。最後に、露出させたｎ側コンタクト層とｐ側コンタクト層表面にそれぞれｎ，ｐ電極を設け、基板分割工程として、図中の切断位置ＡＡでウエハを切断して、第１の凸部１の一方の端部に共振器反射面を形成して、レーザ素子を得る。
【００６８】
得られるレーザ素子は、実施例１と同様に、優れた特性を有するレーザ素子であり、またその製造においても、同様に、精度良く良好な共振面、ストライプ側面を有するレーザ素子が、得られる。
【００６９】
［実施例８］
基板１０表面を露出する際のマスクを、図４中のハッチング領域２２とする他は、実施例７と同様にしてレーザ素子を得る。この時、第１の凸部１の両端部に設けられた第２の凸部２の内、一方を図に観るように、次に隣接する第１の凸部１に達する長さで、エッチングマスクを形成している。得られるレーザ素子は、実施例７に比べて、第１の凸部間が、離れていることから、基板分割時の衝撃により強く、分割による共振面の凹凸が少なくなる傾向にあり、比較的良好な共振面が形成される。
【００７０】
［実施例９］
第１の凸部の幅を２．５μｍとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。
【００７１】
得られるレーザ素子は、実施例１とほぼ同等に良好なレーザ素子が得られ、横モードの制御も実施例１に比べ僅かに劣る傾向にあるものの良好なものである。更に、第１の凸部の幅を３μｍ、５μｍと広くしたところ、横モードの制御性が明らかに悪化する傾向にあり、レーザ光のスポット形状の良好なレーザ素子が得られにくい傾向にある。
【００７２】
［実施例１０］
第２の凸部の幅を２μｍとする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製する。得られるレーザ素子は、実施例１とほぼ同程度の素子特性を示し、更に凸部の幅を２．５μｍ、３μｍと大きくすると、横モードの制御に劣る傾向にあり、得られるレーザ光のファー・フィールド・パターンが悪化する。さらに３μｍより大きくすると、良好なレーザ光を得ることが困難となる。
【００７３】
［実施例１１］
エッチング工程において、開口部を、その底面がｎ側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングする他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、図６に示すように、第１の凸部に、活性層１６が含まれ、実施例１に比べて良好な横モードの閉込めを実現するものである。
【００７４】
［比較例１］
実施例１と同様にして、基板上に各層を積層した後、エッチング工程として、以下のようにして、導波路領域を形成するストライプ形状の凸部を形成する。
【００７５】
ウエハをＰＶＤ装置に移した後、ＳｉＯ2からなるマスクをフォトリソグラフィー技術によりｎ側コンタクト層が露出する深さでエッチングした。この時、図１１（ａ）に示すように、露出されたｎ側コンタクト層表面に、幅約５０μｍのストライプ形状の凸部が形成され、該凸部に導波路領域となるストライプを形成する。まず、図１１（ａ）に示すように、ウエハのほぼ全面にＳｉＯ2よりなるマスク１２を設け、さらにマスク１２上、にフォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト膜２０をストライプ形状のパターンで、前記凸部上に設ける。続いて、ＳｉＣｌ4ガスを用いてＲＩＥにより、フォトレジスト膜２０の設けられていない領域のマスク１２を除去し、前記凸部上に幅約２μｍのストライプ形状のマスク１２を形成し、非マスク領域をエッチングして、ｐ側クラッド層表面を露出させ、図１１（ｂ）に示すように、その表面上にストライプ形状の凸部（リッジストライプ）を形成する。この時、エッチング深さは、ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置である。
【００７６】
得られたリッジストライプ３０を観察したところ、その両端部においてエッチングによる損傷がみられ、図１１（ｂ）に模式的に示すように、角が取れ、丸みを帯びた形状を有していた。また、図１１（ｃ），（ｅ）に示すように、その端面においては、活性層からストライプ形状の凸部３０に至る領域（図中のハッチング領域３２）において、大きく損傷を受ける傾向にあり、図中の白抜き矢印方向への浸食が発生しているものと思われる。このような端面を共振器反射面に用いた場合には、レーザ発振が困難なものとなる。更にまた、図１１（ｄ）に示すように、凸部３０の側面に、凹凸を呈するものもみられた。
【００７７】
リッジストライプ３０を形成後、さらにＰＶＤ装置にウエハを搬送してＳｉＯ2のマスク１２の上から形成したリッジストライプの露出した表面にかけて、Ｚｒ（主としてＺｒＯ2）よりなる保護膜を０．５μｍ厚さで形成し、ウエハをフッ酸に浸漬し、ＳｉＯ2のマスクをリフトオフ法により除去する。続いて、実施例１と同様に露出したｐ側コンタクト層、ｎ側コンタクト層表面にそれぞれｐ，ｎ電極を形成し、図１１（ｂ）に示す切断位置ＣＣでウエハを分割して、リッジストライプ３０に共振器反射面となる端面を形成した。
【００７８】
得られたレーザ素子の中には、上述したリッジストライプの共振器反射面であるエッチング端面が、図１１に示すような損傷を有するものがあり、その素子特性は、実施例１に比べると横モードの制御性に劣り、閾値電流も上昇する傾向にあった。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、ストライプ状の導波路領域として、ストライプ状の凸部を設けるようなレーザ素子構造であっても、従来のレーザ素子に比べて、モードの制御性に優れ、またレーザ光の光学特性にも優れたレーザ素子が得られる。さらに、その製造においては、従来問題となっていた凸部側面及び端部の損傷を改善でき、導波路として良好に機能する導波路領域を、精度良く製造することができる。
【００８０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法を説明する模式断面図。
【図２】本発明のレーザ素子を説明する模式図。
【図３】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図４】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図５】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図６】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図７】本発明の一実施形態を説明する模式図。
【図８】本発明の製造方法を説明する模式図。
【図９】本発明の製造方法を説明する模式図。
【図１０】本発明の一実施形態の素子構造を説明する断面図。
【図１１】従来のレーザ素子を説明する模式図。
【図１２】従来のレーザ素子を説明する模式図。
【符号の説明】
１ ・・・・第１の凸部
２ ・・・・第２の凸部
３ ・・・・第３の凸部
４ ・・・・電極形成面
５ ・・・・共振器端面
６ ・・・・開口部底面・第１の表面
７ ・・・・基板表面
８ ・・・・分割面（共振器端面）
１０・・・・基板
１１・・・・半導体層
１２・・・・マスク
１３・・・・絶縁膜
１４，１５・・・・クラッド層
１６・・・・活性層
２０・・・・フォトレジスト膜
２１・・・・マスク領域
２２・・・・マスク領域
４０・・・・ｐ電極
４１・・・・ｎ電極
Claims (13)
- 基板上に窒化物半導体からなる層が複数積層されて、活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで挟み込む構造を有すると共に、ストライプ形状の導波路領域を有する半導体レーザ素子であって、
前記ストライプ形状の導波路領域が、ストライプ形状の第１の凸部と、該第１の凸部の一方の端部に設けられた第１の凸部よりも幅広な第２の凸部と、を有すると共に、共振器反射面が、前記第１の凸部の他方の端部と、第２の凸部側面のうち第１の凸部に離間した外部側面と、に設けられ、前記第１の凸部の他方の端部をレーザの出射側とすることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記第２の凸部の幅方向の端部から延在し、共振器の外周を囲むように形成される第３の凸部を有する請求項１記載の半導体レーザ素子。
- 前記第１の凸部のストライプ幅が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ素子。
- 前記第２の凸部に設けられた共振器反射面と、第１の凸部との距離が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３記載の半導体レーザ素子。
- 前記第１の凸部上面に接して電極が設けられていると共に、該電極が第１の凸部の端部に達しない長さであることを特徴とする請求項１乃至４記載の半導体レーザ素子。
- 前記第３の凸部は、前記第１の凸部を挟む開口部を挟むように形成されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
- 基板上に、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とで活性層を挟む構造の半導体層が積層され、エッチングにより該半導体層の一部を除去することで形成された第１の凸部にストライプ形状の導波路領域を有するレーザ素子の製造方法であって、
前記基板上に窒化物半導体からなる層を積層した後、エッチングにより前記ストライプ形状の第１の凸部と、第１の凸部の少なくとも一方の端部に第１の凸部よりも幅広な第２の凸部を形成するエッチング工程と、エッチング工程の後、第１の凸部上で第１の凸部のストライプ方向にほぼ垂直な面で基板を分割して、出射側の共振器反射面を形成する基板分割工程と、を具備してなることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記エッチング工程において、前記積層した半導体層の一部を除去することで露出した第１の表面上に前記第１の凸部と第２の凸部とを形成した後、該第１の表面より深くエッチングし、前記半導体層中に前記第１の凸部に離間して、電極形成面を設けることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記エッチング工程において、第１の凸部のストライプ方向にほぼ垂直で第１の凸部とは離間した外部側面を、前記第２の凸部に形成して共振器反射面とすることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記エッチング工程において、ほぼ矩形状の開口部を設けることで該開口部に挟まれる第１の凸部を形成することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記第２の凸部の幅方向の端部に延在し、前記開口部を挟むように第３の凸部を形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記エッチング工程において、エッチングにより前記第１の表面上に、少なくとも第１の凸部と、第１の凸部よりストライプ幅の広い第２の凸部とを、それぞれ複数有するストライプ形状の凸部を形成した後、前記第２の凸部を分断するようにエッチングして、前記外部側面を第２の凸部に形成することを特徴とする請求項８乃至１１記載のいずれか１項に半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記第３の凸部は、共振器の外周を囲むように形成することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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