JP4626143B2 - 半導体レーザ素子の製造方法及び半導体レーザ素子 - Google Patents
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また、前記第1の主面またはn型半導体層上にはn電極が形成されており、前記マスク部材は、前記n電極の少なくとも一部を被覆するように形成されている。
また、前記バー状レーザの端面に端面保護膜を形成後、前記マスク部材を除去する工程を有する。
また、前記表面保護膜は、絶縁性である。
また、前記表面保護膜は、前記端面保護膜と同一材料からなる。
また、前記表面保護膜は、前記バー状レーザの第1の主面のうち、導波路領域と略垂直な方向の端部近傍に形成される。
また、前記表面保護膜は、ストライプ状に形成される。
また、前記マスク部材は、亜鉛の酸化物からなる。
また、前記マスク部材は、レジストからなる。
また、前記マスク部材は、窒化アルミニウムを含有する。
また、前記マスク部材は、粘着シートからなる。
また、前記基板は、曲率半径0.15〜30mである。
また、前記基板は、前記第1の主面を凸側とする反りを有する。
また、前記基板は、前記第1の主面を凹側とする反りを有する。
また、前記端面は、劈開により形成される。
また、前記の製造方法によって得られる半導体レーザ素子であることを特徴とする。
基板は、窒化物半導体層が成長可能な基板であれば、導電性でもよく、又は絶縁性でもよい。具体的には、導電性基板としては、GaNやAlGaN、AlInGaNなどの窒化物半導体系基板が好ましく、絶縁性基板としてはサファイアが好ましい。また、窒化物半導体基板は、C面を主面とするものの他、同一面内において転位密度が異なる領域(低転位密度領域と高転位密度領域)が、例えば格子状や線状等に周期配列されたような基板を用いることもできる。基板が導電性の場合裏面側(第1の主面)側にn電極を設けることができ、そのn電極を接合部材として兼用できるように、マスク部材及び表面膜を形成させる。また、周期的に高転位密度と低転位密度が配列されている基板は、その導電性についても転位に応じて周期的に変化している領域を有しているため、裏面に電極を設ける際は、それらを考慮してリークを避けるように形成させるのが好ましい。特に、高転位密度領域は、その欠陥に起因するリークが生じ易い場合があるので、それらを避けるようにn電極を設けるのが好ましい。このような特殊な性質を有する導電性基板を含め、導電性基板を用いる場合は、導通を確保するに充分な領域で接合させることが必要である。また、サファイアなどの絶縁性基板を用いる場合は、同一面側にp電極とn電極を設けることになる。その場合、サファイア基板を支持体に接合させる場合は、接合部材の導電性は特に問われない。このように、用いる基板の性質によって、支持体と接合させるのを基板裏面側とするか、若しくは素子上面側とするかを選択することができる。また、基板の特性によってp電極及びn電極の形成領域等も適宜変更可能であるため、その各々の形態に応じて、表面膜の形成領域等を選択することができる。
表面膜は、半導体レーザ素子が安定して接合されるのに十分な領域を確保できる大きさとなるように調整することができ、好ましくは、素子の中央領域以外の領域に形成させるようにする。このようにすることで素子の中央領域と支持体とを接合させることができるので、多少のウエハ(バー)の反りに対して、表面膜が緩衝作用を奏し、適度に自由度を有する接合形態とすることができる。
図3に、p電極上に表面膜を有する半導体レーザ素子を示す。表面膜Bは、p電極側を支持体と接合させる、いわゆるジャンクションダウン実装の場合、基板側に設ける表面膜Aと同様に、半導体レーザ素子が安定して接合されるのに十分な領域を確保できる大きさとなるように調整し、好ましくは、素子の中央領域以外の領域に形成させるようにする。特に、p型半導体層側に突出するリッジを有する場合、そのリッジ上部以外の領域に形成させるのが好ましい。通電時に電流が集中するリッジ近傍は、発熱し易い領域であるため、支持体を金属材料の接合部材を介して素早く熱を放散させるのが好ましい。
基板裏面に設けられる表面膜A及びp電極表面に設けられる表面膜Bは、端面膜と同一工程で形成させることもできるし、或いは別工程で形成させることもできる。同一工程で形成させる場合は、バー状にした後に、端面膜形成する際に、その端面膜成分が回り込むように条件を調整することで容易に得ることができる。ここで、前述のような溝内に設置して行う場合と大きく異なるのは、その位置精度の高さである。規定の形状に形成されたスペーサや溝を用いる場合、ウエハの反り等によって成膜時の条件がバーの位置によって大きく変化するのに対し、素子自体に成膜したマスクによって成膜領域を制御する本願の方法は、バーの位置によらず、均一な表面膜A、表面膜Bを形成させることができる。そして、そのように表面膜が位置精度よく形成されるので、回り込み成分を考慮して端面膜の膜厚や材料、更には成膜条件を設定する必要がないので、反射率、屈折率等、所望の端面膜の特性に最適な条件を選択することができる。
表面膜を形成させるために用いるマスク部材は、最終的に除去することを前提としているため、除去時に表面膜、更には端面保等他の機能膜及び半導体層の特性を阻害しないような材料を選択するのが好ましい。特に好ましい材料としては、レジスト、主としてZnOからなる亜鉛の酸化物、窒化アルミニウム、粘着シート等をあげることができる。レジストは、その材料に応じた剥離液を用いることで、他のデバイス工程同様に、素子に損失を与えることなくマスク部材を除去することができる。また、主としてZnOからなる亜鉛酸化物は、弱酸である酢酸に溶解し易いという性質を有しているため、同じ酸化物でも溶解度の小さいSiO2などを溶解することなく、除去することが可能である。窒化アルミニウムは、スパッタ或いは蒸着等で形成した場合は、アルカリ溶液等に対して比較的溶解度が高いため、除去することが可能である。粘着シートは、煩雑な工程を経ることなく、広範囲に形成させることが可能である。ただし、シート状であるため、複雑な凹凸を有する面には適していない。
p型半導体層表面にリッジを形成させることで電流狭窄領域を形成させる場合、リッジを形成した後にメサ部を形成させることもできるが、メサ部を形成した後にリッジを形成させるのが好ましい。その場合、エッチングで共振器端面を形成させる場合は、リッジ形成前にメサ部以外をレジスト等で埋めておき、リッジ形成用のマスクに段差がないようにすることで、均一な幅のリッジを形成させることができる。或いは、リッジ形成用のマスクをウエハ全面(メサ部及びメサ部以外)に形成し、その後、メサ部以外のリッジ形成用マスクの上にレジスト等を形成してメサ部との段差をなくし、その上にリッジ形成用のマスクのパターニング用のレジスト等を形成させる。このように、レジスト等を用いてメサ部の高低差を緩和することで、リッジ形成用マスクの端部の幅が細くなるなど不均一になるのを抑制することができる。リッジ形成用マスクの幅制御性が向上することで、均一なリッジ幅を有し、COD等が発生しにくく信頼性に優れた半導体レーザ素子とすることができる。
基板は、C面を主面とするサファイア基板を用いる。基板としては特にこれに限定されるものではなく、必要に応じてR面、A面を主面とするサファイア基板、SiC基板、Si基板、スピネル基板、GaN基板等種々の基板を用いることができる。
温度1050℃でアンドープのGaN層を2.5μmで成長させ、SiO2よりなる保護膜を0.27μmの膜厚で形成する。このSiO2保護膜は、エッチングによりストライプ状の開口部(非マスク領域)を形成する。この保護膜は、ストライプ幅が1.8μmでオリフラ面と略垂直な方向になるよう形成し、保護膜と開口部との割合は、6:14となるようにする。次いで、アンドープのGaN層を15μmの膜厚で成長させる。このとき、開口部上に成長されたGaN層は、SiO2上に横方向成長しており、最終的にはSiO2上方向でGaNが合わさるように成長されている。
次いで、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、SiドープのAl0.02Ga0.98Nよりなるバッファ層を1μmの膜厚で成長させる。
続いて1050℃で、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Siドープのn−Al0.02Ga0.98Nよりなるn型コンタクト層を3.5μmの膜厚で成長させる。このn型コンタクト層の膜厚は1〜30μmであればよい。
次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を800℃にしてSiドープのn−In0.05Ga0.95Nよりなるクラック防止層を0.15μmの膜厚で成長させる。尚、このクラック防止層は省略可能である。
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAl0.05Ga0.095NよりなるA層と、SiをドープしたGaNよりなるB層をそれぞれ50Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ110回繰り返してA層とB層を交互に積層して総膜厚1.1μmの多層膜(超格子構造)よりなるn型クラッド層を成長させる。このとき、アンドープAlGaNのAlの混晶比としては、0.02以上0.3以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
次に、同様の温度で原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層を0.15μmの膜厚で成長させる。この層は、n型不純物をドープさせてもよい。
次に、温度を800℃にして、原料にTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、SiドープのIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を140Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層を70Åの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後にSiドープのIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を140Åの膜厚で成長させて総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。
同様の温度で、N2雰囲気中で、MgドープのAl0.25Ga0.75Nよりなるp型電子閉じ込め層を30Åの膜厚で成長させる。次いで、H2雰囲気中で、MgドープのAl0.25Ga0.75Nよりなるp型電子閉じ込め層を70Åの膜厚で成長させる。
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるp型光ガイド層を0.15μmの膜厚で成長させる。このp型光ガイド層はアンドープとして成長させるが、Mgをドープさせてもよい。
続いて、アンドープのAl0.08Ga0.92NよりなるA層を80Åの膜厚で成長させ、その上にMgドープのGaNよりなるB層を80Åの膜厚で成長させる。これを28回繰り返してA層とB層とを交互に積層させて、総膜厚0.45μmの多層膜(超格子構造)よりなるp型クラッド層を成長させる。p型クラッド層は少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれも一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性がよくなる傾向にあるが、両方に同じようにドープさせてもよい。
最後に1050℃でp型クラッド層の上にMgドープのGaNよりなるp型コンタクト層を150Åの膜厚で成長させる。p型コンタクト層はp型のInxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすればp電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを700℃でアニーリングして、p型層を更に低抵抗化する。
p型コンタクト層まで積層されてなるウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面のほぼ全面に、SiO2よりなるマスク層を形成する。SiO2膜の形成は、CVD装置を用いて行い、約0.55μmの膜厚で形成させる。このSiO2マスクの全面上に、レジストマスクを、約2.7μmの膜厚で形成させる。レジストとしてはポジ型のレジストを用い、共振器面形成位置に挟まれる領域(エッチングする領域)を露光し、現像することで開口部を形成する。これにより、レジストパターンの開口部内はSiO2マスクが露出するようになる。レジストパターンの開口部は、幅が約25μmである。また、エッチングする領域である開口部は、共振器面形成位置だけでなく、n側電極を形成させる領域にも設けておくことで、共振器面形成時のエッチングによってn型半導体層を同時に露出させることができる。次いで、エッチャントとしてCHF3ガスを用いて、上記レジストパターンの開口部から露出するSiO2マスクを、p型半導体層の表面が露出するまでドライエッチングしてパターンを形成する。次いで、レジストを剥離剤を用いて除去する。
次に、ストライプ状のリッジを形成するために、最上層のp型コンタクト層のほぼ全面にCVD装置により、Si酸化物(主としてSiO2)よりなるマスクを0.55μmの膜厚で形成する。そのSiO2マスク上を含めたウエハ全体に、レジストよりなるマスクを形成する。レジストとしてはポジ型のレジストを用い、p型コンタクト層上のリッジに相当するストライプ状と、そのストライプから延長するn型コンタクト層露出面上のストライプ状以外の領域(エッチングする領域)を露光し、現像する。これにより、リッジと、そのリッジから延長するストライプ状以外のSiO2マスクが露出するようになる。次いで、エッチャントとしてCHF3ガスを用いて、上記ストライプ状のレジストパターン以外の領域のSiO2マスクを、p型半導体層の表面が露出するまでドライエッチングしてパターンを形成する。次いで、レジストを剥離剤を用いて除去する。
リッジ上にSiO2マスクを形成させた状態で、p型半導体層表面にZrO2よりなる第1の絶縁膜を形成する。この第1の絶縁膜は、n側の第1電極形成面をマスクして半導体層の全面に設けてもよい。また、後に分割されやすいように絶縁膜を形成させない部分を設けることもできる。
次に、p型コンタクト層上のリッジ最表面及び第1の絶縁膜上にp側オーミック電極をスパッタにより形成させる。このp側の第1電極は、Ni/Au/Pt(100Å/1500Å/1500Å)を用いる。また、n型コンタクト層上面にもn側オーミック電極を形成させる。n側オーミック電極は、Ti/Al(200Å/8000Å)からなり、リッジと平行で、かつ、同程度の長さのストライプ状に形成されている。これら電極形成後、酸素と窒素の混合雰囲気中で、600℃で熱処理する。尚、この熱処理工程は、半導体層とのオーミック性を良くするために行うものであって、電極材料によっては省略することができる。
次に、リッジ上のp側オーミック電極の全面と、n側オーミック電極の上部の一部を覆うレジストを形成する。次いで、SiO2からなる第2の絶縁膜を、ほぼ全面に形成し、リフトオフすることで、p側オーミック電極の上面全面とn側オーミック電極の一部が露出された第2の絶縁膜が形成される。第2の絶縁膜とp側オーミック電極とは離間しており、その間に第1の絶縁膜が露出されている。第2の絶縁膜は、後の分割を考慮して、分割位置を挟んで幅10μm程度のストライプ状の範囲には、第1及び第2の絶縁膜や電極を形成しないようにしておいてもよい。
次に、p側オーミック電極を覆うようにp側パッド電極を形成する。このとき、第2の絶縁膜も覆うように形成させるのが好ましい。p側パッド電極は、Pt/Ti/Pt/Au(1000Å/50Å/1000Å/6000Å)の順に形成される。また、n側パッド電極は、下からNi/Ti/Au(1000Å/1000Å/8000Å)で形成される。このパッド電極は、第2の絶縁膜を介してp側オーミック電極及びn側オーミック電極にそれぞれストライプ状に接している。
以上のようにしてパッド電極を形成した後、n型コンタクト層の露出面を除いてレジスト膜を形成させる。その後に、SiO2保護膜をウエハ全面に形成する。更にそのSiO2保護膜の上にレジストを形成させる。このとき、光出射側及び光反射側の共振器面が露出するようにレジストを形成させる。
上記のように光出射側及び光反射側の共振器面を露出させた後、それらの共振器面を含む端面が露出するようにレジストを形成させる。次いで、基板を研磨して約100μmの膜厚になるように調整する。次いで、その研磨されて露出された基板の第1の主面に、Ti/Pt/Au(1000Å/1000Å/3000Å)からなる接合部材を形成させる。その接合部材は、後工程で素子分割領域となる部分以外に設けるのが好ましい。次いで、主としてZnOからなる亜鉛酸化物のマスク部材を膜厚約5000Åの厚さで形成させる。このとき、成膜方法としては、蒸着、スパッタ、スピンコート等を用いることができ、用いる材料によって適切な方法を用いることができる。また、マスク部材の形成位置としては、次工程でリッジのストライプと平行な位置にスクライブ溝を形成するのでその領域以外の領域に形成させるようにする。ここでは、基板分割後に、端面から約20μm程度の領域に表面膜が形成されるようにマスク部材を設ける。このようにすることで、スクライブ時にマスク部材が破損され、その後の表面膜の形成領域が不均一になるのを抑制することができる。ここで、接合部材形成時のマスクをマスク部材としてそのまま用いることで、接合部材とマスク部材の大きさを略等しくすることができる。
上記のようにマスク部材を形成させた後、そのマスク部材が形成されていない基板の第1の主面にスクライブ溝を形成し、リッジと略垂直な位置で第2の主面側からブレーキングしてバー状レーザに分割する。次いで、光出射側の共振器面に端面膜(ミラー)を形成させる。ミラーとして、SiO2(630Å)とZrO2(400Å)を1ペアとする誘電体保護膜を形成させる。
102、302・・・n型窒化物半導体層
103、303・・・p型窒化物半導体層
104、304・・・活性層
105・・・p側オーミック電極
106、306・・・p側パッド電極
107・・・n側オーミック電極
108、308・・・n側パッド電極
109・・・第1の絶縁膜
110・・・第2の絶縁膜
111・・・接合部材
Claims (15)
- 第1の主面及び第2の主面を有する基板の第2の主面上に、n型半導体層、活性層、及びp型半導体層を含む半導体層を有し、該半導体層表面にp電極を有し、前記半導体層中に略ストライプ状の電流狭窄領域からなる導波路領域を有し、該導波路領域に垂直な方向の端面に端面保護膜を有する半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記第1の主面又はp電極の表面に、レーザ素子を載置する支持体との接合部材を形成する工程と、
該接合部材上に、少なくとも該接合部材の一部を被覆するマスク部材を形成する工程と、
前記導波路領域に垂直な方向でバー状レーザに分割し、半導体レーザ素子の端面を形成する工程と、
前記バー状レーザの端面に端面保護膜を形成し、端面保護膜が前記第1の主面及び/又はp電極の表面に回り込むことで前記接合部材及びマスク部材上に表面保護膜を形成する工程と、
前記マスク部材とマスク部材上に形成された表面保護膜とを除去する工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記第1の主面またはn型半導体層上にはn電極が形成されており、前記マスク部材は、前記n電極の少なくとも一部を被覆するように形成されている請求項1記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記バー状レーザの端面に端面保護膜を形成後、前記マスク部材を除去する工程を有する請求項1又は請求項2記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記表面保護膜は、絶縁性である請求項1乃至請求項3記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記表面保護膜は、前記端面保護膜と同一材料からなる請求項1乃至請求項4記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記表面保護膜は、前記バー状レーザの第1の主面のうち、導波路領域と略垂直な方向の端部近傍に形成される請求項1乃至請求項5記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記表面保護膜は、ストライプ状に形成される請求項1乃至請求項6記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記マスク部材は、亜鉛の酸化物からなる請求項1乃至請求項7記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記マスク部材は、レジストからなる請求項1乃至請求項8記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記マスク部材は、窒化アルミニウムを含有する請求項1乃至請求項9記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記マスク部材は、粘着シートからなる請求項1乃至請求項10記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記基板は、曲率半径0.15〜30mである請求項1乃至請求項11記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記基板は、前記第1の主面を凸側とする反りを有する請求項1乃至請求項12記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記基板は、前記第1の主面を凹側とする反りを有する請求項1乃至請求項13記載の半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記端面は、劈開により形成される請求項1乃至請求項14記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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