窒化ガリウム系半導体のバンド構造によれば、レーザ発振可能ないくつかの遷移が存在する。発明者の知見によれば、c軸がm軸の方向に傾斜した半極性面の支持基体を用いるIII族窒化物半導体レーザ素子では、c軸及びm軸によって規定される面に沿ってレーザ導波路を延在させるとき、しきい値電流を下げることができると考えている。このレーザ導波路の向きでは、これらのうち遷移エネルギ(伝導帯エネルギと価電子帯エネルギとの差)の最も小さいモードがレーザ発振可能になり、このモードの発振が可能になるとき、しきい値電流を下げることができる。
しかしながら、このレーザ導波路の向きでは、共振器ミラーのために、c面、a面又はm面という従来のへき開面を利用することはできない。これ故に、共振器ミラーの作製のために、反応性イオンエッチング(RIE)を用いて半導体層のドライエッチング面を形成してきた。RIE法で形成された共振器ミラーは、レーザ導波路に対する垂直性、ドライエッチング面の平坦性又はイオンダメージの点で、改善が望まれている。また、現在の技術レベルにおける良好なドライエッチング面を得るためのプロセス条件の導出が大きな負担となる。
c面を用いるIII族窒化物半導体レーザ素子の作製においては、従来の劈開面を利用して共振器ミラーを形成するとき、エピ面側の薄膜上にスクライブ溝を形成すると共に基板の裏面へのブレードの押圧によりへき開面を作製してきた。発明者が知る限りにおいて、これまで、上記の半極性面上に形成されたIII族窒化物半導体レーザ素子において、c軸の傾斜方向(オフ方向)に延在するレーザ導波路とドライエッチングを用いずに形成された共振器ミラー用端面との両方が達成されていない。
しかしながら、c軸の傾斜方向(オフ方向)に延在するレーザ導波路の向きでは、従来の劈開面を利用して共振器ミラーを作製することができない。発明者らの知見によれば、c軸がm軸の方向に傾斜した半極性面の基板を用いるIII族窒化物半導体レーザ素子では、へき開面と異なる端面を共振器ミラーとして利用できる。ところが、発明者らの実験によれば、共振器ミラーのためにへき開面と異なる端面を用いる半導体レーザでは、半導体レーザのための導波路の向きとc軸の傾斜の向きとのずれは、半導体レーザの発振特性に大きく影響する。本件の出願人は、光共振器のための割断面を含むIII族窒化物半導体レーザ素子に関連する特許出願(特願2009−144442号)を行っている。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものである。本発明の目的は、六方晶系III族窒化物のc軸からm軸の方向に傾斜した支持基体の半極性面上において、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有すると共に発振歩留まりの向上可能な構造を有するIII族窒化物半導体レーザ素子を提供することにあり、またこのIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法を提供することにある。さらに、本発明の目的は、このIII族窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板を提供することにある。
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子は、(a)六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、(b)前記レーザ構造体の前記半導体領域上に設けられた電極とを備える。前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記支持基体の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ALPHAで傾斜しており、前記レーザ構造体は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び前記法線軸によって規定されるm−n面に交差する第1及び第2の割断面を含み、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器は前記第1及び第2の割断面を含み、前記レーザ構造体は第1及び第2の面を含み、前記第1の面は前記第2の面の反対側の面であり、前記第1及び第2の割断面は、前記第1の面のエッジから前記第2の面のエッジまで延在する。
また、このIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、前記レーザ構造体は、前記支持基体の前記半極性主面上に延在するレーザ導波路を含み、前記レーザ導波路は、前記第1及び第2の割断面の一方から他方への方向に向く導波路ベクトルの方向に延在し、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸の方向を示すc軸ベクトルは、前記半極性主面に平行な投影成分と、前記法線軸に平行な垂直成分とを含み、前記導波路ベクトルと前記投影成分との成すズレ角は−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあることができる。
或いは、このIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、前記レーザ構造体は、前記支持基体の前記半極性主面上に延在するレーザ導波路を含み、前記レーザ導波路は、前記第1及び第2の割断面の一方から他方への方向に向く導波路ベクトルの方向に延在し、前記レーザ構造体は、水銀ランプによる光励起による蛍光顕微鏡像において所定の軸の方向に延在する筋状発光像を示し、前記導波路ベクトルと前記所定の軸に直交する直交方向との成すズレ角は、−0.5度以上+0.5度以下の範囲にある。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、レーザ共振器となる第1及び第2の割断面が、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸によって規定されるm−n面に交差するので、m−n面と半極性面との交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有するIII族窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子では、45度未満及び135度を越える角度では、押圧により形成される端面がm面からなる可能性が高くなる。また、80度を越え100度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
このIII族窒化物半導体レーザ素子では、ズレ角が−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあるとき、発振歩留まりが向上される。また、ズレ角が−0.3度以上+0.3度以下の範囲にあるとき、閾値ばらつきが向上される。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲であることが更に好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子では、63度以上80度以下又は100度以上117度以下の範囲では、押圧により形成される端面が、基板主面に垂直に近い面が得られる可能性が高くなる。また、80度を越え100度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の厚さは400μm以下であることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために好適である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の厚さは50μm以上100μm以下であることが更に好ましい。厚さ50μm以上であれば、ハンドリングが容易になり、生産歩留まりが向上する。100μm以下であれば、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために更に好適である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層からのレーザ光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に偏光している。このIII族窒化物半導体レーザ素子において、低しきい値電流を実現できるバンド遷移は偏光性を有する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、当該III族窒化物半導体レーザ素子におけるLEDモードにおける光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に偏光成分I1と、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸を主面に投影した方向に偏光成分I2を含み、前記偏光成分I1は前記偏光成分I2よりも大きい。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、LEDモードにおいて大きな発光強度のモードの光を、レーザ共振器を用いてレーザ発振させることができる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記半極性主面は、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかであることが好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、これら典型的な半極性面において、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性の第1及び第2の端面を提供できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記半極性主面は、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかの半極性面から、m面方向に−4度以上+4度以下の範囲の微傾斜を有する面も前記主面として好適である。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、これら典型的な半極性面からの微傾斜面において、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性の第1及び第2の端面を提供できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の積層欠陥密度は1×104cm−1以下であることが好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、積層欠陥密度が1×104cm−1以下であるので、偶発的な事情により割断面の平坦性及び/又は垂直性が乱れる可能性が低い。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体は、GaN、AlGaN、AlN、InGaN及びInAlGaNのいずれかからなることができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な第1及び第2の端面を得ることができる。AlN基板又はAlGaN基板を用いるとき、偏光度を大きくでき、また低屈折率により光閉じ込めを強化できる。InGaN基板を用いるとき、基板と発光層との格子不整合率を小さくでき、結晶品質を向上できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第1及び第2の割断面の少なくともいずれか一方に設けられた誘電体多層膜を更に備えることができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子においても、破断面にも端面コートを適用できる。端面コートにより反射率を調整できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層は、波長360nm以上600nm以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子は、半極性面の利用により、LEDモードの偏光を有効に利用したIII族窒化物半導体レーザ素子を得ることができ、低しきい値電流を得ることができる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層は、波長430nm以上550nm以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことが更に好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子は、半極性面の利用により、ピエゾ電界の低減と発光層領域の結晶品質向上によって量子効率を向上させることが可能となり、波長430nm以上550nm以下の光の発生に好適である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第1及び第2の割断面の各々には、前記支持基体の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、前記半導体領域の前記活性層における端面と前記六方晶系窒化物半導体からなる支持基体のm軸に直交する基準面との成す角度は、前記III族窒化物半導体のc軸及びm軸によって規定される第1平面において(ALPHA−5)度以上(ALPHA+5)度以下の範囲の角度を成す。
このIII族窒化物半導体レーザ素子は、c軸及びm軸の一方から他方に取られる角度に関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記角度は、前記第1平面及び前記法線軸に直交する第2平面において−5度以上+5度以下の範囲であることが好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子は、半極性面の法線軸に垂直な面において規定される角度に関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記電極は所定の軸の方向に延在しており、前記第1及び第2の割断面は前記所定の軸に交差する。
本発明の別の側面は、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に係る。この方法は、(a)六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する基板を準備する工程と、(b)前記半極性主面上に形成された半導体領域と前記基板とを含むレーザ構造体、アノード電極、及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、(c)前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に前記基板生産物の第1の面を部分的にスクライブする工程と、(d)前記基板生産物の第2の面への押圧により前記基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する工程とを備える。前記第1の面は前記第2の面の反対側の面であり、前記半導体領域は前記第1の面と前記基板との間に位置し、前記レーザバーは、前記第1の面から前記第2の面まで延在し前記分離により形成された第1及び第2の端面を有し、前記第1及び第2の端面は当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、前記アノード電極及びカソード電極は、前記レーザ構造体上に形成され、前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記基板の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ALPHAで傾斜しており、前記第1及び第2の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び前記法線軸によって規定されるm−n面に交差する。前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、前記レーザ構造体は、前記基板の前記半極性主面上に延在するレーザ導波路を含み、前記レーザ導波路は、前記第1及び第2の割断面の一方から他方への方向に向く導波路ベクトルの方向に延在し、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸の方向を示すc軸ベクトルは、前記半極性主面に平行な投影成分と、前記法線軸に平行な垂直成分とを含み、前記導波路ベクトルと前記投影成分との成すズレ角は−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあり、前記基板生産物の前記半導体領域は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向を示すマークを含み、前記基板生産物は、前記基板の前記半極性主面上に延在するレーザ導波路を含み、前記レーザ導波路は、前記第1及び第2の割断面の一方から他方への方向に向く導波路ベクトルの方向に延在し、前記基板生産物を形成する工程では、前記レーザ導波路の向きは前記マークの基準に決定される。
この方法によれば、六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に基板生産物の第1の面をスクライブした後に、基板生産物の第2の面への押圧により基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する。これ故に、六方晶系III族窒化物半導体のm軸と法線軸とによって規定されるm−n面に交差するように、レーザバーに第1及び第2の端面が形成される。この端面形成によれば、第1及び第2の端面に当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い共振ミラー面が提供される。また、この方法では、レーザ導波路は、六方晶系III族窒化物のc軸の傾斜の方向に延在しており、このレーザ導波路を提供できる共振器ミラー端面をドライエッチング面を用いずに形成している。
この方法では、45度未満及び135度を越える角度では、押圧により形成される端面がm面からなる可能性が高くなる。また、80度を越え100度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られない。
この方法では、ズレ角が−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあるとき、発振歩留まりが向上される。また、ズレ角が−0.3度以上+0.3度以下の範囲にあるとき、閾値ばらつきが向上される。
本発明に係る方法では、前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが400μm以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、前記第2の面は前記加工により形成された加工面であることができる。もしくは、前記加工面上に形成された電極を含む面であることができる。
本発明に係る方法では、前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが50μm以上100μm以下になるように研磨され、前記第2の面は前記研磨により形成された研磨面であることができる。もしくは、前記研磨面上に形成された電極を含む面であることができる。
このような厚さの基板では、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い第1及び第2の端面を歩留まりよく形成できる。
本発明に係る方法では、更に好ましくは前記角度ALPHAは、63度以上80度以下及び100度以上117度以下の範囲であることができる。63度未満及び117度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、m面が出現する可能性がある。また、80度を越え100度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られない。
本発明に係る方法では、前記半極性主面は、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかであることが好ましい。
これら典型的な半極性面においても、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い第1及び第2の端面を提供できる。
本発明に係る方法では、前記半極性主面は、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかの半極性面から、m面方向に−4度以上+4度以下の範囲の微傾斜を有する面も前記主面として好適である。
これら典型的な半極性面からの微傾斜面においても、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い第1及び第2の端面を提供できる。
本発明に係る方法では、前記スクライブは、レーザスクライバを用いて行われ、前記スクライブによりスクライブ溝が形成され、前記スクライブ溝の長さは、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸及び前記法線軸によって規定されるa−n面と前記第1の面との交差線の長さよりも短い。
この方法によれば、基板生産物の割断により、別の基板生産物及びレーザバーが形成される。この割断は、レーザバーの割断線に比べて短いスクライブ溝を用いて引き起こされる。
本発明に係る方法では、前記第1及び第2の端面の各々における前記活性層の端面は、前記六方晶系窒化物半導体からなる支持基体のm軸に直交する基準面に対して、前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸及びm軸によって規定される平面において(ALPHA−5)度以上(ALPHA+5)度以下の範囲の角度を成すことができる。
この方法によれば、c軸及びm軸の一方から他方に取られる角度に関して、上記の垂直性を有する端面を形成できる。
本発明に係る方法では、前記基板は、GaN、AlN、AlGaN、InGaN及びInAlGaNのいずれかからなることができる。この方法によれば、これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な第1及び第2の端面を得ることができる。
本発明に係る方法では、前記基板は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa面を示すオリエンテーションフラットを含み、前記マークは、前記オリエンテーションフラットを含むことができる。また、本発明に係る方法では、前記基板は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa面におけるへき開面を含み、前記マークは、前記へき開面を含むことができる。さらに、本発明に係る方法では、前記基板生産物を形成する工程では、レーザ光を前記基板生産物に照射して、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に配列されたレーザマークを形成しており、前記マークは、前記レーザマークの配列を含むことができる。本発明に係る方法では、前記レーザ構造体は、水銀ランプによる光励起による蛍光顕微鏡像において所定の軸の方向に延在する筋状発光像を示し、前記レーザマークの配列の向きは、前記筋状発光像に係る前記所定の軸の方向を基準にして決定され、前記導波路ベクトルと前記所定の軸に直交する直交方向との成すズレ角は、−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあることができる。
本発明の更なる別の側面は、III族窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板に係る。このエピタキシャル基板は、(a)六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する基板と、(b)前記基板の前記半極性主面上に設けられた半導体積層とを備える。前記半導体積層はレーザ構造体のための半導体領域を含み、前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記基板の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して角度ALPHAで傾斜しており、前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、前記半導体積層は、前記六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向を示す基準軸に沿って延在する構造物を含む。
このエピタキシャル基板は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸によって規定されるm−n面の方向に沿ったレーザストライプを含むIII族窒化物半導体レーザ素子のために好適である。また、このエピタキシャル基板では、法線軸と六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度が45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲である。しかしながら、半導体積層は六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向を示す基準軸に沿って延在する帯状の構造物を含むので、この構造物は、このエピタキシャル基板を用いて作製されるIII族窒化物半導体レーザ素子に、レーザストライプの向き付けやレーザキャビティの向き付けのための基準マークを提供できる。
本発明の更なる別の側面では、前記構造物は前記a軸の方向に230μm以上の長さを有することが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、230μm以上の長さの構造物は、III族窒化物半導体レーザ素子の作製におけるマスクアライメントに好ましい。
本発明の更なる別の側面では、前記構造物は、前記半導体積層の上面において前記a軸の方向に延在する表面形態を有することができる。このエピタキシャル基板によれば、構造物がエピタキシャル基板のエピ面における表面形態であるので、エピタキシャル基板の外観の観察により構造物の位置が特定である。
本発明の更なる別の側面では、前記構造物は、前記半導体積層の上面における窪みを含むことができる。このエピタキシャル基板によれば、構造物が窪みを含むので、紫外線〜可視光〜赤外線等による反射像や透過層により窪みの位置を見出すことができる。
本発明の更なる別の側面では、前記構造物は、前記半導体積層の上面に到達した積層欠陥の位置に設けられていることができる。このエピタキシャル基板によれば、構造物が半導体積層の上面に到達した積層欠陥の位置に形成されるので、結晶学的な情報が、構造物の形状及び向き等に反映される。
本発明の更なる別の側面では、前記構造物は、前記a軸の方向に対して−0.5度以上及び+0.5度以下の範囲のズレ角を成すことが好ましい。更には、本発明の更なる別の側面では、前記構造物は、前記a軸の方向に対して−0.3度以上及び+0.3度以下の範囲のズレ角を成すことが更に好ましい。このエピタキシャル基板によれば、例えば上記の積層欠陥は、上記の角度範囲程度のばらつきを有する。
本発明の更なる別の側面では、前記構造物は、水銀ランプで励起した発光像において暗領域として観察される欠陥領域を含むことができる。このエピタキシャル基板によれば、欠陥領域は、結晶成長に係る欠陥であるので、結晶学的な情報が、構造物の形状及び向き等に反映される。また、本発明の更なる別の側面では、前記暗領域は、摂氏800度以上の高温での熱処理により拡大するという特徴を有する。
本発明の更なる別の側面では、前記発光像中の暗領域における長辺は前記基準軸の方向に延在しており、前記長辺は230μm以上の長さを有することが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、230μm以上の長さの構造物は、III族窒化物半導体レーザ素子の作製におけるマスクアライメントに好ましい。
本発明の更なる別の側面では、前記長辺と前記a軸の方向との成すズレ角は−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあることが好ましい。更には、本発明の更なる別の側面では、前記長辺と前記a軸の方向との成すズレ角は−0.3度以上+0.3度以下の範囲にあることが更に好ましい。このエピタキシャル基板によれば、上記の暗領域は、上記の角度範囲程度のばらつきを有する。
本発明の更なる別の側面では、前記暗領域は、前記活性層に設けられた結晶欠陥を含むことができる。このエピタキシャル基板によれば、成長温度や量子井戸構造に起因して活性層には結晶欠陥が導入されやすいが、この結晶欠陥をマスクアライメントに可能である。
本発明の更なる別の側面では、前記a軸に直交する平面における断面形状が前記結晶欠陥の少なくとも一部において6角形であることができる。このエピタキシャル基板によれば、成長温度や量子井戸構造に起因して活性層には結晶欠陥が導入されやすいが、この結晶欠陥の形状は結晶学的な情報を反映している。
本発明の別の側面は、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に係る。この方法は、(a)上記のエピタキシャル基板を準備する工程と、(b)前記エピタキシャル基板を用いて、アノード電極及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、(c)前記構造物を基準にして向きを規定したスクライブマークを前記基板生産物に形成する工程と、(d)前記基板生産物の押圧により前記基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する工程とを備える。前記レーザバーは、前記分離により形成された第1及び第2の端面を有し、前記第1及び第2の端面は当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、前記基板生産物は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する前記基板と前記半極性主面上に形成された半導体領域とを含むレーザ構造体を含み、前記アノード電極及びカソード電極は、前記レーザ構造体上に形成され、前記第1及び第2の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び前記法線軸によって規定されるm−n面に交差する。
この方法によれば、法線軸と六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度が45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であるけれども、エピタキシャル基板の作製の際にエピタキシャル領域に形成された構造物を基準にして向きを規定したスクライブマークを基板生産物に形成できる。
本発明の別の側面の方法では、前記基板生産物を形成する工程は、前記レーザ構造体の前記半導体領域を覆う絶縁膜を形成する工程を含み、前記絶縁膜には、前記構造物を基準にして向きを規定したストライプ形状の開口が形成されており、前記アノード電極及びカソード電極のいずれか一方は、前記絶縁膜の前記開口を介して前記レーザ構造体に接触することができる。この方法によれば、エピタキシャル基板中の構造物を基準にして向きを規定したストライプ形状の開口を絶縁膜に形成できる。
本発明の別の側面の方法では、前記レーザ構造体の前記半導体領域はリッジ構造を有しており、前記リッジ構造はストライプ形状を有しており、前記リッジ構造の形成の際に、前記リッジ構造のストライプ形状の向きは前記構造物を基準にして規定されていることができる。この方法によれば、エピタキシャル基板中の構造物を基準にして向きを規定したリッジ構造を形成することができる。
本発明の更なる別の側面では、III族窒化物半導体エピタキシャル基板は、(a)六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体を備える。前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記支持基体の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して角度ALPHAで傾斜しており、前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、エピタキシャル基板内にa軸方向に平行に伸張する表面形態を有する。このエピタキシャル基板では、前記表面形態はa軸方向に230μm以上の長さを有することが好ましい。このエピタキシャル基板では、前記表面形態とa軸方向との成すズレ角は−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあることが好ましい。このエピタキシャル基板では、前記表面形態とa軸方向との成すズレ角は−0.3度以上+0.3度以下の範囲にあることが好ましい。このエピタキシャル基板では、前記表面形態は、a軸方向からの断面を観察した際に窪みであることが好ましい。
本発明の更なる別の側面では、III族窒化物半導体エピタキシャル基板は、(a)六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体を備える。前記半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、前記第1のクラッド層と前記第2のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記支持基体の前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に前記法線軸に対して角度ALPHAで傾斜しており、前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度は、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、水銀ランプで励起した発光像において、c軸に関して線対称な三角形又は五角形の暗領域が観察される。このエピタキシャル基板では、前記発光像中の暗領域における長辺はa軸方向に伸長しており、a軸方向に230μm以上の長さを有する。このエピタキシャル基板では、前記長辺とa軸方向との成すズレ角は−0.5度以上+0.5度以下の範囲にある。このエピタキシャル基板では、前記長辺とa軸方向との成すズレ角は−0.3度以上+0.3度以下の範囲にある。このエピタキシャル基板では、前記暗領域は、a軸方向からの断面を観察した際に井戸層の結晶構造が、その一部で六角形に観察される。このエピタキシャル基板では、前記暗領域は、摂氏800度以上の高温で熱処理を施した際に、拡大する。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、六方晶系III族窒化物のc軸がm軸の方向に傾斜した支持基体の半極性面上において、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有すると共に発振歩留まりの向上可能な構造を有するIII族窒化物半導体レーザ素子が提供される。また、本発明によれば、このIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法が提供される。さらに、本発明によれば、上記のIII族窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体レーザ素子、及びIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図1は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の構造を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ素子11は、利得ガイド型の構造を有するけれども、本発明の実施の形態は、利得ガイド型の構造に限定されるものではない。III族窒化物半導体レーザ素子11は、レーザ構造体13及び電極15を備える。レーザ構造体13は、支持基体17及び半導体領域19を含む。支持基体17は、六方晶系III族窒化物半導体からなり、また半極性主面17a及び裏面17bを有する。半導体領域19は、支持基体17の半極性主面17a上に設けられている。電極15は、レーザ構造体13の半導体領域19上に設けられる。半導体領域19は、第1のクラッド層21と、第2のクラッド層23と、活性層25とを含む。第1のクラッド層21は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばn型AlGaN、n型InAlGaN等からなる。第2のクラッド層23は、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばp型AlGaN、p型InAlGaN等からなる。活性層25は、第1のクラッド層21と第2のクラッド層23との間に設けられる。活性層25は窒化ガリウム系半導体層を含み、この窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層25aである。活性層25は窒化ガリウム系半導体からなる障壁層25bを含み、井戸層25a及び障壁層25bは交互に配列されている。井戸層25aは、例えばInGaN等からなり、障壁層25bは例えばGaN、InGaN等からなる。活性層25は、波長360nm以上600nm以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。半極性面の利用により、波長430nm以上550nm以下の光の発生に好適である。第1のクラッド層21、第2のクラッド層23及び活性層25は、半極性主面17aの法線軸NXに沿って配列されている。III族窒化物半導体レーザ素子11では、レーザ構造体13は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸NXによって規定されるm−n面に交差する第1の割断面27及び第2の割断面29を含む。
図1を参照すると、直交座標系S及び結晶座標系CRが描かれている。法線軸NXは、直交座標系SのZ軸の方向に向く。半極性主面17aは、直交座標系SのX軸及びY軸により規定される所定の平面に平行に延在する。また、図1には、代表的なc面Scが描かれている。支持基体17の六方晶系III族窒化物半導体のc軸は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に法線軸NXに対してゼロより大きな角度ALPHAで傾斜している。このc軸の方向はc軸ベクトルVCによって示される。c軸ベクトルVCは半極性主面17aに平行な投影成分VCPと、法線軸NXに平行な垂直成分VCNとを含む。
III族窒化物半導体レーザ素子11は、絶縁膜31を更に備える。絶縁膜31はレーザ構造体13の半導体領域19の表面19aを覆っており、半導体領域19は絶縁膜31と支持基体17との間に位置する。支持基体17は六方晶系III族窒化物半導体からなる。絶縁膜31は開口31aを有し、開口31aは半導体領域19の表面19aと上記のm−n面との交差線LIXの方向に延在し、例えばストライプ形状を成す。電極15は、開口31aを介して半導体領域19の表面19a(例えば第2導電型のコンタクト層33)に接触を成しており、上記の交差線LIXの方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ素子11では、レーザ導波路は、第1のクラッド層21、第2のクラッド層23及び活性層25を含み、また上記の交差線LIXの方向に延在する。例えば、ゲインガイド型レーザでは、絶縁膜31の開口31aは例えばストライプ形状を有しており、レーザ導波路の向きは、このストライプ開口の延在方向に向く。また、リッジ型レーザでは、レーザ構造体13の半導体領域19はリッジ構造を有しており、レーザ導波路の向きは、このリッジ構造の延在方向に向く。導波路ベクトルLGVはレーザ導波路の向きを示す。
III族窒化物半導体レーザ素子11では、第1の割断面27及び第2の割断面29は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸NXによって規定されるm−n面に交差する。III族窒化物半導体レーザ素子11のレーザ共振器は第1及び第2の割断面27、29を含み、第1の割断面27及び第2の割断面29の一方から他方に、レーザ導波路が延在している。レーザ構造体13は第1の面13a及び第2の面13bを含み、第1の面13aは第2の面13bの反対側の面である。第1及び第2の割断面27、29は、第1の面13aのエッジ13cから第2の面13bのエッジ13dまで延在する。第1及び第2の割断面27、29は、c面、m面又はa面といったこれまでのへき開面とは異なる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子11によれば、レーザ共振器を構成する第1及び第2の割断面27、29がm−n面に交差する。これ故に、m−n面と半極性面17aとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、III族窒化物半導体レーザ素子11は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有することになる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子11では、法線軸NXと六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度ALPHAは、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲であり、レーザ構造体13は、支持基体17の半極性主面17a上に延在するレーザ導波路を含む。このレーザ導波路は、第1及び第2の割断面27、29の一方から他方への方向に向く導波路ベクトルLGVの方向に延在する。六方晶系III族窒化物半導体のc軸の方向を示すc軸ベクトルVCは、半極性主面17aに平行な投影成分VCPと、法線軸NXに平行な垂直成分VCNとによって規定される。図1に示される導波路ベクトルLGVと投影成分VCPとの成すズレ角AVは、−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあることができる。
また、このIII族窒化物半導体レーザ素子11では、レーザ構造体13は、水銀ランプによる光励起による蛍光顕微鏡像において所定の軸の方向に延在する筋状発光像を示す。導波路ベクトルLGVと所定の軸PGに直交する直交方向との成すズレ角は、−0.5度以上+0.5度以下の範囲にある。換言すれば、導波路ベクトルLGVと所定の軸方向PGとの成すズレ角は、−89.5度以上+90.5度以下の範囲にある。
上記ズレ角AVが−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあるとき、発振歩留まりが向上される。また、ズレ角AVが−0.3度以上+0.3度以下の範囲にあるとき、閾値ばらつきが向上される。
レーザ共振器のために端面の向きとレーザ導波路の向きとの不整合は、レーザ特性を低下させる。c軸ベクトルの投影成分VCPと導波路ベクトルLGVとの間にズレ角度AVがあると、割断により作製される端面は、レーザ導波路に対して垂直になりにくい。垂直性の低下は、レーザ特性を低下させ、又は特性ばらつきを増加させる。レーザ導波路の向きを示す導波路ベクトルLGVとc軸投影成分VCPとの平行度が高まるとき、レーザ特性が向上すると共に特性ばらつきが低減できる。例えば、ズレ角AVが−0.5度以上+0.5度以下の範囲にあれば、発振歩留りを50%以上にすることができる。また、ズレ角AVが−0.3度以上+0.3度以下の範囲であるとき、閾値ばらつきを15%以下に改善できる。
III族窒化物半導体レーザ素子11は、n側光ガイド層35及びp側光ガイド層37を含む。n側光ガイド層35は、第1の部分35a及び第2の部分35bを含み、n側光ガイド層35は例えばGaN、InGaN等からなる。p側光ガイド層37は、第1の部分37a及び第2の部分37bを含み、p側光ガイド層37は例えばGaN、InGaN等からなる。キャリアブロック層39は、例えば第1の部分37aと第2の部分37bとの間に設けられる。支持基体17の裏面17bには別の電極41が設けられ、電極41は例えば支持基体17の裏面17bを覆っている。
図2は、III族窒化物半導体レーザ素子における活性層におけるバンド構造を示す図面である。図3は、III族窒化物半導体レーザ素子11の活性層25における発光の偏光を示す図面である。図4は、c軸及びm軸によって規定される断面を模式的に示す図面である。図2(a)を参照すると、バンド構造BANDのΓ点近傍では、伝導帯と価電子帯との間の可能な遷移は、3つある。Aバンド及びBバンドは比較的小さいエネルギ差である。伝導帯とAバンドとの遷移Eaによる発光はa軸方向に偏光しており、伝導帯とBバンドとの遷移Ebによる発光はc軸を主面に投影した方向に偏光している。レーザ発振に関して、遷移Eaのしきい値は遷移Ebのしきい値よりも小さい。
図2(b)を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子11におけるLEDモードにおける光のスペクトルが示されている。LEDモードにおける光は、六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向の偏光成分I1と、六方晶系III族窒化物半導体のc軸を主面に投影した方向の偏光成分I2を含み、偏光成分I1は偏光成分I2よりも大きい。偏光度ρは(I1−I2)/(I1+I2)によって規定される。このIII族窒化物半導体レーザ素子11のレーザ共振器を用いて、LEDモードにおいて大きな発光強度のモードの光をレーザ発振させることができる。
図3に示されるように、第1及び第2の割断面27、29の少なくとも一方、又はそれぞれに設けられた誘電体多層膜43a、43bを更に備えることができる。破断面27、29にも端面コートを適用できる。端面コートにより反射率を調整できる。
図3(b)に示されるように、活性層25からのレーザ光Lは六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に偏光している。このIII族窒化物半導体レーザ素子11において、低しきい値電流を実現できるバンド遷移は偏光性を有する。レーザ共振器のための第1及び第2の割断面27、29は、c面、m面又はa面といったこれまでのへき開面とは異なる。しかしながら、第1及び第2の割断面27、29は共振器のための,ミラーとしての平坦性、垂直性を有する。これ故に、第1及び第2の割断面27、29とこれらの割断面27、29間に延在するレーザ導波路とを用いて、図3(b)に示されるように、c軸を主面に投影した方向に偏光する遷移Ebの発光よりも強い遷移Eaの発光を利用して低しきい値のレーザ発振が可能になる。
III族窒化物半導体レーザ素子11では、第1及び第2の割断面27、29の各々には、支持基体17の端面17c及び半導体領域19の端面19cが現れており、端面17c及び端面19cは誘電体多層膜43aで覆われている。支持基体17の端面17c及び活性層25における端面25cの法線ベクトルNAと活性層25のm軸ベクトルMAとの成す角度BETAは、III族窒化物半導体のc軸及びm軸によって規定される第1平面S1において規定される成分(BETA)1と、第1平面S1(理解を容易にするために図示しないが「S1」として参照する)及び法線軸NXに直交する第2平面S2(理解を容易にするために図示しないが「S2」として参照する)において規定される成分(BETA)2とによって規定される。成分(BETA)1は、III族窒化物半導体のc軸及びm軸によって規定される第1平面S1において(ALPHA−5)度以上(ALPHA+5)度以下の範囲であることが好ましい。この角度範囲は、図4において、代表的なm面SMと参照面FAとの成す角度として示されている。代表的なm面SMが、理解を容易にするために、図4において、レーザ構造体の内側から外側にわたって描かれている。参照面FAは、活性層25の端面25cに沿って延在する。このIII族窒化物半導体レーザ素子11は、c軸及びm軸の一方から他方に取られる角度BETAに関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。また、成分(BETA)2は第2平面S2において−0.5度以上+0.5度以下の範囲であることが好ましく、更に好ましくは−0.3度以上+0.3度以下の範囲である。ここで、BETA2=(BETA)1 2+(BETA)2 2である。このとき、III族窒化物半導体レーザ素子11の端面27、29は、半極性面17aの法線軸NXに垂直な面において規定される角度に関して上記の垂直性を満たす。
再び図1を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子11では、支持基体17の厚さDSUBは400μm以下であることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために好適である。III族窒化物半導体レーザ素子11では、支持基体17の厚さDSUBは50μm以上100μm以下であることが更に好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子11では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために更に好適である。また、ハンドリングが容易になり、生産歩留まりを向上させることができる。
III族窒化物半導体レーザ素子11では、法線軸NXと六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度ALPHAは45度以上であることが好ましく、また80度以下であることが好ましい。また、角度ALPHAは100度以上であることが好ましく、また135度以下であることが好ましい。45度未満及び135度を越える角度では、押圧により形成される端面がm面からなる可能性が高くなる。また、80度を越え100度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
III族窒化物半導体レーザ素子11では、更に好ましくは、法線軸NXと六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度ALPHAは63度以上であることが好ましく、また80度以下であることが好ましい。また、角度ALPHAは100度以上であることが好ましく、また117度以下であることが好ましい。63度未満及び117度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、m面が出現する可能性がある。また、80度を越え100度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
半極性主面17aは、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかであることができる。更に、これらの面から−4度以上+4度以下の範囲で微傾斜した面も前記主面として好適である。これら典型的な半極性面17aにおいて、当該III族窒化物半導体レーザ素子11のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性の第1及び第2の端面27、29を提供できる。また、これらの典型的な面方位にわたる角度の範囲において、十分な平坦性及び垂直性を示す端面が得られる。
III族窒化物半導体レーザ素子11では、支持基体17の積層欠陥密度は1×104cm−1以下であることができる。積層欠陥密度が1×104cm−1以下であるので、偶発的な事情により割断面の平坦性及び/又は垂直性が乱れる可能性が低い。また、支持基体17は、GaN、AlN、AlGaN、InGaN及びInAlGaNのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な端面27、29を得ることができる。AlN又はAlGaN基板を用いるとき、偏光度を大きくでき、また低屈折率により光閉じ込めを強化できる。InGaN基板を用いるとき、基板と発光層との格子不整合率を小さくでき、結晶品質を向上できる。
図5は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。図6(a)を参照すると、基板51が示されている。工程S101では、III族窒化物半導体レーザ素子の作製のための基板51を準備する。基板51の六方晶系III族窒化物半導体のc軸(ベクトルVC)は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸方向(ベクトルVM)に法線軸NXに対して有限な角度ALPHAで傾斜している。これ故に、基板51は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面51aを有する。
工程S102では、基板生産物SPを形成する。図6(a)では、基板生産物SPはほぼ円板形の部材として描かれているけれども、基板生産物SPの形状はこれに限定されるものではない。基板生産物SPを得るために、まず、工程S103では、レーザ構造体55を形成する。レーザ構造体55は、半導体領域53及び基板51とを含んでおり、工程S103では、半導体領域53は半極性主面51a上に形成される。半導体領域53を形成するために、半極性主面51a上に、第1導電型の窒化ガリウム系半導体領域57、発光層59、及び第2導電型の窒化ガリウム系半導体領域61を順に成長する。窒化ガリウム系半導体領域57は例えばn型クラッド層を含み、窒化ガリウム系半導体領域61は例えばp型クラッド層を含むことができる。発光層59は窒化ガリウム系半導体領域57と窒化ガリウム系半導体領域61との間に設けられ、また活性層、光ガイド層及び電子ブロック層等を含むことができる。窒化ガリウム系半導体領域57、発光層59、及び第2導電型の窒化ガリウム系半導体領域61は、半極性主面51aの法線軸NXに沿って配列されている。これらの半導体層はエピタキシャル成長される。
基板生産物SPは、六方晶系III族窒化物半導体のm軸又はa軸の方向を示すマークを含む。このマークとして、例えばGaN基板のオリエンテーションフラット(「OF」と記す)を用いることができる。基板生産物SPを形成する工程において、半導体領域53を半極性主面51a上に形成した後に、必要な場合には、半導体領域53を含むエピタキシャル基板に、レーザマーカーを用いて、a軸方向又はm軸方向を示すレーザマークの配列(例えばレーザビームの照射によって形成された溝の列)を形成することができる。レーザマークの配列は、例えばウエハのOFに平行に形成されることが好ましい。このオリエンテーションフラットの向きはa軸方向又はm軸方向を示す。レーザマークの配列は、アライメントマークとして使用される。以降のマスクアライナを使用したフォトリソグラフィプロセスで、導波路ストライプとOFとを精度よく平行にするために役立つ。
半導体領域53上は、絶縁膜54で覆われている。絶縁膜54は例えばシリコン酸化物からなる。絶縁膜54の開口54aを有する。開口54aは例えばストライプ形状を成す。開口54aは、例えばレーザマークの配列を用いたフォトリソグラフィプロセスで形成される。また、エピタキシャル基板の半導体領域53に半導体レーザのためのリッジ構造を形成するとき、リッジ構造のためのマスクをレーザマークの配列へのアライメントを用いたフォトリソグラフィプロセスで形成できる。基板生産物SPを形成する際に、レーザ導波路の向き(導波路ベクトルLGVの向き)は上記のマークの基準に決定される。例えば絶縁膜54の開口54aの延在方向及びリッジ構造の延在方向は、マークを基準にしたフォトリソグラフィを介して決定される。該延在方向が導波路ベクトルの向きに一致する。
工程S104では、マークを用いてリッジ構造及び/又は電極(及びストライプ窓)を形成する。例えば、アノード電極58a及びカソード電極58bがレーザ構造体55上に形成される。また、基板51の裏面に電極を形成する前に、結晶成長に用いた基板の裏面を研磨して、所望の厚さDSUBの基板生産物SPを形成する。電極の形成では、例えばアノード電極58aが半導体領域53上に形成されると共に、カソード電極58bが基板51の裏面(研磨面)51b上に形成される。アノード電極58aはX軸方向に延在し、カソード電極58bは裏面51bの全面を覆っている。これらの工程により、基板生産物SPが形成される。基板生産物SPは、第1の面63aと、これに反対側に位置する第2の面63bとを含む。半導体領域53は第1の面63aと基板51との間に位置する。
工程S105では、図6(b)に示されるように、基板生産物SPの第1の面63aをスクライブする。このスクライブは、レーザスクライバ10aを用いて行われる。スクライブによりスクライブ溝65aが形成される。図6(b)では、5つのスクライブ溝が既に形成されており、レーザビームLBを用いてスクライブ溝65bの形成が進められている。スクライブ溝65aの長さは、六方晶系III族窒化物半導体のa軸及び法線軸NXによって規定されるa−n面と第1の面63aとの交差線AISの長さよりも短く、交差線AISの一部分にレーザビームLBの照射が行われる。レーザビームLBの照射により、特定の方向に延在し半導体領域に到達する溝が第1の面63aに形成される。スクライブ溝65aは例えば基板生産物SPの一エッジに形成されることができる。
工程S106では、図6(c)に示されるように、基板生産物SPの第2の面63bへの押圧により基板生産物SPの分離を行って、基板生産物SP1及びレーザバーLB1を形成する。押圧は、例えばブレード69といったブレイキング装置を用いて行われる。ブレード69は、一方向に延在するエッジ69aと、エッジ69aを規定する少なくとも2つのブレード面69b、69cを含む。また、基板生産物SP1の押圧は支持装置70上において行われる。支持装置71は、支持面70aと凹部70bとを含み、凹部70bは一方向に延在する。凹部70bは、支持面70aに形成されている。基板生産物SP1のスクライブ溝65aの向き及び位置を支持装置70の凹部70bの延在方向に合わせて、基板生産物SP1を支持装置70上において凹部70bに位置決めする。凹部70bの延在方向にブレイキング装置のエッジの向きを合わせて、第2の面63bに交差する方向からブレイキング装置のエッジを基板生産物SP1に押し当てる。交差方向は好ましくは第2の面63bにほぼ垂直方向である。これによって、基板生産物SPの分離を行って、基板生産物SP1及びレーザバーLB1を形成する。押し当てにより、第1及び第2の端面67a、67bを有するレーザバーLB1が形成され、これらの端面67a、67bは少なくとも発光層の一部は半導体レーザの共振ミラーに適用可能な程度の垂直性及び平坦性を有する。
形成されたレーザバーLB1は、上記の分離により形成された第1及び第2の端面67a、67bを有し、端面67a、67bの各々は、第1の面63aから第2の面63bにまで延在する。これ故に、端面67a、67bは、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、XZ面に交差する。このXZ面は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸NXによって規定されるm−n面に対応する。
この方法によれば、六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向に基板生産物SPの第1の面63aをスクライブした後に、基板生産物SPの第2の面63bへの押圧により基板生産物SPの分離を行って、新たな基板生産物SP1及びレーザバーLB1を形成する。これ故に、m−n面に交差するように、レーザバーLB1に第1及び第2の端面67a、67bが形成される。この端面形成によれば、第1及び第2の端面67a、67bに当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性が提供される。
また、この方法では、形成されたレーザ導波路は、六方晶系III族窒化物のc軸の傾斜の方向に延在している。ドライエッチング面を用いずに、このレーザ導波路を提供できる共振器ミラー端面を形成している。
この方法によれば、基板生産物SP1の割断により、新たな基板生産物SP1及びレーザバーLB1が形成される。工程S107では、押圧による分離を繰り返して、多数のレーザバーを作製する。この割断は、レーザバーLB1の割断線BREAKに比べて短いスクライブ溝65aを用いて引き起こされる。
工程S108では、レーザバーLB1の端面67a、67bに誘電体多層膜を形成して、レーザバー生産物を形成する。工程S109では、このレーザバー生産物を個々の半導体レーザのチップに分離する。
本実施の形態に係る製造方法では、角度ALPHAは、45度以上80度以下及び100度以上135度以下の範囲であることができる。45度未満及び135度を越える角度では、押圧により形成される端面がm面からなる可能性が高くなる。また、80度を越え100度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。更に好ましくは、角度ALPHAは、63度以上80度以下及び100度以上117度以下の範囲であることができる。45度未満及び135度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、m面が出現する可能性がある。また、80度を越え100度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。半極性主面51aは、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかであることができる。更に、これらの面から−4度以上+4度以下の範囲で微傾斜した面も前記主面として好適である。これら典型的な半極性面において、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性でレーザ共振器のための端面を提供できる。
また、基板51は、GaN、AlN、AlGaN、InGaN及びInAlGaNのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、レーザ共振器として利用可能な端面を得ることができる。基板51は好ましくはGaNからなる。
基板生産物SPを形成する工程S104において、結晶成長に使用された半導体基板は、基板厚が400μm以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、第2の面63bが研磨により形成された加工面であることができる。この基板厚では、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い端面67a、67bを歩留まりよく形成できる。第2の面63bが研磨により形成された研磨面であり、研磨されて基板厚が100μm以下であれば更に好ましい。また、基板生産物SPを比較的容易に取り扱うためには、基板厚が50μm以上であることが好ましい。
本実施の形態に係るレーザ端面の製造方法では、レーザバーLB1においても、図3を参照しながら説明された角度BETAが規定される。レーザバーLB1では、角度BETAの成分(BETA)1は、III族窒化物半導体のc軸及びm軸によって規定される第1平面(図3を参照した説明における第1平面S1に対応する面)において(ALPHA−5)度以上(ALPHA+5)度以下の範囲であることが好ましい。レーザバーLB1の端面67a、67bは、c軸及びm軸の一方から他方に取られる角度BETAの角度成分に関して上記の垂直性を満たす。また、角度BETAの成分(BETA)2は、第2平面(図3に示された第2平面S2に対応する面)において−5度以上+5度以下の範囲であることが好ましい。このとき、レーザバーLB1の端面67a、67bは、半極性面51aの法線軸NXに垂直な面において規定される角度BETAの角度成分に関して上記の垂直性を満たす。
端面67a、67bは、半極性面51a上にエピタキシャルに成長された複数の窒化ガリウム系半導体層への押圧によるブレイクによって形成される。半極性面51a上へのエピタキシャル膜であるが故に、端面67a、67bは、これまで共振器ミラーとして用いられてきたc面、m面、又はa面といった低面指数のへき開面ではない。しかしながら、半極性面51a上へのエピタキシャル膜の積層のブレイクにおいて、端面67a、67bは、共振器ミラーとして適用可能な平坦性及び垂直性を有する。
(実施例1)
以下の通り、半極性面GaN基板を準備し、割断面の垂直性を観察した。基板には、HVPE法で厚く成長した(0001)GaNインゴットからm軸方向に75度の角度で切り出した{20−21}面GaN基板を用いた。GaN基板の主面は鏡面仕上げであり、裏面は研削仕上げされた梨地状態であった。基板の厚さは370μmであった。
梨地状態の裏面側に、ダイヤモンドペンを用いて、c軸を基板主面に投影した方向に垂直にケガキ線を入れた後、押圧して基板を割断した。得られた割断面の垂直性を観察するため、走査型電子顕微鏡を用いてa面方向から基板を観察した。
図7(a)は、割断面をa面方向から観察した走査型電子顕微鏡像であり、右側の端面が割断面である。割断面は半極性主面に対して、平坦性及び垂直性を有することがわかる。
(実施例2)
実施例1では、半極性{20−21}面を有するGaN基板において、c軸を基板主面に投影した方向に垂直にケガキ線を入れて押圧して得た割断面は、基板主面に対して平坦性及び垂直性を有することがわかった。そこでこの割断面をレーザの共振器としての有用性を調べるため、以下の通り、図8に示されるレーザーダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)を用いた。基板71を準備した。基板71には、HVPE法で厚く成長した(0001)GaNインゴットからm軸方向に0度から90度の範囲の角度でウェハスライス装置を用いて切り出し、m軸方向へのc軸の傾斜角度ALPHAが、0度から90度の範囲の所望のオフ角を有するGaN基板を作製した。例えば、75度の角度で切り出したとき、{20−21}面GaN基板が得られ、図7(b)に示される六方晶系の結晶格子において参照符号71aによって示されている。
成長前に、基板の積層欠陥密度を調べるため、カソードルミネッセンス法によって、基板を観察した。カソードルミネッセンスでは、電子線によって励起されたキャリアの発光過程を観察するが、積層欠陥が存在すると、その近傍ではキャリアが非発光再結合するので、暗線状に観察される。その暗線の単位長さあたりの密度(線密度)を求め、積層欠陥密度と定義した。ここでは、積層欠陥密度を調べるために、非破壊測定のカソードルミネッセンス法を用いたが、破壊測定の透過型電子顕微鏡を用いてもよい。透過型電子顕微鏡では、a軸方向から試料断面を観察したとき、基板から試料表面に向かってm軸方向に伸びる欠陥が、支持基体に含まれる積層欠陥であり、カソードルミネッセンス法の場合と同様に、積層欠陥の線密度を求めることができる。
この基板71を反応炉内のサセプタ上に配置した後に、以下の成長手順でエピタキシャル層を成長した。まず、厚さ1000nmのn型GaN層72を成長した。次に、厚さ1200nmのn型InAlGaNクラッド層73をGaN層72上に成長した。引き続き、厚さ200nmのn型GaNガイド層74a及び厚さ65nmのアンドープInGaNガイド層74bを成長した後に、GaN厚さ15nm/InGaN厚さ3nmから構成される3周期MQW75を成長した。続いて、厚さ65nmのアンドープInGaNガイド層76a、厚さ20nmのp型AlGaNブロック層77及び厚さ200nmのp型GaNガイド層76bを成長した。次に、厚さ400nmのp型InAlGaNクラッド層77を成長した。最後に、厚さ50nmのp型GaNコンタクト層78を成長した。
SiO2の絶縁膜79をコンタクト層78上に成膜した後に、フォトリソグラフィを用いて幅10μmのストライプ窓をウェットエッチングにより形成した。ここで、以下の2通りにストライプ方向のコンタクト窓を形成した。レーザストライプが(1)M方向(コンタクト窓がc軸及びm軸によって規定される所定の面に沿った方向)のものと、(2)A方向:<11−20>方向、のものである。
ストライプ窓を形成した後に、Ni/Auから成るp側電極80aとTi/Alから成るパッド電極を蒸着した。次いで、GaN基板(GaNウエハ)の裏面をダイヤモンドスラリーを用いて研磨し、裏面がミラー状態の基板生産物を作製した。このとき、接触式膜厚計を用いて基板生産物の厚みを測定した。厚みの測定には、試料断面からの顕微鏡によっても行っても良い。顕微鏡には、光学顕微鏡や、走査型電子顕微鏡を用いることができる。GaN基板(GaNウエハ)の裏面(研磨面)にはTi/Al/Ti/Auから成るn側電極80bを蒸着により形成した。
これら2種類のレーザストライプに対する共振器ミラーの作製には、波長355nmのYAGレーザを用いるレーザスクライバを用いた。レーザスクライバを用いてブレイクした場合には、ダイヤモンドスクライブを用いた場合と比較して、発振チップ歩留まりを向上させることが可能である。スクライブ溝の形成条件として以下のものを用いた:レーザ光出力100mW;走査速度は5mm/s。形成されたスクライブ溝は、例えば、長さ30μm、幅10μm、深さ40μmの溝であった。800μmピッチで基板の絶縁膜開口箇所を通してエピ表面に直接レーザ光を照射することによって、スクライブ溝を形成した。共振器長は600μmとした。
ブレードを用いて、共振ミラーを割断により作製した。基板裏側に押圧によりブレイクすることによって、レーザバーを作製した。より具体的に、{20−21}面のGaN基板について、結晶方位と割断面との関係を示したものが、図7(b)と図7(c)である。図7(b)はレーザストライプを(1)M方向に設けた場合であり、半極性面71aと共にレーザ共振器のための端面81a、81bが示される。端面81a、81bは半極性面71aにほぼ直交しているが、従来のc面、m面又はa面等のこれまでのへき開面とは異なる。図7(c)はレーザストライプを(2)<11−20>方向に設けた場合であり、半極性面71aと共にレーザ共振器のための端面81c、81dが示される。端面81c、81dは半極性面71aにほぼ直交しており、a面から構成される。
ブレイクによって形成された割断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、(1)および(2)のそれぞれにおいて、顕著な凹凸は観察されなかった。このことから、割断面の平坦性(凹凸の大きさ)は、20nm以下と推定される。更に、割断面の試料表面に対する垂直性は、±5度の範囲内であった。
レーザバーの端面に真空蒸着法によって誘電体多層膜をコーティングした。誘電体多層膜は、SiO2とTiO2を交互に積層して構成した。膜厚はそれぞれ、50〜100nmの範囲で調整して、反射率の中心波長が500〜530nmの範囲になるように設計した。片側の反射面を10周期とし、反射率の設計値を約95%に設計し、もう片側の反射面を6周期とし、反射率の設計値を約80%とした。
通電による評価を室温にて行った。電源には、パルス幅500ns、デューティ比0.1%のパルス電源を用い、表面電極に針を落として通電した。光出力測定の際には、レーザバー端面からの発光をフォトダイオードによって検出して、電流−光出力特性(I−L特性)を調べた。発光波長を測定する際には、レーザバー端面からの発光を光ファイバに通し、検出器にスペクトルアナライザを用いてスペクトル測定を行った。偏光状態を調べる際には、レーザバーからの発光に偏光板を通して回転させることで、偏光状態を調べた。LEDモード光を観測する際には、光ファイバをレーザバー表面側に配置することで、表面から放出される光を測定した。
全てのレーザで発振後の偏光状態を確認した結果、a軸方向に偏光していることがわかった。発振波長は500〜530nmであった。
全てのレーザでLEDモード(自然放出光)の偏光状態を測定した。a軸の方向の偏光成分をI1、m軸を主面に投影した方向の偏光成分をI2とし、(I1−I2)/(I1+I2)を偏光度ρと定義した。こうして、求めた偏光度ρとしきい値電流密度の最小値の関係を調べた結果、図9が得られた。図9から、偏光度が正の場合に、(1)レーザストライプM方向のレーザでは、しきい値電流密度が大きく低下することがわかる。すなわち、偏光度が正(I1>I2)で、かつオフ方向に導波路を設けた場合に、しきい値電流密度が大幅に低下することがわかる。
図9に示されたデータは以下のものである。
しきい値電流、 しきい値電流。
偏光度、(M方向ストライプ)、(<11−20>ストライプ)。
0.08、 64、 20。
0.05、 18、 42。
0.15、 9、 48。
0.276、 7、 52。
0.4 6。
GaN基板のm軸方向へのc軸の傾斜角と発振歩留まりとの関係を調べた結果、図10が得られた。本実施例では、発振歩留まりについては、(発振チップ数)/(測定チップ数)と定義した。また、図10は、基板の積層欠陥密度が1×104(cm−1)以下の基板であり、かつレーザストライプが(1)M方向のレーザにおいて、プロットしたものである。図10から、オフ角が45度以下では、発振歩留まりが極めて低いことがわかる。端面状態を光学顕微鏡で観察した結果、45度より小さい角度では、ほとんどのチップでm面が出現し、垂直性が得られないことがわかった。また、オフ角が63度以上80度以下の範囲では、垂直性が向上し、発振歩留まりが50%以上に増加することがわかる。これらの事実から、GaN基板のオフ角度の範囲は、63度以上80度以下が最適である。なお、この結晶的に等価な端面を有することになる角度範囲である、100度以上117度以下の範囲でも、同様の結果が得られる。
図10に示されたデータは以下のものである。
傾斜角、歩留まり。
10、 0.1。
43、 0.2。
58、 50。
63、 65。
66、 80。
71、 85。
75、 80。
79、 75。
85、 45。
90、 35。
積層欠陥密度と発振歩留まりとの関係を調べた結果、図11が得られた。発振歩留まりの定義については、上記と同様である。図11から、積層欠陥密度が1×104(cm−1)を超えると急激に発振歩留まりが低下することがわかる。また、端面状態を光学顕微鏡で観察した結果、発振歩留まりが低下したサンプルでは、端面の凹凸が激しく平坦な割断面が得られていないことがわかった。積層欠陥の存在によって、割れ易さに違いが出たことが原因と考えられる。このことから、基板に含まれる積層欠陥密度が1×104(cm−1)以下である必要がある。
図11に示されたデータは以下のものである。
積層欠陥密度(cm−1)、歩留まり。
500、 80。
1000、 75。
4000、 70。
8000、 65。
10000、 20。
50000、 2。
基板厚みと発振歩留まりとの関係を調べた結果、図12が得られた。発振歩留まりの定義については、上記と同様である。また、図12では、基板の積層欠陥密度1×104(cm−1)以下であり、かつレーザストライプが(1)M方向のレーザにおいて、プロットした。図12から、基板厚みが100μmよりも薄く50μmよりも厚いときに、発振歩留まりが高い。これは、基板厚みが100μmよりも厚いと、割断面の垂直性が悪化することによる。また、50μmよりも薄いと、ハンドリングが困難で、チップが破壊され易くなることによる。これらのことから、基板の厚みは、50μm以上100μm以下が最適である。
図12に示されたデータは以下のものである。
基板厚、歩留まり。
48、 10。
80、 65。
90、 70。
110、 45。
150、 48。
200、 30。
400、 20。
(実施例3)
実施例2では、{20−21}面を有するGaN基板上に、半導体レーザのための複数のエピタキシャル膜を成長した。上記のように、スクライブ溝の形成と押圧とによって光共振器用の端面が形成された。これらの端面の候補を見いだすために、(20−21)面に90度近傍の角度を成し、a面とは異なる面方位を計算により求めた。図13を参照すると、以下の角度及び面方位が、(20−21)面に対して90度近傍の角度を有する。
具体的な面指数、{20−21}面に対する角度。
(−1016): 92.46度。
(−1017): 90.10度。
(−1018): 88.29度。
(実施例4)
以下の通り、レーザーダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)を用いた。基板として、HVPE法で成長した2インチ{20−21}面GaN基板を用いた。GaN基板は、a面を示すオリエンテーションフラット(「OF」と記す)を有する。OF面とa面とのズレ角度を示す面精度を面検査器にて測定し、面精度は0.1度以下であった。このため、GaN基板主面にc軸を投影した投影成分の方向とa面を示す端面(例えばOF又は、a面のへき開面)は、−0.1度以上+0.1度以下の角度範囲の精度で平行である。
このGaN基板を反応炉内のサセプタ上に配置した後に、以下の成長手順で、図14に示されるような、エピタキシャル基板のためのエピタキシャル層をGaN基板上に成長した。まず、厚さ1100nmのn型GaN層を成長した。次に、厚さ1200nmのn型InAlGaNクラッド層を成長した。引き続き、厚さ250nmのn型GaNガイド層及び厚さ115nmのn型InGaNガイド層を成長した。この後に、GaN(厚さ10nm)/InGaN(厚さ3nm)から構成される量子井戸構造(2周期MQW)を成長した。続いて、厚さ65nmのアンドープInGaNガイド層、厚さ20nmのp型AlGaNブロック層、厚さ50nmのp型InGaNガイド層、及び厚さ250nmのp型GaNガイド層を成長した。次に、厚さ400nmのp型InAlGaNクラッド層を成長した。最後に、厚さ50nmのp型GaNコンタクト層を成長した。この成長工程によりエピタキシャル基板が作製された。
マスクアライナを使用して後の工程で行われるフォトリソグラフィプロセスで、導波路ストライプとOFとを精度よく平行にするために、エピタキシャル基板の表面に、OFと平行に配列された複数のレーザマークを所定のライン上に形成した。OF長が、例えば約15mmであり、レーザマーク時の位置合わせの精度が例えば約2μmであるので、OFとレーザマークとの平行度は−0.01度以上+0.01度以下の範囲の精度となる。この精度は、OFの向きの精度より1桁低い。このため、OFの向き精度が、導波路ストライプ向きとc軸を主面に投影した投影成分の向きとの平行度の精度にほぼ反映される。なお、OFを持たない半極性GaN基板を用いるとき、この半極性基板のa軸方向を判別することが可能である。より具体的には、エピタキシャル基板を劈開してGaN基板のa面を出現させることによってa軸方向を判別することが可能である。この劈開によって作製したエッジを基準にすることによって、−0.1度以上+0.1度以下の角度で精度よくレーザ導波路の方向を決定できる。他の方法としては、表面モフォロジーを利用する方法がある。半極性面上に成長されたエピタキシャル膜には、a軸に平行な直線状の表面モフォロジーが出現することがある。この表面モフォロジーは、基板中の欠陥や、基板端部の影響や、基板表面のラフネスを反映して形成され、また水銀ランプの光励起により蛍光顕微鏡で観察される。この顕微鏡像には直線状又は筋状の発光ラインが現れる。このモフォロジーの方向がレーザマーカーの走査方向と平行になるようにエピタキシャル基板の向きを調整した後に、そこから90度の角度でエピタキシャル基板を回転させた後に、ライン状レーザマークを形成することができる。この方法によっても、同様の精度でレーザ導波路方向(ストライプ窓の向き又はリッジの向き)を決定することができる。レーザマークの配列の向きは、筋状発光像に係る軸の方向を基準にして決定されることができる。
レーザマーク(例えばスクライブマーク)の配列の向き、レーザ導波路方向(ストライプ窓の向き又はリッジの向き)の決定は、既に説明したように、いくつかの半導体層を基板上に成長したときに形成され結晶欠陥に関連する構造物を用いて行われることができる。
SiO2の絶縁膜をコンタクト層上に成膜した後に、フォトリソグラフィを用いて幅10μmのストライプ窓をウェットエッチングにより形成した。先述したレーザマークを参照して、ストライプの方向を決めた。具体的には、ストライプとレーザマークとが平行になるように、或いは意図的に角度差を設けて、ストライプ窓のパターニン形成を行った。ストライプ窓を形成した後に、Ni/Auから成るp側電極AND1とTi/Auから成るパッド電極を蒸着した。次いで、GaN基板(GaNウエハ)の裏面をダイヤモンドスラリーを用いて研磨し、裏面がミラー状態の基板生産物を作製した。GaN基板(GaNウエハ)の裏面(研磨面)にはTi/Al/Ti/Auから成るn側電極CTD1を蒸着により形成した。これらの手順によりゲインガイドレーザのための基板生産物を作製できる。
また、以下の方法で、図15に示されるリッジ構造を有するインデックスガイドレーザの作製も可能である。幅2μmのリッジ構造を作製するために、フォトリソグラフィによって、ポジ型レジストからなる幅2μmのパターンを有するマスクを設けた。レーザ導波路方向は、c軸ベクトルを主面に投影した投影成分の方向に平行になるように向き付けした。Cl2を用いたドライエッチングによって、リッジ構造を作製した。エッチング深さは例えば0.7μmであり、AlGaNブロック層が露出するまでエピタキシャル基板の半導体領域のエッチングを行った。エッチングの後に、レジストマスクを除去した。フォトリソグラフィを用いて約幅2μmのストライプマスクをリッジ構造上に残した。ストライプマスクの向きはリッジ構造の向きに合わせた。この後に、リッジ側面にSiO2を真空蒸着法を用いて蒸着した。絶縁膜の蒸着の後に、リフトオフ法によってリッジ上のSiO2を除去して、ストライプ状開口部を有する絶縁膜を形成した。次いで、アノード電極AND2及びカソード電極CTD2を形成して、基板生産物を得た。
これらのレーザストライプに対する共振器ミラーの作製には、波長355nmのYAGレーザを用いるレーザスクライバを用いた。レーザスクライバを用いてスクライブ溝を形成してブレイクした場合には、ダイヤモンドスクライブを用いた場合と比較して、発振チップ歩留まりを向上させることが可能である。スクライブ溝の形成条件として以下のものを用いた。
レーザ光出力100mW。
走査速度は5mm/s。
この条件で形成されたスクライブ溝は、例えば、長さ100μm、幅10μm、深さ40μmの溝であった。半導体チップ幅に対応する300μm間隔で基板の表面に電極の開口部と通して直接レーザ光を照射することによって、スクライブ溝を周期的に形成した。共振器長は600μmとした。
ブレードを用いて、共振ミラーを割断により作製した。基板裏面側の端部に押圧によりブレイクすることによって、レーザバーを作製した。半極性面上でc軸を主面に投影した方向に平行に設けたレーザ導波路に垂直な端面をミラー面とする方法で、レーザ共振器のための割断面が形成される。この割断面は、従来のc面主面やm面主面上のレーザにおいて光共振器のために端面となるm面、a面又はc面のへき開面とは異なる。
既に説明した方法と同様に、レーザバーの端面に真空蒸着法によって誘電体多層膜をコーティングした。誘電体多層膜は、SiO2とTiO2を交互に積層して構成した。膜厚を50〜100nmの範囲で調整して、反射率の中心波長を500〜530nmの波長範囲になるように調整した。片側の反射面を10周期とし、反射率の設計値を約95%に設計し、もう片側の反射面を6周期とし、反射率の設計値を約80%とした。
通電による評価を室温にて行った。電源には、パルス幅500ns、デューティ比0.1%のパルス電源を用い、表面電極に針を落として通電した。光出力測定の際には、レーザバー端面からの発光をフォトダイオードによって検出して、電流−光出力特性(I−L特性)を調べた。発光波長を測定する際には、レーザバー端面からの発光を光ファイバに通し、検出器にスペクトルアナライザを用いてスペクトル測定を行った。発振波長は500〜530nmであった。
励起光源として水銀ランプを有する蛍光顕微鏡を用いて、発光像を観察した。対物レンズに20倍以上を用いて観察を行うと、a軸に平行な筋状発光像を得ることができる。電極又はリッジ構造といった構造物の形状と、このa軸方向の筋状発光線との垂直性を調べることで、c軸とレーザ導波路との平行度を見積もった。さらに、デバイス表面を光学顕微鏡で観察することによって割断によって形成された端面と導波路とのズレ角度を見積もった。
より具体的な例を、図16を参照しながら説明する。図16(a)は、基板生産物のエピ面上のアノード電極の近傍のエリアのノマルスキー微分干渉顕微鏡像を示す図面である。図16(b)は、図16(a)に破線で示されたエリアを示す蛍光像(水銀ランプで励起した発光像)を示す図面である。蛍光像で、筋状発光線がa軸方向に延びる。図16(c)は、図16(a)に示されたエリアにおいて筋状発光線とレーザ導波路の延在方向とのズレを示す図面である。レーザマークの手法を用いないでパターニングした場合には、筋状発光線の方向と導波路の方向とが成す角におけるずれ角は、90度を中心にして、約4.0度であることがわかった。更に、この半導体レーザにおいて、レーザ導波路の方向とc軸の投影成分の方向との成すズレ角度は、割断面において1.77度であった。図17は、意図的に形成された大きなずれ角を持つ半導体レーザの上面図を示す。図17(a)を参照すると、レーザバーの3チップを含むエリアの上面を示す光学顕微鏡像が示される。図17(b)を参照すると、図17(a)に示された区画BOX1におけるレーザバーの端面近傍の上面を示す拡大図が示される。ズレ角が大きいとき、レーザ導波路に対する割断による端面の上端における傾斜が大きくなる。
図18は、レーザ導波路の方向とc軸投影成分の方向とのズレ角度と、導波路に垂直な理想的端面と実際の端面との成すズレ角度との関係を示す図面である。横軸には、レーザ導波路の方向とc軸投影成分の方向とのズレ角度(「ズレ角1」として参照する)を示す。縦軸には、理想的端面と実際の端面の成すズレ角度(「ズレ角2」として参照する)を示す。図18のプロットを参照すると、ズレ角1を小さくすることで、ずれ角2を低減できる。具体的には、ズレ角1が−1度以上+1度以下の範囲の精度であれば、ズレ角2は大きくはばらつかない。ズレ角1が、絶対値で表された角度1度を超えるとき、ズレ角2は大きくばらつく。
レーザ導波路の方向とc軸投影成分(c軸を基板主面に投影した方向)とのズレ角度と発振歩留りの関係を調査した。その結果、図19(a)に示されるように、ズレ角度の絶対値が小さいときに、発振歩留りが向上した。ズレ角度が−0.5度以上+0.5度以下の範囲であれば、発振歩留りを50%以上にすることができる。また、ズレ角度が−0.25度以上+0.25度以下の範囲であれば、発振歩留りを75%以上にすることができる。ズレ角度が−0.75度以上+0.75度以下の範囲であれば、発振歩留りを15%以上にできる。
レーザ導波路とc軸投影成分とのズレ角度と閾値電流密度のばらつきを調査した。その結果、図19(b)に示されるように、ズレ角度の絶対値が小さいときに、閾値電流密度のばらつき(標準偏差σ)が低減した。ズレ角度が−0.3度以上+0.3度以下の範囲であれば、このばらつきを15%以下にすることができる。ズレ角度0度の半導体レーザにおけるばらつきが約10%であるので、ズレ角度が−0.3度以上+0.3度以下の範囲であるとき、ズレ角度0度の半導体レーザの閾値電流密度の1.5倍程度に抑えられる。また、ズレ角度が−0.25度以上+0.25度以下の範囲であれば、このばらつきを13%以下にすることができる。ズレ角度の絶対値が0.3度を超えるとき、閾値電流密度のばらつきの変化が大きくなる。ズレ角度が−0.75度以上+0.75度以下の範囲であれば、このばらつきを40%以下にできる。
図20は、(20−21)面と(−101−6)面及び(−1016)面における原子配置を示す図面である。図21は、(20−21)面と(−101−7)面及び(−1017)面における原子配置を示す図面である。図22は、(20−21)面と(−101−8)面及び(−1018)面における原子配置を示す図面である。図20〜図22に示されるように、矢印によって示される局所的な原子配置は電荷的に中性な原子の配列を示し、電気的中性の原子配置が周期的に出現している。成長面に対し、比較的垂直な面が得られる理由は、この電荷的に中性な原子配列が周期的に現れることで、割断面の生成が比較的安定となっていることが考えられる可能性がある。
上記の実施例1〜4を含めた様々な実験によって、角度ALPHAは、45度以上80度以下及び100度以上135度以下の範囲であることができる。発振チップ歩留を向上させるためには、角度ALPHAは、63度以上80度以下及び100度以上117度以下の範囲であることができる。典型的な半極性主面、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかであることができる。更に、これらの半極性面からの微傾斜面であることができる。例えば、半極性主面は、{20−21}面、{10−11}面、{20−2−1}面、及び{10−1−1}面のいずれかの面から、m面方向に−4度以上+4度以下の範囲でオフした微傾斜面であることができる。
(実施例5)
既に述べたように、半導体レーザにおいては、導波路と共振器端面を精度よく垂直にすることにより、半導体レーザの特性を良好かつ安定化させることができる。その故に、端面の割れやすさは結晶方位に大きく依存するので、結晶方位を正確に示す目印を見出すとともに、その目印を基準にしてその目印に対して平行又は垂直にマスクアライメントを行うことができるとき、マスクアライメントの精度を高めることが可能である。半導体ウエハには、図23(a)に示されるように、例えばオリエンテーションフラット(以下、「オリフラ」として参照する)OFと呼ばれる結晶方位を示す切り欠きを設けることができる。
図23(b)に示されるように、予期しないウエハ破損を避けるために、このオリフラにはチャンファ(面取り)CHF1、CHF2が形成される。チャンファを設けたオリフラでは、マスクアライナを用いたパターニングの際にピント合わせの精度の向上が容易ではない。オリフラの面取り部分には、ウエハの主面に対して傾斜した傾斜面が設けられているので、ウエハの主面に垂直な方向に関して、傾斜面では、マスクアライナとオリフラとの距離が変化する。この変化のため、マスクアライナを用いたアライメントでは、オリフラのチャンファの傾斜面のいずれの位置にもピントを合わせることができる。これ故に、アライメントの精度がオリフラの面取り幅の範囲のいずれの位置にピントを合わせたかに依存することになり、結果としてアライメントの精度向上に限界が生じる。一方、チャンファを設けない半極性基板では、基板の研磨の際にチッピング(欠け)生じて、図23(c)に示されるように、オリフラのエッジが直線ではなく荒れることがある。この荒れゆえに、結果としてアライメントの精度向上に限界が生じる。
発明者らの知見によれば、c面主面を有するGaNウエハにおいては、アライメント精度を高めるために、エピタキシャル成長後の工程におけるプロセス前に、エピタキシャル基板をへき開して、m面が出現したエッジを形成する。このm面エッジをマスクアライメントの基準として用いることができる。このm面エッジの形成手法を、{20−21}面半極性といった半極性エピタキシャル基板に適用するとき、m面に替えてa面のエッジが形成される。引き続く説明は、半極性面として{20−21}面を有するエピタキシャル基板を一例として行なわれる。エピタキシャル基板の主面に垂直なa面をへき開により形成することを試みたけれども、図24に示されるように、直線的な破断エッジを得ることができないこともある。図24は、a面へき開を試みたウエハを示す平面図である。例えば破断エッジは直線的に延びる部分PLNがあるが、全体としては亀裂は蛇行する。この理由として、a面エッジの形成ではm面に比べてGaN系半導体がa面に沿って直線的に割れにくいことが考えられる。
発明者らの注意深い観察により、半極性面基板上に成長されたエピタキシャル半導体領域には、半極性に固有の欠陥が形成されることが明らかになっている。
表面モフォロジーがその一例である。例えば{20−21}面基板上にレーザ構造をエピタキシャル成長後に、エピ最表面をノマルスキー微分干渉顕微鏡を用いて観察した。図25は、エピ最表面のノマルスキー微分干渉顕微鏡像を示す図面である。図25に示されるように、その表面には、a軸方向にほぼ平行な直線状のモフォロジーが観察された。このモフォロジーを調査するために、透過電子顕微鏡(TEM)を用いてエピタキシャル基板を観察を行った。図26は、図25において矢印で示されるボックス内の領域の断面における透過電子顕微鏡像を示す図面である。図26を参照すると、エピ表面には窪みが観察され、この窪みが、直線状のモフォロジーとして観察されている。図27は、窒化ガリウム系半導体中の積層欠陥SFとエピ表面の欠陥(例えば溝)Gとを模式的に示す図面である。図27の模式図に示されるように、窪み箇所の基板位置には、写真下部の基板から伝播する欠陥が観察されている。
欠陥をさらに詳しく調べるために、図26に示される領域BOXを高分解能透過電子顕微鏡(HR−TEM)を用いた観察を行った。その結果を図28に示す。倍率の異なる画像が、図28(a)、図28(b)及び図28(c)に示されている。欠陥近傍の積層構造を詳しく解析した結果、図28(c)に示されるように、欠陥を境に結晶面の積層構造がABABAB・・・からBCBCBC・・・へと変化していることが示される。したがって、この欠陥は、積層欠陥である。また、この積層欠陥は、c面内に存在することから、a軸方向(図28に示されるように正確に[−12−10]方向)に延びている。そして、積層欠陥がエピ表面と交差した箇所で、エピ表面に窪みが形成されている。これ故に、本実施の形態に係るエピタキシャル基板は、c面内に設けられた積層欠陥とこの積層欠陥に関連した直線状の窪みからなる構造体を含んでいる。
エピタキシャル基板では、これ故に、この窪み及び積層欠陥の向きは、非常に正確にa軸方向を示している。このエピ表面の窪みをマークとして利用することによって、このマークに垂直になるように導波路をマスクアライメントすることが可能になる。したがって、a軸方向に精度良く垂直に、かつc軸を主面に投影した方向に精度よく平行にマスクのアライメントが可能である。
上記の積層欠陥は基板上への結晶成長時に偶発的に発生するものであるが、ウエハ面内に、0.2(cm−1)以上での密度で含まれることが望ましい、これ以下の密度であるとき、レーザ作成のためのエピタキシャル成長に使用する基板内に積層欠陥が作製される可能性が低い。また、積層欠陥は、ウエハ面内に、10(cm−1)以下の密度で含まれることが望ましく、この値を超える密度では、レーザ素子の歩留まりに影響を与える。また、エピ表面上における積層欠陥の長さ(窪みの長さ)は、230μm以上であることが良い。マークの長さが230μm以上であるとき、精度の良いマスクアライメントが可能になる。
(実施例6)
{20−21}面GaN基板上にレーザ構造のためのエピタキシャル積層構造を成長する。エピタキシャル積層構造は、n型半導体領域、活性層及びp型半導体領域を含み、活性層は、InGaN井戸層を含む単一量子井戸構造を有する。この成長の後に、水銀ランプ(波長365nm)を用いて励起してエピタキシャル基板の上面の蛍光像を観察した。図29(a)は、水銀ランプを用いて励起した際のエピタキシャル基板の上面の蛍光像を示す図面である。図29(a)に示すように、上面からの発光像における暗領域(水銀ランプ励起で発光しない領域)が観測される。暗領域は例えば五角形の形状を成している。五角形の最も長い辺(長辺)は、a軸方向にほぼ平行である。また、発明者らの観察によれば、暗領域の断面は、図29(b)、図29(c)及び図29(d)に示すような典型的な断面形状、例えば五角形、等脚台形といった台形、二等辺三角形といった三角形を有しており、これらの断面形状は、最長の辺に直交する軸に関して左右対称である。例えば三角形及び五角形の各々は、一頂点を通過し長辺に直交する軸に関して左右対称である。
この暗領域の原因をさらに調査するために、走査型透過電子顕微鏡(STEM)により断面の観察を行った。その結果、図29(e)に示される良好部(断面)では、井戸層が急峻に形成されている一方で、図29(f)に示される暗領域部(断面)では、井戸層において、六角形の析出物が観察される。この析出物をエネルギ分散X線分光法(EDX)によって調べた結果、析出領域はInリッチであった。この六角形の一辺は、GaN基板の半極性主面に平行な平面に対して75度の角度を成しており、(0001)面であることになる。これ故に、この構造物の形状は、結晶方位を反映している。発明者らの観察によれば、この析出物はa軸方向に伸びている。また、析出物の奥行き方向に析出物の断面はほぼ同じ断面形状を有している。したがって、エピタキシャル基板の表面から観察した際の暗領域の長辺に平行に導波路をマスクアライメントすることで、a軸方向に精度良く垂直に、かつc軸を主面に投影した方向に精度よく平行にマスクアライメントすることが可能である。
上記の暗領域は、活性層に設けられた結晶欠陥を含むことができ、また波長500nm以上の発光波長を持つ活性層においては、成長温度や量子井戸構造に起因して井戸層には結晶欠陥が導入されやすいが、この結晶欠陥をアライメントマークとして利用可能である。また、暗領域は、発光層を成長した後のp型半導体層の成長温度が高過ぎたり成長時間が長いときに発生しやすい。
水銀ランプで励起した発光像中の暗領域における長辺は例えばa軸の方向に延在しており、長辺は230μm以上の長さを有することが好ましい。また、水銀ランプで励起した発光像において暗領域として観察される欠陥領域は、結晶成長に係る欠陥であるので、結晶学的な情報が、構造物の形状及び向き等に反映される。また、暗領域は、摂氏800度以上の高温で熱処理により拡大することが特徴である。
以上説明したように、III族窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板は、以下の構造を有することができる。エピタキシャル基板は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する基板と、この基板の半極性主面上に設けられた半導体積層とを備える。この半導体積層はレーザ構造体のための半導体領域を含み、この半導体領域は、第1導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第1のクラッド層と、第2導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第2のクラッド層と、活性層とを含む。活性層は窒化ガリウム系半導体層を含む。基板の六方晶系III族窒化物半導体のc軸は該六方晶系III族窒化物半導体のm軸の方向に法線軸に対して角度ALPHAで傾斜している。半導体積層は、六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向を示す基準軸に沿って延在する上記の構造物を含む。
このエピタキシャル基板は、六方晶系III族窒化物半導体のm軸及び法線軸によって規定されるm−n面の方向に沿ったレーザストライプを含むIII族窒化物半導体レーザ素子の形状のために好適である。III族窒化物半導体レーザ素子は半極性面基板上に形成される。しかしながら、半導体積層は六方晶系III族窒化物半導体のa軸の方向を示す基準軸に沿って延在するエッジを有する帯状の構造物を含むので、この構造物は、このエピタキシャル基板を用いて作製されるIII族窒化物半導体レーザ素子に、レーザストライプの向き付けやレーザキャビティの向き付けを提供できる。好ましくは、法線軸と六方晶系III族窒化物半導体のc軸との成す角度ALPHAは、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の範囲である。活性層は、第1のクラッド層と第2のクラッド層との間に設けられ、また第1のクラッド層、第2のクラッド層及び活性層は半極性主面の法線軸に沿って配列されている。
構造物は、半導体積層の上面においてa軸の方向に延在する表面形態を有することができる。このとき、エピタキシャル基板の外観の観察により構造物の確認が可能である。このような構造物は半導体積層の上面における窪みを含むとき、紫外線〜可視光〜赤外線等による反射光や透過光により窪みの位置を特定することができる。また、エピタキシャル基板における上記構造物(例えば、暗領域の長辺やエピ表面の溝)はa軸の方向に対して−0.5度以上及び+0.5度以下の範囲のズレ角を成すことが好ましい。更には、構造物はa軸の方向に対して−0.3度以上及び+0.3度以下の範囲のズレ角を成すことが更に好ましい。
また、このエピタキシャル基板を用いてIII族窒化物半導体レーザ素子を以下の工程で作製することができる。
エピ表面に設けられた溝といった直線状モフォロジーを利用してマスクアライメントを行うことができる。マスクアライナ上に半導体生産物を配置してときに、直線状モフォロジーはマスクアライナのセンサ装置を用いて、或いは目視により検出可能である。導波路の方向を決定するマスクアライメントの際に、導波路の方向が直線状モフォロジーに垂直になるように、マスクアライナ上の半導体生産物の位置及び向きを決定する。
水銀ランプによる励起像における暗領域を利用してマスクアライメントを行うことができる。水銀ランプを取り付けたレーザスクライバ装置を準備する。このレーザスクライバ装置に半導体生産物を設置する。レーザスクライバ装置において、水銀ランプを用いて励起して発光像を得る。発光像中の暗領域を利用して、レーザスクライバ装置上において半導体生産物の方位合わせを行う。レーザスクライバ装置を用いて半導体生産物にマークを作製する。このマークを基準にマスクアライメントする。この手順により、精度よく導波路と結晶方位とを一致させることが可能である。
以上説明したように、本実施の形態によれば、六方晶系III族窒化物のc軸がm軸の方向に傾斜した支持基体の半極性面上において、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有すると共に発振歩留まりの向上可能な構造を有するIII族窒化物半導体レーザ素子が提供される。また、本実施の形態によれば、このIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法が提供される。さらに、本実施の形態によれば、上記のIII族窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。