JP5503391B2 - 窒化物系半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体レーザ素子の製造方法に関する。

窒化物系半導体、特に窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ガリウム砒素系の化合物半導体に比べて大きなバンドギャップを有することから、高密度光ディスク用光源として青紫色レーザダイオードに用いられている他、白色光源や医療分野、フルカラーディスプレイ、プロジェクター光源などその応用分野が多岐にわたる。

特に高密度光ディスク用光源としては、主に映像、データの記録用途として従来のＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）からＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｋ：登録商標）に徐々に需要が変遷しつつあり、今後さらに青紫色レーザダイオードの市場が拡大することが予想される。

しかしながら、窒化物系半導体を用いた電子デバイスの製造においては、その結晶が化学的に非常に安定であることからエッチングが困難であり、特にウェットエッチングによる手法ではガリウム砒素系の化合物半導体のように量産に適用できるほどの十分な検討がなされていない。このため、現在窒化物系半導体のエッチングではドライエッチングが主流となっている。

一方、青紫色半導体レーザ素子のリッジストライプ形成においては、その形状および加工深さ（エッチング深さ）の精度が、素子特性、特に、ＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：出力光の遠方放射パターン）やＫｉｎｋ（半導体レーザ素子の光出力−動作電流特性における非直線性）に大いに影響を与えるため、加工深さ等の不安定性が歩留まりを低下させる原因となる。そのため、リッジストライプの形成においては、高精度のエッチング制御が求められる。

そこで、従来、窒化物系半導体のドライエッチングにおけるエッチング精度を向上させるために、ｐ型クラッド層の所望位置にエッチングストップ層を設けることによって、エッチングが上記エッチングストップ層に到達した段階でエッチングそのものが停止するという手法を用いる提案がなされている（たとえば、特許文献１および２参照）。

また、上記提案では、基板温度の制御によりエッチングレートを制御しており、たとえば、上記特許文献１では、基板を６００℃以上の高温にすることでエッチングストップ層としてのＧａＮ層のエッチングレートが低下すること、また、上記特許文献２では、−３０℃〜２０℃の範囲でエッチングすることでエッチングストップ層としてのＩｎＧａＮ層のエッチングレートが低下することを利用している。

特許第３５４６６３４号公報 特許第３８１２４５２号公報

しかしながら、上記特許文献１および２で提案されたような従来の手法では、基板温度はエッチングチャンバの処理状況等によって変化し、また、直接観測することも困難であるため、基板温度を一様に制御することが困難であるという不都合がある。このため、従来の手法では、エッチングチャンバの処理状況等によっては、エッチング精度が低下するおそれがある。

このように、窒化物系半導体のドライエッチングでは、従来提案された手法を用いた場合でも、高精度のエッチング制御を行うことが困難であるという問題点がある。なお、エッチングの精度が低い場合、窒化物系半導体レーザ素子の製造において、特性のばらつきが生じるため、歩留まりが低下するという問題点もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、ドライエッチングの精度を向上させることにより、特性のばらつきを抑制することが可能な窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。

この発明のもう１つの目的は、優れた素子特性を有する信頼性の高い窒化物系半導体レーザ素子を高い歩留まりで製造することが可能な窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に複数の窒化物系半導体層を積層する工程と、窒化物系半導体層をドライエッチングするとともに、窒化物系半導体層に光を照射して窒化物系半導体層で反射された反射光の干渉波形を観測する光学的手法を用いてドライエッチング時における干渉波形のプロファイルを取得する工程と、窒化物系半導体層をドライエッチングすることにより、窒化物系半導体層に導波路構造を形成する工程とを備えている。そして、導波路構造を形成する工程は、光学的手法を用いて反射光の干渉波形を観測しながら窒化物系半導体層をドライエッチングする工程と、取得された干渉波形のプロファイルを元に、エッチングの終点位置を検知する工程とを含んでいる。

この一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法では、上記のように、導波路構造を形成する際に、光学的手法を用いて反射光の干渉波形を観測しながら窒化物系半導体層のドライエッチングを行い、予め取得された干渉波形のプロファイルを元に、エッチングの終点位置を検知する。このため、一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法では、所望の位置でエッチングを停止することができる。これにより、高精度のエッチング制御を行うことができるので、ドライエッチングにより導波路構造を形成する際に、精度よく導波路構造を形成することができる。すなわち、素子特性上最適なエッチング深さを安定して実現することができる。その結果、素子特性のバラツキを抑制することができるので、優れた素子特性を有する信頼性の高い窒化物系半導体レーザ素子を歩留まりよく製造することができる。

また、一の局面では、上記のように構成することによって、簡易な手法にてエッチング深さを精度よく制御することができる。

上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法において、好ましくは、窒化物系半導体層を積層する工程は、基板上に、第１導電型半導体層、活性層および第２導電型半導体層を順に積層する工程を含み、導波路構造を形成する工程は、第２導電型半導体層に、所定方向に延びるストライプ状の凸部を形成する工程を含み、エッチングの終点位置を検知する工程は、第２導電型半導体層の界面に現れる干渉波形上の変極点と、ストライプ状の凸部の形成時に所望する第２導電型半導体層のエッチング残し量とから、ストライプ状の凸部におけるエッチング終点検知の設定値を決定する工程を含む。このように構成すれば、容易に、高精度のエッチング制御を行うことができる。

上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法において、好ましくは、干渉波形のプロファイルを取得する工程は、窒化物系半導体層が積層された基板を分割する際の分割補助溝をドライエッチングにより形成する工程と、分割補助溝の形成時に光学的手法を用いて干渉波形のプロファイルを取得する工程とを含む。このように、分割補助溝の形成時に干渉波形のプロファイルを取得すれば、製造工程が増加するのを抑制することができる。

この場合において、分割補助溝を形成する際の干渉波形の観測を行う位置は、導波路構造を形成する際の干渉波形の観測を行う位置から２５ｍｍ以内の距離にあるのが好ましい。

上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法において、干渉波形のプロファイルを取得する工程における干渉波形の観測を行う位置は、導波路構造を形成する際の干渉波形の観測を行う位置から２５ｍｍ以内の距離にあるのが好ましい。このように、導波路構造を形成する際の干渉波形の観測を行う位置から２５ｍｍ以内の距離にある位置で干渉波形のプロファイルを取得すれば、より高精度のエッチング制御を行うことができる。

上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法において、干渉波形のプロファイルは、導波路構造を形成する工程で用いるドライエッチング装置および干渉波形観測装置と同じ装置を用いて取得するのが好ましい。このように構成すれば、さらに高精度のエッチング制御を行うことができる。

この場合において、ドライエッチング装置には、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）方式のエッチング装置を用いることができる。

上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法において、ドライエッチング時に使用するガスは、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄、ＣＨ₄、Ａｒ、Ｈ₂、Ｎ₂の群から選択される１種以上のガスを含んでいるのが好ましい。

上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法において、干渉波形の観測に使用する光の波長は、３００ｎｍ〜５５０ｎｍであるのが好ましい。

この場合において、干渉波形の観測に使用する光の波長は、３００ｎｍ〜４１０ｎｍであればより好ましい。

以上のように、本発明によれば、ドライエッチングの精度を向上させることにより、特性のばらつきを抑制することが可能な窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を容易に得ることができる。

また、本発明によれば、優れた素子特性を有する信頼性の高い窒化物系半導体レーザ素子を高い歩留まりで製造することが可能な窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を容易に得ることができる。

本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の全体斜視図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の平面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図（レーザバー分割補助溝の説明をするための図）である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図（レーザバー分割補助溝の形成時に取得した干渉波形の一例を示した図）である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図（リッジ部を形成する際に用いるエッチング装置の一例を示したブロック図）である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図（リッジ部の部分を拡大して示した断面図）である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の全体斜視図である。図２は、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の平面図である。まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。

一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子は、図１および図２に示すように、劈開により形成され、互いに対向する一対の共振器端面２０を有している。この一対の共振器端面２０は、レーザ光が出射される光出射端面２０ａと、光出射端面２０ａと反対側の光反射端面２０ｂとからなる。また、一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子は、劈開により形成され、共振器端面２０と直交する一対の側端面３０を有している。

また、一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子は、図１に示すように、ｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板１上に、約０．２μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ層２が形成されている。ｎ型ＧａＮ層２上には、約２．０μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｎ型クラッド層３が形成されている。ｎ型クラッド層３上には、約０．２μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる光ガイド層４が形成されている。光ガイド層４上には、活性層５が形成されている。この活性層５は、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎからなる量子井戸層とＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎからなる障壁層（但し、ｘ１＞ｘ２）とが交互に積層された多重量子井戸構造を有している。

活性層５上には、約０．０７μｍの厚みを有するＧａＮ中間層６が形成されている。ＧａＮ中間層６上には、約０．０１μｍの厚みを有するＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる蒸発防止層７が形成されている。蒸発防止層７上には、凸部と、凸部以外の平坦部とを有するｐ型Ａｌ_0.04Ｇａ_0.96Ｎからなるｐ型クラッド層８が形成されている。
このｐ型クラッド層８は、凸部と平坦部との合計厚みが約０．６μｍに構成されているとともに、平坦部の厚みが約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍに構成されている。

また、ｐ型クラッド層８の凸部上には、約０．１μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９が形成されている。このｐ型コンタクト層９とｐ型クラッド層８の凸部とによって、たとえば約１．０μｍ〜約１．５μｍの幅を有するストライプ状（細長状）のリッジ部１０が構成されている。このリッジ部１０は、共振器端面２０と直交する方向（図２のＹ方向）に延びるように形成されている。なお、窒化物半導体基板１は、本発明の「基板」の一例であり、ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型クラッド層３、光ガイド層４、活性層５、ＧａＮ中間層６、蒸発防止層７、ｐ型クラッド層８およびｐ型コンタクト層９は、それぞれ、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。また、ｎ型の半導体層は、本発明の「第１導電型半導体層」の一例であり、ｐ型の半導体層は、本発明の「第２導電型半導体層」の一例である。

また、リッジ部１０を構成するｐ型コンタクト層９上には、所定の厚みを有するｐ側電極層１１がストライプ状（細長状）に形成されている。このｐ側電極層１１は、コンタクト電極として機能し、たとえば、ＰｄもしくはＮｉを主成分とする材料から構成されている。

また、図１および図２に示すように、共振器端面２０と側端面３０との角部（四隅）であってリッジ部１０を避けた部分には、ドライエッチングによって段差部４０が形成されている。さらに、リッジ部１０の両脇（ｐ側電極層１１を除く領域）には、電流狭窄を行うための絶縁層１２が形成されている。具体的には、リッジ部１０上部のｐ側電極層１１を除く部分に、ＳｉＯ₂やＴｉＯ₂などの誘電体膜からなる絶縁層１２が形成されている。

絶縁層１２の上面上には、ｐ側電極層１１よりも大きい平面積を有するｐ側パッド電極１３が、ｐ側電極層１１の一部を覆うように形成されている。このｐ側パッド電極１３は、ｐ側電極層１１の一部を覆っている部分において、ｐ側電極層１１と直接接触している。また、ｐ側パッド電極１３は、絶縁層１２側からＭｏ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなる。

また、窒化物半導体基板１の裏面上には、窒化物半導体基板１の裏面側から順に、Ｈｆ層（図示せず）およびＡｌ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるｎ側電極１４が形成されている。また、ｎ側電極１４上には、ｎ側電極１４側から順に、Ｍｏ層（図示せず）、Ｐｔ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるメタライズ層１５が形成されている。

また、光出射端面２０ａには、反射率５％〜３５％のＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング膜（図示せず）が形成されている。一方、光反射端面２０ｂには、反射率９５％のＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング膜（図示せず）が形成されている。なお、ＡＲコーティング膜の反射率は、発振出力により所望の値に調整されている。また、ＡＲコーティング膜は、たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃から構成されており、ＨＲコーティング膜は、たとえば、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂の多層膜から構成されている。上記以外の材料として、たとえば、ＳｉＮ、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＭｇＦ₂などの誘電体膜を用いてもよい。

図３〜図１７は、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。次に、図１および図３〜図１７を参照して、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法について説明する。

まず、ｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板１を準備する。次に、図３に示すように、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、準備した窒化物半導体基板１上に、窒化物系半導体層２〜９を順に成長させる。具体的には、窒化物半導体基板１上に、約０．２μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ層２、約２．０μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｎ型クラッド層３、約０．２μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる光ガイド層４、多重量子井戸構造を有する活性層５、約０．０７μｍの厚みを有するＧａＮ中間層６、約０．０１μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる蒸発防止層７、約０．６μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ_0.04Ｇａ_0.96Ｎからなるｐ型クラッド層８、約０．１μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９を順次成長させる。

次に、図４に示すように、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法などを用いて、ｐ型コンタクト層９上に、所定の厚みを有する、ＰｄもしくはＮｉなどを主成分とするｐ側電極層１１を形成する。次に、ｐ型コンタクト層９とｐ側電極層１１とのオーミック接触が得られるように、高温で電極の合金化を行う。そして、フォトリソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いて、ｐ側電極層１１のパターニングを行う。その後、蒸着法またはスパッタ法などを用いて、０．１μｍ程度の厚みを有する絶縁マスク層を形成し、ｐ側電極層１１のパターニング時に用いたレジスト膜（図示せず）を利用してリフトオフを行うことにより、絶縁マスク層５１を形成する。

続いて、図５および図６に示すように、半導体レーザ素子をバー状態に切り出す際に、端面に無用な段差やささくれ状の剥離部分などが形成されるのを避けるために、レーザバー分割補助溝４０ａを形成する。具体的には、まず、フォトリソグラフィ技術を用いて、絶縁マスク層５１（図４参照）上に、開口部を有するレジスト層（図示せず）を形成する。この際、リッジ部１０の形成領域を避けた領域であって、最終的に半導体レーザ素子をバー状態に切り出す工程（後述するバー分割工程）の際に劈開面となる部分（劈開予定線Ｌ１と劈開予定線Ｌ２との交点部分）に開口部が位置するようにレジスト層を形成する。次に、レジスト層をマスクとして、バッファードフッ酸による絶縁マスク層５１（図４参照）の除去を行い、開口部に対応する領域において、ｐ型コンタクト層９（図４参照）を露出させる。そして、レジスト層を除去する。その後、絶縁マスク層５１をマスクとして、窒化物系半導体層をドライエッチングすることにより、平面的に見て略矩形形状を有するレーザバー分割補助溝４０ａ（図５参照）を形成する。また、上記レーザバー分割補助溝４０ａは、後の工程で劈開されることによって窒化物系半導体レーザ素子の段差部４０（図１および図６参照）に形成される。なお、理解を容易にするために、図６では、絶縁層１２（図１参照）およびｐ側パッド電極１３（図１参照）等を取り除いた状態の窒化物系半導体レーザ素子を示している。

ここで、本実施形態では、上記レーザバー分割補助溝４０ａの形成に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）方式または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）方式のドライエッチング装置を用いる。このドライエッチング装置は、エッチングチャンバの上部に被エッチング材料を鉛直線上に視認できるビューポートを備えており、このビューポートの上部に、少なくとも３００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長の光を出射および検知できる装置を有している。そして、エッチング時に得られる干渉波形スペクトルをコンピュータにより観測、集計する。

すなわち、本実施形態で用いるドライエッチング装置は、干渉波形観測装置を備えたエッチング装置であり、ドライエッチング時に窒化物系半導体層に光を照射して窒化物系半導体層で反射された反射光の干渉波形を観測することが可能となっている。なお、ＧａＮ系の材料における干渉波形の観測には、３００ｎｍ〜４１０ｎｍまでの波長範囲の光を利用するのが好ましい。

また、本実施形態では、ｐ型コンタクト層９の上面から少なくともｐ型クラッド層８よりも深い状態までエッチングを行うことにより、ｐ型クラッド層８よりも深い深さを有するレーザバー分割補助溝４０ａを形成する。この際、窒化物系半導体層からの反射光を観測しながらドライエッチングを行うことにより、ドライエッチング時の干渉波形のプロファイルを取得する。

なお、本実施形態では、３６５ｎｍ近傍の反射光の干渉波形を観測している。３６５ｎｍ近傍の反射光においては、被エッチング材料による吸収が少なく安定した観測ができる上、蒸発防止層７にエッチングが至ると、ｐ型クラッド層８とのＡｌ組成比の違いにより、その振幅、周期が有意に乱れることを確認できる。このため、この波長帯を利用するのが好ましい。また、本実施形態においては、蒸発防止層７にエッチングが到達したことを確認した後にエッチングを停止することとする。すなわち、光学的手法を用いて干渉波形上の変極点を観察することにより、蒸発防止層７の出現位置を確認した後にエッチングを停止する。このため、この段階においてレーザバー分割補助溝４０ａは蒸発防止層７よりも深い状態となっている。そして、このようにして取得した干渉波形の一例が図７に示されている。

図７に示すように、変極点Ｆの部分で振幅および周期が有意に乱れており、この変極点Ｆの出現が、ドライエッチングの底面が蒸発防止層７に達したことを示している。すなわち、変極点Ｆが、干渉波形上における蒸発防止層７の出現位置である。また、図７において、干渉波形の一周期ａ（山と山（谷と谷）の間隔）は、たとえば約６７ｎｍとなっている。

続いて、図８に示すように、ｐ側電極層１１（図４参照）上に、フォトリソグラフィ技術を用いてストライプ状にパターニングされたレジスト層５２を形成する。レジスト層５２は、最終的な半導体レーザ素子の共振器方向と平行にパターニングされ、その幅は半導体レーザ素子の発振出力によって異なるが、たとえば１．０μｍ〜１．５μｍ程度の幅とする。

次に、レジスト層５２をマスクとして、ＲＩＥなどのドライエッチングにより、ｐ側電極層１１のうち不要部分の除去を行う。これにより、ストライプ状のレジスト層５２の部分（リッジ部１０の形成部分）以外のｐ側電極層１１が完全に除去される。

次に、上記レジスト層５２をマスクとして、ｐ型コンタクト層９の上面からｐ型クラッド層８の途中の深さまで選択的にドライエッチングを行う。これにより、図９および図１０に示すように、ｐ型クラッド層８の凸部とｐ型コンタクト層９とによって構成されるとともに、約１．０μｍ〜約１．５μｍの幅を有し、共振器方向（Ｙ方向；図１０参照）に互いに平行に延びるストライプ状のリッジ部１０（ストライプ状の凸部）が形成される。なお、リッジ部１０の形成によって、窒化物半導体基板１上に、導波路構造が形成される。

ここで、本実施形態では、リッジ部１０を形成するためのドライエッチングは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）方式または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）方式のドライエッチング装置を用いて、反射光の干渉波形を観測しながら行う。このドライエッチング装置は、レーザバー分割補助溝４０ａを形成するためのドライエッチング装置と同様、光学的手法を用いて反射光の干渉波形を観測可能に構成されている。なお、リッジ部１０の形成時には、上記レーザバー分割補助溝４０ａの形成時と同様、３６５ｎｍ近傍の反射光の干渉波形を観測している。

また、図１１に示すように、リッジ部１０を形成するためのドライエッチング装置は、たとえば、エッチングチャンバ１００と、少なくとも３００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長の光を出射および検知できる装置（干渉波形観測用光源／分光装置１１０）と、干渉波形分析／演算用ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）１２０と、エッチング制御用ＰＣ１３０とを備えている。干渉波形観測用光源／分光装置１１０は、光ファイバ１０５を介して、エッチングチャンバ１００の上部に設けられた図示しないビューポート（被エッチング材料を鉛直線上に視認できるビューポート）から光を出射および検知する。干渉波形分析／演算用ＰＣ１２０は、干渉波形観測用光源／分光装置１１０からの反射光強度信号を入力して、干渉波形の分析／演算を行うとともに、干渉波形に基づいてエッチング終点検知を行う。そして、エッチング終点信号（エンドポイント信号）をエッチング制御用ＰＣ１３０に出力する。エッチング制御用ＰＣ１３０は、干渉波形分析／演算用ＰＣ１２０との間で、ＲＦ（高周波）のＯＮ／ＯＦＦ信号を入出力するとともに、干渉波形分析／演算用ＰＣ１２０からのエッチング終点信号が入力されると、エッチングを停止させる。

また、本実施形態では、レーザバー分割補助溝４０ａの形成時に取得された干渉波形プロファイルを元に、リッジ部１０を形成するためのドライエッチングの終点位置を検知する。具体的には、ｐ型クラッド層８と蒸発防止層７との界面に現れる干渉波形上の変極点Ｆ（図７参照）と、リッジ部１０の形成時に所望するｐ型クラッド層８のエッチング残し量とから、リッジ部１０を形成するためのエッチング終点検知の設定値を決定する。より具体的には、図７に示したように、レーザバー分割補助溝４０ａの形成時に取得された干渉波形プロファイルにおいて、蒸発防止層７の位置（変極点Ｆ）を見極め、ｐ型クラッド層８における所望のエッチング残し量を上記蒸発防止層７（変極点Ｆ）から遡り、干渉波形上の位置を予め見極めておく。このようにして、リッジ部１０を形成するためのドライエッチングの終点位置を予め決定しておき、エッチング終点検知の設定値を干渉波形観測装置に設定しておく。

ここで、リッジ部１０の形成時には、蒸発防止層７上に約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍのｐ型クラッド層８を残した状態になるようにエッチング深さを制御する必要がある。すなわち、図１２に示すように、ｐ型クラッド層８のエッチング残し量ｈが、約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍとなるようにエッチング深さを制御する必要がある。この制御が十分でない場合、半導体レーザ素子の重要な特性であるＦＦＰが所望の値にならなかったり、Ｋｉｎｋ不良を発生させる要因になったりし、歩留まり低下の原因となる。

このため、図７に示した干渉波形プロファイルにおいて、蒸発防止層７（変極点Ｆ）から、約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍ遡った位置を見極めておき、その位置をエッチング終点位置として設定する。図７の干渉波形プロファイルでは、干渉波形の一周期ａは約６７ｎｍに相当するため、エッチング残し量ｈ（図１２参照）を約６０ｎｍ〜約１５０ｎｍとするためのエッチング終点位置を容易に決定することができる。そして、エッチングを開始してからエッチング終点位置までの谷（または山）の数をカウントすることにより、その数からエッチング終点検知の設定値を決定することができる。たとえば、エッチングを開始してから１１個目の谷の位置が、所望のエッチング残し量である場合、エッチングを開始してから１１個目の谷を検知した時にエッチングを停止するように設定しておけば、所望のエッチング残し量とすることが可能となる。このように、エッチング終点を干渉波形観測装置に設定することで、安定的にｐ型クラッド層８のエッチング残し量ｈ（図１２参照）を制御することができる。

また、本実施形態では、リッジ部１０の形成時に使用するドライエッチング装置および干渉波形観測装置は、レーザバー分割補助溝４０ａの形成時に使用するドライエッチング装置および干渉波形観測装置と同一のものを用いている。なお、ドライエッチング時に使用するエッチングガスは、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄、ＣＨ₄、Ａｒ、Ｈ₂、Ｎ₂の群から選択される１種以上のガスを含むエッチングガスとするのが好ましい。

また、本実施形態の製造方法においては、レーザバー分割補助溝４０ａの形成時に干渉波形を観測する基板（ウェハ）上の位置と、リッジ部１０を形成する際に干渉波形を観測する基板（ウェハ）上の位置との距離を２５ｍｍ以下にするのが好ましく、隣接する領域で行えばより好ましい。

リッジ部１０の形成が完了すると、図１３に示すように、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などを用いてＳｉＯ₂やＴｉＯ₂などの誘電体膜を形成することにより、リッジ部１０上のｐ側電極層１１を除く部分に電流狭窄のための絶縁層１２を形成する。

続いて、図１４および図１５に示すように、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などを用いて、基板（ウェハ）側からＭｏ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、絶縁層１２上に、多層構造からなるｐ側パッド電極１３を形成する。このｐ側パッド電極１３は、たとえば、平面的に見て略矩形状に形成するとともにマトリクス状に複数形成する。

次に、基板（ウェハ）を分割し易くするために、窒化物半導体基板１の裏面を研削または研磨することにより、窒化物半導体基板１を約１００μｍの厚みまで薄くする。そして、研削または研磨した面にドライエッチングなどを施して表面を調整する。

その後、図１６に示すように、窒化物半導体基板１の裏面上に、真空蒸着法などを用いて、窒化物半導体基板１の裏面側からＨｆ層（図示せず）およびＡｌ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるｎ側電極１４を形成する。そして、ｎ側電極１４上に、ｎ側電極１４側からＭｏ層（図示せず）、Ｐｔ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるメタライズ層１５を形成する。なお、ｎ側電極１４の形成前に、ｎ側の電気特性の調整などの目的でドライエッチングやウェットエッチングを行ってもよい。

このように形成された基板（ウェハ）を、スクライブ装置を用いてリッジ部１０が延在する方向（図１５のＹ方向）と垂直な方向（図１５のＸ方向）に沿って劈開（劈開予定線Ｌ１で劈開）することにより、図１７に示すように、共振器長を一定とするバーに分割する。そして、分割されたバーの前後方向の端面に絶縁体コーティング膜（図示せず）を形成する。具体的には、バーの一方の端面には、反射率９５％のＨＲコーティングを実施し、反対側の端面には、反射率５％〜３５％のＡＲコーティングを実施する。なお、ＡＲコーティングの反射率は、半導体レーザ素子の発振出力により所望の値に調整する。また、本実施形態では、ＨＲコーティング材料には、ＳｉＯ₂およびＴｉＯ₂の多層膜を用いるものとし、ＡＲコーティング材料には、Ａｌ₂Ｏ₃を用いるものとする。ただし、上記以外の材料として、たとえば、ＳｉＮ、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＭｇＦ₂などの誘電体膜を用いてもよい。

次に、バーから窒化物系半導体レーザ素子を１つずつ分割して取り出すために、粘着シートに固定した状態のバーに、スクライブ装置によりチップ境界部分（劈開予定線Ｌ２部分）にスクライブ線を形成する。そして、粘着シートを拡大するなどの手法を用いて個々のチップ（素子）に切り分けて取り出す。このようにして、図１に示した本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が製造される。上記製造方法により得られた窒化物系半導体レーザ素子は、ＦＦＰ特性およびＫｉｎｋ特性がより安定したものとなるため、歩留まりを向上（安定）させることが可能となる。

本実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法では、上記のように、リッジ部１０を形成する際に、光学的手法を用いて反射光の干渉波形を観測しながらｐ型コンタクト層９およびｐ型クラッド層８のドライエッチングを行い、その際、予め取得された干渉波形のプロファイルを元に、エッチングの終点位置を検知することによって、所望の位置でエッチングを停止することができる。このため、高精度のエッチング制御を行うことができるので、ドライエッチングによりリッジ部１０を形成する際に、精度よくリッジ部１０を形成することができる。これにより、素子特性上最適なエッチング深さ（ｐ型クラッド層８のエッチング残し量ｈ）を安定して実現することができる。その結果、素子特性のバラツキを抑制することができるので、優れた素子特性を有する信頼性の高い窒化物系半導体レーザ素子を歩留まりよく製造することができる。

また、本実施形態による製造方法では、上記のように構成することによって、簡易な手法にてエッチング深さを精度よく制御することができる。

また、本実施形態では、ｐ型クラッド層８と蒸発防止層７との界面に現れる干渉波形上の変極点Ｆと、ストライプ状のリッジ部１０の形成時に所望するｐ型クラッド層８のエッチング残し量とから、リッジ部１０におけるエッチング終点検知の設定値を決定することによって、容易に、高精度のエッチング制御を行うことができる。

また、本実施形態では、レーザバー分割補助溝４０ａを形成する際に、光学的手法を用いて干渉波形のプロファイルを取得することによって、干渉波形のプロファイルを取得するために他の領域をエッチングする必要がないので、その分、製造工程が増加するのを抑制することができる。

また、レーザバー分割補助溝４０ａを形成する際の干渉波形の観測を行う位置を、リッジ部１０を形成する際の干渉波形の観測を行う位置から２５ｍｍ以内とすれば、リッジ部１０を形成する際の干渉波形スペクトルを、レーザバー分割補助溝４０ａを形成する際の干渉波形スペクトルと概ね同一とすることができるので、より確実に精度よくｐ型クラッド層８のエッチング残し量を制御することができる。

また、本実施形態では、リッジ部１０の形成時に使用するドライエッチング装置および干渉波形観測装置を、レーザバー分割補助溝４０ａの形成時に使用するドライエッチング装置および干渉波形観測装置と同一のものを用いることによって、２つのエッチング工程での干渉波形形状（スペクトル）をより同一形状に近づけることができる。このため、大量生産を行った場合でも、確実にｐ型クラッド層８のエッチング残し量を精度よく制御することができる。

なお、上記のように、ＧａＮ系の材料において、３６５ｎｍ近傍の反射光の干渉波形を観測した場合、反射強度が強く干渉周期が明瞭に観測できるため、従来その干渉周期からエッチング深さを推測し、終点検出を行うことが最も簡易な手法であった。しかしながら、従来の方法では、ｐ型クラッド層のエッチング残し量を十分に制御できない問題があった。一方、干渉波形の観測において、３３５ｎｍ近傍などのより短波長領域の反射光の干渉波形を観測すれば、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる蒸発防止層７にエッチングが迫ると、その振幅が有意に拡大することから、エッチングを停止するトリガー信号として利用することができる。しかしながら、この場合には、結晶成長装置の不安定性やその他の生産装置の状況から、実際にはＡｌ組成比や各層の層厚、表面状態（汚染やラフネス）など、ウェハ品質にはゆらぎがあり、他方エッチング装置についてもビューポート部分の汚染や被エッチング材料の傾き、照射光のフォーカシングずれといった要因により、その干渉波形はウェハ間でバラツキを持っている。このため、この場合には、有意に振幅が大きくはなるが、量産によるバラツキを加えた場合には、それらの大きさを量産において全て識別できる一義的なエッチングストップ条件を設定することが困難であった。

これに対し、本実施形態による製造方法では、ウェハ間で層厚などのバラツキがある場合でも、ウェハ毎にエッチング終点位置を設定することができるので、量産によるバラツキを加えたとしても、高精度のエッチング制御を行うことができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、レーザバー分割補助溝の形成時に干渉波形のプロファイルを取得するように構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、干渉波形のプロファイルは、レーザバー分割補助溝の形成時以外に取得するようにしてもよい。たとえば、リッジ部を形成する前に、基板（ウェハ）の所定領域をドライエッチングすることにより、そのドライエッチング時に干渉波形のプロファイルを取得するようにしてもよい。その場合、干渉波形を観測する基板（ウェハ）上の位置と、リッジ部を形成する際に干渉波形を観測する基板（ウェハ）上の位置との距離を２５ｍｍ以下とするのが好ましい。また、干渉波形のプロファイルは、基板（ウェハ）毎に取得するのが好ましい。

また、上記実施形態では、干渉波形観測装置を用いて３６５ｎｍ近傍の反射光の干渉波形を観測した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記以外の波長の干渉波形を観測するようにしてもよい。なお、干渉波形の観測に使用する光の波長は、３００ｎｍ〜５５０ｎｍであるのが好ましく、３００ｎｍ〜４１０ｎｍであればより好ましい。

また、上記実施形態では、ｐ型クラッド層と蒸発防止層との界面に現れる干渉波形上の変極点と、所望するエッチング残し量とからエッチング終点検知の設定値を決定した例を示したが、本発明はこれに限らず、他の半導体層の界面に現れる変極点と、所望するエッチング残し量とからエッチング終点検知の設定値を決定するようにしてもよい。たとえば、ｐ型クラッド層と蒸発防止層との間に他の半導体層が形成されており、その半導体層とｐ型クラッド層との界面に干渉波形上の変極点が有意に現れれば、その変極点と、所望するエッチング残し量とからエッチング終点検知の設定値を決定するようにしてもよい。

なお、上記実施形態で示したように、リッジ部の形成時に使用するドライエッチング装置および干渉波形観測装置は、干渉波形のプロファイルを取得するために使用するドライエッチング装置および干渉波形観測装置と同一のものを用いるのが好ましいが、異なるドライエッチング装置および干渉波形観測装置を用いて、リッジ部の形成を行うこともできる。

また、上記実施形態では、平面的に見て略矩形形状を有するレーザバー分割補助溝を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記レーザバー分割補助溝は、上記以外の形状であってもよい。たとえば、特開２００８−３０５９１１号公報に開示されているような形状とすることができる。具体的には、たとえば所定方向に延びる溝状にレーザバー分割補助溝を形成することもできる。なお、レーザバー分割補助溝は、トレンチとも呼称され、基板（ウェハ）をバー状に劈開する際に、レーザ素子の活性層端面部分が微小な段差などで破壊されなければ、その形状は溝状であっても、矩形状であってもよい。また、上記以外の形状であってもよい。さらに、レーザバー分割補助溝の形成位置やその深さについても適宜変更することができる。

また、基板にｎ型ＧａＮ基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、および、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる基板や、サファイア基板などの絶縁性基板を用いてもよい。なお、基板上に結晶成長される窒化物系半導体層の各層については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。また、導電型を一部の半導体層について変更してもよい。すなわち、窒化物系半導体レーザ素子としての基本特性が得られる限り自由に変更可能である。

さらに、上記実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて窒化物系半導体各層を結晶成長させた例を示したが、本発明はこれに限らず、エピタキシャル成長を行うことができる成長法であれば、ＭＯＣＶＤ法以外の結晶成長法を用いてもよい。たとえば、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）やＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などを用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させるようにしてもよい。

１ 窒化物半導体基板（基板）
２ ｎ型ＧａＮ層（窒化物系半導体層、第１導電型半導体層）
３ ｍ型クラッド層（窒化物系半導体層、第１導電型半導体層）
４ 光ガイド層（窒化物系半導体層、第１導電型半導体層）
５ 活性層（窒化物系半導体層）
６ ＧａＮ中間層（窒化物系半導体層、第２導電型半導体層）
７ 蒸発防止層（窒化物系半導体層、第２導電型半導体層）
８ ｐ型クラッド層（窒化物系半導体層、第２導電型半導体層）
９ ｐ型コンタクト層（窒化物系半導体層、第２導電型半導体層）
１０ リッジ部
１１ ｐ側電極層
１２ 絶縁層
１３ ｐ側パッド電極
１４ ｎ側電極
１５ メタライズ層
２０ 共振器端面
２０ａ 光出射端面
２０ｂ 光反射端面
３０ 側端面
４０ 段差部
４０ａ レーザバー分割補助溝（分割補助溝）
５１ 絶縁マスク層
５２ レジスト層
１００ エッチングチャンバ
１０５ 光ファイバ
１１０ 干渉波形観測用光源／分光装置
１２０ 干渉波形分析／演算用ＰＣ
１３０ エッチング制御用ＰＣ

Claims (9)

1. 基板上に複数の窒化物系半導体層を積層する工程と、
   前記窒化物系半導体層をドライエッチングするとともに、前記窒化物系半導体層に光を照射して前記窒化物系半導体層で反射された反射光の干渉波形を観測する光学的手法を用いてドライエッチング時における干渉波形のプロファイルを取得する工程と、
   前記窒化物系半導体層をドライエッチングすることにより、前記窒化物系半導体層に導波路構造を形成する工程とを備え、
   前記導波路構造を形成する工程は、
   前記光学的手法を用いて反射光の干渉波形を観測しながら前記窒化物系半導体層をドライエッチングする工程と、
   取得された前記干渉波形の前記プロファイルを元に、エッチングの終点位置を検知する工程とを含み、
   前記干渉波形のプロファイルを取得する工程は、
   前記窒化物系半導体層が積層された前記基板を分割する際の分割補助溝をドライエッチングにより形成する工程と、
   前記分割補助溝の形成時に前記光学的手法を用いて前記干渉波形のプロファイルを取得する工程とを含むことを特徴とする、窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
2. 前記窒化物系半導体層を積層する工程は、前記基板上に、第１導電型半導体層、活性層および第２導電型半導体層を順に積層する工程を含み、
   前記導波路構造を形成する工程は、前記第２導電型半導体層に、所定方向に延びるストライプ状の凸部を形成する工程を含み、
   前記エッチングの終点位置を検知する工程は、前記第２導電型半導体層の界面に現れる干渉波形上の変極点と、前記ストライプ状の凸部の形成時に所望する前記 第２導電型半導体層のエッチング残し量とから、前記ストライプ状の凸部におけるエッチング終点検知の設定値を決定する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
3. 前記分割補助溝を形成する際の前記干渉波形の観測を行う位置は、前記導波路構造を形成する際の前記干渉波形の観測を行う位置から２５ｍｍ以内の距離にあることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
4. 前記干渉波形のプロファイルを取得する工程における前記干渉波形の観測を行う位置は、前記導波路構造を形成する際の干渉波形の観測を行う位置から２５ｍｍ以内の距離にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
5. 前記干渉波形のプロファイルは、前記導波路構造を形成する工程で用いるドライエッチング装置および干渉波形観測装置と同じ装置を用いて取得することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
6. 前記ドライエッチング装置は、誘導結合プラズマ方式または反応性イオンエッチング方式であることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
7. 前記ドライエッチング時に使用するガスは、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄、ＣＨ₄、Ａｒ、Ｈ₂、Ｎ₂の群から選択される１種以上のガスを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
8. 前記干渉波形の観測に使用する光の波長は、３００ｎｍ〜５５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。
9. 前記干渉波形の観測に使用する光の波長は、３００ｎｍ〜４１０ｎｍであることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法。

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