JP5722082B2 - 窒化物半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体レーザ装置の製造方法に関し、特に、凸状のリッジ部が形成されるp型クラッド層を窒化物半導体で構成する窒化物レーザダイオードの製造に適用して有効な技術に関する。
青色領域〜青紫色領域の波長帯で動作する窒化物レーザダイオードは、GaAs系レーザダイオードに比べて波長が短いことから、直接描画装置の露光用光源などに使用されている。
従来、窒化物レーザダイオードでは、基板材料としてGaN(窒化ガリウム)などが用いられ、素子構造としてリッジ導波路型が多用されている(例えば特許文献1)。リッジ導波路型の場合は、例えば有機金属気相成長法を用いてn型GaN基板上にn型クラッド層、多重量子井戸構造を有する活性層、p型クラッド層、p型コンタクト層などの半導体層を成長させた後、p型コンタクト層の上部に堆積した酸化シリコン膜をストライプ状に加工し、これをマスクとしてp型クラッド層をドライエッチングすることにより、凸状のリッジ部を形成する。ここで、リッジ部が形成されるp型クラッド層には、例えばMg(マグネシウム)ドープAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)のような窒化物半導体材料が用いられる。
特開2009−021424号公報
上記した窒化物レーザダイオードは、デバイス性能の向上および信頼性向上の観点から、動作電圧の低減、しきい値電流の低減といった特性の改善が求められているが、窒化物レーザダイオードの動作電圧の低減を妨げている原因の一つに、リッジ部とそれに接続されるp側電極の間のコンタクト抵抗が挙げられる。
従来、リッジ部とp側電極とを接続するには、まず、リッジ部が形成された基板上にパッシベーション膜を堆積し、次に、フォトリソグラフィ技術を用いてリッジ部の上面のパッシベーション膜を選択的に除去してリッジ部の上面を露出させた後、リッジ部の上部にp側電極を形成していた。この場合、p側電極は、リッジ部の上面でのみリッジ部と接触するので、両者の接触面積が小さく、これがコンタクト抵抗の増加を招く原因となっていた。
その対策として、リッジ部の上面だけでなく、その側面をp側電極と接触させることによって、両者の接触面積を増やすことが考えられる。
リッジ部の上面と側面をp側電極と接触させるには、例えば従来方法を用いてリッジ部の上面のパッシベーション膜を除去した後、リッジ部の両側のp型クラッド層の上部に、リッジ部の高さよりも薄い膜厚を有するフォトレジスト膜を形成する。このような膜厚を有するフォトレジスト膜を形成するには、まず、基板上にリッジ部の高さよりも厚い膜厚を有するフォトレジスト膜を塗布し、次に、露光光量を少なめにした状態でこのフォトレジスト膜を感光させた後、現像を行う。このようにすると、フォトレジスト膜は、その表面部分(感光された部分)のみが除去されて膜厚が薄くなるので、p型クラッド層の上部に、リッジ部の高さよりも薄い膜厚のフォトレジスト膜(未感光部分のフォトレジスト膜)が残る。
次に、この状態でパッシベーション膜をエッチングすると、リッジ部の側面のうち、フォトレジスト膜で覆われていない部分(例えばリッジ部の側面の上半部)のパッシベーション膜が除去され、リッジ部の側面の一部が露出する。次に、上記フォトレジスト膜を除去した後、リッジ部の上部にp側電極を形成すると、リッジ部の上面だけでなく、側面の一部(例えば側面の上半部)がp側電極と接触するので、リッジ部とp側電極の接触面積が増加し、コンタクト抵抗が低減する。
しかしながら、本発明者の検討によれば、窒化物レーザダイオードの場合は、その特性上、リッジ部の高さが低いために、リッジ部の両側のp型クラッド層の上部に、リッジ部の高さよりも薄い膜厚を有するフォトレジスト膜を形成することが困難である。
例えば赤色領域の波長帯で動作するGaAs系レーザダイオードの場合、リッジ部の高さは1.5μm程度であるのに対し、窒化物レーザダイオードのリッジ部の高さは0.5μm程度である。これは、窒化物レーザダイオードの場合、p型クラッド層を構成する窒化物半導体材料の抵抗が高いため、リッジ部の高さが大きくなると(すなわち、p型クラッド層の膜厚が大きくなると)、発熱量が大きくなってしまうからである。
従って、フォトレジスト膜を露光する際の露光光量を調節することによって、フォトレジスト膜の膜厚を制御する上記の方法では、リッジ部の両側のp型クラッド層の上部に、リッジ部の高さよりも薄い(すなわち0.5μm以下の)膜厚を有するフォトレジスト膜を高い寸法精度で形成することは困難である。
本発明の目的は、凸状のリッジ部を有する窒化物半導体レーザ装置において、リッジ部とそれに接続される電極とのコンタクト抵抗を低減することのできる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本願発明の好ましい一態様である窒化物半導体レーザ装置の製造方法は、以下の工程を含んでいる。
(a)基板上に、少なくともn型クラッド層、活性層、窒化物半導体を主体として構成されるp型クラッド層およびp型コンタクト層を成長させる工程と、
(b)前記p型コンタクト層の上部に形成した第1絶縁膜をマスクにして、前記p型コンタクト層および前記p型クラッド層をドライエッチングすることにより、前記p型クラッド層の一部に凸状のリッジ部を形成する工程と、
(c)前記p型コンタクト層の上部に前記第1絶縁膜を残した状態で、前記基板上に第2絶縁膜からなパッシベーション膜を形成する工程と、
(d)前記(c)工程の後、前記リッジ部の上方に開口を設けた第1フォトレジスト膜をマスクにして前記リッジ部の上方の前記パッシベーション膜およびその下部の前記第1絶縁膜をエッチングすることにより、前記パッシベーション膜およびその下部の前記第1絶縁膜に、その底部が前記第1絶縁膜の下部の前記リッジ部に達しない程度の深さを有する第1開口を形成する工程と、
(e)前記第1フォトレジスト膜を除去した後、前記基板上の全面に第2フォトレジスト膜を塗布する工程と、
(f)露光光が前記第2フォトレジスト膜の底面まで到達しないような露光条件下で、少なくとも前記リッジ部とその近傍を覆う領域の前記第2フォトレジスト膜を露光する工程と、
(g)前記(f)工程の後、前記第2フォトレジスト膜を現像することにより、前記リッジ部の上方の前記第2フォトレジスト膜を除去すると共に、前記リッジ部の両側の前記パッシベーション膜上に、その上面の高さが前記リッジ部の上面の高さよりも低くなるような膜厚を有する前記第2フォトレジスト膜を残す工程と、
(h)前記(g)工程の後、前記第2フォトレジスト膜をマスクにしたウェットエッチングにより、前記リッジ部の上方の前記第1絶縁膜およびその上部のパッシベーション膜と、前記第1絶縁膜の側面を覆う前記パッシベーション膜と、前記リッジ部の側面のうち、前記第2フォトレジスト膜の上面よりも上方の部分を覆う前記パッシベーション膜とを除去し、前記p型コンタクト層の上面と側面の一部とを露出させる工程と、
(i)前記第2フォトレジスト膜を除去した後、前記(h)工程で露出させた前記p型コンタクト層の前記上面と前記側面の一部とに接する電極を形成する工程。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
リッジ部の高さが小さい場合でも、p側電極をリッジ部の上面と側面とに電気的に接続させることが可能となるので、リッジ部とp側電極のコンタクト抵抗を低減することができ、窒化物レーザダイオードの動作電圧の低減を図ることが可能となる。
本発明の一実施の形態である窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図1に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図2に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図3に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図4に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図5に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図6に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図7に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図8に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 露光・現像後に基板上に残ったフォトレジスト膜の未露光部分を原子間力顕微鏡で測定した画像である。 図9に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図11に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。 図12に続く窒化物レーザダイオードの製造方法を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
以下、図面を参照しながら、凸状のリッジ部を有する窒化物レーザダイオードの製造方法を工程順に説明する。
まず、図1に示すように、n型GaN基板10を用意し、その上面に例えばSiドープGaNからなるn型バッファ層11、SiドープAlGaNからなるn型クラッド層12、SiドープGaNからなるn型ガイド層13、井戸層とバリア層とを交互に積層したアンドープInGaN(窒化インジウムガリウム)からなる活性層14、MgドープAlGaNからなる電子ブロック層15を順次成長させ、続いて電子ブロック層15の上部に、Al:Ga:Nの組成比が電子ブロック層15とは異なるMgドープAlGaNからなるp型クラッド層16を成長させ、p型クラッド層16の上部にMgドープGaNからなるp型コンタクト層17を成長させる。上記したn型GaN基板10上の各半導体層は、一般的な有機金属気相成長法を用いて成長させる。また、p型クラッド層16の膜厚は、例えば500nm程度とする。
次に、図2に示すように、例えばCVD法を用いてp型コンタクト層17の上部に酸化シリコン膜18を堆積した後、図3に示すように、酸化シリコン膜18の上部に形成したフォトレジスト膜26をマスクにしたドライエッチングで酸化シリコン膜18をパターニングする。パターニングされた酸化シリコン膜18は、図3の紙面に垂直な方向に延在するストライプ状のパターンを有している。
上記酸化シリコン膜18は、次の工程でp型コンタクト層17およびp型クラッド層16をエッチングするためのマスクとして使用され、かつパッシベーション膜としても機能する。本実施の形態では、上記酸化シリコン膜18の膜厚を、パッシベーション膜として要求される膜厚(例えば400nm程度)よりも厚くする(例えば800nm)。
次に、フォトレジスト膜26を除去した後、図4に示すように、パターニングされた酸化シリコン膜18をマスクにしてp型コンタクト層17およびp型クラッド層16をドライエッチングする。p型コンタクト層17を構成するMgドープGaNおよびp型クラッド層16を構成するMgドープAlGaNをドライエッチングするには、例えば塩素系のガスを使用する。このとき、p型クラッド層16のドライエッチングを途中で停止することにより、断面形状が凸状のリッジ部16Aを形成する。
p型クラッド層16をドライエッチングする上記の工程では、ドライエッチングのマスクとなる酸化シリコン膜18も僅かにエッチングされる。例えばドライエッチング前の酸化シリコン膜18の膜厚を800nmとした場合、ドライエッチング後の膜厚は750nmとなる。
次に、図5に示すように、リッジ部16Aの上部に酸化シリコン膜18を残した状態で、n型GaN基板10の上面に窒化シリコン膜19を堆積する。これにより、リッジ部16Aの上部には、酸化シリコン膜18と窒化シリコン膜19の2層膜からなるパッシベーション膜が形成される。また、リッジ部16Aの両側のp型クラッド層16の上部には、窒化シリコン膜19からなるパッシベーション膜が形成される。
n型GaN基板10の上面に上記窒化シリコン膜19を堆積する際は、図5に示すように、縦方向(n型GaN基板10の上面に垂直な方向)の膜厚が横方向(n型GaN基板10の上面に水平な方向)の膜厚よりも大きくなるような条件で堆積し、リッジ部16Aの側面に堆積される窒化シリコン膜19の膜厚を出来るだけ薄くすることが望ましい。ここでは、スパッタリング法を用い、縦方向の膜厚が160nm程度の窒化シリコン膜19を堆積する。
次に、図6に示すように、n型GaN基板10の上面にフォトレジスト膜20を塗布した後、その一部を選択的に露光・現像することにより、リッジ部16Aの上方のフォトレジスト膜20に開口20Aを形成する。
次に、図7に示すように、上記フォトレジスト膜20をマスクにして、開口20Aの下部の窒化シリコン膜19、酸化シリコン膜18を順次ドライエッチングすることにより、リッジ部16Aの上方に開口21を形成する。
このとき、開口21の底部にリッジ部16Aの上面が露出すると、リッジ部16Aの上面がドライエッチングされてダメージ(結晶欠陥)が発生するので、酸化シリコン膜18のドライエッチングを途中で停止し、開口21の底部にリッジ部16Aの上面が露出しないようにする。前述したように、酸化シリコン膜18は、パッシベーション膜として要求される膜厚よりも厚い膜厚で形成されているので、リッジ部16Aの上面が露出する前に酸化シリコン膜18のドライエッチングを停止することは容易に制御できる。
次に、フォトレジスト膜20を除去した後、図8に示すように、n型GaN基板10の上面に、リッジ部16Aの上部の窒化シリコン膜19を覆う程度の膜厚を有する第2のフォトレジスト膜22を塗布する。続いて、少なくともリッジ部16Aとその近傍の上方に光透過領域23Aを設けたフォトマスク23を使って、フォトレジスト膜22を露光する。このとき、露光光量を少なめに調節してフォトレジスト膜22を露光し、露光光がフォトレジスト膜22の底部まで到達しないようにする。
次に、図9に示すように、フォトレジスト膜22を現像し、露光された部分のみを除去することによって、n型GaN基板10の上面にフォトレジスト膜22の未露光部分を残す。このとき、リッジ部16Aの両側のp型クラッド層16上に残ったフォトレジスト膜22の上面の高さは、リッジ部16Aの上面の高さよりも低くなる。
このように、本実施の形態の製造方法では、リッジ部16Aの上部に厚い膜厚の酸化シリコン膜18を形成するので、この酸化シリコン膜18の上部の窒化シリコン膜19と、リッジ部16Aの両側のp型コンタクト層17上に形成された窒化シリコン膜19との段差は、酸化シリコン膜18がない場合に比べて大きくなる。すなわち、リッジ部16Aの上部に厚い膜厚の酸化シリコン膜18を形成することにより、リッジ部16Aが形成された領域とその周囲との実効的な段差が大きくなる。これにより、リッジ部16Aの両側に塗布されたフォトレジスト膜22の膜厚を厚くすることができるので、フォトレジスト膜22を露光する際の露光光量を調節することによって、リッジ部16Aの両側にフォトレジスト膜22の未露光部分を残す際、その上面の高さ(未露光部分の膜厚)を高い寸法精度で制御することができる。
これに対し、リッジ部16Aの上部に酸化シリコン膜18を形成しない場合は、リッジ部16Aの上部の窒化シリコン膜19と、リッジ部16Aの両側のp型クラッド層16上に形成された窒化シリコン膜19との段差が小さくなるので、リッジ部16Aの両側に塗布されたフォトレジスト膜22の膜厚も薄くなる。従って、この場合は、フォトレジスト膜22の表面から中途部分までを露光し、その下方に所望の膜厚の未露光部分を残すことが困難になる。
図10は、上記した露光・現像後にn型GaN基板10の上面に残ったフォトレジスト膜22の未露光部分を原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope:AFM)で測定した画像である。
次に、図11に示すように、フォトレジスト膜22を残した状態でn型GaN基板10の上面をエッチングすることにより、リッジ部16Aの上方の酸化シリコン膜18を除去する。このとき、ドライエッチングで酸化シリコン膜18を除去すると、リッジ部16Aの表面にドライエッチングのダメージ(結晶欠陥)が生じるため、フッ酸系の薬液を用いたウェットエッチングで酸化シリコン膜18を除去する。
前述したように、酸化シリコン膜18の上面には、あらかじめ開口21が形成されているので、開口21の内部に入り込んだフッ酸系の薬液によって酸化シリコン膜18のエッチングが進行する。この時、エッチング時間を適当に調整することにより、酸化シリコン膜18のエッチングを縦方向だけでなく、横方向にも進行させることができる。
そして、酸化シリコン膜18がエッチングされて消失すると、酸化シリコン膜18の上部の窒化シリコン膜19も取り除かれるので、p型コンタクト層17の上面が露出する。また、リッジ部16Aの側面および酸化シリコン膜18の側面には薄い窒化シリコン膜19が形成されているが、窒化シリコン膜19の膜厚が薄い場合は、上記の薬液によって除去されるので、リッジ部16Aの側面の一部も露出する。
なお、リッジ部16Aの側面および酸化シリコン膜18の側面を覆っている窒化シリコン膜19の膜厚が比較的厚い場合は、熱リン酸系の薬液を用いたウェットエッチングで上記側面の窒化シリコン膜19を除去した後、フッ酸系の薬液で酸化シリコン膜18を除去してもよい。この場合は、酸化シリコン膜18の側面からもエッチングが進行するので、酸化シリコン膜18を短時間で除去することができる。
次に、図12に示すように、例えば真空蒸着法を用いてn型GaN基板10の表面にAu(金)膜などの金属膜を被着し、続いてこれらの金属膜をパターニングすることによって、p型コンタクト層17の上面と側面の一部とに電気的に接続されるp側電極24を形成する。
次に、n型GaN基板10の裏面を研削して基板厚を100μm程度まで薄くした後、図13に示すように、n型GaN基板10の裏面にn側電極25を形成する。n側電極25は、例えばn型GaN基板10の裏面側全面にTi(チタン)膜およびAl膜を順次堆積することによっって形成する。
本実施の形態の製造方法によれば、リッジ部16Aの高さ(膜厚)が0.5μm以下であっても、リッジ部16Aの側面を高い寸法精度で露出させることができるので、p側電極24をp型コンタクト層17の上面と側面の一部とに電気的に接続させることが可能となる。
これにより、リッジ部16Aとp側電極24のコンタクト抵抗を低減することができるので、窒化物レーザダイオードの動作電圧の低減を図ることができ、特性の向上した窒化物レーザダイオードを製造することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、前記実施の形態では、p型クラッド層をAlGaNで構成した例について述べたが、本発明は、p型クラッド層が他の窒化物半導体材料で構成される場合にも適用することができる。
また、前記実施の形態では、基板材料としてn型GaNを使用した例について述べたが、サファイア、SiC(炭化珪素)など、窒化物半導体が成長しうる基板材料であれば、如何なる基板材料を用いてもよい。
本発明は、凸状のリッジ部が形成されるp型クラッド層を窒化物半導体で構成した窒化物レーザダイオードの製造に適用することができる。
10 n型GaN基板
11 n型バッファ層
12 n型クラッド層
13 n型ガイド層
14 活性層
15 電子ブロック層
16 p型クラッド層
16A リッジ部
17 p型コンタクト層
18 酸化シリコン膜
19 窒化シリコン膜
20A 開口
21 開口
22 フォトレジスト膜
23 フォトマスク
23A 透過領域
24 p側電極
25 n側電極
26 フォトレジスト膜

Claims (5)

  1. (a)基板上に、少なくともn型クラッド層、活性層、窒化物半導体を主体として構成されるp型クラッド層およびp型コンタクト層を成長させる工程と、
    (b)前記p型コンタクト層の上部に形成した第1絶縁膜をマスクにして、前記p型コンタクト層および前記p型クラッド層をドライエッチングすることにより、前記p型クラッド層の一部に凸状のリッジ部を形成する工程と、
    (c)前記p型コンタクト層の上部に前記第1絶縁膜を残した状態で、前記基板上に第2絶縁膜からなるパッシベーション膜を形成する工程と、
    (d)前記(c)工程の後、前記リッジ部の上方に開口を設けた第1フォトレジスト膜をマスクにして前記リッジ部の上方の前記パッシベーション膜およびその下部の前記第1絶縁膜をエッチングすることにより、前記パッシベーション膜およびその下部の前記第1絶縁膜に、その底部が前記第1絶縁膜の下部の前記リッジ部に達しない程度の深さを有する第1開口を形成する工程と、
    (e)前記第1フォトレジスト膜を除去した後、前記基板上の全面に第2フォトレジスト膜を塗布する工程と、
    (f)露光光が前記第2フォトレジスト膜の底面まで到達しないような露光条件下で、少なくとも前記リッジ部とその近傍を覆う領域の前記第2フォトレジスト膜を露光する工程と、
    (g)前記(f)工程の後、前記第2フォトレジスト膜を現像することにより、前記リッジ部の上方の前記第2フォトレジスト膜を除去すると共に、前記リッジ部の両側の前記パッシベーション膜上に、その上面の高さが前記リッジ部の上面の高さよりも低くなるような膜厚を有する前記第2フォトレジスト膜を残す工程と、
    (h)前記(g)工程の後、前記第2フォトレジスト膜をマスクにしたウェットエッチングにより、前記リッジ部の上方の前記第1絶縁膜およびその上部のパッシベーション膜と、前記第1絶縁膜の側面を覆う前記パッシベーション膜と、前記リッジ部の側面のうち、前記第2フォトレジスト膜の上面よりも上方の部分を覆う前記パッシベーション膜とを除去し、前記p型コンタクト層の上面と側面の一部とを露出させる工程と、
    (i)前記第2フォトレジスト膜を除去した後、前記(h)工程で露出させた前記p型コンタクト層の前記上面と前記側面の一部とに接する電極を形成する工程と、を含み、
    前記第1絶縁膜は前記リッジ部の高さよりも厚い、
    ことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  2. 前記(h)工程では、前記第1絶縁膜に形成された前記第1開口を通じて前記第1絶縁膜に薬液を接触させることによって、前記第1絶縁膜をウェットエッチングすることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  3. 前記第1絶縁膜は酸化シリコン膜からなり、前記パッシベーション膜を構成する前記第2絶縁膜は、窒化シリコン膜からなることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  4. 前記(c)工程では、前記第2絶縁膜をスパッタリング法で堆積することにより、前記リッジ部の側面に堆積される前記第2絶縁膜の膜厚を、前記リッジ部の上方に堆積される前記第2絶縁膜の膜厚よりも薄くすることを特徴とする請求項3記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  5. 前記窒化物半導体レーザ装置は、窒化物レーザダイオードであることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
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