JP5961989B2 - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものであり、特に基板上に半導体構造を有するウエハから半導体レーザ素子への分割方法に関するものである。

一般に、半導体レーザ素子は、レーザ発振するための共振器面を結晶の劈開面を利用して作製されている。ＡｌＧａＩｎＮ系のIII族窒化物半導体では、その結晶構造が六方晶であることから、半導体ウエハ（以下「ウエハ」ともいう）を劈開により分割し共振器面を形成する工程（以下「レーザバーを得る工程」ともいう）において、分割する方向が所望の方向とは異なる方向に逸れやすい。この分割方向の逸れを抑制するために、図６のように分割方向に沿って破線状に劈開導入溝を設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０５４６６

しかしながら、特許文献１のように、劈開導入溝をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）で形成すると、時間がかかるため生産性が低下する。そこで、劈開導入溝を短時間で形成できる方法の１つとして、レーザ照射による加工法が挙げられる。レーザ照射による加工法の課題として、高エネルギー且つ短時間で形成するため、劈開導入溝の表面が微細な凹凸を有する形状となってしまう。この劈開導入溝に沿ってウエハを分割すると、劈開導入溝の微細な凹凸に起因して、劈開面の垂直方向に対して劈開面の高さがずれて生じる段差がスジ状に発生してしまう（このスジ状段差を、本明細書では単に「スジ」ともいう）。この劈開面において段差が光導波路まで進行すると、レーザ駆動時に光導波路を共振する光が段差に当たり散乱することで、光出力が低下したり、出射時に所望ではない方向に出射することでＦＦＰ（Far Field Pattern）に悪影響が生じてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光出力やＦＦＰに優れた半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、基板と、光導波路を有する半導体構造と、を下面側から順に備える半導体レーザ素子を複数含んだウエハを準備する工程と、ウエハの上面側又は下面側の少なくとも一方に、光導波路から離間し且つ光導波路と交差する方向に延伸した第１溝を形成する工程と、第１溝が形成されたウエハの上面側又は下面側の少なくとも一方に、第１溝を延長させた直線と交差するように延伸し且つ第１溝よりも平滑な面を有する第２溝を形成する工程と、第１溝に沿って前記ウエハを分割することによりレーザバーを得る工程と、第１溝が延伸する方向と交差する方向にレーザバーを分割して個々の半導体レーザ素子を得る工程と、を有する。

一実施形態に係る半導体レーザ素子は、基板と半導体構造とを下面側から順に備えており、半導体構造は劈開により共振器端面が設けられ共振器端面と交差する方向に光導波路を有している。さらに、共振器端面における基板の下面側には、第１溝及び第２溝が設けられている。第１溝は、光導波路から離間し、且つ共振器面に沿って延伸する。また、第２溝は、第１溝を延長させた直線と交差するように延伸し、第１溝よりも平滑な面を有する。

本発明によれば、光出力及びＦＦＰに優れた半導体レーザ素子とすることができる。

本実施形態におけるウエハを下面側からみた平面図である。 図１のウエハのＡ−Ｂ断面図である 本実施形態の半導体レーザ素子の断面図である 第２溝を設けた場合のレーザバーの断面写真である 第２溝を設けていない場合のレーザバーの断面写真である。 従来技術のウエハの構成を示す平面図である。

本発明の一実施形態について、図面を参照しながら、以下に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに特定しない。各図面が示す部材のサイズや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

図１に、本実施形態において用いたウエハ１００を下面側からみた平面図を示す。図２は図１のＡ−Ｂ断面図であり、図３は本実施形態で得られる半導体レーザ素子２００の断面図である。また、本発明の効果を説明するために、図４に第２溝を設けた場合のレーザバーの断面写真（図４に対応）を示し、図５に第２溝を設けていない場合のレーザバーの断面写真を示す。なお、図１及び図２ではｐ電極、ｎ電極及び誘電体膜を省略しており、図３ではｎ電極を省略してある。

半導体レーザ素子２００の製造方法は、基板２０と、光導波路３５を有する半導体構造３０と、を下面側１００ｂから順に備える半導体レーザ素子を複数含んだウエハ１００を準備する工程と、ウエハの上面側１００ａ又は下面側１００ｂの少なくとも一方に、光導波路３５から離間し且つ光導波路３５と交差する方向に延伸した第１溝４０を形成する工程と、第１溝４０が形成されたウエハの上面側又は下面側の少なくとも一方に、第１溝４０を延長させた直線と交差するように延伸し且つ第１溝４０よりも平滑な面を有する第２溝５０を形成する工程と、第１溝４０に沿ってウエハを分割することによりレーザバーを得る工程と、第１溝４０が延伸する方向と交差する方向にレーザバーを分割して個々の半導体レーザ素子２００を得る工程と、を有する。

これにより、レーザバーを得る工程において、第１溝４０から光導波路３５に進行するスジ状の段差を第２溝５０で遮断することができるので、レーザ駆動時に光出力の低下やＦＦＰの特性悪化を抑制することができる。

つまり、図５に示すように、劈開時に生じる段差は、第１溝から水平方向（ウエハ１００の平面方向。図５では左方向。）に進行した後、ウエハの上面側１００ａ（ウエハの平面方向と垂直をなす方向。図５では上方向。）に進行する。第２溝がない場合（図５参照）では、第１溝から生じるスジの中にリッジ９０の直下に位置する光導波路３５に到達するスジが存在することがある。このように光導波路３５にスジが形成されてしまうと、光出力の低下やＦＦＰの特性悪化を引き起こすため、十分な特性が得られない半導体レーザ素子となってしまう。

これに対して、図４に示すように、第２溝を設けた場合では、第１溝４０から生じる複数のスジの中で水平方向に進行するスジを遮断し、光導波路３５にスジを進行させないようにすることができる。さらに、第２溝を第１溝よりも平滑な面にすることで、第２溝から新たなスジが生じることを抑制することができる。これにより、光導波路３５にスジが形成されないため、光出力やＦＦＰ特性に優れた半導体レーザ素子とすることができる。

なお、ここでは、劈開を容易にするために、第１溝４０よりも深く且つ第１溝４０と同一方向に延伸する溝Ｘ６０（図１及び図２参照）を設け、ブレードを第１溝４０及び溝Ｘ６０に対向するようにウエハの上面側１００ａに配置させ、溝Ｘ６０側（つまり、図４及び図５では右側）から押圧させていくことで、溝Ｘ６０を起点として第１溝に沿った劈開を行っている。このため、劈開時に生じるスジは、劈開が進む片側方向（つまり、図４及び図５では第１溝４０の左側方向）に進行する。この場合、少なくとも第１溝４０の片側に第２溝５０を設ければよい。

以下、半導体レーザ素子の製造方法の各工程について説明する。
（ウエハを準備する工程）

まず、ＧａＮからなる基板２０上に、半導体構造３０としてｎ型半導体層３１、活性層３２、ｐ型半導体層３３、を順に形成した。ここでは、各層として、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いた。なお、基板２０は劈開可能であればよく、ＧａＮ基板に限定されないことは言うまでもない。

続いて、半導体構造３０の一部をストライプ状にエッチングし、ストライプ状のリッジ９０を形成した。その後、リッジ９０上面にｐ電極８０を形成する。ここでは、ｐ電極８０として、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔを用いた。ストライプ状のリッジに対応して半導体構造３０の内部に光導波路３５が設けられる。

次に、基板２０の下面側を研磨やＣＭＰ等で薄くし、ウエハ１００の厚みを１００μｍ程度に調整する。これにより、ウエハ１００を分割しやすくできる。

次に、基板２０の下面側にｎ電極を形成する。本実施形態では、ｎ電極は、Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕの順に形成した。なお、ｎ電極は、基板２０の下面側に電極形成を行う代わりに、ドライエッチング等を用いて、ウエハの上面側１００ａからｎ型半導体層３１を露出させて電極形成することもできる。

このようにして、複数の半導体レーザ素子が配列されたウエハ１００を準備する。
（第１溝を形成する工程）

第１溝４０は、ウエハ１００を分割して劈開面を得るための劈開導入溝として機能する。ここでは、第１溝４０をウエハの下面側１００ｂに設けている。また平面視において、第１溝４０は、光導波路３５から離間しており、光導波路３５と交差する方向に延伸するように形成される。

第１溝４０の延伸方向における第１溝の断面形状は、図４に示すように台形であるが、本発明はこれに限定されないことは言うまでもない。

第１溝４０の深さは、５μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。また、第１溝４０の延伸方向の長さは、３０μｍ以上６０μｍ以下が好ましく、第１溝４０の延伸方向と直交する幅よりも長い方が好ましい。これにより、劈開性をより向上させることができる。本実施形態では、第１溝４０の深さは１０μｍ、第１溝４０の延伸方向の長さは５０μｍ、第１溝４０の延伸方向と直交する方向の幅は７μｍとした。
（第２溝を形成する工程）

第２溝５０は、ウエハ分割時に第１溝４０から生じるスジを遮断するためのスジ遮断溝として機能する。第２溝５０は、第１溝４０が形成されたウエハの下面側１００ｂに、第１溝４０を延長させた直線と交差するように延伸し（すなわち、第２溝５０は、第１溝４０と交差するのではなく、第１溝４０の延伸方向に延伸する直線（図示なし）と交差する）、第１溝４０よりも平滑な面を有するように形成される。第２溝５０は、第１溝４０とウエハ１００の同一面側に形成され且つ第１溝４０と離間していることで、第１溝４０から水平方向に向かって進行するスジ状段差を遮断できる。さらに、第２溝５０が平滑な面で構成されることで、分割時に第２溝５０自身からの段差の発生も抑制できる。なお、第２溝５０が第１溝４０よりも平滑な面を有しているかどうかは、例えば、第１溝４０の延伸方向における断面ＳＥＭ像で確認することができる。

第１溝４０及び第２溝５０は、光導波路３５に近いウエハ上面側１００aでなく、光導波路３５から離れたウエハ下面側１００ｂに形成することができる。これにより、光出力やＦＦＰへの悪影響を最小限に抑えることができる。つまり、第１溝４０がウエハの下面側１００ｂにある場合、第１溝４０から進行するスジは、水平方向に進行した後、光導波路３５が設けられる半導体構造３０側（ウエハ上面側１００ａ）に進行するので、仮に第２溝５０で全てのスジの進行が阻止できなくても、スジは光導波路３５を縦方向（図４の上方向（ウエハの厚み方向））に進むことになる。一方、第１溝４０がウエハの上面側１００ａにある場合、スジは第１溝４０から横方向（図４の横方向（ウエハの水平方向））に進行して光導波路３５を横切ることになるので、仮に第２溝５０で全てのスジの進行が阻止できなければ、スジは光導波路３５を横方向に進むことになる。ここで、一般に光導波路３５は縦方向より横方向に長いため、スジが光導波路３５を横方向に進行しないようにすることで（つまり、スジが光導波路３５を長い距離横切らないようにすることで）、スジが光出力やＦＦＰに与える影響を最小限に抑えることができる。

第２溝５０は、第１溝４０が延伸する方向と交差する方向に延伸すれば良く、図１のように直交することに限定されない。また、第２溝５０は、図１に示すように直線状に途切れなく延伸しているが、例えば破線状に形成することもできる。

なお、第２溝５０は、第１溝４０がウエハの上面側１００ａに形成される場合は、第１溝４０と同様にウエハの上面側１００ａに形成される。また、第１溝４０及び第２溝５０は、ウエハの上面側１００ａ及び下面側１００ｂの両側に設けることもできる。

第２溝５０は、ＲＩＥのようなドライエッチング又はウェットエッチングのようなエッチング加工により形成されることが好ましい。これにより、平滑面を有する第２溝５０を比較的容易に形成することができる。本実施形態では、第１溝４０をレーザ加工で形成し、第２溝５０をドライエッチングで形成する。これにより、第１溝４０を迅速に形成することができると共に、平滑面を有する第２溝５０をより容易に形成することができる。ただし、第２溝５０は平滑面を有していれば良く、例えば、第１溝４０を形成するために使用するレーザよりも加工精度が良いレーザによって形成しても良い。

また、後述するレーザバー分割工程において、第２溝５０に沿ってレーザバーを分割することが好ましい。これにより、レーザバーを分割する際に新たな溝を形成する必要がなく、工程短縮が可能となる。このとき、第１溝４０の延伸方向における第２溝５０の断面形状は、第２溝５０の先端部が鋭角となる形状が好ましい。これにより、精度良く分割することができる。さらにＶ字形状であれば、精度良く分割できることに加えて、短時間のエッチングで形成でき、生産性が向上する。ここで、Ｖ字形状とは、ウエハの表面から内部に向かうにつれて幅狭となるような形状を指す。

本実施形態では、第２溝５０の深さを、第１溝４０と同じ１０μｍとした。第１溝４０から先ずは横方向に段差状スジが進行するので、第２溝５０の深さは、第１溝４０と実質的に同じか、好ましくは第１溝４０よりも深くすることができる。これにより、第１溝４０から生じたスジを第２溝５０でより確実に遮ることができる。なお、第２溝５０でスジをより確実に遮るには、第１溝４０と第２溝５０との距離はできるだけ近いほうがよい。

なお、本実施形態では、光導波路３５の間毎に、第１溝４０及び第２溝５０を形成しているが、その位置は限定されない。
（レーザバーを得る工程）

次に、第１溝４０及び第２溝５０が形成されたウエハ１００において、第１溝４０の延伸方向に沿ってウエハ１００を劈開する。これにより劈開面を共振器端面とするレーザバーを得る。
（レーザバーを分割する工程）

次に、第１溝４０が延伸する方向と交差する方向にレーザバーを分割することで、個々の半導体レーザ素子２００を得る。レーザバーを分割する方法は、ブレードブレイク、ローラーブレイク又はプレスブレイク等、公知の方法を利用することができる。分割する際、第２溝５０に沿ってレーザバーを分割することが好ましい。

なお、レーザバーを得る工程の後やレーザバーを分割する工程の後で酸洗浄工程を追加することもできる。これにより、ウエハ起因のくず（例えば、ガリウム系酸化物）を除去することができる。

図３を参照して、本実施形態におけるウエハ１００から分割されて得られた半導体レーザ素子２００について説明する。

半導体レーザ素子２００は、基板２０と、半導体構造３０と、を下面側から順に備えており、半導体構造３０は、劈開により共振器端面が設けられ、共振器端面と交差する方向に光導波路を有している。さらに、共振器端面における基板２０の下面側には、第１溝４０及び第２溝５０が設けられている。第１溝４０は、光導波路から離間し、且つ共振器面に沿って延伸する。また、第２溝５０は、第１溝４０を延長させた直線と交差するように延伸し、第１溝４０よりも平滑な面を有する。

なお、半導体構造３０の上面側には、リッジ９０上面を開口させるように誘電体膜７０が設けられる。さらに、リッジ９０上面にｐ電極８０が設けられている。本実施形態では、ｎ電極は基板２０の下面側に設けているが、図３では省略している。

これにより、劈開時に第１溝４０で生じるスジを第２溝５０で遮断することができるので、光出力やＦＦＰに優れた半導体レーザ素子とすることができる。

半導体レーザ素子２００は、基板２０の下面側に第１溝４０及び第２溝５０を有することができる。これにより、スジによりＦＦＰが受ける影響を最小限に抑えることができる。

１００ ウエハ
１００ａ ウエハの上面側
１００ｂ ウエハの下面側
２０ 基板
３０ 半導体構造
３１ ｎ型半導体層
３２ 活性層
３３ ｐ型半導体層
３５ 光導波路
４０ 第１溝
５０ 第２溝
６０ 溝Ｘ
７０ 誘電体膜
８０ ｐ電極
９０ リッジ
２００ 半導体レーザ素子

Claims (7)

1. 基板と、光導波路を有する半導体構造と、を下面側から順に備える半導体レーザ素子を複数含んだウエハを準備する工程と、
   前記ウエハの上面側又は下面側の少なくとも一方に、前記光導波路から離間し且つ前記光導波路と交差する方向に延伸した第１溝を形成する工程と、
   前記第１溝が形成された前記ウエハの上面側又は下面側の少なくとも一方に、前記第１溝を延長させた直線と交差し且つ前記第１溝よりも平滑な面を有する第２溝を形成する工程と、
   前記第１溝に沿って前記ウエハを分割することによりレーザバーを得る工程と、
   前記第１溝が延伸する方向と交差する方向に前記レーザバーを分割して個々の半導体レーザ素子を得る工程と、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。
2. 前記第１溝及び第２溝を、前記ウエハの下面側に形成することを特徴とする請求項１に記載された半導体レーザの製造方法。
3. 前記第１溝を形成する工程において、前記第１溝をレーザ加工により形成し、
   前記第２溝を形成する工程において、前記第２溝をエッチング加工により形成することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１つに記載された半導体レーザの製造方法。
4. 前記半導体レーザ素子を得る工程において、前記第２溝に沿って前記レーザバーを分割することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載された半導体レーザの製造方法。
5. 前記第２溝を形成する工程において、断面形状がV字形状となるように形成することを特徴とする請求項４に記載された半導体レーザの製造方法。
6. 基板と、共振器端面と交差する光導波路を有する半導体構造と、を下面側から順に備える半導体レーザ素子であって、
   下面側又は上面側の少なくとも一方において、前記共振器端面には前記光導波路から離間し且つ前記共振器端面に沿って延伸した第１溝が設けられ、
   前記第１溝が設けられた下面側又は上面側の少なくとも一方には、前記第１溝を延長させた直線と交差し且つ前記第１溝よりも平滑な面を有する第２溝が設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
7. 前記第１溝及び前記第２溝は、前記基板の下側に設けられていることを特徴とする請求項６に記載された半導体レーザ素子。