KR20110106838A - Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자, 및 ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법 - Google Patents

Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자, 및 ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법 Download PDF

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Abstract

육방정계 III족 질화물의 c축이 m축 방향으로 경사진 지지 기체의 반극성면상에서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공한다. 레이저 구조체(13)에서는, 제1 면(13a)은 제2 면(13b)의 반대측의 면이고, 제1 및 제2 할단면(27, 29)은, 제1 면(13a)의 에지(13c)로부터 제2 면(13b)의 에지(13d)까지 연장된다. 또한 예컨대 제1 할단면(27)의 일단에는, 에지(13c)로부터 에지(13d)까지 연장되는 스크라이브 마크(SM1)를 가지며, 스크라이브 마크(SM1) 등은, 에지(13c)로부터 에지(13d)까지 연장되는 오목 형상을 갖는다. 할단면(27, 29)은 드라이 에칭에 의해 형성되지 않고, c면, m면 또는 a면 등의 지금까지의 벽개면과는 상이하다. 저임계값 전류를 가능하게 하는 밴드 천이의 발광을 이용할 수 있다.

Description

Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자, 및 Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법{GROUP-Ⅲ NITRIDE SEMICONDUCTOR LASER DEVICE, AND METHOD FOR FABRICATING GROUP-Ⅲ NITRIDE SEMICONDUCTOR LASER DEVICE}
본 발명은, III족 질화물 반도체 레이저 소자, 및 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.
비특허문헌 1에는, c면 사파이어 기판상에 제작된 반도체 레이저가 기재되어 있다. 드라이 에칭에 의해 반도체 레이저의 미러면이 형성된다. 레이저의 공진 미러면의 현미경 사진이 게재되고, 그 단부면의 거칠기가 약 50 ㎚인 것이 기재되어 있다.
비특허문헌 2에는, (11-22)면 GaN 기판상에 제작된 반도체 레이저가 기재되어 있다. 드라이 에칭에 의해 반도체 레이저의 미러면이 형성된다.
비특허문헌 3에는, 질화갈륨계 반도체 레이저가 기재되어 있다. 벽개면(cleaved facets)으로서 m면을 레이저 공진기에 이용하기 위해, 기판의 c축의 오프 방향으로 편광된 레이저광을 생성하는 것을 제안하고 있다. 이 문헌에는, 구체적으로는, 무극성면에서는 우물 폭을 넓히는 것, 반극성면에서는 우물 폭을 좁히는 것이 기재되어 있다.
비특허문헌 1 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35, (1996) L74-L76 비특허문헌 2 Appl. Phys. Express 1(2008) 091102 비특허문헌 3 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 46, (2007) L789
질화갈륨계 반도체의 밴드 구조에 의하면, 레이저 발진 가능한 몇 개의 천이가 존재한다. 발명자의 지견에 의하면, c축이 m축의 방향으로 경사진 반(半)극성면의 지지 기체를 이용하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, c축 및 m축에 의해 규정되는 면을 따라 레이저 도파로를 연장시킬 때, 임계값 전류를 내릴 수 있다고 생각하고 있다. 이 레이저 도파로의 방향에서는, 이들 중 천이 에너지(전도대 에너지와 가전자대 에너지와의 차)가 가장 작은 모드가 레이저 발진 가능하게 되고, 이 모드의 발진이 가능하게 될 때, 임계값 전류를 내릴 수 있다.
그러나, 이 레이저 도파로의 방향에서는, 공진기 미러 때문에, c면, a면 또는 m면이라는 종래의 벽개면을 이용할 수는 없다. 이 때문에, 공진기 미러의 제작을 위해, 반응성 이온 에칭(RIE)을 이용하여 반도체층의 드라이 에칭면을 형성해 왔다. RIE법으로 형성된 공진기 미러는, 레이저 도파로에 대한 수직성, 드라이 에칭면의 평탄성 또는 이온 손상의 점에서, 개선이 요구되고 있다. 또한, 현재의 기술 레벨에서의 양호한 드라이 에칭면을 얻기 위한 프로세스 조건의 도출이 큰 부담이 된다.
발명자가 아는 한에서, 지금까지, 상기한 반극성면상에 형성된 동일한 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서, c축의 경사 방향(오프 방향)으로 연장되는 레이저 도파로와, 드라이 에칭을 이용하지 않고 형성된 공진기 미러용 단부면 양쪽 모두가 달성되어 있지 않다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, 육방정계 III족 질화물의 c축으로부터 m축의 방향으로 경사진 지지 기체의 반극성면상에서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공하는 것에 있고, 또한 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일측면에 따른 III족 질화물 반도체 레이저 소자는, (a) 육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어지고 반극성 주요면을 갖는 지지 기체, 및 상기 지지 기체의 상기 반극성 주요면상에 설치된 반도체 영역을 포함하는 레이저 구조체와, (b) 상기 레이저 구조체의 상기 반도체 영역상에 설치된 전극을 포함한다. 상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 설치된 활성층을 포함하고, 상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주요면의 법선축을 따라 배열되어 있으며, 상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 상기 지지 기체의 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 방향으로 상기 법선축에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있으며, 상기 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위이고, 상기 레이저 구조체는, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 상기 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하는 제1 및 제2 할단면을 포함하며, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기는 상기 제1 및 제2 할단면을 포함하고, 상기 레이저 구조체는 제1 및 제2 면을 포함하며, 상기 제2 면은 상기 제1 면의 반대측 면이고, 상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 지지 기체 사이에 위치하며, 상기 제1 및 제2 할단면은, 각각 상기 제1 면의 에지로부터 상기 제2 면의 에지까지 연장되고, 상기 레이저 구조체는, 상기 제1 할단면의 일단에, 상기 제1 면의 에지로부터 상기 제2 면의 에지까지 연장되는 스크라이브 마크를 가지며, 상기 스크라이브 마크는, 상기 제1 면의 에지로부터 상기 제2 면의 에지까지 연장되는 오목 형상을 갖는다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 제1 할단면의 일단에 제1 면의 에지로부터 제2 면의 에지까지 연장되는 오목 형상의 스크라이브 마크를 따라 할단면이 형성되어 있기 때문에, 할단면의 수직성이나 평탄성이 예상되고, 할단면은 공진기 미러로서 충분한 수직성 및 평탄성을 갖는 것이 가능해진다. 따라서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공할 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제1 및 제2 할단면의 각각에는, 상기 지지 기체의 단부면 및 상기 반도체 영역의 단부면이 나타나 있고, 상기 반도체 영역의 상기 활성층에서의 단부면과, 상기 육방정계 질화물 반도체로 이루어지는 지지 기체의 m축에 직교하는 기준면이 이루는 각도는, 상기 III족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위의 각도를 이룬다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, c축 및 m축의 한쪽으로부터 다른 쪽에 대하여 취해지는 각도에 관해서, 상기의 수직성을 만족하는 단부면을 가질 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 각도는, 상기 제1 평면 및 상기 법선축에 직교하는 제2 평면에서 -5도 이상 +5도 이하의 범위가 된다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 반극성면의 법선축에 수직인 면에서 규정되는 각도에 관해서, 상기한 수직성을 만족하는 단부면을 가질 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 두께는, 50 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하이다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 두께 50 ㎛ 이상이면, 핸들링이 용이하게 되어, 생산 수율이 향상한다. 150 ㎛ 이하이면, 레이저 공진기를 위한 양질의 할단면을 더 얻을 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 법선축과 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도는, 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하의 범위이다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하의 범위에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면이, 기판 주요면에 수직에 가까운 면을 얻을 수 있을 가능성이 높아진다. 또한 80도를 넘고 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층으로부터의 레이저광은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 편광하고 있다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 저임계값 전류를 실현할 수 있는 밴드 천이는 편광성을 갖는다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 LED 모드에서의 광은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 편광 성분(I1)과, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축을 주요면에 투영한 방향으로 편광 성분(I2)을 포함하고, 상기 편광 성분(I1)은 상기 편광 성분(I2)보다 크다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, LED 모드에서 큰 발광 강도 모드의 광을, 레이저 공진기를 이용하여 레이저 발진시킬 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 반극성 주요면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나의 면으로부터 -4도 이상 +4도 이하의 범위로 오프한 미세 경사면이다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 이들 전형적인 반극성면으로부터의 미세 경사면에서도, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있는 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 제1 및 제2 단부면을 제공할 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 반극성 주요면은 {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나이다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 이들 전형적인 반극성면에서도, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있는 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 제1 및 제2 단부면을 제공할 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체의 적층 결함 밀도는 1×104㎝-1 이하이다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 적층 결함 밀도가 1×104㎝-1 이하이기 때문에, 우발적인 사정에 의해 할단면의 평탄성 및/또는 수직성이 흐트러질 가능성이 낮다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 지지 기체는 GaN, AlGaN, AlN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어진다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 이들의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 공진기로서 이용 가능한 제1 및 제2 단부면을 얻을 수 있다. AlN 기판 또는 AlGaN 기판을 이용할 때, 편광도를 크게 할 수 있고, 또한 저굴절률에 의해 광가둠을 강화할 수 있다. InGaN 기판을 이용할 때, 기판과 발광층과의 격자 부정합률을 작게 할 수 있어, 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 제1 및 제2 할단면 중 적어도 어느 한 쪽에 설치된 유전체 다층막을 더 포함한다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 파단면에도 단부면 코트를 적용할 수 있다. 단부면 코트에 의해 반사율을 조정할 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은, 파장 360 ㎚ 이상 600 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 설치된 발광 영역을 포함한다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 반극성면의 이용에 의해, LED 모드의 편광을 유효하게 이용한 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 얻을 수 있어, 저임계값 전류를 얻을 수 있다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서는, 상기 활성층은, 파장 430 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 설치된 양자 우물 구조를 포함한다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 반극성면의 이용에 의해, 피에조 전계의 저감과 발광층 영역의 결정 품질 향상에 의해 양자 효율을 향상시키는 것이 가능해지고, 파장 430 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광을 발생할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 III족 질화물 반도체 레이저 소자는, (a) 육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어지고 반극성 주요면을 갖는 지지 기체, 및 상기 지지 기체의 상기 반극성 주요면상에 설치된 반도체 영역을 포함하는 레이저 구조체와, (b) 상기 레이저 구조체의 상기 반도체 영역상에 설치된 전극을 포함한다. 상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 설치된 활성층을 포함하고, 상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주요면의 법선축을 따라 배열되어 있으며, 상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 상기 지지 기체의 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 방향으로 상기 법선축에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있으며, 상기 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위이고, 상기 레이저 구조체는 제1 및 제2 면을 포함하며, 상기 제2 면은 상기 제1 면의 반대측의 면이고, 상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 지지 기체 사이에 위치하며, 상기 레이저 구조체는, 상기 레이저 구조체의 단부에 설치되어 있고, 상기 법선축과 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축에 의해 규정되는 평면을 따라 연장되는 제1 및 제2 스크라이브 마크를 가지며, 상기 제1 및 제2 스크라이브 마크는, 상기 제1 면의 에지로부터 상기 제2 면의 에지까지 연장되는 오목 형상을 가지며, 상기 레이저 구조체의 상기 단부는, 상기 제1 및 제2 스크라이브 마크의 각각의 에지와, 상기 제1 및 제2 면의 각각의 에지를 잇는 할단면을 포함하고, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기는, 상기 할단면을 포함한다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자에 의하면, 제1 할단면의 일단에 제1 면의 에지로부터 제2 면의 에지까지 연장되는 오목 형상의 스크라이브 마크에 따라 할단면이 형성되어 있기 때문에, 할단면의 수직성이나 평탄성이 예상되고, 할단면은 공진기 미러로서 충분한 수직성 및 평탄성을 갖는 것이 가능해진다. 따라서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 포함하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법은, (a) 육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어지고 반극성 주요면을 갖는 기판을 준비하는 공정과, (b) 상기 반극성 주요면상에 형성된 반도체 영역과 상기 기판을 포함하는 레이저 구조체, 애노드 전극, 및 캐소드 전극을 포함하는 기판 생산물을 형성하는 공정과, (c) 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향에 상기 기판 생산물의 제1 면을 부분적으로 스크라이브하는 공정과, (d) 상기 기판 생산물의 제2 면에의 압박에 의해 상기 기판 생산물을 분리하여, 별도의 기판 생산물 및 레이저 바를 형성하는 공정을 포함한다. 상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대측의 면이고, 상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 기판 사이에 위치하며, 상기 레이저 바는, 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면에까지 연장되고 상기 분리에 의해 형성된 제1 및 제2 단부면을 가지며, 상기 제1 및 제2 단부면은 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은, 상기 레이저 구조체상에 형성되며, 상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 설치된 활성층을 포함하고, 상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주요면의 법선축을 따라 배열되어 있으며, 상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 상기 기판의 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 방향으로 상기 법선축에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있으며, 상기 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위이고, 상기 제1 및 제2 단부면은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 상기 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하며, 상기 제1 및 제2 단부면의 각각에서의 상기 활성층의 단부면은, 상기 육방정계 질화물 반도체로 이루어지는 지지 기체의 m축에 직교하는 기준면에 대하여, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 평면에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위의 각도를 이루고, 상기 스크라이브하는 공정에서는, 상기 기판 생산물의 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면에 관통하고 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 길게 연장되어 있는 형상을 갖는 복수의 스크라이브 관통 구멍을, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축을 따라 형성한다. 이 방법에 의하면, 상기 기판 생산물의 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면에 관통하는 스크라이브 관통 구멍을 형성하고, 상기 기판 생산물의 분리를 행하기 때문에, 상기 분리에 의해 형성되는 단부면은, 제1 면측으로부터 제2 면측에 걸쳐 레이저 공진기를 구성할 수 있는 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 공진 미러면이 제공된다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에서는, 상기 스크라이브 관통 구멍은, 레이저 스크라이버를 이용하여, 상기 레이저 구조체의 상기 제1 면, 또는 상기 제2 면으로부터의 레이저 조사에 의해 형성된다. 이 방법에 의하면, 제1 면 또는 제2 면 중 어느 것으로부터 레이저를 조사하여도 좋고, 특히 상기 제2 면으로부터 레이저를 조사하면, 에피택셜면의 손상이나 잔해가 감소한다.
본 발명의 각 측면에 따른 상기의 목적 및 다른 목적, 특징, 및 이점은, 첨부 도면을 참조하여 진행되는 본 발명이 적합한 실시형태의 이하의 상세한 기술로부터, 보다 용이하게 명백해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 각 측면에 의하면, 육방정계 III족 질화물의 c축이 m축 방향으로 경사진 지지 기체의 반극성면상에서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 III족 질화물 반도체 레이저 소자가 제공되고, 또한 본 발명의 각 측면에 의하면, 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법이 제공된다.
도 1은 본 실시형태에 따른 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 활성층에서의 밴드 구조를 도시하는 도면이다.
도 3은 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 활성층에서의 발광의 편광을 도시하는 도면이다.
도 4는 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 단부면과 활성층의 m면과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 6은 본 실시형태에 따른 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 7은 실시예에 나타낸 레이저 다이오드의 구조를 도시하는 도면이다.
도 8은 종래의 스크라이브 홈의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 종래의 스크라이브 홈의 형성 방법에 의해 형성된 단부면을 에피택셜면에서 본 형상을 도시하는 도면이다.
도 10은 종래의 스크라이브 홈의 형성 방법에 의해 형성된 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 단부면을 측면에서 본 형상을 도시하는 도면이다.
도 11은 종래의 스크라이브 홈으로부터 형성되는 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 단부면의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 종래의 스크라이브 홈을 이용하여 제작된 레이저 바의 단부면의 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 실시형태에 따른 스크라이브 관통 구멍의 형상을 도시하는 도면이다.
도 14는 (20-21)면과 다른 면방위(지수)가 이루는 각도를 도시하는 도면이다.
도 15는 종래의 스크라이브 홈을 이용한 경우의 단부면의 각도 어긋남을 갖는 소자의 개수와, 본 실시형태에 따른 스크라이브 관통 구멍을 이용한 경우의 단부면의 각도 어긋남을 갖는 소자의 개수를 비교하기 위한 도면이다.
도 16은 GaN 기판의 m축 방향에의 c축의 경사각과 발진 수율과의 관계를 도시하는한 도면이다.
도 17은 적층 결함 밀도와 발진 수율과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 18은 (20-21)면과 (-101-6)면 및 (-1016)면에서의 원자 배치를 도시하는 도면이다.
도 19는 (20-21)면과 (-101-7)면 및 (-1017)면에서의 원자 배치를 도시하는 도면이다.
도 20은 (20-21)면과 (-101-8)면 및 (-1018)면에서의 원자 배치를 도시하는 도면이다.
본 발명의 지견은, 예시로서 도시된 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 기술을 고려하는 것에 의해 용이하게 이해할 수 있다. 이어서, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 III족 질화물 반도체 레이저 소자, 및 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법에 따른 실시형태를 설명한다. 가능한 경우에는, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
도 1은, 본 실시형태에 따른 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, 이득 가이드형의 구조를 갖지만, 본 발명의 실시형태는, 이득 가이드형의 구조에 한정되는 것이 아니다. III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, 레이저 구조체(13) 및 전극(15)을 구비한다. 레이저 구조체(13)는, 지지 기체(17) 및 반도체 영역(19)을 포함한다. 지지 기체(17)는, 육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어지고, 또한 반극성 주요면(17a) 및 이면(17b)을 갖는다. 반도체 영역(19)은, 지지 기체(17)의 반극성 주요면(17a)상에 설치된다. 전극(15)은, 레이저 구조체(13)의 반도체 영역(19)상에 설치된다. 반도체 영역(19)은, 제1 클래드층(21)과, 제2 클래드층(23)과, 활성층(25)을 포함한다. 제1 클래드층(21)은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지고, 예컨대 n형 AlGaN, n형 InAlGaN 등으로 이루어진다. 제2 클래드층(23)은, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지고, 예컨대 p형 AlGaN, p형 InAlGaN 등으로 이루어진다. 활성층(25)은, 제1 클래드층(21)과 제2 클래드층(23) 사이에 설치된다. 활성층(25)은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고, 이 질화갈륨계 반도체층은, 예컨대 우물층(25a)이다. 활성층(25)은 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 장벽층(25b)을 포함하고, 우물층(25a) 및 장벽층(25b)은 교대로 배열되어 있다. 우물층(25a)은, 예컨대 InGaN 등으로 이루어지고, 장벽층(25b)은, 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. 활성층(25)은, 파장 360 ㎚ 이상 600 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 설치된 양자 우물 구조를 포함할 수 있다. 반극성면의 이용에 의해, 파장 430 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광의 발생이 가능하다. 제1 클래드층(21), 제2 클래드층(23) 및 활성층(25)은, 반극성 주요면(17a)의 법선축(NX)을 따라 배열되어 있다. III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 레이저 구조체(13)는, 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 m-n면에 교차하는 제1 할단면(27) 및 제2 할단면(29)을 포함한다.
도 1을 참조하면, 직교 좌표계(S) 및 결정 좌표계(CR)가 그려져 있다. 법선축(NX)은, 직교 좌표계(S)의 Z축 방향을 향한다. 반극성 주요면(17a)은, 직교 좌표계(S)의 X축 및 Y축에 의해 규정되는 정해진 평면에 평행하게 연장된다. 또한 도 1에는, 대표적인 c면(Sc)이 그려져 있다. 지지 기체(17)의 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 방향으로 법선축(NX)에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, 절연막(31)을 더 구비한다. 절연막(31)은 레이저 구조체(13)의 반도체 영역(19)의 표면(19a)을 덮고 있어, 반도체 영역(19)은 절연막(31)과 지지 기체(17) 사이에 위치한다. 지지 기체(17)는 육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어진다. 절연막(31)은 개구(31a)를 가지며, 개구(31a)는 반도체 영역(19)의 표면(19a)과 상기한 m-n면과의 교차선(LIX)의 방향으로 연장되고, 예컨대 스트라이프 형상을 이룬다. 전극(15)은, 개구(31a)를 통해 반도체 영역(19)의 표면(19a)[예컨대 제2 도전형의 컨택트층(33)]에 접촉을 이루고 있고, 상기한 교차선(LIX)의 방향으로 연장된다. III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 레이저 도파로는, 제1 클래드층(21), 제2 클래드층(23) 및 활성층(25)을 포함하고, 또한 상기한 교차선(LIX)의 방향으로 연장된다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 제1 할단면(27) 및 제2 할단면(29)은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 m-n면에 교차한다. III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기는 제1 및 제2 할단면(27, 29)을 포함하고, 제1 할단면(27) 및 제2 할단면(29) 중 한쪽으로부터 다른 쪽으로, 레이저 도파로가 연장되어 있다. 레이저 구조체(13)는 제1 면(13a) 및 제2 면(13b)을 포함하고, 제1 면(13a)은 제2 면(13b)의 반대측의 면이다. 제1 및 제2 할단면(27, 29)은, 제1 면(13a)의 에지(13c)로부터 제2 면(13b)의 에지(13d)까지 연장된다. 제1 및 제2 할단면(27, 29)은 c면, m면 또는 a면이라고 하는 지금까지의 벽개면과는 상이하다.
이 III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에 의하면, 레이저 공진기를 구성하는 제1 및 제2 할단면(27, 29)이 m-n면에 교차한다. 이 때문에, m-n면과 반극성면(17a)과의 교차선의 방향으로 연장되는 레이저 도파로를 설치할 수 있다. 이 때문에, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖게 된다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, n측 광가이드층(35) 및 p측 광가이드층(37)을 포함한다. n측 광가이드층(35)은, 제1 부분(35a) 및 제2 부분(35b)을 포함하고, n측 광가이드층(35)은, 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. p측 광가이드층(37)은, 제1 부분(37a) 및 제2 부분(37b)을 포함하고, p측 광가이드층(37)은, 예컨대 GaN, InGaN 등으로 이루어진다. 캐리어 블록층(39)은, 예컨대 제1 부분(37a)과 제2 부분(37b) 사이에 설치된다. 지지 기체(17)의 이면(17b)에는 별도의 전극(41)이 설치되고, 전극(41)은, 예컨대 지지 기체(17)의 이면(17b)을 덮고 있다.
레이저 구조체(13)는, 제1 할단면(27)의 일단에, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 소자 표면(11a)의 에지(13c)로부터 소자 이면(11b)의 에지(13d)까지 연장되는 스크라이브 마크(SM1)를 가지며, 제1 할단면(27)의 타단에, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 소자 표면(11a)의 에지(13c)로부터 소자 이면(11b)의 에지(13d)까지 연장되는 스크라이브 마크(SM2)를 갖는다. 또한, 레이저 구조체(13)는, 제2 할단면(29)측에서도 마찬가지로, 스크라이브 마크(SM3, SM4)를 갖는다. 스크라이브 마크(SM1, SM2, SM3, SM4)는, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 소자 표면(11a)으로부터 소자 이면(11b)까지 연장되는 오목 형상을 갖는다. 또한, 스크라이브 마크(SM1, SM2, SM3, SM4)는, 레이저 구조체(13)의 단부(m-n면에 교차하는 단부)에 각각 설치되어 있고, 법선축(NX)과 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축에 의해 규정되는 평면을 따라 연장된다. 레이저 구조체(13)의 상기한 단부(m-n면에 교차하는 단부)는, 제1 할단면(27)을 갖는 것과, 제2 할단면(29)을 갖는 것이 있다. 제1 할단면(27)은, 스크라이브 마크(SM1) 및 스크라이브 마크(SM2) 각각의 에지(13e 및 13f)와, 소자 표면(11a) 및 소자 이면(11b) 각각의 에지(13c 및 13d)를 잇는 면이고, 제2 할단면(29)은, 스크라이브 마크(SM3) 및 스크라이브 마크(SM4) 각각의 에지와, 소자 표면(11a) 및 소자 이면(11b) 각각의 에지(13c 및 13d)를 잇는 면이다. 이와 같이, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 소자 표면(11a)으로부터 소자 이면(11b)까지 연장되는 오목 형상의 스크라이브 마크(SM1) 등을 따라 제1 및 제2 할단면(27, 29)이 형성되어 있기 때문에, 할단면의 수직성이나 평탄성이 예상되고, 제1 및 제2 할단면(27, 29)은 공진기 미러로서 충분한 수직성 및 평탄성을 갖는 것이 가능해진다.
도 2는, III족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 활성층에서의 밴드 구조를 도시하는 도면이다. 도 3은 III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 활성층(25)에서의 발광의 편광을 도시한 도면이다. 도 4는 c축 및 m축에 의해 규정되는 단면을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 2의 (a)를 참조하면, 밴드 구조(BAND)의 「점 근방에서는, 전도대와 가전자대 사이의 가능한 천이는, 3가지 있다. A 밴드 및 B 밴드는 비교적 작은 에너지차이다. 전도대와 A 밴드의 천이(Ea)에 의한 발광은 a축 방향으로 편광하고 있고, 전도대와 B 밴드와의 천이(Eb)에 의한 발광은 c축을 주요면에 투영한 방향으로 편광하고 있다. 레이저 발진에 관해서, 천이(Ea)의 임계값은 천이(Eb)의 임계값보다 작다.
도 2의 (b)를 참조하면, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서의 LED 모드에서의 광의 스펙트럼이 도시되어 있다. LED 모드에서의 광은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향의 편광 성분(I1)과, 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축을 주요면에 투영한 방향의 편광 성분(I2)을 포함하고, 편광 성분(I1)은 편광 성분(I2)보다 크다. 편광도(ρ)는 (I1-I2)/(I1+I2)에 의해 규정된다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기를 이용하여, LED 모드에서 큰 발광 강도의 모드의 광을 레이저 발진시킬 수 있다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2 할단면(27, 29) 중 적어도 한 쪽, 또는 각각에 설치된 유전체 다층막(43a, 43b)을 더 구비할 수 있다. 제1 및 제2 할단면(27, 29)에도 단부면 코트를 적용할 수 있다. 단부면 코트에 의해 반사율을 조정할 수 있다.
도 3의 (b)에 도시되는 바와 같이, 활성층(25)으로부터의 레이저광(L)은 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 편광하고 있다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서, 저임계값 전류를 실현할 수 있는 밴드 천이는 편광성을 갖는다. 레이저 공진기를 위한 제1 및 제2 할단면(27, 29)은 c면, m면 또는 a면이라고 하는 지금까지의 벽개면과는 상이하다. 그러나, 제1 및 제2 할단면(27, 29)은 공진기를 위한, 미러로서의 평탄성, 수직성을 갖는다. 이 때문에, 제1 및 제2 할단면(27, 29)과 이들의 제1 및 제2 할단면(27, 29) 사이에 연장되는 레이저 도파로를 이용하여, 도 3의 (b)에 도시되는 바와 같이, c축을 주요면에 투영한 방향으로 편광하는 천이(Eb)의 발광보다 강한 천이(Ea)의 발광을 이용하여 저임계값의 레이저 발진이 가능하게 된다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 제1 및 제2 할단면(27, 29)의 각각에는, 지지 기체(17)의 단부면(17c) 및 반도체 영역(19)의 단부면(19c)이 나타나 있고, 단부면(17c) 및 단부면(19c)은 유전체 다층막(43a)으로 덮여 있다. 지지 기체(17)의 단부면(17c) 및 활성층(25)에서의 단부면(25c)의 법선 벡터(NA)와 활성층(25)의 m축 벡터(MA)가 이루는 각도(BETA)는, III족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면(S1)에서 규정되는 성분[(BETA)1]과, 제1 평면(S1)(이해를 용이하게 하기 위해 도시하지 않지만 「S1」로서 참조함) 및 법선축(NX)에 직교하는 제2 평면(S2)(이해를 용이하게 하기 위해 도시하지 않지만 「S2」로서 참조함)에서 규정되는 성분[(BETA)2]에 의해 규정된다. 성분[(BETA)1]은, III족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면(S1)에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위일 수 있다. 이 각도 범위는, 도 4에 있어서, 대표적인 m면(SM)과 참조면(FA)이 이루는 각도로서 도시되어 있다. 대표적인 m면(SM)이, 이해를 용이하게 하기 위해, 도 4에서, 레이저 구조체의 내측으로부터 외측에 걸쳐 그려져 있다. 참조면(FA)은, 활성층(25)의 단부면(25c)을 따라 연장된다. 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)는, c축 및 m축의 한쪽으로부터 다른 쪽에 취해지는 각도(BETA)에 관해서, 상기한 수직성을 만족하는 단부면을 갖는다. 또한, 성분[(BETA)2]은 제2 평면(S2)에서 -5도 이상 +5도 이하의 범위일 수 있다. 여기서, BETA2=(BETA)1 2+(BETA)2 2이다. 이 때, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 단부면[제1 및 제2 할단면(27, 29)]은, 반극성면(17a)의 법선축(NX)에 수직인 면에서 규정되는 각도에 관해서 상기한 수직성을 만족한다.
다시 도 1을 참조하면, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 지지 기체(17)의 두께(DSUB)는 50 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하일 수 있다. III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 지지 기체(17)가 이 두께를 갖는 것에 의해, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)를 포함하는 기판 생산물[후술의 기판 생산물(SP)]에 대하여, 스크라이브 마크(SM)에 대응하는 스크라이브 관통 구멍[도 6에 도시하는 후술의 스크라이브 관통 구멍(65a)을 참조]의 형성이 용이해진다. 후술하는 바와 같이, 이 스크라이브 관통 구멍을 이용하여 얻어지는 단부면(할단면)은, 충분한 수직성 및 평탄성을 갖는 양호한 공진기 미러로서 이용할 수 있다. 따라서, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 제1 및 제2 할단면(27, 29)은, 양호한 공진기 미러가 될 수 있다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 법선축(NX)과 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도(ALPHA)는 45도 이상일 수 있고, 또한 80도 이하일 수 있다. 또한, 각도(ALPHA)는 100도 이상일 수 있고, 또한 135도 이하일 수 있다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면이 m면으로 이루어질 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘고 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 법선축(NX)과 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도(ALPHA)는 63도 이상일 수 있고, 또한 80도 이하일 수 있다. 또한, 각도(ALPHA)는 100도 이상일 수 있고, 또한 117도 이하일 수 있다. 63도 미만 및 117도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면의 일부에, m면이 출현할 가능성이 있다. 또한, 80도를 넘고 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다.
반극성 주요면(17a)은 {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나일 수 있다. 또한 이들 면으로부터 -4도 이상 +4도 이하의 범위로 미세하게 경사진 면도 상기 주요면으로 할 수 있다. 이들 전형적인 반극성면(17a)에서, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 레이저 공진기를 구성할 수 있는 정도의 충분한 평탄성 및 수직성의 제1 및 제2 단부면[제1 및 제2 할단면(27, 29)]을 제공할 수 있다. 또한, 이들의 전형적인 면방위에 걸친 각도의 범위에서, 충분한 평탄성 및 수직성을 나타내는 단부면을 얻을 수 있다.
III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)에서는, 지지 기체(17)의 적층 결함 밀도는 1×104㎝-1 이하일 수 있다. 적층 결함 밀도가 1×104㎝-1 이하이기 때문에, 우발적인 사정에 의해 할단면의 평탄성 및/또는 수직성이 흐트러질 가능성이 낮다. 또한, 지지 기체(17)는 GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이들 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 공진기로서 이용 가능한 단부면[제1 및 제2 할단면(27, 29)]을 얻을 수 있다. AlN 또는 AlGaN 기판을 이용할 때, 편광도를 크게 할 수 있고, 또한 저굴절률에 의해 광가둠을 강화할 수 있다. InGaN 기판을 이용할 때, 기판과 발광층과의 격자 부정합률을 작게 할 수 있어, 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
도 5는, 본 실시형태에 따른 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법의 주요한 공정을 도시하는 도면이다. 도 6의 (a)를 참조하면, 기판(51)이 도시되어 있다. 공정 S101에서는, III족 질화물 반도체 레이저 소자의 제작을 위한 기판(51)을 준비한다. 기판(51)의 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축[벡터(VC)]은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 방향[벡터(VM)]으로 법선축(NX)에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있다. 이 때문에, 기판(51)은 육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어지는 반극성 주요면(51a)을 갖는다.
공정 S102에서는, 기판 생산물(SP)을 형성한다. 도 6의 (a)에서는, 기판 생산물(SP)은 대략 원판형의 부재로서 그려져 있지만, 기판 생산물(SP)의 형상은 이것에 한정되는 것이 아니다. 기판 생산물(SP)을 얻기 위해, 우선 공정 S103에서는, 레이저 구조체(55)를 형성한다. 레이저 구조체(55)는, 반도체 영역(53) 및 기판(51)을 포함하고 있고, 공정 S103에서는, 반도체 영역(53)은 반극성 주요면(51a)상에 형성된다. 반도체 영역(53)을 형성하기 위해, 반극성 주요면(51a)상에, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(57), 발광층(59), 및 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(61)을 순서대로 성장시킨다. 질화갈륨계 반도체 영역(57)은, 예컨대 n형 클래드층을 포함하고, 질화갈륨계 반도체 영역(61)은, 예컨대 p형 클래드층을 포함할 수 있다. 발광층(59)은 질화갈륨계 반도체 영역(57)과 질화갈륨계 반도체 영역(61) 사이에 설치되고, 또한 활성층, 광가이드층 및 전자 블록층 등을 포함할 수 있다. 질화갈륨계 반도체 영역(57), 발광층(59), 및 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체 영역(61)은, 반극성 주요면(51a)의 법선축(NX)을 따라 배열되어 있다. 이들 반도체층은 에피택셜 성장된다. 반도체 영역(53)상은, 절연막(54)으로 덮여 있다. 절연막(54)은, 예컨대 실리콘 산화물로 이루어진다. 절연막(54)은 개구(54a)를 갖는다. 개구(54a)는, 예컨대 스트라이프 형상을 이룬다.
공정 S104에서는, 레이저 구조체(55)상에, 애노드 전극(58a) 및 캐소드 전극(58b)이 형성된다. 또한 기판(51)의 이면에 전극을 형성하기 전에, 결정 성장에 이용한 기판의 이면을 연마하여, 원하는 두께(DSUB)의 기판 생산물(SP)을 형성한다. 전극의 형성에서는, 예컨대 애노드 전극(58a)이 반도체 영역(53)상에 형성되고, 캐소드 전극(58b)이 기판(51)의 이면(연마면)(51b)상에 형성된다. 애노드 전극(58a)은 X축 방향으로 연장되고, 캐소드 전극(58b)은 이면(51b)의 전체면을 덮고 있다. 이들 공정에 의해, 기판 생산물(SP)이 형성된다. 기판 생산물(SP)은, 제1 면(63a)과, 이것에 반대측에 위치하는 제2 면(63b)을 포함한다. 반도체 영역(53)은 제1 면(63a)과 기판(51) 사이에 위치한다.
공정 S105에서는, 도 6의 (b)에 도시되는 바와 같이, 기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)을 스크라이브한다. 이 스크라이브는, 레이저 스크라이버(10a)을 이용하여 행해진다. 스크라이브에 의해 복수의 스크라이브 관통 구멍(65a)이 형성된다. 도 6의 (b)에서는, 몇 개의 스크라이브 관통 구멍이 이미 형성되어 있고, 레이저 빔(LB)을 이용하여 스크라이브 관통 구멍(65b)의 형성이 진행되고 있다. 스크라이브 관통 구멍(65a) 등은, 제1 면(63a)으로부터 제2 면(63b)에 관통하는 관통 구멍이고, 제1 면(63a)[또는 제2 면(63b)]에서 봤을 때, 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 연장되어 있는 형상을 갖는다. 즉, 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향에서의 스크라이브 관통 구멍(65a) 등의 폭은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향에 직교하는 방향의 폭보다 길다. 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향에서의 스크라이브 관통 구멍(65a) 등의 폭은, 예컨대 50 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 할 수 있고, 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향에 직교하는 방향에서의 스크라이브 관통 구멍(65a) 등의 폭은, 예컨대 5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 할 수 있다.
복수의 스크라이브 관통 구멍(65a) 등은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향을 따라, 예컨대 400 ㎛ 정도의 피치로 형성된다. 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 나열하여 형성되는 복수의 스크라이브 관통 구멍(65a)을 포함하는 복수의 열은, 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 면을 따라, 기판 생산물(SP)에 대략 등간격의 피치로 형성된다.
스크라이브 관통 구멍(65a) 등은, 후술의 1차 및 2차 브레이크(break)에 있어서, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)가 기판 생산물(SP)로부터 분리되는 것에 의해, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)가 갖는 스크라이브 마크(SM1) 등이 된다.
스크라이브 관통 구멍(65a) 등의 길이는, 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 a-n면과 제1 면(63a)과의 교차선(AIS)의 길이보다 짧고, 교차선(AIS)의 일부분에 레이저빔(LB)의 조사가 행해진다. 레이저 빔(LB)의 조사에 의해, 특정한 방향으로 연장되어 반도체 영역에 도달하는 관통 구멍이 제1 면(63a)에 형성된다. 스크라이브 관통 구멍(65a) 등은, 예컨대 기판 생산물(SP)의 에지에 형성될 수 있다.
공정 S106에서는, 도 6의 (c)에 도시되는 바와 같이, 기판 생산물(SP)의 제2 면(63b)에의 압박에 의해 기판 생산물(SP)을 분리하여, 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 압박은, 예컨대 블레이드(blade)(69)라고 하는 브레이킹 장치를 이용하여 행해진다. 이 레이저 바(LB1) 등을 형성하기 위한 브레이킹(1차 브레이크)은, y축 방향으로 진행된다. 블레이드(69)는, 일방향으로 연장되는 에지(69a)와, 에지(69a)를 규정하는 2개 이상의 블레이드면(69b, 69c)을 포함한다. 또한, 기판 생산물(SP1)의 압박은 지지 장치(71)상에서 행해진다. 지지 장치(71)는, 지지면(71a)과 오목부(71b)를 포함하고, 오목부(71b)는 일방향으로 연장된다. 오목부(71b)는, 지지면(71a)에 형성되어 있다. 기판 생산물(SP1)의 스크라이브 관통 구멍(65a)의 방향 및 위치를 지지 장치(71)의 오목부(71b)의 연장 방향에 맞춰, 기판 생산물(SP1)을 지지 장치(71)상에서 오목부(71b)에 위치 결정한다. 오목부(71b)의 연장 방향으로 브레이킹 장치의 에지 방향을 맞춰, 제2 면(63b)에 교차하는 방향으로부터 브레이킹 장치의 에지를 기판 생산물(SP1)에 압박한다. 교차 방향은 제2 면(63b)에 대략 수직 방향일 수 있다. 이것에 의해, 기판 생산물(SP)을 분리하여, 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 압박하는 것에 의해, 제1 및 제2 단부면(67a, 67b)을 갖는 레이저 바(LB1)가 형성되고, 이들의 단부면(67a, 67b)은 적어도 발광층의 일부는 반도체 레이저의 공진 미러에 적용 가능한 정도의 수직성 및 평탄성을 갖는다.
형성된 레이저 바(LB1)는, 상기의 분리에 의해 형성된 제1 및 제2 단부면(67a, 67b)을 가지며, 단부면(67a, 67b)의 각각은, 제1 면(63a)으로부터 제2 면(63b)에까지 연장된다. 이 때문에, 단부면(67a, 67b)은, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성하고, XZ면에 교차한다. 이 XZ면은 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 법선축(NX)에 의해 규정되는 m-n면에 대응한다.
이 방법에 의하면, 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)을 스크라이브한 후에, 기판 생산물(SP)의 제2 면(63b)에의 압박에 의해 기판 생산물(SP)을 분리하여, 새로운 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)를 형성한다. 이 때문에, m-n면에 교차하도록, 레이저 바(LB1)에 제1 및 제2 단부면(67a, 67b)이 형성된다. 이 단부면 형성에 의하면, 제1 및 제2 단부면(67a, 67b)에 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있는 정도의 충분한 평탄성 및 수직성이 제공된다.
또한, 이 방법에서는, 형성된 레이저 도파로는, 육방정계 III족 질화물의 c축의 경사 방향으로 연장되고 있다. 드라이 에칭면을 이용하지 않고, 이 레이저 도파로를 제공할 수 있는 공진기 미러 단부면을 형성하고 있다.
이 방법에 의하면, 기판 생산물(SP)의 할단에 의해, 새로운 기판 생산물(SP1) 및 레이저 바(LB1)가 형성된다. 공정 S107에서는, 압박에 의한 분리를 반복하여, 다수의 레이저 바를 제작한다. 이 할단은, 레이저 바(LB1)의 할단선(BREAK)에 비해 짧은 스크라이브 관통 구멍(65a)을 이용하여 일어난다.
공정 S108에서는, 레이저 바(LB1)의 단부면(67a, 67b)에 유전체 다층막을 형성하여, 레이저 바 생산물을 형성한다. 공정 S109에서는, 이 레이저 바 생산물을 개개의 반도체 레이저의 칩으로 분리한다(2차 브레이크).
본 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하의 범위일 수 있다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면이 m면으로 이루어질 가능성이 높아진다. 또한, 80도를 넘고 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다. 각도(ALPHA)는, 63도 이상 80도 이하 및 100도 이상 117도 이하의 범위일 수 있다. 45도 미만 및 135도를 넘는 각도에서는, 압박에 의해 형성되는 단부면의 일부에, m면이 출현할 가능성이 있다. 또한, 80도를 넘고 100도 미만의 각도에서는, 원하는 평탄성 및 수직성을 얻을 수 없을 우려가 있다. 반극성 주요면(51a)은 {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나일 수 있다. 또한 이들 면으로부터 -4도 이상 +4도 이하의 범위로 미세하게 경사진 면도 상기 주요면으로 할 수 있다. 이들 전형적인 반극성면에서, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있는 정도의 충분한 평탄성 및 수직성으로 레이저 공진기를 위한 단부면을 제공할 수 있다.
또한, 기판(51)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이들 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 기판을 이용할 때, 레이저 공진기로서 이용 가능한 단부면을 얻을 수 있다. 기판(51)은 GaN으로 이루어질 수 있다.
기판 생산물(SP)을 형성하는 공정 S104에 있어서, 결정 성장에 사용된 반도체 기판은, 기판 두께가 50 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하가 되도록 슬라이스 또는 연삭이라고 하는 가공이 실시되고, 제2 면(63b)이 연마에 의해 형성된 가공면일 수 있다. 이 기판 두께로는, 스크라이브 관통 구멍(65a)의 형성이 용이해지고, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성할 수 있는 정도의 충분한 평탄성, 수직성 또는 이온 손상이 없는 단부면(67a, 67b)을 수율 좋게 형성할 수 있다.
본 실시형태에 따른 레이저 단부면의 제조 방법에서는, 레이저 바(LB1)에서도, 도 3을 참조하면서 설명된 각도(BETA)가 규정된다. 레이저 바(LB1)에서는, 각도(BETA)의 성분[(BETA)1]은, III족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면[도 3을 참조한 설명에서의 제1 평면(S1)에 대응하는 면]에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위일 수 있다. 레이저 바(LB1)의 단부면(67a, 67b)은 c축 및 m축 중 한쪽으로부터 다른 쪽에 취해지는 각도(BETA)의 각도 성분에 관해서 상기의 수직성을 만족한다. 또한, 각도(BETA)의 성분[(BETA)2]은, 제2 평면[도 3에 도시된 제2 평면(S2)에 대응하는 면]에서 -5도 이상 +5도 이하의 범위일 수 있다. 이 때, 레이저 바(LB1)의 단부면(67a, 67b)은, 반극성면(51a)의 법선축(NX)에 수직인 면에서 규정되는 각도(BETA)의 각도 성분에 관해서 상기한 수직성을 만족한다.
단부면(67a, 67b)은, 반극성면(51a)상에 에피택셜로 성장된 복수의 질화갈륨계 반도체층에의 압박에 의한 브레이크에 의해 형성된다. 반극성면(51a)상에의 에피택셜막이기 때문에, 단부면(67a, 67b)은, 지금까지 공진기 미러로서 이용되어 온 c면, m면, 또는 a면이라고 하는 바닥면 지수의 벽개면이 아니다. 그러나, 반극성면(51a) 상에의 에피택셜막의 적층의 브레이크에서, 단부면(67a, 67b)은 공진기 미러로서 적용 가능한 평탄성 및 수직성을 갖는다.
(실시예)
도 7에 도시되는 레이저 다이오드를 유기 금속 기상 성장법에 의해 성장시켰다. 원료에는 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리메틸인듐(TMIn), 암모니아(NH3), 실란(SiH4)을 이용하였다. 기판(71)을 준비하였다. 기판(71)에는, HVPE법으로 두껍게 성장시킨 (0001) GaN 잉곳으로부터 m축 방향에 0도부터 90도 범위의 각도로 웨이퍼 슬라이스 장치를 이용하여 잘라내고, m축 방향에의 c축의 경사 각도(ALPHA)가, 0도부터 90도 범위의 원하는 오프각을 갖는 GaN 기판을 제작하였다. 예컨대 75도의 각도로 잘라냈을 때, {20-21}면 GaN 기판을 얻을 수 있다.
성장 전에, 기판의 적층 결함 밀도를 조사하기 위해, 캐소드 루미네센스법에 의해, 기판을 관찰하였다. 캐소드 루미네센스에서는, 전자선에 의해 여기된 캐리어의 발광 과정을 관찰하지만, 적층 결함이 존재하면, 그 근방에서는 캐리어가 비발광 재결합하기 때문에, 암선(暗線)형으로 관찰된다. 그 암선의 단위 길이당의 밀도(선밀도)를 구하고, 적층 결함 밀도로 정의하였다. 여기서는, 적층 결함 밀도를 조사하기 위해, 비파괴 측정의 캐소드 루미네센스법을 이용했지만, 파괴 측정의 투과형 전자 현미경을 이용하여도 좋다. 투과형 전자 현미경에서는, a축 방향으로부터 시료 단면을 관찰했을 때, 기판으로부터 시료 표면을 향해 m축 방향으로 신장되는 결함이, 지지 기체에 포함되는 적층 결함이고, 캐소드 루미네센스법의 경우와 마찬가지로, 적층 결함의 선밀도를 구할 수 있다.
이 기판(71)을 반응로 내의 서셉터상에 배치한 후에, 이하의 성장 절차로 에피택셜층을 성장시켰다. 우선, 두께 1000 ㎚의 n형 GaN(72)을 성장시켰다. 다음에, 두께 1200 ㎚의 n형 InAlGaN 클래드층(73)을 성장시켰다. 계속해서, 두께 200 ㎚의 n형 GaN 가이드층(74a) 및 두께 65 ㎚의 언도프 InGaN 가이드층(74b)을 성장시킨 후에, GaN 두께 15 ㎚/InGaN 두께 3 ㎚로 구성되는 3주기 MQW(75)를 성장시켰다. 계속해서, 두께 65 ㎚의 p형의 InGaN 가이드층(76a), 두께 20 ㎚의 p형 AlGaN 블록층(77a) 및 두께 200 ㎚의 p형의 InGaN 가이드층(76b)을 성장시켰다. 다음에, 두께 400 ㎚의 p형 InAlGaN 클래드층(77b)을 성장시켰다. 마지막으로, 두께 50 ㎚의 p형 GaN 컨택트층(78)을 성장시켰다.
SiO2의 절연막(79)을 컨택트층(78)상에 성막한 후에, 포토리소그래피를 이용하여 폭 10 ㎛의 스트라이프창을 웨트 에칭에 의해 형성하였다. 여기서, M 방향(컨택트창이 c축 및 m축에 의해 규정되는 정해진 면을 따른 방향)에 스트라이프 방향의 컨택트창을 형성하였다.
스트라이프창을 형성한 후에, Ni/Au로 이루어지는 p측 전극(80a)과 Ti/Al로 이루어지는 패드 전극을 증착하였다. 이어서, GaN 기판(GaN 웨이퍼)의 이면을 다이아몬드 슬러리를 이용하여 80 ㎛(또는 60 ㎛)까지 연마하고, 이면이 미러 상태인 기판 생산물을 제작하였다. 이 때, 접촉식 막 두께계를 이용하여 기판 생산물의 두께를 측정하였다. 두께의 측정에는, 시료 단면으로부터의 현미경에 의해서도 행하여도 좋다. 현미경에는, 광학 현미경이나, 주사형 전자 현미경을 이용할 수 있다. GaN 기판(GaN 웨이퍼)의 이면(연마면)에는 Ti/Al/Ti/Au로 이루어지는 n측 전극(80b)을 증착에 의해 형성하였다.
레이저 스트라이프에 대한 공진기 미러의 제작에는, 파장 355 ㎚의 YAG 레이저를 이용하는 레이저 스크라이버를 이용하였다. 레이저 스크라이버를 이용하여 브레이크한 경우에는, 다이아몬드 스크라이브를 이용한 경우와 비교하여, 발진칩 수율을 향상시키는 것이 가능하다. 기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)으로부터 제2 면(63b)에 이르는 스크라이브 관통 구멍(65a) 등의 형성 방법으로서 이하의 방법 (A), (B)를 이용하였다.
기판 두께(㎛) 레이저 출력(mW) 레이저 주사 속도(㎜/s)
방법 (A) 80 250 1
방법 (B) 60 250 1
또한, 하기의 방법 (C)에 의해, 스크라이브 관통 구멍이 아니라, 기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)에 형성되어 있지만, 제2 면(63b)에는 이르지 않는 스크라이브 홈(SL1, SL2)(도 8 등을 참조)도 형성하였다. 스크라이브 홈(SL1, SL2)은, 기판 생산물(SP)의 제2 면(63b)에는 이르지 않지만 제1 면(63a)에 형성되어 있는 홈이다. 이 스크라이브 홈(SL1, SL2)을 갖는 III족 질화물 반도체 레이저 소자를, 특히 III족 질화물 반도체 레이저 소자(111)라고 한다.
기판 두께(㎛) 레이저 출력(mW) 레이저 주사 속도(㎜/s)
방법 (C) 80 100 5
400 ㎛ 피치로 기판의 절연막 개구 개소를 통해 에피택셜 표면에 직접 레이저광을 조사하는 것에 의해, 스크라이브 관통 구멍 및 스크라이브 홈을 형성하였다. 공진기 길이는 600 ㎛로 하였다. 형성된 스크라이브 관통 구멍은, 예컨대 길이 200 ㎛, 폭 12 ㎛이며, 스크라이브 홈은, 예컨대 길이 200 ㎛, 폭 8 ㎛, 깊이 40 ㎛ 정도였다.
브레이크에 의해 형성된 할단면을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 결과, 현저한 요철은 관찰되지 않았다. 이것으로부터, 할단면의 평탄성(요철의 크기)은, 20 ㎚ 이하로 추정된다. 또한 할단면의 시료 표면에 대한 수직성은, ±5도의 범위 내였다.
레이저 바의 단부면에 진공 증착법에 의해 유전체 다층막을 코팅하였다. 유전체 다층막은, SiO2과 TiO2를 교대로 적층하여 구성하였다. 막 두께는 각각, 50 ㎚∼100 ㎚의 범위로 조정하여, 반사율의 중심 파장이 500 ㎚∼530 ㎚의 범위가 되도록 설계하였다. 한 쪽의 반사면을 10주기로 하며, 반사율의 설계값을 약 95%로 설계하고, 다른 한 쪽의 반사면을 6주기로 하며, 반사율의 설계값을 약 80%로 하였다.
통전에 의한 평가를 실온에서 행하였다. 전원에는, 펄스폭 500 ㎱, 듀티비 0.1%의 펄스 전원을 이용하여, 표면 전극에 바늘을 떨어뜨려 통전하였다. 광출력 측정시에는, 레이저 바 단부면으로부터의 발광을 포토다이오드에 의해 검출하여, 전류-광출력 특성(I-L 특성)을 조사하였다. 발광 파장을 측정할 때는, 레이저 바 단부면으로부터의 발광을 광 파이버에 통과시키고, 검출기에 스펙트럼 애널라이저를 이용하여 스펙트럼 측정을 행하였다. 편광 상태를 조사할 때에는, 레이저 바로부터의 발광에 편광판을 통해 회전시킴으로써, 편광 상태를 조사하였다. LED 모드광을 관측할 때에는, 광 파이버를 레이저 바 표면측에 배치함으로써, 표면으로부터 방출되는 광을 측정하였다.
모든 레이저에서 발진 후의 편광 상태를 확인한 결과, a축 방향으로 편광하고 있는 것을 알았다. 발진 파장은 500 ㎚∼530 ㎚였다.
도 8은, 방법 (C)에 의해 기판 생산물(SP)에 대하여 스크라이브 홈이 형성된 기판의 모식도이다. 또한 도 8에서는, 이해를 용이하게 하기 위해, 1차 브레이크를 위한 y 방향에의 스크라이브 홈[스크라이브 홈(SL1)]에 추가로, 2차 브레이크를 위한 x 방향에의 스크라이브 홈[스크라이브 홈(SL2)]도 형성되어 있지만, 실제 프로세스에서는 2차 브레이크를 위한 스크라이브 홈(SL2)은 1차 브레이크 후에 형성된다.
1차, 2차 브레이크를 마치고 칩화된 반극성면상(LD)[III족 질화물 반도체 레이저 소자(111)]의 에피택셜면을 광학 현미경 관찰로 관찰한 결과를 도 9에 도시한다. 도 9에서, 브레이크의 진행 방향은 y 방향이다. 도 9에 의하면, 브레이크의 균열(도면 중 부호 D1로 나타냄)은, 도파로에 수직인 방향(y 방향)으로부터 c축의 방향[c축을 에피택셜면에 투영한 방향(D2)이며, -x 방향에 대응함]으로 방향을 바꿔 진전하고 있는 것을 알 수 있다. 결과로서, 도파로에 수직인 공진기 미러를 얻을 수 없고, 발진 수율의 저하나 발진 임계값 전류의 증대가 발생하는 것이 예상된다. 이와 같이, 방법 (C)에 의해 스크라이브 홈(SL1, SL2)을 형성하는 기술로는 공진기 미러의 품질이 불안정해지는 경우가 있다.
이 반극성면상(LD)[III족 질화물 반도체 레이저 소자(111)]의 단부면(z-x 단면)을 관찰한 결과를 도 10에 도시한다. 도 10의 (a)는, III족 질화물 반도체 레이저 소자(111)의 에피택셜면의 표면을 본 도면이고, 도 10의 (b)는, 도 10의 (a)에 도시하는 영역(D3) 내의 III족 질화물 반도체 레이저 소자(111)의 측면을 본 도면이다. 도 10에 의하면, 스크라이브 홈(SL1)으로부터 깊이 방향(-z 방향)에 균열이 진전할 때에, 균열은 스크라이브 홈(SL1)의 깊이 방향에 평행한 방향(D4)이 아니라, c축(도면 중 부호 D5로 나타내는 방향)에 수직인 방향으로 진전하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 스크라이브 홈(SL1)의 하측에는 c면이 나타나 있게 된다. 이와 같이, 도파로를 오프 방향으로 설치한 반극성면상(LD)[III족 질화물 반도체 레이저 소자(111)]의 공진기 미러 형성시에, 스크라이브 홈(SL1)의 하측에 낮은 지수의 벽개면이 나타나는 것이 단부면 불량의 원인인 것이 용이하게 추찰된다.
도 11에, 도파로에 수직인 방향(y 방향)에의 균열의 진전에 따라, 단부면의 깊이 방향의 모습이 어떻게 변화하고 있는지를 관찰한 모습을 도시한다. 전술과 같이, 스크라이브 홈(SL1)이 형성된 영역에서는, 단부면은, 스크라이브에 의해 형성된 에피택셜면에 비교적 수직인 면과, 스크라이브 홈(SL1)의 하측에 출현한 c면과의 이면에 의해 구성되어 있고, 이면의 교선으로서의 에지를 갖는다. 도 11과 같이, 균열이 y 방향으로 진전하여, 스크라이브 홈이 형성되어 있지 않은 영역(도 11에서는, 200 ㎛<y<400 ㎛)에 도달하면, 단부면을 구성하고 있던 상기 이면은 점차 에지를 없애는 듯이 매끄럽게 접속하게 된다. 그 결과, 단부면은 곡면이 된다.
발명자는, 도 11에 도시하는 결과에 기초하여, 균열 진전의 메카니즘을 도 12에 도시하는 바와 같이 이해하였다. 또한 발명자의 지견에 의하면, 브레이크시에 블레이드를 압박한 측[기판 이면(D8)측]의 표면에는, 블레이드의 압박에 의해 쪽 곧은 에지가 나타나는 것을 알고 있다. 전술과 같이, 스크라이브 홈의 이면(D8)측(도면 중 부호 D6으로 나타내는 영역)에는 c면이 나타난다. 도면 중 부호 D7로 나타내는 영역에서, 균열이 스크라이브 홈이 형성되어 있지 않은 영역(도면 중 부호 D7로 나타내는 영역)에 도달하면, 단부면은 곡면화되어 가지만, 이면에는 블레이드의 압박에 의해 쪽 곧은 에지가 나타나기 때문에, 결과로서 에피택셜면상에 나타나는 균열은 -x 방향으로 방향을 바꿔 진전하게 되다.
상기한 방법 (C)를 이용한 경우에서 도파로에 수직인 공진기 미러가 안정적으로 얻어지지 않는 원인은, 스크라이브 홈(SL1)의 기판 이면측에 나타나는 c면에 있을 가능성이 높은 것을 알았다. 그래서, 스크라이브 홈(SL1)의 기판 이면측의 c면의 출현을 억제하면, 도파로에 수직인 공진기 미러가 안정적으로 얻어진다고 생각하여, 상기한 레이저 스크라이버를 이용하여 에피택셜면으로부터 기판 이면에 이르는 관통 구멍[스크라이브 관통 구멍(65a) 등]을 형성하여 브레이크하는 상기한 방법 (A), (B)를 발견하였다.
도 13의 (a) 및 도 13의 (b)는 방법 (A)에 의해 얻어진 샘플[레이저 바(LB1) 등]의 광학 현미경 사진이다. 도 13의 (a)는 에피택셜면으로부터의 관찰 결과이고, 도 13의 (b)는 단부면으로부터의 관찰 결과이다. 도 13의 (a)를 보면, 도 9에서 봤던 바와 같은, 도파로에 수직인 방향으로부터의 공진기 미러의 각도 어긋남은 확인되지 않는다. 이 때, 확실히 관통 구멍이 형성되어 있는 것은 도 13의 (b)로부터 명백하다. 또한 방법 (B)에서도 관통 구멍[스크라이브 관통 구멍(65a)]이 형성되어 있는 것을 확인하였다. 이 샘플[레이저 바(LB1) 등]의 도파로 근방의 단부면의 모습을 관찰한 결과가 도 14의 (a)이다. 단부면은 에피택셜면에 대략 수직이고, 또한 지금까지의 벽개면과는 상이하다. 이 단부면의 후보를 찾기 위해, (20-21)면에 90도 근방의 각도를 이루는 면지수를 계산에 의해 구하였다. 도 14의 (b)를 참조하면, 이하의 각도 및 면지수가, (20-21)면에 대하여 90도 근방의 각도를 갖는다.
구체적인 면지수 {20-21}면에 대한 각도
(-1016) 92.46도
(-1017) 90.10도
(-1018) 88.29도
각 면지수의 벽개성이나, 스크라이브시의 레이저의 수직성(±5도 정도)에 의존하여, 이러한 높은 지수 면이 단부면으로서 얻어져 있을 가능성을 생각할 수 있다.
방법 (A)∼(C)에서 얻어진 샘플[레이저 바(LB1) 등]의 에피택셜면으로부터의 관찰 결과로부터, 스크라이브 관통 구멍(스크라이브 홈)이 배열된 선(도 12에서의 y축)으로부터의 단부면의 각도 어긋남(GAMMA)을 측정한 결과를 도 15에 도시한다. 도 15에 도시하는 막대그래프(NU11, NU12, NU13)는, 방법 (A)에 의해 스크라이브 관통 구멍(65a)을 형성한 경우의 결과를 나타내고, 막대그래프(NU21, NU22)는, 방법 (B)에 의해 스크라이브 관통 구멍(65a)을 형성한 경우의 결과를 나타내며, 막대그래프(NU31, NU32, NU33)는, 방법 (C)에 의해 스크라이브 홈(SL1) 등을 형성한 경우의 결과를 나타낸다. 도 15에 의하면, 스크라이브 관통 구멍(65a) 등을 형성하는 방법[방법 (A) 및 방법 (B)]에 의해 얻어진 샘플[레이저 바(LB1) 등]에서는, 각도 어긋남(GAMMA)이 저감되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 15에 도시된 데이터는 이하의 것이다.
각도 어긋남(GAMMA) 방법 (A) 방법 (B) 방법 (C)
0 이상 1 미만 16 18 9
1 이상 2 미만 8 7 22
2 이상 3 미만 1 0 5
3 이상 4 미만 0 0 0
또한, 각 방법 (A)∼(C)에서의 각도 어긋남(GAMMA)의 평균값, 표준 편차는 이하와 같다.
평균값 표준 편차
방법 (A) 0.67 0.63
방법 (B) 0.63 0.57
방법 (C) 1.38 0.57
또한, III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)의 GaN 기판[지지 기체(17)]의 m축 방향에의 c축의 경사각과 발진 수율과의 관계를, 방법 (A)를 이용하여 측정하였다. 이 측정 결과를 도 16에 도시한다. 본 실시예에서는, 발진 수율에 대해서는, (발진칩 수)/(측정칩 수)로 정의하였다. 또한, 도 16에 도시하는 측정 결과는, 적층 결함 밀도가 1×104(㎝-1) 이하의 GaN 기판을 이용하여 얻어진 것이다. 도 16에 의하면, 오프각이 45도 이하에서는, 발진 수율이 매우 낮은 것을 알 수 있다. 이 오프 각도 영역에서는, 균열이 진전하여 스크라이브 관통 구멍(65a) 등[스크라이브 마크(SM1) 등에 대응]이 형성되어 있지 않은 영역에 도달하면, 벽개성이 강한 m면이 출현하고자 하기 때문에, 도 12와 같은 메카니즘에 의해, 단부면의 도파로에 대한 수직성이 악화된다. 그 결과, 발진 수율이 저하되어 있다고 생각된다. 이상으로부터, GaN 기판[지지 기체(17)]의 오프 각도의 범위는, 63도 이상 80도 이하가 최적이다. 또한 이 결정적으로 등가인 단부면을 갖게 되는 각도 범위인, 100도 이상 117도 이하의 범위에서도, 같은 결과가 얻어진다. 도 16에 도시된 데이터는 이하의 것이다.
경사각, 수율
10 0.1
43 0.1
58 43
63 71
66 90
71 96
75 88
79 79
85 52
90 36
적층 결함 밀도와 발진 수율과의 관계를, 방법 (A)를 이용하여 조사한 결과, 도 17에 도시하는 결과가 얻어졌다. 발진 수율의 정의에 대해서는, 상기와 같다. 도 17에 의하면, GaN 기판[지지 기체(17)]의 적층 결함 밀도가 1×104(㎝-1)을 넘으면 급격히 발진 수율이 저하하는 것을 알 수 있다. 또한 단부면 상태를 광학 현미경으로 관찰한 결과, 발진 수율이 저하한 샘플에서는, 단부면의 요철이 심하고 평탄한 단부면이 얻어져 있지 않는 것을 알았다. 적층 결함의 존재에 의해, 깨지기 쉬운 정도에 차이가 나는 것이 원인으로 생각된다. 이상의 것으로부터, GaN 기판[지지 기체(17)]에 포함되는 적층 결함 밀도는, 1×104(㎝-1) 이하여야 한다. 또한 본 실시예에서, 스크라이브시에 에피택셜면[기판 생산물(SP)의 제1 면(63a)]으로부터 레이저를 조사하고, 기판 이면에 이르는 스크라이브 관통 구멍(65a) 등을 형성했지만, 기판 이면[기판 생산물(SP)의 제2 면(63b)]으로부터 레이저를 조사하여 에피택셜면에 이르는 스크라이브 관통 구멍(65a) 등을 형성하는 것에 의해, 에피택셜면의 손상이나 잔해가 감소하는 것을 광학 현미경에 의해 확인하였다. 이 방법에 의해 LD[III족 질화물 반도체 레이저 소자(11)]의 수율 향상의 가능성이 있다. 도 17에 도시된 데이터는 이하의 것이다.
적층 결함 밀도(㎝-1), 수율
500 95
1000 91
4000 72
8000 64
10000 18
50000 3
도 18은, (20-21)면과 (-101-6)면 및 (-1016)면에서의 원자 배치를 도시하는 도면이다. 도 19는 (20-21)면과 (-101-7)면 및 (-1017)면에서의 원자 배치를 도시하는 도면이다. 도 20은 (20-21)면과 (-101-8)면 및 (-1018)면에서의 원자 배치를 도시하는 도면이다. 도 18∼도 20에 도시되는 바와 같이, 화살표에 의해 나타나는 국소적인 원자 배치는 전하적으로 중성인 원자의 배열을 나타내고, 전기적 중성의 원자 배치가 주기적으로 출현하고 있다. 성장면에 대하여, 비교적 수직인 면을 얻을 수 있는 이유는, 이 전하적으로 중성인 원자 배열이 주기적으로 나타남으로써, 할단면의 생성이 비교적 안정적으로 되어 있는 것이 생각될 가능성이 있다.
상기한 실시예를 포함한 여러 가지 실험에 의해, 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 및 100도 이상 135도 이하의 범위일 수 있다. 발진칩 수율을 향상시키기 위해서는, 각도(ALPHA)는, 63도 이상 80도 이하 및 100도 이상 117도 이하의 범위일 수 있다. 전형적인 반극성 주요면, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나일 수 있다. 또한 이들 반극성면으로부터의 미세 경사면일 수 있다. 예컨대 반극성 주요면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나의 면으로부터, m면 방향으로 -4도 이상 +4도 이하의 범위로 오프된 미세 경사면일 수 있다.
적합한 실시형태에서 본 발명의 원리를 도시하여 설명해 왔지만, 본 발명은, 이와 같은 원리로부터 일탈하지 않고 배치 및 상세에 변경될 수 있는 것은, 당업자에 의해 인식된다. 본 발명은, 본 실시형태에 개시된 특정한 구성에 한정되는 것이 아니다. 따라서, 특허청구의 범위 및 그 정신의 범위에서 오는 모든 수정 및 변경에 권리를 청구한다.
육방정계 III족 질화물의 c축이 m축 방향으로 경사진 지지 기체의 반극성면상에서, 저임계값 전류를 가능하게 하는 레이저 공진기를 갖는 III족 질화물 반도체 레이저 소자, 및 이 III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법이다.
11: III족 질화물 반도체 레이저 소자, 11a: 소자 표면, 11b: 소자 이면, 13: 레이저 구조체, 13a: 제1 면, 13b: 제2 면, 13c, 13d: 에지, 15: 전극, 17: 지지 기체, 17a: 반극성 주요면, 17b: 지지 기체 이면, 17c: 지지 기체 단부면, 19: 반도체 영역, 19a: 반도체 영역 표면, 19c: 반도체 영역 단부면, 21: 제1 클래드층, 23: 제2 클래드층, 25: 활성층, 25a: 우물층, 25b: 장벽층, 27, 29: 할단면, ALPHA: 각도, Sc: c면, NX: 법선축, 31: 절연막, 31a: 절연막 개구, 35: n측 광가이드층, 37: p측 광가이드층, 39: 캐리어 블록층, 41: 전극, 43a, 43b: 유전체 다층막, MA: m축 벡터, BETA: 각도, DSUB: 지지 기체 두께, 51: 기판, 51a: 반극성 주요면, SP: 기판 생산물, 57: 질화갈륨계 반도체 영역, 59: 발광층, 61: 질화갈륨계 반도체 영역, 53: 반도체 영역, 54: 절연막, 54a: 절연막 개구, 55: 레이저 구조체, 58a: 애노드 전극, 58b: 캐소드 전극, 63a: 제1 면, 63b: 제2 면, 10a: 레이저 스크라이버, 65a: 스크라이브 관통 구멍, 65b: 스크라이브 관통 구멍, LB: 레이저 빔, SP1: 기판 생산물, LB1: 레이저 바, 69: 블레이드, 69a: 에지, 69b, 69c: 블레이드면, 71: 지지 장치, 71a: 지지면, 71b: 오목부, SM1, SM2, SM3, SM4: 스크라이브 마크

Claims (17)

  1. III족 질화물 반도체 레이저 소자로서,
    육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어지고 반(半)극성 주요면을 갖는 지지 기체, 및 상기 지지 기체의 상기 반극성 주요면상에 설치된 반도체 영역을 포함하는 레이저 구조체와, 상기 레이저 구조체의 상기 반도체 영역상에 설치된 전극을 포함하고,
    상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 설치된 활성층을 포함하며,
    상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주요면의 법선축을 따라 배열되어 있고,
    상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하며,
    상기 지지 기체의 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 방향으로 상기 법선축에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있고, 상기 각도(ALPHA)는 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위이며,
    상기 레이저 구조체는, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 상기 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하는 제1 및 제2 할단면을 포함하고,
    상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기는 상기 제1 및 제2 할단면을 포함하며,
    상기 레이저 구조체는 제1 및 제2 면을 포함하고, 상기 제2 면은 상기 제1 면의 반대측의 면이고,
    상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 지지 기체 사이에 위치하며,
    상기 제1 및 제2 할단면은, 각각 상기 제1 면의 에지로부터 상기 제2 면의 에지까지 연장되고,
    상기 레이저 구조체는, 상기 제1 할단면의 일단에, 상기 제1 면의 에지로부터 상기 제2 면의 에지까지 연장되는 스크라이브 마크를 가지며,
    상기 스크라이브 마크는, 상기 제1 면의 에지로부터 상기 제2 면의 에지까지 연장되는 오목 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 할단면 각각에는, 상기 지지 기체의 단부면 및 상기 반도체 영역의 단부면이 나타나 있고,
    상기 반도체 영역의 상기 활성층에서의 단부면과 상기 육방정계 질화물 반도체로 이루어지는 지지 기체의 m축에 직교하는 기준면이 이루는 각도는, 상기 III족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 제1 평면에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각도는, 상기 제1 평면 및 상기 법선축에 직교하는 제2 평면에서 -5도 이상 +5도 이하의 범위가 되는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기체의 두께는, 50 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 법선축과 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축이 이루는 각도는, 63도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 117도 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층으로부터의 레이저광은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 편광되고 있는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자에서의 LED 모드에서의 광은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 편광 성분(I1)과, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축을 주요면에 투영한 방향으로 편광 성분(I2)을 포함하고,
    상기 편광 성분(I1)은 상기 편광 성분(I2)보다 큰 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반극성 주요면은 {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나의 면으로부터 -4도 이상 +4도 이하의 범위로 오프된 미세 경사면인 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반극성 주요면은, {20-21}면, {10-11}면, {20-2-1}면, 및 {10-1-1}면 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기체의 적층 결함 밀도는 1×104 ㎝-1 이하인 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 기체는 GaN, AlGaN, AlN, InGaN 및 InAlGaN 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 할단면 중 어느 한쪽 이상에 설치된 유전체 다층막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은 파장 360 ㎚ 이상 600 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 설치된 발광 영역을 포함한 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성층은 파장 430 ㎚ 이상 550 ㎚ 이하의 광을 발생하도록 설치된 양자 우물 구조를 포함한 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  15. III족 질화물 반도체 레이저 소자로서,
    육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어지고 반극성 주요면을 갖는 지지 기체, 및 상기 지지 기체의 상기 반극성 주요면상에 설치된 반도체 영역을 포함하는 레이저 구조체와, 상기 레이저 구조체의 상기 반도체 영역상에 설치된 전극을 포함하고,
    상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 설치된 활성층을 포함하며,
    상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주요면의 법선축을 따라 배열되어 있고,
    상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하며,
    상기 지지 기체의 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 방향으로 상기 법선축에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있고, 상기 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위이며,
    상기 레이저 구조체는 제1 및 제2 면을 포함하고, 상기 제2 면은 상기 제1 면의 반대측의 면이며,
    상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 지지 기체 사이에 위치하고,
    상기 레이저 구조체는, 상기 레이저 구조체의 단부(端部)에 설치되어 있고 상기 법선축과 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축에 의해 규정되는 평면을 따라 연장되는 제1 및 제2 스크라이브 마크를 가지며,
    상기 제1 및 제2 스크라이브 마크는, 상기 제1 면의 에지로부터 상기 제2 면의 에지까지 연장되는 오목 형상을 가지며,
    상기 레이저 구조체의 상기 단부는, 상기 제1 및 제2 스크라이브 마크의 각각의 에지와, 상기 제1 및 제2 면 각각의 에지를 잇는 할단면을 포함하고,
    상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기는, 상기 할단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자.
  16. III족 질화물 반도체 레이저 소자를 제작하는 방법으로서,
    육방정계 III족 질화물 반도체로 이루어지고 반극성 주요면을 갖는 기판을 준비하는 공정과,
    상기 반극성 주요면상에 형성된 반도체 영역과 상기 기판을 포함하는 레이저 구조체, 애노드 전극, 및 캐소드 전극을 갖는 기판 생산물을 형성하는 공정과,
    상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 상기 기판 생산물의 제1 면을 부분적으로 스크라이브하는 공정과,
    상기 기판 생산물의 제2 면에의 압박에 의해 상기 기판 생산물을 분리하여, 별도의 기판 생산물 및 레이저 바를 형성하는 공정
    을 포함하고,
    상기 제1 면은 상기 제2 면의 반대측의 면이며,
    상기 반도체 영역은 상기 제1 면과 상기 기판 사이에 위치하고,
    상기 레이저 바는, 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면에까지 연장되고 상기 분리에 의해 형성된 제1 및 제2 단부면을 가지며,
    상기 제1 및 제2 단부면은 상기 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 레이저 공진기를 구성하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은, 상기 레이저 구조체상에 형성되며,
    상기 반도체 영역은, 제1 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제1 클래드층과, 제2 도전형의 질화갈륨계 반도체로 이루어지는 제2 클래드층과, 상기 제1 클래드층과 상기 제2 클래드층 사이에 설치된 활성층을 포함하고,
    상기 제1 클래드층, 상기 제2 클래드층 및 상기 활성층은, 상기 반극성 주요면의 법선축을 따라 배열되어 있으며,
    상기 활성층은 질화갈륨계 반도체층을 포함하고,
    상기 기판의 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 방향으로 상기 법선축에 대하여 유한한 각도(ALPHA)로 경사져 있으며,
    상기 각도(ALPHA)는, 45도 이상 80도 이하 또는 100도 이상 135도 이하의 범위이고,
    상기 제1 및 제2 단부면은, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 m축 및 상기 법선축에 의해 규정되는 m-n면에 교차하며,
    상기 제1 및 제2 단부면 각각에서의 상기 활성층의 단부면은, 상기 육방정계 질화물 반도체로 이루어지는 지지 기체의 m축에 직교하는 기준면에 대하여, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 c축 및 m축에 의해 규정되는 평면에서 (ALPHA-5)도 이상 (ALPHA+5)도 이하의 범위의 각도를 이루고,
    상기 스크라이브하는 공정에서는, 상기 기판 생산물의 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면에 관통하고 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축 방향으로 길게 연장되어 있는 형상을 갖는 복수의 스크라이브 관통 구멍을, 상기 육방정계 III족 질화물 반도체의 a축을 따라 형성하는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 제작 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 스크라이브 관통 구멍은, 레이저 스크라이버를 이용하여, 상기 레이저 구조체의 상기 제1 면, 또는 상기 제2 면으로부터의 레이저 조사에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 반도체 레이저 소자의 제작 방법.
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