(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に３族窒化物半導体から成るｐ層とｎ層とを形成した３族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、
前記基板上に３族窒化物半導体から成る各層を形成し、
共振器の端面を形成するために前記各層を、反応性イオンビームエッチング(RIBE)、反応性イオンエッチング(RIE)又はイオンビームアシストエッチング(IBAE)によりドライエッチングし、
ドライエッチングされた端面をガスクラスタイオンビームエッチングによりさらにエッチングするものであり、
前記ガスクラスタイオンビームエッチングは、素子を形成したウエハを端面に並行に短冊状に切断して、その短冊状の片を立てて、前記端面を上に向けて水平にした状態で、実行されること
を特徴とする３族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記３族窒化物半導体は、AlXGaYIn1-X-YN(0≦X≦1, 0≦Y≦1, 0≦X+Y≦1)であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記ドライエッチングは反応性イオンビームエッチング(RIBE)であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記反応性イオンビームエッチングは、Cl2ガスを用いたエッチングであることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記半導体レーザダイオードはAlx1Ga1-x1Nから成るクラッド層とInx2Ga1-x2Nから成る活性層とを有することを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
【請求項６】
前記ガスクラスタイオンビームエッチングは、アルゴン(Ar),ヘリウム(He), ネオン(Ne), クリプトン(Kr), キセノン(Xe), ラドン(Rn), 窒素(N2)等の不活性ガスを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３族窒化物半導体を用いたレーザダイオードの製造方法に関する。特に、レーザダイオードの共振器の端面の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体（AlGaInN）から成る各層を形成して青色発光ダイオード(LED)，青色レーザダイオード(LD)とした素子が知られている。レーザダイオード(LD)の光を効率よく反射させて発振させるためには、共振器端面の垂直度及び平行度を高く保つ必要がある。この共振器端面を精度よく形成するためには、へき開によるのが良いが、上記素子では基板と素子層とが異種物質で形成されているためにへき開は困難である。このため、ドライエッチッグにより端面を形成することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようにドライエッチングで共振器の端面を形成した場合には、端面がイオンによるダメージを受けて200Åの凹凸が形成される。この結果、端面での光の反射率が低下して、発振しきい値電流が高くなるという問題がある。又、端面に反射膜を形成する場合には、端面に凹凸が存在するために、反射膜が設計通りに形成されず、端面で光が散乱し、活性層での光の閉じ込め効果が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、レーザダイオードにおける共振器端面の表面鏡面度を向上させ、端面での光反射率を向上させることで、光の閉じ込め効果を高め、発振しきい値電流を低下させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
その目的を達成するための発明の特徴は、基板上に３族窒化物半導体から成るｐ層とｎ層とを形成した３族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、基板上に３族窒化物半導体から成る各層を形成し、共振器の端面を形成するために各層を、反応性イオンビームエッチング(RIBE)、反応性イオンエッチング(RIE)又はイオンビームアシストエッチング(IBAE)によりドライエッチングし、ドライエッチングされた端面をガスクラスタイオンビームエッチングによりさらにエッチングするようにしたことを特徴とする。この結果、ドライエッチングで共振器端面に形成された凹凸がガスクラスタイオンビームエッチングにより除去される結果、端面の鏡面度が向上し、光の閉じ込め効果が向上し、レーザの発振しきい値電流が低下する。さらに、素子を形成したウエハを端面に並行に短冊状に切断して、その短冊状の片を立てて、端面を上に向けて水平にした状態で、クラスタビームエッチングを行うことで、端面の鏡面度をより向上させることができる。
【０００６】
３族窒化物半導体は、望ましくは、AlXGaYIn1-X-YN(0≦X≦1, 0≦Y≦1, 0≦X+Y≦1)で表される物質であり、これにより、青色の短波長のレーザダイオードを得ることができる。特に、半導体レーザダイオードをAlx1Ga1-x1Nから成るクラッド層とInx2Ga1-x2Nから成る活性層とすることで、青色のレーザ出力を向上させることができる。又、ドライエッチングを反応性イオンビームエッチング(RIBE)とすることで、効率良く端面を形成することができる。さらに、望ましくは、反応性イオンビームエッチングを、Cl2ガスを用いたエッチングとすることで、エッチングレートの高いエッチングが可能となる。これにより、共振器端面のドライエッチングにより生じた破壊層を効率良く除去でき、端面の鏡面度を向上させることができる。又、ガスクラスタイオンビームエッチングは、アルゴン(Ar), ヘリウム(He), ネオン(Ne), クリプトン(Kr), キセノン(Xe), ラドン(Rn), 窒素(N2)等の不活性ガスを用いて行うことで、端面の鏡面度が向上する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図１において、レーザダイオード１００は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に500ÅのAlNのバッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約2.2μｍ、電子濃度2×1018/cm3、Si濃度4×1018/cm3のシリコンドープGaNから成る高キャリア濃度ｎ+層３、膜厚約1.0μｍ、電子濃度2×1018/cm3、Si濃度4×1018/cm3のシリコンドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎ伝導型のクラッド層４、膜厚約0.05μｍのIn0.08Ga0.92Nから成る活性層５、膜厚約1.0μｍ、ホール濃度5×1017/cm3、濃度1×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.08Ga0.92Nから成るｐ伝導型のクラッド層６１、膜厚約0.2μｍ、ホール濃度7×1017/cm3、マグネシウム濃度2×1020/cm3のマグネシウムドープのGaNから成るコンタクト層６２が形成されている。そして、コンタクト層６２上にはSiO2層９が形成され、SiO2層９の窓部を介してコンタクト層６２に接合するNiから成る電極７が形成されている。さらに、高キャリア濃度ｎ+層３の上にその層３に接合するNiから成る電極８が形成されている。
【０００８】
次に、この構造のレーザダイオード１００の製造方法について説明する。ウエハのサファイア基板１上に図２に示すように、順次、各層が形成される。上記レーザダイオード１００は、有機金属化合物気相成長法(以下「M0VPE」と記す)による気相成長により製造された。
用いられたガスは、NH3とキャリアガスH2又はN2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG」と記す)とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA」と記す)とトリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI」と記す)と、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg」と記す）である。
【０００９】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする厚さ100〜400μｍの単結晶のサファイア基板１をM0VPE装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
【００１０】
次に、温度を400℃まで低下させて、H2を20 liter／分、NH3を10 liter／分、TMAを1.8×10-5モル／分で供給してAlNのバッファ層２が約500Åの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20 liter／分、NH3を10 liter／分、TMGを1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを200ml/分で３０分供給して、膜厚約2.2μｍ、電子濃度2×1018/cm3、Si濃度4×1018/cm3のシリコンドープのGaNから成る高キャリア濃度ｎ+層３を形成した。
【００１１】
次に、サファイア基板１の温度を1100℃に保持し、N2又はH2を10 liter／分、NH3を10liter／分、TMGを1.12×10-4モル／分、TMAを0.47×10-4モル／分、及び、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを10×10-9mol/分で、60分供給して、膜厚約1μｍ、電子濃度2×1018/cm3、Si濃度4×1018/cm3のシリコンドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎ伝導型のクラッド層４を形成した。
【００１２】
続いて、温度を850℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3を10 liter／分、TMGを1.53×10-4モル／分、及び、TMIを0.02×10-4モル／分で、6分間供給して0.05μｍのIn0.08Ga0.92Nから成る活性層５を形成した。
【００１３】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3を10 liter／分、TMGを1.12×10-4モル／分、TMAを0.47×10-4モル／分、及び、CP2Mgを2×10-4モル／分で60分間導入し、膜厚約1.0μｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐ伝導型のクラッド層６１を形成した。クラッド層６１のマグネシウムの濃度は1×1020/cm3である。この状態では、クラッド層６１は、まだ、抵抗率108Ωcm以上の絶縁体である。
【００１４】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20 liter／分、NH3を10 liter／分、TMGを1.12×10-4モル／分、及び、CP2Mgを4×10-4モル／分の割合で4分間導入し、膜厚約0.2μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るコンタクト層６２を形成した。コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は2×1020/cm3である。この状態では、コンタクト層６２は、まだ、抵抗率108Ωcm以上の絶縁体である。
【００１５】
次に、電子線照射装置を用いて、コンタクト層６２、クラッド層６１に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、試料電流1μＡ、ビームの移動速度0.2mm/sec、ビーム径60μｍφ、真空度5.0×10-5Torrである。この電子線の照射により、コンタクト層６２、クラッド層６１は、それぞれ、ホール濃度7×1017/cm3，5×1017/cm3、抵抗率2Ωcm，0.8Ωcmのｐ伝導型半導体となった。このようにして、多層構造のウエハが得られた。
【００１６】
次に、図２に示すように、コンタクト層６２の上に、スパッタリングによりSiO2層９を2000Åの厚さに形成し、そのSiO2層９上にフォトレジスト１１を塗布した。そして、図３に示すように、フォトリソグラフにより、コンタクト層６２上において、高キャリア濃度ｎ+層３に対する電極形成部位Ａのフォトレジスト１１を除去した。次に、フォトレジスト１１によって覆われていないSiO2層９をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００１７】
次に、フォトレジスト１１及びSiO2層９によって覆われていない部位Ａのコンタクト層６２、クラッド層６１、活性層５、クラッド層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2でBCl3ガスを10ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図４に示すように、高キャリア濃度ｎ+層３に対する電極取出しのための孔Ａが形成された。
【００１８】
次に、残されたSiO2層９に対して、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、湿式エッチングを行い、図５に示すように、SiO2層９のコンタクト層６２の電極形成部位に窓９Ａを形成した。
【００１９】
次に、ウエハの上全面に、一様にNiを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、図６に示すように、高キャリア濃度ｎ+層３及びコンタクト層６２に対する電極８，７を形成した。
【００２０】
次に、共振器端面を形成するためのドライエッチングを次のように行った。ウエハの全上面に一様にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより、SiO2層９を共振器の長さ（ｙ軸方向）の幅だけ残し、さらに、SiO2層９の中央部において、ｙ軸方向に長さ、ｘ軸方向に幅を有するストライプ状の窓の部分が除去された。そして、共振器の長さの幅でｘ軸に沿って覆われたレジストマスク１２が、図６に示すように形成された。
【００２１】
次に、真空度1mTorr、高周波電力300WでCl2ガスを5ml/分の割合で供給し、レジストマスク１２で覆われていない窓の部分をサファイア基板１が露出するまで、反応性イオンビームエッチング(RIBE)によりドライエッチングした。
【００２２】
その後、上記の如く処理された図８（ａ）に示すウエハ１０をレーザの共振器の長さ方向（ｙ軸）（共振器の端面Ｓに垂直な方向）に沿ってスクライビングしてスクライブ溝１５を形成し、共振器の端面に平行なｘ軸方向にダイシングして、図８（ｂ）に示すように、各短冊片１４を得た。
【００２３】
この後、図８（ｃ）に示すように、各短冊片１４を共振器の端面Ｓが上側になるように配置し、Arガスを用いたガスクラスタイオンビームを端面Ｓに当ててその端面Ｓをエッチングした。その後、各短冊片１４の上下の向きを反転して、下側の端面を上に向けて、同様に、Arガスを用いたガスクラスタイオンビームを端面に当ててその端面をエッチングした。このエッチングの条件は、クラスタサイズ3000、加速エネルギー20keV、イオンドーズ量1×1016IONS/cm2である。このガスクラスタイオンビームによるエッチングにより、RIBEでエッチングした端面Ｓの200Åの凹凸を20Å以下に低下させることができた。
【００２４】
次に、共振器端面Ｓを保護するために、共振器端面ＳにSiO2をスパッタリングにより蒸着した。そして、各短冊片１４をローラで押圧して、既に、ｙ軸方向に沿って形成されているスクライブ溝を利用して、各素子チップに分離した。このようにして、図７に示すように、基板１に対する垂直度及び端面間の平行度が高く、しかも、表面の平坦性が高く鏡面性の高い共振器端面Ｓが得られた。これにより、共振器端面Ｓでの光の反射率が高くなり、光の閉じ込め効果が高く、しきい値電流を低下させることができた。このようにして得たレーザダイオード１００は、駆動電流は1000ｍＡにて発光出力10ｍＷ，発振ピーク波長380ｎｍであった。
【００２５】
共振器端面Ｓには、SiO2の保護膜が形成されているが、SiO2等の酸化珪素、Si3N4等の窒化珪素、その他のTiO2等の誘電体による多重層を端面Ｓに形成しても良い。この多重層の各層の厚さを最適に設計することで、端面Ｓでの反射率をさらに向上させることができる。
上記のガスクラスタイオンビームエッチングは、Arガスを用いたが、ヘリウム(He), ネオン(Ne), クリプトン(Kr), キセノン(Xe), ラドン(Rn), 窒素(N2)等の不活性ガス、CO2 を用いて行っても良い。
又、RIBEの反応性ガスにはCl2の他、BCl3, SiCl4, CCl4を用いることもできる。さらに、ドライエッチングにはRIBEの他、反応性イオンエッチング(RIE)、イオンビームアシストエッチング(IBAE)でも良い。
【００２６】
上記実施例では、活性層５はIn0.08Ga0.92N、クラッド層４、６１はAl0.08Ga0.92Nで構成したが、一般式、AlXGaYIn1-X-YN(0≦X≦1, 0≦Y≦1, 0≦X+Y≦1)で表される２元、３元、４元の任意の３族窒化物半導体を用いることができる。この時、活性層とクラッド層の組成比は、ダブルヘテロ接合を形成する場合には、活性層のバンドギャップがクラッド層のバンドギャップよりも狭くなり、格子定数が整合するように選択すれば良い。又、４元の任意の３族窒化物半導体を用いる場合には、バンドギャップと格子定数を独立変化させることができるので、各層での格子定数を一致させたダブルヘテロ接合が可能となる。ダブルヘテロ接合に構成するのが望ましいが、本発明はダブルヘテロ接合に限定されるものではなく、シングルヘテロ接合、ホモ接合等であっても良く、活性層に多重量子井戸構造、単一量子井戸構造を採用しても良い。
【００２７】
上記の実施例において、電極８の形成時のエッチング工程のマスクには、SiO2の他、金属、レジスト等、ドライエッチングに対する耐エッチング性があり、下層のGaN系の半導体に対して選択的にエッチング又は剥離できるものなら採用できる。さらに、共振器端面を形成するためのエンチング工程のマクスにはフォトレジストを用いたが、その他、SiO2等のドライエッチングに対する耐エッチング性があり、下層の電極７、８に対して、選択的にエッチング又は剥離できるものなら採用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】  同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】  同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】  同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】  同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した断面図。
【図６】  同実施例のレーザダイオードの製造工程を示した斜視断面図。
【図７】  同実施例のレーザダイオードの構造を示した斜視断面図。
【図８】  ウエハの切断及びクラスタビームエッチングの方法を示した説明図。
【符号の説明】
100…レーザダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+層
４…クラッド層（ｎ層）
５…活性層
６１…クラッド層（ｐ層）
６２…コンタク層
７，８…金属電極
９…SiO2層
１２…フォトレジスト
Ｓ…共振器端面
１４…短冊片
１５…スクライブ溝
【図１】
0003670768.tif 000002
【図２】
0003670768.tif 000003
【図３】
0003670768.tif 000004
【図４】
0003670768.tif 000005
【図５】
0003670768.tif 000006
【図６】
0003670768.tif 000007
【図７】
0003670768.tif 000008
【図８】
0003670768.tif 000009