(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複数の層を形成し、共振器部分を残して他の部分をエッチングにより除去することで、共振器をメサ型に形成した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、
前記共振器のメサ型エッチングを共振器の端面の基板面に平行な幅が、電流が基板面に垂直に流れる共振器の本体部の幅に比べて長くなるようにエッチングす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】
前記共振器のメサ型エッチングの形状は、基板上面から見てＩ字形状をしてい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又は請求項２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乃至請求項３のいずれか１項に記載の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部分だけをメサ型に残すリッジ導波路型のレーザダイオードを形成する場合には、端面が光軸に対して曲率を有し、丸みを帯びる。この結果、理想的な共振器の鏡面端面が形成されず、レーザが発振しなかったり、発振効率が低いという問題がある。
【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の平坦性を向上させ、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及び発明の作用及び効果】
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複数の層を形成し、共振器部分を残して他の部分をエッチングにより除去することで、共振器をメサ型に形成した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、共振器のメサ型エッチングを共振器の端面の基板面に平行な幅が、電流が基板面に垂直に流れる共振器の本体部の幅に比べて長くなるようにエッチングすることを特徴とする。
【０００６】
共振器端面の基板面に平行な幅は、共振器の本体部の幅に比べて長い。このため、共振器をメサエッチングで残す場合に、端面のエッジ部分が丸くエッチングされるが、この丸みは端面の中央部には現れない。これにより、実質上光の反射する端面の平面度が向上し、理想的な鏡面を得ることができる。この結果、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。
【０００７】
共振器を基板面に垂直な方向から見てアルファベットの大文字の「Ｉ」形状とすることで、上記の効果のある構造を具体的に構成することができる。
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  （０  ≦Ｘ１≦１  ）から成るクラッド層とＧａｘ２Ｉｎ１−ｘ２Ｎ  （０  ≦Ｘ２≦１  ）／ＧａＮ  のＭＱＷ構造の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、共振器端面の鏡面精度をさらに向上させることができる。
【０００８】
【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は、本発明の具体的な実施例に係る発光素子（半導体レーザ）１００の構成を示した断面図である。発光素子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５０ｎｍのＡｌＮ  バッファ層２が形成されている。
【０００９】
そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約４．０μｍ、電子密度１×１０１８／ｃｍ３  、シリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  から成るｎ層３、膜厚５００ｎｍ、電子密度１×１０１８／ｃｍ３  、シリコン（Ｓｉ）ドープ  Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎから成るｎクラッド層４、膜厚１００ｎｍ、電子密度１×１０１８／ｃｍ３  のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  からなるｎガイド層５、膜厚約３５ÅのＧａＮ  から成るバリア層６２と膜厚約３５ÅのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ  から成る井戸層６１とが交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）  の活性層６が形成されている。バリア層６２は６層、井戸層６１は５層である。そして、その活性層６の上に、膜厚１００ｎｍ、ホール密度５×１０１７／ｃｍ３  のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮ  から成るｐガイド層７、膜厚５００ｎｍ、ホール密度５×１０１７／ｃｍ３  、マグネシウム（Ｍｇ）ドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ  から成るｐクラッド層８、膜厚２００ｎｍ、ホール密度５×１０１７／ｃｍ３  、マグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮ  から成るｐコンタクト層９が形成されている。そして、ｐコンタクト層９上にＮｉ電極１０が形成されている。又、ｎ層３上にはＡｌから成る電極１１が形成されている。
【００１０】
この発光素子１００の平面は、図２のように構成されており、層４から層９までが、「Ｉ」字形状に形成されている。図２の領域Ａが層３の露出面である。その層３の露出面Ａに電極１１が形成されている。図２の線Ｌ１、Ｌ２が、後述する共振器の鏡面を形成するためのエッチングラインである。「Ｉ」字形状の素子において、中央部の電流狭窄部分が本体部でその幅がＷで表示されている。
【００１１】
次に、この構造の発光素子（半導体レーザ）の製造方法について説明する。
上記発光素子１００は、有機金属化合物気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ  」と示す）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。
【００１２】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をＭＯＶＰＥ  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２ｌｉｔｅｒ／分で約３０分反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００１３】
次に、温度を４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ  を１．８×１０−５モル／分で約９０秒間供給してＡｌＮ  のバッファ層２を約５０ｎｍの厚さに形成した。
次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．７×１０−４モル／分、Ｈ２ガスにて０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン（ＳｉＨ４）を２０×１０−８モル／分で導入し、膜厚約４．０μｍ、電子密度１×１０１８／ｃｍ３  、シリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  からなるｎ層３を形成した。
【００１４】
上記のｎ層３を形成した後、続いて温度を１１００℃に保持し、Ｈ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ  を５．０×１０−６モル／分、ＴＭＧ  を５．０×１０−５モル／分、Ｈ２ガスにて０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン（ＳｉＨ４）を８×１０−９モル／分で導入し、膜厚５００ｎｍ、電子密度１×１０１８／ｃｍ３  、シリコン（Ｓｉ）ドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ  からなるｎクラッド層４を形成した。
【００１５】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｈ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を５×１０−５モル／分、Ｈ２ガスにて０．８６ｐｐｍに希釈された（ＳｉＨ４）を８×１０−９モル／分で導入し、膜厚１００ｎｍ、電子密度１×１０１８／ｃｍ３  のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  からなるｎガイド層５を形成した。
【００１６】
次に、Ｎ２又はＨ２、ＮＨ３  及びＴＭＧ  を供給して、膜厚約３５ÅのＧａＮ  から成るバリア層６２を形成した。次に、Ｎ２又はＨ２、ＮＨ３  、ＴＭＧ  及びＴＭＩ  を供給して、膜厚約３５ÅのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ  から成る井戸層６１を形成した。さらに、バリア層６２と井戸層６１を同一条件で４周期形成し、その上にＧａＮ  から成るバリア層６２を形成した。このようにして５周期のＭＱＷ  構造の活性層６を形成した。
【００１７】
続いて、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を０．５×１０−４モル／分、Ｃｐ２Ｍｇ  を２×１０−７モル／分で導入して、マグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされた、膜厚約１０ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮ  からなるｐガイド層７を形成した。
【００１８】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ  を５×１０−６モル／分、ＴＭＧ  を５×１０−５モル／分、及び、Ｃｐ２Ｍｇ  を２×１０−７モル／分で導入して、マグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされた、膜厚約１００ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ  からなるｐクラッド層８を形成した。
【００１９】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を５×１０−５モル／分、Ｃｐ２Ｍｇ  を２×１０−７モル／分で導入して、マグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされた、膜厚約２００ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ  からなるｐコンタクト層９を形成した。
【００２０】
次に、電子線照射装置を用いて、ｐコンタクト層９、ｐクラッド層８及びｐガイド層７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、ｐコンタクト層９、ｐクラッド層８及びｐガイド層７はそれぞれ、ホール濃度５×１０１７／ｃｍ３  、５×１０１７／ｃｍ３  、５×１０１７／ｃｍ３  となった。このようにして多層構造のウエハを形成することができた。
【００２１】
次に、図３に示すように、ｐコンタクト層９の上に、スパッタリングによりＳｉＯ２層１２を２００ｎｍの厚さに形成し、そのＳｉＯ２層１２上にフォトレジスト１３を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図３に示すように、ｎ層３に対する電極形成部位Ａ’のフォトレジスト１３を除去した。次に、図４に示すように、フォトレジスト１３によって覆われていないＳｉＯ２層１２をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００２２】
次に、フォトレジスト１３及びＳｉＯ２層１２によって覆われていない部位のｐコンタクト層９、ｐクラッド層８、ｐガイド層７、活性層６、ｎガイド層５、ｎクラッド層４及びｎ層３の一部を真空度０．０４Ｔｏｒｒ、高周波電力０．４４Ｗ／ｃｍ２  、ＢＣｌ３ガスを１０ｍｌ／分の割合で供給しドライエッチングし、その後Ａｒでドライエッチングした。この工程で、図５に示すように、ｎ層３に対する電極取り出しのための領域Ａが形成された。その後、ＳｉＯ２層１２を除去した。
【００２３】
次に、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ー工程、エッチング工程を経て、ｐコンタクト層９の上に電極１０を形成した。一方、ｎ層３に対しては、アルミニウムを蒸着して電極１１を形成した。
【００２４】
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、ｙ軸方向に幅、ｘ軸方向に長さを有するストライプ状の領域Ｂ（図２）が除去され、共振器の長さｙ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。
【００２５】
次に、真空度１ｍＴｏｒｒ、高周波電力３００ＷでＣｌ２  ガスを５  ｍｌ／  分の割合で供給し、レジストマスク１２で覆われていないストライプ状の領域Ｂ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。
【００２６】
その後、上記の如く処理されたウエハ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クライブ溝を形成し、共振器の端面に平行なｘ軸方向にダイシンクして、短冊片を得た。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
図２、図７に示すように、発光素子１００の機能層である層４〜層９を「Ｉ」字形状にエッチングしたため、共振端面Ｓのｘ軸方向の幅Ｄは電流路が狭窄される本体部の幅Ｗよりも広く形成される。この結果、電流狭窄の機能を達成しつつ、共振端面Ｓの平坦度を向上させることができる。
【００３０】
図８はエッチングされた共振端面ＳのＳＥＭ写真である。（ａ）は幅Ｄが５μｍ、（ｂ）は幅Ｄが１０μｍ、（ｃ）は幅Ｄが３０μｍの場合である。幅Ｄが長くなるほど、中央の共振端面Ｓの部分で丸みがなく、平坦にエッチングされていることが分かる。即ち、幅Ｄが小さい場合には、端面Ｓを模式的に示した図９の（ａ）に示すように、エッジｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４が丸みを帯びているが、幅Ｄが大きい場合には、エッジｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４は直線となり、中央部の端面Ｓは平坦になっている。
【００３１】
この幅Ｄは、３０μｍ以上あるのが望ましい。幅Ｄが３０μｍの時、端面Ｓの平滑度（表面の凹凸の程度）は１０ｎｍ以下であることが測定されている。また、図２に示すｙ方向の幅Ｈは、端面Ｓの平坦度には特に関係しないが、５〜５０μｍあるのが望ましい。
【００３２】
上記実施例において、層２〜層９までの結晶材料は窒化ガリウム系化合物半導体であれば良く、結晶材料や組成比には特に限定されない。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。また、活性層６をＭＱＷ構造としているが、ＳＱＷ構造であっても良い。また、活性層６とクラッド層４、８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６のバンドギャップがクラッド層４、８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い。
【００３３】
また、ｐガイド層、ｐクラッド層及びｐコンタクト層を電子線照射により低抵抗化したが、熱アニーリング、Ｎ２プラズマガス中での熱処理、レーザ照射によって行ってもよい。
上記の実施例において、電極１１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１０、１１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】本発明の具体的な第１実施例に係る半導体レーザの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の半導体レーザの平面図。
【図３】同実施例の半導体レーザの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の半導体レーザの製造工程を示した断面図。
【図５】同実施例の半導体レーザの製造工程を示した断面図。
【図６】同実施例の半導体レーザの製造工程を示した断面図。
【図７】同実施例の半導体レーザの構成を示した斜視図。
【図８】エッチングされた共振端面のＳＥＭによる顕微鏡写真。
【図９】ＳＥＭ写真を説明するための模式図。
【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…ｎ層
４…ｎクラッド層
６…活性層
７…ｐクラッド層
８…ｐガイド層
１０、１１…電極
６１…井戸層
６２…バリア層
１２…フォトレジスト
Ｓ…共振器端面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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