(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面がＲ面から傾いた方向に分割された階段状の分割面である単結晶サファイア板のA面またはＣ面を主面とした上に、レーザ素子を成す窒化ガリウム系化合物半導体の多重層を備え、該多重層におけるレーザ光の共振器を成す二つの端面が、上記単結晶サファイア板のＣ面から５９．５〜６０．５°傾きかつＲ面から２．５〜３．５°傾いた劈開からなることを特徴とする半導体レーザダイオード。
【請求項２】
端面をＲ面から傾いた方向に分割し、階段状の分割面とする単結晶サファイア板のA面またはＣ面を主面とした上に、レーザ素子を成す窒化ガリウム系化合物半導体の多重層を形成した後、上記単結晶サファイア基板に、サファイアのＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に溝を形成しておき、この溝に沿って多数個に分割する工程からなる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、可視領域における短波長側、特に青色領域から紫外光領域で発光可能な半導体レーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザダイオードは、発光素子としてさまざまな用途に用いられているが、その構造として単結晶サファイア板の表面に半導体の多重層からなるレーザ素子を形成したものがある。
【０００３】
その概略構造を図１に示すように、単結晶サファイア板１の表面にバッファ層２を介してレーザ素子を成す半導体の多重層３を形成して半導体レーザダイオードを構成している。この半導体レーザダイオードでは、レーザ光の共振器をなす背向端面３ａ、３ａを滑らかな面とし、かつ平行度を高くすることによってレーザの発振効率を向上させることができる。
【０００４】
この半導体レーザダイオードの製造方法として、特開平７−２９７４９５号公報には、単結晶サファイア基板のＡ面（１１−２０）に多重層３を形成した後、単結晶サファイア基板をＣ軸＜０００１＞に沿って劈開し、分割することによって、多重層３の背向端面３ａ、３ａを精密な鏡面として半導体レーザダイオードの発振効率を向上させることが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特開平７−２９７４９５号に示されるように単結晶サファイアをＣ軸に沿って劈開した場合、安定した劈開面が得られず、その結果多重層３の対向端面３ａ、３ａの面精度、平行度を高くすることができないため、歩留り良く、発振効率の良いレーザダイオードを得ることができなかった。
【０００６】
そこで本発明は、サファイアの劈開面の精度を向上させることにより、共振器を構成する多重層の背向端面の平行度及び面精度を良好な状態に改善し、レーザの発振効率を向上させ、半導体レーザダイオードを歩留り良く得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点に鑑みて本発明は、端面がＲ面から傾いた方向に分割された階段状の分割面である単結晶サファイア板のA面またはＣ面を主面とした上に、レーザ素子を成す窒化ガリウム系化合物半導体の多重層を備え、該多重層におけるレーザ光の共振器を成す二つの端面が、上記単結晶サファイア板のＣ面から５９．５〜６０．５°傾きかつＲ面から２．５〜３．５°傾いた劈開からなることを特徴とする。
また、端面をＲ面から傾いた方向に分割し、階段状の分割面とする単結晶サファイア板のA面またはＣ面を主面とした上に、レーザ素子を成す窒化ガリウム系化合物半導体の多重層を形成した後、上記単結晶サファイア基板に、サファイアのＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に溝を形成しておき、この溝に沿って多数個に分割する工程からなることを特徴とする。
【０００８】
また、上記Ａ面を主面とする単結晶サファイア基板及びＣ面をもつ多重層を、サファイアのＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に溝を形成しておき、この溝に沿って多数個に分割する工程からなることを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
一般に窒化ガリウム系化合物半導体の有する劈開面と単結晶サファイアのＲ面は２．５〜３．５°傾いている。そのため、本発明によれば、半導体の多重層を形成した後、単結晶サファイア基板をＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に沿って分割することによって、この方向は窒化ガリウム系化合物半導体の劈開面と一致するため、その分割面を滑らかな面とすることができる。そのため、この分割面を共振器を成す背向端面とすれば、半導体レーザダイオードのレーザ発振効率を向上することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態として、活性層をその禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する層で挟んだダブルへテロ接合構造の窒化ガリウム系化合物半導体（（Ａｌｘ  Ｇａ１−ｘ  ）ｙ  Ｉｎ１−ｙ  Ｎ：０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）から成るレーザダイオードについて説明する。
【００１１】
図１に斜視図を、図２に断面図を示すように、本発明の半導体レーザダイオードは、単結晶サファイア板１の主面１１にＡｌＮ層からなるバッファ層２を備え、該バッファ層２の上にレーザ素子を成す半導体の多重層３を備えている。
【００１２】
この多重層３は、バッファ層２の全面に備えたＳｉドープｎ型ＧａＮ層からなるｎ＋  層３１と、このｎ＋  層３１上に備えた電極４１と、該電極４１以外の部分に備えたＳｉドープＡｌ０．１  Ｇａ０．９  Ｎ層からなるｎ層３２と、シリコンドープＧａＮ層からなる活性層３３と、マグネシウムドープＡｌ０．１  Ｇａ０．９  Ｎ層からなるｐ層３４と、これを覆うＳｉＯ２  層３５と、ＳｉＯ２  層３５の窓部に備えた電極４２から構成されている。
【００１３】
そして、図１に示すように単結晶サファイア板１の背向する両方の端面１２、１２はＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に沿って分割した面となっており、上記多重層３の背向端面３ａ、３ａはそれぞれこの端面１２、１２に連続した同一平面となっている。
【００１４】
また、詳細を後述するように、本発明の半導体レーザダイオードは、単結晶サファイア基板上に多重層３を形成した後、Ｃ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に沿って分割することによって、効率的に製造することができる。
【００１５】
このとき、図３に模式図を示すように、単結晶サファイア板１はＲ面から傾いた方向に沿って分割するため、その分割面１２は微小な階段状となる。しかし、窒化ガリウム系化合物半導体の劈開面はちょうど上記分割方向と一致するため、多重層３のの背向端面３ａ、３ａは極めて滑らかで平行度の高い面とすることができる。その結果、両電極４１、４２間に電圧を印加してレーザ光を発振させる場合に、この背向端面３ａ、３ａ間で共振器を成すことから、レーザ光の発振効率を向上させることができる。
【００１６】
以下、図１、２に示す半導体レーザダイオードの製造方法を説明する。
【００１７】
まず、図５に示すように、主面１１がＡ面（１１−２０）からなる単結晶サファイア基板１０を用意する。
【００１８】
ここで、単結晶サファイアの結晶構造は、図４に示すように六方晶系であり、その中心軸をなすＣ軸とこれに垂直なＣ面（０００１）、Ｃ軸から三方へ放射状に伸びるＡ軸（ａ１  軸、ａ２  軸、ａ３  軸）とそれぞれに垂直なＡ面（１１−２０）、Ｃ軸に対して一定角度を有するＲ面（１−１０２）とこれに垂直なＲ軸が存在する。即ち、図５に示すように主面１１をＡ面とした単結晶サファイア基板１０の場合、主面１１に対し垂直な断面としてＲ面が存在する。なおこれらの面や軸の方向については、Ｘ線回折により分析することができる。
【００１９】
この単結晶サファイア基板１０を有機洗浄した後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。装置内を真空排気した後、水素を供給し、水素雰囲気中で約１２００℃まで昇温して、単結晶サファイア基板１０の表面に付着した炭化水素系ガスを除去する。
【００２０】
次に、単結晶サファイア基板１０の温度を６００℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ３  ）を供給して、基板上に約５０ｎｍの厚みにＡｌＮ層を成長させてバッファ層２とする。次に、ＴＭＡの供給のみを停止し、基板の温度を１０４０℃まで上げ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びシラン（ＳｉＨ４  ）を供給し、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層から成るｎ＋  層３１を成長させる。
【００２１】
一旦、単結晶サファイア基板１０を成長炉から取り出し、ｎ＋  層３１の表面の一部をＳｉＯ２  でマスクした後、再び成長炉に戻し、真空排気して水素及びＮＨ３  を供給して、１０４０℃まで昇温する。次に、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＳｉＨ４  を供給して、ＳｉＯ２  でマスクされていない部分に厚さ０．５μｍのＳｉドープＡｌ０．１  Ｇａ０．９  Ｎ層を形成してｎ層３２とする。
【００２２】
次に、ＴＭＧ及びＳｉＨ４  を供給し、厚さ０．２μｍのシリコンドープＧａＮ層を成膜して活性層３３とする。次に、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＣｐ２  Ｍｇ（ビスシクロベンタディエニルマグネシウム）を供給して、厚さ０．５μｍのマグネシウムドープＡｌ０．１  Ｇａ０．９  Ｎ層から成るｐ層３４を形成する。
【００２３】
次に、マスクとして使用したＳｉＯ２  を沸酸系エッチャントにより除去し、ｐ層３４上にＳｉＯ２  層３５を堆積した後、縦１ｍｍ、横８０μｍの短冊状に窓を開け、真空チャンバに移してｐ層３４に電子線照射を行う。この電子線照射によりｐ層３４はｐ伝導を示した。
【００２４】
次に、ｐ層３４の窓にあたる部分と、ｎ＋  層３１に、各々金属の電極４１、４２を形成する。
【００２５】
上記のレーザ素子を成す多重層３が１枚の単結晶サファイア基板１０上に多数形成される。そして、この単結晶サファイア基板１０と多重層３を同時に分割することによって、図１、２に示す個々の半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００２６】
この分割を行う際に、多重層３の背向端面３ａ、３ａ及び単結晶サファイア板１の端面１２、１２は、図６に示すように、Ｃ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向（２点鎖線）に沿って分割され、その他の端面はダイヤモンドカッター等で切断して分割する。
【００２７】
なお、上記方向への分割の方法は、単結晶サファイア基板１０の表面にダイヤモンドペンにより上記方向に沿ったクラック線を引き、このクラック線を広げる方向に前応力を加えれば、クラック線が成長し、分割することができる。または、レーザ光や熱線（ニクロム線等の電熱線を含む）等により、熱応力を劈開方向に誘導することにより、分割しても良い。あるいは、単結晶サファイア基板１０の裏面に深さ１０〜２００μｍの溝を形成しておき、この溝にそって分割することもできる。
【００２８】
このように、Ｃ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に沿って分割することにより、半導体レーザダイオードを成す多重層３の背向端面３ａ、３ａはちょうど窒化ガリウム化合物の劈開面と一致し、極めて滑らかで平行度の高い面とすることができる。その結果、発振効率の高い半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００２９】
実際に、厚みが２２５〜２７５μｍの単結晶サファイア基板１０の主面１１をＡ面とし、この主面１１上にＧａＮを成長させた後、この基板をサファイアのＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に沿って分割すると、容易に分割できるとともに、多重層３の対向単面３ａ、３ａを極めて滑らかで平行度の高い面とすることができた。しかし、この基板を上記方向以外で分割すると、精度良く分割することは困難であり、劈開面を平行に得ることも極めて困難であった。
【００３０】
なお、サファイア基板１０の主面１１は必ずしもＡ面とする必要はない。例えば、図７に示すように主面１１をＣ面とすることもできる。この場合は、Ｒ面が主面１１と垂直ではなく約５７．６２゜の角度を持つことになるが、やはりＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に沿って分割すると、容易に分割でき、多重層３の対向単面３ａ、３ａを滑らかな面とすることができる。
【００３１】
さらに、主面１１をＡ面、Ｃ面以外の面とすることも可能であり、いずれの場合であっても、ＧａＮの結晶方向には影響はなかった。
【００３２】
また、このサファイア基板１０は、様々な育成方法により得られるが、ＥＦＧ法により育成させることで、効率よく劈開面を設定した基板を容易に得ることができる。
【００３３】
例えば、図８に示す単結晶サファイア基板１０は、円板状で、周囲の一部に基準面１０ａを成すオリエンテーションフラットを形成し、この基準面１０ａをＲ面と垂直又は平行に形成したものである。また、図９に示す単結晶サファイア基板１は、角型であり、一方の基準面１０ａをＲ面と平行に、他方の基準面１０ｂをＲ面と垂直に形成したものである。
【００３４】
このように、基準面１０ａ、１０ｂをＲ面と垂直又は平行に形成しておくことによって、Ｒ面の方向を識別することができ、しかも分割する際に基板の面積を最大限に利用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、単結晶サファイア板の主面上に、レーザ素子を成す窒化ガリウム系化合物半導体の多重層を備えた半導体レーザダイオードにおいて、該多重層におけるレーザ光の共振器を成す二つの背向端面が、上記単結晶サファイア板のＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に沿った劈開面からなることによって、多重層の背向端面の面精度、平行度を高くすることができ、レーザの発振効率を向上することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、単結晶サファイア基板上に、レーザ素子を成す半導体の多重層を形成した後、上記単結晶サファイア基板及び多重層を、サファイアのＣ面から５９．５〜６０．５°傾き、かつＲ面から２．５〜３．５°傾いた方向に沿って多数個に分割する工程から半導体レーザダイオードを製造することによって、極めて簡単な工程で、高性能の半導体レーザダイオードを製造することができる。
【００３７】
本発明により、可視領域における短波長側、特に青色領域から紫外光領域で発光可能な高性能の半導体レーザダイオードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザダイオードを示す斜視図である。
【図２】図１中のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】本発明の半導体レーザダイオードの端面を示す模式図である。
【図４】単結晶サファイアの基本的な結晶構造を示した図である。
【図５】本発明の半導体レーザダイオードを製造する際に用いる単結晶サファイア基板を示す斜視図である。
【図６】本発明の半導体レーザダイオードを製造する際の分割方向を示す斜視図である。
【図７】本発明の半導体レーザダイオードを製造する際に用いる単結晶サファイア基板を示す斜視図である。
【図８】本発明の半導体レーザダイオードを製造する際に用いる単結晶サファイア基板を示しており、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図９】本発明の半導体レーザダイオードを製造する際に用いる単結晶サファイア基板を示しており、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１：単結晶サファイア板
１１：主面
１２：端面
２：バッファ層
３：多重層
３ａ：背向端面
１０：単結晶サファイア基板
【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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