(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活性層を含む複数の層を形成した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、
レーザの共振器端面を、劈開の後に集束イオンビームエッチング処理することで形成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】
前記劈開の前に、前記集束イオンビームエッチング以外の方法により、電極を形成する層を露出させるためのエッチングを行う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】
前記集束イオンビームエッチング処理は、前記基板が露出するか、前記電極形成のため前記エッチングにより露出された層の面よりもさらに深く基板近くまで行われることを特徴とする請求項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。
【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発光ダイオード(LED) 、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、塩素系ガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチッグにより共振器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、ＲＩＥ等のドライエッチングによって形成された共振器端面は、劈開面程の面の垂直度及び平坦度が得られていない。このため、端面に発生している微細な凹凸により光が乱反射し、レーザのしきい値電流が高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平面度を向上させしいき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】
請求項１の発明は、基板上に３族窒化物半導体から成る活性層を含む複数の層を形成した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、レーザの共振器端面を、劈開の後に集束イオンビームエッチング処理することで形成することを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、劈開の前に、集束イオンビームエッチング以外の方法により電極を形成する層を露出させるためのエッチングを行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明は、集束イオンビームエッチング処理を、基板が露出するか、電極形成のため前記エッチングにより露出された層の面よりもさらに深く基板近くまで行ったことを特徴とする。
【０００９】
【００１０】
【００１２】
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、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、レーザ出力を向上させることができる。又、基板は、サファイア、SiC 、Si等、ＥＬＯを用いたGaN を用いることができる。
【００１３】
【発明の作用及び効果】
本発明では、劈開の後に集束イオンビームエッチング処理を用いて共振器端面を形成することから、共振器端面の平坦度及び鏡面度が向上したため、しきい値電流を低下させることができた。
【００１４】
又、請求項２、３の発明では、電極形成のためのエッチング工程と、共振器端面の集束イオンビームエッチング処理が別工程で実行される。よって、エッチング深さを独立して制御することができるために、電極形成のためのエッチング工程では、必要な面が露出するまでの深さとすることができる。又、共振器端面の集束イオンビームエッチング処理では、垂直度が得られる深さまでエッチングすれば良い。この集束イオンビームエッチング処理では、その部分で下層が薄くなっても不都合はない。このように、電流路における下層の厚さは、端面形成のために薄くはならないため、その層の抵抗の増加を抑制することができる。よって、駆動電圧を低下させ、発振効率を向上させることができる。
【００１６】
【００１８】
【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３０ｎｍ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５μｍ、電子密度１×１０18／ｃｍ3 のシリコンドープGaN から成る高キャリア密度ｎ+ 層３、膜厚約０．６μｍ、電子密度１×１０18／ｃｍ3 のシリコンドープのAl0.07Ga0.93N から成るｎクラッド層４、膜厚80nm、電子密度１×１０18／ｃｍ3 のシリコンドープGaN からなるｎガイド層５、膜厚約４ｎｍのGa0.97In0.03N から成るバリア層６２と膜厚約２ｎｍのGa0.9In0.1N から成る井戸層６１とが交互に積層され、最上層を厚さ２０ｎｍ、ホール密度３×１０17／ｃｍ3 のマグネシウム(Mg)ドープAl0.15Ga0.85N とする多重量子井戸構造(MQW) の活性層６が形成されている。バリア層６２は５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８０ｎｍ、ホール密度３×１０17／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６００ｎｍ、ホール密度３×１０17／ｃｍ3 、マグネシウム(Mg)ドープAl0.07Ga0.93N から成るｐクラッド層８、膜厚２００ｎｍ、ホール密度１×１０18／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/Au 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。
【００１９】
次に、この構造のレーダダイオード１００の製造方法について説明する。
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「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。
【００２０】
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。
【００２１】
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５０秒間供給してAlN のバッファ層２を約３０ｎｍ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５μｍ、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。
【００２２】
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６００ｎｍ、電子密度１×１０18／ｃｍ3 、シリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93N からなるｎクラッド層４を形成した。
【００２３】
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８０ｎｍ、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。
【００２４】
次に、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約４ｎｍのGa0.97In0.03N 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２ｎｍのGa0.9In0.1N 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５周期形成し、N2又はH2、NH3 、TMG 、TMA 及びCp2Mg を供給してその上に厚さ２０ｎｍ、ホール密度３×１０17／ｃｍ3 のマグネシウム(Mg)ドープAl0.15Ga0.85N から成るバリア層を形成した。このようにして５周期のMQW 構造の活性層６を形成した。
【００２５】
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８０ｎｍ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。
【００２６】
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６００ｎｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.07Ga0.93N からなるｐクラッド層８を形成した。
【００２７】
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１００ｎｍ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。
【００２８】
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、ホール密度３×１０17／ｃｍ3 、３×１０17／ｃｍ3 、１×１０18／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。
【００２９】
次に、図２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２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３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。
【００３０】
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４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。
【００３１】
次に、一様にNi、次にAu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Ni/Au から成る電極１０を形成した。一方、ｎ層３に対しては、Alを蒸着して電極１１を形成した。
【００３２】
次に、共振器端面を形成するための集束イオンビームエッチングを次のように行った。まず、上記のように作製したウエハを公知の方法よりチップとした。この時、共振器端面Ｓは劈開により形成した。この状態、さらに、この共振器端面Ｓを次のようにして集束イオンビームエッチングした。
真空度１×１０-5Torr以下のチャンバー内にレーザダイオード１００の上面を上に向けて（共振器端面Ｓを垂直に向けて）設置した。イオン種にGa+ イオンを用いて加速電圧３０ｋｖ、エミッション電流２．４μＡとして、走査した。
【００３３】
エッチングは、次の３段階に分けて実行された。エッチング領域は図５に示されている。
（１）ビーム電流４．７２２ｎＡ、加工領域は、幅Ｄ＝３２μｍ、幅Ｗ１＝５μｍ、加工深さは基板まで、加工時間１０分、走査方向は中から外、滞在時間０．５μｓ、チルト角３．５度である。
（２）ビーム電流６４６ｐＡ、加工領域は、長さＤ＝３２μｍ、幅Ｗ２＝１．２６μｍ、加工深さは基板まで、加工時間１０分、走査方向は中から外、滞在時間０．５μｓ、チルト角１．５度である。
（３）ビーム電流１３０ｐＡ、加工領域は、長さＤ＝３２μｍ、幅Ｗ３＝１．２μｍ、加工深さは基板まで、加工時間６０分、走査方向は外から中、滞在時間０．５μｓ、チルト角１．５度である。
このように、図５において、領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の順で、条件を代えてエッチングを行った。
【００３４】
このようなエッチングの結果、共振器端面Ｓは、表面の起伏が６ÅであることがＳＴＭにより確認された。このようにして作製されたレーザダイオード１００のしきい値電流は従来のドライエッチグで共振器端面を形成したものに比べて２０％低減された。又、発光強度も波長３６０ｎｍにおいて１０倍となった。
【００３５】
上記実施例では、共振器端面Ｓは、先ず、劈開により形成したが、ＲＩＥ等のドライエッチングにより形成した後に行っても良い。さらには、ダイシングにより切断した状態で行っても良い。
【００３６】
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、活性層は、例えば、GaN から成るバリア層とGa0.95In0.05N から成る井戸層とで構成されたＭＱＷでも良い。さらに、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。
【００３７】
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製造工程を示した断面図。
【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】  共振器端面の集束ビームエッチングによるエッチグ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…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】
0003905629.tif 000003
【図３】
0003905629.tif 000004
【図４】
0003905629.tif 000005
【図５】
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