(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に窒化物半導体層が成長されて、その窒化物半導体層の共振面がエッチングにより形成されており、その共振面から突出した部分は、部分的に基板の一部がエッチングにより除去されてなり、
前記共振面に誘電体多層膜を有するとともに、前記基板の端面は基板が露出していることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記誘電体多層膜は、ＳｉＯ２を含む請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記誘電体多層膜は、ＴｉＯ２を含む請求項１〜２記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレーザ素子とその製造方法に係り、特に共振面がエッチングにより形成されたレーザ素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に化合物半導体よりなるレーザ素子には、活性層の光を半導体層内部で共振させるための共振面が必要である。現在実用化されている赤外、赤色等の長波長発光半導体レーザは、例えばＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰ、ＧａＡｌＩｎＰ等の材料よりなり、これらの材料はＧａＡｓ基板の上に成長される。ＧａＡｓは材料自体に劈開性があるので、前記長波長半導体レーザの共振面はこのＧａＡｓ基板の劈開性を利用した劈開面とされることが多い。
【０００３】
一方、窒化物半導体は例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）のような劈開性を有しない基板の上に成長されることが多いため、基板を劈開して、窒化物半導体の劈開面を共振面とすることは難しい。一方、エッチングにより窒化物半導体の共振面を形成する方法もあるが、エッチングにより共振面を形成した後、基板を分割すると、共振面から突出した基板の一部が出射光を反射、及び透過させるため、出射レーザ光のビーム出射方向が、基板水平面に対して斜めになってしまうという問題がある。レーザビームが斜めになると、レンズとの結合が難しくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的とするところは、劈開の難しい基板の上に成長された窒化物半導体に共振面が形成されて、基板に対してビーム中心の出射方向が水平なレーザビームが得られるレーザ素子と、そのレーザ素子の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、基板の上に窒化物半導体層が成長されて、その窒化物半導体層の共振面がエッチングにより形成されており、その共振面から突出した部分は、部分的に基板の一部がエッチングにより除去されてなり、共振面に誘電体多層膜を有するとともに、基板の端面は基板が露出していることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【０００６】
また、誘電体多層膜は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２を含むものが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のレーザ素子の一構造を示す模式的な断面図であり、レーザの共振方向に平行な方向で素子を切断した際の図を示している。図１において、１は基板、２はｎ型層、３は活性層、４はｐ型層を示しており、図に示すようにレーザ光はエッチングにより形成された互いに対向する窒化物半導体層の共振面で共振して、Ａ方向と、Ａ方向と反対側の方向のＢ方向とに、それぞれθの角度で活性層３から出射される。
【０００８】
本発明のレーザ素子はＡ方向にある共振面よりも突出した基板を含む部分が除去されている。つまり、θの角度で出射されたレーザ光が、共振面よりも突出した基板１の端部に遮られないようにされている。一方、Ｂ方向にある共振面より出射されたレーザ光は、基板１の端部でその一部が遮られているが、本発明のレーザ素子ではいずれか一方の共振面から出射されるレーザ光が、共振面より突出した部分で遮られないようにされていればよい。なぜなら、実際のレーザ素子では一方から出るレーザ光は、書き込み、読みとり光源として使用されるが、もう一方のレーザ光が出る方向にはレーザ光を制御するための検出器（フォトディテクター）が設置される。従って検出器ではレーザ光の強弱等の信号を読みとるだけでよいので、特にビームの中心が基板に対して水平である必要はない。但し、共振面から出射される２方向のレーザ光が、両方とも共振面よりも突出した基板を含む部分に遮られないようにされていることが望ましい。従って、本願の請求項では、図１のようにいずれか一方のレーザ光が遮られないようにされているものも含む。
【０００９】
図２も本発明のレーザ素子に係る他の構造を示す模式的な断面図であり、図１と同一符号は同一部材を示している。このレーザ素子が図１のレーザ素子と異なるところは、まず第１に共振面のエッチングにおいて、図１のように基板１までエッチングせずに、ｎ型層２の途中で止めていること（具体的にはｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層を露出させるためのエッチングと、共振面を作製するためのエッチングとを同時に行っている。）と、第２にＡ方向だけでなく、Ｂ方向にある共振面よりも突出した部分を除去して、レーザ光が基板１の端部に遮られないようにされていることである。
【００１０】
図２に示すように、エッチングして共振面を作製する際に、ｎ型層２の途中でエッチングを止めると、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層へのエッチングと、共振面を形成するエッチングとが同時に行えるという利点がある。しかし、基板を分割する際に、ｎ型層が共振面側に残っていると、分割時の衝撃によりｎ型層から共振面側にクラックが入る恐れがあるので、共振面側のエッチングは図１に示すように基板に達するまで行うことが望ましい。
【００１１】
図３も本発明のレーザ素子に係る他の構造を示す斜視図であり、共振面付近のレーザ素子を部分的に拡大して示す図である。この図が図１及び図２のレーザ素子と異なるところは、共振面から突出した部分のほとんどを除去しなくても、エッチングにより、部分的に基板１の一部を除去して、共振面から出るレーザ光が基板の一部で遮られないようにしているところである。また、この図も共振面側のエッチングを基板に達するまで行っている。
【００１２】
これらの図に示すように、本発明のレーザ素子では、エッチングにより形成した共振面を有するレーザ素子で、共振面から出るレーザ光が共振面側より突出した部分で遮られないようにされているので、ビーム中心が基板に対して水平なレーザ素子が実現できる。なお、レーザ光が遮られているかどうかは、レーザ光のファーフィールドパターンを観測することにより判断できる。具体的には、ファーフィールドパターンが基板水平方向に対して、ほぼ上下対称であれば、レーザ光は基板によって遮られていないと判断できる。なお、突出部の長さは共振面より２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下、最も好ましくは５μｍ以下にする。これは次に述べる本発明の製造方法の第１の態様及び第２の態様でも同じである。
【００１３】
次に、本発明のレーザ素子の製造方法を図面を元に説明する。図４は本発明の第１の態様を説明する模式的な断面図であり、第１の工程によるウェーハの構造を示している。この図は、エッチングにより共振面を作製したウェーハを、レーザ光の共振方向に平行な方向で切断した際の構造を示している。図１乃至図３と同一符号は同一部材を示している。
【００１４】
本発明の第１の工程では、基板の上に窒化物半導体層を成長させた後、その窒化物半導体層をエッチングして、エッチング端面に共振面を作製する。エッチング端面は基板に対してほぼ垂直となるようにする。活性層を挟んで互いに垂直にエッチングされた端面同士が共振面となる。エッチング手段としては例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、イオンミリング等のドライエッチング手段を好ましく用いることができ、これらドライエッチング手段は適宜エッチングガスを選択することにより、エッチングレートを制御して、エッチング端面が平滑で、互いにほぼ平行な共振面を作製できる。このように第１の工程で共振面を形成すると、共振面と連続したｎ型層２の表面が露出され、一方のレーザ素子の共振面と、もう一方のレーザ素子の共振面とが互いに対向した構造となる。つまり、エッチングにより、互いに対向する共振面と共振面とが連続してできる。
【００１５】
次に、第２の工程では、エッチングにより連続してできた互いに対向する共振面と共振面との間で基板を分割する。例えば図４の一点鎖線に示す位置で基板を分割する。基板を分割するには、例えばスクライブ、ダイシング等の従来用いられている基板切断手段を用いる。例えばサファイア基板の場合、スクライブで基板を分割するにはスクライブ前に基板の厚さを１５０μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下に研磨して薄くすることにより、正確にスクライブラインから基板を割ることができる。
【００１６】
次に、第３の工程で共振面より突出した基板を含む部分の一部若しくは全部を除去する。共振面より突出した基板を含む部分とは、図４では突出したｎ型層２と基板１とを示している。この第３の工程では、出射角θを有するレーザ光が共振面から出射された際に、下向きの光がエッチング平面（基板平面、若しくはｎ型層平面）で反射、透過して遮られないようにしている。具体的には、共振面よりも突出した部分を除去して、レーザビームがエッチング平面に掛からないようにする。このための具体的な手段としては、ラッピング、切断またはエッチングより選択されたいずれか一つの手段が望ましい。ラッピングは共振面より突出部を、例えばダイヤモンド、ＳｉＣ、アルミナ等の微粉末を用いて、突出部全体の長さを短くする。ラッピングは分割面を平滑にできるため都合がよい。またダイシングで突出部を切断することも可能である。ラッピング、切断等の手段により、例えば図１及び図２に示すようなレーザ素子が作製できる。さらに、エッチングを用いて、例えば図３に示すように、レーザ光が出射されて基板側に触れる不要な部分のみを除去してもよい。
【００１７】
また、図５は本発明の製造方法の第２の態様を説明する模式的な断面図である。この図もエッチングにより共振面を作製したウェーハを、レーザ光の共振方向に平行な方向で切断した際の構造を示している。なお、図１乃至図４と同一符号は同一部材を示している。
【００１８】
本発明の第２の態様では、第１の態様と同じく、第１の工程で、基板１の上に窒化物半導体層が積層されたウェーハから、窒化物半導体層をエッチングして、エッチング端面に共振面を作製している。さらに、第２の態様の特徴は、次の第２の工程にある。エッチングにより連続してできた互いに対向する共振面と共振面との間、具体的には、図５の一点鎖線に示すような位置で基板１を分割して、分割と同時にできる共振面より突出した基板を含む部分が、共振面より出射されるレーザ光を遮らないようにしている。この第２の工程を行うと、第１の態様のように、分割後に共振面側に突出した部分をラッピング、切断、エッチング等を行う必要がなく、第３の工程が不要となる。それは図５に示すように、連続した共振面の内のいずれか一方に非常に接近した位置で基板を分割するからである。このようにいずれか一方の共振面に非常に接近した位置で基板を分割すると、活性層を有する片方の共振面側は、共振面から突出した部分を有してレーザ光を遮るようになるが、先にも述べたように検出器が設置される側のレーザ光は遮られても実用上は問題がない。
【００１９】
さらに、本発明の製造方法の第１の態様、及び第２の態様において、第１の工程、若しくは第１の工程と第２の工程との間で、共振面側の窒化物半導体を基板が露出するまでエッチングすることが望ましい。なぜなら、対向した共振面と共振面との間にｎ型層が存在すると、分割時の衝撃により、仮に分割面の端部にあるｎ型層にクラックが入った場合に、そのクラックがレーザ素子本体、例えば活性層の下にあるｎ型層にまで伝搬する恐れがある。しかし、基板までエッチングしていると、割れる部分は基板のみとなり、ｎ型層には何の損傷も与えなくすることができるからである。
【００２０】
【実施例】
［実施例１］（第１の態様）
２インチφのサファイア基板の上に、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型光閉じこめ層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなる光ガイド層と、ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなる光ガイド層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型光閉じこめ層と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが積層されたレーザウェーハを用意する。基板には、サファイアのほか、ＳｉＣ、スピネル、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ等の窒化物半導体を成長させるために提案されている基板を用いることができ、特に限定されるものではない。さらに窒化物半導体の積層構造は単にレーザ発振するための一例を示したものであって、この構造に限定されるものではない。
【００２１】
（第１の工程）
次にこのウェーハの窒化物半導体の最上層に、図６に示すようなマスク形状を有するマスクを形成する。なお、図６において、斜線部で示すマスクの横方向の長さがレーザ素子の共振器長に相当する。マスク形成後、ＳｉＣｌ4ガス、Ｃｌ2ガスを用いてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を行い、電極を形成すべきｎ型コンタクト層を露出させると共に、マスクの縦方向に相当する部分に共振面を形成する。このエッチングにより、電極を形成すべきｎ型コンタクト層が露出されると同時に、マスクの縦方向にあたる窒化物半導体層表面に共振面が形成される。マスク除去後、露出したｎ型コンタクト層にｎ電極、最上層のｐ型コンタクト層にｐ電極を、互いに平行なストライプ形状でそれぞれ形成する。
【００２２】
（第２の工程）
電極形成後、基板を８０μｍの厚さまでラッピング（研磨）した後、図４の一点鎖線に示すように、ウェーハの共振面と共振面との中間をサファイア基板側からスクライブした後、ウェーハを押し割りバー状のレーザチップを作製する。
【００２３】
さらに、バー状のレーザチップの共振面側に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成して反射鏡を形成する。
【００２４】
（第３の工程）
反射鏡形成後、バー状のレーザチップの共振面側にある突出した基板とｎ型コンタクト層とを、ラッピングして５μｍの長さになるまで除去する。なおラッピングにおいて、ラッピング面は、先に形成した窒化物半導体の誘電体多層膜面に触れない位置で止める。同様の操作を同一バー状レーザチップのもう一方の共振面側にも行い、共振面から突出した両側の部分を除去する。
【００２５】
以上のようにして、研磨して突出部を除去したバー状のレーザチップを、今度はｎ電極に平行な位置で、スクライブにより分割して、矩形のレーザチップを得る。このレーザチップの構造を示す模式的な断面図が図２である。
【００２６】
以上のようにして得られたレーザチップを、ヒートシンクにフェースアップの状態で設置して実際に発振させたところ、共振面から出るレーザ光のファーフィールドパターンは基板水平方向に対して上下対称であって、レーザ光の反射による干渉が現れていない形状であり、レーザ光が基板によって遮られておらず、ビーム中心が基板に対して水平であることを示した。
【００２７】
［実施例２］（第２の態様）
実施例１と同様にして、第１の工程まで行い、ｎ型コンタクト層の表面と、レーザ素子の共振面とを同時に露出させる。
【００２８】
マスク除去後、共振器長と平行な方向にあるｎ型コンタクト層の平面と最上層のｐ型コンタクト層の平面とに連続したマスクを形成し、再度ＲＩＥを行い、共振面側にあるｎ型コンタクト層のみを基板面が露出するまでエッチングする。エッチング後、マスクを除去し、実施例１と同様に最上層のｐ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層とに平行な電極を形成する。
【００２９】
（第２の工程）
電極形成後、実施例１と同様にして、基板をラッピングした後、図５の一点鎖線に示すように、片方の共振面に接近した位置（およそ５μｍ）で、サファイア基板側からスクライブした後、ウェーハを押し割りバー状のレーザチップを作製する。
【００３０】
後は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１のレーザ素子と同様に、共振面から出るレーザ光のファーフィールドパターンは基板水平方向に対して上下対称であって、レーザ光の反射による干渉が現れていない状態であり、レーザ光が基板によって遮られておらず、ビーム中心が基板に対して水平であることを示した。
【００３１】
［実施例３］
実施例２と同様にして第１の工程で共振面側のｎ型コンタクト層を除去して基板を露出させた後、活性層からレーザ光が出射される位置に対応した基板の平面を除いて、所定の形状のマスクを形成する。
【００３２】
次に、ＲＩＥを行いマスクを形成していない基板を除去する。このようにして共振面と共振面との間に穴が開いたような形状となったウェーハを、実施例１と同様にして、共振面と共振面との間でスクライブしてバー状のチップに分割する。分割後の共振面付近の形状を示す斜視図が図３である。
【００３３】
以上のようにして、得られたバー状のチップの共振面側に反射鏡を形成した後、実施例１と同様にして、ｎ電極に平行な位置で矩形状のチップに分割してレーザ素子を作製する。このレーザ素子も実施例１、実施例２のレーザ素子と同様に、共振面から出るレーザ光のファーフィールドパターンは上下対称であり、レーザ光が基板によって遮られていないことを示した。
【００３４】
【発明の効果】
共振面から突出した部分を有するレーザ素子では、活性層から出射されるレーザ光の一部が、基板が分割された後に残留するエッチング平面で反射、及び透過されて遮られる。共振面側から出射されるレーザ光の一部が、残留する基板、窒化物半導体等により反射されると、出力が低下し、ビームが斜め方向に出射され基板水平方向に対して、上下対称なファーフィールドパターンが得られない。特に、半導体レーザの場合、レーザ光が出射される共振面の前にはレーザ光を集光する目的でレンズが設けられる。出射光側にレーザ光を遮る他の部材があると、例えば集光がうまく行えない可能性がある。しかし、本発明のレーザ素子によるとレーザ光が水平に出射されるために、前記問題を解決でき、レーザ光の集光が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のレーザ素子に係る一構造を示す模式断面図。
【図２】  本発明のレーザ素子に係る他の構造を示す模式断面図。
【図３】  本発明のレーザ素子の共振面付近の構造を示す斜視図。
【図４】  本発明の製造方法の一工程において得られるウェーハの構造を示す模式断面図。
【図５】  本発明の製造方法の一工程において得られるウェーハの構造を示す模式断面図。
【図６】  最上層の窒化物半導体の表面に形成するマスクの形状を示す部分的な平面図。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ型層
３・・・・活性層
４・・・・ｐ型層
【図１】
0004310929.tif 000002
【図２】
0004310929.tif 000003
【図３】
0004310929.tif 000004
【図４】
0004310929.tif 000005
【図５】
0004310929.tif 000006
【図６】
0004310929.tif 000007