(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザおよび受光素子を立方晶系構造のシリコン基板に付着させる第１工程であって、
前記レーザは、六方晶系構造の基板上に、六方晶系構造のｐ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮからなる多重量子発光井戸層、および六方晶系構造のｎ型ＧａＮ層を順に有し、
前記レーザが有する六方晶系構造のｎ型ＧａＮ層と前記立方晶系構造のシリコン基板とが接触すると共に特定の面方位を合わせるようにして、前記レーザ及び受光素子を前記立方晶系構造のシリコン基板に付着させる第１工程、
前記レーザ及び受光素子が付着した立方晶系構造のシリコン基板を窒素ガス雰囲気中において９００℃で３時間熱処理することにより、前記レーザが有する六方晶系構造のｎ型ＧａＮ層と前記立方晶系構造のシリコン基板との界面を融着させると共に、前記六方晶系構造を有するｐ型ＧａＮ層のキャリアを活性化する第２工程、
前記六方晶系構造の基板を除去する第３工程、および
前記レーザが有する六方晶系構造のｐ型ＧａＮ層をエッチングしてメサを形成する第４工程、
を順に有する、集積化素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色半導体レーザおよびこれを用いた光ディスク装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は直接遷移型で広いバンドギャップをもつことから、これらの材料を用いた青色半導体レーザの開発が活発に行われている。従来例として、ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた青色半導体レーザの構造を図７に示す。７１はＣ面サファイア基板、７２はＧａＮバファー層、７３はｎ型ＧａＮコンタクト層、７４はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、７５はｎ型ＧａＮガイド層、７６はＩｎＧａＮ多重量子井戸発光層、７７はｐ型ＧａＮガイド層、７８はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、７９はｐ型ＧａＮコンタクト層である。また、７１０及び７１１は各々ｐ型及びｎ型の電極である。この構造によって室温における電流注入型のレーザ発振が報告されている（参考文献：Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９，１５６８（１９９６））。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＧａＡｓなど立方晶系構造の半導体から成るレーザは、一般に結晶へき開面をレーザの共振器ミラーに利用する。しかし従来例のようなＣ面サファイア基板もしくはＧａＮ系半導体は六方晶系構造を有しているためへき開性がない。そのため共振器として実用に足る平滑な端面を、結晶を割ることにより得ることは困難であった。そこで従来の報告されたレーザはドライエッチングによりミラーを形成したり、特定のサファイアの結晶面上にミラーを形成するなどの工夫が必要とされた。しかしこれらの方法も再現性や信頼性の点で問題があった。
【０００４】
また、従来の構造においては、サファイア基板が絶縁体であるため、図７に示したように、ｎ電極はｎ型ＧａＮコンタクト層７３までエッチングを行ったうえで形成しており、駆動電圧の上昇や不安定性が生じる。
【０００５】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、半導体結晶においてへき開を容易にし、レーザ特性の向上を図ることを主たる目的とし、さらには、コンタクト層までのエッチングを行うことなく電極を形成できる発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために次の手段をとるものである。
【０００７】
本発明の集積化素子の製造方法は、第１工程、第２工程、第３工程、および第４工程を順に有し、
第１工程は、レーザと受光素子とを立方晶系構造の基板に付着させる工程であって、
レーザは、六方晶系構造の基板上に、六方晶系構造のｐ型半導体、多重量子発光井戸層、および六方晶系構造のｎ型半導体を順に有し、
レーザが有する六方晶系構造のｎ型半導体と立方晶系構造の基板とが接触すると共に特定の面方位を合わせるようにして、レーザおよび受光素子を立方晶系構造の基板に付着させる工程であり、
第２工程は、レーザおよび受光素子が付着した立方晶系構造の基板を熱処理することにより、レーザが有する六方晶系構造のｎ型半導体と立方晶系構造の基板との界面を融着させると共に前記六方晶系構造を有するｐ型半導体のキャリアを活性化する工程であり、
第３工程は、六方晶系構造の基板を除去する工程であり
第４工程は、レーザが有する六方晶系構造のｐ型半導体をエッチングしてメサを形成する工程である。熱処理は窒素ガス雰囲気中で行われることが好ましい。
【０００８】
六方晶系構造を有するｐ型半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはその積層構造で構成されることが好ましい。
【０００９】
六方晶系構造を有する基板はサファイアからなることが好ましい。
【００１０】
立方晶系構造を有する基板は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＧｅＰからなることが好ましい。
【００１１】
熱処理は９００℃で行われることが好ましい。
【００１２】
六方晶系構造を有する基板の
【数２】
0004221969.tif 000002
方向と、立方晶系構造を有する基板の＜１１０＞方向とを一致させて、六方晶系構造を有するｎ型半導体上に立方晶系構造を有する基板を付着させることが好ましい。また、前記電子素子は受光素子であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお以下では、まず本発明の実施の形態における発光素子について説明を行った後、この発光素子を用いた光ディスク装置について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
以下では図１及び図２を参照しながら本発明実施の形態１における半導体発光素子について説明する。
【００１５】
図１は、発光素子であるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた青色半導体レーザの構造断面図を示したものである。図１において、１１はｐ型ＧａＮコンタクト層、１２はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１３はｐ型ＧａＮガイド層、１４はＩｎＧａＮ多重量子井戸発光層、１５はｎ型ＧａＮガイド層、１６はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１７はｎ型ＧａＮコンタクト層、１８はｎ型ＧａＡｓ基板、１９はｐ型電極、１１０はｎ型電極である。ここで、製造方法については後述するが、ｎ型ＧａＮコンタクト層１７とｎ型ＧａＡｓ基板１８との間の界面は熱処理を施すことにより融着されている。
【００１６】
この図１に示した半導体発光素子は、図７に示した従来の半導体発光素子とは異なり基板としてＧａＡｓ基板を用いている。ＧａＡｓ基板１８などの立方晶系構造の半導体は、サファイア基板と異なり一定の結晶面でへき開が容易であるため、本発明によりそのへき開面に従って基板の上に形成された六方晶系構造の半導体も割ることが容易となり、平滑で実用可能な共振器端面を得ることができる。尚、本実施の形態ではへき開用の基板としてｎ型ＧａＡｓを用いたが、ｐ型ＧａＡｓを用いてもよく、さらにＩｎＰやＳｉやＧｅやＧａＰなどのその他の立方晶系構造を持つ半導体を用いることができる。本実施の形態では横方向の光閉じ込めのため屈折率導波型のリッジ構造としている。ストライプ幅は５ミクロンとした。へき開端面には反射率を上げるため端面コートを行っている。
【００１７】
次に、以下では図１に示した半導体発光素子の製造の工程の一例を図２を用いて説明する。本実施の形態ではＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体の成長方法として、常圧の有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用い、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを、Ｖ族原料としてアンモニアを用いた。
【００１８】
まず図２（ａ）に示すように、Ｃ面サファイア基板２１上にｐ型ＧａＮコンタクト層１１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ｐ型ＧａＮガイド層１３、ＩｎＧａＮ多重量子井戸発光層１４、ｎ型ＧａＮガイド層１５、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１６、ｎ型ＧａＮコンタクト層１７を、順次エピタキシャル成長する。尚、Ｃ面サファイア基板２１上にｐ型ＧａＮコンタクト層１１を成長する際、結晶性の向上などを目的にまずＣ面サファイア基板２１上にＧａＮやＡｌＮなどのバッファー層を成長してからＩＩＩ−Ｖ族半導体エピタキシャル層を成長してもよく、またＣ面サファイア基板２１のかわりにＳｉＣなどの基板を用いてもよい。
【００１９】
次に図２（ｂ）に示すように、Ｃ面サファイア基板２１上に成長したエピタキシャル膜上にｎ型ＧａＡｓ基板１８を、特定の面方位を合わせて付着させる。例えばｎ型ＧａＡｓ基板１８の＜１１０＞方向とＣ面サファイア基板２１の＜１１２０＞方向を一致させて一定圧力の下で付着させる。そして窒素ガス雰囲気中で９００℃で３時間熱処理を行う。それによりｎ型ＧａＮコンタクト層１７とｎ型ＧａＡｓ基板１８との間の界面は融着される。尚、ｐ型層のキャリアの活性化を目的とした熱処理と本熱処理とを同時に兼ねることも可能である。
【００２０】
その後図２（ｃ）に示すように、サファイア基板２１を研磨とフッ酸系エッチャントによるウエットエッチングにより除去した。次にこれによって露出したｐ型ＧａＮコンタクト層１１上にストライプ形状（幅５ミクロン）のレジストパターンを形成し、これをマスクに用いてｐ型ＧａＮコンタクト層１１とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２をウエットエッチングし、メサの形成を行った。しかし、ウエットエッチングではしばしばエッチングによる表面の荒れが生じたり、平滑なエッチング側壁を得ることが困難であったりする。そこで、塩素系ドライエッチングなどを用いてもよい。その後ｐ型電極１９およびｎ型電極１１０の蒸着を行った。最後にｎ型ＧａＡｓ基板１８をへき開することにより、ＧａＮ系レーザ構造の良好な共振器端面が形成された（図２（ｄ））。尚、共振器長は７５０ミクロンとした。
【００２１】
本発明においては室温におけるレーザ発振が得られた。この場合５０ｍＡ程度の極めて小さなしきい値電流が得られた。ｎ型ＧａＡｓ基板をへき開することで極めて平滑な共振器端面が得られることからこのような小さなしきい値電流が得られる。またｐ型ＧａＮコンタクト層１１からｎ型ＧａＡｓ基板１８まで縦方向に電流を流すことができるため駆動電圧も低く抑えることができ、駆動電圧は６Ｖであった。レーザ発振波長は４１０ｎｍであった。
【００２２】
尚、本発明においてＣ面サファイア基板２１上に成長したエピタキシャル膜上にｎ型ＧａＡｓ基板１８を付着させるためにエポキシ系の樹脂などを用いても同様なへき開面を得ることができる。この場合は樹脂が絶縁物なのでｎ電極はｎ型ＧａＮコンタクト層１１までエッチングして上よりとる必要がある。
【００２３】
また本発明において半導体レーザを実施の形態に説明したが、例えば光スイッチなどの光導波路型素子すべてに応用可能である。
【００２４】
（実施の形態２）
以下では図３及び図４を参照しながら本発明実施の形態２における半導体発光素子について説明する。
【００２５】
図３は、半導体発光素子であるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた青色半導体レーザの構造断面図を示したものである。図３において、３１はｐ型ＧａＮコンタクト層、３２はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、３３はｐ型ＧａＮガイド層、３４はＩｎＧａＮ多重量子井戸発光層、３５はｎ型ＧａＮガイド層、３６はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、３７はｎ型ＧａＮコンタクト層、３８はｎ型ＺｎＯ層、３９はｎ型Ｓｉ基板、３１０はｐ型電極、３１１はｎ型電極である。
【００２６】
この図３に示した半導体発光素子は、図７に示した従来の半導体発光素子とは異なり基板としてＳｉ基板を用いている。Ｓｉ基板３９などの立方晶系構造の半導体は一定の結晶面でへき開が容易であるため、本発明によりそのへき開面に従って基板の上に形成された六方晶系構造の半導体も割ることが容易となり、平滑で実用可能な共振器端面を得ることができる。尚、本実施の形態では基板としてｎ型Ｓｉ３９を用いたが、ｐ型Ｓｉを用いてもよく、さらにＩｎＰやＧａＡｓやＧｅやＧａＰなどのその他の立方晶系構造を持つ半導体を用いることができる。本実施の形態では横方向の光閉じ込めのため屈折率導波型のリッジ構造としている。ストライプ幅は５ミクロンとした。へき開端面には反射率を上げるため端面コートを行っている。
【００２７】
次に、以下では図３に示した半導体発光素子の製造の工程の一例を図４を用いて説明する。本実施の形態ではＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体およびＺｎＯ系ＩＩ−ＶＩ族半導体の成長方法として、常圧の有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用い、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを、Ｖ族原料としてアンモニアを用いた。またＩＩ族原料としてジエチルジンクを、ＶＩ族原料としてＨ2ＯとＮ2Ｏを用いた。
【００２８】
まず図４（ａ）に示すように、ｎ型Ｓｉ基板３９上にｎ型ＺｎＯ層３８、ｎ型ＧａＮコンタクト層３１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３２、ｎ型ＧａＮガイド層３３、ＩｎＧａＮ多重量子井戸発光層３４、ｐ型ＧａＮガイド層３５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３６、ｐ型ＧａＮコンタクト層３７を、順次エピタキシャル成長する。尚、ｎ型ＺｎＯ層３８上にｎ型ＧａＮコンタクト層３１を成長する際、結晶性の向上などを目的にまずｎ型ＺｎＯ層３８上にＧａＮやＡｌＮなどのバッファー層を成長してからＩＩＩ−Ｖ族半導体エピタキシャル層を成長してもよい。
【００２９】
上記のように、Ｓｉ基板３９上にＺｎＯ層３８をＭＯＶＰＥにより成長するとＳｉ基板３９は立方晶系構造を有しているにもかかわらず、六方晶系構造を有する結晶性の良好なＺｎＯ層３８が成長される。その六方晶系構造を有するＺｎＯ層３８上に同一六方晶系構造を有しておりかつ格子定数も近いＧａＮ系半導体を成長すれば、結晶性の良好なＧａＮ系膜が得られる。
【００３０】
次に、図４（ｂ）に示すように、ストライプ形状（幅５ミクロン）のレジストパターンをマスクに用いてｐ型ＧａＮコンタクト層１１とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２をウエットエッチングし、メサの形成を行った。しかし、ウエットエッチングではしばしばエッチングによる表面の荒れが生じたり、平滑なエッチング側壁を得ることが困難であったりする。そこで、塩素系ドライエッチングなどを用いてもよい。その後ｐ型電極の蒸着を行った。最後にｎ型Ｓｉ基板３９をへき開することにより、ＧａＮ系レーザ構造の良好な共振器端面が形成された。尚、共振器長は７５０ミクロンとした。
【００３１】
本発明においても室温におけるレーザ発振が得られた。この場合６０ｍＡ程度の極めて小さなしきい値電流が得られた。ｎ型Ｓｉ基板をへき開することで極めて平滑な共振器端面が得られることからこのような小さなしきい値電流が得られる。またｐ型ＧａＮコンタクト層３１からｎ型Ｓｉ基板３９まで縦方向に電流を流すことができるため駆動電圧も低く抑えることができ、駆動電圧は６Ｖであった。レーザ発振波長は４１０ｎｍであった。
【００３２】
尚、本発明ではＺｎＯ層３８をＧａＮ系半導体とＳｉとの間に挟んでいるが、ＭｇＯ層を用いても同様な効果が期待でき、またＺｎＯ層やＭｇＯ層を積層しても同様な効果が期待できる。また実施の形態１のようにＺｎＯ層３８とＧａＮ系半導体を熱処理により融着する方法を行っても、へき開に関しては同様な効果が期待できる。また本発明において半導体レーザを実施の形態に説明したが、例えば光スイッチなどの光導波路型素子すべてに応用可能である。
【００３３】
（実施の形態３）
図５に、同一のＳｉ基板３９上に発光素子と光検出器とを形成した概略図を示す。本実施の形態は、上記の実施の形態２に示したような半導体発光素子を用いると、半導体発光素子を形成したＳｉの同一基板上に光検出器をも形成することができることを利用したものである。同一基板上に光検出器（受光素子）５２とレーザ５１を形成することにより、光軸合わせも簡略化でき、コストが低減できる集積化素子を得ることができる。尚、実施の形態１のように基板がＧａＡｓの場合も同様にＧａＡｓ受光素子とレーザを同一基板上に形成でき、集積化素子を提供することができる。また受光素子のかわりに別の異なった電子素子を集積化することも可能である。
【００３４】
（実施の形態４）
以下では、上記した本発明の実施の形態における半導体発光素子を光ディスク装置に適用した場合の具体構成を図面を用いて説明する。
【００３５】
この半導体レーザを光ディスク装置に応用したものを図６に示す。キャンにレーザチップが入ったキャンタイプの半導体レーザ６１より波長４１０ｎｍのレーザ光６２は、コリメータレンズ６３で平行光にされた後、回折格子６４で３ビームに分割され（図示していない）、ハーフプリズム６５を通り集光レンズ６６で集光され、光ディスク６７上に直径１μｍのスポットを結ぶ。ディスク６７上での反射光は、再度、集光レンズ６６を通り、ハーフプリズム６５で反射され、受光レンズ６８で絞られたシリンドリカルレンズ６９を経てホトダイオード６１０に入り電気信号に変換される。
【００３６】
この際、分割された３ビームにより光ディスク６７の半径方向のずれを検出し、またシリンドリカルレンズ６９により焦点の位置ずれを検出する。そしてこのずれは、駆動系により光学系が微動調整され修正される。
【００３７】
このように、半導体レーザを、半導体レーザからのレーザ光を光ディスクに導く集光光学系、光ディスクで反射した光を読むシリコン材料で形成された光検出器を備えた光ディスク装置に応用すれば、低出力では、自励発振特性により、レーザへの戻り光の影響をあまり受けることなくディスクの読み出し（再生）ができる。構成自体も、レーザに高周波回路のような付加的な回路は必要なく、簡単な構成により小型化が可能となる。さらに、１５ｍＷの出力も可能であることから、光ディスクへの書き込み（記録）もすることができ、１台のレーザで、読み出しと書き込みとができる簡単な構成で優れた特性をもつ光ディスク装置への応用も可能である。
【００３８】
尚、実施の形態で述べた半導体レーザを用いてプリンターなどの印刷製版などにも応用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
従来ＧａＮ系半導体の成長のために用いられていたサファイア基板はへき開性がないため、ＧａＮ系半導体レーザではへき開面によるレーザ共振器構造を得ることが困難であったが、本発明においてはｎ型ＧａＡｓ基板などの立方晶構造を有する材料を基板に用いてそのへき開面に沿ってＧａＮ系半導体を割ることにより、ＧａＮ系半導体においても極めて平滑な共振器端面が得られ、その結果しきい値電流の低減が実現できる。また導電性を有する基板を用いているため、縦方向に電流を流すことができ駆動電圧も低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態１におけるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた青色半導体レーザの構造を示す断面図
【図２】本発明実施の形態１における半導体発光素子の製造工程断面図
【図３】本発明実施の形態２におけるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた青色半導体レーザの構造を示す断面図
【図４】本発明実施の形態２における半導体発光素子の製造工程断面図
【図５】本発明の実施の形態における同一基板上に形成された青色半導体レーザと光検出器の構造を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態における光ディスク装置の構成を示す概略図
【図７】従来の青色半導体レーザの構造を示す断面図
【符号の説明】
１１  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１２  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１３  ｐ型ＧａＮガイド層
１４  ＩｎＧａＮ多重量子井戸発光層
１５  ｎ型ＧａＮガイド層
１６  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１７  ｎ型ＧａＮコンタクト層
１８  ｎ型ＧａＡｓ基板
１９  ｐ型電極
１１０  ｎ型電極
３１  ｐ型ＧａＮコンタクト層
３２  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３３  ｐ型ＧａＮガイド層
３４  ＩｎＧａＮ多重量子井戸発光層
３５  ｎ型ＧａＮガイド層
３６  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３７  ｎ型ＧａＮコンタクト層
３８  ｎ型ＺｎＯ層
３９  ｎ型Ｓｉ基板
３１０  ｐ型電極
３１１  ｎ型電極
【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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