(57)【要約】【課題】基板ウエハ上に堆積される発光層を含む窒化物半導体多層膜中のクラック発生を防止し、かつそのウエハから得られる複数の窒化物半導体レーザ素子における発振波長の均一性を高めてレーザ素子歩留まりを改善する。【解決手段】窒化物半導体レーザ素子は、少なくとも上面が窒化物半導体である基板と、その基板の上面上に形成されていてストライプ状のレーザ光導波路構造を含む窒化物半導体多層膜とを備え、基板の上面は１０6ｃｍ-2以下の低い欠陥密度の領域と凹部とを有し、レーザ光導波路構造は基板の上面の凹部から外れた低欠陥密度領域の上方に位置し、基板はその上面の凹部に対応してその下面にも凹部を有することを特徴としている。【選択図】図１
2009094386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上面が窒化物半導体である基板と、前記基板の上面上に形成されていてストライプ状の光導波路構造を含む窒化物半導体多層膜とを備え、
前記基板の上面は１０6ｃｍ-2以下の低い欠陥密度の領域を有するとともに凹部をも有し、
前記光導波路構造は前記基板の上面の前記凹部から外れた前記低欠陥密度領域の上方に位置し、
前記基板はその上面の凹部に対応してその下面にも凹部を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記基板の上面と下面の前記凹部が前記ストライプ状光導波路に平行なストライプ状であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体レーザ素子に関し、特に窒化物半導体基板上に作製される窒化物半導体レーザ素子の歩留まり改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在では、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、およびそれらの混晶に代表される窒化物半導体材料を利用して、紫外領域から可視領域の範囲内で発振する種々の窒化物半導体レーザ素子が試作されている。そのような窒化物半導体レーザ素子の作製のためにはＧａＮ基板が用いられることが多く、ＧａＮ基板をも含めて種々の半導体レーザ素子の作製が各研究機関において精力的に研究されている。
【０００３】
しかし、現在では、窒化物半導体レーザ素子の製造歩留まりは低く、コストダウンのためにこの素子歩留まりの改善が望まれる。その素子歩留まりを低下させている原因の一つとして、窒化物半導体基板ウエハ上に堆積された発光層を含む窒化物半導体多層膜中のクラックの発生が挙げられる。
【０００４】
特許文献１の特開２００５−６４４６９号公報は、そのような窒化物半導体多層膜中のクラックの発生を抑制するために、凹状の掘り込み領域を含む加工基板ウエハを利用して窒化物半導体レーザ素子を作製する方法を開示している。
【０００５】
図３（ａ）は特許文献１に開示された窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に対応する模式的平面図である。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に、厚さは、図面の明瞭化と簡略化のために恣意的に変更されている。また、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。
【０００６】
図３の窒化物半導体レーザ素子においては、ｎ型ＧａＮ基板１０の上面上に、発光層を含む窒化物半導体多層膜１３が形成されている。ただし、この基板１０は加工基板であり、その上面にはストライプ状の掘り込み領域１４が形成されている。窒化物半導体多層膜１３のストライプ状リッジ部１５の両側には電流狭窄用のＳｉＯ2膜１６が形成されている。リッジ部１５はｐ側電極１７に接続され、基板１０の下面にはｎ側電極１８が形成されている。なお、図３中の矢印とミラー指数表示は、六方晶系の窒化物半導体結晶における結晶学的方向を表している。
【０００７】
特許文献１によれば、図３に示されているように、加工基板１０の掘り込み領域１４を有する上面上に窒化物半導体多層膜１３を堆積することによって、その多層膜１３中のクラック発生を防止しでき、その結果として窒化物半導体レーザ素子の製造歩留まりが改善され得ることが述べられている。
【特許文献１】特開２００５−６４４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
周知のように、窒化物半導体レーザ素子は、例えば約０．４ｍｍの幅と約０．５ｍｍの長さのような小さい寸法を有している。すなわち、図３に示されているような窒化物半導体レーザ素子に含まれている窒化物半導体多層膜１３は、素子ごとに個別の小さな基板１０上に堆積されるのではない。すなわち、相対的に大きな面積を有する基板ウエハ上に発光層を含む窒化物半導体多層膜１３を堆積するとともに光共振器構造を造り込んで、正電極と負電極をも形成した後に、そのウエハが複数の窒化物半導体レーザチップに分割される。
【０００９】
より具体的には、図３の窒化物半導体レーザ素子を作製する場合、相対的に大きな面積を有する窒化物半導体基板ウエハ１０の上面に複数の平行なストライプ状の掘り込み領域１４を形成し、その上面全体を覆うように発光層を含む窒化物半導体多層膜１３を堆積する。そして、リッジストライプ１５と電流狭窄用ＳｉＯ2層１６を形成し、正電極と負電極をも形成した後に、そのウエハが複数の窒化物半導体レーザチップに分割される。したがって、一つのウエハから得られる複数の窒化物半導体レーザ素子には、ウエハの中央領域から得られる素子もあれば、ウエハの周辺領域から得られる素子もある。
【００１０】
本発明者が図３に示されているような加工基板ウエハ１０上に窒化物半導体多層膜１３をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長）法などによって成長させて複数の窒化物半導体レーザ素子を作製した場合、多層膜１３中のクラック発生の抑制効果を確認することができた。
【００１１】
しかしながら、図３に示されているような加工基板を含むウエハのチップ分割によって得られた複数のレーザ素子の初期特性を評価したところ、ウエハの中央領域から得られたレーザ素子に比べて、周辺領域から得られたレーザ素子においてはレーザ発振波長のばらつきが大きくなり、素子歩留まりが低下するという現象が見出された。
【００１２】
このような特許文献１による窒化物半導体レーザ素子に関する状況に鑑み、本発明は、基板ウエハ上に堆積される窒化物半導体多層膜中のクラック発生を防止するとともに、そのウエハから得られる複数の窒化物半導体レーザ素子における発振波長の均一性を高めてレーザ素子歩留まりを改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による窒化物半導体レーザ素子は、少なくとも上面が窒化物半導体である基板と、その基板の上面上に形成されていてストライプ状の光導波路構造を含む窒化物半導体多層膜とを備え、基板の上面は１０6ｃｍ-2以下の低い欠陥密度の領域を有するとともに凹部をも有し、光導波路構造は基板の上面の凹部から外れた低欠陥密度領域の上方に位置し、基板はその上面の凹部に対応してその下面にも凹部を有することを特徴としている。
【００１４】
なお、基板の上面と下面の凹部は、ストライプ状のレーザ光導波路に平行なストライプ状であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板ウエハ上に堆積される窒化物半導体多層膜中のクラック発生を防止するとともに、そのウエハから得られる複数の窒化物半導体レーザ素子における発振波長の均一性を高めてレーザ素子歩留まりを改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
まず、前述のように加工基板を含むウエハの中央領域から得られたレーザ素子に比べて周辺領域から得られたレーザ素子において発振波長のばらつきが大きくなって素子歩留まりが低下する現象の原因が、本発明者によって調査された。その結果、レーザ発振波長のばらつきは、基板ウエハの反りの状態と相関があることが分かった。さらに、本発明者が基板ウエハの反りの原因を考察した結果、その反りは基板ウエハの上面に複数のストライプ状溝（ストライプ状凹部）を形成していることに関係していることが分かった。
【００１７】
より具体的には、通常では、納入される基板ウエハは反りが厳重に管理されており、仕様に合致したウエハが購入される。しかし、この基板ウエハの上面にストライプ状溝を形成すれば、溝が形成された上面では水平方向に均一に原子結合が維持されていた状態が破られ、力学的均衡が維持されないことになる。他方、溝が形成されていないウエハ下面では原子結合が維持された状態を保持しているので、基板ウエハの上面と下面では力が均衡せず、基板ウエハに不均一な力が掛かった状態になる。
【００１８】
したがって、発光層を含む窒化物半導体多層膜の堆積中の高温状態において加工基板ウエハの反りが発生し、ウエハ下面が保持トレイから浮いて微小な隙間を生じて、基板ウエハの上面において温度が場所に依存して不均一になる。その結果、窒化物半導体多層膜に含まれる発光層中のＩｎの濃度が設定値から変動し、レーザ素子の発振波長はその素子が切り出されたウエハ内の位置に依存して不均一になることが判明した。なお、窒化物半導体発光層においては、Ｉｎ濃度の減少または増大に伴って、エネルギバンドギャップが増大または減少して発光波長が減少または増大する。
【００１９】
以上のような本発明者による考察から、基板ウエハの上面の凹部と同様の凹部を下面にも形成することによって、加工基板ウエハにかかる力を均一にして基板ウエハの反りを防ぎ、基板ウエハを平坦な状態を維持することができることが分かった。
【００２０】
その結果、窒化物半導体多層膜のエピタキシャル成長中における加工基板ウエハの反りによる浮き上がりを防止し、それによってウエハ内の場所に依存することなく窒化物半導体レーザ素子の発振波長の均一性を高めることができ、高い歩留まりで窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【００２１】
図１（ａ）の模式的断面図は本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）に対応する模式的平面図を表している。
【００２２】
この窒化物半導体レーザ素子において、ｎ型ＧａＮ基板１０中には欠陥集中領域１１が存在し、欠陥集中領域１１以外の部分は低欠陥領域１２となっている。
【００２３】
基板１０の上面上には、発光層を含む窒化物半導体多層膜（エピタキシャル成長膜）１３が形成されている。また基板１０の上面側には、欠陥集中領域１１を含むようにストライプ状の掘り込み領域１４が形成され、その掘り込み領域１４に対向する基板１０の下面側にも同様な掘り込み領域１９が形成されている。掘り込み領域１４と１９は、たとえばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）法によって形成することができる。
【００２４】
また、窒化物半導体多層膜１３の上面にはレーザ光導波路構造を規定するリッジ部１５、電流狭窄を目的としたＳｉＯ2層１６、およびそれらを覆うｐ側電極１７が形成されている。他方、基板１０の下面には、ｎ側電極１８が形成されている。
【００２５】
図２の模式的断面図は、図１中の窒化物半導体多層膜１３に含まれる複数の半導体層を示している。すなわち、窒化物半導体多層膜１３においては、ｎ型ＧａＮ層（層厚３．５μｍ）２０、ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層（層厚２．３μｍ）２１、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層（層厚０．２μｍ）２２、ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層（層厚０．１μｍ）２３、ｎ型ＧａＮガイド層（層厚０．１μｍ）２４、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ−３ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層厚＝４ｎｍ/８ｎｍ）２５、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ蒸発防止層（層厚２０ｎｍ）２６、ｐ型ＧａＮガイド層（層厚０．０５μｍ）２７、ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎクラッド層（層厚０．５μｍ）２８、およびｐ型ＧａＮコンタクト層２９（層厚０．１μｍ）がこの順に積層されている。なお、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ−３ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層は、ＧａＮ障壁層で挟まれたＩｎＧａＮ量子井戸層の３周期を含んでいる。
【００２６】
図１に示されているような窒化物半導体レーザ素子は、例えば以下のようなプロセスによって作製することができる。
【００２７】
まず、ストライプ状の欠陥集中領域１１を含むＧａＮ基板ウエハ１０が、ＥＬＯＧ(Epitaxial Lateral Over Growth)法を用いて作製される。このＥＬＯＧ法においては、ＧａＮ基礎基板上に２．５μｍ厚の下地ＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法で成長させ、その上に周期的なストライプ状の開口部含むＳｉＯ2マスクパターン（周期２０μｍ）を形成し、再びＭＯＣＶＤ法によって１５μｍ厚のＧａＮ層を形成して基板ウエハを得る。
【００２８】
この場合、ＳｉＯ2マスク上にはＧａＮ結晶が成長しないので、マスクの開口部からＧａＮ結晶の成長が始まる。その成長しているＧａＮ結晶の厚さがＳｉＯ2マスク層より厚くなれば、ＧａＮ結晶はＳｉＯ2マスクパターンの開口部からそのマスク層上へ横方向にも成長する。そして、ストライプ状のＳｉＯ2マスク層の左右から中心部へ各々成長してきたＧａＮ結晶が会合し、その会合領域は高い結晶欠陥密度を有する欠陥集中領域１１となる。すなわち、ＳｉＯ2マスク層がストライプ状に形成されているので、欠陥集中領域１１もストライプ状に形成される。ここで、ＧａＮ基板ウエハ中の各欠陥集中領域１１の幅は約４０μｍであり、欠陥集中領域１１同士の周期は約４００μｍである。
【００２９】
なお、ここではＥＬＯＧ法を用いた基板ウエハ１０の作製方法が説明されたが、他の作製方法を用いてもよい。また、ＥＬＯＧ法で用いられる基礎基板はＧａＮに限られず、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＡｓ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯなどであってもよい。
【００３０】
次に、欠陥集中領域１１を含む基板ウエハ１０の上面全域にＳｉＯ2などの膜を例えば厚さ４００ｎｍにＥＢ（電子ビーム）蒸着し、その後の一般的なフォトリソグラフィ工程によって、[１−１００]方向に欠陥集中領域１１を含む幅６０μｍのストライプ状ウィンドウをＳｉＯ2膜に形成する。そして、ＩＣＰによって、ＳｉＯ2膜とＧａＮ基板ウエハ１０をエッチングして、掘り込み領域１４を形成する。このとき、掘り込み領域１４のエッチング深さは、例えば４μｍとする。掘り込み領域１４の形成後には、ＨＦなどのエッチャントによって、ＳｉＯ2膜を除去する。
【００３１】
同様に、基板ウエハ１０の下面の全域にＳｉＯ2などの膜を例えば厚さ４００ｎｍにＥＢ蒸着し、その後の一般的なフォトリソグラフィ工程によって、ウエハ上面に形成したウィンドウと対称にウエハ下面にもウィンドウを形成する。そして、ＩＣＰによって、ＳｉＯ2膜とＧａＮ基板１０をエッチングして、掘り込み領域１９を形成する。このときも、掘り込み領域１９のエッチング深さは、例えば４μｍとする。さらに、掘り込み領域１９の形成後には、ＨＦなどのエッチャントによってＳｉＯ2を除去して、窒化物半導体層１３を成長させるための基板ウエハ１０の加工前処理を終了する。
【００３２】
こうして、図１（ａ）に示されているような基板ウエハ１０が得られる。そして、この基板ウエハ１０上に発光層を含む窒化物半導体多層膜１３をＭＯＣＶＤで堆積し、周知の方法によってリッジ部１５、電流狭窄用ＳｉＯ2層１６、ｐ側電極１７、およびｎ側電極１８を形成する。
【００３３】
以上のようにして、基板ウエハ１０の上面の掘り込み領域１４だけではなく下面にも掘り込み領域１９が形成されることにより、加工基板ウエハの上面と下面の応力が均衡し、ウエハ全体としての応力が緩和される。したがって、窒化物半導体多層膜１３を成長させる際に、保持トレイから基板ウエハ１０の浮きが抑制され、加熱される基板ウエハの温度が全体として均一になり得る。その結果、窒化物半導体多層膜１３の成長温度条件がウエハ中の位置に依存して設定値からずれることを最小限に抑えることができ、同一ウエハから得られるレーザ素子の発振波長のばらつきを抑制して素子歩留まりを改善することができる。
【００３４】
本発明者が実際に図３の窒化物半導体レーザ素子を作製したところ、同一基板ウエハから得られる複数のレーザ素子の内で、設定された発振波長の観点からの素子歩留まりは６０％以下であった。しかし、本発明による図１の窒化物半導体レーザ素子を作製したところ、同一基板ウエハから得られる複数のレーザ素子の内で、同じく設定された発振波長の観点からの素子歩留まりは９０％を超えるまで改善され得た。
【００３５】
このように、基板ウエハの下面にも上面と同様の凹部を形成することによって、加工基板にかかる力を均一にし、加工基板ウエハの反りを防いで平坦な状態を維持することができる。そして、窒化物半導体多層膜のエピタキシャル成長中に加工基板ウエハの保持トレイからの浮きを防止でき、ウエハ内の位置に依存することなく窒化物半導体レーザ素子の発振波長の均一性を高めることができて高い素子歩留まりを達成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように、本発明によれば、基板ウエハ上に堆積される発光層を含む窒化物半導体多層膜中のクラック発生を防止するとともに、そのウエハから得られる複数の窒化物半導体レーザ素子における発振波長の均一性を高めてレーザ素子歩留まりを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図であり、（ｂ）は（ａ）に対応する模式的平面図である。
【図２】図１（ａ）中の窒化物半導体多層膜１３の積層構造を示す模式的断面図である。
【図３】（ａ）は特許文献１に開示された窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図であり、（ｂ）は（ａ）に対応する模式的平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  ｎ型ＧａＮ基板、１１  欠陥集中領域、１２  低欠陥領域、１３  窒化物半導体多層膜、１４、１９  掘り込み領域（凹部）、１５  リッジ部、１６  ＳｉＯ2膜、１７  ｐ側電極、１８  ｎ側電極、２０  ｎ型ＧａＮ層、２１  ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層、２２  ｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層、２３  ｎ型ＡｌＧａＮ第３クラッド層、２４  ｎ型ＧａＮガイド層、２５  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ−３ＭＱＷ活性層、２６  ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層、２７  ｐ型ＧａＮガイド層、２８  ｐ型ＡｌＧａクラッド層、２９  ｐ型ＧａＮコンタクト層。
【図１】
2009094386.tif 000003
【図２】
2009094386.tif 000004
【図３】
2009094386.tif 000005