(57)【要約】【課題】本発明は、共振器端面上に形成する窒化物誘電体膜の応力を低減し、窒化物誘電体膜の成膜時に生じる共振器端面へのダメージを低減させた、信頼性の高い窒化物半導体レーザを提供することを目的とする。【解決手段】本発明による窒化物半導体レーザの製造方法は、窒化物III−Ｖ族半導体を用いた窒化物半導体レーザの製造方法であって、（ａ）窒素ガスからなるプラズマを用いて光出射側共振器端面２０および光反射側共振器端面２３上に窒化物誘電体からなる密着層２１、２４を形成する工程と、（ｂ）密着層２１、２４上に誘電体からなる低反射端面コート膜２２および高反射端面コート膜２５を形成する工程とを備えることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物III−Ｖ族半導体を用いた窒化物半導体レーザの製造方法であって、
（ａ）窒素ガスからなるプラズマを用いて共振器端面上に窒化物誘電体からなる密着層を形成する工程と、
（ｂ）前記密着層上に誘電体からなるコート膜を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、窒化物半導体レーザの製造方法。
【請求項２】
前記工程（ａ）において、
前記密着層はアルミニウム、タンタル、シリコン、ニオブ、ジルコニウムの窒化物のいずれかにより形成す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の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）において、
前記コート膜はアルゴンガスを含むガスからなるプラズマを用いて形成され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の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ａ）は、前記密着層を低速の成膜フェーズと高速の成膜フェーズとの多段階の成長速度で形成することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザの製造方法。
【請求項５】
前記工程（ａ）において、
ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタ装置を用いることを特徴とする、請求項１、請求項２または請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物III−Ｖ族半導体を用いた窒化物半導体レーザの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の窒化物III−Ｖ族半導体レーザでは、共振器端面と端面コート膜との間に密着層を形成することによって、瞬時光学損傷による共振器端面の劣化を抑止している。
【０００３】
例えば、共振器端面と酸化アルミニウムからなる端面コート膜との間に、窒化アルミニウムからなる分離層を形成する構造がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０３８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１にも記載のように、スパッタによる共振器端面上への一般的な成膜方法では、質量の大きいガスを用いることによってスパッタ速度を向上することができるため、アルゴン（Ａｒ）ガスをスパッタガスとして用いている。しかし、ＡｒガスからなるＡｒプラズマが共振器端面の表面に照射された際に、Ａｒプラズマが共振器端面に衝突して端面にダメージを与えるとトラップ準位が生成されることに起因する表面再結合が発生し、レーザ発光時の共振器端面の劣化の原因となる。
【０００６】
また、一般的に窒化膜誘電体からなる膜は応力が大きく、Ａｒプラズマを用いて成膜した窒化膜誘電体には格子間原子としてＡｒが取り込まれる。そのため、共振器端面にスパッタされた窒化膜誘電体膜にひずみが生じ、膜が剥がれたり、膜中にクラックが生じるなどの問題が発生しやすいため、高い制御性をもって成膜する必要がある。
【０００７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、共振器端面上に形成する窒化物誘電体膜の応力を低減し、窒化物誘電体膜の成膜時に生じる共振器端面へのダメージを低減させた、信頼性の高い窒化物半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明による窒化物半導体レーザの製造方法は、窒化物III−Ｖ族半導体を用いた窒化物半導体レーザの製造方法であって、（ａ）窒素ガスからなるプラズマを用いて共振器端面上に窒化物誘電体からなる密着層を形成する工程と、（ｂ）密着層上に誘電体からなるコート膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、窒素ガスからなるプラズマを用いて共振器端面上に窒化物誘電体からなる密着層を形成する工程と、密着層上に誘電体からなるコート膜を形成する工程とを備えるため、共振器端面上に形成する窒化物誘電体膜の応力を低減し、窒化物誘電体膜の成膜時に生じる共振器端面へのダメージを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。
【００１１】
〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態１による窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いて作製した半導体レーザ（半導体発光素子）の構造の断面図である。本実施形態の半導体レーザは、リッジ構造およびＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を有する。
【００１２】
図１に示すように、ＧａＮ基板１の一方主面であるＧａ面上にｎ型ＧａＮバッファ層２を形成している。ＧａＮ基板１の一方主面上にできるだけ平坦に積層するために、ｎ型ＧａＮバッファ層２によってＧａＮ基板１の一方主面の表面の凹凸を低減している。なお、ｎ型ＧａＮバッファ層２は、例えば膜厚１μｍで、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされていてもよい。
【００１３】
ｎ型ＧａＮバッファ層２上には、Ａｌ組成比０．０７のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、Ａｌ組成比０．０４５のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４、Ａｌ組成比０．０１５のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５が順次積層される。なお、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、４、５の膜厚は、例えばそれぞれ０．４μｍ、１．０μｍ、０．３μｍとし、ｎ型不純物としてＳｉがドープされていてもよい。
【００１４】
次いで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５上には、ｎ型ＧａＮ光ガイド層６、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７が順次積層される。なお、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７は、例えば膜厚３０ｎｍ、Ｉｎ組成比０．０２でアンドープの構成でもよい。また、ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層７上には、活性層８が形成される。活性層８は、例えば２重量子井戸構造で、ＩｎＧａＮウェル層の膜厚が５．０ｎｍ、ＩｎＧａＮバリア層の膜厚が８．０ｎｍであってもよい。
【００１５】
活性層８上には、ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１が順次積層される。なお、ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層９は、例えば膜厚３０ｎｍ、Ｉｎ組成比０．０２でアンドープの構成でもよく、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０は、例えば膜厚２０ｎｍ、Ａｌ組成比０．２、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされていてもよい。
【００１６】
ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１上には、Ａｌ組成比０．０７のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２が形成される。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２は一部が突出したリッジ構造を有し、リッジ構造上にｐ型ＧａＮコンタクト層１３が形成される。リッジ１４はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３から構成され、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３を順次積層した後に、例えば（１−１００）方向に向かってエッチング処理をすることによって形成される。リッジ１４は、ＧａＮ基板１上にストライプ状に形成された数μｍ〜数十μｍ幅の高転位領域間の低欠陥領域上に位置するように形成される。なお、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１は、例えば膜厚が１００ｎｍであってもよい。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２は、例えば膜厚５００ｎｍ、ｐ型不純物としてＭｇがドープされていてもよい。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１３は、例えば膜厚２０ｎｍ、ｐ型不純物としてＭｇがドープされていてもよい。
【００１７】
リッジ１４の開口部１６以外の表面上、すなわちリッジ１４の側面には絶縁膜１５が形成される。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１３および絶縁膜１５を覆うようにｐ型電極１７が形成される。なお、絶縁膜１５は例えば膜厚２００ｎｍのＳｉＯ2膜で形成され、ｐ型電極１７は例えばパラジウム（Ｐｄ）および金（Ａｕ）膜を順次積層した構造としてもよい。
【００１８】
また、ＧａＮ基板１の一方主面となるＧａ面とは反対側の他方主面となるＮ面には、ｎ型電極１８が形成される。なお、ｎ型電極１８は、例えばチタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）を順次積層した構造としてもよい。
【００１９】
上記の窒化物半導体レーザの構造を作製後、例えばダイヤモンドスクライバによって基板表面に傷を入れ、へき開することによって共振器を形成する。なお、共振器長は８００ｎｍである。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態１による窒化物半導体レーザの共振器の共振方向（図１の紙面垂直方向）に沿った断面図である。図２に示すように、窒素ガスからなるプラズマを用いて光射出側共振器端面２０上に窒化アルミニウム（窒化物誘電体）からなる密着層２１が形成され、密着層２１上には低反射端面コート膜２２（コート膜）が形成される。同様に、窒素ガスからなるプラズマを用いて光反射側共振器端面２３上に窒化アルミニウム（窒化物誘電体）からなる密着層２４が形成され、密着層２４上には高反射端面コート膜２５（コート膜）が形成される。
【００２１】
次に、図２に示す共振器の製造方法について詳細に説明する。
【００２２】
へき開によって形成された半導体レーザバー２００を、光出射側共振器端面２０が成膜面となるように冶具に固定し、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタ装置の成膜室に導入してから真空ポンプによって排気を行う。
【００２３】
真空ポンプによって排気して成膜室を真空状態にした後に、窒素からなるガスを流量１０ｓｃｃｍでＥＣＲチャンバー内に導入し、５００Ｗのマイクロ波を印加することによって窒素プラズマを生成する。そして、アルミニウムからなるターゲットに対してＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パワー５００Ｗを印加することによって、ターゲットをスパッタする。スパッタされたアルミニウムはイオン化され、プラズマ流に乗ってレーザバー２００が固定された冶具側にドリフトする。窒素ガスによってスパッタされたアルミニウムは、窒化アルミニウムからなる密着層２１として光出射側共振器端面２０上に成膜される。
【００２４】
続いて、密着層２１上に低反射端面コート膜２２を形成する。ここで、低反射端面コート膜２２の成膜時には、共振器端面２０が密着層２１によって保護されているため、Ａｒガスを用いたＥＣＲスパッタによる成膜方法を用いてもよい。また、密着層２１の成膜後にＥＣＲ装置から半導体レーザバー２００を固定した冶具を取り出し、低反射端面コート膜２２の形成は電子ビーム蒸着成膜装置、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜装置、ＲＦ成膜スパッタ装置を用いてもよい。
【００２５】
低反射端面コート膜２２は、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化チタン等の単層誘電体、またはこれらの誘電体を積層した誘電体多層膜から選定される。また、低反射端面コート膜２２の反射率を任意の値に設計した場合には、その設計値に従って膜厚の構成を設計する。例えば、窒化アルミニウムからなる密着層２１を１０ｎｍ、酸化アルミニウムからなる低反射端面コート膜２２を７４ｎｍとすることにより、反射率は略５％となる。
【００２６】
なお、上記による成膜を行う前には、窒素からなるプラズマによる表面クリーニング処理、または加熱による表面クリーニング処理を行なってもよい。
【００２７】
次に、半導体レーザバー２００を、光反射側共振器端面２３が成膜面となるように冶具に固定し、密着層２１の形成時と同様に、真空状態の成膜室に窒素からなるガスを流量１０ｓｃｃｍでＥＣＲチャンバー内に導入して、５００Ｗのマイクロ波を印加することによって窒素プラズマを生成する。そして、アルミニウムからなるターゲットに対してＲＦパワー５００Ｗを印加することによってターゲットをスパッタし、窒化アルミニウムからなる密着層２４として光反射側共振器端面２３上に成膜される。
【００２８】
続いて、密着層２４上に高反射端面コート膜２５を形成する。高反射コート膜２５は、反射率の異なる２種類以上の誘電体から選択し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、亜鉛（Ｚｎ）の窒化物、酸化物、あるいは酸窒化物などから選択される。屈折率の異なる誘電体膜のペアの厚みを出射する光の２分の１波長の厚みとすることによって、光反射側共振器端面２３にて反射する光が強め合い、このペア積層することによって効率的に高反射膜を形成することができる。例えば、酸化シリコンと酸化タンタルとをペアとして、酸化シリコン６８ｎｍ、酸化タンタル４８ｎｍとして５ペア分積層することによって９５％の高反射率膜となる。また、このペアの前後に誘電体を挿入して反射率の調整を行ってもよい。
【００２９】
なお、密着層２１、２４は、それぞれの成膜時に窒素ガスを用いることによってＡｒを含まない窒化物誘電体膜を形成すればよく、窒化アルミニウムに限らず、タンタル、チタン、シリコン、ニオブ、ジルコニウムの窒化物のいずれかにより形成される。また、本実施形態１では、光出射側共振器端面２０側を形成した後に光反射側共振器端面２３側を形成したが、この逆の順序で形成してもよい。
【００３０】
以上のことから、密着層２１、２４の成膜時にはＡｒガスではなく、Ａｒよりも質量の小さい窒素ガスを用いてスパッタを行うため、共振器端面に対するスパッタダメージを低減することができる。また、密着層２１、２４である窒化アルミニウム中にＡｒが取り込まれることがないため、窒化アルミニウムの応力は材料固有の内部応力のみとなり、成膜条件により応力のコントロールをすることで膜厚の制限が緩和され、密着層の膜厚制御に起因する生産性の低下を防ぐことができる。
【００３１】
上記のような製造方法によって形成された半導体レーザバー２００は、チップごとに分割される。図３は、本発明の実施形態１による窒化物半導体レーザの概略構成図である。図３に示すように、レーザ素子３０はＡｌＮやＳｉＣからなるサブマウント３１上に固定され、サブマウント３１はステム３２に取り付けられている。サブマウント３１とリードピン３５とは、配線３６によって電気的に接続されている。外部へ光を透過させるガラス窓３４を有するキャップ３３によって気密封止されてパッケージングされる。パッケージ内には、酸素、窒素、不活性ガスなどが充填されている。
【００３２】
〈実施形態２〉
実施形態２では、ＥＣＲスパッタ装置によって共振器端面上に密着層を形成する際に、ターゲットをスパッタするために印加されたＲＦパワーを２段階のパワーとし、密着層を低速の成膜フェーズと高速の成膜フェーズとの多段階の成長速度で形成することを特徴としている。その他の方法は実施形態１と同様である。
【００３３】
図４は、本発明の実施形態２による窒化物半導体レーザの共振器の断面図である。図４に示すように、光出射側共振器端面４０上には、Ａｒを含まない窒化物誘電体からなる第１密着層４１が形成され、第１密着層４１の表面上には第１密着層４１よりも高速で成膜した窒化物誘電体からなる第２密着層４２が形成される。第２密着層４２の表面上には、低反射端面コート膜４３が形成される。
【００３４】
また、光反射側共振器端面４４上には、Ａｒを含まない窒化物誘電体からなる第１密着層４５が形成され、第１密着層４５の表面上には第１密着層４５よりも高速で成膜した窒化物誘電体からなる第２密着層４６が形成される。第２密着層４６の表面上には、高反射端面コート膜４７が形成される。
【００３５】
なお、第１密着層４１、４５および第２密着層４２、４６は、アルミニウム、タンタル、チタン、シリコン、ニオブ、ジルコニウムの窒化物のいずれかにより形成される。
【００３６】
次に、図４に示す共振器の製造方法について詳細に説明する。
【００３７】
へき開によって形成された半導体レーザバー４００を、光出射側共振器端面４０が成膜面となるように冶具に固定し、ＥＣＲスパッタ装置の成膜室に導入してから真空ポンプによって排気を行う。
【００３８】
真空ポンプによって排気して成膜室を真空状態にした後に、窒素からなるガスを流量１０ｓｃｃｍでＥＣＲチャンバー内に導入し、５００Ｗのマイクロ波を印加することによって窒素プラズマを生成する。そして、アルミニウムからなるターゲットに対してＲＦパワー５０Ｗを印加することによってターゲットをスパッタし、第１密着層４１となる窒化アルミニウムを例えば２ｎｍ成膜する。第１密着層４１の成膜後、ターゲットに印加するＲＦパワーを５００Ｗに上げることによってスパッタによる成膜速度を上昇させ、第１密着層４１よりも高速で窒化アルミニウムからなる第２密着層４２を成膜する。このとき、光出射側共振器端面４０は第１密着層４１によって保護されているため、第２密着層４２の成膜速度を高速にしても光出射側共振器端面４０の表面に対するプラズマダメージを抑えることができる。
【００３９】
第２密着層４２の形成後、第２密着層４２上に低反射端面コート膜４３を形成する。形成方法は、実施形態１における低反射端面コート膜２２の形成方法と同様である。
【００４０】
次に、半導体レーザバー４００を、光反射側共振器端面４４が成膜面となるように冶具を固定し、真空状態の成膜室に窒素からなるガスを流量１０ｓｃｃｍでＥＣＲチャンバー内に導入して、５００Ｗのマイクロ波を印加することによって窒素プラズマを生成する。そして、アルミニウムからなるターゲットに対してＲＦパワー５０Ｗを印加することによって、光反射側共振器端面４４上に窒化アルミニウムからなる第１密着層４５を形成する。第１密着層４５の形成後、ターゲットに印加するＲＦパワーを５００Ｗに上げることによってスパッタによる成膜速度を上昇させ、第１密着層４５よりも高速で窒化アルミニウムからなる第２密着層４６を形成する。
【００４１】
第２密着層４６の形成後、第２密着層４６上に高反射端面コート膜４７を形成する。高反射端面コート膜４７の形成方法は、実施形態１における高反射端面コート膜２５と同様の方法によって形成する。
【００４２】
なお、本実施形態２では光出射側共振器端面４０側を形成した後に光反射側共振器端面４４側を形成したが、この逆の順序で形成してもよい。また、第１密着層４１、４５の形成は、量産工程へ適用できる成膜速度となる範囲内で低パワーとすることが望ましい。
【００４３】
以上のことから、第１密着層４１の形成時に、ターゲットに印加するＲＦパワーを低パワーとすることによって成膜速度は低下するが、同時に光出射側共振器端面４０および光反射側共振器端面４４へのプラズマダメージは減少する。このように、密着層を低速の成膜フェーズと高速の成膜フェーズとの多段階の成長速度で形成するため、実施形態１にて得られた効果をさらに改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態１による窒化物半導体レーザの構造の断面図である。
【図２】本発明の実施形態１による窒化物半導体レーザの共振器の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１による窒化物半導体レーザの概略構成図である。
【図４】本発明の実施形態２による窒化物半導体レーザの共振器の断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ＧａＮ基板、２  ｎ型ＧａＮバッファ層、３，４，５  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、７  ｎ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層、８  活性層、９  ｐ型ＩｎＧａＮ−ＳＣＨ層、１０  ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、１１  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１２  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１３  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１４  リッジ、１５  絶縁膜、１６  開口部、１７  ｐ型電極、１８  ｎ型電極、２０，４０  光出射側共振器端面、２１，２４  密着層、２２，４３  低反射端面コート膜、２３，４４  光反射側共振器端面、２５，４７  高反射端面コート膜、３０  レーザ素子、３１  サブマウント、３２  ステム、３３  キャップ、３４  ガラス窓、３５  リードピン、３６  配線、４１，４５  第１密着層、４２，４６  第２密着層、２００，４００  半導体レーザバー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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