(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層から成るウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体層を形成する工程と、
前記第２導電型クラッド層の一部を除去することにより、［１−１００］方向に延在するように突条部を形成する工程と、
前記突条部が形成された前記半導体層を囲む窓領域を、前記突条部に向かって前記突条部と所定の距離を残して前記半導体層の一部を除去して形成する工程と、
前記基板の裏面からエネルギービームを照射することにより前記窓領域によって囲まれる素子形成領域を前記基板から剥離するとともに前記素子形成領域の端部をＭ面（｛１−１００｝面）で劈開させ、共振面を形成する工程とを有し、
前記窓領域と前記突条部との間に残す所定の距離を、前記素子形成領域が前記基板から剥離される際に、前記突条部の下側で前記半導体層のＭ面に劈開が生じる距離とする
ことを特徴とする半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項２】
前記窓領域を形成する工程はエッチング工程を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項３】
前記ウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体層はＧａＮ系半導体層であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１導電型クラッド層はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項５】
前記基板の主面はＣ面であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項６】
前記エネルギービームはエキシマレーザーであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項７】
前記窓領域は前記基板が露出するように形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザー素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザー素子の製造方法として、サファイア基板上に窒化物半導体層を成長させ、半導体レーザー素子を構成する技術が知られている。特に、半導体レーザー素子の性能に大きく影響する共振面の形成方法については、ＧａＮ系半導体レーザー素子の製造上重要な技術の一つとされている。具体的な共振面の形成方法としては、へき開やドライエッチングにより素子を分離し、同時に形成された素子端面を共振面とする方法が知られている。
【０００３】
へき開によって素子を分離する場合には、エッチングなどによって素子を分離するための素子分離溝を形成した後、素子分離溝を起点としてへき開して素子が分離されている。また、エッチングで素子を分離する場合においては、該素子を形成する半導体層の最下層までエッチングする必要がある。基板から素子を剥離せずにへき開をする場合もあり、素子を分離すると同時に基板もへき開することもある。
【０００４】
へき開やエッチングにより素子を分離する方法では、素子を分離した際の素子分離面の結晶層に損傷を受ける場合があり、特に半導体レーザー素子のように平坦で且つ結晶層の損傷が少ない共振面が必要とされる素子では、製造工程を増やすことなく、所要の共振面を形成する製造方法が望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＧａＮ系半導体素子の製造工程では、各素子の間を分離する場合に、例えばチップをダイサーなどを用いて切り出さなければならないため、多大な労力がかかるとともに平面的に広がった電極をなどを避けながら微小に切り出すことは極端に難しくなっている。サファイア基板及びＧａＮなどの窒化物は硬度が高く切り出しが難しいことから、ダイシングの際に少なくとも２０μｍ程度の切りしろが必要になり、微小なチップの切り出しを更に困難なものにしている。
【０００６】
また、サファイア基板上に窒化物半導体層を積層した状態でへき開した場合には、半導体レーザー素子の主要部を構成する窒化物半導体層だけでなくサファイア基板もへき開されることから、サファイア基板を繰り返して半導体レーザー素子の作製に用いることが出来ない。
【０００７】
さらに、素子を分離する際、ドライエッチングやダイシングを施す場合には、一般的に結晶面に対する損傷を避けることが出来ず、基板側からの貫通転位などを抑制しても逆にドライエッチングにより結晶の特性が劣化する。また、ドライエッチングやダイシングを施す場合では、その分だけ工程も増加してしまう。特に、ＧａＮ系半導体を用いた半導体レーザーでは、へき開やエッチングによって端面を形成した場合、六方晶であることなどから、従来の半導体レーザーに比較して平坦な端面を形成することは容易でない。素子端面の傾きや凹凸によって反射率が低下し、レーザー発振に必要な電流の閾値が増大する原因となる。
【０００８】
よって、本発明は、基板から素子を剥離する工程と各素子を個々の分離する工程を同時に行うことを可能にすると同時に、平坦で且つ結晶面の損傷が小さい共振面を有する半導体レーザー素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザー素子の製造方法は、基板上に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層から成るウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体層を形成する工程と、前記第２導電型クラッド層の一部を除去することにより、［１−１００］方向に延在するように突条部を形成する工程と、前記突条部が形成された前記半導体層を囲む窓領域を、前記突条部に向かって前記突条部と所定の距離を残して前記半導体層の一部を除去して形成する工程と、前記基板の裏面からエネルギービームを照射することにより前記窓領域によって囲まれる素子形成領域を前記基板から剥離するとともに前記素子形成領域の端部をＭ面（｛１−１００｝面）で劈開させ、共振面を形成する工程とを有し、前記窓領域と前記突条部との間に残す所定の距離を、前記素子形成領域が前記基板から剥離される際に、前記突条部の下側で前記半導体層のＭ面に劈開が生じる距離とすることを特徴とする。
【００１０】
上記の半導体レーザー素子の製造方法によれば、基板上に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層からなる半導体層を形成し、該基板の裏面からエネルギービームを照射することにより、基板と半導体層を主要部とする半導体レーザー素子を剥離する工程と、半導体レーザー素子を個々に分離する工程を同時に行うことができる。このとき、エネルギービームを基板の裏面に照射することによって半導体層をへき開することが可能であり、容易に素子を分離することができる。また、該半導体レーザー素子の底面を基板の裏面に射影した領域に選択的にエネルギービームを照射することによって、所要のサイズの半導体レーザー素子を作製することができる。さらに、素子を分離することによって形成される素子端面は平坦で且つ結晶層の損傷が小さい。よって、素子端面を共振面とすることにより高性能の半導体レーザー素子を作製することができる。また、半導体レーザー素子を分離して形成される共振面の近傍を避けて窓領域を形成しておくことによりさらに容易に半導体レーザー素子を分離することができる。
【００１１】
本発明の半導体レーザー素子の製造方法は、基体上に、開口部を有する選択成長マスクを形成する工程と、前記開口部からの選択成長により半導体層を形成する工程と、前記半導体層に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層を形成する工程と、前記基板の裏面から選択的にエネルギービームを照射することにより素子を剥離する工程と、該素子を剥離するとともに該素子を分離することにより共振面を形成する工程とを有することを特徴とする。特に、基体の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する半導体層は結晶性がよく、前記半導体層に垂直で且つ平坦な共振面を形成することができるので、高性能の半導体レーザー素子を形成することができる。
【００１２】
さらに、本発明の半導体レーザー素子の製造方法は、基板から素子を分離する工程と、個々の素子に分離する工程を同時に行うことが可能である。よって、半導体レーザー素子の製造工程を簡略化することができ、製造コストの削減にも繋がる。また、本実施形態では、半導体レーザー素子の製造方法について説明するが、半導体レーザー素子以外の製造方法にも用いることができ、素子を基板から剥離するとともに素子を分離することが可能であり、製造工程を簡略化することができる。
【００１３】
【本発明の実施の形態】
[第１の実施形態]
本発明の半導体レーザー素子の製造方法は、基板上に第１導電型クラッド層、活性層及び第２クラッド層から成る半導体層を形成する工程と、前記基板の裏面から選択的にエネルギービームを照射することにより素子を剥離する工程と、該素子を剥離するとともに該素子を分離することにより共振面を形成する工程とを有することを特徴とする。本実施形態について、図１乃至図３を用いて詳細に説明する。
【００１４】
まず、図１に、素子分離前の半導体レーザー素子の構造を示す構造斜視図（ａ）と、構造断面図（ｂ）を示す。素子分離前においてサファイア基板１１の上にｎ型クラッド層としてシリコンドープのＧａＮ層１２が形成される。基板を構成する基板は、ウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基体として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板などであり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板又は立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。本実施形態のようにサファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることが出来る。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００１５】
ＧａＮ層１２はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、本実施形態では、ＧａＮ層１２と格子定数の近い基板を用いているためサファイア基板１１上にバッファ層を形成していないが、ＧａＮ層１２に形成される転位などを抑制するためには低温でバッファ層を形成してもよい。この低温バッファ層は低温５００℃で薄い（２０〜３０ｎｍ）ＧａＮ層を成長して形成することができる。また、基板１１上に一旦ＧａＮ層を形成し、その上に開口部が形成された選択マスクを形成した後ＧａＮ層１２を選択成長により形成することもできる。選択成長によりＧａＮ層１２を形成することにより、貫通転位の密度を抑制することが可能であり、結晶質の高いＧａＮ層１２を形成することが可能できる。さらに、ＧａＮ層１２上に成長させる結晶層の転位密度も低減することができる。
【００１６】
また、基板１１上にＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる半導体層を形成してもよい。Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａの組成比を変えた半導体層を形成することによって、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなる半導体層のエネルギーバンドギャップを変更することができる。後述するように、本実施形態の半導体レーザー素子は、基板１１の裏面からエネルギービームを照射することにより基板１１から剥離されると同時に素子分離される。このとき、基板１１の上に形成されたＧａＮ層１２が前記エネルギービームを吸収することによりアブレーションを生じ、基板１１から該半導体レーザー素子が剥離されとともに分離される。よって、基板１１上に形成される一層目の半導体層をＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮのように組成比を変えた半導体層で形成することによって、アブレーションに用いることができるエネルギービームの選択枝が広がることになる。また、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮで吸収されず、その上に形成された半導体層でエネルギー吸収される波長のエネルギービームを使用することも可能であり、アブレーションに使用するエネルギービームとアブレーションされる半導体層の組み合わせを様々に変えることができる。
【００１７】
ＧａＮ層１２の上には活性層としてＩｎＧａＮ層１３を形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１４が形成されダブルへテロ構造を形成している。活性層であるＩｎＧａＮ層１３をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることもできる。また、ＩｎＧａＮ層１３の片側にのみＡｌＧａＮ層を形成する構造としても良い。活性層１３は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸構造（ＤＱＷ）構造、多重量子構造（ＭＱＷ）構造など量子井戸構造を形成したものであってもよい。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のための障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。
【００１８】
また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物をドープした後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００１９】
このようにして基板１１上にｎ型クラッド層１２、活性層１３及びｐ型クラッド層１４が形成され、ＧａＮ系化合物半導体からなる多層構造が形成されるが、本実施形態のダブルへテロ構造に限定されず、ｎ型クラッド層１２やｐ型クラッド層１４を３元或いは４元化合物半導体の組成を変化させた構造とすることにより屈折率を変化させ、効率良く活性層１３に光を閉じ込めることができる分布屈折率分離閉じ込め構造（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ）とすることもできる。本実施形態の場合、ｎ型クラッド層１２やｐ型クラッド層１４がＡｌＧａＮ層のＡｌ、Ｇａの組成比を変えた半導体層で形成され、活性層１３から離れるに従って屈折率が大きくなる構造をとることで効率良く光を閉じ込めることもできる。
【００２０】
次に、ｐ型クラッド層１４の上側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行いリッジ構造が形成される。本実施形態では、活性層１３が露出しない深さまでｐ型クラッド層１４を除去して形成された突条部１５によりリッジ構造を形成する。突条部１５の断面形状は矩形であり、図１（ｂ）の紙面に対して垂直な向きに延在するように残されている。このとき、突条部１５が延在される方向は[１−１００]方向であり、後述する共振面とは垂直な方向に形成される。
【００２１】
突条部１５が残されたｐ型クラッド層１４の上側にｐ側電極１６が形成されている。ｐ側電極１６は断面上で突条部１５の上側からエッチングされたｐ型ＧａＮ層１４の露出した面にかけて形成され、その端部は１−１００〕方向と平行に略直線状に形成される。ｐ側電極１６はＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの金属薄膜若しくはこれらの金属層を組み合わせた積層構造とすることができる。また、オーミック接触を図るためにｐ側電極１６を形成する前にコンタクトメタル層としてＮｉ層を形成しても良い。
【００２２】
ｐ型ＧａＮ層１４の上側を除去して〔１−１００〕方向に延在して残るように突条部１５を形成し、その上にｐ側電極１６を形成することによりレーザー発振の際の閾値電流を抑えることができる。ｐ側電極１６から注入された電流はＩｎＧａＮ層１３の面内のうち突条部１５をＩｎＧａＮ層１３に射影した領域にその大部分が注入される。ＩｎＧａＮ層１３の面内のうち突条部１５の射影された領域に電流を注入することにより、断面上で横方向の光閉じ込めが可能な電流狭窄構造を形成することができる。さらに、ＩｎＧａＮ層１３への突条部１５の射影領域は〔１−１００〕方向に延びているので、ＩｎＧａＮ層１３で発生する光のうちこの方向に射出される光が光増幅に寄与することになる。後述する共振面は〔１−１００〕方向と垂直なＭ面（（１−１００）面）に形成されるので、共振面で反射された光が〔１−１００〕方向に平行に往復し、閾値電流が小さいレーザー発振が可能となる。また、リッジ構造を形成せずに、ｐ側電極をｐ型ＧａＮ層の上側に形成することでも電流狭窄構造を形成することができる。このとき、ｐ側電極を矩形状の電極構造にし、その長手方向が〔１−１００〕方向と平行になるようにすればよい。
【００２３】
ｎ側電極１８は、ｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ層１３、ｐ型ＧａＮ層１４を積層した後エッチングにより開口部を形成してｎ型ＧａＮ層１２を露出させたｎ側電極取出し領域１７を形成し、そのｎ側電極取り出し領域１７上にｎ型ＧａＮ層１２と電気的な接触を図るように形成される。このｎ側電極１８は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極構造にすることができる。
【００２４】
また、リッジ構造は本実施形態に示す構造に限らず、様々な構造とすることが可能である。例えば、突条部１５がｐ型ＧａＮ層１４、ＩｎＧａＮ層１３、ｎ型ＧａＮ層１２を含むような積層構造をとるようにｐ型クラッド層１４の上側からエッチングしてもよい。このときｎ型ＧａＮ層１２が露出するまでエッチングしてｐ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層１３を除去しておけば、開口部を形成することなく、露出させたｎ型ＧａＮ層１２上に直接ｎ側電極１８を形成することもできる。
【００２５】
図２は基板１１の裏面からエネルギービームを照射して、基板１１から該半導体レーザー素子を剥離するとともに該素子の分離を行い、同時に共振面を形成する工程を示す工程図であって、図２（ａ）は工程平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ’線工程断面図である。エネルギービームＬは基板１１の裏面から照射領域２０に照射され、基板１１近傍のＧａＮ層１２に到達する。エネルギービームＬはエキシマレーザー光などの高出力パルス紫外線レーザー光を用いることができる。照射領域２０は、ｐ側電極１６とｎ側電極１８を含む矩形状の領域を基板１１の裏面に射影した領域であり、照射領域２０とエネルギービームＬを照射しない非照射領域２１を区切る境界１９は突条部１５が延在される [１−１００]方向と平行な一組の境界１９ａと、[１−１００]方向と垂直な一組の境界１９ｂからなる。
【００２６】
基板１１の裏面からエキシマレーザー光Ｌを照射すると、基板１１近傍のｎ型ＧａＮ層１２にエキシマレーザーＬが到達し、アブレーションが生じる。サファイア基板１１はエキシマレーザーＬを吸収しないので、エキシマレーザー光Ｌが殆ど減衰することなくＧａＮ層１２に到達する。エキシマレーザー光Ｌはｎ型ＧａＮ層１２に吸収され、ｎ型ＧａＮ層１２を構成するＧａＮが金属ＧａとＮ２ガスに分解し、基板１１とＧａＮ層１２の接合力が低下する。このとき、照射領域２０のｎ型ＧａＮ層１２と基板１１の界面にはＧａＮ分解時に発生する熱により照射領域２０と非照射領域２１で温度差が生じる。すると、照射領域２０と非照射領域２１の境界１９ａ、１９ｂに熱による結晶の歪に起因する応力が加わることになる。その結果、ｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ層１３及びｐ型ＧａＮ層１４が、境界１９ａ、１９ｂを含み基板１１に垂直な面でへき開される。さらに、ｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ層１３及びｐ型ＧａＮ層１５の境界１９ａ及び１９ｂで、アブレーションにより発生したＮ２ガスが蓄積され膨張することにより、境界１９ａ、１９ｂに応力が加わる。その結果、ｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ層１３及びｐ型ＧａＮ層１４が境界１９ａ、１９ｂで容易にへき開される。ここで、例えば、本実施形態のように基板１１上の形成される１層目がシリコンドープのＧａＮ層である場合、４００乃至５００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度でエキシマレーザーを照射すれば容易にへき開を行うことができる。
【００２７】
このとき、突条部１５が〔１−１００〕方向に延在するように残されているので、ｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ層１３及びｐ型ＧａＮ層１４がへき開された面のうち境界１９ｂを含むへき開面はＭ面（{１−１００}面）である。ＧａＮ系半導体層を結晶成長した場合、Ｍ面は他の面と比較してへき開され易い傾向にある。本実施形態のようにＧａＮ系半導体層によって構成された半導体素子を個々の素子に分離する際、Ｍ面でへき開することにより容易に素子の分離を行うことができ、図３に示すように、ｎ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ層１３及びｐ型ＧａＮ層１４からなる積層構造体から半導体レーザー素子のみが分離される。特に、Ｍ面でへき開された後、素子の分離面は非常に平坦であり、さらに結晶層の損傷も少ないので、分離された面のうちＭ面を有する分離面を共振面にすることによって高性能の半導体レーザー素子を作製することができる。
【００２８】
[第２の実施形態]
図４は、素子分離前の半導体レーザー素子の構造を示す構造斜視図である。先ず、図４に示すように、素子分離前においてサファイア基板３１の上にｎ型クラッド層としてシリコンドープのＧａＮ層３２が形成される。基板を構成する基板は、ウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基体として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板などであり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板又は立方晶系基板であり、より好ましくはは六方晶系基板である。本実施形態のようにサファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることが出来る。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００２９】
ＧａＮ層３２はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、本実施形態では、ＧａＮ層３２と格子定数の近い基板を用いているためサファイア基板３１上にバッファ層を形成していないが、ＧａＮ層３２に形成される転位などを抑制するためには低温でバッファ層を形成してもよい。この低温バッファ層は低温５００℃で薄い（２０〜３０ｎｍ）ＧａＮ層を成長して形成することができる。
【００３０】
さらに、基板３１上にＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる半導体層を形成してもよい。Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａの組成比を変えた半導体層を形成することによって、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなる半導体層のエネルギーバンドギャップを変更することができる。後述するように、本実施形態の半導体レーザー素子は、基板３１の裏面からエネルギービームを照射することにより基板１１から剥離されると同時に素子分離される。このとき、基板３１の上に形成されたＧａＮ層３２が前記エネルギービームを吸収することによりアブレーションを生じ、基板３１から該半導体レーザー素子が剥離されとともに分離される。よって、基板３１上に形成される一層目の半導体層をＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮのように組成比を変えた半導体層で形成することによって、アブレーションに用いることができるエネルギービームの選択枝が広がることになる。また、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮで吸収されず、その上に形成された半導体層でエネルギー吸収される波長のエネルギービームを使用することが可能であり、アブレーションに使用するエネルギービームとアブレーションされる半導体層の組み合わせを様々に変えることができる。
【００３１】
ＧａＮ層３２の上には活性層としてＩｎＧａＮ層３３を形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層３４が形成してダブルへテロ構造を形成している。活性層であるＩｎＧａＮ層３３をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることができる。また、ＩｎＧａＮ層３３の片側にのみＡｌＧａＮ層を形成する構造としても良い。また、活性層３３は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸構造（ＤＱＷ）構造、多重量子構造（ＭＱＷ）構造など量子井戸構造を形成したものであってもよい。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のための障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物をドープした後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００３２】
このようにして基板３１上にｎ型クラッド層３２、活性層３３及びｐ型クラッド層３４が形成され、本実施形態のＧａＮ系化合物半導体層からなる多層構造が形成されるが、本実施形態のダブルへテロ構造に限定されず、ｎ型クラッド層３２やｐ型クラッド層３４を３元或いは４元化合物半導体の組成を変化させた構造とすることにより屈折率を変化させ、効率良く活性層３３に光を閉じ込めることができる分布屈折率分離閉じ込め構造（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ）とすることもできる。本実施形態の場合、ｎ型クラッド層３２やｐ型クラッド層３４がＡｌＧａＮ層のＡｌ、Ｇａの組成比を変えた半導体層を含み、活性層３３から離れるに従って屈折率が大きくなる構造をとることで効率良く光を閉じ込めることができる。
【００３３】
次に、ｐ型クラッド層１４の上側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行いリッジ構造が形成される。本実施形態では、一旦、活性層３３が露出しない深さまでｐ型クラッド層１４を除去して形成された突条部１５によりリッジ構造を形成する。突条部１５の断面形状は矩形であり、〔１−１００〕方向に延在するように残され、後述する共振面とは垂直な方向に形成される。
【００３４】
ｎ型ＧａＮ層３２、ＩｎＧａＮ層３３及びｐ型ＧａＮ層３４から構成される積層構造体４０から、後の工程で分離して形成される半導体レーザー素子を囲むように窓領域３９を形成されている。窓領域３９はエッチングにより突条部３５を形成した後、ｐ型ＧａＮ層３４の上側からＲＩＥなどのエッチングにより基板３１が露出する深さまでエッチングして形成される。このとき、突条部３５の下側のｐ型ＧａＮ層３４、ＩｎＧａＮ層３３及びｎ型ＧａＮ層３２を避けて形成される。突条部３５の下側のｐ型ＧａＮ層３４、ＩｎＧａＮ層３３及びｎ型ＧａＮ層３２は、後の工程でへき開により該素子が基板３１上の積層構造体４０から分離された際に素子分離面となると同時に該素子の共振面を含む領域である。
【００３５】
突条部３５が残されたｐ型クラッド層３４の上側にｐ側電極３６が形成されている。ｐ側電極３６は断面上で突条部３５の上面から、その端部が〔１−１００〕方向に平行で略直線状になるように形成される。突条部３５からｐ型クラッド層３４の表面に広がる形状を有している。ｐ側電極３６はＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの金属薄膜若しくはこれらの金属層を組み合わせた積層構造とすることができる。また、オーミック接触を図るためにｐ側電極３６を形成する前にコンタクトメタル層であるＮｉ層を形成しても良い。
【００３６】
ｐ型ＧａＮ層３４の上側を除去して〔１−１００〕方向に延在して残るように突条部３５を形成し、その上にｐ側電極３６を形成することによりレーザー発振の際の閾値電流を抑えることができる。ｐ側電極３６から注入された電流は、ＩｎＧａＮ層３３の面内のうち突条部１５をＩｎＧａＮ層３３に射影した領域にその大部分が注入される。ＩｎＧａＮ層３３の面内のうち突条部３５の射影された領域に電流を注入することにより、断面上で横方向の光閉じ込めが可能な電流狭窄構造を形成することができる。さらに、ＩｎＧａＮ層３３への突条部３５の射影領域は〔１−１００〕方向に延びているので、ＩｎＧａＮ層３３で発生する光のうちこの方向に射出される光が光増幅に寄与することになる。後述する共振面は〔１−１００〕方向と垂直なＭ面（１−１００）に形成されるので、共振面で反射された光が〔１−１００〕方向に平行に往復し、閾値電流が小さいレーザー発振が可能となる。また、リッジ構造を形成せずに、ｐ側電極をｐ型ＧａＮ層の上側に形成することでも電流狭窄構造を形成することができる。このとき、ｐ側電極を矩形状の電極構造にし、その長手方向を〔１−１００〕方向のすれば良い。
【００３７】
ｎ側電極３８はｎ型ＧａＮ層３２、ＩｎＧａＮ層３３、ｐ型ＧａＮ層３４を積層した後、開口部を形成してｎ型ＧａＮ層３２を露出させたｎ側電極取出し領域１７を形成し、そのｎ側電極取り出し領域３７上にｎ型ＧａＮ層３２と電気的な接触を図るように形成される。このｎ側電極３８は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極構造にすることができる。
【００３８】
また、リッジ構造は本実施形態に示す構造に限らず、様々な構造とすることが可能である。例えば、突条部３５がｐ型ＧａＮ層３４、ＩｎＧａＮ層３３、ｎ型ＧａＮ層３２の積層構造をとるようにｐ型クラッド層３４の上側からエッチングしてもよい。このときｎ型ＧａＮ層３２が露出するまでエッチングしてｐ型ＧａＮ層３２、ＩｎＧａＮ層３３を除去しておけば、開口部を形成することなく、露出させたｎ型ＧａＮ層３２上に直接ｎ側電極３８を形成することもできる。
【００３９】
図５は基板３１の裏面からエネルギービームを照射して、基板３１から該半導体レーザー素子を剥離するとともに該素子の分離を行い、同時に共振面を形成する工程を示す工程図であって、図５（ａ）は工程平面図、（ｂ）はｂ−ｂ‘線断面工程図及び（ｃ）はｃ−ｃ’線断面工程図である。エネルギービームＬは基板３１の裏面から選択的に照射される。エネルギービームＬは、窓領域３９に囲まれた該素子を基板３１に射影した領域に照射される。エネルギービームＬは、基板３１近傍のＧａＮ層１２に到達する。エネルギービームＬはエキシマレーザー光などの高出力パルス紫外線レーザー光を用いる。エキシマレーザー光は、基板３１近傍のｎ型ＧａＮ層３２に吸収され、アブレーションが生じ、ｎ型ＧａＮ層３２と基板３１の接合力が低下する。ここで、突条部３５の下側で窓領域３９を形成しないで残された領域は、アブレーションが生じると同時にへき開され、図６に示すように、素子分離され共振面が形成される。この共振面はＭ面（１−１００）面を有し、突条部３５と垂直な面である。また、突条部３５の下側に残された領域のみで周囲の積層構造体４０とつながっていることにより、この領域でへき開され易くなっており、第１の実施形態と比較して容易に素子分離することが可能であり、Ｍ面を有する共振面も作製しやすい。さらに、突条部３５の下側の分離面はエッチングではなくへき開により積層構造体４０と分離されることから結晶面の損傷が殆どなく、平坦で結晶質の高い共振面を形成することができる。
【００４０】
本実施形態のようにＧａＮ系半導体層によって構成された半導体素子を個々の素子に分離する際、Ｍ面でへき開することにより容易に素子の分離を行うことができ、図６に示すような構造を有する半導体レーザー素子を作製することができる。特に、共振面を形成する領域の近傍を避けて窓領域を形成しておくことにより容易にへき開することもできる。Ｍ面でへき開することによって形成される素子の分離面は非常に平坦であり、さらに結晶層の損傷も少ないので、該分離面を共振面にすることによって高性能の半導体レーザー素子を作製することができる。
【００４１】
[第３の実施形態]
本実施形態のは半導体レーザー素子の製造方法は、基体上に、開口部を有する選択成長マスクを形成する工程と、前記開口部からの選択成長により半導体層を形成する工程と、前記半導体層に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層を形成する工程と、前記基板の裏面から選択的にエネルギービームを照射することにより素子を剥離する工程と、該素子を剥離するとともに該素子を分離することにより共振面を形成する工程とを有することを特徴とする。以下、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４２】
図７は素子分離前の該半導体レーザー素子の構造を示す図であって、図７（ａ）は構造平面図、図７（ｂ）は構造断面図である。先ず、図７の（ａ）、（ｂ）に示すように、サファイア基板５０下地成長層であるｎ型ＧａＮ層５１の上にシリコン酸化膜からなる選択マスク５２が形成される。選択マスク５２に〔１−１００〕方向を長手方向とするストライプ状に開口した開口部５３が形成され、この開口部５３を用いた選択成長により第１導電型クラッド層として機能するシリコンドープのＧａＮ層５４が形成され、その上に活性層となるＩｎＧａＮ層５５が形成され、そのＩｎＧａＮ層５５の上には第２導電型クラッド層として用いられるマグネシウムドープのＧａＮ層５６が形成される。選択成長によりシリコンドープのＧａＮ層５４には稜線が〔１−１００〕方向に延長されるように形成される。この両側には傾斜面がそれぞれ形成され、傾斜面６１はＳ面（{１−１０１}面）であって、稜線が延びる〔１−１００〕方向に延在されるように形成される。傾斜面６１は選択成長時には安定して形成される。また、必ずしも稜線を有するように結晶成長する必要はなく、温度や結晶を構成する材料の濃度などの結晶成長条件を調整することによって、傾斜面がＳ面を有し且つ〔１−１００〕方向に延在して形成され、断面形状が略台形の結晶層を形成しても良い。
【００４３】
本実施形態で用いられる基板は、ウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基体として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板などであり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板又は立方晶系基板であり、より好ましくはは六方晶系基板である。本実施形態のようにサファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることが出来る。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００４４】
この下地成長層としては、化合物半導体層を選択することができ、後の工程でファセット構造を形成する場合にはからウルツ鉱型の化合物半導体を選ぶことが好ましい。窒化物半導体からなる結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成でき、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体などが好ましい。
【００４５】
この化合物半導体層の成長方法としては、種々の気相成長方法を上げることができ、例えば、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライト気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることができる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００℃以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００４６】
傾斜面上で積層される第１導電型クラッド層５４、活性層５５及び第２導電型クラッド層５６において、第１導電型クラッド層５４はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型クラッド層５６はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルへテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成するものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸を分離するための障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることが出来る。さらに、このＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離し難い構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることができる。
【００４７】
第２導電型クラッド層５６であるマグネシウムドープのＧａＮ層５６の上にはｐ側電極５７が形成される。このｐ側電極５７は、接触抵抗を下げるために、所要のコンタクト層を形成し、その後、電極をコンタクト層上に多層の金属膜を蒸着などによって被着して形成してもよく、例えば、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ又はＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる電極層とすることができる。またｎ電極５８も選択マスク５２を開口したＡｕ電極構造であり、第１導電型クラッド層であるシリコンドープのＧａＮ層５４に下地成長層５１を介して電気的に接続される。この時、稜線と垂直に延長されるｐ側電極５７の端部は稜線が延びる方向と垂直に形成され、略直線状とすることでへき開を行うのに好適な形状とされる。
【００４８】
このようにｐ側電極５７、ｎ側電極５８を形成したところで、基板５０の裏面からエネルギービームを照射してへき開面を形成する。エネルギービームは例えばエキシマレーザービームを用いることが出来る。基板５０の裏面からエネルギービームを照射して、基板５０から該半導体レーザー素子を剥離するとともに該素子の分離を行い、同時に共振面を形成する。エネルギービームＬは基板５０の裏面から剥離させる半導体レーザー素子の領域に照射され、基板５０近傍のＧａＮ層５１に到達し、アブレーションが生じる。サファイア基板５０はエキシマレーザーＬを吸収しないので、エキシマレーザー光Ｌが殆ど減衰することなくＧａＮ層５１に到達する。エキシマレーザー光Ｌはｎ型ＧａＮ層５１に吸収され、ｎ型ＧａＮ層５１を構成するＧａＮが金属ＧａとＮ２ガスに分解し、基板５０とＧａＮ層５１の接合力が低下する。その結果、図８に示すように、基板５０からＧａＮ層５１が剥離されるとともに、該素子が分離される。このとき、ｎ型ＧａＮ層５４、ＩｎＧａＮ層５５及びｐ型ＧａＮ層５６から構成され、選択マスク５２上に形成された断面形状が三角形の積層構造体はその稜線が延びる〔１−１００〕方向と垂直な面であるＭ面でへき開される。このへき開により形成されＭ面を有する素子分離面は同時に該素子の共振面となり、光が発生する領域であるＩｎＧａＮ層５５と垂直な面である。ＧａＮ系半導体層を結晶成長した場合、Ｍ面は他の面と比較してへき開され易い傾向にある。本実施形態のようにＧａＮ系半導体層によって構成された半導体素子を個々の素子に分離する際、Ｍ面で優先的にへき開することができ、容易に素子の分離が可能となり、基板上に形成した積層構造体から素子を分離するとともに、良質な共振面を形成することができる。ここで、マスク層５２は積層構造体４０に応力を加えることによってＭ面を含むようにへき開される。特に、積層構造体４０がへき開して強度が低下した領域近傍のマスク層５２は容易にへき開することができる。
【００４９】
特に、Ｍ面でへき開することによって形成される素子の分離面は非常に平坦であり、さらに結晶層の損傷も少ないので、該分離面を共振面にすることによって高性能の半導体レーザー素子を作製することができる。
【００５０】
また、稜線が〔１−１００〕方向に延びて形成された断面形状が三角形の積層構造体の延長上の共振面を形成する領域の近傍を避けて窓領域を形成しておくことにより容易にへき開することもできる  特に、素子分離面を共振面とする半導体レーザー素子の製造方法においては、Ｍ面でへき開することにより平坦で且つ結晶層の損傷が抑制された共振面を形成できるとともに、素子の剥離と素子の分離が同時に可能となり、素子の品質の向上と製造工程の簡略化同時に実現することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザー素子の製造方法によれば、〔１−１００〕方向に光導波を形成するように電流狭窄構造を形成し、へき開を容易に行うことができるＭ面（｛１−１００｝面）でへき開することにより平坦で結晶層の損傷が殆どない共振面を形成することができる。さらにエネルギービームを照射してアブレーションを行うことによって基板から半導体レーザー素子を剥離するとともに素子の分離を行うことにより、製造工程を簡略化することができ、コストダウンに繋がる。
【００５２】
よって、本発明の半導体レーザー素子の製造方法によれば、製造工程の簡略化によるコストダウンを実現できると同時に、高品質の半導体レーザー素子を作製でき、製造工程の簡略化と該素子の品質の向上という大きな利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法に関し、素子分離前の構造示す構造図であって、（ａ）は構造斜視図であり、（ｂ）は構造断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法に関し、素子を分離する工程を示す工程図であって、（ａ）は工程平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ’線工程断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子に関し、素子を分離した後の構造を示す構造図であって、（ａ）は構造斜視図図、（ｂ）は構造断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法に関し、素子を分離する前の構造示す構造斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法に関し、素子を分離する工程を示す工程図であって、図５（ａ）は工程平面図、（ｂ）はｂ−ｂ’線構造断面図、（ｃ）はｃ−ｃ’線構造断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法に関し、素子を分離した後の素子構造を示す構造斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法にかかる、素子分離前の素子構造を示す構造図であって、図７（ａ）は平面構造図、（ｂ）はｂ−ｂ’線構造断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の半導体レーザー素子にかかる、素子分離後の素子構造を示す図であって、（ａ）は平面構造図、（ｂ）はｂ−ｂ’線構造断面図である。
【符号の説明】
１１、３１、５０    基板
１２、３２    ｎ型クラッド層
１３、３３、５５    活性層
１４、３４、５４    ｐ型クラッド層
１５、３５    突条部
１６、３６    ｐ側電極
１８、３８、５８    ｎ側電極
３９    窓領域
５１    下地成長層
５２    選択マスク
ＧａＮ    後
Ｌ    エキシマレーザー
【図１】
0003804485.tif 000002
【図２】
0003804485.tif 000003
【図３】
0003804485.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003804485.tif 000006
【図６】
0003804485.tif 000007
【図７】
0003804485.tif 000008
【図８】
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