JP3659621B2 - 窒化物系半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はGax Iny Alz B 1-x-y-z N （０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる窒化物系半導体レーザ装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度光ディスクシステム等への応用を目的として短波長の半導体レーザ装置の開発が進められている。この種のレーザーでは記録密度を高めるために発振波長を短くすることが要求されている。
【０００３】
現在、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる６００ｎｍ帯光源を有する半導体レーザ装置は、ディスクの読み込み、書き込みのどちらも可能なレベルにまで特性改善され、すでに実用化されている。そこで、さらなる記録密度向上を目指して、発振波長帯が青色から青紫色であるＧａＮ系半導体レーザ装置の開発が盛んに行われている。
【０００４】
ＧａＮ系半導体レーザ装置は、発振波長帯が３５０ｎｍ以下まで可能で、信頼性に関しても数千時間以上の室温連続発振が報告されている。この系でのＬＥＤでは１万時間以上の信頼性が確認されるなど今後レーザ装置についても有望である。したがって、ＧａＮ系半導体は、次世代の光ディスクシステム光源に必要な条件を満たす半導体レーザ装置の優れた材料として期待されている。
【０００５】
半導体レーザ装置を、光ディスクシステム等へ応用するためには、安定した高出力のレーザ特性が不可欠である。たとえば、しきい電流値が低く熱抵抗の十分低い半導体レーザを製作することが重要となる。ＧａＮ系半導体レーザの場合、サファイア基板上に気相成長して作成されているので、基板との格子不整合が大きいため、転位などが発生し、膜質は決して満足の行くものが得られていない。
【０００６】
また、このサファイア基板は熱伝導率が低いために放熱性が悪く、レーザ光の高出力化が得られないという問題がある。また、サファイア基板は、劈開が容易でないために、素子分離が難しく、チップアセンブリが困難であるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の窒化物系半導体レーザは、サファイア基板上に膜質のよい窒化物系半導体膜が形成されず、所望のレーザ特性が選られない問題がある。またサファイア基板は、放熱性が悪いために、レーザ光の高出力化が得られないという問題がある。さらに、サファイア基板は劈開が困難であり、素子分離が難しく、チップアセンブリが容易でないという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、低閾値電流で高出力なレーザ特性を有する窒化物系半導体レーザ装置を提供し、モジュール化が容易な窒化物系半導体レーザ装置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】
上記目的を達成するために、本発明は、第１の基板上に複数の開口部を有する SiO 2 膜を形成する工程と、前記複数の開口部の各々から前記第１の基板上に窒化物系半導体層を隣り合う前記窒化物系半導体層と接触しないようにそれぞれ成長する工程を備え、これらの複数の窒化物系半導体層の各々を成長する工程は、窒化物系半導体（ Ga x In y Al z B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるコンタクト層と、このコンタクト層上に形成される窒化物系半導体（ Ga x In y Al z B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる活性層と、前記活性層を挟むように形成される導電型の異なる窒化物系半導体（ Ga x In y Al z B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層とを形成する工程を具備し、前記活性層および前記クラッド層は、対応する前記開口部から横方向に、前記コンタクト層の膜厚以上離して形成することを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置の製造方法を提供する。
【００１１】
また、本発明は、前記活性層および前記クラッド層を形成した後、前記複数の窒化物系半導体層上に、最表面がAuからなる金属電極を形成する工程と、フォトレジストまたは絶縁物をマスクとして窒化物系半導体積層構造を垂直にエッチングし、素子分離する工程と、表面に、Auが形成されてなる第２の基板上に、前記金属電極をAu を含む共晶半田を介して、貼り付ける工程と、前記第１の基板及び前記SiO 2 膜を剥離し、前記第１の基板を除去する工程と、前記素子分離された素子の積層構造の側面に高誘電体薄膜積層構造からなる高反射コートを形成する工程と、前記第２の基板を劈開または機械的に切断する工程とを含むことを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明では、サファイアなどの基板上にストライプ状の開口部を有するSiO 2 等の絶縁膜を形成し、この開口部を核として、窒化物系半導体膜を積層するものである。本発明者らの研究の結果、前記開口部上の窒化物系半導体膜中には、転位やボイドが発生しやすく、良好な膜質を得られず、この部分に前記活性層および前記クラッド層を形成すると、レーザ特性が著しく低下することを見出した。
【００１３】
そこで、本発明者らは、前記開口部上から横方向に、コンタクト層の膜厚よりも遠くなるような位置には、転位やボイドが発生しにくいことを見出し、この位置に選択的に前記活性層および前記クラッド層を形成することで、レーザ特性の向上をはかれることを見出したものである。
【００１４】
また、本発明は、前記活性層および前記クラッド層を成長形成した後、前記絶縁体をエッチングし、前記開口部分で劈開除去することを特徴とする。この場合、劈開時に、開口部上に転位が発生しやすく、開口部上に前記活性層および前記クラッド層を形成することができない。したがって、前記活性層および前記クラッド層を開口部から横方面で形成することは、開口部で素子を除去する場合にも、ダメージを与えない効果を有する。
【００１５】
また、本発明では、チップ化に不適なサファイア基板等の結晶成長基板を取り除き、別の基板に転写することで、アセンブリ性を向上させるとともに放熱性を改善することで、低電流駆動、高出力動作、ビーム集光性などの良好な特性を得るようにするものである。
【００１６】
ここで、本発明の望ましい形態としては、次のようなものが挙げられる。
転写される基板としては、半導体基板または熱伝導率が窒化物系半導体レーザより大きい基板が好ましい。また、この基板には、窒化物系半導体レーザの出射光に対して垂直では無い受光面を有する受光装置を集積することが好ましい。こうすることで高密度光ディスクシステムのモジュールを容易に形成できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係わる青色半導体レーザ装置の断面図である。また図２は、これを基板上にアセンブリした半導体レーザモジュールの斜視図である。
【００１８】
図１に示すように、サファイア基板１０上に、ストライプ状の開口部を有するSiO 2 絶縁膜１１が形成されている。このSiO 2 絶縁膜１１上には、ラテラル成長したｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、80μｍ）１２、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、1.5 μｍ）１３、ｎ−ＧａＮ光導波層（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、0.1 μｍ）と多重量子井戸活性層（Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層（３ｎｍ、３層）／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層（６ｎｍ））とｐ−ＧａＮ光導波層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、0.1 μｍ）からなるＳＣＨ−ＭＱＷ(Separate Confinement Heterostructure Multi-Quqntum Well) 活性層１４、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、1.5 μｍ）１５が形成されている。
【００１９】
ｎクラッド層１３、活性層１４、ｐクラッド層１４は、開口部から横方向へ距離ｄ離れた位置にリッジ状に形成されている。この位置は、距離ｄ≧コンタクト層厚ｈとなるように設定されている。前記リッジ形状は、エッチングにより形成してもよいし、開口部を有する絶縁膜を形成し、開口部上に選択成長させてもよい。
【００２０】
このリッジ部の側面には、ｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ光吸収層（Ｍｇドープ、２×１０18ｃｍ-3、0.5 μｍ）１６が再成長され、この上にｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ電流ブロック層（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、２μｍ）１７が埋め込み形成されている。これらの層上には、ｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、２×１０18ｃｍ-3、0.5 μｍ）１８が形成されている。ｐコンタクト層１８上には、Pt／Ti／Pt／Auからなるｐ側電極１８、AuSn共晶半田層（２μｍ）２０が形成されている。
【００２１】
この後、SiO 2 絶縁層１１をエッチング除去し、開口部で素子を除去する。図2 に示すように、図1 で形成されたレーザ素子部が、ｃ−BNマウント上に形成されている。２１はTi/Au からなるｎ側電極、２３はTi/Pt/Auパッドである。
【００２２】
この実施例では、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性領域１４の幅は４μｍとしている。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 （４分の１波長厚）／ＳｉＯ2 （４分の１波長厚）を多層に積層した高反射コートを施している。
【００２３】
次に、図１、図２、図３、図４を用いて、この窒化物半導体レーザ装置の製造方法を説明する。
先ず、両面を鏡面状に研磨したサファイア基板１０の片側の表面に、気相成長（ＣＶＤ）法でSiO 2 層１１を200nm 堆積する。次に、SiO 2 層１１を光リソグラフィ法で10μm × 500μm の開口部（500 μm x 1000μm ピッチ）をサファイア基板１０が露出するまで開け、選択成長マスクを形成する。
【００２４】
次に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）で、この基板上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１３、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性領域１４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５を順次成長する。ここで、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２はハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いても構わない。ただし、いずれの結晶成長方法においてもｎ−ＧａＮコンタクト層１２の成長開始から成長終了直前までは、キャリアガスを窒素とすることが望ましい。これは、窒素キャリアの場合、垂直方向の結晶成長速度に対し横方向の結晶成長速度が２倍早い。水素キャリアの場合、成長速度は窒素キャリアの場合の逆になりアスペクト比が高く取れるが、錘状結晶になりやすい。但し、いずれの場合でも、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２の結晶成長温度を１２００℃以上の高温にすることが望ましい。
【００２５】
SiO2 選択成長マスク１１のピッチは、結晶成長する窒化物半導体層の全層厚の４倍以上にすることで、隣の素子と完全に分離したまま結晶成長を終了することができる。このピッチの設定は、結晶成長後の降温過程にとって重要である。隣り合う窒化物半導体層が接触してしまうと、降温時に窒化物半導体層とサファイア基板１０の熱膨張係数の差により窒化物半導体層はもとよりサファイア基板１０も割れが生じ、その後の工程に多大な影響を与えるばかりか歩留まりが急激に下がる。
【００２６】
次に、再度SiO 2 膜を堆積し、共振器方向が窒化物半導体層の{ EMBED Equation.2 , } 方向と垂直になるように光リソグラフィ法で幅４μｍのメサを形成する。メサストライプの位置は、下地のSiO 2 選択成長マスク１１に対して平行、且つ横方向にはｎ−ＧａＮコンタクト層１２の厚さ以上離れた位置に形成する。これは、下地のSiO 2 選択成長マスク１１の開口部直上の窒化物半導体層には結晶転位が多く存在すること、この位置が最も転位密度が低いためである。
【００２７】
次に、このSiO 2 ストライプ膜をマスクとして、MOCVD 法でｐ−ＩｎＧａＮ光吸収層１６及びｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１７を選択成長し、SiO 2 ストライプマスクを除去した後に、再度MOCVD 法でｐ−ＧａＮコンタクト層１８を成長する。
【００２８】
次に、電子ビーム蒸着法や抵抗加熱法を用いてPt/Ti/Pt/Au の順にｐ側電極１９を堆積し、さらに、AuとSnを交互に堆積しSn重量組成が２０％になるようにAuSn共晶半田層２０を形成する。
【００２９】
次に、４００μm 幅、５００μm 共振器長となるようにフォトレジストで窒化物半導体積層構造からなるメサ形状の上にマスクを形成し、ドライエッチング法で光出射端面を含む側面全体を垂直にエッチングする。
【００３０】
次に図４に示すように、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ボロン）基板２２（厚さ３００μｍ）にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ２３を順次堆積し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ面が８００μｍ幅で残るようなメサ型ストライプ（１０００μｍピッチ、幅２００μｍ深さ１００μｍ）を形成する。
【００３１】
次に、この基板２２のメタライズしたストライプの１辺と窒化物半導体レーザを作成しているサファイア基板１０の一方の出射端面を貼り合せ、窒素雰囲気中３２０℃３０秒の熱処理で熱圧着させる。ここで貼り合せ工程は、サファイア基板１０側から光学的に観察すると、サファイア基板１０が透明であるので、容易に１μｍ程度の精度が得られる。
【００３２】
次に、弗酸に浸し、SiO 2 選択成長マスク１１を完全に除去し、さらに、超音波洗浄またはサファイア基板１０側からレーザ光を照射することでサファイア基板１０を剥離する。ここで、サファイア基板１０を剥離したウェハを光学的に観察すると、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２の中心部には高さ０．２μｍ、幅１０μｍの段差ストライプが１素子当たり１本のみ確認できる。これは、SiO 2 選択成長マスク１１を用いたＭＯＣＶＤ成長の成長初期過程で形成されたものであり、本発明で形成した素子の特徴である。この段差ストライプのみで弗酸侵食後はサファイア基板１０と接触しているので、超音波洗浄やレーザ照射により素子破壊を招くことなくサファイア基板１０を剥離できる。
【００３３】
次に、ＥＣＲ−ＣＶＤ（電子サイクロトロン共鳴ＣＶＤ）法やスパッタ法などで光出射端面の膜厚がレーザ発振波長の４分の１の厚さになるようにＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 からなる高反射コート２４を形成する。
【００３４】
次に、電極取り出しのために、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２の上全面及び露出したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ面の一部のＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 からなる絶縁性膜を剥離し、Ｔｉ／Ａｕを順次堆積する。この時、高反射コートを作成後にウェハ全面にポリイミド等の樹脂で平坦に埋め込み、さらにフォトレジストを用いて、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２の全面とＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの一部を露出させて、電極取り出しパッドを形成すると、極めて薄型のレーザパッケージが形成できる。
【００３５】
次に、ｃ−ＢＮ基板２２の溝中とその垂直方向の各素子を分離する位置で、ダイアモンドカッターダイシング装置等により、ｃ−ＢＮを切り出し素子分離を行う。
【００３６】
本実施例では、共振器長０．５ｍｍの場合、閾値電流３０ｍＡ、発振波長は４０５ｎｍ、動作電圧は４．５Ｖで室温連続発振した。さらに５０℃、５０ｍＷ駆動における素子寿命は５０００時間以上であった。また、ファーフィールド・パターン（ＦＦＰ）は水平角７°、垂直角２２°で単峰のピークであり、光ディスク応用に適したビーム特性が得られた。
【００３７】
この窒化物系半導体レーザ装置の場合、活性層１４がSiO 2 選択成長マスク１１の直上には無く、最も転位密度の低い領域に形成してなるので、漏洩電流が抑制され、低閾値電流で発振が可能になり、活性層１４で発生した熱は熱伝導率の高いｃ−ＢＮにより放熱が容易になる。また出射光は窒化物半導体層端面とｃ−ＢＮ段差面が一致しているために光を蹴られ無いばかりかｃ−ＢＮの段差下部まで出射端面が機械的な損傷を受けずにレンズと近づけることも可能である。
【００３８】
また、本発明の製造工程において、チップ化の段階では既にマウントされた状態であるために、劈開法を含めた通常のチップ化では発生する微細な塵などによるマウントアセンブリの誤差等を生じることなく、高密度光ディスクシステムに適用可能な半導体レーザが容易に歩留まり良く得られる。
【００３９】
また、樹脂埋め込みを行った薄型モジュール基板の場合、コリメートレンズと接触させた組み込みが容易にできる。
図５は本発明の第２の実施例に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。本実施例の第１の実施例と異なる点は、ｃ−ＢＮ基板２２に４５°ｆａｃｅｔを有するミラーを括り付けたことである。従って、製造方法に特に変更は無いが、出射端面高反射コートと同時に形成された４５°ｆａｃｅｔ面のＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 高反射コート膜２４は反射ミラーとして用いており、また、レーザ部をｃ−ＢＮに熱圧着する際に光出射面とｃ−ＢＮ基板との位置合せは４５°ｆａｃｅｔ側で行っている。
【００４０】
本実施例では、第１の実施例のレーザ特性と同様の特性を示したが、光出射方向は第１の実施例では水平方向であるのに対し、本実施例では垂直方向である。これにより、例えば、ワイアアセンブリを含むモジュール化の工程で最終的にモジュール上面に樹脂で平坦に埋め込むことが容易であり、モジュールの小型化が可能になった。
【００４１】
図６は本発明の第３の実施例に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。本実施例の第１の実施例と異なる点は、ｃ−ＢＮの代わりに４５°ｆａｃｅｔを受光面とするＰＩＮフォトダイオードを有するＳｉを基板２２として用いた点である。従って、製造方法に特に変更は無いので省略する。
【００４２】
本実施例では、第１の実施例に比べて放熱性が劣るので最大光出力は１０％程度低下したが、他の特性は第１の実施例のレーザ特性と同様の特性を示した。また、後ろ側の出射光を近傍でモニタできるので、出射光の安定出力を維持するための駆動電流制御が容易にできた。また、本実施例は容易に第２の実施例の垂直方向の光取り出しと組み合わせができる。ＰＩＮフォトダイオードが４５°の位置にあるのは、Ｓｉ基板の４５°面出しが弗硝酸または水酸化カリウム系のエッチングにより容易にできること、ｐドーパント拡散や電極形成工程が従来技術でできること、Ｓｉ基板の一番高い面が窒化物半導体基板との貼り合せの際にサファイア基板に接触しない範囲で設定できること、などの製造工程の容易さとともに、レーザ端面から出射された光が反射によって活性層に戻るときに発生する、所謂戻り光雑音を防ぐためである。
【００４３】
図７は本発明の第４の実施例に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。本実施例が第１の実施例と異なる点は、直列の２素子を１チップとし、一方はレーザ素子として、他方は受光素子としていることである。本実施例の製造方法において本実施例１と異なるのは、レーザ端面形成のためのドライエッチング垂直加工において、レーザ素子は活性層に垂直面を形成するのに対し、受光素子側は戻り光対策のために水平方向のみ１０°ずらした面を形成すること、光出射端面への高反射コート形成において、レーザ素子は両面にコートを施すのに対し、受光素子側は入射側にはコートを施さないことである。実工程では、ドライエッチング用フォトレジストマスクをレーザ素子側は活性層に垂直に、受光素子側は活性層に対し８０°方向に形成すれば良い。また、受光素子側の入射面の高反射コート膜は予めフォトレジストマスクでカバーしておくか、コート後にエッチングで取り除いても良い。
【００４４】
本実施例ではｃ−ＢＮ基板２２を用いたがＳｉ等の半導体基板を用いる場合には、レーザ素子と受光素子の電気的な分離を行うためにＳｉ基板（駆動回路を集積した基板でも可能）とＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ面の間にはＳｉＯ2 絶縁膜を挿入すれば良い。
【００４５】
本実施例では、第１の実施例のレーザ特性と同様の特性を示した。また、第３の実施例と同様の駆動電流制御が容易にできた。また、本実施例は同時にレーザ素子と受光素子を容易に形成できるので、製造工程が複雑にならず、歩留まりも高い。
【００４６】
なお本発明は本実施例に限られるものではなく、基板２２として、ＳｉやＧａＡｓである半導体のみならずレーザ駆動回路や、受光信号処理回路を集積した半導体基板、または、ＳｉＣ、ダイアモンドなどの単結晶基板、ＡｌＮなどのセラミック基板なども適用可能である。さらに、レーザ構造においては、本発明の趣旨に逸脱しない限り種々の適用が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、低閾値で且つビーム特性が良く、また製造方法も容易な窒化物系半導体レーザが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例に係わる窒化物半導体レーザの断面図
【図２】 本発明の第１の実施例に係わる窒化物半導体レーザの斜視図
【図３】 本発明の第１の実施例に係わる窒化物半導体レーザの製造方法を説明する図
【図４】 本発明の第１の実施例に係わる窒化物半導体レーザの製造方法を説明する図
【図５】 本発明の第２の実施例に係わる窒化物半導体レーザの断面図
【図６】 本発明の第３の実施例に係わる窒化物半導体レーザの断面図
【図７】 本発明の第４の実施例に係わる窒化物半導体レーザの断面図
【符号の説明】
１０・・・サファイア基板
１１・・・SiO 2 選択成長マスク
１２・・・ｎ−ＧａＮコンタクト層
１３・・・ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層
１４・・・SCH-MQW 活性領域
１５・・・ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層
１６・・・ｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ光吸収層
１７・・・ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ電流ブロック層
１８・・・ｐ−ＧａＮコンタクト層
１９・・・ｐ側電極
２０・・・AuSn共晶半田層
２１・・・ｎ側電極
２２・・・c-BNマウント
２３・・・Ti/Pt/Auパッド
２４・・・高反射コート
【発明の属する技術分野】
本発明はGax Iny Alz B 1-x-y-z N （０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる窒化物系半導体レーザ装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度光ディスクシステム等への応用を目的として短波長の半導体レーザ装置の開発が進められている。この種のレーザーでは記録密度を高めるために発振波長を短くすることが要求されている。
【０００３】
現在、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる６００ｎｍ帯光源を有する半導体レーザ装置は、ディスクの読み込み、書き込みのどちらも可能なレベルにまで特性改善され、すでに実用化されている。そこで、さらなる記録密度向上を目指して、発振波長帯が青色から青紫色であるＧａＮ系半導体レーザ装置の開発が盛んに行われている。
【０００４】
ＧａＮ系半導体レーザ装置は、発振波長帯が３５０ｎｍ以下まで可能で、信頼性に関しても数千時間以上の室温連続発振が報告されている。この系でのＬＥＤでは１万時間以上の信頼性が確認されるなど今後レーザ装置についても有望である。したがって、ＧａＮ系半導体は、次世代の光ディスクシステム光源に必要な条件を満たす半導体レーザ装置の優れた材料として期待されている。
【０００５】
半導体レーザ装置を、光ディスクシステム等へ応用するためには、安定した高出力のレーザ特性が不可欠である。たとえば、しきい電流値が低く熱抵抗の十分低い半導体レーザを製作することが重要となる。ＧａＮ系半導体レーザの場合、サファイア基板上に気相成長して作成されているので、基板との格子不整合が大きいため、転位などが発生し、膜質は決して満足の行くものが得られていない。
【０００６】
また、このサファイア基板は熱伝導率が低いために放熱性が悪く、レーザ光の高出力化が得られないという問題がある。また、サファイア基板は、劈開が容易でないために、素子分離が難しく、チップアセンブリが困難であるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の窒化物系半導体レーザは、サファイア基板上に膜質のよい窒化物系半導体膜が形成されず、所望のレーザ特性が選られない問題がある。またサファイア基板は、放熱性が悪いために、レーザ光の高出力化が得られないという問題がある。さらに、サファイア基板は劈開が困難であり、素子分離が難しく、チップアセンブリが容易でないという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、低閾値電流で高出力なレーザ特性を有する窒化物系半導体レーザ装置を提供し、モジュール化が容易な窒化物系半導体レーザ装置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】
上記目的を達成するために、本発明は、第１の基板上に複数の開口部を有する SiO 2 膜を形成する工程と、前記複数の開口部の各々から前記第１の基板上に窒化物系半導体層を隣り合う前記窒化物系半導体層と接触しないようにそれぞれ成長する工程を備え、これらの複数の窒化物系半導体層の各々を成長する工程は、窒化物系半導体（ Ga x In y Al z B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるコンタクト層と、このコンタクト層上に形成される窒化物系半導体（ Ga x In y Al z B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる活性層と、前記活性層を挟むように形成される導電型の異なる窒化物系半導体（ Ga x In y Al z B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層とを形成する工程を具備し、前記活性層および前記クラッド層は、対応する前記開口部から横方向に、前記コンタクト層の膜厚以上離して形成することを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置の製造方法を提供する。
【００１１】
また、本発明は、前記活性層および前記クラッド層を形成した後、前記複数の窒化物系半導体層上に、最表面がAuからなる金属電極を形成する工程と、フォトレジストまたは絶縁物をマスクとして窒化物系半導体積層構造を垂直にエッチングし、素子分離する工程と、表面に、Auが形成されてなる第２の基板上に、前記金属電極をAu を含む共晶半田を介して、貼り付ける工程と、前記第１の基板及び前記SiO 2 膜を剥離し、前記第１の基板を除去する工程と、前記素子分離された素子の積層構造の側面に高誘電体薄膜積層構造からなる高反射コートを形成する工程と、前記第２の基板を劈開または機械的に切断する工程とを含むことを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明では、サファイアなどの基板上にストライプ状の開口部を有するSiO 2 等の絶縁膜を形成し、この開口部を核として、窒化物系半導体膜を積層するものである。本発明者らの研究の結果、前記開口部上の窒化物系半導体膜中には、転位やボイドが発生しやすく、良好な膜質を得られず、この部分に前記活性層および前記クラッド層を形成すると、レーザ特性が著しく低下することを見出した。
【００１３】
そこで、本発明者らは、前記開口部上から横方向に、コンタクト層の膜厚よりも遠くなるような位置には、転位やボイドが発生しにくいことを見出し、この位置に選択的に前記活性層および前記クラッド層を形成することで、レーザ特性の向上をはかれることを見出したものである。
【００１４】
また、本発明は、前記活性層および前記クラッド層を成長形成した後、前記絶縁体をエッチングし、前記開口部分で劈開除去することを特徴とする。この場合、劈開時に、開口部上に転位が発生しやすく、開口部上に前記活性層および前記クラッド層を形成することができない。したがって、前記活性層および前記クラッド層を開口部から横方面で形成することは、開口部で素子を除去する場合にも、ダメージを与えない効果を有する。
【００１５】
また、本発明では、チップ化に不適なサファイア基板等の結晶成長基板を取り除き、別の基板に転写することで、アセンブリ性を向上させるとともに放熱性を改善することで、低電流駆動、高出力動作、ビーム集光性などの良好な特性を得るようにするものである。
【００１６】
ここで、本発明の望ましい形態としては、次のようなものが挙げられる。
転写される基板としては、半導体基板または熱伝導率が窒化物系半導体レーザより大きい基板が好ましい。また、この基板には、窒化物系半導体レーザの出射光に対して垂直では無い受光面を有する受光装置を集積することが好ましい。こうすることで高密度光ディスクシステムのモジュールを容易に形成できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係わる青色半導体レーザ装置の断面図である。また図２は、これを基板上にアセンブリした半導体レーザモジュールの斜視図である。
【００１８】
図１に示すように、サファイア基板１０上に、ストライプ状の開口部を有するSiO 2 絶縁膜１１が形成されている。このSiO 2 絶縁膜１１上には、ラテラル成長したｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、80μｍ）１２、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、1.5 μｍ）１３、ｎ−ＧａＮ光導波層（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、0.1 μｍ）と多重量子井戸活性層（Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層（３ｎｍ、３層）／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層（６ｎｍ））とｐ−ＧａＮ光導波層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、0.1 μｍ）からなるＳＣＨ−ＭＱＷ(Separate Confinement Heterostructure Multi-Quqntum Well) 活性層１４、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、1.5 μｍ）１５が形成されている。
【００１９】
ｎクラッド層１３、活性層１４、ｐクラッド層１４は、開口部から横方向へ距離ｄ離れた位置にリッジ状に形成されている。この位置は、距離ｄ≧コンタクト層厚ｈとなるように設定されている。前記リッジ形状は、エッチングにより形成してもよいし、開口部を有する絶縁膜を形成し、開口部上に選択成長させてもよい。
【００２０】
このリッジ部の側面には、ｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ光吸収層（Ｍｇドープ、２×１０18ｃｍ-3、0.5 μｍ）１６が再成長され、この上にｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ電流ブロック層（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、２μｍ）１７が埋め込み形成されている。これらの層上には、ｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、２×１０18ｃｍ-3、0.5 μｍ）１８が形成されている。ｐコンタクト層１８上には、Pt／Ti／Pt／Auからなるｐ側電極１８、AuSn共晶半田層（２μｍ）２０が形成されている。
【００２１】
この後、SiO 2 絶縁層１１をエッチング除去し、開口部で素子を除去する。図2 に示すように、図1 で形成されたレーザ素子部が、ｃ−BNマウント上に形成されている。２１はTi/Au からなるｎ側電極、２３はTi/Pt/Auパッドである。
【００２２】
この実施例では、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性領域１４の幅は４μｍとしている。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 （４分の１波長厚）／ＳｉＯ2 （４分の１波長厚）を多層に積層した高反射コートを施している。
【００２３】
次に、図１、図２、図３、図４を用いて、この窒化物半導体レーザ装置の製造方法を説明する。
先ず、両面を鏡面状に研磨したサファイア基板１０の片側の表面に、気相成長（ＣＶＤ）法でSiO 2 層１１を200nm 堆積する。次に、SiO 2 層１１を光リソグラフィ法で10μm × 500μm の開口部（500 μm x 1000μm ピッチ）をサファイア基板１０が露出するまで開け、選択成長マスクを形成する。
【００２４】
次に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）で、この基板上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１３、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性領域１４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５を順次成長する。ここで、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２はハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いても構わない。ただし、いずれの結晶成長方法においてもｎ−ＧａＮコンタクト層１２の成長開始から成長終了直前までは、キャリアガスを窒素とすることが望ましい。これは、窒素キャリアの場合、垂直方向の結晶成長速度に対し横方向の結晶成長速度が２倍早い。水素キャリアの場合、成長速度は窒素キャリアの場合の逆になりアスペクト比が高く取れるが、錘状結晶になりやすい。但し、いずれの場合でも、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２の結晶成長温度を１２００℃以上の高温にすることが望ましい。
【００２５】
SiO2 選択成長マスク１１のピッチは、結晶成長する窒化物半導体層の全層厚の４倍以上にすることで、隣の素子と完全に分離したまま結晶成長を終了することができる。このピッチの設定は、結晶成長後の降温過程にとって重要である。隣り合う窒化物半導体層が接触してしまうと、降温時に窒化物半導体層とサファイア基板１０の熱膨張係数の差により窒化物半導体層はもとよりサファイア基板１０も割れが生じ、その後の工程に多大な影響を与えるばかりか歩留まりが急激に下がる。
【００２６】
次に、再度SiO 2 膜を堆積し、共振器方向が窒化物半導体層の{ EMBED Equation.2 , } 方向と垂直になるように光リソグラフィ法で幅４μｍのメサを形成する。メサストライプの位置は、下地のSiO 2 選択成長マスク１１に対して平行、且つ横方向にはｎ−ＧａＮコンタクト層１２の厚さ以上離れた位置に形成する。これは、下地のSiO 2 選択成長マスク１１の開口部直上の窒化物半導体層には結晶転位が多く存在すること、この位置が最も転位密度が低いためである。
【００２７】
次に、このSiO 2 ストライプ膜をマスクとして、MOCVD 法でｐ−ＩｎＧａＮ光吸収層１６及びｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１７を選択成長し、SiO 2 ストライプマスクを除去した後に、再度MOCVD 法でｐ−ＧａＮコンタクト層１８を成長する。
【００２８】
次に、電子ビーム蒸着法や抵抗加熱法を用いてPt/Ti/Pt/Au の順にｐ側電極１９を堆積し、さらに、AuとSnを交互に堆積しSn重量組成が２０％になるようにAuSn共晶半田層２０を形成する。
【００２９】
次に、４００μm 幅、５００μm 共振器長となるようにフォトレジストで窒化物半導体積層構造からなるメサ形状の上にマスクを形成し、ドライエッチング法で光出射端面を含む側面全体を垂直にエッチングする。
【００３０】
次に図４に示すように、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ボロン）基板２２（厚さ３００μｍ）にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ２３を順次堆積し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ面が８００μｍ幅で残るようなメサ型ストライプ（１０００μｍピッチ、幅２００μｍ深さ１００μｍ）を形成する。
【００３１】
次に、この基板２２のメタライズしたストライプの１辺と窒化物半導体レーザを作成しているサファイア基板１０の一方の出射端面を貼り合せ、窒素雰囲気中３２０℃３０秒の熱処理で熱圧着させる。ここで貼り合せ工程は、サファイア基板１０側から光学的に観察すると、サファイア基板１０が透明であるので、容易に１μｍ程度の精度が得られる。
【００３２】
次に、弗酸に浸し、SiO 2 選択成長マスク１１を完全に除去し、さらに、超音波洗浄またはサファイア基板１０側からレーザ光を照射することでサファイア基板１０を剥離する。ここで、サファイア基板１０を剥離したウェハを光学的に観察すると、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２の中心部には高さ０．２μｍ、幅１０μｍの段差ストライプが１素子当たり１本のみ確認できる。これは、SiO 2 選択成長マスク１１を用いたＭＯＣＶＤ成長の成長初期過程で形成されたものであり、本発明で形成した素子の特徴である。この段差ストライプのみで弗酸侵食後はサファイア基板１０と接触しているので、超音波洗浄やレーザ照射により素子破壊を招くことなくサファイア基板１０を剥離できる。
【００３３】
次に、ＥＣＲ−ＣＶＤ（電子サイクロトロン共鳴ＣＶＤ）法やスパッタ法などで光出射端面の膜厚がレーザ発振波長の４分の１の厚さになるようにＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 からなる高反射コート２４を形成する。
【００３４】
次に、電極取り出しのために、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２の上全面及び露出したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ面の一部のＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 からなる絶縁性膜を剥離し、Ｔｉ／Ａｕを順次堆積する。この時、高反射コートを作成後にウェハ全面にポリイミド等の樹脂で平坦に埋め込み、さらにフォトレジストを用いて、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２の全面とＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの一部を露出させて、電極取り出しパッドを形成すると、極めて薄型のレーザパッケージが形成できる。
【００３５】
次に、ｃ−ＢＮ基板２２の溝中とその垂直方向の各素子を分離する位置で、ダイアモンドカッターダイシング装置等により、ｃ−ＢＮを切り出し素子分離を行う。
【００３６】
本実施例では、共振器長０．５ｍｍの場合、閾値電流３０ｍＡ、発振波長は４０５ｎｍ、動作電圧は４．５Ｖで室温連続発振した。さらに５０℃、５０ｍＷ駆動における素子寿命は５０００時間以上であった。また、ファーフィールド・パターン（ＦＦＰ）は水平角７°、垂直角２２°で単峰のピークであり、光ディスク応用に適したビーム特性が得られた。
【００３７】
この窒化物系半導体レーザ装置の場合、活性層１４がSiO 2 選択成長マスク１１の直上には無く、最も転位密度の低い領域に形成してなるので、漏洩電流が抑制され、低閾値電流で発振が可能になり、活性層１４で発生した熱は熱伝導率の高いｃ−ＢＮにより放熱が容易になる。また出射光は窒化物半導体層端面とｃ−ＢＮ段差面が一致しているために光を蹴られ無いばかりかｃ−ＢＮの段差下部まで出射端面が機械的な損傷を受けずにレンズと近づけることも可能である。
【００３８】
また、本発明の製造工程において、チップ化の段階では既にマウントされた状態であるために、劈開法を含めた通常のチップ化では発生する微細な塵などによるマウントアセンブリの誤差等を生じることなく、高密度光ディスクシステムに適用可能な半導体レーザが容易に歩留まり良く得られる。
【００３９】
また、樹脂埋め込みを行った薄型モジュール基板の場合、コリメートレンズと接触させた組み込みが容易にできる。
図５は本発明の第２の実施例に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。本実施例の第１の実施例と異なる点は、ｃ−ＢＮ基板２２に４５°ｆａｃｅｔを有するミラーを括り付けたことである。従って、製造方法に特に変更は無いが、出射端面高反射コートと同時に形成された４５°ｆａｃｅｔ面のＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 高反射コート膜２４は反射ミラーとして用いており、また、レーザ部をｃ−ＢＮに熱圧着する際に光出射面とｃ−ＢＮ基板との位置合せは４５°ｆａｃｅｔ側で行っている。
【００４０】
本実施例では、第１の実施例のレーザ特性と同様の特性を示したが、光出射方向は第１の実施例では水平方向であるのに対し、本実施例では垂直方向である。これにより、例えば、ワイアアセンブリを含むモジュール化の工程で最終的にモジュール上面に樹脂で平坦に埋め込むことが容易であり、モジュールの小型化が可能になった。
【００４１】
図６は本発明の第３の実施例に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。本実施例の第１の実施例と異なる点は、ｃ−ＢＮの代わりに４５°ｆａｃｅｔを受光面とするＰＩＮフォトダイオードを有するＳｉを基板２２として用いた点である。従って、製造方法に特に変更は無いので省略する。
【００４２】
本実施例では、第１の実施例に比べて放熱性が劣るので最大光出力は１０％程度低下したが、他の特性は第１の実施例のレーザ特性と同様の特性を示した。また、後ろ側の出射光を近傍でモニタできるので、出射光の安定出力を維持するための駆動電流制御が容易にできた。また、本実施例は容易に第２の実施例の垂直方向の光取り出しと組み合わせができる。ＰＩＮフォトダイオードが４５°の位置にあるのは、Ｓｉ基板の４５°面出しが弗硝酸または水酸化カリウム系のエッチングにより容易にできること、ｐドーパント拡散や電極形成工程が従来技術でできること、Ｓｉ基板の一番高い面が窒化物半導体基板との貼り合せの際にサファイア基板に接触しない範囲で設定できること、などの製造工程の容易さとともに、レーザ端面から出射された光が反射によって活性層に戻るときに発生する、所謂戻り光雑音を防ぐためである。
【００４３】
図７は本発明の第４の実施例に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。本実施例が第１の実施例と異なる点は、直列の２素子を１チップとし、一方はレーザ素子として、他方は受光素子としていることである。本実施例の製造方法において本実施例１と異なるのは、レーザ端面形成のためのドライエッチング垂直加工において、レーザ素子は活性層に垂直面を形成するのに対し、受光素子側は戻り光対策のために水平方向のみ１０°ずらした面を形成すること、光出射端面への高反射コート形成において、レーザ素子は両面にコートを施すのに対し、受光素子側は入射側にはコートを施さないことである。実工程では、ドライエッチング用フォトレジストマスクをレーザ素子側は活性層に垂直に、受光素子側は活性層に対し８０°方向に形成すれば良い。また、受光素子側の入射面の高反射コート膜は予めフォトレジストマスクでカバーしておくか、コート後にエッチングで取り除いても良い。
【００４４】
本実施例ではｃ−ＢＮ基板２２を用いたがＳｉ等の半導体基板を用いる場合には、レーザ素子と受光素子の電気的な分離を行うためにＳｉ基板（駆動回路を集積した基板でも可能）とＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ面の間にはＳｉＯ2 絶縁膜を挿入すれば良い。
【００４５】
本実施例では、第１の実施例のレーザ特性と同様の特性を示した。また、第３の実施例と同様の駆動電流制御が容易にできた。また、本実施例は同時にレーザ素子と受光素子を容易に形成できるので、製造工程が複雑にならず、歩留まりも高い。
【００４６】
なお本発明は本実施例に限られるものではなく、基板２２として、ＳｉやＧａＡｓである半導体のみならずレーザ駆動回路や、受光信号処理回路を集積した半導体基板、または、ＳｉＣ、ダイアモンドなどの単結晶基板、ＡｌＮなどのセラミック基板なども適用可能である。さらに、レーザ構造においては、本発明の趣旨に逸脱しない限り種々の適用が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、低閾値で且つビーム特性が良く、また製造方法も容易な窒化物系半導体レーザが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例に係わる窒化物半導体レーザの断面図
【図２】 本発明の第１の実施例に係わる窒化物半導体レーザの斜視図
【図３】 本発明の第１の実施例に係わる窒化物半導体レーザの製造方法を説明する図
【図４】 本発明の第１の実施例に係わる窒化物半導体レーザの製造方法を説明する図
【図５】 本発明の第２の実施例に係わる窒化物半導体レーザの断面図
【図６】 本発明の第３の実施例に係わる窒化物半導体レーザの断面図
【図７】 本発明の第４の実施例に係わる窒化物半導体レーザの断面図
【符号の説明】
１０・・・サファイア基板
１１・・・SiO 2 選択成長マスク
１２・・・ｎ−ＧａＮコンタクト層
１３・・・ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層
１４・・・SCH-MQW 活性領域
１５・・・ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層
１６・・・ｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ光吸収層
１７・・・ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ電流ブロック層
１８・・・ｐ−ＧａＮコンタクト層
１９・・・ｐ側電極
２０・・・AuSn共晶半田層
２１・・・ｎ側電極
２２・・・c-BNマウント
２３・・・Ti/Pt/Auパッド
２４・・・高反射コート
Claims (2)
- 第１の基板上に複数の開口部を有するSiO 2 膜を形成する工程と、前記複数の開口部の各々から前記第１の基板上に窒化物系半導体層を隣り合う前記窒化物系半導体層と接触しないようにそれぞれ成長する工程を備え、これらの複数の窒化物系半導体層の各々を成長する工程は、窒化物系半導体（Gax Iny Alz B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるコンタクト層と、このコンタクト層上に形成される窒化物系半導体（Gax Iny Alz B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる活性層と、前記活性層を挟むように形成される導電型の異なる窒化物系半導体（Gax Iny Alz B 1-x-y-z N ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層とを形成する工程を具備し、前記活性層および前記クラッド層は、対応する前記開口部から横方向に、前記コンタクト層の膜厚以上離して形成することを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記活性層および前記クラッド層を形成した後、前記複数の窒化物系半導体層上に、最表面がAuからなる金属電極を形成する工程と、フォトレジストまたは絶縁物をマスクとして窒化物系半導体積層構造を垂直にエッチングし、素子分離する工程と、表面に、Auが形成されてなる第２の基板上に、前記金属電極をAuを含む共晶半田を介して、貼り付ける工程と、前記第１の基板及び前記SiO２膜を剥離し、前記第１の基板を除去する工程と、前記素子分離された素子の積層構造の側面に高誘電体薄膜積層構造からなる高反射コートを形成する工程と、前記第２の基板を劈開または機械的に切断する工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体レーザ装置の製造方法。
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