JP2005286213A - 集積型半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
GaN基板101に形成された窒化物系半導体レーザ構造からなるLD1ウェハとGaAs基板201に形成されたガリウム燐系半導体レーザ構造からなるLD1ウェハとGaAs基板201に形成されたガリウム燐系半導体レーザ構造からなるLD2ウェハとを接合する接合工程に先立ち、窒化物系半導体レーザ構造の共振器端面をエッチング加工で形成する。ガリウム燐系半導体構造の共振器端面は、接合工程の後にせん断加工で形成する。窒化物系半導体レーザ素子の共振器端面とガリウム燐系半導体レーザ素子の共振器端面とは、共振器の延在方向にズレた状態で接合されている。
【選択図】 図1
Description
集積型半導体レーザとしては、例えば、特許文献1には、AlGaInN系(窒化ガリウム系)材料からなる400nm帯レーザとAlGaInP系(ガリウム燐系)材料からなる650nm帯レーザとが接合された集積型半導体レーザが開示れている。このような従来の集積型半導体レーザ素子について、以下に説明する。
この素子は、サファイア基板3301上に窒化ガリウム系半導体層が積層されてなる400nm帯半導体レーザ素子LD3310とGaAs基板3321上にガリウム燐系半導体層が積層されてなる650nm帯半導体レーザ素子LD3330が、金属等の導電性材料からなる接合材3341を介して接合されている。LD3310及びLD3330は、例えばリッジ導波路型である。
また、本発明は、第1の基板上に複数の第1の半導体レーザ構造を形成して第1ウェハを形成する第1ウェハ形成工程と、第2の基板上に複数の第2の半導体レーザ構造を形成して第2ウェハを形成する第2ウェハ形成工程とを有する集積型半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記第1ウェハと前記第2ウェハとを接合する接合工程に先立って、
前記第1ウェハの第1の半導体レーザ構造にレーザ光の出射側及び反射側の少なくとも一の共振器端面を形成する共振器端面形成工程を設けたこととしている。
また、このように第1の半導体レーザ素子と第2の半導体レーザ素子の共振器長を互いに異ならせることにより、これらを接合してなる集積型半導体レーザ素子において、一方のレーザ素子を駆動させることにより温度上昇が生じたとしても、最も温度上昇が顕著な端面の位置が互いに同一面上にないため、他方の素子に与える歪を大幅に抑制することができる。この結果、集積型半導体レーザ素子の寿命を大幅に改善することができる。
このような構成によって、一方の半導体レーザ素子が駆動したとき、最も温度上昇が顕著なレーザ光出射側の共振器端面から他方の半導体レーザ素子の出射側の共振器端面への熱伝導が抑制されるので集積型半導体レーザ素子の寿命を大幅に改善することができる。
このような構成によって、一方の半導体レーザ素子が駆動したとき、レーザ光出射側の共振器端面の次に温度上昇が顕著なレーザ光反射側の共振器端面から他方の半導体レーザ素子のレーザ光反射側の共振器端面への熱伝導も抑制されるので、集積型半導体レーザ素子の寿命を大幅に改善することができる。
このような構成によって、第1の半導体レーザ素子と第2の半導体レーザ素子が異なる半導体材料で構成されている場合、熱膨張係数が互いに異なるため、一方のレーザ素子を駆動させることにより温度上昇が生じると、他方の素子に大きな歪を与える虞がある。このような場合においても、本発明によると最も温度上昇が顕著な端面の位置が互いに同一面上にないため、前記歪抑制効果がより顕著に得られる。この結果、集積型半導体レーザ素子の寿命改善効果がより一層顕著になる。
このような構成によって、第1の半導体レーザ素子と第2の半導体レーザ素子が異なる結晶構造を有する場合、より大きな歪が加わる虞があるが、本発明によると最も温度上昇が顕著な端面の位置が互いに同一面上にないため、前記歪抑制効果がより顕著に得られる。この結果、集積型半導体レーザ素子の寿命改善効果がより一層顕著になる。
このような構成によって、窒化物系半導体レーザは、せん亜鉛構造を有するガリウム砒素系、ガリウム燐系、インジウム燐系などの他の半導体レーザと異なるウルツ鉱構造を有するため、窒化物系半導体レーザを含む半導体レーザを他の半導体レーザと接合することにより集積化した場合、容易に歪が発生する。したがって、このような場合、本発明による前記歪抑制効果がより顕著に得られる。この結果、集積型半導体レーザ素子の寿命改善効果がより一層顕著になる。特に、C軸方向((0001)結晶面)に積層された窒化物系半導体レーザは、ピエゾ電界と呼ばれる歪に起因した電界を内在し、この電界によって素子内部において電子と正孔が空間的に分離されやすい性質を有している。このため、発光再結合が生じにくくなる。窒化物系半導体レーザとともに集積化された他方のレーザ素子を駆動させることにより温度上昇が生じると、窒化物系半導体レーザ素子に大きな歪を与える虞がある。この結果ピエゾ電界が増大し、より一層発光再結合が生じにくくなる虞がある。このような場合においても、本発明によると最も温度上昇が顕著な端面の位置が互いに同一面上にないため、前記歪抑制効果がより顕著に得られる。この結果、集積型半導体レーザ素子の寿命改善効果がより一層顕著になることに加えて、しきい値電流の増大や発光効率の減少などの素子特性の劣化を防止することができる。
このような構成によって、第1の半導体レーザ素子と第2の半導体レーザ素子の共振器面へのコート膜をそれぞれに最適な反射率を設定することができるので、集積化されたそれぞれの素子の特性を最適にすることができる。
このような構成によって、第1の半導体レーザ素子で一番平坦性を要求されるレーザ光出射側の共振器端面を精度よく加工できるので、レーザ特性の優れた集積型半導体レーザ素子を得ることができる。
このような方法によって、エッチングにより共振器端面を形成すると、容易に平坦な共振器端面を形成することができる。
また、前記共振器端面形成工程の後に前記接合工程に先立って、形成された共振器端面上に第1のコート膜を形成する第1コート膜形成工程を設け、前記接合工程の後に、
前記第1のコート膜上と、前記第2ウェハの第2の半導体レーザ構造に形成された共振器端面に第2のコート膜を形成する第2のコート膜を形成する第2コート膜形成工程を設けることとしている。
また、前記第1の基板と第2の基板とは、異なる材料または異なる面方位を有することとしている。
また、前記第1の半導体レーザ構造と前記第2の半導体レーザ構造とは、異なる半導体材料からなることとしている。
このような場合、しきい値電流の低減、光出力の増大効果がより顕著に得られる。
また、第1及び第2の半導体レーザ素子に設けられるn側オーミック電極とn側パッド電極との電極形成工程を、前記接合工程の後に行い、電極形成工程に先立ち、前記第1及び第2基板の半導体レーザ構造が形成された面と反対面の研磨工程が設けられていることとしている。
(実施の形態1)
図1は、本発明に係る集積型半導体レーザ素子の実施の形態1の構造を示す模式的鳥瞰図である。図2は、その模式的断面図である。この集積型半導体レーザ素子は、窒化ガリウム系半導体からなる400nm帯半導体レーザ素子LD1とガリウム燐系半導体からなる650nm帯半導体レーザ素子LD2とが接合材100で接合され、集積化されてなる。
p型クラッド層105の突出部106の上面上には、約3nmの膜厚を有するIn0.01Ga0.99Nからなるp側コンタクト層107が形成されている。p型クラッド層105の突出部106と、p側コンタクト層107とによって、リッジ部108が構成されている。ここで、リッジ部108の幅は、約1.5μmである。
また、リッジ部108の上面上、すなわち、p側コンタクト層107の上面上には、下層から上層に向かって、約1nmの厚みを有するPt層と、約100nmの厚みを有するPd層と、約240nmの厚みを有するAu層と、約240nmの厚みを有するNi層とからなるp側オーミック電極110が、ストライプ状(細長状)に形成されている。また、p側オーミック電極110の上面及び誘電体膜109の上面上には、p側オーミック電極110の上面に接触するように、下層から上層に向かって、約100nmの厚みを有するTi層と、約150nmの厚みを有するPt層と、約3μmの厚みを有するAu層とからなるp側パッド電極111が形成されている。
発光層204上には、突出部を有するMgドープの(Al0.7Ga0.3) 0.5In0.5Pからなるp型クラッド層205が形成されている。このp型クラッド層205の突出部206の膜厚は、約1.2μmであり、突出部206以外の領域の膜厚は、約0.2μmである。
リッジ部208側面とp型クラッド層205の平坦部の上面上に約0.2μmのSiO2からなる誘電体膜209が形成されている。この誘電体膜209は、リッジ部208のみに電流を注入するとともに、素子の横方向の屈折率差を制御する電流ブロック層としての機能を有する。
図3は、図1及び図2で示した集積型半導体レーザ素子の平面図である。図の簡略化のために、以下の説明に必要な部分のみを図1及び図2と同一の符号を付して破線で示した。
LD2のリッジ部208の延在する方向(p側オーミック電極210の延在する方向に一致)は、フォトリソグラフィー技術により、GaAs基板201の結晶学的面方位にほぼ一致させることができる。また、前記へき開においては、このリッジ部208の延在する方向を基準として共振器端面311、312を形成することができるので、所望の結晶学的方位に一致させて共振器端面311、312を形成することができる。この結果、平坦な共振器端面311、312が得られる。
また、図1、図2及び図3に示す実施の形態1による集積型半導体レーザ素子は、ウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子LD1とせん亜鉛構造を有するガリウム燐系半導体レーザLD2とが集積化されてなる。そして、図1の鳥瞰図及び図3に示すように、LD1の共振器長はLD2の共振器長より短く、LD1の共振器端面301、302近傍に空隙部303、304をそれぞれを有する。
特に、本実施の形態では、LD1の窒化物系半導体各層102〜105、107は、C軸方向((0001)結晶面)に積層されているので、ピエゾ電界と呼ばれる歪に起因した電界をもともと内在しており、この電界によって素子内部において電子と正孔とが空間的に分離されやすい性質を有している。このため、発光再結合が生じにくい状態になっている。更に、上記のように、LD2を駆動することによる温度上昇が発生した場合、LD1にさらなる歪が加わり、より一層発光再結合が生じにくくなる虞がある。しかしながら、本実施の形態では、LD2の最も温度上昇が顕著な共振器端面311、312の位置がLD1の共振器端面301、302の位置と互いに同一面上にないため、LD1に加わる歪量は、共振器端面の位置が同一面上にある従来の集積型半導体レーザ素子に比して大幅に低減することができる。この結果、集積型半導体レーザ素子の寿命改善効果がより一層顕著になることに加えて、しきい値電流の増大や発光効率の減少などの素子特性の劣化を防止することができる。
まず、図4に示すように、厚さ約400μmのGaN(0001)基板101上に、例えばMOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法により窒化ガリウム系半導体各層102〜105、107を成長させる。次に、図5に示すようにコンタクト層107上にp側オーミック電極110を例えば真空蒸着法により形成する。
そして、図7に示すように、例えばCl2ガスを用いたRIE法により、エッチングを行い、リッジ部108を形成する。さらに、このSiO2マスクを例えばフッ酸系エッチャントにより一旦除去した後、ウェハのほぼ全面にSiO2膜を形成する(図示せず)。そして、リッジ部上方に位置する部分のSiO2膜を除去することによって、図8に示すように、SiO2からなる誘電体膜109を形成する。
図10(a)〜(c)は、エッチングによる端面形成の工程を示す図であり、上面図(b)及び、そのA-A'断面図(a)とB-B'断面図(c)である。共振器端面を形成するための矩形領域の開口部1000を有するSiO2からなる端面形成用マスク1001を形成し、これをマスクとして、例えばCl2ガスを用いたRIE法により、n型層102の上面に達するようにエッチングを行うことにより、共振器端面を形成する。ここで、矩形の開口部1000は、リッジ部108が延在する方向((1-100)結晶面)を基準としてアライメントすることができるので、結晶学的方位に合致した共振器端面を形成することができる。また、本実施の形態では、n型層102の上面に達するようにエッチングを行ったが、共振器端面を形成するためには、n側クラッド層103の途中までエッチングすればよい。但し、n側クラッド層103のAl組成は、n型層102よりAl組成が高いので、本実施の形態のように、n側クラッド層103よりAl組成の低いn型層102の上面に達する共振器端面を形成することがより好ましい。
図13〜図18は、LD2ウェハの製造工程を説明するための図であり、以下の点を除いてLD1と同様にして製造される。すなわち、LD2のn側オーミック電極212及びn側パッド電極213は厚さ約400μmのGaAs基板201の裏面を研磨した後、所定の領域を除いて形成される。
まず、図19に示すようにp側パッド電極111及び211が互いに向き合うように接合材100を用いて接合される。本実施の形態では、接合材としてAuSn合金を用いて接合される。この工程では、この他の金属材料や、Agペーストなどの導電性材料を含有したペースト、さらには、導電性樹脂等を用いることができる。また、LD1ウェハとLD2ウェハをp側パッド電極111及び211が互いに向き合うように接触させた状態で、水素雰囲気あるいは、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気、さらには、酸素を含む雰囲気で加熱することにより、接合することもできる。
そして、これをマスクとして、例えば、王水、アンモニアと過酸化水素の混合液、フッ酸系エッチャントを順次用いることにより、GaAs基板201の裏面側からGaAs基板201、半導体各層203〜205、207、誘電体膜209、接合材100をエッチングし、図21に示すようにLD1のp側パッド電極111に至る開口部2100を形成する。このようにLD1とLD2が接合されたウェハは、LD1とLD2の各1素子ずつを含むように素子分離され、図1〜図3に示す集積型半導体レーザ素子が得られる。
(実施の形態2)
図22〜図27を用いて実施の形態2を説明する。本実施の形態では、LD1とLD2のレーザ光出射面側端面(「出射端面」)の反射率をそれぞれ独立に最適化する。図22は、図10(a)〜(c)で示したLD1に開口部1000を形成し、共振器端面を露出する工程の後に引き続いて、第1の端面コート膜を形成する工程を示す図である。この図は、図10(c)に対応する断面図である。
さらに、図21に示したように、LD1ウェハとLD2ウェハを接合し、エッチングによりLD2ウェハのGaAs基板側から開口部2100を設けた後、図25中の一点鎖線で示す位置でへき開することによって、複数の集積型半導体レーザ素子を含むバーを得る。
一方、図27に示すように、このときのLD2の前端面には、膜厚110nmのSiO2からなる第2の端面コート膜2601のみが堆積されるため、LD2の前端面の反射率もLD1とほぼ同等の約7%とすることができる。
なお、本実施の形態では、第1の端面コート膜2401と第2の端面コート膜2601とをいずれもSiO2で構成したが、これらの材料を異なる材料で構成することができる。このように、第1の端面コート膜2401と第2の端面コート膜2601とを異なる材料で構成することにより、一層容易にそれぞれのレーザ素子の前端面の反射率を最適化することができる。例えば、LD1の前端面に第1の端面コート膜として膜厚105nmのSiO2からなる端面コートを施し、LD1ウェハとLD2ウェハと接合後に形成したバーの前端面側から膜厚77nmのAl2O3を堆積することによって、LD1及びLD2の前端面の反射率をいずれも約7%とすることができる。
後端面のコート膜には、例えば、Al2O3層とアモルファスシリコン層とを交互に積層した多層膜、SiO2層とSiN層とを交互に積層した多層膜、SiO2層とTiO2層とを交互に積層した多層膜を用いることができる。この膜厚の制御によって、LD1とLD2との反射率を独立に制御することが可能となる。
(実施の形態3)
上記実施の形態1、2では、図19に示すように、LD1及びLD2の各基板裏面を研磨等により薄くし、基板側にn側オーミック電極、n側パッド電極を形成した後、互いのウェハ(LD1ウェハとLD2ウェハ)を接合する例を示したが、本実施の形態では、これと異なり、互いのウェハを接合した後に、該ウェハの基板を研磨等により薄くし、基板裏面にn側オーミック電極、n側パッド電極を形成する。
図28は、接合前のLD1ウェハであり、図8で示した工程までは、実施の形態1と全く同様に製造し、その後p側パッド電極111を誘電体膜109の開口部を覆うようにp側オーミック電極110上に形成することによって作製される。
図29は、接合前のLD2ウェハであり、図17で示した工程までは、実施の形態1と全く同様に製造し、その後p側パッド電極211を誘電体膜209の開口部を覆うようにp側オーミック電極210上に形成することによって製造される。
このようにLD1とLD2が接合されたウェハは、LD1とLD2の各1素子ずつを含むように素子分離され、図1〜図3に示す集積型半導体レーザ素子が得られる。
なお、上述の実施の形態1〜3では、第1の素子(LD1)と第2の素子(LD2)とを接合することによって集積化された集積型半導体レーザ素子において、第1の素子(LD1)の両方の共振器端面をエッチングにより形成する例を示したが、第1の素子(LD1)の一方の共振器端面、例えば、レーザ光出射側の端面(「出射端面」)のみをエッチング等により形成し、もう一方の共振器端面(後端面「反射端面」)は、第2のウェハ(LD2ウェハ)と接合後に、例えばへき開により第2の素子(LD2)の共振器端面と同時に形成しても上記した同様の効果が得られる。但し、この場合は、レーザ光出射側と逆の端面(「反射端面」)は、結晶学的方位からずれる虞があるため、各実施の形態に比して、第1の素子(LD1)の特性がやや悪くなる虞がある。しかし、この場合においても、レーザ素子の駆動により最も高温となるのは、レーザ光出射側の端面(「出射端面」)であるので、出射側端面(「出射端面」)の位置が互いにずれていることによって、各半導体素子の寿命等に及ぼす影響は少なくなる。
さらに、上記実施の形態1、2では、窒化物系半導体の各層は窒化物系半導体の(0001)面上に積層したが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の他の方向に積層してもよい。たとえば、窒化物系半導体の(1−100)や(11−20)面などの(H、K、−H−K、0)面上に、窒化物系半導体の各層を積層してもよい。この場合、発光層にピエゾ電界が発生しないので、発光層の発光効率を向上させることができる。
LD2 ガリウム燐系半導体レーザ素子(赤色)
100 接合材
101 n型GaN基板
102 n型層
103 n型クラッド層
104 発光層
105 p型クラッド層
106 突出部
107 p側コンタクト層
108 リッジ部
109 誘電体膜
110 p側オーミック電極
111 p側パッド電極
112 n側オーミック電極
113 n側パッド電極
201 n型GaAs基板
203 n型クラッド層
204 発光層
205 p型クラッド層
206 突出部
207 p側コンタクト層
208 リッジ部
209 誘電体膜
210 p側オーミック電極
211 p側パッド電極
212 n側オーミック電極
213 n側パッド電極
301、302 共振器端面
303、304 空隙部
311、312 共振器端面
601 マスク
1000 開口部
1001 端面形成用マスク
2001 マスク
2100 開口部
2201 出射側共振器端面
2202 共振器端面形成用SiO2マスク
2401 第1の端面コート膜
2601 第2の端面コート膜
3001 SiO2マスク
Claims (13)
- 共振器長が互いに異なる第1の半導体レーザ素子と第2の半導体レーザ素子とが、共振器延在方向を略平行にして、かつ、レーザ光の出射端面及び反射端面の少なくとも一方が上記延在方向においてズレる状態で接合されていることを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
- 前記第1及び第2の半導体レーザ素子の出射端面がズレる状態であることを特徴とする請求項1記載の集積型半導体レーザ素子。
- 前記共振器の反射端面も上記延在方向においてズレる状態で接合されていることを特徴とする請求項2記載の集積型半導体レーザ素子。
- 前記第1の半導体レーザ素子と前記第2の半導体レーザ素子とは、半導体材料が異なることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の集積型半導体レーザ素子。
- 前記第1の半導体レーザ素子と前記第2の半導体レーザ素子とは、異なる結晶構造を有することを特徴とする請求項4記載の集積型半導体レーザ素子。
- 前記第1の半導体レーザ素子は、窒化物系半導体からなり、
前記第1の半導体レーザ素子の出射端面には第1のコート膜と第2のコート膜とがこの順に形成されており、前記第2の半導体レーザ素子の出射端面には第2のコート膜だけが形成されていることを特徴とする請求項5記載の集積型半導体レーザ素子。 - 第1の基板上に複数の第1の半導体レーザ構造を形成して第1ウェハを形成する第1ウェハ形成工程と、第2の基板上に複数の第2の半導体レーザ構造を形成して第2ウェハを形成する第2ウェハ形成工程とを有する集積型半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記第1ウェハと前記第2ウェハとを接合する接合工程に先立って、
前記第1ウェハの第1の半導体レーザ構造にレーザ光の出射側及び反射側の少なくとも一の共振器端面を形成する共振器端面形成工程を設けたことを特徴とする集積型半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記共振器端面形成工程で形成される少なくとも一の共振器端面は、レーザ光出射側の共振器端面であることを特徴とする請求項7記載の集積型半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記共振器端面形成工程では、エッチングにより共振器端面を形成していることを特徴とする請求項8記載の集積型半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記共振器端面形成工程の後に前記接合工程に先立って、
形成された共振器端面上に第1のコート膜を形成する第1コート膜形成工程を設け、
前記接合工程の後に、
前記第1のコート膜上と、前記第2ウェハの第2の半導体レーザ構造に形成された共振器端面に第2のコート膜を形成する第2のコート膜を形成する第2コート膜形成工程を設けることを特徴とする請求項7又は8又は9記載の集積型半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記第1の基板と第2の基板とは、異なる材料または異なる面方位を有することを特徴とする請求項7乃至10のいずれかに記載の集積型半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記第1の半導体レーザ構造と前記第2の半導体レーザ構造とは、異なる半導体材料からなることを特徴とする請求項11記載の集積型半導体レーザ素子の製造方法。
- 第1及び第2の半導体レーザ素子に設けられるn側オーミック電極とn側パッド電極との電極形成工程を、前記接合工程の後に行い、
電極形成工程に先立ち、前記第1及び第2基板の半導体レーザ構造が形成された面と反対面の研磨工程が設けられていることを特徴とする請求項7記載の集積型半導体レーザ素子の製造方法。
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