JP3529286B2 - 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
窒化物半導体レーザ素子の製造方法Info
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Description
XAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)
よりなるレーザ素子の製造方法に係り、特に電極ストラ
イプ型のレーザ素子の製造方法に関する。
5eV〜6.0eVまであり、直接遷移型の材料である
ので、紫外〜赤色までの半導体レーザ素子の材料として
従来より注目されている。
構造を示す模式的な断面図を図3に示す。このレーザ素
子は電極ストライプ型の構造を示している。基本的に
は、サファイア基板31の表面にn型クラッド層32と
活性層33とp型クラッド層34とが順に積層されたダ
ブルヘテロ構造を有している。p型クラッド層34、活
性層33、およびn型クラッド層32の一部はストライ
プ状にエッチングされてn型クラッド層32の水平面が
露出されている。n型クラッド層32の水平面にはスト
ライプ状の負電極41が形成され、最上層のp型クラッ
ド層34にもストライプ状の正電極42が形成されたい
わゆるフリップチップ方式となっている。さらに、正電
極42とp型クラッド層34との間には、電流狭窄層と
してSiO 2よりなる絶縁層35が形成され、その絶縁
層35で電流を活性層33に集中させて発振を起こす構
造とされている。
印に示すように、従来のレーザ素子では絶縁層35で狭
窄した電流がp型クラッド層34中、あるいは活性層3
3中で広がってしまい、活性層33に部分的に電流を集
中させることが困難であった。電流が集中できないの
で、活性層33が均一に発光し、従来の構造ではLED
としての特性しか示さないのが実状であった。
成されたものであって、その目的とするところは、活性
層に電流を集中させることができ、さらにレーザ発振す
る窒化物半導体レーザ素子の製造方法を提供することに
ある。
ーザ素子の製造方法は、サファイア基板上に少なくとも
n型層と活性層とp型層の窒化物半導体層を順次積層
後、前記積層された窒化物半導体をn型層の一部が残る
ように50μm以下の幅でストライプ状にエッチングし
た後、そのストライプ状にエッチングされて露出した窒
化物半導体層の側面及び平面に連続した絶縁膜を形成
し、さらにp型層のストライプ幅とほぼ同一の幅で接す
る正電極をp型層から絶縁膜の表面に渡って形成する工
程と、前記正電極形成後、サファイア基板を研磨して薄
くした後、そのサファイア基板にスクライブラインを形
成してサファイア基板を劈開することにより、前記窒化
物半導体に共振面を作製する工程と、正電極のストライ
プと離れた平面にワイヤーボンディングする工程とを備
えることを特徴とする。
ーザ素子の形状を示す斜視図を示し、図2に図1の斜視
図をストライプに垂直な方向で切断した模式断面図を示
す。これらの図に示すように、本発明のレーザ素子はス
トライプ状にエッチングされたp層のストライプ幅とほ
ぼ同一の幅を有する正電極をp層に直接接して形成する
ことにより、電流の広がりをなくして活性層に直接電流
が集中するようにしている。その電流の広がりをなくし
て活性層に電流を集中できる好ましいストライプ幅は5
0μm以下、さらに好ましくは30μm以下、最も好ま
しくは10μm以下である。50μmよりも広いと、レ
ーザ発振のしきい値電流が高くなりレーザ発振しなくな
る傾向にあるからである。なお、本発明においてほぼ同
一の幅とは、−10%以内の幅で電極幅がp型層の幅に
近似していることを示すものとする。
をn型とp型の窒化物半導体層で挟んだダブルへテロ構
造であるが、特にレーザ発振しやすい構造として図2に
示す構造を推奨する。
2、第一のn型クラッド層3、第二のn型クラッド層
4、活性層5、第一のp型クラッド層6、p型コンタク
ト層7とを順に積層した、いわゆる分離閉じ込め型のダ
ブルへテロ構造を示している。p型コンタクト層7、第
一のp型クラッド層6、活性層5、第二のn型クラッド
層4、第一のn型クラッド層3、およびn型コンタクト
層2の一部がエッチングされてストライプ状の負電極1
1が形成され、さらに、エッチングにより残されたスト
ライプ状のp型コンタクト層7の表面に、p型コンタク
ト層7のストライプ幅とほぼ同一の幅を有する正電極1
2が直接接して形成されている。
を含む。)、SiC(6H、4Hを含む。)、Si、Z
nO、GaAs等が使用できるが、一般的にはサファイ
ア、またはSiCを使用する。
GaN等の二元混晶、または三元混晶の半導体層が結晶
性の良いものが得られる。特にGaNとすると負電極材
料と好ましいオーミックが得られる。n型とするには半
導体層にSi、Ge、S等のドナー不純物をドープす
る。また基板1とn型コンタクト層2との間に、格子定
数不整を緩和するためにGaN、AlN等がバッファ層
を形成しても良い。
クラッド層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体
を形成し、特に前記ドナー不純物をドープしたn型Al
GaNは結晶性が良く、またバンドギャップの大きい半
導体層が得られる。
りもバンドギャップが大きい窒化物半導体層を形成し、
特に前記ドナー不純物をドープしたn型InGaN、ま
たはn型GaNが好ましい。また後に述べるように、第
二のn型クラッド層4は活性層5との組み合わせにおい
てもInGaN、GaNが好ましく、レーザ発振させる
ためにはInGaN、GaNよりなるこの第二のn型ク
ラッド層4を形成することは特に好ましい。
すると、およそ635nm〜365nm付近のバンド間
発光が得られる。好ましくはインジウムのモル比をガリ
ウムに対して半分以下にしたInGaNが結晶性が良
く、レーザ素子の寿命が長い。また、活性層を数十オン
グストロームの膜厚で2層以上積層した多層膜、つまり
多重量子井戸構造としてもよい。単一量子井戸構造、多
重量子井戸構造いずれの活性層においても、活性層はn
型、p型いずれでもよいが、特にノンドープ(無添加)
とすることにより半値幅の狭いバンド間発光、励起子発
光、あるいは量子井戸準位発光が得られ、LED素子、
LD素子を実現する上で特に好ましい。活性層を単一量
子井戸(SQW:single quantum well)構造若しくは
多重量子井戸(MQW:multi quantum well)構造とす
ると非常に出力の高い発光素子が得られる。SQW、M
QWとはノンドープのInGaNによる量子準位間の発
光が得られる活性層の構造を指し、例えばSQWでは活
性層を単一組成のInXGa1 -XN(0≦X<1)で構成
した層であり、InXGa1-XNの膜厚を100オングス
トローム以下、さらに好ましくは70オングストローム
以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られ
る。またMQWは組成比の異なるInXGa1-XN(この
場合X=0、X=1を含む)の薄膜を複数積層した多層膜
とする。このように活性層をSQW、MQWとすること
により量子準位間発光で、約365nm〜660nmま
での発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとして
は、前記のように70オングストローム以下が好まし
い。多重量子井戸構造では井戸層はIn XGa1-XNで構
成し、障壁層は同じくInYGa1-YN(Y<X、この場合
Y=0を含む)で構成することが望ましい。特に好まし
くは井戸層と障壁層をInGaNで形成すると同一温度
で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁
層の膜厚は150オングストローム以下、さらに好まし
くは120オングストローム以下にすると高出力な発光
素子が得られる。また、活性層5にドナー不純物および
/またはアクセプター不純物をドープしてもよい。不純
物をドープした活性層の結晶性がノンドープと同じであ
れば、ドナー不純物をドープするとノンドープのものに
比べてバンド間発光強度をさらに強くすることができ
る。アクセプター不純物をドープするとバンド間発光の
ピーク波長よりも約0.5eV低エネルギー側にピーク
波長を持っていくことができるが、半値幅は広くなる。
アクセプター不純物とドナー不純物を同時にドープする
と、アクセプター不純物のみドープした活性層の発光強
度をさらに大きくすることができる。特にアクセプター
不純物をドープした活性層を実現する場合、活性層の導
電型はSi等のドナー不純物を同時にドープしてn型と
することが好ましい。活性層5は例えば数オングストロ
ーム〜0.5μmの膜厚で成長させることができる。
よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体で形成し、
特に好ましくはアクセプター不純物をドープしたp型A
lGaNにすると結晶性が良く、またバンドギャップの
大きい半導体層が得られる。またアクセプター不純物ド
ープ後、さらに低抵抗なp型にする目的で400℃以上
でアニーリングを行っても良い。アクセプター不純物と
しては例えばZn、Mg、Cd等のII族元素、C(カー
ボン)等がある。
の間に、活性層5よりもバンドギャップが大きく、第一
のクラッド層6よりもバンドギャップが小さい第二のp
型クラッド層を挿入しても良い。第二のp型クラッド層
はアクセプター不純物をドープしたp型InGaNが好
ましい。ここで、第二のn型クラッド層4と活性層5と
第二のp型クラッド層(第二のp型クラッド層は特に成
長しなくても良い。)との組み合わせにおいて、活性層
5を単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造とし
て、活性層を構成する窒化物半導体層の膜厚を薄くする
ことにより、第二のn型クラッド層4との界面に、弾性
的な歪が発生し、歪量子井戸構造のレーザ素子が実現さ
れるので、レーザ発振が容易となる。特にこの弾性的な
歪は活性層5をInGaNとし、第二のn型クラッド層
4を活性層6よりもバンドギャップの大きいn型InG
aN、またはn型GaNとした際に発生する傾向にあ
る。
ラッド層7と同じくアクセプター不純物をドープしたp
型GaN、p型AlGaN等の二元混晶、または三元混
晶の半導体層が結晶性の良いものが得られる。特にGa
Nとすると正電極材料と好ましいオーミックが得られ
る。
ドライエッチング、ウェットエッチング両方の手段があ
るが、エッチング端面を垂直にしたストライプを形成す
るにはドライエッチングが好ましい。ドライエッチング
では例えば、反応性イオンエッチング、イオンミリン
グ、イオンビームアシストエッチング、集束イオンビー
ムエッチング等の手段を用いることができる。
を示す模式断面図であるが、図2の断面図と異なる点
は、ストライプ状にエッチングされたp型層の側面に絶
縁膜20を形成し、さらにそのp型層のストライプ幅と
ほぼ同一の幅で接するストライプ状の正電極12をp型
層に接して形成し、さらに、正電極12をp型層から絶
縁膜20の表面に亙って形成していることである。つま
り正電極12にワイヤーボンディングする際、図2に示
すようなストライプ状の正電極12ではその幅が狭いた
めに、ワイヤーボンディングするのはほとんど不可能で
ある。そこで、正電極12の幅を広くとるために、p型
層の側面にSiO2のような絶縁体よりなる絶縁膜20
を新たに形成し、その絶縁膜20の表面に、p型層と電
気的に接続した正電極12を形成している。図1のよう
な構造であると電極がワイヤーボンディングできず、フ
ェイスダウンの構造となるが、図4のような構造にする
とフェイスアップの構造とできるので、チップサイズを
小さくすることができる。
して活性層に電流が集中するようにしている。つまり、
ストライプ状にエッチングされたp型層に、ほぼ同一の
ストライプ幅を有する正電極を形成すると、p型層中で
電流が広がってもストライプ幅が狭いので活性層の電流
密度が上がり容易にレーザ発振しやすくなる。またさら
にエッチングを進めると、活性層から基板と平行方向に
出る光に関しても、活性層のストライプ幅が狭いので、
窒化物半導体と屈折率差の大きい大気との距離が短くな
り、この狭い領域で光が閉じ込められるので、容易にレ
ーザ発振する。
型層の表面に電流狭窄のための絶縁層を形成するプロセ
スが必要ないので、製造工程を短縮できる。
板1上に、GaNよりなるバッファ層を200オングス
トローム、Siドープn型GaNよりなるn型コンタク
ト層2を5μm、Siドープn型Al0.3Ga0.7Nより
なるn型クラッド層3を0.1μm、Siドープn型I
n0.01Ga0.99Nよりなる第二のn型クラッド層4を5
00オングストローム、ノンドープIn0.08Ga0.92N
よりなる活性層5を100オングストローム、Mgドー
プp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp型クラッド層6を
0.1μm、Mgドープp型GaNよりなるp型コンタ
クト層7を0.5μmの膜厚で順に成長させたウェーハ
を用意する。
の表面に所定の形状でマスクを形成した後、RIE(反
応性イオンエッチング)を用いて、窒化物半導体層を1
0μmのストライプ幅でエッチングする。エッチング
後、露出したn型コンタクト層3にはTi/Alよりな
る負電極11を20μmの幅でストライプ状に形成し、
ストライプ状のp型コンタクト層7の全面にNi/Au
よりなる正電極12を形成する。
を形成していない方の面を研磨機で80μmの厚さまで
研磨する。研磨後、サファイア基板の研磨面をスクライ
バーでスクライブする。スクライブ方向はストライプ電
極と直交するラインと、もう一方のスクライブラインは
電極と平行な方向とする。スクライブライン形成後、ウ
ェーハをローラで押し割り、電極に垂直な方向で劈開し
た窒化物半導体層面を光共振器とする共振器長500μ
mのレーザチップとする。このようにサファイア基板を
研磨して薄くした後、サファイア基板を劈開すると、窒
化物半導体の共振面を容易に得ることができる。
スクを施したのち、スパッタ装置で劈開面にSiO2と
ZrO2よりなる誘電体多層膜を形成する。この誘電体
多層膜は活性層の波長を90%以上反射させる作用を有
している。
ェースダウン(電極とヒートシンク面が対向する)して
ヒートシンクに設置した後、室温でレーザ発振を試みた
ところ、しきい値電流密度1.0kA/cm2以上で発振
波長440nmのレーザ発振が確認された。
導体層のエッチング時にストライプ幅を30μmとする
他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、室温にお
いてしきい値電流密度3.0kA/cm2以上でレーザ発
振が確認された。
導体層のエッチング時にストライプ幅を50μmとする
他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素
温度においてしきい値電流密度5.0kA/cm2以上で
レーザ発振が確認された。
導体層のエッチング時にストライプ幅を60μmとする
他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素
温度においてしきい値電流密度6.0kA/cm2以上で
レーザ発振が確認されたが、すぐに素子が破壊してしま
った。
の組成をノンドープIn0.08Ga0.92Nよりなる井戸層
を25オングストロームと、ノンドープIn0.01Ga0.
99Nよりなる障壁層を50オングストロームの膜厚で成
長させる。この操作を13回繰り返し、最後に井戸層を
積層して総厚1000オングストロームの活性層6を成
長させた。後は実施例1と同様にして室温でレーザ発振
を試みたところ、同じくしきい値電流密度1.0kA/
cm2以上で発振波長440nmのレーザ発振が確認され
た。
体層のエッチング時にストライプ幅を100μmとする
他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、液体窒素
温度においてもレーザ発振を示さず、すぐに素子が破壊
してしまった。
ると、50μm以下の幅でストライプ状にエッチングさ
れたp型層の表面に、ストライプと同一の幅で接する正
電極が形成されており、この電極が直接電流狭窄の作用
をする。つまりp型層に電流が広がってもレーザ発振す
るのに十分電流密度が上昇するだけのストライプ幅を有
しているため、容易に光閉じ込めができて、常温で発振
する。また、従来のように、p型層の表面に絶縁体で電
流狭窄層を形成する必要がなくなる。従って、絶縁体形
成時の細かいマスク合わせの技術が必要なくなるので、
製造歩留が向上する。このように窒化物半導体で常温で
短波長域のレーザ素子が実現されたことにより、書き込
み用光源、コンパクトディスクの光源として記録密度が
飛躍的に向上し、その産業上の利用価値は非常に大き
い。
示す斜視図。
で切断した模式断面図。
面図。
Claims (2)
- 【請求項1】サファイア基板上に少なくともn型層と活
性層とp型層の窒化物半導体層を順次積層後、前記積層
された窒化物半導体をn型層の一部が残るように50μ
m以下の幅でストライプ状にエッチングした後、そのス
トライプ状にエッチングされて露出した窒化物半導体層
の側面及び平面に連続した絶縁膜を形成し、さらにp型
層のストライプ幅とほぼ同一の幅で接する正電極をp型
層から絶縁膜の表面に渡って形成する工程と、前記正電極形成後、サファイア基板を研磨して薄くした
後、そのサファイア基板にスクライブラインを形成して
サファイア基板を劈開することにより、前記窒化物半導
体に共振面を作製する工程と、 正電極のストライプと離れた平面にワイヤーボンディン
グする工程とを備えることを特徴とする窒化物半導体レ
ーザ素子の製造方法。 - 【請求項2】前記共振面作成後、その共振面に誘電体多
層膜を形成する工程を備え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の製造方法。
Priority Applications (1)
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JP33542598A JP3529286B2 (ja) | 1995-12-06 | 1998-11-26 | 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 |
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JP31784695A Division JP2921746B2 (ja) | 1995-01-31 | 1995-12-06 | 窒化物半導体レーザ素子 |
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JP2002017613A Division JP3888170B2 (ja) | 2002-01-25 | 2002-01-25 | 窒化物半導体レーザ素子 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH11224971A JPH11224971A (ja) | 1999-08-17 |
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Family Applications (1)
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JP33542598A Expired - Lifetime JP3529286B2 (ja) | 1995-12-06 | 1998-11-26 | 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP3529286B2 (ja) |
-
1998
- 1998-11-26 JP JP33542598A patent/JP3529286B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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