JP3905629B2 - 3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は3族窒化物半導体を用いたレーザダイオードの製造方法に関する。特に、レーザ−ダイオードの共振器端面の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体(AlGaInN )から成る各層を形成して発光ダイオード(LED) 、レーザダイオード(LD)とした素子が知られている。レーザダイオード(LD)の光を効率よく反射させて発振させるためには、共振器端面の垂直度及び平行度を高く保つ必要がある。この共振器端面を精度よく形成するためには、へき開によるのが良いが、上記素子では基板と素子層とが異種物質で形成されているためにへき開は困難である。このため、塩素系ガスを用いたRIE(反応性イオンエッチング)等のドライエッチッグにより共振器端面を形成することが行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、RIE等のドライエッチングによって形成された共振器端面は、劈開面程の面の垂直度及び平坦度が得られていない。このため、端面に発生している微細な凹凸により光が乱反射し、レーザのしきい値電流が高いという問題がある。
【0004】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、レーザダイオードにおける共振器端面の平面度を向上させしいき値電流を低下させることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、基板上に3族窒化物半導体から成る活性層を含む複数の層を形成した3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、レーザの共振器端面を、劈開の後に集束イオンビームエッチング処理することで形成することを特徴とする。
【0006】
請求項2の発明は、劈開の前に、集束イオンビームエッチング以外の方法により電極を形成する層を露出させるためのエッチングを行うことを特徴とする。
【0008】
請求項3の発明は、集束イオンビームエッチング処理を、基板が露出するか、電極形成のため前記エッチングにより露出された層の面よりもさらに深く基板近くまで行ったことを特徴とする。
【0009】
【0010】
【0012】
3族窒化物半導体は、望ましくは、AlxGaYIn1-X-YN(0≦X ≦1,0 ≦Y ≦1,0 ≦X+Y ≦1)で表される物質であり、これにより、短波長のレーザダイオードを得ることができる。特に、半導体レーザダイオードをAlx1Ga1-x1N (0 ≦X1≦1 )から成るクラッド層とGax2In1-x2N (0 ≦X2≦1 )/GaN のMQW構造の活性層とすることで、レーザ出力を向上させることができる。又、基板は、サファイア、SiC 、Si等、ELOを用いたGaN を用いることができる。
【0013】
【発明の作用及び効果】
本発明では、劈開の後に集束イオンビームエッチング処理を用いて共振器端面を形成することから、共振器端面の平坦度及び鏡面度が向上したため、しきい値電流を低下させることができた。
【0014】
又、請求項2、3の発明では、電極形成のためのエッチング工程と、共振器端面の集束イオンビームエッチング処理が別工程で実行される。よって、エッチング深さを独立して制御することができるために、電極形成のためのエッチング工程では、必要な面が露出するまでの深さとすることができる。又、共振器端面の集束イオンビームエッチング処理では、垂直度が得られる深さまでエッチングすれば良い。この集束イオンビームエッチング処理では、その部分で下層が薄くなっても不都合はない。このように、電流路における下層の厚さは、端面形成のために薄くはならないため、その層の抵抗の増加を抑制することができる。よって、駆動電圧を低下させ、発振効率を向上させることができる。
【0016】
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図1において、レーザダイオード100は、サファイア基板1を有しており、そのサファイア基板1上に30nmのAlN のバッファ層2が形成されている。そのバッファ層2の上には、順に、膜厚約5μm、電子密度1×1018/cm3 のシリコンドープGaN から成る高キャリア密度n+ 層3、膜厚約0.6μm、電子密度1×1018/cm3 のシリコンドープのAl0.07Ga0.93N から成るnクラッド層4、膜厚80nm、電子密度1×1018/cm3 のシリコンドープGaN からなるnガイド層5、膜厚約4nmのGa0.97In0.03N から成るバリア層62と膜厚約2nmのGa0.9In0.1N から成る井戸層61とが交互に積層され、最上層を厚さ20nm、ホール密度3×1017/cm3 のマグネシウム(Mg)ドープAl0.15Ga0.85N とする多重量子井戸構造(MQW) の活性層6が形成されている。バリア層62は5層、井戸層61は5層である。そして、その活性層6の上に、膜厚80nm、ホール密度3×1017/cm3 のマグネシウム(Mg)ドープGaN から成るpガイド層7、膜厚600nm、ホール密度3×1017/cm3 、マグネシウム(Mg)ドープAl0.07Ga0.93N から成るpクラッド層8、膜厚200nm、ホール密度1×1018/cm3 、マグネシウム(Mg)ドープGaN から成るpコンタクト層9が形成されている。そして、pコンタクト層9上にNi/Au 電極10が形成されている。又、n層3上にはAlから成る電極11が形成されている。
【0019】
次に、この構造のレーダダイオード100の製造方法について説明する。
上記レーザダイオード100は、有機金属化合物気相成長法(以下「MOVPE 」と示す)による気相成長により製造された。
用いられたガスは、NH3 とキャリアガスH2又はN2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)(以下「TMG 」と記す)とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)(以下「TMA 」と記す)とトリメチルインジウム(In(CH3)3)(以下「TMI 」と記す)とシラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2) (以下「CP2Mg 」と記す)である。
【0020】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したA面を主面とし、単結晶のサファイア基板1をMOVPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2liter/分で約30分反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板1をベーキングした。
【0021】
次に、温度を400℃まで低下させて、H2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMA を1.8×10-5モル/分で約50秒間供給してAlN のバッファ層2を約30nmの厚さに形成した。
次に、サファイア基板1の温度を1150℃に保持し、H2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を1.7×10-4モル/分、H2ガスにて0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を20×10-8モル/分で導入し、膜厚約5μm、電子密度1×1018/cm3 、シリコン(Si)ドープGaN からなるn層3を形成した。
【0022】
上記のn層3を形成した後、続いて温度を1100℃に保持し、H2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMA を5.0×10-6モル/分、TMG を5.0×10-5モル/分、H2ガスにて0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を8×10-9モル/分で導入し、膜厚600nm、電子密度1×1018/cm3 、シリコン(Si)ドープAl0.07Ga0.93N からなるnクラッド層4を形成した。
【0023】
次に、温度を1100℃に保持し、H2を20liter/分、TMG を5×10-5モル/分、H2ガスにて0.86ppmに希釈された(SiH4)を8×10-9モル/分で導入し、膜厚80nm、電子密度1×1018/cm3 のシリコン(Si)ドープGaN からなるnガイド層5を形成した。
【0024】
次に、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約4nmのGa0.97In0.03N から成るバリア層62を形成した。次に、N2又はH2、NH3 、TMG 及びTMI を供給して、膜厚約2nmのGa0.9In0.1N から成る井戸層61を形成した。さらに、バリア層62と井戸層61を同一条件で5周期形成し、N2又はH2、NH3 、TMG 、TMA 及びCp2Mg を供給してその上に厚さ20nm、ホール密度3×1017/cm3 のマグネシウム(Mg)ドープAl0.15Ga0.85N から成るバリア層を形成した。このようにして5周期のMQW 構造の活性層6を形成した。
【0025】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を0.5×10-4モル/分、Cp2Mg を2×10-7モル/分で導入して、マグネシウム(Mg)がドーピングされた、膜厚約80nmのマグネシウム(Mg)ドープGaN からなるpガイド層7を形成した。
【0026】
次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMA を5×10-6モル/分、TMG を5×10-5モル/分、及び、Cp2Mg を2×10-7モル/分で導入して、マグネシウム(Mg)がドーピングされた、膜厚約600nmのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.07Ga0.93N からなるpクラッド層8を形成した。
【0027】
次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を5×10-5モル/分、Cp2Mg を2×10-7モル/分で導入して、マグネシウム(Mg)がドーピングされた、膜厚約100nmのマグネシウム(Mg)ドープのGaN からなるpコンタクト層9を形成した。
【0028】
次に、電子線照射装置を用いて、pコンタクト層9、pクラッド層8及びpガイド層7に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10kV、試料電流1μA、ビームの移動速度0.2mm/sec、ビーム径60μmφ、真空度5.0×10-5Torrである。この電子線の照射により、pコンタクト層9、pクラッド層8及びpガイド層7はそれぞれ、ホール密度3×1017/cm3 、3×1017/cm3 、1×1018/cm3 となった。このようにして多層構造のウエハを形成することができた。
【0029】
次に、図2に示すように、pコンタクト層9の上に、スパッタリングによりSiO2層12を200nmの厚さに形成し、そのSiO2層12上にフォトレジスト13を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図2に示すように、n層3に対する電極形成部位A’のフォトレジスト13を除去した。次に、図3に示すように、フォトレジスト13によって覆われていないSiO2層12をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【0030】
次に、フォトレジスト13及びSiO2層12によって覆われていない部位のpコンタクト層9、pクラッド層8、pガイド層7、活性層6、nガイド層5、nクラッド層4及びn層3の一部を真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、BCl3ガスを10ml/分の割合で供給しドライエッチングし、その後Arでドライエッチングした。この工程で、図4に示すように、n層3に対する電極取り出しのための領域Aが形成された。その後、SiO2層12を除去した。
【0031】
次に、一様にNi、次にAuを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、pコンタクト層9の上にNi/Au から成る電極10を形成した。一方、n層3に対しては、Alを蒸着して電極11を形成した。
【0032】
次に、共振器端面を形成するための集束イオンビームエッチングを次のように行った。まず、上記のように作製したウエハを公知の方法よりチップとした。この時、共振器端面Sは劈開により形成した。この状態、さらに、この共振器端面Sを次のようにして集束イオンビームエッチングした。
真空度1×10-5Torr以下のチャンバー内にレーザダイオード100の上面を上に向けて(共振器端面Sを垂直に向けて)設置した。イオン種にGa+ イオンを用いて加速電圧30kv、エミッション電流2.4μAとして、走査した。
【0033】
エッチングは、次の3段階に分けて実行された。エッチング領域は図5に示されている。
(1)ビーム電流4.722nA、加工領域は、幅D=32μm、幅W1=5μm、加工深さは基板まで、加工時間10分、走査方向は中から外、滞在時間0.5μs、チルト角3.5度である。
(2)ビーム電流646pA、加工領域は、長さD=32μm、幅W2=1.26μm、加工深さは基板まで、加工時間10分、走査方向は中から外、滞在時間0.5μs、チルト角1.5度である。
(3)ビーム電流130pA、加工領域は、長さD=32μm、幅W3=1.2μm、加工深さは基板まで、加工時間60分、走査方向は外から中、滞在時間0.5μs、チルト角1.5度である。
このように、図5において、領域P1、P2、P3の順で、条件を代えてエッチングを行った。
【0034】
このようなエッチングの結果、共振器端面Sは、表面の起伏が6ÅであることがSTMにより確認された。このようにして作製されたレーザダイオード100のしきい値電流は従来のドライエッチグで共振器端面を形成したものに比べて20%低減された。又、発光強度も波長360nmにおいて10倍となった。
【0035】
上記実施例では、共振器端面Sは、先ず、劈開により形成したが、RIE等のドライエッチングにより形成した後に行っても良い。さらには、ダイシングにより切断した状態で行っても良い。
【0036】
上記実施例において、層2〜層9までの結晶材料は窒化ガリウム系化合物半導体であれば良く、結晶材料や組成比には特に限定されない。一般式、AlxGaYIn1-X-YN(0≦X ≦1,0 ≦Y ≦1,0 ≦X+Y ≦1)で表される2元、3元、4元の任意の3族窒化物半導体を用いることができる。また、活性層は、例えば、GaN から成るバリア層とGa0.95In0.05N から成る井戸層とで構成されたMQWでも良い。さらに、活性層6をMQW構造としているが、SQW構造であっても良い。また、活性層6とクラッド層4、8の組成比は、ダブルヘテロ接合を形成する場合には、活性層6のバンドギャップがクラッド層4、8のバンドギャップよりも狭くなり、格子定数が整合するように選択すれば良い。又、4元の任意の3族窒化物半導体を用いる場合には、バンドギャップと格子定数を独立変化させることができるので、各層での格子定数を一致させたダブルヘテロ接合が可能となる。ダブルヘテロ接合に構成するのが望ましいが、本発明はダブルヘテロ接合に限定されるものではなく、シングルヘテロ接合、ホモ接合等であっても良い。
【0037】
また、pガイド層、pクラッド層及びpコンタクト層を電子線照射により低抵抗化したが、熱アニーリング、N2プラズマガス中での熱処理、レーザ照射によって行ってもよい。
上記の実施例において、電極11の形成時のエッチング工程のマスクには、SiO2の他、金属、レジスト等、ドライエッチングに対する耐エッチング性があり、下層のGaN 系の半導体に対して選択的にエッチング又は剥離できるものなら採用できる。さらに、共振器端面を形成するためのエンチング工程のマクスにはフォトレジストを用いたが、その他、 SiO2 等のドライエッチングに対する耐エッチング性があり、下層の電極10、11に対して、選択的にエッチング又は剥離できるものなら採用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の具体的な第1実施例に係る半導体レーザの構成を示した構成図。
【図2】 同実施例の半導体レーザの製造工程を示した断面図。
【図3】 同実施例の半導体レーザの製造工程を示した断面図。
【図4】 同実施例の半導体レーザの製造工程を示した断面図。
【図5】 共振器端面の集束ビームエッチングによるエッチグ方法を示した説明図。
【符号の説明】
100 …レーザダイオード
1…サファイア基板
2…バッファ層
3…n層
4…nクラッド層
6…活性層
7…pクラッド層
8…pガイド層
10、11…電極
61…井戸層
62…バリア層
12…フォトレジスト
S…共振器端面
Claims (3)
- 基板上に3族窒化物半導体から成る活性層を含む複数の層を形成した3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、
レーザの共振器端面を、劈開の後に集束イオンビームエッチング処理することで形成することを特徴とする3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。 - 前記劈開の前に、前記集束イオンビームエッチング以外の方法により、電極を形成する層を露出させるためのエッチングを行うことを特徴とする請求項1に記載の3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
- 前記集束イオンビームエッチング処理は、前記基板が露出するか、前記電極形成のため前記エッチングにより露出された層の面よりもさらに深く基板近くまで行われることを特徴とする請求項2に記載の3族窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
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