JP5223342B2 - 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
しかし、半導体レーザ素子では、RIE(反応性イオンエッチング)又はへき開によって形成された共振器端面はバンドギャップエネルギーが小さくなるため、出射光の吸収が端面で起こり、この吸収により端面に熱が発生し、共振器端面における保護膜の密着性及び高出力化に問題があった。また、活性層からの漏れ光により、FFP(ファー・フィールド・パターン)においてリップルが発生することがあり、良好な形状のレーザ光ビームを得ることが困難であるという課題もあった。
これに対して、例えば、光ディスクの光源として用いられるレーザ素子において、戻り光によるノイズを防止するために、レーザ素子の共振器端面の活性層直下の表面に、荒れ領域又は薄膜を形成する技術が提案されている(例えば、特許文献1及び2)。
また、近年の窒化物半導体基板の転位等の低減により窒化物半導体レーザ素子の形成に窒化物半導体基板が普及し、これに伴い、共振器端面を劈開により形成することによって良好な共振器端面を得ることができるが、共振器端面に保護膜を形成する場合には、レーザ素子がバー状に分割され、バー状のウェハの保護膜形成面を所定の方向(例えば、上面)に向け、バーごとに保護膜を形成する必要があるなど、製造工程が煩雑であった。
さらに共振器端面で発生した熱による保護膜の剥がれ又は劣化を低減させ、共振器端面と保護膜との密着性を良好に保つこと、ひいては高出力化を確保しながら共振器端面の保護膜の剥がれを抑制し、さらに製造効率の増大を図り、製造コストの低減を行うことが強く求められている。
また、さらなる高性能の半導体レーザとして、良好なビーム品質の半導体レーザの要求が高まっている。そのため、活性層からの漏れ光が、共振器内における第1窒化物半導体層付近で反射され、リップル、特にY方向のリップルとして現れ、FFPの乱れることを抑制する必要がある。
窒化物半導体基板上に、第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層をこの順に積層した窒化物半導体層を形成し、該窒化物半導体層をエッチングして共振器端面を形成する窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記共振器端面を形成するエッチングと同じ工程で、前記共振器端面における前記第1窒化物半導体層に、活性層に対して表面粗さが大きい領域を形成するように、前記窒化物半導体層をエッチングすることを特徴とする。
この窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、前記エッチングをドライエッチングによって行うことが好ましい。
また、前記共振器端面の形成と同時に、前記第1窒化物半導体層の表面状態を変化させるようにエッチングすることが好ましい。
さらに、共振器端面に端面保護膜を形成することが好ましい。
窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板上に第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器端面とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記共振器端面は、前記第1窒化物半導体層に、活性層に対して表面粗さが大きい領域を有しており、さらに、該領域内で、前記共振器端面の高さ方向でその位置が変動する凹部を有することを特徴とする。
窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板上に第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器端面とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記共振器端面は、前記第1窒化物半導体層に、エッチングにより設けられた前記活性層と略平行な凹部が形成された領域を有しており、該凹部が共振器端面の高さ方向にその位置が変動してなることを特徴とする。
これらの窒化物半導体レーザ素子は、前記共振器端面がドライエッチングによって形成されてなることが好ましい。
また、前記境界領域内の共振器端面に凹部が形成されており、凹部の位置が、前記境界領域内で、共振器端面の高さ方向に変動してなることが好ましい。
さらに、前記窒化物半導体層の側面に、エッチングにより設けられた凹部領域を有し、該側面に側面保護膜を有することが好ましい。
また、共振器端面の境界領域の表面状態によって、活性層からの漏れ光が、共振器端面内における第1窒化物半導体層付近で反射させずに散乱させることができ、リップル、特にY方向のリップルを低減させることが可能となり、良好なFFPを実現することができる。
このような窒化物半導体レーザ素子は、通常、第2窒化物半導体層13の表面にリッジ14が形成され、共振器端面21の全面に共振器端面21に接触する保護膜(図示せず、以下、「第1保護膜」又は「端面保護膜」と記載することがある)が形成された構造をしている。また、第3保護膜(以下、「埋込膜」又は「リッジ側面に形成される保護膜」と記載することがある)15、p電極16、第2保護膜(以下、「第1保護膜上に形成される保護膜」及び「側面保護膜」と記載することがある)17、pパッド電極18、n電極19等が適宜形成されている。
なお、このようなレーザ素子は、例えば、図2に示すように、n電極19が窒化物半導体基板10に対して同じ側に配置されているものであってもよい。
なお、窒化物半導体層は、限定されないが、例えば、n側半導体層とp側半導体層に光の光導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造とすることが好ましい。
井戸層と障壁層は、一般式InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)のものを用いることができる。好ましくは、少なくとも井戸層にInを含むものであり、さらに好ましくは、井戸層、障壁層の両方にInを含むものである。
このような活性層は、特に発振波長が220nm〜580nmとなる組成で形成されていることが好ましい。
共振器端面は、一般に、基板表面に対して、略垂直に形成されていることが好ましい。共振器端面が、基板表面に対してテーパ又は逆テーパとした場合のCODレベルの低下及び/又は閾値電流の上昇を防止するためである。
この際のエッチングの深さとしては、第1窒化物半導体層又は基板に達するものであればよい。また、共振器端面に、光導波領域と後述する境界領域とを含むことのできる深さであればよい。
また、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope:AFM)によって境界領域の表面粗さを数値化して評価してもよい。例えば、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製の走査型プローブ顕微鏡(SPI3800N)を用いることによって算術平均粗さを評価することができる。本発明では境界領域において、5.0〜9.0nm程度の算術平均粗さを有していることが好ましい。これによって、効果的にY方向のリップルを除去することができる。
共振器端面における境界領域、さらに、境界領域を挟んだ活性層側と基板側における平滑な面は、以下のように形成されると考えられる。
境界領域は、少なくとも活性層よりも基板側に形成され、光導波領域よりも基板側であることが好ましい。
なお、本発明では、共振器端面の形成と同様にレーザ素子の形状を規定する側面(通常、共振器端面に略垂直な面)も形成するため、窒化物半導体層の側面にも、共振器端面における上述したような境界領域、波打った形状又は抉れたような形状を有する領域、凹部などが形成されていてもよい。
窒化物半導体基板は、MOCVD法、HVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。また、例えば、特開2006−24703号公報に例示されている種々の基板等の公知の基板、市販の基板等を用いてもよい。
共振器端面に接触して形成される保護膜(第1保護膜又は端面保護膜)は、例えば、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Ti等の酸化物(特に、Al2O3、SiO2、Nb2O5、TiO2、ZrO2等)、窒化物(特に、AlN、AlGaN、BN、SiN等)又はフッ化物及びこれらの2種以上の組み合わせ等によって形成することができる。なかでも、酸化物であることが好ましい。また、別の観点から、レーザ素子の発振波長に対して吸収端のない材料により形成されることが好ましい。
端面保護膜は、窒化物半導体層に形成された共振器端面を被覆するものであるが、必ずしも共振器端面の全面を被覆する必要はなく、少なくとも、共振器端面の光導波路領域(活性層及びその上下層の一部に及ぶ)を被覆するものであればよい。また、保護膜は、共振器端面以外の面を、部分的に被覆していてもよい。
端面保護膜は、レーザ素子の側面に形成される側面保護膜(図1A中、17)と同時に形成してもよい。これにより製造工程を簡略化し、製造効率を向上させることができる。
特に、保護膜として酸化膜を形成する場合には、前処理は酸素又はオゾン、窒化膜を形成する場合には、前処理は窒素を用いることが好ましい。
第2保護膜は、単層構造及び積層構造のいずれでもよい。例えば、Siの酸化物の単層、Alの酸化物の単層、Siの酸化物とAlの酸化物の積層構造等が挙げられる。このような膜が形成されていることにより、保護膜をより強固に共振器端面に密着させることができる。その結果、安定な動作を確保することができ、CODレベルを向上させることができる。
第2保護膜の膜厚は、特に限定されることなく、保護膜として機能し得る膜厚とすることが適している。その膜厚は、100〜15000Å程度であることが好ましい。また、保護膜と第2保護膜との総膜厚は、2μm程度以下となるものが好ましい。
なお、第3保護膜15、p電極16及び側面保護膜17の上面には、pパッド電極18が形成されていることが好ましい。
第2窒化物半導体層表面に形成された端面保護膜及び/又は側面保護膜の膜厚は、共振器端面に形成された端面保護膜及び側面保護膜の膜厚よりも薄いものが好ましい。これにより、保護膜にクラックが発生することを防止することができる。
端面保護膜と側面保護膜とを同時に形成する場合、共振器端面と側面の連続した保護膜との密着性を向上させることができる。
従来の窒化物半導体基板を用いたレーザ素子の製造方法では、ウェハを劈開することにより共振器端面を形成していたことから、バー状のウェハの本数と同じ回数の劈開を行う必要があった。また、共振器端面に保護膜を形成する場合には、バー状のウェハの保護膜形成面を所定の方向(例えば、上面)に向け、バーごとに保護膜を形成する必要があるなど、製造工程が煩雑であった。
実施例1
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、図1A及び1Bに示すように、C面を成長面とするGaN基板10上に、第1窒化物半導体層(例えば、n側)11、活性層12及び表面にリッジ14が形成された第2窒化物半導体層(例えば、p側)13をこの順に積層しており、共振器端面21を有する共振器が形成されて構成されている。
また、この半導体レーザ素子は、共振器端面にAl2O3からなる保護膜(図示せず)及び第2保護膜(図示せず)(膜厚、200Å及び1000Å)、さらに、第3保護膜15、p電極16、n電極19、側面保護膜17、pパッド電極18等が形成されている。
まず、窒化ガリウム基板を準備する。この窒化ガリウム基板上に、1160℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニア、シランガスを用い、Siを4×1018/cm3ドープしたAl0.03Ga0.97Nよりなる層を膜厚2μmで成長させる。なお、このn側クラッド層は超格子構造とすることもできる。
続いて、シランガスを止め、1000℃でアンドープGaNよりなるn側光ガイド層を0.175μmの膜厚で成長させる。このn側光ガイド層にn型不純物をドープしてもよい。
続いて、Cp2Mg、TMAを止め、1000℃で、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層10よりも小さい、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層を0.145μmの膜厚で成長させる。
最後に、1000℃で、p側クラッド層の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層を150Åの膜厚で成長させる。
溝は、最上層のp側コンタクト層の表面にSiO2よりなるマスクを形成して、CHF3ガスの流量を150sccm、O2ガスの流量を5sccm、圧力を20Pa、RFパワーを200Wの条件でSiO2をエッチングしてマスクを形成する。このようにマスクを形成することで、マスクの端面に境界領域と対応するような凹凸を形成する。
続いて、Cl2ガスの流量を50sccm、SiCl4ガスの流量を5sccm、圧力を13Pa、RFパワーを400Wの条件で半導体層をエッチングして共振器端面を形成するとともに、共振器端面に垂直な方向にもエッチングする。なお、この際のエッチング深さは、p側コンタクト層の表面から約5μmエッチングしており、基板の一部をエッチングする程度である。
このリッジ部の側面をZrO2からなる第3保護膜(埋込膜)で保護する。
次いで、p側コンタクト層及び第3保護膜の上の表面にNi(100Å)/Au(1000Å)/Pt(1000Å)よりなるp電極を形成する。p電極を形成した後、600℃でオーミックアニールを行う。
まず、電極の一部上にレジストによってマスクを形成し、それ以外の領域に下記の条件で端面保護膜及び側面保護膜を形成する。
得られた素子をスパッタ装置に移し、Alターゲットを用い、Arの流量が30sccm、酸素の流量が9.0sccm、マイクロ波/RF電力500Wで、Al2O3からなる保護膜(100Å)を形成する。
次に、反射側の共振器端面以外の領域にマスクを形成し、出射側と同様の成膜条件で、Al2O3を100Å成膜し、ZrO2を670Å成膜し、その上に(SiO2/ZrO2)を(670Å/450Å)で6周期成膜する。
続いて、露出しているp電極上に連続して、Ni(80Å)/Pd(2000Å)/Au(8000Å)で形成し、pパッド電極を形成する。
その後、基板厚みが80μmになるように窒化物半導体層の成長面と反対側の面から研磨を行う。
その後、窒化物半導体基板のn電極の形成面側からバー状に劈開する。
次いで、p電極に平行な方向で、バーをチップ化することで半導体レーザ素子とする。
また、得られた半導体レーザ素子について、閾値電流を測定し、CODレベルを評価した。
その結果、本実施例の半導体レーザ素子では、25mA程度(70個のメジアン値)であったのに対し、劈開による共振器端面を有する半導体レーザ素子では、28mA程度であり、若干の差異はあるものの、劈開による半導体レーザ素子と同等又はより低い閾値を示すことが確認された。
CODレベルについても、本実施例の半導体レーザ素子では、566mW程度(20個のメジアン値)であったのに対し、劈開による共振器端面を有する半導体レーザ素子では、571mA程度であり、劈開による半導体レーザ素子と同等のCODレベルを示すことが確認された。
本実施例の測定結果を図3Aに、比較のための半導体レーザ素子を図3Bに示す。
図3A及び図3Bによれば、劈開による半導体レーザ素子においては発光層から漏れた光の一部が散乱することによってY方向のリップルを顕著に現わしていた。一方、本実施例の半導体レーザ素子では、このような散乱によるY方向のリップルが有効に抑制されていることが確認された。
このように、共振器端面を構成する窒化物半導体層の表面状態が異なっていることにより、保護膜の共振器端面との密着性が良好となり、剥がれを防止し、ひいては、CODレベルを向上させることができる。
共振器端面形成のエッチングの際、圧力:20Pa、RFパワー:300Wでエッチングする以外、実質的に実施例1と同様の方法によりレーザ素子を形成する。
得られるレーザ素子では、凹部の深さ(D)が65nmである。
本実施例の半導体レーザ素子では、凹部の深さを深くしたことによって、共振器端面と端面保護膜の接触面積が増えることにより密着性が向上する。
共振器端面形成のエッチングの際、エッチング深さを、p側コンタクト層の表面から約3μm程度、基板の一部をエッチングするように共振器端面を形成し、それ以外は、実質的に実施例1と同様の方法によりレーザ素子を形成する。
得られるレーザ素子では、境界領域が、リッジ表面から1.0μmの位置に形成される。
本実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果が得られる。さらに、実施例1と比較して、境界領域が光出射領域に近づいて形成されるため、Y方向のリップルをより効果的に抑制することができる。また、光出射領域がエッチングされる時間が短いため、閾値が低下し、CODレベルが向上すると考えられる。
端面保護膜を、光出射側においてTiO2、光反射側においてTiO2とSiO2/TiO2各4層との積層膜とする以外、実質的に実施例1と同様の方法によりレーザ素子を形成する。
本実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果が得られる。
端面保護膜を、光反射側/光出射側共にSiO2(130nm)で形成する以外、実質的に実施例1と同様の方法によりレーザ素子を形成する。
本実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果が得られる。また、保護膜形成工程が1工程と簡略化することができるため、製造効率を向上させることができる。
窒化物半導体層の側面にも、共振器端面と同様の凹部領域を有するように形成する以外、実質的に実施例1と同様の方法によりレーザ素子を形成する。
本実施例では、レーザ素子の構造を規定する工程において、マスクの端面に境界領域と対応するような凹凸を形成し、エッチングすることにより半導体レーザ素子の側面に凹部領域を形成する。側面に形成される凹部領域は、共振器端面に形成される凹部領域よりも第2窒化物半導体層側に形成される。
本実施例の半導体レーザ素子では、実施例1と同様の効果が得られる。また、側面保護膜の密着性が向上する。
本実施例では、基板にサファイアを用い、図2に示す窒化物半導体レーザ素子を形成する。共振器面を形成するエッチングの際に、第1窒化物半導体層が露出するように、p側コンタクト層の表面から2.5μmの深さをエッチングし、露出した第1窒化物半導体層にn電極を形成する。それ以外は実質的に実施例1と同様の方法によりレーザ素子を形成する。
本実施例の半導体レーザ素子においても、実施例1と同様の効果が得られる。
11 第1窒化物半導体層
12 活性層
13 第2窒化物半導体層
14 リッジ
15 第3保護膜
16 p電極
17 第2保護膜
18 p側パッド電極
19 n電極
20 境界領域
20a 凹部
21、22 第1保護膜
Claims (10)
- 窒化物半導体基板上に、第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層をこの順に積層した窒化物半導体層を形成し、該窒化物半導体層をエッチングして共振器端面を形成する窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記共振器端面を形成するエッチングと同じ工程で、前記共振器端面における前記第1窒化物半導体層に、活性層に対して表面粗さが大きい領域を形成するように、前記窒化物半導体層をエッチングす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。 - 前記エッチングをドライエッチングによって行う請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- さらに、共振器端面に端面保護膜を形成する請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板上に第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器端面とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記共振器端面は、前記第1窒化物半導体層に、活性層に対して表面粗さが大きい領域を有しており、さらに、該領域内で、前記共振器端面の高さ方向でその位置が変動する凹部を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記共振器端面がドライエッチングによって形成されてなる請求項4に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板上に第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層がこの順に積層された窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器端面とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記共振器端面は、前記第1窒化物半導体層に、エッチングにより設けられた前記活性層と略平行な凹部が形成された領域を有しており、該凹部が共振器端面の高さ方向にその位置が変動してなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記活性層に対して表面粗さが大きい領域よりも前記窒化物半導体基板側の前記第1窒化物半導体層に、活性層の表面状態と異なる領域が設けられている請求項4又は5に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記共振器端面の底部は、前記第1窒化物半導体層が露出した面であって、前記表面粗さの大きい領域は、前記共振器端面の上表面から底面までの長さの1/10〜5/10の間に設けられている請求項4、5及び7のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- さらに、共振器端面に端面保護膜が形成されてなる請求項4〜8のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体層の側面に、エッチングにより設けられた凹部領域を有し、該側面に側面保護膜を有する請求項4〜9のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
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