JP2008244281A - Manufacturing method for nitride semiconductor laser element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体レーザ素子の製造方法に関し、特に、窒化物半導体レーザ素子の特性および信頼性の低下を抑制することができ、安定してジャンクションダウン接合を行なうことが可能な窒化物半導体レーザ素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a nitride semiconductor laser device, and in particular, a nitride semiconductor capable of suppressing a decrease in characteristics and reliability of a nitride semiconductor laser device and performing stable junction-down junction. The present invention relates to a method for manufacturing a laser element.
半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置の放熱性を向上させるための手法としてはジャンクションダウン接合が知られている。ここで、ジャンクションダウン接合とは、リッジ部が形成された面をサブマウントに接合する方法である。 Junction down junction is known as a technique for improving the heat dissipation of a semiconductor laser device including a semiconductor laser element. Here, the junction-down junction is a method of joining the surface on which the ridge portion is formed to the submount.
図7に、特許文献1に開示されている従来のAlGaInAs系の半導体レーザ素子の模式的な断面図を示す。ここで、従来の半導体レーザ素子は、n型GaAs基板201上に、n型バッファ層202、n型クラッド層203、発光層204、p型第1クラッド層205、p型第2クラッド層206、中間層207およびp型コンタクト層208が順次積層された構成を有している。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a conventional AlGaInAs-based semiconductor laser device disclosed in
また、この従来の半導体レーザ素子においては、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、リッジ部212およびダミーリッジ部213が形成されている。
In this conventional semiconductor laser element, the
また、この従来の半導体レーザ素子においては、リッジ部212の上面を除いた部分に半導体よりなる電流ブロック層209が形成されており、さらに電流ブロック層209上にはリッジ部212の上面のp型コンタクト層208と接するp側電極210が形成されている。また、n型GaAs基板201の裏面にはn側電極211が形成されている。
Further, in this conventional semiconductor laser device, a
この従来の半導体レーザ素子においては、ダミーリッジ部213の上方におけるp側電極210の最上面210aがリッジ部212の上方におけるp側電極210の最上面210bよりも高さhだけ高くなっている。
In this conventional semiconductor laser device, the
このような構成の半導体レーザ素子をサブマウント等の基台にジャンクションダウンで接合する際に、ダミーリッジ部213の上方のp側電極210の最上面210aが基台に接触する支持部となり、リッジ部212の上方におけるp側電極210の最上面210bが基台に接触しないため、リッジ部212に加わる応力を低減することができるため、リッジ部212に加わる応力に起因する窒化物半導体レーザ素子の特性劣化を抑制することができる。
When the semiconductor laser device having such a configuration is joined to a base such as a submount by junction down, the
また、特許文献2には、基板の表面に掘り込まれた領域である少なくとも1つの凹部と掘り込まれていない領域である丘部とを形成するように加工し、その加工された表面上に窒化物半導体薄膜を成長させることによって、窒化物半導体レーザ素子の両側に1つずつリッジ部の長手方向に沿って伸びるダミーリッジ部を形成する方法が開示されている。
一般に、窒化物半導体はGaAs系半導体と比較して欠陥が多く、特にp型窒化物半導体は欠陥が多いことが知られている。したがって、特許文献1に記載の技術を窒化物半導体レーザ素子に適用する場合には、リッジ部を形成するためにp型窒化物半導体層をエッチングすることによって欠陥を露出させてしまうことがある。
In general, nitride semiconductors are known to have more defects than GaAs semiconductors, and in particular, p-type nitride semiconductors are known to have many defects. Therefore, when the technique described in
この欠陥が露出されたp型窒化物半導体層の上面に半導体よりなる電流ブロック層を形成した場合には、欠陥が多く、結晶性の良好でない電流ブロック層が形成されてしまう。そのため、電流ブロック層の上面にp側電極を形成した場合には電流リークの原因となり信頼性の良好な窒化物半導体レーザ素子を得ることができないという問題があった。 When a current block layer made of a semiconductor is formed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer where this defect is exposed, a current block layer with many defects and poor crystallinity is formed. Therefore, when the p-side electrode is formed on the upper surface of the current blocking layer, there is a problem that a nitride semiconductor laser element with good reliability cannot be obtained due to current leakage.
また、窒化物半導体レーザ素子は、GaAs系等の他の半導体レーザ素子と比較してキンクが発生しやすく、また、130mWや200mWといった高出力の窒化物半導体レーザ素子を作製するためにはリッジ部の幅を狭くする必要がある。 In addition, the nitride semiconductor laser element is more likely to generate kinks than other semiconductor laser elements such as GaAs, and the ridge portion is required to produce a high-power nitride semiconductor laser element such as 130 mW or 200 mW. It is necessary to narrow the width.
しかしながら、このような幅が狭く形成されたリッジ部は製造工程等のわずかな圧力を受けることで損傷を受けやすく、窒化物半導体レーザ素子の特性および信頼性を低下させる原因となりやすかった。 However, the ridge portion formed with such a narrow width is easily damaged by being subjected to a slight pressure in the manufacturing process or the like, and is liable to deteriorate the characteristics and reliability of the nitride semiconductor laser device.
また、特許文献2に開示された窒化物半導体レーザ素子においては、サブマウント等の基台にジャンクションダウン接合する際にダミーリッジ部が破壊してしまうことがあった。 Further, in the nitride semiconductor laser element disclosed in Patent Document 2, the dummy ridge portion may be destroyed when the junction down junction is made to a base such as a submount.
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、窒化物半導体レーザ素子の特性および信頼性の低下を抑制することができ、安定してジャンクションダウン接合を行なうことが可能な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。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device capable of suppressing a decrease in characteristics and reliability of the nitride semiconductor laser device and capable of performing a junction-down junction stably. It is to provide a manufacturing method.
本発明は、帯状に伸びる凹部を4つ以上かつ帯状に伸びる凸部を3つ以上有するとともに凹部と凸部とが1つずつ交互に形成されている支持部成長領域と、凹部および凸部が形成されていないリッジ部成長領域と、が交互に配列された表面を有する窒化物半導体基板を作製する第1工程と、窒化物半導体基板の表面上に複数の窒化物半導体層を順次積層することによって、リッジ部成長領域の上方に位置する最上面の平坦部よりも支持部成長領域の凸部の上方に位置する最上面の方が上方に突出している窒化物半導体層積層構造体を作製する第2工程と、リッジ部成長領域の上方における窒化物半導体層積層構造体の表面の一部を帯状に除去することによって、窒化物半導体層積層構造体の一部に上方に突出したリッジ部を形成する第3工程と、を含む、窒化物半導体レーザ素子の製造方法である。 The present invention includes a support portion growth region in which four or more concave portions extending in a strip shape and three or more convex portions extending in a strip shape are formed, and the concave portions and the convex portions are alternately formed, and the concave portions and the convex portions are provided. A first step of producing a nitride semiconductor substrate having a surface in which ridge portion growth regions that are not formed are alternately arranged, and sequentially laminating a plurality of nitride semiconductor layers on the surface of the nitride semiconductor substrate To produce a nitride semiconductor layer stacked structure in which the uppermost surface located above the convex portion of the support portion growth region protrudes upward rather than the flat portion of the uppermost surface located above the ridge portion growth region. In the second step, a part of the surface of the nitride semiconductor layer stacked structure above the ridge growth region is removed in a strip shape, so that a ridge protruding upward from a part of the nitride semiconductor layer stacked structure is formed. 3rd process to form It includes a method for manufacturing a nitride semiconductor laser device.
ここで、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法においては、凹部の開口部の幅が3μm以上であり、凸部の上面の幅が10μm以上50μm以下であることが好ましい。 Here, in the method for manufacturing a nitride semiconductor laser device of the present invention, the width of the opening of the recess is preferably 3 μm or more, and the width of the upper surface of the protrusion is preferably 10 μm or more and 50 μm or less.
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法においては、凹部の深さが1.8μm以上であることが好ましい。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor laser device of the present invention, the depth of the recess is preferably 1.8 μm or more.
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法においては、窒化物半導体基板の表面における、凹部の長手方向に平行な方向のオフ角をθpとし、凹部の長手方向に直交する方向のオフ角をθvとしたとき、θpが0.2°以上1°以下であって、θvが0.2°以下であり、(θv/θp)が0.7以下であることが好ましい。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor laser device of the present invention, the off-angle in the direction parallel to the longitudinal direction of the concave portion on the surface of the nitride semiconductor substrate is θ p, and the off-direction in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the concave portion is When the angle is θ v , θ p is 0.2 ° or more and 1 ° or less, θ v is 0.2 ° or less, and (θ v / θ p ) is 0.7 or less. preferable.
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法においては、支持部成長領域のそれぞれにおいて、凸部の上面の幅の最大値と最小値との差の絶対値が5μm以下であることが好ましい。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to the present invention, the absolute value of the difference between the maximum value and the minimum value of the upper surface width of the convex portion is preferably 5 μm or less in each of the support portion growth regions. .
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法においては、リッジ部を金属膜で被覆する工程を含むことが好ましい。 The method for manufacturing a nitride semiconductor laser device of the present invention preferably includes a step of covering the ridge portion with a metal film.
本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子の特性および信頼性の低下を抑制することができ、安定してジャンクションダウン接合を行なうことが可能な窒化物半導体レーザ素子の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the nitride semiconductor laser element which can suppress the fall of the characteristic and reliability of a nitride semiconductor laser element, and can perform junction down junction stably is provided. it can.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
図1に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例の模式的な断面図を示す。ここで、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、帯状に伸びる凹部11を4つ以上かつ帯状に伸びる凸部12を3つ以上有するとともに凹部11と凸部12とが1つずつ交互に形成されている支持部成長領域13と、凹部11および凸部12が形成されていないリッジ部成長領域14と、が交互に配列されたn型の窒化物半導体基板10の表面上に、複数の窒化物半導体層を順次積層することによって形成された窒化物半導体層積層構造体15が形成されており、窒化物半導体層積層構造体15の表面上に絶縁膜19およびp側電極20が順次形成され、さらにp側電極20の表面上に金属膜21が形成された構成を有している。また、窒化物半導体基板10の裏面上にはn側電極22が形成されている。また、リッジ部成長領域14の上方に位置するリッジ部16の側方は絶縁膜19で埋められている。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of the nitride semiconductor laser device of the present invention. Here, the nitride semiconductor laser element of the present invention has four or more
このような構成の窒化物半導体レーザ素子においては、リッジ部成長領域14の上方に位置するリッジ部16の最上面よりも支持部成長領域13の凸部の上方に位置する窒化物半導体層(支持部17)の最上面の方が上方に突出している。ここで、支持部17の上方に位置する金属膜21の表面は、リッジ部16の上方に位置する金属膜21の表面よりもHだけ高くなっている。
In the nitride semiconductor laser device having such a configuration, a nitride semiconductor layer (supported above the convex portion of the
このように本発明により製造された窒化物半導体レーザ素子においては、リッジ部16の最上面よりも上方に突出する3つ以上の支持部17が形成される。
Thus, in the nitride semiconductor laser device manufactured according to the present invention, three or
したがって、本発明によって製造された窒化物半導体レーザ素子を用いた場合には、サブマウント上にジャンクションダウン接合する際に、n側電極22が形成されている側の面から荷重を加えた場合でもサブマウントとの接触によってリッジ部16が損傷を受けることを抑制することができるため、本発明によれば窒化物半導体レーザ素子の特性および信頼性の低下を抑制することができる。
Therefore, when the nitride semiconductor laser device manufactured according to the present invention is used, even when a load is applied from the surface on which the n-
また、3つ以上の支持部17の最上面を覆う金属膜21の表面でサブマウントとジャンクションダウン接合することができるため、1つの支持部17の上方でジャンクションダウン接合を行なう従来の特許文献2の窒化物半導体レーザ素子と比べて、サブマウントへの接合面積を大きくすることができることから、安定してジャンクションダウン接合を行なうことが可能となる。
Further, since the submount and the junction down junction can be performed on the surface of the
なお、本明細書において、「上」とは、窒化物半導体層積層構造体15を構成する窒化物半導体層の積層方向を意味するものとする。
In the present specification, “upper” means the direction in which the nitride semiconductor layers constituting the nitride semiconductor layer stacked
以下、図1に示す窒化物半導体レーザ素子を製造する方法の一例を図2〜図5を参照して説明する。 An example of a method for manufacturing the nitride semiconductor laser element shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIGS.
まず、図2に示す窒化物半導体基板10を作製する。ここで、図2(a)は窒化物半導体基板10の模式的な平面図を示し、図2(b)は窒化物半導体基板10の模式的な断面図を示す。以下、窒化物半導体基板10を作製する方法(第1工程)の一例について説明する。
First, the
まず、C面を主面とし、<1−100>方向に0.3°、<11−20>方向に0.1°のオフ角を有するn型GaN基板の表面の全面に1.5μmの厚さのSiO2膜をスパッタ蒸着する。 First, 1.5 μm is formed on the entire surface of the n-type GaN substrate with the C-plane as the main surface and an off angle of 0.3 ° in the <1-100> direction and 0.1 ° in the <11-20> direction. A thick SiO 2 film is sputter deposited.
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、<1−100>方向に伸びる複数の帯状のフォトレジストからなるマスクのパターンをSiO2膜上に形成する。ここで、フォトレジストからなるマスクのパターンは、帯状のフォトレジストからなるマスクの形成領域とその間の帯状の開口領域とが交互に配列されたパターンである。そして、支持部成長領域13に対応するパターンは、帯状のフォトレジストからなるマスクの間の帯状の開口領域の幅を5μmとし、その開口領域が<11−20>方向に30μmの間隔で7周期配列されたものを1組としたパターンである。また、リッジ部成長領域14に対応するパターンは、支持部成長領域13から<11−20>方向に向かって次の支持部成長領域13までの間隔が185μmである<1−100>方向に伸びる帯状のフォトレジストからなるマスクのパターンである。
Next, a mask pattern made of a plurality of strip-like photoresists extending in the <1-100> direction is formed on the SiO 2 film by using a photolithography technique and an etching technique. Here, the mask pattern made of a photoresist is a pattern in which a mask-formed region made of a strip-like photoresist and a strip-like opening region between them are alternately arranged. In the pattern corresponding to the
そして、RIE(Reactive Ion Etching)等のドライエッチング技術を用いて、SiO2膜およびn型GaN基板のエッチングを行なうことによってn型GaN基板の表面に深さ5μmに掘り込まれた帯状の凹部11と掘り込まれていない幅30μmの帯状の凸部12とを有する支持部成長領域13が形成される。上記のエッチング後は、SiO2膜上のフォトレジストがすべて除去される。
Then, using a dry etching technique such as RIE (Reactive Ion Etching), the SiO 2 film and the n-type GaN substrate are etched to form a strip-shaped
その後、エッチャントとしてHF(フッ化水素)水溶液(フッ酸)等を用いてSiO2膜を除去することによって、図2に示す窒化物半導体基板10が作製される。
Thereafter, the SiO 2 film is removed using an HF (hydrogen fluoride) aqueous solution (hydrofluoric acid) or the like as an etchant, whereby the
なお、上記において、SiO2膜の形成方法はスパッタ蒸着に限定されるものではなく、たとえば、電子ビーム蒸着法またはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法等を用いることもできる。また、上記において、凹部11の形成方法としては、たとえば、ドライエッチングまたはウエットエッチングを用いてもよく、機械的にn型GaN基板の表面を掘り込んで凹部11を形成してもよい。また、n型GaN基板の表面に、GaN、InGaN、AlGaNまたはInAlGaN等の窒化物半導体薄膜を成長させた後に掘り込んで凹部11を形成してもよい。
In the above, the method for forming the SiO 2 film is not limited to sputtering deposition, and for example, an electron beam deposition method or a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method can be used. In the above, as a method of forming the
支持部成長領域13における凹部11と凸部12の周期は、たとえば図2に示すように、凹部11と凸部12とが交互に配列され、凹部11で始まり凹部11で終わる構成とされる。また、支持部成長領域13は、1周期の凹部/凸部/凹部であってもよいし、複数の周期で構成されていてもよい。また、凹部11の開口部および凸部12の上面は個々に異なる幅を有していてもよい。
For example, as shown in FIG. 2, the period of the
また、図2に示すように、窒化物半導体基板10の表面に形成される凹部11の開口部の幅W1は3μm以上であることが好ましい。また、窒化物半導体基板10の表面に形成される凹部11の深さD1は1.8μm以上であることが好ましい。窒化物半導体基板10の表面に形成される凹部11の開口部の幅W1または凹部11の深さD1が1.8μm未満である場合には、窒化物半導体基板10の表面上に窒化物半導体層を積層して窒化物半導体層積層構造体15を形成する過程で凹部11が埋め込まれてしまい、リッジ部16よりも上方に突出する支持部17を得ることができない傾向にあるためである。
As shown in FIG. 2, the width W1 of the opening of the
また、図2に示すように、窒化物半導体基板10の表面に形成される凸部12の上面の幅W2は10μm以上50μm以下であることが好ましい。凸部12の上面の幅W2が10μm未満である場合には、窒化物半導体層が積層されて形成される支持部17の幅が狭くなるため、製造プロセス時に支持部17が破損してしまうことがある。また、凸部12の上面の幅W2が50μmを超える場合には、凸部12の上面上に形成される窒化物半導体層の先端の全体が後述するエッジグロースを起こさずに、リッジ部成長領域14上に形成される窒化物半導体層の表面のようにエッジグロースの間に平坦部を有する構成となる傾向にあるため好ましいとはいえない。
As shown in FIG. 2, the width W2 of the upper surface of the
また、窒化物半導体基板10の表面において、凹部11の長手方向に平行な方向のオフ角をθpとし、凹部11の長手方向に直交する方向のオフ角をθvとしたとき、θpが0.2°以上1°以下であって、θvが0.2°以下であり、(θv/θp)が0.7以下であることが好ましい。
Further, the surface of the
たとえば、窒化物半導体基板10の表面において、凹部11の長手方向に平行な方向のオフ角θpを0.1°とし、凹部11の長手方向に直交する方向のオフ角θvを1°とした場合には、それぞれの支持部17の表面は左上がりまたは右下がりとなり、支持部成長領域13全体としてみればノコギリの刃のような形状となる。このような形状の支持部17をサブマウントにジャンクションダウン接合を行なった場合には、窒化物半導体レーザ素子とサブマウントとが斜めに接合され、窒化物半導体レーザ素子のレーザ光の出射の際に生じる熱の拡散にバラツキが生じることによって、リッジ部に大きな歪みが生じてしまう。そこで、このような問題を解消する観点ならびに後述するエッジグロースおよび表面モフォロジの観点から、窒化物半導体基板10の表面において、凹部11の長手方向に平行な方向のオフ角をθpとし、凹部11の長手方向に直交する方向のオフ角をθvとしたとき、θpが0.2°以上1°以下であって、θvが0.2°以下であり、(θv/θp)が0.7以下であることが好ましい。
For example, on the surface of
また、窒化物半導体基板10の表面の支持部成長領域13のそれぞれにおいて、凸部12の上面の幅の最大値と最小値との差の絶対値が5μm以下であることが好ましい。それぞれの支持部成長領域13における凸部12の上面の幅の最大値と最小値との差の絶対値が5μm以下である場合には支持部17の高さを同等にすることができる傾向にある。したがって、このような同等の高さを有する3つ以上の支持部17によってサブマウントにジャンクションダウン接合を行なう場合には、ジャンクションダウン接合時の支持部17の破壊が抑制されやすくなることから、窒化物半導体レーザ素子をより安定してジャンクションダウン接合することが可能となる傾向にある。
Further, in each of support
また、本発明において、窒化物半導体基板10としては、たとえば、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z≠0)の組成式で表わされる窒化物半導体からなる基板を用いることができる。また、窒化物半導体基板10を構成する窒化物半導体の窒素原子のうちその約10%以下がAs、PまたはSb等の原子で置換されていてもよい(ただし、窒化物半導体基板10においては六方晶系が維持されている)。また、窒化物半導体基板10中に、Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、MgまたはBe等がドーピングされていてもよい。また、窒化物半導体基板10をn型とする場合には、Si、OまたはClがドーピングされていることが好ましい。また、窒化物半導体層が積層される窒化物半導体基板10の表面としては、たとえば、C面{0001}、A面{11−20}、R面{1−102}、M面{1−100}、または{1−101}面が好ましく用いられる。
In the present invention, the
上記のようにして作製した窒化物半導体基板10の表面上に複数の窒化物半導体層を順次積層することによって窒化物半導体層積層構造体を作製する(第2工程)。
A nitride semiconductor layer stacked structure is manufactured by sequentially stacking a plurality of nitride semiconductor layers on the surface of the
図3に、窒化物半導体基板10の表面上に作製された窒化物半導体層積層構造体15の一例の模式的な拡大断面図を示す。ここで、窒化物半導体層積層構造体15は、たとえば、窒化物半導体基板10をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置に設置し、窒化物半導体基板10の表面上に、厚さ0.2μmのn型GaN層101、厚さ2μmのn型Al0.05Ga0.95N層102、厚さ0.02μmのn型GaNガイド層103、周期層厚を12nmとする3周期のMQW活性層104、厚さ0.01μmのp型Al0.02Ga0.98Nキャリアブロック層105、厚さ0.02μmのp型GaNガイド層106、厚さ0.55μmのp型Al0.05Ga0.95N層107および厚さ0.1μmのp型GaNコンタクト層108がMOCVD法により順次結晶成長させられて形成される。
FIG. 3 is a schematic enlarged cross-sectional view of an example of the nitride semiconductor layer stacked
図4に、窒化物半導体基板10の表面上に窒化物半導体層積層構造体15を形成した後のウエハの一例の模式的な断面図を示す。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an example of a wafer after the nitride semiconductor layer stacked
ここで、図4に示すように、窒化物半導体基板10のリッジ部成長領域14の上方に位置する最上面においては、表面が平坦な平坦部となるリッジ形成部25と、リッジ形成部25の両端部にリッジ形成部25よりも盛り上がった領域であるエッジグロース部26と、が形成される。なお、本明細書においては、このように端部が盛り上がった結晶成長が起こることをエッジグロースといい、エッジグロースが生じている領域をエッジグロース部という。また、平坦部となるリッジ形成部25の表面からエッジグロース部26の最も高いところまでの段差H1は、窒化物半導体基板10の作製条件および窒化物半導体層積層構造体15の形成条件にもよるが、たとえば1μm以上3μm以下とすることができる。
Here, as shown in FIG. 4, on the uppermost surface located above the
まず、リッジ部成長領域14の上方のエッジグロース部26を例としてエッジグロース部26が形成される経緯を説明する。ここでは、リッジ部成長領域14の幅を上記と同様の185μmとして説明する。
First, the process of forming the
窒化物半導体基板10の表面上に窒化物半導体層のエピタキシャル成長を開始すると、窒化物半導体層の原料となる原子および分子が窒化物半導体基板10の表面に付着し、マイグレーション等を起こして窒化物半導体基板10の表面を移動していく。ところが、凹部11の埋め込みがある程度まで進行するまでは、リッジ部成長領域14に付着した原子および分子が凹部11に流れ込めずにリッジ部成長領域14の端部で固着してしまうため、リッジ部成長領域14の端部からエッジグロースが生じ始め、窒化物半導体層積層構造体15の形成が完了した時点でたとえば20μm以上30μm以下の幅を有するエッジグロース部26が形成される。
When the epitaxial growth of the nitride semiconductor layer is started on the surface of the
このように、エッジグロース部26が窒化物半導体基板10の表面上の全面に生じた状態で窒化物半導体層積層構造体15の形成が完了すると、リッジ部形成領域14上の窒化物半導体層積層構造体15の表面はエッジグロース部26を除いて表面モフォロジの良好な平坦な表面を有するリッジ形成部25が得られる。この表面モフォロジが良好なリッジ形成部25は、エッジグロースが生じることで、マイグレーション等による凹部11への原子および分子の流れ込みが生じにくくなるため均一な結晶成長が可能となる。
Thus, when the formation of the nitride semiconductor layer stacked
次に、支持部成長領域13の凸部12上に窒化物半導体層が成長する場合について説明する。凸部12の上面の幅はリッジ部成長領域14と比較して狭くなっているが、窒化物半導体基板10の表面上に窒化物半導体層のエピタキシャル成長を開始すると、凸部12の上面上にも原子および分子が付着し、付着した原子および分子はマイグレーション等により移動する。しかしながら、凹部11の埋め込みがある程度まで進行するまでは、リッジ部成長領域14に付着した原子および分子が凹部11に流れ込むことができず、また、凸部12の上面の幅は狭くなっている。これにより、凸部12の上面の両端からエッジグロースが始まり、窒化物半導体層が成長する過程で凸部12の両端からのエッジグロースが干渉し合い、やがては凸部12の上の全面でエッジグロースが生じて、厚さのある支持部17が形成される。上述したように、凸部12の上の全面でエッジグロースを生じさせるためには、図2に示す凸部12の上面の幅W2が10μm以上50μm以下であることが好ましい。
Next, the case where a nitride semiconductor layer grows on the
また、窒化物半導体層積層構造体15の表面モフォロジは、窒化物半導体基板10のオフ角に影響を受ける。窒化物半導体基板10の凹部11の長手方向に平行な方向のオフ角θpが0.2°以上である場合にはエッジグロースが生じやすくなる傾向にあるが、オフ角θpが1°を超える場合には窒化物半導体基板10の表面の研磨傷等の窒化物半導体基板10に起因する表面モフォロジが現れやすくなるため、上記のオフ角θpは0.2°以上1°以下であることが好ましい。
Further, the surface morphology of the nitride semiconductor layer stacked
また、窒化物半導体基板10の凹部11の長手方向に直交する方向のオフ角θvはエッジグロースの具合に影響し、オフ角θvが0.2°を超える場合には、ウエハの面内においてエッジグロースによる盛り上がりの高さに分布を生じやすくなることと、表面モフォロジが悪化しやすくなる等の問題が生じやすくなるため、上記のオフ角θvは0.2°以下であることが好ましい。
Further, the off angle θ v in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the
さらに、窒化物半導体基板10の凹部11の長手方向に平行な方向のオフ角θpと直交する方向のオフ角θvとが(θv/θp)≦0.7の関係を満たす場合には、エッジグロースが生じ、表面モフォロジの良好な窒化物半導体層積層構造体15が得られる傾向にある。
Furthermore, when the off angle θ p in the direction parallel to the longitudinal direction of the
上述した窒化物半導体基板10の表面のオフ角によるエッジグロースの具合や表面モフォロジが影響を受けることは、窒化物半導体基板10の表面のオフ角によってエピタキシャル成長中のマイグレーション等による原子および分子の移動が影響を受けるためと考えられる。
The effect of edge growth and surface morphology due to the off-angle of the surface of the
図5に、図1に示す窒化物半導体レーザ素子が横に繋がったレーザバーの一例の模式的な断面図を示す。ここで、リッジ部16は、リッジ部成長領域14の上方における窒化物半導体層積層構造体15の表面の一部を帯状に除去することによって形成される(第3工程)。
FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of an example of a laser bar in which the nitride semiconductor laser elements shown in FIG. 1 are connected horizontally. Here, the
詳細には、まず、図4に示すウエハのリッジ形成部25の中央部にフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、リッジ部16に対応する部分をフォトレジストからなるマスクで保護し、そのマスクの両脇をエッチングすることによってリッジ部16が作製される。本実施の形態において、リッジ部16は、<1−100>方向に沿って凹部11と平行になるように高さ0.4μm、リッジ部16の上面の幅が1.2μm、リッジ部16の底面の幅が1.5μmの順メサ形状として形成されている。
More specifically, first, a portion corresponding to the
リッジ部16は、リッジ形成部25の両端部から幅方向(凹部11の長手方向に直交する方向)に10μm以上離れた位置で形成されることが好ましい。エッジグロース部26はエッジグロースにより窒化物半導体層積層構造体の層構造が設計通りになりにくいため、リッジ形成部25の両端部から幅方向に10μm未満の領域にリッジ部16を形成した場合には窒化物半導体レーザ素子の特性にばらつきが生じるおそれがある。
The
リッジ部16を作製する際には、支持部17はマスクで被覆され、エッチングされないようにすることが好ましい。支持部17がエッチングされてしまうと、リッジ部16と支持部17との間の高低差H1が小さくなってしまうためである。
When the
次に、図5に示すように、リッジ部16の上面を除いた表面部分を絶縁膜19で保護し、続いて、p側電極20および金属膜21が順次積層される。
Next, as shown in FIG. 5, the surface portion excluding the upper surface of the
ここで、絶縁膜19は、たとえば以下の方法により形成することができる。まず、窒化物半導体層積層構造体15にリッジ部16を形成した後に、リッジ部16の上面にのみフォトレジストによるマスクを形成し、その後、スパッタ法等を用いて窒化シリコンからなる絶縁膜19を形成する。そして、絶縁膜19の形成後は、フォトレジストが除去される。ここでは、絶縁膜19としては窒化シリコンが用いられているが、その他の材質としては、Si、Ti、Zr、TaおよびAlからなる群から選択された少なくとも1種の酸化物若しくは窒化物、またはSiO2等の酸化シリコンを用いることができる。
Here, the insulating
また、絶縁膜19は、リッジ部16の上面を除いて窒化物半導体層積層構造体15の表面を連続して被覆していることが好ましい。たとえば、本実施の形態において、支持部成長領域13は、凹部11と凸部12とが集中して形成された領域となっているが、凸部12に挟まれた凹部11の上方は窒化物半導体層が形成されず、溝となっている。そのため、支持部17の間は分断されているが、凹部11の上方の溝を埋め込むか、エアブリッジ状に被覆されていることが好ましく、支持部17の間の溝からの電流のリークを防止することができる。
The insulating
また、p側電極20は、リッジ部16の上面および絶縁膜19の上面に形成されている。p側電極20は、リッジ部16が形成されている側の窒化物半導体層積層構造体15の表面全体にわたって形成されていることが好ましい。これは、p側電極20は、リッジ部16に電流を注入する電極としての機能の他に、金属膜21の成長を促進させる機能も兼ね備えて得るためである。このp側電極20における金属膜21の成長を促進させる機能を効果的に発現させるためには、p側電極20の最上面の材質は金属膜21と同様の金属であることが好適である。たとえば、金属膜21にAuを用いる場合には、p側電極20としては、たとえば、Pd/Mo/Au、Ni/Au、Pd/Pt/Au、またはPd/Au等の最上面がAuからなる構成を用いることが好適である。また、金属膜21がAu、AgおよびAuからなる群から選択された少なくとも1種のメッキ、またはAg、Cu、AlまたはMo等の単体の金属からなる場合には、p側電極20の最上面には、たとえば、Ag、Cu、AlまたはMo等の金属を用いることができる。
The p-
なお、上記の金属膜21の形成に用いられるメッキとしては、たとえば、シアン系金メッキまたは亜硫酸系金メッキを用いることができるが、亜硫酸系金メッキは硬度が高いために変形を引き起こしにくい点から特に好ましい。また、光沢金メッキを施した場合には、メッキ表面の粒子がより細かくなるため、サブマウントとの密着性が良好となるため好適である。
As the plating used to form the
このようなp側電極20および金属膜21は、たとえば以下のようにして形成することができる。まず、窒化物半導体層積層構造体15の表面上に絶縁膜19を形成した後、EB(Electron Beam)蒸着によりp側電極20を形成する。続いて、電解メッキにより、たとえば厚さ5μmの金属膜21を形成する。
Such p-
また、金属膜21を形成する方法としては、上記の電解メッキの他にも、たとえば、無電解メッキ、合金メッキ、EB蒸着、スパッタ、またはECR(Electron cyclotron Resonance)法等を用いることができる。
As a method for forming the
また、金属膜21の厚さは1μm以上であることが好ましい。本発明においては、エッジグロースにより、支持部17の上面とリッジ部16の上面との間に段差が生じているため、窒化物半導体レーザ素子をジャンクションダウン接合によりサブマウントに接合した場合には支持部17よりも窪んでいるリッジ部16へのはんだの流れ込みが均一にならず空洞ができてしまうこと等によって、窒化物半導体レーザ素子の特性にばらつきが生じることがあるためである。
The thickness of the
また、上記のp側電極20および金属膜21の形成後には、窒化物半導体基板10の裏面の研磨若しくはエッチングを行なうことにより、窒化物半導体基板10の厚さをたとえば80μm以上200μm以下に薄くすることができる。そして、窒化物半導体基板10の裏面には、たとえばHf/Alの構成のn側電極22がEB蒸着法等によって形成される。
Further, after the formation of the p-
また、n側電極22としては、Hf/Alの構成の他にも、たとえば、Hf/Al/Mo/Au、Hf/Al/Pt/Au、Hf/Al/W/Au、Hf/Au、またはHf/Mo/Au等の構成を用いてもよい。また、n側電極22としては、上記の構成において、HfをTiまたはZrに置き換えた構成を用いてもよい。
Further, as the n-
また、図5に示すレーザバーは、たとえば、リッジ部16、p側電極20、金属膜21およびn側電極22が形成された後のウエハをリッジ部16の長手方向となる<1−100>方向に直交する方向に劈開することにより形成される。この劈開により露出した劈開面が共振器端面を構成し、共振器長がたとえば400μmの導波型ファブリペロー共振器が形成される。なお、本発明において、共振器長が400μmに限定されることは言うまでもなく、たとえば300μm以上1000μm以下の範囲とすることができる。
Further, the laser bar shown in FIG. 5 has a <1-100> direction in which the wafer after the
また、上記のようにして形成された共振器端面は窒化物半導体結晶の{1−100}面に相当する。劈開は、ウエハの裏面全面にダイヤモンドカッタによって罫書き線を形成し、ウエハに所定の圧力を加えた状態で実施される。また、ウエハの一部、たとえば、ウエハの端部のみにダイヤモンドカッタによって罫書き線が形成され、これを起点にして劈開しても構わない。また、共振器端面の形成は、エッチングによって行なわれても構わない。 The cavity end face formed as described above corresponds to the {1-100} plane of the nitride semiconductor crystal. Cleaving is performed in a state where a ruled line is formed on the entire back surface of the wafer by a diamond cutter and a predetermined pressure is applied to the wafer. Further, a ruled line may be formed by a diamond cutter only on a part of the wafer, for example, only at the edge of the wafer, and it may be cleaved starting from this. The formation of the resonator end face may be performed by etching.
このように、導波型ファブリペロー共振器の前後に共振器端面を形成した後、これらの共振器端面の両面にそれぞれ、SiO2膜とTiO2膜とを交互に蒸着して反射率70%の誘電体多層膜を形成することができる。なお、形成された2つの共振器端面のうち1つはレーザ光の出射面とし、レーザ光の出射面となる共振器端面に形成される誘電体多層膜の反射率をたとえば5%とし、他方の共振器端面に形成される誘電体多層膜の反射率をたとえば95%としてもよい。なお、誘電体多層膜の反射率も上記のものに限定されないことは言うまでもない。また、誘電体多層膜の構成もSiO2膜とTiO2膜とが交互に積層された積層体に限定されるものではなく、たとえば、SiO2膜とAl2O3膜との積層体等を用いてもよい。 Thus, after forming the resonator end faces before and after the waveguide type Fabry-Perot resonator, SiO 2 films and TiO 2 films are alternately deposited on both sides of the end faces of the resonators, respectively, and the reflectance is 70%. The dielectric multilayer film can be formed. One of the two resonator end faces formed is a laser beam emitting surface, and the reflectance of the dielectric multilayer film formed on the resonator end surface serving as the laser beam emitting surface is set to 5%, for example. The reflectance of the dielectric multilayer film formed on the resonator end face may be 95%, for example. Needless to say, the reflectance of the dielectric multilayer film is not limited to the above. Further, the configuration of the dielectric multilayer film is not limited to a laminate in which SiO 2 films and TiO 2 films are alternately laminated. For example, a laminate of SiO 2 films and Al 2 O 3 films, etc. It may be used.
また、図5に示す構成のレーザバーをリッジ部16の長手方向に平行な方向沿ってたとえば図5に示す破線31で切断して複数のチップに分割することにより、図1に示す窒化物半導体レーザ素子を作製することができる。
Further, the laser bar having the configuration shown in FIG. 5 is cut along the direction parallel to the longitudinal direction of the
ここで、分割する方法としては、たとえば、n側電極22の形成された面を上側にしてレーザバーをステージ上に設置し、レーザバーの裏面となるn側電極22の表面にダイヤモンドカッタ等によってスクライブラインを入れる。そして、レーザバーに所定の圧力を加えた状態で、スクライブラインに先端形状が鋭角な刃を当て、ブレーキング装置を用いて圧力を加えることによって、スクライブラインに沿ってレーザバーを分割する。これにより、複数の窒化物半導体レーザ素子がチップ状に分割される。なお、この方法は、スクライビング法と言われる方法である。また、窒化物半導体基板10の表面において分割したい箇所が凹部11の開口部内に含まれるように凹部11の幅を広げて分割しやすくしてもよい。また、窒化物半導体レーザ素子のリッジ部16の両側に少なくとも1つずつの支持部17が含まれるように分割してもよい。
Here, as a method of dividing, for example, a laser bar is set on the stage with the surface on which the n-
また、上記のスクライビング法以外にも、n側電極22の表面にキズまたは溝等を形成してレーザバーを分割する方法を用いることもできる。また、ワイヤソー若しくは薄板ブレード等を用いてn側電極22の表面にキズ入れ若しくは切断を行なうダイシング法、エキシマレーザ光の照射による加熱とその後の急冷により照射部に生じたクラックをスクライブラインとするレーザスクライブ法、または高エネルギ密度のレーザ光を照射し、蒸発させることで溝入れ加工を行なうレーザアブレーション法等を用いることができる。
In addition to the above scribing method, a method of dividing the laser bar by forming scratches or grooves on the surface of the n-
図6は、本発明によって製造された図1に示す構成の窒化物半導体レーザ素子をサブマウントにジャンクションダウン接合により接合した状態の一例を示す模式的な断面図である。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a state in which the nitride semiconductor laser device having the configuration shown in FIG. 1 manufactured according to the present invention is joined to a submount by junction down junction.
図1に示す構成の窒化物半導体レーザ素子をサブマウントにジャンクションダウン接合する方法としては、たとえば、以下のような方法がある。まず、マウント装置にサブマウント32を設置し、サブマウント32上ではんだ33を溶融させる、次に、溶融したはんだ33の上面側から窒化物半導体レーザ素子のリッジ部16が形成された側の表面とサブマウント32の表面とが向き合うようにして窒化物半導体レーザ素子をはんだ33上に載せる。そして、窒化物半導体レーザ素子のn側電極22が形成されている側の面から荷重を加えて密着させる。その後、冷却してはんだ33を固化させる。このようにして、窒化物半導体レーザ素子をサブマウントにジャンクションダウン接合することができる。
As a method for junction down junction of the nitride semiconductor laser element having the configuration shown in FIG. 1 to the submount, for example, the following method is available. First, the
ここで、本発明によって製造された窒化物半導体レーザ素子においては、たとえば、金属膜21が形成されていることによって、窪みとなっているリッジ部16の上方をはんだ33で埋め込みきれずに空洞が生じたとしても、リッジ部16の直下の窒化物半導体層で生じた熱は熱伝導率の良好な金属膜21を伝導してサブマウント32に逃がすことができるため、窒化物半導体レーザ素子が高出力であっても、良好に放熱することができる。そのため、窒化物半導体レーザ素子の高出力化に伴って増加する放熱性の問題も回避することができる。
Here, in the nitride semiconductor laser device manufactured according to the present invention, for example, the
なお、上記において、サブマウント32の材質としては、SiCまたはAlNが好適に用いられる。また、上記において、はんだ33の材質としては、金と錫の合金を用いることが好ましく、この場合に金と錫の比率(質量比)は70:30であることが好ましい。
In the above, as the material of the
なお、結晶面および方向を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。 In addition, when expressing a crystal plane and a direction, it should be expressed by adding a bar on a required number, but since there are restrictions on expression means, in this specification, the required number is used. Instead of the expression with a bar on top, the symbol “-” is added in front of the required number.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、ジャンクションダウン接合により接合される窒化物半導体レーザ素子の製造に好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used for manufacturing a nitride semiconductor laser element that is bonded by junction down bonding.
10 窒化物半導体基板、11 凹部、12 凸部、13 支持部成長領域、14 リッジ部成長領域、15 窒化物半導体層積層構造体、16 リッジ部、17 支持部、19 絶縁膜、20 p側電極、21 金属膜、22 n側電極、25 リッジ形成部、26 エッジグロース部、31 破線、32 サブマウント、33 はんだ、101 n型GaN層、102 n型Al0.05Ga0.95N層、103 n型GaNガイド層、104 MQW活性層、105 p型Al0.02Ga0.98Nキャリアブロック層、106 p型GaNガイド層、107 p型Al0.05Ga0.95N層、108 p型GaNコンタクト層、201 n型GaAs基板、202 n型バッファ層、203 n型クラッド層、204 発光層、205 p型第1クラッド層、206 p型第2クラッド層、207 中間層、208 p型コンタクト層、209 電流ブロック層、210 p側電極、210a,210b 最上面、211 n側電極、212 リッジ部、213 ダミーリッジ部。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記窒化物半導体基板の前記表面上に複数の窒化物半導体層を順次積層することによって、前記リッジ部成長領域の上方に位置する最上面の平坦部よりも前記支持部成長領域の前記凸部の上方に位置する最上面の方が上方に突出している窒化物半導体層積層構造体を作製する第2工程と、
前記リッジ部成長領域の上方における前記窒化物半導体層積層構造体の表面の一部を帯状に除去することによって、前記窒化物半導体層積層構造体の一部に上方に突出したリッジ部を形成する第3工程と、
を含む、窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 A supporting portion growth region having four or more concave portions extending in a strip shape and three or more convex portions extending in a strip shape, and alternately forming the concave portions and the convex portions, and the concave portions and the convex portions are formed. A first step of producing a nitride semiconductor substrate having a surface in which ridge growth regions that are not formed are alternately arranged;
By sequentially laminating a plurality of nitride semiconductor layers on the surface of the nitride semiconductor substrate, the convex portion of the support portion growth region is more than the uppermost flat portion located above the ridge portion growth region. A second step of producing a nitride semiconductor layer stacked structure in which the uppermost upper surface protrudes upward;
By removing a part of the surface of the nitride semiconductor layer stacked structure above the ridge growth region in a strip shape, a ridge part protruding upward is formed in a part of the nitride semiconductor layer stacked structure A third step;
A method for manufacturing a nitride semiconductor laser device, comprising:
θpが0.2°以上1°以下であって、θvが0.2°以下であり、(θv/θp)が0.7以下であることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 When the off-angle in the direction parallel to the longitudinal direction of the concave portion on the surface of the nitride semiconductor substrate is θ p and the off-angle in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the concave portion is θ v ,
The θ p is 0.2 ° or more and 1 ° or less, θ v is 0.2 ° or less, and (θ v / θ p ) is 0.7 or less. 4. A method for producing a nitride semiconductor laser device according to any one of 3 above.
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