JP4390433B2

JP4390433B2 - Nitride semiconductor laser and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4390433B2
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Inventors: 晋近江; 剛神川
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Publication date: 2009-12-24
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ素子、特に、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、光及び電流の閉じ込めを行うために、リッジストライプ型の導波路構造を設けることが多い。従来のリッジストライプ型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子における、リッジストライプ型の導波路構造の形成工程の断面模式図を、図１６（ａ）〜（ｇ）に示す。
【０００３】
通常、基板上に形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層構造７００の上に、図１６（ａ）の如くストライプ形成用フォトレジストマスク４４を形成した後、反応性イオンエッチング装置、誘導結合プラズマエッチング装置等のドライエッチング装置を用いて、図１６（ｂ）の如く半導体積層構造７００の表面をエッチングし、リッジストライプを形成する。次に、ストライプ形成用フォトレジストマスク４４を除去した後、図１６（ｃ）の如く、表面をＳｉＯ２、ＳｉＮ等の誘電体膜３５で被覆し、更にその上から、図１６（ｄ）の如く、ストライプ状の開口部８０を有するフォトレジスト膜７０を形成する。
【０００４】
次に、ウェットエッチング法により、図１６（ｅ）の如く、フォトレジストの開口部８０を誘電体膜３５に転写し、開口部９０を設ける。次に、フォトレジスト膜７０を除去した後に、図１６（ｆ）の如く、リッジストライプ領域を含む開口部８１を有するフォトレジスト膜７１を形成し、全面に上部電極金属層を蒸着した後、リフトオフ法により、図１６（ｇ）の如く、上部電極２５を得る。
【０００５】
なお、ここで用いたストライプ形成用フォトレジストマスク４４については、フォトレジストではなく、ＳｉＯ₂等の無機誘電体膜を代わりに使用することも、一般に行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の方法でリッジストライプと上部電極を製作した場合、以下に示す２つの問題点があった。以下、説明に用いた図１６に基づいて説明する。
【０００７】
１点目は、誘電体膜３５に開口部９０を設ける際、等方性エッチングがなされるウェットエッチング法を用いるために、制御が比較的困難なエッチングレートのばらつきに起因して、開口部９０の幅のばらつきが大きくなる点である。開口部９０の幅は、電流注入領域を決定するため、そのばらつきは、半導体レーザ素子の電流電圧特性、発振しきい値電流、発振モード等のばらつきに直結する。ウェットエッチングの代わりにドライエッチング法による異方性エッチングを行って開口部９０を形成すれば、その幅のばらつきを減じることが可能であるが、半導体積層構造７００の表面が、開口部９０において、プラズマ雰囲気にさらされることとなり、そのダメージにより、動作電圧の上昇や信頼性の低下を招来してしまう。
【０００８】
２点目は、半導体積層構造７００上に、誘電体膜３５の開口部９０を介して上部電極が形成されるまでに、ストライプ形成用フォトレジストマスク４４と、誘電体膜３５により、２回の被覆履歴を経ていることである。このような有機物、無機物による半導体積層構造７００上の被覆履歴が重なる場合、たとえそれらが除去されるプロセスを経ても、半導体積層構造７００上に残さが発生し、それらが、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に悪影響を及ぼす。この点は、特に無機誘電体による被覆が繰り返しなされた場合、より顕著で、ストライプ形成用フォトレジストマスク４４の代わりに、ＳｉＯ₂等の、無機誘電体膜をストライプ形成用マスクに使用し、後工程の誘電体膜３５による被覆を含めて、２回の無機誘電体による被覆履歴を経て上部電極２５を形成した場合では、発振しきい値電圧の、１ボルト以上の上昇を招く場合もある。
【０００９】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リッジ部の電極形成領域の幅を制御し、同時に、上部電極形成前に、少なくとも無機誘電体により半導体積層構造が被覆される履歴を有しない、望ましくは一切の被覆履歴を有さないところの、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法と、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、基板と、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造と、一対の電極からなるリッジストライプ型窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法は、一層以上の積層構造からなる上部電極のうち、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の上面に接するところの第一の上部電極層を形成する工程と、第一の上部電極層の上にストライプ用フォトレジストを形成する工程と、ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程と、やはりドライエッチングにより窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去してリッジストライプを形成する工程とを含むものとする。
【００１１】
即ち、第一の上部電極層が、異方性エッチングであるところのドライエッチング法によりストライプ状にパターニングされるため、電流注入領域の幅のばらつきは、実質的に、ストライプ用フォトレジストマスクの形成線幅のばらつきのみにより規定されることとなる。先述の通り、従来の技術による工程の場合は、電流注入領域の幅は、誘電体に開口部を設けるための、ストライプ用フォトレジストマスクの形成線幅のばらつき以外にも、ウェットエッチング法により開口部を形成する際に生じる開口部幅のばらつきも、電流注入領域の幅のばらつきに影響する。従って、本発明による製造方法は、従来の技術によるそれに比べて、大幅に、電流注入領域の幅のばらつきを減じることができる。
【００１２】
また、本発明による製造方法においては、最初に、第一の上部電極層を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面に形成する工程を行うことになる。一方、先述の通り、従来の技術による工程の場合は、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面には、上部電極層が形成される前に、誘電体膜による２回の被覆履歴を経ることとなる。従って、本発明による製造方法は、従来の技術によるそれに比べて、被覆履歴を経るにことに伴う、半導体積層構造上での残さの発生と、それに伴う、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に対する悪影響を、大幅に減じることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第一の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。サファイア等の基板上に、低温成長によるアンドープＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ障壁層とＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層とを３周期重ねた量子井戸構造の活性層、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎキャリアブロック層、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層、及びｐ型ＧａＮコンタクト層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面に、図１（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０オングストロームのＰｄよりなる第一の上部電極層１０を形成する。
【００１５】
次に、同図（ｂ）のごとく、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４０をフォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｃ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４０をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１０を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出するまでエッチングする。
【００１６】
この場合のプロセスガスとしては、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ_２、ＳｉＣｌ_４、ＢＣｌ_３などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いる。これら塩素系ガスの添加は、Ａｒにより表面からスパッタリングされたＰｄのエッチング表面への再付着を抑制する効果がある。ただし、５０％以上添加すると、窒化ガリウム系化合物半導体に対する選択性が大幅に低下し、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出した時点でエッチングが実質的に停止して、同図（ｃ）に示したような断面形状を得ることが困難となる。
【００１７】
第一の上部電極層１０のエッチングに引き続き、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００を、上部クラッド層の途中までエッチングし、同図（ｄ）のごとくリッジストライプを形成する。この場合は、Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを体積比率で５０％以上包含するプロセスガスを使用することにより、ストライプ用フォトレジストマスク４０をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００をエッチングすることができる。その後、有機溶剤等によってストライプ用フォトレジストマスク４０を除去し、第一の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。
【００１８】
本実施形態に示した方法によれば、ストライプ用フォトレジストマスク４０の線幅を正確に転写したリッジ幅を有するリッジストライプ型の半導体レーザを得ることができ、従来の技術による製造方法よりも、半導体レーザ素子の電流電圧特性、発振しきい値電流、発振モード等のばらつきを半分以下に低減することができた。また、本実施形態に示した方法は、第一の上部電極層１０を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、よって、従来の技術により作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子よりも約０．５ボルト程度低い動作電圧を実現できた。
【００１９】
図１に示す第一の実施形態においては、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面の全体に渡って、第一の上部電極層を形成した。この場合、後の、反応性イオンエッチング法により第一の上部電極層をエッチングする工程において、エッチング条件によっては、表面から脱離した電極金属がエッチング表面に再付着し、エッチング表面に荒れを生じることがある。この現象は、マスク材で被覆されている領域に対して、エッチングする領域がより大きくなるほど、顕著である。
【００２０】
例えば上記の例では、マスク材で被覆されている領域は、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスクにより覆われている部分である。ストライプ用フォトレジストマスクが、繰り返しピッチ４００ミクロンで形成されているとすると、隣のストライプ用フォトレジストマスクまでの、幅３９８．５ミクロンの領域で、第一の上部電極層がエッチングされることとなり、マスク材で被覆されていて電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率は、約２６６である。
【００２１】
上述のような、エッチング条件によっては発生するエッチング表面荒れの危険性は、この、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、例えば１以下にすることで、殆ど問題のないレベルにまで減じることができる。以下に、その具体的手法を例示する。
【００２２】
図２は、本発明の第二の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。サファイア等の基板上に本発明の第一の実施形態と同様の構造を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面に、図２（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０オングストロームのＰｄよりなる第一の上部電極層１１を形成する。この際、第一の実施形態のごとく、第一の上部電極層を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面に、全面に渡って形成するのではなく、幅４０ミクロンの領域にのみ形成しておく。
【００２３】
次に、同図（ｂ）のごとく、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４１を、第一の上部電極層１１の上部中央に、フォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｃ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４１をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１１を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面が露出するまでエッチングする。この際、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層１１で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域との間に、段差９１ができる。この段差９１の高さは、主に、第一の上部電極層１１の厚さと、プロセスガス中のＡｒに対する塩素系ガスの添加比率によって決まるが、本実施形態の場合で、約５００オングストローム程度である。
【００２４】
引き続き、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００を上部クラッド層の途中までエッチングし、同図（ｄ）のごとくリッジストライプを形成する。その後、有機溶剤等によってストライプ用フォトレジストマスク４１を除去し、第二の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。
【００２５】
本実施形態に示した方法によれば、電極金属がエッチングされる領域は、幅４０ミクロンの第一の上部電極層１１のうち、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４１により被覆されていない、幅３８．５ミクロンに相当する領域のみである。それに対し、電極金属がエッチングされない領域は、第一の実施の形態の場合と同様、ストライプ用フォトレジストマスクが、繰り返しピッチ４００ミクロンで形成されているとすると、幅３６１．５ミクロンに相当する領域である。
【００２６】
従って、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率は、約０．１となり、第一の実施の形態における約２６６に比べると、大幅に小さくなり、よって、エッチング条件によっては発生するエッチング表面荒れの危険性を、工業レベルでは、殆ど問題のないレベルにまで減じることができた。
【００２７】
また、電極金属がエッチングされる領域を減らす本実施形態の方法には、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層をエッチングする工程において、エッチングされて、エッチング装置内に付着する電極金属及びその反応生成物の量を大幅に減じることができるため、より再現性の良いエッチングを繰り返し実施することが可能となるという、第二の効果も得られる。
【００２８】
これらの効果は、図２（ａ）に示した工程において形成する第一の上部電極層１１の幅が狭ければ狭いほど有効であるが、あまり狭すぎると、同図（ｃ）に示した工程において、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１１を除去する際に生じる段差９１が、形成されるリッジに近づきすぎることとなるため注意が必要である。即ち、上述の通り、リッジを形成する工程においては、半導体積層構造を上部クラッド層の途中までエッチングするが、その際の上部クラッド層の残し膜厚が、水平方向の光閉じ込めを制御する上で重要なパラメータとなる。
【００２９】
しかし本製造方法においては、上部クラッド層の最適な残し膜厚が、段差９１よりもリッジに近い部分で得られていても、段差９１よりもリッジから遠い側の部分では、最適残し膜厚よりも薄くなってしまう。このため、段差９１がリッジに近づきすぎると、より具体的にはリッジの幅の２倍未満の距離まで近づくと、水平方向の光閉じ込めに対するその影響が無視しえなくなってくる。従って、本実施形態の例では、リッジの幅が１．５ミクロンであるので、第一の上部電極層１１は、６．０ミクロン以上とすることが望ましい。
【００３０】
本実施形態においては、図２（ｂ）のごとく、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４１を、第一の上部電極層１１の上部中央に設けたが、必ずしも第一の上部電極層１１の中央に設ける必要はなく、上述の理由により、第一の上部電極層１１の左右両方の端から、リッジの幅の倍である３ミクロン以上、中央に寄った位置にありさえすれば良い。
【００３１】
同図（ａ）に図示のごとく、第一の上部電極層１１を、幅４０ミクロンの領域にのみ形成するためには、幅４０ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の上に、フォトリソグラフィー法により形成し、引き続いて第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成、当該フォトレジスト膜と、その上の第一の上部電極層を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去する方法がある。
【００３２】
ただし、この場合は、第一の上部電極層１１を形成する前に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造が、フォトレジストにより被覆される工程が、一回含まれる。しかしそれでもなお、ストライプ形成用フォトレジストマスクと誘電体膜、または誘電体膜と誘電体膜の、２回の被覆履歴を経ることとなる、従来の技術による工程に比べると、半導体積層構造上での残さの発生と、それに伴う、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に対する悪影響を、大幅に減じることが可能である。
【００３３】
また、同図（ａ）に図示のごとく、第一の上部電極層１１を、幅４０ミクロンの領域にのみ形成するための第二の手法として、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の上部全面に、第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成し、引き続き、幅４０ミクロンのストライプ状フォトレジスト膜を第一の上部電極層の上に、フォトリソグラフィー法により形成した後、ウェットエッチング法により当該フォトレジスト膜で被覆されていない領域に形成された第一の上部電極層を除去し、更にその後、有機溶剤等により当該フォトレジスト膜を除去する方法がある。
【００３４】
この方法によれば、本発明の第一の実施形態の場合と同様、第一の上部電極層を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、同時に、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、本発明の第一の実施形態の場合より、小さくすることが可能となる。この方法では、第一の上部電極層をウェットエッチング法によりエッチングするため、その幅の制御が比較的困難で数ミクロンのばらつきが発生するが、そのばらつきを考慮しても、段差９１がリッジの幅の２倍以上の距離に形成される限り、問題とはならない。
【００３５】
この例では、幅４０ミクロンの設計値に対して、ウェットエッチング時のばらつきが数ミクロンあったとしても、エッチング後の幅は、先述の６．０ミクロン以上に、十分再現性よく形成可能である。また、このようなＰｄよりなる第一の上部電極層１１のエッチングには、例えば、塩化水素酸と硝酸と水とを混合した溶液を使えば良い。
【００３６】
また、同図（ａ）に図示のごとく、第一の上部電極層１１を、幅４０ミクロンの領域にのみ形成するための第三の手法として、幅４０ミクロンの開口部を有するメタルマスクを、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の上に載置した状態で、第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成し、蒸着後、メタルマスクを、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の上から取り除く方法がある。この方法によれば、本発明の第一の実施形態の場合と同様、第一の上部電極層を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、同時に、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、本発明の第一の実施形態の場合より、小さくすることが可能となる。
【００３７】
ここまで述べてきた、第一の実施形態、及び第二の実施形態においては、リッジ上部のみに、上部電極層を形成した。しかしながら実際は、当該リッジ上部の幅は１．５ミクロンと非常に狭く、外部から電圧を印加するための金線等を、その上に配置することは、困難である。
【００３８】
そこで、この問題を解決するために、第二の上部電極を形成する実施形態を、次に示す。
【００３９】
図３は、本発明の第三の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。まず、第一の実施形態において詳述した方法にて、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００、厚さ１５０オングストロームのＰｄよりなる第一の上部電極層１２、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４２を有する、図３（ａ）に示した構造を得る。
【００４０】
次に、図３（ｂ）のごとく、電子ビーム蒸着法により、全面に、厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ₂膜３０を形成する。次に、ストライプ用フォトレジストマスク４２と、その上部にあるＳｉＯ₂膜３０の一部を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去し、同図（ｃ）のごとき構造を得る。
【００４１】
然る後に、同図（ｄ）のごとく、第一の上部電極層１２の上部に、幅１５０ミクロンの第二の上部電極層２０として、Ａｕを２５００オングストロームの厚さに形成する。幅１５０ミクロンの領域のみに、選択的に第二の上部電極層を形成するためには、幅１５０ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に行うことができる。
【００４２】
本方法によれば、第二の上部電極層２０は、幅１５０ミクロンと、外部から電圧を印加するための金線等を、その上に配置するに十分な幅を有しており、なおかつ、第一の実施形態において詳述した方法、または第二の実施形態における方法で述べた、電流注入領域の幅と窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の被覆履歴に関する本発明の効果は、そのまま維持されている。
【００４３】
また、ここでは、図３（ａ）に示した構造を得るために、第一の実施形態において詳述した方法を使用したが、代わりに第二の実施形態において詳述した方法を用いても可能である。ただしこの場合は、第二の実施形態の場合と同様、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層１２で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域に、段差ができる。
【００４４】
ここで、図３において説明した、第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、同図（ｄ）に記載の第二の上部電極層２０の、紙面に対して垂直な方向（リッジストライプに沿う方向）の形状についての規定をしなかった。しかし、この方向に関しては、特に、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの共振器端面の直上を避けて形成することにより、より品質の高い窒化ガリウム系化合物半導体レーザを、より歩留まり良く作成することが可能となる。次に、その事例について説明する。
【００４５】
＜第四の実施形態＞
図４は、本発明の第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。同図に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザの形状は、基本的に、第三の実施形態によるそれと同一で、異なる点は、第三の実施形態を示す図３における、第二の上部電極層２０に相当するところの、第二の上部電極層２１のストライプと平行な方向の長さが、本実施形態においては、図４に示したごとく２００ミクロンと、また、共振器長が５００ミクロンと、有限な長さに規定されている点のみである。
【００４６】
窒化ガリウム系化合物半導体積層構造４００上に形成するところの第一の上部電極層１３は、厚さ１５０オングストロームのＰｄ、誘電体層３１は、厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ₂膜、第二の上部電極層２１は、厚さ２５００オングストロームのＡｕである。
【００４７】
図４のごとく、第二の上部電極２１のストライプと平行な方向の長さを、共振器長よりも短くし、共振器端面直上には、第二の上部電極が形成されないようにすることによって、次のような利点が新たに得られる。即ち、共振器端面の直上にある電極金属層が厚いほど、劈開により共振器端面を作成する際に、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、よって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が高まる。このような危険性は、例えば共振器端面直上の電極金属層が、１０００オングストロームを越える厚さとなると、より顕著である。
【００４８】
同図に示した第一の上部電極層１３は、たかだか、厚さ１５０オングストロームであるのに対して、第二の上部電極層２１は、その上に金線をボンディングする際に、実用上問題がないレベルのボンディング強度を確保するためには、本実施形態のごとく、数千オングストロームの厚さが必要となる。従って、第二の上部電極層２１が、同図のごとく、共振器端面上にはかからないように配置しておけば、共振器端面直上の電極金属層は、厚さ１５０オングストロームのＰｄだけであるため、上述の危険性は、無視できるほど小さい。しかも同時に、第一の上部電極層が、共振器端面の直上も含めたリッジストライプの頂部をくまなく覆う構造を有しているため、電流が注入されない領域ができることもない。
【００４９】
同図のごとく、ストライプと平行な方向の長さが２００ミクロンの第二の上部電極を形成するためには、ストライプと平行な方向の長さが２００ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に形成できる。
【００５０】
ここで、図４において説明した、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器面を、劈開により形成することを前提としている。しかしながら、使用する基板とその上の化合物半導体積層構造の組み合わせよっては、その双方に良好な劈開性を有する面が得られず、従って劈開によっては良質な端面が得られない場合も生じる。このような場合は、ドライエッチング法により共振器端面を形成するが、本発明はその際にも、従来の製造方法にはない、好適な製造方法を提供する。
【００５１】
即ち、従来の、ドライエッチング法により形成した共振器端面を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器端面を形成した後に上部電極を形成する都合上、レーザ素子の共振器端面から、数ミクロン後退したところより内側の領域にしか、電極を形成できず、この、電極が形成されない領域が、吸収層として機能してしまうという問題があった。
【００５２】
一方、本発明による製造方法によれば、ドライエッチング法により形成した共振器端面の際まで、上部電極を形成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得ることが可能となる。以下に、その方法を詳述する。
【００５３】
図５は、本発明の第五の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。また図６は、その製造方法を示す模式図である。図５に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００の上に、厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ_２膜３２を介して、厚さ１５０オングストロームのＰｄよりなる第一の上部電極層１４、厚さ２５００オングストロームのＡｕよりなる第二の上部電極層２２が形成されており、これらの構成は、図４に示した、第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザのそれと同一である。
【００５４】
異なる点は、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器面を、劈開により形成することを前提としているのに対し、本実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、図５のごとく、ドライエッチング法により共振器端面６０を形成している点である。このような構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を、次に説明する。
【００５５】
第四の実施形態によるものと同一の構造、即ち、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００、厚さ１５０オングストロームのＰｄよりなる第一の上部電極層１４、厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ_２膜３２、厚さ２５００オングストロームのＡｕよりなる第二の上部電極２２、から構成される図６（ａ）に示した構造の上に、同図（ｂ）のごとく、共振器端面形成用フォトマスク５０を形成する。次に、反応性イオンエッチング法により、共振器端面形成用フォトマスク５０で覆われていない領域のＳｉＯ_２膜３２を除去し、同図（ｃ）に示した形状を得る。
【００５６】
この場合の反応性イオンエッチング法に用いるプロセスガスとしては、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃などがあり、これらのガスによれば、共振器端面形成用フォトマスク５０で覆われていない領域の第一の上部電極層１４は、同図（ｃ）に示した通り、殆どエッチングされずに残り、ＳｉＯ₂膜３２のみが取り除かれる。
【００５７】
然る後に、第一から第四の実施形態で説明してきた、プロセスガスとして、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いたところの、反応性イオンエッチング法により、共振器端面形成用フォトマスク５０で覆われていない領域の第一の上部電極層１４を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００の表面が露出するまでエッチングして、同図（ｄ）に示した構造を得る。
【００５８】
次いで、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００をエッチングし、同図（ｅ）のごとく共振器端面６０を形成する。この場合は、Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを主エッチングガスとすることにより、共振器端面形成用フォトマスク５０をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００をエッチングすることができる。その後、共振器端面形成用フォトマスク５０を除去して、図５に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。
【００５９】
本実施形態で示した製造方法によれば、共振器端面形成用フォトマスク５０をマスクとして、第一の上部電極層１４と、その下の窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００を、連続してエッチングして共振器端面６０を形成するため、共振器端面の際まで第一の上部電極層１４が形成でき、従来、ドライエッチング法により形成した共振器端面を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザで問題となっていた、電極が形成されない領域ができて、その部分が吸収層として機能するという不具合は発生しない。
【００６０】
ここまで説明してきた、第一から第五の実施形態においては、リッジ部のみを残して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造をドライエッチング法によりエッチングしたが、リッジ部以外を全てエッチングする必要はなく、その近傍のみをエッチングしても良い。
【００６１】
リッジ部のみを残してエッチングした場合、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性がある。他方、リッジの近傍のみエッチングした場合は、リッジ部のみが突出するわけではないので、このような後工程での破損の危険性を、大幅に減じることが可能となる。そこで次に、リッジの近傍のみエッチングする場合について説明する。
【００６２】
図７は、本発明の第六の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。また図８は、その製造方法を示す模式図である。図７に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００の上に、厚さ１０００オングストロームのＳｉＯ_２膜３３、及び厚さ１５００オングストロームのＳｉＯ_２膜３４を介して、厚さ１５０オングストロームのＰｄよりなる第一の上部電極層１５、厚さ２５００オングストロームのＡｕよりなる第二の上部電極層２３が形成されており、これらの構成は、図４に示した第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザのそれと同一である。
【００６３】
異なる点は、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００を、リッジストライプ部を除いて全面、ドライエッチング法により掘り下げているのに対し、第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、リッジの両側の、片側２５ミクロンずつの幅を有する部分のみを掘り下げている点である。このような構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を、次に説明する。
【００６４】
まず、サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００の表面に、図８（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０オングストロームのＰｄよりなる第一の上部電極層１５を形成する。この際、第一の上部電極１５は、第二の実施形態の説明において詳述したものと同様の方法で、幅４０ミクロンの領域にのみ形成しておく。
【００６５】
次に、同図（ｂ）のごとく、第一の上部電極１５の直上、及びその両側の片側５ミクロンの幅を有する領域を除いて、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００全面に、厚さ１０００オングストロームのＳｉＯ₂膜３３を、電子ビーム蒸着法により形成する。
【００６６】
次に、同図（ｃ）のごとく、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４３を、第一の上部電極層１５の上に、フォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｄ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４３をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１５を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００の表面が露出するまでエッチングする。この際、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層１５で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域に、段差９２ができる。
【００６７】
引き続き、同図（ｅ）のごとく、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００を上部クラッド層の半ばまでエッチングし、リッジストライプを形成する。これら２回の反応性イオンエッチング法によるドライエッチング工程については、第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法におけるそれと同一の方法で可能であるため、ここではその詳細は省略する。
【００６８】
次に、ウエハの全面に厚さ１５００オングストロームのＳｉＯ₂膜３４を、電子ビーム蒸着法により形成し、その後、リフトオフ法により、ストライプ用フォトレジストマスク４３とその直上にあるＳｉＯ₂膜３４を除去することにより、同図（ｆ）に示した構造を得る。
【００６９】
その後、第一の上部電極層１５の上部に、幅１５０ミクロンの第二の上部電極層２３として、Ａｕを２５００オングストロームの厚さに形成して、図７に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。幅１５０ミクロンの第二の上部電極層２３の形成については、第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法におけるそれと同一の方法で可能であるため、ここではその詳細は省略する。
【００７０】
本実施形態で示した製造方法によれば、リッジの近傍の、片側３０μmの幅を有する領域のみをドライエッチング法により掘り下げているため、リッジ部のみを残してウエハ全面をエッチングした場合のように、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性はない。
【００７１】
なお、本実施形態においては、リッジの両側に片側２５ミクロンずつの幅を有する部分を掘り下げ、よって、リッジの左右に、幅が２５ミクロンであるところの一対の溝が形成された形状をなしているが、この溝をリッジの左右いずれか片側のみに設ける、即ち、溝が設けられていない側は、全面に渡って上部クラッド層の半ばまでエッチングされていても、リッジ部のみが突出しないという、本実施形態と同様の効果が得られる。また、溝をリッジの両側に設ける場合も、その幅が、必ずしも左右対称となる必要はない。また、本実施形態を示す図７においては、第二の上部電極層を、リッジに関して左右対称となるように描画しているが、左右の幅が非対称であっても、また片側だけに設けてあっても、問題はない。
【００７２】
以上、本発明を、いくつかの実施形態に基づき詳述してきたが、本発明の内容は、ここに挙げた実施形態の内容に限定されるものではない。次に、本発明の技術的思想に基づく、変形を例示する。
【００７３】
本発明における「窒化ガリウム系化合物半導体」には、窒化ガリウム（ＧａＮ）のほか、そのＧａが部分的に他のIII族元素に置き換えられた半導体、例えば、Ｇａ_sＡｌ_tＩｎ_1-s-tＮ（0＜s≦1、0≦t＜1、0＜s＋t≦1）が含まれ、また、各構成原子の一部が不純物原子等に置き換えられた半導体や、他の不純物が添加された半導体も含まれる。
【００７４】
上述の各実施形態で使用したドライエッチング法は、反応性イオンエッチング法であったが、誘導結合プラズマエッチング法や、ＥＣＲプラズマエッチング法などでも、同様のプロセスガスの使用により、各実施形態に示したものと同様なエッチングが可能である。
【００７５】
また、各実施形態では、第一の上部電極のドライエッチング法におけるプロセスガスとして、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いたが、Ａｒの代わりに他の不活性ガス、例えば、ＨｅやＮｅを用いてもよい。
【００７６】
各実施形態では第一の上部電極としてＰｄを使用したが、Ｎｉ、Ｔｉなどでも、また、これらの上に、Ａｕ、Ｍｏなど、別の金属が積層された構造であっても、本発明の製造方法により、同様の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの作成が可能である。ただし検討の結果、ＮｉやＴｉを用いた場合は、コンタクト抵抗を最低とするために最適な厚みは、Ｐｄを使用した場合に比べ、約６５％程度厚くなる。そのため、ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程におけるエッチング時間がより長くなり、よって、ストライプ用フォトレジストの膜減り量が増える。このストライプ用フォトレジストは、更に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、リッジストライプを形成する工程においてもマスクとして使用するため、前の工程における膜減り量が多いと、この工程において必要なレジスト膜厚を確保できない可能性があるため、注意が必要である。
【００７７】
また、各実施形態では、第一の上部電極の厚さを１５０オングストロームとしたが、その層厚は、１５０オングストロームに限定されるものではない。ただし、層厚が、複数の金属が積層された構造である場合はその総厚が、１０００オングストロームを越えた場合は、劈開により共振器端面を作成する際に、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、よって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が高まるので、注意が必要である。さらに、先に述べた通り、厚ければ厚いほど、ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程におけるエッチング時間がより長くなり、よって、ストライプ用フォトレジストの膜減り量が増える点にも注意が必要である。
【００７８】
第三〜第六の実施形態で形成した第二の上部電極はＡｕであったが、作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を、外部に電気的に接続するために金線がボンディングできる、または、外部の電極パッドに溶着できる限り、例えばＡｌなどの金属を使用することも可能であり、また、単体金属ではなく、複数の金属が積層された構造でも何ら問題はない。また、その厚さに関しても、外部への電気的接続に十分なだけ厚ければ、何ら問題はない。
【００７９】
また、第三〜第六の実施形態で使用したＳｉＯ₂は、ＺｒＯ₂やＴｉＯ₂、ＳｉＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＮなど、他の無機誘電体や、ＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物などで置き換えても何ら問題は無く、その厚さも、実施形態の記述中に例示した厚さに限定されるものではない。また、その形成方法についても、実施形態の記述中に例示した電子ビーム蒸着法によらずとも、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法などによるものでも構わない。
【００８０】
以上、詳述してきた、第一〜第六の実施形態における、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００〜６００における活性層には、第一の実施形態の冒頭で述べた通り、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層とＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層とを３周期重ねた量子井戸構造の活性層を採用してきた。しかし、障壁層を２層、ないしは３層にする事も可能である。以下に、その場合を説明する。
【００８１】
＜第七の実施形態＞
本実施の形態における活性層付近の詳細な積層構造を図９に示した。厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層８０３と厚さ４ｎｍのＧａＮ、（８０１、８０５）および厚さ４ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（８０２、８０４）障壁層より構成される多重量子井戸構造を有する活性層を、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長し、今回は井戸層の層数は３層とした。その際、井戸層には、不純物はドープしない形で成長した。
【００８２】
また、井戸層の厚さは２から７ｎｍの範囲が良く、２ｎｍより薄いと、界面散乱が増加して閾値電流を上昇させるので好ましくなく、また７ｎｍより厚くなると、井戸層内で電子と正孔の空間的な分離がおこり、再結合確率を下げるため閾値電流を上昇させるので好ましくない。つまり、井戸層厚に関しては、２ｎｍ以上、７ｎｍ以下がよく、本実施の形態では４ｎｍの厚さで実施しているが、上記範囲であれば何ら問題はない。
【００８３】
障壁層に関しては、２層構造とした。２層のうちｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４側の層を第一の層８０１またｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０６側の層を第二の層８０２と呼ぶことにする。また、障壁層で図９に示す通り、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４に接する第一の層を特に第三の層８０５と、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０６に接する層を第四の層８０４と呼ぶことにする。この第三の層と、第四の層は井戸層と直接接していないため、他の第一の層、第二の層と状況が異なり、区別する意味で第三、第四の層と呼ぶことにした。つまり、第一の層、第三の層がＧａＮ、第二の層、第四の層がＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎである。
【００８４】
本実施の形態においては、第一、二、三、四の層の厚さは４ｎｍで障壁層全体の厚さは８ｎｍとし、第一、第三の層にはＳｉ等のｎ型不純物をドープする。第二、四の層に関しては、Ｓｉ等のｎ型不純物は故意に添加を行わず、ノンドープとした。この際のＳｉ濃度は、５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3までが良く、今回は、1×１０¹⁸ｃｍ^-3で行った。Ｓｉ濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3以上の場合、Ｓｉの過剰ドープが活性層の結晶性を悪化させ、閾値電流密度の増加を引き起こしてしまうために良くない。また、５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であると、キャリアの生成が起こらなくなり、閾値電流密度の増加を引き起こす。また、上記範囲以内であれば、第一、第三の層のＳｉ濃度は異なっていても何ら問題はない。このＳｉ濃度はＳＩＭＳなどの測定方法を用いて測定する。また、図１０に図９に示した活性層のバンドダイヤグラムを示す。
【００８５】
なお、本実施の形態において、不純物としてドープしているＭｇはｐ型不純物としてドープしているが、それは、５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加している。
【００８６】
この様にして、ｎ型ＧａＮ基板上に窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を作製し、その後、熱処理などによりＭｇドープ層を低抵抗ｐ型にした上で、本発明の第三の実施形態と同様の製造方法により、半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的接続を取り、半導体レーザ装置を組み、その特性歩留まりを評価した結果、良好な特性を得ることができた。
【００８７】
このようにして得られた半導体レーザ素子の閾値電流密度は２．５ｋＡ／ｃｍ²であった。図１１は、障壁層全体の膜厚が８ｎｍと一定で、第一の層と第三の層、第二の層と第四の層厚を同じ膜厚として、第一の層厚をＸ軸にプロットした。つまり、第一の層が１ｎｍの時は、第二の層は７ｎｍで、第一の層が２ｎｍの時は、第二の層は６ｎｍで、第一の層４ｎｍの時は、第二の層は４ｎｍとなり、障壁層の全体厚さが８ｎｍになるように、第二の層の層厚が決定される。上記の様に、層厚を決めて実験を行った結果が図１１であり、第一の層と、第三の層が４ｎｍ以下において、閾値電流密度の低減の効果が見られた。
【００８８】
上記の結果に関して、第一の層と、第三の層が４ｎｍより厚いところで閾値電流密度が増加するのは、これ以上第一の層と第三の層を厚くしても、井戸層に注入されるキャリアの量が増加せず、障壁層にドープされるＳｉが多くなるために、活性層内のフリーキャリア散乱が増加し内部損失が大きくなったため閾値電流密度が増加したと考えられる。しかし、第一の層と、第三の層の層厚を４ｎｍ以下にすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、更に、第一の層と第三の層にＳｉドープした事により、井戸層に効率よくキャリアが供給されることにより低閾値電流密度の素子が実現できたと考えられる。
【００８９】
但し、第一の層と、第三の層の層厚が０．３ｎｍ以下になると十分なキャリア数が井戸層に注入できなくなるため、再び閾値電流密度の増大を引き起こす。また、第三の層に関して、本実施の形態では、Ｓｉドープを行ったが第三の層に関しては、Ｓｉドーピングを行っても行わなくても、図１１に示す結果と同じであった。
【００９０】
上記のような実験を、井戸層厚を２ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲とし、障壁層の層厚を７ｎｍから１２ｎｍの範囲で行ったが、図１１と同様の結果を示した。また障壁層の厚さを７ｎｍ未満とした場合、閾値電流密度が増加した。これは、活性層厚が薄くなり、光閉じ込めが弱くなったためと考えられる。更に１２ｎｍ以上であった場合、各々の井戸が離れすぎ、移動度の小さいホールが各井戸層に均一に注入されなくなり、ゲインの低下を引き起こし閾値電流密度が上昇した。
【００９１】
以上まとめると、障壁層のうちＳｉ等の不純物でドーピングされている領域が多くなると、活性層内のフリーキャリア散乱が増加し内部損失が大きくなったため閾値電流密度が増加する。また、第一の層と第三の層にＳｉドーピングした場合、キャリアが効率よく井戸層に注入されるため閾値電流密度が減少する事が分かった。
【００９２】
つまり、井戸層厚を２から７ｎｍの範囲とし、障壁層の層厚を７ｎｍから１２ｎｍの範囲において、障壁層へのドーピングは、第一の層と第三の層に行うのがよく、最も効率よくキャリアを井戸層に注入できる。また、第一の層と第三の層の層厚が０．３ｎｍ以上４ｎｍ以下においては、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層にキャリアを注入できるため閾値電流密度を低減することができる。しかし４ｎｍより厚い領域においては、井戸層へのキャリアの注入の効果より、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を招くため好ましくない。
【００９３】
また、本実施の形態において、第二の層、第四の層がＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎであるとしたが、この層がＧａＮであっても、ほぼ同じ結果が得られ問題はない。
【００９４】
＜第八の実施形態＞
本実施の形態において、第一の層、第三の層がＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎでノンドープ、第二の層、第四の層がＧａＮでありＳｉドープである事以外は、第七の実施の形態と全く同じである。第二、第四の層の厚さを同じとして、第二、第四の層厚をＸ軸にプロットした場合、図１１とほぼ同じ結果が得られた。井戸層厚を２ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲とし、障壁層の層厚を７ｎｍ以上１２ｎｍ以下の範囲において、障壁層へのドーピングは、第二の層と第四の層に行うのがよく、最も効率よくキャリアを井戸層に注入できる。
【００９５】
また、第二の層と第四の層の層厚が０．３ｎｍ以上４ｎｍ以下においては、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層にキャリアを注入できるため閾値電流密度を低減することができる。しかし４ｎｍより厚い領域においては、キャリアの注入の効果より、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を招くため好ましくない。また、本実施の形態において、第一の層、第三の層がＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎであるとしたが、この層がＧａＮであっても、ほぼ同じ結果が得られ問題はない。
【００９６】
＜第九の実施形態＞
本実施の形態において活性層の障壁層は３層よりなり、活性層は次のように形成し、活性層付近の詳細な積層構造を図１２に示した。厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層６０４と厚さ９ｎｍのＧａＮ（６０２）とＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（６０１、６０３、６０６、６０７）からなる障壁層より構成される多重量子井戸構造を有する活性層を、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長した。その際、井戸層には、不純物はドープしない形で成長した。
【００９７】
また、井戸層の厚さは２から７ｎｍの範囲が良く、２ｎｍより薄いと、界面散乱が増加して閾値電流を上昇させるので好ましくなく、また７ｎｍより厚くなると、井戸層内で電子と正孔の空間的な分離がおこり、再結合確率を下げるため閾値電流を上昇させるので好ましくない。つまり、井戸層厚に関しては、２ｎｍ以上、７ｎｍ以下がよく、本実施の形態では４ｎｍの厚さで実施しているが、上記範囲であれば何ら問題はない。
【００９８】
障壁層に関しては−３層構造とした−３層のうちｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４側の層を第一の層（Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ）６０１またｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０６側の層を第三の層（Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ）６０３、真ん中の層を第二の層（ＧａＮ）６０２と呼ぶことにする。また、障壁層で図１２に示す通り、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４に接する第一の層を特に第四の層６０６と、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０６に接する第三の層を特に第五の層６０７と呼ぶことにする。この第四の層と、第五の層は井戸層と直接接していないため、他の第一の層、第二の層と状況が異なり、区別する意味で第四、第五の層と呼ぶことにした。
【００９９】
本実施の形態においては、第一、二、三、四、五の層の厚さはそれぞれ３ｎｍとし、第二の層にはＳｉ等のn型不純物をドープする。この際のＳｉ濃度は、５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3までが良く、今回は、1×１０¹⁸ｃｍ^-3で行った。Ｓｉ濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3以上の場合、Ｓｉの過剰ドープが活性層の結晶性を悪化させ、閾値電流密度の増加を引き起こしてしまうために良くない。また、５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であると、キャリアの生成が起こらなくなり、閾値電流密度の増加を引き起こす。このＳｉ濃度はＳＩＭＳなどの測定方法を用いて測定する。また、図１３に図１２に示した活性層のバンドダイヤグラムを示す。
【０１００】
なお、本実施の形態にて、不純物としてドープしているＭｇはｐ型不純物としてドープしているが、それは、５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加している。
【０１０１】
この様にして、ｎ型ＧａＮ基板上に窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を作製し、その後、熱処理などによりＭｇドープ層を低抵抗ｐ型にした上で、本発明の第三の実施形態と同様の製造方法により、半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的接続を取り、半導体レーザ装置を組み、その特性歩留まりを評価した結果、良好な特性を得ることができた。
【０１０２】
このようにして得られた半導体レーザ素子の閾値電流密度は３．０ｋＡ／ｃｍ²と低い値であった。図１４は、障壁層全体２０５の膜厚が９ｎｍと一定で第一の層と第三の層を同じ膜厚として、その層厚をＸ軸にプロットした。つまり、第一の層と第三の層が１ｎｍの時は、第二の層は７ｎｍで、第一の層と第三の層が２ｎｍの時は、第二の層は５ｎｍで、第一の層と第三の層が３ｎｍの時は、第二の層は３ｎｍとなり、障壁層２０５の全体厚さが９ｎｍになるように、第二の層の層厚が決定される。
【０１０３】
上記の様に、層厚を決めて実験を行った結果が図１４であり、第一の層と、第三の層が３ｎｍ以下において、閾値電流密度の低減の効果が見られた。第一の層と、第三の層が３ｎｍより薄い領域において、閾値電流密度が低下する原因に関しては以下のように考えられる。
【０１０４】
本実施の形態では、井戸層と接する障壁層の領域はノンドープである。このため、障壁層で発生したキャリアは有効に井戸層に注入されない。しかし、本実施の形態では、井戸層と接する障壁層の領域は、障壁層中心部のＳｉドープ領域のＧａＮよりエネルギーギャップの小さいＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを用いている。このため、障壁層の中心部で発生したキャリアは妨げられること無く、井戸層に注入される。このため、閾値密度の低減が可能であると考えられる。
【０１０５】
更に、第一の層と、第三の層が３ｎｍより厚いところで閾値電流密度が増加するのは、これ以上第一の層と第三の層を厚くした場合、井戸層とＳｉドーピングされた第二の層が離れてしまうために、厚いＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層で発光、非発光等のトラップにより消費されてしまい、有効に井戸層にキャリアの注入が行われなくなり、注入されるキャリアの量が減少し、閾値電流密度の上昇を引き起こすと考えられる。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、第一の上部電極層が、異方性エッチングであるところのドライエッチング法によりストライプ状にパターニングされるため、電流注入領域の幅のばらつきは、実質的に、ストライプ用フォトレジストマスクの形成線幅のばらつきのみにより規定されることとなる。先述の通り、従来の技術による工程の場合は、誘電体に開口部を設けるための、ストライプ用フォトレジストマスクの形成線幅のばらつき以外に、ウェットエッチング法により開口部を形成する際に生じる開口部幅のばらつきも、電流注入領域の幅のばらつきに影響する。従って、本発明による製造方法は、従来の技術によるそれに比べて、大幅に、電流注入領域の幅のばらつきを減じることができる。
【０１０７】
また、本発明による製造方法においては、最初に、第一の上部電極層を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面に形成する工程を行うことになる。一方、先述の通り、従来の技術による工程の場合は、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面には、上部電極層が形成される前に、ストライプ形成用フォトレジストマスクと誘電体膜、または誘電体膜と誘電体膜の、２回の被覆履歴を経ることとなる。従って、本発明による製造方法は、従来の技術によるそれに比べて、被覆履歴を経るにことに伴う、半導体積層構造上での残さの発生と、それに伴う、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に対する悪影響を、大幅に減じることが可能となる。
【０１０８】
従来の技術による工程における、上部電極層が形成される直前の、リッジ近傍を、マイクロオージェ電子分光法により観察した場合の平面図を図１５に示す。同図の示す状態を詳述すると、図１６で先に説明した、従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子のリッジストライプ形成工程における図１６（ｂ）、−これは、ストライプ形成用フォトレジストマスクを形成した後、ドライエッチング装置を用いて、半導体積層構造の表面をエッチングし、リッジストライプを形成した後の断面模式図に相当する−、に図示される状態の後に、ストライプ形成用フォトレジストマスクを除去した状態を、図１６（ｂ）の紙面上方から見た場合に相当する。
【０１０９】
図１５（ａ）は、炭素原子に起源を有するオージェ電子の信号強度の分布を示した平面図、図１５（ｂ）は、同図（ａ）の発光強度分布に対応するリッジストライプの形成位置を示す断面模式図である。同図（ａ）の信号強度分布においては、白色に近いほど、炭素原子に起源を有するオージェ電子が強く検出されている事を示しており、同図（ｂ）との対応をとると、リッジの側面９０１と、リッジの上面９０２とに炭素原子が局在している事がわかる。
【０１１０】
工程上、リッジの上面９０２における炭素原子の局在の原因は、リッジの上面９０２上に形成されていたストライプ形成用フォトレジストマスクに含まれている炭素が最も疑われる。フォトレジスト自体は、リッジストライプを形成するためのドライエッチング工程が終了した後、アセトンなどの有機溶剤による洗浄によって除去されるが、ドライエッチング時にウエハ表面の温度が上昇する結果、洗浄時の除去性が劣化している事が推定され、実際、ストライプ形成用フォトレジストマスクを形成し、ドライエッチングを行なわずに、そのままアセトンによる洗浄を行なった後に、同様のマイクロオージェ電子分光法により観察すると、フォトレジストマスクを形成部及びそれ以外の部分に、炭素原子を起源とするオージェ電子の検出はなされなかった。
【０１１１】
他方、リッジの側面９０１については、このようなレジストマスクによる被覆の履歴はないが、リッジストライプを形成するためのドライエッチング工程において、スパッタされたストライプ形成用フォトレジストマスクが飛散し、リッジの側面に再付着している事が疑われる。
【０１１２】
また、ストライプ形成用マスクとしてフォトレジストの代わりにＳｉＯ₂を使用した場合について、同様のマイクロオージェ電子分光法による観察を行なったところ、リッジ上面にＳｉ原子の残留が観察された。この場合、リッジ側面にはＳｉ原子は観察されていない。
【０１１３】
一方、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法においては、このようなレジストやＳｉＯ₂による被覆を一切行なっておらず、実際、完成したレーザ素子のリッジ部を、上部電極層をスパッタしつつマイクロオージェ電子分光法により観察しても、半導体積層構造の表面と電極との界面において炭素やＳｉなどの不純物原子は検出されなかった。
【０１１４】
従って、第一の実施の形態の説明の最後に記した、従来の技術により作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子よりも約０．５ボルト程度低い動作電圧を実現できた、という本発明の効果が、このような半導体積層構造の表面と電極との界面における不純物原子が存在しない事によるものである事が裏付けられ、逆に本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法は、そのような不純物原子を当該界面に存在させない構造を得るために好適な手法であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図２】本発明の第二の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図３】本発明の第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図４】本発明の第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図。
【図５】本発明の第五の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図。
【図６】本発明の第五の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図７】本発明の第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す断面模式図。
【図８】本発明の第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。
【図９】本発明の第七の実施形態による窒化物化合物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図
【図１０】活性層のエネルギー状態を示すバンドダイヤグラム図
【図１１】障壁層にＳｉドープする層厚とＬＤの閾値電流密度の相関図
【図１２】本発明の第九の実施形態による窒化物化合物半導体レーザ素子の活性層構造を示す模式断面図
【図１３】活性層のエネルギー状態を示すバンドダイヤグラム図
【図１４】障壁層にＳｉドープする層厚とＬＤの閾値電流密度の相関図
【図１５】従来のリッジストライプ型の半導体レーザ素子におけるリッジ部を、マイクロオージェ電子分光法により観察した場合を示す平面図
【図１６】従来のリッジストライプ型の半導体レーザ素子におけるリッジストライプ型の導波路構造の形成工程の断面模式図。
【符号の説明】
１０、１１、１２、１３、１４、１５ … 第一の上部電極層
２０、２１、２２、２３ … 第二の上部電極層
２５ … 上部電極層
３０、３１、３２、３３、３４ … ＳｉＯ₂膜
３５ … 誘電体膜
４０、４１、４２、４３、４４ … ストライプ形成用フォトレジストマスク
５０ … 共振器端面作成用フォトレジストマスク
７０、７１ … フォトレジストマスク
８０、８１、９０ … 開口部
９１、９２ … 段差
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ … 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造
１０４ … Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０６ … ＭｇドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層
６０１ … 第一の層
６０２ … 第二の層
６０３ … 第三の層
６０４ … 井戸層
６０６ … 第四の層
６０７ … 第五の層
８０１ … 第一の層
８０２ … 第二の層
８０３ … 井戸層
８０４ … 第四の層
８０５ … 第三の層
９０１ … リッジの側面
９０２ … リッジの上面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a gallium nitride compound semiconductor laser device having a ridge stripe structure and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor laser using a gallium nitride compound semiconductor, a ridge stripe type waveguide structure is often provided in order to confine light and current. FIGS. 16A to 16G are schematic cross-sectional views of a process for forming a ridge stripe type waveguide structure in a conventional ridge stripe type gallium nitride compound semiconductor laser device.
[0003]
Usually, a photoresist mask 44 for stripe formation is formed on a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 700 formed on a substrate as shown in FIG. 16A, and then a reactive ion etching apparatus, an inductively coupled plasma etching apparatus, etc. As shown in FIG. 16B, the surface of the semiconductor multilayer structure 700 is etched to form a ridge stripe. Next, after the striped photoresist mask 44 is removed, the surface is covered with a dielectric film 35 such as SiO 2 or SiN as shown in FIG. 16C, and further, as shown in FIG. 16D. Then, a photoresist film 70 having a stripe-shaped opening 80 is formed.
[0004]
Next, as shown in FIG. 16E, the opening 80 of the photoresist is transferred to the dielectric film 35 by wet etching, and an opening 90 is provided. Next, after removing the photoresist film 70, a photoresist film 71 having an opening 81 including a ridge stripe region is formed as shown in FIG. 16F, and an upper electrode metal layer is deposited on the entire surface, and then lift-off is performed. The upper electrode 25 is obtained by the method as shown in FIG.
[0005]
The stripe-forming photoresist mask 44 used here is not a photoresist, but a SiO 2 ₂ It is also common practice to use an inorganic dielectric film or the like instead.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When the ridge stripe and the upper electrode are manufactured by the above-described conventional method, there are the following two problems. Hereinafter, description will be made based on FIG. 16 used for the description.
[0007]
The first point is that, when the opening 90 is provided in the dielectric film 35, since the wet etching method in which isotropic etching is performed is used, the opening 90 is caused by variation in the etching rate that is relatively difficult to control. This is the point that the variation of the width of the line becomes large. Since the width of the opening 90 determines the current injection region, the variation is directly linked to variations in the current-voltage characteristics, oscillation threshold current, oscillation mode, etc. of the semiconductor laser element. If the opening 90 is formed by performing anisotropic etching by a dry etching method instead of wet etching, variation in the width can be reduced. However, the surface of the semiconductor multilayer structure 700 is The plasma atmosphere is exposed, and the damage causes an increase in operating voltage and a decrease in reliability.
[0008]
The second point is that, by the time the upper electrode is formed on the semiconductor multilayer structure 700 through the opening 90 of the dielectric film 35, the stripe-forming photoresist mask 44 and the dielectric film 35 are used twice. It is through the coating history. When the coating histories on the semiconductor multilayer structure 700 with such organic and inorganic substances overlap, a residue is generated on the semiconductor multilayer structure 700 even if a process of removing them is performed, which is the current voltage of the semiconductor laser element. It adversely affects properties and reliability. This point is more remarkable especially when the coating with the inorganic dielectric is repeated, and instead of the photoresist mask 44 for stripe formation, SiO 2 is used. ₂ When the upper electrode 25 is formed through two inorganic dielectric coating histories including the coating with the dielectric film 35 in a later process, using an inorganic dielectric film as a stripe forming mask, etc. In some cases, the threshold voltage may increase by 1 volt or more.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to control the width of the electrode formation region of the ridge portion, and at the same time, at least before forming the upper electrode, a semiconductor laminated structure using at least an inorganic dielectric. Is a method of manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser and a structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser that do not have a history of coating, and preferably do not have any coating history.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a method for manufacturing a ridge stripe gallium nitride compound semiconductor laser comprising a substrate, a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure, and a pair of electrodes comprises one or more multilayer structures. Forming a first upper electrode layer in contact with the upper surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure of the upper electrode; forming a stripe photoresist on the first upper electrode layer; And a step of removing the first upper electrode layer by dry etching using the photoresist for mask as a mask and a step of removing a part of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure by dry etching to form a ridge stripe.
[0011]
That is, since the first upper electrode layer is patterned in a stripe shape by the dry etching method that is anisotropic etching, the variation in the width of the current injection region is substantially the formation of the photoresist mask for stripes. It is defined only by the variation in line width. As described above, in the case of the process according to the conventional technique, the width of the current injection region is set by the wet etching method in addition to the variation in the formation line width of the photoresist mask for stripes for providing the opening in the dielectric. Variation in the opening width that occurs when forming the portion also affects the variation in the width of the current injection region. Therefore, the manufacturing method according to the present invention can greatly reduce the variation in the width of the current injection region as compared with the conventional method.
[0012]
In the manufacturing method according to the present invention, first, the step of forming the first upper electrode layer on the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure is performed. On the other hand, as described above, in the case of the process according to the conventional technique, the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure undergoes two coating histories with the dielectric film before the upper electrode layer is formed. Become. Therefore, the manufacturing method according to the present invention generates a residue on the semiconductor multilayer structure as it goes through the coating history as compared with that according to the prior art, and the current-voltage characteristics and reliability of the semiconductor laser device associated therewith. The adverse effect on sex can be greatly reduced.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. On a substrate such as sapphire, undoped GaN buffer layer, n-type GaN contact layer, n-type Al by low-temperature growth _0.1 Ga _0.9 N clad layer, n-type GaN light guide, In _0.05 Ga _0.95 N barrier layer and In _0.15 Ga _0.85 P-type Al, an active layer having a quantum well structure in which an N well layer is stacked three periods _0.2 Ga _0.8 N carrier block layer, p-type GaN light guide layer, p-type Al _0.1 Ga _0.9 A surface of a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 100 obtained by sequentially laminating an N clad layer and a p-type GaN contact layer has a thickness of 150 Å by electron beam evaporation as shown in FIG. Pd A first upper electrode layer 10 is formed.
[0015]
Next, as shown in FIG. 6B, a stripe photoresist mask 40 having a line width of 1.5 microns is formed by photolithography. Further, as shown in FIG. As a mask, the first upper electrode layer 10 is etched by reactive ion etching until the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 100 is exposed.
[0016]
In this case, the process gas is Ar or Ar and Cl. ₂ , SiCl ₄ , BCl ₃ A chlorinated gas such as 0% to 50% added by volume ratio is used. The addition of these chlorine-based gases was sputtered from the surface by Ar. Pd There is an effect of suppressing the re-adhesion to the etching surface. However, when added in an amount of 50% or more, the selectivity to the gallium nitride compound semiconductor is greatly lowered, and the etching is substantially stopped when the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 100 is exposed. It is difficult to obtain a cross-sectional shape as shown in FIG.
[0017]
Following the etching of the first upper electrode layer 10, the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 100 is etched partway through the upper cladding layer by reactive ion etching to form a ridge stripe as shown in FIG. To do. In this case, Cl ₂ , SiCl _Four , BCl _Three By using a process gas containing 50% or more of a chlorine-based gas such as by volume, the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 100 can be etched using the striped photoresist mask 40 as a mask. Thereafter, the striped photoresist mask 40 is removed with an organic solvent or the like to obtain the gallium nitride compound semiconductor laser according to the first embodiment.
[0018]
According to the method shown in the present embodiment, a ridge stripe type semiconductor laser having a ridge width obtained by accurately transferring the line width of the stripe photoresist mask 40 can be obtained. Variations in the current-voltage characteristics, oscillation threshold current, oscillation mode, etc. of the semiconductor laser element could be reduced to less than half. In addition, the method shown in the present embodiment does not include any step of covering the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure before forming the first upper electrode layer 10, and thus the conventional technique is not included. As a result, an operating voltage lower by about 0.5 V than that of the gallium nitride compound semiconductor laser device produced by the above method can be realized.
[0019]
In the first embodiment shown in FIG. 1, the first upper electrode layer is formed over the entire surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure. In this case, in the subsequent step of etching the first upper electrode layer by the reactive ion etching method, depending on the etching conditions, the electrode metal desorbed from the surface reattaches to the etching surface, and the etching surface becomes rough. Sometimes. This phenomenon becomes more prominent as the region to be etched becomes larger than the region covered with the mask material.
[0020]
For example, in the above example, the region covered with the mask material is a portion covered with a photoresist mask for stripes having a line width of 1.5 microns. Assuming that the stripe photoresist mask is formed at a repetition pitch of 400 microns, the first upper electrode layer is etched in a region of 398.5 microns wide up to the adjacent stripe photoresist mask. The ratio of the area where the electrode metal is etched to the area where the electrode metal is not etched, which is covered with the mask material, is about 266.
[0021]
The risk of rough etching surface that occurs depending on the etching conditions as described above is almost a problem when the ratio of the area where the electrode metal is etched to the area where the electrode metal is not etched is, for example, 1 or less. It can be reduced to a level without. The specific method is illustrated below.
[0022]
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2A, an electron beam evaporation method is performed on the surface of a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 200 obtained by sequentially laminating a structure similar to that of the first embodiment of the present invention on a substrate such as sapphire. Due to the 150 angstrom thickness Pd A first upper electrode layer 11 is formed. At this time, as in the first embodiment, the first upper electrode layer is not formed on the entire surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure, but only on the region having a width of 40 microns. deep.
[0023]
Next, as shown in FIG. 4B, a stripe photoresist mask 41 having a line width of 1.5 microns is formed on the upper center of the first upper electrode layer 11 by a photolithography method. As shown in c), the first upper electrode layer 11 is etched by reactive ion etching using the formed stripe photoresist mask 41 as a mask until the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 200 is exposed. At this time, even on the surface of the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 200, a step 91 is formed between a region covered with the first upper electrode layer 11 before etching and a region not covered. The height of the step 91 is mainly determined by the thickness of the first upper electrode layer 11 and the addition ratio of the chlorine-based gas to Ar in the process gas. In this embodiment, the height is about 500 angstroms. is there.
[0024]
Subsequently, the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 200 is etched partway through the upper clad layer also by reactive ion etching to form a ridge stripe as shown in FIG. Thereafter, the striped photoresist mask 41 is removed with an organic solvent or the like to obtain a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the second embodiment.
[0025]
According to the method shown in this embodiment, the region where the electrode metal is etched is covered with the stripe photoresist mask 41 having a line width of 1.5 μm in the first upper electrode layer 11 having a width of 40 μm. Only the region corresponding to a width of 38.5 microns. On the other hand, the region where the electrode metal is not etched is a region corresponding to a width of 361.5 microns if the striped photoresist mask is formed at a repeated pitch of 400 microns, as in the first embodiment. It is.
[0026]
Therefore, the ratio of the region where the electrode metal is etched to the region where the electrode metal is not etched is about 0.1, which is much smaller than about 266 in the first embodiment. The risk of etching surface roughness depending on the etching conditions can be reduced to a level with almost no problem at the industrial level.
[0027]
Further, in the method of the present embodiment for reducing the region where the electrode metal is etched, the electrode metal that is etched and adhered in the etching apparatus in the step of etching the first upper electrode layer by the reactive ion etching method is used. In addition, since the amount of the reaction product can be greatly reduced, the second effect that etching with better reproducibility can be repeatedly performed can be obtained.
[0028]
These effects are more effective as the width of the first upper electrode layer 11 formed in the process shown in FIG. 2A is narrower. However, if it is too narrow, the effect is shown in FIG. In the process, care must be taken because the step 91 generated when the first upper electrode layer 11 is removed by the reactive ion etching method is too close to the ridge to be formed. That is, as described above, in the step of forming the ridge, the semiconductor laminated structure is etched partway through the upper clad layer. The remaining film thickness of the upper clad layer at that time is used to control the optical confinement in the horizontal direction. It is an important parameter.
[0029]
However, in this manufacturing method, even if the optimum remaining film thickness of the upper clad layer is obtained in the portion closer to the ridge than the step 91, the optimum remaining film thickness is larger in the portion farther from the ridge than the step 91. Will also become thinner. For this reason, when the step 91 is too close to the ridge, more specifically, when approaching a distance less than twice the width of the ridge, the influence on the optical confinement in the horizontal direction cannot be ignored. Therefore, in the example of this embodiment, since the width of the ridge is 1.5 microns, the first upper electrode layer 11 is desirably 6.0 microns or more.
[0030]
In this embodiment, as shown in FIG. 2B, the stripe photoresist mask 41 having a line width of 1.5 microns is provided in the upper center of the first upper electrode layer 11, but the first upper electrode is not necessarily provided. It is not necessary to provide it at the center of the layer 11, and for the reason described above, it is only required to be at a position closer to the center by 3 microns or more, which is twice the width of the ridge, from both the left and right ends of the first upper electrode layer 11. good.
[0031]
As shown in FIG. 5A, in order to form the first upper electrode layer 11 only in a region having a width of 40 microns, a photoresist film having an opening having a width of 40 microns is formed by stacking gallium nitride compound semiconductors. On the structure 200, a photolithography method is formed, and subsequently a first upper electrode layer is formed by an electron beam evaporation method. The photoresist film and the first upper electrode layer thereon are formed of an organic material such as acetone. There is a method of removing by a lift-off method in a solvent.
[0032]
However, in this case, before the first upper electrode layer 11 is formed, the step of covering the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure with a photoresist is included once. Nevertheless, compared to the conventional process, which involves two coating histories of a photoresist mask for forming a stripe and a dielectric film, or a dielectric film and a dielectric film, the semiconductor laminated structure It is possible to drastically reduce the occurrence of the residue and the accompanying adverse effect on the current-voltage characteristics and reliability of the semiconductor laser device.
[0033]
Further, as shown in FIG. 5A, as a second method for forming the first upper electrode layer 11 only in the region having a width of 40 microns, the entire surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 200 is formed. The first upper electrode layer is formed by electron beam evaporation, and then a striped photoresist film having a width of 40 microns is formed on the first upper electrode layer by photolithography, followed by wet etching. There is a method of removing the first upper electrode layer formed in a region not covered with the photoresist film and then removing the photoresist film with an organic solvent or the like.
[0034]
According to this method, as in the case of the first embodiment of the present invention, before forming the first upper electrode layer, there is included a step of covering the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure. At the same time, the ratio of the region where the electrode metal is etched to the region where the electrode metal is not etched can be made smaller than in the case of the first embodiment of the present invention. In this method, since the first upper electrode layer is etched by the wet etching method, the width of the first upper electrode layer is comparatively difficult to control and a variation of several microns occurs. As long as it is formed at a distance more than twice the width, there is no problem.
[0035]
In this example, even if there is a variation of several microns during wet etching with respect to the design value of 40 microns in width, the width after etching can be formed with sufficient reproducibility to the above-mentioned 6.0 microns or more. . Also like this Pd For the etching of the first upper electrode layer 11, for example, a mixed solution of hydrochloric acid, nitric acid and water may be used.
[0036]
As shown in FIG. 6A, as a third method for forming the first upper electrode layer 11 only in the region having a width of 40 microns, a metal mask having an opening having a width of 40 microns is used. The first upper electrode layer is formed by electron beam evaporation while being placed on the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 200, and after deposition, a metal mask is formed from above the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 200. There is a way to remove it. According to this method, as in the case of the first embodiment of the present invention, before forming the first upper electrode layer, there is included a step of covering the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure. At the same time, the ratio of the region where the electrode metal is etched to the region where the electrode metal is not etched can be made smaller than in the case of the first embodiment of the present invention.
[0037]
In the first embodiment and the second embodiment described so far, the upper electrode layer is formed only on the ridge. Actually, however, the width of the upper portion of the ridge is as very small as 1.5 microns, and it is difficult to dispose a gold wire or the like for applying a voltage from the outside on the ridge.
[0038]
In order to solve this problem, an embodiment in which the second upper electrode is formed will be described below.
[0039]
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. First, by the method described in detail in the first embodiment, a gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 300 having a thickness of 150 Å is used. Pd The structure shown in FIG. 3A having the first upper electrode layer 12 and the stripe photoresist mask 42 having a line width of 1.5 microns is obtained.
[0040]
Next, as shown in FIG. 3 (b), a 2000 angstrom thick SiO2 film is formed on the entire surface by electron beam evaporation. ₂ A film 30 is formed. Next, a photoresist mask 42 for stripes and SiO on the upper side thereof ₂ A part of the film 30 is removed by a lift-off method in an organic solvent such as acetone to obtain a structure as shown in FIG.
[0041]
Thereafter, as shown in FIG. 4D, Au is formed on the first upper electrode layer 12 as a second upper electrode layer 20 having a width of 150 microns to a thickness of 2500 angstroms. In order to selectively form the second upper electrode layer only in the region having a width of 150 microns, a photoresist film having an opening having a width of 150 microns is formed, and then the upper electrode metal is removed by electron beam evaporation. After the formation, the photoresist and the upper electrode metal deposited thereon can be easily performed by lifting off in an organic solvent.
[0042]
According to this method, the second upper electrode layer 20 has a width of 150 microns and a width sufficient to dispose a gold wire or the like for applying a voltage from the outside, and further, The effects of the present invention relating to the width of the current injection region and the coating history of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure described in the method detailed in the first embodiment or the method in the second embodiment are maintained as they are. Yes.
[0043]
Here, in order to obtain the structure shown in FIG. 3A, the method detailed in the first embodiment is used. However, the method detailed in the second embodiment may be used instead. Is possible. However, in this case, as in the case of the second embodiment, the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 300 was not covered with the region covered with the first upper electrode layer 12 before the etching. There is a step in the area.
[0044]
Here, in the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the third embodiment described in FIG. 3, the direction (ridge) perpendicular to the paper surface of the second upper electrode layer 20 shown in FIG. No regulation was made on the shape in the direction along the stripe). However, with regard to this direction, it is possible to produce a higher quality gallium nitride compound semiconductor laser with higher yield, especially by avoiding the portion directly above the cavity end face of the gallium nitride compound semiconductor laser. Become. Next, the case will be described.
[0045]
<Fourth embodiment>
FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure of a gallium nitride compound semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention. The shape of the gallium nitride-based compound semiconductor laser shown in the figure is basically the same as that of the third embodiment, and the difference is that the second upper electrode layer 20 in FIG. 3 showing the third embodiment is different. The length in the direction parallel to the stripe of the second upper electrode layer 21 in this embodiment is 200 microns as shown in FIG. 4 and the resonator length is 500 microns. It is only a point that is defined as a finite length.
[0046]
The first upper electrode layer 13 formed on the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 400 is 150 Å thick Pd, and the dielectric layer 31 is 2000 Å thick SiO 2. ₂ The film, the second upper electrode layer 21, is Au with a thickness of 2500 angstroms.
[0047]
As shown in FIG. 4, the length in the direction parallel to the stripe of the second upper electrode 21 is made shorter than the resonator length so that the second upper electrode is not formed immediately above the resonator end face. The following advantages are newly obtained. That is, the thicker the electrode metal layer immediately above the resonator end face, the more the electrode metal layer turns up starting from the cleaved face when creating the resonator end face by cleavage, thus creating a region where no current is injected. In addition, there is an increased possibility of occurrence of problems such as blocking the optical path of the laser light emitted from the turned up electrode metal. Such a risk becomes more conspicuous when, for example, the electrode metal layer immediately above the resonator end face has a thickness exceeding 1000 angstroms.
[0048]
The first upper electrode layer 13 shown in the figure has a thickness of 150 angstroms at the maximum, whereas the second upper electrode layer 21 has a practical problem when bonding a gold wire thereon. In order to ensure a bonding strength at a level that does not have a thickness, a thickness of several thousand angstroms is required as in this embodiment. Therefore, if the second upper electrode layer 21 is arranged so as not to be placed on the end face of the resonator as shown in the figure, the electrode metal layer immediately above the end face of the resonator is only Pd having a thickness of 150 angstroms. Therefore, the risk described above is so small that it can be ignored. At the same time, since the first upper electrode layer has a structure that covers the entire top of the ridge stripe including just above the resonator end face, there is no possibility of forming a region where no current is injected.
[0049]
As shown in the figure, in order to form the second upper electrode having a length in the direction parallel to the stripe of 200 microns, a photoresist film having an opening having a length in the direction parallel to the stripe of 200 microns is formed. Then, after the upper electrode metal is formed by electron beam evaporation, the photoresist and the upper electrode metal evaporated thereon can be easily formed by lift-off in an organic solvent.
[0050]
Here, in the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the fourth embodiment described in FIG. 4, it is assumed that the resonator surface is formed by cleavage. However, depending on the combination of the substrate to be used and the compound semiconductor laminated structure on the substrate, a surface having good cleaving property cannot be obtained on both of them, and accordingly, a good end face may not be obtained by cleavage. In such a case, the resonator end face is formed by the dry etching method, but the present invention also provides a suitable manufacturing method that is not found in the conventional manufacturing method.
[0051]
That is, in a conventional gallium nitride compound semiconductor laser having a cavity end face formed by dry etching, several microns from the cavity end face of the laser element is formed for the convenience of forming the upper electrode after the cavity end face is formed. There is a problem in that an electrode can be formed only in a region inside the retracted region, and this region where the electrode is not formed functions as an absorption layer.
[0052]
On the other hand, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to obtain a gallium nitride-based compound semiconductor laser in which the upper electrode is formed up to the end face of the resonator formed by dry etching. The method will be described in detail below.
[0053]
FIG. 5 is a schematic diagram showing the structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic view showing the manufacturing method. The gallium nitride compound semiconductor laser shown in FIG. 5 is formed on a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 500 having a ridge stripe structure on a 2000 angstrom thick SiO 2 film. ₂ 150 Å thick through membrane 32 Pd The first upper electrode layer 14 made of Au and the second upper electrode layer 22 made of Au having a thickness of 2500 angstroms are formed. These structures are formed by nitriding according to the fourth embodiment shown in FIG. It is the same as that of a gallium compound semiconductor laser.
[0054]
The difference is that in the gallium nitride compound semiconductor laser according to the fourth embodiment, it is assumed that the resonator surface is formed by cleavage, whereas in the gallium nitride compound semiconductor laser according to the present embodiment, As shown in FIG. 5, the resonator end face 60 is formed by a dry etching method. A method for manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laser having such a structure will now be described.
[0055]
The same structure as that according to the fourth embodiment, that is, a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 500 and a thickness of 150 Å. Pd A first upper electrode layer 14 having a thickness of 2000 angstroms of SiO. ₂ On the structure shown in FIG. 6A composed of the film 32 and the second upper electrode 22 made of Au having a thickness of 2500 angstroms, as shown in FIG. 50 is formed. Next, SiO 2 in a region not covered with the resonator end face formation photomask 50 is formed by reactive ion etching. ₂ The film 32 is removed to obtain the shape shown in FIG.
[0056]
The process gas used for the reactive ion etching method in this case is CF. _Four , CHF _Three According to these gases, the first upper electrode layer 14 in the region not covered with the resonator end face formation photomask 50 is hardly etched as shown in FIG. Remaining, SiO ₂ Only the membrane 32 is removed.
[0057]
After that, as the process gas described in the first to fourth embodiments, Ar or Ar is Cl. ₂ , SiCl _Four , BCl _Three The first upper portion of the region not covered with the photomask 50 for forming the resonator end face by the reactive ion etching method using a chlorine gas such as 0% to 50% added by volume ratio. The electrode layer 14 is etched until the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 500 is exposed to obtain the structure shown in FIG.
[0058]
Next, the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 500 is also etched by the reactive ion etching method to form the resonator end face 60 as shown in FIG. In this case, Cl ₂ , SiCl _Four , BCl _Three By using a chlorine-based gas such as a main etching gas, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure 500 can be etched using the resonator end face forming photomask 50 as a mask. Thereafter, the cavity facet forming photomask 50 is removed to obtain the gallium nitride compound semiconductor laser shown in FIG.
[0059]
According to the manufacturing method shown in the present embodiment, the first upper electrode layer 14 and the underlying gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 500 are continuously etched using the resonator end face formation photomask 50 as a mask. Thus, since the resonator end face 60 is formed, the first upper electrode layer 14 can be formed up to the end face of the resonator, and there has been a problem with a conventional gallium nitride compound semiconductor laser having a resonator end face formed by dry etching. The problem that the region where the electrode is not formed is formed and the portion functions as an absorption layer does not occur.
[0060]
In the first to fifth embodiments described so far, the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure is etched by the dry etching method while leaving only the ridge portion, but it is not necessary to etch everything except the ridge portion. Only the vicinity thereof may be etched.
[0061]
When etching is performed leaving only the ridge portion, there is a risk that the ridge portion protruding from the surface may be damaged in a later process. On the other hand, when only the vicinity of the ridge is etched, only the ridge portion does not protrude, so that it is possible to greatly reduce the risk of such damage in the subsequent process. Then, next, the case where it etches only the vicinity of a ridge is demonstrated.
[0062]
FIG. 7 is a schematic view showing the structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic view showing the manufacturing method. The gallium nitride compound semiconductor laser shown in FIG. 7 is formed on a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 600 having a ridge stripe structure on a SiO 2 film having a thickness of 1000 Å. ₂ Film 33 and 1500 Å thick SiO ₂ 150 angstroms thick through membrane 34 Pd The first upper electrode layer 15 and the second upper electrode layer 23 made of Au having a thickness of 2500 angstroms are formed. These structures are made of gallium nitride according to the fourth embodiment shown in FIG. This is the same as that of a compound compound semiconductor laser.
[0063]
The difference is that in the gallium nitride compound semiconductor laser according to the fourth embodiment, the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 600 is dug down by the dry etching method on the entire surface except for the ridge stripe portion. In the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the embodiment, only the portions having a width of 25 microns on one side on both sides of the ridge are dug down. A method for manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laser having such a structure will now be described.
[0064]
First, on the surface of a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 600 obtained by sequentially laminating an n-type gallium nitride compound semiconductor layer and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer on a substrate such as sapphire, FIG. As shown in the figure, the thickness is 150 Å by the electron beam evaporation method. Pd A first upper electrode layer 15 is formed. At this time, the first upper electrode 15 is formed only in a region having a width of 40 microns by the same method as described in detail in the description of the second embodiment.
[0065]
Next, as shown in FIG. 5B, a thickness of 1000 is formed on the entire surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 600 except for a region directly above the first upper electrode 15 and a region having a width of 5 microns on one side. Angstrom SiO ₂ The film 33 is formed by electron beam evaporation.
[0066]
Next, as shown in FIG. 4C, a stripe photoresist mask 43 having a line width of 1.5 microns is formed on the first upper electrode layer 15 by photolithography, and further, FIG. ), The first upper electrode layer 15 is etched by reactive ion etching using the formed stripe photoresist mask 43 as a mask until the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 600 is exposed. At this time, even on the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 600, a step 92 is formed between a region covered with the first upper electrode layer 15 before etching and a region not covered.
[0067]
Subsequently, as shown in FIG. 4E, the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure 600 is etched to the middle of the upper cladding layer by reactive ion etching to form a ridge stripe. The dry etching process by these two reactive ion etching methods can be performed by the same method as that in the manufacturing method of the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the first embodiment, and the details are omitted here.
[0068]
Next, a 1500 Å thick SiO2 film is formed on the entire surface of the wafer. ₂ The film 34 is formed by an electron beam evaporation method, and then, by a lift-off method, the striped photoresist mask 43 and the SiO directly above the photoresist mask 43 are formed. ₂ By removing the film 34, the structure shown in FIG.
[0069]
Thereafter, Au is formed to a thickness of 2500 angstroms as a second upper electrode layer 23 having a width of 150 microns on the first upper electrode layer 15, and the gallium nitride compound semiconductor laser shown in FIG. obtain. The formation of the second upper electrode layer 23 having a width of 150 microns can be performed by the same method as that in the method of manufacturing the gallium nitride-based compound semiconductor laser according to the third embodiment, and the details thereof are omitted here.
[0070]
According to the manufacturing method shown in the present embodiment, since only the region having a width of 30 μm on one side in the vicinity of the ridge is dug down by the dry etching method, as in the case where the entire wafer surface is etched leaving only the ridge portion. There is no risk that the ridge protruding from the surface is damaged in a later process.
[0071]
In the present embodiment, a portion having a width of 25 microns on each side is dug down on both sides of the ridge so that a pair of grooves having a width of 25 microns are formed on the left and right sides of the ridge. However, this groove is provided only on one of the left and right sides of the ridge, that is, the side where the groove is not provided is that only the ridge portion does not protrude even if the entire surface of the upper cladding layer is etched to the middle. The same effect as this embodiment can be obtained. Further, when the grooves are provided on both sides of the ridge, the widths are not necessarily symmetrical. In FIG. 7 showing the present embodiment, the second upper electrode layer is drawn so as to be bilaterally symmetric with respect to the ridge. However, even if the left and right widths are asymmetric, they are provided only on one side. Even if there is, there is no problem.
[0072]
Although the present invention has been described in detail based on some embodiments, the contents of the present invention are not limited to the contents of the embodiments listed here. Next, modifications based on the technical idea of the present invention will be exemplified.
[0073]
In addition to gallium nitride (GaN), the “gallium nitride-based compound semiconductor” in the present invention includes a semiconductor in which Ga is partially replaced by another group III element, for example, Ga _s Al _t In _1-st N (0 <s ≦ 1, 0 ≦ t <1, 0 <s + t ≦ 1) is included, and a semiconductor in which a part of each constituent atom is replaced with an impurity atom or the like, or another impurity is added. Semiconductors are also included.
[0074]
The dry etching method used in each of the above embodiments is a reactive ion etching method. However, the inductively coupled plasma etching method, the ECR plasma etching method, and the like are also shown in each embodiment by using the same process gas. Etching similar to that of the above can be performed.
[0075]
In each embodiment, as a process gas in the dry etching method of the first upper electrode, Ar or Ar is Cl. ₂ , SiCl _Four , BCl _Three Although a chlorine-based gas such as 0% to 50% added by volume ratio is used, other inert gas such as He or Ne may be used instead of Ar.
[0076]
In each embodiment, as the first upper electrode Pd Even if Ni, Ti or the like, or a structure in which another metal such as Au or Mo is laminated thereon, the same gallium nitride compound semiconductor can be obtained by the manufacturing method of the present invention. A laser can be created. However, as a result of examination, when Ni or Ti is used, the optimum thickness for minimizing the contact resistance is Pd It is about 65% thicker than when using. Therefore, the etching time in the step of removing the first upper electrode layer by dry etching using the stripe photoresist as a mask becomes longer, and thus the amount of film loss of the stripe photoresist increases. This stripe photoresist is further used as a mask in the step of forming a ridge stripe by removing a part of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure, and if the amount of film loss in the previous step is large, Care must be taken because the resist film thickness required in the process may not be ensured.
[0077]
In each embodiment, the thickness of the first upper electrode is 150 angstroms, but the layer thickness is not limited to 150 angstroms. However, when the layer thickness is a structure in which a plurality of metals are laminated, if the total thickness exceeds 1000 angstroms, the electrode metal layer is cleaved when the resonator end face is formed by cleavage. Therefore, there is a higher possibility that a problem will occur such as a region where current is not injected and the electrode metal that has been turned up blocks the optical path of the emitted laser light. is there. Furthermore, as described above, the thicker the film, the longer the etching time in the step of removing the first upper electrode layer by dry etching using the stripe photoresist as a mask. It should be noted that the amount of reduction increases.
[0078]
The second upper electrode formed in the third to sixth embodiments was Au, but a gold wire can be bonded to electrically connect the created gallium nitride compound semiconductor laser element to the outside, or As long as it can be welded to an external electrode pad, for example, a metal such as Al can be used, and there is no problem even in a structure in which a plurality of metals are laminated instead of a single metal. Also, regarding the thickness, there is no problem as long as it is thick enough for electrical connection to the outside.
[0079]
In addition, SiO used in the third to sixth embodiments ₂ Is ZrO ₂ And TiO ₂ , SiO, Ta ₂ O _Five There is no problem even if it is replaced with another inorganic dielectric such as SiN or a gallium nitride compound such as AlGaN, and the thickness is not limited to the thickness exemplified in the description of the embodiment. In addition, the formation method may be a sputtering method, a plasma CVD method, or the like, not the electron beam evaporation method exemplified in the description of the embodiment.
[0080]
As described above, the active layer in the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structures 100 to 600 in the first to sixth embodiments has In as described at the beginning of the first embodiment. _0.05 Ga _0.95 N barrier layer and In _0.15 Ga _0.85 An active layer having a quantum well structure in which an N well layer is stacked three periods has been employed. However, the barrier layer can be two or three layers. The case will be described below.
[0081]
<Seventh embodiment>
A detailed laminated structure in the vicinity of the active layer in the present embodiment is shown in FIG. 4nm thick In _0.15 Ga _0.85 N well layer 803 and 4 nm thick GaN, (801, 805) and 4 nm thick In _0.05 Ga _0.95 An active layer having a multiple quantum well structure composed of N (802, 804) barrier layers is grown in the order of barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. The number of well layers was three. At that time, the well layer was grown without doping impurities.
[0082]
Also, the thickness of the well layer is preferably in the range of 2 to 7 nm, and if it is thinner than 2 nm, it is not preferable because the interface scattering increases and the threshold current is raised, and if it is thicker than 7 nm, electrons and holes are formed in the well layer. This is not preferable since the threshold current is increased in order to reduce the recombination probability. That is, the thickness of the well layer is preferably 2 nm or more and 7 nm or less. In this embodiment, the thickness is 4 nm, but there is no problem as long as the thickness is in the above range.
[0083]
The barrier layer has a two-layer structure. Of the two layers, the layer on the n-type GaN light guide layer 104 side is the first layer 801 or p-type Al. _0.2 Ga _0.8 The layer on the N carrier block layer 106 side is referred to as a second layer 802. Further, as shown in FIG. 9, the first layer in contact with the n-type GaN light guide layer 104 is the third layer 805 and the p-type Al. _0.2 Ga _0.8 A layer in contact with the N carrier block layer 106 is referred to as a fourth layer 804. Since the third layer and the fourth layer are not in direct contact with the well layer, the situation differs from the other first and second layers, and they are called the third and fourth layers in a distinguishing sense. It was to be. That is, the first layer and the third layer are GaN, the second layer and the fourth layer are In. _0.05 Ga _0.95 N.
[0084]
In the present embodiment, the thickness of the first, second, third, and fourth layers is 4 nm and the total thickness of the barrier layer is 8 nm. The first and third layers are doped with n-type impurities such as Si. To do. Regarding the second and fourth layers, n-type impurities such as Si were not added intentionally and were not doped. The Si concentration at this time is 5 × 10 ¹⁵ cm ^-3 ~ 1x10 ²⁰ cm ^-3 It ’s good, this time, 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 I went there. Si concentration is 1 × 10 ²⁰ cm ^-3 In the above case, excessive doping of Si deteriorates the crystallinity of the active layer and causes an increase in threshold current density, which is not good. Also 5 × 10 ¹⁵ cm ^-3 If it is below, carrier generation does not occur and the threshold current density increases. Further, if it is within the above range, there is no problem even if the Si concentrations of the first and third layers are different. This Si concentration is measured using a measuring method such as SIMS. FIG. 10 shows a band diagram of the active layer shown in FIG.
[0085]
In the present embodiment, Mg doped as an impurity is doped as a p-type impurity. ¹⁹ / Cm ^Three ~ 2x10 ²⁰ / Cm ^Three It is added at a concentration of.
[0086]
In this manner, a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure is fabricated on an n-type GaN substrate, and then the Mg doped layer is made to have a low resistance p-type by heat treatment or the like, and then the same as in the third embodiment of the present invention A semiconductor laser device was manufactured by the manufacturing method. As a result of mounting this semiconductor laser element on a stem using solder or the like, electrically connecting it by wire bonding, assembling a semiconductor laser device, and evaluating its characteristic yield, it was possible to obtain good characteristics.
[0087]
The threshold current density of the semiconductor laser device thus obtained is 2.5 kA / cm. ² Met. FIG. 11 shows that the thickness of the entire barrier layer is constant at 8 nm, the first layer and the third layer, the second layer and the fourth layer have the same thickness, and the first layer thickness is represented by the X axis. Plot to That is, when the first layer is 1 nm, the second layer is 7 nm, when the first layer is 2 nm, the second layer is 6 nm, and when the first layer is 4 nm, the second layer The thickness of the second layer is determined so that the layer is 4 nm and the total thickness of the barrier layer is 8 nm. FIG. 11 shows the result of the experiment conducted with the layer thickness determined as described above. The effect of reducing the threshold current density was observed when the first layer and the third layer were 4 nm or less.
[0088]
Regarding the above results, the threshold current density increases when the first layer and the third layer are thicker than 4 nm. Even if the first layer and the third layer are made thicker, the first layer and the third layer are injected into the well layer. It is considered that the threshold current density increased because the amount of carriers to be increased did not increase and the amount of Si doped in the barrier layer increased, resulting in increased free carrier scattering in the active layer and increased internal loss. However, by reducing the thickness of the first layer and the third layer to 4 nm or less, the increase in internal loss due to free carrier scattering is suppressed, and the first layer and the third layer are further doped with Si. Thus, it is considered that an element having a low threshold current density can be realized by efficiently supplying carriers to the well layer.
[0089]
However, when the thicknesses of the first layer and the third layer are 0.3 nm or less, a sufficient number of carriers cannot be injected into the well layer, which causes an increase in the threshold current density again. Further, in this embodiment, the third layer was doped with Si, but the third layer was the same as the result shown in FIG. 11 whether or not Si doping was performed.
[0090]
The above experiment was performed with the well layer thickness in the range of 2 nm to 7 nm and the barrier layer thickness in the range of 7 nm to 12 nm. The same results as in FIG. 11 were obtained. Moreover, when the thickness of the barrier layer was less than 7 nm, the threshold current density increased. This is presumably because the thickness of the active layer is reduced and the light confinement is weakened. Further, when the thickness was 12 nm or more, each well was too far away, and holes with low mobility were not uniformly injected into each well layer, causing a decrease in gain and an increase in threshold current density.
[0091]
In summary, when the number of regions doped with impurities such as Si in the barrier layer increases, free carrier scattering in the active layer increases and internal loss increases, resulting in an increase in threshold current density. It was also found that when the first layer and the third layer were doped with Si, the threshold current density decreased because carriers were efficiently injected into the well layer.
[0092]
That is, when the well layer thickness is in the range of 2 to 7 nm and the barrier layer thickness is in the range of 7 nm to 12 nm, the doping to the barrier layer is preferably performed on the first layer and the third layer, and is most efficient. Carriers can be well injected into the well layer. Also, when the thickness of the first and third layers is 0.3 nm or more and 4 nm or less, the increase in internal loss due to free carrier scattering is suppressed, and carriers can be efficiently injected into the well layer, thereby reducing the threshold current density. can do. However, a region thicker than 4 nm is not preferable because the internal loss due to free carrier scattering is increased due to the effect of carrier injection into the well layer.
[0093]
In this embodiment, the second layer and the fourth layer are made of In. _0.05 Ga _0.95 Although N is assumed, even if this layer is GaN, almost the same result is obtained and there is no problem.
[0094]
<Eighth embodiment>
In this embodiment, the first layer and the third layer are In _0.05 Ga _0.95 Except that N is non-doped, the second layer and the fourth layer are GaN and Si-doped, it is exactly the same as the seventh embodiment. When the thicknesses of the second and fourth layers were the same, and the second and fourth layer thicknesses were plotted on the X axis, the same results as in FIG. 11 were obtained. When the well layer thickness is in the range of 2 nm to 7 nm and the barrier layer thickness is in the range of 7 nm to 12 nm, the doping to the barrier layer is preferably performed on the second layer and the fourth layer, and is most efficient. Carriers can be well injected into the well layer.
[0095]
In addition, when the thickness of the second and fourth layers is 0.3 nm or more and 4 nm or less, the increase in internal loss due to free carrier scattering is suppressed, and carriers can be efficiently injected into the well layer, thereby reducing the threshold current density. can do. However, a region thicker than 4 nm is not preferable because it causes an increase in internal loss due to free carrier scattering due to the effect of carrier injection. In this embodiment mode, the first layer and the third layer are made of In. _0.05 Ga _0.95 Although N is assumed, even if this layer is GaN, almost the same result is obtained and there is no problem.
[0096]
<Ninth Embodiment>
In this embodiment, the barrier layer of the active layer is composed of three layers, the active layer is formed as follows, and a detailed laminated structure near the active layer is shown in FIG. 4nm thick In _0.15 Ga _0.85 N well layer 604, 9 nm thick GaN (602) and In _0.05 Ga _0.95 An active layer having a multiple quantum well structure composed of N (601, 603, 606, 607) barrier layers is formed in the order of barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer. I grew up. At that time, the well layer was grown without doping impurities.
[0097]
Also, the thickness of the well layer is preferably in the range of 2 to 7 nm, and if it is thinner than 2 nm, it is not preferable because the interface scattering increases and the threshold current is raised, and if it is thicker than 7 nm, electrons and holes are formed in the well layer. This is not preferable since the threshold current is increased in order to reduce the recombination probability. That is, the thickness of the well layer is preferably 2 nm or more and 7 nm or less. In this embodiment, the thickness is 4 nm, but there is no problem as long as the thickness is in the above range.
[0098]
Regarding the barrier layer, the layer on the n-type GaN light guide layer 104 side of the -3 layers having the -3 layer structure is the first layer (In _0.05 Ga _0.95 N) 601 or p-type Al _0.2 Ga _0.8 The layer on the N carrier block layer 106 side is changed to the third layer (In _0.05 Ga _0.95 N) 603, the middle layer is called the second layer (GaN) 602. Further, as shown in FIG. 12, the first layer in contact with the n-type GaN light guide layer 104 is the fourth layer 606 and the p-type Al. _0.2 Ga _0.8 The third layer in contact with the N carrier block layer 106 is particularly called a fifth layer 607. Since the fourth layer and the fifth layer are not in direct contact with the well layer, the situation differs from the other first layers and second layers, and they are called the fourth and fifth layers in a distinguishing sense. It was to be.
[0099]
In the present embodiment, the thicknesses of the first, second, third, fourth, and fifth layers are each 3 nm, and the second layer is doped with an n-type impurity such as Si. The Si concentration at this time is 5 × 10 ¹⁵ cm ^-3 ~ 1x10 ²⁰ cm ^-3 It ’s good, this time, 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 I went there. Si concentration is 1 × 10 ²⁰ cm ^-3 In the above case, excessive doping of Si deteriorates the crystallinity of the active layer and causes an increase in threshold current density, which is not good. Also 5 × 10 ¹⁵ cm ^-3 If it is below, carrier generation does not occur and the threshold current density increases. This Si concentration is measured using a measuring method such as SIMS. FIG. 13 shows a band diagram of the active layer shown in FIG.
[0100]
In this embodiment, Mg doped as an impurity is doped as a p-type impurity. ¹⁹ / Cm ^Three ~ 2x10 ²⁰ / Cm ^Three It is added at a concentration of.
[0101]
In this manner, a gallium nitride compound semiconductor multilayer structure is fabricated on an n-type GaN substrate, and then the Mg doped layer is made to have a low resistance p-type by heat treatment or the like, and then the same as in the third embodiment of the present invention A semiconductor laser device was manufactured by the manufacturing method. As a result of mounting this semiconductor laser element on a stem using solder or the like, electrically connecting it by wire bonding, assembling a semiconductor laser device, and evaluating its characteristic yield, it was possible to obtain good characteristics.
[0102]
The threshold current density of the semiconductor laser device thus obtained is 3.0 kA / cm. ² It was a low value. In FIG. 14, the thickness of the entire barrier layer 205 is constant at 9 nm, the first layer and the third layer are the same thickness, and the layer thickness is plotted on the X axis. That is, when the first layer and the third layer are 1 nm, the second layer is 7 nm. When the first layer and the third layer are 2 nm, the second layer is 5 nm. When the first layer and the third layer are 3 nm, the second layer is 3 nm, and the thickness of the second layer is determined so that the total thickness of the barrier layer 205 is 9 nm.
[0103]
As described above, FIG. 14 shows the result of the experiment conducted by determining the layer thickness, and the effect of reducing the threshold current density was observed when the first layer and the third layer were 3 nm or less. The reason why the threshold current density decreases in the region where the first layer and the third layer are thinner than 3 nm is considered as follows.
[0104]
In the present embodiment, the region of the barrier layer in contact with the well layer is non-doped. For this reason, carriers generated in the barrier layer are not effectively injected into the well layer. However, in the present embodiment, the region of the barrier layer in contact with the well layer has a smaller energy gap than GaN in the Si-doped region at the center of the barrier layer. _0.05 Ga _0.95 N is used. For this reason, carriers generated at the center of the barrier layer are injected into the well layer without being disturbed. For this reason, it is considered that the threshold density can be reduced.
[0105]
Furthermore, the threshold current density increases when the first layer and the third layer are thicker than 3 nm because the well layer and the Si-doped first layer are increased when the first layer and the third layer are made thicker. Thick In because the two layers are separated _0.05 Ga _0.95 It is considered that the N layer is consumed by traps such as light emission and non-light emission, so that carriers are not effectively injected into the well layer, the amount of injected carriers is reduced, and the threshold current density is increased.
[0106]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the first upper electrode layer is patterned in a stripe shape by the dry etching method that is anisotropic etching, the variation in the width of the current injection region is substantially reduced. It is defined only by the variation in the resist mask formation line width. As described above, in the case of the process according to the conventional technique, in addition to the variation in the formation line width of the photoresist mask for stripes for providing the opening in the dielectric, the opening generated when the opening is formed by the wet etching method Variations in part width also affect variations in the width of the current injection region. Therefore, the manufacturing method according to the present invention can greatly reduce the variation in the width of the current injection region as compared with the conventional method.
[0107]
In the manufacturing method according to the present invention, first, the step of forming the first upper electrode layer on the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure is performed. On the other hand, as described above, in the case of the process according to the conventional technique, a stripe-form photoresist mask and a dielectric film or a dielectric film are formed on the surface of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure before the upper electrode layer is formed. Two coating histories of the body film and the dielectric film are passed. Therefore, the manufacturing method according to the present invention generates a residue on the semiconductor multilayer structure as it goes through the coating history as compared with that according to the prior art, and the current-voltage characteristics and reliability of the semiconductor laser device associated therewith. The adverse effect on sex can be greatly reduced.
[0108]
FIG. 15 shows a plan view when the vicinity of the ridge just before the formation of the upper electrode layer is observed by micro-Auger electron spectroscopy in the process according to the conventional technique. FIG. 16B in the ridge stripe forming step of the conventional gallium nitride compound semiconductor laser device described above with reference to FIG. 16 and FIG. 16B shows the state of the state shown in FIG. After the formation, the surface of the semiconductor multilayer structure is etched using a dry etching apparatus, which corresponds to the schematic cross-sectional view after forming the ridge stripe. This corresponds to a case where the removed state is viewed from above the paper surface of FIG.
[0109]
15A is a plan view showing the distribution of signal intensity of Auger electrons originating from carbon atoms, and FIG. 15B is the formation position of the ridge stripe corresponding to the emission intensity distribution of FIG. It is a cross-sectional schematic diagram which shows. In the signal intensity distribution of FIG. 9A, the closer to white, the more strongly Auger electrons originating from the carbon atom are detected, and the correspondence with FIG. It can be seen that carbon atoms are localized on the side surface 901 and the upper surface 902 of the ridge.
[0110]
The most probable cause of the localization of the carbon atoms on the upper surface 902 of the ridge is the carbon contained in the photoresist mask for stripe formation formed on the upper surface 902 of the ridge. The photoresist itself is removed by washing with an organic solvent such as acetone after the dry etching process for forming the ridge stripe is completed. In fact, after forming a photoresist mask for stripe formation and performing cleaning with acetone as it is without performing dry etching, the same micro-Auger electron spectroscopy is used. Auger electrons originating from carbon atoms were not detected in the resist mask forming part and other parts.
[0111]
On the other hand, the side surface 901 of the ridge has no history of coating with such a resist mask, but in the dry etching process for forming the ridge stripe, the sputtered photoresist mask for forming a stripe is scattered, and the side surface of the ridge It is suspected that it has reattached to
[0112]
In addition, instead of photoresist as a stripe forming mask, SiO ₂ When the same was observed by the same micro Auger electron spectroscopy, residual Si atoms were observed on the upper surface of the ridge. In this case, Si atoms are not observed on the side surface of the ridge.
[0113]
On the other hand, in the method for manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laser device according to the present invention, such a resist or SiO 2 is used. ₂ Even if the ridge portion of the completed laser element is observed by micro-Auger electron spectroscopy while sputtering the upper electrode layer, carbon is not formed at the interface between the surface of the semiconductor multilayer structure and the electrode. Impurity atoms such as Si and Si were not detected.
[0114]
Therefore, the effect of the present invention that an operating voltage of about 0.5 V lower than that of the gallium nitride compound semiconductor laser element prepared by the conventional technique described at the end of the description of the first embodiment can be realized. However, it is supported by the absence of impurity atoms at the interface between the surface of the semiconductor multilayer structure and the electrode, and conversely, the method of manufacturing a gallium nitride compound semiconductor laser device according to the present invention is It can be said that this is a suitable technique for obtaining a structure in which no impurity atoms are present at the interface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing the structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic sectional view showing the structure of a nitride compound semiconductor laser device according to a seventh embodiment of the invention.
FIG. 10 is a band diagram showing the energy state of the active layer.
FIG. 11 is a correlation diagram between the thickness of the Si-doped barrier layer and the threshold current density of the LD.
FIG. 12 is a schematic sectional view showing an active layer structure of a nitride compound semiconductor laser device according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a band diagram showing the energy state of the active layer.
FIG. 14 is a correlation diagram of the layer thickness of Si-doped barrier layer and the threshold current density of LD.
FIG. 15 is a plan view showing a case where a ridge portion in a conventional ridge stripe type semiconductor laser element is observed by micro-Auger electron spectroscopy.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a step of forming a ridge stripe type waveguide structure in a conventional ridge stripe type semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
10, 11, 12, 13, 14, 15 ... first upper electrode layer
20, 21, 22, 23 ... second upper electrode layer
25 ... Upper electrode layer
30, 31, 32, 33, 34 ... SiO ₂ film
35 ... Dielectric film
40, 41, 42, 43, 44 ... Stripe forming photoresist mask
50 ... Photoresist mask for creating cavity end face
70, 71 ... Photoresist mask
80, 81, 90 ... opening
91, 92 ... steps
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 ... Gallium nitride compound semiconductor laminated structure
104 ... Si-doped n-type GaN optical guide layer
106… Mg-doped Al _0.2 Ga _0.8 N carrier block layer
601 ... 1st layer
602 ... second layer
603 ... Third layer
604 ... Well layer
606 ... Fourth layer
607 ... Fifth layer
801 ... 1st layer
802 ... Second layer
803 ... Well layer
804 ... Fourth layer
805 ... the third layer
901 ... Ridge side
902 ... top surface of ridge

Claims

The part above the gallium nitride-based compound semiconductor stacked structure, a step of forming a first upper electrode layer stripe, to form a striped photoresist on said first upper electrode layer,
Using the stripe photoresist as a mask, a part of the first upper electrode layer is removed by dry etching, and then,
A step of removing a part of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure by dry etching using the stripe photoresist as a mask to form a ridge stripe,
A method of manufacturing a ridge stripe gallium nitride compound semiconductor laser, wherein the width of the first upper electrode layer is at least twice the width of the stripe photoresist.

2. The ridge stripe gallium nitride compound semiconductor laser according to claim 1, wherein a process gas containing 50% or more of an inert gas is used in the dry etching in the step of removing the first upper electrode layer. Manufacturing method.

2. The method of manufacturing a ridge stripe gallium nitride compound semiconductor laser according to claim 1, wherein a process gas containing 50% or more of a chlorine gas is used in the dry etching in the step of forming the ridge stripe.

A first upper electrode layer is formed on the gallium nitride-based compound semiconductor multilayer structure, and a portion of the first upper electrode layer is covered with a photoresist having a predetermined width. The portion not covered with the photoresist is removed with an acid-based etching solution, and then the photoresist is removed, whereby the first upper electrode layer is formed in a stripe shape. 4. A method for producing a ridge stripe type gallium nitride compound semiconductor laser according to any one of items 3 to 4.

5. The first upper electrode layer is formed in a stripe shape by forming the first upper electrode layer using a mask having a stripe-shaped opening. 6. Ridge stripe type gallium nitride compound semiconductor laser manufacturing method.

After all the above steps,
Forming a dielectric film on the surface including the photoresist for stripes;
The ridge stripe according to any one of claims 1 to 5, further comprising a step of removing the photoresist on the stripe and a portion of the dielectric film on the stripe photoresist by a lift-off method. Type gallium nitride compound semiconductor laser manufacturing method.

After all the above steps,
7. The method of manufacturing a ridge stripe gallium nitride compound semiconductor laser according to claim 6, further comprising a step of forming a second upper electrode layer on the exposed surface including the first upper electrode layer.

8. The method of manufacturing a ridge stripe gallium nitride compound semiconductor laser according to claim 7, wherein the second upper electrode layer is not formed immediately above the resonator end face.

After all the above steps,
Forming a resonator end face photoresist; and
Removing the dielectric film by dry etching using the resonator end face photoresist as a mask;
Removing the first upper electrode using the cavity facet photoresist as a mask;
And a step of forming a cavity facet by removing a part of the gallium nitride compound semiconductor multilayer structure by dry etching using the cavity facet photoresist as a mask. A method for producing a ridge stripe gallium nitride compound semiconductor laser according to any one of the above.

A first upper electrode located on the ridge and having substantially the same width as the top of the ridge;
Located on the first upper electrode, a second upper electrode having a width larger than the first upper electrode comprises a, manufactured by the method according to any one of claims 1 to 9 A ridge stripe type gallium nitride compound semiconductor laser characterized by the above.