JP2000323792A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造歩留まりを向上させるとともに、横方向
の光閉じ込めの十分な効果をあげる半導体レーザ及びそ
の製造方法を提供する。 【解決手段】 半導体レーザの製造方法であって、スラ
ブ型の活性層及びクラッド層を形成する工程と、クラッ
ド層を介して活性層と光結合するキャップ層を形成する
工程と、キャップ層の一部分を除去して溝を形成する工
程と、溝の内面に電極を形成する工程と、を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ（以
下、単に素子とも記述する）に関し、特に、その素子の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザの代表的な構造としては、
利得導波型があり、構造が簡単なために早くから実用化
されている。しかし、利得導波型半導体レーザでは高い
出力まで安定な基本モードを得ることが難しい。そこ
で、横モードが抑制されるリッジ型や埋め込み型などの
屈折率導波型半導体レーザや、これら利得導波型及び屈
折率導波型構造を組み合わせた構造の半導体レーザが開
発されている。すなわち、実用的な半導体レーザを実現
するためには、内部になんらかの屈折率導波構造を作り
込む必要がある。一般的に用いられている代表的な構造
は、いわゆるリッジ構造である。リッジ構造の形成方法
は、活性層を形成した基板上に、細いリッジ部分を残し
て半導体結晶層を除去して、突出部のチャネルであるリ
ッジ形３次元導波路を形成するが、この除去時の除去深
さの制御に高い精度が要求される。屈折率導波型半導体
レーザは、リッジ部分に基板クラッドに比べて高い屈折
率を有する光閉じ込めの強い導波路を有する。リッジ形
３次元導波路を作成ための半導体結晶層を除去する方法
の１つに反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥとい
う）や、化学的エッチングが用いられる。埋め込み型半
導体レーザでは、リッジ部分を、低屈折率の絶縁又は逆
バイアス材料で埋め込む。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、半導体レ
ーザにおいて横方向の光閉じ込めを決める屈折率段差を
つけるため、リッジ又は埋め込み構造を作る必要がある
ので、半導体レーザ製作の工程数が多く、歩留まりが低
下する傾向があった。さらに、光を閉じ込めるためにリ
ッジ上面のオーミック電極接触用にコンタクト材として
屈折率の高い金属を用いる必要があり、電極接触用材料
が制限されている。

【０００４】そこで、本発明では、製造歩留まりを向上
させるとともに、横方向の光閉じ込めの十分な効果をあ
げる半導体レーザ製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザの
製造方法は、半導体レーザの製造方法であって、スラブ
型の活性層及びクラッド層を形成する工程と、前記クラ
ッド層を介して前記活性層と光結合するキャップ層を形
成する工程と、前記キャップ層の一部分を除去して溝を
形成する工程と、前記溝の内面に電極を形成する工程
と、を含むことを特徴とする。

【０００６】本発明の半導体レーザの製造方法において
は、前記活性層及びクラッド層は、２族不純物元素を添
加した３族窒化物半導体（Ａｌ_xＧａ_l-x）_1-yＩｎ_yＮ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなることを特徴とす
る。本発明の半導体レーザは、スラブ型の活性層及びク
ラッド層と、前記クラッド層を介して前記活性層と光結
合するキャップ層と、前記キャップ層の一部分を除去し
て形成された溝と、前記溝の内面に形成された電極と、
を含むことを特徴とする。

【０００７】このように本発明の半導体レーザの製造方
法によれば、活性層上部のクラッド層を薄くし、励起光
がクラッド層上のキャップ層へ漏れやすいような構造に
しておき、キャップ層の電極を形成する部分では窪みす
なわち溝を形成し、溝底のキャップ層の膜厚を調整する
ことによって、この部分のキャップ層に光が漏れ出さな
い様にする。これより、窪みをつけた部分の実効屈折率
が相対的に高くなり、横方向への屈折率段差が形成され
る。従って、電極部キャップ層に溝を作るだけで、容易
に３次元導波路構造ができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明による素子作製方
法について添付図面を参照しつつ説明する。発光ダイオ
ード及び半導体レーザダイオードなどの発光素子の分野
において、３族窒化物半導体（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_y
Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）の単結晶にマグネシウム
（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）などの２族元素が添加された結
晶層を有する半導体発光素子が、青色発光可能な素子と
して注目されている。よって、一例として３族窒化物半
導体レーザを作製する。

【０００９】図１は、作製された実施例のＳＣＨ(Separ
ate Confinement Heterostructure)構造のリッジ型３族
窒化物半導体レーザを示す。この半導体レーザは、単結
晶サファイア基板１上に順に積層された、低温成膜され
たＧａＮ（又はＡｌＮ）層２、ｎ型ＧａＮ層３（膜厚3.
0μｍ）、ｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層４（膜厚1.2μ
ｍ）、ｎ型ＧａＮ層５（膜厚0.1μｍ）、ＩｎＧａＮを
主たる構成要素とするＩｎ_{0 .15}Ｇａ_0.85Ｎ活性層６（膜
厚0.03μｍ）、ｐ型ＧａＮ層８（膜厚0.1μｍ）、ｐ型
Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層９（膜厚0.2μｍ）、及びｐ型Ｇ
ａＮ層１０（膜厚1.0μｍ）からなり、Ｎｉからなるｐ
側電極１３（膜厚0.1μｍ）はｐ型ＧａＮ層１０に、ｎ
側電極１４はｎ型ＧａＮ層３にそれぞれ接続されてい
る。素子は電極を除きＳｉＯ₂の絶縁膜１１で被覆保護
されている。

【００１０】このように、本実施例の窒化物半導体発光
素子の発光層は、３族窒化物半導体（Ａｌ_xＧａ_l-x）
_1-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を順次積層して
得られるスラブ型活性層からなる。なお、スラブ型活性
層は多重量子井戸構造などの多層構造としてもよい。こ
の半導体レーザ素子では、活性層６において電子と正孔
を再結合させることによって発光する。ｎ型ＧａＮ層３
は電流の流路として設けられている下地層であり、基板
であるサファイアに全く導電性がないために設けられて
いる。また、低温成長層のＧａＮ層２（又はＡｌＮでも
よい）はいわゆるバッファ層であり、ＧａＮにとっての
異種物質であるサファイア基板上に平滑膜を作製するた
めに形成されている。

【００１１】ｎ型ＧａＮ層５及びｐ型ＧａＮ層８はガイ
ド層であり、活性層６で発生した光をガイド層５及び８
に導波するとともに、ガイド層のバンドギャップが活性
層６のものより大きく設定することによって電子及び正
孔を活性層６内に効果的に閉じ込めるようになってい
る。また、注入されたキャリア（特に電子）の閉じ込め
を更に強化するｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮからなる障壁層を、
活性層６及びｐ型ＧａＮガイド層８の間に設けてもよ
い。

【００１２】ｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層４及びｐ型Ａｌ
_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層９はクラッド層であり、ガイド層５，
８の屈折率より低い屈折率を有しており、ガイド層との
屈折率差によって膜厚方向の導波が行なわれる。ｐ型Ｇ
ａＮ層１０はクラッド層９を介して活性層６と光結合す
るキャップ層である。

【００１３】溝１８は、その底部におけるｐ型ＧａＮキ
ャップ層１０の膜厚を変化させることで、実効屈折率に
横方向の段差を生じさせて、発生した光を横方向に閉じ
込めるために設けてある。活性層６上部のクラッド層９
などを薄くし、導波光がクラッド層上のキャップ層１０
へ漏れやすいような構造にしておき、キャップ層１０の
電極１３を形成する部分では窪みすなわち溝１８を形成
して溝底のキャップ層１０の膜厚を調整することによっ
て、キャップ層１０に光が漏れ出しにくく設定すること
により、溝１８をつけた部分底部を導波する光に対する
実効屈折率は高くなって、横方向への屈折率段差が形成
され、溝１８の下部に実質的に導波路が形成される。

【００１４】図１に示した素子構造の作製工程を以下に
述べる。 １．エピタキシャル基板を用意する。 まず、素子形成用の基板を作製する。サファイア基板１
を成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填し、表面の熱クリーニ
ングの後、サファイア基板１を所定温度になるまで降温
し、窒素原料であるＮＨ₃（アンモニア）と、Ａｌ原料
であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を成長炉内に
導入し、ＡｌＮからなるバッファ層２を所定膜厚に堆積
させる。

【００１５】続いて、バッファ層２が成膜されたサファ
イア基板１の温度を再び所定温度に昇温し、ＴＭＧ（ト
リメチルガリウム）を導入してｎ型ＧａＮ下地層３を積
層する。この時ｎ型不純物であるＳｉの原料としてＭｅ
−ＳｉＨ₃（メチルシラン）を成長雰囲気ガスに添加す
る。ｎ型ＧａＮ下地層３が成膜されたサファイア基板１
上に、ＴＭＧを再度導入し、同時にＴＭＡを導入してｎ
型ＡｌＧａＮクラッド層４の成膜を行う。

【００１６】ＴＭＡの供給を停止し、ｎ型ＧａＮガイド
層５を成長する。ｎ型ＧａＮガイド層５の成長後、ＴＭ
Ｇの供給を止め、キャリアガスを水素から窒素に変更す
る。これとともに基板温度を下げ、ガス流が安定し、温
度が所定の値になった時点で、ＴＭＧ及びＴＭＩを導入
して、Ｉｎ組成の高い活性層６を成長する。

【００１７】キャリアガスを水素に切換え、ガス流の状
態が安定したところ基板温度を再び上昇し、ＴＭＧとｐ
型不純物であるＭｇの原料としてＥｔ−Ｃｐ₂Ｍｇ（エ
チル−シクロペンタジマグネシウム）とを導入してｐ型
ＧａＮガイド層８を成長する。再びＴＭＡを導入してｐ
型ＡｌＧａＮクラッド層９を成長する。

【００１８】つぎに、ＴＭＡを止め、クラッド層９上に
これを介して活性層６と光結合するｐ型ＧａＮキャップ
層１０を所定膜厚で成長する。活性層６と光結合するキ
ャップ層１０の膜厚の設定については後述する。このよ
うにして、図２に示すウェハ基板を調製する。次に、通
常のフォトリソグラフィ法によって図３に示すように、
電流経路を確保するために、部分的にｎ型ＧａＮ下地層
３が露出する階段構造を形成する。

【００１９】２．酸化シリコンなどの電気絶縁膜を溝を
作る場所以外の部位につける。図３に示す状態になった
ウェハ上にＳｉＯ₂保護膜１１をスパッタリングなどの
方法によって堆積させる。この後、図４に示すように、
フォトリソグラフィ法によってＳｉＯ₂保護膜１１にｐ
型電極用窓部２０、及びｎ側電極用窓部２１を形成す
る。

【００２０】３．酸化シリコン膜のついていない場所に
溝をつくる。図５に示すように、ドライエッチングによ
り、ｐ型電極用窓部２０を通してキャップ層１０の一部
分を除去して所定深さまで溝１８を形成して溝１８のキ
ャップ層の底に沿って導波路を形成する。溝１８の断面
形状は矩形のものを示したが、Ｖ字形状のものでもよ
い。

【００２１】４．電極を形成する。溝の形成後に、電極
用窓部２０及び２１を通して電極１３及び１４を形成し
て、図１に示す素子を得る。ｎ型ＧａＮ層３が露出して
いる部分に、Ｔｉ（チタン）を、続いてＡｌ（アルミニ
ウム）を蒸着し、ｎ側電極１４を形成する。ｐ型ＧａＮ
層が露出している部分には、Ｎｉ（ニッケル）と、Ａｕ
（金）を蒸着してｐ側電極１３を形成する。

【００２２】かかる素子の作製における活性層６と光結
合するキャップ層１０の膜厚の設定について詳述する。
一般的に、通常の半導体レーザの場合、各層の膜厚は重
要であり、最表層、すなわち電極用のコンタクト層やキ
ャップ層は０．１μｍ程度と比較的薄い膜厚で形成され
ている。図６に示すように、導波光の光強度が、クラッ
ド層中で十分減衰し、光強度分布のピークが一つになる
ように、設計する方式が一般的である。

【００２３】しかしながら、本発明においては、図７に
示すように、クラッド層９の膜厚を薄く、キャップ層１
０の膜厚を厚く設定する。すなわち、活性層で発生し、
素子中を導波される光がクラッド層上のキャップ層へ漏
れ易い構造にしておく。これら２つの層の膜厚と屈折率
の組み合わせを選ぶことにより、例えば本実施例の場
合、導波路内の光強度膜厚に垂直方向の分布に２つのピ
ークを有している。

【００２４】一般に、半導体レーザの光強度分布は、フ
ァーフィールドパターン（遠視野像）で評価される。図
７中の（１）で示したように導波路内に２つのピークが
ある場合の、接合に垂直方向のファーフィールドパター
ンは図８中の（１）の実線で示したような形になり、強
いピーク・ディップを有するものとなる。光ディスク読
み取り用光源として用いる場合、ファーフィールドパタ
ーンが基本的に単一ピークであることが必須である。さ
らに、図８中で示した、極小部分から低いピークまでの
差ａと高いピークの高さｂとの比率ａ／ｂで評価すれ
ば、ａ／ｂ＜０．２程度の値が求められる。こうした点
では図８の（１）で示したファーフィールドパターン、
即ち図７中の（１）で示した光強度分布は全く実用にな
らない。

【００２５】一方、キャップ層１０に溝１８を形成し、
ここに金属層（実施例ではＮｉ）を設けることにより、
溝１８下部での光強度分布を、図７中の（２）で示した
ようなほぼ単一ピークとすることができる。これと対応
してファーフィールドパターンも、図８中の（２）の破
線で示したように単一ピークとなる。言いかえれば、溝
１８下部の部分のみ、クラッド層９、キャップ層１０の
膜厚及び屈折率を通常の設計に近いものとすることを意
味する。

【００２６】スラブ状の導波路中を伝播する光の実効屈
折率は、一般にその導波モードによって異なってくる。
つまり、図７の（１）の様に２ピークになっている部分
の導波モードに対する実効屈折率と、溝１８下部の様に
略単一ピーク状の導波モードの実効屈折率は異なってい
る。図９に、クラッド層膜厚及びキャップ層膜厚を変化
させたときの実効屈折率の等高線図を示す。溝１８を形
成していない部分をスラブ導波路として考えた場合の導
波モード（図７中の（１）に相当）は図９中の（１）で
示した領域にある。一方、溝１８を形成した部分に関し
てのそれは、図９中の（２）の領域になる。この様に、
溝１８の下部部分とそうでない部分とで、実効屈折率に
差を生じさせることができ、クラッド層及びキャップ層
を適切な膜厚に設定することにより、溝１８の存在する
部分での実効屈折率を、それ以外の部分より若干高くす
ることができる。

【００２７】実効屈折率近似によれば、このことは、横
方向に導波構造が作製されたことを意味する。実用的な
レーザとするためには、キャリア密度の変動による屈折
率の変化に対しては十分に安定な光導波路としなければ
ならない。このためには、実効屈折率差としては約５Ｅ
−３以上が望ましい。こうした条件を実現するには、溝
１８以外の部分をスラブ導波路と見た場合の強度分布
が、図７中の（１）で示したような形（明瞭な２つの山
形）になっていなければならない。この時のファーフィ
ールドパターンとしては、中心部分で２つに割れた形状
であることと、極小部分（割れた部分）が半値全幅の中
に存在すること、という条件となる。

【００２８】具体的に、下記表１のようなパラメータの
２周期ＭＱＷ−ＳＣＨ構造の半導体レーザの計算例を示
す。

【００２９】

【表１】

【００３０】本発明の溝閉じ込め型レーザにおいても、
電極ストライプ部分への電流狭窄が行なわれ得る。すな
わち、図１０に示すように、他の実施例のレーザ構造で
は、ｐ型キャップ層１０上にｎ型キャップ層１２を積層
して逆バイアスのｐｎ接合を設け、溝１８がキャップ層
をつきぬけるように電流通路を設けてもよい。ここから
電流は広がりながら活性層に至る。この実施例のｎ型キ
ャップ層１２や、ｐ型キャップ層１０との積層でも、溝
１８以外の部分をスラブ導波路と見た場合の強度分布が
図７中の（１）で示したような２つの山を構成するよう
に形成することにより、溝部分直下の実効屈折率が相対
的に高くなり、横方向への屈折率段差が形成される。

【００３１】

【発明の効果】 本発明によれば、スラブ型の活性層
と、クラッド層を介して当該活性層と光結合するキャッ
プ層においてその一部分を除去した溝を設けた半導体レ
ーザなので、簡単な構成で製造歩留まりを向上させると
ともに、横方向の光閉じ込めの十分な効果をあげること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例にて作製された溝型半導体
レーザ素子の概略断面図。

【図２】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程
中におけるレーザ基板の概略断面図。

【図３】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程
中におけるレーザ基板の概略断面図。

【図４】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程
中におけるレーザ基板の概略断面図。

【図５】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程
中におけるレーザ基板の概略断面図。

【図６】半導体レーザの導波路内の光強度分布を示す概
略断面図。

【図７】本発明による実施例の半導体レーザの導波路内
の光強度分布を示す概略断面図。

【図８】本発明による実施例にて作製された半導体レー
ザの光導波路内の強度分布と対応するファーフィールド
分布を示すグラフ。

【図９】本発明による実施例にて作製された半導体レー
ザのクラッド層膜厚及びキャップ層の膜厚に対する実効
屈折率変化の等高線図。

【図１０】本発明による他の実施例にて作製された溝型
半導体レーザ素子の概略断面図。

【主要部分の符号の説明】

１ 単結晶サファイア基板 ２ バッファ層 ３ 下地層 ４、９ クラッド層 ５、８ ガイド層 ６ 活性層 １０、１２ キャップ層 １１ ＳｉＯ₂絶縁膜 １３ ｐ側電極 １４ ｎ側電極 １８ 溝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザの製造方法であって、スラ
   ブ型の活性層及びクラッド層を形成する工程と、 前記クラッド層を介して前記活性層と光結合するキャッ
   プ層を形成する工程と、 前記キャップ層の一部分を除去して溝を形成する工程
   と、 前記溝の内面に電極を形成する工程と、を含むことを特
   徴とする製造方法。
2. 【請求項２】 前記活性層及びクラッド層は、２族不純
   物元素を添加した３族窒化物半導体（Ａｌ_xＧａ_l-x）
   _1-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなることを
   特徴とする請求項１記載の製造方法。
3. 【請求項３】 スラブ型の活性層及びクラッド層と、 前記クラッド層を介して前記活性層と光結合するキャッ
   プ層と、 前記キャップ層の一部分を除去して形成された溝と、 前記溝の内面に形成された電極と、を含むことを特徴と
   する半導体レーザ。