半導体レーザおよびその製造方法
【課題】歩留の低下や製造コストの上昇を招かず、窒化物半導体レーザのＣＯＤを抑止する。
【解決手段】半導体レーザ１０１は、第１クラッド層１０３、活性層１０５、第２クラッド層１０８を有している。レーザ共振器の前端面１１３および後端面１１４の近傍には、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素であるフッ素を含有する窓領域１１５が形成されている。この窓領域１１５は前端面１１３および後端面１１４をそれぞれフッ化炭素（ＣＦ4 ）プラズマに晒すことで形成される。窓領域１１５の活性層１０５の実効バンドギャップは、それ以外の活性層の実効バンドギャップよりも大きくなるので、ＣＯＤを抑止するための端面窓構造として機能する。
【解決手段】半導体レーザ１０１は、第１クラッド層１０３、活性層１０５、第２クラッド層１０８を有している。レーザ共振器の前端面１１３および後端面１１４の近傍には、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素であるフッ素を含有する窓領域１１５が形成されている。この窓領域１１５は前端面１１３および後端面１１４をそれぞれフッ化炭素（ＣＦ4 ）プラズマに晒すことで形成される。窓領域１１５の活性層１０５の実効バンドギャップは、それ以外の活性層の実効バンドギャップよりも大きくなるので、ＣＯＤを抑止するための端面窓構造として機能する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピックアップあるいは固体照明装置等に用いられる、青から紫外域の波長で発振する窒化物半導体レーザおよびその製造方法に関するものであり、特に光学損傷を抑止するための共振器端面の表面処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクの再生・記録に用いられる光ピックアップに搭載される半導体レーザは、その発振波長が短いほど光ディスクの記録密度を高められることから、青から紫の波長で発振する窒化物半導体レーザの開発が進められ、これを用いた光ピックアップが実用に供せられるようになった。また、紫外域で発振する窒化物半導体レーザは、紫外光で蛍光体を励起する固体照明装置への適用が考えられ、この固体照明装置は蛍光灯に取って代わることが期待されている。
【０００３】
このような窒化物半導体レーザにおいても、従来のＡｌＧａＡｓ系赤外半導体レーザあるいはＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザと同様に、共振器端面における光学損傷（catastrophic optical damage：ＣＯＤ）が発生し、高出力化の妨げとなることが知られている。ＣＯＤとは、高密度の界面準位が存在する端面近傍において、電子と正孔の非発光再結合が共振器内部よりも多く発生し、これによる温度上昇によってバンドギャップが小さくなって光吸収を生じ、この光吸収がさらに温度上昇をもたらすという正帰還作用により、共振器端面が破壊されてしまう現象である。
【０００４】
従来の赤外半導体レーザあるいは赤色半導体レーザにおいては、ＣＯＤの発生を防ぐために、共振器端面近傍において多重量子井戸活性層に不純物を拡散し、井戸層と障壁層を無秩序化して、端面近傍のみ活性層のバンドギャップを大きくした窓構造とすることがよく行われている。しかし、窒化物半導体では多重量子井戸の無秩序化が生じにくく、この方法による窓構造の形成は困難である。これに代わる窓構造の形成方法として、端面となる部分にバンドギャップの大きな窒化物半導体層を予め結晶成長で埋込んでおき、この部分を選んで劈開を行うことで端面窓構造とするという製造方法が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、窓構造を作り込むのではなく、端面近傍に電流が注入されなくすることでＣＯＤを抑止するという方法もある。窒化物半導体レーザに対しては、共振器端面近傍に不純物を導入することで高抵抗化し、その部分に電流が流れないようにする技術（特許文献２参照）、および共振器端面近傍にはオーミック電極ではなくショットキ電極を形成し、電流が注入されないようにする技術（特許文献３参照）が開示されている。以下、特許文献２に開示された技術について、図面を用いて簡単に説明する。
【０００６】
最終構造が図１０に示される半導体レーザを製造するに際し、サファイア基板１００１上に、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１００２、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１００３、および、多重量子井戸活性層１００４、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１００５、および、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１００６を順次形成する。ｎ型コンタクト層１００２およびｎ型クラッド層１００３のｎ型ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型クラッド層１００５およびｐ型コンタクト層１００６のｐ型ドーパントとしては、Ｍｇを用いる。次に、共振器端面近傍上の領域のみ、ｐ型コンタクト層１００６上にＺｎＯ膜を形成し、熱拡散炉中でアニールを行う。これにより、ＺｎＯ膜内のＺｎが下方に熱拡散されて、ｐ型コンタクト層１００６を経てｐ型クラッド層１００５、活性層１００４およびｎ型クラッド層１００３の一部領域まで導入される。その結果、共振器端面近傍に、高抵抗領域１００７が形成される。
【０００７】
ＺｎＯ膜を除去後、ｐ型クラッド層１００５の突出部とｐ型コンタクト層１００６とからなるリッジ部を形成し、ｐ型コンタクト層１００６上の高抵抗領域１００７以外の領域およびｎ型コンタクト層１００２の表面の一部の領域に開口を有するＳｉＯ2 電流阻止層１００８を形成する。この後、ｐ側オーミック電極（図示されず）上にｐ側パッド電極１００９、ｎ側オーミック電極１０１０上にｎ側パッド電極１０１１を形成して、図１０に示す半導体レーザとなる。本半導体レーザは、共振器端面近傍の高抵抗領域１００７に電流が注入されないので、ＣＯＤが生じにくくなるという利点を有している。
【特許文献１】特開２００３−６０２９８号公報
【特許文献２】特開２００２−３０５３５３号公報
【特許文献３】特開２００３−３１８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＣＯＤを抑止するための上記従来の方法は、何れも半導体レーザの構造を一部変更することでその作用を生ぜしめている。このような構造の変更は、フォトマスクの追加を伴う新たな工程を必要とし、歩留の低下と製造コストの上昇を招く恐れがある。特に、窓構造を形成するために結晶成長工程を追加することは、大幅なコストアップ要因になる。また、共振器端面近傍に電流を注入しない領域を設ける構造は、非注入領域が狭すぎるとＣＯＤ抑止の効果が無く、広すぎると非注入領域が可飽和吸収体となって、半導体レーザの電流−光出力特性に不連続な跳びを生じることになる。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、歩留の低下あるいは製造コストの上昇を招かず、また他の電気的・光学的特性に影響を及ぼすことなく、窒化物半導体レーザのＣＯＤを抑止することである。このために、半導体レーザの基本構造は変更せず、しかしながら実効的な窓構造を有する新規な窒化物半導体レーザおよびその製造方法を提供する。また、本発明は強い分極特性を持つという窒化物半導体固有の物性に基づくものであり、従来の赤外あるいは赤色半導体レーザに対してはその効果は小さい。ただし、強い分極特性をもつ新たな材料系による半導体レーザが実用に供せられれば、これに対しては適用可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成された、第１導電型の窒化物半導体よりなる第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に形成された、単層もしくは多層の窒化物半導体よりなる活性層と、前記活性層上に形成された、第２導電型の窒化物半導体よりなる第２クラッド層とを備え、共振器方向における少なくとも一方の端面近傍の前記活性層を含む領域に、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を含有することを特徴とする。
【００１１】
まず、窒化物半導体は自発分極と圧電分極による強い分極特性を有している。この分極の大きさは、例えばＧａＮ活性層とＡｌＧａＮクラッド層とで異なるため、その界面にシート固定電荷が発生する。このシート固定電荷によりＧａＮ活性層には内部電界が生じ、エネルギーバンド図における伝導帯と価電子帯が傾斜するので、内部電界がない場合に比べて実効的なバンドギャップが小さくなる。以上の知見は、例えば特開２００５−２１７４１５に開示されている。
【００１２】
これに対して、本願発明者らが新たに見出した知見を以下に述べる。窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を活性層に導入すると電子トラップとなり、電子を捕獲あるいは正孔を生成することで負の分布固定電荷を生じ、伝導帯と価電子帯の傾斜が緩和される。これは小さくなっていた活性層のバンドギャップを元に戻す働きをする。すなわち、共振器端面近傍に、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入すると、端面近傍のみ活性層のバンドギャップを大きくすることができ、実効的な窓構造となる。窓構造がＣＯＤ抑止効果を持つことはよく知られるところであり、本構成によってＣＯＤの発生を抑えることができる。
【００１３】
さらに、前記活性層は多重量子井戸構造を有することを特徴とする。
【００１４】
活性層が多重量子井戸構造を有する場合は、例えばＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層の界面にもシート固定電荷が発生する。このシート固定電荷により井戸層の実効的なバンドギャップが小さくなるが、共振器端面近傍に窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入すると、端面近傍のみ井戸層のバンドギャップが元に戻るので、実効的な窓構造となる。活性層がバルクであっても、多重量子井戸であっても、電気陰性度の大きい不純物元素の導入で実効的な窓構造とすることができるが、多重量子井戸構造の場合の方が分極による伝導帯と価電子帯の傾斜が大きく、より顕著な効果が得られる。
さらに、前記不純物元素はフッ素であることを特徴とする。
【００１５】
フッ素は周期律表にある全元素の中で最も電気陰性度が大きく、分極の緩和効果が最も大きい。
【００１６】
さらに、前記フッ素の含有量は、前記端面において、１０18ｃｍ-3以上であることを特徴とする。
【００１７】
分極により発生するシート固定電荷の量は、例えば前記特開２００５−２１７４１５に開示されており、これを打消すためには１０18ｃｍ-3以上のフッ素を添加することが効果的である。
【００１８】
さらに、前記端面上に形成された、窒化物絶縁体よりなる保護膜を有することを特徴とする。
【００１９】
端面から導入された不純物元素は、導入後の熱履歴あるいは経時変化によって外部に散逸する場合もある。これを防止するためには、ＳｉＮあるいはＡｌＮ等の窒化物絶縁体を保護膜とすることが有効である。
【００２０】
また、本発明に係る半導体レーザの製造方法は、基板上に、第１導電型の窒化物半導体よりなる第１クラッド層を形成する工程と、前記第１クラッド層上に、単層もしくは多層の窒化物半導体よりなる活性層を形成する工程と、前記活性層上に、第２導電型の窒化物半導体よりなる第２クラッド層を形成する工程と、前記基板を分割して、共振器方向における両端面を露出させる工程と、前記両端面の少なくとも一方の片端面から、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入する端面処理工程とを備えることを特徴とする。
【００２１】
本製造方法により、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を共振器端面近傍に含有する半導体レーザを製造することができる。本製造方法の特徴は、半導体レーザ製造におけるウエハ工程が終了し、共振器端面を形成するためにウエハを劈開した、いわゆるバー状態で端面処理工程を行い、不純物元素を導入する点にある。通常の製造工程においては、共振器端面の反射率を制御するとともに、端面を保護するためにバー状態で端面コートを行う。これに先立つ工程として、不純物元素を導入する端面処理工程を行うことは、大幅な工数増加を伴うことなく、容易に実施できる。
【００２２】
なお、不純物元素の導入は、共振器の両端面に対して行ってもよいし、片端面のみに行ってもよい。一般に、半導体レーザは前端面から高出力、後端面からは低出力となるように端面コートが施され、共振器内部の光パワー密度は後端面の方が大きくなる。従って、後端面のみに端面処理を施しても大きなＣＯＤ抑止効果が生じる。端面処理工程を前端面と後端面で２回行う必要がある場合には、後端面のみに端面処理を行うことで工数削減が可能になる。
【００２３】
さらに、前記不純物元素はフッ素であることを特徴とする。
【００２４】
前述の通り、フッ素は周期律表にある全元素の中で最も電気陰性度が大きく、分極の緩和効果が最も大きい。
【００２５】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスを用いて発生させたプラズマに、前記両端面もしくは前記片端面を晒す工程であることを特徴とする。
【００２６】
不純物元素を含む原料ガスを用いて発生させたプラズマには、不純物元素のイオンおよびラジカルが存在し、共振器端面をこのプラズマに晒すことで端面近傍に不純物元素が導入される。
【００２７】
さらに、前記原料ガスは、フッ素、フッ化炭素、フッ化硫黄、フッ化窒素、およびフッ化シリコンからなるグループより選択される１つのガスを主要成分とすることを特徴とする。
【００２８】
不純物元素としてフッ素を選んだ場合、原料ガスとしてはフッ素（Ｆ2 ）、フッ化炭素（ＣＦ4 ）、フッ化硫黄（ＳＦ6 、Ｓ2 Ｆ2 ）、フッ化窒素（ＮＦ3 ）、あるいはフッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）を用いることが望ましい。これらの原料ガスは、反応性イオンエッチング等の半導体プロセスに広く用いられており、プラズマを発生させる技術および装置は既に確立されている。また、窒化物半導体は、これらの原料ガスによる反応性イオンエッチングでほとんどエッチングされないので、反応性イオンエッチング装置をそのまま使用して端面処理することも可能である。
【００２９】
さらに、前記端面処理工程に用いる真空装置内において、前記端面処理工程に引き続き行われる保護膜堆積工程を更に備えることを特徴とする。
【００３０】
端面処理工程によって導入された不純物元素の散逸を防ぐためには、例えば窒化物絶縁体よりなる保護膜を形成することが有効であるが、端面処理工程に用いた真空装置内で、引き続き保護膜を堆積すれば、その効果はより顕著になる。プラズマＣＶＤ等の絶縁体堆積装置は、装置内壁に堆積する絶縁体をクリーニングするためのプラズマエッチング機能を有していることが多く、このような装置を用いれば、プラズマに晒す端面処理工程と、保護膜堆積工程を連続的に行うことは容易である。
【００３１】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素を前記両端面もしくは前記片端面からイオン注入する工程であることを特徴とする。
【００３２】
上記の反応性イオンエッチング装置による端面処理に比べると、工程コストは高くなるが、不純物元素をイオン注入すれば、導入する元素の量および導入深さを正確に制御することが可能である。
【００３３】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスに前記両端面もしくは前記片端面を晒し、前記原料ガスに紫外線を照射する工程であることを特徴とする。
プラズマ励起以外にも、紫外線を照射することで、原料ガスを分解して活性化することもできる。プラズマ励起では、共振器端面がプラズマに晒されることで損傷を受ける可能性があるが、紫外線励起ではこのような問題は生じない。
【００３４】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスに前記両端面もしくは前記片端面を晒し、前記原料ガスを加熱する工程であることを特徴とする。特に、前記原料ガスは、フッ化キセノンあるいは塩化フッ素を主要成分とすることを特徴とする
紫外線照射ではなく、加熱によって原料ガスを分解することも可能である。この場合は、加熱によって分解されやすい原料ガスを用いることが望ましく、フッ化キセノン（ＸｅＦ2 ）あるいは塩化フッ素（ＦＣｌ3 ）が原料ガスとして好適である。
【００３５】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素をイオンとして含む溶液に、前記両端面もしくは前記片端面を浸す工程であることを特徴とする。
【００３６】
真空装置を必要としない、より簡便な端面処理方法として、ウェット処理も可能である。窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素をイオンとして含む溶液に共振器端面を浸すことで、不純物元素が端面近傍に導入される。
【００３７】
さらに、前記端面処理工程において、前記両端面もしくは前記片端面を陽極として前記溶液に電界を印加することを特徴とする。
【００３８】
電気陰性度の大きい元素は陰イオンとなるので、共振器端面を陽極として電界を印加すれば、より積極的に不純物元素を端面近傍に導入することができる。
【００３９】
さらに、前記溶液は、フッ化アンモニウムであることを特徴とする。
【００４０】
不純物元素としてフッ素を選んだ場合、ウェット処理の溶液としてはフッ化アンモニウム水溶液が好適である。フッ化アンモニウム水溶液は、半導体プロセスで広く用いられているので、容易に高純度のものを入手できる。また、バー状態の半導体レーザを構成する窒化物半導体、絶縁膜、電極金属をほとんどエッチングしないので、端面処理の際に端面以外の部分を被覆して保護する必要がなく、端面処理工程が簡略化できる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係る半導体レーザによれば、基本構造は変更せず、しかしながら実効的な窓構造を有する窒化物半導体レーザを実現できることから、他の電気的・光学的特性に影響を及ぼすことなく、窒化物半導体レーザのＣＯＤを抑止することができる。また、その製造方法においては、端面処理工程として、半導体プロセスで一般に用いられている工程を共振器端面に対して新たに適用するだけであり、歩留の低下あるいは製造コストの上昇を招くことなく、ＣＯＤを抑止した窒化物半導体レーザを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの斜視図である。半導体レーザ１０１は、ｎ型（第１導電型）ＧａＮ基板１０２上に、Ｓｉ添加ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ（厚さ１μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）よりなる第１クラッド層１０３、Ｓｉ添加ｎ型ＧａＮ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）よりなる第１ガイド層１０４、不純物無添加のＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層（厚さ３ｎｍ）とＧａＮ障壁層（厚さ８ｎｍ）の多重量子井戸よりなる活性層１０５、無添加ＧａＮ（厚さ１００ｎｍ）よりなる第２ガイド層１０６、Ｍｇ添加ｐ型（第２導電型）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3）よりなるオーバーフロー抑制層１０７、Ｍｇ添加ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ超格子（厚さ５００ｎｍ）よりなる第２クラッド層１０８、Ｍｇ添加ｐ型ＧａＮ（厚さ６０ｎｍ、キャリア濃度１×１０20ｃｍ-3）よりなるコンタクト層１０９を順次積層したエピ構造を有している。
【００４４】
コンタクト層１０９および第２クラッド層１０８の一部は、ストライプ状のリッジとなるようにエッチングされている。その上にＳｉＯ2 よりなる絶縁膜１１０が形成され、さらにＰｄ／Ｐｔよりなるｐ側電極１１１が形成される。絶縁膜１１０はリッジ上に開口部を有しており、この部分でｐ側電極１１１はコンタクト層１０９に接触している。また、ＧａＮ基板１０２の裏面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕよりなるｎ側電極１１２が形成されている。なお、図示はしていないが、ｐ側電極１１１およびｎ側電極１１２の上には、ボンディングおよび放熱のために、最上層がＡｕよりなるパッドを形成することが望ましい。
【００４５】
斜視図の正面に当たるレーザ共振器の前端面１１３、および背面に当たる後端面１１４の近傍には、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素であるフッ素を含有する窓領域１１５が形成されている。この窓領域１１５は前端面１１３および後端面１１４をそれぞれフッ化炭素（ＣＦ4 ）プラズマに晒すことで形成されるが、製造方法の詳細については後述する。窓領域１１５におけるフッ素の含有量を図２に示す。これは、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって、ＧａＮ基板１０２におけるフッ素含有量を端面から深さ方向に測定した結果であるが、活性層１０５の井戸層および障壁層にも同程度のフッ素が含有されている。なお、窓領域１１５は後端面１１４近傍のみに形成してもよい。
【００４６】
図示はしていないが、前端面１１３および後端面１１４上に窒化物絶縁体、例えばＳｉＮあるいはＡｌＮよりなる保護膜を形成してもよい。窒化物絶縁体は、半導体レーザを構成する窒化物半導体との密着性に優れ、窓領域１１５に導入されたフッ素が導入後の熱履歴あるいは経時変化によって外部に散逸するのを防止する保護膜として、効果が大である。この保護膜の膜厚を適宜設定すれば、端面反射率を制御するための端面コートとしても機能させることができる。
【００４７】
図３は、窓領域１１５がＣＯＤの発生を抑えることを示す、半導体レーザ１０１のエージング試験結果である。７０℃の環境温度で、光出力１７０ｍＷの自動パワー制御（ＡＰＣ）駆動を行い、その時の駆動電流の時間変化を測定している。図３（ａ）は、比較のために窓領域１１５を形成しなかった試料に対する試験結果であり、５試料中２試料で１０００時間以内に急激な駆動電流の増加３０１を生じている。この急激な劣化を生じた試料について、共振器方向の断面を露出して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した結果、後端面の活性層部分で結晶に損傷が生じていることが確認された。すなわち、窓領域１１５を形成しない試料で発生した急激な劣化は、ＣＯＤによるものである。一方、図３（ｂ）は窓領域１１５を形成した半導体レーザ１０１に対して、同様の試験を行った結果である。５試料とも１０００時間のエージング範囲では急激な劣化を生じておらず、窓領域１１５を形成することでＣＯＤの発生が抑えられていることが分かる。
【００４８】
窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入することで、ＣＯＤを抑止する窓領域が形成されるメカニズムについて、図４を用いて説明する。図４は、（ａ）、（ｂ）とも活性層１０５中の井戸層４０１および障壁層４０２のエネルギーバンド図を示しており、紙面右手側が第１クラッド層のある基板側、紙面左手側が第２クラッド層のある表面側になる。また、（ａ）は電気陰性度の大きい不純物元素が導入されていない領域、（ｂ）は電気陰性度の大きい不純物元素が導入されている領域を示しているが、まず図４（ａ）を用いて窒化物半導体の分極特性に対する一般的知見を述べる。
【００４９】
窒化物半導体の結晶成長では、ｃ軸方向のＧａ面である（０００１）面上にエピタキシアル成長するのが一般的である。この場合、ＩｎＧａＮ井戸層４０１およびＧａＮ障壁層４０２には、ともに表面から基板方向に向かう自発分極４０３を生じるが、井戸層４０１には圧縮応力が働くため、これと逆方向の圧電分極４０４を生じる。この結果、井戸層４０１の基板側端部（図では右側）には負のシート固定電荷４０５が発生し、表面側端部（図では左側）には正のシート固定電荷４０６が発生する。これらのシート固定電荷によって生じる内部電界により、井戸層４０１および障壁層４０２の伝導帯４０７と価電子帯４０８が図示したように傾斜し、その時の傾斜バンドギャップ４０９は、本来の無電界バンドギャップ４１０に比べて小さくなる。また、井戸層４０１の基板側端部に正孔４１１が局在し、表面側端部には電子４１２が局在することになる。
【００５０】
次に、本発明に関する新たな知見について、図４（ｂ）を用いて説明する。例えばフッ素等の窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を井戸層４０１および障壁層４０２に導入すると、電子トラップとなる深い準位が形成される。この電子トラップは、井戸層４０１にあった電子４１２を捕獲し、あるいは正孔４１１を新たに発生させて、負の分布固定電荷４１３となる。この負の分布固定電荷よって井戸層４０１および障壁層４０２の伝導帯４０７と価電子帯４０８は上に凸の曲がりを生じ、結果的に図４（ｂ）に示すバンド構造となる。この時の曲がりバンドギャップ４１４は、傾斜バンドギャップ４０９よりも大きくなり、無電界バンドギャップ４１０に近づく。
【００５１】
以上の説明から明らかなように、電気陰性度の大きい不純物元素を含有する領域の活性層の実効バンドギャップ（曲がりバンドギャップ４１４）は、それ以外の活性層の実効バンドギャップ（傾斜バンドギャップ４０９）よりも大きくなるので、図１に示す半導体レーザ１０１の窓領域１１５は、ＣＯＤを抑止するための端面窓構造として機能する。
【００５２】
図４（ｂ）に示したバンドの曲がりを実質的に生じさせるために必要な不純物元素の含有量については、以下の通り計算される。Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層の界面で分極によって生じるシート固定電荷量は、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92ＮとＧａＮの自発分極量の差−６．４×１０-8Ｃ／ｃｍ2 と、格子定数、弾性定数、および圧電定数から計算されるＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎの圧電分極量８．６７×１０-7Ｃ／ｃｍ2 の和として求められ、８×１０-7Ｃ／ｃｍ2 程度である。これを井戸層と障壁層の合計膜厚１１ｎｍに分布する不純物元素濃度に換算すると、（８×１０-7Ｃ／ｃｍ2 ）÷（１．６×１０-19 Ｃ）÷（１１×１０-7ｃｍ）＝４．５×１０18ｃｍ-3となる。バンドの曲がりを実質的に生じさせるためには、これと同じオーダーの不純物元素を含有している必要があるので、本発明の作用・効果を生ぜしめるためには、不純物元素が１０18ｃｍ-3以上含まれていることが望ましい。
【００５３】
本実施の形態に係る製造方法について、図１および図５を参照して説明する。図１の構造を製造するためには、まず、有機金属気相成長法（metal-organic vapor-phase epitaxy：ＭＯＶＰＥ）によって、ＧａＮ基板１０２上に第１クラッド層１０３、第１ガイド層１０４、活性層１０５、第２ガイド層１０６、オーバーフロー抑制層１０７、第２クラッド層１０８、およびコンタクト層１０９をエピタキシアル成長する。次に、塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）を行い、コンタクト層１０９および第２クラッド層１０８の一部をストライプ状のリッジに加工する。その上にＳｉＯ2 よりなる絶縁膜１１０を形成し、エッチングによってリッジ上に開口部を形成する。この上に、ＰｄおよびＰｔを電子ビーム蒸着し、ｐ側電極１１１を形成する。また、ＧａＮ基板１０２の裏面には、Ｔｉ、Ｐｔ、およびＡｕを蒸着して、ｎ側電極１１２とする。さらに、ｐ側電極１１１およびｎ側電極１１２の上に、電界メッキによってＡｕパッドを形成する。
【００５４】
以上の工程を経たウエハは、劈開によって共振器端面を露出したバー状態に加工され、図５に示すＲＩＥ装置５０１にセットされる。ＲＩＥ装置５０１は、下部電極を兼ねるサセプタ５０２、上部電極５０３、真空排気ライン５０４、ガス導入ライン５０５を備えている。半導体レーザのバー５０６は、保持治具５０７によって共振器の片端面５０８が上を向くように固定され、サセプタ５０２上に載置される。ＲＩＥ装置５０１のチャンバ５０９を一旦高真空に排気した後、ガス導入ライン５０５から原料ガスを導入し、真空排気ライン５０１からの排気量を調整してチャンバ５０９内を一定圧力に保つ。原料ガスは、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素（例えばフッ素）を含むガスであり、例えばフッ化炭素（ＣＦ4 ）ガスである。原料ガス導入後、サセプタ５０２と上部電極５０３の間に１５０〜２００Ｗの高周波電力を印加し、ＣＦ4 プラズマ５１０を発生させる。これにより、共振器の片端面５０８がＣＦ4 プラズマ５１０に晒されることになる。この状態を２０分程度維持することで、共振器の片端面５０８からフッ素元素を導入する端面処理工程が完了する。この端面処理工程の後、通常の端面コート工程を行い、最後にバーを半導体レーザチップに分割する。
【００５５】
上記端面処理工程は、半導体レーザの後端面のみに施してもよいし、２度繰返すことで両端面を処理してもよい。また、前端面の端面処理、端面コートを行った後、後端面の端面処理、端面コートを行うことで、バー５０６の保持治具５０７への取付け工数を減らすこともできる。これと別の方法として、保持治具５０６がバー５０６を水平に保持するようにして、共振器の両端面が同時にＣＦ4 プラズマ５１０に晒されるようにすることも可能である。この場合は、１回の端面処理工程で両端面を同時に処理することができる。
さらに、端面処理工程によって導入されたフッ素元素の散逸を防ぐ保護膜を端面コートしてもよい。このような保護膜としては、例えばＳｉＮあるいはＡｌＮなどの窒化物絶縁体が好適である。端面処理工程を行ったプラズマ装置内で引き続き保護膜の堆積を行えば、その効果はより顕著になる。この場合は、ＲＩＥ装置ではなくプラズマＣＶＤ装置を用いるとよい。プラズマＣＶＤ装置は、装置内壁に堆積する絶縁体をクリーニングするためのプラズマエッチング機能を有していることが多く、このような装置を用いれば、プラズマに晒す端面処理工程と、保護膜堆積工程を連続的に行うことは容易である。
【００５６】
なお、端面処理工程でプラズマ発生に用いるガスは、ＣＦ4 以外にフッ素（Ｆ2 ）、フッ化硫黄（ＳＦ6 、Ｓ2 Ｆ2 ）、フッ化窒素（ＮＦ3 ）、あるいはフッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）であってもよいし、窒素よりも電気陰性度の大きい他の不純物元素を含有するガスであってもよい。また、プラズマに晒すことによって共振器端面に多少の損傷を与える場合があるので、端面処理工程後に熱処理を行ってもよい。具体的には、例えばＲＴＡ（rapid thermal annealing）装置によって、４００℃で５分間の加熱を行うことで、プラズマ損傷が回復する。
【００５７】
（実施の形態２）
次に、図６を用いて本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、図１に示す半導体レーザ１０１の活性層１０５が多重量子井戸ではなく、不純物無添加のＧａＮバルク（厚さ１００ｎｍ）となっている。また、第１ガイド層１０４、第２ガイド層１０６、およびオーバーフロー抑制層１０７が存在しないが、それ以外は実施の形態１と同様の構造を有しており、実施の形態１と同様の製造方法が適用される。
【００５８】
本実施の形態においても、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入することで、ＣＯＤを抑止する窓領域が形成されることを、図６を用いて説明する。図６は実施の形態１における図４に対応しており、第１クラッド層６０１、活性層６０２、および第２クラッド層６０３のエネルギーバンド図を示している。図６（ａ）は電気陰性度の大きい不純物元素が導入されていない領域、（ｂ）は電気陰性度の大きい不純物元素が導入されている領域を示しているが、まず図６（ａ）を用いてＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ第１クラッド層／ＧａＮ活性層／Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ第２クラッド層の３層構造の分極特性に対する一般的知見を述べる。第２クラッド層６０３は、実際にはＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ超格子であるが、実効的には両者の平均組成であるＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎのバルクであると考えて差支えない。
【００５９】
ｃ軸方向のＧａ面である（０００１）面上にエピタキシアル成長すると、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層およびＧａＮ活性層には、ともに表面から基板方向に向かう自発分極６０４を生じるが、その大きさはＧａＮ活性層の方が小さい。この自発分極の大きさの差により、ＧａＮ活性層６０２には基板から表面方向に向かう分極を生じる。また、ＧａＮ基板を用いると、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層には引張り応力が働くため、表面から基板方向に向かう圧電分極６０５を生じる。この圧電分極６０５も、結果としてはＧａＮ活性層６０２に基板から表面方向に向かう分極を生じることになる。これら両者の分極が足し合され、ＧａＮ活性層４０１の基板側端部（図では右側）には負のシート固定電荷６０６が発生し、表面側端部（図では左側）には正のシート固定電荷６０７が発生する。これらのシート固定電荷によって生じる内部電界により、活性層６０２の伝導帯６０８と価電子帯６０９が図示したように傾斜し、その時の傾斜バンドギャップ６１０は、本来の無電界バンドギャップ６１１に比べて小さくなる。また、活性層６０２の基板側端部に正孔６１２が局在し、表面側端部には電子６１３が局在することになる。
【００６０】
次に、本発明に関わる新たな知見について、図６（ｂ）を用いて説明する。例えばフッ素等の窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を活性層６０２および第１、第２クラッド層６０１、６０３に導入すると、電子トラップとなる深い準位が形成される。この電子トラップは、活性層６０２にあった電子６１３を捕獲し、あるいは正孔６１２を新たに発生させて、負の分布固定電荷６１４となる。この負の分布固定電荷よって活性層６０２の伝導帯６０８と価電子帯６０９は上に凸の曲がりを生じ、結果的に図６（ｂ）に示すバンド構造となる。この時の曲がりバンドギャップ６１５は、傾斜バンドギャップ６１０よりも大きくなり、無電界バンドギャップ６１１に近づく。
【００６１】
図６（ｂ）に示したバンドの曲がりを実質的に生じさせるために必要な不純物元素の含有量については、以下の通り計算される。ＧａＮ活性層とＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層の界面で分極によって生じるシート固定電荷量は、ＧａＮとＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎの自発分極量の差２．８×１０-7Ｃ／ｃｍ2 と、格子定数、弾性定数、および圧電定数から計算されるＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎの圧電分極量１．２３×１０-7Ｃ／ｃｍ2 の和として求められ、４×１０-7Ｃ／ｃｍ2 程度である。これを活性層の膜厚１００ｎｍに分布する不純物元素濃度に換算すると、（４×１０-7Ｃ／ｃｍ2 ）÷（１．６×１０-19Ｃ）÷（１００×１０-7ｃｍ）＝２．５×１０17ｃｍ-3となる。バンドの曲がりを実質的に生じさせるためには、これと同じオーダーの不純物元素を含有している必要があるが、バルク活性層の場合は不純物元素が１０17ｃｍ-3以上含まれていれば、本発明の作用・効果を生ぜしめることができる。
【００６２】
（実施の形態３）
図７を用いて本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態は製造方法に係るものであり、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を含むプラズマに端面を晒すプラズマ処理以外の方法で端面処理を行う例である。端面処理工程以外の工程は実施の形態１と同様であり、劈開によって共振器端面を露出したバー状態の半導体レーザに対し、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素、例えばフッ素を共振器端面からイオン注入する。図７は実施の形態１における図２に対応しており、イオン注入されたフッ素の深さ方向のプロファイルを示している。本例では、ピーク注入量は６×１０18ｃｍ-3、注入深さは１７０ｎｍであるが、イオン注入における注入量および注入深さは任意に制御可能である。
【００６３】
イオン注入工程は、プラズマ処理工程と比較すると、工程コストが高いというデメリットがあるが、より多量の不純物元素をより深くまで導入できるという利点がある。また、イオン注入によって共振器端面に新たな欠陥が導入される可能性があるので、注入後に熱処理を施すことが望ましい。例えばＲＴＡ装置によって、５００℃で１０分間の加熱を行うことで、イオン注入によって生じた欠陥がアニールされる。
【００６４】
（実施の形態４）
図８を用いて本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態も製造方法に係るものであり、プラズマ処理あるいはイオン注入以外の方法で端面処理を行う例である。端面処理工程以外の工程は実施の形態１と同様であり、劈開によって共振器端面を露出したバー状態の半導体レーザは、図８に示す紫外線装置８０１にセットされる。紫外線装置８０１は、サセプタ８０２、紫外線ランプ８０３、真空排気ライン８０４、ガス導入ライン８０５を備えている。半導体レーザのバー８０６は、保持治具８０７によって共振器の片端面８０８が上を向くように固定され、サセプタ８０２上に載置される。紫外線装置８０１のチャンバ８０９を一旦高真空に排気した後、ガス導入ライン８０５から原料ガスを導入し、真空排気ライン８０１からの排気量を調整してチャンバ８０９内を一定圧力に保つ。原料ガスは、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素（例えばフッ素）を含むガスであり、例えばフッ化炭素（ＣＦ4 ）ガスである。原料ガス導入後、紫外線ランプ８０３を点灯し、紫外線８１０を照射する。これにより、共振器の片端面８０８近傍のＣＦ4 が紫外線によって分解され、遊離したフッ素元素が共振器の片端面８０８に導入される。
本実施の形態では、共振器端面には紫外線が照射されるだけであり、プラズマ処理あるいはイオン注入と比較して端面が損傷を受けにくいという利点がある。
【００６５】
（実施の形態５）
図８を再度用いて本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態も製造方法に係るものであり、実施の形態４と同様の端面処理工程において、共振器端面に紫外線を照射するのではなく、共振器端面を加熱するというものである。すなわち、図８に示す紫外線装置８０１の紫外線ランプ８０３を赤外線ランプに置換え、原料ガス導入後に赤外線ランプを点灯することで共振器端面を加熱する。これにより、共振器の片端面８０８近傍の原料ガスが熱分解され、遊離した不純物元素が共振器の片端面８０８に導入される。赤外線ランプの代わりに、サセプタ８０２に埋設した電熱ヒーターを用いて、保持治具８０７ごとバー８０６を加熱することも可能である。
【００６６】
なお、本実施の形態に用いる原料ガスは、熱分解しやすいものを用いることが望ましく、不純物元素がフッ素の場合には、フッ化キセノン（ＸｅＦ2 ）あるいは塩化フッ素（ＦＣｌ3 ）が好適である。
【００６７】
（実施の形態６）
次に、図９を用いて本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態も製造方法に係るものであり、ウェット処理工程で端面処理を行う例である。端面処理工程以外の工程は実施の形態１と同様である。窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素をイオンとして含む溶液、例えばフッ化アンモニウム（ＮＨ4 Ｆ）水溶液９０１に、劈開によって共振器端面９０２を露出したバー９０３を浸す。これだけでも、フッ素イオン（Ｆ- ）が共振器端面９０２から取込まれ、端面処理工程として機能するが、電界を印加するとさらに効果が高まる。すなわち、バー９０３を保持する保持治具９０４を導電性材料で構成して陽極とし、これと別にＮＨ4 Ｆ水溶液９０１に挿入した陰極９０５との間に電界を印加すると、溶液中のフッ素イオンがバー９０３近傍に集中し、より多くのフッ素イオンが共振器端面９０２から取込まれることになる。
【００６８】
このウェット処理による端面処理は、真空装置を必要としないので工程コストが安く、またプラズマ処理やイオン注入のように共振器端面にダメージを与えることもない。ただし、バー状態の半導体レーザをウェット処理するので、ハンドリングには注意を要する。すなわち、プラズマ処理、イオン注入、紫外線照射、加熱処理、ウェット処理について、一概にどの方法が最適であるとは言えないが、何れの方法によっても共振器端面近傍に窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入することは可能であり、本発明の製造方法における端面処理工程として有効である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る窒化物半導体レーザは、歩留の低下あるいは製造コストの上昇を招かず、また他の電気的・光学的特性に影響を及ぼすことなくＣＯＤが抑止される。また、その製造方法においては、共振器端面を露出した後にプラズマ処理、イオン注入、あるいはウェット処理等の一般的な半導体プロセスで用いられる工程を行うだけである。ＣＯＤが抑止された窒化物半導体レーザは、高い光出力と高信頼性を兼備え、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの窓領域に含有されるフッ素の深さ方向分布図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザのエージング特性図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法における端面処理工程の概念図である。
【図６】図６は（ａ）〜（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザの窓領域に含有されるフッ素の深さ方向分布図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザの製造方法における端面処理工程の概念図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態６に係る半導体レーザの製造方法における端面処理工程の概念図である。
【図１０】図１０は、従来の半導体レーザの斜視図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０１ 半導体レーザ
１０２ ＧａＮ基板
１０３ 第１クラッド層
１０５ 活性層
１０８ 第２クラッド層
１１５ 窓領域
５０１ ＲＩＥ装置
５０２ サセプタ
５０６ バー
５０８ 共振器の片端面
５１０ ＣＦ4 プラズマ
８０１ 紫外線装置
８０２ サセプタ
８０６ バー
８０８ 共振器の片端面
８１０ 紫外線
９０１ フッ化アンモニウム水溶液
９０２ 共振器端面
９０３ バー
９０４ 保持治具
９０５ 陰極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピックアップあるいは固体照明装置等に用いられる、青から紫外域の波長で発振する窒化物半導体レーザおよびその製造方法に関するものであり、特に光学損傷を抑止するための共振器端面の表面処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクの再生・記録に用いられる光ピックアップに搭載される半導体レーザは、その発振波長が短いほど光ディスクの記録密度を高められることから、青から紫の波長で発振する窒化物半導体レーザの開発が進められ、これを用いた光ピックアップが実用に供せられるようになった。また、紫外域で発振する窒化物半導体レーザは、紫外光で蛍光体を励起する固体照明装置への適用が考えられ、この固体照明装置は蛍光灯に取って代わることが期待されている。
【０００３】
このような窒化物半導体レーザにおいても、従来のＡｌＧａＡｓ系赤外半導体レーザあるいはＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザと同様に、共振器端面における光学損傷（catastrophic optical damage：ＣＯＤ）が発生し、高出力化の妨げとなることが知られている。ＣＯＤとは、高密度の界面準位が存在する端面近傍において、電子と正孔の非発光再結合が共振器内部よりも多く発生し、これによる温度上昇によってバンドギャップが小さくなって光吸収を生じ、この光吸収がさらに温度上昇をもたらすという正帰還作用により、共振器端面が破壊されてしまう現象である。
【０００４】
従来の赤外半導体レーザあるいは赤色半導体レーザにおいては、ＣＯＤの発生を防ぐために、共振器端面近傍において多重量子井戸活性層に不純物を拡散し、井戸層と障壁層を無秩序化して、端面近傍のみ活性層のバンドギャップを大きくした窓構造とすることがよく行われている。しかし、窒化物半導体では多重量子井戸の無秩序化が生じにくく、この方法による窓構造の形成は困難である。これに代わる窓構造の形成方法として、端面となる部分にバンドギャップの大きな窒化物半導体層を予め結晶成長で埋込んでおき、この部分を選んで劈開を行うことで端面窓構造とするという製造方法が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、窓構造を作り込むのではなく、端面近傍に電流が注入されなくすることでＣＯＤを抑止するという方法もある。窒化物半導体レーザに対しては、共振器端面近傍に不純物を導入することで高抵抗化し、その部分に電流が流れないようにする技術（特許文献２参照）、および共振器端面近傍にはオーミック電極ではなくショットキ電極を形成し、電流が注入されないようにする技術（特許文献３参照）が開示されている。以下、特許文献２に開示された技術について、図面を用いて簡単に説明する。
【０００６】
最終構造が図１０に示される半導体レーザを製造するに際し、サファイア基板１００１上に、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１００２、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１００３、および、多重量子井戸活性層１００４、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１００５、および、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１００６を順次形成する。ｎ型コンタクト層１００２およびｎ型クラッド層１００３のｎ型ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型クラッド層１００５およびｐ型コンタクト層１００６のｐ型ドーパントとしては、Ｍｇを用いる。次に、共振器端面近傍上の領域のみ、ｐ型コンタクト層１００６上にＺｎＯ膜を形成し、熱拡散炉中でアニールを行う。これにより、ＺｎＯ膜内のＺｎが下方に熱拡散されて、ｐ型コンタクト層１００６を経てｐ型クラッド層１００５、活性層１００４およびｎ型クラッド層１００３の一部領域まで導入される。その結果、共振器端面近傍に、高抵抗領域１００７が形成される。
【０００７】
ＺｎＯ膜を除去後、ｐ型クラッド層１００５の突出部とｐ型コンタクト層１００６とからなるリッジ部を形成し、ｐ型コンタクト層１００６上の高抵抗領域１００７以外の領域およびｎ型コンタクト層１００２の表面の一部の領域に開口を有するＳｉＯ2 電流阻止層１００８を形成する。この後、ｐ側オーミック電極（図示されず）上にｐ側パッド電極１００９、ｎ側オーミック電極１０１０上にｎ側パッド電極１０１１を形成して、図１０に示す半導体レーザとなる。本半導体レーザは、共振器端面近傍の高抵抗領域１００７に電流が注入されないので、ＣＯＤが生じにくくなるという利点を有している。
【特許文献１】特開２００３−６０２９８号公報
【特許文献２】特開２００２−３０５３５３号公報
【特許文献３】特開２００３−３１８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＣＯＤを抑止するための上記従来の方法は、何れも半導体レーザの構造を一部変更することでその作用を生ぜしめている。このような構造の変更は、フォトマスクの追加を伴う新たな工程を必要とし、歩留の低下と製造コストの上昇を招く恐れがある。特に、窓構造を形成するために結晶成長工程を追加することは、大幅なコストアップ要因になる。また、共振器端面近傍に電流を注入しない領域を設ける構造は、非注入領域が狭すぎるとＣＯＤ抑止の効果が無く、広すぎると非注入領域が可飽和吸収体となって、半導体レーザの電流−光出力特性に不連続な跳びを生じることになる。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、歩留の低下あるいは製造コストの上昇を招かず、また他の電気的・光学的特性に影響を及ぼすことなく、窒化物半導体レーザのＣＯＤを抑止することである。このために、半導体レーザの基本構造は変更せず、しかしながら実効的な窓構造を有する新規な窒化物半導体レーザおよびその製造方法を提供する。また、本発明は強い分極特性を持つという窒化物半導体固有の物性に基づくものであり、従来の赤外あるいは赤色半導体レーザに対してはその効果は小さい。ただし、強い分極特性をもつ新たな材料系による半導体レーザが実用に供せられれば、これに対しては適用可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成された、第１導電型の窒化物半導体よりなる第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に形成された、単層もしくは多層の窒化物半導体よりなる活性層と、前記活性層上に形成された、第２導電型の窒化物半導体よりなる第２クラッド層とを備え、共振器方向における少なくとも一方の端面近傍の前記活性層を含む領域に、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を含有することを特徴とする。
【００１１】
まず、窒化物半導体は自発分極と圧電分極による強い分極特性を有している。この分極の大きさは、例えばＧａＮ活性層とＡｌＧａＮクラッド層とで異なるため、その界面にシート固定電荷が発生する。このシート固定電荷によりＧａＮ活性層には内部電界が生じ、エネルギーバンド図における伝導帯と価電子帯が傾斜するので、内部電界がない場合に比べて実効的なバンドギャップが小さくなる。以上の知見は、例えば特開２００５−２１７４１５に開示されている。
【００１２】
これに対して、本願発明者らが新たに見出した知見を以下に述べる。窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を活性層に導入すると電子トラップとなり、電子を捕獲あるいは正孔を生成することで負の分布固定電荷を生じ、伝導帯と価電子帯の傾斜が緩和される。これは小さくなっていた活性層のバンドギャップを元に戻す働きをする。すなわち、共振器端面近傍に、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入すると、端面近傍のみ活性層のバンドギャップを大きくすることができ、実効的な窓構造となる。窓構造がＣＯＤ抑止効果を持つことはよく知られるところであり、本構成によってＣＯＤの発生を抑えることができる。
【００１３】
さらに、前記活性層は多重量子井戸構造を有することを特徴とする。
【００１４】
活性層が多重量子井戸構造を有する場合は、例えばＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層の界面にもシート固定電荷が発生する。このシート固定電荷により井戸層の実効的なバンドギャップが小さくなるが、共振器端面近傍に窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入すると、端面近傍のみ井戸層のバンドギャップが元に戻るので、実効的な窓構造となる。活性層がバルクであっても、多重量子井戸であっても、電気陰性度の大きい不純物元素の導入で実効的な窓構造とすることができるが、多重量子井戸構造の場合の方が分極による伝導帯と価電子帯の傾斜が大きく、より顕著な効果が得られる。
さらに、前記不純物元素はフッ素であることを特徴とする。
【００１５】
フッ素は周期律表にある全元素の中で最も電気陰性度が大きく、分極の緩和効果が最も大きい。
【００１６】
さらに、前記フッ素の含有量は、前記端面において、１０18ｃｍ-3以上であることを特徴とする。
【００１７】
分極により発生するシート固定電荷の量は、例えば前記特開２００５−２１７４１５に開示されており、これを打消すためには１０18ｃｍ-3以上のフッ素を添加することが効果的である。
【００１８】
さらに、前記端面上に形成された、窒化物絶縁体よりなる保護膜を有することを特徴とする。
【００１９】
端面から導入された不純物元素は、導入後の熱履歴あるいは経時変化によって外部に散逸する場合もある。これを防止するためには、ＳｉＮあるいはＡｌＮ等の窒化物絶縁体を保護膜とすることが有効である。
【００２０】
また、本発明に係る半導体レーザの製造方法は、基板上に、第１導電型の窒化物半導体よりなる第１クラッド層を形成する工程と、前記第１クラッド層上に、単層もしくは多層の窒化物半導体よりなる活性層を形成する工程と、前記活性層上に、第２導電型の窒化物半導体よりなる第２クラッド層を形成する工程と、前記基板を分割して、共振器方向における両端面を露出させる工程と、前記両端面の少なくとも一方の片端面から、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入する端面処理工程とを備えることを特徴とする。
【００２１】
本製造方法により、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を共振器端面近傍に含有する半導体レーザを製造することができる。本製造方法の特徴は、半導体レーザ製造におけるウエハ工程が終了し、共振器端面を形成するためにウエハを劈開した、いわゆるバー状態で端面処理工程を行い、不純物元素を導入する点にある。通常の製造工程においては、共振器端面の反射率を制御するとともに、端面を保護するためにバー状態で端面コートを行う。これに先立つ工程として、不純物元素を導入する端面処理工程を行うことは、大幅な工数増加を伴うことなく、容易に実施できる。
【００２２】
なお、不純物元素の導入は、共振器の両端面に対して行ってもよいし、片端面のみに行ってもよい。一般に、半導体レーザは前端面から高出力、後端面からは低出力となるように端面コートが施され、共振器内部の光パワー密度は後端面の方が大きくなる。従って、後端面のみに端面処理を施しても大きなＣＯＤ抑止効果が生じる。端面処理工程を前端面と後端面で２回行う必要がある場合には、後端面のみに端面処理を行うことで工数削減が可能になる。
【００２３】
さらに、前記不純物元素はフッ素であることを特徴とする。
【００２４】
前述の通り、フッ素は周期律表にある全元素の中で最も電気陰性度が大きく、分極の緩和効果が最も大きい。
【００２５】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスを用いて発生させたプラズマに、前記両端面もしくは前記片端面を晒す工程であることを特徴とする。
【００２６】
不純物元素を含む原料ガスを用いて発生させたプラズマには、不純物元素のイオンおよびラジカルが存在し、共振器端面をこのプラズマに晒すことで端面近傍に不純物元素が導入される。
【００２７】
さらに、前記原料ガスは、フッ素、フッ化炭素、フッ化硫黄、フッ化窒素、およびフッ化シリコンからなるグループより選択される１つのガスを主要成分とすることを特徴とする。
【００２８】
不純物元素としてフッ素を選んだ場合、原料ガスとしてはフッ素（Ｆ2 ）、フッ化炭素（ＣＦ4 ）、フッ化硫黄（ＳＦ6 、Ｓ2 Ｆ2 ）、フッ化窒素（ＮＦ3 ）、あるいはフッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）を用いることが望ましい。これらの原料ガスは、反応性イオンエッチング等の半導体プロセスに広く用いられており、プラズマを発生させる技術および装置は既に確立されている。また、窒化物半導体は、これらの原料ガスによる反応性イオンエッチングでほとんどエッチングされないので、反応性イオンエッチング装置をそのまま使用して端面処理することも可能である。
【００２９】
さらに、前記端面処理工程に用いる真空装置内において、前記端面処理工程に引き続き行われる保護膜堆積工程を更に備えることを特徴とする。
【００３０】
端面処理工程によって導入された不純物元素の散逸を防ぐためには、例えば窒化物絶縁体よりなる保護膜を形成することが有効であるが、端面処理工程に用いた真空装置内で、引き続き保護膜を堆積すれば、その効果はより顕著になる。プラズマＣＶＤ等の絶縁体堆積装置は、装置内壁に堆積する絶縁体をクリーニングするためのプラズマエッチング機能を有していることが多く、このような装置を用いれば、プラズマに晒す端面処理工程と、保護膜堆積工程を連続的に行うことは容易である。
【００３１】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素を前記両端面もしくは前記片端面からイオン注入する工程であることを特徴とする。
【００３２】
上記の反応性イオンエッチング装置による端面処理に比べると、工程コストは高くなるが、不純物元素をイオン注入すれば、導入する元素の量および導入深さを正確に制御することが可能である。
【００３３】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスに前記両端面もしくは前記片端面を晒し、前記原料ガスに紫外線を照射する工程であることを特徴とする。
プラズマ励起以外にも、紫外線を照射することで、原料ガスを分解して活性化することもできる。プラズマ励起では、共振器端面がプラズマに晒されることで損傷を受ける可能性があるが、紫外線励起ではこのような問題は生じない。
【００３４】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスに前記両端面もしくは前記片端面を晒し、前記原料ガスを加熱する工程であることを特徴とする。特に、前記原料ガスは、フッ化キセノンあるいは塩化フッ素を主要成分とすることを特徴とする
紫外線照射ではなく、加熱によって原料ガスを分解することも可能である。この場合は、加熱によって分解されやすい原料ガスを用いることが望ましく、フッ化キセノン（ＸｅＦ2 ）あるいは塩化フッ素（ＦＣｌ3 ）が原料ガスとして好適である。
【００３５】
さらに、前記端面処理工程は、前記不純物元素をイオンとして含む溶液に、前記両端面もしくは前記片端面を浸す工程であることを特徴とする。
【００３６】
真空装置を必要としない、より簡便な端面処理方法として、ウェット処理も可能である。窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素をイオンとして含む溶液に共振器端面を浸すことで、不純物元素が端面近傍に導入される。
【００３７】
さらに、前記端面処理工程において、前記両端面もしくは前記片端面を陽極として前記溶液に電界を印加することを特徴とする。
【００３８】
電気陰性度の大きい元素は陰イオンとなるので、共振器端面を陽極として電界を印加すれば、より積極的に不純物元素を端面近傍に導入することができる。
【００３９】
さらに、前記溶液は、フッ化アンモニウムであることを特徴とする。
【００４０】
不純物元素としてフッ素を選んだ場合、ウェット処理の溶液としてはフッ化アンモニウム水溶液が好適である。フッ化アンモニウム水溶液は、半導体プロセスで広く用いられているので、容易に高純度のものを入手できる。また、バー状態の半導体レーザを構成する窒化物半導体、絶縁膜、電極金属をほとんどエッチングしないので、端面処理の際に端面以外の部分を被覆して保護する必要がなく、端面処理工程が簡略化できる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係る半導体レーザによれば、基本構造は変更せず、しかしながら実効的な窓構造を有する窒化物半導体レーザを実現できることから、他の電気的・光学的特性に影響を及ぼすことなく、窒化物半導体レーザのＣＯＤを抑止することができる。また、その製造方法においては、端面処理工程として、半導体プロセスで一般に用いられている工程を共振器端面に対して新たに適用するだけであり、歩留の低下あるいは製造コストの上昇を招くことなく、ＣＯＤを抑止した窒化物半導体レーザを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの斜視図である。半導体レーザ１０１は、ｎ型（第１導電型）ＧａＮ基板１０２上に、Ｓｉ添加ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ（厚さ１μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）よりなる第１クラッド層１０３、Ｓｉ添加ｎ型ＧａＮ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）よりなる第１ガイド層１０４、不純物無添加のＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層（厚さ３ｎｍ）とＧａＮ障壁層（厚さ８ｎｍ）の多重量子井戸よりなる活性層１０５、無添加ＧａＮ（厚さ１００ｎｍ）よりなる第２ガイド層１０６、Ｍｇ添加ｐ型（第２導電型）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3）よりなるオーバーフロー抑制層１０７、Ｍｇ添加ｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ超格子（厚さ５００ｎｍ）よりなる第２クラッド層１０８、Ｍｇ添加ｐ型ＧａＮ（厚さ６０ｎｍ、キャリア濃度１×１０20ｃｍ-3）よりなるコンタクト層１０９を順次積層したエピ構造を有している。
【００４４】
コンタクト層１０９および第２クラッド層１０８の一部は、ストライプ状のリッジとなるようにエッチングされている。その上にＳｉＯ2 よりなる絶縁膜１１０が形成され、さらにＰｄ／Ｐｔよりなるｐ側電極１１１が形成される。絶縁膜１１０はリッジ上に開口部を有しており、この部分でｐ側電極１１１はコンタクト層１０９に接触している。また、ＧａＮ基板１０２の裏面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕよりなるｎ側電極１１２が形成されている。なお、図示はしていないが、ｐ側電極１１１およびｎ側電極１１２の上には、ボンディングおよび放熱のために、最上層がＡｕよりなるパッドを形成することが望ましい。
【００４５】
斜視図の正面に当たるレーザ共振器の前端面１１３、および背面に当たる後端面１１４の近傍には、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素であるフッ素を含有する窓領域１１５が形成されている。この窓領域１１５は前端面１１３および後端面１１４をそれぞれフッ化炭素（ＣＦ4 ）プラズマに晒すことで形成されるが、製造方法の詳細については後述する。窓領域１１５におけるフッ素の含有量を図２に示す。これは、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって、ＧａＮ基板１０２におけるフッ素含有量を端面から深さ方向に測定した結果であるが、活性層１０５の井戸層および障壁層にも同程度のフッ素が含有されている。なお、窓領域１１５は後端面１１４近傍のみに形成してもよい。
【００４６】
図示はしていないが、前端面１１３および後端面１１４上に窒化物絶縁体、例えばＳｉＮあるいはＡｌＮよりなる保護膜を形成してもよい。窒化物絶縁体は、半導体レーザを構成する窒化物半導体との密着性に優れ、窓領域１１５に導入されたフッ素が導入後の熱履歴あるいは経時変化によって外部に散逸するのを防止する保護膜として、効果が大である。この保護膜の膜厚を適宜設定すれば、端面反射率を制御するための端面コートとしても機能させることができる。
【００４７】
図３は、窓領域１１５がＣＯＤの発生を抑えることを示す、半導体レーザ１０１のエージング試験結果である。７０℃の環境温度で、光出力１７０ｍＷの自動パワー制御（ＡＰＣ）駆動を行い、その時の駆動電流の時間変化を測定している。図３（ａ）は、比較のために窓領域１１５を形成しなかった試料に対する試験結果であり、５試料中２試料で１０００時間以内に急激な駆動電流の増加３０１を生じている。この急激な劣化を生じた試料について、共振器方向の断面を露出して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した結果、後端面の活性層部分で結晶に損傷が生じていることが確認された。すなわち、窓領域１１５を形成しない試料で発生した急激な劣化は、ＣＯＤによるものである。一方、図３（ｂ）は窓領域１１５を形成した半導体レーザ１０１に対して、同様の試験を行った結果である。５試料とも１０００時間のエージング範囲では急激な劣化を生じておらず、窓領域１１５を形成することでＣＯＤの発生が抑えられていることが分かる。
【００４８】
窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入することで、ＣＯＤを抑止する窓領域が形成されるメカニズムについて、図４を用いて説明する。図４は、（ａ）、（ｂ）とも活性層１０５中の井戸層４０１および障壁層４０２のエネルギーバンド図を示しており、紙面右手側が第１クラッド層のある基板側、紙面左手側が第２クラッド層のある表面側になる。また、（ａ）は電気陰性度の大きい不純物元素が導入されていない領域、（ｂ）は電気陰性度の大きい不純物元素が導入されている領域を示しているが、まず図４（ａ）を用いて窒化物半導体の分極特性に対する一般的知見を述べる。
【００４９】
窒化物半導体の結晶成長では、ｃ軸方向のＧａ面である（０００１）面上にエピタキシアル成長するのが一般的である。この場合、ＩｎＧａＮ井戸層４０１およびＧａＮ障壁層４０２には、ともに表面から基板方向に向かう自発分極４０３を生じるが、井戸層４０１には圧縮応力が働くため、これと逆方向の圧電分極４０４を生じる。この結果、井戸層４０１の基板側端部（図では右側）には負のシート固定電荷４０５が発生し、表面側端部（図では左側）には正のシート固定電荷４０６が発生する。これらのシート固定電荷によって生じる内部電界により、井戸層４０１および障壁層４０２の伝導帯４０７と価電子帯４０８が図示したように傾斜し、その時の傾斜バンドギャップ４０９は、本来の無電界バンドギャップ４１０に比べて小さくなる。また、井戸層４０１の基板側端部に正孔４１１が局在し、表面側端部には電子４１２が局在することになる。
【００５０】
次に、本発明に関する新たな知見について、図４（ｂ）を用いて説明する。例えばフッ素等の窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を井戸層４０１および障壁層４０２に導入すると、電子トラップとなる深い準位が形成される。この電子トラップは、井戸層４０１にあった電子４１２を捕獲し、あるいは正孔４１１を新たに発生させて、負の分布固定電荷４１３となる。この負の分布固定電荷よって井戸層４０１および障壁層４０２の伝導帯４０７と価電子帯４０８は上に凸の曲がりを生じ、結果的に図４（ｂ）に示すバンド構造となる。この時の曲がりバンドギャップ４１４は、傾斜バンドギャップ４０９よりも大きくなり、無電界バンドギャップ４１０に近づく。
【００５１】
以上の説明から明らかなように、電気陰性度の大きい不純物元素を含有する領域の活性層の実効バンドギャップ（曲がりバンドギャップ４１４）は、それ以外の活性層の実効バンドギャップ（傾斜バンドギャップ４０９）よりも大きくなるので、図１に示す半導体レーザ１０１の窓領域１１５は、ＣＯＤを抑止するための端面窓構造として機能する。
【００５２】
図４（ｂ）に示したバンドの曲がりを実質的に生じさせるために必要な不純物元素の含有量については、以下の通り計算される。Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層の界面で分極によって生じるシート固定電荷量は、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92ＮとＧａＮの自発分極量の差−６．４×１０-8Ｃ／ｃｍ2 と、格子定数、弾性定数、および圧電定数から計算されるＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎの圧電分極量８．６７×１０-7Ｃ／ｃｍ2 の和として求められ、８×１０-7Ｃ／ｃｍ2 程度である。これを井戸層と障壁層の合計膜厚１１ｎｍに分布する不純物元素濃度に換算すると、（８×１０-7Ｃ／ｃｍ2 ）÷（１．６×１０-19 Ｃ）÷（１１×１０-7ｃｍ）＝４．５×１０18ｃｍ-3となる。バンドの曲がりを実質的に生じさせるためには、これと同じオーダーの不純物元素を含有している必要があるので、本発明の作用・効果を生ぜしめるためには、不純物元素が１０18ｃｍ-3以上含まれていることが望ましい。
【００５３】
本実施の形態に係る製造方法について、図１および図５を参照して説明する。図１の構造を製造するためには、まず、有機金属気相成長法（metal-organic vapor-phase epitaxy：ＭＯＶＰＥ）によって、ＧａＮ基板１０２上に第１クラッド層１０３、第１ガイド層１０４、活性層１０５、第２ガイド層１０６、オーバーフロー抑制層１０７、第２クラッド層１０８、およびコンタクト層１０９をエピタキシアル成長する。次に、塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）を行い、コンタクト層１０９および第２クラッド層１０８の一部をストライプ状のリッジに加工する。その上にＳｉＯ2 よりなる絶縁膜１１０を形成し、エッチングによってリッジ上に開口部を形成する。この上に、ＰｄおよびＰｔを電子ビーム蒸着し、ｐ側電極１１１を形成する。また、ＧａＮ基板１０２の裏面には、Ｔｉ、Ｐｔ、およびＡｕを蒸着して、ｎ側電極１１２とする。さらに、ｐ側電極１１１およびｎ側電極１１２の上に、電界メッキによってＡｕパッドを形成する。
【００５４】
以上の工程を経たウエハは、劈開によって共振器端面を露出したバー状態に加工され、図５に示すＲＩＥ装置５０１にセットされる。ＲＩＥ装置５０１は、下部電極を兼ねるサセプタ５０２、上部電極５０３、真空排気ライン５０４、ガス導入ライン５０５を備えている。半導体レーザのバー５０６は、保持治具５０７によって共振器の片端面５０８が上を向くように固定され、サセプタ５０２上に載置される。ＲＩＥ装置５０１のチャンバ５０９を一旦高真空に排気した後、ガス導入ライン５０５から原料ガスを導入し、真空排気ライン５０１からの排気量を調整してチャンバ５０９内を一定圧力に保つ。原料ガスは、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素（例えばフッ素）を含むガスであり、例えばフッ化炭素（ＣＦ4 ）ガスである。原料ガス導入後、サセプタ５０２と上部電極５０３の間に１５０〜２００Ｗの高周波電力を印加し、ＣＦ4 プラズマ５１０を発生させる。これにより、共振器の片端面５０８がＣＦ4 プラズマ５１０に晒されることになる。この状態を２０分程度維持することで、共振器の片端面５０８からフッ素元素を導入する端面処理工程が完了する。この端面処理工程の後、通常の端面コート工程を行い、最後にバーを半導体レーザチップに分割する。
【００５５】
上記端面処理工程は、半導体レーザの後端面のみに施してもよいし、２度繰返すことで両端面を処理してもよい。また、前端面の端面処理、端面コートを行った後、後端面の端面処理、端面コートを行うことで、バー５０６の保持治具５０７への取付け工数を減らすこともできる。これと別の方法として、保持治具５０６がバー５０６を水平に保持するようにして、共振器の両端面が同時にＣＦ4 プラズマ５１０に晒されるようにすることも可能である。この場合は、１回の端面処理工程で両端面を同時に処理することができる。
さらに、端面処理工程によって導入されたフッ素元素の散逸を防ぐ保護膜を端面コートしてもよい。このような保護膜としては、例えばＳｉＮあるいはＡｌＮなどの窒化物絶縁体が好適である。端面処理工程を行ったプラズマ装置内で引き続き保護膜の堆積を行えば、その効果はより顕著になる。この場合は、ＲＩＥ装置ではなくプラズマＣＶＤ装置を用いるとよい。プラズマＣＶＤ装置は、装置内壁に堆積する絶縁体をクリーニングするためのプラズマエッチング機能を有していることが多く、このような装置を用いれば、プラズマに晒す端面処理工程と、保護膜堆積工程を連続的に行うことは容易である。
【００５６】
なお、端面処理工程でプラズマ発生に用いるガスは、ＣＦ4 以外にフッ素（Ｆ2 ）、フッ化硫黄（ＳＦ6 、Ｓ2 Ｆ2 ）、フッ化窒素（ＮＦ3 ）、あるいはフッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）であってもよいし、窒素よりも電気陰性度の大きい他の不純物元素を含有するガスであってもよい。また、プラズマに晒すことによって共振器端面に多少の損傷を与える場合があるので、端面処理工程後に熱処理を行ってもよい。具体的には、例えばＲＴＡ（rapid thermal annealing）装置によって、４００℃で５分間の加熱を行うことで、プラズマ損傷が回復する。
【００５７】
（実施の形態２）
次に、図６を用いて本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、図１に示す半導体レーザ１０１の活性層１０５が多重量子井戸ではなく、不純物無添加のＧａＮバルク（厚さ１００ｎｍ）となっている。また、第１ガイド層１０４、第２ガイド層１０６、およびオーバーフロー抑制層１０７が存在しないが、それ以外は実施の形態１と同様の構造を有しており、実施の形態１と同様の製造方法が適用される。
【００５８】
本実施の形態においても、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入することで、ＣＯＤを抑止する窓領域が形成されることを、図６を用いて説明する。図６は実施の形態１における図４に対応しており、第１クラッド層６０１、活性層６０２、および第２クラッド層６０３のエネルギーバンド図を示している。図６（ａ）は電気陰性度の大きい不純物元素が導入されていない領域、（ｂ）は電気陰性度の大きい不純物元素が導入されている領域を示しているが、まず図６（ａ）を用いてＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ第１クラッド層／ＧａＮ活性層／Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ第２クラッド層の３層構造の分極特性に対する一般的知見を述べる。第２クラッド層６０３は、実際にはＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ超格子であるが、実効的には両者の平均組成であるＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎのバルクであると考えて差支えない。
【００５９】
ｃ軸方向のＧａ面である（０００１）面上にエピタキシアル成長すると、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層およびＧａＮ活性層には、ともに表面から基板方向に向かう自発分極６０４を生じるが、その大きさはＧａＮ活性層の方が小さい。この自発分極の大きさの差により、ＧａＮ活性層６０２には基板から表面方向に向かう分極を生じる。また、ＧａＮ基板を用いると、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層には引張り応力が働くため、表面から基板方向に向かう圧電分極６０５を生じる。この圧電分極６０５も、結果としてはＧａＮ活性層６０２に基板から表面方向に向かう分極を生じることになる。これら両者の分極が足し合され、ＧａＮ活性層４０１の基板側端部（図では右側）には負のシート固定電荷６０６が発生し、表面側端部（図では左側）には正のシート固定電荷６０７が発生する。これらのシート固定電荷によって生じる内部電界により、活性層６０２の伝導帯６０８と価電子帯６０９が図示したように傾斜し、その時の傾斜バンドギャップ６１０は、本来の無電界バンドギャップ６１１に比べて小さくなる。また、活性層６０２の基板側端部に正孔６１２が局在し、表面側端部には電子６１３が局在することになる。
【００６０】
次に、本発明に関わる新たな知見について、図６（ｂ）を用いて説明する。例えばフッ素等の窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を活性層６０２および第１、第２クラッド層６０１、６０３に導入すると、電子トラップとなる深い準位が形成される。この電子トラップは、活性層６０２にあった電子６１３を捕獲し、あるいは正孔６１２を新たに発生させて、負の分布固定電荷６１４となる。この負の分布固定電荷よって活性層６０２の伝導帯６０８と価電子帯６０９は上に凸の曲がりを生じ、結果的に図６（ｂ）に示すバンド構造となる。この時の曲がりバンドギャップ６１５は、傾斜バンドギャップ６１０よりも大きくなり、無電界バンドギャップ６１１に近づく。
【００６１】
図６（ｂ）に示したバンドの曲がりを実質的に生じさせるために必要な不純物元素の含有量については、以下の通り計算される。ＧａＮ活性層とＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層の界面で分極によって生じるシート固定電荷量は、ＧａＮとＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎの自発分極量の差２．８×１０-7Ｃ／ｃｍ2 と、格子定数、弾性定数、および圧電定数から計算されるＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎの圧電分極量１．２３×１０-7Ｃ／ｃｍ2 の和として求められ、４×１０-7Ｃ／ｃｍ2 程度である。これを活性層の膜厚１００ｎｍに分布する不純物元素濃度に換算すると、（４×１０-7Ｃ／ｃｍ2 ）÷（１．６×１０-19Ｃ）÷（１００×１０-7ｃｍ）＝２．５×１０17ｃｍ-3となる。バンドの曲がりを実質的に生じさせるためには、これと同じオーダーの不純物元素を含有している必要があるが、バルク活性層の場合は不純物元素が１０17ｃｍ-3以上含まれていれば、本発明の作用・効果を生ぜしめることができる。
【００６２】
（実施の形態３）
図７を用いて本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態は製造方法に係るものであり、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を含むプラズマに端面を晒すプラズマ処理以外の方法で端面処理を行う例である。端面処理工程以外の工程は実施の形態１と同様であり、劈開によって共振器端面を露出したバー状態の半導体レーザに対し、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素、例えばフッ素を共振器端面からイオン注入する。図７は実施の形態１における図２に対応しており、イオン注入されたフッ素の深さ方向のプロファイルを示している。本例では、ピーク注入量は６×１０18ｃｍ-3、注入深さは１７０ｎｍであるが、イオン注入における注入量および注入深さは任意に制御可能である。
【００６３】
イオン注入工程は、プラズマ処理工程と比較すると、工程コストが高いというデメリットがあるが、より多量の不純物元素をより深くまで導入できるという利点がある。また、イオン注入によって共振器端面に新たな欠陥が導入される可能性があるので、注入後に熱処理を施すことが望ましい。例えばＲＴＡ装置によって、５００℃で１０分間の加熱を行うことで、イオン注入によって生じた欠陥がアニールされる。
【００６４】
（実施の形態４）
図８を用いて本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態も製造方法に係るものであり、プラズマ処理あるいはイオン注入以外の方法で端面処理を行う例である。端面処理工程以外の工程は実施の形態１と同様であり、劈開によって共振器端面を露出したバー状態の半導体レーザは、図８に示す紫外線装置８０１にセットされる。紫外線装置８０１は、サセプタ８０２、紫外線ランプ８０３、真空排気ライン８０４、ガス導入ライン８０５を備えている。半導体レーザのバー８０６は、保持治具８０７によって共振器の片端面８０８が上を向くように固定され、サセプタ８０２上に載置される。紫外線装置８０１のチャンバ８０９を一旦高真空に排気した後、ガス導入ライン８０５から原料ガスを導入し、真空排気ライン８０１からの排気量を調整してチャンバ８０９内を一定圧力に保つ。原料ガスは、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素（例えばフッ素）を含むガスであり、例えばフッ化炭素（ＣＦ4 ）ガスである。原料ガス導入後、紫外線ランプ８０３を点灯し、紫外線８１０を照射する。これにより、共振器の片端面８０８近傍のＣＦ4 が紫外線によって分解され、遊離したフッ素元素が共振器の片端面８０８に導入される。
本実施の形態では、共振器端面には紫外線が照射されるだけであり、プラズマ処理あるいはイオン注入と比較して端面が損傷を受けにくいという利点がある。
【００６５】
（実施の形態５）
図８を再度用いて本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態も製造方法に係るものであり、実施の形態４と同様の端面処理工程において、共振器端面に紫外線を照射するのではなく、共振器端面を加熱するというものである。すなわち、図８に示す紫外線装置８０１の紫外線ランプ８０３を赤外線ランプに置換え、原料ガス導入後に赤外線ランプを点灯することで共振器端面を加熱する。これにより、共振器の片端面８０８近傍の原料ガスが熱分解され、遊離した不純物元素が共振器の片端面８０８に導入される。赤外線ランプの代わりに、サセプタ８０２に埋設した電熱ヒーターを用いて、保持治具８０７ごとバー８０６を加熱することも可能である。
【００６６】
なお、本実施の形態に用いる原料ガスは、熱分解しやすいものを用いることが望ましく、不純物元素がフッ素の場合には、フッ化キセノン（ＸｅＦ2 ）あるいは塩化フッ素（ＦＣｌ3 ）が好適である。
【００６７】
（実施の形態６）
次に、図９を用いて本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態も製造方法に係るものであり、ウェット処理工程で端面処理を行う例である。端面処理工程以外の工程は実施の形態１と同様である。窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素をイオンとして含む溶液、例えばフッ化アンモニウム（ＮＨ4 Ｆ）水溶液９０１に、劈開によって共振器端面９０２を露出したバー９０３を浸す。これだけでも、フッ素イオン（Ｆ- ）が共振器端面９０２から取込まれ、端面処理工程として機能するが、電界を印加するとさらに効果が高まる。すなわち、バー９０３を保持する保持治具９０４を導電性材料で構成して陽極とし、これと別にＮＨ4 Ｆ水溶液９０１に挿入した陰極９０５との間に電界を印加すると、溶液中のフッ素イオンがバー９０３近傍に集中し、より多くのフッ素イオンが共振器端面９０２から取込まれることになる。
【００６８】
このウェット処理による端面処理は、真空装置を必要としないので工程コストが安く、またプラズマ処理やイオン注入のように共振器端面にダメージを与えることもない。ただし、バー状態の半導体レーザをウェット処理するので、ハンドリングには注意を要する。すなわち、プラズマ処理、イオン注入、紫外線照射、加熱処理、ウェット処理について、一概にどの方法が最適であるとは言えないが、何れの方法によっても共振器端面近傍に窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入することは可能であり、本発明の製造方法における端面処理工程として有効である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る窒化物半導体レーザは、歩留の低下あるいは製造コストの上昇を招かず、また他の電気的・光学的特性に影響を及ぼすことなくＣＯＤが抑止される。また、その製造方法においては、共振器端面を露出した後にプラズマ処理、イオン注入、あるいはウェット処理等の一般的な半導体プロセスで用いられる工程を行うだけである。ＣＯＤが抑止された窒化物半導体レーザは、高い光出力と高信頼性を兼備え、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの窓領域に含有されるフッ素の深さ方向分布図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザのエージング特性図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法における端面処理工程の概念図である。
【図６】図６は（ａ）〜（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザの窓領域に含有されるフッ素の深さ方向分布図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザの製造方法における端面処理工程の概念図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態６に係る半導体レーザの製造方法における端面処理工程の概念図である。
【図１０】図１０は、従来の半導体レーザの斜視図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０１ 半導体レーザ
１０２ ＧａＮ基板
１０３ 第１クラッド層
１０５ 活性層
１０８ 第２クラッド層
１１５ 窓領域
５０１ ＲＩＥ装置
５０２ サセプタ
５０６ バー
５０８ 共振器の片端面
５１０ ＣＦ4 プラズマ
８０１ 紫外線装置
８０２ サセプタ
８０６ バー
８０８ 共振器の片端面
８１０ 紫外線
９０１ フッ化アンモニウム水溶液
９０２ 共振器端面
９０３ バー
９０４ 保持治具
９０５ 陰極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、第１導電型の窒化物半導体よりなる第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に形成された、単層もしくは多層の窒化物半導体よりなる活性層と、
前記活性層上に形成された、第２導電型の窒化物半導体よりなる第２クラッド層とを備え、
共振器方向における少なくとも一方の端面近傍の前記活性層を含む領域に、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を含有する
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記不純物元素はフッ素であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記フッ素の含有量は、前記端面において、１０18ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記端面上に形成された、窒化物絶縁体よりなる保護膜を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項６】
基板上に、第１導電型の窒化物半導体よりなる第１クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層上に、単層もしくは多層の窒化物半導体よりなる活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、第２導電型の窒化物半導体よりなる第２クラッド層を形成する工程と、
前記基板を分割して、共振器方向における両端面を露出させる工程と、
前記両端面の少なくとも一方の片端面から、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入する端面処理工程とを備える
ことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項７】
前記不純物元素はフッ素であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスを用いて発生させたプラズマに、前記両端面もしくは前記片端面を晒す工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項９】
前記原料ガスは、フッ素、フッ化炭素、フッ化硫黄、フッ化窒素、およびフッ化シリコンからなるグループより選択される１つのガスを主要成分とすることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１０】
前記端面処理工程に用いる真空装置内において、前記端面処理工程に引き続き行われる保護膜堆積工程を更に備える
ことを特徴とする請求項８記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１１】
前記端面処理工程は、前記不純物元素を前記両端面もしくは前記片端面からイオン注入する工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１２】
前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスに前記両端面もしくは前記片端面を晒し、前記原料ガスに紫外線を照射する工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１３】
前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスに前記両端面もしくは前記片端面を晒し、前記原料ガスを加熱する工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１４】
前記原料ガスは、フッ化キセノンあるいは塩化フッ素を主要成分とすることを特徴とする請求項１３記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
前記端面処理工程は、前記不純物元素をイオンとして含む溶液に、前記両端面もしくは前記片端面を浸す工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
前記端面処理工程において、前記両端面もしくは前記片端面を陽極として前記溶液に電界を印加することを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１７】
前記溶液は、フッ化アンモニウム水溶液であることを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、第１導電型の窒化物半導体よりなる第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に形成された、単層もしくは多層の窒化物半導体よりなる活性層と、
前記活性層上に形成された、第２導電型の窒化物半導体よりなる第２クラッド層とを備え、
共振器方向における少なくとも一方の端面近傍の前記活性層を含む領域に、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を含有する
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記不純物元素はフッ素であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記フッ素の含有量は、前記端面において、１０18ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記端面上に形成された、窒化物絶縁体よりなる保護膜を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項６】
基板上に、第１導電型の窒化物半導体よりなる第１クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層上に、単層もしくは多層の窒化物半導体よりなる活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、第２導電型の窒化物半導体よりなる第２クラッド層を形成する工程と、
前記基板を分割して、共振器方向における両端面を露出させる工程と、
前記両端面の少なくとも一方の片端面から、窒素よりも電気陰性度の大きい不純物元素を導入する端面処理工程とを備える
ことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項７】
前記不純物元素はフッ素であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスを用いて発生させたプラズマに、前記両端面もしくは前記片端面を晒す工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項９】
前記原料ガスは、フッ素、フッ化炭素、フッ化硫黄、フッ化窒素、およびフッ化シリコンからなるグループより選択される１つのガスを主要成分とすることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１０】
前記端面処理工程に用いる真空装置内において、前記端面処理工程に引き続き行われる保護膜堆積工程を更に備える
ことを特徴とする請求項８記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１１】
前記端面処理工程は、前記不純物元素を前記両端面もしくは前記片端面からイオン注入する工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１２】
前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスに前記両端面もしくは前記片端面を晒し、前記原料ガスに紫外線を照射する工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１３】
前記端面処理工程は、前記不純物元素を含む原料ガスに前記両端面もしくは前記片端面を晒し、前記原料ガスを加熱する工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１４】
前記原料ガスは、フッ化キセノンあるいは塩化フッ素を主要成分とすることを特徴とする請求項１３記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
前記端面処理工程は、前記不純物元素をイオンとして含む溶液に、前記両端面もしくは前記片端面を浸す工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
前記端面処理工程において、前記両端面もしくは前記片端面を陽極として前記溶液に電界を印加することを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１７】
前記溶液は、フッ化アンモニウム水溶液であることを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−３４７４９（Ｐ２００８−３４７４９Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０８９３８（Ｐ２００６−２０８９３８）
【出願日】平成１８年７月３１日（２００６．７．３１）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月３１日（２００６．７．３１）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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