知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 旭化成株式会社の特許一覧 ▶ 国立大学法人名古屋大学の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-18
(45)【発行日】2024-10-28
(54)【発明の名称】光学装置の製造方法及び光学装置
(51)【国際特許分類】
H01S 5/026 20060101AFI20241021BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20241021BHJP
H01S 5/028 20060101ALI20241021BHJP
H01S 5/40 20060101ALI20241021BHJP
H01L 31/12 20060101ALI20241021BHJP
H01S 5/10 20210101ALI20241021BHJP
H01L 21/306 20060101ALN20241021BHJP
C23C 16/34 20060101ALN20241021BHJP
【ＦＩ】
H01S5/026 612
H01S5/343 610
H01S5/028
H01S5/40
H01L31/12 H
H01S5/10
H01L21/306 B
C23C16/34
【請求項の数】
28
(21)【出願番号】P 2020214577
(22)【出願日】2020-12-24
(65)【公開番号】P2021111785
(43)【公開日】2021-08-02
【審査請求日】2023-12-11
(31)【優先権主張番号】P 2020001700
(32)【優先日】2020-01-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000000033
【氏名又は名称】旭化成株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504139662
【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】100181272
【弁理士】
【氏名又は名称】神 紘一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100180655
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 俊樹
(72)【発明者】
【氏名】張 梓懿
(72)【発明者】
【氏名】久志本 真希
(72)【発明者】
【氏名】天野 浩
【審査官】百瀬 正之
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－１６４４５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１９７８９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－２０４８４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３１９７４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２５１０２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０８０１１２９１（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２４１３９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１１５６２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０２００３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１２８２９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－３３５９６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－１６９１２９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
Ｈ０１Ｌ ３１／１２－３１／１６
Ｈ０１Ｌ ２１／３０６－２１／３０８
Ｈ０１Ｌ ２１／４６５－２１／４６７
Ｃ２３Ｃ １６／００－１６／５６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に形成されたｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成された１つ以上の量子井戸を含む発光層と、
前記発光層上に形成されたｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を有する半導体積層部をエッチングして、共振器端面を有するメサ構造を形成してレーザーダイオードを形成するエッチング工程と、
前記メサ構造の全側面を覆うように光反射層を形成する反射層形成工程と、
を備え、
前記共振器端面から発せられる光を受光して検知可能な、メサ構造を有する光検出器を形成する光検出器形成工程を更に備え、
前記反射層形成工程において、前記光検出器のメサ構造の全側面にも前記光反射層を形成する、光学装置の製造方法。
【請求項2】
前記光検出器形成工程が、前記エッチング工程に含まれる請求項１に記載の光学装置の製造方法。
【請求項3】
前記レーザーダイオードと前記光検出器が隣接して形成される請求項１又は２に記載の光学装置の製造方法。
【請求項4】
前記基板がウエハ状であり、前記ウエハ状の基板上に、前記レーザーダイオードのメサ構造と、前記光検出器のメサ構造が各々複数形成される請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法。
【請求項5】
前記光反射層を形成する方法が、アトミックレイヤーデポジション法ある請求項１から４のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法。
【請求項6】
前記エッチング工程がドライエッチングとウェットエッチングをこの順で有し、前記基板がＡｌＮ基板であり、
前記ウェットエッチングのエッチング溶液が、水酸化テトラメチルアンモニウムを含む請求項１から５のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法。
【請求項7】
前記反射層形成工程より後に、ダイシング工程を更に備え、該ダイシング工程で、共振器端面を有するメサ構造を備えるレーザーダイオードを個片化する請求項１から６のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法。
【請求項8】
前記エッチング工程と前記反射層形成工程の間に、前記レーザーダイオードの前記ｐ型クラッド層と電気的に接続するｐ電極部を形成する電極部形成工程と、前記ｐ電極部を覆うように絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、を更に備える請求項１に記載の光学装置の製造方法。
【請求項9】
基板と、前記基板上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成され、１つ以上の量子井戸を含む発光層と、
前記発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を有し、
前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部、前記発光層、及び前記ｐ型クラッド層は、共振器端面を含むメサ構造であり、
前記メサ構造の全側面が光反射層に覆われているレーザーダイオードと、
を備え、
前記基板上に形成され、前記レーザーダイオードから発する光を受光し検知する、メサ構造を有する光検出器をさらに備え、
前記光検出器のメサ構造の側面が前記光反射層に覆われている、光学装置。
【請求項10】
前記光検出器の受光面が、前記レーザーダイオードの主発光面に対向する位置に配置される請求項９に記載の光学装置。
【請求項11】
前記レーザーダイオードを複数有する、請求項９又は１０に記載の光学装置。
【請求項12】
前記ｐ型クラッド層に電気的に接続される電極部と、前記光反射層と前記電極部の間に配置される絶縁層を更に備える請求項９から１１のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項13】
前記光検出器を複数有する、請求項９又は１０に記載の光学装置。
【請求項14】
前記基板がウエハ状である、請求項９から１３のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項15】
基板と、前記基板上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成され、１つ以上の量子井戸を含む発光層と、
前記発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を有し、
前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部、前記発光層、及び前記ｐ型クラッド層は、共振器端面を含むメサ構造であり、
前記メサ構造の全側面が光反射層に覆われているレーザーダイオードと、
を備え、
前記ｐ型クラッド層は、Ａｌ ｓ Ｇａ １－ｓ Ｎ（０．３≦ｓ≦１）を含み、前記基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚を０．５μｍ未満とするｐ型縦伝導層と、
Ａｌ ｔ Ｇａ １－ｔ Ｎ（０＜ｔ≦１）を含むｐ型横伝導層と、を有する、光学装置。
【請求項16】
前記ｎ型クラッド層と前記発光層との間に形成されて、前記発光層へ光を閉じ込めるｎ側導波路層と、前記ｐ型クラッド層と前記発光層との間に形成されて、前記発光層へ光を閉じ込めるｐ側導波路層と、を有する請求項１５に記載の光学装置。
【請求項17】
前記ｐ型縦伝導層と前記ｐ側導波路層との間に形成されて、ＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ≦１）を含み、前記基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｖが増加する組成傾斜を有する中間層、を備える、請求項１６に記載の光学装置。
【請求項18】
前記ｐ型縦伝導層は、前記ｐ側導波路層との界面を含む領域がアンドープである、請求項１６又は１７に記載の光学装置。
【請求項19】
前記ｐ型縦伝導層の膜厚が２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項20】
前記ｐ型横伝導層は、前記ｐ型縦伝導層との隣接面において、前記Ａｌ組成ｔが前記Ａｌ組成ｓの最小値よりも大きい、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項21】
前記ｐ型縦伝導層及び前記ｐ型横伝導層が前記基板に対して完全歪である、請求項１５から２０のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項22】
前記発光層の発光波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、請求項９から２１のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項23】
前記光反射層が、誘電体積層膜である請求項９から２２のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項24】
前記光反射層がアルミニウム、ハフニウム、シリコン、チタン、ジルコニウム、鉛、及びガリウムからなる群より選択される少なくとも一つの酸化物である請求項９から２３のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項25】
前記誘電体積層膜が、１周期以上のハフニウム酸化膜とアルミニウム酸化膜との積層膜である請求項２３に記載の光学装置。
【請求項26】
前記基板がＡｌＮ基板であり、前記光反射層の前記共振器端面と接する面が、ＡｌＮ基板の（０００１）面に対して８５度以上９５度以下の角度である請求項９から２５のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項27】
前記ｎ型クラッド層、前記発光層、及び前記ｐ型クラッド層がＡｌＧａＮ層であり、前記共振器端面がＡｌＧａＮ層の（１－１００）面である請求項９から２５のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項28】
前記レーザーダイオードを複数有する、請求項１５に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学装置の製造方法及び光学装置に関し、詳細には、レーザーダイオードを有する光学装置の製造方法及びレーザーダイオードを有する光学装置に関する。
【背景技術】
【0002】
レーザーダイオードは、適切な手法を用いて向かい合う２枚の平行なミラー端面を形成した後、通常閾値を低減させるための反射層を端面に形成することで作製される。非特許文献１は、一般的なレーザーダイオードのミラー端面形成手法を開示している。具体的には、半導体結晶を自然劈開面に沿って割ることで垂直でなめらかな端面を露出する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許５３９４４２６号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】Ｚ．Ｚｈａｎｇ，Ｍ．Ｋｕｓｈｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｓａｋａｉ，Ｎ．Ｓｕｇｉｙａｍａ，Ｌ．Ｊ．Ｓｃｈｏｗａｌｔｅｒ，Ｃ．Ｓａｓａｏｋａ ａｎｄ Ｈ．Ａｍａｎｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ．１２，１２４００３（２０１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、従来の自然劈開面に沿って割ることで共振器端面を露出する方法において、当該共振器端面に反射層をコーティングする場合、特許文献１のように細かく分割したレーザーバーのハンドリングが不可欠であるため、大量生産には適さないという問題点がある。また従来の方法で得られたレーザーダイオードでは、迷光と称される共振器端面以外から出射した光に起因して、レーザーダイオードの正確な特性評価が困難であり、また、当該レーザーダイオードを用いた測定等において誤差が生じていた。
【0006】
すなわち、本発明は、大量生産に適したレーザーダイオードを有する光学装置の製造方法を提供することを課題とする。また、正確な特性評価が可能で測定誤差の小さいレーザーダイオードを有する光学装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第１の態様においては、基板上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成され、１つ以上の量子井戸を含む発光層と、前記発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を有する半導体積層部をエッチングして、共振器端面を有するメサ構造を形成してレーザーダイオードを形成するエッチング工程と、前記メサ構造の全側面を覆うように光反射層を形成する反射層形成工程と、を備える、光学装置の製造方法を提供する。
【0008】
本発明の第２の態様においては、基板と、前記基板上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成され、１つ以上の量子井戸を含む発光層と、前記発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を有し、前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部、前記発光層、及び前記ｐ型クラッド層は、共振器端面を含むメサ構造であり、前記メサ構造の全側面が光反射層に覆われているレーザーダイオードと、を備える光学装置を提供する。
【0009】
ここで、例えば「基板上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層」という表現における「上に」という文言は、基板の上にｎ型クラッド層が形成されることを意味するが、基板とｎ型クラッド層との間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。
【0010】
ここで、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションは発明となりうる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、大量生産に適したレーザーダイオードを有する光学装置の製造方法を提供することが可能になる。また、正確な特性評価が可能で測定誤差の小さいレーザーダイオードを有する光学装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0014】
＜光学装置の製造方法＞
本実施形態の光学装置の製造方法は、基板上に形成されたｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成された１つ以上の量子井戸を含む発光層と、発光層上に形成されたｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を有する半導体積層部をエッチングして、共振器端面を有するメサ構造を形成してレーザーダイオードを形成するエッチング工程と、メサ構造の共振器端面を含む全側面を覆うように光反射層を形成する反射層形成工程と、を備える。
本実施形態の光学装置の製造方法は、基板上に形成されたｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成された１つ以上の量子井戸を含む発光層と、発光層上に形成されたｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を有する半導体積層部をエッチングして、共振器端面を有するメサ構造を形成してレーザーダイオードを形成するエッチング工程と、メサ構造の共振器端面を含む全側面を覆うように光反射層を形成する反射層形成工程と、を備える。
【0015】
レーザーダイオードのメサ構造の共振器端面を含む全側面を覆うように光反射層を形成する工程を備えることで、細かく分割したレーザーバーのハンドリングという課題がなくなり、大量生産に適している。
【0016】
ここで「全側面を覆う」とは、対象物（ここでは光反射層）を各側面に垂直投影した時に側面の略全体が対象物の垂直投影像で覆われることを意味する。光反射層と各側面の間には他の層が介在してよいが、正確な特性評価を可能にし、測定誤差を小さくする観点から光反射層が側面に直接配置されることが好ましい場合がある。
【0017】
「共振器端面」とは、レーザー光の主発光面となる面であり、少なくとも発光層を含む半導体積層部の断面である。レーザー光の主発光面となる面であるため、一般的には上部から平面視したときの短辺側の発光層を含む端面となる。
【0018】
＜＜エッチング工程＞＞
図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）はエッチング工程の模式図である。エッチング工程は、基板１１上に形成されたｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２上に形成された１つ以上の量子井戸を含む発光層１４と、発光層１４上に形成されたｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層２０と、を有する半導体積層部３０をエッチングして、共振器端面４１を有するメサ構造４０を形成する。さらに別のエッチング工程によって、メサ構造４０のエッチング深さよりさらに深いエッチングが施されてよい。例えば、出射される光の縦方向（基板面に垂直方向）の広がりによる底面での反射の影響を低減するために、図１（ｃ）に示すように、光が出射する側（共振器端面側）をメサ構造４０よりも深くエッチングしてよい。その際、エッチングは基板１１に到達してよい。
図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）はエッチング工程の模式図である。エッチング工程は、基板１１上に形成されたｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２上に形成された１つ以上の量子井戸を含む発光層１４と、発光層１４上に形成されたｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層２０と、を有する半導体積層部３０をエッチングして、共振器端面４１を有するメサ構造４０を形成する。さらに別のエッチング工程によって、メサ構造４０のエッチング深さよりさらに深いエッチングが施されてよい。例えば、出射される光の縦方向（基板面に垂直方向）の広がりによる底面での反射の影響を低減するために、図１（ｃ）に示すように、光が出射する側（共振器端面側）をメサ構造４０よりも深くエッチングしてよい。その際、エッチングは基板１１に到達してよい。
【0019】
特に制限されないが、基板平面に対して垂直に近い共振器端面を形成する観点から、ドライエッチングとウェットエッチングをこの順で適用することが好ましい。
【0020】
基板がＡｌＮ基板であり、半導体積層部がＡｌＧａＮを含む場合、任意のドライエッチングを行った後に、水酸化テトラメチルアンモニウムをエッチング溶液としてウェットエッチングを行うことで、ＡｌＮ基板の（０００１）面に対してほとんど垂直なＡｌＧａＮ層の（１－１００）面を共振器端面として露出することが可能になる。ドライエッチングは、例えば、ＳｉＯ２をマスクとしてＣｌ２及びＢＣｌ３雰囲気中での誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ）である。詳細は実施例にて述べるが、基板に対して垂直に近い共振器端面ほど高い反射率を実現できる。
【0021】
＜＜反射層形成工程＞＞
図２（ａ）及び図２（ｂ）は反射層形成工程の模式図である。反射層形成工程は、レーザーダイオードのメサ構造４０の全側面を覆うように光反射層５０を形成する。特に制限されないが、図２（ａ）に示すようにメサ構造４０のすべての側面のみを覆うように光反射層５０が形成されてよい。また、図２（ｂ）に示すようにメサ構造４０の全ての側面及び上面の一部若しくは全部を覆うように光反射層が形成されてよい。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は反射層形成工程の模式図である。反射層形成工程は、レーザーダイオードのメサ構造４０の全側面を覆うように光反射層５０を形成する。特に制限されないが、図２（ａ）に示すようにメサ構造４０のすべての側面のみを覆うように光反射層５０が形成されてよい。また、図２（ｂ）に示すようにメサ構造４０の全ての側面及び上面の一部若しくは全部を覆うように光反射層が形成されてよい。
【0022】
光反射層を形成する方法は特に制限されないが、ステップカバレッジのよい堆積方法として、アトミックレイヤーデポジション法が好ましい。アトミックレイヤーデポジション法とは複数の気相原料（プリカーサ）を交互に基板表面に暴露させることで膜を生成する薄膜形成方法である。ＣＶＤと異なり、違う種類のプリカーサが同時に反応チャンバに入ることはなく、それぞれ独立のステップとしてパルス的に交互導入され排出（パージ）される。各パルスにおいてプリカーサ分子は基板表面で自己制御的に振る舞い、吸着可能なサイトが表面になくなった時点で反応が終了する。従って、一度のサイクルにおける最大成膜量は、プリカーサ分子と基板表面分子が化学的にどのように結合するのか、その性質により規定される。そのためパルスサイクルのシーケンス、反応層温度、原料種などの薄膜形成条件をコントロールすることで任意の構造・サイズの基板に対して高精度かつ均一に成膜することができる。例えばＶｅｅｃｏ／ＣＮＴ社のＡＬＤ装置等を用いることができる。
【0023】
後述のハフニウム酸化物とアルミニウム酸化物の多層構造を用いる場合、ハフニウム酸化物の気相原料としては、ＴＤＭＡＨ（テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム）を用いることができる。また、アルミニウム酸化物の気相原料としては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いることができる。
【0024】
＜＜絶縁層形成工程及び電極部形成工程＞＞
本実施形態の光学装置の製造方法は、エッチング工程と反射層形成工程の間に、レーザーダイオードのｐ型クラッド層と電気的に接続するｐ電極部を形成する電極部形成工程と、ｐ電極部を覆うように絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、を更に備えていてよい。
本実施形態の光学装置の製造方法は、エッチング工程と反射層形成工程の間に、レーザーダイオードのｐ型クラッド層と電気的に接続するｐ電極部を形成する電極部形成工程と、ｐ電極部を覆うように絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、を更に備えていてよい。
【0025】
電極部形成工程及び絶縁層形成工程を更に備えることにより、光学装置に電力を印加した際の効率を良くすることができる。絶縁層は後述する光検出器のメサ構造の少なくとも一部の上面を覆うように形成されてよい。
【0026】
また、絶縁層はメサ構造の側面の少なくとも一部を覆うように形成されてよい。
【0027】
ここで、ｐ電極部は、ｐ型クラッド層に直接接続されて電気的に接続されてよいし、間に別の層（例えばコンタクト層）を介して電気的に接続されてよい。
【0028】
絶縁層を形成するための材料としては、例えばケイ素、ボロン、ハフニウム、チタン、アルミニウムなどを含む金属酸化物及び金属窒化物等が挙げられるがこの限りではない。
【0029】
＜＜光検出器形成工程＞＞
本実施形態の光学装置の製造方法は、共振器端面から発せられる光を受光して検知可能な、メサ構造を有する光検出器を形成する光検出器形成工程を更に備え、反射層形成工程において、光検出器のメサ構造の全側面にも光反射層を形成することが好ましい。
本実施形態の光学装置の製造方法は、共振器端面から発せられる光を受光して検知可能な、メサ構造を有する光検出器を形成する光検出器形成工程を更に備え、反射層形成工程において、光検出器のメサ構造の全側面にも光反射層を形成することが好ましい。
【0030】
詳細は後述するが、同一基板上に光検出器を設けることにより、レーザーダイオードから発せられた光を光検出器で検知することが可能になる。本実施形態のレーザーダイオード及び光検出器はメサ構造の各々の全側面に光反射層が形成されているため、当該検知のノイズとなる迷光（共振器端面以外から出射した光）の影響を低減することが可能になる。
【0031】
また、光検出器形成工程が、レーザーダイオードのエッチング工程に含まれる、すなわち、レーザーダイオードのメサ構造と光検出器のメサ構造を同時に形成することも好ましい。これにより、追加のプロセスなく同一基板上にレーザーダイオードと光検出器を設けることが可能になる。
【0032】
レーザーダイオードから発せられた光を高感度に検出することを可能にする観点から、レーザーダイオードと光検出器が隣接して形成されることが好ましい。具体的にはレーザーダイオードの共振器端面の一方と光検出器の受光面が対向する位置にレーザーダイオードと光検出器を形成することが好ましい。
【0033】
量産性向上の観点から、基板がウエハ状であり、ウエハ状の基板上に、レーザーダイオードのメサ構造と、光検出器のメサ構造が各々形成されることが好ましく、各々複数形成され得ることがより好ましい。また、同一基板上にレーザーダイオードと光検出器を形成することにより、両者の位置ずれを製造装置によるメサパターン形成の誤差レベルまで低減することが可能であり、効率よくレーザーの射出光を光検出器にカップリングさせることが可能になる。
【0034】
＜＜ダイシング工程＞＞
本実施形態の光学装置の製造方法は、反射層形成工程よりも後に、共振器端面を有するメサ構造を備えるレーザーダイオードをレーザーダイオードチップへ個片化するダイシング工程を更に備えることができる。これにより、従来技術のようにハンドリングが困難であったレーザーバー（個片化されたレーザーダイオード）状態で共振器端面に反射層をコーティングすることなく、共振器端面に反射層を備えるレーザーダイオードチップが簡易に製造することが可能になる。また、一つの基板上に光検出器を備えたレーザーダイオードチップを同一のダイシング工程にて形成するが可能であることにより、生産性が劇的に向上する。
本実施形態の光学装置の製造方法は、反射層形成工程よりも後に、共振器端面を有するメサ構造を備えるレーザーダイオードをレーザーダイオードチップへ個片化するダイシング工程を更に備えることができる。これにより、従来技術のようにハンドリングが困難であったレーザーバー（個片化されたレーザーダイオード）状態で共振器端面に反射層をコーティングすることなく、共振器端面に反射層を備えるレーザーダイオードチップが簡易に製造することが可能になる。また、一つの基板上に光検出器を備えたレーザーダイオードチップを同一のダイシング工程にて形成するが可能であることにより、生産性が劇的に向上する。
【0035】
つぎに、本実施形態の光学装置が説明される。
【0036】
（光学装置）
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本実施形態の光学装置は、基板１１と、基板１１上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２上に形成され、１つ以上の量子井戸を含む発光層１４と、発光層１４上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層２０と、を有し、ｎ型クラッド層の少なくとも一部、発光層、及びｐ型クラッド層は、共振器端面４１を含むメサ構造４０であり、メサ構造４０の共振器端面４１を含む全側面が光反射層５０に覆われているレーザーダイオード１と、を備える。
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本実施形態の光学装置は、基板１１と、基板１１上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２上に形成され、１つ以上の量子井戸を含む発光層１４と、発光層１４上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層２０と、を有し、ｎ型クラッド層の少なくとも一部、発光層、及びｐ型クラッド層は、共振器端面４１を含むメサ構造４０であり、メサ構造４０の共振器端面４１を含む全側面が光反射層５０に覆われているレーザーダイオード１と、を備える。
【0037】
「メサ構造の共振器端面を含む全側面が光反射層に覆われている」とは、光反射層がメサ構造の全側面上に直接形成されて直接覆う形態でよいし、側面と光反射層の間の別の層を介して間接的に覆う形態でよい。即ち、メサ構造の側面に垂直な方向から平面視した時に光反射層がメサ構造の側面を覆っていれば良い。
【0038】
図３に示すように、本実施形態の光学装置は、レーザーダイオード１から発する光を受光し検知する、メサ構造を有する光検出器２をさらに備え、光検出器２のメサ構造の側面が光反射層５１に覆われていてよい。光反射層５１は光反射層５０と同一であってよいし、異なっていてよい。高精度にレーザーダイオードの特性評価を実現する観点からは同一であることが好ましい。光検出器２の層構造はレーザーダイオードと同一であってよいし、異なっていてよい。光検出器の受光面はレーザーダイオードの主発光面、すなわち共振器端面に対向する位置に配置されることが好ましい。光反射層で側面が覆われたレーザーダイオード及び光検出器を備えることにより、レーザーダイオードの特性評価をより簡易にかつ高精度に実施することが可能である。同一基板上にレーザーダイオードと光検出器を形成することにより、両者の位置ずれを製造装置によるメサパターン形成の誤差レベルまで低減することが可能であり、高精度な特性評価が可能になる。さらに、上述の通りレーザーダイオードと光検出器の層構造が同一である場合、発光面と受光面の高さが略同一になるために、更に高精度な特性評価が可能となる。
【0039】
本実施形態の光学装置は、レーザーダイオード及び光検出器を制御する制御部を備えていてよい。
【0040】
本実施形態の光学装置は、レーザーダイオードを複数有してよい。本実施形態の光学装置は、光検出器を複数有してよい。本実施形態の光学装置は、基板がウエハ状であってよい。レーザーダイオード及び／又は光検出器を複数有する場合、基板がウエハ状であることで生産効率がより向上する。
【0041】
また、光検出器２をさらに備える場合は、光反射層５０，５１を備えない形態であってよい。その場合、検出精度向上の観点から、レーザーダイオード１と光検出器２は同一基板上に形成されていることが好ましく、同一層構造であることがより好ましい。同一層構造である場合、レーザーダイオードの共振器端面と、光検出器の受光層端面が同じ高さになるため、高効率に光を受光することが可能になり、測定精度がより向上する。レーザーダイオードの共振器端面と光検出器の受光層の距離が近いほうが好ましく、５０μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以下であることがより更に好ましい。通常、レーザーダイオードの共振器端面と光検出器の受光層の距離をこのような距離で形成することはプロセス上困難であり、位置ズレ等の影響で測定精度が劣ってしまうが、同一基板上の同一層構造とすることにより、煩雑なプロセスを導入することなく高精度に両者を備える光学装置を実現可能になる。
【0042】
（光反射層）
所望の波長に対する高い光反射率の光反射層を設計する観点から、光反射層は誘電体積層膜であることが好ましい。誘電体積層膜は２つ以上の異なる材料の積層であれば良い。周期は１周期以上であればよい。例えば、第１の材料／第２の材料／第１の材料の３層からなる場合は１．５周期である。
所望の波長に対する高い光反射率の光反射層を設計する観点から、光反射層は誘電体積層膜であることが好ましい。誘電体積層膜は２つ以上の異なる材料の積層であれば良い。周期は１周期以上であればよい。例えば、第１の材料／第２の材料／第１の材料の３層からなる場合は１．５周期である。
【0043】
光反射層の材料としては、アルミニウム、ハフニウム、シリコン、チタン、ジルコニウム、鉛、マグネシウム、及びガリウムからなる群より選択される少なくとも一つの酸化物又はフッ化物、又は窒化物であることが好ましい。また２つ以上の酸化物の組み合わせにより上述の誘電体積層膜が実現されてよい。
【0044】
光反射層は反射率が０より大きければ特に制限されないが、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることが更に好ましい。
【0045】
（レーザーダイオード）
本実施形態の光学装置におけるレーザーダイオードは、基板と、基板上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、１つ以上の量子井戸を含む発光層と、発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を含む半導体積層部を有する。ｎ型クラッド層の一部、発光層、及びｐ型クラッド層は、共振器端面を含むメサ構造である。メサ構造の共振器端面を含む全側面は光反射層に覆われている。
本実施形態の光学装置におけるレーザーダイオードは、基板と、基板上に形成され、ｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成され、１つ以上の量子井戸を含む発光層と、発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、を含む半導体積層部を有する。ｎ型クラッド層の一部、発光層、及びｐ型クラッド層は、共振器端面を含むメサ構造である。メサ構造の共振器端面を含む全側面は光反射層に覆われている。
【0046】
共振器とは、対面した光反射面の間に光を閉じ込め、光の定常波を作り出す部位である。共振器端面とは光反射面のことである。特に制限されないが、結晶の劈開面を用いることができる。共振器がＡｌＧａＮ層の場合、例えばＡｌＧａＮの（１－１００）面を共振器端面として用いることができる。共振器端面は基板平面に対して垂直に近い角度で設けられていることが好ましい。具体的には基板平面に対して６０度から１２０度であることが好ましく、８０度から１００度であることがより好ましく、８５度から９５度であることが更に好ましく、８７．５度から９２．５度であることがよりさらに好ましい。
【0047】
メサ構造とは、断面視したときに上方に凸となる形状の領域を含む構造であり、当該構造の断面視したときの形状は四角形（典型的には台形）である。換言すると、断面視したときに、下部領域の平面を底面とし、該底面と略平行な面を上面として持つ領域を含む構造である。一般的には半導体積層部の一部をエッチングすることでエッチングされなかった領域がメサ構造となる。
【0048】
次に、図４を参酌しながら半導体積層部及び該半導体積層部の各構成要件が説明される。
【0049】
（半導体積層部）
半導体積層部は、基板１１上に形成されたｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層上に形成された１つ以上の量子井戸を含む発光層１４と、発光層上に形成されたｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層２０と、を有する。
半導体積層部は、基板１１上に形成されたｎ型導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層上に形成された１つ以上の量子井戸を含む発光層１４と、発光層上に形成されたｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層２０と、を有する。
【0050】
半導体積層部は、さらにｐ型縦伝導層１６、ｐ型横伝導層１７、ｎ側導波路層１３、ｐ側導波路層１５、ｐ型コンタクト層１８、電極部（図示せず）を備えていてよい。
【0051】
（基板）
基板１１は、半導体積層部を、低い面内転位密度を有する基板１１の上面に成長できるものが好ましい。本発明の効果を最大化できる実施形態の一つは、レーザーダイオード１の様々な層において、面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の良質な層である。特に面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の結晶では、転位によるキャリア散乱が軽減されることで、縦抵抗率が減少する結果、さらに縦横抵抗率の比が小さくなる傾向にある。したがって基板１１は上記の欠陥密度よりさらに低い欠陥密度（例えば１×１０３～１×１０４ｃｍ－２）が求められる。様々な基板１１のうち、例えば、ＡｌＮ単結晶の基板１１上には１×１０４ｃｍ－２以下のＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶を得ることができるため好ましいが、この限りではない。基板１１の貫通転位密度は、例えば、４５０℃で５分間ＫＯＨ－ＮａＯＨ共晶エッチングを行った後にエッチピット密度測定を用いて測定され得る。
基板１１は、半導体積層部を、低い面内転位密度を有する基板１１の上面に成長できるものが好ましい。本発明の効果を最大化できる実施形態の一つは、レーザーダイオード１の様々な層において、面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の良質な層である。特に面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の結晶では、転位によるキャリア散乱が軽減されることで、縦抵抗率が減少する結果、さらに縦横抵抗率の比が小さくなる傾向にある。したがって基板１１は上記の欠陥密度よりさらに低い欠陥密度（例えば１×１０３～１×１０４ｃｍ－２）が求められる。様々な基板１１のうち、例えば、ＡｌＮ単結晶の基板１１上には１×１０４ｃｍ－２以下のＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶を得ることができるため好ましいが、この限りではない。基板１１の貫通転位密度は、例えば、４５０℃で５分間ＫＯＨ－ＮａＯＨ共晶エッチングを行った後にエッチピット密度測定を用いて測定され得る。
【0052】
基板１１は、異なる材料（例えばＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、アルミナ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、及び／又はサファイア）を含むか、本質的にそれから成るか、若しくはそれから成り、その上にＡｌｕＧａ１－ｕＮ材料（０≦ｕ≦１．０）が例えばエピタキシャル成長によって形成されている可能性がある。そのような材料は、実質的に完全に格子緩和され、例えば少なくとも１μｍの厚さを有し得る。基板１１は、例えばＡｌＮのような、基板１１内又は基板１１上に存在する同一の材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成るホモエピタキシャル層で覆うことができる。
【0053】
基板１１は、伝導性を得るなどの目的で、Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。
【0054】
レーザーダイオード１は、好ましくは（０００１）面、又は（０００１）面法線方向からいくらかの角度に傾いた面上に形成することができるが、これに限らない。この角度は、例えば－４°～４°に設定され、好ましくは－０．４°～０．４°に設定される。
【0055】
基板１１上に配置された多層構造の様々な層は、例えば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）のようなエピタキシャル成長技法等、多種多様な異なる技法のいずれかによって形成され得る。
【0056】
（ｐ型クラッド層）
ｐ型クラッド層２０は、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｐ型クラッド層２０は、基板１１に対して完全歪であることが好ましい。完全歪で形成されるレーザーダイオード１の層は貫通転位密度の増加を抑制することができるため、本発明の効果を最大化する。ここで、「基板１１に対して完全歪」という文言は、多層を構成する層が基板１１に対して格子緩和率が５％以下の非常に小さな歪み緩和を有することを意味する。格子緩和率は、非対称面のＸ線回折測定によって十分な回折強度が得られる面、例えば（１０５）面、（１１４）面又は（２０５）面などのいずれかの非対称面の回折ピークの逆格子座標と、基板１１の回折ピークの逆格子座標から規定することができる。
ｐ型クラッド層２０は、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｐ型クラッド層２０は、基板１１に対して完全歪であることが好ましい。完全歪で形成されるレーザーダイオード１の層は貫通転位密度の増加を抑制することができるため、本発明の効果を最大化する。ここで、「基板１１に対して完全歪」という文言は、多層を構成する層が基板１１に対して格子緩和率が５％以下の非常に小さな歪み緩和を有することを意味する。格子緩和率は、非対称面のＸ線回折測定によって十分な回折強度が得られる面、例えば（１０５）面、（１１４）面又は（２０５）面などのいずれかの非対称面の回折ピークの逆格子座標と、基板１１の回折ピークの逆格子座標から規定することができる。
【0057】
ｐ型縦伝導層１６とｐ型横伝導層１７を有する場合、両者が合わせてｐ型クラッド層をなす。
【0058】
（ｐ型縦伝導層）
ｐ型縦伝導層１６は、ｐ型の伝導性を得る目的で、Ａｌ組成ｓが基板１１の上面から遠ざかる方向へ減少する様に傾斜したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層である。つまり、ｐ型クラッド層を構成するｐ型縦伝導層１６は組成傾斜を有する。ｐ型縦伝導層１６の膜厚とＡｌ組成ｓ範囲は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップの材料であって、デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる（すなわち光閉じ込めを増大させる）目的でＡｌ組成、膜厚が限定されることがある。発光層１４の発光波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合、例えばＡｌ組成ｓが０．３以上１．０以下の範囲において、基板１１の上面から遠ざかる方向に減少したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層であって、膜厚が２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、より好ましくは３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。適切に膜厚を制御することで、レーザーダイオード１の内部損失を低減することができる。
ｐ型縦伝導層１６は、ｐ型の伝導性を得る目的で、Ａｌ組成ｓが基板１１の上面から遠ざかる方向へ減少する様に傾斜したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層である。つまり、ｐ型クラッド層を構成するｐ型縦伝導層１６は組成傾斜を有する。ｐ型縦伝導層１６の膜厚とＡｌ組成ｓ範囲は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップの材料であって、デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる（すなわち光閉じ込めを増大させる）目的でＡｌ組成、膜厚が限定されることがある。発光層１４の発光波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合、例えばＡｌ組成ｓが０．３以上１．０以下の範囲において、基板１１の上面から遠ざかる方向に減少したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層であって、膜厚が２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、より好ましくは３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。適切に膜厚を制御することで、レーザーダイオード１の内部損失を低減することができる。
【0059】
レーザーダイオード１の内部損失は、例えば、公知のＶａｒｉａｂｌｅ Ｓｔｒｉｐｅ Ｌｅｎｇｔｈ Ｍｅｔｈｏｄ（以下、ＶＳＬＭ）などの方法によって測定が可能である。
【0060】
ｐ型縦伝導層１６は、その膜厚に対するＡｌ組成の変化量が一様でなくとよい。光閉じ込めを増大させる目的などから、発光層１４へ近づくにつれてＡｌ組成の変化量が漸近的に、又は段階的に減少する構成であり得る。
【0061】
ｐ型縦伝導層１６は、不純物の拡散を抑制する目的などから，ｐ側導波路層１５に近い領域においてＨ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｂ，等の不純物を意図的に混入しないことが好ましく、すなわちアンドープの状態であることが好ましい。ここで、「アンドープ」という文言は、対象の層を形成する過程で元素として上記が意図に供給されないことを意味する。ただし、原料、製造装置由来の元素が、例えば１０１６ｃｍ－３以下の範囲で混入される場合は、この限りでない。元素の混入量は、二次電子イオン質量分析等の手法によって規定することができる。本願の「アンドープ」は本質的に同様な意味を示す。また、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態とする領域は、少なくともｐ側導波路層１５との境界を含む。ただし、領域の大きさは限定されない。例えば、ｐ型縦伝導層１６の全ての領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、ｐ型縦伝導層１６のうち、ｐ型横伝導層１７よりもｐ側導波路層１５に近い５０％の領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、ｐ型縦伝導層１６のうち、ｐ側導波路層１５に近い約１０％の領域がアンドープの状態であってよい。
【0062】
ｐ型縦伝導層１６とｐ側導波路層１５の中間に、伝導率を向上させる目的、かつ／又はｐ型横伝導層１７及びｐ型コンタクト層１８を完全歪で形成させるためなどの目的から、基板１１の上面から遠ざかる方向へＡｌ組成ｖが増加するようなＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ≦１．０）から成る中間層を設けることができる。ｐ型縦伝導層１６とｐ側導波路層１５の中間層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップでない混晶であって良く、さらに５０ｎｍ以下の膜厚であることが好ましく、アンドープであって良い。
【0063】
ｐ型縦伝導層１６の縦抵抗率は、例えば本願実施形態のレーザーダイオード１の直列抵抗値Ｒｓから、ｎ型クラッド層１２が寄与する抵抗値Ｒｎを除いた抵抗値Ｒｓ´＝Ｒｓ－Ｒｎを用いて算出することができる。レーザーダイオード１のｐ型コンタクト層１８に接触するｐ型電極の面積Ａとｐ型クラッド層２０の膜厚Ｔから、ｐ型クラッド層２０の縦抵抗率はＲｓ´×Ａ／Ｔとして算出される。ｎ型クラッド層１２の抵抗値Ｒは、例えば、伝送線路測定法及び渦電流による非接触抵抗測定によって決定され得る。
【0064】
（ｐ型横伝導層）
ｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７を貫通するキャリアの量子透過を容易とするように薄い膜厚であり得る。例えば２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下である。
ｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７を貫通するキャリアの量子透過を容易とするように薄い膜厚であり得る。例えば２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下である。
【0065】
ｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７の縦抵抗率を制御する目的などからＨ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｂ，等の不純物を意図的に混入されることができる。混入される不純物の量は、ｐ型横伝導層１７の表面及び内部に誘積される正味の電界量に応じて、一例として、１×１０１９ｃｍ－３以上５×１０２１ｃｍ－３を取り得る。
【0066】
ｐ型横伝導層１７の、ｐ型コンタクト層１８との界面におけるＡｌ組成は、好ましくは０．９以上１．０以下の範囲であって、基板１１に対して完全歪であることが好ましい。このようなｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７の表面及び表面付近の内部に蓄積される正味内部電界が負となって、正孔が誘積されることで横伝導率を向上させる効果がある。また、レーザーダイオード１の領域においてｐ型横伝導層１７のＡｌ組成の分布が５％以下に制限されることが好ましい。このようなｐ型横伝導層１７は、組成の分布によるキャリア散乱が低減されるためにより高い横伝導率を実現し得る。
【0067】
ｐ型横伝導層１７は、最終的なｐ型横伝導層１７のＡｌ組成ｔより小さいＡｌ組成ｙから成るＡｌｙＧａ１－ｙＮをＡｌ原料及びＧａ原料が供給されない高温状態で保持することによって、Ａｌ組成ｔが０．９≦ｔ≦１．０のＡｌｔＧａ１－ｔＮであるように形成されることが好ましい。
【0068】
（ｎ型クラッド層）
ｎ型クラッド層１２は、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｎ型クラッド層１２は、基板１１に対して完全歪で形成されることが好ましい、またｎ型クラッド層１２が基板１１に対して完全歪で形成する目的で、ｎ型クラッド層１２と基板１１の界面にＡｌ組成が一様に変化する中間層が存在し得、また、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成と膜厚が制約を受けることがある。ｎ型クラッド層１２は、適切な電極に対して低い接触抵抗（例えば１×１０－６～１×１０－４Ωｃｍ２）を得る目的でＡｌ組成が制限を受けることがある。上記の制限を鑑みたｎ型クラッド層１２の実施形態として、Ａｌ組成が０．６～０．８、厚みが０．３～０．５μｍであってよい。
ｎ型クラッド層１２は、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｎ型クラッド層１２は、基板１１に対して完全歪で形成されることが好ましい、またｎ型クラッド層１２が基板１１に対して完全歪で形成する目的で、ｎ型クラッド層１２と基板１１の界面にＡｌ組成が一様に変化する中間層が存在し得、また、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成と膜厚が制約を受けることがある。ｎ型クラッド層１２は、適切な電極に対して低い接触抵抗（例えば１×１０－６～１×１０－４Ωｃｍ２）を得る目的でＡｌ組成が制限を受けることがある。上記の制限を鑑みたｎ型クラッド層１２の実施形態として、Ａｌ組成が０．６～０．８、厚みが０．３～０．５μｍであってよい。
【0069】
ｎ型クラッド層１２は、その縦伝導率を制御する目的などから、Ａｌ組成を基板１１から遠ざかる方向に対して増加させるような傾斜層であって良い。この場合、上記のＡｌ組成に対する限定はｎ型クラッド層１２内、各膜厚方向位置におけるＡｌ組成をｎ型クラッド層１２の膜厚で平均したＡｌ組成として、同様の実施形態を取ることができる。
【0070】
ｎ型クラッド層１２は、その縦伝導率を制御する目的などから，Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。適切な不純物の混入量はｎ型クラッド層１２のＡｌ組成によって制限を受ける。好ましくは１×１０１９～１×１０２０ｃｍ－３である。
【0071】
（導波路層）
導波路層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップを持つＡｌ、Ｇａを含む窒化物半導体であって、デバイス内で定在する光の電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる目的でＡｌ組成、膜厚が限定され得る。例えば２６０ｎｍ～２８０ｎｍの発光層１４に対してＡｌ組成０．５５～０．６５、膜厚７０～１５０ｎｍなどが好ましい。
導波路層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップを持つＡｌ、Ｇａを含む窒化物半導体であって、デバイス内で定在する光の電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる目的でＡｌ組成、膜厚が限定され得る。例えば２６０ｎｍ～２８０ｎｍの発光層１４に対してＡｌ組成０．５５～０．６５、膜厚７０～１５０ｎｍなどが好ましい。
【0072】
導波路層は、発光層１４に対してｎ型クラッド層１２側の部分（ｎ側導波路層１３）と、発光層１４に対してｐ型クラッド層２０側（ｐ側導波路層１５）の２層から構成され得る。すなわち、ｎ側導波路層１３は、ｎ型クラッド層１２と発光層１４との間に形成され得る。ｐ側導波路層１５は、ｐ型クラッド層２０と発光層１４との間に形成され得る。ｎ側導波路層１３とｐ側導波路層１５の膜厚比は、発光層１４への光閉じ込めと、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層２０のＡｌ組成によってさまざまに取りうる。ｎ側導波路層１３とｐ側導波路層１５のＡｌ組成は膜厚方向において均一であることが好ましいが、この限りではない。ｐ型コンタクト上に存在する金属への光吸収を回避するために、ｐ側導波路層１５のＡｌ組成がｎ側導波路層１３のＡｌ組成より高い可能性がある。同様の目的で、ｐ側導波路層１５の膜厚がｎ側導波路層１３の膜厚より厚い可能性がある。ｎ側導波路層１３は、ｎ型クラッド層１２と同じ伝導型を得る目的などからＮの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。
【0073】
ｎ側導波路層１３とｎ型クラッド層１２の中間に、縦伝導率を向上させる目的などから、Ａｌ組成ｗが、基板１１の上面から遠ざかる方向において、減少するようなＡｌｗＧａ１－ｗＮから成る組成傾斜層を設けることができる。ｎ側導波路層１３とｎ型クラッド層１２の中間層は、１０ｎｍ以下の膜厚であることが好ましい。
【0074】
ｐ側導波路層１５とｐ型クラッド層２０の中間に、縦伝導率を向上させる目的などから、基板１１の上面から遠ざかる方向へＡｌ組成ｘが増加するようなＡｌｘＧａ１－ｘＮから成る組成傾斜層を設けることができる。ｐ側導波路層１５とｐ型クラッド層２０の中間層は、導波路層への光閉じ込めを劣化させないために十分に薄い（例えば３０ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以下の）膜厚であることが好ましい。
【0075】
ｐ側導波路層１５の内部又はｐ側導波路層１５と発光層１４の中間、又はｐ側導波路層１５とｐ型縦伝導層１６の中間、又はｐ側導波路層１５の一部において、バンドギャップがｐ側導波路層１５より大きい電子ブロック層を設けることができる。電子ブロック層は、電子ブロック層を正孔が量子貫通しやすいように、３０ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以下とすることができる。
【0076】
（発光層）
発光層１４は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層によって直接又は間接的に挟まれた単数又は複数の量子井戸であり得る。量子井戸の数は、ｎ型クラッドとｐ型クラッドの縦伝導率によって、３又は２、又は１であり得る。
発光層１４は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層によって直接又は間接的に挟まれた単数又は複数の量子井戸であり得る。量子井戸の数は、ｎ型クラッドとｐ型クラッドの縦伝導率によって、３又は２、又は１であり得る。
【0077】
発光層１４の結晶欠陥の影響を低減する目的などから、発光層１４の一部又は全てがＳｉ，Ｓｂ，Ｐなどの元素が１×１０１５ｃｍ－３以上意図的に混入されてよい。
【0078】
（ｐ型コンタクト層）
ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型クラッド層２０上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体であってよい。コンタクト抵抗を低減するなどの目的において、Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。例えばＭｇを１×１０２０～１×１０２２ｃｍ－３混入させることができる。
ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型クラッド層２０上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体であってよい。コンタクト抵抗を低減するなどの目的において、Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。例えばＭｇを１×１０２０～１×１０２２ｃｍ－３混入させることができる。
【0079】
レーザーダイオード１に対する電気的接触は、ｐ型コンタクト層１８上に配置された電極部によって、及び、ｎ型クラッド層１２に接触するように配置された電極部によって行うことができる。例えば、基板１１の裏側に電極部を配置するか、又は、ｐ型コンタクト層１８近傍の１つ以上の領域において、ｎ型クラッド層１２が露出するようにレーザーダイオード１の様々な上部の層を、例えば化学エッチング又はドライエッチングによって除去し、露出したｎ型クラッド層１２上に電極を配置することで成し得る。
【0080】
（電極部）
ｐ型コンタクト層１８上に配置される電極部は、Ｎｉ，Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。
ｐ型コンタクト層１８上に配置される電極部は、Ｎｉ，Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。
【0081】
ｎ型クラッド層１２、又は基板１１の裏面に配置される電極部は、Ｖ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。基板１１に接触する金属層はＶ又はＴｉを含む金属であることが好ましい。
【実施例】
【0082】
［実施例１］
実施例１として、以下に示す窒化物半導体レーザーダイオードを備える光学装置が作製された。レーザーダイオードの作製にはＭＯＣＶＤ、また、原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などが用いられた。単結晶ＡｌＮ基板１１の（０００１）面に対して０．１°～０．３°傾斜した面上に、ＴＭＡ、ＮＨ３を１２００℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、０．２μｍのＡｌＮから成るホモエピタキシャル成長層が形成された。
実施例１として、以下に示す窒化物半導体レーザーダイオードを備える光学装置が作製された。レーザーダイオードの作製にはＭＯＣＶＤ、また、原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などが用いられた。単結晶ＡｌＮ基板１１の（０００１）面に対して０．１°～０．３°傾斜した面上に、ＴＭＡ、ＮＨ３を１２００℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、０．２μｍのＡｌＮから成るホモエピタキシャル成長層が形成された。
【0083】
ＡｌＮから成るホモエピタキシャル成長層上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、ＡｌＧａＮ中間層と、ｎ型クラッド層１２と、がこの順序で積層された。ＡｌＧａＮ中間層は、３０ｎｍの膜厚を有し、基板１１の上面から遠ざかる方向にＡｌ組成が１．０から０．７１まで一様に減少する。ｎ型クラッド層１２は、０．３５μｍの膜厚を有し、５×１０１９ｃｍ－３のＳｉによってドープされたＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの層である。ＡｌＮホモエピタキシャル成長層、中間層及びｎ型クラッド層１２は、０．３～０．６μｍ／ｈの速度で形成されることによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。
【0084】
ｎ型クラッド層１２上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、ｎ側導波路層１３と、発光層１４と、がこの順序で積層された。ｎ側導波路層１３は、６０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ｎから成る。発光層１４は、総膜厚３０ｎｍの多層量子井戸層から成る。発光層１４の障壁層の一部の形成中に、ＳｉＨ４を原料として導入することによって、３×１０１９ｃｍ－３のＳｉがドープされた。さらに、発光層１４上に５０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．６２Ｇａ０．３８Ｎから成るｐ側導波路層１５が形成された。ｎ側導波路層１３、発光層１４及びｐ側導波路層１５は、０．４μｍ／ｈの速度で形成されたことによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。
【0085】
ｐ側導波路層１５上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、２０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に０．６２から１．０まで一様に増加するＡｌＧａＮ中間層と、０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．３まで減少させたｐ型縦伝導層１６と、がこの順序で積層された。ｐ型縦伝導層１６は、０．３～０．５μｍ／ｈの速度で形成されたことによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。また、ｐ型縦伝導層１６は、全ての領域がアンドープの状態である。
【0086】
ｐ型縦伝導層１６上に、３ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．４５Ｇａ０．０５Ｎから成るｐ型横伝導層１７が形成された。さらに、１０５５℃の状態でＴＭＡ、ＴＭＧ原料の供給を停止し、Ｃｐ２Ｍｇの供給のみを行った状態を１０分間以上保持（アニール）することによって、ｐ型横伝導層１７が１×１０２０ｃｍ－３のＭｇによってドープされたＡｌ０．９７Ｇａ０．０３Ｎ層に変質した。このような手順で変質させることによって、ｐ型横伝導層１７は基板１１に対して完全歪であるように形成された。ここで、ｐ型縦伝導層１６とｐ型横伝導層とが併せてｐ型クラッド層２０をなす。
【0087】
（００２）面のＸＲＤ測定を行ったところ、ｐ型横伝導層１７のＡｌ組成の分散は、レーザーダイオード１の領域に相当する領域範囲において３．５％であった。ｐ型横伝導層１７は、複数の位置において、透過電子顕微鏡の＜１１－２０＞方向の透過像によって原子配列を確認したところ、基板１１に対して完全歪であった。
【0088】
ｐ型横伝導層１７上に、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３を９４０℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、膜厚２０ｎｍであって、５×１０２０ｃｍ－３のＭｇによってドープされたＧａＮから成るｐ型コンタクト層１８が形成された。
【0089】
上記のように作製された窒化物半導体のレーザーダイオード１は、Ｎ２雰囲気中、７００℃で１０分以上アニーリングを行うことによって、ｐ型層を更に低抵抗化した。
【0090】
Ｃｌ２を含むガスによりドライエッチングを行うことによって、＜１－１００＞方向に平行であって、＜１－１００＞方向に長い矩形の領域内において、ｎ型クラッド層１２が露出した。さらに、窒化物半導体のレーザーダイオード１の表面にＳｉＯ２を含むパッシベーション層が形成された。
【0091】
ｐ型コンタクト層１８上に、＜１－１００＞方向に平行であって、＜１－１００＞方向に長い矩形のＮｉ又はＡｕを含む電極金属領域（ｐ型電極）が複数形成された。また、ｎ型クラッド層１２が露出した領域において、＜１－１００＞方向に平行であって、＜１－１００＞方向に長い矩形のＶ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ又はＡｕから成る電極金属（ｎ型電極）が複数形成された。
【0092】
次に、ＰＥＣＶＤ法で堆積した５００ｎｍのＳｉＯ２をマスクとして、ＵＬＶＡＣ社製のＩＣＰ－ＲＩＥ装置（ＣＥ－Ｓ）を使用し、Ｃｌ２とＢＣｌ３雰囲気中でｐ型コンタクト層から深さ方向に１．２μｍドライエッチングが行われた。ＡｌＧａＮ層の（１－１００）面に沿ったドライエッチングがなされ、共振器端面を含む長さ４００μｍ、幅１００μｍのメサ構造が形成された。このとき、共振器端面はＡｌＮ基板の（０００１）面に対して６０度の傾斜を有していた（図５（ａ））。
【0093】
ついで、８０℃のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液（濃度２５％）中に７．５分浸漬し、ウェットエッチングが行われた。その結果、ＡｌＮ基板の（０００１）面に対して略垂直（９１．５度）なミラー端面が形成された（図５（ｂ））。
【0094】
続いて、Ｖｅｅｃｏ／ＣＮＴ社製のＡＬＤ装置（Ｆｉｊｉ Ｇ２）を用いたアトミックレイヤーデポジション法にて、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の積層膜からなる光反射層が形成された。積層膜は、メサ構造の側面側から４１ｎｍの酸化ハフニウムと２２ｎｍの酸化アルミニウムが交互に４．５周期堆積した構造とした。
【0095】
ここで、本実施例に先立ち、同一構造の光反射層をサファイア基板上に形成し、反射率を測定したところ、図６に示すように、波長２７５ｎｍで最大の反射率が約８０％となっており、理論値と一致していることが確認された。
【0096】
図７はレーザーダイオードの共振器端面を含む断面ＴＥＭ像である。本実施例の方法で得られた光反射層は、メサ構造の側面を均一に被覆していることがわかる。すなわち、Ｏｎ－Ｗａｆｅｒで共振器端面を含むメサ構造の側面に均一な光反射層を形成することが可能であることが理解される。
【0097】
図８は作製したレーザーダイオードの電流－電圧（Ｉ－Ｖ）及び順方向パルス電流に対する端面発光強度（Ｉ－Ｌ）特性である。端面発光強度は、光電子増倍管によって検出した。電流経路がｐ電極直下の領域に制限されていると仮定した場合の電流密度である２０ｋＡ／ｃｍ２に対応する、順方向電流が０．３Ａを超えたあたりで非線形な端面発光強度の立ち上がりがみられ、エッチング法とＡＬＤ法を用いてミラー端面を形成したＬＤの室温パルス電流下での発振が観察された。２７８．９ｎｍの波長に先鋭なスペクトルピークが出現した。図８の挿入図は、順方向電流が０．３７Ａの時の分光器で測定したスペクトルである。また、閾値電流における駆動電圧は１３．８Ｖであった。
【0098】
［実施例２］
実施例１におけるエッチング工程において、レーザーダイオード１に加えて光検出器２のメサ構造が形成された。図９は実施例２におけるレーザーダイオード１と光検出器２を備える光学装置の１つの繰り返し単位を抜き出した模式図である。図９の構造を繰り返し単位として複数のレーザーダイオード１及び光検出器２が作製された。
実施例１におけるエッチング工程において、レーザーダイオード１に加えて光検出器２のメサ構造が形成された。図９は実施例２におけるレーザーダイオード１と光検出器２を備える光学装置の１つの繰り返し単位を抜き出した模式図である。図９の構造を繰り返し単位として複数のレーザーダイオード１及び光検出器２が作製された。
【0099】
図中、６１はｐ型電極である。また、６２はｎ型電極である。レーザーダイオード１と光検出器２の半導体積層部の構造は同一としている。ここで、光検出器側の構造の符号はレーザーダイオード１と対応するものに「´」を付している。また、図示していないが、ｐ型電極及びｎ型電極の外部とのコンタクト用の領域を除いて全表面及び共振器端面を含む全側面に実施例１と同様の光反射層が形成された。
【0100】
レーザーダイオード１のメサ構造の長辺の長さＬ１は４００μｍとした。また、短辺の長さＷ１は１００μｍとした。光検出器２のメサ構造の長さＬ２は５０μｍとした。レーザーダイオード１と光検出器２の距離Ｌ３は１６μｍとした。レーザーダイオード１の共振器端面側の側面は、底面反射の影響を緩和するために、基板１１（１１´）が露出するまでエッチングを行った。
【0101】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【0102】
特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【0103】
１ レーザーダイオード
２ 光検出器
１１ 基板
１２ ｎ型クラッド層
１３ ｎ側導波路層
１４ 発光層
１５ ｐ側導波路層
１６ ｐ型縦伝導層
１７ ｐ型横伝導層
１８ ｐ型コンタクト層
２０ ｐ型クラッド層
３０ 半導体積層部
４０ メサ構造
４１ 共振器端面
５０ 光反射層
５１ 光反射層
６１ ｐ型電極
６２ ｎ型電極
２ 光検出器
１１ 基板
１２ ｎ型クラッド層
１３ ｎ側導波路層
１４ 発光層
１５ ｐ側導波路層
１６ ｐ型縦伝導層
１７ ｐ型横伝導層
１８ ｐ型コンタクト層
２０ ｐ型クラッド層
３０ 半導体積層部
４０ メサ構造
４１ 共振器端面
５０ 光反射層
５１ 光反射層
６１ ｐ型電極
６２ ｎ型電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】