JP2004281431A - Nitride semiconductor laser element - Google Patents

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JP2004281431A
JP2004281431A JP2003066593A JP2003066593A JP2004281431A JP 2004281431 A JP2004281431 A JP 2004281431A JP 2003066593 A JP2003066593 A JP 2003066593A JP 2003066593 A JP2003066593 A JP 2003066593A JP 2004281431 A JP2004281431 A JP 2004281431A
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electrode
layer
nitride semiconductor
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ridge
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JP2003066593A
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Yasunobu Sugimoto
康宜 杉本
Akinori Yoneda
章法 米田
Motonobu Takeya
元伸 竹谷
Shiro Uchida
史朗 内田
Masao Ikeda
昌夫 池田
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Nichia Chemical Industries Ltd
Sony Corp
Original Assignee
Nichia Chemical Industries Ltd
Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor laser element in which the contact resistance between the electrode and the semiconductor layer is small and, in addition, the adhesion between the electrode and layer is good even when the laser element is driven by feeding a large current, and which has an extremely excellent adhesion and mechanical strength at the interface between an insulating film and the electrode and such laser element characteristics that light confinement is stable in the electrode in the striped direction of a ridge, and to provide a method of manufacturing the laser element. <P>SOLUTION: In this nitride semiconductor laser element, a ridge structure is formed in a laminated nitride semiconductor. This laser element is provided with an insulating film 113 formed in a state where the film 113 is extended from the side face of a ridge onto the flat surface of a continuously formed semiconductor layer and a p-side electrode 120 covering the top surface of the ridge and insulating film 113. The electrode 120 has a metal layer composed of the element of the platinum group in its area which is in contact with the insulating film 113 and a single crystal of the element of the platinum group in its interface which is in contact with the insulating film 113. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体を積層した半導体層を用いてリッジ構造を形成した窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、更に詳しくは、大電流駆動が可能であり、高出力の窒化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】
窒化物半導体を積層してなる半導体素子は、紫外線領域から緑色、更には赤色までの可視光領域に至る短波長域の光を発光する発光素子として期待されている。その中でも、半導体レーザ素子は、パーソナルコンピューターや情報記録媒体等の電子機器、医療機器、加工機器、または光ファイバ通信に用いる光源として、その用途は注目されている。
【０００３】
窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板やＧａＮ基板上に窒化物半導体を積層し、該積層体にリッジ構造を形成し、さらにｐ側電極とｎ側電極とを形成することで構成される。積層された窒化物半導体には、少なくとも電極とオーミック接触させるコンタクト層、光閉じ込め層として機能するクラッド層、また、レーザ光を発振させる活性層を備えている。
【０００４】
上述した窒化物半導体レーザ素子では、安定した動作を確保するために半導体層中のコンタクト層とオーミック接触させるオーミック電極が極めて重要となる。このようなオーミック電極には、主として仕事関数の大きい金属の単層膜や多層膜、或いは合金を用いている。例えば、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｐｔ、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ等の多層膜からなるオーミック電極が用いられてきた。尚、前記電極の多層膜は、Ｎｉ／Ａｕであれば、Ｎｉが下層、Ａｕが上層となる。「／」の前の材料が下側の層を構成し、「／」の後ろの材料が上側の層を構成する。以下においても同様とする。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２９９５２８号公報
【特許文献２】
特開２００２−３３５０４８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許２０００−２９９５２８号公報に開示された窒化物半導体レーザ素子には以下のような問題がある。
【０００７】
Ｎｉ／Ａｕ電極の場合には、該電極を形成した後、熱処理（アニール処理）工程を有する。ここで、熱処理とは、高温雰囲気下に一定期間保持することであって、Ｎｉ／Ａｕ電極を形成するには熱処理をしなければ、オーミック特性を得ることが難しい。そのため、該電極材質を用いる場合には熱処理は必須工程となる。
【０００８】
しかしながら、図５に示すように、半導体層２とのオーミック特性を得るために電極４を熱処理することによって、電極４の上側層であるＡｕ電極の表面が荒れてしまい、クレーター状の穴が発生する。これでは、リッジ部２ａのストライプ方向における電極での光閉じ込めが不安定となる。また、パッド電極（不図示）との界面で抵抗が高くなる場合があり、大電流駆動をすることは難しい。
【０００９】
またＰｄ／Ｐｔ電極やＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ電極は、特開２００２−３３５０４８号公報等に記載があるが、このような電極では、窒化物半導体との密着性が十分ではないため動作時に電極自体が剥れてしまう。これでは、大電流駆動の半導体レーザ素子を形成するどころか、安定した寿命特性すら実現できない。
【００１０】
そこで、本件発明は上記問題を鑑み、大電流を投入した駆動時においても電極と半導体層との接触抵抗が低く、且つ密着性もよく、更に絶縁膜と電極との界面において、密着性や機械的強度に極めて優れており、リッジのストライプ方向における電極での光閉じ込めが安定であるレーザ素子特性を有する窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明における窒化物半導体レーザ素子は、積層された窒化物半導体にリッジ構造を形成している窒化物半導体レーザ素子であって、前記リッジ側面から連続する半導体層の平面上に延在して形成されている絶縁膜、前記リッジ上面と絶縁膜とを被覆している電極、を備えており、前記電極は、絶縁膜と接している領域には白金族元素から成る金属層を備えており、且つ絶縁膜と接している界面には白金族元素の単結晶が存在していることを特徴とする。
【００１２】
エッチング等によりリッジを形成することで、図５に示すように、リッジ上面Ｒｓ、リッジ側面Ｒｔ、そして新たに露出した半導体面Ｆを備えた窒化物半導体レーザ素子は、リッジ上面Ｒｓには電極が接触するため、窒化物半導体層のリッジ上面Ｒｓと電極との界面（以下、界面Ｂｓと呼ぶ。）での密着性と接触抵抗がレーザ素子特性に大きな影響を及ぼす。
【００１３】
本発明におけるリッジ構造の窒化物半導体レーザ素子では、絶縁膜をリッジ側面等に形成している。この絶縁膜と半導体層との屈折率差によって、絶縁膜は横方向の実効屈折率差Δｎを生じさせて光閉じ込めを行っている。また、絶縁性を特性に有するのは、リッジ上面のみを電流投入領域とするための狭窄層としても機能させるためである。
【００１４】
前記絶縁膜はリッジ側面から連続する半導体層の平面上に延在して形成されているとは、絶縁膜がリッジ側面と露出した半導体面とに密着形成されていることを意味する。前記リッジ上面と絶縁膜とを被覆している電極とは、該電極がリッジ上面ａ及び絶縁膜と密着形成されていることを意味する。この絶縁膜と電極とが密着形成された界面（以下、界面Ｂｔと呼ぶ。）での密着性が不充分であれば、動作時の電極剥れが生じる等の理由により安定した寿命特性が得られない。また絶縁膜と電極との密着性が不充分であれば、リッジのストライプ方向における電極での光閉じ込めが不安定となる。これらの問題は電極と窒化物半導体層との界面でも同様である。そのため本発明における窒化物半導体レーザ素子では、電極構成においては界面Ｂｓにおける密着性も向上させるものである。
【００１５】
本願発明では、界面Ｂｔでの密着性の向上を実現させ、界面Ｂｓでの密着性や光閉じ込めを安定させることを目的として窒化物半導体レーザ素子を形成している。
【００１６】
前記電極は、絶縁膜と接している領域には白金族元素から成る金属層を備えている。これは、白金族元素が酸化、合金化といった変質をおこしにくいため熱処理後も安定であり、窒化物半導体と安定な界面を形成することができるからである。更に前記界面Ｂｔは絶縁膜と電極との界面であって、該接触界面の電極材料は白金族元素からなる金属層であって、単結晶が存在している。界面Ｂｔにおいて、絶縁膜の表面に形成される金属層は、本来多結晶であるから、金属層内での白金族元素の原子間の結合は不規則であって、その原子間の結合力は弱く、絶縁膜との密着性が悪い。
【００１７】
そのため、本願発明では、前記白金族元素からなる金属層に単結晶を存在させることで、白金族元素の原子間の結合力を向上させて、絶縁膜との密着性を高めたものである。
【００１８】
ここで、前記電極を構成している白金族元素からなる金属膜における白金族元素の単結晶の割合は特に限定しないが、１％以上、好ましくは５％以上であればよい。これは界面Ｂｔにおける数値とする。
【００１９】
白金族元素の単結晶を形成するには、熱処理を行うことである。前記電極の金属層の材料を白金族元素として熱処理を行うことで、界面Ｂｓにおける接触抵抗を下げることができる。これは白金族元素が熱処理によって酸化や合金化といった変質を起こさない安定な材質であるため、窒化物半導体と安定な界面を形成することができるからである。そのため、大電流駆動時に連続発振が可能な窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【００２０】
本発明の請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子において、前記絶縁膜は、電極で覆われている被覆領域と、電極から露出されている露出領域とを有することを特徴とする。窒化物半導体レーザ素子を形成後、フェイスアップ型の実装を行うのであれば、前記電極上にパッド電極を介してワイヤーボンディングを行う。またフェイスダウン型の実装を行うのであれば、前記電極上に共晶材料を設けて実装を行う。ここで、ワイヤーボンディングであっても、共晶をする場合であっても、共晶材料等のメタルが電極外に流出してくる。このメタルが半導体層の側面まで到達すれば、ショートが発生する可能性がある。
【００２１】
そこで、絶縁膜には、電極で覆われていない露出領域を形成しているのである。ワイヤーボンディング材（例えば、Ａｕ線）等は濡れ性が悪く、電極から外に延びやすいが、絶縁膜上では止まる。そのため、該絶縁膜の露出領域を有することが好ましい。
【００２２】
本発明の請求項３に記載の窒化物半導体レーザ素子において、前記絶縁膜は、酸化膜、窒化膜又はＭｇＦであることを特徴とする。これは、絶縁膜の露出領域でメタルの流出を止めるには、酸化膜や窒化膜が効果的だからである。酸化膜の一例としては、ＺｒＯ２、窒化膜はＡｌＮがあるが、それ以外にＭｇＦがある。ＭｇＦは絶縁性と密着性を兼ね備えた材質であり、絶縁膜としては好ましい。
【００２３】
本発明の請求項４に記載の窒化物半導体レーザ素子において、前記電極は、少なくとも２層以上からなる多層構成を有し、該電極の最上層が白金族元素から成ることを特徴とする。
【００２４】
電極の最上層が白金族元素であれば熱処理時における電極表面の変質を防ぐ作用がある。これは白金族元素が反応しにくい安定な材料であるからである。更に白金族元素は触媒作用も有しており、Ｏ２の介入を妨げることが無いため安定したオーミック特性を得ることも可能である。また、光の閉じ込めを安定するには熱処理時においてもクレーター等が発生せず全体的に安定な層構造（リッジストライプ方向に対して同じ屈折率差Δｎを有している）であるのがよい。そのため、白金族元素を用いれば、クレーター等の発生がなく全体的に安定な光閉じ込めが可能であるため好ましい。
【００２５】
前記電極を構成する半導体との界面にある金属層は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕから成る群から選択された少なくとも１種類の白金族元素から成ることを特徴とする。
【００２６】
また、前記電極を構成する最上層の金属層は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕから成る群から選択された少なくとも１種類の白金族元素から成ることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、積層された窒化物半導体にリッジ構造を形成している窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、前記積層された窒化物半導体をエッチングしてリッジ構造を形成し、該リッジ側面から連続する半導体層平面上に延在して絶縁膜を形成する工程と、前記リッジ上面と、絶縁膜の少なくとも一部と、を被覆する電極であって、該電極は、絶縁膜と接している領域には少なくとも白金族元素から成る金属層を備えて電極を形成する工程と、前記電極を形成した後、前記窒化物半導体を熱処理する工程、を具備することを特徴とする。
【００２８】
絶縁膜を形成後に、電極を形成するが、該電極は半導体層との界面Ｂｓにおける接触抵抗が低い材質であって、剥れ等がない安定材料が望まれる。そこで、リッジ上面と、絶縁膜の少なくとも一部を被覆しており、且つ電極の第１層には白金族元素から成る金属層を備えて熱処理を施すことによって、安定した界面とオーミック特性が得られる。このような構造と方法を用いれば熱処理により前記界面Ｂｓおよび界面Ｂｔの密着性を向上することが可能となる。また、界面Ｂｔは界面Ｂｓと連続しているため、前記絶縁膜と白金族元素から成る金属層との界面Ｂｔの密着性を向上させることは前記界面Ｂｓにおける密着性を安定させることにもつながる。
【００２９】
そこで、前記電極を形成した後、窒化物半導体を熱処理することで、絶縁膜と白金族元素から成る金属膜との界面Ｂｔにおける密着性を向上させるのである。熱処理温度は、３００℃以上であればよく、雰囲気は窒素もしくは酸素を含む雰囲気としてあればよい。以上の条件で熱処理をすることで白金族元素から成る同一金属材料における結晶同士の結合力が強くなり、単結晶が存在する電極となり、絶縁膜また窒化物半導体層との密着性を向上させているのである。
【００３０】
本発明の請求項８に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、前記電極は、少なくとも２層以上からなる多層構成であって、リッジ上面と絶縁膜とに接する第１の金属層、かつ該電極の最上層である第２の金属層が白金族元素から成ることを特徴とする。第１層は主に窒化物半導体層とのオーミック界面を得るための役割を目的とし、第２層は第１層の作用を阻害しようとする周りの雰囲気を防ぐためのキャップ作用を有している。
【００３１】
本発明の請求項９に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、前記積層された窒化物半導体は、第１コンタクト層、第１クラッド層、活性層を有し、該活性層上に、第２クラッド層、第２コンタクト層を順に備えた構成であって、リッジ構造の形成時には少なくとも第２クラッド層までエッチングされていることを特徴とする。
【００３２】
ここで、第１コンタクト層とは、ｎ側コンタクト層であっても、ｐ側コンタクト層であってもよい。第１クラッド層、第２クラッド層、第２コンタクト層についてもｎ側、ｐ側を限定しない。本発明の窒化物半導体は上記層構成を少なくとも備えているものであって、前記層間に他の機能を有する層、例えばクラック防止層や光ガイド層を介してもよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の構成について以下に説明するが、本発明は、以下に示す実施の形態に示される窒化物半導体レーザ素子構造に限定されるものではない。
【００３４】
本実施形態における窒化物半導体レーザ素子は、積層された窒化物半導体にリッジ構造を形成している窒化物半導体レーザ素子であって、リッジ側面に設けられた絶縁膜およびリッジ凸部に設けられた電極の密着性に優れ、且つ半導体層とオーミック接触させる界面での抵抗の低い電極構造とするものである。
【００３５】
（電極１２０，１３０）
本発明における電極は、ｐ側電極１２０、ｎ側電極１３０に限定しない。そのため、窒化物半導体レーザ素子のｐ側電極１２０とｎ側電極１３０の両方に設けても良く、どちらか一方でもよい。図２は、ｐ側電極１２０について例示しているが、ｎ側電極１３０についても本発明は同様に適用可能である。
【００３６】
該電極１２０は、金属層を少なくとも２層以上積層した多層構成としており、具体的には半導体層（窒化物半導体）と接した界面にある金属層１２１は、白金属元素からなる（図２）。単一元素から成る金属層に限らず、白金族元素における同族元素で構成された合金化層（Ｒｕ−Ｏｓ層、Ｒｈ−Ｉｒ層、Ｐｄ−Ｐｔ層）であってもよい。前記電極１２０を多層構成とする場合、白金属元素からなる金属層１２１上には、中間層１２２として多層膜又は合金膜としてもよい（図２）。好ましくは、前記電極を構成する最上層の金属層１２３は白金族元素から成ることである。以上より、本発明の電極１２０は、金属膜１２１からなる単層構成、金属膜１２１／中間層１２２／最上層の金属膜１２３からなる３層構成、あるいは金属膜１２１／最上層の金属膜１２３からなる２層構成をとることができる。
【００３７】
電極１２０の金属膜１２１は、白金族元素からなる。白金族元素は安定材料であって、それ自身が変質しにくいため半導体層とのオーミック接触が可能であり、また窒化物半導体との密着性もよい。しかしながら、絶縁膜１１３との密着性は必ずしも良くなく、特に、酸化物系の絶縁膜とは密着性が低く、前記界面Ｂｔで剥がれが生じやすいという性質を有する。そこで、本発明では熱処理工程で前記金属層１２１と絶縁膜１１３との密着性を向上させる。
【００３８】
電極１２０の中間層１２２は、上下を安定な白金属元素からなる金属層１２１、最上層１２３で挟まれているため、金属層１２１等と同一の白金属元素からなる材料に限定されず、白金属元素と異なる材料であっても構わない。中間層１２２には金属層１２１として用いることができない材料であっても、白金族元素から成る金属層１２１，１２３に挟まれることで安定となり、電極特性を向上させる材料等を用いることもできる。中間層１２２として好ましい材料としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｖ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ｚｒ及びこれらの酸化物、窒化物等を用いた単層膜、或いは多層膜とすることができる。
【００３９】
中間層１２２は、白金族元素からなる金属層１２１、最上層１２３との界面に最適な材料を配して前記金属層１２１と最上層１２３との特性を落とさずに機能分離をするものである。また白金族元素系の層だけでは十分ではない特性を補う層として機能させることができる。例えば、中間層１２２を介在させることで電極の膜厚を厚くして放熱性を向上させることができる。該電極を３層以上の多層膜とすることで、単一組成の層で膜厚を厚くする場合に比べて応力を緩和させることもできる。特に、ＬＤのリッジに形成される電極（例えば、ｐ側電極１２０）は、極めて幅の狭い領域に形成され、しかも、その膜質によりリッジにかかる負荷が大きく左右されるが、多層構造としてリッジにかかる応力を緩和することで信頼性に優れたＬＤ特性を得ることができる。また、光吸収係数を変化させることができるため、光学特性を制御することもできる。
【００４０】
電極１２０を形成後の最上層１２３の表面は、熱処理時に外気に曝露されているため、外気とも反応することになる（図２）。但し、最上層１２３が上記のような白金族元素系の層であると、外気と反応しにくく、特に、絶縁性の高い酸化物を形成しにくい。そのため最上層１２３は、該電極１２０上に接して形成されるパッド電極１４０との界面に不純物が存在しにくい構造となり、安定した駆動特性を可能とする。
【００４１】
また最上層１２３が白金族元素からなる層であるため、該最上層１２３には触媒作用がある。その触媒作用によって、系外への酸素の移動を金属層１２１や中間層１２２と最上層１２３との界面付近で行うことができる。これにより、最上層１２３の内部反応や、金属層１２１と半導体層との反応に関与する酸素（外気）を適正な量に制御して、電極層内の界面を安定にすることができる。このように、表面に形成される白金族元素の最上層１２３は、熱処理時に下層の合金化を安定に行うためのキャップ層として作用する。更に白金族元素からなる最上層１２３は、パッド電極１４０と安定した界面を形成する。しかしながら、絶縁膜１１３との密着性は必ずしも良くなく、特に、酸化物系の絶縁膜とは密着性が低く、剥がれやすいという性質を有する。
【００４２】
例えば、半導体層の上に、Ｐｄから成る金属層１２１、Ｎｉ／Ａｕからなる中間層１２２、Ｐｔからなる最上層１２３とからなる電極１２０とする。該電極１２０の構成であれば、金属層１２１が白金族元素のＰｄであるため界面Ｂｓにおける熱変質を低減して、信頼性に優れた素子とすることができ、また、中間層１２２の上に設けられる最上層１２３上の白金族元素層によって、酸素の介在確率の極めてすくない界面をパッド電極１４０との間に形成し、低抵抗な電極構造とすることができる。
【００４３】
電極１２０，１３０を多層構造にする場合の好ましい組み合わせとしては、Ｐｄ／Ｐｔ、Ｉｒ／Ｐｔ、Ｒｕ／Ｐｔ、Ｒｒ／Ｐｔ、Ｏｓ／Ｒｕ、Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ、Ｐｔ／Ｎｉ／Ｐｔ、Ｐｔ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｐｄ／Ａｕ／Ｒｈ、Ｒｈ／Ｎｉ／Ｖ／Ｉｒ等を挙げることができる。
【００４４】
電極１２０，１３０を構成する膜厚としては、多層構成としても総膜厚では３００Å〜１００００Å、好ましくは３００Å〜５０００Åとする。総膜厚を３００Å〜５０００Åとすることで、シート抵抗を低くすることができる。
【００４５】
電極１２０と界面Ｂｓを形成する半導体層（窒化物半導体）をｐ型窒化物半導体層とすれば、該半導体層の最上層はｐ型コンタクト層１１２となる。ｐ型コンタクト層１１２上に形成される金属層１２１の膜厚としては、１００Å〜５０００Åが好ましく、更に好ましくは５００Å〜３０００Åであり、特に好ましくは１０００Å〜２５００Åである。金属層１２１の膜厚が上記範囲内を外れると、オーミック特性が損なわれるので好ましくない。最上層１２３の膜厚は１００Å〜５０００Åが好ましい。この範囲であれば、最上層１２３はキャップ作用と触媒作用を有するからである。また中間層１２２の膜厚は、電極１２０の総膜厚から金属層１２１、最上層１２３の膜厚を除いた膜厚範囲内であれば、特に限定されない。
【００４６】
これらの電極材料は、熱処理を行うことで、合金化されると共に、半導体層と良好なオーミック接触を得ることができ、また絶縁膜１１３との界面Ｂｔにおける密着性も向上する。熱処理温度としては、３５０℃〜１２００℃の範囲が好ましく、更に４００℃〜７００℃が好ましく、特に好ましくは４５０℃〜６５０℃の範囲である。
【００４７】
上記以外の熱処理の条件としては、雰囲気ガスを酸素、及び／又は窒素を含有する雰囲気とする。そのため、不活性ガス、例えばＡｒを含有する雰囲気や大気条件での熱処理も可能である。
【００４８】
絶縁膜１１３の材料としては上記Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＳｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂの酸化物、ＢＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮを用いることが特に好ましい。また、絶縁膜１１３の膜厚としては、具体的には、１００Å以上１μｍ以下の範囲、好ましくは５００Å以上５０００Å以下の範囲とすることである。なぜなら、絶縁膜１１３の膜厚が１００Å未満であると、電極の形成時に、十分な絶縁性を確保することが困難だからである。また、１μｍ以上であると、絶縁膜にクラックが発生して膜の均一性が失われ、良好な絶縁膜とならないからである。また、前記好ましい膜厚の範囲にあることで、絶縁膜１１３はリッジ側面Ｒｔから半導体層の表面Ｆにおいて、リッジとの間に屈折率差を安定させた均一な膜質で形成される。
【００４９】
また、半導体層と接する電極１２０，１３０とは別に、ワイヤをボンディングさせるための引き出し用の電極としてパッド電極１４０，１４１が各電極上に設けられている。絶縁性の基板１０１を用いている場合はｐ側電極１２０とｎ側電極１３０が同一面側に設けられているので、その両方にパッド電極１４０，１４１が設けられる。ｎ側電極１３０の場合は、比較的オーミック接触させやすいので、オーミック電極を取り出し用の電極としてワイヤを設けたり、或いはパッド電極を直接半導体層に形成することも可能である。また、パッド電極の上に、ワイヤではなく、外部電極等と接続させるためのメタライズ層を形成させることで、フェイスダウンでも用いることができる。
【００５０】
パッド電極１４０は、電極１２０と動作部において接するように形成されていればよく、それぞれの全面において接続されていなくてもよい。レーザ素子は電極１２０とパッド電極１４０とがリッジ上部で接合されるようにすることで、界面抵抗による動作電圧上昇を抑制することができる。電極よりも後工程で設けられるオーミック電極は、その底面全面と電極とが接するように形成してもよく、或いは、その一部が電極の上に形成され、他の部分が半導体層上若しくは絶縁膜１１３上に接するように設けてもよい。
【００５１】
また、ｎ側及びｐ側のパッド電極１４０，１４１の電極材料としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ、及びこれらの酸化物、窒化物等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。最上層はワイヤ等を接続させるのでＡｕを用いるのが好ましい。そして、このＡｕが拡散しないようにその下層には拡散防止層として機能する比較的高融点の材料を用いるのが好ましい。
【００５２】
パッド電極１４０を多層構成する場合に、電極１２０の最上層ｃをＰｔとすれば、パッド電極１４０の最初の層にＰｔを用いることが好ましい。電極１２０の最上層１２３とパッド電極１４０の最初の層に同一材料を用いることで、電極とパッド電極間の界面抵抗が発生することを抑制し、優れた密着性を実現できるからである。パッド電極１４０，１４１の膜厚としては、総膜厚として１０００Å〜２００００Åが好ましく、更に好ましくは５０００Å〜１５０００Åの範囲である。
【００５３】
窒化物半導体レーザ素子では、半導体層に形成されるリッジのストライプ方向においては、電極はストライプ状の導波路領域と平行になるようストライプ状に形成するのが好ましいが、これに限られるものではない。すなわち、電極の形状がストライプ状でなくても、半導体層との接触領域がストライプとなるように形成されていればよい。また、ストライプと平行な方向の導波路領域の全領域に渡るように設けるのが好ましいが、電極形成時のフォトリソ工程や、後工程でのチップ化工程等を考慮して、端部から離間するようにするなど、好ましい大きさ及び形状を選択することができる。
【００５４】
また、本発明の電極構成であれば、電極やパッド電極が分解等をすることはない。リッジ上部を接続部とすることで、パッド電極に注入された電流を、該電極を介して効率よく半導体層に流すことができる。そのため、導波路領域への光の閉じ込めを安定にしてレーザ光のビーム形状を良好に維持することができ、閾値が安定になると共に、動作電圧も安定にすることができる。
【００５５】
リッジと垂直な方向においては、電極１２０はリッジ上部に形成されているのが必要である。また、電極１２０は、リッジから遠く離間する領域にまで形成しなくてもよく、リッジの幅と同一、或いは、それよりも大きい幅で形成させる。また、リッジの左右で同一長さとなるように形成するのが好ましい。また、ストライプの全領域に渡って、同一幅で形成するのが好ましい。
【００５６】
以上の構成（材料）により形成されたレーザ素子（図１）は、絶縁性に優れた素子とすることができるので、高出力時の信頼性に優れた素子とすることができる。
【００５７】
実施の形態１
図１は本発明の一実施形態を示す断面図であり、図２はリッジ構造および電極構造の一例を示す部分拡大図である。図３は、本発明に係る製造工程の一例を示す断面図である。基板１０１上に、ｎ型窒化物半導体層Ｑｎ、活性層Ｑａ、ｐ型窒化物半導体層Ｑｐが積層され、ｐ型窒化物半導体層Ｑｐにストライプ状のリッジが設けられた半導体レーザ素子（ＬＤ）である。リッジは、ｐ型窒化物半導体層Ｑｐの一部をエッチング等の手段により除去することで形成することができ、これにより実効屈折率型の導波路を形成することができる。リッジは、底面側の幅が広く上面に近づくに従ってストライプ幅が小さくなる順メサ形状に限らず、逆にリッジ底面に近づくにつれてストライプの幅が小さくなる逆メサ形状でもよく、また、積層面に垂直な側面を有するストライプであってもよく、これらが組み合わされた形状でもよい。また、ストライプ状の導波路は、その幅がほぼ同じである必要はない。また、このようなリッジを形成した後にリッジ表面に半導体層を再成長させた埋め込み型のレーザ素子であってもよい。
【００５８】
リッジの側面及びそのリッジから連続するｐ型窒化物半導体層Ｑｐの上面にかけて絶縁膜１１３が形成されている。リッジ上面Ｒｓ及び絶縁膜１１３の上面にはｐ側電極１２０が設けられている。また、ｎ型窒化物半導体層Ｑｎの上面にはｎ側電極１３０が設けられている。ｎ側電極１３０の上部に開口部を有する第２の絶縁膜１１４が、絶縁膜１１３の上部にまで連続するよう設けられている。ｐ型窒化物半導体層Ｑｐの上部には、第２の絶縁膜１１４及びｐ側電極１２０と接するｐ側のパッド電極１４０が設けられている。また、ｎ側電極１３０上にもｎ側のパッド電極１４１が設けられている。
【００５９】
ｐ側電極１２０は、絶縁膜１１３上を広く覆う領域に形成され、ｐ側電極１２０のリッジ以外から離間する領域の上の一部を被覆するよう第２の絶縁膜１１４が形成されている。そして、ｐ側のパッド電極１４０は、ｐ側電極１２０と第２の絶縁膜１１４との上に渡って形成されている。すなわち、本実施形態においては、ｐ側のパッド電極１４０は絶縁膜１１３とは接しないように設けられている。リッジの深さ（高さ）や絶縁膜１１３の光学特性によって、導波路領域への光の閉じ込めは変化するが、絶縁膜１１３を厚くすることでそれらを制御可能な場合は、ｐ側電極１２０の形成領域を大きくし、広い範囲に渡ってパッド電極１４０と密着させることで、熱が集中するのを抑制し、電極１２０とパッド電極１４０との間の接合層領域を大きくして、密着性に優れた電極とすることができる。
【００６０】
また、上記リッジのストライプ方向を共振器方向とするために、端面に設けられている一対の共振器面は、劈開又はエッチング等によって形成することができる。劈開で形成させる場合は、基板や半導体層が劈開性を有していることが必要であり、その劈開性を利用すると優れた鏡面を容易に得ることができる。また、劈開性がなくても、エッチングによって共振器面を形成させることができ、この場合はｎ電極形成面を露出させる際に同時に行うことで、少ない工程で得ることができる。また、リッジ形成と同時に形成することもできる。このように各工程と同時に形成させることで工程を少なくすることができるが、より優れた共振器面を得るためには、別工程を設けるのがよい。また、このように劈開やエッチングによって形成した共振器面は、活性層の発光波長を効率良く反射させるために、単一膜又は多層膜からなる反射膜を形成させることもできる。共振器面の一方は比較的高反射率の面からなり主として光を導波路領域内に反射する光反射側共振器面として、もう一方は比較的低反射率の面からなり主として外部に光を出射する光出射側共振器面として機能している。
【００６１】
本実施形態では、絶縁膜１１４はｐ側電極１２０を部分的に覆うように設けられている。ｐ側電極１２０の形成領域は、ｐ型窒化物半導体層Ｑｐの上面を広い範囲に渡って覆うように形成することができる。このとき、絶縁膜１１４と、ｐ側電極１２０との密着性が良好であれば問題はないが、密着性が悪い場合は、ｐ側電極１２０の形成領域を大きくすることで、剥がれやすくなるという問題が生じる場合がある。
【００６２】
絶縁膜１１３は、電流の注入領域をリッジ上面に限定するために設けているものであるが、導波路領域に近接して設けられているため光の閉じ込め効率にも作用するものであるので、むやみに膜厚を厚く形成することもできない。用いる絶縁膜材料によっては、膜厚を薄くする必要がある。絶縁膜１１３を薄く形成する場合は、絶縁性がやや弱くなる部分が存在することもあるが、そのような場合でも、本実施形態のようにｐ側のパッド電極１４０と絶縁膜１１３との間の、第２の絶縁膜１１４を比較的リッジに近い領域まで介在させることで、電流注入領域をリッジ近傍に制御することができる。
【００６３】
また、パッド電極１４０は、第２の絶縁膜１１４と接しないように形成することもできる。特に、フェイスダウンで用いる場合、パッド電極に熱が加わるが、その際に、体積が大きくなり、また、圧力が加わることでパッド電極材料が側面方向に流出しやすくなる。そのため、第２の絶縁膜１１４と離間させるようにすることで、ｐ側のパッド電極材料が側面方向に流出して短絡が生じるのを防ぐことができる。
【００６４】
絶縁膜１１３の材料としてはＳｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆ、Ｎｂの酸化物、ＢＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮを用いることが特に好ましい。
【００６５】
また、絶縁膜１１３の膜厚としては、具体的には、１０Å以上１００００Å以下の範囲、好ましくは１００Å以上５０００Å以下の範囲とすることである。なぜなら、１０Å以下であると、電極１２０の形成時に、十分な絶縁性を確保することが困難で、１００００Å以上であると、かえって保護膜の均一性が失われ、良好な絶縁膜とならないからである。また、前記好ましい範囲にあることで、リッジ側面において、リッジとの間に良好な屈折率差を有する均一な膜が形成される。
【００６６】
第２の絶縁膜１１４は、ｐ側電極１２０の、リッジ上部を除く全面に設けることができ、エッチングによって露出されたｐ型半導体層Ｑｐ及び活性層Ｑａの側部端面にも連続するように設けるのが好ましい。好ましい材料としては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でも特に好ましい材料として、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの単層膜または多層膜を挙げることができる。
【００６７】
【実施例】
以下、実施例として窒化物半導体レーザ素子について説明するが、本発明において、半導体層を構成するｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層のデバイス構造としては特に限定されず、種々の層構造を用いることができる。デバイスの構造としては、例えば後述の実施例に記載されているレーザのデバイス構造等が挙げられる。窒化物半導体の具体的な例としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、若しくはＩｎＮなどの窒化物半導体や、これらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、更には、これらにＢ、Ｐ、Ａｓ等が含まれるもの等を用いることができる。窒化物半導体の成長は、ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。
【００６８】
［実施例１］
（基板１０１）
基板１０１は、Ｃ面を主面とするサファイア基板を用いる。基板１０１としては特にこれに限定されるものではなく、必要に応じてＲ面、Ａ面を主面とするサファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板、ＧａＮ基板等種々の基板を用いることができる。
【００６９】
（バッファ層１０２）
次いで、温度を５００℃にしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＳｉドープのＧａＮよりなるバッファ層１０２を２００Åの膜厚で成長させる。
【００７０】
（下地層１０３）
バッファ層１０２を成長後、温度１０５０℃でアンドープのＧａＮ層を２．５μｍで成長させ、ＳｉＯ２よりなる保護膜を０．２７μｍの膜厚で形成する。このＳｉＯ２保護膜は、エッチングによりストライプ状の開口部（非マスク領域）を形成する。この保護膜は、ストライプ幅が６μｍでオリフラ面と略垂直（垂直から左右に±０．０１〜０．５°の範囲以内）な方向になるよう形成し、保護膜と開口部との割合は、６：１４となるようにする。次いで、アンドープのＧａＮ層を１５μｍの膜厚で成長させる。このとき、開口部上に成長されたＧａＮ層は、ＳｉＯ２上に横方向成長しており、最終的にはＳｉＯ２上方向でＧａＮが合わさるように成長されている。その他の下地層１０３としては、ＧａＮやＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層に凹凸を形成した後、その上に窒化物半導体層を横方向成長させたものでもよい。
【００７１】
（ｎ型コンタクト層１０４）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉドープのｎ−Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０４を第１コンタクト層として３．５μｍの膜厚で成長させる。このｎ型コンタクト層１０４の膜厚は２〜３０μｍであればよい。また、ｎ型コンタクト層１０４は２層構造として、最初の第１のｎ型コンタクト層をアンドープ層とし、次に第２のｎ型コンタクト層をｎ型不純物であるＳｉドープ層としてもよい。
【００７２】
（クラック防止層１０５）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＳｉドープのｎ−Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるクラック防止層１０５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層１０５は省略可能である。
【００７３】
（ｎ型クラッド層１０６）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．０９５ＮよりなるＡ層と、ＳｉをドープしたＧａＮよりなるＢ層をそれぞれ５０Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１１０回繰り返してＡ層とＢ層を交互に積層して総膜厚１．１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を第１クラッド層として成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌの混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【００７４】
（ｎ型光ガイド層１０７）
次に、前記クラッド層と同様の温度で原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０７を０．１５μｍの膜厚で成長させる。この層は、ｎ型不純物をドープさせてもよい。
【００７５】
（活性層１０８）
次に、温度を８００℃にして、原料にＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる井戸層を７０Åの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後にＳｉドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚で成長させて総膜厚５６０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０８を成長させる。
【００７６】
（ｐ型電子閉じ込め層１０９）
次に活性層と同様の温度で、Ｎ２雰囲気中で、ＭｇドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層１０９を３０Åの膜厚で成長させる。次いで、Ｈ２雰囲気中で、ＭｇドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層１０９を７０Åの膜厚で成長させる。
【００７７】
（ｐ型光ガイド層１１０）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１１０を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層１１０はアンドープとして成長させるが、Ｍｇをドープさせてもよい。
【００７８】
（ｐ型クラッド層１１１）
続いて、温度を１０５０℃、アンドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２ＮよりなるＡ層を８０Åの膜厚で成長させ、その上にＭｇドープのＧａＮよりなるＢ層を８０Åの膜厚で成長させる。これを２８回繰り返してＡ層とＢ層とを交互に積層させて、総膜厚０．４５μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｐ型クラッド層１１１を第２クラッド層として成長させる。ｐ型クラッド層１１１は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれも一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性がよくなる傾向にあるが、両方に同じようにドープさせてもよい。
【００７９】
（ｐ型コンタクト層１１２）
最後に１０５０℃でｐ型クラッド層１１１の上にＭｇドープのＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１２を第２コンタクト層として１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層１１２はｐ型のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≦０、ｙ≦０、ｘ＋ｙ≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすればｐ側電極１２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを７００℃でアニーリングして、ｐ型層Ｑｐを更に低抵抗化する。
【００８０】
（ｎ型半導体層露出）
以上のようにして窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウエハを反応容器から取り出し、図３（ａ）に示すように、最上層のｐ型コンタクト層１１２の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜Ｍ１を形成してＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてＣｌ２ガスによりエッチングし、ｎ側電極１３０を形成させるｎ型コンタクト層１０４の表面を露出させる。また、このとき、エッチングにより共振器面を形成させてもよい。ｎ型コンタクト層１０４の露出と同時に行うのが好ましいが、別工程で行うこともできる。
【００８１】
（リッジ形成）
次に、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のｐ型コンタクト層１１２のほぼ全面にＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ２）よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した後、保護膜の上に所定の形状のマスクをかけ、ＲＩＥ装置によりＣＨＦ３ガスを用いたフォトリソグラフィ技術によりストライプ状のＳｉ酸化物からなる保護膜を形成する。このＳｉ酸化物の保護膜をマスクとしてＳｉＣｌ４ガスを用いて半導体層１１１，１１２をエッチングする。リッジは、少なくともｐ型クラッド層１１１までエッチングされており、活性層１０８よりも上にリッジストライプが形成される。このとき、リッジの幅は１〜１５μｍの範囲であって、本実施例では１．６μｍとなるようにする。
【００８２】
（絶縁膜１１３）
ＳｉＯ２マスクを形成させた状態で、ｐ型半導体層表面にＺｒＯ２よりなる絶縁膜１１３を形成する。この絶縁膜１１３は、ｎ側の電極形成面をマスクして半導体層の全面に設けてもよい。また、後に分割され易いように絶縁膜１１３を形成させない部分を設ける。第１の絶縁膜１１３形成後、バッファード液に浸漬して、リッジストライプの上面に形成したＳｉＯ２を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ２と共に、ｐ型コンタクト層上（更にはｎ型コンタクト層上）にあるＺｒＯ２を除去する。これにより、図３（ｂ）に示すように、リッジの上面は露出され、リッジの側面はＺｒＯ２で覆われた構造となる。
【００８３】
絶縁膜１１３を形成後、ウエハを６００℃で熱処理する。このように、ＳｉＯ２以外の材料を絶縁膜１１３として形成する場合、絶縁膜１１３を形成した後に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することにより、絶縁膜１１３が後工程のマスク（主としてＳｉＯ２等）の溶解材料に対して溶解しにくくすることができる。
【００８４】
（ｐ側電極１２０）
次に、ｐ型コンタクト層１１２上のリッジ凸部及び絶縁膜１１３上にｐ側電極１２０をスパッタにより形成する。本実施例では、図２に示したように、ｐ側電極１２０を金属層１２１、中間層１２２、最上層１２３の３層構成とする。まず、ｐ型コンタクト層１１２との接触面には金属層１２１とオーミック接触を取るためにＰｄ（１００Å）で形成させる。次に中間層１２０としてＮｉ（３００Å）、最上層１２３としてＰｔ（１５００Å）を用いる。また、ｎ型コンタクト層１０４面にもｎ側のオーミック接触を取るためのｎ側電極１３０を形成させる。ｎ側電極１３０はＴｉ／Ａｌ（２００Å／８０００Å）からなり、リッジと平行で、かつ、同程度の長さのストライプ状に形成されている。
【００８５】
（熱処理工程）
ｐ側電極１２０とｎ側電極１３０を形成後、酸素と窒素の混合雰囲気中で、６００℃で熱処理する。これにより絶縁膜１１３とｐ側電極１２０との密着性が向上する。
【００８６】
（第２の絶縁膜１１４）
次いで、リッジ上のｐ側電極１２０の全面と、ｎ側電極１３０の上部の一部を覆うレジストを形成する。次いで、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１１４を、ほぼ全面に形成し、リフトオフすることで、ｐ側電極１２０の上面全面とｎ側電極１３０の一部が露出された絶縁膜１１４が、図３（ｃ）に示すように形成される。絶縁膜１１４はｐ側電極１２０を部分的に覆うように形成していが、ｐ側電極１２０から離間するように形成してもよい。
【００８７】
（パッド電極１４０，１４１）
次に、電極１２０，１３０をそれぞれ覆うようにパッド電極１４０，１４１を形成する。このとき、第２の絶縁膜１１４を覆うように形成させるのが好ましい。ｐ側のパッド電極１４０は、最下層がＰｔ（１０００Å）で、その上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（５０〜１０００Å／１０００Å／６０００Å）の順に積層される。また、ｎ側のパッド電極１４１は、下からＮｉ／Ｔｉ／Ａｕ（１０００Å／１０００Å／８０００Å）で形成される。これらのパッド電極１４０，１４１は、第２の絶縁膜１１４を介してｐ側電極１２０及びｎ側電極１３０にそれぞれストライプ状に接している。ｐ側電極１２０のリッジ部を含む領域が露出するようにレジストを形成し、最下層であるＰｔを形成した後、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属層を積層させる。その後、リフトオフによりｐ側のパッド電極１４０を形成する。このとき、ｎ側電極１３０の上にも開口部を有するレジストとすることで、ｐ側パッド電極１４０とｎ側パッド電極１４１を同時に形成させる。また、ｎ側電極１３０の上にも開口部を有するレジストを形成し、ｎ側のパッド電極をＮｉ／Ｔｉ／Ａｕ（１０００Å／１０００Å／８０００Å）で形成した後、リフトオフによりｎ側のパッド電極１４１が形成される。
【００８８】
（劈開及び共振器面形成）
次いで、前記窒化物半導体が成長した基板を研磨して約１５０μｍの膜厚になるよう調整後、基板裏面にスクライブ溝を形成し、窒化物半導体層側からブレーキングして、劈開することでバー状のレーザとする。窒化物半導体層の劈開面は、窒化物半導体のＭ面（１１−００面）となっており、この面を共振器面とする。
【００８９】
（端面保護膜形成）
上記のように形成された共振器面には、活性層１０８で発生する光を効率よく共振させるために、その表面に端面保護膜を設けるのが好ましい。特に、モニター側の共振器面には、出射側の共振器面と屈折率差を設けるためにも端面保護膜を設けるのが好ましい。具体的な材料として、導体材料としては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ、更にはこれらの酸化物、窒化物、フッ化物などの化合物から選ばれたいずれかから選ばれたものを用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせた化合物或いは多層膜として用いてもよい。好ましい材料としてはＳｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｇａを用いた材料である。また、また、半導体材料としてはＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＮなどを用いることができる。絶縁体材料としてはＳｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂの酸化物、窒化物、フッ化物等などの化合物を用いることができる。ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＮなどの半導体も用いることができる。
【００９０】
本実施例では、端面保護膜としてＳｉＯ２とＺｒＯ２よりなる誘電体多層膜を形成させる。光反射側（モニター側）の共振器面には、スパッタ装置を用いてＺｒＯ２からなる保護膜を形成し、次いでＳｉＯ２とＺｒＯ２とを交互に６ペア積層して高反射膜を形成する。ここで、保護膜と、高反射膜を構成するＳｉＯ２膜とＺｒＯ２膜の膜厚は、それぞれ活性層からの発光波長に応じて好ましい厚さに設定することができる。また、光出射側の共振器面には、何も設けなくてもよいし、スパッタ装置を用いてＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２よりなる第１の低反射膜とＳｉＯ２よりなる第２の低反射膜とを形成させてもよい。
【００９１】
最後に、リッジストライプと略平行になるようにスクライブにより溝を形成し、その溝部でバーを切断して本発明の窒化物半導体レーザ素子を得る。上記のようにして得られる窒化物半導体レーザ素子は、電極の剥がれがなく、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、６５ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
【００９２】
［実施例２］
実施例２では、ｐ側電極１２０をＰｄ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ（３０Å／１００Å／１００Å／１５００Å）の順に形成させる。ｐ側電極１２０を以下のように形成する以外は、実施例１と同様に行う。このようにして得られる窒化物半導体レーザ素子は、電極の剥がれは確認されず、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、６５ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
【００９３】
［実施例３］
実施例３では、密着層を形成させる。実施例１において、第１の絶縁膜１１３上に、ｐ側電極１２０をＰｄ／Ｐｔ（３００Å／５００Å）で形成させる。次いで、第２の絶縁膜１１４としてＳｉＯ２／ＴｉＯ２（５００Å／８００Å）の２ペアからなる多層膜を形成させるが、このとき本実施例ではｐ側電極１２０と約５μｍ離間するよう形成させる。次いで、密着層としてＴｉ／Ｐｔ（１００Å／５００Å）を、ｐ側電極１２０の一部の上と、ｐ側電極１２０と第２の絶縁膜１１４との間に露出している第１の絶縁膜１１３上と、第２の絶縁膜１１４上とに渡るように形成させる。そして、ｐ側電極１２０の上から密着層上に渡ってｐ側のパッド電極１４０としてＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（１０００Å／１００Å／１０００Å／６０００Å）で形成させる。他の工程は実施例１と同様に行い、本発明の窒化物半導体レーザ素子を得る。上記のようにして得られる窒化物半導体レーザ素子は、電極の剥がれは確認されず、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、６５ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
【００９４】
［実施例４］
実施例４では、実施例１において、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを７００℃で熱処理して、ｐ型層Ｑｐを更に低抵抗化する以外は、実施例１と同様に行う。得られる窒化物半導体レーザ素子は、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、６５ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
【００９５】
［実施例５］
実施例５では、実施例１において、ｐ側のパッド電極１４０を以下の条件で形成する。第２の絶縁膜１１４を覆うようにスパッタによりｐ側のパッド電極１４０を形成させる。ｐ側のパッド電極１４０は、最下層がＰｔ（１０００Å）で、その上にＴｉ／Ａｕ（１０００Å／６０００Å）が形成される。また、ｎ側のパッド電極１４１は、下からＮｉ／Ｔｉ／Ａｕ（１０００Å／１０００Å／６０００Å）で形成される。パッド電極１４０，１４１は、第２の絶縁膜１１４を介してｐ側電極１２０及びｎ側電極１３０にそれぞれストライプ状に接している。このようにして得られる窒化物半導体レーザ素子は、電極の剥がれは確認されず、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、６５ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能なものである。
【００９６】
［実施例６］
実施例６では、図４に示すように、基板１０１に導電性のＧａＮ基板を用いる。ＧａＮ基板１０１の膜厚は３００μｍであって、単位面積あたりの結晶欠陥は１×１０６個／ｃｍ２以下である。該ＧａＮ基板１０１の裏面にｎ側電極１３０及びｎ側のパッド電極１４１を実施例１と同様の条件で形成する。また、他の条件も実施例１と同様とすることで、６５ｍＷ以上の高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振可能な半導体レーザ素子を得る。
【００９７】
以上の説明では、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子を例示したが、、本発明は発光ダイオード等の発光素子、フォトダイオードなどの受光素子やＦＥＴなどの回路素子など、各種の半導体素子にも適用可能である。
【００９８】
【発明の効果】
以上詳説したように、大電流を投入した駆動時においても電極と半導体層との接触抵抗が低く、且つ密着性もよく、更に絶縁膜と電極との界面において、密着性や機械的強度に極めて優れており、リッジのストライプ方向における電極での光閉じ込めが安定であるレーザ素子特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係るリッジ構造および電極構造の一例を示す部分拡大図である。
【図３】本発明に係る製造工程の一例を示す断面図である。
【図４】導電性基板を用いた半導体レーザ素子の一例を示す断面図である。
【図５】リッジ構造および電極構造の典型例を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１０１・・・基板、１０２・・・バッファ層、１０３・・・下地層、１０４・・・ｎ型コンタクト層、１０５・・・クラック防止層、１０６・・・ｎ型クラッド層、１０７・・・ｎ型光ガイド層、１０８・・・活性層、１０９・・・ｐ型電子閉じ込め層、１１０・・・ｐ型光ガイド層、１１１・・・ｐ型クラッド層、１１２・・・ｐ型コンタクト層、１１３・・・絶縁膜、１１４・・・第２の絶縁膜、１０８・・・活性層、１２０・・・ｐ側電極、１４０，１４１・・・パッド電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor laser device in which a ridge structure is formed using a semiconductor layer in which nitride semiconductors are stacked, and a method for manufacturing the same. More specifically, a nitride semiconductor laser capable of driving a large current and having a high output The present invention relates to an element and a method for manufacturing the element.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A semiconductor element formed by stacking nitride semiconductors is expected as a light-emitting element that emits light in a short wavelength range from a UV region to a green region and further to a visible region from red. Above all, the use of semiconductor laser elements as a light source for electronic equipment such as personal computers and information recording media, medical equipment, processing equipment, or optical fiber communication has attracted attention.
[0003]
The nitride semiconductor laser device is configured by stacking a nitride semiconductor on a sapphire substrate or a GaN substrate, forming a ridge structure in the stacked body, and further forming a p-side electrode and an n-side electrode. The stacked nitride semiconductor includes at least a contact layer that makes ohmic contact with the electrode, a cladding layer that functions as a light confinement layer, and an active layer that oscillates laser light.
[0004]
In the above-described nitride semiconductor laser device, an ohmic electrode that is in ohmic contact with a contact layer in the semiconductor layer is extremely important to ensure stable operation. For such an ohmic electrode, a metal single-layer film, a multi-layer film, or an alloy having a large work function is mainly used. For example, an ohmic electrode made of a multilayer film such as Ni / Au, Pd / Pt, and Pd / Pt / Au has been used. When the multilayer film of the electrode is Ni / Au, Ni is a lower layer and Au is an upper layer. The material before the “/” constitutes the lower layer, and the material after the “/” constitutes the upper layer. The same applies to the following.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-299528 A
[Patent Document 2]
JP-A-2002-335048
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the nitride semiconductor laser device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-299528 has the following problems.
[0007]
In the case of a Ni / Au electrode, a heat treatment (annealing treatment) step is provided after the formation of the electrode. Here, the heat treatment is to maintain the film in a high-temperature atmosphere for a certain period of time. In order to form a Ni / Au electrode, it is difficult to obtain ohmic characteristics without heat treatment. Therefore, when the electrode material is used, heat treatment is an essential step.
[0008]
However, as shown in FIG. 5, by heat-treating the electrode 4 in order to obtain ohmic characteristics with the semiconductor layer 2, the surface of the Au electrode, which is the upper layer of the electrode 4, becomes rough, and crater-like holes are generated. I do. In this case, light confinement at the electrode in the stripe direction of the ridge portion 2a becomes unstable. Further, the resistance may increase at the interface with the pad electrode (not shown), and it is difficult to perform a large current drive.
[0009]
Further, a Pd / Pt electrode and a Pd / Pt / Au electrode are described in JP-A-2002-335048 and the like. However, such an electrode has insufficient adhesion to a nitride semiconductor, and thus the electrode itself during operation is not used. Peels off. In this case, a stable life characteristic cannot be realized, rather than forming a semiconductor laser element driven by a large current.
[0010]
In view of the above problems, the present invention has low contact resistance between the electrode and the semiconductor layer and good adhesion even during driving with a large current applied thereto, and furthermore has good adhesion and mechanical properties at the interface between the insulating film and the electrode. It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor laser device having a laser device characteristic that has extremely excellent mechanical strength, and has stable laser light confinement at an electrode in a stripe direction of a ridge, and a method for manufacturing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The nitride semiconductor laser device according to the present invention is a nitride semiconductor laser device in which a ridge structure is formed in a stacked nitride semiconductor, and extends from a side surface of the ridge onto a plane of a continuous semiconductor layer. An insulating film, an electrode covering the ridge upper surface and the insulating film, the electrode includes a metal layer made of a platinum group element in a region in contact with the insulating film, Further, a single crystal of a platinum group element is present at an interface in contact with the insulating film.
[0012]
By forming a ridge by etching or the like, as shown in FIG. 5, a nitride semiconductor laser device having a ridge upper surface Rs, a ridge side surface Rt, and a newly exposed semiconductor surface F has an electrode on the ridge upper surface Rs. Due to the contact, the adhesion and contact resistance at the interface between the ridge upper surface Rs of the nitride semiconductor layer and the electrode (hereinafter referred to as interface Bs) greatly affect the characteristics of the laser element.
[0013]
In the nitride semiconductor laser device having the ridge structure according to the present invention, the insulating film is formed on the side surface of the ridge or the like. Due to the refractive index difference between the insulating film and the semiconductor layer, the insulating film generates an effective refractive index difference Δn in the lateral direction to perform light confinement. Further, the reason for having the insulating property is to make it function also as a constriction layer for making only the upper surface of the ridge a current input region.
[0014]
The fact that the insulating film is formed so as to extend on the plane of the continuous semiconductor layer from the side surface of the ridge means that the insulating film is formed in close contact with the side surface of the ridge and the exposed semiconductor surface. The electrode covering the upper surface of the ridge and the insulating film means that the electrode is formed in close contact with the upper surface a of the ridge and the insulating film. If the adhesiveness at the interface where the insulating film and the electrode are formed in close contact (hereinafter referred to as interface Bt) is insufficient, a stable life characteristic can be obtained because the electrode peels off during operation. I can't. If the adhesion between the insulating film and the electrode is insufficient, light confinement at the electrode in the stripe direction of the ridge becomes unstable. These problems also apply to the interface between the electrode and the nitride semiconductor layer. Therefore, in the nitride semiconductor laser device according to the present invention, the adhesion at the interface Bs is also improved in the electrode configuration.
[0015]
In the present invention, a nitride semiconductor laser device is formed for the purpose of realizing the improvement of the adhesion at the interface Bt and stabilizing the adhesion at the interface Bs and stabilizing light.
[0016]
The electrode includes a metal layer made of a platinum group element in a region in contact with the insulating film. This is because the platinum group element is unlikely to undergo alteration such as oxidation or alloying, so that it is stable even after the heat treatment, and a stable interface with the nitride semiconductor can be formed. Further, the interface Bt is an interface between the insulating film and the electrode, and the electrode material at the contact interface is a metal layer made of a platinum group element, and a single crystal exists. At the interface Bt, the metal layer formed on the surface of the insulating film is originally polycrystalline, so that the bonds between the atoms of the platinum group element in the metal layer are irregular, and the bonding force between the atoms is Weak, poor adhesion to insulating film.
[0017]
Therefore, in the present invention, the presence of a single crystal in the metal layer made of the platinum group element improves the bonding force between the atoms of the platinum group element, thereby improving the adhesion to the insulating film.
[0018]
Here, the ratio of the platinum group element single crystal in the metal film made of the platinum group element constituting the electrode is not particularly limited, but may be 1% or more, preferably 5% or more. This is a numerical value at the interface Bt.
[0019]
In order to form a single crystal of a platinum group element, heat treatment is performed. By performing the heat treatment using the material of the metal layer of the electrode as a platinum group element, the contact resistance at the interface Bs can be reduced. This is because the platinum group element is a stable material that does not undergo deterioration such as oxidation or alloying due to heat treatment, and thus can form a stable interface with the nitride semiconductor. Therefore, it is possible to provide a nitride semiconductor laser device capable of continuous oscillation at the time of driving a large current.
[0020]
The nitride semiconductor laser device according to claim 2 of the present invention, wherein the insulating film has a covering region covered with an electrode and an exposed region exposed from the electrode. If face-up mounting is to be performed after the formation of the nitride semiconductor laser element, wire bonding is performed on the electrode via a pad electrode. If face-down mounting is to be performed, mounting is performed by providing a eutectic material on the electrodes. Here, the metal such as the eutectic material flows out of the electrode regardless of whether it is wire bonding or eutectic. If this metal reaches the side surface of the semiconductor layer, a short circuit may occur.
[0021]
Therefore, an exposed region that is not covered with the electrode is formed in the insulating film. A wire bonding material (for example, an Au wire) or the like has poor wettability and easily extends out of the electrode, but stops on the insulating film. Therefore, it is preferable to have an exposed region of the insulating film.
[0022]
The nitride semiconductor laser device according to claim 3 of the present invention, wherein the insulating film is an oxide film, a nitride film, or MgF. This is because an oxide film or a nitride film is effective in stopping outflow of metal in the exposed region of the insulating film. As an example of the oxide film, ZrO 2 , The nitride film has AlN, but also has MgF. MgF is a material having both insulating properties and adhesiveness, and is preferable as an insulating film.
[0023]
The nitride semiconductor laser device according to claim 4 of the present invention, wherein the electrode has a multilayer structure composed of at least two layers, and the uppermost layer of the electrode is made of a platinum group element.
[0024]
If the uppermost layer of the electrode is a platinum group element, it has an effect of preventing deterioration of the electrode surface during heat treatment. This is because it is a stable material to which the platinum group element does not easily react. In addition, platinum group elements also have a catalytic action, 2 It is possible to obtain a stable ohmic characteristic because it does not hinder the intervention of the device. Further, in order to stabilize the light confinement, it is preferable that the layer structure has a stable overall structure (having the same refractive index difference Δn with respect to the ridge stripe direction) without generating craters even during heat treatment. . Therefore, it is preferable to use a platinum group element because it is possible to stably confine light as a whole without generating craters or the like.
[0025]
The metal layer at the interface with the semiconductor constituting the electrode is made of at least one platinum group element selected from the group consisting of Pd, Pt, Os, Rh, Ir, and Ru.
[0026]
Further, the uppermost metal layer constituting the electrode is made of at least one platinum group element selected from the group consisting of Pd, Pt, Os, Rh, Ir, and Ru.
[0027]
8. The method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to claim 7, wherein the nitride semiconductor laser device has a ridge structure formed on the stacked nitride semiconductors. Forming a ridge structure by etching a target semiconductor, forming an insulating film extending from a side surface of the ridge onto a continuous semiconductor layer plane, and covering the ridge upper surface and at least a part of the insulating film. Forming an electrode by providing a metal layer made of at least a platinum group element in a region in contact with an insulating film; and, after forming the electrode, heat treating the nitride semiconductor. A step of performing
[0028]
An electrode is formed after the formation of the insulating film. The electrode is preferably made of a material having low contact resistance at the interface Bs with the semiconductor layer, and a stable material free from peeling or the like. Therefore, a stable interface and ohmic characteristics can be obtained by performing a heat treatment by covering the ridge upper surface and at least a part of the insulating film and providing the first layer of the electrode with a metal layer made of a platinum group element. Can be By using such a structure and a method, it is possible to improve the adhesion between the interface Bs and the interface Bt by heat treatment. Since the interface Bt is continuous with the interface Bs, improving the adhesion at the interface Bt between the insulating film and the metal layer made of a platinum group element also leads to stabilizing the adhesion at the interface Bs. .
[0029]
Then, after forming the electrodes, the nitride semiconductor is heat-treated to improve the adhesion at the interface Bt between the insulating film and the metal film made of a platinum group element. The heat treatment temperature may be 300 ° C. or higher, and the atmosphere may be an atmosphere containing nitrogen or oxygen. By performing the heat treatment under the above conditions, the bonding force between the crystals of the same metal material made of a platinum group element becomes stronger, the electrode becomes a single crystal, and the adhesion with the insulating film or the nitride semiconductor layer is improved. It is.
[0030]
9. The method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to claim 8, wherein the electrode has a multilayer structure including at least two layers, a first metal layer in contact with an upper surface of the ridge and an insulating film, and The second metal layer, which is the uppermost layer of the electrode, is made of a platinum group element. The first layer mainly has a role of obtaining an ohmic interface with the nitride semiconductor layer, and the second layer has a cap function for preventing an atmosphere around the first layer to prevent the action of the first layer. I have.
[0031]
The method of manufacturing a nitride semiconductor laser device according to claim 9, wherein the stacked nitride semiconductor has a first contact layer, a first cladding layer, and an active layer, and A second cladding layer and a second contact layer are sequentially provided, and at least the second cladding layer is etched when the ridge structure is formed.
[0032]
Here, the first contact layer may be an n-side contact layer or a p-side contact layer. The n-side and p-side of the first cladding layer, the second cladding layer, and the second contact layer are not limited. The nitride semiconductor of the present invention has at least the above-mentioned layer configuration, and may have a layer having another function, such as a crack prevention layer or a light guide layer, between the layers.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The configuration of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the nitride semiconductor laser device structure described in the embodiment below.
[0034]
The nitride semiconductor laser device according to the present embodiment is a nitride semiconductor laser device in which a ridge structure is formed in a stacked nitride semiconductor, and is provided on an insulating film provided on a ridge side surface and a ridge protrusion. The electrode structure has excellent electrode adhesion and low resistance at the interface where the electrode is brought into ohmic contact with the semiconductor layer.
[0035]
(Electrodes 120, 130)
The electrodes in the present invention are not limited to the p-side electrode 120 and the n-side electrode 130. Therefore, it may be provided on both the p-side electrode 120 and the n-side electrode 130 of the nitride semiconductor laser device, or may be provided on either one. FIG. 2 illustrates the p-side electrode 120, but the present invention is similarly applicable to the n-side electrode 130.
[0036]
The electrode 120 has a multilayer structure in which at least two metal layers are stacked. Specifically, the metal layer 121 at the interface in contact with the semiconductor layer (nitride semiconductor) is made of a white metal element (FIG. 2). . The alloy layer (Ru-Os layer, Rh-Ir layer, Pd-Pt layer) formed of a homologous element in the platinum group element is not limited to the metal layer made of a single element. When the electrode 120 has a multilayer structure, a multilayer film or an alloy film may be formed as the intermediate layer 122 on the metal layer 121 made of a white metal element (FIG. 2). Preferably, the uppermost metal layer 123 constituting the electrode is made of a platinum group element. As described above, the electrode 120 of the present invention has a single-layer structure including the metal film 121, a three-layer structure including the metal film 121 / the intermediate layer 122 / the uppermost metal film 123, or the metal film 121 / the uppermost metal film 123. Can be adopted.
[0037]
The metal film 121 of the electrode 120 is made of a platinum group element. The platinum group element is a stable material, and is hardly deteriorated by itself, so that ohmic contact with the semiconductor layer is possible, and good adhesion to the nitride semiconductor is also provided. However, the adhesiveness with the insulating film 113 is not always good. In particular, the adhesiveness with the oxide-based insulating film is low, and the film has a property that peeling easily occurs at the interface Bt. Therefore, in the present invention, the adhesion between the metal layer 121 and the insulating film 113 is improved in the heat treatment process.
[0038]
Since the intermediate layer 122 of the electrode 120 is sandwiched between the upper and lower layers of the metal layer 121 made of a stable white metal element and the uppermost layer 123, the intermediate layer 122 is not limited to the material made of the same white metal element as the metal layer 121 and the like. A material different from the metal element may be used. Even if a material that cannot be used for the metal layer 121 is used for the intermediate layer 122, a material that is stable when sandwiched between the metal layers 121 and 123 made of a platinum group element and that improves electrode characteristics can be used. Preferred materials for the intermediate layer 122 include Ni, Co, Fe, Cu, Au, W, Mo, Ti, Ta, Ag, Al, Cr, Pt, Pd, Ph, Ir, Ru, Os, V, Hf, and Rh. , Zr and their oxides, nitrides, etc., as a single-layer film or a multilayer film.
[0039]
The intermediate layer 122 is provided with an optimum material at the interface between the metal layer 121 made of a platinum group element and the uppermost layer 123 to separate the functions without deteriorating the characteristics of the metal layer 121 and the uppermost layer 123. . Further, the layer can be made to function as a layer that supplements characteristics that are not sufficient only with the platinum group element-based layer. For example, by interposing the intermediate layer 122, the thickness of the electrode can be increased and the heat dissipation can be improved. By forming the electrode as a multilayer film of three or more layers, the stress can be reduced as compared with a case where the thickness of the layer is increased by a single composition layer. In particular, the electrode (for example, the p-side electrode 120) formed on the ridge of the LD is formed in an extremely narrow region, and the load applied to the ridge is greatly affected by the film quality. By relaxing such stress, LD characteristics with excellent reliability can be obtained. Further, since the light absorption coefficient can be changed, the optical characteristics can be controlled.
[0040]
Since the surface of the uppermost layer 123 after the formation of the electrode 120 is exposed to the outside air during the heat treatment, it reacts with the outside air (FIG. 2). However, when the uppermost layer 123 is a platinum group element-based layer as described above, it hardly reacts with the outside air, and in particular, it is difficult to form an oxide having high insulating properties. Therefore, the uppermost layer 123 has a structure in which impurities hardly exist at the interface with the pad electrode 140 formed in contact with the electrode 120, and enables stable driving characteristics.
[0041]
Further, since the uppermost layer 123 is a layer made of a platinum group element, the uppermost layer 123 has a catalytic action. Owing to the catalytic action, oxygen can be moved out of the system near the interface between the metal layer 121 or the intermediate layer 122 and the uppermost layer 123. Thereby, the amount of oxygen (outside air) involved in the internal reaction of the uppermost layer 123 and the reaction between the metal layer 121 and the semiconductor layer can be controlled to an appropriate amount, and the interface in the electrode layer can be stabilized. As described above, the uppermost layer 123 of the platinum group element formed on the surface functions as a cap layer for stably alloying the lower layer during the heat treatment. Further, the uppermost layer 123 made of a platinum group element forms a stable interface with the pad electrode 140. However, adhesion to the insulating film 113 is not always good, and in particular, the film has low adhesion to an oxide-based insulating film and is easily peeled.
[0042]
For example, the electrode 120 includes a metal layer 121 made of Pd, an intermediate layer 122 made of Ni / Au, and an uppermost layer 123 made of Pt on a semiconductor layer. With the configuration of the electrode 120, since the metal layer 121 is made of Pd, which is a platinum group element, thermal deterioration at the interface Bs can be reduced, and a highly reliable element can be obtained. By using the platinum group element layer on the uppermost layer 123 provided between the pad electrode 140 and the pad electrode 140, an interface with a very low probability of oxygen inclusion can be formed, and a low-resistance electrode structure can be obtained.
[0043]
Preferable combinations when the electrodes 120 and 130 have a multilayer structure include Pd / Pt, Ir / Pt, Ru / Pt, Rr / Pt, Os / Ru, Pt / Ti / Pt, Pt / Ni / Pt, Pt / Examples thereof include Ni / Au / Pt, Pd / Au / Rh, and Rh / Ni / V / Ir.
[0044]
The film thickness of the electrodes 120 and 130 is 300 to 10000, preferably 300 to 5000, in terms of the total thickness even in a multilayer structure. By setting the total film thickness to 300 to 5000, the sheet resistance can be reduced.
[0045]
If the semiconductor layer (nitride semiconductor) forming the interface Bs with the electrode 120 is a p-type nitride semiconductor layer, the uppermost layer of the semiconductor layer becomes the p-type contact layer 112. The thickness of the metal layer 121 formed on the p-type contact layer 112 is preferably from 100 to 5000, more preferably from 500 to 3000, and particularly preferably from 1000 to 2500. If the thickness of the metal layer 121 is out of the above range, the ohmic characteristics are undesirably deteriorated. The uppermost layer 123 preferably has a thickness of 100 to 5000 degrees. This is because in this range, the uppermost layer 123 has a capping action and a catalytic action. Further, the thickness of the intermediate layer 122 is not particularly limited as long as it is within a thickness range excluding the thickness of the metal layer 121 and the uppermost layer 123 from the total thickness of the electrode 120.
[0046]
By performing heat treatment, these electrode materials can be alloyed, can have good ohmic contact with the semiconductor layer, and have improved adhesion at the interface Bt with the insulating film 113. The heat treatment temperature is preferably in the range of 350C to 1200C, more preferably 400C to 700C, and particularly preferably in the range of 450C to 650C.
[0047]
As other heat treatment conditions, the atmosphere gas is an atmosphere containing oxygen and / or nitrogen. Therefore, heat treatment in an atmosphere containing an inert gas, for example, Ar, or atmospheric conditions is also possible.
[0048]
As a material of the insulating film 113, an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Si, Ti, Al, V, Zr, Nb, Hf, and Ta, SiN, BN, SiC, AlN, and AlGaN It is preferable to use oxides of Si, Al, Zr, Hf, and Nb, BN, AlN, and AlGaN. Further, the thickness of the insulating film 113 is specifically in a range from 100 ° to 1 μm, preferably in a range from 500 ° to 5000 °. This is because if the thickness of the insulating film 113 is less than 100 °, it is difficult to secure sufficient insulating properties when forming the electrode. If the thickness is 1 μm or more, cracks occur in the insulating film, the uniformity of the film is lost, and a good insulating film is not obtained. In addition, when the thickness is within the preferable range, the insulating film 113 is formed from the ridge side surface Rt to the surface F of the semiconductor layer with uniform film quality in which a difference in refractive index between the ridge and the ridge is stabilized.
[0049]
In addition to the electrodes 120 and 130 that are in contact with the semiconductor layer, pad electrodes 140 and 141 are provided on the respective electrodes as extraction electrodes for bonding wires. When the insulating substrate 101 is used, since the p-side electrode 120 and the n-side electrode 130 are provided on the same surface side, the pad electrodes 140 and 141 are provided on both of them. In the case of the n-side electrode 130, since it is relatively easy to make ohmic contact, it is possible to provide a wire as an electrode for taking out the ohmic electrode, or to form a pad electrode directly on the semiconductor layer. Further, by forming a metallized layer for connecting to an external electrode or the like instead of a wire on the pad electrode, it can be used face down.
[0050]
The pad electrode 140 may be formed so as to be in contact with the electrode 120 in the operation section, and may not be connected on the entire surface. In the laser element, the electrode 120 and the pad electrode 140 are joined at the upper part of the ridge, so that an increase in operating voltage due to interface resistance can be suppressed. The ohmic electrode provided in a step subsequent to the electrode may be formed so that the entire bottom surface thereof is in contact with the electrode, or a part of the ohmic electrode is formed on the electrode, and the other part is formed on the semiconductor layer or insulated. It may be provided so as to be in contact with the film 113.
[0051]
The electrode materials of the n-side and p-side pad electrodes 140 and 141 include Ni, Co, Fe, Cr, Ti, Cu, Rh, Au, Al, Mo, Ru, W, Zr, Mo, Ta, and Pt. , Ag, and their oxides and nitrides, and a single layer, alloy, or multilayer film thereof can be used. The uppermost layer is preferably made of Au because it connects wires and the like. In order to prevent Au from diffusing, it is preferable to use a material having a relatively high melting point that functions as a diffusion preventing layer as a lower layer.
[0052]
When the pad electrode 140 has a multilayer structure, if the uppermost layer c of the electrode 120 is Pt, it is preferable to use Pt for the first layer of the pad electrode 140. By using the same material for the uppermost layer 123 of the electrode 120 and the first layer of the pad electrode 140, it is possible to suppress the occurrence of interface resistance between the electrode and the pad electrode and to realize excellent adhesion. The total thickness of the pad electrodes 140 and 141 is preferably from 1000 to 20000, more preferably from 5000 to 15000.
[0053]
In the nitride semiconductor laser device, in the stripe direction of the ridge formed in the semiconductor layer, the electrodes are preferably formed in a stripe shape so as to be parallel to the stripe-shaped waveguide region, but are not limited thereto. . That is, even if the shape of the electrode is not a stripe shape, the electrode may be formed so that the contact region with the semiconductor layer is a stripe. Further, it is preferable to provide so as to cover the entire region of the waveguide region in the direction parallel to the stripe, but it is separated from the end portion in consideration of a photolithography process at the time of electrode formation, a chip formation process in a later process, and the like. For example, a preferable size and shape can be selected.
[0054]
Further, with the electrode configuration of the present invention, the electrodes and pad electrodes do not decompose or the like. By using the upper portion of the ridge as a connection portion, the current injected into the pad electrode can be efficiently passed through the semiconductor layer via the electrode. Therefore, it is possible to stably confine light in the waveguide region and maintain a good beam shape of the laser light, stabilize the threshold value, and stabilize the operating voltage.
[0055]
In the direction perpendicular to the ridge, the electrode 120 needs to be formed above the ridge. Further, the electrode 120 does not need to be formed even in a region far away from the ridge, and is formed to have a width equal to or larger than the width of the ridge. Further, it is preferable that the ridges are formed so as to have the same length on the left and right sides. Further, it is preferable that the stripes be formed with the same width over the entire region.
[0056]
The laser element (FIG. 1) formed with the above configuration (material) can be an element having excellent insulation properties, and thus can be an element having excellent reliability at high output.
[0057]
Embodiment 1
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged view showing an example of a ridge structure and an electrode structure. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of the manufacturing process according to the present invention. A semiconductor laser device (LD) in which an n-type nitride semiconductor layer Qn, an active layer Qa, and a p-type nitride semiconductor layer Qp are stacked on a substrate 101, and a stripe-shaped ridge is provided on the p-type nitride semiconductor layer Qp. It is. The ridge can be formed by removing a part of the p-type nitride semiconductor layer Qp by means such as etching or the like, whereby an effective refractive index type waveguide can be formed. The ridge is not limited to a forward mesa shape in which the width of the bottom side is wide and the stripe width decreases as approaching the top surface, but may be an inverted mesa shape in which the stripe width decreases as approaching the ridge bottom, and may be perpendicular to the lamination surface. It may be a stripe having various side surfaces, or a shape in which these are combined. Further, the stripe-shaped waveguides do not need to have substantially the same width. Further, a buried laser device in which a semiconductor layer is regrown on the ridge surface after forming such a ridge may be used.
[0058]
An insulating film 113 is formed from the side surface of the ridge and the upper surface of the continuous p-type nitride semiconductor layer Qp to the ridge. A p-side electrode 120 is provided on the ridge upper surface Rs and the upper surface of the insulating film 113. Further, an n-side electrode 130 is provided on the upper surface of the n-type nitride semiconductor layer Qn. A second insulating film 114 having an opening above the n-side electrode 130 is provided so as to be continuous up to the upper part of the insulating film 113. Above the p-type nitride semiconductor layer Qp, a p-side pad electrode 140 in contact with the second insulating film 114 and the p-side electrode 120 is provided. An n-side pad electrode 141 is also provided on the n-side electrode 130.
[0059]
The p-side electrode 120 is formed in a region that widely covers the insulating film 113, and a second insulating film 114 is formed so as to cover a part of a region of the p-side electrode 120 apart from the ridge other than the ridge. The p-side pad electrode 140 is formed over the p-side electrode 120 and the second insulating film 114. That is, in the present embodiment, the p-side pad electrode 140 is provided so as not to be in contact with the insulating film 113. Although the confinement of light in the waveguide region changes depending on the depth (height) of the ridge and the optical characteristics of the insulating film 113, if the thickness can be controlled by increasing the thickness of the insulating film 113, the p-side electrode 120 The formation area of the electrode is increased and the pad electrode 140 is brought into close contact with the pad electrode 140 over a wide range, thereby suppressing the concentration of heat and increasing the bonding layer area between the electrode 120 and the pad electrode 140 to increase the adhesion. The electrode can be excellent in quality.
[0060]
Further, in order to make the stripe direction of the ridge the resonator direction, the pair of resonator surfaces provided on the end faces can be formed by cleavage or etching. In the case of forming by cleavage, it is necessary that the substrate and the semiconductor layer have a cleavage property, and by using the cleavage property, an excellent mirror surface can be easily obtained. In addition, even if there is no cleavage, the resonator surface can be formed by etching. In this case, by performing this step simultaneously with exposing the n-electrode formation surface, it can be obtained with a small number of steps. Also, it can be formed simultaneously with the formation of the ridge. As described above, the number of steps can be reduced by forming them at the same time as each step. However, in order to obtain a better resonator surface, it is preferable to provide another step. Further, on the resonator surface formed by cleavage or etching as described above, a reflection film composed of a single film or a multilayer film can be formed in order to efficiently reflect the emission wavelength of the active layer. One of the resonator surfaces is composed of a surface having a relatively high reflectivity and serves as a light reflection-side resonator surface for mainly reflecting light into the waveguide region, and the other is composed of a surface having a relatively low reflectivity and mainly serves to emit light to the outside. It functions as a light emitting side resonator surface to emit light.
[0061]
In the present embodiment, the insulating film 114 is provided so as to partially cover the p-side electrode 120. The formation region of the p-side electrode 120 can be formed so as to cover the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer Qp over a wide range. At this time, there is no problem if the adhesion between the insulating film 114 and the p-side electrode 120 is good, but if the adhesion is poor, the p-side electrode 120 is easily peeled off by enlarging the formation area of the p-side electrode 120. Problems may occur.
[0062]
The insulating film 113 is provided to limit the current injection region to the upper surface of the ridge. However, since the insulating film 113 is provided close to the waveguide region, it also acts on light confinement efficiency. It is not possible to inevitably form a thick film. It is necessary to reduce the film thickness depending on the insulating film material used. When the insulating film 113 is formed to be thin, there may be a portion where the insulating property is slightly weakened. However, even in such a case, the gap between the p-side pad electrode 140 and the insulating film 113 as in the present embodiment is obtained. By interposing the second insulating film 114 to a region relatively close to the ridge, the current injection region can be controlled near the ridge.
[0063]
Further, the pad electrode 140 can be formed so as not to be in contact with the second insulating film 114. In particular, when the pad electrode is used face down, heat is applied to the pad electrode. At that time, the volume increases, and the pad electrode material easily flows out in the side direction due to the application of pressure. Therefore, by separating the pad electrode material from the second insulating film 114, it is possible to prevent the p-side pad electrode material from flowing out in the side direction and causing a short circuit.
[0064]
As the material of the insulating film 113, at least one of oxides containing at least one element selected from the group consisting of Si, Ti, V, Zr, Nb, Hf, and Ta, SiN, BN, SiC, AlN, and AlGaN It is particularly preferable to use oxides of Zr, Hf, and Nb, BN, AlN, and AlGaN.
[0065]
Further, the thickness of the insulating film 113 is specifically in a range from 10 ° to 10,000 °, preferably in a range from 100 ° to 5000 °. This is because if it is less than 10 °, it is difficult to secure sufficient insulation when forming the electrode 120, and if it is more than 10000 °, the uniformity of the protective film is rather lost and a good insulating film is not obtained. is there. Further, by being in the above-mentioned preferred range, a uniform film having a good refractive index difference with the ridge is formed on the side surface of the ridge.
[0066]
The second insulating film 114 can be provided on the entire surface of the p-side electrode 120 except for the upper part of the ridge, and is provided so as to be continuous with the side end surfaces of the p-type semiconductor layer Qp and the active layer Qa exposed by etching. Is preferred. As a preferable material, an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Si, Ti, V, Zr, Nb, Hf, and Ta, and at least one of SiN, BN, SiC, AlN, and AlGaN are used. It is preferable to use SiO 2 as a particularly preferable material. 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 And the like.
[0067]
【Example】
Hereinafter, a nitride semiconductor laser device will be described as an example, but in the present invention, the device structure of the n-type nitride semiconductor layer, the active layer, and the p-type nitride semiconductor layer forming the semiconductor layer is not particularly limited, Various layer structures can be used. Examples of the device structure include a device structure of a laser described in an example described later. Specific examples of the nitride semiconductor include nitride semiconductors such as GaN, AlN, and InN, and III-V group nitride semiconductors that are mixed crystals thereof, and further include B, P, and As. What is included can be used. Nitride semiconductor growth is known for growing nitride semiconductors such as MOVPE, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (halide vapor phase epitaxy), MBE (molecular beam vapor phase epitaxy), and the like. All methods that apply are applicable.
[0068]
[Example 1]
(Substrate 101)
As the substrate 101, a sapphire substrate having a C-plane as a main surface is used. The substrate 101 is not particularly limited to this, and various substrates such as a sapphire substrate having an R surface and an A surface as a main surface, a SiC substrate, a Si substrate, a spinel substrate, and a GaN substrate may be used as necessary. it can.
[0069]
(Buffer layer 102)
Next, the temperature was raised to 500 ° C., and trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ), A buffer layer 102 made of Si-doped GaN is grown to a thickness of 200 °.
[0070]
(Underlayer 103)
After the growth of the buffer layer 102, an undoped GaN layer is grown at a temperature of 2 A protective film made of 0.27 μm is formed. This SiO 2 The protective film forms a stripe-shaped opening (non-mask region) by etching. This protective film is formed so as to have a stripe width of 6 μm and a direction substantially perpendicular to the orientation flat surface (within a range of ± 0.01 to 0.5 ° from right to left), and the ratio between the protective film and the opening is , 6:14. Next, an undoped GaN layer is grown to a thickness of 15 μm. At this time, the GaN layer grown on the opening is SiO 2 2 Grown laterally on top and eventually SiO 2 2 The GaN is grown so as to fit in the upward direction. The other underlying layer 103 may be formed by forming irregularities on a nitride semiconductor layer such as GaN or AlGaN and then laterally growing a nitride semiconductor layer thereon.
[0071]
(N-type contact layer 104)
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia gas and silane gas were used as the source gas and the Si-doped n-Al 0.02 Ga 0.98 An n-type contact layer 104 made of N is grown as a first contact layer with a thickness of 3.5 μm. The thickness of the n-type contact layer 104 may be 2 to 30 μm. Further, the n-type contact layer 104 may have a two-layer structure, in which the first first n-type contact layer is an undoped layer, and the second n-type contact layer is a Si-doped layer which is an n-type impurity.
[0072]
(Crack prevention layer 105)
Next, using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia at a temperature of 800 ° C., the Si-doped n-In 0.05 Ga 0.95 A crack prevention layer 105 made of N is grown to a thickness of 0.15 μm. The crack preventing layer 105 can be omitted.
[0073]
(N-type cladding layer 106)
Next, the temperature was raised to 1050 ° C., and TMA (trimethylaluminum), TMG and ammonia were used as raw material gases, and undoped Al was used. 0.05 Ga 0.095 An A layer made of N and a B layer made of GaN doped with Si are each grown to a thickness of 50 °. This operation is repeated 110 times, and the A-layer and the B-layer are alternately laminated to grow the n-type cladding layer 106 composed of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 1.1 μm as the first cladding layer. . At this time, if the mixed crystal ratio of Al in the undoped AlGaN is in a range of 0.05 or more and 0.3 or less, a difference in refractive index that sufficiently functions as a cladding layer can be provided.
[0074]
(N-type light guide layer 107)
Next, an n-type optical guide layer 107 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.15 μm using TMG and ammonia as source gases at the same temperature as the cladding layer. This layer may be doped with n-type impurities.
[0075]
(Active layer 108)
Next, the temperature was set to 800 ° C., and TMI (trimethyl indium), TMG and ammonia were used as raw materials, silane gas was used as an impurity gas, and Si-doped In was used. 0.02 Ga 0.98 A barrier layer made of N is grown to a thickness of 140 °. Subsequently, the silane gas is stopped and undoped In 0.1 Ga 0.9 A well layer of N is grown to a thickness of 70 °. This operation was repeated twice, and finally Si-doped In 0.02 Ga 0.98 A barrier layer made of N is grown to a thickness of 140 ° to grow an active layer 108 of a multiple quantum well structure (MQW) having a total thickness of 560 °.
[0076]
(P-type electron confinement layer 109)
Next, at the same temperature as the active layer, N 2 In an atmosphere, Mg-doped Al 0.25 Ga 0.75 A p-type electron confinement layer 109 of N is grown to a thickness of 30 °. Then H 2 In an atmosphere, Mg-doped Al 0.25 Ga 0.75 A p-type electron confinement layer 109 of N is grown to a thickness of 70 °.
[0077]
(P-type light guide layer 110)
Next, at a temperature of 1050 ° C., a p-type optical guide layer 110 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.15 μm using TMG and ammonia as source gases. The p-type light guide layer 110 is grown as undoped, but may be doped with Mg.
[0078]
(P-type cladding layer 111)
Subsequently, at a temperature of 1050 ° C., undoped Al 0.08 Ga 0.92 An A layer made of N is grown to a thickness of 80 °, and a B layer made of Mg-doped GaN is grown thereon to a thickness of 80 °. This is repeated 28 times, and the A layer and the B layer are alternately laminated to grow the p-type cladding layer 111 composed of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 0.45 μm as the second cladding layer. When the p-type cladding layer 111 is formed of a superlattice in which at least one includes a nitride semiconductor layer containing Al and has different band gap energies, the p-type cladding layer 111 is doped with impurities in one of the layers. Thus, the so-called modulation doping tends to improve the crystallinity, but both may be doped in the same manner.
[0079]
(P-type contact layer 112)
Finally, a p-type contact layer 112 made of Mg-doped GaN is grown on the p-type cladding layer 111 at 1050 ° C. as a second contact layer with a thickness of 150 °. The p-type contact layer 112 is a p-type In x Al y Ga 1-xy N (x ≦ 0, y ≦ 0, x + y ≦ 1), and preferably Mg-doped GaN provides the most preferable ohmic contact with the p-side electrode 120. After completion of the reaction, the wafer is annealed at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere in a reaction vessel to further reduce the resistance of the p-type layer Qp.
[0080]
(N-type semiconductor layer exposure)
After the nitride semiconductor is grown to form a laminated structure as described above, the wafer is taken out of the reaction vessel and, as shown in FIG. 3A, SiO 2 is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 112. 2 A protective film M1 is formed, and Cl is formed using RIE (reactive ion etching). 2 The surface of the n-type contact layer 104 on which the n-side electrode 130 is formed is exposed by etching with a gas. At this time, the resonator surface may be formed by etching. Although it is preferable to perform this step simultaneously with the exposure of the n-type contact layer 104, it can be performed in another step.
[0081]
(Ridge formation)
Next, in order to form a stripe-shaped waveguide region, an Si oxide (mainly SiO 2) is formed on almost the entire surface of the uppermost p-type contact layer 112 by a CVD apparatus. 2 ) Is formed with a thickness of 0.5 μm, a mask of a predetermined shape is put on the protective film, and the 3 A protective film made of a stripe-shaped Si oxide is formed by photolithography using a gas. Using this Si oxide protective film as a mask, SiCl 4 The semiconductor layers 111 and 112 are etched using a gas. The ridge is etched at least up to the p-type cladding layer 111, and a ridge stripe is formed above the active layer. At this time, the width of the ridge is in the range of 1 to 15 μm, and is set to 1.6 μm in this embodiment.
[0082]
(Insulating film 113)
SiO 2 With the mask formed, ZrO 2 is deposited on the surface of the p-type semiconductor layer. 2 An insulating film 113 is formed. This insulating film 113 may be provided over the entire surface of the semiconductor layer by masking the n-side electrode formation surface. Further, a portion where the insulating film 113 is not formed is provided so as to be easily divided later. After the formation of the first insulating film 113, the substrate is immersed in a buffered solution to form the SiO 2 2 Is dissolved and removed, and SiO 2 is removed by a lift-off method. 2 And ZrO on the p-type contact layer (and further on the n-type contact layer). 2 Is removed. Thereby, as shown in FIG. 3B, the upper surface of the ridge is exposed, and the side surface of the ridge is formed of ZrO. 2 It becomes the structure covered with.
[0083]
After forming the insulating film 113, the wafer is heat-treated at 600 ° C. Thus, SiO 2 When a material other than the above is formed as the insulating film 113, the insulating film 113 is formed and then subjected to a heat treatment at 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, and lower than the decomposition temperature of the nitride semiconductor (1200 ° C.). Is a post-process mask (mainly SiO 2 2 Etc.) can be made difficult to dissolve in the dissolving material.
[0084]
(P-side electrode 120)
Next, a p-side electrode 120 is formed on the ridge protrusion on the p-type contact layer 112 and the insulating film 113 by sputtering. In this embodiment, as shown in FIG. 2, the p-side electrode 120 has a three-layer structure including a metal layer 121, an intermediate layer 122, and an uppermost layer 123. First, Pd (100 °) is formed on the contact surface with the p-type contact layer 112 to make ohmic contact with the metal layer 121. Next, Ni (300 °) is used as the intermediate layer 120, and Pt (1500 °) is used as the uppermost layer 123. Further, an n-side electrode 130 for obtaining an n-side ohmic contact is also formed on the surface of the n-type contact layer 104. The n-side electrode 130 is made of Ti / Al (200 ° / 8000 °), and is formed in a stripe shape that is parallel to the ridge and approximately the same length.
[0085]
(Heat treatment process)
After forming the p-side electrode 120 and the n-side electrode 130, a heat treatment is performed at 600 ° C. in a mixed atmosphere of oxygen and nitrogen. Thereby, the adhesion between the insulating film 113 and the p-side electrode 120 is improved.
[0086]
(Second insulating film 114)
Next, a resist covering the entire surface of the p-side electrode 120 on the ridge and a part of the upper part of the n-side electrode 130 is formed. Then, SiO 2 By forming an insulating film 114 of substantially the entire surface and performing lift-off, the insulating film 114 in which the entire upper surface of the p-side electrode 120 and a part of the n-side electrode 130 are exposed is formed as shown in FIG. Formed. The insulating film 114 is formed so as to partially cover the p-side electrode 120, but may be formed so as to be separated from the p-side electrode 120.
[0087]
(Pad electrodes 140, 141)
Next, pad electrodes 140 and 141 are formed so as to cover the electrodes 120 and 130, respectively. At this time, the second insulating film 114 is preferably formed so as to cover the second insulating film 114. The lowermost layer of the p-side pad electrode 140 is Pt (1000 °), and is stacked thereon in the order of Ti / Pt / Au (50 to 1000 ° / 1000 ° / 6000 °). The n-side pad electrode 141 is formed of Ni / Ti / Au (1000/1000/8000) from below. These pad electrodes 140 and 141 are in contact with the p-side electrode 120 and the n-side electrode 130 via the second insulating film 114 in the form of stripes. A resist is formed so that a region including the ridge portion of the p-side electrode 120 is exposed, and Pt as a lowermost layer is formed. Then, a metal layer made of Ti / Pt / Au is laminated. Thereafter, the p-side pad electrode 140 is formed by lift-off. At this time, the p-side pad electrode 140 and the n-side pad electrode 141 are formed simultaneously by using a resist having an opening also on the n-side electrode 130. Further, a resist having an opening is also formed on the n-side electrode 130, the n-side pad electrode is formed of Ni / Ti / Au (1000/1000/8000), and then the n-side pad electrode 141 is lifted off. Is formed.
[0088]
(Cleavage and cavity surface formation)
Next, the substrate on which the nitride semiconductor has been grown is polished and adjusted to have a thickness of about 150 μm, a scribe groove is formed on the back surface of the substrate, and the substrate is broken by breaking from the nitride semiconductor layer side and cleaving. Laser. The cleavage plane of the nitride semiconductor layer is the M plane (11-00 plane) of the nitride semiconductor, and this plane is used as the resonator plane.
[0089]
(Formation of edge protection film)
It is preferable to provide an end face protective film on the surface of the resonator formed as described above in order to efficiently resonate light generated in the active layer 108. In particular, it is preferable to provide an end face protection film on the resonator surface on the monitor side in order to provide a refractive index difference from the resonator surface on the emission side. Specific examples of the conductive material include Si, Mg, Al, Hf, Nb, Zr, Sc, Ta, Ga, Zn, Y, B, and Ti, and oxides, nitrides, and fluorides thereof. Any of the compounds selected from the above compounds can be used. These may be used alone, or may be used as a compound or a multilayer film in which a plurality of them are combined. Preferred materials are materials using Si, Mg, Al, Hf, Zr, Y, and Ga. Further, AlN, AlGaN, BN, or the like can be used as the semiconductor material. As the insulator material, compounds such as oxides, nitrides, and fluorides of Si, Mg, Al, Hf, Nb, Zr, Sc, Ta, Ga, Zn, Y, and B can be used. Semiconductors such as AlN, AlGaN, and BN can also be used.
[0090]
In this embodiment, SiO 2 is used as the end face protective film. 2 And ZrO 2 A dielectric multilayer film is formed. The resonator surface on the light reflection side (monitor side) is ZrO 2 Is formed, and then SiO 2 is formed. 2 And ZrO 2 Are alternately laminated in six pairs to form a high reflection film. Here, the protective film and SiO constituting the high reflection film 2 Membrane and ZrO 2 The thickness of the film can be set to a preferable thickness according to the wavelength of light emitted from the active layer. Also, nothing may be provided on the resonator surface on the light emission side, or ZrO 2 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 , ZrO 2 First low-reflection film and SiO 2 And a second low-reflection film made of such a material.
[0091]
Finally, a groove is formed by scribing so as to be substantially parallel to the ridge stripe, and the bar is cut at the groove to obtain the nitride semiconductor laser device of the present invention. The nitride semiconductor laser device obtained as described above has no electrode peeling and has a threshold current density of 2.0 kA / cm at room temperature. 2 , 65 mW, and can continuously oscillate at an oscillation wavelength of 405 nm.
[0092]
[Example 2]
In the second embodiment, the p-side electrode 120 is formed in the order of Pd / Ni / Au / Pt (30 ° / 100 ° / 100 ° / 1500 °). The same operation as in Example 1 is performed, except that the p-side electrode 120 is formed as follows. In the nitride semiconductor laser device thus obtained, no peeling of the electrode was observed, and the threshold current density was 2.0 kA / cm at room temperature. 2 , 65 mW, and can continuously oscillate at an oscillation wavelength of 405 nm.
[0093]
[Example 3]
In the third embodiment, an adhesion layer is formed. In the first embodiment, the p-side electrode 120 is formed on the first insulating film 113 with Pd / Pt (300/500). Next, SiO 2 is used as the second insulating film 114. 2 / TiO 2 A multilayer film composed of two pairs (500 ° / 800 °) is formed. At this time, in this embodiment, the multilayer film is formed so as to be approximately 5 μm apart from the p-side electrode 120. Next, Ti / Pt (100 ° / 500 °) as an adhesion layer is formed on a part of the p-side electrode 120 and between the p-side electrode 120 and the second insulating film 114 by exposing the first insulating film. 113 and over the second insulating film 114. Then, the p-side pad electrode 140 is formed of Pt / Ti / Pt / Au (1000/100/1000/6000) from the p-side electrode 120 to the adhesion layer. Other steps are performed in the same manner as in Example 1 to obtain the nitride semiconductor laser device of the present invention. In the nitride semiconductor laser device obtained as described above, no peeling of the electrode was confirmed, and the threshold current density was 2.0 kA / cm at room temperature. 2 , 65 mW, and can continuously oscillate at an oscillation wavelength of 405 nm.
[0094]
[Example 4]
Example 4 is performed in the same manner as in Example 1 except that the wafer is heat-treated at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere in the reaction vessel to further reduce the resistance of the p-type layer Qp. The resulting nitride semiconductor laser device has a threshold current density of 2.0 kA / cm at room temperature. 2 , 65 mW, and can continuously oscillate at an oscillation wavelength of 405 nm.
[0095]
[Example 5]
In the fifth embodiment, the p-side pad electrode 140 in the first embodiment is formed under the following conditions. A p-side pad electrode 140 is formed by sputtering so as to cover the second insulating film 114. The lowermost layer of the p-side pad electrode 140 is Pt (1000 °), and Ti / Au (1000 ° / 6000 °) is formed thereon. The n-side pad electrode 141 is formed of Ni / Ti / Au (1000/1000/6000) from below. The pad electrodes 140 and 141 are in contact with the p-side electrode 120 and the n-side electrode 130 in a stripe shape via the second insulating film 114, respectively. In the nitride semiconductor laser device thus obtained, no peeling of the electrode was observed, and the threshold current density was 2.0 kA / cm at room temperature. 2 , 65 mW, and can continuously oscillate at an oscillation wavelength of 405 nm.
[0096]
[Example 6]
In the sixth embodiment, a conductive GaN substrate is used as the substrate 101 as shown in FIG. The thickness of the GaN substrate 101 is 300 μm, and the number of crystal defects per unit area is 1 × 10 6 Pieces / cm 2 It is as follows. An n-side electrode 130 and an n-side pad electrode 141 are formed on the back surface of the GaN substrate 101 under the same conditions as in the first embodiment. By setting other conditions to be the same as those of the first embodiment, a semiconductor laser device capable of continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm at a high output of 65 mW or more is obtained.
[0097]
In the above description, a semiconductor laser device using a nitride semiconductor has been exemplified, but the present invention is also applicable to various semiconductor devices such as a light emitting device such as a light emitting diode, a light receiving device such as a photodiode, and a circuit device such as an FET. Applicable.
[0098]
【The invention's effect】
As described in detail above, the contact resistance between the electrode and the semiconductor layer is low even at the time of driving when a large current is applied, and the adhesion is good. Further, at the interface between the insulating film and the electrode, the adhesion and the mechanical strength are extremely low. It is possible to realize a laser element characteristic that is excellent and stable in light confinement at the electrode in the stripe direction of the ridge.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged view showing an example of a ridge structure and an electrode structure according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor laser device using a conductive substrate.
FIG. 5 is a partial perspective view showing a typical example of a ridge structure and an electrode structure.
[Explanation of symbols]
101 ... substrate, 102 ... buffer layer, 103 ... underlayer, 104 ... n-type contact layer, 105 ... crack prevention layer, 106 ... n-type clad layer, 107 ... n-type light guide layer, 108 ... active layer, 109 ... p-type electron confinement layer, 110 ... p-type light guide layer, 111 ... p-type cladding layer, 112 ... p-type contact layer 113, an insulating film, 114, a second insulating film, 108, an active layer, 120, a p-side electrode, 140, 141, a pad electrode

Claims (9)

積層された窒化物半導体にリッジ構造を形成している窒化物半導体レーザ素子であって、
前記リッジ側面から連続する半導体層の平面上に延在して形成されている絶縁膜と、前記リッジ上面と絶縁膜とを被覆している電極とを備えており、
前記電極は、絶縁膜と接している領域には白金族元素から成る金属層を備えており、且つ絶縁膜と接している界面には白金族元素の単結晶が存在していることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。A nitride semiconductor laser device forming a ridge structure in the stacked nitride semiconductor,
An insulating film formed to extend on a plane of the semiconductor layer continuous from the side surface of the ridge, and an electrode covering the upper surface of the ridge and the insulating film,
The electrode is provided with a metal layer made of a platinum group element in a region in contact with the insulating film, and a platinum group element single crystal is present at an interface in contact with the insulating film. Nitride semiconductor laser device. 前記絶縁膜は、電極で覆われている被覆領域と、電極から露出されている露出領域とを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。2. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the insulating film has a covering region covered with an electrode and an exposed region exposed from the electrode. 3. 前記絶縁膜は、酸化膜、窒化膜又はＭｇＦであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。2. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein said insulating film is an oxide film, a nitride film, or MgF. 前記電極は、少なくとも２層以上からなる多層構成を有し、該電極の最上層が白金族元素から成ることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。2. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein the electrode has a multilayer structure including at least two layers, and an uppermost layer of the electrode is formed of a platinum group element. 前記電極を構成する半導体との界面にある金属層は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕから成る群から選択された少なくとも１種類の白金族元素から成ることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。The metal layer at an interface with a semiconductor constituting the electrode is made of at least one kind of platinum group element selected from the group consisting of Pd, Pt, Os, Rh, Ir, and Ru. 3. The nitride semiconductor laser device according to item 1. 前記電極を構成する最上層の金属層は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕから成る群から選択された少なくとも１種類の白金族元素から成ることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。2. The electrode according to claim 1, wherein the uppermost metal layer forming the electrode is made of at least one platinum group element selected from the group consisting of Pd, Pt, Os, Rh, Ir, and Ru. Nitride semiconductor laser device. 積層された窒化物半導体にリッジ構造を形成している窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記積層された窒化物半導体をエッチングしてリッジ構造を形成し、該リッジ側面から連続する半導体層平面上に延在して絶縁膜を形成する工程と、
前記リッジ上面と、絶縁膜の少なくとも一部と、を被覆する電極であって、該電極は、絶縁層と接している領域には少なくとも白金族元素から成る金属層を備えて電極を形成する工程と、
前記電極を形成した工程後、前記窒化物半導体を熱処理する工程、
を具備することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。A method for manufacturing a nitride semiconductor laser device having a ridge structure formed on a stacked nitride semiconductor,
Forming a ridge structure by etching the stacked nitride semiconductor, forming an insulating film extending from a side surface of the ridge to a continuous semiconductor layer plane;
Forming an electrode covering the upper surface of the ridge and at least a part of an insulating film, the electrode including a metal layer made of at least a platinum group element in a region in contact with the insulating layer; When,
After the step of forming the electrode, a step of heat-treating the nitride semiconductor;
A method for manufacturing a nitride semiconductor laser device, comprising: 前記電極は、少なくとも２層以上からなる多層構成であって、リッジ上面と絶縁膜とに接する第１の金属層、かつ該電極の最上層である第２の金属層が白金族元素から成ることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。The electrode has a multilayer structure including at least two layers, and a first metal layer in contact with the upper surface of the ridge and the insulating film, and a second metal layer as an uppermost layer of the electrode is formed of a platinum group element. The method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to claim 7, wherein: 前記積層された窒化物半導体は、第１コンタクト層、第１クラッド層、活性層を有し、該活性層上に、第２クラッド層、第２コンタクト層を順に備えた構成であって、リッジ構造の形成時には少なくとも第２クラッド層までエッチングされていることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。The laminated nitride semiconductor has a first contact layer, a first cladding layer, and an active layer, and a structure in which a second cladding layer and a second contact layer are sequentially provided on the active layer. 8. The method for manufacturing a nitride semiconductor laser device according to claim 7, wherein at least the second cladding layer is etched when the structure is formed.
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