JP2013229417A

JP2013229417A - Nitride-based semiconductor laser device

Info

Publication number: JP2013229417A
Application number: JP2012099471A
Authority: JP
Inventors: Nobuyasu Suzuki; 信靖鈴木; Takahiro Hamada; 貴裕濱田; Kenji Orita; 賢児折田; Nobuaki Nagao; 宣明長尾
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-11-07

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a nitride-based semiconductor laser device whose p-electrode side is adhered to a heat sink, and that has excellent heat radiation characteristics.SOLUTION: A nitride-based semiconductor laser device comprises: an active layer 203; a p-type semiconductor layer 204 provided on the active layer 203; an all-sided one-round groove part formed by digging down the p-type semiconductor layer 204; a ridge-like ridge stripe 301 formed to the p-type semiconductor layer 204 and surrounded by the one-round groove part; and a current block layer 205 made of zinc oxide for burying the groove part.

Description

本発明は、ｐ電極側がヒートシンクに固着された、放熱特性の優れた窒化物系半導体レーザ装置に関するものである。 The present invention relates to a nitride-based semiconductor laser device having a heat dissipation characteristic in which a p-electrode side is fixed to a heat sink.

半導体レーザは光ストレージ等に広く用いられているが、例えば光ピックアップ等において、近年のブルーレイディスクに代表される高密度記録に対応して半導体レーザの高出力化及び高信頼性が求められている。ところで、半導体レーザ装置の出力が高くなるとそれに伴って発生する熱量も不可避的に増大するが、半導体レーザ素子は自身の放出する熱による劣化等の影響を受け易いため、出力上昇に従って発生する熱は半導体レーザの性能向上にとって深刻な問題となっている。とくに、半導体レーザにおいては瞬時光学損傷現象（ＣＯＤ）が発生することが知られている。これは、レーザ光が界面準位が多くバンドギャップが縮小している端面付近にくると、光吸収→非発光再結合という過程でその光エネルギーが熱に変わり端面温度が上昇することから、光出力上昇に伴い端面でのバンドギャップが益々縮小し光吸収（発熱）が多くなるという正の循環が生じ、最終的に端面が破壊される現象であり、半導体レーザ装置で高出力状態で高い信頼性を得るための阻害要因となっている。そのため、一般的に排熱を効率的に行うことによりＣＯＤレベルを高めることが要求されている。 Semiconductor lasers are widely used for optical storage and the like. For example, in optical pickups and the like, high output and high reliability of semiconductor lasers are required in response to high-density recording typified by recent Blu-ray discs. . By the way, when the output of the semiconductor laser device is increased, the amount of heat generated is inevitably increased. However, since the semiconductor laser element is easily affected by deterioration due to heat released by itself, the heat generated as the output increases is increased. This is a serious problem for improving the performance of semiconductor lasers. In particular, it is known that an instantaneous optical damage phenomenon (COD) occurs in a semiconductor laser. This is because when the laser beam comes near the end face where the interface state is large and the band gap is reduced, the light energy changes into heat in the process of light absorption → non-radiative recombination, and the end face temperature rises. As the output rises, the band gap at the end face is further reduced and light absorption (heat generation) increases, resulting in a positive circulation, which eventually destroys the end face. The semiconductor laser device is highly reliable in a high output state. It is an obstructive factor for obtaining sex. Therefore, it is generally required to increase the COD level by efficiently performing exhaust heat.

半導体レーザ素子では、上記致命的な破壊損傷以外にも、温度上昇が光出力、電流特性、波長、ノイズ、寿命に大きな影響を与え、各基本特性は動作中の発熱により全て悪化の方向にシフトすることが知られている。 In semiconductor laser devices, in addition to the above-mentioned catastrophic breakdown damage, temperature rise has a large effect on light output, current characteristics, wavelength, noise, and life, and all basic characteristics shift in the direction of deterioration due to heat generation during operation. It is known to do.

半導体レーザの中でもIII族元素であるアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）及びガリウム（Ｇａ）と、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とにより構成された窒化物系半導体を用いた半導体レーザは、短波長に起因する高いフォトンエネルギーおよび高出力といった優れた特徴を有している。このため、光ディスク等の高密度情報記録技術だけでなく、画像表示、医療及び照明といった幅広い技術分野で用いられている。さらに窒化物系半導体レーザの高出力化に伴い、非晶質シリコンの結晶化プロセスに用いる光源といったような、従来高出力ガスレーザや固体レーザを用いていた材料加工分野での応用も検討されている。 Among semiconductor lasers, a semiconductor laser using a nitride semiconductor composed of group III elements aluminum (Al), indium (In) and gallium (Ga) and group V element nitrogen (N) It has excellent features such as high photon energy and high output due to short wavelengths. For this reason, it is used not only for high-density information recording technology such as optical discs but also in a wide range of technical fields such as image display, medical treatment, and illumination. As nitride semiconductor lasers have increased in power, applications in the field of material processing that conventionally used high-power gas lasers and solid-state lasers, such as light sources used in the crystallization process of amorphous silicon, are also being studied. .

高指向性であるレーザ出力光を得るために、窒化物系半導体レーザは一般的に光導波路を有しており、高出力かつ低消費電力で動作させるために、光導波路はリッジ構造を採用している。リッジの両側に電流ブロック層である酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる絶縁膜を形成し、リッジ構造上に形成されたｐ電極から注入される電流の狭窄を行って、効率的なキャリアならびに光の閉じ込めを実現している（特許文献１参照）。 In order to obtain laser output light with high directivity, nitride-based semiconductor lasers generally have an optical waveguide, and in order to operate with high output and low power consumption, the optical waveguide adopts a ridge structure. ing. An insulating film made of silicon oxide (SiO ₂ ), which is a current blocking layer, is formed on both sides of the ridge, and the current injected from the p-electrode formed on the ridge structure is confined so that efficient carriers and light can be efficiently transmitted. Confinement is realized (see Patent Document 1).

排熱を効率的に行い、温度上昇を抑制するために、リッジの両側に酸窒化アルミニウム（ＡｌＯ_xＮ_y）膜を形成した構造が提案されており（特許文献２参照）、ＳｉＯ₂と比較して高い熱伝導率を有するＡｌＯ_xＮ_yを電子サイクロトロン共鳴スパッタ法を用いて成膜している。これにより、高出力動作時において放熱性を向上させ、最大光出力ならびに電気−光変換効率を向上させることができると期待されている。 Perform exhaust heat efficiently, in order to suppress the temperature rise, both sides aluminum nitride (AlO _x N _y) film was formed structure of the ridge has been proposed (see Patent Document 2), and SiO ₂ Comparative Thus, AlO _x N _y having a high thermal conductivity is formed using an electron cyclotron resonance sputtering method. As a result, it is expected that heat dissipation can be improved during high output operation, and the maximum light output and electro-optical conversion efficiency can be improved.

特許第３９８２５２１号公報Japanese Patent No. 3982521 特開２００９−４６４５号公報JP 2009-4645 A

特許文献１では電流ブロック層としてリッジの両側にＳｉＯ２膜を、特許文献２ではリッジの両側にＡｌＯ_xＮ_y膜を形成しているが、スパッタ法で形成された電流ブロック層の薄膜はＳｉＯ₂の場合は非晶質、ＡｌＯ_xＮ_yの場合でも多結晶である。結晶性が不十分なために熱伝導率が十分でなく、高出力時に電流ブロック層を介した放熱を期待することは困難である。 The SiO2 film on both sides of the ridge as a current blocking layer in Patent Document 1, although to form an AlO _x N _y film on both sides of the ridge Patent Document 2, a thin film of the current blocking layer formed by sputtering SiO ₂ In the case of A, it is amorphous and even in the case of AlO _x N _y it is polycrystalline. Since the crystallinity is insufficient, the thermal conductivity is not sufficient, and it is difficult to expect heat dissipation through the current blocking layer at high output.

さらに図１に示したように従来の窒化物系半導体レーザではリッジ形成時に掘られたリッジ両側の溝部に電流ブロック層の薄膜が形成された構造である。発熱部位である電流狭窄部と放熱部品であるヒートシンクの距離が離れており、電流ブロック層もヒートシンクに接していないため電流ブロック層を介した放熱はほとんど期待できない。 Further, as shown in FIG. 1, the conventional nitride semiconductor laser has a structure in which a thin film of a current blocking layer is formed in the grooves on both sides of the ridge dug when the ridge is formed. Since the distance between the current constriction part, which is a heat generation part, and the heat sink, which is a heat dissipation component, is far away, and the current block layer is not in contact with the heat sink, almost no heat dissipation through the current block layer can be expected.

高出力の赤色ないしは近赤外に発振波長を有する半導体レーザでは、電流狭窄部側のｐ電極側をヒートシンクに固着したジャンクションダウン実装と呼ばれる手法が一般的に用いられている。しかしながら、図１のような従来構造の窒化物系半導体レーザでは、ジャンクションダウン実装時にリッジ部分に圧力、応力が集中するため半導体層に歪みやクラックが発生し、素子の信頼性に悪影響を与える懸念がある。さらにヒートシンクとの接触面積が小さいため放熱が十分行われないおそれがある。 In a semiconductor laser having an oscillation wavelength in high-power red or near infrared, a technique called junction down mounting in which the p-electrode side on the current confinement portion side is fixed to a heat sink is generally used. However, in the nitride semiconductor laser having the conventional structure as shown in FIG. 1, since pressure and stress are concentrated on the ridge portion during junction down mounting, the semiconductor layer may be distorted or cracked, which may adversely affect the reliability of the device. There is. Furthermore, since the contact area with the heat sink is small, there is a risk that heat radiation will not be performed sufficiently.

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ｐ電極側がヒートシンクに固着された（ジャンクションダウン実装）、放熱特性の優れた窒化物系半導体レーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser excellent in heat dissipation characteristics in which the p-electrode side is fixed to a heat sink (junction down mounting). And

前記のような課題を解決するために、本発明の窒化物系半導体レーザは、活性層と、前記活性層上のｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層を掘り込んで形成される一周の溝部と、前記ｐ型半導体層に形成され、前記一周の溝部に囲まれるリッジ形状のストライプと、前記溝部を埋め込む酸化亜鉛からなる電流ブロック層を備える。 In order to solve the above problems, a nitride semiconductor laser according to the present invention includes an active layer, a p-type semiconductor layer on the active layer, and a round formed by digging the p-type semiconductor layer. A groove portion, a ridge-shaped stripe formed in the p-type semiconductor layer and surrounded by the one-round groove portion, and a current blocking layer made of zinc oxide filling the groove portion are provided.

前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層は、化学溶液成長法で形成した結晶性酸化亜鉛で構成されることが望ましい。 The current blocking layer made of zinc oxide is preferably composed of crystalline zinc oxide formed by a chemical solution growth method.

前記ｐ型半導体層上面と前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層上面に接するｐ電極がもうけられることが望ましい。 It is preferable that a p-electrode in contact with the upper surface of the p-type semiconductor layer and the upper surface of the current blocking layer made of zinc oxide is provided.

前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層の高さは前記リッジ形状のストライプより若干高いことが好ましい。ジャンクションダウン実装時にリッジ部分に加わる応力を低減することが可能となる。 The height of the current blocking layer made of zinc oxide is preferably slightly higher than that of the ridge-shaped stripe. It is possible to reduce the stress applied to the ridge portion during junction down mounting.

本発明によれば、リッジストライプ周囲（前後ならびに両側）の溝部を熱伝導率の高い結晶性酸化亜鉛からなる埋め込み層で囲うことにより、ジャンクションダウン実装を容易に実現しつつ活性層端面部の温度上昇を抑制した窒化物系半導体レーザ装置を実現することができる。 According to the present invention, by enclosing the groove around the ridge stripe (front and rear and both sides) with a buried layer made of crystalline zinc oxide having high thermal conductivity, the temperature of the end face of the active layer can be easily realized while realizing junction-down mounting. A nitride-based semiconductor laser device with suppressed rise can be realized.

従来技術の窒化物系半導体レーザの正面模式図Schematic front view of a conventional nitride semiconductor laser 本発明の一実施の形態に係わる窒化物系半導体レーザ装置を示す断面模式図1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態に係わる窒化物系半導体レーザ装置におけるリッジストライプの構造模式図Schematic diagram of ridge stripe structure in nitride semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention 比較例におけるリッジストライプの構造模式図Schematic diagram of ridge stripe structure in comparative example 本発明の一実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法を工程順に示す断面模式図1 is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing a nitride semiconductor laser according to an embodiment of the present invention in the order of steps. 本発明の一実施の形態に係わる変形例における窒化物系半導体レーザ装置を示す断面模式図FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor laser device in a modification according to an embodiment of the present invention.

本発明の第１の態様は、前記のような課題を解決するために、本発明の窒化物系半導体レーザは、活性層と、前記活性層上のｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層を掘り込んで形成される一周の溝部と、前記ｐ型半導体層に形成され、前記一周の溝部に囲まれるリッジ形状のストライプと、前記溝部を埋め込む酸化亜鉛からなる電流ブロック層を備える。 According to a first aspect of the present invention, in order to solve the above-described problems, a nitride semiconductor laser according to the present invention includes an active layer, a p-type semiconductor layer on the active layer, and the p-type semiconductor layer. , A ridge-shaped stripe formed in the p-type semiconductor layer and surrounded by the one-round groove portion, and a current blocking layer made of zinc oxide filling the groove portion.

本発明の第２の態様は、前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層は、化学溶液成長法で形成した結晶性酸化亜鉛で構成されることが望ましい。 In the second aspect of the present invention, the current blocking layer made of zinc oxide is preferably composed of crystalline zinc oxide formed by a chemical solution growth method.

本発明の第３の態様は、前記ｐ型半導体層上面と前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層上面に接するｐ電極がもうけられることが望ましい。 In the third aspect of the present invention, it is preferable that a p-electrode in contact with the upper surface of the p-type semiconductor layer and the upper surface of the current blocking layer made of zinc oxide is provided.

本発明の第４の態様は、前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層の高さは前記リッジ形状のストライプより若干高いことが好ましい。ジャンクションダウン実装時にリッジ部分に加わる応力を低減することが可能となる。 In the fourth aspect of the present invention, the current blocking layer made of zinc oxide is preferably slightly higher than the ridge-shaped stripe. It is possible to reduce the stress applied to the ridge portion during junction down mounting.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（実施の形態）
図２は、本実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置の断面模式図である。本実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置は、具体的には窒化ガリウム（ＧａＮ）系の青紫色半導体レーザである。また、リッジ形状のストライプを有するリッジ導波路型半導体レーザである。 (Embodiment)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the nitride-based semiconductor laser device of the present embodiment. The nitride semiconductor laser device of this embodiment is specifically a gallium nitride (GaN) blue-violet semiconductor laser. Further, it is a ridge waveguide type semiconductor laser having a ridge-shaped stripe.

図２に示すように、本実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＮ基板２０１の主面に形成された、ｎ型半導体層２０２と、活性層２０３、ｐ型半導体層２０４を有している。ｎ型半導体層２０２はｎ型ＧａＮ基板２０１から見て順に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層と、ｎ型ＧａＮガイド層、から構成されている。活性層２０３は井戸層と障壁層の積層構造で形成される。井戸層および障壁層には、例えばＩｎ濃度を変えたＩｎＧａＮ層から構成される。ｐ型半導体層２０４は、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアオーバーフロー抑制層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層及びｐ型ＧａＮコンタクト層、から構成されている。 As shown in FIG. 2, the nitride semiconductor laser device of the present embodiment includes an n-type semiconductor layer 202, an active layer 203, and a p-type semiconductor layer 204 formed on the main surface of an n-type GaN substrate 201. Have. The n-type semiconductor layer 202 includes an n-type AlGaN cladding layer and an n-type GaN guide layer in order from the n-type GaN substrate 201. The active layer 203 is formed by a stacked structure of a well layer and a barrier layer. The well layer and the barrier layer are composed of, for example, InGaN layers with different In concentrations. The p-type semiconductor layer 204 is composed of a p-type GaN light guide layer, a p-type AlGaN carrier overflow suppression layer, a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type GaN contact layer.

ｐ型半導体層２０４は、図３に示すようなリッジストライプ３０１を有している。リッジストライプ３０１はｐ型半導体層２０４を掘り込むことにより形成されており、リッジストライプの前後、両側に、一周の溝を掘り込んだ形状である。リッジストライプ３０１の周囲は、結晶性酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる電流ブロック層２０５が形成されている。具体的には、リッジストライプ３０１の外周の溝部が、化学溶液成長法により形成された結晶性酸化亜鉛からなる電流ブロック層２０５で埋め込まれている。 The p-type semiconductor layer 204 has a ridge stripe 301 as shown in FIG. The ridge stripe 301 is formed by digging the p-type semiconductor layer 204, and has a shape in which a groove is dug on the front, back, and both sides of the ridge stripe. A current blocking layer 205 made of crystalline zinc oxide (ZnO) is formed around the ridge stripe 301. Specifically, the groove on the outer periphery of the ridge stripe 301 is filled with a current blocking layer 205 made of crystalline zinc oxide formed by a chemical solution growth method.

リッジストライプ３０１の下には電流ブロック層２０５とも接するようにｐ電極２０６が形成されており、ｎ型ＧａＮ基板２０１の上面にはｎ電極２０８が形成されている。ｐ電極２０６は、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ膜とＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜の積層膜である。さらにｎ電極２０８は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜である。加えてｐ電極２０６と銅（Ｃｕ）製のヒートシンク２０９と固着するためのＡｕメッキ層２０７が形成されている。ジャンクションダウン実装時には、Ａｕメッキ層２０７上に、ＡｎＳｎハンダ層（図示せず）等を介してヒートシンク２０９と固着される。 A p-electrode 206 is formed under the ridge stripe 301 so as to be in contact with the current blocking layer 205, and an n-electrode 208 is formed on the upper surface of the n-type GaN substrate 201. The p electrode 206 is, for example, a laminated film of a Pd / Pt film and a Ti / Pt / Au film. Further, the n-electrode 208 is, for example, a laminated film of Ti / Pt / Au. In addition, an Au plating layer 207 for adhering to the p-electrode 206 and the copper (Cu) heat sink 209 is formed. At the time of junction down mounting, the heat sink 209 is fixed on the Au plating layer 207 via an AnSn solder layer (not shown) or the like.

リッジ導波路型半導体レーザでは、ｐ電極２０６とｎ電極２０８間に電流を注入すると、リッジストライプ３０１部分で狭窄された電流がリッジ直下の活性層２０３で光に変換され、レーザが発振する。このため、リッジストライプ直下の電流狭窄部が主な発熱源となる。上述のように、ジャンクションダウン実装時には、ｐ電極２０６側をヒートシンク２０９に接触させる。レーザ発振時に発生した熱はｐ電極２０６、Ａｕメッキ層２０７を介してヒートシンク２０９に放熱される。 In the ridge waveguide semiconductor laser, when current is injected between the p-electrode 206 and the n-electrode 208, the current constricted in the ridge stripe 301 is converted into light in the active layer 203 immediately below the ridge, and the laser oscillates. For this reason, the current constriction directly under the ridge stripe is the main heat source. As described above, the p-electrode 206 side is brought into contact with the heat sink 209 during junction down mounting. Heat generated during laser oscillation is radiated to the heat sink 209 via the p-electrode 206 and the Au plating layer 207.

主たる放熱の経路としてはｐ型半導体層２０４からｐ電極２０６、Ａｕメッキ層２０７、ヒートシンク２０９へと至るものであるが、リッジストライプ３０１に接した高い熱伝導率を有する結晶性酸化亜鉛からなる電流ブロック層２０５を介してｐ電極２０６、Ａｕメッキ層２０７、ヒートシンク２０９へと至る経路を経由して多くの熱が移動することが可能である。特に図３に示すようにリッジストライプ３０１の左右だけでなく前後にも、こうした熱の移動経路が存在するため端面における温度上昇の低下が期待できる。 The main heat dissipation path is from the p-type semiconductor layer 204 to the p-electrode 206, the Au plating layer 207, and the heat sink 209. A large amount of heat can be transferred via a path that reaches the p-electrode 206, the Au plating layer 207, and the heat sink 209 via the block layer 205. In particular, as shown in FIG. 3, such a heat transfer path exists not only on the left and right sides of the ridge stripe 301 but also on the front and back sides thereof, so that a decrease in temperature rise at the end face can be expected.

一方、図１に示したような従来の窒化物半導体レーザでは発熱部位である電流狭窄部と放熱部品であるヒートシンクの距離が離れており、電流ブロック層もヒートシンクに接していないため電流ブロック層を介した放熱はほとんど期待できない。
表１は、図２の本実施の形態の構造（本発明）と、図１の従来技術の構造（従来例）ならびに、図４に示したようなリッジストライプ両側のみを結晶性酸化亜鉛からなる電流ブロック層で埋め込んだ構造の比較例についての、活性層端面温度と熱抵抗係数の計算による比較である。計算はリッジストライプ幅を６μｍ、共振器長を８００μｍ、光出力１Ｗにおける排熱を３Ｗとし、ヒートシンク温度を２５℃として行ったものである。 On the other hand, in the conventional nitride semiconductor laser as shown in FIG. 1, the current confinement part which is a heat generating part and the heat sink which is a heat radiation component are separated from each other, and the current block layer is not in contact with the heat sink. Heat dissipation through is almost impossible.
Table 1 shows the structure of the present embodiment in FIG. 2 (the present invention), the structure of the prior art in FIG. 1 (conventional example), and crystalline zinc oxide on both sides of the ridge stripe as shown in FIG. It is the comparison by the calculation of the active layer end surface temperature and the thermal resistance coefficient about the comparative example of the structure embedded with the current block layer. In the calculation, the ridge stripe width is 6 μm, the resonator length is 800 μm, the exhaust heat at an optical output of 1 W is 3 W, and the heat sink temperature is 25 ° C.

本実施の形態の場合、従来技術に比べ、活性層端面温度が１７．１℃、熱抵抗が５．７℃／Ｗ小さくなり放熱性が大きく改善することが分かる。さらにリッジストライプ両側のみを結晶性酸化亜鉛で埋め込んだ比較例に対しても活性層端面温度で５．６℃、熱抵抗で１．９℃／Ｗ小さくなっており、リッジストライプ一周を結晶性酸化亜鉛で埋め込んだ本実施の形態の優位性は明らかである。 In the case of the present embodiment, it can be seen that the end face temperature of the active layer is reduced by 17.1 ° C. and the thermal resistance is reduced by 5.7 ° C./W, so that the heat dissipation is greatly improved. Furthermore, compared to the comparative example in which only both sides of the ridge stripe are embedded with crystalline zinc oxide, the active layer end face temperature is 5.6 ° C. and the thermal resistance is reduced by 1.9 ° C./W. The advantage of this embodiment embedded in zinc is clear.

以下に、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法を説明する。まず、図５（ａ）に示すように、例えば主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮからなる基板２０１の上に、有機金属気層成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ法）等を用いてｎ型半導体層２０２と、活性層２０３、ｐ型半導体層２０４を成長させる。続いて、ｐ型半導体層２０４の上に選択的にマスク５０１を形成する。 A method for manufacturing the nitride semiconductor laser according to the present embodiment will be described below. First, as shown in FIG. 5A, an organic metal vapor deposition method (MOCVD method) is formed on a substrate 201 made of, for example, n-type hexagonal GaN whose principal surface is a (0001) plane. ) Or the like is used to grow the n-type semiconductor layer 202, the active layer 203, and the p-type semiconductor layer 204. Subsequently, a mask 501 is selectively formed on the p-type semiconductor layer 204.

ｎ型半導体層２０２は例えば、基板２０１側から順次形成されたｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層とすればよい。量子井戸構造の活性層２０３は、ＩｎＧａＮからなるバリア層と井戸層、それぞれＩｎ濃度が異なる、とを３周期成長させればよい。ｐ型半導体層２０４は、ｐ型光ガイド層、キャリアオーバーフロー抑制層、ｐ型クラッド層およびコンタクト層とすればよい。ｎ型クラッド層は、厚さが２μｍのｎ型ＡｌＧａＮとすればよい。ｎ型光ガイド層は、厚さが０．１μｍのｎ型ＧａＮとすればよい。ｐ型光ガイド層は、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮとすればよい。キャリアオーバーフロー抑制層は、厚さが１０ｎｍのＡｌＧａＮとすればよい。ｐ型クラッド層は、厚さが０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮとすればよい。コンタクト層は、厚さが０．０５μｍのｐ型ＧａＮとすればよい。 The n-type semiconductor layer 202 may be, for example, an n-type cladding layer and an n-type light guide layer that are sequentially formed from the substrate 201 side. The active layer 203 having a quantum well structure may be grown by three periods of a barrier layer made of InGaN and a well layer, each having a different In concentration. The p-type semiconductor layer 204 may be a p-type light guide layer, a carrier overflow suppression layer, a p-type cladding layer, and a contact layer. The n-type cladding layer may be n-type AlGaN having a thickness of 2 μm. The n-type light guide layer may be n-type GaN having a thickness of 0.1 μm. The p-type light guide layer may be p-type GaN having a thickness of 0.1 μm. The carrier overflow suppression layer may be AlGaN having a thickness of 10 nm. The p-type cladding layer may be p-type AlGaN having a thickness of 0.5 μm. The contact layer may be p-type GaN having a thickness of 0.05 μm.

マスク５０１は、ｐ型半導体層２０４の上に厚さが３００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成した後、ＳｉＯ₂膜を選択的に除去して形成すればよい。例えば、まずモノシラン（ＳｉＨ₄）を用いた熱化学気相堆積法（熱ＣＶＤ法）により、ｐ型半導体層２０４の上にＳｉＯ₂膜を成膜する。続いて、ＳｉＯ₂膜の上にフォトリソグラフィにより、例えば幅が６μｍ、長さが７８８μｍのストライプ状の開口部を有するフォトレジストを形成する。この後、四フッ化炭素（ＣＦ₄）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＯ₂膜の露出部分を除去すればよい。 The mask 501 may be formed by forming a SiO ₂ film having a thickness of 300 nm on the p-type semiconductor layer 204 and then selectively removing the SiO ₂ film. For example, first, a SiO ₂ film is formed on the p-type semiconductor layer 204 by a thermal chemical vapor deposition method (thermal CVD method) using monosilane (SiH ₄ ). Subsequently, a photoresist having a stripe-shaped opening having a width of 6 μm and a length of 788 μm is formed on the SiO ₂ film by photolithography, for example. Thereafter, the exposed portion of the SiO ₂ film may be removed by reactive ion etching (RIE) using carbon tetrafluoride (CF ₄ ).

次に、図５（ｂ）に示すように、マスク５０１を用いてｐ型半導体層２０４を選択的に除去して、深さが４００ｎｍ程度のストライプ状の凹部３０１ｂを形成する。これにより、ｐ型半導体層２０４にストライプ状のリッジ部３０１ａ（幅６μｍ、長さ７８８μｍ）が形成される。ｐ型半導体層２０４の除去は、塩素（Ｃｌ２）を用いた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングにより行えばよい。 Next, as shown in FIG. 5B, the p-type semiconductor layer 204 is selectively removed using a mask 501 to form a stripe-shaped recess 301b having a depth of about 400 nm. As a result, a striped ridge portion 301 a (width 6 μm, length 788 μm) is formed in the p-type semiconductor layer 204. The p-type semiconductor layer 204 may be removed by inductively coupled plasma (ICP) etching using chlorine (Cl 2).

次に、図５（ｃ）に示すように、凹部３０１ｂに化学溶液成長法によりＺｎＯからなる電流ブロック層２０５を約４００ｎｍ結晶成長させる。ＺｎＯの成長は、例えば７０℃に熱した硝酸亜鉛鉛六水和物及びヘキサメチレンテトラミンを含む溶液に、ｎ型半導体層２０２と、活性層２０３、ｐ型半導体層２０４を形成した基板２０１を５時間浸漬することにより行う。ＺｎＯは、図５に示すようにＳｉＯ₂からなるマスク５０１の上には成長せず、露出したｐ型半導体層２０４の上のみに選択的に成長する。この方法により成長したＺｎＯはｎ型の導電性を示す。このため、ｐ型半導体層２０４との界面にｐｎ接合が形成され、ｐｎ接合の逆バイアス効果により電流狭窄機能を実現できる。 Next, as shown in FIG. 5C, a current blocking layer 205 made of ZnO is grown in the recesses 301b by about 400 nm by chemical solution growth. In the growth of ZnO, for example, a substrate 201 in which an n-type semiconductor layer 202, an active layer 203, and a p-type semiconductor layer 204 are formed in a solution containing zinc lead nitrate hexahydrate and hexamethylenetetramine heated to 70 ° C. It is performed by soaking for hours. ZnO does not grow on the mask 501 made of SiO ₂ as shown in FIG. 5, but grows selectively only on the exposed p-type semiconductor layer 204. ZnO grown by this method exhibits n-type conductivity. Therefore, a pn junction is formed at the interface with the p-type semiconductor layer 204, and a current confinement function can be realized by the reverse bias effect of the pn junction.

次に、例えば、５％程度の濃度のフッ化水素酸溶液を用いたウェットエッチングによりマスク５０１を除去する。 Next, for example, the mask 501 is removed by wet etching using a hydrofluoric acid solution having a concentration of about 5%.

次に、図５（ｄ）に示すように、ｐ電極２０６を形成する。まず、リッジ部３０１ａの上を露出する幅が１５０μｍ程度のストライプ状の開口部を有するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する。例えば、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により、ｐ型半導体層２０４上の全面に厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）層と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）層とを順次形成する。続いて、リフトオフを行いリッジ部３０１ａの上部を除いてＰｄ層及びＰｔ層を除去する。この後、４００℃程度の温度でシンターを行い、オーミック接合を形成する。さらに、リッジ部３０１ａを覆うように、リッジ部３０１ａと垂直な方向の幅が約１５０μｍとなるように、例えば厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）、厚さが２００ｎｍのＰｔ及び厚さが１００ｎｍの金（Ａｕ）の積層膜を形成する。これはフォトリソグラフィにより形成すればよい。さらに、Ａｕメッキ層２０７を厚さが、例えば、３μｍとなるようにメッキ法で形成する。 Next, as shown in FIG. 5D, a p-electrode 206 is formed. First, a resist mask having a stripe-shaped opening with a width of about 150 μm exposing the top of the ridge 301a is formed by photolithography. For example, a palladium (Pd) layer having a thickness of 40 nm and a platinum (Pt) layer having a thickness of 35 nm are sequentially formed on the entire surface of the p-type semiconductor layer 204 by an electron beam (EB) evaporation method. Subsequently, lift-off is performed to remove the Pd layer and the Pt layer except for the upper portion of the ridge portion 301a. Thereafter, sintering is performed at a temperature of about 400 ° C. to form an ohmic junction. Further, for example, titanium (Ti) having a thickness of 50 nm, Pt having a thickness of 200 nm, and 100 nm having a thickness of 100 nm are formed so as to cover the ridge portion 301a so that the width in the direction perpendicular to the ridge portion 301a is about 150 μm. A laminated film of gold (Au) is formed. This may be formed by photolithography. Further, the Au plating layer 207 is formed by a plating method so that the thickness becomes, for example, 3 μm.

次に、基板２０１の裏面をダイヤモンドスラリーにより厚さが８０μｍ程度まで研磨した後、基板２０１の裏面にｎ電極２０８を形成する。ｎ電極２０８は例えば、厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍのＰｔ及び厚さが１００ｎｍのＡｕとし、ＥＢ蒸着法により形成すればよい。 Next, after polishing the back surface of the substrate 201 to about 80 μm with diamond slurry, an n-electrode 208 is formed on the back surface of the substrate 201. For example, the n-electrode 208 may be formed by EB vapor deposition using Ti having a thickness of 5 nm, Pt having a thickness of 10 nm, and Au having a thickness of 100 nm.

電極形成後に、例えば共振器長が８００μｍ（リッジ部３０１ａの前後にプラス６μｍ）となるようにウェハを劈開して、窒化物系半導体レーザバーを形成し、出射端面に低反射率の、反対の端面に高反射率の反射膜を成膜する。その後、例えば共振機幅が２００μｍとなるようにレーザバーを劈開して窒化物系半導体レーザを個片化すればよい。 After electrode formation, for example, the wafer is cleaved so that the resonator length is 800 μm (plus or minus 6 μm before and after the ridge portion 301a) to form a nitride-based semiconductor laser bar, and the opposite end surface having a low reflectance at the output end surface A reflective film having a high reflectance is formed on the substrate. Thereafter, for example, the nitride bar may be separated into pieces by cleaving the laser bar so that the resonator width becomes 200 μm.

最後に図５（ｅ）に示すように、ＡｕＳｎ半田層を介してヒートシンク２０９に窒化物系半導体レーザを、ｐ電極側がヒートシンク２０９に接するようにジャンクションダウンで固着実装すればよい。 Finally, as shown in FIG. 5E, a nitride semiconductor laser may be fixedly mounted by junction down so that the p-electrode side is in contact with the heat sink 209 via the AuSn solder layer.

以上のようにして図２に示したような本実施の形態の窒化物系半導体レーザ装置が製造可能である。 As described above, the nitride-based semiconductor laser device of the present embodiment as shown in FIG. 2 can be manufactured.

図６は、本実施の形態の変形例の窒化物系半導体レーザ装置の断面模式図である。変形例における窒化物系半導体レーザ装置は、図２の窒化物系半導体レーザ装置に対し、電流ブロック層２０５の高さがリッジストライプ３０１より若干高い点で異なっている。例えば０．５μｍ電流ブロック層２０５の高さが高い。この構造にすることにより、図２に比べジャンクションダウン実装時にリッジ部分に加わる応力を低減することが可能となる。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a nitride-based semiconductor laser device according to a modification of the present embodiment. The nitride semiconductor laser device in the modification is different from the nitride semiconductor laser device in FIG. 2 in that the height of the current blocking layer 205 is slightly higher than that of the ridge stripe 301. For example, the height of the 0.5 μm current blocking layer 205 is high. By adopting this structure, it is possible to reduce the stress applied to the ridge portion at the time of junction down mounting compared to FIG.

以上のように、本実施の形態によれば、リッジストライプ周囲（前後ならびに両側）の溝部を熱伝導率の高い結晶性酸化亜鉛からなる埋め込み層で囲うことにより、ジャンクションダウン実装を容易に実現しつつ活性層端面部の温度上昇を抑制した窒化物系半導体レーザ装置を提供することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, junction down mounting can be easily realized by enclosing the groove around the ridge stripe (front and rear and both sides) with a buried layer made of crystalline zinc oxide having high thermal conductivity. In addition, it is possible to provide a nitride-based semiconductor laser device that suppresses the temperature rise at the end face of the active layer.

なお、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての窒化物系半導体レーザ装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。 It should be noted that all nitride-based semiconductor laser devices that include the elements of the present invention and that can be appropriately modified by those skilled in the art are included in the scope of the present invention. The scope of the present invention is defined by the appended claims and equivalents thereof.

本発明に係る窒化物系半導体レーザ装置は、ジャンクションダウン実装を容易に実現しつつ活性層端面部の温度上昇を抑制した半導体レーザ装置を実現でき、放熱特性の優れた窒化物系半導体レーザ装置として有用である。 The nitride-based semiconductor laser device according to the present invention can realize a semiconductor laser device that can easily achieve junction-down mounting and suppress the temperature rise of the end face of the active layer, and is a nitride-based semiconductor laser device with excellent heat dissipation characteristics Useful.

２０１基板
２０２ｎ型半導体層
２０３活性層
２０４ｐ型半導体層
２０５電流ブロック層
２０６ｐ電極
２０７Ａｕメッキ層
２０８ｎ電極
２０９ヒートシンク
３０１リッジストライプ
３０１ａリッジ部
３０１ｂ凹部
５０１マスク 201 Substrate 202 n-type semiconductor layer 203 active layer 204 p-type semiconductor layer 205 current blocking layer 206 p electrode 207 Au plating layer 208 n electrode 209 heat sink 301 ridge stripe 301a ridge portion 301b recess 501 mask

Claims

活性層と、前記活性層上のｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層を掘り込んで形成される一周の溝部と、前記ｐ型半導体層に形成され、前記一周の溝部に囲まれるリッジ形状のストライプと、前記溝部を埋め込む酸化亜鉛からなる電流ブロック層を備えることを特徴とする窒化物系半導体レーザ装置。 An active layer; a p-type semiconductor layer on the active layer; a circumferential groove formed by digging the p-type semiconductor layer; and a ridge shape formed in the p-type semiconductor layer and surrounded by the circumferential groove. And a current blocking layer made of zinc oxide filling the groove.

前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層は、化学溶液成長法で形成した結晶性酸化亜鉛で構成される請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ装置。 The nitride-based semiconductor laser device according to claim 1, wherein the current blocking layer made of zinc oxide is made of crystalline zinc oxide formed by a chemical solution growth method.

前記ｐ型半導体層上面および前記電流ブロック層上面に接する金属電極が設けられることを特徴とする請求項１ないしは請求項２に記載の窒化物系半導体レーザ装置。 3. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, further comprising a metal electrode in contact with an upper surface of the p-type semiconductor layer and an upper surface of the current blocking layer.

前記酸化亜鉛からなる電流ブロック層の高さは前記リッジ形状のストライプより若干高いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ装置。 4. The nitride semiconductor laser device according to claim 1, wherein a height of the current blocking layer made of zinc oxide is slightly higher than that of the ridge-shaped stripe. 5.

窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体で構成され青紫色の発振波長を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ装置。 The nitride-based semiconductor laser device according to claim 1, wherein the nitride-based semiconductor laser device is made of a gallium nitride (GaN) -based semiconductor and has a blue-violet oscillation wavelength.