JP3424634B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
窒化物半導体レーザ素子Info
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Description
lbGa1-a-bN、0≦a、0≦b、a+b≦1)よりなるレ
ーザ素子に関し、特に絶縁性が良好でリーク電流とショ
ートの防止された寿命の長い窒化物半導体レーザ素子に
関する。
のために多くの研究開発が行われており、種々の窒化物
半導体レーザ素子が知られている。例えば、本発明者等
は、実用可能なレーザ素子として、Jpn.J.Appl.Phys.Vo
l.37(1998)pp.L309-L312、Part2,No.3B,15 March 1998
に、サファイア基板上部に、ELOG(Epitaxi
ally laterally overgrown
GaN)を20μm形成し、その後GaNを膜厚が10
0μmになるまで成長させた後、サファイア基板を削除
することで、約80μmの転位の低減されたGaN基板
を得て、このGaN基板上にレーザ素子構造となる窒化
物半導体層を複数積層してなる窒化物半導体レーザ素子
を発表している。そして、このレーザ素子は、室温での
連続発振1万時間以上を可能とする窒化物半導体レーザ
素子を発表した。図6に、上記J.J.A.P.に示される
レーザ素子と同様の模式的断面図を示した。この図6に
示されるように、p−GaNよりなるp型コンタクト層
からp−Al0.14Ga0.86N/GaNの超格子構造より
なるp型クラッド層まで部分的にエッチングして形成さ
れたリッジ形状のストライプを有し、形成されたリッジ
形状のストライプの側面には素子の絶縁性のためにSi
O2からなる絶縁膜が形成され、さらに前記ストライプ
上部にp電極が形成され、劈開により共振面を形成して
なる窒化物半導体レーザ素子である。更にこのレーザ素
子は、p電極を覆うようにpパッド電極が形成されてい
る。このようにリッジ形状のストライプの側面に絶縁膜
が形成されていることにより、ショートの防止及びリー
ク電流の防止を行っている。
たレーザ素子の中には、同一条件で形成されたレーザ素
子であるにもかかわらず、極端に寿命特性が悪いものが
生じる。本発明者は、極端に寿命特性が低下する原因に
ついて種々検討した結果、リッジ形状のストライプの側
面の絶縁膜の絶縁が不完全なために、リーク電流が生じ
たり、ショートが発生するためではないかと推測した。
レーザ素子を商品化するにあったては、寿命特性等の素
子特性を良好にするとと共に、歩留まりの向上を達成す
ることが望まれる。
良好にして、リーク電流の防止やショートを防止し寿命
特性の良好な素子を歩留まりよく得ることができる窒化
物半導体レーザ素子を提供することである。
下記(1)〜(3)の構成により達成することができ
る。 (1) 基板上に、少なくともn型窒化物半導体層、活
性層及びp型窒化物半導体層を成長させてなる素子構造
を有し、p型窒化物半導体層側からエッチングによりリ
ッジ形状のストライプが形成されてなり、さらに少なく
とも前記リッジ形状のストライプの側面に絶縁膜が形成
されてなる窒化物半導体レーザ素子において、前記絶縁
膜と接している少なくともリッジ形状のストライプの側
面及びストライプの側面から連続している平面の表面付
近に、アルミニウムを豊富に含有するリッチ層を有する
ことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 (2) 前記リッチ層が、リッジ形状のストライプを形
成後、露出されている少なくともリッジ形状のストライ
プの側面及びストライプの側面から連続している平面の
表面に、アルミニウムを拡散させることにより形成され
てなることを特徴とする前記(1)に記載の窒化物半導
体レーザ素子。 (3) 前記リッチ層が、リッジ形状のストライプを形
成後、露出されている少なくともリッジ形状のストライ
プの側面及びストライプの側面から連続している平面の
表面に、アルミニウムをイオン注入して形成されてなる
ことを特徴とする前記(1)に記載の窒化物半導体レー
ザ素子。
プの側面等の表面付近に、アルミニウム又はホウ素を豊
富に含有させてなるリッチ層を、表面から内部に向かっ
て形成することにより、リッジ形状のストライプの側面
に形成される絶縁膜と相乗的に作用して良好な絶縁が可
能となり、リーク電流及びショートを良好に防止するこ
とが可能となる窒化物半導体レーザ素子を提供すること
ができる。さらに、本発明は、リッチ層を有するレーザ
素子とすることで、歩留まりの向上をも達成することが
できる。
は、図6に示すように絶縁性の絶縁膜が形成されてい
る。しかし、この絶縁膜が均一な良好な膜でない場合が
生じてしまい絶縁性が不完全となりショートなどが発生
してしまう。
接する箇所の絶縁性をより一層完全なものにすべく種々
検討した結果、アルミニウム(Al)又はホウ素(B)
をストライプの側面及びストライプの側面から連続して
いる平面の表面付近に豊富に含有させてリッチ層を形成
して、リッジ形状のストライプを形成することで露出さ
れた素子構造の表面自体を絶縁性にすることにより、リ
ッチ層と絶縁膜とが相乗的に作用して良好な絶縁性を有
することができる。
ッジ形状のストライプを形成後、露出されているリッジ
形状のストライプの側面などの表面に、アルミニウム又
はホウ素を拡散させることにより、又はアルミニウム又
はホウ素をイオン注入することにより形成されてなると
リッチ層を良好に形成することができ、より良好な絶縁
性を示すと共に歩留まりの向上の点で好ましい。
やイオン注入すると、その部分の屈折率が小さくなり光
の閉じ込めの点でも好ましい。このことから、例えば図
6のレーザ素子は、p電極がp型コンタクト層の表面全
面に接していないので、実効屈折率導波路型であるが、
図6のレーザ素子に、図1に示すように、活性層9の側
面までAlまたはBを拡散又はイオン注入して、リッチ
層201を形成することにより光閉じこめが良好となる
ことで完全屈折率導波路型となり、水平横モードが安定
化してしきい値の上昇を防止でき、寿命特性を向上させ
ることができ好ましい。
をさらに詳細に説明する。図1は、前記従来技術で示し
た図6のレーザ素子に、本発明のリッチ層201を形成
してなる一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子の
リッジ形状のストライプの長さ方向に垂直に切断した一
部分を示す模式的断面図である。図2〜図4は、完全屈
折率導波路型となるレーザ素子に本発明のリッチ層20
1を形成してなる一実施の形態である窒化物半導体レー
ザ素子の模式的断面図である。
ジ形状のストライプの側面に絶縁膜が形成されてなる窒
化物半導体レーザ素子において、絶縁膜と接している少
なくともリッジ形状のストライプの側面及びストライプ
の側面から連続している平面の表面付近に、アルミニウ
ム又はホウ素を豊富に含有するリッチ層を有する。従っ
て、リッチ層を形成するレーザ素子としては、特に限定
されず、リッジ形状のストライプを有するレーザ素子で
あればよく、例えば具体的には、図1〜図4のレーザ素
子が挙げられる。
いて説明する。図1には、リッジ形状のストライプの側
面に絶縁膜が形成され、ストライプの最上層にp電極2
0が形成され、p電極と電気的に接触するようにpパッ
ド電極がストライプの上方部分に形成されている。そし
て、素子構造と絶縁膜62の接しているリッジ形状のス
トライプの側面及びストライプの側面から連続している
平面の表面付近にリッチ層201が形成されている。こ
の図1の場合のリッチ層201の形成は、従来の素子の
形成の工程において、リッジ形状のストライプを形成後
に、p型窒化物半導体層の最上面(p型コンタクト層の
表面)にリッチ層201が形成されないように保護した
後で、拡散やイオン注入によりAl又はBを露出されて
いる表面付近に豊富に含有させる。
状のストライプを形成した後、露出している素子構造の
表面から内側に向かって深さを持っている部分を示す。
例えば、図1〜4に示されるリッチ層201の形成され
ている部分を示す。また、本発明において、豊富に含有
するとは、例えば図2のp型コンタクト層及びp型クラ
ッド層のように、同一層でありながら他の部分より多く
Al又はBを含有していて、AlやBが偏在している状
態を示す。そして、AlやBの偏在している部分を本発
明ではリッチ層201としている。
は、リッジ形状のストライプを形成した後、露出してい
る部分に、特にpパッド電極が上方部分に形成される箇
所の表面付近に、Al又はBを豊富に含有させることで
形成される。本発明において、AlやBを豊富に含有さ
せる方法としては、特に限定されないが、例えば好まし
い具体例としては、リッチ層を形成したい部分にAlや
Bを蒸着させた後に熱を加えて拡散させる方法、又はイ
オン注入による方法などが挙げられる。
は、拡散されたい部分にAl又はBを蒸着させ、熱処理
を行う。熱処理の際の温度としては、適宜調整され、例
えば400℃〜700℃である。熱処理の時間として
は、適宜調整され、例えば10分〜2時間である。ま
た、リッチ層201の形成を拡散により行う場合、濃度
の調整や、表面からの深さの調節は、熱処理の温度と時
間を調整することで行われる。
しては、注入させたくない部分をSi酸化膜又はレジス
トなどでマスクし、ウエハ全面にイオン化させたAlま
たはBを10〜数百keVのエネルギーに加速して表面
に打ち込むことで行われる。また、リッチ層201の形
成をイオン注入により行う場合、濃度の調整や、表面か
らの深さの調節は、加速電圧を注入時間を調整すること
で行われる。
しては、特に限定されなが、絶縁性のとれる程度であ
り、例えば具体的には1×1014atom/cm3以上
である。また、リッチ層201の膜厚(表面からの深
さ)は、特に限定されないが、絶縁性のとれる程度であ
り、例えば具体的には100オングストローム〜2μm
である。
形態としては、前記従来技術で示したJ.J.A.P.
に記載されているように、基板上にn型コンタクト層、
活性層、p型コンタクト層等を成長させてなる素子構造
を形成後、p型窒化物半導体層側からエッチング等によ
りリッジ形状のストライプを形成後、リッジ形状のスト
ライプの最上層の表面にリッチ層が形成されないように
した状態で(例えばエッチングの際に形成されたレジス
ト等の保護膜の形成されている状態で)、露出されてい
る少なくともリッジ形状のストライプの側面などに上記
に示した拡散やイオン注入によってリッジ層201を形
成する。その後、前記J.J.A.P.等と同様に絶縁
膜15、p電極20及びpパッド電極101等を形成す
る。そして、図1に示されるリッチ層201を有するレ
ーザ素子となる。図1の絶縁膜62としては、特に限定
されないが、SiO2等を用いることができる。また、
図1のリッジ形状のストライプとしては、特に限定され
ないが、例えば前記で示したJ.J.A.P.に記載さ
れている内容と同様の内容が挙げられる。
を形成することにより、リッチ層201と絶縁膜15と
が相乗的に作用して絶縁性が良好となり、リーク電流の
防止及びショートの防止ができ、寿命特性の良好なレー
ザ素子となる。さらに図1に示すレーザ素子は歩留まり
よく作製することができ、量産する際に好ましい。また
さらに、本発明のレーザ素子は絶縁性が良好となるの
で、素子の信頼性の向上(不良防止)の点でも好ましい また、図1に示されるレーザ素子は、p電極がp型コン
タクト層の表面全面に接していないので、リッチ層20
1を形成していない状態ではリッジ形状のストライプ内
部で電流密度にムラが生じ、水平横モードが不安定とな
りしきい値の上昇が見られる場合があるが、Al又はB
を含有させることでその部分の屈折率が小さくなり、光
閉じこめが良好となることで、完全屈折率導波路型のレ
ーザ素子のような素子特性を示し易くなる。このよう
に、しきい値の上昇が抑えられれば、寿命特性をより良
好にすることができる。図1に示されるリッチ層201
は、基板に対して水平方向の膜厚と、垂直方向の膜厚が
異なるが、リッチ層201を形成する際の拡散又はイオ
ン注入の条件により適宜調節することで膜厚を調整でき
る。ここでリッチ層の膜厚とは、Al又はBが素子構造
内にどの程度の深さまで入り込んでいるかを示してい
る。
明する。図2〜図4は、p型コンタクト層の表面全面が
p電極を接していて且つストライプ幅が狭いので、水平
横モードが安定化し、しきい値の上昇を抑えられるので
好ましく、さらに完全屈折率導波路型のレーザ素子とし
て好ましい構造となる。図2〜図5には、基板上に、n
型コンタクト層5〜p型コンタクト層13が積層成長さ
れ、このp型コンタクト層側からエッチングによりリッ
ジ形状のストライプを形成し、リッジ形状のストライプ
の側面に第2の保護膜62(本発明の絶縁膜に相当する
絶縁性の膜)が形成され、ストライプの最上層であるp
型コンタクト層に接するようにp電極、さらにp電極に
接するようにpパッド電極が形成されてなるレーザ素子
である。ここで、第2の保護膜62は、絶縁性の膜であ
り本発明の絶縁膜に相当し、図1の絶縁膜15と同様に
素子の絶縁性を維持するために形成されるが、図2〜図
5の形成の段階を説明するに際して第2の保護膜62と
する。そして、このような図2〜図5には、各図に示さ
れているように、リッジ形状のストライプの側面及びス
トライプの側面から連続している平面に、本発明のリッ
チ層201が形成されている。リッチ層201が形成さ
れることにより、リッチ層201の部分も絶縁性を示
し、ストライプの側面に形成されている絶縁性の第2の
保護膜62と相乗的に作用して素子の絶縁性を良好にす
る。絶縁性が良好となることで、リーク電流の防止及び
ショートの防止が良好となり、寿命特性の向上及び歩留
まりの向上が達成できる。
の保護膜62としては、特に限定されないが、例えば、
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、BN、Si
C及びAlN等が挙げられる。また後述してるように、
第2の保護膜62としてSi酸化物を用いることもで
き、この場合は、後述しているように第1の保護膜61
の材料としてSi酸化物よりエッチングされ易い材料を
選択して行われる。
に限定されないが、好ましいストライプ構造としては、
例えばストライプ幅が0.5〜4.0μmのストライプ
構造をあげることができる。ストライプ幅が上記範囲で
あると、しきい値の低下や水平横モードの安定化の点で
好ましい。また、ストライプ幅が上記のように狭い構造
のストライプを有するレーザ素子としては、前記したよ
うに、例えば図2〜図4に示されるような構造のレーザ
素子が挙げられる。これらのレーザ素子は、ストライプ
幅を狭くしても再現性良く形成することができるストラ
イプ及び電極形成方法(具体的には特開平2000−4
063号に開示されている。)により得られる。以下に
その方法について図5を用いて説明する。この方法は、
ストライプの導波路を形成する際に用いる第1の保護膜
61と、ストライプの側面に形成される絶縁性の第2の
保護膜62との、エッチング処理によるエッチング速度
が異なるように材料を選択し、下記各工程を行うことに
より、再現性よくストライプを形成でき、更に所定の位
置に絶縁性の第2の保護膜62を均一の膜厚で形成する
ことができる。
素子のストライプ及び電極の形成方法の各工程を説明す
るための、各工程における窒化物半導体ウェーハの部分
的な構造を示す模式的断面図である。この図5に示され
る断面図は、エッチングにより形成したストライプ導波
路に対し垂直方向、つまり共振面に対して平行方向で切
断した際の図を示している。
示すように、最上層にあるp型コンタクト層13の上に
ストライプ状の第1の保護膜61を形成する。この第1
の工程において、第1の保護膜61は、特に絶縁性は問
わず、窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料で
あればどのような材料でも良い。更に第1の保護膜61
としては、後述の第3の工程で形成される第2の保護膜
62とエッチング速度の異なる材料を選択して用いるこ
とが第2の保護膜62を形成するのに好ましい。第1の
保護膜61として、例えばSi酸化物(SiO2を含
む)、フォトレジスト等が挙げられ、好ましくはSi酸
化物である。第1の保護膜61が、Si酸化物である
と、次の第2の工程における窒化物半導体レーザ素子の
ストライプ状の導波路領域を形成する方法としてウエッ
トエッチングやドライエッチング等が用いられるが、エ
ッチングのし易いドライエッチングが好ましく用いら
れ、このドライエッチングで重要視される第1の保護膜
61と窒化物半導体との選択性を良好にすることができ
る。また、第1の保護膜61が上記の材料から選択され
ると、後工程である第3の工程で酸を用いて行うエッチ
ングで第2の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性
質を有し、第2の保護膜62との溶解度差を設け易く、
特に第3の工程で用いられる酸としてフッ酸を用いる
と、フッ酸に対して溶解しやすく好ましい。第1の保護
膜のストライプ幅(W)としては4μm〜0.5μm、
好ましくは3μm〜1μmに調整する。第1の保護膜6
1のストライプ幅が、おおよそ導波路領域のストライプ
幅に相当する。
形成する具体的な工程として、図5(a)、(b)に示
す工程が挙げられる。まず、図5(a)に示すように、
第1の保護膜61をp型コンタクト層13の表面のほぼ
全面に形成した後、第1の保護膜61の上にストライプ
状の第3の保護膜63を形成する。その後、図5(b)
に示すように、その第3の保護膜63をつけたまま、第
1の保護膜61をエッチングした後、第3の保護膜63
を除去することにより、図5(c)に示すようなストラ
イプ状の第1の保護膜61を形成することができる。な
お第3の保護膜63をつけたままエッチングガス、若し
くはエッチング手段等を変えて、p型コンタクト層13
側からエッチングすることもできる。
ては、例えばRIE(反応性イオンエッチング)のよう
なドライエッチングを用いることができ、この場合、第
1の工程で例えばSi酸化物よりなる第1の保護膜61
をエッチングするには、CF 4のようなフッ素化合物系
のガスを用いることが望ましい。
状の第1の保護膜61をリフトオフ法によって形成する
こともできる。リフトオフ法では、ストライプ状の孔が
開いた形状のフォトレジストをp型コンタクト層13上
に形成し、そのフォトレジストの上から全面に第1の保
護膜61を形成し、その後フォトレジストを溶解除去す
ることにより、p型コンタクト層13と接触している第
1の保護膜61のみを図5(c)に示すように残すもの
である。なお、第1の保護膜61を形成する方法として
は、リフトオフ法でストライプ状の第1の保護膜61を
形成するよりも、図5(a)、(b)のようにエッチン
グにより形成する方が端面がほぼ垂直で形状が整ったス
トライプが得られやすい傾向にある。
すように、第1の保護膜61が形成されたp型コンタク
ト層13の第1の保護膜61が形成されていない部分か
らエッチングして、第1の保護膜61の直下部分に保護
膜の形状に応じたストライプ状の導波路領域を形成す
る。エッチングを行う場合、エッチストップをどの位置
にするかでレーザ素子の構造、特性が異なってくる。エ
ッチストップはp型コンタクト層よりも下の層であれば
どの窒化物半導体層で止めてもよい。図5に示す例では
p型コンタクト層13の下にあるp型クラッド層12の
途中をエッチストップとしている。p型クラッド層の下
端面からp型コンタクト層方向0.2μmよりも基板側
をエッチストップとすると、ストライプがリッジとなっ
て屈折率導波路型のレーザ素子ができる。下端面とは厚
さ方向に対して最も下のクラッド層の面を指し、先にも
述べたようにクラッド層の下に光ガイド層がある場合に
は、ガイド層とクラッド層の界面が下端面に相当する。
エッチストップをこの下端面よりも上にすると、エッチ
ング時間が短くなり、またエッチングレートを制御しや
すいので、生産技術上都合がよい。
ップをp型クラッド層の下端面よりも下にある窒化物半
導体とすることもできる。下端面よりも基板側の層をエ
ッチストップとすると、しきい値が著しく低下する傾向
があり好ましい。
ては、ウエットエッチングやドライエッチング等が用い
られるが、エッチングのし易いドライエッチングが好ま
しく用いられる。例えばRIE(反応性イオンエッチン
グ)のようなドライエッチングを用いることができ、こ
の場合、窒化物半導体をエッチングするには他のIII−
V族化合物半導体で良く用いられているCl2、CC
l4、SiCl4のような塩素系のガスが用いられ、これ
らのガスを用いると、第1の保護膜61としてSi酸化
物が用いられている場合、Si酸化物との選択比が大き
くできるため望ましい。
リッジ形状のストライプを形成した後、リッチ層201
を形成する。リッチ層201の形成の方法は前記したと
おりである。図5(e−1)には、蒸着によりリッジ形
状のストライプの側面及びその側面から連続している平
面にAlなどの蒸着膜を形成した状態を示してある。こ
のAlなどの蒸着膜を形成後、熱拡散によりAlなどの
蒸着膜と接している素子構造の表面から内部に向かって
Alなどの豊富な部分を形成する。その後、図5(e−
2)に示すようにAlなどの蒸着膜を除去することでリ
ッチ層201を形成することができる。
工程において、図5(f)に示すように、第2の保護膜
62を第1の保護膜61と異なる材料であって、絶縁性
を有する材料を用いてストライプ状の導波路の側面、エ
ッチングされて露出した窒化物半導体層(図5(f)で
は、p型クラッド層12)の平面、及び第1の保護膜6
1上に形成する。第2の保護膜62を形成後に、エッチ
ングにより第1の保護膜61を除去することにより、第
1の保護膜61上に形成された第2の保護膜62のみが
除去され、図5(g)に示すように、ストライプの側面
及びp型クラッド層12の平面には第2の保護膜62が
連続して形成される。このように第2の保護膜62をエ
ッチングすることなく、第1の保護膜61を除去するこ
とを可能にするには、前記したように、第1の保護膜6
1と第2の保護膜62の材料を、第3の工程で行われる
エッチング処理に対するエッチング速度の異なるものを
選択して用いることにより可能となる。第3の工程での
エッチング処理は、特に限定されないが、例えばフッ酸
を用いてドライエッチングする方法が挙げられる。
保護膜61と異なる材料から選択され、第3の工程のエ
ッチング処理で第1の保護膜61よりエッチング速度が
遅い又はエッチングされにくい材料であって、ストライ
プの側面等に第2の保護膜62が形成可能な材料であれ
ば特に限定されない。好ましい第2の保護膜としては、
前記のように第1の保護膜61としてSi酸化物やレジ
スト材料が好ましく用いられることから、少なくとも第
1の保護膜61の材料以外の材料で、第1の保護膜61
よりエッチング速度が遅い材料が挙げられる。第1の保
護膜61がSi酸化物である場合、第2の保護膜62の
具体例としては、例えば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、BN、SiC及びAlNの内の少なくとも
一種が用いられ、より好ましくはZrの酸化物、Hfの
酸化物、BN及びSiCのいずれか一種以上の材料が用
いられる。また、第2の保護膜62形成後、窒化物半導
体をエッチングしないため、第2の保護膜62は、窒化
物半導体とのエッチング速さに関して考慮されない。ま
た第2の薄膜層62として、Si酸化物を用いてもよ
く、この場合は、第1の保護膜61をSi酸化物より第
3の工程でのエッチング速度の速い材料が選択され行わ
れる。
第2の保護膜を連続して形成することにより、高い絶縁
性を保持でき、p型クラッド層12の上に均一な膜厚で
形成できるため膜厚の不均一に起因する電流の集中の発
生を防止できる。また、上記第2の工程において、エッ
チストップをp型クラッド層12の途中としているた
め、第3の工程で図5(f)に示すように、第2の保護
膜62はp型クラッド層12の平面に形成されるが、エ
ッチストップをp型クラッド層12よりも下にすると、
第2の保護膜はエッチストップした窒化物半導体層の平
面に形成される。
によって形成することもできる。例えば、第2の保護膜
62が上記した具体例のいずれかであり、第1の保護膜
61をSi酸化物とすると、第2の保護膜62は、フッ
酸に対して、Si酸化物よりエッチング速度が遅い又は
エッチングされにくいといったエッチング選択性を有し
ている。このため、図5(f)に示すようにストライプ
導波路の側面、そのストライプが形成されている平面
(エッチストップ層)、及び第1の保護膜61の表面に
連続して第2の保護膜を形成した後、リフトオフ法によ
り第1の保護膜61のみを除去すると、図5(g)に示
すような、平面に対して膜厚が均一な第2の保護膜62
が形成される。
すように、第2の保護膜62とp型コンタクト層13の
上に、そのp型コンタクト層13と電気的に接続したp
電極20を形成する。ここで、前記工程により既に第2
の保護膜62が形成されているので、p電極を形成する
際、ストライプ幅の狭いコンタクト層のみに形成すると
いった細かい操作の必要がなく、p電極を大面積で形成
でき、操作性が良好となる。
狭いリッジ形状のストライプを有す得る場合、p電極上
に形成されるpパッド電極としては、特に限定されない
が、好ましくは、少なくともストライプ長さと同一の長
さでp電極全面を覆って形成された金属を含む第1の薄
膜層と、該第1の薄膜層上にストライプ長さより短い長
さで形成された金属を含む第2の薄膜層とから形成さ
れ、または第1と第2の薄膜層との間に第3の薄膜層を
形成してなると、pパッド電極の劈開性が向上し、p電
極の剥離を防止するのに好ましい。例えば、後述の実施
例で用いられている図2等に示されている第1の薄膜層
31上に第2の薄膜層32を形成してなるpパッド電極
101が挙げられる。
びPt等の一種以上であると、劈開性、接着性、さらに
放熱性等の点で好ましい。また、第2の薄膜層が、Au
からなると、熱伝導率がよく熱の放散が良好となり、さ
らにボンディングの際の接着性や衝撃の緩和等の点で好
ましい。Auからなる第2の薄膜層は、劈開性が劣る
が、ストライプ長さより短い形状であるので、第2の薄
膜層の端面が劈開により形成される劈開面に一致してお
らず、pパッド電極の劈開性に何ら影響を与えない。ま
た、第1の薄膜層と第2の薄膜層との間に、Pt、W、
TiN、Cr及びNi等の少なくとも1種以上の材料を
含む第3の薄膜層を形成すると、第3の薄膜層がバリア
層となり第2の薄膜層の金属が拡散するのを防止でき好
ましい。このように第2の薄膜層の拡散を防止できる
と、抵抗の上昇及びしきい値の上昇が抑えられ、それに
よってレーザ素子内部での熱の発生が防止されて、寿命
特性を向上させるのに好ましい。
種々の材料を適宜選択して用いることができ、例えば前
記J.J.A.P.に記載されているオーミック接触を
有する電極等が挙げられる。
合、基板裏面にベタにn電極を形成後裏面からスクライ
ブスすると、n電極に阻まれて窒化物半導体までスクラ
イブが達しない場合があり、この問題点を防止するため
に、ウエハの基板裏面にパターン形状のn電極を形成す
ることによりスクライブし易くなり、劈開性が向上す
る。パターン形状としては、ウエハを劈開して得られる
1チップの形状が得られやすいように、チップの大きさ
とほぼ同程度の形状、例えば400μm×400μmの
形状、であることが好ましい。つまりスクライブライン
上及び/または劈開面上にn電極が存在しないようにパ
ターンをつけてn電極を形成する。更にメタライズ電極
もn電極と同様のパターン形状でn電極上に形成される
と、スクライブし易くなり劈開性が向上する。n電極と
しては、特に限定されないが、例えばTi−Al、W−
Al−W−Auなどを用いることができる。メタライズ
電極としてはTi−Pt−Au−(Au/Sn)[膜厚
0.1μm−0.2μm−0.7μm−0.3μm]、
Ti−Pt−Au−(Au/Si)[膜厚前記と同
様]、Ti−Pt−Au−(Au/Ge)[膜厚前記と
同様]、Ti−Pt−Au−In[膜厚前記と同様]、
Au/Sn[膜厚0.3μm]、In[膜厚前記と同
様]、Au/Si[膜厚前記と同様]、Au/Ge[膜
厚前記と同様]等を用いることができる。n電極が裏面
にパターン形状に形成される場合のチップ化の方法とし
ては、例えば、裏面のn電極パターン間を裏面からスク
ライブによりバー状サンプルを作製し、端面へ反射ミラ
ー形成後裏面からスクライブによりチップ化を行うこと
ができる。
造としては、特に限定されず、公知の種々の素子構造を
用いることができる。本発明のレーザ素子の素子構造を
成長させる基板としては、従来知られている、サファイ
ア、スピネル等の異種基板、又は、異種基板の上にSi
O2等の窒化物半導体が成長しないかまたは成長しにく
い材料からなる保護膜を形成して、その上に選択的に横
方向の成長(ラテラル成長)をさせて得られる窒化物半
導体基板等が挙げられる。好ましくはラテラル成長させ
て得られる結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板が好まし
い。結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板上に、素子構造
を形成すると、素子を構成する窒化物半導体も結晶欠陥
が少なくなり、素子内での発熱を抑えるのに好ましい。
また、基板が窒化物半導体基板であると、劈開し易くな
りp電極の剥がれ防止の点でも好ましい。ラテラル成長
に用いられる保護膜は、前記ストライプを形成する際に
用いた保護膜とは異なる作用を示す。
少ない窒化物半導体基板の成長方法としては、特に限定
されずいずれの方法でもよいが、例えば、J.J.A.P.Vol.
37(1998)pp.L309-L312に記載の方法や、本出願人が先に
出願した特開平11−191659号に開示されている
窒化物半導体と異なる異種基板上に成長させた窒化物半
導体表面に凹凸部を形成し、その凸部及び凹部の平面上
にSiO2等の前記保護膜を形成した後、側面に露出し
た窒化物半導体より横方向の成長を行い、保護膜上部に
互いに横方向に成長した窒化物半導体を繋げる方法等が
挙げられる。また、ラテラル成長により得られる窒化物
半導体基板は、素子構造を成長させる際に、異種基板を
有する状態で行っても、異種基板を除去した状態で行っ
てもよい。
状のストライプと垂直になるように、窒化物半導体の
{11−00}面[M面:六角柱状の結晶の側面に相当
する面]で劈開することにより、鏡面状の良好な共振面
を形成することができる。窒化物半導体のM面での劈開
については、例えば本出願人が先に出願した特開平9−
232676号公報に詳細が記載されている。
導体レーザ素子の実施例を示す。しかし本発明はこれに
限定されない。 [実施例1]図2は、本発明の一実施例に係るレーザ素
子の構造を示す模式的な断面図であり、ストライプ導波
路に垂直な方向で切断した際の図を示すものである。以
下、この図を基に実施例1について説明する。
るサファイアよりなる異種基板1をMOVPE反応容器
内にセットし、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、GaN
よりなるバッファ層を200オングストロームの膜厚で
成長させる。バッファ層成長後、温度を1050℃にし
て、同じくGaNよりなる下地層2を4μmの膜厚で成
長させる。この下地層は保護膜を部分的に表面に形成し
て、次に窒化物半導体基板の選択成長を行うための下地
層として作用する。
応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ
状のフォトマスクを形成し、PVD装置によりストライ
プ幅10μm、ストライプ間隔(窓部)2μmのSiO
2よりなる保護膜3を形成する。
ェーハを再度MOVPEの反応容器内にセットし、温度
を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アン
ドープGaNよりなる窒化物半導体基板4を20μmの
膜厚で成長させる。この窒化物半導体基板は保護膜3上
部において横方向に成長されたものであるため、結晶欠
陥が105個/cm2以下と下地層2に比較して2桁以上少
なくなる。
とTMG、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物
半導体基板1の上に、1050℃でSiを3×1018/
cm3ドープしたGaNよりなるn型コンタクト層5を4
μmの膜厚で成長させる。
I(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In0.06Ga0.94Nよりなるクラック
防止層6を0.15μmの膜厚で成長させる。なお、こ
のクラック防止層は省略可能である。
でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG、アンモ
ニアを用い、アンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層
を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTM
Aを止めて、シランガスを流し、Siを1×1019/cm
3ドープしたn型GaNよりなる層を25オングストロ
ームの膜厚で成長させる。それらの層を交互積層して超
格子層を構成し、総膜厚1.2μmの超格子よりなるn
型クラッド層7を成長させる。
を止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn型光
ガイド層8を0.1μmの膜厚で成長させる。このn型
光ガイド層8にn型不純物をドープしても良い。
て、SiドープIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層を1
00オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同一温
度で、アンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を4
0オングストロームの膜厚で成長させる。障壁層と井戸
層とを2回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜
厚380オングストロームの多重量子井戸構造(MQ
W)の活性層を成長させる。
50℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2M
g(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、p型
光ガイド層11よりもバンドギャップエネルギーが大き
い、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga
0.7Nよりなるp型キャップ層7を300オングストロ
ームの膜厚で成長させる。
g、TMAを止め、1050℃で、バンドギャップエネ
ルギーがp型キャップ層10よりも小さい、アンドープ
GaNよりなるp型光ガイド層11を0.1μmの膜厚
で成長させる。
℃でアンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25オ
ングストロームの膜厚で成長させ、続いてCp2Mg、
TMAを止め、アンドープGaNよりなる層を25オン
グストロームの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μmの超
格子層よりなるp型クラッド層12を成長させる。
0℃で、p型クラッド層9の上に、Mgを1×1020/
cm3ドープしたp型GaNよりなるp型コンタクト層1
3を150オングストロームの膜厚で成長させる。
たウェーハを反応容器から取り出し、最上層のp型コン
タクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成して、
RIE(反応性イオンエッチング)を用いSiCl4ガ
スによりエッチングし、図2に示すように、n電極を形
成すべきn型コンタクト層5の表面を露出させる。この
ように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜と
してSiO2が最適である。
p型コンタクト層13のほぼ全面に、PVD装置によ
り、Si酸化物(主として、SiO2)よりなる第1の
保護膜61を0.5μmの膜厚で形成した後、第1の保
護膜61の上に所定の形状のマスクをかけ、フォトレジ
ストよりなる第3の保護膜63を、ストライプ幅2μ
m、厚さ1μmで形成する。
膜63形成後、RIE(反応性イオンエッチング)装置
により、CF4ガスを用い、第3の保護膜63をマスク
として、前記第1の保護膜61をエッチングして、スト
ライプ状とする。その後エッチング液で処理してフォト
レジストのみを除去することにより、図5(c)に示す
ようにp型コンタクト層13の上にストライプ幅2μm
の第1の保護膜61が形成できる。
イプ状の第1の保護膜61形成後、再度RIEによりS
iCl4ガスを用いて、p型コンタクト層13、および
p型クラッド層12をエッチングして、ストライプ状の
導波路領域(この場合、リッジストライプ)を形成す
る。ストライプを形成する際、そのストライプの断面形
状を図2に示すような順メサの形状とすると、横モード
がシングルモードとなりやすく非常に好ましい。
コンタクト層13にリッチ層が形成されないように保護
するための膜を付けた状態で、リッジ形状のストライプ
の側面及びその側面から連続している平面上にAlをP
VD装置により蒸着して蒸着膜を形成する[図5(e−
1)]。次にアニール炉において、所定の時間、熱をか
けて熱処理を行う。その後、酸でAlの蒸着膜を除去す
る。このようにして図5(e−2)のようにリッチ層2
01が形成される。
D装置に移送し、図5(f)に示すように、Zr酸化物
(主としてZrO2)よりなる第2の保護膜62を、第
1の保護膜61の上と、エッチングにより露出されたp
型クラッド層12の上に0.5μmの膜厚で連続して形
成する。
(g)に示すように、第1の保護膜61をリフトオフ法
により除去する。
クト層13の上の第1の保護膜61が除去されて露出し
たそのp型コンタクト層の表面にNi/Auよりなるp
電極20を形成する。但しp電極20は100μmのス
トライプ幅として、この図5(h)に示すように、第2
の保護膜62の上に渡って形成する。
iからなる第1の薄膜層31を1000オングストロー
ムの膜厚で形成し、更に図2に示すようにストライプの
側面等にも第1の薄膜層31を形成する。この連続して
形成された第1の薄膜層31上に、後の工程で劈開によ
り共振面を形成する際の劈開面に一致しない大きさ、つ
まり劈開面となる部分の上部を避けて、断続的にAuか
らなる第2の薄膜層32を8000オングストロームの
膜厚で形成し、第1の薄膜層31及び第2の薄膜層32
からなるpパッド電極101を形成する。
たn型コンタクト層5の表面にはTi/Alよりなるn
電極21をストライプと平行な方向で形成し、その上に
Ti/Pt/Auよりなるnパッド電極を形成する。
パッド電極とを形成したウェーハのサファイア基板を研
磨して70μmとした後、ストライプ状の電極に垂直な
方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面(11−0
0面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M面)に共
振器を作製する。共振器面にSiO2とTiO2よりなる
誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、
バーを切断して図2に示すようなレーザ素子とする。な
お共振器長は300〜500μmとすることが望まし
い。
それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレ
ーザ発振を試みたところ、発振波長400〜420n
m、閾値電流密度2.9kA/cm2において室温で良好
な連続発振を示す。さらに、絶縁性が良好となったこと
で、リーク電流やショートが防止でき、寿命特性の良好
なレーザ素子を効率よく得ることができ、歩留まりが向
上する。
なるリッチ層201をイオン注入により形成する他は同
様にしてレーザ素子を作製する。イオン注入の方法とし
ては、p型コンタクト層13の最上面に保護膜を付けた
状態で、イオン注入装置でウエハ上面よりAlを所定の
エネルギーに加速してウエハに打ち込む。次に、イオン
注入でダメージを受けた部分を熱処理をして再結晶化さ
せる。得られたレーザ素子は、実施例1と同様に良好な
素子特性を示し、さらに歩留まりも向上する。
係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以
下この図を元に実施例3について説明する。
て、下地層2の表面にストライプ状の保護膜3形成後、
ウェーハを再度MOVPEの反応容器内にセットし、温
度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、ア
ンドープGaNを5μmの膜厚で成長させる。その後、
ウェーハをHVPE(ハイドライド気相成長法)装置に
移送し、原料にGaメタル、HClガス、及びアンモニ
アを用い、アンドープGaNよりなる窒化物半導体基板
40を200μmの膜厚で成長させる。このようにMO
VPE法により保護膜3の上に窒化物半導体を成長させ
た後、HVPE法で100μm以上のGaN厚膜を成長
させると結晶欠陥は実施例1に比較してもう一桁以上少
なくなる。窒化物半導体基板40成長後、ウェーハを反
応容器から取り出し、サファイア基板1、バッファ層
2、保護膜3、アンドープGaN層を研磨により除去
し、窒化物半導体基板40単独とする。
側の窒化物半導体基板40の上にn型コンタクト層5〜
p型コンタクト層13までを積層する。
同様にして、ストライプ状の第1の保護膜61を形成し
た後、第2の工程において、エッチングストップをn型
コンタクト層5の表面とする。後は実施例1と同様にし
て、Alからなるリッチ層201を形成した後で、Zr
O2を主成分とする第2の保護膜62をストライプ導波
路の側面、及びn型コンタクト層5の表面に形成した
後、それぞれのコンタクト層に電極を形成する。次に、
実施例1と同様にpパッド電極101を形成し、図3に
示すような構造のレーザ素子とする。なお共振面を形成
する場合、窒化物半導体基板の劈開面は実施例1と同じ
M面とする。得られたレーザ素子は実施例1に比較し
て、閾値電流密度は1.8kA/cm2にまで低下し、寿
命は3倍以上向上し、さらに実施例1と同様に絶縁性の
向上によりリーク電流及びショートが良好に防止でき、
良好な寿命特性を有するレーザ素子を歩留まりよく作製
することができる。
係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以
下この図4を用いて実施例4について説明する。
を作製する際にHVPE装置において原料にシランガス
を加え、Siを1×1018/cm3ドープしたGaNより
なる窒化物半導体基板50を200μmの膜厚で成長さ
せる。なおSi濃度は1×1017/cm3〜5×1019/c
m3の範囲とすることが望ましい。窒化物半導体基板50
成長後、実施例3と同様にしてサファイア基板1、バッ
ファ層2、保護膜3、アンドープGaN層を研磨して除
去し、窒化物半導体基板50単体とする。
例1と同様にして、クラック防止層6〜p型コンタクト
層13までを積層成長させる。p型コンタクト層13成
長後、実施例1と同様にして、ストライプ状の第1の保
護膜61を形成した後、第2の工程において、エッチン
グストップを図5に示すn型クラッド層7の表面とす
る。後は実施例1と同様にして、リッチ層201を形成
し、その後、ZrO2を主成分とする第2の保護膜62
をストライプ導波路の側面と、n型クラッド層7の表面
とに形成した後、その第2の保護膜を介してp電極20
を形成する。
同一の長さとなるようにTiからなる第1の薄膜層31
を膜厚1000オングストロームで、第2の薄膜層32
の形状と同様の形状でPtよりなる第3の薄膜層を膜厚
1000オングストロームで、及びストライプ長さより
短い形状でAuからなる第2の薄膜層32を膜厚800
0オングストロームで順に積層形成してなるpパッド電
極101を図4に示すように形成する。第3の薄膜層は
図示していないが、第2の薄膜層と同様の形状で形成す
る。一方、窒化物半導体基板の裏面側のほぼ全面にn電
極21を形成する。電極形成後、窒化物半導体基板のM
面で劈開して共振面を作製し、図4に示すような構造の
レーザ素子とする。
されているレーザ素子を示す図6のレーザ素子に、図1
に示すように、実施例1と同様にしてリッチ層201を
形成してなるレーザ素子を作製する。得られたレーザ素
子は、絶縁性が良好となりリーク電流の発生やショート
の発生を防止でき、寿命特性の良好な素子を歩留まりよ
く作製することができる。
えてBを用いる他は同様にして、拡散によりBを豊富に
含有するリッチ層201を形成されてなるレーザ素子を
作製する。その結果、実施例1とほぼ同等の良好な結果
が得られる。
えてBを用いる他は同様にして、イオン注入によりBを
豊富に含有するリッチ層201を形成されてなるレーザ
素子を作製する。その結果、実施例1とほぼ同等の良好
な結果が得られる。
記のように素子構造のリッチ形状のストライプの側面及
びその側面から連続している平面の表面付近にAl又は
Bを豊富に含有するリッチ層を形成することにより、絶
縁膜(第2の保護膜を含む)とリッチ層とが相乗的に作
用して良好な絶縁性を有するレーザ素子を作製すること
ができる。そして、リーク電流の防止やショートを防止
が防止でき寿命特性の良好なレーザ素子を歩留まりよく
得ることができる。またさらに、本発明は、リッチ層の
形成の状態により、光閉じこめを良好にすることがで
き、実効屈折率型の素子構造であっても、完全屈折率型
の素子構造に変更することが可能となり、水平横モード
の安定化やしきい値の低下の点で好ましいレーザ素子と
なる。
ザ素子の一部分を示す模式的断面図である。
ザ素子の模式的断面図である。
ザ素子の模式的断面図である。
ザ素子の模式的断面図である。
成する方法の各工程を説明するための、各工程における
ウェーハの部分的な構造を示す模式的断面図である。
ある。
Claims (3)
- 【請求項1】 基板上に、少なくともn型窒化物半導体
層、活性層及びp型窒化物半導体層を成長させてなる素
子構造を有し、p型窒化物半導体層側からエッチングに
よりリッジ形状のストライプが形成されてなり、さらに
少なくとも前記リッジ形状のストライプの側面に絶縁膜
が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子において、 前記絶縁膜と接している少なくともリッジ形状のストラ
イプの側面及びストライプの側面から連続している平面
の表面付近に、アルミニウムを豊富に含有するリッチ層
を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項2】 前記リッチ層が、リッジ形状のストライ
プを形成後、露出されている少なくともリッジ形状のス
トライプの側面及びストライプの側面から連続している
平面の表面に、アルミニウムを拡散させることにより形
成されてな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。 - 【請求項3】 前記リッチ層が、リッジ形状のストライ
プを形成後、露出されている少なくともリッジ形状のス
トライプの側面及びストライプの側面から連続している
平面の表面に、アルミニウムをイオン注入して形成され
てな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。
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