JP4304883B2 - 窒化物半導体レーザダイオード、並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザダイオード、及びその製造方法に関し、特に、埋め込み層を有するリッジ形状の窒化物半導体レーザダイオードに適用される。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子である窒化物半導体レーザダイオードは、大容量の情報を記憶するＤＶＤ等のメディアや通信用の光源、又は印刷機器等への利用が期待されている。またガリウムを含有する窒化物半導体は発光波長が４００ｎｍ帯の短波長領域であるため、紫外から緑色までの発光光源とすることができる。そのため、ガリウムを含有する窒化物半導体レーザダイオードとして用いた場合、従来の赤色レーザダイオードに比べて数倍の大容量メディアの再生装置、又は記憶装置として使用可能となる。さらに電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような電子デバイスへの応用も期待されている。
【０００３】
このような窒化物半導体レーザダイオードには、光導波路を形成し横方向の光閉じ込めを実現するために窒化物半導体にエッチングをすることによりリッジを備えたものがある。この窒化物半導体レーザダイオードはリッジを形成後に露出面となったリッジの側壁部からリッジ両側のｐ側窒化物半導体層の露出面上に絶縁性の埋め込み層を備えたものである。これは、リッジを形成し露出面となったリッジ両側のｐ側窒化物半導体層の露出面上に窒化物半導体と屈折率の違う、例えば屈折率の低い埋め込み層を有することで、リッジ両側にある窒化物半導体の屈折率をコア領域となる窒化物半導体の屈折率よりも低くするものである。これより、光をコア領域内に閉じ込めることで、横方向の光閉じ込めを可能とするものである。このようなレーザダイオードを実効屈折率型レーザダイオードと呼ぶ。また、窒化物半導体レーザダイオードにおいて、リッジ両側の埋め込み層を絶縁体とすることで電流狭窄ができる。この実効屈折率型レーザダイオードは、例えばJpn.J.Appl.Phys.vol.37(1988) pp.L309-L312、Part2,No.cB,15 March 1998に示している。
【０００４】
例えば、絶縁性を有する特性を満たした埋め込み層としてＳｉＯ２やＺｒＯ２が報告されている。ＺｒＯ２からなる埋め込み層を有する窒化物半導体レーザダイオードにおいては、出力が５ｍＷ程度では寿命特性が連続発振１万時間以上を達成した良好な窒化物半導体レーザダイオードを可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳｉＯ２やＺｒＯ２を埋め込み膜として用いた場合には、低出力時や高出力時に関わらずリップルが発生してしまう。これは、実効屈折率型レーザダイオードはコア領域だけでなく、このコア領域の両横側にも活性層が存在するからである。コア領域の両横側にある活性層から、発光があるため出力が不均一となる。また、コア領域からの発光漏れも考えられる。リップルが発生すればＦＦＰ（ファー・フィールド・パターン）は非ガウシアン分布となる。このような非ガウシアン分布を特性として示す窒化物半導体レーザダイオードは、光ディスクへの書き込み等には用いるのが困難である。つまり、リップルが発生すれば、ピークが複数発生するようなＦＦＰとなり、ピークの読み間違い等による歩留まり低下が問題となる。そこで、本発明の目的は、低出力や高出力に関わらずリップルの発生しない、窒化物半導体レーザダイオードを提供することである。
【０００６】
前記リップルとは、さざなみの意味を示す。図３（ａ）にはリップルのないＦＦＰ−Ｘを示す。また、図３（ｂ）にはリップルの発生したＦＦＰ−Ｘを示す。また前記コア領域とは、光閉じ込め領域を示す。縦方向の光閉じ込めはガイド層とクラッド層との屈折率差を利用したものである。また、横方向の光閉じ込めはリッジの両側に形成した埋め込み膜に屈折率が低いものを用いる。これにより、埋め込み膜の下部にある窒化物半導体の屈折率を低下させ実効屈折率を形成する。そのため、横方向の光閉じ込めが可能となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザダイオードは、上記目的を達成するために、ｐ側窒化物半導体層上にリッジを有し、そのリッジ両側に埋め込み膜が形成された窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記埋め込み膜は吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなり、前記第１の絶縁膜は前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものであって、前記第１の絶縁膜は、前記リッジの側壁部を除いた領域であって、ｐ側窒化物半導体層の露出面に形成されており、前記第２の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜上及びリッジの側壁部に形成されている。
【０００８】
本発明の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いことを特徴とする。
【０００９】
本発明の窒化物半導体レーザダイオードは、基板上にｎ側窒化物半導体層、活性層、ｐ側窒化物半導体層とを形成したものであり、このｐ側窒化物半導体層は活性層上にｐ側キャップ層、ｐ側ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層とを有するものであって、前記窒化物半導体レーザダイオードは少なくともｐ側クラッド層までエッチングすることによりリッジを形成していることを特徴とする。
【００１０】
本発明の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜はリッジ形成後のｐ側窒化物半導体層の露出面上に形成され、かつリッジの側壁部には接触していないことを特徴とする。前記窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜は光吸収機能を有し、前記第２の絶縁膜は電流狭窄及び横方向の光閉じ込め機能を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明における窒化物半導体レーザダイオードは、リッジ形状を有する実効屈折率型レーザダイオードであり、吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との２層構造からなる埋め込み層を有する。この第１の絶縁膜には吸収係数が高いものを用いることとする。これより、第１の絶縁膜は光吸収膜としての効果を有し、コア領域からの発光漏れやコア領域以外での発光による光を吸収することでリップルをなくすことができる。ここで、吸収係数の高い埋め込み層としては、ＴｉＯ２（酸化チタン）やＮｂ２Ｏ３（酸化ニオブ）、ＲｈＯ等が挙げられる。また、前記第１の絶縁膜であるＴｉＯ２等はＳｉＯ２やＺｒＯ２に比べて熱伝導率が高く、放熱性に優れており高出力時の連続発振に用いる埋め込み膜としては好ましい。さらに、本発明は埋め込み膜を２層構造とすることで、逆耐圧が高くなる。これは、窒化物半導体レーザダイオードを形成するための電極と窒化物半導体との間の絶縁が強くなるからである。そのため、逆方向に電圧がかかった場合でも壊れにくく、品質の向上が期待できる。
【００１２】
また、前記窒化物半導体レーザダイオードは、少なくともｐ側クラッド層までエッチングすることでリッジを形成している。また、活性層までエッチングすれば活性層にダメージを与えるため寿命特性を低下させてしまう。さらに、このリッジ形成後に形成する第１の絶縁膜はリッジの側壁部には接触していないものとする。これは、第１の絶縁膜がリッジに接触していたら、閾値が上がり寿命特性を低下させるためである。これは、第１の絶縁膜が光吸収膜としての効果があるものの、レーザ発振に必要なレーザ光までこの第１の絶縁膜が吸収してしまうからである。
【００１３】
前記窒化物半導体レーザダイオードの製造方法は、ｐ側窒化物半導体層上にリッジを有し、そのリッジの両側に埋め込み層が形成された窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、前記埋め込み膜は吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなり、前記第１の絶縁膜は前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものであって、前記リッジ形成後にリッジ上部、及びリッジの側壁部を除いた領域であり、ｐ側窒化物半導体層の露出面に第１の絶縁膜を形成する工程と、その後、前記第１の絶縁膜上、及びリッジの側壁部に第２の絶縁膜を形成する工程とを具備することにより前記埋め込み層を形成することを特徴とする。また、前記第１の絶縁膜、第２の絶縁膜の成膜方法としては、特に限定しないが、スパッタやＥＣＲスパッタ、蒸着を用いることができる。
【００１４】
前記窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、前記第１の絶縁膜の形成にはウェットエッチング法を用いることを特徴とする。このウェットエッチングには、熱硫酸やＢＨＦ、フッ酸が用いられる。第１の絶縁膜はウェットエッチングで形成することにより、リッジ両側の側壁と第１の絶縁膜との間隔を均一に制御することができる。また、リッジの端からの距離を数ミクロンの１／１０という狭い範囲でのエッチングが可能となる。そのため、リッジ両横側の閉じ込めを均一にすることができ、ＦＦＰのピークずれを抑制することができる。
【００１５】
本発明における埋め込み膜は上記に示す材料であれば、電気伝導度が低く、１０６〜１０１２Ωｃｍであるため絶縁体となり、埋め込み層からの電流のリークはない。さらに、熱伝導率が高く、放熱性に優れている。そのため、３０ｍＷ以上の高出力に連続発振をする窒化物半導体レーザダイオードにおいても、コア内で発生した熱を埋め込み層から外部に逃がし発熱による素子の劣化を抑制することができるため、寿命特性の向上が期待できる。また、フェイスダウン構造である窒化物半導体レーザダイオードにおいては窒化物半導体レーザダイオードと、ステムとの接合面積が広いため効率よく熱を逃がすことができ好ましい。その他として、第１の絶縁膜をリッジ両横側の範囲のみに形成するのであれば、絶縁膜に限らずメタルを使用することもできる。
【００１６】
以上に示すように、本発明における窒化物半導体レーザダイオードはリッジ形状を有する実効屈折率型レーザダイオードであり、２層構造から成る埋め込み層を用いるものである。これにより、低出力や高出力に関係なくリップルをなくした窒化物半導体レーザダイオードを提供することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態の半導体レーザダイオードは、リッジを有し、そのリッジの側壁部からリッジの両側表面に連続して埋め込み膜が形成された窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記埋め込み膜としては吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなるものである。前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものとする。この吸収係数の測定にはエリプソメーターを用い、０．００５〜０．１の範囲の第１の絶縁膜を成膜する。
【００１８】
前記窒化物半導体レーザダイオードは、基板上にｎ側窒化物半導体層、活性層、ｐ側窒化物半導体層とを形成したものである。この基板は、窒化物半導体基板と異なるサファイア等の異種基板であってもよい。また、ｎ側窒化物半導体層は前記基板上にｎ側コンタクト層、クラック防止層、ｎ側クラッド層、ｎ側ガイド層とを有するものである。さらに、このｎ側窒化物半導体層上に形成する活性層は多重量子井戸構造からなる。この活性層上に形成するｐ側窒化物半導体層は、活性層上にｐ側キャップ層、ｐ側ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層とを有するものであって、本実施の形態では少なくともｐ側クラッド層までエッチングすることによりリッジを形成している。
【００１９】
前記窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜はリッジ形成後のｐ側窒化物半導体層の露出面上に形成され、かつリッジの側壁部には接触していないものとする。
【００２０】
本発明に係る実施の形態の窒化物半導体レーザダイオードにおける埋め込み層は、吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなる。また、前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものとするため、以下の効果を有する。
【００２１】
効果１
上記に示すように、吸収係数の高い第１の絶縁膜を埋め込み膜に用いることで、ＦＦＰ−Ｘにおけるリップルの発生をなくすことができる。この第１の絶縁膜としては、ＴｉＯ２等の絶縁膜を用いる。このリップルの発生をなくす理由は、これらの絶縁膜の吸収係数が高いために、光を吸収することができるからである。具体的数値としては０．００５〜０．１である。吸収係数の高い絶縁膜を有することで、コア領域からの漏れ光、又はコア領域以外での発光を取り除き、単一なレーザ光とするこｔこができる。そのため、上記埋め込み膜を形成することで、リップルをなくすことができる。また、ＴｉＯ２の成膜方法としてはスパッタ法等が考えられる。
【００２２】
効果２
本発明では、埋め込み膜を２層構造としているために、逆耐圧が高くなる。その理由は、窒化物半導体レーザダイオードを形成時に電極と窒化物半導体との間の絶縁が２層構造とすることで強くなるからである。
【００２３】
また、リッジ形成時のエッチング深さは、活性層までエッチングしなければ、ｐ側キャップ層までエッチングしてもよく、好ましくはｐ側ガイド層やｐ側クラッド層までエッチングすることとする。これは、窒化物半導体はエッチングにより形成したエッチング表面が劣化することが考えられるからである。このエッチングによる劣化の影響が活性層に及ばない範囲とすることが好ましいからである。
【００２４】
以上より、本発明ではｐ側ガイド層までエッチングすれば、コア領域以外に電流が流れることなく電流狭窄が可能となる。その結果、リッジ形成後に露出面となるｐ側ガイド層上に埋め込み膜を２層構造で形成した窒化物半導体レーザダイオードであって５ｍＷ程度の低出力のみならず、３０ｍＷ以上、好ましくは５０ｍＷ程度の高出力時においてもリップルやキンクが発生することなく３０００時間以上の連続発振を行なうことが可能なリッジ形状の窒化物半導体レーザダイオードを提供することができる。
【００２５】
本発明に係る実施形態の半導体レーザダイオードにおける埋め込み膜の形成方法を以下に示す。まず、埋め込み膜を形成するために窒化物半導体レーザダイオードにリッジを形成する。図２（ａ）に示すように、リッジの最上面にレジスト、又はＳｉＯ２等を保護マスクとして形成した後、スパッタ等によりレジスト上部やリッジの側壁部、ｐ側窒化物半導体層の露出面上に第１の絶縁膜を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、レジスト上部、及びリッジの側壁部に形成した第１の絶縁膜を熱硫酸やＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いてウェットエッチング等により除去する。ここで、リッジ両側の側壁部と第１の絶縁膜とは接触していない状態とすることが好ましい。その後、図２（ｃ）に示すように、レジスト上部やリッジの側壁部、第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成する。さらに、図２（ｄ）に示すように、リッジの上面に形成されているレジストやＳｉＯ２、第２の絶縁膜とを除去し、リッジ最上面を露出させる。この露出面には後工程において、ｐ側電極を形成する。
【００２６】
ここで、ＴｉＯ２の成膜条件を以下に示す。成膜装置としては、スパッタ装置を用いる。原料にはＴｉターゲットを使用し、成膜温度を窒化物半導体にダメージを与えない温度である６００℃以下である１５０℃とする。また、成膜温度が６００℃より高ければ、成膜時に窒化物半導体にダメージを与える恐れがある。以上より、本発明における埋め込み膜は、１００℃以上、好ましくは２００℃以上５００℃以下の範囲を成膜条件とする。埋め込み膜は２層構造とするため、組み合わせにより埋め込み膜の屈折率を２．０〜２．６５と広範囲で形成することができる。そのため、窒化物半導体レーザダイオードの窒化物半導体層をＧａＮ（屈折率＝約２．３）だけでなく一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）で示した場合にも、この組成式内での屈折率に対して屈折率差を維持することが可能であり、上記組成の窒化物半導体に対して安定した光閉じ込めができる。また、埋め込み膜の膜厚は第１の絶縁膜が１００Å〜２５００Å、第２の絶縁膜が１００Å〜６０００Åとする。
【００２７】
また、埋め込み膜である第１の絶縁膜、第２の絶縁膜の成膜方法としては、スパッタ法、ＥＣＲスパッタ法等のスパッタリング法、又は電子ビーム蒸着法、イオンビーム蒸着法等の蒸着法、その他にマイクロ波プラズマＣＶＤ法やＤＣプラズマＣＶＤ法などのプラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、ＥＡＣＶＤ法、アークイオンプレーティング法、電子励起式イオンプレーティング法を使用した装置を用いることができる。
【００２８】
以下、本発明に係る実施の形態の半導体レーザダイオードの製造工程の一例をさらに詳細に説明するが、本発明は、これに限定されるものでない。
本発明における基板は、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることができる基板であればよく、基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。この基板の具体例としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネルのような絶縁性基板、また炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合する酸化物基板が挙げられる。
また、サファイアを基板として用いる場合、サファイア基板は、Ａ面をオリフラとし、Ｃ面を成長面とする。その他、Ｒ面やＡ面でも成長面とすることができるが、好ましくはＣ軸配向の窒化物半導体層を成長させることである。この基板は、外周を面取り加工や裏面を研削加工したものであってもよい。
【００２９】
次に、前記基板上に成長させる窒化物半導体層としては、窒化物半導体であり、一般式としてＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）で表される。また、窒化物半導体層を本発明では有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、やハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の気相成長法を用いて成長させる。
【００３０】
まずは、前記基板上に低温で窒化物半導体ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）から成る下地層を成長させる。これにより、基板と窒化物半導体との格子定数差により生じる欠陥や割れを抑制することができる。ここで、低温とは３００〜８００℃の温度範囲である。さらに、第２の下地層としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）を有機金属化学気相成長法により成長させる場合、成長原料にＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアを使用して成長温度１１５０℃以下で１〜２０μｍ程度成長させ、窒化物半導体の表面を平坦な鏡面とする。
【００３１】
また、前記下地層上にＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法によりＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）層を成長させてもよい。このＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法とは窒化物半導体を横方向成長させることで貫通転位を曲げて収束させることにより転位を低減させるものである。異種基板上に窒化物半導体を成長させる場合、この基板と窒化物半導体との格子定数の違いから成長界面に応力が発生する。この応力が貫通転位等を発生させることとなり、貫通転位が窒化物半導体の結晶性を低下させてしまう。そこで、このＥＬＯ法では縦方向に伸びる性質を有する貫通転位を横方向に曲げることで窒化物半導体の表面の貫通転位を低減させるものである。まず、下地層上に保護膜を成膜し、この保護膜に開口部を設ける。この保護膜の性質としては、保護膜上には窒化物半導体が成長しないものとする。さらに、保護膜の開口部には下地層が露出しており、この下地層を核として窒化物半導体を成長させるものである。核から成長した窒化物半導体は保護膜上で横方向成長する。この横方向成長した窒化物半導体と同様に貫通転位も横方向に伸びる。この横方向に伸びた貫通転位は保護膜上で接合し、収束する。また、開口部から縦方向に伸びる貫通転位も存在する。以上より、保護膜開口部から保護膜上に成長させた窒化物半導体は、保護膜の開口部上、及び保護膜上に横方向成長した同士の接合部以外の領域には低転位領域を形成することができる。
【００３２】
さらに、本発明者らは図４や図６に示す窒化物半導体基板上に形成した窒化物半導体レーザダイオードを提供することができる。この図４に示す窒化物半導体基板は、基板上に横方向成長させた窒化物半導体をＴ字形状とし、さらに窒化物半導体を再成長させるものである。この窒化物半導体基板は、Ｔ字柱上には転位が伸びるものの、Ｔ字両翼上部、及び隣り合うＴ字両翼の開口部上には転位が大幅に低減された結晶性の良好な窒化物半導体基板を得ることができる。この窒化物半導体基板は低欠陥領域がウェハー上に広範囲で存在するため、この上に形成した窒化物半導体レーザーダイオードは寿命特性の良好なものが期待できる。また、図６に示すように、基板上に窒化物半導体を成長後、部分的にエッチングを行い、さらに窒化物半導体を再成長させる方法により窒化物半導体基板を形成することができる。このエッチング深さは特に限定しないが、基板を露出させず、底面には空洞を有するものであればよい。基板を露出すれば、基板と窒化物半導体との成長界面を露出することになる。この成長界面は、基板と窒化物半導体との格子定数が違うため窒化物半導体の結晶性がよくない。この結晶性がよくない窒化物半導体を露出すれば、基板上の窒化物半導体へのダメージが大きく、上部の窒化物半導体まで転位がより多く伸びてしまう。そのため、基板は露出させない方が好ましい。しかしながら、エッチング深さが浅ければ、凹部の底面からの窒化物半導体の再成長が起こり、転位が伸びてしまう。そのため、基板を露出させず、かつ空洞を有する図６に示す窒化物半導体基板が好ましい。
【００３３】
また、窒化物半導体に生じる貫通転位を減少させるには、前記ＥＬＯ法の他に、ＨＶＰＥ法により厚膜成長させ、この厚膜成長時に貫通転位を収束させることで転位を 低減させる方法が挙げられる。
【００３４】
このＨＶＰＥ法で窒化物半導体を成長させる場合、例えばＧａＮであれば、ＨＣｌガスとＧａ金属が反応することでＧａＣｌやＧａＣｌ３を形成し、さらにこのＧａ塩化物がアンモニアと反応することでＧａＮを基板上に堆積させるものである。ＨＶＰＥ法による窒化物半導体の成長時に成長速度を変化させ、２段階成長させることで結晶欠陥を大幅に低減させることができる。これにより、保護膜を用いた横方向成長をする必要がなく、効率良く窒化物半導体基板を得ることができる。この２段階成長基板を図５に示す。
【００３５】
また、ＨＶＰＥ法により窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体を厚膜成長させた場合には、この厚膜の窒化物半導体基板から異種基板を除去することにより窒化物半導体のみから成る単体基板を形成することができる。厚膜の窒化物半導体基板から異種基板を除去する方法としては、異種基板を研磨により除去する方法、その他には、異種基板と窒化物半導体との界面にエキシマレーザ照射することにより異種基板を除去する方法が挙げられる。そのため、サファイア基板のような絶縁体基板上に成長させた窒化物半導体基板であってもサファイア基板除去することで窒化物半導体から成る単体基板とし、裏面電極構造とすることが可能となる。
ここまでの工程で得られた基板上に窒化物半導体を成長させたもの、ＥＬＯ法で成長させたもの、及びＨＶＰＥ法により成長させたものを含めて以下、窒化物半導体基板という。
【００３６】
次に、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体素子を形成する。前記窒化物半導体基板上にｎ側コンタクト層３としてｎ型不純物をドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を５μｍ程度で成長させる。このｎ側コンタクト層上にクラック防止層（図示されていない）としてｎ型不純物ドープＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を０．２μｍ程度で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。続いて、クラック防止層上にｎ側クラッド層４を成長させる。このｎ側クラッド層としては、超格子構造であるのが好ましく、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる層と、ｎ型不純物をドープしたｎ型ＧａＮよりなる層とを交互に積層して総膜厚１．２μｍ程度の超格子構造よりなるｎ側クラッド層を成長させる。続いて、アンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層５を０．１μｍ程度の膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層は、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００３７】
次に、障壁層にノンドープＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）と井戸層にｎ型不純物ドープＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）とからなる単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造である活性層６を成長させる。多重量子井戸構造であれば、障壁層と井戸層とを同一温度で２〜５回程度で交互に積層し、最後に障壁層とし総膜厚を２００〜５００Åとする。
【００３８】
次に、活性層上にｐ側キャップ層（図示されていない）としてｐ型不純物をドープしたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を成長させる。このｐ側キャップ層は膜厚を３００Å程度で成長させる。続いて、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層を０．１μｍ程度の膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層７は、ｐ型不純物をドープしてもよい。次に、ｐ側光ガイド層上にｐ側クラッド層８を成長させる。このｐ側クラッド層としては、ｎ側クラッド層と同様に超格子構造であるのが好ましく、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる層と、ｐ型不純物をドープしたｐ型ＧａＮよりなる層とを交互に積層して総膜厚０．６μｍ程度の超格子構造よりなるｐ側クラッド層を成長させる。最後に、ｐ側クラッド層の上に、ｐ型不純物をドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）からなるｐ側コンタクト層９を成長させる。
【００３９】
ここで、不純物濃度としては、特に限定する必要はないが、好ましくはｎ型不純物、及びｐ型不純物は１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３とする。また、前記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｄ等が挙げられ、ｐ型不純物としてはＢｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等が挙げられる。
【００４０】
次に、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体素子を形成後、ｐ電極とｎ電極とを同一面側に形成する場合には、ｎ電極を形成するためにｎ側コンタクト層をエッチングにより露出させる。次に、ストライプ状の光導波路領域を形成するためにエッチングすることによりリッジを形成する。ここで、エッチングはリッジを形成するには異方性エッチングであるのが好ましく、例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置等を使用する。ここで形成されるリッジ幅としては本発明においては後工程で形成する埋め込み層や出力にもよるが、リッジ幅は１．０〜３．０μｍと広くすることができる。また、エッチング深さとしては窒化物半導体素子内の少なくともｐ側クラッド層までエッチングするものとする。さらに、リッジ形状は、順メサ型、逆メサ型、垂直型から成り、これらの形状であれば横方向の光閉じ込めができ好ましい。
【００４１】
リッジを形成後、露出したリッジの側壁部からリッジの両側表面の窒化物半導体層上に絶縁体である埋め込み膜を２層構造でスパッタ法等により形成する。埋め込み膜の成膜方法、及び成膜条件は前記に示しており、ここでは省略する。
【００４２】
この埋め込み膜の効果としては第１の絶縁膜１１は光吸収である。また、第２の絶縁膜１２の効果としては、電流狭窄、及び横方向の光閉じ込めである。横方向の光閉じ込めをするためには窒化物半導体層との間に屈折率差を設ける必要があり、またコア領域内に光を閉じ込めるには窒化物半導体よりも屈折率の小さい材料を埋め込み層に用いる。また、縦方向の光閉じ込めは屈折率の高いコア領域と、屈折率の低いｐ、ｎ側クラッド層とで屈折率差をつけることでコア内に光を閉じ込めている。
【００４３】
その後、ｐ側電極１３を形成するためにリッジ最上面に成膜された埋め込み層をリフトオフ等により除去する。次に、除去後、露出したｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ側電極をストライプ状に形成し、ｐ側電極を形成後、ｎ側コンタクト層の表面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ側電極１０をリッジストライプと平行に形成する。次に取り出し電極であるパッド電極１４をｐ電極、及びｎ電極上に形成する。
【００４４】
また、ｐ側電極をＮｉ／Ａｕ／ＲｈＯとし、ｐ側パッド電極をＲｈＯ／Ｐｔ／Ａｕとする組み合わせとすることもできる。パッド電極を形成する前に、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等から成る誘電体多層膜を共振器面（光出射端面側）に形成してもよい。この誘電体多層膜を有することにより高出力時における光出射端面の端面劣化を抑制することができる。
【００４５】
さらに、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ヘキカイし、ヘキカイ面（（１１−００）面、六方晶系の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を形成する。この共振器面に誘電体多層膜を形成し、電極に平行な方向でバーを切断して窒化物半導体レーザ素子とする。この窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに設置し、ワイヤーボンディングし、キャップで封止することで窒化物半導体レーザダイオードとする。
【００４６】
以上により得られた窒化物半導体レーザダイオードを用いて室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長４００〜４２０ｎｍ、閾値電流密度２．９ｋＡ／ｃｍ２において連続発振を示し、５ｍＷ程度の低出力時だけでなく３０ｍＷ以上、好ましくは５０ｍＷ程度の光出力時でもリップルが発生せず、３０００時間以上の寿命特性を示す。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
［実施例１］
まず、基板１としてＣ面を主面、オリフラ面をＡ面とする２インチφで厚さ２ｍｍのサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去した。
【００４８】
次に、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、ＧａＮより成る下地層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４９】
その後、第２の下地層であるＧａＮを成長温度１０５０℃、膜厚２．５μｍで成長する。この第２の下地層は、上記下地層と同様にキャリアガスには水素、原料ガスにはアンモニアを用いて成長させる。
【００５０】
第２の下地層を成長後、その上にＳｉＯ２よりなる保護膜を膜厚０．５μｍで成膜する。さらに、この保護膜に開口部を有するストライプパターンを形成する。この保護膜のストライプパターンは基板のオリフラ面に対して垂直方向に形成される。また、保護膜のストライプ幅は１４μｍ、開口部幅は６μｍである。この開口部は下地層であるＧａＮが露出している。次に、この開口部より露出したＧａＮを核としてＧａＮを横方向に成長させ、このＧａＮ同士が接合する前に成長を止める。この時のＧａＮの断面形状としてはＴ字状となる。その後、保護膜を除去し、Ｔ字状のＧａＮの両翼側面、及びＴ字上面よりＧａＮを再成長させることで、膜厚１５μｍのＧａＮ層２を形成する。このＧａＮ基板は、平坦でミラー形状を有する窒化物半導体基板であり、保護膜上の横方向成長させた領域は単位面積あたりの貫通転位が１×１０７個／ｃｍ２以下となる低欠陥である窒化物半導体基板とすることができる。
【００５１】
次に、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体素子を形成する。
［アンドープｎ型コンタクト層（図示されていない）］
前記窒化物半導体基板を形成したウェーハをＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットし、１０５０℃で窒化物半導体に、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるアンドープｎ型コンタクト層を１μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＧａＮからなる窒化物半導体基板とｎ型コンタクト層をはじめとする半導体素子との間で、緩衝層としての機能を有する。
【００５２】
［ｎ型コンタクト層３］
次にアンドープｎ型コンタクト層上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５３】
［クラック防止層］
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９００℃にしてＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるクラック防止層を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。
【００５４】
［ｎ型クラッド層４］
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。この操作を２００回繰り返しＡ層とＢ層との積層構造とし、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層を成長させる。
【００５５】
［ｎ型光ガイド層５］
次に、シランガスを止め、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型ガイド層５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｎ型光ガイド層５は、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００５６】
［活性層６］
次に、温度を９００℃にし、原料ガスに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を５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚で成長させ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎよりなる井戸層を２５Åの膜厚で成長させることにより、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層の順に積層し、最後に障壁層として、ＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを成長させる。活性層６は、総膜厚５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００５７】
［ｐ型キャップ層（図示されていない）］
次に、活性層と同じ温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層を１００Åの膜厚で成長させる。
【００５８】
［ｐ型光ガイド層７］
次に、Ｃｐ２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、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型ガイド層７を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００５９】
［ｐ型クラッド層８］
次に、１０５０℃でアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層８を成長させる。ｐ型クラッド層は、ＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ型クラッド層８を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、しきい値を低下させる上で非常に有効である。
【００６０】
［ｐ型コンタクト層９］
最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１０９の上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、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９を１５０Åの膜厚で成長させる。
反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００６１】
アニーリング後、窒化物半導体を積層させたウェ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）法を用いＣｌ２ガスによりエッチングし、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。
【００６２】
次に、レジストをマスクとして形成し、ＲＩＥを用いＣｌ２ガス、及びＳｉＣｌ４ガスとによりエッチングすることにより、ストライプ状の導波路領域としてリッジストライプをリッジのストライプ幅を１．８μｍで形成する。このエッチングはｐ側ガイド層までエッチングして、ストライプ状の光導波路領域となるリッジを形成する。その後、スパッタ装置を用いて第１の絶縁膜であるＴｉＯ２を膜厚５００Åで形成する。その後、リッジ側壁部とレジスト上部の第１の絶縁膜を除去し、第２の絶縁膜であるＺｒＯ２を図２に示すように膜厚５５０Åで形成する。その後、剥離液により図２（ｄ）に示すようにリッジ上部を露出させる。
【００６３】
次に前記リッジ最上面の露出したｐ型コンタクト層上にｐ側電極をＮｉ／Ａｕで１００μｍのストライプ幅で形成し、また、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層上にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ型電極を形成する。このｐ側電極は、リッジ上にストライプ形成されており、同じくストライプ形成されているｎ側電極とは平行な方向で形成する。
【００６４】
次に、光反射端面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を設けた後、ｐ側電極、及びｎ側電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるパット電極をそれぞれ形成する。
【００６５】
以上のようにして得られた窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれのパッド電極にワイヤーボンディングをすることで窒化物半導体レーザダイオードとする。本実施例におけるＦＦＰ−Ｘを図７に示す。また、埋め込み膜をＺｒＯ２のみとした他は実施例１と同様にして形成した窒化物半導体レーザーダイオードにおけるＦＦＰ−Ｘを図８にしめす。以上より、この窒化物半導体レーザダイオードを用いて、室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ２、５〜３０ｍＷの出力においてリップルが発生せず、３０００時間以上の寿命特性を有する発振波長４０５ｎｍの連続発振の窒化物半導体レーザダイオードを得られた。
【００６６】
［実施例２］
実施例１と同様にサファイア基板１上に下地層２を成長させた後、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置にセットし、Ｇａメタルを石英ボートに用意し、ハロゲンガスにＨＣｌガスを用いることによりＧａＣｌ３を生成し、次に、Ｎガスであるアンモニアガスと反応させ、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体２ａを成長させる。窒化物半導体２ａの成長温度としては１０００℃であり、成長速度を１ｍｍ／ｈｏｕｒとして、膜厚１００μｍで成長させる。次に、窒化物半導体２ａ上に、窒化物半導体２ｂをハイドライド気相エピタキシャル成長法装置において成長させる。この時の成長条件としては、成長温度を窒化物半導体２ａと同温とし、窒化物半導体２ｂの成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は５０μｍで成長させた。ここで得られた窒化物半導体基板は表面は平坦かつ鏡面となり、ＣＬ観察によると貫通転位密度は約１×１０６ｃｍ−２程度であり、低欠陥である図５に示す窒化物半導体基板を提供することができる。
【００６７】
以上により得られた窒化物半導体基板を用いる以外は実施例１と同様に窒化物半導体レーザダイオードを形成し、実施例１と同条件で埋め込み膜を第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との２層構造で形成する。ここで得られた窒化物半導体レーザダイオードは実施例１と同様にリップルが発生しない連続発振が３０００時間以上の寿命特性が期待できる。
【００６８】
［実施例３］
基板１にはＣ面を主面、オリフラ面をＡ面とする２インチφで厚さ２ｍｍのサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去する。 次に、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、ＧａＮより成る下地層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６９】
その後、窒化物半導体２ａとしてＧａＮを成長温度１０５０℃、膜厚１０μｍで成長する。この窒化物半導体２ａは、上記下地層と同様にキャリアガスには水素、原料ガスにはアンモニアを用いて成長させる。
【００７０】
次に、窒化物半導体２ａを深さ８．５μｍの溝を形成する。この溝の幅は１４μｍであり、１４：６の比で溝を等間隔で形成している。さらに窒化物半導体２ｂを窒化物半導体２ａの側面、及び上面より成長させて、窒化物半導体のトータル膜厚が１５μｍである欠陥を低減させた窒化物半導体基板とする。この窒化物半導体２ｂの成長条件は窒化物半導体２ａと同様とする。
【００７１】
以上により得られた窒化物半導体基板を用いる以外は実施例１と同様に窒化物半導体レーザダイオードを形成し、実施例１と同条件で埋め込み膜を第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との２層構造で形成する。ここで得られた窒化物半導体レーザダイオードは実施例１と同様の効果が期待できる。
【００７２】
【発明の効果】
以上に示すように、本発明における埋め込み膜を窒化物半導体レーザダイオードに形成すれば、低出力、高出力に関係なくリップルが発生せず、寿命特性の安定な窒化物半導体レーザダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明する模式断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を説明する工程図である。
【図３】ＦＦＰ−Ｘを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態を説明する窒化物半導体基板の模式断面図である。
【図５】本発明の一実施形態を説明する窒化物半導体基板の模式断面図である。
【図６】本発明の一実施形態を説明する窒化物半導体基板の模式断面図である。
【図７】本発明の一実施例におけるＦＦＰ−Ｘを示す図である。
【図８】比較例におけるＦＦＰ−Ｘを示す図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・基板
２・・・下地層
３・・・ｎ側コンタクト層
４・・・ｎ側クラッド層
５・・・ｎ側光ガイド層
６・・・活性層
７・・・ｐ側光ガイド層
８・・・ｐ側クラッド層
９・・・ｐ側コンタクト層
１０・・・ｎ側電極
１１・・・埋め込み膜（第１の絶縁膜）
１２・・・埋め込み膜（第２の絶縁膜）
１３・・・ｐ側電極
１４・・・パッド電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザダイオード、及びその製造方法に関し、特に、埋め込み層を有するリッジ形状の窒化物半導体レーザダイオードに適用される。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子である窒化物半導体レーザダイオードは、大容量の情報を記憶するＤＶＤ等のメディアや通信用の光源、又は印刷機器等への利用が期待されている。またガリウムを含有する窒化物半導体は発光波長が４００ｎｍ帯の短波長領域であるため、紫外から緑色までの発光光源とすることができる。そのため、ガリウムを含有する窒化物半導体レーザダイオードとして用いた場合、従来の赤色レーザダイオードに比べて数倍の大容量メディアの再生装置、又は記憶装置として使用可能となる。さらに電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような電子デバイスへの応用も期待されている。
【０００３】
このような窒化物半導体レーザダイオードには、光導波路を形成し横方向の光閉じ込めを実現するために窒化物半導体にエッチングをすることによりリッジを備えたものがある。この窒化物半導体レーザダイオードはリッジを形成後に露出面となったリッジの側壁部からリッジ両側のｐ側窒化物半導体層の露出面上に絶縁性の埋め込み層を備えたものである。これは、リッジを形成し露出面となったリッジ両側のｐ側窒化物半導体層の露出面上に窒化物半導体と屈折率の違う、例えば屈折率の低い埋め込み層を有することで、リッジ両側にある窒化物半導体の屈折率をコア領域となる窒化物半導体の屈折率よりも低くするものである。これより、光をコア領域内に閉じ込めることで、横方向の光閉じ込めを可能とするものである。このようなレーザダイオードを実効屈折率型レーザダイオードと呼ぶ。また、窒化物半導体レーザダイオードにおいて、リッジ両側の埋め込み層を絶縁体とすることで電流狭窄ができる。この実効屈折率型レーザダイオードは、例えばJpn.J.Appl.Phys.vol.37(1988) pp.L309-L312、Part2,No.cB,15 March 1998に示している。
【０００４】
例えば、絶縁性を有する特性を満たした埋め込み層としてＳｉＯ２やＺｒＯ２が報告されている。ＺｒＯ２からなる埋め込み層を有する窒化物半導体レーザダイオードにおいては、出力が５ｍＷ程度では寿命特性が連続発振１万時間以上を達成した良好な窒化物半導体レーザダイオードを可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳｉＯ２やＺｒＯ２を埋め込み膜として用いた場合には、低出力時や高出力時に関わらずリップルが発生してしまう。これは、実効屈折率型レーザダイオードはコア領域だけでなく、このコア領域の両横側にも活性層が存在するからである。コア領域の両横側にある活性層から、発光があるため出力が不均一となる。また、コア領域からの発光漏れも考えられる。リップルが発生すればＦＦＰ（ファー・フィールド・パターン）は非ガウシアン分布となる。このような非ガウシアン分布を特性として示す窒化物半導体レーザダイオードは、光ディスクへの書き込み等には用いるのが困難である。つまり、リップルが発生すれば、ピークが複数発生するようなＦＦＰとなり、ピークの読み間違い等による歩留まり低下が問題となる。そこで、本発明の目的は、低出力や高出力に関わらずリップルの発生しない、窒化物半導体レーザダイオードを提供することである。
【０００６】
前記リップルとは、さざなみの意味を示す。図３（ａ）にはリップルのないＦＦＰ−Ｘを示す。また、図３（ｂ）にはリップルの発生したＦＦＰ−Ｘを示す。また前記コア領域とは、光閉じ込め領域を示す。縦方向の光閉じ込めはガイド層とクラッド層との屈折率差を利用したものである。また、横方向の光閉じ込めはリッジの両側に形成した埋め込み膜に屈折率が低いものを用いる。これにより、埋め込み膜の下部にある窒化物半導体の屈折率を低下させ実効屈折率を形成する。そのため、横方向の光閉じ込めが可能となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザダイオードは、上記目的を達成するために、ｐ側窒化物半導体層上にリッジを有し、そのリッジ両側に埋め込み膜が形成された窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記埋め込み膜は吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなり、前記第１の絶縁膜は前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものであって、前記第１の絶縁膜は、前記リッジの側壁部を除いた領域であって、ｐ側窒化物半導体層の露出面に形成されており、前記第２の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜上及びリッジの側壁部に形成されている。
【０００８】
本発明の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いことを特徴とする。
【０００９】
本発明の窒化物半導体レーザダイオードは、基板上にｎ側窒化物半導体層、活性層、ｐ側窒化物半導体層とを形成したものであり、このｐ側窒化物半導体層は活性層上にｐ側キャップ層、ｐ側ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層とを有するものであって、前記窒化物半導体レーザダイオードは少なくともｐ側クラッド層までエッチングすることによりリッジを形成していることを特徴とする。
【００１０】
本発明の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜はリッジ形成後のｐ側窒化物半導体層の露出面上に形成され、かつリッジの側壁部には接触していないことを特徴とする。前記窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜は光吸収機能を有し、前記第２の絶縁膜は電流狭窄及び横方向の光閉じ込め機能を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明における窒化物半導体レーザダイオードは、リッジ形状を有する実効屈折率型レーザダイオードであり、吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との２層構造からなる埋め込み層を有する。この第１の絶縁膜には吸収係数が高いものを用いることとする。これより、第１の絶縁膜は光吸収膜としての効果を有し、コア領域からの発光漏れやコア領域以外での発光による光を吸収することでリップルをなくすことができる。ここで、吸収係数の高い埋め込み層としては、ＴｉＯ２（酸化チタン）やＮｂ２Ｏ３（酸化ニオブ）、ＲｈＯ等が挙げられる。また、前記第１の絶縁膜であるＴｉＯ２等はＳｉＯ２やＺｒＯ２に比べて熱伝導率が高く、放熱性に優れており高出力時の連続発振に用いる埋め込み膜としては好ましい。さらに、本発明は埋め込み膜を２層構造とすることで、逆耐圧が高くなる。これは、窒化物半導体レーザダイオードを形成するための電極と窒化物半導体との間の絶縁が強くなるからである。そのため、逆方向に電圧がかかった場合でも壊れにくく、品質の向上が期待できる。
【００１２】
また、前記窒化物半導体レーザダイオードは、少なくともｐ側クラッド層までエッチングすることでリッジを形成している。また、活性層までエッチングすれば活性層にダメージを与えるため寿命特性を低下させてしまう。さらに、このリッジ形成後に形成する第１の絶縁膜はリッジの側壁部には接触していないものとする。これは、第１の絶縁膜がリッジに接触していたら、閾値が上がり寿命特性を低下させるためである。これは、第１の絶縁膜が光吸収膜としての効果があるものの、レーザ発振に必要なレーザ光までこの第１の絶縁膜が吸収してしまうからである。
【００１３】
前記窒化物半導体レーザダイオードの製造方法は、ｐ側窒化物半導体層上にリッジを有し、そのリッジの両側に埋め込み層が形成された窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、前記埋め込み膜は吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなり、前記第１の絶縁膜は前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものであって、前記リッジ形成後にリッジ上部、及びリッジの側壁部を除いた領域であり、ｐ側窒化物半導体層の露出面に第１の絶縁膜を形成する工程と、その後、前記第１の絶縁膜上、及びリッジの側壁部に第２の絶縁膜を形成する工程とを具備することにより前記埋め込み層を形成することを特徴とする。また、前記第１の絶縁膜、第２の絶縁膜の成膜方法としては、特に限定しないが、スパッタやＥＣＲスパッタ、蒸着を用いることができる。
【００１４】
前記窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、前記第１の絶縁膜の形成にはウェットエッチング法を用いることを特徴とする。このウェットエッチングには、熱硫酸やＢＨＦ、フッ酸が用いられる。第１の絶縁膜はウェットエッチングで形成することにより、リッジ両側の側壁と第１の絶縁膜との間隔を均一に制御することができる。また、リッジの端からの距離を数ミクロンの１／１０という狭い範囲でのエッチングが可能となる。そのため、リッジ両横側の閉じ込めを均一にすることができ、ＦＦＰのピークずれを抑制することができる。
【００１５】
本発明における埋め込み膜は上記に示す材料であれば、電気伝導度が低く、１０６〜１０１２Ωｃｍであるため絶縁体となり、埋め込み層からの電流のリークはない。さらに、熱伝導率が高く、放熱性に優れている。そのため、３０ｍＷ以上の高出力に連続発振をする窒化物半導体レーザダイオードにおいても、コア内で発生した熱を埋め込み層から外部に逃がし発熱による素子の劣化を抑制することができるため、寿命特性の向上が期待できる。また、フェイスダウン構造である窒化物半導体レーザダイオードにおいては窒化物半導体レーザダイオードと、ステムとの接合面積が広いため効率よく熱を逃がすことができ好ましい。その他として、第１の絶縁膜をリッジ両横側の範囲のみに形成するのであれば、絶縁膜に限らずメタルを使用することもできる。
【００１６】
以上に示すように、本発明における窒化物半導体レーザダイオードはリッジ形状を有する実効屈折率型レーザダイオードであり、２層構造から成る埋め込み層を用いるものである。これにより、低出力や高出力に関係なくリップルをなくした窒化物半導体レーザダイオードを提供することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態の半導体レーザダイオードは、リッジを有し、そのリッジの側壁部からリッジの両側表面に連続して埋め込み膜が形成された窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記埋め込み膜としては吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなるものである。前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものとする。この吸収係数の測定にはエリプソメーターを用い、０．００５〜０．１の範囲の第１の絶縁膜を成膜する。
【００１８】
前記窒化物半導体レーザダイオードは、基板上にｎ側窒化物半導体層、活性層、ｐ側窒化物半導体層とを形成したものである。この基板は、窒化物半導体基板と異なるサファイア等の異種基板であってもよい。また、ｎ側窒化物半導体層は前記基板上にｎ側コンタクト層、クラック防止層、ｎ側クラッド層、ｎ側ガイド層とを有するものである。さらに、このｎ側窒化物半導体層上に形成する活性層は多重量子井戸構造からなる。この活性層上に形成するｐ側窒化物半導体層は、活性層上にｐ側キャップ層、ｐ側ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層とを有するものであって、本実施の形態では少なくともｐ側クラッド層までエッチングすることによりリッジを形成している。
【００１９】
前記窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜はリッジ形成後のｐ側窒化物半導体層の露出面上に形成され、かつリッジの側壁部には接触していないものとする。
【００２０】
本発明に係る実施の形態の窒化物半導体レーザダイオードにおける埋め込み層は、吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなる。また、前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものとするため、以下の効果を有する。
【００２１】
効果１
上記に示すように、吸収係数の高い第１の絶縁膜を埋め込み膜に用いることで、ＦＦＰ−Ｘにおけるリップルの発生をなくすことができる。この第１の絶縁膜としては、ＴｉＯ２等の絶縁膜を用いる。このリップルの発生をなくす理由は、これらの絶縁膜の吸収係数が高いために、光を吸収することができるからである。具体的数値としては０．００５〜０．１である。吸収係数の高い絶縁膜を有することで、コア領域からの漏れ光、又はコア領域以外での発光を取り除き、単一なレーザ光とするこｔこができる。そのため、上記埋め込み膜を形成することで、リップルをなくすことができる。また、ＴｉＯ２の成膜方法としてはスパッタ法等が考えられる。
【００２２】
効果２
本発明では、埋め込み膜を２層構造としているために、逆耐圧が高くなる。その理由は、窒化物半導体レーザダイオードを形成時に電極と窒化物半導体との間の絶縁が２層構造とすることで強くなるからである。
【００２３】
また、リッジ形成時のエッチング深さは、活性層までエッチングしなければ、ｐ側キャップ層までエッチングしてもよく、好ましくはｐ側ガイド層やｐ側クラッド層までエッチングすることとする。これは、窒化物半導体はエッチングにより形成したエッチング表面が劣化することが考えられるからである。このエッチングによる劣化の影響が活性層に及ばない範囲とすることが好ましいからである。
【００２４】
以上より、本発明ではｐ側ガイド層までエッチングすれば、コア領域以外に電流が流れることなく電流狭窄が可能となる。その結果、リッジ形成後に露出面となるｐ側ガイド層上に埋め込み膜を２層構造で形成した窒化物半導体レーザダイオードであって５ｍＷ程度の低出力のみならず、３０ｍＷ以上、好ましくは５０ｍＷ程度の高出力時においてもリップルやキンクが発生することなく３０００時間以上の連続発振を行なうことが可能なリッジ形状の窒化物半導体レーザダイオードを提供することができる。
【００２５】
本発明に係る実施形態の半導体レーザダイオードにおける埋め込み膜の形成方法を以下に示す。まず、埋め込み膜を形成するために窒化物半導体レーザダイオードにリッジを形成する。図２（ａ）に示すように、リッジの最上面にレジスト、又はＳｉＯ２等を保護マスクとして形成した後、スパッタ等によりレジスト上部やリッジの側壁部、ｐ側窒化物半導体層の露出面上に第１の絶縁膜を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、レジスト上部、及びリッジの側壁部に形成した第１の絶縁膜を熱硫酸やＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いてウェットエッチング等により除去する。ここで、リッジ両側の側壁部と第１の絶縁膜とは接触していない状態とすることが好ましい。その後、図２（ｃ）に示すように、レジスト上部やリッジの側壁部、第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成する。さらに、図２（ｄ）に示すように、リッジの上面に形成されているレジストやＳｉＯ２、第２の絶縁膜とを除去し、リッジ最上面を露出させる。この露出面には後工程において、ｐ側電極を形成する。
【００２６】
ここで、ＴｉＯ２の成膜条件を以下に示す。成膜装置としては、スパッタ装置を用いる。原料にはＴｉターゲットを使用し、成膜温度を窒化物半導体にダメージを与えない温度である６００℃以下である１５０℃とする。また、成膜温度が６００℃より高ければ、成膜時に窒化物半導体にダメージを与える恐れがある。以上より、本発明における埋め込み膜は、１００℃以上、好ましくは２００℃以上５００℃以下の範囲を成膜条件とする。埋め込み膜は２層構造とするため、組み合わせにより埋め込み膜の屈折率を２．０〜２．６５と広範囲で形成することができる。そのため、窒化物半導体レーザダイオードの窒化物半導体層をＧａＮ（屈折率＝約２．３）だけでなく一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）で示した場合にも、この組成式内での屈折率に対して屈折率差を維持することが可能であり、上記組成の窒化物半導体に対して安定した光閉じ込めができる。また、埋め込み膜の膜厚は第１の絶縁膜が１００Å〜２５００Å、第２の絶縁膜が１００Å〜６０００Åとする。
【００２７】
また、埋め込み膜である第１の絶縁膜、第２の絶縁膜の成膜方法としては、スパッタ法、ＥＣＲスパッタ法等のスパッタリング法、又は電子ビーム蒸着法、イオンビーム蒸着法等の蒸着法、その他にマイクロ波プラズマＣＶＤ法やＤＣプラズマＣＶＤ法などのプラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、ＥＡＣＶＤ法、アークイオンプレーティング法、電子励起式イオンプレーティング法を使用した装置を用いることができる。
【００２８】
以下、本発明に係る実施の形態の半導体レーザダイオードの製造工程の一例をさらに詳細に説明するが、本発明は、これに限定されるものでない。
本発明における基板は、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることができる基板であればよく、基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。この基板の具体例としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネルのような絶縁性基板、また炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合する酸化物基板が挙げられる。
また、サファイアを基板として用いる場合、サファイア基板は、Ａ面をオリフラとし、Ｃ面を成長面とする。その他、Ｒ面やＡ面でも成長面とすることができるが、好ましくはＣ軸配向の窒化物半導体層を成長させることである。この基板は、外周を面取り加工や裏面を研削加工したものであってもよい。
【００２９】
次に、前記基板上に成長させる窒化物半導体層としては、窒化物半導体であり、一般式としてＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）で表される。また、窒化物半導体層を本発明では有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、やハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の気相成長法を用いて成長させる。
【００３０】
まずは、前記基板上に低温で窒化物半導体ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）から成る下地層を成長させる。これにより、基板と窒化物半導体との格子定数差により生じる欠陥や割れを抑制することができる。ここで、低温とは３００〜８００℃の温度範囲である。さらに、第２の下地層としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）を有機金属化学気相成長法により成長させる場合、成長原料にＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアを使用して成長温度１１５０℃以下で１〜２０μｍ程度成長させ、窒化物半導体の表面を平坦な鏡面とする。
【００３１】
また、前記下地層上にＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法によりＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）層を成長させてもよい。このＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法とは窒化物半導体を横方向成長させることで貫通転位を曲げて収束させることにより転位を低減させるものである。異種基板上に窒化物半導体を成長させる場合、この基板と窒化物半導体との格子定数の違いから成長界面に応力が発生する。この応力が貫通転位等を発生させることとなり、貫通転位が窒化物半導体の結晶性を低下させてしまう。そこで、このＥＬＯ法では縦方向に伸びる性質を有する貫通転位を横方向に曲げることで窒化物半導体の表面の貫通転位を低減させるものである。まず、下地層上に保護膜を成膜し、この保護膜に開口部を設ける。この保護膜の性質としては、保護膜上には窒化物半導体が成長しないものとする。さらに、保護膜の開口部には下地層が露出しており、この下地層を核として窒化物半導体を成長させるものである。核から成長した窒化物半導体は保護膜上で横方向成長する。この横方向成長した窒化物半導体と同様に貫通転位も横方向に伸びる。この横方向に伸びた貫通転位は保護膜上で接合し、収束する。また、開口部から縦方向に伸びる貫通転位も存在する。以上より、保護膜開口部から保護膜上に成長させた窒化物半導体は、保護膜の開口部上、及び保護膜上に横方向成長した同士の接合部以外の領域には低転位領域を形成することができる。
【００３２】
さらに、本発明者らは図４や図６に示す窒化物半導体基板上に形成した窒化物半導体レーザダイオードを提供することができる。この図４に示す窒化物半導体基板は、基板上に横方向成長させた窒化物半導体をＴ字形状とし、さらに窒化物半導体を再成長させるものである。この窒化物半導体基板は、Ｔ字柱上には転位が伸びるものの、Ｔ字両翼上部、及び隣り合うＴ字両翼の開口部上には転位が大幅に低減された結晶性の良好な窒化物半導体基板を得ることができる。この窒化物半導体基板は低欠陥領域がウェハー上に広範囲で存在するため、この上に形成した窒化物半導体レーザーダイオードは寿命特性の良好なものが期待できる。また、図６に示すように、基板上に窒化物半導体を成長後、部分的にエッチングを行い、さらに窒化物半導体を再成長させる方法により窒化物半導体基板を形成することができる。このエッチング深さは特に限定しないが、基板を露出させず、底面には空洞を有するものであればよい。基板を露出すれば、基板と窒化物半導体との成長界面を露出することになる。この成長界面は、基板と窒化物半導体との格子定数が違うため窒化物半導体の結晶性がよくない。この結晶性がよくない窒化物半導体を露出すれば、基板上の窒化物半導体へのダメージが大きく、上部の窒化物半導体まで転位がより多く伸びてしまう。そのため、基板は露出させない方が好ましい。しかしながら、エッチング深さが浅ければ、凹部の底面からの窒化物半導体の再成長が起こり、転位が伸びてしまう。そのため、基板を露出させず、かつ空洞を有する図６に示す窒化物半導体基板が好ましい。
【００３３】
また、窒化物半導体に生じる貫通転位を減少させるには、前記ＥＬＯ法の他に、ＨＶＰＥ法により厚膜成長させ、この厚膜成長時に貫通転位を収束させることで転位を 低減させる方法が挙げられる。
【００３４】
このＨＶＰＥ法で窒化物半導体を成長させる場合、例えばＧａＮであれば、ＨＣｌガスとＧａ金属が反応することでＧａＣｌやＧａＣｌ３を形成し、さらにこのＧａ塩化物がアンモニアと反応することでＧａＮを基板上に堆積させるものである。ＨＶＰＥ法による窒化物半導体の成長時に成長速度を変化させ、２段階成長させることで結晶欠陥を大幅に低減させることができる。これにより、保護膜を用いた横方向成長をする必要がなく、効率良く窒化物半導体基板を得ることができる。この２段階成長基板を図５に示す。
【００３５】
また、ＨＶＰＥ法により窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体を厚膜成長させた場合には、この厚膜の窒化物半導体基板から異種基板を除去することにより窒化物半導体のみから成る単体基板を形成することができる。厚膜の窒化物半導体基板から異種基板を除去する方法としては、異種基板を研磨により除去する方法、その他には、異種基板と窒化物半導体との界面にエキシマレーザ照射することにより異種基板を除去する方法が挙げられる。そのため、サファイア基板のような絶縁体基板上に成長させた窒化物半導体基板であってもサファイア基板除去することで窒化物半導体から成る単体基板とし、裏面電極構造とすることが可能となる。
ここまでの工程で得られた基板上に窒化物半導体を成長させたもの、ＥＬＯ法で成長させたもの、及びＨＶＰＥ法により成長させたものを含めて以下、窒化物半導体基板という。
【００３６】
次に、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体素子を形成する。前記窒化物半導体基板上にｎ側コンタクト層３としてｎ型不純物をドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を５μｍ程度で成長させる。このｎ側コンタクト層上にクラック防止層（図示されていない）としてｎ型不純物ドープＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を０．２μｍ程度で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。続いて、クラック防止層上にｎ側クラッド層４を成長させる。このｎ側クラッド層としては、超格子構造であるのが好ましく、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる層と、ｎ型不純物をドープしたｎ型ＧａＮよりなる層とを交互に積層して総膜厚１．２μｍ程度の超格子構造よりなるｎ側クラッド層を成長させる。続いて、アンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層５を０．１μｍ程度の膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層は、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００３７】
次に、障壁層にノンドープＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）と井戸層にｎ型不純物ドープＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）とからなる単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造である活性層６を成長させる。多重量子井戸構造であれば、障壁層と井戸層とを同一温度で２〜５回程度で交互に積層し、最後に障壁層とし総膜厚を２００〜５００Åとする。
【００３８】
次に、活性層上にｐ側キャップ層（図示されていない）としてｐ型不純物をドープしたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を成長させる。このｐ側キャップ層は膜厚を３００Å程度で成長させる。続いて、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層を０．１μｍ程度の膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層７は、ｐ型不純物をドープしてもよい。次に、ｐ側光ガイド層上にｐ側クラッド層８を成長させる。このｐ側クラッド層としては、ｎ側クラッド層と同様に超格子構造であるのが好ましく、アンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる層と、ｐ型不純物をドープしたｐ型ＧａＮよりなる層とを交互に積層して総膜厚０．６μｍ程度の超格子構造よりなるｐ側クラッド層を成長させる。最後に、ｐ側クラッド層の上に、ｐ型不純物をドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）からなるｐ側コンタクト層９を成長させる。
【００３９】
ここで、不純物濃度としては、特に限定する必要はないが、好ましくはｎ型不純物、及びｐ型不純物は１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３とする。また、前記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｄ等が挙げられ、ｐ型不純物としてはＢｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等が挙げられる。
【００４０】
次に、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体素子を形成後、ｐ電極とｎ電極とを同一面側に形成する場合には、ｎ電極を形成するためにｎ側コンタクト層をエッチングにより露出させる。次に、ストライプ状の光導波路領域を形成するためにエッチングすることによりリッジを形成する。ここで、エッチングはリッジを形成するには異方性エッチングであるのが好ましく、例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置等を使用する。ここで形成されるリッジ幅としては本発明においては後工程で形成する埋め込み層や出力にもよるが、リッジ幅は１．０〜３．０μｍと広くすることができる。また、エッチング深さとしては窒化物半導体素子内の少なくともｐ側クラッド層までエッチングするものとする。さらに、リッジ形状は、順メサ型、逆メサ型、垂直型から成り、これらの形状であれば横方向の光閉じ込めができ好ましい。
【００４１】
リッジを形成後、露出したリッジの側壁部からリッジの両側表面の窒化物半導体層上に絶縁体である埋め込み膜を２層構造でスパッタ法等により形成する。埋め込み膜の成膜方法、及び成膜条件は前記に示しており、ここでは省略する。
【００４２】
この埋め込み膜の効果としては第１の絶縁膜１１は光吸収である。また、第２の絶縁膜１２の効果としては、電流狭窄、及び横方向の光閉じ込めである。横方向の光閉じ込めをするためには窒化物半導体層との間に屈折率差を設ける必要があり、またコア領域内に光を閉じ込めるには窒化物半導体よりも屈折率の小さい材料を埋め込み層に用いる。また、縦方向の光閉じ込めは屈折率の高いコア領域と、屈折率の低いｐ、ｎ側クラッド層とで屈折率差をつけることでコア内に光を閉じ込めている。
【００４３】
その後、ｐ側電極１３を形成するためにリッジ最上面に成膜された埋め込み層をリフトオフ等により除去する。次に、除去後、露出したｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ側電極をストライプ状に形成し、ｐ側電極を形成後、ｎ側コンタクト層の表面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ側電極１０をリッジストライプと平行に形成する。次に取り出し電極であるパッド電極１４をｐ電極、及びｎ電極上に形成する。
【００４４】
また、ｐ側電極をＮｉ／Ａｕ／ＲｈＯとし、ｐ側パッド電極をＲｈＯ／Ｐｔ／Ａｕとする組み合わせとすることもできる。パッド電極を形成する前に、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等から成る誘電体多層膜を共振器面（光出射端面側）に形成してもよい。この誘電体多層膜を有することにより高出力時における光出射端面の端面劣化を抑制することができる。
【００４５】
さらに、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ヘキカイし、ヘキカイ面（（１１−００）面、六方晶系の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を形成する。この共振器面に誘電体多層膜を形成し、電極に平行な方向でバーを切断して窒化物半導体レーザ素子とする。この窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに設置し、ワイヤーボンディングし、キャップで封止することで窒化物半導体レーザダイオードとする。
【００４６】
以上により得られた窒化物半導体レーザダイオードを用いて室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長４００〜４２０ｎｍ、閾値電流密度２．９ｋＡ／ｃｍ２において連続発振を示し、５ｍＷ程度の低出力時だけでなく３０ｍＷ以上、好ましくは５０ｍＷ程度の光出力時でもリップルが発生せず、３０００時間以上の寿命特性を示す。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
［実施例１］
まず、基板１としてＣ面を主面、オリフラ面をＡ面とする２インチφで厚さ２ｍｍのサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去した。
【００４８】
次に、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、ＧａＮより成る下地層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４９】
その後、第２の下地層であるＧａＮを成長温度１０５０℃、膜厚２．５μｍで成長する。この第２の下地層は、上記下地層と同様にキャリアガスには水素、原料ガスにはアンモニアを用いて成長させる。
【００５０】
第２の下地層を成長後、その上にＳｉＯ２よりなる保護膜を膜厚０．５μｍで成膜する。さらに、この保護膜に開口部を有するストライプパターンを形成する。この保護膜のストライプパターンは基板のオリフラ面に対して垂直方向に形成される。また、保護膜のストライプ幅は１４μｍ、開口部幅は６μｍである。この開口部は下地層であるＧａＮが露出している。次に、この開口部より露出したＧａＮを核としてＧａＮを横方向に成長させ、このＧａＮ同士が接合する前に成長を止める。この時のＧａＮの断面形状としてはＴ字状となる。その後、保護膜を除去し、Ｔ字状のＧａＮの両翼側面、及びＴ字上面よりＧａＮを再成長させることで、膜厚１５μｍのＧａＮ層２を形成する。このＧａＮ基板は、平坦でミラー形状を有する窒化物半導体基板であり、保護膜上の横方向成長させた領域は単位面積あたりの貫通転位が１×１０７個／ｃｍ２以下となる低欠陥である窒化物半導体基板とすることができる。
【００５１】
次に、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体素子を形成する。
［アンドープｎ型コンタクト層（図示されていない）］
前記窒化物半導体基板を形成したウェーハをＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットし、１０５０℃で窒化物半導体に、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるアンドープｎ型コンタクト層を１μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＧａＮからなる窒化物半導体基板とｎ型コンタクト層をはじめとする半導体素子との間で、緩衝層としての機能を有する。
【００５２】
［ｎ型コンタクト層３］
次にアンドープｎ型コンタクト層上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５３】
［クラック防止層］
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９００℃にしてＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるクラック防止層を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。
【００５４】
［ｎ型クラッド層４］
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。この操作を２００回繰り返しＡ層とＢ層との積層構造とし、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層を成長させる。
【００５５】
［ｎ型光ガイド層５］
次に、シランガスを止め、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型ガイド層５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｎ型光ガイド層５は、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００５６】
［活性層６］
次に、温度を９００℃にし、原料ガスに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を５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚で成長させ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎよりなる井戸層を２５Åの膜厚で成長させることにより、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層の順に積層し、最後に障壁層として、ＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを成長させる。活性層６は、総膜厚５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００５７】
［ｐ型キャップ層（図示されていない）］
次に、活性層と同じ温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層を１００Åの膜厚で成長させる。
【００５８】
［ｐ型光ガイド層７］
次に、Ｃｐ２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、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型ガイド層７を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００５９】
［ｐ型クラッド層８］
次に、１０５０℃でアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層８を成長させる。ｐ型クラッド層は、ＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ型クラッド層８を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、しきい値を低下させる上で非常に有効である。
【００６０】
［ｐ型コンタクト層９］
最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１０９の上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、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９を１５０Åの膜厚で成長させる。
反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００６１】
アニーリング後、窒化物半導体を積層させたウェ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）法を用いＣｌ２ガスによりエッチングし、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。
【００６２】
次に、レジストをマスクとして形成し、ＲＩＥを用いＣｌ２ガス、及びＳｉＣｌ４ガスとによりエッチングすることにより、ストライプ状の導波路領域としてリッジストライプをリッジのストライプ幅を１．８μｍで形成する。このエッチングはｐ側ガイド層までエッチングして、ストライプ状の光導波路領域となるリッジを形成する。その後、スパッタ装置を用いて第１の絶縁膜であるＴｉＯ２を膜厚５００Åで形成する。その後、リッジ側壁部とレジスト上部の第１の絶縁膜を除去し、第２の絶縁膜であるＺｒＯ２を図２に示すように膜厚５５０Åで形成する。その後、剥離液により図２（ｄ）に示すようにリッジ上部を露出させる。
【００６３】
次に前記リッジ最上面の露出したｐ型コンタクト層上にｐ側電極をＮｉ／Ａｕで１００μｍのストライプ幅で形成し、また、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層上にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ型電極を形成する。このｐ側電極は、リッジ上にストライプ形成されており、同じくストライプ形成されているｎ側電極とは平行な方向で形成する。
【００６４】
次に、光反射端面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を設けた後、ｐ側電極、及びｎ側電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるパット電極をそれぞれ形成する。
【００６５】
以上のようにして得られた窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれのパッド電極にワイヤーボンディングをすることで窒化物半導体レーザダイオードとする。本実施例におけるＦＦＰ−Ｘを図７に示す。また、埋め込み膜をＺｒＯ２のみとした他は実施例１と同様にして形成した窒化物半導体レーザーダイオードにおけるＦＦＰ−Ｘを図８にしめす。以上より、この窒化物半導体レーザダイオードを用いて、室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ２、５〜３０ｍＷの出力においてリップルが発生せず、３０００時間以上の寿命特性を有する発振波長４０５ｎｍの連続発振の窒化物半導体レーザダイオードを得られた。
【００６６】
［実施例２］
実施例１と同様にサファイア基板１上に下地層２を成長させた後、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置にセットし、Ｇａメタルを石英ボートに用意し、ハロゲンガスにＨＣｌガスを用いることによりＧａＣｌ３を生成し、次に、Ｎガスであるアンモニアガスと反応させ、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体２ａを成長させる。窒化物半導体２ａの成長温度としては１０００℃であり、成長速度を１ｍｍ／ｈｏｕｒとして、膜厚１００μｍで成長させる。次に、窒化物半導体２ａ上に、窒化物半導体２ｂをハイドライド気相エピタキシャル成長法装置において成長させる。この時の成長条件としては、成長温度を窒化物半導体２ａと同温とし、窒化物半導体２ｂの成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は５０μｍで成長させた。ここで得られた窒化物半導体基板は表面は平坦かつ鏡面となり、ＣＬ観察によると貫通転位密度は約１×１０６ｃｍ−２程度であり、低欠陥である図５に示す窒化物半導体基板を提供することができる。
【００６７】
以上により得られた窒化物半導体基板を用いる以外は実施例１と同様に窒化物半導体レーザダイオードを形成し、実施例１と同条件で埋め込み膜を第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との２層構造で形成する。ここで得られた窒化物半導体レーザダイオードは実施例１と同様にリップルが発生しない連続発振が３０００時間以上の寿命特性が期待できる。
【００６８】
［実施例３］
基板１にはＣ面を主面、オリフラ面をＡ面とする２インチφで厚さ２ｍｍのサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去する。 次に、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、ＧａＮより成る下地層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６９】
その後、窒化物半導体２ａとしてＧａＮを成長温度１０５０℃、膜厚１０μｍで成長する。この窒化物半導体２ａは、上記下地層と同様にキャリアガスには水素、原料ガスにはアンモニアを用いて成長させる。
【００７０】
次に、窒化物半導体２ａを深さ８．５μｍの溝を形成する。この溝の幅は１４μｍであり、１４：６の比で溝を等間隔で形成している。さらに窒化物半導体２ｂを窒化物半導体２ａの側面、及び上面より成長させて、窒化物半導体のトータル膜厚が１５μｍである欠陥を低減させた窒化物半導体基板とする。この窒化物半導体２ｂの成長条件は窒化物半導体２ａと同様とする。
【００７１】
以上により得られた窒化物半導体基板を用いる以外は実施例１と同様に窒化物半導体レーザダイオードを形成し、実施例１と同条件で埋め込み膜を第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との２層構造で形成する。ここで得られた窒化物半導体レーザダイオードは実施例１と同様の効果が期待できる。
【００７２】
【発明の効果】
以上に示すように、本発明における埋め込み膜を窒化物半導体レーザダイオードに形成すれば、低出力、高出力に関係なくリップルが発生せず、寿命特性の安定な窒化物半導体レーザダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明する模式断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を説明する工程図である。
【図３】ＦＦＰ−Ｘを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態を説明する窒化物半導体基板の模式断面図である。
【図５】本発明の一実施形態を説明する窒化物半導体基板の模式断面図である。
【図６】本発明の一実施形態を説明する窒化物半導体基板の模式断面図である。
【図７】本発明の一実施例におけるＦＦＰ−Ｘを示す図である。
【図８】比較例におけるＦＦＰ−Ｘを示す図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・基板
２・・・下地層
３・・・ｎ側コンタクト層
４・・・ｎ側クラッド層
５・・・ｎ側光ガイド層
６・・・活性層
７・・・ｐ側光ガイド層
８・・・ｐ側クラッド層
９・・・ｐ側コンタクト層
１０・・・ｎ側電極
１１・・・埋め込み膜（第１の絶縁膜）
１２・・・埋め込み膜（第２の絶縁膜）
１３・・・ｐ側電極
１４・・・パッド電極
Claims (6)
- ｐ側窒化物半導体層上にリッジを有し、そのリッジ両側に埋め込み膜が形成された窒化物半導体レーザダイオードにおいて、
前記埋め込み膜は吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなり、前記第１の絶縁膜は前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものであって、
前記第１の絶縁膜は、前記リッジの側壁部を除いた領域であって、ｐ側窒化物半導体層の露出面に形成されており、
前記第２の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜上及びリッジの側壁部に形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高い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ダイオード。
- 前記窒化物半導体レーザダイオードは、基板上にｎ側窒化物半導体層、活性層、ｐ側窒化物半導体層とを形成したものであり、このｐ側窒化物半導体層は活性層上にｐ側キャップ層、ｐ側ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層とを有するものであって、前記窒化物半導体レーザダイオードは少なくともｐ側クラッド層までエッチングすることによりリッジを形成してい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ダイオード。
- 前記窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記第１の絶縁膜は光吸収機能を有し、前記第２の絶縁膜は電流狭窄及び横方向の光閉じ込め機能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ダイオード。
- ｐ側窒化物半導体層上にリッジを有し、そのリッジの両側に埋め込み膜が形成された窒化物半導体レーザダイオードの製造方法において、
前記埋め込み膜は吸収係数の異なる第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とを順に形成した２層構造からなり、前記第１の絶縁膜は前記第２の絶縁膜よりも吸収係数が高いものであって、
前記リッジ形成後にリッジ上部、及びリッジの側壁部を除いた領域であり、ｐ側窒化物半導体層の露出面に第１の絶縁膜を形成する工程と、
その後、前記第１の絶縁膜上、及びリッジの側壁部に第２の絶縁膜を形成する工程とを具備することにより前記埋め込み膜を形成することを特徴とする窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。 - 前記窒化物半導体レーザダイオードの製造方法であって、前記第１の絶縁膜の形成にはウェットエッチング法を用いることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体レーザダイオードの製造方法。
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