JP2003142769A

JP2003142769A - 窒化物半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2003142769A
Application number: JP2002240433A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sano; 雅彦佐野; Shuji Nakamura; 修二中村
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2003-05-16
Anticipated expiration: 2018-05-11
Also published as: JP4639571B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】リッジストライプがｐ層側に設けられたレー
ザ素子において、ｐ側のクラッド層表面に高絶縁膜を設
けた信頼性の高いレーザ素子を提供する。均一な膜厚で
絶縁膜を形成すると共に、簡単な方法で絶縁膜を提供
し、その絶縁膜を介して電極を形成しやすくできる電極
の形成方法を提供する。【解決手段】ｐ側クラッド層上１２に、ｐ側コンタク
ト層１３が積層され、そのｐ側コンタクト層からエッチ
ングされて、ｐ側コンタクト層よりも下の層に、ストラ
イプ状の導波路領域が設けられた窒化物半導体レーザ素
子において、そのストライプ導波路のストライプの両側
面、およびその側面と連続した窒化物半導体層の平面
が、前記ｐ側クラッド層の膜厚方向において、下端面か
らｐ側コンタクト層方向０．２μｍよりも基板側にあ
り、その平面には、Ｓｉ酸化物以外の絶縁膜が形成さ
れ、絶縁膜を介して、ストライプの最上層にあるコンタ
クト層の表面に電極が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_ａＡ
ｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ、０≦a、０≦b、a＋b≦１）より
なる窒化物半導体レーザ素子の電極形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】我々は窒化物半導体基板の上に、活性層
を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初め
て室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表
した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、
及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571、Pa
rt2,No.12A,1 December 1997）。基本的な構造として
は、サファイア基板上部に、部分的に形成されたＳｉＯ
_２膜を介して選択成長されたｎ−ＧａＮよりなる窒化物
半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体
層が複数積層されてなる。（詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vo
l.36参照）

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図６は従来のレーザ素
子の一構造を示す模式断面図である。この図は前記Ｊ.
Ｊ.Ａ.Ｐ.に示される図とほぼ同じ図である。この図に
示すように従来のレーザ素子ではｐ−Ａｌ_０．１４Ｇａ
_０．８６Ｎ／ＧａＮの超格子構造よりなるｐ側クラッド
層とｐ−ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層から上にリッ
ジが設けられており、そのリッジの側面とｐ側クラッド
層の平面とに渡って、ＳｉＯ_２よりなる絶縁膜が形成さ
れ、その絶縁膜を介してｐ−ＧａＮ層と電気的に接続さ
れたｐ電極が形成されている。リッジのストライプ幅は
例えば１０μｍ以下と非常に狭く調整されており、その
ストライプ幅の狭いリッジ最表面に、オーミック用のｐ
電極を形成し、さらにはそのｐ電極の上に直接ボンディ
ングするのは困難である。そのため、この図に示すよう
に、ｐ電極と電気的に接続し、そのｐ電極よりも大面積
を有するｐパッド電極が、ｐ側クラッド層の表面に形成
された絶縁膜を介して形成される。

【０００４】しかしながらＳｉＯ_２よりなる絶縁膜は、
通常、スパッタ、蒸着等のＰＶＤ技術を用いて形成され
るため、絶縁性の高いＳｉＯ_２になっていないことが多
く、Ｓｉ酸化物の絶縁性が不十分な傾向にある。絶縁性
が不十分であると、リッジ以外のｐ側クラッド層に電流
が流れ、閾値が上昇する原因となる。また、ｐ側クラッ
ド層は膜厚が１．０μｍ以下と他の半導体材料に比べて
非常に薄く、さらにＡｌを含む窒化物半導体で成長され
ているのでクラッド層内に微細な孔（ピット）が発生し
やすい。ｐ側クラッド層の上に形成された絶縁膜の絶縁
性が不十分であると、そのピットから電流が流れて、シ
ョートしてしまう恐れがある。

【０００５】一方、電極形成方法について、ストライプ
幅の狭いｐ側コンタクト層の表面にオーミック用のｐ電
極を設けるには非常に細かい作業を必要とする。また絶
縁膜形成時に、ｐ側クラッド層の表面に均一な膜厚で絶
縁膜を設けないと、膜厚の薄い所に電流が集中して、シ
ョートの原因となる。さらにリッジストライプ形成時に
ＳｉＯ_２をマスクとして使用すると、クラッド層上部の
保護膜を同じＳｉＯ_２で形成することは、両者とも同一
のフッ酸で溶けてしまうため、工程上困難である。

【０００６】従って、本発明の目的とするところは、リ
ッジストライプがｐ層側に設けられてなるレーザ素子に
おいて、ｐ側のクラッド層の表面に絶縁性の高い絶縁膜
が設けられた信頼性の高いレーザ素子を提供すると共
に、簡単な方法で絶縁膜を形成して、その絶縁膜を介し
て電極を形成しやすくできる電極の形成方法を提供する
ことにある。さらに、新規な電極の構造を提供すること
によりレーザ素子の閾値を低下させることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体レ
ーザ素子は、第１のｐ型窒化物半導体を含むｐ側クラッ
ド層の上に、第２のｐ型窒化物半導体を含むｐ側コンタ
クト層が積層され、そのｐ側コンタクト層側からエッチ
ングされて、そのｐ側コンタクト層よりも下の層に、ス
トライプ状の導波路領域が設けられた窒化物半導体レー
ザ素子において、そのストライプ導波路のストライプの
両側面、およびその側面と連続した窒化物半導体層の平
面には、Ｓｉ酸化物以外で、かつ、屈折率が窒化物半導
体よりも小さい絶縁膜が形成され、さらにその絶縁膜を
介して、前記ストライプの最上層にあるコンタクト層の
表面に電極が設けられていることを特徴とする。

【０００８】本発明のレーザ素子では、前記ストライプ
の側面と連続した窒化物半導体の平面が、前記ｐ側クラ
ッド層の膜厚方向において、下端面からｐ側コンタクト
層方向０．２μｍよりも基板側にあることを特徴とす
る。

【０００９】また、前記ストライプの側面と連続した窒
化物半導体の平面が、ｐ側クラッド層の下端面よりも下
にあることを特徴とする。このことによりレーザ素子の
閾値が２／３以下と著しく低下し、非常に好ましい。な
おｐ側クラッド層の下端面とは、ｐ側クラッド層が形成
されている下地層と、そのｐ側クラッド層との界面を指
すものとする。また下端面からｐ側コンタクト層方向
０．２μｍとは、前記界面から、ｐ側クラッド層が０．
２μｍ残った状態を指す。

【００１０】さらに本発明のレーザ素子では、前記スト
ライプの幅が、４μｍ〜０．５μｍの範囲を有すること
を特徴とする。さらに好ましくは３μｍ〜１μｍに調整
する。４μｍよりも広いと横モードが多モードとなりや
すく、また０．５μｍより狭いと、ストライプの形成が
難しく、また電極との接触面積が小さいため、閾値が上
昇しやすい。

【００１１】絶縁膜としては、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、ＡｌＮの内の少なく
とも一種を選択することが望ましく、最も好ましくはＺ
ｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いる。なおＳｉＣ
はスパッタ、蒸着等のＰＶＤによる製膜ではアモルファ
ス状になるため絶縁体であり、またｎ、ｐ型の不純物を
含んでいないＳｉＣも絶縁体である。

【００１２】また本発明のレーザ素子の電極形成方法
は、第１のｐ型窒化物半導体を含むｐ側クラッド層の上
に、第２のｐ型窒化物半導体を含むｐ側コンタクト層を
積層した後、そのｐ側コンタクト層の表面に、ストライ
プ状の第１の保護膜を形成する第１の工程と、第１の保
護膜を介して、該第１の保護膜が形成されていない部分
の窒化物半導体をエッチングして、保護膜直下部分にス
トライプ状の導波路領域を形成する第２の工程と、第２
の工程後、第１の保護膜と異なる材料であって、絶縁性
を有する第２の保護膜を、ストライプ導波路の側面及び
エッチングされて露出した窒化物半導体層の平面に形成
する第３の工程と、第３の工程後、第１の保護膜を除去
して、前記第２の保護膜と最上層のｐ型窒化物半導体層
の表面に、そのｐ側コンタクト層と電気的に接続した電
極を形成する第４の工程とを具備することを特徴とす
る。

【００１３】本発明の電極形成方法では、前記第２の工
程において、エッチングストップをｐ側クラッド層の膜
厚方向において、下端面からｐ側コンタクト層方向０．
２μｍよりも基板側にある窒化物半導体の平面とするこ
とを特徴とする。エッチングストップとは言うまでもな
くエッチングを停止する層であり、このエッチングスト
ップ後に、窒化物半導体にストライプ状の導波路領域が
形成され、そのストライプの側面と連続した窒化物半導
体の平面が露出される。

【００１４】また、前記第２の工程において、エッチン
グストップをｐ側クラッド層の下端面よりも基板側にあ
る窒化物半導体の平面とする。エッチングストップをｐ
側クラッド層下端面よりも基板側にある窒化物半導体平
面にすることにより、レーザ素子の閾値が著しく低下す
る。

【００１５】また本発明の電極形成方法では、前記第１
の工程において、ｐ型窒化物半導体層最上層のほぼ全面
に第１の保護膜を形成し、その第１の保護膜の上にスト
ライプ状の第３の保護膜を形成した後、その第３の保護
膜を介して、第１の保護膜をストライプ状にエッチング
する工程により、第１の保護膜を形成することを特徴と
する。これは即ち第１の保護膜の形成方法を示すもので
ある。

【００１６】また本発明では、前記第１の工程におい
て、第１の保護膜をリフトオフ法により形成することを
特徴とする。

【００１７】さらに、前記第２の保護膜はＳｉ酸化物以
外の絶縁材料よりなることを特徴とする。第１の保護膜
としては、Ｓｉの酸化物よりなり、前記第２の保護膜は
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、またはＢ
Ｎ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種を選択し、第
２の保護膜として、さらに好ましくはＺｒ、Ｈｆの酸化
物、ＢＮ、ＳｉＣを用いる。第１の保護膜と第２の保護
膜とをこれらの材料にすると、保護膜の溶解度差、エッ
チング速度差により、リフトオフにより第１の保護膜の
みが除去できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の電極形成方法の
工程を説明するための、窒化物半導体ウェーハの部分的
な構造を示す模式的な断面図であり、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、即ち共振面
に対して平行方向で切断した際の図を示している。本発
明の第１の工程では図１（ｃ）に示すように、最上層に
あるｐ側コンタクト層１３の上にストライプ状の第１の
保護膜６１を形成する。

【００１９】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。例えばＳｉ酸化物（Ｓｉ
Ｏ_２を含む）、フォトレジスト等が用いられ、好ましく
は、後に形成する第２の保護膜との溶解度差を設けるた
めに、第２の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性
質を有している材料を選択する。酸としてはフッ酸を好
ましく用い、そのためフッ酸に対して溶解しやすい材料
として、Ｓｉ酸化物を好ましく用いる。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６１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。

【００２０】図１（ａ）、（ｂ）は前記第１の保護膜６
１を形成するための具体的な工程を示すものである。即
ち、図１（ａ）に示すように、第１の保護膜６１をｐ側
コンタクト層１３の表面のほぼ全面に形成し、次にその
第１の保護膜６１の上にストライプ状の第３の保護膜６
３を形成する。その後、図１（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保護膜６３を除去すれば、図１
（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側コンタクト層１３側からエッチングすることも
できる。

【００２１】また図１（ｃ）に示すようなストライプ状
の第１の保護膜６１を形成するにはリフトオフ法を用い
ることもできる。即ち、ストライプ状の孔が開いた形状
のフォトレジストを形成し、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側コンタクト層と接触し
ている第１の保護膜のみを残す手段である。なおリフト
オフ法でストライプ状の第１の保護膜を形成するより
も、前記図１（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。

【００２２】次に本発明の第２の工程では図１（ｄ）に
示すように、第１の保護膜６１を介して、該第１の保護
膜６１が形成されていない部分のｐ側コンタクト層１３
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側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１に示す例では
ｐ側コンタクト層１３の下にあるｐ側クラッド層１２の
途中をエッチストップとしている。ｐ側クラッド層の下
端面からｐ側コンタクト層方向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。また、ｐ側クラッド
層がストライプの下に存在しているため、閾値は高くな
る傾向にあるが、電極間のショートが少ない素子が容易
にできる。

【００２３】一方、また図１には示していないが、エッ
チストップをｐ側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、側面の露出する面積が多
く、電極がショートしやすい傾向にあるものの、閾値が
著しく低下する傾向にあり、その点では好ましい。

【００２４】エッチング手段としては、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
を用いる場合、第１の工程で多用するＳｉ酸化物よりな
る第１の保護膜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く、第２の
工程では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、Ｃｌ_２、ＣＣ
ｌ_４、ＳｉＣｌ_４のような塩素系のガスを用いると、Ｓ
ｉ酸化物との選択比が大きくできるため望ましい。

【００２５】次に第３の工程では、図１（ｅ）に示すよ
うに、第１の保護膜６１と異なる材料であって、絶縁性
を有する第２の保護膜６２を、ストライプ状の導波路の
側面と、エッチングされて露出した窒化物半導体層（図
１ｅでは、ｐ側クラッド層１２）の平面とに形成する。
第１の保護膜６１は第２の保護膜６２と異なる材料より
なるため、エッチング手段に対して、第２の保護膜と選
択性を有している。そのため、後に第１の保護膜６１の
みを、例えばフッ酸で除去すると、次の図１（ｆ）に示
すような、ｐ型クラッド層１２の表面とストライプの側
面との両方に連続した第２の保護膜６２を形成すること
ができる。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る。しかも第１の保護膜６１
の上から連続して第２の保護膜６２を形成すると、ｐ側
クラッド層１２の上に均一な膜厚で形成できるため、膜
厚の不均一が起こりにくく、膜厚の不均一に起因する電
流の集中も発生しなくなる。なお、第２の工程において
エッチストップをｐ側クラッド層１２の途中としている
ため、図１（ｅ）では第２の保護膜６２はｐ側クラッド
層の平面に形成されるが、エッチストップをｐ側クラッ
ド層１２よりも下にすると、当然第２の保護膜はそのエ
ッチストップした窒化物半導体層の平面に形成されるこ
とは言うまでもない。

【００２６】第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ_２以外
の材料、好ましくは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、ＡｌＮ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の酸化
物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。これら
の材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有してい
るものもあるが、レーザ素子の絶縁層にすれば埋め込み
層としてＳｉＯ_２よりもかなり信頼性が高くなる傾向に
ある。またＰＶＤ、ＣＶＤのような気相で製膜した酸化
物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物と
なりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性
が不十分となりにくい傾向にあるが、本発明で選択した
前記元素のＰＶＤ、ＣＶＤによる酸化物、ＢＮ、Ｓｉ
Ｃ、ＡｌＮはＳｉ酸化物よりも絶縁性に対して信頼性に
優れている傾向にある。しかも酸化物の屈折率を窒化物
半導体よりも小さいもの（例えばＳｉＣ以外のもの）を
選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合
がよい。さらにまた、第１の保護膜６１をＳｉ酸化物と
すると、Ｓｉ酸化物に対して、フッ酸による選択性を有
しているため、図１（ｅ）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
て形成すると、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１（ｆ）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を形成することがで
きる。

【００２７】次に本発明の第４の工程では、図１（ｆ）
に示すように、第１の保護膜６１を除去した後に、次に
図１（ｇ）に示すように、第２の保護膜６２とｐ側コン
タクト層１３の上に、そのｐ側コンタクト層と電気的に
接続したｐ電極を形成する。本発明では、先に第２の保
護膜を先に形成しているために、このｐ電極を形成する
際に、ストライプ幅の狭いコンタクト層のみに形成する
必要がなく、大面積で形成できる。しかも、オーミック
接触を兼ねた電極材料を選択してオーミックとボンディ
ング用の電極を兼ねた電極とを一緒に形成できる。

【００２８】窒化物半導体レーザ素子では、ストライプ
状の導波路領域を形成する場合、ウェットエッチングで
はエッチングが難しいため、ドライエッチングが用いら
れる。ドライエッチングでは、第１の保護膜と窒化物半
導体との選択性が重要視されるため、第１の保護膜とし
てＳｉＯ_２が用いられる。しかしながらＳｉＯ_２をエッ
チストップした層の平面に形成する第２の保護膜にも使
用することは、絶縁性が不十分であり、また第１の保護
膜と同一材料であるので、第１の保護膜のみを除去する
ことが困難となる。そのため、本発明では、第２の保護
膜をＳｉＯ_２以外の材料とすると、第１の保護膜との選
択性が得られる、しかも第２の保護膜形成後は窒化物半
導体をエッチングしないため、第２の保護膜は、窒化物
半導体とのエッチング速さに関して、問題とされない。

【００２９】

【実施例】［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。

【００３０】（下地層２）１インチφ、Ｃ面を主面とす
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（ＮＨ_３）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。

【００３１】（保護膜３）下地層成長後、ウェーハを反
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。保護膜の形状はストラ
イプの窓部よりも保護膜の面積を大きくする方が、次に
成長させる結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板が得られ
る。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ
_Ｘ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_ＸＮ_Ｙ）、酸化チタン（ＴｉＯ
_Ｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）等の酸化物、窒化
物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を
有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材
料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の
温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しない
か、若しくは成長しにくい性質を有している。なおこの
保護膜３は窒化物半導体基板４の成長を行うための保護
膜であり、本発明の方法の保護膜とは異なる

【００３２】（窒化物半導体基板４）保護膜形成後、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１０^５個／cm^２以下と下地層２に比較して２桁以上
少なくなる。

【００３３】（ｎ側コンタクト層５）次に、アンモニア
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３×１０^１８
／cm^３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層５を
４μｍの膜厚で成長させる。

【００３４】（クラック防止層６）次に、ＴＭＧ、ＴＭ
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Ｉｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ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。

【００３５】（ｎ側クラッド層７）続いて、１０５０℃
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Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ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ＴＭＡを止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１
０^１９／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側クラッド層７を成長させる。

【００３６】（ｎ側光ガイド層８）続いて、シランガス
を止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光
ガイド層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側
光ガイド層８にｎ型不純物をドープしても良い。

【００３７】（活性層９）次に、温度を８００℃にし
て、ＳｉドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる障
壁層を１００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Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎより
なる井戸層を４０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（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性層は本
実施例のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物
及び／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井
戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方に
ドープしてもよい。なお障壁層にのみｎ型不純物をドー
プすると閾値が低下しやすい。

【００３８】（ｐ側キャップ層１０）次に、温度を１０
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側
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１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０
_．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層７を３００オ
ングストロームの膜厚で成長させる。

【００３９】（ｐ側光ガイド層１１）続いてＣｐ₂Ｍ
ｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ側キャップ層１０よりも小さい、アンドープ
ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１１を０．１μｍの膜厚
で成長させる。

【００４０】（ｐ側クラッド層１２）続いて、１０５０
℃でアンドープＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ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Ｃｐ
₂Ｍｇ、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０．６
μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１２を成長させ
る。ｐ側クラッド層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、不純物はいずれか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良くなる傾向にある
が、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１
２は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌ_ＸＧ
ａ_１−ＸＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすること
が望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを
積層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１２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、閾値を低下させる上で非常に有効である。
さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発
生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるの
で、ショートする確率も低くなる。

【００４１】（ｐ側コンタクト層１３）最後に、１０５
０℃で、ｐ側クラッド層９の上に、Ｍｇを１×１０^２０
／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層
１３を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ
側コンタクト層はｐ型のＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ
（０≦X、０≦Y、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電極２０
と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト
層１３は電極を形成する層であるので、１×１０^１７／
cm^３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×
１０^１７／cm^３よりも低いと電極と好ましいオーミック
を得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層
の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミッ
クが得られやすくなる。

【００４２】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コン
タクト層の表面にＳｉＯ_２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ＳｉＣｌ_４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側コンタクト層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ＳｉＯ_２が最適である。

【００４３】次に本発明の電極形成方法について詳説す
る。まず、図１（ａ）に示すように、最上層のｐ側コン
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、ＳｉＯ_２）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２μｍ、厚さ１μ
ｍで形成する。

【００４４】次に、図１（ｂ）に示すように第３の保護
膜６３形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置
により、ＣＦ_４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１（ｃ）に示すよう
にｐ側コンタクト層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。

【００４５】さらに、図１（ｄ）に示すように、ストラ
イプ状の第１の保護膜６１形成後、再度ＲＩＥによりＳ
ｉＣｌ_４ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１３、および
ｐ側クラッド層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。このス
トライプ形状は本発明のストライプ導波路の形状全てに
ついて適用可能である。

【００４６】リッジストライプ形成後、ウェーハをＰＶ
Ｄ装置に移送し、図１（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物
（主としてＺｒＯ_２）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
側クラッド層１２の上に０．５μｍの膜厚で連続して形
成する。

【００４７】第２の保護膜６２形成後、ウェーハを６０
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ_２以外の材料を第
２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜製膜後
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、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ
酸）に対して溶解しにくくなり、この工程を加えること
がさらに望ましい。

【００４８】次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図１
（ｆ）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。

【００４９】次に図１（ｇ）に示すように、ｐ側コンタ
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側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、この図に示すように、第２の保護膜
６２の上に渡って形成する。

【００５０】第２の保護膜形成後、一番最初に露出させ
たｎ側コンタクト層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する。

【００５１】以上のようにして、ｎ電極とｐ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（１１−００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ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２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３
００〜５００μｍとすることが望ましい。

【００５２】このレーザ素子をヒートシンクに設置し、
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／cm^２において室温連続発
振を示した。さらに電流値を上げて出力を上げ、４０ｍ
Ｗとしても、素子自体にショートは発生せず、５０時間
以上の連続発振を続けた。

【００５３】一方、第２の保護膜をＳｉＯ_２とした従来
のものは、閾値電流密度はほぼ同じで連続発振したが、
出力を４０ｍＷとすると、即、電極間でショートが発生
するものがあった。

【００５４】［実施例２］実施例１において、ストライ
プ導波路形成後、第２の保護膜６２を形成する際に、Ｐ
ＶＤ装置で、ＢＮを０．５μｍの膜厚で連続して形成す
る他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実
施例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られ
た。

【００５５】［実施例３］実施例１において、ストライ
プ導波路形成後、第２の保護膜６２を形成する際に、Ｐ
ＶＤ装置で、Ｈｆ酸化物（主としてＨｆＯ_２）を０．５
μｍの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にして
レーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を
有するレーザ素子が得られた。

【００５６】［実施例４］実施例１において、第２の保
護膜６２を形成する際に、ＰＶＤ装置で、ＳｉＣを０．
５μｍの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にし
てレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性
を有するレーザ素子が得られた。

【００５７】［実施例５］実施例１において、第２の保
護膜６２を形成する際に、ＰＶＤ装置で、Ｔｉ酸化物
（主としてＴｉＯ_２）を０．５μｍの膜厚で連続して形
成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たとこ
ろ、閾値がやや高くなり、４０ｍＷの出力において、寿
命が４０時間とやや短くなった。

【００５８】［実施例６］実施例１において、第２の保
護膜６２を形成する際に、ＰＶＤ装置で、Ｖ酸化物（主
としてＶ_２Ｏ_３）を０．５μｍの膜厚で連続して形成す
る他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たところ、実
施例５とほぼ同等の特性を示した。

【００５９】［実施例７］実施例１において、第２の保
護膜６２を形成する際に、ＰＶＤ装置で、Ｎｂ酸化物
（主としてＮｂ_２Ｏ_５）を０．５μｍの膜厚で連続して
形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たとこ
ろ、実施例５とほぼ同等の特性を示した。

【００６０】［実施例８］実施例１において、第２の保
護膜６２を形成する際に、ＰＶＤ装置で、Ｔａ酸化物
（主としてＴａ_２Ｏ_５）を０．５μｍの膜厚で連続して
形成する他は実施例と同様にしてレーザ素子を得たとこ
ろ、実施例５とほぼ同等の特性を示した。

【００６１】［実施例９］実施例１において、第２の保
護膜６２を形成する際に、ＰＶＤ装置で、ＡｌＮを０．
５μｍの膜厚で連続して形成する他は実施例と同様にし
てレーザ素子を得たところ、実施例５とほぼ同等の特性
を示した。

【００６２】［実施例１０］実施例１において、ｐ側コ
ンタクト層１３成長後、そのｐ側コンタクト層１３の上
に２μｍのストライプ状の開口部を有するフォトレジス
トを、０．５μｍの膜厚で形成した後、そのフォトレジ
ストの上から、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ_２）より
なる第１の保護膜６１を０．５μｍの膜厚で形成する。
その後リフトオフ法により、フォトレジストを溶解除去
することにより、図１（ｃ）に示すような２μｍのスト
ライプ幅を有する第１の保護膜６１を形成する。後は実
施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施
例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。

【００６３】［実施例１１］図３は本発明の他の実施例
に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、
以下この図を元に実施例１１について説明する。

【００６４】（窒化物半導体基板４’）実施例１におい
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
４’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４’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４’単独とする。

【００６５】後は実施例１と同様にして、研磨側と反対
側の窒化物半導体基板４’の上にｎ側コンタクト層５〜
ｐ側コンタクト層１３までを積層する。

【００６６】ｐ側コンタクト層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ｎ側
コンタクト層５の表面とする。後は実施例と同様にし
て、ＺｒＯ_２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側コンタクト層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して、
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。このレーザ素子は実施例１に比較し
て、閾値電流密度は１．８ｋＡ／cm^２にまで低下し、寿
命は３倍以上向上した。

【００６７】［実施例１２］図４は本発明の他の実施例
に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、
以下この図を元に実施例１１について説明する。

【００６８】実施例１１において、窒化物半導体基板
４'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１×１０^１８／cm^３ドープしたＧａ
Ｎよりなる窒化物半導体基板４''を２００μｍの膜厚で
成長させる。なおＳｉ濃度は１×１０^１７／cm^３〜５×
１０^１９／cm^３の範囲とすることが望ましい。窒化物半
導体基板４''成長後、実施例１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４''単体とする。

【００６９】次にこの窒化物半導体基板４''の上に実施
例１と同様にして、クラック防止層６〜ｐ側コンタクト
層１３までを積層成長させる。ｐ側コンタクト層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４に示すｎ側クラッド層７の表面とす
る。後は実施例と同様にして、ＺｒＯ_２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側ク
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。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３に示すような構造のレーザ素子としたところ、
実施例１１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得ら
れた。

【００７０】なお実施例１２のレーザ素子を作製する工
程において、第２の工程においてエッチングストップ
を、窒化物半導体基板の上に積層した種々の半導体層と
した場合に、レーザ素子の閾値電流密度と、エッチング
深さとの関係を示している。Ａはｐ側クラッド層１２の
上端面から０．１μｍ入ったところ、Ｂはｐ側クラッド
層が０．２μｍで残ったところ、Ｃはｐ側光ガイド層１
１の中央、Ｄはｎ側光ガイド層８の中央、Ｅはｎ側クラ
ッド層７の中央、Ｆは基板上端面から０．１μｍ入った
ところを示している。この図５に示すように、エッチン
グストップをｐ側クラッド層の下端面よりも基板側の層
とすると閾値が著しく低下することが分かる。また、Ｂ
点よりも深くエッチングすると、２．０ｋＡ／ｃｍ^２以
下の閾値電流密度が得られる。２．０ｋＡ／ｃｍ^２より
閾値が高くなると、高出力で５００時間以上連続発信さ
せた場合に、レーザ素子が切れやすい傾向にある。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ素
子ではストライプ導波路領域の側面、及びその側面と連
続した窒化物半導体の平面に、絶縁性に優れて信頼性が
高い保護膜が形成されているために、その保護膜の上に
電極を形成して、高電流を流しても、電極間でショート
せずにレーザ素子の寿命を延ばすことができる。さらに
その位置をｐ側クラッド層下端面より基板側にすること
により、閾値が著しく低下したレーザ素子を作製でき
る。また本発明の方法によると、ほぼ均一な膜厚でクラ
ッド層の上に保護膜が形成できるので、電流の集中が起
こることが少ない。また第１の保護膜の材料と、第２の
保護膜との材料を異ならせているために、保護膜による
エッチング手段による選択性を用いて、再現性よく電極
形成を行うことができる。このように本発明は、これか
らレーザ素子を高出力にして長寿命化するために、非常
に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法の各工程を説明するための、各
工程においてそれぞれ得られるウェーハの部分的な構造
を示す模式断面図。

【図２】本発明の一実施例にかかるレーザ素子の構造
を示す模式断面図。

【図３】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。

【図４】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。

【図５】エッチングストップ層と、レーザ素子の閾値
電流密度との関係を示す図。

【図６】従来のレーザ素子の構造を示す模式断面図。

【符号の説明】

１・・・異種基板２・・・下地層３・・・窒化物半導体基板成長用の保護膜４、４’４''・・・窒化物半導体基板５・・・ｎ側コンタクト層６・・・クラック防止層７・・・ｎ側クラッド層８・・・ｎ側光ガイド層９・・・活性層１０・・・ｐ側キャップ層１１・・・ｐ側光ガイド層１２・・・ｐ側クラッド層１３・・・ｐ側コンタクト層６１・・・第１の保護膜６２・・・第２の保護膜６３・・・第３の保護膜２０・・・ｐ電極２１・・・ｎ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のｐ型窒化物半導体を含むｐ側クラ
ッド層の上に、第２のｐ型窒化物半導体を含むｐ側コン
タクト層が積層され、そのｐ側コンタクト層側からエッ
チングされて、ｐ側コンタクト層よりも下の層に、スト
ライプ状の導波路領域が設けられた窒化物半導体レーザ
素子において、そのストライプ導波路のストライプの両
側面、およびその側面と連続した窒化物半導体層の平面
には、Ｓｉ酸化物以外で、かつ、屈折率が窒化物半導体
よりも小さい絶縁膜が形成され、さらにその絶縁膜を介
して、前記ストライプの最上層にあるコンタクト層の表
面に電極が設けられており、さらに前記絶縁膜がＺｒ、Ｈｆ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の内少なくと
も一種からなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素
子。
【請求項２】前記ストライプの両側面と連続した窒化
物半導体の平面が、ｐ側クラッド層の膜厚方向におい
て、下端面からｐ側コンタクト層方向０．２μｍよりも
基板側に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。
【請求項３】前記ストライプの両側面と連続した窒化
物半導体の平面が、ｐ側クラッド層下端面よりも基板側
に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。
【請求項４】前記ストライプの幅が、４μｍ〜０．５
μｍの範囲を有することを特徴とする請求項１乃至３の
内のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。