JP2005072562A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1及び第2導電型半導体層2,4、活性層3と、第1電極13及び第2電極12とを有し、第2電極はオーミック電極8とパッド電極11とからなり、オーミック電極は、第2導電型半導体層の一部にストライプ状にオーミック接続され、パッド電極はその表面であって、オーミック接続された領域の実質的に一方向側においてのみワイヤボンディングに十分な領域が確保され、第1電極は、第1導電型半導体層表面に対して第2電極と同一面側に形成され、かつオーミック接続された領域に対してパッド電極と同一方向側にのみ配置される。
【選択図】図1
Description
(1)前記第2電極は、オーミック電極とパッド電極とからなり、前記オーミック電極は、前記第2導電型半導体層の一部にストライプ状にオーミック接続され、該パッド電極は、その表面であって、前記第2導電型半導体層とオーミック電極とがオーミック接続された領域の実質的に一方向側においてのみワイヤボンディングに十分な領域が確保されており、
前記第1電極は、前記第1導電型半導体層表面に対して前記第2電極と同一面側に形成され、かつ前記オーミック接続された領域に対して前記パッド電極と同一方向側にのみ配置され、
前記第2導電型半導体層は、前記オーミック接続された領域の両側で光の閉じ込めを確保し得る最小限の幅に設定されてなるか、あるいは、
前記第1電極は、前記第1導電型半導体層表面に対して前記第2電極と同一面側に形成され、かつ前記オーミック接続された領域に対して前記パッド電極と同一方向側にのみ配置されてなることを特徴する。
実施例1
この実施例の半導体レーザ素子は、図1及び図2(a)に示すように、基板1上に、第1導電型半導体層であるn型半導体層2、活性層3及び第2導電型半導体層であるp型半導体層4が順次積層されて構成されている。
(基板)
まず、直径2インチ、C面を主面とするサファイア基板を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からなるバッファ層を200Åの膜厚で成長させる。 バッファ層形成後、温度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaNからなる窒化物半導体層を4μmの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において下地層(成長基板)として作用する。
次に、下地層の上に、TMG、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、1050℃でSiを1×1018/cm3ドープさせたGaNからなるn型コンタクト層を4.5μmの膜厚で成長させる。
続いて、温度を800℃にして、原料にTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.05Ga0.95Nからなる障壁層を140Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nからなる井戸層を70Åの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後に障壁層を積層させて総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。
次いで、同様の温度で、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AlGaNからなるp型電子閉じ込め層を100Åの膜厚で成長させる。
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNからなるp型光ガイド層を1500Åの膜厚で成長させる。このp型光ガイド層はアンドープとして成長させるが、Mgをドープさせてもよい。
反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウェハを700℃でアニーリングして、p型半導体層をさらに低抵抗化する。
以上のようにして得られた窒化物半導体の積層構造体を、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からなるエッチング用マスクを形成する。このマスクを所定の形状に加工し、Cl2ガスを用いたRIE(反応性イオンエッチング)によってp型半導体層、活性層、n型半導体層の一部を順次エッチングし、n電極を形成するn型コンタクト層の表面を露出させる。つまり、図2(a)に示したように、p型半導体層と、活性層と、一部のn型半導体層とは、2つの分割された矩形形状で、n型コンタクト層が露出するように除去する。なお、この際、露出した活性層の側面に共振器面を形成してもよい。
続いて、保護膜を存在させたまま、p型層表面にZrO2からなる第1絶縁膜を形成する。この第1絶縁膜は、n型オーミック電極形成面をマスクして半導体層の全面に設けてもよい。また、共振器面を形成した場合には、後に分割し易いように、共振器面の近傍において第1絶縁膜を形成しない領域を、10μm程度のストライプ状で、リッジと直交するよう設けてもよい。
第1絶縁膜を形成した後、BHF液に浸漬して、ストライプ状のリッジの上面に形成したSiO2を溶解除去し、リフトオフ法によりSiO2と共に、p型コンタクト層上(さらにはn型コンタクト層上)にあるZrO2を除去する。これにより、ストライプ状のリッジの上面が露出され、リッジの側面はZrO2で覆われた構造となる。
次に、p型コンタクト層上のリッジ最表面の第1絶縁膜上にp型オーミック電極を形成する。このp型オーミック電極は、Ni−Auからなる。また、エッチングにより露出されたn型コンタクト層の表面にも、図2(a)に示すような、セパレート状のn型オーミック電極を形成する。n型オーミック電極はTi−Alからなる。これらを形成後、それぞれを酸素と窒素との混合雰囲気中、600℃にてアニーリングすることによって、p型及びn型オーミック電極を合金化し、良好なオーミック特性を得る。なお、p型オーミック電極は、素子の端から端まで配置する長さであることが好ましいが、後工程等を考慮して、端部よりも内側にその端面が配置していてもよい。
次いで、リッジ上のp型オーミック電極とn型オーミック電極とが形成されている領域の全面にレジストを形成し、所望の形状に加工する。このレジスト上を含む全面に、Si酸化物(主としてSiO2)からなる第2絶縁膜を形成し、リフトオフする。これにより、p型オーミック電極上とn型オーミック電極上の一部とを露出させる。
(パッド電極の形成)
次に、第2絶縁膜の一部を覆うようにp型パッド電極及びn型パッド電極をそれぞれ形成する。これらの電極は、Ni−Ti−Auからなる。これらのパッド電極は、露出したオーミック電極とストライプ状に接続されることにより、第1電極13及び第2電極12を構成する。なお、パッド電極はオーミック電極と同じ長さで形成されていなくてもよく、例えば、オーミック電極の端部上面が露出するような長さで形成されていてもよい。
次いで、基板を研磨して、約150μm程度の膜厚に加工した後、基板裏面にスクライブ溝を形成し、図4の二点鎖線で示した位置で、半導体層側からブレーキングして劈開したり、基板側からスクライブを数回繰り返す等によって、バー状のレーザを得る。半導体層の劈開面は、半導体のM面(1100)面となっており、この面を共振器面とすることができる。
(端面保護膜の形成)
上記のように形成された共振器面に、活性層で発生する光を効率よく共振させ、特にモニター側の共振器面に出射側の共振器面と屈折率差を設けるために、スパッタ装置を用い、ZrO2からなる保護膜を形成し、次いでSiO2とZrO2とを交互に3ペア積層して高反射膜を形成した。ここで、保護膜と、高反射膜を構成するSiO2膜とZrO2膜の膜厚は、それぞれ活性層からの発光波長に応じて好ましい厚さに設定することができる。
次いで、ストライプ状の第2電極に平行な方向に、スクライブにより溝を形成し、図4の一点鎖線で示した位置で、基板側からバー状に切断して本発明の半導体レーザ素子を得る。
得られた半導体レーザ素子の特性を評価した。
その結果、温度60℃、出力30.6mWにおける電流及び電圧特性は、約700時間経過後においても変化せず、良好な素子寿命が認められた。
また、レーザ素子25チップ平均のRCL特性において、比較例とR及びLが同等であるにもかかわらず、Cについて低減が認められた。
さらに、周波数−インピーダンス曲線は、図5に示すように、周波数の増加にしたがってインピーダンスの低減は認められず、理論値に近づく結果が得られた。
また、閾値を低下させることができ、低電流での発振が可能になった。
さらに、図4に示すように、ウェハ上に半導体レーザ素子を構成する第2電極12及び第1電極13、さらにはそれらに対応させて第2導電型半導体層4及びリッジ5を配置することにより、従来例に比較して、ほぼ1.5倍の素子数を確保することができるとともに、歩留まりを向上させることができた。
この実施の形態の半導体レーザ素子は、図2(b)に示すように、n型半導体層2の深さ方向の一部、活性層3及びp型半導体層4がストライプ状に形成されており、第2電極12’がこれらの積層体上に形成されているとともに、第2電極12’を構成するパッド電極の突出部11a’が絶縁膜(図示せず)を介して、n型半導体層2の直上にわたって配置されている点を除いて、図1及び図2(a)の半導体レーザ素子と実質的に同様である。
2 n型半導体層(第1導電型半導体層)
3 活性層
4 p型半導体層(第2導電型半導体層)
5 リッジ
6 第1絶縁膜
7 n型オーミック電極
8 p型オーミック電極
9 第2絶縁膜
10 n型パッド電極
11 p型パッド電極
11a 突出部
12、12’ 第2電極
13 第1電極
Claims (17)
- 第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層が積層され、かつ前記第1導電型半導体層に接続された第1電極及び前記第2導電型半導体層に接続された第2電極を有する半導体レーザ素子であって、
前記第2電極は、オーミック電極とパッド電極とからなり、前記オーミック電極は、前記第2導電型半導体層の一部にストライプ状にオーミック接続され、該パッド電極は、その表面であって、前記第2導電型半導体層とオーミック電極とがオーミック接続された領域の実質的に一方向側においてのみワイヤボンディングに十分な領域が確保されており、
前記第1電極は、前記第1導電型半導体層表面に対して前記第2電極と同一面側に形成され、かつ前記オーミック接続された領域に対して前記パッド電極と同一方向側にのみ配置され、
前記第2導電型半導体層は、前記オーミック接続された領域の両側で光の閉じ込めを確保し得る最小限の幅に設定されてなることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層が積層され、かつ前記第1導電型半導体層に接続された第1電極及び前記第2導電型半導体層に接続された第2電極を有する半導体レーザ素子であって、
前記第2電極は、オーミック電極とパッド電極とからなり、前記オーミック電極は、ストライプ状に延設され、前記第2導電型半導体層の一部にストライプ状にオーミック接続され、前記パッド電極は、前記オーミック電極に電気的に接続され、少なくとも前記オーミック電極の延設方向とは異なる方向に突出しており、さらに、その表面であって、前記第2導電型半導体層とオーミック電極とがオーミック接続された領域の実質的に一方向側においてのみ、外部と電気的な接続をするための十分な領域が確保されており、
前記第1電極は、前記第1導電型半導体層表面に対して前記第2電極と同一面側に形成され、かつ前記オーミック接続された領域に対して前記パッド電極と同一方向側にのみ配置されてなることを特徴する半導体レーザ素子。 - 第2電極が、ストライプ状に延設されたオーミック電極と、該オーミック電極に電気的に接続され、少なくとも前記オーミック電極の延設方向とは異なる方向に突出したパッド電極とからなる請求項1に記載の半導体レーザ素子。
- ワイヤボンディングに十分な領域が、1000μm2以上の面積を有してなる請求項1又は3に記載の半導体レーザ素子。
- 外部と電気的な接続をするための十分な領域が、1000μm2以上の面積を有してなる請求項2に記載の半導体レーザ素子。
- パッド電極は、第1電極を2分するように配置されてなる請求項2〜5のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- パッド電極は、オーミック電極の延設方向において、2つの第1の電極に挟まれてなる請求項2〜5のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- パッド電極は、オーミック電極の延設方向において、半導体レーザ素子の2つの対向する端面の一方に設けられ、前記端面の他方に第1の電極が設けられてなる請求項2〜5のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 第2導電型半導体層は、オーミック電極と接続された領域の延設方向に対して異なる方向にその一部が突出し、第2電極は、突出した領域を含む第2導電型半導体層上にのみに配置されてなる請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 第2電極は、絶縁膜を介して第1導電型半導体層上にまで延設されてなる請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 第2導電型半導体層とオーミック電極とがストライプ状のオーミック接続された領域が、第2導電型半導体層表面にストライプ状のリッジを形成することにより規定されてなる請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- リッジが、第2導電型半導体層の端部から、リッジ幅の2〜50倍の範囲内に配置してなる請求項11に記載の半導体レーザ素子。
- 第1電極は、第2導電型半導体層側から少なくとも該第2導電型半導体層の一部が除去されて第1導電型半導体層が露出された領域に形成されており、該露出された第1導電型半導体層が、第2導電型半導体層の幅の1/2〜10倍の範囲内の幅に設定されてなる請求項1〜12のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 活性層及び第2導電型半導体層が、周波数−インピーダンス特性を阻害しない容量となる面積に設定されてなる請求項1〜13のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 第1導電型半導体層の上に、第2電極に接続された第2導電型半導体層及び活性層とは電気的に分離されたダミー層が配置されてなる請求項1〜14のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 第1導電型半導体層、活性層、第2導電型半導体層が、窒化物半導体を含んで構成される請求項1〜15のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 基板上に第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層が積層され、第1導電型半導体層がn型半導体層、第2導電型半導体層はp型半導体層である請求項1〜16のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
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