JP2005101483A - リッジ導波路型半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 p側半導体層14に形成された導波路形成用のリッジ部14aと、リッジ部頂面の少なくとも一部が露出するように覆う絶縁保護膜17と、そこから露出したリッジ部にオーミック接触したp側オーミック電極15と、p側オーミック電極に電気接触するよう形成されたp側パッド電極19とを備えたリッジ導波路型半導体レーザにおいて、p側オーミック電極とp側パッド電極の間に、低融点金属の拡散を防止可能な拡散防止層30が形成され、拡散防止層が、少なくとも絶縁保護膜17から露出したリッジ部14aを覆う。拡散防止層により、実装用の導電性接合剤からリッジ部に低融点金属が拡散することを抑制し、p側オーミック電極とp型窒化物半導体層とのオーミック接触を良好に維持する。
【選択図】 図2
Description
実施の形態1.
図1は、本実施の形態に係るリッジ導波路型半導体レーザを模式的に示す断面図である。図1において、窒化物半導体レーザ10は、実装基板20上に半田などの導電性接合剤23を用いてフェースダウン実装されている。窒化物半導体レーザ10は、サファイア等の絶縁性基板11の上にn側窒化物半導体層12、活性層13、p側窒化物半導体層14を順次積層し、p側窒化物半導体層にストライプ状のリッジ部を形成したリッジ導波路型レーザである。n側窒化物半導体層12とp側窒化物半導体層14は、各々、主として活性層13に電子と正孔を供給する機能を有し、一般的にはn型窒化物半導体とp型窒化物半導体から成る。窒化物半導体レーザ10のn側電極16及び29並びにp側電極15及び19は、半田などの導電性接合剤23によって、実装用基板20の電極21及び22に接合されている。
本実施の形態では、本発明に係るリッジ導波路型窒化物半導体レーザの製造方法について説明する。
実施例1では、基板としてC面を主面とするサファイアを用いる。
2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より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。下地層としてこの他にELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設ける等して形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域とをストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜させたものや、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長が成されて成膜されたもの等が挙げられる。
次に、下地層(窒化物半導体基板)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を1×1018/cm3ドープさせたn型AlGaNよりなるn側コンタクト層を4.5μmの膜厚で成長させる。n側コンタクト層は、AlGaN以外のn型窒化物半導体層よって構成しても良く、例えばGaNであっても良い。
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800℃にしてIn0.06Ga0.94N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。
次に、温度を1050℃にして、原料ガスにTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAlGaN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。そしてこの操作をそれぞれ160回繰り返してA層とB層を交互に積層し、総膜厚8000Åの多層膜(超格子構造)よりなるn側クラッド層を成長させる。この時、アンドープAlGaNのAlの混晶比としては、0.05以上0.3以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。尚、n側クラッド層は、活性層よりもバンドギャップの広く、電子を供給することができる窒化物半導体層であれば良く、好ましくはAlを含む窒化物半導体とする。
次に、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側光ガイド層を0.1μmの膜厚で成長させる。この層は、n型不純物をドープさせてもよい。ガイド層に用いられる窒化物半導体としては、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路形成に十分な屈折率を有していればよく、単一膜若しくは多層膜のいずれでも良い。具体的には、発振波長が370nm〜470nmではアンドープのGaNが好ましく、比較的長波長な領域(450nm以上)では、InGaN/GaNの多層膜構造を用いることが好ましい。
次に、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よりなる障壁層を100Å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よりなる井戸層を50Åの膜厚で成長させる。この操作を3回繰り返し、最後に障壁層を積層させて総膜厚550Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。
次に、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よりなるp側電子閉じ込め層を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よりなるp側光ガイド層を750Åの膜厚で成長させる。このp側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。ガイド層に用いられる窒化物半導体としては、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路形成に十分な屈折率を有していればよく、単一膜若しくは多層膜のいずれでも良い。具体的には、発振波長が370nm〜470nmではアンドープのGaNが好ましく、比較的長波長な領域(450nm以上)では、InGaN/GaNの多層膜構造を用いることが好ましい。
続いて、1050℃でアンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMGを止め、Cp2Mgを用いてMgドープGaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側クラッド層を成長させる。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、不純物はいずれも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よくなる傾向にあるが、両方に同じようにドープさせてもよい。p側クラッド層は、活性層よりもバンドギャップの広く、電子を供給することができる窒化物半導体層であれば良く、好ましくはAlを含む窒化物半導体とする。
最後に1050℃でp側クラッド層の上にMgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層を150Åの膜厚で成長させる。p側コンタクト層はInxAlyGa1−x−yN(x≧0、y≧0、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電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを700℃でアニーリングして、p側コンタクト層を更に低抵抗化する。
以上のようにして窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウエ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、n電極を形成させるn側コンタクト層の表面を露出させる。この時、共振器面となる活性層端面を露出させてエッチング端面を共振器端面とする。
次に、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のp側コンタクト層のほぼ全面にCVD装置により、Si酸化物(主としてSiO2)よりなる保護膜を0.5μmの膜厚で形成した後、保護膜の上に所定の形状のフォトリソグラフィー技術によりマスクをかけ、RIE装置によりCF4ガスを用いてストライプ状の保護膜を形成する。そして、再度RIEによりSiCl4を用いて、p側コンタクト層及びp側クラッド層をエッチングして、ストライプ幅2μmのリッジ部14aを形成する。
次に、SiO2マスクをつけたまま、p側窒化物半導体層表面にZrO2よりなる第1の絶縁膜17を形成する。この第1の絶縁膜17は、n側オーミック電極16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、後に分割され易いように絶縁膜17を形成させない部分を設ける。第1の絶縁膜17形成後、バッファード液に浸漬して、ストライプ状凸部14a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、リッジ部14a上(更にはn型コンタクト層上)にあるZrO217を除去する。これにより、リッジ部14aの頂面は露出され、リッジ部14aの側面はZrO217で覆われた構造となる。
次に、第1の絶縁保護膜17上にp側オーミック電極15を形成させる。p側オーミック電極15は、p側窒化物半導体層14よりも内側に形成する。このp側オーミック電極15は、Ni−Auからなる。また、エッチングにより露出されたn側コンタクト層の表面にもストライプ状のn側オーミック電極16を形成させる。n側オーミック電極16はTi−Alからなる。これらを形成後、それぞれを酸素:窒素が80:20の割合の雰囲気中で、600℃でアニーリングすることで、p側、n側ともの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。
次いで、リッジ部14a両脇であってp側オーミック電極15上のリッジに平行な細長い2つの領域、n側オーミック電極16の一部にレジストを塗布し、Si酸化物(主としてSiO2)からなる第2の絶縁膜18を、チップ分割位置を除いた全面に形成する。その後、レジストをリフトオフすることで、図3(d)に示すように、2つの開口部18aを有する第2の絶縁保護膜18を形成する。この第2の絶縁保護膜18の開口部18aに挟まれた領域が、拡散防止膜30となる。
次に、上記の絶縁膜を覆うようにp側パッド電極19及びn側パッド電極29がそれぞれ形成される。p側パッド電極19は、p側オーミック電極15よりも広く、かつ、第2の絶縁保護膜18よりも狭く形成する。このように形成することで、第2の絶縁保護膜18に設けられた開口部18aを通じて、p側パッド電極19とp側オーミック電極15が接触することができる。p側パッド電極19とn側パッド電極29は、Ni−Ti−Auからなる。このパッド電極は、露出されたオーミック電極15及び16とストライプ状に接している。
以上のようにしてp側オーミック電極及びn側オーミック電極を形成した後、基板を研磨して基板を含めた総膜厚を200μmとし、裏面にTi−Pt−Auからなるバックメタルを形成させた後、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割る。このとき、バー状に分割させる前に基板の裏面側から分割位置に対応してスクライブを入れおくと、後工程で分割させやすくなる。また、スクライブの方法としては、カッター等の刃を用いた機械的又は物理的スクライブや、YAGレーザなどを用いた光学的又は熱的スクライブ等を用いることができる。
以上のようにしてバー状に分割された半導体は、バーの一方には光出射側の共振器面が並び、反対側には光反射側の共振器面が並んでいる。このような数本のバーを、光出射側の共振器面、及び光反射側の共振器面が同一の方向に向くように角度を変える。次いで、各バー間にスペーサーを介して隙間がないように成膜治具に並べる。このようにスペーサーを介することで、素子に形成された電極等に保護膜が形成されないようにできる。まず、光反射側の共振器面にはZrO2と(SiO2/ZrO2)の6ペアが形成されてミラーとなる。このようにしてリッジ導波路型窒化物半導体レーザが形成される。
次に、得られたリッジ導波路型窒化物半導体レーザを、実装基板上にフェイスダウン実装する。実装基板上の実装用電極には導電性接合剤としてSn/Auバンプ23が形成されており、そのSn/Auバンプ23にp側パッド電極19とn側パッド電極29を接触させて、加熱することによりレーザチップが実装される。
リッジ直交方向において、p側オーミック電極のほぼ全面とn側オーミック電極の一部にレジストを塗布し、Si酸化物(主としてSiO2)からなる第2の絶縁膜を、チップ分割位置を除いた全面に形成する。その後、レジストをリフトオフすることで、リッジ部を含むp側オーミック電極の大部分とn側オーミック電極の一部が露出するように、第2の絶縁保護膜を形成することができる。
次に、p側オーミック電極上において、リッジ部の頂面を全て覆い、かつ、p側オーミック電極の一部が露出するように、SiNから成る拡散保護膜を形成する。本実施例では、このp側オーミック電極の露出部において、p側パッド電極とp側オーミック電極が接触する。拡散保護膜のパターニングには、例えば、レジストを用いたリフトオフ法を使用することができる。
実施例2において、拡散防止膜を形成しない他は、同様にして窒化物半導体レーザを作製したところ、微小電流域で非発光点が発生しており、導波路領域内で発光にムラが生じていた。
11:基板、
12:n型窒化物半導体層、
13:活性層、
14:p型窒化物半導体層、
14a:リッジ部、
15:p側オーミック電極、
16:n側オーミック電極、
17:第1の保護絶縁膜、
18:第2の保護絶縁膜、
19:p側パッド電極、
20:実装基板、
21、22:実装基板上の電極、
23:導電性接合剤(半田バンプ)、
30:拡散防止層
Claims (13)
- 活性層を挟むn側半導体層及びp側半導体層と、前記p側半導体層に形成された導波路形成用のリッジ部と、前記リッジ部を、その頂面の少なくとも一部が露出するように覆う絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜から露出したリッジ部にオーミック接触したp側オーミック電極と、該p側オーミック電極に電気接触するよう形成されたp側パッド電極とを備えたリッジ導波路型半導体レーザにおいて、
前記p側オーミック電極と前記p側パッド電極の間に、中間層が形成され、該中間層が、少なくとも前記絶縁保護膜から露出した前記リッジ部を覆うことを特徴とするリッジ導波路型半導体レーザ。 - 前記中間層は、低融点金属の拡散を防止可能な拡散防止層である請求項1記載のリッジ導波路型半導体レーザ素子。
- 前記中間層は、密着性を調整可能な緩衝層である請求項1又は請求項2記載のリッジ導波路型半導体レーザ素子。
- 前記中間層が、さらに前記リッジ部の側面をも覆うよう形成されたことを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記中間層が、酸化物、窒化物又は高融点金属から選択された少なくとも1種であることを特徴とする請求項1乃至4に記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記中間層は、絶縁性である請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記中間層が、SiO2、TiO2、ZrO2、AlN、SiN、GaN、AlGaN、InGaN、Ptからなる群から選択された少なくとも1種であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記中間層は、単層又は二層以上の多層である請求項1乃至請求項7記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記絶縁保護膜の上に、第2の絶縁保護膜が形成されており、前記中間層が、前記第2の絶縁保護膜と同一組成から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項8に記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記中間層は、前記リッジの左右においてほぼ同じ長さである請求項9記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記中間層は、前記リッジの左右においてほぼ同じ幅である請求項9又は請求項10記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記リッジ部近傍で前記p側パッド電極に低融点金属を含む導電性接合剤がボンディングされたことを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
- 前記リッジ導波路型半導体レーザの半導体層が、窒化物半導体(InxAlyGa1−x−yN、0≦x、0≦y、x+y≦1)から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載のリッジ導波路型半導体レーザ。
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