JP2007134445A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電流狭窄機能を満足させながら、他の部材（電極又は他の保護膜）との密着性を維持して、高品質の窒化物半導体レーザ素子を得ることを目的とする。
【解決手段】 基板と、前記基板上に積層された半導体層と、前記半導体層に電流注入領域を構成するリッジ１４と、リッジに接続された電極１７と、該リッジの両側に形成された保護膜１６を有する半導体レーザ素子であって、前記保護膜１６の密度が５ｇ／ｃｍ^３以上であるか、あるいは、保護膜の表面粗さ（Ｒａ）が３０Å以下である半導体レーザ素子。
【選択図】図１

Description

窒化物半導体を用いた半導体レーザは、紫外域から赤色に至るまで、幅広い波長域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、次世代ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生録画が可能な光ディスクシステムへの利用にとどまらず、露光用光源、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源等として期待されている。

窒化物半導体レーザ素子は、例えば、図１（ａ）に示すように、基板１０上に、ｎ型半導体層１１、活性層１２、ｐ型半導体層１３がこの順に積層されており、基板１０及びｐ型半導体層１３に、それぞれ電極２０、１７が接続されて構成されている。
このような積層構造のレーザ素子では、ｐ型半導体層１３表面にストライプ状のリッジ１４が形成されており、さらに、リッジ１４の両側のｐ型半導体層１３の露出面に、保護膜１６が形成されている。これによってストライプ状のリッジ１４に選択的に電流を注入することができる。また、リッジ１４直下の導波路領域と、このリッジ両側直下の領域とにおける実効的な屈折率分布を確保し、光の閉じ込めを最適化し、横モードの制御を行うとともに、閾値の制御をも行うことができる。
なお、このような保護膜としては、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＣｅＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｎＯ等の誘電体膜が一般に用いられている（例えば、特許文献１）。

特開平１０−２７０７９２号公報

通常、誘電体膜は、物質固有の屈折率を有している。従って、これらの誘電体膜を、所望の屈折率を有する保護膜として用いるために、適切な材料を組み合わせて用いることなどが行われている。
しかし、屈折率を満足させる材料を選択したとしても、レーザ素子の保護膜として十分に機能させることができないことがある。例えば、所望の屈折率をした保護膜を形成したとしても保護膜の膜厚が一定とならず、その結果として保護膜の表面状態に大きなばらつきが生じ、保護膜と他の部材との界面で剥がれが発生する恐れがある。これでは光閉じ込め等の厳密な制御が望めない。
また、窒化物半導体レーザ素子は、短波長や長波長になるほど光閉じ込めを強くすることが要求されるため、さらに保護膜の膜厚を厚くする必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電流狭窄機能を満足させながら、他の部材（電極又は他の保護膜）との密着性を維持して、高品質の窒化物半導体レーザ素子を得ることを目的とする。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に積層された半導体層と、前記半導体層に電流注入領域を構成するリッジと、リッジに接続された電極と、該リッジの両側に形成された保護膜を有する半導体レーザ素子であって、（１）保護膜の密度が５ｇ／ｃｍ³以上であるか、あるいは（２）保護膜の表面粗さ（Ｒａ）が３０Å以下であるか、あるいは（３）保護膜の膜厚が５００Å以上において、該保護膜の表面粗さ（Ｒａ）が５０Å以下であることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体レーザ素子によれば、保護膜密度、表面粗さ又は屈折率が膜厚方向において安定しているので、電流のリークを防止して、かつ電極等の他の部材との密着性をより強固にすることができる。また、キンクを防止することができる。これにより、電極の剥がれを防止することができ、特性の良好な、歩留まりのよい製品を、高品質で提供することが可能となる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、主として、基板と、半導体層と、保護膜と、電極とから構成される。
基板は、サファイア等の絶縁基板であってもよいし、ＧａＮ等の導電性基板であってもよい。絶縁性基板の場合には、半導体層の一部を厚さ方向に除去して、半導体層に接触するように電極が形成されていてもよい。

半導体層としては、通常、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型活性層がこの順に積層されて構成される。これら半導体層は、特に限定されないが、例えば、一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のものを用いることが適している。また、これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものを用いてもよいし、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。ｎ型半導体層は、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＣｄなどのＩＶ族元素又はＶＩ族元素等のいずれか１つ以上を含有していてもよいし、ｐ型半導体層は、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等を含有していてもよい。不純物は、例えば、５×１０¹⁶／ｃｍ³〜１×１０²¹／ｃｍ³程度の濃度範囲で含有されていることが好ましい。活性層は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。半導体層は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造とすることが好ましい。但し、本願発明は、これらの構造に限定されるものではない。

この半導体層の成長方法は、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、ＭＯＣＶＤは結晶性良く成長させることができるので好ましい。

半導体層、つまり、ｐ型半導体層の表面には、リッジが形成されている。リッジは、導波路領域として機能するものであり、電流注入領域となる。その幅は０．５μｍ〜３０．０μｍ程度であればよいが、例えば、光ディスク用光源に用いる場合には単一ビームスポットとなる０．５μｍ〜３．０μｍ程度が好ましい。リッジの高さ（エッチングの深さ）は、ｐ型半導体層を構成する層の膜厚、材料等によって適宜調整することができ、例えば、０．１〜２μｍが挙げられる。なお、リッジは、共振器長の長さが１００μｍ〜１０００μｍ程度になるように設定することが好ましい。また、リッジは共振器方向においてすべて同じ幅でなくてもよいし、その側面が垂直であっても、テーパー状であっても、逆テーパー状であってもよい。この場合のテーパー角は４５°〜９０°程度が適当である。

リッジの両側には、保護膜が形成されている。保護膜としては、得ようとする特性に応じて適宜その材料を選択することができる。例えば、酸素を含有する膜が適しており、具体的には、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ａｌ等の金属と酸素とを含有する膜、これら金属の酸化物膜の単層及び積層構造が挙げられる。なかでも、酸素とジルコニウムとを含有する膜（以下「酸化ジルコニウム」と称する）がその一部に含まれているものが好ましく、保護膜の膜厚方向及び面方向の全体にわたって、酸素とジルコニウムとから構成されるものがより好ましい。

保護膜は、単一層、つまり、膜厚方向全体にわたって同じ構成元素によって形成されている場合においても、その組成が徐々に異なる又は段階的に異なる膜として形成してもよい。
保護膜は、単層及び積層構造のいずれの場合にも、最表面に位置する膜は、その直下に位置する膜よりも大きい屈折率を有するものが好ましい。言い換えると、最上層の直下には、最上層よりも小さい屈折率を有する膜が配置されていることが好ましい。例えば、最上層の膜の屈折率は、２．２０よりも大きい、２．２１以上、２．２２以上、２．２３以上の膜であることが適当である。また、その直下の膜は、２．２０以下の屈折率であることが適当である。

屈折率は、エリプソメトリーを利用した分光エリプソメータにより測定することができる。エリプソメータとしては、例えば、Ｊ．Ａ．ＷＯＯＬＬＡＭ社製のＨＳ−１９０等が挙げられる。
別の観点から、保護膜は、密度が大きいものが好ましい。密度が大きいとは、保護膜が緻密であることを意味し、例えば、５ｇ／ｃｍ³以上の密度であることが好ましく、４．８ｇ／ｃｍ³以上、４．６ｇ／ｃｍ³以上、４．２ｇ／ｃｍ³以上、４．０ｇ／ｃｍ³以上、３．８ｇ／ｃｍ³以上、３．５ｇ／ｃｍ³以上、３．０ｇ／ｃｍ³以上であることがより好ましい。
密度は、例えば、断面を透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）により観察する方法、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）により観察する方法、電子回折パターン又はＸ線回折パターン等を測定する方法、超薄膜評価装置で観察する方法等によって測定することができる。特にＸＲＤ装置を用いることが好ましい。

さらに別の観点から、保護膜は、表面粗さ（Ｒａ）が小さいものが好ましい。表面粗さが小さいとは、保護膜表面が平滑であることを意味し、例えば、Ｒａが５０Å以下、４８Å以下、４６Å以下、４５Å以下、４２Å以下、４０Å以下、３５Å以下、３０Å以下、２８Å以下、２７Å以下、２５Å以下であることがより好ましい。特に、保護膜が５００Å以上で形成されている場合に、保護膜表面のＲａが５０Å以下であることが好ましく、さらに１０００Å以上、２０００Å以上、３０００Å以上の膜厚の場合においても、保護膜表面のＲａが５０Å以下であることがより好ましい。
保護膜が２層以上の積層構造の場合には、最表面の膜は、その直下に位置する膜と異なる表面粗さを有する膜が配置されていてもよい。例えば、下層膜が上層膜（最表面の層）よりも表面粗さが粗い、言い換えると、最表面の層の表面が、保護膜の中で最も平滑であることが好ましい。

表面粗さは、分光エリプソメータを利用したラフネスとして、あるいは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等を利用して測定することができる。具体的には、分光エリプソメータ（Ｊ．Ａ．ＷＯＯＬＬＡＭ社製のＨＳ−１９０）が挙げられる。
なお、保護膜は、上述したように、緻密で、かつ表面粗さが小さいことがより好ましい。
保護膜の密度及び／又は表面粗さが上述した範囲を満足する場合には、その上に形成される膜、例えば、電極、保護膜等との密着性を向上させることが可能となる。また、素子特性として、キンクを防止することが可能となる。

保護膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法の２種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を、所望の条件で利用することができる。
保護膜を単一層とする場合には、１つの成膜方法で形成してもよいし、その途中で成膜条件を異ならせるなどして屈折率等を変化させてもよい。

特に、上述した密度を満足させ、表面粗さを満足させる保護膜の成膜条件としては、保護膜（例えば、酸化ジルコニウム）を成膜する際に、ターゲットとして酸化ジルコニウム又はジルコニウムを用いたスパッタ法等が挙げられる。この際、アルゴンガス、アルゴンガスと酸素ガスの混合ガス等を適宜用いることができる。アルゴンガスのガス流量は、５０ｓｃｃｍ以下、アルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを用いた場合の酸素ガスのガス流量は、１ｓｃｃｍ以下であることが好ましい。また、スパッタガスとして酸素分圧の小さい（１×１０^-5〜１×１０^-3Ｐａ程度）又はゼロのガスから、酸素分圧の大きいガス（１×１０^-3〜１×１０^-2Ｐａ程度）に、徐々に又は急激に切り替える方法、成膜レートを徐々に又は急激に低下させか、ＲＦパワーを徐々に又は急激に増加（増加させる範囲が２００〜６００Ｗ程度）させるか、あるいはターゲットと基板との距離を徐々に又は急激に変化させる（変化させる範囲が元の距離の０．３〜５倍程度）方法、圧力を徐々に又は急激に低下させる（低下させる圧力範囲が０．２〜０．３ｐａ程度）方法等によって成膜する方法が挙げられる。さらに、スパッタ法で保護膜を形成する際、基板の温度を徐々に又は急激に上昇または低下させる（変化させる温度範囲が０〜２５０℃程度）方法を用いてもよい。この後、任意に熱処理を行ってもよい。

また、下層膜をスパッタ法で、上層膜を蒸着法で形成するなど、部分的に異なる成膜方法を採用する方法を用いてもよい。この際、まず、酸化ジルコニウムからなるターゲットを用いたスパッタ法で成膜し、その後、ジルコニウム膜を蒸着法により成膜し、その途中又は後に熱処理を行ってもよいし、ジルコニウム膜を各方法で形成した後に、熱処理を行って酸化ジルコニウム膜としてもよい。また、各方法での成膜時に徐々に又は急激に真空度を変えてもよいし（例えば、０．０１〜２．０ｐａ程度の範囲内で）、徐々に又は急激に基板温度を変えてもよい（例えば、４００〜１２００℃程度の範囲内で）。

イオンプレーティング法により酸化ジルコニウムを成膜する場合、成膜途中から、酸素ガスをプラズマ化させてこの酸素プラズマをジルコニウム膜中に取り込ませて成膜する方法、ＣＶＤ法により成膜する際に、酸素ガス又は原料酸素含有ガスの流量を制御する方法を用いてもよい。
加えて、ジルコニウム膜を途中まで形成した後、熱処理し、引き続き成膜して熱処理するなどの多段階での熱処理を利用してもよい。

熱処理の方法としては、例えば、ランプアニール処理、加熱炉によるアニール処理、水蒸気酸化などを利用することができる。また、ジルコニウム膜を成膜した後の酸化処理として、電子線照射、イオン銃を用いて酸素イオンを照射する方法、レーザアブレーション等を利用してもよい。熱処理及び酸化処理の程度は、得ようとする材料、膜厚等によって適宜調整することができる。
さらに、これらの方法を任意に組み合わせてもよい。
なかでも、ジルコニウム膜を形成した後、成膜されたジルコニウム膜に酸素を含有させる方法（具体的には、熱酸化）は、得られた酸化ジルコニウムの面内方向での酸素（酸化）のばらつきを防止することができ、面内方向において均一な組成の膜を形成することができる。

保護膜の成膜初期における半導体層表面のダメージを最小限に止めるために、保護膜の組成等にかかわらず、成膜初期は、緩和な条件で成膜することが好ましい。例えば、スパッタ法を用いる場合には、成膜レートを小さく設定するか、ＲＦパワーを小さく設定するなどが例示される。この成膜初期の緩和な条件での成膜は、例えば、１００Å程度以下の膜厚で行うことが適当である。
保護膜の膜厚は、用いる材料及び成膜方法などによって適宜調整することができ、例えば、酸化ジルコニウム膜のみで形成される場合には０．０１〜１μｍ程度、最上層に配置される場合には、０．０１〜１μｍ程度（少なくとも２層で形成される最上層の場合も含む）、少なくとも２層で形成される場合の総膜厚０．０１〜１μｍ程度が挙げられる。また、別の観点から、リッジが形成されている場合には、リッジの高さよりも低い膜厚とすることが適当である。保護膜は、リッジ側面にも形成されていることが好ましく、この場合、リッジ両側の半導体層の露出面上に形成される保護膜に対して、同一膜厚か、またはやや薄い膜厚となる。

保護膜は、リッジの両側、例えば、半導体層と、後述する電極とが直接接触して、電気的な接続をとる領域以外の半導体層の表面領域に形成することができる。半導体層と電極との接続領域は、通常、リッジ上面のほぼ全面であるため、この領域以外の半導体層の表面領域に保護膜が形成されることとなる。なお、保護膜は、必ずしも、リッジ側面及び半導体層の表面領域の全てにおいて密着していることは必要ではなく、リッジ側面から、リッジ両側の窒化物半導体層の表面にわたる領域の少なくとも一部にエアギャップを有するように形成されていてもよい（例えば、図１（ｂ）中１５参照）。エアギャップの形状は特に限定されず、所望の大きさ、形状とすることができる。このように、リッジの両側の一部にエアギャップを有することにより、光閉じ込めを安定化させ、水平横モードの制御を可能とするため、閾値を低下することができる。これにより、さらなる投入電力の低下及び寿命特性の向上を図ることが可能になる。特に、本発明の保護膜のように、表面が緻密で、及び／又は表面粗さが小さい場合には、エアギャップ以外の部分で、保護膜と窒化物半導体層等との密着性を確保できるため、光閉じ込め及びキンクの防止を効果的に実現することができる。

電極は、通常、半導体層に対して一対で形成される。例えば、ｎ型半導体層（導電対基板）に対してｎ電極、ｐ型半導体層に対してｐ電極が形成される。通常、電極として用いることができる材料のいずれによっても形成することができ、いずれの膜厚、いずれの形状に形成してもよい。例えば、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ランタン（Ｌａ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、イットリウム（Ｙ）等の金属、合金；ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ₂等の導電性酸化物等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。なかでも、抵抗が低いものが好ましい。ｐ電極としては、例えば、Ｎｉ−Ａｕ系、Ｎｉ−Ａｕ−Ｐｔ系、Ｐｄ−Ｐｔ系、Ｎｉ−Ｐｔ系の電極材料、ｎ電極としては、Ｔｉ−Ａｌ系、Ｖ−Ｐｔ系、Ｔｉ−Ａｌ−Ｔｉ−Ｐｔ系、Ｗ−Ａｌ−Ｗ系、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｔｉ−Ｐｔ系の電極材料等が挙げられる。これら電極は、例えば、１０００Å〜１０μｍ程度の膜厚で形成することができる。

電極材料としては、保護膜上のほぼ全面に渡って形成する場合には、特に光の吸収膜として機能するものを選択してもよい。これにより、保護膜だけでは完全に閉じ込めることができない、いわゆるしみだし光を吸収膜で吸収させることができ、良好なＦＦＰを有するレーザ光を得ることができる。

本発明の半導体レーザ素子では、保護膜上には電極及び／又は第２の保護膜が積層されて形成されていてもよい。第２の保護膜としては、特に限定されるものではなく、例えば、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ又はポリイミドの単層膜又は積層膜が挙げられる。第２の保護膜は、半導体層の側面を保護及び絶縁することができる。
以下に、本発明の半導体レーザ素子の実施例を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例には限定されない。

実施例１
この実施例の半導体レーザ素子は、図１（ａ）に示すように、基板１０上に、ｎ型半導体層１１、活性層１２、ｐ型半導体層１３がこの順に積層されており、基板１０及びｐ型半導体層１３に、それぞれ電極２０、１７が接続されて構成されている。ｐ型半導体層１３表面にはストライプ状のリッジ１４が形成されており、さらに、リッジ１４の側面を含む両側のｐ型半導体層１３の露出面に、保護膜１６が形成されている。リッジ１４上面には、リッジと電気的に接続され、一部保護膜１６上にわたるｐ電極１７が形成されている。また、半導体層の側面には、その一部が保護膜１６上に及ぶ第２の保護膜１８が形成されている。基板１０裏面には、ｎ電極２０が形成されている。

この半導体レーザ素子は、以下のように製造することができる。
まず、窒化物半導体基板上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、Ｓｉをドープしたｎ型Ａｌ_0.036Ｇａ_0.964Ｎからなるｎ側クラッド層を２００００Å、ＧａＮからなるｎ側光ガイド層を１９００Å積層した。続いて、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる障壁層１４０Å、Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなる井戸層７０Å、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる障壁層１４０Åを積層し、さらにこの上に井戸層と障壁層とを１層ずつ積層し、量子井戸構造の活性層を形成した。ここで、障壁層にはＳｉをドープする。さらに、ＭｇをドープしたＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるｐ側キャップ層を１００Å、ＧａＮからなるｐ側光ガイド層を１２５０Å積層する。Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎよりなる層２．５０Å、ＭｇをドープしたＧａＮからなる層２．５０Åの膜厚で成長させ、合計膜厚４５００Åの超格子構造のｐ側クラッド層（平均Ａｌ混晶０．０５０）を積層した。最後に、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ側コンタクト層１５０Åを成長させた。

以上のように基板上に窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層側から、ｐ側窒化物半導体層、活性層、ｎ側窒化物半導体層の一部を順次エッチングし、ｎ側窒化物半導体層を露出させた。このｎ側窒化物半導体層を露出させる工程は省略することもできる。
最上層のｐ側コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、ＳｉＯ₂膜を０．５μｍの膜厚で形成し、このＳｉＯ₂膜をストライプ幅１．６μｍに加工した。続いて、ＳｉＯ₂膜をマスクとして用いて、ｐ側コンタクト層およびｐ側クラッド層、さらにはｐ側光ガイド層の一部が露出するまでエッチングして、ｐ側光ガイド層の膜厚が１０００Åとなる深さまでエッチングすることにより、幅が略１．６μｍのリッジストライプを形成した。

次に、ＳｉＯ₂膜及び露出しているｐ側窒化物半導体層の上に、保護膜として酸化ジルコニウムを形成した。この保護膜は、マグネトロンスパッタ装置を利用して形成した。具体的には、酸化ジルコニウムからなるターゲットと、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、ＲＦパワー２５０Ｗ、成膜圧力０．２Ｐａにて、膜厚１０００Åで形成した。保護膜を形成した後、酸素雰囲気下で、６００℃にて２０分間熱処理した。
次いで、ウェハをフッ酸に浸漬し、ＳｉＯ₂膜をリフトオフ法により除去した。これにより、ｐ側コンタクト層の上に設けられていたＳｉＯ₂膜が除去されて、ｐ側コンタクト層が露出する。また、保護膜は、リッジの両側及びｐ側光ガイド層の上面に残る。
続いて、リッジ上面の露出したｐ側コンタクト層の表面及び保護膜上に、Ｎｉ−Ａｕ（１００Å−１５００Å）の順にｐ電極を積層した。ｐ電極はストライプ幅を１５μｍとしており、ｐ側コンタクト層上のみならず保護膜の上に渡って形成した。

次に、ｐ電極上に、所望の形状のマスクを形成し、ＳｉＯ₂膜を、窒化物半導体層の側面から上面にわたって形成した。
続いて、マスクを除去した後、ｐ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）の順にパッド電極を積層した。
その後、窒化物半導体基板の裏面にＶ−Ｔｉ−Ａｕ（１００Å−２０００Å−３０００Å）よりなるｎ電極を形成した。
続いて、ウェハをリッジに垂直な方向に、劈開により分割して共振器面を形成することにより、ウェハをバー状にし、ｐ電極に平行な方向で、ウェハをチップ状に分割してレーザ素子（共振器長６００μｍ）を得た。

なお、比較のため、保護膜として、マグネトロンスパッタ装置を利用して、ジルコニウムからなるターゲットと、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素ガスとを用い、ＲＦパワー３００Ｗ、成膜圧力０．２Ｐａにて、１０００Åの酸化ジルコニウム膜を形成する以外は実施例１と同様にしてレーザ素子を形成した。
以上より得られる実施例及び比較例のレーザ素子における保護膜の密度をＸＲＤ装置（PHILIPS （日本フィリップス株式会社）社製PW3040/00 MRD）を用い、入射角を大きくして光を全反射させ、その反射光により解析して測定した。また、表面粗さを測定した。
その結果、実施例のレーザ素子では、密度が５．４３２１ｇ／ｃｍ³、表面粗さが２７．９９Åであった。

比較例の素子では、密度が、４．１９１５４ｇ／ｃｍ³、表面粗さが５１．６４Åであった。
実施例のレーザ素子をヒートシンクに設置し、ｐ電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振させたところ、発振波長４００〜４２０ｎｍ、閾値電流３８．２ｍＡ、Ｖｆ ３．６９ｍＶ、Ｅｔａ １．３９８ｍＷ／ｍＡにおいて室温で良好な連続発振を示す。さらに、光出力がＣＷ８０ｍＷ以上、動作温度が７０℃の状態で寿命が１万時間と、特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができた。

上記実施例の保護膜の形成方法により、保護膜を２０００Å、３０００Å、４０００Åと厚膜で形成し、その表面粗さを測定したところ、図２に示すように、それぞれ２０．９７Å、２１．４２Å及び１９．２１Åであり、膜厚にかかわらず、表面粗さに変化は認められず、表面形状が安定していることが確認された。一方、比較例においては、保護膜を２０００Å及び３０００Åと厚膜とするにしたがって、表面粗さがそれぞれ９０．７８７Å及び１０５．５Åであり、膜厚の増加とともに、表面粗さが粗くなっていることが確認された。

つまり、実施例では、保護膜の膜厚を変化させても保護膜の表面粗さは５０Å以下であるために、保護膜と他の部材（電極等）との密着性が安定する。特に、保護膜とｐ電極との密着性を向上させることによって、ｐ電極とｐコンタクト層との密着を向上させることができる。そのため電極剥がれを防止することができる。
また、実施例及び比較例のレーザー素子について、電流に対するＩ−Ｌ（光強度）を測定することにより、キンクの発生を評価した。その結果を図３に示す。なお、図３においては、Ｉ−Ｌを微分することによりΔＬとして表示した。

図３によれば、実施例のレーザ素子では、５０ｍＡの電流を印加し、徐々にその電流を大きくしても略一定のΔＬを示した。つまり、この窒化物半導体レーザ素子は、
５０ｍＡ以上の電流を印加した場合のΔＬが１以上であった。一方、比較例では、５
０ｍＡ付近から徐々に下がりだし、１００〜１２５ｍＡにかけてΔＬが漸減した。こ
れは、比較例において、部分的な電極剥がれが発生することにより、部分発光してキンクが生じると考えられるが、実施例においては、電極等の剥がれが抑制され、キンクが改善されることが確認された。

実施例２
保護膜として、マグネトロンスパッタ装置を利用して、酸化ジルコニウムからなるターゲットと、スパッタガスとしてアルゴンガスとを用い、ＲＦパワー３００Ｗ、成膜圧力０．２Ｐａにて、１０００Åの酸化ジルコニウム膜を形成し、得られた膜を酸素雰囲気下で、６００℃にて２０分間熱処理する以外は、実施例１と同様にしてレーザ素子を形成する。
得られるレーザ素子について密度及びその特性を評価したところ、実施例１と同等である。

実施例３
保護膜として、マグネトロンスパッタ装置を利用して、酸化ジルコニウムからなるターゲットと、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、ＲＦパワー２５０Ｗ、成膜圧力０．１Ｐａにて、１０００Åの酸化ジルコニウム膜を形成し、得られた膜を酸素雰囲気下で、６００℃にて２０分間熱処理する以外は、実施例１と同様にしてレーザ素子を形成する。
得られるレーザ素子について密度及びその特性を評価したところ、実施例１と同等である。

実施例４
保護膜として、マグネトロンスパッタ装置を利用して、酸化ジルコニウムからなるターゲットと、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、ＲＦパワー２００Ｗ、成膜圧力０．０５Ｐａにて、１０００Åの酸化ジルコニウム膜を形成し、得られた膜を酸素雰囲気下で、６００℃にて２０分間熱処理する以外は、実施例１と同様にしてレーザ素子を形成する。
得られるレーザ素子について密度及びその特性を評価したところ、実施例１と同等でである。

実施例５
保護膜として、ＥＣＲスパッタ装置を利用して、ジルコニウムからなるターゲットと、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素ガスとを用い、ＲＦパワー３５０Ｗ、成膜圧力０．１Ｐａにて、１０００Åの酸化ジルコニウム膜を形成し、得られた膜を酸素雰囲気下で、６００℃にて２０分間熱処理する以外は、実施例１と同様にしてレーザ素子を形成する。
得られるレーザ素子について密度及びその特性を評価したところ、実施例１と同等でである。

実施例６
この半導体レーザ素子は、０．３°のオフアングルを有する窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層として、表１に示す積層構造を第１下地層から順に形成する。また、実施例１と同様に、リッジ幅が２．０μｍで、リッジ深さをｐガイド層まで１０００Åエッチングして形成し、共振器長を６５０μｍとする。保護膜を、ＥＣＲスパッタによって、酸化ジルコニウム２０００Å、表面粗さ（Ｒａ）５０Å以下で形成する。さらに、ｐコンタクト層上にｐ電極をＮｉ（１００Å）／Ａｕ（１５００Å）で形成する。窒化物半導体基板の裏面に、ｎ電極をＶ（１００Å）／Ｔｉ（２０００Å）／Ａｕ（３０００Å）のレーザ素子を形成する。

このレーザ素子をヒートシンクに設置し、実施例１と同様にレーザ発振させたところ、発振波長３７０ｎｍにおいて、室温で良好な連続発振を示す。さらに、光出力がＣＷ３０ｍＷ以上、動作温度が２５℃の状態で寿命が８０００時間と、特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができる。
このように、波長が短いＵＶでは、特に利得を増やす必要があり、そのために光閉じ込めを強くすべく保護膜の膜厚を増大させることが考えるが、本実施例のように、保護膜が密で、厚膜（例えば、２０００Å又はそれ以上）においてもその表面粗さを小さくすることができるために、密着性を向上させることができる。これによって電極等の剥がれを防止しするとともに、キンクを改善することができる。

実施例７
この半導体レーザ素子は、０．３°のオフアングルを有する窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層として、表２に示す積層構造を第１下地層から順に形成し、実施例１と同様に、リッジ幅が２．０μｍで、リッジ深さをｐガイド層まで１８００Åエッチングして形成し、共振器長を６００μｍとする。保護膜を、ＥＣＲスパッタによって、酸化ジルコニウムを膜厚１５００Å、表面粗さ（Ｒａ）５０Å以下で形成する。次に、ｐコンタクト層上にｐ電極をＮｉ（１００Å）／Ａｕ（１５００Å）で形成し、窒化物半導体基板の裏面にｎ電極をＶ（１００Å）／Ｔｉ（２０００Å）／Ａｕ（３０００Å）で形成して、レーザ素子とする。

このレーザ素子をヒートシンクに設置し、実施例１と同様にレーザ発振させたところ、発振波長４４５ｎｍにおいて、室温で良好な連続発振を示す。さらに、光出力がＣＷ３０ｍＷ以上、動作温度が５０℃の状態で寿命が１万時間と、特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができる。
このように、発振波長が４２０ｎｍ以上の長波長のＬＤでは、発振波長が４００ｎｍ帯のＬＤに比べて利得を増やす必要がある。そのために、光閉じ込めを強くすべく保護膜の膜厚を増大させることが考えられるが、本実施例のように、保護膜の密度が５ｇ／ｃｍ³以上で、厚膜（例えば、２０００Å又はそれ以上）においてもその表面粗さを小さくすることができるために、保護膜と他の部材との密着性を向上させることができる。これによって電極等の剥がれを防止するとともに、キンクを改善することができる。

実施例８
この半導体レーザ素子は、０．３°のオフアングルを有する窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層として、表３に示す積層構造を第１下地層から順に形成する。次に、リッジ幅が２．０μｍで、リッジ深さをｐガイド層まで１８００Åエッチングして形成し、共振器長を６００μｍとする。次に、保護膜を、ＥＣＲスパッタによって、酸化ジルコニウムを２０００Å、表面粗さ（Ｒａ）５０Å以下で形成する。その後、ｐコンタクト層上にｐ電極をＮｉ（１００Å）／Ａｕ（１５００Å）で形成し、前記窒化物半導体基板の裏面にｎ電極をＶ（１００Å）／Ｔｉ（２０００Å）／Ａｕ（３０００Å）の順に形成してのレーザ素子とする。

このレーザ素子をヒートシンクに設置し、実施例１と同様にレーザ発振させたところ、発振波長４７０ｎｍにおいて、室温で良好な連続発振を示す。さらに、光出力がＣＷ２０ｍＷ以上、動作温度が５０℃の状態で寿命が５０００時間と、特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができる。
このように、発振波長が４５０ｎｍ以上のＬＤでは、特に利得を増やす必要がある。そのために、光閉じ込めを強くすべく保護膜の膜厚を増大させることが考えられるが、本実施例のように、厚膜（例えば、２０００Å又はそれ以上）においてもその表面粗さを５０Å以下に維持することができるために、密着性を向上させることができる。これによって電極等の剥がれを防止しするとともに、キンクを改善することができる。

本発明の半導体レーザ素子は、レーザ素子を応用することができる全てのデバイス、例えば、ＣＤプレーヤ、ＭＤプレーヤ、各種ゲーム機器、ＤＶＤプレーヤ、電話回線や海底ケーブル等の基幹ライン・光通信システム、大容量・高密度の情報記録・再生録画が可能な光ディスクシステム、露光用光源、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源、レーザメス、レーザ治療機、レーザ指圧機等の医療機器、レーザビームプリンタ、ディスプレイ等の印刷機、各種測定装置、レーザ水準器、レーザ測長機、レーザスピードガン、レーザ温度系等の光センシング機器、レーザ電力輸送等の種々の分野において利用することができる。

本発明の半導体レーザ素子の要部の概略断面図である。 本発明の半導体レーザ素子における保護膜の膜厚と表面粗さとの関係を示すグラフである。 本発明の半導体レーザー素子におけるΔＬと電流との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 基板
１１ ｎ型半導体層
１２ 活性層
１３ ｐ型半導体層
１４ リッジ
１５ エアギャップ
１６ 保護膜
１７ ｐ電極
１８ 第２の保護膜
１９ パッド電極
２０ ｎ電極

Claims (8)

1. 基板と、前記基板上に積層された半導体層と、前記半導体層に電流注入領域を構成するリッジと、リッジに接続された電極と、該リッジの両側に形成された保護膜を有する半導体レーザ素子であって、
   前記保護膜の密度が５ｇ／ｃｍ³以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 基板と、前記基板上に積層された半導体層と、前記半導体層に電流注入領域を構成するリッジ部と、該リッジ部の両側に形成された保護膜を有する半導体レーザ素子であって、
   前記保護膜の表面粗さ（Ｒａ）が３０Å以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 基板と、前記基板上に積層された半導体層と、前記半導体層に電流注入領域を構成するリッジ部と、該リッジ部の両側に形成された保護膜を有する半導体レーザ素子であって、
   前記保護膜の膜厚が５００Å以上において、該保護膜の表面粗さ（Ｒａ）が５０Å以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 保護膜が、前記リッジの露出面も被覆しており、該保護膜上には電極又は第２の保護膜が積層されてなる請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
5. 保護膜が、単層で構成されてなる請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 保護膜が、２層以上の積層構造の膜で構成されてなる請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 保護膜が酸化物からなる請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 保護膜が、酸素とジルコニウムとを含有する請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
   
   
   
   

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