JP2007150269A - 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体レーザの横モードを安定化させて、低閾値の窒化物半導体レーザ素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、前記リッジの側面から、該リッジの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第１の保護膜が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、より詳細には、リッジ導波路構造を有した窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。

窒化物半導体は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、０≦ｘ＋ｙ≦１）の化合物半導体によって形成されており、これを用いた半導体レーザ素子は、次世代ＤＶＤなどの大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用、パーソナルコンピュータ等の電子機器への利用に対する要求が高まりつつある。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子の研究は、盛んに行われている。

また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広い可視光の波長域での発振が可能と考えられていることから、その応用範囲は、レーザ プリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。

特に、レーザ素子構造に関しては、種々の研究がなされており、横モードの好適な制御を可能にする構造、低消費電力化、高出力化、高信頼性、小型化、長寿命化などを図るための構造などが提案されている。なかでも、特に有望視されている構造として、リッジ導波路構造を有するものがあり、世界に先駆けて出荷が開始された窒化物半導体レーザ素子でも、このリッジ導波路構造が採用されている。

また、窒化物半導体レーザ素子では、さらに厳しい閾値の低減が要求されている。そして、レーザ素子の閾値の低減には、水平横モードを安定させることが必要となる。
通常、リッジ導波路構造を用いるレーザ素子では、水平横モードを安定化させるためには、横モードの光閉じ込めを制御性及び再現性よく行わなければならず、そのために、屈折率の低い保護膜を埋込膜として用いることが知られている。

例えば、リッジ部の両側に誘電体膜からなる埋込層を形成することによって、横モードの制御を可能にする化合物半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献１）。
また、第２の第２導電型クラッド層及び第２導電型キャップ層からなるリッジと、リッジ頭頂部以外のリッジ側面に形成された誘電体膜と、リッジを覆う電極金属層とからなるレーザ素子において、リッジの上側面部分であって、誘電体膜又は電極金属層と続いて形成される厚膜電極との間に空洞を有するものが提案されている（例えば、特許文献２）。
特開平１０−２７０７９２号 特開２００５−１６６７１８号

しかし、リッジの側面及びリッジ両側の窒化物半導体層の表面に屈折率の低い保護膜を形成したレーザ素子の光閉じ込めは、この保護膜の材料に依存される。
また、水平横モードの光閉じ込めは、リッジ両側の半導体層に形成される保護膜の膜厚や密着状態に影響を受けるため制御が困難であった。

例えば、特許文献１のような構造では、埋込層が半導体層露出部からリッジ上面と同じ高さになる厚さに形成されているため、半導体層と埋め込み層との熱膨張係数差によって埋込層と半導体層の界面で剥がれがおこり、電流がリークする恐れがある。また、埋込層にクラックが入り、そこから電流がリークする恐れもある。

特許文献２の半導体レーザ素子の構造は、リッジの側面に形成された誘電体膜の外側にエアギャップを有するため、横モードの制御は期待できない。しかも、この半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ系半導体の素子であるためリッジが庇形状となるが、窒化物半導体ではリッジ形状が庇形状に形成されることは起こりにくい。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、特に、窒化物半導体レーザの横モードを安定化させて、低閾値の窒化物半導体レーザ素子とその製造方法を提供す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、該基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、前記リッジの側面から、該リッジの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第１の保護膜が形成されてなるか、あるいは前記リッジの両側の窒化物半導体層の表面上にエアギャップを介して第１の保護膜と電極とが順に形成されてなることを特徴とする。

この窒化物半導体レーザ素子においては、（１）エアギャップはストライプ状に存在するか、（２）エアギャップは、その高さｈ₁がリッジの高さｈ₂に対して１／５０以上１未満であるか、（３）エアギャップは、その断面積Ｓ₁が０．０００１〜１μｍ²であるか、（４）第１の保護膜は窒化物半導体層よりも屈折率が小さいか、（５）さらに、第１の保護膜上に第２の保護膜を有するか、（６）電極は、窒化物半導体層及び第１の保護膜上に形成されてなることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に窒化物半導体層を形成し、該窒化物半導体層上に第１のマスクパターンを形成して、該第１のマスクパターンを用いてエッチングすることによりリッジを形成し、前記リッジの両側に第２のマスクパターンを形成し、前記第１のマスクパターン、第２のマスクパターン、リッジ形成後に露出している窒化物半導体層上に、第１の保護膜を形成し、前記第１のマスクパターン上に存在する第１の保護膜と、前記第１のマスクパターンと、第２のマスクパターンとを除去することにより、前記リッジ側面から、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形成することを含むことを特徴とする。

本発明によれば、リッジ両側にエアギャップを形成することにより、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。

また、本発明によれば、リッジの両側にエアギャップを制御よく形成することができ、高性能の窒化物半導体レーザ素子を簡便に製造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、窒化物半導体層、電極及び第１の保護膜を含んで構成される。
例えば、図６（ａ）に示したように、２つの主面を有する基板１０上に、窒化物半導体層として、ｎ型半導体層１１、活性層１２、ｐ型半導体層１３がこの順に形成されている。窒化物半導体の表面にはリッジ１４が形成されており、リッジ１４の側面から、窒化物半導体層の表面にわたってエアギャップ１５が配置するように、窒化物半導体層の表面に第１の保護膜１６が形成されている。リッジ１４上面にはｐ電極１７が、基板１０の下面にはｎ電極２０が、それぞれ形成されている。なお、図１に示したように、基板の上面にｐ電極１７及びｎ電極２０が形成されていてもよい。

また、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、リッジの両側の窒化物半導体層の表面上にエアギャップを介して、第１の保護膜、電極が順に形成されていることが好ましい。このようにリッジ上に形成された電極が第１の保護膜上にも連続して形成されることで、リッジを含めた窒化物半導体層と第１の保護膜とが、これらの界面で剥がれることを抑制することができる。また、エアギャップを介して第１の保護膜及び電極が形成されているので、電極による光吸収を抑制することができる。

本発明において、基板は、絶縁性基板であってもよいし、導電性基板であってもよい。絶縁性基板の場合には、窒化物半導体層の一部を厚さ方向に除去して、ｎ型半導体層に接触するようにｎ電極が形成されていてもよい。

窒化物半導体層としては、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できる。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る。また、ｐ型半導体層は、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等を含有している。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。
窒化物半導体層は、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、本発明は、これらの構造に限定されるものではない。

前記窒化物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、窒化物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。

窒化物半導体層、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、その幅は１．０μｍ〜３０．０μｍ程度、さらに、１．０μｍ〜３．０μｍ程度が好ましい。その高さ（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、共振器方向の長さが１００μｍ〜１０００μｍ程度になるように設定することが好ましい。また、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。

リッジの側面から、リッジの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、エアギャップが配置されている。エアギャップは、リッジを含む窒化物半導体層の表面を被覆する第１の保護膜によって規定されることとなる。従って、エアギャップは、リッジの形状に対応してストライプ状に存在することが好ましい。これにより、リッジのストライプ方向の全領域に渡って、均一に光閉じ込めを実現することができるからである。ただし、リッジのストライプ方向に均一に配置しておらず、例えば、幅及び／又は高さが異なっていてもよいし、ストライプ方向で複数に分離されて配置していてもよい。

エアギャップは、例えば、その高さｈ₁がリッジの高さｈ₂に対して１／５０以上、１未満、さらに、１／５以上、１未満であることが好ましい。エアギャップの幅は、リッジ幅と同程度又はそれ以下、具体的には、１００Åから３μｍ程度、さらには１０００Åから５０００Å程度が好ましい。エアギャップのリッジのストライプ方向に垂直な断面積Ｓ₁は、０．０００１〜１μｍ²程度、さらに、０．０１〜０．０５μｍ²程度であることが好ましい。また、エアギャップ１５の断面形状としては、図５（ａ）〜（ｆ）に示すように、矩形、三角形、Ｌ字型等が種々の形状が挙げられる。それぞれの断面形状を有するエアギャップ１５において、エアギャップ１５の高さと幅を比較したとき、高さの方が大きい（縦長）エアギャップでもよいし、幅の方が大きい（横長）エアギャップでもよいし、高さ・幅が同程度のエアギャップでもよい。高さよりも幅の大きい横長のエアギャップの場合、電極の光吸収抑制に特に効果がある。また、幅よりも高さの大きい縦長のエアギャップの場合、リッジ内の光閉じ込めに特に効果的である。以上のことから、電極の光吸収抑制とリッジ内の光閉じ込めの両方の効果を達成することのできるＬ字型のエアギャップを設けることがより好ましい。

このようなエアギャップがリッジと第１の保護膜との間に配置されることにより、エアギャップとリッジとの屈折率差により、リッジ内に効率的に光を閉じ込めることができる。つまり、空気は、屈折率が比較的小さい（１．０）ため、リッジと第１の保護膜との間にエアギャップが存在しない（リッジと保護膜の屈折率差により光を閉じ込める）場合と比較して、リッジ内外の屈折率差が大きくなり、リッジ内への光閉じ込めを強くすることができる。しかも、エアギャップを有することにより、第１の保護膜のアニールによる屈折率の変化の影響を受けにくくなるため、安定して横方向の光を閉じ込めることができる。これにより、閾値を低下させることができ、投入電力の低下及び寿命特性の向上を達成することができる。

第１の保護膜は、エアギャップを形成できるように、窒化物半導体層の表面及びリッジの側面にわたって形成されていればよい。この膜は、例えば、窒化物半導体層よりも屈折率が小さな絶縁材料によって形成することができる。具体的には、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ等の酸化物及び窒化物等の単層又は複数層が挙げられる。このように、リッジの側面から、リッジの両側の窒化物半導体表面にわたって第１の保護膜が形成されていることにより、窒化物半導体層、特にｐ型半導体層に対する屈折率差を確保して、活性層からの光の漏れを制御することができ、リッジ内に効率的に光閉じ込めができるとともに、リッジ基底部近傍における絶縁性をより確保することができ、リーク電流の発生を回避することができる。なお、第１の保護膜の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、１００Å〜２００００Å程度、好ましくは１００Å〜５０００Åとすることが適当である。

本発明における電極１７は、図４のように、窒化物半導体層１３及び第１の保護膜１６上に形成されることが好ましい。電極が最上層の窒化物半導体層及び第１の保護膜上に連続して形成されていることにより、第１の保護膜の剥がれを防止することができる。図１及び図６(ａ）のようにリッジ１４側面まで電極１７が形成されていると、リッジ１４側面に形成された第１の保護膜１６について特に効果的である。また、エアギャップ１５を介して第１の保護膜１６及び電極１７が形成されているので、電極による光吸収を抑制することができる。

電極は、一対の電極、つまりｐ電極及びｎ電極を意味する。電極は、例えば、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム、ＩＴＯ等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５００〜５０００Å程度が適当である。電極は、少なくともｐ型及びｎ型半導体層又は基板上にそれぞれ形成していればよく、さらにこの電極上にパッド電極等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。

また、第１の保護膜上には、第２の保護膜が形成されていることが好ましい。第２の保護膜は、少なくとも窒化物半導体層表面において第１保護膜上に配置していればよく、第１保護膜を介して又は介さないで、窒化物半導体層の側面及び／又は基板の側面又は表面等をさらに被覆していることが好ましい。第２の保護膜は、第１の保護膜と同様の材料で形成することができる。これにより、絶縁性のみならず、露出した側面又は表面等を確実に保護することができる。

また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法では、まず、基板上に窒化物半導体層を形成する。
この基板としては、例えば、第１主面及び／又は第２主面に０°以上１０°以下のオフ角を有する窒化物半導体基板とする。その膜厚は５０μｍ以上１０ｍｍ以下、好ましくは１００μｍ以上１０００μｍ以下である。窒化物半導体基板は、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。なお、市販のものを用いてもよい。

この窒化物半導体基板の第１主面上に、窒化物半導体層を成長させる。
窒化物半導体層は、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を、この順に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、減圧〜大気圧の条件で成長させる。なお、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層は、単一膜構造、多層膜構造又は組成比が互いに異なる２層からなる超格子構造としてもよい。

ｎ型半導体層は、多層膜で形成することが好ましい。例えば、第１のｎ型半導体層としてはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）、好ましくはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．３）である。具体的な成長条件としては、反応炉内での成長温度を１０００℃以上、圧力を６００Ｔｏｒｒ以下とする。また、第１のｎ型半導体層はクラッド層として機能させることができる。膜厚は０．５〜５μｍ程度が適当である。

第２のｎ型半導体層は、光ガイド層として機能させることができ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）によって形成することができる。膜厚は０．０５〜５μｍであればよく、０．５〜５μｍが適当である。

活性層は、少なくともＩｎを含有している一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を有することが好ましい。Ａｌ含有量を高くすることで紫外域の発光が可能となる。また、長波長側の発光も可能であり３６０ｎｍ〜５８０ｎｍまでが発光可能となる。活性層を量子井戸構造で形成することにより、発光効率を向上させることができる。

活性層上にｐ型半導体層を積層する。第１のｐ型半導体層としてはｐ型不純物を含有したＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）とする。第１のｐ型半導体層１６１はｐ側電子閉じ込め層として機能する。第２のｐ型半導体層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）、第３のｐ型半導体層は、ｐ型不純物を含有したＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）で形成することができる。第３のｐ型半導体層はＧａＮとＡｌＧａＮとからなる超格子構造であることが好ましく、クラッド層として機能する。第４のｐ型半導体層は、ｐ型不純物を含有したＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）で形成することができる。これらの半導体層にＩｎを混晶させてもよい。なお、第１のｐ型半導体層、第２のｐ型半導体層は省略可能である。各層の膜厚は、３０Å〜５μｍ程度が適当である。

任意に、窒化物半導体層をエッチングして、ｎ型半導体層（例えば、第１のｎ型半導体層）を露出させてもよい。露出は、例えば、ＲＩＥ法により、Ｃｌ₂、ＣＣｌ₄、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄ガス等を用いて行うことができる。これによって、応力を緩和させることができる。また、このｎ型半導体層の露出の際に、ストライプ状の導波路領域に垂直な端面を露出するようにエッチングすることで、共振器面を同時に形成することもできる。ただし、共振器面の形成は、劈開によって、これとは別工程で行ってもよい。

その後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃以上の温度でアニールして、ｐ型半導体層を低抵抗化することが好ましい。
次いで、窒化物半導体層上に第１のマスクパターンを形成して、第１のマスクパターンを用いてエッチングすることによりリッジを形成する。

第１のマスクパターンは、例えば、ＳｉＯ₂等の酸化膜、ＳｉＮ等の窒化物を用いて、フォトリソグラフィ及びエッチング工程等の公知の方法を利用して、所望の形状に形成することができる。第１のマスクの膜厚は、リッジが形成された後に、リッジ上に残存する第１のマスクパターンが、後の工程でリフトオフ法により除去することができるような膜厚であることが適当である。例えば、０．１〜５.０μｍ程度が挙げられる。

例えば、第１のマスクをＣＶＤ装置等を用いて、ＳｉＯ₂マスクとして成膜する際の条件としては、ＳｉＨ₄ガス流量１〜２０ｓｃｃｍ（Standard cc(cm³)/min)、Ｎ₂Ｏガス流量３０〜３００ｓｃｃｍ程度であり、その際の基板温度は２００〜５００℃程度で形成することが好ましい。

また、ＲＩＥ法等を用いて第１のマスクパターンを所望の形状にエッチングすることが好ましい。
その後、第１のマスクパターンを利用して、窒化物半導体層をエッチングすることにより、例えば、ストライプ状のリッジを形成する。エッチングは、ＲＩＥ法を用い、Ｃｌ₂、ＣＣｌ₄、ＳｉＣｌ₄及び／又はＢＣｌ₃等のような塩素系のガスを用いることが適している。その際の条件の一例として、Ｃｌ₂ガス流量５〜１００ｓｃｃｍ、ＳｉＣｌ₄ガス流量１０〜３００ｓｃｃｍ程度でエッチングすることが好ましい。また、エッチングの際の基板温度は、特に限定されないが、低温（例えば、６０〜２００℃程度）とすることが好ましい。

次に、リッジの両側に第２のマスクパターンを形成する。この第２のマスクパターンが形成された位置及び空間に、後工程でエアギャップが形成されることとなる。従って、第２のマスクパターンの位置、形状及び大きさは、得ようとするエアギャップの位置、大きさ等を考慮して決定することが適している。例えば、第２のマスクの膜厚（高さ）を０．１〜２．０μｍ程度、幅を０．１〜３５．０μｍ程度とすることが例示される。

第２のマスクパターンは、第１のマスクパターンと同様に又は公知の別の方法等を利用して、リッジが形成された後に、別途、所望の形状に形成することができる。あるいは、リッジを形成する際のエッチング生成物を、第１のマスクパターンの材料及び膜厚、エッチング条件（エッチングガスの種類、温度、時間など）などを適宜調整し、リッジ両側の所望の領域に堆積させることによって、リッジの形成と同時に第２のマスクパターンを形成してもよい。リッジの形成と同時に第２マスクパターンを形成する場合、工程を簡略化することができる。いずれにしても、第２のマスクパターンの形成前後においては、第１のマスクパターンは、形成された領域に配置されたままであることが好ましい。

第２のマスクパターンを形成する方法の一例として、まず、リッジから０．１〜３μｍ程度離れた窒化物半導体層表面にレジストを形成する。その膜厚は、０．５〜５μｍ程度であることが好ましい。

次に、ＳｉＯ₂等からなる第２のマスクパターンを、第１のマスクパターン上、露出した窒化物半導体層上及びレジスト上に形成する。その際、ＥＣＲ装置でＳｉターゲットを用いて、Ａｒガス流量５〜２００ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス流量１〜５０ｓｃｃｍ程度で形成することが好ましい。

その後、剥離液でレジスト及びその上に形成された第２のマスクパターンをリフトオフ法を用いて除去することによりリッジ上及びエアギャップ形成予定位置に第２のマスクパターンを形成する。このとき、リッジ上の第１のマスクパターンの上には第２のマスクパターンが形成されている。この際の第２のマスクパターンの膜厚は、後の工程でリフトオフ法により除去することができるような膜厚に設定することが好ましい。

ここで、第１のマスクパターンと第２のマスクパターンとが同一材料で形成されることが好ましい。この場合には、第１のマスクパターンの膜厚を第２のマスクパターンの膜厚より厚く形成すれば、後の工程において、リッジ上に形成されたマスクパターン及び第１の保護膜を適切に除去することができる。

また、第１の保護膜の形成条件によっては第２のマスクパターンを形成せずに、第１の保護膜を形成することもできる。この場合、工程を簡略化することができる。
続いて、第１のマスクパターン、第２のマスクパターン、リッジ形成後に露出している窒化物半導体層上に、第１の保護膜を形成する。第１の保護膜の形成方法は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。第１の保護膜の膜厚としては、１００〜５０００Å程度の膜厚で形成されるものが好ましい。例えば、ＺｒＯ₂からなる第１の保護膜を形成する場合、マグネトロンスパッタ装置でＺｒターゲットを用いてＡｒガス流量５〜２００ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス流量１〜５０ｓｃｃｍ程度で形成することが好ましい。なお、第１の保護膜は、所定の大きさごとに、例えば、図７に示すように、窒化物半導体レーザ素子ごとにパターン形成することが好ましい（図７中、１６参照)。

次に、第１のマスクパターン上に存在する第１の保護膜と、第１のマスクパターンと、第２のマスクパターンとを除去する。これらの除去は、公知のドライ又はウェットエッチングにより行うことができる。例えば、ＨＦ又はＢＨＦを用いたウェットエッチング、リフトオフ法により行うことが適当である。これにより、リッジの表面が露出するとともに、第２のマスクパターンが同時に除去されて、残存した第１の保護膜によって、リッジの側面から、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が配置されることとなる。

特に、第１の保護膜が、上述したように、図７に示すパターンで形成されている場合には、第１の保護膜１６の端部からエッチング液がしみこんで、第２のマスクパターンを除去することができるとともに、リッジ１４上の第１のマスクパターン、第２のマスクパターン及び第１の保護膜を除去することができる。

その後、リッジの表面である第４のｐ型半導体層にｐ電極を形成する。ｐ電極は、第４のｐ型半導体層上にのみ形成することが好ましい。ｐ電極は、例えば、ＮｉとＡｕとからなる２層構造であれば、まず、第４のｐ型半導体層上にＮｉを５０Å〜２００Åの膜厚で形成し、次に、Ａｕを５００Å〜３０００Åの膜厚で形成する。また、ｐ電極を３層構造とする場合にはＮｉ−Ａｕ−Ｐｔ又はＮｉ−Ａｕ−Ｐｄの順に形成する。ＮｉとＡｕとは２層構造と同じ膜厚であればよく、最終層となるＰｔ、Ｐｄは５００Å〜５０００Åであることが適当である。

ｐ電極を形成した後には、オーミックアニールを行うことが好ましい。例えば、窒素及び／又は酸素含有雰囲気下で、３００℃以上、好ましくは５００℃以上のアニール条件が適当である。

次に、第１の保護膜の上に、第２の保護膜を形成してもよい。第２の保護膜は、当該分野で公知の方法により形成することができる。
任意に、ｐ電極の上にパッド電極を形成してもよい。パッド電極は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ等の金属からなる積層体とすることが好ましい。具体的には、パッド電極は、ｐ電極側からＷ−Ｐｄ−Ａｕ又はＮｉ−Ｔｉ−Ａｕの順に形成する。パッド電極の膜厚は特に限定されないが、最終層のＡｕの膜厚を１０００Å以上とすることが好ましい。

また、窒化物半導体基板の第２主面に、部分的又は全面に、ｎ電極を形成する。例えば、基板側から、Ｖ（膜厚１００Å）、Ｐｔ（膜厚２０００Å）、Ａｕ（膜厚３０００Å）を形成する。ｎ電極は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ、蒸着等で形成することができる。ｎ電極の形成には、リフトオフ法を利用することが好ましく、ｎ電極を形成した後、５００℃以上でアニールを行うことが好ましい。

さらに、ｎ電極上に、メタライズ電極を形成してもよい。メタライズ電極は、例えば、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｓｎ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｓｉ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｇｅ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｉ、Ａｕ／Ｇｅ等により形成することができる。

ｎ電極を形成した後、ストライプ状のｐ電極に垂直な方向であって、窒化物半導体層の共振器端面を形成するために、ウェハをバー状に分割することが好ましい。ここで、共振器端面は、Ｍ面（１−１００）又はＡ面（１１−２０）とする。ウェハをバー状に分割する方法としては、ブレードブレイク、ローラーブレイク又はプレスブレイクがある。

また、共振器端面に、反射ミラーを形成してもよい。反射ミラーはＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅等からなる誘電体多層膜である。反射ミラーは、共振面の光反射側及び／又は光出射面に形成することが好ましい。また、共振面の光反射側及び光出射面に形成することが好ましい。劈開によって形成された共振面であれば、反射ミラーを再現性よく形成することができる。また、エアギャップの端面がミラーによって被覆されていてもよい。これにより、この後の工程やレーザの駆動時に粉塵等がエアギャップに入り込み、エアギャップの機能を低下させるのを防ぐことができる。

バー状となった窒化物半導体基板は、電極のストライプ方向に平行に分割して、窒化物半導体レーザ素子をチップ化することができる。
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

実施例１
上述した製造方法により、窒化物半導体レーザ素子を形成した。
得られた窒化物半導体レーザ素子は、図１に示したように、ＧａＮ基板１０上に、ｎ型半導体層１１として、第１のｎ型半導体層（Ｓｉ：８×１０¹⁷／ｃｍ³〜３×１０¹⁸／ｃｍ³ドープ、Ａｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ、膜厚３．５μｍ）、第２のｎ型半導体層（Ｓｉ：２×１０¹⁸／ｃｍ³〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ドープ、Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ、膜厚：０．１５μｍ）、第３のｎ型半導体層（アンドープＡｌ_0.038Ｇａ_0.962Ｎ（２５Å）とＳｉ：８×１０¹⁷／ｃｍ³〜３×１０¹⁸／ｃｍ³ドープＧａＮ（２５Å）との総膜厚１．２μｍの超格子層）、第４のｎ型半導体層（アンドープＧａＮ、膜厚：０．１７μｍ）が形成されている。

その上に、ＳｉドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる障壁層（１４０Å）と、アンドープＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなる井戸層（７０Å）とが２回交互に積層され、その上に障壁層が形成された、総膜厚５６０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１２が形成されている。

さらに、その上に、ｐ型半導体層１３として、第１のｐ型半導体層（Ｍｇ：１×１０¹⁹／ｃｍ³〜１×１０²⁰／ｃｍ³ドープ、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ、１００Å）と、第２のｐ側窒化物半導体層（アンドープＧａＮ、０．１５μｍ）と、第３のｐ型半導体層（アンドープＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ（２５Å）とＭｇ：１．２５×１０¹⁹／cm³ドープＧａＮ（２５Å）との総膜厚０．４５μｍの超格子層）と、第４のｐ型半導体層（Ｍｇ：１×１０²⁰／cm³ドープ、ＧａＮ、１５０Å）とが形成されている。

ｐ型半導体層の表面には、リッジが形成されており、その両側には、高さ０．４μｍ、幅０．２μｍ程度のエアギャップ１５が２本、ほぼストライプ状に形成されている。
さらに、このエアギャップ１５を被覆するように、膜厚５５０ÅのＺｒＯ₂からなる第１の保護膜１６が形成されている。

また、保護膜１６の上には、Ｎｉ（１００Å）−Ａｕ（１５００Å）からなるｐ電極１７が形成されており、さらに第２の保護膜１８を介して、Ｎｉ（１０００Å）−Ｔｉ（１０００Å）−Ａｕ（８０００Å）からなるｐパッド電極１９が形成されている。

第１のｎ型半導体層上には、Ｔｉ（１００Å）−Ａｌ（５０００Å）からなるｎ電極２０が形成されている。
この窒化物半導体レーザ素子は、以下の製造方法によって形成した。

上述した方法に従って、まず、図２（ａ）に示すように、基板上に窒化物半導体層１３を形成する。次に、ＲＩＥ法を用いてストライプ状の導波路領域に垂直な端面を露出するようにエッチングし、共振器面を形成する。次いで、窒化物半導体層１３上に、ＳｉＯ₂からなる膜を膜厚０．５μｍで、ＣＶＤ装置を用いて成膜する。その際、ＳｉＨ₄ガス５ｓｃｃｍ、Ｎ₂Ｏガス２００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー１００Ｗ以上、圧力２０Ｐａ、基板温度３６０℃の条件で成膜する。次に、ＲＩＥエッチング装置を用いて、ＳｉＯ₂からなる膜を、Ｏ₂ガス６ｓｃｃｍ、ＣＨＦ₃ガス１００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー３００Ｗ以上、圧力８０ｍＴｏｒｒの条件でエッチングすることにより、第１のマスクパターン２１を形成する。続いて、図２（ｂ）に示すように、ＲＩＥエッチング装置を用いて、Ｃｌ₂ガス１０ｓｃｃｍ、ＳｉＣｌ₄ガス７０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー１５０Ｗ以上、圧力４Ｐａの条件で、窒化物半導体層を０．５μｍエッチングすることによりリッジ１４を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、リッジ１４から０．１μｍ離れた窒化物半導体層１３上に、膜厚１．５μｍのレジスト膜２３を形成する。
続いて、図２（ｄ）に示すように、ＥＣＲ装置を用いて、第１のマスクパターン２１、露出した窒化物半導体層１３及びレジスト膜２３上に、Ａｒガス２０ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス８ｓｃｃｍ、マイクロ波５００Ｗ、ＲＦパワー５００Ｗ以上で、ＳｉＯ₂からなる膜２２を５００Åを形成する。

その後、図２（ｅ）に示すように、剥離液で、レジスト膜２３及びその上に形成されたＳｉＯ₂からなる膜２２をリフトオフ法を用いて除去する。これにより、リッジ１４上及びエアギャップ形成予定位置に第２のマスクパターン２２ａを形成する。

次いで、図２（ｆ）に示すように、マグネトロンスパッタ装置でＺｒターゲットを用いてＡｒガス４５ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス１０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー５００Ｗ以上、圧力０．２Ｐａで、ＺｒＯ₂からなる第１の保護膜１６を、得られたリッジ１４、第１のマスクパターン２１及び第２のマスクパターン２２ａを被覆するように、５５０Åで形成する。

続いて、図２（ｇ）に示すように、ＢＨＦを用いて、第１のマスクパターン２１直上の第１の保護膜１６と、第１のマスクパターン２１をエッチング除去するとともに、第１の保護膜１６下の第２のマスクパターン２２ａをエッチング除去し、リッジ１４の両側にエアギャップ１５を形成する。

次に、電極を形成して、チップ状の窒化物半導体レーザ素子を得る。
このようにして得られた窒化物半導体レーザ素子について、特性評価を行った。
なお、エアギャップを有する素子（６個の平均）の実効屈折率差Δｎは、０．００７であった。

また、比較例として、エアギャップを有さない以外、上記レーザ素子と同様の構成の素子を形成した。この素子における実効屈折率差Δｎを測定したところ、０．００６１であった。

特性評価結果を図３に示す。
図３から、エアギャップを有する素子が、エアギャップのない素子に比較して、光閉じ込めが強くなっていることがわかる。つまり、エアギャップを有することにより、閾値電流が５〜１０ｍＡ程度低下しており、Ｅｔａが０．１〜０．２程度向上していることがわかる。

上記実施例で、さらに、図２（ｄ）において、ＳｉＯ₂からなる膜２２を１００Å、２００Åでそれぞれ形成する。このように、ＳｉＯ₂からなる膜２２を厚くすることにより、リッジ側面への成膜厚も大きくなり、よりＬ型のエアギャップに近い形とすることができる。また、ＳｉＯ₂からなる膜２２を１０００Åで形成し、図２（ｆ）において第１の保護膜１６を１０００Åで形成する。このように、第１の保護膜を厚膜とすることで、Ｌ型のエアギャップがより作りやすくなる。

実施例２
実施例２の窒化物半導体レーザ素子は、第２のマスクを形成する方法以外は、実施例１と同様にして形成する。
第２のマスクの形成方法としては、リッジ１４を形成する際の基板温度を低温（７０℃以下）に保つことにより、図２（ｂ）に示すように、リッジ１４を形成するとともに、図２（ｅ'）に示すように、リッジ１４の両側にエッチング生成物を第２のマスクパターン２２として堆積させる。

このようにして得られた窒化物半導体レーザ素子について、特性評価を行った。
実施例２において得られた窒化物半導体レーザ素子は、実施例１と同程度の特性が得られる。

実施例３
実施例３の半導体レーザ素子は、実施例１と同様の製造方法により形成する。
得られた窒化物半導体レーザ素子は、図６(ａ）に示すように、ＧａＮ基板１０上に、ｎ型半導体層１１として、第１のｎ型半導体層（Ｓｉ：１×１０¹⁸／ｃｍ³〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ドープ、Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ、膜厚２μｍ）、第２のｎ型半導体層（アンドープＧａＮ、膜厚：０．１９μｍ）が形成されている。

その上に、ＳｉドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる障壁層（１４０Å）と、アンドープＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなる井戸層（７０Å）とが２回交互に積層され、その上に障壁層が形成された、総膜厚５６０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１２が形成されている。

さらに、その上に、ｐ型半導体層１３として、第１のｐ型半導体層（Ｍｇ：１×１０¹⁹／ｃｍ³〜１×１０²⁰／ｃｍ³ドープ、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ、１００Å）と、第２のｐ側窒化物半導体層（アンドープＧａＮ、約０．１２５μｍ）と、第３のｐ型半導体層（アンドープＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ（２５Å）とＭｇドープＧａＮ（２５Å）との総膜厚０．４５μｍの超格子層）と、第４のｐ型半導体層（Ｍｇ：１×１０²⁰／cm³ドープ、ＧａＮ、１５０Å）とが形成されている。

ｐ型半導体層の表面には、リッジ１４が形成されており、その両側には、図６（ｂ）に示すように、高さ０．４μｍ、幅０．２μｍ程度のエアギャップ１５が２本、ほぼストライプ状に形成されている。
さらに、このエアギャップ１５を被覆するように、膜厚１０００ÅのＺｒＯからなる第１の保護膜１６が形成されている。

また、保護膜１６の上には、Ｎｉ（１００Å）−Ａｕ（１５００Å）からなるｐ電極１７が形成されており、さらに第２の保護膜１８を介して、Ｎｉ（１０００Å）−Ｔｉ（１０００Å）−Ａｕ（８０００Å）からなるｐパッド電極１９が形成されている。
窒化物半導体基板１０の裏面には、Ｖ（１００Å）−Ｐｔ（２０００Å）−Ａｕ（３０００Å）からなるｎ電極２０が形成されている。

このようにして得られた窒化物半導体レーザ素子について、特性評価を行った。
実施例３において得られた窒化物半導体レーザ素子は、実施例１と同程度の特性が得られる。

実施例４
実施例４の窒化物半導体レーザ素子は、実施例３の窒化物半導体レーザ素子と同様の構造をしており、その製造方法は、実施例２と同様にして形成する。

このようにして得られた窒化物半導体レーザ素子について、特性評価を行った。
実施例４において得られた窒化物半導体レーザ素子は、実施例１と同程度の特性が得られる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、露光用途、測定等に利用することができる。また、特定波長に感度を有する物質に窒化物半導体レーザから得た光を照射することで、その物質の有無または位置を検出することができるバイオ関連の励起用光源等に利用することもできる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための概略断面工程図である。 実施例のレーザ素子の特性評価を示すグラフである。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の電極形状を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子のエアギャップ形状を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の別の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の保護膜の形状を説明するための平面図である。

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 第１の保護膜
１７ ｐ電極
１８ 第２の保護膜
１９ ｐパッド電極
２０ ｎ電極
２１ 第１のマスクパターン
２２ ＳｉＯ₂からなる膜
２２ａ 第２のマスクパターン
ＡＡ 共振面

Claims (13)

1. 基板と、該基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
   前記リッジ側面から、該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第１の保護膜が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 基板と、該基板上に積層され、その表面にリッジを有する窒化物半導体層と、電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
   前記リッジの両側の窒化物半導体層の表面上にエアギャップを介して第１の保護膜と電極とが順に形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
3. エアギャップは、リッジ側面にストライプ状に存在する請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. エアギャップは、その高さｈ₁がリッジの高さｈ₂に対して１／５０以上１未満である請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. エアギャップは、リッジのストライプ方向と垂直な断面積Ｓ₁が０．０００１〜１μｍ²である請求項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. 第１の保護膜は、窒化物半導体層よりも屈折率が小さい請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 電極は、窒化物半導体層及び第１の保護膜上に形成されてなる請求項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. さらに、第１の保護膜上に第２の保護膜を有する請求項１〜７のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 基板上に窒化物半導体層を形成し、
   該窒化物半導体層上に第１のマスクパターンを形成して、該第１のマスクパターンを用いてエッチングすることによりリッジを形成し、
   前記リッジの両側に第２のマスクパターンを形成し、
   前記第１のマスクパターン、第２のマスクパターン、リッジ形成後に露出している窒化物半導体層上に、第１の保護膜を形成し、
   前記第１のマスクパターン上に存在する第１の保護膜と、前記第１のマスクパターンと、第２のマスクパターンとを除去することにより、前記リッジの側面から、リッジの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形成することを含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
10. 第１のマスクパターンは、第２のマスクパターンよりも膜厚が厚い請求項９に記載の製造方法。
11. 第２のマスクパターンは、第１のマスクパターン上にも形成する請求項９又は１０に記載の製造方法。
12. 第２のマスクパターンを、第１のマスクパターンと同一材料によって形成する請求項９〜１１のいずれか１つに記載の製造方法。
13. 第２のマスクパターンを、リッジ形成の際のエッチング生成物によって形成する請求項９に記載の製造方法。

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