JP2012059890A - 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板10と、基板10上に積層され、その表面にリッジ14を有する窒化物半導体層と、窒化物半導体層を被覆する第1保護膜15と、リッジ14上及び第1保護膜15上に形成された電極17とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、第1保護膜15は、窒化物半導体層の上面からリッジ14基底部及びリッジ14側面に渡って、窒化物半導体層とその一部又は全部が接触するように配置されており、少なくともリッジ14基底部において、第1保護膜15と電極17とで規定された空隙16を備える窒化物半導体レーザ素子。
【選択図】図1A
Description
特に、リッジ導波路構造を用いるレーザ素子において、横モードの光閉じ込めを制御性及び再現性よく行い、水平横モードを安定化させるために、屈折率の低い保護膜をリッジ側面からその両側に至る埋込膜として用い、リッジ上面で電極と接触させる構造が検討されている。
例えば、リッジの両側に誘電体膜からなる埋込層を形成し、リッジ上面と接触し、かつリッジ側壁からリッジの両側の半導体層表面に埋込膜を介して配置された電極を形成した半導体レーザが提案されている(例えば、特許文献1)。
また、リッジの側方に配置する電極に空隙部を導入することによって、水平横モードを安定化させる方法が提案されている(例えば、特許文献2)。
また、リッジ上面と接触する電極を、埋込膜を介してリッジの両側の窒化物半導体層の表面に配置する場合には、電極材料によって、半導体層に負荷する応力が大きくなり、連続駆動時に電流劣化しやすく、また、リッジ側面に形成される電極の膜質によっては、光吸収が増加するという問題があった。
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、窒化物半導体レーザ素子の光の閉じ込めを制御しながら、連続駆動時の電流又は電圧劣化を防止することができる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。
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、
該窒化物半導体層を被覆する第1保護膜と、
リッジ上及び第1保護膜上に形成された電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記第1保護膜は、前記窒化物半導体層の上面からリッジ基底部及びリッジ側面に渡って、前記窒化物半導体層とその一部又は全部が接触して配置されており、
少なくとも前記リッジ基底部において、該第1保護膜と電極とで規定された空隙を備えることを特徴とする。
(1)前記空隙は、前記リッジの基底部から前記リッジ側面にわたって配置されている、
(2)前記第1保護膜は、前記リッジの側面の一部を露出しており、かつ前記空隙は、前記リッジ基底部から前記リッジ側面に及んで、前記リッジ側面と接触している、
(3)前記第1保護膜は、窒化物半導体層よりも屈折率が小さい、
(4)前記空隙は、前記リッジ延長方向において該リッジに略平行して配置されている、
(5)前記第1保護膜と前記リッジとの間に、第2の空隙が配置されてなる。
(a)基板上に、窒化物半導体層を積層し、
(b)該窒化物半導体層上にマスクパターンを形成して、該マスクパターンを利用してリッジを形成し、
(c)前記リッジの両側面、前記マスクパターン上及びリッジ形成後に露出している窒化物半導体層上に第1保護膜を形成し、
(d)少なくとも前記マスクパターン及び該マスクパターン上に存在する第1保護膜を除去し、
(e)前記リッジを含む窒化物半導体層及び第1保護膜上に、組成の異なる2以上の多層膜からなる導電層を積層するとともに、少なくとも最表面の導電層の前記リッジの基底部から肩部に相当する部位に、部分的にギャップを導入し、
(f)前記ギャップを介して導電層の一部を除去して、少なくとも前記リッジ基底部において前記第1保護膜と導電層とで規定された空隙を形成することを含むことを特徴とする。
(1)前記導電層を、第1導電層と、その上に配置する該第1導電層とエッチング速度の異なる第2導電層とによって形成する、
(2)前記導電層を、前記第1導電層の下にさらに、該第1及び第2導電層とエッチング速度の異なる第3導電層を積層することによって形成し、工程(f)の後に、前記リッジの上面、側面及び該リッジ両側の窒化物半導体層の一部表面上にマスクパターンを形成し、該マスクパターンを用いて第3導電層の一部を除去する工程を含む、
(3)前記導電層を、前記第1導電層の下にさらに、該第1及び第2導電層とエッチング速度の異なる第3導電層を積層することによって形成し、工程(f)において、第1導電層の一部を除去して空隙を形成し、さらに、工程(f)の後に、前記リッジの上面、側面及び該リッジ両側の窒化物半導体層の一部表面上にマスクパターンを形成し、該マスクパターンを用いて第1導電層及び第3導電層の一部を除去する工程を含む。
例えば、図1Aに示したように、第1主面と第2主面とを有する基板10の第1主面上に、窒化物半導体層として、n側半導体層11、活性層12、p側半導体層13がこの順に形成されている。なお、n側及びp側半導体層は、逆に配置されていてもよい。窒化物半導体の表面にはリッジ14が形成されている。このリッジ14の延長方向に対して略直交する方向の端面には、共振面が形成されている。
リッジ14の上面から、両側面、リッジ14の基底部、さらにp側半導体層13の上面には、電極7が形成されている。この電極7は、リッジ14上面において窒化物半導体層と接触しており、リッジ側面、基底部及びp側半導体層13上面においては、第1保護膜15を介して配置されている。ただし、少なくともリッジ基底部には、第1保護膜15と電極7とで規定された空隙16を備える。よって、リッジ基底部では、電極7は、第1保護膜15と空隙16とを介して、窒化物半導体上に配置されていることになる。この電極7及び上には、通常、p側パッド電極20が形成されている。
さらに、n側電極21が、電極7が配置されている基板10の第1主面側と異なる側に形成されている。
なお、図9に示したように、n側半導体層11の露出表面にn側電極21が形成されていてもよい。
空隙は、その断面形状が、図2A(a)、(b)及び(e)に示すように、少なくとも、第1保護膜15、25上のリッジ14基底部上にあればよい。従って、空隙16、26は、少なくともリッジ14基底部においては、第1保護膜15、25と電極(7、17及び18、27及び28)とで規定されている。言い換えると、リッジ基底部においては、実質的には、下から順に窒化物半導体層、第1保護膜、空隙及び電極の順に配置されている。なお、後述するように、下から順に窒化物半導体層、第1保護膜、電極、空隙及び電極の順に配置されている領域が一部に存在してもよい。
このように、リッジ14の基底部においては、少なくとも第1保護膜15、25を介して、空隙が配置されることにより、その上に配置される電極によるレーザ光吸収を低減させることができる。特に、リッジ側面に成膜された膜質の悪い電極を実質的に除去することにより、電極によるレーザ光吸収をさらに低減させることができる。しかも、第1保護膜と空隙との配置により、適切に光を閉じ込めることができる。
ただし、空隙は、少なくともリッジ基底部における第1保護膜の上に配置されていれば、電極の上に位置していてもよい。つまり、上述したように窒化物半導体層と、第1保護膜と、電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、第1保護膜は、窒化物半導体層の上面からリッジ基底部及びリッジ側面に渡って、窒化物半導体層とその一部又は全部が接触して配置されており、かつ、少なくともリッジ基底部において、電極によって規定された空隙を備えていてもよい。
ここで、空隙26bのリッジ14側面との接触高さ(図2B(g)中、Z)は、例えば、リッジ14高さの10%程度〜70%程度が挙げられ、20%程度〜40%程度が好ましい。具体的には、リッジ高さが500nm程度の場合、空隙の接触高さは、50nm〜350nm程度が挙げられ、100nm〜200nm程度が好ましい。特にこの高さが高いことにより、空隙の大きさの制御が容易となり、光閉じ込めの制御を効果的に行うことができる。
図3(c)に示すように、第1保護膜55のリッジ14側面における形状が上記と同様に変形しており、電極(57及び58)の一部が、リッジ14の側面近傍でギャップを有しているために、空隙56の一部が幅狭になり、その一部がギャップにまで及んで広がっていてもよい。
さらに、電極は、リッジ上面のみならず、第1保護膜上にまで及んで配置されるために、第1保護膜が接触している部位では、リッジとの密着性を確保することができ、特に連続駆動時の電圧劣化を低減させることができる。
また、リッジ側面には安定材料による第1保護膜が配置されていることから、リッジ側面の窒化物半導体層の酸化等の変質のおそれが少なく、動作時の特性の安定性を図ることができる。
さらに、発光部からの熱の影響により、空隙に熱がこもるおそれがあるが、発光部から空隙が離れているため、熱の影響を受けにくい。また、空隙が電極と接しているため、リッジ近傍で生じる熱を、電極を介して効率的に放熱することができる。
窒化物半導体層としては、一般式InxAlyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の半導体層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側半導体層は、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側半導体層は、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。活性層は、後述する第1保護膜よりバンドギャップエネルギーが小さいものであることが好ましい。端面のバンドギャップエネルギーを広げ、言い換えると、共振器面付近の不純物準位を広げ、ウィンドウ構造を形成することにより、CODレベルをより向上させることができる。
本発明の窒化物半導体レーザ素子における基板は、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が厚さ方向に除去されてn側半導体層を露出し、その露出面に接触するように後述するn電極を配置することができる(図9参照)。導電性基板の場合には、窒化物半導体層が形成された面と反対側の面に接触するようにn電極を配置することができる(図1A、図1B及び図8参照)。
特に、基板は、例えば、第1主面及び/又は第2主面に、0°〜10°程度のオフ角を有する窒化物半導体基板であることが好ましい。その膜厚は、例えば、50μm〜1mm程度が挙げられる。
本発明の窒化物半導体レーザ素子では、上述したように、窒化物半導体層の表面及びリッジの側面にわたって、第1保護膜15が形成されている。つまり、第1保護膜15は、少なくとも、電極がリッジと直接接触して電気的接続を取る領域における窒化物半導体層上面を露出して、窒化物半導体層の表面に形成されている(図1A、図1B、図2A(a)〜(d)参照)。また、第1保護膜15は、リッジ14の上面に加えて、側面の一部(例えば、上側面)を露出するように形成されていてもよい(図2A(e)、図2B(g)及び図3(a)〜(c)参照)。さらに、第1保護膜15は、リッジ基底部及びリッジ側面の全部と接触していなくてもよい(この非接触の部位を第2の空隙と称することがある。図2B(h)の16aa、図2B(i)の26bb参照)。なお、第1保護膜が窒化物半導体層と接触している部位では、両者は良好に密着している。また、リッジ14の側面に配置された第1保護膜15は、リッジ14両側の窒化物半導体層表面に配置された第1保護膜の膜厚よりも薄膜状に形成されていることが好ましい。
なお、この第2の空隙の大きさは特に限定されるものではなく、上述した光閉じ込めに有効に作用し、応力緩和に寄与し得る程度であればよく、上述した空隙と同様の大きさにしてもよいし、それよりも幅及び/又は高さ及び/又は容積を小さくしてもよい。
リッジの上面には電極7、17及び18等が形成されている。この電極は、リッジ14の上面と接触して電気的に接続され、リッジ14の側面においては第1保護膜15を介して又は一部介さないで、かつ一部空隙16等を介して、リッジ14の側面及び窒化物半導体層13の表面を被覆している。ただし、この電極は、リッジの延長方向の全てにわたってこのような構成を有していなくてもよい。つまり、リッジの延長方向の一部において、リッジ側面を被覆していなくても(分断されていても)よく、リッジ側面の全面に渡って第1保護膜を介して配置されていてもよく、リッジ側面に直接接触して配置していてもよく、第1保護膜との間に空隙を有さなくてもよい。このように、電極が、リッジ側面まで、あるいはリッジの両側の窒化物半導体層上にまで配置されていることにより、リッジ側面に形成された第1保護膜について有効に剥がれを防止することができる。
従って、リッジ14基底部において、電極が第1保護膜とともに空隙を規定する場合には、第1保護膜と、第1保護膜上に島状等に配置する電極と、第1保護膜上に空隙を介して存在する電極等とによって、空隙が規定されることとなる。言い換えると、リッジ基底部においては、部分的に、窒化物半導体層、第1保護膜、電極、空隙及び電極の順に配置されて部位が存在してもよい。
なお、上述したように、空隙が、少なくともリッジ基底部において、電極によって規定されている場合、リッジ基底部における第1保護膜上に極薄膜の状態で電極が配置される場合の極薄膜とは、上述したように、光吸収、窒化物半導体層への応力付与、光閉じ込め等に影響しない程度の厚みである。具体的には、後述する電極材料において、50nm程度以下であることが適している。
また、この電極上にパッド電極等が形成されていてもよい。
第1保護膜15上の一部領域には第2保護膜19が形成されていることが好ましい。第2保護膜19は、窒化物半導体層11、12及び13の側面及び/又は基板10の表面又は側面等をさらに被覆していることが好ましい。第2保護膜19は、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Ti等の酸化物が挙げられ、なかでもAl2O3又はSiO2膜が好ましい。第2保護膜19は、第1保護膜15と同様の材料であってもよく、異なる材料であってもよい。これにより、絶縁性のみならず、露出した窒化物半導体層の側面又は表面等を確実に保護することができる。第2保護膜19は、単層構造及び積層構造のいずれでもよい。具体的には、Siの酸化物の単層、Alの酸化物の単層、Siの酸化物とAlの酸化物の積層構造等が挙げられる。このような膜が形成されていることにより、第1保護膜をより強固に共振器面に密着させることができる。その結果、安定な動作を確保することができ、CODレベルを向上させることができる。
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法としては、以下の方法が挙げられる。
(a)窒化物半導体層の形成
まず、基板として、例えば、第1主面及び第2主面に0〜10°程度のオフ角を有する窒化物半導体基板を準備する。
窒化物半導体基板は、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)、MOVPE(有機金属気相成長法)、HVPE法(ハイドライド気相成長法)、MBE法(分子線エピタキシー法)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。また、例えば、特開2006−24703号公報に例示されている種々の基板等の公知の基板、市販の基板等を用いてもよい。
窒化物半導体層は、n側半導体層、活性層、p側半導体層を、この順に又は逆の順序で形成することが好ましい。
窒化物半導体層の成長方法は、特に限定されないが、MOCVD、MOVPE、HVPE、MBE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。具体的には、MOCVD法等により、減圧〜大気圧の条件で成長させる方法が挙げられる。
第2のn側半導体層は、光ガイド層として機能させることができ、AlxGa1-xN(0≦x≦0.3)によって形成することができる。膜厚は0.5〜5μmが適当である。
第1のp側半導体層はp側電子閉じ込め層として機能する。
第2のp側半導体層は、AlxGa1-xN(0≦x≦0.3)、第3のp側半導体層は、p型不純物を含有したAlxGa1-xN(0≦x≦0.5)で形成することができる。第3のp側半導体層は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側半導体層は、p型不純物を含有したAlxGa1-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側半導体層、第2のp側半導体層は省略可能である。各層の膜厚は、3nm〜5μm程度が適当である。
その後の任意の段階で、反応容器内において、得られた基板を窒素雰囲気中、700℃程度以上の温度でアニールして、p側半導体層を低抵抗化することが好ましい。
窒化物半導体層上にリッジ形状に対応するマスクパターンを形成し、このマスクパターンを利用して、リッジを形成する。
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、任意の形状に形成することができる。マスクパターンの膜厚は、リッジが形成された後に、リッジ上に残存するマスクパターンが、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とな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、マスクパターンは、CVD装置等を用いて形成することが好ましい。また、RIE法等を用いてマスクパターンを任意の形状にエッチングすることが好ましい。エッチングは、RIE法を用い、上述した塩素系ガスを用いることが適している。
リッジを含む窒化物半導体層上に第1保護膜を形成する。この場合、上述したリッジの形成の際に用いたマスクパターンをそのまま存在させた状態で、窒化物半導体層上に第1保護膜を形成することが好ましい。
例えば、単層の膜を、1回又は2回以上、製造方法又は条件を変化させることにより、組成は同じであるが、膜質及び部位によって膜厚の異なる膜を形成してもよい。具体的には、マグネトロンスパッタ法によって形成した第1保護膜は、ECRスパッタ法で形成した第1保護膜よりも、エッチング速度を大きくすることができ、特にリッジ側面への成膜厚みの異なる膜を容易に形成することができる。
第1保護膜は、窒化物半導体レーザ素子の製造後において、結果的に、窒化物半導体層の上面からリッジ基底部及びリッジ側面の一部において第2の空隙が形成されるように形成してもよい。このような形成方法としては、その膜の一部においてエッチングされやすい膜質を配置する、第1保護膜を形成する前に窒化物半導体表面に部分的な処理を行う、第1保護膜を部分的に処理する、これらを組み合わせるなどの方法が挙げられる。
少なくともマスクパターン及びマスクパターン上に存在する第1保護膜を除去する。例えば、リッジを形成する際に用いたマスクパターンをリフトオフ法に付することにより、リッジ上面の上方に位置するマスクパターン及びその上の第1保護膜を除去することができる。
なお、少なくともリッジの下側面の第1保護膜は除去せずに、リッジの側面の一部を被覆、密着させることが好ましい。これにより、第1保護膜の剥がれを有効に防止することができる。
得られた窒化物半導体層及び第1保護膜の上に、単層の導電層又は組成の異なる2以上の多層膜からなる導電層を積層する。多層膜からなる導電層を積層する場合には、例えば、所定のエッチング方法及び条件等に応じて、互いに異なるエッチング速度を有する多層膜を選択することが好ましい。この際、少なくとも最表面の導電層であって、そのリッジの基底部から肩部に相当する部位に、部分的にギャップを導入することが適している。
この場合、例えば、図5(b)に示すように、最上層の導電層43(又は導電層の最表面)の基底部近傍にのみギャップ23を導入することにより、後工程において、図2A(a)又は図2A(b)及び図2A(e)に示した位置に空隙を形成することができる。
また、図5(a)に示すように、最上層の導電層43の肩部近傍にもギャップ22を導入することにより、後工程において、図2A(c)、図2A(d)、図2B(f)及び図2B(g)に示した位置に空隙を形成することができる。
この場合のギャップの大きさ及び密度は特に限定されるものではないが、最終的に電極として機能し得る程度の厚み及び成膜面積を有していることが好ましい。なお、このようなギャップを導入する成膜方法は、最上層のみならず、下層に配置する導電層の成膜に利用してもよい。
また、導電層を形成する前に、電極形成部分にのみ開口を有するリフトオフ用パターンを形成し、その上に積層構造の導電層を形成し、その後、積層構造の導電層をリフトオフ法に付すことにより、所望の形状の電極を形成する方法を利用してもよい。
上述した導電層の最上層(又は最表面)のギャップを利用して、単層の導電層では内側の一部、積層構造の導電層では、それよりも下層に位置する導電層の一部を除去する。これにより、少なくともリッジ基底部において、第1保護膜と導電層とで規定された空隙を形成することができる。
このような導電層の一部の除去は、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(フッ酸)溶液、BHF(バッファードフッ酸)溶液、塩酸と酢酸等との混合液等の塩酸系溶液、硝酸系又は熱濃硫酸系等の酸化作用のある溶液、王水、ヨウ素ヨウ化カリウム系溶液等の1種又は2種以上を混合して又は2種以上を順次用いたウェットエッチング、リフトオフ法、あるいは、塩素系ガス等を用いたドライエッチング等により行うことが適当である。この際、上述したように最上層(又は最表面)の導電層におけるギャップを利用するとともに、その下層の導電層の材料、膜厚、積層構造、成膜方法、エッチング方法、エッチャントの種類、エッチャントの濃度、エッチング時間等の種々の条件を適宜調整することにより、リッジの側面の一部に隣接する空隙を形成するようにエッチングする。
また、工程(f)において、上層の導電層(つまり、第1導電層)の一部のみを除去しその一部が残存している場合には、工程(f)の後に、上述したマスクパターンを用いて最下層の導電層(つまり、第3導電層)の一部又は全部とともに、上層の導電層(つまり、第1導電層)をさらに除去してもよい。
このように、マスクパターンを別途形成して、導電層の一部を除去することにより、最上層の導電層にエッチングダメージを与えずに、空隙をより確実に形成することができる。つまり、空隙のリッジの延長方向への延長をより助長し、かつリッジの両側の窒化物半導体層上に確実に延長させることができる。
なお、上述した工程において、導電層を積層構造で形成した場合であっても、アニール後においては、その材料によってはその内の2層以上の層が合金化して、単層構造に変化したり、その内の1層以上が薄膜化又は偏在化することがある。
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。
また、任意に、上述したリッジ上に形成した電極の上に、パッド電極20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、電極側からW−Pd−Au又はNi−Ti−Auの順に形成することができる。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100nm程度以上とすることが好ましい。
任意の段階で、好ましくは電極を形成した後、リッジ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、通常、窒化物半導体層を含む基板をバー状に分割する。ここで、共振器端面は、M面(1−100)又はA面(11−20)とすることが好ましい。窒化物半導体層を含む基板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。
バー状となった窒化物半導体基板は、通常、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。
なお、第2の空隙は、第1保護膜の形成時、上述した第1の空隙の形成時、電極のパターニング又はエッチング時などにおいて、これらの形成等と同時に形成することができる。
実施例1:窒化物半導体レーザ素子
この実施例のレーザ素子は、500nm帯以下で発振する素子であって、図8に示すように、n型GaNからなる基板10上に、n側半導体層11として、SiドープAl0.33Ga0.67Nよりなるn側クラッド層(2μm)、アンドープGaNよりなるn側光ガイド層(0.15μm)が形成されている。さらに、活性層12として、SiドープIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層(7nm)、アンドープIn0.06Ga0.94Nよりなる井戸層(10nm)を2回繰り返した後、SiドープIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層(5nm)が形成されている。この上には、p側半導体層13として、Mgドープp側Al0.30Ga0.70Nよりなるp側キャップ層(10nm)、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層(0.15μm)、アンドープAl0.05Ga0.95Nよりなる層(2.5nm)とMgドープGaNよりなる層(2.5nm)との総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側クラッド層、Mgドープp側GaNよりなるp側コンタクト層(15nm)が形成されている。
リッジ14の上面及び肩部を除くp側半導体層の表面には、ZrO2からなる第1保護膜25が形成されている。
リッジ14の側面には、それに隣接する位置に空隙26bが形成されている。この空隙26bは、リッジ14の下側面及びリッジ14の両側の窒化物半導体層上の一部において、第1保護膜25を介して、配置している。空隙26bは、リッジ14の側面においてはその高さZ(図2B(g)参照)が150nm程度、リッジ14の両側の窒化物半導体層上においてはその幅Xが400nm程度である。
窒化物半導体層の側面及びn側半導体層11の露出表面には、第2保護膜19が形成されている。
さらに、基板10の裏面には、n側電極21が形成されている。
その結果、本実施例のレーザ素子は、空隙を有していないものに比較して、駆動電流が15%程度低下し、長時間にわたって安定した動作電流及び動作電圧を示すことが確認された。
また、その上に配置される電極によるレーザ光吸収を、リッジの延長方向にわたって低減させることができ、発光効率を増大させることができる。
実施例1のレーザ素子は、以下の方法によって製造することができる。
(a)窒化物半導体層の形成
まず、n型GaNからなる基板1をMOVPE反応容器内にセットし、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)、不純物ガスにシランガス(SiH4)を用い、SiをドープしたAl0.33Ga0.67Nよりなるn型クラッド層を成長させる。
続いて、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNからなるn側光ガイド層を成長させる。
基板上に窒化物半導体層を積層させたウェハを、反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面に、幅2μmのストライプからなるSiO2からなるマスクパターンを形成する。
その後、RIEを用い、p側クラッド層とp側光ガイド層との界面付近までエッチングを行い、ストライプ状のリッジ14を形成する。また、この同時に、窒化物半導体層をRIE法によりエッチングして、例えば、n側クラッド層の一部表面を露出させる。
次に、マスクパターンが残存した状態で、窒化物半導体層の表面にECRスパッタ装置を用いて、ZrO2の単層からなる第1保護膜25を形成する。この第1保護膜25は、膜厚200nmで形成する。なお、ここでの成膜条件を変更することにより、以下の工程における第1保護膜の除去の程度を調整することができる。
リフトオフ法により、SiO2からなるマスクパターンとともに、p側コンタクト層上に形成されている第1保護膜25を除去する。第1保護膜25の除去は、例えば、BHFを用いたウェットエッチングによって行うことができ、そのエッチング時間を調整するか、BHFの濃度を調整するなどにより、第1保護膜25は、リッジ14の側面の一部も除去する。
次に、図4A(a)に示すように、リッジ14を含むp側コンタクト層上に、Ni膜からなる導電層40とAu膜からなる導電層41とを、スパッタ法によって積層する。その上に、図4A(b)に示すように、フォトリソグラフィ及びエッチング工程によって、p側電極に相当する領域に開口を有するマスクパターン42を、レジストにより形成する。
その後、図4A(c)に示すように、マスクパターン42を含む導電層40、41上に、Pt膜からなる導電層43を、スパッタ法によって形成し、リフトオフ法によって、Pt膜からなる導電層43をパターニングする(図4A(d)参照)。
このマスクパターン44をマスクとして利用して、塩酸及び酢酸の混合液からなる塩酸系溶液をエッチャントとして用いるウェットエッチングによって、Ni膜からなる導電層40をパターニングし、電極を形成する。ここでのマスクパターン44は、先に導入された導電層43のギャップを介してリッジの上面に形成された導電層40が除去されないように形成される。これにより、マスクパターン44で被覆されたリッジの上面、リッジの側面、空隙の下部においてはNi膜からなる導電層40が残存し、マスクパターン44から露出した部位では、Ni膜が除去される。
その後、電極の上に、p側電極と電気的に接続したp側パッド電極を形成する。
その後、n側電極をn型GaN基板の裏面に形成する。
なお、上述したNi膜からなる導電層の合金化、変形又は偏在化は、得られたレーザ素子においては、駆動電流、安定した動作電流及び動作電圧の確保、レーザ光の吸収及び発光効率には実質的に影響していないことが確認されており、実施例1のレーザ素子と同様の効果が得られる。
実施例1のレーザ素子は、以下の方法によっても製造することができる。
工程(a)窒化物半導体層の形成から工程(d)第1保護膜の除去は、実施例2と同様に行う。
図6(a)に示すように、第1保護膜25を形成した窒化物半導体層上に、p側電極を形成する領域に開口を有するマスクパターン52を形成する。
図6(b)に示すように、このマスクパターン52を含む窒化物半導体層上に、Ni膜からなる導電層50、Au膜からなる導電層51、Pt膜からなる導電層53を、それぞれスパッタ法により形成し、積層する。
その後、図示しないが、ヨウ素ヨウ化カリウム系溶液をエッチャントとして用いるウェットエッチングによって、Au膜からなる導電層51をエッチングする。これにより、先に導入された導電層53のギャップを介して、リッジ14の肩部に相当する部位のAu膜からなる導電層51もともに除去され、その部位に空隙が導入される。
その後、実施例2と同様に半導体レーザ素子を形成する。得られたレーザ素子は、実施例1のレーザ素子と同様の効果が得られる。
実施例1のレーザ素子は、以下の方法によっても製造することができる。
工程(a)窒化物半導体層の形成から工程(d)第1保護膜の除去は、実施例2と同様に行う。
次に、実施例2と同様に、図4B(a)に示すように、リッジ14を含むp側コンタクト層上に、Ni膜からなる導電層40とAu膜からなる導電層41とを、スパッタ法によって積層する。その上に、図4B(b)に示すように、フォトリソグラフィ及びエッチング工程によって、p側電極に相当する領域に開口を有するマスクパターン42を、レジストにより形成する。
その後、図4B(c)に示すように、マスクパターン42を含む導電層40、41上に、Pt膜からなる導電層43を、スパッタ法によって形成し、リフトオフ法によって、Pt膜からなる導電層43をパターニングする(図4B(d)参照)。
その後、実施例2と同様に、マスクパターンを利用して、導電層43にギャップを導入する。
その後、実施例2と同様に半導体レーザ素子を形成する。
なお、このような製造方法では、上述したNi膜からなる導電層は、アニールによって、それと接触するAu膜からなる導電層41と合金化される。得られたレーザ素子は、実施例1のレーザ素子と同様の効果が得られる。
実施例1のレーザ素子は、以下の方法によっても製造することができる。
工程(a)窒化物半導体層の形成から工程(d)第1保護膜の除去は、実施例2と同様に行う。
この実施例の製造方法では、工程(d)において第1保護膜の除去によって、リッジの側面に段差部を形成することで、その段差部を利用して、工程(e)において、導電層を積層し、電極を形成する。ここで形成された電極は、リッジの側面の段差部に起因して、導電層43の一部にギャップが導入されている。
その後、実施例2と同様にして、ギャップが導入された導電層43をマスクとしてAu膜からなる導電層41をパターニングし、リッジ14の肩部から基底部に相当する部位のAu膜からなる導電層41の一部が除去されて、その部位に空隙を形成する。
このマスクパターン44をマスクとして利用して、塩酸及び酢酸の混合液からなる塩酸系溶液をエッチャントとして用いるウェットエッチングによって、Ni膜からなる導電層40をパターニングし、電極を形成する。ここでのマスクパターン44は、先に導入された導電層43のギャップを介してリッジの上面に形成された導電層40が除去されないように形成される。これにより、マスクパターン44で被覆されたリッジの上面、リッジの側面、空隙の下部においてはNi膜からなる導電層40が残存し、マスクパターン44から露出した部位では、Ni膜が除去される。
その後、実施例2と同様に半導体レーザ素子を形成する。得られたレーザ素子は、実施例1のレーザ素子と同様の効果が得られる。
この実施例におけるレーザ素子の製造方法では、実施例2における工程(e)導電層の積層において、リッジの肩部に相当するPt膜からなる導電層43にギャップを導入する際、マスクパターンを形成せずに、リッジの肩部に相当する導電層43を集中的にスパッタリングし得る条件を設定して、導電層43をエッチバックすることにより、導電層43にギャップを導入する以外、実施例2と実質的に同様に製造することができる。得られたレーザ素子は、実施例1のレーザ素子と同様の効果が得られる。
ここでの集中的なスパッタリングは、例えば、Arによるスパッタリング、Arに塩素又は窒素等を混合したガスによるスパッタリングが挙げられる。
この実施例のレーザ素子は、図1Bに示すように、500nm帯以下で発振する素子であって、実施例1と同様の窒化物半導体層の積層構造及びリッジ14を有している。
リッジ14の上面を除くp側半導体層の表面には、ZrO2からなる第1保護膜15が形成されている。
リッジ14の基底部に対応する位置には、第1保護膜15を介して空隙16が配置されている。この空隙16の幅(図2A(a)中のX)は、例えば、400nmであり、高さHは110nm程度である。
また、窒化物半導体層の側面及びn側半導体層11の露出表面には、第2保護膜19が形成されている。
さらに、基板10裏面にはn側電極21が形成されている。
このような空隙を有する窒化物半導体レーザ素子においても、実施例1と同様の効果を有する。
つまり、その上に配置される電極によるレーザ光吸収を、リッジの延長方向にわたって低減させることができるとともに、駆動電流が15%程度低下し、長時間にわたって安定した動作電流及び動作電圧を示す。
実施例7のレーザ素子は、以下の方法によって製造することができる。
第1保護膜の成膜条件を制御することにより、実施例2と実質的に同様にして、図7(a)に示すように、リッジ上面を露出する第1保護膜15を形成し、実施例2と実質的に同様にしてNi膜からなる導電層40、Au膜からなる導電層41を形成する。その上に、図7(b)に示すように、マスクパターン42を形成する。
その後、図7(c)に示すように、Pt膜からなる導電層43を形成し、リフトオフ法によって、導電層43をパターニングする(図7(d)参照)。
図示しないが、リッジ14の基底部に相当する部位に開口を有するマスクを形成することにより、導電層43のリッジ14の基底部に相当する位置に、図5(b)に示すように、ギャップ23を導入する。
その後、図7(f)に示すように、Pt膜からなる導電層43を被覆するマスクパターン44を形成する。
その後、実施例2と同様に半導体レーザ素子を形成する。得られたレーザ素子は、実施例7のレーザ素子と同様の効果が得られる。
この実施例は、実質的に実施例2の工程(a)〜(c)を行い、工程(d)の第1保護膜の除去の際に、BHFを用いたウェットエッチングの時間を実施例2よりも長くすることにより、例えば、図2Bの(h)における第2の空隙16aaに相当する空隙を形成することができる。これ以外は実質的に、実施例2と同様に半導体レーザ素子を形成する。得られたレーザ素子は、実施例1のレーザ素子と同様の効果が得られる。
11 n側半導体層
12 活性層
13 p側半導体層
14 リッジ
15、25、45、55 第1保護膜
16、16a、16b、26、26a、26b、26b’36、46、56 空隙
16aa、26bb 第2の空隙
7、17、17a、17b、18、27、27a、27b、28、37、38、47、48、57、58、67、77 電極
19 第2保護膜
20 パッド電極
21 n側電極
22、23 ギャップ
40、43、50、51、53 (Ni膜からなる)導電層
41、43、50、51、53 (Au膜からなる)導電層
43、50、51、53 (Pt膜からなる)導電層
42、44、52 マスクパターン
Claims (10)
- 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、
該窒化物半導体層を被覆する第1保護膜と、
リッジ上及び第1保護膜上に形成された電極とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記第1保護膜は、前記窒化物半導体層の上面からリッジ基底部及びリッジ側面に渡って、前記窒化物半導体層とその一部又は全部が接触して配置されており、
少なくとも前記リッジ基底部において、該第1保護膜と電極とで規定された空隙を備えることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記空隙は、前記リッジの基底部から前記リッジ側面にわたって配置されている請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1保護膜は、前記リッジの側面の一部を露出しており、かつ
前記空隙は、前記リッジ基底部から前記リッジ側面に及んで、前記リッジ側面と接触している請求項1又は2に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第1保護膜は、窒化物半導体層よりも屈折率が小さい請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記空隙は、前記リッジ延長方向において該リッジに略平行して配置されている請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第1保護膜と前記リッジとの間に、第2の空隙が配置されてなる請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- (a)基板上に、窒化物半導体層を積層し、
(b)該窒化物半導体層上にマスクパターンを形成して、該マスクパターンを利用してリッジを形成し、
(c)前記リッジの両側面、前記マスクパターン上及びリッジ形成後に露出している窒化物半導体層上に第1保護膜を形成し、
(d)少なくとも前記マスクパターン及び該マスクパターン上に存在する第1保護膜を除去し、
(e)前記リッジを含む窒化物半導体層及び第1保護膜上に、組成の異なる2以上の多層膜からなる導電層を積層するとともに、少なくとも最表面の導電層の前記リッジの基底部から肩部に相当する部位に、部分的にギャップを導入し、
(f)前記ギャップを介して導電層の一部を除去して、少なくとも前記リッジ基底部において前記第1保護膜と導電層とで規定された空隙を形成することを含む窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記導電層を、第1導電層と、その上に配置する該第1導電層とエッチング速度の異なる第2導電層とによって形成する請求項7に記載の製造方法。
- 前記導電層を、前記第1導電層の下にさらに、該第1及び第2導電層とエッチング速度の異なる第3導電層を積層することによって形成し、
工程(f)の後に、前記リッジの上面、側面及び該リッジ両側の窒化物半導体層の一部表面上にマスクパターンを形成し、該マスクパターンを用いて第3導電層の一部を除去する工程を含む請求項8に記載の製造方法。 - 前記導電層を、前記第1導電層の下にさらに、該第1及び第2導電層とエッチング速度の異なる第3導電層を積層することによって形成し、
工程(f)において、第1導電層の一部を除去して空隙を形成し、
さらに、工程(f)の後に、前記リッジの上面、側面及び該リッジ両側の窒化物半導体層の一部表面上にマスクパターンを形成し、該マスクパターンを用いて第1導電層及び第3導電層の一部を除去する工程を含む請求項8に記載の製造方法。
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