JP2012199275A - 窒化物半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リッジ部の側方に位置する光の吸収膜に起因する応力を低減すると共に、水平拡がり角のばらつきを抑制でき、水平拡がり角が安定したＦＦＰ特性を実現できるようにする。
【解決手段】リッジ部６ａの両側方及び両側面上に形成され、両側面上において下部よりも上部が厚い第１の誘電体膜７と、第１の誘電体膜７上におけるリッジ部の両側方で且つリッジ部６ａの側面の上から見て第１の誘電体膜７のリッジ部の側面上部分と重ならない領域に形成され、活性層４からの光を吸収する吸収膜８と、第１の誘電体膜の上に、吸収膜を覆うと共にリッジ部側の端部がリッジ部と反対側の端部よりも厚く形成され、共振方向に対して垂直な方向の断面が順メサ形状となる厚膜部を有する第２の誘電体膜９とを備えている。リッジ部は、側面が第１の誘電体膜の上面に対して内側に傾いた順メサ形状を有し、吸収膜のリッジ部側の端部は、第２の誘電体膜の厚膜部の外側の境界位置よりもリッジ部に近接するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光装置及びその製造方法に関する。

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体を用いた発光素子は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）又はレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）として急速に普及している。特に、ＧａＮ系半導体レーザダイオードは、例えばＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）用のＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓｅｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の高密度で高速記録が可能な光ディスクシステムにおける光ピックアップのキーデバイスとして産業上の重要性を増している。高密度で高速記録が可能な光ディスクシステムに用いられるＧａＮ系半導体レーザダイオードの特性には、高出力動作時においてキンク（ｋｉｎｋ）が生じない優れた線形特性を有する電流−光出力特性と共に、光ディスクに精度良く記録及び再生を行うために、遠視野像特性（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＦＦＰ）における水平拡がり角を大きくすることが求められる。また、レーザ共振器として、光の共振方向にストライプ状に延びるリッジ部（リッジストライプ）を備えたリッジ型レーザダイオードが広く用いられている。リッジ型レーザダイオードは、リッジ部の側面上に半導体材料又は誘電体材料からなる電流ブロック層を形成し、リッジ部の外側に形成された電流ブロック層と活性層との間の距離（ｄｐ）によって、リッジ部の内部と外部との実効屈折率差（ΔＮ）を制御することにより、所望の光分布を得ている。

水平拡がり角を大きくする手法としては、実効屈折率差（ΔＮ）を大きくしてリッジ部の内部への光分布の閉じ込めを強くすること、又はリッジ部の幅を小さくして光分布の幅を直接的に狭くすることが有効である。しかしながら、ΔＮを大きくすると、水平高次横モードがレーザ発振するようになって、電流−光出力特性にキンクが生じる。水平高次横モードの発振を防止するには、リッジ部の幅を小さくして水平高次横モードをカットオフすることが有効である。しかしながら、レーザダイオードの駆動電流はリッジ部で狭窄されて活性層に注入されるため、素子抵抗の増大を招く。素子抵抗の増大は、駆動電圧の増大につながり、リッジ部の幅を小さくすることは、消費電力の増大による発熱、及びレーザ駆動回路の供給電圧の制限という観点からは好ましくない。

そこで、ＧａＮ系半導体レーザダイオードにおいて、リッジ部の幅を小さくすることなくキンクレベルを増大する手法が下記の特許文献１に開示されている。図８に示すように、従来例に係るＧａＮ系半導体レーザダイオードは、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５９の上部にリッジ部が形成されたリッジ導波路型半導体レーザダイオードである。

従来のリッジ導波路型半導体レーザダイオードは、リッジ部の側面上にレーザ発振光に対する吸収がないＳｉＯ_２からなる電流ブロック層６１と、リッジ部と離間する一方、ｐ型クラッド層５９と直接に接し、レーザ発振光を吸収するアモルファスシリコンからなる吸収膜６２とを備えている。

ここで、符号５６は、ｎ−ＧａＮ基板５１上に成長により形成されたｎ−ＩｎＧａＮからなる活性層であり、該活性層５６とｐ型クラッド層５９との間には、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型バリア層５７及びｐ−ＧａＮからなるｐ型ガイド層５８が順次形成されている。また、ｐ型クラッド層５９のリッジ部の上（頂部）には、ｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層６０が形成され、該ｐ型コンタクト層６０の上には、電流ブロック層６１を覆うように、Ｐ電極６３が形成されている。

リッジ部と離間して設けられる吸収膜６２とリッジ部との離間距離を適当な値に設定することにより、光分布の水平方向において、リッジ部の外側方向への拡がりが大きい水平高次横モードの導波路損失の増大を、水平基本横モードの導波路損失の増大よりも大きくすることができる。このため、水平高次横モード発振を抑制することが可能となる。その結果、電流−光出力特性におけるキンクの発生をリッジ部の幅を小さくすることなく抑制することができるようになる。

特許文献１によると、吸収膜６２にアモルファスシリコンを用いる場合は、リッジ部と吸収膜６２との離間距離が０．３μｍ以上のときにレーザ発振の閾値電流への影響がないこと。さらに、リッジ部の下部と吸収膜６２の離間距離を０．３μｍと最も近づけた場合に、最も大きな水平高次横モード発振を抑制する効果を得ることが記載されている。

特開２００３−１９８０６５号公報（例えば、図１を参照）

上記の特許文献１には、波長が４０５ｎｍの光よりも長波長側に吸収端を有するアモルファスシリコンがｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層と直接に接してリッジ部の両側方に形成されている。

［表１］に、主な材料の熱膨張係数及び屈折率を示す。

［表１］に示すように、ＧａＮの熱膨張係数は５．６×１０^−６／Ｋであるのに対して、アモルファスシリコンの熱膨張係数は０．６×１０^−６／Ｋであり、両者の間には、１桁程度の差がある。従って、熱膨張係数の差に起因して生じる応力は、ｐ型クラッド層の誘電率に変化を与え、リッジ部の内外における屈折率の変化が増大する。このため、光分布は、リッジ部の外側に拡がるように変形し、水平拡がり角が小さくなる。また、吸収膜で発生する水平基本横モードの導波路損失が増大して、スロープ効率の低下と動作電流値の増大とを招くことになる。

また、レーザ発振時のジュール発熱によっても、ｐ型クラッド層には熱膨張係数の差に起因する応力変化が生じる。ウルツ鉱型結晶であるＧａＮに加わる応力により結晶格子に歪みが生じると、圧電分極によって結晶の内部にピエゾ電界が生じる。生じたピエゾ電界は、活性層に注入される電子とホールとを分離して、再結合確率を低下させる。このため、内部量子効率が低くなって、外部量子効率を低下させる。

また、特許文献１に記載された吸収膜は、通常、マスク合わせを行って、リッジ部に対して左右対称の位置に形成する。しかしながら、この場合、吸収膜とリッジ部との離間距離には、マスク合わせのマージンによって生じる０．２μｍ程度の左右の位置ずれが生じる。従って、リッジ部と吸収膜との離間距離を１μｍ以下にまで近接していくと、水平高次横モードの制御が困難となる。これにより、製造される素子ごとに、水平拡がり角のばらつきが増大したり、光軸のずれが発生したりする。その上、高出力レーザダイオードにおけるしきい電流値及び動作電流値にもばらつきが生じるため、光ピックアップ装置における光路設計が困難となる。

本発明は、前記の問題を解決し、リッジ部の側方に設けられ且つ発光光を吸収する吸収膜に起因する応力を低減すると共に、水平拡がり角のばらつきを抑制でき、且つ水平拡がり角が安定したＦＦＰ特性を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体発光装置を、発光光を吸収する吸収膜を、リッジ部を有する半導体層の上に直接に形成するのではなく、誘電体膜を介在させて形成すると共に該誘電体膜をリッジ部の側面に上部が下部よりも厚くなるように設ける構成とする。

具体的に、本発明に係る窒化物半導体発光装置の製造方法は、基板の上に、それぞれが窒化物半導体からなる第１導電型層、活性層及び第２導電型層を基板側から積層する工程と、第２導電型層の上部に対して選択的にエッチングを行って、活性層の上方に一方向に延び且つ上面及び互いに対向する側面を有するリッジ部を形成する工程と、第２導電型層の上に、リッジ部の上面及び側面を覆うと共に、リッジ部の側面上の厚さがリッジ部の下部側よりも上部側が厚い第１の誘電体膜を形成する工程と、第１の誘電体膜の上におけるリッジ部の両側方で、且つ該リッジ部の上方から見て第１の誘電体膜におけるリッジ部の側面上部分と重ならない領域に、活性層からの光を吸収する薄膜を自己整合的に形成する工程とを備えている。

本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法によると、第２導電型層の上に、リッジ部の上面及び側面を覆うと共にリッジ部の側面上の厚さがリッジ部の下部側よりも上部側が厚い第１の誘電体膜を形成し、その後、第１の誘電体膜の上におけるリッジ部の両側方で、且つ該リッジ部の上方から見て第１の誘電体膜におけるリッジ部の側面上部分と重ならない領域に、活性層からの光を吸収する薄膜を自己整合的に形成する。これにより、発光光を吸収する薄膜が、第２導電型層と直接に接することがない。その上、該薄膜はリッジ部に対して自己整合的に形成されるため、リッジ部の側面からの離間距離のばらつきが低減する。これにより、水平拡がり角が安定したＦＦＰ特性を実現することができる。

本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法において、薄膜を自己整合的に形成する工程は、法線蒸着法を用いてもよい。

この場合に、薄膜は、シリコン又はアモルファスシリコンからなっていてもよい。

本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法において、第１の誘電体膜は、シリコン酸化膜であってもよい。

本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法は、薄膜を形成する工程よりも後に、第１の誘電体膜の上に薄膜を覆うように第２の誘電体膜を形成する工程をさらに備えていてもよい。

この場合に、第２の誘電体膜は、酸化ジルコニウムからなっていてもよい。

本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法は、薄膜を形成する工程よりも後に、第２導電型層のリッジ部と電気的に接続されるリッジ部側電極を形成する工程と、第１導電型層と電気的に接続される基板側電極を形成する工程とをさらに備えていてもよい。

この場合に、リッジ部側電極を形成する工程は、リッジ部側電極を含む第２の誘電体膜の上にパッド電極を形成する工程を含んでいてもよい。

本発明の窒化物半導体発光装置の製造方法において、窒化物半導体は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である。）からなるIII−Ｖ族窒化物化合物半導体であってもよい。

このようにすると、活性層における光の発振波長を青紫色から緑色の領域とすることができる。

本発明に係る窒化物半導体発光装置は、基板上に該基板側から積層された第１導電型層、活性層、及び上部に光の共振方向に延びるリッジ部を有する第２導電型層を含む半導体積層体と、第２導電型層におけるリッジ部の両側方及び両側面上に形成され、該両側面上において下部側よりも上部側が厚い第１の誘電体膜と、第１の誘電体膜の上におけるリッジ部の両側方で、且つ該リッジ部の側面の上方から見て第１の誘電体膜におけるリッジ部の側面上部分と重ならない領域に形成され、活性層からの光を吸収する薄膜と、第１の誘電体膜の上に、薄膜を覆うと共にリッジ部側の端部がリッジ部と反対側の端部よりも厚く形成され、光の共振方向に対して垂直な方向の断面が順メサ形状となる厚膜部を有する第２の誘電体膜とを備え、リッジ部は、その側面が第１の誘電体膜の上面に対して９０°又は９０°を超えて内側に傾いた順メサ形状を有し、薄膜のリッジ部側の端部は、第２の誘電体膜における厚膜部の外側の境界位置よりもリッジ部に近接するように形成されている。

本発明の窒化物半導体発光装置によると、第１の誘電体膜は、第２導電型層におけるリッジ部の両側方及び両側面上に、該両側面上において下部側よりも上部側が厚くなるように形成されている。さらに、活性層からの光を吸収する薄膜は、第１の誘電体膜の上におけるリッジ部の両側方で、且つ該リッジ部の側面の上方から見て第１の誘電体膜におけるリッジ部の側面上部分と重ならない領域に形成されている。これにより、薄膜とリッジ部との離間距離が、リッジ部の両側方において実質的に等しい構造となるため、レーザ光の光軸のずれを発生させることなく、リッジ部と薄膜との離間距離を近接して（例えば、０．３μｍ程度以下にまで）設けることが可能となる。その結果、水平高次横モード発振の抑制が容易に達成される。このため、電流−光出力特性におけるキンクの発生をリッジ部の幅を小さくすることなく抑制することが可能となる。また、水平拡がり角を大きく維持できると共に、水平拡がり角のばらつき、光軸のずれ、並びにしきい電流値及び動作電流値のばらつきを抑制することができる。

本発明の窒化物半導体発光装置において、薄膜は、シリコン又はアモルファスシリコンからなっていてもよい。

本発明の窒化物半導体発光装置において、第１の誘電体膜は、シリコン酸化膜であってもよい。

本発明の窒化物半導体発光装置において、第２の誘電体膜は、酸化ジルコニウムからなっていてもよい。

本発明の窒化物半導体発光装置において、半導体積層体は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である。）からなるIII−Ｖ族窒化物化合物半導体により形成されていてもよい。

このようにすると、活性層における光の発振波長を青紫色から緑色の領域とすることができる。

本発明に係る窒化物半導体発光装置及びその製造方法によると、リッジ部の側方に設けられ且つ発光光を吸収する吸収膜に起因する応力を低減すると共に、水平拡がり角のばらつきを抑制でき、且つ水平拡がり角が安定したＦＦＰ特性を実現することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置を示す断面図（共振器の長手方向に垂直な方向）である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 図８は従来例に係るＧａＮ系半導体レーザダイオードを示す断面図である。

（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光装置ついて、ＧａＮ系半導体レーザダイオードに適用した場合を例として図１を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るＧａＮ系半導体レーザダイオードは、Ｎ型ＧａＮからなる基板１の主面上に、Ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなるＮ型クラッド層２、Ｎ型ＧａＮからなるＮ型光ガイド層３、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる障壁層とＩｎ_ｓＧａ_１−ｓＮからなる井戸層とを複数対含む多重量子井戸活性層４、Ｐ型ＧａＮからなるＰ型光ガイド層５、及び上部にＰ^＋型ＧａＮからなるＰ型コンタクト層（図示せず）を含むＰ型Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＰ型クラッド層６が順次形成されている。ここで、例えば、Ｎ型クラッド層２は、厚さが２．５μｍで組成ｘは０．０３であり、Ｎ型光ガイド層３は厚さが０．１μｍである。多重量子井戸活性層４は、障壁層の組成ｙが０．０８であり、井戸層の組成ｓが０．０３である。Ｐ型光ガイド層５は厚さが０．１μｍであり、Ｐ型クラッド層６は、厚さが０．５μｍで組成ｔが０．０３である。

Ｐ型クラッド層６は、共振器における光の共振方向にリッジストライプ状に加工されたリッジ部６ａを有し、Ｐ型コンタクト層はその上部に形成される。リッジ部６ａの幅は、例えば１．４μｍ程度であり、共振器長は、例えば８００μｍである。また、レーザダイオードのチップの幅は、例えば２００μｍである。

本実施形態の特徴として、リッジ部６ａの側面上を含め、Ｐ型クラッド層６の上には、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる第１の誘電体膜７が形成されている。ここで、第１の誘電体膜７は、リッジ部６ａの側面上の厚さが該リッジ部６ａの下部側よりも上部側が厚くなるように、すなわち、リッジ部６ａの側面に対して逆メサ形状となるように形成されている。

第１の誘電体膜７の上におけるリッジ部６ａの両側方には、アモルファスシリコン（ａ−シリコン）からなる薄膜である吸収膜８がそれぞれ形成されている。ここで、各吸収膜８は、リッジ部６ａの上方から見て、第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの側面上部分と重ならない領域に形成される。

さらに、第１の誘電体膜７の上には、吸収膜８を覆うと共にリッジ部６ａ側の端部が該リッジ部６ａと反対側の端部よりも厚く形成され、さらにリッジ部６ａの側面に対して順メサ形状となる厚膜部を有する第２の誘電体膜９が形成されている。なお、第２の誘電体膜９は、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）から構成される。また、第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの側面上部分は、その上端面が第２の誘電体膜９の厚膜部（順メサ部）から露出している。

Ｐ型クラッド層６のリッジ部６ａの上には、該リッジ部６ａの上部に形成されたＰ型コンタクト層を覆うように、リッジ部側電極であるＰ電極１０が形成されている。ここで、Ｐ電極１０には、Ｐ^＋型ＧａＮと低接触抵抗で接続できるパラジウム（Ｐｄ）又はニッケル（Ｎｉ）等の金属を用いることができる。

第１の誘電体膜７及び第２の誘電体膜９の上には、リッジ部６ａの上部、すなわちＰ電極１０を覆うようにパッド電極１１が形成されている。パッド電極１１には、チタン（Ｔｉ）又は金（Ａｕ）を用いることができる。

基板１のＮ型クラッド層２とは反対側の面、すなわち裏面には、Ｎ型ＧａＮからなる基板１と低接触抵抗で接続できるように、例えば、基板１側から積層されたチタン（Ｔｉ）／Ｐｔ（白金）／金（Ａｕ）からなる基板側電極であるＮ電極１２が形成されている。

以下、前記のように構成されたＧａＮ系半導体レーザダイオードの製造方法について図２（ａ）〜図７（ｂ）を参照しながら説明する。

（リッジストライプの形成）
まず、図２（ａ）に示すように、例えば有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法を用いて、Ｎ型ＧａＮからなる基板１Ａの主面上に、Ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなるＮ型クラッド層２、Ｎ型ＧａＮからなるＮ型光ガイド層３、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる障壁層とＩｎ_ｓＧａ_１−ｓＮからなる井戸層とを交互に積層した多重量子井戸活性層４、Ｐ型ＧａＮからなるＰ型光ガイド層５、Ｐ型Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＮからなるＰ型クラッド層６、及びＰ^＋型ＧａＮからなるＰ型コンタクト層（図示せず）を順次成長により形成して、半導体積層体を得る。なお、各窒化物半導体層における組成ｘ、ｙ、ｓ及びｔは、上述したように、例えば、０．０３、０．０８、０．０３及び０．０３である。

続いて、Ｐ型コンタクト層の上にシリコン酸化膜を堆積し、リソグラフィ法及びドライエッチング又はウエットエッチング法により、堆積したシリコン酸化膜をリッジストライプ状にパターニングしたマスクパターン１３を形成する。

次に、マスクパターン１３を用いて、リッジ部６ａの側面の基板面に対する角度θが９０°又は９０°よりも大きく、好ましくは１１０°程度以下の順メサ形状となる所望のエッチング条件により、例えば塩素（Ｃｌ_２）プラズマを用いたドライエッチングを行う。その後、図２（ｂ）に示すように、マスクパターン１３を、例えばバッファードフッ酸（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ Ａｃｉｄ：ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングで除去することにより、所定の寸法を有し、側面の角度θが９０°以上且つ１１０°程度以下の順メサ状のリッジ部６ａを得る。

（電流ブロック層の形成）
大気圧下において、約３００℃程度で成膜する常圧化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法における堆積種の平均自由行程は、約１００ｎｍであり、一般的なレーザダイオードにおけるリッジ型の共振器の段差構造は０．３μｍ〜１．０μｍ程度である。

そこで、図３（ａ）に示すように、堆積種の平均自由行程が約１００ｎｍ程度である常圧ＣＶＤ法を用いて、Ｐ型クラッド層６の上にリッジ部６ａを覆うように、ＳｉＯ_２からなる第１の誘電体膜７Ａを形成する。平均自由行程が小さい常圧ＣＶＤ法を用いると、堆積種のリッジ部６ａの下部への回り込みが抑制される。このため、リッジ部６ａの側面の角度θが９０°〜１１０°程度の順メサ状のリッジ部６ａに対して、該リッジ部６ａの側面の上部が基板１の主面に平行な方向に張り出した逆メサ形状を有する第１の誘電体膜７Ａを形成することができる。この第１の誘電体膜７Ａにおけるリッジ部６ａの側面上の逆メサ状部分が電流ブロック層として機能する。なお、第１の誘電体膜７Ａは、ＳｉＯ_２であれば、常圧ＣＶＤ法により、リッジ部６ａの上部に横方向に張り出す逆メサ形状を容易に形成できるためで好ましい。但し、第１の誘電体膜７Ａは、リッジ部６ａの両側面の上部を横方向に互いに等しい距離で張り出すように形成できれば、ＳｉＯ_２に限られない。

ここで、Ｐ型クラッド層６と接する、ＳｉＯ_２からなる第１の誘電体膜７Ａは、リッジ部６ａの上部の横方向への張り出し距離に基づいて堆積する膜厚が決定される。すなわち、レーザ発振における閾値電流に影響がない範囲で、吸収膜８を可能な限りリッジ部６ａに近づけることができるようにする。具体的には、例えば、リッジ部６ａの側面の上部から約０．３μｍで張り出すように形成するには、第１の誘電体膜７Ａの膜厚を、約１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で所望の膜厚に成膜する。

第１の誘電体膜７Ａにおけるリッジ部６ａの側面を除く基板面に垂直な方向の膜厚は、光分布水平方向における横モードを制御する上での重要なパラメータである。従って、第１の誘電体膜７Ａの側方部分の膜厚が厚くなると、ＧａＮとの熱膨張係数の差に起因して発生する応力も大きくなる。逆に、第１の誘電体膜７の側方領域の膜厚が薄くなり過ぎると、水平基本横モードの導波路損失が増大してしまう。このため、第１の誘電体膜７Ａの膜厚は、上記の張り出し寸法とは独立して所望の膜厚を設定することが好ましい。

このような場合、図３（ｂ）に示すように、第１の誘電体膜７Ａに対して、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法による異方性エッチバックを行って、第１の誘電体膜７Ａの膜厚が０ｎｍよりも大きく且つ５００ｎｍ程度以下となるように薄膜化して、第１の誘電体膜７とすればよい。これにより、第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの側面上の膜厚である横方向への張り出し寸法を一定に保ちつつ、Ｐ型クラッド層６におけるリッジ部６ａの側方領域の膜厚を独立に制御することができる。

（吸収膜の形成）
次に、図４（ａ）に示すように、リソグラフィ法により、第１の誘電体膜７の上に、吸収膜８を自己整合的に形成する第１のレジストマスク１４を形成する。続いて、第１のレジストマスク１４を用いて、第１の誘電体膜７の上にアモルファスシリコンからなる吸収膜８を法線蒸着する。この法線蒸着には、例えば、電子ビーム蒸着法等を用いることができる。吸収膜８の膜厚は、５ｎｍ〜５００ｎｍ程度の所望の膜厚とする。

このようにすると、第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの上部の横方向への張り出し寸法に応じて、吸収膜８はリッジ部６ａに対して両側に互いに等しい距離となるように自己整合的に離間して形成される。吸収膜８は、前述した特許文献１における構成と異なり、第１の誘電体膜７を介在させて形成される。このため、吸収膜８に取り込まれる光分布の割合が小さくなるので、吸収膜８における光吸収損失が小さくなる。従って、吸収膜８とリッジ部６ａとの離間距離をより近接して形成することが要求される。しかしながら、本実施形態によると、第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの上部の横方向への張り出し寸法を、１μｍ程度以下にまで容易に制御することができる。このため、吸収膜８のリッジ部６ａとの離間距離を水平高次横モード発振が抑制できる位置に安定して形成することが可能となる。

なお、吸収膜８は、アモルファスシリコンに限られず、多重量子井戸活性層４からの発光光の発振波長に対して吸収係数を持つ種々の材料、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いることができる。

次に、図４（ｂ）に示すように、第１のレジストマスク１４を、例えばアセトン等の有機溶剤を用いてリフトオフする。これにより、アモルファスシリコンからなる吸収膜８が、リッジ部６ａに対する離間距離が両側方で互いに等しく自己整合的に決定されるように形成する。このとき、両吸収膜８のリッジ部６ａ側の端部は、第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの各側面から離間して形成される。このように、アモルファスシリコンからなる吸収膜８を、第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの各側面から離間して形成することは、リッジ部６ａの側面に吸収膜８が接触する場合に問題となる、水平基本横モードに対する導波路損失を抑えることができるため好ましい。

（第２の誘電体膜の形成）
次に、図５（ａ）に示すように、第１の誘電体膜７及び吸収膜８を覆う第２の誘電体膜９を形成する。

第２の誘電体膜９は、真空下で行うスパッタ法により、熱膨張係数が比較的に大きい酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）膜を、リッジ部６ａの側面上で逆メサ形状に形成された第１の誘電体膜７を覆うように、順メサ形状に形成する。すなわち、リッジ部６ａの側面の下部が厚く、リッジ部６ａの側面の上部が薄くなるように形成する。

なお、第２の誘電体膜９における順メサ形状は、第２の誘電体膜９を成膜した後、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によるドライエッチングを、第２の誘電体膜９の全面に施すことにより形成してもよい。この場合、ＲＩＥ法において、アルゴン（Ａｒ）にフッ素（Ｆ）をドープしたプラズマ雰囲気を用いれば、第２の誘電体膜９に対してフッ素のドーピング量を増やすことにより、該第２の誘電体膜９を低誘電率の電流ブロック層とすることができる。このため、後工程で形成されるパッド電極とＰ型クラッド層６とに挟まれる第２の誘電体膜９により構成されるコンデンサの容量値を小さくすることができる。この容量値が小さくなることにより、パルス駆動時の電圧の立ち上がり及び立ち下がりが急峻となるため、駆動特性を向上することができる。その上、低誘電率である第２の誘電体膜９がＰ型クラッド層６におけるリッジ部６ａの両側方部分で接することにより、該接触部の界面及びその近傍における電気的な変化が抑制される。その結果、多重量子井戸活性層４に注入される電流経路を安定化することができる。このように、第２の誘電体膜９を低誘電率化することが好ましい。

なお、ここでは第２の誘電体膜９に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を用いたが、これに代えて酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いることができる。

（電流ブロック層の開口）
次に、図５（ｂ）に示すように、リソグラフィ法により、第２の誘電体膜９の上に、リッジ部６ａの上側部分に開口パターンを有する第２のレジストマスク１５を形成する。

次に、図６（ａ）に示すように、ドライエッチング法又はウエットエッチング法により、第２のレジストマスク１５を用いて、第２の誘電体膜９におけるリッジ部６ａの上側部分及び両側方部分、リッジ部６ａの上に形成された吸収膜８及び第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの上側部分及び両側方の上部をエッチングする。ここでは、ＺｒＯ_２からなる第２の誘電体膜９及びアモルファスシリコンからなる吸収膜８は、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）／塩素（Ｃｌ_２）プラズマを用いたドライエッチングを行う。また、ＳｉＯ_２からなる第１の誘電体膜７に対しては、リッジ部６ａの上部のＰ型コンタクト層にドライエッチングによるダメージを与えないように、ＢＨＦを用いたウエットエッチングを行うことが好ましい。

なお、本工程において、第２のレジストマスク１５を形成する際に、リッジ部６ａにおける長手方向の一部をマスクすることにより、第２の誘電体膜９におけるリッジ部６ａの上側に開口しない領域を設けると、リッジ部６ａの上面の一部、例えばリッジ部６ａの端面の近傍に電流の非注入構造を形成することができる。すなわち、断面形状が順メサ形状である端面非注入構造を形成することができる。このようにすると、劈開工程において、第２の誘電体膜９における共振器端面の近傍部分に生じる割れ又は剥がれが抑制されるため好ましい。

以上の工程により、リッジ部６ａの上側に開口部を有する逆メサ状の第１の誘電体膜７と、リッジ部６ａの両側面に第１の誘電体膜７を介在させて共振器に対称に且つ近接して形成された吸収膜８と、リッジ部６ａの上側に開口部を有し、第１の誘電体膜７におけるリッジ部６ａの逆メサ状の側面及び吸収膜８を覆う順メサ状の第２の誘電体膜９とからなる電流ブロック層を得る。

このとき、各吸収膜８のリッジ部６ａ側の端部は、第２の誘電体膜９における順メサ部の外側の境界位置よりもリッジ部６ａに近接するように形成される。

このように、本実施形態の製造方法によると、リッジ部６ａの側面の下部に、各吸収膜８を第１の誘電体膜７の膜厚程度の寸法に自己整合的に近接して形成することができる。また、各吸収膜８のリッジ部６ａ側の端部の上面には、順メサ状の第２の誘電体膜９が形成された構成とすることができる。

（Ｐ電極の形成）
次に、図６（ｂ）に示すように、例えば、真空蒸着法により、リッジ部６ａを露出する開口部を含む第２のレジストマスク１５の上に、パラジウム（Ｐｄ）又はニッケル（Ｎｉ）からなるＰ電極１０を成膜する。

次に、図７（ａ）に示すように、第２のレジストマスク１５を、例えばアセトン等の有機溶剤によってリフトオフすることにより、Ｐ電極１０をリッジ部６ａの頂部に形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、第３のレジストマスク（図示せず）を用いた蒸着リフトオフ法により、Ｐ電極１０の上にパッド電極１１を形成する。パッド電極１１は、Ｐ電極１０だけでなく、第２の誘電体膜９を覆うように形成する。なお、パッド電極１１は、金属相互拡散を抑止可能な金（Ａｕ）等を含む２層以上の構成が好ましく、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造とする。

（Ｎ電極の形成）
次に、Ｎ型ＧａＮからなる基板１Ａの裏面を、１００μｍ以下の所望の厚さにまで研削及び研磨して、基板１を得る。その後、図１に示すように、基板１の裏面に、該基板１と接続されるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜からなるＮ電極１２を形成する。

以上のプロセスにより、図１に示す高出力ＧａＮ形半導体レーザダイオードを得る。

本実施形態によると、Ｐ型クラッド層６と接することなく、リッジ部６ａに対して、自己整合的に且つ対称となるように、吸収膜８を形成することができる。このように、吸収膜８とリッジ部６ａとの離間距離が、リッジ部６ａに対して等しいレーザ構造を得ることができるため、レーザ光の光軸のずれが発生しない。このため、リッジ部６ａと吸収膜８との離間距離を約０．３μｍ以下にまで近接して設けることができるので、水平高次横モード発振を容易に抑制することができる。その結果、電流−光出力特性におけるキンクの発生を、リッジ部６ａの幅を狭めることなく抑制することが可能となる。また、同時に製造される複数のレーザダイオード同士の間であっても、水平拡がり角を大きく維持でき、且つ、水平拡がり角のばらつき及び光軸のずれ、しきい電流値及び動作電流値のばらつきを抑制することができる。

なお、Ｐ電極１０に用いられるＮｉ若しくはＰｄ、又はパッド電極１１に用いられるＴｉ若しくはＡｕ等の熱膨張係数が大きい金属と、熱膨張係数が小さい吸収膜８とが直接に接する場合には、レーザ発振時のジュール発熱に伴ってＰ電極１０又はパッド電極１１が吸収膜８から剥離してしまい、放熱が阻害されて素子の温度特性を低下させる。

しかしながら、本実施形態においては、アモルファスシリコンからなる吸収膜８が、Ｐ型クラッド層６及びパッド電極１１と直接に接することがない、逆メサ形状の第１の誘電体膜７と順メサ形状の第２の誘電体膜９とに挟まれた構造としている。

これにより、Ｐ型クラッド層６に、第１の誘電体膜７及び第２の誘電体膜９との熱膨張係数の差に起因する応力を効果的に縮減することができる。その結果、同時に製造される複数のレーザダイオード同士の間で水平拡がり角を大きく維持でき、且つ、Ｐ電極１０の吸収膜８からの剥れを抑制することができる。特に、吸収膜８におけるリッジ部６ａ側の端部において、該吸収膜８の上に第２の誘電体膜９の順メサ状部分が厚く形成されるため、吸収膜８に印加される、各誘電体膜７、９との熱膨張係数の差に起因する応力をさらに低減することができる。

なお、本発明は、ＧａＮ系半導体レーザダイオードに限られず、半導体積層体にリッジ部を有する、一般式がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である。）からなるIII−Ｖ族窒化物化合物半導体よりなる半導体発光装置に適用可能である。

本発明に係る窒化物半導体発光装置及びその製造方法は、リッジ部の側方に設けられ且つ発光光を吸収する吸収膜に起因する応力を低減すると共に、水平拡がり角のばらつきを抑制でき、且つ水平拡がり角が安定したＦＦＰ特性を実現することができ、高出力青紫色レーザダイオード等の窒化物半導体発光装置等に有用である。

１ 基板
１Ａ 基板（研磨前）
２ Ｎ型クラッド層
３ Ｎ型光ガイド層
４ 多重量子井戸活性層
５ Ｐ型光ガイド層
６ Ｐ型クラッド層
６ａ リッジ部
７ 第１の誘電体膜
７Ａ 第１の誘電体膜
８ 吸収膜（薄膜）
９ 第２の誘電体膜
１０ Ｐ電極（リッジ部側電極）
１１ パッド電極
１２ Ｎ電極（基板側電極）
１３ マスクパターン
１４ 第１のレジストマスク
１５ 第２のレジストマスク

Claims (14)

1. 基板の上に、それぞれが窒化物半導体からなる第１導電型層、活性層及び第２導電型層を前記基板側から積層する工程と、
   前記第２導電型層の上部に対して選択的にエッチングを行って、前記活性層の上方に一方向に延び且つ上面及び互いに対向する側面を有するリッジ部を形成する工程と、
   前記第２導電型層の上に、前記リッジ部の上面及び側面を覆うと共に、前記リッジ部の側面上の厚さが前記リッジ部の下部側よりも上部側が厚い第１の誘電体膜を形成する工程と、
   前記第１の誘電体膜の上における前記リッジ部の両側方で、且つ、該リッジ部の上方から見て前記第１の誘電体膜における前記リッジ部の側面上部分と重ならない領域に、前記活性層からの光を吸収する薄膜を自己整合的に形成する工程とを備えていることを特徴とする窒化物半導体発光装置の製造方法。
2. 前記薄膜を自己整合的に形成する工程は、法線蒸着法を用いることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
3. 前記薄膜は、シリコン又はアモルファスシリコンからなることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
4. 前記第１の誘電体膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
5. 前記薄膜を形成する工程よりも後に、
   前記第１の誘電体膜の上に前記薄膜を覆うように第２の誘電体膜を形成する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
6. 前記第２の誘電体膜は、酸化ジルコニウムからなることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
7. 前記薄膜を形成する工程よりも後に、
   前記第２導電型層の前記リッジ部と電気的に接続されるリッジ部側電極を形成する工程と、
   前記第１導電型層と電気的に接続される基板側電極を形成する工程とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
8. 前記リッジ部側電極を形成する工程は、前記リッジ部側電極を含む前記第２の誘電体膜の上にパッド電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
9. 前記窒化物半導体は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である。）からなるIII−Ｖ族窒化物化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
10. 基板上に該基板側から積層された第１導電型層、活性層、及び上部に光の共振方向に延びるリッジ部を有する第２導電型層を含む半導体積層体と、
    前記第２導電型層における前記リッジ部の両側方及び両側面上に形成され、該両側面上において下部側よりも上部側が厚い第１の誘電体膜と、
    前記第１の誘電体膜の上における前記リッジ部の両側方で、且つ、該リッジ部の上方から見て前記第１の誘電体膜における前記リッジ部の側面上部分と重ならない領域に形成され、前記活性層からの光を吸収する薄膜と、
    前記第１の誘電体膜の上に、前記薄膜を覆うと共に前記リッジ部側の端部が前記リッジ部と反対側の端部よりも厚く形成され、前記光の共振方向に対して垂直な方向の断面が順メサ形状となる厚膜部を有する第２の誘電体膜とを備え、
    前記リッジ部は、その側面が前記第１の誘電体膜の上面に対して９０°又は９０°を超えて内側に傾いた順メサ形状を有し、
    前記薄膜の前記リッジ部側の端部は、前記第２の誘電体膜における前記厚膜部の外側の境界位置よりも前記リッジ部に近接するように形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光装置。
11. 前記薄膜は、シリコン又はアモルファスシリコンからなることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体発光装置。
12. 前記第１の誘電体膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の窒化物半導体発光装置。
13. 前記第２の誘電体膜は、酸化ジルコニウムからなることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。
14. 前記半導体積層体は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である。）からなるIII−Ｖ族窒化物化合物半導体により構成されていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光装置。

Images