JP2015046467A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の安定した動作を実現する。
【解決手段】半導体レーザ素子は、半導体基板上に形成されたｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に、Ｘ方向に互いに離間し、Ｘ方向と直交するＹ方向に延在して形成されｐ型のストライプ状の複数のリッジストライプＲＳ１〜ＲＳ５とを備える電流狭窄構造である。そして、複数のリッジストライプＲＳ１〜ＲＳ５のそれぞれのＸ方向のストライプ幅Ｗ１〜Ｗ５が、半導体基板の端部から中央部にかけて段階的に小さくなるように形成する。これにより、複数のリッジストライプＲＳ１〜ＲＳ５の電流注入量の均一化を図る。
【選択図】図５

Description

本発明は半導体装置に関し、例えば窒化物半導体を構成材料とする半導体レーザ素子に好適に利用できるものである。

近年、プロジェクタ、照明、および加工光源に代表される様々な分野への半導体レーザ素子の適用が検討されている。

例えば特開２００８−２５８５１５号公報（特許文献１）には、複数のリッジ部のうち、中央領域に配列されたリッジ部のストライプ幅を端部領域に配列されたリッジ部のストライプ幅よりも大きくすることにより、合成光のスペクトル帯域幅を拡大する半導体レーザ装置が開示されている。

また、特開２００４−３１９９８７号公報（特許文献２）には、凸状のリッジ部を備える半導体レーザ素子が開示されている。リッジ部の両側に凸状のダミーリッジ部を備え、リッジ部の側面を覆うように電流ブロック層を形成し、リッジ部の上面上に接触するように金属電極を形成することにより、信頼性の向上を図る技術が記載されている。

特開２００８−２５８５１５号公報 特開２００４−３１９９８７号公報

窒化物半導体を利用して作製される、複数のストライプを有する電流狭窄構造の半導体レーザ素子では、複数のストライプに電流を流すと、中央部のストライプが端部のストライプよりも放熱性が悪いため高温になる。中央部のストライプが高温になると、中央部のストライプの抵抗が低くなり、中央部のストライプに流れ込む電流が増加し、そして発熱量が増加する、という正のフィードバックが生じる。この結果、半導体レーザ素子の安定した動作が得られないという問題が生じている。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態は、窒化物半導体からなる複数のストライプを備える電流狭窄構造の半導体レーザ素子であり、複数のストライプのそれぞれのストライプ幅が、基板の端部から中央部にかけて段階的に小さくなっている。

一実施の形態によれば、半導体装置の安定した動作を実現することができる。

関連技術における半導体レーザ素子の平面図である。 関連技術における半導体レーザ素子のリッジストライプの位置と温度との関係を示すグラフ図である。 関連技術における半導体レーザ素子のリッジストライプの位置と素子抵抗との関係を示すグラフ図である。 実施の形態１における半導体レーザ素子の断面図である。 実施の形態１における半導体レーザ素子の平面図である。 実施の形態１における半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 図６に続く、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 図７に続く、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 図８に続く、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 図９に続く、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１における半導体レーザ素子のストライプ幅とリッジストライプの素子抵抗との関係を示すグラフ図である。 実施の形態１における半導体レーザ素子のリッジストライプの位置とストライプ幅との関係を示すグラフ図である。 実施の形態１における半導体レーザ素子のリッジストライプの位置と素子抵抗との関係を示すグラフ図である。 実施の形態２における半導体レーザ素子の平面図である。 実施の形態３における半導体レーザ素子の断面図である。 実施の形態３における半導体レーザ素子の平面図である。 実施の形態３における半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 図１７に続く、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 図１８に続く、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
＜関連技術における半導体レーザ素子の説明＞
まず、実施の形態１における半導体レーザ素子について説明する前に、関連技術における半導体レーザ素子について説明する。図１は、関連技術における半導体レーザ素子の平面図である。図２は、関連技術における半導体レーザ素子のリッジストライプの位置と温度との関係を示すグラフ図である。図３は、関連技術における半導体レーザ素子のリッジストライプの位置と素子抵抗との関係を示すグラフ図である。

図１に示すように、関連技術における半導体レーザ素子は、窒化物半導体を構成材料とし、かつ、複数のリッジストライプ（レーザストライプ）ＲＳを有するアレイ型の半導体レーザ素子である。そして、この半導体レーザ素子は、平面視において、四角形状をした半導体チップに形成されている。

複数のリッジストライプＲＳのそれぞれは、Ｙ方向に延在するように形成されている。そして、複数のリッジストライプＲＳのそれぞれは、Ｙ方向と直交するＸ方向に互いに離間して並ぶように形成されており、複数のリッジストライプＲＳのそれぞれのＸ方向のストライプ幅は同じである。

ところで、図２に示すように、半導体レーザ素子を高出力、高温で動作させた場合、これらリッジストライプＲＳの温度は上昇するが、特に、中央部のリッジストライプＲＳの温度が端部のリッジストライプＲＳの温度よりも高くなる。これは、中央部のリッジストライプＲＳでは、端部のリッジストライプＲＳに比べて熱が逃げる経路が少なく、周辺を発熱源であるリッジストライプＲＳに囲まれているためである。

このとき、図３に示すように、温度の高い中央部のリッジストライプＲＳにおいて素子抵抗が低くなる。その結果、中央部のリッジストライプＲＳに注入される電流が、端部のリッジストライプＲＳに注入される電流よりも増加して、複数のリッジストライプＲＳにおいて電流の不均一な注入が発生する。これは、窒化物半導体では、ｐ型層の抵抗が高く、かつ、一般的にｐ型層において電流狭窄を行っているため、素子抵抗におけるｐ型層の割合が高くなることに起因する。

従って、温度の高い中央部のリッジストライプＲＳでは、ｐ型層の抵抗が低くなるため素子抵抗が低くなり、注入される電流が増加して、発熱量が増加する。発熱量が増加すると、さらに、ｐ型層の抵抗が低くなるため素子抵抗が低くなり、注入される電流が増加する、という正のフィードバックが発生する。これにより、中央部のリッジストライプＲＳでは、電流注入量が増加して、端部のリッジストライプＲＳよりも早く劣化するため、半導体レーザ素子全体として、安定した動作が得られなくなってしまう。

＜実施の形態１における半導体レーザ素子の構成＞
実施の形態１における半導体レーザ素子の構成を図４および図５を用いて説明する。図４は、実施の形態１における半導体レーザ素子の断面図である。図５は、実施の形態１における半導体レーザ素子の平面図である。

実施の形態１における半導体レーザ素子は、窒化物半導体を構成材料とし、かつ、複数のリッジストライプを有するアレイ型の半導体レーザ素子である。実施の形態１では、５本のリッジストライプを有する半導体レーザ素子について説明するが、これに限定されるものではなく、これより多くても少なくてもよい。

図４に示すように、半導体レーザ素子は、例えばｎ型不純物が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体基板１Ｓを有している。そして、この半導体基板１Ｓ上に、ｎ型バッファ層ＢＦ、ｎ型クラッド層ＮＣＬＤ、ｎ側光閉じ込め層ＯＷＧ１、活性層ＭＱＷ、キャップ層ＣＡＰ、およびｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２が下層から順に形成されている。さらに、このｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２上に、電流狭窄層を構成するｐ型クラッド層ＰＣＬＤおよびｐ型コンタクト層ＰＣＮＴが形成されている。

ｐ型クラッド層ＰＣＬＤ、およびｐ型クラッド層ＰＣＬＤ上に設けられたｐ型コンタクト層ＰＣＮＴは、リッジストライプ形状に加工されており、例えばｐ型クラッド層ＰＣＬＤおよびｐ型コンタクト層ＰＣＮＴからなるリッジストライプＲＳが５本形成されている。さらに、ｐ型コンタクト層ＰＣＮＴを露出させて、ｐ型クラッド層ＰＣＬＤの表面には絶縁膜ＩＦが形成されている。

５本のリッジストライプＲＳのそれぞれは、電流狭窄層として機能するとともに、屈折率導波路としても機能する。そして、ｐ型コンタクト層ＰＣＮＴと電気的に接続するｐ側電極ＰＥが設けられており、このｐ側電極ＰＥは、５本のリッジストライプＲＳにわたって形成されている。従って、ｐ側電極ＰＥは、５本のリッジストライプＲＳに共通の電極となっている。一方、半導体基板１Ｓの裏面には、半導体基板１Ｓと電気的に接続するｎ側電極ＮＥが形成されている。

ｎ型バッファ層ＢＦは、例えばｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）からなり、その厚さは、例えば１μｍである。

ｎ型クラッド層ＮＣＬＤは、例えばｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）が導入された窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）からなり、その厚さは、例えば２μｍである。

ｎ側光閉じ込め層ＯＷＧ１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなり、その厚さは、例えば０．１μｍである。

活性層ＭＱＷは、窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる量子井戸層と、窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる障壁層（バリア層）とを交互に積層した量子井戸構造からなる。そして、量子井戸層を構成する窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）のインジウム組成と、障壁層を構成する窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）のインジウム組成とは異なっており、所望の発振波長に応じて、インジウム組成と層厚が調整される。

キャップ層ＣＡＰは、例えば窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）からなり、その厚さは、例えば１０ｎｍである。

ｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなり、その厚さは、例えば０．１μｍである。

ｐ型クラッド層ＰＣＬＤは、例えばｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）と、ｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）が導入された窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）とを交互に積層した１３０周期の超格子構造からなる。窒化ガリウム（ＧａＮ）の厚さは、例えば２．５ｎｍ、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）の厚さは、例えば２．５ｎｍである。

ｐ型コンタクト層ＰＣＮＴは、例えばｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）からなり、その厚さは、例えば０．１μｍである。

絶縁膜ＩＦは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。さらに、ｐ側電極ＰＥは、例えばパラジウム（Ｐｄ）とプラチナ（Ｐｔ）との積層膜から構成され、ｎ側電極ＮＥは、例えばチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）との積層膜から構成される。なお、これら層または膜の厚さ、および組成等は、半導体レーザ素子の所望の特性等を考慮して適宜変更することが可能である。

さらに、図５に示すように、半導体レーザ素子は、平面視において、Ｘ方向に延在する短辺と、Ｘ方向と直交するＹ方向に延在する長辺とを有する四角形状をした半導体チップに形成されている。半導体レーザ素子の短辺の長さは、例えば４００μｍであり、長辺の長さは、例えば８００μｍである。

半導体レーザ素子には、５本のリッジストライプＲＳが形成されているが、５本のリッジストライプＲＳのそれぞれは、Ｙ方向、すなわち半導体チップの長辺方向に延在するように形成されている。そして、５本のリッジストライプＲＳのそれぞれは、Ｙ方向と直交するＸ方向、すなわち半導体チップの短辺方向に互いに離間して並ぶように形成されている。

＜実施の形態１における半導体レーザ素子の特徴＞
実施の形態１における半導体レーザ素子の特徴は、半導体レーザ素子を構成する複数のリッジストライプＲＳのＸ方向のストライプ幅にあり、複数のリッジストライプＲＳのそれぞれのストライプ幅が、半導体レーザ素子の端部から中央部にかけて段階的に小さくなっている。

まず、実施の形態１における半導体レーザ素子の特徴を説明する。

複数のリッジストライプＲＳをリッジストライプＲＳ（ｎ）（（ｎ）＝１、２、・・・）と表す。ここで（ｎ）は、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面からＹ方向に沿う他方側面に向かって配置された複数のリッジストライプＲＳの順番を示している。

複数のリッジストライプＲＳ（ｎ）に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面または他方側面から、リッジストライプＲＳ（ｎ）のストライプ幅の中心までの距離をＸ（ｎ）とする。ここで、距離Ｘ（ｎ）は、リッジストライプＲＳ（ｎ）のストライプ幅の中心と、リッジストライプＲＳ（ｎ）が近い側の半導体レーザ素子のＹ方向に沿う側面との距離とする。また、リッジストライプＲＳ（ｎ）のストライプ幅をＷ（ｎ）とする。

このとき、リッジストライプＲＳ（ｎ）のストライプ幅Ｗ（ｎ）は、式（１）および式（２）を用いて表すことができる。

Ｘ（ｎ）＜Ｘ（ｎ＋１）ならば、Ｗ（ｎ）＞Ｗ（ｎ＋１）・・・（式１）
Ｘ（ｎ）＞Ｘ（ｎ＋１）ならば、Ｗ（ｎ）＜Ｗ（ｎ＋１）・・・（式２）
次に、前述の図５を用いて、実施の形態１における半導体レーザ素子の特徴を、５本のリッジストライプＲＳを有する半導体レーザ素子にあてはめて具体的に説明する。

リッジストライプＲＳ１に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面から、リッジストライプＲＳ１のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ１とする。同様に、リッジストライプＲＳ２に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面から、リッジストライプＲＳ２のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ２とする。同様に、リッジストライプＲＳ３に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面から、リッジストライプＲＳ３のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ３とする。

さらに、リッジストライプＲＳ４に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う他方側面から、リッジストライプＲＳ４のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ４とする。同様に、リッジストライプＲＳ５に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う他方側面から、リッジストライプＲＳ５のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ５とする。

また、リッジストライプＲＳ１のストライプ幅をＷ１、リッジストライプＲＳ２のストライプ幅をＷ２、リッジストライプＲＳ３のストライプ幅をＷ３、リッジストライプＲＳ４のストライプ幅をＷ４、リッジストライプＲＳ５のストライプ幅をＷ５とする。

これらを上記式（１）および式（２）にあてはめると、
Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘ３、およびＸ３＞Ｘ４＞Ｘ５
であるから、
Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３、およびＷ３＜Ｗ４＜Ｗ５
となる。

これを基にして、例えばＷ１＝Ｗ５＝１２μｍ、Ｗ２＝Ｗ４＝１１μｍ、Ｗ３＝１０μｍと設計することができる。

さらに、リッジストライプＲＳ１の外側のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ１、リッジストライプＲＳ１とリッジストライプＲＳ２との間のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ２、リッジストライプＲＳ２とリッジストライプＲＳ３との間のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ３とする。さらに、リッジストライプＲＳ３とリッジストライプＲＳ４との間のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ４、リッジストライプＲＳ４とリッジストライプＲＳ５との間のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ５、リッジストライプＲＳ５の外側のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ６とする。

例えばｄ１＝ｄ６＝７２μｍ、ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝５０μｍと設計すると、Ｘ１＝Ｘ５＝７８μｍ、Ｘ２＝Ｘ４＝１３９．５μｍ、Ｘ３＝２００μｍとなり、距離Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５と幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５は、上記式（１）および式（２）の関係を満たす。

ここで、リッジストライプＲＳ（ｎ）のストライプ幅Ｗ（ｎ）の差分（Ｗ（ｎ）−Ｗ（ｎ±１））は、ストライプ幅Ｗ（ｎ）の５０％以内、好ましくは３０％以内とする。この差分が大きい場合は、レーザー発振電流の閾値等の違いが大きくなり、複数のリッジストライプＲＳ（ｎ）間における出力差が大きくなるため、好ましくない。

＜実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法＞
実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法を、図６〜図１０を用いて説明する。図６〜図１０は、実施の形態１における半導体レーザ素子の断面図である。

図６に示すように、例えばｎ型不純物が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体基板１Ｓ上に、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）等を使用することにより、ｎ型バッファ層ＢＦ、ｎ型クラッド層ＮＣＬＤ、ｎ側光閉じ込め層ＯＷＧ１、活性層ＭＱＷ、キャップ層ＣＡＰ、ｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２、ｐ型クラッド層ＰＣＬＤ、およびｐ型コンタクト層ＰＣＮＴを順次積層する。

このとき、ｎ型バッファ層ＢＦは、例えばｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される。ｎ型クラッド層ＮＣＬＤは、例えばｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）が導入された窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）から形成される。ｎ側光閉じ込め層ＯＷＧ１およびｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される。活性層ＭＱＷは、例えば窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる量子井戸層と、窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる障壁層とを交互に積層した量子井戸構造から形成される。そして、量子井戸層を構成する窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）のインジウム組成と、障壁層を構成する窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）のインジウム組成とは異なっており、所望の発振波長に応じて、インジウム組成と層厚が調整される。キャップ層ＣＡＰは、例えば窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）から形成される。ｐ型クラッド層ＰＣＬＤは、例えばｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）と、ｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）が導入された窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）とを交互に積層した１３０周期の超格子構造から形成される。ｐ型コンタクト層ＰＣＮＴは、例えばｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される。

次に、図７に示すように、フォトリソグラフィ技術を使用することにより、所望の幅を有するストライプ状のエッチングマスクを形成する。そして、このエッチングマスクを形成した状態で、例えば塩素系ガスを使用したドライエッチング技術により、ｐ型コンタクト層ＰＣＮＴをエッチングし、さらに、ｐ型クラッド層ＰＣＬＤの途中までエッチングする。これにより、所望の幅のリッジストライプＲＳが形成される。

ここで所望の幅とは、前述の図５を用いて説明したストライプ幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５である。また、ｐ型クラッド層ＰＣＬＤをエッチングする深さは、半導体レーザ素子の水平横モード特性、電流−光出力特性、および電流−電圧特性等に影響を与えるため、要求されるデバイス特性等を考慮して、最適な値を選択する。

次に、図８に示すように、半導体基板１Ｓの主面である素子形成面の全面に絶縁膜ＩＦを形成する。絶縁膜ＩＦは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等から形成され、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を使用することにより形成することができる。

次に、図９に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、ｐ型コンタクト層ＰＣＮＴ上に形成されている絶縁膜ＩＦを除去した後、パラジウム（Ｐｄ）膜およびプラチナ（Ｐｔ）膜を、例えば蒸着法で積層形成する。そして、積層したパラジウム（Ｐｄ）膜およびプラチナ（Ｐｔ）膜をパターニングした後、適当な条件で加熱してアロイ処理（合金処理）することにより、ｐ側電極ＰＥを形成する。このｐ側電極ＰＥは、例えば５本のリッジストライプＲＳにわたって形成される。この結果、ｐ側電極ＰＥは、５本のリッジストライプＲＳの共通電極となる。さらに、ｐ側電極ＰＥ上には、カバー電極またはメッキパッド等を形成することができる。

次に、図１０に示すように、半導体基板１Ｓの裏面を研磨して、例えば１００μｍ程度まで薄板化した後、半導体基板１Ｓの裏面に、チタン（Ｔｉ）膜および金（Ａｕ）膜を、例えば蒸着法で積層形成する。その後、適当な条件で加熱してアロイ処理することにより、ｎ側電極ＮＥを形成する。

その後、へき開によるレーザーミラーを形成し、さらに素子分離を形成することにより、半導体レーザ素子を製造することができる。

＜実施の形態１における半導体レーザ素子の効果＞
実施の形態１における半導体レーザ素子の効果について、図１１〜図１３を用いて説明する。図１１は、実施の形態１における半導体レーザ素子のストライプ幅とリッジストライプの素子抵抗との関係を示すグラフ図である。図１２は、実施の形態１における半導体レーザ素子のリッジストライプの位置とストライプ幅との関係を示すグラフ図である。図１３は、実施の形態１における半導体レーザ素子のリッジストライプの位置と素子抵抗との関係を示すグラフ図である。

窒化物半導体では、ｐ型層の抵抗が高く、素子抵抗に対する寄与が大きいため、リッジストライプＲＳのストライプ幅、具体的にはリッジストライプＲＳを構成するｐ型クラッド層ＰＣＬＤの幅およびｐ型コンタクト層ＰＣＮＴの幅に対して素子抵抗が大きく変化する。すなわち、図１１に示すように、リッジストライプＲＳのストライプ幅が小さいほど、素子抵抗は大きくなる。

従って、図１２に示すように、半導体レーザ素子の中央部の近くに位置するリッジストライプＲＳほど、そのストライプ幅を小さくすれば、図１３に示すように、複数のリッジストライプＲＳにおいて、素子抵抗を均一にすることが可能となる。素子抵抗を均一すれば、複数のリッジストライプＲＳのそれぞれに電流が均一に注入されるので、関連技術における半導体レーザ素子において説明したような、局所的なリッジストライプＲＳの発熱量の増加に起因した劣化を防止することができる。

これにより、半導体レーザ素子の安定動作を実現することができる。また、半導体レーザ素子の長寿命化を実現することができる。

（実施の形態２）
前述した実施の形態１では、隣り合うリッジストライプＲＳ間のリッジ非形成領域の幅を一定としたが、実施の形態２では、隣り合うリッジストライプＲＳ間のリッジ非形成領域の幅が、半導体レーザ素子の端部から中央部にかけて段階的に大きくなっている。

実施の形態２と前述した実施の形態１との相違点は、隣り合うリッジストライプＲＳ間のリッジ非形成領域の幅であり、その他の構造は、前述の実施の形態１における半導体レーザ素子と同一または実質的に同一であるので、ここでの説明は省略する。

＜実施の形態２における半導体レーザ素子の構成および特徴＞
実施の形態２における半導体レーザ素子を図１４を用いて説明する。図１４は、実施の形態２における半導体レーザ素子の平面図である。ここでは、５本のリッジストライプを有する半導体レーザ素子にあてはめて具体的に説明するが、これに限定されるものではなく、これより多くても少なくてもよい。

図１４に示すように、前述の実施の形態１において説明した半導体レーザ素子と同様に、リッジストライプＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３，ＲＳ４，およびＲＳ５のそれぞれのＸ方向のストライプ幅をＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，およびＷ５とする。

Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘ３、およびＸ３＞Ｘ４＞Ｘ５
であるから、
Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３、およびＷ３＜Ｗ４＜Ｗ５
となる。

これを基にして、例えばＷ１＝Ｗ５＝１２μｍ、Ｗ２＝Ｗ４＝１１μｍ、Ｗ３＝１０μｍと設計することができる。

さらに、リッジストライプＲＳ１の外側のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ１、リッジストライプＲＳ１とリッジストライプＲＳ２との間のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ２、リッジストライプＲＳ２とリッジストライプＲＳ３との間のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ３とする。さらに、リッジストライプＲＳ３とリッジストライプＲＳ４との間のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ４、リッジストライプＲＳ４とリッジストライプＲＳ５との間のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ５、リッジストライプＲＳ５の外側のリッジ非形成領域のＸ方向の幅をｄ６とする。

この場合、例えばｄ１＝ｄ６＝７２μｍ、ｄ２＝ｄ５＝４０μｍ、ｄ３＝ｄ４＝６０μｍと設計することができる。すなわち、半導体レーザ素子の中央部に近いリッジ非形成領域の幅ｄ３，ｄ４を、中央部から離れたリッジ非形成領域の幅ｄ２，ｄ５よりも大きくしている。なお、半導体レーザ素子の外側に位置する２つのリッジ非形成領域は、半導体レーザ素子を半導体チップに個片化する際に切断面となる領域であるので、この幅ｄ１，ｄ６は大きくしている。

＜実施の形態２における半導体レーザ素子の効果＞
隣り合うリッジストライプＲＳ間の間隔が狭い場合ほど、熱干渉により温度上昇が生じる。そして、素子抵抗は温度上昇により低下する。従って、複数のリッジストライプＲＳのそれぞれのストライプ幅を、半導体レーザ素子の端部から中央部にかけて段階的に小さくすることに加えて、隣り合うリッジストライプＲＳ間のリッジ非形成領域の幅を、半導体レーザ素子の端部から中央部にかけて段階的に大きくすることにより、複数のリッジストライプＲＳにおいてより電流が均一に注入される。

これにより、実施の形態１における半導体レーザ素子よりも、複数のリッジストライプＲＳへの電流の不均一注入がより解消されて、半導体レーザ素子の安定動作を実現することができる。

（実施の形態３）
前述の実施の形態１，２では、リッジ型半導体レーザ素子について説明したが、実施の形態３では、埋め込み型半導体レーザ素子について説明する。

＜実施の形態３における半導体レーザ素子の構成＞
実施の形態３における半導体レーザ素子の構成を図１５および図１６を用いて説明する。図１５は、実施の形態３における半導体レーザ素子の断面図である。図１６は、実施の形態３における半導体レーザ素子の平面図である。

実施の形態３における半導体レーザ素子は、窒化物半導体を構成材料とし、かつ、電流ブロック層に形成されたストライプ状の複数の開口部に埋め込まれた埋め込みストライプを有するアレイ型の半導体レーザ素子である。実施の形態３では、５本の埋め込みストライプを有する半導体レーザ素子について説明するが、これに限定されるものではなく、これより多くても少なくてもよい。

図１５および図１６に示すように、半導体レーザ素子は、例えば半導体基板１Ｓ上に、ｎ型バッファ層ＢＦ、ｎ型クラッド層ＮＣＬＤ、ｎ側光閉じ込め層ＯＷＧ１、活性層ＭＱＷ、キャップ層ＣＡＰ、およびｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２が下層から順に形成されている。

さらに、このｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２上に、ストライプ状の電流ブロック層ＢＬが形成されている。電流ブロック層ＢＬは、例えば６本形成されている。そして、隣り合う電流ブロック層ＢＬの間の領域（ストライプ状の開口部ＯＰ）を含めて、電流ブロック層ＢＬ上に、ｐ型クラッド層ＰＣＬＤが形成され、ｐ型クラッド層ＰＣＬＤ上にｐ型コンタクト層ＰＣＮＴが形成されている。隣り合う電流ブロック層ＢＬの間のｐ型クラッド層ＰＣＬＤが、埋め込みストライプＳＷである。なお、図示は省略するが、ｐ型コンタクト層ＰＣＮＴ上にｐ側電極が形成され、半導体基板１Ｓの裏面にｎ側電極が形成されている。

電流ブロック層ＢＬは、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、その厚さは、例えば０．１μｍである。この電流ブロック層ＢＬは電流狭窄層として機能するとともに、光分布制御層としても機能する。

＜実施の形態３における半導体レーザ素子の特徴＞
実施の形態３における半導体レーザ素子の特徴は、半導体レーザ素子を構成する複数の埋め込みストライプＳＷのＸ方向のストライプ幅にあり、複数の埋め込みストライプＳＷのそれぞれのストライプ幅が、半導体レーザ素子の端部から中央部にかけて段階的に小さくなっている。

まず、実施の形態３における半導体レーザ素子の特徴を説明する。

複数の埋め込みストライプＳＷを埋め込みストライプＳＷ（ｎ）（（ｎ）＝１、２、・・・）と表す。ここで（ｎ）は、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面からＹ方向に沿う他方側面に向かって配置された複数の埋め込みストライプＳＷの順番を示している。

複数の埋め込みストライプＳＷ（ｎ）に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面または他方側面から、埋め込みストライプＳＷ（ｎ）のストライプ幅の中心までの距離をＸ（ｎ）とする。ここで、距離Ｘ（ｎ）は、埋め込みストライプＳＷ（ｎ）のストライプ幅の中心と、埋め込みストライプＳＷ（ｎ）が近い側の半導体レーザ素子のＹ方向に沿う側面との距離とする。また、埋め込みストライプＳＷ（ｎ）のストライプ幅をＷ（ｎ）とする。

このとき、埋め込みストライプＳＷ（ｎ）のストライプ幅Ｗ（ｎ）は、上記式（１）および式（２）を用いて表すことができる。

次に、前述の図１６を用いて、実施の形態３における半導体レーザ素子の特徴を、５本の埋め込みストライプＳＷを有する半導体レーザ素子にあてはめて具体的に説明する。

埋め込みストライプＳＷ１に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面から、埋め込みストライプＳＷ１のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ１とする。同様に、埋め込みストライプＳＷ２に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面から、埋め込みストライプＳＷ２のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ２とする。同様に、埋め込みストライプＳＷ３に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う一方側面から、埋め込みストライプＳＷ３のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ３とする。

さらに、埋め込みストライプＳＷ４に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う他方側面から、埋め込みストライプＳＷ４のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ４とする。同様に、埋め込みストライプＳＷ５に対して、半導体レーザ素子のＹ方向に沿う他方側面から、埋め込みストライプＳＷ５のＸ方向の中心までのＸ方向の距離をＸ５とする。

また、埋め込みストライプＳＷ１のストライプ幅をＷ１、埋め込みストライプＳＷ２のストライプ幅をＷ２、埋め込みストライプＳＷ３のストライプ幅をＷ３、埋め込みストライプＳＷ４のストライプ幅をＷ４、埋め込みストライプＳＷ５のストライプ幅をＷ５とする。

これらを上記式（１）および式（２）にあてはめると、
Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘ３、およびＸ３＞Ｘ４＞Ｘ５
であるから、
Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３、およびＷ３＜Ｗ４＜Ｗ５
となる。

これを基にして、例えばＷ１＝Ｗ５＝１２μｍ、Ｗ２＝Ｗ４＝１１μｍ、Ｗ３＝１０μｍと設計することができる。

さらに、埋め込みストライプＳＷ１の外側の電流ブロック層ＢＬのＸ方向の幅をｄ１、埋め込みストライプＳＷ１と埋め込みストライプＳＷ２との間の電流ブロック層ＢＬのＸ方向の幅をｄ２、埋め込みストライプＳＷ２と埋め込みストライプＳＷ３との間の電流ブロック層ＢＬのＸ方向の幅をｄ３とする。さらに、埋め込みストライプＳＷ３と埋め込みストライプＳＷ４との間の電流ブロック層ＢＬのＸ方向の幅をｄ４、埋め込みストライプＳＷ４と埋め込みストライプＳＷ５との間の電流ブロック層ＢＬのＸ方向の幅をｄ５、埋め込みストライプＳＷ５の外側の電流ブロック層ＢＬのＸ方向の幅をｄ６とする。

例えばｄ１＝ｄ６＝７２μｍ、ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝５０μｍと設計すると、Ｘ１＝Ｘ５＝７８μｍ、Ｘ２＝Ｘ４＝１３９．５μｍ、Ｘ３＝２００μｍとなり、距離Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５と幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５は、上記式（１）および式（２）の関係を満たす。

ここで、埋め込みストライプＳＷ（ｎ）のストライプ幅Ｗ（ｎ）の差分（Ｗ（ｎ）−Ｗ（ｎ±１））は、ストライプ幅Ｗ（ｎ）の５０％以内、好ましくは３０％以内とする。この差分が大きい場合は、レーザー発振電流の閾値等の違いが大きくなり、複数の埋め込みストライプＳＷ（ｎ）間における出力差が大きくなるため、好ましくない。

＜実施の形態３における半導体レーザ素子の製造方法＞
実施の形態３における半導体レーザ素子の製造方法を、図１７〜図１９を用いて説明する。図１７〜図１９は、実施の形態３における半導体レーザ素子の断面図である。

図１７に示すように、例えばｎ型不純物が導入された窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体基板１Ｓ上に、例えば有機金属気相成長法等を使用することにより、ｎ型バッファ層ＢＦ、ｎ型クラッド層ＮＣＬＤ、ｎ側光閉じ込め層ＯＷＧ１、活性層ＭＱＷ、キャップ層ＣＡＰ、ｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２、および電流ブロック層ＢＬを順次積層する。

このとき、電流ブロック層ＢＬは、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成され、電流ブロック層ＢＬの成長温度は、例えば２００℃〜８００℃である。活性層ＭＱＷの成長温度は、例えば８００℃であり、その他のｎ型バッファ層ＢＦ、ｎ型クラッド層ＮＣＬＤ、ｎ側光閉じ込め層ＯＷＧ１、キャップ層ＣＡＰ、およびｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２の成長温度は、例えば１１００℃である。

次に、図１８に示すように、電流ブロック層ＢＬ上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜ＳＩを形成する。続いて、フォトリソグラフィ技術を使用することにより、所望の幅を有するストライプ状のエッチングマスクを形成する。そして、このエッチングマスクを形成した状態で、例えばバッファードフッ酸（ＨＦ）を使用したエッチング技術により、絶縁膜ＳＩをエッチングし、その後、エッチングマスクを有機溶媒により除去して、水洗処理を行う。

次に、絶縁膜ＳＩをエッチングマスクとして、電流ブロック層ＢＬをエッチングする。このエッチングには、例えばリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）と硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）とを体積比１：１の割合で混合した溶液を使用する。絶縁膜ＳＩからなるエッチングマスクで覆われていない領域の電流ブロック層ＢＬは、８０℃に保持した上記溶液により除去されて、所望の幅のストライプ状の開口部ＯＰが形成される。ここで、所望の幅とは、前述の図１６を用いて説明したストライプ幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５である。その後、例えばバッファードフッ酸（ＨＦ）を使用したエッチング技術により、絶縁膜ＳＩを除去する。

次に、図１９に示すように、例えば有機金属気相成長法等を使用した埋め込み再成長により、ストライプ状の電流ブロック層ＢＬが形成されたｐ側光閉じ込め層ＯＷＧ２上に、ｐ型クラッド層ＰＣＬＤを形成し、さらに、ｐ型クラッド層ＰＣＬＤ上にｐ型コンタクト層ＰＣＮＴを形成する。この埋め込み再成長により、ストライプ状の開口部ＯＰがｐ型クラッド層ＰＣＬＤで埋め込まれた構造となる。

次に、図示は省略するが、ｐ型コンタクト層ＰＣＮＴ上にｐ側電極を形成する。続いて、半導体基板１Ｓの裏面を研磨して、例えば１００μｍ程度まで薄板化した後、半導体基板１Ｓの裏面にｎ側電極を形成する。その後、へき開によるレーザーミラーを形成し、さらに素子分離を形成することにより、半導体レーザ素子を製造することができる。

＜実施の形態３における半導体レーザ素子の効果＞
埋め込み型半導体レーザ素子においても、前述の実施の形態１で説明したリッジ型半導体レーザ素子と同様に、複数の埋め込みストライプＳＷのそれぞれのストライプ幅を、半導体レーザ素子の端部から中央部にかけて段階的に小さくすることにより、複数の埋め込みストライプＳＷにおいて電流を均一に注入することができる。

これに加えて、前述の実施の形態２で説明したリッジ型半導体レーザ素子と同様に、隣り合う埋め込みストライプＳＷ間のリッジ非形成領域の幅を、半導体レーザ素子の端部から中央部にかけて段階的に大きくしてもよい。

これにより、複数の埋め込みストライプＳＷへの電流の不均一注入が解消されて、半導体レーザ素子の安定動作を実現することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１Ｓ 半導体基板
ＢＦ ｎ型バッファ層
ＢＬ 電流ブロック層
ＣＡＰ キャップ層
ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５，ｄ６ 幅
ＩＦ 絶縁膜
ＭＧＷ 活性層
ＮＣＬＤ ｎ型クラッド層
ＮＥ ｎ側電極
ＯＰ 開口部
ＯＷＧ１ ｎ側光閉じ込め層
ＯＷＧ２ ｐ側光閉じ込め層
ＰＣＬＤ ｐ型クラッド層
ＰＣＮＴ ｐ型コンタクト層
ＰＥ Ｐ側電極
ＲＳ，ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３，ＲＳ４，ＲＳ５ リッジストライプ
ＳＩ 絶縁膜
ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５ 埋め込みストライプ
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５ 距離
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５ ストライプ幅

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に、第１方向に互いに離間して、前記第１方向と直交する第２方向に延在して形成された、前記第１導電型とは異なる第２導電型のストライプ状の複数の窒化物半導体層と、
   を有する半導体装置であって、
   前記第１方向において、前記窒化物半導体層のストライプ幅が、前記基板の端部から中央部にかけて段階的に小さくなる、半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、
   隣り合う２つの前記窒化物半導体層のそれぞれのストライプ幅を、第１ストライプ幅と、前記第１ストライプ幅よりも大きい第２ストライプ幅とすると、
   前記第１ストライプ幅と前記第２ストライプ幅との差分が、前記第２ストライプ幅の５０％以下である、半導体装置。
3. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記複数の窒化物半導体層のそれぞれは、隣りに位置する前記窒化物半導体層との間にストライプ状の間隔を有して形成されており、
   前記第１方向において、前記ストライプ状の間隔が、前記基板の端部から中央部にかけて段階的に大きくなる、半導体装置。
4. 請求項２または３に記載の半導体装置において、
   隣り合う２つの前記窒化物半導体層のそれぞれのストライプ幅を、第１ストライプ幅と、前記第１ストライプ幅よりも大きい第２ストライプ幅とすると、
   前記第１ストライプ幅と前記第２ストライプ幅との差分が、前記第２ストライプ幅の３０％以下である、半導体装置。
5. 請求項４記載の半導体装置において、
   前記複数の窒化物半導体層のそれぞれは、隣りに位置する前記窒化物半導体層との間にストライプ状の間隔を有して形成されており、
   前記複数の窒化物半導体層のそれぞれの側面には、絶縁膜が形成されている、半導体装置。
6. 請求項５記載の半導体装置において、
   前記窒化物半導体層は、凸形状の前記第２導電型の第２クラッド層から構成され、
   前記第２クラッド層は、マグネシウムが導入された窒化ガリウムと、マグネシウムが導入された窒化アルミニウム・ガリウムとを交互に積層した超格子構造からなる、半導体装置。
7. 請求項４記載の半導体装置において、
   前記複数の窒化物半導体層のそれぞれは、隣りに位置する前記窒化物半導体層との間にストライプ状の間隔を有して形成されており、
   前記ストライプ状の間隔には、電流ブロック層が形成されている、半導体装置。
8. 請求項７記載の半導体装置において、
   前記電流ブロック層は、窒化アルミニウムからなる、半導体装置。
9. 請求項７記載の半導体装置において、
   前記窒化物半導体層は、隣り合う前記電流ブロック層の間に形成されたストライプ状の開口部に埋め込まれた前記第２導電型の第２クラッド層から構成され、
   前記第２クラッド層は、マグネシウムが導入された窒化ガリウムと、マグネシウムが導入された窒化アルミニウム・ガリウムとを交互に積層した超格子構造からなり、
   前記電流ブロック層は、窒化アルミニウムからなる、半導体装置。
10. 請求項６または９に記載の半導体装置において、
    前記第１クラッド層は、シリコンが導入された窒化アルミニウム・ガリウムからなり、前記活性層は、窒化インジウム・ガリウムからなる量子井戸層と、窒化インジウム・ガリウムからなる障壁層とを交互に積層した量子井戸構造からなる、半導体装置。

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